【手続補正書】
【提出日】平成16年9月10日(2004.9.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【発明の名称】  超音波送受波器および超音波流量計
【特許請求の範囲】
【請求項１】  下方開放部が端子板で閉塞された有天状の導電性のケースと、上下に電極面を有し、前記ケースの内頂面にこの上方の電極を接続させた圧電体と、前記端子板に電気的に接続して取り付けた第１の端子と、前記端子板に絶縁して取り付けた第２の端子と、前記圧電体の下方電極面と第２の端子とを接続する導電部、およびその導電部の周りに配置した絶縁部からなり、前記端子板の保持穴に収納された弾性体とを具備し、前記保持穴の内周面と弾性体の外周面とは異形状に設定することによって複数部位で部分接触させ、これら保持穴の内周面と弾性体の外周面との間に空間部を形成した超音波送受波器。
【請求項２】  ケース内部に窒素ガスを封入した請求項１記載の超音波送受波器。
【請求項３】  保持穴の内周面と弾性体の外周面とのいずれか一方を円形に、他方を多角形に設定した請求項１または２記載の超音波送受波器。
【請求項４】  保持穴の内周面と弾性体の外周面とのいずれか一方を真円形に、他方を正多角形に設定した請求項１〜３いずれか１項記載の超音波送受波器。
【請求項５】  弾性体の端部を、断面積が小さくなるような段付き形状に設定した請求項１〜４いずれか１項記載の超音波送受波器。
【請求項６】  弾性体は、高さが保持穴の横断面の最大寸法よりも大である請求項１〜５いずれか１項記載の超音波送受波器。
【請求項７】  弾性体の高さは、その横断面の最大寸法に対する比率を、導電部が導通不良となる座屈限界以内となるように設定した請求項１〜６いずれか１項記載の超音波送受波器。
【請求項８】  流路を流れる流体の流量を測定する流量測定部と、この流量測定部に設けられた請求項１〜７いずれか１項記載の１対の超音波送受波器と、この超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測する計測回路と、この計測回路からの信号に基づいて流量を求める流量演算回路とを備えた超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波パルスの送受信を行う超音波送受波器およびこの超音波送受波器を用いて気体や液体の流量の計測を行う超音波流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の超音波送受波器で一般的に用いられているものは、圧電体の電極面と外部電極とを電気的に接続するために、リード線を電極面に半田付けしていた。ところが半田付けを用いた電気的接続方法では、半田付けした場所への熱的影響や付着する半田量によって、超音波送受波器の周波数特性や送受信感度のばらつきが生じ、この超音波送受波器を超音波流量計に用いた場合には測定精度に影響を与えるという問題があった。
【０００３】
そこで、前記電気的接続に半田付けを用いない方法として、特開平２００１−５０７８５号公報に開示されるものがある。この超音波送受波器は図４に示すように、導電性を有する弾性体２０を、圧電体７の電極面７ａと端子板８の端子８ａとの間に挟んで加圧することにより電気的接続を図っている。具体的には、シリコン系ゴムからなる導電ゴムや図示するように、導電層２０ａと絶縁層２０ｂを層状に交互に配置して弾性を保持するように構成した弾性体２０を、端子板８の凹部１９に落とし込んでから圧電体７と端子８ａとの間で挟持して加圧し、この状態で端子板８の外周部８ｃと圧電体７を内包するケース１１のフランジ部１１ａを、電気溶接により接合している。端子板８に設けられている端子８ａ、８ｂ間は、ガラス（絶縁部）１4 で電気的に絶縁されている。この結果、電極面７ａと端子８ａは電気的に接続され、もう一方の電極面７ｂが外部電極を兼ねたケース１１、端子板８の外周部８ｃを介して端子８ｂに電気的に接続され、ケース１１と端子板８とで形成された密封空間１３に、窒素ガスを充填している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の超音波送受波器の電気的接続方法では、弾性体２０が圧電体７と端子板８とで挟持されているだけなので、端子板８の凹部１９内を横方向に移動しやすい。そのため移動した際に、層状に配置された導電層２０ａ下面が絶縁部であるガラス１４に接触してその部分が導通不良になり効率的な導通が図れないという問題が生じる。
【０００５】
そこで弾性体２０の横方向の移動を規制するために、端子板８に保持穴を設け、その保持穴で弾性体２０を保持することが考えられるが、そうした場合には、図４に示す従来例のような弾性体２０周囲の空間部が形成されず、保持穴内周面に密着されてしまうので、その下方に隙間ができた場合には、その隙間の空気が窒素ガスの充填の際にうまく排気されず、窒素ガスに置換されない空気溜まりとして残ってしまうおそれがある。特に、保持穴の内側にガラス材料で絶縁部を形成する場合には、表面膨張を避けて端子８ａの頭部を絶縁部表面より突出させる必要があり、その周辺に空気溜まりが確実に残ってしまう（実際上は従来図のように端子８ａの頭部とガラス１４の表面を面一にできない。）。
【０００６】
この空気溜まりに残留した空気によって、圧電体７の電極面７ａが酸化して導通不良の原因になるし、ケース１１に圧電体７を接着しているエポキシ樹脂と水分が反応してエポキシ樹脂が膨潤し、接着の信頼性が低下したり、導通不良を招くこともある。
【０００７】
また弾性体２０は、層状に配された導電層２０ａが組立時の加圧によって座屈しないように、その高さを横断面の最大寸法よりも小さく設定しており、凹部１９への挿入方向が間違っていても挿入ができるため、組立時に挿入ミス（導電層２０ａが横方向になる）が生じやすいという問題もある。
【０００８】
そこで本発明は上記従来の問題を解決し、容易かつ適正方向に弾性体を保持すると共に導通不良を防止し、信頼性の高い超音波送受波器と、その１対の超音波送受波器を用いて精度良く計測を行うことのできる超音波流量計を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、下方開放部が端子板で閉塞された有天状の導電性のケースと、上下に電極面を有し、前記ケースの内頂面にこの上方の電極を接続させた圧電体と、前記端子板に電気的に接続して取り付けた第１の端子と、前記端子板に絶縁して取り付けた第２の端子と、前記圧電体の下方電極面と第２の端子とを接続する導電部、およびその導電部の周りに配置した絶縁部からなり、前記端子板の保持穴に収納された弾性体とを具備し、前記保持穴の内周面と弾性体の外周面とは異形状に設定することによって複数部位で部分接触させ、これら保持穴の内周面と弾性体の外周面との間に空間部を形成したものである。
【００１０】
上記発明によれば、導電性を有する弾性体を保持穴に部分的に接触させて横方向の移動を規制することができ、弾性体の移動による導通不良を防止することができるため信頼性が向上する。
【００１１】
また、弾性体を端子板に保持した状態でその後の組立が行えるので、組立作業が容易になる。さらに、弾性体の側周面と保持穴の内周面との間に形成される空間部により排気が行われるので、保持穴において弾性体の下方にできる隙間が空気溜まりになることがなく、圧電体の電極面が酸化して導通不良が起きることを防止することができ、ケースに圧電体をエポキシ樹脂で接着している場合には、エポキシ樹脂の膨潤による接着の信頼性の低下、それによって起きる導通不良を防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、下方開放部が端子板で閉塞された有天状の導電性のケースと、上下に電極面を有し、前記ケースの内頂面にこの上方の電極を接続させた圧電体と、前記端子板に電気的に接続して取り付けた第１の端子と、前記端子板に絶縁して取り付けた第２の端子と、前記圧電体の下方電極面と第２の端子とを接続する導電部、およびその導電部の周りに配置した絶縁部からなり、前記端子板の保持穴に収納された弾性体とを具備し、前記保持穴の内周面と弾性体の外周面とは異形状に設定することによって複数部位で部分接触させ、これら保持穴の内周面と弾性体の外周面との間に空間部を形成したものである。
【００１３】
この超音波送受波器によれば、導電性を有する弾性体が端子板の保持穴で側周面が部分的に接触して保持された状態で、圧電体の電極面と外部電極端子との間で挟持されているので、横方向の移動を規制することができ、弾性体の移動による導通不良を防止することができるため信頼性が向上する。また、弾性体を圧電体と端子板とで挟持するだけの従来方法に比べ、端子板に保持した状態でその後の組立が行えるので、組立作業が容易になる。
【００１４】
さらに、前記保持後に弾性体の下方に隙間ができても、弾性体の側周面と保持穴の内周面とは異形であり空間部が形成されているので、その空間部により圧電体を内包するケースと端子板とで形成されるような密閉空間と連通し、前記隙間の排気が確実に行えるのでその隙間が空気溜まりになることがない。
【００１５】
従って、例えば、ケース内部に封入すべき窒素ガスに空気溜まりに残留した空気が混入して圧電体の電極面が酸化して導通不良が起きることを防止することができる。また、ケースに圧電体をエポキシ樹脂で接着している場合には、エポキシ樹脂の膨潤による接着の信頼性の低下、それによって起きる導通不良を防止することができる。尚、圧電体の電極面と外部電極端子との電気的接続に半田を用いないので、周波数特性や送受信感度に影響を受けないことは勿論である。
【００１６】
保持穴の内周面と弾性体の外周面の具体的な形状としては、保持穴の内周面と弾性体の外周面とのいずれか一方を円形に、他方を多角形に設定することが考えられ、特に、いずれか一方を真円形に、他方を正多角形に設定すれば、それらの中心が一致することとなる。
【００１７】
弾性体の端部を、断面積が小さくなるような段付き形状にすることも考えられる。例えば、圧電体の下方電極面に圧接している側を段付き形状とすれば、その下方電極面に対する加圧を効率良く行うことができる。
【００１８】
また、弾性体において、その高さを保持穴の横断面の最大寸法よりも大とすることで、弾性体を保持穴に挿入する際に、縦長形状のものを容易に把持でき、その把持した状態の挿入方向でしか挿入不可能であるので挿入方向を間違えることがなく、挿入ミスを防止することができる。
【００１９】
さらに、弾性体において、横断面の最大寸法に対する高さの比率を、導電部が導通不良となる座屈限界以内となるように設定すれば、導通材料が強い加圧力によって導通不良を起こすことを防ぐことができる。
【００２０】
そして、前記した超音波送受波器を流体の流量計に搭載することによって計測精度の向上が期待できるものである。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図１〜図３を参照して説明する。
【００２２】
図１は本発明の超音波送受波器を用いた超音波流量計の概略構成図である。図１において、１はＬＰガスや天然ガスなどの流体が流れる流路であり、２はこの流路１を流れる流体の流量を測定する流量測定部であり、３、４は流路１に対向して配され超音波を送受信する超音波送受波器、５は超音波送受波器３、４間の超音波伝搬時間を計測する計測回路、６は計測回路５からの信号に基づいて流量を求める流量演算回路である。
【００２３】
上記のように構成される流量測定部２での超音波流量計の動作を説明する。超音波送受波器３と超音波送受波器４の中心を結ぶ距離をＬとし、この直線と流れの方向である流路１の長手方向となす角度をθとする。また流体の無風状態での音速をＣ、流路１内での流体の流速をＶとする。流量測定部２の上流側に配置された超音波送受波器３から送信された超音波は流路１を斜めに横断し、下流側に配置された超音波送受波器４で受信する。このときの伝搬時間ｔ１は、
【００２４】
【数１】
2003270011.tif 000001
で示される。次に超音波送受波器４から超音波を送信して超音波送受波器３で受信する。このときの伝搬時間ｔ２は、
【００２５】
【数２】
2003270011.tif 000002
で示される。そしてｔ１とｔ２の式から流体の音速Ｃを消去すると、
【００２６】
【数３】
2003270011.tif 000003
の式が得られる。Ｌとθが既知なら、計測回路５にてｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。この流速Ｖから流量Ｑは、流路１の断面積をＳ、補正係数をＫとすれば、流量演算回路６で、Ｑ＝ＫＳＶを演算して流量を求めることができる。
【００２７】
以上のような動作原理で流量計測を行う超音波流量計に用いる超音波送受波器について図２と図３を用いて説明する。図２は超音波送受波器を示す縦断面図で、図３は超音波送受波器内の要部（端子板の中央部分）を示し、（ａ）は上方から見たときの平面図、（ｂ）はその縦断面図である。
【００２８】
図２において、超音波送受波器３（４）は、対向する１対の電極面７ａ、７ｂを有する圧電体７と、各電極面７ａ、７ｂにそれぞれ電気的に接続する外部電極端子８ａ、８ｂを有する端子板８と、圧電体７の電極面７ａと外部電極端子８ａとの間で、端子板８の中央に形成された保持穴９で保持されて電気的接続を図る導電性を有する弾性体１０とを備えている。圧電体７は、フランジ部１１ａを有する有天筒状のステンレス製のケース１１の天部内面にエポキシ系接着剤により接着され、その反対側つまりケース１１の天部外面には音響整合層１２がエポキシ系接着剤により接着されている。尚、圧電体７に設けられた溝７ｃは、超音波を効率良く送受信するために、厚み縦振動を主モードとさせるためのものである。また、圧電体７はケース１１への前記接着剤の厚みを薄くすることにより、接着固定と同時に電極面７ｂとケース１１との電気的接続を図ることができる。
【００２９】
導電性を有する弾性体１０は、シリコン系ゴムからなる導電ゴム等、導電性を有する弾性体であれば他の弾性材料で成形してもかまわないが、本実施例では、軸心方向の中心位置に配される導電部１０ａと、その周囲に配される絶縁部１０ｂとからなる柱状に形成されたものを用いている。この弾性体１０が端子板８の保持穴９に保持され、且つ圧電体７と外部電極端子８ａとの間に挟持して加圧され、この状態で端子板８の外周部８ｃとケース１１のフランジ部１１ａを電気溶接により接合する。すると、ケース１１と端子板８とで密閉空間１３が形成され、この密閉空間１３を排気して窒素ガスなどの不活性ガスで置換する。
【００３０】
なお、端子板８は金属製で、外周部８ｃ付近には端子８ｂが、中央部には端子８ａが設けられているが、端子８ａの周囲（保持穴９の内側）にはガラス（絶縁部）１４が設けられることにより、両端子８ａ、８ｂ間は電気的に絶縁されている。この結果、電極面７ａと端子８ａは電気的に接続され、電極面７ｂは外部電極を兼ねたケース１１、端子板８の外周部８ｃを介して端子８ｂに電気的に接続される。なお、弾性体１０の全体を導電ゴムで成形した場合には、保持穴９に保持された場合に端子板８と導通してしまうので、ガラス１４を設ける位置を保持穴９周囲より外周側に設けて両端子８ａ、８ｂ間の絶縁を図る必要がある。
【００３１】
保持穴９は、図３（ａ）の平面図（圧電体７との境界面を上方から見た状態で示している。）で示すように、その横断面形状が円形に形成されており、弾性体１０は、横断面形状が正六角形に形成されている。つまり、弾性体１０は、その側周面１０ｃが保持穴９の内周面９ａに対して異形状に形成され、且つ部分的に接触するように形成されている。その結果、弾性体１０の側周面１０ｃと保持穴９の内周面９ａとの間に、前記密閉空間１３と連通する空間部１５が形成されることになる。もし仮に、弾性体１０の保持穴９への保持を重視して内周面９ａと側周面１０ｃとをほぼ同形状に形成すると、保持穴９の内側で弾性体１０の下方に形成される隙間Ｓが、前記窒素ガスで置換する際に、空気溜まりとなってしまい、その空気による影響で圧電体７の電極面７ａが酸化し導通不良の原因となったり、ケース１１と圧電体７を接着しているエポキシ系接着剤が膨潤して接着の信頼性が低下したり、接着の厚みが増せばケース１１を介した電気的接続に影響すると云った問題が発生してしまう。
【００３２】
また、弾性体１０の部分的接触は、保持穴９に対して同心位置を保つように側周面１０ｃに複数の接触部１０ｄを形成して実現される。つまり弾性体１０が本実施例のように正多角形であれば、その縦方向の６辺が保持穴９の内周面９ａに部分的に接触する接触部１０ｄとなり、その横断面の半径と保持穴９の横断面の半径は同じくｒとなり、導電部１０ａの保持穴９の中心に確実に位置決めすることができるので好適である。尚、このような位置関係は、上述したように側周面１０ｃと内周面９ａとが互いに異形関係にあり、部分的に接触して前記空間部１５を形成できるものであれば、本実施例で示した形状のほか、保持穴９の横断面形状が四角形で弾性体１０の横断面形状が円形の場合など、その他、種々の形状のものを適用することも可能である。
【００３３】
また弾性体１０は、図３（ｂ）に拡大して示すように、高さＨが保持穴９の横断面の最大寸法Ｒよりも大きく形成されているので、弾性体１０を保持穴９に挿入する際に、縦長形状のものを容易に把持でき、その把持した状態の挿入方向でしか挿入不可能であるので挿入方向を間違えることがなく、挿入ミスを防止することができる。尚、弾性体１０の高さＨは、その横断面の最大寸法Ｒ（＝保持穴９の最大寸法Ｒ）に対する比率を、導電部１０ａが導通不良となる座屈限界以内となるように設定されている。なぜならば、導電材料として、例えばニッケル粒子に金メッキを施して導電性を有するようにした導電性金属粒子を用いていれば、限界以上に加圧されると導通不良を起こすからであり、このような高さ比率にすることにより、導電部１０ａの導電材料が座屈を起こさない状態で加圧することができる。
【００３４】
さらに弾性体１０は、上下両面が段付き形状となっている。つまり上面では加圧を効率良くでき、下面では加圧により絶縁部１０ｂの弾性材料が端子８ａの頭部を圧迫して、端子８ａと弾性体１０の導電部１０ａとの電気的接触が弱くなるのを防ぐことができる。加えて、この段付き形状は上下対称であるので、保持穴９への挿入時に上下方向が規制されないので、組立が容易になると共にその加工も容易になり好適である。また本実施例では、導電部１０ａが軸状に形成されて、それに併せて端子板８の頭部を接触させてポイント的に効率良く導通を行うことができ、導通コストの低減を図ることができる。
【００３５】
以上のように構成した超音波送受波器３（４）では、リード線の半田付け方法を用いないので、周波数特性や送受信感度のバラツキのない特性が一致した１対の超音波送受波器を得ることが可能となると共に、端子板８による保持により、導電性を有する弾性体１０の横方向の移動による導電不良を防ぎ、ケース１１内に空気溜まりを作らず、空気による酸化腐食によって生じる導電不良も防ぐことができる。こうした信頼性の高い超音波送受波器を超音波流量計に用いることにより、計測精度を向上させることができる。
【００３６】
本発明は上記実施例に示すほか種々の態様に構成することができ、例えば、ケースへの圧電体の内包形状や端子板の保持穴と弾性体との形状は、図示する形状のものに限定されない。
【００３７】
以上の説明から明らかなように上記実施例によれば次のような作用効果が期待できる。
【００３８】
（１）端子板を保持穴に保持してその横方向の移動を規制することができ、弾性体の移動による導通不良を防止して信頼性が高く組立が容易な構造になると共に、空気溜まりが生じるのを防ぎ、圧電体の電極面の酸化による導通不良や、エポキシ樹脂の接着面の接着の信頼性の低下などを防止することができる。
【００３９】
（２）弾性体を保持穴に保持した際に端子板との絶縁を図ることができ、導電部を軸状にすることで効率的な導通を図ることができ電池電力の低コスト化を図ることができる。
【００４０】
（３）万一、横方向に偏るようなことがあっても確実に空間部を確保することができる。
【００４１】
（４）端子板の加工が容易になる。
【００４２】
（５）弾性体に対して均一な加圧が行えると共に、特に第２の超音波送受波器において特に有効となり、軸状の導電部を保持穴の中心位置に確実に安定して効率的な導通を図ることができる。
【００４３】
（６）弾性体を保持穴に挿入する際に、容易に把持できると共に挿入方向を間違えることがなく、挿入ミスを防止することができる。
【００４４】
（７）導通材料が強い加圧力によって導通不良を起こすことを防ぐことができ、特に第２の超音波送受波器で特に有効である。
【００４５】
（８）超音波流量計に搭載することで、上述したように、導通不良を起こさず効率の良い電気的接続を図ることができ、かつ半田を用いずに特性を一致させやすいものとなり、計測精度が向上できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、信頼性の高い超音波送受波器が得られ、流量計測計に搭載することで高精度の計測を可能にしたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施例における超音波流量計を示す概略構成図
【図２】
同実施例における超音波送受波器を示す縦断面図
【図３】
同実施例における超音波送受波器の要部を示し、（ａ）は導電性を有する弾性体が端子板の保持穴に保持されている状態を示す平面図、（ｂ）はその縦断面図
【図４】
従来の超音波送受波器を示す断面図
【符号の説明】
１  流路
２  流量測定部
３、４  超音波送受波器
５  計測回路
６  流量演算回路
７  圧電体
７ａ、７ｂ  電極面
８  端子板
８ａ、８ｂ  外部電極端子
９  保持穴
９ａ  内周面
１０  導電性を有する弾性体
１０ａ  導電部
１０ｂ  絶縁部
１０ｃ  側周面