(57)【要約】超音波送受波器(5,6,30)は、金属板(16,31)と、前記金属板の一方面に固定された音響整合体(15)と、前記金属板の他方面に固定され、振動を発生する圧電体(17)と、前記金属板との固定面とは反対側の前記圧電体の面を覆う絶縁性制振部材(11,20)と、を備え前記絶縁性制振部材の厚み寸法が、前記絶縁性制振部材を伝播する前記振動の波長のｎ／２の長さ寸法に設定されている。
2013183292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板と、
前記金属板の一方面に固定された音響整合体と、
前記金属板の他方面に固定され、振動を発生する圧電体と、
前記金属板との固定面とは反対側の前記圧電体の背面を覆う絶縁性制振部材と、を備え、
前記絶縁性制振部材の厚み寸法が、前記絶縁性制振部材を伝播する前記振動の波長のｎ／２の長さ寸法に設定されている、超音波送受波器。
【請求項２】
金属板と、
前記金属板の一方面に固定された音響整合体と、
前記金属板の他方面に固定され、振動を発生する圧電体と、
前記金属板との固定面とは反対側の前記圧電体の背面を覆う絶縁性制振部材と、
前記圧電体より大きな密度を有し、前記圧電体を被覆する面とは反対側の前記絶縁性制振部材の背面に接する支持部と、を備え、
前記絶縁性制振部材の厚み寸法が、前記絶縁性制振部材を伝播する前記振動の波長の（２ｎ−１）／４の長さ寸法に設定されている、超音波送受波器。
【請求項３】
前記金属板は、平板状に形成されている、請求項１または２に記載の超音波送受波器。
【請求項４】
前記金属板は、筒状の側壁部と、前記側壁部の一端の開口を覆う天部と、前記側壁部の他端から外側に張り出す鍔部とを含む鍔付容器形状に形成され、
前記天部の一方面に前記音響整合体が固定され、
前記側壁部の内部空間において前記天部の他方面に前記圧電体が固定され、
前記絶縁性制振部材は、前記天部との固定面とは反対側の前記圧電体の背面を覆っている、請求項１または２に記載の超音波送受波器。
【請求項５】
前記絶縁性制振部材は、前記圧電体の背面に加え、前記圧電体の側面、および、前記音響整合体との固定部分および前記圧電体との固定部分を除く前記金属板の部分を一体的に覆っている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波送受波器。
【請求項６】
相互に超音波パルスを送受信する請求項１〜５のいずれか一項に記載の一対の超音波送受波器と、
前記一対の超音波送受波器が互いに離れて配置された流路部材と、
前記一対の超音波送受波器の間を前記超音波パルスが伝搬する時間を計測する伝搬時間計測部と、
前記伝搬時間計測部により計測された時間に基づいて前記被測定流体の流量を算出する演算部と、を備える超音波流量計。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波パルスを送受信する超音波送受波器、およびそれを備えた超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子を用いて超音波を送受信する超音波送受波器において、制振部材により圧電素子における不要振動を抑制することが知られている。たとえば、図７に示す特許文献１の超音波センサ７３では、圧電素子７０の片面に音響整合層７１が固定されている。この圧電素子７０を囲むように筒状ケース７２が音響整合層７１に固定されている。そして、圧電素子７０を埋めるように、筒状ケース７２内に弾性樹脂７４が充填されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２２４８９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記超音波センサ７３では、圧電素子７０で発生した機械振動は、音響整合層７１に伝搬し、音響整合層７１から超音波として照射される。しかし、この機械振動は、圧電素子７０から弾性樹脂７４にも伝わり、弾性樹脂７４を伝搬する。そして、機械振動が弾性樹脂７４の端面で反射して干渉により増幅すると、残響ノイズや伝搬ノイズが発生する。これらのノイズにより、超音波センサ７３が精度よく放射することができなくなる。【０００５】
この干渉の防止は、弾性樹脂７４の厚み寸法を大きくして、反射した機械振動を減衰させることにより実現される。しかしながら、超音波センサ７３のサイズが大型化してしまう。【０００６】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、超音波パルスを精度良く放射することができる、小型の超音波送受波器、およびそれを備えた超音波流量計を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様に係る、超音波送受波器は、金属板と、前記金属板の一方面に固定された音響整合体と、前記金属板の他方面に固定され、振動を発生する圧電体と、前記金属板との固定面とは反対側の前記圧電体の背面を覆う絶縁性制振部材と、を備え、前記絶縁性制振部材の厚み寸法が、前記絶縁性制振部材を伝播する前記振動の波長のｎ／２の長さ寸法に設定されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、以上に説明した構成を有し、超音波パルスを精度良く放射することができる、小型の超音波送受波器およびそれを備えた超音波流量計を提供することができるという効果を奏する。【０００９】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る超音波流量計を示す断面図である。
【図２】図１の超音波流量計の超音波送受波器を流路部材に取り付けた状態を示す断面図である。
【図３】図２の超音波送受波器の背面負荷部の厚みと超音波強さとの関係を模式的に表したグラフである。
【図４】本発明の実施の形態２に係る超音波送受波器を流路部材に取り付けた状態を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る超音波送受波器を流路部材に取り付けた状態を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態４に係る超音波送受波器を流路部材に取り付けた状態を示す断面図である。
【図７】従来の超音波センサを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
第１の本発明に係る超音波送受波器は、金属板と、前記金属板の一方面に固定された音響整合体と、前記金属板の他方面に固定され、振動を発生する圧電体と、前記金属板との固定面とは反対側の前記圧電体の背面を覆う絶縁性制振部材と、を備え、前記絶縁性制振部材の厚み寸法が、前記絶縁性制振部材を伝播する前記振動の波長のｎ／２の長さ寸法に設定されている。
【００１２】
第２の本発明に係る超音波送受波器は、金属板と、前記金属板の一方面に固定された音響整合体と、前記金属板の他方面に固定され、振動を発生する圧電体と、前記金属板との固定面とは反対側の前記圧電体の背面を覆う絶縁性制振部材と、前記圧電体より大きな密度を有し、前記圧電体を被覆する面とは反対側の前記絶縁性制振部材の背面に接する支持部と、を備え、前記絶縁性制振部材の厚み寸法が、前記絶縁性制振部材を伝播する前記振動の波長の（２ｎ−１）／４の長さ寸法に設定されている。
【００１３】
第３の本発明に係る超音波送受波器は、第１または第２の発明において、前記金属板は、平板状に形成されていてもよい。
【００１４】
第４の本発明に係る超音波送受波器は、第１または第２の発明において、前記金属板は、筒状の側壁部と、前記側壁部の一端の開口を覆う天部と、前記側壁部の他端から外側に張り出す鍔部とを含む鍔付容器形状に形成され、前記天部の一方面に前記音響整合体が固定され、前記側壁部の内部空間において前記天部の他方面に前記圧電体が固定され、前記絶縁性制振部材は、前記天部との固定面とは反対側の前記圧電体の面を覆っていてもよい。
【００１５】
第５の本発明に係る超音波送受波器は、第１〜第４のいずれかの発明において、前記絶縁性制振部材は、前記圧電体の背面に加え、前記圧電体の側面、および、前記音響整合体との固定部分および前記圧電体との固定部分を除く前記金属板の部分を一体的に覆っていてもよい。
【００１６】
第６の本発明に係る超音波流量計は、相互に超音波パルスを送受信する第１〜第５のいずれかの一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器が互いに離れて配置された流路部材と、前記一対の超音波送受波器の間を前記超音波パルスが伝搬する時間を計測する伝搬時間計測部と、前記伝搬時間計測部により計測された時間に基づいて前記被測定流体の流量を算出する演算部と、を備える。
【００１７】
（実施の形態１）
（超音波流量計の構成）
図１は、超音波送受波器５、６を装着した超音波流量計１００を模式的に示す断面図である。超音波流量計１００は、図１に示すように、流路を流れる被測定流体の流量を計測する装置であって、流路部材３に取り付けられている。流路部材３は、たとえば、円筒形状の管で形成され、その両端のそれぞれに一方開口１および他方開口２を有している。流路部材３の内部空間が流路として用いられ、この流路は一方開口１および他方開口２と連通している。また、流路部材３には、その管壁を貫通する一方開口部４および他方開口部４が設けられている。各開口部４は、たとえば、流路部材３の外側へ突出し、円柱形状の内部空間を有している。一方開口部４は一方開口１側に設けられ、他方開口部４は他方開口２側に設けられ、これらは対向している。このため、これらの開口部４の中心軸は一致し、流路部材３の中心軸に対して成す角θで傾斜している。
【００１８】
一対の超音波送受波器５、６は、相互に超音波パルスを送受信する位置において流路部材３に当接して固定されている。つまり、一方の超音波送受波器５は一方開口部４に取り付けられ、他方の超音波送受波器６は他方開口部４に取り付けられている。そして、これらの超音波送受波器５、６は、各音響整合体１５が向き合い、各音響整合体１５の放射面が開口部４の中心軸に対して垂直になるように配置されている。このため、各超音波送受波器５、６は、開口部４の中心軸に沿って、つまり、流路部材３の中心軸に対して成す角θで斜めに超音波パルスを発する。また、各超音波送受波器５、６は、開口部４の中心軸に沿って、つまり、流路部材３に対して成す角θで斜めに入射する超音波パルスを受ける。
【００１９】
超音波伝搬時間計測部（以下、「伝搬時間計測部」と言う。）７および演算部８は、マイクロコンピュータなどの制御装置により構成されている。マイクロコンピュータは、ＣＰＵなどの処理部と、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶部とを備えている。なお、伝搬時間計測部７および演算部８は、単独の制御装置により構成されてもよいし、別々の制御装置により構成されてもよい。
【００２０】
伝搬時間計測部７は、一対の超音波送受波器５、６の間を超音波パルスが伝搬する時間を計測する。演算部８は、伝搬時間計測部７により計測された時間に基づいて被測定流体の流量を算出する。
【００２１】
（超音波送受波器の構成）
図２は、実施の形態１に係る超音波送受波器５を示す断面図である。なお、超音波送受波器６の構成は、超音波送受波器５の構成と同様であるため、その説明を省略する。図２に示すように、超音波送受波器５は、圧電体１７と、音響整合体１５と、金属板１６と、２本のリード線１８と、絶縁性制振部材１１と、を備えている。
【００２２】
圧電体１７は、電圧が印可されることによって厚み方向に伸縮し、それにより電気振動を機械振動に変換する素子である。圧電体１７は、直方体状や円柱状などの柱状、この実施の形態では、たとえば、短四角柱状に形成される。圧電体１７は、一対の電極と、これらにより厚み方向に挟まれる圧電部を有する。圧電体１７の圧電部には、圧電性を示す材料、たとえば、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛等が好適に用いられる。一方の電極は、接着剤や導電ペーストなどの導電性材料により金属板１６に接合されている。また、他方の電極は、導電ペーストやはんだなどの導電性材料により一方のリード線１８に接合されている。
【００２３】
音響整合体１５は、圧電体１７で発生した機械振動を超音波パルスとして被測定流体に放射するために、圧電体１７の音響インピーダンスと、被測定流体の音響インピーダンスとを整合する素子である。音響整合体１５は、たとえば、円柱形状であって、その厚み寸法は、音響整合体１５を伝搬する機械振動の波長λの１／４の長さ寸法に設定されている。音響整合体１５は、中空球体形状のガラスの隙間に熱硬化樹脂を充填し硬化することによって、または、セラミック多孔体の音波放射面に音響膜を設けることによって形成される。
【００２４】
金属板１６は、音響整合体１５および圧電体１７を支持する平板であって、たとえば、円板形状である。金属板１６は、導電性を有する材料、たとえば、鉄、ステンレス、黄銅、銅、アルミ、ニッケルめっき鋼板等の金属で形成される。金属板１６は、その一方主面に音響整合体１５が固定され、他方主面に圧電体１７が固定されている。この金属板１６は、その厚みに対して垂直な方向において音響整合体１５および圧電体１７より大きい。このため、金属板１６の外周部は、音響整合体１５および圧電体１７からこれらの厚みに対して垂直な方向へ突出している。そして、この外周部の他方主面に、はんだなどにより他方のリード線１８が接続されている。また、金属板１６は、導電性材料によりオーミックコンタクトによって圧電体１７の一方電極と電気的に接続されている。よって、金属板１６を介して圧電体１７の一方電極と他方のリード線１８とが電気的に接続している。
【００２５】
２本のリード線１８のうち一方は圧電体１７の他方電極と伝搬時間計測部７（図１）を接続している。また、他方のリード線１８は、金属板１６を介して圧電体１７の一方電極と伝搬時間計測部７を接続している。これらの接続には、はんだや導電ペーストなどの導電性材料が用いられている。
【００２６】
絶縁性制振部材１１は、金属板１６の外周部と、圧電体１７の外面と、２本のリード線１８とを一体的に覆う。ここで「一体的」とは、絶縁性制振部材１１が連続した材料で構成される１つの部材であることを意味する。また、金属板１６の外周部については、具体的には、音響整合体１５との固定部分および圧電体１７との固定部分を除く金属板１６の部分は構成されている。さらに、圧電体１７の外面については、具体的には、金属板１６との接合面とは反対側の面（背面）、および、この接合面と背面との間にある側面で構成されている。この圧電体１７の背面を覆う絶縁性制振部材１１（背面負荷部２０）の厚み寸法Ｍは、絶縁性制振部材１１を伝搬する機械振動の波長λの１／２の長さ寸法に設定されている。背面負荷部２０は、圧電体１７の背面の全体を覆ってもよいし、背面の一部を覆ってもよい。
【００２７】
絶縁性制振部材１１は、ガラス転移点が低い熱可塑性樹脂、たとえば、熱可塑性エラストマー材料や結晶性ポリエステルなどで形成される。熱可塑性エラストマー材料には、たとえば、スチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、ポリエステル系エラストマーなどが挙げられる。熱可塑性樹脂のガラス転移点は、たとえば、流量測定を行う最低温度の‐３０℃以下、たとえば、−５０〜−９０℃であることが好ましい。これにより、流量測定時には、絶縁性制振部材１１はゴム弾性を有し、制振機能を発揮し得る。また、熱可塑性樹脂の融点は、流量測定の最高温度の８０℃以上、たとえば、１００〜２００℃であることが好ましい。さらに、熱可塑性樹脂のヤング率は、流量測定の最低温度から最高温度までの範囲において、たとえば、０．１〜１．０ＧＰａである。これにより、絶縁性制振部材１１は、流量測定時に金属板１６や圧電体１７などの振動を十分に吸収することができる。
【００２８】
（超音波送受波器の取付）
図２に示すように、各超音波送受波器５は、流路部材３側に押さえ付けられるように環状の固定部材１２により流路部材３に固定されている。このとき、金属板１６の外周部における音響整合体１５側の面が、絶縁性制振部材１１を介して流路部材３の当接面１０ａに当接する。また、金属板１６の端面が、絶縁性制振部材１１を介して流路部材３の当接面１０ｂに当接する。さらに、金属板１６の外周部における圧電体１７側の面が、絶縁性制振部材１１を介して固定部材１２に当接する。このため、各超音波送受波器５は、絶縁性制振部材１１を介して流路部材３に固定される。
【００２９】
（超音波流量計の動作）
たとえば、超音波送受波器５から超音波パルスを送信する場合、図１および図２に示すように、伝搬時間計測部７は、リード線１８を介して電気（電圧）信号を超音波送受波器５の圧電体１７に与える。この電気信号は、圧電体１７の共振周波数に近い周波数の矩形波で形成されているため、圧電体１７は電気信号を機械振動に変換して厚み方向に振動する。そして、機械振動が圧電体１７から金属板１６を介して音響整合体１５に与えられ、音響整合体１５は圧電体１７と共振する。これにより、振幅を増大した機械振動は、超音波パルスとして音響整合体１５の放射面から放射される。
【００３０】
超音波送受波器５から放射された超音波パルスは、図１に示すように、伝搬経路Ｌ１を伝搬し、超音波送受波器６の音響整合体１５に到達する。この超音波パルスは音響整合体１５を介して圧電体１７を機械的に振動させる。そして、圧電体１７は、この機械振動を電気信号に変換し、電気信号を伝搬時間計測部７に出力する。このため、伝搬時間計測部７は、超音波送受波器５の圧電体１７へ電気信号を出力した時刻と、超音波送受波器６の圧電体１７から電気信号が入力された時刻との差に基づいて、超音波パルスの伝搬時間ｔ１を求める。
【００３１】
次に、超音波送受波器６から超音波パルスを送信し、伝搬経路Ｌ２を伝搬した超音波パルスを超音波送受波器５が受信する。そして、伝搬時間計測部７は、超音波送受波器６の圧電体１７へ電気信号を出力した時刻と、超音波送受波器５の圧電体１７から電気信号が入力された時刻との差に基づいて、超音波パルスの伝搬時間ｔ２を求める。この場合も、上記の超音波送受波器５から超音波パルスを送信する場合と同様であるため、その説明を省略する。なお、超音波パルスの送信する順序は、反対に、超音波送受波器６が超音波パルスを先に送信し、次に、超音波送受波器５が超音波パルスを送信してもよい。
【００３２】
そして、演算部８は、伝搬時間計測部７により求められた超音波パルスの伝搬時間ｔ１およびｔ２に基づいて、被測定流体の流量を算出する。具体的には、流路部材３の流路では被測定流体が流速Ｖで一方開口１から他方開口２に向かって流れている。また、開口部４の中心軸は、流路部材３の中心軸に対して成す角θで傾斜している。このため、伝搬経路Ｌ１を速度Ｃで伝搬する超音波パルスの伝搬時間ｔ１と、伝搬経路Ｌ２を速度Ｃで伝搬する超音波パルスの伝搬時間ｔ２とは異なる。なお、伝搬経路Ｌ１およびＬ２の距離は、超音波送受波器５と超音波送受波器６との間の距離Ｌである。また、角度θは、被測定流体の流れる方向（流路部材３の中心軸）と超音波パルスの伝搬方向（開口部４の中心軸）とのなす角である。
【００３３】
伝搬経路Ｌ１に沿って超音波送受波器５から超音波送受波器６に到達する超音波パルスの伝搬時間ｔ１は、下記式（１）で示される。
【００３４】
ｔ１  ＝  Ｌ  ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）            （１）
また、伝搬経路Ｌ２に沿って超音波送受波器６から超音波送受波器５に到達する超音波パルスの伝搬時間ｔ２は、下記式（２）で示される。
【００３５】
ｔ２  ＝  Ｌ  ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）            （２）
これらの式（１）および式（２）から被測定流体の流速Ｖは、下記式（３）で示される。
【００３６】
Ｖ  ＝  Ｌ  ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２）（３）
超音波パルスの伝搬経路Ｌ１およびＬ２の距離Ｌと、被測定流体の流れる方向と超音波パルスの伝搬方向とのなす角度θとは、既知である。また、超音波パルスの伝搬時間ｔ１およびｔ２は、伝搬時間計測部７によって計測されている。これにより、演算部８は、式（３）に基づいて被測定流体の流速Ｖを求めることができる。さらに、演算部８は、この流速Ｖに流路部材３の断面積Ｓと補正係数Ｋを乗じて、流量Ｑを求めることができる。
【００３７】
（作用、効果）
図２に示すように、圧電体１７で発生した機械振動は、金属板１６を介して音響整合体１５に伝えられ、音響整合体１５の放射面から超音波パルスとして放射される。これと共に、圧電体１７で発生した機械振動は、背面負荷部２０に伝わって伝播し、圧電体１７との接合面との反対側の面（背面負荷部２０の背面）に向かう。そして、機械振動は、背面負荷部２０の背面で反射して、圧電体１７との接合面側へ戻る。
【００３８】
この反射した機械振動が圧電体１７との接合面に達すると、その一部の機械振動は圧電体１７内部へ伝搬する。また、残る機械振動は、再び圧電体１７との接合面で反射して、背面負荷部２０を背面方向へ伝播する。そして、背面負荷部２０を背面方向へ伝播する機械振動が、圧電体１７から背面負荷部２０へ伝わる機械振動と干渉して、その振幅が増大すると、超音波流量計１００は被測定流体を正確に計量することが難しくなる。
【００３９】
すなわち、たとえば、超音波送受波器５が超音波パルスを放射した後、増幅した機械振動により圧電体１７などが振動し続けると、残響ノイズになる。このため、次に、その超音波送受波器５が超音波パルスを放射する際、残響ノイズが圧電体１７および／または音響整合体１５を伝搬する機械振動に影響を与える。これにより、超音波送受波器５はこの機械振動を超音波パルスとして精度よく放射することができなくなる。
【００４０】
また、超音波送受波器５において増幅した機械振動が流路部材３などを介して超音波送受波器６に伝播すると、伝搬ノイズになる。このため、超音波送受波器６が超音波パルスを放射する際、伝搬ノイズが圧電体１７および／または音響整合体１５を伝搬する機械振動に影響を与える。これにより、超音波送受波器６はこの機械振動を超音波パルスとして精度よく放射することができなくなる。
【００４１】
なお、ここでは、超音波送受波器５が超音波パルスを送信し、その超音波パルスを超音波送受波器６が受信した場合について説明した。これに対して、超音波送受波器５と超音波送受波器６とを入れ替えた場合も同様である。
【００４２】
これに対して、背面負荷部２０の厚み寸法Ｍがλ／２に設定されているため、残響ノイズや伝搬ノイズによる影響を抑えている。この結果、図３に示すように、超音波送受波器５、６を大型化することなく、超音波パルスの強さの低減を防いでいる。図３は、背面負荷部（厚み）と超音波強さとの関係を模式的に表したグラフである。この背面負荷部（厚み）は、超音波送受波器５、６の背面負荷部２０の厚み寸法Ｍを示している。また、超音波強さは、超音波送受波器５、６が放射した超音波パルスの大きさを示している。
【００４３】
具体的には、図２に示すように、背面負荷部２０は、その一方面（圧電体１７との接合面）が圧電体１７に接し、その他方面（背面）が空気と接している。このため、圧電体１７、背面負荷部２０および空気は、この順で並んでおり、これらの密度はこの順で小さくなっている。よって、密度と音速との積で定義される音響インピーダンスも、この順で小さくなっている。
【００４４】
このような音響インピーダンスの関係にある場合、背面負荷部２０を伝搬する機械振動（伝搬振動）は、圧電体１７との接合面で反射する際、伝搬振動の位相がその半波長ずれる。一方、この伝搬振動が背面付加部２０の背面で反射する際、伝搬振動の位相はずれない。よって、下記（数１２）に示すように背面負荷部２０の厚み寸法Ｍが半波長（λ／２）の整数倍となる時に、伝搬振動の振幅は干渉によって最小になる。なお、（数１２）において、ｎは整数を表す。また、λは、背面負荷部２０を伝搬する機械振動の波長を表す。
【００４５】
Ｍ=ｎ・λ／２          （数１２）
この結果、（数１２）に示すように背面負荷部２０の厚み寸法Ｍが半波長の整数倍である場合、伝搬振動の影響（残響ノイズや伝搬ノイズ）が抑えられる。このため、図３に示すように、超音波送受波器５、６が放射する超音波パルスの強さが伝搬振動の影響によって低減されることが抑制され、超音波パルスの強さを大きく確保することができる。
【００４６】
特に、（数１２）において、ｎ＝１の場合、背面負荷部２０を伝搬する機械振動の大きさを低減しながら、背面負荷部２０の厚み寸法Ｍを最も小さく抑えることができる。よって、背面負荷部２０の厚み寸法Ｍをλ／２である場合、超音波送受波器５、６のサイズを最小化でき、かつ、超音波パルスの強さを大きく確保することができる。
【００４７】
また、背面負荷部２０の厚み寸法Ｍは、λ／２以外に、（数１２）を満たす長さ寸法に設定することができる。この場合、厚み寸法Ｍは、λ／２のときより大きくなる。ただし、その厚み寸法Ｍは、伝搬振動を減衰によって低減することができる厚み寸法よりも小さい。このため、超音波送受波器５、６を小型化することができる。また、超音波パルスの強さについても、背面負荷部２０の厚み寸法Ｍをλ／２以外で（数１２）を満たす長さ寸法にした場合、λ／２のときと同様の作用効果を示すことができる。
【００４８】
なお、背面負荷部２０の厚み寸法Ｍが下記（数１３）で示す関係を満たす時、背面負荷部２０を伝搬する機械振動（伝搬振動）が干渉により増幅される。このため、厚み寸法Ｍが下記（数１３）で示す関係を満たす時、図３に示すように、超音波送受波器５、６が放射する超音波パルスの強さが伝搬振動の影響によって低減する。これに対し、厚み寸法Ｍが大きくなるほど、伝搬振動が減衰するため、図３に示すように、超音波パルスの強さは大きくなる。しかしながら、厚み寸法Ｍが大きくなるほど、超音波送受波器５、６のサイズが大型化してしまう。
【００４９】
Ｍ＝（２ｎ−１）λ／４      （数１３）
また、背面負荷部２０が伝搬振動を減衰する機能に優れる場合、背面負荷部２０の厚み寸法Ｍをλ／２より小さくしても、背面負荷部２０における伝播振動が小さくすることができる。この場合、背面負荷部２０が薄くなるため、超音波送受波器５、６の小型化がさらに図られる。
【００５０】
また、絶縁性制振部材１１が金属板１６および圧電体１７にそれぞれ一体的に形成されている。このため、絶縁性制振部材１１を取り付ける手間が必要なく、超音波送受波器５、６の量産性に優れる。
【００５１】
さらに、金属板１６は樹脂板に比べて寸法精度が高く、超音波送受波器５、６を精度よく流路３に取り付けすることができる。このため、計測時の超音波パルスの送受信ロスを低減することができるため、高精度の流量計測を実現することができる。
【００５２】
（実施の形態２）
実施の形態１に係る超音波送受波器５、６では平板状の金属板１６が用いられていたが、実施の形態２に係る超音波送受波器３０では、鍔付容器形状の金属板３１が金属板として用いられる。図４は、実施の形態２に係る超音波送受波器３０を示す断面図である。
【００５３】
金属板３１は、図４に示すように、側壁部３３、天部３２および鍔部３４を含む鍔付容器形状に形成されている。側壁部３３は、円筒形状であって、その一端が天部３２に接続し、他端が鍔部３４に接続する。天部３２は、円板形状であって、側壁部３３の一端開口を覆う。鍔部３４は、環形状であって、側壁部３３から径方向の外側へ延びる。
【００５４】
金属板３１において、天部３２の天面に音響整合体１５が固定され、天部３２の背面に圧電体１７が固定されている。側壁部３３の内径寸法は圧電体１７の長さ寸法より大きいため、圧電体１７は筒状の側壁部３３の内部空間に位置し、圧電体１７と側壁部３３の内面との間に間隙３５が形成されている。
【００５５】
金属板３１は、導電性を有する材料、たとえば、鉄、ステンレス、黄銅、銅、アルミ、ニッケルめっき鋼板等の金属で深絞り加工によって形成される。このため、金属板３１の天部３２は、導電性材料を用いてオーミックコンタクトによって圧電体１７の電極と電気的に接続されている。また、金属板３１の鍔部３４は、はんだなどの導電性材料によりリード線１８と接続されている。これにより、圧電体１７の電極とリード線１８とは、金属板３１を介して電気的に接続している。
【００５６】
絶縁性制振部材１１は、金属板３１の側壁部３３の外面、金属板３１の鍔部３４、圧電体１７と側壁部３３の内面との間隙３５、圧電体１７の背面、および、２本のリード線１８を一体的に覆っている。また、圧電体１７の背面を覆う絶縁性制振部材１１（背面負荷部２０）の厚み寸法Ｍは、圧電体１７で発生して絶縁性制振部材１１を伝搬する機械振動の波長λの１／２の長さ寸法に設定されている。背面負荷部２０は、圧電体１７の背面の全体を覆ってもよいし、背面の一部を覆ってもよい。
【００５７】
このような超音波送受波器３０は、音響整合体１５が開口部４側に位置し、流路部材３に押さえ付けられるように環状の固定部材１２により流路部材３に固定されている。このとき、金属板３１の鍔部３４における音響整合体１５側の面が、絶縁性制振部材１１を介して流路部材３の当接面１０ａに当接する。また、金属板３１の鍔部３４における端面が、絶縁性制振部材１１を介して流路部材３の当接面１０ｂに当接する。さらに、金属板３１の鍔部３４における圧電体１７側の面が、絶縁性制振部材１１を介して固定部材１２に当接する。このため、各超音波送受波器３０は、絶縁性制振部材１１を介して流路部材３に固定される。
【００５８】
上記構成によれば、背面負荷部２０の厚み寸法Ｍは、背面負荷部２０を伝搬する機械振動の波長λの１／２またはｎ／２の長さ寸法に設定されている。このため、実施の形態１と同様の作用効果を有する。
【００５９】
（実施の形態３）
実施の形態１に係る超音波送受波器５、６では金属板１６の外周部を環状の固定部材１２で固定していた。これに対して、実施の形態３に係る超音波送受波器５、６では、図５に示すように、金属板１６の外周部および圧電体１７を鍔付容器形状の固定部材１１２で固定している。図５は、実施の形態３に係る超音波送受波器５を示す断面図である。なお、超音波送受波器６の構成は、超音波送受波器５の構成と同様であるため、その説明を省略する。
【００６０】
固定部材１１２は、図５に示すように、外周部、支持部１１２ａおよび取付部を含む鍔付容器形状に形成されている。外周部は、短四角柱状の圧電体１７に対しては断面が四角形の筒形状である。支持部１１２ａは、短四角柱状の圧電体１７に対しては四角形の平板形状であって、外周部の一端開口を覆う。取付部は、環形状であって、外周部の他端から径方向の外側へ延びる。固定部材１１２は、アルミニウムなどの金属により形成される。
【００６１】
固定部材１１２の取付部により超音波送受波器５の金属板１６の外周部を流路部材３側に押さえ付けるようにして、取付部を流路部材３に取り付ける。これにより、超音波送受波器５は流路部材３に固定される。また、支持部１１２ａの内面は背面負荷部２０の背面に接し、支持部１１２ａは背面負荷部２０を介して圧電体１７を支持している。このため、支持部１１２ａにより圧電体１７が保護される。
【００６２】
この場合、圧電体１７、背面負荷部２０および固定部材１１２の支持部１１２ａがこの順で積層される。この圧電体１７および支持部１１２ａは背面負荷部２０より密度が大きいため、圧電体１７および支持部１１２ａは背面負荷部２０より音響インピーダンスが大きくなる。
【００６３】
このような音響インピーダンスの関係にある場合、背面負荷部２０を伝搬する機械振動（伝搬振動）は、圧電体１７との接合面、および、背面付加部２０の背面で反射するいずれの場合も、伝搬振動の位相がその半波長ずれる。よって、下記（数１４）に示す関係を満たす時に、伝搬振動の振幅は干渉によって最小になる。なお、（数１４）において、ｎは整数を表す。また、λは、背面負荷部２０を伝搬する機械振動の波長を表す。
【００６４】
Ｍ=（２ｎ−１）・λ／４          （数１４）
この結果、背面負荷部２０の厚み寸法Ｍが（数１４）に示す関係を満たす場合、伝搬振動の影響（残響ノイズや伝搬ノイズ）が抑えられる。このため、超音波送受波器５、６が放射する超音波パルスの強さが伝搬振動の影響によって低減されることが抑制され、超音波パルスの強さを大きく確保することができる。
【００６５】
特に、（数１４）において、ｎ＝１の場合、背面負荷部２０を伝搬する機械振動の大きさを低減しながら、背面負荷部２０の厚み寸法Ｍを最も小さく抑えることができる。よって、背面負荷部２０の厚み寸法Ｍをλ／４である場合、超音波送受波器５、６のサイズを最小化でき、かつ、超音波パルスの強さを大きく確保することができる。
【００６６】
また、背面負荷部２０の厚み寸法Ｍは、λ／４以外に、（数１４）を満たす長さ寸法に設定することができる。この場合、厚み寸法Ｍは、λ／４のときより大きくなる。ただし、その厚み寸法Ｍは、伝搬振動を減衰によって低減することができる厚み寸法よりも小さい。このため、超音波送受波器５、６を小型化することができる。また、超音波パルスの強さについても、背面負荷部２０の厚み寸法Ｍをλ／４以外で（数１４）を満たす長さ寸法にした場合、λ／４のときと同様の作用効果を示すことができる。
【００６７】
さらに、背面負荷部２０が伝搬振動を減衰する機能に優れる場合、背面負荷部２０の厚み寸法Ｍをλ／４より小さくしても、背面負荷部２０における伝播振動が小さくすることができる。この場合、背面負荷部２０が薄くなるため、超音波送受波器５、６の小型化がさらに図られる。
【００６８】
（実施の形態４）
実施の形態２に係る超音波送受波器３０では金属板３１の鍔部３４を環状の固定部材１２で固定していた。これに対して、実施の形態４に係る超音波送受波器３０では、図６に示すように、鍔部３４および圧電体１７を平板状の固定部材２１２で固定している。図６は、実施の形態４に係る超音波送受波器３０を示す断面図である。
【００６９】
固定部材２１２は、図６に示すように、金属板３１の鍔部３４および圧電体１７を覆う、平板形状に形成されている。圧電体１７が鍔部３４より背面側へ突出している場合、その突出量に応じて固体部材２１２の支持部２１２ａはその外周部から窪んでいる。固定部材２１２は、アルミニウムなどの金属により形成される。
【００７０】
固定部材２１２の外周部により金属板３１の鍔部３４を流路部材３側に押さえ付けるようにして、固定部材２１２の外周部を流路部材３に取り付ける。これにより、超音波送受波器３０は流路部材３に固定される。また、固定部材２１２の支持部２１２ａの表面は背面負荷部２０の背面に接し、支持部２１２ａは背面負荷部２０を介して圧電体１７を支持している。このため、支持部２１２ａにより圧電体１７が保護される。
【００７１】
この場合、圧電体１７、背面負荷部２０および固定部材２１２がこの順で積層される。この圧電体１７および固定部材２１２は背面負荷部２０より密度が大きいため、圧電体１７および固定部材２１２は背面負荷部２０より音響インピーダンスが大きくなる。
【００７２】
よって、実施の形態３と同様に、背面負荷部２０における圧電体１７との接合面、および、背面負荷部２０の背面で位相が変化しながら伝搬振動が反射する。上記（数１４）の関係を背面負荷部２０の厚み寸法Ｍが満たすとき、背面負荷部２０における伝播振動が最少になり、残響ノイズおよび電波ノイズを低減することができる。これにより、超音波送受波器３０は、大型化を防ぎながら、ノイズによる影響を抑えて、精度良く超音波パルスを放射することができる。
【００７３】
また、背面負荷部２０の厚み寸法Ｍは、λ／４以外に、（数１４）を満たす長さ寸法に設定することができる。この場合、厚み寸法Ｍは、λ／４のときより大きくなる。ただし、その厚み寸法Ｍは、伝搬振動を減衰によって低減することができる厚み寸法よりも小さい。このため、超音波送受波器５、６を小型化することができる。また、超音波パルスの強さについても、背面負荷部２０の厚み寸法Ｍをλ／４以外で（数１４）を満たす長さ寸法にした場合、λ／４のときと同様の作用効果を示すことができる。
【００７４】
さらに、背面負荷部２０が伝搬振動を減衰する機能に優れる場合、背面負荷部２０の厚み寸法Ｍをλ／４より小さくしても、背面負荷部２０における伝播振動が小さくすることができる。この場合、背面負荷部２０が薄くなるため、超音波送受波器３０の小型化がさらに図られる。
【００７５】
なお、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。
【００７６】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の超音波送受波器およびその備えた超音波計量計は、従来技術に比べて超音波パルスを精度良く放射することができる小型の超音波送受波器およびそれを備える超音波流量計等として有用である。
【符号の説明】
【００７８】
３  流路部材
５、６、３０  超音波送受波器
７  超音波伝搬時間計測部（伝搬時間計測部）
８  演算部
１１  絶縁性制振部材
１５  音響整合体
１６  金属板
１７  圧電体
２０  背面負荷部（絶縁性制振部材）
３１  金属板
３２  天部
３３  側壁部
３４  鍔部
１００  超音波流量計
１１２ａ  支持部
２１２ａ  支持部
【図１】
2013183292.tif 000003
【図２】
2013183292.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2013183292.tif 000007
【図６】
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【図７】
2013183292.tif 000009
【国際調査報告】
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2013183292.tif 000011
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