(57)【要約】【課題】弾性体の導電部を軸心方向の導電線で構成することで安定した導通を可能とする、信頼性の高い超音波送受波器を実現させることを目的とする。【解決手段】圧電体１２の一方の電極面１２ａ、１２ｂと一方の外部電極端子１３ａ、１３ｂとの間に挟まれる導電性を有する弾性体１１の導電部１１ａを軸心方向の導電線で構成したものである。この結果、超音波送受波器２、３の導通不良を防止することができる、信頼性の高い流量計測が可能となる。【選択図】図２
2006217002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する１対の電極面を有する圧電体と、前記各電極面にそれぞれ電気的に接する２つの外部電極端子を有する端子板と、圧電体の一方の電極面と一方の外部電極端子との間に挟まれる導電性を有する弾性体とを備えた超音波送受波器において、前記弾性体の導電部を軸心方向の導電線で構成したことを特徴とする超音波送受波器。
【請求項２】
弾性体の導電部は、導電線の屈曲弾性限界範囲内で圧電体と端子板の導電性を有することを特徴とする請求項１記載の超音波送受波器。
【請求項３】
弾性体の導電部は、導電線の端部を前記圧電体の電極面に食込むことで導電性を有することを特徴とする請求項１記載の超音波送受波器。
【請求項４】
弾性体は、外周方向から導電部の導通方向が確認できる絶縁部で構成されることを特徴とする請求項１記載の超音波送受波器。
【請求項５】
被測定流体が流れる流量測定部と、この流量測定部に設けられ超音波を送受信する請求項１記載の１対の超音波送受波器と、前記超音波送受波器間の伝搬時間を計測する計測回路と、前記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波パルスの送受信を行う超音波送受波器および超音波送受波器を用いて気体や液体の流量や流速の計測を行う超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の超音波送受波器で一般的に用いられるものは、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制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、例えば特許文献１に開示されるものがある。この超音波送受波器は図８に示すように、導電性を有する弾性体１１を、圧電体１２の電極面１２ａと端子板１３の端子１３ａ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、シリコンゴム系ゴムからなる導電ゴムや図示するように、導電層１１ａと絶縁層１１ｂ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１１を、端子板１３の凹部１９に落とし込んでから圧電体１２と端子１３ａとの間で挟持して加圧し，この状態で端子板１３の外周部１３ｃと圧電体７を内包するケース１５のフランジ部１５ａを、電気溶接により接合している。端子板１３に設けられている端子１３ａ、１３ｂ間は、ガラス（絶縁部）１７で電気的に絶縁されている。この結果、電極面１２ａと端子１３ａは電気的に接続され、もう一方の電極面１２ｂが外部電極を兼ねたケース１５、端子板１３の外周部１３ｃを介して端子１３ｂに電気的に接続され、ケース１５と端子板１３とで形成された密閉空間１６に、窒素ガスを充填している。
【特許文献１】特開２００１−５０７８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の構成では導電層と絶縁層を層状に交互に配置した弾性体を、端子板の凹部に備え圧電体と端子で挟持している。弾性体を端子板の凹部に落とし込んでから圧電体と端子で挟持した構成では、凹部内を横方向に移動しやすい。これの対策として端子板に保持穴を設け、保持穴で弾性体１１を圧縮させながら保持させることが考えられる。この場合、導電層が圧縮されることにより保持穴の壁面側に広がり、保持穴と接触することで短絡を起こすことがある。また、弾性体１１の導通抵抗値を変更させるときは、導通層を増減させることを行うため、微小な導通抵抗値の調整が行えないという問題もある。
【０００５】
さらに弾性体１１は、層状に配された導電層１１ａが組み立て時の加圧により、座屈しないように、その高さを横断面の最大寸法よりも設けており、凹部１９への挿入方向が異なっていても挿入が可能となるため、組み立て時に挿入不良を起こしやすいという問題もある。
【０００６】
本発明では上記課題を解決するもので、弾性体の導電部を軸心方向の導電線で構成することで安定した導通を可能とし、組み立て時の不具合を押えた信頼性の高い超音波送受波器とそれを用いた超音波流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記課題を解決するために、圧電体に１対の電極面を有し、各電極面にそれぞれ電気的に接する２つの外部電極端子を有する端子板に、圧電体の一方の電極面と一方の外部電極端子との間に挟まれる導電性を有する弾性体の導電部を軸心方向の導電線で構成したものである。
【０００８】
上記発明によれば、端子板に保持穴を設け、保持穴で弾性体を圧縮させた場合でも、導電部が保持穴の壁面側と接触することが起こらなくなり、圧電体の一方の電極面と一方の外部電極端子に電極を食い込ませるため、導通不良を防止することができる。また、導電線の本数を可変させることにより、導通抵抗値を制御することができる。さらに、弾性体の外周方向から弾性体の軸心内に設けられた導電線の導通方向が確認できるため、組み立て時の挿入不良も防止することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の超音波送受波器及びこれを用いた超音波流量計は、導電性のある弾性体の導電部を導電線にし、圧電体の電極面と外部電極端子に電極に導電線を食い込ませため、導通不良を防止することができ、導通抵抗値も制御することが可能となるため、信頼性の高い超音波送受波器を得ることができ、被測定流体の流量測定を安定して測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
第１の発明は、対向する１対の電極面を有する圧電体と、前記各電極面にそれぞれ電気的に接する２つの外部電極端子を有する端子板と、圧電体の一方の電極面と一方の外部電極端子との間に挟まれる導電性を有する弾性体とを備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明によれば、導電部は端子と接触する面内に収まる寸法とすることで、弾性体が圧電体と外部電極端子との間に挟時しても導電部が端子の周囲に接触することはなくなるためショートを防ぐことができる。
【００１２】
第２の発明は、弾性体の導電部は、導電線の屈曲弾性限界範囲内で前記圧電体と前記端子板の導電性を有することを特徴とするものである。
【００１３】
本発明によれば、弾性体を圧電体と外部電極端子で挟時し、圧縮させることで複数本で構成された導電部が屈曲することでバネ性を得るため圧電体と外部電極端子との導通が確実なものとすることができる。
【００１４】
第３の発明は、弾性体の導電部は、導電線の端部を前記圧電体の電極面に食い込むことで導電性を有することを特徴とするものである。
【００１５】
本発明によれば、導電部は絶縁部の面から凸部を設けているため、圧電体の電極面に突き刺さることとなり、外部電極端子の電気的接触表面にも食い込んだ形で挟時されることとなり、導通不良を防止することができる。
【００１６】
第４の発明は、弾性体は、外周方向から導電部の導通方向が確認できる絶縁部で構成されることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明によれば、弾性体は側面からでも導電部の屈曲の様子がわかるような無色の可視可能なものを使用しているため、導電部の様子が確認できることから、弾性体の外周方向から弾性体の軸心内に設けられた導電線の導通方向が確認できるため、組み立て時の挿入不要も防止することができる。
【００１８】
またこれにより、挟時されたときの屈曲使用限界の把握、導電部の劣化等による不具合を容易に確認することができる。
【００１９】
そして、これらの超音波送受波器を超音波流量計に応用することで安定した導通を可能とする、信頼性の高い流量計測が可能となる。
【００２０】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、図面中で同一符号を付しているものは同一なものであり、詳細な説明は省略する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は本発明の後述する各実施例で示す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は被測定流体が流れる流量測定部、２、３は流量測定部１の流れの方向に対し斜めに対向して配置された超音波送受波器、４は超音波送受波器２、３の使用周波数を発信する発振回路、５は発振回路４に接続され超音波送受波器２、３を駆動する駆動回路、６は送受信する超音波送受波器を切り替える切替回路、７は超音波パルスを検知する受信検知回路、８は超音波パルスの伝搬時間を計測するタイマ、９はタイマ８の出力より流量を演算する演算部、１０は駆動回路５とタイマ８に制御信号を出力する制御部である。
【００２２】
上記のように構成される超音波流量計の動作を説明する。本実施例では被測定流体を都市ガス、超音波流量計として家庭用ガスメータを想定し、流量測定部１を構成する材料をアルミニウム合金ダイカストとする。
【００２３】
また超音波送受波器２、３の使用周波数には約５００ｋＨｚを選択する。発振回路４は例えばコンデンサと抵抗で構成され約５００ｋＨｚの方形波を発信し、駆動回路７では発振回路４の信号から超音波送受波器２を駆動するため方形波が３波のバースト信号からなる駆動信号を出力可能とする。また測定手段には測定流量の分解能を向上するため、シングアラウンド法を用いる。
【００２４】
制御部１０では駆動回路５に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ８の時間計測を開始させる。駆動回路５は送信開始信号を受けると超音波送受波器２を駆動し、超音波パルスを送信する。送信された超音波パルスは流量測定１内を伝搬し超音波送受波器３で受信される。受信された超音波パルスは超音波送受波器３で電気信号に変換され、受信検知回路７に出力される。受信検知回路７では受信信号の受信タイミングを決定し、制御部１０に受信検知信号を出力する。制御部１０では受信検知信号を受けると、あらかじめ設定した遅延時間ｔｄ経過後に再び駆動回路５に送信開始信号を出力し、２回目の計測を行う。この動作をＮ回繰返した後、タイマ８を停止させる。演算部１０ではタイマ８で測定した時間を測定回数のＮで割り、遅延時間ｔｄを引いて伝搬時間ｔ１を演算する。
【００２５】
引き続き切替回路６で駆動回路５と受信回路７に接続する超音波送受波器を切り替え、再び制御部１０では駆動回路５に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ８の時間計測を開始させる。伝搬時間ｔ１の測定と逆に、超音波送受波器３で超音波パルスを送信し、超音波送受波器２で受信する計測をＮ回繰返し、演算部９で伝搬時間ｔ２を演算する。
【００２６】
ここで、超音波送受波器２と超音波送受波器３の中心を結ぶ距離をＬ、空気の無風状態での音速をＣ、流量測定部１内での流速をＶ、非測定流体の流れの方向と超音波送受波器２と超音波送受波器３の中心を結ぶ線との角度をθとすると、伝搬時間ｔ１、ｔ２は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）  （１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）  （２）
で示される。（１）（２）式より音速Ｃを消去して、流速Ｖを求めると
Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２）  （３）
が得られる。Ｌ、θは既知であるのでｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。この流速Ｖと流量測定部１の面積をＳ、補正係数をＫとすれば、流量Ｑは
Ｑ＝ＫＳＶ  （４）
で演算できる。
【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の実施例を図２から図７を用いて説明する。
【００２８】
図２は本発明の超音波送受波器２、３の断面図である。図３は本発明の超音波送受波器２、３に用いる導電性を有する弾性体１１を示し、（ａ）は上方から見たときの平面図、（ｂ）はその斜視図である。
【００２９】
図２において、超音波送受波器２、３は、対向する１対の電極面１２ａ、１２ｂを有する圧電体１２と、各電極面１２ａ、１２ｂにそれぞれ電気的に接続する外部電極端子１３ａ、１３ｂを有する端子板１３と、圧電体１２の電極面１２ａと外部電極端子１３ａとの間で、端子板１３の中央に形成された保持穴１４で保持されて電気接続を図る導電性を有する弾性体１１とを備えている。圧電体１２は、フランジを有する有天筒状のステンレス製のケース１５の天部内面にエポキシ樹脂系接着剤により接着されている。尚、圧電体１２に設けられた１２ｃは、超音波を効率よく送受信させるために、厚み縦振動を主モードとさせるための溝である。また、圧電体１２はケース１５への前記接着剤厚みを薄くすることにより、接着固定と同時に電極面１２ｂとケース１５との電気的接続を図ることができる。
【００３０】
導電性を有する弾性体１１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構わないが、本実施例では、軸心方向の中心付近に配される複数の導電線で構成された導電部１１ａと、その周囲に配される絶縁部１１ｂ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１１が端子板１３の保持穴１４に保持され、且つ圧電体１２と外部電極端子１３ａとの間に狭時して加工され、この状態で端子板１３の外周部１３ｃとケース１５のフランジ部１５ａを電気溶接により接合する。すると、ケース１５と端子板１３とで密閉空間１６が形成され、この密閉空間１６を排気して窒素ガスなどの不活性ガスで置換する。
【００３１】
なお、端子板１３は金属製で、外周部１３ｃ付近には端子１３ｂが、中央部には端子１３ａが設けられているが、端子１３ａの周囲（保持穴１４の内側）にはガラス（絶縁部）１７が設けられることにより、両端子１３ａ、１３ｂ間は電気的に絶縁されている。この結果、圧電体の電極面１２ａと端子１３ｂは電気的に接続され、圧電体の電極面１２ｂは外部電極を兼ねたケース１５、端子板１３の外周部１３ｃを介して端子１３ｂに電気的に接続される。なお、弾性体１１を全体が導通部を構成した導電ゴムで成形した場合には、保持穴１４に保持された場合に端子板１３と導通してしまうので、ガラス１７を設ける位置を保持穴１４周囲より外周側に設けて両端子板１３ａ、１３ｂ間の絶縁を図る必要がある。
【００３２】
弾性体１１は、図３（ａ）の平面図（圧電体１２との境界面を上方から見た状態で示している。）を示し、図３の（ｂ）は図３（ａ）の斜視図を示している。図３（ａ）で示すように、その横断面形状は円形に形成されており、導電部１１ａも軸心方向に円形状に配列されている。導電部１１ａの円の大きさｄは端子１３ａと接触する面内に収まる寸法とすることで、弾性体１１が圧電体１２と外部電極端子１３ａとの間に狭時しても導電部１１ａが端子１３ａの周囲（保持穴１４の内側）に接触することはなくなるためショートしなくなる。弾性体１１を圧電体１２と外部電極端子１３ａで狭時するときの圧縮量としては、弾性体１１の高さＨから５〜５０％と広い範囲で圧縮させても構わないが、１０〜４０％の範囲で使用するのが好ましい。本実施例では、圧縮量２５％付近で使用している。また、弾性体１１を圧電体１２と外部電極端子１３ａで狭時し、圧縮させることで複数本で構成された導電部１１ａが、屈曲することでバネ性を得るため圧電体１２と外部電極端子１３ａとの導通が確実なものとなる。
【００３３】
更に、図４に示す導電性を有する弾性体の拡大図における導電部１１ａは絶縁部１１ｂの面から凸部１１ｃを設けているため、圧電体１２の電極面１２ａに突き刺さることとなり、外部電極端子１３ａの電気的接触表面にも食い込んだ形で狭時されることとなる。
【００３４】
弾性体１１の絶縁部１１ｂには、有色のシリコン系ゴムを使用しても構わないが、本実施例では弾性体１１の側面からでも導電部１１ａの屈曲の様子がわかるような無色の可視可能なものを使用している。導電部１１ａの様子が確認できることから、弾性体の外周方向から弾性体の軸心内に設けられた導電線の導通方向が確認できるため、組み立て時の挿入不良も防止することができる。また、狭時されたときの屈曲使用限界の把握、導電部１１ａの劣化等による不具合を容易に確認できる。
【００３５】
また、複数本の導電線で構成された導電部１１ａの導電線本数を可変させることにより、導通抵抗値を可変させることが容易となる。導電線の材質、線径は導電性を有すものであれば弾性体１１の導電部１１ａとして使用しても構わないが、本実施例ではニッケル線に金メッキした線を使用している。
【００３６】
以上のとおり本発明の実施の形態について、円形状に配列した導電部１１ａを示した図３を用いて説明したが、本発明はこれに限らず図５、図６、図７に示すように種々の変形、応用が可能である。
【００３７】
図５は弾性体１１の平面図（圧電体１２との境界面を上方から見た状態で示している。）を示しており、横断面形状は円形に形成され、導電部１１ａは軸心方向に六角形状に配列したものである。導電部１１ａの長手寸法Ａは端子１３ａと接触する面内に収まるサイズとしている。なお、ここでは六角形としたが多角形でも構わない。
【００３８】
図６は弾性体１１の平面図（圧電体１２との境界面を上方から見た状態で示している。）を示しており、横断面形状は円形に形成され、導電部１１ａは軸心方向に２列状に配列したものであり、導電部１１ａの長さＬと幅Ｗは端子１３ａと接触する面内に収まるサイズとしている。なお、ここでは２列としたが複数列でも構わない。
【００３９】
図７は弾性体１１の平面図（圧電体１２との境界面を上方から見た状態で示している。）を示しており、横断面形状は円形に形成され、導電部１１ａは軸心方向に第１円形状とその外側に第２円形状に配列したものであり、導電部１１ａの第２円の大きさＤはは端子１３ａと接触する面内に収まるサイズとしている。なお、ここでは第２円までとしたが複数円でも構わない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上のように、本発明にかかる超音波送受波器およびそれを用いた超音波流量計は、導通不良を起こさず効率のよい電気的接続を図ることができるため、被測定流体の流量測定を精度欲よく測定するが可能となる。更に、超音波により気体や液体の流量や流速の計測を行う超音波流量計等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の超音波送受波器を用いる超音波流量計の一部断面図を含む構成図
【図２】本発明の実施の形態１における超音波送受波器の断面図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１における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構成を示す平面図（ｂ）本発明の実施の形態１における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構成を示す斜視図
【図４】本発明の実施の形態１における導電性を有する弾性体の拡大図
【図５】本発明の実施の形態１における導電性を有する弾性体の平面図
【図６】本発明の実施の形態１における導電性を有する弾性体の平面図
【図７】本発明の実施の形態１における導電性を有する弾性体の平面図
【図８】従来の超音波送受波器の斜視図
【符号の説明】
【００４２】
１  流量測定部
２、３  超音波送受波器
４  発信回路
５  駆動回路
６  切替回路
７  受信検知回路
８  タイマ
９  演算部
１０  制御部
１１  弾性体
１１ａ  導電部
１１ｂ  絶縁部
１１ｃ  導電部１１ａの凸部
１２  圧電体
１２ａ、１２ｂ  電極面
１３  端子板
１３ａ、１３ｂ  外部電極端子
１４  保持穴
【図１】
2006217002.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006217002.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2006217002.tif 000008
【図７】
2006217002.tif 000009
【図８】
2006217002.tif 000010