(57)【要約】【課題】ケースと端子板を電気溶接により接合する際に発生する溶接チリがケース内に混入しない超音波送受波器を提供すること。【解決手段】ケース１０の外周近傍部１１に傾斜部１７を構成し、端子板１２の外周近傍部１９とケース１０の外周近傍部１１を密着当接させ、この密着当接部２０をレーザ溶接接合手段で接合する構成としたことで、密閉空間への溶接チリの発生が無くなるものである。これにより、電極面８と端子板１２の間での短絡がなくなり、信頼性に優れた超音波送受波器を用いた超音波流量計を提供することができる。【選択図】図２
2011015264.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底円筒状のケースと、対向する第１の電極面と第２の電極面を有し前記第１の電極面が前記ケースの頂壁内側に電気的に接続された圧電体と、前記ケースの開放端を覆いケース外周部と電気的に導通された端子板と、前記端子板に設けられた第１の外部電極端子と、前記第１の外部電極端子と絶縁状態で前記端子板に設けられた第２の外部電極端子と、前記第２の電極面と前記第２の外部電極端子の間に設けられた導電体と、前記ケースの頂壁外面に接着固定された音響整合層とを備えた超音波送受波器において、端子板外周部あるいは前記ケース外周端部の少なくとも何れか一方に傾斜部を構成し、前記端子板外周部と前記ケース外周部が密着当接する密着当接部を接合する構成としたことを特徴とする超音波送受波器。
【請求項２】
端子板外周部のケースに対向する面がケース接合方向に向かって傾斜した傾斜部を備えた請求項１に記載の超音波送受波器。
【請求項３】
端子板は、ケースとの接合面の反対側を平面とした請求項２記載の超音波送受波器。
【請求項４】
端子板とケースとの密着当接部をレーザ溶接手段により接合する構成とした請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
【請求項５】
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から４のいずれか１項に記載の少なくとも一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それを用いて発生させた超音波により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。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の超音波送受波器は、例えば図６、図７のようなものがある。導電性のキャップ状ケース６３の頂壁６３ａの内面に圧電体６４の上部電極面６５を接着などの手段を用いて固定し、また頂壁６３ａの外面には音響整合６６が取着してある。ケース６３の下方開放端からは外方向へのびるフランジ６７が一体に形成してあり、導電性の端子板６８の外周上面とフランジ６７の下面とが電気溶接されている。これによりこのケース６３の内部は密閉空間６３ｂに設定されている。通常、上記密閉空間６３ｂには窒素ガスなどの不活性ガスが充填してある。圧電体６４の下部電極面６９には導電性の弾性材７０が弾着導通していて、上記端子板６８を電気絶縁的に貫通した第１の端子７１が接続されている。またこの端子７１と所定の間隔をおいた端子板６８の一部には第２の端子７２が接続されている。つまり、第１の端子７１は、導電性の弾性材７０を介して圧電体６４の下部電極面６９に、第２の端子７２は、端子板６８、ケース６３を介して圧電体６４の上部電極面６５にそれぞれ接続されているものである。端子板６８に対する第１の端子７１の貫通部にはガラス絶縁部７３が介在され、これをもって両者の絶縁関係が保たれるようにしてある。
【０００３】
そして、端子板６８の外周近傍上面７４には溶接用突起７５が環状に設けられ、さらにその内側に位置して溶接チリ拡散防止手段である溶接チリ拡散防止突起７６が環状に設けられている。上記溶接チリ拡散防止突起７６の高さは溶接用突起７５に比べて低く設定されている。ケース６３と端子板６８の接合は、電気溶接により溶接用突起７５を溶融して接合していた。
【０００４】
このものでは、端子板６８の外周近傍上面７４には溶接用突起７５が環状に設けられ、さらにその内側に位置して溶接チリ拡散防止手段である溶接チリ拡散防止突起７６が環状に設けられているため、溶接時にチリが発生した場合においても密閉空間６３ａへはチリの侵入を防止することが出来るものである（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１８０３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の構成は、溶接チリ拡散防止手段である溶接チリ拡散防止突起７６を環状に設け、チリが発生した場合においても密閉空間６３ａへのチリの侵入を防止することを狙ったものであるが、溶接用突起７５に通電して溶接用突起７５を溶融する瞬間には溶接チリ拡散防止突起７６とフランジ６７の下面との間には隙間が存在するため、溶接用突起７５を溶融する瞬間にチリが発生した場合には上記隙間を通過して密閉空間６３ａ内にチリが侵入してしまう課題があった。
【０００７】
したがって、密閉空間６３ａ内にチリが侵入した場合、溶接チリが圧電体６４の下部電極面６９と端子板６８に接触し、下部電極面６９と端子板６８の間で短絡が生じ超音波を発生しなくなるという課題を有していた。
【０００８】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、ケースと端子板を溶接する際に密着当接部を接合するレーザ溶接接合手段を用いた場合、密閉空間内にチリが侵入せず圧電体と端子板の間に短絡が発生することのない超音波送受波器を実現すると共に、信頼性に優れた超音波送受波器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】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波送受波器は、有底円筒状のケースと、対向する第１の電極面と第２の電極面を有し前記第１の電極面が前記ケースの頂壁内側に電気的に接続された圧電体と、前記ケースの開放端を覆いケース外周部と電気的に導通された端子板と、前記端子板に設けられた第１の外部電極端子と、前記第１の外部電極端子と絶縁状態で前記端子板に設けられた第２の外部電極端子と、前記第２の電極面と前記第２の外部電極端子の間に設けられた導電体と、前記ケースの頂壁外面に接着固定された音響整合層とを備えた超音波送受波器において、端子板外周部あるいは前記ケース外周端部の少なくとも何れか一方に傾斜部を構成し、前記端子板外周部と前記ケース外周部が密着当接する密着当接部を接合する構成としたことを特徴とするもので、ケースと端子板が密着当接した密着当接部を例えばレーザにより接合した状態においては、レーザが照射された密着当接部の外周表面から端子板の中心部に向かって除々に溶融されるため、中心部側の溶融部においてはチリの発生がなく、ケース内へのチリの侵入がないため、チリによる電極面と端子板の間での短絡が無くなるものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の超音波送受波器は、端子板の外周部とケースの外周部を密着当接させ、密着当接部をレーザ溶接接合手段で接合することにより、密閉空間への溶接チリの発生を解消したものである。これにより、ケース内へのチリの浸入が無くなり電極面と端子板の間での短絡がなくなり、信頼性に優れた超音波送受波器を用いた超音波流量計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波流量計を示す概略構成図
【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】本発明の実施の形態２における超音波送受波器の断面図
【図４】本発明の実施の形態３における超音波送受波器の断面図
【図５】本発明の実施の形態３における超音波送受波器溶接後の断面図
【図６】従来の超音波送受波器の溶接前を示す断面図
【図７】従来の超音波送受波器の溶接後を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
第１の発明は、有底円筒状のケースと、対向する第１の電極面と第２の電極面を有し前記第１の電極面が前記ケースの頂壁内側に電気的に接続された圧電体と、前記ケースの開放端を覆いケース外周部と電気的に導通された端子板と、前記端子板に設けられた第１の外部電極端子と、前記第１の外部電極端子と絶縁状態で前記端子板に設けられた第２の外部電極端子と、前記第２の電極面と前記第２の外部電極端子の間に設けられた導電体と、前記ケースの頂壁外面に接着固定された音響整合層とを備えた超音波送受波器において、端子板外周部あるいは前記ケース外周端部の少なくとも何れか一方に傾斜部を構成し、前記端子板外周部と前記ケース外周部が密着当接する密着当接部を接合する構成としたことを特徴とするもので、ケースと端子板が密着当接した密着当接部を例えばレーザにより接合した状態においては、レーザが照射された密着当接部の外周表面から端子板の中心部に向かって除々に溶融されるため、中心部側の溶融部においてはチリの発生がなく、ケース内へのチリの侵入がないため、チリによる電極面と端子板の間での短絡が無くなるもので
ある。
【００１３】
具体的には、ケースのフランジ部に傾斜を設けケース外周部が端子板に密着当接するように構成したものである。ケース外周部を端子板に密着当接することによりレーザを上記密着当接した部分に照射することにより、溶接時にケースと端子板の間に隙間が生じていないため、溶接不良をなくすることが出来るものである。
【００１４】
第２の発明は、特に第１の発明において、端子板外周部のケースに対向する面がケース接合方向に向かって傾斜した傾斜部を備えたもので、ケース外周部と端子板が密着当接した密着当接部へレーザ照射を行うことにより溶接が確実に出来るため溶接不良をなくすることが出来るものである。と共に端子板をケースに比べ厚く構成した場合、端子板を加工する際に端子板の外周の平面度を精度良く加工することができるものである。
【００１５】
第３の発明は、特に第３の発明において、端子板は、ケースとの接合面の反対側を平面としたもので、端子板外周部と端子板が密着当接した密着当接部へレーザ照射を行うことにより溶接が確実に出来るため溶接の不良をなくすることが出来るものである。と共に密着当接部側の反対面を平面で構成としたことにより、端子板とケースの外周近傍をシール面としたとき確実なシール性能を得ることができる。
【００１６】
第４の発明は、特に第１から３のいずれかの発明において、端子板とケースとの密着当接部をレーザ溶接手段により接合する構成としたレーザ溶接手段によりケースと端子板が密着当接した密着当接部を溶融する加工状態においては、レーザが照射された密着当接部は、外周表面から端子板の中心部に向かって除々に溶融されるため、中心部側の溶融部においてはチリの発生がなく、チリの浸入による電極面と端子板の間での短絡による問題の発生を無くすることができるものである。
【００１７】
第５の発明は、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から４のいずれか１項に記載の少なくとも一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を備えた超音波流量計とすることにより、信頼性の高い計測精度が得られるものである。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、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。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における超音波送受波器を用いた超音波流量計の構成を示す図である。
【００２０】
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の上流側と下流側に対向して配置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速および／または流量を求める演算回路である。
【００２１】
以上のように構成された流量測定部２での超音波流量計の動作、作用を説明する。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、
ｔ１＝Ｌ／Ｃ＋Ｖｃｏｓθ
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、
ｔ２＝Ｌ／Ｃ−Ｖｃｏｓθ
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、
Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２）
の式が得られる。
【００２２】
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、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。
【００２３】
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を用いて説明する。図２は本発明の第１の実施形態における超音波送受波器の断面図を示すものである。
【００２４】
図２において、超音波送受波器３、４は、下方が開放された有底円筒状に形成されたケース１０と、対向する第１の電極面７および第２の電極面８を有し第１の電極面７がケース１０の頂壁１０ａの内側に電気的に接続された圧電体９と、ケース１０の外周近傍部１１と密着当接されてケース１０の開放端を密閉する端子板１２と、端子板１２に設けられた第１の外部電極端子１３と、第１の外部電極端子１３と絶縁状態で端子板１２に設けられた第２の外部電極端子１４と、圧電体９の第２の電極面８と第２の外部電極端子１４の間に設けられた導電体１５ａを有する導電ゴム１５と、圧電体９に対向しケース１０の外部に接着固定された音響整合層１６とで構成されている。
【００２５】
ケース１０の外周近傍部１１はフランジ状に形成されると共に傾斜部１７が構成されており、このケース１０の傾斜部１７の外周部１８は端子板１２の外周近傍部１９に当接し、密着当接部２０を構成している。
【００２６】
矢印２１は密着当接部２０に照射されるレーザを示す。尚図２はケース１０と端子板１２がレーザ溶接される前の状態を示している。
【００２７】
以上のように、本実施例の形態においては、レーザ溶接手段によりケース１０と端子板１２が密着当接した密着当接部２０を外周側から溶融する。レーザが照射された密着当接部２０の外周表面から端子板１２の中心部に向かって除々に溶融されるため、中心部側の溶融部においてはチリの発生が無くなるものである。
【００２８】
（実施の形態２）
図３は本発明の第２の実施の形態における超音波送受波器の断面図を示すものである。図３において、超音波送受波器２２は、対向する第１の電極面２３および第２の電極面２４を有する圧電体２５と、圧電体２５の第１の電極面２３に電気的に接続されたケース２６と、ケース２６の外周近傍部２７が密着当接された端子板２８と、端子板２８に設けられた第１の外部電極端子２９と、第１の外部電極端子２９と絶縁状態で端子板２８に設けられた第２の外部電極端子３０と、圧電体２５の第２の電極面２４と第２の外部電極端子３０の間に設けられた導電体３１ａを有する導電ゴム３１と、圧電体２５に対向しケース２６に接着固定された音響整合層３２とで構成されている。尚図３はケース２６と端子板２８がレーザ溶接される前の状態を示している。
【００２９】
端子板２８の外周近傍部３３にはケース２６の接合方向に向かって傾斜した傾斜部３４が構成されており、この端子板２８の傾斜部３４の外周部３５はケース２６の外周近傍部２７に当接し密着当接部３６を構成している。矢印３７は密着当接部３６に照射されるレーザを示す。
【００３０】
以上のように本実施例の形態においては、端子板２８の外周をケース２６に密着当接することによりレーザ照射による溶接が確実に出来るため溶接の不良をなくすることが出来るものである。と共に端子板２８をケース２６に比べ厚く構成した場合、端子板２８を例えばプレス加工する際には、端子板２８のケース２６の外周近傍部２７との接触面の平面度を精度良く加工することができるものであり、ケース２６の外周近傍部２７と端子板２８の外周部３５の密着当接部３６の隙間を無くする効果がある。
【００３１】
（実施の形態３）
図４は本発明の第３の実施の形態における超音波送受波器の断面図を示すものである。図４において、超音波送受波器３８は、対向する第１の電極面３９および第２の電極面４０を有する圧電体４１と、圧電体４１の第１の電極面３９に電気的に接続されたケース４２と、ケース４２の外周近傍部４３が電気的に接続された端子板４４と、端子板４４に設けられた第１の外部電極端子４５と、第１の外部電極端子４５と絶縁状態で端子板４４に設けられた第２の外部電極端子４６と、圧電体４１の第２の電極面４０と第２の外部電極端子４６の間に設けられた導電体４７ａを有する導電ゴム４７と、圧電体４１に対向しケース４２に接着固定された音響整合層７７とで構成されている。
【００３２】
端子板４４の外周近傍部４８のケース４２との密着当接部側４９には傾斜部５０が構成されており、この端子板４４の傾斜部５０の外周部５１はケース４２の外周近傍部４３に当接し密着当接部５２を構成している。矢印５３は密着当接部５２に照射されるレーザを示す。端子板４４の密着当接部側４９の反対面５４とケース４２の外周部近傍４３は互いに平行面で構成している。尚図４はケース４２と端子板４４がレーザ溶接される前の状態を示している。
【００３３】
以上のように本実施の形態においては、端子板４４の外周部５１をケース４２の外周部近傍４３に密着当接することによりレーザ照射による溶接が確実に出来るため溶接の不良をなくすることが出来るものである。さらに、密着当接部側４９の反対面５４をケース４２の外周部近傍４３に対して平行面で構成したことにより、超音波送受波器３８を流量測定部へ取り付ける場合、端子板４４の反対面５４とケース４２の外周近傍４３が互いに平行面で構成されているため確実なシール性能を得ることができる。
【００３４】
図５は本発明の第３の実施形態におけるレーザ溶接後の超音波送受波器の断面図を示すものである。図５において、超音波送受波器５５のケース５６の外周近傍部５７と端子板５８の外周部５９は、密着当接部６０に照射されたレーザにより溶融部６１を構成し一体に接合されている。溶融部６１の範囲は丸み形状の外周近傍部５７から内側溶融部６２に渡っている。６２は圧電体を示す。
【００３５】
以上のように本実施例の形態においては、溶融部６１の外周近傍部５７は丸み形状で個性されているため、超音波送受波器３８を流量測定部へ取り付ける場合、シール手段としてＯリングや成型されたゴム材料を用いた場合、ゴム材料に傷をつけることがなく確実なシール性能を得ることができる。また密着当接部６０に照射されたレーザは外周部近傍５７や外周部５９を溶解し、その溶解範囲は端子板５８の中心方向へ移動しながら内部溶解部６２へ至る。内側溶解部６２ではレーザが直接当たらず熱により溶融されるため圧電体６２の方向へはチリの発生はない。
【００３６】
また、超音波送受波器は、端子板の外周近傍とケースの外周近傍部が密着当接する密着当接部の溶接手段は、レーザ溶接としたものである。
【００３７】
これにより、レーザ溶接手段によりケースと端子板が密着当接した密着当接部を溶融する状態においては、レーザが照射された密着当接部の外周表面から端子板の中心部に向かって除々に溶融されるため、中心部側の溶融部においてはチリの発生がなく、電極面と端子板の間での短絡を無くすことができるものである。
【００３８】
そして密閉空間にチリの混入がない本超音波送受波器を被測定流体が流れる流路の上流側と下流側に少なくとも一対配置し、両超音波送受波器間の超音波伝搬時間にもとづいて前記被測定流体の流速および／または流量を測定するようにした超音波とすることにより、チリによる短絡のない信頼性の高い計測が得られるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上のように、本発明にかかる超音波送受波器および超音波流量計は、超音波送受波器を製造する際にケースと端子板の接合で発生する溶接チリによる超音波送受波器の短絡がなく、信頼性に優れた超音波送受波器を用いた超音波流量計として有用である。
【符号の説明】
【００４０】
３、４、２２、３８、５５  超音波送受波器
７、２３、３９  第１の電極面
８、２４、４０  第２の電極面
９、２５、４１  圧電体
１０、２６、４２  ケース
１０ａ、２６ａ、６３ａ  頂壁
１１、２７、４３  ケースの外周近傍部（ケース外周部）
１２、２８、４４、５８  端子板
１３、２９、４５  第１の外部電極端子
１４、３０、４６  第２の外部電極端子
１５ａ、３１ａ、４７ａ  導電体
１６、３２、７７  音響整合層
１７、３４、５０  傾斜部
１９、３３、４８  端子板の外周近傍部（端子板外周部）
２０、３６、５２、６０  密着当接部
【図１】
2011015264.tif 000003
【図２】
2011015264.tif 000004
【図３】
2011015264.tif 000005
【図４】
2011015264.tif 000006
【図５】
2011015264.tif 000007
【図６】
2011015264.tif 000008
【図７】
2011015264.tif 000009