(57)【要約】【課題】超音波送受波器においてケースに音響整合層を接着する際に前記音響整合層を接着する位置を明確にすることで位置ずれを防止し超音波の指向性に優れた超音波送受波器を提供することを目的とする。【解決手段】圧電体１２を囲むケース７の上面に音響整合層９を接合させたものにおいて、相嵌合する凹形状部１５と凸形状部１４を音響整合層９とケース７に形成したものである。したがって、これら凹形状部１５と凸形状部１４との嵌合によってケース７に対する音響整合層９の位置決めが確実になされ、超音波の指向性を優れたものとし、超音波送受波器としての送受信感度を高めることができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体と、前記圧電体を囲むケースと、前記ケース上に接合された音響整合層と、前記音響整合層の前記ケースに対する位置を決める位置決め手段とを具備した超音波送受波器。
【請求項２】
位置決め手段として、ケースおよび音響整合層に一つまたは複数の相係合する凹凸を設けた請求項１記載の超音波送受波器。
【請求項３】
位置決め手段として、ケースと音響整合層との接合面の中心部に凸部を設けた請求項１記載の超音波送受波器。
【請求項４】
圧電体と、前記圧電体を囲むケースと、前記ケース上に接合された音響整合層と、前記圧電体および音響整合層のケースに対する位置を表示する位置表示手段とを具備した超音波送受波器。
【請求項５】
位置表示手段として、ケースの音響整合層との接合面の外周近傍に一つまたは複数の凹部を設けた請求項４記載の超音波送受波器。
【請求項６】
位置表示手段として、ケースの音響整合層との接合面の外周に２つの凹部を設け、前記音響整合層と圧電体とケースの上面の外周とを同径にした請求項４記載の超音波送受波器。
【請求項７】
流路を流れる流体の流量を測定する流量測定部を具備し、前記流量測定部に請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波送受波器を用いた超音波流量計。
【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。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波送受波器は図６に示すような構成であった。すなわち、ケース５１の天部外面５２に接着剤を用いて音響整合層５３を接着固定し、ケース５１の天部内面５４に接着剤を用いて圧電体５５の一方の電極面５６を接着固定する。
【０００３】
次に、導電性を有する弾性体５７を圧電体５５の他方の電極面５８と端子板５９の端子６０で挟んで加圧し、この状態で前記端子版５９の外周付近とケース５１のフランジ部６１とを電気溶接により接続する。
【０００４】
ケース５１と端子板５９により囲まれた密封空間６２には窒素ガスを充填している。また、端子板５９に設けられている端子６０と６３の間はガラス（絶縁部）６４により電気的に絶縁されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−５０７８５号公報（第３−６頁、第８図）
【０００６】
【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においては、ケース５１の天部外面５２に音響整合層５３を接着する際に前記音響整合層５３を前記ケース５１に接着する位置が分かりにくく位置ずれしやすい。
【０００７】
位置ずれして接着されると、圧電体５５から発信した超音波がケース５１および音響整合層５３を通り、外部の気体に伝播する際に超音波の指向性にばらつきが生じる。
【０００８】
その結果、一対の超音波送受波器を用いて計測する場合には、超音波送受波器の送受信感度が低下し計測精度が悪化するという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、ケースの天部外面に音響整合層を接着する際に前記音響整合層を接着する位置を明確にすることで位置ずれするのを防止して、超音波の指向性を等しくし、超音波送受波器の送受信感度を高めた超音波送受波器と、一対の前記超音波送受波器を用いて計測精度の高い超音波流量計を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、圧電体と、前記圧電体を囲むケースと、前記ケース上に接合された音響整合層と、前記音響整合層の前記ケースに対する位置を決める位置決め手段とを具備している。
【００１１】
上記構成により、ケースと音響整合層の位置決めが可能であり、接着の際の位置ずれが防止され超音波の指向性を等しくし超音波送受波器の送受信感度を高めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、圧電体と、前記圧電体を囲むケースと、前記ケース上に接合された音響整合層と、前記音響整合層の前記ケースに対する位置を決める位置決め手段とを具備した超音波送受波器であり、ケースと音響整合層との位置決めができるため接着の際の位置ずれが防止され、超音波の指向性を等しくすることで送受信感度を高めることができる。
【００１３】
また、上記位置決め手段として、ケースおよび音響整合層に一つまたは複数の相係合する凹凸を設けることにより、接着の際の位置ずれを防止することができるとともに、横方向に音響整合層が移動することを防止することができる。
【００１４】
また、上記位置決め手段として、ケースと音響整合層との接合面の中心部に凸部を設けることにより、接着の際の位置ずれを防止することができるとともに、ケースと音響整合層の中心軸を合わせより精度の高い超音波送受波器を実現することができる。
【００１５】
また、本発明は、圧電体と、前記圧電体を囲むケースと、前記ケース上に接合された音響整合層と、前記圧電体および音響整合層のケースに対する位置を表示する位置表示手段とを具備したものであり、ケースと圧電体および音響整合層との位置決めができるため接着の際の位置ずれが防止され、超音波の指向性を等しくし超音波送受波器の送受信感度を高めることができる。
【００１６】
また、上記位置表示手段として、ケースの音響整合層との接合面の外周近傍に一つまたは複数の凹部を設けている。また、上記位置表示手段として、ケースの音響整合層との接合面の外周に２つの凹部を設け、前記音響整合層と圧電体とケースの上面の外周とを同径にしている。
【００１７】
また、本発明は、流路を流れる流体の流量を測定する流量測定部を具備し、前記流量測定部に上記いずれかの超音波送受波器を用いた超音波流量計であり、ケースと音響整合層あるいはケースと圧電体および音響整合層の位置ずれを防止され、超音波の指向性を等しくし超音波送受波器の送受信感度を高めることができるため、計測精度を高めることができる。
【００１８】
【実施例】
（実施例１）
以下、実施例について図面を用いて説明する。図１において、流量測定部１は流路２を流れる被測定物の流量を測定する流量測定部であり、一対の超音波送受波器３および４が配置されている。
【００１９】
超音波送受波器３および４の間を超音波が伝播する超音波伝播時間を計測回路５にて計測し、信号として流量演算回路６に出力する。前記流量演算部６は前記信号に基づいて流量を求める。
【００２０】
上記のように構成された超音波流量計において、その動作を説明する。超音波送受波器３および４の中心間を結ぶ直線の距離をＬとし、この直線と被測定物の流れる方向である流路１の長手方向との角度をθとする。静止している流体中を超音波が伝達する速度をＣとし、流路１を流れる流体の流速をＶとする。
【００２１】
流路２に対して上流側に配置された超音波送受波器３と下流側に配置された超音波送受波器４により流路２を流れる流体の流量を測定する。
【００２２】
まず、超音波送受波器３から超音波を送信する。送信された超音波は流路２を斜めに縦断し超音波送受波器４で受信される。その際の超音波伝播時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）
で示される。次に、超音波送受波器４から超音波を送信する。送信された超音波は流路２を斜めに縦断し超音波送受波器３で受信される。その際の超音波伝播時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）
で示される。流体の音速Ｃは温度などの測定環境により変化するため、ｔ１および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。この式より、Ｌとθが既知のものとなれば流体の流速Ｖが求められることが導かれる。Ｖを正確に求めるためにはｔ１、ｔ２を正確に計測する必要があるため、超音波の指向性を等しくすることが必要である。また、流量をＱ、流路１の断面積をＳ、補正係数をＫとすると、流量ＱはＱ＝ＫＳＶの演算式により求められる。
【００２３】
超音波流量計においては、計測回路５から出力された超音波伝播時間に関する信号に基づき、流量演算回路６で前記演算式から流量を求める。
【００２４】
図２は超音波送受波器において音響整合層のケースに対する位置を決める位置決め手段に関する実施例の一つを示している。
【００２５】
図において、ケース７の天部外面８には音響整合層９が接着剤により固定され、天部内面１０には溝１１が形成された圧電体１２の電極面１３が接着剤により固定されている。
【００２６】
ケース７の天部外面８には、位置決め手段として同ケース７と音響整合層９との接合面の中央に当たる位置に凸状形部１４が形成されており、音響整合層９に形成された凹状形部１５と嵌合している。
【００２７】
また、ケース７のフランジ部１６は端子板１７の外周部１８に接着されている。端子板１７は２つの外部電極端子１９，２０を有する。
【００２８】
前記２つの外部電極端子１９と２０とはガラスなどの絶縁体２１により絶縁されており、一方の外部電極端子１９は導電体２２を通して圧電体１２の電極面２３と電気的に接続している。
【００２９】
導電体２２の中心部には導電部２４が設けられ、その周りには絶縁部２５が設けられており、もう一方の外部電極端子２０と電気的に絶縁している。また、圧電体１２内の密封空間２６には窒素ガスなどの不活性ガスが充填されている。
【００３０】
上記のように構成された超音波送受波器についてその動作を説明する。ケース７の天部外面８に形成された凸形状部１４と音響整合層９に形成された凹形状部１５を嵌合した後、接着剤により接着固定し、ケース７の天部内面１０に接着剤を用いて圧電体１２の一方の電極面１３を接着固定する。
【００３１】
次に、導電体２２を圧電体１２の他方の電極面２３と端子板１７の外部電極端子１９で挟んで加圧し、この状態で前記端子板１７の外周部１８とケース７のフランジ部１６とを電気溶接により接続する。
【００３２】
その後、密封空間２６の空気を窒素ガスなどの不活性ガスと置換する。また、端子板１７に設けられている外部電極端子１９と２０の間はガラスなどの絶縁体２１及び導電体２２に設けられた絶縁部２５により電気的に絶縁されている。
【００３３】
この構造により、ケース７と音響整合層９の位置決めができるため接着の際の位置ずれが防止され、超音波の指向性を等しくし超音波送受波器の送受信感度を高めることができる。
【００３４】
また、ケース７の天部外面８の、同ケース７と音響整合層９との接合面の中央にあたる位置に凸形状部１４を形成したことにより、ケース７と音響整合層９の中心軸の位置決めをすることができるものである。
【００３５】
なお、本実施例においては凸形状部１４をケース７の天部外面８に、凹形状部１５を音響整合層９に形成したが、凸形状部１４を音響整合層９に、凹形状部１５をケース７に形成してもよい。
【００３６】
また、この場合には、圧電体１２の軸決めもできるため超音波送受波器の送信感度をより高めることができ好ましい。
【００３７】
また、本実施例においては一つの凸形状部１４をケース７の天部外面８の、同ケース７と音響整合層９との接合面の中央にあたる位置に形成したが、凸形状部１４あるいは凹形状部１５のような位置決め手段を複数設けてもよく、また必ずしも中央に設ける必要はない。
【００３８】
また、図３のように位置決め手段である凸形状部２７をケース７の外周に形成してもよく、接着時に凸形状部２７に囲まれた天部外面８の凹部２８に音響整合層９を嵌合することで、簡単に音響整合層９とケース７を位置決めし接着しても同様の効果が得られる。
【００３９】
上記のように構成された送受信感度の高い超音波送受波器を、流路を流れる流体の流量を測定する流量測定部に一対用いることで、圧電体から発信される超音波の指向性が等しくなりより正確な伝播時間を計測することができるため、計測精度の高い超音波流量計を実現することができる。
【００４０】
（実施例２）
図４は、超音波送受波器において音響整合層および圧電体のケースに対する位置を表示する位置表示手段に関し、実施例１と異なる実施例を示している。
【００４１】
図において、実施例１と同じ構成のものについては説明を省く。ケース７の外周には位置表示手段として凹部２９が設けられており、音響整合層９および圧電体１２のケース７に対する位置を決めている。
【００４２】
音響整合層９と圧電体１２の外周は同径になるように形成されている。
【００４３】
上記のように構成された超音波送受波器についてその動作を説明する。位置表示手段である凹部２９に基づいて、ケース７の天部外面８に音響整合層９を、天部内面１０に圧電体１２を配置し接着剤で接着する
。
【００４４】
この構造により、ケース７と音響整合層９及び圧電体１２の位置を明確に決めることができるため、接着の際の位置ずれを防止することができ、超音波の指向性を等しくし超音波送受波器の送信感度を高めることができる。
【００４５】
また、音響整合層９のみの位置決めを行う場合には、図５のように圧電体１２の外周を音響整合層９の外周より小さく構成することもできる。
【００４６】
この場合には、圧電体１２から発信される超音波が確実に音響整合層９を通るため好ましい。
【００４７】
なお、本実施例においては、位置表示手段としてケース７の外周に凹部２９を設けたが、外周近傍に一つまたは複数の凹部を設ける、あるいはケース７に位置を表示するマークなどを設けるようにしても同様の効果が得られる。
【００４８】
上記のように構成された送受信感度の高い超音波送受波器を、流路を流れる流体の流量を測定する流量測定部に一対用いることで、圧電体から発信される超音波の指向性が等しくなりより正確な伝播時間を計測することができるため、計測精度の高い超音波流量計を実現することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、圧電体と、前記圧電体を囲むケースと、前記ケース上に接合された音響整合層と、前記音響整合層の前記ケースに対する位置を決める位置決め手段とを具備し、ケースと音響整合層との位置決めができるため接着の際の位置ずれが防止され、超音波の指向性を等しくし超音波送受波器の送受信感度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における超音波流量計の概略構成図
【図２】本発明の実施例１における超音波送受波器の縦断面図
【図３】本発明の実施例１における超音波送受波器の縦断面図
【図４】本発明の実施例２における超音波送受波器の縦断面図
【図５】本発明の実施例２における超音波送受波器の縦断面図
【図６】従来の超音波送受波器の縦断面図
【符号の説明】
１  流量測定部
２  流路
３、４  超音波送受波器
５  計測回路
６  流量演算回路
７  ケース
９  音響整合層
１２  圧電体
１４  凸形状部
１５  凹形状部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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