(57)【要約】【課題】圧電体や音響整合層の取付けに平行度バラツキをなくし、超音波の指向性を安定にすることを目的とする。【解決手段】上面に音響整合層３６が、下面に圧電体２９が接着などの手段で取付けられる天板部３０を側壁部３７とは別体構成としたものである。これら天板部３０を側壁部３７とは溶接などにより固定される。このように天板部３０が別体構成であるところから、同天板部３０の平面度確保が容易となり、超音波の指向性にバラツキをなくし、信頼性の高い超音波送受波器を提供できる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１対の電極面を有する圧電体と、前記一方の電極面に電気的に接続された天板部と、前記天板部に電気的に接続された状態で固定された側壁部と、前記側壁部の一端が電気的に接続され、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の間に挟持される導電体と、前記天板部を間に前記圧電体に対向して前記天板部に固定された音響整合層と具備した超音波送受波器。
【請求項２】
天板部は平板で構成した請求項１に記載の超音波送受波器。
【請求項３】
天板部の板厚を側壁部および端子板に比べ薄く設定した請求項１または２に記載の超音波送受波器。
【請求項４】
天板部と側壁部と端子板を溶着により一体化した請求項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】
請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波送受波器の少なくとも１対を流量測定部の挿入孔に気密に挿入して配置した超音波流量計。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波送受波器の少なくとも１対を流量測定部の挿入孔に気密に挿入するとともに、振動緩衝材を介して前記流量測定部に固定した超音波流量計。
【請求項７】
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請求項５または６記載の超音波流量計。
【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としては、特許文献１に開示されているようなものがあった。
【０００３】
すなわち、図５のように、ケース１における天部２の外面３には音響整合層４が接着剤により接着固定され、また天部２の内面５には圧電体６の一方の電極面７が固定されている。
【０００４】
圧電体６の他方の電極面８と端子板９の端子１０，１１の間には導電性を有する弾性体１２が加圧状態で挟まれ、電気的接続を図っている。
【０００５】
ケース１のフランジ部１３と端子板９は電気溶接により接合してあり、またこのケース７と端子板９とで形成された密封空間１４には窒素ガスが充填されている。
【０００６】
端子板９に設けられている端子１０，１１間は、ガラス（絶縁部）１５  で電気的に絶縁されている。
【０００７】
このように、圧電体６の電極面８と端子１０とは電気的に接続され、もう一方の電極面７は外部電極を兼ねたケース１、端子板１４を介して端子１６に電気的に接続されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の超音波送受波器では、ケース１は、音響整合層４が接着固定される天部２と一体に構成してあった。
【０００９】
この場合、一般的に金属板をプレス成形して加工されるが、天部２の平面度が出にくかった。そのため圧電体６や音響整合層４の接着に平行度バラツキが生じ、圧電体６から発信した超音波がケース１、音響整合層４を介して気体に伝播する際に、超音波の指向性にバラツキが生じ、超音波送受波器を一対用いて流量計測を行う場合には、超音波送受波器の送受信感度の低下を生じ計測が不安定になるという問題が生じる。
【００１０】
また、ケース１を超音波流量計における流量測定部の挿入孔の間に気密シール手段を用いてシールした場合、ケース７の加工寸法にバラツキが大きく、シール信頼性が悪かった。
【００１１】
そこで本発明は上記従来の問題を解決したもので、超音波の指向性にバラツキを無くすとともに、送受信感度の低下を防止し、信頼性の高い超音波送受波器を提供することを目的とするものである。とを目的とする。
【００１２】
【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、１対の電極面を有する圧電体と、前記一方の電極面に電気的に接続された天板部と、前記天板部に電気的に接続された状態で固定された側壁部と、前記側壁部の一端が電気的に接続され、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の間に挟持される導電体と、前記天板部を間に前記圧電体に対向して前記天板部に固定された音響整合層と具備したものである。
【００１３】
上記構成によれば、平面度を確保した天板部に音響整合層と圧電体を取付けることができるので、天板部への音響整合層と圧電体の均一密着性が優れ超音波の指向性にバラツキを無くし、送受信感度の低下を防止し、信頼性の高い超音波送受波器を提供することができるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波送受波器は、対向する１対の電極面を有する圧電体と、前記一方の電極面に電気的に接続された天板部と、前記天板部に電気的に接続された状態で固定された側壁部と、前記側壁部の一端が電気的に接続され、２つの外部電極端子を有する端子板と、圧電体の他方の電極面と一方の外部電極端子の間に挟持される導電体と、前記天板部を間に前記圧電体に対向して前記天板部に固定された音響整合層と具備したものであって、天板部、側壁部の寸法精度を向上させて超音波の指向性にバラツキを抑制することができるものである。
【００１５】
前記天板部は平板で構成すれば、平面度の確保がより容易となり、加工もしやすいものとすることができる。
【００１６】
また天板部の板厚を側壁部および端子板に比べ薄く設定すれば、圧電体の振動により天板部を主体に振動させ、側壁の振動を極力減少させて、超音波の指向性のバラツキを抑制できる。
【００１７】
天板部と側壁部と端子板を溶着により一体化すれば、圧電体接着部分の気密性が確保され、加工時間も短縮化できる。
【００１８】
そしてこれら超音波送受波器の少なくとも１対を流量測定部の挿入孔に気密に挿入して配置すれば、超音波送受波器の取着部分のシール性が高められ、また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付加することで測定性能の良い超音波流量計とすることができるものである。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は実施例の超音波送受波器を用いた超音波流量計を示し、２１はＬＰガスや天然ガスなどの流体が流れる流路であり、２２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る。
【００２１】
２３，２４は流路２１を斜めに横切るごとく対向して配された超音波送受信用の超音波送受波器、２５は超音波送受波器２３，２４間の超音波伝搬時間を計測する計測回路、２６は計測回路２５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。
【００２２】
流量測定部２２での超音波流量計の動作を説明する。超音波送受波器２３，２４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２１の長手方向となす角度をθとする。
【００２３】
また流体の無風状態での音速をＣ、流路２１内での流体の流速をＶとする。流量測定部２２の上流側に配置された超音波送受波器２３から送信された超音波は流路２１を斜めに横断し、下流側に配置された超音波送受波器２４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２４から超音波を送信して超音波送受波器２３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。Ｌとθが既知なら、計測回路２５にてｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。
【００２４】
この流速Ｖから流量Ｑは、流路２１の断面積をＳ、補正係数をＫとすれば、流量演算回路２６でＱ＝ＫＳＶを演算して流量を求めることができる。
【００２５】
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２３，２４について、図２から図４を用いて説明する。なお、超音波送受波器２３，２４は同一構成のため、一方の超音波送受波器２３についてのみ説明を加える。
【００２６】
図２において、超音波送受波器２３は、１対の電極面２７，２８を有する圧電体２９と、前記上方の電極面２７に電気的に接続された天板部３０と、この天板部３０の一端が電気的に接続されるとともに、２つの外部電極端子３１，３２を有する端子板３３と、圧電体２９の下方の電極面２８と外部電極端子３１の間に挟持される導電体３４と、天板部３０を間に圧電体２９に対向し、同天板部３０の外面３５に接着された音響整合層３６とを備えている。
【００２７】
天板部３０と端子板３３の間には、側壁部３７が設けられており、前記天板部３０の周縁下部と側壁部３７の上端とは溶着部３８で溶着されてている。
【００２８】
尚、圧電体２９に設けられた溝３９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。
【００２９】
導電性を有する導電体３４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材料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４０と、その周囲に配される絶縁部４１とからなる柱状に形成されたものを用いている。
【００３０】
この導電体３４が端子板３３の保持穴４２に保持され、かつ圧電体２９と外部電極端子３１との間に挟持して加圧され、この状態で端子板３３の外周部４３と側壁部３７の溶着部４４を溶着により接合する。
【００３１】
すると、天板部３０と側壁部３７と端子板３３とで密閉空間４５が形成される。そして、この密閉空間４５は排気した後、窒素ガスなどの不活性ガスを充填するようにしてある。
【００３２】
なお、端子板３３は金属製で、外周部４３付近には端子３２が、中央部には端子３１が設けられているが、この端子３１の周囲（保持穴４２の内側）にはガラス（絶縁部）４６を設けることにより、端子３２との間が電気絶縁されるようにしてある。
【００３３】
この結果、圧電体２９の下方の電極面２８と端子３１は電気的に接続され、また上方の電極面２７は外部電極を兼ねた天板部３０、側壁部３７、端子板３３を介して端子３２に電気的に接続される。
【００３４】
図３は超音波送受波器２３，２４を流量測定部へ組込んだ例であり、すなわち、流量測定部２２の挿入孔４７，４８には気密シール手段であるＯリング４９，５０を介して超音波送受波器２３，２４が挿入されている。
【００３５】
そして、超音波送受波器２３，２４は、それらの端子板３３を固定手段である押え板５１，５２と固定ビス５３，５４を用いて流量測定部２２に固定されている。
【００３６】
前記の構成において、超音波送受波器２３，２４において、その音響整合層３６と圧電体２９を接着するための専用部品として平面度が確保容易な天板部３０を側壁部３７と別体構成することにより、これら天板部３０、側壁部３７の寸法精度が向上する。
【００３７】
その結果、超音波の指向性にバラツキを無くし、送受信感度の低下を防止して高い信頼性が得られる超音波流量計とすることができるものである。
【００３８】
図４は超音波送受波器２３，２４の流量測定部２２への組み込み構成の第２の実施例を示すものである。
【００３９】
超音波送受波器２３，２４の端子板３３の周囲にはゴムなどの弾性体からなる振動緩衝材５５，５６を介在させたものである。
【００４０】
したがって、端子板３３の流量測定部２２への当接が振動緩衝材５５，５６を介して行なわれるため、超音波送受波器２３，２４の振動が流量測定部２２に伝達することを防止することができ、これにより、送受信感度の低下を防止し、信頼性の高い超音波送受波器と、超音波流量計を提供することができる。
【００４１】
このように、上記した実施例によれば、次のような作用効果が得られるものである。
【００４２】
▲１▼  音響整合層と圧電体を接着するための専用部品として平面度が確保容易な天板部を構成するとともに、天板部と分離して設けられた側壁部を構成することにより、天板部、側壁部の寸法精度が向上し、その結果、超音波の指向性にバラツキがなくなり、送受信感度の向上が図れ、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ができるものであり、加えて、超音波送受波器を取りつけた際の気密シール性能も向上する。
【００４３】
▲２▼  天板部を平板で構成することにより、平面度の確保ができ、超音波の指向性にバラツキを少なくなる。また加工が容易である。
【００４４】
▲３▼  圧電体の振動を大部分天板部の振動とし、側壁の振動を極力減少することにより超音波の指向性にバラツキを無くし、送受信感度の向上が図れる。
【００４５】
▲４▼  天板部と側壁部と端子板を溶着組立構成としたもので、圧電体接着部分の気密性が確保されると共に、加工時間が短時間となりコスト安になるものである。
【００４６】
▲５▼  流路を流れる流体の流量を測定する流量測定部と、流量測定部に設けられた超音波送受波器の挿入孔と、挿入孔と超音波送受波器の天板部に比べ厚い側壁部の間に設けられた気密シール手段と、超音波送受波器を流量測定部に固定する固定手段とで構成したもので、ケースの側壁が厚いので加工寸法のバラツキが小さく、シール信頼性が良くなる。
【００４７】
▲６▼  超音波送受波器を流量測定部に固定する固定手段は、超音波送受波器と流量測定部の間に振動緩衝部を介した構成としたもので、超音波送受波器の振動が流量測定部に伝達することを防止することにより超音波振動が超音波送受波器以外に伝わることがなくなり、送受信感度の低下を防止し、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ることができる。
【００４８】
【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、超音波の指向性にバラツキをなくして、送受信感度の向上が図り、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ができるものである。
【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】本発明の実施例における超音波送受波器の流量測定部組込み状態を示す縦断面図
【図４】本発明の他の実施例における超音波送受波器の流量測定部への組込み状態を示す縦断面図
【図５】従来の超音波送受波器を示す断面図
【符号の説明】
２２  流量測定部
２３、２４超音波送受波器
２５  計測回路
２６  流量演算回路
２７、２８  電極面
２９  圧電体
３０  天板部
３１、３２  外部電極端子
３３  端子板
３４  導電体
３６  音響整合層
３７  側壁部
５５、５６  溶着部振動緩衝材
【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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