(57)【要約】【課題】圧電体の振動を効率的に被測定流体中に伝搬させる、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】ケース１１を介した音響整合層１２の外径をケース１１の天部１１ａより小さくすることにより、音響整合層１２から出力される音波の指向性や感度分布を制御することができ、流量測定部内の被測定流体の流速分布特性を網羅し安定した流量計測が可能となる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
天部と側壁部を有するケースと、前記ケースの天部面積より小さい音響整合層を有し、前記音響整合層は、前記天部の外壁面に接着剤で固定されている超音波送受波器。
【請求項２】
音響整合層は円形で構成されている請求項１記載の超音波送受波器。
【請求項３】
音響整合層は多角形で構成されている請求項１記載の超音波送受波器。
【請求項４】
音響整合層は楕円形で構成されている請求項１記載の超音波送受波器。
【請求項５】
音響整合層はケースの中心部に位置する構成をした請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波送受波器。
【請求項６】
音響整合層はケースの中心から偏心した位置に固定された請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波送受波器。
【請求項７】
被測定流体が流れる流量測定部と、前記流量測定部に設けられ超音波を送受信する請求項１〜６のいずれか１項記載の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、前記計測回路により計測された伝搬時間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、気体や液体の流量や流速の計測に用いる超音波送受波器、及び超音波送受波器を用いる超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の超音波流量計に用いる超音波送受波器は、音響整合層２７とケース２５の天部は同等の面積を持つ円板形状をしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図７、図８は特許文献１に記載された従来の超音波送受波器の外観図を示すものである。図７に示すように、超音波送受波器２４は、ケース２５、ケース２５の天部２６、天部２６に固定された音響整合層２７から構成されている。
【０００４】
図８に超音波送受波器の断面図を示す。図において、２８は天部２６の内壁面に配置された圧電体、２９はケース２５を固定するための支持部である。３０は導電体、３１は支持部２９に固定された端子板、３２ａ、３２ｂは端子板３１に固定された端子、３３は端子３２ａと端子３２ｂを絶縁するための絶縁部である。３４は、圧電体２８に設けられた溝である。
【０００５】
この構成において、超音波送受波器２４は、端子３２ａ、３２ｂから導電体３０を介して、圧電体２８に電圧が加わると、圧電体２８は圧電現象により振動し超音波を発信する。
【特許文献１】特開平１１−１１８５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の音響整合層では音響整合層の大きさがケース天部の面積と同等であり厚みも均一であるため、圧電体で発生した振動がケースを通じて音響整合層に伝わる場合に、流量計測を行う上で不要な振動も音波に変換してしまうことがある。超音波を用いた流量計測では圧電体の振動が大きい部分の音波のみを超音波送受波器から発生させることで、ばらつきの無い流量計測を行うことが可能となるが、従来の音響整合層では不要な音波によるノイズ成分と振動が大きい部分の音波が混同された状態となるため、流量計測が不安定になる事がある。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ケース天部に必要面積分の音響整合層を設けることで、ケースを介した圧電体の振動が大きい部分の音波のみを効率的に被測定流体中に伝搬させる超音波送受波器及び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】
【０００８】
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、天部と側壁部を有するケースと、前記ケースの天部面積より小さい音響整合層を有し、前記音響整合層は、前記天部の外壁面に接着剤で固定されているもので、被測定流体の計測を行う上で不要な音波を送受信することなく計測に必要な音波のみを送受信する事でばらつきの無い安定した計測を行うことができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の超音波送受波器は、圧電体の振動を効率よく伝搬させるためにケース天面部の音響整合層の面積を最適寸法に変えることで、不要音波を排除し、音波の指向性を制御する事ができるため、被測定流体の流量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、天部と側壁部を有するケースと、前記ケースの天部面積より小さい音響整合層を有し、前記音響整合層は、前記天部の外壁面に接着剤で固定したもので、音響整合層がケースの接着面積より小さく構成されているため、音波の指向性を制御することが可能な超音波送受波器を得ることができる。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明の超音波送受波器において、音響整合層は円形で構成されることにより不要音波を排除し、音波の指向性を制御する超音波送受波器を得られる。
【００１２】
第３の発明は、第１の発明の超音波送受波器において、音響整合層は四角形で構成されることで、音波の指向性や感度分布を調整することが可能な超音波送受波器が得られる。
【００１３】
第４の発明は、第１の発明の超音波送受波器において、音響整合層は楕円形で構成されていることで、音波の指向性や感度分布を調整することが可能な超音波送受波器が得られる。
【００１４】
第５の発明は、第１の形態の超音波送受波器において、音響整合層はケースの中心部に位置する構成をすることにより、音波の出る方向を調整することが可能な超音波送受波器が得られる。
【００１５】
第６の発明は、第１の発明の超音波送受波器において、音響整合層をケースの中心から偏心した位置に固定することにより、音波の感度分布を制御することができる超音波送受波器が得られる。
【００１６】
第７の発明は、第１〜６のいずれか１つの発明の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、前記計測回路により計測された伝搬時間に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えたため、計測ばらつきの少ない超音波流量計を得ることができる。
【００１７】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお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。
【００１８】
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。なお、発振回路４、駆動回路５、切替回路６、受信検知回路７、タイマ８、制御信号１０により計測回路１３が構成されている。
【００１９】
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。本実施の形態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。
【００２０】
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５では発振回路４の信号から超音波送受波器２、３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。
【００２１】
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部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９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。
【００２２】
引き続き切替回路６で駆動回路５と受信検知回路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。
【００２３】
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。
【００２４】
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の形態を図２を用いて説明する。
【００２５】
図２は本発明の超音波送受波器２、３の断面図である。図２において、ケース１１は、天部１１ａと側壁部１１ｂからなる。音響整合層１２と天部１１ａの外壁面、および天部１１ａの内壁面１４と圧電体１５は接着により固定されている。１６はケース支持部、１７はケース支持部に固定された端子板、１８ａ、１８ｂは端子板１７に設けられた端子、１９は端子１８ａと端子１８ｂを絶縁するための絶縁部、２０は端子１８ａと圧電体１５を電気的に接続するためのリード線である。
【００２６】
以上のように構成された超音波送受波器２、３のについて図３を用いて説明する。音響整合層１２は図示していないエポキシ樹脂と中空ガラス球の混合体からなる材料を用いている。ケース１１はステンレス製であり、音響整合層１２とケース１１および圧電体１５は熱硬化性エポキシ系樹脂用いて接着している。
【００２７】
音響整合層１２において例えば音響整合層厚み２３を共振周波数の１／４波長相当にすることにより、音響整合層１２の面からのみ音波が出力される。そして、ケース１１を介した圧電体１５の振動はケース１１の中心付近が大きくなる傾向にあるため、音響整合層１２をケース１１の中心付近に設けた場合、共振周波数成分に近い波長を持つ音波が送信される。
【００２８】
ここで、音響整合層１２の直径２１は、ケース１１の直径２２に対して、２０％から９０％を基本とし、３５％から６５％としている。また、４５％から５５％でもかまわない。音響整合層１２の円周方向の面積を小さくしていくことにより、音響整合層１２から出力される音波の平面波領域が短くなり球面波として拡散して伝播していくため、音波の感度分布を制御することとなる。
【００２９】
なお、図３では音響整合層１２の形状を円形として説明したが、図４に示すように音響整合層１２を四角形や図示していないが多角形にしてもかまわない。あるいは、図５に示すように音響整合層１２を楕円形にしてもかまわない。なお、楕円形状にすると音波の出力は長軸と短軸の寸法関係にもよるが、長軸側からは平面波が出力され短軸側からは球面波が出力されることになる。
【００３０】
（実施の形態２）
図６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斜視図である。音波の出力は音響整合層１２の厚み２３を圧電体１５の共振周波数の１／４波長相当の厚みにする事で得られるため、例えば音響整合層厚み２３を共振周波数の１／４波長相当にし、音響整合層１２の位置を中心より外すことで、音波の指向性と感度分布をある程度自由に設定することが可能となる。
【００３１】
また、図１の流量測定部１に設置された超音波送受波器２、３の位置により被測定流体の速度分布全体を網羅する音波の指向性と感度分布の最適値を導き出してもよい。
【００３２】
なお、図６では音響整合層１２を円形とし、音響整合層厚み２３を共振周波数の１／４波長相当としたが、図示していない多角形や楕円形でもかまわない。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
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、圧電体の振動を効率よく伝搬させるためにケース天面部の音響整合層の面積を最適寸法に変えることで、不要音波を排除し、音波の指向性を制御する事ができるため、被測定流体の流量測定を安定して測定するが可能となるので、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】
【００３４】
【図１】本発明の超音波送受波器を用いる超音波流量計の構成図
【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１における超音波送受波器の斜視図
【図４】本発明の実施の形態１における超音波送受波器の他の形状を示す斜視図
【図５】本発明の実施の形態１における超音波送受波器の他の形状を示す斜視図
【図６】本発明の実施の形態２における超音波送受波器の斜視図
【図７】従来の超音波送受波器の斜視図
【図８】従来の超音波送受波器の断面図
【符号の説明】
【００３５】
１  流量測定部
２、３  超音波送受波器
９  演算部（流量演算手段）
１１  ケース
１１ａ  天部
１１ｂ  側壁部
１２  音響整合層
１３  計測回路
【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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【図７】
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【図８】
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