(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動手段と、前記振動手段の振動を気体に伝える整合手段とを備え、前記整合手段を中空のセラミックで構成し、前記中空のセラミックはガラスを媒体として固められ、前記振動手段は金属ケースに納められ、前記金属ケースに整合手段を取り付けた
超音波発生器において、
前記金属ケースと前記整合手段との間に複数の接合手段を設けて両者の接合を行い、
前記複数の接合手段の中、第１接合手段には酸化膜を、第２接合手段にはガラスを用いる、
超音波発生器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を利用して気体の流量を測定する流量計測装置や、物体との距離を測定する距離計測装置などに用いる超音波発器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の超音波発生器の構成を示す断面図である。図において、１は振動手段、２はケース、３は整合手段、４はケース内に充填した樹脂、５、６は電極、７は空間である。振動手段１とケース２とはエポキシ系の接着剤を用いて接着されている。ケース２と整合手段３とは、同様にエポキシ系の接着剤を用いて接続されている。樹脂４にはケース２と振動手段１および電極５、６とを固定する目的と、振動手段１の振動が整合手段３と反対の面に伝搬しないようにする音の緩衝材の目的がある。振動手段１は約５００kHzで振動し、その振動はエポキシ系の接着剤を介してケース２に伝わり、さらにエポキシ系の接着剤を介して整合手段３に伝わる。整合手段３の振動は空間７に存在する気体に音波として伝搬する。
【０００３】
整合手段３の役割は振動手段の振動を効率良く気体に伝搬させることにある。物質の音速Cと密度ρとで（数１）のように定義される音響インピーダンスZが、
【０００４】
【数１】
0004277393.tif 000002
【０００５】
振動手段と気体とで大きく異なる。振動手段の音響インピーダンスＺ1は３０×１０6（kg/m2s）で気体、例えば空気の音響インピーダンスＺ2は４．２８×１０2（kg/m2s）である。振動手段と金属の音響インピーダンスはほぼ等しい。このように音響インピーダンスの異なる境界面上では音（振動）の伝搬に反射が生じるようになり、その結果、透過する音の強さが弱くなる。ところが、２つの異なる音響インピーダンスの物質の間に別の音響インピーダンスを持つ物質を挿入することによって、音の反射を軽減することができる。
【０００６】
振動手段１と空間７との間に（数２）の関係を満たす音響インピーダンスＺ3を持つ物質を挿入することにより音の反射をなくせることが一般に知られている。
【０００７】
【数２】
0004277393.tif 000003
【０００８】
このＺ3の値は０．１１×１０6（kg/m2s）となる。この音響インピーダンスを満たす物質は、固体で密度が小さく音速の遅いものであることが要求される。
【０００９】
そこで、整合手段３は図５に示されるように、微小な中空のガラス８をエポキシ系樹脂の接着剤９で固めたものを用いて密度を小さくしている。中空のガラス８は整合手段を伝わる音の波長よりも十分小さくする必要があるので、１００μm以下の大きさのものを用いている。これにより得られる整合手段３の音響インピーダンスは約１．２×１０6（kg/m2s）となる。
【００１０】
さらに整合手段を透過して気体に伝達する音の強さは整合手段３の長さにも関係する。図６は、簡単にするためにエポキシ系接着剤とケース２とを除き、振動手段１と整合手段３と気体（空気）７からなる3つの物質中での音の伝播を示したもので、振動手段１からの音の波８は透過する波９と、整合手段と気体との境界面で反射する波１０とに分かれる。反射した波１０は整合手段３と振動手段１の境界面で反射し、この場合位相が反転した波１１となる。この波の一部が整合手段と気体との境界面で透過する波１２となる。波１２と波９とが合成されるので、気体７に放射される音の強さの透過率Tは（数３）で表される。
【００１１】
【数３】
0004277393.tif 000004
【００１２】
但し、Z1は振動手段の音響インピーダンス、Z2は整合手段の音響インピーダンス、Z3は気体の音響インピーダンス、Lは整合層の距離、k2は（数４）で与えられる。
【００１３】
【数４】
0004277393.tif 000005
【００１４】
但し、ｆは振動の周波数、C2は整合手段の音速である。
【００１５】
（数３）の透過率Tが最大となる距離Lを求めると、L=λ／４となる。
【００１６】
中空のガラスを整合手段として用いた場合、その音速は２０００m／sなので、音の周波数が５００kHzの場合は波長λが４mmとなる。従って整合手段の長さは１mmが最適値となる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の超音波発生器では、整合手段とケースとの接着にエポキシ系の樹脂を用いている。また、整合手段を構成する中空のガラスを固めるために、エポキシ系の樹脂を用いている。流量を測定したい気体中には水分が含まれていることがあり、このような場合に水分がエポキシ系樹脂に膨潤することがある。このようになると、整合手段の音響インピーダンスが変化し、整合手段の本来の目的である効率的な音の放射が阻害され、正確な計測に支障を来すことがある。また、流量を測定したい気体中にイオウが含まれていることがある。このような場合、超音波発生器を構成する整合手段と、整合手段とケースとの接着に用いているエポキシ系の樹脂がイオウによって腐食される懸念がある。整合手段が腐食され、接着強度が変わると整合手段の本来の目的である効率的な音の放射が阻害され、正確な計測に支障を来すことになる。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波発生器は、前述した課題を解決するためになされたもので、まず、整合手段を構成する従来の微小な中空の中空のガラスを微小な中空のセラミック球におきかえ、前記セラミック球を固めるためにガラスを用いるようにしたものである。セラミックはガラスよりも融点が高く、かつ、ガラスとセラミックは接合しやすいので、エポキシ系の接着剤を用いずにセラミック球を固めることができる。
【００１９】
次に、前記セラミック球で構成された前記整合手段と振動手段が収められた金属ケースとを接合するために、前記金属ケースと前記整合手段との間に、複数の接合手段を設けることによって、両者をガラスで接合することができるようにする。これによりエポキシ系の接着剤を用いずに接合できるようになる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明は振動手段と、振動手段の振動を気体に効率よく伝える整合手段とを備え、整合手段は中空構造を持つセラミックとを有するものである。そして、セラミックは中空構造であるので密度が軽く、その音響インピーダンスを振動手段の音響インピーダンスと気体の音響インピーダンスのほぼ中間値にすることができ、これにより振動手段の振動を気体に効率よく伝播させることができる。
【００２１】
また、中空構造のセラミックはガラスを媒体とすることにより、温度を上げてガラスを溶融して、冷却することにより固めることができる。
【００２２】
また、振動手段は金属製ケースに納められ、金属製ケースに整合手段を取り付けることにより、気体中に振動手段がさらされないようにすることができる。
【００２３】
また、金属ケースと整合手段との間に、複数の接合手段を設け両者の接合を行う。複数の接合手段の第１接合手段に酸化膜、第２接合手段にガラスを用いることにより、金属とガラスとを接合することができるようになる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００２５】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における超音波発生器の外観図である。２０は整合手段、２１は金属ケースの本体、２２は金属ケースの蓋、２３は振動手段、２４は導電性ゴム、２５と２６は電極、２７は気体である。電極２５と金属ケースの蓋２２との間には、ガラス２９が封入されて、電極２５と蓋２２との電気的絶縁を行っている。振動手段２３は金属ケース内に収められ、金属ケースの本体２１と振動手段２３とはエポキシ系の接着剤２８で接着されている。この接着剤２８の層は数ミクロンの厚さで非常に薄いものである。この層は金属ケースの本体２１と振動手段２３との間でコンデンサを形成するが、その容量は層の厚さが薄いため振動手段のもつコンデンサ容量に比較して大きなものとなっている。電極２５と電極２６との間には約５Vの交流電圧が加えられる。電極２６は金属ケースの蓋２２に接続され、さらに蓋２６は本体２１に溶接されている。
【００２６】
これにより電極２６に加えられた電圧は蓋２２、本体２１を介して接着剤２８に加えられる。もう一方の電極２５は導電性ゴム２４を介して振動手段２３に電気的に接続されている。従って、電極２５と２６との間に加えられた電圧は、振動手段２３と接着剤２８とに加わることになる。電気的に振動手段２３と接着剤２８とはコンデンサと見なすことができ、両者は直列に接続している構成で、容量は振動手段２３のほうが小さいので、両者を直列接続したときの合成容量は、ほぼ振動手段２３の容量に近くなる。
【００２７】
振動手段２３の共振周波数はおよそ５００kHzに設計されているので、電極２５、２６に５００kHzの交流電圧を加えることにより、振動手段２３が５００kHzで振動するようになる。この振動は金属ケースの本体２１に伝播し、これを振動させ、さらに本体２１の振動は整合手段２０に伝播し、これを振動させる。整合手段の役割については従来の技術で述べたように、振動手段の振動を効率よく気体に伝播させることにある。導電性ゴム２４は振動手段２３の振動が蓋２２に伝わらないようにして、振動のエネルギーが効率良く整合手段２０に伝わるようにするための、振動の緩衝材としての役割もしている。
【００２８】
振動手段２３と導電性ゴム２４とは金属ケース内に収められているの、金属ケース内に気体が入り込むことがない。従って、振動手段２３と金属ケース２１の本体とはエポキシ系の接着剤を用いても、これが気体に含まれる水分で膨潤したり、イオウで腐食されるようなことは起こらない。金属ケースを用いることにより、また、電極２５と蓋２２との間にガラスを封入することにより、金属ケース内への気体の浸入を確実に阻止することができるようになる。
【００２９】
整合手段２０の構造を図２に示す。３０は中空のセラミック３０、３１はガラスである。セラミックは融点が高いので、融点が１０００℃程度のガラス３１と混ぜ合わせて、１０００℃程度に温度を上げてガラスを溶かしてから冷却することによって、中空のセラミックをガラスで固めるようにしている。このような方法で作った整合手段の音速は約２km/secで、５００kHzの振動を伝播させるとすると、その振動の波長は４mmとなる。中空のセラミック３０の大きさは、この波長に対して十分小さくすることにより、中空部分が振動の伝播に与える影響を無視することができるようになる。
【００３０】
そこで中空のセラミック３０の大きさは波長の１／１０以下のものを選択している。中空セラミックであるので、その密度は軽く（数１）で表される音響インピーダンスは１．５から２〈単位は１０6kg/(scc・m2)〉となる。これにより、振動手段２３の振動を効率良く気体２７に伝播させることができる。
【００３１】
図１の整合手段２０と金属ケースの本体２１との接合部３２には複数の接合手段を用いている。接合部３２の構成を図３に示す。３３は第1接合手段、３４は第２接合手段である。第1接合手段３３はガラスを用いている。ガラスと中空のセラミックとは良く接合する。しかしながら、ガラスと金属とは接合しにくい。金属ケースはステンレスを用いており、ステンレスとガラスとは接合がしにくい。
【００３２】
そこで第２接合手段を用いることによりガラスと金属とを接合するようにしている。ステンレスを用いた金属ケースの本体を予め空気雰囲気中で６００℃程度の温度に加熱することにより、表面にステンレスの酸化膜を構成し、これを第２接合手段として用いる。これに第１接合手段３３のガラスと整合手段２０とを載せて再び６００℃程度に温度を上げると、ガラスが溶けてその一部はステンレスの酸化膜に存在する酸素と結合し、また、別の部分は整合手段２０を構成する中空セラミックと結合する。これにより、ステンレスを用いた金属ケースの本体２１と整合手段２０とが接合される。
【００３３】
ガラスとステンレスとは温度による膨張収縮の度合いを示す膨張係数が異なる。このため応力がかかり剥離することがある。応力は酸化膜の部分にかかるので、できるだけ酸化膜を厚く構成し、応力に耐えられるようにすることが必要である。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、気体と振動手段との間に設ける整合手段を中空のセラミックで構成することにより、これらを固めるのにガラスを用いることができる。従って従来のように整合手段を中空のガラスで構成し、これらを固めるのにエポキシ系の接着剤を用いていた場合に生じた、エポキシ系の接着剤への水分の膨潤という問題が解消できるので、安定した超音波を気体中の放射することにより、気体の流量を正確に測定する超音波流量計を実現することができるという効果が得られる。
【００３５】
また、中空のセラミックの整合手段と、振動手段を収めた金属ケースとを接合するために、金属ケースの表面に酸化膜を構成し、これに含まれる酸素がガラスと結合するようにしたことにより、整合手段と金属ケースとをガラスで接合することができるので、従来のように整合手段と金属ケースとの接合にエポキシ系の接着剤を用いていた場合に生じた、エポキシ系の接着剤への水分の膨潤という問題が解消できるので、前述した効果と同じ効果が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の超音波発生器の構造を示す断面図
【図２】同超音波発生器の整合手段の構造を示す断面図
【図３】同超音波発生器の整合手段と金属ケースとの接合部の構造を示す拡大断面図
【図４】従来の超音波発生器の構造を示す断面図
【図５】同発生器の整合手段の構造を示す断面図
【図６】異なる媒質中を伝播する音の説明をするための概念図
【符号の説明】
２３  振動手段
２０  整合手段
３０  中空構造のセラミック
２１、２２  金属ケース
３３、３４  複数の接合手段
【図１】
0004277393.tif 000006
【図２】
0004277393.tif 000007
【図３】
0004277393.tif 000008
【図４】
0004277393.tif 000009
【図５】
0004277393.tif 000010
【図６】
0004277393.tif 000011