JP5397051B2 - 超音波送受波器およびこれを用いた超音波流量計 - Google Patents

Description

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。

従来のこの種の超音波送受波器は、例えば図８、図９のようなものがある。導電性のキャップ状ケース５５の頂壁５５ａ内面に圧電体５６の上部電極面５７を接着などの手段を用いて固定し、また頂壁５５ａ外面には音響整合５８が取着してある。ケース５５の下方開放端からは外方向へのびるフランジ５９が一体に形成してあり、導電性の端子板６０の外周上面とフランジ５９の下面とが電気溶接されている。これによりこのケース５５の内部は密閉空間６１に設定されている。通常、上記密閉空間６１には窒素ガスなどの不活性ガスが充填してある。圧電体５６の下部電極面６２には導電性の弾性材６３が弾着導通していて、上記端子板６０を電気絶縁的に貫通した第１の端子６４が接続されている。またこの端子６４と所定の間隔をおいた端子板６０の一部には第２の端子６５が接続されている。つまり、第１の端子６４は、導電性の弾性材６３を介して圧電体５６の下部電極面６２に、第２の端子６５は、端子板６０、ケース５５を介して圧電体５６の上部電極面５７にそれぞれ接続されているものである。端子板６０に対する第１の端子６４の貫通部にはガラス絶縁部６６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。

そして、端子板６０の外周近傍上面６７には溶接用突起６８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６９が環状に設けられている。上記溶接チリ拡散防止突起６９の高さは溶接用突起６８に比べて低く設定されている。ケース５５と端子板６０の接合は、電気溶接により溶接用突起６８を溶融して接合していた。

このものでは、端子板６０の外周近傍上面６７には溶接用突起６８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６９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６１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）。

特開２００６−１８０３１７号公報

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６９を環状に設け、チリが発生した場合においても密閉空間６１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６８に通電して溶接用突起６８を溶融する瞬間には溶接チリ拡散防止突起６９とフランジ５９の下面との間には隙間が存在するため、溶接用突起６８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６１内にチリが侵入してしまう課題があった。

したがって、密閉空間６１内にチリが侵入した場合、溶接チリが圧電体５６の下部電極面６２と端子板６０に接触し、下部電極面６２と端子板６０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。

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ることにより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。

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、前記端子板の外周部の角部に前記ケースの円筒軸方向に対して傾斜した傾斜面を有する段差部を構成し、前記ケースは、外周端部に前記段差部の傾斜面と同一角度の傾斜面を有して、前記傾斜面に密着当接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、ケースと端子板は嵌合方向に対して同軸方向および直角方向の２面で密着当接しており、ケースと端子板を嵌合したときの中心軸精度が良くなり、レーザ接合の加工精度が向上する。またケース１０と端子板１２の当接距離も長くなりケース内部へのチリの侵入を防止することが出来る。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。

本発明の超音波送受波器は、ケースが端子板に嵌合したとき嵌合方向に対して同軸方向および直角方向の２面で密着当接する構成とし、密着当接部をレーザ溶接接合手段で接合する場合、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。

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 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 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 本発明の実施の形態２における超音波送受波器の拡大断面図 本発明の実施の形態２における超音波送受波器溶接後の拡大断面図 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 本発明の実施の形態３における超音波送受波器の拡大断面図 従来の超音波送受波器の溶接前を示す断面図 従来の超音波送受波器の溶接後を示す断面図

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、前記端子板の外周部の角部に前記ケースの円筒軸方向に対して傾斜した傾斜面を有する段差部を構成し、前記ケースは、外周端部に前記段差部の傾斜面と同一角度の傾斜面を有して、前記傾斜面に密着当接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、ケースと端子板は傾斜面で密着当接しており、ケースと端子板を嵌合したときの中心軸精度が良くなり、レーザ接合の加工精度が向上する。また、当接距離も長くなりケース内部へのチリの侵入を防止することが出来る。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。

また、加える力を大きくすればするほど密着当接面のケースと端子板の隙間は更に少なくなり。この密着当接面に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。

第２の発明は、特に、第１の発明の超音波送受波器を用いて超音波流量計を構成することにより、信頼性の高い計測精度を得られるものである。

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。

（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。

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。

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。

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。

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から図７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。

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、ケース外周近傍部１１が嵌合されてケース１０の開放端１０ｂを密閉する端子板１２と、端子板１２に電気的に接続された第１の外部電極端子１３と、端子板１２に設けられた貫通孔１２ａに絶縁体１２ｂを介して固定された第２の外部電極端子１４と、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の頂壁１０ａの外面に接着固定された音響整合層１６とで構成されている。

ケース外周近傍部１１と端子板外周近傍部１７は嵌合されている。この嵌合部１８は、ケース１０と端子板１２の嵌合方向（図２の矢印Ｂの方向）に平行な面１９と直角方向の面２０の２面で構成された段差部１７ａが構成されており、この段差部１７ａにケース１０の外周端部１１ｂが密着当接している。ケース外周２１と端子板外周２２の外径は端子板の方が大きく構成されている。

矢印２３は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。

以上のように、本実施例の形態においては、ケース１０と端子板１２は嵌合方向に対して同軸方向および直角方向の２面で密着当接しており、ケース１０と端子板１２を嵌合したときケース１０と端子板１２の中心軸精度が良くなり、レーザ接合の加工精度が向上する。また２面が嵌合することによりケース１０と端子板１２の当接距離も長くなりケース内部へのチリの侵入を防止することが出来る。

（実施の形態２）
図３〜５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、図４において、超音波送受波器２４は、対向する第１の電極面２５および第２の電極面２６を有する圧電体２７と、圧電体２７の第１の電極面２５に電気的に接続されたケース２８と、ケース外周近傍部２９が嵌合された端子板３０と、端子板３０に設けられた第１の外部電極端子３１と、第１の外部電極端子３１と絶縁状態で端子板３０に設けられた第２の外部電極端子３２と、圧電体２７の第２の電極面２６と第２の外部電極端子３２の間に設けられた導電体である導電ゴム３３と、圧電体２７に対向しケース２８に接着固定された音響整合層３４とで構成されている。

ケース外周近傍部２９と端子板外周近傍部３５は嵌合されており、ケース２８を端子板３０に嵌合した状態で嵌合方向に対して力を加えたとき、嵌合方向に対して同軸方向に対
して一定の傾斜を持って密着当接面３７を構成している。ケース外周３８と端子板外周３９の外径は寸法ａだけ端子板３９の方が大きく構成されている。即ち、ケース２８が端子板３０に嵌合したとき、ケース２８および端子板３０の嵌合部の最外表面である端子板外周３９がケース外周３８と同一平面でない構成としたものである。矢印４０は照射されるレーザを示す。尚図３、図４はケース２８と端子板３０がレーザ溶接される前の状態を示し、図５はレーザ溶接された後の状態を示している。

以上のように、本実施の形態においては、ケース２８と端子板３０は嵌合方向に力を加えることによりケース２８と端子板３０は一定の傾斜で当接することで密着当接面３７の接触長さが長くなる。また加える力を大きくすればするほど密着当接面３７のケース２８と端子板３０の隙間は更に少なくなり。この密着当接面に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。またへレーザ照射を行ったとき表面が高い方の端子板外周３９の金属は、溶融して表面が低い方のケース外周３８へ移動し凝固するため溶接表面は端子板の表面より突出することがなくレーザ溶接後に寸法精度の良い超音波送受波器を得ることができる。ケース２８の外径が端子板３０の外径に比べて大きい場合でも良く、同様の効果を有するものである。

（実施の形態３）
図６、図７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６、図７において、超音波送受波器４１は、対向する第１の電極面４２および第２の電極面４３を有する圧電体４４と、圧電体４４の第１の電極面４２に電気的に接続されたケース４５と、ケース外周近傍部４６が嵌合された端子板４７と、端子板４７に設けられた第１の外部電極端子４８と、第１の外部電極端子４８と絶縁状態で端子板４５に設けられた第２の外部電極端子４９と、圧電体４４の第２の電極面４３と第２の外部電極端子４９の間に設けられた導電体である導電ゴム５０と、圧電体４４に対向しケース４５に接着固定された音響整合層５１とで構成されている。

ケース外周近傍部４６と端子板外周近傍部５２は嵌合されており、ケース４５を端子板４７に嵌合したとき、ケース外周近傍部４６は端子板外周近傍部５２を覆っており、最外周面５３を構成している。矢印５４は照射されるレーザを示す。尚図６、図７はケース４５と端子板４７がレーザ溶接される前の状態を示している。

以上のように、本実施例の形態においては、最外周面にレーザ溶接の溶融部が現れることがなく、超音波受波器の最外周近傍をシール面としたとき、超音波受波器を流路１に取付けたとき確実なシール性能を得ることができる。本発明は端子板４７が最外周面を構成してもよく、同様の効果を得ることができるものである。

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。

７、２５、４２ 第１の電極面
８、２６、４３ 第２の電極面
９、２７、４４ 圧電体
１０、２８、４５ ケース
１０ａ、２８ａ、４５ａ 頂壁
１０ｂ 開放端
１１、２９、４６ ケース外周近傍部（ケース外周部）
１１ｂ 外周端部
１２、３０、４７ 端子板
１３、３１、４８ 第１の外部電極端子
１４、３２、４９ 第２の外部電極端子
１５ａ、３３ａ、５０ａ 導電体
１６、３４、５１ 音響整合層
１７、３５、５２ 端子板外周近傍部（端子板外周部）
１７ａ 段差部
１８ 嵌合部

Claims (2)

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、前記端子板の外周部の角部に前記ケースの円筒軸方向に対して傾斜した傾斜面を有する段差部を構成し、
   前記ケースは、外周端部に前記段差部の傾斜面と同一角度の傾斜面を有して、前記傾斜面に密着当接する構成としたことを特徴とする超音波送受波器。
2. 流路を流れる流体の流量を測定する流量測定部と、前記流量測定部に設けられた請求項１記載の少なくとも一対の超音波送受波器と、前記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、前記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。