WO2012164879A1 - 超音波送受波器および超音波流量計 - Google Patents

Abstract

　超音波送受波器（５）であって、圧電体支持板（１１）と、圧電体支持板（１１）の一方の面に固定した音響整合体（１０）と、他方の面に固定した圧電体（１２）とを備えている。また、圧電体（１２）および圧電体支持板（１１）を覆うように一体的に形成された絶縁性制振部材（１５）と、絶縁性制振部材（１５）に、圧電体支持板（１１）に到達する孔部（１８）とを備えている。

Description

超音波送受波器および超音波流量計

　本発明は、流体中に超音波を送信する、または流体中から超音波を受信するための超音波送受波器、およびこの超音波送受波器を用いた超音波流量計に関する。

　従来の、超音波流量計に用いる超音波送受波器の構成について説明する。

　図１１は、従来の超音波送受波器の構成を示す断面図である。

　図１１に示した例では、超音波送受波器１００は、天部６０、側壁部６１、ケース６３、圧電体６４、制振体６５、保持部６６、および振動伝達抑止体６７を備えている。

　ケース６３は、有天筒状であり、側壁部６１および側壁部６１から外側に延びる支持部６２を有している。圧電体６４は、天部６０の内壁面に固定されている。制振体６５は、側壁部６１の外周に被着、密着して側壁部６１の振動を抑制する。

　保持部６６は、支持部６２を保持する。振動伝達抑止体６７は、保持部６６を含み、ケース６３を防振的に流路６８に取り付ける。

　制振体６５と、振動伝達抑止体６７の保持部６６とは、一体に形成されている（例えば、特許文献１を参照）。

　図１２は、従来の超音波送受波器の他の構成の例を示す断面図である。

　超音波送受波器１２０においては、圧電素子７０の片面に、超音波の波長λの１／４の厚さを有する音響整合層７１が固定されている。

　また、圧電素子７０を囲むように構成された筒状ケース７２が、音響整合層７１に固定されて、超音波センサ７３が構成されている。音響整合層７１は、合成樹脂にガラスバルーンを分散させることにより構成されている。筒状ケース７２は、音響整合層７１よりも音響インピーダンスの大きいプラスチック材料により構成されている。また、筒状ケース７２内には、圧電素子７０を埋めるように弾性樹脂７４が充填されている（例えば、特許文献２を参照）。

　しかしながら、超音波送受波器１００の構成では、超音波流量計に取り付ける場合、保持部６６が傾斜すると、圧電体６４の放射面が傾斜して、超音波の伝搬路の方向がずれる場合がある。この場合、伝搬時間、つまり計測精度に影響を及ぼすという課題がある。

　また、超音波送受波器１２０のように、圧電素子７０を埋めるように弾性樹脂７４を充填する場合、充填材により信頼性の確保がなされるとともに、超音波の放射面の位置を確定させやすい。しかしながら、このように形成されたものを、残響伝搬の少ない状態で流路に取り付ける方法については課題が残っている。

特開２００１－１５９５５１号公報 特開平１０－２２４８９５号公報

　本発明は、超音波送受波器の超音波放射面を精度よく設定可能にし、高精度な流量計測が可能な超音波流量計を実現するものである。

　本発明の超音波送受波器は、圧電体支持板と、圧電体支持板の一方の面に固定した音響整合体と、他方の面に固定した圧電体とを備えている。また、圧電体および圧電体支持板を覆うように一体的に形成された絶縁性制振部材と、絶縁性制振部材に、圧電体支持板に到達する孔部とを備えている。

　これにより、孔部において、外部の部材に設けられた突出部により圧電体支持板を押圧して、超音波送受波器の放射面を精度よく設定することが可能となる。

　また、本発明の超音波送受波器は、天部、側壁部、および、側壁部から外側に延びる支持部を有する有天筒状金属ケースと、有天筒状金属ケースの天部の内面に収容される圧電体とを備えている。また、天部の外面に設けられた音響整合体と、圧電体および有天筒状金属ケースを覆うように一体的に形成された絶縁性制振部材と、絶縁性制振部材に、支持部に到達する孔部とを備えている。

　これにより、孔部において、外部の部材に設けられた突出部により有天筒状金属ケースの端部を押圧して、超音波送受波器の圧電体から離れた部分で超音波送受波器を固定することができる。これにより、圧電体からの残響伝搬をより減衰させることが可能となる。

　また、本発明の超音波流量計は、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、本発明の一対の超音波送受波器とを備えている。また、孔部において超音波送受波器を保持する突出部と、一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測する計測部と、計測部からの信号に基づいて流体の流量を求める演算部とを備えている。

　これにより、超音波送受波器の超音波放射面の位置および傾きを精度よく設定でき、高精度な流量計測を達成することが出来る。

　以上述べたように、本発明の超音波送受波器および超音波流量計によれば、超音波の放射面を精度よく設定することができ、高精度な流量計測を達成することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態における超音波流量計の断面図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態における、超音波送受波器の構成、および、その流路への取り付け部分の構成を示す断面図である。 図３は、図２の領域Ｐの部分を拡大した断面図である。 図４Ａは、図２の線分４Ａ－４Ａにおける断面図である。 図４Ｂは、図２の線分４Ｂ－４Ｂにおける断面図である。 図５Ａは、本発明の第１の実施の形態における固定部材の平面図である。 図５Ｂは、本発明の第１の実施の形態における固定部材の側面図である。 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構成、および、その流路への取り付け部分の構成を示す断面図である。 図７は、図６の領域Ｑの部分を拡大した断面図である。 図８は、図６の線分８－８における断面図である。 図９Ａは、本発明の第２の実施の形態における、固定部材の平面図である。 図９Ｂは、本発明の第２の実施の形態における、固定部材の側面図である。 図１０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構成、および、その流路への取り付け部分の構成を示す断面図である。 図１１は、従来の超音波送受波器の構成を示す断面図である。 図１２は、従来の超音波送受波器の他の構成の例を示す断面図である。

　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。

　（第１の実施の形態）
　図１は、本発明の第１の実施の形態における超音波流量計１の断面図である。

　図１に示したように、超音波流量計１の流量測定部２は流路３を備えている。

　この流路３に対して、斜め方向に、超音波を送受信できるよう、超音波を伝搬するための開口部４ａ，４ｂが設けられている。開口部４ａ，４ｂそれぞれの端部には、超音波送受波器５，６が互いに対向するように固定されている。

　図１において、Ｌ１は、超音波送受波器５から伝搬する超音波の伝搬経路を示しており、Ｌ２は超音波送受波器６から伝搬する超音波の伝搬経路を示している。

　ここで、流路３を流れる流体の流速をＶ、流体中の音速をＣ、流体の流れる方向と超音波の伝搬方向とのなす角度をθとする。

　そうすると、超音波送受波器６を送波器、超音波送受波器５を受波器として用いたときに、超音波送受波器６から出た超音波が超音波送受波器５に到達するまでの伝搬時間ｔ１は、
　　　　ｔ１　＝　Ｌ　／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）　　　　　　　　　　　（１）
で示される。

　次に、超音波送受波器５から出た超音波パルスが超音波送受波器６に到達するまでの伝搬時間ｔ２は、
　　　　ｔ２　＝　Ｌ　／（Ｃ－Ｖｃｏｓθ）　　　　　　　　　　　（２）
で示される。

　そして、式（１）と式（２）から流体の音速Ｃを消去すると、
　　　　Ｖ　＝　Ｌ　／（２ｃｏｓθ（（１／ｔ１）－（１／ｔ２）））　　（３）
の関係式が得られる。

　ここで、超音波送受波器５，６間の距離Ｌと前述の角度θとが既知なら、計測部７により得られた伝搬時間ｔ１，ｔ２の測定値を用いて、演算部８によって流速Ｖを求めることができる。この流速Ｖに、流路３の断面積Ｓと補正係数Ｋとを乗じれば（Ｑ＝ＫＳＶ）、流量Ｑを求めることができる。演算部８は、この演算も実施する。

　このような計測系においては、超音波送受波器５，６の超音波放射面が精度よく取り付けられていないと、超音波の伝搬経路が所定の伝搬経路Ｌ１，Ｌ２からずれることになる。その結果、開口部４ａ，４ｂの内部で反射等が生じて、正確な伝搬時間の計測ができない可能性がある。

　ここで、超音波送受波器５，６の流路３への取り付け構成、および、超音波送受波器５，６の構成について詳細に説明する。

　図２は、本発明の第１の実施の形態における、超音波送受波器５の構成、および、その流路３への取り付け部分の構成を示す断面図である。図３は、図２の領域Ｐの部分を拡大した断面図である。図４Ａは、図２の線分４Ａ－４Ａにおける断面図であり、図４Ｂは、図２の線分４Ｂ－４Ｂにおける断面図である。

　なお、超音波送受波器５，６の流路３への取り付け構造は同様であるため、ここでは、超音波送受波器５について説明を行い、超音波送受波器６についての説明は省略する。

　図２において、超音波送受波器５は、流路３の開口部４ａにおいて、固定部材９によって流路３へ押圧されるようにして取り付けられる。

　超音波送受波器５は、音響整合体１０および圧電体支持板１１、圧電体支持板１１および圧電体１２が、それぞれの接触平面において、接着剤または導電ペースト等によって接着されている。

　本実施の形態においては、圧電体支持板１１は円盤状に、音響整合体１０は円柱状に、圧電体１２は直方体状に、それぞれ形成されているものとするが、本発明はこれらの形状に限定されるものではない。例えば、圧電体１２には、縦振動のスプリアスを防止するためのスリットが形成されていてもよい。

　圧電体１２の上下両面には、電極が形成されている。また、音響整合体１０の開放側端面は超音波の放射面１３となる。

　一対のリード線１４は、その一方が圧電体１２の一方の電極に接続され、他方が圧電体１２の他方の電極に接合された圧電体支持板１１に接続されている。圧電体支持板１１と圧電体１２の他方の電極とは、接合手段として接着剤を用いた場合、オーミックコンタクトによって電気的に接続されている。

　また、絶縁性制振部材１５は、圧電体１２および圧電体支持板１１を覆うように一体的に形成されている。

　ここで、図３を用いて、図２の領域Ｐの部分を詳細に説明する。絶縁性制振部材１５は、その外周面１６ａに外周突起部１６ｂを有している。外周突起部１６ｂは、流路３の内周に設けられた当接面１７ａに当接している。また、外周突起部１６ｂは、図４Ａに示したように、絶縁性制振部材１５の外周面１６ａの全周に形成されている。この構成により、外周突起部１６ｂは、超音波送受波器５の径方向の位置決めを精度よく行う役割を担っている。このように、絶縁性制振部材１５の外周に外周突起部１６ｂを設けたことにより、超音波送受波器５の中心の位置決めが正確にできる。

　また、図３において、絶縁性制振部材１５の面部１６ｃには軸方向突起部１６ｄが形成されている。軸方向突起部１６ｄは、流路３の軸方向当接面１７ｂに当接している。また、軸方向突起部１６ｄは、図４Ｂに示したように、絶縁性制振部材１５の面部１６ｃの全周に形成されている。この構成により、軸方向突起部１６ｄは、超音波送受波器５の中心軸方向の位置決めを精度よく行う役割を担っている。このように、絶縁性制振部材１５の軸方向に軸方向突起部１６ｄを設けたことにより、超音波送受波器５の軸方向の位置決めが正確にできる。

　なお、本実施の形態においては、外周突起部１６ｂ、および、軸方向突起部１６ｄを、それぞれ全周に設けている例を示したが、本発明はこの例に限定されない。超音波送受波器５，６の位置を精度よく位置決めできるのであれば、周方向の適当な位置において、外周突起部１６ｂ、および、軸方向突起部１６ｄをそれぞれ少なくとも３か所以上設けるような構成としてもよい。

　図４Ａに示したように、絶縁性制振部材１５には３箇所に孔部１８が形成されている。図３に示すように、圧電体支持板１１の圧電体１２側から、絶縁性制振部材１５の外部より貫通し、圧電体支持板１１に達するように、孔部１８が構成されている。このような孔部１８を少なくとも３か所に形成して、少なくとも３点で押圧することにより、面としての固定を可能とする。また、孔部１８を圧電体１２側に形成したことにより、流路３の外側から超音波送受波器３を押さえることができる。これにより、固定部材９を配置しやすい構成を実現できる。

　図５Ａは、本発明の第１の実施の形態における固定部材９の平面図である。また、図５Ｂは同固定部材９の側面図である。

　固定部材９には、３箇所に突出部１９が設けられている。図３に示すように、これらの突出部１９が、絶縁性制振部材１５の孔部１８に挿入される。これにより、超音波送受波器５の圧電体支持板１１を流路３に直接押圧することができる。よって、超音波送受波器５を、その超音波放射面が傾くことなく固定することができる。

　音響整合体１０は、例えば、ガラスの中空球体の隙間を熱硬化性樹脂で充填し、硬化させた構成で実現することができる。または、セラミック多孔体の音波放射面に、音響膜を形成した構成でも実現可能である。音響整合体１０は、いずれも、λ／４の厚み（λ：超音波の波長）に調整することで、超音波を効率よく被計測流体に伝搬することができる。

　圧電体支持板１１としては、例えば、鉄、ステンレス、黄銅、銅、アルミ、ニッケルめっき鋼板等の金属材料を用いることができる。

　圧電体１２としては、圧電特性を示す材料であれば、どのような材料であっても利用可能であるが、一例としては、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛等が好適である。

　圧電体１２とリード線１４との接合、および、圧電体支持板１１とリード線１４との接合は、半田付け、導電ペースト等で実現可能である。

　以上のように構成された超音波送受波器５について、その動作および作用を説明する。

　図２において、圧電体１２は、計測部７（図１参照）によって、リード線１４を介して、圧電体１２の共振周波数に近い周波数の信号で駆動される。電気信号が圧電体１２に加えられると、圧電体１２において、電気信号が機械的振動に変換される。圧電体１２と音響整合体１０とが共振することによって、より大きな超音波パルスが、開口部４ａを通って被計測流体に伝搬する。

　このとき、超音波送受波器５は、上述した構成により、径方向および軸方向に対して精度よく固定されている。このため、超音波送受波器５の超音波の放射面１３が所定の角度から傾くことがない。このため、超音波は不要な反射を生じることなく伝搬し、精度の良い伝播時間測定をすることができる。

　また、超音波送受波器５の固定は、固定部材９の突出部１９によって、点接触的に行われている。このため、圧電体１２の残響が流路３に伝わるのを最小限にとどめることができる。この効果は、絶縁性制振部材１５自体が残響の振動を減衰させることと相まって、残響時間の短縮化に寄与する。

　（第２の実施の形態）
　次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。

　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５の構成、および、その流路３への取り付け部分の構成を示す断面図である。また、図７は、図６の領域Ｑの部分を拡大した断面図である。図８は、図６の線分８－８における断面図である。

　図６に示したように、絶縁性制振部材２０により覆われた超音波送受波器５が、固定部材２１によって、流路３の開口部４ａにおいて、流路３へ押圧されるように取り付けられていることは、第１の実施の形態と同じである。

　図７を用いて、図６の領域Ｑの部分を詳細に説明する。絶縁性制振部材２０には、音響整合体１０の側において絶縁性制振部材２０の外部より貫通し、圧電体支持板１１に達する孔部２２が形成されている。また、流路３には突出部２３が形成されている。このように、孔部２２を音響整合体１０側に形成することで、圧電体１２の位置をより正確に定めることができる。

　図８に示すように、絶縁性制振部材２０の孔部２２は、３箇所に形成されている。また、突出部２３もこの孔部２２に対応する位置に３箇所設けられている。

　図７に示すように、これらの突出部２３が、絶縁性制振部材２０の孔部２２に挿入される。これにより、超音波送受波器５の圧電体支持板１１は、固定部材２１の押圧方向に対して、突出部２３により精度よく位置決めされる。このため、超音波送受波器５を、その超音波の放射面１３が傾くことなく固定することができる。

　図９Ａは、本発明の第２の実施の形態における、固定部材２１の平面図である。図９Ｂは、同固定部材２１の側面図である。図９Ａおよび図９Ｂに示すように、本実施の形態における固定部材２１は、ドーナツ状の円板である。

　上述した構成以外の構成は、第１の実施の形態と類似しているため、その説明を省略する。

　以上のように構成された、本実施の形態の超音波送受波器５は、固定部材２１を用いて絶縁性制振部材２０を押圧して取り付けられている。これにより、圧電体支持板１１は、その押圧方向に対して、突出部２３によって精度よく位置決めされる。このため、超音波送受波器５の超音波の放射面１３を所定の角度から傾くことなく固定することができる。このため、超音波は不要な反射を生じることなく伝搬し、精度の良い伝播時間測定をすることができる。

　また、超音波送受波器５の固定は、突出部２３によって、点接触的に行われている。このため、圧電体１２に生じる残響が流路３に伝わるのを最小限にとどめることができる。この効果は、絶縁性制振部材２０自体が、超音波パルスの振動を減衰させることと相まって、残響時間の短縮化に寄与する。

　（第３の実施の形態）
　次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。

　図１０は、本発明の第３の実施の形態における超音波送受波器２４の構成、および、その流路３への取り付け部分の構成を示す断面図である。

　図１０において、超音波送受波器２４は、流路３の開口部４ａにおいて、固定部材９によって、流路３へ押圧されるようにして取り付けられている。

　本実施の形態における超音波送受波器２４は、第１の実施の形態で説明した超音波送受波器５と比較して、圧電体支持板１１を有天筒状金属ケース２５に置き換えたものである。

　有天筒状金属ケース２５は、天部２６、側壁部２７、および、側壁部２７より外側へ延びる支持部２８を備えている。圧電体１２は、天部２６の内側に接合されており、音響整合体１０は、天部２６の外側に接合されている。

　リード線１４は、その一方が圧電体１２の一方の電極に接続され、他方が圧電体１２の他方の電極に接合された有天筒状金属ケース２５に接続されている。有天筒状金属ケース２５と圧電体１２の他方の電極とは、接合手段として接着剤を用いた場合には、オーミックコンタクトによって電気的に接続される。

　絶縁性制振部材２９は、圧電体１２の外周を含む有天筒状金属ケース２５の内部と、有天筒状金属ケース２５の外部とを覆うように、一定強度の接着力で一体的に形成されている。

　本実施の形態においては、固定部材９の突出部１９が、有天筒状金属ケース２５の支持部２８を直接押圧するように構成されている。

　上述した以外の構成は、第１の実施の形態と同様のため、説明を省略する。

　以上のように、本実施の形態においては、有天筒状金属ケース２５の支持部２８によって、超音波送受波器２４を固定する構成となっている。このため、圧電体１２からより遠い位置での固定が可能となり、より残響の伝達が抑制される。

　なお、本実施の形態における超音波送受波器２４は、第１の実施の形態で説明した超音波送受波器５と比較して、圧電体支持板１１を有天筒状金属ケース２５に置き換えたものであるとして説明を行ったが、本発明はこの例に限定されない。例えば、超音波送受波器２４を、第２の実施の形態で説明した超音波送受波器５と比較して、圧電体支持板１１を有天筒状金属ケース２５に置き換えたものとすることも可能である。

　以上述べたように、第１の実施の形態から第３の実施の形態で説明した超音波送受波器を用いて、超音波流量計を形成する。すなわち、流路を流れる流体の流量を測定する流量測定部と、この流量測定部に設けられた一対の超音波送受波器と、孔部においてこの超音波送受波器を保持する突出部と、この超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測する計測部と、この計測部からの信号に基づいて流量を求める演算部を備えた超音波流量計を構成する。これにより、超音波送受波器の超音波放射面の位置および傾きを精度よく設定でき、高精度な流量計測を達成することができる。

　なお、第１の実施の形態、第２の実施の形態および第３の実施の形態に記載された超音波送受波器を組み合わせて、一対の超音波送受波器を構成することが可能である。

　以上述べたように、本発明に係る超音波送受波器および超音波流量計は、超音波送受波器の超音波放射面を精度よく設定可能にし、高精度な流量計測が可能な超音波流量計を実現することができるという格別な効果を奏する。よって、精度のよい伝播時間測定が可能となり、高精度な流量計測が必要とされる、ガスメータ、産業用流量計等の用途に適用でき、有用である。

　１　　超音波流量計
　２　　流量測定部
　３　　流路
　４ａ，４ｂ　　開口部
　５，６，２４　　超音波送受波器
　７　　計測部
　８　　演算部
　９，２１　　固定部材
　１０　　音響整合体
　１１　　圧電体支持板
　１２　　圧電体
　１３　　放射面
　１４　　リード線
　１５，２０，２９　　絶縁性制振部材
　１６ａ　　外周面
　１６ｂ　　外周突起部
　１６ｃ　　面部
　１６ｄ　　軸方向突起部
　１７ａ　　当接面
　１７ｂ　　軸方向当接面
　１８，２２　　孔部
　１９，２３　　突出部
　２５　　有天筒状金属ケース
　２６　　天部
　２７　　側壁部
　２８　　支持部

Claims (8)

1. 圧電体支持板と、前記圧電体支持板の一方の面に固定した音響整合体と、他方の面に固定した圧電体と、
   前記圧電体および前記圧電体支持板を覆うように一体的に形成された絶縁性制振部材と、
   前記絶縁性制振部材に、圧電体支持板に到達する孔部とを備えた
   超音波送受波器。
2. 天部、側壁部、および、前記側壁部から外側に延びる支持部を有する有天筒状金属ケースと、
   前記有天筒状金属ケースの前記天部の内面に収容される圧電体と、
   前記天部の外面に設けられた音響整合体と、
   前記圧電体および前記有天筒状金属ケースを覆うように一体的に形成された絶縁性制振部材と、
   前記絶縁性制振部材に、前記支持部に到達する孔部とを備えた
   超音波送受波器。
3. 前記孔部を少なくとも３か所に形成した
   請求項１または請求項２に記載の超音波送受波器。
4. 前記孔部を前記圧電体側に形成した
   請求項１または請求項２に記載の超音波送受波器。
5. 前記孔部を前記音響整合体側に形成した
   請求項１または請求項２に記載の超音波送受波器。
6. 前記絶縁性制振部材の外周に外周突起部を設けた
   請求項１または請求項２に記載の超音波送受波器。
7. 前記絶縁性制振部材の軸方向に軸方向突起部を設けた
   請求項１または請求項２に記載の超音波送受波器。
8. 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から請求項７までのいずれか１項に記載の一対の超音波送受波器と、
   前記孔部において前記超音波送受波器を保持する突出部と、
   前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測する計測部と、
   前記計測部からの信号に基づいて前記流体の流量を求める演算部とを備えた
   超音波流量計。

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