JP2001159551A - 超音波振動子の支持構成およびこれを用いた超音波流量計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 残響の短い超音波パルスの送受信が可能で、
管路壁への振動の伝搬を低減させる信頼性の高い超音波
振動子の支持構成を得ること。 【解決手段】 側壁部９の外側に設けた支持部１３と天
部８の内壁面に固定された圧電体１２を有する超音波振
動子２０を設けている。また側壁部９の振動を低減する
制振体２１と支持部１３を保持する保持部２３を有する
振動伝達抑止体２２を設けている。これによって、圧電
体１２の振動が取付側に伝搬することを低減して残響の
短い超音波パルスの送受信ができる。

Description

【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測装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来この種の超音波流量計測装置に用い
る超音波振動子には、例えば特開平４−３０９８１７号
公報が知られており、図９に示すように圧電セラミック
１を金属振動板２にロウ付けし、この金属振動板２を金
属ハウジング３に溶接していた。また、実開平６−７８
８２１号公報が知られており、図１０に示すように圧電
セラミック１を測定流体から遮蔽する金属ハウジング４
の内面の底面４ａに押圧手段５などによって接合し、こ
の金属ハウジング４は測定流体が流れる管路６の管軸に
傾斜した状態で溶接などによって取付けられていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の構
成では、金属ハウジングに防振対策がなされていないた
め、金属ハウジングに伝わった圧電セラミックの振動が
ほとんど減衰されないで圧電セラミックに戻り、圧電セ
ラミックの振動がなかなか収まらず残響の長い超音波パ
ルスになる。この残響がノイズ要因となってＳ／Ｎが劣
化し、流量や流速の計測精度が低下するという課題を有
していた。また、他の従来の構成では、超音波振動子が
測定流体が流れる管路に直接取付けられているため、発
信側で圧電セラミックを振動させると、この振動が測定
流体中を伝搬して受信側に達するだけでなく、金属振動
板あるいは底面を通じて金属ハウジングに伝わった振動
が管路壁を通じて受信側に伝わり、この管路壁を伝搬し
た振動が測定流体中を伝搬した信号に干渉してノイズと
なり、Ｓ／Ｎを劣化させ流量や流速の計測範囲を拡大で
きないという課題があった。

【０００４】本発明は上記課題を解決するもので、残響
の短い超音波パルスの送受信が可能で、管路壁への振動
の伝搬を低減させる信頼性の高い超音波振動子の支持構
成を実現し、超音波流量計測装置の計測特性を向上させ
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、超音波振動子を構成する圧電体は被測定流
体から遮蔽するケースに内包し、このケースの側壁部の
外側に設けた支持部を振動伝達防止体で保持して支持部
から取付側への振動の伝搬を低減させるとともに、側壁
部の振動を制振体により減衰させて支持部に伝わる振動
を低減させ、取付側への振動の伝搬を一層低減させるも
のである。

【０００６】上記発明によれば、圧電体の振動が支持部
へ伝搬するのを減衰できるとともに取付側に伝わり難く
することができ、残響の短い超音波パルスの送受信が可
能で、取付側への振動伝搬の低減が可能な超音波振動子
の支持構成を得ることができる。この結果、残響による
ノイズの発生の低減と取付側への振動伝搬の低減がで
き、Ｓ／Ｎが改善されて被測定流体の流量、流速の計測
精度、計測範囲の拡大など計測特性が向上できる。ま
た、振動を低減した支持部と支持構成により長い時間経
過にわたって取付状態を安定化でき、計測の信頼性が向
上できる。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明は、天部と、側壁部と、こ
の側壁部の外側に設けた支持部と、天部の内壁面に固定
された圧電体を有する超音波振動子と、側壁部に当接し
側壁部の振動を低減する制振体と、支持部を保持する保
持部を有する振動伝達抑止体とを備え、超音波振動子は
振動伝達抑止体の保持部を介して取付けた超音波振動子
の支持構成としたものである。そして、側壁部に設けた
制振体により圧電体の振動が支持部へ伝搬するのを低減
し、さらに保持部を介することにより圧電体の振動が取
付側に伝搬することをより一層低減することで残響の短
い超音波パルスの送受信が可能な超音波振動子を得るこ
とで計測精度、計測範囲の拡大など計測特性が向上と長
期間にわたる取付状態を安定化により計測の信頼性が向
上できる。

【０００８】さらに、制振体と保持部は一体に形成した
振動伝達抑止体を設けた超音波振動子の支持構成とした
ものである。そして、制振体と保持部の一体化により減
衰特性のバラツキを低減して特性の安定化と信頼性の向
上ができ、部品点数の削減と組立性の向上により低コス
ト化ができる。

【０００９】また、天部と、側壁部と、この側壁部の外
側に設けた支持部と、前記天部の内壁面に固定された圧
電体を有する超音波振動子と、電気絶縁性の材料で形成
した前記支持部を保持する保持部を有する振動伝達抑止
体と、電気絶縁材料で形成され少なくとも一端は前記振
動伝達抑止体に密着するようにして超音波振動子の外面
側に配設した絶縁体を備え、超音波振動子は前記振動伝
達抑止体の保持部を介して取付けた超音波振動子の支持
構成としたものである。そして、取付側と超音波振動子
を構成する天部、側壁部、支持部とを振動伝達抑止体お
よび絶縁体で遮蔽してコンパクトな支持構成で取付側と
超音波振動子との導電距離を大きくすることで、落雷な
どにより取付側と超音波振動子間に異常高電圧が発生し
た場合でもリークに至る耐電圧を高め、リーク電流によ
る超音波振動子の破損を防いで信頼性を向上できる。

【００１０】また、天部と、側壁部と、この側壁部の外
側に設けた支持部と、前記天部の内壁面に固定された圧
電体を有する超音波振動子と、前記側壁部に当接し側壁
部の振動を低減する制振体と前記支持部を保持する保持
部を有するとともに電気絶縁性のある材料で形成した振
動伝達抑止体と、電気絶縁材料で形成され少なくとも一
端は前記振動伝達抑止体に密着するようにして超音波振
動子の外面側に配設した絶縁体を備え、超音波振動子は
前記振動伝達抑止体の保持部を介して取付けた超音波振
動子の支持構成としたものである。そして、制振体によ
る支持部への振動伝搬の低減と保持部による振動低減に
より取付側に圧電体の振動伝搬がより一層低減され、残
響の短い超音波パルスの送受信が可能な超音波振動子を
得ることができ、計測精度の向上、計測範囲の拡大など
の計測特性の向上ができる。さらに、取付側と超音波振
動子との導電距離を大きくすることで、落雷などにより
取付側と超音波振動子間に異常高電圧が発生した場合で
もリークに至る耐電圧を高め、リーク電流による超音波
振動子の破損を防いで信頼性を向上できる。

【００１１】また、振動伝達抑止体の保持部と制振体は
薄肉部を介して連結したものである。そして、制振体と
保持部の間に設けた薄肉部により側壁部と保持部との直
接接触が防止されるとともに側壁部の振動が保持部に伝
搬するのが一層低減され、一層残響の短い超音波パルス
の送受信が可能な超音波振動子を得て計測精度のより一
層の向上と計測範囲のより一層の拡大ができる。

【００１２】また、振動伝達抑止体は保持部に気密シー
ル部を設けたものである。そして、超音波振動子の防振
支持と気密シールを振動伝達抑止体で共用して支持構成
の小型化ができ、気密シール部が防振されるため気密シ
ールの信頼性を高めることができる。

【００１３】また、絶縁体は振動伝達抑止体の保持部に
嵌め合わせて保持部の変形を防止する変形防止部を備え
たものである。そして、長期間にわたり保持部の変形が
防止されるため防振性を安定させかつ長期にわたり維持
して計測精度の信頼性を高めることができ、また保持部
に気密シール部を設ける場合では気密シールの耐久信頼
性を向上できる。

【００１４】また、被測定流体が流れる計測流路と、こ
の計測流路に対向配置されて超音波を送受信する少なく
とも一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音
波伝搬時間を計測する計測制御部と、前記計測制御部か
らの信号に基づいて流量を算出する演算部とを備えたも
のであり、さらに超音波振動子は請求項１ないし７のい
ずれか１項記載の支持構成により計測流路の流路壁に取
付けたものである。そして、残響の短い超音波パルスを
送受信できる超音波振動子と、取付側への振動伝搬を低
減できる超音波振動子の支持構成で、計測精度を高め計
測範囲を拡大し長期間にわたり計測特性を維持できる流
量計測装置が実現できる。また、被計測流体の漏洩を防
止する気密シール構成で、漏洩がなく安全で計測精度が
高く計測範囲の大きい流量計測装置が実現できる。

【００１５】

【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。

【００１６】（実施例１）図１は本発明の実施例１を示
す超音波振動子の断面図である。図１において、７はケ
ース、８はケース７の天部、９はケース７の側壁部、１
０はケース７の開口部であり、ケース７は天部８と側壁
部９と開口部１０を有した有天筒状の形状である。１１
はケース７の天部８の外壁面に固定された音響整合層、
１２は天部８の内壁面に固定された圧電体、１３は側壁
部９の外壁に設けた支持部であり、支持部１３はケース
７の開口部１０側に環状に広がるフランジ１４と開口部
１０を塞ぐ封止体１５とを重ねて厚みを増加させて剛性
を増大させている。１６ａ、１６ｂは封止体１５に設け
られた端子、１７は端子１６ａと端子１６ｂを絶縁する
ための絶縁部、１８は圧電体１２と端子１６ａを電気的
に接続するためのリード線、１９は圧電体１２に設けら
れた溝である。このように超音波振動子２０は有天筒状
のケース７の内部に圧電体１２を設けて封止体１５で封
止するとともにケース７の外部に音響整合層１１と支持
部１３を備えている。２１は側壁部９に当接して側壁部
９の振動を低減する制振性に優れた材質で形成した制振
体であり、２２は支持部１３を挟み込むように保持する
保持部２３を備えゴムなどの防振性に優れた弾性材料で
形成した振動伝達抑止体である。制振体２１は側壁部９
を環状に取り巻くとともに支持部１３側では振動伝達抑
止体２２に全周で密着するように接している。２４は取
付壁２５に設けた取付穴２６に挿入された振動伝達抑止
体２２が脱落しないように押さえる固定体であり、取付
壁２５にねじ（図示せず）などで固定されている。

【００１７】以上のように構成した超音波振動子の作製
方法の一例について説明する。超音波振動子２０はＬＰ
ガスや天然ガス中で使用することを想定して、ケース７
にはステンレス、音響整合層１１にはエポキシ樹脂と中
空ガラス球の混合体からなる材料を選択する。ケース７
の加工方法には量産性を考え、切削加工ではなく絞り加
工のような成形加工を選択する。また、ケース７のステ
ンレスの厚みは、超音波振動子２０の感度、構造的強
度、成形加工性の観点から０．１から０．５ｍｍ程度を
選択する。このように薄い材料でケース７を成形するた
め支持部１３はケース７の絞り加工により形成されるフ
ランジ１４の板厚Ｔ１に対して封止体１５の板厚Ｔ２を
大きくし（Ｔ１＜Ｔ２）、封止体１５を溶接などで接合
して構造的強度を高めている。また、圧電体１２はステ
ンレスからなる天部８に接着固定されるため、広がり方
向の振動が阻害される。超音波振動子２０の高感度化を
図るには広がり振動よりも厚み縦振動を主モードに利用
する方が有利である。しかし、圧電体１２は形状により
振動の主モードが決定されてしまい、圧電体１２の形状
と使用周波数に対する許容範囲が狭い。そこで、圧電体
１２に溝１９を設けた構造として、実用可能な小型の寸
法で厚み振動を主モードとすることが可能となる。

【００１８】このような材料、形状として具体的な作製
手順として、まず厚み０．２ｍｍのステンレス鋼板から
円形状の天部８を有する有天円筒状のケース７を成形加
工する。次に、天部８の外壁面に円板状の音響整合層１
１、内壁面には圧電体１２をエポキシ系接着剤を用いて
接着固定する。このとき溝１９により分割された電極
（図示せず）と天部８を１０μｍ以下の薄い接着層を介
して接着固定することにより、分割された電極（図示せ
ず）と天部８の電気的導通も取ることができる。リード
線１８は圧電体１２の電極（図示せず）と端子１６ａに
それぞれはんだ付けする。最後に、１ｍｍ程度のステン
レス板からなる封止体１５を開口部１０の外周側に設け
たフランジ１４に電気抵抗溶接などにより固定し、封止
と電気的導通を同時に行う。圧電体１２はケース７をグ
ランドとして共用し、さらにケース７および封止体１５
で覆われるためノイズの影響を低減できる。また、封止
するときケース７の内部に乾燥した窒素や不活性ガスを
置換封入すると、圧電体１２の電極、圧電体１２とケー
ス７の接着層などの長期間使用による劣化防止が可能で
ある。

【００１９】次に、この超音波振動子の動作について説
明する。まず、送信側では駆動電気入力を印可されて圧
電体１２が振動し、この振動が音響整合層１１を介して
被計測流体に超音波パルスとして放射されるだけでな
く、ケース７を振動させようとする。また、受信側では
受信した超音波パルスは圧電体１２で電気信号に変換さ
れると同時にケース７も振動させようとする。もし、こ
こでケース７が振動してしまうと、圧電体１２の長い残
響として送信側、受信側ともに観測されてしまい、送信
側の残響は計測回路（図示せず）に対して電気的ノイズ
となり、受信側の残響は受信した超音波パルスと合成さ
れるため振幅、位相に影響して計測に誤差を与える要因
となる。さらに、ケース７が振動してしまうと、ケース
７の振動が流体通路壁を介して受信側の超音波振動子に
伝わり、受信側では流体通路壁を介した振動と受信した
超音波パルスと合成されるため振幅、位相に影響して計
測に誤差を与える要因となる。

【００２０】本実施例では構造的に強度を高めて振動し
難くした支持部１３に対して、ケース７の側壁部９に制
振体２１を全周に当接して設けることで側壁部９の振動
の低減を図っている。さらに、このように振動の低減を
図った支持部１３を弾性材料であるゴムなどで形成した
振動伝達抑止体２２の保持部２３を介して取付壁２５に
取付け、超音波振動子２０と取付壁２５が直接接触しな
いようにしている。制振体２１と振動伝達抑止体２２は
別の部材で構成しているので、制振体２１には制振性に
優れた材質を選定でき、振動伝達抑止体２２には防振性
に優れた材質をそれぞれ最適に選定できる。

【００２１】このため、ケース７の振動を抑えることが
でき、また支持部１３から取付側に振動が伝搬するのを
低減できる。さらに、支持部１３の振動が小さいので長
期間にわたり取付側とのズレ、振動の伝搬の仕方の変化
などを発生し難くできる。従って、残響の短い超音波パ
ルスの送受信が可能で、取付側への振動伝搬の低減が可
能な超音波振動子を得ることができ、残響によるノイズ
の発生の低減と取付側への振動伝搬の低減ができ、Ｓ／
Ｎが改善されて被測定流体の流量、流速の計測精度、計
測範囲の拡大など計測特性が向上できる。また、振動を
低減した支持部により取付状態が長い時間経過にわたっ
て安定化でき、計測の信頼性が向上できる。

【００２２】また、制振体２１は側壁部９を取り巻くよ
うにするとともに支持部１３側では振動伝達抑止体２２
に全周で密着するように接することで、支持部１３、側
壁部９および天部８が被計測流体や雰囲気流体から遮蔽
され、腐食性流体などからケース７および支持部１３が
保護されて耐久信頼性を高めることができる。さらに、
制振体２１は側壁部９だけでなく音響整合層１１を除く
天部８を取り巻くようにすることでケース７および支持
部１３の耐久信頼性を一層高めることができる。

【００２３】なお、本実施例の超音波振動子は取付側に
対して着脱自在であるため、取付側に溶接接合するもの
に比較してメンテナンス性を向上でき、さらに寿命到達
などで廃棄するときに流体通路から超音波振動子を容易
に分離できるためリサイクル性を確保できる。

【００２４】（実施例２）図２は本発明の実施例２を示
す超音波振動子の断面図である。図２において、図１の
実施例と同一部材、同一機能は同一符号を付し詳細な説
明は省略し、異なるところを中心に説明する。２７は制
振体２１と保持部２３を一体に形成した振動伝達抑止体
であり、側壁部９および支持部１３は振動伝達抑止体２
７により被覆されて被測定流体から遮蔽されている。

【００２５】このように、制振体２１と保持部２３の一
体化により相互の当接状態などの取付状態のバラツキを
小さくし、ケース７の振動が支持部１３に減衰させて伝
搬する際の減衰特性のバラツキを低減することで残響特
性の安定化と計測の信頼性向上ができる。また、制振体
２１と保持部２３の一体化による組立精度向上で製品の
計測品質が安定化でき、さらに組立作業性の向上と部品
点数の削減により低コスト化ができる。また、支持部１
３、側壁部９の被計測流体や雰囲気流体からの遮蔽性が
向上して、腐食性流体などからケース７および支持部１
３が保護されて耐久信頼性を一層高めることができる。

【００２６】（実施例３）図３は本発明の実施例３を示
す超音波振動子の取付状態を示す断面図である。図３に
おいて、図１、図２の実施例と同一部材、同一機能は同
一符号を付し詳細な説明は省略し、異なるところを中心
に説明する。

【００２７】２８は超音波振動子２０のケース７に接し
ないようにその外面側に配置し電気絶縁材料で形成した
第一の絶縁体であり、第一の絶縁体２８の一端は振動伝
達抑止体２２の保持部２３に全周を密着させている。こ
の第一の絶縁体２８には第一の絶縁体２８が取付壁２５
から脱落しないようにするための係止部２９と音響整合
層１１側に設けた開口部３０を設けている。この開口部
３０はその開口寸法を音響整合層１１側に合わせて側壁
部９側よりも縮小している。３１は超音波振動子２０の
封止体１５側に配置し電気絶縁材料で形成した第二の絶
縁体であり、第二の絶縁体３１は封止体１５に接しない
ようにされるとともにその一端は全周が振動伝達抑止体
２２の保持部２３に密着し、電気絶縁性の材料で形成し
た振動伝達抑止体２２の保持部２３が取付壁２５の取付
穴２６から抜け出ないようにねじ（図示せず）などで取
付壁２５に固定されている。この第二の絶縁体３１には
端子１６ａ、１６ｂと取付壁２５との絶縁距離を大きく
するための環状の突起部３２と端子１６ａ、１６ｂへ接
続電線を通すための開口部３３が設けられている。

【００２８】次に、動作について、被計測流体が流れる
流路を構成する取付壁２５として強度、耐食性、耐久性
を確保するためアルミ合金ダイキャストなどの金属材料
で構成し、超音波振動子２０のケース７あるいは封止体
１５をステンレス鋼板などで形成する場合で説明する。
もし仮に本実施例で示した第一および第二の絶縁体２
８、３１が無い場合では、ゴムなどの電気絶縁材料で形
成した振動伝達抑止体２２を用いて取付壁２５に取付け
ても超音波振動子２０は取付壁２５と電気絶縁距離の小
さい状態で接近配置されてしまう。この時、落雷などに
より取付壁２５と超音波振動子２０の間に異常な高電圧
が発生すると、取付壁２５と超音波振動子２０の間に大
きな電流が流れて超音波振動子２０の圧電体１２などに
損傷が生じることになる。この損傷を防止するには異常
な高電圧に対してリークに至る耐電圧を高めるため電気
絶縁距離を大きくすることが必要になる。しかし、ケー
ス７と取付壁２５との距離を大きくするには、取付穴２
６を大きくすると共にフランジ１４などで形成した支持
部１３の外形を大きくせねばならず、小型化に逆行す
る。しかし、本実施例のように電気絶縁材料で形成した
振動伝達抑止体２２に対して開口部３０、３３を有する
第一の絶縁体２８および第二の絶縁体３１を密着させて
配置し、小型のままで超音波振動子２０と取付壁２５と
の絶縁距離を大きくでき、落雷などにより取付側と超音
波振動子間に異常高電圧が発生した場合でもリークに至
る耐電圧を高めることができ、リーク電流による超音波
振動子の破損を防いで信頼性を向上できる。なお、振動
伝達抑止体２２をゴムなどの弾性体で形成することによ
り、振動伝達抑止体２２と第一の絶縁体２８および第二
の絶縁体３１との密着性を高めて密着部での隙間の発生
を低減して絶縁性の信頼性を高めることができる。ま
た、開口部３０、３３により超音波の伝搬あるいは端子
への接続電線の通過には問題が無いのは言うまでもな
い。

【００２９】このように、取付側と超音波振動子を構成
する天部、側壁部、支持部とを振動伝達抑止体および絶
縁体で遮蔽して取付側と超音波振動子との導電距離を大
きくすることで、落雷などにより取付側と超音波振動子
間に異常高電圧が発生した場合でもリークに至る耐電圧
を高め、リーク電流による超音波振動子の破損を防いで
信頼性を向上できる。

【００３０】（実施例４）図４は本発明の実施例４を示
す超音波振動子の取付状態を示す断面図である。図４に
おいて、図１〜図３の実施例と同一部材、同一機能は同
一符号を付し詳細な説明は省略し、異なるところを中心
に説明する。

【００３１】振動伝達抑止体２７は保持部２３と制振体
２１を電気絶縁性がありかつ防振性のあるゴムなどの弾
性材料で一体に形成したものであり、第一の絶縁体２８
はその一端を振動伝達抑止体２７の保持部２３に全周を
密着させるとともに制振体２１の外周側に制振体２１と
は接しないように配置されている。また、第二の絶縁体
３１はその一端を振動伝達抑止体２７の保持部２３に全
周を密着させるとともに振動伝達抑止体２７の保持部２
３が取付穴２６から脱落しないように取付壁２５にねじ
（図示せず）などで固定されている。

【００３２】つぎに、動作を説明する。前述のように超
音波振動子２０の側壁部９に当接して設けた制振体２１
により側壁部９の振動が低減され、支持部１３への振動
伝搬の減衰がなされ、振動が低減された支持部１３を防
振性の有る振動伝達抑止体２７を介して取付穴２６に取
付けるため取付壁２５への振動伝搬が大幅に低減され
る。また、超音波振動子２０を振動伝達抑止体２７と第
一および第二の絶縁体２８、３１で取り囲んで取付壁２
５に実装するため、コンパクトなスペースの中で超音波
振動子２０と取付壁２５との絶縁距離を大きくした設置
がなされる。このため、残響の短い超音波パルスの送受
信が可能な超音波振動子の支持構成による計測精度の向
上、計測範囲の拡大などの計測特性の向上と、落雷など
異常な高電圧の印加に対する耐電圧性の向上が両立した
超音波振動子を実現できる。

【００３３】なお、振動伝達抑止体２７は制振体２１と
保持部２３を一体に形成した場合を示したが、制振体２
１と保持部２３は別部品とし互いに密着するように配置
しても良いのは言うまでもない。

【００３４】このように、制振体による支持部への振動
伝搬の低減と保持部による振動低減により取付側に圧電
体の振動伝搬がより一層低減され、残響の短い超音波パ
ルスの送受信が可能な超音波振動子を得ることができ、
計測精度の向上、計測範囲の拡大などの計測特性の向上
ができる。さらに、取付側と超音波振動子との導電距離
を大きくすることで、落雷などにより取付側と超音波振
動子間に異常高電圧が発生した場合でもリークに至る耐
電圧を高め、リーク電流による超音波振動子の破損を防
いで信頼性を向上できる。

【００３５】（実施例５）図５は本発明の実施例５を示
す超音波振動子の取付状態を示す断面図である。図５に
おいて、図１〜図４の実施例と同一部材、同一機能は同
一符号を付し詳細な説明は省略し、異なるところを中心
に説明する。

【００３６】３４は制振体２１と保持部２３を環状の薄
肉部３５を介して連結した振動伝達抑止体であり、この
薄肉部３５は制振体２１と保持部２３との間をケース７
のフランジ１４に沿って径方向状に薄い厚さで広がって
いる。

【００３７】次に、この超音波振動子の支持構成におけ
る動作を説明する。制振体２１は前述のように側壁部９
の振動を低減させるが、側壁部９の振動により制振体２
１自体も若干振動する。しかし、制振体２１と保持部２
３は直接接触せずに薄い厚さの薄肉部３５で面状に連結
されるため、側壁部９の振動による制振体２１自体の振
動は薄肉部３５により減衰されて保持部２３への振動伝
搬が大幅に低減される。

【００３８】このため、残響による振動伝搬の一層の低
減により、Ｓ／Ｎを一層改善した超音波の送受信ができ
る。また、超音波振動子２０の側壁部９および支持部１
３は制振部２１、薄肉部３５および保持部２３により被
覆され、被計測流体から遮蔽されることにより保護され
て耐久信頼性を高めることができる。

【００３９】このように、制振体と保持部の間に設けた
薄肉部により側壁部と保持部との直接接触が防止される
とともに側壁部の振動が保持部に伝搬するのが一層低減
され、一層残響の短い超音波パルスの送受信が可能な超
音波振動子を得ることができる。

【００４０】（実施例６）図６は本発明の実施例６を示
す超音波振動子の取付状態を示す断面図である。図６に
おいて、図１〜図５の実施例と同一部材、同一機能は同
一符号を付し詳細な説明は省略し、異なるところを中心
に説明する。

【００４１】３６は保持部２３に第一の環状突起部３７
と第二の環状突起部３８による気密シール部３９を設け
た振動伝達抑止体である。第一の環状突起部３７は取付
穴２６の平坦面２６ａに密着して振動伝達抑止体３６と
取付壁２５との間を気密シールし、第二の環状突起部３
８は超音波振動子２０の支持部１３を構成するフランジ
１４に密着して振動伝達抑止体３６と超音波振動子２０
との間を気密シールしている。

【００４２】次に、この超音波振動子２０を取付壁２５
に取付ける手順を説明する。まず、超音波振動子２０の
側壁部９に制振体２１を組込み、さらにゴムなどの弾性
材料で形成した振動伝達抑止体３６の保持部２３に超音
波振動子２０の支持部１３を嵌め込む。次に、振動伝達
抑止体３６を組付けた超音波振動子２０を取付穴２６に
挿入し、固定体２４で振動伝達抑止体３６の保持部２３
を取付穴２６に押し付けて固定する。このようにして、
超音波振動子の防振支持と気密シールが同時にでき、防
振支持部と気密シール部を振動伝達抑止体で共用して取
付部の小型化がなされ、振動を低減した状態で気密シー
ルを行うため信頼性を高めた気密シールが行える。

【００４３】なお、ここでは一条の環状突起部３７、３
８により気密シールを行う場合を示したがそれぞれ複数
条の環状突起部にしても良く、また振動伝達抑止体側は
平坦として取付穴側に気密シール用の突起部を設けても
良いのは言うまでもなく、また振動伝達抑止体側および
取付穴側の接触部はそれぞれ平坦として弾性材料で形成
した振動伝達抑止体の撓みにより気密シールを確保でき
るのは言うまでもない。さらに、取付穴の平坦面ではな
く取付穴の円筒面で気密シールすることもできる。

【００４４】このように、超音波振動子の防振支持と気
密シールを振動伝達抑止体で共用して支持構成の小型化
ができ、気密シール部が防振されるため気密シールの信
頼性を高めることができる。

【００４５】（実施例７）図７は本発明の実施例７を示
す超音波振動子の取付状態を示す断面図である。図７に
おいて、図１〜図６の実施例と同一部材、同一機能は同
一符号を付し詳細な説明は省略し、異なるところを中心
に説明する。

【００４６】４０は第一の絶縁体２８の端部に設けた変
形防止部であり、この変形防止部４０は振動伝達抑止体
３４の保持部２３が超音波振動子２０に向かって内側に
倒れる変形が起こらないように嵌め合わされている。４
１は第二の絶縁体３１の端部に設けた変形防止部であ
り、この変形防止部４１は振動伝達抑止体３４の保持部
２３を第二の絶縁体３１で押さえ付けた時に保持部２３
が内側に変形しないように嵌め合わされている。

【００４７】次に、超音波振動子２０の取付状態を説明
する。振動伝達抑止体３４の保持部２３は取付穴２６、
第一の絶縁体２８の変形防止部４０、第二の絶縁体３１
および第二の絶縁体３１の変形防止部４１によりほぼ全
面を拘束されている。このため、防振性を高めるため柔
らかい材料を用いても任意の方向に変形を生じることが
防止でき、超音波振動子２０の設置傾きや偏芯配置など
の取付不良が防止されて超音波の送受信での感度低下や
感度変化を防いで計測精度の信頼性が向上できる。ま
た、保持部２３が拘束されているため長期間にわたる変
形防止による防振性の安定化がなされ、経時変化の少な
い安定した計測精度を維持できることにより信頼性を向
上できる。また、より硬度の柔らかい弾性材料を振動伝
達抑止体に使用できるため防振性能を一層高めることが
できる。さらに、保持部に気密シール部を設ける場合で
は長期間にわたり変形による被計測流体の漏洩など気密
シールの不良が防止できるため、安全性や気密シールの
信頼性を向上できる。

【００４８】このように、長期間にわたり保持部の変形
が防止されるため防振性を安定させかつ長期にわたり維
持して計測精度の信頼性を高めることができ、また保持
部に気密シール部を設ける場合では気密シールの耐久信
頼性を向上できる。

【００４９】（実施例８）図８は本発明の実施例８を示
す超音波流量計測装置の構成図である。図８において、
図１〜図７の実施例と同一部材、同一機能は同一符号を
付し詳細な説明は省略し、異なるところを中心に説明す
る。

【００５０】４２は流路壁４３に囲まれた幅Ｗの計測流
路であり、４４および４５は互いに対向するように流路
壁４３の取付穴２６に振動伝達抑止体２２を介して取付
けた超音波振動子であり、上流側の超音波振動子４４と
下流側の超音波振動子４５は距離Ｌを隔てるとともに速
度Ｖの被計測流体の流れに対して角度θ傾けて設置され
ている。４６は接続された超音波振動子４４，４５に対
して超音波の送受信をさせる計測制御部であり、４７は
計測制御部４６での信号を基に流速を計算し流量を算出
する演算部である。

【００５１】次にこの超音波流量計測装置の動作を説明
する。計測流路４２を被計測流体が流れている時に、計
測制御部４６の作用により超音波振動子４４，４５間で
計測流路４２を横切るようにして超音波の送受が行われ
る。すなわち、上流側の超音波振動子４４から発せられ
た超音波が下流側の超音波振動子４５で受信されるまで
の経過時間Ｔ１を計測する。また一方、下流側の超音波
振動子４５から発せられた超音波が上流側の超音波振動
子４４で受信されるまでの経過時間Ｔ２を計測する。こ
のようにして測定された経過時間Ｔ１およびＴ２を基
に、以下の演算式により演算部４７で流量が算出され
る。

【００５２】いま、被計測流体の流れと超音波伝播路と
のなす角度をθとし、流量測定部である超音波振動子４
４，４５間の距離をＬ、被測定流体の音速をＣとする
と、流速Ｖは以下の式にて算出される。

【００５３】Ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） Ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） Ｔ１の逆数からＴ２の逆数を引き算する式より音速Ｃを
消去して Ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）（（１／Ｔ１）−（１／Ｔ
２）） θおよびＬは既知なのでＴ１およびＴ２の値より流速Ｖ
が算出できる。いま、空気の流量を計ることを考え、角
度θ＝４５度、距離Ｌ＝７０ｍｍ、音速Ｃ＝３４０ｍ／
ｓ、流速Ｖ＝８ｍ／ｓを想定すると、Ｔ１＝２．０×１
０^-4秒、Ｔ２＝２．１×１０^-4秒であり、瞬時計測がで
きる。

【００５４】ここで、計測流路４２の流れ方向に直交す
る横断面積ｓより、流量Ｑは Ｑ＝ｋＶｓ ここで、ｋは横断面積ｓにおける流速分布を考慮した換
算係数である。

【００５５】このようにして演算部４７で流量を求める
ことができる。

【００５６】超音波による流量計測では、時間Ｔ１、Ｔ
２を高精度に計測することが重要である。すなわち、送
信側では残響の少ない超音波振動を被計測流体中のみに
発することが大切であり、受信側では流体通路壁を伝搬
した超音波振動は排除し被計測流体中を伝搬した超音波
振動のみを残響を少なく受信することが大切である。

【００５７】本発明の超音波流量計測装置では、側壁部
９に設けた制振体２１により支持部１３への振動伝達が
低減され、さらに振動伝達抑止体２２の保持部２３を介
して取付けるので、残響の短い超音波パルスの送受信が
でき感度向上とノイズの低減がなされ計測精度を高める
ことができ、少流量から大流量まで計測範囲を拡大した
計測装置を実現できる。また、制振体２１と振動伝達抑
止体２２の一体化により振動の減衰特性のバラツキを低
減して特性の安定化と信頼性を向上できる。また、超音
波振動子２０を絶縁体２８、３１で囲うことでコンパク
トなスペースのままで流路壁４３から電気的な絶縁距離
を大きく確保でき、耐電圧性を高めて雷サージ性が向上
でき、信頼性の高い計測装置が実現できる。また、制振
体２１と振動伝達抑止体２２と絶縁体２８、３１によ
り、計測精度、計測範囲、雷サージ性に優れ信頼性、実
用性に優れた計測装置が実現できる。また、制振体２１
と保持部２３は薄肉部３５を介して連結することにより
取付側への振動伝搬をより一層低減して、計測特性によ
り優れた計測装置を実現できる。また、振動伝達の抑止
と気密シールを両用することで小型化ができ、都市ガ
ス、ＬＰガスなどの可燃性ガスなどでも安全に適用でき
利用範囲の拡大ができる。また、絶縁体２８、３１に設
けた変形防止部４０、４１により保持部の変形を防止し
て長期間にわたり防振性の安定化と気密シールの確保が
でき、耐久信頼性が向上できる。

【００５８】このように、残響の短い超音波パルスを送
受信できる超音波振動子と、取付側への振動伝搬を低減
できる超音波振動子の支持構成で、計測精度を高め計測
範囲を拡大し長期間にわたり計測特性を維持できる流量
計測装置が実現できる。また、被計測流体の漏洩を防止
する気密シール構成で、漏洩がなく安全で計測精度が高
く計測範囲の大きい流量計測装置が実現できる。

【００５９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明の
流量計測装置によれば、次の効果が得られる。

【００６０】超音波振動子の側壁部に制振体を設け、振
動の低減した支持部を振動伝達抑止体の保持部で振動伝
達を減衰させる支持構成により、残響によるノイズの発
生の低減と取付側への振動伝搬の低減ができ、Ｓ／Ｎが
改善されて被測定流体の流量、流速の計測精度、計測範
囲の拡大など計測特性が向上できるという効果があり、
また振動を低減した支持部と支持構成により長い時間経
過にわたって取付状態を安定化でき、計測の信頼性が向
上できるという効果がある。

【００６１】また、制振体と保持部を一体に形成するこ
とにより、減衰特性のバラツキを低減して特性の安定化
と信頼性の向上ができるという効果があり、また部品点
数の削減と組立性の向上により低コスト化ができるとい
う効果がある。

【００６２】また、超音波振動子の支持部を保持する振
動伝達抑止体にその一端を密着させた絶縁体を超音波振
動子の外面側に配置することにより、取付側と超音波振
動子を構成する天部、側壁部、支持部とを振動伝達抑止
体および絶縁体で遮蔽してコンパクトな支持構成で取付
側と超音波振動子との導電距離を大きくできるという効
果があり、また落雷などにより取付側と超音波振動子間
に異常高電圧が発生した場合でもリークに至る耐電圧を
高め、リーク電流による超音波振動子の破損を防いで信
頼性を向上できるという効果がある。

【００６３】また、超音波振動子の側壁部に制振体を設
け、振動の低減した支持部を振動伝達抑止体の保持部で
振動伝達を減衰させる支持構成と振動伝達抑止体にその
一端を密着させた絶縁体を超音波振動子の外面側に配置
することにより、残響の短い超音波パルスの送受信が可
能な超音波振動子を得ることができ、計測精度の向上、
計測範囲の拡大などの計測特性の向上ができるという効
果があり、また取付側と超音波振動子との導電距離を大
きくすることで、落雷などにより取付側と超音波振動子
間に異常高電圧が発生した場合でもリークに至る耐電圧
を高め、リーク電流による超音波振動子の破損を防いで
信頼性を向上できるという効果がある。

【００６４】また、制振体と保持部を厚さの薄い薄肉部
で連結することにより、側壁部と保持部との直接接触が
防止され側壁部の振動の保持部への伝搬が一層低減でき
るという効果があり、一層残響の短い超音波パルスの送
受信が可能な超音波振動子により計測精度のより一層の
向上と計測範囲のより一層の拡大ができるという効果が
ある。

【００６５】また、振動伝達抑止体の保持部に気密シー
ル部を設けることにより、防振支持と気密支持を共用化
して支持構成の小型化ができるという効果があり、気密
シール部自体の防振により気密シールの信頼性を向上で
きるという効果がある。

【００６６】また、絶縁体に保持部の変形を防止する変
形防止部を設けることにより、保持部の変形を防止して
防振性を安定させかつ長期にわたり維持して計測精度の
信頼性を高めることができるという効果があり、また保
持部に気密シール部を設ける場合では気密シールの耐久
信頼性を向上できるという効果がある。

【００６７】また、被測定流体が流れる計測流路に対向
配置されて超音波を送受信する超音波振動子と、超音波
振動子間の超音波伝搬時間を計測する計測制御部と、前
記計測制御部からの信号に基づいて流量を算出する演算
部とを備え、超音波振動子は請求項１ないし７のいずれ
か１項記載の支持構成により計測流路の流路壁に取付け
ることにより、計測精度を高め計測範囲を拡大し長期間
にわたり計測特性を維持できる流量計測装置が実現でき
るという効果があり、また被計測流体の漏洩を防止する
気密シール構成で、漏洩がなく安全で計測精度が高く計
測範囲の大きい流量計測装置が実現できるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における超音波振動子の支持
構成の断面図

【図２】本発明の実施例２における超音波振動子の支持
構成の断面図

【図３】本発明の実施例３の超音波振動子の支持構成の
断面図

【図４】本発明の実施例４における超音波振動子の支持
構成の断面図

【図５】本発明の実施例５における超音波振動子の支持
構成の断面図

【図６】本発明の実施例６における超音波振動子の支持
構成の断面図

【図７】本発明の実施例７における超音波振動子の支持
構成の断面図

【図８】本発明の実施例８の超音波流量計測装置の構成
図

【図９】従来の超音波振動子の断面図

【図１０】従来の他の超音波振動子の断面図

【符号の説明】

８ 天部 ９ 側壁部 １２ 圧電体 １３ 支持部 ２０、４４、４５ 超音波振動子 ２１ 制振体 ２２、２７、３４、３６ 振動伝達抑止体 ２３ 保持部 ２８、３１ 絶縁体 ３５ 薄肉部 ３９ 気密シール部 ４０、４１ 変形防止部 ４２ 計測流路 ４３ 流路壁 ４６ 計測制御部 ４７ 演算部

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】天部と、側壁部と、この側壁部の外側に設
   けた支持部と、前記天部の内壁面に固定された圧電体を
   有する超音波振動子と、前記側壁部に当接し側壁部の振
   動を低減する制振体と、前記支持部を保持する保持部を
   有する振動伝達抑止体とを備え、前記超音波振動子は前
   記保持部を介して取付けた超音波振動子の支持構成。
2. 【請求項２】制振体と保持部とを一体に形成した振動伝
   達抑止体を有する請求項１記載の超音波振動子の支持構
   成。
3. 【請求項３】天部と、側壁部と、この側壁部の外側に設
   けた支持部と、前記天部の内壁面に固定された圧電体を
   有する超音波振動子と、電気絶縁性の材料で形成した前
   記支持部を保持する保持部を有する振動伝達抑止体と、
   電気絶縁材料で形成され少なくとも一端は前記振動伝達
   抑止体に密着するようにして超音波振動子の外面側に配
   設した絶縁体を備え、前記超音波振動子は前記保持部を
   介して取付けた超音波振動子の支持構成。
4. 【請求項４】天部と、側壁部と、この側壁部の外側に設
   けた支持部と、前記天部の内壁面に固定された圧電体を
   有する超音波振動子と、前記側壁部に当接し側壁部の振
   動を低減する制振体と前記支持部を保持する保持部を有
   するとともに電気絶縁性のある材料で形成した振動伝達
   抑止体と、電気絶縁材料で形成され少なくとも一端は前
   記振動伝達抑止体に密着するようにして超音波振動子の
   外面側に配設した絶縁体を備え、前記超音波振動子は前
   記保持部を介して取付けた超音波振動子の支持構成。
5. 【請求項５】保持部と制振体とは薄肉部を介して連結し
   た請求項２または４記載の超音波振動子の支持構成。
6. 【請求項６】保持部に気密シール部を設けた請求項１〜
   ５のいずれか１項記載の超音波振動子の支持構成。
7. 【請求項７】絶縁体は保持部に嵌め合わせて保持部の変
   形を防止する変形防止部を備えた請求項３〜６のいずれ
   か１項記載の超音波振動子の支持構成。
8. 【請求項８】被測定流体が流れる計測流路と、この計測
   流路に対向配置されて超音波を送受信する少なくとも一
   対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波伝搬
   時間を計測する計測制御部と、前記計測制御部からの信
   号に基づいて流量を算出する演算部とを備え、前記超音
   波振動子は請求項１〜７のいずれか１項記載の支持構成
   により計測流路の流路壁に取付けた超音波流量計測装
   置。