JP2003009287A - 超音波変換器およびそれを用いた超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 整合層の耐久性を確保し、性能を安定的に持
続することが可能な超音波変換器およびそれを用いた超
音波流量計を提供する。 【解決手段】 機械的特性や環境特性に比較的優れたポ
リイミド樹脂、アラミド（芳香族ポリアミド）樹脂、カ
ーボンまたはこれらの材料の任意の組み合わせの混合物
により、超音波変換器１０の整合層１２を構成する。エ
ポキシ樹脂、ウレタン樹脂またはこれらの樹脂の混合物
により整合層１２が構成されていた場合よりも、整合層
１２の耐久性が向上し、音響インピーダンスのマッチン
グ能が安定的に持続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音響インピーダン
スの整合（マッチング）を行いつつ超音波を放射する超
音波変換器およびそれを用いた超音波流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、超音波を利用して燃料ガスな
どの媒体の流量測定を行う超音波流量計が知られてい
る。この超音波流量計のうち、例えば、約１００ｋＨｚ
以上の周波数の超音波を利用するものは、燃料ガス中に
超音波を放射する超音波変換器を備えている。この超音
波変換器は、主に、圧電素子などの超音波発生源に、音
響インピーダンスのマッチングを行うための整合層が隣
接して配設された構成をなしている。この超音波変換器
では、整合層により、圧電素子の音響インピーダンスと
媒体（燃料ガス）の音響インピーダンスとがマッチング
されるため、圧電素子の振動により発生した超音波が燃
料ガスに効率よく伝播すると共に、媒体中に放射された
超音波が圧電素子に効率よく伝播する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、音響イ
ンピーダンスのマッチングが重要であるにも関わらず、
従来の超音波変換器では、耐久性が十分でないため、性
能を安定的に持続することが困難であるという問題があ
った。

【０００４】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、整合層の耐久性を確保し、その性能
を安定的に持続することが可能な超音波変換器およびそ
れを用いた超音波流量計を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波変換器
は、超音波を発生する超音波発生部と、ポリイミド樹
脂、アラミド樹脂またはカーボンの少なくとも一つを含
んで構成され、超音波発生部により発生した超音波が伝
播する媒体の音響インピーダンスと超音波発生部の音響
インピーダンスとを整合させる整合部とを備えるように
したものである。

【０００６】本発明の超音波流量計は、超音波を発生す
る超音波変換器を有するものであり、超音波変換器が、
超音波を発生する超音波発生部と、ポリイミド樹脂、ア
ラミド樹脂またはカーボンの少なくとも一つを含んで構
成され、超音波発生部により発生した超音波が伝播する
媒体の音響インピーダンスと超音波発生部の音響インピ
ーダンスとを整合させる整合部とを備えるようにしたも
のである。

【０００７】本発明の超音波変換器では、超音波発生部
により超音波が発生し、整合部により、超音波が伝播す
る媒体の音響インピーダンスと超音波発生部の音響イン
ピーダンスとが整合される。ポリイミド樹脂、アラミド
樹脂またはカーボンの少なくとも一つを含む材料により
整合部が構成されているため、整合部の耐久特性が確保
され、超音波変換器の性能が安定的に持続する。

【０００８】本発明の超音波流量計では、超音波の発生
源として本発明の超音波変換器を有するため、超音波流
量計の性能が安定的に持続する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。

【００１０】＜超音波変換器の構成＞図１は、本発明の
一実施の形態に係る超音波変換器１０の断面構成を表す
ものである。この超音波変換器１０は、主に、超音波を
利用して検出や測定を行う超音波センサとして機能する
ものであり、音響インピーダンスのマッチングを行いつ
つ、外部（例えば燃料ガスなどの媒体Ｂ）に超音波Ｐを
放射する。

【００１１】この超音波変換器１０は、主に、超音波発
生層１１と、この超音波発生層１１に隣接して配設され
た整合層１２とを備えている。

【００１２】超音波発生層１１は、超音波Ｐを放射する
ものであり、例えばＰｂＴｉＯ₃ やＰｂＺｒＯ₃ などの
ピエゾセラミックス（圧電素子）等により構成されてい
る。この超音波発生層１１は、例えば、電圧印加に応じ
て圧電素子が振動することにより、超音波Ｐを放射す
る。

【００１３】整合層１２は、音響インピーダンスのマッ
チングを行うためのものであり、ポリイミド樹脂、アラ
ミド（芳香族ポリアミド）樹脂、カーボン、またはこれ
らの材料の任意の組み合わせの混合物（以下、単に「各
種混合物」という。）により構成されている。アラミド
樹脂としては、例えばＰＰＴＡ（ポリパラフェニレンテ
レフタラミド）やＭＰＩＡ（ポリメタフェニレンイソフ
タラミド）などが挙げられ、具体的な市販品としては、
帝人社製テクノーラ（商品名）などが挙げられる。ポリ
イミド樹脂やアラミド樹脂は発泡していてもよく、その
場合には、連続気泡でなく単独気泡のものであることが
好ましい。カーボンとしては、任意の樹脂の加熱脱水物
であればどのようなものを用いてもよく、例えばカーボ
ングラファイトやカーボンファイバーなどが挙げられ
る。

【００１４】なお、超音波変換器１０は、上記した超音
波発生層１１や整合層１２の他、例えば、超音波発生層
１１の裏面（整合層１２と反対側の面）に配設されたパ
ッキング材などを含む場合もある。このパッキング材
は、主に、超音波変換器１０の外部で発生した不要な音
や振動を吸収し、これらの不要な音や振動が超音波発生
層１１に達することを防止するためのものである。

【００１５】＜超音波変換器の動作＞この超音波変換器
１０では、超音波発生層１１に電圧が印加されると、圧
電素子の振動等により超音波発生層１１から超音波Ｐが
発生し、この超音波Ｐは外部の媒体Ｂに放射される。こ
のとき、整合層１２により、媒体Ｂの比較的小さい音響
インピーダンスと超音波発生層１１の比較的大きい音響
インピーダンスとがマッチングされるため、超音波発生
層１１において発生した超音波Ｐが媒体Ｂに効率よく伝
播すると共に、他の超音波変換器１０により媒体Ｂに放
射された超音波Ｐが超音波発生層１１に効率よく伝播す
る。

【００１６】＜超音波流量計の構成＞この超音波変換器
１０は、例えば、燃料ガス（媒体Ｂ）の流量を測定する
超音波流量計に適用することが可能である。図２は、本
実施の一実施の形態に係る超音波流量計２０の要部の断
面構成を表すものである。

【００１７】この超音波流量計２０は、主に、燃料ガス
Ｇが流れるパイプ２１と、このパイプ２１に燃料ガスＧ
を挟んで対向配置された２つの超音波変換器１０Ａ，１
０Ｂと、流量計全体を制御する制御部２２と、各種情報
を表示する表示部２３とを含んで構成されている。

【００１８】超音波変換器１０Ａ，１０Ｂは、それぞれ
超音波Ｐを放射する送信機として機能すると共に、放射
された超音波Ｐを取り込む受信機としても機能する。制
御部２２は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit
）などにより構成されており、主に、超音波変換器１
０Ａ，１０Ｂから送信信号や受信信号を取り込み、これ
らの信号に基づいて燃料ガスＧの流量を演算する。表示
部２３は、例えば液晶パネルなどにより構成されてい
る。なお、制御部２２は、上記した流量演算機能の他、
ガス漏れ等の異常事態の発生時に流路を遮断する安全機
能などを有する場合もある。

【００１９】この超音波流量計では、例えば、導入口２
４から排出口２５に向かってパイプ２１内を燃料ガスＧ
が流れると、超音波変換器１０Ａから放射された超音波
Ｐ１が超音波変換器１０Ｂに取り込まれたのち、超音波
１０Ｂから放射された超音波Ｐ２が超音波変換器１０Ａ
に取り込まれる。そして、制御部２２により、燃料ガス
Ｇの流れ方向に放射された超音波Ｐ１の伝播時間Ｔ１お
よび燃料ガスＧの流れ方向と逆方向に放射された超音波
Ｐ２の伝播時間Ｔ２の双方が演算され、これらの伝播時
間の差異ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）に基づいて燃料ガスＧの
流量が演算される。演算された燃料ガスＧの流量は、表
示部２３に表示される。

【００２０】＜実施の形態の作用および効果＞この超音
波変換器１０では、ポリイミド樹脂、アラミド樹脂、カ
ーボンまたはこれらの各種混合物により整合層１２を構
成するようにしたので、以下のような理由により、従来
の場合よりも整合層１２の耐久性を確保し、その性能を
安定的に持続することができる。

【００２１】すなわち、従来の超音波変換器では、例え
ばエポキシ樹脂、ウレタン樹脂またはこれらの樹脂の混
合物などにより整合層が構成されていた。これらのエポ
キシ樹脂やウレタン樹脂等は、一般に、整合層の構成材
料として要求される特性、すなわち音波の伝播速度や密
度が比較的小さいことを満たす反面、強度や弾性率など
の機械的特性が低いことが知られている。また、これら
の樹脂は、環境特性に劣り、例えば、高温下で変形しや
すく、高湿下で膨潤しやすいことも知られている。これ
らのことから、従来の超音波変換器では、整合層の耐久
性が低く、その性能が劣化しやすいため、音響インピー
ダンスのマッチング能を安定的に持続することが困難で
あった。

【００２２】これに対して、本実施の形態の超音波変換
器１０では、音波の伝播速度や密度に関する特性を満た
すと共に、機械的特性や環境特性に比較的優れたポリイ
ミド樹脂、アラミド樹脂、カーボンまたはこれらの各種
混合物により整合層１２が構成されているため、従来の
場合とは異なり、整合層１２の耐久性が向上し、その性
能が劣化しにくくなる。したがって、超音波変換器１０
では、音響インピーダンスのマッチング能が安定的に持
続される。

【００２３】また、本実施の形態では、ポリイミド樹脂
やアラミド樹脂として単独気泡のものを含んで整合層１
２を構成することにより、整合層１２の耐久性をより高
めることができる。なぜなら、単独気泡の樹脂を用いた
場合には、連続気泡の樹脂を用いた場合よりも、高湿下
における整合層１２内への水分の浸入傾向が抑制される
からである。これにより、特に、凍結時における水分の
膨張現象に起因して、気泡が破壊される可能性が低下す
る。

【００２４】さらに、本実施の形態では、超音波変換器
１０を用いて超音波流量計２０を構成するようにしたの
で、超音波変換器１０の耐久性が確保され、性能を安定
的に持続することができる。

【００２５】＜実施の形態の変形例＞なお、本実施の形
態では、ポリイミド樹脂、アラミド樹脂、カーボンまた
はこれらの各種混合物のみにより整合層１２を構成する
ようにしたが、必ずしもこれに限られるものではない。
図３は超音波変換器１０の構成に関する変形例の断面構
成を表すものであり、図１に対応している。図３に示し
たように、例えば、整合層１２を構成するポリイミド樹
脂、アラミド樹脂またはカーボン等の材料中に、ガラス
ビーズ１３などのガラス分散材を分散させるようにして
もよい。この場合には、分散されたガラスビーズ１３の
分だけ整合層１２の密度が低下するため、音響インピー
ダンスのマッチング能を向上させることができる。ガラ
ス分散材の寸法，形状（中空構造を含む），分散量等は
自由に設定可能である。もちろん、このときの音響イン
ピーダンスのマッチング能は、エポキシ樹脂やウレタン
樹脂等にガラスビーズを分散させた場合における音響イ
ンピーダンスのマッチング能よりも優れている。

【００２６】また、本実施の形態では、ポリイミド樹
脂、アラミド樹脂、カーボンまたはこれらの各種混合物
を用いて連続層となるように整合層１２を構成するよう
にしたが、必ずしもこれに限られるものではない。図４
は超音波変換器１０の構成に関する他の変形例の断面構
成を表すものであり、図１に対応している。図４に示し
たように、例えば、ポリイミド樹脂、アラミド樹脂、カ
ーボンまたはこれらの各種混合物をビーズ状（ビーズ１
２Ｚ）に成形したのち、複数のビーズ１２Ｚ（塊単位）
を集合させた集合体により整合層１２を構成するように
してもよい。各ビーズ１２Ｚ間の空隙がガラスビーズ１
３（図３参照）と同様の役割を果たすため、この場合に
おいても音響インピーダンスのマッチング能を向上させ
ることができる。塊単位の寸法や形状は自由に設定可能
である。

【００２７】なお、図３および図４に示した超音波変換
器１０の構成に関する変形例は、図２に示した超音波流
量計２０についても適用可能である。

【００２８】以上、実施の形態を挙げて本発明を説明し
てきたが、本発明は上記実施の形態において説明したも
のに限定されるものではなく、種々の変形が可能であ
る。すなわち、超音波変換器１０および超音波流量計２
０の構成や機能等は、ポリイミド樹脂、アラミド樹脂、
カーボンまたはこれらの各種混合物により整合層１２を
構成することにより、整合層１２の耐久性を確保し、そ
の性能を安定的に持続するすることが可能な限り、自由
に変更可能である。この場合においても、上記実施の形
態の場合と同様の効果を得ることができる。

【００２９】また、上記実施の形態では、超音波変換器
１０を超音波流量計２０に適用する場合について説明し
たが、必ずしもこれに限られるものではなく、超音波を
利用して検出や測定を行う他の各種機器に適用可能であ
る。この「他の各種機器」としては、例えば、超音波距
離計，超音波厚み計，超音波診断装置，超音波検出器な
どが挙げられる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１ないし請
求項４のいずれか１項に記載の超音波変換器によれば、
ポリイミド樹脂、アラミド樹脂またはカーボンの少なく
とも一つを含んで構成された整合部を備えるようにした
ので、エポキシ樹脂やウレタン樹脂等により整合部が構
成されていた従来の場合とは異なり、整合部の耐久性を
確保し、その性能を安定的に持続することができる。

【００３１】また、請求項５ないし請求項８のいずれか
１項に記載の超音波流量計によれば、本発明の超音波変
換器を有するようにしたので、超音波変換器の耐久性が
確保され、その性能を安定的に持続することができる。

【００３２】特に、請求項２記載の超音波変換器または
請求項６記載の超音波流量計によれば、単独気泡のポリ
イミド樹脂または単独気泡のアラミド樹脂を含んで整合
部が構成されるようにしたので、連続気泡の場合より
も、高湿下における整合部内への水分の浸入傾向が抑制
される。このため、整合部の耐久性をより高めることが
できる。

【００３３】また、請求項３記載の超音波変換器または
請求項７記載の超音波流量計によれば、ポリイミド樹
脂、アラミド樹脂またはカーボンの少なくとも一つにガ
ラス分散材が分散されたものにより整合部が構成される
ようにしたので、分散されたガラス分散材の分だけ整合
部の密度が低下する。このため、整合部の性能を向上さ
せることができる。

【００３４】また、請求項４記載の超音波変換器または
請求項８記載の超音波流量計によれば、ポリイミド樹
脂、アラミド樹脂またはカーボンの少なくとも一つより
なる複数の塊単位の集合体により整合部が構成されるよ
うにしたので、整合部の密度が低下し、その性能を向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る超音波変換器の断
面構成を表す断面図である。

【図２】本発明の一実施の形態に係る超音波流量計の断
面構成を表す断面図である。

【図３】本発明の一実施の形態に係る超音波変換器の構
成に関する変形例の断面構成をを表す断面図である。

【図４】本発明の一実施の形態に係る超音波変換器の構
成に関する他の変形例の断面構成を表す断面図である。

【符号の説明】

１０（１０Ａ，１０Ｂ）…超音波変換器、１１…超音波
発生層、１２…整合層、１２Ｚ…ビーズ、１３…ガラス
ビーズ、２０…超音波流量計、２１…パイプ、２２…制
御部、２３…表示部、２４…導入口、２５…排出口、Ｂ
…媒体、Ｇ…燃料ガス、Ｐ…超音波。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波を発生する超音波発生部と、 ポリイミド樹脂、アラミド樹脂またはカーボンの少なく
   とも一つを含んで構成され、前記超音波発生部により発
   生した超音波が伝播する媒体の音響インピーダンスと前
   記超音波発生部の音響インピーダンスとを整合させる整
   合部とを備えたことを特徴とする超音波変換器。
2. 【請求項２】 前記整合部は、単独気泡のポリイミド樹
   脂または単独気泡のアラミド樹脂を含んで構成されてい
   ることを特徴とする請求項１記載の超音波変換器。
3. 【請求項３】 前記整合部は、ポリイミド樹脂、アラミ
   ド樹脂またはカーボンの少なくとも一つにガラス分散材
   が分散されたものにより構成されていることを特徴とす
   る請求項１または請求項２に記載の超音波変換器。
4. 【請求項４】 前記整合部は、ポリイミド樹脂、アラミ
   ド樹脂またはカーボンの少なくとも一つよりなる複数の
   塊単位の集合体により構成されていることを特徴とする
   請求項１または請求項２に記載の超音波変換器。
5. 【請求項５】 超音波を発生する超音波変換器を有する
   超音波流量計であって、 前記超音波変換器が、 超音波を発生する超音波発生部と、 ポリイミド樹脂、アラミド樹脂またはカーボンの少なく
   とも一つを含んで構成され、前記超音波発生部により発
   生した超音波が伝播する媒体の音響インピーダンスと前
   記超音波発生部の音響インピーダンスとを整合させる整
   合部とを備えたことを特徴とする超音波流量計。
6. 【請求項６】 前記整合部は、単独気泡のポリイミド樹
   脂または単独気泡のアラミド樹脂を含んで構成されてい
   ることを特徴とする請求項５記載の超音波流量計。
7. 【請求項７】 前記整合部は、ポリイミド樹脂、アラミ
   ド樹脂またはカーボンの少なくとも一つにガラス分散材
   が分散されたものにより構成されていることを特徴とす
   る請求項５または請求項６に記載の超音波流量計。
8. 【請求項８】 前記整合部は、ポリイミド樹脂、アラミ
   ド樹脂またはカーボンの少なくとも一つよりなる複数の
   塊単位の集合体により構成されていることを特徴とする
   請求項５または請求項６に記載の超音波流量計。