JP2004093299A - Ultrasonic vibrator and ultrasonic flowmeter using the same - Google Patents
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Abstract
Description
【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振動子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11−325992号公報が知られており、ケースの天部の内面に圧電体を備え、天部に音響整合層を設けたものである。
【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、単に音響整合層を設けただけであり、適切な音響整合層、圧電体、ケースに関する考察はなされていないのが実情である。
【0004】
特に、相互の位置ずれの観点から、音響整合層、圧電体、ケースの最適な組み合わせを考慮したものはなく、効率、信頼性の観点から述べられたものではない。言い換えれば、位置ずれが大きくなれば、異常共振モードが発生する可能性があり、超音波振動子の機能低下の原因となる。
【0005】
そして、近年のガス流量計においては、その使用ガスの種類や計測精度(例えば都市ガスの流量計測装置に要求される精度は0.5nsec以上であり、超音波振動子にはこれ以上の精度が要求される)の点から超音波振動子の機能向上が望まれており、このような産業上のニーズからも超音波振動子の機能向上が望まれている。
【0006】
特に、超音波振動子は、ある超音波振動子から発信した超音波信号をもう一方の超音波振動子にて受信をすることにより、その機能を果たすが、その際に、位置ずれが問題となる。位置ずれが大きければ、異常共振モードが発生してしまい、周波数を良好に維持することができなくなり、計測精度の悪化を招くことになる。
【0007】
本発明の目的は、上記課題を解決するもので、異常共振モードの発生を抑制し、周波数的に良好とすることができる超音波振動子およびそれを用いた超音波流量計を提供する。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【0009】
本発明の第1態様によれば、有底筒状ケースと、上記ケースの少なくとも1つの面に設けられた音響整合層とを備え、
上記音響整合層が設けられた面の反対側の面に圧電体が設けられた超音波振動子であって、振動板を兼ねる上記ケースの天面の中心に対して、上記圧電体が上記ケースと接合される接合面の中心のずれ量をΔα、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δα/t)≦2を満たすように上記ケースの天面の中心と上記圧電体が上記ケースの天面と接合される接合面の中心を合わせるようにしたことを特徴とする超音波振動子を提供する。
【0010】
本発明の第2態様によれば、有底筒状ケースと、上記ケースの少なくとも1つの面に設けられた音響整合層とを備え、
上記音響整合層が設けられた面の反対側の面に圧電体が設けられた超音波振動子であって、振動板を兼ねる上記ケースの天面の中心に対して、上記音響整合層が上記ケースと接合される接合面の中心のずれ量をΔβ、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δβ/t)≦3を満たすように上記ケースの天面の中心と上記音響整合層が上記ケースの天面と接合される接合面の中心を合わせるようにしたことを特徴とする超音波振動子を提供する。
【0011】
本発明の第3態様によれば、有底筒伏ケースと、上記ケースの少なくとも1つの面に設けられた音響整合層を備え、上記音響整合層が設けられた面の反対側の面に圧電体が設けられた超音波振動子であって、上記圧電体の中心に対する上記音響整合層の中心のずれ量をΔγ、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δγ/t)≦(5/2)を満たすように上記圧電体が上記ケースの天面と接合される接合面の中心と上記音響整合層が上記ケースの天面と接合される接合面の中心とを合わせるようにしたことを特徴とする超音波振動子を提供する。
【0012】
本発明の第4態様によれば、有底筒状ケースと、上記ケースの少なくとも1つの面に設けられた音響整合層を備え、
上記音響整合層が設けられた面の反対側の面に圧電体が設けられた超音波振動子であって、1対の超音波振動子で交互に超音波の送受信を繰り返して測定を行う超音波振動子において、振動板を兼ねる上記ケースの天面の中心に対して圧電体のずれ量Δα≦0.5mmである超音波振動子ならば、各々超音波振動子に用いられる圧電体のずれ量をΔχ、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δχ/t)≦2を満たすように構成されたことを特徴とする超音波振動子を提供する。
【0013】
本発明の第5態様によれば、有底筒状ケースと、上記ケースの少なくとも1つの面に設けられた音響整合層を備え、
上記音響整合層が設けられた面の反対側の面に圧電体が設けられた超音波振動子であって、1対の超音波振動子で交互に超音波の送受信を繰り返して測定を行う超音波振動子において、振動板を兼ねる上記ケースの天面の中心に対して音響整合層のずれ量Δβ≦0.5mmである超音波振動子ならば、各々超音波振動子に用いられる音響整合層のずれ量をΔφ、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δφ/t)≦3を満たすように構成されたことを特徴とする超音波振動子を提供する。
【0014】
本発明の第6態様によれば、被測定流体が流れる流路を有する流量測定部と、
この流量測定部に設けられた第1〜5いずれか1つの態様に記載の超音波振動子を1対対向して上記流路を挟んで配置された超音波振動子と、
上記超音波振動子間で上記流路を通する超音波の伝搬時間を計測する計測回路と、
上記計測回路で計測された結果情報を示す信号に基づいて上記被測定流体の流量を算出する流量演算手段とを備えた超音波流量計を提供する。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0016】
尚、本願明細書において、対向面積とは、圧電体、板状部材、音響整合層の各々が直接的に又は間接的に対向して重なる面積を示す。
【0017】
以下、本発明の第1実施形態にかかる超音波振動子およびそれを用いた超音波流量計について図1から図4を用いて説明する。なお、従来と同一機能のものには同一符号を示す。
【0018】
図1に本発明の第1実施形態における超音波振動子の外観図、図2に同実施形態の断面図、図3、図4に同実施形態における超音波振動子を利用する超音波流量計の断面図を示す。
【0019】
図1において、1は超音波振動子であり、6は駆動源となる圧電体、4は気体、液体などの伝達媒体に超音波を伝えるための音響整合層、3は、片面(外壁面)3aに音響整合層4を、反対側(内壁面)3bに圧電体6をそれぞれ設けた板状部材であり、具体的には接着層30、31を介して音響整合層4、圧電体6を設ける。また、板状部材3は、圧電体6の振動を音響整合層4に伝達する振動伝搬部材であり、圧電体6と音響整合層4を音響的に接続している。
【0020】
2は板状部材3を支える支持体であり、具体的には、板状部材3の外周部を筒状の内周部に係合し接合させている。尚、第1実施形態では、板状部材3と支持体2とで天部32aと側壁部32bと開口部32cを有する有底状ケース32を構成している。5は後述するように超音波流量計の流路に対して連結される超音波振動子1の取付穴を形成する側壁部と超音波振動子1とを接合するためのフランジ部である。
【0021】
図2において、6は板状部材3の内壁面に配置された圧電体であり、7はフランジ部5に固定された端子板、8a、8bは端子板7に設けられた端子、9は端子8a、8bを絶縁する絶縁物、10は圧電体6と端子8aとを電気的に接続するための導電性ゴムである。圧電体6は有底状ケース32と端子板7により塞がれ不活性ガスで密閉されている。
【0022】
図3に超音波振動子1を備えた超音波流量計100の断面図を示す。
【0023】
超音波流量計100の概略構成を示すと、ガスなどの被測定流体が供給される供給管と連結した入口路100aから流入された被測定流体の流量を測定する流量測定部11と、流量測定部11と連通し、被測定流体を外部へ導く出口路100bと、この流量測定部11に設けられて超音波を送受信する一対の超音波振動子17、18(それぞれは超音波振動子1に対応する。)と、超音波振動子17、18間の伝搬時間を計測する計測回路101と、計測回路101からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段102とを備えている。ここで、上記計測回路101と流量演算手段102とより流量算出システムを構成している。
【0024】
実例として、流量測定部11では、材料としてLPガスや天然ガスの流量計測する家庭用ガスメータを想定しアルミニウム合金ダイカストとする。そして、図4に示すようにガスの流路を構成する側壁部12、13の端面に例えばコルク材からなるシール材14を介して上板部15をネジ止めして、流路断面16が矩形のものを構成する。また、図3に示すように、超音波振動子17、18は、超音波を発信・受信する送受波面が相対するように側壁部12、13に斜めに設ける。具体的には側壁部12、13に設けた超音波振動子17、18の取付穴19、20に例えばOリングからなるシール材21、22を介して固定する。これは1つの実例であり、本発明はこれに限られるものではない。
【0025】
一方、板状部材3は、音響整合層4と圧電体6に挟まれて位置し、物理的な観点からは音響整合層4及び圧電体6の接合部または固定部の役割を果たす。また、音響的な観点からは、音響整合層4から圧電体6に圧電体6から音響整合層4へ超音波信号(または音圧)を伝搬するためのコネクターであり、板状部材3の役割を果たす。そのため、音響整合層4、板状部材3、圧電体6の物理的な接合面積は非常に重要である。
【0026】
次に、超音波振動子1の動作について説明するとともに発信の伝搬効率を考察する。
【0027】
圧電体6から発信された超音波信号は、接着層31、板状部材(振動伝搬部材)3、接着層30を介して音響整合層4に伝搬される。
【0028】
(圧電体と板状部材との間の発信の伝搬効率の考察)
圧電体6から発信した超音波信号が板状部材3に伝搬されるとき、圧電体6から板状部材3への伝搬効率は、駆動源である圧電体6が板状部材3と音響的に結合される結合面積の大きさに依存する。この結合面積は、接着層31を用いて板状部材3に圧電体6を接合される場合の板状部材3、圧電体6、接着層31が重なる接合面積とほぼ一致する。従って、圧電体6から板状部材3に効率良く超音波信号を伝搬するためには、板状部材3は、板状部材3と圧電体6との接合面積以上(板状部材3と圧電体6とが対向する対向面積以上)が望ましい。
【0029】
さらに、板状部材3に伝搬された超音波信号は、板状部材3と音響整合層4を接合する接着層30を介して音響整合層4に伝搬される。
【0030】
(板状部材と音響整合層との間の発信の伝搬効率の考察)
板状部材3と音響整合層4の音響的な結合面積は、板状部材3と音響整合層4、接着層30が重なる面積と一致する。従って、板状部材3から音響整合層4に効率良く超音波信号を伝搬するためには、板状部材3は、板状部材3と音響整合層4との接合面積以上(音響整合層4が板状部材3と対向する対向面積以上)が望ましい。
【0031】
以上から、圧電体6、板状部材3、音響整合層4の音響的な結合面積が重なる面積が、有効結合面積であり、各々を接合する接合面積にほぼ一致する。よって、音響整合層4は、圧電体6と板状部材3の接合面積以上、あるいは圧電体6が音響整合層4に対向する対向面積以上を必要とし、その面積が上記条件より小さい場合には圧電体6で発生された超音波信号が結合面積の割合しか伝搬されないため、伝搬効率が低下して超音波の送信感度も低下する。従って、圧電体4、板状部材3、音響整合層6の結合面積が重なる面積が、音響的な有効結合面積であり、物理的な有効接合面積である。
【0032】
次に、超音波信号を受信する場合について考える。
【0033】
受信の場合は送信の場合と反対の伝搬工程になる。すなわち、音響整合層4から受信された超音波信号は、接着層30、板状部材3、接着層31を介して圧電体6に伝搬される。
【0034】
(板状部材と音響整合層との間の受信の伝搬効率の考察)
音響整合層4で受信した超音波信号は、音響整合層4と板状部材3とを接合する接着層30を介して板状部材3に伝搬されるため、送信の場合と同様、板状部材3と音響整合層4の接合面積は、板状部材3と音響整合層4、接着層30とが重なる面積と一致する。従って、音響整合層4から板状部材3に効率良く超音波信号を伝搬するためには、板状部材3は板状部材3と音響整合層4の接合面積以上(音響整合層4が板状部材3に対向する対向面積以上)が望ましい。
【0035】
さらに、板状部材3に伝搬された超音波信号は、板状部材3と圧電体6を接合する接着層31を介して圧電体6に伝搬される。
【0036】
(板状部材と圧電体との間の受信の伝搬効率の考察)
板状部材3と圧電体6との接合面積は、板状部材3と圧電体6、接着層31が重なる面積と一致する。従って、板状部材3から圧電体6に効率良く超音波信号を伝搬するためには、板状部材3は、板状部材3と圧電体6の接合面積以上(板状部材3と圧電体6が対向する対向面積以上)が望ましい。
【0037】
以上から、送信時と同様に、圧電体6、板状部材3、音響整合層4の接合面積が重なる面積が、音響的な有効結合面積あるいは物理的な有効接合面積である。
【0038】
従って、受信時においても送信時同様、音響整合層4は圧電体6と板状部材3の接合面積以上、あるいは圧電体6が音響整合層4に対向する対向面積以上を必要とし、その面積が上記条件より小さい場合には圧電体6で発生された超音波信号が接合面積の割合しか伝搬されないため、伝搬効率が低下して超音波の受信感度も低下する。
【0039】
次に、接着層31に関して考察する。
【0040】
圧電体6と板状部材3を接合する接着層31は、圧電体6と板状部材3を物理的に接合するだけでなく音響的にも結合させるという役割を持つ。接着剤31は、例えばエポキシ系の熱硬化性接着剤であり、圧電体6と板状部材3とを粘性状態で仮接合し、熱などにより硬化して本接合される。そして、接着層31は接合のための硬化後、圧電体6および板状部材3と対向する対向面積が圧電体6よりも小さい場合、圧電体6から発生した超音波信号を板状部材3に伝搬する際に圧電体6と板状部材3との接合面積が小さくなってしまい、伝搬効率が低下する。そのため、超音波の送信感度が低下する。
【0041】
尚、接着層31の接着剤としてはウレタン系、シアノ系、シリコーン系の樹脂接着剤がある。
【0042】
一方、音響整合層4から伝搬された超音波信号が板状部材3に伝搬され、接着層31を介して圧電体6に伝搬される受信では、板状部材3と対向する対向面積が圧電体6よりも小さい場合、板状部材3に伝搬された超音波信号を圧電体6に伝搬する際に圧電体6と板状部材3との接合面積が小さくなってしまい、伝搬効率が低下するため、超音波の受信感度が低下する。
【0043】
よって、板状部材3と圧電体6を接合する接着層31は、接着層31の硬化後の面積は圧電体6と板状部材3との接合面積以上(圧電体6が接着層31に対向する対向面積以上)であることで、伝搬効率の低下を最小限に止めることが可能になる。
【0044】
また、物理的な接合、すなわち接着強度面から説明すると、接着層31の硬化後の面積は、圧電体6が板状部材3と対向する対向面積以上必要とされる。接着層31の硬化後の面積が圧電体6の板状部材3に対する対向面積より小さい場合には、接着層31が圧電体6に対して外側に包み込むように回り込まないため、実質的な接合面積が小さくなり、アンカー効果が殆ど期待できないため接着強度が低下する。従って、物理的な接合からも接着層31の硬化後の面積は、圧電体6と板状部材3の接合面積以上、あるいは圧電体6が接着層31に対向する対向面積以上であることが必要であり、接着強度を向上させ、信頼性の向上を確保できる。
【0045】
また、音響整合層4と板状部材3を接合する接着層30も同様に熱硬化性接着剤であり、音響整合層4と板状部材3を物理的に接合するだけでなく音響的にも結合させるという役割を持つ。従って、硬化後の接着層30は、硬化後、音響整合層4および板状部材3と対向する対向面積が音響整合層4よりも小さい場合、圧電体6から発生した超音波信号を板状部材3、板状部材3から音響整合層4に伝搬する際に板状部材3と音響整合層4の接合面積が小さくなってしまい、伝搬効率が低下し、超音波の送信感度が低下する。
【0046】
一方、超音波信号を音響整合層4で受けた後、音響整合層4から板状部材3に伝搬される場合、接着層30を介して板状部材3に伝搬される受信では、接着層30は硬化後、板状部材3および音響整合層4と対向する対向面積が音響整合層4よりも小さい場合、音響整合層4に伝搬された超音波信号を板状部材3に伝搬する際に音響整合層4と板状部材3との接合面積が小さくなってしまい、伝搬効率が低下するため、超音波の受信感度が低下する。
【0047】
よって、音響整合層4と板状部材3を接合する接着層30の硬化後の面積は、音響整合層4の接合面積以上、あるいは音響整合層4が接着層30に対向する対向面積以上であることで、伝搬効率の低下を最小限に止めることが可能になる。また、物理的な接合、すなわち接着強度面から説明すると、接着層30の硬化後の面積は、音響整合層4が板状部材3と対向する対向面積以上必要とされる。接着層30の硬化後の面積が音響整合層4の板状部材3に対する対向面積より小さい場合には、接着層30が音響整合層4に対して外側に包み込むように回り込まないため、実質的な接合面積が小さくなり、アンカー効果が殆ど期待できないため接着強度が低下する。従って、物理的な接合からも、接着層30の硬化後の面積は、音響整合層4の接合面積以上、あるいは音響整合層4が接着層30に対向する対向面積以上であることが必要であり、接着強度を向上させ、信頼性の向上を確保できる。
【0048】
なお、以上、第1実施形態で述べてきた関係は、音響整合層4、板状部材3、圧電体6の形状、大きさに関わらず、常に成り立つ。
【0049】
また、図5、図6に示すように、板状部材3と支持体2とを別々に構成するものではなく、図5に示すように板状部材と支持体とを一体形成(例えばプレス成型により一体形成)して設けた有底状ケース33を用いた第2実施形態や、図6に示すように接着層31が存在しない第3実施形態でも同様の効果が得られる。
【0050】
上記第1実施形態においては、さらに、超音波振動子の各部品のそれぞれの位置を適正な位置に合わせ込むことにより、異常共振モードの発生を抑制し、周波数的に良好としている。
【0051】
具体的には、ケース32と圧電体6の中心を適正な範囲に合わせること、ケース32と音響整合層4の中心を適正な範囲に合わせること、圧電体6と音響整合層4の中心を適正な範囲に合わせること、圧電体4のずれ量と上記振動板の厚みとの関係を適正にすること、音響整合層4のずれ量と上記振動板の厚みとの関係を適正にすることの5つの形態がある。これらは、後述する実施例3〜7にそれぞれ相当する。
【0052】
まず、1つ目の形態は、有底筒状ケース32と、上記ケース32の少なくとも1つの面に設けられた音響整合層4とを備え、上記音響整合層4が設けられた面3aの反対側の面3bに圧電体6が設けられた超音波振動子1であって、振動板を兼ねる上記ケース32の天面の中心に対して、上記圧電体6が上記ケース32と接合される接合面の中心のずれ量をΔα、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δα/t)≦2を満たすように上記ケース32の天面の中心と上記圧電体6が上記ケース32の天面と接合される接合面の中心を合わせるものである。
【0053】
上記1つ目の形態によれば、異常共振モードの発生を防ぐことができる。
【0054】
次に、2つ目の形態は、振動板を兼ねる上記ケース32の天面の中心に対して、上記音響整合層4が上記ケース32と接合される接合面の中心のずれ量をΔβ、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δβ/t)≦3を満たすように上記ケース32の天面の中心と上記音響整合層4が上記ケース32の天面と接合される接合面の中心を合わせるものである。
【0055】
上記2つ目の形態によれば、対向する2つの超音波振動子の軸ズレを防ぎ、感度低下を抑えることができる。
【0056】
次に、3つ目の形態は、上記圧電体6と上記音響整合層4のずれ量をΔγ、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δγ/t)≦(5/2)を満たすように上記圧電体6が上記ケース32の天面と接合される接合面の中心と上記音響整合層4が上記ケース32の天面と接合される接合面の中心とを合わせるようにしている。
【0057】
上記3つ目の形態によれば、感度低下を抑えることができる。
【0058】
次に、4つ目の形態は、1対の超音波振動子17,18で交互に超音波の送受信を繰り返して測定を行う超音波振動子1において、振動板を兼ねる上記ケース32の天面の中心に対して圧電体6のずれ量Δα≦0.5mmである超音波振動子17,18ならば、各々超音波振動子17,18に用いられる圧電体4のずれ量をΔχ、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δχ/t)≦2を満たすように構成されている。
【0059】
上記4つ目の形態によれば、感度及びインピーダンスの周波数特性で位相ずれ及び異常共振などを最小限に抑えることができる、高い計測精度を実現することができる。
【0060】
最後に、5つ目の形態は、1対の超音波振動子17,18で交互に超音波の送受信を繰り返して測定を行う超音波振動子1において、振動板を兼ねる上記ケース32の天面の中心に対して音響整合層4のずれ量Δβ≦0.5mmである超音波振動子17,18ならば、各々超音波振動子17,18に用いられる音響整合層4のずれ量をΔφ、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δφ/t)≦3を満たすように構成されている。
【0061】
上記5つ目の形態によれば、感度及びインピーダンスの周波数特性で位相ずれ及び異常共振などを最小限に抑えることができる、高い計測精度を実現することができる。
【0062】
また、被測定流体が流れる流路を有する流量測定部11と、この流量測定部11に設けられた上記5つの形態のうちのいずれか1つの形態の超音波振動子17,18を1対対向して上記流路を挟んで配置された超音波振動子17,18と、上記超音波振動子17,18間で上記流路を通する超音波の伝搬時間を計測する計測回路101と、上記計測回路101で計測された結果情報を示す信号に基づいて上記被測定流体の流量を算出する流量演算手段とを備えて、超音波流量計を構成するようにしてもよい。
【0063】
この超音波流量計によれば、上記した超音波振動子の種々の作用効果を奏することができる。
【0064】
ここで、有底状ケース32の材料としては、金属材料(ステンレス・アルミニウム・チタンおよびそれらを含む合金)が好ましい。また、音響整合層4の材料としては、エポキシと中空ガラス又は無機材料(金属発砲体、ナノ多孔体)との組合せが好ましい。さらに、圧電体6の材料としては、PZT(ピエゾ圧電素子)が好ましい。
【0065】
また、有底状ケース32の大きさとしては、有底状ケース32が円筒形の場合は、直径(φ5mm〜φ14mm)×高さ(5mm〜14mm)が好ましい。また、有底状ケース32が四角筒形の場合は、一辺(5mm〜14mm)×高さ(5mm〜14mm)が好ましい。ただし、超音波流量計の流路の大きさが高さ:14.8mm、幅:22mm、長さ:31.4mmであり、使用周波数帯から考慮すると、上記したような大きさになる。
【0066】
また、圧電体6の振動モードは、厚み振動を利用し、圧電体6の厚みをTとすると、共振周波数fは、
【0067】
【数1】
となる。
【0068】
ただし、n=1、2、3・・・・であり、Cijは弾性定数であり、ρは密度である。ここで、厚み振動を用いている理由は、使用周波数(共振周波数)を圧電体6のT(厚み)で制御可能なため、厚みTを変えるだけで周波数を変えることが可能であり、広帯域に対応可能で、超音波流量計を小径にできるためである。
【0069】
また、ケース(振動板)32の厚み範囲としては、t=0.1〜0.5mmが好ましい。図7に示すように、ケース(振動板)32の厚みが薄いと超音波流量計の超音波の送受信の感度が増加し、ケース(振動板)32の厚みが厚いと超音波流量計の超音波の送受信の感度が低下する。ケース(振動板)32の厚みが薄いと共振周波数は低下し、ケース(振動板)32の厚みが厚いと共振周波数は増加する。その理由は、超音波流量計の超音波の送受信感度とケース(振動板)32の厚みのトレードオフのためである。
【0070】
超音波流量計の流量算出システム側から考慮すると、超音波の送受信感度においては25%以内の低下ならば補正可能である。従って、ケース厚みtは0.1〜0.5mmまでである。
【0071】
また、ケース(振動板)32の厚みと超音波流量計を構成する部品間の位置ずれとの関係について説明する。
【0072】
▲1▼位置ずれは、ベクトル量ではなく絶対値に依存する(ずれ方向による依存無し:図8参照)。ただし、圧電体のずれ量と相関係数との関係を示す図8において、中心側の円は相関係数が0.990、最も外側の円は相関係数が0.960、中心から上向き及び右向きには、正方向のずれ量、中心から下向き及び左向きには、負方向のずれ量とする。
【0073】
▲2▼ケース(振動板)32の厚みtが厚くなるに従い、相関係数は位置ずれ量に鈍感になる傾向にある(図9〜図11参照)。図9では、ケース32の天面の中心に対する圧電体6の中心の位置ずれ量Δα(mm)が大きくなればなるほど相関係数は低下し、ケース(振動板)32の厚みtが厚くなるに従い、相関係数は位置ずれ量の低下度合いが小さくなる。また、図10では、ケース32の天面の中心に対する音響整合層4の中心の位置ずれ量Δβ(mm)が大きくなればなるほど相関係数は低下し、ケース(振動板)32の厚みtが厚くなるに従い、相関係数は位置ずれ量の低下度合いが小さくなる。さらに、図11では、圧電体6の中心に対する音響整合層4の中心の位置ずれ量Δγ(mm)が大きくなればなるほど相関係数は低下し、ケース(振動板)32の厚みtが厚くなるに従い、相関係数は位置ずれ量の低下度合いが小さくなる。
【0074】
計測回路101の計測精度を実現できる超音波流量計の相関係数は0.960以上である。そのため、上記グラフ2〜4の相関係数が0.960以上を実現できる範囲は、ケース(振動板)32の厚みtでずれ量を割ると、夫々、
(Δα/t)<2、(Δβ/t)<3、Δγ<(5/2) である。
【0075】
また、計測精度と使用周波数帯域に関して説明する。
【0076】
要求計測精度としては、都市ガス(13A)は、3リットル/hであり、LPガスは、1リットル/hであり、時間分解能で、0.01nsec(使用周波数:520KHz)、0.02nsec(使用周波数:260KHz)が実現可能である。
【0077】
高周波数を使用するほど高分解能になるため高周波数を用いたいが、計測回路101上、高周波数になればなるほどノイズなどに弱くなるため、通常200KHz〜800KHzの周波数が用いられる。
【0078】
計測回路101としては、電流型回路を用いているが、理想的な電流型回路であれば2次側を短絡することにより、流路、超音波流量計のインピーダンスによらず、出力電流は受信と送信を入れ替えても同じである。ただし、1次側と2次側の超音波流量計としてはできるだけインピーダンスの似たものが必要である。
【0079】
上記実施形態によれば、超音波振動子1の各部品(例えば、ケース32、圧電体6、音響整合層4)のそれぞれの位置を適正な位置に合わせ込むことにより、異常共振モードの発生を抑制し、周波数的に良好とすることができ、計測精度の向上を図ることができる。ここで、お互いの超音波流量計のインピーダンスの周波数特性がどのくらい似ているかを示す指標として相関係数がある。流量算出システムとの兼ね合いから相関係数が0.960までの範囲の超音波流量計なら一般的に合格とされることから、上記適正な範囲内の位置ズレ量になるように合わせ込むことにより、相関係数を0.960までの範囲に確実に収めることができて、信頼性の高い超音波流量計を提供することができる。
【0080】
【実施例】
以下、具体的な実施例により、上記第1実施形態の実験的考察並びに本発明の効果の説明を行う。
【0081】
(実施例1)
ケース材料に使用されるステンレスの厚みをt=0.2mmにおいてプレス加工を施し、φ11.8mm、高さ5.6mmのケース状にした。このとき、ケース天面はφ11mmである。圧電体の大きさは7.4mm×7.4mmで高さ2.65mm、整合層はφ10mm、高さ1.15mmである。このとき、整合層とケース天面はお互いの中心を一致させるように接合し、圧電体のケースとの接合面の中心をケース天面の中心と少しずつずらして何種類かの超音波流量計を作成した。基準となる超音波流量計は整合層、ケース天面、圧電体のケース接合面の中心を合わせて作成している。それぞれの超音波流量計に±5Vの電圧を印加して、周波数を100KHz〜1MHzまで変化させてインピーダンスの周波数特性を測定した。超音波流量計として使用する周波数帯である350KHz〜750KHzを基準超音波流量計と比較して相関係数を求めた。ここで、相関係数とは、お互いの超音波流量計のインピーダンスの周波数特性がどのくらい似ているかを示すものである。その結果を図8に示す。ずれ量とその方向によって相関係数が異なるかどうか、すなわちベクトル量として見なければならないかどうかを判断するためにそれぞれの相関係数を計算した。図8に示されるように、中心からずれる方向によらず、ずれの絶対量に依存することが判明した。
【0082】
(実施例2)
ケース(振動板)の厚みによってどのように超音波流量計の超音波の送受信感度が変化するかを調べた。ケース(振動板)の厚みが0.1mmのときを基準として、厚みを0.2mm、0.3mm、0.8mm、1.0mmと変化させて検討した結果を図7に示す。ケースはプレス加工を施し、φ11.8mm、高さ5.6mmのケース状にした。このとき、ケース天面はφ11mmである。圧電体の大きさは7.4mm×7.4mmで高さ2.65mm、整合層はφ10mm高さ1.15mmである。結果から、ケース(振動板)の厚みが厚くなるに従い、超音波の送受信感度が比例して低下することがわかった。
【0083】
(実施例3)
ケース材料に使われるステンレスの厚みをt=0.1〜0.5mmまで変化させてプレス加工を施し、φ11.8mm、高さ5.6mmのケース状にした。このとき、ケース天面はφ11mmである。圧電体の大きさは7.4mm×7.4mmで高さ2.65mm、整合層はφ10mm、高さ1.15mmである。このとき、整合層とケース天面はお互いの中心を一致させるように接合し、圧電体のケースとの接合面の中心をケース天面の中心と少しずつずらして何種類かの超音波流量計を作成した。基準となる超音波流量計は整合層、ケース天面、圧電体のケース接合面の中心を合わせて作成している。それぞれの超音波流量計に±5Vの電圧を印加して、周波数を100KHz〜1MHzまで変化させてインピーダンスの周波数特性を測定した。超音波流量計として使用する周波数帯である350KHz〜750KHzをお互いに比較して相関係数を求めた。ここで、相関係数とは、お互いの超音波流量計のインピーダンスの周波数特性がどのくらい似ているかを示すものである。その結果を図9に示す。ずれ量をΔαとすると圧電体のケース天面の中心からのずれ量が増加すると相関係数の値が比例的に低下することがわかる。ただし、ケース天面(振動板)の厚みを変化させるとその傾きは厚みが薄いほど急になる傾向が見られた。流量算出システムとの兼ね合いから相関係数の値としては0.960までの範囲の超音波流量計なら合格とされることから、相関係数0.960以上の相関係数の値に注目するとケース天面の厚みに関わらず、(Δα/t)≦2の関係があることがわかった。以上より、(Δα/t)≦2を満たす超音波流量計であれば、超音波流量計の特性として、流量算出システム上、同じ特性を満たす超音波流量計として用いることが可能である。
【0084】
(実施例4)
ケース材料に使われるステンレスの厚みをt=0.1〜0.5mmまで変化させてプレス加工を施し、φ11.8mm、高さ5.6mmのケース状にした。このときケース天面はφ11mmである。圧電体の大きさは7.4mm×7.4mmで高さ2.65mm、整合層はφ9.5mm、高さ1.15mmである。このとき、圧電体とケース天面はお互いの中心を一致させるように接合し、整合層のケースとの接合面の中心をケース天面の中心と少しずつずらして何種類かの超音波流量計を作成した。基準となる超音波流量計は整合層、ケース天面、圧電体のケース接合面の中心を合わせて作成している。それぞれの超音波流量計に±5Vの電圧を印加して、周波数をI00KHz〜1MHzまで変化させてインピーダンスの周波数特性を測定した。超音波流量計として使用する周波数帯である350KHz〜750KHzをお互いに比較して相関係数を求めた。ここで、相関係数とは、お互いの超音波流量計のインピーダンスの周波数特性がどのくらい似ているかを示すものである。その結果を図10に示す。ずれ量をΔβとすると実施例3の場合と同様に、整合層のケース天面の中心からのずれ量が増加すると相関係数の値が比例的に低下することがわかる。ただし、ケース天面(振動板)の厚みを変化させるとその傾きは厚みが薄いほど急になる傾向が見られた。流量算出システムとの兼ね合いから相関係数の値としては0.960までの範囲の超音波流量計なら合格とされることから、相関係数0.960以上の相関係数の値に注目するとケース天面の厚みに関わらず、(Δβ/t)≦3の関係があることがわかった。以上より、(Δβ/t)≦3を満たす超音波流量計であれば、超音波流量計の特性として、流量算出システム上、同じ特性を満たす超音波流量計として用いることが可能である。
【0085】
(実施例5)
ケース材料に使われるステンレスの厚みをt=0.1〜0.5mmまで変化させて、プレス加工を施し、φ11.8mm、高さ5.6mmのケース状にした。このときケース天面はφ11mmである。圧電体の大きさは7.4mm×7.4mmで高さ2.65mm、整合層はφ10mm、高さ1.15mmである。このとき、圧電体と音響整合層をケース天面の中心を軸としてお互いに反対方向に少しずつずらして何種類かの超音波流量計を作成した。基準となる超音波流量計は整合層、ケース天面、圧電体のケース接合面の中心を合わせて作成している。それぞれの超音波流量計に±5Vの電圧を印加して、周波数を100KHz〜1MHzまで変化させてインピーダンスの周波数特性を測定した。超音波流量計として使用する周波数帯である350KHz〜750KHzをお互いに比較して相関係数を求めた。ここで、相関係数とは、お互いの超音波流量計のインピーダンスの周波数特性がどのくらい似ているかを示すものである。その結果を図11に示す。圧電体の中心に対する音響整合層の中心のずれ量をΔγとすると実施例2,4と同様に上記圧電体の中心に対する上記音響整合層の中心ののずれ量Δγが増加するに従い比例的に相関係数が低下することが判明した。実施例3および実施例4のように流量算出システムとの兼ね合いから相関係数0.960以上の範囲でステンレス(振動板)の厚みに関わらず(Δγ/t)≦(5/2)を満たすことがわかった。以上より、(Δγ/t)≦(5/2)を満たす超音波流量計であれば、超音波流量計の特性として、流量算出システム上、同じ特性を満たす超音波流量計として用いることが可能である。
【0086】
(実施例6)
実施例3の結果をもとに、送受信を交互に繰り返す流量算出システムにおいて超音波流量計を1対で使用する場合に、圧電体が中心からある量だけずれた超音波流量計を基準として、その超音波流量計ともう一方の超音波流量計の圧電体のずれ量をΔχとして相関係数を計算した。また、流量算出システム上、計測精度が保証できるかどうかで合否を判定した。条件は実施例3と同様に、ケース材料に使われるステンレスの厚みをt=0.1〜0.5mmまで変化させて、プレス加工を施し、φ11.8mm、高さ5.6mmのケース状にした。このときケース天面はφ11mmである。圧電体の大きさは7.4mm×7.4mmで高さ2.65mm、整合層はφ10mm、高さ1.15mmである。それぞれの超音波流量計に±5Vの電圧を印加して、周波数を100KHz〜1MHzまで変化させてインピーダンスの周波数特性を測定した。超音波流量計として使用する周波数帯である350KHz〜750KHzをお互いに比較して相関係数を求めた。ここで、相関係数とは、お互いの超音波流量計のインピーダンスの周波数特性がどのくらい似ているかを示すものである。その結果を表1に示す。表1の結果、ケースの中心を基準として、ケースの中心から0.5mm以内のずれ量内であれば、それぞれの超音波流量計のずれ量の差がケース(振動板)の厚みtで割った値、すなわち(Δχ/t)≦2となることがわかった。
【0087】
【表1】
【0088】
(実施例7)
実施例2の結果をもとに、超音波の送受信を交互に繰り返す流量算出システムにおいて超音波流量計を1対で使用する場合に、音響整合層が中心からある量だけずれた超音波流量計を基準として、その超音波流量計ともう一方の超音波流量計の音響整合層のずれ量をΔφとして相関係数を計算した。また、流量算出システム上、計測精度が保証できるかどうかで合否を判定した。条件は実施例2と同様に、ケース材料に使われるステンレスの厚みをt=0.1〜0.5mmまで変化させて、プレス加工を施し、φ11.8mm、高さ5.6mmのケース状にした。このときケース天面はφ11mmである。圧電体の大きさは7.4mm×7.4mmで高さ2.65mm、整合層はφ9.5mm、高さ1.15mmである。それぞれの超音波流量計に±5Vの電圧を印加して、周波数を100KHz〜1MHzまで変化させてインピーダンスの周波数特性を測定した。超音波流量計として使用する周波数帯である350KHz〜750KHzをお互いに比較して相関係数を求めた。ここで、相関係数とは、お互いの超音波流量計のインピーダンスの周波数特性がどのくらい似ているかを示すものである。その結果を表2に示す。表2の結果、ケースの中心を基準として、ケースの中心から0.5mm以内のずれ量内であればそれぞれの超音波流量計のずれ量の差がケース(振動板)の厚みtで割った値、すなわち(Δφ/t)≦3となることがわかった。
【0089】
【表2】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【0090】
【発明の効果】
この発明によれば、超音波振動子の各部品(例えば、ケース、圧電体、音響整合層)のそれぞれの位置を適正な範囲内の位置ズレ量になるように合わせ込むことにより、異常共振モードの発生を抑制し、周波数的に良好とすることができ、計測精度の向上を図ることができる。すなわち、お互いの超音波流量計のインピーダンスの周波数特性がどのくらい似ているかを示す、相関係数は、流量算出システムとの兼ね合いから0.960までの範囲の超音波流量計なら一般的に合格とされることから、上記適正な範囲内の位置ズレ量になるように合わせ込むことにより、相関係数を0.960までの範囲に確実に収めることができて、信頼性の高い超音波流量計を提供することができる。
【0091】
より具体的には、本発明の第1態様にかかる超音波振動子において、上記音響整合層が設けられた面の反対側の面に圧電体が設けられた超音波振動子であって、振動板を兼ねる上記ケースの天面の中心に対して、上記圧電体が上記ケースと接合される接合面の中心のずれ量をΔα、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δα/t)≦2を満たすように上記ケースの天面の中心と上記圧電体が上記ケースの天面と接合される接合面の中心を合わせるようにすれば、異常共振モードの発生を防ぐことができる。
【0092】
また、本発明の第2態様にかかる超音波振動子において、上記音響整合層が設けられた面の反対側の面に圧電体が設けられた超音波振動子であって、振動板を兼ねる上記ケースの天面の中心に対して、上記音響整合層が上記ケースと接合される接合面の中心のずれ量をΔβ、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δβ/t)≦3を満たすように上記ケースの天面の中心と上記音響整合層が上記ケースの天面と接合される接合面の中心を合わせるようにすれば、対向する2つの超音波振動子の軸ズレを防ぎ、感度低下を抑えることができる。
【0093】
また、本発明の第3態様にかかる超音波振動子において、上記圧電体の中心に対する上記音響整合層の中心のずれ量をΔγ、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δγ/t)≦(5/2)を満たすように上記圧電体が上記ケースの天面と接合される接合面の中心と上記音響整合層が上記ケースの天面と接合される接合面の中心とを合わせるようにすれば、感度低下を抑えることができる。
【0094】
また、本発明の第4態様にかかる超音波振動子において、上記音響整合層が設けられた面の反対側の面に圧電体が設けられた超音波振動子であって、1対の超音波振動子で交互に超音波の送受信を繰り返して測定を行う超音波振動子において、振動板を兼ねる上記ケースの天面の中心に対して圧電体のずれ量Δα≦0.5mmである超音波振動子ならば、各々超音波振動子に用いられる圧電体のずれ量をΔχ、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δχ/t)≦2を満たすようにすれば、感度及びインピーダンスの周波数特性で位相ずれ及び異常共振などを最小限に抑えることができる、高い計測精度を実現することができる。
【0095】
また、本発明の第5態様にかかる超音波振動子において、上記音響整合層が設けられた面の反対側の面に圧電体が設けられた超音波振動子であって、1対の超音波振動子で交互に超音波の送受信を繰り返して測定を行う超音波振動子において、振動板を兼ねる上記ケースの天面の中心に対して音響整合層のずれ量Δβ≦0.5mmである超音波振動子ならば、各々超音波振動子に用いられる音響整合層のずれ量をΔφ、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δφ/t)≦3を満たすようにすれば、感度及びインピーダンスの周波数特性で位相ずれ及び異常共振などを最小限に抑えることができる、高い計測精度を実現することができる。
【0096】
さらに、超音波流量計として、被測定流体が流れる流路を有する流量測定部と、この流量測定部に設けられた上記第1〜5いずれか1つの態様に記載の超音波振動子を1対対向して上記流路を挟んで配置された超音波振動子と、上記超音波振動子間で上記流路を通する超音波の伝搬時間を計測する計測回路と、上記計測回路で計測された結果情報を示す信号に基づいて上記被測定流体の流量を算出する流量演算手段とを備えるようにすれば、上記した超音波振動子の種々の作用効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態における超音波振動子の外観図である。
【図2】上記第1実施形態における超音波振動子の断面図である。
【図3】上記第1実施形態における超音波振動子を利用する超音波流量計の断面図である。
【図4】上記第1超音波流量計の断面図である。
【図5】本発明の第2実施形態における超音波振動子の断面図である。
【図6】本発明の第3実施形態における超音波振動子の断面図である。
【図7】ケース(振動板)の厚みに対する感度低下率を示すグラフである。
【図8】圧電体のずれ量と相関係数との関係を示すグラフである。
【図9】ケース(振動板)の天面の中心に対する圧電体の位置ずれ量分布を示すグラフである。
【図10】ケース(振動板)の天面の中心に対する音響整合層の位置ずれ量分布を示すグラフである。
【図11】圧電体の中心に対する音響整合層の位置ずれ量分布を示すグラフである。
【符号の説明】
1…超音波振動子、2…支持体、3…板状部材、4…音響整合層、5…フランジ部、6…圧電体、7…端子板、8a,8b…端子、9…絶縁物、10…導電性ゴム、11…流量測定部、12…側壁部、13…側壁部、14…シール材、15…上板部、16…流路断面、17…超音波振動子、18…超音波振動子、19…振動子取り付け穴、20…振動子取り付け穴、21…シール材、22…シール材、30…接着層、31…接着層、32…有底状ケース、100…超音波流量計、100a…入口路、100b…出口路、101…計測回路、102…流量演算手段。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic vibrator for measuring a flow rate and a flow velocity of a gas or a liquid by ultrasonic waves, and an ultrasonic flowmeter using the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as an ultrasonic transducer used for this type of ultrasonic flow measuring device, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-325992 is known. A piezoelectric body is provided on an inner surface of a top of a case, and an acoustic matching layer is provided on the top. Is provided.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional configuration, only the acoustic matching layer is provided, and no consideration is given to an appropriate acoustic matching layer, a piezoelectric body, and a case.
[0004]
In particular, from the viewpoint of mutual positional deviation, there is no method that considers the optimal combination of the acoustic matching layer, the piezoelectric body, and the case, and this is not described from the viewpoint of efficiency and reliability. In other words, if the displacement becomes large, an abnormal resonance mode may occur, which causes a decrease in the function of the ultrasonic transducer.
[0005]
In recent gas flow meters, the type and measurement accuracy of the gas used (for example, the accuracy required for the flow measurement device for city gas is 0.5 nsec or more, and the ultrasonic vibrator has higher accuracy than this. (Required), there is a demand for improved functions of the ultrasonic vibrator, and from such industrial needs, there is a demand for improved functions of the ultrasonic vibrator.
[0006]
In particular, the ultrasonic vibrator performs its function by receiving the ultrasonic signal transmitted from one ultrasonic vibrator by the other ultrasonic vibrator. Become. If the displacement is large, an abnormal resonance mode is generated, and the frequency cannot be maintained satisfactorily, resulting in deterioration of measurement accuracy.
[0007]
An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide an ultrasonic vibrator capable of suppressing occurrence of an abnormal resonance mode and improving the frequency, and an ultrasonic flowmeter using the same.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
[0009]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a bottomed cylindrical case, and an acoustic matching layer provided on at least one surface of the case,
An ultrasonic vibrator in which a piezoelectric body is provided on a surface opposite to a surface on which the acoustic matching layer is provided, wherein the piezoelectric body is provided on the case with respect to a center of a top surface of the case also serving as a diaphragm. The center of the top surface of the case and the piezoelectric body are aligned with the case so that (Δα / t) ≦ 2, where Δα is the amount of deviation of the center of the bonding surface to be bonded to the substrate and t is the thickness of the diaphragm. An ultrasonic vibrator characterized in that a center of a joint surface to be joined to a top surface of the ultrasonic transducer is aligned.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a bottomed cylindrical case, and an acoustic matching layer provided on at least one surface of the case,
An ultrasonic vibrator in which a piezoelectric body is provided on a surface opposite to a surface on which the acoustic matching layer is provided, wherein the acoustic matching layer has the acoustic matching layer with respect to a center of a top surface of the case also serving as a diaphragm. When the amount of deviation of the center of the joining surface joined to the case is Δβ and the thickness of the diaphragm is t, the center of the top surface of the case and the acoustic matching layer are adjusted so that (Δβ / t) ≦ 3. An ultrasonic vibrator characterized in that a center of a joint surface to be joined to a top surface of the case is aligned.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a bottomed cylindrical case, and an acoustic matching layer provided on at least one surface of the case, and a piezoelectric layer on a surface opposite to the surface provided with the acoustic matching layer. In the ultrasonic vibrator provided with a body, when the amount of deviation of the center of the acoustic matching layer from the center of the piezoelectric body is Δγ and the thickness of the diaphragm is t, (Δγ / t) ≦ (5 / 2) the center of the bonding surface where the piezoelectric body is bonded to the top surface of the case and the center of the bonding surface where the acoustic matching layer is bonded to the top surface of the case so as to satisfy (2). An ultrasonic transducer characterized by the following.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a bottomed cylindrical case, and an acoustic matching layer provided on at least one surface of the case,
An ultrasonic vibrator in which a piezoelectric body is provided on a surface opposite to the surface on which the acoustic matching layer is provided, wherein a pair of ultrasonic vibrators alternately transmits and receives ultrasonic waves to perform measurement. In the case of an ultrasonic vibrator in which the displacement of the piezoelectric body is Δα ≦ 0.5 mm with respect to the center of the top surface of the case, which also functions as the vibration plate, the displacement of the piezoelectric body used for each ultrasonic transducer Provided is an ultrasonic vibrator characterized by satisfying (Δχ / t) ≦ 2 when the amount is Δχ and the thickness of the diaphragm is t.
[0013]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a bottomed cylindrical case, and an acoustic matching layer provided on at least one surface of the case,
An ultrasonic vibrator in which a piezoelectric body is provided on a surface opposite to the surface on which the acoustic matching layer is provided, wherein a pair of ultrasonic vibrators alternately transmits and receives ultrasonic waves to perform measurement. In the case of the ultrasonic vibrator, if the ultrasonic matching element has a displacement amount Δβ ≦ 0.5 mm of the acoustic matching layer with respect to the center of the top surface of the case also serving as the vibration plate, the acoustic matching layer used for each ultrasonic vibrator An ultrasonic vibrator characterized by satisfying (Δφ / t) ≦ 3, where Δφ is a shift amount and t is a thickness of the diaphragm.
[0014]
According to the sixth aspect of the present invention, a flow rate measurement unit having a flow path through which the fluid to be measured flows,
An ultrasonic vibrator disposed opposite to the ultrasonic vibrator according to any one of the first to fifth aspects provided in the flow rate measuring unit and disposed across the flow path;
A measurement circuit that measures the propagation time of ultrasonic waves passing through the flow path between the ultrasonic transducers,
An ultrasonic flowmeter comprising: a flow rate calculating means for calculating a flow rate of the fluid to be measured based on a signal indicating result information measured by the measurement circuit.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
In the specification of the present application, the facing area indicates an area where the piezoelectric body, the plate-like member, and the acoustic matching layer directly or indirectly face and overlap.
[0017]
Hereinafter, an ultrasonic transducer according to a first embodiment of the present invention and an ultrasonic flowmeter using the same will be described with reference to FIGS. In addition, the same reference numerals are given to those having the same functions as the conventional ones.
[0018]
FIG. 1 is an external view of an ultrasonic oscillator according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of the embodiment, and FIGS. 3 and 4 show an ultrasonic flowmeter using the ultrasonic oscillator according to the embodiment. FIG.
[0019]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an ultrasonic vibrator, 6 denotes a piezoelectric body serving as a driving source, 4 denotes an acoustic matching layer for transmitting ultrasonic waves to a transmission medium such as gas or liquid, and 3 denotes one surface (outer wall surface). This is a plate-like member provided with the
[0020]
[0021]
In FIG. 2,
[0022]
FIG. 3 is a cross-sectional view of an
[0023]
The schematic configuration of the
[0024]
As a practical example, the flow
[0025]
On the other hand, the plate-shaped
[0026]
Next, the operation of the ultrasonic transducer 1 will be described, and the transmission efficiency of transmission will be considered.
[0027]
The ultrasonic signal transmitted from the
[0028]
(Consideration of propagation efficiency of transmission between piezoelectric body and plate member)
When the ultrasonic signal transmitted from the
[0029]
Further, the ultrasonic signal transmitted to the plate-shaped
[0030]
(Consideration of propagation efficiency of transmission between plate-like member and acoustic matching layer)
The acoustic coupling area between the
[0031]
From the above, the area where the acoustic coupling area of the
[0032]
Next, a case where an ultrasonic signal is received will be considered.
[0033]
In the case of reception, the propagation process is the reverse of that in the case of transmission. That is, the ultrasonic signal received from the
[0034]
(Consideration of propagation efficiency of reception between plate member and acoustic matching layer)
The ultrasonic signal received by the
[0035]
Further, the ultrasonic signal propagated to the
[0036]
(Consideration of the propagation efficiency of reception between the plate member and the piezoelectric body)
The bonding area between the
[0037]
From the above, as in the case of transmission, the area where the bonding area of the
[0038]
Therefore, the
[0039]
Next, the
[0040]
The
[0041]
The adhesive of the
[0042]
On the other hand, in the reception in which the ultrasonic signal propagated from the
[0043]
Therefore, the
[0044]
In addition, in terms of physical bonding, that is, from the viewpoint of adhesive strength, the area after curing of the
[0045]
Similarly, the
[0046]
On the other hand, when the ultrasonic signal is received by the
[0047]
Therefore, the area after curing of the
[0048]
Note that the relationship described in the first embodiment always holds regardless of the shape and size of the
[0049]
Also, as shown in FIGS. 5 and 6, the plate-shaped
[0050]
In the first embodiment, the occurrence of the abnormal resonance mode is suppressed by adjusting the position of each component of the ultrasonic transducer to an appropriate position, thereby improving the frequency.
[0051]
Specifically, the center between the
[0052]
First, the first mode includes a bottomed
[0053]
According to the first aspect, the occurrence of the abnormal resonance mode can be prevented.
[0054]
Next, in the second mode, the amount of deviation of the center of the bonding surface where the
[0055]
According to the second aspect, it is possible to prevent the two ultrasonic transducers facing each other from being displaced in the axis, and to suppress a decrease in sensitivity.
[0056]
Next, the third mode satisfies (Δγ / t) ≦ (5/2), where Δγ is the amount of displacement between the
[0057]
According to the third embodiment, it is possible to suppress a decrease in sensitivity.
[0058]
Next, in a fourth embodiment, in the ultrasonic vibrator 1 for performing measurement by repeating transmission and reception of ultrasonic waves alternately by the pair of
[0059]
According to the fourth aspect, it is possible to realize high measurement accuracy in which the phase shift and the abnormal resonance can be minimized by the frequency characteristics of the sensitivity and the impedance.
[0060]
Finally, the fifth mode is a top surface of the
[0061]
According to the fifth aspect, it is possible to realize high measurement accuracy in which phase shift and abnormal resonance can be minimized by the frequency characteristics of sensitivity and impedance.
[0062]
Also, the flow
[0063]
According to this ultrasonic flowmeter, various functions and effects of the above-described ultrasonic vibrator can be obtained.
[0064]
Here, as the material of the bottomed
[0065]
When the bottomed
[0066]
The vibration mode of the
[0067]
(Equation 1)
It becomes.
[0068]
Here, n = 1, 2, 3,..., Cij is an elastic constant, and ρ is density. Here, the reason why the thickness vibration is used is that the operating frequency (resonance frequency) can be controlled by the T (thickness) of the
[0069]
The thickness range of the case (diaphragm) 32 is preferably t = 0.1 to 0.5 mm. As shown in FIG. 7, if the thickness of the case (diaphragm) 32 is thin, the sensitivity of the ultrasonic flowmeter for transmitting and receiving ultrasonic waves increases, and if the thickness of the case (diaphragm) 32 is thick, the superposition of the ultrasonic flowmeter is increased. The sensitivity of transmission and reception of sound waves is reduced. When the thickness of the case (diaphragm) 32 is thin, the resonance frequency decreases, and when the thickness of the case (diaphragm) 32 is thick, the resonance frequency increases. The reason is that there is a trade-off between the transmission / reception sensitivity of the ultrasonic wave of the ultrasonic flowmeter and the thickness of the case (diaphragm) 32.
[0070]
Considering from the flow rate calculation system side of the ultrasonic flow meter, it is possible to correct the ultrasonic transmission / reception sensitivity as long as it falls within 25%. Therefore, the case thickness t is from 0.1 to 0.5 mm.
[0071]
The relationship between the thickness of the case (diaphragm) 32 and the misalignment between components constituting the ultrasonic flowmeter will be described.
[0072]
{Circle around (1)} The displacement depends not on the vector amount but on the absolute value (no dependence on the displacement direction: see FIG. 8). However, in FIG. 8 showing the relationship between the amount of displacement of the piezoelectric body and the correlation coefficient, the circle on the center has a correlation coefficient of 0.990, the outermost circle has a correlation coefficient of 0.960, The shift amount in the positive direction is rightward, and the shift amount in the negative direction is downward and leftward from the center.
[0073]
{Circle around (2)} As the thickness t of the case (diaphragm) 32 increases, the correlation coefficient tends to become less sensitive to the amount of displacement (see FIGS. 9 to 11). In FIG. 9, the correlation coefficient decreases as the positional shift amount Δα (mm) of the center of the
[0074]
The correlation coefficient of the ultrasonic flowmeter capable of realizing the measurement accuracy of the
(Δα / t) <2, (Δβ / t) <3, Δγ <(5/2).
[0075]
The measurement accuracy and the frequency band used will be described.
[0076]
The required measurement accuracy is 3 liters / h for city gas (13A), 1 liter / h for LP gas, and 0.01 nsec (use frequency: 520 KHz) and 0.02 nsec (use (Frequency: 260 KHz) is feasible.
[0077]
Since the higher the frequency, the higher the resolution, the higher the resolution, the higher the frequency, the higher the frequency. However, the higher the frequency, the weaker the noise and the like. Therefore, a frequency of 200 kHz to 800 kHz is usually used.
[0078]
Although a current-type circuit is used as the measuring
[0079]
According to the above-described embodiment, the occurrence of the abnormal resonance mode is prevented by adjusting the position of each component (for example, the
[0080]
【Example】
Hereinafter, experimental considerations of the first embodiment and effects of the present invention will be described with reference to specific examples.
[0081]
(Example 1)
The stainless steel used for the case material was pressed at a thickness of t = 0.2 mm to form a case with a diameter of 11.8 mm and a height of 5.6 mm. At this time, the case top surface is φ11 mm. The size of the piezoelectric body is 7.4 mm × 7.4 mm, the height is 2.65 mm, the matching layer is φ10 mm, and the height is 1.15 mm. At this time, the matching layer and the top of the case are joined so that their centers match each other, and the center of the joining surface between the piezoelectric body and the case is slightly shifted from the center of the top of the case, and several types of ultrasonic flowmeters are used. It was created. The ultrasonic flowmeter serving as a reference is created by matching the centers of the matching layer, the case top surface, and the case joining surface of the piezoelectric body. A voltage of ± 5 V was applied to each ultrasonic flowmeter, and the frequency was changed from 100 KHz to 1 MHz, and the frequency characteristics of the impedance were measured. The correlation coefficient was determined by comparing the frequency band of 350 KHz to 750 KHz used as the ultrasonic flow meter with the reference ultrasonic flow meter. Here, the correlation coefficient indicates how similar the frequency characteristics of the impedance of the ultrasonic flowmeters are similar to each other. FIG. 8 shows the result. Each correlation coefficient was calculated in order to determine whether the correlation coefficient differs depending on the amount of displacement and its direction, that is, whether it should be viewed as a vector amount. As shown in FIG. 8, it has been found that it depends on the absolute amount of shift regardless of the direction of shift from the center.
[0082]
(Example 2)
It was examined how the transmission / reception sensitivity of the ultrasonic flowmeter changes with the thickness of the case (diaphragm). FIG. 7 shows the results of the study in which the thickness of the case (diaphragm) was changed to 0.2 mm, 0.3 mm, 0.8 mm, and 1.0 mm based on the case where the thickness of the case (diaphragm) was 0.1 mm. The case was pressed to form a case having a diameter of 11.8 mm and a height of 5.6 mm. At this time, the case top surface is φ11 mm. The size of the piezoelectric body is 7.4 mm × 7.4 mm and the height is 2.65 mm, and the matching layer is φ10 mm and the height is 1.15 mm. From the results, it was found that as the thickness of the case (diaphragm) increases, the transmission / reception sensitivity of the ultrasonic wave decreases in proportion.
[0083]
(Example 3)
The thickness of the stainless steel used for the case material was changed from t = 0.1 to 0.5 mm and pressed to form a case with a diameter of 11.8 mm and a height of 5.6 mm. At this time, the case top surface is φ11 mm. The size of the piezoelectric body is 7.4 mm × 7.4 mm, the height is 2.65 mm, the matching layer is φ10 mm, and the height is 1.15 mm. At this time, the matching layer and the top of the case are joined so that their centers match each other, and the center of the joining surface between the piezoelectric body and the case is slightly shifted from the center of the top of the case, and several types of ultrasonic flowmeters are used. It was created. The ultrasonic flowmeter serving as a reference is created by matching the centers of the matching layer, the case top surface, and the case joining surface of the piezoelectric body. A voltage of ± 5 V was applied to each ultrasonic flowmeter, and the frequency was changed from 100 KHz to 1 MHz, and the frequency characteristics of the impedance were measured. The correlation coefficient was determined by comparing 350 KHz to 750 KHz, which are frequency bands used as an ultrasonic flowmeter, with each other. Here, the correlation coefficient indicates how similar the frequency characteristics of the impedance of the ultrasonic flowmeters are similar to each other. The result is shown in FIG. Assuming that the shift amount is Δα, the value of the correlation coefficient decreases proportionally as the shift amount of the piezoelectric body from the center of the top surface of the case increases. However, when the thickness of the case top surface (diaphragm) was changed, the inclination tended to be steeper as the thickness was smaller. Since the ultrasonic flowmeter in the range up to 0.960 is accepted as the value of the correlation coefficient due to the balance with the flow rate calculation system, the case of focusing on the value of the correlation coefficient of 0.960 or more is considered as a case. It was found that there was a relationship of (Δα / t) ≦ 2 regardless of the thickness of the top surface. As described above, any ultrasonic flow meter that satisfies (Δα / t) ≦ 2 can be used as an ultrasonic flow meter that satisfies the same characteristics on the flow rate calculation system as the characteristics of the ultrasonic flow meter.
[0084]
(Example 4)
The thickness of the stainless steel used for the case material was changed from t = 0.1 to 0.5 mm and pressed to form a case with a diameter of 11.8 mm and a height of 5.6 mm. At this time, the case top surface is φ11 mm. The size of the piezoelectric body is 7.4 mm × 7.4 mm, the height is 2.65 mm, the matching layer is φ9.5 mm, and the height is 1.15 mm. At this time, the piezoelectric body and the top of the case are joined so that their centers coincide with each other, and the center of the joining surface between the matching layer and the case is slightly shifted from the center of the top of the case. It was created. The ultrasonic flowmeter serving as a reference is created by matching the centers of the matching layer, the case top surface, and the case joining surface of the piezoelectric body. A voltage of ± 5 V was applied to each ultrasonic flow meter, and the frequency was changed from 100 KHz to 1 MHz to measure the frequency characteristics of impedance. The correlation coefficient was determined by comparing 350 KHz to 750 KHz, which are frequency bands used as an ultrasonic flowmeter, with each other. Here, the correlation coefficient indicates how similar the frequency characteristics of the impedance of the ultrasonic flowmeters are similar to each other. The result is shown in FIG. Assuming that the shift amount is Δβ, as in the third embodiment, it can be seen that as the shift amount from the center of the case top surface of the matching layer increases, the value of the correlation coefficient decreases proportionally. However, when the thickness of the case top surface (diaphragm) was changed, the inclination tended to be steeper as the thickness was smaller. Since the ultrasonic flowmeter in the range up to 0.960 is accepted as the value of the correlation coefficient due to the balance with the flow rate calculation system, the case of focusing on the value of the correlation coefficient of 0.960 or more is considered as a case. It was found that there was a relationship of (Δβ / t) ≦ 3 regardless of the thickness of the top surface. As described above, any ultrasonic flow meter that satisfies (Δβ / t) ≦ 3 can be used as an ultrasonic flow meter that satisfies the same characteristics on the flow rate calculation system as the characteristics of the ultrasonic flow meter.
[0085]
(Example 5)
The thickness of the stainless steel used for the case material was changed from t = 0.1 to 0.5 mm, and the stainless steel was pressed to form a case having a diameter of 11.8 mm and a height of 5.6 mm. At this time, the case top surface is φ11 mm. The size of the piezoelectric body is 7.4 mm × 7.4 mm, the height is 2.65 mm, the matching layer is φ10 mm, and the height is 1.15 mm. At this time, several kinds of ultrasonic flowmeters were prepared by slightly shifting the piezoelectric body and the acoustic matching layer in directions opposite to each other with the center of the top surface of the case as an axis. The ultrasonic flowmeter serving as a reference is created by matching the centers of the matching layer, the case top surface, and the case joining surface of the piezoelectric body. A voltage of ± 5 V was applied to each ultrasonic flowmeter, and the frequency was changed from 100 KHz to 1 MHz, and the frequency characteristics of the impedance were measured. The correlation coefficient was determined by comparing 350 KHz to 750 KHz, which are frequency bands used as an ultrasonic flowmeter, with each other. Here, the correlation coefficient indicates how similar the frequency characteristics of the impedance of the ultrasonic flowmeters are similar to each other. The result is shown in FIG. Assuming that the shift amount of the center of the acoustic matching layer with respect to the center of the piezoelectric body is Δγ, the phase shift proportionally increases as the shift amount Δγ of the center of the acoustic matching layer with respect to the center of the piezoelectric body increases, as in the second and fourth embodiments. It was found that the number of relations decreased. As in the third and fourth embodiments, (Δγ / t) ≦ (5/2) is satisfied regardless of the thickness of the stainless steel (diaphragm) within the range of the correlation coefficient of 0.960 or more due to the balance with the flow rate calculation system. I understand. As described above, any ultrasonic flow meter that satisfies (Δγ / t) ≦ (5/2) can be used as an ultrasonic flow meter that satisfies the same characteristics on the flow rate calculation system as a characteristic of the ultrasonic flow meter. It is.
[0086]
(Example 6)
Based on the results of the third embodiment, when a pair of ultrasonic flowmeters is used in a flow calculation system that alternately repeats transmission and reception, based on the ultrasonic flowmeter in which the piezoelectric body is shifted from the center by a certain amount, The correlation coefficient was calculated by setting the displacement between the piezoelectric bodies of the ultrasonic flow meter and the other ultrasonic flow meter as Δχ. In addition, the pass / fail was determined based on whether the measurement accuracy could be guaranteed on the flow rate calculation system. The conditions were the same as in Example 3, where the thickness of the stainless steel used for the case material was changed from t = 0.1 to 0.5 mm and pressed to form a case with a diameter of φ11.8 mm and a height of 5.6 mm. did. At this time, the case top surface is φ11 mm. The size of the piezoelectric body is 7.4 mm × 7.4 mm, the height is 2.65 mm, the matching layer is φ10 mm, and the height is 1.15 mm. A voltage of ± 5 V was applied to each ultrasonic flowmeter, and the frequency was changed from 100 KHz to 1 MHz, and the frequency characteristics of the impedance were measured. The correlation coefficient was determined by comparing 350 KHz to 750 KHz, which are frequency bands used as an ultrasonic flowmeter, with each other. Here, the correlation coefficient indicates how similar the frequency characteristics of the impedance of the ultrasonic flowmeters are similar to each other. Table 1 shows the results. As a result of Table 1, if the deviation is within 0.5 mm from the center of the case with respect to the center of the case, the difference between the deviations of the respective ultrasonic flow meters is divided by the thickness t of the case (diaphragm). That is, it was found that (Δχ / t) ≦ 2.
[0087]
[Table 1]
[0088]
(Example 7)
When a pair of ultrasonic flowmeters are used in a flow calculation system that alternately transmits and receives ultrasonic waves based on the results of the second embodiment, the ultrasonic flowmeters whose acoustic matching layers are shifted from the center by a certain amount The correlation coefficient was calculated with Δ と し て as the deviation amount of the acoustic matching layer between the ultrasonic flowmeter and the other ultrasonic flowmeter based on the above. In addition, the pass / fail was determined based on whether the measurement accuracy could be guaranteed on the flow rate calculation system. The conditions were the same as in Example 2, except that the thickness of the stainless steel used for the case material was changed from t = 0.1 to 0.5 mm, and press working was performed to form a case with a diameter of 11.8 mm and a height of 5.6 mm. did. At this time, the case top surface is φ11 mm. The size of the piezoelectric body is 7.4 mm × 7.4 mm, the height is 2.65 mm, the matching layer is φ9.5 mm, and the height is 1.15 mm. A voltage of ± 5 V was applied to each ultrasonic flowmeter, and the frequency was changed from 100 KHz to 1 MHz, and the frequency characteristics of the impedance were measured. The correlation coefficient was determined by comparing 350 KHz to 750 KHz, which are frequency bands used as an ultrasonic flowmeter, with each other. Here, the correlation coefficient indicates how similar the frequency characteristics of the impedance of the ultrasonic flowmeters are similar to each other. Table 2 shows the results. As a result of Table 2, the difference between the displacements of the respective ultrasonic flowmeters was divided by the thickness t of the case (diaphragm) if the displacement was within 0.5 mm from the center of the case with respect to the center of the case. Value, that is, (Δφ / t) ≦ 3.
[0089]
[Table 2]
Note that by appropriately combining any of the various embodiments described above, the effects of the respective embodiments can be achieved.
[0090]
【The invention's effect】
According to the present invention, the position of each component (for example, the case, the piezoelectric body, and the acoustic matching layer) of the ultrasonic vibrator is adjusted so as to have a positional deviation amount within an appropriate range, whereby the abnormal resonance mode is achieved. Can be suppressed, the frequency can be improved, and the measurement accuracy can be improved. That is, the correlation coefficient, which indicates how similar the frequency characteristics of the impedance of the ultrasonic flowmeters are to each other, is generally acceptable if the ultrasonic flowmeter is in the range of 0.960 from the balance with the flow rate calculation system. Therefore, by adjusting the amount of misalignment so as to be within the above-described appropriate range, the correlation coefficient can be reliably set in the range up to 0.960, and a highly reliable ultrasonic flowmeter can be obtained. Can be provided.
[0091]
More specifically, in the ultrasonic vibrator according to the first aspect of the present invention, the ultrasonic vibrator has a piezoelectric body provided on a surface opposite to a surface provided with the acoustic matching layer, With respect to the center of the top surface of the case that also serves as the plate, the amount of deviation of the center of the joint surface where the piezoelectric body is joined to the case is Δα, and the thickness of the diaphragm is t, (Δα / t) If the center of the top surface of the case and the center of the joint surface where the piezoelectric body is joined to the top surface of the case are set to satisfy ≦ 2, occurrence of the abnormal resonance mode can be prevented.
[0092]
Further, in the ultrasonic vibrator according to the second aspect of the present invention, the ultrasonic vibrator in which a piezoelectric body is provided on a surface opposite to a surface on which the acoustic matching layer is provided, wherein the ultrasonic vibrator also serves as a diaphragm With respect to the center of the top surface of the case, when the amount of deviation of the center of the joining surface where the acoustic matching layer is joined to the case is Δβ, and when the thickness of the diaphragm is t, (Δβ / t) ≦ 3 If the center of the top surface of the case and the center of the joining surface where the acoustic matching layer is joined to the top surface of the case are aligned so as to satisfy, the axial displacement of the two facing ultrasonic transducers is prevented, Sensitivity reduction can be suppressed.
[0093]
In the ultrasonic vibrator according to the third aspect of the present invention, when a deviation amount of a center of the acoustic matching layer from a center of the piezoelectric body is Δγ and a thickness of the diaphragm is t, (Δγ / t) The center of the joining surface where the piezoelectric body is joined to the top surface of the case and the center of the joining surface where the acoustic matching layer is joined to the top surface of the case so as to satisfy ≦ (5/2). By doing so, it is possible to suppress a decrease in sensitivity.
[0094]
Further, in the ultrasonic vibrator according to the fourth aspect of the present invention, the ultrasonic vibrator has a piezoelectric body provided on a surface opposite to a surface provided with the acoustic matching layer, and comprises a pair of ultrasonic vibrators. In an ultrasonic vibrator that performs measurement by repeating transmission and reception of ultrasonic waves alternately with a vibrator, the ultrasonic vibration having a displacement Δα ≦ 0.5 mm of a piezoelectric body with respect to a center of a top surface of the case also serving as a vibration plate. If the piezoelectric element used in the ultrasonic vibrator is Δχ and the thickness of the vibrating plate is t, (Δχ / t) ≦ 2, sensitivity and impedance frequency It is possible to realize high measurement accuracy, which can minimize phase shift and abnormal resonance in characteristics.
[0095]
Further, in the ultrasonic vibrator according to the fifth aspect of the present invention, the ultrasonic vibrator has a piezoelectric body provided on a surface opposite to the surface provided with the acoustic matching layer. In an ultrasonic vibrator that performs measurement by repeating transmission and reception of ultrasonic waves alternately with a vibrator, an ultrasonic wave having a displacement Δβ ≦ 0.5 mm of an acoustic matching layer with respect to a center of a top surface of the case also serving as a diaphragm. In the case of a vibrator, sensitivity and impedance can be obtained by satisfying (Δφ / t) ≦ 3, where Δφ is the amount of displacement of the acoustic matching layer used in the ultrasonic vibrator and t is the thickness of the diaphragm. With the frequency characteristics described above, it is possible to minimize the phase shift and abnormal resonance, and realize high measurement accuracy.
[0096]
Further, as an ultrasonic flowmeter, a pair of a flow measurement unit having a flow path through which a fluid to be measured flows and the ultrasonic transducer according to any one of the first to fifth aspects provided in the flow measurement unit is provided as a pair. Ultrasonic transducers arranged opposite to each other with the flow path interposed therebetween, a measurement circuit for measuring the propagation time of the ultrasonic wave passing through the flow path between the ultrasonic transducers, and a measurement circuit By providing a flow rate calculating means for calculating the flow rate of the fluid to be measured based on the signal indicating the result information, it is possible to achieve the various effects of the ultrasonic transducer described above.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view of an ultrasonic transducer according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the ultrasonic transducer according to the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an ultrasonic flowmeter using the ultrasonic transducer according to the first embodiment.
FIG. 4 is a sectional view of the first ultrasonic flowmeter.
FIG. 5 is a sectional view of an ultrasonic transducer according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view of an ultrasonic transducer according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing a sensitivity reduction rate with respect to a thickness of a case (diaphragm).
FIG. 8 is a graph showing a relationship between a displacement amount of a piezoelectric body and a correlation coefficient.
FIG. 9 is a graph showing a displacement distribution of a piezoelectric body with respect to a center of a top surface of a case (diaphragm).
FIG. 10 is a graph showing a positional deviation amount distribution of an acoustic matching layer with respect to a center of a top surface of a case (diaphragm).
FIG. 11 is a graph showing a positional deviation amount distribution of the acoustic matching layer with respect to the center of the piezoelectric body.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ultrasonic vibrator, 2 ... Support body, 3 ... Plate member, 4 ... Sound matching layer, 5 ... Flange part, 6 ... Piezoelectric body, 7 ... Terminal plate, 8a, 8b ... Terminal, 9 ... Insulator, DESCRIPTION OF
Claims (6)
上記音響整合層が設けられた面の反対側の面に圧電体(6)が設けられた超音波振動子(1)であって、振動板を兼ねる上記ケースの天面の中心に対して、上記圧電体が上記ケースと接合される接合面の中心のずれ量をΔα、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δα/t)≦2を満たすように上記ケースの天面の中心と上記圧電体が上記ケースの天面と接合される接合面の中心を合わせるようにしたことを特徴とする超音波振動子。A bottomed cylindrical case (32), and an acoustic matching layer (4) provided on at least one surface of the case;
An ultrasonic vibrator (1) in which a piezoelectric body (6) is provided on a surface opposite to a surface on which the acoustic matching layer is provided, wherein: When the amount of deviation of the center of the joint surface where the piezoelectric body is joined to the case is Δα, and the thickness of the diaphragm is t, the center of the top surface of the case is set to satisfy (Δα / t) ≦ 2. An ultrasonic vibrator wherein the center of a bonding surface where the piezoelectric body is bonded to a top surface of the case is aligned.
上記音響整合層が設けられた面の反対側の面に圧電体(6)が設けられた超音波振動子(1)であって、振動板を兼ねる上記ケースの天面の中心に対して、上記音響整合層が上記ケースと接合される接合面の中心のずれ量をΔβ、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δβ/t)≦3を満たすように上記ケースの天面の中心と上記音響整合層が上記ケースの天面と接合される接合面の中心を合わせるようにしたことを特徴とする超音波振動子。A bottomed cylindrical case (32), and an acoustic matching layer (4) provided on at least one surface of the case;
An ultrasonic vibrator (1) in which a piezoelectric body (6) is provided on a surface opposite to a surface on which the acoustic matching layer is provided, wherein: When the shift amount of the center of the joining surface where the acoustic matching layer is joined to the case is Δβ, and the thickness of the diaphragm is t, the center of the top surface of the case satisfies (Δβ / t) ≦ 3. And a center of a joint surface where the acoustic matching layer is joined to a top surface of the case.
上記音響整合層が設けられた面の反対側の面に圧電体(6)が設けられた超音波振動子(1)であって、1対の超音波振動子で交互に超音波の送受信を繰り返して測定を行う超音波振動子において、振動板を兼ねる上記ケースの天面の中心に対して圧電体のずれ量Δα≦0.5mmである超音波振動子ならば、各々超音波振動子に用いられる圧電体のずれ量をΔχ、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δχ/t)≦2を満たすように構成されたことを特徴とする超音波振動子。A bottomed cylindrical case (32), and an acoustic matching layer (4) provided on at least one surface of the case;
An ultrasonic vibrator (1) in which a piezoelectric body (6) is provided on a surface opposite to a surface on which the acoustic matching layer is provided, and a pair of ultrasonic vibrators alternately transmits and receives ultrasonic waves. In an ultrasonic transducer that repeatedly performs measurement, if the ultrasonic transducer has a displacement amount Δα ≦ 0.5 mm of the piezoelectric body with respect to the center of the top surface of the case also serving as the vibration plate, each of the ultrasonic transducers An ultrasonic vibrator characterized by satisfying (Δχ / t) ≦ 2, where Δ ず れ is a displacement amount of a piezoelectric body used and t is a thickness of the diaphragm.
上記音響整合層が設けられた面の反対側の面に圧電体(6)が設けられた超音波振動子(1)であって、1対の超音波振動子で交互に超音波の送受信を繰り返して測定を行う超音波振動子において、振動板を兼ねる上記ケースの天面の中心に対して音響整合層のずれ量Δβ≦0.5mmである超音波振動子ならば、各々超音波振動子に用いられる音響整合層のずれ量をΔφ、上記振動板の厚みをtとしたとき、(Δφ/t)≦3を満たすように構成されたことを特徴とする超音波振動子。A bottomed cylindrical case (32), and an acoustic matching layer (4) provided on at least one surface of the case;
An ultrasonic vibrator (1) in which a piezoelectric body (6) is provided on a surface opposite to a surface on which the acoustic matching layer is provided, and a pair of ultrasonic vibrators alternately transmits and receives ultrasonic waves. In the ultrasonic vibrator which repeatedly performs measurement, if the ultrasonic vibrator satisfies a deviation amount Δβ ≦ 0.5 mm of the acoustic matching layer with respect to the center of the top surface of the case also serving as the vibrating plate, each ultrasonic vibrator An ultrasonic vibrator characterized by satisfying (Δφ / t) ≦ 3, where Δφ is the amount of displacement of the acoustic matching layer used and Δ is the thickness of the diaphragm.
この流量測定部に設けられた請求項1〜5いずれか1つに記載の超音波振動子を1対対向して上記流路を挟んで配置された超音波振動子(17,18)と、
上記超音波振動子間で上記流路を通する超音波の伝搬時間を計測する計測回路(101)と、
上記計測回路で計測された結果情報を示す信号に基づいて上記被測定流体の流量を算出する流量演算手段(102)とを備えた超音波流量計。A flow measuring unit (11) having a flow path through which the fluid to be measured flows;
An ultrasonic vibrator (17, 18), which is provided in the flow rate measuring unit, and which is disposed so as to oppose the ultrasonic vibrator according to any one of claims 1 to 5 with the flow path interposed therebetween.
A measuring circuit (101) for measuring a propagation time of an ultrasonic wave passing through the flow path between the ultrasonic transducers;
An ultrasonic flowmeter comprising: a flow rate calculating means (102) for calculating a flow rate of the fluid to be measured based on a signal indicating result information measured by the measurement circuit.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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