JP2004198284A - 超音波送受波器および超音波流量計 - Google Patents
超音波送受波器および超音波流量計 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】圧電体と外部電極端子部との圧接力を一定となし、超音波送受信器としての性能バラツキを抑制して精度の高い超音波流量測定ができるようにしたものである。
【解決手段】圧電体９を内設したケース７のフランジ１０に端子板１１の外周を溶接固定する。この端子板１１には外部電極端子部１２，１３が配置してある。一方の外部電極端子部１３の導電体１４は圧電体９の下方電極面に圧接している。ケース７におけるフランジ１０の基端部分と端子板１１の外周部との間には遊び空間Ｓが存在している。したがって、この遊び空間Ｓの範囲でフランジ１０の基端部分を変形してケース７の高さを実質的に調整し、圧電体９に対する導電体１４の圧接力を調整できる。
【選択図】 図１
【解決手段】圧電体９を内設したケース７のフランジ１０に端子板１１の外周を溶接固定する。この端子板１１には外部電極端子部１２，１３が配置してある。一方の外部電極端子部１３の導電体１４は圧電体９の下方電極面に圧接している。ケース７におけるフランジ１０の基端部分と端子板１１の外周部との間には遊び空間Ｓが存在している。したがって、この遊び空間Ｓの範囲でフランジ１０の基端部分を変形してケース７の高さを実質的に調整し、圧電体９に対する導電体１４の圧接力を調整できる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波パルスの送受信を行う超音波送受波器およびこの超音波送受波器を用いて気体や液体の流量の計測を行う超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波送受波器は図４に示すような構成であった。すなわち、キャップ状の導電性ケース２１には圧電体２２が内設してある。
【０００３】
そしてケース２１の頂壁下面には前記圧電体２２の上方電極面が接着などの手段で電気的に固定され、一方、頂壁上面には音響整合層２３が取着してある。
【０００４】
キャップ状のケース２１の下方開放部は、そのフランジ２４に溶接などの手段で固定された端子板２５で閉塞されており、この端子板２５に第１，第２外部電極端子部２６，２７が配備されている。
【０００５】
第１外部電極端子部２６は端子板２５と電気的に接続される。一方、第２外部電極端子部２７は電気絶縁材２８を介して端子板２５に保持された径大部２９と、弾性を有する導電体３０とからなる。
【０００６】
つまり、この第２外部電極端子部２７は圧電体２２の下方電極面と端子板２５とで挟持された状態としてある（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−５０７８５号公報（第３−６頁、第８図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のにおいては、第２外部電極端子部２７と圧電体２２との挟持力、換言すれば、圧電体２２に対する第２外部電極端子部２７の圧接力は、ケース２１と端子板２５との寸法によって一義的に決定されるものであった。
【０００９】
したがって、圧電体２２に対する第２外部電極端子部２７の圧接力、すなわち接触抵抗にバラツキが生起しやすく、超音波送受波器としての性能に不安定要素を発生する課題があった。
【００１０】
本発明はこのような従来の課題を解決するもので、超音波送受波器としての性能の安定化を図り、計測精度の高い超音波流量計を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、１対の電極面を有する圧電体と、前記圧電体を内包し、一方の電極面と電気的に接続されるケースと、このケースに電気的に接続されるとともに、第１，第２の外部電極端子部を配置した端子板とを具備し、前記第１の外部電極端子部は端子板に接続され、第２の外部電極端子部は圧電体と端子板との間に挟持されて前記圧電体の他方の電極面に接続されており、さらに第２の外部電極端子部を保持する圧電体と端子板との間の挟持力を調整する調整手段を設け、第２の外部電極端子部を圧電体と端子板との間で安定的に挟持できるようにしたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、１対の電極面を有する圧電体と、前記圧電体を内包し、一方の電極面と電気的に接続されるケースと、このケースに電気的に接続されるとともに、第１，第２の外部電極端子部を配置した端子板とを具備し、前記第１の外部電極端子部は端子板に接続され、第２の外部電極端子部は圧電体と端子板との間に挟持されて前記圧電体の他方の電極面に接続されており、さらに第２の外部電極端子部を保持する圧電体と端子板との間の挟持力を調整する調整手段を設けた。
【００１３】
調整手段としては、ケースと端子板との固定部に遊び空間を設定したものが考えられ、この遊び間隔を可変することで圧電体と端子板との間の挟持力を調整できる。
【００１４】
第２の外部電極端子部は、圧電体の他方の電極面に電気的に当接する導電体と、この導電体に電気的に当接する電極端子とからなり、前記電極端子は、その背部を受ける電気絶縁材を介して端子板に機械的に連係させた。
【００１５】
そしてこのような超音波送受波器を流体通路の上、下流に配置し、超音波伝搬時間をもとに流量を演算するようにしたことで、高精度の流体流量を測定できるものである。
【００１６】
【実施例】
以下、その実施例を添付図面を参照して説明する。
【００１７】
図１において、流量測定部１は流体流路２を流れる被測定物の流量を測定する流量測定部であり、１対の超音波送受波器３および４が配置されている。
【００１８】
超音波送受波器３および４の間を超音波が伝播する超音波伝播時間を計測回路５にて計測し、信号として流量演算回路６に出力する。前記流量演算部６は前記信号に基づいて流量を求める。
【００１９】
上記超音波流量計の一応の動作を述べる。超音波送受波器３および４の中心間を結ぶ直線の距離をＬとし、この直線と被測定物の流れる方向である流路１の長手方向との角度をθとする。
【００２０】
静止している流体中を超音波が伝達する速度をＣとし、流路１を流れる流体の流速をＶとする。
【００２１】
流路２に対して上流側に配置された超音波送受波器３と下流側に配置された超音波送受波器４により流路２を流れる流体の流量を測定する。
【００２２】
まず、超音波送受波器３から超音波を送信する。送信された超音波は流路２を斜めに縦断し超音波送受波器４で受信される。その際の超音波伝播時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）
で示される。次に、超音波送受波器４から超音波を送信する。送信された超音波は流路２を斜めに縦断し超音波送受波器３で受信される。その際の超音波伝播時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）
で示される。流体の音速Ｃは温度などの測定環境により変化するため、ｔ１およびｔ２の式から流体の音速Ｃを消去すると、
Ｖ＝Ｌ／｛２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２）｝
の式が得られる。この式より、Ｌとθが既知のものとなれば流体の流速Ｖが求められることが導かれる。Ｖを正確に求めるためにはｔ１、ｔ２を正確に計測する必要があるため、超音波の指向性を等しくすることが必要である。また、流量をＱ、流路１の断面積をＳ、補正係数をＫとすると、流量ＱはＱ＝ＫＳＶの演算式により求められる。
【００２３】
超音波流量計においては、計測回路５から出力された超音波伝播時間に関する信号に基づき、流量演算回路６で前記演算式から流量を求める。
【００２４】
以下、超音波送受波器３，４の詳細を図２，３で詳述する。
【００２５】
図において、ケース７の頂壁上面には音響整合層８が、頂壁下面には圧電体９の上部電極面がそれぞれ接着剤により固定してある。
【００２６】
ケース７は導電性材料から形成されており、全体的にはキャップ状をなし、下方開放部からはフランジ１０が外方向に延出してある。
【００２７】
導電性の端子板１１は前記ケース７の下方開放部分を閉じるごとく配置されており、その周縁部をフランジ１０に溶接などの手段で固定することで前記ケース７と一体化されている。
【００２８】
端子板１１には第１，第２の外部電極端子部１２，１３が設けられている。
【００２９】
第１の外部電極端子部１２は端子板１１の外周部に直接接続され、また第２の外部電極端子部１３は、その導電体１４を介して圧電体９の下部電極面に接続されている。
【００３０】
すなわち、第２の外部電極端子部１３は電極端子１５と導電体１４とから構成されており、さらに前記導電体１４はシリコン系ゴムのような導電ゴムなどからなる導電性弾性材１６の中心部に導電部１７を位置させた構成を採用している。
【００３１】
そして第２の外部電極端子部１３は端子板１１に形成した孔１８を貫通しており、背部がガラスなどの電気絶縁材１９で閉塞されている。
【００３２】
つまり、第２の外部電極端子部１３は圧電体９と端子板１１と一体の電気絶縁材１９で挟持される形態となっていて、前記圧電体９との接続はその挟持力、換言すれば圧接力に一元的に依存するようになっているものである。
【００３３】
前記端子板１１などで閉塞されたケース７内の密閉空間２０には窒素ガスなどの不活性ガスが封入されている。
【００３４】
そして、端子板１１の外周部上面とケース７のフランジ１０の基端部との間には、圧電体９に対する第２の外部電極端子部１３の圧接力（圧電体９と端子板１１とによる第２の外部電極端子部１３の挟持力）を調整する調整手段としての遊び空間Ｓが肉ぬすみによって形成してある。
【００３５】
上記の構成において、圧電体９に対する第２の外部電極端子部１３の圧接力は、端子板１１の外周部上面とケース７のフランジ１０との位置関係によって調整できるものである。
【００３６】
つまり、図２のものに比較して図３のように遊び空間Ｓの部分にケース７におけるフランジ１０の基端を変形して臨ませた方が圧接力として大きくなるものである。
【００３７】
すなわち、前記変形によってケース７の実質的高さが低くなり、その分、圧接力も大きくなる。
【００３８】
したがって、実際的には第１，第２外部電極端子部１２，１３間の電気抵抗を計測しつつ前記圧接力の調整を行なえば、性能的にバラツキのない超音波送受波器となり、これより正確な流量計測が可能な超音波流量計が得られることとなる。
【００３９】
なお、調整手段としては遊び空間Ｓに限定されることはなく、要するにケース７の実質的高さが調整できるものであれば具体的構成に制約されず、例えば、ケース７の周壁途中に屈曲部を設け、この屈曲度合いを可変するもの、或いは、端子板１１に対する電気絶縁材１９の取付けをねじ方式として、端子板１１に対する位置調整することもその範疇に入るものである。
【００４０】
このように実施例の構成によれば、超音波送受波器の導通抵抗が一定となるように抵抗値を計測しながら調節が可能となり、安定した抵抗値を確保することができる。そのため、超音波の発信感度にバラツキをなくし、送受信感度の低下を防止し、信頼性の高い超音波送受波器と、より高精度の流量計測ができる超音波流量計を提供できるものである。
【００４１】
また調整手段としてケースの一部を変化させるように構成したものであるから、組立完成後に抵抗値を調節することが可能となり、最終完成品として性能を保証することが可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
このように本発明によれば性能的にバラツキがなく、精度の高い超音波送受波器が実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における超音波流量計を示す概略構成図
【図２】同実施例における超音波送受波器を示す縦断面図
【図３】本発明の実施例における調節後の超音波送受波器を示す縦断面図
【図４】従来の超音波送受波器を示す断面図
【符号の説明】
２ 流体通路
３、４ 超音波送受波器
７ ケース
９ 圧電体
１１ 端子板
１２、１３ 外部電極端子部
１４ 導電体
１５ 電極端子
１９ 電気絶縁材
Ｓ 遊び空間
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波パルスの送受信を行う超音波送受波器およびこの超音波送受波器を用いて気体や液体の流量の計測を行う超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波送受波器は図４に示すような構成であった。すなわち、キャップ状の導電性ケース２１には圧電体２２が内設してある。
【０００３】
そしてケース２１の頂壁下面には前記圧電体２２の上方電極面が接着などの手段で電気的に固定され、一方、頂壁上面には音響整合層２３が取着してある。
【０００４】
キャップ状のケース２１の下方開放部は、そのフランジ２４に溶接などの手段で固定された端子板２５で閉塞されており、この端子板２５に第１，第２外部電極端子部２６，２７が配備されている。
【０００５】
第１外部電極端子部２６は端子板２５と電気的に接続される。一方、第２外部電極端子部２７は電気絶縁材２８を介して端子板２５に保持された径大部２９と、弾性を有する導電体３０とからなる。
【０００６】
つまり、この第２外部電極端子部２７は圧電体２２の下方電極面と端子板２５とで挟持された状態としてある（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−５０７８５号公報（第３−６頁、第８図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のにおいては、第２外部電極端子部２７と圧電体２２との挟持力、換言すれば、圧電体２２に対する第２外部電極端子部２７の圧接力は、ケース２１と端子板２５との寸法によって一義的に決定されるものであった。
【０００９】
したがって、圧電体２２に対する第２外部電極端子部２７の圧接力、すなわち接触抵抗にバラツキが生起しやすく、超音波送受波器としての性能に不安定要素を発生する課題があった。
【００１０】
本発明はこのような従来の課題を解決するもので、超音波送受波器としての性能の安定化を図り、計測精度の高い超音波流量計を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、１対の電極面を有する圧電体と、前記圧電体を内包し、一方の電極面と電気的に接続されるケースと、このケースに電気的に接続されるとともに、第１，第２の外部電極端子部を配置した端子板とを具備し、前記第１の外部電極端子部は端子板に接続され、第２の外部電極端子部は圧電体と端子板との間に挟持されて前記圧電体の他方の電極面に接続されており、さらに第２の外部電極端子部を保持する圧電体と端子板との間の挟持力を調整する調整手段を設け、第２の外部電極端子部を圧電体と端子板との間で安定的に挟持できるようにしたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、１対の電極面を有する圧電体と、前記圧電体を内包し、一方の電極面と電気的に接続されるケースと、このケースに電気的に接続されるとともに、第１，第２の外部電極端子部を配置した端子板とを具備し、前記第１の外部電極端子部は端子板に接続され、第２の外部電極端子部は圧電体と端子板との間に挟持されて前記圧電体の他方の電極面に接続されており、さらに第２の外部電極端子部を保持する圧電体と端子板との間の挟持力を調整する調整手段を設けた。
【００１３】
調整手段としては、ケースと端子板との固定部に遊び空間を設定したものが考えられ、この遊び間隔を可変することで圧電体と端子板との間の挟持力を調整できる。
【００１４】
第２の外部電極端子部は、圧電体の他方の電極面に電気的に当接する導電体と、この導電体に電気的に当接する電極端子とからなり、前記電極端子は、その背部を受ける電気絶縁材を介して端子板に機械的に連係させた。
【００１５】
そしてこのような超音波送受波器を流体通路の上、下流に配置し、超音波伝搬時間をもとに流量を演算するようにしたことで、高精度の流体流量を測定できるものである。
【００１６】
【実施例】
以下、その実施例を添付図面を参照して説明する。
【００１７】
図１において、流量測定部１は流体流路２を流れる被測定物の流量を測定する流量測定部であり、１対の超音波送受波器３および４が配置されている。
【００１８】
超音波送受波器３および４の間を超音波が伝播する超音波伝播時間を計測回路５にて計測し、信号として流量演算回路６に出力する。前記流量演算部６は前記信号に基づいて流量を求める。
【００１９】
上記超音波流量計の一応の動作を述べる。超音波送受波器３および４の中心間を結ぶ直線の距離をＬとし、この直線と被測定物の流れる方向である流路１の長手方向との角度をθとする。
【００２０】
静止している流体中を超音波が伝達する速度をＣとし、流路１を流れる流体の流速をＶとする。
【００２１】
流路２に対して上流側に配置された超音波送受波器３と下流側に配置された超音波送受波器４により流路２を流れる流体の流量を測定する。
【００２２】
まず、超音波送受波器３から超音波を送信する。送信された超音波は流路２を斜めに縦断し超音波送受波器４で受信される。その際の超音波伝播時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）
で示される。次に、超音波送受波器４から超音波を送信する。送信された超音波は流路２を斜めに縦断し超音波送受波器３で受信される。その際の超音波伝播時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）
で示される。流体の音速Ｃは温度などの測定環境により変化するため、ｔ１およびｔ２の式から流体の音速Ｃを消去すると、
Ｖ＝Ｌ／｛２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２）｝
の式が得られる。この式より、Ｌとθが既知のものとなれば流体の流速Ｖが求められることが導かれる。Ｖを正確に求めるためにはｔ１、ｔ２を正確に計測する必要があるため、超音波の指向性を等しくすることが必要である。また、流量をＱ、流路１の断面積をＳ、補正係数をＫとすると、流量ＱはＱ＝ＫＳＶの演算式により求められる。
【００２３】
超音波流量計においては、計測回路５から出力された超音波伝播時間に関する信号に基づき、流量演算回路６で前記演算式から流量を求める。
【００２４】
以下、超音波送受波器３，４の詳細を図２，３で詳述する。
【００２５】
図において、ケース７の頂壁上面には音響整合層８が、頂壁下面には圧電体９の上部電極面がそれぞれ接着剤により固定してある。
【００２６】
ケース７は導電性材料から形成されており、全体的にはキャップ状をなし、下方開放部からはフランジ１０が外方向に延出してある。
【００２７】
導電性の端子板１１は前記ケース７の下方開放部分を閉じるごとく配置されており、その周縁部をフランジ１０に溶接などの手段で固定することで前記ケース７と一体化されている。
【００２８】
端子板１１には第１，第２の外部電極端子部１２，１３が設けられている。
【００２９】
第１の外部電極端子部１２は端子板１１の外周部に直接接続され、また第２の外部電極端子部１３は、その導電体１４を介して圧電体９の下部電極面に接続されている。
【００３０】
すなわち、第２の外部電極端子部１３は電極端子１５と導電体１４とから構成されており、さらに前記導電体１４はシリコン系ゴムのような導電ゴムなどからなる導電性弾性材１６の中心部に導電部１７を位置させた構成を採用している。
【００３１】
そして第２の外部電極端子部１３は端子板１１に形成した孔１８を貫通しており、背部がガラスなどの電気絶縁材１９で閉塞されている。
【００３２】
つまり、第２の外部電極端子部１３は圧電体９と端子板１１と一体の電気絶縁材１９で挟持される形態となっていて、前記圧電体９との接続はその挟持力、換言すれば圧接力に一元的に依存するようになっているものである。
【００３３】
前記端子板１１などで閉塞されたケース７内の密閉空間２０には窒素ガスなどの不活性ガスが封入されている。
【００３４】
そして、端子板１１の外周部上面とケース７のフランジ１０の基端部との間には、圧電体９に対する第２の外部電極端子部１３の圧接力（圧電体９と端子板１１とによる第２の外部電極端子部１３の挟持力）を調整する調整手段としての遊び空間Ｓが肉ぬすみによって形成してある。
【００３５】
上記の構成において、圧電体９に対する第２の外部電極端子部１３の圧接力は、端子板１１の外周部上面とケース７のフランジ１０との位置関係によって調整できるものである。
【００３６】
つまり、図２のものに比較して図３のように遊び空間Ｓの部分にケース７におけるフランジ１０の基端を変形して臨ませた方が圧接力として大きくなるものである。
【００３７】
すなわち、前記変形によってケース７の実質的高さが低くなり、その分、圧接力も大きくなる。
【００３８】
したがって、実際的には第１，第２外部電極端子部１２，１３間の電気抵抗を計測しつつ前記圧接力の調整を行なえば、性能的にバラツキのない超音波送受波器となり、これより正確な流量計測が可能な超音波流量計が得られることとなる。
【００３９】
なお、調整手段としては遊び空間Ｓに限定されることはなく、要するにケース７の実質的高さが調整できるものであれば具体的構成に制約されず、例えば、ケース７の周壁途中に屈曲部を設け、この屈曲度合いを可変するもの、或いは、端子板１１に対する電気絶縁材１９の取付けをねじ方式として、端子板１１に対する位置調整することもその範疇に入るものである。
【００４０】
このように実施例の構成によれば、超音波送受波器の導通抵抗が一定となるように抵抗値を計測しながら調節が可能となり、安定した抵抗値を確保することができる。そのため、超音波の発信感度にバラツキをなくし、送受信感度の低下を防止し、信頼性の高い超音波送受波器と、より高精度の流量計測ができる超音波流量計を提供できるものである。
【００４１】
また調整手段としてケースの一部を変化させるように構成したものであるから、組立完成後に抵抗値を調節することが可能となり、最終完成品として性能を保証することが可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
このように本発明によれば性能的にバラツキがなく、精度の高い超音波送受波器が実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における超音波流量計を示す概略構成図
【図２】同実施例における超音波送受波器を示す縦断面図
【図３】本発明の実施例における調節後の超音波送受波器を示す縦断面図
【図４】従来の超音波送受波器を示す断面図
【符号の説明】
２ 流体通路
３、４ 超音波送受波器
７ ケース
９ 圧電体
１１ 端子板
１２、１３ 外部電極端子部
１４ 導電体
１５ 電極端子
１９ 電気絶縁材
Ｓ 遊び空間
Claims (4)
- １対の電極面を有する圧電体と、前記圧電体を内包し、一方の電極面と電気的に接続されるケースと、このケースに電気的に接続されるとともに、第１，第２の外部電極端子部を配置した端子板とを具備し、前記第１の外部電極端子部は端子板に接続され、第２の外部電極端子部は圧電体と端子板との間に挟持されて前記圧電体の他方の電極面に接続されており、さらに第２の外部電極端子部を保持する圧電体と端子板との間の挟持力を調整する調整手段を設けた超音波送受波器。
- ケースと端子板との固定部に遊び空間を設定し、この遊び間隔を可変することで圧電体と端子板との間の挟持力を調整するようにした請求項１記載の超音波送受波器。
- 第２の外部電極端子部は、圧電体の他方の電極面に電気的に当接する導電体と、この導電体に電気的に当接する電極端子とからなり、前記電極端子は、その背部を受ける電気絶縁材を介して端子板に機械的に連係させた請求項１記載の超音波送受波器。
- 請求項１〜３いずれか１項記載の超音波送受波器を流体通路の上、下流に配置し、超音波伝搬時間をもとに流量を演算するようにした超音波流量計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002367973A JP4385597B2 (ja) | 2002-12-19 | 2002-12-19 | 超音波送受波器および超音波流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002367973A JP4385597B2 (ja) | 2002-12-19 | 2002-12-19 | 超音波送受波器および超音波流量計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004198284A true JP2004198284A (ja) | 2004-07-15 |
| JP4385597B2 JP4385597B2 (ja) | 2009-12-16 |
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