JP2006279128A - 超音波送受信器 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度変化や過大な力が加わるような環境下でも、超音波送受信器の発生電圧を放電させ、変換器内の素子を破壊から保護するような超音波送受信器を提供する。
【解決手段】
超音波の送受信を行う超音波送受信器１０であって、プラス側接続部２ａとマイナス側接続部２ｂとを有する超音波振動子２と、放電用の電気抵抗７と、を備え、プラス側接続部２ａとマイナス側接続部２ｂとの間に電気抵抗７が接続され、超音波振動子２の発生電圧を放電するような超音波送受信器１０とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波の送受信に用いられる超音波送受信器に関するものである。

超音波送受信器は各種分野で用いられている。その一例であるクランプオン型超音波流量計は、管状体の外周面の一部に装着されて、その管状体の内部を移動する流体の流量を管状体の外側から測定する、というものである。このクランプオン型超音波流量計は、さらに、伝搬時間差式とドップラー式とに分類できる。

伝搬時間差式は、超音波を、管状体の内部を移動する流体を斜めに横切るような経路で往復させて、超音波が往路と復路のそれぞれを伝搬するのに要する時間の差から、流体の流量を測定する方法である。

ドップラー式は、流体中に含まれる浮遊粒子や気泡が、流体と同じ速度で移動すると仮定して、浮遊粒子などの移動速度から流体の流量を測定する方法である。浮遊粒子などの移動速度は、流体中に超音波を送信して、浮遊粒子などに反射された超音波の周波数がドップラー効果により変化することから、超音波の周波数を検出することにより測定する。

このような超音波流量計で用いられる超音波送受信器の従来技術として、例えば特許文献１（特開２００１−３３０４８５号公報，発明の名所「超音波流量計」）に示されたものがある。この超音波流量計に用いられる超音波送受信器について図を参照しつつ説明する。図５は、従来技術の超音波送受信器を説明する説明図である。超音波送受信器１００は、図５で示すように、整合層１０１、接着剤１０２、超音波振動子１０３、フタ１０４、Ｏリング１０５、リード線１０６、ケース１０７、電極１０８、ネジ１０９を備えている。

整合層１０１は、接着剤１０２によって超音波振動子１０３に接着され、フタ１０４によりケース１０７に固定されている。超音波振動子１０３は、Ｏリング１０５を介してケース１０７に保持されている。超音波振動子１０３の電極面にハンダ付けされたリード線１０６は、電極１０８にネジ１０９にて接続され、電圧信号が伝達される。電極１０８にはケーブル（図示せず）がつけられ、変換器（図示せず）へと接続される。
従来技術の超音波送受信器１００はこのように構成される。

特開２００１−３３０４８５号公報 （段落番号０００９，図１）

従来技術の超音波送受信器は、本発明者による研究・試験の過程で、自然発生する電圧により問題が生ずる点が知見された。この点について説明する。超音波送受信器に力が加ったり、超音波送受信器に時間経過につれて温度差が生じたりすると、温度変化量や力に応じて電圧が発生する。

このうち外力が加わった場合の出力電圧の計算方法について説明する。超音波振動子に力Ｆが加えられたことによって発生する電荷量Ｑは、次式のようになる。

［数１］
Ｑ＝Ｃ_ｄ×Ｖ＝Ｆ×ｄ_３３
ｄ_３３：等価電圧定数［ｍ／Ｖ］
Ｃ_ｄ：超音波振動子の静電容量［Ｆ］

この時の出力電圧Ｖは、次式のようになる。

［数２］
Ｖ＝Ｆ×（ｄ_３３／Ｃ_ｄ）＝Ｆ×ｇ_３３×Ｌ／Ａ
ｇ_３３：電圧出力係数［ｍ／Ｎ］
Ｌ：超音波振動子の長さ
Ａ：超音波振動子の面積

また、温度変化した場合は、超音波振動子の伸び縮みによる長さＬの変化で、見かけ上の力Ｆが変化し、電圧を発生させる。

このように、超音波振動子に外力が加わったり、温度差が生じたりすると、電圧が発生する。特に超音波送受信器に変換器が接続されずに長期間放置されていた場合には発生電圧が蓄電され続け、例えば１ＫＶ等の高電圧に至ることもある。このような状況下で超音波送受信器に対して変換器を接続すると、超音波振動子からの放電により、１ＫＶもの高電圧が変換器に入力され、変換器内に内蔵される変換素子を破壊するおそれがあった。

そこで、本発明は上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、温度変化や過大な力が加わるような環境下でも、超音波送受信器の発生電圧を放電させ、変換器内の素子を破壊から保護するような超音波送受信器を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る発明の超音波送受信器は、
超音波の送受信を行う超音波送受信器であって、
プラス側接続部とマイナス側接続部とを有する超音波振動子と、
放電用の電気抵抗と、
を備え、
プラス側接続部とマイナス側接続部との間に電気抵抗が接続され、超音波振動子の発生電圧を放電することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る発明の超音波送受信器は、
請求項１に記載の超音波送受信器において、
前記超音波振動子が取付けられる楔と、
前記超音波振動子を囲むように楔に接着固定されたスリーブと、
スリーブに充填されたバッキング材と、
プラス側端子とマイナス側端子とを有し、プラス側端子が前記超音波振動子のプラス側接続部に、また、マイナス側端子が前記超音波振動子のマイナス側接続部に、それぞれ接続されるコネクタ部と、
を備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る発明の超音波送受信器は、
請求項２に記載の超音波送受信器において、
前記電気抵抗は、前記コネクタのプラス側端子とマイナス側端子とに接続されるとともに前記コネクタに内蔵されて一体に形成されることを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係る発明の超音波送受信器は、
超音波の送受信を行う超音波送受信器であって、
プラス側接続部とマイナス側接続部とを有する超音波振動子と、
放電用の電気抵抗と、
プラス側接続部と電気抵抗との間、または、マイナス側接続部と電気抵抗との間に電気的に接続されて断続を行うスイッチと、
を備え、
変換器と接続しない場合はスイッチがオンとなって前記超音波振動子の発生電圧を放電し、また、変換器と接続する場合にスイッチがオフとなってプラス側接続部とマイナス側接続部との間が遮断されることを特徴とする。

また、本発明の請求項５に係る発明の超音波送受信器は、
請求項４に記載の超音波送受信器において、
前記超音波振動子が取付けられる楔と、
前記超音波振動子を囲むように楔に接着固定されたスリーブと、
スリーブに充填されたバッキング材と、
プラス側端子とマイナス側端子とを有し、プラス側端子が前記超音波振動子のプラス側接続部に、また、マイナス側端子が前記超音波振動子のマイナス側接続部に、それぞれ接続されるコネクタ部と、
を備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項６に係る発明の超音波送受信器は、
請求項５に記載の超音波送受信器において、
前記スイッチは、コネクタ部における相手側コネクタ部の挿抜に応じて断続されるようになされたスイッチであり、
相手側コネクタ部の非結合時にスイッチがオンとなり、また、相手側コネクタ部の結合時にスイッチがオフとなることを特徴とする。

また、本発明の請求項７に係る発明の超音波送受信器は、
請求項６に記載の超音波送受信器において、
前記電気抵抗および前記スイッチは、前記コネクタのプラス側端子またはマイナス側端子に接続されるとともに前記コネクタに内蔵されて一体に形成されることを特徴とする。

以上のような本発明によれば、温度変化や過大な力が加わるような環境下でも、超音波送受信器の発生電圧を放電させ、変換器内の素子を破壊から保護するような超音波送受信器を提供することができる。

続いて、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しつつ説明する。図１は本形態の超音波送受信器の断面構造図である。図２は放電系回路の回路図である。
図１で示すような本形態の超音波送受信器１０は、楔１、超音波振動子２、スリーブ３、バッキング材４、リード線５、コネクタ部６、電気抵抗７を備えている。

楔１は、超音波透過材として一般的に用いられているエポキシ系樹脂などのブロックであり、所定角度の角部を有している。
超音波振動子２は、例えば、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）０_３ ）のような圧電素子である。この超音波振動子２は、プラス側接続部２ａとマイナス側接続部２ｂとを有する。
図示しないがこれら楔１と超音波振動子２との間には、整合層が介在している。整合層は、超音波を効率よく被検体に放射するとともに被検体からの反射エコーを効率よく受信する役割をもつものである。一般に、整合層の厚みを調整することで通過する超音波の周波数を制御できる。この整合層の音響インピーダンスは主剤と混合物との混合比によって変化させることができる。主材は例えばエポキシ樹脂であり、混合物は例えばタングステン粒子等である。プラス側接続部２ａとマイナス側接続部２ｂとは絶縁体で被覆される。
スリーブ３は、超音波振動子２を囲むように楔１に接着される。

バッキング材４は、不要な超音波の振動を吸収する機能を有しており、楔１およびスリーブ３で囲まれる空間に充填される。バッキング材４により、超音波振動子２、リード線３、コネクタ部６の下側が覆われる。
リード線５は二本あり、超音波振動子２のプラス側接続部２ａと、マイナス側接続部２ｂとにそれぞれ一本ずつ接続される。

コネクタ部６は、プラス側端子６ａとマイナス側端子６ｂとを備え、リード線５を介して、超音波振動子２のプラス側接続部２ａとプラス側端子６ａとが、また、マイナス側接続部２ｂとマイナス側端子６ｂとが、それぞれ接続される。このコネクタ部６は変換器（図示せず）に接続された他のコネクタ部（図示せず）と接続される。本形態では、例えば図１で示すようにコネクタ部６は雌型コネクタが採用されており、この場合、変換器に接続された相手側のコネクタ部は雄型コネクタとなる。なお、このコネクタ部６にはプラス側端子６ａ、マイナス側端子６ｂおよび電気抵抗７が接続された状態でプラスチック樹脂により一体にモールド形成されており、省スペース化、力からの保護、および組立て時の手間の低減などを実現している。

電気抵抗７は、プラス側端子６ａとマイナス側端子６ｂとにそれぞれ電気的に接続されている。つまり、超音波振動子２のプラス側接続部２ａと、マイナス側接続部２ｂと、に電気的に接続されることとなる。この電気抵抗７は、数Ωから数百ｋΩの範囲である。この場合、図２で示すように、超音波振動子２のインピーダンスと、接続している電気抵抗７の抵抗値と、で分圧する形となるため、超音波振動子２の駆動に十分な電圧となるように接続する電気抵抗７の抵抗値を決定する。

このような本形態の超音波送受信器１０は、超音波送受信器１０に力が加ったり、超音波送受信器１０に時間経過につれて温度差が生じたりして、温度変化量や力に応じて電圧が発生したとしても、超音波振動子２のプラス側接続部２ａと、マイナス側接続部２ｂと、に電気的に接続される電気抵抗７により発生電圧が消費放電されるため、超音波振動子２が高電圧に至る事態が回避される。特に単体の超音波送受信器１０を設置する場合や、複数個所にある複数の超音波送受信器１０を配管に取り付けたままとして１台の変換器に代わるがわる接続して測定する場合などでも変換器へ超音波送受信器１０から高電圧が変換器に入力されることがなくなり、変換器内に内蔵される変換素子を破壊するという事態の発生も回避される。

続いて、本発明の他の形態について、図を参照しつつ説明する。図３は他の形態の超音波送受信器の断面構造図である。図４は放電系回路の回路図であり、図４（ａ）は端子（コネクタ）接続前の回路図、図４（ｂ）は端子（コネクタ）接続後の回路図である。
図３で示すような本形態の超音波送受信器１０’は、楔１、超音波振動子２、スリーブ３、バッキング材４、リード線５、コネクタ部６、電気抵抗７、スイッチ８を備えている。本形態の超音波送受信器１０’は、先の図１，図２を用いて説明した超音波送受信器１０と比較すると、スイッチ８を備える点のみが相違している。以下、相違点となるスイッチ８に関する事項を重点的に説明するとともに、他の構成は同じ符号を付すとともに同じ構成であるとして重複する説明を省略する。

スイッチ８は、コネクタ部６のプラス側端子６ａ（つまり超音波振動子２のプラス側端子２ａ）と、数Ωから数百ｋΩの範囲であってマイナス側端子６ｂに接続された電気抵抗７と、の間に電気的に接続されて断続を行う。なお、接続はコネクタ部６のマイナス側端子６ｂ（つまり超音波振動子２のマイナス側端子２ｂ）と、プラス側端子６ａに接続された電気抵抗７と、の間に電気的に接続するようにしても良い。

このスイッチ８は検出子８ａを備えている。検出子８ａは、コネクタ部６の内部まで突出しており、コネクタ部６内に変換器側の相手側コネクタ部が差し込まれたとき、検出子８ａがスイッチ側（図３では下側）に押し込まれて、変換器側の相手側コネクタ部が差し込まれたことを検出する。このコネクタ部６にはプラス側端子６ａ、マイナス側端子６ｂ、電気抵抗７およびスイッチ８が接続された状態で一体に形成されており、省スペース化、力からの保護、機械的精度の確保、および組立て時の手間の低減などを実現している。

この検出子８ａの位置によりスイッチ８は断続されるものであり、変換器側の相手側コネクタ部が差し込まれていない場合はスイッチ８がオンとなって超音波振動子２のプラス側接続部２ａと、マイナス側接続部２ｂとが、電気抵抗７を介して接続されて前記超音波振動子２の発生電圧を放電する。また、変換器側の相手側コネクタ部が差し込まれた場合にスイッチ８がオフとなってプラス側接続部２ａとマイナス側接続部２ｂとの間が遮断される。

このような本形態の超音波送受信器１０’は、変換器側の相手側コネクタ部を接続しない状態にあっては、図４（ａ）の等価回路で示すように、スイッチ８により電気抵抗７が超音波振動子２に接続された状態であって、超音波送受信器１０’に力が加ったり、超音波送受信器に時間経過につれて温度差が生じたりして、温度変化量や力に応じて電圧が発生したとしても、超音波振動子２のプラス側接続部２ａと、マイナス側接続部２ｂと、に電気的に接続される電気抵抗７により発生電圧が消費放電されるため、超音波振動子２が高電圧に至る事態が回避される。特に単体の超音波送受信器１０’を設置する場合や、複数個所にある複数の超音波送受信器１０’を配管に取り付けたままとして１台の変換器に代わるがわる接続して測定する場合などでも変換器へ超音波送受信器１０’から高電圧が変換器に入力されることがなくなり、変換器内に内蔵される変換素子を破壊するという事態の発生も回避される。

また、変換器側のコネクタを接続した状態にあっては、図４（ｂ）の等価回路で示すように、スイッチ８により電気抵抗７が超音波振動子に接続されていない状態となっているが、超音波振動子２からのリード線５のプラス側とマイナス側がオープンとなり、変換器からの送信電圧の全てを超音波振動子２に印加することができる。なお、動作中において超音波送受信器１０’に力が加ったり、超音波送受信器に時間経過につれて温度差が生じたりして、温度変化量や力に応じて電圧が発生したとしても低電圧であって瞬時に放電されるため、発生電圧が蓄積されるような事態は生じず、超音波振動子２が高電圧に至る事態が回避される。そして、高電圧が変換器に入力され、変換器内に内蔵される変換素子を破壊するという事態の発生が回避される。

本発明を実施するための最良の形態の超音波送受信器の断面構造図である。 放電系回路の回路図である。 他の形態の超音波送受信器の断面構造図である。 放電系回路の回路図であり、図４（ａ）は端子（コネクタ）接続前の回路図、図４（ｂ）は端子（コネクタ）接続後の回路図である。 従来技術の超音波送受信器を説明する説明図である。

符号の説明

１０，１０’：超音波送受信器
１：楔
２：超音波振動子
２ａ：プラス側接続部
２ｂ：マイナス側接続部
３：スリーブ
４：バッキング材
５：リード線
６：コネクタ部
６ａ：プラス側端子
６ｂ：マイナス側端子
７：電気抵抗
８：スイッチ
８ａ：検出子

Claims (7)

1. 超音波の送受信を行う超音波送受信器であって、
   プラス側接続部とマイナス側接続部とを有する超音波振動子と、
   放電用の電気抵抗と、
   を備え、
   プラス側接続部とマイナス側接続部との間に電気抵抗が接続され、超音波振動子の発生電圧を放電することを特徴とする超音波送受信器。
2. 請求項１に記載の超音波送受信器において、
   前記超音波振動子が取付けられる楔と、
   前記超音波振動子を囲むように楔に接着固定されたスリーブと、
   スリーブに充填されたバッキング材と、
   プラス側端子とマイナス側端子とを有し、プラス側端子が前記超音波振動子のプラス側接続部に、また、マイナス側端子が前記超音波振動子のマイナス側接続部に、それぞれ接続されるコネクタ部と、
   を備えることを特徴とする超音波送受信器。
3. 請求項２に記載の超音波送受信器において、
   前記電気抵抗は、前記コネクタのプラス側端子とマイナス側端子とに接続されるとともに前記コネクタに内蔵されて一体に形成されることを特徴とする超音波送受信器。
4. 超音波の送受信を行う超音波送受信器であって、
   プラス側接続部とマイナス側接続部とを有する超音波振動子と、
   放電用の電気抵抗と、
   プラス側接続部と電気抵抗との間、または、マイナス側接続部と電気抵抗との間に電気的に接続されて断続を行うスイッチと、
   を備え、
   変換器と接続しない場合はスイッチがオンとなって前記超音波振動子の発生電圧を放電し、また、変換器と接続する場合にスイッチがオフとなってプラス側接続部とマイナス側接続部との間が遮断されることを特徴とする超音波送受信器。
5. 請求項４に記載の超音波送受信器において、
   前記超音波振動子が取付けられる楔と、
   前記超音波振動子を囲むように楔に接着固定されたスリーブと、
   スリーブに充填されたバッキング材と、
   プラス側端子とマイナス側端子とを有し、プラス側端子が前記超音波振動子のプラス側接続部に、また、マイナス側端子が前記超音波振動子のマイナス側接続部に、それぞれ接続されるコネクタ部と、
   を備えることを特徴とする超音波送受信器。
6. 請求項５に記載の超音波送受信器において、
   前記スイッチは、コネクタ部における相手側コネクタ部の挿抜に応じて断続されるようになされたスイッチであり、
   相手側コネクタ部の非結合時にスイッチがオンとなり、また、相手側コネクタ部の結合時にスイッチがオフとなることを特徴とする超音波送受信器。
7. 請求項６に記載の超音波送受信器において、
   前記電気抵抗および前記スイッチは、前記コネクタのプラス側端子またはマイナス側端子に接続されるとともに前記コネクタに内蔵されて一体に形成されることを特徴とする超音波送受信器。

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