JP2007132515A

JP2007132515A - トランスデューサを保持するためのデバイス及び装置

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Publication number: JP2007132515A
Application number: JP2006297784A
Authority: JP
Inventors: John A Umina; ジョン・エイ・ウミナ
Original assignee: GE Security Inc
Current assignee: Carrier Fire and Security Americas Corp
Priority date: 2005-11-07
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2007-05-31
Also published as: EP1783465A1; US7247979B2; US20070103035A1; EP1783465B1; ATE541189T1

Abstract

【課題】トランスデューサ用の保持器を提供する。
【解決手段】保持器は取付け部（１０５）と連結器（１１５）と締め付け部（１１０）とを含む。取付け部は、その中に円錐形座面（１３５）が設けられた貫通孔（１２７）を持ち、該貫通孔の少なくとも一部分がトランスデューサ（１２０）を受け入れる。連結器はトランスデューサに固定されていて、円錐形座面上に着座する第１の接合面（１４０）及び該第１の接合面とは反対側に配置された第２の接合面（１４５）を持つ。締め付け部は貫通孔（１３０）及び締め付け面（１５０）を持ち、該貫通孔の少なくとも一部分がトランスデューサを受け入れ、また該締め付け面が連結器の第２の接合面（１４５）を押圧する。締め付け部（１１０）及び取付け部（１０５）はそれらの間に連結器（１１５）をしっかりと捕捉して、トランスデューサを取付け部に対して確実に位置決めする。
【選択図】図２

Description

本発明は一般的にはトランスデューサに関し、具体的にはトランスデューサ保持器に関するものである。

測定システムに用いられる超音波トランスデューサは、導管内を流れる媒体を通して超音波信号を伝播させるために、ハウジング又は楔形部材に固定された、或いは導管に直接固定された取付け組立体内に取り付けられた電気作動式信号源、典型的には圧電結晶を用いている。媒体がガス状媒体のように低密度である用途では、或いは導管の寸法又は媒体を通る信号路の長さが漏話を考慮すべきほどである用途では、媒体を介して受け取ることのできるエネルギの量は比較的少ない。その上、ガスを通って伝播する信号の速度は導管の固い構造を通しての伝播速度とは異なっていて、一般的にはそれより遅いので、受信信号を、リンギングから、又は導管壁を通って直接伝播した他のエネルギから、信頼性良く区別できる適当なタイミング窓を見つけることは、困難であることがある。

信号強度の問題は、或る程度は、適切なインピーダンス整合と結晶を媒体へ結合するための面積の大きい隔膜の使用とによって対処することができる。しかしながら、正確なトランスデューサの位置合わせが信号強度の受信において重要な因子であることに変わりなく、堅固に固定されたトランスデューサが位置合わせ不良である場合は厄介である。

湿式超音波流量測定法において扱うべき最もコストのかかる最大の問題の１つは、トランスデューサの位置合わせの問題である。この問題は、典型的には、任意の湿式流量計の製造プロセス中に生じる。或いは、この問題は、パイプ上の（しばしば離間していてパイプの対向した側にある）取付け孔の位置合わせ、保持機構内の各部品についての許容公差、トランスデューサにおける許容公差、及びパイプ内圧を保持するために使用されるガスケットのつぶれに根差していることがある。このような位置合わせ問題が生じたとき、その影響は多種多様であり、例えば、ターンダウン比、信号強度、ジッタ及び信号形状のようなものに影響を及ぼす。これらの影響は、最終的には流量測定の不正確さとして現れることがあり、また是正するのに数時間もの作業を必要とすることがある。しかしながら、場合によっては、是正するのが不可能であるような程度の位置合わせ不良であると決定されることがある。トランスデューサの位置合わせ不良に対処しようとして考えられた幾つかの解決策には、関連する全ての部品を高精度で機械加工すること、大量の位置合わせ不良のフロー・セル及び他の重要な構成部品を拒絶するために品質管理ツールを使用すること、及び冗長な組み立て検査が含まれ、これらの全ては具現化するのにコストがかかる。

従って、トランスデューサの位置合わせ不良に関連した問題に対処する超音波トランスデューサ保持器が当該技術分野で要望されている。

本発明の一実施形態は、取付け部と連結器と締め付け部とを持つ、トランスデューサ用の保持器を含む。取付け部は、その中に円錐形座面が設けられた貫通孔を持ち、該貫通孔の少なくとも一部分がトランスデューサを受け入れるように構成されている。連結器(coupler) はトランスデューサに固定されていて、円錐形座面上に着座するように構成されている第１の接合面(interface surface) 及び該第１の接合面とは反対側に配置された第２の接合面を持つ。締め付け部は貫通孔及び締め付け面を持ち、該貫通孔の少なくとも一部分がトランスデューサを受け入れるように構成されており、また締め付け面が連結器の第２の接合面を押圧するように構成されている。締め付け部及び取付け部はそれらの間に連結器をしっかりと捕捉して、これによってトランスデューサを取付け部に対して確実に位置決めするように構成されている。

本発明の別の実施形態は、トランスデューサ保持器の取付け部と締め付け部との間に固定されるように構成された、トランスデューサ用の連結器を含む。取付け部は、その中に円錐形座面が設けられた第１の貫通孔を持ち、この第１の貫通孔の少なくとも一部分はトランスデューサを受け入れるように構成されいる。締め付け部は第２の貫通孔及び締め付け面を持ち、この第２の貫通孔の少なくとも一部分はトランスデューサを受け入れるように構成されている。連結器は、中心軸を持っていると共に、第１の接合面と、第２の接合面と、第３の貫通孔とを含む。第１の接合面は中心軸の周りに設けられていて、円錐形座面上に着座するように構成されている。第２の接合面は中心軸の周りに設けられていて、第１の接合面とは反対側に配置されている。第３の貫通孔は中心軸に沿って配置されていて、トランスデューサをぴったり受け入れるように構成されている。締め付け部の締め付け面が連結器の第２の接合面を押圧していることに応動して、連結器の第１の接合面は取付け部の円錐形座面に押し付けられ、これにより連結器をしっかりと捕捉し且つトランスデューサを取付け部に対して確実に位置決めする。

以下に、同様な要素には同じ番号を付した添付の模範的な図面を参照して説明する。

本発明の一実施形態では、トランスデューサ用の保持器を提供する。保持器は３つの主要部品、すなわち、取付け部と、締め付け部と、取付け部及び締め付け部の間に配置された連結器とを含む。取付け部は、測定すべき流れを含むパイプの一部であってよく、或いはパイプとは別個の部品であってもよい。取付け部は、その中に円錐形座面が設けられた貫通孔を持ち、該円錐形座面上に連結器が着座する。連結器は、トランスデューサをぴったり受け入れる貫通孔を持つ。本書で用いるとき、用語「ぴったり受け入れる」とは、組み立てられた状態ではトランスデューサが連結器に対して容易に取り外されないような、連結器とトランスデューサとの間の「とまり嵌め(snug fit)」を表すことを意図したものである。組み立てられて締め付けられた状態では（これは後でより詳しく説明する）、模範的な実施形態の連結器は、連結器とトランスデューサとの間に気密シールを構成するための圧縮ナットとして作用することができる。締め付け部は、トランスデューサに接近するための貫通孔と、連結器を押圧するように構成されている締め付け面とを持ち、連結器はそこで取付け部の円錐形座面に押し付けられる。締め付け部は、取付け部にしっかりと固定されるように構成されている。一実施形態では、締め付け部及び取付け部はそれらの間に連結器を旋回自在に捕捉して、締め付け部を取付け部に組み込んだ後に連結器及びトランスデューサを強制的に旋回させることができるようになっており、これにより、トランスデューサを取付け部に対して確実に位置決めするための圧力境界を提供しながら、トランスデューサの照準を調節可能にすることができる。

ここで図１について説明すると、模範的な実施形態のトランスデューサ保持器１００を断面図で示しており、該保持器は取付け部１０５と締め付け部１１０と連結器１１５とを持つ。取付け部１０５は測定すべき流体の流れを含むパイプの一部であってよく、又は、例えばボルトや溶接のような既知の手段によって、流れを含むパイプに取り付けられた別個の取付け板であってよい。図示のように、連結器１１５はトランスデューサ１２０にしっかりと固定され、これは摩擦嵌め、プレス嵌め、溶接、接着、或いは本書で開示する目的に適した任意の他の手段によって達成することができる。代替実施形態では、連結器１１５は、組み立てプロセスの後の時点でトランスデューサ１２０に取り付けるよりはむしろ、トランスデューサ１２０の本体の一部として機械加工により形成することができる。図示の軸１２５は、本書では、トランスデューサ１２０の軸が取付け部１０５の貫通孔の軸と一致した向きに配置されることに応じて、「中心軸」と呼ぶ（これは、図２の組立体の分解図を参照すれば最も良くわかる）。

図２に示されているように、取付け部１０５は貫通孔１２７を含み、また締め付け部１１０は貫通孔１３０を含む。各々の貫通孔１２７，１３０の少なくとも一部分は、トランスデューサ１２０を受け入れるように構成されている。取付け部１０５の貫通孔１２７の中には円錐形座面１３５が配置され（図３の分解図を参照すれば最も良くわかる）、円錐形座面１３５は連結器１１５を受け入れるように構成されている。連結器１１５は、円錐形座面１３５上に着座するように構成されている第１の接合面１４０と、第１の接合面１４０とは反対側に連結器１１５上に配置されている第２の接合面１４５とを含む。締め付け部１１０は、トランスデューサ保持器１００が図１に示されているように組み立て済みの状態にあるとき、連結器１１５の第２の接合面１４５を押圧するように構成されている締め付け面１５０を含む。組み立て済みの状態では、締め付け部１１０及び取付け部１０５は、それらの間に連結器１１５をしっかりと捕捉して、取付け部１０５に対して確実にトランスデューサ１２０を位置決めするように構成されている。

一実施形態では、取付け部１０５の円錐形座面１３５は、図３に角度Ａで示しているように、５９度以上で且つ６０度以下である内包角を持つ。

一実施形態では、図２に示されているように、連結器１１５の第１の接合面１４０を球形状にすることができ、又は連結器１１５の第２の接合面１４５を球形状にすることができ、或いは両方の接合面を球形状にすることができる。第２の接合面１４５が球形状である実施形態では、締め付け部１１０の締め付け面１５０は円錐形状又は球形状に構成される。

別の実施形態では、連結器１１５の球形状の第１及び第２の接合面１４０及び１４５が同じ回転軸１５５を持つように構成され、また前に述べたように、締め付け部１１０及び取付け部１０５は、それらの間に円錐形座面１３５及び締め付け面１５０を介して連結器１１５を旋回自在に捕捉するように構成されている。結果として、連結器１１５及びトランスデューサ１２０は、締め付け部１１０を取付け部１０５に組み込んだ後に回転軸１５５を中心にして強制的に旋回させることができ、これによりトランスデューサ１２０を取付け部１０５に対して確実に位置決めするために第１及び第２の接合面１４０，１４５において圧力境界を提供しながら、トランスデューサ１２０の照準を調節可能にすることができる。トランスデューサ１２０を最終的に位置決めした時に、締め付け部１１０を取付け部１０５に対して更に固く締めて、トランスデューサ１２０を取付け部１０５に対して確実に位置決めすることができる。

一実施形態では、取付け部１０５の貫通孔１２７が雌ネジ１６０を含み、また締め付け部１１０の外面１６５が雄ネジ１７０を含み、これにより締め付け部１１０は取付け部１０５とネジ係合することができる。しかしながら、締め付け部１１０を取付け部１０５に組み込む代替手段を用いることもでき、また本書でも検討する。例えば、ネジ１６０及び１７０がない場合、外面１６５は貫通孔１２７に滑り嵌めする大きさに定めることができ、また締め付け部１１０の肩部１７５は延長して、取付け部１０５上のネジ山付き機構（例えば、ネジ孔）に取り付けるように構成されている貫通孔及び取付け具（例えば、小ネジ）を設けることができる。締め付け部１１０を取付け部１０５に組み込むこの代替手段は詳しく例示していないが、それは当該分野にて周知の手段を表していて、更なる例示は必要でないと考えられる。

図２に示されているように、また更に図４に例示されているように、一実施形態では、取付け部１０５の貫通孔１２７及び締め付け部１１０の貫通孔１３０がトランスデューサ１２０の外径よりも大きい内径を持つように構成することができ、これにより、連結器１１５及びトランスデューサ１２０を回転軸１５５を中心にして強制的に旋回させて、図４の角度Ｂで示すように、軸１８０を持つトランスデューサ１２０を貫通孔１２７の中心軸１２５に対して０度〜約３度まで傾斜させるようにすることができる。

一実施形態では、貫通孔１２７、貫通孔１３０及びトランスデューサ１２０の直径は、トランスデューサ１２０のターゲットがトランスデューサ１２０から約１０インチの距離において軸１８０から約±０．２５インチ変位することができるような傾斜角Ｂを生じるように構成される。

次に図５について説明すると、保持器１００の代替実施形態を示している。この場合、（連結器１１５と同様な）連結器１９５が円錐形状の（第１の接合面１４０と同様な）第１の接合面２００を持つと共に、平坦で且つトランスデューサ１２０の軸１８０に対して垂直に配向された（第２の接合面１４５と同様な）第２の接合面２０５を持つ。また、（締め付け部１１０と同様な）締め付け部２１０が平坦で且つ第２の接合面２０５の平面に平行に配向された（締め付け面１５０と同様な）締め付け面２１５を持ち、この結果、雄ネジ２２０と雌ネジ２３０により締め付け部２１０を取付け部２２５とネジ係合させたときに締め付け面２１５と第２の接合面２０５との間に（図５の図面に対して）下向きの力がかかる。連結器１９５及びトランスデューサ１２０が下向きに駆動されたとき、円錐形状の第１の接合面２００が取付け部２２５の円錐形座面１３５（これは図３に示した円錐形座面１３５と同じである）に対して押し付けられる。一実施形態では、円錐形状の第１の接合面２００の内包角Ｃは６１度以上で且つ６５度以下である。円錐形状の第１の接合面２００の模範的な内包角Ｃと円錐形座面１３５の模範的な内包角Ａとを比較することによって、連結器１９５が座面１３５に抗して下向きに駆動されるとき、両者の間に楔作用及び封止作用が生じることが理解されよう。

代替実施形態では、角度Ａ及び角度Ｃについて他の内包角を用いることができる。しかしながら、ガスケットなしに楔作用及び封止作用が得られようにするために、連結器１９５の円錐形状の第１の接合面２００の内包角Ｃが取付け部２２５の円錐形座面１３５の内包角Ａよりも大きい値を持つことが望ましい。

別の実施形態では、図５をまた参照して説明すると、取付け部２２５の貫通孔２３５は、連結器１９５のキー突起２４５を受けるように構成されたキー溝２４０を含むことができ、これによって、締め付け部２１０をネジ２２０及び２３０により取付け部２２５の中に回転させて組み込むときに連結器１９５及びトランスデューサ１２０が回転するのを防止する。

以上開示したように、本発明の或る実施形態では、以下の利点の幾分かを持つことができる。その利点は、湿式トランスデューサに用いる用途での取付け部と連結器との間及び連結器とトランスデューサとの間のガスケットなしの封止；トランスデューサ上に連結器を正確に位置決めすることのできる能力による保持器組立体内のトランスデューサの信頼性のある挿入深さ；位置合わせ不良のトランスデューサを持つことによる厄介な問題を軽減するために、保持器内に装着する際及び装着した後にトランスデューサの照準を定める能力；フロー・セル自体のコストを低減するために、位置合わせについての要件を緩やかにしてフロー・セルを構成する能力；位置合わせ能力を改善するように既存のトランスデューサに遡及的に適用する能力；ビーム・ドリフト補償を行えるようにトランスデューサを意図的に位置合わせをずらす能力；圧力境界を提供しながらトランスデューサの照準を調節可能にすることのできる、位置精度が高く、トランスデューサの位置決めが繰返し可能であり、且つコストの低い湿式トランスデューサ保持器の提供；及び繰返し可能な位置精度を±０．００１インチ以内又はそれより良好にすること、である。

本発明を様々な模範的な実施形態について説明したが、当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を為すことができ、且つ構成要素をその等価物と置換することができることが理解されよう。その上、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明のの教示に適合させるように多数の修正をなすことができる。従って、本発明は、発明を実施するための最良の又は唯一の形態として開示した特定の実施形態に制限されず、本発明は特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を含むものである。また、図面及び明細書には本発明の模範的な実施形態を開示し、また特定の用語を用いたが、特定していない場合は、それらは一般的な記述的な意味で使用されて、制限する目的で使用されているものではなく、従って本発明の範囲はその様に制限されない。更に、第１、第２などの用語は順序や順位を表したものではなく、むしろ第１、第２などの用語は１つの要素を別の要素から区別するために用いているものである。また更に、用語「一」で表したり数量を明記していない項目は、数量を限定したものではなく、引用した項目が少なくとも１つ存在することを表すものである。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

本発明の一実施形態による模範的なトランスデューサ保持器の断面図である。図１のトランスデューサ保持器の組立体を分解して示す断面図である。本発明の一実施形態による取付け部の一領域を拡大して示す断面図である。本発明の一実施形態による、トランスデューサが別の姿勢にある場合の図１のトランスデューサ保持器を示す断面図である。図１のものとは別のトランスデューサ保持器を示す断面図である。

符号の説明

１００トランスデューサ保持器
１０５取付け部
１１０締め付け部
１１５連結器
１２０トランスデューサ
１２５軸
１２７貫通孔
１３０貫通孔
１３５円錐形座面
１４０第１の接合面
１４５第２の接合面
１５０締め付け面
１５５回転軸
１６０雌ネジ
１６５外面
１７０雄ネジ
１７５肩部
１８０軸
１９５連結器
２００第１の接合面
２０５第２の接合面
２１０締め付け部
２１５締め付け面
２２０雄ネジ
２２５取付け部
２３０雌ネジ
２３５孔
２４０キー溝
２４５キー突起

Claims

その中に円錐形座面（１３５）が設けられた貫通孔（１２７）を持つ取付け部（１０５）であって、該貫通孔（１２７）の少なくとも一部分がトランスデューサ（１２０）を受け入れるように構成されている、当該取付け部（１０５）と、
トランスデューサ（１２０）に固定された連結器（１１５）であって、前記円錐形座面（１３５）上に着座するように構成されている第１の接合面（１４０）、及び該第１の接合面（１４０）とは反対側に配置された第２の接合面（１４５）を持つ当該連結器（１１５）と、
貫通孔（１３０）及び締め付け面（１５０）を持つ締め付け部（１１０）であって、該貫通孔（１３０）の少なくとも一部分がトランスデューサ（１２０）を受け入れるように構成されており、また前記締め付け面（１５０）が前記連結器（１１５）の前記第２の接合面（１４５）を押圧するように構成されている、当該締め付け部（１１０）と、を有し、
前記締め付け部（１１０）及び前記取付け部（１０５）がそれらの間に前記連結器（１１５）をしっかりと捕捉して、これによってトランスデューサ（１２０）を前記取付け部（１０５）に対して確実に位置決めすること、
を特徴とする、トランスデューサ（１２０）用の保持器。
前記連結器（１１５）の前記第１の接合面（１４０）の形状が円錐形であり、前記取付け部（１０５）の前記円錐形座面（１３５）の内包角が第１の値を持ち、また前記連結器（１１５）の前記円錐形状の第１の接合面（１４０）の内包角が前記第１の値よりも大きい第２の値を持っている、請求項１記載の保持器。
前記連結器（１１５）の前記第１の接合面（１４０）の形状が円錐形であり、前記取付け部（１０５）の前記円錐形座面（１３５）の内包角が５９度以上で且つ６０度以下であり、また前記連結器（１１５）の前記円錐形状の第１の接合面（１４０）の内包角が６１度以上で且つ６５度以下である、請求項１記載の保持器。
前記連結器（１１５）の前記第１の接合面（１４０）及び前記第２の接合面（１４５）の形状が円錐形である、請求項１記載の保持器。
前記締め付け部（１１０）の前記締め付け面（１５０）の形状が円錐形であり、前記連結器（１１５）の前記第１及び第２の面（１４０、１４５）が同じ回転軸（１５５）を持ち、また前記締め付け部（１１０）及び前記取付け部（１０５）はそれらの間に前記連結器（１１５）を旋回自在に捕捉して、前記締め付け部（１１０）を前記取付け部（１０５）に組み込んだ後に前記回転軸（１５５）を中心にして前記連結器（１１５）及びトランスデューサ（１２０）を強制的に旋回させることができるように構成されており、これにより、トランスデューサ（１２０）を前記取付け部（１０５）に対して確実に位置決めするための圧力境界を提供しながら、トランスデューサ（１２０）の照準を調節可能にすることができる、請求項４記載の保持器。
前記取付け部（１０５）の前記貫通孔（１２７）及び前記締め付け部（１１０）の前記貫通孔（１３０）は、前記トランスデューサ（１２０）を中心軸（１２５）に対して０度〜約３度傾斜させるために前記回転軸（１５５）を中心にして前記連結器（１１５）及びトランスデューサ（１２０）を強制的に旋回することができるように、寸法が前記トランスデューサ（１２０）に対して定められている、請求項５記載の保持器。
前記取付け部（１０５）の前記貫通孔（１２７）が雌ネジ（１６０）を有し、また前記締め付け部（１１０）の外面（１６５）が雄ネジ（１７０）を有し、これにより前記締め付け部（１１０）が前記取付け部（１０５）とネジ係合することができる、請求項１記載の保持器。
前記連結器（１９５）が第１のキー構造（２４５）を有すると共に前記取付け部（２２５）が第２のキー構造（２４０）を有していて、前記第１のキー構造（２４５）が前記第２のキー構造（２４０）と係合することにより前記取付け部（２２５）に対する前記連結器（１９５）及びトランスデューサ（１２０）の回転変位を防止するようになっている、請求項１記載の保持器。
トランスデューサ保持器の取付け部（１０５）及び締め付け部（１１０）の間に固定されるように構成された、トランスデューサ（１２０）用の連結器（１１５）であって、前記取付け部（１０５）は、その中に円錐形座面（１３５）が設けられた第１の貫通孔（１２７）を持ち、前記第１の貫通孔（１２７）の少なくとも一部分はトランスデューサ（１２０）を受け入れるように構成されており、前記締め付け部（１１０）は第２の貫通孔（１３０）及び締め付け面（１５０）を持ち、前記第２の貫通孔（１３０）の少なくとも一部分はトランスデューサ（１２０）を受け入れるように構成されている、トランスデューサ（１２０）用の連結器（１１５）において、
当該連結器（１１５）が、中心軸（１８０）を持っていると共に、
前記中心軸（１８０）の周りに設けられていて、前記円錐形座面（１３５）上に着座するように構成されている第１の接合面（１４０）と、
前記中心軸（１８０）の周りに設けられていて、前記第１の接合面（１４０）とは反対側に配置されている第２の接合面（１４５）と、
前記中心軸（１８０）に沿って配置されていて、前記トランスデューサ（１２０）をぴったり受け入れるように構成されている第３の貫通孔と、を有し、
前記締め付け部（１１０）の前記締め付け面（１５０）が前記連結器（１１５）の前記第２の接合面（１４５）を押圧していることに応動して、前記連結器（１１５）の前記第１の接合面（１４０）が前記取付け部（１０５）の前記円錐形座面（１３５）に押し付けられ、これにより前記連結器（１１５）がしっかりと捕捉され且つ前記トランスデューサ（１２０）が前記取付け部（１０５）に対して確実に位置決めされること、
を特徴とする、トランスデューサ（１２０）用の連結器（１１５）。
前記連結器（１１５）の前記第１及び第２の接合面（１４５）は形状が球形であって、同じ回転軸（１５５）を持ち、これにより、前記締め付け部（１１０）及び前記取付け部（１０５）がそれらの間に前記連結器（１１５）を旋回自在に捕捉して、前記締め付け部（１１０）を前記取付け部（１０５）に組み込んだ後に前記回転軸（１５５）を中心にして前記連結器（１１５）及びトランスデューサ（１２０）を強制的に旋回させることができるようにすることができ、もって、トランスデューサ（１２０）を前記取付け部（１０５）に対して確実に位置決めするための圧力境界を提供しながら、トランスデューサ（１２０）の照準を調節可能にすることができる、請求項９記載の連結器。