JP2007194895A - 超音波振動子およびそれを用いた流体の流れ計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】有天筒状のケースと端子板を電気溶接により接合する場合に発生する溶接塵による圧電体と端子板との短絡を防止して、信頼性の向上を図った。
【解決手段】導電性の有天状のケース１の頂壁内面に圧電体２の上部電極３を、頂壁外面に音響整合層４をそれぞれ固定するとともに、前記ケース１の下方開口部には導電性の端子板６を溶接固定し、前記ケース１内に臨む圧電体２の下部電極７と対向する端子板６の上面を電気絶縁部材１１で覆ったものである。したがって、ケース１と端子板６の溶接時に溶接塵が発生しても、この電気絶縁部材１１の作用で圧電体２の下部電極７と端子板６との短絡を阻止できることとなる。
【選択図】図1

Description

本発明は超音波振動子、およびそれを用いて流体の流速や流量を測定するようにした流体の流れ計測装置に関するものである。

従来の超音波振動子は、図５に示すように、キャップ状の導電性ケース５１の頂壁内面に圧電体５２の上部電極５３を、頂壁外面に音響整合層５４をそれぞれ接着し、またその下方開口縁に形成したフランジ５５に導電性の端子板５６を電気溶接などの手段で溶接してこのケース５１を密閉していた。ケース５１の内部には窒素ガスなどの不活性ガスが適宜封入される。

ケース５１内に臨む圧電体５２の下部電極５７には導電性ゴムなどの接触子５８が導通されており、さらに端子板５６を貫通した端子５９がこの接触子５８に接続されている。勿論、接触子５８および端子５９は電気絶縁材を介して端子板５６と絶縁されている。端子板５６にはもう一方の端子６０が直接取付けてある。

つまり、圧電体５２の上部電極５３はケース５１を介して一方の端子６０に、下部電極５７は接触子５８を介して他方の端子５９にそれぞれ接続される（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−５０７８５号公報

このように、ケース５１の下方フランジ５５に導電性の端子板５６を電気溶接などの手段で溶接するものであるから、これらフランジ５５と端子板５６との接合状態によっては両者間に放電が発生し、結果として、糸状の溶接塵がケース５１の密閉空間に飛散することがあった。

前記溶接塵は圧電体５２の下部電極５７、ケース５１の内面、接触子５８の外面、および端子板５６の上面などに付着し、時として、圧電体５２の下部電極５７と端子板５６との短絡を生起し、圧電体５２が機能しなくなる課題があった。

本発明はこのような従来の課題を解消したものであり、圧電体の機能を常に良好に発揮させることを目的とする。

本発明は前記目的を達成するため、導電性の有天状ケースと、このケースの頂壁内面に上部電極側を固定した圧電体と、前記頂壁外面に固定した音響整合層と、前記ケースの下方開口部に溶接固定された導電性の端子板とを具備し、前記ケース内に臨む圧電体の下部電極と対向する端子板の上面を電気絶縁部材で覆ったもので、ケースと端子板の溶接時に溶接塵が発生しても、この電気絶縁部材の作用で圧電体の下部電極と端子板との短絡を阻止できることとなる。

本発明によれば、ケースと端子板の溶接時に溶接塵が発生しても、この電気絶縁部材の作用で圧電体の下部電極と端子板との短絡を阻止することで圧電体の機能を常に良好に維持できるもので、これを流体の流れ計測装置に使用すれば、高精度計測を行なうことがで
きるものである。

第１の発明は、導電性の有天状ケースと、このケースの頂壁内面に上部電極側を固定した圧電体と、前記頂壁外面に固定した音響整合層と、前記ケースの下方開口部に溶接固定された導電性の端子板とを具備し、前記ケース内に臨む圧電体の下部電極と対向する端子板の上面を電気絶縁部材で覆ったものである。

第２の発明は、導電性の有天状ケースと、このケースの頂壁内面に上部電極側を固定した圧電体と、前記頂壁外面に固定した音響整合層と、前記ケースの下方開口部に溶接固定された導電性の端子板とを具備し、前記ケース内に臨む圧電体の下部電極と端子板との間に電気絶縁介在材を介在させた。

第３の発明は、導電性の有天状ケースと、このケースの頂壁内面に上部電極側を固定した圧電体と、前記頂壁外面に固定した音響整合層と、前記ケースの下方開口部に溶接固定された導電性の端子板とを具備し、前記ケース内に臨む圧電体の下部電極と対向する端子板の上面を電気絶縁部材で覆うとともに、さらに、この電気絶縁部材と下部電極との間に電気絶縁介在材を介在させた。

したがって、第１，２，３の発明によれば、ケースと端子板の溶接時に溶接塵が発生しても、この電気絶縁部材の作用で圧電体の下部電極と端子板との短絡を阻止できることとなる。

第４の発明は、前記第１，３の発明において、電気絶縁部材は音響的減衰特性の大きい材料で構成したもので、接触面積の広い横方向の振動モ−ド、すなわち、からなる不要振動を減衰させることができる。

第５の発明は、前記第４の発明において、電気絶縁部材をシリコンゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴムなどの樹脂で構成した。したがって、長期間にわたって柔軟性を確保して不要振動を減衰させることができ、また、劣化が遅く、脱ガスも少ないので、信頼性に優れた超音波振動子を提供することができる。

第６の発明は、前記第２または３の発明において、電気絶縁介在材を発泡材料で構成した。その結果、介在材を介して超音波振動が端子板の方向へ伝達されることがない。

第７の発明は、前記第１〜６の発明の超音波振動子を流体通路の上流側と下流側に対向設置し、これら超音波振動子間の超音波伝播時間にもとづいて前記流体通路を流れる流体の流れ状態を計測するようにした。

したがって、信頼性の高い、高性能な流速、流量などの流れ計測を実現できる。

以下、本発明実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１において、キャップ状の導電性ケース１の頂壁内面に圧電体２の上部電極３を、頂壁外面に音響整合層４をそれぞれ接着し、またその下方開口縁に形成したフランジ５に導電性の端子板６を電気溶接などの手段で溶接してこのケース１を密閉している。ケース１の内部には窒素ガスなどの不活性ガスが適宜封入される。

ケース１内に臨む圧電体２の下部電極７には導電性ゴムなどの接触子８が導通されており、さらに端子板６を貫通した端子９がこの接触子８に接続されている。勿論、接触子８および端子９は電気絶縁材を介して端子板６と絶縁されている。端子板６にはもう一方の端子１０が直接取付けてある。

すなわち、圧電体２の上部電極３はケース１を介して一方の端子１０に、下部電極７は接触子８を介して他方の端子９にそれぞれ接続されている。

そして、ケース１内に臨む圧電体２の下部電極７と対向する端子板６の上面には電気絶縁部材１１が覆設けてある。

以上の構成において、ケース１と端子板６とが溶接接合される際に、導電性の糸状溶接塵が発生して圧電体２の下部電極７と端子板６との間に入っても、端子板６の上面が電気絶縁部材１１で覆われているので、それら圧電体２と端子板６とが電気的に短絡することがなく、これにより、圧電体２の機能が良好に保たれることとなる。

電気絶縁部材１１の具体的材料としては、音響的減衰特性の大きい材料が適している。つまり、圧電体２で発生した超音波振動は、ケース１を介して端子板６に伝達され、この端子板６も超音波振動することになる。

端子板６は音響的減衰が少ない金属などで構成されるため、圧電体２で発生した超音波振動はいつまでも継続することになり、残響雑音として外部に取り出されることになる。このため、音響的減衰特性の大きい材料で電気絶縁部材１１を構成すると、伝達されてきた超音波振動がここで減衰、吸収されることになり、長く継続して振動することがなくなる。

したがって、残響雑音の少ない超音波振動子を実現することができるものである。音響的減衰特性の大きい材料としては、シリコンゴム、フッ素ゴム、二トリルゴムなどが特に優れている。これらの材料は、長期間にわたって柔軟性を保ち、超音波振動を良く吸収する。また、脱ガスも少ないので、信頼性に優れたものとすることができる。

（実施の形態２）
図２は、実施の形態２を示すもので、圧電体２の下部電極７と端子板６との間に電気絶縁介在材１２を設けたものである。

なお、図２において、図１と同一作用を行なう構成については同一符号を付し、具体的説明は実施の形態１のものを援用する。

この構成により、ケース１と端子板６とが溶接接合される際に、糸状の溶接塵が発生しても、圧電体２の下部電極７と端子板６との間に入ることがなくなり、両者間の電気的短絡を防止できる。

電気絶縁介在材１２として、電気絶縁性で、かつ、音を伝播させないものとしてスポンジ状の材料が適している。すなわち、電気絶縁介在物１２は、圧電体２と端子板６との間に軽く圧着される状態に設定される。

そして、圧電体２で発生した超音波振動は、音響整合層４を介して外部に放出されるとともに、電気絶縁介在材１２を介して端子板６へも伝達されることになる。

この場合、電気絶縁介在材１２を介して端子板６へも伝達される超音波振動は、本来の
音響整合層４を介しての超音波振動放出効率を低下することになる。

したがって、電気絶縁介在材１２が音を伝達しないスポンジ状の材料であれば、圧電体２で発生した超音波振動は圧電体２と電気絶縁介在材１２との界面で全反射することになり、端子板６に伝達されることがない。

その結果、全ての超音波振動が音響整合層４を介して外部に放出されるようになり、超音波振動の伝達効率を高めることができる。具体的材料としては、ウレタン、ポリイミド、スチレンなどの発泡樹脂からなる発泡材料が適している。

（実施の形態３）
図３は、実施の形態３を示すもので、端子板６の上面を電気絶縁部材１３で覆うとともに、この電気絶縁部材１３と圧電体２の下部電極７との間に電気絶縁介在材１４を介在させたものである。

なお、図３において、図１，２と同一作用を行なう構成については同一符号を付し、具体的説明は実施の形態１，２のものを援用する。

この構成により、ケース１と端子板６とが溶接接合される際に、糸状の溶接塵が発生し、圧電体２の下部電極７と端子板６との間の電気絶縁介在材１４にめり込んだとしても、端子板６の上面が電気絶縁部材１３で覆われているので、圧電体２と端子板６とが電気的に短絡することがなくなる。

また同様に、圧電体２で発生した超音波振動は電気絶縁介在材１４があるために端子板６へは伝搬せず、音響整合層４を介して効率的に超音波振動が放出される。さらに、超音波振動がケース１を介して端子板６に伝搬してきても、柔軟性のある電気絶縁介在材１４により効率よく減衰、吸収されるので、長く継続して振動することがなくなり、残響雑音の少ない超音波振動子を実現することができる。

（実施の形態４）
図４は、実施の形態１〜３のいずれかに記載した超音波振動子を搭載した流体の流れ計測装置を示すものである。

気体、液体などの流体が流動する流体通路１５の上流側と下流側とには超音波が斜めに伝播するように一対の超音波振動子１６，１７が対向して配置されている。そして、Ｌ１が上流側の超音波振動子１６から下流側の超音波振動子１７へ伝播する超音波の伝達経路を、Ｌ２は下流側に配置された超音波振動子１７から上流側の超音波振動子１６へ伝播する超音波の伝達経路をそれぞれ示している。

流体通路１５を流れる流体の流速をＶ、流体中の超音波の速度をＣ、流体の流れる方向と超音波の伝搬方向の角度をθとする。超音波振動子１６を超音波送波側、超音波振動子１７を超音波受波側とした場合に、超音波振動子１６から出た超音波が超音波振動子１７に到達する伝播時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （１）
で示される。

次に、前記とは逆に超音波振動子１７から出た超音波が超音波振動子１６に到達する伝播時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） （２）
で示される。

そして、（１）と（２）の式から流体の音速Ｃを消去すると、
Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２） （３）
の式が得られる。

Ｌとθが既知なら、計測回路１８にてｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。必要に応じて、この流速Ｖに流体通路１５の断面積Ｓと補正係数Ｋを乗じれば流量Ｑを求めることができる。演算手段１９は上記Ｑ＝ＫＳＶを演算するものである。

このように、実施の形態の超音波振動子１６，１７を用いることにより、溶接塵による信頼性の低下がなく、高い精度の流れ計測を実現することができる。

以上のように、本発明にかかる超音波振動子は、信頼性に優れているので、高性能な超音波流速・流量計を実現でき、長期信頼性を要求される家庭用ガスメ−タ、水道用メ−タなどの用途の適用できる。

本発明の実施の形態１における超音波振動子の断面図 本発明の実施の形態２における超音波振動子の断面図 本発明の実施の形態３における超音波振動子の断面図 本発明の実施の形態４における流体の流れ計測装置の断面図 従来の超音波送振動子の断面図

符号の説明

１ ケース
２ 圧電体
３ 上部電極
４ 音響整合層
６ 端子板
７ 下部電極
８ 端子接続部（接触子）
１１，１３ 電気絶縁部材
１２，１４ 電気絶縁介在材
１５ 流体通路
１６，１７ 超音波振動子

Claims (7)

1. 導電性の有天状ケースと、このケースの頂壁内面に上部電極側を固定した圧電体と、前記頂壁外面に固定した音響整合層と、前記ケースの下方開口部に溶接固定された導電性の端子板とを具備し、前記ケース内に臨む圧電体の下部電極と対向する端子板の上面は電気絶縁部材で覆った超音波振動子。
2. 導電性の有天状ケースと、このケースの頂壁内面に上部電極側を固定した圧電体と、前記頂壁外面に固定した音響整合層と、前記ケースの下方開口部に溶接固定された導電性の端子板とを具備し、前記ケース内に臨む圧電体の下部電極と端子板との間に電気絶縁介在材を介在させた超音波振動子。
3. 導電性の有天状ケースと、このケースの頂壁内面に上部電極側を固定した圧電体と、前記頂壁外面に固定した音響整合層と、前記ケースの下方開口部に溶接固定された導電性の端子板とを具備し、前記ケース内に臨む圧電体の下部電極と対向する端子板の上面を電気絶縁部材で覆うとともに、さらに、この電気絶縁部材と下部電極との間に電気絶縁介在材を介在させた超音波振動子。
4. 電気絶縁部材は音響的減衰特性の大きい材料で構成した請求項１または３記載の超音波振動子。
5. 電気絶縁部材をシリコンゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴムなどの樹脂で構成した請求項４記載の超音波振動子。
6. 電気絶縁介在材を発泡材料で構成した請求項２または３記載の超音波振動子。
7. 請求項１〜６いずれか１項記載の超音波振動子を流体通路の上流側と下流側に対向設置し、これら超音波振動子間の超音波伝播時間にもとづいて前記流体通路を流れる流体の流れ状態を計測するようにした流体の流れ計測装置。

Images