JP2007208381A - 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計測流路との短絡を防止して、信頼性の向上を図った。
【解決手段】計測流路１１に取付けられ、かつ導電性の有天状ケース１の頂壁内面に圧電体２の上部電極３側を固定するとともに、前記ケース１の下方開口部には導電性の端子板５を固定して超音波振動子を構成し、前記ケース１と計測流路１１との間には電気絶縁部材１３を介在させたものである。したがって、計測流路加工時に発生した導電性の加工バリなどの異物でケース１と計測流路１１とが短絡されることがなく、信頼性の高い超音波振動子が得られる。
【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６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を接着し、またその下方開口縁に形成したフランジ５４に導電性の端子板５５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５６には導電性ゴムなどの接触子５７が導通されており、さらに端子板５５を貫通した端子５８がこの接触子５７に接続されている。勿論、接触子５７および端子５８は電気絶縁材を介して端子板５５と絶縁されている。端子板５５にはもう一方の端子５９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５９に、下部電極５６は接触子５７を介して他方の端子５８にそれぞれ接続される。

そして、ケース５１の外周に覆設した防振部材６０を介して計測流路６１に装備してあった（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２７００１３号公報

しかしながら、前記従来の超音波送振動子ではケース５１の頂壁外周部、および側壁上端部が計測流路６１に露出していたため、この計測流路加工時に発生した導電性の加工バリなどの異物などがケース５１と計測流路６１との間に存在すると、外部より電圧サージを印加された場合に短絡し、計測回路を破壊することがあり、誤測定作動する課題があった。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、導電性の異物などによっても短絡することなく、超音波振動子としての性能を常に良好に維持することを目的とする。

本発明は前記目的を達成するため、計測流路に取付けられ、かつ導電性の有天状ケースの頂壁内面に圧電体の上部電極側を固定するとともに、前記ケースの下方開口部には導電性の端子板を固定したものであって、前記ケースと計測流路との間には電気絶縁部材を介在させたもので、計測流路加工時に発生した導電性の加工バリなどの異物でケースと計測流路とが短絡されることがない。

本発明によれば、計測流路加工時に発生した導電性の加工バリなどの異物によってケースと計測流路とが短絡されることがないため、外部より電圧サージを印加された場合にも短絡の発生がなくなり、信頼性に優れた超音波振動子を提供することができるものである。

第１の発明は、計測流路に取付けられ、かつ導電性の有天状ケースの頂壁内面に圧電体の上部電極側を固定するとともに、前記ケースの下方開口部には導電性の端子板を固定したものであって、前記ケースと計測流路との間には電気絶縁部材を介在させた。

第２の発明は、計測流路に取付けられ、かつ、導電性の有天状ケースの頂壁内面に圧電体の上部電極側を、頂壁外面に音響整合層をそれぞれ固定するとともに、前記ケースの下方開口部には導電性の端子板を取着したものであって、前記音響整合層を固定した部位を除く前記ケースと計測流路との間には電気絶縁部材を介在させた。

第３の発明は、電気絶縁性の防振部材を介して計測流路に取付けられ、かつ、導電性の有天状ケースの頂壁内面に圧電体の上部電極側を、頂壁外面に音響整合層をそれぞれ固定するとともに、前記ケースの下方開口部には導電性の端子板を取着したものであって、前記頂壁外面に電気絶縁性の接合部材を介して音響整合層を固定し、前記防振部材および接合部材によってケースの外面を覆った。

第４の発明は、電気絶縁性の防振部材を介して計測流路に取付けられ、かつ、導電性の有天状ケースの頂壁内面に圧電体の上部電極側を、頂壁外面に音響整合層をそれぞれ固定するとともに、前記ケースの下方開口部には導電性の端子板を取着したものであって、前記音響整合層、および防振部材によってケースの外面を覆った。

そして、前記第１〜４の発明によれば、外部より電圧サージを印加された場合に、計測流路加工時に発生する導電性の加工バリ、或いは導電性の異物などが存在していても、ケースと計測流路とが電気的に短絡し、計測回路を破壊することによって誤作動することがなくなり、信頼性に優れた超音波振動子を提供することができる。

電気絶縁部材、および防振部材は、第５，６の発明のように、音響的減衰特性の大きい材料で形成するのが望ましい。

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を接着し、またその下方開口縁に形成したフランジ４に導電性の端子板５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。

このケース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。

前記ケース１内に臨む圧電体２の下部電極６には導電性ゴムなどの接触子７が導通されており、さらに端子板５を貫通した端子８がこの接触子７に接続されている。勿論、接触子７および端子８は電気絶縁材を介して端子板５と絶縁されている。端子板５にはもう一方の端子９が直接取付けてある。

つまり、圧電体２の上部電極３はケース１を介して一方の端子９に、下部電極６は接触
子７を介して他方の端子８にそれぞれ接続される。

前記構成の超音波振動子は、ケース１の外周に覆設した防振部材１０を介して計測流路１１に防振的に装備してあり、固定具１２で固定される。前記防振部材１０はケース１の外周、およびそのフランジ４とこれに溶接された端子板５の外周をも覆う構成としてある。

そして、ケース１の外周面と外頂面にはキャップ状の電気絶縁部材１３が覆設してある。現実的にいえば、前記防振部材１０は電気絶縁部材１３の外周に装着されるものである。

以上の構成において、超音波振動子を計測流路１１に取付けた際、加工バリ、或いはビス止め部分などから発生する導電性異物などが存在していてもケース１と計測流路１１との間は電気絶縁部材１３が存在しているため、電気的短絡事故は生じず、これにより、計測回路が破壊して誤作動することがなくなり、信頼性に優れた超音波振動子を提供することができる。

なお、この種の電気絶縁部材１３を形成する材料として、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド、フェノール樹脂、メラミン樹脂、音響的減衰特性の大きいウレタン樹脂、エラストマー、絶縁発砲有機材料、シリコンゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴムなどのゴム材料などが適している。

また、電気絶縁部材１３は、特に音響的減衰特性の大きい材料で形成することによって防振部材とともに、不要振動を減衰する機能を付与することができる。すなわち、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２）
図２は、実施の形態２を示すもので、ケース１の外頂面に接着剤などの接合手段１４を介して音響整合層１５を配置したものであり、電気絶縁部材１３はケース１の音響整合層１５が存在しない部位を覆うようにしたものである。

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。

このように、ケース１の外面が音響整合層１５と電気絶縁部材１３で覆われる構成のため、実施の形態１と同様に、このケース１と計測流路１１との間で電気的短絡を発生することがない。

（実施の形態３）
図３は、実施の形態３を示すもので、接合手段１４をケース１の外周面上端まで延長して、ケース１の外周面に直接的に配置した電気絶縁性の防振部材１０と共に同ケース１を包囲するようにしたものである。

接合手段１４はエポキシ樹脂などの電気絶縁性熱硬化樹脂である接着剤を使用する。この電気絶縁性の接着剤は、通常加熱することによってケース１の外頂面、および外周壁部に広がり、浸透する。
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。

このように、ケース１の外面が音響整合層１５と電気絶縁性の接合手段１４、および防
振部材１０で覆われる構成のため、実施の形態１，２と同様に、ケース１と計測流路１１との間で電気的短絡を発生することがない。

（実施の形態４）
図４は、実施の形態４を示すもので、ケース１の外周面に配置した電気絶縁性の防振部材１０をその外頂面外周部まで延長して音響整合層１５の外周に接合したものである。

したがって、ケース１の外面が音響整合層１５とおよび防振部材１０で覆われる構成のため、実施の形態１，２，３と同様に、ケース１と計測流路１１との間で電気的短絡を発生することがない。

なお、図４において、図１，２，３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１，２，３のものを援用する。

防振部材１０を形成する材料としては、電気絶縁性であり、音響的減衰特性の大きい材料であれば限定されるものではなく、例えば、ウレタン樹脂、エラストマー、絶縁発砲有機材料、シリコンゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴムなどのゴム材料などが適している。

（実施の形態５）
図５は、実施の形態１〜４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計測流路１１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。

計測流路１１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に計測流路１１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、計測流路１１に加工バリ、導電性異物などが存在していても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における超音波振動子の断面図 本発明の実施の形態５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
５ 端子板
１０ 防振部材
１１ 計測流路
１３ 電気絶縁部材
１４ 接合部材
１５ 音響整合層
１６，１７ 超音波振動子

Claims (7)

1. 計測流路に取付けられ、かつ導電性の有天状ケースの頂壁内面に圧電体の上部電極側を固定するとともに、前記ケースの下方開口部には導電性の端子板を固定したものであって、前記ケースと計測流路との間には電気絶縁部材を介在させた超音波振動子。
2. 計測流路に取付けられ、かつ、導電性の有天状ケースの頂壁内面に圧電体の上部電極側を、頂壁外面に音響整合層をそれぞれ固定するとともに、前記ケースの下方開口部には導電性の端子板を取着したものであって、前記音響整合層を固定した部位を除く前記ケースと計測流路との間には電気絶縁部材を介在させた超音波振動子。
3. 電気絶縁性の防振部材を介して計測流路に取付けられ、かつ、導電性の有天状ケースの頂壁内面に圧電体の上部電極側を、頂壁外面に音響整合層をそれぞれ固定するとともに、前記ケースの下方開口部には導電性の端子板を取着したものであって、前記頂壁外面に電気絶縁性の接合部材を介して音響整合層を固定し、前記防振部材および接合部材によってケースの外面を覆った超音波振動子。
4. 電気絶縁性の防振部材を介して計測流路に取付けられ、かつ、導電性の有天状ケースの頂壁内面に圧電体の上部電極側を、頂壁外面に音響整合層をそれぞれ固定するとともに、前記ケースの下方開口部には導電性の端子板を取着したものであって、前記音響整合層、および防振部材によってケースの外面を覆った超音波振動子。
5. 電気絶縁部材を音響的減衰特性の大きい材料で形成した請求項１または２記載の超音波振動子。
6. 防振部材を音響的減衰特性の大きい材料で形成した請求項３または４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計測流路の上流側と下流側に設置し、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計測流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。

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