JP2012249066A - 超音波センサおよびこれを用いた超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波センサの残響を抑制すること。
【解決手段】超音波センサ１は、ケース２と、ケース２の底部内側に設けられた圧電体３と、ケース２の底部外側に設けられた整合層４とケース２を封止する端子板７と、端子板７に配置された絶縁部１１と、絶縁部１１にて支持された第一の電極端子１０と、第一の電極端子１０と圧電体３との間に配置された導電体１３と、端子板７に取り付けられた第二の電極端子１５とを備え、第一の電極端子１０を樹脂絶縁部１１にて保持する構成とした。これにより、樹脂絶縁部１１が制振作用部として機能するため、圧電体３から導電ゴム１４を介して第一の電極端子１０に伝達される残響を抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波流量計等に用いる超音波センサの残響抑制に関するものである。

従来、この種の超音波センサとして、図６のようなものがある。

図６において、超音波センサ１０１のケース１０２は有底筒状に形成されており、その底部内側には圧電体１０３が接着されており、底部外側には整合層１０４が接着されている。圧電体１０３の底部側の面に第一の電極１０５が形成されており、天部側の面には第二の電極１０６が形成されている。圧電体１０３は、これら第一の電極１０５と第二の電極１０６間に印加される振動電圧により超音波を発生する。また、逆に、圧電体１０３が超音波を受信したときはこれら第一の電極１０５と第二の電極１０６間に電圧を発生するものである。

また、図示されるとおり、有底筒状のケース１０２の開放端にはケース１０２の筒内部を封止するよう端子板１０７が設けられており、ケース１０２の縁部１０８にて溶接等で封止されている。端子板１０７上に設けられた接続部近傍１０９には、第一の電極端子１１０が配置されており、端子板１０７に設けられたガラス絶縁部１１１にて保持されている。第一の電極端子１１０の平面部１１２と圧電体１０３との間には導電体１１３を有する導電ゴム１１４が配置されている。第一の電極端子１１０は導電ゴム１１４の導電体１１３を介して、圧電体１０３の第一の電極１０５と電気的に接続されている。端子板１０７には第二の電極端子１１５がつけられており、この第二の電極端子１１５は端子板１０７、ケース１０２を介して、圧電体１０３の第二の電極１０６と電気的に接続されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１１−１５２６４号公報

しかしながら、上記従来の構成は、圧電体１０３において発生した振動が導電ゴム１１４を介して、直接、第一の電極端子１１０に伝達される構造であるため、第一の電極端子１１０の保持接続の状態により、残響が形成され易いという課題を有していた。

また、このような残響が発生すると、超音波伝搬時間差を用いて流量を計測する超音波流量計において、伝播時間の計測精度が悪くなり、結果として流量計測精度の低下を来たすものであった。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、残響の少ない超音波センサを実現するとともに、計測精度の良い超音波流量計を提供することを目的とするものである。

従来の課題を解決するために、本発明の超音波センサは、有底筒状のケースと、ケースの底部内側に設けられた圧電体と、ケースの底部外側に設けられた整合層とケースを封止する端子板と、端子板に配置された絶縁部と、絶縁部にて支持された第一の電極端子と、第一の電極端子と圧電体との間に配置された導電体と、端子板に取り付けられた第二の電
極端子と、を備えたものである。そして、特に、第一の電極端子に接した制振作用部を有するように構成したことを特徴とすることで、第一電極端子に接した制振作用部が圧電体の残響を抑制し、残響を少なくすることが実現できるものである。

本発明の超音波センサは、第一電極端子に接した制振作用部が圧電体の残響を抑制するため、残響を少なくするとともに、計測精度の良い超音波流量計を提供することが実現できるものである。

本発明の実施の形態１における超音波流量計を示す概略構成図 本発明の実施の形態１における超音波センサの断面図 本発明の実施の形態２における超音波センサの部分断面図 本発明の実施の形態３における超音波センサの部分断面図 本発明の実施の形態４における超音波センサの部分断面図 従来の超音波センサの断面図

第１の発明は、有底筒状のケースと、ケースの底部内側に設けられた圧電体と、底部外側に設けられた整合層とケースを封止する端子板と、端子板に配置された絶縁部と、絶縁部にて支持された第一の電極端子と、第一の電極端子と圧電体との間に配置された導電体と、端子板に取り付けられた第二の電極端子と、を備えたものである。そして、特に、第一の電極端子に接した制振作用部を有するように構成したことを特徴とすることで、圧電体に直接影響しないで残響が抑制できるため、圧電体構成と制振作用部の分離が可能となるものである。

第２の発明は、特に第１の発明において制振作用部を第一の電極端子の端子板接続部近傍に設けたもので、超音波センサ本体に近い部分での残響抑制対策ができるため、リード線等以降の構成に対する制限を受けることがない。

第３の発明は、特に第２の発明において制振作用部を第一の電極端子の端子板接続部に塗布された制振部材にて構成したもので、端子板接続部に制振部材を塗布するだけで残響を抑制できるため、簡便に実施できるものである。

第４の発明は、特に第２の発明において制振作用部として樹脂絶縁部にて構成したもので、絶縁部が制振作用部を兼ねるため、特別な部材を使用することなく残響を抑制できるものである。

第５の発明は、特に第１の発明において制振作用部を第一の電極端子のリード線接続部にて構成したもので、超音波センサ本体に関係なく残響抑制対策ができるため、超音波センサの製造が容易に行えるものである。

第６の発明は、特に第５の発明において制振作用部として、第一の電極端子とリード線とを一体接合して構成したものであり、リード線接合部が残響抑制効果も兼ねるため、特別な部材を使用することなく残響を抑制することができるものである。

第７の発明は、特に第５の発明において制振作用部として、第一の電極端子とリード線とを半田づけすることにより構成したものであり、半田付けという通常の接続手段で残響抑制を実現できるため、低コストで残響を抑制することができるものである。

第８の発明は、有底筒状のケースと、ケースの底部内側に設けられた圧電体と、底部外側に設けられた整合層と、ケースを封止する端子板と、端子板に配置された絶縁部と、絶縁部にて支持された第一の電極端子と、第一の電極端子と圧電体との間に配置された導電体と、端子板に取り付けられた第二の電極端子とを備えている。そして、第一の電極端子は制振作用部を有するように構成したことを特徴とするもので、圧電体の第一の電極端子自体が残響抑制効果も兼ねるため、余分な部材を必要とせず、残響抑制が実現できるものである。

第９の発明は、特に第８の発明において制振作用部として、第一の電極端子を細い形状にて形成するもので、第１の電極端子をより細くすることができ、少ない材料で残響抑制が実現できるものである。

第１０の発明は、流路を流れる流体の流量を測定する流量測定部と、この流量測定部に設けられた第１から第９の発明のいずれか１つに記載の一対の超音波センサと、この超音波センサ間の超音波伝搬時間を計測する計測回路と、この計測回路からの信号に基づいて流量を求める流量演算回路を備えた超音波流量計である。そして、残響の少ない超音波センサの使用により、伝搬時間を正確に測定できるため、流量測定精度のよい超音波流量計を実現できるものである。

以下、本発明の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、流路３１はＬＰガスや天然ガスなどの流体を流すものであり、流量測定部３２はこの流路３１を流れる流体の流量を測定するものであり、超音波センサ３３、３４は流路３１の上流側と下流側に対向して配置され超音波を送受信するものである。計測回路３５は超音波センサ３３、３４間の超音波伝搬時間を計測する。演算回路３６は計測回路３５からの信号に基づいて流速および／または流量を求める。

以上のように構成された流量測定部３２での超音波流量計の動作、作用について説明する。超音波センサ３３と超音波センサ３４の中心を結ぶ距離をＬとし、この直線と流れの方向である流路３１の長手方向となす角度をθとする。また音速をＣ、流路３１内での流体の流速をＶとする。流量測定部３２の上流側に配置された超音波センサ３３から送信された超音波は流路３１を斜めに横断し、下流側に配置された超音波センサ３４で受信する。

このときの伝搬時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）
で示される。

次に超音波センサ３４から超音波を送信して超音波センサ３３で受信する。

このときの伝搬時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）
で示される。

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

Ｌとθが既知なら、計測回路３５にてｔ１とｔ２を測定することにより流速Ｖが求められる。

この流速Ｖを平均流速に換算する係数をｋとし、流路断面積をＳとすると、流量Ｑは、下記の式により求められる。

Ｑ＝ｋＶＳ
以上の演算処理が演算回路３６により実施される。

次に、以上のような動作原理で流量計測を行う超音波流量計に用いる超音波センサ１について図２を用いて説明する。

図２は本発明の第１の実施形態における超音波センサ１全体の断面図を示すものである。

ケース２は有底筒状に形成されており、その底部内側には圧電体３が接着されており、底部外側には整合層４が接着されている。圧電体３の天部側には第一の電極５が形成されており、底部側には第二の電極６が形成されている。圧電体３は、これら第一の電極５と第二の電極６間に印加される振動電圧により超音波を発生する。また、圧電体３が超音波を受信したときはこれら第一の電極５と第二の電極６間に電圧を発生するものである。ケース２の天部側にはケース２の内部を封止する端子板７があり、ケース２の縁部８にて溶接等で封止されている。端子板７の接続部近傍９には、第一の電極端子１０が配置されており、端子板７に設けられた樹脂絶縁部１１にて保持されている。第一の電極端子１０の平面部１２と圧電体３との間には導電体１３を有する導電ゴム１４が配置されている。また、第一の電極端子１０は導電ゴム１４の導電体１３を介して、圧電体３の第一の電極５と電気的に接続されている。端子板７には第二の電極端子１５がつけられており、この第二の電極端子１５は端子板７、ケース２を介して、圧電体３の第二の電極６と電気的に接続されている。

このような構成において、送信側の超音波センサに加えたパルス状の印加電圧により超音波が送信されると、受信側センサの圧電体３がこの超音波振動を受信し、第一の電極端子１０、および第二の電極端子１５より受信電圧振動として取り出される。

本実施例の場合、端子板７の中央部に配置されている第一の電極端子１０は樹脂絶縁部１１にて保持されているため、この樹脂が制振作用を発揮して圧電体３の不要な残響振動が吸収される。

このように、第一の電極端子１０を樹脂絶縁部１１で保持することにより、残響が抑制され、精度よく伝搬時間を計測することができる。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態における超音波センサ１について図３を用いて説明する。上記以外の構成は実施の形態１と同じなので省略する。

図３は、超音波センサ１の第一の電極端子１０近傍について示す図である。

この場合、端子板７の中心近傍に配置された第一の電極端子１０は、端子板７に設けられたガラス絶縁部１６にて保持されている。また、第一の電極端子１０のガラス絶縁部１６近傍には、樹脂１７が塗布されている。

本実施例の場合、第一の電極端子１０は周囲が硬いガラス絶縁部１６にて支持されているため、圧電体３の残響が伝搬されるが、ガラス絶縁部１６の外部に樹脂１７が塗布されているため、この樹脂が制振作用を発揮して圧電体３の不要な残響振動が吸収される。

このように、第一の電極端子１０の近傍に樹脂１７を塗布することにより、より残響が抑制され、精度よく伝搬時間を計測することができる。

（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態における超音波センサ１について図４を用いて説明する。上記以外の構成は実施の形態１と同じなので、省略している。

図４は、超音波センサ１の第一の電極端子１０近傍について示す図である。

この場合、端子板７の中心近傍に配置された第一の電極端子１０は、端子板７に設けられたガラス絶縁部１６にて保持されている。また、第一の電極端子１０のリード線接続部１８は、リード線１９とともに端子金具２０の内部で半田部２１により、接続保持されている。

本実施例の場合、第一の電極端子１０のリード線接続部１８の周囲が、リード線１９とともに端子金具２０の内部で半田部２１により、接続保持されており、全体として圧電体３の受信周波数により共振し難い状態になっているため、この構造が制振作用を発揮して圧電体３の不要な残響振動が抑制される。

このように、第一の電極端子１０のリード線接続部１８が、リード線１９とともに端子金具２０の内部で半田部２１により、接続保持され、全体として圧電体３の受信周波数により共振し難い状態になっている。この構成により、残響が抑制され、精度よく伝搬時間を計測することができる。

（実施の形態４）
本発明の第２の実施の形態における超音波センサ１について図５を用いて説明する。上記以外の構成は実施の形態１と同じなので、省略する。

図５は、超音波センサ１の第一の電極端子１０近傍について示す図である。

この場合、第一の電極端子１０は、実施の形態１等に比べて、その直径ｄが細く形成されている。本実施例の場合、第一の電極端子１０の直径ｄを細く形成しており、その細さは圧電体３の受信周波数により共振し難い状態になっているため、この第一の電極端子自体が制振作用を発揮して圧電体３の不要な残響振動が抑制される。

このように、第一の電極端子１０の直径ｄを細く形成することにより、圧電体３の受信周波数により共振し難い状態になっているため、残響が抑制され、精度よく伝搬時間を計測することができる。

なお、本実施例では、第一の電極端子の直径を細くした例を示したが、圧電体３の受信周波数により共振し難い状態を形成する方法として、曲線状に形成することや、柔らかい素材で形成することも可能である。

以上、第１〜第４の実施の形態において、それぞれ個別に残響抑制手段を列挙したが、これらを組み合わせて使用することにより、残響抑制効果がより有効に発揮されるものであることは明らかである。

以上のように、本発明にかかる超音波センサは、残響の少ない超音波センサとして各種用途に利用可能である。とりわけ、この超音波センサを用いた超音波流量計は、良好な精度を実現できるのものとして有用である。

１ 超音波センサ
２ ケース
３ 圧電体
４ 整合層
５ 第一の電極
６ 第二の電極
７ 端子板
８ 縁部
９ 接続部近傍
１０ 第一の電極端子
１１ 樹脂絶縁部
１２ 平面部
１３ 導電体
１４ 導電ゴム
１５ 第二の電極端子
１６ ガラス絶縁部
１７ 樹脂
１８ リード線接続部
１９ リード線
２０ 端子金具
２１ 半田部
３１ 流路
３２ 流量測定部
３３ 超音波センサ
３４ 超音波センサ
３５ 計測回路
３６ 演算回路

Claims (10)

1. 有底筒状のケースと、前記ケースの底部内側に設けられた圧電体と、前記ケースの底部外側に設けられた整合層と前記ケースを封止する端子板と、前記端子板に配置された絶縁部と、前記絶縁部にて支持された第一の電極端子と、前記第一の電極端子と圧電体との間に配置された導電体と、前記端子板に取り付けられた第二の電極端子とを備え、前記第一の電極端子に接した制振作用部を有するように構成された超音波センサ。
2. 前記制振作用部は前記第一の電極端子の端子板接続部近傍に設けられた、請求項１に記載の超音波センサ。
3. 前記制振作用部は前記絶縁部を樹脂にて構成した、請求項２に記載の超音波センサ。
4. 前記制振作用部は前記第一の電極端子の前記端子板接続部に塗布された制振部材にて構成した、請求項２に記載の超音波センサ。
5. 前記制振作用部は前記第一の電極端子のリード線接続部に設けられた、請求項１に記載の超音波センサ。
6. 前記制振作用部は前記第一の電極端子とリード線とを一体接合して構成した、請求項５に記載の超音波センサ。
7. 前記制振作用部は前記第一の電極端子とリード線とを半田づけして構成した、請求項５に記載の超音波センサ。
8. 有底筒状のケースと、前記ケースの底部内側に設けられた圧電体と、前記底部外側に設けられた整合層と前記ケースを封止する端子板と、前記端子板に配置された絶縁部と、前記絶縁部にて支持された第一の電極端子と、前記第一の電極端子と圧電体との間に配置された導電体と、前記端子板に取り付けられた第二の電極端子とを備え、前記第一の電極端子は制振作用部を有するように構成された超音波センサ。
9. 前記制振作用部は前記第一の電極端子が細い形状にて形成された、請求項８に記載の超音波センサ。
10. 流路を流れる流体の流量を測定する流量測定部と、この流量測定部に設けられた請求項１から９のいずれか１項に記載の少なくとも一対の超音波送受波器と、この超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測する計測回路と、この計測回路からの信号に基づいて流量を求める流量演算回路を備えた超音波流量計。