JP3528726B2 - 超音波振動子およびこれを用いた超音波式流体の流れ計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波振動子およ
びこの超音波振動子を用いて気体や液体の流量や流速の
計測を行う超音波式流体の流れ計測装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来この種の超音波流量計測装置に用い
る超音波振動子には、例えば特開平４−３０９８１７号
公報が知られており、図９に示すように圧電セラミック
１を金属振動板２にロウ付けし、この金属振動板２を金
属ハウジング３に溶接していた。また、実開平６−７８
８２１号公報が知られており、図１０に示すように圧電
セラミック１を測定流体から遮蔽する金属ハウジング４
の内面の底面４ａに押圧手段５などによって接合し、こ
の金属ハウジング４は測定流体が流れる管路６の管軸に
傾斜した状態で溶接などによって取付けられていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の構
成では、金属ハウジングに防振対策がなされていないた
め、金属ハウジングに伝わった圧電セラミックの振動が
ほとんど減衰されないで圧電セラミックに戻り、圧電セ
ラミックの振動がなかなか収まらず残響の長い超音波パ
ルスになる。この残響がノイズ要因となってＳ／Ｎが劣
化し、流量や流速の計測精度が低下するという課題を有
していた。

【０００４】また、他の従来の構成では、超音波振動子
が測定流体が流れる管路に直接取付けられているため、
発信側で圧電セラミックを振動させると、この振動が測
定流体中を伝搬して受信側に達するだけでなく、金属振
動板あるいは底面を通じて金属ハウジングに伝わった振
動が管路壁を通じて受信側に伝わり、この管路壁を伝搬
した振動が測定流体中を伝搬した信号に干渉してノイズ
となり、Ｓ／Ｎを劣化させ流量や流速の計測範囲を拡大
できないという課題があった。

【０００５】本発明は上記課題を解決するもので、残響
の短い超音波パルスの送受信が可能で、管路壁への振動
の伝搬を低減させる信頼性の高い超音波振動子の支持構
成を実現し、超音波式流れ計測装置の計測特性を向上さ
せることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、天部 、 側壁部、この側壁部より外側に延び
る支持部を有する有天筒状のケースと、前記天部の内壁
面に固定した圧電体と、前記側壁部の外周に被着、密着
してこの側壁部の振動を抑制する制振体と、前記支持部
を保持する保持部を有し、前記ケースを防振的に取付部
に取付ける振動伝達抑止体とを備えた超音波振動子とし
たもので、、側壁部の振動を制振体により減衰させて支
持部に伝わる振動を低減させ、取付側への振動の伝搬を
一層低減させるものである。

【０００７】上記発明によれば、圧電体の振動が支持部
へ伝搬するのを減衰できるとともに取付側に伝わり難く
することができ、残響の短い超音波パルスの送受信が可
能で、取付側への振動伝搬の低減が可能な超音波振動子
の支持構成を得ることができる。この結果、残響による
ノイズの発生の低減と取付側への振動伝搬の低減がで
き、Ｓ／Ｎが改善されて被測定流体の流量、流速の計測
精度、計測範囲の拡大など計測特性が向上できる。ま
た、振動を低減した支持部と支持構成により長い時間経
過にわたって取付状態を安定化でき、計測の信頼性が向
上できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態は、天部 、 側
壁部、この側壁部より外側に延びる支持部を有する有天
筒状のケースと、前記天部の内壁面に固定した圧電体
と、前記側壁部の外周に被着、密着してこの側壁部の振
動を抑制する制振体と、前記支持部を保持する保持部を
有し、前記ケースを防振的に取付部に取付ける振動伝達
抑止体とを備えた超音波振動子としたものである。

【０００９】そして、側壁部に設けた制振体により圧電
体の振動が支持部へ伝搬するのを低減し、さらに保持部
を介することにより圧電体の振動が取付側に伝搬するこ
とをより一層低減することで残響の短い超音波パルスの
送受信が可能な超音波振動子 が得られ、計測精度、計測
範囲の拡大など計測特性が向上向上できる。

【００１０】前記制振体と振動伝達抑止体の保持部とを
一体に形成すれば、減衰特性のバラツキを低減して特性
の安定化と信頼性の向上ができ、部品点数の削減と組立
性の向上により低コスト化ができる。

【００１１】この制振体と振動伝達抑止体の保持部とを
薄肉部を介して連結すれば、側壁部と保持部との直接接
触が防止されるとともに、側壁部の振動が保持部に伝搬
するのが一層低減される。

【００１２】また、前記保持部に気密シール部を設ける
ことによって、超音波振動子の防振支持と気密シールを
振動伝達抑止体で共用して支持構成の小型化ができ、加
えて気密シール部が防振されるため気密シールの信頼性
を高めることができる。

【００１３】またケースの側壁部を囲み、かつ制振体よ
りも外周に位置するとともに、一端を振動伝達抑止体に
密着させた絶縁体を設け、前記絶縁体および振動伝達抑
止体は電気絶縁材料で形成した。こうすることによっ
て、取付側と超音波振動子を構成する天部、側壁部、支
持部とを振動伝達抑止体および絶縁体で遮蔽してコンパ
クトな支持構成で取付側と超音波振動子との導電距離を
大きくすることができ、落雷などにより取付側と超音波
振動子間に異常高電圧が発生した場合でもリークに至る
耐電圧を高め、リーク電流による超音波振動子の破損を
防いで信頼性を向上できる。

【００１４】前記絶縁体は振動伝達抑止体の保持部に嵌
め合わせて保持部の変形を防止する変形防止部を備えた
構成とすれば、長期間にわたり保持部の変形が防止さ
れ、防振性を安定させ、かつ長期にわたり維持して計測
精度の信頼性を高めることができる。

【００１５】そして、前記超音波振動子を被測定流体が
流れる計測流路の上流側と下流側に 少なくとも一対配置
し、超音波振動子間の超音波伝搬時間を基に流体の流速
を計測するようにしたり、或いは、この流速を基に流量
を算出することで、信頼性の高い流体の計測が可能とな
る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１７】（実施例１） 図１は本発明の実施例１を示す超音波振動子の断面図で
ある。図１において、７はケース、８はケース７の天
部、９はケース７の側壁部、１０はケース７の開口部で
あり、ケース７は天部８と側壁部９と開口部１０を有し
た有天筒状の形状である。

【００１８】１１はケース７の天部８の外壁面に固定さ
れた音響整合層、１２は天部８の内壁面に固定された圧
電体、１３は側壁部９の外壁に設けた支持部であり、支
持部１３はケース７の開口部１０側に環状に広がるフラ
ンジ１４と開口部１０を塞ぐ封止体１５とを重ねて厚み
を増加させて剛性を増大させている。

【００１９】１６ａ、１６ｂは封止体１５に設けられた
端子、１７は端子１６ａと端子１６ｂを絶縁するための
絶縁部、１８は圧電体１２と端子１６ａを電気的に接続
するためのリード線、１９は圧電体１２に設けられた溝
である。

【００２０】このように超音波振動子２０は有天筒状の
ケース７の内部に圧電体１２を設けて封止体１５で封止
するとともにケース７の外部に音響整合層１１と支持部
１３を備えている。２１は側壁部９に当接して側壁部９
の振動を低減する制振性に優れた材質で形成した制振体
であり、２２は支持部１３を挟み込むように保持する保
持部２３を備えゴムなどの防振性に優れた弾性材料で形
成した振動伝達抑止体である。

【００２１】制振体２１は側壁部９を環状に取り巻くと
ともに支持部１３側では振動伝達抑止体２２に全周で密
着するように接している。

【００２２】２４は取付壁２５に設けた取付穴２６に挿
入された振動伝達抑止体２２が脱落しないように押さえ
る固定体であり、取付壁２５にねじ（図示せず）などで
固定されている。

【００２３】以上のように構成した超音波振動子の作製
方法の一例について説明する。超音波振動子２０はＬＰ
ガスや天然ガス中で使用することを想定して、ケース７
にはステンレス、音響整合層１１にはエポキシ樹脂と中
空ガラス球の混合体からなる材料を選択する。

【００２４】ケース７の加工方法には量産性を考え、切
削加工ではなく絞り加工のような成形加工を選択する。
また、ケース７のステンレスの厚みは、超音波振動子２
０の感度、構造的強度、成形加工性の観点から０．１か
ら０．５ｍｍ程度を選択する。

【００２５】このように薄い材料でケース７を成形する
ため支持部１３はケース７の絞り加工により形成される
フランジ１４の板厚Ｔ１に対して封止体１５の板厚Ｔ２
を大きくし（Ｔ１＜Ｔ２）、封止体１５を溶接などで接
合して構造的強度を高めている。

【００２６】また、圧電体１２はステンレスからなる天
部８に接着固定されるため、広がり方向の振動が阻害さ
れる。超音波振動子２０の高感度化を図るには広がり振
動よりも厚み縦振動を主モードに利用する方が有利であ
る。

【００２７】しかし、圧電体１２は形状により振動の主
モードが決定されてしまい、圧電体１２の形状と使用周
波数に対する許容範囲が狭い。そこで、圧電体１２に溝
１９を設けた構造として、実用可能な小型の寸法で厚み
振動を主モードとすることが可能となる。

【００２８】このような材料、形状として具体的な作製
手順として、まず厚み０．２ｍｍのステンレス鋼板から
円形状の天部８を有する有天円筒状のケース７を成形加
工する。次に、天部８の外壁面に円板状の音響整合層１
１、内壁面には圧電体１２をエポキシ系接着剤を用いて
接着固定する。

【００２９】このとき溝１９により分割された電極（図
示せず）と天部８を１０μｍ以下の薄い接着層を介して
接着固定することにより、分割された電極（図示せず）
と天部８の電気的導通も取ることができる。

【００３０】リード線１８は圧電体１２の電極（図示せ
ず）と端子１６ａにそれぞれはんだ付けする。最後に、
１ｍｍ程度のステンレス板からなる封止体１５を開口部
１０の外周側に設けたフランジ１４に電気抵抗溶接など
により固定し、封止と電気的導通を同時に行う。

【００３１】圧電体１２はケース７をグランドとして共
用し、さらにケース７および封止体１５で覆われるため
ノイズの影響を低減できる。また、封止するときケース
７の内部に乾燥した窒素や不活性ガスを置換封入する
と、圧電体１２の電極、圧電体１２とケース７の接着層
などの長期間使用による劣化防止が可能である。

【００３２】次に、この超音波振動子の動作について説
明する。まず、送信側では駆動電気入力を印可されて圧
電体１２が振動し、この振動が音響整合層１１を介して
被計測流体に超音波パルスとして放射されるだけでな
く、ケース７を振動させようとする。

【００３３】また、受信側では受信した超音波パルスは
圧電体１２で電気信号に変換されると同時にケース７も
振動させようとする。

【００３４】もし、ここでケース７が振動してしまう
と、圧電体１２の長い残響として送信側、受信側ともに
観測されてしまい、送信側の残響は計測回路（図示せ
ず）に対して電気的ノイズとなり、受信側の残響は受信
した超音波パルスと合成されるため振幅、位相に影響し
て計測に誤差を与える要因となる。

【００３５】さらに、ケース７が振動してしまうと、ケ
ース７の振動が流体通路壁を介して受信側の超音波振動
子に伝わり、受信側では流体通路壁を介した振動と受信
した超音波パルスと合成されるため振幅、位相に影響し
て計測に誤差を与える要因となる。

【００３６】本実施例では構造的に強度を高めて振動し
難くした支持部１３に対して、ケース７の側壁部９に制
振体２１を全周に当接して設けることで側壁部９の振動
の低減を図っている。さらに、このように振動の低減を
図った支持部１３を弾性材料であるゴムなどで形成した
振動伝達抑止体２２の保持部２３を介して取付壁２５に
取付け、超音波振動子２０と取付壁２５が直接接触しな
いようにしている。

【００３７】制振体２１と振動伝達抑止体２２は別の部
材で構成しているので、制振体２１には制振性に優れた
材質を選定でき、振動伝達抑止体２２には防振性に優れ
た材質をそれぞれ最適に選定できる。

【００３８】このため、ケース７の振動を抑えることが
でき、また支持部１３から取付側に振動が伝搬するのを
低減できる。さらに、支持部１３の振動が小さいので長
期間にわたり取付側とのズレ、振動の伝搬の仕方の変化
などを発生し難くできる。

【００３９】従って、残響の短い超音波パルスの送受信
が可能で、取付側への振動伝搬の低減が可能な超音波振
動子を得ることができ、残響によるノイズの発生の低減
と取付側への振動伝搬の低減ができ、Ｓ／Ｎが改善され
て被測定流体の流量、流速の計測精度、計測範囲の拡大
など計測特性が向上できる。

【００４０】また、振動を低減した支持部により取付状
態が長い時間経過にわたって安定化でき、計測の信頼性
が向上できる。

【００４１】また、制振体２１は側壁部９を取り巻くよ
うにするとともに支持部１３側では振動伝達抑止体２２
に全周で密着するように接することで、支持部１３、側
壁部９および天部８が被計測流体や雰囲気流体から遮蔽
され、腐食性流体などからケース７および支持部１３が
保護されて耐久信頼性を高めることができる。

【００４２】さらに、制振体２１は側壁部９だけでなく
音響整合層１１を除く天部８を取り巻くようにすること
でケース７および支持部１３の耐久信頼性を一層高める
ことができる。

【００４３】なお、本実施例の超音波振動子は取付側に
対して着脱自在であるため、取付側に溶接接合するもの
に比較してメンテナンス性を向上でき、さらに寿命到達
などで廃棄するときに流体通路から超音波振動子を容易
に分離できるためリサイクル性を確保できる。

【００４４】（実施例２） 図２は本発明の実施例２を示す超音波振動子の断面図で
ある。図２において、図１の実施例と同一部材、同一機
能は同一符号を付し詳細な説明は省略し、異なるところ
を中心に説明する。

【００４５】２７は制振体２１と保持部２３を一体に形
成した振動伝達抑止体であり、側壁部９および支持部１
３は振動伝達抑止体２７により被覆されて被測定流体か
ら遮蔽されている。

【００４６】このように、制振体２１と保持部２３の一
体化により相互の当接状態などの取付状態のバラツキを
小さくし、ケース７の振動が支持部１３に減衰させて伝
搬する際の減衰特性のバラツキを低減することで残響特
性の安定化と計測の信頼性向上ができる。

【００４７】また、制振体２１と保持部２３の一体化に
よる組立精度向上で製品の計測品質が安定化でき、さら
に組立作業性の向上と部品点数の削減により低コスト化
ができる。また、支持部１３、側壁部９の被計測流体や
雰囲気流体からの遮蔽性が向上して、腐食性流体などか
らケース７および支持部１３が保護されて耐久信頼性を
一層高めることができる。

【００４８】（実施例３） 図３は本発明の実施例３を示す超音波振動子の取付状態
を示す断面図である。図３において、図１、図２の実施
例と同一部材、同一機能は同一符号を付し詳細な説明は
省略し、異なるところを中心に説明する。

【００４９】２８は超音波振動子２０のケース７に接し
ないようにその外面側に配置し電気絶縁材料で形成した
第一の絶縁体であり、第一の絶縁体２８の一端は振動伝
達抑止体２２の保持部２３に全周を密着させている。

【００５０】この第一の絶縁体２８には第一の絶縁体２
８が取付壁２５から脱落しないようにするための係止部
２９と音響整合層１１側に設けた開口部３０を設けてい
る。この開口部３０はその開口寸法を音響整合層１１側
に合わせて側壁部９側よりも縮小している。

【００５１】３１は超音波振動子２０の封止体１５側に
配置し電気絶縁材料で形成した第二の絶縁体であり、第
二の絶縁体３１は封止体１５に接しないようにされると
ともにその一端は全周が振動伝達抑止体２２の保持部２
３に密着し、電気絶縁性の材料で形成した振動伝達抑止
体２２の保持部２３が取付壁２５の取付穴２６から抜け
出ないようにねじ（図示せず）などで取付壁２５に固定
されている。

【００５２】この第二の絶縁体３１には端子１６ａ、１
６ｂと取付壁２５との絶縁距離を大きくするための環状
の突起部３２と端子１６ａ、１６ｂへ接続電線を通すた
めの開口部３３が設けられている。

【００５３】次に、動作について、被計測流体が流れる
流路を構成する取付壁２５として強度、耐食性、耐久性
を確保するためアルミ合金ダイキャストなどの金属材料
で構成し、超音波振動子２０のケース７あるいは封止体
１５をステンレス鋼板などで形成した場合で説明する。
もし仮に本実施例で示した第一および第二の絶縁体２
８、３１が無い場合では、ゴムなどの電気絶縁材料で形
成した振動伝達抑止体２２を用いて取付壁２５に取付け
ても超音波振動子２０は取付壁２５と電気絶縁距離の小
さい状態で接近配置されてしまう。

【００５４】この時、落雷などにより取付壁２５と超音
波振動子２０の間に異常な高電圧が発生すると、取付壁
２５と超音波振動子２０の間に大きな電流が流れて超音
波振動子２０の圧電体１２などに損傷が生じることにな
る。

【００５５】この損傷を防止するには異常な高電圧に対
してリークに至る耐電圧を高めるため電気絶縁距離を大
きくすることが必要になる。しかし、ケース７と取付壁
２５との距離を大きくするには、取付穴２６を大きくす
ると共にフランジ１４などで形成した支持部１３の外形
を大きくせねばならず、小型化に逆行する。

【００５６】しかし、本実施例のように電気絶縁材料で
形成した振動伝達抑止体２２に対して開口部３０、３３
を有する第一の絶縁体２８および第二の絶縁体３１を密
着させて配置し、小型のままで超音波振動子２０と取付
壁２５との絶縁距離を大きくでき、落雷などにより取付
側と超音波振動子間に異常高電圧が発生した場合でもリ
ークに至る耐電圧を高めることができ、リーク電流によ
る超音波振動子の破損を防いで信頼性を向上できる。

【００５７】なお、振動伝達抑止体２２をゴムなどの弾
性体で形成することにより、振動伝達抑止体２２と第一
の絶縁体２８および第二の絶縁体３１との密着性を高め
て密着部での隙間の発生を低減して絶縁性の信頼性を高
めることができる。

【００５８】また、開口部３０、３３により超音波の伝
搬あるいは端子への接続電線の通過には問題が無いのは
言うまでもない。

【００５９】このように、取付側と超音波振動子を構成
する天部、側壁部、支持部とを振動伝達抑止体および絶
縁体で遮蔽して取付側と超音波振動子との導電距離を大
きくすることで、落雷などにより取付側と超音波振動子
間に異常高電圧が発生した場合でもリークに至る耐電圧
を高め、リーク電流による超音波振動子の破損を防いで
信頼性を向上できる。

【００６０】（実施例４） 図４は本発明の実施例４を示す超音波振動子の取付状態
を示す断面図である。図４において、図１〜図３の実施
例と同一部材、同一機能は同一符号を付し詳細な説明は
省略し、異なるところを中心に説明する。

【００６１】振動伝達抑止体２７は保持部２３と制振体
２１を電気絶縁性がありかつ防振性のあるゴムなどの弾
性材料で一体に形成したものであり、第一の絶縁体２８
はその一端を振動伝達抑止体２７の保持部２３に全周を
密着させるとともに制振体２１の外周側に制振体２１と
は接しないように配置されている。

【００６２】また、第二の絶縁体３１はその一端を振動
伝達抑止体２７の保持部２３に全周を密着させるととも
に振動伝達抑止体２７の保持部２３が取付穴２６から脱
落しないように取付壁２５にねじ（図示せず）などで固
定されている。

【００６３】つぎに、動作を説明する。前述のように超
音波振動子２０の側壁部９に当接して設けた制振体２１
により側壁部９の振動が低減され、支持部１３への振動
伝搬の減衰がなされ、振動が低減された支持部１３を防
振性の有る振動伝達抑止体２７を介して取付穴２６に取
付けるため取付壁２５への振動伝搬が大幅に低減され
る。

【００６４】また、超音波振動子２０を振動伝達抑止体
２７と第一および第二の絶縁体２８、３１で取り囲んで
取付壁２５に実装するため、コンパクトなスペースの中
で超音波振動子２０と取付壁２５との絶縁距離を大きく
した設置がなされる。

【００６５】このため、残響の短い超音波パルスの送受
信が可能な超音波振動子の支持構成による計測精度の向
上、計測範囲の拡大などの計測特性の向上と、落雷など
異常な高電圧の印加に対する耐電圧性の向上が両立した
超音波振動子を実現できる。

【００６６】なお、振動伝達抑止体２７は制振体２１と
保持部２３を一体に形成した場合を示したが、制振体２
１と保持部２３は別部品とし互いに密着するように配置
しても良いのは言うまでもない。

【００６７】このように、制振体による支持部への振動
伝搬の低減と保持部による振動低減により取付側に圧電
体の振動伝搬がより一層低減され、残響の短い超音波パ
ルスの送受信が可能な超音波振動子を得ることができ、
計測精度の向上、計測範囲の拡大などの計測特性の向上
ができる。

【００６８】さらに、取付側と超音波振動子との導電距
離を大きくすることで、落雷などにより取付側と超音波
振動子間に異常高電圧が発生した場合でもリークに至る
耐電圧を高め、リーク電流による超音波振動子の破損を
防いで信頼性を向上できる。

【００６９】（実施例５） 図５は本発明の実施例５を示す超音波振動子の取付状態
を示す断面図である。図５において、図１〜図４の実施
例と同一部材、同一機能は同一符号を付し詳細な説明は
省略し、異なるところを中心に説明する。

【００７０】３４は制振体２１と保持部２３を環状の薄
肉部３５を介して連結した振動伝達抑止体であり、この
薄肉部３５は制振体２１と保持部２３との間をケース７
のフランジ１４に沿って径方向状に薄い厚さで広がって
いる。

【００７１】次に、この超音波振動子の支持構成におけ
る動作を説明する。制振体２１は前述のように側壁部９
の振動を低減させるが、側壁部９の振動により制振体２
１自体も若干振動する。しかし、制振体２１と保持部２
３は直接接触せずに薄い厚さの薄肉部３５で面状に連結
されるため、側壁部９の振動による制振体２１自体の振
動は薄肉部３５により減衰されて保持部２３への振動伝
搬が大幅に低減される。

【００７２】このため、残響による振動伝搬の一層の低
減により、Ｓ／Ｎを一層改善した超音波の送受信ができ
る。

【００７３】また、超音波振動子２０の側壁部９および
支持部１３は制振部２１、薄肉部３５および保持部２３
により被覆され、被計測流体から遮蔽されることにより
保護されて耐久信頼性を高めることができる。

【００７４】このように、制振体と保持部の間に設けた
薄肉部により側壁部と保持部との直接接触が防止される
とともに側壁部の振動が保持部に伝搬するのが一層低減
され、一層残響の短い超音波パルスの送受信が可能な超
音波振動子を得ることができる。

【００７５】（実施例６） 図６は本発明の実施例６を示す超音波振動子の取付状態
を示す断面図である。図６において、図１〜図５の実施
例と同一部材、同一機能は同一符号を付し詳細な説明は
省略し、異なるところを中心に説明する。

【００７６】３６は保持部２３に第一の環状突起部３７
と第二の環状突起部３８による気密シール部３９を設け
た振動伝達抑止体である。

【００７７】第一の環状突起部３７は取付穴２６の平坦
面２６ａに密着して振動伝達抑止体３６と取付壁２５と
の間を気密シールし、第二の環状突起部３８は超音波振
動子２０の支持部１３を構成するフランジ１４に密着し
て振動伝達抑止体３６と超音波振動子２０との間を気密
シールしている。

【００７８】次に、この超音波振動子２０を取付壁２５
に取付ける手順を説明する。まず、超音波振動子２０の
側壁部９に制振体２１を組込み、さらにゴムなどの弾性
材料で形成した振動伝達抑止体３６の保持部２３に超音
波振動子２０の支持部１３を嵌め込む。

【００７９】次に、振動伝達抑止体３６を組付けた超音
波振動子２０を取付穴２６に挿入し、固定体２４で振動
伝達抑止体３６の保持部２３を取付穴２６に押し付けて
固定する。このようにして、超音波振動子の防振支持と
気密シールが同時にでき、防振支持部と気密シール部を
振動伝達抑止体で共用して取付部の小型化がなされ、振
動を低減した状態で気密シールを行うため信頼性を高め
た気密シールが行える。

【００８０】なお、ここでは一条の環状突起部３７、３
８により気密シールを行う場合を示したがそれぞれ複数
条の環状突起部にしても良く、また振動伝達抑止体側は
平坦として取付穴側に気密シール用の突起部を設けても
良いのは言うまでもなく、また振動伝達抑止体側および
取付穴側の接触部はそれぞれ平坦として弾性材料で形成
した振動伝達抑止体の撓みにより気密シールを確保でき
るのは言うまでもない。

【００８１】さらに、取付穴の平坦面ではなく取付穴の
円筒面で気密シールすることもできる。

【００８２】このように、超音波振動子の防振支持と気
密シールを振動伝達抑止体で共用して支持構成の小型化
ができ、気密シール部が防振されるため気密シールの信
頼性を高めることができる。

【００８３】（実施例７） 図７は本発明の実施例７を示す超音波振動子の取付状態
を示す断面図である。図７において、図１〜図６の実施
例と同一部材、同一機能は同一符号を付し詳細な説明は
省略し、異なるところを中心に説明する。

【００８４】４０は第一の絶縁体２８の端部に設けた変
形防止部であり、この変形防止部４０は振動伝達抑止体
３４の保持部２３が超音波振動子２０に向かって内側に
倒れる変形が起こらないように嵌め合わされている。

【００８５】４１は第二の絶縁体３１の端部に設けた変
形防止部であり、この変形防止部４１は振動伝達抑止体
３４の保持部２３を第二の絶縁体３１で押さえ付けた時
に保持部２３が内側に変形しないように嵌め合わされて
いる。

【００８６】次に、超音波振動子２０の取付状態を説明
する。振動伝達抑止体３４の保持部２３は取付穴２６、
第一の絶縁体２８の変形防止部４０、第二の絶縁体３１
および第二の絶縁体３１の変形防止部４１によりほぼ全
面を拘束されている。

【００８７】このため、防振性を高めるため柔らかい材
料を用いても任意の方向に変形を生じることが防止で
き、超音波振動子２０の設置傾きや偏芯配置などの取付
不良が防止されて超音波の送受信での感度低下や感度変
化を防いで計測精度の信頼性が向上できる。

【００８８】また、保持部２３が拘束されているため長
期間にわたる変形防止による防振性の安定化がなされ、
経時変化の少ない安定した計測精度を維持できることに
より信頼性を向上できる。

【００８９】また、より硬度の柔らかい弾性材料を振動
伝達抑止体に使用できるため防振性能を一層高めること
ができる。さらに、保持部に気密シール部を設ける場合
では長期間にわたり変形による被計測流体の漏洩など気
密シールの不良が防止できるため、安全性や気密シール
の信頼性を向上できる。

【００９０】このように、長期間にわたり保持部の変形
が防止されるため防振性を安定させかつ長期にわたり維
持して計測精度の信頼性を高めることができ、また保持
部に気密シール部を設ける場合では気密シールの耐久信
頼性を向上できる。

【００９１】（実施例８） 図８は本発明の実施例８を示す超音波流量計測装置の構
成図である。図８において、図１〜図７の実施例と同一
部材、同一機能は同一符号を付し詳細な説明は省略し、
異なるところを中心に説明する。

【００９２】２は流路壁４３に囲まれた幅Ｗの計測流路
であり、４４および４５は互いに対向するように流路壁
４３の取付穴２６に振動伝達抑止体２２を介して取付け
た超音波振動子であり、上流側の超音波振動子４４と下
流側の超音波振動子４５は距離Ｌを隔てるとともに速度
Ｖの被計測流体の流れに対して角度θ傾けて設置されて
いる。

【００９３】４６は接続された超音波振動子４４，４５
に対して超音波の送受信をさせる計測制御部であり、４
７は計測制御部４６での信号を基に流速を計算し流量を
算出する演算部である。次にこの超音波流量計測装置の
動作を説明する。計測流路４２を被計測流体が流れてい
る時に、計測制御部４６の作用により超音波振動子４
４，４５間で計測流路４２を横切るようにして超音波の
送受が行われる。

【００９４】すなわち、上流側の超音波振動子４４から
発せられた超音波が下流側の超音波振動子４５で受信さ
れるまでの経過時間Ｔ１を計測する。

【００９５】また一方、下流側の超音波振動子４５から
発せられた超音波が上流側の超音波振動子４４で受信さ
れるまでの経過時間Ｔ２を計測する。このようにして測
定された経過時間Ｔ１およびＴ２を基に、以下の演算式
により演算部４７で流量が算出される。

【００９６】いま、被計測流体の流れと超音波伝播路と
のなす角度をθとし、流量測定部である超音波振動子４
４，４５間の距離をＬ、被測定流体の音速をＣとする
と、流速Ｖは以下の式にて算出される。

【００９７】Ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） Ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） Ｔ１の逆数からＴ２の逆数を引き算する式より音速Ｃを
消去して Ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）（（１／Ｔ１）−（１／Ｔ
２）） θおよびＬは既知なのでＴ１およびＴ２の値より流速Ｖ
が算出できる。

【００９８】いま、空気の流量を計ることを考え、角度
θ＝４５度、距離Ｌ＝７０ｍｍ、音速Ｃ＝３４０ｍ／
ｓ、流速Ｖ＝８ｍ／ｓを想定すると、Ｔ１＝２．０×１
０-4秒、Ｔ２＝２．１×１０-4秒であり、瞬時計測がで
きる。

【００９９】ここで、計測流路４２の流れ方向に直交す
る横断面積ｓより、流量Ｑは Ｑ＝ｋＶｓ ここで、ｋは横断面積ｓにおける流速分布を考慮した換
算係数である。

【０１００】このようにして演算部４７で流量を求める
ことができる。

【０１０１】超音波による流量計測では、時間Ｔ１、Ｔ
２を高精度に計測することが重要である。すなわち、送
信側では残響の少ない超音波振動を被計測流体中のみに
発することが大切であり、受信側では流体通路壁を伝搬
した超音波振動は排除し被計測流体中を伝搬した超音波
振動のみを残響を少なく受信することが大切である。

【０１０２】本発明の超音波流量計測装置では、側壁部
９に設けた制振体２１により支持部１３への振動伝達が
低減され、さらに振動伝達抑止体２２の保持部２３を介
して取付けるので、残響の短い超音波パルスの送受信が
でき感度向上とノイズの低減がなされ計測精度を高める
ことができ、少流量から大流量まで計測範囲を拡大した
計測装置を実現できる。また、制振体２１と振動伝達抑
止体２２の一体化により振動の減衰特性のバラツキを低
減して特性の安定化と信頼性を向上できる。

【０１０３】また、超音波振動子２０を絶縁体２８、３
１で囲うことでコンパクトなスペースのままで流路壁４
３から電気的な絶縁距離を大きく確保でき、耐電圧性を
高めて雷サージ性が向上でき、信頼性の高い計測装置が
実現できる。

【０１０４】また、制振体２１と振動伝達抑止体２２と
絶縁体２８、３１により、計測精度、計測範囲、雷サー
ジ性に優れ信頼性、実用性に優れた計測装置が実現でき
る。また、制振体２１と保持部２３は薄肉部３５を介し
て連結することにより取付側への振動伝搬をより一層低
減して、計測特性により優れた計測装置を実現できる。

【０１０５】また、振動伝達の抑止と気密シールを両用
することで小型化ができ、都市ガス、ＬＰガスなどの可
燃性ガスなどでも安全に適用でき利用範囲の拡大ができ
る。また、絶縁体２８、３１に設けた変形防止部４０、
４１により保持部の変形を防止して長期間にわたり防振
性の安定化と気密シールの確保ができ、耐久信頼性が向
上できる。

【０１０６】このように、残響の短い超音波パルスを送
受信できる超音波振動子と、取付側への振動伝搬を低減
できる超音波振動子の支持構成で、計測精度を高め計測
範囲を拡大し長期間にわたり計測特性を維持できる流量
計測装置が実現できる。

【０１０７】また、被計測流体の漏洩を防止する気密シ
ール構成で、漏洩がなく安全で計測精度が高く計測範囲
の大きい流量計測装置が実現できる。

【０１０８】このように本発明の実施例によれば次のよ
うな効果が期待できるものである。

【０１０９】超音波振動子の側壁部に制振体を設け、振
動の低減した支持部を振動伝達抑止体の保持部で振動伝
達を減衰させる支持構成により、残響によるノイズの発
生の低減と取付側への振動伝搬の低減ができ、Ｓ／Ｎが
改善されて被測定流体の流量、流速の計測精度、計測範
囲の拡大など計測特性が向上できるという効果があり、
また振動を低減した支持部と支持構成により長い時間経
過にわたって取付状態を安定化でき、計測の信頼性が向
上できるという効果がある。

【０１１０】また、制振体と保持部を一体に形成するこ
とにより、減衰特性のバラツキを低減して特性の安定化
と信頼性の向上ができるという効果があり、また部品点
数の削減と組立性の向上により低コスト化ができるとい
う効果がある。

【０１１１】また、超音波振動子の支持部を保持する振
動伝達抑止体にその一端を密着させた絶縁体を超音波振
動子の外面側に配置することにより、取付側と超音波振
動子を構成する天部、側壁部、支持部とを振動伝達抑止
体および絶縁体で遮蔽してコンパクトな支持構成で取付
側と超音波振動子との導電距離を大きくできるという効
果があり、また落雷などにより取付側と超音波振動子間
に異常高電圧が発生した場合でもリークに至る耐電圧を
高め、リーク電流による超音波振動子の破損を防いで信
頼性を向上できるという効果がある。

【０１１２】また、超音波振動子の側壁部に制振体を設
け、振動の低減した支持部を振動伝達抑止体の保持部で
振動伝達を減衰させる支持構成と振動伝達抑止体にその
一端を密着させた絶縁体を超音波振動子の外面側に配置
することにより、残響の短い超音波パルスの送受信が可
能な超音波振動子を得ることができ、計測精度の向上、
計測範囲の拡大などの計測特性の向上ができるという効
果があり、また取付側 と超音波振動子との導電距離を大
きくすることで、落雷などにより取付側と超音波振動子
間に異常高電圧が発生した場合でもリークに至る耐電圧
を高め、リーク電流による超音波振動子の破損を防いで
信頼性を向上できるという効果がある。

【０１１３】また、制振体と保持部を厚さの薄い薄肉部
で連結することにより、側壁部と保持部との直接接触が
防止され側壁部の振動の保持部への伝搬が一層低減でき
るという効果があり、一層残響の短い超音波パルスの送
受信が可能な超音波振動子により計測精度のより一層の
向上と計測範囲のより一層の拡大ができるという効果が
ある。

【０１１４】また、振動伝達抑止体の保持部に気密シー
ル部を設けることにより、防振支持と気密支持を共用化
して支持構成の小型化ができるという効果があり、気密
シール部自体の防振により気密シールの信頼性を向上で
きるという効果がある。

【０１１５】また、絶縁体に保持部の変形を防止する変
形防止部を設けることにより、保持部の変形を防止して
防振性を安定させかつ長期にわたり維持して計測精度の
信頼性を高めることができるという効果があり、また保
持部に気密シール部を設ける場合では気密シールの耐久
信頼性を向上できるという効果がある。

【０１１６】また、被測定流体が流れる計測流路に対向
配置されて超音波を送受信する超音波振動子と、超音波
振動子間の超音波伝搬時間を計測する計測制御部と、前
記計測制御部からの信号に基づいて流量を算出する演算
部とを備え、超音波振動子は支持構成により計測流路の
流路壁に取付けることにより、計測精度を高め計測範囲
を拡大し長期間にわたり計測特性を維持できる流量計測
装置が実現できるという効果があり、また被計測流体の
漏洩を防止する気密シール構成で、漏洩がなく安全で計
測精度が高く計測範囲の大きい流量計測装置が実現でき
るという効果がある。

【０１１７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、超音波振
動子の側壁部に制振体を設け、振動の低減した支持部を
振動伝達抑止体の保持部で振動伝達を減衰させる構成に
より、残響によるノイズの発生の低減と取付側への振動
伝搬の低減ができ、Ｓ／Ｎが改善されて被測定流体の流
量、流速の計測精度、計測範囲の拡大など計測特性が向
上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における超音波振動子の支持
構成の断面図

【図２】本発明の実施例２における超音波振動子の支持
構成の断面図

【図３】本発明の実施例３の超音波振動子の支持構成の
断面図

【図４】本発明の実施例４における超音波振動子の支持
構成の断面図

【図５】本発明の実施例５における超音波振動子の支持
構成の断面図

【図６】本発明の実施例６における超音波振動子の支持
構成の断面図

【図７】本発明の実施例７における超音波振動子の支持
構成の断面図

【図８】本発明の実施例８の超音波流量計測装置の構成
図

【図９】従来の超音波振動子の断面図

【図１０】従来の他の超音波振動子の断面図

【符号の説明】

８ 天部 ９ 側壁部 １２ 圧電体 １３ 支持部 ２０、４４、４５ 超音波振動子 ２１ 制振体 ２２、２７、３４、３６ 振動伝達抑止体 ２３ 保持部 ２８、３１ 絶縁体 ３５ 薄肉部 ３９ 気密シール部 ４０、４１ 変形防止部 ４２ 計測流路 ４３ 流路壁 ４６ 計測制御部 ４７ 演算部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/00 - 9/02

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 天部、側壁部、この側壁部より外側に延
   びる支持部を有する有天筒状のケースと、前記天部の内
   壁面に固定した圧電体と、前記側壁部の外周全体に被
   着、密着してこの側壁部の振動を抑制する制振体と、前
   記支持部を保持する保持部を有し、前記ケースを防振的
   に取付部に取付ける振動伝達抑止体とを備えた超音波振
   動子。
2. 【請求項２】 天部、側壁部、この側壁部より外側に延
   びる支持部を有する有天筒状のケースと、前記天部の内
   壁面に固定した圧電体と、前記側壁部の外周全体に被
   着、密着してこの側壁部の振動を抑制する制振体と、前
   記支持部を保持する保持部を有し、前記ケースを防振的
   に取付部に取付ける振動伝達抑止体とを備え、前記制振
   体と振動伝達抑止体の保持部とは一体に形成した超音波
   振動子。
3. 【請求項３】 天部、側壁部、この側壁部より外側に延
   びる支持部を有する有天筒状のケースと、前記天部の内
   壁面に固定した圧電体と、前記側壁部の外周全体に被
   着、密着してこの側壁部の振動を抑制する制振体と、前
   記支持部を保持する保持部を有し、前記ケースを防振的
   に取付部に取付ける振動伝達抑止体とを備え、前記制振
   体と振動伝達抑止体の保持部とは薄肉部を介して連結し
   た超音波振動子。
4. 【請求項４】 天部、側壁部、この側壁部より外側に延
   びる支持部を有する有天筒状のケースと、前記天部の内
   壁面に固定した圧電体と、前記側壁部の外周全体に被
   着、密着してこの側壁部の振動を抑制する制振体と、前
   記支持部を保持する保持部を有し、前記ケースを防振的
   に取付部に取付ける振動伝達抑止体とを備え、前記保持
   部に気密シール部を設けた超音波振動子。
5. 【請求項５】 天部、側壁部、この側壁部より外側に延
   びる支持部を有する有天筒状のケースと、前記天部の内
   壁面に固定した圧電体と、前記側壁部の外周全体に被
   着、密着してこの側壁部の振動を抑制する制振体と、前
   記支持部を保持する保持部を有し、前記ケースを防振的
   に取付部に取付ける振動伝達抑止体と、前記ケースの側
   壁部を囲み、かつ制振体よりも外周に位置するととも
   に、一端を振動伝達抑止体に密着させた絶縁体とを備
   え、前記絶縁体および振動伝達抑止体は電気絶縁材料で
   形成した超音波振動子。
6. 【請求項６】 絶縁体は、振動伝達抑止体の保持部に嵌
   め合わせて、この保持部の変形を防止する変形防止部を
   備えた請求項５記載の超音波振動子。
7. 【請求項７】 被測定流体が流れる計測流路の上流側と
   下流側に請求項１〜６のいずれか１項記載の超音波振動
   子を少なくとも一対配置し、超音波振動子間の超音波伝
   搬時間を基に流体の流速を計測するようにした超音波式
   流体の流れ計測装置。
8. 【請求項８】 被測定流体が流れる計測流路の上流側と
   下流側に請求項１〜６のいずれか１項記載の超音波振動
   子を少なくとも一対配置し、超音波振動子間の超音波伝
   搬時間を基に流体の流量を演算するようにした超音波式
   流体の流れ計測装置。