JP4513490B2 - 超音波送受波器および超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、超音波パルスの送受信を行う超音波送受波器およびこの超音波送受波器を用いて気体や液体の流量の計測を行う超音波流量計に関するものである。

従来のこの種の超音波送受波器は、例えば図５のようなものがある（例えば、特許文献１参照）。

図５は特許文献１に記載された従来の超音波送受波器を示すものである。図５に示すように、ケース１の天部外面２には音響整合層３が接着剤により接着固定され、ケース１の天部内面４には圧電体５の一方の電極面６が固定されている。圧電体５の他方の電極面７と端子板８の端子９の間には導電性を有する弾性体１０が加圧状態で挟まれ電気的接続を図っている。ケース１のフランジ部１１と端子板８は電気溶接により接合している。ケース１と端子板８とで形成された密封空間１２には窒素ガスを充填している。端子板８に設けられている端子９、１３間は、ガラス（絶縁部）１４で電気的に絶縁されている。この結果、電極面７と端子９は電気的に接続され、もう一方の電極面６が外部電極を兼ねたケース１のフランジ部１１、端子板８を介して端子１３に電気的に接続されている。
特開２００１−５０７８５号公報

しかしながら、前記従来の超音波送受波器のフランジ部１１と端子板８を電気溶接により接合する構成であり、通常ケース１のフランジ部１１と端子板８の当接部が電気溶接により溶解され接合されるが、端子板８のケース１への嵌合状態によっては、溶接時に密閉空間１２内のケース１と端子板８の接触部で放電が発生し糸状の溶接チリが発生する場合があった。発生した溶接チリは密閉空間１２内に閉じ込められる。その結果、溶接チリは圧電体５やケース１に付着する状態となる。このようなとき、糸状の溶接チリの両端が圧電体５の電極面７と端子板８に接触すると、電極面７と端子板８の間で短絡状態となり、圧電体５の機能が停止すると言う課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、ケースと端子板を電気溶接した際に、糸状の溶接チリが発生しても圧電体と端子板の間に短絡が発生しない超音波送受気波器を実現すると共に、内部での短絡防止を実現した超音波送受波器を用いた超音波流量計を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、圧電体の電極面と端子板との間に電気的絶縁手段を構成したものである。

本発明の超音波送受波器は、糸状の溶接チリが発生した場合に溶接チリの両端が圧電体の電極面と端子板の両方に接触しない構成としたものである。これにより、電極面と端子板の間で短絡がなくなり、信頼性に優れた超音波送受波器を用いた超音波流量計を提供することができる。

第１の発明は、対向する１対の電極面を有する圧電体と、前記圧電体の一方の電極面に電気的に接続されたケースと、前記ケースの先端近傍部が電気的に接続された端子板と、
前記端子板に設けられた一方の外部電極端子と、前記一方の外部電極端子と絶縁状態で前記端子板に設けられた他方の外部電極端子と、前記圧電体の他方の電極面と前記他方の外部電極端子の間に設けられた導電体と、前記圧電体に対向し前記ケースに接着固定された音響整合層とを備えた超音波送受波器において、前記ケースの先端近傍部と端子板とは電気溶接で接続されると共に、前記圧電体の他方の電極面上で前記導電体への当接部以外に絶縁体を構成することにより、ケースと端子板を電気溶接した際に糸状の溶接チリが発生し、密封空間に閉じ込められた場合においても溶接チリの両端が圧電体の電極面と端子板の両方に接触しないため、電極面と端子板の間で短絡がなくなり、信頼性に優れた超音波送受波器を用いた超音波流量計を提供することができ、更に、部品点数の増加もなく組立てが容易である。また圧電体の電極面が露出しない構成となり溶接チリが密封梅空間に存在しても電極面に当接しないため電極面と端子板の間で短絡がなくなり、信頼性に優れた超音波送受波器を用いた超音波流量計を提供することができる。

第２の発明は、対向する１対の電極面を有する圧電体と、前記圧電体の一方の電極面に電気的に接続されたケースと、前記ケースの先端近傍部が電気的に接続された端子板と、前記端子板に設けられた一方の外部電極端子と、前記一方の外部電極端子と絶縁状態で前記端子板に設けられた他方の外部電極端子と、前記圧電体の他方の電極面と前記他方の外部電極端子の間に設けられた導電体と、前記圧電体に対向し前記ケースに接着固定された音響整合層とを備えた超音波送受波器において、前記ケースの先端近傍部と端子板とは電気溶接で接続されると共に、圧電体の他方の電極面とケースの先端近傍部を区画するように電気的絶縁体を構成し、前記電気的絶縁体を前記端子版と前記ケースで電気溶接方向に対し垂直方向に挟持したことにより、溶接チリが発生しても圧電体の電極面まで到達しないと共に、電気的絶縁体が圧電体に接触しないため、信頼性に優れ且つ圧電体の振動特性が安定した超音波送受波器を用いた超音波流量計を提供することができる。

第３発明は、特に、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または２に記載の１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とを備えたもので、電気溶接による溶接チリの影響を受けず高信頼性を有する超音波流量計を提供することができる。

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、この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は本発明の第１の実施の形態における超音波送受波器を用いた超音波流量計の構成を示す図である。

図１において、１０１はＬＰガスや天然ガスなどの流体が流れる流路であり、１０２はこの流路１０１を流れる流体の流量を測定する流量測定部であり、１０３、１０４は流路１０１に対向して配され超音波を送受信する超音波送受波器、１０５は超音波送受波器１０３、１０４間の超音波伝搬時間を計測する計測回路、１０６は計測回路１０５からの信号に基づいて流量を求める流量演算回路である。

以上のように構成された流量測定部１０２での超音波流量計の動作、作用を説明する。超音波送受波器１０３と超音波送受波器１０４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１０１の長手方向となす角度をθとする。また流体の無風状態での音速をＣ、流路１０１内での流体の流速をＶとする。流量測定部１０２の上流側に配置された超音波送受波器１０３から送信された超音波は流路１０１を斜めに横断し、下流側に配置された超音波送受波器１０４で受信する。このときの伝搬時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／Ｃ＋Ｖｃｏｓθ （１）
で示される。次に超音波送受波器１０４から超音波を送信して超音波送受波器１０３で受信する。このときの伝搬時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／Ｃ−Ｖｃｏｓθ （２）
で示される。
そしてｔ１とｔ２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５にてｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。この流速Ｖから流量Ｑは、流路１０１の断面積をＳ、補正係数をＫとすれば、流量演算回路６で、Ｑ＝ＫＳＶを演算して流量を求めることができる。

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送受波器について図２から図４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送受波器の断面図を示すものである。図２において、超音波送受波器１０３（１０４）は、対向する１対の電極面１０７、１０８を有する圧電体１０９と、圧電体１０９の一方の電極面１０７に電気的に接続されたケース１１０と、ケース１１０の先端近傍部１１１が電気的に接続された端子板１１２と、端子板１１２に設けられた一方の外部電極端子１１３と、一方の外部電極端子１１３と絶縁状態で端子板１１２に設けられた他方の外部電極端子１１４と、圧電体１０９の他方の電極面１０８と他方の外部電極端子１１４の間に設けられた導電体である導電ゴム１１５と、圧電体１０９に対向しケース１１０に接着固定された音響整合層１１６と備えた構成である。圧電体１０９の他方の電極面１０８と一方の外部電極端子１１３が設けられた端子板１１２の間の電気的絶縁手段としては、他方の電極面１０８の上に電気絶縁性樹脂１１７がコーティングされている。電気絶縁性樹脂１１７は導電ゴム１１５の他方の電極面１０８への当接部以外の部分にコーティングされている。ケース１１０の先端近傍部１１１と端子板１１２の突起１１８は電気溶接により接合されている。接合により構成された密封空間１１９に位置する端子板１１２の端部１２０とケース１１０の間には電気溶接時にケース１１０の先端近傍部１１１と端子板１１２の突起１１８のみが接触するように間隙部１２１が構成されている。

以上のように、本実施例の形態においては、他方の電極面１０８の上に電気絶縁性樹脂１１７がコーティングされているため、突起１１８で電気溶接された際に糸状の溶接チリが密封空間１１９に閉じ込められた場合においても、溶接チリが他方の電極面１０８に直接接触しないため短絡の故障にはならない。

また、本実施の形態では、電気絶縁性樹脂１１７を圧電体１０９に直接コーティングするため部品点数の増加もなく組立性が容易である。

また、電気的絶縁手段は電気絶縁性樹脂に限定されるものではなく、ゴム材料を用いてもその効果は同様に得ることが出来るものである。

（実施の形態２）
図３は本発明の第２の実施形態における超音波送受波器の断面図を示すものである。図５において、１０３〜１２１は図２と同様であり説明は省略する。圧電体１０９の他方の電極面１０８と端子板１１２の間の密封空間１１９には電気的絶縁体として発砲樹脂１２２が設けられている。この発砲樹脂１２２は低発砲で低密度の独立気泡形態となっている。以上のように、本実施例の形態においては、突起１１８で電気溶接された際に糸状の溶接チリが発生した場合においても、密閉空間１１９側に入ることはなく、溶接チリが他方の電極面１０８に直接接触しないため短絡の故障にはならない。

また、本実施の形態では、発砲樹脂１１２は低密度であるため圧電体１０９の振動特性
に影響を与えることがなく安定した性能と信頼性に優れた超音波送受波器を用いた超音波流量計を提供することができる。

（実施の形態３）
図４は本発明の第３の実施形態における超音波送受波器の断面図を示すものである。図４において、１０３〜１２１は図２と同様であり説明は省略する。端子板１１２とケース１１０の間に圧電体１０９の他方の電極面１０８とケース１１０の先端近傍部１１１の電気溶接部とを区画するように電気的絶縁体として発砲樹脂１２３を挟持したものである。本実施例の構成においては、突起１１８で電気溶接された際に糸状の溶接チリが発生した場合においても密閉空間１１９側に入ることはなく、溶接チリが他方の電極面１０８に直接接触しないため短絡の故障にはならない。

また、本実施の形態では、発砲樹脂１２３が圧電体１０９に接触しないため圧電体１０９の振動特性は変わらず、信頼性に優れ且つ圧電体の振動特性に優れた超音波送受波器を用いた超音波流量計を提供することができる。

以上のように、本発明にかかる超音波送受波器および超音波流量計は、超音波送受波器を製造する際に電気溶接部で発生する溶接チリによる超音波送受波器の短絡がなく、信頼性に優れた超音波送受波器を用いた超音波流量計として有用である。

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における超音波送受波器の断面図 本発明の実施の形態２における超音波送受波器の断面図 本発明の実施の形態３における超音波送受波器の断面図 従来の超音波送受波器を示す断面図

１０３、１０４ 超音波送受波器
１０７ 電極面（一方の電極面）
１０８ 電極面（他方の電極面）
１０９ 圧電体
１１０ ケース
１１１ 先端部近傍
１１３ 一方の外部電極端子
１１４ 他方の外部電極端子
１１５ 導電体（導電ゴム）
１１６ 音響整合層
１１７ 電気的絶縁手段

Claims (3)

1. 対向する１対の電極面を有する圧電体と、前記圧電体の一方の電極面に電気的に接続されたケースと、前記ケースの先端近傍部が電気的に接続された端子板と、前記端子板に設けられた一方の外部電極端子と、前記一方の外部電極端子と絶縁状態で前記端子板に設けられた他方の外部電極端子と、前記圧電体の他方の電極面と前記他方の外部電極端子の間に設けられた導電体と、前記圧電体に対向し前記ケースに接着固定された音響整合層とを備えた超音波送受波器において、前記ケースの先端近傍部と端子板とは電気溶接で接続されると共に、前記圧電体の他方の電極面上で前記導電体への当接部以外に絶縁体を構成したことを特徴とする超音波送受波器。
2. 対向する１対の電極面を有する圧電体と、前記圧電体の一方の電極面に電気的に接続されたケースと、前記ケースの先端近傍部が電気的に接続された端子板と、前記端子板に設けられた一方の外部電極端子と、前記一方の外部電極端子と絶縁状態で前記端子板に設けられた他方の外部電極端子と、前記圧電体の他方の電極面と前記他方の外部電極端子の間に設けられた導電体と、前記圧電体に対向し前記ケースに接着固定された音響整合層とを備えた超音波送受波器において、前記ケースの先端近傍部と端子板とは電気溶接で接続されると共に、圧電体の他方の電極面とケースの先端近傍部を区画するように電気的絶縁体を構成し、前記電気的絶縁体を前記端子版と前記ケースで電気溶接方向に対し垂直方向に挟持した超音波送受波器。
3. 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または２に記載の１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とを備えた超音波流量計。

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