JP4765642B2 - 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

Description

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速や流量を計測する流体の流れ計測装置に関するものである。

従来、この種の超音波振動子は、図６に示すように、導電性の有天状の筒状ケース５１の内面に圧電体５２が、外面には音響整合層５３がそれぞれ接着固定されている。圧電体５２の上面、下面には焼付け銀などの上電極５４、下電極５５が形成されている。

上記筒状ケース５１の開口部からは外方向へのびるフランジ５６が一体に形成してあって、導電性の端子板５７の外周上面がその下面に溶接されており、これによりこの筒状ケース５１の内部は密閉空間５８が形成されている。通常、上記密閉空間５８には窒素ガスなどの不活性ガスが充填してある。

圧電体５２の下部電極面５５には導電性の弾性材５９が圧着されており、端子板５７をハ−メチックシ−ルなどの電気絶縁部６０を貫通した一方の端子６１がこの弾性材５９に接続されている。またこの端子６１と所定の間隔をおいた端子板５７の他の部位にはもう一方の端子６２が接続されている。

このように、一方の端子６１は、導電性の弾性材５９を介して圧電体５２の下電極５５に、他方の端子６２は、端子板５７および筒状ケース５１を介して圧電体５２の上電極５４に電気的に接続されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−５０７８５号公報

しかしながら、前記従来の超音波送振動子では筒状ケース５１のフランジ５６と端子板５７とを電気溶接などの溶接手段で接合する構成であり、端子板５７の筒状ケース５１への接合状態によっては、溶接時に筒状ケース５１と端子板５７との接触部で放電が発生し、糸状の溶接チリが密閉空間５８内で発生する場合があった。

そして、発生した溶接チリは密閉空間５８内に閉じ込められる。その結果、溶接チリは圧電体５２、筒状ケース５１の内面、弾性材５９の外周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５２の下電極５５と端子板５７との間に接触すると、これらが短絡状態となり、圧電体５２が機能しなくな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、電気溶接の際に発生する糸状の溶接チリの影響をなくし、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。

本発明は上記目的を達成するために、導電性の有天状筒状ケースと、前記有天状筒状ケースの頂壁内面に固定した圧電体と、前記有天状筒状ケースの頂壁外面に固定した音響整合層と、前記筒状ケースの開放部に溶接固定した導電性の端子板と、を具備し、前記端子板の上面には、前記有天状筒状ケース内面に接する逆円錐形状の電気絶縁部材を配置して、溶接チリが発生しても、圧電体の下部電極と、端子板上面とが電気的に短絡しないようにしたものである。

本発明の超音波振動子は、筒状ケースと端子板とを溶接した際に、糸状の溶接チリが発生して、それが端子板の上面と圧電体の下部電極との間に入っても短絡することがなく、これにより、信頼性に優れた超音波振動子を提供することができる。

本発明は、導電性の有天状筒状ケースと、前記有天状筒状ケースの頂壁内面に固定した圧電体と、前記有天状筒状ケースの頂壁外面に固定した音響整合層と、前記筒状ケースの開放部に溶接固定した導電性の端子板と、を具備し、前記端子板の上面には、前記有天状筒状ケース内面に接する逆円錐形状の電気絶縁部材を配置したもので、筒状ケースと端子板とを溶接した際に、糸状の溶接チリが発生して、それが端子板の上面と圧電体の下部電極との間に入っても短絡することがない。

電気絶縁部材を逆円錐形状に設定しておけば、溶接空間の拡大が図れ、また、電気絶縁部材の外周より立ち上がり部を形成するとともに、その高さを筒状ケース周壁の高さ方向中間部に至るようにすることで、筒状ケースそのものの振動を抑制できる。この場合、電気絶縁部材として、シリコンゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴムなど音響的減衰特性の大きい材料を選定することが望ましい。

そして、これら一対の超音波振動子を被測定流体が流れる流れ計測部の上流側と下流側に対向させて配置すれば、高精度な流速や流量を計測できるものである。

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１，２において、導電性材料からなる有天状の筒状ケース１には圧電体２が内設してあって、その上部電極３が頂壁内面に導電性の接着剤で接着固定してあり、また頂壁外面には音響整合層４が接着固定してある。

導電性材料からなる端子板５は、筒状ケース１の下方開放部を閉塞するもので、前記筒状ケース１の下方開放部より外周方向に延設されたフランジ部６の下面に溶接され、電気的に導通した状態で固定される。

フランジ部６の下面に対する端子板５の溶接は以下の要領で行なわれる。すなわち、端子板５の外周部上面に一体形成した三角形状の突起７を端子板５の下面に当て、この状態で電流を流すと、前記突起７が解けてフランジ部６と端子板５とが溶接され、一体化されるものである。

筒状ケース１の内周壁に接する電気絶縁部材８が端子板５の上面に接着などの手段で固定してあり、フランジ部６と端子板５とを溶接する際、その溶接空間９と筒状ケース１の密閉空間１０とを遮断するようにしてある。

圧電体２の下部電極１１には導電性の弾性材１２を介して一方の端子１３が接続されている。この端子１３はガラスハ−メチックシ−ルなどの絶縁部材１４を介して端子板５を電気絶縁状態で貫通して外部へ突出している。また端子板５の他の部位には他方の端子１５が取着してある。

つまり、一方の端子１３は導電性の弾性材１２を介して圧電体２の下部電極１１に、他方の端子１５は端子板５、筒状ケース１を介して圧電体２の上部電極３にそれぞれ電気的
に接続されるものである。

以上構成により、筒状ケース１のフランジ部６と端子板６とが溶接接合される際に、溶接空間９で導電性の糸状溶接チリが発生しても、電気絶縁部材８により筒状ケース１の密閉空間１０と隔離しているため、圧電体２と端子板５とが電気的に短絡することがなくなり、その圧電体２の動作を確実なものとすることができるものである。

電気絶縁部材８の材料としては音響的減衰特性の大きいものが適している。即ち、圧電体２で発生した超音波振動は、筒状ケース１を介して端子板５にも伝播されて超音波振動することになる。

端子板５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８を構成すると、伝播されてきた超音波振動がこの電気絶縁部材８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。

電気絶縁部材８にあって、電気絶縁性で、かつ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、ネオプレン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、信頼性に優れた超音波振動子を実現できる。

なお、圧電体２の上部、および下部電極３，１１は焼付け銀などで形成されており、また筒状ケース１の密閉空間１０には窒素ガスなどの不活性ガスが充填してある。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２を示し、電気絶縁部材８を逆円錐形に設定した。その他の構成で図１，２と同作用を発揮するものには同一符号を付与している。この構成によれば、溶接空間９を大きくできるとともに、筒状ケース１内面に対する電気絶縁部材８の接合作業がやりやすくなる。

（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３を示し、電気絶縁部材８の外周より立ち上がり部８ａを形成したものである。

この立ち上がり部８ａは筒状ケース１の内面における高さ方向のほぼ中央部に達しており、同筒状ケース１の内面の接しているものである。

筒状ケース１は先述したように、圧電体２で発生した超音波振動でその周壁が振動するもので、その振動形態は、頂壁との接続部位、およびフランジ部６との接続部位が振動基点（振動の節）となり高さ方向中央部が振動の腹部となり大きく振動する。

本実施の形態では、その振動の腹部に電気絶縁部材８の立ち上がり部８ａを当てているため、筒状ケース１の振動減衰を的確に行なうことができるものである。

もちろん、本構成では立ち上がり部８ａの存在によって、筒状ケース１のフランジ部６と端子板６とが溶接接合される際の溶接空間９と密閉空間１０とをより一層確実に隔離することとなる。

（実施の形態４）
図５は実施の形態４としての流体の流れ計測装置を示すものである。すなわち、流体の流れる流れ計測部１６に先の実施の形態１〜３のいずれかで示した超音波振動子１７，１８が一対斜めに配置された構成となっている。

実線矢印は流体の流れ方向を、点線矢印は超音波の伝播経路を示す。

ここで、流れ計測部１６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パルスの伝搬方向の角度をθ、超音波振動子１７，１８間の距離としたとき、超音波振動子１７から出た超音波パルスが超音波振動子１８に到達する伝搬時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （１）
で示される。

逆に、超音波振動子１８から出た超音波パルスが超音波振動子１７に到達する伝搬時間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、計測回路などを介してｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。そして、必要に応じて、この流速Ｖに流量計測部１６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。

実施の形態１〜３の超音波振動子を用いることにより、即ち、溶接接合時に発生する溶接チリによる超音波振動子の動作停止することのない超音波振動子を用いているので、信頼性の高い流速、流量などの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、高性能な超音波流速・流量計をも実現できるものであり、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 同超音波振動子の要部拡大断面図 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における超音波式の流体の流れ計測装置の概略断面図 従来の超音波振動子の断面図

符号の説明

１ 筒状ケース
２ 圧電体
４ 音響整合層
５ 端子板
８ 電気絶縁部材
８ａ 立ち上がり部
１７，１８ 超音波振動子
１６ 流れ測定部

Claims (4)

1. 導電性の有天状筒状ケースと、
   前記有天状筒状ケースの頂壁内面に固定した圧電体と、
   前記有天状筒状ケースの頂壁外面に固定した音響整合層と、
   前記筒状ケースの開放部に溶接固定した導電性の端子板と、を具備し、
   前記端子板の上面には、前記有天状筒状ケース内面に接する逆円錐形状の電気絶縁部材を配置した超音波振動子。
2. 電気絶縁部材を音響的減衰特性の大きい材料とした請求項１記載の超音波振動子。
3. 電気絶縁部材がシリコンゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴムなどの樹脂で構成した請求項２記載の超音波振動子。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載の一対の超音波振動子を被測定流体が流れる流れ計測部の上流側と下流側に対向させて配置した流体の流れ計測装置。

Images