JP4771370B2 - 超音波流量計用検出器及び超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を送波あるいは受波する超音波センサを用いた超音波流量計用検出器、及びこれを用いて、流体の流量を計測する超音波流量計に関する。

従来より、超音波センサは、流体の流量を計測する超音波流量計の他、種々の計測機器に用いられている。このうち、例えば、超音波流量計に用いられる超音波センサは、超音波を発生あるいは受波する圧電素子を備える。また、このほかに、圧電素子で発生させた超音波を流体等の外部媒質に効率良く伝播するため、あるいは流体等からの超音波を圧電素子に効率良く伝えるために、この圧電素子と外部媒質との間に、これらの音響整合を図る音響整合層を備えている。一般に、音響整合層を備えた超音波センサでは、圧電素子に設ける一組の電極のうち、その一方の電極は音響整合層と圧電素子との間に位置し、他方の電極は、圧電素子のうち、音響整合層と逆側に配置される。このような超音波センサの一例として、特許文献１には、ＬＰガス流量計にも応用できる防液型超音波センサが開示されている。

この特許文献１に開示された防液型超音波センサについて、図７を用いて簡単に説明する。図７は、特許文献１に係る防液型超音波センサ５５０の構造を示す断面図である。
この防液型超音波センサ５５０は、円柱状のセンサ素子５５１、整合層５５４、有底円筒形の筐体５０９、Ｏリング５９０、２本のリード線５５６，５５７とから構成される。この防液型超音波センサ５５０のうち、センサ素子５５１は、整合層５５４と接した状態で、筐体５０９の内部に収められており、Ｏリング５９０によりセンサ素子５５１と筐体５０９との間が液密にされている。また、センサ素子５５１は、図７に示すように、筐体５０９の底部を貫通するリード線５５６，５５７により、筐体５０９の外部と電気的に接続可能となっていて、整合層５５４を介して超音波を送受信するようになっている。
なお、この特許文献１に係る防液型超音波センサ５５０では、図７によると、整合層５５４は、センサ素子５５１との接合面５５１ａにおける外周の大きさと同じ大きさにされている。

特開平２００２−２７７３０７号公報

ところで、整合層５５４とセンサ素子５５１とは同径となっているため、センサ素子５５１の表面（整合層５５４側の面）に形成されている電極をリード線５５７と接続可能とするため、図７に示すように、折り返し電極を、センサ素子５５１の側面または側面を経由してセンサ素子５５１の裏面まで延びる形態で形成していた。
しかしながら、圧電素子に折り返し電極を設けるのは面倒であり、コストアップとなる。また、超音波センサに用いる圧電素子の径を小径としたり、圧電素子の厚さを薄くしたりすると、上述の折り返し電極を設けることが困難な場合、あるいは適切でなくなる場合があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、音響整合層を備えた超音波センサを用いた超音波流量計用検出器、及びこれを用いて、流体の流量を計測する超音波流量計を提供することを目的とする。

その超音波センサとしては、主面及びこれに平行な裏面を有する平板状で、上記主面に主面電極を、上記裏面に裏面電極を有し、超音波振動を発生または受波する圧電素子と、上記圧電素子の上記主面側に位置し、上記圧電素子と外部媒質との音響整合を図る音響整合板であって、絶縁体からなり、上記圧電素子より径大で、上記圧電素子側に導電層を有し、上記導電層が上記圧電素子の上記主面電極と導通した状態で、上記圧電素子と接合してなる音響整合板と、上記導電層にそのうち上記圧電素子の径方向外側の部位で電気的に接続し、上記主面電極と導通する第１リード部材と、上記裏面電極と導通する第２リード部材と、を備える超音波センサとするのが好ましい。

この超音波センサは、主面に主面電極を、裏面に裏面電極を有する圧電素子と、圧電素子より径大で、圧電素子側に導電層を有し、導電層が圧電素子の主面電極と導通した状態で、圧電素子と接合してなる音響整合板と、を備える。そして、導電層のうち、圧電素子の径方向外側の部位で電気的に接続し、主面電極と導通する第１リード部材と、裏面電極と導通する第２リード部材と、を備える。
このように構成することにより、圧電素子の側面、あるいは側面を経由した裏面に主面電極側から延びた延長電極（折り返し電極）を設けることなく、圧電素子の主面電極と第１リード部材とを適切に導通したセンサとすることができる。

さらに、上記超音波センサであって、少なくとも前記圧電素子を内部に収納する筒状のシールド部材であって、導体からなり、前記音響整合板とその外周部で結合すると共に前記導電層と導通してなる結合部を含むシールド部材を備える超音波センサとすると良い。

この超音波センサは、シールド部材を備えている。しかも、このシールド部材は、導体からなり、結合部で音響整合板とその外周部で結合し、導電層と導通してなる。
これにより、電磁ノイズが超音波センサから外部に放射される、あるいは外部からの電磁ノイズが受波信号に重畳される不具合を抑制できる。
しかも、シールド部材はその結合部が、音響整合板の外周部と結合するとともに、導電層と導通しているので、導電層とシールド部材とを接続する配線が不要であり、構造容易で安価にできる。

さらに、上記超音波センサであって、前記シールド部材は、前記第１リード部材の一部を兼ねる超音波センサとすると良い。

この超音波センサでは、シールド部材が第１リード部材の一部を兼ねている。このため、別途、音響整合板の導電層にリード線を半田付けするなどの作業が不要である。なお、シールド部材は、別途、リード部材を接触させる、半田付け等によりリード線を取り付けるなどにより外部と導通させる。

その解決手段は、樹脂からなり、流体が流通する管路であって、少なくともその一部に、上記流体の流量を計測する計測領域をなす計測管路を含む管路を有する流量検出器本体と、上記計測管路に向けて超音波を送波する送波用超音波センサと、上記計測管路を挟んで、上記送信用超音波センサと対向して配置され、上記超音波を受波する受波用超音波センサと、を備える超音波流量計用検出器であって、上記送波用超音波センサは、第１主面及びこれに平行な第１裏面を有する平板状の第１圧電素子と、上記第１圧電素子より径大で、この第１圧電素子の上記第１主面側に位置し、上記第１圧電素子と外部媒質との音響整合を図る第１音響整合板と、を有し、上記受波用超音波センサは、第２主面及びこれに平行な第２裏面を有する平板状の第２圧電素子と、上記第２圧電素子より径大で、この第２圧電素子の上記第２主面側に位置し、上記第２圧電素子と外部媒質との音響整合を図る
第２音響整合板と、を有し、上記流量検出器本体は、上記送波用超音波センサの上記第１音響整合板と上記計測管路とを隔て、上記超音波が伝わる第１壁部であって、上記第１音響整合板が当接する第１当接面、及び、上記第１当接面に平行で、上記計測管路を臨む第１管路側面を含む第１壁部と、上記受波用超音波センサの上記第２音響整合板と上記計測管路とを隔て、上記超音波が伝わる第２壁部であって、上記第２音響整合板が当接する第２当接面、及び、上記第２当接面に平行で、上記計測管路を臨む第２管路側面を含む第２壁部と、を有し、上記送波用超音波センサの上記第１音響整合板は、上記第１壁部の上記第１管路側面より径大で、上記第１壁部の上記第１当接面のうち、上記第１音響整合板をその厚さ方向に投影した第１投影領域の内部に上記第１管路側面が含まれる第１当接領域に密着し、上記第１壁部に向けて付勢された状態で当接してなり、上記受波用超音波センサの上記第２音響整合板は、上記第２壁部の上記第２管路側面より径大で、上記第２壁部の上記第２当接面のうち、上記第２音響整合板をその厚さ方向に投影した第２投影領域の内部に上記第２管路側面が含まれる第２当接領域に密着し、上記第２壁部に向けて付勢された状態で当接してなる超音波流量計用検出器である。

本発明の超音波流量計用検出器は、送波用超音波センサ及び受波用超音波センサを備える。このうち、送波用超音波センサは、第１圧電素子とこれより径大の第１音響整合板とを有している。そして、この第１音響整合板は、第１壁部の第１当接面に密着し、第１壁部に向けて付勢された状態で当接している。
しかも、この第１音響整合板は、第１壁部の第１管路側面より径大で、第１当接面のうち、第１音響整合板をその厚さ方向に投影した第１投影領域の内部に第１管路側面が含まれる第１領域に密着している。このため、第１音響整合板（第１超音波センサ）が第１壁部に向けて付勢された状態で当接していても、流量検出器本体のうち第１管路側面の周囲の部位が、この付勢力を受け止める。
したがって、第１壁部及びその第１当接面が変形して、この第１壁部の第１当接面と送波用超音波センサの第１音響整合板との密着性が低下し、第１壁部を超音波が伝わり難くなることを防止することができる。また、第１壁部及びその第１管路側面が変形あるいは変位して、第１管路側面から計測管路に放射される超音波の強度が変化する不具合を防止することができる。さらに、受波用超音波センサまでの距離が変化するなどの不具合を防止することができる。
また、第１壁部の厚さを薄くできる（変形防止のため厚くする必要がない）ので、効率よく超音波を計測管路に送波できる。

また、送波用超音波センサと同様に、受波用超音波センサは、第２圧電素子とこれより径大の第２音響整合板とを有している。そして、この第２音響整合板は、第２壁部の第２当接面に密着し、第２壁部に向けて付勢された状態で当接している。
しかも、この第２音響整合板は、第２壁部の第２管路側面より径大で、第２当接面のうち、第２音響整合板をその厚さ方向に投影した第２投影領域の内部に第２管路側面が含まれる第２領域に密着している。このため、第２音響整合板（第２超音波センサ）が第２壁部に向けて付勢された状態で当接していても、流量検出器本体のうち第２管路側面の周囲の部位が、この付勢力を受け止める。
したがって、第２壁部及びその第２当接面が変形して、この第２壁部の第２当接面と送波用超音波センサの第２音響整合板との密着性が低下し、第２壁部を超音波が伝わり難くなることを防止することができる。また、第２壁部及びその第２管路側面が変形あるいは変位して、計測管路から第２管路側面に受波される超音波の強度が変化する不具合を防止することができる。さらに、受波用超音波センサまでの距離が変化するなどの不具合を防止することができる。また、第２壁部の厚さを薄くできる（変形防止のため厚くする必要がない）ので、効率よく超音波を計測管路に送波できる。

さらに、請求項４に記載の超音波流量計用検出器と、この超音波流量計用検出器の前記
送波用超音波センサを駆動し、前記受波用超音波センサからの出力に基づいて、前記流体の流量を計測する駆動計測装置と、を備える超音波流量計とすると良い。

本発明の超音波流量計では、前述の超音波流量計用検出器を用いているので、適切に流体の流量を測定することができる。

（実施形態１）
本発明の超音波センサを用いた超音波流量計用検出器により、流体の流量を計測する超音波流量計の一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。

図１は、実施形態１に係る超音波流量計１の形態を示す説明図である。図２は、実施形態１に係る超音波流量計１のうち、流量検出部１０の構造を示す部分断面図である。図３は、実施形態１に係る超音波流量計１の流量検出部１０に用いた超音波センサ５０，１５０の形態及び構造を示す断面図である。図４は、図２における流量検出部１０のうち、受波部１０ｂを拡大して示す断面図である。図５は、実施形態１に係る超音波流量計１に用いた流量検出部１０の超音波センサ５０，１５０の作用及び効果を説明するための説明図である。

本実施形態における超音波流量計１は、例えば、計測管路ＴＵを流動する液体ＬＱの流量を計測する装置である。この超音波流量計１は、図１に示すように、流量検出部１０及びこの流量検出部１０と電気的に接続する駆動計測部２０からなる。また、流量検出部１０は、図１及び図２に示すように、送波部１０ａ，受波部１０ｂ及びこれらの間に位置し、これら双方を繋ぐ連結管２６０とからなる。なお、流量検出部１０が本発明の超音波流量計用検出器に対応し、駆動計測部２０が駆動計測装置に対応する。
また、本実施形態では、超音波流量計１の流量検出部１０は、説明の便宜上、送波部１０ａと受波部１０ｂとを有するとした。しかしながら、送波部１０ａと受波部１０ｂとは、実質的に同じ形態で構成され、同じ機能を有しており、逆に使用することも可能である。

まず、超音波流量計１のうち、流量検出部１０について説明する。
この流量検出部１０のうち、送波部１０ａ及び受波部１０ｂは、図２に示すように、それぞれ超音波センサ５０，１５０、Ｏリング９０，１９０、センサ取付部材１３０，２３０、ケーブル用保持具１３３，２３３、コネクタ１３４，２３４、ケーブル１３５，２３５及びＢＮＣコネクタ１３６，２３６から構成される。この送波部１０ａと受波部１０ｂとは、連結管２６０で繋がれている。
この送波部１０ａ及び受波部１０ｂでは、超音波センサ５０，１５０は、それぞれセンサ取付部材１３０，２３０の内部に収納され、Ｏリング９０，１９０でシールして固定されている。
また、この超音波センサ５０，１５０は、ケーブル１３５，２３５の一端側に接続するコネクタ１３４，２３４と電気的に接続され、ケーブル用保持具１３３，２３３によりセンサ取付部材１３０，２３０に固定されている。ケーブル１３５，２３５の他端側は、図２に示すように、ＢＮＣコネクタ１３６，２３６が電気的に接続されており、ケーブル１３５，２３５及びＢＮＣコネクタ１３６，２３６により、流量検出部１０と駆動計測部２０とが電気的に接続される（図１参照）。
なお、超音波センサ５０が本発明の送波用超音波センサに対応し、超音波センサ１５０が受波用超音波センサに対応する。

送波部１０ａ及び受波部１０ｂのうち、超音波センサ５０，１５０は、図３に示すように、圧電素子５１，１５１、音響整合板５４，１５４、第１リード部材５６，１５６、第
２リード部材５７，１５７及びシールド部材６０，１６０からなる。この超音波センサ５０，１５０では、圧電素子５１，１５１は、その主面５１ａに主面電極５２，１５２を、この主面５１ａ，１５１ａに平行な裏面５１ｂ，１５１ｂに裏面電極５３，１５３を有している。音響整合板５４，１５４は、その裏面５４ｂ，１５４ｂに導電層５５，１５５を有している。音響整合板５４，１５４は、その裏面５４ｂ，１５４ｂと圧電素子５１，１５１の主面５１ａ，１５１ａとが対向するように、圧電素子５１，１５１の主面５１ａ，１５１ａ側に配置され、導電層５５，１５５と主面電極５２，１５２とが、互いに導通している。この導電層５５，１５５のうちの圧電素子５１，１５１の径方向外側の部位には、第１リード部材５６，１５６が電気的に接続されている。また、第２リード部材５７，１５７は、圧電素子５１，１５１の裏面電極５３，１５３に電気的に接続されている。そして、圧電素子５１，１５１は、ステンレスからなる筒状のシールド部材６０，１６０の内部に収納され、樹脂でモールドされている。

この超音波センサ５０，１５０のうち、圧電素子５１，１５１は、それぞれ、圧電セラミックスからなり、その主面５１ａ，１５１ａ及びこれに平行な裏面５１ｂ，１５１ｂを有する平板状である。このうち、主面５１ａ，１５１ａの全面にはＡｇを焼付けてなる主面電極５２，１５２が、また、裏面５１ｂ，１５１ｂの全面にもＡｇを焼付けてなる裏面電極５３，１５３が形成されている。圧電素子５１，１５１は厚み方向に分極されており、この主面電極５２，１５２と裏面電極５３，１５３との間に交流電圧を印加することで、圧電素子５１，１５１は、超音波振動を発生する。
なお、圧電素子５１が、本発明の第１圧電素子に対応し、圧電素子１５１が第２圧電素子に対応する。また、主面５１ａが本発明の第１主面に対応し、主面１５１ａが本発明の第２主面に対応し、裏面５１ｂが本発明の第１裏面に対応し、裏面１５１ｂが第２裏面に対応する。

超音波センサ５０，１５０のうち、音響整合板５４，１５４は、圧電素子５１，１５１と、超音波を伝える外部媒質（本実施形態では、後述する樹脂製の壁１００，２００）との音響整合を図るために設けられるものである。
この音響整合板５４，１５４は、例えば、シリカ系セラミックス等の材料のような、圧電素子５１，１５１より小さく、後述する樹脂製の壁１００，２００より大きい、これらの中間の音響インピーダンスを有する材料からなる。また、この音響整合板５４，１５４は、その主面５４ａ，１５４ａ及びこれに平行な裏面５４ｂ，１５４ｂを有する平板状であり、圧電素子５１，１５１より径大で、所定厚さに形成されている。

この音響整合板５４の主面５４ａは、圧電素子５１で発生した超音波を外部媒質へ放射する放射面となる。また、音響整合板１５４の主面１５４ａは、外部から伝わる超音波を圧電素子１５１に伝えるための入射面となる。一方、これら音響整合板５４，１５４のうち、その裏面５４ｂ，１５４ｂの全面には、Ａｇ等の導電性の高い材料を焼付けた導電層５５，１５５を有している。この音響整合板５４，１５４は、圧電素子５１，１５１のうち、主面５１ａ，１５１ａ側に配置され、主面電極５２，１５２と導電層５５，１５５とが重なるように接合され、電気的にも互いに導通している。

また、この導電層５５，１５５における圧電素子５１，１５１の径方向外側の部位には、図３に示すように、第１リード部材５６，１５６がハンダ付けにより電気的に接続されている。このようにして、導電層５５，１５５を介して主面電極５２，１５２と第１リード部材５６，１５６とが導通する。
一方、裏面電極５３，１５３には、第２リード部材５７，１５７がハンダ付けで接続されている。したがって、圧電素子５１，１５１には、その側面に、あるいはこの側面を経由した裏面５１ｂ，１５１ｂに主面電極側から延びた延長電極（折り返し電極）を設ける必要がない。
なお、音響整合板５４が本発明の第１音響整合板に対応し、音響整合板１５４が第２音響整合板に対応する。

超音波センサ５０，１５０のうち、シールド部材６０，１６０は、ステンレスからなり、円筒状の基体にその径方向外側に突出する２つの鍔部６４，６５，１６４，１６５を形成した略円筒状の部材である。図３に示すように、このシールド部材６０，１６０は、その内側に、シールド部材６０，１６０の先端面６０ａ，１６０ａ側（図３中上方側）に位置するセンサ埋設孔６１，１６１と、後端面６０ｂ，１６０ｂ側（図３中下方側）に位置するリード部材挿通孔６２，１６２とを有している。
これらの孔のうち、センサ埋設孔６１，１６１は、その内部に圧電素子５１，１５１を収納する孔であり、圧電素子５１，１５１の厚さよりも深く、圧電素子５１，１５１を挿入可能な内径で、センサ埋設孔６１，１６１の内径を音響整合板５４，１５４より径小としている。
また、リード部材挿通孔６２，１６２は、このセンサ埋設孔６１，１６１より径小で、このセンサ埋設孔６１，１６１と段を形成して連通している。リード部材挿通孔６２，１６２は、導電層５５，１５５と接続した第１リード部材５６，１５６及び裏面電極５３，１５３と接続した第２リード部材５７，１５７を挿通して、シールド部材６０，１６０の外部へ導き出すための挿通孔となっている。

また、シールド部材６０，１６０の結合部６０ｊ，１６０ｊは、その外周径が音響整合板５４，１５４とほぼ同径にされている。この結合部６０ｊ，１６０ｊは先端面６０ａ，１６０ａを含む。音響整合板５４，１５４は、その裏面５４ｂ，１５４ｂ（導電層５５，１５５）の外周部がシールド部材６０，１６０の先端面６０ａ，１６０ａに当接して、接着剤等で固着されることにより、シールド部材６０，１６０の結合部６０ｊ，１６０ｊと結合している。

かくして、この超音波センサ５０，１５０では、シールド部材６０，１６０のうち、第１リード部材５６，１５６及び第２リード部材５７，１５７がセンサ埋設孔６１，１６１及びリード部材挿通孔６２，１６２に挿通され、センサ埋設孔６１，１６１内に圧電素子５１，１５１が収納されている。この圧電素子５１，１５１の主面５１ａ，１５１ａ側は、音響整合板５４，１５４で塞がれている。そして、センサ埋設孔６１，１６１及びリード部材挿通孔６２，１６２内には、樹脂が充填され、圧電素子５１，１５１と、第１リード部材５６，１５６及び第２リード部材５７，１５７の一部の周囲を包囲している。

圧電素子５１，１５１をこのシールド部材６０，１６０のセンサ埋設孔６１，１６１に収納することにより、電磁ノイズが超音波センサ５０，１５０から外部に放射される、あるいは外部からの電磁ノイズが受波信号に重畳される不具合を抑制できる。
しかも、このシールド部材６０，１６０は、先端面６０ａ，１６０ａを通じて導電層５５，１５５と導通する。このため、導電層５５，１５５とシールド部材６０，１６０とを接続する配線が不要となり、超音波センサ５０，１５０は簡単な構造で、安価にできる。

また、このシールド部材６０，１６０は、そのうち後端面６０ｂ，１６０ｂを含み径方向外側に突出した鍔部６４，１６４と、この鍔部６４，１６４より先端面６０ａ，１６０ａ側で鍔部６４、１６４と離間した位置に設けられた鍔部６５、１６５とを有する。そして、この鍔部６４，１６４及び鍔部６５，１６５との間は、Ｏリング９０，１９０を配置するためのＯリング埋設溝６３，１６３となっている。また、鍔部６４及び鍔部６５の最外周径は、後述するセンサ取付部材１３０，２３０のセンサ取付部１３１ｂ，２３１ｂの内周面と遊挿可能な径とされている（図４参照）。
また、後述するように、このシールド部材６０，１６０の後端面６０ｂ，１６０ｂは、この超音波センサ５０，１５０を超音波流量計１の流量検出部１０に取り付けたとき、シ
ールド部材６０，１６０とセンサ用固定具８０，１８０との間に介在するバネ７０，１７０により押圧される面となる。

本実施形態に係る流量検出部１０のうち、送波部１０ａ及び受波部１０ｂは、図２及び図４に示すように、液体が流動可能な計測管路ＴＵの一部をなす連結管路２６１を内部に有する連結管２６０で繋がれている。送波部１０ａでは、この計測管路ＴＵの軸線方向に進む超音波を発生させる。一方、受波部１０ｂでは、計測管路ＴＵを進行してきた超音波を受波する。この連結管２６０は、疎水性の樹脂からなり、後述するように、センサ取付部材１３０の内部管路１３２とセンサ取付部材２３０の内部管路２３１との間を計測管路２６１で連通させるストレート管である。本実施形態では、この計測管路２６１の管径（内径）は、音響整合板５４，１５４より径小に形成されている。

送波部１０ａ及び受波部１０ｂは、センサ取付部材１３０，２３０と、この有底孔１３１，２３１内に収納された超音波センサ５０，１５０とを含む。この送波部１０ａ及び受波部１０ｂにおいて、超音波センサ５０，１５０は、センサ取付部材１３０，２３０の有底孔１３１，２３１内に配置される。具体的には、超音波センサ５０，１５０は、その後端面６０ｂ，１６０ｂをバネ７０，１７０で先端側に付勢された状態としつつ、有底孔１３１，２３１のうちのセンサ固定用ネジ部１３１ｃ，２３１ｃに螺合するセンサ用固定具８０，１８０により固定されている。

この送波部１０ａ及び受波部１０ｂのうち、センサ取付部材１３０，２３０は、疎水性を有する樹脂からなり、図２及び図４に示すように、その内部に形成された有底孔１３１，２３１内に超音波センサ５０，１５０を収納可能とした直方体状の部材である。また、このセンサ取付部材１３０，２３０は、連結管側面１３０ａ，２３０ａ及びこれと平行なコネクタ取付面１３０ｂ，２３０ｂと、この連結管側面１３０ａ，２３０ａに直交する外部配管面１３０ｃ，２３０ｃとを有する。
このセンサ取付部材１３０，２３０の内部には、外部配管面１３０ｃ，２３０ｃから連結管側面１３０ａ，２３０ａにかけて液体ＬＱの流動を可能な内部管路１３２，２３２が形成されている。この内部管路１３２，２３２は、図２及び図４に示すように、流入側管２５０（及び流出側管２５１）の軸線と連結管２６０の連結管路２６１の軸線の延長線上とが直交するＬ字状の流路とされている。このＬ字状の内部管路１３２，２３２のうち、連結管路２６１と同径、同軸の内部計測管路１３２ｔ，２３２ｔは、連結管路２６１と共に計測管路ＴＵの一部をなしている。

また、このセンサ取付部材１３０の外部配管面１３０ｃには、液体ＬＱを計測管路ＴＵに流入させる流入側管２５０が液密に接続され、その内部の流入側管路２５０ａと内部管路１３２とが連通している。また、このセンサ取付部材２３０の外部配管面２３０ａには、計測管路ＴＵから流出する液体ＬＱを流す流出側管２５１が液密に接続され、その内部の流出側管路２５１ａと内部管路２３２とが連通している。
これにより、流量検出部１０では、液体ＬＱを流入側管路２５１ａから送波部１０ａの内部管路１３２へと流入させ、計測管路ＴＵを流した後、受波部１０ｂの内部管路２３２を流して流出側管路２５１から流出させることができる。

また、このセンサ取付部材１３０，２３０のコネクタ取付面１３０ｂ，２３０ｂには、計測管路ＴＵの軸線と同軸の有底孔１３１，２３１が穿孔されている（図２、図４及び図５参照）。この有底孔１３１，２３１は、コネクタ取付面１３０ｂ，２３０ｂ側から順に、キャップ用ネジ部１３１ｄ，２３１ｄ、センサ固定用ネジ部１３１ｃ，２３１ｃ、センサ取付部１３１ｂ，２３１ｂ及び音響整合板配設部１３１ａ，２３１ａとされている。
この有底孔１３１，２３１のうち、音響整合板配設部１３１ａ，２３１ａは、図５に示すように、最も底、すなわち計測管路側面１３０ａ，２３０ａ側に位置し、この有底孔１
３１，２３１の底面１３１ｓ，２３１ｓを含む。この音響整合板配設部１３１ａ，２３１ａは、超音波センサ５０，１５０の音響整合板５４，１５４を遊挿可能な径とされ、底面１３１ｓ，２３１ｓに音響整合板５４，１５４の主面５４ａ，１５４ａを当接させて、音響整合板５４，１５４を配設する部分である。
この音響整合板配設部１３１ａ，２３１ａと内部管路１３２，２３１との間には、所定厚さの壁部１００，２００が設けられている。
なお、本実施形態では、底面１３１ｓが本発明の第１当接面に対応し、底面２３１ｓが第２当接面に対応する。また、壁部１００が本発明の第１壁部に対応し、壁部２００が第２壁部に対応する。

また、有底孔１３１，２３１のうち、センサ取付部１３１ｂ，２３１ｂは、超音波センサ５０，１５０のうちのシールド部材６０，１６０を収納する部位であり、シールド部材６０，１６０の鍔部６４，６５，１６４，１６５をも遊挿可能な内径とされている。このセンサ取付部１３１ｂ，２３１ｂの内周面とシールド部材６０，１６０のＯリング埋設溝６３，１６３との間にはＯリング９０，１９０が配設され、両者間をシールしている。

また、有底孔１３１，２３１のうち、センサ固定用ネジ部１３１ｃ，２３１ｃは、センサ取付部１３１ｂ，２３１ｂとキャップ用ネジ部１３１ｄ，２３１ｄとの中間に位置し、その内周に、次述するセンサ用固定具８０，１８０の雄ネジ部８０ｃ，１８０ｃと螺合可能な雌ネジが形成されている。

このセンサ用固定具８０，１８０は、樹脂からなり、その中央部にリード部材挿通孔８０ａ，１８０ａを有するリング状の固定具である。このリード部材挿通孔８０ａ，１８０ａは、超音波センサ５０，１５０をセンサ取付部材１３０，２３０に取り付けた際に、第１リード部材５６，１５６及び第２リード部材５７，１５７を内側に挿通する孔である。また、センサ用固定具８０，１８０の外周には、前述したように、有底孔１３１，２３１のセンサ固定用ネジ部１３１ｃ，２３１ｃに形成した雌ネジと螺合可能な雄ネジ部８０ｃ，１８０ｃが形成されている。
このセンサ用固定具８０，１８０を、有底孔１３１，２３１のセンサ固定用ネジ部１３１ｃ，２３１ｃに螺合させ、そのうち一方の端面（図３中上端面）である押圧面８０ｂ，１８０ｂで、バネ７０，１７０を介して超音波センサ５０，１５０（その後端面６０ｂ，１６０ｂ）を押圧、付勢する。これにより、音響整合板５４，１５４が、底面１３１ｓ，２３１ｓに押圧される。このバネ７０，１７０としては、例えば、皿バネやコイルバネ等を用いることができる。

なお、超音波センサ５０，１５０の収納前に、有底孔１３１，２３１の底面１３１ｓ，２３１ｓに、例えば、シリコングリス等を塗布して、音響整合板５４，１５４と底面１３１ｓ，２３１ｓとを隙間なく密着させると良い。

次いで、キャップ用ネジ部１３１ｄ，２３１ｄについて説明する。
このキャップ用ネジ部１３１ｄ，２３１ｄの内周には、ケーブル用保持具１３３，２３３の外周に形成された雄ネジ部１３３ａ，２３３ａと螺合可能な雌ネジが形成されている。なお、このケーブル用保持具１３３，２３３は、樹脂からなり、その中央部にコネクタ取付け孔１３３ｂ，２３３ｂ及び外周に雄ネジ部１３３ａ，２３３ａを有するリング状の固定具である。このコネクタ取付け孔１３３ｂ，２３３ｂには、ケーブル１３５，２３５の一端を保持したコネクタ１３４，２３４を取り付けて保持されている（図２参照）。

このコネクタ１３４，２３４に保持されたケーブル１３５，２３５は、同軸ケーブルであり、その芯線は第２リード部材５７，１５７と編組は第１リード部材５６，１５６と、それぞれ電気的に接続されている。ケーブル１３５，２３５の他端側は、図２に示すよう
に、ＢＮＣコネクタ１３６，２３６が電気的に接続されており、ケーブル１３５，２３５及びＢＮＣコネクタ１３６，２３６により、流量検出部１０と駆動計測部２０とが電気的に接続される（図１参照）。

次に、超音波流量計１の動作につき、図２〜図５を参照して説明する。
本実施形態に係る超音波流量計１では、外部から流量検出部１０の流入側管路２５０ａを通じて流入した液体ＬＱは、センサ取付部材１３０の内部管路１３２に流入し、さらに計測管路ＴＵを経て、センサ取付部材２３０の内部管路２３２を通って流出側管路２５１から外部へ流出する。
超音波流量計１では、計測管路ＴＵの軸線に沿って流れる液体ＬＱを媒体として超音波を伝搬させる。計測管路ＴＵ内を流れる液体ＬＱの流速により液体ＬＱ内を伝わる超音波の伝播時間が変化するので、超音波センサ５０，１５０を用いて液体ＬＱを伝わる伝播時間を測定することで、液体ＬＱの流速、さらには液体ＬＱの流量を算出する。
具体的には、駆動計測部２０により超音波センサ５０でパルス状の超音波を発生させ、壁部１００を通して計測管路ＴＵに超音波を放射する。計測管路ＴＵを通った超音波を壁部２００を通して超音波センサ１５０で受波する。超音波センサ５０で超音波を発生させてから、超音波センサ１５０で超音波を受波するまでの時間を計測する。これにより、計測管路ＴＵ内を伝わる液体ＬＱの流速が判るので、公知の伝播時間差法を用いて液体ＬＱの流量を算出する。

本実施形態に係る流量検出部１０では、音響整合板５４，１５４は有底孔１３１，２３１の底面１３１ｓ，２３１ｓに密着して、壁部１００，２００に向けて付勢された状態で当接している。
また、壁部１００，２００は、底面１３１ｓ，２３１ｓに平行で、計測管路ＴＵを臨む管路側面１００ａ，２００ａを含んでいる。この音響整合板５４，１５４は、管路側面１００ａ，２００ａより径大で、底面１３１ｓ，２３１ｓのうち、音響整合板５４，１５４をその厚さ方向に投影した投影領域１１０，２１０の内部に計測管路ＴＵの管路側面１００ａ，２００ａが含まれる当接領域１２０，２２０に密着している（図４及び図５参照）。
このため、音響整合板５４，１５４が壁部１００，２００に向けて付勢された状態で当接していても、センサ取付部材１３０，２３０のうち、管路側面１００ａ，２００ａの周囲の部位が、この付勢力を受け止める。

したがって、押圧力により壁部１００，２００及びその底面１３１ｓ，２３１ｓが変形して、底面１３１ｓ，２３１ｓと音響整合板５４，１５４との密着性が低下し、これらの間で超音波が伝わり難くなることを防止することができる。また、壁部１００，２００及び管路側面１００ａ，２００ａが変形あるいは変位して、管路側面１００ａ，２００ａから計測管路ＴＵに放射される、あるいはこれから受波する超音波の強度が変化する不具合を防止することができる。さらには、壁部１００，２００の変形による超音波センサ１５０，５０同士の距離が変化するなどの不具合を防止することができる。また、壁部１００，２００の厚さを薄くできる（変形防止のため厚くする必要がない）ので、効率よく超音波を計測管路ＴＵに超音波を送波、あるいはこれから超音波を受波できる。
なお、本実施形態では、管路側面１００ｂが本発明の第１管路側面に対応し、管路側面２００ｂが第２管路側面に対応する。また、投影領域１１０が本発明の第１投影領域に対応し、投影領域２１０が第２投影領域に対応する。また、当接領域１２０が本発明の第１当接領域に対応し、当接領域２２０が第２当接領域２２０に対応する。

（実施形態２）
次に、第２の実施形態について、図６を用いて説明する。なお、上記実施形態１と同様な部分は、その説明を省略または簡略化し、同様な部分は、実施形態１と同じ符号を用い
ることとする。
上記実施形態１で示した超音波センサ５０，１５０では、第１リード部材５６，１５６を導電層５５，１５５に電気的に接続し、この導電層５５，１５５を介して主面電極５２，１５２と第１リード部材５６，１５６とを導通させた。
これに対し、実施形態２に係る超音波センサ３５０では、第１リード部材３５６をシールド部材３６０に電気的に接続し、このシールド部材３６０及び導電層５５，１５５を介して主面電極５２，１５２と第１リード部材３５６とを導通させる。図６は、実施形態２に係る流量検出部１０に用いた超音波センサ３５０の形態及び構造を示す断面図である。

本実施形態に係る超音波センサ３５０は、図６に示すように、圧電素子５１，１５１、音響整合板５４，１５４、第１リード部材３５６、第２リード部材５７，１５７及びシールド部材６０，１６０を備える。
ただし、本実施形態２では、第１リード部材３５６が、シールド部材６０，１６０（実施形態ではリード部材挿通孔６２，１６２の内周面）にハンダ付けにより電気的に接続されている。
シールド部材６０，１６０は、その先端面６０ａ，１６０ａで音響整合板５４，１５４の裏面５４ｂ，１５４ｂ（導電層５５，１５５）の外周部に当接、固着している。このシールド部材６０，１６０は、導電層５５，１５５を通じて主面電極５２，１５２と導通しているので、シールド部材６０，１６０に接続した第１リード部材３５６は、主面電極５２，１５２と導通する。

このように、本実施形態２では第１リード部材３５６がシールド部材６０，１６０に接続されているため、センサ埋設孔６１，１６１内の奥にある音響整合板５４，１５４の導電層５５，１５５にリード部材（線）をハンダ付けする等の作業より容易にハンダ付けができる。

以上において、本発明を本実施形態１，２に即して説明したが、本発明は、上記実施形態に示す超音波流量計及び超音波流量計用検出器に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施形態１では、超音波センサ５０，１５０は、導電層５５，１５５を音響整合板５４，１５４の裏面５４ｂ，１５４ｂの全面に形成した。しかしながら、導電層は、圧電素子の径方向外側に及び範囲まで形成されていれば良く、音響整合板の裏面全面に形成する必要はない。
また、図１及び図２、図４に示すように、実施形態１及び２に係る超音波流量計１では、センサ取付部材１３０の外部配管面１３０ｃに流入側管２５０を接続し、センサ取付部材２３０の外部配管面２３０ｃに流出側管２５１を接続した。しかしながら、第１壁部と第２壁部との間に位置する計測管路ＴＵが直線状に形成されていれば良く、流入側管、流出側管等の配管形態は適宜変更できる。

実施形態１に係る超音波流量計１の形態を示す説明図である。 実施形態１に係る超音波流量計１のうち、流量検出部１０の構造を示す部分断面図である。 実施形態１に係る超音波流量計１の流量検出部１０に用いた超音波センサ５０，１５０の形態及び構造を示す断面図である。 図２における流量検出部１０のうち、受波部１０ｂを拡大して示す断面図である。 実施形態１に係る超音波流量計１に用いた流量検出部１０の超音波センサ５０，１５０の作用及び効果を説明するための説明図である。 実施形態２に係る超音波流量計１の流量検出部１０に用いた超音波センサ３５０を示す断面図である。 背景技術に係る超音波センサの構造を示す断面図である。

１ 超音波流量計
１０ 流量検出部（超音波流量計用検出器）
１０ａ 送波部
１０ｂ 受波部
２０ 駆動計測部（駆動計測装置）
５０，１５０，３５０ 超音波センサ（送波用超音波センサ，受波用超音波センサ）
５１，１５１ 圧電素子（第１圧電素子，第２圧電素子）
５１ａ，１５１ａ 主面（第１主面，第２主面）
５１ｂ，１５１ｂ 裏面（第１裏面，第１裏面）
５２，１５２ 主面電極
５３，１５３ 裏面電極
５４，１５４ 音響整合板（第１音響整合板，第２音響整合板）
５４ａ，１５４ａ 主面
５４ｂ，１５４ｂ 裏面
５５，１５５ 導電層
５６，１５６，３５６ 第１リード部材
５７，１５７ 第２リード部材
６０，１６０ シールド部材
６０ｊ，１６０ｊ 結合部
１００，２００ 壁部（第１壁部，第２壁部）
１００ａ，２００ａ 管路側面（第１管路側面，第２管路側面）
１１０，２１０ 投影領域（第１投影領域，第２投影領域）
１２０，２２０ 当接領域（第１当接領域，第２当接領域）
１３１ｓ，２３１ｓ 底面（第１当接面，第２当接面）
２５０ａ 流入側管路（管路）
２５１ａ 流出側管路（管路）
ＴＵ 計測管路

Claims (2)

1. 樹脂からなり、流体が流通する管路であって、少なくともその一部に、上記流体の流量を計測する計測領域をなす計測管路を含む管路を有する流量検出器本体と、
   上記計測管路に向けて超音波を送波する送波用超音波センサと、
   上記計測管路を挟んで、上記送信用超音波センサと対向して配置され、上記超音波を受波する受波用超音波センサと、を備える
   超音波流量計用検出器であって、
   上記送波用超音波センサは、
   第１主面及びこれに平行な第１裏面を有する平板状の第１圧電素子と、
   上記第１圧電素子より径大で、この第１圧電素子の上記第１主面側に位置し、上記第１圧電素子と外部媒質との音響整合を図る第１音響整合板と、を有し、
   上記受波用超音波センサは、
   第２主面及びこれに平行な第２裏面を有する平板状の第２圧電素子と、
   上記第２圧電素子より径大で、この第２圧電素子の上記第２主面側に位置し、上記第２圧電素子と外部媒質との音響整合を図る第２音響整合板と、を有し、
   上記流量検出器本体は、
   上記送波用超音波センサの上記第１音響整合板と上記計測管路とを隔て、上記超音波が伝わる第１壁部であって、
   上記第１音響整合板が当接する第１当接面、及び、
   上記第１当接面に平行で、上記計測管路を臨む第１管路側面を含む
   第１壁部と、
   上記受波用超音波センサの上記第２音響整合板と上記計測管路とを隔て、上記超音波が伝わる第２壁部であって、
   上記第２音響整合板が当接する第２当接面、及び、
   上記第２当接面に平行で、上記計測管路を臨む第２管路側面を含む
   第２壁部と、を有し、
   上記送波用超音波センサの上記第１音響整合板は、
   上記第１壁部の上記第１管路側面より径大で、
   上記第１壁部の上記第１当接面のうち、上記第１音響整合板をその厚さ方向に投影した第１投影領域の内部に上記第１管路側面が含まれる第１当接領域に密着し、上記第１壁部に向けて付勢された状態で当接してなり、
   上記受波用超音波センサの上記第２音響整合板は、
   上記第２壁部の上記第２管路側面より径大で、
   上記第２壁部の上記第２当接面のうち、上記第２音響整合板をその厚さ方向に投影した第２投影領域の内部に上記第２管路側面が含まれる第２当接領域に密着し、上記第２壁部に向けて付勢された状態で当接してなる
   超音波流量計用検出器。
2. 請求項１に記載の超音波流量計用検出器と、
   この超音波流量計用検出器の前記送波用超音波センサを駆動し、前記受波用超音波センサからの出力に基づいて、前記流体の流量を計測する駆動計測装置と、を備える
   超音波流量計。

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