JPH11118550A - 超音波振動子およびこれを用いた超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 残響の短い超音波パルスが送受信可能な超音
波振動子を用い、超音波流量計の計測精度を向上する。 【解決手段】 ケース７に折り曲げ部１１を設け剛性を
高めることにより、振動しにくくしている。これによっ
て残響の短い超音波パルスが送受信可能な超音波振動子
６を得ることができ、またこの超音波振動子６を用いる
ことにより、超音波流量計の計測精度を向上することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波により気体
や液体の流量や流速の計測を行う超音波流量計に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来この種の超音波流量計に用いる超音
波振動子を図１８、図１９に示す。例えば特開平４−３
０９８１７号公報が知られており、図１８に示すように
圧電セラミック１を金属振動板２にロー付けし、この金
属振動板２を金属ハウジング３に溶接していた。また特
表平６−５００３８９号公報が知られており、エポキシ
樹脂と微小ガラス球からなる壷形整合層５が圧電セラミ
ック４を内包するケースとして共用されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
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、圧電セラミックの振動が金属振動板を通じて金
属ハウジングに伝わる。金属ケースでは振動が減衰され
にくいため、金属ハウジングの振動が再び圧電セラミッ
クに戻る。このため圧電セラミックの振動がなかなかお
さまらず、残響の長い超音波パルスになる。この残響が
ノイズ要因の一つとなるため、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。また
エポキシ樹脂と微小ガラス球からなる材料をケースとし
て利用すると、ケースは振動しにくくなり残響は短くな
る。しかしこのような材料は一般的に微多孔性を有すた
めケースの中に被測定流体が浸入し、被測定流体の成分
によっては圧電体の電極等を腐食させ特性を劣化させる
という課題を有していた。

【０００４】本発明で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波が可能で、信頼性の高い
超音波振動子を実現し、超音波流量計の計測精度を向上
させることを目的とする。

【０００５】

【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、超音波振動子を構成する圧電体は被測定流
体から遮断する金属製ケースで内包し、この金属製ケー
スに折り曲げ部を設けることにより剛性を高め、振動の
伝搬を低減させたものである。

【０００６】上記発明によれば、圧電体の振動が金属製
ケース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な超音波振動子を得ることができ
る。この結果残響によるノイズの発生を低減でき、Ｓ／
Ｎが改善されて被測定流体の流量、流速の計測精度が向
上できる。また被測定流体が圧電体に接触することを防
止できるので、超音波振動子の信頼性も向上できる。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明は第１の形態の超音波振動
子は、天部と側壁部を有す有天筒状のケースと、前記天
部の内壁面に固定された圧電体と、前記天部の外壁面に
設けられた音響整合層と、前記側壁部の外壁に設けた支
持部とを備え、前記ケースが防振構造を有し圧電体の振
動が前記ケースへ伝搬することを防止しており、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
ことができる。

【０００８】本発明は第２の形態の超音波振動子は、第
１の形態の超音波振動子において、側壁部の剛性が増大
する形状としたため、圧電体の振動が側壁部へ伝搬する
ことが防止され、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る。

【０００９】本発明は第３の形態の超音波振動子は、第
２の形態の超音波振動子において、側壁部に天部と同心
状の折り曲げ部を設けたため、側壁部の剛性が増大し圧
電体の振動が側壁部へ伝搬することが防止され、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
ことができる。

【００１０】本発明は第４の形態の超音波振動子は、第
２の形態の超音波振動子において、側壁部の軸方向に複
数の凸部または凹部を備えたため、側壁部の剛性が増大
し圧電体の振動が側壁部へ伝搬することが防止され、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
得ることができる。

【００１１】本発明は第５の形態の超音波振動子は、第
２の形態の超音波振動子において、側壁部を多角形の筒
状としたため、側壁部の剛性が増大し圧電体の振動が側
壁部へ伝搬することが防止され、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る。

【００１２】本発明は第６の形態の超音波振動子は、第
１の形態の超音波振動子において、天部の外周部に凸部
または凹部を備えたため、天部の外周部の剛性が増大し
圧電体の振動が側壁部へ伝搬することが防止され、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
ることができる。

【００１３】本発明は第７の形態の超音波振動子は、第
１の形態の超音波振動子において、天部の外周部に薄肉
部を備えたため、天部のうち圧電体を固定した部分が振
動しやすくなるため圧電体の振動が側壁部へ伝搬するこ
とが防止され、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る。

【００１４】本発明は第８の形態の超音波流量計は、被
測定流体が流れる流量測定部と、この流量測定部に設け
られ超音波を送受信する第１ないし第７のいずれかの形
態の１対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の伝搬
時間を計測する計測回路と、前記計測回路からの信号に
基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えたため、
残響によるノイズの影響を低減できるためＳ／Ｎが改善
でき、被測定流体の流量、流速の計測精度が高い超音波
流量計を得ることができる。

【００１５】本発明は第９の形態の超音波流量計は、第
８の形態の超音波流量計において、支持部に固定される
端子板にシール部を有す超音波振動子を備えたため、被
測定流体が流量測定部から外部に漏れることが防止で
き、信頼性の高い超音波流量計を得ることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。なお図面中で同一符号を付しているものは同
一なものであり、詳細な説明は省略する。

【００１７】（実施例１）図１は本発明の実施例１の超
音波振動子の外観図である。図２は図１の超音波振動子
の断面図である。図３は図１の超音波振動子に用いる圧
電体の外観図である。図１において、６は超音波振動
子、７はケース、８はケース７の天部、９は天部８の外
壁面に固定された音響整合層、１０はケース７の側壁
部、１１は側壁部１０に固定された折り曲げ部、１２は
ケース７を固定するための支持部である。図２におい
て、１３は天部８の内壁面に配置された圧電体、１４は
支持部１２に固定された端子板、１５ａ、１５ｂは端子
板１４に設けられた端子、１６は端子１５ａと端子１５
ｂを絶縁するための絶縁部、１７は圧電体１３と端子１
５ａを電気的に接続するためのリード線である。図３に
おいて、１８は圧電体１３の電極、１９は圧電体１３に
設けられた溝である。

【００１８】以上のように構成さた超音波振動子の作成
方法の一例について図１、図２、図３を用いて説明す
る。超音波振動子６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
９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。ケース７の加工方法には量産性を考え、
切削加工でなく絞り加工のような成型加工を選択する。
またステンレスの厚みは、ケース７の成型加工の容易
さ、構造的強度、超音波振動子６の感度への影響から
０．１から０．５mm程度、波長の１０分の１以下程度の
厚みを選択する。次に圧電体１３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６の高感度化を図るためには広が
り振動よりも厚み縦振動を主モードを利用するほうが有
利である。しかし圧電体１３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１３の形状と使用周波数
に対しする許容範囲が狭い。そこで図３に示したように
直方体の圧電体１３に溝１９を２本設けた構造を選択し
た。溝１９を設けたことにより、横２０、縦２１が８m
m、厚み２２が４mmの直方体の圧電体１３は約４００KHz
において厚み振動が主モードとすることが可能となる。
ただし溝１９の本数、深さ、方向は圧電体１３の形状、
不要モードの影響、取り扱いの容易性から判断する。

【００１９】まず厚み０．２mmのステンレス板から直径
１３mm程度の円板状の天部８を有す有天円筒状のケース
７を成型加工する。このとき側壁部１０には天部８と同
心円状の折り曲げ部１１を１個同時に成型加工する。次
に天部８の外壁面に直径１２．５mmの円板状の音響整合
層９、内壁面には圧電体１３をエポキシ系接着剤を用い
て接着固定する。このとき溝１９により分割された電極
１８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１８と天部８の電
気的導通も取ることができる。リード線１７は図示され
ていない圧電体１３の電極と端子ａにそれぞれハンダ付
けする。最後に直径１６mm程度、厚み０．８mm程度のス
テンレス板からなる端子板１４を支持部１２に電気溶接
により固定し、封止と電気的導通を同時に行う。圧電体
１３はケース７をグランドとして共用し、さらにケース
７および端子板１４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内部に乾燥した窒
素や不活性ガスで置換すると、圧電体１３の電極、圧電
体１３とケース７の接着層等の長期間使用による劣化の
防止も可能となる。

【００２０】以上のように作成された超音波振動子を用
いた超音波流量計の作製方法について図４、図５を用い
て説明する。流量測定部２３を構成する材料はＬＰガス
や天然ガスの流量計測する家庭用ガスメータを想定しア
ルミニウム合金ダイカストとした。側壁部２４、２５の
端面に例えばコルク材からなるシール材３５を介して上
板部３６をネジどめして、流路断面３７が矩形の流量測
定部２３を構成する。また超音波振動子２７、２８は送
受波面が相対するよう側壁部２４、２５に斜めに設けら
れた振動子取付穴２９、３０に例えばＯリングからなる
シール材３１、３２を介して固定する。

【００２１】以上のように構成された流量測定部２３を
用いた超音波流量計についてその動作を説明する。超音
波振動子２７と超音波振動子２８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２６の長手方向
となす角をθとする。またＬＰガスの無風状態での音速
をＣ、流路２６内でのＬＰガスの流速をＶとする。流量
測定部２３の上流側に配置された超音波振動子２７から
送信された超音波は流路２６を斜めに横断し、下流側に
配置された超音波振動子２８で受信する。

【００２２】このときの伝搬時間ｔ１は、

【００２３】

【数１】

【００２４】で示される。次に送信・受信する超音波振
動子を切り替え、超音波振動子２８から超音波を送信
し、超音波振動子２７で受信する。このときの伝搬時間
ｔ２は、

【００２５】

【数２】

【００２６】で示される。ｔ１とｔ２の式からＬＰガス
の音速Ｃを消去すると、

【００２７】

【数３】

【００２８】の式が得られる。Ｌとθが既知ならば、計
測回路３３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、断面３７の面積をＳ、
補正係数をＫとすれば、流量演算回路３４で、 Ｑ＝ＫＳＶ を演算し、流量を求めることができる。

【００２９】超音波流量計では時間ｔ１、ｔ２を高精度
に計測することが高精度な流量計測にとって重要とな
る。そこで、ケース７の振動の計測への影響について考
える。送信側では、駆動信号により生じた圧電体１３の
振動が音響整合層９を介してＬＰガスに超音波パルスと
して放射されるだけなく、ケース７も振動させる。また
受信側では、受信した超音波パルスは圧電体１３で電気
信号に変換されるのと同時にケース７も振動させる。こ
こでケース７が振動してしまうと、ケース７では振動を
ほとんど減衰できないため、圧電体１３の長い残響とし
て送信側、受信側ともに観測されてしまう。送信側の残
響は計測回路３３に対し電気的ノイズとなり、受信した
超音波パルスのＳ／Ｎを劣化させ測定精度を低下させる
要因となる。また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、位相に影響を与え、時間ｔ１、
ｔ２の計測に誤差を与える要因となる。本実施例ではケ
ース７は折り曲げ部１１により側壁部１０の剛性が増加
されているため、側壁部１０は振動しにくくなってい
る。このためケース７の振動を抑えることができ、超音
波振動子６の残響を低減することが可能となる。このた
め超音波流量計の計測精度を高めることができる。

【００３０】以上のように、本実施例によれば直方体の
圧電体１３に２本の溝を設けることにより厚み縦振動を
主モードとして利用することが可能となる。また圧電体
１３と天部８を１０μm以下のエポキシ系接着剤で接着
固定することにより、接着強度と同時に導通もとること
ができる。また圧電体１３の溝１９により分割された電
極１８を天部８に接着固定することにより、分割された
電極１８の接続が容易となるうえ、分割された圧電体１
３が横方向へたわむような振動をすることを防止でき
る。圧電体１３をステンレス製ケース７と端子板１４で
シールドされているため、外部からのノイズの影響を低
減できる。

【００３１】なお実施例１では折り曲げ部１１を１個設
けるとしたが、２個以上の複数でも良く、また図６に示
すように側壁部１０にビート３８を設けた構造としても
良い。また天部８を円板状としたが、楕円径でも良い。

【００３２】（実施例２）以下、本発明の実施例２につ
いて、図面を参照しながら説明する。

【００３３】図７は超音波振動子３９の上面図、図８は
超音波振動子３９の側面図である。８は天部、９は音響
整合層、１０は側壁部、１２は支持部、１４は端子板、
１５は端子で、以上は図１、図２の構成と同様なもので
ある。図１、図２の構成とことなるのは、側壁部１０に
軸方向に８個の凸部を設けた点である。

【００３４】以上のように構成さた超音波振動子の作成
方法の一例について図４、図５を用いて説明する。超音
波振動子３９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９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。また量産性を考えケース７の加工方法には、切
削加工でなく絞り加工のような成型加工を選択する。

【００３５】まず厚み０．２mmのステンレス板から直径
１３mm程度の円板状の天部８を有す有天円筒状のケース
７を成型加工する。このとき側壁部１０には軸方向に凸
部４０を８個成型し、上方から見ると側壁部１０が花び
ら状に見える。次に天部８の外壁面に直径１２．５mmの
円板状の音響整合層９をエポキシ系接着剤を用いて接着
固定する。これ以後の超音波振動子３９の作製方法、超
音波流量計の作製方法、動作原理は実施例１と同様にな
るため省略する。

【００３６】側壁部１０の剛性が高ければ高いほどケー
ス７は振動しにくくなるため、残響を抑えることができ
る。薄い金属板から作られたケース７の剛性を高めるた
めには、凸部や凹部を設ければ良く、成型加工も容易に
できる。本実施例では側壁部１０の軸方向に８個の凸部
４０を設けることにより剛性を高め超音波振動子３９の
残響を低減することができる。

【００３７】なお実施例２では８個の凸部４０を側壁部
１０に設けるとしたが、１個以上なら何個でも構わな
い。また図９に示すように側壁部１０に凹部４１を設け
王冠状にしても良いし、凸部と凹部を組み合わせても良
い。

【００３８】（実施例３）以下、本発明の実施例３につ
いて、図面を参照しながら説明する。

【００３９】図１０は超音波振動子４２の外観図であ
る。７はケース、１０は側壁部、１２は支持部で、以上
は図１の構成と同様なものである。図１の構成とことな
るのは、天部４３が四角形、音響整合層４４が直方体、
折り曲げ部４５が側壁部１０の軸方向に設けたれた点で
ある。

【００４０】以上のように構成さた超音波振動子の作成
方法の一例について図１０を用いて説明する。超音波振
動子４２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４４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。また量産性を考えケース７の加工方法には、切削
加工でなく絞り加工のような成型加工を選択する。

【００４１】まず厚み０．２mmのステンレス板から１辺
が９mmの正方形の天部４３を有す有天角筒状のケース７
を成型加工する。このとき側壁部１０はほぼ四角柱とな
るよう側壁部１０に折り曲げ部４５を成型加工する。次
に天部４３に１辺８mmの正方形の面を有す直方体の音響
整合層４４をエポキシ系接着剤を用いて接着固定する。
これ以後の超音波振動子４２の作製方法、超音波流量計
の作製方法、動作原理は実施例１と同様になるため省略
する。

【００４２】側壁部１０の剛性が高ければ高いほどケー
ス７は振動しにくくなるため、残響を抑えることができ
る。ここで薄い金属板から作られたケース７の剛性を高
めるためには、側壁部を多角形の柱状にすれば良く、側
壁部１０を多角形に成型加工することは容易である。本
実施例では側壁部１０を四角柱とすることにより剛性を
高められ超音波振動子４２の残響を低減することができ
る。

【００４３】なお実施例３では天部４３は正方形、側壁
部１０は四角柱としたが、四角形以外の多角形でも構わ
ない。また支持部１２を円板形状としたが、天板８と同
様に正方形でも、それ以外の多角形でも良い。

【００４４】（実施例４）以下、本発明の実施例４につ
いて、図面を参照しながら説明する。

【００４５】図１１は超音波振動子４６の断面図、図１
２は超音波振動子４６の上面図である。７はケース、８
は天部、９は音響整合層、１０は側壁部、１２は支持
部、１３は圧電体、１４は端子板、１５ａ、１５ｂは端
子、１６は端子１５ａと端子１５ｂを絶縁するための絶
縁部、１７は圧電体１３と端子１５ａを電気的に接続す
るためのリード線で、以上は図１の構成と同様なもので
ある。図１の構成とことなるのは、天部８の外周部４９
の４ケ所に凸部４７ａ〜４７ｄ、凸部４７と音響整合層
９の間に空隙部４８を設けた点である。

【００４６】以上のように構成さた超音波振動子４６の
作成方法の一例について図１１、図１２を用いて説明す
る。超音波振動子４６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９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。また量産性を考えケース７の加工方法
には、切削加工でなく絞り加工のような成型加工を選択
する。まず厚み０．２mmのステンレス板から直径１５mm
程度の円板状の天部８を有す有天円筒状のケース７を成
型加工する。このとき天部８の外周部４９に高さが音響
整合層９の厚みより薄い、０．８mm程度の凸部４７ａ〜
４７ｄを同心円状に構成する。次に天部８の外壁面で凸
部４７ａ〜４７ｄの内側に直径１２．５mmの円板状の音
響整合層９をエポキシ系接着剤を用いて接着固定する。
このとき音響整合層９と凸部４７ａ〜４７ｄの間に、空
隙部４８が形成される。これ以後の超音波振動子４６の
作製方法、超音波流量計の作製方法、動作原理は実施例
１と同様になるため省略する。

【００４７】天部８の外周部４９の剛性が高くなると、
振動は側壁部１０に伝わりにくくなりケース７は振動し
にくくなる。このため超音波振動子４６の残響を抑える
ことができる。ここで薄い金属板から作られたケース７
の剛性を高めるためには、外周部４９に凸部あるいは凹
部を設ければよく、外周部４９に凸部あるいは凸部を成
型加工することは容易である。本実施例では外周部４９
に４ケ所凸部４７ａ〜４７ｄを設けることによりケース
７の剛性を高められ超音波振動子３９の残響を低減する
ことができる。

【００４８】なお実施例４では外周部４９に凸部４７を
４ケ所設けるとしたが、１ケ所以上ならいくつでも構わ
ないし、図１３に示したように凸部５０を円環状に設け
ても良い。また外周部４９に凸部を設けるとしたが、図
１４に示すように複数の凹部５１あるいは円環状の凹部
５１を設けても良い。また音響整合層９と凸部４７の間
に空隙部４８を設けるとしたが、音響整合層９の接着強
度を増加させるために空隙部４８にエポキシ系接着剤を
充填しても構わないし、音響整合層９の振動の減衰をは
やめるためシリコンゴムなどの弾性体を充填しても構わ
ない。

【００４９】（実施例５）以下、本発明の実施例５につ
いて、図面を参照しながら説明する。

【００５０】図１５は超音波振動子５２の断面図であ
る。７はケース、８は天部、９は音響整合層、１０は側
壁部、１２は支持部、１３は圧電体、１４は端子板、１
５ａ、１５ｂは端子、１６は端子１５ａと端子１５ｂを
絶縁するための絶縁部、１７は圧電体１３と端子１５ａ
を電気的に接続するためのリード線で、以上は図１の構
成と同様なものである。図１の構成とことなるのは、天
部８の外周部５３に肉薄部５４を設けた点である。

【００５１】以上のように構成さた超音波振動子５２の
作成方法の一例について図１５を用いて説明する。超音
波振動子５２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９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。また量産性を考えケース７の加工方法には、切
削加工でなく絞り加工のような成型加工を選択する。

【００５２】まず厚み０．３mmのステンレス板から直径
１４mm程度の円板状の天部８を有す有天円筒状のケース
７を成型加工する。このとき天部８の内壁面と外壁面の
外周部５３には、天部８と同心円状で厚みが０．１mm程
度となる肉薄部５４を１本構成する。次に天部８の外壁
面で肉薄部５４の内側に直径１２．５mmの円板状の音響
整合層９をエポキシ系接着剤を用いて接着固定する。天
部８の内壁面には圧電体１３をエポキシ系接着剤で接着
固定する。これ以後の超音波振動子４６の作製方法、超
音波流量計の作製方法、動作原理は実施例１と同様にな
るため省略する。

【００５３】ケース７の振動を抑えるためには、ケース
７の剛性を高める以外に天部８を振動しやすくする方法
がある。天部８と側壁部１０の振動的つながりを弱める
ことにより可能となる。そこで肉薄部５４により、天部
８の肉薄部５４の内側は振動しやすく、その外側には振
動が伝わりにくくする。このためケース７は振動しにく
くなり、超音波振動子５２の残響を抑えられる。

【００５４】なお実施例５では外周部５４の内壁面と外
壁面に肉薄部５４を設けるとしたが、内壁面だけでも外
壁面だけでも良い。また同心円状の肉薄部５４を１本設
けるとしたが、２本以上でも構わないし、円環状に連続
していなくても良い。

【００５５】（実施例６）以下、本発明の実施例６につ
いて、図面を参照しながら説明する。

【００５６】図１６は超音波振動子５５の断面図、図１
７は超音波流量計の流量測定部２３の超音波振動子取付
部分の断面図である。７はケース、８は天部、９は音響
整合層、１０は側壁部、１１は折り曲げ部、１２は支持
部、１３は圧電体、１５ａ、１５ｂは端子、１６は端子
１５ａと端子１５ｂを絶縁するための絶縁部、１７は圧
電体１３と端子１５ａを電気的に接続するためのリード
線で、以上は図１の構成と同様なものである。図１の構
成と異なるのは、端子板５６の直径が支持部１２より大
きいことと、端子板５６の外周にシール部５７をを設け
た点である。以上のように構成さた超音波振動子５５の
作成方法、超音波流量計の作製方法、動作原理は実施例
１と同様になるため省略する。

【００５７】超音波振動子５５を流量測定部２３に取り
付ける方法を説明する。側壁部２４に設けられた振動子
取付穴２９に超音波振動子５５を挿入する。超音波振動
子５５の端子板５６は厚みが１mm、直径が２０mmとす
る。端子板５６は支持部１２の直径１６mmに対し４mm大
きく構成されており、この部分にシール部５７を設けて
ある。シール部５７と側壁部２４に設けられた流路シー
ル面５８の間にＯリングからなるシール材５７を挟む。
次にドーナツ型の固定体と図示されていないネジにより
端子板５６を背面から加圧しながら固定する。

【００５８】超音波振動子５５では支持部１２と端子板
５６を電気溶接した際、支持部１２の表面に凹凸ができ
ることがある。支持部１２の表面に凹凸ができると、シ
ール材５９を用いても振動子取付穴２９からガスが漏れ
ることを防げないことも考えられる。本実施例では支持
部１２より外形寸法の大きい端子板５６を用いることに
より、端子板５６の外周に電気溶接の影響を受けない表
面が滑らかなシール部５７を持つことが可能となる。こ
のため超音波流量計のガス漏れに対する安全性が向上で
きる。

【００５９】なお実施例６では、端子板５６とシール部
５９の厚みは同一としたが、端子板５６とシール部５９
の厚みを等しくする必要はなく、例えば端子板５６の厚
みよりシール部５９の厚みを厚くしても良い。また端子
板５６は円板状としたが、シール部５９を折り曲げて構
成しても良い。また端子板５６の直径を支持部１２より
大きいとしたが、支持部１２の直径を端子板５６より大
きくし、支持部１２にシール部を設けても良い。

【００６０】なお、実施例１〜６では、圧電体１３を圧
電セラミック、周波数を４００KHz、形状を縦８mm、横
８mm、厚み４mmの直方体、溝を２本設けるとしたが、上
記条件に限定されるわけでなく、材料、周波数、形状、
寸法、溝の本数を適宜変えて構成することができ、例え
ば薄い円板の厚み振動、円柱や角柱の厚み縦振動でも構
わない。また流量測定部２３の材料をアルミニウム合金
ダイカストとしたが、上記条件に限定されるわけでな
く、被測定流体により材料を適宜変えて構成することが
できる。また流路断面３７を矩形、超音波振動子２７、
２８、５５を流路２６に対し斜めに配置したが、上記条
件に限定されるわけでなく、流路形状、超音波振動子の
配置を適宜変えて構成することができ、流路形状は円筒
形でも構わないし、超音波振動子を流れに対して平行に
配置しても構わない。またシール材３１、３２、５９を
Ｏリングとしたが、上記条件に限定されるわけでなく、
可燃性被測定流体をシールできるのであれば材料、形状
を適宜変えて構成することができる。

【００６１】また被測定流体をＬＰガス、天然ガスとし
たが、それ以外の液化天然ガス、石油、灯油等の気体、
液体でも構わない。また超音波流量計として家庭用ガス
メータを想定したが、それ以外の超音波流量計あるいは
超音波流速計でも構わず、給湯器のガスの流量制御用流
速計、自動車の空気や燃料の流量計でも構わない。また
ケース７、端子板１４、５６をステンレスとしたが、上
記条件に限定されるわけでなく、材料は適宜変えて構成
することができる。また支持部１２を側壁部の端面に設
けたが、それ以外の場所に設けても良い。また整合層
９、４４はエポキシ樹脂と微小ガラス球からなるの材料
を１層のみ用いたが、被測定流体に適した形状の材料を
１層以上、あるいは被測定流体によっては設ける必要が
ない場合もある。また複数の実施例の構成を組み合わせ
て実施しても良い。また超音波振動子を超音波流量計に
用いるとしてが、距離センサ等の超音波センサとして用
いても良い。またケース７と端子板１４で囲まれた空間
を乾燥した窒素や不活性ガスで置換するとしたが、真空
にしても良いし、空気でも良い。

【００６２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明の
超音波振動子及びこれを用いた流量計によれば次の効果
が得られる。

【００６３】第１の超音波振動子は、天部と側壁部を有
す有天筒状のケースと、前記天部の内壁面に固定された
圧電体と、前記天部の外壁面に設けられた音響整合層
と、前記側壁部の外壁に設けた支持部とを備え、前記ケ
ースが防振構造を有し圧電体の振動が前記ケースへ伝搬
することを防止したため、残響の短い超音波パルスの送
受信が可能となり、残響によるノイズの影響を低減した
高Ｓ／Ｎの計測ができる超音波振動子を得られる。

【００６４】第２の超音波振動子は、側壁部の剛性が増
大する形状としたため、圧電体の振動が側壁部へ伝搬す
ることが防止され、残響の短い超音波パルスの送受信が
可能となり、残響によるノイズの影響を低減した高Ｓ／
Ｎの計測ができる超音波振動子を得られる。

【００６５】第３の超音波振動子は、側壁部に天部と同
心状の折り曲げ部を設けたため、側壁部の剛性が増大し
圧電体の振動が側壁部へ伝搬することが防止され、残響
の短い超音波パルスの送受信が可能となり、残響による
ノイズの影響を低減した高Ｓ／Ｎの計測ができる超音波
振動子を得られる。

【００６６】第４の超音波振動子は、側壁部の軸方向に
複数の凸部または凹部を備えたため、側壁部の剛性が増
大し圧電体の振動が側壁部へ伝搬することが防止され、
残響の短い超音波パルスの送受信が可能となり、残響に
よるノイズの影響を低減した高Ｓ／Ｎの計測ができる超
音波振動子を得られる。

【００６７】第５の超音波振動子は、側壁部を多角形の
筒状としたため、側壁部の剛性が増大し圧電体の振動が
側壁部へ伝搬することを防止したため、残響の短い超音
波パルスの送受信が可能となり、残響によるノイズの影
響を低減した高Ｓ／Ｎの計測ができる超音波振動子を得
られる。

【００６８】第６の超音波振動子は、天部の外周部に凸
部または凹部を備えたため、天部の外周部の剛性が増大
し圧電体の振動が側壁部へ伝搬することを防止したた
め、残響の短い超音波パルスの送受信が可能となり、残
響によるノイズの影響を低減した高Ｓ／Ｎの計測ができ
る超音波振動子を得られる。

【００６９】第７の超音波振動子は、天部の外周部に薄
肉部を備えたため、天部のうち圧電体を固定した部分が
振動しやすくなり圧電体の振動が側壁部へ伝搬すること
が防止したため、残響の短い超音波パルスの送受信が可
能となり、残響によるノイズの影響を低減した高Ｓ／Ｎ
の計測ができる超音波振動子を得られる。

【００７０】第８の超音波流量計は、被測定流体が流れ
る流量測定部と、この流量測定部に設けられ超音波を送
受信する第１ないし第７のいずれかの１対の超音波振動
子と、前記超音波振動子間の伝搬時間を計測する計測回
路と、前記計測回路からの信号に基づいて流量を算出す
る流量演算手段とを備えたため、残響によるノイズの影
響を低減できＳ／Ｎが改善され、被測定流体の流量、流
速の計測精度が高い超音波流量計を得ることができる。

【００７１】第９の超音波流量計は、支持部に固定され
る端子板にシール部を有す超音波振動子を備えたため、
被測定流体が流量測定部から外部に漏れることが防止で
き、信頼性の高い超音波流量計を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の超音波振動子の外観図

【図２】同超音波振動子の断面図

【図３】同超音波振動子に用いる圧電体の外観図

【図４】同超音波振動子に用いる超音波流量計の一部断
面図を含む構成図

【図５】同流量計の断面ａーａ'線の横断面図

【図６】同超音波振動子の変形例の断面図

【図７】本発明の実施例２における超音波振動子の上面
図

【図８】同超音波振動子の側面図

【図９】同超音波振動子の変形例の外観図

【図１０】本発明の実施例３における超音波振動子の外
観図

【図１１】本発明の実施例４における超音波振動子の断
面図

【図１２】同超音波振動子の上面図

【図１３】同超音波振動子の変形例の上面図

【図１４】同超音波振動子の変形例の断面図

【図１５】本発明の実施例５における超音波振動子の断
面図

【図１６】本発明の実施例６における超音波振動子の断
面図

【図１７】超音波流量計の流量測定部の超音波振動子取
付部分の断面図

【図１８】従来の超音波流量計用超音波振動子の断面図

【図１９】従来の他の超音波流量計用超音波振動子の断
面図

【符号の説明】

６ 超音波振動子 ７ ケース ８ 天部 ９ 音響整合層 １０ 側壁部 １１ 折り曲げ部 １２ 支持部 １３ 圧電体 ２７，２８ 超音波振動子 ２３ 流量測定部 ３３ 計測回路 ３４ 流量演算手段 ４０，４７ 凸部 ４１，５１ 凹部 ５４ 肉薄部 ５７ シール部

フロントページの続き (72)発明者 佐藤 利春 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】天部と側壁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された圧電体と、前記天部
   の外壁面に設けられた音響整合層と、前記側壁部の外壁
   に設けた支持部とを備え、前記ケースが防振構造を有し
   圧電体の振動が前記ケースへ伝搬することを防止した超
   音波振動子。
2. 【請求項２】側壁部は剛性が増大する形状とした請求項
   １記載の超音波振動子。
3. 【請求項３】側壁部に天部と同心状の折り曲げ部を設け
   た請求項２記載の超音波振動子。
4. 【請求項４】側壁部の軸方向に複数の凸部または凹部を
   備えた請求項２または３記載の超音波振動子。
5. 【請求項５】側壁部を多角形の筒状とした請求項２また
   は４項記載の超音波振動子。
6. 【請求項６】天部の外周部に凸部または凹部を備えた請
   求項１または５記載の超音波振動子。
7. 【請求項７】天部の外周部に薄肉部を備えた請求項１な
   いし６のいずれか１項記載の超音波振動子。
8. 【請求項８】被測定流体が流れる流量測定部と、この流
   量測定部に設けられ超音波を送受信する請求項１ないし
   ７のいずれか１項記載の１対の超音波振動子と、前記超
   音波振動子間の伝搬時間を計測する計測回路と、前記計
   測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手
   段とを備えた超音波流量計。
9. 【請求項９】支持部に固定される端子板にシール部を有
   する超音波振動子を備えた請求項８記載の超音波流量
   計。