KR19990072143A - 초음파유량계및초음파송수파기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 유로와, 이 유로 중의 유체 유량을 측정하도록 배치한 초음파 송수파기를 구비하고, 상기 초음파 송수파기는 대향하는 면에 전극을 마련함과 동시에 상기 대향하는 한쪽면을 송수파면으로 하여 그 송수파면을 상기 유로를 향하게 한 압전체를 가지며, 상기 압전체는 전극 방향의 진동을 주모드로 하도록 그 송수파면의 세로 및 가로의 길이를 설정, 바람직하게는 송수파면의 세로 및 가로의 길이의 두께에 대한 비가 0.8 이하로 되는 구성으로 하여 압전체의 두께 종진동을 주모드로서 이용하기 때문에 고감도, 고속 응답성, 소형인 초음파 송수파기를 얻을 수 있고, 고정밀도이고 콤팩트한 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

Description

초음파 유량계 및 초음파 송수파기

예로부터 초음파를 이용하여 배관내를 흐르는 유체의 유량을 계측하는 기술 개발은 행하여지고 있다. 초음파 유량계로서는, 계량 연구 보고 Vol. 26, No. 1, p1-6, 「기체용 초음파 유량계의 시작(試作)」으로서 기재되어 있는 구성이 공지되어 있다.

이하, 종래의 초음파 유량계 및 초음파 송수파기에 대하여 설명한다.

도 20은 종래의 초음파 유량계의 구성, 또한 도 21은 종래의 기체용 초음파 송수파기의 구성을 나타내는 것이다. 도 20에 있어서, 참조번호 (51)은 원통관, 참조번호 (52)는 초음파 송수파기 A, 참조번호 (53)은 초음파 송수파기 A52를 원통관(51)에 장착하는 장착구 A, 참조번호 (54)는 초음파 송수파기 B, 참조번호 (55)는 초음파 송수파기 B54를 원통관(51)에 장착하는 장착구 B, 참조번호 (56)은 원통관(51)내를 흐르는 피측정 유체이다. 도 21에 있어서 참조번호 (57)은 원통 압전판, 참조번호 (58)은 정합층(整合層), 참조번호 (59)는 리드선이다.

이상과 같이 구성된 초음파 유량계에 대하여, 이하 그 구성에 대하여 설명한다.

장착구 A53과 장착구 B55를 거쳐서 원통관(51)에 대하여 초음파 송수파기 A52와 초음파 송수파기 B54를 비스듬하게 대향시켜 배치한다. 초음파 송수파기 A52와 초음파 송수파기 B54의 거리를 L, 원통관(51)의 길이 방향과 초음파의 전파 방향이 이루는 각을 θ, 무풍 상태에서 초음파가 피측정 유체(56)를 전파하는 음속을 C로 하고, 피측정 유체(56)의 유속을 V로 하면, 초음파 송수파기 A52로부터 조사(照射)된 초음파가 피측정 유체(56)를 전파하여 초음파 송수파기 B54에 의해 수신되는 전파 시간 t1은 다음식으로 나타내어진다.

마찬가지로 초음파 송수파기 B54로부터 조사된 초음파가 피측정 유체(56)를 전파하고 초음파 송수파기 A52에 의해 수신되는 전파 시간 t2는 다음식으로 나타내어진다.

상기 수학식 2로부터 피측정 유체(56)의 음속 C를 소거하면 다음식으로 나타내어진다.

피측정 유체(56)의 유속 V를 상기 수학식으로부터 구하면 다음식과 같이 나타내어진다.

상기 수학식에는 피측정 유체(56)의 음속 C가 포함되어 있지 않기 때문에, 피측정 유체(56)의 물질에 관계없이 유속 V가 구해지며, 구해진 유속 V와 원통관(51)의 단면적으로부터 유량을 도출할 수 있다. 또한 피측정 유체(56)가 기체인 경우에 이용되는 초음파 송수파기는 도 12에 도시하는 바와 같이 원통 형상으로 원통 압전판(57)과 1 층의 정합층(58)으로 이루어진다.

그러나 상기 종래의 구성에는, 다음과 같은 과제가 있다.

(1) 제 1 과제로서, 초음파 송수파기에 이용되는 압전판이 원통형이고, 원판의 두께 진동과 확산 진동을 이용하면, 낮은 주파수를 선택한 경우, 지름이 커지게 되어 초음파 송수파기가 커지기 때문에 초음파 유량계를 소형화하기 어렵다. 또한 소형 초음파 송수파기를 이용하면 주파수를 높게하지 않으면 안되서, 초음파의 전파에 의한 감쇠의 영향이 커지는 데다가 초음파 유량계 회로의 비용을 증가시킨다. 그 때문에, 초음파 유량계에 적합한 치수의 초음파 송수파기를 선택하면 주파수의 선택이 제한된다. 또한 원판의 두께 진동의 전기 기계 결합 계수는 Kt, 확산 진동의 전기 기계 결합 계수는 Kp로서, 환봉(丸棒)이나 각기둥(角柱)의 두께 종진동의 전기 기계 결합 계수의 K33보다 작기 때문에 감도가 낮았다. 또한 원통 압전판(57)에 기계적 Q를 저하시키기 위한 배면 부하 부재 등의 구성 재료를 마련하고 있지 않기 때문에, 잔향(tailing)이 긴 초음파 펄스밖에 전파되지 않아 유량 측정 시간의 단축이 곤란하다고 하는 과제를 갖고 있었다.

(2) 제 2 과제로서, 원통관(51)의 단면이 원형이기 때문에 중심 부근의 유속 V는 빠르고 외측의 유속 V는 느린 2차원의 유속 분포를 가짐에도 불구하고, 2개의 초음파 송수파기를 대향시켜 얻어지는 유속 V로는 원통관(51)의 단면 전체의 유속 분포를 반영하는 것은 어렵고, 원통관(51)의 단면 내의 측정 영역만의 평균 유속으로 된다. 그리고 측정한 유속 V로부터 근사식을 이용하여 원통관(51) 내의 유량을 구하기 때문에, 유속 분포의 고정밀도의 추정은 어렵고, 그 때문에 높은 유량 계측 정밀도를 얻는 것이 곤란하다고 하는 과제를 갖고 있었다.

본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 과제를 해결하기 위한 것으로, 초음파 송수파기의 치수와 주파수 선택의 자유도를 향상시키고, 또한, 고감도이고, 고속 응답성이며, 정밀도가 좋은 콤팩트한 초음파 유량계 및 초음파 송수파기를 제공하는 데에 있다.

본 발명은 2개 1쌍의 초음파 송수파기를 피측정 유체의 상류측과 하류측에 각각 배치하여 1개의 초음파 송수파기로부터 초음파를 송신하고, 다른쪽 초음파 송수파기에 의해 수신함으로써 피측정 유체의 유량을 측정하는 초음파 유량계 및 그것에 이용되는 초음파 송수파기에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 초음파 유량계의 구성을 나타내는 도면이다,

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 유로에 대한 초음파 송수파기의 배치를 나타내는 도면이다,

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 초음파 송수파기의 구성을 나타내는 도면이다,

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 초음파 송수파기의 구성을 나타내는 도면이다,

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 있어서의 초음파 송수파기의 구성을 나타내는 도면이다,

도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 있어서의 초음파 송수파기의 구성을 나타내는 도면이다,

도 7은 본 발명의 제 5 실시예에 있어서의 초음파 송수파기의 구성을 나타내는 도면이다,

도 8은 본 발명의 해석에 이용된 압전체의 구성을 나타내는 도면이다,

도 9는 본 발명의 제 6 실시예에 있어서의 유한 요소법에 의한 임피던스 해석 결과를 도시하는 도면이다,

도 10은 본 발명의 제 6 실시예에 있어서의 유로 단면을 도시하는 도면이다,

도 11은 본 발명의 제 6 실시예에 있어서의 2개의 홈을 구성한 압전체를 도시하는 도면이다,

도 12는 본 발명의 제 6 실시예에 있어서의 3개의 홈을 구성한 압전체를 도시하는 도면이다,

도 13은 본 발명의 제 6 실시예에 있어서의 유한 요소법에 의한 임피던스 해석 결과를 도시하는 도면이다,

도 14는 본 발명의 제 6 실시예에 있어서의 홈을 마련한 압전체의 임피던스 측정 결과를 도시하는 도면이다,

도 15는 본 발명의 제 6 실시예에 있어서의 초음파 송수파기의 외관 구성을 나타내는 도면이다,

도 16은 본 발명의 제 6 실시예에 있어서의 초음파 송수파기의 단면 구성을 나타내는 도면이다,

도 17은 본 발명의 제 6 실시예에 있어서의 초음파 송수파기의 초음파 펄스를 도시하는 도면이다,

도 18은 본 발명의 제 3 실시예에 있어서의 초음파 송수파기의 변형예의 외관 구성을 나타내는 도면이다,

도 19는 본 발명의 제 4 실시예에 있어서의 초음파 송수파기의 변형예의 외관 구성을 나타내는 도면이다,

도 20은 종래의 초음파 유량계의 구성을 나타내는 도면이다,

도 21은 종래의 기체용 초음파 진동자의 구성을 나타내는 도면이다.

본 발명은, 유체가 흐르는 소정의 폭을 두고 배치된 2장의 평행 평판에 끼워진 유로(流路)와, 유체 유량이 측정 가능한 위치에 배치된 초음파 송수파기를 구비하고, 상기 초음파 송수파기는 대향하는 면에 전극을 마련함과 동시에 대향하는 한쪽면을 송수파면으로 하여 그 송수파면을 상기 유로를 향하게 한 압전체를 가지며, 상기 압전체는 송수파면 또는 상기 송수파면과 대향하는 면의 적어도 한쪽을 홈에 의해 분할함과 동시에, 이 분할된 면에 마련한 전극의 모든 면을 도체에 의해 전기적으로 접속한 구성을 갖고 있다.

본 발명의 제 1 형태의 초음파 유량계는 유로와, 이 유로내의 유체 유량을 측정하도록 배치한 초음파 송수파기를 구비하고, 상기 초음파 송수파기는 대향하는 면에 전극을 마련함과 동시에 상기 대향하는 한쪽면을 송수파면으로 하여 그 송수파면을 상기 유로를 향하게 한 압전체를 가지며, 상기 압전체는 전극 방향의 진동을 주(主)모드로 하도록 그 송수파면의 세로 및 가로의 길이를 설정한 구성으로 하고, 압전체의 두께 종진동을 주모드로서 이용하기 때문에 고감도, 고속 응답성, 소형 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 고정밀도의 콤팩트한 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 2 형태의 초음파 유량계는 유로와, 이 유로내의 유체 유량을 측정하도록 배치한 초음파 송수파기를 구비하고, 상기 초음파 송수파기는 대향하는 면에 전극을 마련함과 동시에 상기 대향하는 한쪽면을 송수파면으로 하여 그 송수파면을 상기 유로를 향하게 한 압전체를 가지며, 상기 압전체는 송수파면 또는 상기 송수파면과 대향하는 면의 적어도 한쪽을 홈에 의해 분할함과 동시에, 분할된 면에 마련한 전극 전체를 도체에 의해 전기적으로 접속한 구성으로 하고 있고, 홈에 의해 두께 종진동과 불필요한 진동 모드를 분리할 수 있기 때문에, 고감도, 고속 응답성이고, 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 고정밀도의 콤팩트한 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

상기 제 2 형태의 초음파 유량계에 있어서, 전극 방향의 진동을 주모드로 하는 깊이의 홈에 의해 압전체를 분할한 구성으로 한 것 및 홈의 깊이가 송수파면과 수직인 방향의 두께에 대하여 90%이상 100%미만으로 한 것은, 압전체를 완전히 분리하지 않기 때문에 압전체의 취급이 용이한데다가, 두께 종진동과 불필요한 진동 모드가 실용되는데에 문제없을 정도로 분리할 수 있기 때문에 고감도, 고속 응답성이고, 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 고정밀도의 콤팩트한 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

또한 제 2 형태의 초음파 유량계에 있어서, 홈에 의해 분할된 각각의 면의 세로 및 가로의 길이를 전극 방향의 진동이 주모드로 되도록 설정한 것 및 홈에 의해 분할된 각각의 면의 세로 및 가로의 길이의 두께에 대한 비를 모두 0.8 이하로 한 것은, 두께 종진동과 불필요한 진동 모드가 실용되는데에 문제없을 정도로 분리할 수 있는 데다가 두께 종진동을 주모드로서 이용할 수 있기 때문에, 고감도, 고속 응답성이고, 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 고정밀도의 콤팩트한 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

또한 제 2 형태의 초음파 유량계에 있어서, 압전체에 마련하는 홈을 복수개로 한 것은, 또한 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 고정밀도의 콤팩트한 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 3 형태의 초음파 유량계는 유로와, 이 유로내의 유체 유량을 측정하도록 배치한 초음파 송수파기를 구비하고, 상기 초음파 송수파기는 대향하는 면에 전극을 마련함과 동시에 상기 대향하는 한쪽면을 송수파면으로 하여 그 송수파면과 상기 유로를 향하게 한 복수개의 압전체를 가지며, 이 각 압전체의 송수파면 및 상기 송수파면과 대향하는 면에 마련한 각 전극을 각각 도체에 의해 접속한 구성으로 하며, 복수개의 분리된 압전체를 갖기 때문에, 불필요한 진동 모드의 영향이 적어져서 고감도, 고속 응답성이고, 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 고정밀도의 콤팩트한 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

상기 제 3 형태의 초음파 유량계에 있어서, 각 압전체 각각의 면의 세로 및 가로의 모든 길이를 전극 방향의 진동이 주모드가 되도록 설정한 것 및 각 압전체의 송수파면의 세로 및 가로의 길이의 두께에 대한 비를 모두 0.8 이하로 한 것은, 두께 종진동을 주모드로서 이용할 수 있기 때문에 고감도, 고속 응답성이고, 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 고정밀도의 콤팩트한 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 4 형태의 초음파 유량계는 제 1 내지 제 3 형태의 초음파 유량계에 있어서, 전극에 수직인 방향으로 분극된 복수개의 압전체를 분극 방향이 서로 반대로 되도록 적층하고, 이 적층하여 이루어지는 압전체의 상기 전극 방향의 진동을 주모드로 하는 구성으로 하고 있고, 초음파 송수파기의 전기적 임피던스를 작게 할 수 있기 때문에 노이즈에 대하여 강한 특성을 얻을 수 있으며, 또한 고정밀도의 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 5 형태의 초음파 유량계는 제 1 내지 제 4 형태의 초음파 유량계에 있어서, 그 유로는 소정의 위치에 소정의 폭의 간극을 갖고, 소정의 폭을 두고 배치된 2장의 평행 평판에 끼워진 구성으로 하며, 유로의 단면 형상을 장방형으로 함으로써 유로 단면내에서의 유속 분포를 단순화할 수 있고, 구해진 유속으로부터 유량을 고정밀도로 도출할 수 있으며, 또한 고정밀도의 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 6 형태의 초음파 유량계는 제 1 내지 제 5 형태의 초음파 유량계에 있어서, 한 쌍의 초음파 송수파기의 송수파면을 서로 대향하는 위치에 배치한 구성으로 하여 한 쌍의 초음파 송수파기의 위치 정렬이 용이해지고, 또한 고정밀도의 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 7 형태의 초음파 유량계는 제 1 내지 제 6 형태의 초음파 유량계에 있어서, 도체는 초음파 송수파기로부터 전파되는 초음파의 파장에 비해서 충분히 얇은 도체를 이용한 구성으로 하여 초음파 송수파기의 특성에 영향을 미치지 않고서 전극을 접속할 수 있고, 또한 압전체의 취급도 용이해지기 때문에, 고감도이고 소형인 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 또한 고정밀도의 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 8 형태의 초음파 유량계는 제 1 내지 제 7 형태의 초음파 유량계에 있어서, 초음파 송수파기의 송수파면 상에 음향 정합층을 구비시킨 구성으로 하여 피측정 유체와의 초음파의 송수신이 용이해지기 때문에, 고감도인 초음파 송수파기를 얻을 수 있고, 또한 고정밀도의 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 9 형태의 초음파 유량계는 제 1 내지 제 8 형태의 초음파 유량계에 있어서, 초음파 송수파기의 송수파면과 서로 대향하는 면에 배면 부하 부재를 구비시키고 있고, 잔향 시간이 짧은 초음파 펄스를 송수신 가능한 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 또한 고정밀도의 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 1 형태의 초음파 송수파기는 대향하는 면에 전극을 마련함과 동시에 상기 대향하는 한쪽면을 송수파면으로 한 압전체를 구비하고, 상기 압전체의 송수파면의 세로 및 가로의 길이의 두께에 대한 비를 모두 0.6 이하로 한 구성으로 하여 압전체의 두께 종진동을 주모드로서 이용하기 때문에 고감도, 고속 응답성, 소형인 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 2 형태의 초음파 송수파기는 대향하는 면에 전극을 마련함과 동시에 상기 대향하는 한쪽면을 송수파면으로 한 압전체를 구비하고, 상기 압전체는 송수파면 또는 상기 송수파면과 대향하는 면의 적어도 한쪽을 홈에 의해 분할하며, 상기 홈의 깊이는 전극을 마련한 면에 의해 끼워진 두께에 대하여 90%이상 100%미만으로 함과 동시에, 상기 홈에 의해 분할된 면의 모든 전극을 도체에 의해 전기적으로 접속한 구성으로 하여 홈에 의해 두께 종진동과 불필요한 진동 모드를 분리할 수 있기 때문에, 고감도, 고속 응답성이고, 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형인 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.

상기 제 2 형태의 초음파 송수파기에 있어서, 홈을 복수개 마련한 것은, 주파수나 치수의 선택폭이 더욱 넓은 소형인 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.

상기 제 2 형태의 초음파 송수파기에 있어서, 홈에 의해 분할된 각각의 면의 세로 및 가로의 길이의 두께에 대한 비를 모두 0.6 이하로 한 것은, 두께 종진동과 불필요한 진동 모드가 실용되는데에 문제없을 정도로 분리할 수 있는데다가 두께 종진동을 주모드로서 이용할 수 있기 때문에, 고감도, 고속 응답성이고, 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형인 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 3 형태의 초음파 송수파기는 대향하는 면에 전극을 마련함과 동시에 상기 대향하는 한쪽면을 송수파면으로 한 복수개의 압전체를 구비하고, 각 압전체의 송수파면의 세로 및 가로의 길이의 두께에 대한 비를 모두 0.6 이하로 함과 동시에, 상기 송수파면의 각 전극 및 상기 송수파면과 대향하는 면의 각 전극을 각각 도체에 의해 접속한 구성으로 하여 복수개의 분리된 압전체를 이용하기 때문에 불필요한 진동 모드의 영향을 그다지 받지 않으면서 두께 종진동을 주모드로서 이용할 수 있기 때문에, 고감도, 고속 응답성이고, 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형인 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 4 형태의 초음파 송수파기는 제 1 내지 제 3 형태의 초음파 송수파기에 있어서, 전극에 수직인 방향으로 분극된 복수개의 압전체를 분극 방향이 서로 반대로 되도록 적층하고, 이 적층하여 이루어지는 압전체의 상기 전극 방향의 진동을 주모드로 하는 구성으로 하여 초음파 송수파기의 전기적 임피던스를 작게 할 수 있기 때문에 노이즈에 대해 강한 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 5 형태의 초음파 송수파기는 제 1 내지 제 4 형태의 초음파 송수파기에 있어서, 도체는 초음파 송수파기로부터 전파되는 초음파의 파장에 비해서 충분히 얇은 도체를 이용한 구성으로 하여 초음파 송수파기의 특성에 영향을 미치지 않고서 전극을 접속할 수 있고, 또한 압전체의 취급도 용이해지기 때문에 고감도이고 소형인 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 6 형태의 초음파 송수파기는 제 1 내지 제 5 형태의 초음파 송수파기에 있어서, 초음파 송수파기의 송수파면 상에 음향 정합층을 구비시킨 구성으로 하여 피측정 유체와의 초음파의 송수신이 용이해지기 때문에 고감도인 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 7 형태의 초음파 송수파기는 제 1 내지 제 6 형태의 초음파 송수파기에 있어서, 초음파 송수파기의 송수파면과 서로 대향하는 면에 배면 부하 부재를 구비시킨 구성으로 하여 잔향 시간이 짧은 초음파 펄스를 송수신 가능한 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 제 1 실시예에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.

(실시예 1)

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 초음파 유량계의 유량 검출부의 개략도이다. 도 1에 있어서, 참조번호 (1)은 피측정 유체인 공기, 참조번호 (2)는 공기(1)가 유속 V로 흐르는 유로, 참조번호 (3, 4, 5, 6)은 유로(2)를 구성하는 상판, 바닥판, 측판 A, 측판 B, 참조번호 (7)은 측판 A5에 배치한 초음파 송수파기 A, 참조번호 (8)은 측판 B6에 배치한 초음파 송수파기 B, 참조번호 (9)는 유로(2)의 입구측, 참조번호 (10)은 유로(2)의 출구측이다. 또한, 도 2는 도 1을 바로 위에서 본 도면으로서, 초음파 송수파기의 배치 위치를 나타낸다.

이상과 같이 구성된 초음파 유량계의 유량 검출부의 제작 방법의 일례에 대하여 도 1, 도 2를 이용하여 간단히 설명한다. 유로(2)를 구성하는 상판(3), 바닥판(4), 측판 A5, 측판 B6에 이용되는 재료는 피측정 유체에 대하여 화학 변화를 발생하지 않는 재질인 평판을 이용한다. 본 실시예에서는 피측정 유체를 예를 들면 공기(1)로 하였기 때문에, 상기 조건에 적합하고 절연체인 재질로서 아크릴판을 선택하였다. 측판 A5 및 측판 B6은 미리 초음파 송수파기를 장착하는 각도를 고려하여 비스듬하게 2분할하여 놓는다. 2분할된 측판 A5, 측판 B6을 바닥판(4) 위에 예를 들면 에폭시 수지계 접착제로 초음파 송수파기를 장착하는 폭의 홈이 생기도록 접착한다. 이 때, 홈폭과 동일한 폭으로 측판 A5 및 측판 B6에 마련되는 양쪽의 홈을 관통하는 길이의 예를 들면 테플론으로 된 각봉(角棒)을 위치 결정 봉으로서 측판 A5, 측판 B6에 마련하는 홈에 초음파 송수파기 대신에 삽입해 놓는다. 측판 A5 및 측판 B6의 윗쪽에 상판(3)을 예를 들면 에폭시 수지계 접착제로 접착하여 유로(2)를 구성한다. 미리 삽입해 놓은 위치 결정 봉을 제거하고, 측판 A5의 홈에 초음파 송수파기 A7, 측판 B6에 초음파 송수파기 B8을 삽입한다. 초음파 송수파기 A7과 초음파 송수파기 B8은 유로(2)의 중심에 대하여 대칭이고, 상판(3)에 대하여 평행으로 되는 위치에 에폭시 수지계 접착제로 접착하여 고정한다. 단, 초음파 송수파기 A7과 초음파 송수파기 B8은 유로(2)내의 돌기물로 되지 않도록 측판 A5 및 측판 B6에 배치한다. 또한 유로(2)내를 흐르는 공기(1)가 측판에 마련된 홈과 초음파 송수파기 사이에 생긴 간극으로부터 새지 않도록 접착제를 주입하여 밀폐한다.

이상과 같이 구성된 초음파 유량계의 유량 검출부에 이용되는 초음파 송수파기의 제작 방법의 일례를 도 3을 이용하여 간단히 나타낸다. 초음파 송수파기의 전기 신호와 기계 진동의 변환을 행하는 압전판(11)은 형상 및 치수에 따라 복수개의 진동 모드를 갖고, 이들 복수개의 진동 모드 중 가장 효율이 좋은 진동 모드는 두께 종진동이며, 두께 종진동을 주모드로서 이용하면 감도가 높은 초음파 송수파기를 얻을 수 있다.

여기서 압전판(11)의 송수파면으로 되는 면의 세로 및 가로의 길이와 두께의 치수 관계를 검토해야 하는 유권 요소법을 이용한 압전 해석을 행한 결과, 압전판(11)이 직방체(直方體)이고 초음파 송수파면의 형상이 장방형(長方形)인 경우, 압전판(11)의 송수파면의 세로 및 가로의 길이가 두께보다도 작으면 좋지만, 이것은 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이하이고, 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하인 조건을 만족할 때에 압전판(11)은 불필요한 진동 모드의 영향을 받지 않으면서 가장 효율 좋게 두께 종진동할 수 있는 것을 알았다. 예를 들면 압전 세라믹으로 이루어지는 상기 형상의 압전판(11)의 상면과 하면에 예를 들면 은도금에 의해 형성된 전극면에 리드선(14)을 납땜한다. 다음에 공기(1)와 압전판(11)의 음향적 정합을 취하고 초음파를 효율 좋게 공기(1)로 전파시키기 위하여 압전판(11)의 상면에 예를 들어 폴리올레핀계 미세다공막으로 이루어지는 정합층(12)을 예를 들면 에폭시계 접착제를 이용하여 접착한다. 또한 잔향이 짧고 상승이 빠른 초음파 펄스를 얻기 위하여, 압전판(11)의 하면에는 예를 들어 페라이트 고무로 이루어지는 배면 부하 부재(13)를 예를 들면 에폭시계 접착제를 이용하여 접착하여 초음파 송수파기를 제작한다.

이상과 같이 구성된 유량 검출부를 이용한 초음파 유량계에 대하여 그 동작을 설명한다. 측판 A5와 측판 B6에 배치한 초음파 송수파기 A7과 초음파 송수파기 B8의 중심을 연결하는 선과 유로(2)의 길이 방향이 이루는 각을 θ, 초음파 송수파기 A7과 초음파 송수파기 B8의 거리를 L로 한다. 초음파 송수파기 A7과 초음파 송수파기 B8은 리드선(14)을 거쳐서 송신부(도시되지 않음), 수신부(도시되지 않음) 및 유량 해석부(도시되지 않음)에 접속되어 있다. 또한 유로(2)의 상판(3)과 바닥판(4)의 간격인 높이와 압전체(11)의 초음파 송수파면의 적어도 짧은 변의 길이는 동일하다고 한다.

피측정 유체인 공기(1)는 입구측(9)으로부터 유로(2)내로 흘러 들어 출구측(10)으로부터 유출된다. 단면 형상이 장방형인 유로(2)내를 흐르는 공기(1)의 유속 분포는 단면 형상이 원판에 비하면 단순하고, 높이 방향의 분포는 적고 단축(短軸) 방향으로 분포를 가진다. 유로(2)내에서의 공기(1)의 유속을 V, 무풍 상태에서의 공기(1)의 음속을 C로 하면, 종래의 기술에서 도시한 바와 같이 초음파 송수파기 A7로부터 전파되는 초음파가 공기(1)를 전파하고 초음파 송수파기 B8에 의해 수신되는 시간 t1은 수학식 1로 나타내어진다. 마찬가지로 초음파 송수파기 B8로부터 조사된 초음파가 공기(1)를 전파하여 초음파 송수파기 A7에 의해 수신되는 전파 시간 t2는 수학식 2로 나타내어진다. 수학식 1, 수학식 2로부터 공기(1)의 음속 C를 소거하면 수학식 3으로 나타내어진다. 공기(1)의 유속 V를 상기 수학식으로부터 구하면 수학식 4와 같이 나타내어진다.

초음파 송수파기 A7로부터 초음파를 전파하고 초음파 송수파기 B8에 의해 수신, 초음파 송수파기 B8로부터 초음파를 전파하며 초음파 송수파기 A7에 의해 수신을 반복하여 실행하며, 상기 수학식을 이용하여 공기(1)의 유속 V를 측정하여 유량 해석부(도시하지 않음)에서 유량을 도출할 수 있다.

여기서, 초음파 송수파기 A7 및 초음파 송수파기 B8의 초음파 방사면, 즉 송수파면의 짧은 변과 유로(2)의 높이는 동일하기 때문에, 초음파 송수파기 A7과 초음파 송수파기 B8에 의해 송수신된 초음파는, 유로(2)의 높이 방향의 흐름에 관한 모든 정보를 얻을 수 있다. 이 때문에 유로(2)에, 흐름에 분포나 흐트러짐이 있더라도 그 영향을 해소하는 것이 가능해진다.

이상과 같이 본 실시예에 의하면, 단면 형상이 장방형인 유로(2)에, 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이하이고 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하인 압전판(11)과 정합층(12)과 배면 부하 부재(13)로 이루어지는 초음파 송수파기 A7과 초음파 송수파기 B8을 대향시켜 배치시킴으로써, 유로(2)내를 흐르는 공기(1)의 유량을 단시간에 고정밀도로 측정할 수 있다.

또한, 제 1 실시예에 있어서 피측정 유체를 공기로 하였지만, 피측정 유체는 공기 이외의 기체 및 액체이어도 좋다. 또한 유로(2)의 단면 형상을 장방형으로 하였지만, 원형 형상이어도 좋고, 혹은 상판(3)과 바닥판(4)이 평행이며 측판 A5와 측판 B6은 평행일 필요는 없다. 또한 유로(2)의 높이와 송수파면의 짧은 변은 동일하다고 하였지만, 반드시 동일할 필요는 없다. 또한 초음파 송수파기는 초음파 유량계의 유량 검출부에 이용한다고 하였지만, 빈 공간에서 이용하는 공중용(空中用)이나 수중용(水中用)의 초음파 송수파기로서 이용하더라도 좋다. 또한, 배면 부하 부재(13)를 마련한다고 하였지만, 저전압으로 구동하도록 하는 조건하에서, 더욱 고감도인 초음파 송수파기가 필요한 경우에는 배면 부하 부재(13)는 마련할 필요는 없다. 또한, 압전판(11)의 초음파 송수파면 및 대향하는 면의 전극은 전면(全面)에 있을 필요는 없다. 또한, 정합층(12)은 폴리올레핀계 다공막으로 하였지만, 피측정 유체에 적합한 음향 정합 재료라면 무엇이든 좋다. 또한, 배면 부하 부재(13)는 페라이트 고무로 하였지만, 불필요한 진동의 감쇠 효과를 얻을 수 있는 재료라면 무엇이든 좋다.

(실시예 2)

이하, 본 발명의 제 2 실시예에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 초음파 유량계에 이용되는 초음파 송수파기의 구성 개략도이다. 도 4에 있어서, 참조번호 (18)은 정합층, 참조번호 (19)는 배면 부하 부재, 참조번호 (20)은 리드선이고, 이상은 도 3의 구성과 마찬가지이다. 도 3의 구성과 상이한 것은 두께에 대한 세로의 비 또는 두께에 대한 폭의 비 중의 어느 한쪽이 0.6 이상인 압전판(15)에 대하여, 두께의 90%이상이고 100%미만인 깊이의 홈(16)을 마련하며 전극면의 형상이 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이하이고 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하로 되도록 압전판(15)을 2분할한 점과, 2분할된 전극이 분할전과 마찬가지로 1장의 전극으로 되도록 도체(17)에 전기적으로 접속한 점과, 홈(16)에 액체 및 고체 등의 물질을 충전하지 않은 점이다.

상기한 바와 같이 구성된 초음파 송수파기의 제작 방법의 일례를 도 4를 이용하여 간단히 설명한다. 콤팩트한 초음파 유량계를 구축하고자 하면, 초음파 송수파기에 허용되는 치수는 작아진다. 그러나 초음파 송수파기의 특성을 고려하면 가능하면 큰 압전판을 이용하는 것이 바람직하므로, 예를 들어 유로(2)의 높이와 초음파 송수파면의 적어도 유로의 높이에 대응하는 1변의 길이가 동일한 장방형인 예를 들면 압전 세라믹으로 이루어지는 압전판(15)을 선택하는 경우가 있다. 이 때문에 사용 주파수나 유로(2)의 높이에 의해서는 압전판(15)은 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이하이고 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하라고는 한정하지 않는다. 그러나 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이상 혹은 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이상의 압전판(15)을 이용하면, 두께 진동과 그 밖의 진동 모드가 혼재하여 특성이 악화된다. 그러므로 본 실시예에서는 두께 진동과 그 밖의 진동 모드를 분리하기 위해 압전판(15)을 분할하여 두께 진동과 그 밖의 진동 모드를 분리한다. 압전판의 두께에 대하여 90%이상인 깊이의 홈을 마련하면, 압전판이 완전히 분할되어 있는 경우와 거의 동일한 효과를 얻을 수 있기 때문에, 압전판(15)의 취급을 고려하여, 예를 들면 다이서로 두께에 대하여 깊이가 90%이상이며 100%미만인 홈(16)을 한개 가공한다. 단지 홈(16)은 2분할된 압전판(15)의 전극이 마련되어 있는 각 면의 두께에대한 세로의 비가 0.6 이하이며 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하로 되는 위치에 가공한다.

다음에 압전판(15)의 2분할된 면과 예를 들어 두께 0.02mm이고 면적이 압전판(15)과 거의 동일한 동박(銅箔)으로 이루어지는 도체(17)를 가압하면서 예를 들면 에폭시 수지계 접착제로 접착한다. 접착층이 얇으면, 압전판(15)의 전극과 도체(17)는 전기적 접속을 얻을 수 있다. 또한 가로 방향의 진동의 결합을 피하기 위해서, 홈(16)에는 액체 및 고체 등의 물질을 충전하지 않는다. 도체(17)와 압전판(15)의 미(未)분할면에 리드선(20)을 예를 들면 납땜한다. 도체(17)와 예를 들어 페라이트 고무로 이루어지는 배면 부하 부재(19)를 예를 들면 에폭시 수지계 접착제로 접착한다. 또한 압전판(15)의 미분할면과 예를 들어 폴리올레핀계 미세다공막으로 이루어지는 정합층(18)을 예를 들면 에폭시 수지계 접착제로 접착하여 초음파 송수파기를 제작한다.

이상과 같이 제작한 초음파 송수파기는 홈(16)에 의해 압전판(15)은 두께 종진동을 주모드로 하기 때문에 고감도로 된다. 또한 정합층(18)과 배면 부하 부재(19)가 배치되어 있기 때문에, 잔향이 짧고 상승이 빠른 초음파 펄스를 송신하는 것이 가능해진다.

초음파 유량계의 유량 검출부의 제작 방법 및 초음파 송수파기 A7과 초음파 송수파기 B8을 이용한 단면 형상이 장방형인 유로(2)를 흐르는 공기(1)의 유량을 측정하는 초음파 유량계의 동작 방법은 실시예 1과 마찬가지이기 때문에 생략한다.

이상과 같이 본 실시예에 의하면, 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이상 혹은 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이상인 직방체의 압전판(15)에 대하여, 두께의 90%이상이고 100%미만인 홈(16)을 마련하며, 압전판(15)의 한쪽 전극면이 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이하이고 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하로 되도록 2분할한 압전판(15)을 이용함으로써 고감도, 고속 응답성이고, 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형인 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 유로(2) 내를 흐르는 공기(1)의 유량을 단시간에 고정밀도로 측정할 수 있다.

또한, 제 2 실시예에 있어서, 압전판(15)의 초음파 송수파면의 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이상 혹은 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이상으로 하였지만, 이 송수파면의 세로 및 가로의 치수는 전극 방향의 진동이 주모드로 되는 치수이면 좋고, 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이상 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이상이어도 상관없다. 또한 홈의 깊이도 전극 방향의 진동이 주모드로 되는 치수이면 임의로 설정할 수 있다. 그리고 이 송수파면의 세로 및 가로의 치수와 홈의 깊이는 이하에 기술하는 각 실시예에 있어서도 마찬가지이다.

이에 부가하여 홈(16)은 1개로 하였지만 2개 이상이더라도 상관없다. 또한 압전판(15)이 분할된 전극에 동박을 접착제로 접착한다고 하였지만, 도전성의 리드선을 납땜하거나 파장에 비해서 얇은 도체(17)와 도전성 페이스트(paste) 등을 이용하여 분할된 압전판(15)의 전극의 전기적 접속을 행하더라도 좋다. 또한 압전판(15)의 2분할된 면에 접착된 도체(17)를 배면 부하 부재(19)와 접착한다고 하였지만, 도체(17)를 정합층(18)과 접착하더라도 좋다. 또한 초음파 송수파기는 초음파 유량계의 유량 검출부에 이용된다고 하였지만, 빈 공간에서 이용하는 공중용이나 수중용의 초음파 송수파기로서 이용하더라도 좋다. 또한 가로 방향의 진동의 결합을 피하기 위해서 홈(16)에는 액체 및 고체 등의 물질을 충전하지 않는다고 하였지만, 압전판의 기계적 강도를 증가시키기 위해 비교적 진동이 전달되기 어려운 예를 들면 실리콘 고무를 홈(16)에 충전하더라도 좋다.

또한 유로(2)의 높이와 초음파 송수파면의 적어도 유로의 높이에 대응하는 1변의 길이가 동일하다고 하였지만, 반드시 동일할 필요는 없다. 또한, 배면 부하 부재(19)를 마련한다고 하였지만, 저전압으로 구동하는 조건하에서 더욱 고감도인 초음파 송수파기가 필요한 경우는 배면 부하 부재(19)는 마련할 필요는 없다. 또한, 압전판(15)의 초음파 송수파면 및 대향하는 면의 전극은 전면에 있을 필요는 없다. 또한 압전판(15)을 직방체로 하였지만, 원통형이더라도 마찬가지의 효과는 얻어진다. 또한 홈(16)은 두께 종진동과 불필요한 진동 모드를 분리할 수 있으면, 압전체(15)의 전극을 마련한 면에 대하여 수직인 방향으로 마련할 필요는 없다. 또한, 정합층(18)은 폴리올레핀계 다공막으로 하였지만, 피측정 유체에 적합한 음향 정합 재료라면 무엇이든 좋다. 또한, 배면 부하 부재(19)는 페라이트 고무로 하였지만, 불필요한 진동의 감쇠 효과를 얻을 수 있는 재료라면 무엇이든 좋다.

(실시예 3)

이하, 본 발명의 제 3 실시예에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 있어서의 초음파 유량계에 이용되는 초음파 송수파기의 구성 개략도이다. 도 5에 있어서, 참조번호 (25)는 정합층, 참조번호 (26)은 배면 부하 부재, 참조번호 (27)은 리드선이고, 이상은 도 3의 구성과 마찬가지이다. 도 3의 구성과 상이한 것은 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이상 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이상인 압전판(21)에 대하여 두께의 90%이상이고 100%미만인 깊이의 홈 A22와 홈 B23을, 전극면의 형상이, 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이하이고 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하로 되도록 십자로 교차하도록 마련한 점과, 분할된 전극이 분할전과 마찬가지로 1장의 전극으로 되도록 도체(24)에 전기적으로 접속한 점과, 홈 A22 및 홈 B23에 액체 및 고체 등의 물질을 충전하지 않은 점이다.

상기한 바와 같이 구성된 초음파 송수파기의 제작 방법의 일례를 도 5를 이용하여 간단히 설명한다. 콤팩트한 초음파 유량계를 구축하고자 하면, 초음파 송수파기에 허용되는 치수는 작아진다. 그러나 초음파 송수파기의 특성을 고려하여 가능하면 큰 압전판을 이용하는 것이 바람직하므로, 예를 들어 유로(2)의 높이와 초음파 송수파면의 2변의 길이가 동일한 정방형인 예를 들면 압전 세라믹으로 이루어지는 압전판(21)을 선택하는 경우가 있다. 사용 주파수나 유로(2)의 높이에 의해서는 압전판(21)은 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이하이고 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하라고는 한정하지 않는다. 그러나 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이상 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이상인 압전판(21)을 이용하면, 두께 진동과 그 밖의 진동 모드가 혼재하여 특성이 악화된다. 그러므로 본 실시예에서도 두께 진동과 그 밖의 진동 모드를 분리하기 위하여, 압전판(21)을 분할하여 두께 진동과 그 밖의 진동 모드를 분리한다. 압전판의 두께에 대하여 90%이상인 깊이의 홈을 마련하면, 압전판이 완전히 분할되어 있는 경우와 거의 동일한 효과를 얻을 수 있기 때문에, 압전판(21)의 취급을 고려하여, 예를 들면 다이서로 두께에 대하여 깊이가 90%이상이고 100%미만인 홈 A22 및 홈 B23을 가공한다. 단, 홈 A22 및 홈 B23은 압전판(21)의 한쪽 전극면의 중심 부근에서 교차시켜, 4분할된 모든 전극면이 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이하이고 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하로 되도록 십자로 가공한다. 단, 가로 방향의 진동의 결합을 피하기 위해서, 홈 A22 및 홈 B23에는 액체 및 고체 등의 물질을 충전하지 않는다.

다음에 압전판(21)의 4분할된 면과 예를 들어 두께 0.02mm이고 면적이 압전판(21)과 거의 동일한 동박으로 이루어지는 도체(24)를 가압하면서 예를 들면 에폭시 수지계 접착제로 접착한다. 접착층이 얇으면, 압전판(21)의 전극과 도체(24)는 전기적 접속을 얻을 수 있다. 또한 가로 방향의 진동의 결합을 피하기 위해서, 홈 A22 및 홈 B23에는 액체 및 고체 등의 물질을 충전하지 않는다. 도체(24)와 압전판(21)의 미분할면에 리드선(27)을 예를 들면 납땜한다. 도체(24)와 예를 들어 페라이트 고무로 이루어지는 배면 부하 부재(26)를 예를 들면 에폭시 수지계 접착제로 접착한다. 또한 압전판(21)의 미분할면과 예를 들어 폴리올레핀계 미세다공막으로 이루어지는 정합층(25)을 예를 들면 에폭시 수지계 접착제로 접착하여 초음파 송수파기를 제작한다.

이상과 같이 제작한 초음파 송수파기는 홈 A22 및 홈 B23에 의해 압전판(21)은 두께 종진동을 주모드로 하기 때문에 고감도로 된다. 또한 정합층(25)과 배면 부하 부재(26)가 배치되어 있기 때문에, 잔향이 짧고 상승이 빠른 초음파 펄스를 송신하는 것이 가능해진다.

초음파 유량계의 유량 검출부의 제작 방법 및 초음파 송수파기 A7과 초음파 송수파기 B8을 이용한 단면 형상이 장방형인 유로(2)를 흐르는 공기(1)의 유량을 측정하는 초음파 유량계의 동작 방법은 실시예 1과 마찬가지로 되기 때문에 생략한다.

이상과 같이 본 실시예에 의하면, 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이상 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이상인 압전판(21)에 대하여, 두께의 90%이상이고 100%미만인 깊이의 홈 A22와 홈 B23을, 전극면의 형상이 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이하이며 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하로 되도록 십자로 교차하도록 마련함으로써 고감도, 고속 응답성이고, 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형인 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 유로(2)내를 흐르는 공기(1)의 유량을 단시간에 고정밀도로 측정할 수 있다.

또, 제 3 실시예에 있어서, 압전판(21)의 초음파 송수파면을 정방형으로 하였지만, 장방형이어도 원통형이어도 상관없다. 또한 압전판(21)이 분할된 전극에 동박을 접착제로 접착한다고 하였지만, 리드선을 납땜하거나 파장에 비해서 얇은 도체(24)와 도전성 페이스트 등을 이용하여 분할한 압전판(21)의 전극의 전기적 접속을 행하더라도 좋다. 또한 압전판(21)의 4분할된 면에 접착한 도체(24)를 배면 부하 부재(26)에 접착한다고 하였지만, 도체(24)를 정합층(25)과 접착하더라도 좋다. 또한 초음파 송수파기는 초음파 유량계의 유량 검출부에 이용한다고 하였지만, 빈 공간에서 이용하는 공중용이나 수중용 초음파 송수파기로서 이용하더라도 좋다. 또한 홈 A22 및 홈 B23에는 액체 및 고체 등의 물질을 충전하지 않는다고 하였지만, 압전판의 기계적 강도를 증가시키기 때문에 비교적 진동이 전달되기 어려운 예를 들면 실리콘 고무를 홈 A22 및 홈 B23에 충전하더라도 좋다.

또한 유로(2)의 높이와 초음파 송수파면의 2변의 길이가 동일하다고 하였지만, 반드시 동일할 필요는 없다. 또한, 배면 부하 부재(26)를 마련한다고 하였지만, 저전압으로 구동하는 조건하에서 더욱 고감도인 초음파 송수파기가 필요한 경우에는 배면 부하 부재(26)는 마련할 필요는 없다. 또한, 압전판(21)의 초음파 송수파면 및 대향하는 면의 전극은 전면에 있을 필요는 없다. 또한 홈 A22 및 홈 B23은 두께 종진동과 불필요한 진동 모드를 분리할 수 있으면, 압전체(21)의 전극을 마련한 면에 대하여 수직인 방향으로 마련할 필요는 없다. 또한, 정합층(25)은 폴리올레핀계 다공막으로 하였지만, 피측정 유체에 적합한 음향 정합 재료라면 무엇이든 좋다. 또한, 배면 부하 부재(26)는 페라이트 고무로 하였지만, 불필요한 진동의 감쇠 효과를 얻을 수 있는 재료라면 무엇이든 좋다.

(실시예 4)

이하, 본 발명의 제 4 실시예에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.

도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 있어서의 초음파 유량계에 이용되는 초음파 송수파기 구성의 개략도이다. 도 6에 있어서, 참조번호 (33)은 정합층, 참조번호 (34)는 배면 부하 부재, 참조번호 (35)는 리드선이며, 이상은 도 3의 구성과 마찬가지이다. 도 3의 구성과 상이한 것은 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이하이고 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하이며 두께가 동일한 2장의 압전판 A28과 압전판 B29를 배면 부하 부재(34) 상에 서로 접촉하지 않도록 간극(30)을 마련하여 배치하는 점과, 압전판 A28과 압전판 B29의 초음파 송수파면측과 배면 부하 부재측의 각각에 도체 A31과 도체 B32를 전기적으로 접속한 점과, 간극(30)에는 액체 및 고체 등의 물질을 충전하지 않은 점이다.

상기한 바와 같이 구성된 초음파 송수파기의 제작 방법의 일례를 도 6을 이용하여 설명한다. 콤팩트한 초음파 유량계를 구축하고자 하면, 초음파 송수파기에 허용되는 치수는 작아진다. 그러나 초음파 송수파기의 특성을 고려하여 가능하면 큰 압전판을 이용하는 것이 바람직하기 때문에, 예를 들어 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이상이고 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하의 직방체인 예를 들면 압전 세라믹으로 이루어지는 압전판을 선택하는 경우가 있다. 이러한 형상의 압전판은 두께 진동과 그 밖의 진동 모드가 혼재하여 특성이 악화된다. 그러므로 본 실시예에서도 압전판을 2분할하여 두께 진동과 그 밖의 진동 모드를 분리한다. 실시예 2 및 실시예 3에서는 두께 진동과 그 밖의 진동 모드의 분리와 압전판의 취급을 고려하여 압전판을 완전히 분할하지 않는다고 하였지만, 압전판을 완전히 분할한 쪽이 두께 진동과 그 밖의 진동 모드의 분리를 완전히 실행할 수 있기 때문에 본 실시예에서는 압전판을 완전히 분할한다.

예를 들면 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이상이고 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하의 직방체인 압전 세라믹으로 이루어지는 압전판에 대하여, 압전판의 전극보다 큰 치수의 예를 들어 두께가 0.02mm의 동박으로 이루어지는 도체 B32를 가압하면서 예를 들면 에폭시 수지계 접착제로 접착한다. 접착층이 얇으면, 압전판의 전극과 도체 B32는 전기적 접속을 얻을 수 있다. 도체 B32와 예를 들어 페라이트 고무로 이루어지는 배면 부하 부재(34)를 예를 들면 에폭시 수지계 접착제로 접착한다. 압전판으로부터 돌출되는 도체 B32의 일부를 구부려 배면 부하 부재(34)의 측면에 예를 들면 에폭시 수지계 접착제로 접착한다. 배면 부하 부재(34)와 일체로 된 압전판을 예를 들면 다이서로 완전히 2분할한다. 단, 형성된 압전판 A28과 압전판 B29가 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이하이고 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하로 되도록 분할한다. 또한 도체 B32의 구부러진 부분은 완전히 절단하지 않는다. 압전판 A28과 압전판 B29의 윗쪽에 예를 들어 두께가 0.02mm의 동박으로 이루어지는 도체 A31을 예를 들면 에폭시 수지계 접착제로 접착한다. 또한 가로 방향의 진동의 결합을 피하기 위해서, 간극(30)에는 액체 및 고체 등의 물질을 충전하지 않는다. 도체 A31과 도체 B32에 리드선(35)을 예를 들면 납땜한다. 도체 A31에 예를 들어 폴리올레핀계 미세다공막으로 이루어지는 정합층(25)을 예를 들면 에폭시 수지계 접착제로 접착하여 초음파 송수파기를 제작한다.

이상과 같이 제작한 초음파 송수파기는 압전판 A28과 압전판 B29는 간극(30)만큼 떨어져 배치되어 있기 때문에, 불필요한 진동 모드의 영향을 받기 어렵고 두께 종진동을 주모드로 하기 때문에 고감도로 된다. 또한 정합층(33)과 배면 부하 부재(34)가 배치되어 있기 때문에, 잔향이 짧고 상승이 빠른 초음파 펄스를 송신하는 것이 가능해진다.

초음파 유량계의 유량 검출부의 제작 방법 및 초음파 송수파기 A7과 초음파 송수파기 B8을 이용한 단면 형상이 장방형인 유로(2)를 흐르는 공기(1)의 유량을 측정하는 초음파 유량계의 동작 방법은 실시예 1과 마찬가지로 되기 때문에 생략한다.

이상과 같이 본 실시예에 의하면, 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이상이고 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하인 압전판을 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이하이며 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하인 2장의 압전판 A28, 압전판 B29로 분할함으로써 고감도, 고속 응답성이고, 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형인 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 유로(2)내를 흐르는 공기(1)의 유량을 단시간에 고정밀도로 측정할 수 있다.

또한, 제 4 실시예에 있어서, 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이상이고 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하인 압전판을 이용하였지만, 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이하이며 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이상 혹은 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이상 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이상인 압전판을 이용하더라도 좋다. 또한, 압전판 A28과 압전판 B29의 2장으로 분할한다고 하였지만, 3장 이상으로 분할하더라도 상관없다. 또한 1장의 압전판을 배면 부하 부재(34)에 접착한 후에 분할하여 이용한다고 하였지만, 두께가 동일한 2장 이상의 압전판을 배면 부하 부재(34)에 접착하더라도 좋다. 또한 압전판 A28과 압전판 B29에 동박을 접착제로 접착한다고 하였지만, 리드선을 납땜하거나 도전성 페이스트 등의 도체 A31과 도체 B32를 이용하여 전기적 접속을 행하더라도 좋다. 또한 간극(30)에는 액체 및 고체 등의 물질을 충전하지 않는다고 하였지만, 압전판의 기계적 강도를 증가시키기 때문에 비교적 진동이 전달되기 어려운 예를 들면 실리콘 고무를 간극(30)에 충전하더라도 좋다. 또한 초음파 송수파기는 초음파 유량계의 유량 검출부에 이용한다고 하였지만, 빈 공간에서 이용하는 공중용이나 수중용 초음파 송수파기로서 이용하더라도 좋다.

또한, 유로(2)의 높이와 적어도 초음파 송수파면의 유로(2)의 높이에 대응하는 변의 길이는 동일한 것이 바람직하지만, 동일하지 않더라도 좋다. 또한, 배면 부하 부재(34)를 마련한다고 하였지만, 저전압으로 구동하는 조건하에서 더욱 고감도인 초음파 송수파기가 필요한 경우에는 배면 부하 부재(34)는 마련할 필요는 없다. 또한, 압전판 A28 혹은 압전판 B29의 초음파 송수파면 및 대향하는 면의 전극은 전면에 있을 필요는 없다. 또한 간극(30)은 두께 종진동과 불필요한 진동 모드를 분리할 수 있으면, 압전판 A28 혹은 압전판 B29의 전극을 마련한 면에 대하여 수직 방향으로 마련할 필요는 없다. 또한, 압전판 A28과 압전판 B29는 두께 종진동하는 압전판이면 예를 들면 원주 형상의 복수개의 압전체를 이용하더라도 좋다. 또한, 정합층(33)은 폴리올레핀계 다공막으로 하였지만, 피측정 유체에 적합한 음향 정합 재료라면 무엇이든 좋다. 또한, 배면 부하 부재(34)는 페라이트 고무로 하였지만, 불필요한 진동의 감쇠 효과를 얻을 수 있는 재료라면 무엇이든 좋다.

(실시예 5)

이하, 본 발명의 제 5 실시예에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.

도 7은 본 발명의 제 5 실시예에 있어서의 초음파 유량계에 이용되는 초음파 송수파기 구성의 개략도이다. 도 7에 있어서, 참조번호 (39)는 정합층, 참조번호 (40)은 배면 부하 부재이며, 이상은 도 3의 구성과 마찬가지이다. 도 3의 구성과 상이한 것은 압전판이 두께가 동일한 3장의 압전판을 적층하여 구성되고 또한 적층된 압전판의 전체의 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이하이며 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하이며 또한 3장의 압전판의 분극 방향이 서로 반대로 되도록 배치하여 놓은 점과, 3장의 압전판의 전극이 1장 걸러서 동일 전위가 되도록 리드선 A41과 리드선 B41을 마련한 점이다.

상기한 바와 같이 구성된 초음파 송수파기의 제작 방법의 일례를 도 7을 이용하여 간단히 설명한다. 콤팩트하고 가격이 싼 초음파 유량계를 구축하고자 하면, 초음파 송수파기에 허용되는 치수는 작고, 사용하는 주파수는 회로의 값을 고려하면 저주파일수록 좋다. 이 때문에 두께 진동을 이용하는 압전판으로서는 전기적 임피던스가 높아져 회로와의 전기적 정합을 취하기 어렵게 되고, 노이즈의 영향을 무시할 수 없게 되어 초음파 송수파기가 갖는 성능을 충분히 발휘할 수 없는 경우가 있다.

특히 저전압으로 구동하는 조건하에서는 수신되는 초음파 펄스의 절대값이 작기 때문에 S/N이 나빠져 유량계측의 정밀도에 큰 영향을 미칠 수가 있다. 그러므로 압전판의 전기적 임피던스를 저감시켜 노이즈의 영향 등을 저감시킬 필요가 있다.

그러므로 예를 들면 3장의 압전판을 두께 방향으로 적층하는 것을 고려한다. 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이하이고 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하인 조건을 만족하는 압전판의 두께를 T로 하면, 적층하는 압전판 A36, 압전판 B37, 압전판 C38의 두께는 T/3으로 된다.

상기 치수의 예를 들어 압전 세라믹으로 이루어지는 압전판 A36, 압전판 B37, 압전판 C38의 분극 방향이 서로 반대로 되도록 예를 들면 에폭시 수지계 접착제를 이용하여 가압하면서 접착한다. 접착층이 얇으면, 압전판 A36과 압전판 B37 사이의 전극, 압전판 B37과 압전판 C38 사이의 전극은 서로 전기적으로 접속한다. 압전판 A36의 윗쪽의 전극과 압전판 B37과 압전판 C38 사이의 전극은 압전판의 측면으로부터 보이는 부분에 대하여 예를 들면 은페이스트를 이용하여 리드선 A41을 접착하여 전기적으로 접속한다. 또한 압전판 A36과 압전판 B37 사이의 전극과 압전판 C38의 아랫쪽의 전극은 압전판의 측면으로부터 보이는 부분에 대하여 예를 들면 은페이스트를 이용하여 리드선 B42를 접착하여 전기적으로 접속한다. 리드선 A41과 리드선 B42에 의해 압전판 A36, 압전판 B37, 압전판 C38을 접속한다.

이와 같이 3장의 압전판을 적층하여 구성된 압전판의 두께 방향의 진동은 두께 T에 기인하는 주파수이더라도 두께 종진동할 수 있다. 또한 전기적 임피던스에 관해서는 각 압전판의 경계면의 접착층의 영향 등이 있기 때문에, 두께가 T/3이고, 전극 면적이 3배인 압전판과 동일한 전기적 임피던스로는 되지 않지만, 두께가 T인 압전판보다 작은 전기적 임피던스로 된다. 이와 같이 두께가 T/3이고 전극 면적이 3배인 한 장의 압전판을 포개어 접은 경우와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있으며, 한 장의 직방체의 압전판에 비하여 전기적 임피던스가 저감될 수 있다.

또한 압전판 A36, 압전판 B37, 압전판 C38을 접착하여 형성한 압전판은 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이하이고 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하로 되는 형상으로 되기 때문에, 두께 진동만이 선택적으로 이용 가능해진다. 압전판 C38의 아래쪽으로 예를 들어 페라이트 고무로 이루어지는 배면 부하 부재(34)를 예를 들면 에폭시 수지계 접착제로 접착한다. 압전판 A36의 윗쪽에 예를 들어 폴리올레핀계 미세다공막으로 이루어지는 정합층(39)을 예를 들면 에폭시 수지계 접착제로 접착하여 초음파 송수파기를 제작한다.

초음파 유량계의 유량 검출부의 제작 방법 및 초음파 송수파기 A7과 초음파 송수파기 B8을 이용한 단면 형상이 장방형인 유로(2)를 흐르는 공기(1)의 유량을 측정하는 초음파 유량계의 동작 방법은 실시예 1과 마찬가지로 되기 때문에 생략한다.

이상과 같이 본 실시예에 의하면, 두께가 동일한 3장의 압전판 A36, 압전판 B37, 압전판 C38의 분극 방향이 서로 반대로 되도록 적층하고 적층된 압전판의 전체의 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이하이며 또한 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하로 되는 압전판을 이용함으로써 전기적 임피던스를 저감할 수 있고, 노이즈의 영향을 받기 어려우며, 고감도, 고속 응답성이고, 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형인 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 유로(2)내를 흐르는 공기(1)의 유량을 단시간에 고정밀도로 측정할 수 있다.

또한, 제 5 실시예에 있어서, 적층하는 압전판의 매수를 3장으로 하였지만 5장 이상의 홀수매이어도 2장 이상의 짝수매이어도 상관없다. 또한 적층한 압전판이 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이상이고 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이하로 되었지만, 두께에 대한 세로의 비가 0.6 이상 혹은 두께에 대한 폭의 비가 0.6 이상으로 되더라도 상관없다. 단, 상기 형상의 경우는 실시예 3, 실시예 4, 실시예 5와 마찬가지로 분할해야 한다. 또한 초음파 송수파기는 초음파 유량계의 유량 검출부에 이용한다고 하였지만, 빈 공간에서 이용하는 공중용 초음파 송수파기로서 이용하더라도 좋다.

또한, 유로(2)의 높이와 적어도 초음파 송수파면의 유로(2)의 높이에 대응하는 변의 길이는 동일한 것이 바람직하지만, 동일하지 않더라도 좋다. 또한, 배면 부하 부재(40)를 마련한다고 하였지만, 저전압으로 구동하는 조건하에서, 더욱 고감도인 초음파 송수파기가 필요한 경우에는 배면 부하 부재(40)는 마련할 필요는 없다. 또한, 압전판 A36, 압전판 C38, 압전판 C38의 초음파 송수파면과 동일한 방향의 면 및 대향하는 면의 전극은 전면에 있을 필요는 없다. 또한, 압전판 A36, 압전판 C38, 압전판 C38은 직방체가 아니더라도 원주 형상의 복수개의 압전체를 이용하더라도 좋다. 또한, 정합층(39)은 폴리올레핀계 다공막으로 하였지만, 피측정 유체에 적합한 음향 정합 재료라면 무엇이든 좋다. 또한, 배면 부하 부재(40)는 페라이트 고무로 하였지만, 불필요한 진동의 감쇠 효과를 얻을 수 있는 재료라면 무엇이든 좋다.

(실시예 6)

이하, 본 발명의 제 6 실시예에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.

본 실시예에서는, 실시예 1 내지 실시예 4에 이용하는 초음파 송수파기에 대하여 행한 구체적인 검토 사례를 나타낸다.

우선, 압전체의 송수파면의 세로 및 가로의 길이의 두께에 대한 관계에 대하여 도 8과 도 9를 이용하여 기술한다. 도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서의 초음파 유량계에 이용하는 초음파 송수파기의 구성 부품의 하나인 압전체의 형상이다. 도 8에 있어서, 참조번호 (60)은 직방체 형상의 압전체, 참조번호 (61)은 압전체(60)의 송수파면, 참조번호 (62)는 압전체(60)의 세로, 참조번호 (63)은 압전체(60)의 가로, 참조번호 (64)는 압전체(60)의 두께이다. 도 9는 도 8의 형상으로, 압전체(60)에 압전 세라믹을 이용하고, 두께(64)를 일정(8mm)하게 하며, 송수파면(61)의 세로(62) 및 가로(63)의 길이를 바꿔 유한 요소법을 이용하여 행한 임피던스 해석 결과이다. 모든 도면에서 가로축은 주파수, 세로축은 임피던스이고, 세로(62)의 길이를 L, 가로(63)의 길이를 W, 두께(64)를 T로 한다. 도 9a는 L/T=W/T=0.4, 도 9b는 L/T=W/T=0.6, 도 9c는 L/T=0.6, W/T=0.8인 경우이다.

도 9a에 있어서, 두께(64)에서의 두께 종진동의 공진 주파수는 180kHz 부근에 나타나는 골 부분이고, 반공진 주파수는 260kHz 부근에 나타나는 산 부분이다. 도시된 범위에서는 그 밖의 진동 모드의 공진 주파수(산)나 반공진 주파수(골)는 나타나지 않는다. 도 9b에서는 도 9a와 마찬가지로, 두께 종진동의 공진 주파수, 반공진 주파수를 분명하게 확인할 수 있다. 또한, 두께 종진동에 영향을 미치지 않을 정도로 떨어진 주파수(430kHz 부근)에 그 밖의 진동 모드의 공진 주파수, 반공진 주파수도 확인할 수 있다. 도 9c에서는 두께 종진동의 공진 주파수(180kHz 부근)와 반공진 주파수(260kHz 부근) 사이에 그 밖의 진동 모드의 공진 주파수, 반공진 주파수가 나타내어지고, 두께 종진동과 그 밖의 진동 모드가 혼재하고 있는 것을 알 수 있다. 이 해석 결과에 의해 압전판(60)의 송수파면(61)의 세로(62) 및 가로(63)의 길이의 두께(64)에 대한 모든 비가 0.6 이하일 때에, 두께 종진동을 주모드로 하여 가장 효율적으로 이용할 수 있다는 것을 알았다.

다음에 도 10에 도시하는 유로 단면에 적합한 치수의 압전체의 검토를 행한다. 예를 들면 유로 높이(65)를 8mm, 유로 폭(66)을 40mm로 한다. 초음파 유량계의 계측 정밀도 및 공업적 시점(視點)으로부터, 압전체(60)의 세로(62)와 가로(63)의 길이를 유로 높이(65)와 동일한 8mm, 두께(64)를 5mm로 한 경우를 고려한다. 송수파면(61)의 세로(62) 및 가로(63)의 길이의 두께(64)에 대한 모든 비가 0.6 이하라는 조건을 이용하면, 예를 들면 송수파면(61)을 적어도 9개로 분할해야 한다. 그러나 분할하기 위해서 마련되는 홈의 수가 증가하면 가공 시간이 길어져 제조 비용의 증대를 불러 일으킨다. 그러므로 홈의 개수를 적게 하고, 두께 종진동과 그 밖의 불필요한 진동 모드를 실용상 문제없을 정도로 분리할 수 있는 형상의 검토를 행하였다.

도 11은 압전체(67)에 대하여 2개의 홈(68)을 마련한 경우이고, 도 12는 압전체(72)에 대하여 2개의 홈(73)을 마련한 경우이며, 다시 유한 요소법을 이용하여 임피던스 해석을 행하였다. 단, 임피던스 해석은 압전체가 완전히 분할된 도 8에 도시하는 형상으로 행하였다. 도 13a는 도 11의 경우에 대응하여 세로(62) 및 가로(63)는 모두 4mm(L/T=W/T=0.8), 도 13b는 도 12의 경우에 대응하여 가로(62)를 2.7mm, 세로(63)를 8mm(L/T=0.5, W/T=1.6)로 하였다. 비교를 위해 도 13c에는 세로(62) 및 가로(63)가 모두 3mm(L/T=W/T=0.6)의 해석 결과를 도시한다.

도 13a에서는 도 13c에 비해, 두께 종진동에 대하여 그 밖의 불필요한 진동 모드가 가까운 주파수에 존재하고 있지만 그 영향은 적다고 추정할 수 있다. 도 13b에서는 두께 종진동과 그 밖의 불필요한 진동 모드가 혼재하고 있는 것을 알 수 있다. 이상의 결과에 의해 세로(62) 및 가로(63)는 4mm인 조건이더라도, 실용상 문제가 적다고 판단되고, 도 11에 도시하는 바와 같이 압전체(67)에 홈(68)을 마련하는 것으로 하였다.

마지막으로 홈의 깊이의 효과를 실제로 압전체에 다이서로 홈을 마련하여 평가하였다. 압전체(67)의 세로(71)와 가로(70)의 길이는 8mm, 두께(69)는 5mm로 하였다. 또한 2개의 홈(68)은 도 13에 도시하는 바와 같이 송수파면의 중앙 부근에서 교차하도록 마련하였다. 또한 2개의 홈(68)의 깊이는 동일해지도록 마련하였다.

도 14a는 홈(68)의 깊이가 두께(69)에 대하여 0%, 도 14b는 홈(68)의 깊이가 두께(69)에 대하여 80%, 도 14c는 홈(68)의 깊이가 두께(69)에 대하여 90%, 도 14d는 완전히 절단한 경우이다. 임피던스 궤적만으로는 두께 종진동과 그 밖의 불필요한 진동 모드의 분리에 대하여 명확한 결론은 내놓을 수 없지만, 홈(68)의 깊이가 두께(69)에 대하여 90%이상이면 실용상 문제없을 정도로 두께 종진동과 불필요한 진동 모드를 분리할 수 있다고 추정할 수 있다.

압전체(67)의 세로(71)와 가로(70)의 길이는 8mm, 두께(69)는 5mm, 십자의 홈(68)을 마련한 도 11에 도시하는 형상의 압전체(67)를 이용하여 초음파 송수파기를 시작하여, 특성을 평가하였다.

초음파 송수파기의 외관도를 도 15, 단면도를 도 16, 초음파 펄스를 도 17에 도시한다. 도 15에 있어서, 참조번호 (74)는 초음파 송수파기, 참조번호 (75)는 에폭시 수지와 유리 벌룬(glass balloon)으로 이루어지는 원판 형상의 정합층, 참조번호 (76)은 황동으로 이루어지는 원통형의 케이스이다. 도 16에 있어서, 참조번호 (77)은 십자의 홈(78)을 마련한 압전 세라믹으로 이루어지는 압전체이다. 또한, 건전지 전압 정도로 구동하는 것을 상정(想定)하고, 고감도인 초음파 송수파기(74)를 얻기 위하여 배면 부하 부재는 마련하지 않는다. 도 17은 유로 높이(65)가 8mm, 유로 폭(66)이 40mm인 단면 형상을 갖는 유로에 대하여, 한 쌍의 초음파 송수파기(74)를 대향 배치하여 한쪽의 초음파 송수파기(74)를 3주기의 방형파(方形波)로 구동하고, 다른쪽의 초음파 송수파기로 수신한 초음파 펄스이다. 이 초음파 펄스에 의해 초음파 송수파기(74)는 실용상 문제없는 특성을 갖는 것을 확인하였다.

이상과 같이 본 실시예에 의하면, 홈의 깊이가 송수파면과 수직인 방향의 두께에 대하여 90%이상 100%미만이면, 실용상 문제없을 정도로 두께 종진동과 그 밖의 불필요한 진동 모드를 분리할 수 있다. 또한, 홈에 의해 분할된 초음파 송수파면 각각의 면의 세로 및 가로의 길이의 두께에 대한 모든 비가 0.8 이하, 바람직하게는 0.6 이하인 경우, 실용상 문제없을 정도로 두께 종진동과 그 밖의 불필요한 진동 모드를 분리할 수 있고, 두께 종진동을 주모드로서 이용할 수 있다.

또한, 정합층(75)은 원판 형상으로 하였지만, 정방형이라도 타원 형상이라도 상관없다. 케이스(76)는 원통형으로 하였지만, 압전체(77)가 내측에 배치 가능하면 다른 형상이어도 상관없다. 정합층(75) 및 케이스(76)에 이용되는 재질은 사용 환경, 비용등에 따라 최적의 재료를 선택해야하는 것은 말할 필요도 없다.

또한 상기 실시예에 있어서, 케이스(76)는 중절모 형상으로 형성하고, 하면개구를 케이스(76)와 마찬가지의 황동으로된 덮개판(76a)으로 덮어 이들 양쪽 판을 접합하여 압전체(77)를 밀봉한다. 따라서 압전체(77)가 전하를 축적하여 스파크를 튀게 하는 경우가 있더라도 케이스(76)와 뚜껑판(76a)에 의해 쉴드 효과(shield effect)로 이를 차단할 수 있으며, 측정하는 유체가 가연성 가스나 가연성의 액체이더라도 안전성을 확보할 수 있다. 또한 케이스내(76)와 뚜껑판(76a)으로 둘러싸인 공간(79)의 공기는 건조시켜 놓아, 따라서 이 공간(79)내에서 결로현상이 발생하여 이에 따라 압전체(77)의 세라믹이 용해되어 파괴되는 것을 방지할 수 있어 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한 케이스(76)의 천정부는 전극을 겹치게 하여 리드선의 한쪽은 뚜껑판(76a)에 접속하면 좋도록 되어 있으므로 리드선 인출 구성의 간소화도 도모할 수 있다. 도면 중 참조번호 (80)은 뚜껑판(76a)에 일체화한 절연체로서, 다른 한쪽의 리드선이 인출되어 있다.

도 18은 실시예 3의 변형예, 도 19는 실시예 4의 변형예를 도시하며, 모두 압전판을 원통형 형상으로 한 것이다.

이상과 같이 본 발명의 제 1 초음파 유량계는 유로와, 이 유로 중의 유체 유량을 측정하도록 배치한 초음파 송수파기를 구비하고, 상기 초음파 송수파기는 대향하는 면에 전극을 마련함과 동시에 상기 대향하는 한쪽면을 송수파면으로 하여 그 송수파면을 상기 유로를 향하게 한 압전체를 가지며, 상기 압전체는 전극 방향의 진동을 주모드로 하도록 그 송수파면의 세로 및 가로의 길이를 설정한 구성으로 하여 압전체의 두께 종진동을 주모드로서 이용하기 때문에 고감도, 고속 응답성, 소형의 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 고정밀도의 콤팩트한 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

또한 본 발명의 제 2 초음파 유량계는 유로와, 이 유로 중의 유체 유량을 측정하도록 배치한 초음파 송수파기를 구비하고, 상기 초음파 송수파기는 대향하는 면에 전극을 마련함과 동시에 상기 대향하는 한쪽면을 송수파면으로 하여 그 송수파면을 상기 유로를 향하게 한 압전체를 가지며, 상기 압전체는 송수파면 또는 상기 송수파면과 대향하는 면의 적어도 한쪽을 홈에 의해 분할함과 동시에, 분할된 면에 마련한 전극 모두를 도체에 의해 전기적으로 접속한 구성으로 하여 홈에 의해 두께 종진동과 불필요한 진동 모드를 분리할 수 있기 때문에, 고감도, 고속 응답성이고, 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형인 초음파 송수파기를 얻는 수 있으며, 고정밀도의 콤팩트한 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

본 발명에 있어서, 전극 방향의 진동을 주모드로 하는 깊이의 홈에 의해 압전체를 분할한 구성으로 한 것 및 홈의 깊이가 송수파면과 수직인 방향의 두께에 대하여 90%이상 100%미만으로 한 것은, 압전체를 완전히 분리하지 않기 때문에 압전체의 취급이 용이한데다가, 두께 종진동과 불필요한 진동 모드가 실용되는데에 문제없을 정도로 분리할 수 있기 때문에 고감도, 고속 응답성이고, 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형인 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 고정밀도의 콤팩트한 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 있어서, 홈에 의해 분할된 각각의 면의 세로 및 가로의 길이를 전극 방향의 진동이 주모드로 되도록 설정한 것 및 홈에 의해 분할된 각각의 면의 세로 및 가로의 길이 두께에 대한 비를 모두 0.8 이하로 한 것은, 두께 종진동과 불필요한 진동 모드가 실용되는데에 문제없을 정도로 분리할 수 있는데다가 두께 종진동을 주모드로서 이용할 수 있기 때문에, 고감도, 고속 응답성이고, 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형인 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 고정밀도의 콤팩트한 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 있어서, 압전체에 마련하는 홈을 복수개로 한 것은, 주파수나 치수의 선택폭이 더욱 넓은 소형인 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 고정밀도의 콤팩트한 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 3 초음파 유량계는 유로와, 이 유로 중의 유체 유량을 측정하도록 배치한 초음파 송수파기를 구비하고, 상기 초음파 송수파기는 대향하는 면에 전극을 마련함과 동시에 상기 대향하는 한쪽면을 송수파면으로 하여 그 송수파면을 상기 유로를 향하게 한 복수개의 압전체를 가지며, 이 각 압전체의 송수파면 및 상기 송수파면과 대향하는 면에 마련한 각 전극을 각각 도체에 의해 접속한 구성으로 하여 복수개가 분리된 압전체를 갖기 때문에 불필요한 진동 모드의 영향이 적어져서 고감도, 고속 응답성이고, 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형인 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 고정밀도의 콤팩트한 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

본 발명에 있어서, 각 압전체 각각의 면의 세로 및 가로의 모든 길이를 전극 방향의 진동이 주모드가 되도록 설정한 것 및 각 압전체의 송수파면의 세로 및 가로의 길이의 두께에 대한 비를 모두 0.8 이하로 한 것은, 두께 종진동을 주모드로서 이용할 수 있기 때문에 고감도, 고속 응답성이고, 주파수나 치수의 선택폭이 넓은 소형인 초음파 송수파기를 얻을 수 있으며, 고정밀도의 콤팩트한 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 4 초음파 유량계는 제 1 내지 제 3 발명의 초음파 유량계에 있어서, 전극에 수직인 방향으로 분극된 복수개의 압전체를 분극 방향이 서로 반대가 되도록 적층하고, 이 적층하여 이루어지는 압전체의 상기 전극 방향의 진동을 주모드로 하는 구성으로 하여 초음파 송수파기의 전기적 임피던스를 작게 할 수 있기 때문에 노이즈에 대하여 강한 특성을 얻을 수 있으며, 또한 고정밀도의 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 5 초음파 유량계는 제 1 내지 제 4 발명의 초음파 유량계에 있어서, 그 유로는 소정의 위치에 소정의 폭의 간극을 갖고, 소정의 폭을 두고 배치된 2장의 평행 평판에 끼워진 구성으로 하여 유로의 단면 형상을 장방형으로 함으로써 유로 단면내에서의 유속 분포를 단순화할 수 있으며, 구해진 유속으로부터 유량을 고정밀도로 도출할 수 있는 것이 가능해져서 더욱 고정밀도의 초음파 유량계를 얻을 수 있다.

Claims (25)

1. 유로와, 이 유로 중의 유체 유량을 측정하도록 배치한 초음파 송수파기를 포함하고, 상기 초음파 송수파기는 대향하는 면에 전극을 마련함과 동시에 상기 대향하는 한쪽면을 송수파면으로 하여 그 송수파면을 상기 유로를 향하게 한 압전체를 가지며, 상기 압전체는 전극 방향의 진동을 주모드로 하도록 그 송수파면의 세로 및 가로의 길이를 설정한 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
2. 유로와, 이 유로 중의 유체 유량을 측정하도록 배치한 초음파 송수파기를 포함하고, 상기 초음파 송수파기는 대향하는 면에 전극을 마련함과 동시에 상기 대향하는 한쪽면을 송수파면으로 하여 그 송수파면을 상기 유로를 향하게 한 압전체를 가지며, 상기 압전체는 송수파면 또는 상기 송수파면과 대향하는 면의 적어도 한쪽을 홈에 의해 분할함과 동시에, 분할된 면에 마련한 전극 모두를 도체에 의해 전기적으로 접속한 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
3. 제 2 항에 있어서,

   홈은 전극 방향의 진동을 주모드로 하는 깊이에 의해 압전체를 분할한 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   홈의 깊이가 송수파면과 수직인 방향의 두께에 대하여 90%이상 100%미만인 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
5. 제 2, 제 3, 또는 제 4 항에 있어서,

   홈에 의해 분할된 각각의 면의 세로 및 가로의 길이를, 전극 방향의 진동이 주모드가 되도록 설정한 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
6. 제 5 항에 있어서,

   홈에 의해 분할된 각각의 면의 세로 및 가로의 길이의 두께에 대한 비를 모두 0.8 이하로 한 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
7. 제 2 항 내지 제 6 항 중의 어느 한항에 있어서,

   홈이 복수개 마련된 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
8. 유로와, 이 유로 중의 유체 유량을 측정하도록 배치한 초음파 송수파기를 포함하고, 상기 초음파 송수파기는 대향하는 면에 전극을 마련함과 동시에 상기 대향하는 한쪽면을 송수파면으로 하여 그 송수파면을 상기 유로를 향하게 한 복수개의 압전체를 가지며, 이 각 압전체의 송수파면 및 상기 송수파면과 대향하는 면에 마련한 각 전극을 각각 도체에 의해 접속한 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
9. 제 8 항에 있어서,

   각 압전체의 각각의 면의 세로 및 가로의 모든 길이를 전극 방향의 진동이 주모드가 되도록 설정한 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
10. 제 9 항에 있어서,

    각 압전체의 송수파면의 세로 및 가로의 길이의 두께에 대한 비를 모두 0.8 이하로 한 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중의 어느 한항에 있어서,

    전극에 수직인 방향으로 분극된 복수개의 압전체를 분극 방향이 서로 반대가 되도록 적층하고, 이 적층하여 이루어지는 압전체의 상기 전극 방향의 진동을 주모드로 하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중의 어느 한항에 있어서,

    소정의 위치에 소정의 폭의 간극을 갖고, 소정의 폭을 두고 배치된 2장의 평행 평판에 끼워진 유로로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중의 어느 한항에 있어서,

    한 쌍의 초음파 송수파기의 송수파면이 서로 대향하는 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중의 어느 한항에 있어서,

    도체는 초음파 송수파기로부터 전파되는 초음파의 파장에 비해서 충분히 얇은 도체를 이용한 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중의 어느 한항에 있어서,

    초음파 송수파기의 송수파면 상에 음향 정합층을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
16. 제 1 항 내지 제 15 항 중의 어느 한항에 있어서,

    초음파 송수파기의 송수파면과 서로 대향하는 면에 배면 부하 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
17. 대향하는 면에 전극을 마련함과 동시에 상기 대향하는 한쪽면을 송수파면으로 한 압전체를 포함하고, 상기 압전체의 송수파면의 세로 및 가로의 길이의 두께에 대한 비를 모두 0.6 이하로 한 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
18. 대향하는 면에 전극을 마련함과 동시에 상기 대향하는 한쪽면을 송수파면으로 한 압전체를 구비하고, 상기 압전체는 송수파면 또는 상기 송수파면과 대향하는 면의 적어도 한쪽을 홈에 의해 분할하며, 상기 홈의 깊이는 전극을 마련한 면에 의해 끼워진 두께에 대하여 90%이상 100%미만으로 함과 동시에, 상기 홈에 의해 분할된 면의 모든 전극을 도체에 의해 전기적으로 접속한 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
19. 제 18 항에 있어서,

    홈은 복수개 마련한 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
20. 제 18, 제 19 항에 있어서,

    홈에 의해 분할된 각각의 면의 세로 및 가로의 길이의 두께에 대한 비를 모두 0.6 이하로 한 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
21. 대향하는 면에 전극을 마련함과 동시에 상기 대향하는 한쪽면을 송수파면으로 한 복수개의 압전체를 포함하고, 각 압전체의 송수파면의 세로 및 가로의 길이의 두께에 대한 비를 모두 0.6 이하로 함과 동시에, 상기 송수파면의 각 전극 및 상기 송수파면과 대향하는 면의 각 전극을 각각 도체에 의해 접속한 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
22. 제 17 항 내지 제 22 항 중의 어느 한항에 있어서,

    전극에 수직인 방향으로 분극된 복수개의 압전체를 분극 방향이 서로 반대가 되도록 적층하고, 이 적층하여 이루어지는 압전체의 상기 전극 방향의 진동을 주모드로 하는 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
23. 제 17 항 내지 제 22 항 중의 어느 한항에 있어서,

    도체는 초음파 송수파기로부터 전파되는 초음파의 파장에 비해서 충분히 얇은 도체를 이용한 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
24. 제 17 항 내지 제 23 항 중의 어느 한항에 있어서,

    초음파 송수파기의 송수파면 상에 음향 정합층을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.
25. 제 17 항 내지 제 24 항 중의 어느 한항에 있어서,

    초음파 송수파기의 송수파면과 서로 대향하는 면에 배면 부하 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 송수파기.