WO2012164890A1

WO2012164890A1 - 超音波送受波器およびその製造方法、ならびに超音波流量計

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Publication number: WO2012164890A1
Application number: PCT/JP2012/003424
Authority: WO
Inventors: 慎中野; 森花　英明; 佐藤　真人; 足立　明久
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2012-12-06
Also published as: EP2717025A1; JP5979501B2; JPWO2012164890A1; CN103608648B; US20140086017A1; US10115385B2; EP2717025B1; EP2717025A4; CN103608648A

Abstract

超音波送受波器(50)は、金属板(16)と、音響整合体(15)と、圧電体(17)と、第１のリード線(18a)と、第２のリード線(18b)と、金属板(16)の他方の主面(16b)の圧電体(17)が固定された部分以外の部分と、圧電体(17)の表面と、金属板(16)の端面(16c)と、金属板(16)の一方の主面(16a)の外周部と、第１のリード線(18a)と、第２のリード線(18b)とを覆う、熱可塑性樹脂を主成分として含む制振部材(11)と、を備える。

Description

超音波送受波器およびその製造方法、ならびに超音波流量計

　本発明は、超音波送受波器およびその製造方法、ならびに超音波流量計に関し、特に、超音波送受波器の制振構造に関する。

　従来の超音波流量計に用いられる超音波送受波器として、圧電素子が伸縮することにより超音波を発生する超音波振動子や超音波センサが知られている。この超音波振動子では、たとえば、ケースの外壁面に音響整合層が固定され、ケースの内壁面に圧電体が固定されている。ケースの開口は封止体で塞がれ、ケースの側壁部は制振体で覆われ、ケースの端部（支持部）は振動伝達抑止体を介して取り付けられている（従来例１：たとえば、特許文献１参照）。

　また、超音波センサでは、たとえば、音響整合層に圧電素子が固定され、隙間を有して圧電素子を覆うようにプラスチック製のケースが音響整合層に固定されている。この圧電素子の周囲を埋めるように、ケース内にシリコーン樹脂などの弾性樹脂が充填されている（従来例２：たとえば、特許文献２参照）。

特開２００１－１５９５５１号公報特開平１０－２２４８９５号公報

　しかしながら、従来例１では、音響整合層および圧電体が固定されたケースに制振体および振動伝達抑止体をそれぞれ取り付ける必要があり、手間がかかるため、量産性に課題がある。

　さらに、圧電体が直接制振部材に接触していないため、超音波の発生後も圧電体およびケースなどが振動し続ける不要な残響振動が十分低減されない。この不要な振動が受信する超音波パルスに影響を与え、信号を精度よく得ることができない。

　また、従来例２では、超音波センサが超音波流量計などの装置に用いられる場合、ケースが流路に直接取り付けられる。そうすると、圧電体などの振動が流路に伝わり、この振動が伝搬している超音波と干渉し、信号の精度が低下してしまう。

　本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、装着された計測装置において高精度の測定が可能であり、従来技術に比べて量産性に優れた超音波送受波器およびその製造方法、ならびに超音波流量計を提供することを目的としている。

　本発明のある態様に係る、超音波送受波器は、金属板と、前記金属板の一方の主面に固定された音響整合体と、前記金属板の前記音響整合体が固定された部分の前記金属板の他方の主面に固定された圧電体と、前記圧電体の前記金属板から遠い側の端部に接続された、該圧電体に印加される電圧を供給するための第１のリード線と、前記金属板に接続された、該圧電体に印加される電圧を供給するための第２のリード線と、前記金属板の他方の主面の前記圧電体が固定された部分以外の部分と、前記圧電体の表面と、前記金属板の端面と、前記金属板の一方の主面の外周部と、前記第１のリード線と、前記第２のリード線とを一体的に覆う、熱可塑性樹脂を主成分として含む制振部材と、を備える。

　本発明は、装着された計測装置において高精度の測定を可能であり、従来技術に比べて量産性に優れた超音波送受波器およびその製造方法、ならびに超音波流量計を提供することができるという効果を奏する。

　本発明の上記目的、他の目的、特徴、および利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

本発明の実施の形態１に係る超音波送受波器の正面を示す平面図である。図１Ａの超音波送受波器を示す断面図である。図１Ａの超音波送受波器の背面を示す平面図である。図１Ｂの超音波送受波器における音響整合体および圧電体を金属板に固定した接合体を示す断面図である。図２Ａの接合体にリード線を接続した状態を示す断面図である。図２Ｂの接合体を金型に収めた状態を示す断面図である。図２Ｃの接合体に制振部材が付けられた状態を示す断面図である。図１Ｂの超音波送受波器を装着した超音波流量計を模式的に示す断面図である。図１Ｂの超音波流量計に取り付けられた超音波送受波器の一部を示す拡大した断面図である。本発明の実施の形態２に係る超音波送受波器の正面を示す平面図である。図５Ａの超音波送受波器を示す断面図である。図５Ａの超音波送受波器の背面を示す平面図である。図５Ｂの超音波送受波器における音響整合体および圧電体を金属板に固定した接合体を示す断面図である。図６Ａの接合体にリード線を接続した状態を示す断面図である。図６Ｂの接合体を金型に収めた状態を示す断面図である。図６Ｃの接合体に制振部材が付けられた状態を示す断面図である。図５Ｂの超音波送受波器を装着した超音波流量計の一部を示す拡大した断面図である。本発明の実施の形態３に係る超音波送受波器を装着した超音波流量計の一部を示す拡大した断面図である。本発明の実施の形態４に係る超音波送受波器を装着した超音波流量計の一部を示す拡大した断面図である。本発明の実施の形態５に係る超音波送受波器を装着した超音波流量計の一部を示す拡大した断面図である。本発明の実施の形態６に係る超音波送受波器を装着した超音波流量計の一部を示す拡大した断面図である。

　本発明の第１の発明に係る超音波送受波器は、金属板と、前記金属板の一方の主面に固定された音響整合体と、前記金属板の前記音響整合体が固定された部分の前記金属板の他方の主面に固定された圧電体と、前記圧電体の前記金属板から遠い側の端部に接続された、該圧電体に印加される電圧を供給するための第１のリード線と、前記金属板に接続された、該圧電体に印加される電圧を供給するための第２のリード線と、前記金属板の他方の主面の前記圧電体が固定された部分以外の部分と、前記圧電体の表面と、前記金属板の端面と、前記金属板の一方の主面の外周部と、前記第１のリード線と、前記第２のリード線とを一体的に覆う、熱可塑性樹脂を主成分として含む制振部材と、を備える。

　この構成によれば、制振部材が圧電体を覆うので、制振部材が当該圧電体および金属板などの振動を抑制する制振機能を発揮する。このため、超音波の発生後に圧電体および金属板などが振動し続ける不要な残響振動を抑制することができる。よって、計測における精度が向上する。

　また、超音波送受波器が超音波流量計などの計測装置に用いられる場合、超音波送受波器が制振部材における金属板の外周部を覆う部分を介して流路に取り付けられる。このため、制振部材は、金属板から流路に伝わる振動を減衰し、防振機能を発揮する。この防振機能により、受信する超音波パルスへの影響が抑えられ、超音波送受波器が装着された計測装置において高精度の測定が可能になる。

　さらに、制振部材が熱可塑性樹脂を主成分として含むため、制振部材を樹脂成型によって一体的に形成することができる。よって、超音波送受波器が量産性に優れる。

　本発明の第２の発明に係る超音波送受波器は、第１の発明に係る超音波送受波器において、前記金属板は、平板状に形成されていてもよい。

　本発明の第３の発明に係る超音波送受波器は、第１の発明に係る超音波送受波器において、前記金属板は、筒状の周壁部と、該周壁部の一端を閉鎖する端壁部と、前記周壁部の他端に形成された鍔部とを含む鍔付金属容器状に形成され、前記端壁部の外面に前記音響整合体が固定され、前記筒状の周壁部の内部空間に位置するように前記端壁部の内面に前記圧電体が固定され、前記第２のリード線が前記金属板に接続され、前記制振部材は、前記圧電体の表面、前記第１のリード線、および前記第２のリード線を覆うように前記筒状の周壁部の内部空間に充填され、且つ、前記鍔部の内面、外周面、および外面と前記周壁部の外面とを覆うように、一体的に形成されていてもよい。

　この構成によれば、鍔付金属容器状に形成された金属板は、その寸法精度が樹脂で形成される場合に比べて高いため、高精度の流量計測を実現することができる。

　また、制振部材に加えて金属板の周壁部が、流路と圧電体との間に介在して、圧電体などの振動を減衰する。また、金属板の端壁部から周壁部に屈曲する屈曲部により、超音波パルスの発生後の端壁部の不要な振動が低減される。これらによって、超音波パルスの発生後に超音波送受波器から流路に伝わる振動が抑えられ、流量計測の精度が向上する。

　本発明の第４の発明に係る超音波送受波器では、第１～第３の発明に係る超音波送受波器において、前記圧電体は、その厚み方向に延びる溝を有し、前記制振部材は、さらに前記溝に充填されていてもよい。

　この構成によれば、制振部材が充填された溝は、厚み方向に対して垂直方向の振動を抑制する。これにより、流路に伝わる残響振動が抑制され、計測における精度が向上する。

　本発明の第５の発明に係る超音波送受波器では、第１～第４のいずれか１つの発明に係る超音波送受波器において、前記制振部材は、前記音響整合体の基端部から先端部に向かう方向に突出する突出部を有していてもよい。

　この構成によれば、組み立て時などに音響整合体に応力や衝撃が加えられたとしても、制振部材によって音響整合体が守られる。このため、超音波送受波器が組み立てられ易く、超音波送受波器は量産性に優れる。

　本発明の第６の発明に係る超音波送受波器では、第１～第５のいずれか１つの発明に係る超音波送受波器において、前記制振部材は、前記音響整合体の外周面との間に間隙を有していてもよい。

　この構成によれば、間隙によって制振部材が音響整合体に付着することが防止される。このため、制振部材が付着することによる音響整合体の特性の変化が防がれ、高精度な流量計測を実現することができる。

　本発明の第７の発明に係る超音波送受波器の製造方法は、金属板と、前記金属板の一方の主面に固定された音響整合体と、前記金属板の前記音響整合体が固定された部分の前記金属板の他方の主面に固定された圧電体と、前記圧電体の前記金属板から遠い側の端部に接続された、該圧電体に印可される電圧を供給するための第１のリード線と、前記金属板に接続された、該圧電体に印可される電圧を供給するための第２のリード線と、を備える組立体を作成する組立工程と、金型内に前記組立体を収容した後、前記金型内に熱可塑性樹脂を注入することにより、前記金属板の他方の主面の前記圧電体が固定された部分以外の部分と、前記圧電体の表面と、前記金属板の端面と、前記金属板の一方の主面の外周部と、前記第１のリード線と、前記第２のリード線とを一体的に覆うように、前記熱可塑性樹脂からなる制振部材を形成する樹脂成型工程と、を含む。

　この構成によれば、上記第１の発明における制振機能と防振機能とを有する超音波送受波器を従来技術に比べて優れた量産性で製造することができる。

　本発明の第８の発明に係る超音波送受波器の製造方法は、第７の発明に係る超音波送受波器の製造方法において、前記樹脂成型工程において、前記組立体は、前記金属板の一方の主面が下方を向き且つ該一方の主面の前記音響整合体の周囲の部分を前記金型の環状の支持部によって支持されるように前記金型の内部空間に収容され、前記金型の内部空間の前記環状の支持部より外側の領域に前記熱可塑性樹脂が注入されることによって、前記制振部材が前記音響整合体の外周面との間に間隙を有するように形成されてもよい。

　この構成によれば、制振部材が音響整合体に付着することを防止可能な超音波送受波器を従来技術に比べて優れた量産性で製造することができる。

　本発明の第９の発明に係る超音波計量計は、相互に超音波パルスを送受信する第１から６のいずれか１つの発明に係る一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器が互いに離れて配置された流路と、前記一対の超音波送受波器の間を前記超音波パルスが伝搬する時間を計測する伝搬時間計測部と、前記伝搬時間計測部により計測された時間に基づいて前記被測定流体の流量を算出する演算部と、を備える。

　この構成によれば、上記第１から６のそれぞれの発明と同様の作用および効果を発揮することができる。

　以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。

　なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

　（実施の形態１）
　　（超音波送受波器の構成）
　図１Ａは、実施の形態１に係る超音波送受波器５、６の正面を示す平面図である。図１Ｂは、超音波送受波器５、６を示す断面図である。図１Ｃは、超音波送受波器５、６の背面を示す平面図である。

　超音波送受波器５、６のそれぞれは、金属板１６と、音響整合体１５と、圧電体１７と、第１のリード線１８ａと、第２のリード線１８ｂと、制振部材１１と、を備える。

　金属板１６は、音響整合体１５および圧電体１７を支持する平板状の円板である。金属板１６の厚みは、所望の剛性を具備するように設定される。所望の剛性は、音響整合体１５および圧電体１７を支持する剛性であって、音響整合体１５および圧電体１７の間の超音波パルスを伝えるが、この超音波パルスの残響を抑制するような剛性である。

　金属板１６は、その一方の主面１６ａに音響整合体１５が固定され、その他方の主面１６ｂに圧電体１７が固定される。金属板１６の外周部は、音響整合体１５および圧電体１７から突出する。

　金属板１６は、導電性を有する材料、たとえば、鉄、ステンレス、黄銅、銅、アルミ、ニッケルめっき鋼板等の金属で形成される。金属板１６の他方の主面１６ｂは、たとえば、接着剤を用いてオーミックコンタクトによって圧電体１７の一方の電極１７ａと接続されている。また、金属板１６の他方の主面１６ｂは、はんだなどにより第２のリード線１８ｂと接続されている。このため、金属板１６は、圧電体１７の一方の電極１７ａと第２のリード線１８ｂとの間を電気的に接続する。

　音響整合体１５は、圧電体１７で発生した超音波パルスを被測定流体に伝搬するために、圧電体１７の音響インピーダンスと、被測定流体の音響インピーダンスとを整合する素子である。音響整合体１５は、たとえば、円柱形状に形成される。音響整合体１５は、たとえば、金属板１６の一方の主面１６ａに接着剤で接着されて固定されている。

　音響整合体１５には、中空球体の隙間が熱硬化性樹脂で充填され硬化されたガラス、または、音響整合体１５は、音波放射面に音響膜が形成されたセラミック多孔体などが用いられる。音響整合体１５の厚みは、たとえば、超音波パルスの波長λの１／４の長さに設定される。

　圧電体１７は、電圧が印可されることによって伸縮し、それにより電気振動を機械振動に変換して超音波パルスを発生する素子である。圧電体１７には、圧電性を示す材料であればどのような材料でも用いることが可能であり、特に、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛等が好適に用いられる。

　圧電体１７は、直方体状や円柱状などの柱状、この実施の形態では、たとえば、短４角柱状に形成される。圧電体１７は、一方の電極１７ａと、他方の電極１７ｂと、これらにより厚み方向に挟まれる圧電部１７ｃを有する。このため、圧電体１７は、金属板１６の音響整合体１５が固定された部分の厚み方向に伸縮するように構成されている。圧電体１７の一方の電極１７ａが金属板１６の他方の主面１６ｂと導電ペーストやはんだなどで接合されることにより、一方の電極１７ａが金属板１６に電気的に接続されるとともに、圧電体１７が金属板１６に固定される。また、圧電体１７の他方の電極１７ｂは、はんだや導電ペーストなどの導電性材料により第１のリード線１８ａと接合されている。

　第１のリード線１８ａおよび第２のリード線１８ｂは、圧電体１７の電極を伝搬時間計測部（図３）などに接続する導線である。各リード線１８ａ、１８ｂには、金属線、金属線がコーティングやメッキなどの絶縁体で覆われたものが用いられる。第１のリード線１８ａは、圧電体１７の他方の電極１７ｂに接続され、第２のリード線１８ｂは、圧電体１７の一方の電極１７ａに金属板１６を介して電気的に接続されている。

　制振部材１１は、超音波パルスを被計測流体へ伝搬するときに発生する振動が流路３に伝わることを防止する防振機能を有する部材である。また、制振部材１１は、超音波パルスを発生させるための圧電体１７の振動および、この振動を受けて発生する金属板１６の振動を早急に減衰させる制振機能を有する部材である。制振部材１１は、金属板１６の他方の主面１６ｂの圧電体１７が固定された部分以外の部分と、圧電体１７の表面と、金属板１６の端面１６ｃと、金属板１６の一方の主面１６ａの外周部と、第１のリード線１８ａと、第２のリード線１８ｂとを一体的に覆う。ここで「一体的」とは、制振部材１１が連続した材料で構成される１つの部材であることを意味する。

　制振部材１１は、金属板１６の一方の主面１６ａにおいて、音響整合体１５の外周面１５ｃから所定の幅の未形成部１９を開けて、金属板１６の外周部を覆う。このように、音響整合体１５上には制振部材１１が形成されないため、制振部材１１による音響整合体１５の特性の変化を防止することができる。

　制振部材１１は、第１突起１１ａおよび第２突起１１ｂを含む。第１突起１１ａは、金属板１６の一方の主面１６ａ側から突出する。また、第２突起１１ｂは、金属板１６の端面１６ｃ側から突出する。

　制振部材１１は、ガラス転移点が低い熱可塑性樹脂、たとえば、熱可塑性エラストマー材料や結晶性ポリエステルなどで形成される。熱可塑性エラストマー材料には、たとえば、スチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、ポリエステル系エラストマーなどが挙げられる。結晶性ポリエステルとして、たとえば、特開2006-57043号の公開特許公報に記載の接着剤組成物、東洋紡製のバイロショット（登録商標）ＧＭ－９２０、ＧＭ‐９１３などが挙げられる。熱可塑性樹脂のガラス転移点は、たとえば、流量測定を行う最低温度の‐３０℃以下であることが好ましい。これにより、流量測定時には、制振部材１１はゴム弾性を有し、制振機能を発揮し得る。また、熱可塑性樹脂の融点は、流量測定の最高温度の８０℃以上であることが好ましい。さらに、熱可塑性樹脂の貯蔵弾性率は、流量測定の最低温度から最高温度までの範囲において、たとえば、４～３００ＭＰａである。これにより、制振部材１１は、流量測定時に金属板１６や圧電体１７などの振動を十分に吸収することができる。

　制振部材１１に用いられる熱可塑性樹脂は、金属板１６や圧電体１７の材料に吸着し易い官能基を有する。このため、制振部材１１が金属板１６や圧電体１７に密着することにより、金属板１６の振動を抑制する制振機能を発揮する。また、制振部材１１に用いられる熱可塑性樹脂は、加熱することで溶融し、冷却することで固化することにより、後述するように、制振部材１１は短時間で形成され得る。さらに、制振部材１１に用いられる熱可塑性樹脂は、電気絶縁性を有する。このため、制振部材１１は、第１のリード線１８ａ、第２のリード線１８ｂおよび金属板１６などから放電することを防止する。また、制振部材１１は、圧電体１７の一方の電極１７ａと圧電体１７の他方の電極１７ｂとを電気的に絶縁する。これにより、これらの電極１７ａと電極１７ｂとの間に導電体などの異物が存在しても、圧電体１７は安定して動作することができる。

　　（超音波送受波器の製法）
　図２Ａは、超音波送受波器５、６における音響整合体１５および圧電体１７を金属板１６に固定した接合体２０を示す断面図である。図２Ｂは、接合体２０に各リード線１８ａ、１８ｂを接続した状態を示す断面図である。図２Ｃは、接合体２０を金型２２に収めた状態を示す断面図である。図２Ｄは、接合体２０に制振部材１１が付けられた状態を示す断面図である。

　図２Ａに示すように、音響整合体１５は、金属板１６の一方の主面１６ａに接着剤により接着されることにより金属板１６に固定される。また、圧電体１７は、その一方の電極１７ａが金属板１６の他方の主面１６ｂに導電ペーストなどにより接着されることにより金属板１６に固定される。これにより、圧電体１７の一方の電極１７ａが金属板１６に電気的に接続される。そして、金属板１６に音響整合体１５および圧電体１７が接合された接合体２０が形成される。

　図２Ｂに示すように、接合体２０において、圧電体１７の他方の電極１７ｂに導電部材２１によって第１のリード線１８ａが接合される。また、導電部材２１によって金属板１６の他方の主面１６ｂに第２のリード線１８ｂが接合される。これにより、第２のリード線１８ｂは、金属板１６を介して圧電体１７の一方の電極１７ａと電気的に接続される。そして、接合体２０に第１のリード線１８ａおよび第２のリード線１８ｂが接続される。これにより、各リード線１８ａ、１８ｂが接続された接合体２０（組立体）が形成される。

　図２Ｃに示すように、各リード線１８ａ、１８ｂが接続された接合体２０（組立体）が金型２２内に配置される。この金型２２の内部は、各リード線１８ａ、１８ｂが接続された接合体２０にほぼ相似の形状を有する。ただし、金型２２は、制振部材１１の未形成部１９に対応する支持部２４を有する。支持部２４は、円筒形状を有し、金型２２の内部に向かって突出する。支持部２４の内面の直径は、音響整合体１５の直径より少し大きく設定される。なお、支持部２４は環状であればよい。また、金型２２には、制振部材１１に用いられる熱可塑性樹脂が流入する流入口２３が設けられ、流入口２３は金型２２を貫通する。さらに、金型２２には、第１突起１１ａに対応する凹部および第２突起１１ｂに対応する凹部が設けられる。

　音響接合体２０が円筒形状の内部に収まるようにして、接合体２０が金型２２の内部に収容される。このとき、金属板１６の一方の主面１６ａが下方を向き、且つ金属板１６の一方の主面１６ａが支持部２４に支えられる。そして、金型２２の内面が接合体２０および各リード線１８ａ、１８ｂの表面に対して所定幅の間隔を隔ててほぼ平行に設けられるように、接合体２０が金型２２に対して位置決めされる。そして、金属板１６の一方の主面１６ａの一部が支持部２４に当接し、金属板１６の他方の主面１６ｂが金型の一部の固定部（図示せず）に当接する。これにより、接合体２０は金型内で挟み込むように固定される。

　制振部材１１の成型では、たとえば、１８０℃の熱および５～１６ＭＰａの圧力が熱可塑性樹脂に加えられながら、溶融した熱可塑性樹脂が金型２２の流入口２３から内部に流し込まれる。このとき、熱可塑性樹脂は、接合体２０および各リード線１８ａ、１８ｂと金型２２内面との間に充填される。このとき、熱可塑性樹脂の官能基が金属板１６の金属表面および圧電体１７の表面に吸着し、熱可塑性樹脂がこれらの表面に密着する。また、支持部２４が金属板１６の一方の主面１６ａに接していることにより、熱可塑性樹脂は支持部２４およびその内部に侵入することができない。このため、音響整合体１５の表面１５ａおよび外周面１５ｃ上には熱可塑性樹脂は付着しない。そして、たとえば、１分程度の時間が経過すると、熱可塑性樹脂が金型内で冷却され固化し、制振部材１１が形成される。

　図２Ｄに示すように、形成部材が形成された接合体２０が金型２２から取り出されて、超音波送受波器５、６が完成する。この超音波送受波器５、６の制振部材１１では、支持部２４が位置した金属板１６の一方の主面１６ａ上に未形成部１９が形成される。これにより、支持部２４の内面に位置した音響整合体１５上に制振部材１１が形成されず、音響整合体１５は外部に露出する。また、制振部材１１は、未形成部１９および音響整合体１５を除く、接合体２０の表面および各リード線１８ａ、１８ｂを被覆する。

　　（超音波流量計の構成）
　図３は、超音波送受波器５、６を装着した超音波流量計を模式的に示す断面図である。図４は、超音波流量計に取り付けられた超音波送受波器５、６の一部を示す拡大した断面図である。

　超音波流量計は、流路３を流れる被測定流体の流量を計測する装置である。超音波流量計は、流路３と、一対の超音波送受波器５、６と、伝搬時間計測部７と、演算部８と、を備える。

　流路３は、その内部を被測定流体が流れる、たとえば、円筒形状の管で形成される。流路３は、一方端に設けられた第１開口１と、他方端に設けられた第２開口２を含む。また、流路３は、第１開口部４ａと、第１開口部４ａに対向する第２開口部４ｂを含む。第１開口部４ａおよび第２開口部４ｂのそれぞれは、流路３の内面から流路３の径の外側へ向かって突出する円筒形状の窪みで形成される。第１開口部４ａの中心軸は第２開口部４ｂの中心軸と一致する。この第１開口部４ａおよび第２開口部４ｂの中心軸は、流路３の中心軸に対して成す角θで傾斜する。

　一対の超音波送受波器５、６は、相互に超音波パルスを送受信する位置において流路３に当接して固定されている。つまり、一方の超音波送受波器（以下、「第１超音波送受波器」と言う。）５は第１開口部４ａに取り付けられ、他方の超音波送受波器（以下、「第２超音波送受波器」と言う。）６は第２開口部４ｂに取り付けられている。このとき、各超音波送受波器５、６の音響整合体１５が対向する。そして、各超音波送受波器５、６は、各開口部４ａ、４ｂの中心軸に対して並行であって、流路３に対して成す角θで斜めに超音波パルスを発する。また、各超音波送受波器５、６は、各開口部４ａ、４ｂの中心軸に対して並行であって、流路３に対して成す角θで斜めに入射する超音波パルスを受ける。

　各超音波送受波器５、６では、図４に示すように、制振部材１１の外周部が流路３の窪みに嵌められ、第１突起１１ａおよび第２突起１１ｂが流路３の当接部１０に当接する。また、第１突起１１ａが配される面に対向する制振部材１１の面が固定部材に接する。固定部材１２は、第１突起１１ａを流路３に押さえ付けるように制振部材１１に宛がわれ、流路３に固定される。このため、制振部材１１は、第１突起１１ａ、第２突起１１ｂ、および第１突起１１ａの対向面において、流路３および固定部材に支えられる。これにより、超音波送受波器５、６は、各開口部４ａ、４ｂにおける所定の位置に配される。

　伝搬時間計測部７および演算部８は、図１に示すように、マイクロコンピュータなどの制御装置により構成される。マイクロコンピュータは、ＣＰＵなどの処理部と、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶部とを備える。なお、伝搬時間計測部７および演算部８は、単独の制御装置により構成されてもよいし、別々の制御装置により構成されてもよい。

　伝搬時間計測部７は、一対の超音波送受波器５、６の間を超音波パルスが伝搬する時間を計測する。演算部８は、伝搬時間計測部７により計測された時間に基づいて被測定流体の流量を算出する。

　　（超音波流量計の動作）
　伝搬時間計測部７は、図３に示すように、各リード線１８ａ、１８ｂを介して電気（電圧）信号を各超音波送受波器５、６の圧電体１７に与える。この電気信号は、圧電体１７の共振周波数に近い周波数の矩形波で形成される。これにより、圧電体１７が電気信号を機械的振動に変換する。この機械的振動によって、図４に示すように、圧電体１７と音響整合体１５とが共振して、より大きな超音波パルスを発生する。

　第１超音波送受波器５で発生した超音波パルスは、図３に示すように、伝搬経路Ｌ１を伝搬し、第２超音波送受波器６で受信される。第２超音波送受波器６で発生した超音波パルスは、伝搬経路Ｌ２を伝搬し、第１超音波送受波器５で受信される。超音波パルスを受信した各超音波送受波器５、６では、圧電体１７が超音波パルスの機械的振動を電気振動に変換して、伝搬時間計測部７に出力する。このため、伝搬時間計測部７は、電気信号を圧電体１７へ出力した時刻と、圧電体１７から電気信号が入力された時刻との差に基づいて、超音波パルスの伝搬時間ｔ１およびｔ２を求める。

　次に、演算部８は、伝搬時間計測部７により求められた超音波パルスの伝搬時間ｔ１およびｔ２に基づいて、被測定流体の流量を算出する。具体的には、流路３には被測定流体が流速Ｖで第１開口１から第２開口２に向かって流れている場合、各伝搬経路Ｌ１およびＬ２の距離Ｌを速度Ｃで伝搬する超音波パルスの伝搬時間ｔ１およびｔ２は異なる。なお、超音波パルスの伝搬経路Ｌ１およびＬ２の距離Ｌは、第１超音波送受波器５と第２超音波送受波器６との間の距離である。また、角度θは、被測定流体の流れる方向と超音波パルスの伝搬方向とのなす角である。

　伝搬経路Ｌ１を通って第１超音波送受波器５から第２超音波送受波器６に到達する超音波パルスの伝搬時間ｔ１は、
　　　　ｔ１　＝　Ｌ　／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）　　　　　　　　　　（１）
で示される。

　また、伝搬経路Ｌ２を通って第２超音波送受波器６から第１超音波送受波器５に到達する超音波パルスの伝搬時間ｔ２は、
　　　　ｔ２　＝　Ｌ　／（Ｃ－Ｖｃｏｓθ）　　　　　　　　　　（２）
で示される。

　これらの（１）および（２）の式から被測定流体の流速Ｖは、
　　　　Ｖ　＝　Ｌ　／２ｃｏｓθ（１／ｔ１－１／ｔ２）　　　　（３）
で示される。

　超音波パルスの伝搬経路Ｌ１およびＬ２の距離Ｌと、被測定流体の流れる方向と超音波パルスの伝搬方向とのなす角度θとは、既知である。また、超音波パルスの伝搬時間ｔ１およびｔ２は、伝搬時間計測部７によって計測されている。これにより、演算部８は、被測定流体の流速Ｖを求める。そして、演算部８は、この流速Ｖに流路３の断面積Ｓと補正係数Ｋを乗じて、流量Ｑを求める。

　　（作用、効果）
　以上のような構成によれば、制振部材１１は、金属板１６の他方の主面１６ｂの圧電体１７が固定された部分以外の部分と、圧電体１７の表面と、金属板１６の端面１６ｃと、金属板１６の一方の主面１６ａの外周部と、第１のリード線１８ａと、第２のリード線１８ｂとを覆う。これにより、超音波パルスが発せられた後、圧電体１７および金属板１６などが不要に振動し続けることを抑制する。このため、音響整合体１５や圧電体１７が減衰した状態で、超音波送受波器５、６は超音波パルスを受信することができ、受信した超音波パルスによる信号を高精度に得ることができる。さらに、圧電体１７などの振動が減衰することによって、次に超音波パルスを発するまでの時間が短縮され、流量計測の精度を向上することができる。

　また、流路３および固定部材に当接する制振部材１１は、その弾性によって流路３に伝わる振動を減衰する。また、流路３と接触している制振部材１１の第１突起１１ａおよび第２突起１１ｂは、変形して流路３に伝わる振動を減衰する。このため、超音波送受波器５、６の振動が流路３へ伝わることが抑制されて、流路３の振動により生じるノイズが、伝搬する超音波パルスと干渉することが防がれ、流量計測の精度を向上することができる。

　さらに、制振部材１１は、圧電体１７などの振動を抑える制振機能と、流路３などへの振動の伝搬を防止する防振機能とを備える。これにより、これら２つの機能を有する制振部材１１が一体的に形成される。

　また、制振部材１１に熱可塑性樹脂が用いられることにより、制振部材１１が射出成型により短時間で形成される。この上、制振部材１１が金属板１６の表面および圧電体１７の表面にそれぞれ一体的に形成され、制振部材１１を取り付ける手間が必要なくなる。これにより、超音波送受波器５、６の量産性に優れる。

　さらに、制振部材１１に用いられる熱可塑性樹脂は金属板１６および圧電体１７に対する密着性が高いことにより、制振部材１１は優れた制振機能を発揮することができる。また、金属板１６などの振動が抑えられることにより、金属板１６などから流路３へ伝わる振動の強度も低減する。このため、流路３の残響振動を防止され、高精度の流量計測を実現できる。

　また、金属板１６は樹脂板に比べて寸法精度が高く、超音波送受波器５、６を精度よく流路３に取り付けすることができる。このため、計測時の超音波パルスの送受信ロスを低減することができるため、高精度の流量計測を実現することができる。

　さらに、音響整合体１５の周囲に形成された未形成部１９によって、制振部材１１が音響整合体１５に絶縁性制振部材１１に付着することが防止される。このため、制振部材１１による音響整合体１５の特性変化が防がれ、高精度な流量計測を実現することができる。

　（実施の形態２）
　実施の形態１では、平板状の金属板１６に音響整合体１５および圧電体１７が取り付けられていた。これに対し、実施の形態２では、鍔付金属容器状に形成された金属板３１に音響整合体１５および圧電体１７が取り付けられる。

　　（超音波送受波器の製法）
　図５Ａは、実施の形態２に係る超音波送受波器３０の正面を示す平面図である。図５Ｂは、超音波送受波器３０を示す断面図である。図５Ｃは、超音波送受波器３０の背面を示す平面図である。

　金属板３１は、鍔付金属容器状に形成され、筒状の周壁部３３と、周壁部３３の一端を閉鎖する端壁部３２と、周壁部３３の他端に形成された鍔部３４とを含む。端壁部３２は、円板形状であって、内面および外面を有する。周壁部３３は、円筒形状であって、その一端が端壁部３２に接続し、他端が鍔部３４に接続する。鍔部３４は、周壁部３３から径方向の外側へ延びる。

　金属板３１において、端壁部３２の外面に音響整合体１５が固定され、端壁部３２の内面に圧電体１７が固定される。周壁部３３の内径は圧電体１７の長さより大きいため、圧電体１７は筒状の周壁部３３の内部空間に位置し、圧電体１７と周壁部３３の内面との間に間隙が形成される。

　金属板３１は、導電性を有する材料、たとえば、鉄、ステンレス、黄銅、銅、アルミ、ニッケルめっき鋼板等の金属で深絞り加工によって形成される。金属板３１の端壁部３２の内面は、導電性材料を用いてオーミックコンタクトによって圧電体１７の電極と接続されている。また、金属板３１の周壁部３３の内面は、はんだなどの導電性材料により第２のリード線１８ｂと接続されている。このため、導電性を有する金属板３１は、圧電体１７の電極と第２のリード線１８ｂとの間を電気的に接続する。

　制振部材１１は、圧電体１７の表面、第１のリード線１８ａ、および第２のリード線１８ｂを覆うように筒状の周壁部３３の内部空間に充填され、且つ、鍔部３４の内面、外周面、および外面を覆う。制振部材１１は、所定の幅の未形成部１９を開けて、音響整合体１５の外周面１５ｃを囲む。

　　（超音波送受波器の製法）
　図６Ａは、音響整合体１５および圧電体１７を金属板３１に固定した接合体２０を示す断面図である。図６Ｂは、接合体２０にリード線を接続した状態を示す断面図である。図６Ｃは、接合体２０を金型２２に収めた状態を示す断面図である。図６Ｄは、接合体２０に制振部材１１が付けられた状態を示す断面図である。

　図６Ａ～図６Ｄに示す実施の形態２に係る超音波送受波器３０の製法は、図２Ａ～図２Ｄに示す実施の形態１に係る超音波送受波器３０の製法とほぼ同様である。ただし、図６Ｃに示す金型２２の形状が、図２Ｃに示す金型２２の形状と異なる。

　図６Ｃに示すように、金型２２の内部は、図６Ｂに示す各リード線１８ａ、１８ｂが接続された接合体２０にほぼ相似の形状を有する。ただし、金型２２は、制振部材１１の未形成部１９に対応する支持部２４を有する。支持部２４は、円筒形状を有し、金型２２の内部に向かって突出する。支持部２４の内面の直径は、音響整合体１５の直径より少し大きく設定される。

　　（超音波流量計の構成）
　図７は、超音波送受波器３０が取り付けられた超音波流量計の一部を示す拡大した断面図である。

　図７に示す実施の形態２に係る超音波流量計の構成は、図４に示す実施の形態１に係る超音波流量計の構成とほぼ同様である。

　　（作用、効果）
　以上のよう構成によれば、制振部材１１は、圧電体１７の表面、第１のリード線１８ａ、および第２のリード線１８ｂを覆うように筒状の周壁部３３の内部空間に充填され、且つ、鍔部３４の内面、外周面、および外面を覆う。これにより、制振部材１１は、圧電体１７などの振動を抑える制振機能と、流路３などへの振動の伝搬を防止する防振機能とを発揮する。このため、実施の形態１と同様に、流量計測の精度が向上するとともに、量産性に優れる。

　また、鍔付金属容器状に形成された金属板３１は、その寸法精度が樹脂で形成される場合に比べて高く、高精度の流量計測を実現することができる。

　さらに、音響整合体１５の周囲に形成された未形成部１９によって、高精度な流量計測を実現することができる。

　また、制振部材１１に加えて金属板３１の周壁部３３が、流路３と圧電体１７との間に介在して、圧電体１７などの振動を減衰する。また、金属板３１の端壁部３２から周壁部３３に屈曲する屈曲部により、超音波パルスの発生後の端壁部３２の不要な振動が低減される。これらによって、超音波パルスの発生後に超音波送受波器３０から流路３に伝わる振動が抑えられ、流量計測の精度が向上する。

　（実施の形態３）
　実施の形態３に係る超音波送受波器３５では、実施の形態２に係る超音波送受波器３０における圧電体１７に溝３６が形成されている。

　図８は、実施の形態３に係る超音波流量計に取り付けられた超音波送受波器３５の一部を示す拡大した断面図である。

　圧電体１７は、圧電部１７ｃの厚み方向に延びる溝３６を有している。この溝３６に制振部材１１が充填される。

　以上のよう構成によれば、圧電部１７ｃの厚み方向に延びる溝３６に制振部材１１が充填されている。このため、圧電部１７ｃの厚み方向に対して垂直な方向における圧電体１７の振動が抑制される。よって、流路３に向かう方向への振動が抑制され、流路３の残響振動が低減される。したがって、流量計測の精度がさらに向上する。

　なお、実施の形態３では、金属板３１を有する実施の形態２に係る超音波送受波器３０において圧電体１７に溝３６が設けられた。これに対して、金属板１６を有する実施の形態１に係る超音波送受波器５、６において圧電体１７に溝３６が設けられてもよい。

　（実施の形態４）
　実施の形態４に係る超音波送受波器４０では、実施の形態１に係る超音波送受波器５、６における制振部材１１に突出部４１が形成されている。

　図９は、実施の形態４に係る超音波流量計に取り付けられた超音波送受波器４０の一部を示す拡大した断面図である。

　制振部材１１は、音響整合体１５の厚み方向に突出する突出部４１を有する。突出部４１は、円筒形状であって、その内径は、音響整合体１５の径より大きい。このため、突出部４１は、間隙を隔てて音響整合体１５の外周面１５ｃを囲む。この間隙が制振部材１１の未形成部１９を形成する。

　以上のような構成によれば、たとえば、組み立て時などに音響整合体１５に応力や衝撃が加えられても、制振部材１１によって音響整合体１５が守られる。このため、超音波送受波器４０が組み立てられ易く、超音波送受波が量産性に優れる。

　なお、実施の形態４では、金属板１６を有する実施の形態１に係る超音波送受波器５、６において制振部材１１に突出部４１が設けられた。これに対して、金属板３１を有する実施の形態２に係る超音波送受波器３０において制振部材１１に突出部４１が設けられてもよい。

　（実施の形態５）
　実施の形態５に係る超音波送受波器５０では、実施の形態２に係る超音波送受波器３０において実施の形態３の溝３６が圧電体１７に形成され、かつ実施の形態４の突出部４１が制振部材１１に形成されている。

　図１０は、実施の形態５に係る超音波送受波器５０が取り付けられた超音波流量計の一部を示す拡大した断面図である。

　なお、実施の形態５では、金属板３１を有する実施の形態２に係る超音波送受波器３０において圧電体１７に溝３６が設けられ、制振部材１１に突出部４１が設けられた。これに対して、金属板１６を有する実施の形態１に係る超音波送受波器５、６において圧電体１７に溝３６が設けられ、制振部材１１に突出部４１が設けられてもよい。

　（実施の形態６）
　実施の形態６に係る超音波送受波器６０では、実施の形態２に係る超音波送受波器３０における制振部材１１に貫通孔１１ｃが形成されている。

　図１１は、実施の形態６に係る超音波送受波器６０が取り付けられた超音波流量計の一部を示す拡大した断面図である。

　貫通孔１１ｃは、制振部材１１において、金属板３１の鍔部３４に対向する位置に設けられる。貫通孔１１ｃは鍔部３４まで制振部材１１を貫通し、鍔部３４は貫通孔１１ｃを通して外部に露出する。貫通孔１１ｃは、固定部材１２の突出部１２ｃに対応する位置に配される。このため、超音波送受波器６０が流路３に取り付けられる際、突出部１２ａが貫通孔１１ｃを通り鍔部３４に当接する。これにより、金属板３１が流路３に押し付けられて、超音波送受波器６０が流路３の所定の位置に装着される。このため、超音波送受波器６０は精度よく超音波パルスを送受信することができ、超音波流量計の計測精度が向上する。

　なお、実施の形態６では、実施の形態２に係る超音波送受波器３０において制振部材１１に貫通孔１１ｃが設けられた。これに対して、実施の形態１、３～５に係る超音波送受波器において制振部材１１に貫通孔１１ｃが設けられてもよい。

　（実施の形態７）
　上記全ての実施の形態では、第２のリード線１８ｂが金属板１６、３１を介して圧電体１７の一方の電極１７ａに接続された。これに対し、第２のリード線１８ｂは圧電体１７の一方の電極１７ａに直接接続されてもよい。

　（実施の形態８）
　上記全ての実施の形態では、圧電体１７の一方の電極１７ａが金属板１６、３１と別に設けられていた。これに対し、金属板１６、３１が圧電体１７の一方の電極１７ａを兼用してもよい。

　なお、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。

　上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

　本発明の超音波送受波器およびその製造方法、ならびに超音波送受波器を備える超音波流量計は、従来技術に比べて量産性に優れ、装着された計測装置において高精度の測定を可能にする、超音波送受波器およびその製造方法、ならびに超音波送受波器を備える超音波流量計等として有用である。

　３　流路
　５、６、３０、３５、４０、５０、６０　超音波送受波器
　７　伝搬時間計測部
　８　演算部
　１１　制振部材
　１５　音響整合体
　１６　金属板
　１７　圧電体
　１８ａ　第１のリード線
　１８ｂ　第２のリード線
　３１　金属板
　３２　端壁部
　３３　周壁部
　３４　鍔部
　３６　溝
　４１　突出部

Claims

　金属板と、
　前記金属板の一方の主面に固定された音響整合体と、
　前記金属板の前記音響整合体が固定された部分の前記金属板の他方の主面に固定された圧電体と、
　前記圧電体の前記金属板から遠い側の端部に接続された、該圧電体に印加される電圧を供給するための第１のリード線と、
　前記金属板に接続された、該圧電体に印加される電圧を供給するための第２のリード線と、
　前記金属板の他方の主面の前記圧電体が固定された部分以外の部分と、前記圧電体の表面と、前記金属板の端面と、前記金属板の一方の主面の外周部と、前記第１のリード線と、前記第２のリード線とを一体的に覆う、熱可塑性樹脂を主成分として含む制振部材と、を備える、超音波送受波器。
　前記金属板は、平板状に形成されている、請求項１に記載の超音波送受波器。
　前記金属板は、筒状の周壁部と、該周壁部の一端を閉鎖する端壁部と、前記周壁部の他端に形成された鍔部とを含む鍔付金属容器状に形成され、
　前記端壁部の外面に前記音響整合体が固定され、
　前記筒状の周壁部の内部空間に位置するように前記端壁部の内面に前記圧電体が固定され、
　前記第２のリード線が前記金属板に接続され、
　前記制振部材は、前記圧電体の表面、前記第１のリード線、および前記第２のリード線を覆うように前記筒状の周壁部の内部空間に充填され、且つ、前記鍔部の内面、外周面、および外面と前記周壁部の外面とを覆うように、一体的に形成されている、請求項１に記載の超音波送受波器。
　前記圧電体は、前記金属板の厚み方向に延びる溝を有し、
　前記制振部材は、さらに前記溝に充填されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の超音波送受波器。
　前記制振部材は、前記金属板の前記金属板の一方の主面を覆う部分に、前記音響整合体の基端から先端に向かう方向に突出する突出部を有する、請求項１～４のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
　前記制振部材は、前記音響整合体の外周面との間に間隙を有する、請求項１～５のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
　金属板と、前記金属板の一方の主面に固定された音響整合体と、前記金属板の前記音響整合体が固定された部分の前記金属板の他方の主面に固定された圧電体と、前記圧電体の前記金属板から遠い側の端部に接続された、該圧電体に印可される電圧を供給するための第１のリード線と、前記金属板に接続された、該圧電体に印可される電圧を供給するための第２のリード線と、を備える組立体を作成する組立工程と、
　金型内に前記組立体を収容した後、前記金型内に熱可塑性樹脂を注入することにより、前記金属板の他方の主面の前記圧電体が固定された部分以外の部分と、前記圧電体の表面と、前記金属板の端面と、前記金属板の一方の主面の外周部と、前記第１のリード線と、前記第２のリード線とを一体的に覆うように、前記熱可塑性樹脂からなる制振部材を形成する樹脂成型工程と、を含む、超音波送受波器の製造方法。
　前記樹脂成型工程において、前記組立体は、前記金属板の一方の主面が下方を向き且つ該一方の主面の前記音響整合体の周囲の部分を前記金型の環状の支持部によって支持されるように前記金型の内部空間に収容され、
　前記金型の内部空間の前記環状の支持部より外側の領域に前記熱可塑性樹脂が注入されることによって、前記制振部材が前記音響整合体の外周面との間に間隙を有するように形成される、請求項７に記載の超音波送受波器の製造方法。
　相互に超音波パルスを送受信する請求項１～６のいずれか１項に記載の一対の超音波送受波器と、
　前記一対の超音波送受波器が互いに離れて配置された流路と、
　前記一対の超音波送受波器の間を前記超音波パルスが伝搬する時間を計測する伝搬時間計測部と、
　前記伝搬時間計測部により計測された時間に基づいて前記被測定流体の流量を算出する演算部と、を備える超音波流量計。