WO2021024846A1 - 超音波送受信器、および超音波流量計 - Google Patents

超音波送受信器、および超音波流量計 Download PDF

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WO2021024846A1
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acoustic matching
matching layer
ultrasonic
ultrasonic transmitter
receiver
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祐大 石崎
知樹 桝田
永原　英知
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
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    • G01F1/668—Compensating or correcting for variations in velocity of sound
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the present disclosure relates to an ultrasonic transmitter / receiver that transmits / receives ultrasonic waves using a piezoelectric element or the like, and an ultrasonic flow meter using the same.
  • an ultrasonic flow meter that measures the time for ultrasonic waves to propagate in the propagation path, measures the moving speed of a fluid, and measures the flow rate is being used for gas meters and the like.
  • An ultrasonic flowmeter that measures the propagation time of ultrasonic waves and measures the flow rate generally has a pair of ultrasonic transmitters and receivers arranged upstream and downstream of the measurement flow path through which the fluid to be measured flows. The propagation time of ultrasonic waves is measured by transmitting and receiving ultrasonic waves in between.
  • the fluid to be measured is a gas
  • the difference in acoustic impedance between the gas and the piezoelectric element is large, so ultrasonic waves are easily reflected at the interface between the piezoelectric element and the gas. Therefore, in the ultrasonic transmitter / receiver, an acoustic matching layer is provided at the interface between the piezoelectric element and the gas in order to efficiently inject ultrasonic waves into the gas from the piezoelectric element.
  • an acoustic matching layer formed by laminating a first acoustic matching layer having a high density and a high sound velocity and a second acoustic matching layer having a lower density and a slow sound velocity is formed. I am using it.
  • An ultrasonic transmitter / receiver capable of matching with a gas having a sufficiently small acoustic impedance has been proposed by arranging a second acoustic matching layer whose acoustic impedance matches with the gas to be measured on the gas side (for example, Patent Document 1). reference).
  • the conventional flow rate measuring device for this type of fluid was generally as shown in FIG.
  • the flow rate measuring device 100 includes a first ultrasonic transmitter / receiver 102 and a second ultrasonic transmitter / receiver 103 installed in a flow path 101 through which the fluid to be measured flows, and a first ultrasonic transmitter / receiver 102 and a second ultrasonic transmitter / receiver 103.
  • the switching means 104 for switching the transmission / reception of the above is provided.
  • the transmitting means 105 for driving the first ultrasonic transmitter / receiver 102 and the second ultrasonic transmitter / receiver 103, and the receiving means 106 for receiving the received signal received by the ultrasonic transmitter / receiver on the receiving side and passing through the switching means 104.
  • it includes an amplification means 107 that amplifies the received signal to a predetermined amplitude, and a reference comparison means 108 that compares the voltage of the received signal amplified by the amplification means 107 with a reference voltage.
  • a timing means 111 for measuring the propagation time of ultrasonic waves is provided. Further, it includes a flow rate calculation means 112 that calculates the flow rate of the fluid to be measured based on the propagation time measured by the timekeeping means 111, and a control means 113 configured by a microcomputer or the like that controls the whole.
  • FIG. 10 shows the drive signal D of the ultrasonic transmitter / receiver (first ultrasonic transmitter / receiver 102 or the second ultrasonic transmitter / receiver 103) set on the transmitting side by the switching means 104 and the switching means 104 set on the receiving side.
  • the reference comparison means 108 compares the received signal S with the reference voltage Vr set by the reference voltage setting means 109, and the zero crossing point R1 of the received signal after the received signal S becomes larger than the reference voltage Vr is determined by the determination means 110. Detect with.
  • the reference voltage Vr is set to a voltage at which the third wave of the received signal S can be detected, but when amplified by the amplification means 107 so that the maximum amplitude of the received signal S becomes a predetermined amplitude, Since the amplitude of the third wave is also amplified at the same amplification factor, it is assumed that the voltage of the third wave also falls within a predetermined range.
  • the timekeeping means 111 can obtain the propagation time TP0 by timing the time TP from the starting point T0 to the zero crossing point R1 and subtracting the time TR from the receiving start point R0 to the zero crossing point R1.
  • the switching means 104 switches between transmission and reception of the first ultrasonic transmitter / receiver 102 and the second ultrasonic transmitter / receiver 103, thereby changing from the first ultrasonic transmitter / receiver 102 to the second ultrasonic transmitter / receiver 103.
  • the propagation time t1 to reach and the propagation time t2 from the second ultrasonic transmitter / receiver 103 to the first ultrasonic transmitter / receiver 102 can be obtained.
  • the flow rate Q can be obtained by the following equation.
  • Equation 1 The flow rate calculating means 112 calculates the flow rate by further multiplying (Equation 1) by a coefficient corresponding to the flow rate.
  • 11A and 11B show the configuration of a conventional ultrasonic transmitter / receiver.
  • 11A is a cross-sectional view of the ultrasonic transmitter / receiver 200
  • FIG. 11B is a plan view of the ultrasonic transmitter / receiver 200.
  • the ultrasonic transmitter / receiver 200 has a piezoelectric element 202 bonded to the inside 201a of the top surface of a metal sensor case 201 having a ceiling. Further, a disk-shaped first acoustic matching layer 203 and a disk-shaped second acoustic matching layer 204 having the same outer diameter as the first acoustic matching layer 203 are laminated on the outer surface 201b of the sensor case 201. It is joined.
  • FIG. 12 shows an example of the received waveform when the ultrasonic transmitter / receiver 200 is used. As shown in the figure, a relatively large reverberation wave is seen after the normal maximum amplitude A, and in some cases, the maximum amplitude is observed. An amplitude B that is equal to or larger than the maximum amplitude A is generated.
  • the waveforms of ultrasonic waves transmitted and received by the ultrasonic transmitter / receiver are mainly the thickness and shape of the piezoelectric element, the material, thickness and shape of the sensor case, the shape and thickness of the first acoustic matching layer and the second acoustic matching layer. It is affected by acoustic impedance and the like.
  • the received waveform of the ultrasonic wave shown in FIG. 12 is affected by the shape of the acoustic matching layer in the plane direction.
  • the area of the joint surface of the first acoustic matching layer 203 and the area of the joint surface of the second acoustic matching layer 204 are the same as in the ultrasonic transmitter / receiver 200 shown in FIG. 11A, or the joint surface of the first acoustic matching layer 203.
  • the area of the joint surface of the second acoustic matching layer 204 is larger than the area of, the following phenomenon occurs.
  • the ultrasonic wave radiated to the fluid to be measured is a direct wave in which the vibration of the piezoelectric element 202 propagates to the fluid to be measured at the shortest distance through the sensor case 201, the first acoustic matching layer 203, and the second acoustic matching layer 204. 205 occurs. Further, the vibration of the piezoelectric element 202 propagates in the peripheral direction of the first acoustic matching layer 203, and is an indirect wave whose phase is delayed due to reflection or the like at the junction 207 of the first acoustic matching layer 203 and the second acoustic matching layer 204. 206 occurs.
  • the vibration of the piezoelectric element 202 is a combination of the direct wave 205 and the indirect wave 206, and it is considered that reverberation is generated by the indirect wave 206.
  • indirect wave 206 shown in FIG. 11 is schematically shown and is not limited to the shown propagation path.
  • the amplification means 107 amplifies the received signal so that the amplitude B becomes a predetermined amplitude. Then, since the third wave originally desired to be detected is not amplified above the reference voltage, the reference comparison means 108 detects the fourth wave.
  • the present disclosure suppresses the reverberation of the ultrasonic reception waveform and enables stable measurement of the ultrasonic signal.
  • the ultrasonic transmitter / receiver of the present disclosure includes a piezoelectric element and a plurality of acoustic matching layers bonded by laminating the piezoelectric element directly or via another layer, and at least one of the joints between the acoustic matching layers.
  • the portion is inside the outer periphery of the joint surface of the acoustic matching layer arranged on the piezoelectric element side.
  • the propagation of indirect waves from the acoustic matching layer on the piezoelectric element side to the next acoustic matching layer can be suppressed, and when this ultrasonic receiver is used as an ultrasonic flowmeter, the ultrasonic transmitter / receiver can be used.
  • the reverberation level can be reduced, and stable ultrasonic wave propagation time can be measured.
  • the reverberation of the ultrasonic reception waveform can be reduced, and erroneous measurement of the propagation time in the flow rate measurement can be reduced and stable flow rate measurement can be realized.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view of the ultrasonic transmitter / receiver according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a plan view of the ultrasonic transmitter / receiver according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an image diagram of the received waveform of the ultrasonic receiver according to the first embodiment.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view showing a modified example of the ultrasonic transmitter / receiver according to the first embodiment.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing a modified example of the ultrasonic transmitter / receiver according to the first embodiment.
  • FIG. 4A is a plan view showing a modified example of the ultrasonic transmitter / receiver according to the first embodiment.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view showing a modified example of the ultrasonic transmitter / receiver according to the first embodiment.
  • FIG. 5A is a perspective view of an ultrasonic transmitter / receiver used in the ultrasonic flow meter according to the second embodiment.
  • FIG. 5B is a perspective view of an ultrasonic transmitter / receiver used in the ultrasonic flow meter according to the second embodiment.
  • FIG. 5C is a plan view of the ultrasonic transmitter / receiver used in the ultrasonic flow meter according to the second embodiment.
  • FIG. 5D is a cross-sectional view taken along the line 5D-5D of FIG. 5C.
  • FIG. 6A is a perspective view of a flow path block used in the ultrasonic flow meter according to the second embodiment.
  • FIG. 6B is a 6B arrow view of FIG. 6A.
  • FIG. 6C is a perspective view of a sensor fixing member used in the ultrasonic flow meter according to the second embodiment.
  • FIG. 7A is a side view of the ultrasonic flowmeter according to the second embodiment.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of a main part of 7B-7B of FIG. 7A.
  • FIG. 8 is a graph illustrating the width of the short side of the second acoustic matching layer, the output of ultrasonic waves, and the magnitude of reverberation in the second embodiment.
  • FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of a conventional ultrasonic flowmeter.
  • FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of a conventional ultrasonic flowmeter.
  • FIG. 10 is an image diagram of a driving wave and a received wave for explaining a method of measuring the propagation time in a conventional ultrasonic flowmeter.
  • FIG. 11A is a cross-sectional view of a conventional ultrasonic transmitter / receiver.
  • FIG. 11B is a plan view of a conventional ultrasonic transmitter / receiver.
  • FIG. 12 is an image diagram showing a reception waveform of a conventional ultrasonic receiver.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view of the ultrasonic transmitter / receiver according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a plan view of the ultrasonic transmitter / receiver according to the first embodiment.
  • the ultrasonic transmitter / receiver 10 includes a case 11 having a heavenly cylinder-like conductivity, a piezoelectric element 12 joined to the inside 11a of the top surface of the case 11 at a joint portion 19, and a case 11. It is composed of a first acoustic matching layer 13 joined to the outer surface 11b at a joining portion 18 and a second acoustic matching layer 14 joined to the first acoustic matching layer 13 at a joining portion 17.
  • Electrodes 12a and 12b are provided on both sides of the piezoelectric element 12, and the electrodes 12a are conductively bonded to the case 11 at the bonding portion 19, and by applying an AC voltage between the electrodes 12b and the case 11. , The piezoelectric element 12 is deformed according to its voltage. The deformation generated in the piezoelectric element 12 propagates to the fluid to be measured via the first acoustic matching layer 13 and the second acoustic matching layer 14.
  • the first acoustic matching layer 13 and the second acoustic matching layer 14 are both disk-shaped, and the diameter of the second acoustic matching layer 14 is made smaller than the diameter of the first acoustic matching layer 13 and concentrically. It is laminated. With this configuration, the joint portion 17 of the first acoustic matching layer 13 and the second acoustic matching layer 14 is located inside the outer circumference of the joint surface 13a of the first acoustic matching layer 13 bonded to the piezoelectric element 12 side. It is configured.
  • the ultrasonic wave radiated to the measured fluid is mainly a direct wave 15 and propagated to the measured fluid, but the direct wave.
  • Ultrasonic waves other than 15 are attenuated because the first acoustic matching layer 13 and the fluid to be measured cannot be matched. Therefore, the propagation of the indirect wave 16 to the fluid to be measured can be suppressed.
  • FIG. 2 is an image diagram of the received waveform of the ultrasonic receiver according to the first embodiment. As shown in the figure, it can be seen that the reverberation portion is rapidly attenuated as compared with the conventional received wave shown in FIG.
  • the ultrasonic transmitter / receiver 10 of the present embodiment is used for the ultrasonic flowmeter shown in FIG.
  • the amplification means 107 can amplify the maximum amplitude to a predetermined amplitude, the third wave to be detected has the expected amplitude, and the correct propagation time can be measured.
  • the first acoustic matching layer 13 is attached to the outer surface 11b of the top surface of the case 11, and the second acoustic matching layer 14 is joined to the first acoustic matching layer 13.
  • the acoustic impedance of the first acoustic matching layer 13 is Za
  • the acoustic impedance of the second acoustic matching layer 14 is Zb
  • Za is smaller than the acoustic impedance of the piezoelectric element 12.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view showing a modified example of the ultrasonic transmitter / receiver according to the first embodiment.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing a modified example of the ultrasonic transmitter / receiver according to the first embodiment.
  • FIG. 4A is a plan view showing a modified example of the ultrasonic transmitter / receiver according to the first embodiment.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view showing a modified example of the ultrasonic transmitter / receiver according to the first embodiment.
  • FIG. 3A is a side sectional view of the ultrasonic transmitter / receiver 20.
  • the first acoustic matching layer 23, the second acoustic matching layer 24, and the third acoustic matching layer 25 are laminated and joined in order on the outer surface 11b of the top surface of the case 11 to perform acoustic matching.
  • the number of layers is three.
  • the joint portion 27 of the first acoustic matching layer 23 and the second acoustic matching layer 24 is inside the outer circumference of the joint surface 23b of the first acoustic matching layer 23. Further, the joint portion 25b of the second acoustic matching layer 24 and the third acoustic matching layer 25 is made inside the outer circumference of the joint surface 24b of the second acoustic matching layer 24.
  • the indirect wave 16 (16a) is formed by setting the joint portion of the acoustic matching layer to be inside the outer circumference of the joint surface of the acoustic matching layer arranged on the piezoelectric element side. , 16b) can be suppressed, and reverberation can be suppressed.
  • FIG. 3B shows a side sectional view of the ultrasonic transmitter / receiver 30.
  • a second acoustic matching layer 34 having a truncated cone shape is used.
  • the area of the radiation surface 34b through which the ultrasonic waves propagate in the second acoustic matching layer 34 is substantially the same as the area of the bonding surface 13b of the first acoustic matching layer 13, but the first acoustic matching is made.
  • the junction 17 between the layer 13 and the second acoustic matching layer 34 is inside the junction surface 13b of the first acoustic matching layer 13, the propagation of the indirect wave 16 to the second acoustic matching layer 34 should be avoided. And the reverberation can be suppressed.
  • FIG. 4A shows a plan view of the ultrasonic transmitter / receiver 70, and the shape of the matching surface (ultrasonic radiation surface) of the second acoustic matching layer 14 in the ultrasonic transmitter / receiver 10 shown in FIG. 1A is changed from circular to rectangular.
  • a second acoustic matching layer 74 having a length in the short side direction shorter than the diameter of the first acoustic matching layer 13 is used.
  • the phase-delayed indirect wave from the side portion C of the first acoustic matching layer 13 is the second acoustic matching layer. Propagation to 74 can be avoided and reverberation can be suppressed.
  • FIG. 4B shows a side sectional view of the ultrasonic transmitter / receiver 80.
  • the case 11 of the ultrasonic transmitter / receiver 10 shown in FIG. 1A is eliminated, and the first acoustic matching layer 13 is directly bonded to the piezoelectric element 12. It is a thing. Also in this case, the propagation of ultrasonic waves other than the direct wave 15 from the piezoelectric element 12 to the second acoustic matching layer 14 can be reduced, and the reverberation can be suppressed.
  • the ultrasonic transmitter / receiver according to the present embodiment, at least one part of the joint portion between the acoustic matching layers is inside the outer circumference of the joint surface of the acoustic matching layer arranged on the piezoelectric element side. Therefore, the reverberation can be suppressed.
  • the entire joint portion between the acoustic matching layers should be inside the outer circumference of the joint surface of the acoustic matching layer arranged on the piezoelectric element side. Needless to say, is desirable.
  • FIG. 5A is a perspective view of an ultrasonic transmitter / receiver used in the ultrasonic flow meter according to the second embodiment.
  • FIG. 5B is a perspective view of an ultrasonic transmitter / receiver used in the ultrasonic flow meter according to the second embodiment.
  • FIG. 5C is a plan view of the ultrasonic transmitter / receiver used in the ultrasonic flow meter according to the second embodiment.
  • FIG. 5D is a cross-sectional view taken along the line 5D-5D of FIG. 5C.
  • the electrode surface 42a of the piezoelectric element 42 is conductively joined to the inside 41a of the top of the metal case 41 having a ceiling, and the electrode surface 42b is joined to the electrode surface 42b.
  • the lead wire 46 is joined by solder 49.
  • the lead wire 47 is joined to the case 41 by welding, and the piezoelectric element 42 vibrates at a predetermined frequency by applying an AC voltage to the lead wire 46 and the lead wire 47.
  • a flange 41d is formed at the open end of the case 41, and a vibration isolator 48 is integrally formed with a mold on the outer periphery of the flange 41d. Further, the lead wire 46 and the lead wire 47 are held in the case 41 by the vibration isolator member 48.
  • a disk-shaped first acoustic matching layer 43 having a diameter of 10.8 mm is bonded to the outer side 41b of the top of the case 41, and a second acoustic matching layer 44 is further joined to the first acoustic matching layer 43. It is joined.
  • the second acoustic matching layer 44 is formed to be substantially rectangular with a long side length of 9.5 mm and a short side length of 5.5 mm, so that the second acoustic matching layer 44 is inside the outer circumference of the joint surface of the first acoustic matching layer 43. It is joined to the first acoustic matching layer 43 so as to be.
  • the optimum thickness of the first acoustic matching layer 43 and the second acoustic matching layer 44 is set by the frequency of the ultrasonic waves propagating as described above.
  • the piezoelectric element 42 is a rectangular parallelepiped, and the joint surface with the case 41 is configured to be smaller than the outer diameter of the second acoustic matching layer 44, and the longitudinal direction of the piezoelectric element 42 is the longitudinal direction of the second acoustic matching layer 44. It is arranged to match. Further, the piezoelectric element 42 has a slit 42c for increasing the efficiency of longitudinal vibration mode excitation.
  • the flange 41d is formed with a pair of recesses 41c for positioning on the outer periphery corresponding to the longitudinal direction of the second acoustic matching layer 44.
  • FIG. 6A is a perspective view of a flow path block used in the ultrasonic flow meter according to the second embodiment.
  • FIG. 6B is a 6B arrow view of FIG. 6A.
  • FIG. 6C is a perspective view of a sensor fixing member used in the ultrasonic flow meter according to the second embodiment.
  • the flow path block 50 has a cylindrical measurement flow path 51 having a rectangular cross section through which the fluid to be measured flows, and the measurement flow path 51 has a flow of the fluid to be measured.
  • Three dividing flow paths 53 (first dividing flow path 53a, second dividing flow path 53b, third dividing flow path 53c) by two partition plates 52 arranged so as to be parallel to each other in the direction. It is divided into two to form a multi-layered flow path as a whole. Further, it has an inlet 54 and an outlet 55 for the fluid to be measured.
  • the flow path block 50 includes an upstream sensor mounting portion 56a and a downstream sensor mounting portion 56b having openings for mounting the ultrasonic transmitter / receiver, a positioning convex portion 57 when mounting the ultrasonic transmitter / receiver, and a sensor described later.
  • a locking portion 58 of the fixing member and a locking portion 59 of the circuit board are provided.
  • FIG. 7A is a side view of the ultrasonic flowmeter according to the second embodiment.
  • a pair of ultrasonic transmitters / receivers 40 are attached to the upstream sensor mounting portion 56a and the downstream sensor mounting portion 57b of the flow path block 50.
  • the ultrasonic transmitter / receiver 40 is attached so that the concave portion 41c (see FIG. 5C) is located at the positioning convex portion 57 (see FIG. 6A), and then the hinge 61a (see FIG. 6C) of the sensor fixing member 61 (see FIG. 6C). (See FIG. 6C) is pressed by the upstream sensor mounting portion 56a (see FIG. 6A) and the downstream sensor mounting portion 56b (see FIG. 6A) by engaging with the locking portion 58 provided in the flow path block 50. Is fixed.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of a main part of 7B-7B of FIG. 7A.
  • the relationship between the second acoustic matching layer 44 and the partition plate 52 is shown.
  • the second acoustic matching layer 44 is arranged at a position facing the second divided flow path 53b of the multilayer flow path.
  • the width W (length of the short side) of the second acoustic matching layer 44 is matched to the outside of the two partition plates 52, and is larger than the distance X (2.9 mm) between the partition plates.
  • FIG. 8 is a graph for explaining the width of the short side of the second acoustic matching layer, the output of ultrasonic waves, and the magnitude of reverberation in the second embodiment.
  • the graph shown in FIG. 8 is an image shown in a graph of the output and reverberation of an ultrasonic signal with the width of the short side of the second acoustic matching layer 44 as the horizontal axis.
  • the output increases as the width of the second acoustic matching layer 44 increases, but the reverberation increases when the width reaches a certain size, so the optimum dimension is 5.5 mm.
  • the width (the length of the short side) of the second acoustic matching layer 44 is set to be inside the outer periphery of the joint surface of the first acoustic matching layer 43 so that the side surface of the first acoustic matching layer 43 It is possible to prevent the reflected wave of the above from propagating to the second acoustic matching layer 44, suppress the reverberation of the ultrasonic signal, and efficiently propagate the ultrasonic signal to the second divided flow path 53b in the center. Can be done.
  • a circuit board 62 provided with a drive circuit of the ultrasonic transmitter / receiver 40 and a measurement circuit for measuring the flow velocity and the flow rate of the fluid to be measured is mounted on the upper part of the flow path block 50. It is locked by a stop 59.
  • the lead wires 46 and 47 of the ultrasonic transmitter / receiver 40 are connected to the circuit board 62 by soldering or the like.
  • the substrate case 63 shown by the broken line is placed so as to cover the circuit board 62.
  • the ultrasonic signal from the ultrasonic transmitter / receiver 40 on the upstream side is reflected by the inner wall 51a of the opposite flow path along the path of arrow P1, and then received by the ultrasonic transmitter / receiver 40 on the downstream side along the path of arrow P2. ..
  • the ultrasonic flow meter 60 of the present embodiment can determine the flow rate by the above equation (1) as described with reference to FIG.
  • the ultrasonic transmitter / receiver in the first disclosure includes a piezoelectric element and a plurality of acoustic matching layers directly or laminated and joined to the piezoelectric element via another layer, and acoustically matched. At least a part of the joint between the layers is inside the outer circumference of the joint surface of the acoustic matching layer arranged on the piezoelectric element side.
  • the ultrasonic transmitter / receiver in the second disclosure is the first acoustic matching layer and the first acoustic matching layer in which a plurality of acoustic matching layers are bonded to the piezoelectric element directly or via another layer in the first disclosure. It is a second acoustic matching layer laminated and joined, the first acoustic matching layer has a disk shape, the second acoustic matching layer is the short side of the bonding surface with the first acoustic matching layer, and the short side of the bonding surface is the first acoustic matching layer. It may be a rectangle shorter than the diameter.
  • the ultrasonic transmitter / receiver in the third disclosure has a rectangular joint surface, and the direction of the long side may be matched with the direction of the long side of the second acoustic matching layer.
  • the ultrasonic transmitter / receiver in the fourth disclosure may set the thickness of the acoustic matching layer to about 1/4 of the wavelength of the ultrasonic waves propagating in each.
  • the ultrasonic transmitter / receiver in the fifth disclosure may have the thickness of the acoustic matching layer about 1/4 of the wavelength of the ultrasonic waves propagating in each.
  • the ultrasonic transmitter / receiver in the sixth disclosure may have the thickness of the acoustic matching layer about 1/4 of the wavelength of the ultrasonic waves propagating in each.
  • the ultrasonic transmitter / receiver in the seventh disclosure may increase each acoustic impedance of the acoustic matching layer as it approaches the piezoelectric element.
  • the ultrasonic transmitter / receiver in the eighth disclosure may increase each acoustic impedance of the acoustic matching layer as it is closer to the piezoelectric element.
  • the ultrasonic transmitter / receiver in the ninth disclosure may increase each acoustic impedance of the acoustic matching layer as it is closer to the piezoelectric element.
  • the ultrasonic flow meter in the tenth disclosure is inserted in parallel between a measurement flow path having a rectangular cross section through which a fluid to be measured flows and two opposing surfaces of the measurement flow path, and divides the measurement flow path into multiple layers.
  • the partition plate and a pair of ultrasonic transmitters / receivers arranged upstream and downstream of the two surfaces different from the measurement flow path are provided, and each of the pair of ultrasonic transmitters / receivers is one of the second to ninth.
  • One is the disclosed ultrasonic transmitter / receiver.
  • the ultrasonic flowmeter in the eleventh disclosure may be arranged in the measurement flow path in the tenth disclosure so that the long side direction of the second acoustic matching layer is parallel to the partition plate. Good.
  • the ultrasonic flowmeter in the twelfth disclosure may set the length of the second acoustic matching layer in the short side direction to be equal to or greater than the distance between the partition plates.
  • the ultrasonic transmitter / receiver can reduce the reverberation of ultrasonic waves and limit the ultrasonic propagation path, and can be applied to applications such as in-vehicle sensing devices.

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Abstract

圧電素子（１２）と、導電性を有するケース（１１）と、ケース（１１）上に接着された第１音響整合層（１３）と、第１音響整合層（１３）に積層され接着された第２音響整合層（１４）とを備える。第１音響整合層（１３）と第２音響整合層（１４）の接合部を、第１音響整合層（１３）の第２音響整合層（１４）と接合する接合面の外周よりも内側とする。この構成により、第１音響整合層（１３）で発生した間接波（１６）が第２音響整合層（１４）に伝搬するのを防止し、超音波の残響を低減することができる。

Description

超音波送受信器、および超音波流量計
　本開示は圧電素子等を用いて超音波の送受信を行う超音波送受信器、およびこれを用いた超音波流量計に関するものである。
　近年、超音波が伝搬路伝達する時間を計測し、流体の移動速度を測定して流量を計測する超音波流量計がガスメータ等に利用されつつある。超音波の伝搬時間を計測して流量計測を行う超音波流量計は、一般的に一対の超音波送受信器を被計測流体が流れる計測流路の上流と下流に配置し、この超音波送受信器間の超音波の送信と受信により超音波の伝搬時間を計測している。
　被計測流体が気体である場合、気体と圧電素子との間の音響インピーダンスの差が大きいため、超音波は圧電素子と気体の界面で反射されやすい。このため、超音波送受信器は、超音波を圧電素子から気体に効率よく入射させるため、圧電素子と気体との界面に音響整合層が設けられている。
　そして、より放射効率を良くするために、密度が高く音速の速い第１音響整合層と、それよりも密度が小さく音速の遅い第２音響整合層とを積層して構成された音響整合層を用いている。被計測流体である気体と音響インピーダンス整合した第２音響整合層を気体側に配置することにより、音響インピーダンスが十分に小さい気体に整合できる超音波送受信器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３５５２０５４号公報
　しかしながら、従来の構成では超音波の受信波の残響が大きいために、伝搬時間を計測するための基準点を正確に検知できずにガス流量を誤検知する可能性があった。
　次に、超音波流量計における伝搬時間の計測方法について、図９、図１０を用いて説明する。
　従来のこの種の流体の流量計測装置は、図９に示すようなものが一般的であった。この流量計測装置１００は、被計測流体の流れる流路１０１に設置した第１超音波送受信器１０２および第２超音波送受信器１０３と、第１超音波送受信器１０２、第２超音波送受信器１０３の送受信を切り換える切換手段１０４と、を備える。また、第１超音波送受信器１０２及び第２超音波送受信器１０３を駆動する送信手段１０５と、受信側の超音波送受信器で受信し切換手段１０４を通過した受信信号を受信する受信手段１０６と、を備える。さらに、受信した信号を所定の振幅まで増幅する増幅手段１０７と、増幅手段１０７で増幅された受信信号の電圧と基準電圧とを比較する基準比較手段１０８とを備える。
　また、基準比較手段１０８で比較される基準電圧を設定する基準電圧設定手段１０９と、基準比較手段１０８の比較結果に基づき、時間計測の基準点を判定する判定手段１１０と、判定手段１１０の結果に基づき、超音波の伝搬時間を計時する計時手段１１１と、を備える。さらに、計時手段１１１で計測された伝搬時間に基づき被計測流体の流量を算出する流量演算手段１１２と、及び、全体の制御を行う、マイクロコンピューター等で構成された制御手段１１３と、を備える。
　次に、図１０を用いて計時手段１１１による超音波の伝搬時間の計測方法を説明する。図１０は、切換手段１０４で送信側に設定された超音波送受信器（第１超音波送受信器１０２または第２超音波送受信器１０３）の駆動信号Ｄと切換手段１０４で受信側に設定された超音波送受信器（第１超音波送受信器１０２または第２超音波送受信器１０３）で受信され増幅手段１０７で最大振幅が所定の振幅になるように増幅された受信信号Ｓを示している。
　そして、基準比較手段１０８で受信信号Ｓと基準電圧設定手段１０９で設定された基準電圧Ｖｒを比較し、基準電圧Ｖｒより受信信号Ｓが大きくなった後の受信信号のゼロクロス点Ｒ１を判定手段１１０で検知する。
　ここでは、基準電圧Ｖｒは受信信号Ｓの第３波目を検知できる電圧に設定されているが、これは、受信信号Ｓの最大振幅が所定の振幅になるように増幅手段１０７で増幅すると、第３波目の振幅も同じ増幅率で増幅されるので第３波目も所定範囲の電圧になることを前提としている。
　計時手段１１１は、起点Ｔ０からゼロクロス点Ｒ１までの時間ＴＰを計時し、受信開始点Ｒ０からゼロクロス点Ｒ１までの時間ＴＲを減算することで、伝搬時間ＴＰ０を求めることができる。
　そして、上記の方法により、切換手段１０４で、第１超音波送受信器１０２と第２超音波送受信器１０３の送受信を切り替えることで、第１超音波送受信器１０２から第２超音波送受信器１０３に至る伝搬時間ｔ１と第２超音波送受信器１０３から第１超音波送受信器１０２に至る伝搬時間ｔ２を求めることができる。
　そして、被測定流体の流速をｖ、流路の断面積をＳ、センサ角度をφ、伝搬距離をＬとすると、流量Ｑは次式で求めることが出来る。
　Ｑ＝Ｓ・ｖ＝Ｓ・Ｌ／２・ｃｏｓφ（ｎ／ｔ１－ｎ／ｔ２）　・・・（式１）
流量演算手段１１２では、（式１）に流量に応じた係数をさらに乗じて流量を算出する。
　しかしながら、超音波送受信器として、従来の構成の超音波送受信器を用いると、残響により受信信号の波形が歪むために、ゼロクロス点Ｒ１を正しく検知できない場合が生じることが分かった。
　図１１Ａ、図１１Ｂは、従来の超音波送受信器の構成を示すものである。図１１Ａは、超音波送受信器２００の断面図であり、図１１Ｂは、超音波送受信器２００の平面図である。超音波送受信器２００は、有天筒状の金属製のセンサケース２０１の天面内部２０１ａに圧電素子２０２を接着している。また、センサケース２０１の天面外部２０１ｂには円板状の第１音響整合層２０３と、第１音響整合層２０３と同じ外径とした円板状の第２音響整合層２０４を積層し、接合している。
　図１２は、超音波送受信器２００を用いた場合の受信波形の一例を示しており、図に示す様に、正規の最大振幅Ａの後に比較的大きな残響波が見られ、場合によっては最大振幅Ａと同等若しくは、最大振幅Ａより大きくなることもある振幅Ｂが発生している。
　超音波送受信器が送受信する超音波の波形は、主に圧電素子の厚さ、形状、センサケースの材質、厚さ、形状、第１音響整合層、および第２音響整合層の形状、厚み、音響インピーダンス等に影響される。
　そして、図１２に示す超音波の受信波形は、音響整合層の面方向の形状に影響を受けることが我々の検討から分かった。図１１Ａに示す超音波送受信器２００の様に第１音響整合層２０３の接合面の面積と第２音響整合層２０４の接合面の面積が同じ場合、もしくは、第１音響整合層２０３の接合面の面積より第２音響整合層２０４の接合面の面積が大きい場合、以下のような現象が発生する。すなわち、被計測流体に放射される超音波は、圧電素子２０２の振動がセンサケース２０１、第１音響整合層２０３、第２音響整合層２０４を介して最短距離で被計測流体に伝搬する直接波２０５が発生する。また、圧電素子２０２の振動が第１音響整合層２０３の周囲方向に伝搬して第１音響整合層２０３と第２音響整合層２０４の接合部２０７で反射等により、位相遅れとなった間接波２０６が発生する。そして圧電素子２０２の振動は、直接波２０５と間接波２０６が合成されたものとなり、この間接波２０６により、残響が発生すると考えられる。
　なお、図１１に示す間接波２０６は、模式的に示すもので、図示した伝搬経路に限定されるものではない。
　この様に大きな残響波の影響により最大振幅の位置にばらつきが生じると、増幅手段１０７で最大振幅が所定の振幅になるように増幅しても、検知したい第３波目が想定された振幅にならないために、前後の第２波目や第４波目を検知してしまい、正しい伝搬時間が計測できないことになる。即ち、（式１）における伝搬時間ｔ１、ｔ２が正確に計測できなくなり、流量の計測精度が低下することになる。
　例えば、図１２に示す受信波形において、振幅Ｂが、正規の最大振幅Ａより大きくなると、増幅手段１０７はこの振幅Ｂが所定の振幅になるように受信信号を増幅する。すると、本来検知したい第３波目が基準電圧以上に増幅されないために、基準比較手段１０８は第４波目を検知することになる。
　本開示は、超音波受信波形の残響を抑制して安定した超音波信号の計測を可能とするものである。
　本開示の超音波送受信器は、圧電素子と、圧電素子と直接または他の層を介して積層して接合された複数の音響整合層と、を備え、音響整合層同士の接合部の少なくとも一部は、圧電素子側に配置された音響整合層の接合面の外周より内側とする。
　この構成により、圧電素子側の音響整合層から次の音響整合層への間接波の伝搬を抑制することができ、この超音波受波器を超音波流量計として用いると、超音波送受信器の残響レベルを低減することができ、安定した超音波の伝搬時間の計測を実現することが出来る。
　本開示の超音波送受信器によると、超音波受信波形の残響を低減させることができ、流量計測における、伝搬時間の誤計測を低減し安定した流量計測を実現することができる。
図１Ａは、第１の実施の形態における超音波送受信器の断面図である。 図１Ｂは、第１の実施の形態における超音波送受信器の平面図である。 図２は、第１の実施の形態における超音波受波器の受信波形のイメージ図である。 図３Ａは、第１の実施の形態における超音波送受信器の変形例を示す断面図である。 図３Ｂは、第１の実施の形態における超音波送受信器の変形例を示す断面図である。 図４Ａは、第１の実施の形態における超音波送受信器の変形例を示す平面図である。 図４Ｂは、第１の実施の形態における超音波送受信器の変形例を示す断面図である。 図５Ａは、第２の実施の形態における超音波流量計に用いる超音波送受信器の斜視図である。 図５Ｂは、第２の実施の形態における超音波流量計に用いる超音波送受信器の斜視図である。 図５Ｃは、第２の実施の形態における超音波流量計に用いる超音波送受信器の平面図である。 図５Ｄは、図５Ｃの５Ｄ－５Ｄ断面図である。 図６Ａは、第２の実施の形態における超音波流量計に用いる流路ブロックの斜視図である。 図６Ｂは、図６Ａの６Ｂ矢視図である。 図６Ｃは、第２の実施の形態における超音波流量計に用いるセンサ固定部材の斜視図である。 図７Ａは、第２の実施の形態における超音波流量計の側面図である。 図７Ｂは、図７Ａの７Ｂ－７Ｂ要部断面図である。 図８は、第２の実施の形態における第２音響整合層の短辺の幅と超音波の出力と残響の大きさを説明するグラフである。 図９は、従来の超音波流量計の構成を示すブロック図である。 図１０は、従来の超音波流量計における伝搬時間の計測方法を説明するための駆動波と受信波のイメージ図である。 図１１Ａは、従来の超音波送受信器の断面図である。 図１１Ｂは、従来の超音波送受信器の平面図である。 図１２は、従来の超音波受波器の受信波形を示すイメージ図である。
　以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。
　なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。
　（第１の実施の形態）
　図１Ａは、第１の実施の形態における超音波送受信器の断面図である。図１Ｂは、第１の実施の形態における超音波送受信器の平面図である。
　図１Ａ、図１Ｂにおいて、超音波送受信器１０は、有天筒状の導電性を有するケース１１と、ケース１１の天面内部１１ａに接合部１９で接合された圧電素子１２と、ケース１１の天面外部１１ｂに接合部１８で接合された第１音響整合層１３と、第１音響整合層１３に接合部１７で接合された第２音響整合層１４から構成されている。
　圧電素子１２の両面には電極１２ａ、１２ｂが設けられており、電極１２ａは接合部１９でケース１１に導通可能に接合されており、電極１２ｂとケース１１の間に交流電圧を印加することにより、圧電素子１２はその電圧に応じた変形を生じる。圧電素子１２で生じた変形は第１音響整合層１３と、第２音響整合層１４を介して、被計測流体へと伝搬する。
　本実施の形態において、第１音響整合層１３と第２音響整合層１４は共に円板状で、第２音響整合層１４の直径を第１音響整合層１３の直径より小さくするとともに、同心に積層している。この構成により、第１音響整合層１３と第２音響整合層１４の接合部１７が圧電素子１２側に接合された第１音響整合層１３の接合面１３ａの外周よりも内側に位置するように構成している。
　そして、図１Ａに示す様に、本実施の形態の超音波送受信器１０において、被計測流体に放射される超音波は、直接波１５が主となり、被計測流体に伝搬されるが、直接波１５以外の超音波は第１音響整合層１３と被計測流体の整合が取れないために減衰する。従って、間接波１６の被計測流体への伝搬を抑制することができる。
　なお、図１Ａに示す間接波１６は模式的に示したものであり、この伝搬経路に限定されるものではない。
　図２は、第１の実施の形態における超音波受波器の受信波形のイメージ図である。図に示す様に、図１１に示す従来の受信波に比べ、残響部分が急速に減衰していることが分かる。
　以上の様に、本実施の形態の超音波送受信器１０により残響波の影響を抑制することができるので、本実施の形態の超音波送受信器１０を図９に示した超音波流量計に用いることで、増幅手段１０７で最大振幅が所定の振幅になるように増幅するこができ、検知したい第３波が想定された振幅となり、正しい伝搬時間が計測できる。
　なお、図１Ａに示す第１音響整合層１３の厚みｔ１および第２音響整合層１４の厚みｔ２は、音響整合層中を伝搬する音波の波長の約１／４の厚さを有していることが望ましい。超音波送受信器を駆動させる周波数をｆ、音響整合層の音速をＶとすると音波の波長λはλ＝Ｖ／ｆで求められる。よって、音響整合層の厚みｄは、ｄ＝１／４λで求められる。このような構造にすることにより、センサ内部で反射する超音波の位相をそろえて効率よく超音波の送受信を可能とすることができる。
　また、圧電素子１２の振動を効率よく流体へ伝搬するには音響インピーダンスの整合を取ることが重要である。本実施の形態では、第１音響整合層１３はケース１１の天面外部１１ｂに張り付けられており、第２音響整合層１４は第１音響整合層１３に接合している。第１音響整合層１３の音響インピーダンスをＺａとし、第２音響整合層１４の音響インピーダンスをＺｂとすると、Ｚａ＞Ｚｂの関係を満たしている。Ｚａは圧電素子１２の音響インピーダンスよりも小さい。このような音響特性を有する複数の音響整合層を有することにより、圧電素子の振動を効率よく被計測流体中に伝搬することができる。
　（変形例）
　図３Ａは、第１の実施の形態における超音波送受信器の変形例を示す断面図である。図３Ｂは、第１の実施の形態における超音波送受信器の変形例を示す断面図である。図４Ａは、第１の実施の形態における超音波送受信器の変形例を示す平面図である。図４Ｂは、第１の実施の形態における超音波送受信器の変形例を示す断面図である。
　被計測流体である被伝播物質との整合を図るために、２層に限らず複数の音響整合層を積層することが知られているが、図３Ａは、超音波送受信器２０の側面断面図を示すもので、ケース１１の天面外部１１ｂに音響整合層として、第１音響整合層２３、第２音響整合層２４、第３音響整合層２５を順番に積層して接合することで音響整合層を３層としている。
　この超音波送受信器２０においては、第１音響整合層２３と第２音響整合層２４の接合部２７を、第１音響整合層２３の接合面２３ｂの外周より内側にしている。更に、第２音響整合層２４と第３音響整合層２５の接合部２５ｂを、第２音響整合層２４の接合面２４ｂの外周より内側にしている。この構成とすることにより、圧電素子１２からの間接波１６ａ，１６ｂの第３音響整合層２５への伝搬を低減することができ、残響を抑制することができる。
　同様に、音響整合層を３層より多くする場合でも、音響整合層の接合部を圧電素子側に配置された音響整合層の接合面の外周よりも内側にすることで、間接波１６（１６ａ、１６ｂ）の伝搬を抑制することができ、残響を抑制することができる。
　図３Ｂは、超音波送受信器３０の側面断面図を示す。図１Ａに示した超音波送受信器１０における第２音響整合層１４の代りに円錐台の形状とした第２音響整合層３４を用いている。この超音波送受信器３０において、第２音響整合層３４の超音波の伝搬する放射面３４ｂの面積は、第１音響整合層１３の接合面１３ｂの面積とほぼ同じとしているが、第１音響整合層１３と第２音響整合層３４との接合部１７は、第１音響整合層１３の接合面１３ｂよりも内側としているため、間接波１６の第２音響整合層３４への伝搬を回避することができ、残響を抑制することができる。
　図４Ａは、超音波送受信器７０の平面図を示すもので、図１Ａに示した超音波送受信器１０における第２音響整合層１４の整合面（超音波の放射面）の形状を円形から長方形とし、短辺方向の長さを第１音響整合層１３の直径よりも短くした第２音響整合層７４を用いている。この超音波送受信器７０においては、第２音響整合層７４の長辺方向の長さに関わらず、第１音響整合層１３の側方部Ｃからの位相遅れの間接波が第２音響整合層７４への伝搬を回避することができ、残響を抑制することができる。
　図４Ｂは、超音波送受信器８０の側面断面図を示すもので、図１Ａに示した超音波送受信器１０のケース１１を無くして、圧電素子１２に直接、第１音響整合層１３を接合したものである。この場合も、圧電素子１２からの直接波１５以外の超音波の第２音響整合層１４への伝搬を低減することができ、残響を抑制することができる。
　以上の様に、本実施の形態による超音波送受信器によると、音響整合層同士の接合部の少なくとも１部を圧電素子側に配置された音響整合層の接合面の外周よりも内側とすることで、残響を抑制することができる。
　なお、本実施の形態においては、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂにより、種々の構成を示して例示したが、接合部の全周の一部が、圧電素子側に配置された音響整合層の接合面の外周よりも内側であれば、圧電素子からの直接波以外の超音波が次の音響整合層に伝搬することを削減できることは言うまでもなく、音響整合層の形状は適宜選択することができる。
　また、間接波が次の音響整合層へ伝搬するのを抑制するには、音響整合層同士の接合部全体が圧電素子側に配置された音響整合層の接合面の外周よりも内側にある方が望ましいことは言うまでもない。
　（第２の実施の形態）
　次に、図５、図６、図７を用いて、第１の実施の形態で説明した超音波送受信器を用いた超音波流量計について説明する。
　図５Ａは、第２の実施の形態における超音波流量計に用いる超音波送受信器の斜視図である。図５Ｂは、第２の実施の形態における超音波流量計に用いる超音波送受信器の斜視図である。図５Ｃは、第２の実施の形態における超音波流量計に用いる超音波送受信器の平面図である。図５Ｄは、図５Ｃの５Ｄ－５Ｄ断面図である。
　図に示す様に、超音波送受信器４０は、有天筒状の金属製のケース４１の天部内側４１ａに圧電素子４２の電極面４２ａが導通可能に接合されており、電極面４２ｂには、リード線４６が半田４９により接合されている。また、ケース４１にはリード線４７が溶接にて接合されており、リード線４６とリード線４７に交流電圧を印加することで圧電素子４２は所定の周波数で振動する。
　ケース４１の開放端にはフランジ４１ｄが形成されており、フランジ４１ｄの外周には防振部材４８がモールドで一体に形成されている。また、防振部材４８により、リード線４６とリード線４７はケース４１に保持されている。
　また、ケース４１の天部外側４１ｂには、直径１０．８ｍｍの円板状の第１音響整合層４３が接合されており、更に、第１音響整合層４３には第２音響整合層４４が接合されている。ここで、第２音響整合層４４は、長辺の長さ９．５ｍｍ、短辺の長さ５．５ｍｍの略長方形とすることで、第１音響整合層４３の接合面の外周よりも内側となるように第１音響整合層４３に接合されている。なお、第１音響整合層４３と第２音響整合層４４の厚みは、前述のように伝搬する超音波の周波数により最適値が設定される。
　圧電素子４２は、直方体であり、ケース４１との接合面は第２音響整合層４４の外径よりも小さく構成されると共に、圧電素子４２の長手方向が、第２音響整合層４４の長手方向に一致するように配置されている。また、圧電素子４２は、縦振動モード励起の高効率化のためのスリット４２ｃを有している。
　さらに、フランジ４１ｄには、第２音響整合層４４の長手方向に当たる外周に位置決めの為の一対の凹部４１ｃが形成されている。
　図６Ａは、第２の実施の形態における超音波流量計に用いる流路ブロックの斜視図である。図６Ｂは、図６Ａの６Ｂ矢視図である。図６Ｃは、第２の実施の形態における超音波流量計に用いるセンサ固定部材の斜視図である。
　図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃに示す様に、流路ブロック５０は、被計測流体が流れる矩形断面の筒状の計測流路５１を有しており、計測流路５１は被計測流体の流れ方向に沿って平行となるように配置した２枚の仕切り板５２により、３つの分割流路５３（第１の分割流路５３ａ、第２の分割流路５３ｂ、第３の分割流路５３ｃ）に分割され、全体として多層流路を形成している。さらに、被計測流体の入口５４、出口５５を有している。
　また、流路ブロック５０は、超音波送受信器を取り付けるための開口部を有する上流側センサ取付部５６ａと下流側センサ取付部５６ｂ、超音波送受信器を取り付け時の位置決め凸部５７、後述のセンサ固定部材の係止部５８、回路基板の係止部５９を備えている。
　図７Ａは、第２の実施の形態における超音波流量計の側面図である。図７Ａに示す様に、超音波流量計６０は、流路ブロック５０の上流側センサ取付部５６ａと下流側センサ取付部５７ｂには一対の超音波送受信器４０が取り付けられている。ここで、超音波送受信器４０は、凹部４１ｃ（図５Ｃ参照）が位置決め凸部５７（図６Ａ参照）に位置するように取り付けられた後、センサ固定部材６１（図６Ｃ参照）のヒンジ６１ａ（図６Ｃ参照）が、流路ブロック５０に設けられた係止部５８に係合することで上流側センサ取付部５６ａ（図６Ａ参照）と下流側センサ取付部５６ｂ（図６Ａ参照）に押圧されて固定されている。
　図７Ｂは、図７Ａの７Ｂ－７Ｂ要部断面図である。第２音響整合層４４と仕切り板５２との関係を示すもので、図に示すように、第２音響整合層４４は、多層流路の第２の分割流路５３ｂに対向する位置に配置され、第２音響整合層４４の幅Ｗ（短辺の長さ）は、２つの仕切り板５２の外側に合わせており、仕切り板の間隔Ｘ（２．９ｍｍ）に対して大きくしている。
　図８は、第２の実施の形態における第２音響整合層の短辺の幅と超音波の出力と残響の大きさを説明するグラフである。図８に示すグラフは、第２音響整合層４４の短辺の幅を横軸として、超音波信号の出力と残響の大きさグラフに示したイメージである。図に示す様に、第２音響整合層４４の幅を大きくするほど出力が大きくなるが、ある大きさになると残響が大きくなることから、最適な寸法として、５．５ｍｍとしている。
　このように、第２音響整合層４４の幅（短辺の長さ）を第１音響整合層４３の接合面の外周よりも内側になるようにすることで第１音響整合層４３の側面での反射波が第２音響整合層４４に伝搬することを防止することができ、超音波信号の残響を抑制すると共に、超音波信号を中央の第２の分割流路５３ｂに効率よく伝搬することができる。
　また、流路ブロック５０の上部には、超音波送受信器４０の駆動回路や伝搬時間を計測して被計測流体の流速や流量を演算する計測回路を備えた回路基板６２が載置され、係止部５９で係止されている。そして、超音波送受信器４０のリード線４６，４７は、回路基板６２に半田付け等で接続されている。また、破線で示す基板ケース６３が回路基板６２を覆うように載置されている。
　そして、上流側の超音波送受信器４０からの超音波信号は矢印Ｐ１の経路で対向する流路の内壁５１ａで反射した後、矢印Ｐ２の経路で下流側の超音波送受信器４０で受信される。
　以上の構成により、本実施の形態の超音波流量計６０は、図９を用いて説明したように、前述の式（１）により、流量を求めることができる。
　以上説明したように、第１の開示における超音波送受信器は、圧電素子と、圧電素子と直接または他の層を介して積層して接合された複数の音響整合層と、を備え、音響整合層同士の接合部の少なくとも一部は、圧電素子側に配置された音響整合層の接合面の外周より内側とする。
　この構成により、圧電素子側の音響整合層から次の音響整合層への間接波の伝搬を抑制することができる。
　第２の開示における超音波送受信器は、第１の開示において、複数の音響整合層が、圧電素子と直接または他の層を介して接合された第１音響整合層と第１音響整合層に積層して接合された第２音響整合層であり、第１音響整合層は円板状とし、第２音響整合層が第１音響整合層との接合面の短辺が第１音響整合層の直径より短い長方形としてもよい。
　第３の開示における超音波送受信器は、第２の開示において、圧電素子は、接合面が長方形であり、長辺の方向を第２音響整合層の長辺方向に一致させてもよい。
　第４の開示における超音波送受信器は、第１の開示において、音響整合層の厚みを、それぞれを伝搬する超音波の波長の約１／４としてもよい。
　第５の開示における超音波送受信器は、第２の開示において、音響整合層の厚みを、それぞれを伝搬する超音波の波長の約１／４としてもよい。
　第６の開示における超音波送受信器は、第３の開示において、音響整合層の厚みを、それぞれを伝搬する超音波の波長の約１／４としてもよい。
　第７の開示における超音波送受信器は、第１の開示において、音響整合層の各音響インピーダンスを、圧電素子に近い程大きくしてもよい。
　第８の開示における超音波送受信器は、第２の開示において、音響整合層の各音響インピーダンスを、圧電素子に近い程大きくしてもよい。
　第９の開示における超音波送受信器は、第３の開示において、音響整合層の各音響インピーダンスを、圧電素子に近い程大きくしてもよい。
　第１０の開示における超音波流量計は、被計測流体が流れる矩形断面の計測流路と、計測流路の対向する２つの面の間に平行に挿入され、計測流路を多層に分割する複数の仕切り板と、計測流路の２つの面と異なる面の上流と下流に配置された一対の超音波送受信器と、を備え、一対の超音波送受信器の各々が第２～９のいずれか１つに開示の超音波送受信器である。
　第１１の開示における超音波流量計は、第１０の開示において、超音波送受信器は、第２音響整合層の長辺方向が仕切り板に平行となるように、計測流路に配置してもよい。
　第１２の開示における超音波流量計は、第１１の開示において、第２音響整合層の短辺方向の長さを仕切り板の間隔以上としてもよい。
　以上のように、本開示にかかる超音波送受信器は、超音波の残響の低減と超音波伝搬経路の限定が可能で、車載向けのセンシングデバイス等の用途にも適用できる。
　１０、２０、３０、４０、７０、８０　超音波送受信器
　１１、４１　ケース
　１２、４２　圧電素子
　１３、２３、４３　第１音響整合層（音響整合層）
　１４、２４、３４、４４、７４　第２音響整合層（音響整合層）
　２５　第３音響整合層（音響整合層）
　５１　計測流路
　５２　仕切り板
　６０　超音波流量計

Claims (12)

  1. 圧電素子と、
    前記圧電素子と直接または他の層を介して積層して接合された複数の音響整合層と、を備え、
    前記音響整合層同士の接合部の少なくとも一部は、前記圧電素子側に配置された音響整合層の接合面の外周より内側とした超音波送受信器。
  2. 前記複数の音響整合層は、前記圧電素子と直接または他の層を介して接合された第１音響整合層と、前記第１音響整合層に積層して接合された第２音響整合層であり、
    前記第１音響整合層は円板状とし、前記第２音響整合層は、前記第１音響整合層との接合面の短辺が前記第１音響整合層の直径より短い長方形とした請求項１に記載の超音波送受信器。
  3. 前記圧電素子は、接合面が長方形であり、長辺の方向を前記第２音響整合層の長辺方向に一致させた請求項２に記載の超音波送受信器。
  4. 各音響整合層の厚みを、それぞれを伝搬する超音波の波長の約１／４とした請求項１に記載の超音波送受信器。
  5. 各音響整合層の厚みを、それぞれを伝搬する超音波の波長の約１／４とした請求項２に記載の超音波送受信器。
  6. 各音響整合層の厚みを、それぞれを伝搬する超音波の波長の約１／４とした請求項３に記載の超音波送受信器。
  7. 前記音響整合層の各音響インピーダンスを、前記圧電素子に近い程大きくした請求項１に記載の超音波送受信器。
  8. 前記音響整合層の各音響インピーダンスを、前記圧電素子に近い程大きくした請求項２に記載の超音波送受信器。
  9. 前記音響整合層の各音響インピーダンスを、前記圧電素子に近い程大きくした請求項３に記載の超音波送受信器。
  10. 被計測流体が流れる矩形断面の計測流路と、
    前記計測流路の対向する２つの面の間に平行に挿入され、前記計測流路を多層に分割する複数の仕切り板と、
    前記計測流路の前記２つの面と異なる面の上流と下流に配置された一対の超音波送受信器と、を備え、
    前記一対の超音波送受信器の各々が請求項２～９いずれか１項に記載された超音波送受信器である、超音波流量計。
  11. 前記超音波送受信器は、前記第２音響整合層の長辺方向が前記仕切り板に平行となるように、前記計測流路に配置した請求項１０に記載の超音波流量計。
  12. 前記第２音響整合層の短辺方向の長さを前記仕切り板の間隔以上とした請求項１１に記載の超音波流量計。
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