JP4385597B2 - Ultrasonic transducer and ultrasonic flowmeter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波パルスの送受信を行う超音波送受波器およびこの超音波送受波器を用いて気体や液体の流量の計測を行う超音波流量計に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の超音波送受波器は図4に示すような構成であった。すなわち、キャップ状の導電性ケース21には圧電体22が内設してある。
【0003】
そしてケース21の頂壁下面には前記圧電体22の上方電極面が接着などの手段で電気的に固定され、一方、頂壁上面には音響整合層23が取着してある。
【0004】
キャップ状のケース21の下方開放部は、そのフランジ24に溶接などの手段で固定された端子板25で閉塞されており、この端子板25に第1,第2外部電極端子部26,27が配備されている。
【0005】
第1外部電極端子部26は端子板25と電気的に接続される。一方、第2外部電極端子部27は電気絶縁材28を介して端子板25に保持された径大部29と、弾性を有する導電体30とからなる。
【0006】
つまり、この第2外部電極端子部27は圧電体22の下方電極面と端子板25とで挟持された状態としてある(例えば、特許文献1参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開2001−50785号公報(第3−6頁、第8図)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のものにおいては、第2外部電極端子部27と圧電体22との挟持力、換言すれば、圧電体22に対する第2外部電極端子部27の圧接力は、ケース21と端子板25との寸法によって一義的に決定されるものであった。
【0009】
したがって、圧電体22に対する第2外部電極端子部27の圧接力、すなわち接触抵抗にバラツキが生起しやすく、超音波送受波器としての性能に不安定要素を発生する課題があった。
【0010】
本発明はこのような従来の課題を解決するもので、超音波送受波器としての性能の安定化を図り、計測精度の高い超音波流量計を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、天部内面には圧電体の一方の電極面側が、天部外面には音響整合層の下面がそれぞれ接着剤を介して固定されたキャップ状の導電性ケースと、このケースの下方開放部側に形成したフランジ部に固定した端子板と、この端子板に直接的に設けた第1の外部電極端子と、前記端子板の孔に絶縁貫通して設けられ、前記圧電体の他方の電極面側に接続される第2の外部電極端子とを具備し、前記第2の外部電極端子は、前記端子板の孔を閉塞する電気絶縁材で背部が保持された電極端子、およびこの電極端子と前記圧電体の他方の電極面との間に介在させた導電体からなるとともに、前記電気絶縁材と圧電体の他方の電極面との間に挟持されるように構成し、さらに、ケースにおけるフランジの内周側基部と対応する端子板の上面部位には、同フランジの内周側基部を変形可能とするための遊び空間を形成し、前記遊び空間に対するフランジの内周側基部の変形量によって、前記圧電体の他方の電極面と前記第2の外部電極端子の導電体との接触圧を調整するようにしたもので、第2の外部電極端子部と圧電体との電気接続を確実なものにできるものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明は、天部内面には圧電体の一方の電極面側が、天部外面には音響整合層の下面がそれぞれ接着剤を介して固定されたキャップ状の導電性ケースと、このケースの下方開放部側に形成したフランジ部に固定した端子板と、この端子板に直接的に設けた第1の外部電極端子と、前記端子板の孔に絶縁貫通して設けられ、前記圧電体の他方の電極面側に接続される第2の外部電極端子とを具備し、前記第2の外部電極端子は、前記端子板の孔を閉塞する電気絶縁材で背部が保持された電極端子、およびこの電極端子と前記圧電体の他方の電極面との間に介在させた導電体からなるとともに、前記電気絶縁材と圧電体の他方の電極面との間に挟持されるように構成し、さらに、ケースにおけるフランジの内周側基部と対応する端子板の上面部位には、同フランジの内周側基部を変形可能とするための遊び空間を形成し、前記遊び空間に対するフランジの内周側基部の変形量によって、前記圧電体の他方の電極面と前記第2の外部電極端子の導電体との接触圧を調整するようにしたものであって、第2の外部電極端子部と圧電体との電気接続を確実なものにできる。
【0013】
そしてこのような超音波送受波器を流体通路の上、下流に配置し、超音波伝搬時間をもとに流量を演算するようにしたことで、高精度の流体流量を測定できるものである。
【0014】
【実施例】
以下、その実施例を添付図面を参照して説明する。
【0015】
図1において、流量測定部1は流体流路2を流れる被測定物の流量を測定する流量測定部であり、1対の超音波送受波器3および4が配置されている。
【0016】
超音波送受波器3および4の間を超音波が伝播する超音波伝播時間を計測回路5にて計測し、信号として流量演算回路6に出力する。前記流量演算部6は前記信号に基づいて流量を求める。
【0017】
上記超音波流量計の一応の動作を述べる。超音波送受波器3および4の中心間を結ぶ直線の距離をLとし、この直線と被測定物の流れる方向である流路1の長手方向との角度をθとする。
【0018】
静止している流体中を超音波が伝達する速度をCとし、流路1を流れる流体の流速をVとする。
【0019】
流路2に対して上流側に配置された超音波送受波器3と下流側に配置された超音波送受波器4により流路2を流れる流体の流量を測定する。
【0020】
まず、超音波送受波器3から超音波を送信する。送信された超音波は流路2を斜めに縦断し超音波送受波器4で受信される。その際の超音波伝播時間t1は、
t1=L/(C+Vcosθ)
で示される。次に、超音波送受波器4から超音波を送信する。送信された超音波は流路2を斜めに縦断し超音波送受波器3で受信される。その際の超音波伝播時間t2は、
t2=L/(C−Vcosθ)
で示される。流体の音速Cは温度などの測定環境により変化するため、t1およびt2の式から流体の音速Cを消去すると、
V=(1/t1−1/t2)L/2cosθ
の式が得られる。この式より、Lとθが既知のものであるので流体の流速Vが求められる。Vを正確に求めるためにはt1、t2を正確に計測する必要があるため、超音波の指向性を等しくすることが必要である。また、流量をQ、流路1の断面積をS、補正係数をKとすると、流量QはQ=KSVの演算式により求められる。
【0021】
超音波流量計においては、計測回路5から出力された超音波伝播時間に関する信号に基づき、流量演算回路6で前記演算式から流量を求める。
【0022】
以下、超音波送受波器3,4の詳細を図2,3で詳述する。
【0023】
図において、ケース7の頂壁上面には音響整合層8が、頂壁下面には圧電体9の上部電極面がそれぞれ接着剤により固定してある。
【0024】
ケース7は導電性材料から形成されており、全体的にはキャップ状をなし、下方開放部からはフランジ10が外方向に延出してある。
【0025】
導電性の端子板11は前記ケース7の下方開放部分を閉じるごとく配置されており、その周縁部をフランジ10に溶接などの手段で固定することで前記ケース7と一体化されている。
【0026】
端子板11には第1,第2の外部電極端子部12,13が設けられている。
【0027】
第1の外部電極端子部12は端子板11の外周部に直接接続され、また第2の外部電極端子部13は、その導電体14を介して圧電体9の下部電極面に接続さ
れている。
【0028】
すなわち、第2の外部電極端子部13は電極端子15と導電体14とから構成されており、さらに前記導電体14はシリコン系ゴムのような弾性材16の中心部に位置させた構成を採用している。
【0029】
そして第2の外部電極端子部13は端子板11に形成した孔18を貫通しており、背部がガラスなどの電気絶縁材19で閉塞されている。
【0030】
つまり、第2の外部電極端子部13は圧電体9と端子板11と一体の電気絶縁材19で挟持される形態となっていて、前記圧電体9との接続はその挟持力、換言すれば圧接力に一元的に依存するようになっているものである。
【0031】
前記端子板11などで閉塞されたケース7内の密閉空間20には窒素ガスなどの不活性ガスが封入されている。
【0032】
そして、端子板11の外周部上面とケース7のフランジ10の基端部との間には、圧電体9に対する第2の外部電極端子部13の圧接力(圧電体9と端子板11とによる第2の外部電極端子部13の挟持力)を調整する調整手段としての遊び空間Sが肉ぬすみによって形成してある。
【0033】
上記の構成において、圧電体9に対する第2の外部電極端子部13の圧接力は、端子板11の外周部上面とケース7のフランジ10との位置関係によって調整できるものである。
【0034】
つまり、図2のものに比較して図3のように遊び空間Sの部分にケース7におけるフランジ10の基端を変形して臨ませた方が圧接力として大きくなるものである。
【0035】
すなわち、前記変形によってケース7の実質的高さが低くなり、その分、圧接力も大きくなる。
【0036】
したがって、実際的には第1,第2外部電極端子部12,13間の電気抵抗を計測しつつ前記圧接力の調整を行なえば、性能的にバラツキのない超音波送受波器となり、これより正確な流量計測が可能な超音波流量計が得られることとなる。
【0037】
なお、調整手段としては遊び空間Sに限定されることはなく、要するにケース7の実質的高さが調整できるものであれば具体的構成に制約されず、例えば、ケース7の周壁途中に屈曲部を設け、この屈曲度合いを可変するもの、或いは、端子板11に対する電気絶縁材19の取付けをねじ方式として、端子板11に対する位置調整することもその範疇に入るものである。
【0038】
このように実施例の構成によれば、超音波送受波器の導通抵抗が一定となるように抵抗値を計測しながら調節が可能となり、安定した抵抗値を確保することができる。そのため、超音波の発信感度にバラツキをなくし、送受信感度の低下を防止し、信頼性の高い超音波送受波器と、より高精度の流量計測ができる超音波流量計を提供できるものである。
【0039】
また調整手段としてケースの一部を変化させるように構成したものであるから、組立完成後に抵抗値を調節することが可能となり、最終完成品として性能を保証することが可能となる。
【0040】
【発明の効果】
このように本発明によれば性能的にバラツキがなく、精度の高い超音波送受波器が実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例における超音波流量計を示す概略構成図
【図2】 同実施例における超音波送受波器を示す縦断面図
【図3】 本発明の実施例における調節後の超音波送受波器を示す縦断面図
【図4】 従来の超音波送受波器を示す断面図
【符号の説明】
2 流体通路
3、4 超音波送受波器
7 ケース
9 圧電体
11 端子板
12、13 外部電極端子部
14 導電体
15 電極端子
19 電気絶縁材
S 遊び空間[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic transducer that transmits and receives an ultrasonic pulse, and an ultrasonic flowmeter that measures a flow rate of a gas or a liquid using the ultrasonic transducer.
[0002]
[Prior art]
A conventional ultrasonic transducer has a configuration as shown in FIG. That is, a
[0003]
The upper electrode surface of the
[0004]
The lower open portion of the cap-
[0005]
The first external
[0006]
That is, the second external
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2001-50785 (page 3-6, FIG. 8)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional one, the clamping force between the second external
[0009]
Therefore, the pressure contact force of the second external
[0010]
An object of the present invention is to solve such a conventional problem, and to stabilize the performance as an ultrasonic transducer and to provide an ultrasonic flowmeter with high measurement accuracy.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a cap-like conductive case in which one electrode surface side of the piezoelectric body is fixed to the inner surface of the top portion and the lower surface of the acoustic matching layer is fixed to the outer surface of the top portion with an adhesive. A terminal plate fixed to a flange portion formed on the lower open side of the case, a first external electrode terminal provided directly on the terminal plate, and an insulating through hole in the terminal plate. A second external electrode terminal connected to the other electrode surface side of the piezoelectric body, and the second external electrode terminal has a back portion held by an electrical insulating material that closes the hole of the terminal plate. An electrode terminal, and a conductor interposed between the electrode terminal and the other electrode surface of the piezoelectric body, and sandwiched between the electric insulating material and the other electrode surface of the piezoelectric body. Furthermore, it is paired with the inner peripheral side base of the flange in the case On the upper surface portion of the terminal plate to form a clearance space to allow deformation of the inner peripheral side base of the flange, the deformation amount of the inner peripheral side base of the flange relative to the clearance space, the other of the piezoelectric The contact pressure between the electrode surface and the conductor of the second external electrode terminal is adjusted , and the electrical connection between the second external electrode terminal portion and the piezoelectric body can be ensured.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention includes a cap-like conductive case in which one electrode surface side of the piezoelectric body is fixed to the inner surface of the top portion and the lower surface of the acoustic matching layer is fixed to the outer surface of the top portion with an adhesive, and a lower portion of the case. A terminal plate fixed to a flange formed on the open side, a first external electrode terminal provided directly on the terminal plate, and an insulating penetrating hole provided in the terminal plate; A second external electrode terminal connected to the electrode surface side, the second external electrode terminal having an electrode terminal whose back is held by an electrical insulating material that closes the hole of the terminal plate; and It is composed of a conductor interposed between the electrode terminal and the other electrode surface of the piezoelectric body, and is configured to be sandwiched between the electrical insulating material and the other electrode surface of the piezoelectric body, Upper surface part of terminal board corresponding to inner peripheral side base of flange in case Forms a clearance space to allow deformation of the inner peripheral side base of the flange, the deformation amount of the inner peripheral side base of the flange relative to the clearance space, the other electrode surface and the second of the piezoelectric The contact pressure of the external electrode terminal with the conductor is adjusted , and the electrical connection between the second external electrode terminal portion and the piezoelectric body can be ensured .
[0013]
And by arranging such an ultrasonic transducer on the downstream side of the fluid passage and calculating the flow rate based on the ultrasonic propagation time, it is possible to measure the fluid flow rate with high accuracy.
[0014]
【Example】
Embodiments will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0015]
In FIG. 1, a flow
[0016]
The ultrasonic wave propagation time during which the ultrasonic wave propagates between the
[0017]
The temporary operation of the ultrasonic flowmeter will be described. Let L be the distance of a straight line connecting the centers of the
[0018]
Let C be the velocity at which ultrasonic waves are transmitted through a stationary fluid, and V be the flow velocity of the fluid flowing through the
[0019]
The flow rate of the fluid flowing through the
[0020]
First, ultrasonic waves are transmitted from the
t1 = L / (C + V cos θ)
Indicated by Next, an ultrasonic wave is transmitted from the
t2 = L / (C−Vcos θ)
Indicated by Since the sound speed C of the fluid changes depending on the measurement environment such as temperature, if the sound speed C of the fluid is deleted from the equations t1 and t2,
V = (1 / t1-1 / t2) L / 2 cos θ
The following equation is obtained. From this equation, the flow velocity V of the fluid is required since L and θ are known. In order to accurately obtain V, it is necessary to accurately measure t1 and t2, so it is necessary to equalize the directivity of the ultrasonic waves. Further, when the flow rate is Q, the cross-sectional area of the
[0021]
In the ultrasonic flow meter, the flow rate is calculated from the calculation formula by the flow
[0022]
Details of the
[0023]
In the figure, the acoustic matching layer 8 is fixed to the upper surface of the top wall of the
[0024]
The
[0025]
The conductive
[0026]
The
[0027]
The first external
[0028]
That is, the second external
[0029]
The second external
[0030]
In other words, the second external
[0031]
An inert gas such as nitrogen gas is sealed in the sealed
[0032]
And between the upper surface of the outer peripheral portion of the
[0033]
In the above configuration, the pressure contact force of the second external
[0034]
That is, compared with the thing of FIG. 2, the direction which deform | transformed and faced the base end of the
[0035]
That is, the substantial height of the
[0036]
Therefore, in practice, if the pressure contact force is adjusted while measuring the electrical resistance between the first and second external
[0037]
The adjusting means is not limited to the play space S. In short, any adjustment is possible as long as the substantial height of the
[0038]
Thus, according to the structure of an Example, it becomes possible to adjust, measuring a resistance value so that the conduction resistance of an ultrasonic transducer may become fixed, and a stable resistance value can be ensured. Therefore, it is possible to provide a highly reliable ultrasonic transducer and an ultrasonic flowmeter capable of measuring a flow rate with higher accuracy by eliminating variations in the transmission sensitivity of ultrasonic waves and preventing a decrease in transmission / reception sensitivity.
[0039]
Since the adjustment means is configured to change a part of the case, the resistance value can be adjusted after the assembly is completed, and the performance can be guaranteed as a final finished product.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, there is no variation in performance, and an ultrasonic transducer with high accuracy can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an ultrasonic flowmeter in an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing an ultrasonic transducer in the same embodiment. Longitudinal sectional view showing an ultrasonic transducer [Fig. 4] Cross sectional view showing a conventional ultrasonic transducer [Explanation of symbols]
2
Claims (2)
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Publications (2)
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