JP3639570B2 - 超音波送受波器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波送受波器に関し、より詳細には、超音波流量計および超音波レベル計に使用される超音波送受波器において、配管を伝搬する超音波を減少し、かつ、該超音波送受波器の音響的制動力を高くし、送受波信号の接続時間を短くする超音波送受波器の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波流量計は被測定流体の流れ方向に対し順方向および逆方向に超音波を交互に送受波し、超音波の伝播時間差に比例して流量を求める推測形の流量計である。図２は、従来の超音波の伝播時間差法による超音波流量計を説明するための図である。図２（Ａ）は、被測定流体の流れ方向の部分断面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）に示された２つの超音波送受波器を結ぶ線上で切断した断面図であり、図中、１１は測定管、１４，１５は超音波送受波器、１２，１３は超音波送受波器１４，１５を支持する測定管１１と一体な支持管である。
【０００３】
図２に示した超音波流量計は、被測定流体が流速Ｆで流れる測定管１１に、測定管１１の管軸Ｏ−Ｏに対し、角度βの角度を持って、支持管１２と１３とが対向して設けられている。支持管１２には超音波送受波器１４が、支持管１３には超音波送受波器１５が同軸に対向して固着されている。超音波送受波器１５から所定時間、超音波を矢印Ｕａで示すように流れと順方向に発射して、これを超音波送受波器１４で受波する。超音波送受波器１４は、超音波を受波後、矢印Ｕｂで示すように流れと逆方向に超音波送受波器１５に向け超音波を発射する。超音波送受波器１４，１５は同じ構造のもので、交互に送受を繰り返す。超音波送受波器１４と１５との区間において、超音波の矢印Ｕａ方向の伝播時間と、矢印Ｕｂ方向の伝播時間の時間差は、被測定流体の矢印Ｆ方向の流速に比例した時間差である。超音波流量計は、前記時間差に被測定流体のフローパターンに関するレイノルズ数補正を施した流速を求め、該流速に測定管１１の断面積を乗算して流量を求めている。
【０００４】
しかし、上述した従来の超音波流量計においては、一対の超音波送受波器の一方から送波された超音波信号を他方の超音波送受波器で受波して、例えば、流れと順方向の伝播時間を計測し、次に、前記他方の超音波送受波器から前記一方の超音波送受波器に向け超音波を送波して流れと逆方向の伝播時間を計測し、順方向と逆方向の伝播時間差から流速を求めている。しかし、図２（Ｂ）に示すように、矢印Ｕａ方向の超音波は一部測定管１１，支持管１２，１３を通って矢印Ｎａのように伝搬し、同様に、矢印Ｕｂ方向の超音波は一部矢印Ｎｂのように伝搬する。この矢印Ｎａ，Ｎｂで示す超音波が、正しい伝搬時間計測に影響を及ぼす場合がある。
【０００５】
また、超音波レベル計は、例えば、タンク内に貯蔵された液体の液面に向け、一つの超音波送受波器から超音波を発射し、液面から反射した超音波を前記超音波送受波器で受波し、送受波信号の立ち上げ時間にタンク内雰囲気の温度圧力下での音速を乗算して求めた距離の半分を超音波送受波器と液面との距離としてレベルを求めるものである。
【０００６】
しかし、従来の超音波送受波器では、超音波送波後、発振の持続時間が長いため、超音波流量計では順逆方向の超音波発射の繰り返し時間が長く、超音波レベル計でも同様の問題点があり、流速変動の大きい流量の計測が不能となり、液面レベルの検出の応答性も低くなる。
【０００７】
上述の問題点を解決することのできる超音波送受波器を本出願人等は提案した（例えば、特許文献１参照。）。図３は、このような従来技術に基づく超音波送受波器を説明するための図である。図３（Ａ）は、図３（Ｂ）の矢視Ａ−Ａ線方向に見た部分断面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の矢視Ｂ−Ｂ線方向に見た図で、図中、１は超音波送受波器、２は圧電素子、３はインピーダンス整合層、４は一体構成の上端部４ａ、下端部４ｂ、くびれ部４ｃから成る弾性体、５は空間、６はケーシング、７は固定用の樹脂部材である。図４は、図３に例示したような構成の超音波送受波器を、測定管に取り付けた状態で示す図である（圧電素子の図示を省略）。
【０００８】
図示した超音波送受波器１は、例えば、ステンレス鋼の円筒状のケーシング６を有し、底部端面中央位置に面接合された円板状で圧電定数ｄ₃₃の圧電素子２とインピーダンス整合層３とがインピーダンス整合層３を下部に露出して設置している。圧電素子２とインピーダンス整合層３とは，超音波送受波素子となるもので、該超音波送受波素子とケーシング６との間には、弾性体４が介装されている。弾性体４の中央部には、小径のくびれ部４ｃを設けており、くびれ部４ｃで上下区画された上部の上端部４ａの外周面がケーシング６の内壁面に固着され、更に、上端面は樹脂部材７に接合されている。下部の下端部４ｂは、上端部４ａより小径でケーシング６との間に隙間を有し、くびれ部４ｃに懸架されている。前記超音波送受波素子は下端部４ｂに同軸であり、圧電素子２のリード線（図示せず）は、弾性体４と樹脂部材７を貫通し外部に導出している。
【０００９】
上述の構造においては、弾性体４の下端部４ｂはケーシング６との間に隙間を有しくびれ部４ｃに懸架され、下端部４ｂの外周面に設けた３個以上の点状の突起８でケーシング６に同軸に支持されている。点状の突起８を設けたため、くびれ部４ｃ近傍の空間５は超音波を送受波する空間に連通し、弾性体４は常に安定した状態を保っている。
【００１０】
以上の構造を持った超音波送受波器１において、圧電素子２が駆動パルスの立ち下げで駆動されたとき、弾性体４のばね力と下端部４ｂの質量とからなる振動系により、軸方向に圧縮・伸長する圧電交番歪を生じ、インピーダンス整合層３を介して超音波を送受波する外部媒体との音響インピーダンスが整合され、圧電素子２単体の場合より効率よく超音波を発射する。同時に、弾性体４の下端部４ｂも振動し、この振動は、中央部のくびれ部４ｃに伝播する。しかし、この振動は、くびれ部４ｃの断面積が小さく内部摩擦が大きいことと、空間５によるダンピング作用のため制動され、圧電交番歪は急速に減衰する。
【００１１】
しかしながら、このような送受波器は、圧電素子２を包む弾性体４と周囲のケーシング６との間に隙間が存在する。この隙間に流体中の水分などの液体が入ると、液体によって圧電素子２を包む弾性体４はケーシング６に架橋した状態となる。こうなると、超音波は気体中に伝搬せず、より伝わりやすいケーシング６側へ伝搬してしまい、結果として超音波の送受波に支障を来し、計測不良を起こす場合がある。
【００１２】
【特許文献１】
特許第２８８３０５７号
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、配管を伝搬する超音波を減少し、超音波発振の持続時間を短くし、応答性の優れた流量または液面レベルの計測を、先に提案した超音波送受波器と同様に可能にしつつ、加えて、圧電素子を包む弾性体部分とケーシングとの隙間を確保しながら、液体の浸入を防ぐことを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波送受波器は、一端側、他端側、及びそれらの中間位置に設けられた小径のくびれ部を有する弾性体と、該弾性体の該他端側で超音波送受波面を露出するように弾性体によって周囲を囲まれた超音波送受波素子と、弾性体を一端側でのみで固着するケーシングとを有する。この弾性体のくびれ部とケーシング間の空間は、超音波を送受波する空間と連通している。本発明は、この弾性体の他端側とケーシングとの間の隙間の入口に、封止部材をコーティングしたことを特徴としている。或いは、封止部材として、隙間の入口近くにおいて、ケーシングの内面側にＯリングを備えることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を具体化する超音波送受波器を、測定管に取り付けた状態で示す図である（圧電素子の図示を省略）。このような超音波流量計は、前述した従来技術と同様に、被測定流体が流れる測定管１１に対して角度を持って、対向して設けられている支持管１２と１３に取り付けることができる。
【００１６】
この超音波送受波器は、弾性体下部の下端部４ｂとケーシング６との間の隙間の入口に、封止部材がコーティングされているのを除いて、図３及び図４を参照して前述した構成と同一に構成することができる。封止部材としては、超音波信号の過度な減衰を防ぎ、また耐水性、耐油性などの耐環境性能を確保することのできる、例えばシリコンゴムを用いることができる。
【００１７】
圧電素子を包む弾性体部分のくびれによって配管を伝搬する超音波を減少し、超音波送受波の繰り返し周期を短くすることができることは前述した通りである。この効果を発揮するためには、弾性体４とケーシング６との間の隙間は必要であるが、本発明は、この隙間を確保しながら液体の浸入を防ぐため、隙間の入口にシリコンゴムをコーティングしたものである。
【００１８】
図示した超音波送受波器１は、前述したように、例えば、ステンレス鋼の円筒状のケーシング６を有し、底部端面中央位置に面接合された円板状で圧電定数ｄ₃₃の圧電素子（図示省略）とインピーダンス整合層（図示省略）とが、インピーダンス整合層を下部に露出して設置している。圧電素子とインピーダンス整合層とは，超音波送受波素子となるもので、該超音波送受波素子とケーシング６との間には、弾性体４（一体構成の上端部４ａ、下端部４ｂ、くびれ部４ｃ）が介装されている。弾性体４の中央部に設けられた小径のくびれ部４ｃで上下区画された上部の上端部４ａの外周面がケーシング６の内壁面に固着されている。下部の下端部４ｂは、上端部４ａより小径でケーシング６との間に隙間を有し、くびれ部４ｃに懸架されている。超音波送受波素子は下端部４ｂに同軸であり、圧電素子のリード線（図示せず）は、弾性体４と樹脂部材を貫通し外部に導出している。
【００１９】
以上の構造を持った超音波送受波器１において、圧電素子が駆動パルスの立ち下げで駆動されたとき、前述したように、弾性体４のばね力と下端部４ｂの質量とからなる振動系により、軸方向に圧縮・伸長する圧電交番歪を生じ、インピーダンス整合層を介して超音波を送受波する外部媒体との音響インピーダンスが整合され、圧電素子単体の場合より効率よく超音波を発射する。同時に、弾性体４の下端部４ｂも振動し、この振動は、中央部のくびれ部４ｃに伝播する。しかし、この振動は、くびれ部４ｃの断面積が小さく内部摩擦が大きいことと、空間５によるダンピング作用のため制動され、圧電交番歪は急速に減衰する。
【００２０】
なお、図２及び図３を参照して説明した従来技術においては、弾性体４の下端部４ｂが、例えば、下端部４ｂの外周面に設けた３個以上の点状の突起８等の支持部材によって、ケーシング６に同軸に支持されている。これによって、くびれ部４ｃ近傍の空間５は超音波を送受波する空間に連通し、弾性体４は常に安定した状態を保っている。同様に、図１に例示の構成においても、弾性体下部の下端部４ｂとケーシング６との間の隙間の入口にコーティングした封止部材に加えて、弾性体４の下端部４ｂをケーシング６に同軸に支持するための支持部材を設けることができる。図１においては、この支持部材は、下端部４ｂの外周面に設けた３個以上の点状の突起８を、軸方向の上下２カ所に設けたものとして例示してある。
【００２１】
図５は、本発明を具体化する図１の超音波送受波器とは別の例を示す図である。この超音波送受波器は、図１に示した隙間の入口にコーティングしたシリコンゴムの封止部材に代えて、封止部材として円周状のＯリングを、弾性体下部の下端部４ｂとケーシング６との間の隙間の入口近くに備える。このＯリングは、図示したように、隙間の入口近くにおいて、円筒状ケーシングの内面側に円周溝を設け、この円周溝内に収容する。これによって、図１に示したシリコンゴムの封止部材と同様に、弾性体４とケーシング６との間に隙間を確保しながら液体の浸入を防ぐことができる。Ｏリングによる封止部材の材質としては、図１に例示のコーティングした封止部材と同様に、超音波信号の過度な減衰を防ぎ、また耐水性、耐油性などの耐環境性能を確保することのできる、例えばシリコンゴムを用いることができる。Ｏリング以外の構成については、図１と同様な構成にすることができるので、その説明は省略する。
【００２２】
【発明の効果】
本発明は、弾性体の他端側とケーシングとの間の隙間の入口或いは入口近くに、封止部材を備えたことにより、配管を伝搬する超音波を減少し、超音波発振の持続時間を短くし、応答性の優れた流量または液面レベルの計測を、先に提案した超音波送受波器と同様に可能にしつつ、加えて、圧電素子を包む弾性体部分とケーシングとの隙間を確保しながら、液体の浸入を防ぐことができる。
【００２３】
本発明は、これによって、超音波信号の過度な減衰を防ぎ、また耐水性、耐油性などの耐環境性能を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化する超音波送受波器を、測定管に取り付けた状態で示す図である。
【図２】従来の超音波の伝播時間差法による超音波流量計を説明するための図である。
【図３】特許第２８８３０５７号に記載の従来技術に基づく超音波送受波器を説明するための図である。
【図４】図３に例示したような構成の超音波送受波器を、測定管に取り付けた状態で示す図である。
【図５】本発明を具体化する図１に示す超音波送受波器とは別の例を示す図である。
【符号の説明】
１ 超音波送受波器
２ 圧電素子
３ インピーダンス整合層
４ 弾性体
５ 空間
６ ケーシング

Claims (5)

1. 一端側、他端側、及びそれらの中間位置に設けられた小径のくびれ部を有する弾性体と、該弾性体の該他端側で超音波送受波面を露出するように前記弾性体によって周囲を囲まれた超音波送受波素子と、前記弾性体を前記一端側でのみで固着するケーシングとを有し、前記弾性体の前記くびれ部と前記ケーシング間の空間が、前記弾性体の他端側と前記ケーシングとの間に設けられた隙間を介して、超音波を送受波する空間と連通した超音波送受波器において、
   前記弾性体の前記他端側と前記ケーシングとの間の前記隙間の入口或いは入口近くに、封止部材を備えたことを特徴とする超音波送受波器。
2. 前記封止部材が、前記隙間の入口にコーティングしたシリコンゴムである請求項１に記載の超音波送受波器。
3. 前記封止部材が、前記隙間の入口近くにおいて、前記ケーシングの内面側に備えたＯリングである請求項１に記載の超音波送受波器。
4. 超音波流量計或いは超音波レベル計に使用される請求項１に記載の超音波送受波器。
5. 前記超音波送受波素子は、圧電素子と、該圧電素子の超音波送受波面と超音波を送受波する外部媒体との間に設けられた音響インピーダンスをマッチングするためのインピーダンス整合層とから成る請求項１に記載の超音波送受波器。

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