JP4775006B2

JP4775006B2 - 超音波送受波器および超音波流量計

Info

Publication number: JP4775006B2
Application number: JP2006020272A
Authority: JP
Inventors: 明久足立
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-01-30
Filing date: 2006-01-30
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2026-01-30
Also published as: JP2007199003A

Description

本発明は、超音波パスル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や流速の計測を行う超音波流量計に関するものである。

従来、この種の超音波流量計に用いる超音波送受波器は、図９に示すようにケース１の天面２に薄肉部３と厚肉部４を設け、この肉厚部４に圧電体５を接着固定することにより指向性に異方性を与えていた（例えば、特許文献１参照）。また図１０に示すようにケース１に開ける穴６の形状の工夫やケース１の側壁に掘り込み７を設けることにより指向性に異方性を与えていた（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−３２５９４号公報特開２００２−２０９２９４号公報

しかしながら、前記図９のような従来の構成では、ケースの天面の厚み情報を外部から観察することができないため指向性を推定することができない。また前記図１０のような従来の構成では、ケースの側壁に設けた掘り込みから指向性は推定できるが、掘り込みが外部から観察できない例えば超音波流量計の流量測定部に一対の超音波送受波器を対向させて取り付ける場合には、一対の超音波送受波器の指向性を調整するのは困難である。このため指向性を所定の方向に設定することができず、送受信感度が低下するため計測精度が低下するという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、超音波送受波器の外観から超音波送受波器の指向性情報を推定可能とする超音波送受波器を提供することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波送受波器は、天部と側壁部とフランジ部を有する有天筒状のケースと、その天部の内壁面に接続された圧電体と、圧電体を封止するようにフランジ部に接続された端子板からなる超音波送受波器において、超音波送受波器の外観から超音波送受波器の指向性情報を推定可能とする方向識別手段を構成したものである。

これにより一対の超音波送受波器を対向させて利用する場合、超音波送受波器の方向識別手段を用いれば超音波送受波器の指向性が所定の方向になるように配置することができる。

超音波送受波器の方向識別手段を用いれば超音波送受波器の外観から超音波送受波器の指向性情報を推定可能となり、超音波送受波器の指向性を所定の方向に制御することにより送受信感度の低下を防止することができ、測定精度の低下を防ぐことが可能となる。

第１の発明は、超音波の指向性に異方性を有し、圧電体をケース内に封止した超音波送受波器であって、超音波送受波器の外観から超音波送受波器の指向性情報を推定可能とす
る方向識別手段を備えたため、超音波送受波器の指向性を所定の方向に制御することが容易となり、送受信感度の低下を防止することができ、測定精度の低下を防ぐことが可能となる。

第２の発明は、特に、第１の発明の超音波送受波器は天部と側壁部とフランジ部を有する有天筒状のケースと、天部の内壁面に接続された圧電体と、圧電体を封止するようにフランジ部に接続された端子板からなり、その端子板の外側表面に方向識別手段を設けたため、超音波送受波器の指向性を所定の方向に制御することが容易となり、送受信感度の低下を防止することができ、測定精度の低下を防ぐことが可能となる。

第１の発明は、超音波の指向性に異方性を有し、天部と側壁部とフランジ部を有する有天筒状のケースと、前記天部の内壁面に接続された圧電体と、前記圧電体を前記ケース内に封止するように前記フランジ部に接続された端子板と、超音波送受波器の外観から前記指向性情報を推定可能とする方向識別手段とを備えた超音波送受波器であって、超音波送受波器の方向識別手段は端子板に設けた複数の外部電極端子の中の所定の２本を結んでできる直線とし、その方向識別手段が示す方向と超音波送受波器の指向性が所定の角度となるように設定するため、超音波送受波器の指向性を所定の方向に制御することが容易となり、送受信感度の低下を防止することができ、測定精度の低下を防ぐことが可能となる。

第２の発明は、特に、第１の発明の超音波送受波器の端子板に３本以上の外部電極端子を設ける場合であって、方向識別手段に用いる２本の外部電極端子は他の外部電極端子と異なる形状を備えたため、超音波送受波器の指向性を所定の方向に制御することが容易となり、送受信感度の低下を防止することができ、測定精度の低下を防ぐことが可能となる。

第３の発明は、特に、第１〜第２のいずれかの発明の超音波送受波器において、圧電体の形状が超音波送受波器の指向性に異方性を与えるため、圧電体の形状の均一化により超音波送受波器の指向性のばらつきを低減することが可能となる。

第４の発明は、ケースの天部の外壁面に整合層を備えた第１〜第３のいずれかの発明の超音波送受波器であるため、送受信感度を向上させることができ、測定精度を向上させることが可能となる。

第５の発明は、被測定流体が流れる流量測定部と、この流量測定部に設けられ超音波を送受信する第１〜第４のいずれかの発明の一対の超音波送受波器と、一方の前記超音波送受波器を駆動する駆動回路と、他方の前記超音波送受波器に接続され超音波パルスを検知する受信検知回路と、前記超音波パルスの伝搬時間を測定するタイマと、前記駆動回路と前記タイマを制御する制御部と、前記タイマの出力より流量を演算によって求める演算部とを備えた超音波流量計であって、前記超音波流量計では前記超音波送受波器の前記端子板の外側表面のみ観測可能となるよう配置されており、前記超音波送受波器の取付角度は一方の超音波送受波器の方向識別手段が示す方向と他方の超音波送受波器の方向識別手段が示す方向が所定の角度となるように設定したため、超音波送受波器の指向性を所定の方向に制御することが容易となり、送受信感度の低下を防止することができ、測定精度の低下を防ぐことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお図面中で同一符号を付しているものは同一なものであり、詳細な説明は省略する。また、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における超音波送受波器を用いた超音波流量計の概略構成図である。図１において、８は被測定流体が流れる流量測定部、９、１０は流量測定部８の流れの方向に対し斜めに対向して配置された超音波送受波器、１１は超音波送受波器９、１０の使用周波数を発信する発振回路、１２は発振回路１１に接続され超音波送受波器９、１０を駆動する駆動回路、１３は送受信する超音波送受波器を切り替える切替回路、１４は超音波パルスを検知する受信検知回路、１５は超音波パルスの伝搬時間を計測するタイマ、１６はタイマ１５の出力より流量を演算する演算部、１７は駆動回路１２とタイマ１５に制御信号を出力する制御部である。

上記のように構成される超音波流量計の動作を説明する。本実施例では被測定流体を都市ガス、超音波流量計として家庭用ガスメータを想定し、流量測定部８を構成する材料をアルミニウム合金ダイカストとする。

また超音波送受波器９、１０の使用周波数には約５００ｋＨｚを選択する。発振回路１１は例えばコンデンサと抵抗で構成され約５００ｋＨｚの方形波を発信し、駆動回路１１では発振回路１１の信号から超音波送受波器９を駆動するため方形波が３波のバースト信号からなる駆動信号を出力可能とする。また測定手段には測定流量の分解能を向上するため、シングアラウンド法を用いる。

制御部１７では駆動回路１２に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ１５の時間計測を開始させる。駆動回路１２は送信開始信号を受けると超音波送受波器９を駆動し、超音波パルスを送信する。送信された超音波パルスは流量測定部８内を伝搬し超音波送受波器１０で受信される。受信された超音波パルスは超音波送受波器１０で電気信号に変換され、受信検知回路１４に出力される。受信検知回路１４では受信信号の受信タイミングを決定し、制御部１７に受信検知信号を出力する。制御部１７では受信検知信号を受けると、あらかじめ設定した遅延時間ｔｄ経過後に再び駆動回路１２に送信開始信号を出力し、２回目の計測を行う。この動作をＮ回繰返した後、タイマ１５を停止させる。演算部１６ではタイマ１５で測定した時間を測定回数のＮで割り、遅延時間ｔｄを引いて伝搬時間ｔ１を演算する。

引き続き切替回路１３で駆動回路１２と受信検知回路１４に接続する超音波送受波器を切り替え、再び制御部１７では駆動回路１２に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ１５の時間計測を開始させる。伝搬時間ｔ１の測定と逆に、超音波送受波器１０で超音波パルスを送信し、超音波送受波器９で受信する計測をＮ回繰返し、演算部１６で伝搬時間ｔ２を演算する。

ここで、超音波送受波器９と超音波送受波器１０の中心を結ぶ距離をＬ、空気の無風状態での音速をＣ、流量測定部８内での流速をＶ、非測定流体の流れの方向と超音波送受波器９と超音波送受波器１０の中心を結ぶ線との角度をθとすると、伝搬時間ｔ１、ｔ２は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）（１）
ｔ２＝Ｌ／（ＣーＶｃｏｓθ）（２）
で示される。（１）（２）式より音速Ｃを消去して、流速Ｖを求めると
Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２）（３）
が得られる。Ｌ、θは既知であるのでｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。この流速Ｖと流量測定部８の面積をＳ、補正係数をＫとすれば、流量Ｑは
Ｑ＝ＫＳＶ（４）
で演算できる。

以上のような動作原理で流量計測を行う超音波流量計に用いる超音波送受波器について
、図２から図５を用いて説明する。

図２は実施の形態１の超音波送受波器の外観図、図３は超音波送受波器の断面図、図４は超音波送受波器に用いる圧電体の外観図である。図２において、超音波送受波器９（超音波送受波器９と超音波送受波器１０は同じ構成）は、有天筒状のケース１８と、ケース１８の天部１８ａの外側に設けた整合層２０と、ケース１８のフランジ部１８ｂに接続された端子板１９からなる。また図３において、超音波送受波器９は、ケース１８の天部１８ａの内側に接続された圧電体２１と、外部電極端子２２、２３を備えた端子板１９と、外部電極端子２２と圧電体２１を加圧接続する導電ゴム２４からなる。また図４のように、超音波送受波器９に用いる圧電体２１は、２１ａと２１ｂの２つ面が電極面であり、長さはＬ、幅はＷ、厚みはＴである。

例えば、超音波送受波器９に用いる圧電体２１の長さをＬ＝８ｍｍ、幅をＷ＝３とすると、電極面２１ａ（電極面２１ａと電極面２１ｂは同じ構成）は長方形となる。この超音波送受波器９の指向性は指向性関数Ｒで表すことができる。

Ｒ＝｜ｓｉｎ（ｋ・ａ・ｓｉｎθ）／ｋ・ａ・ｓｉｎθ｜（５）
Ｒは指向性関数、ｋは波数、ａ＝Ｌ／２またはａ＝Ｗ／２
（５）式のように、指向性関数Ｒは圧電体２１の長さＬや幅Ｗによって決定される。この超音波送受波器９はＬ＞Ｗとなっているので、長さＬの指向性は鋭く、幅Ｗの指向性は広くなり、楕円形のような指向性となることが推定できる。このように、圧電体２１を配置する方向により超音波送受波器９の指向性はほぼ推定可能となる。

この結果、超音波送受波器９、１０に用いている圧電体２１の電極面２１ａが互いに平行となるよう対向させた場合、送受信感度は最も大きくなる。しかし、圧電体２１はケース１８と端子板１９によって封止されているため、電極面２１ａの方向を観察することができない。さらにケース１８が円筒形であるため、電極面２１ａの方向は時計の針のごとく回転し、その方向は外観から推定することができない。

そこで、図５のように電極面２１ａの長辺をＡＡ‘、端子板１９に設けた外部電極端子２２、２３の中心を結ぶ線をＢＢ’とし、長辺ＡＡ‘と外部電極端子２２、２３を結ぶ線ＢＢ’が平行となるよう超音波送受波器９を構成する。このように構成することによって、超音波送受波器９、１０の外部電極端子２２、２３を結ぶ線ＢＢ’の方向を制御することにより、電極面２１ａの方向を制御することが可能となる。

ここで、流量測定部８に超音波送受波器９、１０を取り付ける場合を考える。前述のように圧電体２１の電極面２１ａを平行に対向させるため、外部電極端子２２、２３を結ぶ線ＢＢ‘の方向を制御する。しかし流量測定部８に超音波送受波器９、１０を取り付ける場合、２個の超音波送受波器９、１０の外部電極端子２２、２３を同時に観察することは難しい。そこで、流量測定部８の天面８ａ（あるいは底面８ｂ）に基準線ＣＣ‘を設定し、この基準線ＣＣ’と外部電極端子２２、２３を結ぶ線ＢＢ’が平行となるように、超音波送受波器９、１０をそれぞれ取り付ける。その結果、圧電体２１の電極面２１ａを平行に対向させることが可能となり、送受信感度が高くなり、流量計測精度が向上する。

なお、実施の形態１では圧電体２１は長さがＬ＝８ｍｍ、幅がＷ＝３ｍｍの直方体としたが、楕円柱や三角柱等の多角柱のように形状に異方性のある圧電体であれば構わない。また、外部電極端子２２、２３を結ぶ線ＢＢ‘と電極面２１ａの長辺ＡＡ’が平行となるよう構成するとしたが、直角で構わないし、管理可能ならば任意の角度に設定しても構わない。また電極面２１ａの長辺をＡＡ‘としたが、短辺をＡＡ’としても構わない。また超音波送受波器９に整合層２０を備える構成としたが、被測定流体によっては整合層２０
を備える必要はない。

（実施の形態２）
図６は実施の形態２の端子板側から見た超音波送受波器の外観図である。８は流量測定部、８ａは流量測定部８の天面、８ｂは流量測定部８の底面、１９は端子板、２１ａは封止された圧電体２１の電極面、２２と２３は端子板１９に備えた外部電極端子で、以上は図５の構成と同様なものである。図５の構成と異なるのは、端子板１９に３つめの外部電極端子２５を設けた点である。

例えば、端子板９に外部電極端子が３本あると外部電極端子２２、２３、２５を結ぶ線ＢＢ’が３本引けるため、外部電極端子２２、２３、２５を結ぶ線ＢＢ’と電極面２１ａの長辺ＡＡ‘とを平行に設定することが難しくなる。そこで、外部電極端子２２、２３の太さを太くし、外部電極端子２５を細くする。このように太さの違う外部電極端子２２、２３、２５を用いることにより、太い外部電極端子２２、２３を結ぶ線をＢＢ‘とすれば、圧電体２１の方向を制御することが可能となる。

以上のように構成された超音波送受波器の流量測定部８への取付方法、超音波流量計の動作原理は実施の形態１と同様なので省略する。

なお、実施の形態２では、外部電極端子２２、２３を太く、外部電極端子２５を細くするとしたが、外部電極端子２２、２３と外部電極端子２５が区別可能ならば、外部電極端子２２、２３、２５の形状やガラスハーメチックの色などを変更しても構わない。また外部電極端子２２、２３、２５を３本としたが、外部電極端子２２、２３の２本と他の外部電極端子が区別できるのであれば、外部電極端子は４本以上あっても構わない。

（実施の形態３）
図７は実施の形態３の端子板側から見た超音波送受波器の外観図である。８は流量測定部、８ａは流量測定部８の天面、８ｂは流量測定部８の底面、１９は端子板、２１ａは封止された圧電体２１の電極面、２２と２３は端子板１９に備えた外部電極端子で、以上は図５の構成と同様なものである。図５の構成と異なるのは、端子板１９に方向識別手段として方向指示線２６を設けた点である。

電極面２１ａの長辺ＡＡ‘と方向指示線２６が平行になるよう端子板１９を配置した後に、圧電体２１を端子板１９で封止する。このような位置関係となるように端子板１９を配置すれば、圧電体２１の方向を制御することができ、その結果超音波送受波器９の指向性を制御することが可能となる。

なお、実施の形態３では、方向識別手段を方向指示線２６としたが、方向指示が可能ならば文字や２次元バーコードなどの記号でも構わない。また電極面２１ａの長辺ＡＡ’と方向指示線２６が平行となるよう構成するとしたが、直角で構わないし、管理可能ならば任意の角度に設定しても構わない。

また実施の形態１〜３では、圧電体２１は長さＬと幅Ｗが異なる寸法としたが、図８のように電極面２１ａに溝２７を設けた形状でも構わない。また、圧電体２１の長さＬと幅Ｗを異なる寸法にすることで指向性に異方性を与えるとしたが、背景技術の構成（図９、図１０）に方向識別手段を設けても構わない。

以上のように、本発明にかかる超音波送受波器は、超音波送受波器の外観から指向性情報を推定することが可能となるので、送受信感度の低下を防止することができ、測定精度の低下を防ぐことが可能となるので、家庭用のガスメータや水道メータや燃料電池の水素ガスの流量計測器や車のバックソナー等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における超音波流量計の概略構成図実施の形態１の超音波送受波器の外観図実施の形態１の超音波送受波器の断面図実施の形態１の圧電体の外観図実施の形態１の超音波送受波器の流量計測部への取り付け構成図実施の形態２の端子板側から見た超音波送受波器の外観図実施の形態３の端子板側から見た超音波送受波器の外観図圧電体の一例を示す外観図従来の超音波送受波器の断面図従来の超音波送受波器の断面図

８流量測定部
９超音波送受波器
１０超音波送受波器
１２駆動回路
１４受信検知回路
１５タイマ
１６演算部
１７制御部
１８ケース
１８ａ天部
１８ｂフランジ部
１９端子板
２０整合層
２１圧電体
２２外部電極端子
２３外部電極端子
２５外部電極端子
２６方向指示線

Claims

超音波の指向性に異方性を有し、天部と側壁部とフランジ部を有する有天筒状のケースと、前記天部の内壁面に接続された圧電体と、前記圧電体を前記ケース内に封止するように前記フランジ部に接続された端子板と、超音波送受波器の外観から前記指向性情報を推定可能とする方向識別手段とを備えた超音波送受波器であって、
前記方向識別手段は前記端子板に設けた複数の外部電極端子の中の所定の２本を結んでできる直線とし、前記方向識別手段が示す方向と超音波送受波器の指向性が所定の角度となるように設定する超音波送受波器。
端子板に３本以上の外部電極端子を設ける場合であって、方向識別手段に用いる２本の外部電極端子は他の外部電極端子と異なる形状を備えた請求項１記載の超音波送受波器。
圧電体の形状が超音波送受波器の指向性に異方性を与える請求項１または２に記載の超音波送受波器。
ケースの天部の外壁面に整合層を備えた請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波送受波器。
被測定流体が流れる流量測定部と、この流量測定部に設けられ超音波を送受信する請求項１〜４のいずれか１項記載の一対の超音波送受波器と、一方の前記超音波送受波器を駆動する駆動回路と、他方の前記超音波送受波器に接続され超音波パルスを検知する受信検知回路と、前記超音波パルスの伝搬時間を測定するタイマと、前記駆動回路と前記タイマを制御する制御部と、前記タイマの出力より流量を演算によって求める演算部とを備えた超音波流量計であって、前記超音波流量計では前記超音波送受波器の前記端子板の外側表面のみ観測可能な特徴を有し、前記超音波送受波器の取付角度は一方の超音波送受波器の方向識別手段が示す方向と他方の超音波送受波器の方向識別手段が示す方向が所定の角度となるように設定した超音波流量計。