特開 2022-159655 超音波送受波器及び超音波流量計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022159655

(43)【公開日】2022-10-18

(54)【発明の名称】超音波送受波器及び超音波流量計

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/66 20220101AFI20221011BHJP

   H04R 17/00 20060101ALI20221011BHJP

【ＦＩ】

G01F1/66 A

H04R17/00 330G

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021063986

(22)【出願日】2021-04-05

(71)【出願人】

【識別番号】000116633

【氏名又は名称】愛知時計電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112472

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 弘

(74)【代理人】

【識別番号】100202223

【弁理士】

【氏名又は名称】軸見 可奈子

(72)【発明者】

【氏名】田中 雅子

(72)【発明者】

【氏名】堀田 浩之

(72)【発明者】

【氏名】松岡 幸広

【テーマコード（参考）】

2F035

5D019

【Ｆターム（参考）】

2F035DA05

2F035DA07

2F035DA22

5D019AA15

5D019AA26

5D019EE01

5D019FF02

(57)【要約】

【課題】従来より簡素な構造で防水が図られ、ケース内の結露も防がれる超音波送受波器を提供する。
【解決手段】本開示の超音波送受波器２０では、ケース２０Ａ内のうち１対の端子金具２１と、圧電素子３０の第１と第２の電極３２，３３との接続部分が配置される接続部屋２２Ｎに絶縁性流体６０が充填されているので、簡素な構造で防水が図られ、ケース２０Ａ内の結露も防がれる。ここで、超音波送受波器の圧電素子には、超音波を発生させるために高周波の電圧が印加されるため、一般的な回路の防水用のポッティング材では、圧電素子の１対の電極の間又は１対の導電部材の間の短絡が問題になるが、本開示においてケース内に充填される絶縁性流体は、比誘電率が５以下であるので、上記短絡の問題が解消される。しかも、一般的なポッティング材のようには固化しない絶縁性流体であるので超音波生成の妨げにもなり難い。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧電素子が貼着している振動板で一部を構成されたケース内で、前記圧電素子の１対の電極に１対の導電部材が接続されている超音波送受波器において、
前記ケース内のうち前記圧電素子の１対の電極と前記１対の導電部材との接続部分に、比誘電率が５以下の絶縁性流体が充填されている超音波送受波器。

【請求項2】

前記絶縁性流体は、シリコーンオイルである請求項１に記載の超音波送受波器。

【請求項3】

前記絶縁性流体は、シリコーンオイルを基油とし、ちょう度が２００以上であるシリコーングリス又はシリコーンオイルコンパウンドである請求項１に記載の超音波送受波器。

【請求項4】

前記１対の電極は、前記圧電素子のうち前記振動板と反対側の後面に配置され、
前記ケース内に前記圧電素子が嵌合される嵌合部が設けられて、前記ケース内が前記圧電素子により前後に区画され、
前記絶縁性流体は、前記ケース内のうち前記圧電素子より後側の接続部屋に充填されている請求項１から３の何れか１の請求項に記載の超音波送受波器。

【請求項5】

前記ケースは、前記嵌合部を前端に備えるケース本体と、前記ケース本体の外側に前側から嵌合され、前端に前記振動板を有するキャップ部材と、を含んでなる請求項４に記載の超音波送受波器。

【請求項6】

前記ケース本体には、前記圧電素子との間に前記接続部屋を挟んで対向する後部壁が備えられ、
前記１対の導電部材は、前記後部壁を貫通しかつ前記圧電素子の前記１対の電極に当接する弾性当接部を有する１対の端子金具であり、
前記後部壁には、前記接続部屋に前記絶縁性流体を注入するための注入孔が形成されている請求項５に記載の超音波送受波器。

【請求項7】

前記後部壁には、前記接続部屋に前記絶縁性流体が注入されたときに前記接続部屋内の空気を逃がすガス抜き孔が備えられている請求項６に記載の超音波送受波器。

【請求項8】

前記注入孔のうち前記接続部屋に臨む開口端は、前記圧電素子の一方の電極と対向し、前記ガス抜き孔のうち前記接続部屋に臨む開口端は、前記圧電素子の他方の電極と対向する請求項７に記載の超音波送受波器。

【請求項9】

前記接続部屋は、前記圧電素子より上方に配置され、
前記ケース内には、前記絶縁性流体より上に、前記絶縁性流体より比重が小さい封止材が充填されている請求項４から８の何れか１の請求項に記載の超音波送受波器。

【請求項10】

前記ケースには、上方に延びる筒壁が備えられ、
前記筒壁の内部に前記封止材が充填されている請求項９に記載の超音波送受波器。

【請求項11】

前記ケースに設けられて前記圧電素子との間に前記接続部屋を挟んで対向する後部壁と、
前記後部壁に形成されて前記接続部屋に前記絶縁性流体を注入するための注入孔と、
前記後部壁に形成されて前記接続部屋に前記絶縁性流体が注入されたときに前記接続部屋内の空気を逃がすガス抜き孔と、が備えられ、
前記筒壁が、前記後部壁の後面から突出し、前記注入孔及び前記ガス抜き孔と連通する請求項１０に記載の超音波送受波器。

【請求項12】

計測流路を内側に有するハウジングと、
前記ハウジングに取り付けられて、前記計測流路内を流れる液体を介して超音波を送受波する請求項１から１１の何れか１の請求項に記載の１対の超音波送受波器と、を備える超音波流量計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、圧電素子を有する超音波送受波器及び超音波流量計に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の超音波送受波器として、圧電素子がケースに収容されて防水されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３－２７００１３（段落［００１５］及び図１）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記した従来の超音波送受波器に対し、構造の簡素化とケース内の結露対策が求められている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

前記課題を解決するためになされた請求項１の発明は、圧電素子が貼着している振動板で一部を構成されたケース内で、前記圧電素子の１対の電極に１対の導電部材が接続されている超音波送受波器において、前記ケース内のうち前記圧電素子の１対の電極と前記１対の導電部材との接続部分に、比誘電率が５以下の絶縁性流体が充填されている超音波送受波器である。

【0006】

請求項２の発明は、前記絶縁性流体は、シリコーンオイルである請求項１に記載の超音波送受波器である。

【0007】

請求項３の発明は、前記絶縁性流体は、シリコーンオイルを基油とし、ちょう度が２００以上であるシリコーングリス又はシリコーンオイルコンパウンドである請求項１に記載の超音波送受波器である。

【0008】

請求項４の発明は、前記１対の電極は、前記圧電素子のうち前記振動板と反対側の後面に配置され、前記ケース内に前記圧電素子が嵌合される嵌合部が設けられて、前記ケース内が前記圧電素子により前後に区画され、前記絶縁性流体は、前記ケース内のうち前記圧電素子より後側の接続部屋に充填されている請求項１から３の何れか１の請求項に記載の超音波送受波器である。

【0009】

請求項５の発明は、前記ケースは、前記嵌合部を前端に備えるケース本体と、前記ケース本体の外側に前側から嵌合され、前端に前記振動板を有するキャップ部材と、を含んでなる請求項４に記載の超音波送受波器である。

【0010】

請求項６の発明は、前記ケース本体には、前記圧電素子との間に前記接続部屋を挟んで対向する後部壁が備えられ、前記１対の導電部材は、前記後部壁を貫通しかつ前記圧電素子の前記１対の電極に当接する弾性当接部を有する１対の端子金具であり、前記後部壁には、前記接続部屋に前記絶縁性流体を注入するための注入孔が形成されている請求項５に記載の超音波送受波器である。

【0011】

請求項７の発明は、前記後部壁には、前記接続部屋に前記絶縁性流体が注入されたときに前記接続部屋内の空気を逃がすガス抜き孔が備えられている請求項６に記載の超音波送受波器である。

【0012】

請求項８の発明は、前記注入孔のうち前記接続部屋に臨む開口端は、前記圧電素子の一方の電極と対向し、前記ガス抜き孔のうち前記接続部屋に臨む開口端は、前記圧電素子の他方の電極と対向する請求項７に記載の超音波送受波器である。

【0013】

請求項９の発明は、前記接続部屋は、前記圧電素子より上方に配置され、前記ケース内には、前記絶縁性流体より上に、前記絶縁性流体より比重が小さい封止材が充填されている請求項４から８の何れか１の請求項に記載の超音波送受波器である。

【0014】

請求項１０の発明は、前記ケースには、上方に延びる筒壁が備えられ、前記筒壁の内部に前記封止材が充填されている請求項９に記載の超音波送受波器である。

【0015】

請求項１１の発明は、前記ケースに設けられて前記圧電素子との間に前記接続部屋を挟んで対向する後部壁と、前記後部壁に形成されて前記接続部屋に前記絶縁性流体を注入するための注入孔と、前記後部壁に形成されて前記接続部屋に前記絶縁性流体が注入されたときに前記接続部屋内の空気を逃がすガス抜き孔と、が備えられ、前記筒壁が、前記後部壁の後面から突出し、前記注入孔及び前記ガス抜き孔と連通する請求項１０に記載の超音波送受波器である。

【0016】

請求項１２の発明は、計測流路を内側に有するハウジングと、前記ハウジングに取り付けられて、前記計測流路内を流れる液体を介して超音波を送受波する請求項１から１１の何れか１の請求項に記載の１対の超音波送受波器と、を備える超音波流量計である。

【発明の効果】

【0017】

請求項１及び請求項１２の超音波送受波器では、ケース内のうち圧電素子の１対の電極と１対の導電部材との接続部分に絶縁性流体が充填されているので、簡素な構造で防水が図られ、ケース内の結露も防がれる。ここで、ケースに充填物が充填されると、その充填物の誘電率と空気の誘電率との相違により、圧電素子の１対の電極の間の静電容量及び１対の導電部材の間の静電容量が変化する。そして、超音波送受波器の圧電素子には、超音波を発生させるために高周波の電圧が印加されるため、一般的な回路の防水用のポッティング材では、圧電素子の１対の電極の間又は１対の導電部材の間の短絡が問題になる。これに対し、本開示においてケース内に充填される絶縁性流体は、比誘電率が５以下であるので、上記短絡の問題が解消される。しかも、一般的なポッティング材のようには固化しない絶縁性流体であるので超音波生成の妨げにもなり難い。

【0018】

絶縁性流体は、例えば、気体を除いて固化しない性質を有する液状、ゲル状又はペースト状の物質であって、シリコーンオイルや、シリコーンオイルを基油とし、ちょう度が２００以上であるシリコーングリス又はシリコーンオイルコンパウンドが好ましい（請求項３の発明）。

【0019】

また、圧電素子の１対の電極を、請求項４の超音波送受波器のように、振動板と反対側の後面に配置して、絶縁性流体は、ケース内のうち圧電素子より後側の接続部屋に充填される構成としてもよい。

【0020】

また、請求項５の超音波送受波器では、ケースが、圧電素子を嵌合する嵌合部を前端に備えるケース本体と、ケース本体の前端から嵌合するキャップ部材とを有し、キャップ部材の前端に振動板を備えているので、容易に圧電素子と振動板とを組み付けることができる。さらに、請求項６の超音波送受波器のように、ケース本体に、１対の導電部材としての１対の端子金具を保持する後部壁を備え、後部壁と圧電素子との間に接続部屋を備えて、後部壁に、接続部屋に絶縁性流体を注入するための注入孔を備えた構成とすれば、１対の導電部材と圧電素子とを接続してケースを組み立てた後で、注入孔を介して絶縁性流体をケース内に容易に充填することができる。

【0021】

さらに、請求項７の超音波送受波器のように、後部壁にガス抜き孔を備えて、接続部屋に絶縁性流体が注入されたときに接続部屋内の空気を逃がすことで、接続部屋を絶縁性流体で充填しやすくなる。また、請求項８の超音波送受波器のように、注入孔のうち接続部屋に臨む開口端を、圧電素子の一方の電極と対向するように配置し、ガス抜き孔のうち接続部屋に臨む開口端を、圧電素子の他方の電極と対向するように配置すれば、注入孔から絶縁性流体を注入し、ガス抜き孔に絶縁性流体が到達するまで充填することで、１対の電極間を絶縁性流体で確実に覆うことができる。

【0022】

ここで、絶縁性流体は、請求項９の超音波送受波器のように、接続部屋が圧電素子より上方に配置され、ケース内に充填された絶縁性流体が、絶縁性流体より比重が小さい封止材により封止されていてもよい。封止材は、例えば、ケースに備えられて上方に延び、注入孔及びガス抜き孔と連通する筒壁の内部に充填された構成とすることができる（請求項１０，１１の発明）。また、絶縁性流体と封止材との界面に蓋部材が配置されてもよい。また、封止材は、固化しない性質を有する液状、ゲル状又はペースト状の物質であってもよいし、筒部の内部で硬化して固定されてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本開示の一実施形態に係る超音波流量計の断面図

【図2】図１のＡ－Ａ切断面における分岐管の断面図

【図3】超音波送受波器の側断面図

【図4】圧電素子の（Ａ）側断面図、（Ｂ）後面図

【図5】超音波送受波器の（Ａ）図３のＢ―Ｂ切断面における断面図、（Ｂ）後面側から見た正面図

【図6】圧電素子が備えられたキャップの（Ａ）後面図、（Ｂ）側断面図

【図7】確認実験の結果を示すグラフ

【図8】他の実施形態に係る圧電素子が備えられたキャップの（Ａ）後面図、（Ｂ）側断面図

【図9】他の実施形態に係る超音波送受波器の図３のＢ―Ｂ切断面における断面図

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、図１～図６を参照して、本開示の超音波流量計１０の一実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の超音波流量計１０は、計測スリーブ１１と、この計測スリーブ１１と斜めに交差する分岐管１３とを有するハウジング１０Ａを備え、分岐管１３の両端部に１対の超音波送受波器２０を備えている。計測スリーブ１１は、例えば、配管の途中に取り付けられ、内側の計測流路１２には、液体が流れる。

【0025】

分岐管１３は、計測流路１２に連通して、円筒状をなし、その両端部は、図２に示すように、鉛直方向上方に曲げられて、上端開口を有する１対の受容部１４となっている。そして、各受容部１４の上端開口に、送受波面が下方を向くように配置された超音波送受波器２０が嵌合されている。また、分岐管１３には、各超音波送受波器２０の下方に、水平方向に対して４５度の傾きで保持された反射板８０が備えられ、図示しない信号処理回路により１対の超音波送受波器２０，２０の間で超音波を送受波させると、一方の超音波送受波器２０から送波された超音波が、各反射板８０で反射されて他方の超音波送受波器２０に到達する構成となっている。そして、公知な超音波流量計と同様に、一方の超音波送受波器２０から他方の超音波送受波器２０までの超音波の伝播時間と、他方の超音波送受波器２０から一方の超音波送受波器２０までの超音波の伝播時間とに基づき、計測流路１２内を流れる液体の流量を計測する。

【0026】

超音波送受波器２０は、図３に示すように、ケース本体２２と、ケース本体２２の前端部を閉塞するキャップ部材４０と、を有するケース２０Ａで全体が覆われている。そして、ケース本体２２が１対の端子金具２１を保持し（図３には、一方の端子金具２１のみが示されている）、その前端に、キャップ部材４０に貼着された圧電素子３０が固定された構造をなしている。以下、端子金具２１が延びる方向を前後方向とし、端子金具２１に対して圧電素子３０が配置される側を前側と呼ぶこととする。なお、超音波送受波器２０は、その前端が、前述の受容部１４の上端開口において、下方を向いて配置される。

【0027】

圧電素子３０は、図４（Ａ）に示すように、第１と第２の電極３２，３３と、これら電極３２，３３により挟まれる圧電部３１とを有する。圧電部３１は、円盤状をなし、電圧が印可されることによって電圧印加方向に伸縮するものであり、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛等で構成される。

【0028】

第１の電極３２は、圧電部３１の後面３１Ｂの中央部分に配置され、平面視形状は、図４（Ｂ）に示すように、円形の一部が切り欠かれた凹状部３２Ｅを有する形状となっている。第２の電極３３は、図４（Ａ）に示すように、圧電部３１の前面３１Ａ全体を覆う前面電極部３３Ａと、圧電部３１の後面３１Ｂの外縁に配置される後面電極部３３Ｃと、圧電部３１の側面に配置されて前面電極部３３Ａと後面電極部３３Ｃとを接続する側面電極部３３Ｂとを有している。なお、後面電極部３３Ｃのうち、第１の電極３２の凹状部３２Ｅとの対向面は、図４（Ｂ）に示すように、凹状部３２Ｅに沿った円弧面となっている。

【0029】

ケース本体２２は、樹脂製であって、図３に示すように、前端に、圧電素子３０が嵌合する嵌合部２３を備えている。嵌合部２３は、圧電素子３０の中心軸Ｊ１と同心の円筒状をなし、内周面には、前端側に縮径する段差面が備えられて、その段差面に圧電素子３０の後面が突き当てられている。

【0030】

また、ケース本体２２は、嵌合部２３に嵌合された圧電素子３０の後側に、１対の端子金具２１が貫通する後部壁２２Ａを備えている。そして、圧電素子３０と後部壁２２Ａとの間に接続部屋２２Ｎが形成されている。接続部屋２２Ｎは、図５（Ａ）に示すように、前後方向における断面が、隣接する大円と小円の外縁を囲った形状をなしていて、接続部屋２２Ｎ内に、圧電素子３０の後面の第１の電極３２の一部と第２の電極３３の後面電極部３３Ｃの一部とが露出している。そして、１対の端子金具２１は、前端に図示しない弾性当接部を備えて、接続部屋２２Ｎ内で、第１の電極３２と、第２の電極３３の後面電極部３３Ｃとに当接している。また、後部壁２２Ａには、図３に示すように、前後方向に貫通し、前端が接続部屋２２Ｎと連通する１対の貫通孔２７，２８が形成されている。なお、１対の貫通孔のうち一方の貫通孔２７は、内部空間２２Ｎのうち前述の小円部分と連通し、他方の貫通孔２８は、内部空間２２Ｎのうち前述の大円部分と連通するように配置されている。

【0031】

１対の端子金具２１の後端部は、後部壁２２Ａの後面から突出し、リード線２１Ｒに接続されている。リード線２１Ｒは、外側を絶縁性樹脂（例えば、ポリ塩化ビニル）の被覆材で覆われて後方に延ばされ、後述する延長スリーブ５０の内側に通されて外部へ引き出されて、前述の信号処理回路に接続されている。

【0032】

また、ケース本体２２の後端部には、側方に張り出す側方張出部２５が備えられている。そして、側方張出部２５の後面からは、後方に突出して、後部壁２２Ａから突出する１対の端子金具２１を外側から囲む円筒状の後側突部２６が備えられている。

【0033】

また、後側突部２６は、接続部屋２２Ｎと連通する１対の貫通孔２７，２８と連通する。詳細には、図５（Ｂ）に示すように、１対の貫通孔２７，２８は、後側突部２６の内側で、その軸方向と交差する方向で最も離れた位置に配置される。これにより、１対の貫通孔２７，２８は、接続部屋２２Ｎに対して、軸方向と交差する方向で概ね最も離れた位置に配置される。そして、図５（Ａ）に示すように、１対の貫通孔２７，２８のうち一方の貫通孔２７の前端開口が、圧電素子３０の第２の電極３３の後面電極部３３Ｃと対向し、他方の貫通孔２８の前端開口が、圧電素子３０の第１の電極３２と対向するように配置される。なお、後部壁２２Ａの後面のうち後側突部２６の内側と重なる部分は、側方張出部２５の後面よりも後方に配置されている（図３参照）。

【0034】

また、後側突部２６には、金属製の延長スリーブ５０が外側から嵌合している。延長スリーブ５０は、後側突部２６より後方に延び、リード線２１Ｒが通される後側は、前側よりも小径となっている。また、延長スリーブ５０の前端部に、金属製のフランジ部５１が蝋付け、溶接又は接着されている。フランジ部５１は、延長スリーブ５０の前端部から側方に張り出して側方張出部２５の後面全体を覆っている。フランジ部５１の外縁部は、後述するキャップ部４０の後端に蝋付け、溶接又は接着されている。なお、本実施形態の後側突部２６及び延長スリーブ５０が、特許請求の範囲の「筒壁」に相当する。

【0035】

キャップ部材４０は、導電性を有する材料、例えば、鉄、ステンレス、銅、アルミ等の金属で形成される。キャップ部材４０は、図３に示すように、ケース本体２２の外側面に嵌合される円筒状のリング部４１と、リング部４１の前端を閉塞する振動板４７とを備えている。

【0036】

振動板４７は、図６（Ａ）に示すように、円形の薄板状をなし、後面に圧電素子３０が固定される。具体的には、振動板４７は、圧電素子３０の第２の電極３３の前面電極部３３Ａに重ねられる（図３参照）。なお、振動板４７は、圧電素子３０よりも大きい円形をなしている。

【0037】

図６（Ｂ）に示すように、リング部４１の内側面には、後端側を段付き状に拡径する複数の段差面により、前端側から順に、第１嵌合部４２、第２嵌合部４３及び第３嵌合部４４が形成されている。そして、図３に示すように、第１嵌合部４２は嵌合部２３の外側面に嵌合され、第３嵌合部４４は側方張出部２５の外側面に嵌合される。また、第２嵌合部４３は、ケース本体２２の外側面のうち嵌合部２３と側方張出部２５との間の外側面に嵌合される。

【0038】

また、第１嵌合部４２の前端寄り位置には、周方向に沿ってリブ４２Ｒが突出形成され、リブ４２Ｒの前面に、振動板４７の後面の周縁部が重ねられている。また、リブ４２Ｒの内側面は、圧電素子３０の外周面を包囲している。本実施形態では、振動板４７は、溶接によりリブ４２Ｒの前面に固定されているが、蝋付け又は接着剤により固定されてもよい。また、振動板４７とリング板４１とは一体に形成されていてもよい。

【0039】

リング部４１の外側面には、前端側から順に、後端側を段付き状に拡径する第２段差面４５Ｄと第３段差面４６Ｄとが形成されている。そして、第２段差面４５Ｄとその前側の外側面とにＯリング９２が嵌合されて、図２に示すように、分岐管１３の受容部１４の内側面に嵌合する。また、リング部４１のうち第３段差部４６Ｄより後端側が分岐管１３の受容部１４の上端開口縁に嵌合する。

【0040】

さて、本実施形態では、ケース本体２２の接続部屋２２Ｎに、絶縁性流体６０が充填されている。絶縁性流体６０は、例えば、気体を除いて固化しない性質を有する液状、ゲル状又はペースト状の物質であって、シリコーンオイル、シリコーンオイルコンパウンド、シリコーングリス等が好ましい。シリコーンオイルであれば、粘度は１０００［ｍＰａ・ｓ］以下が好ましく、シリコーンオイルコンパウンド、シリコーングリスであれば、ちょう度が２００以上のものが好ましい。

【0041】

本実施形態では、一方の貫通孔２７を注入孔としてその後端開口から絶縁性流体６０が接続部屋２２Ｎ内に充填される。そして、他方の貫通孔２８は、絶縁性流体６０が注入されたときに接続部屋２２Ｎ内の空気を逃がすガス抜き孔となっている。また、本実施形態では、絶縁性流体６０は、接続部屋２２Ｎだけではなく、１対の貫通孔２７，２８の後端開口まで充填される。なお、他方の貫通孔２８を注入孔とし、一方の貫通孔２７をガス抜き孔として、絶縁性流体６０を接続部屋２２Ｎに充填してもよい。

【0042】

また、後側突部２６及び延長スリーブ５０の内側には、封止材６１が充填されている。封止材６１は、絶縁性流体６０よりも比重が小さい材料である。本実施形態では、後側突部２６及び延長スリーブ５０が接続部屋２２Ｎよりも上方に配置されるので、封止材６１は、１対の貫通孔２７，２８の後端開口まで充填された絶縁性流体６０に直接重ねて充填されて、絶縁性流体６０を封止する。封止材６１は、液状又はペースト状の状態で後側突部２６及び延長スリーブ５０の内側に注入され、加熱や自然固化によって硬化される。硬化することによってリード線２１Ｒが固定される。なお、封止材６１としては、ウレタン樹脂やエポキシ樹脂が挙げられる。

【0043】

本実施形態の超音波流量計１０の構成に関する説明は以上である。次に、超音波送受波器２０及び超音波流量計１０の組み立て手順について説明する。

【0044】

まず、キャップ部材４０の振動板４７の後面に、接着剤により、圧電素子３０を貼着し、振動板４７に圧電素子３０の第２の電極３３の前面電極部３３Ａを固定する。

【0045】

それから、１対の端子金具２１を保持したケース本体２２を、キャップ部材４０に対して後方から挿し込んでリング部４１と嵌合させ、ケース本体２２の前面に振動板４７を固定する。このとき、一方の貫通孔２７の前端開口が、圧電素子３０の第２の電極３３の後面電極部３３Ｃと対向し、他方の貫通孔２８の前端開口が、圧電素子３０の第１の電極３２と対向するように組み付ける。

【0046】

さらに、１対の端子金具２１に、リード線２１Ｒを接続してはんだ付けを行う。続いて、端子ホルダ２２の後側突部２６に、前端にフランジ部５１を溶接により接着しておいた延長スリーブ５０を外側から嵌合させる。そして、延長スリーブ５０のフランジ部５１の外縁部をキャップ部４０の後端に溶接により接着する。

【0047】

続いて、ケース本体２２の後部壁２２Ａの一方の貫通孔２７の後端開口から絶縁性流体６０をシリンジ等を用いて注入する。このとき、注入された絶縁性流体６０が他方の貫通孔２８の後端開口に到達するまで注入する。

【0048】

そして、１対の端子金具２１に、リード線２１Ｒを接続し、後側突部２６及び延長スリーブ５０内に封止材６１をシリンジ等を用いて注入した後に、硬化させる。これにより、超音波送受波器２０の組み立てが完成する。

【0049】

そして、リング部４１の第２段差面４５Ｄとその前側の外側面とにＯリング９２を装着した状態で、分岐管１３の受容部１４に嵌合させる。これにより、超音波流量計１０の組み立てが完成する。

【0050】

次に、超音波流量計１０の作用効果について説明する。本実施形態の超音波送受波器２０では、ケース２０Ａ内のうち１対の端子金具２１と、圧電素子３０の第１と第２の電極３２，３３との接続部分が配置される接続部屋２２Ｎに絶縁性流体６０が充填されているので、簡素な構造で防水が図られ、ケース２０Ａ内の結露も防がれる。ここで、ケースに充填物が充填されると、その充填物の誘電率と空気の誘電率との相違により、圧電素子の１対の電極の間の静電容量及び１対の導電部材の間の静電容量が変化する。そして、超音波送受波器の圧電素子には、超音波を発生させるために高周波の電圧が印加されるため、一般的な回路の防水用のポッティング材では、圧電素子の１対の電極の間又は１対の導電部材の間の短絡が問題になる。これに対し、本開示においてケース内に充填される絶縁性流体は、比誘電率が５以下であるので、上記短絡の問題が解消される。しかも、一般的なポッティング材のようには固化しない絶縁性流体であるので超音波生成の妨げにもなり難い。

【0051】

さらに、本実施形態では、ケース２０Ａが、圧電素子３０を嵌合する嵌合部２３を前端に備えるケース本体２２と、ケース本体２２の前端から嵌合するキャップ部材４０とを有し、キャップ部材４０の前端に振動板４７を備えているので、容易に圧電素子３０と振動板４７とを組み付けることができる。そして、ケース本体２２に、１対の端子金具２１を保持する後部壁２２Ａを備え、後部壁２２Ａと圧電素子３０との間に接続部屋２２Ｎを備えて、後部壁２２Ａに、接続部屋２２Ｎに絶縁性流体６０を注入するための貫通孔２７を備えているので、１対の端子金具２１と圧電素子３０とを接続してケース２０Ａを組み立てた後で、絶縁性流体６０を容易に貫通孔２７を介してケース２０Ａ内に充填することができる。

【0052】

また、後部壁２２Ａにはガス抜き孔となる貫通孔２８も設けられているので、接続部屋２２Ｎに絶縁性流体６０が注入されたときに接続部屋２２Ｎ内の空気を逃がすことができる。これにより、接続部屋２２Ｎを絶縁性流体６０で充填しやすくなる。さらに、これら１対の貫通孔２７，２８は、接続部屋２２Ｎの概ね端と端に配置されているので、貫通孔２７から注入した絶縁性流体６０が貫通孔２８の後端開口に到達するまで充填すれば、ケース２０Ａ内部を確認することができなくても接続部屋２２Ｎ内が十分充填されたとみなすことが可能となる。しかも、１対の貫通孔２７，２８のうち、一方の貫通孔２７が圧電素子３０の第２の電極３３の側面電極部３３Ｃと対向し、他方の貫通孔２８が圧電素子３０の第１の電極３２と対向するように配置されているので、絶縁性流体６０が貫通孔２８の後端開口に到達するまで充填することで、第１と第２の電極３２，３３間を絶縁性流体６０で確実に覆うことができる。

【0053】

また、本実施形態では、後側突部６０及び延長スリーブ５０が接続部屋２２Ｎよりも上方に配置され、後側突部６０及び延長スリーブ５０内が絶縁性流体６０よりも比重の小さい封止材６１が充填されている。本実施形態では、このように、絶縁性流体６０よりも比重の小さい封止材６１を充填することで、絶縁性流体６０の上面に直接重ねることが可能となり、絶縁性流体６０を蓋部材等で閉塞する必要なく、絶縁性流体６０を容易に封止することができる。

【0054】

なお、超音波送受波器２０の周波数―インピーダンス特性は、インピーダンスが最小のピーク値となる共振周波数ｆｒを有し、そのピーク値が小さいほど送受信感度に優れることが知られているが、接続部屋２２Ｎに絶縁性流体６０を充填しても、共振周波数ｆｒのピーク値を充分低くできることを、次述する実験により確認することができる。

【0055】

［確認実験］
上記実施形態の超音波送受波器２０の接続部屋２２Ｎに充填する絶縁性流体について、比誘電率が異なる２つの材料を用いて、その送受信感度の変化を実験により確認した。この実験では、接続部屋２２Ｎに比誘電率が２．８のシリコーングリスを充填した試験サンプルＳ１と、比誘電率が２４のエタノールを充填した試験サンプルＳ２と、比較サンプルとして、充填前の（接続部屋２２Ｎに充填物を充填しない）試験サンプルＳ３と、を作成し、インピーダンスアナライザ（ＨＩＯＫＩ ＩＭ３５７０）を用いて２５［℃］におけるインピーダンス特性を測定した。

【0056】

図７に、各実験例における周波数―インピーダンス特性を示す。横軸は８００～１２００［ｋＨｚ］の範囲を表す周波数であって、縦軸は１０～１００００［ｋΩ］の範囲を表すインピーダンスの対数を示している。

【0057】

試験サンプルＳ３では、インピーダンス曲線は、共振周波数ｆｒのピーク値が非常に低くなっているのに対し、比誘電率が大きいエタノールが充填された試験サンプルＳ２のインピーダンス曲線では、共振周波数ｆｒのピークが著しく鈍化している。一方、比誘電率の小さいシリコーングリスが充填された試験サンプルＳ１のインピーダンス曲線は、試験サンプルＳ３と比較すると、共振周波数ｆｒのピークが少し鈍化するものの超音波送受波器２０の必要な送受信の感度を得るには充分に低い値（１００［Ω］以下）が得られた。

【0058】

［他の実施形態］
（１）図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、キャップ部材４０Ｖのリング部４１Ｖの後端部の外周縁の一箇所に、外側面に開放する位置決め凹部４１Ｍを設けてもよい。この場合、例えば、位置決め凹部４１Ｍ側に、圧電素子３０の第２の電極３３の後面電極部３３Ｃを配置することとすれば、超音波送受波器２０を組み立てる際にケース本体２２の前端に圧電素子３０を嵌合する工程で、一方の貫通孔２７の前端開口が、圧電素子３０の第２の電極３３の後面電極部３３Ｃと対向し、他方の貫通孔２８の前端開口が、圧電素子３０の第１の電極３２と対向するように組み付ける作業をスムーズに行うことができる。

【0059】

（２）前記実施形態の超音波送受波器２０では、絶縁性流体６０が１対の貫通孔２７，２８の後端開口まで充填されていたが、絶縁性流体６０が１対の貫通孔２７，２８の前後方向の途中位置まで充填されてもよいし、１対の貫通孔２７，２８の後端開口よりも上方となる後側突部２６の内側まで充填されていてもよい。この場合も、封止材６１を絶縁性流体６０の上面に直接重ねて充填すればよい。

【0060】

（３）前記実施形態の超音波送受波器２０では、封止材６１は、絶縁性流体６０の上面に直接重ねていたが、絶縁性流体６０と封止材６１との界面に蓋部材を配置してもよい。

【0061】

（４）前記実施形態の超音波送受波器２０では、封止材６１は、後側突部２６及び延長スリーブ５０の内側に注入された後に硬化されていたが、硬化しない性質を有する液状、ゲル状又はペースト状の物質を充填してもよい。この場合、延長スリーブ５０の後端を蓋部材等で閉塞してもよい。

【0062】

（５）前記実施形態の超音波送受波器２０では、貫通孔２７，２８は、１対設けられていたが、３つ以上あってもよい。

【0063】

（６）前記実施形態の超音波送受波器２０では、接続部屋２２Ｎの断面形状は、隣接する大円と小円の外縁を囲った形状をなしていたが、１対の貫通孔２７，２８に連通しかつ、圧電素子３０の後面の第１の電極３２の一部と第２の電極３３の後面電極部３３Ｃの一部とが露出するような形状であればよく、図９に示すように、いびつな形状をなしていてもよい。

【0064】

なお、本明細書及び図面には、特許請求の範囲に含まれる技術の具体例が開示されているが、特許請求の範囲に記載の技術は、これら具体例に限定されるものではなく、具体例を様々に変形、変更したものも含み、また、具体例から一部を単独で取り出したものも含む。

【符号の説明】

【0065】

１０ 超音波流量計
１０Ａ ハウジング
１２ 計測流路
２０ 超音波送受波器
２０Ａ ケース
２１ 端子金具（導電部材）
２２ ケース本体
２２Ａ 後部壁
２２Ｎ 接続部屋
２３ 嵌合部
２６ 後側突部（筒壁）
２７ 貫通孔（注入孔）
２８ 貫通孔（ガス抜き孔）
３０ 圧電素子
３２ 第１の電極
３３ 第２の電極
４０ キャップ部材
４７ 振動板
５０ 延長スリーブ（筒壁）
６０ 絶縁性流体
６１ 封止材
９２ Ｏリング

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】