特許 7281668 超音波送受信器、および超音波流量計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-18

(45)【発行日】2023-05-26

(54)【発明の名称】超音波送受信器、および超音波流量計

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/667 20220101AFI20230519BHJP

   G01F 1/66 20220101ALI20230519BHJP

   H04R 17/00 20060101ALI20230519BHJP

【ＦＩ】

G01F1/667 B

G01F1/66 101

H04R17/00 330J

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019142641

(22)【出願日】2019-08-02

(65)【公開番号】P2021025838

(43)【公開日】2021-02-22

【審査請求日】2022-02-02

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002527

【氏名又は名称】弁理士法人北斗特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100115554

【弁理士】

【氏名又は名称】野村 幸一

(72)【発明者】

【氏名】石崎 祐大

(72)【発明者】

【氏名】桝田 知樹

(72)【発明者】

【氏名】永原 英知

【審査官】羽飼 知佳

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－０７２４６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１６３９９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表平０６－５００３８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２０４４９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／２１２５１１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００５－１７２６５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１４４７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３１５１２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｆ １／６６－ １／６６７

Ｈ０４Ｒ １／００－３１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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円板状の第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円板状の第２音響整合層と、前記第２音響整合層に積層して接合された円板状の第３音響整合層と、を有し、
第１音響整合層と第２音響整合層との接合部の全周は、前記第１音響整合層の接合面の外周より内側であり、
第２音響整合層と第３音響整合層との接合部の全周は、前記第２音響整合層の接合面の外周より内側である
超音波送受信器。

【請求項2】

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。

【請求項3】

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又は２に記載の超音波送受信器。

【請求項4】

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１から３のいずれかに記載された超音波送受信器である、超音波流量計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

そして、より放射効率を良くする為、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、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で、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）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第３５５２０５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、前記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為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。

【0007】

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。

【0008】

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、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、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とを備えている。

【0009】

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、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、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、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、
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を備えている。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

図１１は、従来の超音波送受信器の構成を示すもので、図１１（ａ）は超音波送受信器２００の断面図、図１１（ｂ）は、その平面図である。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、天面外部２０１ｂに円板状の第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が積層、接合されている。

【0019】

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、大きな振幅Ｂが発生している。

【0020】

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。

【0021】

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。即ち、図１１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、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と、圧電素子２０２から第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。

【0022】

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。

【0023】

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為に、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。

【0024】

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為に、基準比較手段１０８は第４波目を検知することになる。

【0025】

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、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。

【課題を解決するための手段】

【0026】

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波送受信器は、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円板状の第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円板状の第２音響整合層と、前記第２音響整合層に積層して接合された円板状の第３音響整合層と、を有し、第１音響整合層と第２音響整合層との接合部の全周は、前記第１音響整合層の接合面の外周より内側であり、第２音響整合層と第３音響整合層との接合部の全周は、前記第２音響整合層の接合面の外周より内側である、ものである。

【0027】

このような構成によって、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事が出来る。

【発明の効果】

【0028】

本発明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。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】（ａ）実施の形態１における超音波送受信器の断面図、（ｂ）同平面図

【図2】実施の形態１における超音波受波器の受信波形のイメージ図

【図3】（ａ），（ｂ）実施の形態１における超音波送受信器の変形例を示す断面図

【図4】（ａ）実施の形態１における超音波送受信器の変形例を示す平面図、（ｂ）実施の形態１における超音波送受信器の変形例を示す断面図

【図5】（ａ），（ｂ）実施の形態２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、（ｃ）同平面図、（ｄ）（ｃ）のＡ－Ａ断面図

【図6】（ａ）実施の形態２における超音波流量計に用いる流路ブロックの斜視図、（ｂ）（ａ）のＢ矢視図、（ｃ）実施の形態２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

【図7】（ａ）実施の形態２における超音波流量計の側面図、（ｂ）（ａ）のＣ－Ｃ要部断面図

【図8】実施の形態２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

【図9】超音波流量計の構成を示すブロック図

【図10】超音波流量計における伝搬時間の計測方法を説明する為の駆動波と受信波のイメージ図

【図11】（ａ）従来の超音波送受信器の断面図、（ｂ）同平面図

【図12】従来の超音波受波器の受信波形を示すイメージ図

【発明を実施するための形態】

【0030】

第１の発明は、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もので、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。

【0031】

第２の発明は、第１の発明において、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ものである。

【0032】

第３の発明は、第２の発明において、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ものである。

【0033】

第４の発明は、第１～３のいずれか１つの発明において、前記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としたものである。

【0034】

第５の発明は、第１～４のいずれか１つの発明において、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ものである。

【0035】

第６の発明は、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第２から５のいずれか１つの発明の超音波送受信器である、超音波流量計である。

【0036】

第７の発明は、第６の発明において、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ものである。

【0037】

第８の発明は、第７の発明において、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ものである。

【0038】

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。

【0039】

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。
（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信器を示すもので、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は平面図である。

【0040】

図１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接合された第２音響整合層１４から構成されている。

【0041】

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間に交流電圧を印加する事により、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。

【0042】

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の直径より小さくし、同心に積層することで、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。

【0043】

そして、図１（ａ）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為に減衰する。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。

【0044】

なお、図１（ａ）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。

【0045】

図２は、本実施の形態の超音波送受信器１０を用いた場合の受信波のイメージ図で、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。

【0046】

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波目が想定された振幅となり、正しい伝搬時間が計測できる。

【0047】

なお、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。

【0048】

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。

【0049】

（変形例）
図３、図４は、本実施の形態における超音波送受信器の変形例を示す図である。なお、図１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。

【0050】

被計測流体である被伝播物質との整合を図る為に、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３（ａ）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層としたものである。

【0051】

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、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の外周より内側にすることで、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。

【0052】

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。

【0053】

図３（ｂ）は、超音波送受信器３０の側面断面図を示すもので、超音波送受信器１０における第２音響整合層１４を円錐台の形状とした第２音響整合層３４を用いたものである。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１４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為、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。

【0054】

図４（ａ）は、超音波送受信器７０の平面図を示すもので、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を用いたものである。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ることで、残響を抑制することができる。

【0055】

図４（ｂ）は、超音波送受信器８０の側面断面図を示すもので、図１に示す超音波送受信器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からの直接波以外の超音波の第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。

【0056】

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を少なくとも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。

【0057】

なお、本実施の形態においては、図３、図４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となれば、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。

【0058】

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。

【0059】

（実施の形態２）
次に、図５、図６、図７を用いて、実施の形態１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。

【0060】

図５は、本実施の形態に用いる超音波送受信器である。図５（ａ）は、圧電素子側から見た斜視図、図５（ｂ）は整合層側から見た斜視図、図５（ｃ）は、整合層から見た平面図、図５（ｄ）は、図５（ｃ）のＡ－Ａ断面図である。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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、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為のスリット４２ｃを有している。

【0065】

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。

【0066】

図６は、本実施の形態における超音波流量計の流路ブロックの斜視図（図６（ａ））と、図６（ａ）のＢ矢視図（図６（ｂ））と超音波送受信器を流路ブロックに固定する為のセンサ固定部材の斜視図（図６（ｃ））である。

【0067】

図６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。

【0068】

また、流路ブロック５０は、超音波送受信器を取り付ける為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。

【0069】

図７は、本実施の形態の超音波流量計の概略図であり、図７（ａ）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が位置決め凸部５７に位置するように取り付けられた後、センサ固定部材６１のヒンジ６１ａ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と下流側センサ取付部５６ｂに押圧されて固定されている。

【0070】

図７（ｂ）は、図７（ａ）のＣ－Ｃ要部断面図で、第２音響整合層４４と仕切り板５２との関係を示すもので、図に示す様に、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。

【0071】

図８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り、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。

【0072】

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。

【0073】

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、点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。

【0074】

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。

【0075】

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。

【産業上の利用可能性】

【0076】

以上のように、本発明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。

【符号の説明】

【0077】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】