JPH0350207B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は管又は容器内を一方から他方へ流れて
いる液体に超音波を放射乃至受波して液体の速
度、量等を測定するのに用いられる圧電変換器に
関するものである。

［従来技術］ 超音波流量計において、液体の温度変化等によ
る測定誤差を少なくするため、管又は容器の上壁
面に取付けた圧電変換器により超音波を所要の角
度で斜めに放射し、その超音波放射方向に対応し
て下壁面に取付けた圧電変換器により液中を進行
してくる超音波を受信するように構成されてい
る。ところで従来の一般的な圧電変換器は厚み振
動又は縦振動を呈する超音波振動子を使用してい
たために、かかる振動子からの超音波を斜めに放
射乃至受波させる斜面を持つた「くさび」を併用
しなければならない欠点があつた。さらにまたこ
のような超音波振動子はポアソン比の関係で厚み
又は縦振動と同時に径振動又は横振動を生じ、こ
の不要振動が管又は容器の壁面を伝達して受波用
振動子に受信され、液中を伝播する正規の超音波
に対してノズルとなり、Ｓ／Ｎ比を悪くしてい
た。

［発明が解決しようとする課題］ 上記の問題点を解決するものとして、本願より
も先に提案された特願昭55−60513号に開示され
ているように、圧電基板の表面に一つのすだれ状
電極を形成し、この電極から超音波を斜めに放射
するようにしたものがある。

この構成を第１，２図に従つて説明する。

この弾性表面超音波素子は第１図に示すよう
に、チタン酸ジルコン酸、ニオブ酸リチウム等に
より方形に作成した圧電基板ｘの表面に、すだれ
状電極ｙを蒸着等によつて形成した構造からな
り、すだれ状電極ｙに所要周波数の駆動信号を印
加すると、電極ｙの両側から圧電基板ｘの表面を
伝播する弾性表面波ｆを生起するものである。

またこのような弾性表面超音波素子を第２図に
示すように水等の液体Ｗ中に設けて、すだれ状電
極ｙに駆動信号を印加した場合、上記弾性表面波
が縦波に変換され、超音波ｓとなつて圧電基板ｘ
の水平線に対して斜めに液体Ｗ中を進行する。こ
の超音波の放射角度θは、θ＝cos^-1（V_c／ｆ・
ｄ）式で表わされる。式中V_cは液体中での音速、
ｆは表面波中心周波数、ｄは電極周期である。

このすだれ状電極ｙを備える弾性表面超音波素
子は、送波機能を備えると共に放射された超音波
を受波する受波機能をも備える。そこで、この弾
性表面超音波素子を用いる超音波流量計用圧電変
換器にあつては、送波用と受波用の二つの弾性表
面超音波素子を液体を介して管又は容器の上壁面
と、下壁面とに超音波の放射角度に対応して相互
に斜め位置となるように配設し、液体の速度、量
等を測定するようにしていた。

ところでこの様にすだれ状電極を備える弾性表
面超音波素子を用いた圧電変換器にあつては、送
波用と受波用の二つの弾性表面超音波素子を用い
る必要があり、部品点数が多く、電気的接続が複
雑化し易く、適用に限定を生じる等の欠点があ
る。

本発明は、かかる欠点を除去することを目的と
するものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、圧電基板の表面に複数のすだれ状電
極を一定の距離を隔てて形成し、そのうち一つの
すだれ状電極を送波用とし、他のすだれ状電極を
受波用としてなり、管又は容器内の液体と接する
ように配設されてなる弾性表面超音波素子と、該
弾性表面超音波素子に液体を介して対設する反射
板とを備えたことを特徴とする超音波流量計用圧
電変換器である。

［作用］ 上記構成にあつては、送波用のすだれ状電極か
ら斜め方向に放射された超音波は、管又は容器の
内壁又は該内壁に配設した反射板に反射し、圧電
基板上の他の受波用すだれ状電極に捕捉される。
そして、液体の速度、量等が検出される。このと
き反射板を用いて超音波を捕捉したから、円管
等、前記圧電基板と水平な板面を有しない管や、
その表面が粗い管にも適用でき、その検出を可及
的に正確に施し得ることとなる。

［実施例］ 次に本考案の一実施例を第３〜６図について説
明する。

第３，４図は弾性表面超音波素子１を示し、チ
タン酸ジルコン酸鉛等からなる一枚の矩形状圧電
基板２の表面には複数対の平行円弧状導体からな
る二つのすだれ状電極３ａ，３ｂを一定距離を隔
てて形成している。

すだれ状電極３ａ，３ｂを平行円弧状導体で構
成した場合は、第５図に拡大して示すように、一
方向のみに弾性表面波ｆ（超音波ｓ）を放射する
ことができる。そこで、すだれ状電極３ａ，３ｂ
は相互に内方へ送受波される方向性を持つよう
に、円弧中心を内方へ位置して配設される。

そしてこの圧電基板２は、入出力端子５ａ，５
ｂを貫設した有底筒状のホルダー６の閉端部外面
にすだれ状電極３ａ，３ｂを外側にして接着剤等
によつて貼着される。該ホルダー６の開端部の口
縁には液送管又は液送容器に取付けられるフラン
ジ７が周設されている。そして、前記一方のすだ
れ状電極３ａを送波用として入力端子５ａに金属
細線４ｂを介して接続し、他方のすだれ状電極３
ｂを受波用として出力端子５ｂに金属細線４ｂを
介して接続し、その後、表面超音波素子１の外面
に保護層８が被覆され、送受波器として用いられ
る。

前記入力端子５ａには外部の高周波発振器Ｏ
（第６図参照）と接続されて、その駆動信号がす
だれ状電極３ａに印加される。また出力端子５ｂ
には外部の測定回路装置Ｍ（第６図参照）に接続
され、すだれ状電極３ｂに生起される電気信号が
該端子５ｂから取出される。また前記保護層８は
超音波素子１の外面及び端子５の露出部分並びに
金属細線４ａ，４ｂを電気絶縁的、防水的に被覆
するものであつて、すだれ状電極３ａ，３ｂによ
る超音波の放射乃至受信を妨げないよう液体の音
響インピーダンスと略等しい材料で構成される。

上記圧電変換器は第６図に示されるように液体
Ｗを搬送する管Ｃ又は容器の上壁面に設けられた
開口部Ｓに、弾性表面超音波素子１が液体と接す
るように取付けられ、かつ該超音波素子１の下方
に反射板Ｒを液体中に浸漬して配置される。

この反射板Ｒは管Ｃ又は容器の底面を利用すれ
ば省略できるとも言い得るが、円管のように管面
が圧電基板２と平行な平面でない場合や、その表
面が粗い場合等種々の取付条件があり、そこでこ
の反射板Ｒを表面超音波素子１に液体を介して対
設することにより、該管の形状、表面粗さ等に影
響されることなく、次記するように反射波を捕捉
することが可能となる。

この実施例の作用を説明する。

上述のように出力端子５ａに高周波発振器Ｏ
を、入力端子５ｂに測定回路Ｍを夫々接続し、発
振器Ｏにより所要周波数の駆動信号を超音波素子
１１のすだれ状電極３ａに入力端子５ａを介して
印加すると、表面弾性波ｆが縦波に変換され、超
音波ｓとなつて、所要の放射角度θで内方へ放射
される。この超音波ｓは液体Ｗを斜めに横切るよ
うに進行し、すだれ状電極３ａ，３ｂの中間位置
に対向する位置に配設した反射板Ｒに反射して、
反射の法則により斜め上方に屈折されて圧電基板
２に戻り、受波用すだれ状電極３ｂに電気信号が
生起され、入力端子５ｂを介して測定回路装置Ｍ
に供され、超音波伝送時間あるいは周波数の位相
差（ドツプラー周波数）から液体の速度、量等を
測定される。

第７〜９図は本発明の第二実施例の圧電変換器
で示す。

ここで第７，８図に示すように弾性超音波素子
１１として一枚の矩形状圧電基板１２の表面に、
中央部にて複数の平行状導体から成る一つのすだ
れ状電極１３ａを、両側にて複数対の平行円弧状
導体からなる二つのすだれ状電極１３ｂ，１３ｂ
をそれぞれ一定距離を隔てて形成したものを用い
る。そしてこれを入力端子１５ａ、出力端子１５
ｂ，１５ｂを貫設したホルダ１６の閉端部外面に
貼着し、前記中央のすだれ状電極１３ａを送波用
として入力端子１５ａに金属細線１４ａを介して
接続し、両側のすだれ状電極１３ｂ，１３ｂを受
波用として出力端子１５ｂ，１５ｂに金属細線１
４ｂ，１４ｂを介して接続した後、保護層１８を
被覆したものである。

この構成にあつても、上記第一実施例と同じ
く、第９図に示されるように液体Ｗを搬送する管
Ｃ又は容器の上壁面に設けられた開口部Ｓに、弾
性表面超音波素子１１が液体と接するようにフラ
ンジ１７の箇所で取付けられ、かつ該超音波素子
１の下方に反射板Ｒを液体中に浸漬して配置され
る。

この実施例においては、表面超音波素子１１の
送波用すだれ状電極１３ａから二方向に斜め下方
に放射された超音波ｓは夫々反射板Ｒにより斜め
上方に屈折され、二つの受波用すだれ状電極１３
ｂ，１３ｂに受信され、液体Ｗの流れと順方向の
超音波伝送時間と逆方向の超音波伝送時間を求
め、これらの時間関係から液体の速度、量等を測
定することができる。

［発明の効果］ 上述のように、本発明は圧電基板の表面に複数
のすだれ状電極を一定の距離を隔てて形成し、そ
のうち一つのすだれ状電極を送波用とし、他のす
だれ状電極を受波用として、圧電基板を共通とし
て弾性表面超音波素子を構成し、かつ該弾性表面
超音波素子に液体を介して対設する反射板で超音
波ｓを捕捉し、反射させるようにしたから次の効
果がある。

(イ) 単一の弾性表面超音波素子を適用するだけで
良く、経済的である。

(ロ) 単一の弾性表面超音波素子の配線処理を施す
だけで良いから、取付け施工が簡易となり、従
来適用が困難とされていた箇所でも容易に配設
することができる。

(ハ) 同一圧電基板上にすだれ状電極を形成するも
のであるから、スクリーン印刷等の手法を用い
ることにより、送波と受波の機能を備えた弾性
表面超音波素子を極めて簡易に製造できる。

(ニ) 反射板により管形状等とは無関係に超音波が
捕捉でき、検出精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図はすだれ状電極ｙの作用を示す平面図、
第２図は該すだれ状電極ｙの水中での作用を示す
縦断側面図である。また第３〜６図は本発明の第
一実施例を示し、第３図は平面図、第４図は縦断
側面図、第５図は平行円弧状導体からなるすだれ
状電極３ａの拡大平面図、第６図は取付け状態の
縦断側面図である。さらにまた第７〜９図は本発
明の第二実施例を示し、第７図は平面図、第８図
は縦断側面図、第９図は取付け状態の縦断側面図
である。 １，１１：表面超音波素子、２，２１：圧電基
板、３ａ，３ｂ，１３ａ，１３ｂ：すだれ状電
極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 管又は容器内を一方から他方へ流れている液
   体中に超音波を放射乃至受波して液体の速度、量
   等を測定する圧電変換器であつて、 圧電基板の表面に複数のすだれ状電極を一定の
   距離を隔てて形成し、そのうち一つのすだれ状電
   極を送波用とし、他のすだれ状電極を受波用とし
   てなり、管又は容器内の液体と接するように配設
   されてなる弾性表面超音波素子と、 該弾性表面超音波素子に液体を介して対設する
   反射板と を備えたことを特徴とする超音波流量計用圧電変
   換器。 ２ 圧電基板の表面に二つのすだれ状電極を一定
   の距離を隔てて形成し、そのうち一方のすだれ状
   電極を送波用とし、他方のすだれ状電極を受波用
   としてなる弾性表面超音波素子を備えたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波流量
   計用圧電変換器。 ３ 圧電基板の表面に三つのすだれ状電極を一定
   の距離を隔てて形成し、そのうち中央のすだれ状
   電極を送波用とし、両側のすだれ状電極を受波用
   としてなる弾性表面超音波素子を備えたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波流量
   計用圧電変換器。