JP2001304929A - 超音波液体流速センサ - Google Patents

超音波液体流速センサ

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JP2001304929A JP2000120669A JP2000120669A JP2001304929A JP 2001304929 A JP2001304929 A JP 2001304929A JP 2000120669 A JP2000120669 A JP 2000120669A JP 2000120669 A JP2000120669 A JP 2000120669A JP 2001304929 A JP2001304929 A JP 2001304929A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 チューブの中を流れる液体の流速を感知する
こと。 【解決手段】 入力用すだれ状電極2に入力電気信号を
印加すると、圧電基板1に漏洩弾性波が励振される。こ
の漏洩弾性波はチューブ壁の一部を介して第1および第
2の縦波としてチューブ内に照射され、チューブ壁のそ
の一部とは反対側の2つの部分によって反射され、それ
ぞれ第1出力用すだれ状電極3および第2出力用すだれ
状電極4によって第1および第2遅延電気信号として検
出される。チューブ内の液体の流れる速度および方向
は、信号分析手段5において第1および第2遅延電気信
号の差として感知される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、チューブの中を流
れる液体の流速を感知する超音波液体流速センサに関す
る。
【0002】
【従来の技術】振動変位の動的状態を検出する従来のセ
ンサは、接触型と非接触型の2つに分類される。微小変
位測定用の電気マイクロメータやデジタルゲージ、回転
軸測定用のロータリエンコーダ、長変位測定用リニアス
ケールなどは接触型センサに属する。これらの接触型セ
ンサは測定精度、応答時間などに問題を有している。レ
ーザ型センサおよび電気音響型センサなどは非接触型セ
ンサに属する。レーザ型センサは測定精度、測定方法、
装置の規模などに問題を有している。電気音響型センサ
は被測定物の変位の測定範囲が狭いという欠点を有する
とともに、測定精度にも問題がある。また、従来のもの
では液体の流速を精度よく測定するには複雑な信号処理
回路技術が必要で、電気音響変換用のトランスデューサ
に難点があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、小型
軽量で、検出感度が高く、時間応答に優れ、低消費電力
駆動が可能な超音波液体流速センサを提供することにあ
る。
【0004】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の超音波
液体流速センサは、圧電基板、入力用すだれ状電極、第
1出力用すだれ状電極、第2出力用すだれ状電極および
信号分析手段から成る超音波液体流速センサであって、
前記入力用すだれ状電極と、前記第1および第2出力用
すだれ状電極は、前記圧電基板の一方の端面に設けられ
ており、前記入力用すだれ状電極は、入力電気信号を印
加されることにより前記圧電基板に漏洩弾性波を励振
し、前記漏洩弾性波をチューブの中を流れる液体中にチ
ューブ壁の一部を介して2方向に向けて第1および第2
の縦波として照射し、前記第1および第2の縦波を前記
チューブ壁の前記一部と反対側の2つの部分でそれぞれ
反射させ、前記第1出力用すだれ状電極は、反射された
前記第1の縦波を第1遅延電気信号に変換し、前記第2
出力用すだれ状電極は、反射された前記第2の縦波を第
2遅延電気信号に変換し、前記信号分析手段は、前記液
体の流れる速度および方向を前記第1遅延電気信号と前
記第2遅延電気信号との差から感知する。
【0005】請求項2に記載の超音波液体流速センサ
は、前記入力用すだれ状電極および前記第2出力用すだ
れ状電極の間に増幅器が設けられ、前記増幅器は前記第
2遅延電気信号を増幅し、前記入力用すだれ状電極、前
記第2出力用すだれ状電極および前記増幅器は遅延線発
振器を構成する。
【0006】請求項3に記載の超音波液体流速センサ
は、前記入力用すだれ状電極および前記第1出力用すだ
れ状電極の間に増幅器が設けられ、前記増幅器は前記第
1遅延電気信号を増幅し、前記入力用すだれ状電極、前
記第1出力用すだれ状電極および前記増幅器は遅延線発
振器を構成する。
【0007】請求項4に記載の超音波液体流速センサ
は、前記信号分析手段が位相比較器で成り、前記位相比
較器は前記第1遅延電気信号の位相および前記第2遅延
電気信号の位相を比較し、前記液体の流れる速度および
方向を前記第1遅延電気信号と前記第2遅延電気信号と
の位相差から感知する。
【0008】請求項5に記載の超音波液体流速センサ
は、前記圧電基板が圧電セラミック薄板で成り、前記圧
電セラミック薄板の分極軸の方向がその厚さ方向と平行
である。
【0009】請求項6に記載の超音波液体流速センサ
は、前記圧電基板が圧電性高分子薄板で成る。
【0010】請求項7に記載の超音波液体流速センサ
は、前記圧電基板のもう一方の端面に高分子フィルムが
設けられている。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明の超音波液体流速センサ
は、圧電基板、入力用すだれ状電極、第1出力用すだれ
状電極、第2出力用すだれ状電極および信号分析手段か
ら成る簡単な構造を有する。入力用すだれ状電極と、第
1および第2出力用すだれ状電極は、圧電基板の一方の
端面に設けられている。もしも、入力用すだれ状電極に
入力電気信号が印加されると、圧電基板に漏洩弾性波が
励振される。この漏洩弾性波はチューブの中を流れる液
体中にチューブ壁の一部を介して2方向に向けて第1お
よび第2の縦波として照射される。このとき、そのチュ
ーブ壁の一部は圧電基板のもう一方の端面と接触してい
る。第1および第2の縦波はチューブ壁のその一部と反
対側の2つの部分でそれぞれ反射され、第1および第2
出力用すだれ状電極によって第1および第2遅延電気信
号として検出される。信号分析手段は、液体の流れる速
度および方向を第1遅延電気信号と第2遅延電気信号と
の差から感知する。
【0012】本発明の超音波液体流速センサでは、入力
用すだれ状電極および第2出力用すだれ状電極の間に増
幅器を備えた構造が可能である。このとき、第2遅延電
気信号は増幅器によって増幅された後、入力用すだれ状
電極に再び印加される。このようにして、入力用すだれ
状電極、第2出力用すだれ状電極および増幅器は遅延線
発振器を構成する。従って、デバイスの小型軽量化が促
進され、低消費電力駆動が可能となる。
【0013】本発明の超音波液体流速センサでは、入力
用すだれ状電極および第1出力用すだれ状電極の間に増
幅器を備えた構造が可能である。このとき、第1遅延電
気信号は増幅器によって増幅された後、入力用すだれ状
電極に再び印加される。このようにして、入力用すだれ
状電極、第1出力用すだれ状電極および増幅器は遅延線
発振器を構成する。従って、デバイスの小型軽量化が促
進され、低消費電力駆動が可能となる。
【0014】本発明の超音波液体流速センサでは、信号
分析手段が位相比較器で成る構造が可能である。位相比
較器は第1遅延電気信号の位相および第2遅延電気信号
の位相を比較し、液体の流れる速度および方向を第1遅
延電気信号と第2遅延電気信号との位相差から感知す
る。このようにして、高感度なデバイスを提供すること
ができる。
【0015】本発明の超音波液体流速センサでは、圧電
基板が圧電セラミック薄板で成り、その分極軸の方向が
厚さ方向と平行である構造、または圧電基板が圧電性高
分子薄板で成る構造が可能である。このような構造を採
用することにより、液体の流速の検出感度を向上させる
ことが可能となるばかりでなく、装置の小型軽量化を促
進することができる。
【0016】本発明の超音波液体流速センサでは、圧電
基板のもう一方の端面に高分子フィルムが設けられた構
造が可能である。このような構造を採用することによ
り、機械的強度を高めることが可能となる。また、高分
子フィルムの使用は液体層との音響結合のための整合性
において好都合である。
【0017】
【実施例】図1は本発明の超音波液体流速センサの第1
の実施例を示す構成図である。本実施例は圧電基板1、
入力用すだれ状電極2、第1出力用すだれ状電極3、第
2出力用すだれ状電極4、信号分析手段5および信号発
生器6から成る。圧電基板1は圧電セラミック薄板で成
る。本実施例では圧電基板1として圧電セラミック薄板
が用いられているが、圧電性高分子薄板を用いることも
可能である。入力用すだれ状電極2、第1出力用すだれ
状電極3および第2出力用すだれ状電極4は、それぞれ
がアルミニウム薄膜で成り、圧電基板1の一方の端面上
に設けられている。信号分析手段5は位相比較器で成
る。図1の超音波液体流速センサを用いて、もしもチュ
ーブの中を流れる液体の流速を感知する場合、チューブ
壁の一部を圧電基板1のもう一方の端面に接触させる必
要がある。この場合、このチューブは超音波の照射が可
能な材質で成る。このようにして、図1の超音波液体流
速センサは小型軽量で構造も簡単である。
【0018】図2は圧電基板1、入力用すだれ状電極
2、第1出力用すだれ状電極3および第2出力用すだれ
状電極4で成るデバイスを上方から見たときの平面図で
ある。入力用すだれ状電極2と第1出力用すだれ状電極
3の離間距離、および入力用すだれ状電極2と第2出力
用すだれ状電極4の離間距離は6mmである。入力用す
だれ状電極2、第1出力用すだれ状電極3および第2出
力用すだれ状電極4はともに5対の電極指を有し、電極
交差幅は4mmで、電極周期長は340μmである。
【0019】図1の超音波液体流速センサにおいて、入
力用すだれ状電極2の電極周期長に対応する中心周波数
にほぼ等しい周波数の入力電気信号が信号発生器6から
入力用すだれ状電極2に印加されると、圧電基板1に漏
洩弾性波が励振される。この漏洩弾性波は、チューブ壁
の圧電基板1と接触する部分を介してチューブの中の液
体へ2方向に向けて第1および第2の縦波として照射さ
れる。この第1および第2の縦波はチューブ壁の圧電基
板1と接触する部分とは反対側の2つの部分でそれぞれ
反射される。反射された第1の縦波は第1出力用すだれ
状電極3によって第1遅延電気信号に変換され、反射さ
れた第2の縦波は第2出力用すだれ状電極4によって第
2遅延電気信号に変換される。信号分析手段5は、チュ
ーブの中の液体の流速を第1遅延電気信号と第2遅延電
気信号との位相差から感知する。
【0020】図3は液体中を伝搬する第1および第2の
縦波の伝搬路を矢印で示した図である。図3は液体とし
て水が用いられた場合を示す。水が静止している場合、
入力用すだれ状電極2は第1および第2の縦波をそれぞ
れ28.8°の角度で照射する。これは、圧電基板1の
厚さが150μmであること、そして、入力用すだれ状
電極2の電極周期長が340μmであることに因る。つ
まり、縦波の照射角度は圧電基板1中の漏洩弾性波の速
度と液体中の縦波速度から計算される。結果として、第
1および第2の縦波は、チューブ壁の圧電基板1と接触
する部分とは反対側の2つの部分でそれぞれ28.8°
の角度で反射される。しかしながら、もしも水が流れて
いる場合には、第1および第2の縦波の速度に差が生じ
る。しかもこの速度差は水の流れる方向をも示す。この
ようにして、水の流速および流れる方向が第1および第
2遅延電気信号の位相差から感知される。
【0021】図4は圧電基板1に励振される2つのモー
ドの弾性波の位相速度と、弾性波の周波数fおよび圧電
基板1の厚さdの積fdとの関係を示す特性図である。
圧電基板1中を伝搬する横波の速度は2,450m/s
であり、縦波の速度は4,390m/sである。
【0022】図5は液体中への縦波放射の実効変換効率
ηと、fd値との関係を示す特性図である。S0モード
においては1.5MHz・mm近傍で最も高いピークが
みられることが分かる。
【0023】図6は図2のデバイスの代わりに用いられ
る別のデバイスの断面図である。図6のデバイスは、圧
電基板1のもう一方の端面に高分子フィルム7が固着さ
れていることを除いて図2のデバイスと同様な構造を有
する。高分子フィルム7の使用により機械的強度を高め
ることが可能となる。また、高分子フィルムの使用は液
体層との音響結合のための整合性において好都合であ
る。
【0024】図7は本発明の超音波液体流速センサの第
2の実施例を示す構成図である。本実施例は圧電基板
1、入力用すだれ状電極2、第1出力用すだれ状電極
3、第2出力用すだれ状電極4、信号分析手段5および
増幅器8から成る。増幅器8は入力用すだれ状電極2お
よび第2出力用すだれ状電極4の間に接続されている。
【0025】図7の超音波液体流速センサにおいて、入
力用すだれ状電極2に入力電気信号が印加されると、圧
電基板1に漏洩弾性波が励振される。この漏洩弾性波
は、チューブの内部の2方向に向けて第1および第2の
縦波として照射され、チューブ壁の縦波入射部分とは反
対側の2つの部分でそれぞれ反射される。反射された第
1の縦波は第1出力用すだれ状電極3によって第1遅延
電気信号に変換され、反射された第2の縦波は第2出力
用すだれ状電極4によって第2遅延電気信号に変換され
る。第2遅延電気信号の一部は増幅器8によって増幅さ
れた後、入力電気信号として再び入力用すだれ状電極2
に印加される。このようにして、入力用すだれ状電極
2、第2出力用すだれ状電極4および増幅器8は帰還型
の遅延線発振器を構成する。第2遅延電気信号の残部は
信号分析手段5に伝えられる。信号分析手段5では、第
1遅延電気信号と第2遅延電気信号との位相差から液体
の流速が感知される。このようにして、小型軽量で、低
消費電力駆動が可能で、感度が良好な超音波液体流速セ
ンサが可能となる。
【0026】図8は本発明の超音波液体流速センサの第
3の実施例を示す構成図である。本実施例は増幅器8の
接続位置を除いて図7の超音波液体流速センサと同様な
構造を有する。図8において、増幅器8は入力用すだれ
状電極2および第1出力用すだれ状電極3の間に接続さ
れている。図8の超音波液体流速センサにおいては、第
1出力用すだれ状電極3で検出された第1遅延電気信号
の一部は、増幅器8によって増幅された後、入力電気信
号として再び入力用すだれ状電極2に印加される。この
ようにして、入力用すだれ状電極2、第1出力用すだれ
状電極3および増幅器8は帰還型の遅延線発振器を構成
する。信号分析手段5では、第1遅延電気信号と第2遅
延電気信号との位相差から液体の流速が感知される。こ
のようにして、小型軽量で、低消費電力駆動が可能で、
感度が良好な超音波液体流速センサが可能となる。
【0027】
【発明の効果】本発明の超音波液体流速センサにおい
て、もしも入力用すだれ状電極に入力電気信号が印加さ
れると、圧電基板に漏洩弾性波が励振される。この漏洩
弾性波はチューブの中を流れる液体中にチューブ壁の一
部を介して2方向に向けて第1および第2の縦波として
照射される。第1および第2の縦波はチューブ壁のその
一部と反対側の2つの部分でそれぞれ反射され、第1お
よび第2出力用すだれ状電極によって第1および第2遅
延電気信号として検出される。信号分析手段では、第1
および第2遅延電気信号の差から液体の流速および流れ
る方向が感知される。信号分析手段が位相比較器で成る
場合には、第1遅延電気信号と第2遅延電気信号の位相
差として感知されることから、高感度なデバイスを提供
することが可能となる。
【0028】本発明の超音波液体流速センサでは、入力
用すだれ状電極および第2出力用すだれ状電極の間、ま
たは入力用すだれ状電極および第1出力用すだれ状電極
の間に増幅器を備えた構造が可能である。このような構
造は遅延線発振器の構成を可能にする。従って、デバイ
スの小型軽量化が促進され、低消費電力駆動が可能とな
る。
【0029】本発明の超音波液体流速センサでは、圧電
基板が圧電セラミック薄板で成り、その分極軸の方向が
厚さ方向と平行である構造、または圧電基板が圧電性高
分子薄板で成る構造が可能である。このような構造を採
用することにより、液体の流速の検出感度を向上させる
ことが可能となるばかりでなく、装置の小型軽量化を促
進することができる。
【0030】本発明の超音波液体流速センサでは、圧電
基板のもう一方の端面に高分子フィルムが設けられた構
造が可能である。このような構造を採用することによ
り、機械的強度を高めることが可能となる。また、高分
子フィルムの使用は液体層との音響結合のための整合性
において好都合である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の超音波液体流速センサの第1の実施例
を示す構成図。
【図2】圧電基板1、入力用すだれ状電極2、第1出力
用すだれ状電極3および第2出力用すだれ状電極4で成
るデバイスを上方から見たときの平面図。
【図3】液体中を伝搬する第1および第2の縦波の伝搬
路を矢印で示した図。
【図4】圧電基板1に励振される2つのモードの弾性波
の位相速度と、弾性波の周波数fおよび圧電基板1の厚
さdの積fdとの関係を示す特性図。
【図5】液体中への縦波放射の実効変換効率ηと、fd
値との関係を示す特性図。
【図6】図2のデバイスの代わりに用いられる別のデバ
イスの断面図。
【図7】本発明の超音波液体流速センサの第2の実施例
を示す構成図。
【図8】本発明の超音波液体流速センサの第3の実施例
を示す構成図。
【符号の説明】
1 圧電基板 2 入力用すだれ状電極 3 第1出力用すだれ状電極 4 第2出力用すだれ状電極 5 信号分析手段 6 信号発生器 7 高分子フィルム 8 増幅器

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電基板、入力用すだれ状電極、第1出
    力用すだれ状電極、第2出力用すだれ状電極および信号
    分析手段から成る超音波液体流速センサであって、前記
    入力用すだれ状電極と、前記第1および第2出力用すだ
    れ状電極は、前記圧電基板の一方の端面に設けられてお
    り、前記入力用すだれ状電極は、入力電気信号を印加さ
    れることにより前記圧電基板に漏洩弾性波を励振し、前
    記漏洩弾性波をチューブの中を流れる液体中にチューブ
    壁の一部を介して2方向に向けて第1および第2の縦波
    として照射し、前記第1および第2の縦波を前記チュー
    ブ壁の前記一部と反対側の2つの部分でそれぞれ反射さ
    せ、前記第1出力用すだれ状電極は、反射された前記第
    1の縦波を第1遅延電気信号に変換し、前記第2出力用
    すだれ状電極は、反射された前記第2の縦波を第2遅延
    電気信号に変換し、前記信号分析手段は、前記液体の流
    れる速度および方向を前記第1遅延電気信号と前記第2
    遅延電気信号との差から感知する超音波液体流速セン
    サ。
  2. 【請求項2】 前記入力用すだれ状電極および前記第2
    出力用すだれ状電極の間に増幅器が設けられ、前記増幅
    器は前記第2遅延電気信号を増幅し、前記入力用すだれ
    状電極、前記第2出力用すだれ状電極および前記増幅器
    は遅延線発振器を構成する請求項1に記載の超音波液体
    流速センサ。
  3. 【請求項3】 前記入力用すだれ状電極および前記第1
    出力用すだれ状電極の間に増幅器が設けられ、前記増幅
    器は前記第1遅延電気信号を増幅し、前記入力用すだれ
    状電極、前記第1入力用すだれ状電極および前記増幅器
    は遅延線発振器を構成する請求項1に記載の超音波液体
    流速センサ。
  4. 【請求項4】 前記信号分析手段が位相比較器で成り、
    前記位相比較器は前記第1遅延電気信号の位相および前
    記第2遅延電気信号の位相を比較し、前記液体の流れる
    速度および方向を前記第1遅延電気信号と前記第2遅延
    電気信号との位相差から感知する請求項1,2または3
    に記載の超音波液体流速センサ。
  5. 【請求項5】 前記圧電基板が圧電セラミック薄板で成
    り、前記圧電セラミック薄板の分極軸の方向がその厚さ
    方向と平行である請求項1,2,3または4に記載の超
    音波液体流速センサ。
  6. 【請求項6】 前記圧電基板が圧電性高分子薄板で成る
    請求項1,2,3または4に記載の超音波液体流速セン
    サ。
  7. 【請求項7】 前記圧電基板のもう一方の端面に高分子
    フィルムが設けられている請求項1,2,3,4,5ま
    たは6に記載の超音波液体流速センサ。
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