JP2004294181A

JP2004294181A - 超音波振動子およびこれを用いた流体の流れ測定装置

Info

Publication number: JP2004294181A
Application number: JP2003085032A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Ochi; 謙三黄地; Daisuke Betsusou; 大介別荘
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】超音波振動子の不要振動を抑制し、流体の流れ測定に使用した場合に測定の高精度化を図ったものである。
【解決手段】金属製のキャップ２の頂壁の外面に音響整合層４を、内面に圧電体５をそれそれ接着し、前記キャップ２の外周面で、しかも振動の腹に相当する部位には振動抑制用の弾性体１２を装着したもので、この弾性体１２がキャップ外周面の振動負荷となり、結果的にその振動発生が抑制されることとなる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体を利用した超音波振動子およびこの超音波振動子を利用した流体の流れ測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の超音波振動子は、金属製キャップの頂壁外面に音響整合層を、頂壁内面に圧電体をそれぞれ接着したものが一般的であった。金属製キャップと圧電体との接着にはエポキシ樹脂などが使用される（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１１８５５０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
金属製キャップに密封された従来の超音波振動子では、キャップに不要振動が生起し、これに起因して超音波振動子としても不要振動モードが発生することがあった。
【０００５】
このため、残響が大きくなる課題があり、また高精度で計測範囲の広いシングアラウンド方式の測定装置に使用した場合には、信号のＳ／Ｎが低下することがあった。
【０００６】
本発明はこのような従来の課題を解決したもので、超音波振動子の不要振動モード発生を抑制し、測定装置に使用した場合は高精度な流体の流れ測定が行なえるようにしたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、頂壁を有する金属製のキャップと、前記頂壁の外面に接着した音響整合層と、前記頂壁の内面に接着した圧電体とを備え、前記キャップの外周面には振動抑制用の弾性体を装着した超音波振動子として、キャップの不要振動発生を抑制したものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、頂壁を有する金属製のキャップと、前記頂壁の外面に接着した音響整合層と、前記頂壁の内面に接着した圧電体とを備え、前記キャップの外周面には振動抑制用の弾性体を装着して超音波振動子としたものである。
【０００９】
前記弾性体はキャップが振動しようとするときの負荷となり、結果的にその振動を抑制することとなる。
【００１０】
弾性体はキャップの外周面を面状に覆うものでも、或いは一部に弾着するものでもよい。一部に弾着するものではキャップにおける外周面であって、その周壁の振動腹部に相当する部位に位置させれば、振動抑制が効果的に行なわれることとなる。
【００１１】
複数の振動腹部が存在する場合は、その全てに弾性体を弾着するのが望ましい。弾性体は、例えば断面円形のリング状体とする。
【００１２】
また、キャップの外周面を第１の弾性体で面状に覆うとともに、前記キャップにおける外周面であって、その周壁の振動腹部に相当する部位に第２の弾性体を弾接し、かつこの第２の弾性体はキャップの外周面、または第１の弾性体の外周面に位置させれば、より一層の振動抑止効果が期待できるものである。
【００１３】
弾性体の周方向長さをキャップにおける外周面の周方向長さより１０％以上短くすれば、しっかりとした弾着となり、その分、振動に対する負荷を確実に増大させることができる。
【００１４】
弾性体の装着部位は、キャップの外周面に特定されることはなく、その内周面を弾性体で面状に覆うことも考えられる。この場合、弾性体は塗布できるものを採用する。
【００１５】
そして、前記した超音波振動子を流路の流体流れ方向に間隔をおいて少なくとも一対配置し、これら超音波振動子間の超音波伝搬時間にもとづき計測手段が前記流路を流れる流体の流速を測定し得るようにすれば、高精度な測定が可能であり、もちろん、前記流速をもとに流量も演算して計測できることは今更いうまでもないことであろう。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１７】
（実施例１）
図１、２は超音波振動子を示し、外周方向へ延びるフランジ１を下部開放端より形成した金属製のキャップ２は、その頂壁３の外面に音響整合層４を、内面に圧電体５をそれぞれ有するものである。
【００１８】
前記音響整合層４と圧電体５はエポキシ樹脂などの接着剤で頂壁３に接着固定されている。
【００１９】
圧電体５は直方体状をなすとともに、効率的に縦振動モードで励振し、横振動モードを抑制するためのスリット６が上面から縦に形成してある。
【００２０】
キャップ２の下方開放部は、フランジ１に外周部が溶接された金属製の端子板７で閉塞されており、この端子板７に一方の電極端子８が接続されている。
【００２１】
他方の電極端子９はハーメチックガラスなどの絶縁材１０を介して端子板７を絶縁状態で貫通し、リード線１１により圧電体５の下面に接続されている。
【００２２】
つまり、圧電体５は上面がキャップ２、端子板７を介して一方の電極端子８に、下面がリード線１１を介して他方の電極端子９に接続されているもので、図示はしていないが、電気的接続を良好なものとするために前記上、下面には焼き付け銀などからなる電極が構成されている。
【００２３】
そして、キャップ２の外周面にはシリコンゴムなどからなる断面円形のリング状の弾性体１２が弾着してある。
【００２４】
前記の構成において、電極端子８、９に高周波電圧を投入すると、端子板７およびキャップ２を介して圧電体５の上部電極にその電圧が印加され、またリード線１１を介して圧電体５の下部電極にも電圧が印加される。前記電圧の印加によって圧電体５が高周波で振動することとなる。
【００２５】
そして、リング状の弾性体１２はそれが弾着されているキャップ２の周壁の不要振動負荷として作用し、同振動を抑制することとなる。
【００２６】
因みに、図３は、超音波振動子における整合層４の表面中央部の振動特性を示す。
【００２７】
すなわち、４００〜６５０［ｋＨＺ］内における高周波からなる矩形波で構成したバースト波を用いて超音波振動子を駆動したときの振動振幅の周波数特性を示すもので、横軸に周波数を、縦軸に振動振幅の相対値をとっている。
【００２８】
実線Ａは実施例１の超音波振動子（弾性体１２有り）の、破線Ｂは従来の超音波振動子（弾性体１２を取り除いたもの）の各振動振幅の周波数特性である。なお、実線の実線両矢印Ｃは、４００〜６５０［ｋＨＺ］の範囲にわたる主振動（縦振動）範囲を示す。また破線両矢印Ｄは、不要振動領域を示し、周波数範囲は１５０〜２５０［ｋＨＺ］であった。
【００２９】
以上から、キャップ２の外周面にリング状の弾性体１２が弾着することで、破線両矢印Ｄで示した不要振動が大きく抑制されていることが理解できるであろう。
【００３０】
図４は超音波振動子におけるキャップ周壁の振動振幅特性（弾性体１２を取り除いたもの）であって、実線Ｅのごとくキャップ周壁高さ方向に３つ振動の腹と、２つの振動の節が存在する。中央の振動の腹の位相と、他の上および下の２つの振動の腹との位相は逆相関係にあった。
【００３１】
上記実施例１において、弾性体１２を中央の振動の腹に対応して取付けると図３の破線両矢印Ｄで示す不要振動が効率よく抑制できるものである。
【００３２】
リング状弾性体１２の周長は、キャップ２における外周面の周長より１０％以上短く設定するのが望ましい。
【００３３】
前記設定によって弾性体１２は確実にキャップ２の外周面に弾着して、振動抑制効果を発揮するものである。
【００３４】
このように弾性体１２を振動の腹部に対応して弾着することにより、不要振動を効率的に抑制できるもので、よって、超音波振動子の振動特性が主振動のみとなり、振動のＳ／Ｎが大きく向上する。
【００３５】
弾性体１２のとしては、前記したシリコンゴムのほか、フッ素ゴム、温度特性に優れたフロロシリコンゴムなどをはじめとするゴム、或いは、粘弾性特性に優れたゲル状の材料などが考えられる。
【００３６】
（実施例２）
図５は、キャップ２の周壁であって振動の腹部に相当する外周面の３箇所にリング状の弾性体１２ａ、１２ｂ、１２ｃを弾着したものである。
【００３７】
このようにキャップ２の周壁であって全ての振動の腹部に相当する外周面に弾性体１２ａ、１２ｂ、１２ｃを弾着することで、より一層不要振動の発生を抑制できることとなる。
【００３８】
（実施例３）
図６は、キャップ２の外周面の全面に筒状の弾性体１２ｄを弾着させたものである。弾性体１２ｄとしては肉厚３ｍｍ以上のシリコンゴムで形成した。
【００３９】
この構成では、弾性体１２ｄの弾着でキャップ２の外周面の全面が締め付けられるようになり、すなわち、全ての振動の腹部が弾性体１２ｄで締め付けられるため、不要振動の抑制が効率的にできるとともに、キャップ２の周壁を伝搬する弾性振動も抑制できることとなる。
【００４０】
弾性体１２ｄの肉厚として大きい方が不要振動の抑制効果が高いが、キャップ２への弾着作業性を考慮してその値は適宜選択すればよい。
【００４１】
（実施例４）
図７は、キャップ２の外周面の全面に筒状の弾性体１２ｄを弾着させ、さらにこの筒状の弾性体１２ｄの外側で、かつキャップ２の周壁の全ての振動の腹部に相当する部位にリング状の弾性体１２ａ、１２ｂ、１２ｃを弾着させた例である。
【００４２】
この構成によって、不要振動の全ての腹部にリング状の弾性体１２ａ、１２ｂ、１２ｃの力が強く作用するとともに、筒状の弾性体１２ｄの存在によって密着性も向上するところから、不要振動、並びに、弾性振動の抑制効果が一段と高められるものである。
【００４３】
筒状の弾性体１２ｄとリング状の弾性体１２ａ、１２ｂ、１２ｃとの位置関係は前記構成に限定されず、逆にリング状の弾性体１２ａ、１２ｂ、１２ｃを内側にして、これらを覆うように筒状の弾性体１２ｄを弾着することも可能である。
【００４４】
さらに筒状の弾性体１２ｄとリング状の弾性体１２ａ、１２ｂ、１２ｃとは別体である必要はなく、予め一体に成形したものを使用してもよい。
【００４５】
（実施例５）
図８は、実施例１の構成に加え、キャップ２の周壁内面全体に筒状の弾性体１２ｄを接着剤で接着させたものである。この場合、筒状の弾性体１２ｄは減径して、すなわち外周方向に反発力が働くようにキャップ２の周壁内面に弾着されている。
【００４６】
もちろん、リング状の弾性体１２はキャップ２における周壁の中央の振動の腹に相当する外周面に弾着してある。
【００４７】
この実施例５によれば、キャップ２の周壁は内外周面から振動の抑制が図られるものである。
【００４８】
なお、筒状の弾性体１２ｄとしては残響抑制用の塗料を採用すれば、簡単に、しかも効率的にキャップ２の周壁内面への配置ができることとなる。
【００４９】
前記各実施例において、実施例２、４、５のリング状弾性体、および、実施例３、４の筒状弾性体は、実施例１と同様の材料からなり、また周長は、キャップにおける外周面の周長より１０％以上短く設定してある。
【００５０】
（実施例６）
次に、不要振動の抑制と、超音波振動子のＳ／Ｎとの関係について説明する。
【００５１】
超音波振動子のＳ／Ｎ、即ち、信号（Ｓ）および雑音（Ｎ）は、自己送受信法で評価した。
【００５２】
なお、自己送受信法とは、超音波振動子から超音波を平板状の超音波反射板に向け送信し、超音波反射板で反射してきた超音波を同一の超音波振動子で受信する方法で、一般に良く知られた評価法である。
【００５３】
図９は自己送受信法において用いられる超音波振動子の駆動兼受信回路ブロックを示す。
【００５４】
２０は超音波振動子２１を駆動する発振器を示し、超音波を駆動するためのバ−スト信号を発生する。このバ−スト信号は、送信側のダイオ−ドブロック２２を介して超音波振動子２１および負荷抵抗２３（約１［ｋｏｈｍ］に設定）に供給される。
【００５５】
超音波振動子２１のインピ−ダンスは共振近傍では負荷抵抗２３に比べ充分小さいので、発振器から供給されるバ−スト信号は全て超音波振動子２１に供給されると考えられる。
【００５６】
このバ−スト信号により、超音波振動子２１からは、超音波２４が超音波反射板２５に向かって送出される。
【００５７】
平板状の超音波反射板２５は、アルミ、ＳＵＳなどの金属平板で構成した。
【００５８】
なお、超音波振動子２１と超音波反射板２５との距離は、約１５０［ｍｍ］に設定した。
【００５９】
超音波反射板２５で反射した超音波２６は、同一の超音波振動子２１で受信される。この超音波振動子２１は、反射した超音波２６を受信すると、電圧を発生する。
【００６０】
この発生した電圧は信号抵抗２７（約１［ｋｏｈｍ］に設定）を介してオシロスコ−プ２８で受信される。通常の場合、超音波振動子２１で発生する受信電圧はダイオ−ドの閾値約０．９［Ｖ］よりも小さいので、超音波振動子２１で発生した受信電圧は、受信側ダイオ−ドブロック２９を減衰することなく通過し、オシロスコ−プ２８で受信される。
【００６１】
なお、発振器２９からの電圧は、オシロスコ−プ２８へ信号抵抗２３を介しての供給されるが、受信側ダイオ−ドブロック２９の閾値電圧約０．９［Ｖ］でクリップされるため、それ以上の高電圧が印加されることはない。このため、発振器からの供給電圧でオシロスコ−プが壊れることはない。
【００６２】
このようにして得られる自己送受信波形を図１０に示す。横軸に超音波振動子駆動後の経過時間を示し、縦軸にオシロスコ−プ２８の受信電圧を示す。
【００６３】
実線Ｅは超音波振動子２１の駆動電圧および受信電圧を示し、円Ｆ内の信号は、送信された超音波が反射板２５で反射され戻って来て、超音波振動子２１で受信された超音波の受信信号を示す。
【００６４】
なお、受信電圧Ｅの左の方の大きい電圧は、超音波振動振動子１に印加された駆動信号が残響として超音波振動子内に残っている様子を示している。
【００６５】
図１１は、図１０の受信電圧を対数にして得た図を示す。
【００６６】
円Ｇ内の信号が反射板で反射して来た超音波による受信電圧Ｈを示す。破線Ｉは、駆動電圧の残響を示す曲線である。この曲線Ｉの受信電圧Ｈ時点における電圧の推定値Ｊを雑音電圧Ｖｎとし、受信電圧値Ｈを信号電圧Ｖｓとした。信号対雑音、いわゆるＳ／ＮをＳ／Ｎ＝Ｖｓ／Ｖｎと定義し用いた。不要振動が大きく認められる超音波振動子では、Ｓ／Ｎは約１０以下、即ち約２０［ｄＢ］以下であるが、上記実施例に示した不要振動を抑制した超音波振動子２１では、Ｓ／Ｎは、約１８以上、即ち約２５［ｄＢ］以上であった。
【００６７】
このように、不要振動を抑制することにより、超音波振動子のＳ／Ｎを大きく改善することが出来た。
【００６８】
（実施例７）
次に、前記実施例の不要振動を抑制した超音波振動子を用いた流体の流れ測定装置について説明する。
【００６９】
第１２図は測定装置３０の断面図を示す。
【００７０】
気体、液体などの流体の流れる流路３１には、流体流れ方向に間隔をおいて少なくとも一対の超音波振動子３２、３３が配置してある。
【００７１】
前記一対の超音波振動子３２、３３は流路３１を間にして斜めに対向している。
【００７２】
図中の片矢印３４は流体の流れる方向を示し、超音波が超音波振動子３２、３３間を伝播する方向は破線両矢印３５で示す。
【００７３】
なお、超音波の伝播する距離をＬとする。また、超音波が伝播する方向３５と流体が流れる方向片矢印３４との交叉角をαとする。
【００７４】
また、流路３１を流れる気体あるいは液体中を伝播する超音波の伝播速度をＶｓ、流体の流速をＶｆとする。
【００７５】
このような構成において、上流側の超音波振動子３２から下流側の超音波振動子３３へ超音波を伝播させた場合、伝播時間Ｔｕｄは、
Ｔｕｄ＝Ｌ／（Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓα）で示され、
逆に、下流側の超音波振動子３３から上流側の超音波振動子３２へ超音波を伝播させた場合、伝播時間Ｔｄｕは、
Ｔｄｕ＝Ｌ／（Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓα）で示される。
これらより、
Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓα＝Ｌ／Ｔｕｄ
Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓα＝Ｌ／Ｔｄｕとなり、
Ｖｆ＝［Ｌ／（２ｃｏｓα）］［（１／Ｔｕｄ）−（１／Ｔｄｕ）］
となる。
【００７６】
このようにして流体の流速Ｖｆが、超音波振動子間を伝播する超音波の伝播時間ＴｕｄおよびＴｄｕを計測することにより得られる。通常の場合、距離Ｌおよび交叉角αは既知であるから、流速Ｖｆが演算により得られる。
【００７７】
さらに、この流速Ｖｆと、流路３１の断面積Ｓおよび流速分布を補正する補正係数Ｋとを乗算すれば、流量Ｑが得られる。即ち、
Ｑ＝Ｋ・Ｓ・Ｖｆとなる。
【００７８】
なお、数［Ｌ／ｈ］の低流速、低流量範囲まで計測する場合、これらの時間計測精度は、数［ｎｓｅｃ］のオ−ダ−あるいはそれ以下の高精度が要求される。このような高精度を容易に実現すること困難なので、通常の場合には、残響の小さい超音波振動子を用いシングアラウンド方式が採用される。
【００７９】
シングアラウンド方式を簡単に説明すると、例えば、上流側の超音波振動子３２から超音波を送信し、下流側の超音波振動子３３で受信する。
【００８０】
この受信信号を上流側の超音波振動子３２に伝達し、この伝達信号を受けて再度上流側超音波振動子３２から超音波を送信し、下流側の超音波振動子３３で受信する。
【００８１】
このように一方向の送受信を数回〜数百回繰り返し実施し、その合計時間および繰り返し回数Ｎを計測する。
【００８２】
その後、逆方向、即ち、下流側の超音波振動子３３から上流側の超音波子振動子３２に対し同様に超音波の送受信を繰り返す。
【００８３】
このようにすることにより、例えば、容易に実現できる数百ｋＨｚ〜数十ＭＨｚの時間精度のクロックであっても、超音波の伝播時間を上記に示した数［ｎｓｅｃ］オ−ダ−あるいはそれ以下の高精度で計測することが可能となる。
【００８４】
この場合、超音波振動子３２、３３の残響特性が十分でないと、複数回の送受信を繰り返している内に、Ｓ／Ｎが悪化し、高精度に時間計測できなくなる。
【００８５】
このため、残響の小さい超音波振動子が求められている。
【００８６】
本実施例においては、上記実施例で説明した残響の少ない超音波振動子を用いているので、高精度計測のできるシングアラウンド方式をＳ／Ｎよく実現することができ、広い流れ範囲、即ち、低流速、低流量域から高流速、高流量まで計測できる流量計を実現することができた。
【００８７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明のによれば、残響を小さくして高精度の超音波振動子が得られるものであり、またこの超音波振動子を流体の流れ測定装置に使用すれば、流速およびまたは流量の測定が確実にできるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における超音波振動子の側面図
【図２】同超音波振動子の断面図
【図３】振動特性図
【図４】超音波振動子の振動形態を示す説明図
【図５】本発明の他の実施例における超音波振動子の側面図
【図６】本発明のさらに他の実施例における超音波振動子の側面図
【図７】（ａ）本発明のさらに他の実施例における超音波振動子の側面図（ｂ）弾性体の断面図
【図８】本発明のさらに他の実施例における超音波振動子の断面図
【図９】超音波振動子の駆動兼受信回路のブロック図
【図１０】超音波振動子の自己受信波形図
【図１１】超音波振動子の受信電圧を対数により示した説明図
【図１２】超音波振動子を使用した流れ測定装置の概略説明図
【符号の説明】
２キャップ
３頂壁
４音響整合層
５圧電体
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ弾性体
３２、３３超音波振動子
３６流量記憶手段
３７流量表示手段
３８計測異常判別手段

Claims

頂壁を有する金属製のキャップと、前記頂壁の外面に接着した音響整合層と、前記頂壁の内面に接着した圧電体とを備え、前記キャップの外周面には振動抑制用の弾性体を装着した超音波振動子。
キャップの外周面を弾性体で面状に覆った請求項１記載の超音波振動子。
キャップにおける外周面であって、その周壁の振動腹部に相当する部位に弾性体を弾接させた請求項１記載の超音波振動子。
キャップにおける外周面外周面であって、その周壁の振動腹部に相当する全ての部位に弾性体を弾接させた請求項３記載の超音波振動子。
弾性体をリング状に形成した請求項３または４記載の超音波振動子。
キャップの外周面を第１の弾性体で面状に覆うとともに、前記キャップにおける外周面であって、その周壁の振動腹部に相当する部位に第２の弾性体を弾接し、かつこの第２の弾性体はキャップの外周面、または第１の弾性体の外周面に位置させた超音波振動子。
キャップにおける外周面の周方向長さより弾性体の周方向長さを１０％以上短くした請求項１〜６のいずれか１項記載の超音波振動子。
キャップの内周面を弾性体で面状に覆った請求項１記載の超音波振動子。
塗布された弾性体である請求項８記載の超音波振動子。
流量計。
請求項１〜９のいずれか１項記載の超音波振動子を流路の流体流れ方向に間隔をおいて少なくとも一対配置し、これら超音波振動子間の超音波伝搬時間にもとづき計測手段が前記流路を流れる流体の流速を測定するようにした流体の流れ測定装置。
計測手段の計測結果にもとづき流量を演算する演算手段を具備した流体の流れ測定装置。