JP2007315887A - 超音波センサ並びに設備機器 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波センサの測定の阻害要因である筐体からの振動の伝搬を大幅に低減または防止する超音波センサの防振構造および防振構造を施した超音波センサを有する設備機器を提供する。
【解決手段】超音波センサ６を構成するＰＺＴなどの圧電素子６１は、台座６２の上に固定されている。この状態で、ショーケースに内蔵された筐体である内部構造体２０を防振材２１ａで挟み、この防振材２１ａで挟まれた内部構造体２０を固定ネジ２２で貫通させ、固定ネジの先を上記台座６２に螺入させることで、超音波センサ６を防振材２１ａを介して内部構造体２０に固着する。また、防振材２１ａの固有振動数は圧電素子６１の固有振動数と異なるものを選ぶ。さらに、異方処理された防振材２１ａを選ぶ。
【選択図】図２

Description

本発明はショーケースを含む冷凍、冷蔵、空気調和装置などの設備機器内のドレンタンクの水位を非接触で検出する水位センサとして用いられる超音波センサ並びに設備機器に関するものであり、特にＰＺＴなどの圧電素子を用いた超音波センサを設備機器の製品筐体内に取付け固定した場合の防振構造に関する。

ショーケースなどの設備機器の製品筐体には、圧縮機、送風ファンなどの駆動モータ類によって稼働する機器が装着されており、実稼働時には、上記圧縮機や送付ファンの駆動モータからの振動や冷媒が流れる冷媒配管からの振動が製品筐体に伝搬し、筐体内に固定されて設けられている超音波センサを振動させてしまう。超音波センサにとって、超音波の周波数の安定性と超音波センサの取付位置の安定性はセンシングする上での極めて重要なファクタであり、これが安定していれば、超音波センサの対面位置にある水面や壁（反射面）に対して垂直に超音波信号を放射して、反射面からの反射信号の時間を読み取ることで、距離を正確に算出することができる。

しかしながら、上記の通り製品筐体に装着された他の機器から発生する振動の伝搬によって超音波センサそのものが振動させられることで、周波数はドップラー効果により常時変化して安定性が損なわれ、また、超音波センサから発せられる超音波は反射面に対して斜めに放射されることになり、結果として、測定距離が不要に伸びてしまったり、反射信号が別の方向に飛んでしまい、受信部に正確に受信されなかったりするなどの不具合が発生し、精度良い計測ができなくなるという問題が顕著になる。

本発明は上記の問題を解決するために為されたものであり、超音波センサの測定の阻害要因である筐体からの振動の伝搬を大幅に低減または防止する超音波センサおよび防振構造を施した超音波センサを備えた設備機器を提供することを目的とする。

本発明に係る超音波センサは、少なくとも圧縮機と、熱交換器と、前記圧縮機及び前記熱交換器を外気と熱交換させるファンと、を内部に固定して保持する筐体と、
外部からの送信信号により超音波に変換して外部空間にこの超音波を発射し、外部空間からの反射波を受けてこの反射波を受信信号に変換して外部回路にこの受信信号を送る圧電素子と、
この圧電素子を一方の面に固定して取り付ける台座とを備え、
この台座の前記圧電素子側と反対側の面を前記筐体に防振材を介して固定したものである。

本発明によれば、超音波センサの台座の前記圧電素子側と反対側の面を前記筐体に防振材を介して固定したので、筐体からの振動の伝搬を大幅に低減または防止することができる。従って、超音波センサ６の取付位置の安定性および使用される送信波および反射波の安定性を確保することができるため、精度のよい計測が可能になる。

実施の形態１．
図１は、本発明の超音波センサ６を水位センサとして利用するショーケースの水位検出部分の全体構成を示す図である。
図において、圧縮機１と熱交換器２は冷媒配管３を介して接続され、ファン４によって外気と熱交換される。
また、蒸発器として動作する熱交換器２の表面で結露した水滴は流下して集められ、ドレン９として下方に設けられたドレンタンク５に貯留される。
また、以上に示した各機器は筐体を構成する内部構造体２０内に設けられている。
また、ドレンタンク５内の水位は内部構造体２０に取り付けられた超音波センサ６及び制御回路基板（操作基板を兼用）７との共働によって測定される。即ち、制御回路基板７内に設けられた送信部（図示せず）から超音波センサ６に送られた送信波は、超音波センサ６から発射され、これが、開口部８を通り、ドレン水９の水面に当たり、反射される。反射波は送信波とは逆の道を辿り、超音波センサ６を介して制御回路基板７内に設けられた受信部（図示せず）で受信され、処理される。
以上の各装置はショーケース１０内に収容されている。

図２は、本発明の実施の形態１における超音波センサ６の取付状態を示す図であり、超音波センサ６が防振材２１ａを介して内部構造体２０に固定されている状態を示している。図２に示すように、超音波センサ６を構成するＰＺＴなどの圧電素子６１は、台座６２の上に固定されている。この状態で、内部構造体を防振材２１ａで挟み、この防振材で挟まれた内部構造体２０に固定ネジ２２で上記台座６２を固着する。
これにより、筐体からの振動の伝搬を大幅に低減または防止することができる。従って、超音波センサ６の取付位置の安定性および使用される送信波および反射波の安定性を確保することができるため、精度のよい計測が可能になる。

また、防振材２１ａの固有振動数を超音波センサから発射される送信波および反射波の周波数とは異なる値に設定する。例えば、防振材の固有振動数を４０ｋＨｚ未満に設定する。これにより、圧縮機の駆動モータやファンの駆動モータの回転に伴う振動の超音波センサ６への伝搬を抑制することができ、さらに超音波センサ６の取付位置の安定性および使用される送信波および反射波の安定性を向上させることができるため、より精度のよい計測が可能になる。

また、振動には、構造体を面方向に振動させる縦振動（面振動)波と、構造体表面を伝搬する横振動(表面伝搬)波が存在するが、防振材２１ａを異方成形処理することで、構造体の縦振動、構造体表面を伝搬する横振動を確実に減衰することができ、さらに超音波センサ６の取付位置の安定性および使用される送信波および反射波の安定性を向上させることができる。従って、より精度のよい計測が可能になる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２における超音波センサ６の取付状態を示す図であり、超音波センサ６が防振材２１ｂを介して内部構造体２０に固定されている状態を示している。図３に示すように、圧電素子６１、台座６２、音響通路外装部６３から成る超音波センサ６全体を防振材２１ｂで囲う。また、防振材２１ｂを挟んで内部構造体２０に固定ネジを通し、この固定ネジを防振材２１ｂで全体を囲われた超音波センサの、台座６２に固定する。
これにより、大型圧縮機や送風ファンによる筐体伝搬振動、及び流体による配管を通じて超音波センサ６に伝搬される振動を確実に抑制でき、超音波センサ６全体の振動抑制を図ることが可能となる。
また、超音波センサ６の内部構造体である振動子の振動によるセンサ筐体の振動も減衰させることが可能となり、音響通路の振動が原因で発生するセンサ信号の誤検知問題も解決することが出来る。

また、防振材２１ｂの固有振動数を送信波および反射波の周波数とは異なる値に設定する。例えば、防振材２１ｂの固有振動数を１０ｋＨｚ以下に設定する。これにより、圧縮機の駆動モータや大型ファンの駆動モータの回転に伴う筐体からの振動の超音波センサ６への伝搬を抑制することができる。従って、超音波センサ６の取付位置の安定性および使用される送信波および反射波の安定性をより向上させることができるため、より精度のよい計測が可能になる。
なお、固定ネジ゛には、樹脂ネジ゛を用いるが、柔軟材であればこれに限定されない。例えば、ゴムなどの高分子材料でもよいし、バネなどを利用してもよい。

また、図３に示すように圧電素子の周囲に任意の空間部６４を設けるようにする。この空間により、圧電素子６１に必要な振動が防振材２１ｂによって吸収（減衰）されることを防ぐことが可能である。従って、超音波センサ６の取付位置の安定性および使用される送信波および反射波の安定性をさらに向上させることができるため、より精度のよい計測が可能になる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３における超音波センサ６の取付状態を示す図であり、超音波センサ６が防振材２１ｃを介して内部構造体２０に固定されている状態を示している。図４に示すように、防振材２１ｃを２パーツ化し、内部構造体２０を防振材２１ｃで挟むだけでなく、固定ネジの周囲も防振材２１ｃで覆うようにする。これにより、固定ネジを介して伝搬する振動も確実に減衰できる。従って、超音波センサ６の取付位置の安定性および使用される送信波および反射波の安定性をより向上させることができるため、より精度のよい計測が可能になる。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４における超音波センサ６の取付状態を示す図であり、超音波センサ６が防振材２１ｄを介して内部構造体２０に固定されている状態を示している。図５（ａ）に示すように、内部構造体２０を防振材２１ｄで挟んで固定ネジ２２で内部構造体２０に固着する。また、超音波センサ６を構成する台座６２を防振材または樹脂片２３によって点接触させる。点接触の部材は、図５（ｂ）に示すように防振材又は台座と同等の部品（樹脂)とする。また、点接触の横断面形状は、三角形（三角錐や円錐）２３ａでもよいし、半円形状またはそれに類似する形状２３ｂでもよい。また、凹部を構成した形状２３ｃでもよい。
なお、固定ネジと内部構造体との接続部位は、図５（ａ）に示すように固定ネジからの振動伝搬を防ぐためにネジ周囲を防振材で覆うようにする。以上の構造をとることにより、内部構造体を通して超音波センサ６に伝搬される振動を実施の形態１〜４よりもさらに抑制することが可能である。
また、台座６２を図６に示すように金属材または樹脂片２４で構成されたボールベアリング２４によって点接触させるようにしてもよい。この場合、内部構造体２０からの横振動がボールベアリング２４によって吸収されるため、台座６２に伝搬することがほぼ完全に抑制される。これにより、台座６２に固定された超音波センサ６は、内部構造体２０からの横振動の影響を受けることがなく、ほぼ完全な直線性が維持できる。

なお、上記実施の形態１〜４に説明した超音波センサは図１に示すようにショーケース１０に収納される例で説明したが、これに限らず、超音波センサが適用できる設備機器ならばいずれのものにも収納できることはいうまでもない。

本発明の超音波センサ６を水位センサとして利用するショーケースの水位検出部分の全体構成を示す図である。 本発明の実施の形態１における超音波センサ６の取付状態を示す図である。 本発明の実施の形態２における超音波センサ６の取付状態を示す図である。 本発明の実施の形態３における超音波センサ６の取付状態を示す図である。 本発明の実施の形態４における超音波センサ６の取付状態を示す図である。 本発明の実施の形態４における超音波センサ６の別の取付状態を示す図である。

符号の説明

１ 圧縮機、２ 熱交換器、３ 冷媒配管、４ ファン、５ ドレンタンク、６ 超音波センサ、８ 開口部、９ ドレン水、１０ ショーケース、２１ａ〜ｄ 防振材、６１ 圧電素子、６２ 台座、６３ 音響通路外装部、６４ 空間部。

Claims (12)

1. 少なくとも圧縮機と、熱交換器と、前記圧縮機及び前記熱交換器を外気と熱交換させるファンと、を内部に固定して保持する筐体と、
   外部からの送信信号により超音波に変換して外部空間にこの超音波を発射し、外部空間からの反射波を受けてこの反射波を受信信号に変換して外部回路にこの受信信号を送る圧電素子と、
   この圧電素子を一方の面に固定して取り付ける台座とを備え、
   この台座の前記圧電素子側と反対側の面を前記筐体に防振材を介して固定したことを特徴とする超音波センサ。
2. 前記防振材の固有振動数は圧電素子の固有振動数とは異なることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
3. 前記防振材は異方処理によって作成されたことを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
4. 少なくとも台座及び圧電素子は前記防振材で囲われたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波センサ。
5. 固定部材を備え、
   前記筐体の台座取付け部位を前記防振材で挟み、さらに前記固定部材で貫通させ、前記固定部材の先を前記台座に螺合接続することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波センサ。
6. 前記固定部材は防振材で覆われたことを特徴とする請求項５に記載の超音波センサ。
7. 前記台座の前記圧電素子側と反対側の面を前記筐体に、防振材を介して固定する代わりに、点接触する部材を介して固定したことを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
8. 点接触する部材の鉛直面による断面の形状は三角形であることを特徴とする請求項７記載の超音波センサ。
9. 点接触する部材の鉛直面による断面の形状は半円形であることを特徴とする請求項７記載の超音波センサ。
10. 点接触する部材の鉛直面による断面の形状は少なくとも２つの頂点を有する凹部を形成したものであることを特徴とする請求項７記載の超音波センサ。
11. 前記台座の前記圧電素子側と反対側の面を前記筐体に、防振材を介して固定する代わりに、ボールベアリングを介して固定したことを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
12. 前記請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の超音波センサを備えたことを特徴とする設備機器。
    

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