JP2015019317A - 超音波センサおよび超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】ＴＴＥの発生を抑制する。【解決手段】超音波センサ３Ａは、底部３４を有する缶ケース３１と、底部３４の内面３４Ｔ上に設けられた圧電素子３５と、底部３４の外面３４Ｓ上に設けられ、底部３４を介して圧電素子３５と対向するように配置された音響整合層３６と、底部３４の外面３４Ｓ上に設けられ、外面３４Ｓ上において音響整合層３６の周囲を取り囲むように配置された吸音材３７とを備える。【選択図】図５

Description

本発明は、超音波センサおよび超音波流量計に関し、特に、音響整合層を備えた超音波センサ、およびそのような超音波センサを用いて流体の流量を測定する超音波流量計に関する。

特開２００４−１４４７０１号公報（特許文献１）は、超音波流量計に関する発明を開示している。この超音波流量計に用いられている超音波センサは、缶ケースと、缶ケースの内面に設けられた圧電素子と、缶ケースの外面に設けられた音響整合層とを備えている。音響整合層の音響インピーダンスは、超音波センサの外部（流体）のインピーダンスと超音波センサのインピーダンスとの間の値に設定される。音響整合層を用いることにより、高い感度で超音波を送受信することが可能となる。

同公報（特許文献１）は、缶ケースの外面の一部に音響整合層を設け、缶ケースの外面の一部が露出している超音波センサ対を用いて超音波流量計を構成することにより、ＴＴＥ（Triple Transit Echo）（３回反射ともいう）の発生を抑制できると述べている。同公報は、ＴＴＥの発生を抑制できる要因は、超音波センサから送出された超音波が他方の超音波センサで反射される場合に、音響整合層で反射する超音波と、露出した缶ケースの外面で反射する超音波との位相が互いに若干異なるため、反射した超音波同士が互いに干渉し、その強度が減少するためであると述べている。

特開２００４−１４４７０１号公報

上述の通り、音響整合層を用いることにより、超音波センサの外部（流体）と超音波センサとの間のインピーダンスの差を小さくすることができ、高い感度で超音波を送受信することが可能となる。一方、対向配置した超音波センサ対を用いて流体の流量を測る場合、迅速な測定や高精度の測定を実現するためには、ＴＴＥの発生を抑制する必要がある。特開２００４−１４４７０１号公報（特許文献１）に開示されているように、缶ケースの外面の一部に音響整合層を設け、缶ケースの外面の一部を露出させた超音波センサを用いることにより、ＴＴＥの影響を抑制することができる。

仮に、音響整合層の縦横幅を小さくして、缶ケースの外面に対する音響整合層の占める割合を小さくしたとする。このような超音波センサから出力される超音波は、元の超音波センサから出力される超音波よりも低い指向性を持つ。超音波は広がりながら伝播しやすくなるため、ＴＴＥの発生をより一層抑制することが可能になるものと考えられる。しかしながら、音響整合層の縦横幅を小さくしたことにより、音響整合層で反射する超音波と、缶ケースの外面で反射する超音波とが互いに干渉しにくくなり、ＴＴＥの発生を適切に抑制することができない場合があった。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであって、従来に比してＴＴＥの発生を抑制可能な超音波センサ、およびそのような超音波センサを用いて流体の流量を測定する超音波流量計を提供することを目的とする。

本発明に基づく超音波センサは、底部を有する缶ケースと、上記缶ケースの上記底部の内面上に設けられた圧電素子と、上記缶ケースの上記底部の外面上に設けられ、上記底部を介して上記圧電素子と対向するように配置された音響整合層と、上記缶ケースの上記底部の上記外面上に設けられ、上記外面上において上記音響整合層の周囲を取り囲むように配置された吸音材と、を備える。

好ましくは、上記吸音材は、上記底部の上記外面のうちの上記音響整合層が設けられていない部分の全部を覆う形状を有している。

本発明に基づく超音波流量計は、被測定流体が通流される流路と、上記流路内において超音波を送受信できるように配置された一対の超音波センサと、を備え、一対の上記超音波センサのうちのいずれかまたは双方は、本発明に基づく上記の超音波センサである。

好ましくは、上記流路には、上記被測定流体としてガスが通流される。

本発明によれば、従来に比してＴＴＥの発生を抑制可能な超音波センサ、およびそのような超音波センサを用いて流体の流量を測定する超音波流量計を得ることができる。

実施の形態における超音波流量計を示す断面図である。 実施の形態における超音波流量計を示す構成図である。 実施の形態における超音波流量計に用いられる超音波センサを示す斜視図である。 実施の形態における超音波流量計に用いられる超音波センサを示す平面図である。 実施の形態における超音波流量計に用いられる超音波センサを示す断面図である。 実施の形態の変形例における超音波流量計を示す断面図である。 実験例における時間に対する電圧の変化を示す図である。

本発明に基づいた実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。実施の形態の説明において、個数および量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数およびその量などに限定されない。実施の形態の説明において、同一の部品および相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

［実施の形態］
（超音波流量計１０）
図１は、実施の形態における超音波流量計１０を示す断面図である。図２は、超音波流量計１０を示す構成図である。図１および図２を参照して、超音波流量計１０について説明する。超音波流量計１０は、流体管１（図１）および一対の超音波センサ３Ａ，３Ｂを備える。流体管１の中には、流路２（図１）が形成される。流路２には、ガスまたは液体等の被測定流体が通流される。一対の超音波センサ３Ａ，３Ｂは、流路２の中で互いに対向するように配置される。

超音波センサ３Ａには、発振器４（図２）が接続される。超音波センサ３Ｂには、増幅器５を介してオシロスコープ６が接続される。発振器４は、超音波センサ３Ａを駆動するための周波数パルス信号を発振する。超音波センサ３Ａは、周波数パルス信号を受け、流路２に超音波パルスを送波する。超音波パルスは、ガスを透過して超音波センサ３Ｂに照射される。超音波センサ３Ｂは、超音波パルスを受波する。超音波センサ３Ａが超音波パルスを送波した時間と、超音波センサ３Ｂが超音波パルスを受波した時間との差に基づいて所定の演算処理が行なわれ、被測定流体の流量に応じた検出信号が増幅器５に出力される。

増幅器５は、超音波センサ３Ｂによる検出信号を増幅する。オシロスコープ６を用いて、増幅器５で増幅された検出信号から、被測定流体の流量を測定することができる。本実施の形態では、超音波センサ３Ａが送波手段として機能し、超音波センサ３Ｂが受波手段として機能している。この構成に限られず、超音波センサ３Ａ，３Ｂの双方が、送波手段および受波手段として機能するように構成することがより好ましい。

（超音波センサ３Ａ，３Ｂ）
図３〜図５を参照して、超音波センサ３Ａ，３Ｂについて説明する。本実施の形態では、超音波センサ３Ａ，３Ｂは互いに同一の構成を有しているため、ここでは超音波センサ３Ａについて着目してその説明を行なうものとする。図３は、超音波センサ３Ａ（３Ｂ）を示す斜視図であり、図４は、超音波センサ３Ａ（３Ｂ）を示す平面図であり、図５は、超音波センサ３Ａ（３Ｂ）を示す断面図である。

図３〜図５に示すように、超音波センサ３Ａは、缶ケース３１、圧電素子３５（図５）、音響整合層３６、吸音材３７、および一対の電極端子３８ａ，３８ｂを備える。

缶ケース３１は、金属製の部材（たとえばアルミニウム合金）からなり、蓋部３２、筒状部３３、および底部３４を有している。缶ケース３１は、全体として中空の円柱形状を有しており、その外径Ｄ３１はφ１５．４ｍｍであり、その高さＨ３１は９．５ｍｍである。缶ケース３１を構成している金属製の部材の厚さは、１．０ｍｍである。

圧電素子３５は、積層型の圧電素子であり、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛からなる。圧電素子３５は、缶ケース３１の底部３４の内面３４Ｔ（図５）上における中央部に設けられ、底部３４の内面３４Ｔに接合されている。詳述すると、圧電素子３５は、たとえば導電性を有するエポキシ系の接着剤により、底部３４の内面３４Ｔに固着されている。圧電素子３５は、立方体の形状を有しており、縦幅、横幅、および高さＨ３５はいずれも４．０ｍｍである。なお、圧電素子３５は、高さ方向に積層および分極されている。圧電素子３５は、主面に２つの電極（図示せず）を有している。一方の電極は電極端子３８ａにたとえば可撓性を有する基板により直接配線され、他方の電極は缶ケース３１を介して電極端子３８ｂに電気的に接続されている。圧電素子３５は、缶ケース３１の中でたとえばシリコン樹脂からなる封止部材３９により封止されている。電極端子３８ａ，３８ｂに駆動信号を供給すると、圧電素子３５は図５紙面内の上下方向に厚み縦振動することになる。

音響整合層３６は、エポキシ樹脂の中にガラスバルーンを混合させた低比重材料からなる。音響整合層３６は、缶ケース３１の底部３４の外面３４Ｓ（図５）上に設けられ、底部３４の外面３４Ｓに接合されている。音響整合層３６は、缶ケース３１の底部３４を介して圧電素子３５に対向するように配置されている。音響整合層３６の音響インピーダンスは、超音波センサ３Ａの外部（流体）のインピーダンスと、超音波センサ３Ａ（圧電素子３５）のインピーダンスとの間の値に設定され、圧電素子３５と外界（外気）との間の音響インピーダンスの整合を取る。缶ケース３１の底部３４の外面３４Ｓおよび音響整合層３６を平面視して（図４参照）、音響整合層３６は外面３４Ｓよりも小さい。また、音響整合層３６の外形は圧電素子３５の外形よりも小さい。音響整合層３６は、直方体の形状を有しており、縦幅Ｄ３６および横幅Ｗ３６はいずれも３．６ｍｍであり、高さＨ３６は２．８ｍｍである。音響整合層３６は、高さＨ３６によって送波する超音波の周波数を設定している。音響整合層３６の高さＨ３６が２．８ｍｍである場合には、１７０ｋＨｚの超音波を送波できる。

吸音材３７は、いわゆるスポンジ状の形状を有し、樹脂の中に多数の気泡を分散させた部材からなる。音響整合層３６は、缶ケース３１の底部３４の外面３４Ｓ（図５）上に設けられ、外面３４Ｓ上において音響整合層３６の周囲を取り囲むように配置されている。吸音材３７は、たとえば円形状の外形を有しており、その外径Ｄ３７はφ１５．４ｍｍであり、その高さＨ３７（厚さ）は２．０ｍｍである。吸音材３７は、缶ケース３１の底部３４の外面３４Ｓのうちの音響整合層３６が設けられていない部分の全部を覆う形状を有している。この構成に限られず、吸音材３７は、音響整合層３６の周囲を取り囲んでいれば、缶ケース３１の底部３４の外面３４Ｓのうちの音響整合層３６が設けられていない部分の一部を覆う形状を有していていてもよい。本実施の形態では、音響整合層３６の高さＨ３６（２．８ｍｍ）の値が吸音材３７の高さＨ３７（２．０ｍｍ）の値よりも若干大きいが、これらは同一の値であってもよい。

（作用および効果）
超音波センサ３Ａから送波された超音波が超音波センサ３Ｂにおいて反射される場合に、音響整合層３６の表面３６Ｓで反射する超音波と、缶ケース３１の底部３４の外面３４Ｓで反射する超音波との位相は互いに異なる。このため、反射した超音波同士が互いに干渉し、その強度が減少する。したがって、当該構成により、ＴＴＥの発生を抑制できる。この作用および効果は、超音波センサ３Ｂから送波された超音波が超音波センサ３Ａにおいて反射される場合においても同様に奏する。

本実施の形態では、音響整合層３６の周囲に吸音材３７が設けられている。音響整合層３６の縦横幅（缶ケースの外面に対する音響整合層の占める割合）は、たとえば冒頭で説明した特開２００４−１４４７０１号公報（特許文献１）に開示されている構成に比べて小さい。超音波センサ３Ａ，３Ｂから出力される超音波は、低い指向性を持ち、広がりながら伝播しやすい。そのため、超音波センサ３Ａから送波された超音波が超音波センサ３Ｂで反射しにくくなるため、ＴＴＥを抑制することができる。また、音響整合層３６が従来に比べて小さいため、超音波センサ３Ｂで反射した超音波がさらに超音波センサ３Ａにて反射しにくくなり、さらにＴＴＥを抑制することができる。特に、缶ケース３１の底部３４の外面３４Ｓで反射しようとする超音波は、吸音材３７を通過する間に減衰する。音響整合層３６の表面３６Ｓで反射する超音波と缶ケース３１の底部３４の外面３４Ｓで反射する超音波同士は、互いに干渉しやすくなっており、その強度が一層減少する。したがって、当該構成により、ＴＴＥの発生をより一層抑制できる。この作用および効果は、超音波センサ３Ｂから送波された超音波が超音波センサ３Ａにおいて反射される場合においても同様に奏する。音響整合層３６を小さくすることにより、製造費用の低減を図ることも可能となっている。

ガスの流量を測定するための一般的な超音波流量計においては、超音波センサ３Ａ，３Ｂは、たとえば５ｃｍ〜１５ｃｍ程度の間隔を空けて対向配置され、これらの間で超音波（１５０ｋＨｚ〜１７０ｋＨｚ）の送受信が行なわれる。このように測定距離が短い場合では、ＴＴＥが発生し、残響時間が長くなると、迅速な測定や高精度の測定が困難になる。このような場合に本実施の形態の超音波センサ３Ａ，３Ｂが用いられることにより、ＴＴＥの発生を抑制でき、迅速な測定や高精度の測定を実現することが可能になる。本実施の形態では、対向配置される超音波センサ３Ａ，３Ｂが同一の構成を有している。この構成に限られず、製造上の都合または費用等の都合に応じて、超音波センサ３Ａ，３Ｂのうちの一方を、他の構成を有する超音波センサとしてもよい。

（変形例）
上述の実施の形態は、Ｕ字形状を有する流路２（図１参照）に超音波センサ３Ａ，３Ｂが適用された例に基づいて説明したが、これに限るものではない。図６に示す超音波流量計１０Ａのように、超音波センサ３Ａ，３Ｂは、流体管１の流路２に対して斜め方向に交差するように、超音波センサ３Ａ，３Ｂが対向配置されてもよい。当該構成によっても、上記の実施の形態と同様の作用および効果を得ることができる。

（実験例）
一対の超音波センサを図２のように対向させた超音波流量計において、ＴＴＥを測定する。測定は、送波側、受波側にそれぞれ超音波センサ３Ａ，３Ｂを用いる場合、送波側に従来の超音波センサ、受波側に超音波センサ３Ａを用いる場合、および送波側、受波側にそれぞれ従来の超音波センサを用いる場合の異なる３つの超音波流量計において行なう。なお、従来の超音波センサとは、缶ケース３１の外面に吸音材３７を備えず、音響整合層３６のみを備えるものである。各条件の超音波流量計において異なるのは超音波センサの構成のみであり、その他の実験条件は同一とする。一対の超音波センサ間の距離は５ｃｍ、送波される超音波の周波数は１７０ｋＨｚとする。

図７は、実験例における時間に対する電圧の変化を示す図である。図７中の実線は、超音波センサ３Ａ，３Ｂを用いて超音波の送受信を行なった場合のセンサ出力の波形（ピーク値をなぞったもの）を示している。図７中の破線は、超音波センサ３Ａ（受波側のみ吸音材３７を有している）と従来の超音波センサ（音響整合層３６のみ有している）とを用いて超音波の送受信を行なった場合のセンサ出力の波形（ピーク値をなぞったもの）を示している。図７中の一点鎖線は、２つの従来の超音波センサ（音響整合層３６のみ有している）を用いて超音波の送受信を行なった場合のセンサ出力の波形（ピーク値をなぞったもの）を示している。

図７中の実線に示されるように、送波側および受波側の双方の超音波センサに吸音材３７を用いた構成を採用することにより、ＴＴＥの発生を大幅に抑制できることがわかる。破線に示されるように、受波側の超音波センサのみに吸音材３７を用いた構成を採用した場合であっても、ＴＴＥの発生を一定程度抑制できることがわかる。

なお、上述の実施の形態では、圧電素子３５はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなるが、これに限るものではない。たとえば、圧電素子３５は、ニオブ酸カリウムナトリウム系およびアルカリニオブ酸系セラミックス等の非鉛系圧電体セラミックスの圧電材料などからなってもよい。

また、上述の実施の形態では、封止部材３９はシリコン樹脂からなるが、これに限るものではない。封止部材３９は、たとえば、エポキシ樹脂などの他の樹脂からなってもよいし、吸音効果を有するスポンジ等であってもよい。

以上、本発明に基づいた実施の形態および実験例について説明したが、今回開示された実施の形態および実験例はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 流体管、２ 流路、３Ａ，３Ｂ 超音波センサ、４ 発振器、５ 増幅器、６ オシロスコープ、１０，１０Ａ 超音波流量計、３１ 缶ケース、３２ 蓋部、３３ 筒状部、３４ 底部、３４Ｓ 外面、３４Ｔ 内面、３５ 圧電素子、３６ 音響整合層、３６Ｓ 表面、３７ 吸音材、３８ 電極端子、３９ 封止部材。

Claims (4)

1. 底部を有する缶ケースと、
   前記缶ケースの前記底部の内面上に設けられた圧電素子と、
   前記缶ケースの前記底部の外面上に設けられ、前記底部を介して前記圧電素子と対向するように配置された音響整合層と、
   前記缶ケースの前記底部の前記外面上に設けられ、前記外面上において前記音響整合層の周囲を取り囲むように配置された吸音材と、を備える、
   超音波センサ。
2. 前記吸音材は、前記底部の前記外面のうちの前記音響整合層が設けられていない部分の全部を覆う形状を有している、
   請求項１に記載の超音波センサ。
3. 被測定流体が通流される流路と、
   前記流路内において超音波を送受信できるように配置された一対の超音波センサと、を備え、
   一対の前記超音波センサのうちのいずれかまたは双方は、請求項１または２に記載の超音波センサである、
   超音波流量計。
4. 前記流路には、前記被測定流体としてガスが通流される、
   請求項３に記載の超音波流量計。

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