JP2017072398A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子の側面にまで接着剤のフィレットを形成することで残響を低減し、従来構成に対して小型化した超音波センサを提供する。【解決手段】筐体１１１と、筐体１１１内に設けられた圧電素子１１２と、圧電素子１１２を筐体１１１に接着する接着剤１１３と、接着剤１１３により圧電素子１１２の側面に形成されたフィレット１１４とを備え、電圧が印加されることで超音波信号を発生し、また、超音波信号を受信することで電圧を発生する。【選択図】図２

Description

この発明は、超音波式積算熱量計に用いられる超音波センサに関するものである。

超音波式積算熱量計は、温度計及び一対の超音波センサを備え、配管を流れる液体（ビルの空調に使用される温冷水等）の温度及び流量から熱量を計測する計測器である。一対の超音波センサは、配管の上流側と下流側に取付けられている。そして、超音波式積算熱量計では、配管を流れる液体に対し、上流側と下流側の超音波センサから超音波信号を交互に発信し、その超音波信号の伝播時間の差から流量を求めている。

一方、このような超音波式積算熱量計に用いられる超音波センサでは、発信する超音波信号の残響が小さいことが望まれる。この残響を小さくし、超音波信号を送信したい方向へ効率良く送信するためには、超音波信号を発生する圧電素子（超音波振動子）の周囲のうち、送信したい方向以外の部分の振動を機械的に抑制する必要がある。
そこで、従来の超音波センサでは、筐体に圧電素子を固定した後、圧電素子の後方（超音波信号の送信方向とは反対方向）にバッキング材を設置して圧電素子の余分な振動を抑制している。また、残響をより低減させるため、圧電素子の側面にもバッキング材を設けた構成も知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−１７９９９６号公報

しかしながら、従来の超音波センサでは、バッキング材を含む構成であるため、超音波センサの小型化が困難であるという課題があった。また、バッキング材を用いることで、部品コストがかかり、重量が増えるという課題もある。また、従来の超音波センサの作製では、筐体に圧電素子を固定した後に、バッキング材を設置して圧電素子を抑え込む工程が必要となり、生産作業工数が増えるという課題もある。
また、超音波センサが超音波式積算熱量計に用いられる場合には、超音波センサが取付けられる配管の厚みを、バッキング材の分、厚くする必要がある。そのため、超音波式積算熱量計の小型化も困難であるという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、残響を低減し且つ従来構成に対して小型化が可能な超音波センサを提供することを目的としている。

この発明に係る超音波センサは、筐体と、筐体内に設けられた圧電素子と、圧電素子を筐体に接着する接着剤と、接着剤により圧電素子の側面に形成されたフィレットとを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、残響を低減し且つ従来構成に対して小型化が可能となる。

この発明の実施の形態１に係る超音波センサを適用した超音波式積算熱量計の構成例を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係る超音波センサの構成例を示す模式図であり、（ａ）側断面図であり、（ｂ）上面図である。 この発明の実施の形態１に係る超音波センサでの超音波信号の減衰の一例を示す図である。 図２，３に対する比較例を示す図であり、（ａ）接着剤のフィレットがない場合の構成例を示す図であり、（ｂ）（ａ）での超音波信号の減衰の一例を示す図である。 図２，３に対する別の比較例を示す図であり、（ａ）接着剤のフィレットがなく且つ圧電素子の一部分のみが接着されている場合の構成例を示す図であり、（ｂ）（ａ）での超音波信号の減衰の一例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る超音波センサ１１を適用した超音波式積算熱量計１の構成例を示す図である。
超音波式積算熱量計１は、温度計及び一対の超音波センサ１１を備え、配管１２を流れる液体（ビルの空調に使用される温冷水等）の温度及び流量から熱量を計測する計測器である。なお図１では、温度計の図示を省略している。また、一対の超音波センサ１１は、配管１２の上流側と下流側に設けられた穴１３にそれぞれ取付けられ、水漏れがないように封止される。

そして、超音波式積算熱量計１では、配管１２を流れる液体に対し、上流側と下流側の超音波センサ１１から超音波信号１０１，１０２を交互に発信し、その超音波信号１０１，１０２の伝播時間の差から流量を求めている。
なお図１の例では、一対の超音波センサ１１が、対向する配管１２の内壁を介して、超音波信号１０１，１０２の送受信を行う場合を示している。しかしながら、これに限るものではなく、その他の方式（例えば、一対の超音波センサ１１を斜めに対向配置して、超音波信号１０１，１０２を直接送受信する方式）としてもよい。

ここで、従来の超音波センサでは、超音波信号を発生する圧電素子の後方（超音波信号の送信方向とは反対方向）に、残響を低減するためのバッキング材を設置している。そのため、超音波センサが、このバッキング材の分、大型化する。一方、超音波式積算熱量計では、配管の内壁から超音波センサが突出してしまうと、これが管内抵抗となり、正確な流量を計測できなくなる。そのため、超音波センサの厚み分、配管を厚くする必要があり、超音波式積算熱量計が大型化してしまう。
そこで、本発明の超音波センサ１１では、バッキング材を用いずに、残響の低減を実現することで、超音波センサ１１の小型化（薄型化）を図る。以下、本発明の超音波センサ１１の構成例について、図２を用いて説明する。

本発明の超音波センサ１１では、図２に示すように、筐体１１１内に、圧電素子（超音波振動子）１１２が設けられている。この圧電素子１１２は、電圧が印加されることで超音波信号を発生し、また、超音波信号を受信することで電圧を発生する素子である。この圧電素子１１２は、超音波信号を送信する面である前方面（図２（ａ）では下面）が、エポキシ樹脂等の硬度の高い接着剤１１３によって筐体１１１に固定され、圧電素子１１２の前方面の電極が筐体１１１に接続される。また、圧電素子１１２の後方面（図２では上面）の電極にはリード線（不図示）がはんだ付けにより接続される。

そして、本発明では、圧電素子１１２の前方面を接着剤１１３によって筐体１１１に固定する際に、圧電素子１１２の側面まで接着剤１１３を付けて、フィレット１１４を形成するように接着を行う。
ここで、圧電素子１１２では、電圧が印加されることで振動が生じ、これが超音波信号として外部に送信される。圧電素子１１２の側面にまで接着剤１１３のフィレット１１４を形成することで、余分な振動を抑制し、従来のように圧電素子の後方にバッキング材を設置した場合と同等に、残響を低減することが可能となる。

次に、本発明の超音波センサ１１の効果について説明する。
ここでは、残響が低減しているか（すなわち、圧電素子１１２の余分な振動が抑えられているか）を評価する指標として、超音波センサ１１への電圧印加前後での超音波信号の減衰率を用いる。電圧を印加した際の超音波信号の強度（電圧値）をＶ１とし、その次の超音波信号の強度（電圧値）をＶ２とした場合、減衰率は下式（１）で表される。
減衰率［％］＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｖ１×１００ （１）
なお以下では、超音波センサ１１に対して電圧を４回印加し、４番目の超音波信号の強度Ｖ１と５番目の超音波信号の強度Ｖ２を用いて減衰率を求めた場合を示す。

本発明の超音波センサ１１を用いた場合での超音波信号の減衰は図３のようになる。なお図３において、横軸は時間であり、縦軸は超音波信号の強度である。
図３の場合では、４番目の超音波信号の強度３０１と５番目の超音波信号の強度３０２との比から、超音波信号の減衰率は約１２［％］となる。この減衰率は、従来のように圧電素子の後方にバッキング材を設置した場合での超音波信号の減衰率と同等である。

一方、図４では、図２に示す本発明の超音波センサ１１に対し、接着剤１１３のフィレット１１４がない場合の構成例と、その構成例での超音波信号の減衰の一例を示している。
図４の場合では、４番目の超音波信号の強度４０１と５番目の超音波信号の強度４０２との比から、超音波信号の減衰率は約０．５［％］となる。したがって、圧電素子１１２の側面にフィレット１１４を形成せず圧電素子１１２の径方向の振動を抑制しない場合には、図２の構成に対して減衰率が低く、残響を十分に低減できないことがわかる。

また図５では、図２に示す本発明の超音波センサ１１に対し、接着剤１１３のフィレット１１４がなく且つ圧電素子１１２の一部分のみが接着されている場合の構成例と、その構成例での超音波信号の減衰の一例を示している。
図５の場合では、図３，４（ｂ）のような減衰は見られないが、敢えて減衰率を求めるとするならば、超音波信号の強度５０１，５０２の比から約−０．０５［％］となる。したがって、圧電素子１１２の側面にフィレット１１４を形成せず且つ圧電素子１１２の一部分のみを筐体１１１に接着した場合には、残響を低減できないことがわかる。

なお上記では、図２（ｂ）に示すように、圧電素子１１２の側面に、全周に渡って、接着剤１１３のフィレット１１４を形成した場合を示した。しかしながら、これに限るものではなく、超音波信号の減衰率は約１０［％］以上であればよく、圧電素子１１２の側面のうちの３／４以上の部分にフィレット１１４が形成されていればよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、筐体１１１と、筐体１１１内に設けられた圧電素子１１２と、圧電素子１１２を筐体１１１に接着する接着剤１１３と、接着剤１１３により圧電素子１１２の側面に形成されたフィレット１１４とを備えたので、バッキング材を用いずに、残響を低減し且つ従来構成に対して小型化が可能となる。また、バッキング材が不要であるため、従来構成に対して、部品コストの低減及び軽量化を図ることが可能となる。
また、本発明では、圧電素子１１２を筐体１１１に固定する工程において、同時に、フィレット１１４の形成を行っているため、従来のようなバッキング材の設置工程は不要となり、従来構成に対して作業生産工数を削減することができる。

また、超音波センサ１１の厚みを薄くすることができるため、この超音波センサ１１を用いた超音波式積算熱量計１の配管１２の厚みを薄くすることができ、従来構成に対して超音波式積算熱量計１の小型化が可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 超音波式積算熱量計
１１ 超音波センサ
１２ 配管
１３ 穴
１１１ 筐体
１１２ 圧電素子
１１３ 接着剤
１１４ フィレット

Claims (2)

1. 筐体と、
   前記筐体内に設けられた圧電素子と、
   前記圧電素子を前記筐体に接着する接着剤と、
   前記接着剤により前記圧電素子の側面に形成されたフィレットと
   を備えた超音波センサ。
2. 前記フィレットは、前記圧電素子の側面のうちの３／４以上の部分に形成された
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。

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