JP2735637B2 - 超音波センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超音波センサに係り、特に温度変化に拘わら
ず一定の共振周波数を送受信できるよう構成した超音波
センサに関する。

従来の技術 例えば、流体が流れる流路内に渦発生体を設け、その
下流に発生したカルマン渦の生成数を超音波を利用して
検知することにより流体の流量を測定する超音波式の渦
流量計が知られている。この種の渦流量計では渦発生体
の下流側流壁に流路をはさんで対向配置された一対の超
音波センサを設けてなり、一方の超音波センサが発振器
からの発振信号の供給により超音波を発生する超音波送
信器として機能し、他方の超音波センサが流体中を伝播
する超音波を受信する超音波受信器として機能する。

そして、流体が流路を流れると渦発生体の下流側には
流速に比例する規則的なカルマン渦が発生し、超音波送
信器からの超音波がカルマン渦と遭遇すると、超音波受
信器により受信される超音波は位相変調を受けることに
なる。従って、超音波がカルマン渦と遭遇する場合と、
超音波がカルマン渦と遭遇しない場合とでは、発振器か
ら超音波送信器へ入力される信号と超音波受信器から出
力される信号との位相差が異なってくる。そのため、渦
流量計ではこの位相差の変化を検出することによりカル
マン渦の生成数が計測される。

上記のように機能する超音波センサは例えばステンレ
ス製の有底円筒状のホルダ内に圧電素子よりなる超音波
素子を収納し、この超音波素子は接着剤やシリコンゴム
等により振動板としてのホルダ底面に接着固定されてい
た。

発明が解決しようとする課題 上記構成の超音波センサにおいては周囲の温度が変化
すると超音波素子（圧電素子）に密着された振動板中を
伝播する音速ｃが変化する。例えば高温流体の流量計測
時にはホルダに流体からの熱が伝導し、振動板中の音速
ｃが変化するとｆ＝λ/2cあるいはｆ＝λ/4c（λ：波
長）からなる音波の透過周波数の最大透過帯域がシフト
してしまい、一定周波数による超音波の良好な送受信が
困難になるといった課題がある。従来は超音波センサの
共振周波数が振動板中の音速で決定されるが、温度変化
に伴い振動板中の音速が変化して超音波素子の共振周波
数が変化してしまうので、良好な送受信を行うために
は、回路側でシフトした最大透過周波数帯域に超音波セ
ンサの発振周波数を追従させなければならず、そのため
の回路が複雑であり、製作に多大の手間を要するといっ
た課題も生ずる。

そこで、本発明は上記課題を解決した超音波センサを
提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明は、超音波を送信又は受信する超音波素子と、
超音波素子を収納し、超音波素子が当接する振動面を有
するホルダと、超音波素子をホルダの振動面に押圧する
ばね部材と、ホルダより大きい熱膨張率を有し、温度上
昇に伴う振動面を透過する音波の透過周波数帯域のシフ
トを相殺するようにばね部材による超音波素子への押圧
力を調整する押圧力の調整部材とよりなる。

作用 温度変化に応じて押圧力調整部材が伸縮してばね部材
の圧縮力を調整することにより超音波素子の振動面への
押圧力が温度変化に比例するように制御され、その結果
超音波センサの音波の透過周波数帯域が略一定に保持さ
れる。

実施例 第１図は本発明になる超音波センサの一実施例が適用
された渦流量計を示し、第２図は前記超音波センサの要
部を示す。

両図中、渦流量計１は流体を給送する配管（第１図
中、１点鎖線で示す）2,3との間に配設されている。渦
流量計１の流量計本体４に形成された流路4a内には、渦
発生体５が上，下方向に延在するように挿入固定されて
いる。渦発生体５の下流側の流壁4bには取付孔4cが外周
面から内周面に貫通して設けられており、この取付孔4c
には一対の超音波センサ6,6が対向配置されるように挿
入固定されている。

一対の超音波センサ6,6のうち、第１図中において図
面下側にあらわれている取付孔4cに挿入された一方の超
音波センサ６は発振器（図示せず）の発振信号を供給さ
れ、第１図中破線で示すように超音波を送信する超音波
送信器である。そして、第１図中において図面上側にあ
らわれている取付孔4cに挿入された他方の超音波センサ
６は流路4a内を通過する流体中を伝播した超音波を受信
する超音波受信器である。

第１図において、流体は配管２から矢印で示す方向に
流れ、流路4a内を通過して配管３へ流れていく。このよ
うに、流体が流れると、上記流体中には流路4aの内部に
挿入配設された渦発生体５の下流側においてその左右に
交互に規則的な、所謂カルマン渦が発生する。この場合
に流体内を通過する超音波が流体中を伝播する途上にお
いて、上記渦発生体５により生成されたカルマン渦と遭
遇すると、カルマン渦の横方向（第１図の紙面と平行、
かつ超音波が伝播する方向）の流速成分に位相変調を受
けることとなる。

従って、送信側の発振信号と受信側の検出信号の位相
差は、流体中を通過する超音波がカルマン渦と遭遇しな
い場合の上記一定の位相差とは異なった位相差を示す。
渦流量計１ではこの位相差の変化を検出し、フィルタ
（図示せず）を介して取り出すことにより、流速又は流
量に比例するカルマン渦の生成数を検知し、ひいては被
側定流体の流量又は流速を測定することが可能となる。

ここで、本発明の要部である超音波センサ６の詳細に
つき説明する。

第２図に示す如く、超音波センサ６は、有底筒状のホ
ルダ７と、ホルダ７の収納室7aの内に収納され底面7bに
当接する超音波素子８と、超音波素子８に当接し温度変
化に応じて超音波素子８への押圧力を調整する押圧力調
整部材９と、押圧力調整部材９を超音波素子８に押圧す
るさらばね10と、さらばね10に当接し収納室7aの開口7c
に螺入されたナット11とよりなる。12はリード線で、ナ
ット11及び押圧力調整部材９を貫通して超音波素子８に
接続されている。

ホルダ７はステンレス製（熱膨張率α_Ｄ＝17.8×10^-6
/℃）で、振動面としての底面7bが円錐状に形成されて
いる。円錐状の底面7bでは反射した超音波が拡散するこ
とになり、入射波と反射波とが干渉しないようになって
いる。超音波素子８はセラミックス製（熱膨張率α_Ｄ＝
５〜９×10^-6/℃，チタン酸ジルコン酸鉛）の圧電素子
であり、さらばね10の押圧力により底面7bに押圧されて
いる。

押圧調整部材９は熱膨張率α_Ｄ＝25〜46×10^-6/℃を
有するフェノール樹脂又はポリイミド樹脂により円柱状
に成形されている。尚、押圧力調整部材９は素子自体が
絶縁性を有しているので超音波素子８との間に絶縁材を
設けないで済む。尚、押圧力調整部材９は常温で約60Kg
/cm²の押圧力を超音波素子８に作用させ、約200℃で約1
10Kg/cm²の押圧力を作用させるように設定されている。

さらばね10はばね鋼製で、熱膨張率α_Ｃ＝13〜18×10
^-6/℃を有する。又ナット11はホルダ７と同一材質によ
り形成されている。

ここで、常温（20℃）における超音波素子８の厚さA,
押圧力調整部材９の厚さをB,さらばね10の厚さをＣとす
る。上記各寸法A,B,Cは次式の関係を満足するように設
定する。

α_Ａ・Ａ＋α_Ｂ・Ｂ＋α_Ｃ・Ｃ＞ α_Ｄ・（Ａ＋Ｂ＋Ｃ） 上記超音波センサ６では上記の如くα_Ｂ＞α_Ａである
ので温度変化に比例してさらばね10の押圧力が増減する
ようになっている。但し、押圧力調整部材９は超音波素
子８に均一な面圧力を与えるられるように十分な厚さを
有し、さらばね10はホルダ７の側面7dと、超音波素子8,
押圧力調整部材９との膨張差を十分許容できる変位量を
有する。

上記のように、ホルダ７の側面7dの熱膨張よりも超音
波素子８及び押圧力調整部材9,さらばね10の熱膨張の和
の方が大きいため、例えば蒸気等の高温流体などを計測
するときのように温度上昇があると、第３図に示すよう
に各部材が軸方向に熱膨張する。すなわち、周囲の温度
が上昇すると、常温における各寸法A,B,C（第２図に示
す）はＡ′,B′,C′（第３図に示す）に変化する。各寸
法を比較すると、Ａ＜Ａ′,B＜Ｂ′,C＞Ｃ′であり、且
つＡ＋Ｂ＋Ｃ＜Ａ′＋Ｂ′＋Ｃ′となる。

従って、さらばね10は温度上昇に伴って超音波素子８
及び押圧力調整部材９の熱膨張とホルダ７の側面7dの熱
膨張との差だけ圧縮される。そのため、熱膨張による変
位量とさらばね10のばね定数に比例した面圧力が超音波
素子８に作用する。

第４図に温度一定時における超音波センサ６の超音波
素子８への押圧力に対する音波の透過周波数帯域のピー
ク（以下共振周波数という）の変化の関係を示す。本実
施例の超音波センサ６の場合、押圧力が約60Kg/cm²以下
では共振周波数が約100kHz程度で一定になる。しかる
に、押圧力が約60Kg/cm²以上になると超音波素子８の共
振周波数は押圧力の大きさに比例して直線的に変化す
る。

又、第５図には温度変化に対する超音波センサ６の共
振周波数の変化の関係を示す。第５図中、線図Ｎは従来
の超音波センサの特性を示し、線図Ｍは本実施例の超音
波センサ６の特性を示す。周囲温度が上昇するにつれて
振動板（ホルダ７の底面7b）中の音速が変化し、これに
より共振周波数は低い方にシフトしていることが線図Ｎ
よりわかる。

これに対し、本実施例の超音波センサ６では、前述の
如く、ホルダ７よりも大きい熱膨張率を有する押圧力調
整部材９の変位により、温度上昇とともに超音波素子８
への押圧力が増加する。従って、周囲温度が上昇すると
ともに低下する超音波センサ６の共振周波数が押圧力の
増加による共振周波数の上昇により相殺されてほぼ1000
kHz程度になる。その結果、第５図中線図Ｍで示すよう
に周囲温度変化に拘らず超音波センサ６の共振周波数は
ほぼ一定に保持され、従来のような温度変化による共振
周波数のシフトが抑止えられている。よって、従来必要
であった超音波センサの発振周波数を温度変化に応じて
変更するための回路が不要にできる。

これにより、渦流量計１においては周囲温度が変化す
るような環境下でも、あるいは被側流体の温度変化する
ような場合にも、より正確な流量計測が可能となる。

尚、上記実施例では渦流量計に用いられた超音波セン
サを例に挙げて説明したが、渦流量計以外にも適用でき
るのは勿論である。又、上記実施例では押圧力調整部材
を樹脂製としたが、これに限らずホルダより熱膨張率の
大きい素材であれば他の材質により形成しても良い。さ
らに、上記実施例ではさらにばねにより超音波素子への
押圧力を発生させる構成としだか、さらばね以外のばね
部材（例えばコイルばね等）を使用しても良いのは勿論
である。

又、上記実施例では常温から高温側への温度変化に対
応できるように設定したが、常温より低温側における温
度変化に対応させることもできる。その場合、超音波素
子への押圧力が常温より低い温度において約60Kg/cm²程
度になるよう予め設定しておく。

又、上記第４図，第５図に示す実験結果は上記セラミ
ックス製圧電素子による超音波センサ６の特性の一例で
あり、他の圧電素子を使用する場合にはその特性に合わ
せて押圧力を設定する。

発明の効果 上述の如く、本発明になる超音波センサは、超音波素
子への押圧力の変化により音波の透過周波数帯域が変化
することを利用して、温度変化により振動面中の音速の
変化に伴い透過周波数帯域がシフトしてしまうことを防
止すべく、温度変化とともに押圧力調整部材が伸縮して
超音波素子への押圧力を調整して超音波センサの透過周
波数帯域を所定の値に保持することができる。そのた
め、従来必要とされていた超音波センサの発振周波数を
温度変化に応じて変更するといった複雑な回路を不用に
できる。従って、周囲温度変化に拘らず一定の周波数で
送受信することができ、例えば超音波式渦流量計におい
て高温流体を高精度に計測することが可能になる等の特
長を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる超音波センサの一実施例が適用さ
れた渦流量計の横断面図、第２図は本発明の要部を示す
縦断面図、第３図は熱膨張したときの状態を示す縦断面
図、第４図は超音波センサの押圧力に対する共振周波数
の変化を示す線図、第５図は周囲温度に対する共振周波
数の変化を示す線図である。 １……渦流量計、５……渦発生体、６……超音波セン
サ、７……ホルダ、８……超音波素子、９……押圧力調
整部材、10……さらばね、11……ナット。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波を送信又は受信する超音波素子と、 該超音波素子を収納し、前記超音波素子が当接する振動
   面を有するホルダと、 前記超音波素子を前記ホルダの振動面に押圧するばね部
   材と、 前記ホルダより大きい熱膨張率を有し、温度上昇に伴う
   前記振動面を透過する音波の透過周波数帯域のシフトを
   相殺するように前記ばね部材による前記超音波素子への
   押圧力を調整する押圧力の調整部材と、 よりなることを特徴とする超音波センサ。