JP4078878B2 - Ultrasonic sensor and ultrasonic flow meter using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波センサ、およびこれを用いた超音波流量計に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、超音波流量計は、図11に示すように、ガス、液体等の流体が流れる流路内に超音波センサAを設けて構成されている。この超音波センサAは、たとえば一対の圧電振動子B1,B2を備え、一方の圧電振動子B1が上流側(図中左側)に、他方の圧電振動子B2が下流側(図中右側)に所定距離Lだけ離間した状態で互いに対向配置されている。なお、この場合の各圧電振動子B1,B2は、超音波の送信と受信の双方の機能を有している。
【0003】
ここで、流体が一定速度で流れているとしたとき、各圧電振動子B1,B2から超音波を送信する。その際に、上流側の圧電振動子B1から送信された超音波が下流側の圧電振動子B2で受信されるまでに要した時間をt1、下流側の圧電振動子B2から送信された超音波が上流側の圧電振動子B1で受信されるまでに要した時間をt2とすると、t1<t2となり、両時間t1,t2の差Δt(=t2−t1)が流体の流速vに比例している。
【0004】
したがって、各圧電振動子B1,B2に超音波が到達するまでに要する時間の差Δtを検知することにより、流体の流速vを計測でき、さらに、流路の断面積が既知であれば、流速vから流量を計測することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の超音波流量計において、流体の流れが停止していて流量が零の場合、超音波センサAで検出される上記の時間差Δtは本来ならば零になるはずである。ところが、実際には、超音波センサAを構成する各々の圧電振動子B1,B2は、受信した超音波を電気信号に変換して出力するまでの応答時間に若干の差がある。同様に電気信号を超音波に変換して出力する場合も同じく応答時間に差がある。
【0006】
そのため、流量が零の場合にも上記の時間差Δtが零にならず、誤差を生じる以下、このような誤差を時間誤差Δteと称する。しかも、この時間誤差Δteは、図12に示すように温度依存性があり、たとえば温度が高くなるほど大きくなる傾向を示す。
【0007】
超音波センサAを構成する各圧電振動子B1,B2の応答性のばらつきによってこのような時間誤差Δteが生じると、流体の流量を精度良く計測することができない。したがって、このような時間誤差Δteが生じないようにする必要がある。そのためには、たとえば図12に示したような時間誤差Δteの温度依存性を示す特性データを装置内部のメモリ等に予め記憶させておき、上記のようにして時間差Δtを検出したときには、この時間差Δtから温度に対応した時間誤差Δteを差し引く補正を行うことで、時間誤差Δteの影響を除くようにすることが考えられる。
【0008】
しかしながら、超音波流量計を構成する超音波センサAごとに、図12に示したような特性データを個別に測定してメモリに登録するのは極めて手間がかかるばかりか、そのような補正信号処理をするための回路も複雑、高価なものになってしまう。
【0009】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、各圧電振動子相互間の応答性のばらつきによって生じる時間誤差を簡単かつ有効に除けるようにして、広い温度範囲にわたって常に安定した検出精度を確保した超音波センサ、およびこれを用いた超音波流量計を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の具体的な課題解決手段について述べる前に、本発明の基本的な考え方について説明する。
【0011】
本発明者は、超音波センサを構成する各圧電振動子相互間で応答性のばらつきが生じる原因について鋭意検討したところ、次の知見を得た。
【0012】
いま、たとえば超音波センサを構成する2つの圧電振動子について着目したとき、各圧電振動子を構成する圧電体の静電容量C1,C2が振動子ごとに互いに異なっているものとする。そして、このように静電容量C1,C2が互いに異なる圧電体を有する各圧電振動子を一つの音源から等距離だけ離して配置し、音源で発生された超音波を各圧電振動子でそれぞれ受信するものとする。
【0013】
この場合、図1に示すように、各圧電振動子が受信した超音波を電気信号に変換して出力するまでの応答時間は、静電容量C1,C2の違いによって互いに異なっており、しかも、応答時間には温度依存性があってたとえば温度が高くなるほど応答時間の差が大きくなる(図1の例では、温度TaにおいてΔteaの時間誤差が生じている。)。このため、両圧電振動子の間には、図12に示したように、温度依存性のある時間誤差Δteが生じることになる。
【0014】
図2は一定温度の下で、ある一つの圧電振動子を基準として、他の各圧電振動子の静電容量との差ΔCと、これに対応する時間誤差Δteとの関係を調べた結果を示すものである。この結果からも分かるように、圧電振動子の静電容量の差ΔCが大きいほど、時間誤差Δteが大きくなることが分かる。
【0015】
以上のことから、超音波センサを構成する各圧電振動子相互間で応答性のばらつきが生じる原因は、主として圧電振動子の静電容量の違いに起因していると考えられる。そこで、図3に示すように、超音波センサを構成する各圧電振動子が保有する静電容量C1,C2を互いに略一致するように予め調整しておけば、各々の圧電振動子の応答時間は同じ温度変化特性を示すため、図4に示すように、圧電振動子相互間の応答性のばらつきを無くすことができ、その結果、時間誤差Δteを極めて小さくすることができる。
【0016】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたもので、従来の課題を解決するために次のようにしている。
すなわち、請求項1記載に係る本発明の超音波センサは、同一の音源となる送信装置からの超音波を受信する複数の圧電振動子、同一の受信装置で受信される超音波を送信する複数の圧電振動子、および相互に超音波を送受信する複数の圧電振動子の内のいずれかを備え、超音波の送受信に要する時間を検知して流体の流量を測定する超音波流量計用の超音波センサであって、前記各圧電振動子の内の少なくとも一つには、当該圧電振動子が保有する静電容量を、他の圧電振動子が保有する静電容量と略一致するように調整した静電容量調整部が設けられていることを特徴としている。
【0017】
また、請求項2記載の発明の超音波センサは、請求項1記載の発明の構成において、前記静電容量調整部は、前記圧電振動子を構成する圧電基板または圧電基板を挟む一対の電極の少なくとも一方をトリミングしてなることを特徴としている。
【0018】
また、請求項3記載の発明の超音波センサは、請求項1記載の発明の構成において、前記静電容量調整部は、圧電振動子の電極に接続される一対の信号線の間に容量素子を並列接続してなることを特徴としている。
【0019】
請求項4記載の発明の超音波流量計は、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の超音波センサが流量検出対象となる流体が流れる流体管内に配設されてなることを特徴としている。
【0020】
このように構成することにより、各圧電振動子相互間の静電容量の違いに起因して生じる時間誤差の影響を簡単かつ有効に除くことができる。そのため、広い温度範囲にわたって常に安定した検出精度を確保した超音波センサおよびこれを用いた超音波流量計を得ることが可能になる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図5は本発明の実施の形態に係る超音波流量計の構成図、図6は超音波流量計に使用される超音波センサを構成する圧電振動子の一部を切り欠いて示す正面図である。
【0022】
この実施の形態の超音波流量計1は、図5に示すように、超音波センサ2と駆動検出部3とを備える。超音波センサ2は、ガス、液体等の流体が流れる流体管4内に配置されており、また、駆動検出部3は、超音波センサ2を駆動するとともに、このセンサ2からの検出出力を基づいて流体の流量に対応した信号を出力するようになっている。
【0023】
超音波センサ2は、一対の圧電振動子5a,5bを備えており、一方(図中左側)の圧電振動子5aは流体管4の上流側の内壁に、他方(図中右側)の圧電振動子5bは流体管4の下流側の内壁にそれぞれ所定距離だけ離間した状態で互いに対向して取り付けられている。なお、この場合、各圧電振動子5a,5bは、超音波の送信と受信の双方の機能を有している。
【0024】
各々の圧電振動子5a,5bは、図6に示すように、圧電体6を備え、この圧電体6の上に音響整合層を形成するキャップ7が冠着され、また、キャップ7の底部には筒状のケース8が固定され、このケース8内に駆動検出部3から延長されたケーブル9の一端が引き込まれている。そして、ケーブル9の各信号線10が圧電体6に電気的に接続されている。そして、キャップ7およびケース8内は樹脂等の封止材11によって封止されている。
【0025】
圧電体6は、図7(a)に示すように、円板状の圧電基板14の上下両面にそれぞれ電極15が形成されてなるもので、上下の各電極15に前述の信号線10がそれぞれ接続されている。
【0026】
上記構成の超音波流量計1において、流体管4内に流れるガスや液体などの流体の流量を計測する際には、従来の場合と同様、駆動検出部3から起動信号を出力して各圧電振動子5a,5bを励振する。そして、駆動検出部3は、上流側の圧電振動子5aから送信された超音波が下流側の圧電振動子5bで受信されるまでに要した時間t1と、下流側の圧電振動子5bから送信された超音波が上流側の圧電振動子5aで受信されるまでに要した時間t2をそれぞれ検出して、両時間の差Δt(=t2−t1)に基づいて流量を計測する。
【0027】
ここで、各圧電振動子5a,5bが保有する静電容量の値が互いに異なると、流体管4内の流量が零の場合にも検出される時間差が零にならず時間誤差Δteが生じるおそれがある。各々の圧電振動子5a,5bの静電容量の違いは、図7(a)に示す圧電体6において各圧電基板14の両面に設けられている電極15間の静電容量が圧電体6ごとに異なることに起因する。
【0028】
そこで、この実施の形態の場合には、一対の圧電振動子5a,5bの内、たとえば一方の圧電振動子5aについて、図7(b)に示すように、圧電体6の上面側の電極15の外周部の一部をトリミングすることにより、他方の圧電振動子5bを構成する圧電体6の静電容量と略一致するように調整している。そして、このトリミングした部分が静電容量調整部17として確保されている。この場合の圧電体6のトリミングは、各圧電振動子5a,5bを組み立てる前に予め調整される。
【0029】
なお、各圧電振動子5a,5bを構成する圧電体6相互間の静電容量を略一致させる静電容量調整部17を確保するには、図7(b)に示した以外に、図7(c)に示すように、電極15の中央部をトリミングしてもよく、図7(d)に示すように電極15の外周部を全周にわたって均一にトリミングしてもよい。さらには、図7(e)に示すように、電極15をトリミングする代わりに、圧電基板14の外周の一部をトリミングしてもよい。
【0030】
このように、圧電振動子5a,5bを構成する圧電体6に静電容量調整部17を確保して圧電振動子5a,5b相互間の静電容量が略一致するように予め調整しておけば、図3に示したように、各々の圧電振動子5a,5bの応答性は同じ温度変化傾向を示すようになる。その結果、図4に示したように、圧電振動子5a,5b相互間の応答性のばらつきがなくなるため、時間誤差Δteを極めて小さくすることができる。
【0031】
したがって、この超音波センサ2を備えた超音波流量計1は、殆ど時間誤差を生じないため、広い温度範囲にわたって常に安定した精度良い流量計測を行うことができる。
【0032】
上記の実施の形態に対して、次のような変形例や応用例を考えることができる。
(1) 上記の実施の形態では、一対の圧電振動子5a,5bの内、一方の圧電振動子5aまたは5bに静電容量調整部17を確保するようにしたが、圧電振動子5a,5bの双方に静電容量調整部17を設けて両者5a,5bの静電容量が略一致するようにすることも可能である。
【0033】
(2) 上記の実施の形態では、圧電振動子5a,5bを構成する圧電体6の電極15あるいは圧電基板14の一部をトリミングして静電容量調整部17を確保したが、圧電体6を加工する代わりに、たとえば、図8に示すように、駆動検出部3から延長されたケーブル9がケース8内に引き込まれた箇所において、ケーブル9の信号線10の間に容量素子としてのコンデンサ18を並列接続し、このコンデンサ18を静電容量調整部とすることもできる。
【0034】
この場合、コンデンサ18の容量値は、圧電体6の静電容量、あるいは圧電振動子5a,5bを組み立てる途中の圧電振動子5a,5bの静電容量に合わせて調整を行う。その際、コンデンサ18として可変容量式のものを使用すれば、各種の容量値をもつコンデンサ18を選択しなくて済むため、容量調整を一層容易に行うことができる。
【0035】
このように、一対の信号線10の間に静電容量調整部としてのコンデンサ18を接続した場合においても、圧電体6とコンデンサ18とは常に同温度となり、かつ、各圧電振動子5a,5bの静電容量が略一致するため、各圧電振動子5a,5b相互間の応答性のばらつきを除くことができる。しかも、組み立て途中あるいは完成後でもコンデンサ18を後から付加することができるため、組み立て途中で生じる静電容量の違いに起因する応答性のばらつきも含めて調整することができて便利である。
【0036】
(3) 図8では、一対の信号線10の間にコンデンサ18を直接に並列接続したが、図9に示すように、圧電振動子5a,5bのケース8内に中継基板20を設け、この中継基板20の上に一対の中継用電極パターン21a,21bを形成するとともに、両中継用電極パターン21a,21bの間に並列にコンデンサ18を接続し、各々の中継用電極パターン21a,21bにケーブル9の各信号線10、および圧電体6の各電極15に一端が接続されたリード線22の他端を共に接続した構成とすることもできる。この構成の場合には、中継基板20にコンデンサ18を安定して確実に取り付けることができる。しかも、接続するコンデンサ18と圧電体6の静電容量の温度依存性の傾向(傾き)を合わせることで、広い温度範囲にわたって精度良く調整することができる。
【0037】
なお、圧電振動子5a,5b側に位置するケーブル9の信号線10間にコンデンサ18を接続したが、その代わりに、駆動検出部3側に位置するケーブル9の信号線間にコンデンサ18を接続した構成とすることも可能である。
【0038】
(4) 上記の実施の形態では、超音波センサ2を構成する一対の圧電振動子5a,5bは、相互に超音波を送受信するようにしたが、本発明の超音波センサ2は、このような構成のものに限らず、図10に示すような構成とすることもできる。
【0039】
すなわち、図10(a)に示す超音波センサは、超音波の音源となる単一の送信装置23に対して、一対の圧電振動子5a,5bを流体の流れる方向に関して互いに逆方向に等距離だけ離れて対向配置し、送信装置23から送信される超音波を各々の圧電振動子5a,5bで受信する構成としている。この場合には、受信側となる各圧電振動子5a,5bの保有する静電容量が略一致するように調整される。
【0040】
また、図10(b)に示す超音波センサは、超音波の音源となる単一の送信装置23に対して、一対の圧電振動子5a,5bを流体の流れる方向に関して互いに同方向に異なる距離だけ離れて配置し、送信装置23から送信される超音波を各々の圧電振動子5a,5bで受信する構成としている。この場合には、受信側となる各圧電振動子5a,5bの保有する静電容量が略一致するように調整される。
【0041】
さらに、図10(c)に示す超音波センサは、一対の圧電振動子5a,5bを単一の受信装置24から流体の流れる方向に関して互いに逆方向に等距離だけ離れて対向配置し、各々の圧電振動子5a,5bから同時に送信された超音波を同一の受信装置24で受信する構成としている。この場合には、送信側となる各圧電振動子5a,5bの保有する静電容量が略一致するように調整される。
【0042】
さらにまた、図10(d)に示す超音波センサは、一対の圧電振動子5a,5bを単一の受信装置24から流体の流れる方向に関して互いに同方向に異なる距離だけ離れて配置し、各圧電振動子5a,5bから同時に送信された超音波を受信装置24で受信する構成としている。この場合には、送信側となる各圧電振動子5a,5bの保有する静電容量が略一致するように調整される。
【0043】
なお、上記の説明では、超音波センサは2つの圧電振動子5a,5bを備えたものとしたが、3つ以上の圧電振動子を備えたものについても本発明は適用可能である。
【0044】
【発明の効果】
本発明は、次の効果を奏する。
(1) 請求項1記載の発明に係る超音波センサによれば、各圧電振動子の静電容量の違いに起因した応答性のばらつきを有効に除くことができ、時間誤差を極めて小さくすることができる。そのため、広い温度範囲にわたって常に安定した検出精度を確保した超音波センサを得ることが可能になる。
【0045】
(2) 請求項2記載の発明に係る超音波センサによれば、請求項1記載の発明の効果に加えて、圧電振動子を構成する圧電基板または圧電基板を挟む電極の少なくとも一方をトリミングするという極めて簡単な作業でもって各圧電振動子の応答性のばらつきを除くことができ、安価に実施することができる。
【0046】
(3) 請求項3記載の発明に係る超音波センサによれば、請求項1記載の発明の効果に加えて、圧電振動子の電極に接続される一対の信号端子間に容量素子を並列接続するという簡単な作業でもって各圧電振動子の応答性のばらつきを除くことができる。しかも、組み立て途中あるいは完成後でも容量素子を後から付加することができるため、組み立て途中で生じる静電容量の違いに起因する応答性のばらつきも含めて容量値を調整することができるという利点がある。
【0047】
(4) 請求項4記載の発明に係る超音波流量計によれば、広い温度範囲にわたって常に安定した精度良い流量計測を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】超音波センサを構成する各圧電振動子が保有する静電容量の違いに起因した各圧電振動子の超音波送受信時の応答性の温度依存性を示す特性図である。
【図2】ある一つの圧電振動子を基準として他の各圧電振動子の静電容量の差ΔCとこれに対応する時間誤差Δteとの関係を調べた結果を示す特性図である。
【図3】超音波センサを構成する各圧電振動子相互間の静電容量を互いに略一致するように調整した場合の各圧電振動子の超音波送受信時の応答時間の温度依存性を示す特性図である。
【図4】超音波センサを構成する各圧電振動子相互間の静電容量を略一致させた場合の時間誤差Δteの温度依存性を示す特性図である。
【図5】本発明の実施の形態に係る超音波流量計の構成図である。
【図6】図5の超音波流量計に使用される超音波センサを構成する圧電振動子の一部を切り欠いて示す正面図である。
【図7】図6の圧電振動子に使用する圧電体と、この圧電体に静電容量調整部を設けた場合の各種の例を示す図である。
【図8】超音波センサを構成する圧電振動子に静電容量調整部としてのコンデンサを設けた場合の例を示す説明図である。
【図9】超音波センサを構成する圧電振動子に静電容量調整部としてのコンデンサを設けた場合の他の例を示す説明図である。
【図10】超音波センサの各種の構成例を示す説明図である。
【図11】超音波流量計を用いて流体の流量を計測する場合の説明図である。
【図12】超音波センサを構成する圧電振動子の応答性のばらつきによって生じる時間誤差Δteの温度依存性を示す特性図である。
【符号の説明】
1 超音波流量計
2 超音波センサ
3 駆動検出部
4 流体管
5a,5b 圧電振動子
6 圧電体
10 信号線
14 電極
15 圧電基板
17 トリミング部(静電容量調整部)
18 コンデンサ(静電容量調整部)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic sensor and an ultrasonic flowmeter using the same.
[0002]
[Prior art]
In general, as shown in FIG. 11, the ultrasonic flowmeter is configured by providing an ultrasonic sensor A in a flow path through which a fluid such as gas or liquid flows. The ultrasonic sensor A includes, for example, a pair of piezoelectric vibrators B1 and B2, with one piezoelectric vibrator B1 on the upstream side (left side in the figure) and the other piezoelectric vibrator B2 on the downstream side (right side in the figure). They are arranged opposite to each other with a predetermined distance L apart. In this case, the piezoelectric vibrators B1 and B2 have both functions of transmitting and receiving ultrasonic waves.
[0003]
Here, when the fluid is flowing at a constant speed, ultrasonic waves are transmitted from the piezoelectric vibrators B1 and B2. At that time, the time required for the ultrasonic wave transmitted from the upstream piezoelectric vibrator B1 to be received by the downstream piezoelectric vibrator B2 is t1, and the ultrasonic wave transmitted from the downstream piezoelectric vibrator B2 Is t2 <t2, and the difference Δt (= t2−t1) between the times t1 and t2 is proportional to the flow velocity v of the fluid. Yes.
[0004]
Therefore, the flow velocity v of the fluid can be measured by detecting the time difference Δt required for the ultrasonic waves to reach the piezoelectric vibrators B1 and B2, and if the cross-sectional area of the flow path is known, the flow velocity The flow rate can be measured from v.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above-described ultrasonic flowmeter, when the flow of fluid is stopped and the flow rate is zero, the time difference Δt detected by the ultrasonic sensor A should be zero. However, actually, each piezoelectric vibrator B1 and B2 constituting the ultrasonic sensor A has a slight difference in response time until the received ultrasonic wave is converted into an electric signal and output. Similarly, there is a difference in response time when an electrical signal is converted into an ultrasonic wave and output.
[0006]
Therefore, even when the flow rate is zero, the above time difference Δt does not become zero, and an error occurs. Hereinafter, such an error is referred to as a time error Δte. In addition, the time error Δte has temperature dependence as shown in FIG. 12, and tends to increase as the temperature increases, for example.
[0007]
If such a time error Δte occurs due to variations in responsiveness of the piezoelectric vibrators B1 and B2 constituting the ultrasonic sensor A, the flow rate of the fluid cannot be accurately measured. Therefore, it is necessary to prevent such a time error Δte from occurring. For this purpose, for example, characteristic data indicating the temperature dependence of the time error Δte as shown in FIG. 12 is stored in advance in a memory or the like in the apparatus, and when the time difference Δt is detected as described above, this time difference is detected. It is conceivable to eliminate the influence of the time error Δte by performing correction by subtracting the time error Δte corresponding to the temperature from Δt.
[0008]
However, for each ultrasonic sensor A constituting the ultrasonic flowmeter, it is extremely troublesome to individually measure and register the characteristic data as shown in FIG. 12 in the memory. The circuit for doing this also becomes complicated and expensive.
[0009]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and it is possible to easily and effectively eliminate time errors caused by variations in responsiveness between the piezoelectric vibrators, so that it is always stable over a wide temperature range. An object of the present invention is to provide an ultrasonic sensor that ensures detection accuracy, and an ultrasonic flowmeter using the ultrasonic sensor.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
Before describing the specific problem solving means of the present invention, the basic concept of the present invention will be described.
[0011]
The present inventor diligently studied the cause of variation in responsiveness among the piezoelectric vibrators constituting the ultrasonic sensor, and obtained the following knowledge.
[0012]
For example, when attention is paid to two piezoelectric vibrators constituting an ultrasonic sensor, it is assumed that the capacitances C1 and C2 of the piezoelectric bodies constituting the piezoelectric vibrators are different from one another. The piezoelectric vibrators having piezoelectric bodies having different capacitances C1 and C2 as described above are arranged at an equal distance from one sound source, and the ultrasonic waves generated by the sound sources are received by the respective piezoelectric vibrators. It shall be.
[0013]
In this case, as shown in FIG. 1, the response time until the ultrasonic wave received by each piezoelectric vibrator is converted into an electrical signal and output is different from each other due to the difference in capacitances C1 and C2, and The response time depends on temperature, and for example, the difference in response time increases as the temperature increases (in the example of FIG. 1, a time error of Δtea occurs at the temperature Ta). For this reason, as shown in FIG. 12, a time error Δte having temperature dependency occurs between the two piezoelectric vibrators.
[0014]
FIG. 2 shows the result of examining the relationship between the difference ΔC from the capacitance of each of the other piezoelectric vibrators and the corresponding time error Δte with a certain piezoelectric vibrator as a reference at a constant temperature. It is shown. As can be seen from this result, the time error Δte increases as the capacitance difference ΔC of the piezoelectric vibrator increases.
[0015]
From the above, it is considered that the cause of the variation in responsiveness among the piezoelectric vibrators constituting the ultrasonic sensor is mainly due to the difference in capacitance of the piezoelectric vibrators. Therefore, as shown in FIG. 3, if the capacitances C1 and C2 possessed by the piezoelectric vibrators constituting the ultrasonic sensor are adjusted in advance so as to substantially coincide with each other, the response time of each piezoelectric vibrator is set. Since they exhibit the same temperature change characteristics, as shown in FIG. 4, variations in responsiveness among the piezoelectric vibrators can be eliminated, and as a result, the time error Δte can be extremely reduced.
[0016]
The present invention has been made on the basis of the above-described knowledge, and is performed as follows in order to solve the conventional problems.
That is, the ultrasonic sensor according to the first aspect of the present invention includes a plurality of piezoelectric vibrators that receive ultrasonic waves from a transmission device that is the same sound source, and a plurality of ultrasonic waves that are received by the same reception device. Ultrasonic flowmeter for measuring the flow rate of fluid by detecting the time required for transmitting and receiving ultrasonic waves A sonic sensor , wherein at least one of the piezoelectric vibrators is adjusted so that a capacitance held by the piezoelectric vibrator is substantially equal to a capacitance held by another piezoelectric vibrator. The capacitance adjusting unit is provided.
[0017]
The ultrasonic sensor according to a second aspect of the present invention is the ultrasonic sensor according to the first aspect, wherein the capacitance adjusting unit includes a piezoelectric substrate constituting the piezoelectric vibrator or a pair of electrodes sandwiching the piezoelectric substrate. It is characterized by trimming at least one of them.
[0018]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the ultrasonic sensor according to the first aspect, wherein the capacitance adjustment section is a capacitive element between a pair of signal lines connected to the electrodes of the piezoelectric vibrator. It is characterized by being connected in parallel.
[0019]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic flowmeter in which the ultrasonic sensor according to any one of the first to third aspects is disposed in a fluid pipe through which a fluid as a flow rate detection target flows. It is a feature.
[0020]
With this configuration, it is possible to easily and effectively eliminate the influence of time errors caused by the difference in capacitance between the piezoelectric vibrators. For this reason, it is possible to obtain an ultrasonic sensor and an ultrasonic flowmeter using the ultrasonic sensor that always ensure stable detection accuracy over a wide temperature range.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 5 is a configuration diagram of the ultrasonic flowmeter according to the embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a front view showing a part of the piezoelectric vibrator constituting the ultrasonic sensor used in the ultrasonic flowmeter by cutting away. is there.
[0022]
The
[0023]
The
[0024]
As shown in FIG. 6, each of the
[0025]
As shown in FIG. 7A, the
[0026]
In the
[0027]
Here, if the capacitance values of the
[0028]
Therefore, in the case of this embodiment, for example, one
[0029]
In order to secure the
[0030]
As described above, the
[0031]
Therefore, since the
[0032]
The following modifications and application examples can be considered for the above embodiment.
(1) In the above embodiment, the
[0033]
(2) In the above embodiment, the
[0034]
In this case, the capacitance value of the
[0035]
As described above, even when the
[0036]
(3) Although the
[0037]
Although the
[0038]
(4) In the above-described embodiment, the pair of
[0039]
That is, the ultrasonic sensor shown in FIG. 10A is equidistant from the
[0040]
Further, the ultrasonic sensor shown in FIG. 10B is different in the same direction with respect to the direction in which the fluid flows through the pair of
[0041]
Furthermore, in the ultrasonic sensor shown in FIG. 10C, the pair of
[0042]
Furthermore, in the ultrasonic sensor shown in FIG. 10 (d), a pair of
[0043]
In the above description, the ultrasonic sensor includes the two
[0044]
【The invention's effect】
The present invention has the following effects.
(1) According to the ultrasonic sensor of the first aspect of the present invention, it is possible to effectively eliminate variations in responsiveness due to the difference in capacitance between the piezoelectric vibrators, and extremely reduce the time error. Can do. Therefore, it is possible to obtain an ultrasonic sensor that ensures stable detection accuracy over a wide temperature range.
[0045]
(2) According to the ultrasonic sensor of the second aspect of the invention, in addition to the effect of the first aspect of the invention, the piezoelectric substrate constituting the piezoelectric vibrator or at least one of the electrodes sandwiching the piezoelectric substrate is trimmed. With such an extremely simple operation, variations in the responsiveness of each piezoelectric vibrator can be eliminated, and the operation can be carried out at a low cost.
[0046]
(3) According to the ultrasonic sensor of the invention described in claim 3, in addition to the effect of the invention described in
[0047]
(4) According to the ultrasonic flowmeter of the invention described in claim 4, it is possible to perform stable and accurate flow rate measurement over a wide temperature range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a characteristic diagram showing temperature dependence of responsiveness at the time of ultrasonic wave transmission / reception of each piezoelectric vibrator due to a difference in capacitance held by each piezoelectric vibrator constituting an ultrasonic sensor.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a result of examining a relationship between a capacitance difference ΔC of each of the other piezoelectric vibrators and a corresponding time error Δte using one piezoelectric vibrator as a reference.
FIG. 3 is a characteristic showing the temperature dependence of the response time at the time of ultrasonic wave transmission / reception of each piezoelectric vibrator when the capacitance between the piezoelectric vibrators constituting the ultrasonic sensor is adjusted so as to substantially match each other. FIG.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the temperature dependence of the time error Δte when the capacitances between the piezoelectric vibrators constituting the ultrasonic sensor are substantially matched.
FIG. 5 is a configuration diagram of an ultrasonic flowmeter according to an embodiment of the present invention.
6 is a front view showing a part of a piezoelectric vibrator constituting an ultrasonic sensor used in the ultrasonic flowmeter of FIG.
7 is a diagram showing various examples when a piezoelectric body used in the piezoelectric vibrator of FIG. 6 and a capacitance adjusting unit are provided on the piezoelectric body.
FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating an example in which a capacitor as a capacitance adjusting unit is provided in the piezoelectric vibrator constituting the ultrasonic sensor.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing another example when a capacitor as a capacitance adjusting unit is provided in the piezoelectric vibrator constituting the ultrasonic sensor.
FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating various configuration examples of an ultrasonic sensor.
FIG. 11 is an explanatory diagram in the case of measuring the flow rate of a fluid using an ultrasonic flow meter.
FIG. 12 is a characteristic diagram showing temperature dependence of a time error Δte caused by variation in response of piezoelectric vibrators constituting an ultrasonic sensor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
18 Capacitor (Capacitance adjuster)
Claims (4)
前記各圧電振動子の内の少なくとも一つには、当該圧電振動子が保有する静電容量を、他の圧電振動子が保有する静電容量と略一致するように調整した静電容量調整部が設けられていることを特徴とする超音波センサ。A plurality of piezoelectric vibrators that receive ultrasonic waves from a transmitter that is the same sound source, a plurality of piezoelectric vibrators that transmit ultrasonic waves received by the same receiver, and a plurality of piezoelectric elements that transmit and receive ultrasonic waves to each other An ultrasonic sensor for an ultrasonic flowmeter that includes any of the vibrators , detects the time required to transmit and receive ultrasonic waves, and measures the flow rate of the fluid ,
At least one of the piezoelectric vibrators has a capacitance adjusting unit that adjusts the capacitance held by the piezoelectric vibrator so as to substantially match the capacitance held by the other piezoelectric vibrators. An ultrasonic sensor is provided.
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