JP4303100B2 - 超音波センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動子を利用した超音波センサに関し、特にガス配管中に設置され、ガス流量の測定に用いる超音波センサに関する。

超音波センサは、圧電素子を振動させ超音波を外方に向けて送信し、測定対象となる受信体で反射して戻ってくる反射波を圧電振動子で受信し、送信から受信までの経過時間から送信位置から受信体まで距離を測定したり、ガス流量計において、ガス配管中に所定間隔で一対の超音波センサを対向して取り付け、一方の超音波センサから他方の超音波センサに超音波を送信するとともに他方の超音波センサで超音波を受信し、送受信に要する時間の差から、ガス流量を測定したりするために用いられている。

ところで、超音波は、異種の伝達媒質間の界面を透過する際に、媒質間の音響インピーダンスの差が大きいほど透過率が低下する。また、圧電振動子は、通常、セラミックからなり、大気に比べて音響インピーダンスが著しく大きい。そのため、超音波センサでは、圧電振動子と大気との間に、両者の中間の音響インピーダンスを持つ音響整合層を介在させ、超音波センサと大気間の超音波の透過率を向上させ、送受信を行う技術が知られている。

例えば、超音波センサにおいて、両面に電極を形成した板状の圧電振動子が有底筒状ケースの底面に固着され、有底筒状ケースの底壁の外面に音響整合層が接合されたものがある。そして、超音波を送信する際には、外部の電気回路からパルス信号が圧電振動子に印加され、圧電振動子が振動し、音響整合層を介して外部に超音波を放出し、一方、超音波を受信する際には、音響整合層を介して、圧電振動子が超音波を受けて振動し、圧電振動子の振動を電気回路で所定の電気信号に変換しているものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−３２５９９２号公報（第３−４頁、第１図）

特許文献１に記載の超音波センサによれば、圧電振動子に印加されるパルス信号が大きくなるにつれて圧電振動子の振動も大きくなるので、更に送受信感度を向上させる際には、送信側の超音波センサにおける圧電振動子に印加するパルス信号を大きくすればよい。しかしながら、圧電振動子に印加するパルス信号を大きくすれば、消費電力が増えるという問題があった。

そこで、本発明は、有底筒状ケースの底面に圧電振動子が固着され、底筒状ケースの底壁の外面に音響整合層が接合された超音波センサにおいて、消費電力を増やすことなく、送受信感度を向上させることを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた本発明の超音波センサは、軸方向の一端に開口部を有するとともに軸方向の他端に底面を有する有底筒状ケースと、該有底筒状ケースの内方の底面に固着された圧電振動子と、該有底筒状ケースの底壁の外面に一方の面が固着され、該圧電振動子と超音波が伝播される外気間との音響インピーダンスの整合を行うための音響整合層とを備えた超音波センサであって、前記音響整合層は、前記一方の面とは反対側の天面から側面に至る稜部が、テーパ状又は円弧状に形成されていることを特徴とする。（請求項１）
係る構成の超音波センサによれば、消費電力を増やすことなく送受信感度を向上できる。その理由は、明らかでないが、超音波センサが作動する際に、音響整合層の天面と側面との稜部がエッジ状に形成されていれば、この稜部において不要な振動が発生して送受信感度が損なわれ易いので、天面から側面に至る稜部をテーパ状又は円弧状に形成することにより、この稜部において不要な振動の発生を抑制でき、送受信感度を向上させることができるものと考えられる。

そして、音響整合層の天面から側面に至る稜部を円弧状又はテーパ状に形成することにより送受信感度を強くしたり、円弧又はテーパの大きさを変えることにより送受信感度の強さを調整したりすることができる。また、音響整合層の天面の稜部を円弧状又はテーパ状に形成することにより、音響整合層を有底筒状ケースへの固着する際、及び超音波センサが送受信動作する際に、音響整合層のカケやワレなどの発生を低減できる。

また、本発明の超音波センサの一態様は、前記音響整合層は、前記有底筒状ケースに固着される前記一方の面から前記側面に至る稜部が円弧状又はテーパ状に形成されていることにより、音響整合層を有底筒状ケースへ固着する際、及び超音波センサが送受信動作する際に、音響整合層のカケやワレなどの発生を低減できる。また、有底筒状ケースへ固着される一方の面とこの一方の面と対向する天面の何れも、側面との稜部が円弧状又はテーパ状に形成されることにより、音響整合層を有底筒状ケースに固着する際に、音響整合層の表面と裏面との判別の必要がなく、作業性を向上できる。（請求項２）

以下、本発明の実施例を図面と共に説明する。
図１は本発明が適用された超音波センサの実施例の構成を表す図であって、（ａ）は外観図、（ｂ）は断面図である。図２（ａ）〜図２（ｅ）は、同実施例の超音波センサにおける音響整合層の変形例を表す外観図である。

図１において、１は超音波センサであり、この超音波センサ１は、軸方向の一端に開口部１３を有する有底筒状ケース１１と、有底筒状ケース１１の内方の底面１２に固着された圧電振動子２と、圧電素子２と対向するように有底筒状ケース１１の外面に固着された音響整合層８と、有底筒状ケース１１の開口部１３を遮蔽するように有底筒状ケース１１に固定されたベース部材３と、ベース部材３に固定されるとともに圧電振動子２と電気的に接続された一対の入出力端子４、５と、有底筒状ケース１１の外周側面１４に沿って圧入された筒状のリング１０とを備えて構成されている。

圧電振動子２は、圧電特性を有するセラミック材料から形成され、この両面に銀ペーストが印刷され電極１６、１７が形成されている。また、圧電振動子２は、外径が約８．３ｍｍ、厚みが約２ｍｍの円板状に形成されている。

また、圧電振動子２は、金属製の有底筒状ケース１１の底面１２に接合され、一方の電極１６が有底筒状ケース１１と電気的に接続し、他方の電極１７が導電線９と例えば半田付け、溶接、導電性接着等によって電気的に接続されている。

次に、有底筒状ケース１１は、導電性を有するとともにガス雰囲気中における耐食性や耐熱性等に優れたステンレス材料（厚みが約０．２ｍｍ）から形成され、軸方向（図中のＹ方向）の一方の端部に底面１２が付設され、他方の端部が開口して開口部１３が形成されている。また、有底筒状ケース１１は、外径が約１０ｍｍ、軸方向の長さが約８ｍｍに形成されている。

また、有底筒状ケース１１は、底面１２に圧電振動子２が接着して接合され、開口部１３を遮蔽するようにベース部材３の凸部１５が嵌合し、開口部１３がベース部材３と溶接によって固定されている。

また、有底筒状ケース１１は、外周側面１４に沿って筒状のリング１０が圧入されている。
次に、ベース部材３は、導電性を有するＮｉメッキ処理をしたＳＰＣ（冷間圧延鋼）から形成され、有底筒状ケース１１の開口部１３の内方に嵌合する凸１５部と、有底筒状ケース１１の開口部１３に当接する座１８が形成され、凸部１５の上面には絶縁シート７が貼り付けられている。

また、有底筒状ケース１１は、入出力端子５を挿入するための貫通孔１９と入出力端子４を接続するための係合穴２０が形成されている。
次に、一対の入出力端子４、５は、圧電振動子２の電極１６、１７及び有底筒状ケース１１の外方の電気回路（図示せず）と電気的に接続するために、鉄合金等の導電性を有する金属から形成されている。

また、一方の入出力端子５は、ベース部材３の貫通孔１９に挿通され、貫通孔１９との間の隙間にガラスペーストなどの絶縁材６が注入されハーメチックシール構造で固定され、ベース部材３に対して電気的に絶縁している。そして、入出力端子５の一端は、有底筒状ケース１１の内方に突き出し、圧電振動子２の電極１７と導電線９によって電気的に接続され、入出力端子５の他端は、有底筒状ケース１１の外方の電気回路（図示せず）に接続するために、有底筒状ケース１１の外方に突き出している。

また、他方の入出力端子４は、ベース部材３の、外面に形成された係合穴２０に一端が係合し溶接によって固定され、ベース部材３に対して電気的に導通するように接続され、入出力端子４の他端は、有底筒状ケース１１の外方の電気回路（図示せず）に接続するために、有底筒状ケース１１の外方に突き出している。そして、入出力端子４は、導電性のベース部材３と導電性の有底筒状ケース１１を介して、圧電振動子２の電極１６と電気的に接続されている。

次に、リング１０は、ガス雰囲気中や高温中で使用しても耐久性が強く、超音波センサ１の使用温度範囲７０°を越えたガラス転移点をもつポリプロピレン樹脂（ガラス転移点が１２０℃である）を筒状に成形して形成されている（所謂、成形リングである）。

また、リング１０は、内径が有底筒状ケース１１の外径よりも僅かに小さい内径を有するように形成され、有底筒状ケース１１の底面１２側から外周側面１４に沿って圧入されている。また、リング１０は、有底筒状ケース１１に圧入する際に、リング１０のガラス転移点１２０℃を僅かに越えた温度（約１３０℃）でリング１０を加熱しながら圧入されている。

次に、音響整合層８は、圧電振動子２と空気とのインピーダンス整合を図るために、両者の中間の音響インピーダンスを持ち、Ｑ値の低い発泡性の材料（密度が０．３ｇ／ｃｍ³の発泡カーボン）によって形成され、有底筒状ケース１１の底壁２４の外面に一方の面（以下、固着面という）２２が接着されている。また、音響整合層８は、外径が約８ｍｍ、軸方向の厚みが約３．３ｍｍに形成されている。

また、音響整合層８は、送受信感度を向上させるために、天面２１から側面２３に至る稜部がテーパ状（図中の符合Ｃ部）に形成されている。尚、音響整合層８は、テーパ状の稜部の代わりに、図２（ａ）に示すように、円弧状の稜部（図中の符合Ｒ部）を天面２１に形成してもよい。

次に、音響整合層８の天面２１から側面２３に至る稜部をテーパ状又は円弧状に形成した超音波センサ１の試験結果について説明する。尚、本実施例の効果を確認するために、音響整合層８の稜部に円弧やテーパ等の付設が無く、音響整合層８の天面２１から側面２３に至る稜部が角状に形成された超音波センサと共に試験を行った。また、後述において、実施例Ａは、音響整合層８の天面の稜部がＣ１．５（Ｘ寸法、Ｙ寸法が１．５ｍｍ）のテーパ状に形成された超音波センサ、実施例Ｂは、音響整合層８の天面２１から側面２３に至る稜部がＲ１．５（半径が１．５ｍｍ）の円弧状に形成された超音波センサ、比較例Ａは、音響整合層８の天面２１から側面に至る稜部が角状の超音波センサである。尚、試験に用いた実施例Ａ、Ｂ及び比較例Ａの超音波センサの数は、夫々５個である。また、音響整合層８の外形寸法は、外径が約８ｍｍ、軸方向の厚みが約３．３ｍｍである。
（音響インピーダンス特性）
インピーダンスアナライザ（ＹＨＰ４１９４Ａ）を用い、２５℃雰囲気中における音響インピーダンス特性を測定し、図６〜図８に表した。

図６〜図８において横軸は１３０ｋＨｚ〜３３０ｋＨｚの範囲を表す周波数であって、縦軸は１００Ω〜５０ｋΩの範囲を表すインピーダンスであり、反共振点Ｐは送受信に使用される信号の周波数である。また、図６は実施例Ａのインピーダンス特性図、図７は実施例Ｂのインピーダンス特性図、図８は比較例Ａのインピーダンス特性図である。

実施例Ａ、Ｂ及び比較例Ａにおける試験結果の代表として、各１個（試料Ｎｏ．１）のインピーダンス特性図を図６〜図８に表した。
また、実施例Ａ、Ｂ及び比較例Ａのインピーダンス特性における反共振点（図６〜図８中のＰの位置）の周波数（以下、中心周波数という）とインピーダンスを、各試料Ｎｏ．（Ｎｏ．１〜５）毎に測定し、その結果を表１に表した。

表１に表したように、実施例Ａは、中心周波数が２２５．０〜２２５．５ｋＨｚ（平均値２２５．３ｋＨｚ）、インピーダンスが１５．６〜２１．５ｋΩ（平均値１９．６ｋΩ）、実施例Ｂは、中心周波数が２２５．０〜２２６．０ｋＨｚ（平均値２２５．４ｋＨｚ）、インピーダンスが１８．８〜２４．４ｋΩ（平均値２１．９ｋΩ）、比較例Ａは、中心周波数が２２５．５〜２２６．０ｋＨｚ（平均値２２５．６ｋＨｚ）、インピーダンスが１５．７〜２６．９ｋΩ（平均値２２．１ｋΩ）である。
（送受信試験）
次に、表１における各５個の超音波センサを用い、一方の超音波センサから送信された超音波信号を他方の超音波センサで受信し、受信波形をオシロスコープで記録し、その代表波形（表２の伝播方向１→２の波形）を図３〜図５表した。図３は実施例Ａの受信波形、図４は実施例Ｂの受信波形、図５は比較例の受信波形である。縦軸が電圧値（Ｖ）、横軸が時間（μｓ）である。

また、実施例Ａ、Ｂ及び比較例の送受信結果を、表２に表した。

表２において、送信側及び受信側に配置した超音波センサの試料Ｎｏ．を伝播方向で表した。例えば、送信側が試料番号１であって受信側が試料番号２である場合には、伝播方向（１→２）と表した。そして、図３〜図５のＶ１、Ｖ３、Ｖ５とＶｍａｘ．の電圧値を、夫々の伝播方向（試料Ｎｏ．の組み合わせ）において読み取り、その結果を表２に表した。

更に、送信側の超音波センサからの送信開始３００μ秒後に、受信側の超音波センサに受信された不要な残響波の電圧値を測定し、残響ノイズとして表２に表した。また、送信側の超音波センサから送信された超音波が受信側で反射し、更に送信側に到達して反射し受信側で受信された電圧値を測定し、その結果を１．５往復ノイズとして表２に表した。

また、前述の測定結果に基づいて、（Ｖ１）／（Ｖ３）、残響／（Ｖ３）、１．５往復ノイズ／（Ｖ３）、１．５往復ノイズ／（Ｖｍａｘ．）等を算出し、その結果を表２に表した。

表２に表したように、Ｖｍａｘ．は、実施例Ａが３１２０〜３９２０ｍＶｏｐ（平均値３４８３ｍＶｏｐ）、実施例Ｂが３０２０〜３２００ｍＶｏｐ（平均値３１００ｍＶｏｐ）、比較例が２０００〜２６００ｍＶｏｐ（平均値２２９０ｍＶｏｐ）を示している。これらの結果により、実施例Ａ、Ｂは比較例Ａに対し、超音波センサ間の送受信感度が良好であることが判る。また、実施例Ａ、Ｂは、比較例Ａに対し、Ｖ１、Ｖ３、Ｖ５、（Ｖ３）／（Ｖ１）も高く、送受信感度が良好であることが判る。更に、実施例Ａは実施例Ｂよりも送受信感度が良好であることが判る。

また、残響／（Ｖ３）は、実施例Ａが４．６〜１１．９％（平均値６．７％）、実施例Ｂが６．６〜１１．０％（平均値８．８％）、比較例Ａが５．４〜１３．１％（平均値９．４％）である。これらの結果により、実施例Ａ、Ｂは、比較例Ａに対し、受信信号に対する残響波の発生率が低いことが判る。更に、実施例Ａは実施例Ｂよりも受信信号に対する残響波の発生率が低いことが判る。

また、１．５往復ノイズ／（Ｖ３）は、実施例Ａが５．３〜９．２％（平均値６．７％）、実施例Ｂが４．５〜６．６％（平均値５．４％）、比較例Ａが７．９〜１１．４％（平均値９．４％）、１．５往復ノイズ／（Ｖｍａｘ．）は、実施例Ａが１．０８％〜１．６４％（平均値１．３０％）、実施例Ｂが０．７９〜１．２９％（平均値１．００％）、比較例が１．４８〜１．９７％（平均値１．７０％）である。これらの結果により、実施例Ａ、Ｂは比較例に対し、受信信号に対する１．５往復ノイズの発生率が低いことが判る。更に、実施例Ａは実施例Ｂよりも１．５往復ノイズの発生率が低いことが判る。
（音響整合層の厚み寸法とテーパ寸法を変えて試験）
次に、音響整合層８の厚みと天面２１と側面２３との稜部のテーパ寸法を変え、前述と同様に、音響インピーダンス特性を測定すると共に送受信試験を行い、その結果を表３に表した。具体的には、実施例Ｃは、音響整合層８の天面２１から側面２３に至る稜部がＣ０．７（Ｘ寸法、Ｙ寸法が０．７ｍｍの実施例）のテーパ状、実施例Ｄは、音響整合層８の天面２１から側面２３に至る稜部がＣ１．４（Ｘ寸法、Ｙ寸法が１．４ｍｍ）のテーパ状、比較例Ｂは、音響整合層８の天面２１から側面２３に至る稜部が角状（Ｘ寸法、Ｙ寸法が０ｍｍ）であって、音響整合層８の外形寸法は、実施例Ｃ、Ｄ、比較例Ｂ共に、外径が約８ｍｍ、軸方向の厚みが１．６〜１．７ｍｍである。尚、試験に用いた実施例Ｃ、Ｄ及び比較例Ｂの超音波センサの数は、夫々２個である。

表３に表したように、実施例Ｃは、中心周波数が４８９．０〜４８５．０ｋＨｚ（平均値４８７．０ｋＨｚ）、インピーダンスが４．０〜６．７ｋΩ（平均値５．３５ｋΩ）、実施例Ｄは、中心周波数が４８０．０〜４８８．０ｋＨｚ（平均値４８４．０ｋＨｚ）、インピーダンスが４．３〜５．２ｋΩ（平均値４．７５ｋΩ）、比較例Ｂは、中心周波数が４７６．０〜４７５．０ｋＨｚ（平均値４７５．５ｋＨｚ）、インピーダンスが６．５〜６．４ｋΩ（平均値６．４５ｋΩ）である。実施例Ｃ、Ｄ、比較例Ｂ等は、前述の実施例Ａ、Ｂ、比較例Ａ等に比較すると、音響整合層８の厚みが小さいので、中心周波数が高く現れ、またインピーダンスが低く現れている。

また、これらの試料を用いて、送受信試験を行った結果、実施例Ｃは、Ｖ１が８０ｍＶｏｐ（平均値８０ｍＶｏｐ）、Ｖ３が４２０から４３０ｍＶｏｐ（平均値４２５ｍＶｏｐ）、Ｖ５が９８０〜１０１０ｍＶｏｐ（平均値９９５ｍＶｏｐ）、Ｖｍａｘ．が２２５０〜２３００ｍＶｏｐ（平均値２２７５ｍＶｏｐ）、実施例Ｄは、Ｖ１が８０〜１００ｍＶｏｐ（平均値９０ｍＶｏｐ）、Ｖ３が５００から５４０ｍＶｏｐ（平均値５２０ｍＶｏｐ）、Ｖ５が１１９０〜１３２０ｍＶｏｐ（平均値１２５５ｍＶｏｐ）、Ｖｍａｘ．が２３９０〜２４８０ｍＶｏｐ（平均値２４３５ｍＶｏｐ）、比較例Ｂは、Ｖ１が６０ｍＶｏｐ（平均値６０ｍＶｏｐ）、Ｖ３が２８０から３１０ｍＶｏｐ（平均値２９５ｍＶｏｐ）、Ｖ５が７００〜７８０ｍＶｏｐ（平均値７４０ｍＶｏｐ）、Ｖｍａｘ．が２０３０〜２０９０ｍＶｏｐ（平均値２０６０ｍＶｏｐ）である。

これらの結果より、音響整合層８における天面２１から側面２３に至る稜部のテーパ寸法が大きくなるに従い、超音波センサ１の送受信感度が向上することが判る。また、天面２１から側面２３に至る稜部のテーパ寸法を変化させることにより、送受信感度を強くしたり弱くしたり調整できることが判る。

次に、前記実施例の超音波センサの作用効果を、以下に記載する。
本発明の実施例における超音波センサ１によれば、音響整合層８の天面２１から側面２３に至る稜部を円弧状又はテーパ状に形成することにより、消費電力を増やすことなく送受信感度を向上させることができる。更に、音響整合層８における天面２１から側面２３に至る稜部の円弧又はテーパの大きさを変えることにより、送受信感度の強さを調整することができる。また、天面２１から側面２３に至る稜部をテーパ状に形成することにより、天面２１から側面２３に至る稜部を円弧状に形成するよりも、送受信感度を一層向上させることができる。

また、音響整合層８の天面２１から側面２３に至る稜部を円弧状又はテーパ状に形成することにより、送受信号に対する残響ノイズ及び反射ノイズの発生を抑制できる。
また、音響整合層８の天面２１から側面２３に至る稜部を円弧状又はテーパ状に形成することにより、音響整合層８を有底筒状ケース１１への固着する際、及び超音波センサ１が送受信動作する際に、音響整合層８のカケやワレなどの発生を低減できる。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上述した実施例に限定されることなく、種々の態様をとることができる。
（変形例）
例えば、音響整合層８の稜部は、図２（ｂ）〜図２（ｅ）に表した形状を有するものであってもよい。

図２（ｂ）に表したように、音響整合層８の天面２１及び有底筒状ケース１１への固着面２２の何れも、側面に至る稜部をテーパ状（符合Ｃ）に形成したり、図（ｃ）に表したように、音響整合層８の天面２１及び固着面２２の何れも、側面に至る稜部を円弧状（符合Ｒ）に形成したりしてもよい。これにより、音響整合層８を有底筒状ケース１１に固着する際、及び超音波センサ１が送受信動作する際に、音響整合層８のカケやワレなどの発生を低減できる。また、音響整合層８を有底筒状ケース１１に固着する際に、音響整合層８の天面２１と固着面２２との判別の必要がなく、作業性を向上できる。

また、図２（ｄ）に表したように、テーパＴ１を、Ｘ１寸法とＹ１寸法が相異なるように形成にしたり、図２（ｅ）に表したように、テーパＴ２を、天面２１から固着面２２まで延ばして形成したりしてもよい。

また、天面２１から側面２３に至る稜部と固着面２２から側面２３に至る稜部には、必要に応じ、互いに異なる寸法でテーパや円弧を形成してもよく、さらに、一方がテーパ状に形成され、他方が円弧状に形成されてもよい。

また、本実施例の音響整合層８は、必要に応じ、密度を変えたり材質を変えたり（例えば、発泡プラスチックなどに材質を変えたり）して形成してもよい。
尚、本発明は、ガスセンサ、物体感知センサ、距離センサ、位置センサ、アクチュエータ、防犯センサなど、超音波を送受信信号に用いた多種のセンサに用いることができる。

本発明が適用された超音波センサの実施例の構成を表す図であって、（ａ）は外観図、（ｂ）は断面図である。 図２は、同実施例の超音波センサにおける音響整合層の変形例を表す外観図である。 音響整合層の稜部がテーパ状に形成された実施例Ａの、受信波形を表す図である。 音響整合層の稜部が円弧状に形成された実施例Ｂの、受信波形を表す図である。 音響整合層の稜部が角状に形成された比較例の、受信波形を表す図である。 音響整合層の稜部がテーパ状に形成された実施例Ａの、インピーダンス特性図である。 音響整合層の稜部が円弧状に形成された実施例Ｂの、インピーダンス特性図図である。 音響整合層の稜部が角状に形成された比較例の、インピーダンス特性図である。

符号の説明

１…超音波センサ、２…圧電振動子、３…ベース部材、４、５…入出力端子、６…絶縁材、７…絶縁シート、８…整合層、９…導電線、１０…リング（成形リング）、１１…有底筒状ケース、１２…底面、１３…開口部、１４…外周側面、１５…凸部，１６，１７…電極、１８…座、１９…貫通孔、２０…係合穴、２１…天面、２２…固着面、２３…側面。

Claims (2)

1. 軸方向の一端に開口部を有するとともに軸方向の他端に底面を有する有底筒状ケースと、該有底筒状ケースの内方の底面に固着された圧電振動子と、該有底筒状ケースの底壁の外面に一方の面が固着され、該圧電振動子と超音波が伝播される外気間との音響インピーダンスの整合を行うための音響整合層とを備えた超音波センサであって、
   前記音響整合層は、前記一方の面とは反対側の天面から側面に至る稜部が、テーパ状又は円弧状に形成されている、
   ことを特徴とする超音波センサ。
2. 前記音響整合層は、前記有底筒状ケースに固着される前記一方の面から前記側面に至る稜部が円弧状又はテーパ状に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
   
   
   

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