JP4591858B2 - 超音波液体流速センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チューブの中を流れる液体の流速を感知する超音波液体流速センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
振動変位の動的状態を検出する従来のセンサは、接触型と非接触型の２つに分類される。微小変位測定用の電気マイクロメータやデジタルゲージ、回転軸測定用のロータリエンコーダ、長変位測定用リニアスケールなどは接触型センサに属する。これらの接触型センサは測定精度、応答時間などに問題を有している。レーザ型センサおよび電気音響型センサなどは非接触型センサに属する。レーザ型センサは測定精度、測定方法、装置の規模などに問題を有している。電気音響型センサは被測定物の変位の測定範囲が狭いという欠点を有するとともに、測定精度にも問題がある。また、従来のものでは液体の流速を精度よく測定するには複雑な信号処理回路技術が必要で、電気音響変換用のトランスデューサに難点があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、小型軽量で、検出感度が高く、時間応答に優れ、低消費電力駆動が可能な超音波液体流速センサを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の超音波液体流速センサは、圧電基板、入力用すだれ状電極、第１出力用すだれ状電極、第２出力用すだれ状電極および信号分析手段から成る超音波液体流速センサであって、前記入力用すだれ状電極と、前記第１および第２出力用すだれ状電極は、前記圧電基板の一方の端面に設けられており、前記入力用すだれ状電極は、入力電気信号を印加されることにより前記圧電基板に漏洩弾性波を励振し、前記漏洩弾性波をチューブの中を流れる液体中にチューブ壁の一部を介して２方向に向けて第１および第２の縦波として照射し、前記第１および第２の縦波を前記チューブ壁の前記一部と反対側の２つの部分でそれぞれ反射させ、前記第１出力用すだれ状電極は、反射された前記第１の縦波を第１遅延電気信号に変換し、前記第２出力用すだれ状電極は、反射された前記第２の縦波を第２遅延電気信号に変換し、前記信号分析手段は、前記液体の流れる速度および方向を前記第１遅延電気信号と前記第２遅延電気信号との差から感知する。
【０００５】
請求項１に記載の超音波液体流速センサは、前記入力用すだれ状電極および前記第２出力用すだれ状電極の間に増幅器が設けられ、前記増幅器は前記第２遅延電気信号を増幅し、前記入力用すだれ状電極、前記第２出力用すだれ状電極および前記増幅器は遅延線発振器を構成する。
【０００６】
請求項２に記載の超音波液体流速センサは、前記入力用すだれ状電極および前記第１出力用すだれ状電極の間に増幅器が設けられ、前記増幅器は前記第１遅延電気信号を増幅し、前記入力用すだれ状電極、前記第１出力用すだれ状電極および前記増幅器は遅延線発振器を構成する。
【０００７】
請求項３に記載の超音波液体流速センサは、前記信号分析手段が位相比較器で成り、前記位相比較器は前記第１遅延電気信号の位相および前記第２遅延電気信号の位相を比較し、前記液体の流れる速度および方向を前記第１遅延電気信号と前記第２遅延電気信号との位相差から感知する。
【０００８】
請求項４に記載の超音波液体流速センサは、前記圧電基板が圧電セラミック薄板で成り、前記圧電セラミック薄板の分極軸の方向がその厚さ方向と平行である。
【０００９】
請求項５に記載の超音波液体流速センサは、前記圧電基板が圧電性高分子薄板で成る。
【００１０】
請求項６に記載の超音波液体流速センサは、前記圧電基板のもう一方の端面に高分子フィルムが設けられている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波液体流速センサは、圧電基板、入力用すだれ状電極、第１出力用すだれ状電極、第２出力用すだれ状電極および信号分析手段から成る簡単な構造を有する。入力用すだれ状電極と、第１および第２出力用すだれ状電極は、圧電基板の一方の端面に設けられている。もしも、入力用すだれ状電極に入力電気信号が印加されると、圧電基板に漏洩弾性波が励振される。この漏洩弾性波はチューブの中を流れる液体中にチューブ壁の一部を介して２方向に向けて第１および第２の縦波として照射される。このとき、そのチューブ壁の一部は圧電基板のもう一方の端面と接触している。第１および第２の縦波はチューブ壁のその一部と反対側の２つの部分でそれぞれ反射され、第１および第２出力用すだれ状電極によって第１および第２遅延電気信号として検出される。信号分析手段は、液体の流れる速度および方向を第１遅延電気信号と第２遅延電気信号との差から感知する。
【００１２】
本発明の超音波液体流速センサでは、入力用すだれ状電極および第２出力用すだれ状電極の間に増幅器を備えた構造が可能である。このとき、第２遅延電気信号は増幅器によって増幅された後、入力用すだれ状電極に再び印加される。このようにして、入力用すだれ状電極、第２出力用すだれ状電極および増幅器は遅延線発振器を構成する。従って、デバイスの小型軽量化が促進され、低消費電力駆動が可能となる。
【００１３】
本発明の超音波液体流速センサでは、入力用すだれ状電極および第１出力用すだれ状電極の間に増幅器を備えた構造が可能である。このとき、第１遅延電気信号は増幅器によって増幅された後、入力用すだれ状電極に再び印加される。このようにして、入力用すだれ状電極、第１出力用すだれ状電極および増幅器は遅延線発振器を構成する。従って、デバイスの小型軽量化が促進され、低消費電力駆動が可能となる。
【００１４】
本発明の超音波液体流速センサでは、信号分析手段が位相比較器で成る構造が可能である。位相比較器は第１遅延電気信号の位相および第２遅延電気信号の位相を比較し、液体の流れる速度および方向を第１遅延電気信号と第２遅延電気信号との位相差から感知する。このようにして、高感度なデバイスを提供することができる。
【００１５】
本発明の超音波液体流速センサでは、圧電基板が圧電セラミック薄板で成り、その分極軸の方向が厚さ方向と平行である構造、または圧電基板が圧電性高分子薄板で成る構造が可能である。このような構造を採用することにより、液体の流速の検出感度を向上させることが可能となるばかりでなく、装置の小型軽量化を促進することができる。
【００１６】
本発明の超音波液体流速センサでは、圧電基板のもう一方の端面に高分子フィルムが設けられた構造が可能である。このような構造を採用することにより、機械的強度を高めることが可能となる。また、高分子フィルムの使用は液体層との音響結合のための整合性において好都合である。
【００１７】
【実施例】
図１は本発明の超音波液体流速センサの第１の実施例を示す構成図である。本実施例は圧電基板１、入力用すだれ状電極２、第１出力用すだれ状電極３、第２出力用すだれ状電極４、信号分析手段５および信号発生器６から成る。圧電基板１は圧電セラミック薄板で成る。本実施例では圧電基板１として圧電セラミック薄板が用いられているが、圧電性高分子薄板を用いることも可能である。入力用すだれ状電極２、第１出力用すだれ状電極３および第２出力用すだれ状電極４は、それぞれがアルミニウム薄膜で成り、圧電基板１の一方の端面上に設けられている。信号分析手段５は位相比較器で成る。図１の超音波液体流速センサを用いて、もしもチューブの中を流れる液体の流速を感知する場合、チューブ壁の一部を圧電基板１のもう一方の端面に接触させる必要がある。この場合、このチューブは超音波の照射が可能な材質で成る。このようにして、図１の超音波液体流速センサは小型軽量で構造も簡単である。
【００１８】
図２は圧電基板１、入力用すだれ状電極２、第１出力用すだれ状電極３および第２出力用すだれ状電極４で成るデバイスを上方から見たときの平面図である。入力用すだれ状電極２と第１出力用すだれ状電極３の離間距離、および入力用すだれ状電極２と第２出力用すだれ状電極４の離間距離は６ｍｍである。入力用すだれ状電極２、第１出力用すだれ状電極３および第２出力用すだれ状電極４はともに５対の電極指を有し、電極交差幅は４ｍｍで、電極周期長は３４０μｍである。
【００１９】
図１の超音波液体流速センサにおいて、入力用すだれ状電極２の電極周期長に対応する中心周波数にほぼ等しい周波数の入力電気信号が信号発生器６から入力用すだれ状電極２に印加されると、圧電基板１に漏洩弾性波が励振される。この漏洩弾性波は、チューブ壁の圧電基板１と接触する部分を介してチューブの中の液体へ２方向に向けて第１および第２の縦波として照射される。この第１および第２の縦波はチューブ壁の圧電基板１と接触する部分とは反対側の２つの部分でそれぞれ反射される。反射された第１の縦波は第１出力用すだれ状電極３によって第１遅延電気信号に変換され、反射された第２の縦波は第２出力用すだれ状電極４によって第２遅延電気信号に変換される。信号分析手段５は、チューブの中の液体の流速を第１遅延電気信号と第２遅延電気信号との位相差から感知する。
【００２０】
図３は液体中を伝搬する第１および第２の縦波の伝搬路を矢印で示した図である。図３は液体として水が用いられた場合を示す。水が静止している場合、入力用すだれ状電極２は第１および第２の縦波をそれぞれ２８．８°の角度で照射する。これは、圧電基板１の厚さが１５０μｍであること、そして、入力用すだれ状電極２の電極周期長が３４０μｍであることに因る。つまり、縦波の照射角度は圧電基板１中の漏洩弾性波の速度と液体中の縦波速度から計算される。結果として、第１および第２の縦波は、チューブ壁の圧電基板１と接触する部分とは反対側の２つの部分でそれぞれ２８．８°の角度で反射される。しかしながら、もしも水が流れている場合には、第１および第２の縦波の速度に差が生じる。しかもこの速度差は水の流れる方向をも示す。このようにして、水の流速および流れる方向が第１および第２遅延電気信号の位相差から感知される。
【００２１】
図４は圧電基板１に励振される２つのモードの弾性波の位相速度と、弾性波の周波数ｆおよび圧電基板１の厚さｄの積ｆｄとの関係を示す特性図である。圧電基板１中を伝搬する横波の速度は２，４５０ｍ/ｓであり、縦波の速度は４，３９０ｍ/ｓである。
【００２２】
図５は液体中への縦波放射の実効変換効率ηと、ｆｄ値との関係を示す特性図である。Ｓ₀モードにおいては１．５ＭＨｚ・ｍｍ近傍で最も高いピークがみられることが分かる。
【００２３】
図６は図２のデバイスの代わりに用いられる別のデバイスの断面図である。図６のデバイスは、圧電基板１のもう一方の端面に高分子フィルム７が固着されていることを除いて図２のデバイスと同様な構造を有する。高分子フィルム７の使用により機械的強度を高めることが可能となる。また、高分子フィルムの使用は液体層との音響結合のための整合性において好都合である。
【００２４】
図７は本発明の超音波液体流速センサの第２の実施例を示す構成図である。本実施例は圧電基板１、入力用すだれ状電極２、第１出力用すだれ状電極３、第２出力用すだれ状電極４、信号分析手段５および増幅器８から成る。増幅器８は入力用すだれ状電極２および第２出力用すだれ状電極４の間に接続されている。
【００２５】
図７の超音波液体流速センサにおいて、入力用すだれ状電極２に入力電気信号が印加されると、圧電基板１に漏洩弾性波が励振される。この漏洩弾性波は、チューブの内部の２方向に向けて第１および第２の縦波として照射され、チューブ壁の縦波入射部分とは反対側の２つの部分でそれぞれ反射される。反射された第１の縦波は第１出力用すだれ状電極３によって第１遅延電気信号に変換され、反射された第２の縦波は第２出力用すだれ状電極４によって第２遅延電気信号に変換される。第２遅延電気信号の一部は増幅器８によって増幅された後、入力電気信号として再び入力用すだれ状電極２に印加される。このようにして、入力用すだれ状電極２、第２出力用すだれ状電極４および増幅器８は帰還型の遅延線発振器を構成する。第２遅延電気信号の残部は信号分析手段５に伝えられる。信号分析手段５では、第１遅延電気信号と第２遅延電気信号との位相差から液体の流速が感知される。このようにして、小型軽量で、低消費電力駆動が可能で、感度が良好な超音波液体流速センサが可能となる。
【００２６】
図８は本発明の超音波液体流速センサの第３の実施例を示す構成図である。本実施例は増幅器８の接続位置を除いて図７の超音波液体流速センサと同様な構造を有する。図８において、増幅器８は入力用すだれ状電極２および第１出力用すだれ状電極３の間に接続されている。図８の超音波液体流速センサにおいては、第１出力用すだれ状電極３で検出された第１遅延電気信号の一部は、増幅器８によって増幅された後、入力電気信号として再び入力用すだれ状電極２に印加される。このようにして、入力用すだれ状電極２、第１出力用すだれ状電極３および増幅器８は帰還型の遅延線発振器を構成する。信号分析手段５では、第１遅延電気信号と第２遅延電気信号との位相差から液体の流速が感知される。このようにして、小型軽量で、低消費電力駆動が可能で、感度が良好な超音波液体流速センサが可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の超音波液体流速センサにおいて、もしも入力用すだれ状電極に入力電気信号が印加されると、圧電基板に漏洩弾性波が励振される。この漏洩弾性波はチューブの中を流れる液体中にチューブ壁の一部を介して２方向に向けて第１および第２の縦波として照射される。第１および第２の縦波はチューブ壁のその一部と反対側の２つの部分でそれぞれ反射され、第１および第２出力用すだれ状電極によって第１および第２遅延電気信号として検出される。信号分析手段では、第１および第２遅延電気信号の差から液体の流速および流れる方向が感知される。信号分析手段が位相比較器で成る場合には、第１遅延電気信号と第２遅延電気信号の位相差として感知されることから、高感度なデバイスを提供することが可能となる。
【００２８】
本発明の超音波液体流速センサでは、入力用すだれ状電極および第２出力用すだれ状電極の間、または入力用すだれ状電極および第１出力用すだれ状電極の間に増幅器を備えた構造が可能である。このような構造は遅延線発振器の構成を可能にする。従って、デバイスの小型軽量化が促進され、低消費電力駆動が可能となる。
【００２９】
本発明の超音波液体流速センサでは、圧電基板が圧電セラミック薄板で成り、その分極軸の方向が厚さ方向と平行である構造、または圧電基板が圧電性高分子薄板で成る構造が可能である。このような構造を採用することにより、液体の流速の検出感度を向上させることが可能となるばかりでなく、装置の小型軽量化を促進することができる。
【００３０】
本発明の超音波液体流速センサでは、圧電基板のもう一方の端面に高分子フィルムが設けられた構造が可能である。このような構造を採用することにより、機械的強度を高めることが可能となる。また、高分子フィルムの使用は液体層との音響結合のための整合性において好都合である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波液体流速センサの第１の実施例を示す構成図。
【図２】圧電基板１、入力用すだれ状電極２、第１出力用すだれ状電極３および第２出力用すだれ状電極４で成るデバイスを上方から見たときの平面図。
【図３】液体中を伝搬する第１および第２の縦波の伝搬路を矢印で示した図。
【図４】圧電基板１に励振される２つのモードの弾性波の位相速度と、弾性波の周波数ｆおよび圧電基板１の厚さｄの積ｆｄとの関係を示す特性図。
【図５】液体中への縦波放射の実効変換効率ηと、ｆｄ値との関係を示す特性図。
【図６】図２のデバイスの代わりに用いられる別のデバイスの断面図。
【図７】本発明の超音波液体流速センサの第２の実施例を示す構成図。
【図８】本発明の超音波液体流速センサの第３の実施例を示す構成図。
【符号の説明】
１ 圧電基板
２ 入力用すだれ状電極
３ 第１出力用すだれ状電極
４ 第２出力用すだれ状電極
５ 信号分析手段
６ 信号発生器
７ 高分子フィルム
８ 増幅器

Claims (6)

1. 圧電基板、入力用すだれ状電極、第１出力用すだれ状電極、第２出力用すだれ状電極、増幅器および信号分析手段から成り、チューブの中を流れる液体の流速と方向を感知する超音波液体流速センサであって、前記入力用すだれ状電極と、前記第１および第２出力用すだれ状電極は、前記圧電基板の一方の端面に設けられ、前記圧電基板のもう一方の端面は前記チューブの壁の一部に接触され、前記増幅器は前記入力用すだれ状電極および前記第２出力用すだれ状電極の間に設けられ、前記入力用すだれ状電極は、入力電気信号を印加されることにより前記圧電基板に漏洩弾性波を励振し、前記漏洩弾性波を前記チューブの中を流れる前記液体中に前記壁の前記一部を介して２方向に向けて第１および第２の縦波として照射し、前記第１および第２の縦波を前記壁の前記一部と反対側の２つの部分でそれぞれ反射させる機能を有し、前記第１出力用すだれ状電極は、反射された前記第１の縦波を第１遅延電気信号に変換する機能を有し、前記第２出力用すだれ状電極は、反射された前記第２の縦波を第２遅延電気信号に変換する機能を有し、前記増幅器は前記第２遅延電気信号を増幅する機能を有し、前記入力用すだれ状電極、前記第２出力用すだれ状電極および前記増幅器は遅延線発振器を構成し、前記信号分析手段は、前記液体の流れる速度および方向を前記第１遅延電気信号と前記第２遅延電気信号との差から感知する機能を有する超音波液体流速センサ。
2. 圧電基板、入力用すだれ状電極、第１出力用すだれ状電極、第２出力用すだれ状電極、増幅器および信号分析手段から成り、チューブの中を流れる液体の流速と方向を感知する超音波液体流速センサであって、前記入力用すだれ状電極と、前記第１および第２出力用すだれ状電極は、前記圧電基板の一方の端面に設けられ、前記圧電基板のもう一方の端面は前記チューブの壁の一部に接触され、前記増幅器は前記入力用すだれ状電極および前記第１出力用すだれ状電極の間に設けられ、前記入力用すだれ状電極は、入力電気信号を印加されることにより前記圧電基板に漏洩弾性波を励振し、前記漏洩弾性波を前記チューブの中を流れる前記液体中に前記壁の前記一部を介して２方向に向けて第１および第２の縦波として照射し、前記第１および第２の縦波を前記壁の前記一部と反対側の２つの部分でそれぞれ反射させる機能を有し、前記第１出力用すだれ状電極は、反射された前記第１の縦波を第１遅延電気信号に変換する機能を有し、前記第２出力用すだれ状電極は、反射された前記第２の縦波を第２遅延電気信号に変換する機能を有し、前記増幅器は前記第１遅延電気信号を増幅する機能を有し、前記入力用すだれ状電極、前記第１出力用すだれ状電極および前記増幅器は遅延線発振器を構成し、前記信号分析手段は、前記液体の流れる速度および方向を前記第１遅延電気信号と前記第２遅延電気信号との差から感知する機能を有する超音波液体流速センサ。
3. 前記信号分析手段が位相比較器で成り、前記位相比較器は前記第１遅延電気信号の位相および前記第２遅延電気信号の位相を比較し、前記液体の流れる速度および方向を前記第１遅延電気信号と前記第２遅延電気信号との位相差から感知する請求項１または２に記載の超音波液体流速センサ。
4. 前記圧電基板が圧電セラミック薄板で成り、前記圧電セラミック薄板の分極軸の方向がその厚さ方向と平行である請求項１，２または３に記載の超音波液体流速センサ。
5. 前記圧電基板が圧電性高分子薄板で成る請求項１，２または３に記載の超音波液体流速センサ。
6. 前記圧電基板のもう一方の端面に高分子フィルムが設けられている請求項１，２，３，４または５に記載の超音波液体流速センサ。

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