JPH0377020A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用９瞥 本発明は超音波センサに係り、菊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
波センリを設けてなり、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７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（ｇ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
７ン渦の生成数が］１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開側時
にはボ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゛ｆ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ｔｉｌｌｍｌｌ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ａｈ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ｍｓで示す）２，３との間に配設されている。渦流
量計１の流量１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の下流側の流量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
面下側にあられれている取付孔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
あられれている取付孔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、ひいては被測
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
の開ロアＣに螺入されたナツト１１とよりなる。１２は
リード線で、ナツト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αＤ−１７，８Ｘ１
０”６／’Ｃ）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はセラミック製（熱膨
張率αｏ　＝５＝９Ｘ１０’／’Ｃ，チタン酸ジルコン
酸鉛）の圧電素子であり、ざらばね１０の押圧力により
底面７ｂに押圧されている。

抑圧調整部材９は熱膨張率αｏ＝２５〜４６×１０’／
’Ｃを有するフェノール樹脂又はポリイミド樹脂により
円柱状に底形されている。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６０討／ｃｊの押圧力
を超音波素子８に作用させ、約２００℃で約１ｉｏｕ／
ｃＩＩ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αＣ＝１３〜１８
ｘ１０−６／’Ｃを有する。又ナツト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＋α８・Ｂ＋αｃ＠Ｃ〉 αＤ・（Ａ＋８＋Ｃ） 上記超音波センサ６では上記の如くαＢ〉α＾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ｆ
−８．押圧力調整部材９との膨張差を十分許容できる変
体儲を有する。

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．きらばね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
１測するとぎ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図に丞す）に変
化する。各寸法を比較すると、Ａ＜Ａ’　、Ｂ＜Ｂ’　
、ＣＴＣ’であり、且つＡ＋Ｂ十〇＜Ａ’　＋８’　＋
Ｃ’　となる。

従りて、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の熱膨張とボルダ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６０＊／ｄ以下
では共振周波数が約１００ｋＨ２程度で一定になる。し
かるに、押圧力が約６０に！ｇ／ｄ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、縮図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。周囲温度が士青するにつれて振
動板（ホルダ７の底面７ｋ））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＄４９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１０
００ｋｌ−１ｚ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用にできる。

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′ＩＩ４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、ｍａｔｈ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Ｗ！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ａ部側への温度変化に対応
できるように設定したが、常温まり恒温側における温度
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６０＃／ａ！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ｒｆＮ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ｆ
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
すべり、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（ｆｆｌ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ｍ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ｆｆ１名波センサの一実施例が適
用された渦流鎖側の横断面図、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１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
ツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　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。