JPS6353425A - 超音波センサ装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波センサ装置に係り、とくに漏洩波を利
用して流動体等の音速をリモート計測し得るようにした
超音波センサ装置に関する。

〔従来の技術〕

超音波を利用した物体の音速測定又は物体の温度測定で
は、一方の超音波センサから出力される縦波超音波を被
測定物を介して他方の超音波センサへ直接伝播させると
いう構成を採っている。そして、この間に繰り返し授受
される超音波の伝播時間およびその変化により、音速又
は温度およびこれらの変化等を測定しようとするものが
大多数を占めている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

高温流動体又は危険な状況下にある流動体の監視或いは
液状危険物等に対する温度変化の監視に使用される超音
波センサは、これらの劣悪環境下でも充分耐えることが
必要とされている。

しかしながら、一般の超音波センサは、振動子と保護体
との複合体から成り、これらが接合材により一体化され
ているため、使用’／Ａ　６に上限（約４００（’Ｃ）
）があり、５００〜８００（’Ｃ）の温度を定常的に連
続測定することが不可能に近い状況となっていた。また
、振動子や保護体は、化学的にも汚損され易いものが多
く、特に温度変化の激しい環境下では、劣化の進行が著
しく早いという不都合がある。

〔発明の目的〕

本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、とく
に、流動体や軟質部材を対象として、これらが例え有害
物であり或いは常時高温下におかれているものであって
も、これら被測定物の音速およびその変化を高精度にリ
モート測定することができ、これによって当該被測定物
の温度や粘性およびそれらの変化等を高精度に特定する
ことを可能とした超音波センサ装置を提供することを、
その目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明では、一定距離を隔てて配設された弾性
体からなる一対の超音波導波路と、これら一対の超音波
導波路の各一端部に装備された超音波送受波器とを有し
、前記各超音波導波路の他端部に超音波反射手段を設け
る等の構成を採り、これによって前記目的を達成しよう
とするものである。

〔発明の第１実施例〕 以下、本発明の第１実施例を第１図ないし第４図に基づ
いて説明する。

第１図において、超音波センサ装置は、一定距離りを隔
てて配設された一対の板状（帯状でも可）の超音波導波
路（以下、単に「導波路」という）１．２と、この各導
波路１．２の一端部に装備された超音波送受波器３，４
とを備えている。

導波路１．２は、本実施例ではステンレス類で同一長さ
のものが使用されている。この導波路１゜２の他端部は
、図に示すように被測定媒体５内に配設されるようにな
っている。

超音波送受波器３，４は、本実施例では一方の超音波送
受波器３が送波器として使用され、他方の超音波送受波
器４が受波器として使用されている。この送波器３及び
受波器４の各々は、導波路１．２の一端部の側面に装着
されている。そして、送波器３から導波路１に対して超
音波（縦波）が斜入射されるようになっている。受波器
４は送波器３の送信作用と略同−条件で導波路２から超
音波を受信し得るようになっている。

ＩＡ、２Ａは各々超音波反射手段としての導波路１，２
の端面を示す。

ここで、導波路１．２内を伝播する波動及び被測定媒体
５内の伝播状況について説明する。

導波路を液体又は固体に接すると、導波路中を伝搬する
音波エネルギの一部は接触媒体に漏洩する性質がある。

この性質を利用し、上記接触媒体を介在させて、一対の
導波路を配置すると、一方を伝搬していた音波のエネル
ギの一部は接触媒体を介してもう一方の音波導波路に伝
播する。この時、接触媒体中を伝播するのに要する時間
を測定することにより、被接媒体の音速を検出できる。

送波器３から導波路１に超音波が送信されると、この波
動は被測定媒体５の方向に向けて導波路１内を伝搬する
。この場合、超音波が導波路１中を伝搬する速度の内、
位相速度を■２４群速度をＶ、とする。導波路１が被測
定媒体５に接し、この時の被測定媒体５の音速Ｖが、導
波路１の位相速度Ｖ２より小さい場合、導波路１中を伝
搬する超音波エネルギの一部は被測定媒体５内に放射さ
れる。そして、この時の放射角θは次式により決まる。

θ−５ｉｎ　−’　（Ｖ／Ｖｐ　） 被測定媒体５に入った超音波は、導波路２に到達し、こ
の導波路２に沿って伝搬する波と、ここで反射して媒体
５側に戻る波とがある。このようにして、導波路２に沿
って進み、その先端２Ａで反射して、受波器４に到達す
る波が存在する。

今、２つの導波路１．２の長さが等しい場合、導波路間
の間隔をＤとすると、被測定媒体中経路がＮ行程の受信
波の到達時間は、 ｔ、４＝　（（２Ｌ　　ＮＤｔａｎ　θ）／Ｖ９）＋（
ＮＤ／Ｖｃｏｓ　θ〕＋で、＋で２・・・・・・■ ここで、τ１．τ２は送受信の際の固定遅延量である。

次に、Ｎ＝１．３の場合についてその差を求めると、 Δｔ　＝　２　Ｄ　（（１／Ｖｃｏｓ　　θ）−（ｔａ
ｎ　　θ／Ｖｇ））　　　　　　・・・・・・■従って
、被測定媒体５の音速■は次式から求まる。

（４，Ｄ２＋Ｖ９２Δｔ２）〜ＦＪ　−（８Ｄ”　Ｖ、
Ｖ、＋Ｖ、”　Ｖ９”　Δｔ”　）Ｖ２＋４Ｄ”　Ｖｐ
　”　Ｖ９　”　＝０　　　　　−−−−−−■従って
、Δｔを測定すれば、既知のり、Ｖ、。

■２により０式から被測定媒体５の音速■が求まる。

これら一連の演算は、表示機能を備えた本体の演算部（
図示せず）にて行われる。

次に、上記第１実施例における具体的な実験結果につい
て説明する。

導波路１，２として、板厚０．９５　（＋ｎ）の鋼板を
使用し、送受波器３．４として周波数１（ＭＨｚ）の可
変角探触子を使った。可変角探触子のクサビをアクリル
で、入射角は３１．５度に固定し、Ｓ０モードの板波が
被導波となるようにした。被測定媒体として水道水（２
１（℃〕）を用いた。従って、この場合、被導波の群速
度■９．及び位相速度■、は、被測定媒体５内でもほぼ
Ｓ０モードに等しいと考えて良い（１，Ａ、Ｖｉｋｔｒ
ｏｖ、　ｒＲａｙｌｅｉｇｈ　ａｎｄＬａｍｂ　Ｗａｖ
ｅｓＪ　Ｐ、１１７）。

印加した電気パルスは、２００　ｃｖｐｐ）の正弦２波
である。観測された受信波形の１例を第２図に示す。図
中、Ｔは送波器の波形を示し、Ｒは受波器の受信波形を
示す、Ｎ＝１．３はそれぞれ水中経路が１行程及び３行
程となる波を示す。＊印はＮ＝１の波がさらに導波路２
を１往復した波の受信波形を示す。本例では、Δｔ　＝
７５．１　（μ３）であった。＊印の波とＮ＝１の波の
到達時間差から被導波の群速度が実験的に求まり、Ｖ９
物５２００　（ｍ／ｓ　〕となる。また、アクリルの音
速２７２０　（ｍ／ｓ　）と可変角探触子の設定入射角
３１．５度とから位相速度が計算でき、Ｖ、　＃５３０
０　（ｍ／ｓ　：１であった。

一方、０式の関係を、導波路間隔りを変えて実測により
確認した結果を第３図に示す。これより、Δｔ／Ｄ＝１
．２６Ｃμｓ　／　＋ｎ　）を得ることができた。

先に求めたＶ、、Ｖ、により０式から水の音速が算出で
きる。その結果を第４図に示す。温度は、３点をとって
測定した。結果は、−ｉに公表されている値と非常に良
く一致している。

このように、この第１実施例によると、導波路１．２の
長さに無関係に被測定媒体５の音速■を有効に求めるこ
とができ、受信波の内の第１波と第３波の受信波の時間
差を検出するだけで、当該被測定媒体５の音速■を求め
ることができ、導波路１．２の長さが無関係であること
から、例えば高？！Ａ流体又は危険性の高い流体に対し
遠方からのリモート計測が可能となり、従って送波器３
及び受波器４として通常のものを使用しても、充分甜久
性を確保することができるという利点がある。

また、被測定媒体５に対する導波路１．２の挿入寸法を
大きく設定すると受信３度が大きくなるが測定精度には
直接の関係がないことから、導波路１．２の長さおよび
被測定媒体５内への投入寸法も特に厳密さを要求されず
、従って取扱いがいたって容易となるというリモート計
測用としてばれた性質を備えた超音波センサ装置を得る
ことができる。

また、被測定媒体５への挿入寸法がそのまま受波器４で
受信する超音波レベルの大小に直接関係することから、
被測定媒体５の液面水位等も同時に検知することができ
るという利点もある。

更に、上記第１実施例において導波路を板状部材により
形成した場合を例示したが、他の部材。

例えば丸棒部材、適当な針金状部材、バイブ状部材など
で導波路を形成したものであってもよい。

〔第２実施例〕 次に、第２実施例を第５図に基づいて説明する。

ここで、前述した従来例と同一の構成部材については同
一の付号を用いることとする。

この第５図において、超音波センサ装置は、−定距離り
を隔てて配設されたステンレス製の板部材からなる一対
の導波路１．２と、この各導波路１．２の一方の端部に
装着された送受波器３．４と、前記導波路１．２の一方
の端部の相互間に介挿されたスペーサ１０とを備えてい
る。

送受波器３は、本実施例では送波器として使用され圧電
振動子３Ａと有機ガラス製のクサビ３Ｂとを備えた斜角
探触子型のものが使用されている。

また、受波器として作用する送受波器４も送波器３と全
く同様に構成されている。そして、これら各送受波器３
．４は、第５図に示す如く対応する導波路１．２の一端
部に固着されている。

スペーサ１０は、絶縁材から成るブロック１０Ａと、こ
のブロックＩＯＡの両端部に固着された遮音部材１０Ｂ
とにより構成されている。遮音部材１０Ｂとしては、導
波路１．２の音響インピーダンスとは大幅に異なる音響
インピーダンスを有する部材が使用されている。また、
このスペーサ１０は、前述した送受波器３．４の反対側
に位置するように導波路１．２によって挟持されている
。

送受波器３．４の外側には、吸音部材１１゜１２が各々
設けられている。そして、この吸音部材１１．１２を介
して前述した送受波器３，４゜導波路１，２及びスペー
サ１０の全体がクランプ機構１５によってクランプされ
、該クランプ殿構１５の有する止めねじ１５Ａ、１５Ｂ
によって第５図の如く固定されるようになっている。

この場合、スペーサ１０の遮音部材１１．１２は、全体
的には遮音性あるアスベスト等の断熱材又は発泡プラス
チックを用いて構成されている。

この発泡プラスチックの前記導波路１．２に対する音響
インピーダンスは、その差が１０００〜１００００倍と
なっている。このため、ブロック６側に伝播する超音波
エネルギはほとんど無視し得る状態となっている。

このようにしても、前述した第１実施例と同一の作業効
果を有し、更にスペーサ１０の作用により弾性波の伝播
を妨害することなく導波路１，２の相互間の寸法を有効
に維持することができるという利点がある。

〔第３実施例〕 次に、第３実施例を第６図に基づいて説明する。

この実施例は、前述した第２実施例において、受波器４
側の導波路２が送波器３側の導波路１よりもΔしたけ短
い寸法に設定されている。その他の構成は前述した第２
実施例と全く同一となっている。

ここで、この第３実施例における超音波の伝播状況につ
いて説明する。

この実施例の場合も、導波路１の長さがしてその先端で
反射して、なおかつ、被測定媒体中経路がＮ行程の受信
波の到達時間が０式で表わせる。

次に、他方の導波路２の先端で反射して、なおかつ、被
測定媒体中の経路が３行程である受信波の到達時間１２
／は、次式で求まる。

ｔｚ’　＝　（２（Ｌ−ΔＬ）−３Ｄｔａｎ　θ〕／Ｖ
９　＋　（（３Ｄ／　ＶＣＯ３θ）／■〕＋τ１　＋τ
２　　　　　　　・・・・・・■Ｌ、と１．／の時間差
Δｔ′は次式となる。

Δｔ′；２ΔＬ／Ｖ、　　　　　　　　・・・・・・■
従って、この場合は、式■より導波路そのものの群速度
が得られる。

一方、このことを逆に利用し、予めこの導波路の群速度
の温度依存性を測定して知っていれば、被測定媒体５の
温度が求まり、このセンサは、温度センサとなる。これ
は、被測定媒体５の音速の温度依存性を予め知らなくて
も温度が測定でき、なおかつ、被測定媒体５の音速も測
定できるので、音速と温度の関係をも知ることができて
都合がよい。

〔第４実施例〕 次に、第４実施例を第７図に基づいて説明する。

この第４実施例は、同一長さの導波路４１゜４２を断面
円形状とするとともに、これら各導波路４１．４２の一
端部に集音ガイド部４３Ａ。

４４Ａを各々設け、この集音ガイド部４３Ａ。

４４　Ａを介して送受波ＷＳ４３，４４を装着し、更に
この送受波器４３．４４に近接して導波路４１゜４２の
相互間にスペーサ４５を装備した構造となっている。こ
のスペーサ４５は、導波路４１゜４２との当接部に遮音
部材４５Ａ、４５Ｂを有している。

導波路４１．．４２の他端部は比較的尖鋭に形成され、
この尖鋭端部４１Ａ、４２Ａに近接した導波路４１．４
２上に、超音波反射手段としてのノツチ部４１Ｂ、４２
Ｂが形成されている。

このため、この第４実施例では、導波路４１゜４２に沿
って伝播した波動は、ノツチ部４１Ｂ。

４２Ｂで各々反射されて受渡器４４で検知されるように
なっている。このため、この第４実施例のもものは、軟
質部材を対象とした固形物の音速測定に好適なものとな
っている。その他の構成及び作用効果は、前述した第１
実施例と略同様となっている。

なお、上記各実施例ではスペーサ１０．４５を導波路１
．２又は４１．４２の一端部に装備するか又は特に使用
しない場合を例示したが、このスペーサについては、漏
洩波の伝播に支障をきたさない範囲又は構造であれば例
えば先端部（他端部）にも装備する等、複数箇所に装備
してもよい。

また、上記各実施例では、導波路１．２又は４１．４２
を、それぞれ一対とした場合を例示したが、例えば導波
路を第８図に示す如（三木として両側を受信用としたも
のであってもよい。被測定媒体が例えば層状のものに対
しては、その位相速度■と温度及び群速度を同時に検出
することができる。この第８図において、５５．６５は
スペーサを示し、４２．５２は受信側の導波路を示す。

また４３は送信器を、又４４，５４はそれぞれ受信器を
示す。更に、スペーサ１０．４５と同等に機能するもの
であれば、例えば各導波路の対向側とは反対の側から当
該各導波路を支持する構造のものを採用してもよい。

さらに、導波路対の形状を第１０図に示すように、互い
に向きあった半円筒状のものにする実施例もある。この
場合には、導波路対が互いにレンズの役目をしているの
で、一方の導波路から他方の導波路に音波エネルギが移
動する際の効率が極めて良いことと同時に、導波路の幅
Ｂを余り大きくとれないときに導波路の剛性を高める効
果を有するので、軟質組織等の音速を測定する際に有効
となる。

また、これまでは一対の超音波送受波器のいずれか一方
を送波器として、他方を受波器として使用したが、２つ
の送受波器をともに送波器として利用し、且つ、受波器
としても利用することにより送受信怒度の向上が期待で
きるとともに、第１１図に示すように、受信波として被
測定媒体中の経路が奇数行程のものばかりでなく、偶数
行程のものも受信できるので、確実な情報を多く得るこ
とができ、信号処理に際しての精度間上等を充分に図り
得るという利点がある。

〔発明の効果〕

本発明は以上のように構成され機能するので、これによ
ると、導波路の長さに無関係に被測定媒体の音速を高精
度に測定することができ、これがため、被測定媒体が例
えば高温流体又は危険性の畜い流体であっても、遠方か
らリモート計測が充分に可能となり、従って、超音波送
受波器として通常のものを使用しても、充分な耐久性を
確保することができるという従来にない使い易く且つ耐
久性良好な、そしてリモート計測用として好適な超音波
センサ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す一部省略した正面図
、第２図は第１図の構成に基づく実験により得られた送
信波と受信波の波形を示す説明図、第３図は第１図の実
験結果を示す線図、第４図は第１図の実験結果に基づい
て得られた水の音速を示す図表、第５図は第２実施例を
示す一部省略した正面図、第６回は第３実施例を示す一
部省略した正面図、第７図は第４実施例を示す一部省略
した正面図、第８図は第７図の右側面図、第９図は他の
実施例を示す説明図、第１０図は他の実施例を示す導波
路部分の断面図、第１１図はその他の異なった方式の実
施例により検出された信号波形を示す説明図である。 １．２，４１．４２・・・・・・導波路、３．　４．　
４３゜４４・・・・・・超音波送受波器、ＩＡ、２Ａ・
・・・・・超音波反射手段としての端面、４１Ｂ、４２
Ｂ・・・・・・超音波反射手段としてのノツチ部。 特許出願人　　中　鉢　憲　胃（ばか１名）代理人　弁
理士　　　高　　橋　　　勇１．（屯７徒 饗 第１図 第２図 第３図 （）ｔ３］ 第４図 第５図 互　乙 互　Ａ 第７図 第９図 μ 、、／１

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）、一定距離を隔てて配設された弾性体からなる一
   対の超音波導波路と、これら一対の超音波導波路の各一
   端部に装備された超音波送受波器とを有し、前記各超音
   波導波路の他端部に超音波反射手段を設けたことを特徴
   とする超音波センサ装置。
2. （２）、前記一対の超音波導波路が、一対の弾性板であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波
   センサ装置。
3. （３）、前記一対の超音波導波路が、一対の丸棒状の部
   材により形成されていることを特徴とした特許請求の範
   囲第１項記載の超音波センサ装置。
4. （４）、前記一対の超音波導波路が、一対のパイプ状部
   材により形成されていることを特徴とした特許請求の範
   囲第１項記載の超音波センサ装置。
5. （５）、前記一対の超音波導波路は、超音波の伝播方向
   の長さが同一寸法の超音波導波路により形成されている
   ことを特徴とした特許請求の範囲第１、２、３又は４項
   記載の超音波センサ装置。
6. （６）、前記一対の超音波導波路は、超音波の伝播方向
   の長さが異なった寸法の超音波導波路により形成されて
   いることを特徴とした特許請求の範囲第１、２、３又は
   ４項記載の超音波センサ装置。
7. （７）、前記超音波送受波器を、前記各超音波導波路の
   側面に装着したことを特徴とした特許請求の範囲第１項
   記載の超音波センサ装置。
8. （８）、前記超音波送受波器を、前記各超音波導波路の
   中心線に直交して装着したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の超音波センサ装置。
9. （９）、一定距離を隔てて配設された弾性体からなる一
   対の超音波導波路と、これら一対の超音波導波路の各一
   端部に装備された超音波送受波器とを有し、前記各超音
   波導波路の他端部に超音波反射手段を設け 前記各超音波導波路の一端部の相互間にスペーサを配設
   するとともにこのスペーサの前記各超音波導波路との当
   接部に遮音部材を装備したことを特徴とする超音波セン
   サ装置。
10. （１０）、前記超音波送受波器を、前記各超音波導波路
    を介して前記遮音部材の反対側に装備したことを特徴と
    する特許請求の範囲第９項記載の超音波センサ装置。
11. （１１）、一定距離を隔てて配設された弾性体からなる
    一対の超音波導波路と、これら一対の超音波導波路の各
    一端部に装備された超音波送受波器とを有し、前記各超
    音波導波路の他端部に超音波反射手段を設け 前記各超音波導波路の両端部相互間にスペーサを各々配
    設するとともに、この各スペーサの前記各超音波導波路
    との当接部に遮音部材を装備し、前記他方の端部のスペ
    ーサの内側に位置する超音波導波路に超音波反射手段を
    設けたことを特徴とする超音波センサ装置。
12. （１２）、一定距離を隔てて配設された弾性体からなる
    一対の超音波導波路と、これら一対の超音波導波路の各
    一端部に装備された超音波送受波器とを有し、前記各超
    音波導波路の他端部に超音波反射手段を設け 前記各超音波導波路の他端部の先端を比較的鋭く形成す
    るとともに、この先端に近接した適当な位置に超音波反
    射手段を設けたことを特徴とする超音波センサ装置。