JPH0618245Y2 - 超音波センサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 産業上の利用分野 本考案は超音波センサに係り、特に温度変化に対応して
超音波の送受信について常に安定した特性を維持するよ
う構成した超音波センサに関する。

従来の技術 例えば、流体中に渦発生体を設け、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路壁
に流路をはさんで対向配置された一対の超音波センサを
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、超音波がカルマ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
超音波送信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マ
ン渦の生成数が計測される。

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超音波素子を収納し、こ
の超音波素子は接着剤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。

又、上記とは別の超音波センサとしては「特開昭４８−
１０１１６６号公報」により開示された装置がある。こ
の公報の装置では超音波素子をコイルばねの押圧力によ
りホルダ底面に押圧保持する構成となっている。

考案が解決しようとする課題 しかるに、従来の超音波センサでは、超音波素子をホル
ダに接着固定した場合、高温の流体を計測するときには
ホルダに流体の熱が伝導し、ホルダと超音波素子との熱
膨脹変位量の差により接着剤が剥離してしまい、振動伝
達が低下するといった課題がある。尚、ホルダがステン
レス製の場合、ホルダの熱膨脹率は例えば17.8×１０
^−６／℃であり、超音波素子がセラミック系である場
合、超音波素子の熱膨脹率は例えば５〜９×１０^−６／
℃であるため、ホルダと超音波素子との熱膨脹変位量の
差はホルダの熱膨脹率が超音波素子より相当大きいこと
に起因する。

また、上記公報の装置の如く、超音波素子をばねの押圧
力により保持する場合、環境が変化してもばねの押圧力
が常に一定である必要がある。しかるに、上記装置では
例えば温度変化があるとホルダの熱膨脹によりばね力が
変動してしまうので、超音波の送受信について安定した
特性を得ることが難しいという課題がある。

また、熱膨脹による影響が少なくなるように温度変化に
対応してばね力を安定させるためには、コイルばねの全
長が長くなり、このようにすると超音波センサ自体が大
型化してしまい、小型化が要求される渦流量計等の装置
には適用することが難しいといった課題もある。

そこで、本考案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 本考案は、超音波を送信又は受信する超音波素子と、 内部に該超音波素子が挿入される挿入部を有し、該挿入
部の底部に前記超音波素子が当接する振動面を有するホ
ルダと、 超音波の放射方向における該ホルダと前記超音波素子と
の熱膨張差を減少する熱膨張率を有し、前記挿入部に挿
入されて前記超音波素子を前記振動面との間で挟持する
ように前記超音波素子に当接する押え部材と、 該押え部材を介して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、 よりなる。

作用 本考案は、温度変化があった場合、超音波の放射方向に
おけるホルダの熱膨張量と超音波素子及び押え部材の熱
膨張量とが同一になるように構成されているので、温度
変化により超音波素子やホルダが伸縮しても押え部材が
超音波素子とホルダとの熱膨張差を吸収してばね部材に
よる押圧力を一定に保つことが可能となり、超音波素子
の特性が温度変化に拘わらず安定する。

実施例 第１図は本考案の一実施例になる超音波センサが適用さ
れた渦流量計を示し、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点鎖線で示す）２，３との間に配設されている。渦流
量計１の流量計本体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の下流側の流壁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。

１対の超音波センサ６，６のうち、第１図中において図
面下側にあらわれている取付孔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
あらわれている取付孔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内を伝播する途上に
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、本考案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は大略有底円筒状の
ホルダ７と、ホルダ７内の収納室７ａ内に収納された超
音波素子８と、超音波素子８を保持する円柱状の押え部
材９と、ホルダ７を本体４に対して固定する固定部材１
０等とよりなる。

ホルダ７はステンレス製であり、振動面としての底面７
ｂが薄肉となっている。又、ホルダ７には取付孔４ｃよ
り小径の外周を有する挿入部７ｃと、取付孔４ｃより大
径の外周を有する鍔部７ｄとが形成されており、底面７
ｂの振動を妨げないように取付孔４ｃと挿入部７ｃとの
間には隙間が形成される。

超音波素子８はセラミック製（ＰＺＴ，チタン酸ジルコ
ン酸鉛）の振動子であり、ホルダ７の底面７ｂに当接し
ている。押え部材９は絶縁材１１を介して超音波素子８
を保持すると共に、後述するように温度変化に伴う超音
波の放射方向におけるホルダ７と超音波素子８との熱膨
脹差を相殺（減少する）機能も有している。尚、本実施
例では、押え部材９は快削黄銅（ＢｓＢＭ−２）製であ
る。

１２は押え部材９を超音波素子１０に押圧するさらばね
で、押え部材９を均一な力で押圧するため、ステンレス
製のワッシャ１３を介して押え部材９を押圧する。又さ
らばね１２はホルダ７のメネジ部７ｅに螺入されたナッ
ト１４の下端に当接し、ナット１４のネジ込み量により
その押圧力の大きさが調整される。

固定部材１０はホルダ７の鍔部７ｄが嵌合する凹部１０
ａを有し、本体４のネジ孔（図示せず）に螺入された複
数の取付ネジ１５の締付けにより本体４の外周に固定さ
れる。そのため、ホルダ７は鍔部７ｄが固定部材１０と
本体４の取付面４ｄとの間で挾持されると共に、凹部１
０ａによって取付孔４ｂ，４ｃに対する半径方向の挿入
位置が位置決めされた状態で固定される。１６はＯリン
グで、ホルダ７の鍔部７ｄと固定部材１０の凹部１０ａ
との間、及び固定部材１０と取付面４ｄとの間を液密に
シールする。

又、１７は超音波素子８の端子に接続されたリード線
で、第２図では見えないワッシャ１３の切欠部、破線で
示したナット１４の中央孔１４ａ及び、固定部材１０の
貫通孔１０ｂを挿通して外部に延在する。

このように、超音波素子８はホルダ７内に収納保持され
ているため、リード線１７から発振信号を供給されると
振動して超音波を生成し、あるいはホルダ７の底面７ｂ
が流体中を伝播する超音波により振動すると、その検出
信号を出力する。

前述したように例えばステンレス製のホルダ７の熱膨脹
率は17.8×１０^−６／℃で、セラミック製の超音波素子
８の熱膨脹率は５〜９×１０^−６／℃である。このよう
にホルダ７と超音波素子８との熱膨脹率の差が大きいた
め、本考案ではこの熱膨脹差を補正すべく押え部材９が
設けられている。

この押え部材９は快削黄鋼製であり、その熱膨脹率はお
よそ20.5×１０^−６／℃である。即ち、押え部材９の熱
膨脹率はホルダ７のそれよりも大きい。従って、押え部
材９の高さ寸法を選択することにより、超音波の放射方
向におけるホルダ７と超音波素子８との熱膨脹差を相殺
（減少）することができる。

ここで、超音波素子８の厚さ寸法をｔ_１とし、収納室７
ａ内のワッシャ６と底面７ｂとの間の寸法をｔ_２とする
と、押え部材９の高さ寸法ｔ_２−ｔ_１は次式で求まる。

上記(1)式より押え部材９の高さ寸法ｔ_２−ｔ_１を決め
ることにより温度変化があっても超音波素子８への押圧
力は一定に保たれる。

尚、ワッシャ１３、さらばね１２、及び絶縁材１１の熱
膨脹は無視できるものである。

従って、例えば蒸気等の高温流体の流量を計測するとき
ホルダ７の底面７ｂが直接流体に接するため、ホルダ７
は超音波素子８よりも大きく熱膨脹することになる。し
かるに、超音波素子８を押える押え部材９がホルダ７よ
りも大きく膨脹するため、超音波素子８は底面７ｂに当
接したまま保持される。

従って、温度変化があった場合、超音波の放射方向にお
けるホルダ７の熱膨脹量と超音波素子８及び押え部材９
の熱膨脹量とが同一になるように構成されているので、
温度変化により超音波素子８やホルダ７が伸縮しても押
え部材９が超音波素子８とホルダ７との熱膨脹差を吸収
してさらばね１２による押圧力を一定に保つことが可能
となり、超音波素子８の特性が温度変化に拘わらず安定
する。

そのため、高温流体の流量を計測する際でも、超音波素
子８はホルダ７との熱膨脹差による影響をほとんど受け
ることがない。又、押え部材９と超音波素子８とを合せ
た熱膨脹変位量がホルダ７の熱膨脹変位量と異なり若干
の誤差があった場合、この誤差はさらばね１２によって
吸収される。従って、超音波素子８を押圧するさらばね
１２は上記誤差を補正するだけの弾性変位量を有してい
れば良いので、コンパクトな形状で良い。そのため、超
音波センサ６は全体的にコンパクトな構成であるにも拘
らず、温度変化に対応して常に略一定の押圧力で超音波
素子８がホルダ７内に保持される構造となっている。

尚、上記実施例ではホルダ７が直接流体に接する構成と
したが、これに限らず、例えばコーンと呼ばれる合成樹
脂製等の取付部材あるいは流量計本体に底面が薄肉とさ
れた取付凹部を設け、これらの取付部材，取付凹部にホ
ルダ７を挿入するようにしても良い。

又、上記実施例ではさらばねを用いたが、これ以外にコ
イルばね等を使用しても良いのは勿論である。又、押え
部材９の材質は快削黄銅に限らずホルダ７より熱膨脹率
の大きい材質であれば良い。さらに、上記実施例では渦
流量計に用いられる超音波センサとして説明したが、こ
れに限らず、他の装置にも適用できるのは勿論である。

考案の効果 上述の如く、本考案になる超音波センサは、温度変化が
あった場合、超音波の放射方向におけるホルダの熱膨張
量と超音波素子及び押え部材の熱膨張量とが同一になる
ように構成されているので、温度変化により超音波素子
やホルダが伸縮しても押え部材が超音波素子とホルダと
の熱膨張差を吸収してばね部材による押圧力を一定に保
つことが可能となり、超音波素子の特性を温度変化に拘
わらず安定させることができる。そのため、より広い温
度範囲での使用ができ、経時的な環境の変化に対しても
常に保持できるので周波数特性を安定に維持することが
できる。しかも、長いコイルばね等を不要にできるの
で、全体形状をコンパクトな構成にでき、従って、取付
スペースの限られた装置等に使用するのに好適である等
の特長を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案になる超音波センサの一実施例を適用さ
れた渦流量計の横断面図、第２図は本考案の要部を説明
するための縦断面図である。 １……渦流量計、４……流量計本体、５……渦発生体、
６……超音波センサ、７……ホルダ、８……超音波素
子、９……押え部材、１０……固定部材、１２……さら
ばね、１７……リード線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−149918（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−101166（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波を送信又は受信する超音波素子と、 内部に該超音波素子が挿入される挿入部を有し、該挿入
   部の底部に前記超音波素子が当接する振動面を有するホ
   ルダと、 超音波の放射方向における該ホルダと前記超音波素子と
   の熱膨張差を減少する熱膨張率を有し、前記挿入部に挿
   入されて前記超音波素子を前記振動面との間で挟持する
   ように前記超音波素子に当接する押え部材と、 該押え部材を介して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、 よりなる超音波センサ。