(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機圧電材料に電極を構成してなる縦振動モードあるいは厚み振動モードの第１超音波振動子と、高分子圧電膜の両面に可撓性を有する電極を構成し，一方の面を第１超音波振動子の超音波放出面側と接合し，他方の面を超音波放射面とする厚み振動モードの第２超音波振動子と、を備え、
第１超音波振動子を送信用超音波センサとして励振し，第２超音波振動子を経由してこの超音波放射面から対象物に超音波信号を送信し、また、第２超音波振動子を受信用超音波センサとして送信されてくる超音波信号を受信する超音波センサにおいて、
前記第１超音波振動子の送信用の共振周波数と前記第２超音波振動子の受信用の反共振周波数を一致させるように第１超音波振動子と第２超音波振動子の厚み方向の寸法を選択すると共に、当該共振周波数および反共振周波数に一致する周波数で超音波センサを動作させる、
ことを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波センサにおいて、第１超音波振動子は、無機圧電材料の、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)あるいはジルコン酸鉛系から構成する、ことを特徴とする超音波センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波センサにおいて、第２超音波振動子の高分子圧電膜は、ポリフッカビニリデン(PVDF)の膜から構成する、ことを特徴とする超音波センサ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかの項に記載の超音波センサを用いたセンシング装置において、
超音波センサの第１超音波振動子を励振して第２超音波振動子を経由してこの超音波放射面から超音波信号を測定対象物あるいは媒体に放射し、対象物から反射して戻る超音波信号を第２超音波振動子で受信する、
ことを特徴とする超音波センシング装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれかの項に記載の超音波センサを用いた超音波流量計において、測定対象の媒体は流体とし、流体中を透過する透過波を検出し、上流側への超音波伝搬時間と下流側への超音波伝搬時間との差から流体の流速を演算する、
ことを特徴とする超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は測定対象物に超音波を放射してセンシングを行う超音波技術を利用する超音波センサおよびそのセンサを用いたセンシング装置に関わり、特に、超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波技術を利用してセンシングを行うセンシング装置には、測定対象物あるいは媒体に超音波を放射しその反射波を検出して位置、距離あるいは速度の計測装置あるいは画像処理装置や、測定対象の媒体に超音波を放射しその透過波の伝搬時間を検出して、例えば、媒体の流速を測定する超音波流量計などがある。
【０００３】
図５は１対の超音波センサを流体の流れに沿って対向配置し上流側および下流側に交互に超音波を送信し、受信するまでの時間差から流速を測定する超音波流量計の概念図を示す。図５において、従来技術による超音波流量計は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT) の無機圧電材料に電極を構成してなる超音波振動子２と、この超音波振動子２に接合され他方の面から音波を放射する音響整合層４とからなる超音波センサ6A,6B を、測定流体５の媒体中に、あるいは、測定流体５が搬送される図示省略された測定管路に対して傾斜して、送信側と受信側とを対向配備して構成される。
【０００４】
かかる構成において、超音波流量計は、一方の超音波センサ（例えば6A）の超音波振動子２(2A)を送受信回路61A から励振し、流体５との音響インピーダンスの整合を図る音響整合層4Aを介して媒体５に超音波信号5aを送信する。他方の超音波センサ(6B)は、音響整合層4Bを介して超音波振動子２(2B)でこの送信された超音波信号5aを受信し、送受信回路61B でこの超音波信号5aを検出する。そして、送受信回路61A,61B の送受信機能を交互に切り換えて、上流側への超音波伝搬時間と下流側への超音波伝搬時間との伝搬時間差ΔT を測定することにより、測定管路内の流体５の流速あるいは流量を測定することができる。即ち、従来技術による超音波センサ6A,6B は同一センサの超音波振動子２を送信用および受信用に切り換えて使用している。
【０００５】
図６は従来技術による超音波センサ6A,6B の特性を示す。図６において、横軸に周波数を、縦軸に送受信回路61A,61B からの電気的励振パワーに対する超音波出力の送信感度2Sおよび受信する超音波出力に対する電気信号への変換パワーを示す受信感度2Rをとる。従来技術による送受信一体型の超音波センサ6A,6B は、超音波振動子２の材料特性とその形状とから定まる電気機械系の振動特性を有し、送信感度と受信感度でそのピーク値が異なる。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT) などの無機圧電材料で構成される超音波センサ6A,6B の電気機械系の振動特性は、この超音波センサ6A,6B を送信用に用いたとき、超音波振動子２の材料特性とその形状とから定まる共振周波数frでピーク特性を有する曲線2Sの特性を示す。一方、超音波センサ6A,6B を受信用に用いたとき、この超音波振動子２の機械電気系の振動特性は、材料特性とその形状とからなる反共振周波数faでピーク特性を有する曲線2Rの特性を示す。この結果、同一超音波センサ6A,6B を用いて送信用および受信用に兼用するとき、共振周波数frと反共振周波数faとの中心付近の周波数帯foで超音波センサ6A,6B を駆動させる、即ち、送信特性および受信特性の共通部分である周波数foを中心周波数とする特性2SR で図示される特性で使用するのが最適な超音波センサ6A,6B の感度特性となり、この様な観点で送受信兼用の超音波センサ6A,6B が製作されていた。この様に送受信一体型の超音波センサ6A,6B の感度特性は、共振周波数frと反共振周波数faとの異なるピーク周波数があるため、送受信兼用のときは、これらのピーク特性のところから外れたところで使用する結果となり、高感度な超音波センサとはなっていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この様に、従来技術による超音波センサ、超音波センシング装置および超音波流量計で同一超音波振動子を送信用および受信用に兼用したとき、(1) 無機圧電材料で構成される超音波振動子の音響インピーダンスは、音波を伝搬させる媒質（液体や気体）の音響インピーダンスに対して非常に大きな値となり音響インピーダンスの整合がとれない。この液体や気体などの媒体との結合を改善するため、超音波センサは、一般的に超音波振動子に音響整合層を備えて構成される。また、(2) 送信用および受信用の共振周波数／反共振周波数にズレが発生し、送受信兼用の高感度な超音波センサを製作することができなかった。
【０００７】
本発明は上記の点にかんがみてなされたものであり、その目的は前記した課題を解決して、送受信兼用に一体化された超音波センサの共振周波数および反共振周波数がほぼ一致し、かつ、音響インピーダンスが比較的低くすることができる一体化された超音波センサを製作することにより、送受信兼用の高感度な超音波センサ、超音波センシング装置および超音波流量計を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明によれば、超音波センサは、無機圧電材料に電極を構成してなる縦振動モードあるいは厚み振動モードの第１超音波振動子と、高分子圧電膜の両面に可撓性を有する電極を構成し，一方の面を第１超音波振動子の超音波放出面側と接合し，他方の面を超音波放射面とする厚み振動モードの第２超音波振動子と、を備えて構成するものとする。
さらに、前記第１超音波振動子の送信用の共振周波数(fr1)と前記第２超音波振動子の受信用の反共振周波数(fa2)を一致させるように第１超音波振動子と第２超音波振動子の厚み方向の寸法を選択すると共に、当該共振周波数および反共振周波数に一致する周波数（fo＝fr1＝fa2)で超音波センサを動作させるものとする。
【０００９】
かかる構成により、第１超音波振動子と第２超音波振動子とを一体化構成し、第１超音波振動子を送信用超音波センサとして励振し，第２超音波振動子を経由してこの超音波放射面から対象物に超音波信号を送信し、また、第２超音波振動子を受信用超音波センサとして送信されてくる超音波信号を受信することができる。
【００１０】
また、第１超音波振動子は、無機圧電材料の、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT) あるいはジルコン酸鉛系から構成することができる。
また、第２超音波振動子の高分子圧電膜は、ポリフッカビニリデン(PVDF)の膜から構成することができる。
【００１１】
また、この超音波センサを用いたセンシング装置は、超音波センサの第１超音波振動子を励振して第２超音波振動子を経由してこの超音波放射面から超音波信号を測定対象物あるいは媒体に放射し、対象物から反射して戻る超音波信号を第２超音波振動子で受信するものとする。
【００１２】
また、超音波センサを用いた超音波流量計は、測定対象の媒体は流体とし、流体中を透過する透過波を検出し、上流側への超音波伝搬時間と下流側への超音波伝搬時間との差から流体の流速を演算するものとする。
【００１３】
かかる構成により、送受信兼用の高感度な超音波センサを用いることにより、安定に超音波信号の送受信を行うことができる。この結果、周辺のノイズ環境との兼ね合いによっては、例えば超音波信号の送信レベルを従来技術レベルよりも下げて使用することができ、超音波センサを励振する電気信号レベルを下げて実用化することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例による超音波センサの要部構成図、図２は一実施例による超音波センシング装置の要部構成図、図３は他の実施例による超音波センシング装置の要部構成図、図４は本発明による超音波センサの周波数特性図であり、図５、図６に対応する同一部材には同じ符号が付してある。
【００１５】
図１において、本発明による超音波センサ１は、無機圧電材料21に電極22a,22b を構成してなる縦振動モードあるいは厚み振動モードの第１超音波振動子２と、高分子圧電膜31の両面に可撓性を有する電極24a,24b を構成し，一方の面(24a) を第１超音波振動子２の超音波放出面側(22b) と接合し，他方の面(24b) を超音波放射面25とする厚み振動モードの第２超音波振動子３と、を備えて構成される。
【００１６】
かかる構成により、第１超音波振動子２と第２超音波振動子３とを一体化構成し、送信モードでは、第１超音波振動子２を送信用超音波センサとして励振し，第２超音波振動子３を経由してこの超音波放射面25から対象物（５）に超音波信号(5a)を送信する。また、受信モードでは、第２超音波振動子３を受信用超音波センサとして送信されてくる超音波信号(5b)を受信することができる。
【００１７】
【実施例】
（実施例１）
図１の(A) において、図示例の超音波センサ１は、無機圧電材料21、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT) の両端に可撓性を備える電極22a,22b を構成し、この電極22a,22b に電圧を印加することにより、電極22a,22b 方向に振動する縦振動モードあるいは厚み振動モードの第１超音波振動子２を構成することができる。また同様に、高分子圧電膜31の両面に可撓性を備える電極24a,24b を、例えば、金属皮膜を蒸着して構成することによって厚み振動モードの第２超音波振動子３を構成することができる。そして、第１超音波振動子２の電極22b と第２超音波振動子３の電極24a との間を可撓性を備える電気的絶縁層（例えば絶縁樹脂フィルム）23で接着などの手段によって接合することにより、送信用の第１超音波振動子２と受信用の第２超音波振動子３とを一体化構成することができる。
【００１８】
この様な構成の超音波センサ１は、高圧の励振電圧が印加される送信回路11と比較的受信電圧が低い受信回路12とを電極22b,24a 間で絶縁することができるので、送信回路11側から受信回路12側へのノイズの混入を防止することが容易である。この絶縁層23と接合部分での超音波信号の減衰は多少発生するが、励振エネルギが十分得られるので実用上の支障はなく、第２超音波振動子３による高感度受信の利点を享受することができる。
【００１９】
また、図１の(B) において、絶縁層23を省略して電極22b,24a を直接接合する、あるいは、一方の電極22b(または電極24a)を省略して他方の電極24a(または電極22b)に接着などの手段で接合することもできる。この場合は、送信回路11側から受信回路12側へのノイズの混入防止にテクニックを要するが、接合部分での超音波信号の減衰を少なくすることができる。
【００２０】
次に、本発明による超音波センサ１の周波数特性を図４に示す。図４において、横軸に周波数を、縦軸に送信感度および受信感度をとる。第１超音波振動子２の周波数特性は、送信回路11からの電気励振パワーに対する超音波信号5aの送信感度特性2Sはピーク送信感度を周波数fr1 に有する特性を有し、また、受信する超音波信号5bに対する電気信号への受信感度特性2Rは、ピーク受信感度を周波数fa1 に有する。そして、このピーク値の周波数は、第１超音波振動子２の材料特性とその形状によって定まる。特に、第１超音波振動子２の厚み寸法を制御することにより、周波数fr1,fa1 を移動することができる。
【００２１】
また同様に、第２超音波振動子３の周波数特性は、送信回路11からの電気励振パワーに対する超音波信号5aの送信感度特性3Sはピーク送信感度を周波数fr2 に有する特性を有し、また、受信する超音波信号5bに対する電気信号への受信感度特性3Rは、ピーク受信感度を周波数fa2 に有する。そして、このピーク値の周波数は、第２超音波振動子３の材料特性とその形状によって定まり、特に、第２超音波振動子３の厚み寸法を制御することにより、周波数fr2,fa2 を移動することができる。
【００２２】
図４の図示例では、送信用の第１超音波振動子２を無機圧電材料のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT) あるいはジルコン酸鉛系から構成し、受信用の第２超音波振動子３を高分子圧電膜のポリフッカビニリデン(PVDF)の膜から構成したものであり、第１超音波振動子２の送信用の共振周波数fr1 と第２超音波振動子３の受信用の反共振周波数fa2 を一致させる条件で厚み方向の寸法を選択する。
【００２３】
かかる構成により、振動に関する電気機械結合係数が高分子圧電材料よりも高いチタン酸ジルコン酸鉛(PZT) あるいはジルコン酸鉛系を用いることができ、共振周波数fr1 を受信用の高分子圧電材料の第２超音波振動子３の反共振周波数fa2 と一致させ、超音波センサ１を周波数fo＝fr1(＝fa2)で動作させることにより、送信感度および受信感度をより一層高感度化することができ、送受信兼用の高感度な超音波センサを製作することができる。
【００２４】
さらに、高分子圧電膜のポリフッカビニリデン(PVDF)の膜は、無機圧電材料のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT) に較べて音響インピーダンスが低く、水やプラスチックなどの音響インピーダンスに近いので、液体や気体中に超音波を伝播する超音波センサとして、付加的に音響整合層を付加することなく使用することができる。さらにまた、高分子圧電膜のポリフッカビニリデン(PVDF)の膜は、超音波の受信感度が高い特性があるので、超音波受信用に用いることにより、信号対雑音比(S/N比) を向上させることができる。
（実施例２）
図２において、本発明の超音波センサを用いたセンシング装置は、１個の超音波センサ1Aを予め定められた位置に配置して、超音波センサ1Aの第１超音波振動子２を送信回路11から励振して第２超音波振動子３を経由して超音波放射面25から超音波信号5aを測定対象物５あるいは媒体５に放射し、対象物５から反射して戻る超音波信号5bを第２超音波振動子３で受信することができる。
【００２５】
かかる構成において、送信回路11からパルス状に第２超音波振動子３を励振し、バースト状の超音波信号5aを測定対象物５に放射し、対象物５から反射して戻る超音波信号5bを第２超音波振動子３で受信し、送信パルスから超音波信号5bを検出するまでの時間を計測することにより、対象物５までの距離を測定することができる。また、この時間的変化を測定することにより、対象物５との相対速度を、超音波センサ1Aが例えば地上に固定されているときは対象物５の速度を、測定することができる。
【００２６】
また、送信回路11から正弦波の連続波を送信し、この送信超音波信号5aと対象物５からの反射波の超音波信号5bとを第２超音波振動子３で受信し、受信回路12に非線形要素を備えて送信波と受信波とのホモダイン検波を行うことにより、対象物５の移動速度、即ち、ドプラーシフト量を検出することができる。本発明の一体化された超音波センサ１を用いることにより、送信波と受信波とのミキシング信号を１個の第２超音波振動子３で検出することができ、スーパーヘテロダイン検波方式に較べて信号雑音比(S/N比) の高い信号検出を行うことができる。
【００２７】
また、図３において、本発明の超音波センサを用いたセンシング装置は、１組の超音波センサ1A,1B を予め定められた位置に配置して、例えば、超音波センサ1Aの第１超音波振動子２を送信回路11A から励振してこの第２超音波振動子３を経由してこの超音波放射面25から超音波信号5aを測定対象物５あるいは媒体５に放射し、対象物５から反射して戻る超音波信号5bを別置された超音波センサ1Bの第２超音波振動子３で受信し、受信回路12B で検出することができる。
【００２８】
かかる構成により、送信回路11A からパルス状に第２超音波振動子３を励振し、バースト状の超音波信号5aを測定対象物５に放射し、対象物５から反射して戻る超音波信号5bを別置された超音波センサ1Bの第２超音波振動子３で受信し、受信回路12B で送信パルスから超音波信号5bを検出するまでの時間を計測することにより、対象物５までの距離を超音波センサ1A,1B を配置した位置を含めた三角測量を行い、より正確な距離を測定することができる。
【００２９】
さらに、図２または図３の構成において、反射波あるいは透過波の検出時間を測定することにより、対象物５中に存在する傷あるいは異物の検出を非破壊検査することができる。
（実施例３）
また、図３において、本発明の超音波センサを用いた超音波流量計は、１組の超音波センサ1A,1B を測定流体５の媒体中に、あるいは、測定流体５が搬送される図示省略された測定管路に対して傾斜して送信側と受信側とを予め定められた位置に対向配備して構成することができる。
【００３０】
かかる構成により、測定対象の媒体５を流体とし、流体中を透過する透過波を検出し、上流側への超音波伝搬時間と下流側への超音波伝搬時間との差から流体の流速を演算することができる。例えば、上流側に配置された超音波センサ1Aの第１超音波振動子２を送信回路11A から励振してこの第２超音波振動子３を経由してこの超音波放射面25から超音波信号5aを媒体５に放射し、媒体５を透過する透過波を下流側に配置された超音波センサ1Bの第２超音波振動子３で受信し、受信回路12B で下流側への超音波伝搬時間を測定する。次に、下流側に配置された超音波センサ1Bの第１超音波振動子２を送信回路11B から励振してこの第２超音波振動子３を経由してこの超音波放射面25から超音波信号5bを媒体５に放射し、媒体５を透過する透過波を上流側に配置された超音波センサ1Aの第２超音波振動子３で受信し、受信回路12A で上流側への超音波伝搬時間を測定し、両超音波伝搬時間差を演算することにより、流体５の流速あるいは流量を測定することができる。
【００３１】
本発明によれば、無機圧電材料の第１超音波振動子と高分子圧電膜の第２超音波振動子とを用いて、送受信兼用に一体化された超音波センサの共振周波数および反共振周波数がほぼ一致し、かつ、液体や気体との音響インピーダンスの整合がとれる一体化された超音波センサを製作することにより、送受信兼用の高感度な超音波センサを提供することができ、また、この送受信兼用の高感度な超音波センサを用いることにより、信号雑音比の高い各種の超音波センシング装置および超音波流量計を提供することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明による超音波センサは、送受信兼用に一体化され、共振周波数および反共振周波数がほぼ一致し、かつ、液体や気体との音響インピーダンスの整合がとれる一体化された高感度な超音波センサを提供することができ、また、この高感度な超音波センサを用いることにより、信号雑音比の高い各種の超音波センシング装置および超音波流量計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての超音波センサの要部構成図
【図２】一実施例による超音波センシング装置の要部構成図
【図３】他の実施例による超音波センシング装置の要部構成図
【図４】本発明による超音波センサの周波数特性図
【図５】従来技術による超音波センシング装置の要部構成図
【図６】従来技術による超音波センサの周波数特性図
【符号の説明】
１,1A,1B,6A,6B    超音波センサ
11,11A,11B    送信回路
12,12A,12B    受信回路
２    第１超音波振動子
21    無機圧電材料
22,22a,22b,24a,24b    電極
23    絶縁層
25    超音波放射面
2S,3S     送信感度特性
2R,3R     受信感度特性
３    第２超音波振動子
31    高分子圧電膜
５    対象物
5a,5b     超音波信号
61A,61B     送受信回路
fr,fr1,fr2    共振周波数
fa,fa1,fa2    反共振周波数
fo    動作周波数
【図１】
0003680635.tif 000002
【図２】
0003680635.tif 000003
【図３】
0003680635.tif 000004
【図４】
0003680635.tif 000005
【図５】
0003680635.tif 000006
【図６】
0003680635.tif 000007