(57)【要約】【課題】多重反射を軽減し、Ｓ／Ｎ比の向上が図れ、余分な音波吸収材等も不要となる超音波センサを提供することを課題とする。【解決手段】円板状の圧電素子２２と、この圧電素子１２と厚さ方向に重ねて中心を合わせ接合される音響整合層２３と、固定ケース２４とを含み構成される。音響整合層２３は、中央の円柱体状の第１音響整合層２５とその周辺部の第２音響整合層２６とを備え、第１音響整合層２５と第２音響整合層２６とは音響インピーダンスの異なる材料から形成される。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響インピーダンスの調整のための音響整合層に、中央穴を有するリング状の圧電素子が振動素子として重なるように接合されたことを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
音響インピーダンスの調整のための音響整合層に、振動素子としての圧電素子が重なるように接合されるとともに、その音響整合層の中央部と周辺部とが、機械的剛性が異なる材料により形成され、かつ中央部の機械的剛性より周辺部の機械的剛性の方が小さくなるように設定されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項３】
音響インピーダンスの調整のための音響整合層に、振動素子としての圧電素子が重なるように接合されるとともに、その音響整合層の中央部と周辺部とが、音響インピーダンスが異なる材料により形成され、かつ中央部の音響インピーダンスより周辺部の音響インピーダンスが小さくなるように設定されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項４】
音響インピーダンスの調整のための音響整合層に、振動素子としての圧電素子が重なるように接合されるとともに、その音響整合層の中央部より周辺部の方が厚さが薄くなるように形成されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項５】
前記音響接合層は一定の厚みの中央部に対して、前記圧電素子が接合される側とは反対側の面が、周辺部において斜面状に形成されて外縁にいくほど先細りの断面となるようにされている請求項４に記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記音響接合層は一定の厚みの中央部に対して、前記圧電素子が接合される側とは反対側の面が、周辺部において前記圧電素子の接合面とは反対側に凸となる球面状に形成されて外縁にいくほど先細りの断面となるようにされている請求項４に記載の超音波センサ。
【請求項７】
音響インピーダンスの調整のための音響整合層に、振動素子としての圧電素子が重なるように接合されるとともに、その圧電素子を内側に収容して該圧電素子の外周を外側から取り囲む周辺ケースが前記音響整合層の周辺部に固定され、
かつ、前記圧電素子と音響整合層の積層方向であるＺ軸方向からみた前記周辺ケースの内壁面の取り囲み形状と前記圧電素子の外形形状とが非相似形をなし、前記積層方向と直交するＸ軸方向における前記周辺ケースの内壁と前記圧電素子の外縁とのケース内壁・圧電素子間距離と、前記積層方向と直交しかつ前記Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向における該ケース内壁・圧電素子間距離とが異なるようにされたことを特徴とする超音波センサ。
【請求項８】
前記周辺ケースの内壁形状は、前記積層方向であるＺ軸方向からみてＸ軸方向よりＹ軸方向の方が長くなる楕円状又は矩形状をなし、前記圧電素子はこの周辺ケースの内壁形状の中心と同心的な円形状又は正多角形状をなし、そのＹ軸方向における前記ケース内壁・圧電素子間距離は、Ｘ軸方向における該ケース内壁・圧電素子間距離より大きくなるようにされた請求項７に記載の超音波センサ。
【請求項９】
前記周辺ケースの内壁形状は、前記積層方向であるＺ軸方向からみて円形状又は正多角形状に形成され、他方、前記圧電素子の外形形状はＸ軸方向よりＹ軸方向の方が長くなる楕円状又は矩形状をなすように形成され、そのＹ軸方向の前記ケース内壁・圧電素子間距離は、Ｘ軸方向の前記ケース内壁・圧電素子間距離より小さくなるようにされた請求項７に記載の超音波センサ。
【請求項１０】
前記周辺ケースの内壁面形状の、前記音響整合層への投影領域のおける該音響整合層の厚さが前記圧電素子の振動周波数の１／４波長とされている請求項７ないし９のいずれか１項に記載の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用してガス、水道等の流体の流速、流量を計測する超音波センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超音波センサでは音圧特性を高める目的で、中心部に音圧を集中して、効率よく空気中へ高周波の音波を放射する狭角指向特性のものが主流である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、図１１に示すように、流体の流量を高精度に検出する超音波流量計は、流路１に設けた送信専用センサ２に対向して上流側と下流側に受信専用センサ３ａと３ｂを配置している。この送信専用センサ２として、従来の超音波センサを使用した場合、中央部Ｃ付近の音圧の高いレベルの音波を無駄にしてしまう。加えて、この中央部からの強い音波エネルギーを吸収しないと流路の内部に音波エネルギーが残留したり、多重反射したりして、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比ともいう）を低下させ、検出誤差の要因となる問題がある。そのために、不要音波を減衰させる音波吸収材等を中央部付近に配置する必要があった。
【０００４】
従来の他の例として、図１０において、比較的高精度である限られたエリア内を移動する物体の位置の検出を行う例がある。この例においては、超音波が移動物体にあたった反射波を受け物体の位置が検出される。移動物体までの距離が約２００ｍｍ、幅が５０〜１５０ｍｍの長方体エリア内を移動する物体を検出する際には、従来の超音波センサ、例えば、高周波高感度タイプのセンサでは、その指向特性が狭く半減角度が約３．５度程度であり、この場合、移動物体の移動距離約１０２ｍｍを満遍なく検知するには、各センサの指向性エリアのオーバーラップ幅を５ｍｍとして計算すると、センサ数は最低９個（Ｓ１〜Ｓ９）必要となる。センサとして９個使用ではコスト高となり問題がある。また、移動物体の大きさ、移動速度によっては、例えば、物体の形状等の影響により受信感度が低下し、音波を発射したセンサで必ずしも送受信できるとは限らない場合もありうるため、検出のための信号処理が複雑化し、処理時間が大幅に掛かってしまう問題がある。さらに、高速変化する物体等を正確に検知できなく、十分な計測精度が得られない場合が起こり得る。
【０００５】
本発明は、上記した点を背景になされたもので、多重反射を軽減し、Ｓ／Ｎ比の向上が図れ、余分な音波吸収材等も不要で、十分な計測精度が得られる超音波センサを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明超音波センサは、音響インピーダンスの調整のための音響整合層に、中央穴を有するリング状の圧電素子が振動素子として重なるように接合されたことを特徴とする。
【０００７】
上記構成により、圧電素子の音響整合層との境界部に発生する振動変位が、中心部の変位を少なく、周辺部に現われる変位を大きくさせる分布となり、中心部の音圧を抑え、周辺方向の音圧レベルが高められ、音波の指向特性を広角化ができ、多重反射を軽減し、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。
【０００８】
また、本発明は、音響インピーダンスの調整のための音響整合層に、振動素子としての圧電素子が重なるように接合されるとともに、その音響整合層の中央部と周辺部とが、機械的剛性が異なる材料により形成され、かつ中央部の機械的剛性より周辺部の機械的剛性の方が小さくなるように設定されていることを特徴とする。
【０００９】
上記構成により、中心部の変位を機械的にある程度固定し、周辺部の変位を強調させることが可能で、中心部の音圧を抑え、周辺方向の音圧レベルが高められ、音波の指向特性を広角化ができ、多重反射を軽減し、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。
【００１０】
さらに、本発明は、音響インピーダンスの調整のための音響整合層に、振動素子としての圧電素子が重なるように接合されるとともに、その音響整合層の中央部と周辺部とが、音響インピーダンスが異なる材料により形成され、かつ中央部の音響インピーダンスより周辺部の音響インピーダンスが小さくなるように設定されていることを特徴とする。
【００１１】
上記構成により、中心部の変位を音響的にある程度固定し、周辺部の変位を強調させることが可能で、中心部の音圧を抑え、周辺方向の音圧レベルが高められ、音波の指向特性を広角化ができ、多重反射を軽減し、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。
【００１２】
また、本発明は、音響インピーダンスの調整のための音響整合層に、振動素子としての圧電素子が重なるように接合されるとともに、その音響整合層の中央部より周辺部の方が厚さが薄くなるように形成されていることを特徴とする。
【００１３】
上記構成により、音響整合層が中央部より周辺部の方が厚さが薄くなる形状で、中心部の音圧を抑え、周辺方向の音圧レベルが高められ、音波の指向特性を広角化ができ、多重反射を軽減し、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。
【００１４】
また、具体的には、前記音響接合層は一定の厚みの中央部に対して、前記圧電素子が接合される側とは反対側の面が、周辺部において斜面状に形成されて外縁にいくほど先細りの断面となるようにされることにより、中心部の音圧を抑え、周辺方向の音圧レベルが高めて、音波の指向特性を広角化ができる。
【００１５】
さらに、具体的には、前記音響接合層は一定の厚みの中央部に対して、前記圧電素子が接合される側とは反対側の面が、周辺部において前記圧電素子の接合面とは反対側に凸となる球面状に形成されて外縁にいくほど先細りの断面となるようにされることにより、中心部の音圧を抑え、周辺方向の音圧レベルが高めて、音波の指向特性を広角化ができる。
【００１６】
また、本発明は、音響インピーダンスの調整のための音響整合層に、振動素子としての圧電素子が重なるように接合されるとともに、その圧電素子を内側に収容して該圧電素子の外周を外側から取り囲む周辺ケースが前記音響整合層の周辺部に固定され、
かつ、前記圧電素子と音響整合層の積層方向であるＺ軸方向からみた前記周辺ケースの内壁面の取り囲み形状と前記圧電素子の外形形状とが非相似形をなし、前記積層方向と直交するＸ軸方向における前記周辺ケースの内壁と前記圧電素子の外縁とのケース内壁・圧電素子間距離と、前記積層方向と直交しかつ前記Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向における該ケース内壁・圧電素子間距離とが異なるようにされたことを特徴とする。
【００１７】
上記構成により、音響整合層との境界部に発生する振動変位が、Ｘ軸方向（短辺方向）、Ｙ軸方向（長辺方向）の振動変位が異なる変位分布となり、Ｙ軸方向の指向特性が鋭く、これに比べＸ軸方向の指向特性を広角化することができ、多重反射を軽減し、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。
【００１８】
また、具体的には、前記周辺ケースの内壁形状は、前記積層方向であるＺ軸方向からみてＸ軸方向よりＹ軸方向の方が長くなる楕円状又は矩形状をなし、前記圧電素子はこの周辺ケースの内壁形状の中心と同心的な円形状又は正多角形状をなし、そのＹ軸方向における前記ケース内壁・圧電素子間距離は、Ｘ軸方向における該ケース内壁・圧電素子間距離より大きくなるようにされた構成により、Ｙ軸方向の指向特性が鋭く、これに比べＸ軸方向の指向特性を広角化することができる。
【００１９】
さらに、具体的には、前記周辺ケースの内壁形状は、前記積層方向であるＺ軸方向からみて円形状又は正多角形状に形成され、他方、前記圧電素子の外形形状はＸ軸方向よりＹ軸方向の方が長くなる楕円状又は矩形状をなすように形成され、そのＹ軸方向の前記ケース内壁・圧電素子間距離は、Ｘ軸方向の前記ケース内壁・圧電素子間距離より小さくなるようにされた構成により、Ｙ軸方向の指向特性が鋭く、これに比べＸ軸方向の指向特性を広角化することができる。
【００２０】
また、本発明は、前記周辺ケースの内壁面形状の、前記音響整合層への投影領域のおける該音響整合層の厚さが前記圧電素子の振動周波数の１／４波長とされている。
【００２１】
上記構成により、圧電素子の１／４波長整合層との境界部に発生する振動変位が、Ｘ軸方向（短辺方向）、Ｙ軸方向（長辺方向）の振動変位が異なる変位分布となり、Ｘ軸方向の指向特性が鋭く、これに比べＹ軸方向の指向特性を広角化することができ、多重反射を軽減し、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。このような、広角指向特性の超音波センサを流量計に用いることにより、流路の流速の検出に必要となる方向に超音波を効率よく伝播させることができ、１回の境界面反射までの伝播経路長が拡大でき、かつ境界面での多重反射エコーを極力低減し、十分なＳ／Ｎ比を確保でき、比較的少ない反射回数で順逆方向到達時間差（ΔＴ）の計測に十分な値が得られ、計測精度が高められる。また、伝播ロスが少なくでき受信波を増幅する増幅器のゲインを低く抑えられ、駆動電圧も低下でき、低消費電流化が測れる。さらに、不要音波を減衰させる目的の音波吸収材等も不要となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき図面に示す実施例を参照して説明する。図１は、本発明の超音波センサの構造を示す説明図であり、超音波センサ１１は、円板状の圧電素子１２と、この圧電素子１２の空気との音響インピーダンスの整合を図るために特殊プラスチックで円板状に形成され、圧電素子１２と厚さ方向に重ねて中心を合わせ接合される音響整合層１３と、この音響整合層１３の周辺を支持し固定する金属製の円筒状の固定ケース１４とを含み構成される。圧電素子１２の中央に円形孔１５を穿設している。圧電素子１２の形状はリング形状を成す。この円形孔１５の穴径（ｄ１とする）と、圧電素子１２の直径（ｄ２とする）との寸法比（ｄ２／ｄ１＝ｒとする）は、ｒ＝３〜５の範囲で形成する。また、圧電素子１２の厚み（ｔ１とする）と、音響整合層１３の厚み（ｔ２とする）との厚み比（ｔ２／ｔ１＝βとする）は、β＝０．５〜４．０の範囲で形成する。使用するセンサ周波数に応じて各寸法を指向特性を３０〜５０°の範囲に広角化できる。例えば、使用周波数が１５０ＫＨｚの場合、寸法は、ｄ２＝１３ｍｍ、ｒ＝３〜４、ｔ１＝１ｍｍ、β＝３〜３．５の範囲で指向特性を広角化できる。
【００２３】
図２は、図１の実施例におけるセンサの指向特性図を示す。この例では、半減角度は１５〜２５°、指向特性は３０〜５０°、９〜１２°の方向に音圧レベルのピーク値がある。このように、圧電素子１２の音響整合層１３との境界部に発生する振動変位が、中心部の変位を少なく、周辺部に現われる変位を大きくさせる分布となり、中心部の音圧を抑え、周辺方向の音圧レベルが高められ、音波の指向特性を広角化ができ、多重反射を軽減し、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。
【００２４】
図３は、本発明の他の実施例を示す説明図である。超音波センサ２１は、円板状の圧電素子２２と、この圧電素子１２と厚さ方向に重ねて中心を合わせ接合される音響整合層２３と、固定ケース２４とを含み構成される。音響整合層２３は、中央の円柱体状の第１音響整合層２５とその周辺部の第２音響整合層２６とを備え、第１音響整合層２５と第２音響整合層２６とは音響インピーダンスの異なる材料から形成される。第１音響整合層２５の音響インピーダンス（Ｚ１とする）と、第２音響整合層２６の音響インピーダンス（Ｚ２とする）との比（Ｚ１／Ｚ２＝Ｂとする）は、Ｚ２＝０．６×１０６ｋｇ／ｍ２・ｓとした場合、Ｂ≧３の関係を有する。また、第１音響整合層２５の直径（Ｄ１とする）と、圧電素子２２の直径（Ｄ２とする）との比（Ｄ２／Ｄ１＝ｒとする）は、ｒ＝２〜５の範囲で形成する。さらに、第１音響整合層２５のヤング率（Ｙ１とする）と、第２音響整合層２６のヤング率（Ｙ２とする）との比（Ｙ１／Ｙ２＝ｙとする）は、ｙ≧３．５の範囲の特性を有する２種類の材料から構成することにより、指向特性を広角化できる。
【００２５】
図４は、図３の実施例におけるセンサの指向特性図を示す。この例では、半減角度は１５〜３０°、指向特性は３０〜６０°、１０〜１５°の方向に音圧レベルのピーク値がある。中心部音圧と周辺ピーク値との音圧差は最大１０ｄＢが得られる。このように、中心部の変位を音響的および機械的にある程度固定し、周辺部の変位を強調させることが可能で、中心部の音圧を抑え、周辺方向の音圧レベルが高められ、音波の指向特性を広角化ができ、多重反射を軽減し、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。なお、音響インピーダンスの異なる２種類の材料、また、ヤング率の異なる２種類の材料というように、それぞれ単独の要素で材料の選択をすることも可能である。
【００２６】
図５は、本発明の他の実施例を示す説明図である。超音波センサ３１は、円板状の圧電素子３２と、圧電素子１２と厚さ方向に重ねて中心を合わせ接合される音響整合層３３と、この音響整合層１３の周辺を支持し固定する円筒状の固定ケース２４とを含み構成される。音響整合層３３は、圧電素子３２との接合面に対し他方の端面を円形面とし、軸線を中心として超音波伝播方向に向かうにつれて縮径する外表面の形状を有する。音響整合層３３の形状は円錐台形状を成す。固定ケース３４は、筒の上部の内側に切り欠き部３５を形成し、音響整合層３３の台部の外周部を嵌合し、音響整合層３３の周辺を支持する。音響整合層３３の軸線と直角方向と外表面とのなす傾斜角度（θとする）は、θ＝５〜４５°の範囲とする。また、音響整合層３３の上部の円形面の直径（Ｄ１とする）と、音響整合層３３の外径（Ｄ２とする）との寸法比（Ｄ２／Ｄ１＝ｒとする）は、ｒ＝５〜１０の範囲で調整することで、指向特性を広角化できる。
【００２７】
図６は、図５の実施例におけるセンサの指向特性図を示す。この例では、半減角度は２０〜３５°、指向特性は４０〜７０°、中心部音圧と周辺ピーク値との音圧差は最大１０〜１５ｄＢが得られる。１０〜１５°の方向に音圧レベルのピーク値がある。このように、音響整合層３３の傾斜形状で、中心部の音圧を抑え、周辺方向の音圧レベルが高められ、音波の指向特性を広角化ができ、多重反射を軽減し、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。なお、図９に示すように、音響整合層３３’を半円球状とし、中心部と周辺部との曲率を変え、超音波伝播方向に向かうにつれて縮径する外表面の形状とすることにより、同様に指向特性を広角化できる。
【００２８】
図７は、本発明の他の実施例を示す説明図である。超音波センサ４１は、円板状の圧電素子４２と、圧電素子４２と厚さ方向に重ねて中心を合わせ接合される音響整合層４３と、この音響整合層４３の周辺を支持し固定する筒状の固定ケース４４とを含み構成される。音響整合層４３において、平面でみて、その周辺の固定ケース４４の支持部４５を除いたエリアを１／４波長整合層４６という（１／４λ整合層ともいう）。支持部４５は、一方向のそれぞれの幅４５ａに対し直交する方向のそれぞれの幅４５ｂを狭く、異なる幅に形成する。この１／４波長整合層４６は、その厚みが超音波の波長（λとする）のλ／４で形成される。この１／４波長整合層４６は、平面でみて（厚さ方向でみて）Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に対称でかつ寸法比が異なる形状とする。１／４波長整合層は、楕円形状を成す。すなわち、Ｘ軸方向の寸法（Ｌ１とする）と、Ｙ軸方向の寸法（Ｌ２とする）との寸法比（Ｌ２／Ｌ１＝ｒとする）は、ｒ＝１．３５〜１．８５の範囲とする。この１／４波長整合層４６の外形は、圧電素子４２の外形より大きく形成する。これにより、指向特性を広角化できる。
【００２９】
図８は、図７の実施例におけるセンサの指向特性図を示す。この例では、Ｘ軸方向の半減角度は１５〜２３°、Ｘ軸方向の指向特性は３０〜４５°、Ｙ軸方向の半減角度は８〜１５°が得られる。このように、圧電素子４２の１／４波長整合層４６との境界部に発生する振動変位が、Ｘ軸方向（短辺方向）、Ｙ軸方向（長辺方向）の振動変位が異なる変位分布となり、Ｙ軸方向の指向特性が鋭く、これに比べＸ軸方向の指向特性を広角化することができ、多重反射を軽減し、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。なお、図１３に示すように、平面でみて、１／４波長整合層４６’を円形状とし、他方の圧電素子４２’の形状を長方形状とし、そのＸ軸方向（短辺方向）、Ｙ軸方向（長辺方向）の寸法比（ｒ）を前述の範囲で形成することにより、同様にＸ軸方向に指向特性を広角化できる。
【００３０】
上記のような広角指向特性の超音波センサは、超音波流量計の流量計測用センサに好適である。広角指向特性の超音波センサで、流路の流速の検出に必要となる方向に超音波を効率よく伝播させることができ、１回の境界面反射までの伝播経路長が拡大でき、かつ境界面での多重反射エコーを極力低減し、十分なＳ／Ｎ比を確保でき、比較的少ない反射回数で順逆方向到達時間差（ΔＴ）の計測に十分な値が得られ、計測精度が高められる。また、伝播ロスが少なくでき受信波を増幅する増幅器のゲインを低く抑えられ、駆動電圧も低下でき、低消費電流化が測れる。さらに、不要音波を減衰させる目的の音波吸収材等も不要となる。
【００３１】
なお、超音波センサは、送信用、受信用の両方ともに本発明の構造のものを用いた方が好ましいが、そのうち少なくともいずれか一方のみとしても、効果は奏する。また、前述の超音波流量計において、受信用の超音波センサを２個設けた例を示したが、１個の超音波センサとして、送信側と受信側を切替えて、順方向と逆方向の到達時間差を計測する方法としてもよい。さらに、図１２に示すように、送信センサ２側に受信センサ３ａ’と３ｂ’とを設けて、超音波を対向壁で反射させ、これを受信するようにしてもよい。
【００３２】
本発明の超音波センサは、図１０に示す、比較的高精度である限られたエリア内を移動する物体の位置の検出を行う際に適用できる。従来例の超音波の伝播幅を図で実線で示し、本発明の一例を図で破線で示す。前述の本発明の超音波センサを用いて、例えば、指向特性が約３０°の広角度の超音波センサを適用すれば、センサ数を大幅に削減でき、図に示す１個（Ｓ５）で、この移動距離約１０２ｍｍを移動する物体の位置の検出が可能で、しかも、信号処理も簡単化でき、コスト削減も図れる。また、高速変化する物体等の検出も可能となり、計測精度も高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波センサの構造の一例を示す説明図。
【図２】図１におけるセンサの指向特性図。
【図３】本発明の超音波センサの構造の他の実施例を示す説明図。
【図４】図３におけるセンサの指向特性図。
【図５】本発明の超音波センサの構造の他の実施例を示す説明図。
【図６】図５におけるセンサの指向特性図。
【図７】本発明の超音波センサの構造の他の実施例を示す説明図。
【図８】図７におけるセンサの指向特性図。
【図９】図５の超音波センサの構造の他の実施例を示す説明図。
【図１０】本発明の超音波センサを用いる移動物体の位置検知装置を示す説明図。
【図１１】従来の超音波センサを用いる超音波流量計の要部構成図。
【図１２】本発明の超音波センサを用いる超音波流量計の一例を示す要部構成図。
【図１３】図７の超音波センサの構造の他の実施例を示す説明図。
【符号の説明】
１１，２１，３１，４１  超音波センサ
１２，２２，３２，４２，４２’  圧電素子
１３，２３，３３，３３’，４３  音響整合層
１４，２４，３４，４４  固定ケース
１５  円形孔
２５  第１音響整合層
２６  第２音響整合層
４６，４６’  １／４波長整合層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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