(57)【要約】【課題】強制的な水冷や空冷を必要としない簡易・安価・高信頼性の高温流体測定用の超音波センサを提供する。【解決手段】本発明の高温流体測定用超音波センサは、中心部に開口が形成された先端面を有する筒状の外被管(1) と、この外被管の先端面に形成された開口(1c)に嵌め込まれる熱絶縁性の先端部(2) と、この先端部の後方に配置され超音波を発生する圧電部(4) と、この圧電部の後方に配置される熱伝導性の後端部(5) と、この後端部を背後から押圧する熱伝導性の押圧機構(6,7,9) とを備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心部に開口が形成された先端面を有する筒状の外被管と、
この外被管の前記先端面に形成された開口に嵌め込まれる熱絶縁性の先端部と、
この先端部の後方に配置され超音波を発生する圧電部と、
この圧電部の後方に配置される熱伝導性の後端部と、
この後端部を背後から押圧する熱伝導性の押圧機構と
を備えたことを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
【請求項２】
請求項１において、
前記先端部と前記圧電部との間にさらに熱絶縁性の前端部が配置されたことを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記圧電部は、圧電体の層と電極とが交互に配置される積層構造を呈することを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記外被管の末端にフランジが取付けられ、このフランジを用いてこの外被管が測定対象の高温流体が流れる管路に直接取付けられることを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記先端部、前記圧電部および後端部と前記外被管の内壁面との間に筒状の熱絶縁性の断熱部が形成されたことを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
【請求項６】
請求項５において、
前記熱絶縁性の先端部と前記断熱部とは一体に形成されたことを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記押圧機構と前記外被管の内壁面との間にこの押圧機構の一部を兼ねる筒状の熱伝導性の放熱部が形成されたことを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
【請求項８】
請求項７において、
前記押圧機構は、前記放熱部に保持されるナットと、このナットに螺合して前進せしめられるボルトとを備えたことを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかにおいて、
前記圧電体はニオブ酸鉛を素材とすることを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流速・流量を測定する超音波センサに関するものであり、特に、自動車の排気ガスなどの高温流体を測定の対象とする高温流体測定用超音波センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体の流速・流量を測定する素子として超音波センサが利用されてきた。この超音波センサを用いた計測システムでは、１対の超音波センサを互いに対向させて管路に取付け、その一方から管路内を流れる流体中に超音波を放射させ、流体中を伝播した超音波を他方の超音波センサで受信させる。そして、超音波の上流方向への伝播所要時間と下流方向への伝播所要時間との差から流体の流速・流量が計測される。
【０００３】
最近、大気汚染の防止などに関連して、自動車の排気ガスなど高温の流体の流速・流量の測定が要請されるようになってきた。しかし，これには、超音波センサを構成するＰＺＴなどの圧電体は高温領域で特性が劣化して使用できなくなるという問題がある。すなわち、強制分極で発生させた圧電特性は、キュリー温度といわれる比誘電率が極大となる温度で消滅する。このキュリー温度は誘電体の高温領域での使用可能性の目安となり、これが高い圧電体ほど高温での使用が可能になる。現在広く使用されている圧電体ＰＺＴのキュリー温度は、300 °Ｃ〜350 °Ｃであり、そのほぼ半分の150 °Ｃ近傍が使用可能の上限となる。しかしながら、測定対象の自動車の排気ガスの温度は、300 °Ｃ〜400 °Ｃにも達する。
【０００４】
従来、超音波センサを用いて高温流体の流速・流量を測定する場合、高温流体が流れる管路の超音波センサ取付箇所に冷却水の管路を追加してセンサの温度上昇を防ぐという強制水冷方式や、扇風機を使用する強制風冷方式が採用されてきた。あるいは、高温流体が流れる管路から取付管を分岐させ、その末端に超音波センサを取付けるとともに、取付管の周囲に放熱フィンを形成するという自然風冷方式も採用されてきた( 特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２３０８０１号公報（要約）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１などに開示された風冷や水冷の方式では、付加された超音波センサの冷却機構によって測定対象の高温流体自体が冷却されてしまい、正確な測定結果が得られなくなるという問題がある。従って、本発明の一つの目的は、測定対象の高温流体の温度や流れの状態を変化させない高い測定精度の高温流体測定用超音波センサを提供することにある。
【０００７】
また、従来の強制水冷や強制空冷の方式では、冷却機構が付加されたぶん計測システム全体の製造コストと、ランニング・コストが上昇すると問題がある。また、強制冷却機構が故障などの不具合によって動作を停止してしまうと、超音波センサが高温になって圧電機能が劣化して信頼性が低下したり、高温により接着機能が損なわれ使用不能になるおそれがある。従って、本発明の他の目的は、強制冷却機構を必要としない安価で信頼性の高い耐熱式かつ自然冷却式の高温流体測定用超音波センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記従来技術の課題を解決する本発明の高温流体測定用超音波センサは、中心部に開口が形成された先端面を有する筒状の外被管と、この外被管の先端面に形成された前記開口に嵌め込まれる熱絶縁性の先端部と、この先端部の後方に配置され超音波を発生する圧電部と、この圧電部の後方に配置される熱伝導性の後端部と、この後端部を背後から押圧する熱伝導性の押圧機構とを備えている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の高温流体測定用超音波センサは、圧電部の前方に熱絶縁性の先端部が形成されたため、圧電部への伝熱がこの先端部によって阻止される。また、圧電部からはその後方の熱伝導性の後端部と、この後端部を背後から押圧する熱伝導性の押圧機構を介して放熱が促進される。この結果、圧電部の温度上昇が抑制され、強制冷却機構が不要となる。この結果、測定対象の高温流体の温度や流れの状態が強制冷却機構によって乱されなくなり、測定精度が向上する。また、付随的な強制冷却の機構が不要となったことにより、測定システム全体が経済的になるとともに信頼性も向上する。また、先端部が外被管の先端面の開口内に嵌め込まれる構成であるから、音響インピーダンスの不整合による超音波の反射が有効に回避され、高感度の超音波センサを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の好適な実施の形態によれば、上記先端部と圧電部との間にさらに熱絶縁性の前端部が配置されることにより、圧電部への伝熱が阻止されその温度上昇が一層効果的に抑制されるように構成されている。
【００１１】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、圧電部が圧電体の層と電極とが交互に配置される積層構造を呈している。この結果、ニオブ酸鉛など高温での使用に適した高いキュリー点の圧電体に見られる小さな圧電定数が積層構造によって所望の値まで高められる。また、この積層構造は、熱抵抗が高まる境界面の数と全体の厚みを増加させるため、圧電部の内部を通して行われるの伝熱を阻止するのにも効果的である。
【００１２】
本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、外被管の末端にフランジが取付けられ、このフランジを用いてこの外被管が測定対象の高温流体が流れる管路に取付けられる構成となっている。この結果、別個の取付け機構を必要とすることなく測定対象の管路に直接取付けでき、構成の簡易化とこれに伴う製造費用の低廉化が実現される。
【００１３】
本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、先端部、圧電部および後端部と外被管の内壁面との間に筒状の熱絶縁性の断熱部が形成されることにより、外被管の内面から圧電部に伝達される輻射熱がこの断熱部によって遮断され、圧電部の温度上昇が一層有効に阻止される。さらに好適な実施例においては、この断熱部が熱絶縁性の先端部と一体に形成されることにより、構成の簡易化とこれにともなう製造費用の低廉化が実現される。
【００１４】
本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、押圧機構と外被管の内壁面との間にこの押圧機構の一部を兼ねる筒状の熱伝導性の放熱部が形成され、圧電部の熱が押圧機構とこの放熱層を通して外部への放熱が促進されるように構成されている。この結果、圧電部の温度上昇が一層有効に抑圧される。本発明の更に他の好適な実施の形態によれば、押圧機構が放熱層に保持されるナットと、このナットに螺合して前進せしめられるボルトとを備えている。
【実施例】
【００１５】
図１は、本発明の一実施例の高温流体測定用超音波センサの構成を示す部分断面図である。この実施例の超音波センサは、外被管１、先端部２、前端部３、圧電部４、後端部５、抑えナット６、ボルト７、断熱部８、放熱部９を備えている。
【００１６】
外被管１は、円筒形状の管状部１ａと、この管状部１ａの先端部に形成された先端面１ｂと、この先端面１ｂの中心部分に形成された円形の開口１ｃと、管状部１の根元部に形成されたフランジ１ｄとを備え、各部がステンレス鋼を素材として一体に形成されている。この外被管１の先端面の開口１ｃに凸状の先端部を嵌め込ませながら円盤形状の熱絶縁性の先端部２が外被管１の内部に保持されている。この先端部２は熱絶縁性のセラミックスを素材としており、同一の素材から成り、外被管１の内壁面に保持される円筒形状の断熱部８と一体に形成されている。
【００１７】
熱絶縁性の先端部２の後方には、同様に熱絶縁性の円盤形状の前端部３が配置されている。この前端部３の素材は熱絶縁性のものであれば適宜なものでよい。この実施例では、分極処理前のニオブ酸鉛などの熱絶縁性の圧電体を素材としている。この熱絶縁性の前端部３の後方に、同じく円盤形状の圧電部４が配置されている。この圧電部４は、薄い円盤形状の圧電体４ａとこの圧電体４ａの上下に形成された円盤形状の電極対とで構成されるユニットが８層にわたって積み上げられた積層構造を呈している。各ユニットの電極対４ｂは外被管１の外部から内部に延長される２本の電極板４ｃと４ｄの一方に接続されている。
【００１８】
圧電体４ａとしてはキュリー点の高い適宜なものが使用される。この実施例では、圧電体４ａとしてニオブ酸鉛（ Pb Nb2 O 6 ) が使用されている。このニオブ酸鉛は、そのキュリー点が530 °C と高い値をもち、少なくとも250 °C 程度までは圧電性の変化がほとんどみられない。しかしながら、このニオブ酸鉛は、超音波振動を発生する圧電素子としての性能の良さを示す圧電定数が PZT-4  や PZT-5  の1/5 から1/4 程度と小さな値をもつ。このため、ニオブ酸鉛の圧電体を積層構造とすることにより、圧電素子としての機能を高める構成が採用されている。
【００１９】
圧電部４の後方に熱伝導性のアルミニュウム合金を素材とする円盤形状の後端部５が配置されている。この熱伝導性の後端部５の背後には同様に熱伝導性の押圧機構が形成されている。この熱伝導性の押圧機構は、外被管１の根元側の内壁面に嵌め込まれた円筒形状の放熱部９と、この放熱部９に保持されるナット６とこのナット６に螺合されるボルト７とで構成されている。放熱部９は熱伝導性のアルミニュウム合金を素材とし、ナット６とボルト７はそれぞれ熱伝導性のステンレス鋼を素材として構成されている。
【００２０】
押圧機構の一部を兼ねる放熱部９の後端部は、外被管１のフランジ１ｄの外側表面にネジ９ａによって固定されている。外部から外被管１の内部に六角レンチを挿入し、ボルト７の六角形の頭部を回転させる。これにより、ボルト７が前方に推進され、その先端面が後端部５を後方から押圧する。この後端部５に加えられた押圧力が、前方の圧電部４、前端部３、先端部２に順次伝達され、各部の境界面が強固な押圧力によって密着せしめられる。
【００２１】
外被管１のフランジ１ｄには開口１ｅが形成されており、この開口１ｅを利用して、測定対象の高温流体が流れる管路から斜め方向に突出する分岐管路のフランジに気密性を保持しながらボルト締めによって固定される。この種の超音波センサは、通常、管路の軸線に傾斜状態で対向し合うにように同一の構造のものが２個取付けられ、それぞれの間に測定対象の流体の流れを斜めに横切る伝播路を形成される。
【００２２】
外部に配置される図示しない送受信回路に接続される電極板４ｃと４ｄの間にパルス状の電圧が印加され、積層構造の圧電部４でパルス状の超音波が発生される。このパルス状の超音波は、前端部３と先端部２の内部を伝播したのち、先端部２の先端面から測定対象の高温流体が流れる管路内に放射される。一方の超音波センサから放射されたパルス状の超音波は他方の超音波センサの先端部２、前端部３の内部を伝播したのち圧電部４に到達し、パルス状の電圧を発生させる。このパルス状の電圧は電極板４ｃと４ｄを通して図示しない送受信回路に供給される。
【００２３】
先端部２の突端は外被管１の先端面１ｂの中心部に形成された開口１ｃを通して直接高温流体と接触しているので、外被管１の先端面１ｂとの間に空隙が発生することがない。この結果、音響インピーダンスの不整合に基づく反射損失も生ぜず、そのぶん超音波センサとしての高感度が実現される。上記各部の典型的な厚みの一例は、先端部２が２０mm、前端部３が１０mm、圧電部４が１５mm、後端部５が１０mmである。
【００２４】
図２は、本発明の他の実施例の高温流体測定用超音波センサの構成と、これを測定対象の高温流体が流れる管路に取付け状態とを示す部分断面図である。高温流体の流れる管路１０から斜めの方向に分岐管路１１が突出されている。この分岐管路１１の先端部分に形成されたフランジ１２にスペーサ１３を介在させながら、この実施例の超音波センサの外被管１のフランジ１ｄがボルト１４とナット１５によって取付けられている。
【００２５】
この実施例が、図１に示した超音波センサと異なる点は、前端部３が除去されていることと、先端部２が断熱部８と別体に形成されていることと、ナット６が断熱部８と放熱部９との間に保持されていることであり、他はすべて図１を参照して説明した実施例の超音波センサと同一の構成となっている。また、測定対象の高温流体が流れる管路への取付けに関する限り、図１に示した実施例の超音波センサについても、図２に示したものと同じである。
【００２６】
図１、図２のいずれの実施例の超音波センサにおいても、圧電部４が圧電体と電極との積層構造となっている。この結果、圧電効果に基づく圧電体の伸縮量や起電力が加算されることにより圧電素子としての性能が向上するだけでなく、耐熱機能も向上する。すなわち、第１に、この積層構造によって、高い熱抵抗を有する境界面の数と、圧電部全体としての厚みとが増大し、この結果、圧電部４の内部を通して行われる熱伝導が有効に阻止される。第２に、熱伝導率の高い電極４ｂが圧電体４ａの周辺部分に突出することによって放熱フィンの機能を果たすため、自然対流に基づく圧電部４に対する空冷の効果も発揮される。
【００２７】
さらに、上記いずれの実施例においても、圧電部４の前方に配置される各部はセラミックスや未分極のニオブ酸鉛など熱絶縁性の素材によって構成されるため、圧電部４への伝熱は阻止される。これとは逆に、圧電部４の後方に配置される後端部５や押圧機構については、アルミニュウム合金などの熱伝導性の金属を素材とするため、圧電部４から後方への放熱は促進され、温度上昇が抑制される。
【００２８】
さらに、圧電部４とその前方においては、外被管１の内壁面が熱絶縁性の断熱部８で覆われる。このため、高温の外被管１の内壁面から圧電部４への輻射熱による伝熱が有効に阻止され、圧電部の温度上昇が抑圧される。これとは逆に、圧電部４の後方においては、外被管１の内壁面が熱伝導性の放熱部９で覆われるため、後端部５と押圧機構とこの放熱部を通しての伝熱による圧電部４からの放熱が促進され、圧電部４の温度上昇が有効に抑圧される。
【００２９】
以上、圧電部４に使用する圧電体としてニオブ酸鉛を例示した。しかしながら、このニオブ酸鉛の代わりに、他の適宜な高キュリー点の圧電体、例えば、ビスマス系圧電体などを使用することもできる。
【００３０】
また、具体的な材質や寸法をいくつか例示したが、これ以外の類似のものを適用できることは明らかである。
【００３１】
さらに、計測対象の高温流体として自動車の排気ガスを例示したが、高温の液体など他の適宜な流体を計測の対象とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施例の高温流体測定用超音波センサの構造を示す部分断面図である。
【図２】本発明の他の実施例の高温流体測定用超音波センサの構造と、これを測定対象の高温流体が流れる管路に取付けた状態とを示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
1     外被管
1a    管状部
1b    先端面
1c    先端面の中心部に形成された開口
1d    フランジ
2     熱絶縁性の先端部
3     熱絶縁性の前端部
4     圧電部
4a    圧電体
4b    電極
4c,4d 電極板
5     熱伝導性の後端部
6     ナット
7     ボルト
8     熱絶縁性の断熱部
9     熱伝導性の放熱部
【図１】
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【図２】
2005283341.tif 000004