JP3680635B2 - Ultrasonic sensor, ultrasonic sensing device and ultrasonic flow meter - Google Patents
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Description
【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic sensor using an ultrasonic technique for sensing by radiating ultrasonic waves to a measurement object and a sensing device using the sensor, and more particularly to an ultrasonic flowmeter.
[0002]
[Prior art]
A sensing device that performs sensing using ultrasonic technology radiates an ultrasonic wave to a measurement object or medium and detects the reflected wave to detect a position, distance, or speed measurement device or image processing device, For example, there is an ultrasonic flowmeter that radiates ultrasonic waves to a medium and detects the propagation time of the transmitted wave to measure the flow velocity of the medium.
[0003]
FIG. 5 is a conceptual diagram of an ultrasonic flowmeter in which a pair of ultrasonic sensors are arranged opposite to each other along the fluid flow, ultrasonic waves are alternately transmitted to the upstream side and the downstream side, and the flow velocity is measured from the time difference until reception. Indicates. In FIG. 5, an ultrasonic flowmeter according to the prior art is joined to an
[0004]
In this configuration, the ultrasonic flowmeter excites the ultrasonic transducer 2 (2A) of one ultrasonic sensor (for example, 6A) from the transmission / reception circuit 61A, and matches the acoustic impedance with the fluid 5 by the acoustic matching layer 4A. The
[0005]
FIG. 6 shows the characteristics of the ultrasonic sensors 6A and 6B according to the prior art. In FIG. 6, the horizontal axis indicates the frequency, and the vertical axis indicates the transmission sensitivity 2S of the ultrasonic output with respect to the electrical excitation power from the transmission / reception circuits 61A and 61B and the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In this way, when the same ultrasonic transducer is used for both transmission and reception in conventional ultrasonic sensors, ultrasonic sensing devices, and ultrasonic flowmeters, (1) ultrasonic vibration composed of inorganic piezoelectric materials The acoustic impedance of the child is very large with respect to the acoustic impedance of the medium (liquid or gas) that propagates the sound wave, and the acoustic impedance cannot be matched. In order to improve the coupling with a medium such as liquid or gas, an ultrasonic sensor is generally configured by including an acoustic matching layer in an ultrasonic transducer. In addition, (2) the transmission / reception resonance frequency / anti-resonance frequency was shifted, and a high-sensitivity ultrasonic sensor for both transmission and reception could not be manufactured.
[0007]
The present invention has been made in view of the above points, and its purpose is to solve the above-described problems, and the resonance frequency and anti-resonance frequency of an ultrasonic sensor integrated for transmission and reception are substantially the same, and An object of the present invention is to provide a highly sensitive ultrasonic sensor, an ultrasonic sensing device, and an ultrasonic flowmeter that are used for both transmission and reception by manufacturing an integrated ultrasonic sensor that can have a relatively low acoustic impedance.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the ultrasonic sensor is flexible on both sides of the first ultrasonic vibrator in the longitudinal vibration mode or the thickness vibration mode in which an electrode is formed on an inorganic piezoelectric material and the polymer piezoelectric film. A second ultrasonic transducer in a thickness vibration mode in which one surface is joined to the ultrasonic emission surface side of the first ultrasonic transducer and the other surface is an ultrasonic radiation surface; It shall be prepared.
Further, the first to match the first ultrasonic resonance frequency for transmission oscillator (fr1) and the second anti-resonance frequency for reception of the ultrasonic transducer (fa2) ultrasonic vibrator and the second It is assumed that the dimension in the thickness direction of the ultrasonic transducer is selected and the ultrasonic sensor is operated at a frequency ( fo = fr1 = fa2) that matches the resonance frequency and the antiresonance frequency .
[0009]
With this configuration, the first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer are integrally configured, the first ultrasonic transducer is excited as a transmission ultrasonic sensor, and is transmitted via the second ultrasonic transducer. An ultrasonic signal can be transmitted from the ultrasonic radiation surface to the object, and an ultrasonic signal transmitted using the second ultrasonic transducer as a reception ultrasonic sensor can be received.
[0010]
The first ultrasonic transducer can be made of an inorganic piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT) or lead zirconate.
Further, the polymer piezoelectric film of the second ultrasonic transducer can be composed of a polyfucavinylidene (PVDF) film.
[0011]
In addition, the sensing device using the ultrasonic sensor excites the first ultrasonic transducer of the ultrasonic sensor, and transmits the ultrasonic signal from the ultrasonic radiation surface via the second ultrasonic transducer. Alternatively, it is assumed that an ultrasonic signal radiated to the medium and reflected and returned from the object is received by the second ultrasonic transducer.
[0012]
In addition, an ultrasonic flowmeter using an ultrasonic sensor uses a fluid as a medium to be measured, detects a transmitted wave that passes through the fluid, detects the ultrasonic wave propagation time to the upstream side, and the ultrasonic wave propagation time to the downstream side. The flow rate of the fluid is calculated from the difference.
[0013]
With this configuration, an ultrasonic signal can be stably transmitted and received by using a highly sensitive ultrasonic sensor that is also used for transmission and reception. As a result, depending on the balance with the surrounding noise environment, for example, the ultrasonic signal transmission level can be used lower than the prior art level, and the electric signal level for exciting the ultrasonic sensor can be lowered for practical use. Can do.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram of an essential part of an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram of an essential part of an ultrasonic sensing device according to an embodiment, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing the frequency characteristics of the ultrasonic sensor according to the present invention. The same members corresponding to those in FIGS. 5 and 6 are given the same reference numerals.
[0015]
In FIG. 1, an ultrasonic sensor 1 according to the present invention includes a first
[0016]
With this configuration, the first
[0017]
【Example】
(Example 1)
In FIG. 1A, an ultrasonic sensor 1 in the illustrated example includes electrodes 22a and 22b having flexibility at both ends of an inorganic piezoelectric material 21, for example, lead zirconate titanate (PZT). By applying a voltage to the electrodes 22a and 22b, the first
[0018]
The ultrasonic sensor 1 having such a configuration can insulate the transmission circuit 11 to which a high excitation voltage is applied from the reception circuit 12 having a relatively low reception voltage between the electrodes 22b and 24a. It is easy to prevent noise from entering from the side to the receiving circuit 12 side. Although the ultrasonic signal is slightly attenuated at the junction with the insulating layer 23, there is no practical problem because sufficient excitation energy is obtained, and the advantage of high sensitivity reception by the second
[0019]
Further, in FIG. 1B, the insulating layer 23 is omitted and the electrodes 22b and 24a are directly joined, or one electrode 22b (or electrode 24a) is omitted and the other electrode 24a (or electrode 22b) is omitted. It is also possible to join them to each other by means such as adhesion. In this case, a technique is required to prevent noise from being mixed from the transmission circuit 11 side to the reception circuit 12 side, but attenuation of the ultrasonic signal at the joint portion can be reduced.
[0020]
Next, FIG. 4 shows frequency characteristics of the ultrasonic sensor 1 according to the present invention. In FIG. 4, the horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents transmission sensitivity and reception sensitivity. The frequency characteristic of the first
[0021]
Similarly, the frequency characteristic of the second
[0022]
In the illustrated example of FIG. 4, the first
[0023]
With this configuration, it is possible to use a lead zirconate titanate (PZT) or lead zirconate system having a higher electromechanical coupling coefficient related to vibration than that of the polymer piezoelectric material, and the resonance frequency fr1 of the polymer piezoelectric material for receiving is the first. 2 By matching the antiresonance frequency fa2 of the
[0024]
In addition, the polymer piezoelectric film of polyfucavinylidene (PVDF) has a lower acoustic impedance than that of the inorganic piezoelectric material lead zirconate titanate (PZT), and is close to the acoustic impedance of water and plastics. As an ultrasonic sensor for propagating ultrasonic waves in gas, it can be used without adding an additional acoustic matching layer. Furthermore, the polymer piezoelectric film polyfucavinylidene (PVDF) film has high ultrasonic reception sensitivity, so the signal-to-noise ratio (S / N ratio) can be reduced by using it for ultrasonic reception. Can be improved.
(Example 2)
In FIG. 2, in the sensing device using the ultrasonic sensor of the present invention, one ultrasonic sensor 1A is arranged at a predetermined position, and the first
[0025]
In such a configuration, the second
[0026]
Further, a continuous sinusoidal wave is transmitted from the transmission circuit 11, the transmission
[0027]
In FIG. 3, the sensing device using the ultrasonic sensor of the present invention has a pair of ultrasonic sensors 1A and 1B arranged at predetermined positions, for example, the first ultrasonic wave of the ultrasonic sensor 1A. The
[0028]
With this configuration, the second
[0029]
Furthermore, in the configuration of FIG. 2 or FIG. 3, the detection time of the reflected wave or the transmitted wave is measured, so that the detection of the scratch or the foreign substance existing in the object 5 can be performed nondestructively.
(Example 3)
In FIG. 3, the ultrasonic flowmeter using the ultrasonic sensor of the present invention is not shown in the figure, in which a set of ultrasonic sensors 1A and 1B is conveyed in the medium of the measurement fluid 5 or the measurement fluid 5 is conveyed. The transmission side and the reception side can be arranged opposite to each other at a predetermined position while being inclined with respect to the measured measurement pipeline.
[0030]
With this configuration, the medium 5 to be measured is a fluid, a transmitted wave passing through the fluid is detected, and the flow velocity of the fluid is calculated from the difference between the ultrasonic propagation time upstream and the ultrasonic propagation time downstream. can do. For example, the first
[0031]
According to the present invention, the resonance frequency and anti-resonance frequency of an ultrasonic sensor integrated for transmission and reception using a first ultrasonic transducer of an inorganic piezoelectric material and a second ultrasonic transducer of a polymer piezoelectric film. By manufacturing an integrated ultrasonic sensor that substantially matches the acoustic impedance of the liquid and gas and can be used for transmission and reception, a highly sensitive ultrasonic sensor that can be used for both transmission and reception can be provided. By using a highly sensitive ultrasonic sensor for both transmission and reception, it is possible to provide various ultrasonic sensing devices and ultrasonic flowmeters having a high signal-to-noise ratio.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, the ultrasonic sensor according to the present invention is integrated for transmission / reception, the resonance frequency and the anti-resonance frequency are substantially the same, and the integrated high sensitivity that can match the acoustic impedance with the liquid or gas. In addition, by using this highly sensitive ultrasonic sensor, various ultrasonic sensing devices and ultrasonic flowmeters having a high signal-to-noise ratio can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of an essential part of an ultrasonic sensor as an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram of an essential part of an ultrasonic sensing device according to an embodiment. Fig. 4 is a frequency characteristic diagram of an ultrasonic sensor according to the present invention. Fig. 5 is a main component configuration diagram of an ultrasonic sensing device according to the prior art. Fig. 6 is a frequency characteristic diagram of an ultrasonic sensor according to the prior art. Explanation of symbols]
1,1A, 1B, 6A, 6B Ultrasonic sensor
11,11A, 11B Transmitter circuit
12,12A,
21 Inorganic piezoelectric materials
22,22a, 22b, 24a, 24b electrode
23 Insulation layer
25 Ultrasonic radiation surface
2S, 3S transmission sensitivity characteristics
2R, 3R
31 Polymer piezoelectric film 5 Object
5a, 5b Ultrasonic signal
61A, 61B transceiver circuit
fr, fr1, fr2 resonance frequency
fa, fa1, fa2 Anti-resonance frequency
fo operating frequency
Claims (5)
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。A longitudinal vibration mode or thickness vibration mode first ultrasonic transducer comprising an electrode made of an inorganic piezoelectric material and a flexible electrode are formed on both sides of the polymer piezoelectric film, and one surface of the first ultrasonic transducer is A second ultrasonic transducer in a thickness vibration mode, which is bonded to the ultrasonic emission surface side of the ultrasonic transducer and has the other surface as an ultrasonic radiation surface,
The first ultrasonic transducer is excited as an ultrasonic sensor for transmission, and an ultrasonic signal is transmitted from the ultrasonic radiation surface to the object via the second ultrasonic transducer, and the second ultrasonic transducer in the ultrasonic sensor that will receive an ultrasonic signal transmitted as ultrasonic sensor receives the,
The first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer are arranged in the thickness direction so that the resonance frequency for transmission of the first ultrasonic transducer and the anti-resonance frequency for reception of the second ultrasonic transducer coincide with each other. Selecting the dimensions and operating the ultrasonic sensor at a frequency matching the resonant and anti-resonant frequencies,
An ultrasonic sensor.
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。In the sensing apparatus using the ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 3,
The first ultrasonic transducer of the ultrasonic sensor is excited, an ultrasonic signal is radiated from the ultrasonic radiation surface to the measurement object or medium via the second ultrasonic transducer, and reflected back from the object. Receiving an ultrasonic signal by the second ultrasonic transducer;
An ultrasonic sensing device characterized by that.
ことを特徴とする超音波流量計。The ultrasonic flowmeter using the ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein a medium to be measured is a fluid, a transmitted wave transmitted through the fluid is detected, and an upstream flow is detected. Calculate the fluid flow velocity from the difference between the ultrasonic propagation time and the ultrasonic propagation time downstream.
An ultrasonic flowmeter characterized by that.
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