JP2000249690A

JP2000249690A - 超音波センサ

Info

Publication number: JP2000249690A
Application number: JP11049704A
Authority: JP
Inventors: Atsuhiro Sumiya; 篤宏角谷; Etsuro Yasuda; 悦朗安田; Takuya Kondo; 拓也近藤; Toshimitsu Takahashi; 利光高橋
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2000-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】ケーシングにおける超音波の乱反射を防止
し、被測定液の経時変化に追随した測定を可能とし、し
かも大きな受信強度を得ることである。【解決手段】超音波センサのケーシング１を、圧電素
子２を嵌入する一方の筒状部１１と、反射板３を嵌入す
る他方の筒状部１３との間を、両筒状部１１，１３間を
つなぐ枠状とすることで、ケーシング１の軸線方向から
大きく逸れた超音波をケーシング１外へ逃がしケーシン
グ１における乱反射を防止するとともに、ケーシング１
内外の被測定液の置換を容易にしてケーシング１内を被
測定液の経時変化に追随可能とする。また一方の筒状部
１１の反射板３側の部分１１１を、圧電素子２の送受信
面２ａの外周から突出する筒状の集音部１１１として送
受信面２ａの実効面積を拡げることで、十分な受信強度
を得るようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は被測定液の物性を測
定する超音波センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波を物体にあてることで物体内部の
欠陥の有無や物体の特性を計測する超音波計測技術は、
医療分野等で広く実用化されている。近年、超音波を送
受信する送受信手段を備えた超音波センサを、例えば燃
料タンクやオイルパンに浸漬して燃料やオイルの測定に
用い、燃料やオイルのレベルや劣化の判定に応用するこ
とが考えられている。かかる用途に用いられる超音波セ
ンサには特に低コスト化と小型化が要請され、その送受
信手段には機械振動−電気振動変換素子であるチタン酸
ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電体を使って超音波の送
信用と受信用とに兼用するものが用いられる。

【０００３】図３は、かかる超音波センサの一例を示す
もので、筒状のケーシング６１内に超音波を送受信する
圧電素子６２が設けられ、その送受信面６２ａが、ケー
シング６１の底壁をなす反射板６３の反射面６３ａと対
向している。ケーシング６１の周壁には圧電素子６２側
と反射板６３側とにそれぞれ抜き穴６４，６５が形成さ
れ、それぞれケーシング６１内に被測定液を流通せしめ
る入口および出口となっている。この被測定液中を圧電
素子６２から送信された超音波が反射板６３に向けて進
行し（送信波）反射板６３の反射面６３ａで反射して再
び圧電素子６２に戻る（反射波）。図４は圧電素子６２
における出力電圧を示すもので、送信波に続いて反射波
による信号が検出される。しかし、図に示すように、圧
電素子６２には、反射板６３から略ケーシング６１の軸
線方向に進行する反射波１の他、ケーシング６１の内周
面において乱反射し圧電素子６２に入射する反射波２が
現れ、正確な測定が困難である。

【０００４】そこで、特開平９−５３０３号公報記載の
超音波センサのように、ケーシング内周面に沿ってスプ
リングを設け、このスプリングにより超音波を散乱、減
衰せしめてケーシング内周面における乱反射を防止し、
反射波２を小さくするようにしたものがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平９−５３０３号公報記載の超音波センサでは、被測
定液の物性変化を時間的に追う場合、ケーシングの一方
の抜き穴から強制的に被測定液を流入せしめる手段を設
けない限り、ケーシング内の被測定液が完全にケーシン
グ外の被測定液に置換されるのに時間を要し、ケーシン
グ内の被測定液の物性がケーシング外の被測定液の物性
変化に追随できず、正確な測定は期待できない。図５に
示すように筒状のケーシングに代えて細長の接続部材６
１Ａにより圧電素子６２と反射板６３とを一体化する構
成とし、圧電素子６２と反射板６３の間に被測定液が自
由に出入りできるように、かつ乱反射を防止することも
考えられる。しかし、この構成では図６のようにその受
信強度が小さくなりＳ／Ｎを低下させるという問題があ
る。

【０００６】本発明は上記実情に鑑みなされたもので、
超音波の乱反射を防止しつつ被測定液が経時変化しても
これに追随した測定が可能で、しかも大きな受信強度を
得ることのできる超音波センサを提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、筒状のケーシング内の一端に、超音波を送信すると
ともに超音波を受信する送受信手段を設けるとともに、
他端に超音波を反射する反射板を設けて、送受信手段の
送受信面と反射板の反射面とを対向せしめ、ケーシング
の周壁には被測定液が流出入する抜き穴を形成した超音
波センサにおいて、上記送受信面の外周から反射板方向
に突出する筒状の集音部を設け、上記反射板と上記集音
部先端との間のケーシングの周壁を、ケーシングの一端
側と他端側とをつなぐ枠状とし、枠状部で囲まれた部分
を上記抜き穴とする構造とする。

【０００８】枠状部では実質的にケーシング内外を隔て
るものがないので、超音波のうち、進行方向がケーシン
グの軸線方向から大きくそれたものはケーシング外へ逃
がされ、乱反射を防止することができる。さらに、ケー
シング内外の被測定液の置換を速やかに行うことがで
き、被測定液の物性変化に応答性よく追随できる。そし
て、集音部が超音波を送受信手段の送受信面に案内する
ことで送受信面の実効面積を大きくし、十分な受信強度
を得ることができる。

【０００９】請求項２記載の発明では、上記反射板の後
方に反射板を室壁となし気体を封入した気室を設ける。

【００１０】音響インピーダンスの大きな気体を反射板
の後方に配することで、反射板を透過した超音波を、反
射板と上記気体の境界において効率よく反射して送受信
手段の方へ戻すことができ、さらに大きな受信強度を得
ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１に本発明の超音波センサの断
面を示す。超音波センサはステンレススティール製で略
細長円筒状のケーシング１を備えている。ケーシング１
は一端部１１と他端部１３とが筒状で、両筒状部１１，
１３を枠状部１２が接続する構造となっている。枠状部
１２はケーシング１の軸線方向に伸びる細枠１２１が両
筒状部１１，１３の周方向に等間隔に４本形成してあ
り、それぞれの両端にて筒状部１１，１３とつながって
いる。枠１２１で挟まれた部分は、本超音波センサを被
測定液、例えば燃料中に浸漬したとき、被測定液がケー
シング１内外間を流出入する抜き穴１２２となる。

【００１２】一方の筒状部１１はケーシング１全体の約
１／３程度の長さ部分を占め、筒状部１１内には、送受
信手段たる円形の圧電素子２（超音波センサの主構成部
品）が嵌入してある。圧電素子２はＰＺＴ等の圧電部材
に金属電極を形成して機械振動と電気振動の間の相互変
換をする一般的な構成のもので、超音波が送受信される
送受信面２ａを、後述する反射板３が取り付けられる他
方の筒状部１３側の方へ向けて取り付けられる。圧電素
子２への駆動電圧印加および受信波信号の取り出しは、
ケーシング１の後端壁から引き出されているリード線５
により行う。

【００１３】一方の筒状部１１は、上記圧電素子２を嵌
入したとき、枠状部１２側が送受信面２ａから突出する
長さにとってあり、この突出部は集音部たるホーン部１
１１としてある。ホーン部１１１は、超音波の反射性の
よいステンレススティール製のケーシング１と一体であ
り、内周面１１１ａにて、超音波を反射して圧電素子２
の送受信面２ａ方向へ案内することで、送受信面２ａの
実効面積を上げ、受信強度を高める。

【００１４】ケーシング１の他方の筒状部１３内には、
ステンレススティール製で外径がケーシング１内径と略
同径の反射板３が嵌入せしめてあり、圧電素子２の送受
信面２ａと対向し、送受信面２ａから発せられた超音波
を反射するようになっている。反射板３はケーシング１
の底壁１３１から間隔をおいて設けられ、反射板３の背
後に反射板３を室壁として気室４が形成される。反射板
３の外周面とケーシング１内周面間は接着剤により液密
が保持され、気室４には超音波センサ組み立て場所の気
体たる空気が常圧にて封入されている。

【００１５】本超音波センサは、被測定液中に浸漬され
て測定に供され、圧電素子２の送受信面２ａと反射板３
の反射面３ａの間を被測定液で満たす。そして、リード
線５から圧電素子２に所定時間、発振電圧を印加して送
受信面２ａから超音波を送信し、反射板３から戻ってく
る超音波により圧電素子２に発生する出力電圧を検出す
る。出力電圧の振動振幅（受信強度）は、超音波の進行
経路である圧電素子２の送受信面２ａと反射板３の反射
面３ａに満たされた被測定液の物性に応じた挙動を示
す。すなわち、被測定液の物性変化にともない被測定液
中の音速が変化して最大受信強度を示す時間が前後し特
定の時間における受信強度が推移する。また、超音波セ
ンサの送受信面と被測定液の境界面における超音波の透
過率の変化や、被測定液中に混入した不純物における超
音波の散乱で、受信強度のレベルが全体的に変化する。
したがって例えば、特定の時間における受信強度をみる
ことで被測定液の物性を測定することができる。

【００１６】さて、本超音波センサでは、ケーシング１
が、枠状部１２においてはケーシング１内外を実質的に
隔てるものがないので、被測定液がケーシング１内をス
ムーズに出入りでき、超音波センサの周囲に被測定液の
流れがなくとも、ケーシング１内外の被測定液の置換は
速やかに行われる。したがって、ケーシング１外の被測
定液の物性が変化すれば、ケーシング１内、すなわち上
記超音波の進行経路に存在する被測定液の物性も速やか
に追随して変化する。よって、被測定液の物性変化に追
随した正確な測定をすることができる。

【００１７】また、反射板３により反射した超音波のう
ち、斜め側方へ反射した超音波は、殆どが枠状部１２か
らケーシング１外へ抜け、ケーシング１外に多量に存在
する被測定液の抵抗により減衰し、乱反射を低減するこ
とができる。

【００１８】さらに、本超音波センサでは、ホーン部１
１１が設けられているから、反射板３により反射してケ
ーシング１の略軸線方向に進行する超音波は、ホーン部
１１１の内周面１１１ａで反射し圧電素子２の送受信面
２ａに入射して受信強度を高めるのに寄与する。

【００１９】また、従来の超音波センサ（図３、図５参
照）では、圧電体６２からの送信波のうち、反射板６３
で反射されずに透過する超音波が損失となり受信強度を
減じていた。これに対して、本超音波センサでは、気室
４を設けることにより超音波の損失を防止することがで
きる。すなわち、反射板３の反射面３ａに入射する超音
波のうち反射されずに反射板３内部を透過する超音波の
エネルギーの割合Ｔは、被測定液の音響インピーダンス
をｚ₀、反射板３の音響インピーダンスをｚ₁として式
（１）により表される。Ｔ＝４ｚ₀ｚ₁／（ｚ₀＋ｚ₁）²・・・（１）また、反射板３の反射面３ａに入射し反射しないで反射
板３内部を透過する超音波のエネルギーのうち、反射板
３と気室４内の空気層との境界面で反射し受信強度に寄
与する超音波のエネルギーの割合Ｒは、空気の音響イン
ピーダンスをｚ ₂として式（２）により表される。Ｒ＝（ｚ₂−ｚ₁）²／（ｚ₂＋ｚ₁）²・・・（２）なお、式（２）においてｚ₂を被測定液の音響インピー
ダンスとすれば、気室のない上記従来の超音波センサに
おいて反射板の後端面と被測定液の境界面で反射し圧電
素子方向に戻る超音波のエネルギーの割合となる。音響
インピーダンスｚ₂は、液体よりも空気等の気体の方が
はるかに大きく、気体の音響インピーダンスとくらべる
と金属等の剛体の音響インピーダンスは極端に小さい。

【００２０】ここで割合Ｒはｚ₁／ｚ₂に依存し、上記
従来の超音波センサではｚ₁／ｚ₂に応じた損失が生じ
る。これに対して本超音波センサでは気室４を設けるこ
とによりｚ₁／ｚ₂は殆ど無視でき、割合Ｒは１００％
に近くなる。したがって、反射面３ａにて反射した超音
波とともに、反射板３を透過する超音波も圧電素子２方
向に戻すことができ、受信強度を高めることができる。

【００２１】本発明の超音波センサの実施例を図５の構
成の従来の超音波センサ（比較例）と比較評価した結果
について説明する。実施例は、圧電素子の径を２０ｍ
ｍ、圧電素子の送受信面と反射板の反射面の間隔を５０
ｍｍ、反射板の厚さを５ｍｍ、気室の奥行きを５ｍｍと
してある。また、ホーン部の長さを５ｍｍ、枠状部の長
さを４５ｍｍとしてある。比較例は本発明の特徴部分以
外の部分（圧電素子の径、圧電素子の送受信面と反射板
の反射面の間隔、反射板の厚さ等）は同じ仕様のもので
ある。

【００２２】図２は、超音波センサの圧電素子２，６２
にて検出される出力電圧の挙動を示すもので、（Ａ）が
本超音波センサであり、（Ｂ）が比較例である。いずれ
の超音波センサも、残響を示す減衰振動の後、乱反射に
よる反射波を含まない反射波信号が現れている。比較例
は、上述のごとく乱反射を防止する効果のある構成であ
り、実施例は、この比較例と同等の乱反射防止効果を有
するが確認できた。

【００２３】しかも、実施例は、この比較例と比較して
２倍以上の高い受信強度が得られており、比較例に対す
る優位性が確認できた。

【００２４】なお、実施例は、ケーシング内外の被測定
液置換効果についても、枠状部１２においてケーシング
１内外の被測定液の流通が自由であり、比較例と同等で
あると認められる。

【００２５】このように、本発明では、超音波の乱反射
を防止し、しかも被測定液が経時変化しても、これに追
随した正確な測定が可能で、しかも大きな受信強度を得
ることができる。

【００２６】なお、本実施形態ではホーン部はケーシン
グと一体であるが、ケーシングと同軸にケーシング内周
面に沿ってステンレススティール等の環状部材を挿入し
てケーシングと別体のホーン部としてもよい。この場
合、ケーシングはステンレススティールではなくプラス
ティックのような特に超音波に対して高い反射性を発揮
しない材料を用いることもできる。

【００２７】気室に封入する気体は空気の他、ヘリウム
等でもよい。また、要求される受信強度の大きさによっ
ては気室を省略した構成とすることができる。この場
合、ケーシングをステンレススティール等で構成する場
合はケーシングの底壁を反射板とすることで全体構成を
簡略化することができる。

【００２８】ケーシングの枠状部は、本実施形態の形状
に限定されるものではなく、多数の円穴をパンチングメ
タル状に形成し、円穴非形成部が枠状をなす構成として
も良好な乱反射防止効果と、被測定液置換効果を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の超音波センサの断面図であ
り、（Ｂ）は（Ａ）におけるＩＢ−ＩＢ線に沿う断面図
であり、（Ｃ）は（Ａ）におけるＩＣ−ＩＣ線に沿う断
面図である。

【図２】（Ａ）は本発明の超音波センサの特性を示す図
であり、（Ｂ）は本発明の超音波センサと比較する比較
例の特性を示す図である。

【図３】（Ａ）は従来の超音波センサの断面図であり、
（Ｂ）は（Ａ）におけるＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿う断
面図である。

【図４】従来の超音波センサの特性を示す図である。

【図５】（Ａ）は従来の別の超音波センサの断面図であ
り、（Ｂ）は（Ａ）におけるＶＢ−ＶＢ線に沿う断面図
である。

【図６】従来の別の超音波センサの特性を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ケーシング１１一端部１１１ホーン部（集音部）１１１ａ内周面１２枠状部１２１枠１２２抜き穴１３他端部２圧電素子（送受信手段）２ａ送受信面３反射板３ａ反射面４気室

フロントページの続き (72)発明者安田悦朗愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者近藤拓也愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者高橋利光愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 2G047 AA01 BC02 BC03 BC11 BC18 CA01 EA10 GA01 GB26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筒状のケーシング内の一端に、超音波を
送信するとともに超音波を受信する送受信手段を設ける
とともに、他端に超音波を反射する反射板を設けて、送
受信手段の送受信面と反射板の反射面とを対向せしめ、
ケーシングの周壁には被測定液が流出入する抜き穴を形
成した超音波センサにおいて、上記送受信面の外周から
反射板方向に突出する筒状の集音部を設け、上記反射板
と上記集音部先端との間のケーシングの周壁を、ケーシ
ングの一端側と他端側とをつなぐ枠状とし、枠状部で囲
まれた部分を上記抜き穴とする構造としたことを特徴と
する超音波センサ。
【請求項２】請求項１記載の超音波センサにおいて、
上記反射板の後方に反射板を室壁となし気体を封入した
気室を設けた超音波センサ。