特許 7595309 振動伝搬部材、およびこれを用いた送受波器、流体種類判別装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-28

(45)【発行日】2024-12-06

(54)【発明の名称】振動伝搬部材、およびこれを用いた送受波器、流体種類判別装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/032 20060101AFI20241129BHJP

   G01N 29/42 20060101ALI20241129BHJP

   H04R 1/28 20060101ALI20241129BHJP

【ＦＩ】

G01N29/032

G01N29/42

H04R1/28 330

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2022025201

(22)【出願日】2022-02-22

(65)【公開番号】P2023121880

(43)【公開日】2023-09-01

【審査請求日】2024-02-15

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】弁理士法人有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】橋本 雅彦

(72)【発明者】

【氏名】中野 慎

(72)【発明者】

【氏名】中林 裕治

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 真人

(72)【発明者】

【氏名】永原 英知

(72)【発明者】

【氏名】名和 基之

【審査官】比嘉 翔一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－１６４１２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１８２０３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２４６０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３２８７６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】再公表特許第２０１９／０７０００６（ＪＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ２９／００－Ｇ０１Ｎ２９／５２

Ｇ０１Ｂ１７／００－Ｇ０１Ｂ１７／０８

Ａ６１Ｂ ８／００－Ａ６１Ｂ ８／１５

Ｈ０４Ｒ １／００－Ｈ０４Ｒ３１／００

Ｇ０１Ｆ １／６６７

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍ３）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

振動体の一つの面に接合して動作する振動伝搬部材であって、
天板と、底板と、側壁と、前記天板及び底板に対し概垂直に配置した複数の隔壁とで形成され、
前記天板と前記隔壁とで形成される複数の膜構造で発生する振動を用い、
前記複数の隔壁のうち一方の前記隔壁と当該一方の隔壁と隣り合う他方の前記隔壁との間隔を異なる値とすることにより前記複数の膜構造が異なる共振周波数を発生するようにした振動伝搬部材。

【請求項2】

振動体と、前記振動体の一つの面に接合した請求項１項に記載の振動伝搬部材とを備える送受波器。

【請求項3】

被計測流体を介在して配置された請求項２項に記載の一対の送受波器と、
前記一対の送受波器の一方から送信し、他方で受信する動作を構成する制御部と、
前記一対の送受波器の受信信号を処理する演算部と、を備え、
前記送受波器は、複数の共振周波数の送受信を行える構成とし、
前記演算部は、複数の共振周波数の受信信号の信号特性に基づき前記被計測流体の種類を判別する流体種類判別装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動体に接合して動作する振動伝搬部材において、一つの部材から複数の周波数の超音波を送出する構成に関するものである。また、それを用いた送受波器、および流体種類判別装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、複数の周波数を送出してガス値（発熱量等）を測定する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

図９は、従来のトランスジューサを用いたガス値測定装置の概略構成図である。図９において、ガス値測定装置１０１は、ガスの入口１０２，および出口１０３を備えている。計測部１０４にて計測が行われるように、トランスジューサ１０５，１０６が配置されている。このトランスジューサ１０５，１０６は第一の周波数ｆ１で送受信を行う。また、計測部１０７にて計測が行われるよう、超音波トランスジューサ１０８と、この超音波トランスジューサ１０８からの超音波を送受信するように配置された反射体１０９が対向して配置されている。この超音波トランスジューサ１０８は、第二の周波数ｆ２で送受信を行う。この様にして、トランスジューサ１０５，１０６とで、計測システム１１０が構成されている。また、超音波トランスジューサ１０８と反射体１０９とで、計測システム１１１が構成されている。

【0004】

このような構成において、被測定ガスが入口１０２から流入し、計測部１０４を経て、出口１０３より流出する。この間、このガスは計測部１０７にも充満する。計測部１０４にて、トランスジューサ１０５，１０６間において送受される周波数ｆ１の超音波により、ガスの減衰量が計測される。また、超音波トランスジューサ１０８と反射体１０９との間において送受される周波数ｆ２の超音波により、ガスの減衰量が計測される。これら、周波数ｆ１とｆ２における減衰量を用いて、予め記憶された周波数と減衰量に関係づけられたガス値（発熱量等）との関係を基に、測定されたガスのガス値が導き出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特表平１１―５１１２６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、前記従来のガス値測定装置では、ガス種特定のために、２種類の周波数を用いるにあたり、３つのトランスジューサ、およびそれらにより構成される２つの計測システムが必要となるものであり、部品点数が多くなるため、構成が複雑になると共に、サイズも大きくなり、コストの増加につながるという課題を有するものであった。また、２種類の物理量からのガス値推定であるため、判別対象ガスの種類も限定され、精度も限定されるという課題を有するものであった。

【0007】

本発明は、上記課題に対応するものであり、振動体の一つの面に接合して動作する振動伝搬部材であって、天板と、底板と、側壁と、前記天板及び底板に対し概垂直に配置した隔壁とで形成され、前記天板と前記隔壁とで形成される複数の膜構造で発生する振動を用い、前記隔壁の間隔を異なる値とすることにより前記複数の膜構造が異なる共振周波数を発生するようにしたことにより、一つの部材で複数周波数の送受信を行うと共に、これを用いることにより、単一のシステムで流体種の判別を行うことを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記従来の課題を解決するために、本発明の振動伝搬部材は、振動体の一つの面に接合して動作する振動伝搬部材であって、天板と、底板と、側壁と、前記天板及び底板に対し概垂直に配置した隔壁とで形成され、前記天板と前記隔壁とで形成される複数の膜構造で発生する振動を用い、前記隔壁の間隔を異なる値とすることにより前記複数の膜構造が異なる共振周波数を発生するようにしたことにより、一つの振動伝搬部材のみで複数周波数の送受信を行う構成が可能となり、これを用いた送受波器を用いることにより、単一のシステムで、精度の高い流体の種類判別ができるものである。

【発明の効果】

【0009】

本発明の振動伝搬部材は、天板と、底板と、側壁と、前記天板及び底板に対し概垂直に配置した隔壁とで形成することで、複数の膜構造が異なる共振周波数を発生するようにしたことにより、一つの振動伝搬部材のみで複数周波数の送受信を行う構成が可能となり、これを用いた送受波器を用いることにより、単一のシステムで、精度の高い流体の種類判別ができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施の形態１における振動伝搬部材の分解斜視図

【図2】本発明の実施の形態１における振動伝搬部材の断面図

【図3】本発明の実施の形態１における振動伝搬部材の形成方法を示す図

【図4】本発明の実施の形態２における送受波器の断面図

【図5】本発明の実施の形態２における送受波器の特性グラフ

【図6】本発明の実施の形態３における流体種類判別装置の断面図

【図7】本発明の実施の形態３における演算部の構成図

【図8】本発明の実施の形態３におけるガスの周波数特性図

【図9】従来のトランスジューサを用いたガス値測定装置の概略構成図

【発明を実施するための形態】

【0011】

第１の発明は、振動体の一つの面に接合して動作する振動伝搬部材であって、天板と、底板と、側壁と、前記天板及び底板に対し概垂直に配置した隔壁とで形成され、前記天板と前記隔壁とで形成される複数の膜構造で発生する振動を用い、前記隔壁の間隔を異なる値とすることにより前記複数の膜構造が異なる共振周波数を発生するようにしたことにより、一つの振動伝搬部材のみで複数周波数の伝達ができる。

【0012】

第２の発明は、振動体と、前記振動体の一つの面に接合した第１の発明の振動伝搬部材とを備える送受波器であり、一つの振動体とこれに取付けた一つの振動伝搬部材のみで複数周波数の送受が可能な送受波器を構成することができる。

【0013】

第３の発明は、被計測流体を介在して配置された第２の発明の一対の送受波器と、前記一対の送受波器の一方から送信し、他方で受信する動作を構成する制御部と、前記一対の送受波器の受信信号を処理する演算部と、を備え、前記送受波器は、複数の共振周波数の送受信を行える構成とし、前記演算部は、複数の共振周波数の受信信号の信号特性に基づき前記被計測流体の種類を判別する流体種類判別装置であり、複数周波数の送受が可能な超音波送受波器を一対用いることにより、精度の高い流体の種類判別ができる。

【0014】

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

【0015】

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

【0016】

（実施の形態１）
実施の形態１について、図１～図２を用いて説明する。

【0017】

図１は、本発明の実施の形態１における振動伝搬部材の分解斜視図である。図１に示す様に、振動伝搬部材１は、天板２，底板３と、側壁４，５により囲まれた空間において、天板２，および底板３に対し、略垂直に配置された複数の隔壁６、７、８、９により構成されている。図１では、振動伝搬部材の内部構造を分かり易くするため、底板３，および側壁５を取り外した配置として示している。このような構成により、天板２は、隔壁６、７により区画された膜面１０、隔壁７、８により区画された膜面１１，隔壁８、９により区画された膜面１２に分割される。

【0018】

図２は、図１における振動伝搬部材１の断面を示したものである。図２（ａ）は、図１のＡＡ’水平断面であり、図２（ｂ）は、図１のＢＢ’垂直断面である。図２（ａ）に示すように、膜面１０、膜面１１、膜面１２のそれぞれの幅（Ｗ）は等しいが、それぞれの長さ（Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃ）は、下記の様な関係を有するように構成されている。この膜面長さは、隔壁間の間隔であるとも言える。

【0019】

Ｍａ ＜ Ｍｂ ＜ Ｍｃ
一方、図２（ｂ）に示すように、隔壁６、隔壁７，隔壁８、隔壁９の高さＨは等しく、また、それぞれの隔壁６の厚さＬａ、隔壁７の厚さＬｂ、隔壁８の厚さＬｃ、隔壁９の厚さＬｄは、ほぼ等しく形成されている。

【0020】

これにより、振動伝搬部材１は、隔壁６，７、および膜面１０で構成される膜構造１３、隔壁７、８、および膜面１１で構成される膜構造１４、隔壁８、９、および膜面１２で構成される膜構造１５の３つの膜構造（それぞれ一点鎖線で示す）の振動部分を有することになる。

【0021】

なお、図１では、振動伝搬部材１を天板２，底板３，側壁４，５、および隔壁６、７、８、９として、別部材の構成としたが図３の様に、金属（例えば、ＳＵＳ）の薄板をエッチングで所定の形状に形成した中間板５４を複数枚積層して隔壁と側壁を形成し、その上下に天板５２と底板５３とを更に積層することで、振動伝搬部材５１とすることもできる。

【0022】

この振動伝搬部材の動作説明は、次の実施の形態２の動作説明にて行う。

【0023】

（実施の形態２）
実施の形態２について、図４、図５を用いて説明する。

【0024】

図４は送受波器１６の断面図を示したものである。送受波器１６は、実施の形態１にて説明した振動伝搬部材１の底板３に、振動体１７を取付けたものである。振動体１７は、例えば圧電体などである。振動伝搬部材１は、実施の形態１と同じものゆえ、図１，２と同じものには同じ番号を付している。

【0025】

次に、この送受波器１６の動作を図４を用いて説明するが、それに先立ち、このような構成を有した振動伝搬部材１の基本特性について説明する。

【0026】

図４では、膜面１０，１１，１２の長さが異なっているが、長さと膜面の共振周波数の関係を図５に示す。図５の横軸は膜面の長さ（＝隔壁の間隔）を、縦軸は膜構造の共振周波数を示す。

【0027】

図５に示したように、膜構造の膜面長さが大きくなると、共振周波数が小さくなることがわかる。これは、大きい膜面長さをもつ膜構造は低い周波数で、小さい膜面長さを持つ膜構造は、高い周波数で共振することを意味している。従って、種々の膜面長さを有する膜構造を形成すると、複数の周波数の共振を生じさせることが可能となる。

【0028】

この様な振動伝搬部材１の基本特性に基づいた振動伝搬部材１の動作説明を図４により説明する。

【0029】

今、振動体１７を振動膜の共振周波数成分を含む駆動信号で励振し、発生した振動が底板３を介して供給されると、振動はそれぞれ、隔壁６、隔壁７、隔壁８、隔壁９を介して天板２に伝達される。この時、先に述べた様に膜面１０，１１，１２の長さが異なるので、膜面１０，１１，１２は、異なる共振周波数で振動する。つまり、異なる周波数の超音波を膜面１０，１１，１２から送出することになり、その周波数は、膜面長さの小さい膜面１０の共振周波数が高く、膜面長さの大きい膜面１２の共振周波数が低くなる。

【0030】

以上は、送受波器１６を超音波の送波用に用いた場合であるが、受波用に用いた場合でも、膜面長さと共振周波数の関係は変わらないので、その関係を考慮して考えればよい。つまり図４において、超音波が膜面に到達した場合、膜面１０、１１，１２の共振周波数の値は、この順に大きい方から小さい方へと対応することになる。

【0031】

従って、２つの送受波器１６を対向して用いる場合には、図４において、膜面長さの等しいもの同士が真正面に対向するように配置することで、送波器から送波された超音波を受波器で受波することができる。

【0032】

以上、説明したように膜面長さを変化させることにより、共振周波数を制御することができ、その結果、天板から複数の共振周波数の超音波を送出することができる。つまり、一つの振動体と一つの振動伝搬体というシンプルな構成により、同時に複数の共振周波数の超音波を送出できるものである。

【0033】

（実施の形態３）
実施の形態３について、図６～図８を用いて説明する。

【0034】

図６は、本発明の実施の形態３における流体種類判別装置２０の断面を示す。図６に示す様に、被計測流体が流れる流路２１には、一対の超音波送受波器２２、２３が対向するように配置されている。超音波送受波器２２、２３としては、実施の形態２で説明した送受波器を用いる。すなわち、膜面長さは、図４の様に形成されたものを用いる。矢印２４は被計測流体の流れる方向を示している。一対の超音波送受波器２２，２３は、被計測流体を挟んで対向して配置されている。この場合、超音波送受波器２２，２３は、実施の形態２で述べた様に、膜面長さの等しいもの同士が真正面に対向するように配置されている。制御部２５は、送信部２６、受信部２７、切替部２８および演算部２９を制御する。

【0035】

図７は、本発明の実施の形態３における演算部２９の構成図である。

【0036】

図７に示す様に、演算部２９は、入力信号のＡ／Ｄ変換器３０、それぞれ予め定められた周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３に対応するフィルタＡ３１，フィルタＢ３２，フィルタＣ３３
、フィルタＡ３１，フィルタＢ３２，フィルタＣ３３を通過した信号の処理部Ａ３４、処理部Ｂ３５、処理部Ｃ３６、及び処理部Ａ３４、処理部Ｂ３５、処理部Ｃ３６で処理された信号の統合処理部３７で構成されている。

【0037】

図８は、被計測流体であるガスの周波数特性図を模擬的に示した一例である。図８において、横軸は周波数ｆ、縦軸は、対象ガスにおいて、所定の信号を送信したときの所定距離における受信強度Ｓである。ガスＧａとガスＧｂとでは、その周波数特性（受信信号の信号特性）が異なっている、ガスＧａは周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の変化に対して単調減少であるが、ガスＧａは極小値を有する。したがって、特定の周波数（例えば、ｆ１、ｆ２、ｆ３）における受信強度がわかれば、その傾向や、値からガスＧａとガスＧｂとの判別が可能となる。

【0038】

このように受信強度が変化するのは、端的に言えば、流体中を伝搬する超音波が、流体の分子あるいは原子と相互作用し、吸収あるいは散乱されるためである。

【0039】

この様にガス種により超音波の受信強度が周波数に依存する要因について詳述する。例えば、単原子気体、ヘリウム（Ｈｅ：４），ネオン（Ｎｅ：２０）、アルゴン（Ａｒ：４０）の場合、原子の重さおよび大きさが大きく異なる。なお、（ ）内は。元素記号と原子量を表す。軽い元素からなる気体は、高い周波数まで超音波と相互作用すると考えられる、一方、重い元素からなる気体は、低い周波数領域においてのみ超音波と相互作用すると考えられる。

【0040】

このように、超音波との相互作用に周波数依存性が考えられるので、超音波の透過率がガス種により変化するものと考えられる。また、２原子気体、例えば、水素（Ｈ２：２）、窒素（Ｎ２：２８）、酸素（Ｏ２：３２）の場合、気体分子の重さが大きく異なり、さらに原子間の結合力も大きく異なるため、原子間に振動あるいは伸縮・膨張運動にも差異が発生する。更には、原子間の捻じれ振動などにも大きな差異があると考えられる。これらが、超音波との相互作用において周波数依存性を示すと考えられる。

【0041】

さらに、多原子気体、例えば、水蒸気（Ｈ２Ｏ：１８）、二酸化炭素（ＣＯ２：４４）、二酸化窒素（Ｎ２Ｏ：４４）、メタン（ＣＨ４：１６）、エタン（Ｃ２Ｈ６：３０）などの場合、気体分子の重さが大きく異なるとともにその立体構造にも大きな差異がある。このため、超音波との相互作用に周波数依存性が発生すると考えられる。

【0042】

以上のようにガスの有する周波数特性を前提として構成された流体種類判別装置の動作について説明する。

【0043】

まず、制御部２５が、送信部２６および切替部２８を制御し、超音波送受波器２２に駆動信号を送信し、超音波を被計測流体中に送出する。被計測流体中に送出された超音波は、超音波送受波器２３に向かって伝搬し、超音波送受波器２３で受信される。

【0044】

既に説明した様に、超音波送受波器２２，２３は実施の形態２で説明した送受波器を使用しているため、超音波送受波器２２から送信する場合、複数の周波数の超音波が送信される。また、超音波送受波器２３では、超音波送受波器２２の対応する膜面で複数の周波数の超音波が受信される。受信された信号は、切替部２８を介して受信部２７で受信され、制御部２５を介して演算部２９に到達する。

【0045】

次に、演算部２９での処理内容を図７にて説明する。

【0046】

演算部２９に入力された信号は、Ａ／Ｄ変換器３０により、デジタル信号に変換される
。その後、周波数ｆ１のフィルタＡ３１，周波数ｆ２のフィルタＢ３２、周波数ｆ３のフィルタＣ３３によりフィルタリングされ、それぞれ、処理部Ａ３４，処理部Ｂ３５，処理部Ｃ３６により，それぞれの周波数における受信強度を得る。

【0047】

これらの受信強度データは、統合処理部３７において、予め記憶された図８の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３における受信強度と比較されて、測定された被計測流体であるガスの種類を判別する。

【0048】

以上、説明した様に本発明の流体種類判別装置は、複数周波数の送受が可能な超音波送受波器を用いることにより、シンプルな構成で精度の高い被計測流体の種類判別ができる。

【0049】

なお、本実施例での周波数は３種類で説明したが、振動伝搬部材の隔壁の数を増やして膜面長さを異なる値とすることにより、３種類以上も可能である。その数が増えるほど、判別できるガスの種類を増やすことができ、また、判別精度の向上が図れるため、周波数特性曲線が接近していても判別が可能となる。

【0050】

また、判別装置の構成例として、一対の超音波送受波器を対向して配置したが、一つの超音波送受波器で、対向部分に反射部を設け、送信した超音波送受波器で受信する構成とすることも可能である。

【0051】

また、ガス種類の判別をするための基準として、周波数が変化したときの受信強度の特性を利用したが、受信強度以外の受信信号特性、例えば、減衰率等でも良い。また、膜面の形状として矩形状のものを示したが、これに限らず、円形、楕円形、多角形等であっても良い。また、膜構造の配列として、１次元状のものを示したが、２次元配列も可能なものである。

【産業上の利用可能性】

【0052】

以上のように、本発明の振動伝搬部材は、少ない部品点数で複数周波数の送受信を行うことができ、また、その振動伝搬部材に圧電体を取付けた超音波送受波器として流体の種類判別に適用することにより幅広い種類の流体に対して、精度良く判別を行う構成とすることができるため、各種超音波流量計や、その応用製品であるガスメータなど、流体の種類判別を必要とする用途に幅広く使用することができる。

【符号の説明】

【0053】

１、５１ 振動伝搬部材
２、５２ 天板
３、５３ 底板
４、５ 側壁
６、７，８，９ 隔壁
１３、１４，１５ 膜構造
１６ 送受波器
１７ 振動体
２０ 流体種類判別装置
２２、２３ 超音波送受波器（送受波器）
２５ 制御部
２９ 演算部
５４ 中間板（側壁、隔壁）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】