JP2012205184A - 超音波センサ、超音波センサの異常診断方法および超音波センサの異常回復方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波センサ自身に故障の原因があるか否かを容易に診断できる超音波センサ、超音波センサの異常診断方法および超音波センサの異常回復方法を提供する。
【解決手段】圧電素子２は、第１のリード２２，第２のリード２３および第３のリード２４を備える。これにより、これらのリード間の電気的導通を確認することで超音波センサに生じた異常の原因を突き止めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電素子を備えた超音波センサに関するものである。

従来より、管路内を流れる流体に超音波を伝播させ、その伝播速度の変化に基づいて流体の流速や流量などを測定する超音波センサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この超音波センサは、図８に示すように、導電性を有する材料から構成されるケース１００と、このケース１００内に収容された円盤状の圧電素子２００とを備えている。この圧電素子２００は、上面および下面に形成された電極間に電圧が印加されることにより振動して超音波の発生源となるとともに、外部振動を受けることにより電極を介して電圧を取り出すことができる。このような圧電素子２００は、エポキシ樹脂などからなる接着剤３００によりケース１００の底部の内壁面に固定される。これにより、圧電素子２００の底面側の電極とケース１００とが導通するので、圧電素子２００の上面側の電極にリード線２０１を接続して、このリード線２０１とケース１００との間に電圧を印加することにより、圧電素子２００を振動させて、超音波を発生させることができる。また、伝播してきた超音波を圧電素子２００で受け、圧電効果によって発生した電圧をリード線２０１とケース２００とから取り出すことができる。

このような超音波センサでは、正常に動作しない原因として、超音波センサ自身の故障や、超音波センサにより計測が行われる流路内の異常が挙げられる。超音波センサ自身の故障は、接着剤３００が割れて圧電素子２００がケース１００から浮き上がることによりケース１００と圧電素子２００との導通が切れたり、圧電素子２００の電極とリード線２０１との接続部が剥がれたり、リード線２０１が断線したり、圧電素子２００が破損したりするなどの原因で発生する。これらの理由によって超音波センサ自身が故障すると、圧電素子２００に電圧を印加しても振動せず、また、圧電素子２００が超音波を受けて振動しても電圧を取り出すことができなくなる。一方、流路内の異常としては、流路内に気泡が大量に発生したり、流路内に異物が混入したりすることが挙げられる。このような異常が発生すると、超音波センサは、正常な値を出力しなくなる。

超音波センサが正常に動作しないと、正確な計測を実現できないので、超音波センサが正常に動作するように対策を採る必要がある。このとき、超音波センサが正常に動作しなくなった原因を突き止めることは、適切な対策を採る上で重要である。そこで、超音波センサが正常に動作しなくなったときには、まず、超音波センサ自身が故障しているか否かを診断し、もし超音波センサ自身が故障していると判断される場合にはその故障の原因を突き止め、超音波センサ自身が故障していない場合には流路内の異常の原因を突き止めることが一般的に行われている。ここで、超音波センサ自身が故障しているか否かを診断するための方法として、従来では、オシロスコープを用いて１対の超音波センサ間での送受信波形を観測したり、インピーダンスアナライザを用いて超音波センサのインピーダンス特性を確認したりする方法がある。

特許第４５０９４５８号公報

しかしながら、従来の超音波センサの異常を診断する方法では、オシロスコープやインピーダンスアナライザなどの特殊な機器を用意しなければならない。ところが、超音波センサが配設されている現場にそのような機器を持ち込むことは困難であり、実際的でなかった。また、異常の原因が特定できたとしても、その原因が超音波センサ自身にある場合にはその交換等が必要になる。

そこで、超音波センサ自身に故障の原因があるか否かを容易に診断できる超音波センサ、超音波センサの異常診断方法および超音波センサの異常回復方法を提供することを第１の目的とする。

また、超音波センサ自身に何らかの故障が発生した場合でも、そのセンサを交換せずに計測を可能とする超音波センサ、超音波センサの異常診断方法および超音波センサの異常回復方法を提供することを第２の目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る超音波センサは、導電性を有する材料から構成され、一端が開口する筒状の内部空間を有するケースと、このケースの内部空間内の底部に固定された圧電素子とを備えた超音波センサであって、圧電素子は、圧電材料板と、この圧電材料板の一方の面に形成された正極と、圧電材料板の他方の面に形成されてケースと電気的に接続される負極と、この負極と電気的に接続されて他方の面から一方の面まで延在し、かつ、正極と電気的に絶縁された折り返し電極と、一方の面の正極に接続された第１のリード、一方の面の正極に第１のリードが接続された箇所と異なる箇所で接続された第２のリード、および、一方の面の負極に接続された第３のリードとを備えることを特徴とするものである。

また、本発明に係る超音波センサの異常診断方法は、導電性を有する材料から構成され、一端が開口する筒状の内部空間を有するケースと、このケースの内部空間内の底部に固定された圧電素子とを備え、圧電素子は、圧電材料板と、この圧電材料板の一方の面に形成された正極と、圧電材料板の他方の面に形成されてケースと電気的に接続される負極と、この負極と電気的に接続されて他方の面から一方の面まで延在し、かつ、正極と電気的に絶縁された折り返し電極と、一方の面の正極に接続された第１のリード、一方の面の正極に第１のリードが接続された箇所と異なる箇所で接続された第２のリード、および、一方の面の負極に接続された第３のリードとを備えた超音波センサの異常診断方法であって、超音波センサに異常が発生しているか否かを検出する検出ステップと、この検出ステップにより超音波センサに異常が発生していることが検出されると、ａ）第３のリードとケースとの間の電気的導通を確認し、電気的導通がある場合には第３のリードとケースとの間に異常がないと診断する一方、電気的導通が無い場合には第３のリードとケースとの間に異常があると診断する第１の診断ステップ、および、ｂ）第１のリードと第２のリードとの間の電気的導通を確認し、電気的導通がある場合には第１のリードと第２のリードとの間に異常がないと診断する一方、電気的導通が無い場合には第１のリードと第２のリードとの間に異常があると診断する第２の診断ステップのうち少なくとも一方を行うことを特徴とするものである。

上記超音波センサの異常診断方法において、第２の診断ステップにより第１のリードと第２のリードとの間に異常があると診断されると、ケースと第２のリードとの間に電圧を印加し、圧電素子が動作するか否かを確認し、圧電素子が動作する場合には第１のリードと圧電素子との間に異常があると診断する一方、圧電素子が動作しない場合には第２のリードと圧電素子との間または圧電素子に異常があると診断する第３の診断ステップをさらに有するようにしてもよい。

また、本発明に係る超音波センサの異常回復方法は、導電性を有する材料から構成され、一端が開口する筒状の内部空間を有するケースと、このケースの内部空間内の底部に固定された圧電素子とを備え、圧電素子は、圧電材料板と、この圧電材料板の一方の面に形成された正極と、圧電材料板の他方の面に形成されてケースと電気的に接続される負極と、この負極と電気的に接続されて他方の面から一方の面まで延在し、かつ、正極と電気的に絶縁された折り返し電極と、一方の面の正極に接続された第１のリード、一方の面の正極に第１のリードが接続された箇所と異なる箇所で接続された第２のリード、および、一方の面の負極に接続された第３のリードとを備えた超音波センサの異常回復方法であって、超音波センサに異常が発生しているか否かを検出する第１のステップと、この第１のステップにより超音波センサに異常が発生していることが検出されると、第３のリードとケースとの間の電気的導通を確認する第２のステップと、この第２のステップにより電気的導通があることが確認されると、第１のリードと第２のリードとの間の電気的導通を確認する第３のステップと、この第３のステップにより電気的導通が無いことが確認されると、ケースと第２のリードとの間に電圧を印加し、圧電素子が動作するか否かを確認する第４のステップと、この第４のステップにより、圧電素子が動作することが確認されると、第２のリードを正極、ケースを負極として電子回路に接続させる第５のステップとを有することを特徴とするものである。

本発明によれば、圧電素子が、第１のリード，第２のリードおよび第３のリードを備えることにより、これらのリード間の電気的導通を確認することにより、超音波センサ自身に故障の原因があるか否かを判断することができる。また、超音波センサ自身に故障の原因がある場合には、その原因を突き止めることができる。さらに、その原因に応じて電子回路に接続するリードを変更するだけで超音波センサを正常に動作させることが可能となるので、超音波センサに異常が発生しても超音波センサを交換せずにその異常を解決することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係る超音波センサの構成を模式的に示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る超音波センサにおける圧電素子の構成を模式的に示す斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る超音波センサの動作を説明するための図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る超音波センサにおける故障の診断方法を説明するためのフローチャートである。 図５は、本発明の実施の形態に係る超音波センサにおける故障の診断方法を説明するための図である。 図６は、本発明の実施の形態に係る超音波センサにおける故障の診断方法を説明するための図である。 図７は、本発明の実施の形態に係る超音波センサにおける故障の診断方法を説明するための図である。 図８は、従来の超音波センサの構成例を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜超音波センサの構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る超音波センサは、ケース１と、円盤状の圧電素子２とを備え、この圧電素子２はケース１の内部に接着剤３により固定されている。

ケース１は、ステンレス等の導電性を有する材料から構成され、一端が開口する円筒状の内部空間を有している。このようなケース１の開口部１ａに対向する底部１ｂの内壁面には、圧電素子２が接着剤３によって固定される。

圧電素子２は、２枚の電極２１ａ，２１ｂで挟まれた円盤状の圧電体板２１を備えている。この圧電体板２１のケース１の底部と対向する下面には、ほぼ全面に亘って負極２１ｂが形成されている。一方、圧電体板２１の上面には、図２に示すように、一部を除いた部分に正極２１ａが形成され、その一部には、下面の負極２１ｂと電気的に接続された折り返し電極２１ｂ’が形成されている。すなわち、下面のほぼ全面に亘って形成された負極２１ｂは、圧電素子２の側面を経てその上面まで延在して形成されている。この上面において、折り返し電極２１ｂ’は、正極２１ａと所定間隔離間しており、正極２１ａとは絶縁されている。上面の正極２１ａには、第１のリード２２および第２のリード２３が互いに離間した位置に接続されている。一方、上面の負極２１ｂには、第３のリード２４が接続されている。本実施の形態においては、折り返し電極２１ｂ’を備えることにより、このような折り返し電極の構成を有することにより、圧電素子２の上面のみから正極２１ａおよび負極２１ｂにリード線を接続することが可能となる。なお、図１等においては、説明のために正極２１ａ，負極２１ｂおよび折り返し電極２１ｂ’の厚みを大きく記載しているが、実際それらの厚さはごく小さなものとなっている。

接着剤３は、エポキシ樹脂など、導電性を有する公知の接着剤から構成され、ケース１と圧電素子２の負極２１ｂとを電気的に接続する。

＜超音波センサの動作＞
次に、本実施の形態に係る超音波センサの動作について説明する。

まず、超音波センサにより超音波を発信させる場合、図３に示すように、圧電素子２の正極２１ａに接続された第１のリード２２または第２のリード２３の何れか１つ（以下、簡単のため、第１のリード２２を例に説明する。）を正極、ケース１を負極として電源回路に接続して電圧を印加する。ケース１は導電性を有する材料から構成されており、ケース１の底部の内壁面と圧電素子２の下面、すなわち負極２１ｂとを接着する接着剤３も、導電性を有する材料から構成されているので、圧電体板２１の正極２１ａと負極２１ｂとの間に電圧が印加されると、圧電体板２１が振動し、ケース１の底部から超音波が発信される。

一方、超音波センサにより超音波を受信する場合、まず、第１のリード２２を正極、ケース１を負極として電圧検出回路に接続しておく。このような状態において、ケース１の底部に超音波が到達すると、この超音波により圧力を受ける圧電体板２１により超音波の振動が電圧の変化に変換される。この電圧は、正極２１ａに接続された第１のリード２２、および、負極２１ｂに接着剤３を介して接続されたケース１を介して、電圧検出回路により検出されることとなる。

＜超音波センサの故障診断方法＞
次に、本実施の形態に係る超音波センサの故障診断方法について図４を参照して説明する。

通常は、上述したように、第１のリード２２を正極、ケース１を負極として、これらの間に電圧を印加したり、それらの間の電圧を検出しており、超音波センサに異常が発生しているか否かを確認している（ステップＳ１）。このような場合において、圧電素子２から超音波が出力されなかったり、異常な電圧値を検出したりするなど、超音波センサに異常が発生したことが検出されると（ステップＳ１：ＹＥＳ）、図５に示すように、テスタなどにより、ケース１と第３のリード２４との間の電気的導通を確認する（ステップＳ２）。上述したように、ケース１は、接着剤３を介して圧電体板２１の下面に形成された負極２１ｂに接続されている。また、第３のリード２４は、折り返し電極の構造により、圧電体板２１の上面に形成された折り返し電極２１ｂ’に接続されている。したがって、ケース１と第３のリード２４との間の電気的導通を確認することにより、それらの間、すなわち、ケース１、接着剤３、負極２１ｂおよび第３のリード２４の間に異常が発生したか否かを確認することができる。

ケース１と第３のリード２４との間の電気的導通が確認できなかった場合には（ステップＳ２：ＮＯ）、それらの間に異常が発生していると判断する（ステップＳ３）。この場合の異常としては、ケース１と圧電体板２１との接着不良、第３のリード２４と負極２１ｂとの接続不良、第３のリード２４の断線などが挙げられる。この場合は、超音波センサ自体の交換を検討することとなる。

一方、ケース１と第３のリード２４との間の電気的導通が確認できた場合には（ステップＳ２：ＹＥＳ）、それらの間には異常が無いと判断する（ステップＳ４）。次いで、図６に示すように、テスタなどにより、第１のリード２２と第２のリード２３との間の電気的導通を確認する（ステップＳ５）。上述したように、第１のリード２２および第２のリード２３は、圧電体板２１上面の正極２１ａに接続されている。したがって、第１のリード２２と第２のリード２３との間の電気的導通を確認することにより、それらの間、すなわち、第１のリード２２、正極２１ａ、第２のリード２３の間に異常が発生したか否かを確認することができる。

第１のリード２２と第２のリード２３との間の電気的導通が確認できた場合には（ステップＳ５：ＹＥＳ）、それらの間には異常が無いと判断する（ステップＳ６）。これにより、ケース１と第３のリード２４との間、および、第１のリード２２と第２のリード２３との間に異常が無いことが確認されたので、超音波センサではなく流路に異常が発生したと考えることができる。

一方、第１のリード２２と第２のリード２３との間の電気的導通が確認できなかった場合（ステップＳ５：ＮＯ）、それらの間に異常が発生していると判断することができる。そこで、第１のリード２２と第２のリード２３の何れに異常が発生しているかを判断するために、図７に示すように、第２のリード２３を正極、ケース１を負極として、これらの間に電源回路に接続して電圧を印加し、超音波センサが正常に動作するか否かを確認する（ステップＳ７）。上述したように、ケース１は、導電性の接着剤３を介して圧電体板２１の下面に形成された負極２１ｂに接続されている。また、第２のリード２３は、圧電体板２１の上面に形成された正極２１ａに接続されている。したがって、第２のリード２３やその接点に異常が無い場合には、ケース１と第２のリード２３との間に電圧を印加すると、圧電体板２１の正極２１ａと負極２１ｂとの間に電圧が印加されるので、圧電体板２１が振動してケース１の底部から超音波が発信されることとなる。よって、正極として第１のリード２２と第２のリード２３とをそれぞれ選択した場合に超音波センサから超音波が出力されるか否かにより、第１のリード２２と第２のリード２３の何れに異常が発生しているかを判断することができる。ここで、超音波センサから超音波が出力されたか否かは、例えば、流量等の計測するために既に対向配置された同等の超音波センサにより容易に検出することができる。

超音波センサから超音波が出力された場合には（ステップＳ７：ＹＥＳ）、第２のリード２３やその接点には異常が発生していない、すなわち、第１のリードやその接点に異常が発生していると判断する（ステップＳ８）。この異常としては、第１のリード２２の断線、第１のリード２２と正極２１ａの接続不良などが挙げられる。このような場合、第１のリード２２の替わりに、第２のリード２３を正極として用いるようにすることにより、超音波センサを正常に動作させることができる。このように、本実施の形態に係る超音波センサは、冗長性を有するものと言うことができる。

超音波センサから超音波が出力されない場合には（ステップＳ７：ＮＯ）、第２のリード２３やその接点または圧電体板２１に異常が発生している、すなわち、第１のリードやその接点に異常が発生していないと判断する（ステップＳ９）。この異常としては、第２のリード２３と正極２１ａの接続不良、第２のリード２３の断線などが挙げられる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、圧電素子２が、第１のリード２２，第２のリード２３および第３のリード２４を備えることにより、これらのリード間の電気的導通を確認することで超音波センサに生じた異常の原因を突き止めることができる。また、その原因に応じて、電子回路に接続するリードを変更するだけで、超音波センサを正常に動作させることが可能となるので、超音波センサに異常が発生しても超音波センサを交換せずにその異常を解決することが可能となる。

なお、本実施の形態では、ケース１と第３のリード２４との電気的導通を確認し、第１のリード２２と第２のリード２３との電気的導通を確認し、ケースと第２のリード２３との間に電圧を印加するという順番で超音波センサの異常の原因を突き止める場合を例に説明したが、その順番はこれに限定されず、適宜自由に設定できることは言うまでも無い。また、その順番で行うのみならず、何れかの手順で少なくとも１つの原因が突き止められた場合であっても、全ての手順を行うようにしてもよい。全ての原因を突き止めることが可能となる。

また、本実施の形態では、圧電体板２１が円盤状の形状を有する場合を例に説明したが、その形状は円盤状に限定されず、適宜自由に設定することができる。

さらに、本実施の形態では、圧電素子２が導電性を有する接着剤３によりケース１に固定される場合を例に説明したが、圧電素子２をケース１に固定する方法はこれに限定されず、各種方法を用いることができる。例えば、導電性を有さない接着剤により圧電素子２をケース１に固定するようにしてもよい。この場合には、圧電素子２の負極２１ｂとケース１の底部１ｂとが点接触する程度に接着剤の層を薄くすればよい。また、ロウ材により圧電素子２をケース１に固定するようにしてもよい。これらの方法を採用することによっても、圧電素子２とケース１との間の導通を実現することができる。

本発明は、超音波センサなど圧電素子を有する装置であるならば各種装置に適用することができる。

１…ケース、１ａ…開口、１ｂ…底部、２…圧電素子、３…接着剤、２１…圧電体板、２１ａ…正極、２１ｂ…負極、２１ｂ’…折り返し電極、２２…第１のリード、２３…第２のリード、２４…第３のリード。

Claims (4)

1. 導電性を有する材料から構成され、一端が開口する筒状の内部空間を有するケースと、このケースの内部空間内の底部に固定された圧電素子とを備えた超音波センサであって、
   前記圧電素子は、
   圧電材料板と、
   この圧電材料板の一方の面に形成された正極と、
   前記圧電材料板の他方の面に形成されて前記ケースと電気的に接続される負極と、
   この負極と電気的に接続されて前記他方の面から前記一方の面まで延在し、かつ、前記正極と電気的に絶縁された折り返し電極と、
   前記一方の面の前記正極に接続された第１のリード、前記一方の面の前記正極に前記第１のリードが接続された箇所と異なる箇所で接続された第２のリード、および、前記一方の面の前記負極に接続された第３のリードと
   を備えることを特徴とする超音波センサ。
2. 導電性を有する材料から構成され、一端が開口する筒状の内部空間を有するケースと、このケースの内部空間内の底部に固定された圧電素子とを備え、前記圧電素子は、圧電材料板と、この圧電材料板の一方の面に形成された正極と、前記圧電材料板の他方の面に形成されて前記ケースと電気的に接続される負極と、この負極と電気的に接続されて前記他方の面から前記一方の面まで延在し、かつ、前記正極と電気的に絶縁された折り返し電極と、前記一方の面の前記正極に接続された第１のリード、前記一方の面の前記正極に前記第１のリードが接続された箇所と異なる箇所で接続された第２のリード、および、前記一方の面の前記負極に接続された第３のリードとを備えた超音波センサの異常診断方法であって、
   前記超音波センサに異常が発生しているか否かを検出する検出ステップと、
   この検出ステップにより前記超音波センサに異常が発生していることが検出されると、
   ａ）前記第３のリードと前記ケースとの間の電気的導通を確認し、電気的導通がある場合には前記第３のリードと前記ケースとの間に異常がないと診断する一方、電気的導通が無い場合には前記第３のリードと前記ケースとの間に異常があると診断する第１の診断ステップ、および、
   ｂ）前記第１のリードと前記第２のリードとの間の電気的導通を確認し、電気的導通がある場合には前記第１のリードと前記第２のリードとの間に異常がないと診断する一方、電気的導通が無い場合には前記第１のリードと前記第２のリードとの間に異常があると診断する第２の診断ステップ
   のうち少なくとも一方を行うことを特徴とする超音波センサの異常診断方法。
3. 前記第２の診断ステップにより前記第１のリードと前記第２のリードとの間に異常があると診断されると、前記ケースと前記第２のリードとの間に電圧を印加し、前記圧電素子が動作するか否かを確認し、前記圧電素子が動作する場合には前記第１のリードと前記圧電素子との間に異常があると診断する一方、前記圧電素子が動作しない場合には前記第２のリードと前記圧電素子との間または前記圧電素子に異常があると診断する第３の診断ステップ
   をさらに有することを特徴とする請求項２記載の超音波センサの異常診断方法。
4. 導電性を有する材料から構成され、一端が開口する筒状の内部空間を有するケースと、このケースの内部空間内の底部に固定された圧電素子とを備え、前記圧電素子は、圧電材料板と、この圧電材料板の一方の面に形成された正極と、前記圧電材料板の他方の面に形成されて前記ケースと電気的に接続される負極と、この負極と電気的に接続されて前記他方の面から前記一方の面まで延在し、かつ、前記正極と電気的に絶縁された折り返し電極と、前記一方の面の前記正極に接続された第１のリード、前記一方の面の前記正極に前記第１のリードが接続された箇所と異なる箇所で接続された第２のリード、および、前記一方の面の前記負極に接続された第３のリードとを備えた超音波センサの異常回復方法であって、
   前記超音波センサに異常が発生しているか否かを検出する第１のステップと、
   この第１のステップにより前記超音波センサに異常が発生していることが検出されると、前記第３のリードと前記ケースとの間の電気的導通を確認する第２のステップと、
   この第２のステップにより電気的導通があることが確認されると、前記第１のリードと前記第２のリードとの間の電気的導通を確認する第３のステップと、
   この第３のステップにより電気的導通が無いことが確認されると、前記ケースと前記第２のリードとの間に電圧を印加し、前記圧電素子が動作するか否かを確認する第４のステップと、
   この第４のステップにより、前記圧電素子が動作することが確認されると、前記第２のリードを正極、前記ケースを負極として前記電子回路に接続させる第５のステップと
   を有することを特徴とする超音波センサの異常回復方法。

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