(57)【要約】【課題】  断面中央部と断面周縁部との流速差の影響、ならびに超音波受信レベルないし感度の順方向伝播時と逆方向伝播時との間の非対称性を解消し、ひいては計測精度の更なる向上に寄与する超音波流量計を提供する。【解決手段】  長方形状の流路断面を有する流路形成部に対し短辺側壁部に取り付けられた超音波トランスジューサの測定用超音波ビームＳＢの出力強度分布を、断面短辺方向において超音波放射面の中央部よりも周縁部にて高強度となるように調整した。これにより、断面短辺方向において超音波ビーム強度を中心部と周縁部とでほぼ等しくなるよう制御でき、伝播する超音波のビーム強度分布を流路短辺方向でほぼ均一化することができる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面短辺方向をなす１対の短辺側壁部と断面長辺方向をなす１対の長辺側壁部とにより囲まれた長方形状の流路断面を有する流路形成部と、
一方が前記被測定流体への測定用超音波ビームの送出側となり、他方が該測定用超音波ビームの受信側となるように、各々前記流路形成部の前記短辺側壁部に対し前記被測定流体の流通方向において互いに異なる位置に設けられた１対の超音波トランスジューサとを備え、
前記超音波トランスジューサは、流れ上流側のものが送出側となり下流側のものが受信側となる順方向駆動モードと、流れ下流側のものが送出側となり上流側のものが受信側となる逆方向駆動モードとの間で切り替え可能とされ、かつ、前記断面短辺方向において超音波放射面の中央部よりも周縁部にて高強度となるように測定用超音波ビームの出力強度分布がそれぞれ調整されてなることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
各前記超音波トランスジューサは、超音波発生源となる圧電素子が、前記超音波放射面の前記中央部に対応する中央素子部と、前記周縁部に対応する周縁素子部とに区分され、前記周縁素子部の圧電定数が前記中央素子部の圧電定数よりも大きく設定されてなる請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記圧電素子の前記中央素子部と前記周縁素子部とが同一材質の圧電セラミックにて構成され、前記周縁素子部が前記中央素子部よりも高電圧にて分極処理されたものが使用される請求項２記載の超音波流量計。
【請求項４】
単一の圧電素子板の前記中央領域に対応する部分と前記周縁領域に対応する部分とを、互いに異なる電圧にて分極処理することにより、前記中央素子部と前記周縁素子部とが該圧電素子板内に一体形成されてなる請求項３記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記圧電素子板の前記中央素子部と前記周縁素子部との境界位置に、隣接する素子部を区画するための区画溝が該圧電素子板の厚さ方向に形成されてなる請求項４記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記区画溝の深さが前記圧電素子板の厚みの１／２以上となるように調整されている請求項５記載の超音波流量計。
【請求項７】
前記中央素子部と前記周縁素子部とが、所定量の隙間を介して隣接配列する、互いに独立した圧電素子ブロックとして別体分離形成されてなる請求項２又は請求項３に記載の超音波流量計。
【請求項８】
前記中央素子部と前記周縁素子部との各圧電定数又は前記断面短辺方向の各寸法が、前記被測定流体の動粘性係数の値に応じて調整されてなる請求項２ないし請求項７のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項９】
各前記超音波トランスジューサは、超音波発生源となる圧電素子板の超音波送出側となる板面に音響整合層が重ね配置されたものであり、該音響整合層は、前記超音波放射面の前記中央部に対応する層中央部と、前記周縁部に対応する層周縁部とに区分され、前記層周縁部が前記層中央部よりも音響インピーダンスの小さい材質にて構成されてなる請求項１記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００４−２５１６５３号公報
【特許文献２】特許第３５２８３４７号公報
【０００３】
従来、都市ガスや水などの流量を計測するための超音波流量計が知られている。その際の測定原理として、一般には「伝搬時間差法」が用いられる。これは、流路の流体流れ方向上流側及び下流側に一対の超音波送受信部を設け、それら超音波送受信部間の超音波送受信方向を交互に切り替えるとともに、上流側超音波送受信部から発信された超音波ビームが下流側超音波送受信部に到達するまでの時間（順方向伝播時間）と、下流側超音波送受信部から発信された超音波ビームが上流側超音波送受信部に到達するまでの時間（逆方向伝播時間）とを計測して、両者の時間差から流路を流れる流体の平均流速度及び流量を求めるものである（例えば、特許文献１）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のような超音波流量計においては、流路内の流れは流路形状に応じた特有の三次元分布となる。従来の超音波流量計では、この三次元的な流れ分布を詳細に考慮した計測方法がほとんど提案されておらず、計測誤差を招きやすい欠点があった。特に問題となるのは流路壁面との摩擦による損失であり、流路断面内の流速は、壁面摩擦損失の影響を大きく受ける断面周縁部で小さくなり、壁面からの距離が大きい断面中央部で大きくなる分布を呈する。この場合、流路断面積が一定であれば、周縁長が小さい断面形状（例えば円状ないし正方形状）となるほど壁面摩擦の影響を大きく受ける断面領域の比率は小さくなり、断面中央部と断面周縁部との流速差は著しくなる。そこで、仕切り壁を用いて流路断面をアスペクト比の大きい長方形状断面エリアに区画し、その長方形状断面エリアの断面短辺をなす側壁部に超音波トランスジューサを設けることで、壁面摩擦損失の影響を大きく受ける断面領域をあえて拡大し、断面内流速差を縮小する試みがなされている（特許文献２）。
【０００５】
しかしながら、特許文献２のような流路構造を採用すれば確かに断面内流速差の影響は、多少は縮小されるが、断面内流速分布の完全均一化は所詮不可能であり、断面中央部と断面周縁部とで依然として少なからぬ流速差を生ずる。また、本発明者が検討したところ、これとは別の要因により、測定用超音波ビームの強度分布には流れ中を伝播する過程で不可避的な偏りが生じ、単に断面内流速差を改善するだけでは流量測定精度が必ずしも向上しないことも判明した。
【０００６】
矩形断面の短辺側に斜め取り付けられた超音波トランスジューサから、その放射面法線方向に超音波ビームが送出される状況を、例えば、図１３に示すように、該放射面上にて断面短辺方向に複数の点音源が等間隔に配列した点音源モデルにて考察する。被測定流体が静止している場合（つまり、流速がゼロの場合）は、各点音源から素元波が球面波の形で放射され、その波面上の各点の法線方向に素元波の音速ベクトルｃｎが現れる。各点音源からの音波は、放射面法線方向との角度に依存した位相差を生じながら、全角度方向に同じ音速ｃｎで均等に広がりながら伝播する。個々の点音源からの球面波は、重ね合わせの原理により、各方向への波束成分のうち逆相となるもの同士は打ち消しあい、結果として、個々の点音源からの球面波の包絡線を波面（放射面と平行な平面となる）とする波束が残り、これが巨視的な超音波ビームとして観察されることとなる。なお、超音波ビームの伝播領域は、理想的には超音波トランスジューサの放射面を底面とし、その法線方向を高さ方向とする直柱状の領域となるが、放射面周縁部については、該放射面の外側に点音源が存在しないので、上記直柱状の領域の外側には、外向きに拡散する波束成分が打ち消されず残留する。従って、放射面内のビーム強度分布は、周縁部を除いた領域でほぼ一様であり、放射面周縁に近づくにつれて緩やかに減衰するプロファイルを示す。
【０００７】
しかしながら、音波の伝播媒質である被測定流体に放射面法線方向と交差する向きに流れが生じている場合は、図１３の下に示すように、素元波の音速ベクトルｃｎに流速ベクトルＶが重畳され、その合成ベクトル（ｃｎ＋Ｖ）の向きが実際の音波伝播方向を示すこととなる。図１３は、被測定流体の流れに対し順方向に音波が伝播する場合を示している。ある時刻ｔでの波面の任意の点の位置ベクトルをＸｐ（ｔ）としたとき、波の伝播に伴って点Ｘｐの移動する速度はｄＸｐ（ｔ）／ｄｔにて表されるが、これを上記合成ベクトル（ｃｎ＋Ｖ）に等しいとおいて得られるベクトル微分方程式を数値的に解くと、順方向伝播の場合は、Ｘｐ（ｔ）の時間変化、すなわち、波束φの伝播軌跡は、流速がゼロの場合の波束φ’に対し、放射面法線方向から遠ざかる向きに拡散する形態となることがわかる。この拡散が生ずる分だけ、放射面周縁部でのビーム強度の低下は、流速がゼロの場合と比較して著しくなる。他方、超音波ビームを流れに対して逆方向に送出する場合は、上記ベクトル微分方程式に含まれる流速ベクトルＶの符号が反転し、結果のみ記載すれば、波束φの伝播軌跡は、流速がゼロの場合の波束φ’に対し、放射面法線方向に近づく向きに収束する。
【０００８】
従って、図１４の下に示すように、順方向伝播時には、上記超音波ビームの拡散により流速がゼロの場合と比較して受信レベル（受信感度）が低くなり、応答性及び感度は低下する傾向となる。特に、断面周縁部では壁部摩擦による流速の低下が著しいので、受信側の超音波トランスジューサに対して超音波ビームは、断面周縁部のほうが断面中央部よりも遅れて到達する形となり、位相差を生ずる。さらに、送信側の超音波トランスジューサから放射された直後は放射面中央付近にあった波束が、受信側の超音波トランスジューサに近づくにつれて外側に拡散する結果、受信に至るまでの総伝播距離が大きくなる。図１３に示すように、受信側超音波トランスジューサの周縁領域ほど、伝播距離の長い波束の比率が高くなるため、中央領域との波束の位相差は一層拡大し、受信感度の低下を助長する。他方、逆方向伝播時には、超音波ビームの収束により流速がゼロの場合と比較して受信レベルが高くなり、周縁領域と中央領域との波束位相差も縮小するので、応答性及び感度は向上する傾向となる。当然のことながら、この傾向は流量の絶対値が高くなるほど顕著となる。
【０００９】
このように順方向伝播時と逆方向伝播時とで超音波の受信感度が非対称になると、順方向伝播時の到達時間と逆方向伝播時の到達時間とに少なからぬ差を生ずる。その結果、特に順方向の感度低下に伴う検出Ｓ／Ｎ比の低下が懸念される。他方、受信低下を補うために駆動電圧を流速に応じて増加させる方法も考えられるが、電圧制御回路の追加や消費電流増加に伴う電池寿命低下が懸念され、また電圧変化に伴う超音波トランスジューサの駆動遅延時間（駆動してから音波が放射されるまでの時間的な遅れ）の変動により、計測精度が低下することもありうる。
【００１０】
本発明の課題は、断面中央部と断面周縁部との流速差の影響、ならびに超音波受信レベルないし感度の順方向伝播時と逆方向伝播時との間の非対称性を解消し、ひいては計測精度の更なる向上に寄与する超音波流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、
断面短辺方向をなす１対の短辺側壁部と断面長辺方向をなす１対の長辺側壁部とにより囲まれた長方形状の流路断面を有する流路形成部と、
一方が被測定流体への測定用超音波ビームの送出側となり、他方が該測定用超音波ビームの受信側となるように、各々流路形成部の短辺側壁部に対し被測定流体の流通方向において互いに異なる位置に設けられた１対の超音波トランスジューサとを備え、
超音波トランスジューサは、流れ上流側のものが送出側となり下流側のものが受信側となる順方向駆動モードと、流れ下流側のものが送出側となり上流側のものが受信側となる逆方向駆動モードとの間で切り替え可能とされ、かつ、断面短辺方向において超音波放射面の中央部よりも周縁部にて高強度となるように測定用超音波ビームの出力強度分布がそれぞれ調整されてなることを特徴とする。
【００１２】
上記本発明の超音波流量計の構成によると、長方形状の流路断面を有する流路形成部に対し短辺側壁部に取り付けられた超音波トランスジューサの測定用超音波ビームの出力強度分布を、断面短辺方向において超音波放射面の中央部よりも周縁部にて高強度となるように調整した。これにより、断面短辺方向において超音波ビーム強度を中心部と周縁部とでほぼ等しくなるよう制御でき、伝播する超音波のビーム強度分布を流路短辺方向でほぼ均一化することができる。これにより、断面短辺方向の流速分布の影響を緩和でき、また、順方向伝播時と逆方向伝播時との受信感度特性の対象性も向上するので、流量計測精度の向上を図ることができる。
【００１３】
各超音波トランスジューサは、超音波発生源となる圧電素子が、超音波放射面の中央部に対応する中央素子部と、周縁部に対応する周縁素子部とに区分され、周縁素子部の圧電定数が中央素子部の圧電定数よりも大きく設定された構成とすることができる。測定用超音波ビームの出力強度分布を、前記中央部よりも周縁部にて高強度とする構成を、周縁素子部と中央素子部とで圧電定数を異ならせることで簡単に実現することができる。
【００１４】
圧電素子の中央素子部と周縁素子部とは同一材質の圧電セラミックにて構成することができる。この場合、周縁素子部を中央素子部よりも高電圧にて分極処理することで、前者の圧電定数を後者よりも高く設定できる。周縁素子部と中央素子部とで圧電定数の異なる素子構成を、同一材質の圧電セラミックを用いつつ実現でき、超音波トランスジューサの低コスト化に寄与する。
【００１５】
この場合、単一の圧電素子板の中央領域に対応する部分と周縁領域に対応する部分とを、互いに異なる電圧にて分極処理することにより、中央素子部と周縁素子部とが該圧電素子板内に一体形成することができる。この構成によれば、中央素子部と周縁素子部とを単一の圧電素子板として一括製造でき、超音波トランスジューサの製造コストの更なる低廉化に寄与する。
【００１６】
上記の構成では、圧電素子板の中央素子部と周縁素子部との境界位置に、隣接する素子部を区画するための区画溝を該圧電素子板の厚さ方向に形成することができる。この構成によれば、中央素子部と周縁素子部とを各々異なる電圧にて分極処理する際に、特に高電圧で分極する周縁素子部への印加電圧の影響が、区画溝による遮断効果により中央素子部に及びにくくなり、個々の部分の分極レベルをより正確に、かつきめ細かく制御できる。また、中央素子部と周縁素子部とが、溝底部側では一体化されているので、超音波トランスジューサへの素子アセンブリ工程の簡略化を図ることができる。なお、区画溝による印加電圧の遮断効果をより顕著なものとするには、区画溝の形成深さを、圧電素子板の厚みの１／２以上（望ましく３／４以上）となるように調整することが望ましい。
【００１７】
他方、中央素子部と周縁素子部とを、所定量の隙間を介して隣接配列する互いに独立した圧電素子ブロックとして別体分離形成することも可能である。この構成によれば、個々の素子部分の分極レベルひいては圧電定数をさらにきめ細かく制御できる。なお、この場合は、中央素子部と周縁素子部とを、同一材質の圧電セラミックにて構成してもよいし、互いに異なる材質の圧電セラミックにて構成してもよい。
【００１８】
また、中央素子部と周縁素子部との各圧電定数又は断面短辺方向の各寸法を、被測定流体の動粘性係数の値に応じて調整することも可能である。流路内を流れる被測定流体の動粘性係数の相違によって、流路短辺方向で発生する流速分布は大きく変化する。また計測する温度範囲によっても動粘性係数の変動幅がある。そこで、上記のごとく、被測定流体の動粘性係数の値に応じて、中央素子部と周縁素子部との各圧電定数又は断面短辺方向の各寸法を適正化することにより、本発明の効果を一層顕著に発揮させることができる。
【００１９】
なお、各超音波トランスジューサが、超音波発生源となる圧電素子板の超音波送出側となる板面に音響整合層が重ね配置されたものとして構成される場合、該音響整合層を」、超音波放射面の中央部に対応する層中央部と、周縁部に対応する層周縁部とに区分し、層周縁部が層中央部よりも音響インピーダンスの小さい材質にて構成することが可能である。これにより、測定用超音波ビームの出力強度分布を、前記中央部よりも周縁部にて高強度とする構成を、層中央部と層周縁部とで音響整合層の音響インピーダンスを異ならせることにより、簡単に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明に係る超音波流量計の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、一般住宅用ガスメータ等として用いられる超音波流量計の一実施例の基本構成である。この超音波流量計１には、被測定流体ＧＦの流路を形成する流路形成部３と流路形成部３に対し被測定流体ＧＦの流通方向において互いに異なる位置に設けられ、一方が被測定流体ＧＦへの測定用超音波の送出側となり、他方が該測定用超音波の受信側となるように機能するとともに、各々測定用超音波として、予め定められた向きへの指向性を有する超音波ビームＳＢを送出可能な対をなす超音波トランスジューサ２ａ，２ｂを備えている。そして、送信側となる超音波トランスジューサ２ａ，２ｂから送出される超音波ビームＳＢは、流路を斜めに横切って、受信側となる超音波トランスジューサ２ａ，２ｂへ導かれるようになっている。流路形成部３は例えば金属製である。
【００２１】
反射部材３１，３２を含む流路形成部３と超音波トランスジューサ２ａ，２ｂとが流量計本体１Ｍを構成し、該流量計本体１Ｍと制御回路部１Ｅとにより超音波流量計１の全体が構成されている。図２は、流量計本体１Ｍの断面構造を示す斜視図である。また、図１において、制御回路部１Ｅは、対をなす超音波トランスジューサ２ａ，２ｂを、流路上流側に位置する上流側超音波トランスジューサ２ａ側が送信側となり、流路下流側に位置する下流側超音波トランスジューサ２ｂ側が受信側となる第一駆動モードと、その逆となる第二駆動モードとの間で切り替え可能に駆動する超音波駆動機構４を有する。
【００２２】
超音波流量計１の流量測定用の流路３Ｐには、流量測定用ガス（流体）が図示の流れ方向に流通している。流路３Ｐには、流れ方向下流側に下流側超音波トランスジューサ２ｂが設けられ、流れ方向上流側に上流側超音波トランスジューサ２ａが設けられている。これらの超音波トランスジューサ２ａ，２ｂは圧電振動子などからなる超音波振動子を有した超音波トランスジューサであり、駆動電圧の印加により超音波ビームを送出する超音波送出機能と、超音波ビームの受信により電気信号（受信信号）を出力する超音波受信機能とを複合して備えるものである。測定用の超音波ビームは、流路内にて超音波トランスジューサ２ａ，２ｂ間に定在波を生じないよう、所定波数以下のパルス状に送出される。
【００２３】
流路３Ｐを形成する流路形成部３断面短辺方向をなす１対の短辺側壁部３Ｊａ，３Ｊｂと断面長辺方向をなす１対の長辺側壁部３Ｋａ，３Ｋｂとにより囲まれた長方形状の流路断面を有する。このうちの短辺側壁部３Ｊａ，３Ｊｂには、一方が被測定流体への測定用超音波ビームＳＢの送出側となり、他方が該測定用超音波ビームＳＢの受信側となる１対の超音波トランスジューサ２ａ，２ｂが、被測定流体の流通方向において互いに異なる位置に取り付けられている。この実施形態では、対をなす超音波トランスジューサ２ａ，２ｂが、各短辺側壁部３Ｊａ，３Ｊｂに対し流路を長辺方向に挟む形で振り分けて配置されている。ただし、対をなす超音波トランスジューサ２ａ，２ｂの双方を短辺側壁部３Ｊａ，３Ｊｂの一方に取り付け、送出側のトランスジューサからの測定用超音波ビームを、短辺側壁部３Ｊａ，３Ｊｂの他方の内面で反射させて受信側のトランスジューサに導くようにしてもよい。
【００２４】
図３は、超音波トランスジューサ２ａ，２ｂ（両者は同一の構造を有するので、その一方で代表させ、以下、符号「２」を付与する）の断面構造の一例を示すものである。超音波トランスジューサ２は、その要部（振動駆動部）が、板厚方向に分極処理された圧電素子板２１と、該圧電素子板２１の各主表面を覆う形で該圧電素子板２１を挟んで対向形成され、該圧電素子板２１を超音波振動させるための駆動電圧が印加される主電極対２２，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃとを備える。
【００２５】
圧電素子板２１は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛等のペロブスカイト型強誘電性セラミックの焼成体であり、板厚方向に分極処理されている。また、各電極２２，２３Ａ，２３Ｂ，２３ＣはＣｕ等の金属蒸着膜からなる。主電極対２２，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃは、圧電素子板２１の一方の主表面を覆う接地電極２２（ＧＮＤ側に接続される）と、同じく他方主表面を覆う駆動電極２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ（駆動電源側に接続される）とからなる。
【００２６】
また、圧電素子板２１は、一辺が流路断面の短辺方向と一致するように配置される長方形状（正方形を概念として含む）の平面形状を有し、後述の音響整合層２５の表面に形成される超音波放射面ＲＰの中央部に対応する中央素子部２１Ｂと、周縁部に対応する周縁素子部２１Ａ，２１Ｃとに区分されている。周縁素子部２１Ａ，２１Ｃは中央素子部２１Ｂよりも高電圧にて分極処理されることで、その圧電定数が中央素子部２１Ｂよりも大きくなっている。つまり、単一の圧電素子板２１の中央領域に対応する部分と周縁領域に対応する部分とを、互いに異なる電圧にて分極処理することにより、中央素子部２１Ｂと周縁素子部２１Ａ，２１Ｃとが該圧電素子板２１内に一体形成されている。
【００２７】
駆動電極２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃは、周縁素子部２１Ａ，２１Ｃと中央素子部２１Ｂとを互いに異なる電圧で分極処理する便宜を図るため、面内方向に絶縁分離された形で、各素子部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの表面を個別に覆うように形成されている。他方、接地電極２２は、３つの素子部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃにまたがる形で面内に一体化された形で形成されている。
【００２８】
圧電素子板２１の分極処理は、例えば次のようにして実施できる。すなわち、焼成・研磨後の圧電素子板２１の両面に接地電極２２と駆動電極２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃとを形成する。そして、中央素子部２１Ｂを選択的に覆う分極ブロックと、接地電極２２側の分極ブロックとの間に圧電素子板２１を挟みつけて第一の分極電圧（図４：電圧１）を印加し、中央素子部２１Ｂの分極処理を行なう。次に、周縁素子部２１Ａ，２１Ｃを選択的に覆う分極ブロックと、接地電極２２側の分極ブロックとの間に圧電素子板２１を挟みつけて、第一の分極電圧よりも高い第二の分極電圧（図４：電圧２）を印加し、周縁素子部２１Ａ，２１Ｃの分極処理を行なう。なお、周縁素子部２１Ａ，２１Ｃを先に分極処理し、中央素子部２１Ｂを後で分極処理するようにしてもよい。
【００２９】
なお、高圧で分極処理される周縁素子部２１Ａ，２１Ｃの分極電解の影響が面内放電等により、低圧で分極処理される中央素子部２１Ｂ側に及ばないよう、各駆動電極２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃの間の隙間（電極非形成領域）の幅を適当に大きく（例えば、０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下）を設定しておく。
【００３０】
上記のような圧電素子板２１が、駆動電極２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃの形成された側がケーシング２９の底部２８の内面と対向する形で該ケーシング２９内に配置される。ケーシング２９の底部２８の裏面には、駆動端子４３及び接地端子４１が突出形成され、駆動電極２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃが共通の駆動端子４３に、接地電極２２が接地端子４１にそれぞれワイヤー結線されている。
【００３１】
ケーシング２９の側壁部３０は、例えばステンレス鋼やアルミニウム合金など耐食性に優れる金属材料や、エンジニアリングプラスチック等で構成され、内周面底部側端部が段付き形状に拡径された形で裏面側開口部を形成している。そして、駆動端子４３及び接地端子４１を裏面側に立設した基板２７が該裏面側開口部に嵌め込まれ、さらにエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の高分子材料が裏面側から充填されて底部２８が形成されている。駆動端子４３及び接地端子４１は、該底部２８を貫通して裏面側に延出している。
【００３２】
また、圧電素子板２１は、ケーシング２９の底部２８と反対側の開口に望む位置に配置されている。そして、該開口を塞ぐ形で音響整合層２５が、圧電素子板２１の第二主表面上に形成された接地電極２２と密着する形で設けられている。音響整合層２５は、例えば、エポキシ樹脂などの樹脂材料をマトリックスとし、空隙形成用フィラー（例えば、ガラスバルーン）を分散させた複合材料により円板状に形成されてなり、圧電素子板２１との接触側と反対側の主表面に超音波放出面が形成されている。超音波の伝達効率を向上させるために、該音響整合層２５の空隙形成用フィラーの体積配合比率は、圧電素子板２１と被測定流体（例えば都市ガス）との中間の音響インピーダンス値（例えば、両者の幾何平均値を目標値とする）となるように調整されている。なお、目的とする音響インピーダンス値を得るために、空隙形成用フィラーを混入しない樹脂材料で音響整合層１５を構成することもある。
【００３３】
また、接地電極２２への導通経路３１は、圧電素子板２１の第二主表面側から該圧電素子板２１の側周面を経て第一主表面側に回り込む形で形成されている。接地電極２２は、ケーシング２９の底部２８の裏面に突出形成された接地端子４１に対し、導通経路３１を介して接続されている。図３において、該導通経路３１は、圧電素子板２１の第二主表面側にて一端が接地電極２２に半田付けされるワイヤー３１とされている。
【００３４】
なお、図７に示すように、圧電素子板２１を図３の構成とは逆転させた形で超音波トランスジューサ２に組み込むことができる。駆動電極２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃが音響整合層２５側に位置する形となる。この場合、音響整合層２５と駆動電極２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃとの間に補助金属板２４を介在させ、面内にて電気的に互いに分離された駆動電極２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを、該補助金属板２４を介して電気的に導通させるとともに、該補助金属板２４を駆動端子４３にワイヤー接続すれば結線構造の簡略化を図ることができる。なお、補助金属板２４の厚みは、該金属板中を伝播する超音波波長の１／２０以下に設定することが望ましい。
【００３５】
図３に示すように、送信側となる超音波トランスジューサ（順方向駆動モードでは上流側超音波トランスジューサ２ａ、逆方向駆動モードでは下流側超音波トランスジューサ２ｂ）から送出される超音波ビームＳＢは、断面長辺側の壁面と平行に流路を斜めに横切って受信側となる超音波トランスジューサ（順方向駆動モードでは下流側超音波トランスジューサ２ｂ、逆方向駆動モードでは上流側超音波トランスジューサ２ａ）に導かれる。
【００３６】
図１に戻り、制御回路部１Ｅには、前述の超音波駆動機構４と周辺回路素子部７〜１１が設けられている。超音波駆動機構４は、送信部５、受信部６及び切替部４ｓを有する。送信部５は、超音波トランスジューサ２ａ，２ｂに対して駆動信号を入力するための回路である。受信部６はスイッチ等から構成され、このスイッチを切り替えることにより、前述の駆動モードの切り替えがなされる。この受信部６の切替制御は切替部４ｓにより行われる。増幅部７は、受信部６により受信された超音波を所定の増幅率で増幅し、増幅された超音波変換信号をマスク時間設定部８に入力する。マスク時間設定部８は、ノイズ対策のため、超音波素子２ａまたは２ｂより超音波を送出してから、流路３を伝搬される超音波が到達しない最低の時間を設けるものである。また、ゼロクロスポイント検出部９は、受信した超音波波形に含まれる特定順位波（例えば、第３波）のゼロクロスポイントを検出するものである。時間計測部１０は、第一駆動モードでの、上流側超音波トランスジューサ２ａから発信された超音波ビームＳＢが下流側超音波トランスジューサ２ｂに到達するまでの順方向伝播時間と、第二駆動モードにおける下流側超音波トランスジューサ２ｂから発信された超音波ビームＳＢが上流側超音波トランスジューサ２ａに到達するまでの逆方向伝播時間とを計測するものである。また、演算部１１は、上記の順方向伝播時間と逆方向伝播時間との時間差から、流路３Ｐを流れる流体の平均流速度及び流量を計算する。
【００３７】
すでに説明したごとく、長方形状断面の流路３Ｐを用いた場合でも、その断面短辺方向の流速分布は、短辺側壁部３Ｊａ，３Ｊｂに接する側で小さく、図４の下に示すように、中央で大きい釣鐘状の分布となる。また、一様に分極処理された（つまり、圧電定数が面内に一様な）圧電素子板を用いた従来型の超音波トランスジューサでは、図１３及び図１４を用いて説明したごとく、順方向伝播時には、超音波ビームの拡散により流速がゼロの場合と比較して受信レベル（受信感度）が低くなり、逆方向伝播時には、超音波ビームの収束により流速がゼロの場合と比較して受信レベルが高くなるという、感度非対称性を生ずる問題がある。
【００３８】
流路断面内に流速分布を生じている場合は、断面内各領域の流速差の影響をできるだけ平均化させるような計測方法を工夫する必要がある。断面短辺方向における周縁部では、特に順方向伝播時において、前述の波束拡散によるビーム強度の低下と、これに対応した伝播長増大に伴う位相差の拡大が著しく、低流速となる周縁部流れの寄与が流量測定結果に十分反映されなくなる。
【００３９】
しかしながら、図４の構成では、超音波トランスジューサ２ａ，２ｂの超音波発生源となる圧電素子２１が、超音波放射面ＲＰの中央部に対応する中央素子部２１Ｂと、周縁部に対応する周縁素子部２１Ａ，２１Ｃとに区分され、周縁素子部２１Ａ，２１Ｃを中央素子部２１Ｂよりも高電圧で分極処理することで、周縁素子部２１Ａ，２１Ｃの圧電定数が中央素子部２１Ｂの圧電定数よりも大きく設定され、結果として、測定用超音波ビームＳＢの出力強度分布が、中央素子部２１Ｂよりも周縁素子部２１Ａ，２１Ｃにて高強度となる。その結果、短辺側壁部３Ｊａ，３Ｊｂ側で超音波ビームが増強され、低流速となる周縁部流れも流量測定結果に的確に反映できる。また、測定用超音波ビームの強度分布が流路断面内にて平均化される結果、順方向伝播時と逆方向伝播時との感度非対称性も抑制することができる。いずれも、流量測定精度の向上に大きく貢献する。
【００４０】
なお、流路断面内の流速分布は、被測定流体の動粘性係数の差や温度変化によっても大きく変化する。例えば、空気（ガス種β）はＬＰＧ（液化石油ガス：ガス種α）より動粘性係数が大きく、図５及び図６の各下に示すように、同一温度条件下では空気の方がＬＰＧよりも、断面中央部のピーク流速と壁部に近い周縁部との流速差が大きく、より顕著な釣鐘状分布を呈する。この場合、図５及び図６の各上に示すように、周縁素子部２１Ａ，２１Ｃに対する分極電圧と中央素子部２１Ｂに対する分極電圧の差を、動粘性係数の大きい被測定流体ほど高く設定することで、周縁素子部２１Ａ，２１Ｃの圧電定数と中央素子部２１Ｂの圧電定数の差を拡大することができ、周縁素子部２１Ａ，２１Ｃでの超音波ビーム強度の増強度を高めることができる。また、別の方法として、図５及び図６の各下に示すように、動粘性係数の大きい被測定流体ほど、周縁素子部２１Ａ，２１Ｃの短辺方向寸法を中央素子部２１Ｂの短辺方向寸法に対して相対的に拡大することによっても同様の効果が期待できる。いずれも、被測定流体の種別毎に超音波ビーム強度分布が個別に適正化され、流量測定精度の更なる向上に寄与する。
【００４１】
以下、上記本発明の種々の別実施例について説明する。
図８に示すように、圧電素子板２１には、中央素子部２１Ｂと周縁素子部２１Ａ，２１Ｃとの境界位置に、隣接する素子部を区画するための区画溝ＧＢを該圧電素子板２１の厚さ方向に形成することができる。この構成によれば、中央素子部２１Ｂと周縁素子部２１Ａ，２１Ｃとを各々異なる電圧にて分極処理する際に、特に高電圧で分極する周縁素子部２１Ａ，２１Ｃへの印加電圧の影響が、区画溝ＧＢの遮断効果により中央素子部２１Ｂに及びにくくなり、個々の部分の分極レベルをより正確に、かつきめ細かく制御できる。また、中央素子部２１Ｂと周縁素子部２１Ａ，２１Ｃとが、溝底部側では一体化されているので、超音波トランスジューサ２ａ，２ｂへの素子アセンブリ工程の簡略化を図ることができる。なお、区画溝による印加電圧の遮断効果をより顕著なものとするには、区画溝の形成深さτを、圧電素子板２１の厚みｔ０の１／２以上（望ましく３／４以上）となるように調整することが望ましい。この場合も、超音波トランスジューサ２は、図３ないし図７と全く同様に構成できる（図８下に図７に対応した構成を示す）。
【００４２】
また、図９に示すように、中央素子部２１Ｂと周縁素子部２１Ａ，２１Ｃとを、所定量の隙間ＣＬを介して隣接配列する互いに独立した圧電素子ブロックとして別体分離形成することも可能である。この構成によれば、個々の素子部分の分極レベルひいては圧電定数をさらにきめ細かく制御できる。なお、この場合は、中央素子部２１Ｂと周縁素子部２１Ａ，２１Ｃとを、同一材質の圧電セラミックにて構成してもよいし、互いに異なる材質の圧電セラミックにて構成してもよい。また、分極処理を、素子部毎に個別に行なうことも可能である。この場合も、超音波トランスジューサ２は、図３ないし図７と全く同様に構成できる（図９下に図７に対応した構成を示す）。
【００４３】
次に、超音波ビームの強度分布を、流路断面短辺方向における周縁側にて中央側よりも高くする別の方法として、図１０に示すように、音響整合層２５を、超音波放射面ＲＰの中央部に対応する層中央部２５Ｄと、周縁部に対応する層周縁部とに区分し、層周縁部２５Ｄを層中央部２５Ｋよりも音響インピーダンスの小さい材質にて構成する方式を採用することもできる。図１１に示すように、音響整合層２５の超音波透過率は、音響インピーダンスＺが小さくなるほど向上するので、上記のように構成することで、層周縁部２５Ｄにおいて層中央部２５Ｋよりも超音波透過量が大きくなり、図１２に示すように、測定用超音波ビームＳＢの出力強度分布を、中央部よりも周縁部にて高強度とすることができる。なお、音響整合層２５の各部の音響インピーダンスは、樹脂マトリックスに対する空隙形成用フィラー（例えば、ガラスバルーン）の体積配合率を変化させることで種々の値に設定可能である。
【００４４】
なお、図１０においては、圧電素子板２１は面内に一様な圧電定数を有するものとして構成されているが、図３、図８あるいは図９に示すように、周縁素子部２１Ａ，２１Ｃの圧電定数が中央素子部２１Ｂの圧電定数よりも大きく設定されたものを使用することももちろん可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の超音波流量計の全体構成を示す模式図。
【図２】流路形成部の概観の一例を示す斜視図。
【図３】超音波トランスジューサの第一例を示す断面図。
【図４】図２の超音波トランスジューサの作用説明図。
【図５】図２の超音波トランスジューサの第一変形例を示す図。
【図６】図２の超音波トランスジューサの第二変形例を示す図。
【図７】図２の超音波トランスジューサの第三変形例を示す図。
【図８】超音波トランスジューサの第二例を示す説明図。
【図９】超音波トランスジューサの第三例を示す説明図。
【図１０】超音波トランスジューサの第四例を示す説明図。
【図１１】音響インピーダンスと超音波透過率との関係を示す模式図。
【図１２】図１０の超音波トランスジューサの超音波ビーム強度分布を模式的に示す図。
【図１３】流速の影響により超音波ビーム波束が広がる様子を説明する図。
【図１４】順方向伝播時と逆方向伝播時の受信感度の非対称性を説明する図。
【符号の説明】
【００４６】
１  超音波流量計
ＧＦ  被測定流体
２ａ，２ｂ  超音波トランスジューサ
３  流路形成部
３Ｊａ，３Ｊｂ  短辺側壁部
３Ｐ  流路
２１  圧電素子板
２１Ｂ  中央素子部
２１Ａ，２１Ｃ  周縁素子部
ＧＢ  区画溝
ＣＬ  隙間
２５  音響整合層
２５Ｋ  層周縁部
２５Ｄ  層中央部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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