(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流量測定部の両側にそれぞれ超音波送信子・受信子を距離Ｌ隔てて設け、超音波送信子の駆動により励起されるガイド波が、間隔Ｌ離れた超音波受信子に上流から下流へ伝搬する時の伝搬時間Ｔ１と、下流から上流へ伝搬する時の伝搬時間Ｔ２との伝搬時間差から流体の流速を求める流量測定装置において、ガイド波の群速度の複数のピークのうち孤立したガイド波の群速度のピークの周波数と超音波送信子・受信子の共振周波数とが一致するように設定し、超音波送信子・受信子が励起・受信する超音波のパワースペクトルの半値幅を群速度の他のピークと重複しない大きさに設定したことを特徴とする流量測定装置。
【請求項２】
パルス発生回路と両側の超音波送信子・受信子の間に、共振回路、アンプ、共振回路及びアンプが順に配列されてなる増幅回路を設けることを特徴とする請求項１記載の流量測定装置。
【請求項３】
両側の超音波送信子・受信子と流量測定側のコントローラとの間に、共振回路、アンプ、共振回路及びアンプが順に配列されてなる増幅回路を設けることを特徴とする請求項１記載の流量測定装置。
【請求項４】
流量測定部の流路の入口側及び出口側の径を大きく、中央部の径を小さく設定するとともに、入口側及び出口側と中央部とをテーパ状に接続してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流量測定装置。
【請求項５】
流量測定部の流路の入口側及び出口側における大径流路の径をφ１、中央部における小径流路の径をφ２とした場合、φ２／φ１＝１／１０〜２／３の範囲に設定することを特徴とする請求項４記載の流量測定装置。
【請求項６】
流量測定部の流路の全長をＬ０、中央部の小径流路の長さをＬ１とした場合、Ｌ１／Ｌ０＝０．６〜０．９８の範囲に設定することを特徴とする請求項４または５記載の流量測定装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用した流量測定装置、特に、半導体製造装置等に用いられる細い管の内部を流れる流体の流速を非接触に測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波を利用した流量測定装置としては、管路を流れる流体内に超音波を伝搬せしめ、流れの上流から下流への超音波伝搬速度と、下流から上流への超音波伝搬速度の差によって流体の速度を求め、これに基づいて管路を流れる流体の流量を計測する流量計は伝搬速度差式超音波流量計と呼ばれ、知られている。
しかし、超音波を利用した上記の流量測定装置では、パイプを伝搬する波についての理論的解析がきちんと行われていないため、その最適化が困難であった。【０００３】
本発明の発明者らは、パイプ内を流れる流体の流速と超音波送信子によって励起されるガイド波の伝搬速度との関係について研究を重ねた結果、流体の流速が変化するとパイプを伝搬するガイド波の伝搬速度に影響が現れるという知見を得、現在も引き続き研究を重ねている。
なお、本明細書において「ガイド波」とは、板、棒、パイプ等、境界を持つ媒質を長手方向に伝搬する超音波をいう。
また、本件の出願人らは、ガイド波を用いた流量測定装置の発明について、これまで、特願２００６−１０９２１８（特開２００７−２９８２７５号公報参照。以下「従来技術１」という。）及び特願２００７−２８０８８８（特開２００９−１０９２９９号公報参照。以下「従来技術２」という。）を出願している。【０００４】
従来技術１は、静水を満たしたパイプを伝搬する波がガイド波であることを検証するとともに、流体を流すパイプの外面に２個の超音波振動子を距離Ｌ隔てて設け、前記２個の超音波振動子の一方を送信子、他方を受信子として相互に作動させ、超音波振動子の駆動によりパイプと内部流体とを１つの媒体として励起されるガイド波が、間隔Ｌ離れた超音波送受信子間を上流から下流へ伝搬する時の伝搬時間Ｔ１と、下流から上流へ伝搬する時の伝搬時間Ｔ２との伝搬時間差から流体の流速を求める制御・解析装置を備えた流量測定装置を提案したものである。【０００５】
また、従来技術２は、従来技術１の流量測定装置の改良であって、流体を流すパイプの外面に２個の超音波振動子を距離Ｌ隔てて設け、前記２個の超音波振動子の一方を送信子、他方を受信子として相互に作動させ、超音波振動子の駆動によりパイプと内部流体とを１つの媒体として励起されるガイド波が、間隔Ｌ離れた超音波送受信子間を上流から下流へ伝搬する時の伝搬時間Ｔ１と、下流から上流へ伝搬する時の伝搬時間Ｔ２との伝搬時間差から流体の流速を求める制御・解析装置を備えた超音波を利用した流量測定装置において、流体の縦波音速の近傍において位相速度の変化量が小さくなるモードのガイド波を用いることを特徴とする超音波を利用した流量測定装置を提案したものである。【０００６】
他方、静水を満たしたパイプを伝搬するガイド波の解析を行ったものとして、非特許文献１及び２が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２９８２７５号公報
【特許文献２】特開２００９−１０９２９９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】佐藤治道、メキシム レベデフ、明渡純：Ｐｒｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｕｌｔｒａｓｏｎ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２６（２００５）４４３．
【非特許文献２】佐藤治道他、ＪＡＰＡＮＥＳＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ，４５−５Ｂ（２００６）ｐｐ．４５７３−４５７６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来技術１及び従来技術２は、ガイド波を用いた流量測定装置であるが、次のような問題があった。
（１）流体の縦波音速の近傍において位相速度の変化量が小さくなるモードのガイド波を用いることが示されているが、具体的にどの周波数を選定するかは示されておらず、また、仮に選定した周波数を超音波送受信子に発振させるとしても、実際には圧電素子の個体差やパイプの個体差、電子回路の特性等もあり、選定された周波数と超音波送受信子が発振する周波数を一致させるのは難しい。
（２）複数の周波数のガイド波を同時に検出して「うなり」が生じたり、温度の影響などで周波数のピークがずれたときにその「うなり」の波形形状が変化し流量測定に悪影響を与える。
（３）流体の流れるパイプ径が小さくなると、超音波送受信子の径も小さくなり注入できるエネルギーが小さくなる。また、流体の流れるパイプ径が大きくなると流速が小さくなり、流速感度が落ちる。【００１０】
本発明は従来技術の問題点に鑑みなされたもので、本発明の目的は、超音波の周波数を最適化して群速度のピークになる周波数のガイド波（一番最初に伝搬してくる波）を計測できるようにすることにより、また、超音波送受信子から注入するエネルギーを大きくするとともに受信感度を上げること、及び、流速感度を上げることにより、測定精度を改善した流量測定装置を提供する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】
【００１１】
上記目的を達成するため本発明の流量測定装置は、第１に、流量測定部の両側にそれぞれ超音波送信子・受信子を距離Ｌ隔てて設け、超音波送信子の駆動により励起されるガイド波が、間隔Ｌ離れた超音波受信子に上流から下流へ伝搬する時の伝搬時間Ｔ１と、下流から上流へ伝搬する時の伝搬時間Ｔ２との伝搬時間差から流体の流速を求める流量測定装置において、ガイド波の群速度の複数のピークのうち孤立したガイド波の群速度のピークの周波数と超音波送信子・受信子の共振周波数とが一致するように設定し、超音波送信子・受信子が励起・受信する超音波のパワースペクトルの半値幅を群速度の他のピークと重複しない大きさに設定したことを特徴としている。
なお、前記の「ガイド波の群速度の複数のピークのうち孤立したガイド波の群速度のピークの周波数と超音波送信子・受信子の共振周波数とが一致するように設定し」における「一致する」とは、厳密な意味で一致する場合の他、超音波送信子・受信子が励起・受信する超音波のパワースペクトルの半値幅の範囲内で一致するような場合も含むものである。
また、実際に流速の計算に用いる信号は、共振回路やアンプを経た信号であるので、これらを経た信号がパワースペクトルの半値幅の範囲内でガイド波の群速度の複数のピークのうち孤立したガイド波の群速度のピークの周波数と一致することが重要である。【００１２】
第１の特徴により、超音波送信子から発信される周波数を最適化して、複数ある群速度のピークになる周波数のガイド波（一番最初に伝搬してくる波）のみを計測できることから、複数の周波数のガイド波を同時に検出して「うなり」が生じたり、さらに、温度の影響などで周波数のピークがずれたときの「うなり」の波形形状が変化して流量測定に悪影響を及ぼすことを防止できる。【００１３】
また、本発明の流量測定装置は、第２に、第１の特徴において、パルス発生回路と両側の超音波送信子・受信子の間に、共振回路、アンプ、共振回路及びアンプが順に配列されてなる増幅回路を設けることを特徴としている。
また、本発明の流量測定装置は、第３に、第１の特徴において、両側の超音波送信子・受信子と流量測定側のコントローラとの間に、共振回路、アンプ、共振回路及びアンプが順に配列されてなる増幅回路を設けることを特徴としている。
第２及び第３の特徴により、信号を増幅するとともに、励起又は検出される超音波のパワースペクトルの半値幅Δｆを小さくすることができ、複数の周波数のガイド波を同時に検出することを防止するのに貢献できる。【００１４】
また、本発明の流量測定装置は、第４に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、流量測定部の流路の入口側及び出口側の径を大きく、中央部の径を小さく設定するとともに、入口側及び出口側と中央部とをテーパ状に接続してなることを特徴としている。
また、本発明の流量測定装置は、第５に、第４の特徴において、流量測定部の流路の入口側及び出口側における大径流路の径をφ１、中央部における小径流路の径をφ２とした場合、φ２／φ１＝１／１０〜２／３の範囲に設定することを特徴としている。
また、本発明の流量測定装置は、第６に、第４又は第５の特徴において、流量測定部の流路の全長をＬ０、中央部の小径流路の長さをＬ１とした場合、Ｌ１／Ｌ０＝０．６〜０．９８の範囲に設定することを特徴としている。
第４乃至第６の特徴により、超音波送信子から流路に注入できるエネルギーを大きくするとともに受信感度を上げることができ、さらに、流路の流速を上げることができるため、流量測定の検出感度を大幅に上げることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）ガイド波の群速度の複数のピークのうち孤立したガイド波の群速度のピークの周波数と超音波送信子・受信子の共振周波数とが一致するように設定し、超音波送信子・受信子が励起・受信する超音波のパワースペクトルの半値幅を群速度の他のピークと重複しない大きさに設定したことにより、超音波送信子から発信される周波数を最適化して、複数ある群速度のピークのピークになる周波数のガイド波（一番最初に伝搬してくる波）のみを計測できることから、複数の周波数のガイド波を同時に検出して「うなり」が生じたり、さらに、温度の影響などで周波数のピークがずれたときの「うなり」の波形形状が変化して流量測定に悪影響を及ぼすことを防止できる。
（２）パルス発生回路と超音波送信子・受信子の間、又は、超音波送信子・受信子と流量測定側のコントローラとの間に、共振回路、アンプ、共振回路及びアンプが順に配列されてなる増幅回路を設けることにより、信号を増幅することができるとともに、励起又は検出される超音波のパワースペクトルの半値幅Δｆを小さくすることができ、複数の周波数のガイド波を同時に検出することを防止するのに貢献できる。【００１６】
（３）流量測定部の流路の入口側及び出口側の径を大きく、中央部の径を小さく設定するとともに、入口側及び出口側と中央部とをテーパ状に接続してなることにより、超音波送信子から流路に注入できるエネルギーを大きくするとともに受信感度を上げることができ、さらに、流路の流速を上げることができるため、流量測定の検出感度を大幅に上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態の流量測定装置における流速の測定原理説明するための説明図である。
【図２】内部に静水を満たした１／８インチＰＦＡ製パイプ(外径３．１７ｍｍ、内径１．５９ｍｍ)を伝搬するガイド波の位相速度を示した図である。
【図３】図２から群速度を計算し、その結果を示す図である。
【図４】内部に静水を満たした外形１５．５６ｍｍ、内径２．４ｍｍのＰＦＡパイプを伝搬するガイド波の群速度を示したものである。
【図５】図４に示された内部に静水を満たした外形１５．５６ｍｍ、内径２．４ｍｍのＰＦＡパイプを伝搬するガイド波の群速度の測定装置に適用するために用意した超音波送信子・受信子において励起・検出された波形のパワースペクトルの例を示したものである。
【図６】帯域幅とガイド波の速度分散の関係を示したものである。
【図７】本発明の実施の形態に係る流量測定装置の概念図を示したものである。
【図８】ｚ軸方向に伝搬するガイド波の位相速度及び変位（ｕ）を計算するためのパイプの中心をｚ軸とした円柱座標のモデルを示したものである。
【図９】図８のモデルを用いて計算した最大変位の分布を示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係る流量測定装置を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。
【００１９】
〔流速の測定原理〕
図１は、本発明の実施の形態の流量測定装置における流速の測定原理説明するための説明図である。
図１において、左向きに開口するコ字形状の超音波流量測定管１は、流体流入部１−１、流量測定部１−２及び流体流出部１−３とから形成されている。
【００２０】
また、前記超音波流速測定管１の流量測定部１−２内には、流れ方向の上流側と下流側に、互いに所定距離Ｌを隔ててそれぞれ超音波送受信子２、３が配置されている。この超音波送受信子２、３は、それぞれ、超音波送受信装置４、５からの駆動パルスにより駆動されて振動し、超音波を発生送信する一方、送信されてきた超音波を受信するもので、それら超音波送受信子２、３が振動したときの受信波が超音波送受信装置４、５及びコントローラ６を介して流量演算回路７に送られ、演算結果を流量表示回路８に送るようになっている。
なお、図１では、流量測定部１−２の両側にそれぞれ超音波送受信子２、３を１個づつ設け、送信機能及び受信機能を切り替え使用するようにしているが、流量測定部１−２の両側にそれぞれ超音波送信子及び受信子を１組ずつ設ける構成や、電気回路を２組設けて、両側の送信子(送受信子)から同時に発信させ、両側の受信子(送受信子)で同時に受信させるように構成してもよいことはもちろんである。本明細書においては、送信機能及び受信機能を切り替え使用する構成、送信子及び受信子を別個に設ける構成、及び、電気回路を２組設けて、両側の送信子（送受信子）から同時に発信させ、両側の受信子（送受信子）で同時に受信させるようにする構成を含めて、流量測定部の両側にそれぞれ超音波送信子・受信子を設けるという。
図１において、超音波流量測定管１の径以上の波長になる周波数で超音波送受信子２、３を駆動すると超音波流量測定管１と内部の流体を一つの媒体とみなしたようなガイド波が励起・伝搬される（詳細は上記非特許文献１参照。）。
【００２１】
ところで、上流側の超音波送受信子２から流れに対して順方向に送信された超音波が下流側の超音波送受信子３で受信されるまでの超音波の伝搬時間Ｔ１と、下流側の超音波送受信子３から流れに対して逆方向に送信された超音波が上流側の超音波送受信子２で受信されるまでの超音波の伝搬時間Ｔ２との差ΔＴは流速に関係することから、この伝搬時間差ΔＴを求めることにより流体の流速を測定することができる。
【００２２】
いま、流速をｖ、ガイド波の群速度をｖｇ、超音波送受信子の間隔をＬ、超音波流速測定管内部の流体の流速がガイド波の群速度におよぼす影響を表す因子をβ（詳しくは特開２００７−２９８２７５号公報参照）とすると、伝搬時間差ΔＴは次のように表される。
ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１＝Ｌ／（ｖｇ−βｖ）−Ｌ／（ｖｇ＋βｖ）＝〔２Ｌβ／（ｖｇ２−β２ｖ２）〕ｖ≒〔２Ｌβ／ｖｇ２〕ｖ
よって、流速ｖは、
ｖ≒〔ｖｇ２／２Ｌβ〕ΔＴ  により求められる。
【００２３】
〔発振周波数の選定〕
ガイド波は速度分散性をもつので、ガイド波が励起される周波数ならどの周波数でも超音波流量計にふさわしいわけではなく、また、すべてのモードのガイド波が流量計に利用できるわけではない。そこで，特に流体部分に感度が高いモードを選定しなくてはならない。
具体例として内部に静水を満たした１／８インチPFA製パイプ(外径３．１７ｍｍ、内径１．５９ｍｍ)を伝搬するガイド波の位相速度を図２に示す。
図２中の各曲線はＬ（０，１）、Ｌ（０，２）、Ｌ（０，３）、Ｌ（０，４）・・・で表示されるモードを示しており、Ｌ（０，４）までしか表記していないが、Ｌ（０，３４）までプロットしている。
また、図の縦軸の１５００ｍ／ｓは水の縦波音速を、１２３０ｍ／ｓはＰＦＡの縦波音速を示している。
【００２４】
図２の中でも，特に、水の縦波音速１５００ｍ／ｓの近傍において複数のモードにまたがる傾きの小さな部分を結ぶ，図中にＡ、Ｂ、Ｃ、・・・、Ｋとアルフアベットで示した仮想的なモードが有効である。 この傾きが穏やかな部分は，不連続ではあるが，モードにまたがって存在し、実際に、ガイド波の振幅を計算すると，周波数的には不連続なのに，振幅の分布は同一モードの他の周波数の分布より，隣の傾きが穏やかな部分の振幅の分布に近いことが計算で確認されている。このようなことから、「仮想的なモード」というのは、円柱波の縦波音速に収束するガイド波に相当するものと推量されるものであり、本発明においては、ＰＦＡパイプと水の２層構造なので，まず水の縦波音速１５００ｍ／ｓに到達した後、ＰＦＡの縦波音速１２３０ｍ／ｓに収束している。
【００２５】
これらの仮想的なモードＡ、Ｂ、Ｃ、・・・、Ｋが有効である理由は、水の縦波音速１５００ｍ／ｓ近傍で周波数依存性が小さくなるからである。位相速度が水の縦波音速に近いということは，水の情報をより多く持っているということであるから，音速の情報も多く持つことになる。
【００２６】
実際に，図２から群速度を計算したのが図３である。
なお、基本的な計算方法については上記の非特許文献２を参照されたい。
Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・とアルファベットで示した仮想的なモードの群速度が速いことが確認される。
仮想的なモードは，周波数が低いときは、無限大に発散する。つまり、周波数が低いときは群速度が遅く、周波数が大きくなるにつれ徐々に水の縦波音速に近づき、そこで、位相速度の変化量が小さくなる。このときの群速度が最も水の縦波音速に近づく。それが、図３の群速度のピークに相当する。さらに周波数が上がると、また位相速度は減少し始めるので、群速度が小さくなる。その後、ＰＦＡの縦波音速に近づくとまた位相速度の変化は小さくなり、群速度もＰＦＡの縦波音速に近づく。
【００２７】
図３にプロットした範囲内では周波数０．３〜１．２ＭＨｚ, １．５〜１．９ＭＨｚ, ２．３〜３．３ＭＨｚ, ３．５〜４．７ＭＨｚにおいて水の縦波音速近傍の傾きの小さな部分を結ぶ仮想的なモードを用いると伝搬時間が短く、測定に都合が良いことが確認できる。
【００２８】
図４は、内部に静水を満たした外形１５．５６ｍｍ、内径２．４ｍｍのＰＦＡパイプを伝搬するガイド波の群速度を示したものである。図４ではガイド波の群速度のうち大きな主だったもののみを示し、小さなものは省略している。また、群速度は、図３と同じ計算方法で求めた。
図４にプロットした範囲内では周波数 ３．５４ＭＨｚ（第１のピーク）, ３．６８ＭＨｚ（第２のピーク）及び３．８８ＭＨｚ（第３のピーク）付近において群速度が約１３００ｍ／ｓのピークが３つ確認できる。  
【００２９】
〔超音波送受信子で励起される超音波〕 
超音波送受信子で励起される超音波の周波数は、群速度のピークの周波数に一致させることが望ましい。しかし、現実的には圧電素子の個体差、パイプの個体差、あるいは、電子回路の特性等もあり、一致させることは難しい。そのため、超音波送受信子が励起、検出できる周波数幅の範囲内で群速度のピークが孤立していることが望ましい。複数の周波数のガイド波を同時に検出すると「うなり」が生じたり、温度の影響などで周波数のピークがずれたときにその「うなり」の波形形状が変化し流量測定に悪影響を与える。図４の３つのピークのうち、第１、第２、及び第３のピークの群速度が大きく、第２のピークが第１及び第３のピークから孤立しているのが分かる。
【００３０】
図５は、図４に示された内部に静水を満たした外形１５．５６ｍｍ、内径２．４ｍｍのＰＦＡパイプを伝搬するガイド波の群速度の測定装置に適用するために用意した超音波送受信子において励起・検出された波形のパワースペクトルの例を示したものである。
共振ピークでの共振周波数ｆ０＝３．６７７ＭＨｚ、振動エネルギーが共振ピークの半値となる周波数の半値幅Δｆ＝０．１３３ＭＨｚであり、振動の状態を現す無次元数Ｑ＝２７．７４であった。
半値幅Δｆ＝０．１３３ＭＨｚと比較的小さくできたのは、図７に示すように、信号を増幅するためにパルス発生回路からの出力を共振回路及びアンプを通し、さらに共振回路及びアンプを通した信号を用いているからである。
【００３１】
半値幅Δｆ内に同程度の大きさの群速度の複数のピークがあると測定誤差につながるので適度な幅に設定する必要がある。
図６は、帯域幅とガイド波の速度分散の関係を示したものである。
ｆ０＝３．６７７ＭＨｚは、図４の第２のピークとほぼ一致しており、第１のピーク及び第３のピークは第２のピークを中心とする半値幅Δｆ＝０．１３３ＭＨｚの範囲から大きく離れている。
超音波送受信子から送信又は受信される周波数帯域を図６の第２のピーク近傍に設定できれば、安定した流量測定装置が得られるが、これより小さいと第１のピークが半値幅Δｆ内に入る可能性があり、また、大き過ぎても第３のピークが半値幅Δｆ内に入る可能性があり、安定した流量測定装置にはならない。
【００３２】
〔流量測定装置〕
図７は、本発明の実施の形態に係る流量測定装置の概念図を示したものである。
図７において、上向きに開口するコ字形状の超音波流量測定管１０は、流体流入部１１、流量測定部１２及び流体流出部１３とから形成されている。また、前記超音波流速測定管１の流量測定部１２には、流れ方向の上流側と下流側に、互いに所定距離Ｌを隔ててそれぞれ超音波送受信子１４、１５が配置されている。この超音波送受信子１４、１５は、それぞれ、送受信切替器１６、１７からの駆動パルスにより駆動されて振動し、超音波を発生送信する一方、送信されてきた超音波を受信するもので、それら超音波送受信子１４、１５が振動したときの受信波が送受信切替器１６、１７及びコントローラ１８を介して流量演算回路１９に送られ、演算結果を流量表示回路２０に送るようになっている。  
【００３３】
送受信切替器１６、１７とコントローラ１８との間には、信号を増幅するために共振回路２２、アンプ２３、共振回路２４及びアンプ２５と順に配列された増幅回路が接続されている。この増幅回路では、信号を増幅するため共振回路を用いていることから、励起される波形のパワースペクトルの半値幅Δｆを小さくできるという効果も果たしている。
共振回路２２、アンプ２３、共振回路２４及びアンプ２５と順に配列された増幅回路は、図７に示す送受信切替器１６、１７とコントローラ１８との間に設けることに限らず、パルス発生回路２１と送受信切替器１６、１７との間に設けても、同様の効果を奏する。
【００３４】
図７を用いて流量を測定する例を説明する。
（１）送受信切替器１６、１７によりＤＯＷＮ測定経路に切り替えを行う。
（２）パルス発生回路２１よりパルスを発生する。
（３）アンプにより±１０Ｖ程度の波形に増幅する。
（４）ＤＯＷＮ測定経路１を経由して超音波送受信子１４より超音波パルスを流量測定部１２の流路３０に送信する。
（５）超音波送受信子１５から超音波パルスを受信する。
（６）受信信号を、ＤＯＷＮ測定経路２を経由して、共振回路２２、アンプ２３、共振回路２４及びアンプ２５からなる増幅回路に送り、増幅する。
（７）Ａ／Ｄ変換により受信波形をデジタルデータに変換し、コントローラ１８に取り込む。
（８）流量演算回路１９で、ＤＯＷＮの伝搬時間Ｔ１を計算する。
（９）送受信切替器１６、１７によりＵＰ測定経路に切り替えを行う。
（１０）パルス発生回路２１よりパルスを発生する。
（１１）アンプにより±１０Ｖ程度の波形に増幅する。
（１２）ＵＰ測定経路１を経由して超音波送受信子１５より超音波パルスを流量測定部１２の流路３０に送信する。
（１３）超音波送受信子１４から超音波パルスを受信する。
（１４）受信信号を、ＵＰ測定経路２を経由して、共振回路２２、アンプ２３、共振回路２４及びアンプ２５からなる増幅回路に送り、増幅する。
（１５）Ａ／Ｄ変換により受信波形をデジタルデータに変換し、コントローラ１８に取り込む。
（１６）流量演算回路１９で、ＵＰの伝搬時間Ｔ２を計算する。
（１７）Ｔ１、Ｔ２より流速を求め、流速より流量を求める。
【００３５】
測定対象である流体の流速をｖ、流路の内径をｒとすると、流量Ｑ＝πｒ２ｖとなる。半導体製造装置等に用いられる細い管の内部を流れる微小流量を測定するには、ｒを小さくし、ｖを速くすれば良い。
たとえば、ｒを半分にすれば、ｖは４倍になり、検出感度が上がる。ただし、ｒが小さくなると、ガイド波として解析する必要があることは従来技術１に説明されているとおりである。また、半径が小さな超音波送受信子を利用するよりは、半径が大きな超音波送受信子を利用した方が、注入できるエネルギーが大きくなり受信感度検出感度が上がる。
【００３６】
超音波流量測定管１０内に形成された流路は、図７に示すように、流体流入部１１及び流体流出部１３に比べて流量測定部１２において径が小さく形成されている。すなわち、流量測定部１２における流路３０は、流体流入部１１の流路３１及び流体流出部１３の流路３２と接続される両側の部分においてテーパ部３３で絞られ、中央部において前後の流路と比べて径が小さくなっている。このため、流路の流速が上がり、検出感度を上げることができる。
流路３０の両側の部分における大径流路３４の径をφ１、中央部における小径流路３５の径をφ２とすると、φ２／φ１＝１／１０〜２／３の範囲に設定するのが望ましい。また、流路３０の全長をＬ０、小径流路３５の長さをＬ１（テーパ部３３の長さを含む。）とすると、Ｌ１／Ｌ０＝０．６〜０．９８の範囲に設定するのが望ましい。
【００３７】
一方、超音波送受信子１４、１５は、流量測定部１２における流路３０の径の大きい両側の大径流路３４に面して設けられるもので、超音波送受信子１４、１５の径は大径流路３４の径と同じか大きく設定されている。このように、超音波送受信子１４、１５からエネルギーを受ける流路３０の両側の流路３４の径を大きくし、超音波送受信子１４、１５の径も大径の流路の径と同じか大きく設定することにより、流路３０に注入できるエネルギーを大きくすることができるとともに、受信信号に必要な流体部分の断面積が大きくなり、流体部分の変位が拡大されるため、受信感度を上げることができる。
【００３８】
図８及び９に基づいて、流体部分の変位が拡大されることについて説明する。
図８に示すパイプの中心をｚ軸とした円柱座標を用いて、ｚ軸方向に伝搬するガイド波の位相速度及び変位（ｕ）を計算した。
ｕｚは変位の方向と伝搬方向が一致するので縦波のような成分であり、ｕｒは変位の方向と伝搬方向が直交するので横波のような成分である。なお、軸対称モードで計算しているので、ｕθ＝０である。
図９に計算結果に基づく、最大変位の分布を示す。
図９から、流体部分の縦波成分の変位ｕｚが大きいことがわかる。
ガイド波はパイプ部分も流体部分も同時に伝搬するが、パイプ部分や流体部分における変位の割合はモードや周波数に依存する。
しかし、流速測定に主として貢献するのは、流体部分の縦波成分の変位ｕｚである。
大振幅のガイド波を励起するには超音波送受信子の面積を大きくした方がよいが、流速感度を上げるためには流路の断面積を小さくした方がよい。しかし、このような設定ではＳ／Ｎの点で不利である。
したがって、流路３０の中央部を小径流路３５とし、その両側を大径流路３４とすることにより、流速感度を上げつつ、流体部分の縦波成分の変位ｕｚを拡大して受信することができ、Ｓ／ｎを改善するとともに受信感度を上げることができるのである。
【００３９】
一例を上げて説明する。
比較例として、流路３０が全長において径が一定で、流路の径が２．５ｍｍであるものを用いた。
本件発明の実施例として、流路３０の両側の大径流路３４の径が６．０ｍｍ、中央の小径流路３５の径が２．５ｍｍであるものを用いた。
また、Ｌ１／Ｌ０＝０．６２５であった。
実施例の有効面積は、比較例の有効面積と比較すると、
３２π／１．２５２π＝９／１．５６２５＝５．７６倍
となり、流路３０に注入できるエネルギーを大きくすることができるとともに、流体部分の縦波成分の変位ｕｚを拡大して受信することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１    超音波流速測定管
２    超音波送受信子
３    超音波送受信子
４    超音波送受信装置
５    超音波送受信装置
６    コントローラー
７    流量演算回路
８    流量表示回路
１０  超音波流量測定管
１１  流体流入部
１２  流量測定部
１３  流体流出部
１４  超音波送受信子
１５  超音波送受信子
１６  送受信切替器
１７  送受信切替器
１８  コントローラー
１９  流量演算回路
２０  流量表示回路
２１  パルス発生回路
２２  共振回路
２３  アンプ
２４  共振回路
２５  アンプ
３０  流量測定部における流路
３１  流体流入部の流路
３２  流体流出部の流路
３３  テーパ部
３４  流路の両側の部分における大径流路
３５  中央の小径流路
【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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