(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が矩形状であり、長辺側が予め決められた高さを有する二つの平行な平板を有する流路と、前記二つの平板の外側であり短辺側に位置し、超音波の送受信面が前記予め決められた高さと実質的に同じ高さを有する二つのトランスジューサとを具備し、前記超音波の伝搬経路は前記予め決められた高さに規定されており、かつ前記トランスジューサは音波放射面全体が一様に振動することにより前記予め決められた高さの方向に一様な音圧分布をつくることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
二つのトランスジューサが送受信する超音波の波長に対して、前記二つのトランスジューサの送受信面の幅が十分に小さいことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
二つのトランスジューサが送受信する超音波の波長に対して、前記二つのトランスジューサの送受信面の幅が十分に大きいことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項４】
一方のトランスジューサから送信された超音波を反射して他方のトランスジューサに送信する反射面を設けた請求項１から３のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項５】
流路とトランスジューサとの間に位置し、前記流路に対して前記超音波を送信または受信する面が前記流路の前記トランスジューサ側の壁面に対して凹凸を生じない形状を有する超音波伝達子を具備する請求項１から４のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項６】
トランスジューサは送受信が互いに対向して設けられた請求項１から３のいずれかに記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２個一組の超音波トランスジューサを流れの上流側、下流側にそれぞれ配置し、超音波を一方で送信、他方で受信することにより、被測定流体の流量を測定する超音波流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波を用いた流量計測は古くから良く知られた技術であり、主にパイプ中を流れる液体の流量を測定する工業用の超音波流量計が開発されている。代表的な例としては、液体が流れているパイプの外側に、パイプの長手方向に上流側と下流側に２個の超音波トランスジューサを取り付け、一方で超音波パルスを送信し他方で受信することを交互に行い、それぞれの伝搬時間を計測することにより液体の流速を求め、パイプ内の断面積を乗じて流量を算出する流量計がある。
【０００３】
以下に、従来の超音波流量計について説明する。
図７、図８、図９は従来の超音波流量計の流路検出部の模式図である。図７において、１は被測定流体が流れる流路、２０は流路を構成するパイプ、４、５は超音波を送信または受信するトランスジューサ、ｖは流路１を流れる液体の流速、Ｃは液体が静止しているときの液体中の音速である。トランスジューサ４から送信された超音波は液体中を伝搬し、トランスジューサ５で受信される。この送信から受信までの液体中の伝搬時間をｔ１  とする。このとき、液体中を超音波が伝搬した距離をＬ、パイプ２０の長手方向と超音波の伝搬方向とのなす角をθとすると、次式が成り立つ。
【０００４】
【数１】
0003584578.tif 000002
【０００５】
次にトランスジューサ５から送信された超音波が液体中を伝搬し、トランスジューサ４で受信される。この液体中の伝搬時間をｔ２  とすると、同様に次式が成り立つ。
【０００６】
【数２】
0003584578.tif 000003
【０００７】
これら２式からそれぞれ伝搬時間の逆数を求めると、次式のようになる。
【０００８】
【数３】
0003584578.tif 000004
【０００９】
これら２式の差を求めると、次式のようになる。
【００１０】
【数４】
0003584578.tif 000005
【００１１】
したがってこの式から流速ｖを求めると、次式のようになる。
【００１２】
【数５】
0003584578.tif 000006
【００１３】
以上の流速ｖに流路１の断面積を乗じることにより、流量が求められる。
この流速ｖの式からわかるように、式には静止音速Ｃが含まれておらず、流体の種類等による音速の差に関係なく、伝搬時間ｔ１  とｔ２  を計測することにより液体の流速を求めることができる。
【００１４】
図８は、一方のトランスジューサから送信した超音波のエネルギーができるだけもう一方のトランスジューサに受信されるような工夫として、トランスジューサ４とパイプ２０の間、トランスジューサ５とパイプ２０の間にそれぞれ超音波伝達子２１、２２を挿入したもので、超音波の屈折による入射角の変化を考慮して角度を設定してある。このような形式においても、流速ｖと流量は図７の例と同様の方法で求めることができ、音速には無関係となる。
【００１５】
図９は、パイプ２０を透過させずに直接流路１に超音波を送受信できるように、パイプ２０の中にトランスジューサ４、５を設置したものである。この形式においても、流速ｖと流量は図７の例と同様の方法で求めることができ、音速には無関係となる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の従来の構成では、図７においては、送信側のトランスジューサから送信された超音波ビームは方向の調節ができず、もし超音波の指向性が小さくビームが細ければ、もう一方のトランスジューサには受信されないため、実際にこの方式を用いるためにはトランスジューサはかなり広い指向性を持っていなければならない。計測の方式上、トランスジューサ４、５のいずれも送信側になるため、両方とも指向性が広くなければいけない。このように指向性を広くした場合、トランスジューサの設置位置の精度が多少粗くても超音波の送受信が可能となる利点はあるが、超音波ビームはパイプ２０の長手方向と径方向の両方に広がってしまうため、受信側のトランスジューサで受信される超音波は大きく広がった超音波ビームの一部でしかなく、非常に効率が悪くなってしまうという問題点を有していた。
【００１７】
また、図８においては、送信側の超音波伝達子によって超音波ビームの向きを設定することができるため、図７の場合とは逆に超音波の指向性を狭くして受信側のトランスジューサに入射する超音波のエネルギーを集中できるという利点はあるが、送信した超音波ビームを確実に受信側のトランスジューサに入射させるためには、超音波伝達子の角度、トランスジューサと超音波伝達子のパイプ２０に対する長手方向の位置、周方向の位置について、かなり正確な調節が必要となり、超音波ビームの方向がずれると急激に受信出力が落ちてしまうことになる。このようにいくつもの角度・位置の厳密な調節が必要となる場合、長期間メンテナンスを行わずに流量計を設置しておくような用途には、振動等の何らかの理由で位置や角度がずれて出力が急激に落ち流量検出が不能となる可能性があるため、適切とはいえないという問題点を有していた。
【００１８】
また、図９においては、被測定流体である液体に対して直接超音波を送受信するため境界面での反射等によるロスがなく効率的であるが、パイプ２０の内部に凹部ができて液体に渦が生じやすく、またパイプ２０の形状も特殊な形状に加工しなければならないという問題点を有していた。さらに、パイプ２０の中にトランスジューサ４、５を設置するため、超音波ビームの出射方向についてアラインメントしずらい上、一度設置した後のメンテナンス等が難しく、また流量計作製時にトランスジューサの不調が起こった場合にトランスジューサだけでなくパイプ２０を含めた全体を交換しなければならないため、歩留まりが悪く、コストが高くなってしまうという問題点も有していた。
【００１９】
また、図７、図８、図９のいずれにおいても、パイプ２０の外側に向かってトランスジューサ４、５の後部が突き出るため、パイプ２０の横のスペースをあまりとれない場合には取り付けが難しいという問題を有していた。
【００２０】
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、高感度・高安定性で精度が良く、コンパクトで低コストな超音波流量計を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の超音波流量計は、断面が矩形状であり、長辺側が予め決められた高さを有する二つの平行な平板を有する流路と、前記二つの平板の外側であり短辺側に位置し、超音波の送受信面が前記予め決められた高さと実質的に同じ高さを有する二つのトランスジューサとを具備し、前記超音波の伝搬経路は前記予め決められた高さに規定されており、かつ前記トランスジューサは音波放射面全体が一様に振動することにより前記予め決められた高さの方向に一様な音圧分布をつくるものである。
【００２２】
また、前記構成において、トランスジューサが超音波の波長に対して十分に小さい幅を有しても良い。
【００２３】
また、前記構成において、トランスジューサが超音波の波長に対して十分に大きな幅を有しても良い。
【００２４】
また、本発明の好ましい実施態様の超音波流量計は、更に一方のトランスジューサから送信された超音波を反射して他方のトランスジューサに送信する反射面を設けたものである。
【００２５】
また、本発明の好ましい実施態様の超音波流量計は、流路とトランスジューサとの間に位置し、前記流路に対して前記超音波を送信または受信する面が前記流路の前記トランスジューサ側の壁面に対して凹凸を生じない形状を有する超音波伝達子を具備するものである。
【００２６】
また、本発明の好ましい実施態様の超音波流量計は、トランスジューサは送受信が互いに対向して設けられている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、予め決められた高さを有する二つの平行な平板を備える流路と、前記二つの平板の外側に位置し、超音波の送受信面が前記予め決められた高さと実質的に同じ高さを有する二つのトランスジューサとを具備するものであり、送信側のトランスジューサから出射した超音波の音圧を高さ方向にわたって一様にし、かつ受信側のトランスジューサの受信面全面で受信することができるため感度を高めることができるとともに、安定した受信出力を得ることができる。
【００２８】
本発明の請求項４に記載の発明は、被測定流体が流れる流路と、前記流路の外側に位置し前記流路の長手方向に対して実質的に平行な方向に超音波を送受信する第１トランスジューサ及び第２のトランスジューサと、前記第１のトランスジューサの正面に位置して前記第１のトランスジューサから送信された超音波を前記流路の内部に向かって反射し、前記第２のトランスジューサから送信された超音波を前記第１のトランスジューサへ送信する第１の反射面と、前記第２のトランスジューサの正面に位置して前記第２のトランスジューサから送信された超音波を前記流路の内部に向かって反射し、前記第１のトランスジューサから送信された超音波を前記第２のトランスジューサへ送信する第２の反射面とを具備するものであり、送信側と受信側の両方のトランスジューサを流路に対して平行に設置することができ、流路に対して斜めに設置する必要がなくなるため、流量検出部を非常にコンパクトにすることができる。
【００２９】
本発明の請求項５に記載の発明は、被測定流体が流れる流路と、前記被測定流体を介して超音波の送信または受信を行う第１、第２のトランスジューサと、前記流路と前記第１のトランスジューサとの間に位置し、前記流路に対して前記超音波を送信または受信する面が前記流路の前記第１のトランスジューサ側の壁面に対して凹凸を生じない形状を有する第１の超音波伝達子と、前記流路と前記第２のトランスジューサとの間に設置しかつ前記流路に対して前記超音波を送信または受信する面が前記流路の前記第２のトランスジューサ側の壁面に対して凹凸を生じない形状を有する第２の超音波伝達子とを具備するものであり、流路の壁面に凹凸がなくなり、被測定流体の流れを乱すことがなくなるため、測定精度を向上することができ、かつ被測定流体に直接超音波伝達子が接しているので、境界面での反射等によるロスがなくなる。
【００３０】
本発明の請求項６に記載の発明は、被測定流体を介して超音波の送受信を行う第１トランスジューサ及び第２のトランスジューサを流量検出に最適な位置と角度に調節して固定具で固定された超音波送受波モジュールであり、トランスジューサを流量計内に設置してから角度や位置を調節する必要がなくなるため、組立工程の作業効率を高めることができるとともに、点検時や不調時に超音波送受波モジュールのみの取り出しや交換が可能となる。
【００３１】
【実施例】
（実施例１）
以下本発明の第１の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００３２】
図１は本発明の第１の実施例における超音波流量計の流量検出部の概略図である。図１において、１は速度ｖで被測定流体が流れる流路で、２が流路１の上壁、３が流路１の下壁であり、上壁２と下壁３は互いに平行な平面である。１１、１２は流路１の横の壁面で、１６及び１７はそれぞれ壁面１１とトランスジューサ４の隙間及び壁面１２とトランスジューサ５の隙間を埋める補助壁である。本実施例では流路１に流れる被測定流体は空気とする。Ｃは無風状態での音速である。４、５は超音波を送信または受信するトランスジューサであり、電気信号を音響信号へあるいは音響信号を電気信号へ変換する素子である。このトランスジューサ４、５は、ある時間においてはトランスジューサ４から超音波が送信されて空気中を伝搬し、トランスジューサ５で受信される。この送信から受信までの空気中の伝搬時間をｔ１  とする。このとき、空気中を超音波が伝搬した距離をＬ、流路１の長手方向と超音波の伝搬方向とのなす角をθとする。またある時間においてはトランスジューサ５から送信されてトランスジューサ４で受信され、その伝搬時間をｔ２  とする。
【００３３】
このような状態における流速ｖは、従来の技術で示した方法と同様に、（数５）で求められる。すなわち、この式には静止音速Ｃが含まれていないため、音速の差に無関係に伝搬時間ｔ１  とｔ２  を計測することにより流速を求めることができる。
【００３４】
このような超音波流量計の流量検出部の製造方法の一例を図１を用いて説明する。
【００３５】
まず初めに各寸法を決める。流路１の高さＨと、壁面１１と壁面１２の幅を決める。次にトランスジューサ４と５の高さｈと幅を決める。このとき、流路１の高さＨと、トランスジューサ４と５の超音波の送受信面の高さｈは等しくする。
【００３６】
次に流路１を作製する。流路１は、トランスジューサ４、５の周辺部を除いて断面が矩形であるため、平板を用いて作製する。平板の材料は、流路１に流す被測定流体に対して化学反応等を生じず、漏れることのないように気密性のあるものを用いる。本実施例では被測定流体は空気であるため、上記条件に合うものとしてアクリル板を用いた。次に寸法に合わせて下壁３、壁面１１、壁面１２の３枚の平板をエポキシ樹脂系の接着剤を用いて接着し、この段階で上壁２のない矩形流路を構成する。ただし上壁２と下壁３は、トランスジューサ４と５の前に流路１の凹部ができるため、その部分をカバーできるような寸法にしておく。次にθの値を決め、それに対応してトランスジューサ４、５が流路１の中心に対して対称な位置にくるように、トランスジューサ４と５の位置を決める。その位置に対応する壁面１１、１２の位置に切り込みを入れ、補助壁１６、１７を接着剤で取り付けた後、上壁２を接着剤で取り付ける。この段階で空気の入口と出口、トランスジューサ４と５の取り付け口の４カ所の穴が開いた流路１ができる。
【００３７】
次にトランスジューサ４と５を取り付ける。トランスジューサ４と５は、圧電振動子の振動等により超音波を送受信することができるものを用いる。トランスジューサ４と５は、既に決められている取り付け位置に、流路１を挟むように対向して取り付ける。ただしここではネジ等による仮止めとし、ここでトランスジューサ４と５の向きをそれぞれ微調節して送受信感度が初期設定感度となる向き（例えば感度が最大となる向き）を見つける。向きが決まったら、その向きが固定されるようにトランスジューサ４と５を接着剤で固定する。
【００３８】
最後に、気密性を完全にする。すなわち、トランスジューサ４と５の微調節により生じた流路１の隙間を接着剤等で塞ぐ。
【００３９】
以上のようにして、本実施例における超音波流量計の流量検出部を作製することができる。
【００４０】
このような構成の超音波流量計の流量検出部は以下のように動作する。
まず、トランスジューサ４を送信側、トランスジューサ５を受信側とする。超音波流量計のトランスジューサ駆動回路から駆動信号を受けた送信側のトランスジューサ４は、その電気信号を音響信号に変換し、流路１に向かって超音波を送信する。駆動信号は、一定の周波数で一定の波数の波連を発振するバースト発振信号である。このとき、送信側のトランスジューサ４は、図１で斜線で示した音波放射面全面が一様に振動して超音波を送信し、放射面の振動のムラはないものとする。流路１を斜めに伝搬した超音波は、対向するもう一方の受信側のトランスジューサ５で受信され、その音響信号は電気信号に変換されて受信回路に入射する。各波連に対応する受信信号の回数が予め規定した回数に達すると、送信側と受信側のトランスジューサが切り替えられる。すなわち、トランスジューサ５が送信側、トランスジューサ４が受信側となる。以降の動作は上記と同様である。このように、送信と受信のトランスジューサを切り替えることによってｔ１とｔ２がそれぞれ求められ、前述のように（数５）を用いて流速、流量を求めることができる。
【００４１】
超音波流量計においては、トランスジューサ４、５における送受信の感度ができるだけ高い方が測定に有利である。しかし、一般的に開空間における遠距離音場ではトランスジューサから送信された超音波ビームは広がっていく。また開空間でなくても、トランスジューサから放射された音波が広がりをもてるような空間の場合では同様である。これは超音波ビームに指向性があるためで、このような場合、送信側と受信側のトランスジューサが同じ形状寸法であれば超音波ビームが広がる分、送受信の効率は悪くなる。したがって、超音波のエネルギーができるだけ受信側のトランスジューサに集中するようにした方が感度が上がるとともに効率もよくなる。本実施例では流路１を上壁２と下壁３の平行平面で限定するとともに、流路１の高さＨとトランスジューサ４、５の高さｈを等しくした。このような構成にすることにより、送信側のトランスジューサから出射した超音波の音圧を高さ方向にわたって一様にし、かつ受信側のトランスジューサの受信面全面で受信することができる。
【００４２】
実際にこのような超音波流量計を構成して実験を行った結果、開空間でトランスジューサ２個を対向した場合よりも高い送受信感度特性が得られることが確認できた。
【００４３】
また、このような高さ方向に条件づけた構成に加えて、トランスジューサの幅方向の条件をつけることにより超音波ビームの指向性を調節することができ、ビーム幅を広くしたり、あるいは狭くしたりすることができる。
【００４４】
例えば、送信側のトランスジューサの幅を超音波の波長よりも小さくすると、超音波の指向性は広くなるため、トランスジューサから出射された超音波ビームは流路１内で横方向に広がる。したがってこのような構成の超音波流量計では、空気の流れによって超音波が下流方向に流されても受信側のトランスジューサの受信レベルを一定に保つことができる。
【００４５】
あるいは、送信側のトランスジューサの幅を超音波の波長よりも十分に大きくすると、超音波の指向性は狭くなるため、トランスジューサから出射された超音波ビームは流路１内で横方向には広がらず、空気の流速ｖが小さい場合においてはほとんどの超音波エネルギーを受信側のトランスジューサに集中することができるため、高感度を実現することができる。
【００４６】
なお、このような高さ方向の条件づけ、横方向の条件づけは、超音波の伝搬経路が図２、図３のような場合でも同様な効果を有する。
【００４７】
（実施例２）
以下本発明の第２の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００４８】
図４は本発明の第２の実施例における超音波流量計の流量検出部で、（ａ）は上から見た概略図である。図４（ａ）において、１は速度ｖで被測定流体が流れる流路で、図４（ｂ）は流路１を被測定流体の入口から見たときの概略図である。本実施例では流路１に流れる被測定流体は空気とし、Ｃは無風状態での音速である。２は流路１の上壁、３は流路１の下壁であり、上壁２と下壁３は互いに平行な平面である。４、５は超音波を送信または受信するトランスジューサであり、電気信号を音響信号へあるいは音響信号を電気信号へ変換する素子である。９は例えばステンレス等の金属板からなり、トランスジューサ４から送信された超音波を反射する反射面、１０はトランスジューサ５から送信された超音波が反射する反射面であり、１１、１２は流路１の横の壁面で、１６及び１７はそれぞれ反射面９とトランスジューサ４の隙間及び反射面１０とトランスジューサ５の隙間を埋める補助壁である。トランスジューサ４、５は、ある時間においてはトランスジューサ４から超音波が送信されて反射面９、１０で反射しながら空気中を伝搬し、トランスジューサ５で受信される。この送信から受信までの空気中の伝搬時間をｔ１  とする。このとき、空気中を超音波が伝搬した距離をＬ、流路１の長手方向と超音波の伝搬方向とのなす角をθとする。またある時間においてはトランスジューサ５から超音波が送信されて反射面１０、９で反射しながら空気中を伝搬し、トランスジューサ４で受信され、その伝搬時間をｔ２  とする。
【００４９】
このような状態における流速ｖは、従来の技術で示した方法と同様に、（数５）で求められる。すなわち、この式には静止音速Ｃが含まれていないため、音速の差に無関係に伝搬時間ｔ１  とｔ２  を計測することにより流速を求めることができる。
【００５０】
このような超音波流量計の流量検出部の製造方法の一例を図４を用いて説明する。
【００５１】
まず初めに各寸法を決める。流路１の高さＨと、壁面１１と壁面１２の幅を決める。次にトランスジューサ４と５の高さｈと幅を決める。このとき、流路１の高さＨと、トランスジューサ４と５の高さｈは等しくする。
【００５２】
次に流路１を作製する。流路１は、トランスジューサ４、５の周辺部を除いて断面が矩形であるため、平板を用いて作製する。平板の材料は、流路１に流す被測定流体に対して化学反応等を生じず、漏れることのないように気密性のあるものを用いる。本実施例では被測定流体は空気であるため、上記条件に合うものとしてアクリル板を用いた。次に寸法に合わせて下壁３、壁面１１、壁面１２の３枚の平板をエポキシ樹脂系の接着剤を用いて接着し、この段階で上壁２のない矩形流路を構成する。ただし上壁２と下壁３は、トランスジューサ４と５の前に流路１の凹部ができるため、その部分をカバーできるような寸法にしておく。次にθの値を決め、それに対応して反射面９、１０が流路１の中心に対して対称な位置にくるように反射面９と１０の位置を決め、その位置に対応する壁面１１、１２の位置に切り込みを入れ、接着剤で壁面１１と下壁３、壁面１２と下壁３にそれぞれ取り付ける。このとき反射面９、１０の向きは、図４（ａ）で示されているように、流路１を伝搬してきた超音波が流路１の長手方向と平行な方向に反射されてトランスジューサ４、５で受信されるような向きとなるようにする。さらに、反射面９、１０から一定距離だけ離してトランスジューサ４、５の位置を決める。このとき、トランスジューサ４、５から送信されて反射面９、１０で反射された超音波が、トランスジューサ４、５にかからないようにある程度の余裕をもって位置を決める。そして補助壁１６、１７を接着剤で取り付けた後、上壁２を接着剤で取り付ける。この段階で空気の入口と出口、トランスジューサ４と５の取り付け口の４カ所の穴が開いた流路１ができる。
【００５３】
次にトランスジューサ４と５を取り付ける。トランスジューサ４と５は、圧電振動子の振動等により超音波を送受信することができるものを用いる。トランスジューサ４と５は、既に決められている取り付け位置に、それぞれ反射面９、１０に向けて取り付ける。ただしここではネジ等による仮止めとし、ここでトランスジューサ４と５の向きをそれぞれ微調節して送受信感度が初期設定感度となる向き（例えば感度が最大となる向き）を見つける。向きが決まったら、その向きが固定されるようにトランスジューサ４と５を接着剤で固定する。
【００５４】
最後に、気密性を完全にする。すなわち、トランスジューサ４と５の微調節により生じた流路１の隙間を接着剤等で塞ぐ。
【００５５】
以上のようにして、本実施例における超音波流量計の流量検出部を作製することができる。
【００５６】
このような構成の超音波流量計の流量検出部は以下のように動作する。
まず、トランスジューサ４を送信側、トランスジューサ５を受信側とする。超音波流量計のトランスジューサ駆動回路から駆動信号を受けた送信側のトランスジューサ４は、その電気信号を音響信号に変換し、反射面９に向かって超音波を送信する。駆動信号は、一定の周波数で一定の波数の波連を一定の周期で発振するバースト発振信号である。このとき、送信側のトランスジューサ４は、音波放射面全面が一様に振動して超音波を送信し、放射面の振動のムラはないものとする。反射面９で反射された超音波は流路１を斜めに伝搬し、対向するもう一方の反射面１０で反射されて受信側のトランスジューサ４で受信され、その音響信号が電気信号に変換されて受信回路に入射する。各波連に対応する受信信号の回数が予め規定した回数に達すると、送信側と受信側のトランスジューサが切り替えられる。すなわち、トランスジューサ５が送信側、トランスジューサ４が受信側となる。以降の動作は上記と同様である。このように、送信と受信のトランスジューサを切り替えることによってｔ１とｔ２がそれぞれ求められ、前述のように（数５）を用いて流速、流量を求めることができる。
【００５７】
通常は流路１を斜めに横切るように超音波が伝搬しなければ測定できないため、一般的には送信側と受信側のトランスジューサを流路１の長手方向に対して斜めに設置するのが普通だが、この設置方法の場合は流路１の外側に大きなスペースが必要となる。したがって本実施例では、図４のように流路１に平行して隣接するようにトランスジューサ４、５を設置し、反射面９、１０で超音波を斜めに反射して流路１に入射することにより、送受信を行うことができる。このような構成の超音波流量計においては、流路１の外側のスペースはトランスジューサ４、５の幅程度で済むため、非常にコンパクトな超音波流量計を実現することができる。
【００５８】
なお、このような反射面９、１０の設置は、超音波の伝搬経路が図２、図３のような場合でも同様な効果を有する。
【００５９】
（実施例３）
以下本発明の第３の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００６０】
図５は本発明の第３の実施例における超音波流量計の流量検出部で、（ａ）は上から見た概略図である。図５（ａ）において、１は速度ｖで被測定流体が流れる流路で、図５（ｂ）は流路１を被測定流体の入口から見たときの概略図である。本実施例では流路１に流れる被測定流体は空気とし、Ｃは無風状態での音速である。２は流路１の上壁、３は流路１の下壁であり、上壁２と下壁３は互いに平行な平面である。４、５は超音波を送信または受信するトランスジューサであり、電気信号を音響信号へあるいは音響信号を電気信号へ変換する素子である。１１、１２は流路１の横の壁面で、１３、１４は壁面１１、１２に凹部が生じないように設置された超音波伝達子で直接被測定流体に接している。トランスジューサ４、５から送信された超音波を、屈折を用いて流路１の空気に入射できるように、かつ流路１を通過してきた超音波を屈折を用いてトランスジューサ５、４に入射できるようになっている。このように、トランスジューサ４、５は、ある時間においてはトランスジューサ４から超音波が送信され、超音波伝達子１３を通過して空気中を伝搬し、超音波伝達子１４を通過してトランスジューサ５で受信される。このときの送信から受信までの超音波の空気中での伝搬時間をｔ１  とする。空気中を超音波が伝搬した距離をＬ、流路１の長手方向と超音波の伝搬方向とのなす角をθとする。またある時間においてはトランスジューサ５から超音波が送信され、超音波伝達子１４を通過して空気中を伝搬し、超音波伝達子１３を通過してトランスジューサ４で受信され、そのときの空気中での伝搬時間をｔ２  とする。
【００６１】
このような状態における流速ｖは、従来の技術で示した方法と同様に、（数５）で求められる。すなわち、この式には静止音速Ｃが含まれていないため、音速の差に無関係に伝搬時間ｔ１  とｔ２  を計測することにより流速を求めることができる。
【００６２】
このような超音波流量計の流量検出部の製造方法の一例を図５を用いて説明する。
【００６３】
まず初めに各寸法を決める。流路１の高さＨと、壁面１１と壁面１２の幅を決める。次にトランスジューサ４と５の高さｈと幅を決める。このとき、流路１の高さＨと、トランスジューサ４と５の高さｈは等しくする。  次に流路１を作製する。流路１は、トランスジューサ４、５の周辺部を除いて断面が矩形であるため、平板を用いて作製する。平板の材料は、流路１に流す被測定流体に対して化学反応等を生じず、漏れることのないように気密性のあるものを用いる。本実施例では被測定流体は空気であるため、上記条件に合うものとしてアクリル板を用いた。次に寸法に合わせて下壁３、壁面１１、壁面１２の３枚の平板をエポキシ樹脂系の接着剤を用いて接着し、この段階で上壁２のない矩形流路を構成する。次に超音波伝達子１３、１４の材料を決める。超音波伝達子１３、１４の材料は、密度とその材料の音速との積で求まる音響インピーダンスが、トランスジューサ４、５の音響インピーダンスよりも小さく、かつ空気の音響インピーダンスよりも大きなもの（例えばアクリル樹脂等）を選ぶ。次にθの値を決め、それに対応して決まる超音波伝達子１３、１４内での屈折角を求めて超音波伝達子１３、１４の形状を図５（ａ）のように加工し、トランスジューサ４、５と超音波伝達子１３、１４を図５（ａ）のように接着剤で接着する。このとき、接着剤の影響を少なくするために、できるだけ接着剤は薄くした方が良い。そしてトランスジューサ４、５が流路１の中心に対して対称な位置にくるように、超音波伝達子１３と１４がそれぞれ接着されているトランスジューサ４と５の位置を決め、その位置に対応する壁面１１、１２の位置に切り込みを入れ、上壁２を接着剤で取り付ける。この段階で空気の入口と出口、超音波伝達子１３と１４がそれぞれ接着されたトランスジューサ４と５の取り付け口の４カ所の穴が開いた流路１ができる。
【００６４】
次に超音波伝達子１３、１４が接着されたトランスジューサ４と５を取り付ける。トランスジューサ４と５は、圧電振動子の振動等により超音波を送受信することができるものを用いる。超音波伝達子１３、１４が接着されたトランスジューサ４と５は、既に決められている取り付け位置に、流路１を挟むように対向して取り付ける。ただしここではネジ等による仮止めとし、ここでトランスジューサ４と５の向きをそれぞれ微調節して送受信感度が初期設定感度となる向き（例えば感度が最大となる向き）を見つける。向きが決まったら、その向きが固定されるように超音波伝達子１３、１４が接着されたトランスジューサ４と５を接着剤で固定する。
【００６５】
最後に、気密性を完全にする。すなわち、微調節により生じた流路１の隙間を接着剤等で塞ぐ。
【００６６】
以上のようにして、本実施例における超音波流量計の流量検出部を作製することができる。
【００６７】
このような構成の超音波流量計の流量検出部は以下のように動作する。
まず、トランスジューサ４を送信側、トランスジューサ５を受信側とする。超音波流量計のトランスジューサ駆動回路から駆動信号を受けた送信側のトランスジューサ４は、その電気信号を音響信号に変換し、超音波伝達子１３に超音波を送信する。超音波伝達子１３内を伝搬した超音波は、超音波伝達子１３と流路１との境界面で屈折し、流路１に超音波を入射する。駆動信号は、一定の周波数で一定の波数の波連を一定の周期で発振するバースト発振信号である。このとき、送信側のトランスジューサ４は、音波放射面全面が一様に振動して超音波を送信し、放射面の振動のムラはないものとする。流路１を斜めに伝搬した超音波は、流路１と超音波伝達子１４の境界面で屈折して超音波伝達子１４に入射し、受信側のトランスジューサ５で受信され、その音響信号は電気信号に変換されて受信回路に入射する。各波連に対応する受信信号の回数が予め規定した回数に達すると、送信側と受信側のトランスジューサが切り替えられる。すなわち、トランスジューサ５が送信側、トランスジューサ４が受信側となる。以降の動作は上記と同様である。このように、送信と受信のトランスジューサを切り替えることによってｔ１とｔ２がそれぞれ求められ、前述のように（数５）を用いて流速、流量を求めることができる。
【００６８】
通常、流路１の空気に直接超音波を送信するタイプのものは、流路１を斜めに超音波が伝搬するように、流路１の外側に斜めにトランスジューサ４、５を取り付けるが、その際に壁面１１、１２には凹部ができてしまう。このような凹部があると、そこに空気の渦ができてしまい、正確な流速計測ができなくなってしまうため、できるだけ壁面１１、１２には凹部ができないような構造にした方がよい。したがって本実施例では、図５のように超音波を送信するトランスジューサ４、５と流路１の空気との間に、流路１の入口から出口までの壁面１１、１２が全体として平面となるような凹部に収まる形状を有する超音波伝達子１３、１４を設置した。超音波伝達子１３、１４の寸法と角度は、超音波の屈折による空気への入射角を考慮して設定した。このような構成の超音波流量計においては、流路１の壁面に凹部がなく、流れる空気に渦ができないため、精度の高い流速計測を行うことができる。
【００６９】
なお、このような超音波伝達子１３、１４の設置は、超音波の伝搬経路が図２、図３のような場合でも同様な効果を有する。
【００７０】
（実施例４）
以下本発明の第４の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００７１】
図６は本発明の第４の実施例における超音波流量計の超音波送受波モジュールの概略図である。図６において、４、５は超音波を送信または受信するトランスジューサであり、圧電振動子の振動等により超音波を送受信できるもので、電気信号を音響信号へあるいは音響信号を電気信号へ変換する素子である。１５はトランスジューサ４、５の相対的な位置と角度を決定し固定するための固定具で、材料としては、流路に流す被測定流体に対して化学反応等を生じず、漏れることのないように気密性のあるものを用いる。実際には超音波流量計の流路の材料と同じものを用いるのがよい。本実施例では４本の棒状体でトランスジューサ４、５を固定しているが、固定の方法はそれ以外でもよく、例えばトランスジューサ４、５の上面、下面に平行な板を用いて固定する方法などもある。
このような超音波送受波モジュールを用いた超音波流量計の製造方法の一例を図                                                                      ６を用いて説明する。
【００７２】
まずトランスジューサ４と５の相対的な向きを決める。すなわち、予め流量検出に最適な状態を決めておき、それに合うように設定する。例えば、トランスジューサ４、５からお互いに超音波を送受信して、出力感度が最大となるところで接着剤で固定する。接着剤も被測定流体に対して化学反応等を生じず、漏れることがないように気密性があるものがよい。あるいは、被測定流体の流れによって超音波が下流方向に流されることを考慮し、感度が最大となる角度よりもやや上流側に向けた角度で接着剤で固定するといった方法もある。トランスジューサ４と５の距離は、超音波送受波モジュールを取り付ける超音波流量計の流路の寸法と、設置する位置によって必然的に決まる。また、トランスジューサ４、５と固定具１５の固定の方法は、接着剤による固定のほか、ネジ止めによる固定等、いずれでも良い。
【００７３】
以上のように、超音波流量計組立の前に予めこのような超音波送受波モジュールを作製しておく。そして超音波流量計全体を組み立てる際に、流路に固定具１５がはまるように上壁・下壁の対応する位置に溝を入れておき、この超音波送受波モジュールを組み込めばよい。
【００７４】
通常、流路内にトランスジューサ４、５を設置する場合には、超音波流量計全体を組み立てる工程の中で、流路内でのトランスジューサ４、５の位置・角度調節を行うためアラインメントが難しく、また流量計全体の組立工程中で、アラインメントがうまくいかない、トランスジューサ４または５に不調が生じた、等の何らかの問題が生じた場合には、流路を含めた流量検出部全体、あるいは超音波流量計全体として不良となるため、歩留まりが悪く、コストが高くなってしまう。したがって本実施例では、予め図６のような超音波送受波モジュールを作製しておき、超音波流量計全体を組み立てる工程の中でその超音波送受波モジュールを組み込むことにより超音波流量計を作製した。このような手順により作製した超音波流量計においては、トランスジューサ４、５を流量計内に設置してから角度や位置を調節する必要がなくなるため、組立工程の作業効率を高めることができるとともに、点検時や不調時に超音波送受波モジュールのみの取り出しや交換が可能となり、歩留まりを向上し、コストを低減することができる。
【００７５】
以上のように本発明の実施形態の第１の超音波流量計は、被測定流体が流れる任意の高さで配置した平行な二平面に挟まれた流路と、被測定流体を介して超音波の送信または受信を行う任意の高さと同じ高さの送受信面を有する第１、第２のトランスジューサとを設けることにより、送信側のトランスジューサから出射した超音波の音圧を高さ方向にわたって一様にし、かつ受信側のトランスジューサの受信面全面で受信することができるため、非常に高感度で安定性が高く、かつ高効率のため低消費電力である、優れた超音波流量計を実現できるものである。
本発明の実施形態の第２の超音波流量計は、一方のトランスジューサから送信された超音波を反射して他方のトランスジューサに送信する反射面を設ける
ことにより、送信側と受信側の両方のトランスジューサを流路に対して平行に設置することができ、流路に対して斜めに設置する必要がなくなるため、流量検出部が非常にコンパクトな超音波流量計を実現できるものである。
【００７６】
本発明の実施形態の第３の超音波流量計は、流路とトランスジューサとの間に位置し、前記流路に対して前記超音波を送信または受信する面が前記流路の前記トランスジューサ側の壁面に対して凹凸を生じない形状を有する超音波伝達子を備えることにより、流路の壁面に凹凸がなくなるので被測定流体の流れを乱すことがなくなり、かつ超音波伝達子が直接被測定流体に接しているため境界面における反射等のロスがなくなるため、測定精度の高い優れた超音波流量計を実現できるものである。
【００７７】
【発明の効果】
以上のように本発明の超音波流量計は、断面が矩形状であり、長辺側が予め決められた高さを有する二つの平行な平板を有する流路と、前記二つの平板の外側であり短辺側に位置し、超音波の送受信面が前記予め決められた高さと実質的に同じ高さを有する二つのトランスジューサとを具備し、前記超音波の伝搬経路は前記予め決められた高さに規定されており、かつ前記トランスジューサは音波放射面全体が一様に振動することにより前記予め決められた高さの方向に一様な音圧分布をつくることにより、送信側のトランスジューサから出射した超音波の音圧を高さ方向にわたって一様にし、かつ受信側のトランスジューサの受信面全面で受信することができるため、非常に高感度で安定性が高く、かつ高効率のため低消費電力である、優れた超音波流量計を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例における超音波流量計の流量検出部の概略を示した図
【図２】第１の実施例における超音波流量計の流量検出部の概略を示した図
【図３】第１の実施例における超音波流量計の流量検出部の概略を示した図
【図４】第２の実施例における超音波流量計の流量検出部を上から見た概略を示した図
【図５】第３の実施例における超音波流量計の流量検出部を上から見た概略を示した図
【図６】第４の実施例における超音波流量計の超音波送受波モジュールの概略を示した図
【図７】従来の超音波流量計の流路検出部の概略を示した図
【図８】従来の超音波流量計の流路検出部の概略を示した図
【図９】従来の超音波流量計の流路検出部の概略を示した図
【符号の説明】
１    流路
２    上壁
３    下壁
４    トランスジューサ
５    トランスジューサ
６    反射面
７    反射面
８    反射面
９    反射面
１０    反射面
１１    壁面
１２    壁面
１３    超音波伝達子
１４    超音波伝達子
１５    固定具
１６  補助壁
１７  補助壁
２０  パイプ
２１    超音波伝達子
２２    超音波伝達子
【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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