(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可燃性被測定流体が流れる流路と、前記流路に設けられ超音波信号を送受信する超音波送受波器とを備えた超音波流量計であって、前記超音波送受波器は、圧電体と前記圧電体を前記可燃性被測定流体から遮断するケースとで形成されており、前記ケースの外側に整合層を設け、前記圧電体は送受波面側に溝を有する超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波の伝搬時間を計測して流量を測定する超音波流量計に関し、例えば２個１対の超音波送受波器を被測定流体の上流側と下流側にそれぞれ配置し、１つの超音波送受波器から超音波を送信し、他方の超音波送受波器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。
【背景技術】
【０００２】
古くから超音波を用いて配管中を流れる流体の流量を計測する技術開発は行われている。超音波流量計としては、計量研究報告Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．１，ｐ１−６、「気体用超音波流量計の試作」として記載されている構成が知られている。
【０００３】
以下、従来の超音波流量計および超音波送受波器について説明する。
【０００４】
図２０は従来の超音波流量計の構成、また図２１は従来の気体用超音波送受波器の構成を示すものである。図２０において、５１は円筒管、５２は超音波送受波器Ａ、５３は超音波送受波器Ａ５２を円筒管５１に取付ける取付口Ａ、５４は超音波送受波器Ｂ、５５は超音波送受波器Ｂ５４を円筒管５１に取付ける取付口Ｂ、５６は円筒管５１中を流れる被測定流体である。図２１において５７は円筒圧電板、５８は整合層、５９はリ−ド線である。
【０００５】
以上のように構成された超音波流量計について、以下その構成について説明する。
【０００６】
取付口Ａ５３と取付口Ｂ５５を介して円筒管５１に対し超音波送受波器Ａ５２と超音波送受波器Ｂ５４を斜めに対向させて配置する。超音波送受波器Ａ５２と超音波送受波器Ｂ５４の距離をＬ、円筒管５１の長手方向と超音波の伝搬方向のなす角をθ、無風状態で超音波が被測定流体５６を伝搬する音速をＣとし、被測定流体５６の流速をＶとすると、超音波送受波器Ａ５２から照射された超音波が被測定流体５６を伝搬し超音波送受波器Ｂ５４で受信される伝搬時間ｔ１は次式で示される。
【０００７】
【数１】
0003543820.tif 000002
同様に超音波送受波器Ｂ５４から照射された超音波が被測定流体５６を伝搬し、超音波送受波器Ａ５２で受信される伝搬時間ｔ２は次式で示される。
【０００８】
【数２】
0003543820.tif 000003
上記２式から被測定流体５６の音速Ｃを消去すると次式で示される。
【０００９】
【数３】
0003543820.tif 000004
被測定流体５６の流速Ｖを上式より求めると次式のように示される。
【００１０】
【数４】
0003543820.tif 000005
上式には被測定流体５６の音速Ｃが含まれていないため、被測定流体５６の物質に無関係に流速Ｖが求められ、得られた流速Ｖと円筒管５１の断面積より流量が導出可能となる。また被測定流体５６が気体の場合に用いる超音波送受波器は、図１２に示すように円筒形状で、円筒圧電板５７と１層の整合層５８からなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら上記の従来の構成では、次のような課題がある。
【００１２】
超音波送受波器は、圧電体を電圧駆動するものであり、測定する流体が可燃性ガスや可燃性の液体であっても当該圧電体の駆動の影響による安全性を考慮する必要がある。
【００１３】
本発明は上記従来技術の課題を解決するもので、測定する流体が可燃性ガスや可燃性の液体であっても安全性を確保することができる超音波流量計及び超音波送受波器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、可燃性被測定流体が流れる流路と、前記流路に設けられ超音波信号を送受信する超音波送受波器とを備えた超音波流量計であって、前記超音波送受波器は、圧電体と前記圧電体を前記可燃性被測定流体から遮断するケースとで形成されており、前記ケースの外側に整合層を設け、前記圧電体は送受波面側に溝を有する超音波流量計である。
【発明の効果】
【００１５】
圧電体と圧電体を可燃性被測定流体から遮断するケースとで形成されているために、測定する流体が可燃性ガスや可燃性の液体であっても安全性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本実施形態の第１の超音波流量計は、可燃性被測定流体が流れる流路と、前記流路に設けられ超音波信号を送受信する超音波送受波器とを備えた超音波流量計であって、前記超音波送受波器は、圧電体と前記圧電体を前記可燃性被測定流体から遮断するケースと、ケースの外側に整合層を設けたものである。
【００１７】
本実施形態の第２の超音波流量計は、可燃性被測定流体が流れる流路と、前記流路に設けられ超音波信号を送受信する一対の超音波送受波器とを備え、前記超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測して流量を測定する超音波流量計であって、前記超音波送受波器は、圧電体と前記圧電体を前記可燃性被測定流体から遮断するケースとで形成されている。
【００１８】
上記実施形態において、好ましくは、超音波送受波器は、ケースと蓋板とにより圧電体を密封状態にするものである。
【００１９】
また、好ましくは、超音波送受波器は、有天筒状ケースと蓋板とを接合して圧電体を密封状態にするものであり、前記圧電体が前記ケースの天井部に取り付けられ、前記天井部が前記超音波送受波器の一方の電極を兼ねており、他方の電極は前記ケースの外へ引き出されているリード線に接続たものである。
【００２０】
また、好ましくは、超音波送受波器は、更に上記密封空間を乾燥状態にするものである。
【００２１】
また、好ましくは、上記圧電体は送受波面側に溝を有するものである。
【００２２】
次に、本実施例に記載する他の参考実施形態について説明する。
【００２３】
第１の参考実施形態における超音波流量計は、流路と、この流路中の流体流量を測定する如く配置した超音波送受波器とを備え、上記超音波送受波器は対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面としてその送受波面を前記流路に臨ませた圧電体を有し、上記圧電体は電極方向の振動を主モードとするようその送受波面の縦及び横の長さを設定した構成としてあり、圧電体の厚み縦振動を主モ−ドとして利用するため高感度、高速応答性、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパクトな超音波流量計を得ることができる。
【００２４】
第２の参考実施形態における超音波流量計は、流路と、この流路中の流体流量を測定する如く配置した超音波送受波器とを備え、上記超音波送受波器は対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面としてその送受波面を前記流路に臨ませた圧電体を有し、上記圧電体は送受波面または前記送受波面と対向する面の少なくとも一方を溝で分割するとともに、分割した面に設けた電極の全てを導体で電気的に接続した構成としてあり、溝により厚み縦振動と不要な振動モ−ドを分離できるため、高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパクトな超音波流量計を得ることができる。
【００２５】
上記第２の超音波流量計において、電極方向の振動を主モードとする深さの溝で圧電体を分割した構成としたもの、及び溝の深さが送受波面と垂直な方向の厚みに対し９０％以上１００％未満としたものは、圧電体を完全に分離しないため圧電体の取り扱いが容易なうえ、厚み縦振動と不要な振動モ−ドが実用するうえで問題ない程度に分離できるため高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパクトな超音波流量計を得ることができる。
【００２６】
また第２の超音波流量計において、溝によって分割されたそれぞれの面の縦および横の長さを電極方向の振動が主モードとなるように設定したもの、及び溝によって分割されたそれぞれの面の縦および横の長さ厚みに対する比を全て０．８以下としたものは、厚み縦振動と不要な振動モ−ドが実用するうえで問題ない程度に分離できるうえ厚み縦振動を主モ−ドとして利用できるため、高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパクトな超音波流量計を得ることができる。
【００２７】
また第２の超音波流量計において、圧電体に設ける溝を複数としたものは、さらに周波数や寸法の選択幅が広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパクトな超音波流量計を得ることができる。
【００２８】
第３の参考実施形態における超音波流量計は、流路と、この流路中の流体流量を測定する如く配置した超音波送受波器とを備え、上記超音波送受波器は対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面としてその送受波面を前記流路に臨ませた複数の圧電体を有し、この各圧電体の送受波面および前記送受波面と対向する面に設けた各電極をそれぞれ導体で接続した構成としてあり、複数の分離された圧電体を有するため、不要な振動モ−ドの影響が少なくなるため高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパクトな超音波流量計を得ることができる。
【００２９】
上記第３の超音波流量計において、各圧電体のそれぞれの面の縦および横の全ての長さを、電極方向の振動が主モードとなるように設定したもの、及び各圧電体の送受波面の縦及び横の長さの厚みに対する比を全て０．８以下としたものは、厚み縦振動を主モ−ドとして利用できるため高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパクトな超音波流量計を得ることができる。
【００３０】
第４の参考実施形態における超音波流量計は、第１から第３の形態の超音波流量計において、電極に垂直な方向に分極された複数の圧電体を分極方向が互いに反対となるように積層し、この積層してなる圧電体の前記電極方向の振動を主モ−ドとする構成としてあり、超音波送受波器の電気的インピ−ダンスを小さくできるためノイズに対して強い特性を得ることができ、さらに高精度な超音波流量計を得ることができる。
【００３１】
第５の参考実施形態における超音波流量計は、第１から第４の形態の超音波流量計において、その流路は所定の位置に所定の幅の隙間を有し、所定の幅をおいて配置された２枚の平行平板に挟まれた構成としてあり、流路の断面形状を長方形にすることにより流路断面内での流速分布を単純化でき、得られた流速より流量を高精度に導出できることが可能となり、さらに高精度な超音波流量計を得ることができる。
【００３２】
第６の参考実施形態における超音波流量計は、第１から第５の形態の超音波流量計において、一対の超音波送受波器の送受波面を相対向する位置に配置した構成としてあり、一対の超音波送受波器の位置合わせが容易となり、さらに高精度な超音波流量計を得ることができる。
【００３３】
第７の参考実施形態における超音波流量計は、第１から第６の形態の超音波流量計において、導体は超音波送受波器から送波される超音波の波長に比べて十分薄い導体を用いた構成としてあり、超音波送受波器の特性に影響を与えずに電極を接続でき、かつ圧電体の取り扱いも容易となるため、高感度な小型な超音波送受波器が得られ、さらに高精度な超音波流量計を得ることができる。
【００３４】
第８の参考実施形態における超音波流量計は、第１から第７の形態の超音波流量計において、超音波送受波器の送受波面上に音響整合層を具備させた構成としてあり、被測定流体との超音波の送受信が容易になるため、高感度な超音波送受波器が得られ、さらに高精度な超音波流量計を得ることができる。
【００３５】
第９の参考実施形態における超音波流量計は、第１から第８の形態の超音波流量計において、超音波送受波器の送受波面と相対向する面に背面負荷材を具備させてあり、残響時間の短い超音波パルスが送受信可能な超音波送受波器が得られ、さらに高精度な超音波流量計を得ることができる。
【００３６】
第１の参考実施形態における超音波送受波器は、対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面とした圧電体を備え、上記圧電体の送受波面の縦及び横の長さの厚みに対する比を共に０．６以下とした構成としてあり、圧電体の厚み縦振動を主モ−ドとして利用するため高感度、高速応答性、小型な超音波送受波器を得ることができる。
【００３７】
第２の参考実施形態における超音波送受波器は、対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面とした圧電体を備え、上記圧電体は送受波面または前記送受波面と対向する面の少なくとも一方を溝で分割し、前記溝の深さは電極を設けた面で挟まれた厚みに対し９０％以上１００％未満とすると共に、上記溝により分割された面の全ての電極を導体で電気的に接続した構成としてあり、溝により厚み縦振動と不要な振動モ−ドを分離できるため、高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができる。
【００３８】
上記第２の超音波送受波器において、溝を複数設けたものは、さらに周波数や寸法の選択幅が広い、小型な超音波送受波器を得ることができる。
【００３９】
上記第２の超音波送受波器において、溝によって分割されたそれぞれの面の縦および横の長さの厚みに対する比を全て０．６以下としたものは、厚み縦振動と不要な振動モ−ドが実用するうえで問題ない程度に分離できるうえ厚み縦振動を主モ−ドとして利用できるため、高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができる。
【００４０】
第３の参考実施形態における超音波送受波器は、対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面とした複数個の圧電体を備え、各圧電体の送受波面の縦及び横の長さの厚みに対する比を全て０．６以下とすると共に、上記送受波面の各電極および上記送受波面と対向する面の各電極をそれぞれ導体で接続した構成としてあり、複数の分離された圧電体を用いるため不要な振動モ−ドの影響をあまり受けずに厚み縦振動を主モ−ドとして利用できるため、高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができる。
【００４１】
第４の参考実施形態における超音波送受波器は、第１から第３の形態の超音波送受波器において、電極に垂直な方向に分極された複数の圧電体を分極方向が互いに反対となるように積層し、この積層してなる圧電体の前記電極方向の振動を主モ−ドとする構成とてしてあり、超音波送受波器の電気的インピ−ダンスを小さくできるためノイズに対して強い超音波送受波器を得ることができる。
【００４２】
第５の参考実施形態における超音波送受波器は、第１から第４の形態の超音波送受波器において、導体は超音波送受波器から送波される超音波の波長に比べて十分薄い導体を用いた構成としてあり、超音波送受波器の特性に影響を与えずに電極を接続でき、かつ圧電体の取り扱いも容易となるため、高感度な小型な超音波送受波器を得ることができる。
【００４３】
第６の参考実施形態における超音波送受波器は、第１から第５の形態の超音波送受波器において、超音波送受波器の送受波面上に音響整合層を具備させた構成としてあり、被測定流体との超音波の送受信が容易になるため、高感度な超音波送受波器を得ることができる。
【００４４】
第７の参考実施形態における超音波送受波器は、第１から第６の形態の超音波送受波器において、超音波送受波器の送受波面と相対向する面に背面負荷材を具備させた構成としてあり、残響時間の短い超音波パルスが送受信可能な超音波送受波器を得ることができる。
【実施例】
【００４５】
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。
【００４６】
（１）実施例１
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は被測定流体である空気、２は空気１が流速Ｖで流れる流路、３、４、５、６は流路２を構成する上板、底板、側板Ａ、側板Ｂ、７は側板Ａ５に配置した超音波送受波器Ａ、８は側板Ｂ６に配置した超音波送受波器Ｂ、９は流路２の入口側、１０は流路２の出口側である。また、図２は図１を真上から見た図であり、超音波送受波器の配置位置を示す。
【００４７】
以上のように構成された超音波流量計の流量検出部の作製方法の一例について図１、図２を用いて簡単に説明する。流路２を構成する上板３、底板４、側板Ａ５、側板Ｂ６に用いる材料は被測定流体に対して化学変化を生じない材質の平板を用いる。本実施例では被測定流体を例えば空気１としたため、上記条件に適合し絶縁体である材質としてアクリル板を選択した。
【００４８】
側板Ａ５および側板Ｂ６はあらかじめ超音波送受波器を取付ける角度を考えて斜めに二分割しておく。二分割した側板Ａ５、側板Ｂ６を底板４上に例えばエポキシ樹脂系接着剤で超音波送受波器を取付ける幅の溝ができるよう接着する。この時溝幅と等しい幅で側板Ａ５および側板Ｂ６に設ける両方の溝を貫通する長さの例えばテフロン（Ｒ）製の角棒を位置決め棒として側板Ａ５、側板Ｂ６に設ける溝に超音波送受波器のかわりに挿入しておく。
【００４９】
側板Ａ５および側板Ｂ６の上方に上板３を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着し、流路２を構成する。あらかじめ挿入しておいた位置決め棒を取り除き、側板Ａ５の溝に超音波送受波器Ａ７、側板Ｂ６に超音波送受波器Ｂ８を挿入する。
【００５０】
超音波送受波器Ａ７と超音波送受波器Ｂ８は流路２の中心に対して対称で、上板３に対し平行となる位置にエポキシ樹脂系接着剤で接着固定する。ただし超音波送受波器Ａ７と超音波送受波器Ｂ８は流路２内の突起物とならないように側板Ａ５および側板Ｂ６に配置する。また流路２内を流れる空気１が側板に設けた溝と超音波送受波器の間にできた隙間から漏れないように接着剤を注入し、密閉する。
【００５１】
以上のように構成された超音波流量計の流量検出部に用いる超音波送受波器の作製方法の一例を図３を用いて簡単に示す。超音波送受波器の電気信号と機械振動の変換を行う圧電板１１は形状および寸法により複数の振動モ−ドを有し、これら複数の振動モ−ドのうち最も効率の良い振動モ−ドは厚み縦振動であり、厚み縦振動を主モ−ドとして用いると感度の高い超音波送受波器が得られる。
【００５２】
ここで圧電板１１の送受波面となる面の縦及び横の長さと厚みとの寸法関係を検討すべく有権要素法を用いた圧電解析を行った結果、圧電板１１が直方体で超音波送受波面の形状が長方形の場合、圧電板１１の送受波面の縦及び横の長さが厚みよりも小さければ良いが、これは厚みに対する縦の比が０．６以下で、かつ厚みに対する幅の比が０．６以下の条件を満足するとき圧電板１１は不要な振動モ−ドの影響を受けずに最も効率良く厚み縦振動ができることがわかった。例えば圧電セラミックからなる上記形状の圧電板１１の上面と下面に例えば銀焼き付けで形成した電極面にリ−ド線１４をハンダ付けする。
【００５３】
次に空気１と圧電板１１の音響的整合を取り超音波を効率良く空気１に伝搬させるため圧電板１１の上面に例えばポリオレフィン系微多孔膜からなる整合層１２を例えばエポキシ系接着剤を用い接着する。また尾引きが短く立ち上がりのはやい超音波パルスを得るため、圧電板１１の下面には例えばフェライトゴムからなる背面負荷材１３を例えばエポキシ系接着剤を用い接着し、超音波送受波器を作製する。
【００５４】
以上のように構成された流量検出部を用いた超音波流量計についてその動作を説明する。側板Ａ５と側板Ｂ６に配置した超音波送受波器Ａ７と超音波送受波器Ｂ８の中心を結ぶ線と流路２の長手方向となす角をθ、超音波送受波器Ａ７と超音波送受波器Ｂ８の距離をＬとする。超音波送受波器Ａ７と超音波送受波器Ｂ８は、リ−ド線１４を介して図示されていない送信部、受信部および流量解析部に接続されている。また流路２の上板３と底板４の間隔である高さと圧電体１１の超音波送受波面の少なくとも短辺の長さは等しいとする。
【００５５】
被測定流体である空気１は入口側９から流路２内に流れ込み出口側１０から流出する。断面形状が長方形の流路２内を流れる空気１の流速分布は、断面形状が円板に比べると単純で、高さ方向の分布は少なく短軸方向に分布を持つ。流路２内での空気１の流速をＶ、無風状態での空気１の音速をＣとすると、従来の技術で示したように超音波送受波器Ａ７から送波された超音波が空気１を伝搬し超音波送受波器Ｂ８で受信される時間ｔ１は式１で示される。同様に超音波送受波器Ｂ８から照射された超音波が空気１を伝搬し超音波送受波器Ａ７で受信される伝搬時間ｔ２は式２で示される。式１、式２から空気１の音速Ｃを消去すると式３で示される。空気１の流速Ｖを上式より求めると式４のように示される。
【００５６】
超音波送受波器Ａ７から超音波を送波し超音波送受波器Ｂ８で受信、超音波送受波器Ｂ８から超音波を送波し超音波送受波器Ａ７で受信を繰り返し行い、上式を用い空気１の流速Ｖを測定し、図示されていない流量解析部にて流量を導出できる。
【００５７】
ここで、超音波送受波器Ａ７および超音波送受波器Ｂ８の超音波放射面、即ち送受波面の短辺と流路２の高さは等しいため、超音波送受波器Ａ７と超音波送受波器Ｂ８で送受信された超音波は、流路２の高さ方向の流れに関するすべての情報を得ることができる。このため流路２に流れに分布や乱れがあっても  その影響を解消することが可能となる。
【００５８】
以上のように本実施例によれば、断面形状が長方形の流路２に、厚みに対する縦の比が０．６以下でかつ厚みに対する幅の比が０．６以下の圧電板１１と整合層１２と背面負荷材１３からなる超音波送受波器Ａ７と超音波送受波器Ｂ８を対向させて配置させることにより、流路２内を流れる空気１の流量を短時間で高精度に測定することができる。
【００５９】
なお、第１の実施例において被測定流体を空気としたが、被測定流体は空気以外の気体および液体でも良い。また流路２の断面形状を長方形としたが、円形状でもよく、あるいは上板３と底板４が平行で側板Ａ５と側板Ｂ６は平行である必要はない。また流路２の高さと送受波面の短辺は等しいとしたが、必ずしも等しい必要はない。また超音波送受波器は超音波流量計の流量検出部に用いるとしたが、開空間で用いる空中用や水中用の超音波送受波器として用いても良い。また、背面負荷材１３を設けるとしたが、低電圧で駆動するような条件下でさらに高感度な超音波送受波器が必要な場合は背面負荷材１３は設ける必要はない。また、圧電板１１の超音波送受波面および対向する面の電極は全面にある必要はない。また、整合層１２はポリオレフィン系多孔膜としたが、被測定流体に適した音響整合材料ならなんでも良い。また、背面負荷材１３はフェライトゴムとしたが、不要な振動の減衰効果が得られる材料ならなんでも良い。
【００６０】
（２）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。
【００６１】
図４は本発明の第２実施例における超音波流量計に用いる超音波送受波器の構成概略図である。図４において、１８は整合層、１９は背面負荷材、２０はリ−ド線で、以上は図３の構成と同様なものである。図３の構成と異なるのは、厚みに対する縦の比又は厚みに対する幅の比のどちらか一方が０．６以上である圧電板１５に対し、厚みの９０％以上で１００％未満の深さの溝１６を設け電極面の形状が厚みに対する縦の比が０．６以下でかつ厚みに対する幅の比が０．６以下となるよう圧電板１５を２分割した点と、２分割された電極が分割前と同様に１枚の電極となるよう導体１７に電気的に接続した点と、溝１６に液体および固体等の物質を充填しない点である。
【００６２】
上記のように構成された超音波送受波器の作製方法の一例を図４を用い簡単に説明する。コンパクトな超音波流量計を構築しようとすると、超音波送受波器に許される寸法は小さくなる。しかし超音波送受波器の特性を考えると可能なかぎり大きな圧電板を用いることが望ましく、例えば流路２の高さと超音波送受波面の少なくとも流路の高さに対応する１辺の長さが等しい長方形の例えば圧電セラミックからなる圧電板１５を選択することがある。このため使用周波数や流路２の高さによっては圧電板１５は厚みに対する縦の比が０．６以下でかつ厚みに対する幅の比が０．６以下であるとは限らない。しかし厚みに対する縦の比が０．６以上あるいは厚みに対する幅の比が０．６以上の圧電板１５を用いると、厚み振動と他の振動モ−ドが混在し特性が悪化する。
【００６３】
そこでこの実施例では厚み振動と他の振動モ−ドを分離するため、圧電板１５を分割して厚み振動と他の振動モ−ドを分離してある。圧電板の厚みに対し９０％以上の深さの溝を設ければ、圧電板が完全に分割している場合とほぼ等しい効果が得られるので、圧電板１５の取り扱いを考慮し、例えばダイサで厚みに対し深さが９０％以上で１００％未満の溝１６を一本加工する。ただし溝１６は２分割された圧電板１５の電極が設けてある各面の厚みに対する縦の比が０．６以下でかつ厚みに対する幅の比が０．６以下となる位置に加工する。
【００６４】
次に圧電板１５の２分割された面と例えば厚み０．０２ｍｍで面積が圧電板１５とほぼ等しい銅箔からなる導体１７を加圧しながら例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着する。接着層が薄ければ、圧電板１５の電極と導体１７は電気的接続が得られる。なお横方向の振動の結合を避けるため、溝１６には液体および固体等の物質を充填しない。導体１７と圧電板１５の未分割面にリ−ド線２０を例えばハンダ付けする。導体１７と例えばフェライトゴムからなる背面負荷材１９を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着する。また圧電板１５の未分割面と例えばポリオレフィン系微多孔膜からなる整合層１８を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着し超音波送受波器を作製する。
【００６５】
以上のように作製した超音波送受波器は、溝１６により圧電板１５は厚み縦振動を主モ−ドとするため高感度となる。さらに整合層１８と背面負荷材１９が配置されているため、尾引きが短く立ち上がりの早い超音波パルスを送信することが可能となる。
【００６６】
超音波流量計の流量検出部の作製方法、および超音波送受波器Ａ７と超音波送受波器Ｂ８を用いた断面形状が長方形の流路２を流れる空気１の流量を測定する超音波流量計の動作方法は実施例１と同様になるため省略する。
【００６７】
以上のように本実施例によれば、厚みに対する縦の比が０．６以上あるいは厚みに対する幅の比が０．６以上の直方体の圧電板１５に対し、厚みの９０％以上で１００％未満の溝１６を設け、圧電板１５の一方の電極面が厚みに対する縦の比が０．６以下でかつ厚みに対する幅の比が０．６以下となるよう２分割した圧電板１５を用いることにより高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅が広い小型な超音波送受波器が得られ、流路２内を流れる空気１の流量を短時間で高精度に測定することができる。
【００６８】
なお、第２の実施例において、圧電板１５の超音波送受波面の厚みに対する縦の比が０．６以上あるいは厚みに対する幅の比が０．６以上としたが、この送受波面の縦及び横寸法は電極方向の振動が主モードとなるような寸法であればよく、厚みに対する縦の比が０．６以上かつ厚みに対する幅の比が０．６以上でも構わない。また溝の深さも電極方向の振動が主モードとなるような寸法で有れば任意に設定できる。そしてこの送受波面の縦及び横寸法と溝の深さは以下に述べる各実施例においても同様である。
【００６９】
加えて溝１６は１本としたが２本以上でも構わない。また圧電板１５の分割した電極に銅箔を接着剤で接着するとしたが、導電性のリ−ド線をハンダ付けしたり波長に比べて薄い導体１７と導電性ペ−スト等を用い分割した圧電板１５の電極の電気的接続を行っても良い。また圧電板１５の２分割した面に接着した導体１７を背面負荷材１９と接着するとしたが、導体１７を整合層１８と接着しても良い。また超音波送受波器は超音波流量計の流量検出部に用いるとしたが、開空間で用いる空中用や水中用の超音波送受波器として用いても良い。また横方向の振動の結合を避けるため溝１６には液体および固体等の物質を充填しないとしたが、圧電板の機械的強度を増加させるため比較的振動の伝わりにくい例えばシリコンゴムを溝１６に充填しても良い。
【００７０】
また流路２の高さと超音波送受波面の少なくとも流路の高さに対応する１辺の長さが等しいとしたが、必ずしも等しい必要はない。また、背面負荷材１９を設けるとしたが、低電圧で駆動するような条件下でさらに高感度な超音波送受波器が必要な場合は背面負荷材１９は設ける必要はない。また、圧電板１５の超音波送受波面および対向する面の電極は全面にある必要はない。また圧電板１５を直方体としたが、円筒形でも同様の効果は得られる。また溝１６は厚み縦振動と不要な振動モ−ドを分離できるなら、圧電体１５の電極を設けた面に対し垂直な方向に設ける必要はない。また、整合層１８はポリオレフィン系多孔膜としたが、被測定流体に適した音響整合材料ならなんでも良い。また、背面負荷材１９はフェライトゴムとしたが、不要な振動の減衰効果が得られる材料ならなんでも良い。
【００７１】
（３）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。
【００７２】
図５は本発明の第３の実施例における超音波流量計に用いる超音波送受波器の構成概略図である。図５において、２５は整合層、２６は背面負荷材、２７はリ−ド線で、以上は図３の構成と同様なものである。図３の構成と異なるのは、厚みに対する縦の比が０．６以上かつ厚みに対する幅の比が０．６以上の圧電板２１に対し厚みの９０％以上で１００％未満の深さの溝Ａ２２と溝Ｂ２３を電極面の形状が厚みに対する縦の比が０．６以下でかつ厚みに対する幅の比が０．６以下となるよう十字に交差するように設けた点と、分割された電極が分割前と同様に１枚の電極となるよう導体２４に電気的に接続した点と、溝Ａ２２および溝Ｂ２３に液体および固体等の物質を充填しない点である。
【００７３】
上記のように構成された超音波送受波器の作製方法の一例を図５を用い簡単に説明する。コンパクトな超音波流量計を構築しようとすると、超音波送受波器に許される寸法は小さくなる。しかし超音波送受波器の特性を考え可能なかぎり大きな圧電板を用いることが望ましく、例えば流路２の高さと超音波送受波面の２辺の長さが等しい正方形の例えば圧電セラミックからなる圧電板２１を選択することがある。使用周波数や流路２の高さによっては圧電板２１は、厚みに対する縦の比が０．６以下でかつ厚みに対する幅の比が０．６以下であるとは限らない。しかし厚みに対する縦の比が０．６以上かつ厚みに対する幅の比が０．６以上の圧電板２１を用いると、厚み振動と他の振動モ−ドが混在し特性が悪化する。
【００７４】
そこでこの実施例でも厚み振動と他の振動モ−ドを分離するため、圧電板２１を分割して厚み振動と他の振動モ−ドを分離してある。圧電板の厚みに対し９０％以上の深さの溝を設ければ、圧電板が完全に分割している場合とほぼ等しい効果が得られるので、圧電板２１の取り扱いを考慮し、例えばダイサで厚みに対し深さが９０％以上で１００％未満の溝Ａ２２および溝Ｂ２３を加工する。ただし溝Ａ２２および溝Ｂ２３は圧電板２１の一方の電極面の中心付近で交差させ、４分割された全ての電極面が厚みに対する縦の比が０．６以下でかつ厚みに対する幅の比が０．６以下となるようするよう十字に加工する。ただし横方向の振動の結合を避けるため、溝Ａ２２および溝Ｂ２３には液体および固体等の物質を充填しない。
【００７５】
次に圧電板２１の４分割された面と例えば厚み０．０２ｍｍで面積が圧電板２１とほぼ等しい銅箔からなる導体２４を加圧しながら例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着する。接着層が薄ければ、圧電板２１の電極と導体２４は電気的接続が得られる。なお横方向の振動の結合を避けるため、溝Ａ２２および溝Ｂ２３には液体および固体等の物質を充填しない。導体２４と圧電板２１の未分割面にリ−ド線２７を例えばハンダ付けする。導体２４と例えばフェライトゴムからなる背面負荷材２６を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着する。また圧電板２１の未分割面と例えばポリオレフィン系微多孔膜からなる整合層２５を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着し超音波送受波器を作製する。
【００７６】
以上のように作製した超音波送受波器は、溝Ａ２２および溝Ｂ２３により圧電板２１は厚み縦振動を主モ−ドとするため高感度となる。さらに整合層２５と背面負荷材２６が配置されているため、尾引きが短く立ち上がりの早い超音波パルスを送信することが可能となる。
【００７７】
超音波流量計の流量検出部の作製方法、および超音波送受波器Ａ７と超音波送受波器Ｂ８を用いた断面形状が長方形の流路２を流れる空気１の流量を測定する超音波流量計の動作方法は実施例１と同様になるため省略する。
【００７８】
以上のように本実施例によれば、厚みに対する縦の比が０．６以上かつ厚みに対する幅の比が０．６以上の圧電板２１に対し、厚みの９０％以上で１００％未満の深さの溝Ａ２２と溝Ｂ２３を電極面の形状が厚みに対する縦の比が０．６以下でかつ厚みに対する幅の比が０．６以下となるよう十字に交差するように設けることにより高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅が広い小型な超音波送受波器が得られ、流路２内を流れる空気１の流量を短時間で高精度に測定することができる。
【００７９】
なお、第３の実施例において、圧電板２１の超音波送受波面を正方形としたが、長方形でも円筒形でも構わない。また圧電板２１の分割した電極に銅箔を接着剤で接着するとしたが、リ−ド線をハンダ付けしたり波長に比べて薄い導体２４と導電性ペ−スト等を用い分割した圧電板２１の電極の電気的接続を行っても良い。また圧電板２１の４分割した面に接着した導体２４を背面負荷材２６に接着するとしたが、導体２４を整合層２５と接着しても良い。また超音波送受波器は超音波流量計の流量検出部に用いるとしたが、開空間で用いる空中用や水中用超音波送受波器として用いても良い。また溝Ａ２２および溝Ｂ２３には液体および固体等の物質を充填しないとしたが、圧電板の機械的強度を増加させるため比較的振動の伝わりにくい例えばシリコンゴムを溝Ａ２２および溝Ｂ２３に充填しても良い。
【００８０】
また流路２の高さと超音波送受波面の２辺の長さが等しいとしたが、必ずしも等しい必要はない。また、背面負荷材２６を設けるとしたが、低電圧で駆動するような条件下でさらに高感度な超音波送受波器が必要な場合は背面負荷材２６は設ける必要はない。また、圧電板２１の超音波送受波面および対向する面の電極は全面にある必要はない。また溝Ａ２２および溝Ｂ２３は厚み縦振動と不要な振動モ−ドを分離できるなら、圧電体２１の電極を設けた面に対し垂直な方向に設ける必要はない。また、整合層２５はポリオレフィン系多孔膜としたが、被測定流体に適した音響整合材料ならなんでも良い。また、背面負荷材２６はフェライトゴムとしたが、不要な振動の減衰効果が得られる材料ならなんでも良い。
【００８１】
（４）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。
【００８２】
図６は本発明の第４の実施例における超音波流量計に用いる超音波送受波器の構成概略図である。図６において、３３は整合層、３４は背面負荷材、３５はリ−ド線で、以上は図３の構成と同様なものである。図３の構成と異なるのは、厚みに対する縦の比が０．６以下でかつ厚みに対する幅の比が０．６以下で厚みの等しい２枚の圧電板Ａ２８と圧電板Ｂ２９を背面負荷材３４上に互いに接触しないように隙間３０を設けて配置する点と、圧電板Ａ２８と圧電板Ｂ２９の超音波送受波面側と背面負荷材側のそれぞれに導体Ａ３１と導体Ｂ３２を電気的に接続した点と、隙間３０には液体および固体等の物質を充填しない点である。
【００８３】
上記のように構成された超音波送受波器の作製方法の一例を図６を用いて説明する。コンパクトな超音波流量計を構築しようとすると、超音波送受波器に許される寸法は小さくなる。しかし超音波送受波器の特性を考え可能なかぎり大きな圧電板を用いることが望ましいため、例えば厚みに対する縦の比が０．６以上で厚みに対する幅の比が０．６以下の直方体の例えば圧電セラミックからなる圧電板を選択することがある。このような形状の圧電板は厚み振動と他の振動モ−ドが混在し特性が悪化する。そこでこの実施例でも圧電板を２分割して厚み振動と他の振動モ−ドの分離してある。実施例２および実施例３では厚み振動と他の振動モ−ドの分離と圧電板の取り扱いを考慮して圧電板を完全に分割しないとしたが、圧電板を完全に分割したほうが厚み振動と他の振動モ−ドの分離が完全に行えるので本実施例では圧電板を完全に分割する。
【００８４】
例えば厚みに対する縦の比が０．６以上で厚みに対する幅の比が０．６以下の直方体の圧電セラミックからなる圧電板に対し、圧電板の電極より大きな寸法の例えば厚みが０．０２ｍｍの銅箔からなる導体Ｂ３２を加圧しながら例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着する。接着層が薄ければ、圧電板の電極と導体Ｂ３２は電気的接続が得られる。導体Ｂ３２と例えばフェライトゴムからなる背面負荷材３４を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着する。圧電板からはみ出している導体Ｂ３２の一部を折り曲げ背面負荷材３４の側面に例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着する。
【００８５】
背面負荷材３４と一体となった圧電板を例えばダイサで完全に２分割する。ただし形成された圧電板Ａ２８と圧電板Ｂ２９が厚みに対する縦の比が０．６以下でかつ厚みに対する幅の比が０．６以下となるように分割する。また導体Ｂ３２の折り曲げた部分は完全に切断しない。圧電板Ａ２８と圧電板Ｂ２９の上方に例えば厚みが０．０２ｍｍの銅箔からなる導体Ａ３１を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着する。なお横方向の振動の結合を避けるため、隙間３０には液体および固体等の物質を充填しない。導体Ａ３１と導体Ｂ３２にリ−ド線３５を例えばハンダ付けする。導体Ａ３１に例えばポリオレフィン系微多孔膜からなる整合層２５を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着し超音波送受波器を作製する。
【００８６】
以上のように作製した超音波送受波器は、圧電板Ａ２８と圧電板Ｂ２９は隙間３０だけ離れて配置されているため、不要な振動モ−ドの影響を受けにくく厚み縦振動を主モ−ドとするため高感度となる。さらに整合層３３と背面負荷材３４が配置されているため、尾引きが短く立ち上がりの早い超音波パルスを送信することが可能となる。
【００８７】
超音波流量計の流量検出部の作製方法、および超音波送受波器Ａ７と超音波送受波器Ｂ８を用いた断面形状が長方形の流路２を流れる空気１の流量を測定する超音波流量計の動作方法は実施例１と同様になるため省略する。
【００８８】
以上のように本実施例によれば、厚みに対する縦の比が０．６以上で厚みに対する幅の比が０．６以下の圧電板を厚みに対する縦の比が０．６以下でかつ厚みに対する幅の比が０．６以下の２枚の圧電板Ａ２８、圧電板Ｂ２９に分割より高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅が広い小型な超音波送受波器が得られ、流路２内を流れる空気１の流量を短時間で高精度に測定することができる。
【００８９】
なお、第４の実施例において、厚みに対する縦の比が０．６以上で厚みに対する幅の比が０．６以下の圧電板を用いたが、厚みに対する縦の比が０．６以下で厚みに対する幅の比が０．６以上あるいは厚みに対する縦の比が０．６以上かつ厚みに対する幅の比が０．６以上の圧電板を用いても良い。また、圧電板Ａ２８と圧電板Ｂ２９の２枚に分割するとしたが、３枚以上に分割しても構わない。また１枚の圧電板を背面負荷材３４に接着した後分割して用いるとしたが、厚みの等しい２枚以上の圧電板を背面負荷材３４に接着しても良い。また圧電板Ａ２８と圧電板Ｂ２９に銅箔を接着剤で接着するとしたが、リ−ド線をハンダ付けしたり導電性ペ−スト等の導体Ａ３１と導体Ｂ３２を用いて電気的接続を行っても良い。また隙間３０には液体および固体等の物質を充填しないとしたが、圧電板の機械的強度を増加させるため比較的振動の伝わりにくい例えばシリコンゴムを隙間３０に充填しても良い。また超音波送受波器は超音波流量計の流量検出部に用いるとしたが、開空間で用いる空中用や水中用超音波送受波器として用いても良い。
【００９０】
また、流路２の高さと少なくとも超音波送受波面の流路２の高さに対応する辺の長さは等しいことが望ましいが、等しくなくてもよい。また、背面負荷材３４を設けるとしたが、低電圧で駆動するような条件下でさらに高感度な超音波送受波器が必要な場合は背面負荷材３４は設ける必要はない。また、圧電板Ａ２８あるいは圧電板Ｂ２９の超音波送受波面および対向する面の電極は全面にある必要はない。また隙間３０は厚み縦振動と不要な振動モ−ドを分離できるなら、圧電板Ａ２８あるいは圧電板Ｂ２９の電極を設けた面に対し垂直な方向に設ける必要はない。また、圧電板Ａ２８と圧電板Ｂ２９は厚み縦振動する圧電板であればたとえば円柱形状の複数の圧電体を用いてもよい。また、整合層３３はポリオレフィン系多孔膜としたが、被測定流体に適した音響整合材料ならなんでも良い。また、背面負荷材３４はフェライトゴムとしたが、不要な振動の減衰効果が得られる材料ならなんでも良い。
【００９１】
（５）実施例５
以下、本発明の第５の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００９２】
図７は本発明の第５の実施例における超音波流量計に用いる超音波送受波器の構成概略図である。図７において、３９は整合層、４０は背面負荷材で、以上は図３の構成と同様なものである。図３の構成と異なるのは、圧電板が厚みの等しい３枚の圧電板を積層して構成されかつ積層した圧電板の全体の厚みに対する縦の比が０．６以下でかつ厚みに対する幅の比が０．６以下でかつ３枚の圧電板の分極方向が互いに反対となるよう配置してある点と、３枚の圧電板の電極が１枚おきに同電位となるようにリ−ド線Ａ４１とリ−ド線Ｂ４１を設けた点である。
【００９３】
上記のように構成された超音波送受波器の作製方法の一例を図７を用い簡単に説明する。コンパクトで安価な超音波流量計を構築しようとすると、超音波送受波器に許される寸法は小さく、使用する周波数は回路の値段を考慮すると低周波ほど良い。このため厚み振動を用いる圧電板では電気的インピ−ダンスが高くなり回路との電気的整合が取りにくくなり、ノイズの影響が無視できなくなり、超音波送受波器が持つ性能を十分発揮できない場合がある。
【００９４】
特に低電圧で駆動する条件下では、受信される超音波パルスの絶対値が小さいため、Ｓ／Ｎが悪くなり流量計測の精度に大きな影響を与えることがある。そこで圧電板の電気的インピ−ダンスを低減させ、ノイズの影響等を低減させる必要がある。
【００９５】
そこで例えば３枚の圧電板を厚み方向に積層することを考える。厚みに対する縦の比が０．６以下でかつ厚みに対する幅の比が０．６以下の条件を満足する圧電板の厚みをＴとすると、積層する圧電板Ａ３６、圧電板Ｂ３７、圧電板Ｃ３８の厚みはＴ／３となる。
【００９６】
上記寸法の例えば圧電セラミックからなる圧電板Ａ３６、圧電板Ｂ３７、圧電板Ｃ３８の分極方向が互いに反対となるよう例えばエポキシ樹脂系接着剤を用いて加圧しながら接着する。接着層が薄ければ、圧電板Ａ３６と圧電板Ｂ３７の間の電極、圧電板Ｂ３７と圧電板Ｃ３８の間の電極は互いに電気的に接続する。圧電板Ａ３６の上方の電極と圧電板Ｂ３７と圧電板Ｃ３８の間の電極は圧電板の側面から見える部分に対し例えば銀ペ−ストを用いリ−ド線Ａ４１を接着し電気的に接続する。また圧電板Ａ３６と圧電板Ｂ３７の間の電極と圧電板Ｃ３８の下方の電極は圧電板の側面から見える部分に対し例えば銀ペ−ストを用いリ−ド線Ｂ４２を接着し電気的に接続する。リ−ド線Ａ４１とリ−ド線Ｂ４２で圧電板Ａ３６、圧電板Ｂ３７、圧電板Ｃ３８を接続する。
【００９７】
このように３枚の圧電板を積層して構成された圧電板の厚み方向の振動は、厚みＴに起因する周波数でも厚み縦振動することができる。また電気的インピ−ダンスに関しては、各圧電板の境界面の接着層の影響等があるため、厚みがＴ／３で、電極面積が３倍の圧電板と同じ電気的インピ−ダンスにはならないが、厚みがＴの圧電板より小さい電気的インピ−ダンスとなる。このように厚みがＴ／３で、電極面積が３倍の一枚の圧電板を重ね折りした場合と同様な効果が得られ、一枚の直方体の圧電板に比べ電気的インピ−ダンスが低減できる。
【００９８】
また圧電板Ａ３６、圧電板Ｂ３７、圧電板Ｃ３８を接着して形成した圧電板は、厚みに対する縦の比が０．６以下でかつ厚みに対する幅の比が０．６以下となるような形状となるため、厚み振動のみを選択的に利用可能となる。圧電板Ｃ３８の下方に例えばフェライトゴムからなる背面負荷材３４を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着する。圧電板Ａ３６の上方に例えばポリオレフィン系微多孔膜からなる整合層３９を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着し、超音波送受波器を作製する。
【００９９】
超音波流量計の流量検出部の作製方法、および超音波送受波器Ａ７と超音波送受波器Ｂ８を用いた断面形状が長方形の流路２を流れる空気１の流量を測定する超音波流量計の動作方法は実施例１と同様になるため省略する。
【０１００】
以上のように本実施例によれば、厚みが等しい３枚の圧電板Ａ３６、圧電板Ｂ３７、圧電板Ｃ３８の分極方向が互いに反対になるように積層し積層した圧電板の全体の厚みに対する縦の比が０．６以下でかつ厚みに対する幅の比が０．６以下となる圧電板を用いることにより電気的インピ−ダンスが低減でき、ノイズの影響を受けにくい、高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅が広い小型な超音波送受波器が得られ、流路２内を流れる空気１の流量を短時間で高精度に測定することができる。
【０１０１】
なお、第５の実施例において、積層する圧電板の枚数を３枚としたが５枚以上の奇数枚でも２枚以上の偶数枚でも構わない。また積層した圧電板が厚みに対する縦の比が０．６以上で厚みに対する幅の比が０．６以下としたが、厚みに対する縦の比が０．６以上あるいは厚みに対する幅の比が０．６以上となっても構わない。ただし上記形状の場合は実施例３、実施例４、実施例５と同様に分割する必要がある。また超音波送受波器は超音波流量計の流量検出部に用いるとしたが、開空間で用いる空中用超音波送受波器として用いても良い。
【０１０２】
また、流路２の高さと少なくとも超音波送受波面の流路２の高さに対応する辺の長さは等しいことが望ましいが、等しくなくてもよい。また、背面負荷材４０を設けるとしたが、低電圧で駆動するような条件下でさらに高感度な超音波送受波器が必要な場合は背面負荷材４０は設ける必要はない。また、圧電板Ａ３６、圧電板Ｃ３８、圧電板Ｃ３８の超音波送受波面と等しい方向の面および対向する面の電極は全面にある必要はない。また、圧電板Ａ３６、圧電板Ｃ３８、圧電板Ｃ３８は直方体でなくても円柱形状の複数の圧電体を用いてもよい。また、整合層３９はポリオレフィン系多孔膜としたが、被測定流体に適した音響整合材料ならなんでも良い。また、背面負荷材４０はフェライトゴムとしたが、不要な振動の減衰効果が得られる材料ならなんでも良い。
【０１０３】
（６）実施例６
以下、本発明の第６の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【０１０４】
本実施例では、実施例１から実施例４に用いる超音波送受波器に対して行った具体的な検討事例を示す。
【０１０５】
まず、圧電体の送受波面の縦および横の長さの厚みに対する関係について図８と図９を用いて述べる。図８は本発明の一実施例における超音波流量計に用いる超音波送受波器の構成部品の一つである圧電体の形状である。図８において、６０は直方体形状の圧電体、６１は圧電体６０の送受波面、６２は圧電体６０の縦、６３は圧電体６０の横、６４は圧電体６０の厚みである。図９は図８の形状で、圧電体６０に圧電セラミックを用い、厚み６４を一定（８ｍｍ）とし、送受波面６１の縦６２および横６３の長さを変え有限要素法を用いて行った、インピ−ダンス解析結果である。いずれの図も横軸は周波数、縦軸はインピ−ダンスであり、縦６２の長さをＬ、横６３の長さをＷ、厚み６４をＴとする。図９（ａ）はＬ／Ｔ＝Ｗ／Ｔ＝０．４、図９（ｂ）はＬ／Ｔ＝Ｗ／Ｔ＝０．６、図９（ｃ）はＬ／Ｔ＝０．６、Ｗ／Ｔ＝０．８の場合である。
【０１０６】
図９（ａ）において、厚み６４での厚み縦振動の共振周波数は１８０kＨz付近に現れている谷の部分で、反共振周波数は２６０ｋＨｚ付近に現れる山の部分である。図示された範囲には他の振動モードの共振周波数(山)や反共振周波数(谷)は見られない。図９（ｂ）では図９（ａ）同様に、厚み縦振動の共振周波数、反共振周波数がはっきり確認できる。また、厚み縦振動に影響を与えない程度離れた周波数（４３０ｋＨｚ付近）に他の振動モードの共振周波数、反共振周波数も確認できる。図９（ｃ）では厚み縦振動の共振周波数（１８０kＨz付近）と反共振周波数（２６０kＨz付近）の間に他の振動モ−ドの共振周波数、反共振周波数が見られ、厚み縦振動と他の振動モ−ドが混在していることがわかる。この解析結果より圧電板６０の送受波面６１の縦６２および横６３の長さの厚み６４に対するすべての比が０．６以下のとき、厚み縦振動を主モ−ドとして最も効率よく利用できることがわかった。
【０１０７】
次に図１０に示す流路断面に適した寸法の圧電体の検討を行う。例えば流路高さ６５を８ｍｍ、流路幅６６を４０ｍｍとする。超音波流量計の計測精度および工業的視点から、圧電体６０の縦６２と横６３の長さを流路高さ６５と等しい８ｍｍ、厚み６４を５ｍｍとした場合を考える。送受波面６１の縦６２および横６３の長さの厚み６４に対するすべての比が０．６以下という条件を用いると、例えば送受波面６１を少なくとも９個に分割する必要がある。しかし分割するために設ける溝の数が増えると加工時間が長くなり製造コストの増大につながる。そこで溝の本数を少なくし、厚み縦振動と他の不要振動モ−ドを実用上問題ない程度に分離できる形状の検討を行った。
【０１０８】
図１１は圧電体６７に対し２本の溝６８を設けた場合で、図１２は圧電体７２に対し２本の溝７３を設けた場合で、再度有限要素法を用い、インピ−ダンス解析を行った。ただしインピ−ダンス解析は、圧電体が完全に分割された図８に示す形状で行った。図１３（ａ）は図１１の場合に対応し、縦６２および横６３はともに４ｍｍ（Ｌ／Ｔ＝Ｗ／Ｔ＝０．８）、図１３（ｂ）は図１２の場合に対応し、横６２を２．７ｍｍ、縦６３を８ｍｍ（Ｌ／Ｔ＝０．５、Ｗ／Ｔ＝１．６）とした。比較のため図１３（ｃ）には縦６２および横６３がともに３ｍｍ（Ｌ／Ｔ＝Ｗ／Ｔ＝０．６）の解析結果を示す。
【０１０９】
図１３（ａ）では図１３（ｃ）に比べ、厚み縦振動に対し他の不要な振動モ−ドが近い周波数に存在しているが、その影響は少ないと推定できる。図１３（ｂ）では厚み縦振動と他の不要な振動モ−ドが混在していることがわかる。以上の結果より、縦６２および横６３は４ｍｍの条件でも、実用上問題が少ないと判断し、図１１に示すように圧電体６７に溝６８を設けることとした。
【０１１０】
最後に溝の深さの効果を、実際に圧電体にダイサで溝を設け評価した。圧電体６７の縦７１と横７０の長さは８ｍｍ、厚み６９は５ｍｍとした。また２本の溝６８は図１３に示すように送受波面の中央付近で交差するように設けた。また２本の溝６８の深さは等しくなるように設けた。
【０１１１】
図１４（ａ）は溝６８の深さが厚み６９に対し０％、図１４（ｂ）は溝６８の深さが厚み６９に対し８０％、図１４（ｃ）は溝６８の深さが厚み６９に対し９０％、図１４（ｄ）は完全に切断した場合である。インピ−ダンス軌跡だけでは厚み縦振動と他の不要な振動モ−ドの分離について明確な結論は出せないが、溝６８の深さが厚み６９に対し９０％以上であれば実用上問題ない程度に厚み縦振動と不要な振動モ−ドが分離できると推定できる。
【０１１２】
圧電体６７の縦７１と横７０の長さは８ｍｍ、厚み６９は５ｍｍ、十字の溝６８を設けた図１１に示す形状の圧電体６７を用いて超音波送受波器を試作し、特性を評価した。
超音波送受波器の外観図を図１５、断面図を図１６、超音波パルスを図１７に示す。図１５において、７４は超音波送受波器、７５はエポキシ樹脂とガラスバル−ンからなる円板形状の整合層、７６は真鍮からなる円筒形のケ−スである。
【０１１３】
図１６において、７７は十字の溝７８を設けた圧電セラミックからなる圧電体である。なお、電池電圧程度で駆動することを想定し、高感度な超音波送受波器７４を得るため背面負荷材は設けていない。図１７は、流路高さ６５が８ｍｍ、流路幅６６が４０ｍｍの断面形状を有する流路に対し、一対の超音波送受波器７４を対向配置し、一方の超音波送受波器７４を３周期の方形波で駆動し、他方の超音波送受波器で受信した超音波パルスである。この超音波パルスより、超音波送受波器７４は実用上問題ない特性を有すことを確認した。
【０１１４】
以上のように本実施例によれば、溝の深さが送受波面と垂直な方向の厚みに対し９０％以上１００％未満であれば、実用上問題ない程度に厚み縦振動と他の不要な振動モ−ドを分離できる。また、溝によって分割された超音波送受波面のそれぞれの面の縦および横の長さの厚みに対する全ての比が０．８以下、望ましくは０．６以下の場合、実用上問題ない程度に厚み縦振動と他の不要な振動モ−ドを分離でき、厚み縦振動を主モ−ドとして利用することができる。
【０１１５】
なお、整合層７５は円板形状としたが、正方形でも楕円形でも構わない。ケース７６は円筒形としたが、圧電体７７が内側に配置可能ならば他の形状でも構わない。整合層７５およびケ−ス７６に用いる材質は、使用環境、コスト等により最適な材料を選択すればよいことは言うまでもない。
【０１１６】
なお上記実施例において、ケース７６は有天筒状に形成して下面開口をケース７６と同様の真鍮製蓋板７６ａで覆い、これら両板を接合して圧電体７７を密封してある。したがって圧電体７７が電荷を蓄積しスパークを飛ばすようなことがあってもケース７６と蓋板７６ａとによるシールド効果でこれを遮断することができ、測定する流体が可燃性ガスや可燃性の液体であっても安全性を確保することができる。またケース内７６と蓋板７６ａとで囲まれた空間７９の空気は乾燥させてあり、よってこの空間７９内で露結が生じてこれにより圧電体７７のセラミックが溶解し破壊することを防止でき、信頼性を向上させることができる。またケース７６の天井部は電極を兼ねさせてリード線の一方は蓋板７６ａに接続すればよいようにしてあるのでリード線取り出し構成の簡素化も図れる。図中８０は蓋板７６ａに一体化した絶縁体で、もう一方のリード線が引き出しある。
【０１１７】
図１８は実施例３の変形例、図１９は実施例４の変形例を示し、いずれも圧電板を円筒形状としたものである。
【０１１８】
以上のように本実施例の第１の超音波流量計は、流路と、この流路中の流体流量を測定する如く配置した超音波送受波器とを備え、上記超音波送受波器は対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面としてその送受波面を前記流路に臨ませた圧電体を有し、上記圧電体は電極方向の振動を主モードとするようその送受波面の縦及び横の長さを設定した構成としてあり、圧電体の厚み縦振動を主モ−ドとして利用するため高感度、高速応答性、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパクトな超音波流量計を得ることができる。
【０１１９】
また本実施例の第２の超音波流量計は、流路と、この流路中の流体流量を測定する如く配置した超音波送受波器とを備え、上記超音波送受波器は対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面としてその送受波面を前記流路に臨ませた圧電体を有し、上記圧電体は送受波面または前記送受波面と対向する面の少なくとも一方を溝で分割するとともに、分割した面に設けた電極の全てを導体で電気的に接続した構成としてあり、溝により厚み縦振動と不要な振動モ−ドを分離できるため、高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパクトな超音波流量計を得ることができる。
【０１２０】
この実施例において、電極方向の振動を主モードとする深さの溝で圧電体を分割した構成としたもの、及び溝の深さが送受波面と垂直な方向の厚みに対し９０％以上１００％未満としたものは、圧電体を完全に分離しないため圧電体の取り扱いが容易なうえ、厚み縦振動と不要な振動モ−ドが実用するうえで問題ない程度に分離できるため高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパクトな超音波流量計を得ることができる。
【０１２１】
更に、この実施例において、溝によって分割されたそれぞれの面の縦および横の長さを電極方向の振動が主モードとなるように設定したもの、及び溝によって分割されたそれぞれの面の縦および横の長さ厚みに対する比を全て０．８以下としたものは、厚み縦振動と不要な振動モ−ドが実用するうえで問題ない程度に分離できるうえ厚み縦振動を主モ−ドとして利用できるため、高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパクトな超音波流量計を得ることができる。
【０１２２】
また、この実施例において、圧電体に設ける溝を複数としたものは、さらに周波数や寸法の選択幅が広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパクトな超音波流量計を得ることができる。
【０１２３】
本実施例の第３の超音波流量計は、流路と、この流路中の流体流量を測定する如く配置した超音波送受波器とを備え、上記超音波送受波器は対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面としてその送受波面を前記流路に臨ませた複数の圧電体を有し、この各圧電体の送受波面および前記送受波面と対向する面に設けた各電極をそれぞれ導体で接続した構成としてあり、複数の分離された圧電体を有するため、不要な振動モ−ドの影響が少なくなるため高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパクトな超音波流量計を得ることができる。
【０１２４】
この実施例において、各圧電体のそれぞれの面の縦および横の全ての長さを、電極方向の振動が主モードとなるように設定したもの、及び各圧電体の送受波面の縦及び横の長さの厚みに対する比を全て０．８以下としたものは、厚み縦振動を主モ−ドとして利用できるため高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパクトな超音波流量計を得ることができる。
【０１２５】
本実施例の第４の超音波流量計は、第１から第３の発明の超音波流量計において、電極に垂直な方向に分極された複数の圧電体を分極方向が互いに反対となるように積層し、この積層してなる圧電体の前記電極方向の振動を主モ−ドとする構成としてあり、超音波送受波器の電気的インピ−ダンスを小さくできるためノイズに対して強い特性を得ることができ、さらに高精度な超音波流量計を得ることができる。
【０１２６】
本実施例の第５の超音波流量計は、第１から第４の発明の超音波流量計において、その流路は所定の位置に所定の幅の隙間を有し、所定の幅をおいて配置された２枚の平行平板に挟まれた構成としてあり、流路の断面形状を長方形にすることにより流路断面内での流速分布を単純化でき、得られた流速より流量を高精度に導出できることが可能となり、さらに高精度な超音波流量計を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
以上のように、本発明は、可燃性被測定流体が流れる流路と、前記流路に設けられ超音波信号を送受信する超音波送受波器とを備えた超音波流量計であって、前記超音波送受波器は、圧電体と前記圧電体を前記可燃性被測定流体から遮断するケースとで形成されている超音波流量計であり、測定する流体が可燃性ガスや可燃性の液体であっても安全性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本発明の第１の実施例における超音波流量計の構成を示す図
【図２】同第１の実施例における流路に対する超音波送受波器の配置を示す図
【図３】同第１の実施例における超音波送受波器の構成を示す図
【図４】同第２の実施例における超音波送受波器の構成を示す図
【図５】同第３の実施例における超音波送受波器の構成を示す図
【図６】同第４の実施例における超音波送受波器の構成を示す図
【図７】同第５の実施例における超音波送受波器の構成を示す図
【図８】同解析に用いた圧電体の構成を示す図
【図９】同第６の実施例における有限要素法によるインピーダンス解析結果を示す図
【図１０】同第６の実施例における流路断面を示す図
【図１１】同第６の実施例における２本の溝を構成した圧電体を示す図
【図１２】同第６の実施例における３本の溝を構成した圧電体を示す図
【図１３】同第６の実施例における有限要素法によるインピーダンス解析結果を示す図
【図１４】同第６の実施例における溝を設けた圧電体のインピーダンス測定結果を示す図
【図１５】同第６の実施例における超音波送受波器の外観構成を示す図
【図１６】同第６の実施例における超音波送受波器の断面構成を示す図
【図１７】同第６の実施例における超音波送受波器の超音波パルスを示す図
【図１８】同第３の実施例における超音波送受波器の変形例の外観構成を示す図
【図１９】同第４の実施例における超音波送受波器の変形例の外観構成を示す図
【図２０】従来の超音波流量計の構成を示す図
【図２１】従来の気体用超音波振動子の構成を示す図
【符号の説明】
【０１２９】
２  流路
７４  超音波送受波器
７５  整合層
７６  ケ−ス
７６ａ  蓋板
７７  圧電体
７８  溝
７９  空間
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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