(57)【要約】【課題】  超音波素子の遅延時間を補正することにより、流量計測を正確に行うことができる超音波流量計を提供することを課題とする。【解決手段】  送信側となる超音波送受信部から送出される超音波ビームの、受信側となる超音波送受信部へ到達するまでの伝播時間を計測する伝播時間計測手段と、計測された伝播時間に基づいて被測定流体の流量を算出する流量算出手段とを有し、伝播時間計測手段は、送信側となる超音波送受信部に駆動電圧を印加するに伴い、超音波送受信部の圧電セラミック振動板に生ずる音響振動波形を、電極に生ずるモニタ出力電圧波形として取得するモニタ出力電圧波形取得手段と、取得したモニタ出力電圧波形に基づいて伝播時間の補正情報を生成する補正情報生成手段と、計測された伝播時間を補正情報に基づいて補正する伝播時間補正手段とを有する。【選択図】図１５
2008164465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体の流路を形成する流路形成部と、
前記流路形成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、板厚方向に分極処理された圧電セラミック振動板と、該圧電セラミック振動板上に形成された電極とを有する超音波送受信素子を備えるとともに、一方が前記被測定流体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、各々前記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を送出可能な対をなす超音波送受信部と、
前記超音波送受信部にパルス状の駆動電圧を印加する駆動電圧印加手段と、
送信側となる超音波送受信部から送出される超音波ビームの、受信側となる超音波送受信部へ到達するまでの伝播時間を計測する伝播時間計測手段と、
計測された前記伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を算出する流量算出手段とを有し、
前記伝播時間計測手段は、
送信側となる超音波送受信部に前記駆動電圧を印加するに伴い、当該超音波送受信部の前記圧電セラミック振動板に生ずる音響振動波形を、前記電極に生ずるモニタ出力電圧波形として取得するモニタ出力電圧波形取得手段と、
取得した前記モニタ出力電圧波形に基づいて前記伝播時間の補正情報を生成する補正情報生成手段と、
計測された前記伝播時間を前記補正情報に基づいて補正する伝播時間補正手段と、
を有することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記補正情報生成手段は、前記モニタ出力電圧波形上に前記伝播時間の計測基準点を前記補正情報として定める請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記補正情報生成手段は、前記モニタ出力電圧波形に生ずる所定順位のゼロクロス点を前記計測基準点として定め、前記駆動信号の入力タイミングから前記計測基準点に至る遅延時間ｔ０を計測し、前記伝播時間計測手段が計測する、前記駆動信号の入力タイミングから前記受信側となる超音波送受信部に生ずる到達波形の所定順位のゼロクロス点に至る時間を原計測時間ｔｘとして、前記伝播時間をｔｘ−ｔ０として算出する請求項１または２記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記伝播時間補正手段は、
予め定められた基準温度にて測定された前記遅延時間ｔ０を記憶する遅延時間記憶手段と、
流量測定のために前記伝播時間計測手段が前記原計測時間ｔｘを計測取得するに伴い、前記遅延時間記憶手段から前記遅延時間ｔ０を読み出し、前記伝播時間をｔｘ−ｔ０として補正算出する伝播時間補正算出手段と、
前記被測定流体の温度を測定する流体温度測定手段と、
前記温度測定手段による測定温度が前記基準温度に到達する予め定められたキャリブレーションタイミングが到来するに伴い、前記遅延時間ｔ０’を測定する遅延時間測定手段と、
測定取得された遅延時間ｔ０’により前記遅延時間記憶手段の記憶内容を更新する遅延時間更新手段と、
を備える請求項３に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記キャリブレーションタイミングは、前記伝播時間計測手段による流量計測タイミングよりも低頻度にて到来するように定められてなる請求項４記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記伝播時間補正手段において、前記基準温度が１点のみ定められ、前記遅延時間記憶手段は、当該基準温度にて測定された前記遅延時間を記憶するものとされ、さらに、前記遅延時間と、予め記憶された温度係数とに基づいて遅延時間較正直線を決定する遅延時間較正直線決定手段を有するとともに、
前記伝播時間計測手段は、前記伝播時間計測を任意の温度にて行ない、当該伝播時間計測がなされた測定温度に対応する遅延時間を前記遅延時間較正直線から読み取り、これを用いて前記伝播時間を算出するものである請求項４又は請求項５に記載の超音波流量計。
【請求項７】
前記伝播時間補正手段において、前記基準温度が互いに異なる複数点に定められ、前記遅延時間記憶手段は、前記複数の基準温度にて各々測定された遅延時間を記憶するものとされ、さらに、前記遅延時間記憶手段に記憶されている前記複数の基準温度に基づいて遅延時間較正曲線を決定する遅延時間較正曲線決定手段を有するとともに、
前記伝播時間計測手段は、前記伝播時間計測を任意の温度にて行ない、当該伝播時間計測がなされた測定温度に対応する遅延時間を前記遅延時間較正曲線から読み取り、これを用いて前記伝播時間を算出するものである請求項４又は請求項５に記載の超音波流量計。
【請求項８】
前記駆動電圧印加手段は、１回の流量測定に際して前記パルス状の駆動電圧を前記超音波送受信部に複数回連続して印加するものであり、
前記補正情報生成手段は、前記複数回のパルス状の駆動電圧に由来したモニタ出力電圧波形に生ずる複数個のゼロクロス点の発生タイミングを平均化して前記計測基準点として定めるものである請求項３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】
前記超音波送受信素子は、
前記圧電セラミック振動板の各主表面を覆う形で該圧電セラミック振動板を挟んで対向形成され、該圧電セラミック振動板を超音波振動させるために前記駆動電圧が印加される主電極対と、
前記主電極対のいずれとも絶縁分離した形で前記圧電セラミック振動板上に形成され、前記駆動電圧の印加に伴い前記圧電セラミック振動板に生ずる超音波振動の圧電モニタリング信号を取り出すためのモニタ用部分電極とを備え、
前記モニタ出力電圧波形取得手段は、前記モニタ用部分電極の前記圧電モニタリング信号を前記モニタ出力電圧波形として取り出すものである請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項１０】
前記主電極対は、前記圧電セラミック振動板の第一主表面を覆う接地電極と、同じく第二主表面を覆う駆動電極とからなり、前記モニタ用部分電極は、それら接地電極及び駆動電極のいずれよりも前記圧電セラミック振動板に対する被覆面積が小さく形成されてなる請求項９記載の超音波流量計。
【請求項１１】
前記駆動電極は前記接地電極よりも前記圧電セラミック振動板に対する被覆面積が小さく形成されてなり、該圧電セラミック振動板の前記第二主表面の前記駆動電極に覆われていない残余領域に前記モニタ用部分電極が形成されてなる請求項１０記載の超音波流量計。
【請求項１２】
前記モニタ用部分電極は圧電セラミック振動板の前記第二主表面の外周縁領域に形成されてなる請求項１１記載の超音波流量計。
【請求項１３】
前記圧電セラミック振動板が円板状に形成され、前記駆動電極は該圧電セラミック振動板の外周縁に沿う円状の外周縁形状を有するとともに、当該円状の外周縁の一部を半径方向内側に凹状に引っ込ませる形で前記駆動電極の一部が切り欠かれ、その切欠き領域の内側に前記モニタ用部分電極が形成されてなる請求項１２記載の超音波流量計。
【請求項１４】
前記駆動電極側の外周縁は、前記モニタ用部分電極との隣接位置にて、該駆動電極とモニタ用部分電極との間に所定幅の隙間を形成する形で、該モニタ用部分電極の外周縁に倣う形状に形成されてなる請求項１２又は請求項１３に記載の超音波流量計。
【請求項１５】
前記駆動電極とモニタ用部分電極との間に形成される前記隙間の幅が０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とされてなる請求項１４記載の超音波流量計。
【請求項１６】
前記圧電セラミック振動板は、前記駆動電極及び前記モニタ用部分電極の形成された第一主表面側がケーシングの底部内面と対向する形で該ケーシング内に配置され、
前記ケーシングの底部裏面に突出形成された駆動端子及びモニタ端子に対し、前記駆動電極及び前記モニタ用部分電極がそれぞれ接続されてなる請求項１０ないし請求項１５のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項１７】
前記圧電セラミック振動板と前記ケーシングの底部との間に絶縁層が配置され、前記駆動端子と前記駆動電極及び前記モニタ端子と前記モニタ用部分電極とが、前記絶縁層を貫く個別のワイヤによりそれぞれボンディングされてなる請求項１６記載の超音波流量計。
【請求項１８】
前記接地電極への導通経路が前記圧電セラミック振動板の前記第二主表面側から該圧電セラミック振動板の側周面を経て前記第一主表面側に回り込む形で形成され、前記ケーシングの底部裏面に突出形成された接地端子に前記接地電極が該導通経路を介して接続されてなる請求項１６又は請求項１７に記載の超音波流量計。
【請求項１９】
前記ケーシングの前記底部と反対側の開口に望む位置に前記圧電セラミック振動板が配置されるとともに、該開口を塞ぐ形で、前記圧電セラミック振動板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た音響インピーダンス整合層が、前記圧電セラミック振動板の前記第二主表面上に形成された前記接地電極と密着する形で設けられている請求項１８記載の超音波流量計。
【請求項２０】
前記導通経路は、前記圧電セラミック振動板の前記第二主表面側にて一端が前記接地電極に半田付けされるワイヤであり、前記音響インピーダンス整合層の該接地電極との対向面に、前記ワイヤの半田付け部を収容する凹状部が形成されてなる請求項１９記載の超音波流量計。
【請求項２１】
前記配線部は、一端が前記接地電極に接続し、前記駆動電極及び前記モニタ用部分電極のいずれとも絶縁分離された形で前記圧電セラミック振動板の第一主表面に形成された接地用接続パッドに他端が接続する形で前記圧電セラミック振動板の周側面上に形成された接地用リード層と、一端が前記接地用接続パッドに半田付けされ、他端が前記接地端子に半田付けされるワイヤとからなり、
前記接地電極の全面に渡って前記音響インピーダンス整合層が密着配置されてなる請求項１９記載の超音波流量計。
【請求項２２】
前記ケーシングは、前記底部と、該底部の周縁から立ち上がる側壁部と、該側壁部の前記底部と反対側の開口を塞ぐ天面部とが互いに導通する金属部材にて形成され、前記天面部の内面に前記圧電セラミック振動板の前記第二主表面を覆う前記接地電極が導電性接着層を介して密着配置され、当該ケーシングを介して前記駆動電圧が接地される請求項１７又は請求項１８に記載の超音波流量計。
【請求項２３】
前記天面部の外側主表面に、当該天面部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た音響インピーダンス整合層が密着配置されてなる請求項１５に記載の超音波流量計。
【請求項２４】
前記駆動電圧印加手段は、前記駆動電圧を前記モニタ用部分電極に印加せず前記主電極対に印加するものである請求項９ないし請求項２３のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項２５】
前記駆動電圧の電源ラインと前記圧電モニタリング信号の出力ラインとのいずれかに前記モニタ用部分電極を切替可能に接続する切替スイッチが設けられ、前記駆動電圧印加手段は、前記モニタ用部分電極を前記電源ラインに接続することにより、前記駆動電圧を前記主電極対とともに該モニタ用部分電極にも印加し、その後前記切替スイッチを前記圧電モニタリング信号の出力ライン側に切り替えるものである請求項９ないし請求項２３のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項２６】
前記駆動電圧印加手段は、１回の流量測定に際して前記パルス状の駆動電圧を前記超音波送受信部に複数回連続して印加するものであり、かつ、当該複数のパルス状の駆動電圧の最後のものを、これに先行する残余のものよりもパルス電圧振幅の大きいマーカーパルスとして印加する請求項３ないし請求項２５のいずれか１項に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ものである。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００４−２５１６５３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】
上記のような流量計に使用される超音波送受信部（超音波トランスデューサ）は振動駆動部が圧電セラミック振動板にて構成される。該流量計では、超音波送受信部が長期に渡って使用され、最近では使用年数が１０年を超える要求も想定されている。このような長期使用中においては、振動駆動部の経時劣化により超音波送受信部の出力特性がドリフトすることがある。近年、流量計に要求されるスペックがますます厳しくなる中、上記の劣化により超音波送受信部が要求される耐用年数を充足できなくなることが懸念される。流量出力のゼロ点がドリフトすると流量の測定精度が悪化し、正確な計測ができなくなることにつながる。
【０００５】
具体的には、超音波送受信部においては、振動駆動部を駆動してから超音波が被測定流体（媒質：例えば都市ガス）中へ放射されるまでに一定の時間遅れが存在する。すなわち、図７に示すように、外部からの駆動信号を受けることで、その信号が圧電セラミック振動板にて機械振動に変換され、さらに音響インピーダンス整合層を伝播して被測定流体へ放射されるので、上記の駆動信号の入力タイミングから超音波が被測定流体に放出されるまでに一定の遅延時間が存在する。
【０００６】
従来の流量計測では、超音波の被測定流体への放出タイミングを、駆動信号の入力タイミングに置き換えて超音波伝播時間の計測起点として用いていた。駆動信号の入力タイミングから超音波の被測定流体への放出タイミングに至る遅延時間が一定であれば、該遅延時間の計測誤差への寄与も一定であり容易に補正可能であるが、該遅延時間が振動駆動部の経時劣化に伴い変動すると該寄与は一定でなくなり、補正はもはや不能となる。例えば、工場出荷時に記憶された超音波送受信部の初期ゼロ点流量が経時ドリフトすると、流れがないにも拘わらず流れがあると誤計測したり、逆に流れがあるにも関わらず流れがないと認識してしまったりする問題を引き起こすことになる。
【０００７】
本発明は、超音波素子の遅延時間を補正することにより、流量計測を正確に行うことができる超音波流量計を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明の超音波流量計は、
被測定流体の流路を形成する流路形成部と、
流路形成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、板厚方向に分極処理された圧電セラミック振動板と、圧電セラミック振動板上に形成された電極とを有する超音波送受信素子を備えるとともに、一方が被測定流体への測定用超音波の送出側となり、他方が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を送出可能な対をなす超音波送受信部と、
超音波送受信部にパルス状の駆動電圧を印加する駆動電圧印加手段と、
送信側となる超音波送受信部から送出される超音波ビームの、受信側となる超音波送受信部へ到達するまでの伝播時間を計測する伝播時間計測手段と、
計測された伝播時間に基づいて被測定流体の流量を算出する流量算出手段とを有し、
伝播時間計測手段は、
送信側となる超音波送受信部に駆動電圧を印加するに伴い、超音波送受信部の圧電セラミック振動板に生ずる音響振動波形を、電極に生ずるモニタ出力電圧波形として取得するモニタ出力電圧波形取得手段と、
取得したモニタ出力電圧波形に基づいて伝播時間の補正情報を生成する補正情報生成手段と、
計測された伝播時間を補正情報に基づいて補正する伝播時間補正手段と、
を有することを特徴とする。
【０００９】
上記発明によると、流路の上流側と下流側に一対の超音波送受信部が設けられ、一方から他方に超音波ビームを送出する。超音波送受信部は圧電セラミック振動板と、その圧電セラミック振動板の上に形成された電極とを備える。そして、超音波ビームの伝播時間を伝播時間計測手段により計測し、その伝播時間に基づいて、流路を流れる被測定流体の流量を算出している。超音波送受信部に駆動電圧を印加すると圧電セラミック振動板が振動して音響振動波形が生じ、電極からモニタ出力電圧波形として取り出される。そして、このモニタ出力電圧波形に基づいて伝播時間の補正情報が生成され、超音波ビームの伝播時間が補正情報に基づいて補正される。このようにすると、超音波送受信部に駆動電圧を印加してから超音波が送出されるまでの遅延時間が経時ドリフトした場合でも、その値が補正に反映されるため、流量計測を長年にわたって正確に行うことが可能となる。
【００１０】
この場合、補正情報生成手段は、モニタ出力電圧波形上に伝播時間の計測基準点を補正情報として定めるものとすることができる。このようにすると、駆動信号の入力タイミングから計測基準点までの時間を補正情報とし、この補正情報を使って超音波ビームの伝播時間を補正できる。そのため、駆動信号の入力タイミングから計測基準点までの時間が経時ドリフトした場合でも、その値の影響を受けることなく、超音波ビームの正味の伝播時間（計測基準点から受信側の超音波受信部で超音波が受信されるまでの時間）を求めることができる。
【００１１】
より詳しくは、補正情報生成手段は、モニタ出力電圧波形に生ずる所定順位のゼロクロス点を計測基準点として定め、駆動信号の入力タイミングから計測基準点に至る遅延時間ｔ０を計測し、伝播時間計測手段が計測する、駆動信号の入力タイミングから受信側となる超音波送受信部に生ずる到達波形の所定順位のゼロクロス点に至る時間を原計測時間ｔｘとして、伝播時間をｔｘ−ｔ０として算出するものにできる。すなわち、遅延時間ｔ０および原計測時間ｔｘを計測し、超音波ビームの伝播時間をｔｘ−ｔ０として算出する。これにより、遅延時間ｔ０が計時ドリフトした場合でも、実際に超音波ビームが伝播した時間を正確に測定できる。そのため、流量計測を正確に行うことができる。
【００１２】
この場合、伝播時間補正手段は、
予め定められた基準温度にて測定された遅延時間ｔ０を記憶する遅延時間記憶手段と、
流量測定のために伝播時間計測手段が原計測時間ｔｘを計測取得するに伴い、遅延時間記憶手段から遅延時間ｔ０を読み出し、伝播時間をｔｘ−ｔ０として補正算出する伝播時間補正算出手段と、
被測定流体の温度を測定する流体温度測定手段と、
温度測定手段による測定温度が基準温度に到達する予め定められたキャリブレーションタイミングが到来するに伴い、遅延時間ｔ０’を測定する遅延時間測定手段と、
測定取得された遅延時間ｔ０’により遅延時間記憶手段の記憶内容を更新する遅延時間更新手段と、
を備えたものにできる。このようにすると、遅延時間記憶手段に遅延時間ｔ０が記憶されており、この記憶値を用いて原計測時間ｔｘ−ｔ０を算出するため、流量測定の度に遅延時間ｔ０を測定する必要がなくなる。また、超音波素子の遅延時間ｔ０は経年劣化するので、遅延時間ｔ０’を定期的に測定して値を更新している。そのため、長年にわたって正確な流量計測を行える。また、超音波素子の遅延時間ｔ０は温度によっても変化するので、遅延時間ｔ０’の測定は、被測定流体の温度が予め定められた基準温度に到達した場合（キャリブレーションタイミング）に行うようにしている。
【００１３】
この場合、キャリブレーションタイミングは、伝播時間計測手段による流量計測タイミングよりも低頻度にて到来するように定めるとよい。すなわち、流量計測の頻度（超音波伝播時間を計測する頻度）よりも、遅延時間ｔ０を測定する頻度を少なくするとよい。例えば、遅延時間ｔ０の測定は半年に１回とか、１年に１回とする。これにより、頻繁に遅延時間ｔ０を計測する必要がなくなり、超音波流量計の低電力化にも繋がる。
【００１４】
例えば、伝播時間補正手段において、基準温度が１点のみ定められ、遅延時間記憶手段は、基準温度にて測定された遅延時間を記憶するものとされ、さらに、遅延時間と、予め記憶された温度係数とに基づいて遅延時間較正直線を決定する遅延時間較正直線決定手段を有するとともに、
伝播時間計測手段は、伝播時間計測を任意の温度にて行ない、伝播時間計測がなされた測定温度に対応する遅延時間を遅延時間較正直線から読み取り、これを用いて伝播時間を算出するものにできる。このようにすると、流量測定を行う際の温度が、遅延時間ｔ０を測定した際の基準温度と異なる場合でも、その遅延時間ｔ０を遅延時間較正直線から読み取り、伝搬時間の算出（ｔｘ−ｔ０）に利用することができる。すなわち、超音波素子の遅延時間ｔ０の、温度による変化をも補正して、正確な流量計測を行うことが可能となる。また、基準温度を１点のみとし、それと温度係数のみを用いて遅延時間較正直線を決定するようにすると、切片のみを決定するだけで遅延時間較正直線を定義することが可能となる。そのため、遅延時間較正直線の決定方法を簡単なものにできる。なお、温度係数は、工場出荷する際に個々の超音波流量計について計測し、その値を記憶してもよいし、製品間差があまり無い場合は、代表平均値を採用して記憶してもよい。
【００１５】
また、伝播時間補正手段において、基準温度が互いに異なる複数点に定められ、遅延時間記憶手段は、複数の基準温度にて各々測定された遅延時間を記憶するものとされ、さらに、遅延時間記憶手段に記憶されている複数の基準温度に基づいて遅延時間較正曲線を決定する遅延時間較正曲線決定手段を有するとともに、
伝播時間計測手段は、伝播時間計測を任意の温度にて行ない、伝播時間計測がなされた測定温度に対応する遅延時間を遅延時間較正曲線から読み取り、これを用いて伝播時間を算出するものとしてもよい。この場合は、互いに異なる複数点において遅延時間ｔ０を測定し記憶するため、１点のみ測定する場合と比較して、温度と遅延時間ｔ０との関係（遅延時間較正曲線）を正確に定めることができる。
【００１６】
次に、駆動電圧印加手段は、１回の流量測定に際してパルス状の駆動電圧を超音波送受信部に複数回連続して印加するものであり、
補正情報生成手段は、複数回のパルス状の駆動電圧に由来したモニタ出力電圧波形に生ずる複数個のゼロクロス点の発生タイミングを平均化して計測基準点として定めるものとすることができる。このようにすると、超音波送受信部にパルス状の駆動電圧が複数回連続して印加されるため、超音波送受信部の振動を安定させることができる。また、複数個のゼロクロス点の発生タイミングを平均化して計測基準点を決定するため、駆動電圧を入力してから計測基準点までの時間を安定化することができ、従って、超音波の伝播時間ｔｘ−ｔ０を精度良く算出することが可能となる。この場合、超音波送受信部の振動が安定化するまで複数の駆動信号を印加し、その後に続いて入力される駆動信号について、ゼロクロス点の発生タイミングを平均化して計測基準点を定めるようにすることが好ましい。
【００１７】
次に、超音波送受信素子は、
圧電セラミック振動板の各主表面を覆う形で圧電セラミック振動板を挟んで対向形成され、圧電セラミック振動板を超音波振動させるために駆動電圧が印加される主電極対と、
主電極対のいずれとも絶縁分離した形で圧電セラミック振動板上に形成され、駆動電圧の印加に伴い圧電セラミック振動板に生ずる超音波振動の圧電モニタリング信号を取り出すためのモニタ用部分電極とを備え、
モニタ出力電圧波形取得手段は、モニタ用部分電極の圧電モニタリング信号をモニタ出力電圧波形として取り出すものにできる。このようにすると、振動駆動部の要部をなす圧電セラミック振動板に、駆動用の電極以外に、駆動電圧の印加に伴い当該の圧電セラミック振動板に生ずる超音波振動の圧電モニタリング信号を取り出すためのモニタ用部分電極を設けたので、駆動信号が入力された圧電セラミック振動板の振動波形をリアルタイムでモニタリングできる。これにより、遅延時間の測定を精度よく行うことが可能となる。また、モニタ用部分電極を有さない超音波素子を使って、圧電モニタリング信号を得るためには、駆動信号を入力してからすぐにスイッチ切り替えをして、駆動電極から圧電モニタリング信号を取り出す必要が生じるが、上記のようにモニタ用部分電極を備えたものであれば、スイッチを急いで切り替える必要がないため、回路上の負担を軽減できる。また、必要以上に高速な回路を使用する必要がなくなるので、コストダウンも可能となる。
【００１８】
例えば、駆動信号が入力された後、圧電セラミック振動板での遅延を含めて、実際にいつ超音波振動が圧電セラミック振動板に発生したかを、このモニタ用部分電極の波形を監視することで知ることができる。従って、駆動信号の入力タイミングからモニタ用部分電極の出力に振動波形が現われるまでの時間を計測すれば、駆動信号の入力タイミングから超音波の被測定流体への放出タイミングに至る遅延時間を正確に把握できる。特に、遅延時間が振動駆動部の経時劣化に伴い変動した場合でも、モニタ用部分電極の出力監視により該遅延時間を特定することで、超音波伝播時間の測定基準を、超音波の被測定流体への実際の放出タイミングに近づけることができ、超音波出力素子のゼロ点流量が経時ドリフトの影響を受け難くなる。なお、モニタ用部分電極の出力に特定の振動波形が現われるタイミングを検知して、これを超音波伝播時間の測定基準として使用することも当然可能である。この場合、遅延時間自体を測定により特定する必要は必ずしも生じない。
【００１９】
上記の場合において、主電極対は、圧電セラミック振動板の第一主表面を覆う接地電極と、同じく第二主表面を覆う駆動電極とからなり、モニタ用部分電極は、それら接地電極及び駆動電極のいずれよりも圧電セラミック振動板に対する被覆面積が小さく形成されていることが望ましい。
【００２０】
なお、モニタ用部分電極についても出力取出時の電圧基準を接地により与えてやる必要があるので、駆動電極とモニタ用部分電極とで接地電極を共用する構成が、振動駆動部の構造を簡略化する上でも好都合である。具体的には、駆動電極は接地電極よりも圧電セラミック振動板に対する被覆面積が小さく形成し、圧電セラミック振動板の第二主表面の駆動電極に覆われていない残余領域にモニタ用部分電極を形成するとよい。
【００２１】
この場合、モニタ用部分電極を圧電セラミック振動板の第二主表面の外周縁領域に形成しておくと、該モニタ用部分電極による圧電セラミック振動板の振動駆動特性への影響を軽減することができる。
【００２２】
圧電セラミック振動板が円板状に形成される場合、駆動電極は該圧電セラミック振動板の外周縁に沿う円状の外周縁形状を有するものとして形成できる。この場合、当該円状の外周縁の一部を半径方向内側に凹状に引っ込ませる形で駆動電極の一部を切り欠き、その切欠き領域の内側にモニタ用部分電極を形成することができる。このようにすると、モニタ用部分電極の形成面積を十分縮小しつつ、出力取り出し用のワイヤや半田付け部を容易に形成することができる。
【００２３】
また、駆動電極側の外周縁は、モニタ用部分電極との隣接位置にて、該駆動電極とモニタ用部分電極との間に所定幅の隙間を形成する形で、該モニタ用部分電極の外周縁に倣う形状に形成することができる。これにより、駆動電極とモニタ用部分電極との絶縁を確保しつつ、圧電セラミック振動板の振動駆動上のデッドエリアとなる、駆動電極とモニタ用部分電極との間の露出部を最小限に留めることができる。駆動電極とモニタ用部分電極との間に形成される隙間の幅は、０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とするのがよい。０．５ｍｍ以下では駆動電極とモニタ用部分電極との絶縁性を十分に確保できなくなる場合があり（例えば、メッキ不良や導電性異物付着によるブリッジングなど）、２．５ｍｍ以下では圧電セラミック振動板の振動駆動上のデッドエリアが増加しすぎ、超音波振動の駆動効率が低下する問題につながる。
【００２４】
圧電セラミック振動板は、駆動電極及びモニタ用部分電極の形成された第一主表面側がケーシングの底部内面と対向する形で該ケーシング内に配置することができる。この場合、ケーシングの底部裏面に突出形成された駆動端子及びモニタ端子に対し、駆動電極及びモニタ用部分電極をそれぞれ接続することができる。これにより、駆動電極及びモニタ用部分電極の駆動端子及びモニタ端子への導通経路の引き回し距離を短縮でき、配線構造を単純化でき、信頼性も向上する。この場合、圧電セラミック振動板とケーシングの底部との間に絶縁層を配置することができる。駆動端子と駆動電極及びモニタ端子とモニタ用部分電極とは、絶縁層を貫く個別のワイヤによりそれぞれボンディングすることができるので、ボンディングワイヤの引き回し長を削減できる。これにより、耐ノイズ性の向上や、電極ワイヤ間の機械的干渉回避等を図ることができる。なお、駆動端子及びモニタ端子の接続端を基板上に形成したパッドとし、ここに駆動電極及びモニタ用部分電極を面実装する構成も可能である。
【００２５】
一方、接地電極への導通経路は、圧電セラミック振動板の第二主表面側から該圧電セラミック振動板の側周面を経て第一主表面側に回り込む形で形成されることとなる。この場合、ケーシングの底部裏面に突出形成された接地端子に接地電極が該導通経路を介して接続することができる。これにより、ケーシングの裏面に、接地端子、駆動端子及びモニタ端子を集合させることができ、ケーブルコネクタ等の接続も容易である。
【００２６】
また、圧電セラミック振動板は、ケーシングの底部と反対側の開口に望む位置に配置することができる。この場合、該開口を塞ぐ形で、圧電セラミック振動板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た音響インピーダンス整合層を、圧電セラミック振動板の第二主表面上に形成された接地電極と密着する形で設けることができる。音響インピーダンス整合層を圧電セラミック振動板に密着配置することで、該圧電セラミック振動板からの超音波の放射効率、あるいは圧電セラミック振動板による超音波の受信効率を高めることができる。
【００２７】
上記の構成において導通経路は、圧電セラミック振動板の第二主表面側にて一端が接地電極に半田付けされるワイヤとすることができる。この場合、音響インピーダンス整合層の該接地電極との対向面に、ワイヤの半田付け部を収容する凹状部を形成することで、圧電セラミック振動板と音響インピーダンス整合層との密着に伴なう、半田付け部と音響インピーダンス整合層との干渉を回避することができ、半田付け部を保護することができる。また、圧電セラミック振動板の第二主表面側に接地電極に導通するパッドを設ける必要がなくなり、駆動電極の面積を大きく確保することができる。
【００２８】
これとは別の構成として、配線部を、一端が接地電極に接続し、駆動電極及びモニタ用部分電極のいずれとも絶縁分離された形で圧電セラミック振動板の第一主表面に形成された接地用接続パッドに他端が接続する形で圧電セラミック振動板の周側面上に形成された接地用リード層と、一端が接地用接続パッドに半田付けされ他端が接地端子に半田付けされるワイヤとからなるものとして形成することもできる。このようにすると、圧電セラミック振動板の第二主表面側から接地用ワイヤの半田付け部を排除でき、接地電極の全面に渡って音響インピーダンス整合層を密着配置できるので、超音波の放射効率（あるいは超音波の受信効率）をさらに高めることができる。
【００２９】
また、さらに別な構成として、ケーシングは、底部と、該底部の周縁から立ち上がる側壁部と、該側壁部の底部と反対側の開口を塞ぐ天面部とが互いに導通する金属部材にて形成することができる。この場合、天面部の内面に圧電セラミック振動板の第二主表面を覆う接地電極を、導電性接着層を介して密着配置し、当該ケーシングを介して接地電極を接地するように構成することができる。この構成により、ケーシングを駆動用の接地経路として流用でき、接地用の配線部を簡略化することができる。この場合、天面部の外側主表面に、当該天面部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た音響インピーダンス整合層を密着配置することができ、超音波の放射効率（あるいは超音波の受信効率）を高めることができる。
【００３０】
次に、駆動電圧印加手段は、駆動電圧をモニタ用部分電極に印加せず主電極対に印加するものにできる。このようにすると、モニタ用部分電極を、予め圧電モニタリング信号を検出するための回路に接続しておくことができる。すなわち、モニタ用部分電極に駆動電圧を印加した後に、信号検出回路にスイッチ切り替えする必要がない。
【００３１】
また、駆動電圧の電源ラインと圧電モニタリング信号の出力ラインとのいずれかにモニタ用部分電極を切替可能に接続する切替スイッチが設けられ、駆動電圧印加手段は、モニタ用部分電極を電源ラインに接続することにより、駆動電圧を主電極対とともにモニタ用部分電極にも印加し、その後切替スイッチを圧電モニタリング信号の出力ライン側に切り替えるようにしてもよい。このようにすると、主電極対とともにモニタ用部分電極にも駆動電圧を印加できるため、超音波ビームの送出効率を高めることができる。
【００３２】
次に、駆動電圧の電源ラインと圧電モニタリング信号の出力ラインとのいずれかに主電極を切替可能に接続する切替スイッチが設けられ、駆動電圧印加手段は、主電極を電源ラインに接続することにより、駆動電圧を印加し、その後切替スイッチを圧電モニタリング信号の出力ライン側に切り替えるようにしてもよい。このようにすると、駆動電圧を印加した後に、主電極対から圧電モニタリング信号を取り出すことができる。そのため、圧電モニタリング信号として比較的振幅の大きな信号を取り出せるので、ノイズ等の影響を受けにくくなる。
【００３３】
一方、駆動電圧印加手段は、１回の流量測定に際してパルス状の駆動電圧を超音波送受信部に複数回連続して印加するものであり、かつ、複数のパルス状の駆動電圧の最後のものを、これに先行する残余のものよりもパルス電圧振幅の大きいマーカーパルスとして印加することができる。このようにすると、超音波送受信部の振動を安定化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
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。また、図２は超音波送受信部２の拡大断面図である。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Ｏにおいて互いに異なる位置に設けられ、板厚方向に分極処理された圧電セラミック振動板２１（図２参照）と、圧電セラミック振動板２１上に形成された電極２２〜２４とを有する超音波送受信素子を備えるとともに、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ＳＷを送出可能な対をなす超音波送受信部２とを備えている。流路形成部３と超音波送受信部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。
【００３５】
流路形成部３は例えば金属製である。測定対象がガスの場合、流路形成部３の軸断面形状は壁部３Ｊにより閉鎖された空間を形成するものであればよく、例えば、円形状、楕円形状、正方形状、矩形状等のいずれを採用してもよい。本実施形態では、流路形成部３は矩形状の流路断面を有するものとして形成され、上壁部３Ｊａに上流側超音波送受信部２ａが、また下壁部３Ｊｂに下流側超音波送受信部２ｂが取り付けられている。つまり、対をなす超音波送受信部２ａ，２ｂが流路を挟む形で振り分けて配置されている。
【００３６】
超音波送受信部２ａ，２ｂは超音波振動子を有した超音波トランスデューサである。いずれも、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。いずれも全く同一の構造を有するので、その一方で代表させて説明する（以下、符号「２」により代表させる）。
【００３７】
次に、超音波流量計１は、超音波送受信部２にパルス状の駆動電圧を印加する駆動電圧印加手段（送信部）５と、送信側となる超音波送受信部２から送出される超音波ビームＳＷの、受信側となる超音波送受信部２へ到達するまでの伝播時間を計測する伝播時間計測手段（制御回路）１Ｅと、計測された伝播時間に基づいて被測定流体ＧＦの流量を算出する流量算出手段（演算部）１１とを有する。
【００３８】
また、伝播時間計測手段１Ｅは、送信側となる超音波送受信部２に駆動電圧を印加するに伴い、超音波送受信部２の圧電セラミック振動板２１に生ずる音響振動波形を、電極に生ずるモニタ出力電圧波形として取得するモニタ出力電圧波形取得手段（受信部）６と、取得したモニタ出力電圧波形に基づいて伝播時間の補正情報を生成する補正情報生成手段８と、計測された伝播時間を補正情報に基づいて補正する伝播時間補正手段（演算部）１１とを有する。
【００３９】
上記発明によると、超音波ビームＳＷの伝播時間を伝播時間計測手段１Ｅにより計測し、その伝播時間に基づいて、流路を流れる被測定流体ＧＦの流量を算出している。超音波送受信部２に駆動電圧を印加すると圧電セラミック振動板２１が振動して音響振動波形が生じ、電極２４からモニタ出力電圧波形として取り出される。そして、このモニタ出力電圧波形に基づいて伝播時間の補正情報が生成され、超音波ビームＳＷの伝播時間が補正情報に基づいて補正される。このようにすると、超音波送受信部２に駆動電圧を印加してから超音波が送出されるまでの遅延時間が経時ドリフトした場合でも、この遅延時間が補正に反映されるため、流量計測を正確に行うことが可能となる。
【００４０】
図２６に、演算部１１のブロック図を示す。このように、演算部１１はＣＰＵ１１１、ＲＯＭ１１２、ＲＡＭ１１３、Ｉ／Ｏ１１４、これらの構成を繋ぐライン１１５を備える。ＲＯＭ１１２には制御プログラム１１２ａが記憶されており、ＣＰＵ１１１がこの制御プログラム１１２ａを読み出して実行することにより、本発明の流量算出手段、伝播時間補正手段、伝播時間補正算出手段、遅延時間測定手段、遅延時間更新手段、遅延時間較正直線決定手段、遅延時間較正曲線決定手段がそれぞれ実現される。また、ＲＡＭ１１３には、遅延時間較正直線を決定した際の温度係数を記憶するための温度係数記憶領域１１３ａと、同じく切片を記憶するための切片記憶領域１１３ｂと、基準温度Ｔａにて測定した遅延時間の測定データを記憶するための測定データ記憶領域１１３ｃが設けられている。
【００４１】
図４は、図１の回路構成の詳細例を示すものである。２つの超音波送受信部２ａ，２ｂは、いずれも接地端子４１ａ，４１ｂが個別のスイッチＳＷ３，ＳＷ４を介して接地ラインＧＮＤに接続されている。接地ラインＧＮＤはスイッチＳＷ５を開始して接地導通とフロートとの間で切り替え可能になっている。一方、駆動端子４３ａ，４３ｂは、スイッチＳＷ１，ＳＷ２により駆動入力ラインＩＮＰに、択一的に接続切り替え可能につながれている。また、モニタ端子４４ａ，４４ｂは、スイッチＳＷ８，ＳＷ９によりモニタラインＭＮＴに、択一的に接続切り替え可能につながれている。さらに、駆動入力ラインＩＮＰとモニタラインＭＮＴとは、増幅部７に対し、スイッチＳＷ６，ＳＷ７により択一的に接続切り替え可能につながれている。
【００４２】
なお、駆動入力ラインＩＮＰ上には、並列の双方向ダイオード対からなるインピーダンス変換用のブートストラップ回路５１が設けられている。また、モニタラインＭＮＴと接地ラインＧＮＤとの間には、並列の双方向ダイオード対からなる過電圧保護回路５２が配置されている。さらに、駆動入力ラインＩＮＰ上と接地ラインＧＮＤとの間には、耐ノイズ性向上と駆動入力電圧安定化を図るための抵抗Ｒ２が挿入されている。また、モニタラインＭＮＴ上には、増幅部７への入力インピーダンス調整用の抵抗Ｒ１が挿入されている。増幅部７は、入力上段側から、圧電セラミック振動板に生ずる電荷量変化を電圧変換するチャージアンプ７１と、該チャージアンプ７１の出力電圧を反転増幅する反転増幅部７２とを有する。
【００４３】
図５は、ゼロクロスコンパレータ部９の回路構成例を示すものであり、増幅部７の波形出力の入力信号は、該入力信号をＧＮＤ基準で方形波化する第一コンパレータ９１と、同じく下限振幅（振幅下限値Ｖｓ）を規制しつつ方形波化する第二コンパレータ９２とに分配入力される。第一コンパレータ９１の出力は、セットリセットフリップフロップ（ＲＳＦＦ）回路９３のセット端子に、第二コンパレータ９２の出力は同じくリセット端子に入力され、該セットリセットフリップフロップ（ＲＳＦＦ）回路９３の出力変化エッジをトリガとする形で、単安定回路にて構成されたゼロクロスポイントパルス発生回路９４が、増幅部７からの入力波形のうち振幅Ｖｓを超える半波によるゼロクロスポイントに対応したパルス波形を出力する。このパルス波形は、クロックパルス発生回路９６からのクロック入力と同期して動作するパルスカウンタ回路９５にて計測され、規定数のパルス入力を計数することにより伝播時間の検出信号を出力する。
【００４４】
図６は、各部の動作シーケンスを示すタイミング図である。駆動パルス入力により励起された振動波形の増幅出力（Ｖａ）は、第一コンパレータ９１により方形波化される一方（Ｖｂ１）第二コンパレータ９２は、振幅Ｖｓを閾値とした反転波形にて上記振動波形を方形化する。これにより、第一コンパレータ９１の方形波出力は、振幅Ｖｓを超える半波が入力された場合にのみＲＳＦＦ回路９３によりラッチされ、ゼロクロスポイントパルス発生回路９４へのパルス出力トリガとなる入力エッジを生ずる。本実施形態では、振幅が漸増する初期振動波形の所定順位波のゼロクロスポイント（ここでは、第二正半波のゼロクロスポイント（つまり、波形開始点から３番目のゼロクロスポイント）から認識されるように、第二コンパレータ９２の振幅閾値が定められている。
【００４５】
図４の回路は、以下のように動作する（スイッチの繰り替え駆動は、図１の演算部１１が制御プログラム１１２ａを実行することにより行なわれる）。まず、上流側超音波送受信部２ａに駆動信号パルスが入力される。このとき、ＳＷ１，ＳＷ７，ＳＷ８がＯＮとなり、ＳＷ３，４，５もＯＮとなる。他方、ＳＷ２，ＳＷ６，ＳＷ９はＯＦＦとなる。これにより、上流側超音波送受信部２ａは駆動端子４３ａにて振動励起され、前述の遅延時間を経てモニタ端子４４ａに駆動モニタ波形が現われる。この波形は、モニタラインＭＮＴ（ＳＷ７）を経て増幅部７からゼロクロスコンパレータ９に入力され、前述のごとく、所定順位波のゼロクロスポイントが特定され、伝播時間検出信号が時間計測回路１０に出力される。時間計測回路１０は、駆動信号の入力タイミングを起点として、モニタ波形の上記ゼロクロスポイントまでの時間を遅延時間ｔ０（図７）として測定する。
【００４６】
なお、後述するように本発明では、遅延時間ｔ０の計測頻度を、例えば半年に１回のように少なくしている。そして、遅延時間ｔ０を記憶しておく。通常の流量計測をする場合は、上流側超音波送受信部２ａに駆動信号パルスを入力してから、スイッチを切り替え、下流側超音波送受信部２ｂからゼロクロス信号が検出されるまでの時間ｔｘを測定し、ｔｘ−ｔ０を算出する。そして、この値を用いて流量計測する。
【００４７】
より詳細に説明する。上流側超音波送受信部２ａに駆動信号パルスを入力した後は、超音波が被測定媒体中に放出されているので、この波形が下流側超音波送受信部２ｂに到達するまでの間に、ＳＷ７，ＳＷ８をＯＦＦとして、ＳＷ２，ＳＷ６をＯＮとする切り替えを行なう（ＳＷ１，３，４，５はＯＮ状態を、ＳＷ９はＯＦＦ状態を継続する）。これにより、下流側超音波送受信部２ｂの受信波形が駆動ラインＭＮＴ（ＳＷ６）を経て増幅部７からゼロクロスコンパレータ９に入力され、所定順位波のゼロクロスポイントが特定され、伝播時間検出信号が時間計測回路１０に出力される。時間計測回路１０は、駆動信号の入力タイミングを起点として、受信波形の上記ゼロクロスポイントまでの時間を原計測時間ｔｘ（図７）として測定する。これにより、最終的な順方向伝播時間をｔｘ−ｔ０として算出できる。
【００４８】
続いて、上流側超音波送受信部２ａと下流側超音波送受信部２ｂとの送受信関係を入れ替えて同様の測定が行なわれる。すなわち、下流側超音波送受信部２ｂに駆動信号パルスを入力するため、ＳＷ２，ＳＷ７，ＳＷ９がＯＮとなり、ＳＷ３，４，５もＯＮとなる。他方、ＳＷ１，ＳＷ６，ＳＷ８はＯＦＦとなる。これにより、下流側超音波送受信部２ｂは駆動端子４３ｂにて振動励起され、前述と同様に所定順位波のゼロクロスポイントが特定され、伝播時間検出信号が時間計測回路１０に出力される。時間計測回路１０は、駆動信号の入力タイミングを起点として、モニタ波形の上記ゼロクロスポイントまでの時間ｔ０’を測定する。次に、ＳＷ７，ＳＷ９をＯＦＦとして、ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ６をＯＮとする切り替えを行なう（ＳＷ２，３，４，５はＯＮ状態を．ＳＷ８はＯＦＦ状態を継続する）。これにより、上流側超音波送受信部２ａの受信波形のゼロクロスポイントが特定され、伝播時間検出信号が時間計測回路１０に出力される。時間計測回路１０は、駆動信号の入力タイミングを起点として、受信波形の上記ゼロクロスポイントまでの時間ｔｘ’を測定する。これにより、最終的な逆方向伝播時間をｔｘ’−ｔ０’として算出できる。そして、前述の順方向伝播時間ｔｘ−ｔ０を合わせ用いて、周知の方法にて流速（あるいは流量）を算出することができる。これにより、超音波素子が経時劣化して遅延時間ｔ０が変化した場合でも、実際に超音波ビームＳＷが伝播した時間ｔｘ−ｔ０を正確に測定できる。そのため、流量計測を正確に行うことができる。
【００４９】
上述したように本実施例では、遅延時間ｔ０の測定を、ガス流量計測の度に行うのではなく、記憶装置（例えば演算部１１のＲＡＭ１１３（図２６参照））に記憶しておき、流量計測の際に、その記憶値を用いてｔｘ−ｔ０を算出している。このようにすると、頻繁に遅延時間ｔ０を計測する必要がないため、回路の消費電力を低くすることができ、また、スイッチ切り替えの回数が少なくてすむので、ガス流量の測定頻度を多くすることも可能となる。
【００５０】
また、遅延時間ｔ０は経年ドリフトするため、図１５に示すように、工場出荷して所定の日数が経過した後、所定の日数が経過した後に、遅延時間ｔ０を測定し、記憶値を更新するとよい。また、超音波送受信部２の遅延時間ｔ０は温度によっても値が変わるので、測定は、超音波送受信部２が予め定められた基準温度Ｔａに到達した際に行うことが望ましい。
【００５１】
より詳しくは、伝播時間補正手段１１（図１参照）は、予め定められた基準温度にて測定された遅延時間ｔ０を記憶する遅延時間記憶手段１１３（図２６）と、流量測定のために伝播時間計測手段１Ｅが原計測時間ｔｘを計測取得するに伴い、遅延時間記憶手段１１３から遅延時間ｔ０を読み出し、伝播時間をｔｘ−ｔ０として補正算出する伝播時間補正算出手段とを備える。また、被測定流体ＧＦの温度を測定する流体温度測定手段８０と、温度測定手段による測定温度が基準温度に到達する予め定められたキャリブレーションタイミングが到来するに伴い、遅延時間ｔ０’を測定する遅延時間測定手段と、を備える。そして、測定取得された遅延時間ｔ０’により遅延時間記憶手段１１３の記憶内容を更新する遅延時間更新手段とを備えている。このようにすると、遅延時間ｔ０’を定期的に測定して値を更新できるため、長年にわたって正確な流量計測を行える。
【００５２】
キャリブレーションタイミングは、伝播時間計測手段１Ｅによる流量計測タイミングよりも低頻度にて到来するように定めるとよい。すなわち、流量計測の頻度（超音波伝播時間を計測する頻度）よりも、遅延時間ｔ０を測定する頻度を少なくするとよい。例えば、遅延時間ｔ０の測定は半年に１回とか、１年に１回とする。これにより、頻繁に遅延時間ｔ０を計測する必要がなくなり、超音波流量計１の低電力化にも繋がる。
【００５３】
また、図１５の実施例では、基準温度が１点のみ定められ、遅延時間記憶手段１１３は、基準温度にて測定された遅延時間を記憶するものとされ、さらに、遅延時間と、予め記憶された温度係数αとに基づいて遅延時間較正直線が決定される。例えば、遅延時間較正直線として図１５の（１）式と（２）式を決定する。ここで、（１）式はｔ１０＝αＴａ＋β１を満足し、（２）式はｔ２０＝αＴａ＋β２を満足している。（１）式は上流側超音波送受信部２ａに対応し、（２）式は下流側超音波送受信部２ｂに対応するものである。一方、伝播時間計測手段１Ｅは、伝播時間計測を任意の温度にて行ない、伝播時間計測がなされた測定温度に対応する遅延時間ｔ０を遅延時間較正直線から読み取り、これを用いて伝播時間ｔｘ−ｔ０を算出している。このようにすると、流量測定を行う際の温度が、遅延時間ｔ０を測定した際の基準温度と異なる場合でも、その遅延時間ｔ０を遅延時間較正直線から読み取り、伝搬時間の算出（ｔｘ−ｔ０）に利用することができる。これにより、超音波素子の遅延時間ｔ０の、温度による変化をも補正して、正確な流量計測を行うことが可能となる。
【００５４】
温度係数αは、例えば、工場出荷時に個々の超音波流量計について測定し、その値を記憶したものである。このようにすると、温度係数αに個体差があっても、遅延時間ｔ０を正確に求めることが可能となる。工場出荷時に個々の超音波流量計について、温度係数αの個体差があまり無い場合は、代表平均値を記憶するようにしてもよい。なお、温度係数αおよび切片βは、上述したＲＡＭ１１３（図２６参照）の温度係数記憶領域１１３ａおよび切片記憶領域１１３ｂにそれぞれ記憶され、遅延時間ｔ０の測定データは、測定データ記憶領域１１３ｃに記憶される。
【００５５】
図２１に、遅延時間ｔ０を計測する際のフローチャートを示す。まず、ステップＳ１では、工場出荷時または前回の測定から所定の日数が経過したか否かを判断する。ここでＮｏと判定された場合はリターンに進む。また、Ｙｅｓと判定された場合はＳ２に移り、温度センサ８０の測定値が、代表温度Ｔａ±ΔＴの温度範囲にあるか否かを判定する。ここでＹｅｓと判定された場合はＳ３に移り、各超音波素子２ａ，２ｂの遅延時間ｔ０を測定し、記憶値を更新する。その後、上述した遅延時間較正直線を更新する。
【００５６】
図２５に、ガス流量を計測する際のフローチャートを示す。まず、ステップＳ１８にて、上流側超音波送受信部２ａへ駆動信号を入力する。その後、Ｓ１９にてスイッチ切り替えを行い、Ｓ２０に移る。Ｓ２０では、駆動信号を入力してから下流側超音波送受信部２ｂのゼロクロス信号を検知するまでの時間ｔｘ１を検出する。その後、遅延時間較正直線を用いて現在の温度に対応する遅延時間ｔ０を算出し（Ｓ２２）、ｔ１＝ｔｘ１−ｔ０を算出する（Ｓ２２）。次に、Ｓ２３〜Ｓ２６にて、同様の処理を下流側超音波送受信部２ｂに関しても行い、ｔ２＝ｔｘ２−ｔ０を算出する。そして、Ｓ２７にてｔ１とｔ２からガス流量を算出する。
【００５７】
次に、図１７に示すように、互いに異なる複数の基準温度Ｔａ１，Ｔａ２，Ｔａ３にて遅延時間ｔ０を測定し、これらの測定値から遅延時間較正直線を決定してもよい。このようにすると、複数点において遅延時間ｔ０を測定し記憶するため、１点のみ測定する場合と比較して、温度と遅延時間ｔ０との関係（遅延時間較正直線）を正確に定めることができる。
【００５８】
図２２に、複数の基準温度にて遅延時間を測定するためのフローチャートを示す。まずステップＳ５にて、前回の測定から所定日数が経過したか否かを判定する。ここでＮｏと判定された場合はリターンに進み、Ｙｅｓと判定された場合はＳ６に進む。Ｓ６では、温度センサ８０の測定値が代表温度Ｔａ１±ΔＴの温度範囲にあるか否かを判定する。ここでＹｅｓと判定された場合はＳ７に進み、Ｔａ１について送信遅延時間ｔ０を測定し、記憶値を更新する。次にＳ８に進み、温度センサ８０の測定値が代表温度Ｔａ２±ΔＴの温度範囲にあるか否かを判定する。Ｓ８でＹｅｓと判定された場合はＳ９に進み、Ｔａ２について送信遅延時間ｔ０を測定し、記憶値を更新する。その後、Ｓ１０，Ｓ１１に進み、代表温度Ｔａ３について同様の処理を行う。
【００５９】
次に図２３を用いて、複数の基準温度にて遅延時間を測定した場合の、遅延時間較正直線の決定方法について説明する。図２３では、破線で記した遅延時間較正直線が古いデータに基づくもので、直線が新しいデータに基づくものである。まず、破線で記した古い遅延時間較正直線は（０）式にて定められている。ここで、基準温度Ｔａ１，Ｔａ２，Ｔａ３のうち、いずれかの基準温度にて新しく遅延時間ｔ０を測定し、記憶値を更新した場合、遅延時間較正直線は（１）式に更新される。例えば第一の測定点（Ｔａ１，ｔ０１）が測定された場合、（１）式は、温度係数として（０）式の温度係数α１をそのまま用い、上記第一の測定点（Ｔａ１，ｔ０１）を通る直線として定義される。その後、第二の測定点（Ｔａ２，ｔ０２）が測定された場合、遅延時間較正直線は（２）式に更新される。（２）式は、第一および第二の測定点を通る直線として定義される。次に、第三の測定点（Ｔａ３，ｔ０３）が測定されると、遅延時間較正直線は（３）式に更新される。（３）式は、これら３個の測定点を使って、最小二乗法により定義される。
【００６０】
図２４に、遅延時間較正直線を決定する際のフローチャートを示す。まずＳ１２では、基準温度Ｔａ１，Ｔａ２，Ｔａ３のうち、１点めの測定値が得られたか否かを判定する。ここでＮｏと判定された場合はリターンに進む。また、Ｙｅｓと判定された場合はＳ１３に進み、遅延時間較正直線を（１）式に更新する。次にＳ１４に進み、２点めの測定値が得られたか否かを判定する。ここでＹｅｓと判定された場合はＳ１５に進み、遅延時間較正直線を（２）式に更新する。次に、Ｓ１６に進み、３点めの測定値が得られた場合は、Ｓ１７に移って、遅延時間更新直線を（３）式に更新する。
【００６１】
次に、本発明の別の実施例を図１６に示す。図１６の実施例では、１回の流量測定に際してパルス状の駆動電圧を超音波送受信部２に複数回連続して印加している。また、補正情報生成手段８（図１参照）は、複数回のパルス状の駆動電圧に由来したモニタ出力電圧波形に生ずる複数個のゼロクロス点の発生タイミングを平均化して計測基準点として定めている。例えば、上流側超音波送受信部２ａの遅延時間ｔ１’０は、（ｔ１１０＋ｔ２１０＋ｔ３１０）／３にて定義される。このようにすると、超音波送受信部２にパルス状の駆動電圧が複数回連続して印加されるため、超音波送受信部２の振動を安定させることができる。
【００６２】
また、図１８に示すように駆動電圧を印加することもできる。この実施例では、１回の流量測定に際してパルス状の駆動電圧を超音波送受信部２に複数回連続して印加しており、かつ、複数のパルス状の駆動電圧の最後のものを、これに先行する残余のものよりもパルス電圧振幅の大きいマーカーパルスとして印加している。このようにすると、超音波送受信部の振動を安定化することができる。
【００６３】
次に図２８，図２９を用いて、ガスの流量計測を行うための計算式について説明する。図２８は、超音波送受信部２ａから超音波ビームを送出して、超音波送受信部２ｂで受信する場合（以下、「順方向計測時」ともいう）の概略図である。各符号の意味を以下に示す。
ｔｘ：原計測時間（超音波送受信部２ａに駆動パルスを入力してから、超音波送受信部２ｂにゼロクロス信号が発生するまでの時間）；
ｔ０１：遅延時間（超音波送受信部２ａに駆動パルスを入力してから、当該超音波送受信部２ａの部分電極にゼロクロス信号が発生するまでの時間）；
Ｔ０１：実伝播時間（超音波送受信部２ａの圧電セラミック振動板を超音波が脱出してから、音響インピーダンス整合層及び被測定流体を通過し、超音波送受信部２ｂにて特定のゼロクロス点として検出されるまでの時間）；
γａ：経年変化による超音波送受信部２ａ側の遅延時間ｔ０１の変化量。
【００６４】
また、図２９は、送信側と受信側を切り替えて、超音波送受信部２ｂから超音波ビームを送出した場合（以下、「逆方向計測時」ともいう）の概略図である。各符号の意味を以下に示す。
ｔｙ：原計測時間（超音波送受信部２ｂに駆動パルスを入力してから、超音波送受信部２ａにゼロクロス信号が発生するまでの時間）；
ｔ０２：遅延時間（超音波送受信部２ｂに駆動パルスを入力してから、当該超音波送受信部２ｂの部分電極にゼロクロス信号が発生するまでの時間）；
Ｔ０２：実伝播時間（超音波送受信部２ｂの圧電セラミック振動板を超音波が脱出してから、音響インピーダンス整合層及び被測定流体を通過し、超音波送受信部２ａにて特定のゼロクロス点として検出されるまでの時間）；
γｂ：経年変化による超音波送受信部２ｂ側の遅延時間ｔ０２の変化量。
【００６５】
図２８及び図２９に示すごとく、原計測時間ｔｘ，ｔｙと、遅延時間ｔ０１，ｔ０２と実伝播時間Ｔ０１，Ｔ０２とは次の関係で結ばれる。
Ｔ０１＝ｔｘ−ｔ０１  ‥（１）
Ｔ０２＝ｔｙ−ｔ０２  ‥（２）
あるいは、
ｔｘ＝Ｔ０１＋ｔ０１  ‥（１）’
ｔｙ＝Ｔ０２＋ｔ０２  ‥（２）’
である。他方、超音波送受信部２ａ及び超音波送受信部２ｂは、遅延時間ｔ０１及びｔ０２が、圧電セラミック振動板の経年劣化により各々γａ及びγｂだけ変化して、
ｔ’０１＝ｔ０１＋γａ  ‥（３）
ｔ’０２＝ｔ０２＋γｂ  ‥（４）
となる。
【００６６】
従来の超音波流量計においては、原計測時間ｔｘ，ｔｙそのものを流量算出用の伝播時間として採用していたが、（３）（４）式は、流量算出に使用する該伝播時間のゼロ点が素子の経年劣化によりγａないしγｂだけドリフトすることを意味する。他方、原計測時間ｔｘ，ｔｙに影響を及ぼす可能性のある因子としては、音響インピーダンス層の経年劣化なども考えられるが、いずれも圧電セラミック振動板の経年劣化による遅延時間ｔ０１及びｔ０２への影響に比べればはるかに小さいと考えられる。つまり、（１）’及び（２）’において、実伝播時間Ｔ０１，Ｔ０２は、遅延時間ｔ０１及びｔ０２と比較してほぼ不変とみなしうるので、経時劣化後の原計測時間ｔｘ’と原計測時間ｔｙ’の変化量も、遅延時間ｔ０１及びｔ０２の変化量であるγａ、γｂとほぼ等しい。すなわち、
ｔ’ｘ＝ｔｘ＋γａ  ‥（５）
ｔ’ｙ＝ｔｙ＋γｂ  ‥（６）
【００６７】
本発明では、原計測時間ｔｘ，ｔｙから、その遅延時間ｔ０１及びｔ０２を減じた実伝播時間Ｔ０１，Ｔ０２を流量算出用の伝播時間として採用するので、上記経年劣化によるゼロ点ドリフトの影響を効果的に解消することができる。すなわち、超音波ビームの伝播長をＬ、ガス中における超音波ビームの伝播速度をＫ、ガスの流速をｖ、超音波ビームの送出角度（図１参照）をθ、流路３の断面積をＳ、単位時間あたりのガスの通過体積をＱとすると、経時劣化前は、
Ｔ０１＝Ｌ／（Ｋ＋ｖ・ｃｏｓθ）        ‥（７）
Ｔ０２＝Ｌ／（Ｋ−ｖ・ｃｏｓθ）        ‥（８）
であり、ガスの流速ｖは、
ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）×（１／Ｔ０１−１／Ｔ０２）  ‥（９）
（１）、（２）、（９）より、
ｖ  ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）
×｛１／（ｔｘ−ｔ０１）−１／（ｔｙ−ｔ０２）｝  ‥（１０）
流量Ｑは、
Ｑ＝Ｓ・ｖ        ‥（１１）
として求められる。
【００６８】
次に、経時劣化後のガス流速ｖ’は、
ｖ’＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）×（１／Ｔ’０１−１／Ｔ’０２）
＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）
×｛１／（ｔｘ’−ｔ’０１）−１／（ｔｙ’−ｔ’０２）｝  ‥（１２）
となる。しかし、（３）、（４）、（５）、（６）より、該（１２）は、
ｖ’  ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）
×｛１／（（ｔｘ＋γａ）−（ｔ０１＋γａ））
−１／（（ｔｙ＋γｂ）−（ｔ０２＋γｂ））｝
＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）
×｛１／（ｔｘ−ｔ０１）−１／（ｔｙ−ｔ０２）｝  
＝  ｖ  （経時劣化前）    ‥（１３）
となり、流速測定値ｖ’は該経時劣化の影響をほとんど受けなくなることが明らかである。
【００６９】
つまり、原計測時間ｔｘ，ｔｙが経時劣化により（５）（６）のごとく変化してゼロ点がドリフトしても、そのドリフト寄与の大半を担う遅延時間ｔ０１，ｔ０２を減じた実伝播時間Ｔ０１，Ｔ０２を採用する限り、含まれる変化量γａ、γｂの影響が常に減算相殺され、正確な流量測定が可能となるのである。この場合、ゼロ点ドリフト補正の方式としては、（１０）式において、原計測時間ｔｘ，ｔｙからの減算項をなす遅延時間ｔ０１及びｔ０２を、その都度新しい実測値により丸ごと更新する方法と、工場出荷時の遅延時間ｔ０１及びｔ０２を基準値として用い、その後は、遅延時間実測値から求めた変化量γａ、γｂにて上記基準値を補正しつつ用いる方法とのいずれを採用してもよい。
【００７０】
次に、図２に戻り、超音波送受信部２の断面構造について説明する。超音波送受信部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セラミック振動板２１と、該圧電セラミック振動板２１の各主表面を覆う形で該圧電セラミック振動板２１を挟んで対向形成され、該圧電セラミック振動板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２２，２３と、主電極対２２，２３のいずれとも絶縁分離した形で圧電セラミック振動板２１上に形成され、駆動電圧の印加に伴い圧電セラミック振動板２１に生ずる超音波振動の圧電モニタリング信号を取り出すためのモニタ用部分電極２４とを備える。
【００７１】
圧電セラミック振動版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にて構成されており、板厚方向に分極処理されている。また、各電極２２，２３，３４はＣｕ等の金属蒸着膜からなる。
【００７２】
主電極対２２，２３は、圧電セラミック振動板２１の第一主表面を覆う接地電極２２（ＧＮＤ側に接続される）と、同じく第二主表面を覆う駆動電極２３（駆動電源側に接続される）とからなる。モニタ用部分電極２４は、それら接地電極２２及び駆動電極２３のいずれよりも圧電セラミック振動板２１に対する被覆面積を小さく形成されている。電極駆動電極２３は接地電極２２よりも圧電セラミック振動板２１に対する被覆面積が小さく設定され、該圧電セラミック振動板２１の第二主表面の駆動電極２３に覆われていない残余領域にモニタ用部分電極２４が形成される。
【００７３】
モニタ用部分電極２４は、圧電セラミック振動板２１の第二主表面の外周縁領域に形成されている。具体的には、圧電セラミック振動板２１が円板状に形成され、駆動電極２３は該圧電セラミック振動板２１の外周縁に沿う円状の外周縁形状を有する。そして、当該円状の外周縁の一部を半径方向内側に凹状に引っ込ませる形で駆動電極２３の一部を切り欠き、その切欠き領域２３ｃの内側にモニタ用部分電極２４が形成されている。駆動電極２３側の外周縁は、モニタ用部分電極２４との隣接位置にて、該駆動電極２３とモニタ用部分電極２４との間に所定幅の隙間２０を形成する形で、該モニタ用部分電極２４の外周縁に倣う形状に形成されている。なお、駆動電極２３とモニタ用部分電極２４との間に形成される隙間２０の幅ｗは、０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下に調整される。
【００７４】
なお、モニタ用部分電極２４の形成形態は上記したものに限られるものではなく、例えば、図１２に示すように、駆動電極２３を直線状の隙間２０により切り欠いて、弓形のモニタ用部分電極２４を形成することも可能である。
【００７５】
また、圧電セラミック振動板２１の分極処理は、図１３に示すように、モニタ用部分電極２４と駆動電極２３とをパターニング形成し、これら電極に対応する形で絶縁分離された分極ブロック７１，７２と、接地電極２２側の分極ブロックとの間に挟みつけて、分極用電源７４から高圧の分極電圧を印加して行なうことができる。一方、図１４に示すように、モニタ用部分電極２４及び駆動電極２３とを一体電極２３Ｇとして形成し、一体電極２３Ｇに対応した非分離の分極ブロック７２と、接地電極２２側の分極ブロックとの間に挟みつけて分極処理を行なった後、一体電極２３Ｇをパターニングする方法を採用することも可能である。
【００７６】
図２に戻り、圧電セラミック振動板２１は、駆動電極２３及びモニタ用部分電極２４の形成された第一主表面側がケーシング２９の底部２８の内面と対向する形で該ケーシング２９内に配置されている。ケーシング２９の底部２８の裏面には、駆動端子４３及びモニタ端子４４が突出形成され、駆動電極２３及びモニタ用部分電極２４がこれら駆動端子４３及びモニタ端子４４にそれぞれ接続されている。
【００７７】
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、接地端子４１及びモニタ端子４４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、接地端子４１及びモニタ端子４４は、該底部２８を貫通して裏面側に延出している。
【００７８】
また、圧電セラミック振動板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インピーダンス整合層２５が、圧電セラミック振動板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。音響インピーダンス整合層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、圧電セラミック振動板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、該音響インピーダンス整合層２５の空隙形成用フィラーの体積配合比率は、圧電セラミック振動板２１と被測定流体（ここでは都市ガス）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。
【００７９】
次に、圧電セラミック振動板２１とケーシング２９の底部２８との間には、シリコーン樹脂からなる絶縁層２６が配置されている。駆動端子４３と駆動電極２３及びモニタ端子４４とモニタ用部分電極２４とは、該絶縁層２６を貫く個別のワイヤ３３，３４によりそれぞれ半田付けによりボンディングされている。
【００８０】
また、接地電極２２への導通経路３１は、圧電セラミック振動板２１の第二主表面側から該圧電セラミック振動板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２において、該導通経路３１は、圧電セラミック振動板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３１とされている。また、音響インピーダンス整合層２５の該接地電極２２との対向面には、ワイヤ３１の半田付け部３１ｓを収容する凹状部２５ｃが形成されている。
【００８１】
図１に戻り、制御回路部１Ｅには、前述の超音波駆動機構４と周辺回路ブロック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及び切り替え部４ｓを有する。送信部５は、超音波送受信部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の切り替え制御は切り替え部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、ゼロクロスポイント検出部９に入力する。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、上流側超音波送受信部２ａから発信された超音波ビームＳＷが下流側超音波送受信部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送受信部２ｂから発信された超音波ビームＳＷが上流側超音波送受信部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、流路を流れる被測定流体の平均流速度及び流量を計算する。
【００８２】
以下、超音波送受信部２の種々の変形例について説明する。図３Ａの実施形態では駆動パルスは１個のみ入力していたが、駆動波形の均一化及び安定化のために、図３Ｂに示すように、複数個の駆動パルスを連続して入力するようにしてもよい。
【００８３】
また、図８に示すように、駆動端子４３にモニタ端子を統合し、駆動電極２３とモニタ部分電極２５とを、導通接続／絶縁分離との間で切り替えるスイッチＳＷ１０を設けることも可能である。この構成では、駆動入力時には駆動電極２３とモニタ部分電極２５とが導通接続されるようにスイッチＳＷ１０を駆動切り替えすることで、モニタ部分電極２５も駆動電圧の印加を担うことができ、圧電セラミック振動板２１への駆動電圧印加をより均一に行なうことができる。駆動後は直ちにスイッチＳＷ１０を切り替えることで、駆動電極２３とモニタ部分電極２５とを絶縁分離でき、モニタ部分電極２５を介して圧電セラミック振動板２１の振動波形をより明確にモニタリングできる。図９は、この場合の回路構成例である。図４のスイッチＳＷ８，９は省略されており、駆動ラインＩＮＰの一部がモニタラインＭＮＴに共用化されている。
【００８４】
上流側超音波送受信部２ａに駆動信号パルスが入力される場合は、ＳＷ１，ＳＷ７，ＳＷ１０がＯＮとなり、ＳＷ３，４，５もＯＮとなる。他方、ＳＷ２，ＳＷ６，ＳＷ１１はＯＦＦとなる。受信時は、ＳＷ７，ＳＷ１，ＳＷ１０をＯＦＦとして、ＳＷ２，ＳＷ６，ＳＷ１１をＯＮとする切り替えを行なう。また、流側超音波送受信部２ｂに駆動信号パルスが入力される場合は、ＳＷ２，ＳＷ７，ＳＷ１１がＯＮとなり、ＳＷ３，４，５もＯＮとなる。他方、ＳＷ１，ＳＷ６はＯＦＦとなる。受信時は、ＳＷ７，ＳＷ２，ＳＷ１１をＯＦＦとして、ＳＷ１，ＳＷ６，ＳＷ１０をＯＮとする切り替えを行なう（ＳＷ３，４，５はＯＮ状態を継続する）。
【００８５】
図１０の構成では、接地用の配線部を、一端が接地電極２２に接続し、駆動電極２３及びモニタ用部分電極２４のいずれとも絶縁分離された形で圧電セラミック振動板２１の第一主表面に形成された接地用接続パッド３ｐに他端が接続する形で圧電セラミック振動板２１の周側面上に形成された接地用リード層３１ａと、一端が接地用接続パッド３ｐに半田付けされ他端が接地端子４１に半田付けされるワイヤ３１ｂとからなるものとして形成している。なお、接地用接続パッド３ｐとモニタ用部分電極２４とは、駆動電極２２による振動駆動分布の幾何学的バランスを考慮して、圧電セラミック振動板２１の第一主表面の中心（幾何学的重心）位置に関してほぼ点対称の位置関係にて配置されている。
【００８６】
また、図７の構成においては、ケーシング２９が、底部２８と、該底部２８の周縁から立ち上がる側壁部３０と、該側壁部３０の底部２８と反対側の開口を塞ぐ天面部２９ｔとが互いに導通する金属部材にて形成することができる。天面部２９ｔの内面には、圧電セラミック振動板２１の第二主表面を覆う接地電極２２が導電性接着層４６を介して密着配置され、ケーシング２９を介して接地電極２２が接地されるようになっている。また、天面部２９ｔの外側主表面には、当該天面部２９ｔ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た音響インピーダンス整合層２５が密着配置されている。側壁部３０の内周面にはゴム製の絶縁リングが嵌め込まれ、圧電セラミック振動板２１と底部２８との間の空隙はシリコーン系等のゲル状高分子材料により充填されている。なお接地端子４１は底部２８に一体化される形で突出形成されている。
【００８７】
なお、図２０に示すように、モニタ用部分電極を有さない超音波送受信部２を用いて流量計測をすることも可能である。この場合の、超音波流量計１のブロック図を図１９に示す。例えば上手側超音波送受信部２ａから超音波を送出する場合、ＳＷ８をＯＮ，ＳＷ１をＯＦＦ，ＳＷ７をＯＦＦする。駆動端子４３ａにパルス状の駆動信号を入力した後、超音波ビームが出力される前に、ＳＷ８をＯＦＦ，ＳＷ１をＯＮ，ＳＷ７をＯＮする。超音波送受信部２の圧電セラミック振動板２１が音響振動することにより、圧電モニタリング信号が駆動端子４３ａから取り出され、これを増幅器７で増幅することにより、検知することができる。
【００８８】
次に、図２７を用いて、時間計測部１０の説明をする。時間計測部１０には、所定周期のクロック信号が入力されている。また、ガス流量を計測する時には、超音波送受信部２へ印加される駆動信号と同じタイミングで、計時開始信号が入力される。この計時開始信号の入力により、時間計測が開始される。次に、受信側の超音波素子２からのゼロクロス信号が入力され、時間計測が終了する。そして、計時開始信号の入力からゼロクロス信号の入力までの間の時間が演算部１１に対して出力される。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の適用対象となる超音波流量計の全体構成を示す模式図。
【図２】本発明の超音波送受信素子の一実施形態を示す縦断面図。
【図３Ａ】図１の超音波送受信素子の電極形態を駆動例とともに示す説明図。
【図３Ｂ】同じく駆動例の第一変形例を示す説明図。
【図４】図１の回路部分の詳細を示す図。
【図５】図４のゼロクロスコンパレータ回路の構成例を示す回路図。
【図６】図５のゼロクロスコンパレータ回路の動作シーケンスを示すタイミング図。
【図７】図１の超音波流量計の動作説明図。
【図８】図１の超音波送受信素子に係る端子接続形態の変形例を駆動例とともに示す説明図。
【図９】図８に対応する回路変形例を示す図。
【図１０】図１の超音波送受信素子の第一変形例を示す説明図。
【図１１】同じく第二変形例を示す説明図。
【図１２】電極形成形態の変形例を示す図。
【図１３】圧電セラミック振動板の分極工程の第一例を示す説明図。
【図１４】同じく第二例を示す説明図。
【図１５】駆動パルスを１回打った場合の音響振動波形の例。
【図１６】駆動パルスを複数回打った場合の音響振動波形の例。
【図１７】複数の基準温度にて送信遅延時間を計測する場合の例。
【図１８】マーカーパルスを印加した場合の音響振動波形。
【図１９】超音波流量計のブロック図の変形例。
【図２０】部分電極を備えない超音波素子の例。
【図２１】送信遅延時間を測定する際のフローチャート。
【図２２】複数の基準温度にて遅延時間を測定する際のフローチャート。
【図２３】遅延時間較正直線を決定する場合の説明図。
【図２４】遅延時間較正直線を決定する場合のフローチャート。
【図２５】ガス流量を測定するためのフローチャート。
【図２６】演算部の詳細ブロック図。
【図２７】時間計測部と演算部の詳細図。
【図２８】流量計算説明図（その１）。
【図２９】流量計算説明図（その２）。
【符号の説明】
【００９０】
３ｐ  接地用接続パッド
２０  隙間
２１  圧電セラミック振動板
２２，２３  主電極対
２２  接地電極
２３ｃ  切欠き領域
２４  モニタ用部分電極
２５  音響インピーダンス整合層
２５ｃ  凹状部
２６  絶縁層
２８  底部
２９  ケーシング
２９ｔ  天面部
３０  側壁部
３１  ワイヤ（導通経路）
３１ｂ  ワイヤ
３１ａ  接地用リード層
３１ｓ  半田付け部
４１  接地端子
４３  駆動端子
４６  導電性接着層
【図１】
2008164465.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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】
2008164465.tif 000019
【図１７】
2008164465.tif 000020
【図１８】
2008164465.tif 000021
【図１９】
2008164465.tif 000022
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
2008164465.tif 000026
【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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