(57)【要約】【課題】圧電素子に電圧を印加することによって発生する減衰振動電圧の減衰率を大きくして受信波形の形状を改善する。【解決手段】コンデンサ４を電源１の電圧に予めチャージした後スイッチ３をオンすることにより、コンデンサ４およびインダクタ５からなるＬＣ共振回路に減衰振動電圧を発生させて圧電素子７を駆動するに当たり、コンデンサ４およびインダクタ５の直列回路に減衰抵抗６を付加することで、減衰振動電圧の減衰率を低下させ、圧電素子７が発生する超音波の経路を気泡や固形物が横切っても、それらの影響をできるだけ受けないようにする。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子に電圧を印加する圧電素子ドライバであって、
インダクタとコンデンサとからなり前記圧電素子と同じ共振周波数を持つ共振回路と、この共振回路にステップ状の電位変化を与えるトリガ回路と、前記共振回路のインダクタに直列に接続された減衰抵抗とを備え、この減衰抵抗により前記圧電素子から発せられる超音波の減衰振動の減衰率を大きくすることを特徴とする圧電素子ドライバ。
【請求項２】
圧電素子に電圧を印加する圧電素子ドライバであって、
インダクタとコンデンサとからなり前記圧電素子と同じ共振周波数を持つ共振回路と、この共振回路にステップ状の電位変化を与えるトリガ回路とを備え、
前記インダクタの直流抵抗値を調節して、圧電素子から発せられる超音波の減衰振動の減衰率を大きくすることを特徴とする圧電素子ドライバ。
【請求項３】
圧電素子に電圧を印加する圧電素子ドライバであって、
インダクタとコンデンサとからなり前記圧電素子と同じ共振周波数を持つ共振回路と、この共振回路にステップ状の電位変化を与える電界効果トランジスタからなるトリガ回路とを備え、
前記電界効果トランジスタのオン抵抗を調節して、前記圧電素子から発せられる超音波の減衰振動の減衰率を大きくすることを特徴とする圧電素子ドライバ。
【請求項４】
前記圧電素子に印加する電圧の減衰振動の対数減衰率を１．５以上とすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電素子ドライバ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電素子から発せられる超音波の伝搬時間を利用して流体流量，液面レベル等の計測を行なう流量計，レベル計等に用いて好適な圧電素子ドライバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５にこの種の従来例を示す。同図において、１は電源、２は抵抗（Ｒ１）、３はスイッチ、４はコンデンサ（Ｃ）、５はインダクタンス素子（インダクタ：Ｌ）、７は圧電素子である。
すなわち、圧電素子７はコンデンサ４およびインダクタ５に接続され、そのＣＬ減衰振動電圧により駆動（ドライブ）される。コンデンサ４は予め抵抗２を介して電源１の電圧をチャージしておく。このとき、スイッチ３はオフである。
次に、スイッチ３をオンすると、コンデンサ４およびインダクタ５によるＣＬ共振回路にステップ状の電圧変化が与えられ、図５の点Ｐに図６（ａ）に示されるような減衰振動電圧が発生し、圧電素子７に印加される。なお、ＣＬによる共振回路の共振周波数と、圧電素子７の共振周波数は同じにしておく。また、図６の横軸は時間、縦軸は電圧を示し、（ａ）送信波形の横１目盛は２００ｎｓ，縦１目盛は５０Ｖ、（ｂ）受信波形の横１目盛は１μｓ，縦１目盛は２００ｍＶである。
【０００３】
図７に、２つの圧電素子７ａ，７ｂを対向させて配置し、その一方を図５のような回路でドライブして例えば超音波のような振動を発生し、他方の素子で媒質を伝搬してきた振動を検出する例を示す。
このように構成する例として、例えば超音波流量計がある。超音波流量計では一般に、流量測定対象流体の上流側から下流側に超音波を伝搬させたときの伝搬時間と、下流側から上流側に超音波を伝搬させたときの伝搬時間との差から流速，流量を測定する。そして、対向させた圧電素子を送信側，受信側と切り替えて測定するので、送信側と受信側で圧電素子の共振周波数は一致しているのが一般的である。
また、図示されていないが、レベル計のような場合には、圧電素子で発生した振動が液面等で反射され、戻ってきた振動を送信に使用した圧電素子自身で検出するのが一般的である。
【０００４】
いずれにせよ、上記のような用途では、送信側と受信側の共振周波数は一致しており、超音波のような振動の伝搬時間を利用して測定する。図６（ｂ）は、このような構成において検出される受信波形例を示している。受信波形は送信側と受信側の圧電素子内で共振して、図６（ｂ）のように振幅がなだらかに増大して、なだらかに減衰していく波形となる。図６（ｂ）では第３波で振幅が最大になっている。
一方、振動の伝搬時間は例えば図８に示すように、受信波形をコンパレータ等により、或るレファレンス電圧と比較して２値化して得られるパルスの最初のエッジまでを測定するのが一般的である。図８の例では、第１波と第２波の振幅差が大きいので、第２波で受信波形の振幅がレファレンス電圧を越えて、最初のエッジが得られるように調整している（実線参照）。なお、図８の横１目盛は１μｓ，縦１目盛は２００ｍＶである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような方式では、超音波が伝搬する経路を例えば気泡や固形物が横切ると、受信波形の振幅が小さくなり、図８に点線で示すように、第２波ではなくそれより後方の第３波で最初のエッジが発生すると言う誤動作が起きる。これを避けるため、例えばレファレンス電圧を調整して第３波で最初のエッジを発生させようとすると、第２波と第３波の振幅差が小さい場合は、安定して第３波でエッジを発生させることができないと言う問題が発生する。
したがって、この発明の課題は、気泡や固形物の影響を回避して安定な受信を可能にすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、圧電素子に電圧を印加する圧電素子ドライバであって、
インダクタとコンデンサとからなり前記圧電素子と同じ共振周波数を持つ共振回路と、この共振回路にステップ状の電位変化を与えるトリガ回路と、前記共振回路のインダクタに直列に接続された減衰抵抗とを備え、この減衰抵抗により前記圧電素子から発せられる超音波の減衰振動の減衰率を大きくすることを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明では、圧電素子に電圧を印加する圧電素子ドライバであって、
インダクタとコンデンサとからなり前記圧電素子と同じ共振周波数を持つ共振回路と、この共振回路にステップ状の電位変化を与えるトリガ回路とを備え、
前記インダクタの直流抵抗値を調節して、圧電素子から発せられる超音波の減衰振動の減衰率を大きくすることを特徴とする。
【０００８】
請求項３の発明では、圧電素子に電圧を印加する圧電素子ドライバであって、
インダクタとコンデンサとからなり前記圧電素子と同じ共振周波数を持つ共振回路と、この共振回路にステップ状の電位変化を与える電界効果トランジスタからなるトリガ回路とを備え、
前記電界効果トランジスタのオン抵抗を調節して、前記圧電素子から発せられる超音波の減衰振動の減衰率を大きくすることを特徴とする。
上記請求項１ないし３のいずれかの発明においては、前記圧電素子に印加する電圧の減衰振動の対数減衰率を１．５以上とすることできる（請求項４の発明）。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す回路図である。
図から明らかなように、この回路は図５のコンデンサ４とインダクタ５のＣＬ共振回路に対し、直列に減衰抵抗６（Ｒ２）を付加して構成される。これにより、圧電素子７に印加する電圧の減衰振動の減衰率を大きくするものである。減衰抵抗６を付加する代わりに、インダクタ５の巻線径を工夫することで、インダクタ５の直流抵抗値を変える（調整する）ようにしても良い。なお、この場合の回路構成は従来例と同じとなる。
【００１０】
図２に送信電圧波形と受信電圧波形との関係を示す。
図２（ａ１），（ｂ１）および図２（ａ２），（ｂ２）は減衰抵抗がそれぞれ１Ω，２Ωの場合、図２（ａ３），（ｂ３）は例えばインダクタの直流抵抗値を調整して３Ωとした場合の送信電圧波形（ａ１〜ａ３）と受信電圧波形（ｂ１〜ｂ３）をそれぞれ示す。なお、図２の縦，横軸量および縦，横１目盛の大きさは図６の場合と同じである。
図２の受信電圧波形（ｂ１〜ｂ３）を比較すると、付加する抵抗値が大きいほど、第２波の方が第３波の振幅よりも大きくなっていることが分かる。これは送信電圧波形（ａ１〜ａ３）を比較したとき、減衰抵抗により送信波形の減衰振動の減衰率が大きくなり、その分受信波形の送信側と受信側の圧電素子内での共振が抑えられるためと考えられる。
【００１１】
この発明による効果を図３を参照して説明する。これはインダクタの直流抵抗値を調整して３Ωとした場合の受信波形を示すが、第２波の振幅が第３波のそれよりも大きくなっている。この場合、超音波が伝搬する経路を例えば気泡や固形物が横切って受信波形の振幅が小さくなっても、第２波の後方に第２波より振幅の大きな波がないので、コンパレータは誤動作せずタイムアウトとなる。したがって、誤った伝搬時間を測定することはない。また、第１波と第２波の振幅差が大きいので、通常の場合も安定して第２波でエッジを発生させることができる。このように、単に減衰抵抗を付加するだけで受信波形を改善することが可能となる。
【００１２】
図２の受信電圧波形（ｂ１〜ｂ３）によると、ここでは２Ω付加したときに、（ｂ２）に示すようにの第２波の振幅が第３波より僅かに大きくなっている。このときの対数減衰率Ｒを計算すると（対数減衰率は、例えば有山正孝著，裳華房発行の「振動・波動」の第４４ページなどで定義されている）、
Ｒ＝−ｌｎ（Ｘｎ＋２／Ｘｎ）≒−ｌｎ（０．２２）≒１．５
となり送信波形、ひいては受信波形を改善するときの１つの指標になるものと考えられる。
【００１３】
図４にこの発明の第２の実施の形態を示す。
これは、図５のスイッチ３をＦＥＴ（電界効果トランジスタ）８で構成した点が特徴で、ＦＥＴ８のゲート電圧を制御することで、ＦＥＴ８にスイッチ動作をさせる。その他は、図５と同様なので詳細は省略する。この場合は、使用するＦＥＴ８のオン抵抗を調整（選択）することにより、図１の減衰抵抗６と同様の効果を持たせるものである。
【００１４】
【発明の効果】
この発明によれば、減衰抵抗を付加するだけの簡単な構成で、気泡や固形物によっても誤動作することなく、安定な動作が可能となる利点がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す回路図である。
【図２】図１で抵抗値を種々変えた場合の送信，受信電圧波形を示す波形図である。
【図３】この発明の効果を説明するための波形図である。
【図４】この発明の第２の実施の形態を示す回路図である。
【図５】従来例を示す回路図である。
【図６】図５の場合の送信，受信電圧波形を示す波形図である。
【図７】超音波の送信，受信システム例を示す概要図である。
【図８】従来例における気泡や固形物の影響説明図である。
【符号の説明】
１…電源、２，６…抵抗、３…スイッチ、４…コンデンサ（Ｃ）、５…インダクタ（Ｌ）、７，７ａ，７ｂ…圧電素子、８…ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）。
【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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