(57)【要約】【課題】使用環境の温度が変化しても確実に発振を防止することのできる超音波受信器を提供する。【解決手段】超音波振動子１１とオペアンプ１３有する受信回路１２とを含む超音波受信器１０において、オペアンプ１３の出力端子と反転入力端子との間に挿入された帰還抵抗１５と並列に、超音波振動子１１の静電容量以上の静電容量を備え、静電容量変化の温度特性が前記超音波振動子の圧電体と実質的に等しい容量体１４を挿入する。【選択図】　図１
2004020486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体を含む超音波振動子であって、超音波を検知し、検知した超音波を電気的信号に変換する超音波振動子と、
前記電気的信号を増幅するオペアンプと、
前記オペアンプの出力端子と反転入力端子との間に挿入された帰還抵抗と、
前記出力端子と前記反転入力端子との間に前記帰還抵抗と並列に挿入された容量体であって、前記超音波振動子の静電容量以上の静電容量を備え、静電容量変化の温度特性が前記超音波振動子と実質的に等しい容量体と、
を備えた超音波受信器。
【請求項２】
前記容量体および前記超音波振動子の静電容量をそれぞれＣｆおよびＣｉとするとき、ＣｆおよびＣｉがＣｉ≦Ｃｆ≦２×Ｃｉの関係を満たす請求項１に記載の超音波受信器。
【請求項３】
前記容量体は、前記超音波振動子の静電容量と実質的に等しい静電容量を備えている請求項１に記載の超音波受信器。
【請求項４】
前記容量体は、前記超音波振動子の圧電体と同じ材料系からなる圧電体によって形成されている請求項１から３のいずれかに記載の超音波受信器。
【請求項５】
前記容量体は、前記超音波振動子と同種の超音波振動子である請求項４に記載の超音波受信器。
【請求項６】
前記容量体および前記超音波振動子の静電容量変化の温度特性が、少なくとも−３０℃から＋８０℃の範囲において等しい、請求項１から５のいずれかに記載の超音波受信器。
【請求項７】
圧電体を含む超音波振動子であって、超音波を検知し、検知した超音波を電気的信号に変換する超音波振動子と、
前記電気的信号を増幅するオペアンプと、
前記オペアンプの出力端子と反転入力端子との間に挿入された帰還抵抗と、
前記出力端子と前記反転入力端子との間において、前記帰還抵抗と並列に挿入されており、前記超音波振動子と同一の構造を備えた容量体と、
を備えた超音波受信器。
【請求項８】
圧電体を含む一対の超音波振動子と、前記超音波振動子を駆動するための送信回路と、前記超音波振動子により受信した信号を増幅する受信回路とを備え、前記一対の超音波振動子を用いて流体の流路中に超音波の伝播経路を形成し、前記伝播経路に沿って双方向に超音波を伝播させて双方向の伝播時間差を検出することにより、流体の流量を検出する超音波流量計であって、
前記受信回路は、
前記超音波振動子により受信した信号を増幅するオペアンプと、
前記オペアンプの出力端子と反転入力端子との間に挿入された帰還抵抗と、
前記出力端子と前記反転入力端子との間において、前記帰還抵抗と並列に挿入された容量体であって、前記超音波振動子の静電容量以上の静電容量を備え、静電容量変化の温度特性が前記超音波振動子と実質的に等しい容量体と、
を備えた超音波流量計。
【請求項９】
前記容量体および前記超音波振動子の静電容量をそれぞれＣｆおよびＣｉとするとき、ＣｆおよびＣｉがＣｉ≦Ｃｆ≦２×Ｃｉの関係を満たす請求項８に記載の超音波流量計。
【請求項１０】
前記容量体は、前記超音波振動子の静電容量と実質的に等しい静電容量を備えている請求項８に記載の超音波流量計。
【請求項１１】
前記容量体は、前記超音波振動子の圧電体と同じ材料系からなる圧電体から形成されている請求項８から１０のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項１２】
前記容量体は、前記超音波振動子と同種の超音波振動子である請求項１１に記載の超音波流量計。
【請求項１３】
前記容量体および前記超音波振動子の静電容量変化の温度特性が、少なくとも−３０℃から＋８０℃の範囲において等しい、請求項８から１２のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項１４】
ガスが流れる流路と、
前記流路に設けられた請求項８から１３のいずれかに記載の超音波流量計と、
前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁と、
前記超音波流量計および遮断弁を制御する制御装置と、
を備えたガスメータ。
【請求項１５】
前記超音波流量計の一対の超音波振動子と前記容量体とを等しい温度に保つための調温手段を更に備える請求項１４に記載のガスメータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波受信器および超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波の波動現象を利用して情報を得る応用例として、魚群探知機、診断装置、距離計、流量計などが実現されている。これらの装置では、測定すべき対象中を伝播してきた超音波や、測定すべき対象から反射してきた超音波を超音波振動子によって検知し、電気的信号に変換する。一般に、この電気的信号は微弱であるため、電気的信号はオペアンプなどを含む受信回路によって増幅される。そして、増幅された信号に含まれる情報を解析することによって、距離、音速、方位などの物理量が求められる。
【０００３】
超音波振動子は圧電体によって構成されており、容量性の素子である。このため、受信回路において超音波振動子の容量に起因した発振が生じ、受信した超音波振動に基づく電気的信号を正しく増幅できないという問題が生じることがある。この問題を以下に説明する。
【０００４】
図９は、超音波振動子１から出力される信号を増幅する従来の受信回路２を示している。受信回路２はオペアンプ３を含み、オペアンプ３の出力端子と反転入力端子との間には帰還抵抗４が挿入されている。帰還抵抗４によって負帰還ループが形成され、オペアンプ３は反転増幅回路を構成している。このため、オペアンプ３の入力および出力の位相は１８０度回転している。
【０００５】
超音波振動子１は上述したように容量性素子であるため、反転入力端子に超音波振動子１が接続されることにより、容量Ｃｉが反転入力端子に付加される。この容量Ｃｉは負帰還ループの位相を遅らせる。位相の遅れは、信号の周波数が高くなるにつれて大きくなる。
【０００６】
反転増幅回路の増幅度が１以上であって、負帰還ループの位相が１８０度遅れると、オペアンプ３の入力および出力の位相は３６０度回転していることとなり、正帰還ループが構成される。このため、受信回路２は発振してしまう。
【０００７】
受信回路２における発振を防止するために、反転入力端子に付加された容量Ｃｉ以上の容量Ｃｆを備えたコンデンサ５をオペアンプ３の帰還抵抗４と並列に接続する方法が知られている。このようにすることによって、負帰還ループの位相の遅れを補償することができ、受信回路２の発振を防止することができるといわれている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
受信回路２を含む超音波受信器が使用される環境はさまざまであり、使用環境の温度も一定の温度ではない。このため、超音波振動子１の容量Ｃｉも温度によって変化してしまう。
【０００９】
したがって、発振を防止するために挿入されたコンデンサ５の容量Ｃｆが、ある温度において、容量Ｃｉ以上であっても、超音波受信器が使用される環境の温度が変化することによって、コンデンサ５の容量Ｃｆが、容量Ｃｉよりも小さくなる場合がある。この場合、超音波受信器２は発振する可能性がある。
【００１０】
一方、使用環境の温度変化によって生じる超音波振動子１の容量Ｃｉの増加を考慮して、コンデンサ５の容量を十分に大きくしておくことも考えられる。この場合、超音波振動子１の容量Ｃｉに起因する発振を防止することはできる。しかし、超音波振動子１の容量Ｃｉとコンデンサ５の容量Ｃｆとの容量差が大きい場合には、付加したコンデンサ５に起因する新たな発振を起こすという問題が生じる。
【００１１】
また、発振が生じない場合であっても、コンデンサ５によって形成される抵抗成分が帰還抵抗４に対して並列に接続されるため、オペアンプ３の出力端子と反転入力端子との間の抵抗値が帰還抵抗４の値より低下してしまう。受信回路２の増幅率は、このため、出力端子と反転入力端子との間の抵抗値に比例するため、コンデンサ５によって形成される抵抗成分は受信回路の増幅率を低下させる。また、コンデンサ５の抵抗成分は容量Ｃｆに反比例するため、容量Ｃｆが大きいほど、抵抗値の小さい抵抗成分が帰還抵抗４に対して並列に接続され、受信回路の増幅率をさらに低下させることとなる。その結果、超音波受信器におけるＳ／Ｎ比が悪化してしまう。
【００１２】
本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは使用環境の温度が変化しても確実に発振を防止することのできる超音波受信器および超音波流量計を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波受信器は、圧電体を含む超音波振動子であって、超音波を検知し、検知した超音波を電気的信号に変換する超音波振動子と、前記電気的信号を増幅するオペアンプと、前記オペアンプの出力端子と反転入力端子との間に挿入された帰還抵抗と、前記出力端子と前記反転入力端子との間に前記帰還抵抗と並列に挿入された容量体であって、前記超音波振動子の静電容量以上の静電容量を備え、静電容量変化の温度特性が前記超音波振動子と実質的に等しい容量体とを備える。
【００１４】
また、本発明の超音波流量計は、圧電体を含む一対の超音波振動子と、前記超音波振動子を駆動するための送信回路と、前記超音波振動子により受信した信号を増幅する受信回路とを備え、前記一対の超音波振動子を用いて流体の流路中に超音波の伝播経路を形成し、前記伝播経路に沿って双方向に超音波を伝播させて双方向の伝播時間差を検出することにより、流体の流量を検出する。前記受信回路は、前記電気的信号を増幅するオペアンプと、前記オペアンプの出力端子と反転入力端子との間に挿入された帰還抵抗と、前記出力端子と前記反転入力端子との間において、前記帰還抵抗と並列に挿入された容量体であって、前記超音波振動子の静電容量以上の静電容量を備え、静電容量変化の温度特性が前記超音波振動子と実質的に等しい容量体とを備える。
【００１５】
ある好ましい実施形態において、前記容量体および前記超音波振動子の静電容量をそれぞれＣｆおよびＣｉとするとき、ＣｆおよびＣｉがＣｉ≦Ｃｆ≦２×Ｃｉの関係を満たす。
【００１６】
ある好ましい実施形態において、前記容量体は、前記超音波振動子の静電容量と実質的に等しい静電容量を備えている。
【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記容量体は、前記超音波振動子の圧電体と同じ材料系からなる圧電体によって形成されている。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記容量体は、前記超音波振動子と同種の超音波振動子である。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記容量体および前記超音波振動子の静電容量変化の温度特性が、少なくとも−３０℃から＋８０℃の範囲において等しい。
【００２０】
また、本発明の超音波受信器は、圧電体を含む超音波振動子であって、超音波を検知し、検知した超音波を電気的信号に変換する超音波振動子と、前記電気的信号を増幅するオペアンプと、前記オペアンプの出力端子と反転入力端子との間に挿入された帰還抵抗と、前記出力端子と前記反転入力端子との間において、前記帰還抵抗と並列に挿入されており、前記超音波振動子と同一の構造を備えた容量体とを備える。
【００２１】
また、本発明のガスメータは、ガスが流れる流路と、前記流路に設けられた上記いずれかの超音波流量計と、前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁と、前記超音波流量計および遮断弁を制御する制御装置と備える。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、ガスメータは、前記超音波流量計の一対の超音波振動子および前記容量体を等しい温度に保つための調温手段を更に備える。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
まず、本発明による超音波受信器を説明する。
【００２４】
図１は、超音波受信器１０の構成を示す回路図である。超音波受信器１０は、魚群探知機、超音波診断装置、超音波距離計、超音波流量計など超音波を用いて計測が行われる種々の計測機器において受信器として用いられる。
【００２５】
図１に示すように、超音波受信器１０は、超音波振動子１１および受信回路１２を備える。超音波振動子１１は、超音波受信器１０が用いられる計測機器の用途に応じて、最適な共振周波数、共振インピーダンス、指向性などの特性を備えている。超音波振動子１１の共振周波数等に特に制限はない。
【００２６】
図２に示すように、超音波振動子１１は、圧電体１１ａおよび圧電体１１ａを挟むように設けられた一対の電極１１ｂを有する。圧電体１１ａには矢印で示すように分極処理が施されている。圧電体１１ａが超音波を受けると、圧電体１１ａが振動し、その機械的振動に基づく電気的信号が一対の電極１１ｂ間に発生する。圧電体１１ａは、チタン酸バリウム系（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛系（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸・ジルコン酸鉛系（ＰｂＴｉＯ３・ＰｂＺｒＯ３）などを主成分とする圧電セラミック材料により形成されている。圧電体１１ａは、これらの主成分のみを含むものであってもよいし、他の添加元素を含んでいてもよい。また、他の組成を有する圧電セラミックス材料により形成されていてもよい。
【００２７】
図１に示すように、受信回路１２はオペアンプ１３を含む。オペアンプ１３には、市販されている増幅用オペアンプを用いることができる。オペアンプ１３を反転増幅器として用いるため、超音波振動子１１はオペアンプの反転入力端子に接続され、非反転入力端子は接地される。オペアンプ１３の出力端子と反転入力端子との間には、帰還抵抗１５が挿入されている。帰還抵抗１５の抵抗値は、受信回路１２に求められる増幅率に応じて決定される。
【００２８】
また、出力端子と反転入力端子との間には、帰還抵抗１５と並列に容量体１４が挿入されている。容量体１４の静電容量変化の温度特性は、超音波振動子１１の静電容量変化の温度特性と実質的に等しい。２つの温度特性が等しい温度範囲は、超音波受信器１０が用いられる用途に応じて適宜選択される。例えば、超音波受信器１０が屋外に設置されるガスメータに使用される場合には、少なくとも−３０℃から８０℃の範囲において２つの温度特性が等しいことが好ましい。
【００２９】
容量体１４は、上述の温度特性が等しい温度範囲内の少なくともある温度において、超音波振動子１１の静電容量Ｃｉ以上の静電容量Ｃｆを備えている。好ましくは、容量体１４の静電容量Ｃｆおよび超音波振動子１１の静電容量Ｃｉは、Ｃｉ≦Ｃｆ≦２×Ｃｉの関係を満たしている。より好ましくは、超音波振動子１１および容量体１４の静電容量は実質的に等しい。ここで実質的に等しいとは、容量体１４の静電容量が超音波振動子１１の圧電体１１ａの静電容量の＋３％の範囲にあることを言う。
【００３０】
容量体１４の静電容量変化の温度特性と超音波振動子１１の静電容量変化の温度特性とが等しいので、容量体１４の静電容量が超音波振動子１１の静電容量以上である場合には、温度特性が等しい範囲において容量体１４の静電容量が超音波振動子１１の静電容量以上になる。また、容量体１４の静電容量が超音波振動子１１の静電容量と等しい場合には、温度特性が等しい範囲において容量体１４の静電容量は超音波振動子１１の静電容量と等しい。
【００３１】
静電容量変化の温度特性が超音波振動子１１の圧電体１１ａと等しい限り、容量体１４はどのような材料で形成されていてもよい。しかし、一般に、市販されているコンデンサは、所定の温度範囲において静電容量変化が小さくなるように作製されている。図３は、市販されている各種コンデンサのうち、代表的なコンデンサにおける静電容量変化の温度特性を示している。Ｆ特性のコンデンサは、静電容量の変化が問題とならないような用途に用いられる。温度による静電容量の変化が小さいことが要求される場合には、ＣＨ特性およびＢ特性のコンデンサが用いられ、これらのコンデンサの静電容量変化率は１００ｐｐｍ／℃以下である。
【００３２】
これに対して、図３において、曲線１１ａで示すように、超音波振動子１１の圧電体１１ａの静電容量変化率は一般に数千ｐｐｍ／℃程度である。このため、市販のコンデンサを用いて、超音波振動子１１の圧電体１１ａと静電容量変化の温度特性が実質的に等しい容量体１４を実現することは難しい場合がある。
【００３３】
そこで、本実施形態では、超音波振動子１１の圧電体１１ａと同じ材料系からなる圧電体を用意し、その圧電体を容量体１４として用いる。静電容量変化の温度特性は、用いる材料に固有の特性であるため、同じ材料系の圧電体からなる容量体を用いることによって、容量体１４の静電容量変化の温度特性を超音波振動子１１の圧電体１１ａとほぼ一致させることができる。ここで、同じ材料系とは、主成分が一致している２つ以上の材料をいう。２つの材料の主成分が等しければ、静電容量変化の温度特性も等しくなる。特に、容量体１４を構成する圧電体と超音波振動子１１の圧電体１１ａとの組成が一致する場合には、静電容量変化の温度特性も一致する。
【００３４】
容量体１４の静電容量は、圧電体の形状などを調整することによって所望の値となるように調節することができる。超音波振動子１１と同じ静電容量を持つ容量体１４を用いる場合には、例えば図４に示すように、圧電体１１ａと同じ材料で形成され、外径寸法の等しい圧電体１４ａを用い、一対の電極１４ｂを圧電体１４ａに設けることによって、超音波振動子１１の圧電体１１ａと同じ静電容量および同じ静電容量変化の温度特性を備えた容量体１４を得ることができる。この場合、容量体１４の圧電体１４ａは分極処理が施されていなくてもよい。分極状態にかかわらず、圧電体１４ａの容量は等しい。簡便にこのような容量体１４を用意するために、超音波振動子１１の圧電体１１ａと同じものを容量体１４の圧電体１４ａとして用いてもよい。あるいは、超音波振動子１１と同じものを容量体１４として用いてもよい。
【００３５】
このように、超音波振動子１１と静電容量変化の温度特性が等しく、超音波振動子１１の静電容量以上の容量を備えた容量体１４を用いることによって、環境の温度変化により超音波振動子１１の静電容量が変化しても、容量体１４の静電容量も同様に変化する。このため、静電容量変化の温度特性が等しい範囲内のどの温度においても、容量体１４の静電容量を超音波振動子１１の静電容量以上にすることができる。したがって、受信回路１２の発振を確実に防止することができる。つまり、ロバストな超音波受信器が実現する。
【００３６】
また、容量体１４の静電容量Ｃｆおよび超音波振動子１１の静電容量Ｃｉが、Ｃｆ≦２×Ｃｉの関係を満たしている場合には、容量体１４の静電容量Ｃｆと超音波振動子１１の静電容量Ｃｉとの差が小さいので、容量体１４に起因する新たな発振を起こすことはない。
【００３７】
さらに、静電容量および静電容量変化の温度特性が超音波振動子１１と等しい容量体１４を用いることによって、超音波受信回路１０のＳ／Ｎ比を向上させることができる。この理由を詳述する。
【００３８】
一例として、本実施形態の超音波受信器１０において、超音波振動子１１は、−３０℃において、３００ｐＦの静電容量を備え、６０℃になるとその静電容量が４００ｐＦに変化する場合考える。この超音波振動子１１は、常温において４００ｋＨｚの共振周波数を有する。共振周波数は、−３０℃および６０℃ではそれぞれ４０２ｋＨｚおよび３９８ｋＨｚに変動する。容量体１４として、超音波振動子１１と同一の圧電体であって、分極処理が施されていないものを用いる。つまり、容量体１４の静電容量は−３０℃において３００ｐＦであり、６０℃において４００ｐＦである。帰還抵抗の抵抗値は１ｋΩである。
【００３９】
また、比較例として、図９に示す従来の超音波受信器を考える。帰還抵抗に対して並列に挿入するコンデンサ５は、本願発明とは異なり、超音波振動子の圧電体と同じ静電容量変化の温度特性は備えていない。この場合、どの温度においても、コンデンサが確実に超音波振動子の圧電体の静電容量以上の値を備えるようにするためには、コンデンサは、超音波振動子１１の静電容量の最大値である４００ｐＦ以上の静電容量を備え、温度による静電容量変化は小さいことが必要である。このため、比較例には、−３０℃から６０℃において静電容量が４００ｐＦであるコンデンサ５を選ぶ。
【００４０】
一般に、容量体は、Ｒ＝１／（２πＦＣ）（Ｆは周波数、Ｃは静電容量）によって規定される抵抗成分を持つ。このため、容量体１４やコンデンサ５は、反転入力端子と出力端子との間に挿入されている帰還抵抗と合成抵抗を構成する。本実施形態の超音波受信器１０および従来の超音波受信器を−３０℃において、使用した場合、本実施形態の超音波受信器１０の容量体１４およびコンデンサ５の静電容量はそれぞれ３００ｐＦおよび４００ｐＦである。図５は、帰還抵抗に対して並列に接続される容量が３００ｐＦおよび４００ｐＦである場合の合成帰還抵抗の周波数依存性を示すグラフである。図５から明らかなように、４００ｋＨｚにおいて、静電容量が３００ｐＦおよび４００ｐＦである場合、合成帰還抵抗はそれぞれ、５８０Ωおよび５００Ω程度になる。
【００４１】
したがって、超音波受信器を低温で使用する場合、本発明によれば、合成帰還抵抗は５８０Ωとなるのに対し、従来の超音波受信器によれば合成帰還抵抗は５００Ωとなる。受信回路の増幅率は合成帰還抵抗値に比例するため、本発明によれば、低温において従来の超音波受信器よりも増幅率約１６％大きくすることができる。その結果、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００４２】
（第２の実施形態）
以下、本発明の超音波流量計を説明する。図６は、超音波流量計２０を示すブロック図である。超音波流量計２０は、流体の流路２５中に超音波の伝播経路を形成するように配置される第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂと、送信回路２７と、受信回路１２とを備えている。第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂは、切り替え手段２６を介して受信回路１２および送信回路２７へ接続されており、切り替え手段２６による選択によって、第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂのどちらか一方が選択的に送信回路２７へ接続される。このとき、第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂのもう一方は受信回路１２へ接続される。切り替え手段２６は、リレーのような機械的なものであってもよいし、電子回路等によって構成されるものであってもよい。
【００４３】
第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂは、それぞれが送信器および受信器として機能する。第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂに送信回路２７および受信回路１２がそれぞれ接続された場合には、第１の超音波振動子１１Ａから送信された超音波は第２の超音波振動子１１Ｂによって検知される。第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂに受信回路１２および送信回路２７がそれぞれ接続された場合には、第２の超音波振動子１１Ｂから送信された超音波は第１の超音波振動子１１Ａによって検知される。これら双方向の伝播路は、流路２５を流れる流体の流れる方向に対して角度θをなしている。角度θの大きさは、１０〜４０度の範囲内から選択される。
【００４４】
第１の超音波振動子１１Ａから第２の超音波振動子１１Ｂへ超音波を伝播させる場合、超音波は流体の流れに対して順方向に進むため、その速度は速くなる。一方、第２の超音波振動子１１Ｂから第１の超音波振動子１１Ａへ超音波を伝播させる場合、超音波は流体の流れに対して逆方向に進むため、その速度は遅くなる。従って、第１の超音波振動子１１Ａから第２の超音波振動子１１Ｂへ超音波が伝播する時間ｔ１と第２の超音波振動子１１Ｂから第１の超音波振動子１１Ａへ超音波が伝播する時間ｔ２との差から、流体の速度を求めることができる。また、流路２５の断面積と流速との積から流量を求めることができる。
【００４５】
第１の超音波振動子１１Ａと第２の超音波振動子１１Ｂとの間の距離をＬとし、流体の流速および超音波の音速をそれぞれＶおよびＣとする。
【００４６】
この時、ｔ１およびｔ２は以下の式で表される。
【００４７】
【数１】
2004020486.tif 000003
【００４８】
これらの式から流速Ｖは以下の式で表される。
【００４９】
【数２】
2004020486.tif 000004
【００５０】
流体の流速Ｖが求まれば、流路１４の断面積と流速Ｖとの積から流量Ｑが求まる。
【００５１】
第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂとしては、おおよそ２０ｋＨｚ以上の周波数で駆動され、超音波流量計として従来から使用される種々の超音波振動子を用いることができる。測定すべき流体の状態や種類、予測される流速などに応じて最適な周波数が適宜選択される。本実施形態では、例えば厚み振動モードで振動し、２００ｋＨｚの共振周波数をもつ超音波振動子が用いられる。第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂは、図２に示すような圧電体１１ａをそれぞれ備える。第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂの共振特性、静電容量、および静電容量変化の温度特性は等しい。
【００５２】
送信回路２７は、第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂをその共振周波数で駆動する駆動信号を生成する。また、受信回路１２には、図１に示すように、第１の実施形態で説明した超音波受信器１０の受信回路１２が用いられる。受信回路１２の容量体１４には、第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂとして用いられる同種の超音波振動子を用いる。したがって、容量体１４は、第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂと等しい静電容量および静電容量変化の温度特性を備える。
【００５３】
受信回路１２の容量体１４と第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂとは、少なくとも計測中、同じ温度に保たれることが好ましい。流路２５を流れる流体の温度が超音波流量計２０の設置されている環境の温度と著しく異なる場合には、流体に接している第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂと受信回路１２の容量体１４の温度が異なる可能性がある。このような場合には、容量体１４も流体に接触するよう流路２５に設けたり、容量体１４を流体の温度と等しい恒温槽中に保持したりすることが好ましい。
【００５４】
第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂは、切り替え手段２６を介して受信回路１２に接続される。第１の超音波振動子１１Ａまたは第２の超音波振動子１１Ｂに到達した超音波は電気的信号に変換され、受信信号が受信回路１２によって増幅される。
【００５５】
受信回路１２によって増幅された受信信号を処理するために、超音波流量計２０は、ゼロクロス検知回路２８、繰り返し回路２９、計時回路３０および流量算出手段３１を備える。
【００５６】
受信回路１２によって増幅された受信信号は、ゼロクロス検知回路２８へ送られる。ゼロクロス検知回路２８では、受信信号が所定のレベルに達した直後のゼロクロスポイントが検知され、ゼロクロス検知信号が生成される。ゼロクロスポイントとは受信信号の振幅が正から負、または負から正へ変化する点をいう。このゼロクロスポイントを第１の超音波振動子１１Ａまたは第２の超音波振動子１１Ｂにおいて超音波が到達した時刻としている。
【００５７】
繰り返し回路２９は、ゼロクロス検知信号に基づいて、所定の時間遅らせたタイミングでトリガ信号を生成し、トリガ信号を送信回路２７へ出力する。ゼロクロス検知信号の生成からトリガ信号の生成までの時間を遅延時間と呼ぶ。送信回路２７は、トリガ信号に基づいて、第１の超音波振動子１１Ａまたは第２の超音波振動子１１Ｂを駆動し、次の超音波を発生させる。このように超音波の送信−受信−増幅・遅延−送信のループの繰り返すことをシングアラウンドと呼び、ループの回数をシングアラウンド回数と呼ぶ。
【００５８】
計時回路３０は、所定の回数、シングアラウンドを繰り返すのに要した時間を計測し、測定結果を流量算出手段３１へ送る。
【００５９】
次に、図６および図７を参照して、流体の流量を計測する手順を説明する。図７に示すように、トリガ信号２１を送信回路２７に入力し駆動信号を生成させ、第１の超音波振動子１１Ａから超音波を発生させる。流路２５を伝播した超音波は、第２の超音波振動子１１Ｂによって検知され、受信回路１２によって受信信号２２として受信される。ゼロクロス検知回路２８では、受信信号２２が所定のレベルに達した直後のゼロクロスポイントが検知され、ゼロクロス検知信号が生成される。繰り返し回路２９は、ゼロクロス検知信号に基づいて、所定の遅延時間２３を経た後にトリガ信号２１’を生成し、送信回路２７へトリガ信号２１’を出力する。これにより、シングアラウンドの１ループを構成する。
【００６０】
所定の回数（例えば５０〜１０００回）、シングアラウンドを繰り返した後、計時回路３０は、ループを繰り返すのに要した全時間２４を計測し、測定結果を流量算出手段３１へ送る。全時間２４から遅延時間２３とシングアラウンド回数とを乗じた値を引き、更にシングアラウンド回数で除した値が、式（１）に示すｔ１となる。
【００６１】
次に、切り替え手段２６を用いて、送信回路２７を第２の超音波振動子１１Ｂへ接続し、受信回路１２を第１の超音波振動子１１Ａへ接続する。そして、上述の手順と同様の手順により、第２の超音波振動子１１Ｂから超音波を発生させ、第１の超音波振動子１１Ａで超音波を受信する。所定の回数、シングアラウンドを繰り返した後、計時回路３０は、ループを繰り返すのに要した全時間２４を計測し、測定結果を流量算出手段３１へ送る。全時間２４から遅延時間２３とシングアラウンド回数とを乗じた値を引き、更にシングアラウンド回数で除した値が、式（１）に示すｔ２となる。
【００６２】
式（２）に、ｔ１およびｔ２の値と角度θを代入することによって、流体の流速Ｖが求まる。更に流路１４の断面積をＳとすれば、流量ＱはＶ×Ｓによって求めることができる。この流量Ｑは、単位時間あたりに流体が移動する量であり、流量Ｑを積分することによって流体の量を求めることができる。
【００６３】
本発明の超音波流量計によれば、容量体１４は、第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂと同じ静電容量変化の温度特性を備え、超音波振動子１１の静電容量以上の容量を備えている。このため、環境温度の変化により、第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂの静電容量が変化しても、容量体１４の静電容量は同様に変化する。
【００６４】
その結果、どの温度においても、容量体１４の静電容量を超音波振動子１１の圧電体１１ａの静電容量以上にすることができ、受信回路１２において、確実に発振することを防止することができる。これにより、超音波流量計のまわりの環境の温度が変化しても安定して流量を計測することができる。特に、超音波流量計が設置される環境の温度変化が激しい場合でも、高い精度で計測を行うことができる。
【００６５】
また、第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂの圧電体１１ａと同じ静電容量変化の温度特性を容量体１４が備えているため、容量体１４の静電容量は、圧電体１１ａの静電容量より十分には大きくなくてもよい。その結果、受信回路におけるＳ／Ｎ比を向上させることができ、高い精度で計測が可能な超音波流量計が実現できる。
【００６６】
（第３の実施形態）
以下、本発明の超音波流量計を備えたガスメータを説明する。
【００６７】
図８は、配管３１内を流れるガスの流量を計測するためのガスメータ３０を模式的に示している。配管３１内を流れるガスは、天然ガスやプロパンガスなど一般家庭で用いられるもののほか、水素や酸素等、その他の気体であってもよい。
【００６８】
ガスメータ３０は、配管３１内を流れるガスの流量を計測するための超音波流量計２０と、緊急時に配管３１を流れるガスを遮断する遮断弁３２と、超音波流量計２０および遮断弁３２を制御するマイコンなどの制御装置３５と、超音波流量計２０を用いて計測した流量や流量の積算値およびその他の情報を表示する表示部３３と通信装置３４とこれらを収納する筐体３６とを備える。
【００６９】
超音波流量計２０には、図６に示す第２の実施形態の超音波流量計２０を用いる。超音波流量計２０の第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂは配管３１に設置されている。超音波流量計２０の受信回路を含む他の構成回路は、表示部３３、通信装置３４および制御装置３５といっしょに基板上に設けられている。超音波流量計２０の受信回路の容量体１４も基板上に形成されている。
【００７０】
超音波流量計２０によって計測される流量に関するデータは、制御装置３５によって処理されて表示部３３に表示される。また、制御部３５は、計測する流量に異常がないかを監視する。例えば、突然、大流量のガスが流れ始めた場合には、ガス漏れが生じていると判断して、遮断弁３２を動作させ、ガスの供給を停止する。流量に関するデータやガス漏れに関する情報は通信装置３４によって、ガス会社などに送信される。
【００７１】
筐体３６には調温手段として通気孔３７が設けられており、通気孔３７から取り入れられた外気が筐体３６の内部にゆきわたる構造を採用している。これにより、筐体３６の内部の温度を均一にし、離れて設置されている容量体１４と第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂが同じ温度の外気にさらされ、第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂと容量体１４とを等しい温度に保たれる。通気孔３７に加えて、あるいは通気孔３７に代えて、筐体３６の内部の空気を攪拌するためのファンを設け、内部の空気の温度均一になるようにしてもよい。また、調温手段として、恒温槽や、第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂと容量体１４とに接触するように設けられた循環式の冷却装置などを用いてもよい。
【００７２】
ガスメータ３０は屋外に設置されることが多いため、一日の気温差や、季節の移り変わりによる１日の平均気温差による影響を受け易い。このため。超音波流量計２０の第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂは変動した気温により、その容量が変化し易い。しかし、本発明によれば、容量体１４の静電容量は第１の超音波振動子１１Ａおよび第２の超音波振動子１１Ｂと同じように変化するため、超音波流量計２０の受信回路は常に最適な条件で帰還回路を構成する。このため、ガスメータ３０がどのような温度に晒されても、受信回路が発振することなく、精度よく流量を算出することができる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、環境の温度変化により超音波振動子の静電容量が変化しても、オペアンプの帰還抵抗と並列に接続される容量体の静電容量も同様に変化する。このため、オペアンプの発振を確実に防止することのできる超音波受信器および超音波流量計が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波受信器を示す回路図である。
【図２】図１の超音波受信器に用いられる超音波振動子の構造を示す模式図である。
【図３】コンデンサおよび図２の超音波振動子の静電容量変化の温度特性を示すグラフである。
【図４】図１の超音波受信器に用いられる容量体の構造を示す模式図である。
【図５】帰還抵抗および帰還抵抗に対して並列に接続される容量体の合成抵抗の周波数依存性を示すグラフである。
【図６】本発明の超音波流量計を示すブロック図である。
【図７】図６に示す超音波流量計を用いて行う測定を説明する図である。
【図８】本発明のガスメータを示す模式図である。
【図９】従来の超音波受信器示すブロック図である。
【符号の説明】
１、１１　超音波振動子
２、１２　受信回路
３、１３　オペアンプ
４、１５　帰還抵抗
５　コンデンサ
１０　超音波受信器
１１Ａ　第１の超音波振動子
１１Ｂ　第２の超音波振動子
１４　容量体
２０　超音波流量計
２５　流路
２６　切り替え手段
２７　送信回路
３０　ガスメータ
３２　遮断弁
３３表示部
３４　通信装置
３５　制御装置
３７　通気孔
【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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