(57)【要約】【課題】扁平状の流路を有する超音波流量計において、それに適した超音波変換器を提供することを目的とする。【解決手段】縦方向に超音波出力分布の大きい超音波変換器３、４を扁平状の流路２ａ、２ｂ、２ｃに設置したものである。この構成により、複数個の流路２ａ、２ｂ、２ｃに対して均一に超音波を伝播させることができ、高精度の流量計を実現することができる。【選択図】　図１
2004144701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を流動させる扁平状の流路と、上記流路を流れる流体の流速を測定する少なくとも一対の超音波変換器とを具備し、前記超音波変換器の超音波出力強度を流路の扁平形状に対応して所定の方向へ大きく設定した超音波流量計。
【請求項２】
断面形状が長方形である流路体の相対向する短辺間を分割板により分割して複数の扁平状の流路を構成するとともに、各流路の上流側および下流側には少なくとも一対の超音波変換器を配置し、前記超音波変換器の超音波出力強度は、相対向する短辺の方向へ大きく設定した超音波流量計。
【請求項３】
少なくとも一対の超音波変換器を、分割された各流路への流体の流入側および流出側から流路の有効高さの３倍以上はなして配置した請求項１または２記載の超音波流量計。
【請求項４】
分割された各流路ごとに各一対の超音波変換器を配置した請求項２または３記載の超音波流量計。
【請求項５】
一対の超音波変換器を分割された各流路ごとに上流側、下流側と交互となるよう配置した請求項４記載の超音波流量計。
【請求項６】
複数の超音波変換器を同一回路部を用いて順次動作させるようにした請求項４または５記載の超音波流量計。
【請求項７】
複数の超音波変換器を同一回路部を用いて並列動作させてなる請求項４または５記載の超音波流量計。
【請求項８】
凸状の缶ケース内面に、幅が厚さよりも小さい角柱からなる縦振動する圧電体を複数個形成し、かつ、前記凸状の缶ケースの外面に音響整合層を形成した超音波変換器。
【請求項９】
直方体の縦振動圧電体に複数本の溝を形成し、幅が厚さよりも小さい角柱を構成した超音波変換器。
【請求項１０】
凸状の缶ケース内面に幅が厚さよりも小さく、長さが厚さの２倍以上、４倍以下の矩形状の縦振動する複数個の圧電体を、幅方向に形成し、かつ、前記凸状の缶ケースの外面に音響整合層を形成した超音波変換器。
【請求項１１】
平板状の縦振動圧電体に複数本の溝を形成した請求項１０記載の超音波変換器。
【請求項１２】
音響整合層を圧電体の接着されている部分にのみ形成した請求項８〜１２のいずれか１項記載の超音波変換器。
【請求項１３】
請求項８〜１２のいずれか１項記載の超音波変換器を流体の流速検出用に配置した超音波流量計。
【請求項１４】
請求項９または１１記載の超音波変換器を分割板により分割形成された扁平状流路に配置するとともに、超音波変換器を構成する圧電体の溝部分を前記分割板に一致させた超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を計測する超音波流量計および超音波変換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の流量計は、図１９に示すような構成であった（例えば、特開平９−４３０１５号公報参照）。
【０００３】
図１９において、従来の流量計１０１は、液体あるいは気体などの流体が流れる断面形状が長方形の流路体１０２内に、薄い分割板１０３ａ、１０３ｂにより扁平状の流路１０４を複数分割形成し、対向する短編側の上流側および下流側とに一対の超音波変換器１０５、１０６を配置した構成を採っていた。
【０００４】
そして、前記一対の超音波変換器１０５、１０６間を伝搬する超音波の伝搬時間から流体の流速を計測し、計測した流体の流速に長方形断面の断面積を乗じ、流量を演算し、流量計としていた。
【０００５】
なお、図中の片矢印１０７（実線）は流体の流れる方向を示し、両矢印１０８（破線）は超音波の伝搬する方向を示している。また、超音波の伝播する長辺方向に幅Ｗｒ、短辺方向に高さＨｒを記した。
【０００６】
超音波変換器１０５、１０６の超音波送受信面の幅は流路体１０２の短辺高さＨｒと同じ寸法とした。また、流体の流れる方向と、超音波の伝搬する方向とは角θで交叉し、超音波の伝搬方向は、長方形断面の長辺方向としている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−４３０１５号公報（第６頁、第１および２図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の従来の流量計１０１では、多層に分割された扁平状の流路１０４を流れる流体に対し、出力分布が円対称である超音波変換器１０５、１０６を用いて超音波を伝搬させ、流体の流速を計測していた。このため、扁平状の流路１０４間で送信・受信する超音波強度に大きな差が発生することがあった。
【０００９】
従って、扁平状の流路１０４を流れる流体に流速分布が発生すると、精度よく計測することができないという課題があった。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高精度な超音波流量計を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、流体を流動させる扁平状の流路と、上記流路を流れる流体の流速を測定する少なくとも一対の超音波変換器とを具備し、前記超音波変換器の超音波出力強度を流路の扁平形状に対応して所定の方向へ大きく設定したもので、流体に概ね均一な超音波が伝播させることができ、流体の流速計測が高精度となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
上記の目的を達成するために本発明は、流体を流動させる扁平状の流路と、上記流路を流れる流体の流速を測定する少なくとも一対の超音波変換器とを具備し、前記超音波変換器の超音波出力強度を流路の扁平形状に対応して所定の方向へ大きく設定し、流体に概ね均一な超音波を伝播させることができる。
【００１３】
また、断面形状が長方形である流路体の相対向する短辺間を分割板により分割して複数の扁平状の流路を構成するとともに、各流路の上流側および下流側には少なくとも一対の超音波変換器を配置し、前記超音波変換器の超音波出力強度は、相対向する短辺の方向へ大きく設定したものである。
【００１４】
従って、扁平状の各流路に概ね均一な強度の超音波を伝播させ、流体の流速を正確に計測することができる。
【００１５】
また、少なくとも一対の超音波変換器を、分割された各流路への流体の流入側および流出側から流路の有効高さの３倍以上はなして配置した。
【００１６】
これにより、各流路では分割板の効果により流体が安定して流れるようになる。
【００１７】
また、分割された各流路ごとに各一対の超音波変換器を配置したので、各流路間において流速分布が発生しても、それらを反映した正確な流速を計測することができる。
【００１８】
また、一対の超音波変換器を分割された各流路ごとに上流側、下流側と交互となるよう配置しており、各流路間で流体の流れる方向およびそれと垂直方向に流速バラツキ、即ち、２次元的な流速分布が発生しても、この配置により解消することができる。
【００１９】
また、複数の超音波変換器を同一の回路部を用いて順次動作させるようにしており、回路部分に起因する不確定要素を排除することができ、高精度な流量計を実現することができる。しかも、単一の回路部分を用いるので、回路系を簡素化することができ、実用的とすることができる。
【００２０】
また、複数の超音波変換器を同一回路部を用いて並列動作させるようにしているので、回路部分に起因する不確定要素を排除することができるとともに、切換スィッチが不要となり、より簡素化することができ、高精度な流量計を実現することができる。
【００２１】
また、超音波変換器は、凸状の缶ケース内面に、幅が厚さよりも小さい角柱からなる縦振動する圧電体を複数個形成し、かつ、前記凸状の缶ケースの外面に音響整合層を形成したものであるから、超音波出力分布を所定方向に、均一に、かつ、大きくすることができる。
【００２２】
また、直方体の縦振動圧電体に複数本の溝を形成し、幅が厚さよりも小さい角柱を構成したものでは、超音波出力分布を所定方向に、均一に、かつ、大きくすることができる。
【００２３】
また、凸状の缶ケース内面に幅が厚さよりも小さく、長さが厚さの２倍以上、４倍以下の矩形状の縦振動する複数個の圧電体を、幅方向に形成し、かつ、前記凸状の缶ケースの外面に音響整合層を形成した。
【００２４】
この構成により、超音波出力分布を縦方向に、均一に、且つ、大きくすることが簡単にでき、各層状の流路に、概ね均一な強度の超音波を送信することができ、高精度な流量計を実現できる。
【００２５】
また、平板状の縦振動圧電体に複数本の溝を形成した。この構成により、超音波出力分布を縦方向に、均一に、且つ、大きくすることが簡単にでき、各層状の流路に、概ね均一な強度の超音波を送信することができる。
【００２６】
また、音響整合層を圧電体の接着されている部分にのみ形成した。この構成により、音響整合層のある部分からのみ超音波が送信あるいは受信されることとになる。
【００２７】
そして、これら超音波変換器を流路を流動する流体の流速検出用に配置すれば、高精度な流量計が実現できる。加えて、圧電体の溝部分を流体の流れる前記分割板に一致させることで、無駄な超音波を送信、受信することがなくなり、超音波の効率およびＳ／Ｎが向上し、高精度な流量計を実現できる。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、図中の同一部分には同一番号を付し、重複した説明を省略している。
【００２９】
（実施例１）
図１において、超音波流量計１は、内部を流体が流れる断面長方形の流路体２の上流側と下流側とに一対の超音波変換器３、４を対向して設置して構成してある。超音波変換器３、４間の距離Ｌｄは約１００ミリ、流路体２の断面積Ｓｒは約３０平方ミリとした。
【００３０】
そして、超音波変換器３、４の出力分布は流路体２の相対向する短辺の方向へ大きくなるように設定してある。
【００３１】
なお、図中の片矢印５（実線）は流体の流れる方向を示し、両矢印６（破線）は超音波の伝搬する方向を示している。
【００３２】
７ａ、７ｂは流路体２の内部を３つの扁平状の流路２ａ、２ｂ、２ｃに分割する厚さ０．１〜０．５ミリ程度の分割板で、分割方向は長辺と平行であって、短辺側を３層に分割するものとなっている。
【００３３】
図面では流路体２の幅をＷｒとして、高さをＨｒで示している。また、流体の流れる方向は、超音波の伝搬する方向とは角θ（４５度）で交叉するようにした。
【００３４】
なお、超音波変換器３、４の送受信面の幅は流路体２の高さＨｒと同じになるように設定されている。
【００３５】
図２において、計測開始信号がトリガ−７から発信されると、駆動回路８は、バ−スト信号からなる駆動信号を送信側切換スイッチ９に接続されている上流側の超音波変換器３に供給する。
【００３６】
上流側の超音波変換器３から超音波が流路２ａ、２ｂ、２ｃ内に送信され、下流側の超音波変換器４で受信される。この受信信号は受信側切換スイッチ１０を介して増幅器１１に伝達される。
【００３７】
この信号はただちに時間計測回路１４に伝達され、上流側超音波変換器３から下流側の超音波変換器４への超音波伝播時間Ｔ（３４）が計測される。
【００３８】
同様にして、下流側超音波変換器４から上流側の超音波変換器３への超音波伝播時間Ｔ（４３）も計測される。このようにして時間計測された結果は、演算部１５に伝達され、流量演算が実施される。以下に数字を用いてより具体的に説明する。
【００３９】
ｉ番目の流路において、超音波の音速Ｖｓ（ｉ）、流れる流体の流速をＶｆ（ｉ）、上流側の超音波変換器３から下流側の超音波変換器４への超音波の伝播時間計測結果をＴｉ（３４）とした時の、それぞれの関係は、以下のようになる。
【００４０】
Ｔｉ（３４）＝｛Ｌｄ／［Ｖｓ（ｉ）＋Ｖｆ（ｉ）×ｃｏｓ（θ）］｝
同様にして、下流側の超音波変換器４から上流側の超音波変換器３への超音波の伝播時間測結果をＴｉとすると、以下のようになる。
【００４１】
Ｔｉ（４３）＝｛Ｌｄ／［Ｖｓ（ｉ）−Ｖｆ（ｉ）×ｃｏｓ（θ）］｝
これらより、
Ｔｉ（３４）＝Ｌｄ／［Ｖｓ（ｉ）＋Ｖｆ（ｉ）×ｃｏｓ（θ）］
Ｔｉ（４３）＝Ｌｄ／［Ｖｓ（ｉ）−Ｖｆ（ｉ）×ｃｏｓ（θ）］
従って、
Ｖｓ（ｉ）＋Ｖｆ（ｉ）×ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｉ（３４）
Ｖｓ（ｉ）−Ｖｆ（ｉ）×ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｉ（４３）
これらより、上の式から下の式の両辺を引き算すると、超音波の音速Ｖｓの項を消去することができ、以下のようになる。
【００４２】
２×Ｖｆ（ｉ）×ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ×［｛１／Ｔｉ（３４）｝−｛１／Ｔｉ（４３）｝］
この結果より、超音波変換器間の距離Ｌｄおよび交差角（θ）は、それぞれ既知であるので、簡単に計算することができる。このようにして流体の流速Ｖｆ（ｉ）が得られる。
【００４３】
また、同様に上の式と下の式の両辺を足し算すると、流体の流速の項が消去されれて、以下のようになる。
【００４４】
２×Ｖｓ（ｉ）＝Ｌｄ×［｛１／Ｔｉ（３４）｝＋｛１／Ｔｉ（４３）｝］
この結果より、音速Ｖｓも得られる。この流速Ｖｆ（ｉ）に、ｉ番目の層状流路の断面積Ｓｒ（ｉ）を乗じて流量Ｑｍ（ｉ）を演算する。
【００４５】
なお、このときｉ番目の層状流路を伝播し、受信された超音波の振幅の相対値をＡｉ、位相変化をφｉ、超音波の角速度をωとすると、受信側の超音波変換器で受信される超音波の振動Ｖｒ（ｉ）は、下記のようになる。
【００４６】
Ｖｒ（ｉ）＝Ａｉ＊ｅｘｐ［ｊ（ωｔ＋φｉ）］
＝Ａｉ＊ｅｘｐ（ｊωｔ）＊ｅｘｐ（ｊφｉ）となる。
【００４７】
従って、各層状流路を伝播してきて、受信側の超音波変換器で受信される超音波の振動Ｖｒ（ｔｏｔａｌ）は下記のようになる。
【００４８】
Ｖｒ（ｔｏｔａｌ）＝Ａ１＊ｅｘｐ（ｊωｔ）＊ｅｘｐ（ｊφ１）＋Ａ２＊ｅｘｐ（ｊωｔ）＊ｅｘｐ（ｊφ２＋・・・・＋Ａｎ＊ｅｘｐ（ｊωｔ）＊ｅｘｐ（ｊφｎ）
＝ｅｘｐ（ｊωｔ）＊［Ａ１＊ｅｘｐ（ｊφ１）＋Ａ２＊ｅｘｐ（ｊφ２）＋
・・・・＋ＡＮ＊ｅｘｐ（ｊφＮ）］
となる。
【００４９】
ここで、Ｎは層状流路の数を示す。これより、ｉ番目の層状流路を伝播した超音波は、ｉ番目を流れる流体の流速Ｖｆ（ｉ）により、Ａｉ＊ｅｘｐ（ｊφｉ）だけ変動したことになる。
【００５０】
即ち、流体の流速Ｖｆ（ｉ）による超音波振動の変化ｅｘｐ（ｊφｉ）が、超音波の相対強度Ａｉに比例して加算され、検知されることになる。
【００５１】
この意味するところは、各層状流路の流速変化が、各層状流路を伝播する超音波強度に比例して検知されることである。
【００５２】
例えば、ｉ番目の層状流路を伝播する超音波が、他の層状流路を伝播する超音波の相対強度が２倍であるとすると、ｉ番目の層状流路の流速変化が、他の層状流路の流速変化に比べ２倍の感度で検知されることを意味する。
【００５３】
従って、高精度な超音波流量計を構成しようとする場合には、各層状流路に均等な超音波を伝播させる必要がある。
【００５４】
この結果、超音波変換器間での伝播時間Ｔｉは、上記で示したｉ番目の層状流路における結果を用いて、
Ｔｉ（３４）＝Ａｉ（３４）＊ｅｘｐ［ｊφｉ（３４）］
Ｔｉ（４３）＝Ａｉ（４３）＊ｅｘｐ［ｊφｉ（４３）］
となる。
【００５５】
ここで、各層状流路を伝播する超音波の相対強度が一定であれば、上流側および下流側の超音波変換器間で計測される時間変化は、単純に加算することができ、
Ｔ（３４）＝Ｔ１（３４）＋Ｔ２（３４）＋・・・・＋ＴＮ（３４）
Ｔ（４３）＝Ｔ１（４３）＋Ｔ２（４３）＋・・・・＋ＴＮ（４３）
となる。
【００５６】
以下、同様にして、
Ｔ（３４）＝｛Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］｝
Ｔ（４３）＝｛Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］｝
これらより、
Ｔ（３４）＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］
Ｔ（４３）＝Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］
従って、
Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔ（３４）
Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔ（４３）
これらより、
２×Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ×［｛１／Ｔ（３４）｝−｛１／Ｔ（４３）｝］
２×Ｖｓ＝Ｌｄ×［｛１／Ｔ（３４）｝＋｛１／Ｔ（４３）｝］
よって、
Ｖｆ＝［Ｌｄ／｛２×Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）｝］×［｛１／Ｔ（３４）｝−｛１／Ｔ（４３）｝］
Ｖｓ＝（Ｌｄ／２）×［｛１／Ｔ（３４）｝＋｛１／Ｔ（４３）｝］
このようにして、各層状流路を流れる平均流速Ｖｆと、超音波の音速Ｖｓが得られることになる。
【００５７】
以上のような演算が、演算部１５で実施される。
【００５８】
図３に用いた超音波変換器３、４の表面での超音波出力分布を示す。図３（ａ）は、本発明の実施例に基づく超音波変換器の表面での超音波出力分布を示し、１６は約φ１１の整合層を、細線１７は超音波出力分布の等強度線を示す。また、図３（ｂ）は、従来の超音波変換器の表面での超音波出力分布を示し、１８は約φ１１の整合層を、細線１９は超音波出力分布の等強度線を示す。
【００５９】
本発明の実施例に用いた超音波変換器は、従来の同心円状の超音波出力分布に比べ、縦方向（流路体２の相対向する短辺の方向）に超音波出力が大きい、矩形状の超音波出力分布となるようにした。
【００６０】
この縦方向に強く、ほぼ均等の超音波出力分布を持つ超音波変換器を流体の流れる流路に取り付ける際に、この縦方向が流体の流れる方向および超音波の伝播する方向に垂直となるようにした。
【００６１】
すなわち、超音波出力の強い縦方向が、各層状の流路に対して、均等な強度の超音波を伝播させるように配置した。このため、各流路間で流速分布が発生しても、それぞれの流路において発生した時間変化は、ただ単純に加算される結果となり、高精度な超音波流量計を実現できる。
【００６２】
従来の流量計では、超音波変換器の中央部が特に超音波強度が大きいので、中央の層状流路の流量変化が支配的となり、誤差を発生する要因となっていた。
【００６３】
（実施例２）
図４において、２０ａは流体の流れる流路２ａ、２ｂ、２ｃと、超音波が伝播する超音波伝播路との上流側の交叉部を示し、２０ｂは下流側の交叉部を示す。
【００６４】
本実施例の分割形状の流路２ａ、２ｂ、２ｃにおいて、分割板７ａ、７ｂの端部と交叉部２０ａあるいは２０ｂとの距離を、分割された流路２ａ、２ｂ、２ｃの各高さＨｅの３倍以上の距離とした。
【００６５】
このように、流路２ａ、２ｂ、２ｃを流れる流体に対して、流路高さＨｅの３倍もの助走区間を設けたので、流体が層状に安定して流れるようになり、流速計測が安定して実施することができ、高精度な流量計が実現できる。
【００６６】
特に、圧力変動の大きい流体が流れるときに、助走区間が整流作用を及ぼし、流体が安定して流れると考えられる。また、分割板端部の前方および後方の空間が、流れる流体に対しバッファ容量としても働き、流体が圧力変動時でも安定して流れると考えられる。
【００６７】
（実施例３）
図５において、２１ａ、２１ｂ、２１ｃは上流側の超音波変換器を、２２ａ、２２ｂ、２２ｃは下流側の超音波変換器を示し、分割板７ａ、７ｂにより分割された流路２ａ、２ｂ、２ｃを介して対向して設置したものである。
【００６８】
即ち、超音波変換器２１ａと２２ａ、２１ｂと２２ｂ、２１ｃと２２ｃとが超音波を送信・受信するよう配置した。また、各超音波変換器の大きさは、各層状流路の高さＨｅと同じになるように設定した。
【００６９】
図６に実施例３における計測回路のブロック図を示す。計測回路ブロックの駆動回路８と、受信回路、その間に接続される３方切換スイッチとの関係を示している。
【００７０】
その他の部分は、図２に示した計測回路ブロックと同じである。２３ａ、２３ｂ、２３ｃは、送信側の３方切換スイッチを示し、２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、受信側の３方切換スイッチを示す。
【００７１】
図６は、駆動回路からの駆動信号が、送信側の３方切換スイッチ２３ａを介して上流側の超音波変換器２１ａに伝達され、超音波が流路に送信されて下流側の超音波変換器２２ａで受信され、その受信信号が受信側の３方切換スイッチ２４ａを介して受信信号が増幅回路１１に伝達されている状態を示している。
【００７２】
また、送信側の３方切換スイッチ２３ｂ、２３ｃおよび受信側の３方切換スイッチ２４ｂ、２４ｃはそれぞれＯＦＦ位置を示している。
【００７３】
このように実施例３においては、各層状流路の各一対の超音波変換器がそれぞれ上流側、下流側に対向して設置され、順次切換えて流体の流速を計測すようにした。
【００７４】
このため、各流路内で送受信される超音波強度に変動があってもそれぞれ独立計測されるので、各流路間で流速分布の変動が発生しても、これら流路内で送受信される超音波強度にかかわらず正確に計測される。
【００７５】
従って、各流路内の超音波強度、あるいは、各流路間の流速変動があっても高精度な流量計を実現できる。また、同一の駆動回路、増幅器を共通して用いるので、回路に起因する伝播時間計測における時間精度の不確差が共通となり、それぞれのオフセットなどを考慮しなくてもよくない、高精度な計測が達成される。
【００７６】
なお、この場合、図７に示したように超音波変換器を配置すると、より一層安定して流体の流速を計測することができる。
【００７７】
即ち、上流側の一方の側に超音波変換器２１ａ、２１ｃを、他方の側に超音波変換器２１ｂをそれぞれ配置し、また下流側の一方の側に先の超音波変換器２１ｂと斜めに対向する超音波変換器２２ｂを、他方の側に先の超音波変換器２１ａ、２１ｃと斜めに対向する超音波変換器２２ａ、２２ｃをそれぞれ配置した。
【００７８】
従って、上流側から下流側への超音波は、流路の最上段では流体の流れる方向を向いた場合に、左側の超音波変換器２１ａから右側の超音波変換器２２ａに向かって伝播する。また、中間の流路では、右側の超音波変換器２１ｂから左側の超音波変換器２２ｂに向かって伝播する。さらに、最下段の層状流路では、左側の超音波変換器２１ｃから右側の超音波変換器２２ｃに向かって伝播する。
【００７９】
このように、各層状流路においてそれぞれの超音波変換器が左から右、あるいは、右から左のように交互に配置することにより、例えば、流体が層状流路を若干斜めに流れた場合にも、各層上流路で計測される流体の流速がある層状流路では、若干大きめに計測され、ある層状流路では、若干小さめに計測されることになり、計測結果の合計ではキャンセルされることになり、流体がある程度斜めに流れた場合にも、高精度な流量計が実現できる。
【００８０】
（実施例４）
実施例４を図８で説明する。なお、本実施例において、上流側および下流側の超音波変換器の配置は、図５と同じ配置であるので、省略する。
【００８１】
図８において、２５、２６は送信側の並列切換スイッチおよび受信側の並列切換スイッチを示し、それぞれ複数個の超音波変換器を並列して切換えることができるように設定されている。同図では、上流側の超音波変換器２１ａ、２１ｂ、２１ｃが、送信側並列切換スイッチ２５を介して駆動回路８に接続され、並列駆動される。
【００８２】
また、下流側の超音波変換器２２ａ、２２ｂ、２２ｃが受信側並列切換スイッチを介して増幅器１１に接続されている。この場合、駆動回路８からの駆動信号は上流側の複数個の超音波変換器２１ａ、２１ｂ、２１ｃを並列駆動し、超音波を各層状流路内に送信し、これらの超音波は各層状流路内の流体を伝播し、下流側の超音波変換器２２ａ、２２ｂ、２２ｃ器で受信されることになる。この受信信号は、受信側並列切換スイッチ２６を介して増幅回路１１に伝達される。
【００８３】
従って、これらの受信信号は、単純に加算され、受信されることになる。この場合、同一の駆動回路、受信回路を用いるため、複数の回路を用いる場合に比べ回路系に起因する時間的な遅れ、あるいは時間的な不確定要因が取り除かれ、高精度な流量計が実現できる。
【００８４】
また、切換スイッチも並列型を使用するので、スイッチ系に起因する時間的な遅れ、あるいは時間的な不確定要因が取り除かれ、高精度な流量計が実現できる。また、計測回路系が一つであるので、調整なども簡単となり、低価格も達成でき、実用上の効果が大きい。
【００８５】
（実施例５）
通常、この種の超音波流量計に用いられる超音波変換器は、圧電振動効率の高い縦振動が多く用いられる。
【００８６】
図９、１０に実施例１に用いた縦振動型の超音波変換器を示す。２７は縦振動型の縦方向に超音波出力の大きい超音波変換器で、２８は円筒状の缶ケース２９の外面上に接着された円柱状の音響整合層、３０は缶ケース２９の底部に溶接接着された電気端子３１、３２を有する金属からなる台座を示す。
【００８７】
３３、３４は幅Ｗが高さＴよりも小さい角柱状の縦振動する圧電体を示し、上部および下部に焼き付け銀からなる電極３５、３６が形成されている。
【００８８】
なお、高さＴは上部電極と下部電極との距離に相当する。圧電体３３、３４は導電性あるいは非導電性のエポキシ系の接着剤により缶ケース２９に固着されている。
【００８９】
３７は下部の銀電極３６を等電位とする厚さ０．０１ミリ程度の金属箔電極を示し、導電性あるいは非導電性のエポキシ系接着剤で下部の銀電極に接着されている。
【００９０】
なお、接着剤（図示せず）の厚さは、数ミクロン程度とした。３８は台座３０から電気端子３１を電気的に絶縁するガラスハ−メチックからなる絶縁シ−ルを示す。
【００９１】
金属箔電極３７と電気端子３１とはリ−ド線３９を用い電気的に接続した。端子３２は、台座３０に溶接固定し、缶ケース２９を介して圧電体３３、３４の上部銀電極３５と電気的に接続した。
【００９２】
従って、端子３１、３２に圧電体駆動信号を供給すると、圧電体３３、３４は縦振動することになる。
【００９３】
なお、この種の超音波流量計に用いられる超音波は、数百ｋＨｚの縦振動であることが多い。この場合、高さＴは２〜５ミリとなる。また、音響整合層２８の厚さは、用いる超音波の波長の（１／４）程度とし、約０．５〜２．０ミリとした。
【００９４】
強い縦振動を発生させるため、圧電体の幅Ｗは、高さＴよりも小さくした。また、角柱間の隙間は、角柱の幅Ｗの約（１／１０）程度とした。
【００９５】
この構成で縦振動の周波数領域、および、この動作周波数以下に横振動、あるいは、その他の不要な振動が発生することがなく、強い縦振動を発生させることができる。
【００９６】
図１１に本実施例の超音波変換器２７を下方から見たもので、台座３０および金属箔電極３７を取り除いた場合を示している。圧電体３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄおよび３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄが２×４のマトリックス状に配置してある。
【００９７】
この配置により、縦方向（圧電体角柱が４個並んだ方向）に超音波出力の大きい超音波変換器とすることができる。
【００９８】
なお、上記の図９の超音波変換器は、円筒状の缶ケースで構成されたものを示したが、図１２に示すような方形状の缶ケース４０で構成した超音波変換器４１でも同様の縦方向に超音波出力の大きい超音波変換器を構成することができる。
【００９９】
缶ケース４０の内部は図９に示した超音波変換器２７と同様に、缶ケース４０の長手方向に圧電体角柱が４個並ぶように、２×４のマトリックス状に配置してある。
【０１００】
（実施例６）
図１３に、一本の縦方向の溝４２と、３本の横方向の溝４３ａ、４３ｂ、４３ｃを形成した直方体の圧電体４４を示す。
【０１０１】
直方体の圧電体４４の上面、下面に焼付け銀からなる銀電極４５、４６を形成した後、それぞれの溝を圧電体厚さの約７０から９０％の深さで形成した。
【０１０２】
この溝により直方体の圧電体は、八つの角柱に分割され、上部銀電極４５も八分割された構成となっている。なお、この溝の幅は各角柱の幅Ｗの約１／１０以下の寸法となるようにした。
【０１０３】
一方、下部電極４６は全体で共通電極となる。この八分割された上部電極４５と共通の下部電極４６との間に圧電体駆動信号を与えると、八分割された各角柱は同期して縦振動することになる。
【０１０４】
なお、この場合、縦振動以外の不要な振動が発生しないように各角柱の幅Ｗは、角柱の高さＴよりも小さくなるようにした。
【０１０５】
従って、溝で八分割されたこの直方体の圧電体を前記実施例に示した缶ケース内に、導電性あるいは非導電性のポキシ系の接着剤で固着すると、前記実施例で示したような縦方向に超音波出力の大きい超音波変換器を構成することができる。
【０１０６】
この場合、缶ケース側に共通の下部電極４６を接着すると、八分割された各上部電極を等電位とする金属箔が必要となる。一方、八分割された各上部電極を、缶ケース側に接着すると、下部の共通電極が八分割された角柱の共通電極となり、一方八分割された上部電極は、金属製の缶ケースを介して等電位となるので、金属箔電極は不要となり、組み立て効率が大変向上するという利点も得られる。
【０１０７】
（実施例７）
図１４に４本のそれぞれ上下に焼付け銀からなる上部銀電極４７、下部銀電極４８を有する直方体の縦振動する圧電体４９を示す。各直方体は図示したように幅Ｗ、長さＬ、高さＴとすると、幅Ｗは高さＴよりも小さく、長さＬは高さＴの２倍以上、４倍以下となるように構成した。
【０１０８】
この構成により、各直方体の上部電極４７と下部電極４８との間に圧電体駆動信号を印加すると、高さＴにより規制される縦振動が発生する。
【０１０９】
なお、幅Ｗによって規制される横振動は、高さＴのよって規制される縦振動の１．５倍以上もの高い周波数となり、また長さＬによって規制される横振動は、高さＴによって規制される縦振動の（１／２）以下の周波数となるため、高さＴによって規制される縦振動とは、周波数が大きく異なることになる。
【０１１０】
従って、縦振動の不要振動とはならず効率のよい縦振動が得られる。
【０１１１】
このような上下に電極を有する直方体４９を図示したように、直方体の幅Ｗの約（１／１０）程度に近接させ、上記実施例に示した凸状の缶ケースに導電性あるいは非導電性エポキシ系接着剤で固着すると、前記実施例で示したような縦方向に超音波出力の大きい超音波変換器を構成することができる。
【０１１２】
この場合の縦方向とは、各直方体の上もしくは下の中央部を結ぶ方向で、矢印５０で示した方向である。
【０１１３】
（実施例８）
図１５に、横方向に３本の溝５１、５２、５３を形成し、直方体の圧電体５４を４分割した構成とした。溝深さは、直方体の圧電体５４の高さＴの約７０から９０％の深さとした。
【０１１４】
このようにして実施例６と同様の構成となるよう圧電体に溝をいれた。なお、溝の幅は実施例６と同様圧電体の幅の約１／１０程度とした。
【０１１５】
この構成によっても、縦方向（矢印５５）に超音波出力の大きい超音波変換器を構成することができる。実施例７に比べ、組み立て性は一段と向上した。
【０１１６】
（実施例９）
図１６に、円筒状の缶ケース上面５６の音響整合層５７を示す。音響整合層５７は、実施例１で示した円柱状の音響整合層から缶ケース内面に圧電体がある部分だけを残し、それ以外の音響整合層を除去した形状とした。
【０１１７】
この形状により超音波出力が音響整合層５７の部分に集約され、より際だった超音波出力分布を示した。このように音響整合層を圧電体のある部分にのみ限定した場合の超音波出力分布を図１７に示す。
【０１１８】
図１７は、超音波変換器表面の超音波出力分布を示し、横軸は図１６に示した破線５８に沿った横方向の位置を示し、縦軸はその場所での超音波出力を示す。実線５９は音響整合層を圧電体のある部分に限定した場合の出力分布を、破線６０は缶ケース全面に音響整合層がある場合の結果を示す。
【０１１９】
なお、超音波出力は分布形状を比較するために、最大値を一致させて表示した。
【０１２０】
同図において、缶ケース全面に音響整合層がある場合の結果（破線６０）の最大値の約１／２の幅が、圧電体のある部分にほぼ一致した。なお、超音波出力の最大値は、音響整合層を圧電体のある部分に限定した場合のほうが、約１０［％］大きい値が得られた。これは、音響整合層のある部分に超音波出力が限定されるためと考えられる。
【０１２１】
このように音響整合層を圧電体の接着されている部分にのみ限定することにより、より縦方向に超音波出力の大きい超音波変換器を構成することができる。より縦方向に超音波出力の大きいこの超音波変換器対を用いることにより、より高精度な超音波流量計が実現できる。
【０１２２】
このように缶ケース表面の一部に音響整合層が限定され、缶ケース表面の一部が露出している超音波変換器対を用いて超音波流量計を構成すると、ＴＴＥ（３回反射）が減少するという効果も得られた。
【０１２３】
これは、上流側あるいは下流側の超音波変換器から送出された超音波が他方の超音波変換器で反射する時に、音響整合層の部分で反射する超音波と、露出した缶ケースの表面部分で反射する超音波とが位相がお互い若干異なるため、干渉し、その強度が減少するためと考えられる。従って、繰り返し計測するシングアラウンド方式を用いる超音波流量計には、より適した超音波変換器となる。
【０１２４】
（実施例１０）
図１８に、円筒状の缶ケース上面５６の音響整合層６１を示す。音響整合層６１は円柱状の音響整合層から缶ケース内面に圧電体がある部分だけを残し、それ以外の音響整合層を除去した形状とした。
【０１２５】
即ち、実施例９に比べ、圧電体の溝の部分に合わせて、音響整合層にスリット部６２ａ、６２ｂ、６２ｃ　を設けた。
【０１２６】
この構成により、一層音響整合層の面積が小さくなり、超音波出力がより一層集約され、より際だった超音波出力分布を示し、効率が向上した。
【０１２７】
また、このスリット部を層状流路を構成する分割板部分に合致させると、分割板により流路内を伝播できない無駄な超音波を送信することがなくなり、延いては、超音波の送受信におけるＳ／Ｎ向上にも寄与する結果となり、高精度な流量計を実現できる。
【０１２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、高精度な超音波流量計を実現することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施例１における超音波流量計の平断面図
（ｂ）本発明の実施例１における超音波流量計の側断面図
【図２】同流量計における計測の回路ブロック図
【図３】（ａ）同流量計における超音波出力分布図
（ｂ）従来の流量計における超音波出力分布図
【図４】本発明の実施例２における超音波流量計の平断面図
【図５】（ａ）本発明の実施例３における超音波流量計の平断面図
（ｂ）本発明の実施例３における超音波流量計の側断面図
【図６】同流量計における計測の回路ブロック図
【図７】同流量計における超音波変換器の他の配置図
【図８】本発明の実施例４における計測の回路ブロック図
【図９】本発明の実施例５における超音波変換器の外観図
【図１０】同超音波変換器の断面図
【図１１】同超音波変換器の裏面図
【図１２】超音波変換器の他の実施例をしめす外観図
【図１３】本発明の実施例６に用いた八分割された圧電体の外観図
【図１４】本発明の実施例７に用いた直方体状圧電体の外観図
【図１５】本発明の実施例８に用いた直方体状圧電体の外観図
【図１６】本発明の実施例９における超音波変換器の外観図
【図１７】同超音波変換器の超音波出力分布図
【図１８】本発明の実施例１０における超音波変換器の外観図
【図１９】従来の超音波流量計の平面断面図
【符号の説明】
２ａ、２ｂ、２ｃ　流路
３、４、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ　超音波変換器
７ａ、７ｂ　分割板
２８　音響整合層
２９　缶ケース
３３、３４　圧電体
４２、４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、５１、５２、５３　溝
【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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