(57)【要約】【課題】本発明は超音波振動子に関するものであり、立上がりを速く、感度を大きくするともに、それを用いた高精度の超音波流量計を提供することにある。【解決手段】超音波振動子を直方体の圧電体で構成するととに、音響整合層を超音波波長の０．２６〜０．３０とし、立ち上がりが速く、トリガー余裕度を大きくする。また、この超音波振動子を用い、高精度な超音波流量計を実現するようにした。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体の長さＬ、幅Ｗ、厚さＴとしたとき、
２×Ｔ≦Ｌ≦４×Ｔ、０．５×Ｔ≦Ｗ≦１．０×Ｔ
なる形状を有する厚み縦振動をする超音波振動子。
【請求項２】
超音波の波長をλとしたとき、整合層の厚さＴｍが、
０．２６×λ≦Ｔｍ≦０．３１×λ
である請求項１記載の超音波振動子。
【請求項３】
超音波の波長をλとしたとき、整合層の厚さＴｍが、
０．２７５×λ≦Ｔｍ≦０．２９５×λ
である請求項１記載の超音波振動子。
【請求項４】
同じパッケージの内部に複数本の圧電体を有し、パッケージ外部に共通の整合層を有する請求項１記載の超音波振動子。
【請求項５】
直方体の圧電体に複数本の溝を形成し、圧電体の長さＬ、幅Ｗ、厚さＴとしたとき、
２×Ｔ≦Ｌ≦４×Ｔ、０．５×Ｔ≦Ｗ≦１．０×Ｔ
なる形状を有する厚み縦振動をする請求項４記載の超音波振動子。
【請求項６】
請求項１から６いずれか１項記載の一対の超音波振動子を用いて構成した超音波流量計。
【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に用いる超音波振動子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の超音波振動子は、圧電効率の高い縦振動を用いることが多く、図１１に示すような構成であった。図１１は、超音波振動子１０１の外観を示し、１０２は正方柱状の圧電体を、１０３は圧電体１０２の一方の正方面上に設けられた音響整合層を示す。なお、圧電体１０２の上下面には焼付け銀からなる電極１０４，１０５が設けられている。効率よく縦振動を発生させるため、正方柱状の高さ（電極１０４、電極１０５間の距離）は、整合層１０３の正方面の一辺の長さの２倍以上としていた。なお、圧電体１０２の高さ；Ｔは用いる超音波の共振周波数で決まり、約５００［ｋＨｚ］の場合には約２．６［ｍｍ］、また約２００［ｋＨｚ］の場合には約６．５［ｍｍ］程度である。このように用いる超音波の周波数が決まると、圧電体の高さ；Ｔ、すなわち正方柱状の高さが決まる。その結果、正方柱状の正方面の一辺の長さも高さ；Ｔの約（１／２）以下として必然的に、その寸法が決まっていた。
【０００３】
また、音響整合層１０３の厚さ；Ｔｍは、用いる超音波の波長の（１／４）とするのがもっとも効率が高いと、一般的に言われている。このような超音波振動子１０１を一対、対向させ、一方の超音波振動子から他方の超音波振動子へ超音波を送信し、他方の超音波振動子で受信したときの受信波形を図１２に示す。受信波形１０６は、一方の超音波振動子を約５００［ｋＨｚ］の矩形３．０波で駆動した場合に、他方の超音波振動子で得られた結果を示す。Ｐ１〜Ｐ８は、受信波形１０６の第１波から第８波の最大値を示している。この場合、受信波１０６の立ち上がりは、Ｐ７で示される第７波が受信波形の最大値となるので、立ち上がり波数７と定義される。超音波流量計に用いようとする場合、正確な超音波の伝搬時間計測が必要とされるので、なるべく前の方にあるゼロクロス点で時間を計測するのが一般的である。
【０００４】
このため、雑音レベルを超えた受信波形のピーク、例えば、Ｐ３の次のゼロクロス点１０７で時間計測される場合が多い。従って、時間計測のトリガーレベルは、Ｐ２とＰ３の間に設定され、このレベルを超えるとゼロクロス点で、時間計測するように設定していた。また、温度などによる周波数変動などの影響を避けるため、なるべく前のゼロクロス点で時間計測するのが良いとされている。また、受信波形の最大値Ｐ７と最小値Ｖ６とは、受信側の増幅器などで一定の値となるよう制御されている。従って、Ｐ７〜Ｖ６間を１００［％］とすると、ゼロクロス点計測のトリガーレベルの余裕度は、すなわち、Ｐ２〜Ｐ３間は、約８［％］となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の従来の超音波振動子１０１では、高感度にするために、整合層の厚さ；Ｔｍを超音波波長の（１／４）波長に設定すると、立ち上がりが遅く、また、トリガーレベルの余裕度が小さいという課題があった。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、立上りが速く、感度が大きく、また、トリガー余裕度の大きな超音波振動子を提供することを目的とする。また、この超音波振動子を用いて、高精度に流体の流速が計測できる超音波流量計を提供することをも目的とする。
【０００７】
【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、本発明の超音波振動子は、圧電体の形状を長さＬ、幅Ｗ、高さＴとしたとき、
２×Ｔ≦Ｌ≦４×Ｔ、０．５×Ｔ≦Ｗ≦１．０×Ｔ
となる構成とした。
【０００８】
この構成により、厚み縦振動と二次共振振動とが連動して発生し、立上がりが速く、感度の大きな、超音波流量計に適した超音波振動子を実現することができる。
【０００９】
また、この超音波振動子を用いることにより、流体の流速を高精度に計測することができ、高精度な超音波流量計を実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、超音波振動子を、圧電体の長さＬ、幅Ｗ、高さＴとすとき、
２×Ｔ≦Ｌ≦４×Ｔ、０．５×Ｔ≦Ｗ≦１．０×Ｔ
なる形状とする構成とした。この構成により、高さＴに依存する縦振動と、長さＬと連動して発生する二次共振振動とが連動し、立上がりが速く、感度の大きな、またトリガーレベルの余裕度の大きな超音波振動子を実現することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明は、超音波振動子の共振周波数の超音波波長をλとしたとき、整合層の厚さＴｍが、
０．２６×λ≦Ｔｍ≦０．３１×λ
である構成とした。
【００１２】
この構成により、立上がりが速く、感度が大きく、トリガーレベルの余裕度の大きな超音波振動子を実現することができる。
【００１３】
請求項３記載の発明は、超音波振動子の共振周波数の超音波波長をλとしたとき、整合層の厚さＴｍが、
０．２７５×λ≦Ｔｍ≦０．２９５×λ
となる構成とした。この構成により、温度に対して、感度およびトリガーレベルの安定度の高い超音波振動子を実現することができる。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の超音波振動子を、同じパッケージの内部に複数本の圧電体を有し、パッケージ外部に共通の整合層を有する構成とした。この構成により、簡単な構成で大きな面積の、高感度で、立ち上がりの速い、超音波振動子を実現することができる。
【００１５】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の超音波振動子を、直方体の圧電体に複数本の溝を形成した構成とした。この構成により、より簡単な構成で面積の大きいな超音波振動子を実現することができる。
【００１６】
請求項６記載の発明は、請求項１から６記載の一対の超音波振動子を用い、超音波流量計を構成し、高精度な流量計を実現することができる。
【００１７】
【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、図中の同一番号を付けているものは、同一なものを示しているので、説明を省略する。
【００１８】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１における超音波振動子１の外観図を示し、２は直方体の圧電体を示し、高さＴ、幅Ｗ、長さＬを図１に示したように定義する。圧電体２の上面には音響整合層３を設けた。また、圧電体の上面、下面には焼き付け銀からなる電極４および５を形成した。この構成において、高さＴ、幅Ｗ、長さＬの関係は、次のようにした。２×Ｔ≦Ｌ≦４×Ｔ、０．５×Ｔ≦Ｗ≦１．０×Ｔとなる関係とした。
【００１９】
すなわち、長さＬは、高さＴの２倍以上、４倍以下とし、幅Ｗは、高さＴの（１／２）以上、１．０以下となるようにした。この構成の超音波振動子一対を対向させ、一方の超音波振動子から超音波を送信し、他方の超音波振動子で受信した場合の受信波形を図２に示す。図２は横時に時間を、縦軸に受信電圧を示す。図２に示した受信波形６は、従来の受信波形１０６と比較すると、立ち上がりが速く、Ｐ５で最大値となった。すなわち立ち上がりは第５波目となった。従来の立ち上がり第７波目に比べ、２波も速くなった。また、トリガーを設定するＰ２（２波目）、Ｐ３（３波目）間の余裕度も、Ｐ５〜Ｖ６間を１００［％］とすると、約３２［％］となり、従来の約８［％］に比べ、非常に大きくなった。図３（ａ）、（ｂ）に、実施例１で得られた受信波形６と、従来の受信波形１０６に含まれる周波数成分を明らかにするために、それぞれの受信波形をフーリエ変換した結果を示す。図３（ａ）、（ｂ）の横軸は周波数を、縦軸は信号の強度を示す。
【００２０】
図３（ａ）の実線７は実施例１で得られた受信波形のフーリエ変換結果を、図３（ｂ）の破線８は従来の受信波形のフーリエ変換結果を、それぞれ示す。図３（ａ）、（ｂ）の最大ピークは圧電体の縦振動に相当する周波数成分を示し、約５００［ｋＨｚ］と一致した。図３（ａ）の第２のピーク９は、縦振動の周波数よりも約１５〜２０［％］大きい周波数を示し、縦振動と連動した２次共振に相当する周波数を示していた。この縦振動周波数と２次共振周波数とが近接しているため、それぞれの振動間でビートが発生し、その結果、実施例１で示した受信波形６が得られたと考えられる。この２次共振振動は、圧電体を正方柱状から直方体状に、すなわち、長さＬの方向に長くした結果、長さ方向Ｌのたわみあるいは横振動などの他の振動モードが発生し、その振動と縦振動とが連動したためと考えられる。図３（ｂ）に示した従来の受信波形のフーリエ変換結果からは、縦振動の単一共振振動であることが解る。以上説明したように、本発明のように、圧電体を正方柱状から直方体状に構成することにより、２次共振振動が誘起され、その結果立ち上がりが速く、２波目と３波目との余裕度の大きい超音波振動子を実現することができた。
【００２１】
（実施例２）
図４は、本発明の実施例２における超音波振動子の音響整合層の厚さと超音波振動子の感度特性との関係を示す。図４の横軸は音響整合層の厚さと超音波波長との比を、縦軸に超音波振動子の感度、すなわち受信電圧を示す。整合層の厚さ；Ｔｍが、超音波の波長に対して、０．２６〜０．３１の範囲１０で、特に感度が大きく、立ち上がりの速い受信波形が得られた。図中の破線は、実用上感度の大きい部分と小さい部分との境界を示す。
【００２２】
図５に、整合層の厚さが０．２６より小さい範囲１１、整合層の厚さが０．２６以上、０．３１以下の範囲１０、および整合層の厚さが０．３１より大きい範囲１２の超音波振動子間の受信波形のフリーエ変換結果を示す。図５（ａ）は範囲１１の結果を、（ｂ）は範囲１０の結果を、（ｃ）は範囲１２の結果をそれぞれ示す。図５（ａ）の範囲１１、すなわち、整合層の厚さ；Ｔｍが０．２６より小さい範囲１１では、整合層の厚さが薄いため、２次共振振動の発生効率が低下し、ビートの発生が抑制され、立ち上がりが遅くなり、また、感度も低くなった。また、図５（ｃ）の範囲１２、すなわち、整合層の厚さ；Ｔｍが０．３１より大きい範囲１２では、整合層の厚さが厚いため、縦振動の発生効率が低下し、感度が低くなった。以上説明したように、音響整合層の厚さは、従来考えられていたような超音波波長の（１／４）、すなわち０．２５よりも、大きい範囲に最適値があることがわかった。すなわち、縦振動だけを利用する超音波振動子であれば、音響整合層の厚さは超音波波長の（１／４）の時の最大感度になるが、２次共振振動をも利用する超音波振動子では、音響整合層の厚さは、用いる超音波波長の、０．２６以上、０．３１以下にすると、立ち上がりが速く、感度の大きな超音波振動子が実現できる。
【００２３】
（実施例３）
図６に、本発明の実施例３に基づく超音波振動子間の受信波形の温度特性を示す。
【００２４】
図６の横軸は温度を示し、−３０〜−２０　［℃］の低温、＋２０〜＋３０［℃］の常温、＋５０〜＋６０［℃］の高温を示す。縦軸は、受信波形の２波目と３波目の余裕度を示す。整合層の厚さが、超音波波長の０．２７５以上、０．２９５以下の範囲であれば、余裕度の温度変化は、実線１３で示される横長の領域に入いり、低温領域および高温領域においても常温での余裕度に比べ、その変化は、±２０［％］以内であった。しかし、音響整合層が超音波波長の０．２９８よりも厚い場合、右肩下がりの破線１４で示される領域に入った。また、音響整合層が超音波波長の０．２７５よりも薄い場合、右肩上がりの破線１５で示される領域に入った。それぞれ余裕度の変化は、常温での余裕度に比べ、３０［％］以上の変化を示した。音響整合層の厚さが、０．２７５以上、０．２９５以下であれば、２波目、３波目で示される余裕度の温度変化が小さく、トリガーの設定が容易となり、実用上非常に使いやすい、安定した超音波振動子であることがわかった。
【００２５】
（実施例４）
図７（ａ）に、本発明の実施例４に基づく大面積を有する超音波振動子の分解斜視図を示す。１６は上に凸のキャップ状の缶ケースを、１７は缶ケース１６上の接着された音響整合層を、１８、１９は上面２０および下面２１に焼付け銀電極を設けられた直方体状の圧電体を示す。なお、圧電体１８、１９の形状は上記請求項１記載の通りの寸法とした。直方体状の圧電体１８、１９は缶ケース１６の内側に接着固定され、大面積超音波振動子を構成している。この圧電体１８、１９の上面、下面の電極に駆動電圧供給し、動作させると、縦振動および２次共振振動が連動して振動し、超音波を音響整合層１７の表面から外部へ放出するようになる。このとき、上面の電極２０は、缶ケース１６に接着されているため、駆動電圧は缶ケース１６に供給すればよく、また、下面の電極２１には２本の電線を接続し、駆動電圧を供給するようにすればよい。なお、比較のため図７（ｂ）に、従来の大面積を有する超音波振動子の分解斜視図を示す。従来、この種の縦振動を利用する大面積の超音波振動子を構成しようとした場合、図７（ｂ）に示したように、外部に音響整合層２２が接着された缶ケース２３内側に、上面および下面に焼き付け銀電極を有する多数個の正方柱状圧電体２４を接着固定し、大面積超音波振動子としていた。このとき、上面の電極は、缶ケース２３に接着されているため、駆動電圧は缶ケース２３に供給すればよいが、下面の電極には（この図の場合）４本の電線を接続し、駆動電圧を供給するようにしていた。このように本発明の大面積超音波振動子では、直方体状の圧電体を用い、縦振動および２次共振振動を連動した動作させるので、立ち上がりが速く、また、トリガー余裕度の大きな大面積超音波振動子を実現することができる。また、駆動電圧を供給する接続電線も従来に比べ、半減し、構成の容易な実用上使い易い超音波振動子を実現することができる。
【００２６】
（実施例５）
図８に、本発明の実施例５に基づく超音波振動子の分解斜視図を示す。２５は音響整合層を、２６は缶ケース２６を、２７は直方体の圧電体を示す。２８は直方体の圧電体２７の設けた切り込み形成した溝を示す。溝２８の切り込み深さは、直方体の圧電体２７の高さの８０［％］以上とした。この形状により、実施例４の図７（ａ）で示した超音波振動子と同様の特性が得られた。すなわち、縦振動と２次共振振動とが連動し、立ち上がりが速く、トリガー余裕度の大きい大面積の超音波振動子が実現できた。また、分割された電極２９を缶ケース２６側に接着することにより、圧電体駆動電圧を缶ケース２６および下面電極３０とに供給しさえすれば、超音波振動子を動作できることになり、電圧供給線が大幅に少なくなるという、実用上非常に有効な簡単な構成とすることができた。
【００２７】
（実施例６）
図９に、本発明に基づく、立ち上がりが速く、トリガー余裕度の大きな超音波振動子一対を用いた超音波流量計３１を示す。一対の超音波振動子３２、３３は流体の流れる流路３４の上流側および下流側に、対向して設けた。実線の矢印３５は流体の流れる方向を、破線の両矢印３６は超音波の伝搬する方向を、それぞれ示す。また、角度θは、流体の流れる方向３５と、超音波の伝搬する方向３６との交叉角を示す。
【００２８】
このような構成の超音波流量計の計測原理を簡単に説明する。流路３４を流れる流体の流速をＶｆ、超音波の伝搬速度をＶｓとし、超音波振動子間の距離をＬｄとすると、上流側の超音波振動子３２から下流側の超音波振動子３３への超音波の伝搬時間計測結果をＴｕｄとすると、
Ｔｕｄ＝｛Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］｝
となる。
【００２９】
同様にして、下流側の超音波変換器３４から上流側の超音波変換器３３への超音波の伝播時間測結果をＴｄｕとすると、以下のようになる。
【００３０】
Ｔｄｕ＝｛Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］｝
これらより、
Ｔｕｄ＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］
Ｔｄｕ＝Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］
従って、
Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｕｄ
Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｄｕ
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。
【００３１】
２×Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ×［｛１／Ｔｕｄ｝−｛１／Ｔｄｕ｝］
この結果より、超音波振動子間の距離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が得られる。この流速Ｖｆに流路３４の断面積Ｓｒを乗じて流量Ｑｍを演算する。
【００３２】
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。
【００３３】
２×Ｖｓ＝Ｌｄ×［｛１／Ｔｕｄ｝＋｛１／Ｔｄｕ｝］
この結果より、音速Ｖｓも得られ、これより流体の温度も算出することもできる。
【００３４】
図９に、送信側（例えば、上流側）の超音波振動子を周波数約５００［ｋＨｚ］の矩形３波で駆動し、受信側（例えば、下流側）の超音波振動子で受信した受信波形を示す。図９の横軸は時間を示し、縦軸は受信電圧を示す。この受信波形３７を用いて、超音波伝搬時間の計測について説明する。受信波形３７の第２のピークＰ２、第３のピークＰ３の中間の破線３８は、トリガーレベルを示す。このトリガーレベル３８を受信電圧が超えた場合、すなわち第３のピークＰ３を受信し多場合に、第３のピークの次のゼロクロス点３９が、超音波の到達検知時間として定義される。本来であれば、超音波の到達点４０が、到達時間として定義されるにであるが、一般的に、超音波の到達時点４０は、受信電圧が小さく、また雑音に埋もれていることが多いため、予め受信電圧の大きいＰ２あるいはＰ３などを決めておき、すなわちトリガーレベルをある程度大きな受信電圧に決めておき、例えばゼロクロス点４０などを超音波の到達検知時間として設定する場合が多い。この時、超音波到達時間は、ゼロクロス点４０（到達検知時間）より、約２．５波、すなわち約５［μｓｅｃ］前の値とし、前述の流速演算式を用い、流体の流量を演算することになる。このように、本発明の立ち上がりが速く、感度の大きな超音波振動子で超音波流量計を構成すると、感度が大きいので、ゼロクロス点での時間分解能が大きくなり、高精度な超音波流量計を実現することができる。また、立ち上がりが速いので、トリガーレベルの余裕度を大きくとることができるので、例えば、温度変化、あるいは流路内での超音波の反射、あるいは流体の流れによる超音波の乱れなどによる受信波形の乱れにも安定してゼロクロス点を検知でき、高精度な流量計を実現することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、立ち上がりが速く、高感度な超音波振動子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における超音波振動子の斜視図
【図２】本発明の実施例１における受信波形を示す図
【図３】（ａ）本発明の実施例１における受信波形のフーリエ変換図
（ｂ）従来の受信波形のフーリエ変換図
【図４】本発明の超音波振動子の特性図
【図５】本発明の受信波形のフーリエ変換図
（ａ）音響整合層の板厚の薄い場合を示す図
（ｂ）音響整合層の板厚が中間の場合を示す図
（ｃ）音響整合層の板厚が厚い場合を示す図
【図６】本発明の受信波形の温度特性図
【図７】（ａ）本発明の実施例４における超音波振動子の分解斜視図
（ｂ）従来の大面積超音波振動子の分解斜視図
【図８】本発明の実施例５における超音波振動子の分解斜視図
【図９】本発明の実施例６における超音波流量計を示す図
【図１０】本発明の実施例６における受信波形を説明する図
【図１１】従来の超音波振動子の斜視図
【図１２】従来の超音波振動子による受信波形を示す図
【符号の説明】
１　超音波振動子
２　圧電体
３　音響整合層
４、５　電極
３１　超音波流量計
３２、３３　超音波振動子
３４　流路
【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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