(57)【要約】【課題】管状もしくは溝状の流路を移動する流体の流量を、高い精度で測定することができる流量の測定方法を提供すること。【解決手段】壁体により区画された管状もしくは溝状の流路、流路壁体の外側表面に付設された第一の振動波発生検出手段、および第一の振動波発生検出手段から間隔をあけて、かつ流路壁体の外側表面の第一の振動波発生検出手段の付設位置から流路に沿って伸びる延長線上に付設された第二の振動波発生検出手段を備え、前記壁体の外側表面の各々の振動波発生検出手段との接触部分と前記延長線とを含む細長い領域の壁体部分の厚みが、その両側の壁体部分の厚みとは異なる厚みとされている構造体により測定された、前記細長い領域の壁体部分を伝わる振動波の伝達時間を用いて流路を移動する流体の流量を測定する方法。【選択図】        図１０
2004340622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記の工程を含む管状もしくは溝状の流路を移動する流体の流量の測定方法：
（１）壁体により区画された管状もしくは溝状の流路、該流路壁体の外側表面に付設された第一の振動波発生検出手段、および該第一の振動波発生検出手段から流路に沿って間隔をあけて、かつ該流路壁体の外側表面の第一の振動波発生検出手段の付設位置から流路に沿って伸びる延長線上に付設された第二の振動波発生検出手段を備え、前記壁体の外側表面の各々の振動波発生検出手段との接触部分と前記延長線とを含む細長い領域の壁体部分の厚みが、その両側の壁体部分の厚みとは異なる厚みとされている構造体を用意する工程；
（２）流路にて測定対象の流体を一方の方向に移動させる工程；
（３）第一の振動波発生検出手段にて振動波を発生させ、この振動波を上記細長い領域の壁体部分に付与する工程；
（４）上記振動波が、該振動波の付与によって、移動する流体と共に振動する上記細長い領域の壁体部分を伝わって第二の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間を測定する工程；
（５）第二の振動波発生検出手段にて振動波を発生させ、この振動波を上記細長い領域の壁体部分に付与する工程；
（６）上記振動波が、該振動波の付与によって、移動する流体と共に振動する上記細長い領域の壁体部分を伝わって第一の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間を測定する工程；
（７）上記（４）の工程で測定した伝達時間と、上記（６）の工程で測定した伝達時間との差を算出する工程；
（８）上記（１）の工程で用いた構造体もしくは該構造体の均等物の流路にて、上記（２）の工程で用いた流体もしくは該流体の均等物を、既知の流量で一方の方向に移動させて、上記（３）と（４）に記載の測定、そして上記（５）と（６）に記載の測定を行ない、次いで上記（７）に記載の伝達時間の差を算出して作成した、振動波の伝達時間の差と流量との関係を示す較正用データを用意する工程；および
（９）上記（７）の工程で算出した伝達時間の差と、上記（８）の工程で用意した較正用データとを用いて、上記（２）の工程で移動した流体の流量を決定する工程。
【請求項２】
流路壁体の外側表面に、前記の細長い領域を底面とする溝が形成されている請求項１に記載の流量測定方法。
【請求項３】
流路壁体の外側表面に、前記の細長い領域を頂面とする突起が形成されている請求項１に記載の流体の流量の測定方法。
【請求項４】
流路の壁体が、金属材料から形成されている請求項１に記載の流量測定方法。
【請求項５】
各々の振動波発生検出手段が、振動子と振動方向制御素子とを含み、該振動子で発生した振動波を、主として流路壁体に対して垂直な方向に振動する振動波として該流路壁体に付与する請求項１乃至４のうちのいずれかの項に記載の流量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、壁体により区画された管状もしくは溝状の流路を移動する流体の流量の測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
管状体（壁体により区画された管状の流路）の内部を移動する流体の流量を測定する流量計のうちの一つとして、クランプオン型超音波流量計が知られている。クランプオン型超音波流量計は、管状体の壁体の外側表面に付設され、管状体の内部を移動する流体の流量を、管状体の外部にて測定する流量計である。
【０００３】
図１は、クランプオン型超音波流量計を用いた従来の流体の流量測定方法を説明する断面図である。クランプオン型超音波流量計は、一対の超音波発生検出手段１ａ、１ｂから構成されている。図１に記入した矢印７は、管状体の内部の流体の移動方向を示している。
【０００４】
超音波発生検出手段１ａは、超音波振動子２ａと超音波伝搬材３ａから構成されている。超音波振動子２ａは、超音波伝搬材３ａの斜面５ａに付設されている。超音波振動子２ａとしては、圧電振動子が用いられている。圧電振動子は、圧電セラミックと、その両面に付設された一対の電極とから構成されている。超音波発生検出手段１ｂの構成は、超音波発生検出手段１ａと同様である。
【０００５】
超音波振動子２ａ、２ｂのそれぞれは、その電極に電圧を印加すると超音波を発生し、そして超音波が付与されるとその電極に電圧を発生する。従って、超音波振動子が備えられた超音波発生検出手段１ａ、１ｂのそれぞれは、超音波の発生手段でもあり、検出手段でもある。
【０００６】
管状体の内部を移動する流体の流量は、以下のようにして測定される。先ず、超音波発生検出手段１ａの超音波振動子２ａに電圧パルスを印加して、超音波を発生させる。超音波は、図１に記入した破線９に沿って、超音波伝搬材３ａ、管状体の壁体６、流体、管状体の壁体６、そして超音波伝搬材３ｂをこの順に伝わり、そして超音波発生検出手段１ｂの超音波振動子２ｂに到達する。そして超音波が、超音波発生検出手段１ａから流体内を伝わって、超音波発生検出手段１ｂまで伝わるのに要する伝達時間（Ｔ１  ）を測定する。
【０００７】
次に、超音波発生検出手段１ｂの超音波振動子２ｂに電圧パルスを印加して、超音波を発生させる。超音波は、前記の経路を逆の向きに伝わり、そして超音波発生検出手段１ａの超音波振動子２ａに到達する。そして超音波が、超音波発生検出手段１ｂから壁体内部を伝わって、超音波発生検出手段１ａまで伝わるのに要する伝達時間（Ｔ２  ）を測定する。
【０００８】
超音波の伝達時間Ｔ１  、Ｔ２  は、超音波が流体内を伝わる方向（図１に記入した矢印９ａ、９ｂの示す方向）により、互いに異なる値となる。
【０００９】
超音波発生検出手段１ａから超音波発生検出手段１ｂに（矢印９ａが示す方向に）伝わる超音波は、流体の流れに乗って流体内を伝わるので、伝達時間（Ｔ１  ）は、流体が静止している場合よりも小さな値を示す。
【００１０】
超音波発生検出手段１ｂから超音波発生検出手段１ａに（矢印９ｂが示す方向に）伝わる超音波は、流体の流れに逆らって流体内を伝わるので、伝達時間（Ｔ２  ）は、流体が静止している場合よりも大きな値を示す。
【００１１】
これらの伝達時間の差（Ｔ２  −Ｔ１  ）は、管状体の内部を移動する流体の流量（流速）と相関がある。そして、この伝達時間の差と、別に用意された超音波の伝達時間の差と流量との関係を示す較正用のデータとを比較することによって、管状体の内部を移動する流体の流量を決定する。
【００１２】
クランプオン型超音波流量計は、工場などに既設の管状体を取り外すことなく、その内部を移動する流体の流量を測定することができるという大きな利点を有している。また、クランプオン型超音波流量計は、内径の小さな管状体の内部を移動する流体の流量を測定した場合に、流量の測定精度が低下するという欠点を有している。管状体の内径が小さい場合、超音波が流体内を伝わる距離が短くなり、前記の伝達時間の差が非常に小さな値となる。このため、測定される伝達時間の差に含まれる誤差の割合が大きくなり、流量の測定精度が低下する。市販のクランプオン型超音波流量計では、測定可能な管状体の内径は、通常２５ｍｍ程度以上とされている。
【００１３】
クランプオン型超音波流量計は、比較的大きな内径の管状体の内部を移動する流体の流量の測定に用いられているが、その流量の測定精度は、十分満足できるものではなかった。クランプオン型超音波流量計においては、超音波が流体内を伝わる距離は、超音波が伝わる経路（図１：破線９）により定まる。この超音波の経路は、スネルの法則により、管状体の壁体の外側表面における超音波の入射角と、超音波伝搬材、管状体、および流体の材料の音速値によって定まるからである。
【００１４】
超音波伝搬材あるいは管状体の材料の選定により、超音波が流体内を伝わる距離を長く設定することはできる。しかし、超音波伝搬材や管状体に用いることのできる材料の数は限られている。このため、材料の選定によって超音波が流体内を伝わる距離を長く設定することによっては、流量計の測定精度をある程度以上に高くすることは難しい。
【００１５】
また、超音波の入射角を大きく設定することによっても超音波が流体内を伝わる距離を長く設定することはできる。しかし、超音波の入射角が大きくなるにつれて管状体の外側表面における超音波の反射量が多くなり、流量の測定に用いる流体内を伝わる超音波の強度が低下して流量の測定精度が低下したり、さらに入射角が大きくなると管状体の外側表面において超音波が全反射して、超音波を流体内に伝えることができずに流量の測定ができなくなる場合がある。このため、超音波の入射角の設定よって超音波が流体内を伝わる距離を長く設定することによっては、流量計の測定精度をある程度以上に高くすることは難しい。
【００１６】
さらに、クランプオン型流量計は、上記のように超音波の伝わる経路が、超音波伝搬材、管状体、および流体の材料の音速値などにより定まる。この材料の音速値は、温度により変動するため、超音波の経路が変動する。そして超音波の経路が変動すると、超音波発生検出手段にて検出される超音波の量が少なくなり、流量の測定精度が低下する。このため、従来の超音波流量計は、その温度特性も十分満足できるものではなかった。
【００１７】
非特許文献１には、内径の小さな管状体の内部を移動する流体の流量測定に用いることができる超音波流量計について記載されている。この超音波流量計は、一対のリング状の超音波振動子（超音波発生検出手段）から構成されている。一対のリング状の超音波振動子は、その各々の孔に、測定対象の流体を移動させる管状体を通すことにより管状体の外側表面に付設される。
【００１８】
リング状の超音波振動子を用いた超音波流量計により、管状体の内部を移動する流体の流量は、以下のようにして測定される。先ず、一方の超音波振動子にて超音波を発生させ、この超音波が流体内を管状体の長さ方向に伝わって、他方の超音波振動子に到達するまでの伝達時間を測定する。次いで前記の他方の超音波振動子にて超音波を発生させ、この超音波が流体内を管状体の長さ方向に伝わって、前記の一方の超音波振動子に到達するまでの伝達時間を測定する。そして、測定された伝達時間の差と、別に用意された超音波の伝達時間の差と流量との関係を示す較正用のデータとを比較することによって、管状体の内部を移動する流体の流量を決定する。
【００１９】
リング状の超音波振動子を用いた超音波流量計においては、超音波が流体内を管状体の長さ方向に沿って伝わる。従って、一対のリング状の超音波振動子の間隔を広げることにより、超音波が流体内を伝わる距離を長く設定することができる。このため、リング状の超音波振動子を用いた超音波流量計により、内径が小さな管状体の内部を移動する流体の流量を高い精度で測定できるとされている。
【００２０】
しかし、リング状の超音波振動子を用いた超音波流量計は、工場などに既設の管状体の内部を移動する流体の流量を測定するためには、管状体を取り外して流量計を設置する必要があるという問題を有している。
【００２１】
また、リング状の超音波振動子を用いた超音波流量計においては、内径の大きな管状体の内部を移動する流体の流量を測定する場合には、大きなサイズ（直径）の超音波振動子を用いる必要がある。一般に、超音波振動子は、そのサイズが大きくなるにつれて、低い周波数の超音波を発生することが知られている。従って、内径の大きな管状体の内部を移動する流体の流量を測定する場合には、前記の伝達時間を測定するために、より低い周波数の超音波を用いる必要がある。周波数の低い超音波を用いると、一方の超音波振動子にて発生した超音波を、他方の超音波振動子にて検出する際に、検出される超音波の波形の立ち上がりが緩やかであるために、測定される伝達時間に含まれる誤差が大きくなる。このため、内径の大きな管状体の内部を移動する流体の流量を測定する場合には、リング状の超音波振動子を用いた超音波流量計の流量の測定精度は、十分満足できるものではないと推測される。
【００２２】
また、内径の小さな管状体の内部を移動する流体の流量の測定に、電磁流量計を用いることも知られている。電磁流量計は、管状体の内径が小さい場合であってもその内部を移動する流体の流量を高い精度で測定することができる。しかし、工場などに既設の管状体の内部を移動する流体の流量を測定するためには、管状体を取り外して流量計を設置する必要があるという問題を有している。また、電磁流量計を用いた流量測定方法は、導電性を有しない液体の流量の測定ができないなどの問題も有している。
【００２３】
【非特許文献１】
石川博朗等著，「液体用超音波微小流量計のセンサ配置と流量特性」，計測自動制御学会論文集，２０００年，第３６巻，第１２号，ｐ．１０７１−１０７８
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、既設の管状体を取り外すことなく、その内部を移動する流体の流量の測定が可能であり、そして内径の小さな管状体の内部を移動する流体の流量測定にも好ましく用いることのできる流量測定方法の発明について、２００２年１１月１３日に国際出願（国際出願番号：ＰＣＴ／ＪＰ０２／１１８２１号）をした。
【００２５】
上記国際出願をした発明は、下記の工程を含む流路を移動する流体の流量の測定方法にある。
（１）壁体によって区画された管もしくは溝状の流路、及びその壁体の外側表面もしくは内側表面に流路に沿って配設された第一の振動波発生検出手段と第二の振動波発生検出手段を有する構造体を用意する工程。
（２）流路に測定対象の流体を移動させる工程。
（３）第一の振動波発生検出手段にて振動波を発生させ、その振動波を壁体に付与する工程。
（４）上記振動波が、該振動波の付与によって、移動する流体と共に振動する壁体を伝わって第二の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間を測定する工程。
（５）第二の振動波発生検出手段にて振動波を発生させ、その振動波を壁体に付与する工程。
（６）上記振動波が、該振動波の付与によって、移動する流体と共に振動する壁体を伝わって第一の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間を測定する工程。
（７）上記（４）の工程で測定した伝達時間と上記（６）の工程で測定した伝達時間との差を算出する工程。
（８）上記（１）の工程で用いた構造体もしくは該構造体の均等物の流路に、上記（２）の工程で用いた流体もしくは該流体の均等物を既知の流量で移動させて、上記（３）と（４）に記載の測定、そして上記（５）と（６）に記載の測定を行ない、次いで上記（７）に記載の伝達時間の差を算出して作製した、流量と振動波の伝達時間の差との関係を示す較正用データを用意する工程。
（９）上記（７）の工程で算出した伝達時間の差と、上記（８）の工程で用意した較正用データとを比較することによって、上記（２）の工程で移動した流体の流量を決定する工程。
【００２６】
この流量測定方法は、これまでは流量を測定する際にノイズと考えられていた管状体の壁体を伝わる振動波を用いて、壁体により区画された管状もしくは溝状の流路を移動する流体の流量の測定をするものである。このような、流路の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法により、内径が大きな管状体（壁体により区画された管状の流路）の内部を移動する流体の流量、さらには内径の小さな管状体の内部を移動する流体の流量をも高い精度で測定することができる。
【００２７】
本発明者は、この流量測定方法（以下、改良前の方法と記載する）を、さらに高い精度での流量測定が実現できるように改良することを検討した。
【００２８】
本発明の目的は、壁体により区画された管状もしくは溝状の流路を移動する流体の流量を、高い精度で測定することができる流量の測定方法を提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の工程を含む管状もしくは溝状の流路を移動する流体の流量の測定方法にある。
（１）壁体により区画された管状もしくは溝状の流路、該流路壁体の外側表面に付設された第一の振動波発生検出手段、および該第一の振動波発生検出手段から流路に沿って間隔をあけて、かつ該流路壁体の外側表面の第一の振動波発生検出手段の付設位置から流路に沿って伸びる延長線上に付設された第二の振動波発生検出手段を備え、前記壁体の外側表面の各々の振動波発生検出手段との接触部分と前記延長線とを含む細長い領域の壁体部分の厚みが、その両側の壁体部分の厚みとは異なる厚みとされている構造体を用意する工程。
（２）流路にて測定対象の流体を一方の方向に移動させる工程。
（３）第一の振動波発生検出手段にて振動波を発生させ、この振動波を上記細長い領域の壁体部分に付与する工程。
（４）上記振動波が、該振動波の付与によって、移動する流体と共に振動する上記細長い領域の壁体部分を伝わって第二の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間を測定する工程。
（５）第二の振動波発生検出手段にて振動波を発生させ、この振動波を上記細長い領域の壁体部分に付与する工程。
（６）上記振動波が、該振動波の付与によって、移動する流体と共に振動する上記細長い領域の壁体部分を伝わって第一の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間を測定する工程。
（７）上記（４）の工程で測定した伝達時間と、上記（６）の工程で測定した伝達時間との差を算出する工程。
（８）上記（１）の工程で用いた構造体もしくは該構造体の均等物の流路にて、上記（２）の工程で用いた流体もしくは該流体の均等物を、既知の流量で一方の方向に移動させて、上記（３）と（４）に記載の測定、そして上記（５）と（６）に記載の測定を行ない、次いで上記（７）に記載の伝達時間の差を算出して作成した、振動波の伝達時間の差と流量との関係を示す較正用データを用意する工程。
（９）上記（７）の工程で算出した伝達時間の差と、上記（８）の工程で用意した較正用データとを用いて、上記（２）の工程で移動した流体の流量を決定する工程。
【００３０】
本発明の流量測定方法の好ましい態様は、下記の通りである。
１）流路壁体の外側表面に、前記の細長い領域を底面とする溝が形成されている。
２）流路壁体の外側表面に、前記の細長い領域を頂面とする突起が形成されている。
３）流路の壁体が、金属材料から形成されている。
４）各々の振動波発生検出手段が、振動子と振動方向制御素子とを含み、該振動子で発生した振動波を、主として流路壁体に対して垂直な方向に振動する振動波として該流路壁体に付与する。
【００３１】
なお、本発明の流量測定方法に含まれる（８）の較正用データを用意する工程は、（９）の流体の流量を決定する工程を実施する前であれば、いつ実施してもよい。
【００３２】
また、上記本発明の流量測定方法において、較正用データを用意するために用いられる構造体の均等物とは、流量を測定するための構造体と同一の物性を示す材料を用いて同一の構成とした、別の構造体を意味する。同様に、測定対象の流体の均等物とは、構造体の流路にて移動させる測定対象の流体と密度が実質的に等しい流体、あるいは構造体の均等物の流路にて移動させる測定対象の流体と同じ流体もしくは測定対象の流体と密度が実質的に等しい流体を意味する。密度が実質的に等しいとは、流体の均等物の密度の値が、測定対象の流体の密度の値の０．３乃至１．７倍の範囲にあることを意味する。流体の均等物の密度の値は、測定対象の流体の密度の値の０．４乃至１．６倍の範囲にあることが好ましい。流体の均等物としては、測定対象の流体と同じ流体を用いることが最も好ましい。但し、測定対象の流体が引火性や毒性などを有して取り扱いに注意が必要である場合には、較正用データを用意するために前記流体の均等物（例えば、水など）を用いることもできる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の流量測定方法に用いられる、管状体の壁体を伝わる振動波、およびこの振動波を用いた流量測定方法の原理について説明する。
【００３４】
管状体の内部を移動する流体の流量を測定するために、管状体、および管状体の外側表面に管状体の長さ方向に沿って付設された一対の振動波発生検出手段から構成される流量測定用の構造体を用意する。
【００３５】
図２は、管状体に振動波を付与するために用いられる振動波発生検出手段の一例の構成を示す斜視図である。振動波発生検出手段２１は、振動方向制御素子２３の二つの側面のそれぞれに、振動子２２ａ、２２ｂが付設された構成を有している。
【００３６】
振動子２２ａ、２２ｂのそれぞれとしては、板状の圧電セラミックと、その各々の平面に付設された電極（図示は略する）とから構成される圧電振動子が用いられている。圧電セラミックの幅Ｗは１０ｍｍ、高さＨ１  は２５ｍｍ、そして厚みＴ１  は０．５ｍｍである。圧電セラミックは、その厚み方向（図２に記入した矢印２７の示す方向）に分極されている。振動子２２ａ、２２ｂのそれぞれは、その電極に電圧を印加することにより、図２に記入した矢印２０の示す方向に振動する。圧電セラミックは、ジルコン酸チタン酸鉛系のセラミック材料から形成されている。
【００３７】
振動子２２ａ、２２ｂは、電気的に並列に接続されている。振動波発生検出手段による振動波の発生、そして検出は、この並列接続された振動子２２ａ、２２ｂに電圧を印加、そして並列接続された振動子にて発生する電圧を検出することにより実施される。なお、振動子の電気的な接続方法（すなわち、振動子に電圧を印加する方法、そして振動子にて発生する電圧を検出する方法）は、上記の例に限定されるわけではない。
【００３８】
振動方向制御素子２３としては、樹脂材料シート２８中に複数本の高弾性繊維２９がシート平面に沿って平行に整列配置された繊維強化樹脂シートの複数枚が、底面２４に垂直な方向に積層、そして一体化された構成の繊維強化樹脂材が用いられている。繊維強化樹脂材の幅Ｗは１０ｍｍ、高さＨ２  は２７ｍｍ、そして厚みＴ２  は３ｍｍである。繊維強化樹脂材を構成する樹脂材料としてはエポキシ樹脂が、そして高弾性繊維としては炭素繊維が用いられている。
【００３９】
振動波発生検出手段２１は、振動子２２ａ、２２ｂに電圧を印加することにより振動波を発生する。この振動波は、振動方向制御素子２３の内部を伝わる。振動方向制御素子２３の複数本の高弾性繊維２９は、その長さ方向に沿った振動の発生を抑制する。このため振動波は、振動方向制御素子２３の底面２４に向かって伝わる。振動波は、振動方向制御素子２３の内部を主に縦波成分からなる振動波として伝わるので、その振動方向は、振動方向制御素子の底面２４に垂直な方向となる。従って、流量測定対象の流体を移動させる管状体の外側表面に、振動波発生検出手段２１を、その底面２４が管状体の外側表面に接するようにして付設した場合、振動波発生検出手段は、その各々の振動子で発生した振動波を、主として管状体の壁体に対して垂直な方向に振動する振動波として管状体に付与する。振動方向制御素子については、特開平７−２８４１９８号公報に詳しく記載されている。
【００４０】
次に、図２の振動波発生検出手段２１の一対を、管状体の外側表面に管状体の長さ方向に沿って付設し、一方の振動波発生検出手段（第一の振動波発生検出手段という）にて振動波を発生して、この振動波を管状体に付与した場合に、他方の振動波発生検出手段（第二の振動波発生検出手段という）にて検出される振動波について説明する。なお、各々の振動波発生検出手段は、振動方向制御素子の高弾性繊維の長さ方向が管状体の長さ方向と一致するように管状体の外側表面に付設した。第二の振動波発生検出手段は、第一の振動波発生検出手段から管状体の長さ方向に沿って間隔をあけて、かつ管状体の外側表面の第一の振動波発生検出手段の付設位置から管状体の長さ方向に沿って伸びる延長線上に付設した。
【００４１】
図３は、外径が２ｍｍ、そして内径が１ｍｍのステンレススチール製の管状体の内部に水を満たした状態（水は静止している状態）において、その外側表面に付設された第一の振動波発生検出手段に印加した電圧の波形（Ｓ１  ）、および第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波に対応する電気信号の電圧波形（Ｓ２  ）を示す図である。一対の振動波発生検出手段の間隔（第一の振動波発生検出手段の振動方向制御素子の幅方向の中央の位置と、第二の振動波発生検出手段の振動方向制御素子の幅方向の中央の位置との間の距離）は、３００ｍｍに設定した。
【００４２】
図３の電圧波形（Ｓ１  ）に示すように、第一の振動波発生検出手段の各々の振動子には、周波数が５６ｋＨｚ、そして振幅が３０Ｖ（ピークピーク値）である正弦波電圧の４周期を印加した。管状体の壁体は、この正弦波電圧の印加により第一の振動波発生検出手段にて発生した振動波が付与されることにより、管状体の内部で静止している流体と共に振動する。
【００４３】
図３に示すように、第一の振動波発生検出手段にて発生した振動波が、第二の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間（Ｔ０  ）は１５４μ秒であった。一対の振動波発生検出手段の間隔は３００ｍｍに設定されているため、第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波の速度は約１９４８ｍ／秒となる。
【００４４】
一般に、振動波は、液体中もしくは気体中を縦波としてのみ伝わり、固体中を縦波、横波、あるいは縦波成分と横波成分とを有する波として伝わることが知られている。そして、水を伝わる振動波（縦波）の速度は、約１４５０ｍ／秒であることも知られている。従って、上記の第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波は、管状体の壁体を伝わる振動波であることがわかる。また、一般に、ステンレススチールを伝わる縦波成分のみからなる振動波の速度は、約５７９０ｍ／秒であることが知られている。従って、上記の第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波は、管状体の壁体を低速で伝わる横波成分を有する振動波であることがわかる。
【００４５】
次に、このステンレススチール製の管状体の内部の水を、第一の振動波発生検出手段から第二の振動波発生検出手段へと向かう方向に移動させた。
【００４６】
そして、管状体の内部の水を移動させた状態で、振動波が、第一の振動波発生検出手段から管状体の壁体を伝わって、第二の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間（Ｔ１  ）を測定した。管状体の壁体は、第一の振動波発生検出手段にて発生した振動波が付与されることにより、管状体の内部を移動する流体と共に振動する。そして前記の伝達時間を測定した結果、伝達時間（Ｔ１  ）は、管状体内部の水の流れの影響を受けて、水が静止している場合の振動波の伝達時間（図３のＴ０  ）よりも小さな値を示した。なお、第二の振動波発生検出手段にて検出された電圧波形は、図３の電圧波形Ｓ２  との時間差が極僅か（数十ナノ秒程度）であるため、図示は略する。
【００４７】
次いで、振動波が、第二の振動波発生検出手段から管状体の壁体を伝わって、第一の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間（Ｔ２  ）を測定した。その結果、伝達時間（Ｔ２  ）は、管状体内部の水の流れの影響を受けて、水が静止している場合の伝達時間（Ｔ０  ）よりも大きな値を示した。
【００４８】
そして、このようにして測定した伝達時間（Ｔ１  ）と伝達時間（Ｔ２  ）との差（Ｔ２  −Ｔ１  ）の値が、管状体の内部を移動する流体（水）の流量値と相関があることが判明した。従って、測定された伝達時間の差と、別に用意された超音波の伝達時間の差と流量との関係を示す較正用のデータを用いて、管状体の内部を移動する流体の流量を測定することができる。
【００４９】
図４は、上記のステンレススチール製の管状体の内部で水を一方の方向に移動させた状態において、電磁流量計により測定された水の流量と、管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）により測定された水の流量との関係を示すグラフである。図４に示すように、管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法により測定された水の流量は、電磁流量計により測定された水の流量とほぼ一致することがわかる。このように、管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法により、管状体の内部を移動する流体の流量を測定することができる。
【００５０】
図５は、管状体に振動波を付与するために用いられる振動波発生検出手段の別の構成例を示す図である。振動波発生検出手段５１は、円盤状の振動子５２と、円盤状の振動方向制御素子５３とが積層された構成を有している。
【００５１】
円盤状の振動子５２としては、円盤状の圧電セラミックと、その平面のそれぞれに付設された電極（図示は略する）とから構成される圧電振動子が用いられている。圧電セラミックの直径は１０ｍｍ、そして厚みは１．０ｍｍである。圧電セラミックは、その厚み方向（図５に記入した矢印２７の示す方向）に分極されている。円盤状の振動子５２は、その電極に電圧を印加することにより、円盤の径方向に（円盤面が拡縮するように）振動する。円盤状の振動子が前記のように振動すると、振動子は、そのポアソン比に基づいて厚み方向にも振動する。圧電セラミックは、ジルコン酸チタン酸鉛系のセラミック材料から形成されている。
【００５２】
振動方向制御素子５３としては、樹脂材料シート５８中に複数本の高弾性繊維５９ａがシート平面に沿って平行に整列配置された繊維強化樹脂シートの複数枚が、底面５４に垂直な方向に積層、そして一体化された構成の繊維強化樹脂材が用いられている。図５に示すように、振動方向制御素子５３は、複数枚の繊維強化樹脂シートが、隣接する各シートの備える高弾性繊維の長さ方向が互いに直交するように交互に積層された構成を有している。図５に記入した破線５９ｂは、前記の高弾性繊維５９ａを備える繊維強化樹脂シートに隣接する繊維強化樹脂シートが備える高弾性繊維を示している。繊維強化樹脂材の直径は１０ｍｍ、そして厚みは２．５ｍｍである。繊維強化樹脂材を構成する樹脂材料としてはエポキシ樹脂が、そして高弾性繊維としては炭素繊維が用いられている。
【００５３】
振動方向制御素子５３として用いる繊維強化樹脂材は、その内部の高弾性繊維によって前記円盤状の振動子の円盤の径方向の振動を抑制し、そして振動子の厚み方向に振動する振動波を、選択的に振動方向制御素子の底面５４へと伝える。
【００５４】
次に、図５の振動波発生検出手段５１の一対（第一の振動波発生検出手段及び第二の振動波発生検出手段）を、管状体の外側表面に管状体の長さ方向に沿って付設した。管状体としては、外径が６ｍｍ、そして内径が４ｍｍのアクリル樹脂製の管状体を用いた。
【００５５】
各々の振動波発生検出手段は、その振動方向制御素子の高弾性繊維５９ａの長さ方向と、管状体の長さ方向とのなす角度が４５度になるようにして、管状体の外側表面に付設した。第二の振動波発生検出手段は、第一の振動波発生検出手段から管状体の長さ方向に沿って間隔をあけて、かつ管状体の外側表面の第一の振動波発生検出手段の付設位置から管状体の長さ方向に沿って伸びる延長線上に付設した。一対の振動波発生検出手段の間隔（円盤状の第一の振動波発生検出手段の円盤の中心の位置と、円盤状の第二の振動波発生検出手段の円盤の中心の位置との間の距離）は、１００ｍｍに設定した。
【００５６】
各々の振動波発生検出手段は、管状体の外側表面に、その底面５４が接するように付設される。従って振動波発生検出手段５１は、円盤状の振動子５２で発生した振動波を、主として管状体の壁体に対して垂直な方向に振動する振動波として管状体に付与する。
【００５７】
そして、管状体の内部に水を満たした状態（水は静止している状態）において、その外側表面に付設された第一の振動波発生検出手段の振動子に電圧を印加して振動波を発生し、この振動波が第二の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間を測定した。なお、第一の振動波発生検出手段の振動子には、周波数が２４８ｋＨｚ、そして振幅が３０Ｖ（ピークピーク値）である正弦波電圧の４周期を印加した。
【００５８】
その結果、第一の振動波発生検出手段にて発生した振動波が、第二の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間（Ｔ０  ）は７３．６μ秒であった。一対の振動波発生検出手段の間隔は１００ｍｍであるため、第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波の速度は約１３５９ｍ／秒となる。
【００５９】
前記のように、一般に、水を伝わる振動波（縦波）の速度は、約１４５０ｍ／秒であることが知られている。従って、上記の第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波は、管状体の壁体を伝わる振動波であることがわかる。また、一般に、アクリル樹脂を伝わる縦波成分のみからなる振動波の速度は約２７３０ｍ／秒であることが知られている。従って、上記の第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波は、管状体の壁体を低速で伝わる横波成分を有する振動波であることがわかる。
【００６０】
そして、上記の図２の振動波発生検出手段を用いる場合と同様にして、管状体の内部の水を移動させ、管状体の壁体を伝わる振動波の伝達時間の差の値を用いて水の流量を測定した。その結果、同様に管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法により測定された水の流量が、電磁流量計により測定された流量とほぼ一致することが確認できた。このように、管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）により、管状体の内部を移動する流体の流量を測定することができる。
【００６１】
従来の超音波流量計においては、管状体の壁体を伝わる振動波は、流量を測定する際のノイズと考えられていた。例えば、特開２０００−１８０２２８号公報には、超音波流量計を用いて流量を測定をする際に、管状体の壁体を伝わる振動波を除去するために、管状体の壁体にフランジ状の音響フィルタを付設する技術について記載されている。
【００６２】
本発明者は、このような管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法について、前記の国際出願をした。管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）においては、一対の振動波発生検出手段の間隔を、管状体の内径とは無関係に大きな値に設定することができる。このため、管状体の内径が小さい場合であっても、その内部を移動する流体の流量を高い精度で測定することができる。また、管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法は、管状体の内径が大きい場合であっても、周波数の高い振動波を用いて伝達時間の測定ができるため、内径の大きな管状体の内部を移動する流体の流量も高い精度で測定することができる。さらに、流量の測定に用いる振動波を管状体の壁体に垂直に入射させるために、管状体を形成する材料の音速値が温度によって変動しても、超音波の伝わる経路は変動しない。このため、測定環境の温度が変動しても、管状体の内部を移動する流体の流量を高い精度で測定することができる。
【００６３】
このような流量測定方法においては、管状体の内部を移動する流体の影響を受けながら管状体の壁体を伝わる振動波を用いて流体の流量を測定している。このような管状体の壁体を伝わる振動波が、管状体の内部を移動する流体の影響を受ける原因は、次のように理解される。
【００６４】
管状体の壁体を伝わる振動波は、流量測定とは別の分野で利用されている。Ｎ．Ｋａｎａｂｅ等の技術報告（  Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，Ｖｏｌ．９３，Ｎｏ．６，ｐ．３２３５，１９９３−０６）には、超音波振動子により、管状体の壁体をその長さ方向に沿って伝わる振動波を発生させ、この振動波により管状体内部にある粉体を輸送する技術について記載されている。この振動波は、振動方向が管状体の壁体に垂直で、そして管状体の長さ方向に沿って伝わる主として横波成分からなる振動波である。
【００６５】
そして前記の流量測定方法に用いる振動波も、この文献に記載されているように、主として横波成分からなる振動波として、管状体の壁体を伝わっていると理解することができる。そして管状体の壁体を伝わる振動波は、この振動波の付与によって振動する管状体の壁体が、管状体の内部で流体を一方の方向に移動させた場合に管状体と共に振動する流体において発生するコリオリ力を受けるために、その位相（振動波の伝達時間に対応する）が変化すると理解される。
【００６６】
また、流量測定に用いる振動波としては、上記の主として横波成分からなる振動波のみでなく、管状体の壁体を伝わる様々な振動波を用いることができる。振動波の一例としては、板波が挙げられる。板波とは、縦波と横波が板の上下面（本発明においては、管状体の壁体の外側表面と内側表面）にて反射を繰り返しながら伝わる振動波である。また、板波は、板の上下面において縦波と横波の振動モードの変換を伴いながら板を伝わる振動波である。このように、板（本発明においては、管状体の壁体）を伝わる板波も、本発明の流量測定方法における振動波として用いることができる。
【００６７】
そして、振動波が第一の振動波発生検出手段から第二の振動波発生検出手段に伝わる場合と、第二の振動波発生検出手段から第一の振動波発生検出手段に伝わる場合とで、管状体の壁体が流体から受けるコリオリ力の位相（方向）が１８０度異なるために、振動波が流体の移動方向に沿って壁体を伝わるときには、伝達時間が短くなり、振動波が流体の移動方向とは逆の方向に沿って壁体を伝わるときには、伝達時間が長くなると理解される。そして管状体の壁体は、流体の流量に対応する大きさのコリオリ力を受けるため、壁体を伝わる振動波の伝達時間をもとに管状体の内部を流れる流体の流量が測定できると理解される。なお、流体が気体である場合にもコリオリ力は発生するので、管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法により、気体の流量も測定することができる。
【００６８】
本発明者は、この流路の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）を、さらに高い測定での流量測定が実現できるように改良することを検討した。
【００６９】
図６は、管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）を実施するために用意される流量測定用の構造体の構成例、及び振動波発生検出手段にて発生した振動波が壁体を伝わる経路を説明する図である。
【００７０】
図６に示すように、改良前の方法においては、管状体（壁体により区画された管状の流路）６７、及び管状体６７の壁体の外側表面に管状体の長さ方向に沿って配設された第一の振動波発生検出手段６１ａと第二の振動波発生検出手段６１ｂを有する構造体が用意される。
【００７１】
振動波発生検出手段６１ａ、６１ｂのそれぞれは、平板状の振動子６２と、平板状の振動方向制御素子６３とが積層された構成を有している。そして各々の振動波発生検出手段は、平板状の振動子６２で発生した振動波を、主として管状体６７の壁体に対して垂直な方向に振動する振動波として管状体６７に付与する。
【００７２】
図６に示すように、第一の振動波発生検出手段６１ａにて発生させた振動波は、図６に記入した矢印６０ａが示す振動波の経路に沿って壁体を伝わり、第二の振動波発生検出手段６１ｂにて検出される。ところが、第一の振動波発生検出手段６１ａにて発生した振動波は、上記の経路６０ａ以外の経路、例えば、図６に記入した矢印６０ｂに沿って壁体を伝わる振動波成分、あるいは矢印６０ｃに沿って壁体を螺旋状に伝わる振動波成分も有している。
【００７３】
第一の振動波発生検出手段６１ａにて発生させた振動波のうち、最も長さの短い経路６０ａに沿って伝わる振動波が、第二の振動波発生検出手段６１ｂにて最初に検出される。続いて、経路６０ｂに沿って伝わる振動波成分、次いで経路６０ｃに沿って伝わる振動波成分が第二の振動波発生検出手段６１ｂにて検出される。このような様々な経路に沿って伝わる振動波が、順次第二の振動波発生検出手段６１ｂに到達すると、検出される振動波は、前記の各々の振動波が合成されることにより、長時間にわたって振動を続ける振動波となる（図３に示す第二の振動波発生検出手段６１ｂにて検出された振動波に対応する電気信号の波形（Ｓ２  ）を参照）。
【００７４】
伝達時間の測定には、主に経路６０ａ（経路６０ａ近傍の経路も含む）に沿って伝わる振動波、すなわち第二の振動波発生検出手段６１ｂにて検出された振動波の波形の立ち上がり部分あるいはその近傍の部分が用いられる。伝達時間の測定には用いられない、例えば、経路６０ｂ、６０ｃに沿って伝わる振動波成分が存在すると、第一の振動波発生検出手段６１ａに与えた電気エネルギーがこれらの振動波成分の発生に用いられるために、伝達時間の測定に用いる振動波の強度が小さくなり、流量の測定精度を低下させる原因となる。
【００７５】
また、このような伝達時間の測定には用いられない振動波成分は、伝達時間の測定に用いる振動波と合成されて、検出される振動波の波形にノイズを発生させる原因となる場合もある。振動波の伝わる管状体は、樹脂材料や金属材料から形成される場合が多い。特に金属製の管状体を用いる場合には、樹脂製の管状体を用いる場合と較べて、検出される振動波の波形に多くのノイズが発生する場合が多い。これは、振動波が金属製の管状体の壁体を伝わる場合には、樹脂製の管状体の壁体を伝わる場合よりも、振動波が壁体の内部で減衰し難いことに原因があると理解される。すなわち、金属製の管状体の壁体を、例えば、経路６０ｂ、６０ｃなどに沿って伝わる振動波が、途中で大きく減衰することなく第二の振動波発生検出手段に到達することに原因があると理解される。
【００７６】
このような、伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生を低減させることができれば、伝達時間の測定に用いる振動波の強度が大きくなって、流量の測定精度を高くすることができ、そして検出される振動波に発生するノイズを低減することができる。
【００７７】
図７は、溝状の流路の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）を実施するために用意される流量測定用の構造体の構成例、及び振動波発生検出手段にて発生した振動波が壁体を伝わる経路を説明する図である。
【００７８】
図７の構造体の構成は、流路として壁体により区画された溝状の流路７７が用いられ、そして振動波発生検出手段６１ａ、６１ｂが溝状の流路７７の底部壁体の外側表面に付設されていること以外は、図６の構造体と同様である。図７に示すように、構造体に溝状の流路７７を用いる場合にも、前記と同様に、経路６０ｂなどに沿って伝わる伝達時間の測定には用いられない振動波が存在する。
【００７９】
次に、本発明の流量測定方法を、添付の図面を用いて説明する。図８は、本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の構成例を示す図である。図８（ａ）は構造体の正面図であり、そして図８（ｂ）は、図８（ａ）の構造体の側面図である。
【００８０】
本発明の流量測定方法は、下記（１）から（９）の工程を実施することを特徴とする。
【００８１】
（１）管状体（壁体により区画された管状の流路）８７、管状体８７の壁体の外側表面に付設された第一の振動波発生検出手段６１ａ、および第一の振動波発生検出手段６１ａから管状体８７に沿って間隔をあけて、かつ管状体の壁体の外側表面の第一の振動波発生検出手段６１ａの付設位置から管状体に沿って伸びる延長線上に付設された第二の振動波発生検出手段６１ｂを備え、前記壁体の外側表面の各々の振動波発生検出手段との接触部分と前記延長線とを含む細長い領域の壁体部分の厚みが、その両側の壁体部分の厚みとは異なる厚みとされている構造体を用意する工程。
（２）管状体８７内部で測定対象の流体を一方の方向に移動させる工程。
（３）第一の振動波発生検出手段６１ａにて振動波を発生させ、この振動波を上記細長い領域の壁体部分に付与する工程。
（４）上記振動波が、この振動波の付与によって、移動する流体と共に振動する上記細長い領域の壁体部分を伝わって第二の振動波発生検出手段６１ｂに到達するまでの伝達時間を測定する工程。
（５）第二の振動波発生検出手段６１ｂにて振動波を発生させ、この振動波を上記細長い領域の壁体部分に付与する工程。
（６）上記振動波が、この振動波の付与によって、移動する流体と共に振動する上記細長い領域の壁体部分を伝わって第一の振動波発生検出手段６１ａに到達するまでの伝達時間を測定する工程。
（７）上記（４）の工程で測定した伝達時間と、上記（６）の工程で測定した伝達時間との差を算出する工程。
（８）上記（１）の工程で用いた構造体もしくはこの構造体の均等物の管状体にて、上記（２）の工程で用いた流体もしくはこの流体の均等物を、既知の流量で一方の方向に移動させて、上記（３）と（４）に記載の測定、そして上記（５）と（６）に記載の測定を行ない、次いで上記（７）に記載の伝達時間の差を算出して作成した、振動波の伝達時間の差と流量との関係を示す較正用データを用意する工程。
（９）上記（７）の工程で算出した伝達時間の差と、上記（８）の工程で用意した較正用データとを用いて、上記（２）の工程で移動した流体の流量を決定する工程。
【００８２】
本発明の流量測定方法は、図８に示すように、管状体８７の上記の細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１  ）が、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２  ）よりも大きくされている構造体を用いること以外は、改良前の方法と同様にして実施することができる。図８に記入したＷは、上記細長い領域の幅を示している。図８に示すように、管状体８７の壁体の外側表面には、上記細長い領域を頂面とする突起８７ａが形成されている。
【００８３】
このように、上記の細長い領域の壁体部分の厚みを、その両側の壁体部分の厚みより大きくする（あるいは小さくする）ことにより、前記の伝達時間の測定に用いられない振動波の発生を低減することができる理由は、以下のように理解される。
【００８４】
伝達時間を測定するために振動波発生検出手段にて発生した振動波は、上記細長い領域の壁体部分に付与される。この振動波の付与により励起される振動モードとしては、主に下記の二つのモードが想定される。一つは、上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１  ）に関係する振動モードであり、もう一つは、上記細長い領域の壁体部分の両側の壁体部分の厚みに（Ｄ２  ）関係する振動モードである。上記のように、振動波は上記細長い領域の壁体部分に付与されるため、この振動波の付与により上記の細長い領域の壁体部分の厚みに関係する振動モードが励起され、そして上記細長い領域の壁体部分の両側の壁体部分の厚みに関係する振動モードは励起され難いものと理解される。
【００８５】
このために、振動波発生検出手段６１ａにて発生させた振動波の大部分は、上記細長い領域の壁体部分を伝わって第二の振動波発生検出手段６１ｂに到達する。そして、例えば、図６の経路６０ｂ、６０ｃに沿って伝わる伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生は低減される。従って、上記細長い領域の壁体部分を伝わる伝達時間の測定に用いる振動波の強度が大きくなり、流量の測定精度を高めることができると理解される。
【００８６】
前記の様に、管状体の壁体が金属材料から形成されている場合、一方の振動波発生検出手段にて発生した振動波の伝達時間の測定には用いられない振動波成分は、途中で大きく減衰することなく第二の振動波発生検出手段に到達する。本発明の流量測定方法は、伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生が低減されているため、構造体に金属製の管状体を用いた場合にも、管状体の内部を移動する流体の流量を高い精度で測定することができる。
【００８７】
上記細長い領域の壁体部分の厚みは、管状体の厚みの０．０５乃至２０倍、好ましくは０．１乃至１５倍の範囲にあることが好ましい。
【００８８】
上記細長い領域の壁体部分は、図８（ｂ）に示すように、振動波発生検出手段６１ａと振動波発生検出手段６１ｂとの両外側にまで延長して形成されていることが好ましい。これは、上記細長い領域の壁体部分が、振動波発生検出手段６１ａと振動波発生検出手段６１ｂとの間にのみ形成されている場合、あるいは振動波発生検出手段６１ａと振動波発生検出手段６１ｂとの両外側に僅かに延長して形成されている場合には、例えば、振動波発生検出手段６１ａにて発生させた振動波が、第二の振動波発生検出手段６１ｂに到達するのとほぼ同時に、第一の振動波発生検出手段６１ａにて発生させた振動波が、上記細長い領域の壁体部分の端部にて反射され、そして第二の振動波発生検出手段に到達することがあるため、第二の振動波発生検出手段にて検出される振動波の波形にノイズを発生させる場合があるからである。
【００８９】
上記細長い領域の壁体部分の幅Ｗに特に制限はないが、実用的には、０．１乃至２０ｍｍの範囲にあることが好ましい。管状体の直径が小さい場合には、それに対応させて上記細長い領域の壁体部分の幅Ｗを適宜小さな値に設定する。また、上記細長い領域の幅は、一対の振動波発生検出手段の間の部分にて、さらに細い幅とすることもできる。
【００９０】
図９は、図８の構造体の振動波発生検出手段６１ａの構成を示す斜視図である。振動波発生検出手段６１ａは、平板状の振動子６２と、平板状の振動方向制御素子６３とが積層された構成を有している。なお、振動波発生検出手段６１ｂの構成は、振動波発生検出手段６１ａと同様である。
【００９１】
平板状の振動子６２としては、平板状の圧電セラミックと、その平面のそれぞれに付設された電極（図示は略する）とから構成される圧電振動子が用いられている。圧電セラミックは、その厚み方向（図７に記入した矢印２７の示す方向）に分極されている。振動子６２は、その電極に電圧を印加することにより、その平面が拡縮するように振動する。平板状の振動子が前記のように振動すると、振動子は、そのポアソン比に基づいて厚み方向にも振動する。圧電セラミックは、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛系のセラミック材料から形成される。
【００９２】
振動方向制御素子６３としては、樹脂材料シート中に複数本の高弾性繊維６９がシート平面に沿って平行に整列配置された繊維強化樹脂シートの複数枚が、底面６４に垂直な方向（管状体６７の壁体に垂直な方向）に積層、そして一体化された構成の繊維強化樹脂材が用いられている。このような繊維強化樹脂材料を用いる場合には、振動波発生検出手段を、繊維強化樹脂材の高弾性繊維の長さ方向が、管状体の長さ方向に対して直交するように、上記細長い領域の壁体部分の表面に付設することが好ましい。
【００９３】
繊維強化樹脂材は、複数枚の繊維強化樹脂シートが、隣接する各繊維強化樹脂シート内の高弾性繊維の長さ方向が互いに垂直となるように交互に積層一体化された構成を有していることも好ましい。このような繊維強化樹脂材料を用いる場合には、振動波発生検出手段を、繊維強化樹脂材の高弾性繊維の長さ方向と、管状体の長さ方向とのなす角度が４５度となるように、上記細長い領域の壁体部分の表面に付設することが好ましい。
【００９４】
繊維強化樹脂材を構成する樹脂材料としては、例えば、エポキシ樹脂が用いられる。そして高弾性繊維としては、例えば、炭素繊維が用いられる。
【００９５】
振動方向制御素子６３として用いる繊維強化樹脂材は、その内部の高弾性繊維によって前記平板状の振動子６２の平面が拡縮するような振動を抑制し、そして振動子の厚み方向に振動する振動波を、選択的に振動方向制御素子の底面６４へと伝える。このように、振動子と振動方向制御素子から構成される振動波発生検出手段を用いることにより、振動子で発生した振動波を、効率よく上記細長い領域の壁体部分に付与することができる。
【００９６】
なお、図８の構造体においては、振動波発生検出手段のサイズは、上記細長い領域を頂面とする突起８７ａの表面よりも大きなサイズであっても良い。すなわち、振動波発生検出手段は、突起８７ａの表面に付設された際に、突起８７ａの表面からはみ出るサイズであっても良い。このような構造体を用いた流量測定方法は、管状体の外径が小さい場合であっても、大きなサイズの振動波発生検出手段を用いることができるため、外径の小さな管状体の内部を移動する流体の流量測定にも好ましく用いることができる。
【００９７】
図１０は、本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。図１０（ａ）は構造体の正面図であり、そして図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した構造体の断面図である。図１０の構造体の構成は、管状体１０７の上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１  ）が、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２  ）よりも小さくされていること以外は、図８の構造体と同様である。図１０に示すように、管状体１０７の壁体の外側表面には、上記細長い領域を底面とする溝１０７ｂが形成されている。
【００９８】
図１０の構造体の上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１  ）は、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２  ）よりも小さい。このため、図１０の構造体を流量測定に用いることにより、図８の構造体の場合と同様に、上記の伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生が低減されるために、流量の測定精度を高めることができる。
【００９９】
図１１は、本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。図１１（ａ）は構造体の正面図であり、そして図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の構造体の側面図である。図１１の構造体の構成は、管状体１１７の上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１  ）が、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２  ）よりも小さくされていること以外は、図８の構造体と同様である。図１１に示すように、管状体１１７の壁体の外側表面には、上記細長い領域と対応する切り欠き１１７ｂが形成されていても良い。
【０１００】
図１１の構造体の上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１  ）は、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２  ）よりも小さい。このため、図１１の構造体を流量測定に用いることによっても、図８の構造体の場合と同様に、上記の伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生が低減されるために、流量の測定精度を高めることができる。
【０１０１】
図１１の構造体においては、振動波発生検出手段のサイズは、上記細長い領域の壁体部分の表面よりも大きなサイズであっても良い。すなわち、振動波発生検出手段は、上記細長い領域の壁体部分の表面に付設された際に、上記細長い領域の壁体部分からはみ出るサイズであっても良い。このような構造体を用いた流量測定方法は、管状体の外径が小さい場合であっても、大きなサイズの振動波発生検出手段を用いることができるため、外径の小さな管状体の内部を移動する流体の流量測定にも好ましく用いることができる。
【０１０２】
図１２は、本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。図１２（ａ）は構造体の正面図であり、そして図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の構造体の側面図である。図１２の構造体の構成は、管状体１２７の上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１  ）が、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２  ）よりも小さくされていること以外は、図８の構造体と同様である。図１２（ａ）に示すように、管状体１２７の外周は四角い形状とされ、そして内周は丸い形状とされている。
【０１０３】
図１２の構造体の上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１  ）は、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２  ）よりも小さい。このため、図１２の構造体を流量測定に用いることによっても、図８の構造体の場合と同様に、上記の伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生が低減されるために、流量の測定精度を高めることができる。
【０１０４】
上記の細長い領域の壁体部分の厚みを、その両側の壁体部分の厚みと異なる厚みとする方法は、上記の図８、図１０、図１１及び図１２に示す構造体における方法（例、管状体の壁体の外側表面に、上記細長い領域を頂面とする突起を形成する方法）に限定されない。例えば、管状体の壁体の内側表面に、上記細長い領域の壁体部分を頂面とする突起を形成したり、あるいは上記細長い領域の壁体部分を底面とする溝を形成したりするなどの方法によっても、上記細長い領域の壁体部分の厚みを、その両側の壁体部分の厚みと異なる厚みとすることもできる。
【０１０５】
図１３は、本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。図１３（ａ）は構造体の正面図であり、そして図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に記入した切断線ＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した構造体の断面図である。図１３の構造体の構成は、管状体１３７の壁体の外側表面に、上記細長い領域を底面とする溝１０７ｂが四本形成され、そして各々の溝の底面に、振動波発生検出手段６１ａ、６１ｂが付設されていること以外は、図１０の構造体と同様である。
【０１０６】
図１３の構造体の各々の細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１  ）は、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２  ）よりも小さい。このため、図１３の構造体を流量測定に用いることによっても、図８の構造体の場合と同様に、上記の伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生が低減されるために、流量の測定精度を高めることができる。
【０１０７】
図１３の構造体の四個の振動波発生検出手段６１ａが備える振動子６２ａは、電気的に並列に接続されている。振動波発生検出手段６１ａによる振動波の発生、そして検出は、この並列接続された振動子６２ａに電圧を印加、そして並列接続された振動子６２ａにて発生する電圧を検出することにより実施される。同様に、四個の振動波発生検出手段６１ｂが備える振動子６２ｂも、電気的に並列に接続されている。そして振動波発生検出手段６１ｂによる振動波の発生、そして検出も、この並列接続された振動子６２ｂに電圧を印加、そして並列接続された振動子６２ｂにて発生する電圧を検出することにより実施される。なお、振動子の電気的な接続方法（すなわち、振動子に電圧を印加する方法、そして振動子にて発生する電圧を検出する方法）は、上記の例に限定されるわけではない。
【０１０８】
本発明の流量測定方法においては、流量の測定に管状体の壁体を伝わる振動波を用いている。管状体は、その長さ方向のいずれかの位置にて支持固定されているため、あるいは管状体、その内部を移動する流体、あるいはその外側表面に付設される振動波発生検出手段の質量を受けるために、その壁体内部に歪みを生じる。このような歪みの大きさは、管状体の壁体内部の場所により不均一な値を示す。そして流量測定に用いられる振動波は、振動波の伝わる経路によって異なる大きさの歪みを生じている管状体の壁体を伝わる。このため、振動波の伝わる経路によって、その伝達時間が変動するものと理解される。例えば、一対の振動波発生検出手段が管状体の頂部に付設され、振動波が管状体の頂部壁体を伝わる場合と、一対の振動波発生検出手段が管状体の底部に付設され、振動波が管状体の底部壁体を伝わる場合とで測定される伝達時間が互いに異なる値を示し、測定される流量値に僅かに変動を生じる場合がある。
【０１０９】
図１３の構造体においては、四個の振動波発生検出手段６１ａにて同時に発生した複数の振動波を、その各々の振動波が四個の振動波発生検出手段６１ｂのそれぞれに到達することにより発生される電気信号の和として検出する。振動波を前記の電気信号の和として検出することは、管状体の四つの細長い領域の壁体部分のそれぞれ伝わる振動波をその合成波として検出することを意味している。このため、前記の管状体の歪みの影響を受け難くなり、測定される流量値の変動が低減されると理解される。
【０１１０】
図１４は、本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。図１４（ａ）は構造体の正面図であり、そして図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に記入した切断線ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断した構造体の側面図である。図１４の構造体の構成は、流路として壁体により区画された溝状の流路１４７が用いられていること、溝状の流路１４７の底部壁体の上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１  ）が、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２  ）よりも小さくされていること以外は、図１０の構造体と同様である。
【０１１１】
図１４の構造体の上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１  ）は、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２  ）よりも小さい。このため、図１４の構造体を流量測定に用いることによっても、図８の構造体の場合と同様に、上記の伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生が低減されるために、流量の測定精度を高めることができる。
【０１１２】
以下に、本発明の流量測定方法を実施するために用意される構造体の振動波発生検出手段などについて詳しく説明する。
【０１１３】
振動波発生検出手段は、上記細長い領域の壁体部分に振動波を付与、そして検出することが可能であれば、その構成に特に制限はない。従って、振動波発生検出手段としては、従来の超音波流量計に用いられている公知の超音波発生検出手段、例えば、振動子と超音波（振動波）伝搬材から構成された振動波発生検出手段などを用いることができる。この場合には、超音波伝搬材は、音響インピーダンスの値が、振動子の音響インピーダンスの値と、流路の壁体の音響インピーダンスの値との間にある樹脂材料あるいは金属材料などから形成することが好ましい。このような材料から超音波伝搬材を形成することにより、流路の壁体の外側表面における振動波の反射を低減して、振動波を効率良く上記細長い領域の壁体部分に付与することができる。
【０１１４】
本発明においては、振動波を効率良く上記細長い領域の壁体部分に付与するために、各々の振動波発生検出手段が、振動子と振動方向制御素子を含む構成を有していることが好ましい。そして、振動方向制御素子により振動波の振動方向を制御することにより、振動波発生検出手段が、振動子で発生した振動波を主として流路壁体（上記細長い領域の壁体部分）に対して垂直な方向に振動する振動波として流路壁体に付与することが好ましい。このような振動波を用いることにより、振動波を効率良く上記細長い領域の壁体部分に付与することができる。なお、流路壁体（上記細長い領域の壁体部分）に対して垂直な方向とは、流路壁体の表面の法線とのなす角度が１０度未満、好ましくは５度未満である方向を意味する。
【０１１５】
さらに、本発明においては、振動波を効率よく上記細長い領域の壁体部分に付与するために、振動波の周波数を、管状体などの流路の固有振動数、あるいはその内部にある流体を一体とする固有振動数と一致させることが好ましい。これらの固有振動数は、例えば、有限要素法を用いた解析用のソフトウエア「ＡＮＳＹＳ」（ＡＮＳＹＳ社製）を用いたシミュレーションにより決定することができる。振動波発生検出手段により上記細長い領域の壁体部分に付与する振動波の周波数は、一般に超音波と呼ばれる２０ｋＨｚ以上の周波数に限定される訳ではない。振動波としては、周波数が１０ｋＨｚ乃至３ＭＨｚの範囲にある振動波、あるいはパルス状の振動波を好ましく用いることができる。
【０１１６】
振動子の例としては、電歪振動子、および磁歪振動子が挙げられる。電歪振動子の例としては、圧電振動子、および圧電振動子を一対の金属部材でボルト締めした構成のランジュバン型振動子が挙げられる。磁歪振動子の例としては、金属磁歪振動子、およびフェライト振動子が挙げられる。振動子としては、その構成が簡単であることから、電歪振動子（特に、圧電振動子）を用いることが好ましい。
【０１１７】
振動方向制御素子としては、樹脂材料シート中に複数本の高弾性繊維がシート平面に沿って平行に整列配置された繊維強化樹脂シートの複数枚が、その底面に垂直な方向（上記細長い領域の壁体部分の表面に垂直な方向）に積層、そして一体化された構成の繊維強化樹脂材を用いることが好ましい。
【０１１８】
樹脂材料の例としては、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、およびポリカーボネート樹脂が挙げられる。
【０１１９】
高弾性繊維の例としては、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、ナイロン繊維、アラミド繊維、およびポリアミド繊維が挙げられる。
【０１２０】
なお、振動波発生検出手段と上記細長い領域の壁体部分との接触面には、この接触面における振動波の反射を防止するために、グリースやワセリンなどの接触媒質からなる薄い層を付設することが好ましい。
【０１２１】
上記細長い領域の壁体部分を伝わる振動波の伝達時間の測定は、一方の振動波発生検出手段にて振動波の発生を開始してから、他方の振動波発生検出手段にて振動波に対応する電気信号の検出が開始されるまでの時間に限定されない。例えば、振動波の伝達時間を、一方の振動波発生検出手段にて振動波の発生を開始してから、他方の振動波発生検出手段にて検出される電気信号の電圧値が、所定のしきい値を超えたのちに零となるまでの時間としても、伝達時間の差を算出すれば、上記の伝達時間の差（Ｔ２  −Ｔ１  ）と同じ値が得られるからである。このようにして伝達時間を測定し、そして伝達時間の差を得る方法は、ゼロクロス法と呼ばれており、従来の超音波流量計において流体中を伝わる超音波の伝達時間の差を得るために一般的に用いられている方法である。
【０１２２】
すなわち、本明細書において、振動波の伝達時間とは、一方の振動波発生検出手段にて発生した振動波の波形の特定の位置を時間計測の開始点として、他方の振動波発生検出手段にて検出された振動波の波形の特定の位置を時間計測の終了点として計測された時間を意味する。
【０１２３】
振動波の伝達時間は、上記他方の振動波検出手段にて検出された振動波に対応する電気信号を、Ａ−Ｄ変換器（アナログ−デジタル変換器）を用いてデジタル信号に変換し、これをＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を用いて演算処理して決定することが好ましい。
【０１２４】
また、流量を決定するために用いられる較正用のデータは、例えば、以下のようにして作成することができる。まず、管状体の内部で流体を既知の流量Ｖ０  で一方の方向に移動させる。この既知の流量値は、例えば、管状体に接続された電磁流量計などによって確認する。この既知の流量は、管状体にて流体を所定の時間で一方の方向に移動させ、この時間で移動された水の量（例、質量、体積）を実測し、実測された水の量を前記の時間で除して求めることもできる。
【０１２５】
次に、前記のようにして、上記細長い領域の壁体部分を伝わる振動波の伝達時間を測定することにより、伝達時間の差（ΔＴ＝Ｔ２  −Ｔ１  ）を算出する。振動波の伝達時間の差（ΔＴ）と、管状体の内部を移動する流体の流量とは相関（ほぼ比例関係）がある。このことから、較正用のデータとしては、例えば、上記の既知の流量値Ｖ０  を、振動波の伝達時間の差ΔＴで除して得られる比例定数ｋ（＝Ｖ０  ／ΔＴ）を用いることができる。すなわち、管状体の内部を移動する流体の流量値は、測定された伝達時間の差の値に、前記の比例定数ｋを乗ずることにより決定することができる。
【０１２６】
較正用データとしては、前記の比例定数ｋ以外のものも用いることができる。例えば、振動波の伝達時間の差と、既知の流量との関係を示す較正曲線を用いることもできる。また、較正用データは、測定環境の温度、管状体の歪み、管状体及び板状部材の材料、あるいは測定対象の流体の種類などに対応するデータとすることもできる。
【０１２７】
【発明の効果】
本発明の流量測定方法においては、流体の流量と相関のある振動波の伝達時間を測定するために用いる第一の振動波発生検出手段と第二の振動波発生検出手段との間隔を、管状体の内径とは無関係に長く設定することができる。そして管状体の壁体の外側表面の各々の振動波発生検出手段との接触部分と、前記壁体の外側表面の第一の振動波発生検出手段の付設位置から流路に沿って伸びる延長線とを含む細長い領域の壁体部分の厚みを、その両側の壁体部分の厚みとは異なる厚みに設定することにより、流量測定における伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生が低減されている。従って、本発明の流量測定方法により、管状体の内部を移動する流体の流量を高い精度で測定することができる。また、本発明の流量測定方法においては、流量測定に用いる振動波を管状体の外側表面に付設された板状部材の表面に垂直に入射させるために、管状体を形成する材料の音速値が温度によって変動しても、超音波の伝わる経路は変動しない。このため、測定環境の温度が変動しても、管状体の内部を移動する流体の流量を高い精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の流体の流量測定方法を説明する断面図である。
【図２】振動波発生検出手段の構成例を示す斜視図である。
【図３】ステンレススチール製の管状体の内部に水を満たした状態（水は静止している状態）において、その外側表面に付設された第一の振動波発生検出手段の振動子に印加した電圧の波形（Ｓ１  ）、および第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波に対応する電気信号の電圧波形（Ｓ２  ）を示す図である。
【図４】ステンレススチール製の管状体の内部で水を一方の方向に移動させた状態において、電磁流量計で測定された水の流量と、管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）により測定された水の流量との関係を示すグラフである。
【図５】振動波発生検出手段の別の構成例を示す図である。
【図６】管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）を実施するために用意される流量測定用の構造体の構成例、及び振動波発生検出手段にて発生した振動波が壁体を伝わる経路を説明する図である。
【図７】溝状の流路の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）を実施するために用意される流量測定用の構造体の構成例、及び振動波発生検出手段にて発生した振動波が壁体を伝わる経路を説明する図である。
【図８】本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の構成例を示す図である。
【図９】図８の構造体の振動波発生検出手段６１ａの構成を示す斜視図である。
【図１０】本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。
【図１１】本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。
【図１２】本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。
【図１３】本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。
【図１４】本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ  超音波発生検出手段
２ａ、２ｂ  超音波振動子
３ａ、３ｂ  超音波伝搬材
４ａ、４ｂ  底面
５ａ、５ｂ  斜面
６  管状体の壁体
７  流体の移動方向を示す矢印
９  超音波の伝わる経路を示す破線
９ａ、９ｂ  超音波の伝わる方向を示す矢印
２０  振動子の振動方向を示す矢印
２１  超音波発生検出手段
２２ａ、２２ｂ  振動子
２３  振動方向制御素子
２４  底面
２７  分極方向を示す矢印
２８  樹脂材料シート
２９  高弾性繊維
Ｔ０    管状体内部の水が静止状態にある場合の振動波の伝達時間
Ｓ１    第一の振動波発生検出手段に印加した電圧の波形
Ｓ２    第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波に対応する電気信号の電圧波形
５１  振動波発生検出手段
５２  振動子
５３  振動方向制御素子
５４  底面
５８  樹脂シート
６０ａ  伝達時間の測定に用いる振動波の伝わる経路に例を示す矢印。
６０ｂ、６０ｃ  伝達時間の測定に用いられない振動波成分の経路の例を示す矢印
６１ａ、６１ｂ  振動波発生検出手段
６２  振動子
６３  振動方向制御素子
６４  底面
６５  溝
６７  管状体
６９  高弾性繊維
７７  溝状の流路
８７、１０７、１１７、１２７、１３７  管状体
１４７  溝状の流路
８７ａ  突起
１０７ｂ  溝
１１７ｂ  切り欠き部
Ｄ１  、Ｄ２    壁体部分の厚み
Ｗ  細長い領域の壁体部分の幅
【図１】
2004340622.tif 000003
【図２】
2004340622.tif 000004
【図３】
2004340622.tif 000005
【図４】
2004340622.tif 000006
【図５】
2004340622.tif 000007
【図６】
2004340622.tif 000008
【図７】
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【図８】
2004340622.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2004340622.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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