(57)【要約】【課題】送受波器に２回反射して、対向する送受波器間を１．５往復して受信側の送受波器に入る１．５往復ノイズによる受信波のゼロクロスポイントの検知誤差を少なくする。流量計測精度を上げる。【解決手段】受信側の送受波器１８の中心軸Ｘ‐Ｘの図示左方の延長線上に離れて送信側の送受波器が配置されている。この図示されていない送信側の送受波器からの超音波パルスは、送受波器１８の音響整合層７Ａの前の円錐形傾斜面からなる反射面７ｂに、矢印Ａ，Ｂのように入射すると矢印Ａ′，Ｂ′のように反射し、中心軸Ｘ‐Ｘ　からそれた方向に向きを変える。したがって，反射波Ａ′，Ｂ′は対向する送信側送受波器に入らず、１．５往復ノイズとならない。矢印Ｃ，Ｄのように入射する超音波はより大きい角度で向きが変わり、Ｃ′，Ｄ′の向きとなり、１．５往復ノイズにはならない。【選択図】　　　　図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を対向して少なくとも一対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流速さらに流量を求める超音波流量計で、
かつ、各方向毎に一方の送受波器を送信側として送信し、これを他方の受信側送受波器が受信すると再び送信側送受波器から送信し、これを一定複数回繰り返す超音波流量計において、
少なくとも一方の送受波器の前面に、両送受波器を結ぶ直線に直角な平面に対して傾斜した反射面を具備したことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
送受波器が、圧電部材の前面に音響整合層の後面を当接した超音波送受波器であって、音響整合層の前面に前記傾斜した反射面が形成され、かつ音響整合層の後面から前記反射面の中間部までの厚みを、音響整合層内の超音波の波長のほぼ１／４に定めたことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
音響整合層の前面に形成された前記傾斜した反射面を複数具備したことを特徴とする請求項２記載の超音波流量計。
【請求項４】
一対をなす両送受波器の前面に傾斜した反射面を具備したことを特徴とする請求項１，２又は３記載の超音波流量計。
【請求項５】
傾斜した反射面が円錐状面であることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の超音波流量計。
【請求項６】
反射面の傾斜角度を２〜１０度の範囲に定めたことを特徴とする請求項１，２，３，４又は５記載の超音波流量計。
【請求項７】
圧電部材の前面に音響整合層の後面を当接した超音波送受波器において、
音響整合層の前面に、圧電部材の前面に対して傾斜した反射面を形成したことを特徴とする送受波器。
【請求項８】
音響整合層の後面から前記反射面の中間部までの厚みを、音響整合層内の超音波の波長の略１／４に定めたことを特徴とする請求項７記載の送受波器。
【請求項９】
圧電部材の前面に対して傾斜した前記反射面を複数形成したことを特徴とする請求項８記載の送受波器。
【請求項１０】
音響整合層の前面で、前記反射面（７ｂ，７２ｂ，７４ｂ）の外径（Φ１）より大径の部分に、前記反射面の傾斜角度より大きい傾斜角度の第２の反射面（７ｆ，７ｆ′）を形成したことを特徴とする請求項７，８又は９記載の送受波器。
【請求項１１】
傾斜した反射面が円錐状面であることを特徴とする請求項７，８，９又は１０記載の送受波器。
【請求項１２】
傾斜した反射面が球面状部であることを特徴とする請求項７，８，９又は１０記載の送受波器。
【請求項１３】
傾斜した反射面が角錐状面であることを特徴とする請求項７，８，９又は１０記載の送受波器。
【請求項１４】
反射面の傾斜角度を２〜１０度の範囲に定めたことを特徴とする請求項７〜１３のいずれかに記載の送受波器。
【請求項１５】
音響整合層の前面の中央部と外周縁とに、送受波器の組立時に組立治具を当接する当接面を具備したことを特徴とする請求項７〜１４のいずれかに記載の送受波器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波流量計と送受波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に示すように、流体中に距離Ｌを離して流管３の上流と下流に対向配置した１組の超音波送受波器の一方の送受波器１から他方の送受波器２へ超音波を送信したときの順方向伝播時間と、送受波器２から送受波器１へ超音波を送信したときの逆方向伝播時間とから流体の流速Ｖを求め、流量を演算している。
【０００３】
上述の測定原理において、超音波が受信側の送受波器に到達する時期、つまり到達時点を特定する受信検知の方法として、特定波のゼロクロスポイントを検知するようにしたものがある。図２は発信のタイミングを示す送信駆動信号と受信波を示している。実際の受信波は非常に小さく、先ず増幅される。同図の受信波は増幅後の波形を示している。
【０００４】
ａが到達時点で、徐々に振幅が大きくなる。その後最大振幅となり徐々に小さくなる。ところが到達時点ａはノイズに隠れて検知できない。そこで、次のような方法が行われている。
【０００５】
ノイズより十分大きな基準電圧レベル（単に基準レベルともいう）としてのしきい値ＶＴＨを決め、このレベルに最初に達した波、例えば同図の第３波がｂ点でしきい値に達した後ゼロレベルを通るゼロクロスポイントｃを検知して受信検知とする方法である。
【０００６】
しきい値ＶＴＨは常に何番目かのある特定の波（例えば第３波）のゼロクロスポイントを検知するように定めてあり、実際の伝播時間ｔは、ａ点からｃ点までの時間τを予め求めて記憶しておき、測定した時間ｔ＋τに相当する値から時間τを減算することにより求めている。これを第１の従来技術という。
【０００７】
送信から受信までの順方向伝播時間や逆方向伝播時間を求めるのに、単純に測定した到達時間ｔ＋τから時間τを減ずるのではなく、伝播時間計測の精度を向上するために、受信すると同時に次の送信を同じ方向に行うことを複数回（ｎ−１回）繰り返すことにより、一方向、例えば順方向の送受信をｎ回連続して繰り返して、最初（第１回目）の順方向送信から最後（第ｎ回目）の受信までの時間、つまり到達時間のｎ倍をまとめて測定し、次に他方向、例えば逆方向への送受信を同様にしてｎ回連続して繰り返して、最初の逆方向送信から最後の受信までの時間、つまり到達時間のｎ倍をまとめて測定し、これらの各方向の複数回の送受信で得た測定値からｎτを減じ、各方向の伝播時間を計算して流速更に流量を求める超音波流量計も公知である。これを第２の従来技術という。
【０００８】
この種の超音波流量計で用いられている送受波器の構造を図３に示す。前記送受波器１と２は同じ構造の超音波振動子であるので、図３にはその一方の送受波器１を示す。なお前記従来技術で、流れの順方向に超音波を送信するときは、上流側の送受波器１をパルス駆動して送信側に使い、下流側の送受波器２を受信側として使って、受信した信号を図示されていない増幅器で増幅した後に、図示されていない受信検知回路で前記ゼロクロスポイントｃを検知する。
【０００９】
図３で、厚みＢ１の円板状圧電セラミックス４の前面と後面に形成された電極は、それぞれ端子５と６に電気的に接続されている。圧電部材としての圧電セラミックス４は、その前面が厚み寸法Ｂ２、直径Φの円板状の音響整合層７の後面に同心的に接着されている。送受波器１を送信側として使用するときは、パルス駆動された圧電セラミックス４からの超音波が音響整合層７を介して、整合層７の前面の超音波放射面７ａから前方（図示左方）の被計測流体中へ放射され、距離Ｌだけ離れて対向配置された他方の送受波器２で受信される。８は外径がΦの円筒状金属ケース、９は両端子５，６を保持するベース、１０は封止用のシール材で、ケース８とベース９の間に充填されている。なお、ケース８は音響整合層７と同じ材料で一体構造にする場合もある。
【００１０】
圧電セラミックス４から音響整合層７に入射して、更に被計測流体中に入射する超音波のエネルギー透過率は、音響整合層７の厚みＢ２の影響を受け、この厚みＢ２を音響整合層７内の超音波の波長λの１／４にすると極大になることが周知である。従って、図３に示す従来の送受波器では厚み寸法Ｂ２を波長の１／４、即ちλ／４に定めていた（Ｂ２＝λ／４）。これを第３の従来技術という。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前記第２の従来技術で、一方向、例えば流れの順方向に連続してｎ回の送信（送受信ということもできる）を繰り返すとき、送信側の送受波器１から送信された１回目の超音波は、送信時点から到達時間ｔ＋τ後に受信側の送受波器２に到達受信されると同時に、送受波器の音響整合層の前面で返射されて、流路内を送受波器１に向かって返射波が返る。この反射波は更に送受波器１の音響整合層の表面（前面）で返射されて受信側の送受波器２に入り受信される。この受信時点は、第１回目の前記送信時点から到達時間ｔ＋τの３倍の時間経過後であり、かつ、この反射波は、送受波器１から送信されて、流路中の距離Ｌを１．５往復した後に送受波器２に入射する。この反射波は、最初は送受波器１から第１回目の送信信号として送信され、これが送受波器２で１回反射され、更に送受波器１で反射されて送受波器２に入る。送受波器１では、連続してｔ＋τ間隔で複数回（ｎ回）の送信が繰り返されるため、第３回目の送信による超音波が送受波器２に入るときには、前記１．５往復した（１回目の送信による）反射波が重畳されて同時に送受波器２で受信される。
【００１２】
送受波器１から送信された超音波が直接送受波器２に受信される受信波は、いわば本来の信号である。それに対し、この本来の信号に重畳する前記１．５往復の反射波は、いわばノイズであるので、以後これを１．５往復ノイズと呼ぶ。上述の説明より明らかなように、ｎ回の連続した送受信で、３回目の送信信号を受信するとき以後は、毎回１．５往復ノイズが本来の信号に重畳して受信される。そのため、重畳した１．５往復ノイズの影響で、受信波のゼロクロスポイントの検知に誤差が生じる。
【００１３】
その状況を図４で説明する。図４は受信波のゼロクロスポイント付近を拡大した波形図で、縦軸よりも横軸をより大きく拡大してあり、本来の受信波の第３波のゼロクロスポイントが符号ｃで示す時点である。破線で示す１．５往復ノイズの振幅は本来の受信波の振幅よりも小さいが、この１．５往復ノイズが実線で示す本来の受信波に重畳した合成波のゼロクロスポイントは符号ｃ′で示す時点となり、本来の受信波のゼロクロスポイントであるｃの時点に対し、Δｔだけずれた時点となる。このΔｔが１．５往復ノイズの悪影響による到達時間の誤差で、この誤差が、流量計としての流量測定の精度を悪くするという問題点があった。
【００１４】
そこで本発明は、かかる問題点を解消できる超音波流量計と、送受波器を提供することを第１の目的とする。
【００１５】
また、前記第３の従来技術では、厚み寸法Ｂ２が狙い寸法のλ／４に対して誤差があると、超音波の出力特性に悪影響があったので、音響整合層７の厚み寸法Ｂ２を波長λの１／４に合わせるために、音響整合層７は、成形後に機械加工して正しい寸法λ／４になるように後加工を要する場合があった。そのため、超音波送受波器の加工費がかさみ、結果的に超音波流量計のコストを上げる要因となるという問題点があった。
【００１６】
そこで、本発明は、音響整合層のかかる後加工を不用とし、コストを低減できる超音波流量計と送受波器を提供することを第２の目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記第１の目的を達成するために、請求項１の発明は、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を対向して少なくとも一対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流速さらに流量を求める超音波流量計で、
かつ、各方向毎に一方の送受波器を送信側として送信し、これを他方の受信側送受波器が受信すると再び送信側送受波器から送信し、これを一定複数回繰り返す超音波流量計において、
少なくとも一方の送受波器の前面に、両送受波器を結ぶ直線に直角な平面に対して傾斜した反射面を具備したことを特徴とする超音波流量計である。
【００１８】
前記第１と第２の目的を達成するために、請求項２の発明は、請求項１の超音波流量計において、送受波器が、圧電部材の前面に音響整合層の後面を当接した超音波送受波器であって、音響整合層の前面に前記傾斜した反射面が形成され、かつ音響整合層の後面から前記反射面の中間部までの厚みを、音響整合層内の超音波の波長のほぼ１／４に定めたことを特徴とするものである。
【００１９】
請求項３の発明は、請求項２の超音波流量計において、音響整合層の前面に形成された前記傾斜した反射面を複数具備したことを特徴とするものである。
【００２０】
請求項４の発明は、請求項１，２又は３の超音波流量計において、一対をなす両送受波器の前面に傾斜した反射面を具備したことを特徴とするものである。
【００２１】
請求項５の発明は、請求項１，２，３又は４の超音波流量計において、傾斜した反射面が円錐状面であることを特徴とするものである。
円錐状面は、円錐面又は円錐よう等の曲面で形成することができる。円錐状面は逆様の円錐状面、即ちすりばち形の曲面であっても良い。
【００２２】
請求項６の発明は、請求項１，２，３，４又は５の超音波流量計において、反射面の傾斜角度を２〜１０度の範囲に定めたことを特徴とするものである。
傾斜角度は反射面上のいろいろな位置における切平面の傾斜角である。
【００２３】
請求項７の発明は、圧電部材の前面に音響整合層の後面を当接した超音波送受波器において、
音響整合層の前面に、圧電部材の前面に対して傾斜した反射面を形成したことを特徴とする送受波器である。
【００２４】
請求項８の発明は、請求項７の送受波器において、音響整合層の後面から前記反射面の中間部までの厚みを、音響整合層内の超音波の波長の略１／４に定めたことを特徴とするものである。
【００２５】
請求項９の発明は、請求項８の送受波器において、圧電部材の前面に対して傾斜した前記反射面を複数形成したことを特徴とするものである。
【００２６】
請求項１０の発明は、請求項７，８又は９の送受波器において、音響整合層の前面で、前記反射面（７ｂ，７２ｂ，７４ｂ）の外径（Φ１）より大径の部分に、前記反射面の傾斜角度より大きい傾斜角度の第２の反射面（７ｆ，７ｆ′）を形成したことを特徴とするものである。
【００２７】
請求項１１の発明は、請求項７，８，９又は１０の送受波器において、傾斜した反射面が円錐状面であることを特徴とするものである。
円錐状面は円錐面又は円錐よう等の曲面で形成することができる。円錐状面は逆様の円錐状面、即ちすりばち形の曲面であっても良い。
【００２８】
請求項１２の発明は、請求項７，８，９又は１０の送受波器において、傾斜した反射面が球面状部であることを特徴とするものである。
球面状部は球面部又は球面よう等の曲面部で形成することができる。
【００２９】
請求項１３の発明は、請求項７，８，９又は１０の送受波器において、傾斜した反射面が角錐状面であることを特徴とするものである。
角錐状面は角錐面又は角錐よう等の曲面で形成することができる。
【００３０】
請求項１４の発明は、請求項７〜１３のいずれかの送受波器において、反射面の傾斜角度を２〜１０度の範囲に定めたことを特徴とするものである。
傾斜角度は反射面上のいろいろな位置における切平面の角度である。
【００３１】
請求項１５の発明は、請求項７〜１４の何れかの送受波器において、音響整合層の前面の中央部と外周縁とに、送受波器の組立時に組立治具を当接する当接面を具備したことを特徴とするものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】次に本発明の好ましい実施の形態をいくつかの実施例に従って説明する。
【００３３】
〔実施例１〕
図５（ａ）（ｂ）と図６（ａ）（ｂ）は本発明の超音波流量計からなるガスメータの実施例である。ガスメータ１１の流入部１２へ流入した被計測流体のガスは、計測室１３を介して流管１４の流路１５へ導かれる。計測室１３はガスメータ１１へのガスの流入時の流れの影響を打ち消すためのバッファとしての役割を有する。また計測室１３は、仕切り壁１６によって流入側と流出側とに区分されている。
【００３４】
流管１４は、ほぼ長方形の断面形状を有する流路１５を形成し、この流路１５内を流れるガスの流速を一対（２つの）超音波送受波器１７と１８とで計測する。ガスは流入部１２から矢印のように流入側（すなわち図示左側）の計測室１３に流入し、流路１５内を図５（ａ）（ｂ）で図示左方から右方に向かって流れる。送受波器１７と１８は、上流側の送受波器１７から超音波を送信し、下流の送受波器１８でこれを受信すると直ちに送受波器１７から再度送信する送受信を連続して複数回（ｎ回）繰り返して、超音波の順方向到達時間ｔ＋τのｎ倍の時間をまとめて測定し、この測定値に基づいて超音波の順方向伝播時間ｔを演算する。
【００３５】
次に、順方向の場合と同様に、送受波器１８からガスの流れと逆方向に超音波を送信して上流の送受波器１７で受信する送受信を連続して複数回（ｎ回）繰り返して超音波の逆方向到達時間をまとめて測定し、この測定値に基づいて超音波の逆方向伝播時間を演算する。そして、この逆方向伝播時間と前記順方向伝播時間に基づいて流体（ガス）の流速・流量を演算する。順方向や逆方向の到達時間の測定や、伝播時間の演算、流速・流量の演算は図示されていないマイクロコンピュータを用いた電子回路を用いて、周知の方法で行う。
【００３６】
なお、図５（ａ）（ｂ）と図６（ａ）で、符号１９はガスの流速を計測するための計測部である。流路１５を流れたガスは矢印のように流出側の計測室１３を介して流出部２０からガスメータの出口へと流出する。流路１５の断面は長辺Ｗを短辺Ｈの５〜２０倍に定めた長方形で、送受波器１７と１８の中心軸を結ぶ直線Ｘ‐Ｘに沿って超音波が流体中を伝播する（図５（ｂ））。
【００３７】
図７は送受波器の構造を示す縦断面図で、図は一方の送受波器１８を示すが、他方の送受波器１７も同じ構造である。なお、図７で、前記図３に示す従来の送受波器と同じ機能を有する要素には同一の符号を付けて示し、その説明は省略する。音響整合層７Ａは最大厚みＢ４が従来技術の図３の音響整合層７の厚みＢ２の寸法より大きく、かつ前面の形状が全く異なる。
【００３８】
即ち、送受波器の中心軸Ｘ‐Ｘ上に頂点を有する円錐状の傾斜面（反射面）７ｂが形成され、その頂部にわずかの面積だけ直径φの平面部７ｃが形成されている。円錐状の傾斜面（反射面）７ｂは、中心軸Ｘ−Ｘの周りに図示断面形状を回転させた回転体形状であり、円錐形傾斜面の傾斜角θは５°に定めている。換言すれば、円錐形のテーパ角は１７０°である。円錐形傾斜面（反射面）７ｂの前端７ｂ′は音響整合層７Ａの後面７ｅからの距離が（前記最大厚み）Ｂ４であり、円錐形傾斜面（反射面）７ｂの後端７ｂ″は、音響整合層７Ａの後面からの距離が符号Ｂ３で示す最小厚みとなっており、傾斜面（反射面）における最小厚みＢ３と最大厚みＢ４との中間に前記波長の１／４であるλ／４に相当する寸法Ｂ２がある。換言すれば、後面７ｅから円錐形傾斜面（反射面）７ｂの中間部までの距離（厚みとも言える）を波長の１／４のλ／４である前記寸法Ｂ２に定めている。数式で表現すれば、（Ｂ３＋Ｂ４）／２＝Ｂ２＝λ／４と書くことができる。
【００３９】
こうすることで、圧電セラミックス４から音響整合層７Ａを介して被計測流体中に透過する超音波のエネルギー透過率を大きく保っている。そして、音響整合層７Ａの成形寸法が多少変っても、傾斜面（反射面）７ｂの傾斜部分にλ／４の厚み寸法Ｂ２がくるので、図３の従来技術のように機械加工による後加工でλ／４の狙い寸法に追い込むという面倒な作業が不要になる。円錐形傾斜面（反射面）７ｂの外径Φ１の外周には、小さい幅Δｒの環状平面部７ｄが形成され、この環状平面部７ｄは前記頂部の平面部７ｃと同一平面上にある。
【００４０】
即ち、平面部７ｃと７ｄは、音響整合層７Ａの平面状の後面７ｅから前方へ距離Ｂ４の位置にあり、両平面７ｃと７ｄは、後面７ｅと平行である。環状平面部７ｄの外径Φ２より大径の部分、換言すれば円錐形傾斜面（反射面）７ｂの外径Φ１より外径方向へ離れた部分では、音響整合層７Ａの前面（前部）に第２の円錐形傾斜面７ｆが形成されている。この第２の円錐形傾斜面（反射面）７ｆの傾斜角は前記傾斜面（反射面）７ｂの傾斜角θより比較的大きい５０°に定めてある。換言すれば、第２の円錐形傾斜面（反射面）７ｆのテーパ角は８０°である。
【００４１】
音響整合層７Ａの前面の直径Φ１より大きい部分は、圧電セラミックス４の外径より比較的大径の位置にあるため、本来超音波の放射面としては機能しない。そして、図３の従来技術では、１．５往復ノイズを生起する反射面として好ましくない作用をするが、大きい傾斜角の第２の傾斜面（反射面）７ｆを形成することにより、音響整合層７Ａの前面の直径Φ１より大きい部分での反射によって発生する１．５往復ノイズを効果的に減らすことができる。
【００４２】
なお、図７で、円筒状金属ケース８Ａの主たる外径Φは、前記図２の従来技術における送受波器の円筒状金属ケース８の外径Φと同じであるが、実施例の金属ケース８Ａの基部には、取付用のつば部８ａが形成されている。このつば部８ａの外径は前記外径Φより大きい値Φ３に定めてある。また、ケース８Ａは音響整合層７Ａと同じ材料で整合層７Ａと一体構造にしても良い。
【００４３】
次に、図５（ａ）（ｂ）において、順方向伝播時間を測定するために、上流側の送受波器１７に図８に示す駆動パルス電圧を印加して、送受波器１７から中心軸（軸線）Ｘ−Ｘに沿って超音波を送信したときの、受信側の送受波器の作用について図９で説明する。上流側の送受波器１７から送信された超音波は被計測流体のガス中を中心軸（軸線）Ｘ−Ｘに沿って進行し、矢印Ａ，Ｂのように超音波整合層７Ａの円錐形傾斜面（反射面）７ｂへ入射する。
【００４４】
傾斜面（反射面）７ｂは、軸線Ｘ−Ｘに直角な平面Ｙ−Ｙに対して角度θだけ傾斜しているため、矢印Ａ，Ｂで示す超音波は、入射角と同じ反射角で反射して、矢印Ａ，Ｂと角度２θをなす方向、即ち矢印Ａ′，Ｂ′の方向へそれぞれ反射して流れと逆の上流方向へと帰る。しかし、反射波の向きは入射波Ａ，Ｂに対し、２θも方向が違うため、送受波器１８と離れて配設された送信側の送受波器１７の音響整合層の前面に入ることは殆どない。したがって、この反射波が１．５往復ノイズとなって、受信側の送受波器１８へ再度入射することは殆どなくなる。
【００４５】
図１０は、送信側の送受波器１７を時刻ｔ１でパルス駆動したときの受信側の送受波器１８で受信し増幅した後の受信波形を示す。ｔ１から到達時時間ｔ＋τだけ経過した時刻ｔ２に、本来の受信波（即ち直接波）２１が、また時刻ｔ１から到達時間ｔ＋τの３倍の３（ｔ＋τ）経過した時刻ｔ３に１．５往復ノイズ２２が受信されている。なお、この図１０では、送信を１回だけ時刻ｔ１に行って、そのときの本来の受信波２１とそのときの１．５往復ノイズだけを明瞭に示すようにしたが、実際に流量計として作動させるときは、順方向に複数回（ｎ回）の送受信を繰り返すので、本来の受信波２１と同じような受信波が時間ｔ２とｔ３の中間位置とか、時刻ｔ３の位置などに発生し、時刻ｔ３以後の受信波には１．５往復ノイズが重畳する。
【００４６】
図１１は、図１０の１．５往復ノイズ２２を拡大した波形図で、時間軸（横軸）と振幅（縦軸）とがいずれも１０倍に拡大してある。これらの図１０，１１で明らかなように、１．５往復ノイズ２２は比較的小さく抑制されている。本来の受信波２１の最大振幅と１．５往復ノイズ２２の最大振幅との比率は約５０で、いわばこの値、約５０がＳ／Ｎである。
【００４７】
因みに、図５、図６に示すガスメータの送受波器１７，１８を取り外して、図３に示す従来の構造の送受波器を送受波器１７，１８の代わりに取り付けたときの図１０，１１に対応する受信波形は図１２，１３のようで、本来の受信波の最大振幅と１．５往復ノイズの最大振幅の比で示すＳ／Ｎは約２０となった。なお、図１２，１３では１．５往復ノイズを符号２２′で示す。これらのデータから比較すると、図２の従来構造の送受波器を用いた場合のＳ／Ｎの値約２０が、図７の構造の本発明の実施例の送受波器を用いた場合にはＳ／Ｎが約５０となり、Ｓ／Ｎが２．５倍に改善された。
【００４８】
ところで、図７で説明したように、音響整合層７Ａの前面には、直径Φ２からΦの間に、第２の円錐形傾斜面（反射面）７ｆを形成し、その傾斜角を５０°という大きな値に定めたので、この傾斜面（反射面）７ｆに入射する超音波パルスＣ，Ｄは、図９に示すように、矢印Ｃ′，Ｄ′に示す方向に反射し、１．５往復ノイズとなる虞れはない。
【００４９】
上述のように、図７の構造の送受波器を用いることで、音響整合層７Ａの表面（前面）で反射して送信側へ戻り、更に送信側の送受波器で反射して受信側へ入射する１．５往復ノイズは，小さい面積の中央平面部７ｃと，環状平面部７ｄでの反射波だけとなるので、前述のように、いわゆるＳ／Ｎが大幅に改善され、１．５往復ノイズの悪影響による計測誤差を軽減できる。
【００５０】
なお、傾斜角θが小さすぎると、１．５往復ノイズを軽減する効果が減少するため、θは２°以上にすることが望ましい。また、音響整合層７Ａは、ガスメータのような気体流量計では、中空のガラス玉からなるガラスバルーンを混和した公知のエポキシ樹脂成形品を用いているが、傾斜角θをあまり大きくすると、超音波送受波器の主体特性である感度と指向性に悪影響を与えるので、１０°以下に定めるのが好ましい。
【００５１】
図１４に示すように、組立治具２３の上に音響整合層７Ａを、その前面（放射面）を下にして置き、整合層７Ａの後面７ｅに圧電セラミックス４を載置し、その上から治具２４を押し付けて、圧電セラミックス４を整合層７Ａに熱圧着して接着することで圧電セラミックス４を整合層７Ａに組み付けるが、整合層の機械的強度が小さいので、整合層７Ａが破壊する虞れがある。整合層７Ａの前面（図示下面）の中央平面部７ｃと環状平面部７ｄは同一平面内にあるので、従来の図３の送受波器を組み立てるときに用いた同じ形状の組立治具２３，２４を用いて、安全に送受波器の組み立てができる。即ち、組み立て時の安定性が確保できる。両平面部７ｃ，７ｄは組み立て治具２３を当てる当接面となる。
【００５２】
上記実施例１では、傾斜面（反射面）７ｂを、図７の断面形状を軸線Ｘ−Ｘの周りに回転させた回転体形状で形成し、軸線Ｘ−Ｘの周りに軸対称な形に形成したが、完全な円錐面に限ることはなく、円錐よう面とか、軸線Ｘ−Ｘの周りの軸対称ではない円錐ようの面等を含む円錐状面を用いることができる。
【００５３】
なお、上記実施例１では、反射面７ｂとして、図７と図９に符号７ｂで示す円錐形の曲面を用いているが、この円錐形の曲面の代わりに、該曲面を軸線Ｘ−Ｘを含む紙面に直角な平面内で１８０度回転させた逆様の円錐形の曲面、すなわちすりばち形の曲面を用いても良い。請求項で円錐状面と記載しているのは、このような逆様の円錐状面も含む。もっとも、逆様の円錐状面を使うときは、当接面としての中央平面部７ｃは不要なので、これは設けない。
【００５４】
［実施例２］
図１５，１６は、本発明の送受波器の他の実施例で、前記実施例１で説明した図７，９の送受波器とは反射面の形状だけが異なるので、同じ機能要素については、同じ符号を付けて、その説明を省略する。
【００５５】
この実施例２の送受波器では、図１５，１６に示すように、音響整合層７Ａの前面には、送受波器１８の中心軸Ｘ−Ｘ上に頂点７ｇを有する半径Ｒの球面の一部（以後これを球面部という）からなる傾斜面（反射面）７ｂが形成されている。傾斜面（反射面）としての球面部の傾斜角は（実施例１の円錐面の場合と異なり）中心軸Ｘ−Ｘからの距離ｒにより異なった値となる。即ち、傾斜角は、その位置における球面部の接平面と、軸線（中心軸）Ｘ−Ｘに直角な平面Ｙ−Ｙとの角度であり、前記距離ｒが大きくなる程大きな傾斜角となる。また、球面部の頂点７ｇは、音響整合層７Ａの後面７ｅから前方へ距離Ｂ４（最大厚み）の位置にあり、環状平面部７ｄと同一平面内にある。
【００５６】
そして、整合層の傾斜面（反射面）７ｂにおける最小厚みＢ３と前記最大厚みＢ４の平均値（Ｂ３＋Ｂ４）／２を波長の１／４である寸法Ｂ２に定めることで、超音波のエネルギー透過率を極大にするようにしている。数式で表現すると、（Ｂ３＋Ｂ４）／２＝Ｂ２＝λ／４としている。平均値Ｂ２の図１５上における傾斜面（反射面）７ｂ上での位置は、最小厚みＢ３と最大厚みＢ４の平均点を意味するとも言える。
【００５７】
上流側の送受波器１７から送信された超音波が、被計測流体のガス中を中心軸（軸線）Ｘ−Ｘに沿って進行し、超音波整合層７Ａの球面状傾斜面（反射面）７ｂへ図１６に示す矢印Ａ，Ｂのように、中心軸Ｘ−Ｘから距離ｒの位置へ入射すると、入射角と同じ反射角で反射して、矢印Ａ，Ｂとそれぞれ角度２βをなす方向、即ち矢印Ａ′，Ｂ′の方向へそれぞれ反射して流れと逆の上流方向へと帰る。しかし、反射波の向きは入射波Ａ，Ｂに対し、２βも方向が違うため、この反射波が１．５往復ノイズとなって、受信側の送受波器１８へ再度入射することは殆どなくなる。
【００５８】
もっとも、角度βは傾斜角であって中心軸Ｘ−Ｘからの距離ｒに応じて異なる値となり、ｒ＝０のとき、即ち中心軸Ｘ−Ｘ上では、傾斜角βは零、距離ｒが一番大きいｒ＝Φ１／２の位置で傾斜角βが最大値となるので、中心軸Ｘ−Ｘ上を伝播して受信側の送受波器１８の反射面に入射した超音波は１．５往復ノイズとなり得るが、そのエネルギーは小さく、それによる１．５往復ノイズの振幅は問題視する程大きくはない。そして、距離ｒが大きい位置に入射する超音波の変向角度２βは大きいため、１．５往復ノイズとはならない。
【００５９】
なお、この第２実施例では、頂点７ｇは厳密な意味では平面ではない。その意味では、図７，９で説明した実施例１のように組み立て時の当接面となる平面部７ｃを備えていないが、頂点７ｇは曲率半径Ｒの球面であるため、第２実施例の音響整合層７Ａに圧電セラミックス４を熱圧着する組み立て作業時には、図１４に示す実施例１の音響整合層７Ａの代わりに、第２実施例の図１５，１６の音響整合層７Ａを組立治具２３の上に置き、その頂点７ｇと環状平面部７ｄとを組立治具２３に当接して、安全に送受波器の組み立てができる。
【００６０】
上記実施例２では、傾斜面（反射面）７ｂを球面部で形成したが、球面部に限ることはなく、球面よう等の球面状部であってもよい。
【００６１】
［実施例３］
図１７，１８は、本発明の実施例３で、前記実施例１で説明した図７，９の送受波器とは反射面の形状だけが異なるので、同じ機能要素については、同じ符号を付けて、その説明を省略する。
この実施例３の送受波器では、図１７に示すように、音響整合層７Ｂの前面には、中心軸Ｘ−Ｘ上に頂点（頂部とも言える）７ｈを有する円錐形の傾斜面からなる反射面７１ｂが形成され、その外周に、円錐形の反射面７１ｂと同心的に逆様の円錐形７２ｂ、すなわちすりばち形の反射面７２ｂが形成され、該反射面７２ｂの外周が、幅Δｒの環状平面部７ｄと交わる稜線で直径Φ１の頂部７ｊを形成している。
【００６２】
符号７ｉは円錐形の反射面７１ｂの外径と逆様の円錐形の反射面７２ｂの内径との交わる稜線で形成された直径Φ１／２の円形の谷部である。音響整合層７Ｂの後面７ｅから谷部７ｉまでの距離は最小厚みのＢ３′である。音響整合層７Ｂの後面７ｅから頂部７ｊまでの距離は、項面７ｅから頂部７ｈまでの距離と同じで最大厚みＢ４′である。
【００６３】
最小厚みＢ３′と最大厚みＢ４′の平均値（Ｂ３′＋Ｂ４′）／２はＢ２で、この平均値Ｂ２を音響整合層内の超音波の波長の１／４であるλ／４に定めている。したがって、円錐形の反射面７１ｂと逆様の円錐形反射面７２ｂの中間部にλ／４の寸法Ｂ２がくることになる。こうすることで傾斜した２つの反射面７１ｂと７２ｂとの中間部に厚みがλ／４となるところができるため、λ／４と合う厚みの部分が実施例１の場合より増加し、実施例１の場合のほぼ２倍となる。その結果、この送受波器１８を送信側として使用するときの超音波のエネルギー透過率が実施例１よりも大きくなり、そのぶん送受波器としての効率と感度が向上する。
【００６４】
また、他方の送受波器１７から軸線Ｘ−Ｘに沿って矢印Ａ，Ｂのように反射面７１ｂに入射する超音波は、図１８のように反射面への入射角θの２倍の角度２θだけ方向を変えて反射され、矢印Ａ′，Ｂ′の方向へと変向する。θは反射面７１ｂの傾斜角でこの実施例では５°に定めている。矢印Ａ′，Ｂ′方向に反射した反射波は、軸線Ｘ−Ｘからそれて、離れた位置にある他方の送受波器の音響整合層の前面には入らない。そのため、１．５往復ノイズとならない。
【００６５】
同様に、軸線Ｘ−Ｘに沿って矢印Ｅ，Ｆのように反射面７２ｂに入射する超音波は、入射角の２倍の角度２θだけ方向を変え、矢印Ｅ′，Ｆ′の方向へと変向する。θは反射面７２ｂの傾斜角−５°の絶対値の５°である。この反射波Ｅ′，Ｆ′も、離れた位置にある他方の送受波器１７に近づくまでに、軸線Ｘ−Ｘからそれるため、送受波器１７の超音波整合層の前面に入射することはほとんどなく、１．５往復ノイズになることはほとんどない。
【００６６】
矢印Ｃ，Ｄのように第２の反射面７ｆに入射する超音波は前記実施例１の場合と同様に、矢印Ｃ′，Ｄ′の方向に反射されて、１．５往復ノイズとはならない。
なお、本実施例３で、当接面としての環状平面部７ｄをなくし、図１７に符号７ｆ′に示すように第２の反射面を形成すると、環状平面部７ｄによる反射波に起因する１．５往復ノイズが無くなるため、そのぶん計測のＳ／Ｎが向上する。
【００６７】
［実施例４］
図１９は本発明の実施例４で、傾斜した反射面を４つ備えている。即ち、傾斜角が５°の円錐形の反射面７１ｂと、傾斜角が−５°の逆様の円錐形（すりばち形）反射面７２ｂと、円錐形の一部で形成された傾斜角５°の反射面７３ｂと、傾斜角が−５°の逆様の円錐形（すりばち形）反射面７４ｂの４つの反射面で、これら４つの反射面は軸芯Ｘ−Ｘを中心とする同心に配設されている。
【００６８】
反射面７１ｂと反射面７２ｂの間（境界）になる谷部７ｉは直径がΦ１／４の円である。反射面７２ｂと反射面７３ｂの間（境界）になる頂部７ｊは直径がΦ１／２の円である。反射面７３ｂと反射面７４ｂの間（境界）になる谷部７ｉは直径がΦ１×（３／４）の円である。そして、反射面７４ｂの外周は、直径Φ１の頂部７ｊを形成している。
【００６９】
この実施例４では、音響整合層７Ｃの後面７ｅから、各谷部７ｉ，７ｊまでの距離は最小厚みで、音響整合層７Ｃの後面７ｅから各頂部７ｈ，７ｉ，７ｊまでの距離は最大厚みとなっている。そしてこれら最小厚みと最大厚みの平均の厚み、即ち平均値Ｂ２が音響整合層７Ｃ内の超音波の波長１／４であるλ／４に定めてある。
【００７０】
そのため、このλ／４の厚みになる部分が、４つの反射面７１ｂ，７２ｂ，７３ｂ，７４ｂの各中間部にでき、これら各中間部はいずれも該当する反射面の中間部に円形部として存在する。そのため、反射面のほとんどの領域をλ／４またはλ／４付近にすることができるため、送受波器としての効率（感度）を落とさずに、１．５往復ノイズを抑制できる。１．５往復ノイズを抑制する反射波の変向作用については、この実施例４の場合については図示してないが、実施例３の図１８の場合と同様で、図１８と比較して反射面７３ｂ，７４ｂが増えている点が違うものの、超音波の反射面における変向の様子は、実施例１や３の場合から容易に理解できるであろう。
【００７１】
［他の実施例］
ところで、送受波器１７，１８の前面、即ち整合層７Ａに形成した傾斜面（反射面）は、前述のように、上記実施例１のような円錐形の傾斜面（反射面）に限ることはなく、角錐状の傾斜面（反射面）でも良く、切妻屋根のように２つの傾斜平面をへの字形に合わせたものでも良い。
【００７２】
また、上記実施例では、対向する一対の送受波器の両方の前面に同じ形状の傾斜面（反射面）を具備したが、両送受波器の距離が大きいと、少しの傾斜角でも反射した超音波が両送受波器を結ぶ直線Ｘ−Ｘから大幅に離れて１．５往復ノイズを低減するため、対向配置した一対の送受波器の両方の反射面を傾斜させる代わりに、一方の送受波器のみに傾斜した反射面を設けるようにしても良い（請求項１）。
【００７３】
また、対向する両送受波器に反射面を設ける場合、両送受波器を同じ形状の反射面に限る必要はない。例えば、対向する送受波器の一方を実施例１（図７）の送受波器とし、他方を実施例４（図１９）の送受波器として組み合わせても良い。
【００７４】
更にまた、上記実施例では、計測部１９には計測用の流路１５を１つだけ設け、その上流側と下流側に送受波器１７と１８を対にして対向配置したが、大流量の超音波流量計では、計測用の流路を並列に複数設け、各流路に一対の送受波器を配設するとか、１つの計測用流路に複数対の送受波器を配設することも考えられる。請求項１で少なくとも一対の送受波器を設けると記載した理由はこのことにある。
【００７５】
【発明の効果】
本発明の超音波流量計は上述のように構成されているので、１．５往復ノイズを軽減でき、受信波のゼロクロスポイントの検知精度に１．５往復ノイズが悪影響を与える度合いが低減する。その結果、流量計としての計測精度が高くなる。
【００７６】
また、本発明の送受波器は、上述のように構成されているので、音響整合層の前面で反射する反射波を送受波器の中心軸からそらすことができるため、これを流量計に使用した場合に、１．５往復ノイズを低減できる。また、請求項１３の発明では、従来と同じ組立治具を用いて組立作業時の安定性を確保できる。
【００７７】
更に又、送受波器の反射面は超音波放射面としても作用するが、請求項２，８等の発明では、整合層における後面から反射面の中間部までの厚みを整合層内の超音波の波長のほぼ１／４に定めたので、整合層の成形寸法に多少のばらつきが出たとしても、反射面の途中（中間部）の厚みが波長の１／４となる。従って、送受波器の後加工をしなくても、超音波の出力を大きく維持でき、流量計の測定精度を保持でき、流量計の信頼性を上げることができる。
【００７８】
そして、請求項３や９等の発明では、反射面を複数設けたので、反射面の多くの領域をλ／４又はその付近にすることができるため、送受波器の効率や感度を落とさずに、１．５往復ノイズを抑制できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波流量計の原理を説明する略図。
【図２】受信波のゼロクロスポイントの検知方法を説明する図。
【図３】従来の超音波送受波器の縦断面図。
【図４】１．５往復ノイズによるゼロクロスポイントの誤差を説明する図。
【図５】本発明の超音波流量計の実施例で、（ａ）は縦断正面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ‐Ａ断面視図。
【図６】（ａ）は図５（ａ）のＢ‐Ｂ断面視図、（ｂ）は図５（ａ）のＣ‐Ｃ断面図。
【図７】図５、図６の実施例に用いる超音波送受波器の縦断面図。
【図８】送信側の超音波送受波器を駆動する駆動パルスの波形図。
【図９】本発明の実施例における送受波器前面での超音波の態様を説明する図。
【図１０】本発明の実施例における受信波形図。
【図１１】本発明の実施例における１．５往復ノイズの拡大図。
【図１２】従来技術における受信波形図。
【図１３】従来技術における１．５往復ノイズの拡大図。
【図１４】本発明の送受波器の組立方法を説明する縦断面図。
【図１５】本発明の送受波器の他の実施例の縦断面図。
【図１６】図１５の送受波器の反射面での超音波の反射態様を説明する図。
【図１７】本発明の実施例３の送受波器の縦断面拡大図。
【図１８】図１７の送受波器の反射面での超音波の反射態様を説明する図。
【図１９】本発明の実施例４の送受波器の縦断面拡大図。
【符号の説明】
１，２，１７，１８　　送受波器
４　　圧電セラミックス
７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ　　音響整合層
７ｂ，７１ｂ，７２ｂ，７３ｂ，７４ｂ　　傾斜した反射面
θ，β　　　傾斜角
７ｃ　　中央の平面部（当接面）
７ｄ　　環状平面部（当接面）
７ｅ　　音響整合層の後面
７ｆ，７ｆ′　第２の反射面
【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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