(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性表面波素子を用いて、周囲を流れる流体の流速を求める流速計であって、
前記弾性表面波素子は、
弾性表面波を多重周回させて伝搬可能な円環状の伝搬面を有する３次元基材と、
その表面に形成されており前記流速計本体からの加熱制御信号に基づき、前記基材を加熱する加熱手段と、
前記流速計本体からの励起制御信号に基づき、前記伝搬面に弾性表面波を励起する励起手段と、
前記伝搬面を周回する該弾性表面波を検出して検出信号を出力する検出手段と
を備え、
前記流速計本体は、
前記弾性表面波素子と接続して、前記基材を加熱するように前記加熱手段に加熱制御信号を送出して制御する加熱制御手段と、
前記加熱手段により加熱された基材の伝搬面に、弾性表面波を励起するように前記励起手段に励起制御信号を送出して制御する励起制御手段と、
前記検出手段により出力される弾性表面波の検出信号から得られる周回速度あるいは位相情報から温度情報を取得する取得手段と、
前記検出信号のデータに基づいて、前記伝搬面の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段により得た温度情報と加熱量とに基づいて、前記物質の流速を算出する流速算出手段と
を備え、
前記流速計本体は、流体が流れる配管内にて使用され、３次元基材の表面を多重周回する弾性表面波の周回に伴う減衰量の測定に従って、流体の密度あるいは圧力の測定を行うことを可能にした
ことを特徴とする流速計。
【請求項２】
請求項１に記載の流速計に用いられる弾性表面波素子において、
前記加熱手段は、前記伝搬面に弾性表面波の周回に伴うエネルギーの熱的吸収により基材を加熱することを特徴とする弾性表面波素子を用いた流速計。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の流速計に用いられる弾性表面波素子において、
前記３次元基材は、前記伝搬面を内表面に有する空洞を具備することを特徴とする弾性表面波素子を用いた流速計。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか1項に記載の流速計に用いられる弾性表面波素子において、
前記３次元基材の円環状の伝搬表面は、球形状であることを特徴とする弾性表面波素子を用いた流速計。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか1項に記載の流速計に用いられる弾性表面波素子において、
前記３次元基材は、圧電材料からなり、
前記励起手段は、前記圧電材料の上に形成されたすだれ状電極よりなることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項６】
弾性表面波を多重周回させて伝搬可能な円環状の且つ球形の伝搬面を有する３次元基材と、前記基材を加熱制御信号に基づき加熱する加熱手段と、前記伝搬面に励起制御信号に基づき弾性表面波を励起する励起手段と、前記伝搬面を周回する弾性表面波を検出して検出信号を出力する検出手段とを備えた弾性表面波素子を用いた流速計測方法であって、
前記３次元基材を加熱するように前記加熱手段に加熱制御信号を送出して制御する加熱制御ステップと、
前記加熱手段により加熱された基材の伝搬面に、弾性表面波を励起するように前記励起手段に励起制御信号を送出して制御する励起制御ステップと、
前記検出手段により出力される弾性表面波の検出信号から得られる周回速度あるいは位相情報から温度情報を取得する取得ステップと、
前記検出信号のデータに基づいて、前記伝搬面の温度測定ステップと、
前記温度測定ステップにより得た温度情報と加熱量とに基づいて、前記物質の流速を算出する流速算出ステップと、
流体が流れる配管内にて、３次元基材の表面を多重周回する弾性表面波の周回に伴う減衰量の測定に従って、流体の密度あるいは圧力の測定を行うステップと
を備えたことを特徴とする流速計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波素子を用いた流速計に関し、例えば、耐久性を有し、圧力や密度の変化を検知可能な小型の流速計に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体の流れる速度を測定するものとして、一般大気を前提とした風速計がある。これは一種の流速計である。一方流量計とは、たとえば質量流量計は、一定時間にいくらの質量の気体が所定の断面を流動しているかを測定するものである。流量計と流速計は、流量計が一般には密度が大きく変化しない液体などを測定対象として、ある箇所から流れる総量を測定するものであるのに対して、流速計は、局所的なあるいはその分布として物質の移動速度を指す点が異なる。流体が流れる一定の断面を仮定してその断面法線方向に横切る速度と密度との積を断面にわたって積分した値が流量となる。
【０００３】
たとえば配管内部においては基材が配管断面を塞ぐことによって、基材表面を流れる流体の実際の速度は速くなるが、この速度は配管内部の基材が塞いでいない部位の配管断面にわたる断面垂直方向の流速の平均値とは異なる値を示すが、配管内を流れる流体の流速あるいは流量に変化に従って変化する。
【０００４】
本発明は、流量計測に用いることも可能であり、測定対象を流速、あるいは流量を測定対象とするかは区別せず、広い意味で流量を求める計測行為や、その装置を流速測定あるいは流速計と称することとする。基材が配置された空間において、流体の移動に伴って基材の持つ熱量の流出が起きることを利用して流れの程度を測定するものであればよい。
【０００５】
さらに、本発明は、実際の流速が一定であっても、周囲の流体の密度が変化したり、熱伝導率の異なる流体が流れても、その変化を失う熱量の変化として検知する。この場合にも、流体の流れの状況を、基材からの熱の流出速度をもって検知するものであれば其れを除外するものではない。
【０００６】
圧力が変化して密度が変わる場合に、流量計は当然異なる流量を指すが、流速はその媒体の移動速度が同じであれば同じ値を示す。気体を扱う場合、気体の運動量によって空間的に密度分布を生じることから、その流速分布を測定する必要が生じてくる。
【０００７】
つまり、流体の流れを制御したり、測定したりする場合に、流体の密度と流れとを独立に測定することが望まれている。
【０００８】
なお、流速に関しては、従来から熱線風速計などが知られている（例えば、特許文献１参照）。そこで、このような風速計を利用して配管内の水素ガス等の流速等を求めることも考えられている。
【特許文献１】特開２０００−２６６７７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、マイクロフルーイッドチップが非常に微量な液体材料を用いたプロセスとして研究されており、複雑なプロセスを小型に構成する研究も成されている。また、微量の気体材料を用いたプロセスも開発されている。微量のガス分析装置や臭い分析においては、ピストンやロータリー式のポンプを用いて非常に微量の気体の流量を制御するが、その流量を測定する装置を小型化することは難しい。
【００１０】
また、流速（流量）測定において、マイクロマシン技術を用いて、非常に小型のヒーターと非常に小型の温度測定機構とを作りこむことによって小型化が成されているが、耐久性に優れたより頑強なシステムが求められている。
【００１１】
しかしながら、上述したような従来の風速計（流速計）だけでは水素ガス等の質量流量を求めることができない。すなわち、配管内におけるガスの質量流量は、
質量流量＝（密度×断面積）×流速  …（１）
の式に基づいて求められる。密度は圧力にほぼ比例する。
【００１２】
このような事情から、流体の流れ（特に気体）を測定して制御しようとすると、密度、流速、流量のいずれか２つを測定しなければならない。流量計自体の大きさもさることながら、密度（圧力）を求めるための圧力計等も必要である。この結果、計測装置全体が大きくなってしまうという問題点が生じる。
【００１３】
計測装置全体が大きくなると、自動車等に搭載された配管の計測装置としては使用することができない場合も生じる。例えば、燃料電池を自動車の動力として搭載することを考えた場合、直径５ｍｍ以下の配管が必要とされる。そのため、計測装置において水素ガス等を直接測定するセンサー部分は直径５ｍｍ以下の大きさであることが求められる。この点、従来の風速計はセンサー部分が１ｃｍ程度もしくはそれ以上の大きさを有しており、配管に設置することが困難である。
【００１４】
また、水素ガス等の流量を測る流量計には耐久性が求められる。すなわち、水素ガスが漏れている場合に正確に流量値が測定できていないと、爆発の予測をすることができず極めて危険だからである。この点、従来の風速計のセンサー部分はワイヤーで構成されており壊れやすいものである。
【００１５】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、耐久性を有する小型の流速計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は上記課題を解決するために以下の手段を講じる。
【００１７】
請求項１に対応する発明は、弾性表面波素子を用いて、周囲を流れる流体の流速を求める流速計であって、前記弾性表面波素子は、弾性表面波を多重周回させて伝搬可能な円環状の伝搬面を有する３次元基材と、その表面に形成されており前記流速計本体からの加熱制御信号に基づき、前記基材を加熱する加熱手段と、前記流速計本体からの励起制御信号に基づき、前記伝搬面に弾性表面波を励起する励起手段と、前記伝搬面を周回する該弾性表面波を検出して検出信号を出力する検出手段とを備え、前記流速計本体は、前記弾性表面波素子と接続して、前記基材を加熱するように前記加熱手段に加熱制御信号を送出して制御する加熱制御手段と、前記加熱手段により加熱された基材の伝搬面に、弾性表面波を励起するように前記励起手段に励起制御信号を送出して制御する励起制御手段と、前記検出手段により出力される弾性表面波の検出信号から得られる周回速度あるいは位相情報から温度情報を取得する取得手段と、前記検出信号のデータに基づいて、前記伝搬面の温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段により得た温度情報と加熱量とに基づいて、前記物質の流速を算出する流速算出手段とを備え、前記流速計本体は、流体が流れる配管内にて使用され、３次元基材の表面を多重周回する弾性表面波の周回に伴う減衰量の測定に従って、流体の密度あるいは圧力の測定を行うことを可能にした流速計である。
【００１９】
請求項２に対応する発明は、請求項１に記載の流速計に用いられる弾性表面波素子において、前記加熱手段は、前記伝搬面に弾性表面波の周回に伴うエネルギーの熱的吸収により基材を加熱することを特徴とする弾性表面波素子を用いた流速計である。
【００２０】
請求項３に対応する発明は、請求項１または請求項２に記載の流速計に用いられる弾性表面波素子において、前記３次元基材は、前記伝搬面を内表面に有する空洞を具備することを特徴とする弾性表面波素子を用いた流速計である。
【００２１】
請求項４に対応する発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか1項に記載の流速計に用いられる弾性表面波素子において、前記３次元基材の円環状の伝搬表面は、球形状であることを特徴とする弾性表面波素子を用いた流速計である。
【００２２】
請求項５に対応する発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか1項に記載の流速計に用いられる弾性表面波素子において、前記３次元基材は、圧電材料からなり、前記励起手段は、前記圧電材料の上に形成されたすだれ状電極よりなることを特徴とする弾性表面波素子である。
【００２３】
請求項６に対応する発明は、弾性表面波を多重周回させて伝搬可能な円環状の且つ球形の伝搬面を有する３次元基材と、前記基材を加熱制御信号に基づき加熱する加熱手段と、前記伝搬面に励起制御信号に基づき弾性表面波を励起する励起手段と、前記伝搬面を周回する弾性表面波を検出して検出信号を出力する検出手段とを備えた弾性表面波素子を用いた流速計測方法であって、前記３次元基材を加熱するように前記加熱手段に加熱制御信号を送出して制御する加熱制御ステップと、前記加熱手段により加熱された基材の伝搬面に、弾性表面波を励起するように前記励起手段に励起制御信号を送出して制御する励起制御ステップと、前記検出手段により出力される弾性表面波の検出信号から得られる周回速度あるいは位相情報から温度情報を取得する取得ステップと、前記検出信号のデータに基づいて、前記伝搬面の温度測定ステップと、前記温度測定ステップにより得た温度情報と加熱量とに基づいて、前記物質の流速を算出する流速算出ステップと、流体が流れる配管内にて、３次元基材の表面を多重周回する弾性表面波の周回に伴う減衰量の測定に従って、流体の密度あるいは圧力の測定を行うステップとを備えた流速計測方法である。
【００２４】
＜用語＞
ここで、本発明において、「弾性表面波」と表記している波は、境界波、回廊波、内郭を周回する表面波、弾性表面波、漏洩弾性表面波、擬似弾性表面波、擬似漏洩弾性表面波等、球形表面にエネルギーを集中させて伝搬する弾性波全般を包含する。
【００２５】
たとえば配管内部においては基材が配管断面を塞ぐことによって、基材表面を流れる流体の実際の速度は速くなるが、この速度は配管内部の基材が塞いでいない部位の配管断面にわたる断面垂直方向の流速の平均値とは異なる値を示すが、配管内を流れる流体の流速あるいは流量に変化に従って変化する。
【００２６】
本発明は、流量計測に用いることも可能であり、測定対象を流速、あるいは流量を測定対象とするかは区別せず広い意味で流量を求める計測行為や、その装置を流速測定あるいは流速計と称することとする。基材が配置された空間において、流体の移動に伴って基材の持つ熱量の流出が起きることを利用して流れの程度を測定するものであればよい。
【００２７】
さらに、本発明は、実際の流速が一定であっても、周囲の流体の密度が変化したり、熱伝導率の異なる流体が流れても、その変化を失う熱量の変化として検知する。この場合にも、流体の流れの状況を、基材からの熱の流出速度をもって検知するものであれば其れを除外するものではない。
【００２８】
＜作用＞
従って、本発明は以上のような手段を講じたことにより、以下の作用を有する。
【００２９】
請求項１・６に係る発明によれば、弾性表面波素子を用いた流速計であって、基材を設定した温度にまで加熱するように制御する加熱制御手段と、加熱された基材の伝搬面に、弾性表面波を励起するように制御する励起制御手段と、弾性表面波の検出信号から得られる周回速度あるいは位相情報を取得する取得手段と、検出信号の位相のデータに基づいて、伝搬面の温度を測定する温度測定手段と、温度情報と加熱量とに基づいて、物質の流速を算出する流速算出手段とを備え、流速計本体は、流体が流れる配管内にて使用され、３次元基材の表面を多重周回する弾性表面波の周回に伴う減衰量の測定に従って、流体の密度あるいは圧力の測定を行うことを可能にした構成により、単一の弾性表面波素子からの検出信号のデータに基づいて配管内の物質の流速を算出することができる。すなわち、流速および圧力を単一の弾性表面波素子により算出しているので、小型の流速計を実現することができる。また、弾性表面波素子により流速および圧力を測定しているので、ワイヤーを用いた風速計等に比して、耐久性を有する。
【００３０】
また、温度算出手段は、伝搬面を伝搬する弾性表面波の伝搬速度（周回速度）から温度を算出するので、高精度に温度を求めることができる。すなわち、弾性表面波の伝搬速度はｐｐｍ単位で変化量を算出することができるので、温度測定においてもｐｐｍ単位で変化量を算出することができる。
【００３１】
また、請求項１・６に係る発明によれば、機体が流れる配管内にて、３次元基体の表面を多重周回する弾性表面波の周回に伴う減衰量の測定に従って、流体の密度あるいは圧力の測定を行うので、高精度に流速を測定できる。
【００３２】
請求項２に係る発明によれば、請求項１に対応する作用に加え、弾性表面波素子の加熱手段として、伝搬面に弾性表面波を周回させることにより基材を過熱するので、弾性表面波素子にヒーター等を設置する必要がなく、装置を簡易化することができる。
【００３３】
請求項３に係る発明によれば、請求項１・２に対応する作用に加え、弾性表面波素子の基材は伝搬面を内表面に有する空洞を具備するので、物質の進行を妨害せずに配管内の流量を測定することができる。
【００３４】
請求項４に係る発明によれば、請求項１〜３に対応する作用に加え、弾性表面波素子の基材は球形状であるので、配管内の物質の進行方向に沿って、弾性表面波を励起することができる。ゆえに、配管内の物質の進行方向に沿って流量を測定することができる。
【００３５】
請求項５に係る発明によれば、請求項１〜４に対応する作用に加え、弾性表面波素子の基材は圧電性結晶である水晶からなるので、伝搬面を形成するための圧電膜等を形成する必要が無く、弾性表面波素子を簡素化することができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、耐久性を有する小型の圧力あるいは密度計測も可能な流速計を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００３８】
＜第１の実施形態＞
（１−１．構成）
図１および図２は本発明の第１の実施形態に係る弾性表面波素子１０を用いた流速計２０の構成を示す模式図である。
【００３９】
ここで、弾性表面波素子１０を用いた流速計２０は、配管５内の物質６の流速を計測するために用いられる。
【００４０】
配管５は、気体の供給管であり、直径５ｍｍ程度のものである。球状弾性表面波素子の水晶球の直径は１ｍｍで、その周波数は約１５０ＭＨｚである。すだれ状電極の対数は１０本で、線幅及びスペースは約５マイクロメートルである。また電極の重なり幅は０．１２ｍｍである。図１においては結晶球の大きさを配管の径に対して相対的に大きく描きパターンを省略して描いている。なお、配管５としては、例えば、真空ガスプロセス装置の供給管等が挙げられる。なお、ここでは気体の供給管としているが、必ずしも気体に限らず液体の供給管であっても良い。
【００４１】
物質６は、空気や水素ガス等の気体である。他にも様々の気体を挙げることができる。また、必ずしも気体に限らず液体であっても良い。
【００４２】
弾性表面波素子１０は、基材１１の表面にヒーター１２とすだれ状電極１３とを形成したものである。また、弾性表面波素子１０は、設置台１４により配管５内に固定される。
【００４３】
基材１１は、弾性表面波が多重周回して伝搬することができる伝搬面１１Ｓを有するものである。具体的には、水晶やランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）及びそのファミリーや、LiNbO3・LiTaO3などの圧電性結晶でできた結晶球等を用いることができる。なお、結晶球の大きさは概ね１ｍｍ〜３ｍｍ程度が好ましいが、大きすぎると結晶球の熱容量が大きくなり応答性が悪くなる。
【００４４】
伝搬面１１Ｓにおいて、弾性表面波の伝搬速度（周回速度ともいう）は温度依存性を有する。例えば、弾性表面波の基材１１として水晶球を用いた場合、Ｚ軸シリンダーと呼ばれる弾性表面波の周回経路においては、約２５ｐｐｍ／℃の変化率で温度に対して伝搬速度が変化する。また、LiNbO3を用いた場合は、５２ｐｐｍ／℃の温度依存性を持つ。このような伝搬面１１Ｓの温度依存性に基づいて、伝搬速度の変化から伝搬面の温度を小数点２桁以下まで正確に測定することができる。
【００４５】
ヒーター１２は、基材１１を加熱するものである。具体的には、ヒーター電源１２Ｓが流量計２０（制御部２２）からの加熱制御信号を受ける。そして、この加熱制御信号に基づき、ヒーター１２の温度を制御して基材１１を加熱する。なお、ヒーター１２の材料としては様々な材料を用いることが出来る。ニクロム線材料や白金でもかまわない。成膜方法についても、蒸着やスパックでもかまわない。また、メッキ方法でも容易に作成可能である。パターン化もフォトリソグラフィー技術を用いて作成することができ、各種の印刷方法を採用出来る。また、基材１１をできるだけ均一に加熱するために、白金細線パターンを広い面積にわたり引き回すことが望ましい。
【００４６】
本実施形態における加熱用ヒーターは、Ｚ軸シリンダー経路の両側夫々に、以下の仕様のものを用いることができる。
【００４７】
密着性を挙げる為の僅かなクロム層のスパッタ上に金成膜を行ってライン幅５マイクロメートル、全長２５７０マイクロメートル、厚さ１〜１．５マイクロメートルとする。また、抵抗値は約１０オームとなる。なお、パターニングは、リフトオフ手法を用いる。
【００４８】
すだれ状電極１３は、伝搬面１１Ｓに弾性表面波を励起するものである。具体的には、高周波信号源１３Ｓが流量計２０（制御部２２）からの励起制御信号を受ける。そして、この励起制御信号に基づき、すだれ状電極１３にバースト信号を印加することで、伝搬面１１Ｓに弾性表面波（ＳＡＷ）が励起される。励起した弾性表面波は伝搬面１１Ｓを周回するようなる。それゆえ、すだれ状電極１３は、限られた領域において、実質的に長い距離、弾性表面波を伝搬させることができる。このように弾性表面波を長い距離伝搬させることにより、周回速度を高精度に測定することができ、その速度変化に基づいたセンサーを構成することができる。
【００４９】
また、すだれ状電極１３は、弾性表面波を励起する役目を持つと共に弾性表面波が伝搬面１１Ｓを周回した後、その弾性表面波を検出することも出来る。検出した弾性表面波は、検出信号として流量計２０（取得部２４）に出力される。なお、高周波信号１３Ｓからのバースト信号の入力と、流量計２０（取得部２４）への検出信号の出力とはサーキュレーター１５を介して行なわれる。
【００５０】
本実施例では励起手段と検出手段を一つのすだれ状電極によってかねさせている。
【００５１】
設置台１４は、弾性表面波素子１０を配管５に固定するものである。また、設置台１４を介して、弾性表面波素子１０と流量計２０の本体とは電気的に接続する。これにより、弾性表面波素子１０と流量計２０の本体とで信号の授受を行なうことができる。
【００５２】
流量計２０は、記憶部２１と入力部２２・制御部２３・取得部２４・温度算出部２５・放出熱量算出部２６・圧力算出部２７・流速算出部２８とを備える。
【００５３】
記憶部２１は、伝搬面１１Ｓを伝搬する弾性表面波の伝搬速度と伝搬面１１Ｓの温度とを対応付けた「テーブル１」を記憶する。配管５内の物質６の流速と伝搬面１１Ｓの温度の減衰率とを対応付けた「テーブル２」を記憶する。配管５内の物質６の圧力と参照信号の強度の減衰率とを対応付けた「テーブル３」を記憶する。さらに、記憶部２１は、配管５の断面積等の情報を記憶する。なお、これらの参照信号のデータやテーブルに記憶される情報等は、入力部２２により入力される。
【００５４】
入力部２２は、ヒーター１２の設定温度やすだれ状電極１３に高周波信号を入力するタイミング等の情報を入力するものである。入力された情報は制御部２３に送出される。また、流量計２０を使用する前に、参照信号の位相および強度のデータ等が入力部２２を介して入力され、これらの情報が記憶部２１に送出される。
【００５５】
制御部２３は、弾性表面波素子１０と電気的に接続して、ヒーター１２が設定温度になるように制御するものである。具体的には、入力部２２により入力されたヒーター１２の設定温度になるように、ヒーター電源１２Ｓに加熱制御信号を送出して制御する。
【００５６】
高周波信号源１３Ｓは励起制御信号を送出して、高周波信号を入力するタイミング等を調整する。
【００５７】
取得部２４は、すだれ状電極１３により弾性表面波が検出される度に、当該弾性表面波の検出信号の位相および強度のデータを取得するものである。また、取得した検出信号の位相のデータを温度算出部２５に送出し、検出信号の強度のデータを圧力算出部２７に送出する。
【００５８】
温度算出部２５は、検出信号の位相のデータを記憶部に記憶されたデータあるいは計算式とに基づいて、伝搬面１１Ｓの温度を算出するものである。この際、検出信号の位相のデータは取得部２４から受け取り、算出した伝搬面１１Ｓの温度のデータを放出熱量算出部２６に送出する。
【００５９】
なお、温度の算出方法は以下のとおりである。ここでは、図３を用いて説明する。
【００６０】
温度を算出するためには、まず、バースト信号をすだれ状電極１３に入力し、伝搬面１１Ｓに弾性表面波を励起して多重周回させる。その後、検出信号Ｌ１を取得する（図３（Ａ））。次に、検出信号Ｌ１のうち多重周回後の信号の位相と記憶部２１のテーブル１に記憶された温度Ｔにおける位相との位相差ΔＰを算出する（図３（Ｂ））。この位相差ΔＰに高周波信号源１３Ｓによるバースト信号の周期をかけて、伝搬速度の変化量ΔＶを求める。そして、伝搬速度の変化量ΔＶを弾性表面波の励起してから位相を測定するまでの伝搬時間で除すことで変化率を求め、さらに温度依存性を表わす比例定数で除して、温度変化量ΔＴを求める。この温度変化量ΔＴを温度Ｔに加えることにより、伝搬面１１Ｓの温度Ｔ＋ΔＴを求めることができる。なお、ここでは、バースト信号を印加してから周回数の小さい時刻の信号の位相変化を参考にすることで、２π以上の位相変化があったときもフェイズアンラップによって、十分なダイナミックレンジを確保しながら位相差を計算するので、高精度に温度を算出することができる。
【００６１】
また、本説明では、位相計測を指定した周回数における信号の位相によって測定するが、これらの位相変化は、弾性表面波の周回速度の測定と同値である。一方、弾性表面波の周回速度は、たとえば１周回する時間が、周回する弾性表面波の１周期の整数倍になるような周波数で励起する場合に、長い継続時間の励起信号をすだれ状電極に印加すると弾性表面波素子の周回経路上の弾性表面波は共振状態となり、非常に大きな出力をもたらす。このような周波数は弾性表面波の周回速度と反比例の関係になる。よって、特定の時刻における位相測定及びその変化を測定する代わりに、共振周波数を求めることで周回速度の変化を求め、もって温度計測を行っても本発明は其れを除外しない。
【００６２】
圧力算出部２７は、検出信号の強度のデータと記憶部に記憶された基準となる強度のデータとに基づいて、伝搬面１１Ｓの圧力を算出するものである。この際、検出信号の強度のデータは取得部２４から受け取り、算出した伝搬面１１Ｓの圧力のデータを流速算出部２８に送出する。
【００６３】
なお、弾性表面波のエネルギーの減衰量は周囲の圧力に影響を受ける。周囲の圧力が大きいと、図６に示すように、球表面を伝搬するレーリー波ＬＷは周囲にエネルギーを漏出してしまう。逆に、弾性表面波の周回にともなう信号の減衰量の大きさと圧力の値とを記憶部２１にテーブル３の形式で記憶しておくことにより、信号強度の減衰量から一義的に圧力を求めることができる。ここでは、図７に示すように、検出信号をカーブフィッティング（図７において減衰曲線Ｄ１，Ｄ２）して減衰率αを算出し、その減衰率から圧力を求める。ここでＣは任意の定数である。減衰率は常にこの式に従う必要はなく、周回に伴って弱くなる程度を計測できれば良く、例えば異なる周回数の信号間の強度の比率として求めても良い。
【００６４】
流速算出部２８は、伝搬面１１Ｓの温度のデータと圧力算出部のデータと記憶部２１に記憶されたテーブル２のデータと流体の初期温度に基づいて、配管５内の物質６の流速を求めるものである。
【００６５】
一般に固体表面から熱が気体に流出（放出）する際に、気体の密度が大きいとより多くの熱が運び去られる。よって、熱式の流速計が計る速度が、実際に周囲の流体の流れる速度と一対一に対応しなくなる。
【００６６】
さらに圧力（密度）が変化すると、流体の流れの分布（たとえば層流や乱流など）の違いから、熱の流出量はより多様に変化する。よって、流速の測定を熱の流出量から測定する場合、あるいは、熱の流出量が、密度×流速の積にある程度比例するからと言っても、その精度には限界が生じる。圧力（密度）の変化に対して、流速や流量などをより的確に把握して計測する為には、圧力（密度）を同時に計測して、圧力ごとに、熱の流出量（流出速度量）と流速あるいは流量との相関テーブルを記憶しておくことである。このように、圧力（密度）と熱の流出量の双方が測定できることは、プロセス管理において、流速測定あるいは質量流量の測定のいずれに対しても精度向上の効果をもたらす。
【００６７】
ここで、温度から流速を求める方法について説明する。
【００６８】
温度から流速を求める手法として、例えば熱式風速計が挙げられる。この熱式風速計では、風の冷却作用による放散熱量と同量の熱を風速素子に供給する。これにより、放散熱量と供給熱量とが平衡状態となり、風速素子の温度を一定に保つ。この際、供給熱量と風速とが対応するので、供給熱量を測定することにより風速を計測することができる。熱式風速計の具体的な構成は、図４に示すように、白金ワイヤーでできた風速素子Ｗ１に対してブリッジを構成したものである。この場合、風速素子Ｗ１の抵抗変化を抵抗Ｗ２の電圧変化として指示計で測定することにより供給熱量を測定することができる。
【００６９】
また、一定の熱量（電力）を発生（消費）させるように発熱体を制御しておき、周囲の流体の流動に伴う熱の喪失をその温度低下曲線あるいはその平衡温度によって計測出来る。平衡に達した温度と流速とを1対１に対応させる。
【００７０】
本実施形態についても従来の流速計と同様にさまざまな方法が採用できるが、流速の増加が素子からの熱の流出の増大に影響を与えることを利用している点は同じであり、公知の方法も上記のどちらの方法も採用できる。本実施形態に係る流量計においては、温度の減衰率から物質６の流速を計測する。
【００７１】
最も簡単には以下の手順により流速を計測する。まず、時刻ｔ０において、ヒーター１２を加熱すると、図５に示すように、時間とともにその温度（流体の温度との差）は上昇する。次に、時刻ｔ１において加熱を中止する。その後、時刻ｔ２，ｔ３，ｔ４…毎に、温度を測定する。これにより、時刻ｔに対する温度Ｔの減衰曲線Ｃ（図中Ｃ１，Ｃ２）をカーブフィッティングすることにより、減衰率を求めることができる。流体の圧力や密度などが一定の場合は、減衰率の値と流速の値とは一対一に対応しているので、予めテーブルの形式（本実施形態では、テーブル２に相当）でデータを記憶しておくことができる。そこで、テーブル２を参照することにより、ヒーター１２の温度の減衰率から物質６の流速を計測することができる。
【００７２】
流速算出部２８は、配管５内の物質６の流速を算出するものである。具体的には、温度算出部２５の情報と記憶部に記憶されていた流体の初期温度から放出熱量算出部２６が算出した熱の放出熱量速度量と圧力算出部２７により算出した圧力により流速を初めとする流体状況をより正確に検知することが出来る。
【００７３】
流体が気体の場合には、圧力（密度）が小さいと同じ流速であっても流体の密度に略比例して熱の放出速度が大きくなるために、圧力（密度）も同時に測定することが望まれる。圧力に従って、異なる熱の放出レベルと流速を対応づけるテーブルを用意できる。
【００７４】
一方、圧力が一定である場合には圧力を変数とせずに、熱の放出速度量（前述α値など）と流体の温度（加熱される前の温度あるいは川上で測定した流体の温度）とに従って流速を求める事が出来る。配管の形状や断面に従って、配管を流れる流量を求めることができる。
【００７５】
（１−２．動作）
次に、本実施形態に係る流量計２０の動作を図８のフローチャートを用いて説明する。
【００７６】
まず、流量計２０を用いて計測を行なう前に、入力部２２を介して記憶部２１にデータの初期設定を行なう（Ｓ１）。例えば、流体の温度、配管５の断面積やヒーター１２の温度の設定、バースト信号の入力タイミング、温度の計測時刻等の設定を行なう。
【００７７】
なお、前記した、初期設定における流体の温度測定を、周回する弾性表面波の位相や共振周波数によって測定できることは明らかである。また、流体の温度を測定する為に、別個の温度計を流体の川上に設置することが望まれ、（ヒーターを備えなくてもよい）別個の球状弾性表面波素子を用意することで正確な流体の温度測定を行うことが好ましい。
【００７８】
初期設定の後、ヒーター電源１２Ｓが制御されてヒーター１２が加熱される（Ｓ２）。これにより、ヒーター１２の温度は時間とともに比例して上昇する。ヒーター１２の温度が設定温度に達すると、ヒーター電源１２Ｓは加熱を停止する（Ｓ３）。
【００７９】
続いて、高周波信号源１３Ｓからバースト信号がすだれ状電極１３に入力される。これにより、弾性表面波が励起されて伝搬面１１Ｓを周回する。この際、弾性表面波が伝搬面１１Ｓを周回する度に、すだれ状電極１３を介して検出信号が出力される。出力された検出信号は取得部２４により順次取得される（Ｓ４）。
【００８０】
取得された検出信号の位相のデータは温度算出部２５に送出される。そして、送出された位相のデータに基づいて、周回速度の変化を求めることで温度算出部２５により伝搬面１１Ｓの温度変化が算出される（Ｓ５）。
【００８１】
なお、検出信号のデータの取得は、入力部２１により入力された全ての計測時刻に対する温度が算出されるまで行なわれる（Ｓ６−Ｎｏ）。
【００８２】
一方、検出信号のデータの取得が完了すると、放出熱量算出部２６により流体の加熱される前の本来の温度及び先に弾性表面波の周回速度から求めた素子表面の温度減衰率αが求められる（Ｓ６−Ｙｅｓ，Ｓ７）。詳しくは、ヒーター電源１２Ｓをオフにすると、図５に示すように伝搬面１１Ｓの温度は低下する。この際、伝搬面１１Ｓの周囲に物質が流れていると、その物体の流速に従って、ヒーターの温度が冷却していく。流速が早ければ、減衰曲線Ｃ１のように短時間で冷却され、流速が遅ければ、減衰曲線Ｃ２のように冷却するまで長い時間を要する。このように温度が冷却するまでの時間の違いから周囲の物質の流速を求める。
【００８３】
また、加熱を停止した時点における検出信号の波形に基づいて、圧力算出部２７により圧力が求められる（Ｓ８）。
【００８４】
そして、圧力算出部２７により求められた圧力及び放出熱量から流速が求められ、配管断面等の情報から物質６の質量流量が算出される（Ｓ９）。
【００８５】
（１−３．効果）
以上説明したように本実施形態に係る弾性表面波素子１０を用いた流量計２０は、配管５内の物質６および伝搬面１１Ｓの圧力と強度の減衰率とを対応付けて記憶する記憶部２１と、基材１１を設定した温度にまで加熱するように制御する制御部２３と、弾性表面波の検出信号の位相および強度のデータを取得する取得部２４と、検出信号の位相のデータの変化から、伝搬面１１Ｓの温度を算出する温度算出部２５と、検出信号の強度あるいはその減衰定数に基づいて、伝搬面１１Ｓの圧力を算出する圧力算出部２７とを備えた構成である。
【００８６】
すなわち、本実施形態においては、加熱用のヒーター１２とすだれ状電極１３とを同一の基材１１の表面上に形成することにより、温度を測定するとともに、圧力を測定し、且つ加熱する熱量とその温度変化を観測する機構を単一の弾性表面波素子１０に構成する。このように、単一の弾性表面波素子１０により流速および圧力を測定しているので、複雑な機構を有さずに小型の圧力、あるいはおよび密度等も計測可能な流速計２０を実現することができる。
【００８７】
また、弾性表面波素子１０の基材１１には水晶の結晶球等が用いられるので、ワイヤーを用いた風速計等に比して、耐久性を有する。この点、水晶の結晶球等の表面にヒーター１２を直接形成することから、従来の風速計等とは異なり線状の加熱ヒーターが存在しないので、計測装置が破壊されにくいことは明らかである。なお、水晶は圧電性結晶であることから、伝搬面１１Ｓを形成するための圧電膜等を形成する必要が無く、弾性表面波素子１０を簡素化することができる。加熱を要求されるこのような熱式流速計にとって圧電膜の剥離の心配の不要なこの構造は極めて有用であり好ましい。
【００８８】
また、本実施形態において、温度算出部２５は、伝搬面１１Ｓを伝搬する弾性表面波の伝搬速度から温度を算出するので、高精度に温度を求めることができる。すなわち、弾性表面波の伝搬速度はｐｐｍ単位で変化量を算出することができるので、温度測定においても０．０１度精度で変化量を算出することができる。それゆえ、高精度の温度測定を実施することができる。
【００８９】
また、本実施形態に係る弾性表面波素子１０の基材１１は球形状であるので、配管５内の物質６の移動に伴う。
【００９０】
なお、ヒーター１２を用いて基材１１を加熱するのではなく、伝搬面１１Ｓに弾性表面波を周回させることにより基材１１を加熱する構成としても良い。このような構成にすれば、装置を簡易化することができる。
【００９１】
なお、球状弾性表面波素子の出力を用いて温度計測する場合には、周回する全ての経路上の温度依存性(特に体積膨張率)の影響を受けて、弾性表面波の周回速度が決められる。よって、特定の箇所の温度ではなく、平均的な温度計測を可能にする。
【００９２】
また、水晶球を使った球状弾性表面波素子の場合には、例えば圧力が１気圧から０気圧に減ずる際のレーリー波の位相速度の低下は３０ｐｐｍ以下である。一方、温度に対しては、前記したように、１℃あたり２５ｐｐｍ変化する。このことから圧力の変化が所定の変化より小さい場合、位相の変化（＝周回速度の変化、あるいは共振周波数の変化）から温度を測定し、強度から圧力を測定することが可能である。
【００９３】
（実施例）
ここで、本実施形態に関連する実施例について述べる。
【００９４】
本実施例では、弾性表面波素子１０を用いて直径６ｍｍ配管における流速（流量）と温度との変化を計測した。
【００９５】
まず、ヒーター１２に対して、１Ｖの電圧を印加して約９５ｍＡの電流が流れ、温度が約１００℃で平衡状態に達した。温度測定は、バースト信号を印加して、弾性表面波の伝搬速度の変化から行った。
【００９６】
伝搬速度は空気（流体）の温度３０℃の状態で５１周目の波形を測定しておき、同じ波形の位置の時間的な移動（遅延時間）を求め周回速度の変化を０．２Ｌ／ｍｉｎから２Ｌ／ｍｉｎにＯＮとＯＦＦを繰り返しながら変化させたときの温度変化をモニターしたところ、図９に示すグラフを得ることができた。
【００９７】
流量が増えるに従って、平衡状態になる温度の変化を正確に測定していることがわかる。  図１０は、平衡状態に達する温度を周回速度変化率から温度低下値に換算してグラフにした図である。
【００９８】
このグラフにより、平衡に達した温度の値から流量（流速）が測定できることを示した。この実験の場合には配管に流す流量に対して、圧力が大気圧で一定であることから圧力測定の必要がなく容易に測定実施が可能で、温度測定精度に応じた高い精度での流量測定が可能になる。流速については、先に求めた流量を配管径で割ることで流速を求めることが可能である。
【００９９】
次に、同様の実験装置を圧力チャンバーに入れて、０．８気圧、及び０．６気圧に減じた際の図１０と同様に行った流量に対する低下温度を図１１に示している。圧力測定は、前もって１５０周回の信号の強度の変化（電圧）と圧力（気圧）との相関表（図１２）を用いて行った。圧力が減少すると空気の密度が減少して弾性表面波の周回に伴う強度値が減少する特性を利用した。減衰する前の強度が既知あるいは一定であれば任意の周回数（遅延時間）における強度を測定することで減衰定数αは簡易的に求まることを利用した。
【０１００】
圧力の減少に従って流量ＵＰに伴う温度低下量が減少していることがわかる。一般に、圧力に比例して素子表面から熱を奪う分子が多くなる為に圧力測定を行うことでより高精度の流量（流速）測定が可能であることを示している。  図９、図１０、図１１の横軸の流量は夫々の気体圧力状態における体積で定義された体積流量である。
【０１０１】
このように圧力に対して異なる温度低下と流量との対応曲線（テーブル）を用意できる。
【０１０２】
なお、本実施例では、一定の過熱を行うようにヒーターの制御部によって制御しているが、制御部は、温度算出部からの温度データに基づき、一定の温度に維持するように制御させ、入力部で入力する過熱のための電力（熱量）を測定することで素子の流体への熱喪失量を求めることも出来る。このような、一定の温度に素子を維持する為に必要な電力によって流速を測定する方法を採用しても、球状弾性表面波素子を使用する利点や上記した圧力測定が可能であることに変わりは無い。
【０１０３】
素子の流出熱量は、圧力（密度）と流速とに略比例することから、前記した強度（減衰率）変化測定による方法により圧力測定を行うことで気体の密度が算出でき、もって測定された熱の流失量から流速を測定することも可能であることは明らかである。
【０１０４】
＜第２の実施形態＞
図１３は本発明の第２の実施形態にかかる弾性表面波素子１０Ｘの構成を示す模式図である。なお、既に説明した部分と同一部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する。また、以下の各実施形態も同様にして重複した説明を省略する。
【０１０５】
本実施形態においては、基材１１ＸにＬｉＮｂＯ３を用いている。ＬｉＮｂＯ３は水晶とは異なり、弾性表面波の伝搬面１１Ｓを複数持つ。
【０１０６】
図１３には、３本の伝搬面１１Sを示しているが、３本内のひとつを強度測定（圧力測定）に、他を温度測定に使用することも可能である。尚、図では加熱用のヒーターパターンは省略している。ヒーターパターンは経路に対して出来るだけ交差しないようにすることが望まれるが、温度測定の為の周回速度の測定、また、これらの経路の何れかによる圧力測定を阻害しない程度に形成が可能である。このように、複数の経路を結晶球の表面に形成して温度を測定すれば、流体の流れる向きが変わっても素子の平均的な温度測定を可能にし正確な流速（流量）測定が可能になる利点を有する。
【０１０７】
＜第３の実施形態＞
図１４は本発明の第３の実施形態に係る弾性表面波素子１０Ｙの構成を示す模式図である。
【０１０８】
本実施形態においては、配管５内に弾性表面波素子を設置するのではなく、配管５内に球状の空洞（中空）を有する基材１１Ｙを設け、その壁面に、すだれ状電極１３を形成している。すなわち、伝搬面１１Ｓを内表面に有する空洞を具備する構造であるので、配管５内の物質６の進行を妨害せずに、流量を測定することができる。この例は弾性波によって加熱する方法であってヒーターはすだれ状電極がかねている。
【０１０９】
＜本発明に使用するヒーターの種類＞
なお、弾性表面波の伝搬経路に、弾性表面波のエネルギーを熱的に吸収させる、場合によっては効率よく弾性表面波のエネルギーを吸収して発熱するたとえば有機膜などを形成し、且つ、弾性表面波を励起するための高周波信号を図３に示すようなバースト信号よりも遥かに長い信号を入力することでヒーターの役割を果たさせることも可能である。弾性表面波のエネルギーによるその伝搬面の発熱についてについては公知であり、ここではこれ以上の説明を行わないが、記載した実施例において温度計測あるいは圧力計測（密度計測）にしか使用しなかったすだれ状電極に対して大きな電気的にエネルギーを投入するために、すだれ状電極の劣化や蒸発が起こりやすくなる。この対処として、すだれ状電極の電極パターンの繰り返し数を大きくして大きな面積で弾性表面波を励起することで負荷を減らす事が出来る。
【０１１０】
さらに、温度や圧力の計測の為に弾性表面波を励起検出するためのすだれ状電極と、上記加熱のためのヒーターとしてすだれ状電極を別々に形成してもよい。特に同一経路上に形成することによって、温度計測する経路と同じ経路を加熱可能であって、より高精度に流出する熱量計測を測定できるとともに、高速応答が期待できる。
【０１１１】
このように、本発明では、基材を加熱する方法として抵抗加熱のみに限っているものではない。場合によっては赤外線を弾性表面波の経路に導入して基材表面に形成したたとえば樹脂薄膜などの赤外線吸収膜を発熱体として利用することも可能なことは明白である。
【０１１２】
＜その他＞
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る弾性表面波素子１０を用いた流速計２０の構成を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態に係る弾性表面波素子を用いた流速計２０の構成を示す模式図である。
【図３】第１の実施形態に係る伝搬面１１Ｓの温度の算出方法を説明するための図である。
【図４】熱式風速計の構成の例を示す模式図である。
【図５】第１の実施形態に係る物質６の流速の算出方法を説明するための図である。
【図６】レーリー波のエネルギーの漏出と圧力との関係を説明するための図である。
【図７】第１の実施形態に係る圧力の算出方法を説明するための図である。
【図８】第１の実施形態に係る流速計２０の動作を説明するためのフローチャートである。
【図９】第１の実施例に関連する、５０周回目の弾性表面波信号を用いて測定した周回速度の変化率の流量を変えたときの変化を示した図である。
【図１０】第１の実施例に関連する、流量を変えるときの温度低下を示した図である。
【図１１】第１の実施例に使用した流量に対する低下温度を圧力を変えて測定した図である。
【図１２】第１の実施例に使用した球状弾性表面波素子の１５０周回目の信号の振幅値の圧力との相関を示した図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態にかかる弾性表面波素子１０Ｘの構成を示す模式図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る弾性表面波素子１０Ｙの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１１４】
５…配管、６…物質、１０・１０Ｘ・１０Ｙ…弾性表面波素子、１１・１１Ｘ・１１Ｙ…基材、１１Ｓ…伝搬面、１１Ｐ…回折パターン、１２…ヒーター、１２Ｓ…ヒーター電源、１３…すだれ状電極、１３Ｓ…高周波信号源、１４…設置台、１５…サーキュレーター、２０…流速計、２１…記憶部、２２…入力部、２３…制御部、２４…取得部、２５…温度算出部、２６…放出熱量算出部、２７…圧力算出部、２８…流速算出部、Ｗ１…風速素子。
【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】
0004634270.tif 000013
【図１３】
0004634270.tif 000014
【図１４】
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