(57)【要約】【課題】  送波／受波の機能を分離することにより、極少量の流量計測にも対応できる高感度な超音波流量計を提供する。【解決手段】  伝搬経路Ｌ１とＬ２には経路差Ｌ３が設定されているため、超音波送波器２により、超音波伝搬部５ａ，５ｂに同時に送波された超音波は、およそ経路差Ｌ３の伝搬時間分の遅延時間により分離された超音波パルスとして超音波受波器３によって受波されため、送波時の信号漏れによる精度低下を抑制し、極少量の流量計測にも対応できる高感度な超音波流量計を実現する。【選択図】図１Ａ
2005127786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体の流路（９）を規定する管壁を有する管状流量測定部（１ａ）と、
上記流量測定部の管壁に囲まれた流路空間の外側に設けられ、超音波の送波を行う超音波送波器（２）と上記超音波の受波を行う超音波受波器（３）と、
上記超音波送波器あるいは／ならびに上記超音波受波器と上記流路空間との間に配置され、上記超音波の伝搬経路を形成する伝搬経路部（５ａ，５ｂ、６ａ，６ｂ）を備えた超音波流量計であって、
上記超音波送波器から上記超音波受波器までの上記超音波の伝搬経路が少なくとも２つあり、かつ、上記２つの上記伝搬経路が互いに異なる長さを有する超音波流量計。
【請求項２】
上記伝搬経路部と上記流路空間との間に音響窓（７ａ，７ｂ，８ａ，８ｃ）を備える請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
上記伝搬経路の長さの差が、上記超音波送波器及び超音波受波器が送受信する超音波パルス長よりも長い請求項１又は２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
上記音響窓がメッシュ構造より構成される請求項２又は３に記載の超音波流量計。
【請求項５】
上記音響窓が、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから形成されている請求項２あるいは３のいずれか１つに記載の超音波流量計。
【請求項６】
上記乾燥ゲルの密度は、５００ｋｇ／ｍ３以下であり、上記乾燥ゲルの平均細孔直径は、１００ｎｍ以下である請求項５に記載の超音波流量計。
【請求項７】
上記伝搬経路部の一部あるいは全部が上記伝搬経路部を満たす媒質とは音速の異なる物質で構成される請求項１又は６に記載の超音波流量計。
【請求項８】
上記音速の異なる物質が、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから形成されている請求項７に記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波により流体（例えば、水などの液体、又は、都市ガスなどの気体）の流量を計測する超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、所定の伝搬路を超音波が伝達する時間を計測することにより、流体の移動速度を測定し、その測定値から流量を計測する超音波流量計がガスメータや化学反応の制御等に利用されつつある。
【０００３】
以下、図６を参照しながら、従来の超音波流量計の測定原理を説明する（特許文献１参照）。図示されている超音波流量計では、管内の流体が速度Ｖにて図中の矢印で示す方向に流れている。超音波流量計の管壁１０３には、一対の超音波送受波器１０１及び１０２が相対して設置されている。超音波送受波器１０１及び１０２の各々は、電気エネルギを機械エネルギに変換するとともに、機械エネルギを電気エネルギに変化する変換素子（トランスデューサ）を備えている。この変換素子は、例えば、圧電セラミック等の圧電振動子で構成され、圧電ブザーや圧電発振子と同様に共振特性を示す。
【０００４】
まず、超音波送受波器１０１を超音波の送波器として用い、超音波送受波器１０２を超音波の受波器として用いる場合について、超音波流量計の動作を説明する。
【０００５】
超音波送受波器１０１の共振周波数近傍における周波数を持つ交流電圧を超音波送受波器１０１の圧電振動子に印加すると、超音波送受波器１０１は管内の流体中に超音波を放射する。この超音波は、伝搬経路Ｌ１に沿って伝搬し、超音波送受波器１０２に到達する。超音波送受波器１０２の圧電振動子は、この超音波を受けて電圧信号を出力する。
【０００６】
超音波送受波器１０２を超音波の送波器として動作させる。具体的には、超音波送受波器１０２の共振周波数近傍における周波数を持つ交流電圧を超音波送受波器１０２の圧電振動子に印加することにより、超音波送受波器１０２は管内の流体中に超音波を放射する。超音波は伝搬経路Ｌ２に沿って伝搬し、超音波送受波器１０１に到達する。超音波送受波器１０１の圧電振動子は、この超音波を受けて電圧信号を出力する。
【０００７】
このように、超音波送受波器１０１及び１０２は、それぞれ、１つの超音波振動子でありながら、受波器としての機能と送波器としての機能を果たすことができる。この超音波流量計では、連続的に交流電圧を印加すると超音波送受波器から連続的に超音波が放射されて伝搬時間を測定することが困難になるので、通常はパルス信号を搬送波とするバースト電圧信号を駆動電圧として用いる。
【０００８】
駆動用のバースト電圧信号を超音波送受波器１０１に印加して超音波送受波器１０１から超音波バースト信号を放射すると、この超音波バースト信号は距離がＬの伝搬経路Ｌ１を伝搬してｔ時間後に超音波送受波器１０２に到達する。
【０００９】
超音波送受波器１０２では伝達して来た超音波バースト信号のみを、高いＳ／Ｎ比で電気バースト信号に変換することができる。この電気バースト信号をトリガとして、再び超音波送受波器１０１に駆動用バースト電圧信号を印加して超音波バースト信号を放射する。
【００１０】
このような装置を「シング・アラウンド装置」と呼ぶ。また、超音波パルスが超音波送受波器１０１から超音波送受波器１０２に到達するまでに要する時間を「シング・アラウンド周期」といい、その逆数を「シング・アラウンド周波数」という。
【００１１】
図６の超音波流量計において、管の中を流れる流体の流速をＶ、流体中の超音波の速度をＣ、流体の流れる方向と超音波パルスの伝搬方向の角度をθとする。更に、超音波送受波器１０１を送波器、超音波送受波器１０２を受波器として用いたとき、超音波送受波器１０１から出た超音波パルスが超音波送受波器１０２に到達する時間（シング・アラウンド周期）をｔ１、シング・アラウンド周波数ｆ１とする。このとき、次式（１）が成立する。
【００１２】
ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ                ・・・（１）
逆に、超音波送受波器１０２を送波器として、超音波送受波器１０１を受波器として用いたときのシング・アラウンド周期をｔ２、シング・アラウンド周波数ｆ２とすれば、次式（２）の関係が成立する。
【００１３】
ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ                ・・・（２）
上記式（１）及び（２）に基づいて、両シング・アラウンド周波数の周波数差Δｆは、次式（３）で示される。
【００１４】
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ                    ・・・（３）
式（３）からわかるように、超音波の伝搬経路の距離Ｌ及び周波数差Δｆから、流体の流速Ｖを求めることができる。そして、流路断面積Ｓが決まっているため、流速Ｖから流量を決定することができる。
【００１５】
Ｑ＝Ｓ・Ｖ                                          ・・・（４）
【特許文献１】特許３３４１７２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、図６に示すような超音波流量計では、１対の超音波送受波器を送波と受波のモードで交互に使用するため、送受波のモードを切り替えるためのスイッチが必要になる。コストなどから多くの場合半導体スイッチが使用されるが、送波モードの超音波送受波器の駆動信号が切替スイッチ内で漏れ受波モードの超音波送受器を駆動してしまうために、微小な伝搬時間差しか得られない極低流量計測時に誤差を生じ計測に支障が出るという問題があった。
【００１７】
本発明の目的は、上記問題に鑑みてなされたものであり、極少量の流量計測にも対応できる高感度な超音波流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１９】
本発明の第１態様によれば、被測定流体の流路を規定する管壁を有する管状流量測定部と、
上記流量測定部の管壁に囲まれた流路空間の外側に設けられ、超音波の送波を行う超音波送波器と上記超音波の受波を行う超音波受波器と、
上記超音波送波器あるいは／ならびに上記超音波受波器と上記流路空間との間に配置され、上記超音波の伝搬経路を形成する伝搬経路部を備えた超音波流量計であって、
上記超音波送波器から上記超音波受波器までの上記超音波の伝搬経路が少なくとも２つあり、かつ、上記２つの上記伝搬経路が互いに異なる長さを有する超音波流量計を提供する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、送波時の信号漏れによる計測精度劣化を抑制し、極少量の流量計測にも対応できる高感度な超音波流量計を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施形態を説明する前に、まず、本発明の種々の態様について説明する。
【００２２】
本発明の第１態様によれば、被測定流体の流路を規定する管壁を有する管状流量測定部と、
上記流量測定部の管壁に囲まれた流路空間の外側に設けられ、超音波の送波を行う超音波送波器と上記超音波の受波を行う超音波受波器と、
上記超音波送波器あるいは／ならびに上記超音波受波器と上記流路空間との間に配置され、上記超音波の伝搬経路を形成する伝搬経路部を備えた超音波流量計であって、
上記超音波送波器から上記超音波受波器までの上記超音波の伝搬経路が少なくとも２つあり、かつ、上記２つの上記伝搬経路が互いに異なる長さを有する超音波流量計を提供する。
【００２３】
本発明の第２態様によれば、上記伝搬経路部と上記流路空間との間に音響窓を備える第１の態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００２４】
本発明の第３態様によれば、上記伝搬経路の長さの差が、上記超音波送波器及び超音波受波器が送受信する超音波パルス長よりも長い第１又は２の態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００２５】
本発明の第４態様によれば、上記音響窓がメッシュ構造より構成される第２又は３の態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００２６】
本発明の第５態様によれば、上記音響窓が、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから形成されている第２あるいは３のいずれか１つの態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００２７】
本発明の第６態様によれば、上記乾燥ゲルの密度は、５００ｋｇ／ｍ３以下であり、上記乾燥ゲルの平均細孔直径は、１００ｎｍ以下である第５の態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００２８】
本発明の第７態様によれば、上記伝搬経路部の一部あるいは全部が上記伝搬経路部を満たす媒質とは音速の異なる物質で構成される第１又は６の態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００２９】
本発明の第８態様によれば、上記音速の異なる物質が、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから形成されている第７の態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００３０】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。
【００３１】
（第１実施形態）
まず、図１Ａ〜図１Ｃを参照しながら、本発明の第１実施形態による超音波流量計を説明する。図１Ａは、第１実施形態における超音波流量計の長手方向に沿った断面を示している。また、図１Ｂ、図１Ｃは第１実施形態における超音波流量計の図１Ａ内のＡ−Ａ'における矩形の流路断面形状を示している。
【００３２】
図１Ａ〜図１Ｃにおいて、１は被測定流体すなわち超音波により計測すべき流体（例えば、水などの液体、又は、都市ガスなどの気体）の計測用流路９を規定する管壁を有する超音波流量計の管状流量測定部と、２は流量測定部１ａの管壁の外側に配置されかつ超音波の送波を行う超音波送波器、３は流量測定部１ａの管壁の外側に配置されかつ超音波送波器２から送波された超音波の受波を行う超音波受波器、５ａ，５ｂは流量測定部１ａの管壁の外側に配置された超音波送波器側の伝搬経路部、６ａ，６ｂは流量測定部１ａの管壁の外側に配置された超音波受波器側の伝搬経路部、４ａは流量測定部１ａの管壁沿いに配置されかつ上記超音波送波器２及び伝搬経路部５ａ，５ｂを内包する送波側のハウジング部、４ｂは流量測定部１ａの管壁沿いに送波側のハウジング部４ａに対向して配置されかつ上記超音波受波器３及び伝搬経路部６ａ，６ｂを内包する受波側のハウジング部、７ａ，７ｂは送波側のハウジング部４ａに対応して流量測定部１ａの管壁沿いに配置された送波側の音響窓、８ａ，８ｃは送波側の音響窓７ａ，７ｂに対向しかつ受波側のハウジング部４ｂに対応して流量測定部１ａの管壁沿いに配置された受波側の音響窓、９は上記流体が流れる計測用流路である。伝搬経路部５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂは、被測定流体で満たされている。
図１Ａ〜図１Ｃの構成において、計測用流路９の断面は、図１Ｂに示される矩形形状であっても、図１Ｃに示される円形であってもよい。
【００３３】
超音波送波器２は、図２Ａに示す駆動回路２００から駆動信号を供給されて超音波を伝搬経路部５ａ，５ｂに同時に送波する。
ここで、図２Ａに、駆動回路２００と計測回路２０１を含む全体のシステムブロック図を示す。図２Ａにおいて、駆動回路２００は、駆動パルス信号を発生する、パルス発生器などより構成されるパルス発生部２０２と、上記信号を増幅する、電力増幅器などより構成される電力増幅部２０３とで構成され、計測回路２０１は、受波電気信号を増幅又は帯域制限してＳ／Ｎ改善を図るプリアンプ＆フィルタ２０５と、波形の立ち上がり又は０クロス点を計測する波形計測部２０６と、波形計測部２０６によって計測された時刻を伝搬時間として計測するタイマー部として機能するタイマー回路２０７と、タイマー回路２０７の計測した伝搬時間から、流量を換算する流量換算部２０８とより構成される。全体を制御するコントローラー２１０からの指示で、タイミング発生部２１１からパルス発生部２０２とタイマー回路２０７にトリガ信号が供給され、超音波の送信及び伝搬時間の計測が開始される。
まず、超音波送波器２から伝搬経路部５ａに送波された超音波は、大略逆Ｚ字状の伝搬経路Ｌ１に沿って伝搬する。すなわち、まず、伝搬経路部５ａを直進した後に、ハウジング部４ａの一部に設けられかつ流量測定部１ａの長手方向に対して、音響窓７ａに到達可能な任意の角度（例えば、経路Ｌ１が流れに対して４５度の角度の場合、長手方向に対して６７．５度）だけ傾斜した反射面４ｇにより反射されて音響窓７ａに到達し、音響窓７ａを貫通して音響窓７ａから流量測定部１ａ内の計測用流路９内に放射される。
【００３４】
計測用流路９を伝搬経路Ｌ１に沿って斜めに伝搬した超音波は、受波側の音響窓８ｃを貫通し音響窓８ｃを経由して、伝搬経路部６ｂに侵入し、受波側のハウジング４ｂに設けられかつ流量測定部１ａの長手方向に対して、超音波受波器３に到達可能な任意の角度（例えば、経路Ｌ１が流れに対して４５度の角度の場合、長手方向に対して６７．５度）だけ傾斜した反射面４ｈにより反射されて、伝搬経路部６ｂ内を直進して超音波受波器３に到達して、超音波受波器３で電気信号に変換される。
【００３５】
一方、超音波送波器２から伝搬経路部５ｂに送波された超音波は、大略Ｚ字状の伝搬経路Ｌ２に沿って伝搬する。すなわち、伝搬経路Ｌ１の場合と同様に、伝搬経路５ｂを直進した後に、ハウジング部４ａの一部に設けられかつ流量測定部１ａの長手方向に対して、音響窓７ｂに到達可能な任意の角度（例えば、経路Ｌ２が流れに対して４５度の角度の場合、長手方向に対して６７．５度）だけ傾斜した反射面４ｉにより反射されて音響窓７ｂに到達し、音響窓７ｂを貫通して音響窓７ｂから流量測定部１ａ内の計測用流路９内に放射される。計測用流路９を伝搬経路Ｌ２に沿って斜めに伝搬した超音波は、受波側の音響窓８ａを貫通し音響窓８ａを経由して、伝搬経路部６ａに侵入し、受波側のハウジング４ｂに設けられかつ流量測定部１ａの長手方向に対して、超音波受波器３に到達可能な任意の角度（例えば、経路Ｌ２が流れに対して４５度の角度の場合、長手方向に対して６７．５度）だけ傾斜した反射面４ｊにより反射されて、伝搬経路部６ｂ内を直進して超音波受波器３に到達して、超音波受波器３によって電気信号に変換されて計測回路に出力される。
この第１実施形態の場合、超音波受波器３は、前後方向からの超音波を受波する構成である。
【００３６】
音響窓７ａ、７ｂ、８ａ，８ｃは、計測に十分な感度の超音波が透過できる素材で、かつ、計測用流路９の内部の被測定流体の流れが伝搬経路５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ内に流入あるいは流出して計測精度を低下させることを防ぐ機能を有しており、金属あるいは樹脂製のメッシュ材料や無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルで構成されていると好ましい。
【００３７】
音響窓７ａ、７ｂ、８ａ，８ｃとしてメッシュ材料を用いる場合は、例えば被測定流体が空気であり、使用される超音波の周波数が５００ｋＨｚである場合には、超音波の波長との関係から１００メッシュから５００メッシュ程度の粗さのメッシュ材料を使用すれば、メッシュ材自体の厚みは波長に対して十分に小さく透過率を確保しつつ、流体の流れの乱れを抑制することができる。
【００３８】
音響窓７ａ、７ｂ、８ａ，８ｃとして乾燥ゲルを用いる場合には、その密度は５００ｋｇ／ｍ３以下かつ、平均細孔直径が１００ｎｍ以下のナノ多孔体乾燥ゲル（ナノ多孔質乾燥ゲル）のものを用いる。
【００３９】
音響窓７ａ、７ｂ、８ａ，８ｃを例えばシリカを主成分とするナノ多孔体乾燥ゲルから形成する場合、その密度が２００ｋｇ／ｍ３であれば、超音波の音速を１００ｍ／ｓから１８０ｍ／ｓ程度の範囲に設定することができ、音響インピーダンスは、０．２Ｍｋｇ・ｍ−２・ｓ−１〜０．４Ｍｋｇ・ｍ−２・ｓ−ｌとなり、個体材料としては、極めて音響インピーダンスが小さい材料が構成できる。
【００４０】
音響窓７ａ、７ｂ、８ａ，８ｃの厚みを乾燥ゲル内の超音波の波長の１／２に設定することにより、他の材料に比べて良好な透過率を実現することができる。
【００４１】
なお、音響窓７ａ、７ｂ、８ａ，８ｃを無機酸化物の乾燥ゲルから構成するとき、無機酸化物の乾燥ゲルの固体骨格部は、少なくとも酸化ケイ素（シリカ）又は酸化アルミニウム（アルミナ）を成分とすることが好ましい。また、音響窓７ａ、７ｂ、８ａ，８ｃを有機高分子の乾燥ゲルから構成するとき、有機高分子の乾燥ゲルの固体骨格部は、一般的な熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂により構成することができ、例えば、ポリウレタン、ポリウレア、フェノール硬化樹脂、ポリアクリルアミド、ポリメタクリル酸メチルなどを用いることができる。
【００４２】
第１実施形態においては、伝搬経路Ｌ１とＬ２には、図示される経路差Ｌ３が設定されているため、超音波送波器２により、超音波伝搬部５ａ，５ｂに同時に送波された超音波は、およそ経路差Ｌ３の伝搬時間分の遅延時間により分離された超音波パルスとして超音波受波器３によって受波される。
【００４３】
図２Ｂは超音波受波器３による受波信号を示したもので、第１実施形態においては、伝搬経路Ｌ１による超音波パルスが先に超音波受波器３に到達し、経路差Ｌ３の伝搬時間にほぼ等しい遅延時間をもって、伝搬経路Ｌ２による超音波パルスが到達する。
【００４４】
経路差Ｌ３に起因する遅延時間に対して、超音波送波器２から送波される超音波パルスの継続時間が十分に短い場合には、伝搬経路Ｌ１、Ｌ２による２つの超音波パルスは、良好に分離されるため、これらのパルスの伝搬時間差を計測することによって、計測用流路９内の被測定流体の平均速度を推定し、流量に換算することが可能である。
【００４５】
伝搬経路Ｌ１の計測流路９内の超音波の実質伝搬長さをＬ、伝搬経路５ａ、５ｂ内の伝搬長を△Ｌ、非計測流体の平均流速をＶ、流体中の超音波の伝搬速度をＣ、超音波パルスの伝搬方向と流体の流れ方向のなす角度をθとすると、伝搬経路Ｌ１、伝搬経路Ｌ２に沿った超音波の伝搬時間Ｔ１、Ｔ２はそれぞれ
Ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）＋△Ｌ／Ｃ                ・・・・（５）
Ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）＋（△Ｌ＋Ｌ３）／Ｃ      ・・・・（６）
となる。
【００４６】
式（５）、式（６）において、超音波伝搬速度Ｃと流体の平均流速Ｖと以外は既知であり、したがって、式（５）、式（６）の連立方程式を解くことによって、超音波伝搬速度Ｃと流体の平均流速Ｖは独立に算出することができる。一般に、被測定流体が気体の場合には、伝搬速度の温度変化が顕著であるが、この場合には、平均流速Ｖは伝搬速度Ｃによらずに算出することができる。算出された平均流速Ｖから、計測用流路９内の断面積と、必要な場合には補正係数とを用いることにより、被測定流体の流量を換算できる。管内に流速分布が存在する場合や、その変化が大きな場合などに計測される平均流速が真の平均流速からずれる場合があり、そのような場合には、あらかじめ計測しておいた補正係数を用いる場合がある。
第１実施形態においては、超音波パルスを分離するために送波側の伝搬経路部５ａ，５ｂに伝搬経路差Ｌ３を設定し、下流から上流に向かう伝搬経路Ｌ２に遅延時間を持たせたが、伝搬経路Ｌ３は、受波側にのみ設定しても、あるいは送波側及び受波側の両方に設定してもかまわない。また、伝搬経路Ｌ１において、遅延時間を持たせる設定でもかまわない。
【００４７】
また、上記第１実施形態では、送波／受波の機能を超音波送波器２及び超音波受波器３に完全に分離しているために、送波／受波を切り替えるための切替スイッチが不要であり、切替スイッチ内での駆動信号の漏れによる計測精度低下が抑制できる。
【００４８】
さらに、上記第１実施形態では、送波／受波の機能を超音波送波器２及び超音波受波器３に完全に分離し担当させているために、例えば超音波送波器２は、内部に使用される超音波振動子を積層化して送波感度を向上させ、また超音波受波器３においては、圧電ｇ定数の大きな超音波振動子を採用して、受波感度を向上させれば、計測システムとしてのＳ／Ｎ比を大幅に改善でき、計測精度の向上が達成される。圧電ｇ定数は、一般的に使用されている圧電定数であるｇ、ｈ、ｅ、ｄの４つのうちの１つであり、入力歪みに対して発生する電圧の大きさを表すもので、一般的に受信時の感度を示すものである。
図３Ａ及び図３Ｂは第１実施形態における上記超音波送波器２を示している。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、１０は超音波送波器２に相当する超音波送波器、１１は超音波送波器１０の一対の音響整合層、１２は一対の音響整合層１１間に配置された積層型圧電素子、１３は積層型圧電素子１２内に配置された正負の積層電極、１４は正負の積層電極１３にそれぞれ接続された正負の電気端子、１５は一対の音響整合層１１と積層型圧電素子１２と正負の積層電極１３とを収納するホルダーケースを示している。
【００４９】
図３Ａ及び図３Ｂに示される構成において、積層型圧電素子１２は、例えば圧電セラミックなどの圧電材料を用い、正負の電極１３を複数個、その内部まで交互に積層した構造になっており、分極方向は各層で反転している。電気端子１４を介して、駆動回路２００から駆動信号が与えられると、駆動信号と同期して各層が同位相で機械振動を発生する。発生した機械振動は、駆動信号の周波数に音響的に整合した、すなわち、その周波数における超音波の波長の１／４の長さに調整された両側の音響整合層１１を介して、超音波として図３Ａの２つの矢印の方向に同時に被測定流体に送波される。
【００５０】
通常の超音波送受波器では、圧電素子の共振特性と音響整合層１１の整合特性を同一の周波数として、送波の効率を向上させるが、第１実施形態における超音波送波器１０では、積層型圧電素子１２は、送波する超音波の周波数に比較して、より高い共振周波数に設定し、自身の共振周波数よりも低い周波数で駆動することができる。
【００５１】
積層型圧電素子１２では、各層の厚さが薄く設定できるため、低電圧で強い電界強度を得ることができ、大きなひずみを発生できるため、共振モードで駆動しなくとも、積層数を適宜選択することにより、十分な効率で超音波を送波することができる。また、共振を使用しないことから、駆動終了後に不要なリンギングが抑制され、計測に都合のより短い超音波パルスを発生させることができ、計測精度の向上につながる。
【００５２】
また、図４Ａ及び図４Ｂは第１実施形態における上記超音波受波器３を示している。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、１６は上記超音波受波器３に相当する超音波受波器、１７は圧電素子、１８は超音波受波器１６の外部を取り囲む電極、１９は圧電素子１７を保持するとともに、電極１８と対になる電極と兼ねる金属板、２０は電極１８と金属板１９とにそれぞれ接続された正負の電気端子、２１は全体を保持するためのホルダーケースを示している。
図４Ａ及び図４Ｂにおける構成において、圧電素子１７は例えば、高分子圧電材料や圧電コンポジット材料などで構成されており、超音波の受信に有利な圧電ｇ定数が大きな材料により構成されている。図４Ａ及び図４Ｂでは、電極を兼ねる金属板１９の周囲に貼り付けられた構造になっており、超音波受波器１６の外部を電極１８で覆われている。超音波は、図４Ａ中の矢印の方向から到来し、電気信号として、電気端子２０を介して計測回路２０１に伝達される。
【００５３】
図４Ａ及び図４Ｂにおける構成の場合には、到来した音波は電極１８の表面で反射されることにより、到来超音波のほぼ２倍の音圧を直接圧電素子１７に伝えることになるため、従来使用されている送受信兼用の超音波送受波器に比べて高受信感度であり、また、圧電素子１７の共振特性よりも低い周波数で使用することにより、広帯域特性となり、到来超音波パルスの音圧変化をほぼ忠実に再現するため、より高感度の時間計測が実現できる。
【００５４】
（第２実施形態）
図５を参照しながら、本発明の第２実施形態による超音波流量計を説明する。図５は、第２実施形態における超音波流量計４１の長手方向に沿った断面を示している。第２実施形態と前述の第１実施形態との間で共通する部材について同様の参照符号を与えている。
【００５５】
以下、第２実施形態の超音波流量計４１に特徴的な点を説明し、第１実施形態における超音波流量計１と同様の部分については同じ符号を付して説明を省略する。
【００５６】
図５において、４２は伝搬経路部５ｂ内に設けられた音速の遅い部分である。音速の遅い部分４２を設けることにより、伝搬経路Ｌ１、Ｌ２の伝搬時間の差をより大きく設定することができ、超音波送波器２によって送波される超音波パルスの持続時間に余裕を持たせることができ、計測システムのＳ／Ｎ比の向上が達成できる。
【００５７】
この場合、音速の遅い部分４２は、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルで構成されていることが好ましい。音速の遅い部分４２を、シリカを主成分とするナノ多孔体乾燥ゲルから形成する場合、その密度が２００ｋｇ／ｍ３であれば、音速を１００ｍ／ｓから１８０ｍ／ｓ程度の範囲に設定することができるため、例えば空気からなる伝搬経路に対して、２から３倍程度の遅延時間を設定できる。
【００５８】
さらに、音速の遅い部分４２を特にシリカなどの無機酸化物から形成する場合には、空気などの気体に対して温度変化に伴う音速の変化が極めて小さいため、安定した遅延時間を得ることができ、広い温度範囲で高精度な流量計測が可能になる。
【００５９】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明にかかる超音波流量計は、送波時の信号漏れによる計測精度劣化を抑制し、極少量の流量計測にも対応できる高感度な超音波流量計を実現することができ、超音波により流体（例えば、水などの液体、又は、都市ガスなどの気体）の流量を計測する超音波流量計等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１Ａ】本発明第１実施形態にかかる超音波流量計の長手方向に沿った断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａ中のＡ−Ａ'における第１実施形態にかかる超音波流量計の長手方向に垂直な方向の断面の１例である。
【図１Ｃ】第１実施形態にかかる超音波流量計における流路断面の他のバリエーションである。
【図２Ａ】駆動回路と計測回路を含む全体のシステムブロック図である。
【図２Ｂ】超音波受波器による超音波パルスの受波の時間関係を示す図である。
【図３Ａ】第１実施形態にかかる超音波流量計における超音波送波器の構造図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示す、第１実施形態にかかる超音波流量計における超音波送波器の斜視図である。
【図４Ａ】第１実施形態にかかる超音波流量計における超音波受波器の構造図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示す、第１実施形態にかかる超音波流量計における超音波送波器の斜視図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかる超音波流量計の長手方向に沿った断面図である。
【図６】従来の超音波流量計の断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１          超音波流量計
１ａ        流量測定部
２          超音波送波器
３          超音波受波器
４ａ，４ｂ  ハウジング部
４ｇ，４ｈ，４ｉ，４ｊ  反射面
５ａ，５ｂ  伝搬経路部
６ａ，６ｂ  伝搬経路部
７ａ，７ｂ  音響窓
８ａ，８ｃ  音響窓
９          計測用流路
１０          超音波送波器
１１          音響整合層
１２          積層圧電素子
１３          積層電極
１４          電気端子
１５          ホルダーケース
１６          超音波受波器
１７          圧電素子
１８          電極
１９          金属板
２０          電気端子
２１          ホルダーケース
４１          超音波流量計
４２          音速の遅い材料
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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