(57)【要約】【課題】  コンパクトな構成としつつ、広い計測範囲と高い計測精度を兼ね備えた超音波流量計を提供する。【解決手段】  超音波流量計１００は、流体が流通する流通管１０の上流側と下流側とに超音波センサ２ａ，２ｂが配置されている。超音波センサ２ａ，２ｂは、圧電素子１３が音響整合層１５に接合された構造を有する。圧電素子１３は、分極軸方向の両側に位置する電極形成面１３ｐ，１３ｑが長方形（正方形を除く）をなす直方体の形態を有する。高流量時と低流量時とで、圧電素子１３の長辺方向の伸び振動モードの共振周波数ｆｒ１と、短辺方向の伸び振動モードの共振周波数ｆｒ２とを使い分けるようにした。【選択図】  図１
2005345445.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流通する流通管の上流側と下流側とに超音波センサが配置された超音波流量計において、
前記超音波センサは、圧電素子が音響整合層に接合された構造を有するものであり、
前記圧電素子は、分極軸方向の両側に位置する電極形成面が長方形（正方形を除く）をなす直方体の形態を有するものとされ、
高流量時と低流量時とで、前記圧電素子の長辺方向の伸び振動モードの共振周波数と、短辺方向の伸び振動モードの共振周波数とを使い分けるようにしたことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
流体が流通する流通管の上流側と下流側とに超音波センサが配置された超音波流量計において、
前記超音波センサは、圧電素子が音響整合層に接合された構造を有するものであり、
前記圧電素子は、分極軸方向の一方側かつ前記音響整合層と接続する側とは反対側の電極形成面が長方形（正方形を除く）をなす一方で、前記音響整合層と接続する側には当該圧電素子の長手方向と略直交する向きに延びる溝が形成されて、その溝の左右に分かれた電極形成面を有し、全体としては直方体の形態を呈しており、
高流量時と低流量時とで、その圧電素子の長さ方向伸び振動モードの共振周波数と、厚み方向振動モードの共振周波数とを使い分けるようにしたことを特徴とする超音波流量計。
【請求項３】
前記流通管の前記流体の流れ方向と垂直な断面は、前記超音波センサが位置する辺が短辺にあたる矩形状をなすものであり、
前記流通管の前記断面の短辺方向と前記圧電素子の前記電極形成面の長辺方向とが平行となるように、前記流通管のセンサ取り付け部に前記超音波センサが取り付けられている請求項１または２記載の超音波流量計。
【請求項４】
流体が流通する流通管の上流側と下流側に超音波センサが配置された超音波流量計において、
前記超音波センサは、板状の圧電素子が収容ケースの隔壁部に直接または接着剤を介して固定され、前記隔壁部を介在する形で反対側に音響整合層が配置された構造を有し、
無負荷時における前記圧電素子の厚み振動モードの基本共振周波数をｆ０、周波数ｆ０で前記隔壁部を伝搬する超音波の波長をλとしたとき、前記圧電素子の厚み振動モードの基本共振周波数がスプリットするように、前記隔壁部がｎ＊λ／２（ｎ：自然数）からずれた厚さに調整されていることを特徴とする超音波流量計。
【請求項５】
前記圧電素子の厚み振動モードの基本共振周波数が２分化するように、前記隔壁部の厚さがλ／２よりも小さく調整されている請求項４記載の超音波流量計。
【請求項６】
高流量時には、スプリットした前記厚み振動モードの基本共振周波数のうち低周波数側を用い、低流量時には高周波数側を用いて計測を行なうようにした請求項４または５記載の超音波流量計。
【請求項７】
低周波側の共振周波数をｆｒ１、高周波側の共振周波数をｆｒ２、周波数ｆ２で前記音響整合層を伝搬する超音波の波長をλ’、前記音響整合層の厚さをｔとしたとき、下式（Ａ）（Ｂ）を満足するように各部品の寸法調整がなされている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の超音波流量計。
ｆｒ２≒（２ｍ１＋１）＊ｆｒ１（ｍ１：自然数）…（Ａ）
ｔ≒（２ｍ２＋１）＊λ’／４（ｍ２：自然数）…（Ｂ）
【請求項８】
板状の圧電素子が収容ケースの隔壁部に直接または接着剤を介して固定され、
前記隔壁部を介在する形で反対側に音響整合層が配置された構造を有し、
無負荷時における前記圧電素子の厚み振動モードの基本共振周波数をｆ０、周波数ｆ０で前記隔壁部を伝搬する超音波の波長をλとしたとき、前記圧電素子の厚み振動モードの基本共振周波数をスプリットさせるために、前記隔壁部がｎ＊λ／２（ｎ：自然数）からずれた厚さに調整されていることを特徴とする超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流量計および超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、都市ガス、水などの流体の流量を計測する装置として、超音波流量計が知られている。超音波流量計のトランスデューサには、ＰＺＴなどの圧電セラミックからなる素子（圧電素子）に音響整合層を接合した構造の超音波センサが用いられる。
【０００３】
超音波流量計において、広い流量範囲にわたって高精度の計測を行なうための技術として、流量に応じて超音波の周波数を変化させる技術があることは知られている。周波数を可変とするために、従来から、異なる特性の複数の圧電素子を積層した構造を持つ超音波センサや、異なる特性の圧電素子をアレー状に配列させた構造を持つ超音波センサが採用されている。
【特許文献１】特開２０００−３４６６８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、都市ガス用途等の超音波流量計においては、流通管の外側に超音波センサを取り付ける、いわゆるクランプオン式を採用することが技術的に難しく、超音波センサを被計測流体（ガス）の通路に直接露出させる構造を採用する。そのため、超音波センサに割けるスペースや配置に制約があり、複数の圧電素子を持つような超音波センサを採用しづらい。また、圧電素子を複数持つ超音波センサを採用すると、制御や補正が複雑化するし、コスト高となる問題もある。制御や補正の複雑化は、計測精度向上の妨げになる。また、電池駆動が要求される超音波流量計は、低消費電力であることが重要であるから、制御の複雑化は、できれば避けたい。
【０００５】
また、流通管の側壁による超音波の反射作用が、しばしばＳ／Ｎ低下の原因、すなわち計測精度にとって障害となることが知られている。鋭い指向性の超音波を使えば、流通管内での反射の影響が小さくなるものの、今度は計測できる流量範囲が犠牲になる。なぜなら、鋭い指向性の超音波ほど、流体の流れによって送受信可能な範囲から逸れやすく、計測不能となる流量限界も早く訪れるからである。
【０００６】
このように、広い流量範囲にわたって高精度な計測を行なうことは、依然として超音波流量計の主要課題の一つとなっている。本発明の課題は、コンパクトな構成でありながら、広い流量範囲と高計測精度を兼ね備えた超音波流量計を提供することにある。また、そうした課題を持つ超音波流量計に好適な超音波センサを提供する。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明の超音波流量計は、流体が流通する流通管の上流側と下流側とに超音波センサが配置された超音波流量計において、超音波センサは、圧電素子が音響整合層に接合された構造を有するものであり、圧電素子は、分極軸方向の両側に位置する電極形成面が長方形（正方形を除く）をなす直方体の形態を有するものとされ、高流量時と低流量時とで、圧電素子の長辺方向の伸び振動モードの共振周波数と、短辺方向の伸び振動モードの共振周波数とを使い分けるようにしたことを主要な特徴とする。
【０００８】
上記本発明は、圧電素子の２方向の伸び振動モードを、各方向と垂直方向に取り出すように構成した超音波センサを用いるようにしたものである。電極形成面が長方形をなす場合、図４（ａ）（ｂ）に示すごとく、圧電素子１３は長辺方向の伸び振動モードと短辺方向の伸び振動モードとを持ち、各振動モードの共振周波数が相違する。つまり、１ペアの超音波センサのみで、しかも同一ポイントから高流量時と低流量時とで周波数を異ならせた計測を行なうことができ、計測できる流量範囲もその分広くなる。また、流量域に応じた複数の超音波センサ対を要しないので、超音波センサの占有スペースが小である。また、複数の超音波センサ対を用いるときよりも、制御や補正が単純であり、計測精度向上、計測回数削減、低消費電力化に有利である。なお、短辺方向の伸び振動モードと長辺方向の伸び振動モードを効率的に利用できるようにするためには、電極形成面の短辺と長辺の比が概ね１：３となるように、圧電素子の寸法調整がなされていることが望ましい。
【０００９】
一つの好適な態様において、流通管の流体の流れ方向と垂直な断面は、超音波センサが位置する辺が短辺にあたる矩形状をなすものであり、流通管の断面の短辺方向と圧電素子の電極形成面の長辺方向とが平行となるように、流通管のセンサ取り付け部に超音波センサが取り付けられている。図３に示すように、電極形成面が長方形である直方体の形態を有する圧電素子は、ある周波数における超音波の放射方向が短辺方向と長辺方向とで異方性を示す。具体的には、短辺方向の指向性は鈍く（図３（ａ））、長辺方向の指向性は鋭い（図３（ｂ））。この傾向は、使用する周波数が変化しても続く。したがって、流通管の断面の短辺方向と圧電素子の電極形成面の長辺方向とが平行となる配置の場合、流通管の短辺方向への超音波の拡がりを抑制できるため、壁面反射等による不要ノイズが抑制され、Ｓ／Ｎも良好なものとなる。また、流体の流れ方向に対しては、比較的指向性の鈍い超音波を伝搬させることになる。そのため、発振された超音波が受信側の超音波センサから逸れにくくなり、安定した受信感度特性が得られるとともに、計測できる流量（流速）の上限も高くなる。
【００１０】
なお、流通管の断面の短辺方向と圧電素子の電極形成面の長辺方向とが完全に平行であることは理想であるが、組立誤差等により多少ずれても本発明の有意な効果を得ることができる。たとえば、流通管の断面の短辺方向と圧電素子の電極形成面の長辺方向とのなす角度が±５°程度は平行であるものとみなすことができる。
【００１１】
また、課題を解決するために本発明の超音波流量計の第二は、流体が流通する流通管の上流側と下流側とに超音波センサが配置された超音波流量計において、超音波センサは、圧電素子が音響整合層に接合された構造を有するものであり、圧電素子は、分極軸方向の一方側かつ音響整合層と接続する側とは反対側の電極形成面が長方形（正方形を除く）をなす一方で、音響整合層と接続する側には当該圧電素子の長手方向と略直交する向きに延びる溝が形成されて、その溝の左右に分かれた電極形成面を有し、全体としては直方体の形態を呈しており、高流量時と低流量時とで、その圧電素子の長さ方向伸び振動モードの共振周波数と、厚み方向振動モードの共振周波数とを使い分けるようにしたことを主要な特徴とする。
【００１２】
上記本発明の超音波流量計において、超音波は圧電素子の溝の左右に分かれた電極形成面から取り出される。長さ方向伸び振動モードに関していえば、溝を設けることにより、長辺方向の伸び振動モードが著しく低減される。つまり、溝を設けることで長辺方向振動を低減させ、短辺方向振動のみを効率良く取り出し、この短辺方向振動と厚み振動を選択的に使用する。長辺方向振動は、その高調波が使用周波数帯域にほとんど影響しない（特に厚み振動へ影響しない）レベルにまで低減する。この結果、圧電素子の長さ方向伸び振動（短辺方向振動）を低周波数側として高流量時の計測を行ない、厚さ方向振動を高周波数側として低流量時の計測を行なうことができる。測定するべき流量域に応じた複数の超音波センサ対を要しないので、超音波センサの占有スペースが小である。また、複数の超音波センサ対を用いるときよりも、制御や補正が単純であり、計測精度向上、計測回数削減、低消費電力化に有利である。
【００１３】
また、流通管の断面の短辺方向と圧電素子の電極形成面の長辺方向とが平行となるように、流通管のセンサ取り付け部に超音波センサを取り付けるようにすることが、先に説明した理由、すなわち、流路側壁による超音波の反射をなるべく抑制するという観点から望ましい。図７、図８に示すごとく圧電素子２３に溝２３ｍを設け、短辺方向振動を効率良く取り出すようにする場合にも、各振動面２３ｐ，２３ｐは同位相で振動する。そのため、振動モードとしては短辺方向であるが、あたかも長辺の長さで音波が放射される形になる。この結果、流通管短辺方向に関する超音波の指向性は比較的鋭い状態が維持され、壁面での反射が抑制される。加えて、流れ方向には鈍い指向性を持つ。
【００１４】
また、課題を解決するために本発明の超音波流量計の第三は、流体が流通する流通管の上流側と下流側に超音波センサが配置された超音波流量計において、超音波センサは、板状の圧電素子が収容ケースの隔壁部に直接または接着剤を介して固定され、隔壁部を介在する形で反対側に音響整合層が配置された構造を有し、無負荷時における圧電素子の厚み振動モードの基本共振周波数をｆ０、周波数ｆ０で隔壁部を伝搬する超音波の波長をλとしたとき、圧電素子の厚み振動モードの基本共振周波数がスプリットするように、隔壁部がｎ＊λ／２（ｎ：自然数）からずれた厚さに調整されていることを主要な特徴とする。
【００１５】
一般に、板厚方向に分極軸方向を有する圧電素子の厚み方向に負荷を接合したとき、厚み振動モードの共振周波数は変化する。厚み振動モードの共振周波数がどのように変化するのかは、主として接合する負荷の材料物性（特には材料のヤング率）および負荷の厚みによって決まることが知られている。ただし、負荷の厚みがλ／２の整数倍のときは、材料物性に拠らず無負荷状態に一致し、理論的には共振周波数は変化しない。こうした知見から、圧電素子と音響整合層との間にケースの隔壁部が介在する場合には、ケースの隔壁部の厚さは減衰ロスが最も小さくなるλ／２に調整するか、もしくは無視できる程度まで薄くするのが通常である。
【００１６】
本発明はいわばその逆であり、積極的に厚み振動モードの共振周波数を変化（分散）させることに主眼を置いている。これによれば、１ペアの超音波センサのみで、周波数を異ならせた計測を容易に行なえ、計測可能な流量範囲を広くできる。また、複数の超音波センサ対を要しないので、超音波センサの占有スペースが小である。また、複数の超音波センサ対を用いるときよりも、制御や補正が単純であり、計測精度向上、計測回数削減、低消費電力化に有利である。
【００１７】
また、課題を解決するために本発明の超音波センサは、板状の圧電素子が収容ケースの隔壁部に直接または接着剤を介して固定され、隔壁部を介在する形で反対側に音響整合層が配置された構造を有し、無負荷時における圧電素子の厚み振動モードの基本共振周波数をｆ０、周波数ｆ０で隔壁部を伝搬する超音波の波長をλとしたとき、圧電素子の厚み振動モードの基本共振周波数をスプリットさせるために、隔壁部がｎ＊λ／２（ｎ：自然数）からずれた厚さに調整されていることを主要な特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は、一般住宅用ガスメータ等として用いられる超音波流量計１００の基本構成を示す。流通管１０には、流路１が形成されている。流路１には、ガスが流れ方向軸線Ｏに沿って図示の流れ方向に流通（平均流速ｖ）する。流通管１０の上流側と下流側には、一対のセンサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂが形成されている。センサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂには、超音波センサ２ａ，２ｂが個別に取り付けられている。超音波センサ２ａ，２ｂは流路１に露出しており、流路１を流れるガスと直接接する配置となっている。図１の実施形態では、超音波センサ２ａと２ｂは、流路１を隔てて反対側に位置しているが、同じ側に位置する形態もある。
【００１９】
流通管１０は、超音波センサ２ａ−超音波センサ２ｂ間において流れ方向軸線Ｏが直線状であり、軸断面の形状および断面積が流れ方向において同一に形成されている。測定対象がガスの場合、流通管１０の軸断面形状は、たとえば、円形状、楕円形状、正方形状、矩形状等のいずれを採用してもよい。本実施形態においては、図５に示すごとく、流通管１０は流れ方向軸Ｏと垂直な断面が矩形状であり、その断面のうち超音波センサ２ａ，２ｂの位置する辺が短辺１１ａ，１１ｂにあたる。
【００２０】
超音波センサ２ａ，２ｂは、圧電素子や音響整合層等で構成されたトランスデューサであり、これら超音波センサ２ａ，２ｂを発振させるための駆動電圧回路等から構成される送信手段２２、あるいは超音波センサ２ａ，２ｂの発生電圧を検出するための電圧検出回路等から構成される受信手段３２に接続される。超音波センサ２ａ，２ｂの接続先の切り替えは、アナログスイッチ等で構成される切替手段３によって行なわれる。切替手段３は、マイクロコンピュータ９によって制御される。たとえば、流れ方向上流側（超音波センサ２ａ側）から流れ方向下流側（超音波センサ２ｂ側）に向けて超音波を送信する場合には、超音波センサ２ａが送信側（発振元）となるので、切替手段３は、始め、送信手段２２と超音波センサ２ａとを接続し、受信手段３２と超音波センサ２ｂとを接続することとなる。
【００２１】
超音波流量計１００は、計測部として、超音波センサ２ａ，２ｂにより得られる超音波受信出力を増幅する増幅器５と、ゼロクロス法により出力波形から超音波到達時点を検出するゼロクロスポイント検出手段６と、マイクロコンピュータ９とを備える。受信波が増幅器５で増幅され、ゼロクロスポイント検出手段６に入力される。ゼロクロスポイント検出部５は、超音波センサ２ａ，２ｂの一方で発振された超音波が、他方で受信されたか否か検出する。受信波の検出には、いわゆるゼロクロス法が採用される。ゼロクロスポイント検出部５は、受信波を検出した旨の信号をマイクロコンピュータ９に入力する。時間計測手段としてのマイクロコンピュータ９は、ゼロクロスポイント検出手段６から信号取得に基づいて、超音波センサ２ａ，２ｂの一方が超音波を発振してから、他方がその超音波を受信するまでの直接到達時間を計測し、該計測結果より流量演算を行なう。
【００２２】
超音波流量計１００は、伝搬時間逆数差法により流量を計測する装置として構成されている。図１において、ガスの平均流速をｖ、ガス中を伝搬する音速をｃ、超音波の進行方向（超音波センサ２ａ，２ｂを結ぶライン）とガスの流れ方向（流れ方向軸線Ｏ）とのなす角をθ、超音波センサ２ａ−超音波センサ２ｂ間の距離をＨとすると、超音波が距離Ｈだけ伝搬するときの順方向到達時間Ｔｄおよび逆方向到達時間Ｔｕはそれぞれ次のように表わされる。
Ｔｄ＝Ｈ／（ｃ＋ｖ・ｃｏｓθ）…（１）
Ｔｕ＝Ｈ／（ｃ−ｖ・ｃｏｓθ）…（２）
（１）、（２）式の逆数をとり、その差をとれば次式が得られる。
１／Ｔｄ−１／Ｔｕ＝２ｖ・ｃｏｓθ／Ｈ…（３）
したがって、順方向到達時間Ｔｄと逆方向到達時間Ｔｕの測定から、ガスの平均流速ｖと流量Ｑが次式により求められる。“Ａ”は流路１の断面積である。
ｖ＝（１／２Ｔｄ−１／２Ｔｕ）Ｈ／ｃｏｓθ…（４）
Ｑ＝ｖ・Ａ…（５）
このように、ガスの温度・含有成分等に依存する音速ｃを（４）式から消去することで、測定値（到達時間Ｔｄ，Ｔｕ）と一定値（Ｈ，θ）とから流速ｖが得られる利点を有している。
【００２３】
次に、図２に示すのは、超音波センサ２ａ，２ｂの要部上面図（上段）および断面図（下段）である。超音波センサ２ａ，２ｂは、圧電素子１３が音響整合層１５に接合された構造を有する。音響整合層１５の外周縁部には、圧電素子１３を取り囲む形で筒状の収容ケース１７が固定されており、圧電素子１３の側面と、収容ケース１７の内周面とが向かい合う配置になっている。圧電素子１３と音響整合層１５とは、エポキシ系などの接着剤にて接合されている。
【００２４】
圧電素子１３は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系の圧電セラミックにて構成されており、音響整合層１５との接合面およびそれと平行な面が電極形成面１３ｐ，１３ｑ（電極が形成されている面）となっている。ＰＺＴの他にも、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛などを使用することもある。圧電素子１３の分極軸方向は、電極形成面１３ｐ，１３ｑと直交する方向である。電極材料には、一般には銀などの良導性金属が使用される。電極形成面１３ｐ，１３ｑには、電圧印加用および受信波取り出し用のリードが半田等で接続されるが、図２では省略している。また、圧電素子１３は、電極形成面１３ｐ，１３ｑが長方形（正方形を除く）をなす直方体の形状に成形されている。
【００２５】
音響整合層１５は、エポキシ樹脂などの樹脂材料にガラスバルーンを混入し、円板状に成形したものである。音響整合層１５の音響インピーダンスは、超音波の伝達効率を向上させるために、圧電素子１３と媒質（ガス）の音響インピーダンスの幾何平均になるべく近くなるように調整されている。目的とする音響インピーダンスを得るために、ガラスバルーンを混入しない樹脂材料で音響整合層１５を構成することもある。また、ケース１７は、オーステナイト系ステンレス鋼やアルミニウム合金など耐食性に優れる金属材料や、エンジニアリングプラスチックが成形されたものである。
【００２６】
さて、本発明にかかる超音波流量計１００は、図２に示す超音波センサ２ａ，２ｂを用いることにより、高流量時と低流量時とで超音波の周波数を異ならせた計測を行なうように構成されている。具体的には、超音波センサ２ａ，２ｂの長辺方向の伸び振動モードの共振周波数ｆｒ１を高流量時に使用し、短辺方向の伸び振動モードの共振周波数ｆｒ２を低流量時に使用する。これにより、低流量から高流量まで、広い流量範囲にわたって高計測精度が得られる。長辺方向の伸び振動モードは、図４（ａ）に示すように振動方向が分極軸方向に垂直なモードの一つである。また、短辺方向の伸び振動モードは、図４（ｂ）に示すように振動方向が分極軸方向に垂直なモードの他の一つである。
【００２７】
方形板状の圧電素子１３で通常用いられる共振周波数は、長さ方向伸び振動モードとして表わされる長辺方向の伸び振動モードのものである。本発明では、長辺方向のみならず、短辺方向の伸び振動モードの共振周波数ｆｒ２を積極的に使用する。各共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２に対応した駆動パルスは、マイクロコンピュータ９、該マイクロコンピュータ９によって制御される送信手段２２によって生成される。この場合、送信手段２２は、ＶＣＯ（電圧制御発振器）を含むものとして構成される。
【００２８】
ただし、全く出鱈目な条件では各振動モードで効率よく超音波を取り出すことは難しい。そこで、以下のように超音波センサ２ａ，２ｂの各部品寸法等を調整することで、２つの伸び振動モードの共振周波数による超音波を効率良く取り出せるようにする。いま、低周波数側となる長辺方向の伸び振動モードの共振周波数をｆｒ１、高周波数側となる短辺方向の共振周波数をｆｒ２とする。そして、周波数ｆｒ２で音響整合層１５を伝搬する超音波の波長をλ’、音響整合層１５の厚さをｔ１とする。なお、短辺方向は、図２に示すごとく、電極形成面の短辺１３ｓと平行な方向である。長辺方向は、電極形成面の長辺１３ｒと平行な方向である。
【００２９】
音響整合層１５のマッチング条件を考慮すると、下式（Ａ）（Ｂ）を満足するように各部品を構成したときに、一つの音響整合層１５の厚みに対して、２つの異なる周波数が同時に整合する。すなわち、音響整合層１５は、低周波数側の共振周波数ｆｒ１と、高周波数側の共振周波数ｆｒ２とのいずれであっても整合する厚さｔ１に調整がなされている。
ｆｒ２≒（２ｍ１＋１）＊ｆｒ１（ｍ１：自然数）…（Ａ）
ｔ１≒（２ｍ２＋１）＊λ’／４（ｍ２：自然数）…（Ｂ）
【００３０】
本発明の超音波流量計１００ではＫＨｚ帯の超音波を用いることや、減衰ロスを小さくするために音響整合層１５の厚みｔ１をできる限り薄くするのが望ましい。このことを考慮すれば、ｍ１＝１かつｍ２＝１、つまり周波数比を概ね１：３かつ音響整合層１５の厚みｔ１を３λ’／４に調整するのが現実的である。なお、ｆｒ２＝３＊ｆｒ１を満足することが理想であるが、ある程度の幅があっても本発明の目的は達成できる。共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２の値や音響整合層１５の厚さｔ１は、音響整合層１５の材料特性、計測するべき媒質、接合用の接着剤、電極等、様々な要因によって微妙に変化するので、一概には決めにくいという事情を考えると、たとえば、ｆｒ２＝（３±０．１８）＊ｆｒ１、ｔ１＝（３／４±０．０２２）λ’といった範囲が、発明の目的を達成しうる現実的な範囲であるといえよう。
【００３１】
より具体的な目安として、市販されている超音波センサ用のＰＺＴ圧電素子を用い、長辺方向の伸び振動モードの共振周波数ｆｒ１を１２０ＫＨｚ〜１９０ＫＨｚ、短辺方向の伸び振動モードの共振周波数ｆｒ２を３３０ＫＨｚ〜５３０ＫＨｚ、共振周波数差を２２０ＫＨｚ〜４２０ＫＨｚに設定する場合、たとえば以下のような条件内で、最適なポイントを探すとよいであろう。
【００３２】
＜圧電素子＞
長辺寸法：Ｌ１＝８．５ｍｍ〜１５．５ｍｍ
短辺寸法：Ｗ１＝３．０ｍｍ〜６．３ｍｍ
素子厚み：Ｔ１＝０．５ｍｍ〜３．７５ｍｍ
＜音響整合層＞
音響インピーダンス：Ｚ１＝０．６５Ｋｇ／ｍ２・ｓ〜２．７０Ｋｇ／ｍ２・ｓ
整合層厚み：ｔ１＝１．５ｍｍ〜５．５ｍｍ
【００３３】
先にも述べたように、最適な共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２や音響整合層１５の厚さｔ１を画一的に導き出すことは難しいが、圧電素子１３の短辺１３ｓと長辺１３ｒの比を、１：２．７〜１：３．２（概ね１：３）に設定すれば、共振周波数差（ｆｒ２−ｆｒ１）２２０ＫＨｚ〜４２０ＫＨｚで、短辺方向の伸び振動モード、長辺方向の伸び振動モード、ともに効率よく取り出せる条件を比較的容易に見出せる。共振周波数差が２２０ＫＨｚ〜４２０ＫＨｚの範囲にあると、高精度計測と広い流量範囲とを両立しやすい。また、上記の寸法範囲では、圧電素子１３の厚みＴ１が短辺寸法Ｗ１に一致する、もしくは上回る場合があるが、そのような場合でも好適な条件を見出すことが可能である。すなわち、圧電素子１３は板状には限定されない。
【００３４】
さて、以上に説明してきた圧電素子１３を用いる場合、発射される超音波は異方性を持つことになる。その様子を概念的に示すのが図３である。図３（ａ）が短辺方向の指向性を示しており、図３（ｂ）が長辺方向の指向性を示している。長辺方向の指向性は鋭く、短辺方向の指向性は鈍い。このような場合、超音波センサ２ａ，２ｂをセンサ取り付け部１０ａ，１０にそれぞれ取り付けた状態での、流通管１０に対する圧電素子１３の姿勢が重要になる。
【００３５】
先に、図５で説明した通り、流通管１０が断面矩形状であり、その断面の短辺１１ａ，１１ｂにあたる位置に超音波センサ２ａ，２ｂが配置されていることを説明した。図６は、図５とは視点を変えて観たときの流通管１０及び超音波センサ２ａ，２ｂの分解斜視図である。この図６に示すように、流通管１０の断面の短辺方向ＷＬと、圧電素子１３の電極形成面１３ｐの長辺１３ｒとが平行となるように、流通管１０のセンサ取り付け部１０ａ，１０ｂに超音波センサ２ａ，２ｂを取り付ける。
【００３６】
すると、発振された超音波が受信側の超音波センサから逸れにくくなるから、安定した受信感度特性が得られるとともに、計測できる流量範囲の上限もアップする。同時に、流路壁面による不要ノイズは抑制され、Ｓ／Ｎが向上し、計測精度も高まる。もちろん、使用する超音波の周波数によって指向性も変化するが、図３に示す傾向自体は続く。したがって、使用する超音波の周波数が複数か単一かに拠らず、図６の配置は好適である。
【００３７】
また、図６で説明した配置と併せて、次のような配置を採用すれば、高流量時において超音波が受信側の超音波センサから逸れる問題を緩和できる。いま、図１等で示すごとく、（１）上流側の超音波センサ２ａの送受信面（音響整合層１５の主表面）と、下流側の超音波センサ２ｂの送受信面が平行になるように配置する場合、もしくは（２）上流側と下流側の超音波センサを流通管１０の同一側つまり一対の超音波センサの送受信面のなす角度が９０°になるように配置する場合を考える。これら（１）（２）の場合、流れがゼロのときに受信感度のピークがきてしまう。
【００３８】
そこで、図１２に示すごとく、一定の流速のときに受信感度のピークが到来するように、上流側の超音波センサ２ａの送受信面の法線方向と、下流側の超音波センサ２ｂの送受信面の法線方向とをずらした配置とする。上流側と下流側の超音波センサを流通管１０の同一側に配置する形態の場合は、上流側の超音波センサの送受信面の法線方向と、下流側の超音波センサの送受信面の法線方向とのなす角度が９０°よりも小さくなるよう、各超音波センサの配置調整を行なう。このようにすれば、図６で説明した構成と相俟って、高流量側における計測限界の拡大が望める。
【００３９】
（第二実施形態）
次に、本発明にかかる他の超音波流量計２００について説明する。基本的な構成は、図１に示すように、前述した超音波流量計１００と共通である。主要な相違点は、超音波センサ５ａ，５ｂおよび圧電素子２３の振動モードにある。図７に示すのは、超音波センサ５ａ，５ｂの要部上面図および断面模式図である。超音波センサ５ａ，５ｂは、圧電素子２３が音響整合層２５に接着剤にて接合された構造を有する。圧電素子２３は、音響整合層２５に接合する側の電極形成面２３ｐ，２３ｐが溝２３ｍによって複数に分割（本実施形態では左右２等分割）されている。溝を当該圧電素子２３の長手方向ＮＤと平行にもう一本形成すれば、電極形成面が４分割されるが、その形態も採用可能である。その他の構造は、図２の超音波センサ２ａ，２ｂとほぼ同様であるが、各部品の寸法は相違する。
【００４０】
溝２３ｍによって２つの領域に分かれた電極形成面２３ｐ，２３ｐは、ほぼ正方形である。他方、音響整合層２５に接合する側とは反対側の電極形成面２３ｑは、長方形（正方形を除く）になっている。溝２３ｍは、当該圧電素子２３の長手方向ＮＤ（図８参照）と略直交する向きに延びる形で形成されている。圧電素子２３は、全体としては直方体の形態を呈している。こうした構造の場合、図８に示すように、圧電素子２３の長さ方向伸び振動モードで取り出される超音波は、個別の電極形成面２３ｐ，２３ｐから音響整合層２５に伝わる。すると、長さ方向伸び振動モードに関していえば、溝２３ｍを設けることにより、長辺方向振動を低減させ、短辺方向振動のみを効率良く取り出すことができる。この短辺方向振動の超音波は、流れ方向の指向性が比較的鈍いので、高流量時の計測には好適である。
【００４１】
一方、低流量時には、鋭い指向性の超音波を使用し、流通管１０の壁面などでの反射をなるべく抑え、Ｓ／Ｎを向上させて計測精度を上げる。低流量時には、流れ場の影響が小さいので高い共振周波数の振動モードを使える。具体的には、図９のグラフに示すごとく、長さ方向伸び振動モードの共振周波数ｆｒ１よりも高い共振周波数ｆｒ２を持つ厚み方向振動モードを用いることで、高流量時と低流量時で超音波の周波数を異ならせる。
【００４２】
もちろん、前述したように各部品が出鱈目な寸法では、実用的な超音波センサは得られない。したがって、以下のように超音波センサ５ａ，５ｂの部品寸法等を調整することで、２つの振動モードの共振周波数による超音波を効率良く取り出せるようにする。長さ方向振動モードの共振周波数ｆｒ１、厚み方向振動モードの共振周波数をｆｒ２、周波数ｆｒ２で音響整合層２５を伝搬する超音波の波長をλ’、音響整合層２５の厚さをｔ２とする。
【００４３】
音響整合層１５のマッチング条件を考慮すると、下式（Ａ）（Ｂ）を満足するように各部品を構成したときに、一つの音響整合層１５の厚みに対して、２つの異なる周波数が同時に整合する。すなわち、音響整合層１５は、低周波数側の共振周波数ｆｒ１と、高周波数側の共振周波数ｆｒ２とのいずれであっても整合する厚さｔ２に調整がなされている。
ｆｒ２≒（２ｍ１＋１）＊ｆｒ１（ｍ１：自然数）…（Ａ）
ｔ２≒（２ｍ２＋１）＊λ’／４（ｍ２：自然数）…（Ｂ）
【００４４】
共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２の値や音響整合層２５の厚さｔ２を一概に決めにくいという事情を考えると、たとえば、ｆｒ２＝（３±０．２０）＊ｆｒ１、ｔ２＝（３／４±０．０２５）λ’といった範囲が、発明の目的を達成しうる現実的な範囲であるといえよう。
【００４５】
一つの目安として、市販されている超音波センサ用のＰＺＴ圧電素子を用い、短辺方向の伸び振動モードの共振周波数ｆｒ１を１２０ＫＨｚ〜１９０ＫＨｚ、長辺方向の伸び振動モードの共振周波数ｆｒ２を３３０ＫＨｚ〜５３０ＫＨｚ、共振周波数差を２２０ＫＨｚ〜４２０ＫＨｚに設定する場合には、以下のような条件内で、最適なポイントを探すとよいであろう。
【００４６】
＜圧電素子＞
長辺寸法：Ｌ２＝１８ｍｍ〜２４ｍｍ（好適には２０ｍｍ〜２２ｍｍ）
短辺寸法：Ｗ２＝７．５ｍｍ〜１２．５ｍｍ（好適には９ｍｍ〜１１ｍｍ）
素子厚み：Ｔ２＝２．７５ｍｍ〜５．４５ｍｍ（好適には３ｍｍ〜４ｍｍ）
溝幅ｄ１：素子厚みＴ２の３０％〜４０％程度
溝深さｄ２：素子厚みＴ２の５５％〜６５％程度
＜音響整合層＞
音響インピーダンス：Ｚ＝０．６５Ｋｇ／ｍ２・ｓ〜２．７０Ｋｇ／ｍ２・ｓ
整合層厚み：ｔ２＝１．５ｍｍ〜５．５ｍｍ
【００４７】
圧電素子１３の幅方向（溝２３ｍと平行な方向）と長手方向の長さの比を、１：２．７〜１：３．２（概ね１：３）に設定すれば、共振周波数差（ｆｒ２−ｆｒ１）２２０ＫＨｚ〜４２０ＫＨｚで、超音波を効率よく取り出せる条件を見つけやすい。共振周波数差が２２０ＫＨｚ〜４２０ＫＨｚの範囲にあると、高精度計測と広い流量範囲とを両立しやすい。また、上記の寸法範囲では、圧電素子２３の厚みＴ２が短辺寸法Ｗ２に一致する、もしくは上回る場合があるが、そのような場合でも好適な条件を見出すことが可能である。すなわち、圧電素子２３は板状には限定されない。
【００４８】
また、超音波センサ５ａ，５ｂを流通管１０のセンサ取り付け部１０ａ，１０ｂに取り付けたときの圧電素子２３の姿勢も、先の実施形態同様に重要である。すなわち、図６を用いて説明したごとく、流通管１０の断面の短辺方向ＷＬと、圧電素子２３の長手方向ＮＤとが平行となるように、流通管１０のセンサ取り付け凹部１０ａ，１０ｂに超音波センサ５ａ，５ｂを取り付ける。
【００４９】
すると、超音波センサ５ａ，５ｂから発射される超音波は、流通管１０の断面の短辺方向ＷＬには鋭い指向性を持ち、流れ方向にはブロードな指向性を持つことになる。すると、流路壁面による不要ノイズは抑制されて計測精度が高まる効果と、超音波が受信側の超音波センサから逸れにくくなることにより安定した受信感度特性が得られ、計測できる流量限界が高くなる効果とを両立できる。これに相俟って、低流量時と高流量時とで異なる周波数の超音波を使い分けるようにしているので、いっそうの計測精度向上、計測可能な流量域の拡大とを期待できる。
【００５０】
（第三実施形態）
次に、本発明にかかる他の超音波流量計３００について説明する。基本的な構成は、図１に示すように、前述した超音波流量計１００，２００と共通である。主要な相違点は、超音波センサ７ａ，７ｂおよび圧電素子３３の振動モードにある。図１０に示すのは、超音波センサ７ａ，７ｂの断面模式図である。超音波センサ７ａ，７ｂは、板状の圧電素子３３がケース３７の隔壁部３７ｋに固定され、その隔壁部３７ｋを介在する形で反対側に音響整合層３５が配置された構造を有する。
【００５１】
圧電素子３３の形状は、板状であれば方形であっても円形であってもよく、厚さ方向が分極軸方向であり、厚さ方向の両側に位置する面が電極形成面３３ｐ，３３ｑとなっている。ケース３７と圧電素子３３との接着には、導電性接着剤が使用されている。ケース３７は、ステンレス鋼やアルミニウム合金などの金属材料で構成されているので、圧電素子３３の一方の電極形成面３３ｐとケース３７とが導通している。一方、音響整合層３５をケース３７に固定する接着剤に導電性は不要である。
【００５２】
ケース３７は、圧電素子３３を収容する有底筒状の形態をなし、底部が圧電素子３３を固定する隔壁部３７ｋになっている。また、ケース３７内には、圧電素子３３を取り囲むように筒状の振動抑制部材４５が配置されている。振動抑制部材４５は、ウレタンゴムなどのゴム材料で構成されたものである。そして、その振動抑制部材４５と圧電素子３３との隙間を埋めるように、ゲル材がバッキング材として充填されている。また、ケース３７の内径とほぼ同じ径を有する端子板４３が、圧電素子３３と向かい合う位置に配置されている。端子板４３は、ケース３７と同一またはそれと同等の良導性を有する金属材料にて構成されており、ケース３７とは直接導通している。そして、その端子板４３には、ケース３７の外部に延びるグランド端子４１が接続されている。グランド端子４１は端子板４３およびケース３７を介して圧電素子３３の電極形成面３３ｐに導通している。したがって、圧電素子３３の一方の電極形成面３３ｐについては、リード線の取り付けおよびリード線の引き回しを行なわずに済む構造となっている。他方の電極形成面３３ｑには、電源端子４２から延びるリード線４６が、半田接続されている。
【００５３】
ここで、圧電素子３３と音響整合層３５とを隔てるケース３７の隔壁部３７ｋは、特別な厚さに調整されている。具体的には、無負荷時における圧電素子３３の厚み振動モードの基本共振周波数をｆ０、周波数ｆ０で隔壁部３７ｋを伝搬する超音波の波長をλとしたとき、圧電素子３３の厚み振動モードの基本共振周波数がスプリットするように、隔壁部３７ｋがｎ＊λ／２（ｎ：自然数）からずれた厚さＤに調整されている。一般に、厚み振動モードで超音波を発振させる場合には、圧電素子と音響整合層とを直接貼り合わせるか、ケースが介在したとしてもその介在部分の厚さは圧電素子の基本共振周波数に影響を及ぼさないように、非常に薄くする。厚み振動モードは、図１１に示すごとく、分極軸方向と平行な方向の振動モードである。
【００５４】
本発明では、圧電素子３３の基本共振周波数に積極的に影響が及ぶように、ケース３７の隔壁部３７ｋの厚さを調整するところに特徴を有する。具体的には、圧電素子３３の厚み振動モードの基本共振周波数が２分化するように、隔壁部３７ｋの厚さがλ／２よりも小さく調整されている。λ／２の整数倍からずれた厚さであれば、厚み振動モードが支配的となる共振周波数を２ピーク化することは可能であるが、超音波の減衰ロスを考えると、隔壁部３７ｋの厚さはできるだけ薄い方がよいからである。
【００５５】
そして、前述した実施形態と同様、高流量時と低流量時とで２分化した厚み振動モードの基本共振周波数を使い分ける。具体的には、高流量時は低周波数側の共振周波数ｆｒ１を用い、低流量時は高周波数側の共振周波数ｆｒ２を用いて計測を行なう。もちろん、各部品の寸法調整を適切に行なう必要がある。まず、圧電素子３３の音響インピーダンスをＺ０、ケース３７（隔壁部３７ｋを含む）の音響インピーダンスをＺ１、音響整合層３５の音響インピーダンスをＺ２としたとき、Ｚ２≪Ｚ０≦Ｚ１であることが前提となる。
【００５６】
音響整合層３５のマッチング条件を考慮すると、下式（Ａ）（Ｂ）を満足するように各部品を構成したときに、一つの音響整合層３５の厚みに対して、２分化した周波数が整合する。すなわち、音響整合層３５は、低周波数側の共振周波数ｆｒ１と、高周波数側の共振周波数ｆｒ２とのいずれであっても整合する厚さｔ３に調整がなされている。
ｆｒ２≒（２ｍ１＋１）＊ｆｒ１（ｍ１：自然数）…（Ａ）
ｔ３≒（２ｍ２＋１）＊λ’／４（ｍ２：自然数）…（Ｂ）
【００５７】
隔壁部３７ｋを、どのような厚さＤに調整するかによって、厚み方向振動モードの分散も変わってくる。さらに、用いる接着剤の種類、接着剤層の厚み、ケースの材料物性によって、厚み方向振動モードの分散の形態が変化する。したがって、隔壁部３７ｋの厚さＤを一義的に決めることは難しい。こうした事情を考えると、たとえば、ｆｒ２＝（３±０．３０）＊ｆｒ１、ｔ３＝（３／４±０．０３０）λ’といった範囲が、発明の目的を達成しうる現実的な範囲であるといえよう。これは、ｆｒ１：ｆｒ２＝１：３となるのが理想であるが、ｆｒ２の１０％程度までのズレは実用レベルで考えられるということに基づいている。これは、先に説明済みの２つの実施形態（図２、図７）にも共通にいえる。したがって、先の２つの実施形態に記す範囲は好適な範囲であり、実際には上記の程度まで範囲を拡張できるといえる。
【００５８】
具体的な目安としては、ケース３７の材質をオーステナイト系ステンレス鋼（たとえばＳＵＳ３０４）とし、導電性接着剤の基材にエポキシ系の樹脂材料を用い、導電性接着剤層の厚さを３．５μｍ〜１５μｍに調整するような場合、ケース３７の隔壁部３７ｋを１．１ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内の１点に固定しておき、あとは、圧電素子３３および音響整合層３５の形状並びに寸法を調整することで、２分化した厚み方向振動モードの基本共振周波数を、低周波数側の共振周波数ｆｒ１が２３０ＫＨｚ〜２６０ＫＨｚ、高周波数側の共振周波数ｆｒ２が６７０ＫＨｚ〜７００ＫＨｚとなる超音波センサを比較的簡単に作製することができる。
【００５９】
以上、本明細書中には、いくつかの実施形態を示したが、発明の要旨を逸脱しない範囲内でそれらを相互に組み合わせることが可能である。なお、共振周波数や波長の標記について、各実施形態で同一のものを使用しているが、これらは互いに一致することを必ずしも意味しないことを断っておく。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の超音波流量計の基本構成を示す説明図。
【図２】超音波センサの要部上面図および断面模式図。
【図３】超音波の指向性を示す概念図。
【図４】圧電素子の振動モードの説明図。
【図５】流通管の断面形状を示す斜視図。
【図６】流通管に対する圧電素子の向きを説明する分解斜視図。
【図７】第二形態の超音波センサの要部上面図および断面模式図。
【図８】圧電素子の振動モードの説明図。
【図９】図８の超音波センサの周波数特性を模式的に示すグラフ。
【図１０】第三形態の超音波センサの断面模式図。
【図１１】圧電素子の振動モードの説明図。
【図１２】超音波センサの好適な配置を示す模式図。
【符号の説明】
【００６１】
１  流路
２ａ，２ｂ，５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ  超音波センサ
１０  流通管
１０ａ，１０ｂ  センサ取り付け凹部
１３，２３，３３  圧電素子
１３ｓ  短辺
１３ｒ  長辺
１３ｐ，１３ｑ，２３ｐ，２３ｑ  電極形成面
１５，２５，３５  音響整合層
１７，２７，３７  ケース
２３ｍ  溝
３７ｋ  隔壁部
１００，２００，３００  超音波流量計
Ｏ  流れ方向軸線
ＷＬ  流通管の短辺方向
ＮＤ  長手方向
【図１】
2005345445.tif 000003
【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】
2005345445.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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