(57)【要約】本発明の目的は、横断的な超音波によるチューブ（８）の計測試験を可能にする超音波変換器（１ａ）の提供である。この目的を達成するために、前記超音波変換器（１ａ）は、媒体と超音波発生器との間に配された回折格子（１４）を備えている。前記回折格子は音速を異にする領域を有している。前記超音波変換器（１ａ）は流量計として使用されることが望ましい。
2004524515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波発生器、および、媒体との接触を確立するための外側表面（１０ａ）を備えた、超音波を媒体（１３）中に回折させるための超音波変換器であって、
該超音波発生器と該外側表面（１０ａ）との間、または、該外側表面上に音速の異なる領域を備え、該領域が位相回折格子（１４）を形成していることを特徴とする超音波変換器。
【請求項２】
前記超音波発生器が変換器容器（５）の内部に配置され、前記外側表面（１０ａ）を支持する前記容器の壁（１０ｂ）と音響的に接触していることを特徴とする、請求項１に記載の超音波変換器。
【請求項３】
前記領域が、交互的な棚（１１）と溝（１２）を前記外側表面（１０ａ）に組み込むようなデザインを施されていることを特徴とする、請求項１または２のいずれか１つに記載の超音波変換器。
【請求項４】
前記領域が別の材料で形成されていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の超音波変換器。
【請求項５】
前記超音波発生器が圧電性素子（１）で構成され、前記容器壁（１０ｂ）と、特に平面で接触していることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の超音波変換器。
【請求項６】
前記圧電性素子（１）が２つの分割されていない電極（２、３）の間に配されていることを特徴とする、請求項５に記載の超音波変換器。
【請求項７】
前記位相回折格子（１４）が平行な、湾曲した溝（１２）を有することを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の超音波変換器。
【請求項８】
前記位相回折格子（１４）が平行な、直線状の溝（１２）を有することを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の超音波変換器。
【請求項９】
前記位相回折格子（１４）が対称性を有することを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の超音波変換器。
【請求項１０】
前記位相回折格子（１４）が非対称的であることを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか１つに記載の超音波変換器。
【請求項１１】
前記溝（１２）は、前記棚（１１）の材料以外の材料が充填されていることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の、請求項３と関連した超音波変換器。
【請求項１２】
横断的な超音波を使用して計測管（８）を試験することで媒体（１３）の流速を計測するための、流量計（８ａ）における請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の超音波変換器の使用法。
【請求項１３】
前記超音波変換器（２４、２５）の前記回折格子（１４）が前記計測管（８）の前記計測管軸（１６）と平行な共通の回折平面（２０）を有し、かつ、前記回折格子（１４）のうちの１つの格子ベクトル（２６）が他方の回折格子（１４）の格子ベクトル（２６）の逆であることを特徴とする、請求項１２に記載の使用法。
【請求項１４】
前記回折格子（１４）が平行な回折平面（２０）を有し、前記回折平面（２０）は前記計測管（８）の計測管軸（１６）とアジマス角を成し、一方の回折格子（１４）の格子ベクトルの前記計測管軸（１６）と平行な成分は、他方の回折格子（１４）の格子ベクトル（２６）の前記計測管軸と平行な成分の逆であることを特徴とする、請求項１２に記載の使用法。
【請求項１５】
媒体（１３）中に超音波を回折させるための、少なくとも１つの超音波変換器（１ａ）を支持する計測管（８）を備え、前記超音波変換器が、前記媒体との接触を確立するための外側表面を備えた超音波発生器を包含している、超音波流量計（８ａ）であって、前記超音波発生器が、目的とする超音波の設定された方向への回折のための回折格子（１４）を形成する異なる音速の領域を有していることを特徴とする、超音波流量計（８ａ）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は請求項１の前提部分において定められているタイプの超音波変換器に関する。本発明はさらには請求項１５の前提部分において定められている超音波流量計に関する。
【０００２】
このような超音波変換器は媒体中へ超音波ビームを分散させ、また、媒体中から超音波ビームを受け取るのに使用される。これらは特に、管系において受け入れられる流動媒体の量を決定する流量計における媒体の流速を、そして媒体によって搬送されるエネルギ、特に熱エネルギを記録するために使用される。流量計は、管系操作者が受容者に、読み取りに基づいて計算される受け取った量の請求書を送ることを可能にしている。
【０００３】
ＤＥ−ＰＳ８９９５７４、ＤＥ−ＡＳ２９３４０３１、および、ＵＳ−ＰＳ３５５５３１１に超音波変換器の基本的構造が開示されている。２次元平面的な圧電性材料が２つの電極領域に配され、厚みの同一モードでの振動が２つの電極領域の間に存在する交代性の場によって誘起され、音波が電極領域と垂直に密な塊となって放射される。超音波が鉛直線に沿って電極領域に向かうと、圧電性材料の厚みの振動を誘起し、電極領域における弾性波と同一の周波数を有する電気信号を発生させる。圧電性材料は、その上に電極領域が配されており、変換器容器内で媒体とは隔絶して配され、圧電性材料が変換器容器の放射面より鉛直線に沿って超音波を放射する。
【０００４】
ＷＯ８６／０２７２３は流動性媒体内における対を成した超音波変換器の構成を開示しており、これは超音波のバーストを流れの方向と平行にもう一方に向けて発振し、相対する超音波変換器によって発振された超音波のバーストを受け取る。音波は媒体と共に伝播するため、上流方向および下流方向に伝達される媒体中のパルスの輸送時間が異なり、（前記輸送時間から）流速および／または流量の計算が可能である。超音波変換器の表面構造は音波の発信に、とくに音波を束ねる上で影響を与える。超音波変換器のこのようなシンプルな配置の不利点は高い流れへの抵抗性である。
【０００５】
ＤＥ−ＯＳ４０１０１４８Ａ１は、大幅に流れへの抵抗性が低い、気体および液体用流量計を開示している。超音波変換器は管の直径の外側、計測している管の壁部の凹所に配される。この配置は計測している管の軸に対して横断的な超音波ビームを必要とし、これは受信する超音波変換器に達するまでに、計測している管壁にて数回反射する。超音波の塊はＶ字またはＷ字形状で計測している管を進む。このことも、不均一な流速の申し分のない平均値を導いている。垂直線内にある窓を通してビームを回折させるような、超音波変換器の正確な配置は、流量計の容器をさらに高価なものにする。
【０００６】
ＤＥ３０２０２８２Ａ１にて超音波発生器として開示されている交互的に重ねられている変換器は成功裡にこの不利点に対処している。交互的に重ねられている変換器は、交流電圧が印加される交互的に重ねられた構造を有する２つの電極を一方の面に配したことを特徴とするセラミックの圧電性材料からなる２次元的な構成要素である。前記の構造は、電極が接触しない２つの逆の櫛の歯のようにずらされているものである。媒体に面したもう一方の面は、大きな電極で全体が覆われている。１８０°だけ位相がずれた同一周波数の交流電圧が、一方の側にある２つの電極と他方の側にある大きな電極との間に印加されると、交互に重ねられた構造に覆われた圧電性材料領域は、大きな電極を通して大きな電極と垂直をなす角度で超音波を発信するような、厚みの振動を生じる。この交互に重ねられた変換器のため、流量計をさらにずっと高価にしている。
【０００７】
さらに、ＧＢ２０１１２１９Ａにより超音波プローブが知られており、これは画像化技術の助けを借りて生体を検査するための医療技術の分野において利用されている。超音波プローブと体の表面との接点は、プローブ／体の接触表面における好ましからざる反射を抑制するために、波型がつけられている。
【０００８】
本発明の目的は、安価な超音波変換器および関連した流量計を作り出すことであり、ここでは超音波変換器の外面に関して横断的な回折が可能となる。さらには、超音波変換器の使用法が明記される。
【０００９】
超音波変換器に関するこの問題を解決することは、真に安価な超音波変換器を製造する上で不可欠な条件である。
【００１０】
この問題は請求項１ないし請求項１５に記載の特徴によって解決される。好適なデザインは下位クレームより生ずる。使用法に関する解決法は請求項１２に記載される。好適なデザインはその他の請求項により明記される。
【００１１】
このように、位相回折格子が超音波変換器に配され、これによって超音波の横断的な回折が可能となっている。適宜に前記領域の寸法をデザインするか、または、適切な材料を選択することにより、設定した角度で超音波を確実に回折させることが可能である。
【００１２】
前記領域は、交互的な棚と溝のように成形される。棚は高さｈおよび距離ｄの溝によって区分され、また超音波発生器によって媒体中へ発信される超音波は、発信面とおよそ垂直な位相回折格子により、設定されている回折角±αで回折されるという仮定に基づけば、容器壁の材料、特に棚および溝の材料が、格子に関する定数（距離ｄ、高さｈ、等）と同様、本質的に位相回折格子（１４）の回折角±αを決定する。興味の対象物との直接的な接触による(Bei einem direkten Kontakt mit dem von Interesse.)。
【００１３】
以下の部分で、デザインに関する図および例に基づいて、本発明のデザイン、他の有利点、および、詳細について説明する。
【００１４】
図１は計測している管の内部に配された超音波変換器１ａの断面図である。その内側に超音波発生器の例として圧電性素子が描かれている。
【００１５】
図１において、１は圧電性素子、２および３は電極、４は電極２および３への電力供給線、５は変換器容器、６は変換器容器５の内部空間、７は変換器容器５のフランジ、８は流量計８ａの計測管の断面図、９は計測管８における開口部、１０はいわゆる「超音波透過窓」である。流動する媒体１３と面している、窓１０の側部に、棚１１と溝１２が音響回折格子１４を形成している。媒体１３における音速はＣＭである。
【００１６】
この場合、変換器容器５は例えばポットのような形状で、ベース面として円形または多角形の面で媒体と隔てられている。円形または多角形の面は超音波透過性窓１０であり、その外側表面１０ａは媒体１３と接している。窓１０は変換器容器５の容器壁１０ｂによって形成されている。回折格子１４は窓１０の２つの面（前面または後面）のうちの１つに配されている。図１においては、回折格子は窓１０の側部に配されており、この部分が媒体１３と面している。
【００１７】
変換器容器５は計測管８内の開口部９へ、先ず回折格子１４と窓１０を取り付けて、配置される。よって、回折格子１４は媒体１３と直接的な音響的接触をしている。フランジ７は開口部９において変換器容器５の位置を決め、また、計測管８のフランジとしっかりと結合して、計測管軸１６と平行に、流れの方向１５に流れる媒体１３が計測管８から漏れないようにしている。
【００１８】
この場合においては超音波発生器の好適例としての役割を果たしている圧電性素子１は円形状または多角形形状を有する２次元的な物体であり、電気的に極性を示すセラミック、または、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）やポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）のような電気的に極性を示すプラスチックを含んでいる。前記の物体の向かい合った平行な面は、例えば、金、アルミニウム、または、その他の導電性材料の前記の物体の向かい合った平行な面への真空金属化によって電極２および３で覆われる。圧電性素子１は、第１電極２に沿って、窓１０の媒体１３から離れている面に粘着している。これによって、超音波は問題なく圧電性素子１から、窓１０および回折格子１４を通って媒体１３へと確実に伝播する。
【００１９】
超音波の速度がＣである材料において、音響波は波長λ＝Ｃ／ｆで伝播する。超音波は圧電性素子１の面と垂直な線内で伝達し、この圧電性素子１は窓１０に面して第１電極２に覆われている。内部空間６は空気または絶縁性材料で満たされている。よって、おおむね第２電極３によって伝達される超音波は存在しない。
【００２０】
供給線４は電極２および３と変換器容器９の外側に配されている評価装置（図示せず）を接続しており、この評価装置は本質的には先行技術に基づいてデザインされている。発信フェーズの間は、例えば評価装置は周波数ｆの交流電圧を供給線４を介して電極２および３に印加することで、周波数ｆで交互に交代する場における圧電性素子１の厚みの振動を誘起する。
【００２１】
発信フェーズに続いて直ちに起こる受信フェーズの間は、窓１０を通して圧電性素子１に入る媒体１３からの超音波が、超音波の周波数ｆでの電極２および３の間の電気的ポテンシャルの変化を発生させる。
【００２２】
これらのポテンシャルの変化は供給線４を介して電気信号の形で評価装置に伝えられる。超音波を発生させるのに使用している周波数ｆは一般におおよそ５０キロヘルツないし１０メガヘルツの範囲に含まれる。流動する媒体１３が水の場合、周波数ｆは約１メガヘルツ（０．９メガヘルツ−１．１メガヘルツ）が望ましい。
【００２３】
媒体１３と面している窓１０の側部は、高さｈの棚１１が間隔ｄで一様に形成されていることが特徴である。あるデザインにおいては、棚１１の間にある溝１２は媒体１３で満たされたくぼみであり、また別のデザインにおいては、固形物が充填されている。ある回折格子１４のデザインにおいては、棚１１および溝１２の形状は矩形または台形であり、占有率は棚１１の断面と溝１２の断面の比率であり、１：１である。
【００２４】
溝１２の内側での音速はＣＭおよび／またはＣ２であって、棚１１における音速Ｃ１とは異なる。超音波にとって棚１１および溝１２は、窓１０の前に配置され音速Ｃ１、ＣＭおよび／もしくはＣ２、外形である高さｈおよび距離ｄといった格子定数を有する位相回折格子１４を形成しており、以下これを回折格子１４と呼ぶ。溝１２に固形物が充填されている回折格子１４のデザインにおいては、媒体１３と面する平坦な接触面を特徴としており、従って棚１１による媒体１３の流れへの影響が無い。
【００２５】
図２は窓１０と保護層１７との間に位置する回折格子１４を示す。窓１０および保護層と面する回折格子１４の接触面１８および１９は平行であることが望ましい。窓１０および保護層１７は一定の厚みを有する。接触面１８、１９は単に、図２において回折格子１０および保護層１７と回折格子１４を分ける理論的仮構である。
【００２６】
棚１１と窓１０との間に最善の音響的接触をもたらすため、溝１２は窓１０の材料に直接刻まれることが望ましい。あるデザインにおいては、回折格子１４は媒体１３（図１）と面する側部において棚１１および溝１２を覆う保護層１７で覆われている。
【００２７】
保護層は溝１２に充填されている材料と同一の材料を含んでいることが望ましい。一様な保護層１７の音速が回折現象に影響を与えることは無い。従って、保護層１７は、例えば超音波変換器の、例えば気体状の媒体を含むような媒体１３に対する音響インピーダンスを調整する目的で、異なる材料で構成することが可能である。
【００２８】
あるデザインにおいては、棚１１より上にて計測される保護層１７の厚さは保護層を構成する材料の内部での超音波の波長λの４分の１よりも小さくすることで、超音波が媒体１３に入射する際の超音波のさらなる回折を抑制している。図２の右側において、溝１２は充填材の媒体１３と面した露出面が棚１１の露出面と同一平面となるように、充填材で充填されている。
【００２９】
棚１１の領域においては、その構成材の音速はＣ１であり、それに対して溝１２の領域では、回折格子１４のデザインによって、媒体１３の音速ＣＭまたは溝１２に充填されている物質の音速Ｃ２が適用される。超音波が回折格子を通過する間、一様な波面で窓１０を通過している超音波は、高さｈで決定されている部分において、音速Ｃ１ならびにＣＭおよび／またはＣ２によって規定されている位相変化する回折を受ける。超音波が回折格子１４を出ると、もはや超音波は一様な波面を示していない。
【００３０】
位相差φは棚１１における超音波の位相回折と溝１２における超音波の位相回折との差に基づいて計算される。これは超音波の振動数ｆ、棚１１の高さｈ、ならびに、音速Ｃ１およびＣＭおよび／もしくはＣ２によって決まる。超音波が回折格子１４を出る時、超音波の棚１１の領域と溝１２の領域の位相差φは、
φ＝２πｈｆ・（１／Ｃ１−１／ＣＭ）  または                                  [1]
φ＝２πｈｆ・（１／Ｃ１−１／Ｃ２）                                          [2]
である。棚１１および溝１２の領域は交互であり、かつ、空間的な繰り返し頻度ｄ−１で一様であるため、回折効果が生じる。
【００３１】
図３において、窓１０および変換器容器５は例えば、四角形の外形を有する。回折格子１４（図２）は窓１０および媒体１３（図１）の間に配置されている。媒体１３は溝１２に満ち、溝１２に対して横断的な流れの方向１５を有する。図３において、破線にて回折平面２０を示す。これは棚１１および溝１２を直角に通り、窓１０の面に対する垂線２１を含んでいる。
【００３２】
ｎ＝１，２，・・・として位相差がφ＝（２ｎ＋１）・πならば、垂線２１に沿って進む超音波は直線上にて弱められる。距離ｄおよび振動数ｆに依存して、超音波はその強度が増大する、すなわち、超音波は総位相差がφ＝２ｎπとなる方向に回折される。これらの強い超音波は垂線２１と回折角±αをなす。前記の回折角は以下のように決定される。
ｓｉｎ（α）＝ｍ・λ／ｄ                                                     [3]
ここでｍとは奇数であり、例えばｍ＝±１，３，５，・・・である。位相回折φを考慮すれば、式[3]は１次（ｍ＝±１）の回折格子１４に関し、溝１３が媒体１３で充填されている場合、
ｓｉｎ（α）＝２ｈ/ｄ・ＣＨ|１/Ｃ１−１/ＣＭ|＝２ｈ/ｄ・|ＣＭ/Ｃ１−１|         [4]
および／または、
溝１２に充填されている材料の音速がＣ２であれば、
ｓｉｎ（α）＝±|φ/π・λ/ｄ|＝２ｈ/ｄ・ＣＭ|１/Ｃ１−１/Ｃ２|                [5]
である。
回折角αは超音波の振動数ｆとは独立である。しかし、媒体１３内における音速ＣＭに依存している。表１は縦振動に関する物質の不完全リストに関する音速Ｃを記載している。音速は、特に気体または液体媒体１３の音速は、温度により変化する。例えば水では、１０℃から１００℃までの範囲では、１０℃における毎秒１４５０ｍから６７℃における毎秒１５５０ｍの極大まで増加し、より高温では再び減少する。
【００３３】
以下では、回折角は回折角±αと定義される。
【００３４】
例１：
音速Ｃ１＝６３００ｍ／ｓのアルミニウムの棚、および、２０℃の水の媒体（ＣＭ−１４８０ｍ／ｓ）で満たされた平行かつ直線的な溝１２を有する図３に示す回折格子は回折角４５°を有する。式[4]より、４５°の回折角は高さｈ／距離ｄの比が０．４６２となる。振動数ｆ＝１ＭＨｚのとき、超音波の波長λは２０℃の水中でλ＝１．４８ｍｍである。式[1]より、位相回折φ＝πとすれば、高さｈ＝０．９７ｍｍかつ距離ｄ＝２．１０ｍｍとなる。水温が２０℃から６７℃まで変化すれば、回折角は４５．０°から４７．６°まで変化する。位相回折φ＝（２ｎ＋１）・πとすれば、ｈ／ｄの比、および、高さｈも因数（２ｎ＋１）により増加する。
【００３５】
例２：
図２に示されている回折格子は、例えば合金でない鋼鉄（Ｃ１＝５９４０ｍ／ｓ）からなる棚１１およびプレキシガラス（Ｃ２＝２７３０ｍ／ｓ）に満たされた溝１２を有する。回折角は４５°および６３．４°であって、超音波の振動数ｆ＝１ＭＨｚ、媒体１３は２０℃の水である。位相回折φ＝πに関して表２に明記されている値は式[2]および式[5]によって計算された。
【００３６】
図４は、窓１０の前に配された非対称回折格子１４を示す。棚１１および溝１２は楔形状を有する。図４は楔形状の２つの形を示している。例１および例２における２つの対称回折格子１４とは反し、垂線２１から回折角±αだけ離れた矢印２２、２３の方向に超音波は等しい強度で射出されない。その代わり、回折された超音波は２つの回折方向のうちの１つへ回折されることが望ましい。図４において、回折された超音波の強度の目安をその２つの矢印２２、２３の長さの違いによって表現している。
【００３７】
この回折格子１４のデザインの有利点は、長い矢印２３上の計測部を通る経路上に回折された超音波のエネルギが集中することである。挟まれている回折格子１４のために、超音波変換器は、長い矢印２３の方向から来る超音波を受信する場合、矢印２２の方向から来る超音波を受信する場合よりもさらに感受性がよくなる。よって、超音波変換器は非対称受信特性を備える。
【００３８】
図５には別の非対称回折格子１４のデザインを示す。一方において、棚１１は、窓１０の上方、高さｈの単一のステップを有する。他方において、高さｈの低下は連続的にではなく、数個の階段状のステップによる。
【００３９】
図５において、距離ｄの周期を有する格子はａからｆまで６つのステップを有する。超音波の位相回折φは溝１２に近い領域においてφ＝０なる値のステップａからφ＝πなる最大値のステップｆまでずっと徐々に変化する。これは、あらゆるステップにおいて、各ステップの上方に残存する、溝に充填される第２材料を適用可能な高さと対応している。回折特性は概ね図４の回折格子と同じである。
【００４０】
図示した回折格子１４の棚１１の典型的形状の代わりに、別の周期性のある対称なまたは非対称な機能性を棚１１の形状形成に適用して棚１１または溝１２の表面を規定することができる。
【００４１】
直線的で平行な棚１１および溝１２の他にも、図６に示すように、曲線状の棚１１および溝１２を備えた回折格子も同様に使用することができる。超音波は、棚１１および／または溝１２の湾曲によって集束される。これは、超音波が、ある超音波変換器から次の変換器まで長い距離を伝播しなければならないような場合に有益である。
【００４２】
超音波変換器の別のデザインを図７に示す。回折格子１４は、変換器容器５の内部空間６における圧電性素子１と窓１０の間、媒体から遠い方の窓１０の側面上に配されている。棚１１の間の溝１２は、音速がＣ２である固形物が充填されている。例２と同一のコンセプトが用いられている。接触面１８（図２）、１９（図２）において、一方で、圧電性素子１および／または電極２と回折格子１４の一方の面、ならびに、他方で、回折格子１４の別の面と窓１０の内面とは、良好な音響的接触が必要である。
【００４３】
図８ａおよび図８ｂは、横断的な超音波による試験を行う流量計８ａのデザインに変更を加えた、２つの超音波変換器２４、２５の計測管８における配置を示している。媒体１３に面している、２つの超音波変換器の回折格子１４（図２）は、ある特定のデザインで統一されている。２つの回折格子１４の格子ベクトル２６（図３）は、同一の回折面２０（図３）上に配置されている。一方の回折格子１４の格子ベクトル２６は、他方の回折格子１４の格子ベクトル２６とは逆方向である。
【００４４】
計測管８の超音波による試験は、管の軸１６に対して横断的に行われ、ここでは、超音波は垂線２１（図３）に対して角度αをなして回折され、横断的な線に沿って、第１超音波変換器２４から計測管軸１６を通り第２超音波変換器２５へ伝播する。
【００４５】
図８ａにおいて、超音波は第１超音波変換器２４から第２超音波変換器２５へ、計測管８の壁に反射することなく伝播する。これらは互いに向かい合って配置されている。図８ｂにおいては、超音波の進路２７、２８は計測管８（図８ａ）の内部で、１回反射して（点線２７）および／または３回反射して（破線）２８いる。
【００４６】
この例に示すように、超音波変換器２４、２５が計測管８上に同一の距離Ｄで配置されていれば、１回または３回の反射のいかんを問わず、超音波変換器２４、２５はしかるべく調整され、超音波が所望の回折角αおよび／またはβで回折するようにされた回折格子１４（図１）を備える。
【００４７】
２つの回折格子１４の回折面２０（図３）が平行であって、かつ、計測管軸１６（図８ａ）とアジマス角を有せば、超音波はその進路においてさらに計測管８の壁面２９、３０で反射する、つまり、計測管８を通る進路が螺旋形状の多角形のような軌跡となる。計測管軸１６と平行な回折格子のうちの一方の、格子ベクトル２６（図３）のうちの１成分は、計測管軸１６と平行な他方の回折格子の格子ベクトル２６の成分と向かい合って配置されることで、超音波を受信する超音波変換器それぞれが極めて感度良く、特に非対称回折格子１４に関して感度が良くなる。
【００４８】
図８ｂは、このことを、点線で表示した進路２７の例を通して示している。第１超音波変換器２４によって発信された垂線２１（図３）とβなる角を成す超音波は、断面図に見られる壁面２９で反射する。計測管８の底における反射の後、そこから来た超音波は断面図では見えない壁面３０に衝突し、その壁面が第２超音波変換器２５へ向けて反射させる。計測管８において、媒体１３（図８ａ）の流れのプロファイルがより包括的に計測されるので、このような方法で超音波を発信することは必然的により正確に流速が計測されるという利点を有する。
【００４９】
表２は、例えば水２０℃における回折角α＝４５．００°およびβ＝６３．４°［ａｒｃｔａｎ（１）および／またはａｒｃｔａｎ（２）］に対する格子定数ｄ、ｈ、および、対応する空間的頻度ｄ−１、ならびに、計測管８内における、３回反射（進路２８）および／または１回反射（進路２７）の場合に対して対応する空間的頻度ｄ−１を示している。より大きな回折角を有する回折格子１４は、より大きな空間的頻度ｄ−１を有している。通常は計測管９［ｓｉｃ］は単一の所定の反射回数のみを想定してデザインされている。回折角は、計測管８内部での反射回数および２つの超音波変換器間距離Ｄに依存しており、ここでは回折角は４０°ないし６０°の範囲であることが好ましい。
【００５０】
しかし、他の媒体１３が用いられれば、回折格子１４の格子定数ｄ、ｈは媒体１３に適合するように調整されなければならない。比較のため、表２では媒体１３をグリセリンとした場合の回折角４５°に対する回折格子１４のパラメータを示す。
表１：
Lehfeldt, Ultraschall, Vogel-Verlag 1973, Table pg. 172 ＩＳＢＮ  3-8023-0060-2 に基づく縦方向の音速
【表１】
2004524515.tif 000003
表２：
【表２】
2004524515.tif 000004
【００５１】
図面において詳細に示していない別の形態では、例えば図２および図５において充填されている溝１２が、ゴム、ＰＶＣ、ＰＶＤＦ、または、媒体ならびにその他の棚および／もしくは溝の材料の音響的インピーダンスと大きく異なる音響的インピーダンスを有する材料のような、音響吸収性を有する材料で充填されている（例えば、真鍮性の棚と空気が充填されている溝）。これにより、同一位相が全ての格子点に適用されても回折格子内に含まれる空間から一切の音響が放射されない回折格子が作られる。
【００５２】
鉛直線に沿って発信される音響的ビームに加え、これによって格子定数に関わりなく角度α＝０で発信される音響的ビームが作り出される。光学的格子の場合、これは０次の回折極大と呼ばれ、横断的なビームを１次の回折極大と呼んでいる。さらに高次の極大も同様に格子定数に依存して発生する。これは、上記の、位相回折φ≠πの場合に対応している。
【００５３】
０次のビームは、単にエネルギを浪費し、反射を妨げるかもしれないので、超音波流量計として使用する場合、この効果は望ましくない。だが、ある場合には、例えばＣｌａｍｐ−ＯＮ−ＵＳ流量計（取り外せない方法で管に付けられているのではなく、あらゆる管に留めることが可能な流量計）を用いる場合、管径を計測する際に、これより恩恵を被ることができる。なぜならば、超音波流量計は一般に流速のみを測定し、通常は既知である管径に基づいて流量を計算するからである。上記の式[3]はこの場合にも適用可能であり、ｍとしていかなる整数も差し支えない（ｍ＝０、１、２、３±）。
【００５４】
当然のことながら、様々なデザインにおける個々の詳細を、必要に応じて共働的な効果が得られるような、有益な方法で結合させることが可能である。特に、回折格子の形態および構造に関係した大きな改善が考えられる。図３に示す棚および溝は、例えば円形、波状、または、断続的なデザインにしても差し支えない。最適な音響的回折のためには山岳地帯に類似した柱状構造ですらありうる。
【００５５】
気体とともに使用する場合、回折格子を超音波変換器、特に圧電性素子の上に直接配置することが考えられる。そのために、電極２は例えば、上記の表面構造に配することが可能である。
【００５６】
本発明の実質的な基本理念は、横断的な超音波による計測チャネルの試験に際し、超音波ヘッド／超音波変換器を横断的に配置する必要はなく、直線的な位置に取り付けられて、そのままで超音波変換器が所定の角をなして横断的な直線内に超音波を発信する。このようにして、経済的な流量計が可能となる。特に、気体媒体中での利用においては、例えば媒体中に直接的に回折格子を備えた超音波変換器のみを配置することが可能である。したがって、計測管の壁への複雑な取り付けが不要である。必要であれば、本明細書において示されている圧電性素子以外の要素を超音波発生器として使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】超音波変換器の断面図である。
【図２】対称位相回折格子の断面図である。
【図３】超音波変換器の平面図である。
【図４】非対称位相回折格子の断面図である。
【図５】多段位相回折格子の断面図である。
【図６】集束性位相回折格子の平面図である。
【図７】超音波変換器における位相回折格子の別の配置である。
【図８】流量計の断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  ・・・  圧電性素子                ２  ・・・  電極
３  ・・・  電極                      ４  ・・・  供給線
５  ・・・  容器                      ６  ・・・  内部空間
７  ・・・  フランジ                  ８  ・・・  計測管
９  ・・・  開口部                  １０  ・・・  窓
１１  ・・・  棚                      １２  ・・・  溝
１３  ・・・  媒体                    １４  ・・・  回折格子
１５  ・・・  流れ方向                １６  ・・・  管軸
【国際公開パンフレット】
2004524515.tif 000005
2004524515.tif 000006
2004524515.tif 000007
2004524515.tif 000008
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2004524515.tif 000027
2004524515.tif 000028
2004524515.tif 000029
【手続補正書】
【提出日】平成14年12月16日(2002.12.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波発生器、および、媒体との接触を確立するための外側表面（１０ａ）を備え、該超音波発生器と該外側表面（１０ａ）との間の領域、または、該外側表面上にて生じた特有の音波分散速度が作用して位相回折格子（１４）を構成し、該領域は異なる材料で構成され、該位相回折格子（１４）は非対称である、超音波を媒体（１３）中に回折させるための超音波変換器であって、
該領域は外側表面部材（１０ａ）に統合され、交互に積層された棚（１１）および溝（１２）として作られ、楔形の断面を示し、超音波の不均等な強度を有する散逸、さらに、回折方向の選択性を示すことを目的として作られていることを特徴とする超音波変換器。
【請求項２】
前記超音波発生器が変換器容器（５）の内部に配置され、前記外側表面（１０ａ）を支持する前記容器の壁（１０ｂ）と音響的に接触していることを特徴とする、請求項１に記載の超音波変換器。
【請求項３】
前記超音波発生器が圧電性素子（１）で構成され、前記容器壁（１０ｂ）と、特に平面で接触していることを特徴とする、請求項１または２に記載の超音波変換器。
【請求項４】
前記圧電性素子（１）が２つの分割されていない電極（２、３）の間に配されていることを特徴とする、請求項３に記載の超音波変換器。
【請求項５】
前記位相回折格子（１４）が平行な、湾曲した溝（１２）を有することを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の超音波変換器。
【請求項６】
前記位相回折格子（１４）が平行な、直線状の溝（１２）を有することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の超音波変換器。
【請求項７】
前記溝（１２）は、前記棚（１１）の材料以外の材料が充填されていることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の超音波変換器。
【請求項８】
計測管（８）に関して傾斜した角度を有する超音波を発信して媒体（１３）の流速を計測するための、流量計（８ａ）における請求項１ないし７のいずれか１つに記載の超音波変換器の使用法。
【請求項９】
前記超音波変換器（２４、２５）の前記回折格子（１４）が前記計測管（８）の前記計測管軸（１６）と平行な共通の回折平面（２０）を有し、かつ、前記回折格子（１４）のうちの１つの格子ベクトル（２６）の１つが他方の回折格子（１４）の格子ベクトル（２６）の１つの逆方向を向いていることを特徴とする、請求項８に記載の使用法。
【請求項１０】
前記回折格子（１４）が平行な回折平面（２０）を有し、前記回折平面（２０）は前記計測管（８）の計測管軸（１６）とアジマス角を成し、回折格子（１４）の一方の格子ベクトルの１つの前記計測管軸（１６）と平行な成分は、他方の回折格子（１４）の格子ベクトル（２６）の１つの前記計測管軸と平行な成分と逆方向を向いていることを特徴とする、請求項８に記載の使用法。
【請求項１１】
媒体（１３）中に超音波を回折させるための、少なくとも１つの超音波変換器（１ａ）が配されている計測管（８）を備え、前記超音波変換器が、前記媒体との接触を確立するための外側表面を備えた超音波発生器を包含し、超音波を定められた方向に散逸させるために配置されている離散的領域で生じる特有の音波分散速度が位相回折格子（１４）を構成し、前記位相回折格子（１４）が非対称である、超音波流量計（８ａ）であって、
該領域は外側表面部材（１０ａ）に統合され、交互に積層された棚（１１）および溝（１２）として作られ、楔形の断面を示し、超音波の不均等な強度を有する散逸、さらに、回折方向の選択性を示すことを目的として作られていることを特徴とする超音波流量計。
【国際調査報告】
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