(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の音源となる送信装置からの超音波を受信する複数の圧電振動子、同一の受信装置で受信される超音波を送信する複数の圧電振動子、および相互に超音波を送受信する複数の圧電振動子の内のいずれかを備え、超音波の送受信に要する時間を検知して流体の流量を測定する超音波流量計用の超音波センサであって、
前記各圧電振動子の内の少なくとも一つには、当該圧電振動子が保有する静電容量を、他の圧電振動子が保有する静電容量と略一致するように調整した静電容量調整部が設けられていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
前記静電容量調整部は、前記圧電振動子を構成する圧電基板または圧電基板を挟む一対の電極の少なくとも一方をトリミングしてなることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記静電容量調整部は、圧電振動子の電極に接続される一対の信号線の間に容量素子を並列接続してなることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の超音波センサが流量検出対象となる流体が流れる流体管内に配設されてなることを特徴とする超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波センサ、およびこれを用いた超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超音波流量計は、図１１に示すように、ガス、液体等の流体が流れる流路内に超音波センサＡを設けて構成されている。この超音波センサＡは、たとえば一対の圧電振動子Ｂ１，Ｂ２を備え、一方の圧電振動子Ｂ１が上流側（図中左側）に、他方の圧電振動子Ｂ２が下流側（図中右側）に所定距離Ｌだけ離間した状態で互いに対向配置されている。なお、この場合の各圧電振動子Ｂ１，Ｂ２は、超音波の送信と受信の双方の機能を有している。
【０００３】
ここで、流体が一定速度で流れているとしたとき、各圧電振動子Ｂ１，Ｂ２から超音波を送信する。その際に、上流側の圧電振動子Ｂ１から送信された超音波が下流側の圧電振動子Ｂ２で受信されるまでに要した時間をｔ１、下流側の圧電振動子Ｂ２から送信された超音波が上流側の圧電振動子Ｂ１で受信されるまでに要した時間をｔ２とすると、ｔ１＜ｔ２となり、両時間ｔ１，ｔ２の差Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）が流体の流速ｖに比例している。
【０００４】
したがって、各圧電振動子Ｂ１，Ｂ２に超音波が到達するまでに要する時間の差Δｔを検知することにより、流体の流速ｖを計測でき、さらに、流路の断面積が既知であれば、流速ｖから流量を計測することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の超音波流量計において、流体の流れが停止していて流量が零の場合、超音波センサＡで検出される上記の時間差Δｔは本来ならば零になるはずである。ところが、実際には、超音波センサＡを構成する各々の圧電振動子Ｂ１，Ｂ２は、受信した超音波を電気信号に変換して出力するまでの応答時間に若干の差がある。同様に電気信号を超音波に変換して出力する場合も同じく応答時間に差がある。
【０００６】
そのため、流量が零の場合にも上記の時間差Δｔが零にならず、誤差を生じる以下、このような誤差を時間誤差Δｔｅと称する。しかも、この時間誤差Δｔｅは、図１２に示すように温度依存性があり、たとえば温度が高くなるほど大きくなる傾向を示す。
【０００７】
超音波センサＡを構成する各圧電振動子Ｂ１，Ｂ２の応答性のばらつきによってこのような時間誤差Δｔｅが生じると、流体の流量を精度良く計測することができない。したがって、このような時間誤差Δｔｅが生じないようにする必要がある。そのためには、たとえば図１２に示したような時間誤差Δｔｅの温度依存性を示す特性データを装置内部のメモリ等に予め記憶させておき、上記のようにして時間差Δｔを検出したときには、この時間差Δｔから温度に対応した時間誤差Δｔｅを差し引く補正を行うことで、時間誤差Δｔｅの影響を除くようにすることが考えられる。
【０００８】
しかしながら、超音波流量計を構成する超音波センサＡごとに、図１２に示したような特性データを個別に測定してメモリに登録するのは極めて手間がかかるばかりか、そのような補正信号処理をするための回路も複雑、高価なものになってしまう。
【０００９】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、各圧電振動子相互間の応答性のばらつきによって生じる時間誤差を簡単かつ有効に除けるようにして、広い温度範囲にわたって常に安定した検出精度を確保した超音波センサ、およびこれを用いた超音波流量計を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の具体的な課題解決手段について述べる前に、本発明の基本的な考え方について説明する。
【００１１】
本発明者は、超音波センサを構成する各圧電振動子相互間で応答性のばらつきが生じる原因について鋭意検討したところ、次の知見を得た。
【００１２】
いま、たとえば超音波センサを構成する２つの圧電振動子について着目したとき、各圧電振動子を構成する圧電体の静電容量Ｃ１，Ｃ２が振動子ごとに互いに異なっているものとする。そして、このように静電容量Ｃ１，Ｃ２が互いに異なる圧電体を有する各圧電振動子を一つの音源から等距離だけ離して配置し、音源で発生された超音波を各圧電振動子でそれぞれ受信するものとする。
【００１３】
この場合、図１に示すように、各圧電振動子が受信した超音波を電気信号に変換して出力するまでの応答時間は、静電容量Ｃ１，Ｃ２の違いによって互いに異なっており、しかも、応答時間には温度依存性があってたとえば温度が高くなるほど応答時間の差が大きくなる（図１の例では、温度ＴａにおいてΔｔｅａの時間誤差が生じている。）。このため、両圧電振動子の間には、図１２に示したように、温度依存性のある時間誤差Δｔｅが生じることになる。
【００１４】
図２は一定温度の下で、ある一つの圧電振動子を基準として、他の各圧電振動子の静電容量との差ΔＣと、これに対応する時間誤差Δｔｅとの関係を調べた結果を示すものである。この結果からも分かるように、圧電振動子の静電容量の差ΔＣが大きいほど、時間誤差Δｔｅが大きくなることが分かる。
【００１５】
以上のことから、超音波センサを構成する各圧電振動子相互間で応答性のばらつきが生じる原因は、主として圧電振動子の静電容量の違いに起因していると考えられる。そこで、図３に示すように、超音波センサを構成する各圧電振動子が保有する静電容量Ｃ１，Ｃ２を互いに略一致するように予め調整しておけば、各々の圧電振動子の応答時間は同じ温度変化特性を示すため、図４に示すように、圧電振動子相互間の応答性のばらつきを無くすことができ、その結果、時間誤差Δｔｅを極めて小さくすることができる。
【００１６】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたもので、従来の課題を解決するために次のようにしている。
すなわち、請求項１記載に係る本発明の超音波センサは、同一の音源となる送信装置からの超音波を受信する複数の圧電振動子、同一の受信装置で受信される超音波を送信する複数の圧電振動子、および相互に超音波を送受信する複数の圧電振動子の内のいずれかを備え、超音波の送受信に要する時間を検知して流体の流量を測定する超音波流量計用の超音波センサであって、前記各圧電振動子の内の少なくとも一つには、当該圧電振動子が保有する静電容量を、他の圧電振動子が保有する静電容量と略一致するように調整した静電容量調整部が設けられていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項２記載の発明の超音波センサは、請求項１記載の発明の構成において、前記静電容量調整部は、前記圧電振動子を構成する圧電基板または圧電基板を挟む一対の電極の少なくとも一方をトリミングしてなることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項３記載の発明の超音波センサは、請求項１記載の発明の構成において、前記静電容量調整部は、圧電振動子の電極に接続される一対の信号線の間に容量素子を並列接続してなることを特徴としている。
【００１９】
請求項４記載の発明の超音波流量計は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の超音波センサが流量検出対象となる流体が流れる流体管内に配設されてなることを特徴としている。
【００２０】
このように構成することにより、各圧電振動子相互間の静電容量の違いに起因して生じる時間誤差の影響を簡単かつ有効に除くことができる。そのため、広い温度範囲にわたって常に安定した検出精度を確保した超音波センサおよびこれを用いた超音波流量計を得ることが可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図５は本発明の実施の形態に係る超音波流量計の構成図、図６は超音波流量計に使用される超音波センサを構成する圧電振動子の一部を切り欠いて示す正面図である。
【００２２】
この実施の形態の超音波流量計１は、図５に示すように、超音波センサ２と駆動検出部３とを備える。超音波センサ２は、ガス、液体等の流体が流れる流体管４内に配置されており、また、駆動検出部３は、超音波センサ２を駆動するとともに、このセンサ２からの検出出力を基づいて流体の流量に対応した信号を出力するようになっている。
【００２３】
超音波センサ２は、一対の圧電振動子５ａ，５ｂを備えており、一方（図中左側）の圧電振動子５ａは流体管４の上流側の内壁に、他方（図中右側）の圧電振動子５ｂは流体管４の下流側の内壁にそれぞれ所定距離だけ離間した状態で互いに対向して取り付けられている。なお、この場合、各圧電振動子５ａ，５ｂは、超音波の送信と受信の双方の機能を有している。
【００２４】
各々の圧電振動子５ａ，５ｂは、図６に示すように、圧電体６を備え、この圧電体６の上に音響整合層を形成するキャップ７が冠着され、また、キャップ７の底部には筒状のケース８が固定され、このケース８内に駆動検出部３から延長されたケーブル９の一端が引き込まれている。そして、ケーブル９の各信号線１０が圧電体６に電気的に接続されている。そして、キャップ７およびケース８内は樹脂等の封止材１１によって封止されている。
【００２５】
圧電体６は、図７（ａ）に示すように、円板状の圧電基板１４の上下両面にそれぞれ電極１５が形成されてなるもので、上下の各電極１５に前述の信号線１０がそれぞれ接続されている。
【００２６】
上記構成の超音波流量計１において、流体管４内に流れるガスや液体などの流体の流量を計測する際には、従来の場合と同様、駆動検出部３から起動信号を出力して各圧電振動子５ａ，５ｂを励振する。そして、駆動検出部３は、上流側の圧電振動子５ａから送信された超音波が下流側の圧電振動子５ｂで受信されるまでに要した時間ｔ１と、下流側の圧電振動子５ｂから送信された超音波が上流側の圧電振動子５ａで受信されるまでに要した時間ｔ２をそれぞれ検出して、両時間の差Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）に基づいて流量を計測する。
【００２７】
ここで、各圧電振動子５ａ，５ｂが保有する静電容量の値が互いに異なると、流体管４内の流量が零の場合にも検出される時間差が零にならず時間誤差Δｔｅが生じるおそれがある。各々の圧電振動子５ａ，５ｂの静電容量の違いは、図７（ａ）に示す圧電体６において各圧電基板１４の両面に設けられている電極１５間の静電容量が圧電体６ごとに異なることに起因する。
【００２８】
そこで、この実施の形態の場合には、一対の圧電振動子５ａ，５ｂの内、たとえば一方の圧電振動子５ａについて、図７（ｂ）に示すように、圧電体６の上面側の電極１５の外周部の一部をトリミングすることにより、他方の圧電振動子５ｂを構成する圧電体６の静電容量と略一致するように調整している。そして、このトリミングした部分が静電容量調整部１７として確保されている。この場合の圧電体６のトリミングは、各圧電振動子５ａ，５ｂを組み立てる前に予め調整される。
【００２９】
なお、各圧電振動子５ａ，５ｂを構成する圧電体６相互間の静電容量を略一致させる静電容量調整部１７を確保するには、図７（ｂ）に示した以外に、図７（ｃ）に示すように、電極１５の中央部をトリミングしてもよく、図７（ｄ）に示すように電極１５の外周部を全周にわたって均一にトリミングしてもよい。さらには、図７（ｅ）に示すように、電極１５をトリミングする代わりに、圧電基板１４の外周の一部をトリミングしてもよい。
【００３０】
このように、圧電振動子５ａ，５ｂを構成する圧電体６に静電容量調整部１７を確保して圧電振動子５ａ，５ｂ相互間の静電容量が略一致するように予め調整しておけば、図３に示したように、各々の圧電振動子５ａ，５ｂの応答性は同じ温度変化傾向を示すようになる。その結果、図４に示したように、圧電振動子５ａ，５ｂ相互間の応答性のばらつきがなくなるため、時間誤差Δｔｅを極めて小さくすることができる。
【００３１】
したがって、この超音波センサ２を備えた超音波流量計１は、殆ど時間誤差を生じないため、広い温度範囲にわたって常に安定した精度良い流量計測を行うことができる。
【００３２】
上記の実施の形態に対して、次のような変形例や応用例を考えることができる。
（１）  上記の実施の形態では、一対の圧電振動子５ａ，５ｂの内、一方の圧電振動子５ａまたは５ｂに静電容量調整部１７を確保するようにしたが、圧電振動子５ａ，５ｂの双方に静電容量調整部１７を設けて両者５ａ，５ｂの静電容量が略一致するようにすることも可能である。
【００３３】
（２）  上記の実施の形態では、圧電振動子５ａ，５ｂを構成する圧電体６の電極１５あるいは圧電基板１４の一部をトリミングして静電容量調整部１７を確保したが、圧電体６を加工する代わりに、たとえば、図８に示すように、駆動検出部３から延長されたケーブル９がケース８内に引き込まれた箇所において、ケーブル９の信号線１０の間に容量素子としてのコンデンサ１８を並列接続し、このコンデンサ１８を静電容量調整部とすることもできる。
【００３４】
この場合、コンデンサ１８の容量値は、圧電体６の静電容量、あるいは圧電振動子５ａ，５ｂを組み立てる途中の圧電振動子５ａ，５ｂの静電容量に合わせて調整を行う。その際、コンデンサ１８として可変容量式のものを使用すれば、各種の容量値をもつコンデンサ１８を選択しなくて済むため、容量調整を一層容易に行うことができる。
【００３５】
このように、一対の信号線１０の間に静電容量調整部としてのコンデンサ１８を接続した場合においても、圧電体６とコンデンサ１８とは常に同温度となり、かつ、各圧電振動子５ａ，５ｂの静電容量が略一致するため、各圧電振動子５ａ，５ｂ相互間の応答性のばらつきを除くことができる。しかも、組み立て途中あるいは完成後でもコンデンサ１８を後から付加することができるため、組み立て途中で生じる静電容量の違いに起因する応答性のばらつきも含めて調整することができて便利である。
【００３６】
（３）  図８では、一対の信号線１０の間にコンデンサ１８を直接に並列接続したが、図９に示すように、圧電振動子５ａ，５ｂのケース８内に中継基板２０を設け、この中継基板２０の上に一対の中継用電極パターン２１ａ，２１ｂを形成するとともに、両中継用電極パターン２１ａ，２１ｂの間に並列にコンデンサ１８を接続し、各々の中継用電極パターン２１ａ，２１ｂにケーブル９の各信号線１０、および圧電体６の各電極１５に一端が接続されたリード線２２の他端を共に接続した構成とすることもできる。この構成の場合には、中継基板２０にコンデンサ１８を安定して確実に取り付けることができる。しかも、接続するコンデンサ１８と圧電体６の静電容量の温度依存性の傾向（傾き）を合わせることで、広い温度範囲にわたって精度良く調整することができる。
【００３７】
なお、圧電振動子５ａ，５ｂ側に位置するケーブル９の信号線１０間にコンデンサ１８を接続したが、その代わりに、駆動検出部３側に位置するケーブル９の信号線間にコンデンサ１８を接続した構成とすることも可能である。
【００３８】
（４）  上記の実施の形態では、超音波センサ２を構成する一対の圧電振動子５ａ，５ｂは、相互に超音波を送受信するようにしたが、本発明の超音波センサ２は、このような構成のものに限らず、図１０に示すような構成とすることもできる。
【００３９】
すなわち、図１０（ａ）に示す超音波センサは、超音波の音源となる単一の送信装置２３に対して、一対の圧電振動子５ａ，５ｂを流体の流れる方向に関して互いに逆方向に等距離だけ離れて対向配置し、送信装置２３から送信される超音波を各々の圧電振動子５ａ，５ｂで受信する構成としている。この場合には、受信側となる各圧電振動子５ａ，５ｂの保有する静電容量が略一致するように調整される。
【００４０】
また、図１０（ｂ）に示す超音波センサは、超音波の音源となる単一の送信装置２３に対して、一対の圧電振動子５ａ，５ｂを流体の流れる方向に関して互いに同方向に異なる距離だけ離れて配置し、送信装置２３から送信される超音波を各々の圧電振動子５ａ，５ｂで受信する構成としている。この場合には、受信側となる各圧電振動子５ａ，５ｂの保有する静電容量が略一致するように調整される。
【００４１】
さらに、図１０（ｃ）に示す超音波センサは、一対の圧電振動子５ａ，５ｂを単一の受信装置２４から流体の流れる方向に関して互いに逆方向に等距離だけ離れて対向配置し、各々の圧電振動子５ａ，５ｂから同時に送信された超音波を同一の受信装置２４で受信する構成としている。この場合には、送信側となる各圧電振動子５ａ，５ｂの保有する静電容量が略一致するように調整される。
【００４２】
さらにまた、図１０（ｄ）に示す超音波センサは、一対の圧電振動子５ａ，５ｂを単一の受信装置２４から流体の流れる方向に関して互いに同方向に異なる距離だけ離れて配置し、各圧電振動子５ａ，５ｂから同時に送信された超音波を受信装置２４で受信する構成としている。この場合には、送信側となる各圧電振動子５ａ，５ｂの保有する静電容量が略一致するように調整される。
【００４３】
なお、上記の説明では、超音波センサは２つの圧電振動子５ａ，５ｂを備えたものとしたが、３つ以上の圧電振動子を備えたものについても本発明は適用可能である。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は、次の効果を奏する。
（１）  請求項１記載の発明に係る超音波センサによれば、各圧電振動子の静電容量の違いに起因した応答性のばらつきを有効に除くことができ、時間誤差を極めて小さくすることができる。そのため、広い温度範囲にわたって常に安定した検出精度を確保した超音波センサを得ることが可能になる。
【００４５】
（２）  請求項２記載の発明に係る超音波センサによれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、圧電振動子を構成する圧電基板または圧電基板を挟む電極の少なくとも一方をトリミングするという極めて簡単な作業でもって各圧電振動子の応答性のばらつきを除くことができ、安価に実施することができる。
【００４６】
（３）  請求項３記載の発明に係る超音波センサによれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、圧電振動子の電極に接続される一対の信号端子間に容量素子を並列接続するという簡単な作業でもって各圧電振動子の応答性のばらつきを除くことができる。しかも、組み立て途中あるいは完成後でも容量素子を後から付加することができるため、組み立て途中で生じる静電容量の違いに起因する応答性のばらつきも含めて容量値を調整することができるという利点がある。
【００４７】
（４）  請求項４記載の発明に係る超音波流量計によれば、広い温度範囲にわたって常に安定した精度良い流量計測を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波センサを構成する各圧電振動子が保有する静電容量の違いに起因した各圧電振動子の超音波送受信時の応答性の温度依存性を示す特性図である。
【図２】ある一つの圧電振動子を基準として他の各圧電振動子の静電容量の差ΔＣとこれに対応する時間誤差Δｔｅとの関係を調べた結果を示す特性図である。
【図３】超音波センサを構成する各圧電振動子相互間の静電容量を互いに略一致するように調整した場合の各圧電振動子の超音波送受信時の応答時間の温度依存性を示す特性図である。
【図４】超音波センサを構成する各圧電振動子相互間の静電容量を略一致させた場合の時間誤差Δｔｅの温度依存性を示す特性図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る超音波流量計の構成図である。
【図６】図５の超音波流量計に使用される超音波センサを構成する圧電振動子の一部を切り欠いて示す正面図である。
【図７】図６の圧電振動子に使用する圧電体と、この圧電体に静電容量調整部を設けた場合の各種の例を示す図である。
【図８】超音波センサを構成する圧電振動子に静電容量調整部としてのコンデンサを設けた場合の例を示す説明図である。
【図９】超音波センサを構成する圧電振動子に静電容量調整部としてのコンデンサを設けた場合の他の例を示す説明図である。
【図１０】超音波センサの各種の構成例を示す説明図である。
【図１１】超音波流量計を用いて流体の流量を計測する場合の説明図である。
【図１２】超音波センサを構成する圧電振動子の応答性のばらつきによって生じる時間誤差Δｔｅの温度依存性を示す特性図である。
【符号の説明】
１    超音波流量計
２    超音波センサ
３    駆動検出部
４    流体管
５ａ，５ｂ    圧電振動子
６    圧電体
１０    信号線
１４    電極
１５    圧電基板
１７    トリミング部（静電容量調整部）
１８    コンデンサ（静電容量調整部）
【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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