(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板、第一電極、第二電極、すだれ状トランスデューサおよび信号分析器から成り、媒体を含む測定対象中に存在する測定対象物体の移動速度測定装置であって、前記第一電極および前記すだれ状トランスデューサは、前記圧電基板の上端面に設けられており、前記第二電極は、前記圧電基板の下端面に設けられていて、前記第一電極および第二電極は、厚み振動モードのトランスデューサを形成し、前記圧電基板、前記厚み振動モードのトランスデューサおよび前記すだれ状トランスデューサは、超音波複合体を形成し、該超音波複合体の底部を、媒体を含む測定対象への接触面とし、前記厚み振動モードのトランスデューサは、キャリア周波数(F0)を有する入力電気信号が印加されることにより、前記測定対象に含まれる媒体中に、前記圧電基板の下端面に垂直な縦波を照射し、前記縦波を前記測定対象物体で反射させる機能を有し、前記すだれ状トランスデューサは、反射された前記縦波のうち反射角αの成分のものであって前記圧電基板が介在することにより漏洩ラム波へモード変換されたものを、ドップラー偏移周波数(F)を有する遅延電気信号に変換させる機能を有し、前記信号分析器は、前記測定対象物体の移動速度を前記キャリア周波数(F0)と前記ドップラー偏移周波数(F)との差(F-F0)から検出する機能を有することを特徴とする移動速度測定装置。
【請求項２】
前記すだれ状トランスデューサが円弧状の電極パターンを有し、前記円弧の同心は前記第一電極の中心と一致する請求項１に記載の移動速度測定装置。
【請求項３】
前記圧電基板の下端面に新たに対向電極が設けられ、前記対向電極は前記すだれ状トランスデューサと対面する位置にある請求項１に記載の移動速度測定装置。
【請求項４】
圧電基板、第一電極、第二電極、すだれ状トランスデューサ、信号発生器および信号分析器から成り、媒体を含む測定対象中に存在する測定対象物体の移動速度測定装置であって、前記第一電極および前記すだれ状トランスデューサは、前記圧電基板の上端面に設けられており、前記第二電極は、前記圧電基板の下端面に設けられていて、前記第一電極および第二電極は、厚み振動モードのトランスデューサを形成し、前記圧電基板、前記厚み振動モードのトランスデューサおよび前記すだれ状トランスデューサは、超音波複合体を形成し、該超音波複合体の底部を、媒体を含む測定対象への接触面とし、前記信号発生器は、入力電気信号Ei (i=1, 2,…,またはn)を発生させる機能を有し、前記入力電気信号Eiは、キャリア周波数F0i (i=1, 2,…,またはn)を有し、前記キャリア周波数F0iは、前記超音波複合体と前記測定対象物体との距離Di (i=1, 2,…,またはn)にそれぞれ対応し、前記厚み振動モードのトランスデューサは、キャリア周波数F0iを有する入力電気信号が印加されることにより、前記測定対象に含まれる媒体中に、前記圧電基板の下端面に垂直な縦波を照射し、前記縦波を前記測定対象物体で反射させる機能を有し、反射された前記縦波は、反射角αi (i=1, 2,…,またはn)を有し、前記反射角αiは前記距離Diにそれぞれ対応し、前記すだれ状トランスデューサは、反射された前記縦波のうち前記反射角αiを有するものであって前記圧電基板が介在することにより漏洩ラム波へモード変換されたものを、ドップラー偏移周波数Fi(i=1, 2,…,またはn)に対応する遅延電気信号に変換させる機能を有し、前記ドップラー偏移周波数Fiは前記反射角αiにそれぞれ対応し、前記信号分析器は、前記測定対象物体の移動速度を前記キャリア周波数(F0i)と前記ドップラー偏移周波数(Fi)との差(Fi-F0i)から検出する機能を有することを特徴とする移動速度測定装置。
【請求項５】
圧電基板、第一電極、第二電極、第一すだれ状トランスデューサ、第二すだれ状トランスデューサおよび信号分析器から成り、媒体を含む測定対象中に存在する測定対象物体の移動速度測定装置であって、前記第一および第二すだれ状トランスデューサは、互いに同じ電極パターンを有しており、前記圧電基板の上端面に設けられ、前記第一電極は、前記圧電基板の上端面における前記第一および第二すだれ状トランスデューサの間に配置され、前記第二電極は、前記圧電基板の下端面に設けられていて、前記第一および第二電極は、厚み振動モードのトランスデューサを形成し、前記圧電基板、前記厚み振動モードのトランスデューサ、前記第一および第二すだれ状トランスデューサは、超音波複合体を形成し、該超音波複合体の底部を、媒体を含む測定対象への接触面とし、前記厚み振動モードのトランスデューサは、キャリア周波数(F0)を有する入力電気信号が印加されることにより、前記測定対象に含まれる媒体中に、前記圧電基板の下端面に垂直な縦波を照射し、前記縦波を前記測定対象物体で反射させる機能を有し、前記第一すだれ状トランスデューサは、反射された前記縦波のうち第１反射波であって前記圧電基板が介在することにより第１漏洩ラム波へモード変換されたものを、第１ドップラー偏移周波数(Ff)を有する第１遅延電気信号に変換させる機能を有し、前記第二すだれ状トランスデューサは、反射された前記縦波のうち第２反射波であって前記圧電基板が介在することにより第２漏洩ラム波へモード変換されたものを、第２ドップラー偏移周波数(Fs)を有する第２遅延電気信号に変換させる機能を有し、前記第１および第２反射波はともに反射角αを有し、前記信号分析器は、前記第１ドップラー偏移周波数(Ff)および前記第２ドップラー偏移周波数(Fs)のうちどちらが大きいかを感知することにより、前記測定対象物体の移動方向を検出し、前記キャリア周波数(F0)と、前記第１ドップラー偏移周波数(Ff)および前記第２ドップラー偏移周波数(Fs)のうちのどちらか大きい方との差から、前記測定対象物体の移動速度を検出する機能を有することを特徴とする移動速度測定装置。
【請求項６】
圧電基板、第一電極、第二電極、第一すだれ状トランスデューサ、第二すだれ状トランスデューサ、第三すだれ状トランスデューサおよび信号分析器から成り、媒体を含む測定対象中に存在する測定対象物体の移動速度測定装置であって、前記第一、第二および第三すだれ状トランスデューサは、互いに同じ電極パターンを有しており、前記圧電基板の上端面において三角形を形成するような配置に設けられ、前記第一電極は、前記圧電基板の上端面における前記三角形の中に設けられ、前記第二電極は、前記圧電基板の下端面に設けられていて、前記第一および第二電極は、厚み振動モードのトランスデューサを形成し、前記圧電基板、前記厚み振動モードのトランスデューサ、前記第一、第二および第三すだれ状トランスデューサは、超音波複合体を形成し、該超音波複合体の底部を、媒体を含む測定対象への接触面とし、前記厚み振動モードのトランスデューサは、キャリア周波数(F0)を有する入力電気信号が印加されることにより、前記測定対象に含まれる媒体中に、前記圧電基板の下端面に垂直な縦波を照射し、前記縦波を前記測定対象物体で反射させる機能を有し、前記第一すだれ状トランスデューサは、反射された前記縦波のうち第１反射波であって前記圧電基板が介在することにより第１漏洩ラム波へモード変換されたものを、第１ドップラー偏移周波数(Ff)を有する第１遅延電気信号に変換させる機能を有し、前記第二すだれ状トランスデューサは、反射された前記縦波のうち第２反射波であって前記圧電基板が介在することにより第２漏洩ラム波へモード変換されたものを、第２ドップラー偏移周波数(Fs)を有する第２遅延電気信号に変換させる機能を有し、前記第三すだれ状トランスデューサは、反射された前記縦波のうち第３反射波であって前記圧電基板が介在することにより第３漏洩ラム波へモード変換されたものを、第３ドップラー偏移周波数(Ft)を有する第３遅延電気信号に変換させる機能を有し、前記第１、第２および第３反射波は、ともに反射角αを有し、前記信号分析器は、前記測定対象物体の移動方向および移動速度を、前記キャリア周波数(F0)と前記第１ドップラー偏移周波数(Ff)との差、前記キャリア周波数(F0)と前記第２ドップラー偏移周波数(Fs)との差、そして前記キャリア周波数(F0)と前記第３ドップラー偏移周波数(Ft)との差の組み合わせから検出する機能を有することを特徴とする移動速度測定装置。
【請求項７】
前記超音波複合体の底部に新たに非圧電性薄膜が設けられている請求項１、または４、または５、または６に記載の移動速度測定装置。
【請求項８】
前記圧電基板が圧電セラミック薄板で成り、前記圧電セラミック薄板の分極軸の方向がその厚さ方向と平行である請求項１、または４、または５、または６に記載の移動速度測定装置。
【請求項９】
前記圧電基板が圧電性高分子薄板で成る請求項１、または４、または５、または６に記載の移動速度測定装置。
【請求項１０】
前記圧電基板が圧電性単結晶薄板で成る請求項１、または４、または５、または６に記載の移動速度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体中における物体の回転速度や、チューブの中を流れる液体の流速などを、ドップラー効果を利用することにより検出する移動速度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
媒体中における物体の移動速度を測定するには、ドップラー効果の利用が効果的である。従来の測定装置では、厚み振動モードのトランスデューサが主に用いられてきた。厚み振動モードのトランスデューサは、それが備えられている圧電基板に垂直な方向の超音波を送受波する機能を有する。従って、従来の測定装置においては、入力用および出力用の厚み振動モードのトランスデューサの位置関係を制御することが機械的に難しく、その上、測定精度、応答時間、耐久性などにも問題を有している。また、環境の変化、たとえば温度変化などにも影響を受け易い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、小型軽量で、検出感度が高く、高速応答に優れ、高周波数での駆動が可能で、耐環境性に優れ、低消費電力駆動が可能な移動速度測定装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の移動速度測定装置は、圧電基板、第一電極、第二電極、すだれ状トランスデューサおよび信号分析器から成る移動速度測定装置であって、前記第一電極および前記すだれ状トランスデューサは、前記圧電基板の上端面に設けられており、前記第二電極は、前記圧電基板の下端面に設けられていて、前記第一電極および第二電極は、厚み振動モードのトランスデューサを形成し、前記圧電基板、前記厚み振動モードのトランスデューサおよび前記すだれ状トランスデューサは超音波複合体を形成し、前記厚み振動モードのトランスデューサに、キャリア周波数を有する入力電気信号が印加されることにより、前記超音波複合体の底部と接触している媒体中に縦波が照射され、前記キャリア周波数は、前記厚み振動モードのトランスデューサを駆動するための中心周波数にほぼ等しく、前記縦波は、前記媒体中に含まれる物体によって反射され、反射された前記縦波は、前記すだれ状トランスデューサにおいて、漏洩ラム波へのモード変換を経て、ドップラー偏移周波数を有する遅延電気信号に変換され、前記物体の移動速度は、前記信号分析器において、前記キャリア周波数と前記ドップラー偏移周波数との差から検出される。
【０００５】
本発明の移動速度測定装置は、前記すだれ状トランスデューサが分散型の電極パターンを有する。
【０００６】
請求項２に記載の移動速度測定装置は、前記すだれ状トランスデューサが円弧状の電極パターンを有し、前記円弧の同心は前記第一電極の中心と一致する。
【０００７】
請求項３に記載の移動速度測定装置は、前記圧電基板の下端面に新たに対向電極が設けられ、前記対向電極は前記すだれ状トランスデューサと対面する位置にある。
【０００８】
請求項４に記載の移動速度測定装置は、信号発生器が新たに備えられた移動速度測定装置であって、前記信号発生器は、入力電気信号Ei (i=1, 2,…,またはn)を発生させ、前記入力電気信号Eiは、キャリア周波数F0i (i=1, 2,…,またはn)を有し、前記キャリア周波数F0iは、前記超音波複合体と前記物体との距離Di (i=1, 2,…,またはn)にそれぞれ対応し、反射された前記縦波は、反射角αi (i=1, 2,…,またはn)を有し、前記反射角αiは前記距離Diにそれぞれ対応し、前記遅延電気信号は、ドップラー偏移周波数Fi (i=1, 2,…,またはn)を有する。
【０００９】
請求項５に記載の移動速度測定装置は、圧電基板、第一電極、第二電極、第一すだれ状トランスデューサ、第二すだれ状トランスデューサおよび信号分析器から成る移動速度測定装置であって、前記第一および第二すだれ状トランスデューサは、互いに同じ電極パターンを有しており、前記圧電基板の上端面に設けられ、前記第一電極は、前記圧電基板の上端面における前記第一および第二すだれ状トランスデューサの間に配置され、前記第二電極は、前記圧電基板の下端面に設けられていて、前記第一および第二電極は、厚み振動モードのトランスデューサを形成し、前記圧電基板、前記厚み振動モードのトランスデューサ、前記第一および第二すだれ状トランスデューサは超音波複合体を形成し、前記厚み振動モードのトランスデューサに、キャリア周波数を有する入力電気信号が印加されることにより、前記超音波複合体の底部と接触している媒体中に縦波が照射され、前記キャリア周波数は、前記厚み振動モードのトランスデューサを駆動するための中心周波数にほぼ等しく、反射された前記縦波は、前記第一すだれ状トランスデューサにおいて、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数を有する第１遅延電気信号に変換されると同時に、前記第二すだれ状トランスデューサにおいて、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数を有する第２遅延電気信号に変換され、前記物体の移動方向および移動速度は、前記信号分析器において、前記キャリア周波数と、前記第１および第２ドップラー偏移周波数のうちの大きい方との差から検出される。
【００１０】
本発明の移動速度測定装置は、前記第一すだれ状トランスデューサの電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線と、前記第二すだれ状トランスデューサの電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線とが互いに重複する。
【００１１】
請求項６に記載の移動速度測定装置は、圧電基板、第一電極、第二電極、第一すだれ状トランスデューサ、第二すだれ状トランスデューサ、第三すだれ状トランスデューサおよび信号分析器から成る移動速度測定装置であって、前記第一、第二および第三すだれ状トランスデューサは、互いに同じ電極パターンを有しており、前記圧電基板の上端面において三角形を形成するような配置に設けられ、前記第一電極は、前記圧電基板の上端面における前記三角形の中に設けられ、前記第二電極は、前記圧電基板の下端面に設けられていて、前記第一および第二電極は、厚み振動モードのトランスデューサを形成し、前記圧電基板、前記厚み振動モードのトランスデューサ、前記第一、第二および第三すだれ状トランスデューサは超音波複合体を形成し、前記厚み振動モードのトランスデューサに、キャリア周波数を有する入力電気信号が印加されることにより、前記超音波複合体の底部と接触している媒体中に縦波が照射され、前記キャリア周波数は、前記厚み振動モードのトランスデューサを駆動するための中心周波数からプラスおよびマイナス6dBの周波数帯域内にあり、反射された前記縦波は、前記第一すだれ状トランスデューサにおいては、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数を有する第１遅延電気信号に変換され、前記第二すだれ状トランスデューサにおいては、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数を有する第２遅延電気信号に変換され、前記第三すだれ状トランスデューサにおいては、第３漏洩ラム波へのモード変換を経て、第３ドップラー偏移周波数を有する第３遅延電気信号に変換され、前記物体の移動方向および移動速度は、前記信号分析器において、前記キャリア周波数と前記第１ドップラー偏移周波数との差、前記キャリア周波数と前記第２ドップラー偏移周波数との差、そして前記キャリア周波数と前記第３ドップラー偏移周波数との差の組み合わせから検出される。
【００１２】
本発明の移動速度測定装置は、前記第一すだれ状トランスデューサの電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線と、前記第二すだれ状トランスデューサの電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線と、前記第三すだれ状トランスデューサの電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線の交点が、前記第一電極の中心と一致する。
【００１３】
本発明の移動速度測定装置は、前記第一電極が組み合わせ電極で成り、前記組み合わせ電極は２つの櫛型電極から成り、前記圧電基板の厚さに対する前記組み合わせ電極の電極周期長の割合は、前記圧電基板中を伝搬する漏洩ラム波速度に対する前記媒体中を伝搬する縦波速度の割合の５倍以下である。
【００１４】
請求項７に記載の移動速度測定装置は、前記超音波複合体の底部に新たに非圧電性薄膜が設けられている。
【００１５】
請求項８に記載の移動速度測定装置は、前記圧電基板が圧電セラミック薄板で成り、前記圧電セラミック薄板の分極軸の方向がその厚さ方向と平行である。
【００１６】
請求項９に記載の移動速度測定装置は、前記圧電基板が圧電性高分子薄板で成る。
【００１７】
請求項１０に記載の移動速度測定装置は、前記圧電基板が圧電性単結晶薄板で成る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
第１の本発明の移動速度測定装置は、圧電基板、第一電極、第二電極、すだれ状トランスデューサおよび信号分析器から成る簡単な構造を有する。第一電極およびすだれ状トランスデューサは圧電基板の上端面に設けられており、第二電極は圧電基板の下端面に設けられている。第一電極および第二電極は厚み振動モードのトランスデューサを形成する。圧電基板、厚み振動モードのトランスデューサおよびすだれ状トランスデューサは超音波複合体を形成する。もしも、厚み振動モードのトランスデューサに、キャリア周波数を有する入力電気信号が印加されると、超音波複合体の底部と接触している媒体中に縦波が照射される。このとき、キャリア周波数は、厚み振動モードのトランスデューサを駆動するための中心周波数にほぼ等しくなるように設定されている。縦波が媒体中に含まれる物体によって反射されると、反射された縦波は、すだれ状トランスデューサにおいて、漏洩ラム波へのモード変換を経て、ドップラー偏移周波数を有する遅延電気信号に変換される。物体の移動速度は、キャリア周波数とドップラー偏移周波数との差から信号分析器において検出される。
【００１９】
第１の本発明の移動速度測定装置では、すだれ状トランスデューサが分散型の電極パターンを有する構造が可能である。
【００２０】
第１の本発明の移動速度測定装置では、すだれ状トランスデューサが円弧状の電極パターンを有する構造が可能である。この場合、すだれ状トランスデューサは、その円弧の同心が第一電極の中心と一致するように配置される。
【００２１】
第１の本発明の移動速度測定装置では、圧電基板の下端面に新たに対向電極が設けられた構造が可能である。この場合、対向電極はすだれ状トランスデューサと対面する位置にあるように配置される。
【００２２】
第１の本発明の移動速度測定装置では、信号発生器が新たに備えられた構造が可能である。この信号発生器は、キャリア周波数F0i (i=1, 2,…,またはn)を有する入力電気信号Ei (i=1, 2,…,またはn)をそれぞれ発生させるものであって、キャリア周波数F0iは、超音波複合体と物体との距離Di (i=1, 2,…,またはn)にそれぞれ対応するものである。つまり、媒体中において反射された縦波は、距離Diに対応する反射角αi (i=1, 2,…,またはn)をそれぞれ有し、このような反射波が、すだれ状トランスデューサにおいて、漏洩ラム波へのモード変換を経て、ドップラー偏移周波数Fi (i=1, 2,…,またはn)を有する遅延電気信号にそれぞれ変換される。このようにして、距離Diに応じてキャリア周波数F0iを設定すれば、すだれ状トランスデューサにおいて、反射角αiを有する反射波が、ドップラー偏移周波数Fiを有する遅延電気信号に変換される。
【００２３】
第２の本発明の移動速度測定装置は、圧電基板、第一電極、第二電極、第一すだれ状トランスデューサ、第二すだれ状トランスデューサおよび信号分析器から成るものである。第一および第二すだれ状トランスデューサは、互いに同じ電極パターンを有しており、圧電基板の上端面に設けられている。第一電極は、圧電基板の上端面における第一および第二すだれ状トランスデューサの間に配置されており、第二電極は、圧電基板の下端面に設けられている。第一および第二電極は、厚み振動モードのトランスデューサを形成する。圧電基板、厚み振動モードのトランスデューサ、第一および第二すだれ状トランスデューサは超音波複合体を形成する。もしも、厚み振動モードのトランスデューサに、キャリア周波数を有する入力電気信号が印加されると、超音波複合体の底部と接触している媒体中に縦波が照射される。このとき、キャリア周波数は、厚み振動モードのトランスデューサを駆動するための中心周波数にほぼ等しくなるように設定されている。縦波が媒体中に含まれる物体によって反射されると、反射された縦波は、第一すだれ状トランスデューサにおいて、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数を有する第１遅延電気信号に変換され、それと同時に、第二すだれ状トランスデューサにおいて、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数を有する第２遅延電気信号に変換される。物体の移動方向および移動速度は、キャリア周波数と、第１および第２ドップラー偏移周波数のうちの大きい方との差から、信号分析器において検出される。
【００２４】
第２の本発明の移動速度測定装置では、第一すだれ状トランスデューサの電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線と、第二すだれ状トランスデューサの電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線とが互いに重複する構造が採用されている。このような構造により、反射された縦波が、第一すだれ状トランスデューサにおいて、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て第１遅延電気信号に効率よく変換されるのと同時に、第二すだれ状トランスデューサにおいて、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て第２遅延電気信号に効率よく変換される。
【００２５】
第２の本発明の移動速度測定装置では、第一および第二すだれ状トランスデューサが分散型の電極パターンを有する構造が可能である。
【００２６】
第２の本発明の移動速度測定装置では、第一および第二すだれ状トランスデューサが円弧状の電極パターンを有する構造が可能である。この場合、第一および第二すだれ状トランスデューサは、その円弧の同心が第一電極の中心と一致するように配置される。
【００２７】
第２の本発明の移動速度測定装置では、圧電基板の下端面に新たに第一および第二対向電極が設けられた構造が可能である。この場合、第一および第二対向電極は、それぞれ第一および第二すだれ状トランスデューサと対面する位置にあるように配置される。
【００２８】
第２の本発明の移動速度測定装置では、信号発生器が新たに備えられた構造が可能である。この信号発生器は、キャリア周波数F0i (i=1, 2,…,またはn)を有する入力電気信号Ei (i=1, 2,…,またはn)をそれぞれ発生させるものであって、キャリア周波数F0iは、超音波複合体と物体との距離Di (i=1, 2,…,またはn)にそれぞれ対応するものである。つまり、媒体中において反射された縦波は、距離Diに対応する反射角αi (i=1, 2,…,またはn)をそれぞれ有し、このような反射波が、第一すだれ状トランスデューサにおいて、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数Ffi (i=1, 2,…,またはn)を有する第１遅延電気信号にそれぞれ変換され、第二すだれ状トランスデューサにおいては、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数Fsi (i=1, 2,…,またはn)を有する第２遅延電気信号にそれぞれ変換される。このようにして、距離Diに応じてキャリア周波数F0iを設定すれば、反射角αiを有する反射波が、第一すだれ状トランスデューサにおいて第１遅延電気信号に変換され、第二すだれ状トランスデューサにおいて第２遅延電気信号に変換される。
【００２９】
第３の本発明の移動速度測定装置は、圧電基板、第一電極、第二電極、第一すだれ状トランスデューサ、第二すだれ状トランスデューサ、第三すだれ状トランスデューサおよび信号分析器から成る。第一、第二および第三すだれ状トランスデューサは、互いに同じ電極パターンを有しており、圧電基板の上端面において三角形を形成するような配置に設けられている。第一電極は、圧電基板の上端面における三角形の中に設けられており、第二電極は、圧電基板の下端面に設けられている。第一および第二電極は、厚み振動モードのトランスデューサを形成する。圧電基板、厚み振動モードのトランスデューサ、第一、第二および第三すだれ状トランスデューサは超音波複合体を形成する。もしも、厚み振動モードのトランスデューサに、キャリア周波数を有する入力電気信号が印加されると、超音波複合体の底部と接触している媒体中に縦波が照射される。このとき、キャリア周波数は、厚み振動モードのトランスデューサを駆動するための中心周波数からプラスおよびマイナス6dBの周波数帯域内にあるように設定されている。縦波が媒体中に含まれる物体によって反射されると、反射された縦波は、第一すだれ状トランスデューサにおいて、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数を有する第１遅延電気信号に変換され、第二すだれ状トランスデューサにおいて、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数を有する第２遅延電気信号に変換され、第三すだれ状トランスデューサにおいては、第３漏洩ラム波へのモード変換を経て、第３ドップラー偏移周波数を有する第３遅延電気信号に変換される。物体の移動方向および移動速度は、キャリア周波数と第１ドップラー偏移周波数との差、キャリア周波数と第２ドップラー偏移周波数との差、そしてキャリア周波数と第３ドップラー偏移周波数との差の組み合わせから、信号分析器において検出される。
【００３０】
第３の本発明の移動速度測定装置では、第一すだれ状トランスデューサの電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線と、第二すだれ状トランスデューサの電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線と、第三すだれ状トランスデューサの電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線の交点が、第一電極の中心と一致するような構造が採用されている。このような構造により、反射された縦波は、第一すだれ状トランスデューサにおいて、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て第１遅延電気信号に効率よく変換され、第二すだれ状トランスデューサにおいて、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て第２遅延電気信号に効率よく変換され、第三すだれ状トランスデューサにおいて、第３漏洩ラム波へのモード変換を経て第３遅延電気信号に効率よく変換される。
【００３１】
第３の本発明の移動速度測定装置では、第一、第二および第三すだれ状トランスデューサが分散型の電極パターンを有する構造が可能である。
【００３２】
第３の本発明の移動速度測定装置では、第一、第二および第三すだれ状トランスデューサが円弧状の電極パターンを有する構造が可能である。この場合、第一、第二および第三すだれ状トランスデューサは、その円弧の同心が第一電極の中心と一致するように配置される。
【００３３】
第３の本発明の移動速度測定装置では、圧電基板の下端面に新たに第一、第二および第三対向電極が設けられた構造が可能である。この場合、第一、第二および第三対向電極はそれぞれ第一、第二および第三すだれ状トランスデューサと対面する位置にあるように配置される。
【００３４】
第３の本発明の移動速度測定装置では、信号発生器が新たに備えられた構造が可能である。この信号発生器は、キャリア周波数F0i (i=1, 2,…,またはn)を有する入力電気信号Ei (i=1, 2,…,またはn)をそれぞれ発生させるものであって、キャリア周波数F0iは、超音波複合体と物体との距離Di (i=1, 2,…,またはn)にそれぞれ対応するものである。つまり、媒体中において反射された縦波は、距離Diに対応する反射角αi (i=1, 2,…,またはn)をそれぞれ有し、このような反射波が、第一すだれ状トランスデューサにおいて、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数Ffi (i=1, 2,…,またはn)を有する第１遅延電気信号にそれぞれ変換され、第二すだれ状トランスデューサにおいて、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数Fsi (i=1, 2,…,またはn)を有する第２遅延電気信号にそれぞれ変換され、第三すだれ状トランスデューサにおいて、第３漏洩ラム波へのモード変換を経て、第３ドップラー偏移周波数Fti (i=1, 2,…,またはn)を有する第３遅延電気信号にそれぞれ変換される。このようにして、距離Diに応じてキャリア周波数F0iを設定すれば、反射角αiを有する反射波が、第一すだれ状トランスデューサにおいて、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て第１遅延電気信号に変換され、第二すだれ状トランスデューサにおいて、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て第２遅延電気信号に変換され、第三すだれ状トランスデューサにおいて、第３漏洩ラム波へのモード変換を経て第３遅延電気信号に変換される。
【００３５】
本発明の移動速度測定装置では、第一電極が、組み合わせ電極で成る構造が可能である。この組み合わせ電極は２つの櫛型電極から成る。もしも、圧電基板の厚さに対する組み合わせ電極の電極周期長の割合が、圧電基板中を伝搬する漏洩ラム波速度に対する、媒体中を伝搬する縦波速度の割合の５倍以下であるような構造を採用すれば、垂直成分および非垂直成分から成る縦波を効率よく水中に照射することが可能になる。
【００３６】
本発明の移動速度測定装置では、超音波複合体の底部に新たに非圧電性薄膜が設けられた構造が可能である。このような構造を採用することにより、水中への縦波の照射効率を上昇させることが可能となる。
【００３７】
本発明の移動速度測定装置では、圧電基板が圧電セラミック薄板で成る構造が可能である。このとき、圧電セラミック薄板は、その分極軸の方向が厚さ方向と平行になるように配置される。このような構造を採用することにより、水中への縦波の照射効率を上昇させることが可能となる。
【００３８】
本発明の移動速度測定装置では、圧電基板が圧電性高分子薄板で成る構造が可能である。このような構造を採用することにより、水中への縦波の照射効率を上昇させることが可能となる。
【００３９】
本発明の移動速度測定装置では、圧電基板が圧電性単結晶薄板で成る構造が可能である。このような構造を採用することにより、水中への縦波の照射効率を上昇させることが可能となる。
【００４０】
【実施例】
図１は本発明の移動速度測定装置の第１の実施例を示す構成図である。本実施例は圧電基板１、第一電極２、第二電極３、すだれ状トランスデューサ４、信号発生器５および信号分析器６から成る。但し、図１では信号発生器５および信号分析器６は描かれていない。圧電基板１は厚さ155μmの圧電セラミック薄板で成り、その分極軸の方向は厚さ方向と平行である。なお、圧電基板１として、圧電セラミック薄板の代わりに圧電性高分子薄板や圧電性単結晶薄板を用いることも可能である。第一電極２およびすだれ状トランスデューサ４は、それぞれがアルミニウム薄膜で成り、圧電基板１の上端面に設けられている。第二電極３はアルミニウム薄膜で成り、圧電基板１の下端面に設けられている。このとき、矩形板状を成す第一電極２および同様な形状を成す第二電極３によって、厚み振動モードのトランスデューサが形成される。また、圧電基板１、厚み振動モードのトランスデューサおよびすだれ状トランスデューサ４によって超音波複合体が形成される。図１の移動速度測定装置を用いて、たとえば、水中において矢印の方向に回転する回転体７の回転速度(S)を測定しようとする場合、超音波複合体の底部は水に漬けられる。このようにして、図１の移動速度測定装置は小型軽量で構造も簡単である。
【００４１】
図２は図１の超音波複合体を上方から見たときの平面図である。図２では回転体７も描かれているが、第二電極３は描かれていない。すだれ状トランスデューサ４は１０対の電極指を有し、電極交差幅(L)は10 mmで、電極周期長(P)は320μmである。
【００４２】
図３は図１の移動速度測定装置の断面図である。もしも信号発生器５から、キャリア周波数(F0)を有する入力電気信号が厚み振動モードのトランスデューサに印加されると、圧電基板１の下端面に垂直な縦波が、超音波複合体の底部と接触している水中に照射される。同様にして、細胞質中やその他の媒体中にも縦波を照射することが可能である。縦波が回転体７によって反射されると、縦波の反射波のうち反射角αの成分のものが、すだれ状トランスデューサ４において、漏洩ラム波へのモード変換を経て、ドップラー偏移周波数(F)を有する遅延電気信号に変換される。このようにして、信号分析器６において、キャリア周波数(F0)とドップラー偏移周波数(F)との差(F-F0)から、回転体７の回転速度(S)を算出することができる。
【００４３】
図４は圧電基板１中の漏洩ラム波速度(V)と、積ｆｄとの関係を示す特性図である。ｆは周波数、ｄは圧電基板１の厚さを示す。図４では、すだれ状トランスデューサ４を駆動するための最適条件に対応する直線(a)と、厚み振動モードのトランスデューサを駆動するための最適条件に対応する直線(b)も描かれている。直線(b)は、厚み振動モードのトランスデューサを駆動するための中心周波数での動作に対応するが、中心周波数からプラスおよびマイナス6dBの周波数帯域内であれば、本発明の移動速度測定装置が有効に機能する。図４によれば、直線(a)、直線(b)およびA１モードの速度分散曲線が交わる点は、最適な駆動条件に対応し、このとき、ｄが155μmとするとｆは13.13 MHzとなり、圧電基板１中の漏洩ラム波速度(V)は4,230 m/sとなる。図１の移動速度測定装置では、キャリア周波数(F0)が13.13 MHzの場合、水中の縦波速度(VW)が20℃で1,483 m/s であることから、反射角αは20.51°となる。
【００４４】
図５は縦波の液中への変換効率ηの計算値と、ｆｄ値との関係を示す特性図である。図５におけるA１モードの速度分散曲線上の●印は、図４における最適な駆動条件に対応する。
【００４５】
図６は、回転体７の回転速度が1,000 rpmの場合における信号分析器６での観測スペクトル解析波形である。13.13 MHzでの最も高いピークは、キャリア周波数(F0)に対応し、高周波帯域にあるピークは、ドップラー偏移周波数(F)に対応する。
【００４６】
図７は、回転体７の回転速度が図６と同様の場合における信号分析器６での観測スペクトル解析波形である。但し図７は、図１における回転方向とは逆回転の場合の観測波形である。図６および７より、図７の低周波帯域にあるピークと、図６の高周波帯域にあるピークは、13.13 MHzでのキャリア周波数(F0)に対しほぼ対称関係にあることが判る。
【００４７】
図８は回転体７の回転速度(S)と、キャリア周波数(F0)およびドップラー偏移周波数(F)の差(F-F0)との関係を示す特性図である。図８によれば、●印で示される実測値が、直線で示される計算値とほぼ一致することが判る。また、周波数差(F-F0)が、回転体７の回転速度(S)と直線関係にあることが判る。なお、周波数差(F-F0)は次の関係式から求めることができる。
【００４８】
【数１】
0004288688.tif 000002
【００４９】
このとき、F、F0、VW、S、αおよびβは、ドップラー偏移周波数、キャリア周波数、水中の縦波速度、回転体７の回転速度、反射角、そして、反射波と回転体７の回転方向との成す角を示す。図５の場合には、反射角αは20.51°で、角βは0°となる。
【００５０】
図９は圧電基板１中の漏洩ラム波速度(V)と、積ｆｄとの関係を示す特性図である。図９では、図４の直線(a)の他に、厚み振動モードのトランスデューサを駆動するための必要条件、すなわち中心周波数からプラスおよびマイナス6dBの周波数帯域内にあるという条件に対応する３つの直線(b-1、b-2およびb-3)も描かれている。直線(b-1)およびA１モードの速度分散曲線が交わる点は、第１の適切な駆動条件に対応し、このとき、ｄが155μmとするとｆは12 MHzとなり、圧電基板１中の漏洩ラム波速度(V)は4,600 m/sとなる。直線(b-2)およびA１モードの速度分散曲線が交わる点は、第２の適切な駆動条件に対応し、このとき、ｆは13 MHzとなり、圧電基板１中の漏洩ラム波速度(V)は4,274 m/sとなる。直線(b-3)およびA１モードの速度分散曲線が交わる点は、第３の適切な駆動条件に対応し、このとき、ｆは14 MHzとなり、圧電基板１中の漏洩ラム波速度(V)は3,958 m/sとなる。
【００５１】
図１０は縦波の液中への変換効率ηの計算値と、ｆｄ値との関係を示す特性図である。図１０におけるA１モードの速度分散曲線上の●印は、図９における第１、第２および第３の適切な駆動条件にそれぞれ対応する。
【００５２】
図１１は回転体７の回転速度(S)と、周波数差(F-F0)との関係を示す特性図である。但し図１１は、３つのキャリア周波数(12 MHz、13 MHzおよび14 MHz)が採用された場合の特性図である。●印、▲印および◆印はそれぞれ実測値を表し、実線で示される計算値とほぼ一致している。また、周波数差(F-F0)が回転速度(S)と直線関係にあることが判る。さらに、上記の数１に記載されている関係式から、３つのキャリア周波数(12 MHz、13 MHzおよび14 MHz)に対応して、３つの反射角(α1, α2およびα3)が存在することが判る。従って、超音波複合体と回転体７との距離Di (i=1, 2,…,またはn)に応じて、キャリア周波数F0i (i=1, 2,…,またはn)をそれぞれ設定すれば、すだれ状トランスデューサ４において、反射角αi (i=1, 2,…,またはn)を有する反射波が、漏洩ラム波へのモード変換を経て、ドップラー偏移周波数Fi (i=1, 2,…,またはn)を有する遅延電気信号にそれぞれ変換される。このとき、反射角αiは距離Diにそれぞれ対応している。
【００５３】
図１２は本発明の移動速度測定装置の第２の実施例を示す断面図である。本実施例は、シリコンゴムで成る非圧電性薄膜８が超音波複合体の底部に備えられていることを除き、図１と同様な構造を有する。
【００５４】
図１２の移動速度測定装置では、キャリア周波数(F01, F02またはF03)を有する入力電気信号(E1, E2またはE3)が、信号発生器５から厚み振動モードのトランスデューサに印加されると、圧電基板１の下端面に垂直な縦波が、超音波複合体の底部と接触している水中に照射される。このとき、非圧電性薄膜８を採用することにより、水中への縦波の照射効率を上昇させることができる。縦波は、回転体７で反射され、このときの反射角(α1, α2またはα3)は、キャリア周波数(F01, F02またはF03)に対応している。図１２では、反射角α2の反射波が、すだれ状トランスデューサ４において、漏洩ラム波へのモード変換を経て、ドップラー偏移周波数(F2)を有する遅延電気信号に変換されている。すなわち、超音波複合体と回転体７との距離(D1, D2またはD3)に応じて、キャリア周波数(F01, F02またはF03)をそれぞれ設定すれば、すだれ状トランスデューサ４において、反射角(α1, α2またはα3)を有する反射波が、漏洩ラム波へのモード変換を経て、ドップラー偏移周波数(F1, F2またはF3)を有する遅延電気信号にそれぞれ変換される。このとき、非圧電性薄膜８を採用することにより、反射波の遅延電気信号への変換効率を上昇させることができる。
【００５５】
図１３は、図１２の移動速度測定装置のもう１つの断面図であって、回転体７が水中において４つの位置にそれぞれ存在する場合を想定したものである。超音波複合体と回転体７との距離Di (i=1, 2, 3または4)に応じて、キャリア周波数F0i (i=1, 2, 3または4)をそれぞれ設定すれば、すだれ状トランスデューサ４において、反射角αi (i=1, 2, 3または4)を有する反射波が、漏洩ラム波へのモード変換を経て、ドップラー偏移周波数Fi (i=1, 2, 3または4)を有する遅延電気信号にそれぞれ変換される。このとき、キャリア周波数が高周波になればなるほど、反射角も大きくなる。
【００５６】
図１４は本発明の移動速度測定装置の第３の実施例を示す平面図である。本実施例は、すだれ状トランスデューサ４の代わりにすだれ状トランスデューサ９が用いられていることを除き、図１と同様な構造を有する。すだれ状トランスデューサ９は、電極指の対数および電極交差幅(L)に関してはすだれ状トランスデューサ４と同様であるが、すだれ状トランスデューサ４とは異なる分散型の電極パターンを有する。このようにして、すだれ状トランスデューサ９は283 〜 383μmの電極周期長を有する。さらに、電極周期長が小さいものほど第一電極２に近い配置が採用されている。図１4の移動速度測定装置を用いて、たとえば、水中において矢印の方向に回転する回転体７の回転速度(S)を測定しようとする場合、超音波複合体の底部は水に漬けられる。
【００５７】
図１４の移動速度測定装置において、もしも信号発生器５から、キャリア周波数(F0)を有する入力電気信号が厚み振動モードのトランスデューサに印加されると、圧電基板１の下端面に垂直な縦波が、超音波複合体の底部と接触している水中に照射される。縦波が回転体７によって反射されると、縦波の反射波のうち反射角αの成分のものが、すだれ状トランスデューサ９によって、漏洩ラム波へのモード変換を経て、ドップラー偏移周波数(F)を有する遅延電気信号に変換される。このとき、キャリア周波数(F0)とドップラー偏移周波数(F)との差(F-F0)は、回転体７の回転速度(S)と相関している。従って、回転体７の回転速度(S)が速ければ速いほど、ドップラー偏移周波数(F)が高周波側に偏移する。この場合、すだれ状トランスデューサ９を用いれば、回転体７の高速回転の結果生ずる短波長の反射波でも、すだれ状トランスデューサ９の電極周期長が小さい部分において高周波の遅延電気信号に変換されることが可能になる。また、回転体７が逆回転する場合には、回転体７の回転速度(S)が速ければ速いほど、ドップラー偏移周波数(F)が低周波側に偏移することから、回転体７の高速回転の結果生ずる長波長の反射波でも、すだれ状トランスデューサ９の電極周期長が大きい部分において低周波の遅延電気信号に変換されることが可能になる。このようにして、すだれ状トランスデューサ９は、回転体７の広範囲の回転速度に対応することを可能にする。
【００５８】
図１５は本発明の移動速度測定装置の第４の実施例を示す平面図である。本実施例は、すだれ状トランスデューサ４の代わりにすだれ状トランスデューサ１０が用いられていることを除き、図１と同様な構造を有する。すだれ状トランスデューサ１０は、１０対の電極指、320μmの電極周期長(P)および45゜の開口角を有し、その電極パターンは円弧状であって、円弧の同心は第一電極２の中心と一致する。このようなすだれ状トランスデューサ１０を用いることによっても、図１と同様な効果が得られる。
【００５９】
図１６は本発明の移動速度測定装置の第５の実施例を示す平面図である。本実施例は、すだれ状トランスデューサ１０の代わりにすだれ状トランスデューサ１１が用いられていることを除き、図１５と同様な構造を有する。すだれ状トランスデューサ１１は、電極パターンが分散型であることを除き、すだれ状トランスデューサ１０と同様な構造を有する。すだれ状トランスデューサ１１は283 〜 383μmの電極周期長を有し、その上、電極周期長が小さいものほど第一電極２に近い。このようなすだれ状トランスデューサ１１は、図１４の場合と同様に、回転体７の広範囲の回転速度に対応することを可能にする。
【００６０】
図１７は本発明の移動速度測定装置の第６の実施例を示す構成図である。本実施例は、対向電極１２と増幅器１３が新たに備えられていることと、信号発生器５が備えられていないことを除き、図１と同様な構造を有する。なお、増幅器１３は図１３では描かれていない。対向電極１２はアルミニウム薄膜で成り、圧電基板１の下端面において、すだれ状トランスデューサ４と対面する位置に設けられている。このようにして、圧電基板１、厚み振動モードのトランスデューサ、すだれ状トランスデューサ４および対向電極１２によって超音波複合体が形成される。図１７の移動速度測定装置を用いて、たとえば、媒体の中にチューブが埋設されていて、そのチューブの中を液体が流れているような場合において、その液体の流速(S)を測定するには、超音波複合体の底部は媒体に漬けられる。但し、液体中には物体１４が存在しており、物体１４は、液体の流れる方向と流速に従って移動するものとする。
【００６１】
図１８は図１７の移動速度測定装置の断面図である。もしも、キャリア周波数(F0)を有する入力電気信号が厚み振動モードのトランスデューサに印加されると、圧電基板１の下端面に垂直な縦波が、超音波複合体の底部と接触している媒体中に照射され、続いて、チューブを介して液体中に照射される。縦波が物体１４によって反射されると、すだれ状トランスデューサ４と対向電極１２の間で、縦波の反射波のうち反射角αの成分のものが、漏洩ラム波へのモード変換を経て、ドップラー偏移周波数(F)を有する遅延電気信号に変換される。このとき、物体１４が液体の流れる方向と流速に従って移動していることから、液体の流速(S)は、信号分析器６において、キャリア周波数(F0)とドップラー偏移周波数(F)との差(F-F0)から算出される。このようにして、媒体、チューブ、液体および物体１４が、たとえば、細胞質、血管、血液および血球にそれぞれ相当する場合、血流速度(S)を検出することが可能となる。また、遅延電気信号は、信号分析器６に到達するだけでなく、増幅器１３によって増幅され、再び厚み振動モードのトランスデューサに印加される。このようにして、自励発振型の移動速度測定装置を形成することが可能になる。従って、回路構成が簡単になり、デバイスの小型軽量化が促進され、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。
【００６２】
図１２，１４，１５および１６の移動速度測定装置では、圧電基板１の下端面において、それぞれすだれ状トランスデューサ４，９，１０および１１と対面する位置に対向電極を設けることが可能である。
【００６３】
図１９は本発明の移動速度測定装置の第７の実施例を示す構成図である。本実施例は、第一電極２および第二電極３の代わりに組み合わせ電極１５および第二電極１６がそれぞれ用いられていることを除き、図１と同様な構造を有する。このようにして、圧電基板１、組み合わせ電極１５、第二電極１６およびすだれ状トランスデューサ４によって超音波複合体が形成される。図１９の移動速度測定装置を用いて、たとえば、水中において矢印の方向に回転する回転体７の回転速度(S)を測定しようとする場合、超音波複合体の底部は水に漬けられる。
【００６４】
図２０は図１９の超音波複合体を上方から見たときの平面図である。図１６では回転体７も描かれているが、第二電極１６は描かれていない。組み合わせ電極１５は、櫛型電極１５Aおよび１５Bから成る。櫛型電極１５Aは64μmの電極指幅(WA)を有し、櫛型電極１５Bは16μmの電極指幅(WB)を有する。このようにして、組み合わせ電極１５は、櫛型電極１５Aおよび１５Bそれぞれの電極指幅が互いに異なることを除き、すだれ状トランスデューサ４と同様な構造を有する。
【００６５】
図１９の移動速度測定装置において、キャリア周波数(F0)を有する入力電気信号が、櫛型電極１５Aおよび第二電極１６から成る厚み振動モードのトランスデューサに印加されると、縦波が超音波複合体の底部と接触している水中に照射される。前述したように、水中の縦波速度(VW)は20℃において1,483 m/s であり、圧電基板１中の漏洩ラム波速度(V)は4,230 m/sであることから、V値に対するVW値の割合、つまりVW/Vはほぼ0.35となる。一方、圧電基板１の厚さ(d) に対する組み合わせ電極１５の電極周期長(P)の割合、つまりP/ｄはほぼ２となり、この値は0.35の５倍よりも大きい。このような関係、すなわちP/ｄ ≧ ５VW /Vという条件のもとでは、垂直成分および非垂直成分から成る縦波が効率よく水中に照射される。つまり、このような条件が多方向への照射を可能にすることを意味する。また、櫛型電極１５Bが接地された状態にあるかどうかということも、縦波の非垂直成分の強度に影響を及ぼす。この場合、櫛型電極１５Bが接地されていない場合の方が、非垂直成分の強度が小さくなる。さらに、電極指幅(WA)が電極指幅(WB)よりも大きい方が、非垂直成分の強度が小さくなる。このようにして、組み合わせ電極１５を用いることにより、垂直成分の強度が大きい縦波を水中へ照射することが可能になる。縦波の垂直成分が回転体７によって反射されると、この反射波は、漏洩ラム波へのモード変換を経て、すだれ状トランスデューサ４によって検出される。つまり、すだれ状トランスデューサ４を用いることにより、圧電基板１の下端面に対し傾きを有する反射波を検出することが可能になる。こうして、信号分析器６において、キャリア周波数(F0)とドップラー偏移周波数(F)との差(F-F0)から、回転体７の回転速度(S)が算出される。
【００６６】
図１９の移動速度測定装置では、圧電基板１の下端面において、すだれ状トランスデューサ４と対面する位置に対向電極を設けることが可能である。
【００６７】
図２１は本発明の移動速度測定装置の第８の実施例を示す構成図である。本実施例は、圧電基板１、第一電極１７、第二電極１８、第一すだれ状トランスデューサ１９、第二すだれ状トランスデューサ２０、信号発生器５および信号分析器６から成る。但し、図２１では信号発生器５および信号分析器６は描かれていない。このようにして本実施例は、第一電極２および第二電極３の代わりに第一電極１７および第二電極１８が用いられていることと、すだれ状トランスデューサ４が備えられていない代わりに第一すだれ状トランスデューサ１９および第二すだれ状トランスデューサ２０が備えられていることを除き、図１と同様な構造を有する。第一電極１７および第二電極１８は、ともに円板状を成し、それらによって、厚み振動モードのトランスデューサが形成される。第一すだれ状トランスデューサ１９および第二すだれ状トランスデューサ２０は、すだれ状トランスデューサ４と同様な電極パターンを有し、これらの間に第一電極１７が設けられている。このようにして、圧電基板１、厚み振動モードのトランスデューサ、第一すだれ状トランスデューサ１９および第二すだれ状トランスデューサ２０によって超音波複合体が形成される。図２１の移動速度測定装置を用いて、たとえば、水中において矢印の方向に回転する回転体７の回転速度(S)を測定しようとする場合、超音波複合体の底部は水に漬けられる。
【００６８】
図２２は図２１の超音波複合体を上方から見たときの平面図である。図２２では回転体７も描かれているが、第二電極１８は描かれていない。図２２より、第一すだれ状トランスデューサ１９の電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線と、第二すだれ状トランスデューサ２０の電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線とが互いに重複することが判る。
【００６９】
図２１の移動速度測定装置において、キャリア周波数(F0)を有する入力電気信号が厚み振動モードのトランスデューサに印加されると、圧電基板１の下端面に垂直な縦波が、超音波複合体の底部と接触している水中に照射される。縦波が回転体７によって反射されると、縦波の反射波のうち第１反射波が第一すだれ状トランスデューサ１９によって、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数(Ff)を有する第１遅延電気信号に変換されるとともに、第２反射波が第二すだれ状トランスデューサ２０によって、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数(Fs)を有する第２遅延電気信号に変換される。このとき、第１および第２反射波は、ともに反射角αを成す。図２１において回転体７が矢印の方向に回転する場合、第１ドップラー偏移周波数(Ff)はキャリア周波数(F0)よりも大きく、第２ドップラー偏移周波数(Fs)はキャリア周波数(F0)よりも小さくなる。すなわち、第１ドップラー偏移周波数(Ff)および第２ドップラー偏移周波数(Fs)のうちどちらが大きいかを検出すれば、回転体７の回転方向が判明する。その結果、回転体７の回転方向および回転速度(S)は、信号分析器６においてキャリア周波数(F0)と、第１ドップラー偏移周波数(Ff)および第２ドップラー偏移周波数(Fs)のうちのどちらか大きい方との差(Ff-F0またはFs-F0)から算出される。さらに、２つの等価なすだれ状トランスデューサ、すなわち第一すだれ状トランスデューサ１９および第二すだれ状トランスデューサ２０を用いることにより、温度などの環境変化を相殺することが可能となる。
【００７０】
図２１の移動速度測定装置では、第一すだれ状トランスデューサ１９および第二すだれ状トランスデューサ２０の代わりに、図１４におけるすだれ状トランスデューサ９を２つ備えることが可能である。その結果、回転体７の広範囲の回転速度に対応することが可能となる。
【００７１】
図２３は図２１の移動速度測定装置の断面図である。もしも、キャリア周波数(F01, F02またはF03)を有する入力電気信号(E1, E2またはE3)が厚み振動モードのトランスデューサに印加されると、圧電基板１の下端面に垂直な縦波が、超音波複合体の底部と接触している水中に照射される。縦波が回転体７によって反射されると、縦波の反射波のうち第１反射波が第一すだれ状トランスデューサ１９によって、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数(Ff1, Ff2またはFf3)を有する第１遅延電気信号に変換されるとともに、第２反射波が第二すだれ状トランスデューサ２０によって、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数(Fs1, Fs2またはFs3)を有する第２遅延電気信号に変換される。このとき、第１および第２反射波は、キャリア周波数(F01, F02またはF03)と対応する反射角(α1, α2またはα3)を成す。図２３においては、反射角α2を成す第１反射波が第一すだれ状トランスデューサ１９によって、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数(Ff2)を有する第１遅延電気信号に変換され、反射角α2を成す第２反射波が第二すだれ状トランスデューサ２０によって、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数(Fs2)を有する第２遅延電気信号に変換される。このようにして、超音波複合体と回転体７との距離(D1, D2またはD3)に応じてキャリア周波数(F01, F02またはF03)を設定することにより、反射角(α1, α2またはα3)を成す第１反射波を、第一すだれ状トランスデューサ１９によって、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数(Ff1, Ff2またはFf3)を有する第１遅延電気信号に変換させることを可能にし、反射角(α, α2またはα3)を成す第２反射波を第二すだれ状トランスデューサ２０によって、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数(Fs1, Fs2またはFs3)を有する第２遅延電気信号に変換させることを可能にする。
【００７２】
図２４は、図２１の移動速度測定装置のもう一つの断面図であって、回転体７が水中において４つの位置にそれぞれ存在する場合を想定したものである。超音波複合体と回転体７との距離Di (i=1, 2, 3または4)に応じて、キャリア周波数F0i (i=1, 2, 3または4)をそれぞれ設定すれば、第一すだれ状トランスデューサ１９において、反射角αi (i=1, 2, 3または4) を成す第１反射波が、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数Ffi (i=1, 2, 3 または4) を有する第１遅延電気信号に変換され、第二すだれ状トランスデューサ２０において、反射角αi (i=1, 2, 3または4) を成す第２反射波が、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数Fsi (i=1, 2, 3 または4)を有する第２遅延電気信号に変換される。このとき、キャリア周波数が高周波になればなるほど、反射角も大きくなる。
【００７３】
図２５は本発明の移動速度測定装置の第９の実施例を示す構成図である。本実施例は、第一すだれ状トランスデューサ１９および第二すだれ状トランスデューサ２０が備えられていないことと、第一すだれ状トランスデューサ２１、第二すだれ状トランスデューサ２２および第三すだれ状トランスデューサ２３が備えられていることを除き、図２１と同様な構造を有する。第一すだれ状トランスデューサ２１、第二すだれ状トランスデューサ２２および第三すだれ状トランスデューサ２３は、すだれ状トランスデューサ４と同様な電極パターンを有し、これらは圧電基板１の上端面において三角形を形成するような配置に設けられている。このようにして、圧電基板１、厚み振動モードのトランスデューサ、第一すだれ状トランスデューサ２１、第二すだれ状トランスデューサ２２および第三すだれ状トランスデューサ２３によって超音波複合体が形成される。図２５の移動速度測定装置を用いて、たとえば、媒体の中にチューブが埋設されていて、そのチューブの中を液体が流れているような場合において、その液体の流速(S)を測定するには、超音波複合体の底部は媒体に漬けられる。但し、液体中には物体１４が存在しており、物体１４は、液体の流れる方向と流速に従って移動するものとする。
【００７４】
図２６は図２５の超音波複合体を上方から見たときの平面図である。図２６では回転体７も描かれているが、第二電極１８は描かれていない。図２６より、第一すだれ状トランスデューサ２１の電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線と、第二すだれ状トランスデューサ２２の電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線と、第三すだれ状トランスデューサ２３の電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線の交点が、第一電極１７の中心と一致することが判る。
【００７５】
図２５の移動速度測定装置において、キャリア周波数(F0)を有する入力電気信号が厚み振動モードのトランスデューサに印加されると、圧電基板１の下端面に垂直な縦波が、超音波複合体の底部と接触している媒体中に照射され、続いて、チューブを介して液体中に照射される。縦波が物体１４によって反射されると、縦波の反射波のうち第１反射波が、第一すだれ状トランスデューサ２１によって、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数(Ff)を有する第１遅延電気信号に変換され、第２反射波が第二すだれ状トランスデューサ２２によって、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数(Fs)を有する第２遅延電気信号に変換され、第３反射波が第三すだれ状トランスデューサ２３によって、第３漏洩ラム波へのモード変換を経て、第３ドップラー偏移周波数(Ft)を有する第３遅延電気信号に変換される。このとき、第１、第２および第３反射波は、ともに反射角αを成す。物体１４の移動方向および移動速度、つまり液体の流れる方向と流速(S)は、キャリア周波数(F0)と第１ドップラー偏移周波数(Ff)との差(Ff-F0)、キャリア周波数(F0)と第２ドップラー偏移周波数(Fs)との差(Fs-F0)、そしてキャリア周波数(F0)と第３ドップラー偏移周波数(Ft)との差(Ft-F0)の組み合わせから信号分析器６において総合的に算出される。さらに、３つの等価なすだれ状トランスデューサ、すなわち第一すだれ状トランスデューサ２１、第二すだれ状トランスデューサ２２および第三すだれ状トランスデューサ２３を用いることにより、温度などの環境変化を相殺することが可能となる。
【００７６】
図２５の移動速度測定装置では、第一すだれ状トランスデューサ２１、第二すだれ状トランスデューサ２２および第三すだれ状トランスデューサ２３の代わりに、図１４におけるすだれ状トランスデューサ９を３つ備えることが可能である。その結果、液体の流速(S)が速い場合に対応することが可能となる。
【００７７】
図２５の移動速度測定装置において、キャリア周波数(F01, F02, F03またはF04)を有する入力電気信号(E1, E2, E3またはE4)が厚み振動モードのトランスデューサに印加されると、圧電基板１の下端面に垂直な縦波が、超音波複合体の底部と接触している媒体中に照射され、続いて、チューブを介して液体中に照射される。縦波が物体１４によって反射されると、反射角(α1, α2, α3またはα4)の第１反射波が、第一すだれ状トランスデューサ２１において、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数(Ff1, Ff2, Ff3またはFf4)を有する第１遅延電気信号として検出され、反射角(α1, α2, α3またはα4)の第２反射波が、第二すだれ状トランスデューサ２２において、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数(Fs1, Fs2, Fs3またはFs4)を有する第２遅延電気信号として検出され、反射角(α1, α2, α3またはα4)の第３反射波が、第三すだれ状トランスデューサ２３において、第３漏洩ラム波へのモード変換を経て、第３ドップラー偏移周波数(Ft1, Ft2, Ft3またはFt4)を有する第３遅延電気信号として検出される。たとえば、縦波が物体１４によって反射されると、反射角α4の第１反射波が、第一すだれ状トランスデューサ２１において、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数(Ff4)を有する第１遅延電気信号として検出され、反射角α4の第２反射波が、第二すだれ状トランスデューサ２２において、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数(Fs4)を有する第２遅延電気信号として検出され、反射角α4の第３反射波が、第三すだれ状トランスデューサ２３において、第３漏洩ラム波へのモード変換を経て、第３ドップラー偏移周波数(Ft4)を有する第３遅延電気信号として検出される。この場合、液体の流れる方向と流速(S)は信号分析器６において、キャリア周波数(F04)と第１ドップラー偏移周波数(Ff4)との差(Ff4-F04)、キャリア周波数(F04)と第２ドップラー偏移周波数(Fs4)との差(Fs4-F04)、そしてキャリア周波数(F04)と第３ドップラー偏移周波数(Ft4)との差(Ft4-F04)の組み合わせから算出される。このようにして、超音波複合体と物体１４との距離Di (i=1, 2, 3または4)に応じて、キャリア周波数F0i (i=1, 2, 3または4)をそれぞれ設定すれば、第一すだれ状トランスデューサ２１において反射角αi (i=1, 2, 3または4) を成す第１反射波が、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数Ffi (i=1, 2, 3 または4) を有する第１遅延電気信号に変換され、第二すだれ状トランスデューサ２２において反射角αi (i=1, 2, 3または4) を成す第２反射波が、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数Fsi (i=1, 2, 3 または4)を有する第２遅延電気信号に変換され、第三すだれ状トランスデューサ２３において反射角αi (i=1, 2, 3または4) を成す第３反射波が、第３漏洩ラム波へのモード変換を経て、第３ドップラー偏移周波数Fti (i=1, 2, 3 または4)を有する第３遅延電気信号に変換される。このとき、キャリア周波数が高周波になればなるほど、反射角も大きくなる。
【００７８】
図２７は本発明の移動速度測定装置の第１０の実施例を示す構成図である。本実施例は、第一電極１７および第二電極１８の代わりに、図１９の組み合わせ電極１５および第二電極１６がそれぞれ用いられていることを除き、図２１と同様な構造を有する。このようにして、圧電基板１、組み合わせ電極１５、第二電極１６、第一すだれ状トランスデューサ１９および第二すだれ状トランスデューサ２０によって超音波複合体が形成される。図２７の移動速度測定装置を用いて、たとえば、水中において矢印の方向に回転する回転体７の回転速度(S)を測定しようとする場合、超音波複合体の底部は水に漬けられる。
【００７９】
図２８は図２７の超音波複合体を上方から見たときの平面図である。図２８では回転体７も描かれているが、第二電極１６は描かれていない。キャリア周波数(F0)を有する入力電気信号が、櫛型電極１５Aおよび第二電極１６から成る厚み振動モードのトランスデューサに印加されると、垂直成分および非垂直成分から成る縦波が、超音波複合体の底部と接触している水中に照射される。もしも、縦波の垂直成分が回転体７によって反射されると、縦波の反射波のうち第１反射波が第一すだれ状トランスデューサ１９によって、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数(Ff)を有する第１遅延電気信号に変換されるとともに、第２反射波が第二すだれ状トランスデューサ２０によって、第２
漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数(Fs)を有する第２遅延電気信号に変換される。このとき、第１および第２反射波は、ともに反射角αを成す。第１ドップラー偏移周波数(Ff)および第２ドップラー偏移周波数(Fs)のうちどちらが大きいかを検出することにより、回転体７の回転方向を感知することができる。その結果、回転体７の回転方向および回転速度(S)は、信号分析器６においてキャリア周波数(F0)と、第１ドップラー偏移周波数(Ff)および第２ドップラー偏移周波数(Fs)のうちのどちらか大きいほうとの差(Ff-F0またはFs-F0)から算出される。
【００８０】
図２７の移動速度測定装置では、第一すだれ状トランスデューサ１９および第二すだれ状トランスデューサ２０の代わりに、図１４におけるすだれ状トランスデューサ９を２つ備えることが可能である。その結果、回転体７の広範囲の回転速度に対応することが可能となる。
【００８１】
図２１，２５および２７の移動速度測定装置では、圧電基板１の下端面において、それぞれすだれ状トランスデューサ１９，２０，２１，２２および２３と対面する位置に対向電極を設けることが可能である。
【００８２】
図２９は本発明の移動速度測定装置の第１１の実施例を示す平面図である。本実施例は、第一すだれ状トランスデューサ１９および第二すだれ状トランスデューサ２０の代わりに第一すだれ状トランスデューサ２４および第二すだれ状トランスデューサ２５が備えられていることを除き、図２１と同様な構造を有する。第一すだれ状トランスデューサ２４および第二すだれ状トランスデューサ２５は、図１５のすだれ状トランスデューサ１０と同様な円弧状の電極パターンを有し、円弧の同心は第一電極１７の中心と一致する。このようにして、圧電基板１、厚み振動モードのトランスデューサ、第一すだれ状トランスデューサ２４および第二すだれ状トランスデューサ２５によって超音波複合体が形成される。図２９の移動速度測定装置を用いて、たとえば、水中において矢印の方向に回転する回転体７の回転速度(S)を測定しようとする場合、超音波複合体の底部は水に漬けられる。このような第一すだれ状トランスデューサ２４および第二すだれ状トランスデューサ２５を用いることによっても、図２１と同様な効果が得られる。
【００８３】
図２９の移動速度測定装置では、第一すだれ状トランスデューサ２４および第二すだれ状トランスデューサ２５の代わりに、図１６におけるすだれ状トランスデューサ１１を２つ備えることが可能である。その結果、回転体７の広範囲の回転速度に対応することが可能となる。
【００８４】
図３０は本発明の移動速度測定装置の第１２の実施例を示す平面図である。本実施例は、第一すだれ状トランスデューサ２１、第二すだれ状トランスデューサ２２および第三すだれ状トランスデューサ２３の代わりに第一すだれ状トランスデューサ２６、第二すだれ状トランスデューサ２７および第三すだれ状トランスデューサ２８が備えられていることを除き、図２５と同様な構造を有する。第一すだれ状トランスデューサ２６、第二すだれ状トランスデューサ２７および第三すだれ状トランスデューサ２８は、図１５のすだれ状トランスデューサ１０と同様な円弧状の電極パターンを有し、円弧の同心は第一電極１７の中心と一致する。このようにして、圧電基板１、厚み振動モードのトランスデューサ、第一すだれ状トランスデューサ２６、第二すだれ状トランスデューサ２７および第三すだれ状トランスデューサ２８によって超音波複合体が形成される。図３０の移動速度測定装置を用いて、たとえば、媒体の中にチューブが埋設されていて、そのチューブの中を液体が流れているような場合において、その液体の流速(S)を測定するには、超音波複合体の底部は媒体に漬けられる。但し、液体中には物体１４が存在しており、物体１４は、液体の流れる方向と流速に従って移動するものとする。このような第一すだれ状トランスデューサ２６、第二すだれ状トランスデューサ２７および第三すだれ状トランスデューサ２８を用いることによっても、図２５と同様な効果が得られる。
【００８５】
図２４の移動速度測定装置では、第一すだれ状トランスデューサ２６、第二すだれ状トランスデューサ２７および第三すだれ状トランスデューサ２８の代わりに、図１６におけるすだれ状トランスデューサ１１を３つ備えることが可能である。その結果、回転体７の広範囲の回転速度に対応することが可能となる。
【００８６】
図３１は本発明の移動速度測定装置の第１３の実施例を示す平面図である。本実施例は、第一すだれ状トランスデューサ１９および第二すだれ状トランスデューサ２０の代わりに第一すだれ状トランスデューサ２４および第二すだれ状トランスデューサ２５が備えられていることを除き、図２７と同様な構造を有する。第一すだれ状トランスデューサ２４および第二すだれ状トランスデューサ２５の円弧の同心は組み合わせ電極１５の中心と一致する。このようにして、圧電基板１、組み合わせ電極１５、第二電極１６、第一すだれ状トランスデューサ２４および第二すだれ状トランスデューサ２５によって超音波複合体が形成される。図３１の移動速度測定装置を用いて、たとえば、水中において矢印の方向に回転する回転体７の回転速度(S)を測定しようとする場合、超音波複合体の底部は水に漬けられる。このような第一すだれ状トランスデューサ２４および第二すだれ状トランスデューサ２５を用いることによっても、図２７と同様な効果が得られる。
【００８７】
図３１の移動速度測定装置では、第一すだれ状トランスデューサ２４および第二すだれ状トランスデューサ２５の代わりに、図１６におけるすだれ状トランスデューサ１１を２つ備えることが可能である。その結果、回転体７の広範囲の回転速度に対応することが可能となる。
【００８８】
図２９，３０および３１の移動速度測定装置では、圧電基板１の下端面において、それぞれすだれ状トランスデューサ２４，２５，２６，２７および２８と対面する位置に対向電極を設けることが可能である。
【００８９】
【発明の効果】
第１の本発明の移動速度測定装置は、圧電基板、第一電極、第二電極、すだれ状トランスデューサおよび信号分析器から成る。第一電極およびすだれ状トランスデューサは圧電基板の上端面に設けられており、第二電極は圧電基板の下端面に設けられている。第一電極および第二電極は厚み振動モードのトランスデューサを形成する。圧電基板、厚み振動モードのトランスデューサおよびすだれ状トランスデューサは超音波複合体を形成する。もしも、厚み振動モードのトランスデューサに、キャリア周波数を有する入力電気信号が印加されると、超音波複合体の底部と接触している媒体中に縦波が照射される。このとき、キャリア周波数は、厚み振動モードのトランスデューサを駆動するための中心周波数にほぼ等しくなるように設定されている。縦波が媒体中に含まれる物体によって反射されると、反射された縦波は、すだれ状トランスデューサにおいて、漏洩ラム波へのモード変換を経て、ドップラー偏移周波数を有する遅延電気信号に変換される。物体の移動速度は、キャリア周波数とドップラー偏移周波数との差から信号分析器において検出される。
【００９０】
第１の本発明の移動速度測定装置では、すだれ状トランスデューサが分散型の電極パターンを有する構造が可能である。また、すだれ状トランスデューサが円弧状の電極パターンを有する構造が可能である。円弧状の電極パターンを有するすだれ状トランスデューサは、その円弧の同心が第一電極の中心と一致するように配置される。
【００９１】
第１の本発明の移動速度測定装置では、圧電基板の下端面に新たに対向電極が設けられた構造が可能である。この場合、対向電極はすだれ状トランスデューサと対面する位置にあるように配置される。
【００９２】
第１の本発明の移動速度測定装置では、信号発生器が新たに備えられた構造が可能である。この信号発生器は、キャリア周波数F0i (i=1, 2,…,またはn)を有する入力電気信号Ei (i=1, 2,…,またはn)をそれぞれ発生させるものであって、キャリア周波数F0iは、超音波複合体と物体との距離Di (i=1, 2,…,またはn)にそれぞれ対応するものである。つまり、媒体中において反射された縦波は、距離Diに対応する反射角αi (i=1, 2,…,またはn)をそれぞれ有し、このような反射波が、すだれ状トランスデューサにおいて、漏洩ラム波へのモード変換を経て、ドップラー偏移周波数Fi (i=1, 2,…,またはn)を有する遅延電気信号にそれぞれ変換される。このようにして、距離Diに応じた遅延電気信号をすだれ状トランスデューサにおいて検出することが可能となる。
【００９３】
第２の本発明の移動速度測定装置は、圧電基板、第一電極、第二電極、第一すだれ状トランスデューサ、第二すだれ状トランスデューサおよび信号分析器から成るものである。第一および第二すだれ状トランスデューサは、互いに同じ電極パターンを有しており、圧電基板の上端面に設けられている。第一電極は、圧電基板の上端面における第一および第二すだれ状トランスデューサの間に配置されており、第二電極は、圧電基板の下端面に設けられている。第一および第二電極は、厚み振動モードのトランスデューサを形成する。圧電基板、厚み振動モードのトランスデューサ、第一および第二すだれ状トランスデューサは超音波複合体を形成する。もしも、厚み振動モードのトランスデューサに、キャリア周波数を有する入力電気信号が印加されると、超音波複合体の底部と接触している媒体中に縦波が照射される。このとき、キャリア周波数は、厚み振動モードのトランスデューサを駆動するための中心周波数にほぼ等しくなるように設定されている。縦波が媒体中に含まれる物体によって反射されると、反射された縦波は、第一すだれ状トランスデューサにおいて、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数を有する第１遅延電気信号に変換され、それと同時に、第二すだれ状トランスデューサにおいて、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数を有する第２遅延電気信号に変換される。物体の移動方向および移動速度は、キャリア周波数と、第１および第２ドップラー偏移周波数のうちの大きい方との差から、信号分析器において検出される。
【００９４】
第２の本発明の移動速度測定装置では、第一すだれ状トランスデューサの電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線と、第二すだれ状トランスデューサの電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線とが互いに重複する構造が採用されている。このような構造により、反射された縦波が、第一すだれ状トランスデューサにおいて、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て第１遅延電気信号に効率よく変換されるのと同時に、第二すだれ状トランスデューサにおいて、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て第２遅延電気信号に効率よく変換される。
【００９５】
第２の本発明の移動速度測定装置では、第一および第二すだれ状トランスデューサが分散型の電極パターンや、円弧状の電極パターンを有する構造が可能である。円弧状の電極パターンを有する第一および第二すだれ状トランスデューサは、その円弧の同心が第一電極の中心と一致するように配置される。
【００９６】
第２の本発明の移動速度測定装置では、圧電基板の下端面に新たに第一および第二対向電極が設けられた構造が可能である。この場合、第一および第二対向電極は、それぞれ第一および第二すだれ状トランスデューサと対面する位置にあるように配置される。
【００９７】
第２の本発明の移動速度測定装置では、信号発生器が新たに備えられた構造が可能である。この信号発生器は、キャリア周波数F0i (i=1, 2,…,またはn)を有する入力電気信号Ei (i=1, 2,…,またはn)をそれぞれ発生させるものであって、キャリア周波数F0iは、超音波複合体と物体との距離Di (i=1, 2,…,またはn)にそれぞれ対応するものである。つまり、媒体中において反射された縦波は、距離Diに対応する反射角αi (i=1, 2,…,またはn)をそれぞれ有し、このような反射波が、第一すだれ状トランスデューサにおいて、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数Ffi (i=1, 2,…,またはn)を有する第１遅延電気信号にそれぞれ変換され、第二すだれ状トランスデューサにおいては、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数Fsi (i=1, 2,…,またはn)を有する第２遅延電気信号にそれぞれ変換される。このようにして、距離Diに応じた第１および第２遅延電気信号をそれぞれ第一および第二すだれ状トランスデューサにおいて検出することが可能となる。
【００９８】
第３の本発明の移動速度測定装置は、圧電基板、第一電極、第二電極、第一すだれ状トランスデューサ、第二すだれ状トランスデューサ、第三すだれ状トランスデューサおよび信号分析器から成る。第一、第二および第三すだれ状トランスデューサは、互いに同じ電極パターンを有しており、圧電基板の上端面において三角形を形成するような配置に設けられている。第一電極は、圧電基板の上端面における三角形の中に設けられており、第二電極は、圧電基板の下端面に設けられている。第一および第二電極は、厚み振動モードのトランスデューサを形成する。圧電基板、厚み振動モードのトランスデューサ、第一、第二および第三すだれ状トランスデューサは超音波複合体を形成する。もしも、厚み振動モードのトランスデューサに、キャリア周波数を有する入力電気信号が印加されると、超音波複合体の底部と接触している媒体中に縦波が照射される。このとき、キャリア周波数は、厚み振動モードのトランスデューサを駆動するための中心周波数からプラスおよびマイナス6dBの周波数帯域内にあるように設定されている。縦波が媒体中に含まれる物体によって反射されると、反射された縦波は、第一すだれ状トランスデューサにおいて、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数を有する第１遅延電気信号に変換され、第二すだれ状トランスデューサにおいて、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数を有する第２遅延電気信号に変換され、第三すだれ状トランスデューサにおいては、第３漏洩ラム波へのモード変換を経て、第３ドップラー偏移周波数を有する第３遅延電気信号に変換される。物体の移動方向および移動速度は、キャリア周波数と第１ドップラー偏移周波数との差、キャリア周波数と第２ドップラー偏移周波数との差、そしてキャリア周波数と第３ドップラー偏移周波数との差の組み合わせから、信号分析器において検出される。
【００９９】
第３の本発明の移動速度測定装置では、第一すだれ状トランスデューサの電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線と、第二すだれ状トランスデューサの電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線と、第三すだれ状トランスデューサの電極指重複部分におけるそれぞれの電極指の中心を通る直線の交点が、第一電極の中心と一致するような構造が採用されている。このような構造により、反射された縦波は、第一すだれ状トランスデューサにおいて、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て第１遅延電気信号に効率よく変換され、第二すだれ状トランスデューサにおいて、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て第２遅延電気信号に効率よく変換され、第三すだれ状トランスデューサにおいて、第３漏洩ラム波へのモード変換を経て第３遅延電気信号に効率よく変換される。
【０１００】
第３の本発明の移動速度測定装置では、第一、第二および第三すだれ状トランスデューサが分散型の電極パターンを有する構造が可能である。また、円弧状の電極パターンを有する構造が可能である。この場合、第一、第二および第三すだれ状トランスデューサは、その円弧の同心が第一電極の中心と一致するように配置される。
【０１０１】
第３の本発明の移動速度測定装置では、圧電基板の下端面に新たに第一、第二および第三対向電極が設けられた構造が可能である。この場合、第一、第二および第三対向電極はそれぞれ第一、第二および第三すだれ状トランスデューサと対面する位置にあるように配置される。
【０１０２】
第３の本発明の移動速度測定装置では、信号発生器が新たに備えられた構造が可能である。この信号発生器は、キャリア周波数F0i (i=1, 2,…,またはn)を有する入力電気信号Ei (i=1, 2,…,またはn)をそれぞれ発生させるものであって、キャリア周波数F0iは、超音波複合体と物体との距離Di (i=1, 2,…,またはn)にそれぞれ対応するものである。つまり、媒体中において反射された縦波は、距離Diに対応する反射角αi (i=1, 2,…,またはn)をそれぞれ有し、このような反射波が、第一すだれ状トランスデューサにおいて、第１漏洩ラム波へのモード変換を経て、第１ドップラー偏移周波数Ffi (i=1, 2,…,またはn)を有する第１遅延電気信号にそれぞれ変換され、第二すだれ状トランスデューサにおいて、第２漏洩ラム波へのモード変換を経て、第２ドップラー偏移周波数Fsi (i=1, 2,…,またはn)を有する第２遅延電気信号にそれぞれ変換され、第三すだれ状トランスデューサにおいて、第３漏洩ラム波へのモード変換を経て、第３ドップラー偏移周波数Fti (i=1, 2,…,またはn)を有する第３遅延電気信号にそれぞれ変換される。このようにして、距離Diに応じた第１、第２および第３遅延電気信号をそれぞれ第一、第二および第三すだれ状トランスデューサにおいて検出することが可能となる。
【０１０３】
本発明の移動速度測定装置では、第一電極が、組み合わせ電極で成る構造が可能である。この組み合わせ電極は２つの櫛型電極から成る。もしも、圧電基板の厚さに対する組み合わせ電極の電極周期長の割合が、圧電基板中を伝搬する漏洩ラム波速度に対する、媒体中を伝搬する縦波速度の割合の５倍以下であるような構造を採用すれば、垂直成分および非垂直成分から成る縦波を効率よく水中に照射することが可能になる。
【０１０４】
本発明の移動速度測定装置では、超音波複合体の底部に新たに非圧電性薄膜が設けられた構造が可能である。このような構造を採用することにより、水中への縦波の照射効率を上昇させることが可能となる。
【０１０５】
本発明の移動速度測定装置では、圧電基板が圧電セラミック薄板で成る構造が可能である。このとき、圧電セラミック薄板は、その分極軸の方向が厚さ方向と平行になるように配置される。このような構造を採用することにより、水中への縦波の照射効率を上昇させることが可能となる。また、圧電基板が圧電性高分子薄板で成る構造が可能である。このような構造を採用することにより、水中への縦波の照射効率を上昇させることが可能となる。さらに、圧電基板が圧電性単結晶薄板で成る構造が可能である。このような構造を採用することにより、水中への縦波の照射効率を上昇させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の移動速度測定装置の第１の実施例を示す構成図。
【図２】図１の超音波複合体を上方から見たときの平面図。
【図３】図１の移動速度測定装置の断面図。
【図４】圧電基板１中の漏洩ラム波速度(V)と、積ｆｄとの関係を示す特性図。
【図５】縦波の液中への変換効率ηの計算値と、ｆｄ値との関係を示す特性図。
【図６】回転体７の回転速度が1,000 rpmの場合における信号分析器６での観測スペクトル解析波形。
【図７】回転体７の回転速度が図６と同様の場合における信号分析器６での観測スペクトル解析波形。
【図８】回転体７の回転速度(S)と、キャリア周波数(F0)およびドップラー偏移周波数(F)の差(F-F0)との関係を示す特性図。
【図９】圧電基板１中の漏洩ラム波速度(V)と、積ｆｄとの関係を示す特性図。
【図１０】縦波の液中への変換効率ηの計算値と、ｆｄ値との関係を示す特性図。
【図１１】回転体７の回転速度(S)と、周波数差(F-F0)との関係を示す特性図。
【図１２】本発明の移動速度測定装置の第２の実施例を示す断面図。
【図１３】図１２の移動速度測定装置のもう１つの断面図。
【図１４】本発明の移動速度測定装置の第３の実施例を示す平面図。
【図１５】本発明の移動速度測定装置の第４の実施例を示す平面図。
【図１６】本発明の移動速度測定装置の第５の実施例を示す平面図。
【図１７】本発明の移動速度測定装置の第６の実施例を示す構成図。
【図１８】図１７の移動速度測定装置の断面図。
【図１９】本発明の移動速度測定装置の第７の実施例を示す構成図。
【図２０】図１９の超音波複合体を上方から見たときの平面図。
【図２１】本発明の移動速度測定装置の第８の実施例を示す構成図。
【図２２】図２１の超音波複合体を上方から見たときの平面図。
【図２３】図２１の移動速度測定装置の断面図。
【図２４】図２１の移動速度測定装置のもう一つの断面図。
【図２５】本発明の移動速度測定装置の第９の実施例を示す構成図。
【図２６】図２５の超音波複合体を上方から見たときの平面図で。
【図２７】本発明の移動速度測定装置の第１０の実施例を示す構成図。
【図２８】図２７の超音波複合体を上方から見たときの平面図。
【図２９】本発明の移動速度測定装置の第１１の実施例を示す平面図。
【図３０】本発明の移動速度測定装置の第１２の実施例を示す平面図。
【図３１】本発明の移動速度測定装置の第１３の実施例を示す平面図。
【符号の説明】
１    圧電基板
２    第一電極
３    第二電極
４    すだれ状トランスデューサ
５    信号発生器
６    信号分析器
７    回転体
８    非圧電性薄膜
９    すだれ状トランスデューサ
１０    すだれ状トランスデューサ
１１    すだれ状トランスデューサ
１２    対向電極
１３    増幅器
１４    物体
１５    組み合わせ電極
１５A    櫛型電極
１５B    櫛型電極
１６    第二電極
１７    第一電極
１８    第二電極
１９    第一すだれ状トランスデューサ
２０    第二すだれ状トランスデューサ
２１    第一すだれ状トランスデューサ
２２    第二すだれ状トランスデューサ
２３    第三すだれ状トランスデューサ
２４    第一すだれ状トランスデューサ
２５    第二すだれ状トランスデューサ
２６    第一すだれ状トランスデューサ
２７    第二すだれ状トランスデューサ
２８    第三すだれ状トランスデューサ
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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