(57)【要約】【課題】常に流路幅方向の流速分布を全域に渡って超音波ビームが拡散できるよう指向性を制御可能とする。【解決手段】第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２とを分極方向に積層し、第１ＰＺＴ１１上面部に音響整合層１０を備え、第１ＰＺＴ１１の下面部と第２ＰＺＴ１２の上面部に第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２の共通電極部を設け、共通電極端子１５に接続する。これにより、電気信号を印加すると第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２は分極とは垂直方向に変形し、その応力が音響整合層１０へと伝達され、周辺の振動支持・固定部が振動の凡その節となるよう機械的な曲げ変形を引き起こす。これによりＰＺＴが単独で動作した時の変形量と比べて、より音響整合層１０の変位を大きくでき、音響整合層１０から放射され送受信される超音波ビームの指向特性を拡大させ、流路幅方向一様に超音波ビームを送受信させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のＰＺＴと第２のＰＺＴとを分極方向に積層し、前記第１のＰＺＴ上面部に音響整合層が備えられ、前記第１のＰＺＴ下面部と前記第２のＰＺＴ上面部に前記第１のＰＺＴ及び前記第２のＰＺＴの共通電極部を設けることを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
前記第１のＰＺＴの外径は前記第２のＰＺＴの外径より大きく、かつ、前記第１のＰＺＴ下面部であって第２のＰＺＴ上面部が積層されていない平面部の一部に前記共通電極部を設け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】
前記第２のＰＺＴは前記第１のＰＺＴの外径より小さい内径部を有し、該内径部に前記共通電極部を設けることを特徴とする請求項２記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記内径部に、外径が前記内径部より小さい導電性部材を備え、該導電性部材が共通電極部となることを特徴とする請求項３記載の超音波センサ。
【請求項５】
前記内径部に、超音波駆動時に機械剛性を調整可能な剛性調整部材を備え、該剛性調整部材は内部が貫通されたリング形状であり、前記剛性調整部材内部に配線され、前記第２のＰＺＴ表面部に前記共通電極を設けることを特徴とする請求項３記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記共通電極部とは異なる前記第２のＰＺＴの電極がリング状に形成され、該リング状の電極面積が、前記第２のＰＺＴの総面積に対し４５％から８０％の面積となることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の超音波センサ。
【請求項７】
前記第１のＰＺＴの厚さｔ１と前記第２のＰＺＴの厚さｔ２の厚さ比（γ＝ｔ２／ｔ１）が０.６から０.３の値であり、かつ、前記第１のＰＺＴの直径Ｄ１と前記第２のＰＺＴの直径Ｄ２の直径比（β＝Ｄ２／Ｄ１）が０.５５から０.７５の値であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の超音波センサ。
【請求項８】
前記第１のＰＺＴの外径は前記第２のＰＺＴの外径より小さく、かつ、リング状の内径部を有し、前記第２のＰＺＴの上面部に前記共通電極部を設け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９】
振動固定部となる金属ケースと、前記第１のＰＺＴと第２のＰＺＴとの間に金属板を設け、該金属板の少なくとも一部と前記金属ケースとが導通されてい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１０】
前記金属板の厚さは前記第２のＰＺＴにより駆動される超音波の波長の１／８から１／１０の値であることを特徴とする請求項８記載の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサ、より詳細には、流路を流れる流体の流速分布を横切るように超音波を送受信させ、流路を流れる流体を計測するための指向性制御型超音波トランスジューサ構造を持った超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来流路を流れる流体の流速を計測する際、流路を流れる流体には、その流量によって流速分布が異なる事が流体力学的に一般に知られている。即ち、流体の流れが遅い時には、流路幅方向で層流と呼ばれる放物線形状の流速分布を示し、ピークの流速と、平均流速とが異なる分布状態となり、逆に流れが速くなると、徐々にその分布は崩れ、乱流域と呼ばれる流域となり、その時の流速分布は、ピーク流速が平均流速と等しい形状となる、バスタブ形状と呼ばれる流速分布となり、流速分布は流路幅方向で一様に等しい分布状態となる。また層流域では、方物線形状の流速分布形状に若干の相異が発生し、幅方向での流速差は一定では無い。更に層流域では、ガス種や、流路形状寸法等により、流速分布は異なる分布をとる事が一般に知られている。
【０００３】
このように流量域及び、流体の種類や、流路形状寸法等により、流路幅方向及び、高さ方向での流速分布に差が存在すると、超音波トランスジューサによって、流速分布を横切るように超音波を送受信させ、流路を流れる流体を計測する際、流量域によって、計測される平均流速は分布の影響を受け、この分布の影響により計測した値には誤差が含まれるため、正確な流量を算出できない事になる。仮にこの誤差の影響を補正するにしても、計測している流速分布そのものが把握出来ないので、流量域による流速分布を平均流速として補正する事は極めて困難である。
【０００４】
そこで、この影響を低減し、どの流量域でも平均化された流速分布が得られるように、流路内部の幅方向を複数のエリアに分割し、特に層流域で発生する方物線形状の流速分布を平滑化するよう、流路内部に仕切板と呼ばれる部材を配置する構成が先行されている。  これにより、層流域でも乱流域と同様に平均化された流速分布を計測し扱える事で、正確な流速を算出でき、高精度な流量が算出出来るとの記載があるが、仕切板を流路内部に挿入し、流れに対して抵抗を発生させる形成とする事により、圧力損失が顕著化してしまう。仮にこの圧力損失が満足できたとしても、製品の固体差、仕切板の組み込み精度、バラツキ、温度因子等による影響を考慮すると、製品の安定性、歩留り等にも寄与する可能性が懸念される上、部品追加によりコスト高となってしまう事は間逃れない。また流路内部に挿入される仕切り板の枚数にも物理的には制限があるため、層流域での平均化されるレベルにも制限があり、計測精度によっては、必要な精度を充分に確保できない可能性もありうる。
【０００５】
また、特許文献１には、流体を流す流路と、流路の壁面に窪み部設け、この窪み部の奥部に設け流路に超音波を伝搬させて送受信する超音波受発信手段と、窪み部の流路出口面に配する音波透過手段と、超音波透過手段を取り付けるための保持手段とを備え、保持手段は、窪み部の開口断面より少なくとも小さな面積の開口部を設けた音波透過手段を保持する構成としたものがあり、音波透過手段を超音波が通過する際に、超音波が拡散して放射方向が分散するので、幅広い流路の範囲を超音波が通過することができ、流速分布を持った流路においても、精度よく流量を計測することができるとの記載があるが、このように流路の放射面の窪み部に余計な部材を配置する事で、コスト高となる上、さらには部材の配置精度、固体差により放射特性がバラツキを有する可能性もある。
【特許文献１】特開２００７−７１８９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上述のような状況を鑑みてなされたものであり、流路内部に新たに仕切板等の部材を介在させる事無く、流速分布が流量域で変化しても、常に流路幅方向の流速分布を全域に渡って超音波ビームが拡散できるよう指向性の制御可能な超音波トランスジューサを提供する事で、流速分布の影響が有っても正確に流速を算出し、流量を演算できるようにした超音波センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、第１のＰＺＴと第２のＰＺＴとを分極方向に積層し、第１のＰＺＴ上面部に音響整合層が備えられ、第１のＰＺＴ下面部と第２のＰＺＴ上面部に第１のＰＺＴ及び第２のＰＺＴの共通電極部を設けることを特徴としたものである。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、第１のＰＺＴの外径は第２のＰＺＴの外径より大きく、かつ、第１のＰＺＴ下面部に第２のＰＺＴ上面部が積層されていない平面部の一部に共通電極部を設けることを特徴としたものである。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、第２のＰＺＴは第１のＰＺＴの外径より小さい内径部を有し、内径部に共通電極部を設けることを特徴としたものである。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、内径部に、外径が内径部より小さい導電性部材を備え、導電性部材が共通電極部となることを特徴としたものである。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項３の発明において、内径部に、超音波駆動時に機械剛性を調整可能な剛性調整部材を備え、剛性調整部材は内部が貫通されたリング形状であり、剛性調整部材内部に配線され、第２のＰＺＴ表面部に共通電極を設けることを特徴としたものである。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかの発明において、共通電極部とは異なる第２のＰＺＴの電極がリング状に形成され、リング状の電極面積が、第２のＰＺＴの総面積に対し４５％から８０％の面積となることを特徴としたものである。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかの発明において、第１のＰＺＴの厚さｔ１と第２のＰＺＴの厚さｔ２の厚さ比（γ＝ｔ２／ｔ１）が０.６から０.３の値であり、かつ、第１のＰＺＴの直径Ｄ１と第２のＰＺＴの直径Ｄ２の直径比（β＝Ｄ２／Ｄ１）が０.５５から０.７５の値であることを特徴としたものである。
【００１４】
請求項８の発明は、請求項１の発明において、第１のＰＺＴの外径は第２のＰＺＴの外径より小さく、かつ、リング状の内径部を有し、第２のＰＺＴの上面部に共通電極部を設けることを特徴としたものである。
【００１５】
請求項９の発明は、請求項１の発明において、振動固定部となる金属ケースと、第１のＰＺＴと第２のＰＺＴとの間に金属板を設け、金属板の少なくとも一部と金属ケースとが導通されていることを特徴としたものである。
【００１６】
請求項１０の発明は、請求項８の発明において、金属板の厚さは第２のＰＺＴにより駆動される超音波の波長の１／８から１／１０の値であることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、流路内部に新たに仕切板等の部材を介在させる事無く、流速分布が流量域で変化しても、常に流路幅方向の流速分布を全域に渡って超音波ビームが拡散できるよう指向性を制御可能な超音波トランスジューサを提供する事で、流速分布の影響が有っても正確に流速を算出し、流量を演算できるようにした超音波センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に本発明に係る超音波センサの実施例を添付された図面を参照しながら具体的に説明する。なお実施例を説明するための全図において、同様の機能を有する部分には同じ符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００１９】
（実施例１）
流路を流れる流体は、流量により幅方向での流速分に差ができる。特に、流速が遅い範囲では、幅方向での流速分布は放物線形状であり、流速が早い時には、バスタブ形状となる事が一般的に知られている。このように流速が遅い時には、即ち層流域では、超音波ビームが横切るエリアにより、流速分布を正確に算出する事ができず、ましてや、流路幅一様に音波が拡散しない場合、正確な流速は算出できない。この状況は、超音波が伝播する媒質の温度により、超音波トランスジューサから送受信される指向性が変化するので、重要な課題であり、トランスジューサの取付け状態、固体差の影響も考慮せねばならない。そこで、流路幅方向で発生する流速分布を、幅方向全体をほぼ一様に伝播するエリアが得られるように、超音波トランスジューサから放射される超音波ビームの指向性を制御する事で、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異があろうとも、その分布全域を計測できるので、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減する事ができる。
【００２０】
図１は、本発明に係る超音波センサの第１の実施例の構成を説明するための図で、図１（Ａ）は超音波センサの側断面概略図で、図１（Ｂ）は超音波センサの音響整合層とＰＺＴの積層部の構成を説明するための側面図及び平面図である。図１において、１は超音波センサ、１０は音響整合層、１１は第１ＰＺＴ、１２は第２ＰＺＴ、１３は第１電極端子、１４は第２電極端子、１５は共通電極端子、１６は半田点逃げ溝部、１７は振動支持・固定体、１８は第１ダンパー材（絶縁部材）、１９は第２ダンパー材（充填材）、２０は電極端子固定端子板、２１は共通電極引き回しパターン、２２は第１ＰＺＴ半田点、２３は第２ＰＺＴ半田点、２４は引き回し小電極の半田点、３０は第２ＰＺＴの電極、Ｄ１は第１ＰＺＴの直径、Ｄ２は第２ＰＺＴの直径である。
なおＰＺＴは周知の圧電体であり、チタン酸ジルコン酸鉛（ジルコン酸（ＰｂＺｒＯ3）とチタン酸（ＰｂＴｉＯ3）との固容体）を用いたものである。
【００２１】
図１は、第２ＰＺＴ１２の上面で第１ＰＺＴ１１との境界となる、第２ＰＺＴ１２の電極から第２ＰＺＴ１２の下面へと引き回す電極構造を示すもので、超音波トランスジューサを構成する２種類のＰＺＴにおいて、第１ＰＺＴ１１及び、第２ＰＺＴ１２とを分極方向となる厚さ方向に積層するように貼り合わせる。そしてこの２種類のＰＺＴ１１，１２における貼り合わせ面の境界面に、第２ＰＺＴ１２の上面部と第１ＰＺＴ１１の下面との境界で、第２ＰＺＴ１２の上面より引き回し、第２ＰＺＴ１２の下面の電極エリアおける一部に第２ＰＺＴ１２と第１ＰＺＴ１１との共通電極部となる小電極を引き回して設け、これを共通電極として利用する（共通引き回し電極パターン２１）事で、第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２との境界の共通電極端子１５として取り出す。
ここでは、第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２の貼り合わせの境界面で、第２ＰＺＴ１２の上面部の電極パターンから引き回されて第２ＰＺＴ１２の下面部に下面部のメイン電極の一部として絶縁距離を設けて設けられた小電極を共通電極端子１５として取り出す。これを共通電極として利用することで、第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２との共通電極として取り出すことができる。
【００２２】
さらに音響整合層１０と貼り合わされる第１のＰＺＴ１の電極面から、第１電極端子１３へとリード線を介して接続するための半田付けされた凸部ポイント（凸部）である第１ＰＺＴ半田点２２を逃げるために、音響整合層１０の一部に半田点逃げ溝部１６を設け、第１ＰＺＴ１１と貼り合わされる第２ＰＺＴ１２からは第２電極端子１４へリード線を介して半田付けされた合計３種類の（独立な）電極を有する超音波トランスジューサの構造を構成する。この構成により、流路を流れる流体の流速分布を横切るように超音波を送受信させ、流路を流れる流体を計測するための指向性制御型超音波トランスジューサ構造を持った超音波センサを構成することができる。
【００２３】
そして第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２の境界の電極（共通電極端子１５）に対して、音響整合層１０と第１ＰＺＴ１１との境界の第１電極端子１３との間に一定の周波数で一定の電圧を有する矩形パルス状の電気信号を印加すると共に、第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２の境界の電極（共通電極端子１５）に対して、第２ＰＺＴ１２の第２電極端子１４との間に同時に一定の周波数により一定の電圧を印加する（第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２との境界の共通電極端子１５を基準）。
【００２４】
図２は、本発明に係る超音波センサにおけるＰＺＴの変形による超音波ビームの指向性を説明するための図で、図２（Ａ）は第１ＰＺＴと第２ＰＺＴが同時に変位したときの超音波放射面の変形例を示す図、図２（Ｂ）は変形した超音波放射面からの超音波の拡散状態を示す図、図２（Ｃ）はＰＺＴが１層のときと２層のときの超音波の指向性を示す図である。図２（Ｃ）において、１０１はＰＺＴが１層が変位したときの超音波の指向性、１０２は第１ＰＺＴと第２ＰＺＴの２層のＰＺＴが変位したときの超音波の指向性である。
【００２５】
上記図１に示すような構成で電気信号を印加することにより、第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２は横方向（分極とは垂直方向）に変形し、この変形による応力が音響整合層１０へと伝達され、周辺の振動支持・固定部が振動の凡その節となるよう、機械的な曲げ変形を引き起こす事により、第１ＰＺＴ１１が単独で動作した時の変形量と比べて、より音響整合層１０を変形させ曲率状態を変化させられ、変位を大きくできるので、音響整合層１０から放射され送受信される超音波ビームの指向特性を、ＰＺＴが単独（１個）で動作させた時と比べて、より指向性を拡大させ、流路幅方向一様に超音波ビームを送受信させられる。
【００２６】
すなわち、引回し取り出された電気端子に電圧を印加する事で、２種類のＰＺＴによる振動変位が合成される事で、より多くの変形が音響整合層１０へ及び、音響整合層１０の変形状態が変化するので、音響整合層１０の放射面がより曲率し、媒質中への音波の指向性が広がる効果が期待できる。従って温度や媒質の変化に対しても、取付け状態、更には固体差があろうとも、流路幅方向へと一様に拡散する音波ビームが得られる結果、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異があろうとも、その分布全域を計測できるので、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減する事ができる。
【００２７】
また、超音波トランスジューサの放射面に、放射音波を一様に拡散させられるようなメッシュ状部材を介して放射断面積を小さくし、放射特性を制御する必要が無い為、取付け工数及び、低コスト化が図れる上、取付け寸法精度、固体差による影響が無いため、または温度による影響も少ないため、安定性が良く高精度な流速計測が実現可能である。また、図１（Ｂ）に示すように、第１ＰＺＴ１１の直径Ｄ１と第２ＰＺＴ１２の直径をＤ１＞Ｄ２とし、互いの直径寸法を異ならせる事で、ＰＺＴ境界の共通電極端子を電気的に取り出せるため、２種類のＰＺＴを同時に動作可能である。
【００２８】
（実施例２）
図３は、本発明に係る超音波センサの第２の実施例の構成を説明するための図で、図３（Ａ）は超音波センサの側断面概略図で、図３（Ｂ）は超音波センサの音響整合層とＰＺＴの積層部の構成を説明するための側面図及び平面図である。図中、４１は共通電極の半田点である。
図３に示すように、超音波トランスジューサを構成する２種類のＰＺＴにおいて、第１ＰＺＴ１１（直径：Ｄ１、厚さ：ｔ１）及び、第２ＰＺＴ１２（直径：Ｄ２、厚さ：ｔ２）とを分極方向となる厚さ方向に積層するように貼り合わせる。そしてこの２種類のＰＺＴ１１，１２における貼り合わせ面であり、境界面の一部が露出されるように、互いの直径寸法を僅かに異ならせる（Ｄ１＞Ｄ２；つまり音響整合層１０側の第１ＰＺＴ１１の直径：Ｄ１を、これとは反対側の第２ＰＺＴ１２の直径：Ｄ２より大きくする）。
【００２９】
この露出した境界面であり、２種類のＰＺＴの共通電極となる電極部（露出した境界電極部）に、電圧を印加するための共通電極端子１５へ接続すべくリード線を半田付けし、さらに音響整合層１０と貼り合わされる第１ＰＺＴ１１の電極面から、第１電極端子１３へとリード線を介して接続するための半田付けされた凸部ポイント（凸部）である第１ＰＺＴ半田点２２を逃げるために、音響整合層１０の一部に半田点逃げ溝部１６を設けた構造とする。そして第１ＰＺＴ１１と貼り合わされる第２ＰＺＴ１２からは第２電極端子１４へリード線を介して半田付けされた合計３種類の（独立な）電極を有する超音波トランスジューサの構造を構成する。
【００３０】
そして直径寸法差により取出し可能となった第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２の境界の電極（共通電極端子１５）に対して、音響整合層１０と第１ＰＺＴ１１との境界の第１電極端子１３との間に一定の周波数で一定の電圧を有する矩形パルス状の電気信号を印加すると共に、第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２の境界の電極（共通電極端子１５）に対して、第２ＰＺＴ１２の第２電極端子１４との間に同時に一定の周波数により一定の電圧を印加する（第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２との境界の共通電極端子１５を基準）。
【００３１】
これにより、第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２は横方向（分極とは垂直方向）に変形し、この変形による応力が音響整合層へと伝達され、周辺の振動支持・固定部が振動の凡その節となるよう、機械的な曲げ変形を引き起こす事により、第１ＰＺＴ１１が単独で動作した時の変形量と比べて、より音響整合層１０を変形させ曲率状態を変化させられ、変位を大きくできる。従って、音響整合層１０から放射され送受信される超音波ビームの指向特性を、ＰＺＴが単独（１個）で動作させた時と比べて、より指向性を拡大させ、流路幅方向一様に超音波ビームを送受信させられる。
【００３２】
つまり、上記構成より第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２の振動変位を発生させるための電気端子への接続が図れ、また互いの直径寸法を異ならせる事で、ＰＺＴ境界の共通電極端子を電気的に取り出せるため、少なくとも２種類のＰＺＴを張合わせた構造により、２つの振動変位が合成される。これにより、１種類のＰＺＴによる振動変位と比べて、より多くの変形が音響整合層１０及び、音響整合層１０の変形状態を変化させられるので、音響整合層１０の放射面がより曲率し、媒質中への音波の指向性が広がる効果が期待でき、温度や媒質の変化に対しても、取付け状態、更には固体差があろうとも、流路幅方向へと一様に拡散する音波ビームが得られる結果、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異があろうとも、その分布全域を計測できるので、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減する事ができる。
【００３３】
これは横方向振動として、分極方向と垂直方向に振動する効果の振動のみに限らず、厚み方向振動をするＰＺＴを用いても良い（ＰＺＴが振動する方向によらない）。
即ち、縦（厚み）振動の分極方向の変位は、パーソン比によりこれとは垂直方向の横方向への変位を伴うため、この縦（厚み）振動による変形が、パーソン比により横方向に変形する事で音響整合層１０を変形させ、この変形による応力により、音響整合層１０の放射面が、ＰＺＴが単独（１個）で変位した時よりもより曲率を持つ事で、音響整合層１０から放射され送受信される超音波ビームの指向性を、ＰＺＴが単独（１個）で動作した時よりも拡散でき、流路幅方向一様に広がる音波ビームを送受信可能となる。
【００３４】
（実施例３）
図４は、本発明に係る超音波センサの第３の実施例の構成を説明するための図で、図４（Ａ）は超音波センサの側断面概略図で、図４（Ｂ）は超音波センサの音響整合層とＰＺＴの積層部の構成を説明するための側面図及び平面図である。図４において、２６は第１ＰＺＴの引き回し側面電極半田点、２７は電極端子固定端子板、２８は第２ＰＺＴ電極半田点、３１は引き回し電極部である。
【００３５】
図４に示すように、厚み寸法がある程度大きい（ある程度厚い）厚み縦振動モードで振動する２種類のＰＺＴを用いて、音響整合層１０と貼り合わせた側に位置する第１ＰＺＴ１１（直径：Ｄ１、厚さ：ｔ１）の、厚み方向における側面の一部に、音響整合層１０との境界となる第１ＰＺＴ１１の電極パターンを延長し、側面へと引き回した側面電極構造とし、この引き回し側面電極２６から電圧を印加する第１電極端子１３へとリード線を介して半田付けする。また２種類のＰＺＴ１１，１２における貼り合わせ面であり、境界面の一部が露出されるように、互いの直径寸法を僅かに異ならせる（Ｄ１＞Ｄ２；つまり音響整合層１０側の第１ＰＺＴ１１の直径：Ｄ１を、これとは反対側の第２ＰＺＴ１２（直径：Ｄ２、厚さ：ｔ２）の直径：Ｄ２より大きくする）。第２ＰＺＴ１２は、第１ＰＺＴ１１の外径より小さい内径Ｄ３を有したリング形状である。
【００３６】
この露出した境界面であり、２種類のＰＺＴの共通電極となる電極部（露出した境界電極部）の一部より、リード線を介して共通電極端子１５へと接続し、さらに、第２ＰＺＴ１２と第１ＰＺＴ１１との境界面とは反対側となる第２ＰＺＴ１２の電極部の一部からリード線を介して  第２電極端子１４に接続した、異なる３種類の電極構造（電気端子）を有する超音波トランスジューサを構成する。第２ＰＺＴ１２は、内径Ｄ３のリング形状であるため、第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２との境界の共通電極を第２ＰＺＴ１２の穴を通して第１ＰＺＴ１１の電極より引出せる。
【００３７】
そして第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２の境界の電極端子（共通電極端子１５）を基準に、音響整合層１０と第１ＰＺＴ１１との境界の第１電極端子１３との間に一定の周波数で一定の電圧を有する矩形パルス状の電気信号を印加すると共に、第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２との境界の電極端子（共通電極端子１５）を基準に、第２ＰＺＴ１２の電極からリード線で引き回された第２電極端子１４との間に同時に一定の周波数により一定の電圧を印加する。
【００３８】
図５は、本発明に係る超音波センサにおけるＰＺＴの変形による超音波ビームの指向性を説明するための図で、図５（Ａ）は第１ＰＺＴと第２ＰＺＴが同時に変位したときの超音波放射面の変形例を示す図、図５（Ｂ）は変形した超音波放射面からの超音波の拡散状態を示す図、図５（Ｃ）はＰＺＴが１層のときと２層のときの超音波の指向性を示す図である。上記の構成により、２つのＰＺＴ１１，１２が同時に動作し振動変位が互いに合成される結果、より多くの変形が音響整合層１０へと及び、音響整合層１０の変形状態が変化するので、ＰＺＴが１個で動作した時よりより音響整合層の放射面がより曲率し、媒質中への音波の指向性を一様に拡散させる事が可能である。
【００３９】
本実施例では、第２ＰＺＴ１２は第１ＰＺＴ１１の外径より小さい内径部を有した形状がリング状であるため、第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２との境界の電極を第２ＰＺＴ１２の穴を通して第１ＰＺＴ１１の電極より引出せる。これにより、２つのＰＺＴ１１，１２を同時に動作させ振動させる事ができるので、第２ＰＺＴ１２では周辺部に音圧が集中し、これと音圧が中央部に集中している第１ＰＺＴ１１との合成とにより、送受信の音圧がほぼ放射面一様に均等な分布特性として扱えるので、指向特性が一様に拡散する効果と合わせて、より流量による流速分布の相異による計測誤差を低減できる。
【００４０】
（実施例４）
図６は、本発明に係る超音波センサの第４の実施例の構成を説明するための図で、図６（Ａ）は超音波センサの側断面概略図で、図６（Ｂ）は超音波センサの音響整合層とＰＺＴの積層部の構成を説明するための側面図及び平面図である。図６において、３２は第３の物質（金属等）、３３は第３の物質の電極である。第３の物質３２は、本発明の合成調整部材に該当する。
【００４１】
図６に示すように、厚み寸法がある程度大きい（ある程度厚い）厚み縦振動モードで振動する２種類のＰＺＴを用いて、音響整合層１０と貼り合わせた側に位置する第１ＰＺＴ１１（直径：Ｄ１、厚さ：ｔ１）の、厚み方向における側面の一部に、音響整合層１０との境界となる第１ＰＺＴ１１の電極パターンを延長し、側面へと引き回した側面電極構造とし、この側面電極２６に半田付けされたリード線を第１電極端子１３へ接続する。
また、第２ＰＺＴ１２（直径：Ｄ２、厚さ：ｔ２、穴径：φ２）は、内径Ｄ３のリング状を有していて、このリング形状の第２ＰＺＴ１２の中央に貼り付け配置した金属性または、表面が金属塗装（導電塗装）された構成の第３の物質３２（直径：Ｄ４、厚さ：ｔ３）を介して、第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２との境界となる共通電極を取出し、この取出された電極をリード線にて共通電極端子１５に接続する。そしてリング形状の第１ＰＺＴ１１との境界側とは反対側の電極からは、第２電極端子１４へとリード線にて半田付けされた、異なる３種類の電極構造を有する超音波トランスジューサを構成する。
【００４２】
第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２の境界の電極端子（共通電極端子１５）を基準に、音響整合層１０と第１ＰＺＴ１１との境界であり、側面電極２６から接続された第１電極端子１３との間に、一定の周波数で一定の電圧を有する矩形パルス状の電気信号を印加すると共に、第２ＰＺＴ１２のリング部に配置した、第３の物質３２を介して共通電極に接続された電極端子（共通電極端子１５）を基準に、リング形状の第２ＰＺＴ１２と接続された第２電極端子１４との間に同時に一定の周波数により一定の電圧を印加する。
【００４３】
図７は、本発明に係る超音波センサにおけるＰＺＴの変形による超音波ビームの指向性を説明するための図で、図７（Ａ）は第１ＰＺＴと第２ＰＺＴが同時に変位したときの超音波放射面の変形例を示す図、図７（Ｂ）は変形した超音波放射面からの超音波の拡散状態を示す図、図７（Ｃ）はＰＺＴが１層のときと２層のときの超音波の指向性を示す図である。上記の構成により２種類のＰＺＴを同時動作させる際、第３の物質３２の質量及び、機械的剛性の効果により、第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２との機械的剛性がある程度自由に調整されるので、音響整合層１０の変形を微妙に制御し、必要な指向特性に調整できるので、放射面から送受信される超音波の音圧を放射面全体でほぼ一様に制御でき、これにより流路幅方向で一様に拡散する指向特性を得る。
【００４４】
即ち、音響整合層側の第１ＰＺＴ１１の直径：Ｄ１より小さい穴（内径Ｄ３）を有するリング状の第２ＰＺＴ１２を貼り合わせ、更にそのリング状の第２ＰＺＴ１２の中央部の穴には、金属性または、表面が金属塗装（導電塗装）された直径Ｄ４の（円板状の）第３の物質３２を貼り合わせた構成とする。これにより第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２とが同時に動作し変位する時に、中央部と周辺部との機械的剛性及び、質量分布の微妙な相異により、特に中央部においては、第３の物質３２がＰＺＴ１１，１２とは異なる材質でしかも分離された構成とする事で、中央部の変位がより微調整できる構成となる。しかも中央部の第３の物質３２はダミー素子として剛性及び質量の調整として作用させるので、変位全体が音響整合層の放射面全体で一様な分布とさせる事で、放射面から送受信される超音波の音圧を放射面全体でほぼ一様に制御できる。これにより流路幅方向で一様に拡散する指向特性を得る。
【００４５】
つまり本実施例では、第２ＰＺＴ１２の形状がリング状であり、このリング形状の第２ＰＺＴ１２の中央に貼り付け配置した導電性または、表面が導電塗装された構成の第３の物質３２を介して、第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ２１との境界となる共通電極を取出す事が可能であり、これにより第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２の振動変位を発生させるための電気端子への接続が図れる。そしてこの取出された電極をリード線にて電気端子に接続し、２種類のＰＺＴを同時動作させる際、この導電性を有した第３の物質３２の質量及び、機械的剛性の効果により、第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２との機械的剛性がある程度自由に調整されるので、音響整合層１０の変形を微妙に制御し、必要な指向特性に調整できるので、温度変化に対しても、取付け状態、更には固体差がろうとも、また余計な部材を流体の窪み部（流れが淀むトランスジューサの取付け固定部近傍に配置しなくても、流路幅方向へと一様に拡散する音波ビームが得られる。この結果、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異があろうとも、その分布全域を計測でき、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減する事ができる。
【００４６】
（実施例５）
図８は、本発明に係る超音波センサの第５の実施例の構成を説明するための図で、図８（Ａ）は超音波センサの側断面概略図で、図８（Ｂ）は超音波センサの音響整合層とＰＺＴの積層部の構成を説明するための側面図及び平面図である。図８において、３４は第３のリング状物質（第３の物質）、３５は第３のリング状物質の電極である。第３のリング状物質３５は、本発明の合成調整部材に該当するものである。
【００４７】
図８に示すように、厚み寸法がある程度大きい（ある程度厚い）厚み縦振動モードで振動する２種類のＰＺＴを用いて、音響整合層１０と貼り合わせた側に位置する第１ＰＺＴ１１（直径：Ｄ１、厚さ：ｔ１）の、厚み方向における側面の一部に、音響整合層１０との境界となる第１ＰＺＴ１１の電極パターンを延長し、側面へと引き回した側面電極構造とし、この側面電極２６に半田付けされたリード線を第１電極端子１３へ接続する。更にリング形状である第２ＰＺＴ１２（直径：Ｄ２、厚さ：ｔ２、穴径：φ２）のリング穴（内径Ｄ３）を利用し、第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２との境界の電極となる第１ＰＺＴ１１の電極の一部を、このリング穴（内径Ｄ３）を通して引き出し共通電極端子１５へと接続する。ここでは、第２ＰＺＴ１２の形状が内径Ｄ３のリング形状であり、このリング形状の第２ＰＺＴ１２の中央に、Ｄ３より小さい外形Ｄ４をもつ第３のリング状物質３４を貼り付け配置する。第２のリング状物質３４は、さらに内径Ｄ５の穴をもつリング形状になっている。そして第３のリング状物質３４の穴から、第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２との境界となる共通電極を取出し、この取出された電極をリード線にて共通電極端子１５に接続する。
【００４８】
さらに第１ＰＺＴ１１とリング形状の第１ＰＺＴ１２との境界面とは反対側となるリング形状の第２ＰＺＴ１２（直径：Ｄ２、厚さ：ｔ２）の電極部の一部からは、第２電極端子１４へとリード線を介して接続させ、異なる３種類の電極構造（電気端子）を有する超音波トランスジューサを構成する。
そして第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２の境界の電極端子（共通電極端子１５）を基準に、音響整合層１０と第１ＰＺＴ１１との境界であり、側面電極２６から接続された第１電極端子１３との間に、一定の周波数で一定の電圧を有する矩形パルス状の電気信号を印加すると共に、第２ＰＺＴ１２のリングを通して第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２との境界となる第１ＰＺＴ１１の電極の一部より接続された共通電極端子１５を基準に、第２ＰＺＴ１２の電極からリード線で引き回された第２電極端子１４との間に同時に一定の周波数により一定の電圧を印加する。
【００４９】
これにより、２つの第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２が同時に動作し変位する時に、リング状ＰＺＴの振動変位と、その物理的形状効果（リング状ＰＺＴの中央部と周辺部との質量分布と機械的剛性）とにより、即ち、中央部と周辺部との機械的剛性及び、質量分布の相異により、リング状の第２ＰＺＴ１２が振動し、振動による変位が伝達する際、貼り合わせた（振動の負荷となる）第１ＰＺＴ１１の機械的剛性及び、質量による影響も加味され、中央部の変位が適度に抑えられ、変位全体が音響整合層の放射面全体でほぼ一様に近い分布となる事で、放射面から送受信される超音波の指向性を放射面全体でほぼ一様に拡散した分布状態にできる。
【００５０】
つまり本実施例では、第２ＰＺＴ１２の形状がリング状であるため、第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２との境界の電極を第２ＰＺＴ１２の穴を通して第１ＰＺＴ１１の電極より引出せる。これにより、２つのＰＺＴを同時に動作させ振動させる事ができるので、第２ＰＺＴ１２では周辺部に音圧が集中し、これと音圧が中央部に集中している第１ＰＺＴ１１との合成とにより、送受信の音圧がほぼ放射面一様に均等な分布特性として扱えるので、指向特性が一様に拡散する効果と合わせて、より流量による流速分布の相異による計測誤差を低減できる。
【００５１】
また第２ＰＺＴ１２の形状がリング状であり、このリング形状の第２ＰＺＴ１２の中央に貼り付け配置した（穴径が小さい）リング形状もしくは、穴を有した構成である第３のリング状物質３４の穴から、第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２との境界となる共通電極を取出し、この取出された電極をリード線にて共通電極端子１５に接続し、２種類のＰＺＴを同時動作させる際、第３のリング状物質３４の質量及び、機械的剛性の効果により、第１ＰＺＴ１１及びＰＺＴ１２との機械的剛性がある程度自由に調整されるので、音響整合層の変形を微妙に制御し、必要な指向特性に調整できる。これにより温度変化に対しても、取付け状態、更には固体差があろうとも、また余計な部材を流体の窪み部（流れが淀むトランスジューサの取付け固定部近傍に配置しなくても、流路幅方向へと一様に拡散する音波ビームが得られる。そしてこの結果、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異があろうとも、その分布全域を計測でき、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減する事ができる。
【００５２】
（実施例６）
図９は、本発明に係る超音波センサの第６の実施例の構成を説明するための図で、図９（Ａ）は超音波センサの側断面概略図で、図９（Ｂ）は超音波センサの音響整合層とＰＺＴの積層部の構成を説明するための側面図及び平面図である。図９において、３６は第２ＰＺＴのリング状電極である。
超音波トランスジューサを構成する２種類のＰＺＴにおいて、第１ＰＺＴ１１及び、第２ＰＺＴ１２とを分極方向となる厚さ方向に積層するように貼り合わせ、この２種類のＰＺＴにおける貼り合わせ面であり、境界面の一部が露出されるように、互いの直径寸法を僅かに異ならせる（Ｄ１＞Ｄ２；つまり音響整合層１０側の第１ＰＺＴ１１の直径：Ｄ１を、これとは反対側の第２ＰＺＴ１２の直径：Ｄ２より大きくする）。
【００５３】
そしてこの露出した境界面であり、２種類のＰＺＴの共通電極となる電極部（露出した境界電極部）に、電圧を印加するための共通電極端子１５へ接続すべくリード線を半田付けする。さらに音響整合層１０と貼り合わされる第１ＰＺＴ１１の電極面から、第１電極端子１３へとリード線を介して接続するための半田付けされた凸部ポイント（凸部）を逃げるために、音響整合層１０の一部に半田点逃げ溝部１６を設けた構造とし、さらに第１ＰＺＴ１１と貼り合わされる第２ＰＺＴ１２からは第２電極端子１４へリード線を介して半田付けされた合計３種類の（独立な）電極を有する超音波トランスジューサを構成する。
【００５４】
図９に示すように、２種類のＰＺＴにおいて、第１ＰＺＴ１１（直径：Ｄ１、厚さ：ｔ１）及び、第２ＰＺＴ１２（直径：Ｄ２、厚さ：ｔ２）を互いに厚み方向（分極方向）に貼り合わせ、しかも音響整合層１０とは反対側の第２ＰＺＴ１２で、第１ＰＺＴ１１と貼り合わせた面とは反対側の電極形状をリング形状とし（第２ＰＺＴの電極３６を、内径Ｄ６の穴をもつリング形状とする）、このリング形状の電極面積及び、電極形状を変化（例えば楕円、長方形等）させた構成とする。
【００５５】
図１０は、本発明に係る超音波センサにおけるＰＺＴの変形による超音波ビームの指向性を説明するための図で、図１０（Ａ）は第１ＰＺＴと第２ＰＺＴが同時に変位したときの超音波放射面の変形例を示す図、図１０（Ｂ）は変形した超音波放射面からの超音波の拡散状態を示す図、図１０（Ｃ）はＰＺＴが１層のときと２層のときの超音波の指向性を示す図である。
第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２の境界の共通電極端子１５を基準に、音響整合層１０と第１ＰＺＴ１１との境界であり、側面電極から接続された第１電極端子１３の間に、一定の周波数で一定の電圧を有する矩形パルス状の電気信号を印加すると共に、共通電極端子１５を基準に、第２ＰＺＴ１２と接続された第２電極端子１４との間に同時に一定の周波数により一定の電圧を印加し、２種類のＰＺＴを同時動作させる。この際、第２ＰＺＴ１２の電極部（リング状電極３６）がリング形状であり、この第２ＰＺＴ１２の電極面積及び形状を微妙に調整してやる事で、周辺部に集中する振動変位の分布状態を微妙に調整できる。この効果に加え、剛性の小さい音響整合層１０と貼り合わされていて、中央部に振動変位が集中している第１ＰＺＴ１１との合成変位とにより、音響整合層１０の曲率状態が微妙に制御できる結果、超音波トランスジューサの指向特性を、流路幅方向で一様に拡散できると共に、ある程度微妙に指向特性の調整が可能である。
【００５６】
本実施例では、第２ＰＺＴ１２におけるリング状電極の電極面積を、第２ＰＺＴ１２の総面積に対して４５％〜８０％の範囲で変化させる事で、周辺部の変形状態を微妙に調整できるので、２種類のＰＺＴを張合わせた構造での振動変位を微妙に制御できる。４５％〜６５％と比較的中央部のみに電極が集中する場合では、周辺が変位しない事で、曲げのモーメントも小さく、振動変位も中央部のみと抑えられる事で、指向性の拡大作用は少なめに制御される。一方６５〜８０％と面積の割合を増加させる事で、曲げのモーメントは増加し、振動変位をほぼ全面に伝達させる事ができるので、指向性をさらに拡大できる。
【００５７】
その結果音響整合層及び、音響整合層の変形を、電極面積の割合に応じて制御できるので、音響整合層の放射面をより曲率化させ、媒質中への音波の指向性が広がる効果が期待できる。この結果、温度変化に対しても、取付け状態、更には固体差があろうとも、流路幅方向へと一様に拡散する音波ビームが得られ、これにより、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異があろうとも、その分布全域を計測できるので、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減する事ができる。更に、第２ＰＺＴ１２のリング状電極における振動に寄与する有効面積の調整により、この第２ＰＺＴ１２の周辺部での音圧の集中度合が変化し、これと音圧が中央に集中している第１ＰＺＴ１１との合成変位により、送受信の音圧がほぼ放射面一様として扱えるので、指向特性が一様に拡散する効果と合わせて、より流量による流速分布の相異による計測誤差を低減できる。
また電極形状を流路断面寸法に応じて変化させる事で、断面寸法比に応じた効率の良い振動変位を提供できるので、（無駄な、振動面積を低減）消費電流を低減できる。
【００５８】
なお、第２ＰＺＴ１２のリング状電極と、第２ＰＺＴ１２との形状に関し、リング状電極の中央が円であれば、両者は同心円のような円状の形状を持っている方が電極面積を稼ぐことができ、電機入力に対する機械的変位を大きくとることができて効率がよい。また、円盤状のＰＺＴのｘ軸、ｙ軸と平面でみた場合、各方向で振動変位を異ならせたいようなケースではｘｙ方向で楕円や長方形等の異形の電極にする方が良い場合もある。しかしながら本実施例のようにラジアル方向で対称な指向性を持つトランスデューサで効率も考えた場合、上記第２ＰＸＴ１２とそのリング状電極は相似形状とすることが好ましい。
【００５９】
（実施例７）
図１１は、本発明に係る超音波センサの第７の実施例の構成を説明するための図で、図１１（Ａ）は超音波センサの側断面概略図で、図１１（Ｂ）は超音波センサの音響整合層とＰＺＴの積層部の構成を説明するための側面図及び平面図である。図１１において、３７は第１ＰＺＴの音響整合層側電極である。
図１１に示すように、ＰＺＴの分極方向である厚みを、互いに異なる厚さの構成とし、その厚みの比：γ＝ｔ２／ｔ１、０.６＜γ＜３.０の範囲とする事で、第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２の振動特性を損ねず、音響整合層１０を含む振動板全体の機械的剛性及び、質量分布とを適度に調整できる。そしてこの結果、振動板全体の曲げ状態を微妙に制御できる事で、第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２を同時に動作させ、その電気変位に対する応力により、振動板全体の曲げモーメントが、ＰＺＴが１枚で、もう一枚が非動作である時と比較して、放射面の変形状態をより均一化し曲率を変化させられるため、超音波ビームの音圧を制御し、放射面全体から拡散させ送受信音波を流路幅一様に拡散させる事ができる。
【００６０】
これとは別に、あるいは組み合わせて、第１ＰＺＴ１１及び、第２ＰＺＴ１２とで、互いの直径寸法を異ならせるか、直径寸法の比：β＝Ｄ２／Ｄ１、０.５５＜β＜０.７５を変化させる事で、放射面の直径方向の機械的剛性及び、質量分布、そして電気変位に対する振動（動作）面積を微妙に制御できる。この結果、第１ＰＺＴ１１及び、第２ＰＺＴ１２を同時に動作させ、その電気変位に対する応力により、振動板全体より均一化し曲率を変化させられる結果、超音波ビームの音圧を制御し、放射面全体から拡散させ送受信音波を流路幅一様に拡散させる事ができる。
【００６１】
つまり本実施例によれば、ＰＺＴの厚さ比：γを０.６〜３.０の範囲で、また直径（外形）比：βを０.５５〜０.７５の範囲で異ならせる事で、ＰＺＴそのものの電気入力に対する機械的変位量と、厚み及び、直径（外形）寸法、比率の相異による機械的な強度、曲げのモーメントを微妙に調整できる効果が期待できる。従って、音響整合層の変形状態が制御でき、音響整合層の放射面の曲率状態による、媒質中への音波の指向性を微妙に制御出来る結果、温度変化に対しても、取付け状態、更には固体差があろうとも、流路幅方向へと一様に拡散する音波ビームが得られる。この結果、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異があろうとも、その分布全域を計測できるので、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減する事ができる。
【００６２】
（実施例８）
図１２は、本発明に係る超音波センサの第７の実施例の構成を説明するための図で、図１２（Ａ）は超音波センサの側断面概略図で、図１２（Ｂ）は超音波センサの音響整合層とＰＺＴの積層部の構成を説明するための側面図及び平面図である。図１２において、３８は第１ＰＺＴの音響整合層側リング状電極である。
【００６３】
図１２に示すように、厚み寸法がある程度大きい（ある程度厚い）厚み縦振動モードで振動する２種類のＰＺＴを用いて、音響整合層１０と貼り合わせた側に位置するリング形状の第１ＰＺＴ１１（直径：Ｄ１、厚さ：ｔ１、穴径：φ１）の厚み方向における側面の一部に、音響整合層１０との境界となる第１ＰＺＴ１１の電極パターンを延長し、側面へと引き回した側面電極構造とし、この側面電極２６に半田付けされたリード線を第１電極端子１３へ接続する。そして２種類のＰＺＴにおける貼り合わせ面であり、境界面の一部が露出されるように、互いの直径寸法を僅かに異ならせる（Ｄ２＞Ｄ１；つまり音響整合層１０側の第１ＰＺＴ１１の直径：Ｄ１を、これとは反対側の第２ＰＺＴ１２の直径：Ｄ２より小さくする。ただし、大小関係はこの逆でも構わない）。
【００６４】
この露出した境界面であり、２種類のＰＺＴの共通電極となる電極部（露出した境界電極部）からリード線を介して共通電極端子１５へ接続し、さらに、第２ＰＺＴ１２の第１ＰＺＴ１１とは反対側の電極の一部からは、リード線を介して第２電極端子１４へ接続した、異なる３種類の電極構造を有する超音波トランスジューサを構成する。
そして第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２の境界の電極端子（共通電極端子１５）を基準に、音響整合層１０と第１ＰＺＴ１１との境界であり、側面電極２６から接続された第１電極端子１３との間に、一定の周波数で一定の電圧を有する矩形パルス状の電気信号を印加すると共に、共通電極端子１５を基準に、第２ＰＺＴ１２と接続された第２電極端子１４との間に同時に一定の周波数により一定の電圧を印加し、２種類のＰＺＴを同時動作させる。このとき、第１ＰＺＴ１１は、内径Ｄ３の穴をもったリング形状を有している。これにより第１ＰＺＴ１１の音圧は周辺部に集中し、これに加え、剛性の小さい音響整合層と貼り合わされている事で、中央の剛性がより小さく曲率が増加する。
【００６５】
これと音圧が中央部に集中している第２ＰＺＴ１２とが音響整合層１０と反対側に貼り合わされている事により、２種類の互いに振動部の異なる（振動変位の大きさが異なる）各ＰＺＴの振動による合成変位と、放射方向での剛性の差及び、質量分布が周辺に集中している効果とにより放射面の曲率をより制御できる。これにより、中央の音圧が周辺部と比較して大きい第２ＰＺＴ１２による振動変位を微妙に制御できる結果、超音波トランスジューサの指向特性を、流路幅方向で一様に拡散させる効果が期待できる。
【００６６】
つまり本実施例によれば、境界面の一部が露出されるように、互いの直径寸法を僅かに異ならせる（Ｄ２＞Ｄ１；つまり音響整合層１０側の第１ＰＺＴ１１の直径：Ｄ１を、これとは反対側の第２ＰＺＴ１２の直径：Ｄ２より小さくする。ただし、大小関係はこの逆でも構わない）。この露出した境界面であり、第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２の境界となる共通電極を取出す事が可能であり、これにより第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２の振動変位を発生させるための電気端子への接続が図れる。
【００６７】
また音響整合層１０と直接張合わされる第１ＰＺＴ１１をリング形状とする事で、第１ＰＺＴ１１の音圧が周辺部に集中し、これと音圧が中央部に集中している第２ＰＺＴ１２との、２種類の互いに振動部の異なる（振動変位の大きさが異なる）各ＰＺＴの振動による合成変位とにより、送受信の音圧を、ほぼ振動放射面一様として扱える上、中央の音圧が周辺部と比較して大きい第２ＰＺＴ１２による振動変位を微妙に制御できる。この結果、超音波トランスジューサの指向特性を、流路幅方向で一様に拡散させる効果が期待できるので、流量による流速分布の相異による計測誤差を抑え、正確な流量を算出する事ができる。
【００６８】
（実施例９）
図１３は、本発明に係る超音波センサの第９、１０の実施例の構成を説明するための図で、図１３（Ａ）は超音波センサの側断面概略図で、図１３（Ｂ）は超音波センサの音響整合層とＰＺＴの積層部の構成を説明するための側面図及び平面図である。図１３において、３９は金属ケースと接続される電極パターン、４０は金属板である。
【００６９】
図１３に示すように、厚み寸法がある程度大きい（ある程度厚い）厚み縦振動モードで振動する２種類のＰＺＴを用いて、音響整合層１０と貼り合わせた側に位置する第１ＰＺＴ１１（直径：Ｄ１、厚さ：ｔ１）の、厚み方向における側面の一部に、音響整合層１０との境界となる第１ＰＺＴ１１の電極パターンを延長し、側面へと引き回した側面電極構造とし、この側面電極２６から電圧を印加する第１電極端子１３へと半田付けされた構造とする。さらに第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２との張合わせ境界面に、使用周波数による音波の波長に比べて無視できる厚さｔ３（金属板を透過する超音波の波長に対して、１／８λ〜１／１０λと金属板の影響が無視できる範囲で、機械的振動に影響を受けない厚み）で構成された金属板４０（円板状で直径：Ｄ６）を設ける。金属板は、例えば厚さ０.３〜０.５ｍｍ程度のＳＵＳ３０４を用いることができる。
【００７０】
そしてこの金属板４０の少なくとも一部を、電気的導通が確保されるよう周辺の金属ケースへと接触し、この金属ケースの周辺部或いはその一部が、共通電極端子１５とを固定する端子板上（電気端子固定用端子板）に設けた電極パターン３９を介して接続させる。さらに、第２ＰＺＴ１２と第１ＰＺＴ１１との境界面とは反対側となる第２ＰＺＴ１２（直径：Ｄ２、厚さ：ｔ２）の電極部の一部からリード線を介して第２電極端子１４へと接続された、異なる３種類の電極構造（電気端子）を有する超音波トランスジューサを構成する。
【００７１】
そして第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２の境界の共通電極端子１５を基準に、音響整合層１０と第１ＰＺＴ１１との境界の第１電極端子１３との間に一定の周波数で一定の電圧を有する矩形パルス状の電気信号を印加すると共に、第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２との境界の共通電極端子１５を基準に、第２ＰＺＴ１２の電極からリード線で引き回された第２電極端子１４との間に同時に一定の周波数により一定の電圧を印加する。これにより、２つのＰＺＴが同時に動作し振動変位が互いに合成される結果、より多くの変形が音響整合層１０へと及び、音響整合層１０の変形状態が変化するので、ＰＺＴが１個で動作した時よりより音響整合層の放射面がより曲率し、媒質中への音波の指向性を一様に拡散させる事が可能である。
【００７２】
つまり本実施例によれば、第１ＰＺＴ１１と第２ＰＺＴ１２の張合わせ部境界面に、使用周波数による音波の波長に比べて無視できる厚さ（金属板を伝播する超音波の波長：λに対して１／８λ〜１／１０λ程度）の金属製の板（金属板４０）を設け、この金属板４０の全周面もしくは少なくとも一部を電気的導通が確保されるよう、周辺の金属ケースに直接接続し固定させる事で共通電極を取り出せる構造である事と、金属ケースの周辺部或いは、その一部が電気端子を固定する端子板上に設けられた電極パターンと接続される構造である事とにより、リード線の引回し、半田付けが不要となるため組立て工数の削減とコストの低減が図れる。
【００７３】
また金属板４０により第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２の振動変位を発生させるための電極端子への接続が図れる結果、第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２との２つの振動変位を互いに合成される事で、より多くの変形が音響整合層１０へ及び、音響整合層１０の変形状態が変化する。従って音響整合層１０の放射面がより曲率し、媒質中への音波の指向性が広がる効果が期待できる結果、温度や媒質の変化に対しても、取付け状態、更には固体差がろうとも、流路幅方向へと一様に拡散する音波ビームが得られる。この結果、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異があろうとも、その分布全域を計測できるので、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減する事ができる。
【００７４】
また第２ＰＺＴ１２の形状をリング形状とすることもできる。この場合、第２ＰＺＴ１２がリング状であるため、第２ＰＺＴ１２では周辺部に音圧が集中し、これと音圧が中央部に集中している第１ＰＺＴ１１との合成により、送受信の音圧がほぼ放射面一様に均等な分布特性として扱えるので、指向特性が一様に拡散する効果と合わせて、より流量による流速分布の相異による計測誤差を低減できる。
【００７５】
これに加えて、リング形状の第２ＰＺＴ１２の中央に、実施例４，５で示したような第３の物質３２，３４を貼り付け配置してもよい。この場合、第３の物質３２，３４による質量及び、機械的剛性とにより、第１ＰＺＴ１１及び第２ＰＺＴ１２との機械的剛性が適度に調整される。また、第３の物質３２，３４の振動も制御する事で、より細かく振動状態を変化させられる効果が期待出来るので、これらの複数の振動、剛性、必要のバランス等により、音響整合層の変形状態が変化し、必要な指向特性に制御できる。これにより、取付け状態、更には固体差があろうとも、温度変化に対しても、更には、余計な部材を流体の窪み部（流れが淀むトランスジューサの取付け固定部近傍）に配置しなくても、流路幅方向へと一様に拡散する音波ビームを確保できる。この結果、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異があろうとも、その分布全域を計測できるので、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減する事ができる。ここでは、第３の物質を第１ＰＺＴ１１と一体構造とした凸状形状のＰＺＴとしても良いが、この場合第３の物質を電気的に制御する事はしない。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明に係る超音波センサの第１の実施例の構成を説明するための図である。
【図２】本発明に係る超音波センサにおけるＰＺＴの変形による超音波ビームの指向性を説明するための図である。
【図３】本発明に係る超音波センサの第２の実施例の構成を説明するための図である。
【図４】本発明に係る超音波センサの第３の実施例の構成を説明するための図である。
【図５】本発明に係る超音波センサにおけるＰＺＴの変形による超音波ビームの指向性を説明するための図である。
【図６】本発明に係る超音波センサの第４の実施例の構成を説明するための図である。
【図７】本発明に係る超音波センサにおけるＰＺＴの変形による超音波ビームの指向性を説明するための図である。
【図８】本発明に係る超音波センサの第５の実施例の構成を説明するための図である。
【図９】本発明に係る超音波センサの第６の実施例の構成を説明するための図である。
【図１０】本発明に係る超音波センサにおけるＰＺＴの変形による超音波ビームの指向性を説明するための図である。
【図１１】本発明に係る超音波センサの第７の実施例の構成を説明するための図である。
【図１２】本発明に係る超音波センサの第７の実施例の構成を説明するための図である。
【図１３】本発明に係る超音波センサの第９、１０の実施例の構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７７】
１…超音波センサ、１０…音響整合層、１１…第１ＰＺＴ、１２…第２ＰＺＴ、１３…第１電極端子、１４…第２電極端子、１５…共通電極端子、１６…半田点逃げ溝部、１７…振動支持・固定体、１８…第１ダンパー材（絶縁部材）、１９…第２ダンパー材（充填材）、２０…電極端子固定端子板、２１…共通電極引き回しパターン、２２…第１ＰＺＴ半田点、２３…第２ＰＺＴ半田点、２４…引き回し小電極の半田点、２６…第１ＰＺＴの引き回し側面電極半田点、２７…電極端子固定端子板、２８…第２ＰＺＴ電極半田点、３０…第２ＰＺＴの電極、３１…引き回し電極部、３２… 第３の物質、３３…第３の物質の電極、３４…リング状物質、３５…第３のリング状物質、３６…リング状電極、３７…第１ＰＺＴの音響整合層側電極、３８…第１ＰＺＴの音響整合層側リング状電極、３９…電極パターン、４０…金属板、４１…共通電極半田点。
【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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