JP4288688B2 - Moving speed measuring device - Google Patents

Description

【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E_i (i=1, 2,…,またはn)を発生させ、前記入力電気信号E_iは、キャリア周波数F_0i (i=1, 2,…,またはn)を有し、前記キャリア周波数F_0iは、前記超音波複合体と前記物体との距離D_i (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α_i (i=1, 2,…,またはn)を有し、前記反射角α_iは前記距離D_i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F_i (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F_0i (i=1, 2,…,またはn)を有する入力電気信号E_i (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F_0iは、超音波複合体と物体との距離D_i (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D_iに対応する反射角α_i (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F_i (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D_iに応じてキャリア周波数F_0i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α_iを有する反射波が、ドップラー偏移周波数F_i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F_0i (i=1, 2,…,またはn)を有する入力電気信号E_i (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F_0iは、超音波複合体と物体との距離D_i (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D_iに対応する反射角α_i (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F_fi (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F_si (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D_iに応じてキャリア周波数F_0iを設定すれば、反射角α_i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F_0i (i=1, 2,…,またはn)を有する入力電気信号E_i (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F_0iは、超音波複合体と物体との距離D_i (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D_iに対応する反射角α_i (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F_fi (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F_si (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F_ti (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D_iに応じてキャリア周波数F_0iを設定すれば、反射角α_i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A_１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(V_W)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A_１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】

【００４９】
このとき、F、F₀、V_W、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A_１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A_１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A_１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A_１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D_i (i=1, 2,…,またはn)に応じて、キャリア周波数F_0i (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α_i (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F_i (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α_iは距離D_i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D_i (i=1, 2, 3または4)に応じて、キャリア周波数F_0i (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α_i (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F_i (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(W_A)を有し、櫛型電極１５Bは16μmの電極指幅(W_B)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(V_W)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V_W値の割合、つまりV_W/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 ≧ ５V_W /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(W_A)が電極指幅(W_B)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(F_f)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(F_s)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(F_f)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(F_s)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(F_f)および第２ドップラー偏移周波数(F_s)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(F_f)および第２ドップラー偏移周波数(F_s)のうちのどちらか大きい方との差(F_f-F₀またはF_s-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(F_f1, F_f2またはF_f3)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(F_s1, F_s2またはF_s3)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(F_f2)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(F_s2)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(F_f1, F_f2またはF_f3)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(F_s1, F_s2またはF_s3)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D_i (i=1, 2, 3または4)に応じて、キャリア周波数F_0i (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α_i (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F_fi (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α_i (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F_si (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(F_f)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(F_s)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(F_t)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(F_f)との差(F_f-F₀)、キャリア周波数(F₀)と第２ドップラー偏移周波数(F_s)との差(F_s-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(F_t)との差(F_t-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(F_f1, F_f2, F_f3またはF_f4)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(F_s1, F_s2, F_s3またはF_s4)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(F_t1, F_t2, F_t3またはF_t4)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(F_f4)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(F_s4)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(F_t4)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(F_f4)との差(F_f4-F₀₄)、キャリア周波数(F₀₄)と第２ドップラー偏移周波数(F_s4)との差(F_s4-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(F_t4)との差(F_t4-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D_i (i=1, 2, 3または4)に応じて、キャリア周波数F_0i (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α_i (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F_fi (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α_i (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F_si (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α_i (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F_ti (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(F_f)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(F_s)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(F_f)および第２ドップラー偏移周波数(F_s)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(F_f)および第２ドップラー偏移周波数(F_s)のうちのどちらか大きいほうとの差(F_f-F₀またはF_s-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F_0i (i=1, 2,…,またはn)を有する入力電気信号E_i (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F_0iは、超音波複合体と物体との距離D_i (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D_iに対応する反射角α_i (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F_i (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D_i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F_0i (i=1, 2,…,またはn)を有する入力電気信号E_i (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F_0iは、超音波複合体と物体との距離D_i (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D_iに対応する反射角α_i (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F_fi (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F_si (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D_i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F_0i (i=1, 2,…,またはn)を有する入力電気信号E_i (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F_0iは、超音波複合体と物体との距離D_i (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D_iに対応する反射角α_i (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F_fi (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F_si (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F_ti (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D_i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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a moving speed measuring device that detects a rotational speed of an object in a liquid, a flow speed of a liquid flowing in a tube, and the like by using a Doppler effect.
[0002]
[Prior art]
Use of the Doppler effect is effective in measuring the moving speed of an object in a medium. In a conventional measuring apparatus, a thickness vibration mode transducer has been mainly used. The thickness vibration mode transducer has a function of transmitting and receiving ultrasonic waves in a direction perpendicular to the piezoelectric substrate on which the transducer is provided. Therefore, in the conventional measuring apparatus, it is mechanically difficult to control the positional relationship between the input and output thickness vibration mode transducers, and there are also problems in measurement accuracy, response time, durability, and the like. is doing. It is also susceptible to environmental changes such as temperature changes.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a moving speed measuring device that is small and light, has high detection sensitivity, excellent high-speed response, can be driven at a high frequency, has excellent environmental resistance, and can be driven with low power consumption. It is in.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The moving speed measuring device according to claim 1 is a moving speed measuring device comprising a piezoelectric substrate, a first electrode, a second electrode, a comb transducer and a signal analyzer, wherein the first electrode and the comb transducer are , Provided on the upper end surface of the piezoelectric substrate, the second electrode is provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate, the first electrode and the second electrode form a transducer of thickness vibration mode, The piezoelectric substrate, the thickness vibration mode transducer, and the interdigital transducer form an ultrasonic composite, and an input electrical signal having a carrier frequency is applied to the thickness vibration mode transducer, whereby the ultrasonic composite Longitudinal waves are radiated into the medium that is in contact with the bottom of the body, and the carrier frequency is measured in the thickness vibration mode. Approximately equal to the center frequency for driving the transducer, the longitudinal wave is reflected by an object contained in the medium, and the reflected longitudinal wave undergoes mode conversion to a leaky Lamb wave in the interdigital transducer. Then, it is converted into a delayed electrical signal having a Doppler shift frequency, and the moving speed of the object is detected from the difference between the carrier frequency and the Doppler shift frequency in the signal analyzer.
[0005]
The present invention In the moving speed measuring apparatus, the interdigital transducer has a distributed electrode pattern.
[0006]
Claim 2 In the moving speed measuring device described in 1), the interdigital transducer has an arc-shaped electrode pattern, and the concentricity of the arc coincides with the center of the first electrode.
[0007]
Claim 3 In the moving speed measuring device described in 1), a counter electrode is newly provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate, and the counter electrode is in a position facing the interdigital transducer.
[0008]
Claim 4 The moving speed measuring device according to claim 1 is a moving speed measuring device newly provided with a signal generator, wherein the signal generator includes an input electric signal E. _i (i = 1, 2,..., or n) and the input electric signal E _i Is the carrier frequency F _0i (i = 1, 2,..., or n), and the carrier frequency F _0i Is the distance D between the ultrasonic complex and the object _i (i = 1, 2,..., or n), and the reflected longitudinal waves are reflected by a reflection angle α. _i (i = 1, 2,..., or n), and the reflection angle α _i Is the distance D _i Each of the delayed electrical signals corresponds to a Doppler shift frequency F. _i (i = 1, 2,..., or n).
[0009]
Claim 5 The moving speed measuring device described in 1 is a moving speed measuring device comprising a piezoelectric substrate, a first electrode, a second electrode, a first interdigital transducer, a second interdigital transducer, and a signal analyzer. The two interdigital transducers have the same electrode pattern and are provided on the upper end surface of the piezoelectric substrate, and the first electrode is located between the first and second interdigital transducers on the upper end surface of the piezoelectric substrate. The second electrode is provided on a lower end surface of the piezoelectric substrate, and the first and second electrodes form a thickness vibration mode transducer, and the piezoelectric substrate, the thickness vibration mode transducer. The first and second interdigital transducers form an ultrasonic composite, and the thickness vibration mode transducer has a carrier. When an input electric signal having a frequency is applied, a longitudinal wave is irradiated into the medium in contact with the bottom of the ultrasonic complex, and the carrier frequency drives the thickness vibration mode transducer. The longitudinal wave reflected substantially equal to the center frequency of the first through the first interdigital transducer undergoes mode conversion into a first leaky Lamb wave and is converted into a first delayed electrical signal having a first Doppler shift frequency. At the same time, the second interdigital transducer is converted into a second delayed electric signal having a second Doppler shift frequency through mode conversion into a second leaky Lamb wave, and the moving direction and moving speed of the object. In the signal analyzer, from the difference between the carrier frequency and the larger of the first and second Doppler shift frequencies It is issued.
[0010]
The present invention The moving speed measuring device of the first pass through the center of each electrode finger in the electrode finger overlap portion of the first interdigital transducer and the center of the electrode finger in the electrode finger overlap portion of the second interdigital transducer. Lines overlap each other.
[0011]
Claim 6 The moving speed measuring device described in 1 is a moving speed measuring device comprising a piezoelectric substrate, a first electrode, a second electrode, a first interdigital transducer, a second interdigital transducer, a third interdigital transducer, and a signal analyzer. The first, second and third interdigital transducers have the same electrode pattern as each other, and are provided in an arrangement so as to form a triangle on the upper end surface of the piezoelectric substrate. Provided in the triangle on the upper end surface of the piezoelectric substrate, the second electrode is provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate, the first and second electrodes form a thickness vibration mode transducer, The piezoelectric substrate, the thickness vibration mode transducer, the first, second and third interdigital transducers form an ultrasonic composite; By applying an input electrical signal having a carrier frequency to the transducer in the thickness vibration mode, a longitudinal wave is irradiated in the medium in contact with the bottom of the ultrasonic composite, and the carrier frequency is equal to the thickness. Within the frequency band of plus and minus 6 dB from the center frequency for driving the vibration mode transducer, the reflected longitudinal wave undergoes mode conversion to the first leaky Lamb wave in the first interdigital transducer. Then, it is converted into a first delayed electrical signal having a first Doppler shift frequency, and the second interdigital transducer undergoes mode conversion to a second leaky Lamb wave, and then has a second Doppler shift frequency. It is converted into a delayed electrical signal. In the third interdigital transducer, the mode conversion to the third leaky Lamb wave is performed. Is converted into a third delayed electrical signal having a third Doppler shift frequency, and the moving direction and moving speed of the object are determined by the difference between the carrier frequency and the first Doppler shift frequency in the signal analyzer, It is detected from the combination of the difference between the carrier frequency and the second Doppler shift frequency and the difference between the carrier frequency and the third Doppler shift frequency.
[0012]
The present invention The moving speed measuring device of the first pass through the center of each electrode finger in the electrode finger overlap portion of the first interdigital transducer and the center of the electrode finger in the electrode finger overlap portion of the second interdigital transducer. The intersection of the straight line and the straight line passing through the center of each electrode finger in the electrode finger overlapping portion of the third interdigital transducer coincides with the center of the first electrode.
[0013]
The present invention In the moving speed measuring apparatus, the first electrode is composed of a combination electrode, the combination electrode is composed of two comb electrodes, and the ratio of the electrode periodic length of the combination electrode to the thickness of the piezoelectric substrate is the piezoelectric substrate It is 5 times or less of the ratio of the longitudinal wave velocity propagating in the medium to the leaky Lamb wave velocity propagating in the medium.
[0014]
Claim 7 In the moving speed measuring device described in 1), a non-piezoelectric thin film is newly provided at the bottom of the ultrasonic composite.
[0015]
Claim 8 In the moving speed measuring device described in 1), the piezoelectric substrate is made of a piezoelectric ceramic thin plate, and the direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic thin plate is parallel to the thickness direction.
[0016]
Claim 9 In the moving speed measuring device described in 1), the piezoelectric substrate is made of a piezoelectric polymer thin plate.
[0017]
Claim 10 In the moving speed measuring device described in 1), the piezoelectric substrate is a piezoelectric single crystal thin plate.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The moving speed measuring device according to the first aspect of the present invention has a simple structure including a piezoelectric substrate, a first electrode, a second electrode, an interdigital transducer, and a signal analyzer. The first electrode and the interdigital transducer are provided on the upper end surface of the piezoelectric substrate, and the second electrode is provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate. The first and second electrodes form a thickness vibration mode transducer. The piezoelectric substrate, the thickness vibration mode transducer and the interdigital transducer form an ultrasonic composite. If an input electric signal having a carrier frequency is applied to the transducer in the thickness vibration mode, a longitudinal wave is irradiated into the medium in contact with the bottom of the ultrasonic composite. At this time, the carrier frequency is set to be substantially equal to the center frequency for driving the transducer in the thickness vibration mode. When the longitudinal wave is reflected by an object contained in the medium, the reflected longitudinal wave is converted into a delayed electrical signal having a Doppler shift frequency through a mode conversion to a leaky Lamb wave in a comb transducer. . The moving speed of the object is detected in the signal analyzer from the difference between the carrier frequency and the Doppler shift frequency.
[0019]
In the moving speed measuring device of the first aspect of the present invention, a structure in which the interdigital transducer has a distributed electrode pattern is possible.
[0020]
In the moving speed measuring device of the first aspect of the present invention, a structure in which the interdigital transducer has an arc-shaped electrode pattern is possible. In this case, the interdigital transducer is arranged so that the concentricity of the arc coincides with the center of the first electrode.
[0021]
In the moving speed measuring device of the first aspect of the present invention, a structure in which a counter electrode is newly provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate is possible. In this case, the counter electrode is disposed so as to face the interdigital transducer.
[0022]
In the moving speed measuring apparatus of the first aspect of the present invention, a structure in which a signal generator is newly provided is possible. This signal generator has carrier frequency F _0i Input electrical signal E with (i = 1, 2, ..., or n) _i (i = 1, 2,..., or n) respectively, and the carrier frequency F _0i Is the distance D between the ultrasonic complex and the object _i (i = 1, 2,..., or n) respectively. In other words, the longitudinal wave reflected in the medium is the distance D _i Reflection angle α corresponding to _i (i = 1, 2,..., or n) respectively, and such a reflected wave undergoes mode conversion into a leaky Lamb wave in the interdigital transducer, and is subjected to Doppler shift frequency F. _i respectively converted into delayed electrical signals having (i = 1, 2,..., or n). In this way, the distance D _i Depending on carrier frequency F _0i Is set, the angle of reflection α _i Is reflected by the Doppler shift frequency F _i Is converted into a delayed electrical signal having
[0023]
The moving speed measuring device of the second aspect of the present invention comprises a piezoelectric substrate, a first electrode, a second electrode, a first interdigital transducer, a second interdigital transducer, and a signal analyzer. The first and second interdigital transducers have the same electrode pattern, and are provided on the upper end surface of the piezoelectric substrate. The first electrode is disposed between the first and second interdigital transducers on the upper end surface of the piezoelectric substrate, and the second electrode is provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate. The first and second electrodes form a thickness vibration mode transducer. The piezoelectric substrate, the thickness vibration mode transducer, and the first and second interdigital transducers form an ultrasonic composite. If an input electric signal having a carrier frequency is applied to the transducer in the thickness vibration mode, a longitudinal wave is irradiated into the medium in contact with the bottom of the ultrasonic composite. At this time, the carrier frequency is set to be substantially equal to the center frequency for driving the transducer in the thickness vibration mode. When the longitudinal wave is reflected by an object contained in the medium, the reflected longitudinal wave undergoes mode conversion into a first leaky Lamb wave in the first interdigital transducer, and has a first Doppler shift frequency. At the same time, the second interdigital transducer undergoes mode conversion to a second leaky Lamb wave and is converted to a second delayed electric signal having a second Doppler shift frequency. The moving direction and moving speed of the object are detected in the signal analyzer from the difference between the carrier frequency and the larger of the first and second Doppler shift frequencies.
[0024]
In the moving speed measuring device of the second aspect of the present invention, a straight line passing through the center of each electrode finger in the electrode finger overlapping portion of the first interdigital transducer, and each electrode finger in the electrode finger overlapping portion of the second interdigital transducer. A structure in which a straight line passing through the center overlaps each other is adopted. With such a structure, the reflected longitudinal wave is efficiently converted into the first delayed electric signal through the mode conversion into the first leaky Lamb wave in the first interdigital transducer, and at the same time, the second interdigital transducer is converted. In the transducer, the signal is efficiently converted into the second delayed electric signal through the mode conversion to the second leaky Lamb wave.
[0025]
In the moving speed measuring device of the second aspect of the present invention, a structure in which the first and second interdigital transducers have a distributed electrode pattern is possible.
[0026]
In the moving speed measuring device of the second aspect of the present invention, a structure in which the first and second interdigital transducers have arc-shaped electrode patterns is possible. In this case, the first and second interdigital transducers are arranged so that their arcs are concentric with the center of the first electrode.
[0027]
In the moving speed measuring device of the second aspect of the present invention, a structure in which first and second counter electrodes are newly provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate is possible. In this case, the first and second counter electrodes are arranged so as to face the first and second interdigital transducers, respectively.
[0028]
In the moving speed measuring device of the second aspect of the present invention, a structure in which a signal generator is newly provided is possible. This signal generator has carrier frequency F _0i Input electrical signal E with (i = 1, 2, ..., or n) _i (i = 1, 2,..., or n) respectively, and the carrier frequency F _0i Is the distance D between the ultrasonic complex and the object _i (i = 1, 2,..., or n) respectively. In other words, the longitudinal wave reflected in the medium is the distance D _i Reflection angle α corresponding to _i (i = 1, 2,..., or n), and such a reflected wave undergoes mode conversion to the first leaky Lamb wave in the first interdigital transducer, and then the first Doppler shift frequency F. _fi (i = 1, 2,..., or n), respectively, and the second interdigital transducer undergoes mode conversion to the second leaky Lamb wave, and then the second Doppler shift frequency. F _si respectively converted into second delayed electrical signals having (i = 1, 2,..., or n). In this way, the distance D _i Depending on carrier frequency F _0i Is set, the reflection angle α _i Is reflected by the first interdigital transducer into a first delayed electrical signal and converted by the second interdigital transducer into a second delayed electrical signal.
[0029]
A moving speed measuring apparatus according to a third aspect of the present invention includes a piezoelectric substrate, a first electrode, a second electrode, a first interdigital transducer, a second interdigital transducer, a third interdigital transducer, and a signal analyzer. The first, second, and third interdigital transducers have the same electrode pattern, and are arranged so as to form a triangle on the upper end surface of the piezoelectric substrate. The first electrode is provided in a triangle on the upper end surface of the piezoelectric substrate, and the second electrode is provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate. The first and second electrodes form a thickness vibration mode transducer. The piezoelectric substrate, thickness vibration mode transducer, first, second and third interdigital transducers form an ultrasonic composite. If an input electric signal having a carrier frequency is applied to the transducer in the thickness vibration mode, a longitudinal wave is irradiated into the medium in contact with the bottom of the ultrasonic composite. At this time, the carrier frequency is set to be within a frequency band of plus and minus 6 dB from the center frequency for driving the transducer in the thickness vibration mode. When the longitudinal wave is reflected by an object contained in the medium, the reflected longitudinal wave undergoes mode conversion into a first leaky Lamb wave in the first interdigital transducer, and has a first Doppler shift frequency. In the second interdigital transducer, it is converted into a second delayed electric signal having the second Doppler shift frequency through the mode conversion to the second leaky Lamb wave, and in the third interdigital transducer. Is converted into a third delayed electrical signal having a third Doppler shift frequency through mode conversion into a third leakage Lamb wave. The moving direction and moving speed of the object are a combination of the difference between the carrier frequency and the first Doppler shift frequency, the difference between the carrier frequency and the second Doppler shift frequency, and the difference between the carrier frequency and the third Doppler shift frequency. To be detected in a signal analyzer.
[0030]
In the moving speed measuring device of the third aspect of the present invention, a straight line passing through the center of each electrode finger in the electrode finger overlapping portion of the first interdigital transducer, and each electrode finger in the electrode finger overlapping portion of the second interdigital transducer. A structure is employed in which the intersection of the straight line passing through the center and the straight line passing through the center of each electrode finger in the electrode finger overlapping portion of the third interdigital transducer coincides with the center of the first electrode. With such a structure, the reflected longitudinal wave is efficiently converted into the first delayed electric signal through the mode conversion to the first leaky Lamb wave in the first interdigital transducer, and in the second interdigital transducer. Efficiently converted to a second delayed electrical signal through mode conversion to two leaky Lamb waves, and efficiently converted to a third delayed electrical signal through mode conversion to third leaky Lamb waves in the third interdigital transducer. .
[0031]
In the moving speed measuring device of the third aspect of the present invention, a structure in which the first, second and third interdigital transducers have a distributed electrode pattern is possible.
[0032]
In the moving speed measuring device of the third aspect of the present invention, the first, second and third interdigital transducers can have a structure having an arc-shaped electrode pattern. In this case, the first, second and third interdigital transducers are arranged such that their arcs are concentric with the center of the first electrode.
[0033]
In the moving speed measuring device of the third aspect of the present invention, a structure in which first, second and third counter electrodes are newly provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate is possible. In this case, the first, second and third counter electrodes are arranged so as to face the first, second and third interdigital transducers, respectively.
[0034]
In the moving speed measuring device of the third aspect of the present invention, a structure in which a signal generator is newly provided is possible. This signal generator has carrier frequency F _0i Input electrical signal E with (i = 1, 2, ..., or n) _i (i = 1, 2,..., or n) respectively, and the carrier frequency F _0i Is the distance D between the ultrasonic complex and the object _i (i = 1, 2,..., or n) respectively. In other words, the longitudinal wave reflected in the medium is the distance D _i Reflection angle α corresponding to _i (i = 1, 2,..., or n), and such a reflected wave undergoes mode conversion to the first leaky Lamb wave in the first interdigital transducer, and then the first Doppler shift frequency F. _fi (i = 1, 2,..., or n) respectively converted to a first delayed electrical signal and undergoing mode conversion to a second leaky Lamb wave in the second interdigital transducer, and then the second Doppler shift frequency F _si (i = 1, 2,..., or n) respectively converted to a second delayed electrical signal, undergoing mode conversion to a third leaky Lamb wave in the third interdigital transducer, and the third Doppler shift frequency F _ti respectively converted into third delayed electrical signals having (i = 1, 2,..., or n). In this way, the distance D _i Depending on carrier frequency F _0i Is set, the reflection angle α _i The first interdigital transducer undergoes mode conversion to the first leaky Lamb wave and is converted to the first delayed electrical signal, and the second interdigital transducer performs mode conversion to the second leaky Lamb wave. After that, it is converted into a second delayed electrical signal, and in the third interdigital transducer, it is converted into a third delayed electrical signal through mode conversion into a third leaky Lamb wave.
[0035]
In the moving speed measuring device of the present invention, a structure in which the first electrode is a combination electrode is possible. This combination electrode consists of two comb electrodes. If the ratio of the electrode periodic length of the combination electrode to the thickness of the piezoelectric substrate is not more than 5 times the ratio of the longitudinal wave velocity propagating in the medium to the leaky Lamb wave velocity propagating in the piezoelectric substrate, If it is adopted, it becomes possible to efficiently irradiate water with a longitudinal wave composed of a vertical component and a non-vertical component.
[0036]
The moving speed measuring device of the present invention can have a structure in which a non-piezoelectric thin film is newly provided at the bottom of the ultrasonic composite. By adopting such a structure, it is possible to increase the irradiation efficiency of longitudinal waves into water.
[0037]
In the moving speed measuring device of the present invention, a structure in which the piezoelectric substrate is a piezoelectric ceramic thin plate is possible. At this time, the piezoelectric ceramic thin plate is disposed such that the direction of the polarization axis is parallel to the thickness direction. By adopting such a structure, it is possible to increase the irradiation efficiency of longitudinal waves into water.
[0038]
In the moving speed measuring apparatus of the present invention, a structure in which the piezoelectric substrate is made of a piezoelectric polymer thin plate is possible. By adopting such a structure, it is possible to increase the irradiation efficiency of longitudinal waves into water.
[0039]
In the moving speed measuring device of the present invention, a structure in which the piezoelectric substrate is a piezoelectric single crystal thin plate is possible. By adopting such a structure, it is possible to increase the irradiation efficiency of longitudinal waves into water.
[0040]
【Example】
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a moving speed measuring apparatus according to the present invention. This embodiment comprises a piezoelectric substrate 1, a first electrode 2, a second electrode 3, an interdigital transducer 4, a signal generator 5 and a signal analyzer 6. However, the signal generator 5 and the signal analyzer 6 are not drawn in FIG. The piezoelectric substrate 1 is made of a piezoelectric ceramic thin plate having a thickness of 155 μm, and the direction of its polarization axis is parallel to the thickness direction. As the piezoelectric substrate 1, a piezoelectric polymer thin plate or a piezoelectric single crystal thin plate can be used instead of the piezoelectric ceramic thin plate. Each of the first electrode 2 and the interdigital transducer 4 is made of an aluminum thin film and is provided on the upper end surface of the piezoelectric substrate 1. The second electrode 3 is made of an aluminum thin film and is provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate 1. At this time, a thickness vibration mode transducer is formed by the first electrode 2 having a rectangular plate shape and the second electrode 3 having a similar shape. Also, an ultrasonic composite is formed by the piezoelectric substrate 1, the thickness vibration mode transducer and the interdigital transducer 4. For example, when the rotational speed (S) of the rotating body 7 rotating in the direction of the arrow in water is to be measured using the moving speed measuring device of FIG. 1, the bottom of the ultrasonic complex is immersed in water. In this way, the moving speed measuring device of FIG. 1 is small and light and has a simple structure.
[0041]
FIG. 2 is a plan view of the ultrasonic complex of FIG. 1 as viewed from above. In FIG. 2, the rotating body 7 is also drawn, but the second electrode 3 is not drawn. The interdigital transducer 4 has 10 pairs of electrode fingers, the electrode crossing width (L) is 10 mm, and the electrode period length (P) is 320 μm.
[0042]
FIG. 3 is a cross-sectional view of the moving speed measuring device of FIG. If the signal generator 5 generates a carrier frequency (F ₀ ) Is applied to the transducer in the thickness vibration mode, a longitudinal wave perpendicular to the lower end surface of the piezoelectric substrate 1 is irradiated into the water in contact with the bottom of the ultrasonic composite. Similarly, it is possible to irradiate longitudinal waves in the cytoplasm or other media. When the longitudinal wave is reflected by the rotating body 7, the component having the reflection angle α out of the reflected wave of the longitudinal wave undergoes mode conversion into a leaky Lamb wave in the interdigital transducer 4, and the Doppler shift frequency (F ). In this way, in the signal analyzer 6, the carrier frequency (F ₀ ) And the Doppler shift frequency (F) (FF ₀ ), The rotational speed (S) of the rotating body 7 can be calculated.
[0043]
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the leakage Lamb wave velocity (V) in the piezoelectric substrate 1 and the product fd. f is the frequency and d is the thickness of the piezoelectric substrate 1. In FIG. 4, a straight line (a) corresponding to the optimum condition for driving the interdigital transducer 4 and a straight line (b) corresponding to the optimum condition for driving the transducer in the thickness vibration mode are also drawn. The straight line (b) corresponds to the operation at the center frequency for driving the transducer in the thickness vibration mode, but the moving speed measuring device of the present invention is effective if it is within the frequency band of plus and minus 6 dB from the center frequency. To work. According to FIG. 4, straight line (a), straight line (b) and A ₁ The point at which the mode velocity dispersion curves intersect corresponds to the optimum driving conditions. At this time, if d is 155 μm, f is 13.13 MHz, and the leakage Lamb wave velocity (V) in the piezoelectric substrate 1 is 4,230 m / s. Become. In the moving speed measuring apparatus of FIG. 1, the carrier frequency (F ₀ ) Is 13.13 MHz, the underwater longitudinal wave velocity (V _W ) Is 1,483 m / s at 20 ° C., the reflection angle α is 20.51 °.
[0044]
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the calculated value of the conversion efficiency η of longitudinal waves into the liquid and the fd value. A in FIG. ₁ The mark ● on the mode velocity dispersion curve corresponds to the optimum driving condition in FIG.
[0045]
FIG. 6 shows an observed spectrum analysis waveform in the signal analyzer 6 when the rotational speed of the rotating body 7 is 1,000 rpm. The highest peak at 13.13 MHz is the carrier frequency (F ₀ ) And the peak in the high frequency band corresponds to the Doppler shift frequency (F).
[0046]
FIG. 7 shows an observed spectrum analysis waveform in the signal analyzer 6 when the rotational speed of the rotating body 7 is the same as that in FIG. However, FIG. 7 shows an observation waveform in the case of reverse rotation to the rotation direction in FIG. 6 and 7, the peak in the low frequency band of FIG. 7 and the peak in the high frequency band of FIG. 6 indicate the carrier frequency (F ₀ ) Is almost symmetrical.
[0047]
FIG. 8 shows the rotational speed (S) of the rotating body 7 and the carrier frequency (F ₀ ) And Doppler shift frequency (F) difference (FF ₀ FIG. According to FIG. 8, it can be seen that the actually measured value indicated by the mark ● substantially matches the calculated value indicated by the straight line. Also, the frequency difference (FF ₀ ) Is linearly related to the rotational speed (S) of the rotating body 7. The frequency difference (FF ₀ ) Can be obtained from the following relational expression.
[0048]
[Expression 1]

[0049]
At this time, F, F ₀ , V _W , S, α, and β indicate the Doppler shift frequency, the carrier frequency, the longitudinal wave velocity in water, the rotation speed of the rotating body 7, the reflection angle, and the angle formed between the reflected wave and the rotation direction of the rotating body 7. In the case of FIG. 5, the reflection angle α is 20.51 ° and the angle β is 0 °.
[0050]
FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between the leakage Lamb wave velocity (V) in the piezoelectric substrate 1 and the product fd. In FIG. 9, in addition to the straight line (a) in FIG. 4, three straight lines corresponding to the necessary condition for driving the transducer in the thickness vibration mode, that is, within the frequency band of plus and minus 6 dB from the center frequency. (b-1, b-2 and b-3) are also drawn. Straight line (b-1) and A ₁ The point at which the mode velocity dispersion curves intersect corresponds to the first appropriate drive condition. At this time, if d is 155 μm, f is 12 MHz, and the leakage Lamb wave velocity (V) in the piezoelectric substrate 1 is 4,600 m. / s. Straight line (b-2) and A ₁ The point where the mode velocity dispersion curves intersect corresponds to the second appropriate driving condition, where f is 13 MHz and the leaky Lamb wave velocity (V) in the piezoelectric substrate 1 is 4,274 m / s. Straight line (b-3) and A ₁ The point where the mode velocity dispersion curves intersect corresponds to the third appropriate driving condition, where f is 14 MHz and the leaky Lamb wave velocity (V) in the piezoelectric substrate 1 is 3,958 m / s.
[0051]
FIG. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between the calculated value of the conversion efficiency η of longitudinal waves into the liquid and the fd value. A in FIG. ₁ The ● marks on the mode velocity dispersion curve correspond to the first, second and third appropriate driving conditions in FIG. 9, respectively.
[0052]
FIG. 11 shows the rotational speed (S) of the rotating body 7 and the frequency difference (FF ₀ FIG. However, FIG. 11 is a characteristic diagram when three carrier frequencies (12 MHz, 13 MHz, and 14 MHz) are employed. ● mark, ▲ mark, and ♦ mark represent actual measured values, which are almost the same as the calculated values indicated by solid lines. Also, the frequency difference (FF ₀ ) Is linearly related to the rotational speed (S). Furthermore, from the relational expression described in the above equation 1, three reflection angles (α are obtained corresponding to three carrier frequencies (12 MHz, 13 MHz, and 14 MHz). ₁ , α ₂ And α _Three ) Exists. Therefore, the distance D between the ultrasonic complex and the rotating body 7 _i Depending on (i = 1, 2, ..., or n), carrier frequency F _0i If each (i = 1, 2,..., or n) is set, the reflection angle α in the interdigital transducer 4 _i The reflected wave having (i = 1, 2,..., or n) undergoes mode conversion into a leaky Lamb wave, and is subjected to Doppler shift frequency F. _i respectively converted into delayed electrical signals having (i = 1, 2,..., or n). At this time, the reflection angle α _i Is the distance D _i It corresponds to each.
[0053]
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention. This embodiment has the same structure as that shown in FIG. 1 except that a non-piezoelectric thin film 8 made of silicon rubber is provided at the bottom of the ultrasonic composite.
[0054]
In the moving speed measuring apparatus of FIG. 12, the carrier frequency (F ₀₁ , F ₀₂ Or F ₀₃ ) Input electrical signal (E ₁ , E ₂ Or E _Three ) Is applied from the signal generator 5 to the transducer in the thickness vibration mode, a longitudinal wave perpendicular to the lower end surface of the piezoelectric substrate 1 is irradiated into the water in contact with the bottom of the ultrasonic composite. At this time, by using the non-piezoelectric thin film 8, the irradiation efficiency of longitudinal waves into water can be increased. The longitudinal wave is reflected by the rotating body 7 and the reflection angle (α ₁ , α ₂ Or α _Three ) Is the carrier frequency (F ₀₁ , F ₀₂ Or F ₀₃ ). In FIG. 12, the reflection angle α ₂ The reflected wave of the interdigital transducer 4 undergoes mode conversion into a leaky Lamb wave in the interdigital transducer 4, and the Doppler shift frequency (F ₂ ). That is, the distance between the ultrasonic complex and the rotating body 7 (D ₁ , D ₂ Or D _Three ) Depending on the carrier frequency (F ₀₁ , F ₀₂ Or F ₀₃ ), The reflection angle (α ₁ , α ₂ Or α _Three ) Undergoes mode conversion into a leaky Lamb wave, and the Doppler shift frequency (F ₁ , F ₂ Or F _Three ) Are respectively converted into delayed electrical signals. At this time, by using the non-piezoelectric thin film 8, the conversion efficiency of the reflected wave into the delayed electric signal can be increased.
[0055]
FIG. 13 is another cross-sectional view of the moving speed measuring device of FIG. 12 and assumes a case where the rotating body 7 exists at four positions in water. Distance D between ultrasonic complex and rotating body 7 _i Depending on (i = 1, 2, 3 or 4), carrier frequency F _0i If (i = 1, 2, 3 or 4) is set, the interdigital transducer 4 has a reflection angle α _i The reflected wave having (i = 1, 2, 3 or 4) undergoes mode conversion into a leaky Lamb wave, and then the Doppler shift frequency F _i Each is converted into a delayed electrical signal having (i = 1, 2, 3 or 4). At this time, the higher the carrier frequency, the larger the reflection angle.
[0056]
FIG. 14 is a plan view showing a third embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention. This embodiment has the same structure as that shown in FIG. 1 except that the interdigital transducer 9 is used instead of the interdigital transducer 4. The interdigital transducer 9 is similar to the interdigital transducer 4 in terms of the number of electrode fingers and the electrode crossing width (L), but has a distributed electrode pattern different from the interdigital transducer 4. Thus, the interdigital transducer 9 has an electrode period length of 283 to 383 μm. Further, an arrangement closer to the first electrode 2 is adopted as the electrode cycle length is smaller. When, for example, the rotational speed (S) of the rotating body 7 rotating in the direction of the arrow in water is to be measured using the moving speed measuring device of FIG. 14, the bottom of the ultrasonic composite is immersed in water.
[0057]
In the moving speed measuring apparatus of FIG. 14, if the signal generator 5 generates a carrier frequency (F ₀ ) Is applied to the transducer in the thickness vibration mode, a longitudinal wave perpendicular to the lower end surface of the piezoelectric substrate 1 is irradiated into the water in contact with the bottom of the ultrasonic composite. When the longitudinal wave is reflected by the rotating body 7, the component having the reflection angle α of the reflected wave of the longitudinal wave undergoes mode conversion into a leaky Lamb wave by the interdigital transducer 9, and the Doppler shift frequency (F ). At this time, the carrier frequency (F ₀ ) And the Doppler shift frequency (F) (FF ₀ ) Correlates with the rotational speed (S) of the rotating body 7. Therefore, the faster the rotational speed (S) of the rotator 7, the more the Doppler shift frequency (F) shifts to the high frequency side. In this case, if the interdigital transducer 9 is used, even a short wavelength reflected wave resulting from the high-speed rotation of the rotating body 7 can be converted into a high-frequency delayed electrical signal in a portion where the electrode cycle length of the interdigital transducer 9 is small. It becomes possible. Further, when the rotating body 7 rotates in the reverse direction, the faster the rotational speed (S) of the rotating body 7, the more the Doppler shift frequency (F) shifts to the lower frequency side. Even a long wave reflected wave resulting from high-speed rotation can be converted into a low-frequency delayed electrical signal in a portion where the electrode period length of the interdigital transducer 9 is large. In this way, the interdigital transducer 9 makes it possible to cope with a wide range of rotational speeds of the rotating body 7.
[0058]
FIG. 15 is a plan view showing a fourth embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention. This embodiment has the same structure as that shown in FIG. 1 except that the interdigital transducer 10 is used instead of the interdigital transducer 4. The interdigital transducer 10 has 10 pairs of electrode fingers, an electrode period length (P) of 320 μm, and an opening angle of 45 °. The electrode pattern is arcuate, and the concentric arc is the center of the first electrode 2. Matches. By using the interdigital transducer 10 as described above, the same effect as in FIG. 1 can be obtained.
[0059]
FIG. 16 is a plan view showing a fifth embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention. This embodiment has the same structure as that shown in FIG. 15 except that the interdigital transducer 11 is used instead of the interdigital transducer 10. The interdigital transducer 11 has the same structure as the interdigital transducer 10 except that the electrode pattern is a distributed type. The interdigital transducer 11 has an electrode cycle length of 283 to 383 μm, and the smaller the electrode cycle length, the closer to the first electrode 2. Such interdigital transducer 11 makes it possible to cope with a wide range of rotational speeds of the rotating body 7, as in the case of FIG.
[0060]
FIG. 17 is a block diagram showing a sixth embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention. This embodiment has the same structure as that of FIG. 1 except that the counter electrode 12 and the amplifier 13 are newly provided and the signal generator 5 is not provided. The amplifier 13 is not drawn in FIG. The counter electrode 12 is made of an aluminum thin film, and is provided at a position facing the interdigital transducer 4 on the lower end surface of the piezoelectric substrate 1. In this way, an ultrasonic composite is formed by the piezoelectric substrate 1, the thickness vibration mode transducer, the interdigital transducer 4, and the counter electrode 12. For example, in the case where a tube is embedded in a medium and a liquid is flowing through the tube, the flow velocity (S) of the liquid is measured using the moving speed measuring device of FIG. The bottom of the ultrasonic composite is immersed in the medium. However, the object 14 is present in the liquid, and the object 14 is moved according to the flow direction and the flow velocity of the liquid.
[0061]
18 is a cross-sectional view of the moving speed measuring device of FIG. If the carrier frequency (F ₀ ) Is applied to the thickness vibration mode transducer, a longitudinal wave perpendicular to the lower end surface of the piezoelectric substrate 1 is irradiated into the medium in contact with the bottom of the ultrasonic composite, and subsequently The liquid is irradiated through the tube. When the longitudinal wave is reflected by the object 14, between the interdigital transducer 4 and the counter electrode 12, the component having the reflection angle α of the reflected wave of the longitudinal wave undergoes mode conversion into a leaky Lamb wave, and is Doppler. It is converted into a delayed electrical signal having a deviation frequency (F). At this time, since the object 14 is moving according to the flow direction and the flow velocity of the liquid, the flow velocity (S) of the liquid is determined by the carrier frequency (F ₀ ) And the Doppler shift frequency (F) (FF ₀ ). In this way, when the medium, the tube, the liquid, and the object 14 correspond to, for example, cytoplasm, blood vessels, blood, and blood cells, for example, it is possible to detect the blood flow velocity (S). The delayed electrical signal not only reaches the signal analyzer 6 but is also amplified by the amplifier 13 and applied again to the transducer in the thickness vibration mode. In this way, a self-oscillation type moving speed measuring device can be formed. Accordingly, the circuit configuration is simplified, the device is reduced in size and weight, and low power consumption driving can be performed at a low voltage.
[0062]
In the moving speed measuring device of FIGS. 12, 14, 15 and 16, it is possible to provide a counter electrode on the lower end surface of the piezoelectric substrate 1 at a position facing the interdigital transducers 4, 9, 10 and 11, respectively.
[0063]
FIG. 19 is a block diagram showing a seventh embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention. The present embodiment has the same structure as that of FIG. 1 except that a combination electrode 15 and a second electrode 16 are used in place of the first electrode 2 and the second electrode 3, respectively. In this way, an ultrasonic composite is formed by the piezoelectric substrate 1, the combination electrode 15, the second electrode 16 and the interdigital transducer 4. For example, when the rotational speed (S) of the rotating body 7 rotating in the direction of the arrow in water is to be measured using the moving speed measuring device of FIG. 19, the bottom of the ultrasonic composite is immersed in water.
[0064]
FIG. 20 is a plan view of the ultrasonic complex of FIG. 19 as viewed from above. In FIG. 16, the rotating body 7 is also drawn, but the second electrode 16 is not drawn. The combination electrode 15 includes comb-shaped electrodes 15A and 15B. Comb electrode 15A has an electrode finger width (W _A ) And the comb electrode 15B has an electrode finger width (W _B ). Thus, the combination electrode 15 has the same structure as the interdigital transducer 4 except that the electrode finger widths of the comb electrodes 15A and 15B are different from each other.
[0065]
In the moving speed measuring apparatus of FIG. 19, the carrier frequency (F ₀ ) Is applied to the thickness vibration mode transducer including the comb-shaped electrode 15A and the second electrode 16, a longitudinal wave is irradiated into the water in contact with the bottom of the ultrasonic composite. As mentioned above, the longitudinal wave velocity (V _W ) Is 1,483 m / s at 20 ° C, and the leakage Lamb wave velocity (V) in the piezoelectric substrate 1 is 4,230 m / s. _W Value ratio, or V _W / V is almost 0.35. On the other hand, the ratio of the electrode periodic length (P) of the combination electrode 15 to the thickness (d) of the piezoelectric substrate 1, that is, P / d is almost 2, which is larger than 5 times 0.35. Such a relationship, that is, P / d ≧ 5V _W Under the condition of / V, a longitudinal wave composed of a vertical component and a non-vertical component is efficiently irradiated into water. That is, such a condition means that irradiation in multiple directions is possible. Further, whether or not the comb-shaped electrode 15B is grounded also affects the intensity of the non-vertical component of the longitudinal wave. In this case, the intensity of the non-vertical component is smaller when the comb electrode 15B is not grounded. Furthermore, the electrode finger width (W _A ) Is the electrode finger width (W _B The intensity of the non-vertical component is smaller when it is larger than. In this way, by using the combination electrode 15, it becomes possible to irradiate underwater longitudinal waves having a high vertical component intensity. When the vertical component of the longitudinal wave is reflected by the rotating body 7, this reflected wave is detected by the interdigital transducer 4 through mode conversion into a leaky Lamb wave. That is, by using the interdigital transducer 4, it is possible to detect a reflected wave having an inclination with respect to the lower end surface of the piezoelectric substrate 1. Thus, in the signal analyzer 6, the carrier frequency (F ₀ ) And the Doppler shift frequency (F) (FF ₀ ), The rotational speed (S) of the rotating body 7 is calculated.
[0066]
In the moving speed measuring device of FIG. 19, it is possible to provide a counter electrode at a position facing the interdigital transducer 4 on the lower end surface of the piezoelectric substrate 1.
[0067]
FIG. 21 is a block diagram showing an eighth embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention. This embodiment comprises a piezoelectric substrate 1, a first electrode 17, a second electrode 18, a first interdigital transducer 19, a second interdigital transducer 20, a signal generator 5 and a signal analyzer 6. However, in FIG. 21, the signal generator 5 and the signal analyzer 6 are not drawn. Thus, in this embodiment, the first electrode 17 and the second electrode 18 are used instead of the first electrode 2 and the second electrode 3, and the interdigital transducer 4 is not provided. The structure is the same as that of FIG. 1 except that one interdigital transducer 19 and the second interdigital transducer 20 are provided. Both the first electrode 17 and the second electrode 18 have a disk shape, thereby forming a thickness vibration mode transducer. The first interdigital transducer 19 and the second interdigital transducer 20 have the same electrode pattern as the interdigital transducer 4, and the first electrode 17 is provided therebetween. In this way, an ultrasonic composite is formed by the piezoelectric substrate 1, the thickness vibration mode transducer, the first interdigital transducer 19, and the second interdigital transducer 20. For example, when the rotational speed (S) of the rotating body 7 rotating in the direction of the arrow in water is to be measured using the moving speed measuring device of FIG. 21, the bottom of the ultrasonic complex is immersed in water.
[0068]
FIG. 22 is a plan view of the ultrasonic complex of FIG. 21 as viewed from above. In FIG. 22, the rotating body 7 is also drawn, but the second electrode 18 is not drawn. From FIG. 22, a straight line passing through the center of each electrode finger in the electrode finger overlapping portion of the first interdigital transducer 19 and a straight line passing through the center of each electrode finger in the electrode finger overlapping portion of the second interdigital transducer 20 are shown. It can be seen that they overlap each other.
[0069]
In the moving speed measuring apparatus of FIG. 21, the carrier frequency (F ₀ ) Is applied to the transducer in the thickness vibration mode, a longitudinal wave perpendicular to the lower end surface of the piezoelectric substrate 1 is irradiated into the water in contact with the bottom of the ultrasonic composite. When the longitudinal wave is reflected by the rotating body 7, the first reflected wave of the longitudinal reflected wave undergoes mode conversion into the first leaky Lamb wave by the first interdigital transducer 19, and then the first Doppler shift frequency. (F _f ), And the second reflected wave undergoes mode conversion to the second leaky Lamb wave by the second interdigital transducer 20 to obtain the second Doppler shift frequency (F). _s ) To be converted into a second delayed electric signal. At this time, both the first and second reflected waves form a reflection angle α. In FIG. 21, when the rotating body 7 rotates in the direction of the arrow, the first Doppler shift frequency (F _f ) Is the carrier frequency (F ₀ ) Greater than the second Doppler shift frequency (F _s ) Is the carrier frequency (F ₀ ) Smaller than That is, the first Doppler shift frequency (F _f ) And the second Doppler shift frequency (F _s ) Is detected, the rotation direction of the rotating body 7 is determined. As a result, the rotational direction and rotational speed (S) of the rotating body 7 are determined by the carrier frequency (F ₀ ) And the first Doppler shift frequency (F _f ) And the second Doppler shift frequency (F _s ), Whichever is greater (F _f -F ₀ Or F _s -F ₀ ). Further, by using two equivalent interdigital transducers, that is, the first interdigital transducer 19 and the second interdigital transducer 20, it is possible to cancel environmental changes such as temperature.
[0070]
In the moving speed measuring device of FIG. 21, two interdigital transducers 9 in FIG. 14 can be provided instead of the first interdigital transducer 19 and the second interdigital transducer 20. As a result, it is possible to deal with a wide range of rotational speeds of the rotating body 7.
[0071]
FIG. 23 is a cross-sectional view of the moving speed measuring device of FIG. If the carrier frequency (F ₀₁ , F ₀₂ Or F ₀₃ ) Input electrical signal (E ₁ , E ₂ Or E _Three ) Is applied to the thickness vibration mode transducer, a longitudinal wave perpendicular to the lower end surface of the piezoelectric substrate 1 is irradiated into the water in contact with the bottom of the ultrasonic composite. When the longitudinal wave is reflected by the rotating body 7, the first reflected wave of the longitudinal reflected wave undergoes mode conversion into the first leaky Lamb wave by the first interdigital transducer 19, and then the first Doppler shift frequency. (F _f1 , F _f2 Or F _f3 ), And the second reflected wave undergoes mode conversion to the second leaky Lamb wave by the second interdigital transducer 20 to obtain the second Doppler shift frequency (F). _s1 , F _s2 Or F _s3 ) To be converted into a second delayed electric signal. At this time, the first and second reflected waves have a carrier frequency (F ₀₁ , F ₀₂ Or F ₀₃ ) And the corresponding reflection angle (α ₁ , α ₂ Or α _Three ). In FIG. 23, the reflection angle α ₂ The first reflected wave, which is formed by the first interdigital transducer 19, undergoes mode conversion into the first leaky Lamb wave, and the first Doppler shift frequency (F _f2 ) Having a reflection angle α ₂ The second reflected wave that forms the signal undergoes mode conversion to the second leaky Lamb wave by the second interdigital transducer 20, and the second Doppler shift frequency (F _s2 ) To be converted into a second delayed electric signal. In this way, the distance between the ultrasonic complex and the rotating body 7 (D ₁ , D ₂ Or D _Three ) Depending on the carrier frequency (F ₀₁ , F ₀₂ Or F ₀₃ ) To set the reflection angle (α ₁ , α ₂ Or α _Three ) Is subjected to mode conversion into a first leaky Lamb wave by the first interdigital transducer 19, and the first Doppler shift frequency (F _f1 , F _f2 Or F _f3 ) Having a reflection angle (α _, α ₂ Or α _Three ) Is subjected to mode conversion into a second leaky Lamb wave by the second interdigital transducer 20, and the second Doppler shift frequency (F _s1 , F _s2 Or F _s3 ) Can be converted into a second delayed electrical signal.
[0072]
FIG. 24 is another cross-sectional view of the moving speed measurement device of FIG. 21, and assumes a case where the rotating body 7 exists at four positions in water. Distance D between ultrasonic complex and rotating body 7 _i Depending on (i = 1, 2, 3 or 4), carrier frequency F _0i If (i = 1, 2, 3 or 4) is set, the first interdigital transducer 19 has a reflection angle α. _i The first reflected wave (i = 1, 2, 3 or 4) undergoes mode conversion into the first leaky Lamb wave, and the first Doppler shift frequency F _fi is converted into a first delayed electrical signal having (i = 1, 2, 3 or 4), and the reflection angle α _i The second reflected wave of (i = 1, 2, 3 or 4) undergoes mode conversion to the second leaky Lamb wave, and the second Doppler shift frequency F _si converted into a second delayed electrical signal having (i = 1, 2, 3 or 4). At this time, the higher the carrier frequency, the larger the reflection angle.
[0073]
FIG. 25 is a block diagram showing a ninth embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention. In this embodiment, the first interdigital transducer 19 and the second interdigital transducer 20 are not provided, and the first interdigital transducer 21, the second interdigital transducer 22, and the third interdigital transducer 23 are provided. The structure is the same as that of FIG. The first interdigital transducer 21, the second interdigital transducer 22, and the third interdigital transducer 23 have the same electrode pattern as the interdigital transducer 4, and these form a triangle on the upper end surface of the piezoelectric substrate 1. Provided in the arrangement. In this way, an ultrasonic composite is formed by the piezoelectric substrate 1, the thickness vibration mode transducer, the first interdigital transducer 21, the second interdigital transducer 22, and the third interdigital transducer 23. For example, in the case where a tube is embedded in a medium and a liquid is flowing through the tube, the flow velocity (S) of the liquid is measured using the moving speed measuring device of FIG. The bottom of the ultrasonic composite is immersed in the medium. However, the object 14 is present in the liquid, and the object 14 is moved according to the flow direction and the flow velocity of the liquid.
[0074]
FIG. 26 is a plan view of the ultrasonic complex of FIG. 25 as viewed from above. In FIG. 26, the rotating body 7 is also drawn, but the second electrode 18 is not drawn. 26, a straight line passing through the center of each electrode finger in the electrode finger overlapping portion of the first interdigital transducer 21, and a straight line passing through the center of each electrode finger in the electrode finger overlapping portion of the second interdigital transducer 22, It can be seen that the intersection of the straight lines passing through the centers of the electrode fingers in the electrode finger overlapping portion of the third interdigital transducer 23 coincides with the center of the first electrode 17.
[0075]
In the moving speed measuring apparatus of FIG. 25, the carrier frequency (F ₀ ) Is applied to the thickness vibration mode transducer, a longitudinal wave perpendicular to the lower end surface of the piezoelectric substrate 1 is irradiated into the medium in contact with the bottom of the ultrasonic composite, and subsequently The liquid is irradiated through the tube. When the longitudinal wave is reflected by the object 14, the first reflected wave among the reflected waves of the longitudinal wave undergoes mode conversion into the first leaky Lamb wave by the first interdigital transducer 21, and then the first Doppler shift frequency. (F _f ), The second reflected wave undergoes mode conversion to the second leaky Lamb wave by the second interdigital transducer 22, and the second Doppler shift frequency (F) _s ), And the third reflected wave undergoes mode conversion to the third leaky Lamb wave by the third interdigital transducer 23, and the third Doppler shift frequency (F) _t ) To be converted into a third delayed electric signal. At this time, the first, second, and third reflected waves all form a reflection angle α. The moving direction and moving speed of the object 14, that is, the liquid flowing direction and the flow velocity (S) are determined by the carrier frequency (F ₀ ) And the first Doppler shift frequency (F _f ) (F) _f -F ₀ ), Carrier frequency (F ₀ ) And the second Doppler shift frequency (F _s ) (F) _s -F ₀ ) And carrier frequency (F ₀ ) And the third Doppler shift frequency (F _t ) (F) _t -F ₀ ) Is comprehensively calculated by the signal analyzer 6. Further, by using three equivalent interdigital transducers, that is, the first interdigital transducer 21, the second interdigital transducer 22, and the third interdigital transducer 23, it becomes possible to cancel environmental changes such as temperature.
[0076]
In the moving speed measuring device of FIG. 25, three interdigital transducers 9 in FIG. 14 can be provided instead of the first interdigital transducer 21, the second interdigital transducer 22, and the third interdigital transducer 23. As a result, it is possible to cope with a case where the liquid flow velocity (S) is high.
[0077]
In the moving speed measuring apparatus of FIG. 25, the carrier frequency (F ₀₁ , F ₀₂ , F ₀₃ Or F ₀₄ ) Input electrical signal (E ₁ , E ₂ , E _Three Or E _Four ) Is applied to the transducer in the thickness vibration mode, a longitudinal wave perpendicular to the lower end surface of the piezoelectric substrate 1 is irradiated into the medium in contact with the bottom of the ultrasonic composite, and then through the tube. Irradiated into liquid. When the longitudinal wave is reflected by the object 14, the reflection angle (α ₁ , α ₂ , α _Three Or α _Four ) Undergoes mode conversion to the first leaky Lamb wave in the first interdigital transducer 21, and the first Doppler shift frequency (F) _f1 , F _f2 , F _f3 Or F _f4 ) Is detected as a first delayed electrical signal having a reflection angle (α ₁ , α ₂ , α _Three Or α _Four ) Of the second reflected wave undergoes mode conversion to the second leaky Lamb wave in the second interdigital transducer 22, and the second Doppler shift frequency (F _s1 , F _s2 , F _s3 Or F _s4 ) And a reflection angle (α ₁ , α ₂ , α _Three Or α _Four ) Undergoes mode conversion into the third leaky Lamb wave in the third interdigital transducer 23, and the third Doppler shift frequency (F) _t1 , F _t2 , F _t3 Or F _t4 ) To be detected as a third delayed electric signal. For example, when a longitudinal wave is reflected by the object 14, the reflection angle α _Four The first reflected wave undergoes mode conversion into the first leaky Lamb wave in the first interdigital transducer 21, and the first Doppler shift frequency (F _f4 ) And a reflection angle α _Four The second reflected wave undergoes mode conversion to the second leaky Lamb wave in the second interdigital transducer 22 and the second Doppler shift frequency (F _s4 ) And a reflection angle α _Four The third reflected wave undergoes mode conversion to the third leaky Lamb wave in the third interdigital transducer 23, and the third Doppler shift frequency (F _t4 ) To be detected as a third delayed electric signal. In this case, the flow direction and flow velocity (S) of the liquid are determined in the signal analyzer 6 by the carrier frequency (F ₀₄ ) And the first Doppler shift frequency (F _f4 ) (F) _f4 -F ₀₄ ), Carrier frequency (F ₀₄ ) And the second Doppler shift frequency (F _s4 ) (F) _s4 -F ₀₄ ) And carrier frequency (F ₀₄ ) And the third Doppler shift frequency (F _t4 ) (F) _t4 -F ₀₄ ). In this way, the distance D between the ultrasonic complex and the object 14 _i Depending on (i = 1, 2, 3 or 4), carrier frequency F _0i If (i = 1, 2, 3 or 4) is set, the first interdigital transducer 21 has a reflection angle α. _i The first reflected wave (i = 1, 2, 3 or 4) undergoes mode conversion into the first leaky Lamb wave, and the first Doppler shift frequency F _fi is converted into a first delayed electrical signal having (i = 1, 2, 3 or 4) and the reflection angle α is reflected at the second interdigital transducer 22. _i The second reflected wave of (i = 1, 2, 3 or 4) undergoes mode conversion to the second leaky Lamb wave, and the second Doppler shift frequency F _si converted into a second delayed electrical signal having (i = 1, 2, 3 or 4) and reflected at the third interdigital transducer 23 by the reflection angle α. _i The third reflected wave (i = 1, 2, 3 or 4) undergoes mode conversion to the third leaky Lamb wave, and the third Doppler shift frequency F _ti is converted to a third delayed electrical signal having (i = 1, 2, 3 or 4). At this time, the higher the carrier frequency, the larger the reflection angle.
[0078]
FIG. 27 is a block diagram showing a tenth embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention. This embodiment has the same structure as that of FIG. 21 except that the combination electrode 15 and the second electrode 16 of FIG. 19 are used instead of the first electrode 17 and the second electrode 18, respectively. In this way, an ultrasonic composite is formed by the piezoelectric substrate 1, the combination electrode 15, the second electrode 16, the first interdigital transducer 19, and the second interdigital transducer 20. For example, when the rotational speed (S) of the rotating body 7 rotating in the direction of the arrow in water is to be measured using the moving speed measuring device of FIG. 27, the bottom of the ultrasonic complex is immersed in water.
[0079]
FIG. 28 is a plan view of the ultrasonic complex shown in FIG. 27 as viewed from above. In FIG. 28, the rotating body 7 is also drawn, but the second electrode 16 is not drawn. Carrier frequency (F ₀ ) Is applied to the thickness vibration mode transducer comprising the comb-shaped electrode 15A and the second electrode 16, the longitudinal wave comprising the vertical component and the non-vertical component is brought into contact with the bottom of the ultrasonic complex. Irradiated into the running water. If the vertical component of the longitudinal wave is reflected by the rotating body 7, the first reflected wave of the longitudinal reflected wave undergoes mode conversion to the first leaky Lamb wave by the first interdigital transducer 19, and 1 Doppler shift frequency (F _f ) And the second reflected wave is converted by the second interdigital transducer 20 into the second delayed electric signal.
After mode conversion to leaky Lamb wave, the second Doppler shift frequency (F _s ) To be converted into a second delayed electric signal. At this time, both the first and second reflected waves form a reflection angle α. First Doppler deviation frequency (F _f ) And the second Doppler shift frequency (F _s ) Is detected, it is possible to sense the rotational direction of the rotating body 7. As a result, the rotational direction and rotational speed (S) of the rotating body 7 are determined by the carrier frequency (F ₀ ) And the first Doppler shift frequency (F _f ) And the second Doppler shift frequency (F _s ), Whichever is greater (F _f -F ₀ Or F _s -F ₀ ).
[0080]
In the moving speed measuring apparatus of FIG. 27, two interdigital transducers 9 in FIG. 14 can be provided instead of the first interdigital transducer 19 and the second interdigital transducer 20. As a result, it is possible to deal with a wide range of rotational speeds of the rotating body 7.
[0081]
21, 25, and 27, it is possible to provide a counter electrode at a position facing the interdigital transducers 19, 20, 21, 22, and 23 on the lower end surface of the piezoelectric substrate 1, respectively.
[0082]
FIG. 29 is a plan view showing an eleventh embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention. This embodiment has the same structure as that of FIG. 21 except that a first interdigital transducer 24 and a second interdigital transducer 25 are provided instead of the first interdigital transducer 19 and the second interdigital transducer 20. Have. The first interdigital transducer 24 and the second interdigital transducer 25 have an arc-shaped electrode pattern similar to the interdigital transducer 10 of FIG. 15, and the concentric arcs coincide with the center of the first electrode 17. In this way, an ultrasonic composite is formed by the piezoelectric substrate 1, the thickness vibration mode transducer, the first interdigital transducer 24, and the second interdigital transducer 25. For example, when the rotational speed (S) of the rotating body 7 rotating in the direction of the arrow in water is to be measured using the moving speed measuring device of FIG. 29, the bottom of the ultrasonic complex is immersed in water. By using such first interdigital transducer 24 and second interdigital transducer 25, the same effect as in FIG. 21 can be obtained.
[0083]
In the moving speed measuring device of FIG. 29, two interdigital transducers 11 in FIG. 16 can be provided instead of the first interdigital transducer 24 and the second interdigital transducer 25. As a result, it is possible to deal with a wide range of rotational speeds of the rotating body 7.
[0084]
FIG. 30 is a plan view showing a twelfth embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention. In this embodiment, instead of the first interdigital transducer 21, the second interdigital transducer 22, and the third interdigital transducer 23, a first interdigital transducer 26, a second interdigital transducer 27, and a third interdigital transducer 28 are provided. Except for this, it has the same structure as FIG. The first interdigital transducer 26, the second interdigital transducer 27, and the third interdigital transducer 28 have an arc-shaped electrode pattern similar to the interdigital transducer 10 of FIG. Coincides with the center. Thus, an ultrasonic composite is formed by the piezoelectric substrate 1, the thickness vibration mode transducer, the first interdigital transducer 26, the second interdigital transducer 27, and the third interdigital transducer 28. For example, when a tube is embedded in a medium and a liquid is flowing through the tube, the flow velocity (S) of the liquid is measured using the moving speed measuring device of FIG. The bottom of the ultrasonic composite is immersed in the medium. However, the object 14 is present in the liquid, and the object 14 is moved according to the flow direction and the flow velocity of the liquid. By using such first interdigital transducer 26, second interdigital transducer 27, and third interdigital transducer 28, the same effect as in FIG. 25 can be obtained.
[0085]
In the moving speed measuring device of FIG. 24, three of the interdigital transducers 11 in FIG. 16 can be provided instead of the first interdigital transducer 26, the second interdigital transducer 27, and the third interdigital transducer 28. As a result, it is possible to deal with a wide range of rotational speeds of the rotating body 7.
[0086]
FIG. 31 is a plan view showing a thirteenth embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention. This embodiment has the same structure as that of FIG. 27 except that a first interdigital transducer 24 and a second interdigital transducer 25 are provided instead of the first interdigital transducer 19 and the second interdigital transducer 20. Have. The concentric arcs of the first interdigital transducer 24 and the second interdigital transducer 25 coincide with the center of the combination electrode 15. In this way, an ultrasonic composite is formed by the piezoelectric substrate 1, the combination electrode 15, the second electrode 16, the first interdigital transducer 24 and the second interdigital transducer 25. For example, when the rotational speed (S) of the rotating body 7 rotating in the direction of the arrow in water is to be measured using the moving speed measuring device of FIG. 31, the bottom of the ultrasonic complex is immersed in water. By using such first interdigital transducer 24 and second interdigital transducer 25, the same effect as in FIG. 27 can be obtained.
[0087]
In the moving speed measuring device of FIG. 31, two of the interdigital transducers 11 in FIG. 16 can be provided instead of the first interdigital transducer 24 and the second interdigital transducer 25. As a result, it is possible to deal with a wide range of rotational speeds of the rotating body 7.
[0088]
29, 30 and 31, the counter electrode can be provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate 1 at a position facing the interdigital transducers 24, 25, 26, 27 and 28, respectively.
[0089]
【The invention's effect】
A moving speed measuring apparatus according to a first aspect of the present invention includes a piezoelectric substrate, a first electrode, a second electrode, an interdigital transducer, and a signal analyzer. The first electrode and the interdigital transducer are provided on the upper end surface of the piezoelectric substrate, and the second electrode is provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate. The first and second electrodes form a thickness vibration mode transducer. The piezoelectric substrate, the thickness vibration mode transducer and the interdigital transducer form an ultrasonic composite. If an input electric signal having a carrier frequency is applied to the transducer in the thickness vibration mode, a longitudinal wave is irradiated into the medium in contact with the bottom of the ultrasonic composite. At this time, the carrier frequency is set to be substantially equal to the center frequency for driving the transducer in the thickness vibration mode. When the longitudinal wave is reflected by an object contained in the medium, the reflected longitudinal wave is converted into a delayed electrical signal having a Doppler shift frequency through a mode conversion to a leaky Lamb wave in a comb transducer. . The moving speed of the object is detected in the signal analyzer from the difference between the carrier frequency and the Doppler shift frequency.
[0090]
In the moving speed measuring device of the first aspect of the present invention, a structure in which the interdigital transducer has a distributed electrode pattern is possible. Further, a structure in which the interdigital transducer has an arc-shaped electrode pattern is possible. The interdigital transducer having the arc-shaped electrode pattern is arranged so that the concentricity of the arc coincides with the center of the first electrode.
[0091]
In the moving speed measuring device of the first aspect of the present invention, a structure in which a counter electrode is newly provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate is possible. In this case, the counter electrode is disposed so as to face the interdigital transducer.
[0092]
In the moving speed measuring apparatus of the first aspect of the present invention, a structure in which a signal generator is newly provided is possible. This signal generator has carrier frequency F _0i Input electrical signal E with (i = 1, 2, ..., or n) _i (i = 1, 2,..., or n) respectively, and the carrier frequency F _0i Is the distance D between the ultrasonic complex and the object _i (i = 1, 2,..., or n) respectively. In other words, the longitudinal wave reflected in the medium is the distance D _i Reflection angle α corresponding to _i (i = 1, 2,..., or n) respectively, and such a reflected wave undergoes mode conversion into a leaky Lamb wave in the interdigital transducer, and is subjected to Doppler shift frequency F. _i respectively converted into delayed electrical signals having (i = 1, 2,..., or n). In this way, the distance D _i It becomes possible to detect the delayed electric signal corresponding to the interdigital transducer.
[0093]
The moving speed measuring device of the second aspect of the present invention comprises a piezoelectric substrate, a first electrode, a second electrode, a first interdigital transducer, a second interdigital transducer, and a signal analyzer. The first and second interdigital transducers have the same electrode pattern, and are provided on the upper end surface of the piezoelectric substrate. The first electrode is disposed between the first and second interdigital transducers on the upper end surface of the piezoelectric substrate, and the second electrode is provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate. The first and second electrodes form a thickness vibration mode transducer. The piezoelectric substrate, the thickness vibration mode transducer, and the first and second interdigital transducers form an ultrasonic composite. If an input electric signal having a carrier frequency is applied to the transducer in the thickness vibration mode, a longitudinal wave is irradiated into the medium in contact with the bottom of the ultrasonic composite. At this time, the carrier frequency is set to be substantially equal to the center frequency for driving the transducer in the thickness vibration mode. When the longitudinal wave is reflected by an object contained in the medium, the reflected longitudinal wave undergoes mode conversion into a first leaky Lamb wave in the first interdigital transducer, and has a first Doppler shift frequency. At the same time, the second interdigital transducer undergoes mode conversion to a second leaky Lamb wave and is converted to a second delayed electric signal having a second Doppler shift frequency. The moving direction and moving speed of the object are detected in the signal analyzer from the difference between the carrier frequency and the larger of the first and second Doppler shift frequencies.
[0094]
In the moving speed measuring device of the second aspect of the present invention, a straight line passing through the center of each electrode finger in the electrode finger overlapping portion of the first interdigital transducer, and each electrode finger in the electrode finger overlapping portion of the second interdigital transducer. A structure in which a straight line passing through the center overlaps each other is adopted. With such a structure, the reflected longitudinal wave is efficiently converted into the first delayed electric signal through the mode conversion into the first leaky Lamb wave in the first interdigital transducer, and at the same time, the second interdigital transducer is converted. In the transducer, the signal is efficiently converted into the second delayed electric signal through the mode conversion to the second leaky Lamb wave.
[0095]
In the moving speed measuring device of the second aspect of the present invention, the first and second interdigital transducers can have a structure having a distributed electrode pattern or an arc-shaped electrode pattern. The first and second interdigital transducers having an arc-shaped electrode pattern are arranged such that the concentric arcs coincide with the center of the first electrode.
[0096]
In the moving speed measuring device of the second aspect of the present invention, a structure in which first and second counter electrodes are newly provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate is possible. In this case, the first and second counter electrodes are arranged so as to face the first and second interdigital transducers, respectively.
[0097]
In the moving speed measuring device of the second aspect of the present invention, a structure in which a signal generator is newly provided is possible. This signal generator has carrier frequency F _0i Input electrical signal E with (i = 1, 2, ..., or n) _i (i = 1, 2,..., or n) respectively, and the carrier frequency F _0i Is the distance D between the ultrasonic complex and the object _i (i = 1, 2,..., or n) respectively. In other words, the longitudinal wave reflected in the medium is the distance D _i Reflection angle α corresponding to _i (i = 1, 2,..., or n), and such a reflected wave undergoes mode conversion to the first leaky Lamb wave in the first interdigital transducer, and then the first Doppler shift frequency F. _fi (i = 1, 2,..., or n), respectively, and the second interdigital transducer undergoes mode conversion to the second leaky Lamb wave, and then the second Doppler shift frequency. F _si respectively converted into second delayed electrical signals having (i = 1, 2,..., or n). In this way, the distance D _i Accordingly, the first and second delayed electrical signals can be detected by the first and second interdigital transducers, respectively.
[0098]
A moving speed measuring apparatus according to a third aspect of the present invention includes a piezoelectric substrate, a first electrode, a second electrode, a first interdigital transducer, a second interdigital transducer, a third interdigital transducer, and a signal analyzer. The first, second, and third interdigital transducers have the same electrode pattern, and are arranged so as to form a triangle on the upper end surface of the piezoelectric substrate. The first electrode is provided in a triangle on the upper end surface of the piezoelectric substrate, and the second electrode is provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate. The first and second electrodes form a thickness vibration mode transducer. The piezoelectric substrate, thickness vibration mode transducer, first, second and third interdigital transducers form an ultrasonic composite. If an input electric signal having a carrier frequency is applied to the transducer in the thickness vibration mode, a longitudinal wave is irradiated into the medium in contact with the bottom of the ultrasonic composite. At this time, the carrier frequency is set to be within a frequency band of plus and minus 6 dB from the center frequency for driving the transducer in the thickness vibration mode. When the longitudinal wave is reflected by an object contained in the medium, the reflected longitudinal wave undergoes mode conversion into a first leaky Lamb wave in the first interdigital transducer, and has a first Doppler shift frequency. In the second interdigital transducer, it is converted into a second delayed electric signal having the second Doppler shift frequency through the mode conversion to the second leaky Lamb wave, and in the third interdigital transducer. Is converted into a third delayed electrical signal having a third Doppler shift frequency through mode conversion into a third leakage Lamb wave. The moving direction and moving speed of the object are a combination of the difference between the carrier frequency and the first Doppler shift frequency, the difference between the carrier frequency and the second Doppler shift frequency, and the difference between the carrier frequency and the third Doppler shift frequency. To be detected in a signal analyzer.
[0099]
In the moving speed measuring device of the third aspect of the present invention, a straight line passing through the center of each electrode finger in the electrode finger overlapping portion of the first interdigital transducer, and each electrode finger in the electrode finger overlapping portion of the second interdigital transducer. A structure is employed in which the intersection of the straight line passing through the center and the straight line passing through the center of each electrode finger in the electrode finger overlapping portion of the third interdigital transducer coincides with the center of the first electrode. With such a structure, the reflected longitudinal wave is efficiently converted into the first delayed electric signal through the mode conversion to the first leaky Lamb wave in the first interdigital transducer, and in the second interdigital transducer. Efficiently converted to a second delayed electrical signal through mode conversion to two leaky Lamb waves, and efficiently converted to a third delayed electrical signal through mode conversion to third leaky Lamb waves in the third interdigital transducer. .
[0100]
In the moving speed measuring device of the third aspect of the present invention, a structure in which the first, second and third interdigital transducers have a distributed electrode pattern is possible. Further, a structure having an arc-shaped electrode pattern is possible. In this case, the first, second and third interdigital transducers are arranged such that their arcs are concentric with the center of the first electrode.
[0101]
In the moving speed measuring device of the third aspect of the present invention, a structure in which first, second and third counter electrodes are newly provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate is possible. In this case, the first, second and third counter electrodes are arranged so as to face the first, second and third interdigital transducers, respectively.
[0102]
In the moving speed measuring device of the third aspect of the present invention, a structure in which a signal generator is newly provided is possible. This signal generator has carrier frequency F _0i Input electrical signal E with (i = 1, 2, ..., or n) _i (i = 1, 2,..., or n) respectively, and the carrier frequency F _0i Is the distance D between the ultrasonic complex and the object _i (i = 1, 2,..., or n) respectively. In other words, the longitudinal wave reflected in the medium is the distance D _i Reflection angle α corresponding to _i (i = 1, 2,..., or n), and such a reflected wave undergoes mode conversion to the first leaky Lamb wave in the first interdigital transducer, and then the first Doppler shift frequency F. _fi (i = 1, 2,..., or n) respectively converted to a first delayed electrical signal and undergoing mode conversion to a second leaky Lamb wave in the second interdigital transducer, and then the second Doppler shift frequency F _si (i = 1, 2,..., or n) respectively converted to a second delayed electrical signal, undergoing mode conversion to a third leaky Lamb wave in the third interdigital transducer, and the third Doppler shift frequency F _ti respectively converted into third delayed electrical signals having (i = 1, 2,..., or n). In this way, the distance D _i The first, second, and third delayed electrical signals corresponding to the first, second, and third interdigital transducers can be detected, respectively.
[0103]
In the moving speed measuring device of the present invention, a structure in which the first electrode is a combination electrode is possible. This combination electrode consists of two comb electrodes. If the ratio of the electrode periodic length of the combination electrode to the thickness of the piezoelectric substrate is not more than 5 times the ratio of the longitudinal wave velocity propagating in the medium to the leaky Lamb wave velocity propagating in the piezoelectric substrate, If it is adopted, it becomes possible to efficiently irradiate water with a longitudinal wave composed of a vertical component and a non-vertical component.
[0104]
The moving speed measuring device of the present invention can have a structure in which a non-piezoelectric thin film is newly provided at the bottom of the ultrasonic composite. By adopting such a structure, it is possible to increase the irradiation efficiency of longitudinal waves into water.
[0105]
In the moving speed measuring device of the present invention, a structure in which the piezoelectric substrate is a piezoelectric ceramic thin plate is possible. At this time, the piezoelectric ceramic thin plate is disposed such that the direction of the polarization axis is parallel to the thickness direction. By adopting such a structure, it is possible to increase the irradiation efficiency of longitudinal waves into water. Further, a structure in which the piezoelectric substrate is made of a piezoelectric polymer thin plate is possible. By adopting such a structure, it is possible to increase the irradiation efficiency of longitudinal waves into water. Further, a structure in which the piezoelectric substrate is a piezoelectric single crystal thin plate is possible. By adopting such a structure, it is possible to increase the irradiation efficiency of longitudinal waves into water.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of a moving speed measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view when the ultrasonic composite body of FIG. 1 is viewed from above.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the moving speed measuring device in FIG.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the leaky Lamb wave velocity (V) in the piezoelectric substrate 1 and the product fd.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the calculated value of the conversion efficiency η of longitudinal waves into the liquid and the fd value.
FIG. 6 shows a spectrum analysis waveform observed by the signal analyzer 6 when the rotational speed of the rotating body 7 is 1,000 rpm.
7 shows an observation spectrum analysis waveform in the signal analyzer 6 when the rotational speed of the rotating body 7 is the same as that in FIG.
FIG. 8 shows the rotational speed (S) of the rotating body 7 and the carrier frequency (F ₀ ) And Doppler shift frequency (F) difference (FF ₀ ) Is a characteristic diagram showing the relationship.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between the leaky Lamb wave velocity (V) in the piezoelectric substrate 1 and the product fd.
FIG. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between the calculated value of conversion efficiency η into liquid of longitudinal waves and the fd value.
FIG. 11 shows the rotational speed (S) of the rotating body 7 and the frequency difference (FF ₀ ) Is a characteristic diagram showing the relationship.
FIG. 12 is a sectional view showing a second embodiment of the moving speed measuring device of the present invention.
13 is another cross-sectional view of the moving speed measurement device of FIG.
FIG. 14 is a plan view showing a third embodiment of the moving speed measuring device of the present invention.
FIG. 15 is a plan view showing a fourth embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention.
FIG. 16 is a plan view showing a fifth embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention.
FIG. 17 is a block diagram showing a sixth embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention.
18 is a cross-sectional view of the moving speed measuring device of FIG.
FIG. 19 is a block diagram showing a seventh embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention.
20 is a plan view of the ultrasonic complex of FIG. 19 when viewed from above.
FIG. 21 is a block diagram showing an eighth embodiment of the moving speed measuring device of the present invention.
22 is a plan view of the ultrasonic complex shown in FIG. 21 when viewed from above.
23 is a cross-sectional view of the moving speed measuring device in FIG. 21. FIG.
24 is another cross-sectional view of the moving speed measuring device shown in FIG. 21. FIG.
FIG. 25 is a block diagram showing a ninth embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention.
FIG. 26 is a plan view of the ultrasonic complex shown in FIG. 25 as viewed from above.
FIG. 27 is a block diagram showing a tenth embodiment of a moving speed measuring device according to the present invention.
FIG. 28 is a plan view of the ultrasonic complex shown in FIG. 27 as viewed from above.
FIG. 29 is a plan view showing an eleventh embodiment of the moving velocity measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 30 is a plan view showing a twelfth embodiment of the moving speed measuring apparatus of the present invention.
FIG. 31 is a plan view showing a thirteenth embodiment of the moving velocity measuring apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Piezoelectric substrate
2 First electrode
3 Second electrode
4 Interdigital transducer
5 Signal generator
6 Signal analyzer
7 Rotating body
8 Non-piezoelectric thin film
9 Interdigital transducer
10 Interdigital transducer
11 Interdigital transducer
12 Counter electrode
13 Amplifier
14 objects
15 Combination electrodes
15A comb electrode
15B Comb electrode
16 Second electrode
17 First electrode
18 Second electrode
19 First interdigital transducer
20 Second interdigital transducer
21 First interdigital transducer
22 Second interdigital transducer
23 Third interdigital transducer
24 First interdigital transducer
25 Second interdigital transducer
26 First interdigital transducer
27 Second interdigital transducer
28 Third interdigital transducer

Claims (10)

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(F ₀ )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。An apparatus for measuring a moving speed of an object to be measured existing in a measurement object including a medium, comprising a piezoelectric substrate, a first electrode, a second electrode, an interdigital transducer, and a signal analyzer, wherein the first electrode and the interdigital transducer The transducer is provided on the upper end surface of the piezoelectric substrate, the second electrode is provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate, and the first electrode and the second electrode form a thickness vibration mode transducer. The piezoelectric substrate, the thickness vibration mode transducer, and the interdigital transducer form an ultrasonic composite, and the bottom of the ultrasonic composite is used as a contact surface to a measurement target including a medium, and the thickness vibration mode transducer, by an input electrical signal having a carrier frequency (F ₀₎ is applied, in a medium contained in the measurement target, The vertical wave is irradiated to the lower end surface of the piezoelectric substrate and the longitudinal wave is reflected by the measurement object, and the interdigital transducer is a component of the reflection angle α of the reflected longitudinal wave. And having the function of converting the mode converted into a leaky Lamb wave by the presence of the piezoelectric substrate into a delayed electrical signal having a Doppler shift frequency (F), the signal analyzer, A moving speed measuring apparatus having a function of detecting a moving speed of the measurement object from a difference (FF ₀ ) between the carrier frequency (F ₀ ) and the Doppler shift frequency (F). 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。The moving speed measuring device according to claim 1, wherein the interdigital transducer has an arc-shaped electrode pattern, and the concentricity of the arc coincides with the center of the first electrode . 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。The moving speed measuring device according to claim 1 , wherein a counter electrode is newly provided on a lower end surface of the piezoelectric substrate, and the counter electrode is in a position facing the interdigital transducer . 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E _i (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E _i は、キャリア周波数F _0i (i=1, 2,…,またはn)を有し、前記キャリア周波数F _0i は、前記超音波複合体と前記測定対象物体との距離D _i (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F _0i 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α _i (i=1, 2,…,またはn)を有し、前記反射角α _i は前記距離D _i 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α _i 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F _i (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F _i は前記反射角α _i 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(F _0i )と前記ドップラー偏移周波数(F _i )との差(F _i -F _0i )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。 A device for measuring a moving speed of a measurement object existing in a measurement object including a medium, comprising a piezoelectric substrate, a first electrode, a second electrode, an interdigital transducer, a signal generator and a signal analyzer, wherein the first electrode And the interdigital transducer is provided on an upper end surface of the piezoelectric substrate, the second electrode is provided on a lower end surface of the piezoelectric substrate, and the first electrode and the second electrode are in a thickness vibration mode. The piezoelectric substrate, the thickness vibration mode transducer, and the interdigital transducer form an ultrasonic composite, and the bottom of the ultrasonic composite is used as a contact surface to a measurement object including a medium. The signal generator has a function of generating an input electrical signal E _i (i = 1, 2,..., Or n), and the input electrical signal E _i has a carrier frequency F _0i (i = 1, 2 , ..., Has the n), the carrier frequency F _0i, the distance D _{i (i} = 1, 2 between the measured object and the ultrasonic complex, ..., or n) to correspond, the thickness vibration mode The transducer irradiates the longitudinal wave perpendicular to the lower end surface of the piezoelectric substrate into the medium included in the measurement object by applying an input electric signal having a carrier frequency F _0i , The longitudinal wave reflected by the object to be measured has a reflection angle α _i (i = 1, 2,..., Or n), and the reflection angle α _i is at the distance D _i . The interdigital transducers correspond to the interdigital transducers that have the reflection angle α _i among the reflected longitudinal waves and are mode-converted into leaky Lamb waves by the interposition of the piezoelectric substrate. transfer frequency _{F i (i = 1, 2} , ..., or n) is converted into delayed electrical signal corresponding to the Has a capacity, the Doppler shift frequency F _i corresponds to each of the reflection angle alpha _i, the signal analyzer, the measured the carrier frequency a moving speed of the object (F _0i) and the Doppler shift frequency (F _i) and the moving speed measuring apparatus characterized by having a function of detecting the difference (F _i -F _0i) of. 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(F ₀ )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(F _f )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(F _s )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(F _f )および前記第２ドップラー偏移周波数(F _s )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(F ₀ )と、前記第１ドップラー偏移周波数(F _f )および前記第２ドップラー偏移周波数(F _s )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。 A device for measuring a moving speed of a measurement object existing in a measurement object including a medium, comprising a piezoelectric substrate, a first electrode, a second electrode, a first interdigital transducer, a second interdigital transducer, and a signal analyzer, The first and second interdigital transducers have the same electrode pattern and are provided on the upper end surface of the piezoelectric substrate, and the first electrode is formed on the upper end surface of the piezoelectric substrate. The second electrode is disposed between the interdigital transducers, and the second electrode is provided on a lower end surface of the piezoelectric substrate, and the first and second electrodes form a thickness vibration mode transducer, the piezoelectric substrate, Thickness vibration mode transducers, the first and second interdigital transducers form an ultrasonic composite, the bottom of the ultrasonic composite being The contact surface of the measuring object including the body, the transducer of the thickness vibration mode, by an input electrical signal having a carrier frequency (F ₀₎ is applied, in a medium contained in the measurement target, the piezoelectric substrate The vertical interdigital transducer has a function of irradiating a vertical wave perpendicular to the lower end surface of the light source and reflecting the longitudinal wave by the object to be measured, and the first interdigital transducer is a first reflected wave among the reflected longitudinal waves. Having the function of converting the mode converted into the first leaky Lamb wave by the presence of the piezoelectric substrate into the first delayed electric signal having the first Doppler shift frequency (F _f ), The interdigital transducer is a second reflected wave of the reflected longitudinal wave, which is mode-converted to a second leaky Lamb wave by the piezoelectric substrate being interposed, and is converted into a second Doppler shift frequency (F _s ) To the second has a function of converting the amplified electric signal, said first and second reflected wave both have a reflection angle alpha, wherein the signal analyzer, said first Doppler shift frequency (F _f) and the By detecting which of the second Doppler shift frequencies (F _s ) is larger, the moving direction of the object to be measured is detected, and the carrier frequency (F ₀ ) and the first Doppler shift frequency (F A moving speed measuring device having a function of detecting the moving speed of the object to be measured from the difference between _f ) and the second Doppler shift frequency (F _s ), whichever is greater . 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(F ₀ )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(F _f )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(F _s )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(F _t )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(F ₀ )と前記第１ドップラー偏移周波数(F _f )との差、前記キャリア周波数(F ₀ )と前記第２ドップラー偏移周波数(F _s )との差、そして前記キャリア周波数(F ₀ )と前記第３ドップラー偏移周波数(F _t )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。 A moving speed of an object to be measured existing in a measuring object including a medium, which includes a piezoelectric substrate, a first electrode, a second electrode, a first interdigital transducer, a second interdigital transducer, a third interdigital transducer, and a signal analyzer. The first, second and third interdigital transducers have the same electrode pattern, and are arranged in an arrangement so as to form a triangle on the upper end surface of the piezoelectric substrate. One electrode is provided in the triangle on the upper end surface of the piezoelectric substrate, the second electrode is provided on the lower end surface of the piezoelectric substrate, and the first and second electrodes are in a thickness vibration mode. Forming a transducer, the piezoelectric substrate, the thickness vibration mode transducer, the first, second and third interdigital transducers are Forming a wave complex, the bottom of the ultrasonic complex, and the contact surface of the measuring object including the media, the transducer of the thickness vibration mode, the input electrical signal is applied having a carrier frequency (F ₀₎ Thus, the first interdigital transducer has a function of irradiating a longitudinal wave perpendicular to the lower end surface of the piezoelectric substrate in the medium included in the measurement target and reflecting the longitudinal wave by the measurement target object. Has a first Doppler shift frequency (F _f ), which is the first reflected wave among the reflected longitudinal waves, which has been mode-converted to the first leaky Lamb wave by the presence of the piezoelectric substrate. The second interdigital transducer has a function of converting into a first delayed electric signal, and the second interdigital transducer is a second reflected wave among the reflected longitudinal waves and is converted into a second leaky Lamb wave by interposing the piezoelectric substrate. Mode conversion And those which have the function of converting the second delayed electric signal having a second Doppler shift frequency (F _s), said third interdigital transducer, third reflected wave of the reflected said longitudinal wave And having the function of converting the mode converted into the third leaky Lamb wave by the presence of the piezoelectric substrate into a third delayed electric signal having a third Doppler shift frequency (F _t ), Each of the first, second and third reflected waves has a reflection angle α, and the signal analyzer determines the moving direction and moving speed of the measurement object according to the carrier frequency (F ₀ ) and the first Doppler. The difference between the deviation frequency (F _f ), the difference between the carrier frequency (F ₀ ) and the second Doppler deviation frequency (F _s ), and the carrier frequency (F ₀ ) and the third Doppler deviation frequency. this has a function of detecting a combination of the difference between the (F _t) Moving speed measuring apparatus according to claim. 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。The moving speed measuring device according to claim 1, 4, 5, or 6 , wherein a non-piezoelectric thin film is newly provided at the bottom of the ultrasonic composite . 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。The moving speed measuring device according to claim 1, 4, 5, or 6 , wherein the piezoelectric substrate is made of a piezoelectric ceramic thin plate, and a direction of a polarization axis of the piezoelectric ceramic thin plate is parallel to a thickness direction thereof . 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。The moving speed measuring device according to claim 1, 4, 5, or 6 , wherein the piezoelectric substrate is a piezoelectric polymer thin plate . 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。The moving speed measuring device according to claim 1, 4, 5, or 6 , wherein the piezoelectric substrate is made of a piezoelectric single crystal thin plate .

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