JP5111846B2 - 超音波出力素子 - Google Patents

Description

本発明は超音波出力素子に関する。

特開２００４−２５１６５３号公報

従来、都市ガスや水などの流量を計測するための超音波流量計が知られている。その際の測定原理として、一般には「伝搬時間差法」が用いられる。これは、流路の流体流れ方向上流側及び下流側に一対の超音波送受信部を設け、それら超音波送受信部間の超音波送受信方向を交互に切り替えるとともに、上流側超音波送受信部から発信された超音波ビームが下流側超音波送受信部に到達するまでの時間（順方向伝播時間）と、下流側超音波送受信部から発信された超音波ビームが上流側超音波送受信部に到達するまでの時間（逆方向伝播時間）とを計測して、両者の時間差から流路を流れる流体の平均流速度及び流量を求めるものである（例えば、特許文献１）。

上記のような流量計に使用される超音波送受信部（超音波トランスデューサ）は振動駆動部が圧電セラミック振動板にて構成される。該流量計では、超音波送受信部が長期にわたって使用され、最近では使用年数が１０年を超える要求も想定されている。このような長期使用中においては、振動駆動部の経時劣化により超音波送受信部の出力特性がドリフトすることがある。近年、流量計に要求されるスペックがますます厳しくなる中、上記の劣化により超音波送受信部が要求される耐用年数を充足できなくなることが懸念される。流量出力のゼロ点がドリフトすると流量の測定精度が悪化し、正確な計測ができなくなることにつながる。

具体的には、超音波送受信部においては、振動駆動部を駆動してから超音波が被測定流体（媒質：例えば都市ガス）中へ放射されるまでに一定の時間遅れが存在する。すなわち、図７に示すように、外部からの駆動信号を受けることで、その信号が圧電セラミック振動板にて機械振動に変換され、さらに音響インピーダンス整合層を伝播して被測定流体へ放射されるので、上記の駆動信号の入力タイミングから超音波が被測定流体に放出されるまでに一定の遅延時間が存在する。

従来の流量計測では、超音波の被測定流体への放出タイミングを、駆動信号の入力タイミングに置き換えて超音波伝播時間の計測起点として用いていた。駆動信号の入力タイミングから超音波の被測定流体への放出タイミングに至る遅延時間が一定であれば、該遅延時間の計測誤差への寄与も一定であり容易に補正可能であるが、該遅延時間が振動駆動部の経時劣化に伴い変動すると該寄与は一定でなくなり、補正はもはや不能となる。例えば、工場出荷時に記憶された超音波送受信部の初期ゼロ点流量が経時ドリフトすると、流れがないにも拘わらず流れがあると誤計測したり、逆に流れがあるにも関わらず流れがないと認識してしまったりする問題を引き起こすことになる。

本発明の課題は、駆動信号が入力された圧電セラミック振動板の振動波形をリアルタイムでモニタリングでき、例えば、駆動信号の入力タイミングから超音波の被測定流体への放出タイミングに至る遅延時間を把握する上で好都合な構造を有する超音波出力素子を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題を解決するために、本発明の超音波出力素子は、
板厚方向に分極処理された圧電セラミック振動板と、
該圧電セラミック振動板の各主表面を覆う形で該圧電セラミック振動板を挟んで対向形成され、該圧電セラミック振動板を超音波振動させるための駆動電圧が印加される主電極対と、
主電極対のいずれとも絶縁分離した形で圧電セラミック振動板上に形成され、駆動電圧の印加に伴い圧電セラミック振動板に生ずる超音波振動の圧電モニタリング信号を取り出すためのモニタ用部分電極とを備えたことを前提とする。

上記本発明の超音波出力素子の構成によると、振動駆動部の要部をなす圧電セラミック振動板に、駆動用の電極以外に、駆動電圧の印加に伴い当該の圧電セラミック振動板に生ずる超音波振動の圧電モニタリング信号を取り出すためのモニタ用部分電極を設けたので、駆動信号が入力された圧電セラミック振動板の振動波形をリアルタイムでモニタリングできる。

例えば、駆動信号が入力された後、圧電セラミック振動板での遅延を含めて、実際にいつ超音波振動が圧電セラミック振動板に発生したかを、このモニタ用部分電極の波形を監視することで知ることができる。従って、駆動信号の入力タイミングからモニタ用部分電極の出力に振動波形が現われるまでの時間を計測すれば、駆動信号の入力タイミングから超音波の被測定流体への放出タイミングに至る遅延時間を正確に把握できる。特に、遅延時間が振動駆動部の経時劣化に伴い変動した場合でも、モニタ用部分電極の出力監視により該遅延時間を特定することで、超音波伝播時間の測定基準を、超音波の被測定流体への実際の放出タイミングに近づけることができ、超音波出力素子のゼロ点流量が経時ドリフトの影響を受け難くなる。なお、モニタ用部分電極の出力に特定の振動波形が現われるタイミングを検知して、これを超音波伝播時間の測定基準として使用することも当然可能である。この場合、遅延時間自体を測定により特定する必要は必ずしも生じない。

なお、本発明の超音波出力素子は、電気機械変換素子である圧電セラミック振動板を振動駆動部として採用しているので、別の超音波出力素子から放出された超音波を受けたとき、その超音波が励起する圧電セラミック振動板の機械的振動を、駆動電極から電気信号波形として取り出すことができ、超音波受信素子としても用いることができる。

上記本発明の超音波出力素子において、主電極対は、圧電セラミック振動板の第一主表面を覆う接地電極（ＧＮＤ側に接続される）と、同じく第二主表面を覆う駆動電極（駆動電源側に接続される）とからなるものとして構成できる。主電極対による圧電セラミック振動板の振動駆動が妨げられないように、モニタ用部分電極は、それら接地電極及び駆動電極のいずれよりも圧電セラミック振動板に対する被覆面積を小さく形成することが望ましい。

この場合、圧電セラミック振動板の両主表面を覆う駆動電極と接地電極とのいずれかの一部領域を切り欠いて、その切り欠かれた領域にモニタ用部分電極を形成するとよい。これにより、圧電セラミック振動板の主表面を覆う駆動電極又は接地電極とモニタ用部分電極とを、周知の電極パターニング手法（例えばフォトリソグラフィー）により一括形成できる利点がある。

なお、モニタ用部分電極についても出力取出時の電圧基準を接地により与えてやる必要があるので、駆動電極とモニタ用部分電極とで接地電極を共用する構成が、振動駆動部の構造を簡略化する上でも好都合である。具体的には、駆動電極は接地電極よりも圧電セラミック振動板に対する被覆面積を小さく形成し、該圧電セラミック振動板の第二主表面の駆動電極に覆われていない残余領域にモニタ用部分電極を形成するとよい。

この場合、モニタ用部分電極を圧電セラミック振動板の第二主表面の外周縁領域に形成しておくと、該モニタ用部分電極による圧電セラミック振動板の振動駆動特性への影響を軽減することができる。

圧電セラミック振動板が円板状に形成される場合、駆動電極は該圧電セラミック振動板の外周縁に沿う円状の外周縁形状を有するものとして形成できる。この場合、当該円状の外周縁の一部を半径方向内側に凹状に引っ込ませる形で駆動電極の一部を切り欠き、その切欠き領域の内側にモニタ用部分電極を形成することができる。このようにすると、モニタ用部分電極の形成面積を十分縮小しつつ、出力取り出し用のワイヤや半田付け部を容易に形成することができる。

また、駆動電極側の外周縁は、モニタ用部分電極との隣接位置にて、該駆動電極とモニタ用部分電極との間に所定幅の隙間を形成する形で、該モニタ用部分電極の外周縁に倣う形状に形成することができる。これにより、駆動電極とモニタ用部分電極との絶縁を確保しつつ、圧電セラミック振動板の振動駆動上のデッドエリアとなる、駆動電極とモニタ用部分電極との間の露出部を最小限に留めることができる。駆動電極とモニタ用部分電極との間に形成される隙間の幅は、０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とするのがよい。０．５ｍｍ以下では駆動電極とモニタ用部分電極との絶縁性を十分に確保できなくなる場合があり（例えば、メッキ不良や導電性異物付着によるブリッジングなど）、２．５ｍｍ以下では圧電セラミック振動板の振動駆動上のデッドエリアが増加しすぎ、超音波振動の駆動効率が低下する問題につながる。

圧電セラミック振動板は、駆動電極及びモニタ用部分電極の形成された第二主表面側がケーシングの底部内面と対向する形で該ケーシング内に配置することができる。この場合、ケーシングの底部裏面に突出形成された駆動端子及びモニタ端子に対し、駆動電極及びモニタ用部分電極をそれぞれ接続することができる。これにより、駆動電極及びモニタ用部分電極の駆動端子及びモニタ端子への導通経路の引き回し距離を短縮でき、配線構造を単純化でき、信頼性も向上する。この場合、圧電セラミック振動板とケーシングの底部との間に絶縁層を配置することができる。駆動端子と駆動電極及びモニタ端子とモニタ用部分電極とは、絶縁層を貫く個別のワイヤによりそれぞれボンディングすることができるので、ボンディングワイヤの引き回し長を削減できる。これにより、耐ノイズ性の向上や、電極ワイヤ間の機械的干渉回避等を図ることができる。なお、駆動端子及びモニタ端子の接続端を基板上に形成したパッドとし、ここに駆動電極及びモニタ用部分電極を面実装する構成も可能である。

一方、接地電極への導通経路は、圧電セラミック振動板の第二主表面側から該圧電セラミック振動板の側周面を経て第一主表面側に回り込む形で形成されることとなる。この場合、ケーシングの底部裏面に突出形成された接地端子に接地電極が該導通経路を介して接続することができる。これにより、ケーシングの裏面に、接地端子、駆動端子及びモニタ端子を集合させることができ、ケーブルコネクタ等の接続も容易である。

また、圧電セラミック振動板は、ケーシングの底部と反対側の開口に望む位置に配置することができる。この場合、該開口を塞ぐ形で、圧電セラミック振動板との接触側と反対側の主表面に超音波放出面が形成された音響インピーダンス整合層を、圧電セラミック振動板の第一主表面上に形成された接地電極と密着する形で設けることができる。音響インピーダンス整合層を圧電セラミック振動板に密着配置することで、該圧電セラミック振動板からの超音波の放射効率、あるいは圧電セラミック振動板による超音波の受信効率を高めることができる。

上記の構成において導通経路は、圧電セラミック振動板の第一主表面側にて一端が接地電極に半田付けされるワイヤとすることができる。この場合、音響インピーダンス整合層の該接地電極との対向面に、ワイヤの半田付け部を収容する凹状部を形成することで、圧電セラミック振動板と音響インピーダンス整合層との密着に伴なう、半田付け部と音響インピーダンス整合層との干渉を回避することができ、半田付け部を保護することができる。また、圧電セラミック振動板の第一主表面側に接地電極に導通するパッドを設ける必要がなくなり、駆動電極の面積を大きく確保することができる。

これとは別の構成として、導通経路を、一端が接地電極に接続し、駆動電極及びモニタ用部分電極のいずれとも絶縁分離された形で圧電セラミック振動板の第一主表面に形成された接地用接続パッドに他端が接続する形で圧電セラミック振動板の周側面上に形成された接地用リード層と、一端が接地用接続パッドに半田付けされ他端が接地端子に半田付けされるワイヤとからなるものとして形成することもできる。このようにすると、圧電セラミック振動板の第一主表面側から接地用ワイヤの半田付け部を排除でき、接地電極の全面にわたって音響インピーダンス整合層を密着配置できるので、超音波の放射効率（あるいは超音波の受信効率）をさらに高めることができる。

また、さらに別な構成として、ケーシングは、該ケーシングの底部と、該底部の周縁から立ち上がる側壁部と、該側壁部の底部と反対側の開口を塞ぐ天面部とが互いに導通する金属部材にて形成することができる。この場合、天面部の内面に圧電セラミック振動板の第一主表面を覆う接地電極を、導電性接着層を介して密着配置し、当該ケーシングを介して接地電極を接地するように構成することができる。この構成により、ケーシングを駆動用の接地経路として流用でき、接地用の配線部を簡略化することができる。この場合、天面部の外側主表面に、当該天面部との接触側と反対側の主表面に超音波放出面が形成された音響インピーダンス整合層を密着配置することができ、超音波の放射効率（あるいは超音波の受信効率）を高めることができる。

本発明の超音波出力素子の実施形態を、超音波流量計に適用した場合を例にとり、図面を参照しつつ説明する。図１は、一般住宅用ガスメータ等として用いられる超音波流量計の一実施例の基本構成である。この超音波流量計１には、被測定流体ＧＦの流路を形成する流路形成部３と、流路形成部３に対し被測定流体ＧＦの流通方向Ｏにおいて互いに異なる位置に設けられ、一方が被測定流体ＧＦへの測定用超音波の送出側となり、他方が該測定用超音波の受信側となるように機能するとともに、各々測定用超音波として、予め定められた向きへの指向性を有する超音波ビームＳＷを送出可能な対をなす超音波送受信部２ａ，２ｂとを備えている。流路形成部３と超音波送受信部２ａ，２ｂとが流量計本体１Ｍを構成し、該流量計本体１Ｍと制御回路部１Ｅとにより超音波流量計１の全体が構成されている。

流路形成部３は例えば金属製である。測定対象がガスの場合、流路形成部３の軸断面形状は壁部３Ｊにより閉鎖された空間を形成するものであればよく、例えば、円形状、楕円形状、正方形状、矩形状等のいずれを採用してもよい。本実施形態では、流路形成部３は矩形状の流路断面を有するものとして形成され、上壁部３Ｊａに上流側超音波送受信部２ａが、また下壁部３ｊｂに下流側超音波送受信部２ｂが取り付けられている。つまり、対をなす超音波送受信部２ａ，２ｂが流路を挟む形で振り分けて配置されている。

超音波送受信部２ａ，２ｂは超音波振動子を有した超音波トランスデューサである。いずれも、本発明の超音波出力素子として構成され、駆動電圧の印加により超音波ビームを送出する超音波送出機能と、超音波ビームの受信により電気信号（受信信号）を出力する超音波受信機能とを複合して備える。いずれも全く同一の構造を有するので、その一方で代表させて説明する（以下、符号「２」により代表させる）。

図２は、超音波送受信部２（超音波出力素子）の断面構造の一例を示すものである。超音波送受信部２は、その要部（振動駆動部）が、板厚方向に分極処理された圧電セラミック振動板２１と、該圧電セラミック振動板２１の各主表面を覆う形で該圧電セラミック振動板２１を挟んで対向形成され、該圧電セラミック振動板２１を超音波振動させるための駆動電圧が印加される主電極対２２，２３と、主電極対２２，２３のいずれとも絶縁分離した形で圧電セラミック振動板２１上に形成され、駆動電圧の印加に伴い圧電セラミック振動板２１に生ずる超音波振動の圧電モニタリング信号を取り出すためのモニタ用部分電極２４とを備える。

圧電セラミック振動版２１は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛等のペロブスカイト型強誘電性セラミックにて構成されており、板厚方向に分極処理されている。また、各電極２２，２３，３４はＣｕ等の金属蒸着膜からなる。

主電極対２２，２３は、圧電セラミック振動板２１の第一主表面を覆う接地電極２２（ＧＮＤ側に接続される）と、同じく第二主表面を覆う駆動電極２３（駆動電源側に接続される）とからなる。モニタ用部分電極２４は、それら接地電極２２及び駆動電極２３のいずれよりも圧電セラミック振動板２１に対する被覆面積を小さく形成されている。電極駆動電極２３は接地電極２２よりも圧電セラミック振動板２１に対する被覆面積が小さく設定され、該圧電セラミック振動板２１の第二主表面の駆動電極２３に覆われていない残余領域にモニタ用部分電極２４が形成される。

モニタ用部分電極２４は、圧電セラミック振動板２１の第二主表面の外周縁領域に形成されている。具体的には、圧電セラミック振動板２１が円板状に形成され、駆動電極２３は該圧電セラミック振動板２１の外周縁に沿う円状の外周縁形状を有する。そして、当該円状の外周縁の一部を半径方向内側に凹状に引っ込ませる形で駆動電極２３の一部を切り欠き、その切欠き領域２３ｃの内側にモニタ用部分電極２４が形成されている。駆動電極２３側の外周縁は、モニタ用部分電極２４との隣接位置にて、該駆動電極２３とモニタ用部分電極２４との間に所定幅の隙間２０を形成する形で、該モニタ用部分電極２４の外周縁に倣う形状に形成されている。なお、駆動電極２３とモニタ用部分電極２４との間に形成される隙間２０の幅ｗは、０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下に調整される。

なお、モニタ用部分電極２４の形成形態は上記したものに限られるものではなく、例えば、図１２に示すように、駆動電極２３を直線状の隙間２０により切り欠いて、弓形のモニタ用部分電極２４を形成することも可能である。

また、圧電セラミック振動板２１の分極処理は、図１３に示すように、モニタ用部分電極２４と駆動電極２３とをパターニング形成し、これら電極に対応する形で絶縁分離された分極ブロック７１，７２と、接地電極２２側の分極ブロックとの間に挟みつけて、分極用電源７４から高圧の分極電圧を印加して行なうことができる。一方、図１４に示すように、モニタ用部分電極２４及び駆動電極２３とを一体電極２３Ｇとして形成し、一体電極２３Ｇに対応した非分離の分極ブロック７２と、接地電極２２側の分極ブロックとの間に挟みつけて分極処理を行なった後、一体電極２３Ｇをパターニングする方法を採用することも可能である。

図２に戻り、圧電セラミック振動板２１は、駆動電極２３及びモニタ用部分電極２４の形成された第二主表面側がケーシング２９の底部２８の内面と対向する形で該ケーシング２９内に配置されている。ケーシング２９の底部２８の裏面には、駆動端子４３及びモニタ端子４４が突出形成され、駆動電極２３及びモニタ用部分電極２４がこれら駆動端子４３及びモニタ端子４４にそれぞれ接続されている。

ケーシング２９の側壁部３０は、例えばステンレス鋼やアルミニウム合金など耐食性に優れる金属材料や、エンジニアリングプラスチック等で構成され、内周面底部側端部が段付き形状に拡径された形で裏面側開口部を形成している。そして、駆動端子４３、接地端子４１及びモニタ端子４４を裏面側に立設した基板２７が該裏面側開口部に嵌め込まれ、さらにエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の高分子材料が裏面側から充填されて底部２８が形成されている。駆動端子４３、接地端子４１及びモニタ端子４４は、該底部２８を貫通して裏面側に延出している。

また、圧電セラミック振動板２１は、ケーシング２９の底部２８と反対側の開口に望む位置に配置されている。そして、該開口を塞ぐ形で音響インピーダンス整合層２５が、圧電セラミック振動板２１の第一主表面上に形成された接地電極２２と密着する形で設けられている。音響インピーダンス整合層２５は、例えば、エポキシ樹脂などの樹脂材料をマトリックスとし、空隙形成用フィラー（例えば、ガラスバルーン）を分散させた複合材料により円板状に形成されてなり、圧電セラミック振動板２１との接触側と反対側の主表面に超音波放出面が形成されている。超音波の伝達効率を向上させるために、該音響インピーダンス整合層２５の空隙形成用フィラーの体積配合比率は、圧電セラミック振動板２１と被測定流体（ここでは都市ガス）との中間の音響インピーダンス値（例えば、両者の幾何平均値を目標値とする）となるように調整されている。なお、目的とする音響インピーダンス値を得るために、空隙形成用フィラーを混入しない樹脂材料で音響整合層１５を構成することもある。

次に、圧電セラミック振動板２１とケーシング２９の底部２８との間には、シリコーン樹脂からなる絶縁層２６が配置されている。駆動端子４３と駆動電極２３及びモニタ端子４４とモニタ用部分電極２４とは、該絶縁層２６を貫く個別のワイヤ３３，３４によりそれぞれ半田付けによりボンディングされている。

また、接地電極２２への導通経路３１は、圧電セラミック振動板２１の第二主表面側から該圧電セラミック振動板２１の側周面を経て第一主表面側に回り込む形で形成されている。接地電極２２は、ケーシング２９の底部２８の裏面に突出形成された接地端子４１に対し、導通経路３１を介して接続されている。図２において、該導通経路３１は、圧電セラミック振動板２１の第一主表面側にて一端が接地電極２２に半田付けされるワイヤ３１とされている。また、音響インピーダンス整合層２５の該接地電極２２との対向面には、ワイヤ３１の半田付け部３１ｓを収容する凹状部２５ｃが形成されている。

図１に戻り、制御回路部１Ｅには、前述の超音波駆動機構４と周辺回路ブロック７〜１１が設けられている。超音波駆動機構４は、送信部５、受信部６及び切り替え部４ｓを有する。送信部５は、超音波送受信部２ａ，２ｂに対して駆動信号を入力するための回路である。受信部６はスイッチ等から構成され、このスイッチを切り替えることにより、前述の駆動モードの切り替えがなされる。この受信部６の切り替え制御は切り替え部４ｓにより行われる。増幅部７は、受信部６により受信された超音波を所定の増幅率で増幅し、ゼロクロスポイント検出部９に入力する。ゼロクロスポイント検出部９は、受信した超音波波形に含まれる特定順位波（例えば、第３波）のゼロクロスポイントを検出するものである。時間計測部１０は、第一駆動モードでの、上流側超音波送受信部２ａから発信された超音波ビームＳＷが下流側超音波送受信部２ｂに到達するまでの順方向伝播時間と、第二駆動モードにおける下流側超音波送受信部２ｂから発信された超音波ビームＳＷが上流側超音波送受信部２ａに到達するまでの逆方向伝播時間とを計測するものである。また、演算部１１は、上記の順方向伝播時間と逆方向伝播時間との時間差から、流路を流れる被測定流体の平均流速度及び流量を計算する。

図７を用いて既に説明したごとく、超音波送受信部２は、外部からの駆動信号を受けることで、その信号が圧電セラミック振動版にて機械振動に変換され、さらに音響インピーダンス整合層２５を伝播して被測定流体へ放射されるので、上記の駆動信号の入力タイミングから超音波が被測定流体に放出されるまでに一定の遅延時間が存在する。そして、従来の流量計測（図７：（３））では、駆動信号の入力タイミングを超音波の被測定流体への放出タイミングと等価とみなし、これを超音波伝播時間の計測起点として用いていた。ところが、この計測方法では、超音波伝播時間に上記に遅延時間が計測誤差として含まれてしまうことは明らかであり、該遅延時間が、振動駆動部の経時劣化や、順方向計測時と逆方向計測時との間での、温度変化に対する非対象性などに伴い変動すると（図７：（１））、該遅延時間の、本来の超音波伝播時間（図７：（２））への誤差寄与率も変動し、超音波伝播時間の計測補正が不可能になってしまう問題がある。

しかし、上記本発明の超音波出力素子２の構成、すなわち、振動駆動部の要部をなす圧電セラミック振動板２１に、駆動用の電極以外に、駆動電圧の印加に伴い当該の圧電セラミック振動板２１に生ずる超音波振動の圧電モニタリング信号を取り出すためのモニタ用部分電極２４を設けた構成を採用することで、駆動信号が入力された圧電セラミック振動板の振動波形をリアルタイムでモニタリングできる。

すなわち、図７中に破線で示すごとく、駆動信号が入力された後、圧電セラミック振動板の遅延を含んだ形で、実際にいつ超音波振動が圧電セラミック振動板２１に発生したかを、このモニタ用部分電極２４の波形を監視することで知ることができる。従って、駆動信号の入力タイミングからモニタ用部分電極２４の出力に振動波形が現われるまでの時間を計測すれば、駆動信号の入力タイミングから超音波の被測定流体への放出タイミングに至る遅延時間を把握できる。その結果、遅延時間が振動駆動部の経時劣化に伴い変動した場合でも、モニタ用部分電極２４の出力監視により該遅延時間を特定することで、超音波伝播時間の測定基準を、超音波の被測定流体への実際の放出タイミングに近づけることができ(図７：（４））、計測誤差を減ずることができる。

図４は、図１の回路構成の詳細例を示すものである。２つの超音波送受信部２ａ，２ｂは、いずれも接地端子４１ａ，４１ｂが個別のスイッチＳＷ３，ＳＷ４を介して接地ラインＧＮＤに接続されている。接地ラインＧＮＤはスイッチＳＷ５を開始して接地導通とフロートとの間で切り替え可能になっている。一方、駆動端子４３ａ，４３ｂは、スイッチＳＷ１，ＳＷ２により駆動入力ラインＩＮＰに、択一的に接続切り替え可能につながれている。また、モニタ端子４４ａ，４４ｂは、スイッチＳＷ８，ＳＷ９によりモニタラインＭＮＴに、択一的に接続切り替え可能につながれている。さらに、駆動入力ラインＩＮＰとモニタラインＭＮＴとは、増幅部７に対し、スイッチＳＷ６，ＳＷ７により択一的に接続切り替え可能につながれている。

なお、駆動入力ラインＩＮＰ上には、並列の双方向ダイオード対からなるインピーダンス変換用のブートストラップ回路５１が設けられている。また、モニタラインＭＮＴと接地ラインＧＮＤとの間には、並列の双方向ダイオード対からなる過電圧保護回路５２が配置されている。さらに、駆動入力ラインＩＮＰ上と接地ラインＧＮＤとの間には、耐ノイズ性向上と駆動入力電圧安定化を図るための抵抗Ｒ２が挿入されている。また、モニタラインＭＮＴ上には、増幅部７への入力インピーダンス調整用の抵抗Ｒ１が挿入されている。増幅部７は、入力上段側から、圧電セラミック振動板に生ずる電荷量変化を電圧変換するチャージアンプ７１と、該チャージアンプ７１の出力電圧を反転増幅する反転増幅部７２とを有する。

図５は、ゼロクロスコンパレータ部９の回路構成例を示すものであり、増幅部７の波形出力の入力信号は、該入力信号をＧＮＤ基準で方形波化する第一コンパレータ９１と、同じく下限振幅（振幅下限値Ｖｓ）を規制しつつ方形波化する第二コンパレータ９２とに分配入力される。第一コンパレータ９１の出力は、セットリセットフリップフロップ（ＲＳＦＦ）回路９３のセット端子に、第二コンパレータ９２の出力は同じくリセット端子に入力され、該セットリセットフリップフロップ（ＲＳＦＦ）回路９３の出力変化エッジをトリガとする形で、単安定回路にて構成されたゼロクロスポイントパルス発生回路９４が、増幅部７からの入力波形のうち振幅Ｖｓを超える半波によるゼロクロスポイントに対応したパルス波形を出力する。このパルス波形は、クロックパルス発生回路９６からのクロック入力と同期して動作するパルスカウンタ回路９５にて計測され、規定数のパルス入力を計数することにより伝播時間の検出信号を出力する。

図６は、各部の動作シーケンスを示すタイミング図である。駆動パルス入力により励起された振動波形の増幅出力（Ｖａ）は、第一コンパレータ９１により方形波化される一方（Ｖｂ１）第二コンパレータ９２は、振幅Ｖｓを閾値とした反転波形にて上記振動波形を方形化する。これにより、第一コンパレータ９１の方形波出力は、振幅Ｖｓを超える半波が入力された場合にのみＲＳＦＦ回路９３によりラッチされ、ゼロクロスポイントパルス発生回路９４へのパルス出力トリガとなる入力エッジを生ずる。本実施形態では、振幅が漸増する初期振動波形の所定順位波のゼロクロスポイント（ここでは、第二正半波のゼロクロスポイント（つまり、波形開始点から３番目のゼロクロスポイント）から認識されるように、第二コンパレータ９２の振幅閾値が定められている。

図４の回路は、以下のように動作する（スイッチの繰り替え駆動は、図１の演算部１１（マイクロコンピュータで構成される）が所定の制御プログラムを実行することにより行なわれる）。まず、上流側超音波送受信部２ａに駆動信号パルスが入力される。このとき、ＳＷ１，ＳＷ７，ＳＷ８がＯＮとなり、ＳＷ３，４，５もＯＮとなる。他方、ＳＷ２，ＳＷ６，ＳＷ９はＯＦＦとなる。これにより、上流側超音波送受信部２ａは駆動端子４３ａにて振動励起され、前述の遅延時間を経てモニタ端子４４ａに駆動モニタ波形が現われる。この波形は、モニタラインＭＮＴ（ＳＷ７）を経て増幅部７からゼロクロスコンパレータ９に入力され、前述のごとく、所定順位波のゼロクロスポイントが特定され、伝播時間検出信号が時間計測回路１０に出力される。時間計測回路１０は、駆動信号の入力タイミングを起点として、モニタ波形の上記ゼロクロスポイントまでの時間ｔ０（図７）を測定する。

上流側超音波送受信部２ａからは上記駆動入力に基づく超音波が被測定媒体中に放出されているので、この波形が下流側超音波送受信部２ｂに到達するまでの間に、ＳＷ７，ＳＷ８をＯＦＦとして、ＳＷ２，ＳＷ６をＯＮとする切り替えを行なう（ＳＷ１，３，４，５はＯＮ状態を．ＳＷ９はＯＦＦ状態を継続する）。これにより、下流側超音波送受信部２ｂの受信波形が駆動ラインＭＮＴ（ＳＷ６）を経て増幅部７からゼロクロスコンパレータ９に入力され、所定順位波のゼロクロスポイントが特定され、伝播時間検出信号が時間計測回路１０に出力される。時間計測回路１０は、駆動信号の入力タイミングを起点として、受信波形の上記ゼロクロスポイントまでの時間ｔｘ（図７）を測定する。これにより、最終的な順方向伝播時間をｔｘ−ｔ０として算出できる。

続いて、上流側超音波送受信部２ａと下流側超音波送受信部２ｂとの送受信関係を入れ替えて同様の測定が行なわれる。すなわち、下流側超音波送受信部２ｂに駆動信号パルスを入力するため、ＳＷ２，ＳＷ７，ＳＷ９がＯＮとなり、ＳＷ３，４，５もＯＮとなる。他方、ＳＷ１，ＳＷ６，ＳＷ８はＯＦＦとなる。これにより、下流側超音波送受信部２ｂは駆動端子４３ｂにて振動励起され、前述と同様に所定順位波のゼロクロスポイントが特定され、伝播時間検出信号が時間計測回路１０に出力される。時間計測回路１０は、駆動信号の入力タイミングを起点として、モニタ波形の上記ゼロクロスポイントまでの時間ｔ０’を測定する。次に、ＳＷ７，ＳＷ９をＯＦＦとして、ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ６をＯＮとする切り替えを行なう（ＳＷ２，３，４，５はＯＮ状態を．ＳＷ８はＯＦＦ状態を継続する）。これにより、上流側超音波送受信部２ａの受信波形のゼロクロスポイントが特定され、伝播時間検出信号が時間計測回路１０に出力される。時間計測回路１０は、駆動信号の入力タイミングを起点として、受信波形の上記ゼロクロスポイントまでの時間ｔｘ’を測定する。これにより、最終的な逆方向伝播時間をｔｘ’−ｔ０’として算出できる。そして、前述の順方向伝播時間ｔｘ−ｔ０を合わせ用いて、周知の方法にて流速（あるいは流量）を算出することができる。

以下、上記本発明の種々の変形例について説明する。
図３Ａの実施形態では駆動パルスは１個のみ入力していたが、駆動波形の均一化及び安定化のために、図３Ｂに示すように、複数個の駆動パルスを連続して入力するようにしてもよい。

また、図８に示すように、駆動端子４３にモニタ端子を統合し、駆動電極２３とモニタ部分電極２５とを、導通接続／絶縁分離との間で切り替えるスイッチＳＷ１０を設けることも可能である。この構成では、駆動入力時には駆動電極２３とモニタ部分電極２５とが導通接続されるようにスイッチＳＷ１０を駆動切り替えすることで、モニタ部分電極２５も駆動電圧の印加を担うことができ、圧電セラミック振動板２１への駆動電圧印加をより均一に行なうことができる。駆動後は直ちにスイッチＳＷ１０を切り替えることで、駆動電極２３とモニタ部分電極２５とを絶縁分離でき、モニタ部分電極２５を介して圧電セラミック振動板２１の振動波形をより明確にモニタリングできる。図９は、この場合の回路構成例である。図４のスイッチＳＷ８，９は省略されており、駆動ラインＩＮＰの一部がモニタラインＭＮＴに共用化されている。

上流側超音波送受信部２ａに駆動信号パルスが入力される場合は、ＳＷ１，ＳＷ７，ＳＷ１０がＯＮとなり、ＳＷ３，４，５もＯＮとなる。他方、ＳＷ２，ＳＷ６，ＳＷ１１はＯＦＦとなる。受信時は、ＳＷ７，ＳＷ１，ＳＷ１０をＯＦＦとして、ＳＷ２，ＳＷ６，ＳＷ１１をＯＮとする切り替えを行なう。また、流側超音波送受信部２ｂに駆動信号パルスが入力される場合は、ＳＷ２，ＳＷ７，ＳＷ１１がＯＮとなり、ＳＷ３，４，５もＯＮとなる。他方、ＳＷ１，ＳＷ６はＯＦＦとなる。受信時は、ＳＷ７，ＳＷ２，ＳＷ１１をＯＦＦとして、ＳＷ１，ＳＷ６，ＳＷ１０をＯＮとする切り替えを行なう（ＳＷ３，４，５はＯＮ状態を継続する）。

図１０の構成では、接地用の配線部を、一端が接地電極２２に接続し、駆動電極２３及びモニタ用部分電極２４のいずれとも絶縁分離された形で圧電セラミック振動板２１の第一主表面に形成された接地用接続パッド３ｐに他端が接続する形で圧電セラミック振動板２１の周側面上に形成された接地用リード層３１ａと、一端が接地用接続パッド３ｐに半田付けされ他端が接地端子４１に半田付けされるワイヤ３１ｂとからなるものとして形成している。なお、接地用接続パッド３ｐとモニタ用部分電極２４とは、駆動電極２２による振動駆動分布の幾何学的バランスを考慮して、圧電セラミック振動板２１の第一主表面の中心（幾何学的重心）位置に関してほぼ点対称の位置関係にて配置されている。

また、図１１の構成においては、ケーシング２９が、底部２８と、該底部２８の周縁から立ち上がる側壁部３０と、該側壁部３０の底部２８と反対側の開口を塞ぐ天面部２９ｔとが互いに導通する金属部材にて形成することができる。天面部２９ｔの内面には、圧電セラミック振動板２１の第一主表面を覆う接地電極２２が導電性接着層４６を介して密着配置され、ケーシング２９を介して接地電極２２が接地されるようになっている。また、天面部２９ｔの外側主表面には、当該天面部２９ｔとの接触側と反対側の主表面に超音波放出面が形成された音響インピーダンス整合層２５が密着配置されている。側壁部３０の内周面にはゴム製の絶縁リングが嵌め込まれ、圧電セラミック振動板２１と底部２８との間の空隙はシリコーン系等のゲル状高分子材料により充填されている。なお接地端子４１は底部２８に一体化される形で突出形成されている。

本発明の適用対象となる超音波流量計の全体構成を示す模式図。 本発明の超音波出力素子の一実施形態を示す縦断面図。 図１の超音波出力素子の電極形態を駆動例とともに示す説明図。 同じく駆動例の第一変形例を示す説明図。 図１の回路部分の詳細を示す図。 図４のゼロクロスコンパレータ回路の構成例を示す回路図。 図５のゼロクロスコンパレータ回路の動作シーケンスを示すタイミング図。 図１の超音波流量計の動作説明図。 図１の超音波出力素子に係る端子接続形態の変形例を駆動例とともに示す説明図。 図８に対応する回路変形例を示す図。 図１の超音波出力素子の第一変形例を示す説明図。 同じく第二変形例を示す説明図。 電極形成形態の変形例を示す図。 圧電セラミック振動板の分極工程の第一例を示す説明図。 同じく第二例を示す説明図。

符号の説明

３ｐ 接地用接続パッド
２０ 隙間
２１ 圧電セラミック振動板
２２，２３ 主電極対
２２ 接地電極
２３ｃ 切欠き領域
２４ モニタ用部分電極
２５ 音響インピーダンス整合層
２５ｃ 凹状部
２６ 絶縁層
２８ 底部
２９ ケーシング
２９ｔ 天面部
３０ 側壁部
３１ ワイヤ（導通経路）
３１ｂ ワイヤ
３１ａ 接地用リード層
３１ｓ 半田付け部
４１ 接地端子
４３ 駆動端子
４６ 導電性接着層

Claims (15)

1. 板厚方向に分極処理された圧電セラミック振動板と、
   該圧電セラミック振動板の各主表面を覆う形で該圧電セラミック振動板を挟んで対向形成され、該圧電セラミック振動板を超音波振動させるための駆動電圧が印加される主電極対と、
   前記主電極対のいずれとも絶縁分離した形で前記圧電セラミック振動板上に形成され、前記駆動電圧の印加に伴い前記圧電セラミック振動板に生ずる超音波振動の圧電モニタリング信号を取り出すためのモニタ用部分電極と、
   を備え、
   前記駆動電圧の電源ラインと前記圧電モニタリング信号の出力ラインとのいずれかに前記モニタ用部分電極を切替可能に接続する切替スイッチが設けられ、
   前記モニタ用部分電極を前記電源ラインに接続することにより、前記駆動電圧を前記主電極対とともに該モニタ用部分電極にも印加し、その後前記切替スイッチを前記圧電モニタリング信号の出力ライン側に切り替えて、前記圧電モニタリング信号を取り出すことを特徴とする超音波出力素子。
2. 前記主電極対は、前記圧電セラミック振動板の第一主表面を覆う接地電極と、同じく第二主表面を覆う駆動電極とからなり、前記モニタ用部分電極は、それら接地電極及び駆動電極のいずれよりも前記圧電セラミック振動板に対する被覆面積が小さく形成されている請求項１に記載の超音波出力素子。
3. 前記駆動電極は前記接地電極よりも前記圧電セラミック振動板に対する被覆面積が小さく形成されており、該圧電セラミック振動板の前記第二主表面の前記駆動電極に覆われていない残余領域に前記モニタ用部分電極が形成されている請求項２に記載の超音波出力素子。
4. 前記モニタ用部分電極は圧電セラミック振動板の前記第二主表面の外周縁領域に形成されている請求項３に記載の超音波出力素子。
5. 前記圧電セラミック振動板が円板状に形成され、前記駆動電極は該圧電セラミック振動板の外周縁に沿う円状の外周縁形状を有するとともに、当該円状の外周縁の一部を半径方向内側に凹状に引っ込ませる形で前記駆動電極の一部が切り欠かれ、その切欠き領域の内側に前記モニタ用部分電極が形成されている請求項４に記載の超音波出力素子。
6. 前記駆動電極側の外周縁は、前記モニタ用部分電極との隣接位置にて、該駆動電極とモニタ用部分電極との間に所定幅の隙間を形成する形で、該モニタ用部分電極の外周縁に倣う形状に形成されている請求項４または請求項５に記載の超音波出力素子。
7. 前記駆動電極とモニタ用部分電極との間に形成される前記隙間の幅が０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とされている請求項６に記載の超音波出力素子。
8. 前記圧電セラミック振動板は、前記駆動電極及び前記モニタ用部分電極の形成された第二主表面側がケーシングの底部内面と対向する形で該ケーシング内に配置され、
   前記ケーシングの底部裏面に突出形成された駆動端子及びモニタ端子に対し、前記駆動電極及び前記モニタ用部分電極がそれぞれ接続されている請求項２ないし請求項７のいずれか１項に記載の超音波出力素子。
9. 前記圧電セラミック振動板と前記ケーシングの底部との間に絶縁層が配置され、前記駆動端子と前記駆動電極及び前記モニタ端子と前記モニタ用部分電極とが、前記絶縁層を貫く個別のワイヤによりそれぞれボンディングされている請求項８に記載の超音波出力素子。
10. 前記接地電極への導通経路が、前記圧電セラミック振動板の前記第二主表面側から該圧電セラミック振動板の側周面を経て前記第一主表面側に回り込む形で形成され、前記ケーシングの底部裏面に突出形成された接地端子に前記接地電極が該導通経路を介して接続されている請求項８または請求項９に記載の超音波出力素子。
11. 前記ケーシングの底部と反対側の開口に望む位置に前記圧電セラミック振動板が配置されるとともに、該開口を塞ぐ形で、前記圧電セラミック振動板との接触側と反対側の主表面に超音波放出面が形成された音響インピーダンス整合層が、前記圧電セラミック振動板の前記第一主表面上に形成された前記接地電極と密着する形で設けられている請求項１０に記載の超音波出力素子。
12. 前記導通経路は、前記圧電セラミック振動板の前記第一主表面側にて一端が前記接地電極に半田付けされるワイヤであり、前記音響インピーダンス整合層の該接地電極との対向面に、前記ワイヤの半田付け部を収容する凹状部が形成されている請求項１１に記載の超音波出力素子。
13. 前記導通経路は、一端が前記接地電極に接続し、前記駆動電極及び前記モニタ用部分電極のいずれとも絶縁分離された形で前記圧電セラミック振動板の第一主表面に形成された接地用接続パッドに他端が接続する形で前記圧電セラミック振動板の周側面上に形成された接地用リード層と、一端が前記接地用接続パッドに半田付けされ、他端が前記接地端子に半田付けされるワイヤとからなり、
    前記接地電極の全面にわたって前記音響インピーダンス整合層が密着配置されている請求項１１に記載の超音波出力素子。
14. 前記ケーシングは、該ケーシングの底部と、該底部の周縁から立ち上がる側壁部と、該側壁部の前記底部と反対側の開口を塞ぐ天面部とが互いに導通する金属部材にて形成され、前記天面部の内面に前記圧電セラミック振動板の前記第一主表面を覆う前記接地電極が導電性接着層を介して密着配置され、当該ケーシングを介して前記駆動電圧が接地される請求項８または請求項９に記載の超音波出力素子。
15. 前記天面部の外側主表面に、当該天面部との接触側と反対側の主表面に超音波放出面が形成された音響インピーダンス整合層が密着配置されている請求項１４に記載の超音波出力素子。

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