WO1997021985A1

WO1997021985A1 - Ultrasonic flowmeter and ultrasonic generator/detector

Info

Publication number: WO1997021985A1
Application number: PCT/JP1996/003629
Authority: WO
Inventors: Akihisa Adachi; Atsushi Watanabe; Toshiharu Sato; Naoko Azuma; Masahiko Hashimoto
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 1995-12-13
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 1997-06-19
Also published as: JP3554336B2; HK1017067A1; KR19990072143A; EP0869337B1; EP0869337A4; CN1104629C; EP1754958A1; EP0869337A1; CN1204398A; KR100852555B1; US6508133B1

Description

明細書

超音波流 _量計及び超音波送受波器

技術分野

本発明は 2個 1対の超音波送受波器を被測定流体の上流側と下流側にそれぞれ配置し、 1つの超音波送受波器から超音波を送信し、他方の超音波送受波器で受信することにより、被測定流体の流量を測定する超 i-波流量計及びそれに用いる超音波送受波器に関するものである。

背景技術

古くから超音波を用いて配管中を流れる流体の流量を計測する技術開発は行われている。超音波流量計としては、計量研究報告 V o 1 . 2 6 , o . 1 , p i —6、「気体用超音波流量計の試作」として記載されている構成が知られている。以下、従来の超音波流量計および超音波送受波器につし、て説明する。

図 2 0は従来の超音波流量計の構成、また図 2 1は従来の気体用超音波送受波器の構成を示すものである。図 2 0において、 5 1は円筒管、 5 2は超音波送受波器 A、 5 3は超音波送受波器 A 5 2を円筒管 5 1に取付ける取付口 A、 5 4は超音波送受波器 Β、 5 5は超音波送受波器 B 5 4を円筒管 5 1に取付ける取付口 B、 5 6は円筒管 5 1中を流れる被測定流体である。図 2 1において 5 7は円筒圧電板、 5 8は整合層、 5 9はリード線である。

以上のように構成された超音波流量計について、以下その構成について説明する。

取付口 A 5 3と取付口 B 5 5を介して円筒管 5 1に対し超音波送受波器 A 5 2と超音波送受波器 B 5 4を斜めに対向させて配置する。超音波送受波器 A 5 2と超音波送受波器 B 5 4の距離を L、円筒管 5 1の長手方向と超咅波の伝搬方向のなす角を、無風状態で超音波が被測定流体 5 6を伝搬する音速を Cとし、被測定流体 5 6の流速を Vとすると、超音波送受波器 A 5 2から照射された超音波が被測定流体 5 6を伝搬し超音波送受波器 B 5 4で受される伝搬時問 t 1は次式でされる。 c - V cos Θ =

tl

(式 1 )

同様に超音波送受波器 B 5 4から照射された超音波が被測定流体 5 6を伝搬し超音波送受波器 A 5 2で受信される伝搬時間 t 2は次式で示される。

L

c - V cosd =—

tl

(式 2 )

上記 2式から被測定流体 5 6の音速 Cを消去すると次式で示される。

1 — 1 — 2Vcos0

n t2 L

(式 3 )

被測定流体 5 6の流速 Vを上式より求めると次式のように示される。

(式 4 )

上式には被測定流体 5 6の音速 Cが含まれていないため、被測定流体 5 6の物質に無関係に流速 Vが求められ、得られた流速 Vと円筒管 5 1の断面積より流量が導出可能となる。また被測定流体 5 6力気体の場合に用いる超音波送受波器は、図 1 2に示すように円筒形状で、円筒圧電板 5 7と 1層の整合層 5- 8からなる。しかしながら上記の従来の構成では、次のような課題がある。

( 1 ) 第 1の課題として、超音波送受波器に用いる圧電板が円筒形で、円板の厚み振動や広がり振動を利用すると、低い周波数を選択した場合、直径が大きくなり、超音波送受波器が大きくなるため超音波流量計を小型化しにくい。また小型な超音波送受波器を用いると周波数を高くしなければならず、超音波の伝搬による減衰の影響が大きくなるうえ超音波流量計の回路のコス卜を増加させてしまう _c そのため、超音波流量計に適した寸法の超音波送受波器を選択すると周波数の選択が制限されてしまう。さらに円板の厚み振動の電気機械結合係数は K t、広がり振動の電¾機械結合係数は K pで、丸棒や角柱の厚み縦振動の電気機械結合係数の K 3 3より小さいため感度が低かった。さらに円筒圧電板 5 7に機械的 Qを低下させるための背面負荷材等の構成材料を¾けていないため、尾引きの長い超音波パルスしか送波できず流量測定時間の短縮が闲難であるという課題を有していた。

( 2 ) 第 2の課題として、円筒管 5 1の断面が円形であるため中心付近の流速 V は速く外側の流速 Vは遅い 2次元の流速分布を持つにもかかわらず、 2個の超音波送受波器を対向させて得られる流速 Vでは、円筒管 5 1の断面全体の流速分布を反映することは難しく、円筒管 5 1の断面の中の測定領域のみの平均流速となる。そして測定した流速 Vから近似式を利用して円筒管 5 1中の流量を求めるため、流速分布の高精度な推定は難しく、そのため高い流量計測精度を得ることが困難であるという課題を有してし、た。

本発明は上記従来技術の課題を解決するもので、超音波送受波器の寸法と周波数の選択の自由度を向上させ、かつ、高感度で、高速応答性で精度が良い、コンパク卜な超音波流量計及び超音波送受波器を提供することを目的とする。

発明の開示

本発明は、流体が流れる所定の幅をおいて配置された 2枚の平行平板に挟まれた流路と、流体流量が測定可能な位 Eに配置された超音波送受波器を備え、上記超音波送受波器は対向する面に電極を設けると共に対向する一方の面を送受波面としてその送受波面を前記流路に臨ませた圧電体を冇し、上記圧電体は送受波而または前記送受波面と対向する面の少なくとも一方を溝で分割すると共に、この分割した [ίιΐに設けた電極の全ての面を導体で電気的に接続した構成を有している。本発明の第 1の形態の超音波流量計は、流路と、この流路中の流体流量を測定する如く配置した超音波送受波器とを備え、上記超音波送受波器は対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面としてその送受波面を f 記流路に臨ませた圧電体を有し、上記圧電体は電極方向の振動を主モードとするようその送受波面の縦及び横の ϋさを設定した構成としてあり、圧電体の I：み縱振動を主モードとして利用するため高感度、高速応答性、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパク卜な超音波流 _最計を得ることができる。

本発明の第 2の形態の超音波流量計は、流路と、この流路中の流体流量を測定する如く配 ί した超音波送受波器とを備え、上記超音波送受波器は対向する面に電極を設けると共に上 fi'己対向する方の而を送受波面としてその送受波而を前記流路に臨ませた圧電体を有し、上記圧電体は送受波面または前記送受波面と対向する面の少なくとも一方を溝で分割するとともに、分割した而に設けた電極の全てを導体で電気的に接続した構成としてあり、溝により厚み縦振動と不要な振動モードを分離できるため、高感度、卨速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパクトな超音波流量計を得ることができる。

上 d第 2の形態の超音波流量計において、電極方向の振動を主モードとする深さの溝で圧電体を分割した構成としたもの、及び溝の深さが送受波面と垂直な方向の厚みに対し 9 0 %以上 1 0 0 %未満としたものは、圧電体を完全に分離しないため圧電体の取り扱いが容易なうえ、厚み縦振動と不要な振動モ- ドが実用するうえで問題ない程度に分離できるため卨感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小 ¾な超昔波送受波器を得ることができ、高精度でコンパク卜な超 f波流量計を得ることができる。

更に第 2の形態の超音波流量計において、溝によって分割されたそれぞれの面の縦および横の長さを電極方向の振動がモードとなるように設定したもの、及び溝によって分割されたそれぞれの面の縦および横の長さ厚みに対する比を全て 0 . 8以下としたものは、厚み縦振動と不要な振動モードが実用するうえで問題ない程度に分離できるうえ ©み縦振動を主モードとして利用できるため、高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、精度でコンパク卜な超音波流 ift計を得ることができる。

また第 2の形態の超音波流傲^において、圧 ^体に設ける溝を複数としたものは、さらに周波数や寸法の選択幅が広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパク卜な超音波流量計を得ることができる。

本発明の第 3の形態の超音波流量計は、流路と、この流路中の流体流量を測定する如く配置した超音波送受波器とを備え、上記超音波送受波器は対向する面に電極を設けると共に上記対向する -方の面を送受波面としてその送受波而を前記流路に臨ませた複数の圧 ¾体を有し、この各圧電体の送受波面および前記送受波面と対向する面に設けた各電極をそれぞれ導体で接続した構成としてあり、複数の分離された圧電体を有するため、不要な振動モードの影響が少なくなるため高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパク卜な超音波流量計を得ることができる。

上記第 3の形態の超音波流量計において、各圧電体のそれぞれの面の縦および横の全ての長さを、電極方向の振動が主モードとなるように設定したもの、及び各圧電休の送受波面の縦及び横の長さの厚みに対する比を全て 0 . 8以下としたものは、厚み縦振動を主モードとして利用できるため高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパク卜な超音波流量計を得ることができる。

本発明の第 4の形態の超音波流量計は、第 1から第 3の形態の超音波流量計において、電極に垂直な方向に分極された複数の ί£電体を分極方向が互いに反対となるように積層し、この積屑してなる圧電体の前記電極方向の振動を主モ一ドとする構成としてあり、超音波送受波器の電気的インピーダンスを小さくできるためノイズに対して強い特性を得ることができ、さらに高精度な超音波流量計を得ることができる。

本発明の第 5の形態の超音波流量計は、第 1から第 4の形態の超音波流 ift計において、その流路は所定の位置に所定の幅の隙間を有し、所定の幅をおいて配置された 2枚の平行平板に挟まれた構成としてあり、流路の断面形状を長方形にすることにより流路断面内での流速分布を単純化でき、得られた流速より流量を高精度に導出できることが可能となり、さらに高精度な超波流量計を得ることができる。 fi

本発明の第 6の形態の超音波流量計は、第 1から第 5の形態の超音波流量計において、一対の超音波送受波器の送受波面を相対向する位置に配置した構成としてあり、一対の超音波送受波器の位 ffi合わせが容易となり、さらに高精度な超咅波流量計を得ることができる。

本発明の第 7の形態の超音波流量計は、第 1から第 6の形態の超音波流量計において、導体は超音波送受波器から送波される超音波の波長に比べて十分薄い導体を用いた構成としてあり、超音波送受波器の特性に影響を与えずに電極を接続でき、かつ圧電体の取り扱いも容易となるため、高感度な小型な超音波送受波器が得られ、さらに高精度な超音波流量計を得ることができる。

本発明の第 8の形態の超音波流 S計は、第 1から第 7の形態の超音波流量計において、超音波送受波器の送受波面上に音響整合層を具備させた構成としてあり、被測定流体との超音波の送受信が容易になるため、高感度な超音波送受波器が得られ、さらに高精度な超音波流量計を得ることができる。

本発明の第 9の形態の超音波流量計は、第 1から笫 8の形態の超音波流量計において、超音波送受波器の送受波面と相対向する面に背面負荷材を具備させてあり、残響時間の短い超音波パルスが送受信可能な超音波送受波器が得られ、さらに高精度な超音波流量計を得ることができる。

本発明の第 1の形態の超音波送受波器は、対向する面に' 極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面とした圧電体を備え、上記圧電体の送受波面の縦及び横の長さの厚みに対する比を共に 0 . 6以下とした構成としてあり、圧電体の厚み縦振動を主モードとして利用するため高感度、高速応答性、小型な超音波送受波器を得ることができる。

本発明の第 2の形態の超音波送受波器は、対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面とした圧電体を備え、上記圧電体は送受波面または fill記送受波面と対向する面の少なくとも一方を溝で分割し、前記溝の深さは電極を設けた面で挟まれた厚みに対し 9 0 %以上 1 0 0 %未満とすると共に、上₍ 溝により分割された面の全ての電極を導体で^気的に接続した構成としてあり、溝により厚み縦振動と不要な振動モ-ドを分離できるため、高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができる。上記第 2の形態の超音波送受波器において、溝を複数設けたものは、さらに周波数や寸法の選択幅が広い、小型な超音波送受波器を得ることができる。

上記第 2の形態の超音波送受波器において、溝によって分割されたそれぞれの面の縦および横の長さの厚みに対する比を全て 0 . 6以下としたものは、厚み縦振動と不要な振動モードが実用するうえで問題ない程度に分離できるうえ厚み縦振動を主モ-ドとして利用できるため、高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広、、小型な超音波送受波器を得ることができる。

本発明の第 3の形態の超音波送受波器は、対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面とした複数個の圧電体を備え、各圧電休の送受波面の縦及び横の長さの厚みに対する比を全て 0 . 6以下とすると共に、上記送受波面の各電極および上記送受波面と対向する面の各電極をそれぞれ導体で接続した構成としてあり、複数の分離された圧電体を用いるため不要な振動モ- ドの影響をあまり受けずに厚み縱振動を主モードとして利用できるため、高感度、《速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器をる.ことができる。

本発明の第 4の形態の超音波送受波器は、第 1から第 3の形態の超音波送受波器において、電極に垂直な方向に分極された複数の圧電体を分極方向が互いに反対となるように積層し、この積層してなる圧電体の前記電極方向の振動を主モードとする構成とてしてあり、超音波送受波器の気的インピーダンスを小さくできるためノィズに対して強、超音波送受波器を得ることができる。

本発明の第 5の形態の超音波送受波器は、第 1から第 4の形態の超音波送受波器において、導体は超音波送受波器から送波される超音波の波長に比べて十分薄い導体を用いた構成としてあり、超音波送受波器の特性に影響を' えずに 'ill極を接続でき、かつ圧電休の取り扱いも容易となるため、高感度な小型な超音波送受波器を得ることができる。本発明の第 6の形態の超音波送受波器は、第 1から第 5の形態の超音波送受波器において、超音波送受波器の送受波面上に音響整合層を具備させた構成としてあり、被測定流体との超音波の送受信が容易になるため、高感度な超音波送受波器を得ることができる。

本発明の第 7の形態の超音波送受波器は、第 1から第 6の形態の超音波送受波器において、超音波送受波器の送受波面と相対向する面に背面負荷材を具備させた構成としてあり、残響時間の短、超音波ぐルスが送受信可能な超音波送受波器を得ることができる。

図面の簡単な説明

図 1は本発明の第 1の実施例における超音波流量計の構成を示す図である。図 2は同第 1の実施例における流路に対する超音波送受波器の配置を示す図である。

図 3は同第 1の実施例における超音波送受波器の構成を示す図である。

図 4は同第 2の実施例における超音波送受波器の構成を示す図である。

図 5は同第 3の実施例における超音波送受波器の構成を示す図である。

図 6は同第 4の実施例における超音波送受波器の構成を示す図である。

図 7は同第 5の実施例における超音波送受波器の構成をす図である。

図 8は同解析に用いた圧電体の構成を示す図である。

図 9は同第 6の実施例における有限要素法によるインピーダンス解析結果を示す図である。

図 1 0は同第 6の実施例における流路断而を示す図である。

図 1 1は同第 6の実施例における 2本の溝を構成した圧 ig体を示す図である。

1 2は同第 6の実施例における 3本の溝を構成した圧 ¾体を示す図である。図 1 3は同第 6の実施例における有限要素法によるインビーダンス解析結果を示す図である。

図 1 4は同第 6の実施例における溝を設けた圧電体のインピーダンス測定結果を示す図である。図 1 5は同第 6の実施例における超音波送受波器の外観構成を示す図である。図 1 6は同第 6の実施例における超音波送受波器の断面構成を示す図である。図 1 7は同第 6の実施例における超音波送受波器の超音波パルスを示す図である。

図 1 8は同第 3の実施例における超音波送受波器の変形例の外観構成を示す図である。

図 1 9は同第 4の実施例における超音波送受波器の変形例の外観構成を示す図である。

図 2 0は従来の超音波流量計の構成を示す図である。

図 2 1は従来の気休用超音波振動子の構成を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の第 1の実施例について、図面を参照しながら説明する。

( 1 ) 実施例 1

図 1は本発明の第 1の実施例における超咅波流量計の流量検出部の概略図である。図 1において、 1は被測定流体である空気、 2は空気 1が流速 Vで流れる流路、 3、 4、 5、 6は流路 2を構成する上板、底板、側板 A、側板 B、 7は側板 A 5に配置した超音波送受波器 A、 8は側板 B 6に配置した超咅波送受波器 B、 9は流路 2の入口側、 1 0は流路 2の出口側である。また、図 2は図 1を真上から見た図であり、超音波送受波器の配置位置を示す。

以上のように構成された超音波流量計の流量検出部の作製方法の一例について図 1、図 2を用いて簡単に説明する。流路 2を構成する上板 3、底板 4、側板 A 5、側板 B 6に用いる材料は被測定流体に対して化学変化を生じない材質の平板を用いる。本実施例では被測定流体を例えば空 1としたため、上記条件に適合し絶体である材質としてァクリル板を選択した。側板 A 5および側板 B 6はあらかじめ超音波送受波器を取付ける角度を考えて斜めに二分割しておく。二分割した側板 A 5、側板 B 6を底板 4上に例えばエポキシ樹脂系接着剤で超波送受波器を取付ける幅の溝ができるよう接着する。この時溝幅と等しい幅で側板 A 5 )0 および側板 B 6に設ける両方の溝を貫通する長さの例えばテフロン製の角棒を位置決め棒として側板 A 5、側板 B 6に設ける溝に超音波送受波器のかわりに挿入しておく。側板 A 5および側板 B 6の上方に上板 3を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着し、流路 2を構成する。あらかじめ挿入しておいた位置決め棒を取り除き、側板 A 5の溝に超音波送受波器 A 7、側板 B 6に超音波送受波器 B 8を挿入する。超音波送受波器 A 7と超音波送受波器 B 8は流路 2の中心に対して対称で、上板 3に対し平行となる位 ©にエポキシ樹脂系接着剤で接着固定する。ただし超音波送受波器 A 7と超音波送受波器 B 8は流路 2内の突起物とならないように側板 A 5および側板 B 6に配匿する。また流路 2内を流れる空気 1が側板に設けた溝と超音波送受波器の間にできた隙問から漏れないように接着剤を注入し、密閉する。

以上のように構成された超音波流量計の流量検出部に用いる超音波送受波器の作製方法の一例を図 3を用いて簡単に示す。超音波送受波器の電¾信号と機械振動の変換を行う圧電板 1 1は形状および寸法により複数の振動モードを有し、これら複数の振動モードのうち最も効率の良い振動モ- ドは厚み縦振動であり、厚み縦振動を主モードとして用いると感度の高い超音波送受波器が得られる。

ここで圧電板 1 1の送受波面となる面の縦及び横の長さと厚みとの寸法関係を検討すべく有権要素法を用いた圧電解析を行った結果、圧電板 1 1が e方体で超音波送受波面の形状が長方形の場合、圧電板 1 1の送受波面の縦及び横の長さが厚みよりも小さければ良いが、これは厚みに対する縦の比が 0 . 6以下で、かつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以下の条件を満足するとき圧電板 1 1は不要な振動モードの影響を受けずに最も効率良く厚み縦振動ができることがわかった。例えば圧電セラミックからなる上記形状の圧電板 1 1の上 Ιίιίと下面に例えば銀焼き付けで形成した電極面にリード線】 4をハンダ付けする。次に空気 1と [ 電板 1 1 の音響的整合を取り超音波を効率良く空気 1に ίム搬させるため Γ ' 板 1 1の上 [ίΐί に例えばポリオレフィン系微多孔膜からなる整合層 1 2を例えばエポキシ系接着剤を用い接若する。また尾引きが短く立ち上がりのはやい超音波パルスを得るため、圧電板 1 1の下而には例えばフェライ卜ゴムからなる背面負荷材 1 3を例えばエポキシ系接着剤を用い接着し、超音波送受波器を作製する。

以上のように構成された流量検出部を用いた超音波流量計についてその動作を説明する。側板 A 5と側板 B 6に配置した超音波送受波器 A 7と超音波送受波器 B 8の中心を結ぶ線と流路 2の長手方向となす角を、超音波送受波器 A 7と超音波送受波器 B 8の距離を Lとする。超音波送受波器 A 7と超音波送受波器 B 8 は、リード線 1 4を介して図示されていない送信部、受信部および流量解析部に接絞されている。また流路 2の上板 3と底板 4の間隔である高さと圧電体 1 1の超音波送受波面の少なくとも短辺の長さは等しいとする。

被測定流体である空気 1は入口側 9から流路 2內に流れ込み出口側 1 0から流出する。断面形状が長方形の流路 2内を流れる空気 1の流速分布は、断面形状が円板に比べると単純で、高さ方向の分布は少なく短軸方向に分布を持つ。流路 2 内での空気 1の流速を V、無風状態での空気 1の音速を Cとすると、従来の技術で示したように超音波送受波器 A 7から送波された超音波が空気 1を伝搬し超音波送受波器 B 8で受信される時間 t 1は式 1で示される。同様に超音波送受波器 B 8から照射された超音波が空気 1を伝搬し超音波送受波器 A 7で受信される伝搬時間 t 2は式 2で示される。式 1、式 2から空気 1の音速 Cを消去すると式 3 で示される。空気 1の流速 Vを上式より求めると式 4のように示される。

超音波送受波器 A 7から超音波を送波し超音波送受波器 B 8で受信、超音波送受波器 B 8から超音波を送波し超音波送受波器 A 7で受信を繰り返し行い、上式を用い空気 1の流速 Vを測定し、図示されていない流量解析部にて流量を導出できる。

ここで、超音波送受波器 A 7および超音波送受波器 B 8の超音波放射面、即ち送受波面の短辺と流路 2の高さは等しいため、超音波送受波器 A 7と超音波送受波器 B 8で送受信された超音波は、流路 2の高さ方向の流れに関するすべての情報を得ることができる。このため流路 2に流れに分布や乱れがあつてもその影響を解消することが可能となる。以上のように本実施例によれば、断面形状が長方形の流路 2に、厚みに対する縦の比が 0 . 6以下でかつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以下の圧電板 1 1と整合 Wl 1 2と背面負荷材 1 3からなる超音波送受波器 A 7と超音波送受波器 B 8を対向させて配置させることにより、流路 2内を流れる空気 1の流量を短時間で高精度に測定することができる。

なお、第 1の実施例において被測定流体を空気としたが、被測定流体は空気以外の気体および液体でも良い。また流路 2の断面形状を長方形としたが、円形状でもよく、あるいは上板 3と底板 4が平行で側板 A 5と側板 B 6は平行である必要はない。また流路 2の高さと送受波面の短辺は等しいとしたが、必ずしも等しい必要はない。また超音波送受波器は超音波流量計の流量検出部に用いるとしたカ^開空問で用いる空中用や水中用の超音波送受波器として用いても良い。また、背面負荷材 1 3を設けるとしたが、低電圧で駆動するような条件下でさらに高感度な超 f波送受波器が必要な場合は背面負荷材 1 3は設ける必要はない。また、圧電板 1 1の超音波送受波面および対向する面の電極は全面にある必要はない。また、整合層 1 2はポリオレフィン系多孔膜としたが、被測定流体に適した音響整合材料ならなんでも良い。また、背面負荷材 1 3はフェライ卜ゴムとした力不要な振動の減袞効果が得られる材料ならなんでも ^い。

( 2 ) 実施例 2

以下、本発明の第 2の実施例について、図面を参照しながら説明する。

図 4は本発明の第 2実施例における超音波流量計に用いる超音波送受波器の構成概略図である。図 4において、 1 8は整合層、 1 9は背面負荷材、 2 0はリ— ド線で、以上は図 3の構成と同様なものである。図 3の構成と異なるのは、厚みに対する縦の比又は厚みに対する幅の比のどちらか一方が 0 . 6以上である圧電板 1 5に対し、厚みの 9 0 %以上で 1 0 0 %未満の深さの溝 1 6を設け極面の形状が厚みに対する縦の比が 0 . 6以下でかつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以下となるよう圧電板 1 5を 2分割した点と、 2分割された電極が分割前と同様に 1 枚の電極となるよう導体 1 7に ¾気的に接続した点と、溝 1 6に液休および固体等の物質を充填しなし、点である。

上記のように構成された超音波送受波器の作製方法の一例を図 4を用い簡単に説明する。コンパクトな超音波流量計を構築しょうとすると、超音波送受波器に許される寸法は小さくなる。しかし超音波送受波器の特性を考えると可能なかぎり大きな圧電板を用いることが望ましく、例えば流路 2の高さと超音波送受波面の少なくとも流路の高さに対応する 1辺の長さが等しい長方形の例えばセラミックからなる圧電板 1 5を選択することがある。このため使用周波数ゃ流路 2 の高さによっては圧電板 1 5は厚みに対する縦の比が 0 . 6以下でかつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以下であるとは限らない。しかし厚みに対する縦の比が 0 . 6以上あるいは厚みに対する幅の比が 0 . 6以上の圧電板 1 5を用いると、厚み振動と他の振動モ-ドが混在し特性が悪化する。そこでこの実施例では厚み振動と他の振動モ—ドを分離するため、圧電板 1 5を分割して厚み振動と他の振動モ ―ドを分離してある。圧電板の厚みに対し 9 0 %以上の深さの溝を設ければ、圧電板が完全に分割している場合とほぼ等しい効果が得られるので、圧電板 1 5の取り扱いを考慮し、例えばダイザで厚みに対し深さが 9 0 %以上で 1 0 0 %未満の溝 1 6を一本加工する。ただし溝 1 6は 2分割された圧電板 1 5の電極が設けてある各面の厚みに対する縦の比が 0 . 6以下でかつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以下となる位置に加工する。

次に圧電板 1 5の 2分割された面と例えば厚み 0 . 0 2 m mで面積が圧電板 1 5とほぼ等しい銅箔からなる導体 1 7を加圧しながら例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着する。接着層が薄ければ、圧' 板 1 5の電極と導体 1 7は^気的接続が得られる。なお横方向の振動の結合を避けるため、溝 1 6には液体および固体等の物質を充填しない。導体 1 7と圧電板 1 5の未分割面にリ一ド線 2 0を例えばハンダ付けする。導体 1 7と例えばフヱライトゴムからなる背面負荷材 1 9を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着する。また圧電板 1 5の未分割面と例えばポリォレフィン系微多孔膜からなる整合層 1 8を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着し超音波送受波器を作製する。以上のように作製した超音波送受波器は、溝 1 6により圧電板 1 5は厚み縦振動を主モードとするため高感度となる。さらに整合層 1 8と背面負荷材 1 9が配置されているため、尾引きが短く立ち上がりの早い超音波パルスを送信することが可能となる。

超音波流量計の流量検出部の作製方法、および超音波送受波器 A 7と超音波送受波器 B 8を用いた断面形状が ϋ方形の流路 2を流れる空気 1の流量を測定する超音波流量計の動作方法は実施例 1 と同様になるため省略する。

以上のように本実施例によれば、厚みに対する縦の比が 0 . 6以上あるいは厚みに対する幅の比が 0 . 6以上の直方体の圧電板 1 5に対し、厚みの 9 0 %以上で 1 0 0 %朱満の溝 1 6を設け、圧電板 1 5の一方の電極面が厚みに対する縦の比が 0 . 6以下でかつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以下となるよう 2分割した圧電板 1 5を用いることにより高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅が広、小型な超音波送受波器が得られ、流路 2內を流れる空気 1の流量を短時間で高精度に測定することができる。

なお、第 2の実施例において、圧電板 1 5の超音波送受波面の厚みに対する縦の比が 0 . 6以上あるいは厚みに対する幅の比が 0 . 6以上としたが、この送受波面の縦及び横寸法は電極方向の振動が主モードとなるような寸法であればよく、厚みに対する縦の比が 0 . 6以上かつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以上でも構わない。また溝の深さも電極方向の振動が主モ一ドとなるような寸法で有れば任意に設定できる。そしてこの送受波面の縦及び横寸法と溝の深さは以下に述べる各実施例においても同様である。

加えて溝 1 6は 1本としたが 2本以上でも構わない。また圧' 板 1 5の分割した電極に銅箔を接剤で接着するとしたが、導電性のリ一ド線をハンダ付けしたり波長に比べて薄い導体 1 7と導電性ペ-スト等を用い分割した圧電板 1 5の^ 極の電気的接続を行っても良 t、。また圧 ΐί板 1 5の 2分割した而に接した導体 1 7を背面負荷材 1 9と接着するとしたが、導体 1 7を整合) l 8と接着しても良い。また超音波送受波器は超音波流量,汁の流量検出部に用いるとしたが、開空間で用いる空中用や水中用の超音波送受波器として用いても良い。また横方向の振動の結合を避けるため溝 1 6には液体および固体等の物質を充填しないとしたカ^ 圧電板の機械的強度を増加させるため比較的振動の伝わりにくい例えばシリコンゴムを溝 1 6に充填しても良い。

また流路 2の高さと超音波送受波面の少なくとも流路の高さに対応する 1辺の長さが等しいとした力必ずしも等しい必要はない。また、背面負荷材 1 9を設けるとしたが、低電圧で駆動するような条件下でさらに高感度な超音波送受波器が必要な場合は背面負荷材 1 9は設ける必要はない。また、圧電板 1 5の超音波送受波面および対向する面の電極は全面にある必要はない。また圧電板 1 5を直方体としたが、円筒形でも同様の効果は得られる。また溝 1 6は厚み縦振動と不要な振動モードを分離できるなら、圧電体 1 5の電極を設けた面に対し垂直な方向に設ける必要はない。また、整合層 1 8はポリオレフイン系多孔膜としたが、被測定流体に適した音響整合材料ならなんでも良い。また、背面負荷材 1 9はフエライトゴムとした力く、不要な振動の減衰効果が得られる材料ならなんでも良い。 ( 3 ) 実施例 3

以下、本発明の笫 3の実施例について、図面を参照しながら説明する。

図 5は本発明の第 3の実施例における超音波流量計に用いる超音波送受波器の構成概略図である。図 5において、 2 5は整合屑、 2 6は背面負荷材、 2 7はリ一ド線で、以上は図 3の構成と同様なものである。図 3の構成と異なるのは、厚みに対する縦の比が 0 . 6以上かつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以上の圧電板 2 1に対し厚みの 9 0 %以上で 1 0 0 %未満の深さの溝 A 2 2と溝 B 2 3を電極面の形状が厚みに対する縦の比が 0 . 6以下でかつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以下となるよう十字に交 ¾するように設けた点と、分割された¾極が分割前と同様に 1枚の電極となるよう導体 2 4に電気的に接続した点と、溝 A 2 2および溝 B 2 3に液体および固体等の物質を充填しない点である。

上記のように構成された超音波送受波器の作製方法の一例を図 5を用い簡単に説明する。コンパク卜な超音波流量計を構築しょうとすると、超^波送受波器に許される寸法は小さくなる。しかし超音波送受波器の特性を考え可能なかぎり大きな圧板を用いることが望ましく、例えば流路 2の高さと超音波送受波面の 2 辺の長さが等しい正方形の例えば圧電セラミック力、らなる圧電板 2 1を選択することがある。使用周波数ゃ流路 2の高さによっては電板 2 1は、厚みに対する縦の比が 0 . 6以下でかつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以下であるとは限らない。しかし厚みに対する縦の比が 0 . 6以上かつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以上の圧電板 2 1を用いると、厚み振動と他の振動モードが混在し特性が悪化する。そこでこの実施例でも厚み振動と他の振動モ-ドを分離するため、圧電板 2 1を分割して厚み振動と他の振動モードを分離してある。圧電板の厚みに対し 9 0 %以上の深さの溝を設ければ、圧電板が完全に分割している ¾合とほぼ等しい効果が得られるので、 [Bg板 2 1の取り扱いを考慮し、例えばダイサで厚みに対し深さが 9 0 %以上で 1 0 0 %未満の溝 A 2 2および溝 B 2 3を加工する。ただし溝 A 2 2および溝 B 2 3は圧電板 2 1の一方の電極面の中心付近で交差させ、 4分割された全ての電極面が厚みに対する縦の比が 0 . 6以ドでかつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以下となるようするよう十字に加工する。ただし横方向の振動の結合を避けるため、溝 A 2 2および溝 B 2 3には液体および固体等の物質を充填しない。

次に圧電板 2 1の 4分割された面と例えばみ 0 . 0 2 m mで面積が圧電板 2 1とほぼ等しい銅箔からなる導体 2 4を加圧しながら例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着する。接着層が薄ければ、圧電板 2 1の電極と導体 2 4は電気的接続が得られる。なお横方向の振動の結合を避けるため、溝 A 2 2および溝 B 2 3には液体および固体等の物質を充填しない。導体 2 4と圧電板 2 1の未分割面にリド線 2 7を例えばハンダ付けする。導体 2 4と例えばフユライトゴ厶からなる ΐϊ 面負荷材 2 6を例えばエポキシ樹脂系接剂で接着する。また圧電板 2 1の未分割面と例えばポリオレフィン系微多孔胶からなる整合層 2 5を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着し超音波送受波器を作製する。

以上のように作製した超音波送受波器は、溝 A 2 2および溝 B 2 3により圧電板 2 1は厚み縦振動を主モードとするため高感度となる。さらに整合層 2 5と背面負荷材 2 6が配されているため、 S引きが短く立ち上がりの早い超音波パルスを送信することが可能となる。

超音波流量計の流量検出部の作製方、および超竒波送受波器 A 7と超音波送受波器 B 8を片 jいた断面形状が長方形の流路 2を流れる空気 1の流量を測定する超 -波流 _ 計の動作方法は実施例 1と同様になるため省略する。

以上のように本実施例によれば、厚みに対する縦の比が 0 . 6以上かつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以上の圧電板 2 1に対し、厚みの 9 0 %以上で 1 0 0 %未満の深さの溝 A 2 2と溝 B 2 3を電極面の形状が厚みに対する縦の比が 0 . 6以下でかつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以下となるよう十字に交差するように設けることにより高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅が広い小型な超音波送受波器が得られ、流路 2内を流れる空気 1の流量を短時間で高精度に測定することができる。

なお、第 3の実施例において、圧電板 2 1の超音波送受波面を正方形としたが、長方形でも円筒形でも構わない。また圧電板 2 1の分割した電極に銅箔を接着剂で接着するとしたが、リ一ド線をハング付けしたり波長に比べて薄い導体 2 4と導電性ペスト等を用い分割した圧電板 2 1の電極の電気的接続を行っても良い。また圧電板 2 1の 4分割した面に接着した導体 2 4を背面負荷材 2 6に接着するとしたが、導体 2 4を整合層 2 5と接着しても良い。また超音波送受波器は超音波流量計の流量検出部に用いるとしたが、開空間で用いる空中用や水中用超音波送受波器として用いても良い。また溝 A 2 2および溝 B 2 3には液体および固休等の物質を充填しないとしたが、圧電板の機械的強度を¾加させるため比較的振動の伝わりにく、例えばシリコンゴムを溝 A 2 2および溝 B 2 3に充填しても良い。

また流路 2の高さと超音波送受波面の 2辺の長さが等しいとしたが、必ずしも等しい必要はない。また、背面負荷材 2 6を設けるとしたが、低電圧で駆動するような条件下でさらに高感度な超音波送受波器が必要な場合は背面负荷材 2 6は設ける必要はない。また、圧電板 2 1の超音波送受波面および対向する面の電極は全面にある必要はない。また溝 A 2 2および溝 B 2 3は厚み縦振動と不要な振動モードを分離できるなら、圧¾£体 2 1の電極を設けた面に対し垂直な方向に設ける必要はない。また、整合 ¾ 2 5はポリオレフィン系多孔膜とした力く、被測定流体に適した音響整合材料ならなんでも良い。また、背面負荷材 2 6はフェライトゴムとしたが、不要な振動の減衰効果が得られる材料ならなんでも良い。 ( 4 ) 実施例 4

以下、本発明の第 4の実施例について、図面を参照しながら説明する。

図 6は本発明の第 4の尖施例における超音波流量計に用いる超音波送受波器の構成概略図である。図 6において、 3 3は整合層、 3 4は背面負荷材、 3 5はリード線で、以上は図 3の構成と同様なものである。図 3の構成と異なるのは、厚みに対する縦の比が 0 . 6以下でかつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以下で厚みの等しい 2枚の圧電板 A 2 8と圧電板 B 2 9を ^面負荷材 3 4上に互いに接触しないように隙間 3 0を設けて配置する点と、圧電板 A 2 8と圧電板 B 2 9の超音波送受波面側と背面負荷材側のそれぞれに導体 A 3 1と導体 B 3 2を電気的に接続した点と、隙問 3 0には液体および固体等の物質を充填しない点である。

上記のように構成された超音波送受波器の作製方法の一例を図 6を用いて説明する。コンパクトな超音波流量計を構築しょうとすると、超音波送受波器に許される寸法は小さくなる。しかし超音波送受波器の特性を考え可能なかぎり大きな圧電板を用いることが望ましいため、例えば厚みに対する縦の比が 0 . 6以上でみに対する幅の比が 0 . 6以下の直方体の例えば圧電セラミックからなる圧電板を選択することがある。このような形状の圧電板は厚み振動と他の振動モードが混在し特性が悪化する。そこでこの実施例でも圧 VE板を 2分割して厚み振動と他の振動モドの分離してある。実施例 2および実施例 3では^み振動と他の振動モードの分離と !£電板の取り扱いを考慮して圧電板を全に分割しないとした t、圧電板を完全に分割したほうが厚み振動と他の振動モードの分離が完全に行えるので本実施例では圧電板を完全に分割する。例えば厚みに対する縦の比が 0 . 6以上で厚みに対する幅の比が 0 . 6以下の直方体の圧電セラミックからなる圧電板に対し、圧電板の電極より大きな寸法の例えば厚みが 0 . 0 2 m mの銅箔からなる導体 B 3 2を加圧しながら例えばェポキシ樹脂系接着剤で接着する。接着層が薄ければ、圧電板の電極と導体 B 3 2は ΐ¾気的接続が得られる。導体 Β 3 2と例えばフェライ卜ゴムからなる背面負荷材 3 4を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着する。圧電板からはみ出している導体 Β 3 2の一部を折り曲げ背面負荷材 3 4の側面に例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着する。背面負荷材 3 4と一体となった圧電板を例えばダイザで完全に 2分割する。ただし形成された圧電板 A 2 8と圧電板 B 2 9が厚みに対する縦の比が 0 . 6以下でかつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以下となるように分割する。また導体 B 3 2の折り曲げた部分は完全に切断しない。圧電板 A 2 8と圧電板 B 2 9の上方に例えば厚みが 0 . 0 2 m mの銅箔からなる導体 A 3 1を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着する。なお横方向の振動の結合を避けるため、隙間 3 0には液体および固体等の物質を充填しない。導休 A 3 1と導体 B 3 2にリ—ド線 3 5を例えばハンダ付けする。導体 A 3 1に例えばポリオレフィン系微多孔膜からなる整合層 2 5を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着し超音波送受波器を作製する。以上のように作製した超音波送受波器は、圧電板 A 2 8と圧電板 B 2 9は隙間 3 0だけ離れて配置されているため、不要な振動モードの影響を受けにくく厚み縦振動を主モードとするため高感度となる。さらに整合層 3 3と背面負荷材 3 4 が配置されているため、尾引きが短く立ち上がりの早い超音波パルスを送信することが可能となる。

超音波流量計の流量検出部の作製方法、および超音波送受波器 A 7と超音波送受波器 B 8を用いた断面形状が長方形の流路 2を流れる空気 1の流量を測定する超音波流 S計の動作方法は実施例 1と同様になるため省略する。

以上のように本 ¾施例によれば、厚みに対する縦の比が 0 . 6以上で^みに対する幅の比が 0 . 6以下の圧電板を厚みに対する縦の比が 0 . 6以下でかつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以下の 2枚の£電板 A 2 8、圧電板 B 2 9に分割より高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅が広い小型な超音波送受波器が得られ、流路 2内を流れる空気 1の流を短時間で高精度に測定することができる。なお、第 4の実施例において、 Ι¾ίみに対する縦の比が 0 . 6以ヒで厚みに対する幅の比が 0 . 6以下の圧電板を用いたが、厚みに対する縦の比が 0 . 6以下で厚みに対する幅の比が 0 . 6以上あるいは厚みに対する縦の比が 0 . 6以上かつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以上の圧電板を用いても良い。また、圧電板 A 2 8 と圧電板 B 2 9の 2枚に分割するとしたが、 3枚以上に分割しても構わない。また 1枚の圧電板を背面負荷材 3 4に接若した後分割して用いるとしたが、厚みの等しい 2枚以ヒの圧電板を背面負荷材 3 4に接着しても良い。また圧電板 A 2 8 と圧電板 B 2 9に銅箔を接着剤で接着するとしたが、リ一ド線をハンダ付けしたり導電性ペースト等の導体 A 3 1と導体 B 3 2を用いて電気的接続を行っても良い。また隙間 3◦には液体および固体等の物質を充坊しないとしたが、圧電板の機械的強度を増加させるため比較的振動の伝わりにくい例えばシリコンゴ厶を隙間 3 0に充填しても良い。また超音波送受波器は超音波流量計の流量検出部に用いるとしたが、開空問で用いる空中用や水中用超音波送受波器として用いても良い。

また、流路 2の卨さと少なくとも超音波送受波面の流路 2の高さに対応する辺の長さは等しいことが Sましいが、等しくなくてもよい。また、背面負荷材 3 4 を設けるとしたが、低電圧で駆動するような条件下でさらに高感度な超音波送受波器が必要な場合は背面負荷材 3 4は設ける必要はない。また、圧電板 A 2 8あるいは圧電板 B 2 9の超†'i波送受波面および対向する而の^極は全面にある必要はない。また隙間 3 0は厚み縦振動と不要な振動モードを分離できるなら、圧電板 A 2 8あるいは圧^板 B 2 9の電極を設けた面に対し垂 ϊな方向に設ける必要はない。また、 1£電板 A 2 8と圧 ΐ{板 B 2 9は厚み縦振動する圧電板であればたとえば円柱形状の複数の圧電体を用いてもよい。また、整合層 3 3はポリオレフイン系多孔膜とした力、被測定流休に適した音響整合材料ならなんでも良い。また、背面負荷材 3 4はフライトゴムとしたが、不要な扳動の減 ¾効果が得られる材料ならなんでも良い。

( 5 ) 実施例 5

以下、本発明の第 5の実施例について、図面を参照しながら説明する。

[¾] 7は本発明の第 5の突施例における超波流量計に用いる超音波送受波器の構成概略図である。図 7において、 3 9は整合層、 4 0は背而荷材で、以上は図 3の構成と同様なものである。図 3の構成と異なるのは、圧電板が厚みの等し Iヽ 3枚の圧電板を積層して構成されかつ積層した圧 ¾板の全体の厚みに対する縦の比が 0 . 6以下でかつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以下でかつ 3枚の圧電板の分極方向が互いに反対となるよう配置してある点と、 3枚の圧電板の電極が 1枚おきに同電位となるようにリード線 A 4 1とリード線 B 4 1を設けた点である。上記のように構成された超音波送受波器の作製方法の一例を図 7を用い簡単に説明する。コンパク卜で安価な超音波流量計を構築しょうとすると、超音波送受波器に許される寸法は小さく、使用する周波数は回路の値段を考慮すると低周波ほど良い。このため厚み振動を用いる圧電板では電気的インピーダンスが高くなり回路との ¾気的整合が取りにくくなり、ノィズの影響が無視できなくなり、超音波送受波器が持つ性能を十分発揮できな、場合がある。

特に低電圧で駆動する条件下では、受信される超音波/、°ルスの絶対値が小さ、ため、 S ZNが悪くなり流量計測の精度に大きな影響を与えることがある。そこで圧電板の電気的ィンピーダンスを低減させ、ノィズの影響等を低減させる必要がある。

そこで例えば 3枚の圧 ¾板を -み方向に嵇層することを考える。厚みに対する縦の比が 0 . 6以下でかつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以下の条件を満足する圧 ¾板の厚みを Tとすると、積層する圧電板 A 3 6、圧 ' 板 B 3 7、圧 ¾扳じ 3 8 の厚みは T Z 3となる。

上記寸法の例えば圧^セラミックからなる圧電板 A 3 6、圧^板 B 3 7、圧 ¾ 板 C 3 8の分極方向が互、に反対となるよう例えばエポキシ樹脂系接着剂を用、て加圧しながら接若する。接若層が薄ければ、 ίΰΤΕ板 A 3 6と圧電板 B 3 7の間の電極、圧電板 B 3 7と圧電板 C 3 8の間の電極は— ίι:いに S気的に接続する。圧電板 A 3 6の上方の電極と }十:電板 B 3 7と圧電板 C 3 8の間の電極は圧電板の側面から見える部分に対し例えば銀ペース卜を用いリード線 A 4 1を接着し電気的に接続する。また圧電板 A 3 6と圧電板 B 3 7の問の電極と圧電板 C 3 8の下方の電極は圧電板の側面から見える部分に対し例えば銀ペーストを用いリ -ド線 B 4 2を接着し電気的に接続する。リード線 A 4 1とリード線 B 4 2で圧電板 A 3 6、圧' 板8 3 7、圧^板 C 3 8を接続する。

このように 3枚の圧電板を積層して構成された圧電板の厚み方向の振動は、み Tに起因する周波数でも厚み縦振動することができる。また電的インピ—ダンスに関しては、各圧電板の境界面の接着層の影響等があるため、厚みが T Z 3 で、電極面積が 3倍の圧電板と同じ電気的インピーダンスにはならないが、厚みが Tの圧電板より小さい電気的インピーダンスとなる。このように厚みが T Z 3 で、電極面積が 3倍の一枚の圧電板を重ね折りした場合と同様な効果が得られ、 —枚の直方体の圧電板に比べ電気的インピーダンスが低減できる。

また圧電板 A 3 6、圧電板 B 3 7、圧電板 C 3 8を接着して形成した圧電板は、厚みに対する縦の比が 0 . 6以下でかつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以下となるような形状となるため、厚み振動のみを選択的に利用可能となる。圧電板 C 3 8 の下方に例えばフライ卜ゴムからなる背面負荷材 3 4を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着する。圧電板 A 3 6の上方に例えばポリオレフィン系微多孔膜からなる整合層 3 9を例えばエポキシ樹脂系接着剤で接着し、超音波送受波器を作製する。

超音波流量計の流量検出部の作製方法、および超音波送受波器 A 7と超音波送受波器 B 8を用いた断面形状が長方形の流路 2を流れる空気 1の流量を測定する超音波流量の動作方法は类施例 1と同様になるため省略する。

以上のように本実施例によれば、厚みが等しい 3枚の圧電板 A 3 6、 ' 板 B 3 7、圧電板 C 3 8の分極方向が互いに反対になるように積層し積屑した圧電板の全体の厚みに対する縦の比が 0 . 6以下でかつ厚みに対する幅の比が 0 . 6以下となる圧電板を用いることにより電気的インピーダンスが低減でき、ノィズの影響を受けにくい、高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅が広い小型な超音波送受波器が得られ、流路 2内を流れる空気 1の流量を短時問で高精度に測定することができる。

なお、第 5の実施例において、積層する圧電板の枚数を 3枚としたが 5枚以上の奇数枚でも 2枚以上の偶数枚でも構わない。また積層した圧電板が厚みに対する縦の比が 0 . 6以上で厚みに対する幅の比が 0 . 6以下としたが、厚みに対する縦の比が 0 . 6以上あるいは厚みに対する幅の比が 0 . 6以上となっても構わない。ただし上記形状の場合は実施例 3、実施例 4、実施例 5と同様に分割する必要がある。また超音波送受波器は超音波流量計の流量検出部に用いるとしたが、開空間で用いる空中用超音波送受波器として用いても良い。

また、流路 2の高さと少なくとも超音波送受波面の流路 2の高さに対応する辺の長さは等しいことが望ましいが、等しくなくてもよい。また、背面負荷材 4 0 を設けるとしたが、低電圧で駆動するような条件下でさらに高感度な超音波送受波器が必要な場合は背面負荷材 4 0は設ける必要はない。また、圧電板 A 3 6、圧電板 C 3 8、圧電板 C 3 8の超音波送受波面と等しい方向の面および対向する面の電極は全面にある必要はない。また、圧電板 A 3 6、圧電板 C 3 8、圧電板 C 3 8は直方体でなくても円柱形状の複数の圧電体を用いてもよい。また、整合層 3 9はポリオレフィン系多孔膜とした力被測定流体に適した音響整合材料ならなんでも良い。また、背面： ¾荷材 4 0はフェライトゴムとしたが、不要な振動の減 ¾効果が得られる材料ならなんでも良い。

( 6 ) 実施例 6

以下、本発明の第 6の実施例について、図面を参照しながら説明する。

本支施例では、実施例 1から実施例 4に用いる超音波送受波器に対して -つた I休的な検討事例を示す。

まず、圧電体の送受波面の縦および横の長さの^みに対する関係について図 8 と図 9を用いて述べる。図 8は本発明の一実施例における超音波流量計に川いる超音波送受波器の構成部品の一つである圧 ¾体の形状である。図 8において、 6 0は直方体形状の圧電体、 6 1は压電体 60の送受波面、 62は圧 ' 体 60の縦、 63は圧電体 60の横、 64は圧電体 60の厚みである。図 9は図 8の形状で、圧 ¾体 60に圧電セラミックを用い、厚み 64を一定（8 mm) とし、送受波面 6 1の縦 62および横 63の長さを変え有限要素法を用いて行った、インピーダンス解析結果である。いずれの図も横軸は周波数、縦軸はインピーダンスであり、縦 62の長さを L、横 63の長さを W、厚み 64を Tとする。図 9 (； a ) は Lノ T=W/T = 0. 4、図 9 (b) はし/丁=\¥/丁= 0. 6、図 9 (； c ) は Lノ T= 0. 6、 W/T= 0. 8の場合である。

図 9 ( a ) において、厚み 64での厚み縦振動の共振周波数は 1 80 kHz付近に現れている谷の部分で、 ***振周波数は 260 k H z付近に現れる山の部分である。図示された範囲には他の振動モードの共振周波数（山）や***振周波数（谷）は見られない。囟 9 (b) では図 9 (a) 同様に、厚み縦振動の共振周波数、反共振周波数がはっきり確認できる。また、厚み縦振動に影響を与えない程度離れた周波数（430 kH z付近）に他の振動モードの共振周波数、 ***振周波数も確認できる。図 9 (c) では厚み縱振動の共振周波数（ 1 80 kHz付近）と*** 振周波数（ 260 kHz付近）の間に他の振動モ-ドの共振周波数、***振周波数が見られ、厚み縦振動と他の振動モードが混在していることががわかる。この解析結果より圧電板 60の送受波面 6 1の縦 62および横 63の長さの厚み 64に対するすべての比が 0. 6以下のとき、厚み縦振動を主モ-ドとして最も効率よく利用できることがわかった。

次に図 1 0に示す流路断而に適した寸法の圧 '《!体の検討を行う。例えば流路^ さ 65を 8 mm、流路幅 66を 40 mmとする。超^波流 i 讣の計測精度および工業的視点から、圧電体 60の縦 62と横 63の長さを流路高さ 65と等しい 8 mm、厚み 64を 5 mmとした場合を考える。送受波面 6 1の縦 62および横 6 3の長さの厚み 64に対するすべての比が 0. 6以下という条件を用いると、例えば送受波面 6 1を少なくとも 9個に分割する必要がある。しかし分割するために設ける溝の数が ¾えると加工時間が長くなり製造コス卜の増大につながる。そこで溝の本数を少なくし、厚み縦振動と他の不要振動モードを実用上問題ない程度に分離できる形状の検討を行った。

図 1 1は圧電体 67に対し 2本の溝 68を設けた場合で、図 1 2は圧電体 72 に対し 2本の溝 73を設けた場合で、再度有限要素法を用い、インピーダンス解析を行った。ただしインピーダンス解析は、圧電体が完全に分割された図 8に示す形状で行った。図 1 3 ( a ) は図 1 1の場合に対応し、縦 62および横 63はともに 4 mm (L/T=W/T= 0. 8) 、図 1 3 (b) は図 1 2の場合に対応し、横 62を 2. 7 mm、縦 63を 8 mm (L/T- 0. 5、 WZT= 1. 6) とした。比較のため図 1 3 (c) には縦 62および横 63がともに 3 mm (LZ T=W/T= 0. 6) の解析結果を示す。

図 1 3 (a) では図 1 3 (c) に比べ、厚み縦振動に対し他の不要な振動モードが近い周波数に存在しているカ^ その影響は少ないと推定できる。図 1 3 (b) では厚み縦振動と他の不要な振動モードが混在していることがわかる。以上の結果より、縦 62および横 63は 4 mmの条件でも、実用上問題が少ないと判断し、図 1 1に示すように圧電体 67に溝 68を設けることとした。

最後に溝の深さの効果を、実際に圧電体にダイザで溝を設け評価した。 ' 体 67の縦 7 1と横 70の長さは 8 mm、厚み 69は 5 mmとした。また 2本の溝 68は図1 3に示すように送受波面の中央付近で交差するように設けた。また 2 本の溝 68の深さは等しくなるように設けた。

図 1 4 (a) は溝 68の深さが厚み 69に対し 0%、図 14 ( b ) は溝 68の深さが厚み 69に対し 80 %、図 1 4 (c) は溝 68の深さが^み 69に対し 9 0%、図 14 (d) は完全に切断した場合である。インピーダンス軌跡だけでは ^み縦振動と他の不要な振動モ- ドの分離について明確な結論は出せないが、溝 68の深さが厚み 69に対し 90 %以上であれば ¾用上 3題ない程度に厚み縦振動と不要な振動モードが分離できると推定できる。

' ,Ιί体 67の縦 7 1 と横 70の長さは 8 mm, み 69は 5 mm、十字の溝 6 2G

8を設けた図 1 1に示す形状の圧電体 6 7を用いて超音波送受波器を試作し、特性を評価した。

超波送受波器の外観図を図 1 5、断面図を図 1 6、超音波パルスを図 1 7に示す。図 1 5において、 7 4は超音波送受波器、 7 5はエポキシ樹脂とガラスバルーンからなる円板形状の整合層、 7 6は真鍮からなる円筒形のケースである。図 1 6において、 7 7は十字の溝 7 8を設けた圧電セラミックからなる圧電体である。なお、 ¾池電圧程度で駆動することを想定し、高感度な超音波送受波器 7 4を得るため背面負荷材は設けていない。図 1 7は、流路高さ 6 5が 8 m m、流路幅 6 6が 4 O mmの断面形状を有する流路に対し、一対の超音波送受波器 7 4 を対向配置し、一方の超音波送受波器 7 4を 3周期の方形波で駆動し、他方の超音波送受波器で受信した超音波パルスである。この超音波パルスより、超音波送受波器 7 4は実用上問題ない特性を有すことを確認した。

以上のように本実施例によれば、溝の深さが送受波面と垂直な方向の厚みに対し 9 0 %以上 1 0 0 %未満であれば、実用上問題ない程度に厚み縦振動と他の不要な振動モードを分離できる。また、溝によって分割された超音波送受波面のそれぞれの而の縦および横の長さの厚みに対する全ての比が 0 . 8以下、望ましくは 0 . 6以下の場合、実用上問題ない程度に厚み縦振動と他の不要な振動モ- ドを分離でき、厚み縦振動を主モードとして利用することができる。

なお、整合層 7 5は円板形状としたが、正方形でも楕円形でも構わない。ケ一ス 7 6は円筒形としたカ^ 圧電体 7 7が内側に配置可能ならば他の形状でも構わない。整合屑 7 5およびケース 7 6に用いる材質は、使用環境、コス卜等により最適な材料を選択すればよいことは言うまでもない。

なお上記実施例において、ケース 7 6は有天筒状に形成して下面開し 1をケース 7 6と同様の真鍮製蓋板 7 6 aで覆い、これら両板を接合して圧電体 7 7を密封してある。したがって圧電休 7 7が電荷を蓄嵇しスパークを飛ばすようなことがあってもケース 7 6と盖板 7 6 aとによるシールド効果でこれを遮断することができ、測定する流体が "J燃性ガスや可燃性の液体であつても安全性を確保することができる。またケース内 7 6と蓋板 7 6 aとで囲まれた空間 7 9の空気は乾燥させてあり、よってこの空問 7 9内で露結が生じてこれにより圧電体 7 7のセラミックが溶解し破壊することを防止でき、頼性を向上させることができる。またケース 7 6の天井部は電極を兼ねさせてリ一ド線の一方は蓋板 7 6 aに接続すればよいようにしてあるのでリード線取り出し構成の簡素化も図れる。図中 8 0 は蓋板 7 6 aに一体化した絶縁体で、もう一方のリ一ド線が引き出しある。

図 1 8は実施例 3の変形例、図 1 9は実施例 4の変形例を示し、いずれも圧電板を円筒形状としたものである。

産業上の利用可能性

以上のように本発明の第 1の超音波流量計は、流路と、この流路中の流体流量を測定する如く配置した超音波送受波器とを備え、上記超音波送受波器は対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面としてその送受波面を前記流路に臨ませた圧電体を有し、上記圧電体は電極方向の振動を主モ一ドとするようその送受波面の縱及び横の長さを設定した構成としてあり、圧電体の厚み縦振動を主モードとして利用するため高感度、高速応答性、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパク卜な超音波流量計を得ることができる。また本発明の第 2の超音波流計は、流路と、この流路中の流体流 ffiを測定する如く配置した超音波送受波器とを備え、上^超音波送受波器は対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面としてその送受波面を前記流路に臨ませた圧電体を有し、上記圧電体は送受波面または前記送受波面と対向する面の少なくとも一方を溝で分割するとともに、分割した面に設けた電極の全てを導体で電気的に接続した構成としてあり、溝により厚み縦振動と不要な振動モドを分離できるため、高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、精度でコンパク卜な超音波流量計を得ることができる。

この発明において、極方向の振動を主モードとする深さの溝で圧電体を分割した構成としたもの、及び溝の深さが送受波面と垂な方向の ί?:みに対し 9 0 % 以上 1 0 0 %未満としたものは、圧 2体を完全に分離しないため圧電体の取り扱いが容易なうえ、厚み縦振動と不要な振動モードが^用するうえで問題ない程度に分離できるため高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパク卜な超音波流 jit計を得ることができる。

更にこの発明において、溝によつて分割されたそれぞれの面の縦および横の β さを電極方向の振動が主モードとなるように設定したもの、及び溝によつて分割されたそれぞれの面の縦および横の- さ厚みに対する比を全て 0 . 8以下としたものは、厚み縦振動と不要な振動モ-ドが実用するうえで問題ない程度に分離できるうえ厚み縦振動を主モードとして利用できるため、高感度、高速応答件で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパクトな超音波流量計を得ることができる。

またこの発明において、圧電体に設ける溝を複数としたものは、さらに周波数や寸法の選択幅が広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパク卜な超音波流量計を得ることができる。

本発明の第 3の超音波流量計は、流路と、この流路屮の流体流量を測定する如く配置した超音波送受波器とを備え、上記超音波送受波器は対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面としてその送受波而を前記流路に臨ませた複数の圧電体を有し、この各圧電休の送受波面および前記送受波面と対向する面に設けた各電極をそれぞれ導体で接続した構成としてあり、複数の分離された圧電体を有するため、不要な振動モ-ドの影響が少なくなるため高感度、 ¾速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパク卜な超 f波流量計をることができる。

この発明において、各圧電体のそれぞれの面の縦および横の全ての長さを、極方向の振動が主モードとなるように,没定したもの、及び各圧電体の送受波面の縦及び横の長さの厚みに対する比を全て 0 . 8以下としたものは、厚み縦 ¾動を主モ-ドとして利用できるため高感度、高速応答性で、周波数や寸法の選択幅の広い、小型な超音波送受波器を得ることができ、高精度でコンパクトな超音波流量計を得ることができる。

本発明の第 4の超音波流 ' [計は、第 1から第 3の発明の超音波流 S計において、電極 ίこ垂な方向に分極された複数の圧電体を分極方向が互いに反対となるように積屑し、この積層してなる圧 ^体の前己電極方向の振動を主モードとする構成としてあり、超音波送受波器の電気的ィンピーダンスを小さくできるためノイズに対して強し、特性を得ることができ、さらに高精度な超音波流量計を得ることができる。

本発明の第 5の超音波流量計は、第 1から第 4の発明の超音波流量計において、その流路は所定の位置に所定の幅の隙間を有し、所定のをおいて配置された 2 枚の平行平板に挟まれた構成としてあり、流路の断面形状を長方形にすることにより流路断面内での流速分布を単純化でき、得られた流速より流量を高精度に導出できることが可能となり、さらに高精度な超音波流量計を得ることができる。

Claims

請求の範囲

1 . 流路と、この流路中の流体流 ¾を測定する如く配置した超音波送受波器とを備え、上記超音波送受波器は対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面としてその送受波面を前記流路に臨ませた圧電体を有し、上記電体は電極方向の振動を主モードとするようその送受波而の縦及び横の長さを設定した超音波流量計。

2 . 流路と、この流路中の流体流量を測定する如く配置した超音波送受波器とを備え、上記超音波送受波器は対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面としてその送受波面を前記流路に臨ませた圧電体を有し、ヒ記圧電体は送受波面または前 ¾送受波面と対向する面の少なくとも一方を溝で分割するとともに、分割した面に設けた電極の全てを導体で電気的に接続した超音波流

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3 . 溝は電極方向の振動を主モードとする深さで圧電体を分割した請求現 2記載の超音波流量計。

4 . 溝の深さが送受波面と垂直な方向の厚みに対し 9 0 %以上 1 0 0 %未満である請求項 2または 3記載の超音波流量計。

5 . 溝によって分割されたそれぞれの面の縦および横のさを、電極方向の振動が主モ一ドとなるように設定した 2、 3または 4記載の超音波流量計。

6 . 溝によって分割されたそれぞれの面の縦および横の長さの厚みに対する比を全て 0 . 8以下とした請求項 5記載の超音波流量計。

7 . 溝は複数設けた請求頃 2ないし 6の L、ずれか 1項記載の超音波流量計。

8 . 流路と、この流路中の流体流 Mを则定する如く配置した超^波送受波器とを備え、上記超咅波送受波器は対向する面に ¾極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面としてその送受波面を前 , 流路に臨ませた複数の圧電休を有し、この各圧電体の送受波而および前記送受波面と対向する面に設けた各電極をそれぞれ導体で接続した超音波流量計。

9 . 各圧電体のそれぞれの面の縦および横の全てのさを、 ii極方向の振動が」三モードとなるように設定した請求項 8記載の超音波流量計。

1 0 . 各圧 ¾体の送受波面の縦及び横の長さの厚みに対する比を全て 0 . 8以下とした請求 ¾ 9記載の超音波流量計。

1 1 . 電極に垂^な方向に分極された複数の圧電体を分極方向が瓦いに反対となるように嵇層し、この積層してなる圧 ll体の前記電極方向の振動を主モードとする請求 ¾ 1ないし 1 0のし、ずれか 1 ¾記載の超音波流量計。

1 2 . 所定の位置に所定の幅の隙間を冇し、所定の幅をおいて配 Sされた 2枚の平行平板に挟まれた流路からなる請求項 1ないし 1 1のいずれか 1 ¾記載の超音波流量計。

1 3 . —対の超音波送受波器の送受波面が相対向する位置に配置された請求項 1 ないし 1 2の L、ずれか 1項記載の超音波流量計。

1 4 . 導体は超音波送受波器から送波される超音波の波長に比べて十分薄い導体を用し、た請求頃 1ないし 1 3のいずれか 1項記載の超音波流量計。

1 5 . 超音波送受波器の送受波面上に音響整合層を具備する請求項 1ないし 1 4 のし、ずれか 1項記載の超音波流量計。

1 6 . 超音波送受波器の送受波面と相対向する面に 1*?面負荷材を具備する請求項 1ないし 1 5のいずれか 1瑣記載の超音波流量計。

1 7 . 対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面とした圧電体を備え、上記圧電体の送受波面の縦及び横の長さの厚みに対する比を共に 0 . 6以下とした超音波送受波器。

1 8 . 対向する而に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面とした圧電体を備え、上記圧電体は送受波面または記送受波面と対向する面の少なくとも一方を溝で分割し、前記溝の深さは電極を設けた ιήίで挟まれた厚みに対し 9 0 %以上 1 0 0 %未満とすると共に、上記溝により分割された面の全ての電極を導体で ¾ΐ気的に接続した超音波送受波器。

1 9 . 溝は複数設けた請求項 1 8記載の超音波送受波器。

2 0 . 溝によって分割されたそれぞれの面の縦および横の長さの厚みに対する比を全て 0 . 6以下とした睛求項 1 8、 1 9記載の超竒波送受波器。

2 】 . 対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面とした複数個の圧 ΐίί体を備え、各圧電体の送受波面の縦及び横のさの厚みに対する比を全て 0 . 6以下とすると共に、上記送受波面の各 ΐίί極および上記送受波面と対向する面の各電極をそれぞれ導体で接続した超音波送受波器。

2 2 . 電極に垂直な方向に分極された複数の圧電休を分極方向が互いに反対となるように積層し、この積層してなる圧電体の前記電極方向の振動を主モードとする請求項 1 7ないし 2 1の t、ずれか 1項記載の超音波送受波器。

2 3 . 導体は超音波送受波器から送波される超音波の波長に比べて十分薄い導体を用、た請求項 1 7ないし 2 2の L、ずれか 1 IJULL載の超音波送受波器。

2 4 . 超音波送受波器の送受波面上に音轡整合層を具備する請求項 1 7ないし 2

3のいずれか 1項記載の超音波送受波器。

2 5 . 超音波送受波器の送受波面と相対向する面に背面 f 材を具備する請求項 1 7ないし 2 4 ^載の超音波送受波器。

補正 *の請求の範囲

[ 1 997年 5月 1 3 日（ 1 3. 05. 97) 国際事務/ π-)受理：出願¹'初の請求の範囲 1は取り下げられた；他の請求の範囲は変 51なし。（ 1頁） ]

1. (削除）

2. 流路と、この流路中の流体流量を測定する如く配置した超音波送受波器とを備え、上記超音波送受波器は対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面としてその送受波面を前記流路に臨ませた圧電体を有し、上記圧電体は送受波面または前記送受波面と対向する面の少なくとも一方を溝で分割するとともに、分割した面に設けた電極の全てを導体で電気的に接続した超音波流量計。

3. 溝は電極方向の振動を主モ一ドとする深さで圧電体を分割した請求項 2記載の超音波流量計。

4. 溝の深さが送受波面と垂直な方向の厚みに対し 90 %以上 1 00 %未満である請求項 2または 3記載の超音波流量計。

5. 溝によって分割されたそれぞれの面の縦および横の長さを、電極方向の振動が主モ一ドとなるように設定した 2、 3または 4記載の超音波流量計。

6. 溝によって分割されたそれぞれの面の縱および横の長さの厚みに対する比を全て 8以下とした請求項 5記載の超音波流量計。

7. 溝は複数設けた請求項 2ないし 6のいずれか 1項記載の超音波流量計。

8. 流路と、この流路中の流体流量を測定する如く配置した超音波送受波器とを備え、上記超音波送受波器は対向する面に電極を設けると共に上記対向する一方の面を送受波面としてその送受波面を前記流路に臨ませた複数の圧電体を有し、この各圧電体の送受波面および前記送受波面と対向する面に設けた各電極をそれぞれ導体で接続した超音波流量計。

9. 各圧電体のそれぞれの面の縦および横の全ての良さを、電極方向の振動が主

補正された用 (条約第 19条)