JPH1114649A - 流速測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の流速測定装置では、送受波感度の変化が
大きいという課題があった。 【解決手段】流速測定装置の超音波送受波器が、厚み振
動の共振周波数と拡がり振動の共振周波数が近傍に存在
する圧電振動子から構成され、また、厚み振動の共振周
波数ｆｒ１と拡がり振動の共振周波数ｆｒ２との間の周
波数の駆動周波数ｆｄで、その圧電振動子を駆動し、振
動させて、超音波送受波器が、超音波を送波および／ま
たは受波するので、超音波送受波器の送受波感度の変化
は小さくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電体の圧電効果
によって励振した弾性振動により外部に発せられる超音
波を用いて、流体の流速を測定する流速測定装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気エネルギー／機械エネルギー
変換素子として圧電セラミック等の圧電体を用いて超音
波送波器を構成し、この超音波送波器を交流電圧で駆動
して流体中に超音波を発して、流体中の所定の伝搬路を
伝搬する超音波の速度（超音波が伝搬路を伝達する時
間）を計測して流体の移動速度を測定する流速測定装置
が、水道メータ、ガスメータなどに利用され、注目され
ている。

【０００３】以下に、このような従来の流速測定装置を
図面を参照して説明する。

【０００４】図１２は、流速測定装置の測定原理を示し
たものであり、図１２において、Ｔ１、Ｔ２は、それぞ
れ超音波送受波器であり、それら超音波送受波器Ｔ１、
Ｔ２は、超音波送波器として用いられる場合と、超音波
受波器として用いられる場合がある。また、それら超音
波送受波器Ｔ１、Ｔ２は、電気エネルギー／機械エネル
ギー変換素子として圧電セラミック等の圧電振動子を用
いて構成されている。さらに、それら超音波送受波器Ｔ
１、Ｔ２は、圧電ブザー、圧電発振子と同様に共振特性
を示す。ここで、超音波送受波器Ｔ１を超音波送波器と
して用い、超音波送受波器Ｔ２を超音波受波器として用
いる場合、超音波送波器Ｔ１の共振周波数近傍の周波数
の交流電圧を圧電振動子に印加すると、超音波送波器Ｔ
１は、外部の流体中に、図１２のＬ１で示す伝搬路に超
音波を放射し、超音波受波器Ｔ２は、伝搬してきた超音
波を受けて電圧に変換する。同様に、超音波送受波器Ｔ
２を超音波送波器として用い、超音波送受波器Ｔ１を超
音波受波器として用いる場合、超音波送波器Ｔ２の共振
周波数近傍の周波数の交流電圧を圧電振動子に印加する
と、超音波送波器Ｔ２は、外部の流体中に、図１２のＬ
２で示す伝搬路に超音波を放射し、超音波受波器Ｔ１
は、伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。以上
説明したように、超音波送波器は、送波器としての役目
と、受波器としての役目とを果たすので、一般に超音波
送受波器と呼ばれる。

【０００５】ところで、超音波送受波器に連続的に交流
電圧を印加すると、その超音波送受波器から連続的に超
音波が放射されるので、伝搬路を伝搬する超音波の伝搬
時間を測定することが困難となる。そこで、通常、超音
波送受波器への印加は、電気パルス（バースト電圧）を
駆動電圧として行われる。以下、流速測定装置の測定原
理について詳細な説明を行う。駆動用の電気パルスを超
音波送受波器Ｔ１に印加すると、超音波送受波器Ｔ１は
超音波パルスを放射し、その超音波が、距離がＬの伝搬
路Ｌ１を伝搬して、ｔ時間後に超音波送受波器Ｔ２に到
達する。超音波送受波器Ｔ２は、伝達してきた超音波パ
ルスのみを、高いＳ／Ｎ比で電気パルスに変換し、電気
的に増幅して、再び超音波送受波器Ｔ１に印加して超音
波パルスを放射する。このような流速測定装置をシング
・アラウンド装置と呼び、超音波パルスが超音波送受波
器Ｔ１から放射され、伝搬路Ｌ１を伝搬して超音波送受
波器Ｔ２に到達するのに要する時間をシング・アラウン
ド周期といい、また、その逆数をシング・アラウンド周
波数という。

【０００６】図１２において、流体の流速をＶ、流体中
の超音波の速度をＣ、流体の流れる方向と超音波パルス
の伝搬方向とがなす角度をθとする。超音波送受波器Ｔ
１を送波器、超音波送受波器Ｔ２を受波器として用いた
場合、超音波送受波器Ｔ１から出た超音波パルスが超音
波送受波器Ｔ２に到達する時間であるシング・アラウン
ド周期をｔ１、また、そのときのシング・アラウンド周
波数をｆ１とすれば、

【０００７】

【数１】ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ の関係が成立する。逆に、超音波送受波器Ｔ２を送波
器、超音波送受波器Ｔ１を受波器として用いた場合、超
音波送受波器Ｔ２から出た超音波パルスが超音波送受波
器Ｔ１に到達する時間であるシング・アラウンド周期を
ｔ２、また、そのときのシング・アラウンド周波数をｆ
２とすれば、

【０００８】

【数２】ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ の関係が成立する。したがって、両シング・アラウンド
周波数ｆ１とｆ２との周波数差Δｆは、

【０００９】

【数３】Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ となるので、流速測定装置は、超音波の伝搬路の距離Ｌ
と、周波数差Δｆとから流体の流速Ｖを求めることがで
きる。ところで、流体中の超音波の速度Ｃは、流体の温
度により変化するが、この流速測定装置は、数３の式よ
り明らかなように、温度による超音波の速度Ｃの変化の
影響を受けることなく、流体の流速Ｖを求めることがで
きる。つまり、このような流速測定装置においては、流
体の流速Ｖを正確に求めるためには伝搬時間ｔ１、ｔ２
を正確に計測することが重要になる。

【００１０】上述したシング・アラウンド法を利用した
流速測定装置においては、流体中に超音波を放射する超
音波送受波器として、従来は、単板の圧電振動子を駆動
源としていた。

【００１１】図１３は、このような従来の超音波送受波
器の断面図である。図１３において、圧電振動子５３
は、円板形または矩形の圧電セラミックで構成されてお
り、ケース５４の内側に貼り付けられている。ケース５
４は、圧電振動子５３から超音波が効率よく出ていくた
めの整合層の役目と、外部の環境に対して圧電振動子５
３の信頼性を保証するという役目とを兼ねている。した
がって、ケース５４は、プラスチック材料などのように
圧電振動子５３の音響インピーダンスの値と、流体の音
響インピーダンスの値との中間の値のインピーダンスを
有する材料で構成される。ときには、ケース５４は、信
頼性の向上のみの実現のためにステンレスなどの金属で
作られることもある。５５は、フェライト粉を混合した
プラスチック材から成るバッキング材であり、圧電振動
子５３を電圧で駆動した時に放射される超音波５７の立
ち上がりを早くするために用いられる。駆動端子５６
ａ、５６ｂに共振周波数近傍の周波数成分を持つバース
ト電圧を印加すると、圧電振動子５３は振動し、外部の
流体中に超音波５７を放射する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のシング・アラウンド法を利用した流速測定装
置では、超音波送受波器が圧電素子から構成される圧電
振動子であって、また、単一共振周波数の超音波送受波
器を使用していたので、超音波を送受波する感度（送受
波感度）を高くするためには、超音波送受波器の共振周
波数の極近傍で駆動する必要があった。なぜなら、上述
した圧電振動子は、同じく上述した共振周波数の極近傍
の周波数から外れた周波数の超音波に対しては、送受波
感度が低いからである。このような超音波送受波器の共
振周波数は、圧電素子特性が温度や負荷変動の影響を大
きく受けるので、温度や、超音波送受波器が接している
流体の材質により変わる負荷などの変動により大きく変
化し、超音波送受波器の送受波感度も温度や負荷などの
変動により変化する。したがって、圧電振動子を一定周
波数で駆動したのでは、温度や負荷などの変動による共
振周波数の変化によって、送受波感度が低下してしまう
ので、送受波感度変化を小さくするためには、共振周波
数の変化に応じて、圧電振動子を駆動する交流電圧の駆
動周波数を変化させる必要、つまり、共振周波数を自動
追尾する必要がある。すなわち、圧電振動子を駆動する
交流電圧の駆動周波数を制御する駆動制御回路が複雑に
なる。また、共振周波数の自動追尾の精度が悪いと送受
波感度が大きく変化するという課題がある。つまり、従
来の流速測定装置では、送受波感度の変化が大きいとい
う第１の課題がある。

【００１３】また、従来の流速測定装置では、上述した
ように、超音波送受波器を構成する圧電振動子の共振周
波数の変化に応じて駆動周波数を変化させる必要、つま
り、共振振動数を自動追尾する必要がある。このよう
に、共振周波数を自動追尾する場合、上述した駆動制御
回路の負担を小さくするためには、自動追尾する周波数
範囲をできるだけ小さくする必要がある。そのため、超
音波受波器を構成する圧電振動子の共振周波数のばらつ
きをできるだけ小さくしなければならないが、圧電セラ
ミックなどの材料定数のばらつきが大きいために、圧電
振動子の共振周波数のばらつきも大きくなり、また、圧
電振動子を機械加工するさいの精度を高くすることは難
しいので、圧電振動子の共振周波数のばらつきを小さく
することは困難であるという第２の課題がある。

【００１４】また、従来の流速測定装置では、超音波送
受波器は、送波感度の指向性が広いので、その超音波送
受波器から放射された超音波は、受波器だけではなく他
の部分にも伝搬し、不要な反射を生んで、別の超音波送
受波器が受波すべき超音波の波形を乱す。このように、
超音波送受波器から出た超音波パルスが、別の超音波送
受波器に到達する時間を正確に計測することが困難であ
るという第３の課題がある。

【００１５】さらに、従来の流速測定装置では、超音波
送受波器は、圧電縦効果（分極の方向と変位の方向が平
行）による厚み振動を発生させるので、送波感度の最大
を示す周波数が共振周波数になり、また、受波感度の最
大を示す周波数が反共振周波数になっている。流速測定
装置としては、送波感度と受波感度をともに最大とする
ことが望ましいが、超音波送受波器は、あるときは送波
器、別のときは受波器としての役目があるので、送波感
度と受波感度をともに最大にすることは原理上不可能で
ある。それらのことを考慮して、従来の超音波送受波器
は、送波感度と受波感度との積が最大になるように設定
されている。この場合、送波感度も受波感度も、ともに
それぞれの最大値よりも小さな値になるので、超音波送
受波器が放射する超音波の強度を大きくするためには、
駆動電圧を上げ、また、超音波送受波器が超音波を受波
するさいの超音波の強度を大きくするために、印加する
電圧を大きくする必要が生じ、増幅率の大きい増幅器が
必要となる。このように、超音波を送受波するさいに用
いられる送受波回路の消費電力が大きくなるという第４
の課題がある。これは特に送受波回路の電源を電池とす
る流速測定装置では大きな課題である。

【００１６】本発明は、このような従来の流速測定装置
では、送受波感度の変化が大きいという第１の課題を考
慮し、送受波感度の変化が小さい流速測定装置を提供す
ることを目的とするものである。

【００１７】また、本発明は、従来の流速測定装置で
は、超音波送受波器を構成する圧電振動子の共振周波数
の変化に応じて駆動周波数を変化させる必要があるとい
う第２の課題を考慮し、圧電振動子の共振周波数が変化
しても、駆動周波数を変化させる必要のない流速測定装
置を提供することを目的とするものである。

【００１８】また、本発明は、従来の流速測定装置で
は、送受波感度の指向性が広いという第３の課題を考慮
し、送受波感度の指向性が狭い流速測定装置を提供する
ことを目的とするものである。

【００１９】さらに、本発明は、従来の流速測定装置で
は、送波感度と受波感度がともに最大ではないという第
４の課題を考慮し、送波感度と受波感度がともに実質上
最大である流速測定装置を提供することを目的とするも
のである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１は、流
体中に超音波を送波し、超音波を受波する超音波送受波
器と、前記流体中の所定の伝搬路を、前記超音波が伝搬
する時間を計測する時間計測器とを備え、前記超音波送
受波器は、厚み振動と拡がり振動を励振する圧電振動子
を有し、前記厚み振動の共振周波数と前記拡がり振動の
共振周波数との間の周波数に、駆動周波数を設定してお
り、前記圧電振動子が、前記駆動周波数の交流電圧で駆
動し、振動することにより、前記超音波送受波器は、前
記流体中に超音波を発射することを特徴とする流速測定
装置である。

【００２１】本発明の請求項２は、流体中に超音波を送
波し、超音波を受波する超音波送受波器と、前記流体中
の所定の伝搬路を、前記超音波が伝搬する時間を計測す
る時間計測器とを備え、前記超音波送受波器は、共振周
波数が駆動周波数に設定された振動板の一部に圧電振動
子を有し、前記圧電振動子が前記駆動周波数の交流電圧
で駆動し、前記振動板を振動させることにより、前記超
音波送受波器は、前記液体中に超音波を発射することを
特徴とする流速測定装置である。

【００２２】本発明の請求項３は、流体中に超音波を送
波し、超音波を受波する超音波送受波器と、前記流体中
の所定の伝搬路を、前記超音波が伝搬する時間を計測す
る時間計測器とを備え、前記超音波送受波器は、圧電振
動子の前面に、中心が薄く周囲が厚い形状の整合層を有
し、前記圧電振動子が交流電圧で駆動し、振動すること
により、前記超音波送受波器は、前記流体中に超音波を
発射することを特徴とする流速測定装置である。

【００２３】本発明の請求項４は、流体中に超音波を送
波し、超音波を受波する超音波送受波器と、前記流体中
の所定の伝搬路を、前記超音波が伝搬する時間を計測す
る時間計測器とを備え、前記超音波送受波器は、短形の
圧電体からなる圧電振動子を有し、前記圧電振動子が圧
電横効果で駆動し、振動することにより、前記超音波送
受波器は、前記液体中に超音波を発射することを特徴と
する流速測定装置である。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面を参照して説明する。

【００２５】（実施の形態１）本発明の実施の形態１の
流速測定装置の構成をその動作とともに述べる。

【００２６】図１は、本発明の実施の形態１の流速測定
装置の超音波送受波器の断面図である。図１において、
１は、圧電セラミックなどの圧電体により構成される圧
電振動子であり、ケース２の内側に貼り付けられてい
る。ケース２は、駆動電圧により励振される圧電振動子
１の機械的振動を外部の媒体に超音波として効率よく出
ていかせる役目と、到来した超音波が効率よく電圧に変
換されるための音響整合層の役目と、外部の環境に対し
て圧電振動子１の信頼性を確保するという役目とを兼ね
ている。したがって、ケース２は、外部の流体に対して
信頼性が確保できるとともに、圧電振動子１の音響イン
ピーダンスの値と流体の音響インピーダンスの値との中
間の値のインピーダンスを有するプラスチック、金属な
どの材料で構成されることが望ましい。３は、フェライ
ト粉などを混合したプラスチック材などの材料から成る
バッキング材であり、圧電振動子１を電圧で駆動したと
きに放射される超音波５の立ち上がりを早くするために
用いられる。駆動端子４ａ、４ｂは、外部からバースト
電圧を印加される場合の端子であり、駆動端子４ａ、４
ｂに共振周波数近傍の周波数の交流信号成分を持つバー
スト電圧が印加されると、圧電振動子１は、厚み振動モ
ードと拡がり振動モードの両方の振動モ−ドで振動し、
気体または液体などの流体中にバースト状の超音波５を
放射する。

【００２７】図２は、図１に示した超音波送受波器に用
いる圧電振動子１の斜視図である。図２において、１
は、機械エネルギー／電気エネルギー変換素子として圧
電素子６で構成された圧電振動子である。圧電素子６
は、厚さ方向に分極され上下面に駆動電極が形成された
圧電セラミックである。７は、駆動電源であり、圧電振
動子１を駆動するための駆動交流電圧を発生する。圧電
振動子１を構成する圧電素子６に、共振周波数近傍の駆
動電源７の出力交流電圧を印加すると、圧電振動子１
は、厚み振動と拡がり振動の両方の振動をして外部の流
体に音波を放射する。ここでは、圧電振動子１は、矩形
の圧電素子６を使用しているが、同様にして円板形の圧
電素子を使用することもできる。

【００２８】図３は、圧電素子１を用いた超音波送受波
器の駆動端子４ａ、４ｂから見たアドミッタンスと、駆
動電圧に対する放射超音波強度の大きさを表す送波感度
の周波数特性図であって、図３において、ｆｒ１は厚み
振動の共振周波数であり、ｆｒ２は拡がり振動の共振周
波数であり、また、ｆｄは駆動周波数である。従来の流
速測定装置では、送波感度が高くなる共振周波数で超音
波送受波器を駆動していたので、温度が変化すると温度
特性によって共振周波数がばらつくなどのために、送波
感度が大きく変化する、または、素子ばらつきにより送
波感度が大きくばらつくなどの課題があった。しかし、
本発明の実施の形態１の流速測定装置の超音波送受波器
は、厚み振動と拡がり振動を励振する円板形または矩形
の圧電振動子１を有するものであって、厚み振動の共振
周波数ｆｒ１と拡がり振動の共振周波数ｆｒ２との間の
周波数の駆動周波数ｆｄで、圧電振動子１を駆動してい
るので、温度特性による共振周波数のばらつきや、素子
ばらつきがあっても、超音波送受波器の送波感度は、そ
れらばらつきに実質上依存しない。また、圧電振動子１
は、厚み振動と拡がり振動の２つの共振周波数が近傍に
あるように構成されているので、比較的大きな送波感度
を実現することができる。

【００２９】なお、図３では、ｆｒ１を厚み振動の共振
周波数、ｆｒ２を拡がり振動の共振周波数としたが、ｆ
ｒ１を拡がり振動の共振周波数、ｆｒ２を厚み振動の共
振周波数としても同様の効果が得られる。

【００３０】また、ここまでは、送波器としての超音波
送受波器の構成および動作を説明してきたが、圧電効果
は可逆的であるので、超音波送受波器は受波器としても
同様に働く。

【００３１】図４は、図１に示した超音波送受波器を用
いた流速測定装置のブロック図である。図４において、
スタート回路１１により流体の流速計測が始まると、切
換回路１０により、超音波送受波器Ｔ１を送波器とし
て、超音波送受波器Ｔ２を受波器として働くように切換
をする。また、スタート回路１１は計測開始を時間計測
回路１９に知らせる。そしてトリガー回路１８が、駆動
回路１２にトリガーをかけて超音波送受波器Ｔ１を駆動
して、その超音波送受波器Ｔ１が、超音波バーストを流
体中に放射する。超音波パルスは、距離がＬの伝搬路１
を伝搬し、超音波送受波器Ｔ２で受波される。超音波送
受波器Ｔ２が受けた超音波バーストは、電圧バーストに
変換され、回路で取扱やすいレベルにまで増幅器１３で
増幅される。そして、比較回路１４で設定レベルと比較
されて超音波バーストが到来したことが認識される。そ
の後、遅延回路１７により超音波が流体中の計測系から
消えるまで待って、再びトリガー回路１８により超音波
送受波器Ｔ１に電圧パルスを印加して、超音波送受波器
Ｔ１が、超音波パルスを放射する。この動作を繰返設定
回路１５で設定された回数だけ繰り返して、時間計測回
路１９で時間を計測する。この動作の終了を司るのが繰
返制御回路１６である。この時の管の中を流れる流体の
流速をＶ、流体中の超音波の速度をＣ、平均シング・ア
ラウンド周期をｔ１、平均シング・アラウンド周波数を
ｆ１とすれば、

【００３２】

【数４】ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ の関係が成立する。なお、この演算を行うのが流速演算
回路２０である。

【００３３】次に、超音波送受波器Ｔ２を送波器、超音
波送受波器Ｔ１を受波器として用いて同様の動作をした
時の平均シング・アラウンド周期をｔ２、平均シング・
アラウンド周波数をｆ２とすれば、

【００３４】

【数５】ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ の関係が成立する。したがって、両シング・アラウンド
周波数ｆ１とｆ２との周波数差Δｆは、

【００３５】

【数６】Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ となり、周波数差Δｆにより流体の流速Ｖを求めること
ができる。この演算を行うのも流速演算回路２０であ
る。

【００３６】以上説明したように、本発明の流速測定装
置の超音波送受波器は、厚み振動の共振周波数と拡がり
振動の共振周波数が近傍に存在する、円板形または矩形
の圧電振動子を有し、また、厚み振動の共振周波数と拡
がり振動の共振周波数との間の周波数の駆動周波数でそ
の圧電振動子を駆動しているので、温度特性による共振
周波数のばらつきや、素子ばらつきがあっても、超音波
送受波器の送波感度が、それらばらつきに実質上依存し
ない流速測定装置を実現することができる。また、比較
的大きな送波感度を有する流速測定装置を実現すること
ができる。したがって、このような流速測定装置は、流
体の流速Ｖが低流速であっても、常に、測定精度を高く
して流速計測をすることができる。

【００３７】（実施の形態２）本発明の実施の形態２の
流速測定装置の構成をその動作とともに述べる。

【００３８】図５は、本発明の実施の形態２の流速測定
装置の超音波送受波器の断面図である。図５において、
２１は、圧電セラミックなどの圧電体により構成され
る、円柱形または角柱形の圧電振動子であり、２６は、
共振周波数が駆動周波数と実質上等しくなるように設定
された、円板または矩形板の振動板である。圧電振動子
２１は、振動板２６に貼り付けられ、その振動板２６
は、周辺固定の条件でケース２２に取り付けられてお
り、ケース２２は、振動板２６とともに外部の環境に対
して、圧電振動子２１の信頼性を保証するという役目を
果たしている。駆動端子２４ａ、２４ｂに、振動板２６
の共振周波数近傍の周波数のバースト電圧を印加する
と、圧電振動子２１は、厚み振動モードで振動し、振動
板２６は、周辺固定の条件で撓み振動を行い、気体また
は液体などの流体中に超音波バースト２５を放射する。
その振動板２６は、流体中に超音波バースト２５を効率
よく放射するために、振動板２６は、音響的に特性が優
れたプラスチック、金属などの材料で構成され、また、
ケース２２は、外部の流体に対して信頼性が保証できる
プラスチック、金属などの材料で構成される。２３は、
フェライト粉などを混合したプラスチック材などの材料
から成るバッキング材であり、圧電振動子２１を電圧で
駆動した時に放射される超音波２５の立ち上がりを早く
するために用いられる。

【００３９】図６は、図５に示した超音波送受波器に用
いる圧電振動子２１の斜視図である。図６において、２
１は、機械エネルギー／電気エネルギー変換素子として
圧電素子２７で構成された圧電振動子である。圧電素子
２７は、厚さ方向に分極され上下面に駆動電極が形成さ
れた圧電セラミックである。２８は、駆動電源であり、
圧電振動子２１を駆動するための駆動交流電圧を発生す
る。圧電素子２７に、振動板２６の共振周波数近傍の駆
動電源２８の出力交流電圧を印加すると、圧電振動子２
１は、上下方向に厚み振動をして振動板２６を振動させ
る。

【００４０】図７は、図５に示した超音波送受波器に用
いる振動板２６の斜視図（ａ）と振動姿態図（ｂ）であ
る。図７（ａ）では、振動板２６は、円板を周辺固定条
件で用いているが、角板を周辺固定条件で用いることも
できる。圧電素子２７に、振動板２６の共振周波数近傍
の出力交流電圧を印加すると、圧電振動子２１は、上下
方向に厚み振動をして振動板２６の中心部を駆動して、
図７（ｂ）に示すように振動板２６を撓み振動させ、整
合層を設置しなくても、効率良く超音波２５を外部の流
体中に放射する。このように、本発明の実施の形態２の
流速測定装置の超音波送受波器が振動板２６を備えてい
るので、圧電振動子２１の共振周波数を駆動周波数に一
致させなくてもよくなる。

【００４１】なお、ここまでは、送波器としての超音波
送受波器の構成および動作を説明してきたが、圧電効果
は可逆的であるので、超音波送受波器は受波器としても
同様に働く。

【００４２】また、本発明の実施の形態２の流速測定装
置の流体の流速計測方法は、図４を用いて説明した、本
発明の実施の形態１の流速測定装置の流体の流速計測方
法と同様であるので、ここでは省略する。

【００４３】以上説明したように、本発明の流速測定装
置の超音波送受波器は、交流駆動電圧を振動に変換し、
振動を交流電圧に変換する圧電振動子と、共振周波数が
駆動周波数に設定され、圧電振動子を非共振駆動として
振動を超音波に変換し、超音波を振動に変換する振動板
とを備え、また、超音波送受波器は、その振動板の一部
に圧電振動子を有しいるので、圧電振動子が温度特性に
よる共振周波数のばらつきや、素子ばらつきがあって
も、超音波送受波器の送受波感度が、それらばらつきに
実質上依存しない流速測定装置を実現することができ
る。また、比較的大きな送受波感度を有する流速測定装
置を実現することができる。さらに、振動板は、プラス
チックや金属板であるので、機械加工精度を高くするこ
とができる。したがって、このような流速測定装置は、
流体の流速Ｖが低流速であっても、常に、測定精度を高
くして流速計測をすることができる。

【００４４】（実施の形態３）本発明の実施の形態３の
流速測定装置の構成をその動作とともに述べる。

【００４５】図８は、本発明の実施の形態３の流速測定
装置の超音波送受波器の断面図である。図８において、
３１は、圧電セラミックなどの圧電体により構成される
圧電振動子であり、ケース３２の内側に貼り付けられて
いる。ケース３２は、駆動電圧により励振される圧電振
動子３１の機械的振動を外部の媒体に超音波として効率
よく出ていかせる役目と、到来した超音波が効率よく電
圧に変換されるための音響整合層の役目と、外部の環境
に対して圧電振動子３１の信頼性を確保するという役目
とを兼ねている。したがって、ケース３２は、外部の流
体に対して信頼性が確保できるとともに、圧電振動子３
１の音響インピーダンスの値と流体の音響インピーダン
スの値との中間の値のインピーダンスを有するプラスチ
ック、金属などの材料で構成されることが望ましい。３
３は、フェライト粉などを混合したプラスチック材など
の材料から成るバッキング材であり、圧電振動子３１を
電圧で駆動したときに放射される超音波３５の立ち上が
りを早くするために用いられる。駆動端子３４ａ、３４
ｂは、外部からバースト電圧を印加される場合の端子で
あり、駆動端子３４ａ、３４ｂに共振周波数近傍の周波
数の交流信号成分を持つバースト電圧が印加されると、
圧電振動子３１は、厚み振動モードまたは拡がり振動モ
ードで振動し、この振動が、整合層３６で集中され、気
体または液体中などの流体にバースト状の超音波３５を
放射する。３６は、整合層であり、圧電振動子３１の音
響インピーダンスの値と流体の音響インピーダンスの値
との中間の値のインピーダンスを有するプラスチック、
金属などの材料で構成され、中心部が薄く、周囲が厚い
凹レンズ形状である。

【００４６】つまり、整合層３６は、放射超音波３５の
指向性を制御し、必要なだけ放射超音波３５を集中する
ことができる。圧電効果は可逆的であるので、超音波送
受波器は送波器としてのみではなく、受波器としても同
様に働く。すなわち、整合層３６の働きにより、超音波
送受波器は、外部の流体中から到来した超音波を効率よ
く電圧に変換することができる。また、整合層３６によ
って、放射超音波３５の放射指向体を鋭くできるので、
送波器としての超音波送受波器は、受波器としての超音
波送受波器にのみ超音波を発射することができ、受波器
としての超音波送受波器は、乱れの小さい超音波を受波
することができる。

【００４７】なお、本発明の実施の形態３の流速測定装
置の流体の流速計測方法は、図４を用いて説明した、本
発明の実施の形態１の流速測定装置の流体の流速計測方
法と同様であるので、ここでは省略する。

【００４８】以上説明したように、本発明の流速測定装
置の超音波送受波器は、圧電振動子の前面に、中心部が
薄く、周囲が厚い凹レンズ形状の整合層を有しているの
で、放射超音波の指向性を制御することができ、このた
め、送受波感度を大きくすることができる。したがっ
て、このような超音波送受波器を備えた流速測定装置
は、流体の流速Ｖが低流速であっても、常に、測定精度
を高くして流速計測をすることができる。

【００４９】（実施の形態４）本発明の実施の形態４の
流速測定装置の構成をその動作とともに述べる。

【００５０】図９は、本発明の実施の形態４の流速測定
装置の超音波送受波器の断面図である。図９において、
４１は、圧電セラミックなどの圧電体により構成される
圧電振動子であり、ケース４２の内側に貼り付けられて
いる。ケース４２は、駆動電圧により励振される圧電振
動子４１の機械的振動を外部の媒体に超音波として効率
よく出ていかせる役目と、到来した超音波が効率よく電
圧に変換されるための音響整合層の役目と、外部の環境
に対して圧電振動子４１の信頼性を確保するという役目
とを兼ねている。したがって、ケース４２は、外部の流
体に対して信頼性が確保できるとともに、圧電振動子４
１の音響インピーダンスの値と流体の音響インピーダン
スの値との中間の値のインピーダンスを有するプラスチ
ック、金属などの材料で構成されることが望ましい。４
３は、フェライト粉などを混合したプラスチック材など
の材料から成るバッキング材であり、圧電振動子４１を
電圧で駆動したときに放射される超音波４５の立ち上が
りを早くするために用いられる。駆動端子４４ａ、４４
ｂは、外部からバースト電圧を印加される場合の端子で
あり、駆動端子４４ａ、４４ｂに、圧電振動子４１の共
振周波数近傍の周波数の交流信号成分を持つバースト電
圧が印加されると、圧電振動子４１は振動し、気体また
は液体などの流体中にバースト状の超音波４５を放射す
る。

【００５１】図１０は、図９に示した超音波送受波器に
用いる圧電振動子４１の斜視図である。図１０におい
て、４１は、機械エネルギー／電気エネルギー変換素子
として圧電素子４６で構成された積層圧電振動子であ
る。圧電素子４６は、厚さ方向に分極され２つの主面に
駆動電極が形成された圧電セラミックである。４７は、
駆動電源であり、積層圧電振動子４１を駆動するための
駆動交流電圧を発生する。積層圧電振動子４１を構成す
る圧電素子４６に、共振周波数近傍の駆動電源４７の出
力交流電圧を印加すると、積層圧電振動子４１は、図１
０中の矢印で示す変位方向に、圧電横効果（図１０中に
示す分極方向と直角方向に変位する）によって振動を
し、圧電素子４６の上面がケース４２に固着されている
ので、外部の流体中に超音波４５を放射する。図１０で
は、圧電素子４６として、矩形の積層圧電素子が使用さ
れているが、圧電素子４６は、単板の圧電素子であって
もよい。

【００５２】そして、このような、本発明の実施の形態
４の流速測定装置の超音波送受波器を、印加交流電圧を
超音波に変換する送波器としても、到来超音波を電圧に
変換する受波器としても使用する。

【００５３】図１１に、本発明の実施の形態４の流速測
定装置の超音波送受波器のアドミッタンスおよび送波感
度の周波数特性図を示す。

【００５４】本発明の実施の形態４では、上述したよう
に圧電横効果を利用しているが、積層圧電振動子４１を
構成する圧電素子４６の分極方向と変位方向が平行とな
る圧電縦効果の場合には、送波感度は超音波送受波器の
共振周波数で最大になり、受波感度は超音波送受波器の
反共振周波数で最大になるので、１つの駆動周波数で送
波感度と受波感度を最大にすることはできない。

【００５５】しかしながら、本発明の実施の形態４で
は、圧電横効果を利用しているので、図１１に示すよう
に、送波感度および受波感度は、超音波送受波器の共振
周波数でともに実質上最大になり、１つの駆動周波数で
送波感度と受波感度をともに実質上最大にすることがで
きる。

【００５６】なお、本発明の実施の形態４の流速測定装
置の流体の流速計測方法は、図４を用いて説明した、本
発明の実施の形態１の流速測定装置の流体の流速計測方
法と同様であるので、ここでは省略する。

【００５７】以上説明したように、本発明の流速測定装
置の超音波送受波器は、圧電横効果を利用しているの
で、送波感度と受波感度をともに大きくすることができ
る。したがって、このような超音波送受波器を備えた流
速測定装置は、流体の流速Ｖが低流速であっても、常
に、測定精度を高くして流速計測をすることができる。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したところから明らかなよう
に、本発明は、送受波感度の変化が小さい流速測定装置
を提供することができる。

【００５９】また、本発明は、圧電振動子の共振周波数
が変化しても、駆動周波数を変化させる必要のない流速
測定装置を提供することができる。

【００６０】また、本発明は、送受波感度の指向性が狭
い流速測定装置を提供することができる。

【００６１】さらに、本発明は、送波感度と受波感度が
ともに実質上最大である流速測定装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１の流速測定装置の超音波
送受波器の断面図

【図２】本発明の実施の形態１の流速測定装置の超音波
送受波器の圧電振動子の斜視図

【図３】本発明の実施の形態１の流速測定装置の超音波
送受波器のアドミッタンスおよび送波感度の周波数特性
図

【図４】本発明の流速測定装置のブロック図

【図５】本発明の実施の形態２の流速測定装置の超音波
送受波器の断面図

【図６】本発明の実施の形態２の流速測定装置の超音波
送受波器の圧電振動子の斜視図

【図７】本発明の実施の形態２の流速測定装置の超音波
送受波器に用いる圧電振動板の斜視図と振動姿態図

【図８】本発明の実施の形態３の流速測定装置の超音波
送受波器の断面図

【図９】本発明の実施の形態４の流速測定装置の超音波
送受波器の断面図

【図１０】本発明の実施の形態４の流速測定装置の超音
波送受波器の圧電振動子の斜視図

【図１１】本発明の実施の形態４の流速測定装置の超音
波送受波器のアドミッタンスおよび送波感度の周波数特
性図

【図１２】流速測定装置の測定原理を説明するための概
念図

【図１３】従来の流速測定装置の超音波送受波器の断面
図

【符号の説明】

１ 圧電振動子 ２ ケース ３ バッキング材 ４ａ、４ｂ 駆動端子 ５ 放射超音波 ６ 圧電素子 ７ 駆動電源 １０ 切換回路 １１ スタート回路 １２ 駆動回路 １３ 増幅器 １４ 比較回路 １５ 繰返設定回路 １６ 繰返制御回路 １７ 遅延回路 １８ トリガー回路 １９ 時間計測回路 ２０ 流速演算回路 ２１ 圧電振動子 ２２ ケース ２３ バッキング材 ２４ａ、２４ｂ 駆動端子 ２５ 放射超音波 ２６ 振動板 ２７ 圧電素子 ２８ 駆動電源 ３１ 圧電振動子 ３２ ケース ３３ バッキング材 ３４ａ、３４ｂ 駆動端子 ３５ 放射超音波 ３６ 整合層 ４１ 圧電振動子 ４２ ケース ４３ バッキング材 ４４ａ、４４ｂ 駆動端子 ４５ 放射超音波 ４６ 圧電素子 ４７ 駆動電源 Ｔ１、Ｔ２ 超音波送受波器 Ｌ１、Ｌ２ 伝搬路 Ｌ 伝搬路Ｌ１またはＬ２の距離 Ｖ 流体の流速 θ 流体の流れる方向と超音波パルスの伝搬方向とが
なす角度

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体中に超音波を送波し、超音波を受波す
   る超音波送受波器と、前記流体中の所定の伝搬路を、前
   記超音波が伝搬する時間を計測する時間計測器とを備
   え、前記超音波送受波器は、厚み振動と拡がり振動を励
   振する圧電振動子を有し、前記厚み振動の共振周波数と
   前記拡がり振動の共振周波数との間の周波数に、駆動周
   波数を設定しており、前記圧電振動子が、前記駆動周波
   数の交流電圧で駆動し、振動することにより、前記超音
   波送受波器は、前記流体中に超音波を発射することを特
   徴とする流速測定装置。
2. 【請求項２】流体中に超音波を送波し、超音波を受波す
   る超音波送受波器と、前記流体中の所定の伝搬路を、前
   記超音波が伝搬する時間を計測する時間計測器とを備
   え、前記超音波送受波器は、共振周波数が駆動周波数に
   設定された振動板の一部に圧電振動子を有し、前記圧電
   振動子が前記駆動周波数の交流電圧で駆動し、前記振動
   板を振動させることにより、前記超音波送受波器は、前
   記液体中に超音波を発射することを特徴とする流速測定
   装置。
3. 【請求項３】流体中に超音波を送波し、超音波を受波す
   る超音波送受波器と、前記流体中の所定の伝搬路を、前
   記超音波が伝搬する時間を計測する時間計測器とを備
   え、前記超音波送受波器は、圧電振動子の前面に、中心
   が薄く周囲が厚い形状の整合層を有し、前記圧電振動子
   が交流電圧で駆動し、振動することにより、前記超音波
   送受波器は、前記流体中に超音波を発射することを特徴
   とする流速測定装置。
4. 【請求項４】流体中に超音波を送波し、超音波を受波す
   る超音波送受波器と、前記流体中の所定の伝搬路を、前
   記超音波が伝搬する時間を計測する時間計測器とを備
   え、前記超音波送受波器は、圧電体からなる圧電振動子
   を有し、前記圧電振動子が圧電横効果で駆動し、振動す
   ることにより、前記超音波送受波器は、前記液体中に超
   音波を発射することを特徴とする流速測定装置。
5. 【請求項５】前記超音波送受波器は、前記圧電振動子を
   複数枚積層していることを特徴とする請求項４記載の流
   速測定装置。