JP2003139591A

JP2003139591A - 超音波流量計

Info

Publication number: JP2003139591A
Application number: JP2001340242A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Hashimoto; 雅彦橋本; Kazuhiko Hashimoto; 和彦橋本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2003-05-14

Abstract

(57)【要約】【課題】流量計測部の流路内部の流れを乱すことな
く、極少量の流量計測にも対応できる高感度な超音波流
量計を提供する。【解決手段】被測定流体の流路を規定する内壁を有す
る流量測定部４と、流量測定部４の内壁４０に囲まれた
流路空間９の外側に設けられ、超音波の送信および／ま
たは受信を行う超音波送受波器１ａ、１ｂと、超音波の
伝搬経路６を形成する伝搬媒質部３ａ、３ｂとを備えて
おり、伝搬媒質部３の密度ρ１および音速Ｃ１、ならび
に被測定流体の密度ρ２および音速Ｃ２の相互関係が適
切に設定されることにより、被測定流体中への超音波の
伝搬損失がほぼゼロに低減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波により流体
の流量を計測する超音波流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、所定の伝搬路を超音波が伝達する
時間を計測することにより、流体の移動速度を測定し、
その測定値から流量を計測する超音波流量計がガスメー
タや化学反応の制御等に利用されつつある。

【０００３】以下、図６を参照しながら、従来の超音波
流量計の測定原理を説明する。図示されている超音波流
量計では、管内の流体が速度Ｖにて図中の矢印で示す方
向に流れている。超音波流量計の管壁１０３には、一対
の超音波送受波器１０１および１０２が相対して設置さ
れている。超音波送受波器１０１および１０２の各々
は、電気エネルギを機械エネルギに変換するとともに、
機械エネルギを電気エネルギに変化する変換素子（トラ
ンスデューサ）を備えている。この変換素子は、例え
ば、圧電セラミック等の圧電振動子で構成され、圧電ブ
ザーや圧電発振子と同様に共振特性を示す。

【０００４】まず、超音波送受波器１０１を超音波の送
波器として用い、超音波送受波器１０２を超音波の受波
器として用いる場合について、超音波流量計の動作を説
明する。

【０００５】超音波送受波器１０１の共振周波数近傍に
おける周波数を持つ交流電圧を超音波送受波器１０１の
圧電振動子に印加すると、超音波送受波器１０１は管内
の流体中に超音波を放射する。この超音波は、伝搬経路
Ｌ１に沿って伝搬し、超音波送受波器１０２に到達す
る。超音波送受波器１０２の圧電振動子は、この超音波
を受けて電圧信号を出力する。

【０００６】この後、超音波送受波器１０２を超音波の
送波器として動作させる。具体的には、超音波送受波器
１０２の共振周波数近傍における周波数を持つ交流電圧
を超音波送受波器１０２の圧電振動子に印加することに
より、超音波送受波器１０２は管内の流体中に超音波を
放射する。超音波は伝搬経路Ｌ２に沿って伝搬し、超音
波送受波器１０１に到達する。超音波送受波器１０１の
圧電振動子は、この超音波を受けて電圧信号を出力す
る。

【０００７】このように、超音波送受波器１０１および
１０２は、それぞれ、１つの超音波振動子でありなが
ら、受波器としての機能と送波器としての機能を果たす
ことができる。この超音波流量計では、連続的に交流電
圧を印加すると超音波送受波器から連続的に超音波が放
射されて伝搬時間を測定することが困難になるので、通
常はパルス信号を搬送波とするバースト電圧信号を駆動
電圧として用いる。

【０００８】駆動用のバースト電圧信号を超音波送受波
器１０１に印加して超音波送受波器１０１から超音波バ
ースト信号を放射すると、この超音波バースト信号は距
離がＬの伝搬経路Ｌ１を伝搬してｔ時間後に超音波送受
波器１０２に到達する。

【０００９】超音波送受波器１０２では伝達して来た超
音波バースト信号のみを高いＳ／Ｎ比で電気バースト信
号に変換することができる。この電気バースト信号をト
リガとして、再び超音波送受波器１０１に駆動用バース
ト電圧信号を印加して超音波バースト信号を放射する。

【００１０】このような装置を「シング・アラウンド装
置」と呼ぶ。また、超音波パルスが超音波送受波器１０
１から超音波送受波器１０２に到達するまでに要する時
間を「シング・アラウンド周期」といい、その逆数を
「シング・アラウンド周波数」という。

【００１１】図６の超音波流量計において、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、流体
の流れる方向と超音波パルスの伝搬方向の角度をθとす
る。更に、超音波送受波器１０１を送波器、超音波送受
波器１０２を受波器として用いたとき、超音波送受波器
１０１から出た超音波パルスが超音波送受波器１０２に
到達する時間（シング・アラウンド周期）をｔ１、シン
グ・アラウンド周波数ｆ１とする。このとき、次式
（１）が成立する。ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（１）

【００１２】逆に、超音波送受波器１０２を送波器とし
て、超音波送受波器１０１を受波器として用いたときの
シング・アラウンド周期をｔ２、シング・アラウンド周
波数ｆ２とすれば、次式（２）の関係が成立する。ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（２）

【００１３】上記式（１）および（２）に基づいて、両
シング・アラウンド周波数の周波数差Δｆは、次式
（３）で示される。 Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ・・・（３）

【００１４】式（３）からわかるように、超音波の伝搬
経路の距離Ｌおよび周波数差Δｆから、流体の流速Ｖを
求めることができる。そして、流速Ｖから流量を決定す
ることができる。

【００１５】図６の超音波流量計では、超音波送受波器
の圧電振動子における超音波の送受波面に整合層（不図
示）が設けられている。これは、測定対象となる流体と
圧電素子との間にある固有音響インピーダンス（以下、
「音響インピーダンス」と称する）の差異を中間的な音
響インピーダンスを持つ層（整合層）で緩和し、異なる
音響インピーダンスを持つ媒質間の界面における超音波
の反射を抑制するためである。超音波の伝搬経路中に音
響インピーダンスの差が大きな界面が存在すると、超音
波送受波器から出た超音波が測定対象の流体中に充分に
進入しないという不都合が生じ、流量の測定が不能にな
るか、または、測定精度が大きく低下してしまうことに
なる。従って、このような不都合を避け、超音波流量計
の測定精度を向上させるためには、整合層の音響インピ
ーダンスを適切に設定することが重要となる。なお、音
響インピーダンスは、一般に、次式（４）で定義され
る。音響インピーダンス＝（密度）×（音速）・・・・（４）

【００１６】超音波振動を発生する圧電振動子の音響イ
ンピーダンスは、例えば、３０×１０⁶ｋｇ・ｍ^-2・ｓ
^-1）程度であり、空気の音響インピーダンスは４００ｋ
ｇ・ｍ^-2・ｓ^-1）程度である。空気の流速を測定する場
合、整合層の音響インピーダンスは０．１１×１０⁶ｋ
ｇ・ｍ^-2・ｓ^-1）程度に設定されることが好ましい。

【００１７】従来、圧電振動子および空気の中間的な音
響インピーダンスを持つ整合層を形成するため、密度が
比較的小さな材料（例えばガラスバルーンやプラスチッ
クバルーン）を樹脂で固めた材料が使用されている。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような整合層を用いても、圧電振動子から空気などの気
体中に超音波を伝搬させる場合には、どうしても伝搬損
失が生じ、測定感度が低下するという問題があった。超
音波を固体から気体へ効率よく伝搬させることが難しい
理由は、固体の音響インピーダンスに比べて気体の音響
インピーダンスが格段に小さく、中間に整合層を介在さ
せても界面で超音波の強い反射が生じてしまうためであ
る。

【００１９】また、図６に示すタイプの超音波流量計で
は、超音波送受波器を配置するための空洞部が流量測定
部の流路内部に必要であり、この空洞部の存在が被測定
流体の流れの乱れの原因となる場合がある。また、微量
化学分析のためには、流量自体が極微量となるため、流
路を微細化する必要がある。そのような場合、従来の構
成では、超音波送受波器を流路内に配置できないため、
極少量の流量測定には適用できないという問題があっ
た。

【００２０】本発明は、上記問題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、流量計測部である流
路内部の流れを乱すことなく、極少量の流量計測にも対
応できる高感度な超音波流量計を提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明による超音波流量
計は、被測定流体の流路を規定する内壁を有する流量測
定部と、前記流量測定部の内壁に囲まれた流路空間の外
側に設けられ、超音波の送信および／または受信を行う
少なくとも１つの超音波振動子と、前記超音波振動子と
前記流路空間との間に配置され、前記超音波の伝搬経路
を形成する伝搬媒質部とを備えた超音波流量計であっ
て、前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部におけ
る音速Ｃ１、前記被測定流体の密度ρ２、および前記被
測定流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１
／Ｃ２）＜１の関係を満足する。

【００２２】好ましい実施形態において、前記超音波振
動子の数は複数であり、前記複数の超音波振動子のうち
の第１の超音波振動子は、前記複数の超音波振動子のう
ちの第２の超音波振動子に対して超音波を出射するよう
に配置され、前記第２の超音波振動子は、前記第１の超
音波振動子に対して超音波を出射するように配置されて
いる。

【００２３】好ましい実施形態において、前記伝搬媒質
部は、前記超音波振動子の超音波振動面に対向する第１
表面領域と、前記流路空間に対向する第２表面領域とを
有しており、前記伝搬媒質部の前記第２表面領域は、前
記第１表面領域に対して平行ではない。

【００２４】好ましい実施形態において、前記伝搬媒質
部の第１表面領域は、前記流路空間内における前記被測
定流体の流速方向に対して傾斜し、前記第２表面領域
は、前記流路空間内における前記被測定流体の流速方向
に対して平行である。

【００２５】好ましい実施形態において、前記伝搬媒質
部の第２表面領域は、前記流量測定部の前記内壁との間
で段差を実質的に形成していない。

【００２６】好ましい実施形態において、前記伝搬媒質
部の密度ρ１、前記伝搬媒質部と前記被測定流体との界
面への超音波の入射角Θ１、前記被測定流体の密度ρ
２、および、前記界面から前記被測定流体への前記超音
波の進入角Θ２が、ρ２／ρ１＝ｃｏｔΘ２／ｃｏｔΘ
１の関係をほぼ満足している。

【００２７】好ましい実施形態において、前記被測定流
体は、固有音響インピーダンスが３００ｋｇ・ｍ^-2・ｓ
^-1）以下の気体である。

【００２８】好ましい実施形態において、前記伝搬媒質
部は、無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルから形成
されている。

【００２９】好ましい実施形態において、前記乾燥ゲル
の固体骨格部は疎水化されている。

【００３０】好ましい実施形態において、前記乾燥ゲル
の密度は、５００ｋｇ／ｍ³以下であり、前記乾燥ゲル
の平均細孔直径は、１００ｎｍ以下である。

【００３１】好ましい実施形態において、前記超音波振
動子と前記伝搬媒質部との間に設けられ、前記超音波振
動子と前記伝搬媒質部とを音響的に整合させる整合層を
有している。

【００３２】好ましい実施形態において、前記被測定流
体の流速方向に垂直な方向に測定した前記流速測定部に
おける流路空間のサイズは、前記超音波の中心周波数に
おける前記被測定流体中の波長の１／２以下である。

【００３３】好ましい実施形態において、前記超音波振
動子は、収束音場を形成するように構成されている。

【００３４】好ましい実施形態において、前記伝搬媒質
部の第１表面領域は、レンズ面を形成するように湾曲し
ている。

【００３５】本発明による超音波流量計は、ガスの流路
を規定する内壁を有する流量測定部と、前記流量測定部
の内壁に囲まれた流路空間の外側に設けられ、超音波の
送信および／または受信を行う一対の超音波振動子と、
前記一対の超音波振動子の各々と前記流路空間との間に
配置され、前記超音波の伝搬経路を屈折させる一対の伝
搬媒質部とを備え、前記伝搬媒質部は、前記超音波振動
子の超音波振動面に対向する第１表面領域と、前記流路
空間に対向する第２表面領域とを有しており、前記伝搬
媒質部の第１表面領域は、前記流路空間内における前記
ガスの流速方向に対して傾斜し、前記第２表面領域は、
前記流路空間内における前記ガスの流速方向に対してほ
ぼ平行である。

【００３６】

【発明の実施の形態】本発明者は、適切な材料からなる
伝搬媒質部を用いて超音波を適切に屈折させれば、界面
における損失をほとんど発生させることなく、固体から
流体（特に気体）へ超音波を伝搬させることができるこ
とを見出して、本発明を想到するに到った。

【００３７】本発明の好ましい実施形態では、被測定流
体の流れ方向に対して傾斜した面（第１表面領域）と、
被測定流体の流れ方向にほぼ平行な面（第２表面領域）
とを有する伝搬媒質部を超音波振動子と被測定流体との
間に配置する。伝搬媒質部の第２表面領域は、好ましく
は、流体の流れを撹乱しないように流体の流路を規定す
る面に整合させられている。

【００３８】以下、図面を参照しながら、本発明の好ま
しい実施形態を説明する。

【００３９】（実施形態１）まず、図１（ａ）および
（ｂ）を参照しながら、本発明による超音波流量計の最
初の実施形態を説明する。図１（ａ）は、本実施形態に
おける超音波流量計１０の長手方向に沿った断面を示
し、図１（ｂ）は、超音波流量計１０の長手方向とＢ−
Ｂ線で直交する断面を示している。

【００４０】図示されている超音波流量計１０は、被測
定流体の流路を規定する内壁４０を有する流量測定部４
と、流量測定部４の内壁４０に囲まれた流路空間９の外
側に設けられ、超音波の送信および／または受信を行う
一対の超音波送受波器（超音波振動子）１ａおよび１ｂ
と、超音波送受波器１ａおよび１ｂと流路空間９との間
に配置され、超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部３
ａ、３ｂとを備えている。被測定流体は、流量測定部４
の内壁４０に囲まれた流路空間９の内部を矢印５の方向
に流れるものとする。

【００４１】本実施形態では、超音波送受波器１ａの超
音波放射面が被測定流体の流れ方向５に対して傾斜して
おり、超音波送受波器１ａから出た超音波は、流量測定
部４の内壁に対して斜めに入射する。そして、超音波
は、伝搬媒質部３ａと被測定流体との界面で屈折し、伝
搬経路６を通って一方の超音波送受波器１ｂで受けとら
れる。

【００４２】本実施形態における流路空間９の断面（流
れ方向５に垂直な断面）は、図１（ｂ）に示されるよう
に矩形である。本実施形態の流量測定部４は、部品４ａ
および４ｂをシール材４ｃによって固着することによっ
て作製される。なお、流路空間の６の形状は、図示され
ているものに限定されず、他の形状（例えば円形）であ
ってもよい。

【００４３】伝搬媒質部３ａ、３ｂは、超音波送受波器
１ａおよび１ｂの超音波振動面に対向する第１表面領域
３１と、流路空間９に対向する第２表面領域３２とを有
している。本実施形態では、伝搬媒質部３ａ、３ｂの密
度をρ１、伝搬媒質部３ａ、３ｂの音速をＣ１、被測定
流体の密度をρ２、被測定流体の音速をＣ２としたと
き、以下の（数１）に示す関係が満足されるように、伝
搬媒質部３ａ、３ｂの材料を選択している。

【００４４】

【数１】

【００４５】気体の流量を測定対象とする場合、上記条
件を満足する材料を見つけることは難しい。その理由
は、気体の音速Ｃ２よりも音速Ｃ１が小さな固体材料が
少ないからである。本実施形態では、上記条件を満足す
る伝搬媒質部３ａ、３ｂを実現するため、無機酸化物ま
たは有機高分子の乾燥ゲルから伝搬媒質部３ａ、３ｂを
形成している。本実施形態で用いる乾燥ゲルの固体骨格
部は疎水化されており、その密度は５００ｋｇ／ｍ³以
下である。この乾燥ゲルは、平均細孔直径が１００ｎｍ
以下のナノ多孔体乾燥ゲル（ナノ多孔質乾燥ゲル）であ
る。

【００４６】なお、無機酸化物の乾燥ゲルの固体骨格部
は、少なくとも酸化ケイ素（シリカ）または酸化アルミ
ニウム（アルミナ）を成分とすることが好ましい。ま
た、有機高分子の乾燥ゲルの固体骨格部は、一般的な熱
硬化性樹脂、熱可塑性樹脂により構成することができ
る。例えば、ポリウレタン、ポリウレア、フェノール硬
化樹脂、ポリアクリルアミド、ポリメタクリル酸メチル
などを用いることができる。

【００４７】伝搬媒質部３ａ、３ｂを、例えばシリカを
主成分とするナノ多孔体乾燥ゲルから形成する場合、そ
の密度ρ１が２００ｋｇ／ｍ³であれば、音速Ｃ１を１
００ｍ／ｓから１８０ｍ／ｓ程度の範囲に設定すること
ができる。非測定流体が空気である場合、空気の密度ρ
２は１．２２ｋｇ／ｍ³、音速Ｃ２は３４０ｍ／ｓであ
るので、上記の伝搬媒質部３ａ、３ｂを採用することに
より、ρ２＜ρ１、および、Ｃ１＜Ｃ２の関係を同時に
満足させ、かつ、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）の関
係を満足させることができる。天然ガスなどの気体流量
を測定する場合、伝播媒質部３ａ、３ｂとしては、密度
ρ１が１００〜３００ｋｇ／ｍ³、音速Ｃ１が１００〜
３００ｍ／ｓの範囲にあることが好ましい。

【００４８】超音波送受波器１ａ、１ｂは、超音波振動
子として機能する圧電体を有しており、超音波の送信お
よび／または受信を行うことができる。圧電体として
は、圧電セラミックスが好適に用いられる。

【００４９】なお、本実施形態の超音波流量測定装置１
０では、伝搬媒質部３ａと超音波送受波器１ａとの間に
整合層２ａを設け、伝搬媒質部３ｂと超音波送受波器１
ｂとの間に整合層２ｂを設けている。整合層２ａ、２ｂ
は、超音波送受波器１ａ、１ｂの超音波発生源である圧
電セラミックス（音響インピーダンス：３０×１０⁶ｋ
ｇ・ｍ^-2・ｓ^-1））と伝搬媒質部３ａ、３ｂとの間にお
ける音響的整合を高める機能を有している。

【００５０】シリカを主成分とするナノ多孔体乾燥ゲル
（音響インピーダンス３×１０⁴ｋｇ・ｍ^-2・ｓ^-1））
から伝搬媒質部３ａ、３ｂを形成する場合、音響インピ
ーダンスが１×１０⁶ｋｇ・ｍ^-2・ｓ^-1）付近の材料か
ら作製した整合層２ａ、２ｂを採用することにより、超
音波エネルギの伝搬効率をほぼ１、具体的には０．９５
以上とすることができる。このような材料は、中空ガラ
ス球を樹脂材料で固めた複合材料で実現できる。整合層
２ａ、２ｂの厚さは、使用する超音波の１／４波長に設
定することが好ましい。

【００５１】次に、図２を参照しながら、超音波が伝搬
媒質部３ａから被測定流体中に伝搬する様子を詳細に説
明する。

【００５２】前述した配置関係から、超音波は、伝搬媒
質部３ａと被測定流体との界面Ｓの法線方向から傾斜し
た方向に沿って界面Ｓに入射する。界面との法線方向に
対する超音波の入射角をΘ１とする（０°＜Θ１＜９０
°）。このとき、超音波は伝搬媒質部３ａと被測定流体
との界面Ｓで屈折し、界面Ｓの法線方向に対する角度
（進入角）Θ２で被測定流体に進入することになる（Θ
１＜Θ２）。

【００５３】本実施形態では、被測定流体のρ２が与え
られたとき、以下の（数２）の関係をほぼ満足するよう
に各種のパラメータ（ρ１、Θ１、およびΘ２）が設定
されている。

【００５４】

【数２】

【００５５】このような設定により、超音波エネルギの
伝搬媒質部３ａから被測定流体への伝搬効率は、ほぼ１
になる。このとき、入射角Θ１は次式で表される条件を
満足する。

【００５６】

【数３】

【００５７】従って、伝搬媒質部３ａのρ１、Ｃ１、お
よび被測定流体のρ２、Ｃ２が定まったならば、入射角
Θ１は（数３）の式によって決定される。また、入射角
Θ１が決まれば、（数２）の式によって進入角Θ２も決
定される。

【００５８】入射角Θ１および進入角Θ２が定まると、
伝搬媒質部３ａの第１表面領域３１の傾斜角度や２つの
超音波送受波器１ａ、１ｂの間隔なども決定できる。

【００５９】以上のことは、超音波を受けとる場合に
も、そのまま適用される。

【００６０】本実施形態では、前述した材料から伝搬媒
質部３ａ、３ｂを形成することにより、伝搬媒質部３
ａ、３ｂの音速Ｃ１を１８０ｍ／ｓ、密度ρ１を２００
ｋｇ／ｍ³に設定することができる。空気の流量を測定
する場合、被測定流体（空気）の密度ρ２は１．２２ｋ
ｇ／ｍ³、音速Ｃ２は３４０ｍ／ｓであるので、（数
２）および（数３）の関係から、入射角Θ１は３２°、
進入角Θ２は８９°に設定すればよい。進入角Θ２は９
０°に近いため、被測定流体中の超音波は、流れ方向５
とほぼ平行な方向に伝搬することになる。

【００６１】本実施形態における流量測定部４の内壁４
０に囲まれた流路空間９のサイズＨ（図１（ａ）参照）
は、被測定流体における超音波の１／２波長以下、理想
的には１／４波長以下に設定することが好ましい。流路
空間９のサイズをこのような大きさに設定することによ
り、流路空間９での音波反射による伝搬モードの出現を
抑制し、時間計測の制度を上げることができる。例え
ば、用いる超音波の波長λが４ｍｍ程度である場合、流
路空間９のサイズＨは２ｍｍ程度に設定され得る。この
場合、計測対象の最低流速が１ｍｍ／ｓ、伝搬時間の計
測制度が１ｎｓ（ナノセカンド）であるとすると、超音
波送受波器１ａおよび１ｂの横方向の間隔は１２０ｍｍ
程度に設定され得る。

【００６２】本実施形態によれば、伝搬媒質部３ａ、３
ｂと被測定流体との界面Ｓで伝搬損失がほとんど生じな
いため、この界面Ｓにおいて双方の音響インピーダンス
を整合させる必要はない。

【００６３】なお、伝搬媒質部３ａ、３ｂは、密度ρ１
および音速Ｃ１が全体に渡って均質な材料から構成され
ている必要はなく、密度ρ１および音速Ｃ１が異なる複
数種類の材料層が重ねられた積層構造を有していも良
い。このような積層構造を有している場合、超音波は伝
搬媒質部３ａ、３ｂ中を直進しない場合があるが、問題
ない。重要な点は、伝搬媒質部３ａ、３ｂと被測定流体
との界面近傍領域において、前述の式を満足するように
伝搬媒質部３ａ、３ｂの密度ρ１および音速Ｃならびに
入射角Θ１が設定されることにある。

【００６４】次に、本実施形態における超音波流量計の
動作を説明する。

【００６５】まず、不図示の駆動回路から超音波送波器
１ａに対して、共振周波数近傍（例えば１００ｋＨｚ〜
１ＭＨｚ程度）の周波数を持つ交流電圧が印加される。
これにより、超音波送受波器１ａは、整合層２ａを通し
て伝搬媒質部３ａにほぼ効率１の条件で超音波を放射す
る。

【００６６】伝搬媒質部３ａを伝搬した音波は、伝搬媒
質部３ａと流路空間９との界面で屈折し、ほぼ効率１の
状態で流路空間９内に放射され、被測定流体の内部を伝
搬する。その後、超音波は、対向する側に設けられた伝
搬媒質部３ｂおよび整合層２ｂを通って超音波送受波器
１ｂに到達する。超音波送受波器１ｂは、受け取った超
音波を電圧に変換し、電圧信号（電気信号）を生成す
る。この電気信号に基づいて超音波の伝搬時間が計測さ
れ、流速から流量に換算される方法は、従来技術と同様
である。駆動回路の構成例は、特開平２０００−２９８
０４５号公報および特開平２０００−２９８０４７号公
報に記載されている。

【００６７】本実施形態によれば、適切な密度ρ１およ
び音速Ｃ１を示す伝搬媒質部３ａ、３ｂを設け、超音波
を適切な角度に屈折させるため、物質の界面における伝
搬損失をほぼ０にし、良好なＳ／Ｎ比で流量測定を達成
することができる。そして、本実施形態によれば、従来
の超音波流量計では測定が極めて困難であった気体（例
えば水素ガスなど）の流量を容易に測定することが可能
になる。

【００６８】更に、本実施形態によれば、流量計測部４
の流路空間９の内部に、流れを乱す大きな凹凸や段差が
存在せず、極めて安定した流量測定が可能になる。ま
た、超音波送受波器が流路空間９の外側に配置されてい
るため、超音波送受波器のサイズによらず、流路空間９
のサイズを任意に設計できる。その結果、流路空間９の
サイズを小さくして極少量の流量計測を行うことが可能
になる。

【００６９】（実施形態２）図３を参照しながら、本発
明による超音波流量計の第２の実施形態を説明する。図
３は、本実施形態における超音波流量計２０の長手方向
に沿った断面を示している。本実施形態と前述の実施形
態との間で共通する部材について同様の参照符号を与え
ている。

【００７０】以下、本実施形態の超音波流量計２０に特
徴的な点を説明し、実施形態１における超音波流量計１
０と同様の部分については説明を省略する。

【００７１】本実施形態の超音波流量計２０では、超音
送受波器１ａ、１ｂが収束音場を形成するように構成さ
れている。具体的には、伝搬媒質部８ａ、８ｂの第１表
面領域がレンズ面を形成するように湾曲している。これ
に伴って、整合層８における被測定流体側の表面が凹面
型になっている。このような構成により、超音波送受波
器１ａから送波された超音波は伝搬媒質部８ａ内で収束
することになる。このの収束効果により、同一性能の超
音波振動子を用いて、より大きな音圧で超音波の送受波
が可能になるため、Ｓ／Ｎ比を更に向上させることがで
きる。

【００７２】以上説明してきた実施形態では、いずれ
も、伝搬媒質部の第１表面領域３１は、流路空間９にお
ける被測定流体の流速方向５に対して傾斜し、第２表面
領域３２は、流路空間９における被測定流体の流速方向
５に対して平行であるが、本発明は、このような構成に
限定されるわけではない。例えば、図４（ａ）に示すよ
うに、伝搬媒質部３ａ、３ｂの第２表面領域３２が流路
空間９における被測定流体の流速方向５に対して傾斜す
るような構成を採用しても良い。このような構成によれ
ば、２つの超音波送受波器の間隔を短縮することができ
る。ただし、図４（ａ）の構成では、流量測定部４の内
壁４０と伝搬媒質部３ａ、３ｂの第２表面領域３２との
間に段差が形成されている。この段差を低減または解消
するためには、例えば、図４（ｂ）や図４（ｃ）に示す
ように流量測定部４の内壁４０の一部に傾斜面を形成
し、その傾斜面を伝搬媒質部３ａ、３ｂの第２表面領域
３２と整合させればよい。

【００７３】伝搬媒質部３ａ、３ｂの第２表面領域３２
は、流量測定部４の内壁４０との間で段差を実質的に形
成していないことが好ましいが、流れの乱れが大きな問
題にならない場合は、図５（ａ）および（ｂ）に示すよ
うな段差または凹凸が存在しても良い。

【００７４】上記いずれの実施形態でも、一対の超音波
送受波器の構成を実質的に同一なものとし、１８０°の
回転対称な配置構成を採用しているが、本発明は、この
ような構成に限定されない。一対の超音波送受波器の一
方については、上記実施形態における構成を適用し、他
方の超音波送受波器については、異なる構成（例えば図
４に示す構成）を与えてもよい。また、上記実施形態で
は、超音波振動子を超音波送受波器として用いることよ
り、超音波の送信だけではなく受信をも同じ超音波振動
子によって行っているが、本発明はこのような構成に限
定されない。送波用および受波用として、別々の超音波
振動子を用いても良い。

【００７５】

【発明の効果】本発明によれば、被測定流量中へ超音波
を伝播する際の損失をほぼゼロに低減することができる
ため、気体を含む種々の流体の流量を高感度で測定する
ことができる。

【００７６】また、本発明によれば、流路内部に段差や
凹凸を設ける必要がなくなるので、被測定流体の流れを
乱すことなく、極少量の流量計測にも対応できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明による超音波流量計の第１の
実施形態の長手方向に沿った断面図であり、（ｂ）は、
第１の実施形態の長手方向に直交するＢ−Ｂ線断面図で
ある。

【図２】伝搬媒質部３ａと被測定流体との界面における
超音波の屈折を示す図である。

【図３】本発明による超音波流量計の第２の実施形態の
断面図である。

【図４】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、本発明による
超音波流量計の他の実施形態の断面図である。

【図５】（ａ）および（ｂ）は、本発明による超音波流
量計の更に他の実施形態の断面図である。

【図６】従来の超音波流量計の断面図である。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ超音波送受波器２ａ、２ｂ整合層３ａ、３ｂ伝搬媒質部７ａ、７ｂ整合層８ａ、８ｂ伝搬媒質部４流量測定部５流体の流れ方向６超音波の伝搬経路９流路空間１０超音波流量計２０超音波流量計４０流量測定部の内壁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定流体の流路を規定する内壁を有す
る流量測定部と、前記流量測定部の内壁に囲まれた流路空間の外側に設け
られ、超音波の送信および／または受信を行う少なくと
も１つの超音波振動子と、前記超音波振動子と前記流路空間との間に配置され、前
記超音波の伝搬経路を形成する伝搬媒質部と、を備えた
超音波流量計であって、前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒質部における音
速Ｃ１、前記被測定流体の密度ρ２、および前記被測定
流体における音速Ｃ２が、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ
２）＜１の関係を満足する超音波流量計。
【請求項２】前記超音波振動子の数は複数であり、前記複数の超音波振動子のうちの第１の超音波振動子
は、前記複数の超音波振動子のうちの第２の超音波振動
子に対して超音波を出射するように配置され、前記第２の超音波振動子は、前記第１の超音波振動子に
対して超音波を出射するように配置されている、請求項
１に記載の超音波流量計。
【請求項３】前記伝搬媒質部は、前記超音波振動子の
超音波振動面に対向する第１表面領域と、前記流路空間
に対向する第２表面領域とを有しており、前記伝搬媒質部の前記第２表面領域は、前記第１表面領
域に対して平行ではない請求項１または２に記載の超音
波流量計。
【請求項４】前記伝搬媒質部の第１表面領域は、前記
流路空間内における前記被測定流体の流速方向に対して
傾斜し、前記第２表面領域は、前記流路空間内における
前記被測定流体の流速方向に対して平行である請求項３
に記載の超音波流量計。
【請求項５】前記伝搬媒質部の第２表面領域は、前記
流量測定部の前記内壁との間で段差を実質的に形成して
いない、請求項３または４に記載の超音波流量計。
【請求項６】前記伝搬媒質部の密度ρ１、前記伝搬媒
質部と前記被測定流体との界面への超音波の入射角Θ
１、前記被測定流体の密度ρ２、および、前記界面から
前記被測定流体への前記超音波の進入角Θ２が、 ρ２／ρ１＝ｃｏｔΘ２／ｃｏｔΘ１の関係をほぼ満足する請求項１から４のいずれかに記載
の超音波流量計。
【請求項７】前記被測定流体は、固有音響インピーダ
ンスが３００ｋｇ・ｍ ^-2・ｓ^-1）以下の気体である請求
項１から４のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項８】前記伝搬媒質部は、無機酸化物または有
機高分子の乾燥ゲルから形成されている請求項１から７
のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項９】前記乾燥ゲルの固体骨格部は疎水化され
ている請求項８に記載の超音波流量計。
【請求項１０】前記乾燥ゲルの密度は、５００ｋｇ／
ｍ³以下であり、前記乾燥ゲルの平均細孔直径は、１００ｎｍ以下である
請求項９に記載の超音波流量計。
【請求項１１】前記超音波振動子と前記伝搬媒質部と
の間に設けられ、前記超音波振動子と前記伝搬媒質部と
を音響的に整合させる整合層を有している請求項１から
１０のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項１２】前記被測定流体の流速方向に垂直な方
向に測定した、前記流速測定部における流路空間のサイ
ズは、前記超音波の中心周波数における前記被測定流体
中の波長の１／２以下である請求項１から１１のいずれ
かに記載の超音波流量計。
【請求項１３】前記超音波振動子は、収束音場を形成
する請求項１から１２のいずれかに記載の超音波流量
計。
【請求項１４】前記伝搬媒質部の第１表面領域は、レ
ンズ面を形成するように湾曲している請求項１２に記載
の超音波流量計。
【請求項１５】ガスの流路を規定する内壁を有する流
量測定部と、前記流量測定部の内壁に囲まれた流路空間の外側に設け
られ、超音波の送信および／または受信を行う一対の超
音波振動子と、前記一対の超音波振動子の各々と前記流路空間との間に
配置され、前記超音波の伝搬経路を屈折させる一対の伝
搬媒質部と、を備え、前記伝搬媒質部は、前記超音波振動子の超音波振動面に
対向する第１表面領域と、前記流路空間に対向する第２
表面領域とを有しており、前記伝搬媒質部の第１表面領域は、前記流路空間内にお
ける前記ガスの流速方向に対して傾斜し、前記第２表面
領域は、前記流路空間内における前記ガスの流速方向に
対してほぼ平行である超音波流量計。
【請求項１６】請求項１から１５のいずれかに記載の
超音波流量計と、前記超音波流量計に被測定流体を供給する管と、前記超音波流量計によって測定された流量を表示する表
示部と、を備えた装置。