JP2009085902A - 超音波トランスジューサ及び超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波流量計において、流路内部に新たに仕切部材等を介在させることや流路の窪み部に余計な部材を設置することも無く、流速分布が流量域で変化しても、正確に被測定流体の流速を算出し流量を演算することを可能にする超音波トランスジューサを提供する。
【解決手段】超音波トランスジューザ１０は、複数の圧電素子（圧電素子１２１，１２２で例示）及び音響整合層１１を有する。超音波トランスジューサ１０は、圧電素子１２１，１２２を同時に動作させ、音響整合層１１の放射面Ｓの変形形態を変化させることにより、放射面Ｓから放射される超音波ビームの指向特性を変化させ、超音波ビームを放射面Ｓに水平な方向に一様に拡散させる。超音波トランスジューサ１０は、この放射面Ｓに水平な方向を流路の幅方向と合わせて、超音波流量計に一対配設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波トランスジューサ及び超音波流量計に関し、より詳細には、主にガス等の流体の流速や流量を計測するために使用する超音波トランスジューサ、及びそれを備えた超音波流量計に関する。

従来、流路を流れる流体の流速を計測する際に、流路を流れる流体には、その流量によって流速分布が異なることが流体力学的に一般に知られている。すなわち、流れが遅い時には、流路幅方向で層流と呼ばれる放物線形状の流速分布を示し、ピークの流速と、平均流速とが異なる分布状態となる。逆に流れが速くなると、徐々にその分布は崩れ、乱流域と呼ばれる流域となり、その時の流速分布は、ピーク流速が平均流速と等しい形状となるバスタブ形状と呼ばれる流速分布となる。このように、流れが速くなると、その流速分布は流路幅方向で一様に等しい分布状態となる。

また、層流域では、放物線形状の流速分布形状に若干の相異が発生し、幅方向での流速差は一定では無い。更に層流域では、ガス種や、流路形状寸法等により、流速分布が異なることが一般に知られている。

このように流量域及び、流体の種類や、流路形状寸法等により、流路幅方向及び、高さ方向での流速分布に差が存在すると、超音波トランスジューサにより流速分布を横切るように超音波を送受信させて流路を流れる流体を計測する際に、流量域によって、計測される平均流速は分布の影響を受け、この分布の影響により計測した値には誤差が含まれるため、正確な流量を算出できないことになる。

仮にこの誤差の影響を補正するにしても、計測している流速分布そのものが把握できないので、流量域による流速分布を平均流速として補正することは極めて困難である。

このような問題に対して、例えば特許文献１には、この分布の影響を低減し、どの流量域でも平均化された流速分布が得られるように、流路内部の幅方向を複数のエリアに分割し、特に層流域で発生する放物線形状の流速分布を平滑化するように、流路内部に仕切部材を配置した構成が記載されている。このような構成により、層流域でも乱流域と同様に平均化された流速分布を計測し扱えるようになるため、正確な流速を算出でき、高精度に流量を算出することができる。

また、特許文献２には、流体を流す流路と、流路の壁面に設けた窪み部と、この窪み部の奥部に設け流路に超音波を伝搬させて送受信する超音波受発信手段と、窪み部の流路出口面に配する音波透過手段と、音波透過手段を取り付けるための保持手段とを備えた超音波流量計が開示されている。ここで、保持手段には、窪み部の開口断面より少なくとも小さな面積の開口部を設けて音波透過手段を保持する構成を採用している。特許文献２に記載の超音波流量計の構成では、音波透過手段を超音波が通過する際に、超音波が拡散して放射方向が分散するので、幅広い流路の範囲を超音波が通過することができ、流速分布が変わっても精度よく流量を計測することができる。
特開２００５−２５７３６３号公報 特開２００７−０７１８９４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の構成では、仕切部材を流路内部に挿入することで、流れに対して抵抗を発生させることになり、圧力損失が顕著化してしまうという問題がある。仮にこの圧力損失を一定レベルに抑えることができたとしても、製品の固体差、仕切部材の組み込み精度、バラツキ、温度因子等による影響を考慮すると、製品の安定性、歩留り等にも影響する可能性がある。更に、仕切部材を追加することで、部品点数が増加し、これに伴いコスト高となってしまうという問題がある。

また、特許文献２に記載の構成では、流路の壁面の窪み部に余計な部材を配置する必要があるため、コスト高となる上、更には部材の配置精度、固体差により放射特性がバラッキを有する可能性もある。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、流路内部に新たに仕切部材等を介在させることや流路の窪み部に余計な部材を設置することも無く、流速分布が流量域で変化しても正確に被測定流体の流速を算出し流量を演算することが可能な超音波流量計、並びにそのような演算を可能とするために超音波流量計に設ける超音波トランジューザを提供することを、その目的とする。

上述のごとき課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、超音波流量計に配設するための超音波トランスジューサであって、複数の圧電素子及び音響整合層を有し、前記複数の圧電素子を同時に動作させ、前記音響整合層の放射面の変形形態を変化させることにより、前記放射面から放射される超音波ビームの指向特性を変化させ、該超音波ビームを前記放射面に水平な方向に一様に拡散させることを特徴としたものである。

第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記複数の圧電素子は、少なくとも分極方向に垂直な両面の最外形が、全て同一であることを特徴としたものである。

第３の技術手段は、第１又は第２の技術手段において、前記複数の圧電素子として、前記音響整合層側に設けた円状の第１の圧電素子と、該第１の圧電素子に対し前記音響整合層とは反対側に設けた円状の第２の圧電素子との２つの圧電素子を有し、該第２の圧電素子は、前記第１の圧電素子側とは反対側の電極として、リング状の電極を有することを特徴としたものである。

第４の技術手段は、第１又は第２の技術手段において、前記複数の圧電素子として、前記音響整合層側に設けた円状の第１の圧電素子と、該第１の圧電素子に対し前記音響整合層とは反対側に設けたリング状の第２の圧電素子との２つの圧電素子を有することを特徴としたものである。

第５の技術手段は、第４の技術手段において、前記第２の圧電素子のリング内径より小さい部材を、前記第１の圧電素子の前記音響整合層とは反対側に貼り合わせてなり、該部材は、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子に用いた圧電体と同一又は異なる材質とし、該部材には電圧を印加しないことを特徴としたものである。

第６の技術手段は、第４の技術手段において、前記第１の圧電素子は、前記第２の圧電素子のリング内径に収まる大きさをもつ圧電体の突起部を有し、該突起部には電圧を印加しないことを特徴としたものである。

第７の技術手段は、第１又は第２の技術手段において、前記複数の圧電素子として、前記音響整合層側に設けたリング状の第１の圧電素子と、該第１の圧電素子に対し前記音響整合層とは反対側に設けた円状の第２の圧電素子との２つの圧電素子を有することを特徴としたものである。

第８の技術手段は、第３〜第６のいずれかの技術手段において、前記第２の圧電素子の最外径に対する前記第１の圧電素子の最外径の比βが、０．６＜β＜１．０であることを特徴としたものである。

第９の技術手段は、第３〜第８のいずれかの技術手段において、前記第１の圧電素子の分極方向の厚みに対する前記第２の圧電素子の分極方向の厚みの比γが、０．４＜γ＜１．５であることを特徴としたものである。

第１０の技術手段は、第１〜第９のいずれかの技術手段において、前記複数の圧電素子は、圧電体としてＰＺＴを有することを特徴としたものである。

第１１の技術手段は、第１〜第１０のいずれかの技術手段における超音波トランスジューサを一対備えた超音波流量計であって、前記一対の超音波トランスジューサは、被測定流体が流れる流路の上流側及び下流側に、流れを横切るように互いに対向して配設され、当該超音波流量計は、前記一対の超音波トランスジューサにより送受信される超音波の伝播時間に基づいて前記被測定流体の流速、流量を算出する流量算出手段を備えることを特徴としたものである。

第１２の技術手段は、第１１の技術手段において、前記被測定流体又は前記流路外の温度を計測する温度センサと、前記流量算出手段により算出された流速、流量、前記伝播時間のいずれか１又は複数と前記温度センサで計測された温度とに基づいて、前記一対の超音波トランスジューサの駆動周波数及び駆動電圧を変化させるよう制御する駆動制御手段とを備えることを特徴としたものである。

本発明に係る超音波トランスジューサによれば、音響整合層の放射面から放射される超音波ビームが放射面に水平な方向に一様に拡散するように、指向特性を制御することが可能となる。また、本発明に係る超音波流量計によれば、この超音波トランスジューサを備え、超音波ビームが常に流路幅方向の全域に渡って一様に拡散できるように超音波ビームの指向特性を制御できるため、流路内部に新たに仕切部材等を介在させることや流路の壁面に設けた窪み部に余計な部材を設置することも無く、流速分布が流量域で変化しても、正確に被測定流体の流速を算出し流量を演算することが可能となる。

図１は、本発明に係る超音波流量計の一構成例を示す図である。本構成例における超音波流量計（超音波流量計測装置）は、ガス等の被測定流体が流れる流路３０と、流路３０を挟んで対向する位置に配置された一対の超音波トランスジューサ１０，２０と、流量算出手段（流量算出部１３）とを備える。

超音波トランスジューサ１０は、複数の圧電素子（圧電素子群１２）及び音響整合層１１を有する。超音波トランスジューサ２０も同様に、複数の圧電素子（圧電素子群２２）及び音響整合層２１を有する。これらの構成要素は、圧電素子が貼り付けなどにより複数積層され、その一方の面に音響整合層１１が貼り付けなどにより積層されることで、超音波トランスジューサ１０，２０に設けられる。更に、各超音波トランスジューサ１０，２０には、それぞれ、圧電素子群１２，２２に電圧を印加する駆動回路（図示せず）が具備されており、この駆動回路の駆動周波数及び駆動電圧に応じて圧電素子群１２，２２の圧電体が駆動され、音響整合層１１の放射面Ｓから超音波が放射されることとなる。音響整合層１１は、被測定流体と圧電体との音響インピーダンスの差をマッチングさせ、被測定流体から反射する超音波を最小限に抑える。勿論、圧電素子群１２，２２の音響整合層１１と反対側に、後方（音響整合層１１とは反対側）へ向かう超音波を吸収して余分な振動を抑えるバッキング材を設けてもよい。

超音波流量計において、一対の超音波トランスジューサ１０，２０は、流路３０の上流側及び下流側に、流れを横切るように互いに対向して配設されている。図１の例では、流れ方向に対して斜めに角度θだけ傾けた状態で、超音波トランスジューサ１０，２０を設置している。また、超音波トランスジューサ１０，２０は、双方の音響整合層１１の放射面Ｓを水平にして配設されている。なお、図１において、超音波の伝播長Ｌは両者の放射面Ｓ間の距離を指す。

流量算出部１３は、一対の超音波トランスジューサ１０，２０により被測定流体を媒質として送受信される超音波の伝播時間に基づいて、流路３０を流れる被測定流体の流速、流量を算出する。流量算出部１３による流速の算出、並びにその流速に基づく流量の算出については、既知の方法を採用すればよい。

そして、本発明の主たる特徴として、超音波トランスジューサ１０，２０は、複数の圧電素子（圧電素子群１２）を「同時に動作（駆動）させ」、音響整合層１１の放射面Ｓの変形形態を変化させる。このような駆動制御により、放射面Ｓから放射される超音波ビームの指向特性を微妙に変化させ、超音波ビームを放射面Ｓに水平な方向に一様に拡散させることを可能にする。

また、超音波流量計に超音波トランスジューサ１０，２０を上述のごとく設置しておくことで、上述の駆動制御により、放射面Ｓから放射される超音波ビームを、流路３０の幅方向に一様に拡散させることができるようになる。このように、本発明に係る超音波流量計によれば、超音波ビームが常に流路幅方向の全域に渡って一様に拡散するように超音波ビームの指向特性を制御できるため、流路内部に新たに仕切部材等を介在させることや流路の窪み部に余計な部材を設置することも無く、流速分布が流量域で変化しても（すなわち流速分布の影響が有っても）、正確に被測定流体の流速を算出し流量を演算することが可能となる。

以下、本発明に係る超音波トランスジューサについて、各構成例を挙げて説明する。各構成例においては超音波トランスジューサ１０についてのみ説明するが、超音波トランスジューサ２０についても同様である。また、超音波トランスジューサ１０，２０における複数の圧電素子（電歪振動子）は、圧電体としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：PbZr1-xTixO3）を有することが、コストや駆動制御のし易さの点から好ましい。従って、以下の各構成例においては、超音波トランスジューサ１０，２０に搭載する圧電素子として、ＰＺＴに電極（２枚の電極）が取り付けられたものを例に挙げて説明する。但し、圧電体としては、例えばチタン酸バリウム（通称「チタバリ」）等のＰＺＴ以外の圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：PolyVinylidine DiFluoride）に代表される高分子圧電材料など、他種のものを採用してもよい。なお、以下の各図において超音波トランスジューサ１０を厚さ方向から見た図では、ＰＺＴは電極も含んだものとして示している。

＜構成例１＞
図２は、本発明に係る超音波トランスジューサの一構成例を示す概略図で、図２（Ａ）はその厚さ方向から見た側面図、図２（Ｂ）は放射面とは逆方向から見た上面図、図２（Ｃ）はＰＺＴの電極位置の一例を示す側面図、図２（Ｄ）はＰＺＴの電極位置の他の例を示す側面図である。

また、図３は、図２の超音波トランスジューサで放射される超音波を模式的に説明するための図である。ここで、図３（Ａ）はＰＺＴ２枚を同時に変位させた場合に放射される超音波及びその進行方向の一例を説明するための模式図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のごとく放射される超音波のビームを説明するための模式図、図３（Ｃ）はＰＺＴ２枚のうち音響整合層側のＰＺＴのみを変位させた場合に放射される超音波及びその進行方向の一例を説明するための模式図、図３（Ｄ）は図３（Ｃ）のごとく放射される超音波のビームを説明するための模式図である。なお、図３をはじめ以下の同様の様子を示す模式図は、音響整合層１１や第１ＰＺＴ１２１、第２ＰＺＴ１２２等の変形を、分かり易く大きく表現したものである。

図２（Ａ），（Ｂ）で例示する超音波トランスジューサ１０は、音響整合層１１に、圧電体として第１ＰＺＴ１２１、第２ＰＺＴ１２２の２つのＰＺＴが順に貼り付けられて積層されている。第１ＰＺＴ１２１，第２ＰＺＴ１２２は、別の種類のＰＺＴであると言え、それぞれ厚さがｔ１，ｔ２、外径がＤ１，Ｄ２の円柱形状であるものとする。また、図２で図示するように、音響整合層１１の外形も円柱形状であることが好ましい。そのとき、音響整合層１１の直径はＤ１，Ｄ２より大きいものとする。なお、図２では、Ｄ１とＤ２がほぼ等しいものとしているが、構成例１においてはこれに限ったものではない。また、少なくとも放射面Ｓを円形とし、駆動対象のＰＺＴ（第１ＰＺＴ１２１や第２ＰＺＴ１２２）の両極（分極方向に垂直な両面）の最外形（後述の構成例のようにリング状であったとしてもその最外形）を円形にすることで、放射方向に偏りのない（異方性をもたない）超音波を発することができる。

この超音波トランスジューサ１０は、上述のごとく第１ＰＺＴ１２１と第２ＰＺＴ１２２とを分極方向となる厚さ方向に貼り合わせて積層し、更に音響整合層１１を第１ＰＺＴ１２１側に貼り合わせて積層し、更に駆動回路等の制御系を備えてなる。圧電素子群１２は、これら第１ＰＺＴ１２１及び第２ＰＺＴ１２２と、電極群（電気端子）によりなり、駆動回路は電極群を介して圧電体（第１ＰＺＴ１２１及び第２ＰＺＴ１２２）に電圧を印加する。

より具体的には、図２（Ｃ）で電極から導出される電極線１２ａ〜１２ｃを示したように、第１ＰＺＴ１２１に電圧を印加するために、音響整合層１１と第１ＰＺＴ１２１との間（境界）に一方の電極（電極線１２ａに対応）を設け、更に第１ＰＺＴ１２１と第２ＰＺＴ１２２との間（境界）に他方の電極（電極線１２ｂに対応）を設けている。第２ＰＺＴ１２２に対しても電圧を印加するために、第１ＰＺＴ１２１とは反対側の第２ＰＺＴ１２２に一方の電極（電極線１２ｃに対応）を設け、他方の電極は上記他方の電極（電極線１２ｂに対応）と共有する。このように、圧電素子群１２には合計３個の電極を設けておく。

なお、本構成例や以下に説明する構成例では、特に言及しない限り電極の設置範囲は圧電体の表面全体（当然厚さ方向は除く）とし、且つ均一電極とする。なお、実際には、製造歩留まりを向上させるため、電極の設置範囲を圧電体の面積より僅かに小さくするとよい。

そして、本構成例における駆動回路は、電極線１２ｂの電極（第１ＰＺＴ１２１と第２ＰＺＴ１２２との境界の電極）を基準として、電極線１２ａの電極（音響整合層１１と第１ＰＺＴ１２１との境界の電極）に対して基本的に一定の周波数で一定の電圧を印加すると共に、電極線１２ｃの電極（第２ＰＺＴ１２２の第１ＰＺＴ１２１とは反対側の電極）に対しても基本的に一定の周波数で一定の電圧を印加する。なお、前者の周波数及び電圧と後者の周波数及び電圧とは、基本的に同じ値を採用し、位相も同期させるものとする。

電極群の他の設置例として、図２（Ｄ）で電極から導出される電極線１２ｄ，１２ｅを示したように、第１ＰＺＴ１２１及び第２ＰＺＴに電圧を印加するために、音響整合層１１と第１ＰＺＴ１２１との間（境界）に一方の電極（電極線１２ｄに対応）を設け、更に第１ＰＺＴ１２１とは反対側の第２ＰＺＴ１２２に他方の電極（電極線１２ｅに対応）を設ける。このように、圧電素子群１２には合計２つの電極を設けておく。このとき第１ＰＺＴ１２１と第２ＰＺＴ１２２との接する部分には電極を設けなくてよい。なお、電極線１２ｄ，１２ｅに対応する電極は、それぞれ電極線１２ａ，１２ｃに対応する電極と同じものを指し、図２（Ｄ）の設置例は、図２（Ｃ）での設置例に対し電極線１２ｂ及びそれに対応する電極を取り除いたものとなる。

そして、この電極設置例に対する駆動回路は、電極線１２ｄの電極（音響整合層１１と第１ＰＺＴ１２１との境界の電極）と、電極線１２ｅの電極（第２ＰＺＴ１２２の第１ＰＺＴ１２１とは反対側の電極）との間に、基本的に一定の周波数で一定の電圧を印加する。

電極群を図２（Ｃ）、図２（Ｄ）で例示したいずれの場所に設置した場合にも、駆動回路により、第１ＰＺＴ１２１及び第２ＰＺＴ１２２が同時に駆動され、これらが横方向（分極方向に対して垂直方向）に変形し、この変形による応力が音響整合層１１へと伝達され、機械的な曲げによる変位を引き起こす。第１ＰＺＴ１２１及び第２ＰＺＴ１２２を同時に駆動させる方が、１つのＰＺＴ（この例では第１ＰＺＴ１２１）が単独で駆動させた時に比べて、圧電素子群１２の変形量が大きくなるため、音響整合層１１の変形の曲率もより大きく、すなわちより大きな変位を得ることができる。第１ＰＺＴ１２１及び第２ＰＺＴ１２２の質量や機械的剛性が異なっていた場合でも、図２（Ｄ）の電極配置ではそれらを強固に接合しておけばよく、図２（Ｃ）の電極配置ではこれらを同時に駆動させるときにそれぞれに印加する電圧を調整する（異ならせることを許容して調整する）ことで、同時に動作させることができる。

そして、音響整合層１１の変位の大きさにより放射面Ｓから放射され送受信される超音波ビームの指向特性が決まるため、２つを同時に動作させる方が１つのＰＺＴ（この例では第１ＰＺＴ１２１）を単独で動作させるよりも、放射面Ｓの変形形態を大きくできることから超音波ビームの指向性（指向特性）をより拡大させることができ、流路幅方向一様に超音波ビームを送受信させることができる。

より具体的には、ＰＺＴ２枚を同時に変位させた場合、放射される超音波及びその進行方向が図３（Ａ）に示すように、また放射される超音波ビームが図３（Ｂ）の実線で示すように、一様に拡散させることができる。これに対して、ＰＺＴ２枚のうち音響整合層１１側の第１ＰＺＴ１２１のみ（第２ＰＺＴ１２２がダミー素子となる）を変位させた場合、放射される超音波及びその進行方向が図３（Ｃ）に示すように、また放射される超音波ビームが図３（Ｄ）の実線で示すように、図３（Ａ），（Ｂ）に比べて拡散し難くなる。なお、図３（Ｂ）においても比較のため破線にて図３（Ｄ）の超音波ビーム形状を示し、図３（Ｄ）においても比較のため一点鎖線により図３（Ｂ）の超音波ビーム形状を示している。また、図示しないが、元々ＰＺＴを１つのみ搭載して動作させた場合には図３（Ｄ）より更に細いビーム形状となる。

また、横方向振動として、分極方向と垂直方向に振動する効果の振動のみに限らず、厚み方向振動をするＰＺＴを用いても良い。すなわち、縦（厚み）振動の分極方向の変位は、パーソン比によりこれとは垂直方向の横方向への変位を伴うため、この縦（厚み）振動による変形が、パーソン比により横方向に変形することで音響整合層１１を変形させ、この変形による応力により、ＰＺＴを１つしか設けない場合や２つ設けても一方のみ単独で動作させた場合に比べ、放射面Ｓがより大きな曲率を持つことができる。従って、１つのＰＺＴや２つのＰＺＴ中の一方のみ単独で動作させた時よりも２つ同時に動作させた方が、音響整合層１１から放射され送受信される超音波ビームの指向性を拡散させ、流路幅方向一様に広がる音波ビームを送受信できる。

実際、流路を流れる流体は、流量により幅方向での流速分に差ができる。特に、流速が遅い範囲では、幅方向での流速分布は放物線形状であり、流速が早い時には、バスタブ形状となることが一般的に知られている。このように流速が遅い時には、すなわち層流域では、超音波ビームが横切るエリアにより、流速分布を正確に算出することができず、ましてや、流路幅一様に音波が拡散しない場合、正確な流速は算出できない。この状況は、超音波が伝播する媒質の温度により、超音波トランスジューサ１０から送受信される指向性が変化するので、重要な課題であり、トランスジューサの取付け状態、固体差の影響も考慮せねばならない。

そこで、構成例１のごとく、流路幅方向で発生する流速分布を、幅方向全体をほぼ一様に伝播するエリアが得られるように超音波トランスジューサ１０から放射される超音波ビームの指向性を制御することで、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異があろうとも、その分布全域を計測できるので、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減することができる。すなわち、２種類のＰＺＴによる振動変位が合成されることで、より多くの変形が音響整合層１１へと及ぶため、音響整合層１１の変形状態が変化するので、放射面Ｓがより曲率し、媒質中への音波の指向性が広がる効果が期待できる。これにより、温度や媒質の変化に対しても、取付け状態、更には固体差があろうとも、流路幅方向へと一様に拡散する音波ビームが得られるため、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異があったとしても、その分布全域を計測できるので、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減することができる。

また、超音波トランスジューサ１０の放射面Ｓに、放射音波を一様に拡散させられるようなメッシュ状部材を介して放射断面積を小さくし、放射特性を制御する必要がないため、取付け工数やコストの削減が図れる。そして、上述のごとく、取付け寸法精度、固体差による影響が無いため、また温度による影響も少ないため、安定性が良く高精度な流速計測が実現できる。

＜構成例２＞
構成例２の超音波トランスジューサ１０は、構成例１において、駆動対象のＰＺＴ（第１ＰＺＴ１２１や第２ＰＺＴ１２２）の両極（分極方向に垂直な両面）の最外形（後述の構成例のようにリング状であったとしてもその最外形）を、全て同一にしたものである。最外形を同一にすることで、構成例１の効果に加えて、２つのＰＺＴ１２１，１２２を同時に駆動したときに同時に動作させ易くなる。

特に、図２で双方の厚さを等しくした（ｔ１＝ｔ２）ときのように、第１ＰＺＴ１２１と第２ＰＺＴ１２２とを全く同一形状に構成して、貼り合わせることがより好ましい。なお、図２では、電極線群の引き出しのために、Ｄ１とＤ２がほぼ等しいものとしているが、ここでの同一とはこのようなものも含むものとする。これにより、第１ＰＺＴ１２１と第２ＰＺＴ１２２とが機械的剛性及び質量の分布の点で同じとなるため、２つのＰＺＴ１２１，１２２を同時に駆動したときに同時に動作させ易くなる。

実際、この結果として２つのＰＺＴ１２１，１２２の振動変位が合成されるため、電極方向とは垂直方向の伸び方向の変位を発生させることができる。そして、音響整合層１１が電極方向（分極方向）と垂直な横方向の変位により変形し、この変位により周辺部との振動固定条件とにより曲げ方向の変形が作用する結果、振動面の変形が曲率化し、この変形により超音波の伝播状態を制御することで、指向特性を制御し、必要な広がりを有する音波ビームを送受信することを可能にする。

構成例２においても、これは逆に、１つのＰＺＴ（この例では第１ＰＺＴ１２１）を単独で動作させた場合では、２つのＰＺＴ１２１，１２２の機械的剛性と質量分布の作用により曲げの力が低減する結果、２つのＰＺＴ１２１，１２２が同時に動作する場合と比べて変位（形）量が少なく、放射面の曲率が少なくなるので指向性は狭くなる。すなわち同一形状の２種類のＰＺＴ１２１，１２２を単独では無く、同時に動作させ超音波の放射面Ｓの変形状態を大きくさせることにより、単独動作の時と比べてより曲率化させることができる。その結果、構成例１の効果と同様に、微妙に指向特性を拡大させるよう制御することで、超音波ビームを流路幅方向一様に拡散させて送受信できる。

＜構成例３＞
図４は、本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を示す概略図で、図４（Ａ）はその厚さ方向から見た側面図、図４（Ｂ）は放射面とは逆方向から見た上面図ある。構成例３の超音波トランスジューサ１０は、構成例１又は構成例２において、圧電素子を２つとして、音響整合層１１側に設けた第１ＰＺＴ１２１を円状（すなわち円盤状）とし、音響整合層１１とは反対側に設けた第２ＰＺＴ１２２も円状としたものである。

そして、構成例３の主たる特徴として、図４（Ｂ）に示すように第２ＰＺＴ１２２は第１ＰＺＴ１２１側とは反対側の電極（電極線１２ｃに対応した電極）をリング状（すなわちリング盤状）としている。但し、電極線１２ｃで説明したように図２（Ｃ）のような電極群の設置方法を採用するものとし、構成例３では図２（Ｄ）のような設置方法は採用しないものとする。

構成例３においても、２つのＰＺＴ１２１，１２２を設けて同時に動作させるため、図３（Ａ），（Ｂ）で説明したような構成例１等と同様の効果が得られる。すなわち、２つのＰＺＴ１２１，１２２の変形による変位が、１つのＰＺＴの時よりも増強され、結果としてより超音波ビームを流路幅方向一様に拡散させることができる。更に構成例３では、中央部の変形が制御されつつ曲率が増加し、放射面Ｓの曲率をより変化させられ放射面Ｓの曲げ状態をより適度に制御することができる。

このように、第１ＰＺＴ１２１と貼り合わせた面とは反対側の第２ＰＺＴ１２２の電極形状をリング状とすることで、２つのＰＺＴ１２１，１２２が同時に駆動され変位する時に、リング電極による振動変位は周辺部の変形が大きく、電極が存在しない中央部との第２ＰＺＴ１２２の機械的剛性及び質量分布のバランスにより、中央部の変位は適度に抑制され、変位全体が音響整合層１１の放射面Ｓ全体にてほぼ一様な分布となる。これにより、放射面Ｓから送受信される超音波の音圧を放射面Ｓ全体でほぼ一様に拡散した分布に制御することができる。換言すると、第２ＰＺＴ１２２の電極をリング状とすることで、第２ＰＺＴ１２２の音圧が周辺部に集中し、これと音圧が中央部に集中している第１ＰＺＴ１２１との、２種類の互いに振動部の異なる各ＰＺＴによる合成変位とにより、送受信の音圧を、ほぼ振動放射面一様として扱える上、中央の音圧が周辺部と比較して大きい第１ＰＺＴ１２１による振動変位を微妙に制御できる結果、指向特性が流路幅方向で一様に拡散できるので、流量による流速分布の相異による計測誤差を抑え、正確な流量を算出することができる。

＜構成例４＞
図５は、本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を示す概略図で、図５（Ａ）はその厚さ方向から見た側面図、図５（Ｂ）は放射面とは逆方向から見た上面図である。また、図６は、図５の超音波トランスジューサで放射される超音波を模式的に説明するための図である。ここで、図６（Ａ）はＰＺＴ２枚を同時に変位させた場合に放射される超音波及びその進行方向の一例を説明するための模式図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のごとく放射される超音波のビームを説明するための模式図、図６（Ｃ）はＰＺＴ２枚のうち音響整合層側のＰＺＴのみを変位させた場合に放射される超音波及びその進行方向の一例を説明するための模式図、図６（Ｄ）は図６（Ｃ）のごとく放射される超音波のビームを説明するための模式図である。

構成例４の超音波トランスジューサ１０は、構成例１又は構成例２において、圧電素子を２つとして、音響整合層１１側に設けた第１ＰＺＴ１２１を円状（すなわち円盤状）とし、音響整合層１１とは反対側に設けた第２ＰＺＴ１２２をリング状（すなわちリング盤状）としたものである。図５及び図６では、第２ＰＺＴ１２２は、中央の小さい穴（穴径：Ｄ３）をもつ外径Ｄ２のＰＺＴとして図示している。このような構成を放射面Ｓと反対側から見た場合には、図５（Ｂ）に示すように、径Ｄ３の穴から第１ＰＺＴ１２１の電極（第２ＰＺＴ１２２の電極ともなる）として、電極線１２ｂに対応する電極が視認できる。なお、電極線１２ｂの導出は図２（Ｃ）のように電極の周辺部から行えばよいが、図５（Ｂ）で示すように電極線１２ｂを径Ｄ３の穴から導出させることも可能である。但し、電極線１２ｃで説明したように図２（Ｃ）のような電極群の設置方法を採用するものとし、構成例４では図２（Ｄ）のような設置方法は採用しないものとする。

構成例４においても、２つのＰＺＴ１２１，１２２を設けているため、構成例１等と同様に、図３（Ａ），（Ｂ）で説明したのと同様の効果が得られる。すなわち、２つのＰＺＴ１２１，１２２の変形による変位が、１つのＰＺＴの時よりも増強され、より超音波ビームを流路幅方向一様に拡散させることができる。更に構成例４では、２つのＰＺＴ１２１，１２２の形状による振動時の変位分布の相異と、機械的剛性及び質量分布の作用とによって中央部と周辺部との変位状態が制御され、放射面の曲率が適度に調整できる。そして、このような音波ビームの指向特性の制御の結果、図６（Ａ），（Ｂ）に示したように、超音波ビームを流路幅方向に一様により拡散し、送受信させることができる。これに対して、ＰＺＴ２枚のうち音響整合層１１側の第１ＰＺＴ１２１のみ（第２ＰＺＴ１２２がダミー素子となる）を変位させた場合、放射される超音波及びその進行方向が図６（Ｃ）に示すように、また放射される超音波ビームが図６（Ｄ）の実線で示すように、図６（Ａ），（Ｂ）に比べて拡散し難くなる。

このように、構成例４では、２つのＰＺＴ１２１，１２２が同時に動作し変位する時に、リング状の第２ＰＺＴ１２２の振動変位と、その物理的形状効果（リングの中央部と周辺部との質量分布と機械的剛性）とにより、すなわち、中央部と周辺部との機械的剛性及び質量分布の相異により、リング状の第２ＰＺＴ１２２が振動し振動による変位が伝達する際、貼り合わされた（振動の負荷となる）第１ＰＺＴ１２１の機械的剛性及び質量による影響も加味され、中央部の変位が適度に抑えられ、変位全体が音響整合層の放射面Ｓ全体でほぼ一様に近い分布となる。これにより、放射面Ｓから送受信される超音波の音圧指向性を放射面全体でほぼ一様に拡散した分布状態に制御することができる。

換言すると、構成例３の効果と同様に、第２ＰＺＴ１２２の形状がリング状であるため、第２ＰＺＴ１２２では周辺部に音圧が集中し、これと音圧が中央部に集中している第１ＰＺＴ１２１との合成とにより、送受信の音圧がほぼ放射面一様に均等な分布特性として扱える上、中央の音圧が周辺部と比較して大きい第１ＰＺＴ１２１による振動変位を微妙に制御できる結果、指向特性が一様に拡散する効果と合わせて、より流量による流速分布の相異による計測誤差を低減できる。更に、構成例４では、構成例３に対して第２ＰＺＴ１２２がリング状としているため、中央部の機械的剛性が周辺部のそれと比べて小さいので、音響整合層の中央に比べて、周辺部への変形を大きくできるため、指向性をより制御し拡大できる効果が期待できるので、温度変化に対しても、取付け状態、更には固体差があっても、より指向特性範囲の自由度を向上できる。

＜構成例５＞
図７は、本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を示す概略図で、図７（Ａ）はその厚さ方向から見た側面図、図７（Ｂ）は放射面とは逆方向から見た上面図である。また、図８は、図７の超音波トランスジューサで放射される超音波を模式的に説明するための図である。ここで、図８（Ａ）はダミーＰＺＴを除くＰＺＴ２枚を同時に変位させた場合に放射される超音波及びその進行方向の一例を説明するための模式図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のごとく放射される超音波のビームを説明するための模式図、図８（Ｃ）はＰＺＴ３枚のうち音響整合層側のＰＺＴのみを変位させた場合に放射される超音波及びその進行方向の一例を説明するための模式図、図８（Ｄ）は図８（Ｃ）のごとく放射される超音波のビームを説明するための模式図である。

構成例５の超音波トランスジューサ１０は、構成例４において、第２ＰＺＴ１２２のリング内径Ｄ３より小さい外径Ｄ４をもつ第３ＰＺＴ１２３を、電圧を印加しないダミー素子として第１ＰＺＴ１２１における音響整合層１１とは反対側に貼り合わせてなるものである。但し、構成例５における径Ｄ３は、第３ＰＺＴ１２３の設置のため、構成例４における径Ｄ３より大きくしたものを採用している。すなわち、構成例５では、音響整合層１１とは反対側の第２ＰＺＴ１２２を、音響整合層１１側の第１ＰＺＴ１２１の直径Ｄ１より小さい内径Ｄ３の穴を有するリング状を持つものとし、更にそのリング状の第２ＰＺＴ１２２の中央の穴には、Ｄ３より小さい外径Ｄ４を持つ円盤状の第３ＰＺＴ１２３を第１ＰＺＴ１２１と貼り合わせている。

このような構成を放射面Ｓと反対側から見た場合には、図７（Ｂ）に示すように、第２ＰＺＴ１２２の放射面Ｓとは反対側の電極として、電極線１２ｃに対応する電極が視認できると共に、径Ｄ３の穴から第１ＰＺＴ１２１の電極（第２ＰＺＴ１２２の電極ともなる）として、電極線１２ｂに対応する電極が視認できる。なお、電極線１２ｂの導出は図２（Ｃ）のように電極の周辺部から行えばよいが、図７（Ｂ）で示すように電極線１２ｂを径Ｄ３の穴から導出させることも可能である。但し、電極線１２ｃで説明したように図２（Ｃ）のような電極群の設置方法を採用するものとし、構成例５でも図２（Ｄ）のような設置方法は採用しないものとする。

構成例５においても、駆動する２つのＰＺＴ１２１，１２２を設けているため、構成例１等と同様に、図３（Ａ），（Ｂ）で説明したのと同様の効果が得られる。すなわち、２つのＰＺＴ１２１，１２２の変形による変位が、１つのＰＺＴの時よりも増強され、より超音波ビームを流路幅方向一様に拡散させることができる。更に構成例５では、２つのＰＺＴ１２１，１２２が同時に動作し変位する時に、中央部と周辺部との機械的剛性及び質量分布の微妙な相異により、特に中央部においては、第２ＰＺＴ１２２と第３ＰＺＴ１２３のように分離した形状を採用していることにより、中央部の変位が適度に調整できる構成となり、しかも中央部の第３ＰＺＴ１２３はダミー素子として中央部での機械的剛性及び質量の調整として作用させることができるので、変位全体が音響整合層１１の放射面Ｓ全体でほぼ一様な分布とさせることが可能となる。そして、このような音波ビームの指向特性の制御の結果、図８（Ａ），（Ｂ）に示したように、超音波ビームを流路幅方向に一様により拡散し、送受信させることができる。これに対して、音響整合層１１側の第１ＰＺＴ１２１のみ（第２ＰＺＴ１２２，第３ＰＺＴ１２３がダミー素子となる）を変位させた場合、放射される超音波及びその進行方向が図８（Ｃ）に示すように、また放射される超音波ビームが図８（Ｄ）の実線で示すように、図８（Ａ），（Ｂ）に比べて拡散し難くなる。

このように、構成例５においては、構成例４の効果と同じく、第２ＰＺＴ１２２の形状がリング状であるため、第２ＰＺＴ１２２では周辺部に音圧が集中し、これと音圧が中央部に集中している第１ＰＺＴ１２１との合成により、送受信の音圧がほぼ放射面Ｓに一様に均等な分布特性として扱えるので、指向特性が一様に拡散する効果と合わせて、より流量による流速分布の相異による計測誤差を低減できる。

これに加えて、構成例５においては、リング状の第２ＰＺＴ１２２の中央に貼り付け配置した第３ＰＺＴ１２３による質量及び機械的剛性とにより、第１ＰＺＴ１２１及び第２ＰＺＴ１２２との機械的剛性が適度に調整される。また、第３ＰＺＴ１２３の振動も制御することで、より細かく振動状態を変化させられる効果が期待できる。そして、これらの複数の振動、剛性、質量のバランス等により、音響整合層１１の変形状態が変化し、必要な指向特性に制御できるので、取付け状態、更には固体差があろうとも、温度変化に対しても、更には、余計な部材を流体の窪み部（流れが淀む超音波トランスジューサ１０の取付け固定部近傍）に配置しなくても、流路幅方向へと一様に拡散する音波ビームを確保できる結果、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異があろうとも、その分布全域を計測でき、結果として流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減することができる。

また、構成例５においては、第３ＰＺＴ１２３をダミー素子として使用したが、その代わりに同様の形状の部材を採用することもできる。この部材は、ＰＺＴ以外の材質の部材であればよく、他種の圧電体であっても圧電体でなくてもよい。特に、この部材による質量及び機械的剛性により、第１ＰＺＴ１２１及び第２ＰＺＴ１２２との機械的剛性がある程度自由に調整されるので、音響整合層１１の変形を微妙に制御し、必要な指向特性に調整できる。すなわち、中央部においては、同様に分離した構成とした上に、ＰＺＴとは異なる材質の部材（物質）を採用することで、中央部の変位がより微調整できる構成となり、しかも中央部の部材はダミー素子として剛性及び質量の調整として作用させるので、変位全体が音響整合層１１の放射面Ｓ全体で一様な分布とさせることができる。その結果、放射面Ｓから送受信される超音波の音圧を放射面Ｓ全体でほぼ一様に制御でき、流路幅方向で一様に拡散する指向特性を得ることができる。

＜構成例６＞
図９は、本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を示す概略図で、図９（Ａ）はその厚さ方向から見た側面図、図９（Ｂ）は放射面とは逆方向から見た上面図である。

構成例６の超音波トランスジューサ１０は、構成例４において、第１ＰＺＴ１２１は、第２ＰＺＴ１２２のリング内径Ｄ３より小さい（リング内径Ｄ３に収まる大きさをもつ）突起部１２１ａを有するものである。そして、この突起部１２１ａの音響整合層１１と反対側には電極を設けず電圧が印加されない構成とする。なお、突起部１２１ａに電極を設けてもよいが、突起部１２１ａに電圧を印加して電気的に制御することはしない。換言すると、構成例６の超音波トランスジューサ１０は、構成例５において、ダミー素子である第３ＰＺＴ１２３を、第１ＰＺＴ１２１に一体に構成したものであり、第１ＰＺＴ１２１を厚さ方向からみて凸状形状を持つように構成したものである。構成例６による効果は、構成例５の効果と同様である。従って、図８は、図９の超音波トランスジューサで放射される超音波は、図８のようになる。この場合、図８（Ｃ）はＰＺＴ２枚のうち音響整合層側のＰＺＴのみを変位させた場合に放射される超音波及びその進行方向の一例を説明するための模式図に該当する。

＜構成例７＞
図１０は、本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を示す概略図で、図１０（Ａ）はその厚さ方向から見た側面図、図１０（Ｂ）は放射面とは逆方向から見た上面図である。また、図１１は、図１０の超音波トランスジューサで放射される超音波を模式的に説明するための図である。ここで、図１１（Ａ）はＰＺＴ２枚を同時に変位させた場合に放射される超音波及びその進行方向の一例を説明するための模式図、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）のごとく放射される超音波のビームを説明するための模式図、図１１（Ｃ）は２つのＰＺＴのうち音響整合層側のＰＺＴのみを変位させた場合に放射される超音波及びその進行方向の一例を説明するための模式図、図１１（Ｄ）は図１１（Ｃ）のごとく放射される超音波のビームを説明するための模式図である。

構成例７の超音波トランスジューサ１０は、構成例４において第１ＰＺＴ１２１と第２ＰＺＴ１２２との形状を入れ替えたものであり、第２ＰＺＴ１２２側を円状として、第１ＰＺＴ１２１側をリング状としたものである。図１０（Ａ）では、このときの第１ＰＺＴ１２１の中央部に設けられた穴の径をＤ５として図示している。このような構成を放射面Ｓと反対側から見た場合には、図１０（Ｂ）に示すように、第２ＰＺＴ１２２の電極として、電極線１２ｃに対応する電極が視認できる。電極線１２ｃで説明したように図２（Ｃ）のような電極群の設置方法を採用するものとし、構成例７でも図２（Ｄ）のような設置方法は採用しないものとする。

構成例７においても、２つのＰＺＴ１２１，１２２を設けているため、構成例１等と同様に、図３（Ａ），（Ｂ）で説明したのと同様の効果が得られる。すなわち、２つのＰＺＴ１２１，１２２の変形による変位が、１つのＰＺＴの時よりも増強され、より超音波ビームを流路幅方向一様に拡散させることができる。更に構成例７では、２つのＰＺＴ１２１，１２２の形状による振動時の変位分布の相異と、機械的剛性及び質量分布の作用とによって中央部と周辺部との変位状態が制御され、放射面の曲率が適度に調整できる。そして、このような音波ビームの指向特性の制御の結果、図１１（Ａ），（Ｂ）に示したように、超音波ビームを流路幅方向に一様により拡散し、送受信させることができる。これに対して、ＰＺＴ２枚のうち音響整合層１１側の第１ＰＺＴ１２１のみ（第２ＰＺＴ１２２がダミー素子となる）を変位させた場合、放射される超音波及びその進行方向が図１１（Ｃ）に示すように、また放射される超音波ビームが図１１（Ｄ）の実線で示すように、図１１（Ａ），（Ｂ）に比べて拡散し難くなる。

このように、構成例７では、２つのＰＺＴ１２１，１２２が同時に動作し変位する時に、リング状の第１ＰＺＴ１２１の振動変位と、その物理的形状効果（リングの中央部と周辺部との質量分布と機械的剛性）とにより、すなわち、中央部と周辺部との機械的剛性及び質量分布の相異により、リング状の第１ＰＺＴ１２１が振動し振動による変位が伝達する際、貼り合わされた（振動の負荷となる）第２ＰＺＴ１２２の機械的剛性及び質量による影響も加味され、中央部の変位が適度に抑えられ、変位全体が音響整合層の放射面Ｓ全体でほぼ一様に近い分布となる。これにより、放射面Ｓから送受信される超音波の音圧指向性を放射面全体でほぼ一様に拡散した分布状態に制御することができる。

換言すると、構成例３の効果と同様に、第１ＰＺＴ１２１の形状がリング状であるため、第１ＰＺＴ１２１では周辺部に音圧が集中し、これと音圧が中央部に集中している第２ＰＺＴ１２２との合成とにより、送受信の音圧がほぼ放射面一様に均等な分布特性として扱える上、中央の音圧が周辺部と比較して大きい第２ＰＺＴ１２２による振動変位を微妙に制御できる結果、指向特性が一様に拡散する効果と合わせて、より流量による流速分布の相異による計測誤差を低減できる。更に、構成例７では、構成例３に対して第１ＰＺＴ１２１がリング状としているため、中央部の機械的剛性が周辺部のそれと比べて小さいので、音響整合層の中央に比べて、周辺部への変形を大きくできるため、指向性をより制御し拡大できる効果が期待できるので、温度変化に対しても、取付け状態、更には固体差があっても、より指向特性範囲の自由度を向上できる。

＜構成例８＞
図１２は、本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を示す概略図で、図１２（Ａ）はその厚さ方向から見た側面図、図１２（Ｂ）は放射面とは逆方向から見た上面図である。構成例８の超音波トランスジューサ１０は、図４で説明した構成例３において、図１２（Ｂ）に示すように、第２ＰＺＴ１２２の電極部（斜線で示す部分）の面積及びその形状を、内円をＺ１からＺ２まで或いはその逆方向のように、微妙に調整し変化させたものである。また、図１２（Ｃ）に示すように、第２ＰＺＴ１２２の電極部の面積及びその形状を、Ｚ１で示す内円からＺ３で示す楕円形など他の形状にかけて変化させて、調整を実行してもよい。

構成例８におけるこのような調整は、超音波流量計の設置環境によって試験しながら行えばよい。このような調整の結果得られた超音波トランスジューサ１０は、機械的剛性及び質量分布の相異による変形状態の相異と、電極形状による影響とにより、周辺部の変形状態を微妙に調整することができ、更に全面電極を有する一様な振動をする第１ＰＺＴ１２１との貼り合わせとにより、中央部、周辺電極部との振動変位を微妙に制御できる。その結果、音響整合層１１の変形を微妙に制御することができ、放射面Ｓをより曲率化させ、媒質中への音波の指向特性を拡大できる。従って、構成例８では、温度変化に対しても、取付け状態、更には固体差があろうとも、流路幅方向へと一様に伝播し拡散する音波ビームが得られる結果、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異があろうとも、その分布全域を計測できるので、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減することができる。

更に、第２ＰＺＴ１２２のリング状電極における振動に寄与する有効面積を適度に変化させ調整した結果、この第２ＰＺＴ１２２の周辺部での音圧の分布度合を変化させることができ、これと音圧が中央に集中している第１ＰＺＴ１２１との変位合成により、放射面から送受信される音圧を条件に応じて最適に制御し、送受信の音圧がほぼ放射面Ｓに一様に拡散（すなわち流路幅一様に拡散）するように扱えるので、指向特性を一様に拡散させる効果が得られ、より流量による流速分布の相異による計測誤差を低減できる。

＜構成例９＞
図１３は、本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を説明するための図で、第２ＰＺＴ１２２の最外径（外形の直径寸法）Ｄ２に対する第１ＰＺＴ１２１の最外径Ｄ１の比β（＝Ｄ１／Ｄ２）による相対感度［ｄＢ］の計測結果を示す図である。図１３では、第１ＰＺＴ１２１の分極方向の厚みｔ１に対する第２ＰＺＴ１２２の分極方向の厚みｔ２の比γ（＝ｔ２／ｔ１）が０．４のときを実線で、１．０のときを破線で示している。ここで、２つのＰＺＴ１２１、１２２は同じ材質としている。

構成例９の超音波トランスジューサ１０は、上述した各構成例において最外形が共に円形である２つのＰＺＴ１２１，１２２を有する例に適用される。そして、構成例９の主たる特徴は、図１３に示したように、相対感度が０ｄＢ以上となるβ（＝Ｄ１／Ｄ２）の値である０．６＜β＜１．０としたことにある。

直径寸法の比βを０．６＜β＜１．０の間で変化させて調整することで、放射面の直径方向の機械的剛性及び質量分布、そして電気変位に対する振動（動作）面積を微妙に制御できる。そして、第１ＰＺＴ１２１及び第２ＰＺＴ１２２とを同時に動作させたとき、その電気変位に対する応力により、振動板全体の曲げモーメントが、ＰＺＴが１枚でもう一枚が非動作である時と比較して、放射面Ｓの変形状態をより均一化し曲率を変化させることができる。その結果、超音波ビームの音圧を制御し、放射面Ｓ全体から拡散させ送受信音波を流路幅一様に拡散させることができる。

また、比βがこの範囲に無い場合でも、双方の直径寸法を異ならしめることで、ＰＺＴそのものの電気入力に対する変位量と、直径（外形）による機械的な強度、曲げのモーメントを微妙に調整できる効果が期待できる。従って、音響整合層１１の変形状態が制御でき、放射面Ｓの曲率状態による、媒質中への音波の指向性を微妙に制御できるので、温度変化に対しても、取付け状態、更には固体差があろうとも、流路幅方向へと一様に拡散する音波ビームが得られ、その結果、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異があろうとも、その分布全域を計測でき、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減することができる。

＜構成例１０＞
図１４は、本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を説明するための図で、第１ＰＺＴ１２１の分極方向の厚みｔ１に対する第２ＰＺＴ１２２の分極方向の厚みｔ２の比γ（＝ｔ２／ｔ１）による相対感度［ｄＢ］の計測結果を示す図である。図１４では、第２ＰＺＴ１２２と第１ＰＺＴ１２１のヤング率の比が１であるときの計測結果を示している。

構成例１０の超音波トランスジューサ１０は、上述した各構成例において２つのＰＺＴ１２１，１２２を有する例に適用される。そして、構成例１０の主たる特徴は、図１４に示したように、相対感度が３ｄＢ以上となるγ（＝ｔ２／ｔ１）の値である０．４＜γ＜１．５としたことにある。なお、ＰＺＴの分極方向である厚みｔ１，ｔ２は、電極の厚みを含んだものとしてもよいが、含まずに圧電体の厚みとして規定する方が好ましい。

双方の分極方向の厚みの比γを０．４＜γ＜１．５の範囲とすることで、第１ＰＺＴ１２１及びＰＺＴ１２２の振動特性（振動効率、感度）を損ねず、音響整合層１１を含む振動板全体の機械的剛性及び質量分布を適度に調整できる結果、振動板全体の曲げ状態を微妙に制御でき効率良く屈曲した振動を発生できる。そして、２つのＰＺＴ１２１，１２２とを同時に動作させたとき、その電気変位に対する応力による振動板全体の曲げモーメントが、ＰＺＴが１枚でもう一枚が非動作である時と比較して、放射面の変形状態をより均一化し曲率を変化させることができる。その結果、超音波ビームの音圧を制御し、放射面全体から拡散させ送受信音波を流路幅一様に拡散させることができる。

また、比γがこの範囲に無い場合でも、双方の厚みを異ならしめることで、ＰＺＴそのものの電気入力に対する変位量と、厚みによる機械的な強度、曲げのモーメントを微妙に調整できる効果が期待できる。従って、音響整合層１１の変形状態が制御でき、放射面Ｓの曲率状態による、媒質中への音波の指向性を微妙に制御できるので、温度変化に対しても、取付け状態、更には固体差があろうとも、流路幅方向へと一様に拡散する音波ビームが得られ、その結果、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異があろうとも、その分布全域を計測でき、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減することができる。

＜構成例１１＞
構成例１１は、上述した各構成例４〜７（及びそれらを適用した構成例９，１０）の超音波トランスジューサ１０において、リング状のＰＺＴを有するものに適用される。構成例１１では、超音波流量計に設置するに際し、媒質（ガス種）が変化してもまた異なる流路寸法であっても、更には取付け状態、固体差があっても、音波ビームの指向特性を最適化し、流路幅方向へと一様に拡散する音波ビームを得るために、リング状のＰＺＴの穴径（外形）寸法を調整したものである。このような調整により、ＰＺＴそのものの電気入力に対する変位量と、形状（リング状の有効面積）による機械的な強度、曲げのモーメントを微妙に調整し、音響整合層１１の変形状態が微妙に制御させることで、放射面Ｓの曲率状態による、媒質中への音波の指向性を微妙に制御する。

このように構成例１１では、リング状のＰＺＴの穴径（外形）寸法を異ならせることで、ＰＺＴそのものの電気入力に対する変位量と、形状（リング状の有効面積）による機械的な強度、曲げのモーメントを微妙に調整できる効果が期待できるので、音響整合層１１の変形状態が制御でき、放射面Ｓの曲率状態による、媒質中への音波の指向性を微妙に制御できる。従って、媒質（ガス種）が変化しても、また流路寸法が異なった場合でも（別の寸法の流路に対しても）、流路幅方向へと一様に拡散する音波ビームが得られ、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異があろうとも、その分布全域を計測できるので、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減することができる。

＜構成例１２＞
構成例１２は、上述した各構成例５，６（及びそれらを適用した構成例９〜１１）の超音波トランスジューサ１０において、リング状のＰＺＴを有し、第３ＰＺＴ１２３や第３の部材、或いは第１ＰＺＴ１２１に突起部１２１ａを持ったものに適用される。構成例１２では、超音波流量計に設置するに際し、媒質（ガス種）が変化してもまた流路寸法が異なっても、更には取付け状態、更には固体差に対して、音波ビームの指向特性を最適化し、流路幅方向へと一様に拡散する音波ビームを得るために、リング状ＰＺＴの中央部の穴に貼り付け固定するＰＺＴ等の直径（外形）及び厚みを異ならせるものである。これにより、外形（形状の有効面積）による機械的な剛性、質量分布を微妙に調整し変化させ、曲げのモーメントを微妙に調整することで、音響整合層の変形状態が制御でき、音響整合層の放射面の曲率状態による、媒質中への音波の指向性を微妙に制御する。

このように構成例１２では、リング状ＰＺＴの中央の穴に貼り付け固定するＰＺＴ等の直径（外形）及び厚みを異ならせることで、外形（形状の有効面積）による機械的な強度、質量分布を微妙に調整し変化させられるので、曲げのモーメントを微妙に調整できる効果が期待できるので、音響整合層１１の変形状態が制御でき、放射面Ｓの曲率状態による、媒質中への音波の指向性を微妙に制御できる。従って、媒質（ガス種）が変化しても、また流路寸法が異なっても、更には取付け状態、更には固体差があろうとも、流路幅方向へと一様に拡散する音波ビームが得られるので、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異があろうとも、その分布全域を計測できるので、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減することができる。

＜構成例１３＞
図１５は、本発明に係る超音波流量計における超音波トランスジューサの駆動周波数と流量との関係を示す図である。構成例１３は、上述した各構成例１〜１２のいずれかの超音波トランスジューサ１０を一対搭載した超音波流量計である。設置方法については図１を参照して説明した通りである。そして、構成例１３の主たる特徴としては、被測定流体又は流路外の温度を計測する温度センサと、次の駆動制御手段とを備えるものとする。流路外の温度を計測対象とするとき、超音波トランスジューサ１０の圧電素子の設置位置付近の温度とすることが好ましい。温度センサ及び駆動制御手段の設置場所は任意であり、温度センサは計測位置に設置すればよいだけである。

この駆動制御手段は、流量算出部１３により算出された流速、流量、伝播時間のいずれか１又は複数と、温度センサで計測された温度とに基づいて、一対の超音波トランスジューサ１０，２０の駆動周波数（パルス駆動の場合はパルス周波数に相当）及び駆動電圧を変化させるよう制御する。各超音波トランスジューサ１０，２０は、この制御に基づき、所定の周波数及び電圧でＰＺＴ等の圧電体を駆動することとなる。

駆動制御手段における制御の一例として、図１５を参照して、温度変化に対して、超音波トランスジューサ１０を駆動する周波数及び駆動電圧を経時的に変化させる例を説明する。まず、駆動制御手段での制御のための制御データを得るテスト（校正）を行う。基準周波数ｆ０（この例では３００ＫＨｚ）及び基準電圧Ｖ０（この例では５Ｖ）で計測した結果での流量値が、規定の流量未満の時、使用温度範囲の上下限近傍の温度となった時を見計らって、基準の駆動周波数ｆ０及び駆動電圧Ｖ０を基準とし、駆動制御手段により駆動周波数及び駆動電圧を変化させて、データを得る。

また、簡単のため、ここでは駆動電圧を５Ｖを基準に３Ｖ、７Ｖと変化させた場合のみ示す。１００Ｌ／ｈ未満の流量を対象とする測定をこの超音波流量計で行う場合、規定の流量未満として流量が１００Ｌ／ｈ未満を採用すればよい。また、この超音波流量計の使用温度範囲を−１０°Ｃ〜＋５０°Ｃとすると、その上下限近傍の２点のデータを得ればよい。このような場合のテストとしては、例えば、−１０°Ｃ、５Ｖのとき図１５（Ａ）のごとき７つの駆動周波数でデータを得、５０°Ｃ、５Ｖのとき図１５（Ｂ）のごとき７つの駆動周波数でデータを得、−１０°Ｃ、７Ｖのとき図１５（Ｃ）のごとき７つの駆動周波数でデータを得、５０°Ｃ、３Ｖのとき図１５（Ｄ）のごとき７つの駆動周波数でデータを得る、などすればよい。

ここで得るデータとは、測定される伝播時間、或いはその結果から算出される流速、或いはその流速から算出される流量を指す。このようにして、駆動制御手段は、駆動周波数及び駆動電圧を変化させて実際に計測される伝播時間を記憶し、この伝播時間、或いはこの伝播時間結果から算出される流速結果、或いは流量演算結果が、基準の駆動周波数及び駆動電圧で計測した時のそれとズレが発生した場合には、ズレが最大となり、何れ飽和する時の駆動周波数及び駆動電圧を用いて伝播時間を計測し、流量を演算するように、制御データを設定する。すなわち、この時の駆動周波数が流路幅一様に音波ビームが拡散したと判断することになる。

ここで、ズレが最大となり何れ飽和する時の駆動周波数及び駆動電圧とは、図１５（Ａ）〜（Ｄ）のそれぞれで円で囲った周波数及び各図での電圧を指す。そして、結果として設定される制御データにより、この例では−１０°Ｃのときには５Ｖ、２８０ＫＨｚか、７Ｖ、２６０ＫＨｚかの、いずれかで駆動させるよう制御する。また、５０°Ｃのときには５Ｖ、２９０ＫＨｚか、３Ｖ、２８０ＫＨｚかの、いずれかで駆動させるよう制御する。−１０°Ｃ〜＋５０°Ｃの温度に対する制御データは、これら２点での制御データに基づき補間などにより得てもよいし、細かな温度範囲でテストして結果を得ておいてもよい。

構成例１３のように、或る駆動周波数が流路幅一様に音波ビームが拡散したと判断された結果、駆動周波数及び駆動電圧を微妙に変化させて制御することで、例えば第２ＰＺＴ１２２の変形状態を制御でき、これにより振動状態を微妙に制御できる効果が得られる。これにより、流路幅全域に超音波ビームを一様に拡散させられることで、指向性範囲が欠如してもこれをカバーできるので、温度変化幅、経時ドリフト、更には超音波トランスジューサ１０，２０の取付け状態、固体差による指向特性の変動に追従させる結果、計測誤差が抑えられ、長期に渡って安定した計測が確保でき、信頼性を向上させることができる。

このように、構成例１３では、温度変化幅、経時ドリフト、更には超音波トランスジューサ１０，２０の取付け状態、固体差による指向特性の変動に追従させるため、トランスジューサ１０，２０を駆動する周波数及び駆動電圧を変化させ、更に２つのＰＺＴの変形状態を制御することにより、振動状態を微妙に制御できる効果が期待できる。そして、流路幅全域に超音波ビームを一様に拡散させられることで、指向性範囲をカバーできるので、計測誤差を抑えられ、長期に渡って安定した計測が確保でき、信頼性を向上できる。なお、指向特性の変動に追従する必要がある場合としては、例えば流路幅方向に満たない指向性となる場合や、中心軸から非対称となり全方向で広がりが一様とならない場合などが挙げられる。

本発明に係る超音波流量計の一構成例を示す図である。 本発明に係る超音波トランスジューサの一構成例を示す概略図である。 図２の超音波トランスジューサで放射される超音波を模式的に説明するための図である。 本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を示す概略図である。 本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を示す概略図である。 図５の超音波トランスジューサで放射される超音波を模式的に説明するための図である。 本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を示す概略図である。 図７（又は図９）の超音波トランスジューサで放射される超音波を模式的に説明するための図である。 本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を示す概略図である。 本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を示す概略図である。 図１０の超音波トランスジューサで放射される超音波を模式的に説明するための図である。 本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を示す概略図である。 本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を説明するための図である。 本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を説明するための図である。 本発明に係る超音波流量計における超音波トランスジューサの駆動周波数と流量との関係を示す図である。

符号の説明

１０，２０…超音波トランスジューサ、１１，２１…音響整合層、１２，２２…圧電素子群、１３…流量算出部、３０…流路、１２１，１２２…ＰＺＴ、１２ａ〜１２ｅ…電極線。

Claims (12)

1. 超音波流量計に配設するための超音波トランスジューサであって、複数の圧電素子及び音響整合層を有し、前記複数の圧電素子を同時に動作させ、前記音響整合層の放射面の変形形態を変化させることにより、前記放射面から放射される超音波ビームの指向特性を変化させ、該超音波ビームを前記放射面に水平な方向に一様に拡散させることを特徴とする超音波トランスジューサ。
2. 請求項１に記載の超音波トランスジューサであって、前記複数の圧電素子は、少なくとも分極方向に垂直な両面の最外形が、全て同一であることを特徴とする超音波トランスジューサ。
3. 請求項１又は２に記載の超音波トランスジューサであって、前記複数の圧電素子として、前記音響整合層側に設けた円状の第１の圧電素子と、該第１の圧電素子に対し前記音響整合層とは反対側に設けた円状の第２の圧電素子との２つの圧電素子を有し、該第２の圧電素子は、前記第１の圧電素子側とは反対側の電極として、リング状の電極を有することを特徴とする超音波トランスジューサ。
4. 請求項１又は２に記載の超音波トランスジューサであって、前記複数の圧電素子として、前記音響整合層側に設けた円状の第１の圧電素子と、該第１の圧電素子に対し前記音響整合層とは反対側に設けたリング状の第２の圧電素子との２つの圧電素子を有することを特徴とする超音波トランスジューサ。
5. 請求項４に記載の超音波トランスジューサであって、前記第２の圧電素子のリング内径より小さい部材を、前記第１の圧電素子の前記音響整合層とは反対側に貼り合わせてなり、該部材は、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子に用いた圧電体と同一又は異なる材質とし、該部材には電圧を印加しないことを特徴とする超音波トランスジューサ。
6. 請求項４に記載の超音波トランスジューサであって、前記第１の圧電素子は、前記第２の圧電素子のリング内径に収まる大きさをもつ圧電体の突起部を有し、該突起部には電圧を印加しないことを特徴とする超音波トランスジューサ。
7. 請求項１又は２に記載の超音波トランスジューサであって、前記複数の圧電素子として、前記音響整合層側に設けたリング状の第１の圧電素子と、該第１の圧電素子に対し前記音響整合層とは反対側に設けた円状の第２の圧電素子との２つの圧電素子を有することを特徴とする超音波トランスジューサ。
8. 請求項３〜６のいずれか１項に記載の超音波トランスジューサであって、前記第２の圧電素子の最外径に対する前記第１の圧電素子の最外径の比βが、０．６＜β＜１．０であることを特徴とする超音波トランスジューサ。
9. 請求項３〜８のいずれか１項に記載の超音波トランスジューサであって、前記第１の圧電素子の分極方向の厚みに対する前記第２の圧電素子の分極方向の厚みの比γが、０．４＜γ＜１．５であることを特徴とする超音波トランスジューサ。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の超音波トランスジューサであって、前記複数の圧電素子は、圧電体としてＰＺＴを有することを特徴とする超音波トランスジューサ。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の超音波トランスジューサを一対備えた超音波流量計であって、前記一対の超音波トランスジューサは、被測定流体が流れる流路の上流側及び下流側に、流れを横切るように互いに対向して配設され、当該超音波流量計は、前記一対の超音波トランスジューサにより送受信される超音波の伝播時間に基づいて前記被測定流体の流速、流量を算出する流量算出手段を備えることを特徴とする超音波流量計。
12. 請求項１１に記載の超音波流量計であって、前記被測定流体又は前記流路外の温度を計測する温度センサと、前記流量算出手段により算出された流速、流量、前記伝播時間のいずれか１又は複数と前記温度センサで計測された温度とに基づいて、前記一対の超音波トランスジューサの駆動周波数及び駆動電圧を変化させるよう制御する駆動制御手段とを備えることを特徴とする超音波流量計。

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