JPH11108714A

JPH11108714A - 超音波送受波器、超音波送受波器の駆動方法及び流速測定装置

Info

Publication number: JPH11108714A
Application number: JP9268333A
Authority: JP
Inventors: Osamu Kawasaki; 修川▲崎▼
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1997-10-01
Publication date: 1999-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波を利用した流速測定において、歪みの
極めて小さい正弦波を搬送波とするバースト信号を実現
することにより、測定精度が高い流速計測ができる超音
波送受波器及び流速測定装置を提供する。【解決手段】圧電素子２の両面に弾性素子３、４を設
置することにより、３次高調波の厚み振動モードを抑制
し、基本の厚み振動モードのみを強勢に励振する圧電振
動子１を実現し、この圧電振動子を超音波送受波器に用
いる。そして、この超音波送受波器を基本の厚み振動モ
ード近傍で駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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
体を用いた超音波送受波器、及びかかる超音波送受波器
を交流電圧で駆動する方法、さらに、かかる超音波送受
波器から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
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、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て注目されてい
る。以下に、図面を参照しながら従来の流速測定装置に
ついて説明する。

【０００３】図１３は流量測定装置の測定原理を示した
ものである。図１３に示すように、管内を流体が速度Ｖ
にて図に示す方向に流れている。管壁１０３には、一対
の超音波送受波器１０１、１０２が相対して設置されて
いる。超音波送受波器１０１、１０２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。そして、超音波送
受波器１０１、１０２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１０１を超
音波送波器として用い、超音波送受波器１０２を超音波
受波器として用いる。超音波送波器（１０１）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（１０１）は外部の流体中に同図中の
Ｌ１で示す伝搬経路に超音波を放射し、超音波受波器
（１０２）が伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換す
る。また、逆に超音波送受波器１０２を超音波送波器と
して用い、超音波送受波器１０１を超音波受波器として
用いる。超音波送波器（１０２）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ことにより、超
音波送波器（１０２）は外部の流体中に同図中のＬ２で
示す伝搬経路に超音波を放射し、超音波受波器（１０
１）は伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。以
上に説明したように、超音波送波器は受波器としての役
目と送波器としての役目を果たすので一般に超音波送受
波器と呼ばれる。

【０００４】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伝搬時間を測定する
ことが困難なので、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。以下、測定原
理について詳細な説明を行う。駆動用のバースト電圧信
号を超音波送受波器１０１に印加することにより超音波
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。超
音波送受波器１０２では伝達してき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電気的に増幅し
て、再び超音波送受波器１０１に印加して超音波バース
ト信号を放射する。この装置をシング・アラウンド装置
と呼び、超音波パルスが超音波送受波器１０１から放射
され伝搬路を伝搬して超音波送受波器１０２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、その
逆数をシング・アラウンド周波数という。

【０００５】図１３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。超音波送
受波器１０１を送波器、超音波送受波器１０２を受波器
として用いたときに、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に到達する時間であ
るシング・アラウンド周期をｔ１、シング・アラウンド
周波数ｆ１とすれば、ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（式１）の関係が成立する。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、ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（式２）の関係が成立する。従って、両シング・アラウンド周波
数の周波数差Δｆは、 Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ・・・（式３）となり、超音波の伝搬経路の距離Ｌと周波数差Δｆから
流体の流速Ｖを求めることができる。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、この装置による
と超音波の速度Ｃによらず流体の流速Ｖを求めることが
できるので、式３より温度による超音波速度変化の影響
を受けることなく流体の流速Ｖを求めることができる。
そして、この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。そのためには、一定の波形を有
する超音波パルスを搬送波とする超音波バースト信号を
送波し、一定の波形を有する信号を搬送波とする電気バ
ースト信号に変換する必要があり、搬送波波形が歪むと
時間計測に誤差を生じる。

【０００６】上記に説明したシング・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、従来は単板の圧電体を駆動
源とした超音波送受波器を使用していた。図１４は従来
の超音波送受波器の一例の断面図である。同図におい
て、圧電振動子１１１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１１２の内側に貼り付け
られている。ケース１１２は圧電振動子１１１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１１１の信頼性を保証するという
役目を兼ねている。従って、ケース１１２はプラスチッ
ク材料などのように圧電振動子１１１の音響インピーダ
ンスと流体の音響インピーダンスの中間の値を有する材
料で構成される。時には、ケース１１２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。バッキング材１１３はフェライト粉を混合し
たプラスチック材からなり、圧電振動子１１１を電圧で
駆動した時に放射される超音波１１５の立ち上がりを早
くするために用いられる。駆動端子１１４ａ、１１４ｂ
に共振周波数近傍の成分を持つバースト電圧を印加する
と、圧電振動子１１１は振動し外部の流体中に超音波１
１５を放射する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
従来のシング・アラウンド法を利用した流速測定装置に
おいては、超音波送受波器として単板の圧電体から成る
圧電振動子から構成される超音波送受波器を使用してい
た。図１５は超音波送受波器の駆動端子１１４ａ、１１
４ｂ（図１４参照）から見たアドミッタンスの周波数特
性図であり、同図において、ｆｒ１は厚み振動の基本振
動モードの共振周波数であり、ｆｒ３は厚み振動の３次
高調波の共振周波数である。従来の超音波送受波器では
厚み振動の基本振動モードとともに、厚み振動の３次高
調波モードも強勢であることがわかる。従って、パルス
信号を搬送波とするバースト信号のように高調波を多く
含んだ駆動電圧信号で超音波送受波器を駆動すれば、厚
み振動の基本振動モードとともに３次高調波モードも強
勢に励振することができるので、送波される放射超音波
は歪みの極めて大きい搬送波を持つバースト信号とな
る。

【０００８】図１６は歪みの極めて大きい搬送波を持つ
バースト信号の場合の時間計測の誤差を示す図である。
同図（ａ）は歪みが小さい搬送波を持つバースト信号の
受波波形を示し、同図（ｂ）は歪みが極めて大きい搬送
波を持つバースト信号の受波波形を示している。同図よ
り温度、流体の流速、流体中の超音波の伝搬路が同じ場
合でも、歪みの極めて大きい搬送波を持つバースト信号
の場合には時間Δｔだけ測定誤差を生じることを示して
いる。同図に示すように、超音波もしくは変換後の電気
信号が歪みの極めて大きい搬送波を持つバースト信号の
場合には、時間計測の誤差が大きくなり、その結果、正
確な流速測定ができないという課題がある。

【０００９】従って、本発明の目的とするところは、歪
みの極めて小さい正弦波を搬送波とする超音波もしくは
電気バースト信号を実現することにより、測定精度が高
く、特に低流速の場合にも高精度の流速計測ができる超
音波送受波器、超音波送受波器の駆動方法及び流速測定
装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の課題を解決する
ための第１の手段は、圧電体からなる圧電素子と、前記
圧電素子の両面に固着された弾性素子とからなる圧電振
動子から構成され、前記圧電振動子は厚さ振動モードで
振動する超音波送受波器とすること、及びかかる超音波
送受波器を超音波による流速測定装置の超音波送波器又
は超音波受波器として使用することである。

【００１１】本発明の課題を解決するための第２の手段
は、圧電体からなる圧電素子と、前記圧電素子の両面に
固着され、分極方向がいずれも前記圧電素子と反対であ
る圧電素子とからなる圧電振動子から構成され、前記圧
電振動子は厚さ振動モードで振動する超音波送受波器と
すること、及びかかる超音波送受波器を超音波による流
速測定装置の超音波送波器又は超音波受波器として使用
することである。

【００１２】本発明の課題を解決するための第３の手段
は、圧電体からなる圧電素子と、前記圧電素子の両面に
固着された弾性素子とからなる圧電振動子から構成さ
れ、前記圧電振動子は厚さ方向にスリットを有し、さら
に前記圧電振動子は厚さ振動モードで振動する超音波送
受波器とすること、及びかかる超音波送受波器を超音波
による流速測定装置の超音波送波器又は超音波受波器と
して使用することである。

【００１３】本発明の課題を解決するための第４の手段
は、圧電体からなる圧電素子と、前記圧電素子の両面に
固着され、分極方向がいずれも前記圧電素子と反対であ
る圧電素子とからなる圧電振動子から構成され、前記圧
電振動子は厚さ方向にスリットを有し、さらに前記圧電
振動子は厚さ振動モードで振動する超音波送受波器とす
ること、及びかかる超音波送受波器を超音波による流速
測定装置の超音波送波器又は超音波受波器として使用す
ることである。

【００１４】本発明の課題を解決するための第５の手段
は、圧電振動子からなる超音波送受波器に、前記圧電振
動子の電気容量値との直列共振周波数が前記超音波送受
波器の駆動周波数よりも高い値となるようにコイルを直
列接続し、前記コイルを介して前記駆動周波数で前記超
音波送受波器を駆動すること、及びかかる駆動方法を超
音波による流速測定装置の超音波送波器の駆動方法に適
用することである。

【００１５】本発明の課題を解決するための第６の手段
は、圧電振動子からなる超音波送受波器を２つのドライ
ブ回路で駆動するに際して、前記超音波送受波器と前記
２つのドライブ回路の接続点の少なくとも一方に、前記
圧電振動子の電気容量値との直列共振周波数が前記超音
波送受波器の駆動周波数よりも高い値となるようにコイ
ルを直列接続し、前記コイルを介して前記駆動周波数で
前記超音波送受波器を駆動すること、及びかかる駆動方
法を超音波による流速測定装置の超音波送波器の駆動方
法に適用することである。

【００１６】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）図１は本発明の第１の実施の形態
の流体測定装置に用いる超音波送受波器の圧電振動子の
断面図である。同図において、電気−超音波相互変換を
行う圧電振動子１は、圧電素子２と、この両側に貼り合
わされた弾性素子３および弾性素子４とから構成されて
いる。圧電素子２は、圧電セラミックや圧電単結晶など
から成り、厚さ方向に分極され、上下面に電極を形成さ
れた圧電体から成る。弾性素子３および弾性素子４は、
金属やセラミックなど機械振動特性の優れた材質から成
り、弾性素子３と弾性素子４は同じ材質でも異なった材
質でもよい。また、ここでは矩形の圧電素子を使用して
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。

【００１７】図２は図１の圧電振動子１を用いた超音波
送受波器９の断面図である。圧電振動子１はケース５の
内側に貼り付けられている。ケース５は駆動交流電圧に
より励振される圧電振動子１の機械的振動が外部の媒体
に超音波として効率よく出ていき、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
う役目を兼ねている。従って、ケース５は外部の流体に
対して信頼性が確保できる材質であるとともに、圧電振
動子１の音響インピーダンスと流体の音響インピーダン
スの中間の値を有するプラスチックや金属などの材料で
構成することが望ましい。バッキング材６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なり、
圧電振動子１をバースト信号電圧で駆動した時に放射さ
れる超音波８の立ち上がりを早くするために用いられ
る。駆動端子７ａ、７ｂに超音波送受波器の共振周波数
近傍の周波数の交流信号成分を持つバースト信号電圧を
印加すると、圧電振動子１は厚み振動モードで振動し、
気体または液体中などの流体中にバースト状の超音波８
を放射する。

【００１８】図３は、図１の圧電振動子１に励振される
厚さ振動の変位分布と振動により発生する電荷分布を示
している。同図（ａ）は基本振動モードの変位分布と電
荷分布であり、同図（ｂ）は３次高調波振動モードの変
位分布と電荷分布である。同図（ａ）より基本振動モー
ドの電荷分布は全域で同符号になり、同図（ｂ）より３
次高調波振動モードの電荷分布は圧電振動子１の表面か
らほぼ１／３の所で符号が変化する。従って、３次高調
波の厚み振動モードにより発生する電荷がほぼ０になる
箇所に圧電素子２（図１参照）を設置すれば、３次高調
波の厚み振動モードを抑制することができる。従って、
図１の例では、圧電振動子１の両面からほぼ１／６の中
間に圧電素子２を設置することにより３次高調波の厚み
振動モードを抑制している。即ち、圧電素子２の厚みを
圧電振動子１の全厚みの２／３とし、両表層の弾性素子
３、４の厚みを同一厚みとしている。なお、実用上は、
圧電素子２の厚みは、圧電振動子１の全厚みの２／３の
±２０％以内（即ち、圧電振動子１の全厚みの７／１５
〜１３／１５）、好ましくは２／３の±１０％以内（即
ち、圧電振動子１の全厚みの２３／３０〜１７／３０）
として、圧電振動子１の両表層から等距離の位置に配置
すれば一定の効果が認められる。

【００１９】図４は、圧電振動子１を用いた超音波送受
波器の駆動端子７ａ、７ｂから見たアドミッタンスの周
波数特性図であり、同図において、ｆｒ１は厚み振動の
基本振動モードの共振周波数であり、ｆｒ３は厚み振動
の３次高調波の共振周波数である。従来は、厚み振動の
３次高調波が強勢に励振されていたが（図１５参照）、
本実施の形態の超音波送受波器では厚み振動の基本振動
モードは強勢であるが、厚み振動の３次高調波は抑制さ
れていることがわかる。従って、厚み振動の基本振動モ
ードの共振周波数ｆｒ１近傍のパルス信号を搬送波とす
るバースト信号のように高調波を多く含んだ駆動電圧信
号で超音波送受波器を駆動したときでも、厚み振動の基
本振動モードのみを強勢に励振することができるので、
送波される放射超音波は厚み振動の基本振動モードの共
振周波数ｆｒ１近傍の正弦波を搬送波とするバースト信
号となる。

【００２０】ここで、超音波送受波器の送波器としての
動作を説明したが、圧電効果は可逆的であるので受波器
としても同様に働き、厚み振動の基本振動モードは強勢
であるが、厚み振動の３次高調波は抑制される。従っ
て、高調波を含んだ正弦波を搬送波とするバースト信号
の超音波を超音波送受波器で受波した時でも、変換され
た電圧信号は正弦波を搬送波とするバースト信号とな
る。つまり、本実施の形態では歪みの極めて小さい正弦
波を搬送波とするバースト信号を送受できる。

【００２１】図５は図２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。超音波送受波器９
ａ、９ｂが流路の管壁に相対して設置され、流速Ｖの流
体中を超音波が伝搬路Ｌを伝搬する。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９ａを送波器として、超音波送受波器９
ｂ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９ａを駆動して、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の伝搬経路
を伝搬し、超音波送受波器９ｂで受波される。送受波器
９ｂで受けた超音波バーストは電圧バーストに変換さ
れ、回路で取扱いやすいレベルにまで増幅回路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。そし
て、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９ａに電圧パルス印加して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ｆ１とすれば、ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（式４）の関係が成立し、この演算を行うのが流速演算回路２０
である。

【００２２】次に、超音波送受波器９ｂを送波器とし
て、超音波送受波器９ａ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ｆ２とすれば、ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（式５）の関係が成立する。従って、両者の周波数差Δｆは、 Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ・・・（式６）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。ここで、歪みの極めて小さい正弦波を搬送波とする
バースト信号を送受することにより、超音波が流体中の
伝搬路を伝搬する時間の正確な計測を可能にするので、
高精度の流速計測ができる。

【００２３】本実施の形態によれば、圧電素子の両面に
弾性素子を設置することにより、３次高調波の厚み振動
モードを抑制し、基本の厚み振動モードのみを強勢に励
振する圧電振動子を実現し、この圧電振動子を超音波送
受波器に用いる。この超音波送受波器を基本の厚み振動
モード近傍で駆動することにより、歪みの極めて小さい
基本の厚み振動モード近傍の正弦波を搬送波とする超音
波もしくは電気バースト信号を送受できる送波感度を実
現することができる。そして、このような超音波送受波
器を流速測定装置に使用することにより、測定精度が高
く、特に低流速の場合にも高精度の流速計測ができる流
速測定装置を提供することができる。

【００２４】（第２の実施の形態）図６は本発明の第２
の実施の形態の流体測定装置に用いる超音波送受波器の
圧電振動子の断面図である。同図において、電気−超音
波相互変換を行う圧電振動子２１は、圧電素子２２と、
この両側に貼り合わされた圧電素子２３と圧電素子２４
とから構成されている。圧電素子２２は、圧電セラミッ
クや圧電単結晶などから成り、同図中に矢印２２′で示
すように厚さ方向（紙面の上向き）に分極され、上下面
に電極を形成された圧電体から成る。圧電素子２３、２
４は、いずれも圧電セラミックや圧電単結晶などから成
り、同図中に矢印２３′、２４′で示すように厚さ方向
であって、圧電素子２２の分極の向きとは逆向き（紙面
の下向き）に分極され、上下面に電極を形成された圧電
体から成る。ここで圧電素子２３と圧電素子２４は同じ
材質でも異なった材質でもよい。また、ここでは矩形の
圧電素子を使用しているが、同様にして円板形の圧電素
子を使用することもできる。圧電振動子２１を用いた超
音波送受波器は第１の実施の形態で示した図２と同様で
あるのでここでは省略する。

【００２５】圧電振動子２１に励振される厚さ振動の変
位分布と振動により発生する電荷分布は第１の実施の形
態で示した図３と同様である。図３（ａ）は基本振動モ
ードの変位分布と電荷分布であり、図３（ｂ）は３次高
調波振動モードの変位分布と電荷分布である。同図
（ａ）より基本振動モードの電荷分布は全域で同符号に
なり、同図（ｂ）より３次高調波振動モードの電荷分布
は圧電振動子２１の表面からほぼ１／３の所で符号が変
化する。従って、基本の厚み振動モードにより発生する
電荷が小さくなり、３次高調波の厚み振動モードにより
発生する電荷が大きくなるように圧電素子２２、２３、
２４を設置すれば、基本の厚み振動モードを抑制して３
次高調波の厚み振動モードを強勢に励振することができ
る。従って、図６の例では圧電素子２２、２３、２４の
厚さを、それぞれ圧電振動子２１のほぼ１／３にするこ
とにより基本の厚み振動モードを抑制している。なお、
実用上は、圧電素子２２の厚みは、圧電振動子２１の全
厚みの１／３の±２０％以内（即ち、圧電振動子２１の
全厚みの２／１５〜８／１５）、好ましくは１／３の±
１０％以内（即ち、圧電振動子２１の全厚みの７／３０
〜１３／３０）として、圧電振動子２１の両表層から等
距離の位置に配置すれば一定の効果が認められる。

【００２６】図７は圧電振動子２１を用いた超音波送受
波器の駆動端子から見たアドミッタンスの周波数特性図
である。同図において、ｆｒ１は厚み振動の基本振動モ
ードの共振周波数であり、ｆｒ３は厚み振動の３次高調
波の共振周波数である。従来は、厚み振動の基本、３次
高調波ともに強勢に励振されていたが（図１５参照）、
本実施の形態の超音波送受波器では厚み振動の３次高調
波振動モードは強勢であるが、厚み振動の基本モードは
抑制されていることがわかる。従って、厚み振動の３次
高調波の共振周波数ｆｒ３近傍のパルス信号を搬送波と
するバースト信号のように高調波を多く含んだ駆動電圧
信号で超音波送受波器を駆動したときでも、厚み振動の
３次高調波振動モードのみを強勢に励振することができ
るので、送波される放射超音波は厚み振動の３次高調波
の共振周波数ｆｒ３近傍の正弦波を搬送波とするバース
ト信号となる。

【００２７】ここで、超音波送受波器の送波器としての
動作を説明したが、圧電効果は可逆的であるので受波器
としても同様に働き、厚み振動の３次高調波振動モード
は強勢であるが、厚み振動の基本振動モードは抑制され
る。従って、高調波を含んだ正弦波を搬送波とするバー
スト信号の超音波を超音波送受波器で受波した時でも、
変換された電圧信号は正弦波を搬送波とするバースト信
号となる。つまり、本実施の形態では歪みの極めて小さ
い正弦波を搬送波とするバースト信号を送受できる。

【００２８】流速測定装置のブロック図は図５と同様で
あるのでここでは省略するが、歪みの極めて小さい正弦
波を搬送波とするバースト信号を送受することにより、
超音波が流体中の伝搬路を伝搬する時間の正確な計測を
可能にするので、高精度の流速計測ができる。

【００２９】本実施の形態によれば、圧電素子の両面に
圧電素子を設置することにより、基本波の厚み振動モー
ドを抑制し、３次高調波の厚み振動モードのみを強勢に
励振する圧電振動子を実現し、この圧電振動子を超音波
送受波器に用いる。この超音波送受波器を３次高調波の
厚み振動モードの共振周波数近傍で用いることにより、
歪みの極めて小さい３次高調波の厚み振動モードの共振
周波数近傍の正弦波を搬送波とするバースト信号を送受
できる送波感度を実現することができる。そして、この
ような超音波送受波器を流速測定装置に使用することに
より、測定精度が高く、特に低流速の場合にも高精度の
流速計測ができる流速測定装置を提供することができ
る。

【００３０】（第３の実施の形態）図８は本発明の第３
の実施の形態の流体測定装置に用いる超音波送受波器の
圧電振動子の斜視図である。同図において、電気−超音
波相互変換を行う圧電振動子３１は、圧電素子３２と、
この両側に貼り合わされた弾性素子３３および弾性素子
３４とから構成されている。圧電素子３２は、圧電セラ
ミックや圧電単結晶などから成り、厚さ方向に分極され
上下面に電極を形成された圧電体から成る。弾性素子３
３および弾性素子３４は、金属やセラミックなど機械振
動特性の優れた材質から成り、弾性素子３３と弾性素子
３４は同じ材質でも異なった材質でもよい。圧電振動子
３１には、スリット３５ａ、３５ｂが切られている。図
８の例では、２本のスリットを十字に切っているが、１
本だけ切っても、また２本を平行に切ってもよい。ま
た、ここでは矩形の圧電素子を使用しているが、同様に
して円板形の圧電素子を使用することもできる。

【００３１】圧電振動子３１を用いた超音波送受波器は
第１の実施の形態で示した図２と同様であるのでここで
は省略する。圧電振動子３１を用いた超音波送受波器の
駆動端子に超音波送受波器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信号電圧を印加すると、圧
電振動子３１は厚み振動モードで振動し、気体または液
体中などの流体中にバースト状の超音波を放射する。

【００３２】圧電振動子３１に励振される厚さ振動の変
位分布と振動により発生する電荷分布は第１の実施の形
態で示した図３と同様であるである。同図（ａ）より基
本振動モードの電荷分布は全域で同符号になり、同図
（ｂ）より３次高調波振動モードの電荷分布は圧電振動
子３１の表面からほぼ１／３の所で符号が変化する。従
って、３次高調波の厚み振動モードにより発生する電荷
がほぼ０になる箇所に圧電素子３２を設置すれば３次高
調波の厚み振動モードを抑制することができる。従っ
て、図８では圧電振動子３１の両面からほぼ１／６の中
間に圧電素子３２を設置することにより３次高調波の厚
み振動モードを抑制している。即ち、圧電素子３２の厚
みを圧電振動子３１の全厚みの２／３とし、両表層の弾
性素子３３、３４の厚みを同一厚みとしている。なお、
実用上は、圧電素子３２の厚みは、圧電振動子３１の全
厚みの２／３の±２０％以内（即ち、圧電振動子３１の
全厚みの７／１５〜１３／１５）、好ましくは２／３の
±１０％以内（即ち、圧電振動子３１の全厚みの２３／
３０〜１７／３０）として、圧電振動子３１の両表層か
ら等距離の位置に配置すれば一定の効果が認められる。

【００３３】また、圧電振動子３１は厚み振動の他に
も、矩形板の場合にも円板の場合にも拡がり振動をする
ことができる。そこで、スリット３５ａ、３５ｂを切る
ことにより拡がり振動を抑制することができる。スリッ
トの本数が多ければ効果は大きいが、圧電振動子３１の
機械的強度が弱くなり製造コストが高くなるので、これ
らを考慮してスリットが切られる。またスリットの深さ
は圧電振動子３１を貫通してもよいが、圧電振動子３１
の１／３以上の深さがあれば拡がり振動抑制の効果が得
られる。

【００３４】圧電振動子３１を用いた超音波送受波器の
駆動端子から見たアドミッタンスの周波数特性は、第１
の実施の形態の図４に示した周波数特性よりさらに高周
波成分の少ないものとなる。従って、図４の厚み振動の
基本振動モードの共振周波数ｆｒ１近傍のパルス信号を
搬送波とするバースト信号のように高調波を多く含んだ
駆動電圧信号で超音波送受波器を駆動した時でも、厚み
振動の基本振動モードのみを強勢に励振することができ
るので、送波される放射超音波は厚み振動の基本振動モ
ードの共振周波数ｆｒ１近傍の正弦波を搬送波とするバ
ースト信号となる。ここで、超音波送受波器の送波器と
しての動作を説明したが、圧電効果は可逆的であるので
受波器としても同様に働き、高調波を多く含んだ正弦波
を搬送波とするバースト信号の超音波を超音波送受波器
で受波した時でも、変換された電圧信号は正弦波を搬送
波とするバースト信号となる。つまり、本実施の形態で
は歪みの極めて小さい厚み振動の基本振動モードの正弦
波を搬送波とするバースト信号を送受できる。

【００３５】図８に示した圧電振動子により構成した超
音波送受波器を用いた流速測定装置のブロック図は図５
と同様であるのでここでは省略するが、歪みの極めて小
さい正弦波を搬送波とするバースト信号を送受すること
により、超音波が流体中の伝搬路を伝搬する時間の正確
な計測を可能にするので、高精度の流速計測ができるこ
とは言うまでもない。

【００３６】本実施の形態によれば、圧電素子の両面に
弾性素子を設置することにより、３次高調波の厚み振動
モードを抑制し、基本の厚み振動モードのみを強勢に励
振する圧電振動子を実現し、また圧電振動子にスリット
を切ることにより拡がり振動をも抑制することができ、
この圧電振動子を超音波送受波器に用いる。この超音波
送受波器を基本の厚み振動モード近傍で駆動することに
より、歪みの極めて小さい基本の厚み振動モード近傍の
正弦波を搬送波とする超音波もしくは電気バースト信号
を送受できる送波感度を実現することができる。そし
て、このような超音波送受波器を流速測定装置に使用す
ることにより、測定精度が高く、特に低流速の場合にも
高精度の流速計測ができる流速測定装置を提供すること
ができる。

【００３７】（第４の実施の形態）図９は本発明の第４
の実施の形態の流体測定装置に用いる超音波送受波器を
構成する圧電振動子の斜視図である。同図において、電
気−超音波相互変換を行う圧電振動子４１は、圧電素子
４２と、この両側に貼り合わされた圧電素子４３と圧電
素子４４とから構成されている。圧電素子４２は、圧電
セラミックや圧電単結晶などから成り、同図中に矢印４
２′で示すように厚さ方向（紙面の上向き）に分極さ
れ、上下面に電極を形成された圧電体から成る。圧電素
子４３と圧電素子４４は、いずれも圧電セラミックや圧
電単結晶などから成り、同図中に矢印４３′、４４′で
示すように厚さ方向であって、圧電素子４２の分極の向
きとは逆向き（紙面の下向き）に分極され、上下面に電
極を形成された圧電体から成る。ここで圧電素子４３と
圧電素子４４は同じ材質でも異なった材質でもよい。ま
た、ここでは矩形の圧電素子を使用しているが、同様に
して円板形の圧電素子を使用することもできる。圧電振
動子４１には、スリット４５ａ、４５ｂが切られてい
る。図９の例では、２本のスリットを十字に切っている
が、１本だけ切っても、また２本を平行に切ってもよ
い。

【００３８】圧電振動子４１を用いた超音波送受波器は
第１の実施の形態で示した図２と同様であるのでここで
は省略する。圧電振動子４１を用いた超音波送受波器の
駆動端子に超音波送受波器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信号電圧を印加すると、圧
電振動子４１は厚み振動モードで振動し、気体または液
体中などの流体中にバースト状の超音波を放射する。

【００３９】圧電振動子４１に励振される厚さ振動の変
位分布と振動により発生する電荷分布は第１の実施の形
態で示した図３と同様である。図３（ａ）は基本振動モ
ードの変位分布と電荷分布であり、図３（ｂ）は３次高
調波振動モードの変位分布と電荷分布である。同図
（ａ）より基本振動モードの電荷分布は全域で同符号に
なり、同図（ｂ）より３次高調波振動モードの電荷分布
は圧電振動子４１の表面からほぼ１／３の所で符号が変
化する。従って、基本の厚み振動モードにより発生する
電荷が小さくなり、３次高調波の厚み振動モードにより
発生する電荷が大きくなるように圧電素子４２、４３、
４４を設置すれば、基本の厚み振動モードを抑制して３
次高調波の厚み振動モードを強勢に励振することができ
る。従って、図９では圧電素子４２、４３、４４の厚さ
を、それぞれ圧電振動子４１のほぼ１／３にすることに
より基本の厚み振動モードを抑制している。なお、実用
上は、圧電素子４２の厚みは、圧電振動子４１の全厚み
の１／３の±２０％以内（即ち、圧電振動子４１の全厚
みの２／１５〜８／１５）、好ましくは１／３の±１０
％以内（即ち、圧電振動子４１の全厚みの７／３０〜１
３／３０）として、圧電振動子４１の両表層から等距離
の位置に配置すれば一定の効果が認められる。

【００４０】また、圧電振動子４１は厚み振動の他に
も、矩形板の場合にも円板の場合にも拡がり振動をする
ことができる。そこで、スリット４５ａ、４５ｂを切る
ことにより拡がり振動を抑制することができる。スリッ
トの本数が多ければ効果は大きいが、圧電振動子４１の
機械的強度が弱くなり製造コストが高くなるので、これ
らを考慮してスリットが切られる。またスリットの深さ
は圧電振動子４１を貫通してもよいが、圧電振動子４１
の１／３以上の深さがあれば拡がり振動抑制の効果が得
られる。

【００４１】圧電振動子４１を用いた超音波送受波器の
駆動端子から見たアドミッタンスの周波数特性は、第２
の実施の形態の図７に示した周波数特性よりさらに高周
波成分の少ないものとなる。同図において、ｆｒ１は厚
み振動の基本振動モードの共振周波数であり、ｆｒ３は
厚み振動の３次高調波の共振周波数である。従来は、厚
み振動の基本、３次高調波ともに強勢に励振されていた
が（図１５参照）、本実施の形態の超音波送受波器では
厚み振動の３次高調波振動モードは強勢であるが、厚み
振動の基本モードは抑制されていることがわかる。ま
た、厚み振動の３次高調波振動モードの近傍に存在する
拡がり振動モードもスリット４５ａ、４５ｂにより抑制
することができる。従って、厚み振動の３次高調波の共
振周波数ｆｒ３近傍のパルス信号を搬送波とするバース
ト信号のように高調波を多く含んだ駆動電圧信号で超音
波送受波器を駆動したときでも、厚み振動の３次高調波
振動モードのみを強勢に励振することができるので、送
波される放射超音波は厚み振動の３次高調波の共振周波
数ｆｒ３近傍の正弦波を搬送波とするバースト信号とな
る。

【００４２】ここで、超音波送受波器の送波器としての
動作を説明したが、圧電効果は可逆的であるので受波器
としても同様に働き、厚み振動の３次高調波振動モード
は強勢であるが、厚み振動の基本振動モードおよび拡が
り振動モードは抑制される。従って、高調波を含んだ正
弦波を搬送波とするバースト信号の超音波を超音波送受
波器で受波した時でも、変換された電圧信号は正弦波を
搬送波とするバースト信号となる。つまり、本実施の形
態では歪みの極めて小さい正弦波を搬送波とするバース
ト信号を送受できる。

【００４３】また、流速測定装置のブロック図は図５と
同様であるのでここでは省略するが、歪みの極めて小さ
い正弦波を搬送波とするバースト信号を送受することに
より、超音波が流体中の伝搬路を伝搬する時間の正確な
計測を可能にするので、高精度の流速計測ができる。

【００４４】本実施の形態によれば、圧電素子の両面に
圧電素子を設置することにより、基本波の厚み振動モー
ドを抑制し、スリットにより拡がり振動モードを抑制す
ることにより、３次高調波の厚み振動モードのみを強勢
に励振する圧電振動子を実現し、この圧電振動子を超音
波送受波器に用いる。この超音波送受波器を３次高調波
の厚み振動モードの共振周波数近傍で用いることによ
り、歪みの極めて小さい３次高調波の厚み振動モードの
共振周波数近傍の正弦波を搬送波とするバースト信号を
送受できる送波感度を実現することができる。そして、
このような超音波送受波器を流速測定装置に使用するこ
とにより、測定精度が高く、特に低流速の場合にも高精
度の流速計測ができる流速測定装置を提供することがで
きる。

【００４５】（第５の実施の形態）図１０は本発明の第
５の実施の形態の流体測定装置に用いる超音波送受波器
の駆動回路のブロック図である。同図において、電気−
超音波相互変換を行う超音波送受波器５１は、コイル５
２と直列接続されている。コイル５２と超音波送受波器
５１は直列共振回路を構成しており、コイル５２のイン
ダクタンス値と超音波送受波器５１の電気容量値から決
まる直列共振回路の電気共振周波数が、超音波送受波器
５１の駆動周波数よりも高くなるようにコイル５２のイ
ンダクタンス値を設定している。ドライブ回路５３は超
音波送受波器５１を駆動するが、通常はパルス波形を搬
送波とするバースト信号で駆動する。非駆動時には共通
電位で、駆動時にはこの共通電位を中心にして正負の符
号のパルス信号で、超音波送受波器５１を駆動するため
には、ドライブ回路５３として共通電位に対して正負の
信号が出力できる増幅回路が必要である。そして、超音
波送受波器５１の電気容量値との直列共振回路の電気共
振周波数近傍では、コイル５２と超音波送受波器５１と
の接続点における位相は大きく変化するので、コイル５
２のインダクタンス値は電気共振周波数が超音波送受波
器５１の駆動周波数よりも１．２倍以上高くなるように
設定している。

【００４６】図１１はドライブ回路の出力波形と超音波
送受波器の駆動波形を示す電気信号波形図である。同図
（ａ）はドライブ回路５３の出力駆動波形であり、同図
（ｂ）は超音波送受波器５１の駆動波形である。同図よ
り、ドライブ回路５３の出力端にコイル５２を直列接続
し、コイル５２と超音波送受波器５１との直列接続回路
を構成することにより、コイル５２と超音波送受波器５
１でローパスフィルタを構成することができる。つま
り、パルス波形を搬送波とするバースト信号の高周波を
コイル５２で除去することにより、超音波送受波器５１
の駆動波形は歪みの小さいほぼ正弦波を搬送波とするバ
ースト信号となり、超音波送受波器５１を共振周波数で
駆動する場合には、送波される放射超音波は歪みの小さ
い正弦波を搬送波とするバースト信号となる。

【００４７】また、流速測定装置のブロック図は第１の
実施の形態の図５と同様であるのでここでは省略する
が、本駆動回路を流速測定装置に用いることにより、歪
みの極めて小さい正弦波を搬送波とするバースト信号を
送受することにより、超音波が流体中の伝搬路を伝搬す
る時間の正確な計測を可能にするので、高精度の流速計
測ができる。

【００４８】本実施の形態によれば、超音波送受波器を
駆動するドライブ回路の出力端にコイルを接続すること
により、歪みの極めて小さい正弦波を搬送波とするバー
スト信号を送受できる送波感度を実現することができ、
流速の測定精度が高く安定性の優れた、特に低流速の場
合にも高精度の流速計測が安定にできる流速測定装置を
提供することができる。

【００４９】（第６の実施の形態）図１２は本発明の第
６の実施の形態の流体測定装置に用いる超音波送受波器
の駆動回路のブロック図である。同図において、電気−
超音波相互変換を行う超音波送受波器６１は、コイル６
２ａ、６２ｂと直列接続されている。コイル６２ａと超
音波送受波器６１、及びコイル６２ｂと超音波送受波器
６１は、それぞれ直列共振回路を構成しており、コイル
６２ａのインダクタンス値と超音波送受波器６１の電気
容量値から決まる直列共振回路の電気共振周波数、及び
コイル６２ｂのインダクタンス値と超音波送受波器６１
の電気容量値から決まる直列共振回路の電気共振周波数
が、いずれも超音波送受波器６１の駆動周波数よりも高
くなるように、コイル６２ａと６２ｂのインダクタンス
値を設定している。ドライブ回路６３ａ、６３ｂは超音
波送受波器６１を駆動するが、通常はパルス波形を搬送
波とするバースト信号で駆動する。そして、ドライブ回
路６３ａ、６３ｂと２つのドライブ回路を用いることに
よって、ドライブ回路としてインバータ回路を使用し
て、非駆動時には共通電位で、駆動時にはこの共通電位
を中心にして正負の符号のパルス信号で、超音波送受波
器６１を駆動することができる。つまり、ドライブ回路
を２つプッシュプルで用いることによりドライブ回路自
身を簡略化することがでる。

【００５０】そして、超音波送受波器６１の電気容量値
との直列共振回路の電気共振周波数近傍では、コイル６
２ａ、６２ｂと超音波送受波器６１とのそれぞれの接続
点における位相は大きく変化するので、コイル６２ａ、
６２ｂのインダクタンス値は、電気共振周波数が超音波
送受波器６１の駆動周波数よりも１．２倍以上高くなる
ように設定している。また、図１２の例ではドライブ回
路６３ａ、６３ｂの両方の出力端にそれぞれコイル６２
ａ、６２ｂを接続しているが、どちらか一方のみにコイ
ルを接続しても効果を有する。

【００５１】ドライブ回路の出力波形と超音波送受波器
の駆動波形を示す電気信号波形は第５の実施の形態の図
１１と同様である。同図（ａ）はドライブ回路６３ａ、
６３ｂの出力駆動波形であり、同図（ｂ）は超音波送受
波器６１の駆動波形である。同図より、ドライブ回路６
３ａ、６３ｂの少なくとも一方の出力端にコイル６２
ａ、６２ｂの少なくとも一方を直列接続し、コイル６２
ａと超音波送受波器６１との直列接続回路及び／又はコ
イル６２ｂと超音波送受波器６１との直列接続回路を構
成することにより、コイル６２ａと超音波送受波器６１
及び／又はコイル６２ｂと超音波送受波器６１でローパ
スフィルタを構成することができる。つまり、パルス波
形を搬送波とするバースト信号の高周波をコイル６２ａ
及び／又は６２ｂで除去することはより、超音波送受波
器６１の駆動波形は歪みの小さいほぼ正弦波を搬送波と
するバースト信号となり、超音波送受波器６１を共振周
波数で駆動する場合には、送波される放射超音波は歪み
の小さい正弦波を搬送波とするバースト信号となる。

【００５２】また流速測定装置のブロック図は第１の実
施の形態の図５と同様であるのでここでは省略するが、
本駆動回路を流速測定装置に用いることにより、歪みの
極めて小さい正弦波を搬送波とするバースト信号を送受
することにより、超音波が流体中の伝搬路を伝搬する時
間の正確な計測を可能にするので、高精度の流速計測が
できる。

【００５３】本実施の形態によれば、超音波送受波器を
駆動する２つのドライブ回路の少なくとも一方の出力端
にコイルを接続することにより、歪みの極めて小さい正
弦波を搬送波とするバースト信号を送受できる送波感度
を実現することができ、流速の測定精度が高く安定性の
優れた、特に低流速の場合にも高精度の流速計測が安定
にできる流速測定装置を提供することができる。

【００５４】

【発明の効果】本発明の第１の手段によれば、圧電素子
の両面に弾性素子を設置することにより、３次高調波の
厚み振動モードを抑制し、基本の厚み振動モードのみを
強勢に励振する圧電振動子を実現し、この圧電振動子を
超音波送受波器に用いる。この超音波送受波器を基本の
厚み振動モード近傍で駆動することにより、歪みの極め
て小さい基本の厚み振動モード近傍の正弦波を搬送波と
する超音波もしくは電気バースト信号を送受できる送波
感度を実現することができる。そして、このような超音
波送受波器を流速測定装置に使用することにより、測定
精度が高く、安定性に優れ、特に低流速の場合にも高精
度の流速計測が安定にできる流速測定装置を提供するこ
とができる。

【００５５】本発明の第２の手段によれば、圧電素子の
両面に圧電素子を設置することにより、基本波の厚み振
動モードを抑制し、３次高調波の厚み振動モードのみを
強勢に励振する圧電振動子を実現し、この圧電振動子を
超音波送受波器に用いる。この超音波送受波器を３次高
調波の厚み振動モードの共振周波数近傍で用いることに
より、歪みの極めて小さい３次高調波の厚み振動モード
の共振周波数近傍の正弦波を搬送波とするバースト信号
を送受できる送波感度を実現することができる。そし
て、このような超音波送受波器を流速測定装置に使用す
ることにより、測定精度が高く、安定性に優れ、特に低
流速の場合にも高精度の流速計測ができる流速測定装置
を提供することができる。

【００５６】本発明の第３の手段によれば、圧電素子の
両面に弾性素子を設置することにより、３次高調波の厚
み振動モードを抑制し、基本の厚み振動モードのみを強
勢に励振する圧電振動子を実現し、また圧電振動子にス
リットを切ることにより拡がり振動をも抑制することが
でき、この圧電振動子を超音波送受波器に用いる。この
超音波送受波器を基本の厚み振動モード近傍で駆動する
ことにより、歪みの極めて小さい基本の厚み振動モード
近傍の正弦波を搬送波とする超音波もしくは電気バース
ト信号を送受できる送波感度を実現することができる。
そして、このような超音波送受波器を流速測定装置に使
用することにより、測定精度が高く、安定性に優れ、特
に低流速の場合にも高精度の流速計測ができる流速測定
装置を提供することができる。

【００５７】本発明の第４の手段によれば、圧電素子の
両面に圧電素子を設置することにより、基本波の厚み振
動モードを抑制し、スリットにより拡がり振動モードを
抑制することにより、３次高調波の厚み振動モードのみ
を強勢に励振する圧電振動子を実現し、この圧電振動子
を超音波送受波器に用いる。この超音波送受波器を３次
高調波の厚み振動モードの共振周波数近傍で用いること
により、歪みの極めて小さい３次高調波の厚み振動モー
ドの共振周波数近傍の正弦波を搬送波とするバースト信
号を送受できる送波感度を実現することができる。そし
て、このような超音波送受波器を流速測定装置に使用す
ることにより、測定精度が高く、安定性に優れ、特に低
流速の場合にも高精度の流速計測ができる流速測定装置
を提供することができる。

【００５８】本発明の第５の手段によれば、超音波送受
波器を駆動するドライブ回路の出力端にコイルを接続す
ることにより、歪みの極めて小さい正弦波を搬送波とす
るバースト信号を送受できる送波感度を実現することが
でき、流速の測定精度が高く安定性の優れた、特に低流
速の場合にも高精度の流速計測が安定にできる流速測定
装置を提供することができる。

【００５９】本発明の第６の手段によれば、超音波送受
波器を駆動する２つのドライブ回路の少なくとも一方の
出力端にコイルを接続することにより、歪みの極めて小
さい正弦波を搬送波とするバースト信号を送受できる送
波感度を実現することができ、流速の測定精度が高く安
定性の優れた、特に低流速の場合にも高精度の流速計測
が安定にでき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】本発明の第１の実施の形態による超音波送受
波器を構成する圧電振動子の断面図である。

【図２】図１の圧電振動子を用いた超音波送受波器の
断面図である。

【図３】図１の圧電振動子の厚さ振動の変位分布と電
荷分布を示した図である。

【図４】図２の超音波送受波器のアドミッタンスの周
波数特性図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態による流体測定装
置の機能ブロック図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態による超音波送受
波器を構成する圧電振動子の断面図である。

【図７】図６の圧電振動子により構成した超音波送受
波器のアドミッタンスの周波数特性図である。

【図８】本発明の第３の実施の形態による超音波送受
波器を構成する圧電振動子の斜視図である。

【図９】本発明の第４の実施の形態による超音波送受
波器を構成する圧電振動子の斜視図である。

【図１０】本発明の第５の実施の形態による超音波送
受波器の駆動回路ブロック図である。

【図１１】図１０の駆動回路の出力駆動波形と超音波
送受波器の駆動波形を示す電気信号波形図である。

【図１２】本発明の第６の実施の形態による超音波送
受波器の駆動回路ブロック図である。

【図１３】従来の流速測定装置の測定原理を説明する
概略断面図である。

【図１４】従来の流速測定装置の超音波送受波器の一
例を示した断面図である。

【図１５】従来の超音波送受波器のアドミッタンスの
周波数特性図である。

【図１６】従来の超音波送受波器の受波波形の歪みに
起因する測定誤差を示す受波波形図である。

【符号の説明】

１圧電振動子２圧電素子２′ 分極方向３弾性素子４弾性素子５ケース６バッキング材７ａ、７ｂ駆動端子８放射超音波９、９ａ、９ｂ超音波送受波器１０切換回路１１スタート回路１２駆動回路１３増幅回路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圧電素子２２′ 分極方向２３圧電素子２３′ 分極方向２４圧電素子２４′ 分極方向３１圧電振動子３２圧電素子３２′ 分極方向３３弾性素子３４弾性素子３５ａ、３５ｂスリット４１圧電振動子４２圧電素子４２′ 分極方向４３圧電素子４３′ 分極方向４４圧電素子４４′ 分極方向４５ａ、４５ｂスリット５１超音波送受波器５２コイル５３ドライブ回路６１超音波送受波器６２ａ、６２ｂコイル６３ａ、６３ｂドライブ回路１０１超音波送受波器１０２超音波送受波器１０３管壁１１０超音波送受波器１１１圧電振動子１１２ケース１１３パッキング材１１４ａ、１１４ｂ駆動端子１１５放射超音波

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体からなる圧電素子と、前記圧電素
子の両面に固着された弾性素子とからなる圧電振動子か
ら構成され、前記圧電振動子は厚さ振動モードで振動す
ることを特徴とする超音波送受波器。
【請求項２】圧電素子の厚みが圧電振動子の全厚みの
７／１５〜１３／１５であることを特徴とする請求項１
に記載の超音波送受波器。
【請求項３】圧電素子の両面に固着された弾性素子の
厚みが同一であることを特徴とする請求項１又は２に記
載の超音波送受波器。
【請求項４】圧電体からなる圧電素子と、前記圧電素
子の両面に固着され、分極方向がいずれも前記圧電素子
と反対である圧電素子とからなる圧電振動子から構成さ
れ、前記圧電振動子は厚さ振動モードで振動することを
特徴とする超音波送受波器。
【請求項５】中間層の圧電素子の厚みが圧電振動子の
全厚みの２／１５〜８／１５であることを特徴とする請
求項４に記載の超音波送受波器。
【請求項６】両表層の圧電素子の厚みが同一であるこ
とを特徴とする請求項４又は５に記載の超音波送受波
器。
【請求項７】圧電体からなる圧電素子と、前記圧電素
子の両面に固着された弾性素子とからなる圧電振動子か
ら構成され、前記圧電振動子は厚さ方向にスリットを有
し、さらに前記圧電振動子は厚さ振動モードで振動する
ことを特徴とする超音波送受波器。
【請求項８】圧電素子の厚みが圧電振動子の全厚みの
７／１５〜１３／１５であることを特徴とする請求項７
に記載の超音波送受波器。
【請求項９】圧電素子の両面に固着された弾性素子の
厚みが同一であることを特徴とする請求項７又は８に記
載の超音波送受波器。
【請求項１０】圧電体からなる圧電素子と、前記圧電
素子の両面に固着され、分極方向がいずれも前記圧電素
子と反対である圧電素子とからなる圧電振動子から構成
され、前記圧電振動子は厚さ方向にスリットを有し、さ
らに前記圧電振動子は厚さ振動モードで振動することを
特徴とする超音波送受波器。
【請求項１１】中間層の圧電素子の厚みが圧電振動子
の全厚みの２／１５〜８／１５であることを特徴とする
請求項１０に記載の超音波送受波器。
【請求項１２】両表層の圧電素子の厚みが同一である
ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の超音波送
受波器。
【請求項１３】流体中を超音波が伝搬する時間を計測
することにより前記流体の流速を測定する流速測定装置
において、前記流速測定装置が前記超音波を送波し又は
前記超音波を受波する超音波送受波器を有し、前記超音
波を送波する超音波送受波器又は前記超音波を受波する
超音波送受波器が請求項１〜１２のいずれかに記載され
た超音波送受波器であることを特徴とする流速測定装
置。
【請求項１４】圧電振動子からなる超音波送受波器
に、前記圧電振動子の電気容量値との直列共振周波数が
前記超音波送受波器の駆動周波数よりも高い値となるよ
うにコイルを直列接続し、前記コイルを介して前記駆動
周波数で前記超音波送受波器を駆動することを特徴とす
る超音波送受波器の駆動方法。
【請求項１５】流体中を超音波が伝搬する時間を計測
することにより前記流体の流速を測定する流速測定装置
において、前記超音波は、圧電振動子からなる超音波送
受波器に、前記圧電振動子の電気容量値との直列共振周
波数が前記超音波送受波器の駆動周波数よりも高い値と
なるようにコイルを直列接続し、前記コイルを介して前
記駆動周波数で前記超音波送受波器を駆動することによ
り送波されることを特徴とする流速測定装置。
【請求項１６】圧電振動子からなる超音波送受波器を
２つのドライブ回路で駆動する方法であって、前記超音
波送受波器と前記２つのドライブ回路の接続点の少なく
とも一方に、前記圧電振動子の電気容量値との直列共振
周波数が前記超音波送受波器の駆動周波数よりも高い値
となるようにコイルを直列接続し、前記コイルを介して
前記駆動周波数で前記超音波送受波器を駆動することを
特徴とする超音波送受波器の駆動方法。
【請求項１７】流体中を超音波が伝搬する時間を計測
することにより前記流体の流速を測定する流速測定装置
において、前記超音波は、圧電振動子からなる超音波送
受波器を２つのドライブ回路で駆動するに際して、前記
超音波送受波器と前記２つのドライブ回路の接続点の少
なくとも一方に、前記圧電振動子の電気容量値との直列
共振周波数が前記超音波送受波器の駆動周波数よりも高
い値となるようにコイルを直列接続し、前記コイルを介
して前記駆動周波数で前記超音波送受波器を駆動するこ
とにより送波されることを特徴とする流速測定装置。