JP2006090751A - 超音波センサおよび超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】 スプリアスの小さい、広帯域型単一共振特性を有する超音波センサを提供する。
【解決手段】 超音波センサ１０は、有底筒状のケース１３と、そのケースの底部の内面に配置された圧電素子１４と、ケース１３の底部とは反対側に、圧電素子１４に隣接して配置された吸音部材１５と、吸音部材１５を挟んで圧電素子１４とは反対側に配置された第一ダンパー部材１６と、第一ダンパー部材１６に重ね合わされた第二ダンパー部材１７を備える。第一ダンパー部材１６と第二ダンパー部材１７は、互いに異なる樹脂材料を主体として構成されており、第一ダンパー部材１６のヤング率が、第二ダンパー部材１７のヤング率よりも大である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波センサおよび超音波流量計に関する。

従来、都市ガス、水などの流体の流量を計測する装置として、超音波流量計が知られている。超音波流量計は、流路の流体流れ方向上流側および下流側に一対の超音波センサを備え、これら超音波センサ間で超音波の送受信を行なうことにより、流路を流れる流体の平均流速および流量を求めるものである。超音波センサには、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電素子に音響整合層を接合した構造のトランスジューサが用いられる（特許文献１）。

測定原理の一つには、流れ方向上流側の超音波センサから流れ方向下流側の超音波センサに到達するまでの時間（順方向到達時間）と、流れ方向下流側の超音波センサから流れ方向上流側の超音波センサに到達するまでの時間（逆方向到達時間）とを計測して、両者の時間の逆数差から流路を流れる流体の平均流速および流量を求める方法がある。他の測定原理の一つには、超音波の位相比較制御により流量計測を行なう方法がある（特許文献２）。

前者の超音波流量計においては、超音波の周波数を固定することができるので、機械的共振尖鋭度を表すＱ値が比較的高い超音波センサが採用されている。一方、後者の超音波流量計では、流量に応じて超音波の周波数を連続的に変化させる必要があることから、広帯域型（低Ｑ型）の超音波センサが採用される。
特開２００３−３３９０９２号公報 特公平３−３９２４６号公報

ところで、特許文献１に示すような超音波センサにおいては、圧電素子を収容するケースや音響整合層が原因で、不要な共振（スプリアス）が発生することが知られている。図１３は、従来の超音波センサの周波数インピーダンス特性を模式的に示すグラフである。図１３（ａ）に示すごとく、たとえば２００ＫＨｚ付近に共振周波数を持つ高Ｑ型の超音波センサでは、共振周波数より低周波数側である１７０ＫＨｚ〜１８０ＫＨｚや、高周波数側である２４５ＫＨｚ〜２６５ＫＨｚにスプリアスが現れる。また、図１３（ｂ）に示すごとく、低Ｑ型の超音波センサでは、低周波数側の複数箇所にスプリアスが現れたりする。

こうしたスプリアスを低減するために、多くの超音波センサでは、圧電素子の背面側（音響整合層の配置側とは反対側）に、フェルトやグラスウールなどの吸音部材を配置し、さらにその後方にエポキシ等の樹脂を充填するようにしている（特許文献１）。このような構造によれば、送受信感度の低下を抑制しつつ、スプリアスを低減することができる。特に、超音波の周波数を共振周波数の近くに固定する計測方法では、ある程度スプリアスが存在していても致命的な問題とはならないので、この程度の対策で足りる。

しかしながら、周波数を連続的に変化させる計測方法では、事情が一変する。スプリアスの大きい超音波センサを用いて超音波流量計を作り、周波数を変化させながらサイン波駆動による受信ピーク電圧を測定して利得を見積もると、図１４のような結果が得られる。すなわち、使用する周波数帯域にスプリアスが存在すると、受信感度特性に影響が及び、その周波数帯域での利得が著しく減衰してしまう。逆に、スプリアスの近傍（図１４では１５０ＫＨｚ〜１６０ＫＨｚ）の帯域では、利得が急激に大きくなるという逆転現象が生じる。つまり、制御および補正が極めて困難な特性になってしまう。しかも、温度等の外的要因によってスプリアスの出現する周波数帯域が変化するため、いっそう複雑な制御を余儀なくされる。

この問題を回避する一つの策として、圧電素子の駆動パルス数を増やす方法が考えられる。駆動パルス数を増加すると、如何なる効果があるのかを簡単に説明する。図１５に示すのは、先の図１４の特性を持つ超音波センサを用いた超音波流量計における、駆動周波数と受信周波数との相関を示すグラフである。横軸が駆動周波数、縦軸が受信周波数である。駆動方法は、サイン波バースト駆動である。

まず、図１５（ａ）に示すごとく、駆動パルス数が２〜５パルス程度のときは、駆動周波数と受信周波数が線形性を示していないことから、スプリアスの影響を大きく受けていることが分かる。しかしながら、図１５（ｂ）（ｃ）のように、駆動パルス数を増加するにつれて、徐々に線形性を示すようになる。つまり、超音波センサがスプリアスを持つ構造であっても、超音波センサの固有応答性とスプリアス特性の影響を低減するために、駆動パルス数を増やし、到達波のなるべく後方に検出パルスをシフトさせることで、強制振動による比較的安定した送受信特性が得られる。

しかしながら、スプリアスの現れる周波数は、超音波センサの製造条件や使用環境によってバラつくので、駆動パルス数を増やすだけでは、補正や制御を十分に容易化するには至らない。さらに、駆動パルス数の増大は、消費電力の増大に直結する。電池式の超音波流量計では、長期連続使用が要求されるため、低消費電力であることが必須条件である。したがって、駆動パルス数を増やしてスプリアスの影響を小さくするという手法は、採用困難である。

このように、周波数を連続的に変化させる計測方法の超音波流量計において、高精度の計測を実現するためには、スプリアスが小さく、広帯域であり、単一の共振特性を有する超音波センサがどうしても必要である。そこで本発明は、スプリアスの小さい、広帯域型単一共振特性を有する超音波センサを提供することを課題とする。また、その超音波センサを採用した超音波流量計を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

一般に、超音波センサを構成する主な部品は、圧電素子、音響整合層および圧電素子を収容するケースである。当然、圧電素子を駆動すると、その圧電素子とともに音響整合層やケースが振動する。ケースの振動（特に、超音波の放射方向に交差する方向の振動）は、スプリアスの主な原因となる。ケースの振動を抑制するには、圧電素子の送受信面とは反対を剛体で構成すれば理想であると考えられる。そうだとすれば、ケース内に単純にエポキシ樹脂等の硬質な樹脂を充填している従来品でも、スプリアスを十分に抑制できるはずである。ところが、そのような従来品について周波数インピーダンス特性を調べてみると、スプリアスは依然として大きい。また、そのことは、計算機を使った周波数解析からも明白である（図１２参照）。こうした事実は、スプリアスの問題が単純に片付かないことを示唆する。

上記のような知見に基づき、本発明者は、以下に記す超音波センサを発明した。すなわち、課題を解決するために本発明の超音波センサは、有底筒状のケースと、ケースの底部の内面に配置された圧電素子と、ケースの底部とは反対側の圧電素子から隔たったところにおいて、ケースの内周面に接する形でそのケース内に配置された第一ダンパー部材と、第一ダンパー部材に重ね合わされて圧電素子から隔離された第二ダンパー部材とを備え、第一ダンパー部材と第二ダンパー部材は、互いに異なる樹脂材料を主体として構成されており、第一ダンパー部材のヤング率が、第二ダンパー部材のヤング率よりも大であることを主要な特徴とする。

本発明では、圧電素子から近い位置に、まず硬質（ヤング率が大）の第一ダンパー部材を配置し、それに隣接して軟質（ヤング率が小）の第二ダンパー部材を配置している。このような構成によれば、圧電素子に近いところでは、第一ダンパー部材によって、ケースの中心から拡がる振動が抑制される。さらに、第一ダンパー部材を含めたケース全体の振動を、第二ダンパー部材で吸収する。第二ダンパー部材をヤング率の小さい材料で構成するため、極めて高い減衰効果が得られる。また、超音波流量計に使用するような超音波センサは、残響を抑制するために全体が軽量であることが要求されるが、本発明によれば、全体に硬質な樹脂を充填する場合に比べて軽量化を図ることが可能なため、残響をいっそう抑制するという効果も得られる。

一方、第一ダンパー部材と第二ダンパー部材のヤング率の大小関係が本発明と逆の場合は、圧電素子に近いところでケースの振動の抑えが効かなくなり、スプリアス低減効果を得ることが困難となる。

また、本発明の超音波センサには、ケースの底部とは反対側に、圧電素子に隣接して吸音部材を配置することができる。この場合、第一ダンパー部材は、吸音部材によって圧電素子から隔離される。このようにすれば、第一ダンパー部材が圧電素子に接触することを確実に防止できるので、圧電素子の効率的な振動が妨げられない。

また、エポキシ系樹脂を主体として第一ダンパー部材を構成し、シリコン系樹脂を主体として第二ダンパー部材を構成すれば、ヤング率の大小の調整が容易である。なお、“主体として”とは、質量％で最も多く含有することを意味する。すなわち、各ダンパー部材を構成する樹脂材料は、ガラス、セラミック等の他の材料との複合的なものであってもよい。また、複数の樹脂材料を混合してヤング率の調整を行なったものでもよい。

一つの好適な態様において、樹脂材料を主体として構成され、第二ダンパー部材に重ね合わされて第一ダンパー部材から隔離されるとともに、ケースの開口縁に密着する形で配置された第三ダンパー部材を設けることができる。たとえば、第二ダンパー部材がシリコン系樹脂のように、耐水性に劣る樹脂材料で構成される場合、第二ダンパー部材が膨潤したりして耐水試験をパスできない恐れがある。そこで、上記のごとく、ケースの開口縁に密着するように第三ダンパー部材を設ければ、第二ダンパー部材が露出することを防げる。そのため、第二ダンパー部材の材料選択の幅が拡がる。また、スプリアスを最も低減できる設計の容易化、製造コスト低減といった効果が得られる。なお、第三ダンパー部材は、エポキシ系樹脂のように、耐水性に優れ、経年劣化を生じ難い材料で構成するのがよい。

さらに、上記の第三ダンパー部材は、ケースの開口部を当該ケースの外側から取り囲んで支持する支持部を含むものとして構成されていることが望ましい。支持部によってケースの開口部が固定されれば、ケースの振動がいっそう抑制されるので、スプリアスの低減に寄与する。この効果は、第三ダンパー部材が、エポキシ系樹脂のごとく、適度に硬質な材料で構成されている場合により強く得られる。すなわち、第三ダンパー部材のヤング率は、第二ダンパー部材のヤング率よりも大であることが好ましい。

他の一つの好適な態様において、第二ダンパー部材は、ケースの開口縁に密着する形で第一ダンパー部材に重ね合わされる一方、その第二ダンパー部材に覆い被さる形で配置され、第二ダンパー部材とケースとの双方に跨るように圧電素子の配置されている方向に延び、さらに、ケースを外側から取り囲んで支持する支持部を含んで構成された第三ダンパー部材を設けることができる。つまり、第二ダンパー部材を、ケースに蓋をするような形で配置する。その上で第三ダンパー部材を固定する。このような構成によれば、先に述べた通り、第二ダンパー部材が露出することを防げるため、第二ダンパー部材の材料選択の幅が拡がる。支持部によってケースの開口部が固定されれば、ケースの振動がいっそう抑制されるので、スプリアスの低減に寄与する。もちろん、第三ダンパー部材のヤング率は、第二ダンパー部材のヤング率よりも大であることが望ましい。

また、圧電素子や各ダンパー部材を収容するケースは、開口側に向かうにつれて段階的に広口となるように段付部を有する段付ケースとするとよい。その場合、段付部の高さに第一ダンパー部材の高さを一致させることができる。このような構成によれば、第一ダンパー部材をケース内にしっかりと固定するのに有利である。第一ダンパー部材がしっかり固定されれば、スプリアスの低減にも資する。また、段付部の高さに合わせて第一ダンパー部材を配置する構成によれば、製造も容易である。

他の局面において、本発明の超音波センサは、有底筒状のケースと、ケースの底部の内面に配置された圧電素子と、ケースの底部とは反対側に、圧電素子に隣接して配置された吸音部材と、吸音部材によって圧電素子から隔離されるとともに、ケースの内周面に接する形でそのケース内に配置された第一ダンパー部材と、ケースの開口部を当該ケースの外側から取り囲んで支持する支持部を含んで構成された第二ダンパー部材と、を備えたことを主要な特徴とする。

上記構成によれば、圧電素子を駆動すると、その圧電素子が接するケース自体も振動する。ケースの振動はスプリアスの主な原因の一つである。圧電素子から近い側にある第一ダンパー部材によって、ケースの中心から拡がる振動が抑制される。もちろん、これだけでもスプリアスの低減効果はあるが、大幅な改善には至らない。そこで、本発明では、第二ダンパー部材の支持部でケースを外側から支持するようにした。特に、ケースの開口部がしっかりと支持されれば、ケースの振動がいっそう抑制されるので、スプリアスの低減に寄与する。

また、ケースを樹脂製とすれば、ケース自身を音響整合層として利用することができる。つまり、圧電素子を取り付ける底部を、超音波の送受信面をなす音響整合層として利用する。この構成によれば、ケースと音響整合層とを別々に用意して組立てる場合に比して部品点数の削減となり、製造コスト減に資する。

また、音響整合層の厚さは、圧電素子の共振周波数（圧電素子が円板状であるとすると径方向振動の共振点）における超音波の波長の１／４よりも大とすることができる。単一の周波数で使用が予定される超音波センサの音響整合層の厚さは１／４波長に一致させるのが通常である。しかしながら、周波数を変化させながら流量計測を行なう超音波流量計に適用する場合、超音波の波長が変化するのだから、音響整合層が常に１／４波長ということは有り得ない。したがって、この場合に採用し得る音響整合層の厚さは、下記３通りであるが、スプリアス低減の観点では、（ｃ）とすることが好適である。
（ａ）圧電素子の共振周波数における１／４波長に等しい
（ｂ）圧電素子の共振周波数における１／４波長よりも小
（ｃ）圧電素子の共振周波数における１／４波長よりも大

（ｃ）が良い理由は、音響整合層を１／４波長よりも厚くすることに応じて、メイン共振（圧電素子に固有の共振）の共振周波数と、音響整合層に由来するスプリアス共振の共振周波数との差が大きくなる傾向が見られるからである。周波数を可変とする場合、使用周波数帯域の中心周波数は、メイン共振の共振周波数の近くに設定する形となる。したがって、メイン共振の共振周波数とスプリアス共振の共振周波数とが大きい場合、スプリアス共振を使用周波数帯域から外すことも可能であり、好都合である。ただし、音響整合層を厚くしすぎると減衰が大きくなってしまうので、１／２波長を越えない程度とするのがよい（具体的な好適値は後述する）。なお、音響整合層を薄くする（ｂ）の場合には、メイン共振の共振周波数とスプリアス共振の共振周波数との差が小さくなる（縮重する）傾向を示す。

また、本発明の超音波流量計は、流体が流通する流路内の流れ方向上手側および流れ方向下手側のそれぞれに、本発明の超音波センサを設け、それら一対の超音波センサ間で、超音波が予め決められたロック波数になるように送信波パルス群のクロックの周波数を制御し、その周波数を基に流速および流量を求めるようにしたことを主要な特徴とする。本発明の超音波センサは、スプリアスが極めて小さいので、上記のごとく超音波センサ間に定常波を固定する方式の超音波流量計に最適である。逆に言えば、同方式の超音波流量計には、本発明のようにスプリアス低減が十分に図られた超音波センサのみが使用できる。

さらに、本発明の超音波センサには、低Ｑ型（たとえば、Ｑ＝７０以上１２０以下）の圧電素子を選択すれば、使用周波数帯域の全体にわたって十分な送受信感度が得られる。このことは、測定を予定する全流量域で高精度な流量計測を実現することにつながる。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１に示すのは、本発明にかかる超音波センサの軸断面図である。超音波センサ１０は、有底筒状のケース１３と、ケース１３の底部１１の内面に配置された板状の圧電素子１４と、ケース１３の底部１１とは反対側に、圧電素子１４に隣接して配置された吸音部材１５（緩衝部材）と、吸音部材１５を挟んで圧電素子１４の反対側に配置された第一ダンパー部材１６と、第一ダンパー部材１６に重ね合わされた第二ダンパー部材１７と、第二ダンパー部材１７に重ね合わされた第三ダンパー部材１８とを備える。

ケース１３は、底部１１と筒部２０とを含んで構成されており、略円筒状の形態を有する。したがって、図１の断面図は、中心軸線Ｏを挟んで左右対称である。ケース１３は、エポキシ樹脂にガラスバルーンを混入した複合材料を成形したものである。底部１１は、圧電素子１４の音響インピーダンスと、空気やガスなどの媒体の音響インピーダンスとの整合を図るための音響整合層１１を構成している。なお、ガラスバルーンを混入しない単一の樹脂材料でケース１３を構成してもよい。

また、音響整合層をなす底部１１と、筒部２０とを別々の材料で構成することも可能である。たとえば、音響整合層１１をガラスとエポキシ樹脂の複合材料で円板状に構成する一方、ステンレス鋼やアルミニウム合金など耐食性に優れる金属材料や、エンジニアリングプラスチックを成形して筒部２０を別途用意し、その筒部２０に、その音響整合層１１を接着剤で固定することができる。

音響整合層１１は、圧電素子１４に接する側とは反対側の面が超音波の送受信面１１ｐになっている。音響整合層１１の直径は、筒部２０の直径と異ならせてある。本実施形態では、筒部２０の直径の方が大である。このような構成によれば、音響整合層１１の径方向（送受信面１１ｐに平行な方向）の振動が、筒部２０に伝達されることを抑制する効果がある。本実施形態のごとく、中心軸線Ｏ方向における音響整合層１１と筒部２０の境界を、吸音部材１５と第一ダンパー部材１６の境界に一致させると、音響整合層１１と筒部２０との境界部付近が第一ダンパー部材１６で支持される形となり、さらに効果的である。また、音響整合層１１には、送受信面１１ｐを囲う形でテーパ面１１ｒが形成されている。テーパ面１１ｒの形成形態を調整することにより、超音波の指向性を調整したりすることができる。

また、音響整合層１１の厚さｈは、ｈ＝α＊（Ｖ／（４＊ｆｒ））に調整されている。ここで、ｆｒは圧電素子１４に固有の共振周波数、Ｖは音響整合層１１の音速である。また、定数αは、１．２５≦α≦１．４５である。

単一の周波数で使用する超音波センサの場合、音響整合層の厚さは、いわゆるλ／４に一致させることが技術常識である。しかし、後述する空間定常波固定方式の超音波流量計で使う超音波センサでは、超音波の周波数を流量に応じて変化させるため、この常識が通用しない。そのため、本発明の超音波センサ１０では、上記のごとく、音響整合層１１の厚さｈを、圧電素子１４の共振周波数ｆｒを基準としたλ／４よりも大としている。このようにすれば、音響整合層１１自身の径方向振動が顕著となる周波数帯域を共振周波数ｆｒから遠ざけること、すなわちメイン共振の共振周波数と、スプリアス共振の共振周波数とを離すことができるので、周波数可変とするのに好都合である。ただし、過度に厚くし過ぎると送受信感度の低下が顕著になるから、定数αを上記範囲内とすることが望ましい。

圧電素子１４は、円板状の形態を有し、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系の圧電セラミックにて構成されている。ＰＺＴの他にも、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛などを使用することができる。圧電素子１４の厚さは、たとえば音響整合層１１の厚さの１／５．５以上１／８．５以下とすることが望ましい。また、直径は、ケース１３の底に接着剤で固定したとき周りに適度な隙間ができるよう、ケース１３の内径よりも小さく調整されている。また、ケース１３との接触面およびそれと平行な面、つまり表面と裏面が、電極形成面（電極が形成されている面）である。電極形成面には、電圧印加用および受信波取り出し用のリードが半田等で接続され、ケース１３の開口から引き出されるが、図１では省略している。電極材料には、一般には銀などの良導性金属が使用される。

圧電素子１４の後背に配置された吸音部材１５は、音響整合層１１とは反対側に振動が伝わることや残響を抑制するものであり、たとえばグラスウール、フェルトや不織布といった繊維、さらには発泡樹脂、エラストマーなど、圧電素子１４の振動を極力妨げることがない軽量な材料で構成されている。本実施形態では、ゴム弾性を有するシリコン系樹脂を圧電素子１４と略同じ厚さの円板状に成形し、圧電素子１４の上に載せるだけのような形で配置している。また、吸音部材１５の直径は、ケース１３の内径に一致するようにしている。なぜなら、ケース１３内に樹脂を射出して第一ダンパー部材１６を形成するという製造方法を採用する場合、吸音部材１５が圧電素子１４と第一ダンパー部材１６との接触を防ぐ役割を担うからである。

次に、吸音部材１５に隣接して設けられた第一ダンパー部材１６は、吸音部材１５よりも硬質（ヤング率が大）の樹脂、たとえばエポキシ系樹脂で構成されている。その厚さは、圧電素子１４の厚さと吸音部材１５の厚さを足した値よりも大である。一方、ケース１３は、開口側に向かうにつれて段階的に広口となるように段付部１３１，１３２を有する。そして、その段付部１３１，１３２の高さに第一ダンパー部材１６の高さが一致されている。第一ダンパー部材１６は円板状の形態を有し、圧電素子１４および吸音部材１５に同心状に配置され、ケース１３に密着してしっかりと固定されている。この構成により、ケース１３の径方向振動が抑制される。尚且つ、第一ダンパー部材１６は、ケース１３の段付部１３１で外周部が支持される形となっているため、図１の位置よりも圧電素子１４の側にズレたりすることもない。これにより、圧電素子１４の振動が良好に保たれる。

上記のような第一ダンパー部材１６を形成するには、ケース１３の底部１１に圧電素子１４を貼着し、予め成形した吸音部材１５をその上に載置したのち、樹脂を射出すればよい。ケース１３と第一ダンパー部材１６に、同種の樹脂を用いると接着性が良好であり、スプリアスの低減に有利である。また、圧電素子１４との間には、吸音部材１５が位置するので、第一ダンパー部材１６は圧電素子１４に直接接触しない。そのため、圧電素子１４の振動が妨げられない。

また、第一ダンパー部材１６に隣接して、第二ダンパー部材１７が配置されている。この第二ダンパー部材１７は、第一ダンパー部材１６よりも軟質（ヤング率が小）の樹脂、たとえばシリコン系樹脂で構成されている。厚さは、第一ダンパー部材１６と同程度でよいが、ケース１３から食み出ない厚さに調整する。また、第二ダンパー部材１７はケース１３にちょうど嵌る大きさの円板状の形態を有し、第一ダンパー部材１６に同心状に配置され、ケース１３にしっかりと固定されている。ケース１３に設けられた段付部１３２に第一ダンパー部材１６の高さが一致されているので、第二ダンパー部材１７の方が、第一ダンパー部材１６よりもやや径大である。この軟質な第二ダンパー部材１７の下面（第一ダンパー部材１６との接面）により、第一ダンパー部材１６の振動が抑制される。なお、第二ダンパー部材１７は、第一ダンパー部材１６と同様に樹脂の射出により形成してもよいし、予め成形しておいたものを第一ダンパー部材１６に接着剤で貼り合せるようにしてもよい。

さらに、第二ダンパー部材１７に隣接して第三ダンパー部材１８が設けられている。第三ダンパー部材１８は、第二ダンパー部材１７と同心状であるとともに、ケース１３に蓋をする形で第二ダンパー部材１７および当該ケース１３に接着剤で固定されている。これにより、ケース１３の開口部１２の径方向振動が効果的に抑制される。また、第三ダンパー部材１８は、第二ダンパー部材１７よりも硬質（ヤング率が大）の樹脂、たとえばエポキシ系樹脂で構成されているので、ケース１３との接着性は良好である。場合によっては、第一ダンパー部材１６と同一樹脂材料を用いてもよい（材料コスト減）。第一ダンパー部材１６および第二ダンパー部材１７の形成は、ケース１３内に樹脂を射出する方法が好適であるが、第三ダンパー部材１８は、予め成形しておいたものを接着剤で貼着する方が製造容易である。

以上説明のように、第一ダンパー部材１６と第二ダンパー部材１７は、第一ダンパー部材１６のヤング率が、第二ダンパー部材１７のヤング率よりも大となるように、互いに異なる樹脂材料を主体として構成されている。また、第二ダンパー部材１７と第三ダンパー部材１８とでは、第三ダンパー部材１８の方がヤング率は大である。

つまり、図４の模式図に示すごとく、吸音部材１５、第一ダンパー部材１６、第二ダンパー部材１７および第三ダンパー部材１８は、同心状の積層構造をなし、尚且つヤング率の大小が交互に入れ替わる構成となっている。ただし、圧電素子１４の振動を妨げないように、圧電素子１４に接する吸音部材１５には、ヤング率の小さい材料を採用することが重要である。また、超音波センサ１０の外周面を構成する第三ダンパー部材１８は、エポキシ樹脂のような耐水性に優れる樹脂材料で構成されていることも重要である。超音波センサの信頼性試験には、ケース１３に水が侵入しやすいかどうか、耐水性に関する試験を行なうことがあるからである。また、既に説明したように、ケース１３を構成する樹脂と第三ダンパー部材１８を構成する樹脂とを同一種類（エポキシ系樹脂）としているので、相互の接着性に優れる（接着剤にもエポキシ系接着を使用するとよい）。そのため、経年劣化によって剥離が生じ、それがスプリアスの原因になるといった不具合も起こり難い構成となっている。

なお、本明細書においてヤング率の大小は、超音波センサの実使用条件、たとえば、−３０℃以上６０℃以下の範囲での大小を言うものとする。また、ヤング率については、縦波の伝搬速度と横波の伝搬速度から求める方法が、非破壊試験なので好適に採用できる。なお、参考までに、各部材のヤング率の好適な範囲を表１に示す。

また、図１の実施形態における第三ダンパー部材１８に代えて、図２に示すような第三ダンパー部材１９を設けることも可能である。図２の軸断面図に示す超音波センサ１０’は、第三ダンパー部材１９を除けば図１の超音波センサ１０と共通である。すなわち、超音波センサ１０’の第三ダンパー部材１９は、ケース１３の開口部１２を外側から取り囲んで支持する支持部１９ａを有する。

第三ダンパー部材１９の支持部１９ａは、中心軸線Ｏ方向に沿って送受信面１１ｐ側に延び、ケース１３の直径が変化する位置まで至り、ケース１３の側周面を被覆する形となっている。つまり、図２の例では、ケース１３の筒部２０全体が第三ダンパー部材１９の支持部１９ａで周りを固められている。このような構成により、ケース１３内に配置した第一ダンパー部材１６および第二ダンパー部材１７と相俟って、ケース１３の径方向振動を抑制することができ、スプリアス低減にいっそう効果がある。また、支持部１９ａを、ケース１３よりもヤング率が大の樹脂材料で構成することにより、径方向への剛性を高くできる。つまり、超音波センサ１０’を小径化、ひいては全体の小型化に有利である。このことは、第二実施形態の超音波センサ３０にも当てはまる。

（第二実施形態）
図３に示すのは、第二実施形態の超音波センサの軸断面図である。超音波センサ３０は、有底円筒状のケース３１、圧電素子１４、吸音部材１５、第一ダンパー部材３４、第二ダンパー部材３５および第三ダンパー部材３６で構成され、各部材が積層構造を形成しているという点では、図１や図２の超音波センサ１０，１０’と共通である。ケース３１の底部３２を音響整合層とする点も同じである。また、それらの部材に用いる材料も共通とすることができる。以下、相違する点を中心に説明する。

ケース３１には段付部３１１が形成されており、圧電素子１４および吸音部材１５を収容する位置と、第一ダンパー部材３４を収容する位置とで内径が異なる。ただし、ケース３１の底部３２（音響整合層）と筒部３７とは、送受信面３２ｐに隣接するテーパ面３２ｒを無視すれば、同じ外径を持っている。一方、ケース３１内には、圧電素子１４、吸音部材１５および第一ダンパー部材３４が収容され、第一ダンパー部材３４の吸音部材１５に接する側とは反対側の面が、ケース３１の開口縁３１ｑに一致するように寸法調整がなされている。第一ダンパー部材３４を設けたことにより、ケース３１の開口部３３のみならず、筒部３７全体の径方向振動が抑制される。

また、第一ダンパー部材３４の上（図３中では下方）には、ケース３１の筒部３７と同径の第二ダンパー部材３５が配置されている。第二ダンパー部材３５は、ケース３１に蓋をする形となっている。ケース３１の開口縁３１ｑと第一ダンパー部材３４の主面が一致しているので、円板状の第二ダンパー部材３５は無理なく両者（ケース３１と第一ダンパー部材３４）にまたがって接着され、それらの振動を効率良く吸収する。そして、この第二ダンパー部材３５を内側に収容するような形で、ケース３１の開口部３３に第三ダンパー部材３６が嵌合している。第三ダンパー部材３６は、ケース３７の側周面３７ｐに密着する支持部３６ａを含むものとして構成されており、当該ケース３１の筒部３７を外側から固定する。これにより、ケース３１の筒部３７の径方向の振動がいっそう抑制される。

以上、図１〜図３に示した超音波センサ１０，１０’３０によれば、予定された使用周波数帯域におけるスプリアス共振とメイン共振とのインピーダンス比Ｚｒを１／３０以下とすることが可能である。図５に示すごとく、メイン共振は、超音波センサ１０，１０’３０の使用周波数帯域で観測される、圧電素子に固有の共振である（本実施形態では径方向振動モードの共振点）。他方、スプリアス共振は、超音波センサ１０，１０’３０の使用が予定される周波数帯域において、メイン共振とは異なる位置に観測される。圧電素子１４に固有の共振点以外の周波数に、インピーダンスの極値が現れた場合、その共振点をスプリアスとみる。

上記の知見に基づき、スプリアス共振に関する共振周波数と反共振周波数とのインピーダンス差をΔＺｓ、メイン共振に関する共振周波数と反共振周波数とのインピーダンス差をΔＺ_０とすれば、スプリアス共振とメイン共振とのインピーダンス比Ｚｒは、Ｚｒ＝（ΔＺｓ／ΔＺ_０）で求まる。なお、超音波センサ１０，１０’３０のインピーダンス測定は、公知のインピーダンスアナライザーを用いて行なうものとする。

次に、実際の試作品のデータを示す。試作品は、図１の超音波センサ１０であり、ガラスバルーンをエポキシ系樹脂に混入した複合材料でケース１３を構成し、第一ダンパー部材１６および第三ダンパー部材１８をエポキシ系樹脂で構成し、吸音部材１５および第二ダンパー部材１７をシリコン系樹脂で構成し、圧電素子１４にはＰＺＴを用いたものである。図６のグラフは、その超音波センサ１０を用いて超音波流量計を作り、周波数を変化させながらサイン波駆動による受信ピーク電圧を測定した結果を示している。媒体が空気、室温、流速がゼロの条件での結果である。従来の超音波センサの特性（図１４）と比較すると分かるように、駆動周波数に対する受信ピーク電圧の変化および利得の変化が極めて緩やかである。この特性は、周波数に応じた制御や補正が容易であることを意味する。

また、図７のグラフは、図６と同じ超音波流量計において、駆動周波数を変化させたときの受信波の周波数変化をプロットしたグラフである。駆動パルス数が１０パルスでの測定である。太線は、得られたデータから最小二乗法により求めた直線である。この結果から分かるように、本発明の超音波センサを用いると、スプリアスの影響が極めて小さく、駆動周波数に対して受信周波数が概ねリニアに変化する。

次に、いくつかの超音波センサについて、有限要素法による周波数解析を行なった結果を示す。まず、図８は、図１の構造の超音波センサ１０にかかる解析結果である。左上が周波数インピーダンス特性、左下が位相特性、右上がメイン共振（１９８ＫＨｚ）におけるコンター図（変位量を表わす図）、右下がスプリアス共振（１７２ＫＨｚ）におけるコンター図である。解析結果より、スプリアス共振とメイン共振とのインピーダンス比Ｚｒを求めたところ、１／３０であった。

次に、図９は、図８の場合と同じ超音波センサ１０について、ケース１３、吸音部材１５、第一ダンパー部材１６、第二ダンパー部材１７および第三ダンパー部材１８の各樹脂部材を最適化（ヤング率を最適化）したときの解析結果である。解析結果より、インピーダンス比Ｚｒを求めたところ、１／５５であった。この結果より、同じ構造でも、ヤング率の最適化、つまり使用する樹脂材料の選択によってスプリアスを低減できることが理解できる。

次に、図１０は、図８の場合と同じ超音波センサ１０について、共振周波数が１６８ＫＨｚに現れる圧電素子に変更したときの解析結果である。スプリアス共振は１３３ＫＨｚに現れているが、十分に小さい。この結果より、本発明の超音波センサの構成が、圧電素子の共振周波数に拠らず有効であることが分かる。

次に、図１１は、図２の構造の超音波センサ１０’にかかる解析結果である。メイン共振は２１０ＫＨｚ、スプリアス共振は１７３ＫＨｚに現れている。図２の構造の超音波センサ１０’は、ケース１３の筒部２０が第三ダンパー部材１９で外側からホールドされている分、スプリアスを抑制しやすい構造になっている。そのことは、ケース１３の筒部２０のところにかかる応力が、図８や図９に比して明らかに小さいことからも明白である。また、メイン共振とスプリアス共振のインピーダンス比Ｚｒは、１／１２０であった。

なお、比較のために、図１２に、従来の低Ｑ型超音波センサにかかる解析結果も示す。メイン共振とスプリアス共振のインピーダンス比Ｚｒは、１／４．７であった。しかも使用が予定される周波数帯域（中心周波数±５０ＫＨｚ（たとえば１５０ＫＨｚ〜２５０ＫＨｚ））の複数箇所に現れている。メイン共振（２２０ＫＨｚ）に近い側がケースに由来するスプリアスであり、その隣が音響整合層に由来するスプリアスである。

次に、超音波流量計について説明する。
図１６は、本発明にかかる超音波センサ１０，１０’３０を好適に採用できる超音波流量計の構成を示す回路ブロック図である。この超音波流量計４０における計測原理は、流路４３の流体流れ方向上手側および流れ方向下手側に一対の超音波センサ１０ａ，１０ｂを設け、ＰＬＬにより一対の超音波センサ１０ａ，１０ｂ間で超音波が予め決められた波の数（以下、ロック波数という）となるように制御し、流れ方向上手側の超音波センサ１０ａ（順方向超音波センサ）から流れ方向下手側の超音波センサ１０ｂ（逆方向超音波センサ）に向けて超音波を発射したときの送信波周波数（順方向送信波周波数）と、下手側の超音波センサ１０ｂから上手側の超音波センサ１０ａに向けて超音波を発射したときの送信波周波数（逆方向送信波周波数）とを計測し、計測された順方向送信波周波数および逆方向送信波周波数を基に流路４３を流れる流体の平均流速を求め、さらに平均流速に流路断面積を乗算することで流量を求める方法である。

いま、図１７に示すように、ロック波数をＮ、順方向送信波周波数をｆｊ、逆方向送信波周波数をｆｇ、順方向超音波センサ１０ａ，逆方向超音波センサ１０ｂ間の距離（以下、伝搬長という）をＬ、流体の流速をＶとすると、順方向超音波センサ１０ａから逆方向超音波センサ１０ｂに超音波を伝搬させたときの計測（以下、順方向計測という）で、下式（１）が得られ、逆方向超音波センサ１０ｂから順方向超音波センサ１０ａに超音波を伝搬させたときの計測（以下、逆方向計測という）で、下式（２）が得られる。

Ｌ／（Ｃ＋Ｖ）＝Ｎ／ｆｊ→Ｌｆｊ／Ｎ＝Ｃ＋Ｖ ・・・（１）
Ｌ／（Ｃ−Ｖ）＝Ｎ／ｆｇ→Ｌｆｇ／Ｎ＝Ｃ−Ｖ ・・・（２）

式（１）−式（２）から下式（３）が得られ、式（１）＋式（２）から下式（４）が得られる。

Ｖ＝（Ｌ／２Ｎ）×（ｆｊ−ｆｇ） ・・・（３）
Ｃ＝（Ｌ／２Ｎ）×（ｆｊ＋ｆｇ） ・・・（４）

そして、流量Ｑが、流路の断面積Ｓ、補正係数Ｈを用いて、下式（５）で求められる。

Ｑ＝Ｖ・Ｓ・Ｈ ・・・（５）

さらに、式（４）によって求められた音速Ｃから、流体が空気である場合、簡易式Ｃ＝３３１．６８＋０．６１τにより、温度τが求まるので、温度τに対する補正が可能となる。

図１６に示すごとく、超音波流量計４０は、流路４３と、流路４３内の流れ方向上手側に設置された超音波センサ（順方向超音波センサ）１０ａと、流路４３内の流れ方向下手側に設置された超音波センサ（逆方向超音波センサ）１０ｂと、送信手段４４と、増幅手段４６および２値化手段４７からなる受信手段４５と、順方向ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）４８，順方向ＬＰＦ（low Pass Filter）４９および順方向ＰＤ（Phase Detector）５０からなる順方向ＰＬＬ（Phase-Locked loop）と、逆方向ＶＣＯ５１，逆方向ＬＰＦ５２および逆方向ＰＤ５３からなる逆方向ＰＬＬと、順方向カウンタ５４，逆方向カウンタ５５，ロック波数カウンタ５６および送信制御部５７からなる制御部５８と、位相比較出力幅計測手段５９と、順方向計測と逆方向計測とを切り替えるスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５およびＳＷ６とから構成されている。

流路４３は、順方向超音波センサ１０ａおよび逆方向超音波センサ１０ｂが、流れ方向に互いに対向するように配置され、軸断面の形状および断面積が流れ方向において同一に形成されている。計測流体がガスの場合、流路４３の軸断面形状は壁部により閉鎖された空間を形成するものであればよく、たとえば、円形状、楕円形状、正方形状、矩形状等のいずれを採用してもよい。

送信手段４４は、順方向超音波センサ１０ａおよび逆方向超音波センサ１０ｂに送信波パルス群を発射させるための駆動パルスを発生する駆動電圧回路等から構成される。

受信手段４５は、順方向超音波センサ１０ａおよび逆方向超音波センサ１０ｂの受信波変換電圧（受信波変換信号）を検出するための電圧検出回路等からなる増幅手段４６と、受信波パルス群を送信波クロック（送信波パルス群のクロック）の周期で２値化する２値化手段４７とを含んで構成されている。

順方向ＶＣＯ４８は、入力された電圧信号に応じた順方向送信波周波数ｆｊの順方向クロックＣＬＫｊを出力する電圧制御発信器であり、入力端子を順方向ＬＰＦ４９の出力端子に接続され、出力端子を順方向ＰＤ５０の一方の入力端子に接続されている。順方向ＶＣＯ４８は、順方向ＬＰＦ４９からの電圧信号を入力し、受信波変換信号と順方向クロックＣＬＫｊとの間に位相ズレがあるならば、位相ズレがゼロになるように順方向クロックＣＬＫｊの送信波周波数ｆｊを変更し、順方向超音波センサ１０ａ，逆方向超音波センサ１０ｂ間の波数が予め決められたロック波数Ｎ（Ｎ：自然数）となるように位相調整を行なう。

順方向ＬＰＦ４９は、位相比較出力信号（図１８（ｅ）参照）を入力し、該位相比較出力信号（図１８（ｅ）参照）を平均化して出力するフィルタであり、入力端子を順方向ＰＤ５０の出力端子に接続され、出力端子を順方向ＶＣＯ４８の入力端子に接続されている。

順方向ＰＤ５０は、２つの入力信号の位相を比較して、その位相差に比例した信号を出力するものであり、一方の入力端子をスイッチＳＷ３の一方の接点端子に、他方の入力端子を順方向ＶＣＯ４８の出力端子に接続され、出力端子を順方向ＬＰＦ４９の入力端子に接続されている。順方向ＰＤ５０は、順方向クロックＣＬＫｊ（図１８（ａ）参照）と２値化後受信波変換信号（図１８（ｄ）参照）との位相を比較して、その位相差に比例した位相比較出力信号（図１８（ｅ）参照）を出力する。

逆方向ＶＣＯ５１は、入力された電圧信号に応じた逆方向送信波周波数ｆｇの逆方向クロックＣＬＫｇを出力する電圧制御発信器であり、入力端子を逆方向ＬＰＦ５２の出力端子に接続され、出力端子を逆方向ＰＤ５３の一方の入力端子に接続されている。逆方向ＶＣＯ５１は、逆方向ＬＰＦ５２からの電圧信号を入力し、受信波変換信号と逆方向クロックＣＬＫｇとの間に位相ズレがあるならば、位相ズレがゼロになるように逆方向クロックＣＬＫｇの送信波周波数ｆｇを変更し、逆方向超音波センサ１０ｂ，順方向超音波センサ１０ａ間の波数が予め決められたロック波数Ｎとなるように位相調整を行なう。

逆方向ＬＰＦ５２は、位相比較出力信号（図１８（ｅ）参照）を入力し、該位相比較出力信号（図１８（ｅ）参照）を平均化して出力するフィルタであり、入力端子を逆方向ＰＤ５３の出力端子に接続され、出力端子を逆方向ＶＣＯ５１の入力端子に接続されている。

逆方向ＰＤ５３は、２つの入力信号の位相を比較して、その位相差に比例した信号を出力するものであり、一方の入力端子をスイッチＳＷ３の一方の接点端子に、他方の入力端子を逆方向ＶＣＯ５１の出力端子に接続され、出力端子を逆方向ＬＰＦ５２の入力端子に接続されている。逆方向ＰＤ５３は、逆方向クロックＣＬＫｇ（図１８（ａ）参照）と２値化後受信波変換信号（図１８（ｄ）参照）との位相を比較して、その位相差に比例した位相比較出力信号（図１８（ｅ）参照）を出力する。

順方向カウンタ５４は、順方向ＶＣＯ４８の出力端子に接続されており、順方向クロックＣＬＫｊ（図１８（ａ）参照）をカウントする役目をする。

逆方向カウンタ５５は、逆方向ＶＣＯ５１の出力端子に接続されており、逆方向クロックＣＬＫｇ（図１８（ａ）参照）をカウントする役目をする。

ロック波数カウンタ５６は、入力端子をスイッチＳＷ６の切り替え端子に接続され、出力端子を受信手段４５の制御端子に接続されており、受信波パルス群の特定の１パルスを入力するために、順方向クロックＣＬＫｊまたは逆方向クロックＣＬＫｇ（図１８（ａ）参照）をロック波数Ｎずつカウントするごとに、受信波パルス群のマスク解除信号（図１８（ｃ）参照）を一定期間分だけオンにする。

送信制御部５７は、一方の入力端子が順方向ＶＣＯ４８の出力端子に、他方の入力端子が逆方向ＶＣＯ５１の出力端子に接続され、出力端子が送信手段４４に接続されており、送信手段４４による駆動パルスの出力を制御する。

位相比較出力幅計測手段５９は、位相比較出力信号（図１８（ｅ）参照）の幅を計測する手段であり、入力端子がスイッチＳＷ４の切り替え端子に接続され、出力端子がスイッチＳＷ５の切り替え端子に接続されている。位相比較出力幅計測手段５９は、順方向ＰＤ５０から出力された位相比較出力信号（図１８（ｅ）参照）をスイッチＳＷ４を経由して入力し位相比較出力幅を計測し、位相比較出力幅の大，中，小をスイッチＳＷ５を経由して順方向ＬＰＦ４９に出力する。

スイッチＳＷ１は、切り替え端子を送信手段４４に接続され、一方の接点端子を順方向超音波センサ１０ａに、他方の接点端子を逆方向超音波センサ１０ｂに接続されている。スイッチＳＷ１は、順方向計測時に送信手段４４を順方向センサ１０ａに接続し、逆方向計測時に送信手段４４を逆方向超音波センサ１０ｂに接続する。

スイッチＳＷ２は、切り替え端子を受信手段４５の増幅手段４６に接続され、一方の接点端子を順方向超音波センサ１０ａに、他方の接点端子を逆方向超音波センサ１０ｂに接続されている。スイッチＳＷ２は、順方向計測時に受信手段４５を逆方向超音波センサ１０ｂに接続し、逆方向計測時に受信手段４５を順方向センサ１０ａに接続する。

スイッチＳＷ３は、切り替え端子を受信手段４５の２値化手段４７に接続され、一方の接点端子を順方向ＰＤ５０の他方の入力端子に、他方の接点端子を逆方向ＰＤ５３の他方の入力端子に接続されている。スイッチＳＷ３は、順方向計測時に２値化手段４７を順方向ＰＤ５０に接続し、逆方向計測時に２値化手段４７を逆方向ＰＤ５３に接続する。

スイッチＳＷ４は、切り替え端子を位相比較出力幅計測手段５９の入力端子に、一方の接点端子を順方向ＰＤ５０の出力端子に、他方の接点端子を逆方向ＰＤ５３の出力端子に接続されている。スイッチＳＷ４は、順方向計測時に順方向ＰＤ５０を位相比較出力幅計測手段５９に接続し、逆方向計測時に逆方向ＰＤ５３を位相比較出力幅計測手段５９に接続する。

スイッチＳＷ５は、切り替え端子を位相比較出力幅計測手段５９の出力端子に、一方の接点端子を順方向ＬＰＦ４９の制御端子に、他方の接点端子を逆方向ＬＰＦ５２の制御端子に接続されている。スイッチＳＷ５は、順方向計測時に位相比較出力幅計測手段５９を順方向ＬＰＦ４９に接続し、逆方向計測時に位相比較出力幅計測手段５９を逆方向ＬＰＦ５２に接続する。

スイッチＳＷ６は、切り替え端子をロック波数カウンタ５６の入力端子に、一方の接点端子を順方向ＶＣＯ４８の出力端子に、他方の接点端子を逆方向ＶＣＯ５１の出力端子に接続されている。スイッチＳＷ６は、順方向計測時に順方向ＶＣＯ４８をロック波数カウンタ５６に接続し、逆方向計測時に逆方向ＶＣＯ５１をロック波数カウンタ５６に接続する。

受信波を２値化するために、強制振動によるバースト駆動に対して、少なくとも最初に到達する音波の第２〜第３ゼロクロス以降をゼロクロス検出点とすることが望ましい。図１９〜図２１に示すのは、図６および図７の結果を得たものと同じ超音波流量計において、５パルスの強制バースト駆動により、駆動周波数を変化させたときの受信波の周波数変化をプロットしたグラフである。測定は、媒体が空気、室温、流速がゼロの条件で行なった。具体的に、図１９は、第３ゼロクロス点から第５ゼロクロス点まで受信波（つまり受信第２波目）の周波数を調べた結果である。図２０は、第５ゼロクロス点から第７ゼロクロス点まで受信波（第４波目）の周波数を調べた結果である。図２１は、第４ゼロクロス点から第６ゼロクロス点まで受信波（第３波目）の周波数を調べた結果である。

図１９の結果が示すように、受信第２波目くらいまでは、圧電素子に固有の応答性が支配的であるため、受信周波数の線形性はあまりよくない。ところが、図２１の結果が示すように、第３波目では中心周波数よりも低周波数側でよい線形性を示した。また、図２０の結果が示すように、第４波目では中心周波数よりも高周波数側でよい線形性を示した。これらの結果から、本発明にかかる超音波センサを用いた超音波流量計では、使用する周波数帯域における中心周波数を境に、ゼロクロス検出点を変更することが好適であることが分かる。具体的には、低周波数領域では、第４〜第６ゼロクロス点を使用し、高周波数領域では第５〜第７ゼロクロス点を使用する。このようにすれば、受信トリガ点が安定し、応答性や安定性に優れる超音波流量計の実現に資する。

なお、本明細書では、空間定常波固定方式の超音波流量計４０に、本発明の超音波センサを用いることを示したが、課題の欄で説明した伝搬時間逆数差法の超音波流量計やシングアラウンド法の超音波流量計に本発明の超音波センサを用いてよいことはもちろんである。そのような超音波流量計においても、使用する超音波の周波数を流量に応じて可変とする場合が考えられるからである。

第一実施形態の超音波センサの軸断面図。 図１の超音波センサの変形例の軸断面図。 第二実施形態の超音波センサの軸断面図。 ヤング率の大小関係を示す模式図。 メイン共振とスプリアス共振のインピーダンス比を説明する図。 本発明にかかる超音波センサの周波数−受信ピーク電圧の測定結果を示すグラフ。 本発明にかかる超音波センサの送受信周波数の測定結果を示すグラフ。 図１の構造の超音波センサについて、電子計算機を用いて周波数解析を行なった結果を示す図。 図８に続く図。 同じく図８に続く図。 図２の構造の超音波センサについて、電子計算機を用いて周波数解析を行なった結果を示す図。 従来の低Ｑ型超音波センサについて、電子計算機を用いて周波数解析を行なった結果を示す図。 従来の超音波センサの周波数インピーダンス特性を説明する図。 従来の超音波センサのサイン波駆動による受信ピーク電圧特性、利得特性を説明する図。 強制振動による駆動周波数と強制振動パルス数との関係を説明する図。 本発明にかかる超音波流量計のブロック図。 図１６の超音波流量計における流速（流量）の測定原理を説明する図。 図１６の超音波流量計における位相比較を説明するタイミングチャート。 ５パルスの強制バースト駆動による送信周波数と、第３−第５ゼロクロス間の受信波の周波数との関係を調べた結果のグラフ。 同じく、第５−第７ゼロクロス間の受信波の周波数との関係を調べた結果のグラフ。 同じく、第４−第６ゼロクロス間の受信波の周波数との関係を調べた結果のグラフ。

符号の説明

１０，１０’，３０ 超音波センサ
１１，３２ 音響整合層
１１ｐ，３２ｐ 送受信面
１３，３１ ケース
１２，３３ 開口部
１３ｑ，３１ｑ 開口縁
１４ 圧電素子
１５ 吸音部材
１６，３４ 第一ダンパー部材
１７，３５ 第二ダンパー部材
１８，１９，３６ 第三ダンパー部材
１９ａ，３６ａ 支持部
２０，３７ 筒部
２０ｐ，３７ｐ 筒部外周面
４０ 超音波流量計
１３１，１３２，３１１ 段付部
Ｏ 中心軸線

Claims (12)

1. 有底筒状のケースと、
   前記ケースの底部の内面に配置された圧電素子と、
   前記ケースの底部とは反対側の前記圧電素子から隔たったところにおいて、前記ケースの内周面に接する形でそのケース内に配置された第一ダンパー部材と、
   前記第一ダンパー部材に重ね合わされて前記圧電素子から隔離された第二ダンパー部材とを備え、
   前記第一ダンパー部材と前記第二ダンパー部材は、互いに異なる樹脂材料を主体として構成されており、前記第一ダンパー部材のヤング率が、前記第二ダンパー部材のヤング率よりも大であることを特徴とする超音波センサ。
2. 前記ケースの底部とは反対側に、前記圧電素子に隣接して配置された吸音部材を備え、前記第一ダンパー部材は、前記吸音部材によって前記圧電素子から隔離されている請求項１記載の超音波センサ。
3. 樹脂材料を主体として構成され、前記第二ダンパー部材に重ね合わされて前記第一ダンパー部材から隔離されるとともに、前記ケースの開口縁に密着する形で配置された第三ダンパー部材をさらに備える請求項１または２記載の超音波センサ。
4. 前記第三ダンパー部材は、前記ケースの開口部を当該ケースの外側から取り囲んで支持する支持部を含んで構成されている請求項３記載の超音波センサ。
5. 前記第二ダンパー部材は、前記ケースの開口縁に密着する形で前記第一ダンパー部材に重ね合わされる一方、
   その第二ダンパー部材に覆い被さる形で配置され、前記第二ダンパー部材と前記ケースとの双方に跨るように前記圧電素子の配置されている方向に延び、さらに、前記ケースを外側から取り囲んで支持する支持部を含んで構成された第三ダンパー部材を備える請求項１または２記載の超音波センサ。
6. 前記第三ダンパー部材のヤング率が、前記第二ダンパー部材のヤング率よりも大である請求項３ないし５のいずれか１項に記載の超音波センサ。
7. 前記ケースは、開口側に向かうにつれて段階的に広口となるように段付部を有し、その段付部の高さに前記第一ダンパー部材の高さが一致されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の超音波センサ。
8. 有底筒状のケースと、
   前記ケースの底部の内面に配置された圧電素子と、
   前記ケースの底部とは反対側に、前記圧電素子に隣接して配置された吸音部材と、
   前記吸音部材によって前記圧電素子から隔離されるとともに、前記ケースの内周面に接する形でそのケース内に配置された第一ダンパー部材と、
   前記ケースの開口部を当該ケースの外側から取り囲んで支持する支持部を含んで構成された第二ダンパー部材と、
   を備えたこと特徴とする超音波センサ。
9. 前記ケースは樹脂製であり、前記圧電素子が取り付けられた前記底部が、超音波の送受信面をなす音響整合層に利用されている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の超音波センサ。
10. 前記音響整合層の厚さが、前記圧電素子の共振周波数における超音波の波長の１／４よりも大である請求項９記載の超音波センサ。
11. 予定された使用周波数帯域におけるスプリアス共振とメイン共振とのインピーダンス比が１／３０以下に調整されている請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の超音波センサ。
12. 流体が流通する流路内の流れ方向上手側および流れ方向下手側のそれぞれに、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の超音波センサを設け、それら一対の超音波センサ間で、超音波が予め決められたロック波数になるように送信波パルス群のクロックの周波数を制御し、その周波数を基に流速および流量を求めるようにしたことを特徴とする超音波流量計。

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