超音波振動子および超音波流量計
【課題】 精度の高い測定が可能であり、かつ、検出誤差が生じうるような超音波振動子の異常を検知することのできる超音波流量計を提供する。
【解決手段】 圧電素子および圧電素子を密封状態で収納するケースを有し、超音波を送受信することによって流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子１、２と、圧電素子の電気的特性値を計測する測定部２２と、電気的特性値に基づき、第１および第２の超音波振動子の異常を判定する異常判定部２３と、第１および第２の超音波振動子間で超音波を送受信し、経路間を伝播する超音波の伝播時間を検知することにより流体の流量を計測する流量計測モードと、測定部に電気的特性値を測定させ、異常判定部に第１および第２の超音波振動子の異常を判定させる監視モードとを切り替える制御部３０とを備え、超音波の伝播時間に基づき、流体が流路を流れる流量を計測する超音波流量計。
【解決手段】 圧電素子および圧電素子を密封状態で収納するケースを有し、超音波を送受信することによって流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子１、２と、圧電素子の電気的特性値を計測する測定部２２と、電気的特性値に基づき、第１および第２の超音波振動子の異常を判定する異常判定部２３と、第１および第２の超音波振動子間で超音波を送受信し、経路間を伝播する超音波の伝播時間を検知することにより流体の流量を計測する流量計測モードと、測定部に電気的特性値を測定させ、異常判定部に第１および第２の超音波振動子の異常を判定させる監視モードとを切り替える制御部３０とを備え、超音波の伝播時間に基づき、流体が流路を流れる流量を計測する超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波を用いて流体の流量を測定する超音波流量計およびガスメータに関する。また、本発明は、計測機器等に用いられる超音波振動子にも関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波流量計は、構造が簡単である、機械的可動部分が少ない、流量の測定可能な範囲が広い、流量計による圧力損失がないなどの特徴を備えている。また、近年のエレクトロニクス技術の進歩によって、超音波流量計の計測精度を向上させることも可能になってきた。このため、ガスメータをはじめ、気体や液体の流量の計測が必要なさまざまな分野において超音波流量計を用いる研究がなされている。
【０００３】
以下、従来の超音波流量計の構造および測定原理を説明する。図１６は、従来の超音波流量計の一例を示すブロック図である。図１６に示す超音波流量計は、たとえば非特許文献１に開示されている。図１６に示すように、流体が流れる流路１２を挟むように超音波振動子１および２が配置される。超音波振動子１および２は、それぞれ、送信器および受信器として機能する。具体的には、超音波振動子１を送信器として用いる場合には超音波振動子２を受信器として用い、超音波振動子２を送信器として用いる場合には超音波振動子１を受信器として用いる。図１６に示すように、超音波振動子１および２の間に形成される超音波の伝搬路は流体の流れる方向に対して角度θだけ傾いている。
【０００４】
超音波振動子１から超音波振動子２へ超音波を伝搬させる場合、超音波は流体の流れに対して順方向に進むため、その速度は速くなる。一方、超音波振動子２から超音波振動子１へ超音波を伝搬させる場合、超音波は流体の流れに対して逆方向に進むため、その速度は遅くなる。従って、超音波振動子１から超音波振動子２へ超音波が伝搬する時間と超音波振動子２から超音波振動子１へ超音波が伝搬する時間との差から、流体の速度を求めることができる。また、流路１２の断面積と流速との積から流量を求めることができる。
【０００５】
上述の原理に従って流体の流量を求める具体的な方法として、シングアラウンド法による計測方法を具体的に説明する。
【０００６】
図１６に示すように、超音波流量計は送信部３および受信部６を備え、超音波振動子１は切り替え部１０によって送信部３または受信部６の一方と選択的に接続される。この時、超音波振動子２は、超音波振動子１が接続されなかった送信部３または受信部６の他方と接続される。
【０００７】
送信部３と超音波振動子１とが接続される場合、送信部３が超音波振動子１を駆動し、発生した超音波は流体の流れを横切って超音波振動子２に到達する。超音波振動子２によって受信された超音波は、電気信号に変換され、受信信号が受信部６によって増幅される。受信信号のレベルをレベル検知部５で検知する。
【０００８】
図１７は、従来の超音波流量計におけるゼロクロス検知の一例を示している。ピークホールド部１３は、受信信号１９からピークホールド信号１５を生成する。レベル検知部５は、ピークホールド信号１５が所定のレベル１６に達したことを検知し、検知信号１７を生成する。ゼロクロス検知部７は、検知信号１７が生成された直後におけるゼロクロスポイントを検知し、ゼロクロス検知信号１８を生成する。ゼロクロスポイントとは受信信号の振幅が正から負または負から正へ変化する点をいう。このゼロクロスポイントを超音波振動子２において超音波が到達した時刻としている。ゼロクロス検知信号１８に基づいて、遅延部４にて所定の時間遅らせたタイミングでトリガ信号を生成し、繰り返し部８にて繰り返すかどうかを判断し、繰り返す場合には送信部３へ入力する。ゼロクロス検知信号１８の生成からトリガ信号の生成までの時間を遅延時間と呼ぶ。
【０００９】
送信部３はトリガ信号に基づいて超音波振動子１を駆動し、次の超音波を発生させる。このように超音波の送信−受信−増幅・遅延−送信のループを繰り返すことをシングアラウンドと呼び、ループの回数をシングアラウンド回数と呼ぶ。
【００１０】
計時部９では、所定の回数、ループを繰り返すのに要した時間を計測し、測定結果が流量算出部１１へ送られる。次に、切り替え部１０を切り換えて、超音波振動子２を送信器として用い、超音波振動子１を受信器として用いて、同様に計測を行う。
【００１１】
上述の方法によって計測した時間から遅延時間とシングアラウンド回数とを乗じた値を引き、さらにシングアラウンド回数で除した値が超音波の伝搬時間となる。
【００１２】
超音波振動子１を送信側にしたときの伝搬時間をｔ１とし、超音波振動子２を送信側にしたときの伝搬時間をｔ２とする。また、図１６に示すように、超音波振動子１と超音波振動子２との間の距離をＬとし、流体の流速および超音波の音速をそれぞれＶおよびＣとする。この時、ｔ１およびｔ２は以下の式で表される。
【００１３】
【数１】
【００１４】
これらの式から流速Ｖは以下の式で表される。
【００１５】
【数２】
【００１６】
流体の流速Ｖが求まれば、流路１４の断面積と流速Ｖとの積から流量Ｑが求まる。
【非特許文献１】日本電気計測器工業会規格、ＪＥＭＩＳ ５０３２「超音波による流量測定法」（社）日本電気計測工業会、１９８７年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
一般に計測機器においては、用いる検出素子の特性変化が計測結果に影響を与えるため、検出素子の特性が変化しないことが好ましい。上述の超音波流量計の場合、超音波振動子１および超音波振動子２が接する外気の湿度等が変化すると、超音波振動子１および超音波振動子２の特性が変動するため、図１７に示す超音波の受信信号１９の波形が変化し、ゼロクロスポイントがシフトする。このことは、流体の流速に変化がなくても超音波の伝播時間ｔ１およびｔ２が変動し、計測誤差が生じることを意味する。
【００１８】
このような計測誤差を防止するため、超音波振動子をケースに収納し、ケース内を不活性ガスなどで充填して封止することにより、外気から超音波振動子を遮断することが考えられている。この構造を採用することにより、超音波振動子が外気から隔絶されるため、超音波振動子の耐候性も向上する。また、超音波振動子の防爆性も向上するため、超音波流量計により計測する流体が可燃性を備えている場合でも、好適に用いることができる。つまり超音波流量計の信頼性が向上する。
【００１９】
しかしながら、超音波振動子を収納しているケースの溶接部分に亀裂が生じるなどにより、封止が破れた場合、外気がケース内に流入し、超音波振動子の特性を変化させてしまう。特に、超音波振動子が圧電セラミックを含む場合、多孔質体からなる圧電セラミックが水分を吸収するため、超音波振動子の電気的特性が大幅に変化する可能性がある。また、水分による超音波振動子の電極の腐食が生じ、超音波振動子の劣化や故障を生じる可能性もある。
【００２０】
したがって、従来の超音波流量計を用いてガスメータを作製した場合、超音波振動子を収納しているケースに亀裂が入り、封止が破れることにより、ガス流量の計測に多くの誤差が含まれてしまう。また、超音波振動子の劣化や故障が生じている場合には、超音波振動子を交換する必要がある。特に超音波流量計の計測精度を向上させるために、特性がほぼ等しい２つの超音波振動子を用いている場合には、一方の超音波振動子が劣化あるいは故障しても、両方の超音波振動子を交換する必要がある。
【００２１】
本発明は、このような従来の問題を解決し、精度の高い測定を維持することが可能であり、かつ、検出誤差が生じうるような異常を検知することのできる超音波流量計を提供することを目的とする。また、本発明は、特性の変化を知ることのできる超音波振動子にも関する。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の超音波流量計は、圧電素子および前記圧電素子を密封状態で収納するケースをそれぞれ有し、超音波を送受信することによって流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子と、前記圧電素子の電気的特性値を計測する測定部と、前記電気的特性値に基づき、前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定する異常判定部とを備え、超音波の伝播時間に基づき、流体が流路を流れる流量を計測する。
【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の超音波振動子の各圧電素子は、圧電体および前記圧電体に設けられた網状構造を有する電極を含む。
【００２４】
また、本発明の超音波流量計は、圧電体を含む圧電素子、湿度センサ、および、前記圧電素子と湿度センサとを密封状態で収納するケースをそれぞれ有し、超音波を送受信することによって流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子と、前記湿度センサの電気的特性値を計測する測定部と、前記電気的特性値に基づき、前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定する異常判定部とを備え、超音波の伝播時間に基づき、流体が流路を流れる流量を計測する。
【００２５】
ある好ましい実施形態において、前記湿度センサは絶対湿度を検出する。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記湿度センサは相対湿度を検出する。
【００２７】
また、本発明の超音波流量計は、対向する第１および第２の主面を有する圧電体、前記第１の主面に設けられた電気音響変換用の第１の電極、前記第１の主面に設けられており、前記圧電体の電気的特性を計測するための第２の電極、および、前記第２の主面に設けられた共通電極を有する圧電素子、ならびに、前記圧電素子を密封状態で収納するケースをそれぞれ有し、超音波を送受信することによって流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子と、前記圧電素子の共通電極および第２の電極間の電気的特性値を計測する測定部と、前記電気的特性値に基づき、前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定する異常判定部とを備え、超音波の伝播時間に基づき、流体が流路を流れる流量を計測する。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記第２の電極は前記第１の電極を囲むように前記第１の主面に設けられている。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の電極のうち、少なくとも第２の電極は網状構造を有している。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、前記第１および第２の超音波振動子を用いて超音波の音速を求め、前記音速から前記流体の温度を推定する温度推定部をさらに備え、前記異常判定部は、前記温度推定部から得られる温度を用いて、前記電気的特性値を補正し、補正した値を用いて前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定する。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の超音波振動子のそれぞれは、前記ケースに収納された温度センサをさらに含み、前記異常判定部は、前記温度センサにより求められる温度を用いて、前記電気的特性値を補正し、補正した値を用いて前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定する。
【００３２】
ある好ましい実施形態において、前記圧電体は、少なくも１つの溝を有する。
【００３３】
ある好ましい実施形態において、前記電気的特性値は、抵抗値または容量値である。
【００３４】
本発明のガスメータは、ガスが流れる流路に設けられた上記いずれかの超音波流量計と、前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁と、前記異常判定部の検出結果に基づき、前記遮断弁を制御する制御装置とを備える。
【００３５】
また、本発明の超音波振動子は、圧電素子と、温度検出素子と、前記圧電素子および前記温度検出素子を密封状態で収納するケースとを備える。
【００３６】
ある好ましい実施形態において、前記圧電素子は、圧電体および前記圧電体に設けられた網状構造を有する電極を含む。
【００３７】
また、本発明の他の超音波振動子は、圧電素子と、湿度検出素子と、前記圧電素子および前記温度検出素子を密封状態で収納するケースとを備える。
【００３８】
また、本発明の他の超音波振動子は、対向する第１および第２の主面を有する圧電体および前記第１の主面に設けられた第１および第２の電極を有する圧電素子と、前記圧電素子を密封状態で収納するケースとを備える。
【００３９】
ある好ましい実施形態において、前記第２の電極は前記第１の電極を囲むように前記第１の主面に設けられている。
【００４０】
ある好ましい実施形態において、前記第１の電極および前記第２の電極のうち、すくなくとも前記第２の電極は網目構造を有している。
【００４１】
ある好ましい実施形態において、前記圧電体は少なくとも１つの溝を有している。
【００４２】
本発明の超音波流量計の制御方法は、圧電素子および前記圧電素子を密封状態で収納するケースをそれぞれ有し、流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するよう配置された第１および第２の超音波振動子を備え、前記第１および第２の超音波振動子間で超音波を送受信し、前記経路間を伝播する超音波の伝播時間を検知することにより流体の流量を計測する。この制御方法は、前記第１および第２の超音波振動子のケース内の湿度に関する情報を取得するステップと、前記情報に基づき、前記第１および第２の超音波振動子が異常であるかどうかを判断するステップとを包含する。
【００４３】
ある好ましい実施形態において、前記情報を取得するステップは、前記第１および第２の超音波振動子の圧電素子の電気的特性に関する情報を取得する。
【００４４】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の超音波振動子はケース内に湿度センサをそれぞれ有し、前記情報を取得するステップは、前記湿度センサを用いて前記ケース内の湿度を測定する。
【００４５】
ある好ましい実施形態において、前記湿度センサは絶対湿度を測定する。
【００４６】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計の制御方法は、前記第１および第２の超音波振動子を用いて前記流体の流量を計測するステップと、前記計測した流量に基づき、前記流体の温度を推定するステップと、前記推定した温度に基づき、前記湿度に関する情報を補正するステップとをさらに包含し、前記補正した湿度に関する情報を用いて、前記判断するステップを実行する。
【００４７】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計の制御方法は、前記判断するステップの判断結果に基づき、前記流体の移動を停止させるステップをさらに包含する。
【００４８】
また、本発明のコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、上記いずれかの超音波流量計の制御方法に規定した各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを記録している。
【発明の効果】
【００４９】
本発明によれば、外気等の影響を受けにくいが、ケースの損傷が生じるような想定外の環境変化に対しては、敏感にその変化を検知することが可能な超音波振動子が得られる。この超音波振動子をもちいることにより、精度の高い測定を維持することが可能であり、かつ、検出誤差が生じうるような異常を検知することのできる超音波流量計が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
（第１の実施形態）
まず、本発明による超音波流量計の第１の実施形態で用いる超音波振動子８１を説明する。図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ超音波振動子８１の斜視図および断面図である。超音波振動子８１は、圧電体８２と、ケース本体８３および端子板８４からなるケース８５とを含む。ケース本体８３は、円筒状の空間８５ｓを有する凸形状を備え、圧電体８２は空間８５ｓ内に収納される。空間８５ｓの上方にはケース本体８３のケース天部８３ａが位置している。圧電体８２は対向する第１の主面８２ｂおよび第２の主面８２ａを有し、第１の主面８２ｂには電極９１が形成されている。第２の主面はケース天部８３ａに固定されている。円筒状の空間８５ｓの下方には半径方向に伸びる支持部８３ｂが設けられ、支持部８３ｂと端子板８７とが接合することにより、空間８５ｓが塞がれている。ケース本体８３に溶接などの接合部分が生じないよう、ケース本体８３は好ましくは深絞りなどにより形成される。空間８５ｓには、窒素などの不活性ガスが充填される。
【００５１】
端子板８７の中央付近には貫通孔８７ｈが設けられており、貫通孔に端子８８ａおよび端子８８の先端に接続された導電性ゴム９０が挿入されている。導電性ゴム９０は電極９１と接触している。端子８８ａおよび導電性ゴム部が端子板８７と電気的に接触しないよう貫通孔８７ｈは絶縁物８９により塞がれている。ケース本体８３および端子板８７は金属などの導電性材料で形成されている。端子板８７に端子８８ｂが接続されている。ケース天部８３ａの外側には音響整合層８６を設けてもよい。
【００５２】
ケース本体８３のケース天部８３ａは圧電体８２の第２の主面に設けられた電極として機能し、ケース本体８３および端子板８７を介して端子８８ｂから圧電体８２の第２の主面８２ａに電圧を印加することができる。一方、第１の主面８２ｂには、電極９１および導電性ゴム１０を介して端子８ａから電圧を印加することができる。これにより、ケース天部８３ａ、圧電体８２および電極９１からなる圧電素子が構成される。
【００５３】
超音波振動子８１によれば、圧電素子が密閉された空間に収納されているため、超音波振動子８１が接する外気の影響を受けることがない。このため、外気の湿度が変化しても、超音波振動子８１の特性は一定に保たれる。また、外気に圧電体８２や電極９１などを腐食や変質させるガスが含まれていても、圧電素子の特性が変動することなく、長い期間にわたって、一定の特性を保ち続けることができる。
【００５４】
特に、ケース本体８３を深絞りで形成することにより、圧電素子を収納するケースの接合部分を減らすことができ、また、ケース本体８３に支持部３ｂをもうけることにより、ケース本体８３と端子板７との接合部分の面積を広くして、接合を確実にすることができる。このため、ケース８５の強度を増すことができる。
【００５５】
しかし図１（ｂ）において、矢印Ｘで示す箇所は、加工歪が生じる可能性があったり、異なる材質の部材が接合されているため、ケース８５の他の箇所に比べて相対的に強度が弱い。このため、想定外の衝撃を受け、ケース２が損傷するとすれば、矢印Ｘで示す箇所において、亀裂等が生じる。そして、空間８５ｓに外気が侵入し、圧電素子の特性が変化する恐れがある。
【００５６】
このような圧電素子の特性変化は、空間８５ｓに外気が侵入し、空間８５ｓの湿度が上昇することにより、圧電素子の圧電体が水分を吸収することにより生じる。圧電体が水分を吸収すると、電気的特性が変化する。このため、本実施形態の超音波流量計は、流量を計測するために用いる超音波振動子８１の圧電素子の電気的特性を監視し、電気的特性値の変化を検出することにより、超音波振動子８１のケース８５が損傷して、特性が変動したことを検出する。特に、圧電体が水分を吸収することにより生じる圧電素子の誘電率を監視することが好ましく、誘電率の変化は、圧電素子の抵抗値または容量値の変化として好適に検出できる。したがって、圧電素子の抵抗値または容量値の変化はケース８５内の湿度に関する情報を表していると言える。
【００５７】
図２は本実施形態の超音波流量計１０１の構成を示すブロック図である。超音波流量計１０１は、流体の流路１２中に超音波が双方向に伝搬する経路を形成するように配置される第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２と、送信部３と、受信部６とを備えている。
【００５８】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、それぞれが送信器および受信器として機能する。第１の超音波振動子１から送信された超音波は第２の超音波振動子２により受信され、第２の超音波振動子２から送信された超音波は第1の超音波振動子１により受信する。これら双方向の伝搬路は、流路１２を流れる流体の流れる方向に対して角度θをなしている。角度θの大きさは、１０〜４０度の範囲内から選択される。
【００５９】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２には図１で説明した超音波振動子８１を用いる。たとえば、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、厚み振動モード、横すべり振動モード、縦振動モード等の振動モードにより、おおよそ２０ｋＨｚ以上の周波数で駆動される。また、圧電体８２の振動を効率よく流路１２を流れる流体に伝播させるために、音響整合層８６を設けている。空間８５ｓには窒素ガスを充填する。
【００６０】
超音波流量計１０１は、送受信切り替え部１０、第１のモード切り替え部２０、第２のモード切り替え部２１測定部２２、異常本底部２３、ピークホールド部１３、レベル検知部５、ゼロクロス検知部７、遅延部４、繰り返し部８および流量算出部１１をさらに備える。以下において詳述するように、超音波流量計１０１は、流量計測モードおよび超音波振動子監視モードを備え、第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２１によってこれら２つのモードを切り替える。流量計測モードでは、流路１２を移動する流体の流量を計測することができるよう、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は送受信切り替え部１０に接続される。また、超音波振動子監視モードでは、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性を測定することができるよう、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は測定部２２に接続される。
【００６１】
送受信切り替え部１０は、送信部３および受信部６を選択的に第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２１に接続する。たとえば、送信部３と第１のモード切り替え部２０が接続される場合には、受信部６と第２のモード切り替え部２１とが接続される。したがって、流量計測モードでは、第１の超音波振動子１は、送信部３または受信部６の一方と選択的に接続される。この時、第２の超音波振動子２は、第１の超音波振動子１が接続されなかった受信部６または送信部３の他方と接続される。
【００６２】
送受信切り替え部１０、第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２１は、トグルスイッチのような機械的なものであってもよいし、電子部品等により構成されるものであってもよい。
【００６３】
送信部３により駆動された第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２は流路１２の流体に超音波を送信する。第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１に到達した超音波は電気信号に変換され、受信信号が受信部６によって増幅される。第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２に到達した超音波による電気信号が十分大きい場合には必ずしも受信部６は受信信号を増幅しなくてもよい。
【００６４】
受信部６によって増幅された受信信号は、ゼロクロス検知部７とピークホールド部１３とへ送られる。ピークホールド部１３は、受信信号１８のピーク値を保持しその値をピークホールド信号として出力を生成する。レベル検知部５は、ピークホールド信号が所定のレベルに達したことを検知し、ゼロクロス指令信号を生成する。ゼロクロス検知部７は、ゼロクロス指令信号が生成された直後におけるゼロクロスポイントを検知し、ゼロクロス検知信号を遅延部４へ出力する。このゼロクロスポイントを受信信号の伝播時間とし、この時点で受信信号を検知したとする。ゼロクロス検知信号はピークホールド部１３にも入力される。ピークホールド部１３は、ゼロクロス検知信号に基づいてピークホールド信号をリセットする。
【００６５】
遅延部４は、ゼロクロス検知信号に基づいて、所定の時間遅らせたタイミングで出力信号を生成する。繰り返し部８は、遅延部４の出力信号をカウントし、所定回数以下であれば遅延部４の出力信号をトリガ信号として送信部３へ出力する。送信部３は、トリガ信号に基づいて、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２を駆動する。
【００６６】
計時部９は、所定の回数だけ、シングアラウンドを繰り返すのに要した時間を計測し、測定結果を流量算出部１１へ送る。流量算出部１１は、計時部９から出力されるシングアラウンドを繰り返すのに要した時間に関するデータ、遅延時間およびシングアラウンド回数から、流速および流量を求める。
【００６７】
超音波振動子監視モードでは、第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２１によって、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が選択的に測定部２１に接続される。測定部２１は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の圧電体の抵抗値または容量値を測定し、測定した値を異常判定部２３へ出力する。
【００６８】
また、このとき、温度推定部１４は、流量算出部１１から、直前に求められた流量Ｖ、伝播時間ｔ１またはｔ２および第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との距離Ｌを用いて式（１）から流体中を伝播する超音波の音速を求める。温度推定部１４は、音速の温度依存性に関するデータを保持しており、このデータに基づいて、直前に流量を計測したときの流体の温度を推定する。
【００６９】
異常判定部２３は、抵抗値または容量値を測定部２２から受け取り、温度推定部１４から受け取る温度を用いて、基準温度における抵抗値または容量値を求める。抵抗値または容量値が、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の初期値から所定のレベル以上異なっている場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であると判断し、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。この信号に基づいて、たとえば警報が発生される。あるいは、流路１２に遮断弁を設け、この信号に基づいて、遮断弁を動作させても良い。
【００７０】
図３は、測定部２２の具体的な構成の一例を示すブロック図である。測定部２２は、三角波発生部３１、抵抗電圧変換部３２、微分部３３および積分部３４を含む。三角波発生部３１は、たとえば、１ｋＨｚ程度の周波数の三角波（交流）信号を発生し、発生した信号を第１のモード切り替え部２０を介して第１の超音波振動子１に印加する。抵抗電圧変換部３２は、第１の超音波振動子１の抵抗値を電圧値として検出し、検出した信号を微分部３３で微分したあとに積分部３４で積分することにより、第１の超音波振動子１の圧電素子の抵抗値が得られる。交流電圧を印加して求める抵抗値は一般にインピーダンスと呼ばれる。このように、圧電素子の抵抗値は交流電圧を印加することによって求めてもよいし、直流電圧を印加して求めてもよい。
【００７１】
上述の各部は、電子部品等を用いたハードウエアにより構成することもソフトウエアにより構成することもできる。超音波流量計１０１は、これら各部を制御するマイコン３０を備えている。
【００７２】
次に、超音波流量計１０１を用いて流体の流量を計測する手順を説明する。以下に説明する手順はマイコン３０により、各構成要素を順次制御することによって行われ、その手順をコンピュータに実行させるためのプログラムが、ＲＯＭやＲＡＭ、ハードディスク、磁気記録媒体などの情報記録媒体に保存されている。
【００７３】
上述したように超音波流量計１０１は、流量計測モードおよび超音波振動子監視モードで動作する。まず流量計測モードにおける超音波流量計１０１の動作を説明する。流量計測モードに超音波流量計１０１を設定するため、マイコン３０は、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２が送受信切り替え部１０と接続されるように第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２１を制御する。
【００７４】
図２に示すように、送受信切り替え部１０を用いて、まず、送信部３を第１の超音波振動子１へ接続し、受信部４を第２の超音波振動子２に接続する。
【００７５】
図４に示すように、トリガ信号３９を送信部３に入力し、駆動信号を生成させ、第１の超音波振動子１から超音波を発生させる。流路１２を伝搬した超音波は、第２の超音波振動子２によって受信され、受信信号が受信部６へ送られ、受信信号１８として増幅される。
【００７６】
ピークホールド部１３およびレベル検知部５によって、受信信号１８が所定のレベルを超えた直後のゼロクロスポイントがゼロクロス検知部７で検知される。遅延部４は、ゼロクロス検知部７から出力されるゼロクロス検知信号に基づいて、所定の遅延時間４０を経た後に、送信部３へトリガ信号３９'を出力する。これにより、シングアラウンドの１ループを構成する。所定の回数（例えば５０〜１０００回）、シングアラウンドを繰り返した後、計時部９は、ループを繰り返すのに要した全時間４１を計測し、測定結果を流量算出部１１へ送る。流量算出部において、全時間４１をシングアラウンド回数で除し、その値から遅延時間４０を引いた値が、式（１）に示すｔ１となる。
【００７７】
次に、送受信切り替え部１０を用いて、送信部３を第２の超音波振動子２へ接続し、受信部を第１の超音波振動子１へ接続する。そして上述の手順と同様の手順により、第２の超音波振動子２から超音波を発生させ、第１の超音波振動子１で超音波を受信する。所定の回数、シングアラウンドを繰り返した後、計時部９では、ループを繰り返すのに要した全時間４１を計測し、測定結果を流量算出部１１へ送る。流量算出部において、全時間４１をシングアラウンド回数で除し、その値から遅延時間４０を引いた値が、式（１）に示すｔ２となる。
【００７８】
式（２）に、ｔ１およびｔ２の値と角度θを代入することによって、流体の流速Ｖが求まる。さらに流路１２の断面積をＳとすれば、流量ＱはＶ×Ｓによって求めることができる。この流量Ｑは、単位時間あたりに流量が移動する量であり、流量Ｑを積分することによって流体の量を求めることができる。
【００７９】
次に、超音波振動子監視モードにおける超音波流量計１０１の動作を説明する。超音波流量計１０１は、通常、流量計測モードで動作しており、所定の時間間隔で第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性に変動が生じていないかどうかを測定するため、超音波振動子監視モードで動作する。超音波振動子監視モードで動作させる時間間隔は、毎日一回、周に一回、月に一回など任意の間隔を設定することができる。
【００８０】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性を測定すべき時刻になれば、マイコン３０は、流量の計測を中断し、超音波振動子監視モードで超音波流量計１０１を動作させる。まず、マイコン３０は、第１の超音波振動子１が測定部２２に接続されるように第１のモード切り替え部２０を制御する。測定部２２は、第１の超音波振動子１の圧電体の抵抗値を測定し、測定した値を異常判定部２３へ出力する。また、異常判定部２３は、超音波振動子監視モードとなる直前の流量計測モードにおいて流量を計測したときの超音波の伝播時間に基づく流体の推定温度を温度推定部１４から受け取る。
【００８１】
異常判定部２３は、推定温度を用いて測定部２２から受け取った抵抗値を基準温度における抵抗値に換算する。抵抗値が、第１の超音波振動子１の初期値から所定のレベル以上異なっている場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。
【００８２】
図５は、第１の超音波振動子１に用いられている圧電素子のその周囲の相対湿度に対するインピーダンス変化を示すグラフである。図５に示すように、圧電体素子の周囲の相対湿度が高くなるにつれて圧電体が吸湿して、誘電率が変化し、インピーダンスが低下する。したがって、インピーダンスが大きく低下した場合には、第１の超音波振動子１のケースが破損し、ケースの外空気が流入することによって圧電素子の周囲の相対湿度が上昇したことがわかる。
【００８３】
たとえば、第１の超音波振動子１において、基準温度において相対湿度ＲＨ0の不活性ガス中で封入された圧電素子がインピーダンスＲ0の初期値を有している場合において、第１の超音波振動子１のインピーダンスが初期値Ｒ0の１／１０あるいは１/１００にまで低下した場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１が異常であると判定する。このとき、ケース内の相対湿度はＲＨ1に増大している。これは、ケースの損傷により、相対湿度が高い外気がケース内へ流入したからである。
【００８４】
次にマイコン３０は、第２の超音波振動子２が測定部２２に接続されるように第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２２を制御し、上述と同様にして第２の超音波振動子２のインピーダンスを測定し、第２の超音波振動子２が異常であるかどうかを判定する。
【００８５】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の少なくとも一方が異常である場合に、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。このとき、いずれの超音波振動子が異常であるかを示す情報も同時に出力してもよい。
【００８６】
このように、超音波流量計１０１において、第１および第２の超音波振動子１、２の圧電素子は不活性ガスを封入したケースに収納されている。このため、外気の湿度が変化しても、第１および第２の超音波振動子１、２の特性は一定に保たれ、誤差の少ない流量計測が可能となる。また、外気に圧電体８２や電極９１などを腐食や変質させるガスが含まれていても、圧電素子の特性が変動することないので、そのような環境下であっても、超音波流量計１０１は、長い期間にわたって、精度の高い測定を行うことがきる。つまり、超音波流量計１０１は信頼性に優れる。
【００８７】
一方、地震などにより、想定外の衝撃あるいは環境変化が生じ、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２のケースが損傷した場合、外気がケース内に流入し、圧電素子の周囲の湿度が変化するため、圧電体の誘電率が変化する。このため、超音波振動子監視モードにおいて、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のインピーダンスを定期的に監視し、インピーダンス変化を検知することにより、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性が変化し、計測誤差が生じていることを知ることができる。
【００８８】
なお、超音波流量計１０１に感震機を設け、感震機が所定の大きさ以上の地震があったことを検知した場合には、ただちに超音波振動子監視モードを実行し、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２に異常が生じていないかを確認するようにしてもよい。
【００８９】
特に、本実施形態では第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の圧電素子自体の特性が、周囲の湿度変化に対して敏感に変化することを利用している。つまり、湿度の検出を行う素子を第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の圧電素子が兼ねている。このため、湿度検出素子等を新たに設け必要がない。また、図１（ｂ）に示すように、圧電体８２に溝２ｇが設けられている場合には、圧電体８２の表面積が増大し、圧電体８２の周囲の湿度変化に対して、より圧電体の誘電率が変化しやすくなる。このため、ケース８５の損傷をより敏感に検知しやすくなる。
【００９０】
つまり、超音波流量計１０１によれば、第１および第２の超音波振動子１、２の圧電素子が不活性ガスを封入したケースに収納されているため、外気等の影響を受けにくいが、ケースの損傷が生じるような想定外の環境変化に対しては、敏感にその変化を検知することが可能である。したがって、一定の環境変化に対し、計測誤差を含むことなく安定して流量の計測が可能であり、第１および第２の超音波振動子１、２の圧電素子の圧電特性が変化した場合には確実にその変化を検出して測定誤差が生じる可能性があることを知ることができる。
【００９１】
なお、本実施形態において第１および第２の超音波振動子１、２の圧電素子は圧電体の第２の主面の一部を完全に覆う電極２６を備えていたが、図６に示すように、圧電素子は、網目状の電極２６'を備えていてもよい。図６に示す圧電素子では電極２６'の網目から圧電体８２の表面が露出するため、圧電体８２が露出している表面積が大きくなり、周囲の湿度変化に対して、より敏感に誘電率が変化する。このため、図６に示す圧電素子を不活性ガスが封入されたケースに収納することによって、ケースの損傷が生じるような想定外の環境変化に対しては、より高い感度で第１および第２の超音波振動子１、２の圧電素子の圧電特性の変化を検出できる。この場合であっても、ケースが封止状態を保っている限り、圧電素子の周りを覆う不活性ガスに変化はないため、圧電素子は安定した特性を示す。
【００９２】
（第２の実施形態）
以下、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７は、本実施形態で用いる超音波振動子５１の構造を模式的に示している。超音波振動子５１は、圧電体８２を含む圧電素子を封止するケース８５内に温度センサ５３を有している。圧電素子および温度センサ５３は配線５２に接続されており、配線５２はケース８５の外部に引き出されている。第１の実施形態と同様ケース８５の空間８５ｓには不活性ガスが充填されている。
【００９３】
図８は、本実施形態の超音波流量計１０２の構成を示すブロック図である。超音波流量計１０２は、第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６を備える。第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６には図７に示す超音波振動子５１が用いられる。
【００９４】
超音波流量計１０２は、第１の実施形態の超音波流量計１０１の温度推定部１４に換えて、温度計測部４１を備えており、第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６のケース８５内に設けられた温度センサ５３は温度計測部４１に接続される。温度計測部４１の出力は以上判定部２３に入力される。
【００９５】
超音波流量計１０２の他の構成要素は第１の実施形態の超音波流量計１０１と同じであり、流量計測モードでは、第１の実施形態で説明した手順と同じ手順により流体の流量を計測する。
【００９６】
一方、超音波振動子監視モードにおいて、超音波流量計１０２は、温度センサ５３および温度計測部４１を用いて、第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６のケース８５内温度を直接測定する。異常判定部２３は、測定した温度を用いて測定部２２から受け取った抵抗値を基準温度における抵抗値に換算する。抵抗値が、第１の超音波振動子５５または第２の超音波振動子５６の初期値から所定のレベル以上異なっている場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子５５または第２の超音波振動子５６が異常であることを示す信号を出力する。
【００９７】
このように、本実施形態によれば、ケース８５内の温度を直接測定する。ケース８５内の温度は、第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６の圧電素子の温度とほぼ一致するため、温度の変動による圧電素子の抵抗値の変化を補正し、より正確に第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６の特性の変化を知ることができる。
【００９８】
また、流量の計測と独立してケース８５内の温度を直接測定することができる。このため、超音波流量計１０２を用いてしばらく流量計測を行っていなかった場合に、まず、超音波振動子監視モードに超音波流量計１０２を設定し、第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６が正常であるかどうかを判定した後、流量を計測することも可能である。
【００９９】
（第３の実施形態）
以下、本発明による超音波流量計の第３の実施形態を説明する。図９は、本実施形態で用いる超音波振動子５７の構造を模式的に示している。超音波振動子５７は、圧電体８２を含む圧電素子を封止するケース８５内に湿度センサ５８を有している。圧電素子および湿度センサ５８は配線５２に接続されており、配線５２にはケース８５の外部に引き出されている。第１の実施形態と同様、ケース８５の空間８５ｓには不活性ガスが充填されている。
【０１００】
第１および第２の実施形態では、圧電素子の抵抗値または容量値を測定することにより、圧電素子の特性の変化を直接計測していたが、本実施形態では、湿度センサ５８を用いてケース８５内の湿度を直接測定する。
【０１０１】
図１０は、本実施形態の超音波流量計１０３の構成を示すブロック図である。超音波流量計１０３は、第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２を備える。第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２には図９に示す超音波振動子５７が用いられる。
【０１０２】
超音波流量計１０３は、第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２の湿度センサ５８の配線に接続された素子切り替え部６３を備え、素子切り替え部６３は測定部２２'に接続される。また、第１の実施形態と同様、計測した流量から流体の温度を推定する温度推定部１４を備え、異常判定部２３は温度推定部から推定温度の信号を受け取る。第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２の湿度センサ５８が絶対湿度を検出するのであれば、温度推定部１４はなくてもよい。また、第２の実施形態で説明したように、温度推定部１４に換えて第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２に温度センサ５３を設け、ケース内の温度を直接測定してもよい。
【０１０３】
また、湿度センサ５８は抵抗型であってもよいし、静電容量型であってもよい。湿度センサ５８が抵抗型である場合には、図３に示す測定部と同じ構成の測定部２２'を用いることができる。一方、湿度センサ５８が静電容量型である場合には、図３に示す測定部２２において、抵抗電圧変換部３２に換えて容量電圧変換部を採用した測定部を測定部２２'に採用する。
【０１０４】
本実施形態では、第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２の圧電素子は流量計測にのみ用い、ケース内の湿度は湿度センサ５８で測定する。流量の計測中であってもケース内の湿度を湿度センサ５８で測定することが可能であるため、流量計測モードおよび超音波振動子監視モードの２つの動作を切り替える必要がなく、これら２つの動作を並行して行うことができる。
【０１０５】
具体的には、超音波流量計１０３は、流量を計測しているかどうかにかかわらず、所定の時間間隔で素子切り替え部６３により選択した超音波振動子の湿度センサ５８を用いて、ケース内の湿度を測定する。湿度センサ５８が絶対湿度を計測できる場合には計測した値を温度補正する必要はない。測定した値が湿度センサ５８の初期値から所定のレベル以上異なっている場合、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。湿度センサ５８が相対湿度を計測する場合には、異常判定部２３において、計測した値を温度推定部１４から受け取る推定温度を用いて基準温度における抵抗値または容量値に変換する。測定した値が湿度センサ５８の初期値から所定のレベル以上異なっている場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。
【０１０６】
図１０は、第１の超音波振動子１に用いられている圧電素子のその周囲の相対湿度に対する静電容量の変化を示すグラフである。図１０に示すように、圧電体素子の周囲の相対湿度が高くなるにつれて圧電体が吸湿して誘電率が変化し、静電容量が増加する。したがって、たとえば、第１の超音波振動子１において、基準温度において相対湿度ＲＨ0の不活性ガス中で封入された圧電素子が容量Ｃ0の初期値を有しており、第１の超音波振動子１の容量が初期値Ｃ0に対して５％増加した場合、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１が異常であると判定する。このとき、ケース８５内の相対湿度は基準温度においてＲＨ1に増加している。このような相対湿度の変化は、ケース８５に亀裂等の損傷が生じ、相対湿度の高い外気が流入したことを示している。
【０１０７】
本実施形態によれば、封止された超音波振動子のケース内に設けた湿度センサによりケース内の湿度を測定するため、流量の計測と独立してケース内の湿度を測定することができる。このため、流量計測を中断することなく超音波振動子の監視が可能となり、特に、流量を常に計測する必要がある用途に本実施形態の超音波流量計を好適に用いることができる。また、流量の計測動作と超音波振動子の監視動作を切り替える必要がないため、モード切り替え部が不要となり、超音波流量計の構成を簡単なものにすることができる。さらに、絶対湿度を検出する湿度センサを採用することにより、温度による補正を行う必要がなくなる。
【０１０８】
（第４の実施形態）
以下、本発明による超音波流量計の第４の実施形態を説明する。図１２は、本実施形態で用いる超音波振動子６６の構造を模式的に示している。また、図１３は超音波振動子６６の主要部である圧電素子６７の構造を示している。図１３に示すように、圧電素子６７は、対向する第１の主面２ｂおよび第２の主面２ａを有する圧電体８２と、第１の主面に設けられた第１の電極２６ａおよび第２の電極２６ｂと、第２の主面８２ａに設けられた共通電極２７とを含む。
【０１０９】
第１の電極２６ａは第１の主面２ｂの中央に設けられており、第２の電極２６ｂは第１の電極２６ａを囲むように第１の主面２ｂの周囲に設けられている。共通電極２７は第２の主面２ａのおおよそ全部を覆っている。図１３に示すように、好ましくは、第２の電極２６ｂは網目状構造を備えている。第１の電極２６ａも網目状構造を備えていてもよい。各電極には配線５２ａ、５２ｂおよび５２ｃが接続される。
【０１１０】
第１の電極２６ａは圧電体８２に電圧を印加し、また、圧電体８２の振動により生じた電圧を検出する電気音響変換に用いられる。一方、第２の電極２６ｂは圧電体８２の電気的特性を計測するために用いられる。より具体的には、第１の電極２６ａおよび共通電極２７とこれらに挟まれる圧電体８２により、超音波を送受信するための電気音響変換素子部６７ａが構成される。また、第２の電極２６ｂおよび共通電極２７とこれらに挟まれる圧電体８２により、湿度センサ部６７ｂが構成される。圧電素子６７は、ケース８５内に収納され、ケース内の空間８５ｓを不活性ガスで充填した状態で封止される。
【０１１１】
圧電体８２において、第２の電極２６ｂが形成されている領域は、圧電体８２が振動状態にあるときに変位が少なく、超音波が第１の主面８２ｂあるいは第２の主面８２ａに対して垂直に射出しにくい。このため、圧電体８２の周辺部分に電気音響変換用の電極を形成しても、正確な流量の計測には寄与しにくく、この部分の電極を圧電体８２の特性を検出するために用いても、流量の計測に大きな影響を与えることはない。
【０１１２】
図１４は、本実施形態の超音波流量計１０４の構造を示すブロック図である。超音波流量計１０４は、第１の超音波振動子６８および第２の超音波振動子６９を備え、第１の超音波振動子６８および第２の超音波振動子６９には図１２および図１３に示す超音波振動子６６が用いられる。第１の超音波振動子６８および第２の超音波振動子６９の第１の電極２６ａはそれぞれ切り替え部１０に接続される。また、第２の電極２６ｂはそれぞれ素子切り替え部６３に接続される。超音波流量計１０４の他の部分は第３の実施形態の超音波流量計１０３と同じように構成されている。
【０１１３】
超音波流量計１０４において、第１の超音波振動子６８および第２の超音波振動子６９の圧電素子６７は、超音波を送受信するための電気音響変換素子部６７ａと湿度センサ部６７ｂとを含む。これらは独立して動作させることが可能であり、図９に示す超音波振動子５７と同様、流量の計測を行いながら超音波振動子の特性を監視することができる。
【０１１４】
具体的には、第１の超音波振動子６８および第２の超音波振動子６９の圧電素子６７の電気音響変換素子部６７ａを用いて流量の計測を行う。この手順は第１の実施形態で説明した流量計測モードにおける手順と同じである。
【０１１５】
一方、電気音響変換素子部６７ａを用いて流量を計測しているかどうかにかかわらず所定の時間間隔で素子切り替え部６３により選択した超音波振動子の湿度センサ部６７ｂを用いて、ケース８５内の湿度を測定する。測定部２２'は、湿度センサ部６７ｂの抵抗値あるいは容量値を測定し、その値を異常判定部２３へ出力する。異常判定部２３は計測した値を温度推定部１４から受け取る推定温度を用いて基準温度における抵抗値または容量値に変換する。測定した値が湿度センサ５８の初期値から所定のレベル以上異なっている場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。
【０１１６】
このように本実施形態によれば、圧電素子の一部を超音波の送受信をするための電気音響変換素子として用い、一部を湿度センサとして用いるため、超音波振動子の外形を小さくすることができる。しかも、これら２つの素子を同時に動作させること可能であるため、流量の計測を行いながら、圧電素子の特性の監視も同時に行うことができる。
【０１１７】
なお、本実施形態の超音波振動子６９において、圧電体８２には溝を設けていないが、図１（ｂ）に示すような溝を圧電体８２に設けてもよい。また、本実施形態では電気音響変換素子部６７ａおよび湿度センサ部６７ｂに配線を接続し、ケースの外部へ引き出していたが、図１（ｂ）に示す構造を採用してもよい。
【０１１８】
（第５の実施形態）
以下、本発明の超音波流量計を備えたガスメータを説明する。
【０１１９】
図１５は、配管７０内を流れるガスの流量を計測するためのガスメータ１０６のブロック図を示している。配管７０内を流れるガスは、天然ガスやプロパンガスなど一般家庭で用いられるもののほか、水素や酸素等、その他の気体であってもよい。
【０１２０】
ガスメータ１０６は、配管７０内を流れるガスの流量を計測するための超音波流量計７１と、緊急時に配管７０を流れるガスを遮断する遮断弁７２と、超音波流量計７１および遮断弁７２を制御するマイコン７３と、超音波流量計１０６を用いて計測した流量や流量の積算値およびその他の情報を表示する表示部７４とを備える。超音波流量計７１には、第１から第４の実施形態の超音波流量計を用いることができる。マイコン７３は超音波流量計７１のマイコン（図２等のマイコン３０）を用いてもよい。図に示すように、ガスメータ１０６は、ガス会社などへ計測した流量に関するデータを送信したり、ガス会社からガスメータ１０６を制御するための通信部７５を備えていてもよい。
【０１２１】
マイコン７３は超音波流量計７１によって計測される流量に関するデータを表示部７４に表示するとともに、計測する流量に異常がないかを監視する。例えば、突然、大流量のガスが流れ始めた場合には、ガス漏れが生じていると判断して、遮断弁７２を動作させ、ガスの供給を停止する。
【０１２２】
また、第１から第４の実施形態において説明したように、超音波流量計７１は所定の時間間隔で超音波振動子の特性に変化が生じていないか監視を行う。所定の時間間隔ではなく、地震などがあった場合にガス会社などから通信部７５を通じて制御信号を受け取り、制御信号に基づいて超音波振動子の特性の測定を行ってもよい。第１から第４の実施形態において説明した手順で超音波振動子の抵抗値または容量値を測定し、異常判定部２３が２つの超音波振動子のうちのいずれかが異常であることを示す信号を出力した場合、マイコン７３は異常判定部２３の信号に基づいて、遮断弁７２を動作させ、ガスの供給を停止する。
【０１２３】
ガスメータ１０６によれば、第１および第２の超音波振動子の圧電素子は不活性ガスを封入したケースに収納されている。このため、外気の湿度が変化しても、第１および第２の超音波振動子１、２の特性は一定に保たれ、誤差の少ない流量計測が可能となる。また、外気に圧電体８２や電極９１などを腐食や変質させるガスが含まれていても、圧電素子の特性が変動することないので、そのような環境下であっても、ガスメータ１０６は、長い期間にわたって、精度の高い測定を行うことがきる。つまり、ガスメータ１０６は信頼性に優れる。
【０１２４】
一方、地震などにより、想定外の衝撃あるいは環境変化が生じ、第１の超音波振動子または第２の超音波振動子のケースが損傷した場合、外気がケース内に流入し、圧電素子の周囲の湿度が変化するため、圧電体の誘電率が変化する。このため、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の抵抗値または容量値を定期的に監視し、これらを検知することにより、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性が変化し、計測誤差が生じていることを知ることができる。
【０１２５】
なお、上記第１から第５の実施形態において説明した超音波振動子は、超音波流量計以外の距離計、スピードメータなどの計測機器等にも好適に用いることができる。これらの計測機器に本発明の超音波振動子を用いることによって、外気の変化に対して計測誤差が生じにくく、想定外の衝撃あるいは環境変化により、超音波振動子の特性が変化した場合には、その異常を知ることができる計測機器が実現する。
【０１２６】
また、上記第１から第５の実施形態では圧電素子の誘電率の変化を検知するために計測する特性として、抵抗値および容量値を示した。しかし、抵抗値および容量値以外に、電流値や電圧値などを計測し、その変化に基づいて、超音波振動子のケースが破損して外気が流入したと判断してもよい。
【０１２７】
また、上記第１から第５の実施形態では第１の超音波振動子および第２の超音波振動子を用いて双方向に超音波を伝播させ、その伝播時間差により、流体の流速および流量を求めていた。しかし、式（１）から明らかなように、流体中の超音波の音速Ｃがわかっている場合には、第１の超音波振動子から第２の超音波振動子への伝播時間ｔ１または第２の超音波振動子から第１の超音波振動子への伝播時間ｔ２を計測することにより、流体の流速Ｖを求めることができる。つまり、第１から第５の実施形態において、第１の超音波振動子および第２の超音波振動子間の一方向の超音波の伝播時間を計測することにより、流体の流速および流量を求めもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明によれば、外気等の影響を受けにくいが、ケースの損傷が生じるような想定外の環境変化に対しては、敏感にその変化を検知することが可能な超音波振動子が得られる。この超音波振動子をもちいることにより、精度の高い測定を維持することが可能であり、かつ、検出誤差が生じうるような異常を検知することのできる超音波流量計が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】（ａ）および（ｂ）は本発明による超音波流量計の第１の実施形態で用いる超音波振動子の構造を示す斜視図および断面図である。
【図２】本発明による超音波流量計の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図３】図２に示す測定部の具体的な構成を示すブロック図である。
【図４】シングアラウンド法による計測を説明する図である。
【図５】圧電素子のその周囲の相対湿度に対するインピーダンス変化を示すグラフである。
【図６】超音波流量計の圧電素子の電極構造の別な例を示す図である。
【図７】本発明による超音波流量計の第２の実施形態で用いる超音波振動子の構造を示す断面図である。
【図８】本発明による超音波流量計の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図９】本発明による超音波流量計の第３の実施形態で用いる超音波振動子の構造を示す断面図である。
【図１０】本発明による超音波流量計の第３の実施形態を示すブロック図である。
【図１１】圧電素子のその周囲の相対湿度に対する静電容量変化を示すグラフである。
【図１２】本発明による超音波流量計の第４の実施形態で用いる超音波振動子の構造を示す断面図である。
【図１３】本発明による超音波流量計の第４の実施形態で用いる超音波振動子の主要部を示す斜視図である。
【図１４】本発明による超音波流量計の第４の実施形態を示すブロック図である。
【図１５】本発明のガスメータの構成を示すブロック図である。
【図１６】従来の超音波流量計を示すブロック図である。
【図１７】受信信号のゼロクロスポイントを説明するグラフである。
【符号の説明】
【０１３０】
１ 第１の超音波振動子
２ 第２の超音波振動子
３ 送信部
４ 遅延部
５ レベル検知部
６ 受信部
７ ゼロクロス検知部
８ 繰り返し部
９ 計時部
１０ 送受信切り替え部
１１ 流量算出部
１３ ピークホールド部
１４ 温度推定部
２０ 第１のモード切り替え部
２１ 第２のモード切り替え部
２２ 測定部
２３ 異常判定部
８２ 圧電体
８５ ケース
８６ 整合層
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ 超音波流量計
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波を用いて流体の流量を測定する超音波流量計およびガスメータに関する。また、本発明は、計測機器等に用いられる超音波振動子にも関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波流量計は、構造が簡単である、機械的可動部分が少ない、流量の測定可能な範囲が広い、流量計による圧力損失がないなどの特徴を備えている。また、近年のエレクトロニクス技術の進歩によって、超音波流量計の計測精度を向上させることも可能になってきた。このため、ガスメータをはじめ、気体や液体の流量の計測が必要なさまざまな分野において超音波流量計を用いる研究がなされている。
【０００３】
以下、従来の超音波流量計の構造および測定原理を説明する。図１６は、従来の超音波流量計の一例を示すブロック図である。図１６に示す超音波流量計は、たとえば非特許文献１に開示されている。図１６に示すように、流体が流れる流路１２を挟むように超音波振動子１および２が配置される。超音波振動子１および２は、それぞれ、送信器および受信器として機能する。具体的には、超音波振動子１を送信器として用いる場合には超音波振動子２を受信器として用い、超音波振動子２を送信器として用いる場合には超音波振動子１を受信器として用いる。図１６に示すように、超音波振動子１および２の間に形成される超音波の伝搬路は流体の流れる方向に対して角度θだけ傾いている。
【０００４】
超音波振動子１から超音波振動子２へ超音波を伝搬させる場合、超音波は流体の流れに対して順方向に進むため、その速度は速くなる。一方、超音波振動子２から超音波振動子１へ超音波を伝搬させる場合、超音波は流体の流れに対して逆方向に進むため、その速度は遅くなる。従って、超音波振動子１から超音波振動子２へ超音波が伝搬する時間と超音波振動子２から超音波振動子１へ超音波が伝搬する時間との差から、流体の速度を求めることができる。また、流路１２の断面積と流速との積から流量を求めることができる。
【０００５】
上述の原理に従って流体の流量を求める具体的な方法として、シングアラウンド法による計測方法を具体的に説明する。
【０００６】
図１６に示すように、超音波流量計は送信部３および受信部６を備え、超音波振動子１は切り替え部１０によって送信部３または受信部６の一方と選択的に接続される。この時、超音波振動子２は、超音波振動子１が接続されなかった送信部３または受信部６の他方と接続される。
【０００７】
送信部３と超音波振動子１とが接続される場合、送信部３が超音波振動子１を駆動し、発生した超音波は流体の流れを横切って超音波振動子２に到達する。超音波振動子２によって受信された超音波は、電気信号に変換され、受信信号が受信部６によって増幅される。受信信号のレベルをレベル検知部５で検知する。
【０００８】
図１７は、従来の超音波流量計におけるゼロクロス検知の一例を示している。ピークホールド部１３は、受信信号１９からピークホールド信号１５を生成する。レベル検知部５は、ピークホールド信号１５が所定のレベル１６に達したことを検知し、検知信号１７を生成する。ゼロクロス検知部７は、検知信号１７が生成された直後におけるゼロクロスポイントを検知し、ゼロクロス検知信号１８を生成する。ゼロクロスポイントとは受信信号の振幅が正から負または負から正へ変化する点をいう。このゼロクロスポイントを超音波振動子２において超音波が到達した時刻としている。ゼロクロス検知信号１８に基づいて、遅延部４にて所定の時間遅らせたタイミングでトリガ信号を生成し、繰り返し部８にて繰り返すかどうかを判断し、繰り返す場合には送信部３へ入力する。ゼロクロス検知信号１８の生成からトリガ信号の生成までの時間を遅延時間と呼ぶ。
【０００９】
送信部３はトリガ信号に基づいて超音波振動子１を駆動し、次の超音波を発生させる。このように超音波の送信−受信−増幅・遅延−送信のループを繰り返すことをシングアラウンドと呼び、ループの回数をシングアラウンド回数と呼ぶ。
【００１０】
計時部９では、所定の回数、ループを繰り返すのに要した時間を計測し、測定結果が流量算出部１１へ送られる。次に、切り替え部１０を切り換えて、超音波振動子２を送信器として用い、超音波振動子１を受信器として用いて、同様に計測を行う。
【００１１】
上述の方法によって計測した時間から遅延時間とシングアラウンド回数とを乗じた値を引き、さらにシングアラウンド回数で除した値が超音波の伝搬時間となる。
【００１２】
超音波振動子１を送信側にしたときの伝搬時間をｔ１とし、超音波振動子２を送信側にしたときの伝搬時間をｔ２とする。また、図１６に示すように、超音波振動子１と超音波振動子２との間の距離をＬとし、流体の流速および超音波の音速をそれぞれＶおよびＣとする。この時、ｔ１およびｔ２は以下の式で表される。
【００１３】
【数１】
【００１４】
これらの式から流速Ｖは以下の式で表される。
【００１５】
【数２】
【００１６】
流体の流速Ｖが求まれば、流路１４の断面積と流速Ｖとの積から流量Ｑが求まる。
【非特許文献１】日本電気計測器工業会規格、ＪＥＭＩＳ ５０３２「超音波による流量測定法」（社）日本電気計測工業会、１９８７年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
一般に計測機器においては、用いる検出素子の特性変化が計測結果に影響を与えるため、検出素子の特性が変化しないことが好ましい。上述の超音波流量計の場合、超音波振動子１および超音波振動子２が接する外気の湿度等が変化すると、超音波振動子１および超音波振動子２の特性が変動するため、図１７に示す超音波の受信信号１９の波形が変化し、ゼロクロスポイントがシフトする。このことは、流体の流速に変化がなくても超音波の伝播時間ｔ１およびｔ２が変動し、計測誤差が生じることを意味する。
【００１８】
このような計測誤差を防止するため、超音波振動子をケースに収納し、ケース内を不活性ガスなどで充填して封止することにより、外気から超音波振動子を遮断することが考えられている。この構造を採用することにより、超音波振動子が外気から隔絶されるため、超音波振動子の耐候性も向上する。また、超音波振動子の防爆性も向上するため、超音波流量計により計測する流体が可燃性を備えている場合でも、好適に用いることができる。つまり超音波流量計の信頼性が向上する。
【００１９】
しかしながら、超音波振動子を収納しているケースの溶接部分に亀裂が生じるなどにより、封止が破れた場合、外気がケース内に流入し、超音波振動子の特性を変化させてしまう。特に、超音波振動子が圧電セラミックを含む場合、多孔質体からなる圧電セラミックが水分を吸収するため、超音波振動子の電気的特性が大幅に変化する可能性がある。また、水分による超音波振動子の電極の腐食が生じ、超音波振動子の劣化や故障を生じる可能性もある。
【００２０】
したがって、従来の超音波流量計を用いてガスメータを作製した場合、超音波振動子を収納しているケースに亀裂が入り、封止が破れることにより、ガス流量の計測に多くの誤差が含まれてしまう。また、超音波振動子の劣化や故障が生じている場合には、超音波振動子を交換する必要がある。特に超音波流量計の計測精度を向上させるために、特性がほぼ等しい２つの超音波振動子を用いている場合には、一方の超音波振動子が劣化あるいは故障しても、両方の超音波振動子を交換する必要がある。
【００２１】
本発明は、このような従来の問題を解決し、精度の高い測定を維持することが可能であり、かつ、検出誤差が生じうるような異常を検知することのできる超音波流量計を提供することを目的とする。また、本発明は、特性の変化を知ることのできる超音波振動子にも関する。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の超音波流量計は、圧電素子および前記圧電素子を密封状態で収納するケースをそれぞれ有し、超音波を送受信することによって流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子と、前記圧電素子の電気的特性値を計測する測定部と、前記電気的特性値に基づき、前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定する異常判定部とを備え、超音波の伝播時間に基づき、流体が流路を流れる流量を計測する。
【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の超音波振動子の各圧電素子は、圧電体および前記圧電体に設けられた網状構造を有する電極を含む。
【００２４】
また、本発明の超音波流量計は、圧電体を含む圧電素子、湿度センサ、および、前記圧電素子と湿度センサとを密封状態で収納するケースをそれぞれ有し、超音波を送受信することによって流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子と、前記湿度センサの電気的特性値を計測する測定部と、前記電気的特性値に基づき、前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定する異常判定部とを備え、超音波の伝播時間に基づき、流体が流路を流れる流量を計測する。
【００２５】
ある好ましい実施形態において、前記湿度センサは絶対湿度を検出する。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記湿度センサは相対湿度を検出する。
【００２７】
また、本発明の超音波流量計は、対向する第１および第２の主面を有する圧電体、前記第１の主面に設けられた電気音響変換用の第１の電極、前記第１の主面に設けられており、前記圧電体の電気的特性を計測するための第２の電極、および、前記第２の主面に設けられた共通電極を有する圧電素子、ならびに、前記圧電素子を密封状態で収納するケースをそれぞれ有し、超音波を送受信することによって流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子と、前記圧電素子の共通電極および第２の電極間の電気的特性値を計測する測定部と、前記電気的特性値に基づき、前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定する異常判定部とを備え、超音波の伝播時間に基づき、流体が流路を流れる流量を計測する。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記第２の電極は前記第１の電極を囲むように前記第１の主面に設けられている。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の電極のうち、少なくとも第２の電極は網状構造を有している。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、前記第１および第２の超音波振動子を用いて超音波の音速を求め、前記音速から前記流体の温度を推定する温度推定部をさらに備え、前記異常判定部は、前記温度推定部から得られる温度を用いて、前記電気的特性値を補正し、補正した値を用いて前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定する。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の超音波振動子のそれぞれは、前記ケースに収納された温度センサをさらに含み、前記異常判定部は、前記温度センサにより求められる温度を用いて、前記電気的特性値を補正し、補正した値を用いて前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定する。
【００３２】
ある好ましい実施形態において、前記圧電体は、少なくも１つの溝を有する。
【００３３】
ある好ましい実施形態において、前記電気的特性値は、抵抗値または容量値である。
【００３４】
本発明のガスメータは、ガスが流れる流路に設けられた上記いずれかの超音波流量計と、前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁と、前記異常判定部の検出結果に基づき、前記遮断弁を制御する制御装置とを備える。
【００３５】
また、本発明の超音波振動子は、圧電素子と、温度検出素子と、前記圧電素子および前記温度検出素子を密封状態で収納するケースとを備える。
【００３６】
ある好ましい実施形態において、前記圧電素子は、圧電体および前記圧電体に設けられた網状構造を有する電極を含む。
【００３７】
また、本発明の他の超音波振動子は、圧電素子と、湿度検出素子と、前記圧電素子および前記温度検出素子を密封状態で収納するケースとを備える。
【００３８】
また、本発明の他の超音波振動子は、対向する第１および第２の主面を有する圧電体および前記第１の主面に設けられた第１および第２の電極を有する圧電素子と、前記圧電素子を密封状態で収納するケースとを備える。
【００３９】
ある好ましい実施形態において、前記第２の電極は前記第１の電極を囲むように前記第１の主面に設けられている。
【００４０】
ある好ましい実施形態において、前記第１の電極および前記第２の電極のうち、すくなくとも前記第２の電極は網目構造を有している。
【００４１】
ある好ましい実施形態において、前記圧電体は少なくとも１つの溝を有している。
【００４２】
本発明の超音波流量計の制御方法は、圧電素子および前記圧電素子を密封状態で収納するケースをそれぞれ有し、流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するよう配置された第１および第２の超音波振動子を備え、前記第１および第２の超音波振動子間で超音波を送受信し、前記経路間を伝播する超音波の伝播時間を検知することにより流体の流量を計測する。この制御方法は、前記第１および第２の超音波振動子のケース内の湿度に関する情報を取得するステップと、前記情報に基づき、前記第１および第２の超音波振動子が異常であるかどうかを判断するステップとを包含する。
【００４３】
ある好ましい実施形態において、前記情報を取得するステップは、前記第１および第２の超音波振動子の圧電素子の電気的特性に関する情報を取得する。
【００４４】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の超音波振動子はケース内に湿度センサをそれぞれ有し、前記情報を取得するステップは、前記湿度センサを用いて前記ケース内の湿度を測定する。
【００４５】
ある好ましい実施形態において、前記湿度センサは絶対湿度を測定する。
【００４６】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計の制御方法は、前記第１および第２の超音波振動子を用いて前記流体の流量を計測するステップと、前記計測した流量に基づき、前記流体の温度を推定するステップと、前記推定した温度に基づき、前記湿度に関する情報を補正するステップとをさらに包含し、前記補正した湿度に関する情報を用いて、前記判断するステップを実行する。
【００４７】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計の制御方法は、前記判断するステップの判断結果に基づき、前記流体の移動を停止させるステップをさらに包含する。
【００４８】
また、本発明のコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、上記いずれかの超音波流量計の制御方法に規定した各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを記録している。
【発明の効果】
【００４９】
本発明によれば、外気等の影響を受けにくいが、ケースの損傷が生じるような想定外の環境変化に対しては、敏感にその変化を検知することが可能な超音波振動子が得られる。この超音波振動子をもちいることにより、精度の高い測定を維持することが可能であり、かつ、検出誤差が生じうるような異常を検知することのできる超音波流量計が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
（第１の実施形態）
まず、本発明による超音波流量計の第１の実施形態で用いる超音波振動子８１を説明する。図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ超音波振動子８１の斜視図および断面図である。超音波振動子８１は、圧電体８２と、ケース本体８３および端子板８４からなるケース８５とを含む。ケース本体８３は、円筒状の空間８５ｓを有する凸形状を備え、圧電体８２は空間８５ｓ内に収納される。空間８５ｓの上方にはケース本体８３のケース天部８３ａが位置している。圧電体８２は対向する第１の主面８２ｂおよび第２の主面８２ａを有し、第１の主面８２ｂには電極９１が形成されている。第２の主面はケース天部８３ａに固定されている。円筒状の空間８５ｓの下方には半径方向に伸びる支持部８３ｂが設けられ、支持部８３ｂと端子板８７とが接合することにより、空間８５ｓが塞がれている。ケース本体８３に溶接などの接合部分が生じないよう、ケース本体８３は好ましくは深絞りなどにより形成される。空間８５ｓには、窒素などの不活性ガスが充填される。
【００５１】
端子板８７の中央付近には貫通孔８７ｈが設けられており、貫通孔に端子８８ａおよび端子８８の先端に接続された導電性ゴム９０が挿入されている。導電性ゴム９０は電極９１と接触している。端子８８ａおよび導電性ゴム部が端子板８７と電気的に接触しないよう貫通孔８７ｈは絶縁物８９により塞がれている。ケース本体８３および端子板８７は金属などの導電性材料で形成されている。端子板８７に端子８８ｂが接続されている。ケース天部８３ａの外側には音響整合層８６を設けてもよい。
【００５２】
ケース本体８３のケース天部８３ａは圧電体８２の第２の主面に設けられた電極として機能し、ケース本体８３および端子板８７を介して端子８８ｂから圧電体８２の第２の主面８２ａに電圧を印加することができる。一方、第１の主面８２ｂには、電極９１および導電性ゴム１０を介して端子８ａから電圧を印加することができる。これにより、ケース天部８３ａ、圧電体８２および電極９１からなる圧電素子が構成される。
【００５３】
超音波振動子８１によれば、圧電素子が密閉された空間に収納されているため、超音波振動子８１が接する外気の影響を受けることがない。このため、外気の湿度が変化しても、超音波振動子８１の特性は一定に保たれる。また、外気に圧電体８２や電極９１などを腐食や変質させるガスが含まれていても、圧電素子の特性が変動することなく、長い期間にわたって、一定の特性を保ち続けることができる。
【００５４】
特に、ケース本体８３を深絞りで形成することにより、圧電素子を収納するケースの接合部分を減らすことができ、また、ケース本体８３に支持部３ｂをもうけることにより、ケース本体８３と端子板７との接合部分の面積を広くして、接合を確実にすることができる。このため、ケース８５の強度を増すことができる。
【００５５】
しかし図１（ｂ）において、矢印Ｘで示す箇所は、加工歪が生じる可能性があったり、異なる材質の部材が接合されているため、ケース８５の他の箇所に比べて相対的に強度が弱い。このため、想定外の衝撃を受け、ケース２が損傷するとすれば、矢印Ｘで示す箇所において、亀裂等が生じる。そして、空間８５ｓに外気が侵入し、圧電素子の特性が変化する恐れがある。
【００５６】
このような圧電素子の特性変化は、空間８５ｓに外気が侵入し、空間８５ｓの湿度が上昇することにより、圧電素子の圧電体が水分を吸収することにより生じる。圧電体が水分を吸収すると、電気的特性が変化する。このため、本実施形態の超音波流量計は、流量を計測するために用いる超音波振動子８１の圧電素子の電気的特性を監視し、電気的特性値の変化を検出することにより、超音波振動子８１のケース８５が損傷して、特性が変動したことを検出する。特に、圧電体が水分を吸収することにより生じる圧電素子の誘電率を監視することが好ましく、誘電率の変化は、圧電素子の抵抗値または容量値の変化として好適に検出できる。したがって、圧電素子の抵抗値または容量値の変化はケース８５内の湿度に関する情報を表していると言える。
【００５７】
図２は本実施形態の超音波流量計１０１の構成を示すブロック図である。超音波流量計１０１は、流体の流路１２中に超音波が双方向に伝搬する経路を形成するように配置される第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２と、送信部３と、受信部６とを備えている。
【００５８】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、それぞれが送信器および受信器として機能する。第１の超音波振動子１から送信された超音波は第２の超音波振動子２により受信され、第２の超音波振動子２から送信された超音波は第1の超音波振動子１により受信する。これら双方向の伝搬路は、流路１２を流れる流体の流れる方向に対して角度θをなしている。角度θの大きさは、１０〜４０度の範囲内から選択される。
【００５９】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２には図１で説明した超音波振動子８１を用いる。たとえば、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、厚み振動モード、横すべり振動モード、縦振動モード等の振動モードにより、おおよそ２０ｋＨｚ以上の周波数で駆動される。また、圧電体８２の振動を効率よく流路１２を流れる流体に伝播させるために、音響整合層８６を設けている。空間８５ｓには窒素ガスを充填する。
【００６０】
超音波流量計１０１は、送受信切り替え部１０、第１のモード切り替え部２０、第２のモード切り替え部２１測定部２２、異常本底部２３、ピークホールド部１３、レベル検知部５、ゼロクロス検知部７、遅延部４、繰り返し部８および流量算出部１１をさらに備える。以下において詳述するように、超音波流量計１０１は、流量計測モードおよび超音波振動子監視モードを備え、第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２１によってこれら２つのモードを切り替える。流量計測モードでは、流路１２を移動する流体の流量を計測することができるよう、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は送受信切り替え部１０に接続される。また、超音波振動子監視モードでは、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性を測定することができるよう、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は測定部２２に接続される。
【００６１】
送受信切り替え部１０は、送信部３および受信部６を選択的に第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２１に接続する。たとえば、送信部３と第１のモード切り替え部２０が接続される場合には、受信部６と第２のモード切り替え部２１とが接続される。したがって、流量計測モードでは、第１の超音波振動子１は、送信部３または受信部６の一方と選択的に接続される。この時、第２の超音波振動子２は、第１の超音波振動子１が接続されなかった受信部６または送信部３の他方と接続される。
【００６２】
送受信切り替え部１０、第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２１は、トグルスイッチのような機械的なものであってもよいし、電子部品等により構成されるものであってもよい。
【００６３】
送信部３により駆動された第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２は流路１２の流体に超音波を送信する。第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１に到達した超音波は電気信号に変換され、受信信号が受信部６によって増幅される。第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２に到達した超音波による電気信号が十分大きい場合には必ずしも受信部６は受信信号を増幅しなくてもよい。
【００６４】
受信部６によって増幅された受信信号は、ゼロクロス検知部７とピークホールド部１３とへ送られる。ピークホールド部１３は、受信信号１８のピーク値を保持しその値をピークホールド信号として出力を生成する。レベル検知部５は、ピークホールド信号が所定のレベルに達したことを検知し、ゼロクロス指令信号を生成する。ゼロクロス検知部７は、ゼロクロス指令信号が生成された直後におけるゼロクロスポイントを検知し、ゼロクロス検知信号を遅延部４へ出力する。このゼロクロスポイントを受信信号の伝播時間とし、この時点で受信信号を検知したとする。ゼロクロス検知信号はピークホールド部１３にも入力される。ピークホールド部１３は、ゼロクロス検知信号に基づいてピークホールド信号をリセットする。
【００６５】
遅延部４は、ゼロクロス検知信号に基づいて、所定の時間遅らせたタイミングで出力信号を生成する。繰り返し部８は、遅延部４の出力信号をカウントし、所定回数以下であれば遅延部４の出力信号をトリガ信号として送信部３へ出力する。送信部３は、トリガ信号に基づいて、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２を駆動する。
【００６６】
計時部９は、所定の回数だけ、シングアラウンドを繰り返すのに要した時間を計測し、測定結果を流量算出部１１へ送る。流量算出部１１は、計時部９から出力されるシングアラウンドを繰り返すのに要した時間に関するデータ、遅延時間およびシングアラウンド回数から、流速および流量を求める。
【００６７】
超音波振動子監視モードでは、第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２１によって、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が選択的に測定部２１に接続される。測定部２１は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の圧電体の抵抗値または容量値を測定し、測定した値を異常判定部２３へ出力する。
【００６８】
また、このとき、温度推定部１４は、流量算出部１１から、直前に求められた流量Ｖ、伝播時間ｔ１またはｔ２および第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との距離Ｌを用いて式（１）から流体中を伝播する超音波の音速を求める。温度推定部１４は、音速の温度依存性に関するデータを保持しており、このデータに基づいて、直前に流量を計測したときの流体の温度を推定する。
【００６９】
異常判定部２３は、抵抗値または容量値を測定部２２から受け取り、温度推定部１４から受け取る温度を用いて、基準温度における抵抗値または容量値を求める。抵抗値または容量値が、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の初期値から所定のレベル以上異なっている場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であると判断し、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。この信号に基づいて、たとえば警報が発生される。あるいは、流路１２に遮断弁を設け、この信号に基づいて、遮断弁を動作させても良い。
【００７０】
図３は、測定部２２の具体的な構成の一例を示すブロック図である。測定部２２は、三角波発生部３１、抵抗電圧変換部３２、微分部３３および積分部３４を含む。三角波発生部３１は、たとえば、１ｋＨｚ程度の周波数の三角波（交流）信号を発生し、発生した信号を第１のモード切り替え部２０を介して第１の超音波振動子１に印加する。抵抗電圧変換部３２は、第１の超音波振動子１の抵抗値を電圧値として検出し、検出した信号を微分部３３で微分したあとに積分部３４で積分することにより、第１の超音波振動子１の圧電素子の抵抗値が得られる。交流電圧を印加して求める抵抗値は一般にインピーダンスと呼ばれる。このように、圧電素子の抵抗値は交流電圧を印加することによって求めてもよいし、直流電圧を印加して求めてもよい。
【００７１】
上述の各部は、電子部品等を用いたハードウエアにより構成することもソフトウエアにより構成することもできる。超音波流量計１０１は、これら各部を制御するマイコン３０を備えている。
【００７２】
次に、超音波流量計１０１を用いて流体の流量を計測する手順を説明する。以下に説明する手順はマイコン３０により、各構成要素を順次制御することによって行われ、その手順をコンピュータに実行させるためのプログラムが、ＲＯＭやＲＡＭ、ハードディスク、磁気記録媒体などの情報記録媒体に保存されている。
【００７３】
上述したように超音波流量計１０１は、流量計測モードおよび超音波振動子監視モードで動作する。まず流量計測モードにおける超音波流量計１０１の動作を説明する。流量計測モードに超音波流量計１０１を設定するため、マイコン３０は、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２が送受信切り替え部１０と接続されるように第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２１を制御する。
【００７４】
図２に示すように、送受信切り替え部１０を用いて、まず、送信部３を第１の超音波振動子１へ接続し、受信部４を第２の超音波振動子２に接続する。
【００７５】
図４に示すように、トリガ信号３９を送信部３に入力し、駆動信号を生成させ、第１の超音波振動子１から超音波を発生させる。流路１２を伝搬した超音波は、第２の超音波振動子２によって受信され、受信信号が受信部６へ送られ、受信信号１８として増幅される。
【００７６】
ピークホールド部１３およびレベル検知部５によって、受信信号１８が所定のレベルを超えた直後のゼロクロスポイントがゼロクロス検知部７で検知される。遅延部４は、ゼロクロス検知部７から出力されるゼロクロス検知信号に基づいて、所定の遅延時間４０を経た後に、送信部３へトリガ信号３９'を出力する。これにより、シングアラウンドの１ループを構成する。所定の回数（例えば５０〜１０００回）、シングアラウンドを繰り返した後、計時部９は、ループを繰り返すのに要した全時間４１を計測し、測定結果を流量算出部１１へ送る。流量算出部において、全時間４１をシングアラウンド回数で除し、その値から遅延時間４０を引いた値が、式（１）に示すｔ１となる。
【００７７】
次に、送受信切り替え部１０を用いて、送信部３を第２の超音波振動子２へ接続し、受信部を第１の超音波振動子１へ接続する。そして上述の手順と同様の手順により、第２の超音波振動子２から超音波を発生させ、第１の超音波振動子１で超音波を受信する。所定の回数、シングアラウンドを繰り返した後、計時部９では、ループを繰り返すのに要した全時間４１を計測し、測定結果を流量算出部１１へ送る。流量算出部において、全時間４１をシングアラウンド回数で除し、その値から遅延時間４０を引いた値が、式（１）に示すｔ２となる。
【００７８】
式（２）に、ｔ１およびｔ２の値と角度θを代入することによって、流体の流速Ｖが求まる。さらに流路１２の断面積をＳとすれば、流量ＱはＶ×Ｓによって求めることができる。この流量Ｑは、単位時間あたりに流量が移動する量であり、流量Ｑを積分することによって流体の量を求めることができる。
【００７９】
次に、超音波振動子監視モードにおける超音波流量計１０１の動作を説明する。超音波流量計１０１は、通常、流量計測モードで動作しており、所定の時間間隔で第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性に変動が生じていないかどうかを測定するため、超音波振動子監視モードで動作する。超音波振動子監視モードで動作させる時間間隔は、毎日一回、周に一回、月に一回など任意の間隔を設定することができる。
【００８０】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性を測定すべき時刻になれば、マイコン３０は、流量の計測を中断し、超音波振動子監視モードで超音波流量計１０１を動作させる。まず、マイコン３０は、第１の超音波振動子１が測定部２２に接続されるように第１のモード切り替え部２０を制御する。測定部２２は、第１の超音波振動子１の圧電体の抵抗値を測定し、測定した値を異常判定部２３へ出力する。また、異常判定部２３は、超音波振動子監視モードとなる直前の流量計測モードにおいて流量を計測したときの超音波の伝播時間に基づく流体の推定温度を温度推定部１４から受け取る。
【００８１】
異常判定部２３は、推定温度を用いて測定部２２から受け取った抵抗値を基準温度における抵抗値に換算する。抵抗値が、第１の超音波振動子１の初期値から所定のレベル以上異なっている場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。
【００８２】
図５は、第１の超音波振動子１に用いられている圧電素子のその周囲の相対湿度に対するインピーダンス変化を示すグラフである。図５に示すように、圧電体素子の周囲の相対湿度が高くなるにつれて圧電体が吸湿して、誘電率が変化し、インピーダンスが低下する。したがって、インピーダンスが大きく低下した場合には、第１の超音波振動子１のケースが破損し、ケースの外空気が流入することによって圧電素子の周囲の相対湿度が上昇したことがわかる。
【００８３】
たとえば、第１の超音波振動子１において、基準温度において相対湿度ＲＨ0の不活性ガス中で封入された圧電素子がインピーダンスＲ0の初期値を有している場合において、第１の超音波振動子１のインピーダンスが初期値Ｒ0の１／１０あるいは１/１００にまで低下した場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１が異常であると判定する。このとき、ケース内の相対湿度はＲＨ1に増大している。これは、ケースの損傷により、相対湿度が高い外気がケース内へ流入したからである。
【００８４】
次にマイコン３０は、第２の超音波振動子２が測定部２２に接続されるように第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２２を制御し、上述と同様にして第２の超音波振動子２のインピーダンスを測定し、第２の超音波振動子２が異常であるかどうかを判定する。
【００８５】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の少なくとも一方が異常である場合に、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。このとき、いずれの超音波振動子が異常であるかを示す情報も同時に出力してもよい。
【００８６】
このように、超音波流量計１０１において、第１および第２の超音波振動子１、２の圧電素子は不活性ガスを封入したケースに収納されている。このため、外気の湿度が変化しても、第１および第２の超音波振動子１、２の特性は一定に保たれ、誤差の少ない流量計測が可能となる。また、外気に圧電体８２や電極９１などを腐食や変質させるガスが含まれていても、圧電素子の特性が変動することないので、そのような環境下であっても、超音波流量計１０１は、長い期間にわたって、精度の高い測定を行うことがきる。つまり、超音波流量計１０１は信頼性に優れる。
【００８７】
一方、地震などにより、想定外の衝撃あるいは環境変化が生じ、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２のケースが損傷した場合、外気がケース内に流入し、圧電素子の周囲の湿度が変化するため、圧電体の誘電率が変化する。このため、超音波振動子監視モードにおいて、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のインピーダンスを定期的に監視し、インピーダンス変化を検知することにより、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性が変化し、計測誤差が生じていることを知ることができる。
【００８８】
なお、超音波流量計１０１に感震機を設け、感震機が所定の大きさ以上の地震があったことを検知した場合には、ただちに超音波振動子監視モードを実行し、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２に異常が生じていないかを確認するようにしてもよい。
【００８９】
特に、本実施形態では第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の圧電素子自体の特性が、周囲の湿度変化に対して敏感に変化することを利用している。つまり、湿度の検出を行う素子を第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の圧電素子が兼ねている。このため、湿度検出素子等を新たに設け必要がない。また、図１（ｂ）に示すように、圧電体８２に溝２ｇが設けられている場合には、圧電体８２の表面積が増大し、圧電体８２の周囲の湿度変化に対して、より圧電体の誘電率が変化しやすくなる。このため、ケース８５の損傷をより敏感に検知しやすくなる。
【００９０】
つまり、超音波流量計１０１によれば、第１および第２の超音波振動子１、２の圧電素子が不活性ガスを封入したケースに収納されているため、外気等の影響を受けにくいが、ケースの損傷が生じるような想定外の環境変化に対しては、敏感にその変化を検知することが可能である。したがって、一定の環境変化に対し、計測誤差を含むことなく安定して流量の計測が可能であり、第１および第２の超音波振動子１、２の圧電素子の圧電特性が変化した場合には確実にその変化を検出して測定誤差が生じる可能性があることを知ることができる。
【００９１】
なお、本実施形態において第１および第２の超音波振動子１、２の圧電素子は圧電体の第２の主面の一部を完全に覆う電極２６を備えていたが、図６に示すように、圧電素子は、網目状の電極２６'を備えていてもよい。図６に示す圧電素子では電極２６'の網目から圧電体８２の表面が露出するため、圧電体８２が露出している表面積が大きくなり、周囲の湿度変化に対して、より敏感に誘電率が変化する。このため、図６に示す圧電素子を不活性ガスが封入されたケースに収納することによって、ケースの損傷が生じるような想定外の環境変化に対しては、より高い感度で第１および第２の超音波振動子１、２の圧電素子の圧電特性の変化を検出できる。この場合であっても、ケースが封止状態を保っている限り、圧電素子の周りを覆う不活性ガスに変化はないため、圧電素子は安定した特性を示す。
【００９２】
（第２の実施形態）
以下、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７は、本実施形態で用いる超音波振動子５１の構造を模式的に示している。超音波振動子５１は、圧電体８２を含む圧電素子を封止するケース８５内に温度センサ５３を有している。圧電素子および温度センサ５３は配線５２に接続されており、配線５２はケース８５の外部に引き出されている。第１の実施形態と同様ケース８５の空間８５ｓには不活性ガスが充填されている。
【００９３】
図８は、本実施形態の超音波流量計１０２の構成を示すブロック図である。超音波流量計１０２は、第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６を備える。第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６には図７に示す超音波振動子５１が用いられる。
【００９４】
超音波流量計１０２は、第１の実施形態の超音波流量計１０１の温度推定部１４に換えて、温度計測部４１を備えており、第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６のケース８５内に設けられた温度センサ５３は温度計測部４１に接続される。温度計測部４１の出力は以上判定部２３に入力される。
【００９５】
超音波流量計１０２の他の構成要素は第１の実施形態の超音波流量計１０１と同じであり、流量計測モードでは、第１の実施形態で説明した手順と同じ手順により流体の流量を計測する。
【００９６】
一方、超音波振動子監視モードにおいて、超音波流量計１０２は、温度センサ５３および温度計測部４１を用いて、第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６のケース８５内温度を直接測定する。異常判定部２３は、測定した温度を用いて測定部２２から受け取った抵抗値を基準温度における抵抗値に換算する。抵抗値が、第１の超音波振動子５５または第２の超音波振動子５６の初期値から所定のレベル以上異なっている場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子５５または第２の超音波振動子５６が異常であることを示す信号を出力する。
【００９７】
このように、本実施形態によれば、ケース８５内の温度を直接測定する。ケース８５内の温度は、第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６の圧電素子の温度とほぼ一致するため、温度の変動による圧電素子の抵抗値の変化を補正し、より正確に第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６の特性の変化を知ることができる。
【００９８】
また、流量の計測と独立してケース８５内の温度を直接測定することができる。このため、超音波流量計１０２を用いてしばらく流量計測を行っていなかった場合に、まず、超音波振動子監視モードに超音波流量計１０２を設定し、第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６が正常であるかどうかを判定した後、流量を計測することも可能である。
【００９９】
（第３の実施形態）
以下、本発明による超音波流量計の第３の実施形態を説明する。図９は、本実施形態で用いる超音波振動子５７の構造を模式的に示している。超音波振動子５７は、圧電体８２を含む圧電素子を封止するケース８５内に湿度センサ５８を有している。圧電素子および湿度センサ５８は配線５２に接続されており、配線５２にはケース８５の外部に引き出されている。第１の実施形態と同様、ケース８５の空間８５ｓには不活性ガスが充填されている。
【０１００】
第１および第２の実施形態では、圧電素子の抵抗値または容量値を測定することにより、圧電素子の特性の変化を直接計測していたが、本実施形態では、湿度センサ５８を用いてケース８５内の湿度を直接測定する。
【０１０１】
図１０は、本実施形態の超音波流量計１０３の構成を示すブロック図である。超音波流量計１０３は、第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２を備える。第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２には図９に示す超音波振動子５７が用いられる。
【０１０２】
超音波流量計１０３は、第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２の湿度センサ５８の配線に接続された素子切り替え部６３を備え、素子切り替え部６３は測定部２２'に接続される。また、第１の実施形態と同様、計測した流量から流体の温度を推定する温度推定部１４を備え、異常判定部２３は温度推定部から推定温度の信号を受け取る。第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２の湿度センサ５８が絶対湿度を検出するのであれば、温度推定部１４はなくてもよい。また、第２の実施形態で説明したように、温度推定部１４に換えて第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２に温度センサ５３を設け、ケース内の温度を直接測定してもよい。
【０１０３】
また、湿度センサ５８は抵抗型であってもよいし、静電容量型であってもよい。湿度センサ５８が抵抗型である場合には、図３に示す測定部と同じ構成の測定部２２'を用いることができる。一方、湿度センサ５８が静電容量型である場合には、図３に示す測定部２２において、抵抗電圧変換部３２に換えて容量電圧変換部を採用した測定部を測定部２２'に採用する。
【０１０４】
本実施形態では、第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２の圧電素子は流量計測にのみ用い、ケース内の湿度は湿度センサ５８で測定する。流量の計測中であってもケース内の湿度を湿度センサ５８で測定することが可能であるため、流量計測モードおよび超音波振動子監視モードの２つの動作を切り替える必要がなく、これら２つの動作を並行して行うことができる。
【０１０５】
具体的には、超音波流量計１０３は、流量を計測しているかどうかにかかわらず、所定の時間間隔で素子切り替え部６３により選択した超音波振動子の湿度センサ５８を用いて、ケース内の湿度を測定する。湿度センサ５８が絶対湿度を計測できる場合には計測した値を温度補正する必要はない。測定した値が湿度センサ５８の初期値から所定のレベル以上異なっている場合、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。湿度センサ５８が相対湿度を計測する場合には、異常判定部２３において、計測した値を温度推定部１４から受け取る推定温度を用いて基準温度における抵抗値または容量値に変換する。測定した値が湿度センサ５８の初期値から所定のレベル以上異なっている場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。
【０１０６】
図１０は、第１の超音波振動子１に用いられている圧電素子のその周囲の相対湿度に対する静電容量の変化を示すグラフである。図１０に示すように、圧電体素子の周囲の相対湿度が高くなるにつれて圧電体が吸湿して誘電率が変化し、静電容量が増加する。したがって、たとえば、第１の超音波振動子１において、基準温度において相対湿度ＲＨ0の不活性ガス中で封入された圧電素子が容量Ｃ0の初期値を有しており、第１の超音波振動子１の容量が初期値Ｃ0に対して５％増加した場合、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１が異常であると判定する。このとき、ケース８５内の相対湿度は基準温度においてＲＨ1に増加している。このような相対湿度の変化は、ケース８５に亀裂等の損傷が生じ、相対湿度の高い外気が流入したことを示している。
【０１０７】
本実施形態によれば、封止された超音波振動子のケース内に設けた湿度センサによりケース内の湿度を測定するため、流量の計測と独立してケース内の湿度を測定することができる。このため、流量計測を中断することなく超音波振動子の監視が可能となり、特に、流量を常に計測する必要がある用途に本実施形態の超音波流量計を好適に用いることができる。また、流量の計測動作と超音波振動子の監視動作を切り替える必要がないため、モード切り替え部が不要となり、超音波流量計の構成を簡単なものにすることができる。さらに、絶対湿度を検出する湿度センサを採用することにより、温度による補正を行う必要がなくなる。
【０１０８】
（第４の実施形態）
以下、本発明による超音波流量計の第４の実施形態を説明する。図１２は、本実施形態で用いる超音波振動子６６の構造を模式的に示している。また、図１３は超音波振動子６６の主要部である圧電素子６７の構造を示している。図１３に示すように、圧電素子６７は、対向する第１の主面２ｂおよび第２の主面２ａを有する圧電体８２と、第１の主面に設けられた第１の電極２６ａおよび第２の電極２６ｂと、第２の主面８２ａに設けられた共通電極２７とを含む。
【０１０９】
第１の電極２６ａは第１の主面２ｂの中央に設けられており、第２の電極２６ｂは第１の電極２６ａを囲むように第１の主面２ｂの周囲に設けられている。共通電極２７は第２の主面２ａのおおよそ全部を覆っている。図１３に示すように、好ましくは、第２の電極２６ｂは網目状構造を備えている。第１の電極２６ａも網目状構造を備えていてもよい。各電極には配線５２ａ、５２ｂおよび５２ｃが接続される。
【０１１０】
第１の電極２６ａは圧電体８２に電圧を印加し、また、圧電体８２の振動により生じた電圧を検出する電気音響変換に用いられる。一方、第２の電極２６ｂは圧電体８２の電気的特性を計測するために用いられる。より具体的には、第１の電極２６ａおよび共通電極２７とこれらに挟まれる圧電体８２により、超音波を送受信するための電気音響変換素子部６７ａが構成される。また、第２の電極２６ｂおよび共通電極２７とこれらに挟まれる圧電体８２により、湿度センサ部６７ｂが構成される。圧電素子６７は、ケース８５内に収納され、ケース内の空間８５ｓを不活性ガスで充填した状態で封止される。
【０１１１】
圧電体８２において、第２の電極２６ｂが形成されている領域は、圧電体８２が振動状態にあるときに変位が少なく、超音波が第１の主面８２ｂあるいは第２の主面８２ａに対して垂直に射出しにくい。このため、圧電体８２の周辺部分に電気音響変換用の電極を形成しても、正確な流量の計測には寄与しにくく、この部分の電極を圧電体８２の特性を検出するために用いても、流量の計測に大きな影響を与えることはない。
【０１１２】
図１４は、本実施形態の超音波流量計１０４の構造を示すブロック図である。超音波流量計１０４は、第１の超音波振動子６８および第２の超音波振動子６９を備え、第１の超音波振動子６８および第２の超音波振動子６９には図１２および図１３に示す超音波振動子６６が用いられる。第１の超音波振動子６８および第２の超音波振動子６９の第１の電極２６ａはそれぞれ切り替え部１０に接続される。また、第２の電極２６ｂはそれぞれ素子切り替え部６３に接続される。超音波流量計１０４の他の部分は第３の実施形態の超音波流量計１０３と同じように構成されている。
【０１１３】
超音波流量計１０４において、第１の超音波振動子６８および第２の超音波振動子６９の圧電素子６７は、超音波を送受信するための電気音響変換素子部６７ａと湿度センサ部６７ｂとを含む。これらは独立して動作させることが可能であり、図９に示す超音波振動子５７と同様、流量の計測を行いながら超音波振動子の特性を監視することができる。
【０１１４】
具体的には、第１の超音波振動子６８および第２の超音波振動子６９の圧電素子６７の電気音響変換素子部６７ａを用いて流量の計測を行う。この手順は第１の実施形態で説明した流量計測モードにおける手順と同じである。
【０１１５】
一方、電気音響変換素子部６７ａを用いて流量を計測しているかどうかにかかわらず所定の時間間隔で素子切り替え部６３により選択した超音波振動子の湿度センサ部６７ｂを用いて、ケース８５内の湿度を測定する。測定部２２'は、湿度センサ部６７ｂの抵抗値あるいは容量値を測定し、その値を異常判定部２３へ出力する。異常判定部２３は計測した値を温度推定部１４から受け取る推定温度を用いて基準温度における抵抗値または容量値に変換する。測定した値が湿度センサ５８の初期値から所定のレベル以上異なっている場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。
【０１１６】
このように本実施形態によれば、圧電素子の一部を超音波の送受信をするための電気音響変換素子として用い、一部を湿度センサとして用いるため、超音波振動子の外形を小さくすることができる。しかも、これら２つの素子を同時に動作させること可能であるため、流量の計測を行いながら、圧電素子の特性の監視も同時に行うことができる。
【０１１７】
なお、本実施形態の超音波振動子６９において、圧電体８２には溝を設けていないが、図１（ｂ）に示すような溝を圧電体８２に設けてもよい。また、本実施形態では電気音響変換素子部６７ａおよび湿度センサ部６７ｂに配線を接続し、ケースの外部へ引き出していたが、図１（ｂ）に示す構造を採用してもよい。
【０１１８】
（第５の実施形態）
以下、本発明の超音波流量計を備えたガスメータを説明する。
【０１１９】
図１５は、配管７０内を流れるガスの流量を計測するためのガスメータ１０６のブロック図を示している。配管７０内を流れるガスは、天然ガスやプロパンガスなど一般家庭で用いられるもののほか、水素や酸素等、その他の気体であってもよい。
【０１２０】
ガスメータ１０６は、配管７０内を流れるガスの流量を計測するための超音波流量計７１と、緊急時に配管７０を流れるガスを遮断する遮断弁７２と、超音波流量計７１および遮断弁７２を制御するマイコン７３と、超音波流量計１０６を用いて計測した流量や流量の積算値およびその他の情報を表示する表示部７４とを備える。超音波流量計７１には、第１から第４の実施形態の超音波流量計を用いることができる。マイコン７３は超音波流量計７１のマイコン（図２等のマイコン３０）を用いてもよい。図に示すように、ガスメータ１０６は、ガス会社などへ計測した流量に関するデータを送信したり、ガス会社からガスメータ１０６を制御するための通信部７５を備えていてもよい。
【０１２１】
マイコン７３は超音波流量計７１によって計測される流量に関するデータを表示部７４に表示するとともに、計測する流量に異常がないかを監視する。例えば、突然、大流量のガスが流れ始めた場合には、ガス漏れが生じていると判断して、遮断弁７２を動作させ、ガスの供給を停止する。
【０１２２】
また、第１から第４の実施形態において説明したように、超音波流量計７１は所定の時間間隔で超音波振動子の特性に変化が生じていないか監視を行う。所定の時間間隔ではなく、地震などがあった場合にガス会社などから通信部７５を通じて制御信号を受け取り、制御信号に基づいて超音波振動子の特性の測定を行ってもよい。第１から第４の実施形態において説明した手順で超音波振動子の抵抗値または容量値を測定し、異常判定部２３が２つの超音波振動子のうちのいずれかが異常であることを示す信号を出力した場合、マイコン７３は異常判定部２３の信号に基づいて、遮断弁７２を動作させ、ガスの供給を停止する。
【０１２３】
ガスメータ１０６によれば、第１および第２の超音波振動子の圧電素子は不活性ガスを封入したケースに収納されている。このため、外気の湿度が変化しても、第１および第２の超音波振動子１、２の特性は一定に保たれ、誤差の少ない流量計測が可能となる。また、外気に圧電体８２や電極９１などを腐食や変質させるガスが含まれていても、圧電素子の特性が変動することないので、そのような環境下であっても、ガスメータ１０６は、長い期間にわたって、精度の高い測定を行うことがきる。つまり、ガスメータ１０６は信頼性に優れる。
【０１２４】
一方、地震などにより、想定外の衝撃あるいは環境変化が生じ、第１の超音波振動子または第２の超音波振動子のケースが損傷した場合、外気がケース内に流入し、圧電素子の周囲の湿度が変化するため、圧電体の誘電率が変化する。このため、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の抵抗値または容量値を定期的に監視し、これらを検知することにより、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性が変化し、計測誤差が生じていることを知ることができる。
【０１２５】
なお、上記第１から第５の実施形態において説明した超音波振動子は、超音波流量計以外の距離計、スピードメータなどの計測機器等にも好適に用いることができる。これらの計測機器に本発明の超音波振動子を用いることによって、外気の変化に対して計測誤差が生じにくく、想定外の衝撃あるいは環境変化により、超音波振動子の特性が変化した場合には、その異常を知ることができる計測機器が実現する。
【０１２６】
また、上記第１から第５の実施形態では圧電素子の誘電率の変化を検知するために計測する特性として、抵抗値および容量値を示した。しかし、抵抗値および容量値以外に、電流値や電圧値などを計測し、その変化に基づいて、超音波振動子のケースが破損して外気が流入したと判断してもよい。
【０１２７】
また、上記第１から第５の実施形態では第１の超音波振動子および第２の超音波振動子を用いて双方向に超音波を伝播させ、その伝播時間差により、流体の流速および流量を求めていた。しかし、式（１）から明らかなように、流体中の超音波の音速Ｃがわかっている場合には、第１の超音波振動子から第２の超音波振動子への伝播時間ｔ１または第２の超音波振動子から第１の超音波振動子への伝播時間ｔ２を計測することにより、流体の流速Ｖを求めることができる。つまり、第１から第５の実施形態において、第１の超音波振動子および第２の超音波振動子間の一方向の超音波の伝播時間を計測することにより、流体の流速および流量を求めもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明によれば、外気等の影響を受けにくいが、ケースの損傷が生じるような想定外の環境変化に対しては、敏感にその変化を検知することが可能な超音波振動子が得られる。この超音波振動子をもちいることにより、精度の高い測定を維持することが可能であり、かつ、検出誤差が生じうるような異常を検知することのできる超音波流量計が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】（ａ）および（ｂ）は本発明による超音波流量計の第１の実施形態で用いる超音波振動子の構造を示す斜視図および断面図である。
【図２】本発明による超音波流量計の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図３】図２に示す測定部の具体的な構成を示すブロック図である。
【図４】シングアラウンド法による計測を説明する図である。
【図５】圧電素子のその周囲の相対湿度に対するインピーダンス変化を示すグラフである。
【図６】超音波流量計の圧電素子の電極構造の別な例を示す図である。
【図７】本発明による超音波流量計の第２の実施形態で用いる超音波振動子の構造を示す断面図である。
【図８】本発明による超音波流量計の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図９】本発明による超音波流量計の第３の実施形態で用いる超音波振動子の構造を示す断面図である。
【図１０】本発明による超音波流量計の第３の実施形態を示すブロック図である。
【図１１】圧電素子のその周囲の相対湿度に対する静電容量変化を示すグラフである。
【図１２】本発明による超音波流量計の第４の実施形態で用いる超音波振動子の構造を示す断面図である。
【図１３】本発明による超音波流量計の第４の実施形態で用いる超音波振動子の主要部を示す斜視図である。
【図１４】本発明による超音波流量計の第４の実施形態を示すブロック図である。
【図１５】本発明のガスメータの構成を示すブロック図である。
【図１６】従来の超音波流量計を示すブロック図である。
【図１７】受信信号のゼロクロスポイントを説明するグラフである。
【符号の説明】
【０１３０】
１ 第１の超音波振動子
２ 第２の超音波振動子
３ 送信部
４ 遅延部
５ レベル検知部
６ 受信部
７ ゼロクロス検知部
８ 繰り返し部
９ 計時部
１０ 送受信切り替え部
１１ 流量算出部
１３ ピークホールド部
１４ 温度推定部
２０ 第１のモード切り替え部
２１ 第２のモード切り替え部
２２ 測定部
２３ 異常判定部
８２ 圧電体
８５ ケース
８６ 整合層
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ 超音波流量計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波の伝播時間に基づき、流体が流路を流れる流量を計測する超音波流量計であって、
圧電素子および前記圧電素子を密封状態で収納するケースを有し、超音波を送受信することによって流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子と、
前記圧電素子の電気的特性値を計測する測定部と、
前記電気的特性値に基づき、前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定する異常判定部と、
前記第１および第２の超音波振動子間で超音波を送受信し、前記経路間を伝播する超音波の伝播時間を検知することにより流体の流量を計測する流量計測モードと、前記測定部に前記電気的特性値を測定させ、前記異常判定部に前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定させる監視モードとを切り替える制御部と
を備える超音波流量計。
【請求項２】
所定の大きさ以上の揺れを検知する感震機をさらに備え、
前記感震機が所定の大きさ以上の揺れを検知した場合に、前記制御部は、前記測定部に前記電気的特性値を測定させ、前記異常判定部に前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定させる監視モードに切り替える請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記超音波流量計は、前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁をさらに備え、
前記遮断弁がガスを遮断した場合、前記制御部が前記監視モードに切り替える請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記電気的特性値は、抵抗値または容量値である請求項１から３のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項５】
圧電素子および前記圧電素子を密封状態で収納するケースを有し、流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するよう配置された第１および第２の超音波振動子を備え、前記第１および第２の超音波振動子間で超音波を送受信し、前記経路間を伝播する超音波の伝播時間を検知することにより流体の流量を計測する超音波流量計の制御方法であって、
前記第１および第２の超音波振動子間で超音波を送受信し、前記経路間を伝播する超音波の伝播時間を検知することにより流体の流量を計測する流量計測モードと、
前記圧電素子の電気的特性値の情報を取得する取得し、前記情報に基づき、前記第１および第２の超音波振動子が異常であるかどうかを判断する監視モードと
を切り換えて前記超音波流量計を制御する超音波流量計の制御方法。
【請求項６】
所定の大きさ以上の揺れを検知する感震ステップをさらに包含し、
前記感震ステップで所定の大きさ以上の揺れを検知した場合に、前記監視モードに切り替えて前記超音波流量計を制御する請求項５に記載の超音波流量計の制御方法。
【請求項７】
前記超音波流量計は、前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁をさらに備え、
前記遮断弁がガスを遮断した場合、前記監視モードを実行する請求項５に記載の超音波流量計の制御方法。
【請求項８】
前記電気的特性値は、前記第１および第２の超音波振動子の圧電素子の抵抗値または容量値である請求項５から７のいずれかに記載の超音波流量計の制御方法。
【請求項１】
超音波の伝播時間に基づき、流体が流路を流れる流量を計測する超音波流量計であって、
圧電素子および前記圧電素子を密封状態で収納するケースを有し、超音波を送受信することによって流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子と、
前記圧電素子の電気的特性値を計測する測定部と、
前記電気的特性値に基づき、前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定する異常判定部と、
前記第１および第２の超音波振動子間で超音波を送受信し、前記経路間を伝播する超音波の伝播時間を検知することにより流体の流量を計測する流量計測モードと、前記測定部に前記電気的特性値を測定させ、前記異常判定部に前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定させる監視モードとを切り替える制御部と
を備える超音波流量計。
【請求項２】
所定の大きさ以上の揺れを検知する感震機をさらに備え、
前記感震機が所定の大きさ以上の揺れを検知した場合に、前記制御部は、前記測定部に前記電気的特性値を測定させ、前記異常判定部に前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定させる監視モードに切り替える請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記超音波流量計は、前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁をさらに備え、
前記遮断弁がガスを遮断した場合、前記制御部が前記監視モードに切り替える請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記電気的特性値は、抵抗値または容量値である請求項１から３のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項５】
圧電素子および前記圧電素子を密封状態で収納するケースを有し、流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するよう配置された第１および第２の超音波振動子を備え、前記第１および第２の超音波振動子間で超音波を送受信し、前記経路間を伝播する超音波の伝播時間を検知することにより流体の流量を計測する超音波流量計の制御方法であって、
前記第１および第２の超音波振動子間で超音波を送受信し、前記経路間を伝播する超音波の伝播時間を検知することにより流体の流量を計測する流量計測モードと、
前記圧電素子の電気的特性値の情報を取得する取得し、前記情報に基づき、前記第１および第２の超音波振動子が異常であるかどうかを判断する監視モードと
を切り換えて前記超音波流量計を制御する超音波流量計の制御方法。
【請求項６】
所定の大きさ以上の揺れを検知する感震ステップをさらに包含し、
前記感震ステップで所定の大きさ以上の揺れを検知した場合に、前記監視モードに切り替えて前記超音波流量計を制御する請求項５に記載の超音波流量計の制御方法。
【請求項７】
前記超音波流量計は、前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁をさらに備え、
前記遮断弁がガスを遮断した場合、前記監視モードを実行する請求項５に記載の超音波流量計の制御方法。
【請求項８】
前記電気的特性値は、前記第１および第２の超音波振動子の圧電素子の抵抗値または容量値である請求項５から７のいずれかに記載の超音波流量計の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００８−２９８８０２（Ｐ２００８−２９８８０２Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３６８５４（Ｐ２００８−２３６８５４）
【出願日】平成２０年９月１６日（２００８．９．１６）
【分割の表示】特願２００３−１４２３７７（Ｐ２００３−１４２３７７）の分割
【原出願日】平成１５年５月２０日（２００３．５．２０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１６日（２００８．９．１６）
【分割の表示】特願２００３−１４２３７７（Ｐ２００３−１４２３７７）の分割
【原出願日】平成１５年５月２０日（２００３．５．２０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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