JP4079075B2 - 超音波振動子と超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、超音波により可燃性流体の流量計測を行う超音波流量計に関するもので、特にＬＰガスや天然ガスの流量計測を行う超音波流量計に関するものである。

従来この種の超音波流量計に用いる超音波振動子には、例えば特表平６−５００３８９号公報が知られており、図１３に示すようにエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる第１の整合層５３は圧電セラミック５２、超音波吸収体５４を内包するケースとして共用していた。また超音波流量計としては特公平７−６０１６０号公報が知られており、図１４に示すように測定管６３を流れる被測定流体の流量を測定するため、超音波振動子５５、５６はチャンバ５７、５８に配置されており、このチャンバ５７、５８の前方に置かれた隔壁５９、６０に設けられた円形孔には好ましくない粒子の混入を防ぐためガーゼ６１、６２が備えられていた。

しかしながら上記の従来の構成では、例えば可燃性被測定流体をＬＰガスとすると、ＬＰガスのような可燃性ガスは音響インピーダンスが小さく、配管の外に配置した超音波振動子から超音波を伝搬させることは困難である。そこで超音波振動子はＬＰガスに接触しながら計測する必要が有る。さらに家庭用ガスメータを想定すると、電池電圧程度で超音波振動子を駆動し、かつ計量器に求められる性能を有す必要がある。以上のことから超音波振動子には放電によるガスへの引火の可能性をなくすることと高感度化が求められる。

上記の要求を満足するため、電圧が印加される圧電体は例えば厚み０．２ｍｍの有天円筒状のステンレス製ケースと端子板で密封し、放電によるガスへの引火の可能性をなくする構成とする。またＬＰガスのような気体に対して効率良く超音波の送受信するため、ケースの天井部の外側に例えばエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる円板形状の整合層をエポキシ樹脂系接着剤にて接着する。

しかしエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる整合層は微多孔質な材料であるため、ＬＰガスが整合層を透過して接着層が劣化したり、接着層の横からＬＰガスが接着層を劣化させ、整合層が剥離する危険性があったりするという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、整合層は天上部に密着していれば特性に影響を与えないので、接着層が劣化しても整合層がケースから剥離しない超音波振動子を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために、可燃性被測定流体が流れる導電性を有する材料からなる流量測定部に取り付けられる超音波振動子であって、圧電体と、前記圧電体を内包し密封状態を形成する有天筒状の金属製ケース及び端子板と、前記ケースの外側に設けた整合層と、前記ケースと前記整合層との間に設けた接着層と、前記ケースの側壁部と前記整合層の側壁と前記接着層とを覆うように設けた剥離防止体とを備え、前記流量測定部と同電位になるように取り付けるとともに、前記接着層への前記可燃性被測定流体の侵入を防止する構成としたものである。

上記発明によれば、接着層の横から接着層が劣化するのを防止でき、整合層が剥離する方向に力がかかっても剥離防止体により剥離することを防止することができる信頼性の高い超音波振動子を実現することが可能になり、かつ超音波振動子内部での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることができる。

以上の説明から明らかなように本発明の超音波振動子と超音波流量計によれば、圧超音波振動子内部での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

本発明の第１の形態の超音波流量計は、流量測定部を流れる可燃性被測定流体に接触しながら超音波を送受信する一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波伝搬時間を計測する計測回路と、この計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段を備え、前記超音波振動子を構成する圧電体は前記可燃性被測定流体から遮断するケースで内包されおり、超音波振動子内部での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

本発明の第２の形態の超音波流量計は、第１の形態の超音波流量計において、ケースが導電性を有す材料からなり、ケースによるシールド効果によりノイズの影響を低減でき、高精度な超音波流量計を得ることができる。

本発明の第３の形態の超音波流量計は、第１の形態の超音波流量計において、ケースが金属からなる。

本発明の第４の形態の超音波流量計は、金属からなる流量測定部と導電性を有すケースとを同電位としたため、流量測定部とケースの間での放電防止ができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

本発明の第５の形態の超音波流量計は、可燃性被測定流体に接触する金属からなる流量測定部の振動子取付穴の内壁面と導電性を有すケースとの間に絶縁層を設けたため、流量測定部とケースの間での放電防止ができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

本発明の第６の形態の超音波流量計は、可燃性被測定流体に接触する導電性を有すケースの少なくとも側壁に絶縁層を設けたため、流量測定部とケースの間での放電防止ができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

本発明の第７の形態の超音波流量計は、可燃性被測定流体に接触する金属からなる流量測定部の振動子取付穴の少なくとも内壁面に絶縁層を設けたため、流量測定部とケースの間での放電防止ができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

本発明の第８の形態の超音波流量計は、金属からなる流量測定部において可燃性被測定流体に非接触な位置でかつ導電性を有するケースの近傍に電極部を設け、前記電極部と前記ケースにより放電可能としたため、可燃性被測定流体に接触する位置での流量測定部とケースの間での放電防止ができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

本発明の第９の形態の超音波流量計は、金属からなる流量測定部の可燃性被測定流体に非接触な位置において、高抵抗体を介して前記流量測定部と導電性を有すケースとを接触させたため、可燃性被測定流体に接触する位置での流量測定部とケースの間での放電防止ができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

本発明の第１０の形態の超音波流量計は、流量測定部に設けた振動子取付穴の超音波振動子より可燃性被測定流体が流れる流路側に少なくとも１つ以上の網目状構造体を設けたため、振動子取付穴内部で放電により発生した熱が流路を流れる可燃性被測定流体に広がることを防止でき、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

本発明の第１１の形態の超音波流量計は、第１０の形態の超音波流量計において、可燃性被測定流体よりも熱伝導率の高い材料からなる網目状構造体を設ける。

本発明の第１２の形態の超音波流量計は、第１０の形態の超音波流量計において、金属からなる網目状構造体を設ける。

本発明の第１３の形態の超音波流量計は、圧電体を内包するケースの外側に整合層を設けたため、超音波振動子の感度を向上でき、高精度な超音波流量計を得ることができる。

本発明の第１４の形態の超音波流量計は、第１３の形態の超音波流量計において、圧電体を内包するケースならびに前記ケースの外側に設けた整合層の側壁に剥離防止体を設けたため、整合層の剥離防止ができ、信頼性の高い超音波流量計を得ることができる。

本発明の第１５の形態の超音波流量計は、第１３の形態の超音波流量計において、整合層表面ならびに前記整合層とケースとの接続部の周囲に保護膜を設けたため、可燃性被測定流体による整合層の劣化が防止でき、信頼性の高い超音波流量計を得ることができる。

本発明の第１６の形態の超音波流量計は、第１３の形態の超音波流量計において、整合層の側壁全体を覆うよう配置した振動規制体を設けたため、整合層の不要な振動モードを低減し超音波振動子の感度が向上できるので、高精度な超音波流量計を得ることができる。

以下、本発明の実施例及び参考例について図面を用いて説明する。なお図面中で同一符号を付しているものは同一なものであり、詳細な説明は省略する。

（実施例１）
図１は本発明の実施例１の超音波流量計の構成図である。また図２は図１の流路１の断面（ａ−ａ’）を横から見た断面図である。図１において、１は流量測定部の断面で、２は流路、３、４は流路２の側壁部、５、６は側壁部３、４に設けた振動子取付穴７、８に取り付けられた超音波振動子で、９、１０は超音波振動子５、６と振動子取付穴７、８の間のシール材、１１は超音波振動子５、６に接続された計測回路、１２は計測回路１１に接続された流量演算手段、３４、３５は超音波振動子５、６と側壁部３、４に電気的に接続する導通手段である。図２において１３は流路２の下部で、１４はシール材１６を介して側壁部３、４に接続された上板部で、１５は流路２の矩形形状の断面である。

以上のように構成された超音波流量計の流量測定部の作製方法の一例について図１、図２を用いて説明する。流量測定部１を構成する材料には可燃性被測定流体に対して化学変化を生じず、導電性を有す材料を用いる。本実施例では可燃性被測定流体を例えばＬＰガス、超音波流量計として家庭用ガスメータを想定すると、流量測定部１を構成する材料は（財）日本エルピーガス機器検査協会や（財）日本ガス機器検査協会の検査規程に記載された材料のうち、例えばアルミニウム合金ダイカストとした。側壁部３、４の端面に例えばコルク材からなるシール材１６を介して上板部１０をネジどめして、断面形状が矩形の流路２を有す流量測定部１を構成する。また超音波振動子５、６は送受波面が相対するよう側壁部３、４に斜めに設けられた振動子取付穴７、８に例えばＯリングからなるシール材９、１０を介して固定する。最後にＬＰガスに接触しない位置で超音波振動子５、６と流量測定部１を電気的に接続するため例えばリード線からなる導通手段３４、３５を超音波振動子５、６と側壁部３、４にそれぞれ例えば導電性ペーストで接着する。

以上のように構成された流量測定部１を用いた超音波流量計についてその動作を説明する。超音波振動子５と超音波振動子６の中心を結ぶ距離をＬとし、この直線と流れの方向である流路２の長手方向となす角をθとする。またＬＰガスの無風状態での音速をＣ、流路２内でのＬＰガスの流速をＶとする。流量測定部１の上流側に配置された超音波振動子５から送信された超音波は流路２を斜めに横断し、下流側に配置された超音波振動子６で受信する。

このときの伝搬時間ｔ１は、

で示される。次に送信・受信する超音波振動子を切り替え、超音波振動子６から超音波を送信し、超音波振動子５で受信する。このときの伝搬時間ｔ２は、

で示される。ｔ１とｔ２の式からＬＰガスの音速Ｃを消去すると、

の式が得られる。Ｌとθが既知ならば、計測回路１１にてｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。この流速Ｖから流量Ｑは、断面１５の面積をＳ、補正係数をＫとすれば、流量演算回路１２で、
Ｑ＝ＫＳＶ
を演算し、流量を求めることができる。

以上のような動作原理で流量計測を行う超音波流量計に用いる超音波振動子について図３、図４を用いて説明する。図３は超音波振動子の断面図で、図４は超音波振動子に用いる圧電体の外観図である。

ＬＰガスのような可燃性ガスは音響インピーダンスが小さく、配管の外に配置した超音波振動子から超音波を伝搬させることは困難である。そこで超音波振動子はＬＰガスに接触しながら計測する必要がある。さらに家庭用ガスメータでは、電池電圧程度で超音波振動子を駆動し、かつ計量器に求められる性能を有す必要がある。以上のことから超音波振動子には火炎発生防止と高感度化が求められる。

そこで上記の特性を満足する超音波振動子の作成方法の一例を簡単に説明する。まず超音波振動子１７に用いる圧電体１８はケース１９に接着固定してケース１９を圧電体１８のグランドと共用を図るため、広がり振動を主モードとする圧電体では横方向に広がりにくくなり高感度化が困難であるので、厚み縦振動を主モードとする圧電体を選択する。

例えば計測精度から周波数を約４００ｋＨｚ、流路２の寸法から圧電体１８の横２８、縦２９を８ｍｍと設定する。周波数から圧電体１８の厚み３０は４ｍｍとなるが、このような直方体の圧電体１８は４００ｋＨｚ近傍では厚み縦振動と広がり振動が混在するため、超音波を効率良く送受信できない。そこで厚み縦振動が主モードとするため、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３に対する厚みの比が好ましくは０．８以下となるように圧電体１８に溝３１を２本設ける。溝の深さは、好ましくは厚みの９０％以上程度とする。しかし溝の本数や深さ、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３のそれぞれの寸法は超音波振動子１７の特性と圧電体１８の構造的強度から判断する。

次に圧電体１８を導電性を有す例えば有天円筒状の厚み０．２ｍｍのステンレス製ケース１９の内側に絶縁性のエポキシ系接着剤を用いて加圧しながら接着する。このとき接着層の厚みは圧電体１８の電極Ａの表面粗さにもよるが、１０マイクロメータ以下、好ましくは５マイクロメータ以下の厚みとすると、圧電体１８の電極Ａ２０の１個以上の凸部がケース１９に直接接触するため電気的導通も可能となる。

それからケース１９の外側の超音波放射には例えばエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる円板形状の整合層２１をエポキシ系接着剤で接着する。ケース１９のフランジ部２２に例えば厚み０．５ｍｍの円板形状のステンレス製端子板２３は圧電体１８とケース１９の接着と同様に絶縁性のエポキシ系接着剤で加圧しながら接着し、密封と同時にケース１９と端子板２３の電気的導通を可能とする。圧電体１８の電極Ｂ２５と端子板２３に絶縁層３３を介して固定された端子Ｂ２７はリード線２５をハンダ付けする。またケース１９と端子板２３で作られた密封空間２８には例えば窒素のような不活性ガスを充填する。

ここで何らかの理由により、例えば雷により生じた高電圧が端子Ａ２４、端子Ｂ２７と計測回路１１を接続する図示していないリード線を通じて圧電体１８に印加されたり、あるいは圧電体１８に電荷が蓄積された場合を考える。圧電体１８の電極Ａ２０と電極Ｂ２５の間に高電圧がかけられたり、非常にたくさんの電荷が蓄積されると電極Ａ２０と電極Ｂ２５の間や電極Ｂ２５とケース１９の間で放電が起こることがある。放電が起こっても圧電体１８はケース１９により密封されていて、空間２８にはＬＰガスが浸入できない構造となっているためＬＰガスに引火することは無い。さらに流量測定部１に配置された超音波振動子５、６と側壁部３、４はそれぞれ導通手段３４、３５で電気的に接続されているため同電位となっている。このためＬＰガスに接触している超音波振動子５、６と振動子取付穴７、８の間での放電が起こることも防止できる。

以上のように、本実施例によれば直方体の圧電体１８に２本の溝を設けることにより厚み縦振動を利用することが可能となる。また圧電体１８とケース１９、ケース１９と端子板２３を厚み１０マイクロメータ以下、好ましくは５マイクロメータ以下の絶縁性のエポキシ樹脂系接着層で接着固定することにより、接着強度と同時に導通も取ることができる。また圧電体１８の溝により分割された電極Ａ２０をケース１９に接着固定することにより、分割電極の接続が容易となるし、分割された圧電体１８が横方向へたわむような振動をすることを防止できる。

なお実施例１では、流量測定部１と超音波振動子５、６を電気的に接続するとしたが、流量測定部１と超音波振動子５、６と計測回路１１とを電気的に接続しても良いし、流量測定部１あるいは超音波振動子５、６のケース１９が絶縁体であれば同電位にする必要はない。

（参考例１）
以下、本発明の参考例１について、図面を参照しながら説明する。

図５は本発明の参考例１における超音波流量計の流量測定部１の超音波振動子取付部分の断面図である。図５における２、３、４、７は流量測定部１の流路、側壁部、振動子取付穴で、以上は図２の構成と同様なものである。図２の構成と異なるのは、振動子取付穴７うち可燃性被測定流体に接触する全ての内壁面に絶縁層３６を設けた点と、超音波振動子５のフランジ部３７を挟み込む形状のシール材３８を設けた点と、シール材３８を介して超音波振動子５を振動子固定部品３９で固定した点である。

上記のように構成された超音波流量計の流量測定部１の作成方法、動作原理は実施例１と同様になるため省略する。

超音波流量計の流量計測部１への超音波振動子５の取り付け方法の一例について簡単に説明する。流量測定部１の振動子取付穴７のうち少なくともＬＰガスのような可燃性被測定流体に接触する内壁面に例えば絶縁体である厚み０．１ｍｍの厚みのポリミドからなる絶縁層３６を設ける。超音波振動子５のフランジ部３７の外周に例えばＬＰガスに耐性を有すＮＢＲゴムからなる円筒状のシール材３８をはめ込む。シール材３８をはめ込んだ超音波振動子５を振動子取付穴７に挿入する。フランジ部３７の後方に例えばリング形状のテフロン（登録商標）からなる絶縁体でできた振動子固定部品３９を配置し、図示していない例えばネジで超音波振動子５を固定する。

例えばＬＰガスのような可燃性気体に接触しながら流量を計測する家庭用ガスメータでは、安全面からは低い電圧で駆動することが望ましいが、測定精度からすると高い電圧で駆動し受信信号レベルを高めることが望ましい。そこで電池電圧をプラス方向とマイナス方向に変えながら駆動する双方向駆動（バイポーラ駆動）を考える。双方向駆動するためには超音波振動子５に接続された図示されていない回路とアースとなっている流量計測部１は電気的に独立している必要がある。

しかし上記のような構成では例えば急激な熱変動により超音波振動子５内部に電荷が蓄積され、超音波振動子５と流量測定部１との間に電位差が生じると、この電位差が高ければ超音波振動子５のケース側壁４０、フランジ部３７と流量測定部１の側壁部３の間で最も距離の短いところで放電を起こす可能性がある。放電が振動子取付穴７内部で起こり、さらに酸素が十分存在すると、ＬＰガスに引火する可能性がある。

本参考例の構成ではフランジ部３７を絶縁性のあるシール材３８で覆い、振動子取付穴７の内壁面に絶縁層３６を設けることにより、超音波振動子５と振動子取付穴７のＬＰガスに接触した部位での放電が防止できる。

なお参考例１では、絶縁層３６を振動子取付穴７のうち少なくとも超音波振動子５を固定した後ＬＰガスのような可燃性被測定流体に接触する内壁面に設けるとしたが、放電防止が可能なら上記範囲より狭くても、広くても構わない。また絶縁層３６を振動子取付穴７の内壁面に設けるとしたが、超音波振動子５のケース側壁４０やケース側壁４０と振動子取付穴７の隙間に設けても構わないし、複数の絶縁層を設けても構わない。

（参考例２）
以下、本発明の参考例２について、図面を参照しながら説明する。

図６は本発明の参考例２における超音波流量計の流量測定部１の超音波振動子取付部分の断面図である。図６において、３、７は流量測定部１の側壁部、振動子取付穴、３７、４１は超音波振動子５のフランジ部、リード線、３８はシール材、３９は振動子取付部品で、以上は図５の構成と同様なものである。図５の構成と異なるのは、側壁部３にフランジ部３７近傍までのびる例えばステンレス製の針状の突起部を設けた点と振動子取付穴７の内壁面に絶縁層を設けなかった点である。

ここで電極部４２の先端とフランジ部３７の距離が超音波振動子５と流量測定部１の間で最も近く、かつ放電可能な距離となるよう電極部４２を側壁部３に設ける。このような位置関係では、電極部４２の先端とフランジ部３７の間で放電が発生じるが、ＬＰガスが存在しない位置での放電のため、ＬＰガスへの引火が防止できる。

なお参考例２では、ステンレス製の針状の電極部４２を側壁部３に設けるとしたが、上記条件に限定されるわけでなく、材料、形状を適宜変えて構成することができ、例えば金メッキしたステンレスでも構わないし、可燃性被測定流体に接触しない位置で放電が可能ならどのような構成でも構わない。また振動子取付部品３９は参考例１と同様に絶縁体としたが、導体とし電極部４２のかわりに利用してもよい。

（参考例３）
以下、本発明の参考例３について、図面を参照しながら説明する。

図７は本発明の参考例３における超音波流量計の流量測定部１の超音波振動子取付部分の断面図である。図７において、３、７は流量測定部１の側壁部、振動子取付穴、３７、４１は超音波振動子５のフランジ部、リード線、３８はシール材、３９は振動子取付部品で、以上は図５の構成と同様なものである。図５の構成と異なるのは、側壁部３とフランジ部３７を電気的に接続する高抵抗体４３を設けた点と振動子取付穴７の内壁面に絶縁層を設けなかった点である。

そこで超音波振動子５と流量測定部１を高抵抗体４３で接続することを考える。高抵抗体４３は例えば抵抗が１ＭΩ程度となるようシリコンゴムに少量のカーボンを混合した材料を選択する。超音波振動子５を駆動する電池電圧程度では数マイクロアンペアしか電流が流れないので、双方向駆動にはほとんど影響を与えない。超音波振動子５と流量測定部１との間に生じた電位差が高い場合、超音波振動子５と流量測定部１との間の放電発生条件よりも高抵抗体４３を通じて流量測定部１に電流を流れ易くしておけば、放電は発生しない。さらに高抵抗体４３の両端に高電圧かかるため、超音波振動子５に接続された図示されていない回路にかかる電圧が下げられ、高電圧による回路の故障も避けられる。

なお参考例３では、また高抵抗体４３を抵抗が１ＭΩ程度となるようシリコンゴムに少量のカーボンを混合した材料としたが、上記条件に限定されるわけでなく、抵抗値、材料、形状を適宜変えて構成することができ、例えば超音波流量計に要求される必要絶縁耐圧に応じ１ＭΩ〜１００ＭΩの抵抗値となるよう絶縁材料に導電材料を混合したゴム系材料や塗布可能な材料でも構わない。また側壁部３とフランジ部３７を電気的に接続するために高抵抗体４３を設けたが、シール材３８や振動子取付部品３９を高抵抗体４３として用いても構わない。

（参考例４）
以下、本発明の参考例４について、図面を参照しながら説明する。

図８は本発明の参考例４における超音波流量計の流量測定部１の超音波振動子取付部分の断面図である。図８において、３、７は流量測定部１の側壁部、振動子取付穴、３７、４１は超音波振動子５のフランジ部、リード線、３８はシール材、３９は振動子取付部品で、以上は図５の構成と同様なものである。図５の構成と異なるのは、振動子取付穴７の流路２に接した面の全体を覆う例えばメッシュサイズ５００番のステンレス製メッシュからなる網目状構造体４４を設けた点と振動子取付穴７の内壁面に絶縁層を設けなかった点である。

さまざまな放電防止対策を行っても、何らかの理由で放電防止対策が働かず放電してしまう最悪のケースも考えられる。そこで何らかの理由により振動子取付穴７の内部で放電が発生した場合を考える。振動子取付穴７の内部で放電により発生した熱は、流路２を流れるＬＰガスに広がろうとする。このとき振動子取付穴７に設けた網目構造体４４に熱が到達すると、メッシュサイズが５００番と小さいうえ、ステンレスの方がＬＰガスより熱伝導度が高いため、熱は流路２に広がらず、網目構造体４４を伝わり側壁部３に伝導してしまう。この結果、熱が流路２に広がることを防止でき、ＬＰガスへの引火の危険を防止できる。また網目構造体にはメッシュ穴が多数存在するため、超音波の伝搬が可能であるため、流量の計測への影響は少ない。

なお参考例４では、網目状構造体４４を振動子取付穴７の流路２に接した面の全体を覆うよう設けるとしたが、振動子取付穴７の超音波振動子５と流路２の間でも構わないし、１枚以上ならば何枚でも構わない。また網目状構造体４４をメッシュサイズ５００番のステンレス製メッシュとしたが、上記条件に限定されるわけでなく、熱の広がり防止が可能で超音波の伝搬も可能な構成ならなんでも構わず、例えばメッシュサイズが１００〜５００番程度の金属やセラミックのメッシュで良く、小さい穴の開いた金属板や樹脂板でも構わない。また本参考例では放電対策を行っていないが、実施例１、参考例１〜３に示した放電対策と組み合わせて実施しても良い。

（実施例２）
以下、本発明の実施例２について、図面を参照しながら説明する。

図９は本発明の実施例２における超音波流量計に用いる超音波振動子の外観図、図１０は超音波振動子の断面図である。図９、図１０において、１８は圧電体、２２はケース１９のフランジ部、２１は整合層、２３は端子板で、以上は図３の構成と同様なものである。図３の構成と異なるのは、ケース１９の側壁部４６と整合層２１の側壁を覆うように剥離防止体４５を設けた点、整合層２１とケース１９の天上部４７の間に接着層を設けた点である。

上記のように構成された超音波振動子の作成方法は実施例１と同様になるため省略する。

例えば可燃性被測定流体をＬＰガスとすると、ＬＰガスのような可燃性ガスは音響インピーダンスが小さく、配管の外に配置した超音波振動子から超音波を伝搬させることは困難である。そこで超音波振動子はＬＰガスに接触しながら計測する必要が有る。さらに家庭用ガスメータを想定すると、電池電圧程度で超音波振動子を駆動し、かつ計量器に求められる性能を有す必要がある。以上のことから超音波振動子には放電によるガスへの引火の可能性をなくすることと高感度化が求められる。

上記の要求を満足するため、電圧が印加される圧電体１８は例えば厚み０．２ｍｍの有天円筒状のステンレス製ケース１９と端子板２３で密封し、放電によるガスへの引火の可能性をなくする構成とする。またＬＰガスのような気体に対して効率良く超音波の送受信するため、ケース１９の天井部１０の外側に例えばエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる円板形状の整合層２１をエポキシ樹脂系接着剤にて接着する。

しかしエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる整合層２１は微多孔質な材料であるため、ＬＰガスが整合層２１を透過して接着層４７が劣化したり、接着層４７の横からＬＰガスが接着層４７を劣化され、整合層２１が剥離する危険性がある。そこで整合層２１は天上部４８に密着していれば特性に影響を与えないので、接着層４７がＬＰガスにより劣化されても整合層２１が剥離しない手段を考える。まず、例えば整合層２１の側壁とケース１９の側壁部４６全体に例えば厚み１ｍｍ程度のエポキシ樹脂からなる剥離防止体４５を塗布する。さらに接着層４７に例えば弾力性と粘着性のあるエラストマ系エポキシ樹脂を用いる。このような構成を用いると、接着層４７の横からＬＰガスが接着層４７を劣化するのを防止できるし、整合層２１が剥離する方向に力がかかっても剥離防止体４５により剥離することが妨げられる。さらに接着層４８をエラストマ系エポキシ樹脂とすると、その弾力によりケース１９と整合層２１の熱膨張係数の違いによって発生する剥離する方向の力をある程度吸収できるので、剥離に対して強くなる。

なお実施例２では、剥離防止体４７を厚み１ｍｍのエポキシ樹脂とし整合層２１の側壁と側壁部４６全体に設けたが、上記条件に限定されるわけでなく、厚み、材料、設ける範囲は適宜変えて構成することができ、例えば金属や樹脂製のパイプを接着固定してもよい。また接着層４７をエラストマ系エポキシ樹脂としたが、上記条件に限定されるわけでなく、適宜変えて構成することができ、例えばエポキシ樹脂系接着剤でも構わない。また剥離防止体４７を絶縁体とし、参考例１の超音波振動子５に設けた絶縁層３６として用いてもよい。

（参考例５）
以下、本発明の参考例５について、図面を参照しながら説明する。

図１１は本発明の参考例５における超音波振動子の断面図である。図１１において、４６はケース１９の側壁部、２１は整合層で、以上は図１０の構成と同様なものである。図１０の構成と異なるのは、ケース１９の側壁部４６と整合層２１の全ての表面を覆うように保護膜４９を設けた点である。

上記のように構成された超音波振動子の作成方法は実施例２と同様になるため省略する。

例えば可燃性被測定流体をＬＰガスとすると、整合層２１は例えばエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる微多孔性の材料が選択される。家庭用ガスメータを想定すると、１０年間ＬＰガスにさらすことから、材料の劣化が心配される。整合層２１は超音波振動子１７の特性を決める重要な部品で、整合層２１の劣化は超音波流量計の性能にも影響を与える。そこで、整合層２１の材料劣化を防止するため、整合層２１と側壁部４６の全表面に、例えば厚み０．１ｍｍのエポキシ樹脂からなる保護膜４９を塗布する。ただし整合層２１の超音波放射面５０に設けられた保護膜４９は、超音波振動子１７の送受信特性からみれば無いほうがいいので、材料、厚み等は被測定流体の材料、使用する超音波の周波数から適した材料と厚みを選択しなければならない。このような構成を用いると、整合層２１の材料劣化の防止になるうえ、接着層４７の横からＬＰガスが接着層４７を劣化するのを防止できるし、整合層２１が剥離する方向に力がかかっても剥離防止体４５により剥離することは防止できる。

なお参考例５では、また保護膜４９を厚み０．１ｍｍのエポキシ樹脂とし整合層２１と側壁部４６の全面に設けたが、上記条件に限定されるわけでなく、厚み、材料、設ける範囲は適宜変えて構成することがで、例えば金属メッキや蒸着、パリレンコーティング、ポリミドコーティングでも構わない。また保護膜４９の厚みを均一としたが、整合層２１の超音波放射面５０に設ける厚みよりも側壁部４９の厚みを厚くしても良いし、実施例２の構成と組み合わせて実施しても良いことはいうまでもない。また保護膜４９を絶縁体とし、参考例１の超音波振動子５に設けた絶縁層３６として用いてもよい。

（参考例６）
以下、本発明の参考例６について、図面を参照しながら説明する。

図１２は本発明の参考例６における超音波振動子の断面図である。図１２において、４６はケース１９の側壁部、２１は整合層で、以上は図１０の構成と同様なものである。図１０の構成と異なるのは、整合層２１の直径より小さい穴の空いたキャップ状の振動規制体５１を設けた点である。

上記のように構成された超音波振動子の作成方法は実施例２と同様になるため省略する。

整合層２１には例えばエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる微多孔性の材料が選択し、整合層２１はケース１９の外側に設けた構成の超音波振動子１７を駆動すると、整合層２１は厚み方向に振動する以外に横方向にも広がり振動する。しかし整合層２１の底面はケース１９に接着固定されているため、超音波放射面５１側だけ横方向に広がる振動モードが生じる。このため、圧電体１８で発生させた振動を効率良くＬＰガスに伝搬できなくなり、送受信感度が劣化する。

そこで、整合層２１の側壁とケース１９の側壁部４６を覆うように、例えば厚み０．５ｍｍのステンレス製で整合層２１の直径より小さい穴の空いたキャップ状の振動規制体５１を被せ、隙間にエポキシ系接着剤を注入して固定する。このような構成を用いると、整合層２１の超音波放射面５０が横方向に振動しにくくなるため、整合層２１の不要な振動モード発生を防止できる。さらに接着層４７の横からＬＰガスが接着層４７を劣化するのを防止でき、整合層２１が剥離する方向に力がかかっても振動規制体５１により剥離することも防止できる。

なお参考例６では、また振動規制体５１を整合層２１の直径より小さい穴の空いた厚み０．５ｍｍのステンレス製としたが、上記条件に限定されるわけでなく、厚み、材料、形状は適宜変えて構成することができ、例えば整合層２１の側壁のみに接続された金属製や樹脂製のパイプを接続しても良いし、爪のような突起部を有す形状でも構わない。また振動規制体５１を絶縁体とし、参考例１の超音波振動子５に設けた絶縁層３６として用いてもよい。

なお、実施例１，２、参考例１〜６では、超音波振動子１７に用いる圧電体を圧電セラミック、使用する振動モードを厚み縦振動、周波数を４００ｋＨｚ、形状を縦８ｍｍ、横８ｍｍ、厚み４ｍｍの直方体、溝を２本設けるとしたが、上記条件に限定されるわけでなく、材料、振動モード、周波数、形状、寸法、溝の本数を適宜変えて構成することができ、例えば薄い円板の厚み振動、円柱の厚み縦振動、円板の広がり振動でも構わない。また流量測定部１の材料をアルミニウム合金ダイカストとしたが、上記条件に限定されるわけでなく、材料を適宜変えて構成することができ、（財）日本エルピーガス機器検査協会や（財）日本ガス機器検査協会の検査規程で認定されている材料なら構わない。また流路２を矩形、超音波振動子５、６を流路２に対し斜めに配置したが、上記条件に限定されるわけでなく、流路形状、超音波振動子の配置を適宜変えて構成することができ、流路形状は円筒形でも構わないし、超音波振動子を流れに対して平行に配置しても構わない。またシール材９、１０をＯリング、シール材３８をフランジ部３７を挟み込む円筒状のＮＢＲゴムとしたが、上記条件に限定されるわけでなく、可燃性被測定流体をシールできるのであれば材料、形状を適宜変えて構成することができる。

また可燃性被測定流体をＬＰガスとしたが、ＬＰガス以外の天然ガス、液化天然ガス、石油、灯油等の気体、液体でも構わない。また超音波流量計として家庭用ガスメータを想定したが、それ以外の超音波流量計あるいは超音波流速計でも構わず、給湯器のガスの流量制御用流速計でも構わない。またケース１９を有天円筒状のステンレス、端子板２３をステンレスとしたが、上記条件に限定されるわけでなく、形状、材料は適宜変えて構成することができ、例えばマイコンメータ検査規程で認定されている材料なら構わない。また整合層２１はエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる円板形状の材料を１層のみ用いたが、被測定流体に適した形状の材料を１層以上、あるいは被測定流体によっては設ける必要がない場合もある。また空間２８には窒素のような不活性ガスを充填するとしたが、他の気体、液体、固体を充填しても構わず、例えばシリコンオイル、エポキシ樹脂、微小ガラス球や微小樹脂球とエポキシ樹脂の混合体でも構わない。超音波振動子の駆動電圧を電池電圧程度としたが、それ以上の電圧あるいはそれ以下の電圧で駆動しても構わない。また振動子取付部品３９をリング形状のテフロン（登録商標）としたが、上記条件に限定されるわけでなく、材料、形状を適宜変えて構成することができ、ステンレスなどの金属でも構わない。

また参考例１〜４では超音波振動子５についてのみ説明したが、超音波流量計に配置した他の超音波振動子についても必要に応じて同様の構成を取る必要があり、また複数の実施例の構成を組み合わせて実施しても良い。

以上の説明から明らかなように本実施の形態の超音波流量計によれば次の効果が得られる。

流量測定部を流れる可燃性被測定流体に接触しながら超音波を送受信する一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波伝搬時間を計測する計測回路と、この計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段を備え、前記超音波振動子を構成する圧電体は前記可燃性被測定流体から遮断するケースで内包されているので、超音波振動子内部での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

また第２の超音波流量計は、ケースが導電性を有す材料からなり、超音波振動子内部での火炎発生防止と、ケースによるシールド効果によりノイズの影響を低減できるので、安全性の高い、高精度な超音波流量計を得ることができる。

また第３の超音波流量計は、ケースが金属からなり、超音波振動子内部での火炎発生防止と、ケースによるシールド効果によりノイズの影響を低減できるので、安全性の高い、高精度な超音波流量計を得ることができる。

また第４の超音波流量計は、金属からなる流量測定部と導電性を有すケースとを同電位としたため、超音波振動子内部や流量測定部とケースの間での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることができるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

また第５の超音波流量計は、可燃性被測定流体に接触する金属からなる流量測定部の振動子取付穴の内壁面と導電性を有すケースとの間に絶縁層を設けたため、超音波振動子内部や、流量測定部とケースの間での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることができるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

また第６の超音波流量計は、可燃性被測定流体に接触する導電性を有すケースの少なくとも側壁に絶縁層を設けたため、超音波振動子内部や、流量測定部とケースの間での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることができるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

また第７の超音波流量計は、可燃性被測定流体に接触する金属からなる流量測定部の振動子取付穴の少なくとも内壁面に絶縁層を設けたため、超音波振動子内部や、流量測定部とケースの間での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることができるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

また第８の超音波流量計は、金属からなる流量測定部において可燃性被測定流体に非接触な位置でかつ導電性を有すケースの極近傍に突起部を設け、前記突起部と前記ケースにより放電可能としたため、超音波振動子内部や、可燃性被測定流体に接触する位置での流量測定部とケースの間での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることができるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

また第９の超音波流量計は、金属からなる流量測定部の可燃性被測定流体に非接触な位置でかつ高抵抗体を介して前記流量測定部と導電性を有すケースとを接触させたため、超音波振動子内部や、可燃性被測定流体に接触する位置での流量測定部とケースの間での放電によるガスへの引火をなくすることができるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

また第１０の超音波流量計は、流量測定部に設けた振動子取付穴の超音波振動子より可燃性被測定流体が流れる流路側に少なくとも１つ以上の網目状構造体を設けたため、振動子取付穴内部で放電により発生した熱が流路を流れる可燃性被測定流体に広がることを防止できるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

また第１１の超音波流量計は、可燃性被測定流体よりも熱伝導率の高い材料からなる網目状構造体を設けたため、振動子取付穴内部で放電により発生した熱が流路を流れる可燃性被測定流体に広がることを防止できるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

また第１２の超音波流量計は、金属からなる網目状構造体を設けたため、振動子取付穴内部で放電により発生した熱が流路を流れる可燃性被測定流体に広がることを防止できるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

また第１３の超音波流量計は、圧電体を内包するケースの外側に整合層を設けたため、超音波振動子内部や、振動子取付穴内部で放電により発生した熱が流路を流れる可燃性被測定流体に広がることを防止でき、超音波振動子の感度も向上させることができるので、安全性の高い、高精度な超音波流量計を得ることができる。

また第１４の超音波流量計は、圧電体を内包するケースならびに前記ケースの外側に設けた整合層の側壁に剥離防止体を設けたため、超音波振動子内部での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることと、超音波振動子の信頼性が向上できるので、安全性の高い、高精度で信頼性の高い超音波流量計を得ることができる。

また第１５の超音波流量計は、整合層表面ならびに前記整合層とケースとの接続部の周囲に保護膜を設けたため、超音波振動子内部での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることと、超音波振動子の信頼性が向上できるので、安全性の高い、高精度で信頼性の高い超音波流量計を得ることができる。

また第１６の超音波流量計は、整合層の側壁全体を覆うよう配置した振動規制体を設けたため、超音波振動子内部での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることと、整合層の不要な振動モードが低減でき超音波振動子の感度を向上させることができるので、安全性の高い、高精度な超音波流量計を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、超音波振動子の信頼性が向上できるので、高精度で信頼性の高い超音波流量計を得ることが可能となり、等の用途にも適用できる。

本発明の実施例１の超音波流量計の構成図 同流量計の断面ａ−ａ’線の横断面図 同流量計の超音波振動子の断面図 同流量計の超音波振動子に用いる圧電体の外観斜視図 本発明の参考例１における超音波流量計の流量測定部１の超音波振動子取付部分の断面図 本発明の参考例２における超音波流量計の流量測定部１の超音波振動子取付部分の断面図 本発明の参考例３における超音波流量計の流量測定部１の超音波振動子取付部分の断面図 本発明の参考例４における超音波流量計の流量測定部１の超音波振動子取付部分の断面図 本発明の実施例２における超音波流量計に用いる超音波振動子の外観図 同超音波振動子の断面図 本発明の参考例５における超音波振動子の断面図 本発明の参考例６における超音波振動子の断面図 従来の超音波流量計用超音波振動子の断面図 従来の超音波流量計の断面図

符号の説明

１ 流量測定部
５、６ 超音波振動子
１１ 計測回路
１２ 流量演算手段
１８ 圧電体
１９ ケース
２１ 整合層
３６ 絶縁層
４２ 突起部
４３ 高抵抗体
４４ 網目状構造体
４５ 剥離防止体
４９ 保護膜
５１ 振動規制体

Claims (3)

1. 可燃性被測定流体が流れる導電性を有する材料からなる流量測定部に取り付けられる超音波振動子であって、
   圧電体と、前記圧電体を内包し密封状態を形成する有天筒状の金属製ケース及び端子板と、前記ケースの外側に設けた整合層と、前記ケースと前記整合層との間に設けた接着層と、前記ケースの側壁部と前記整合層の側壁と前記接着層とを覆うように設けた剥離防止体とを備え、
   前記流量測定部と同電位になるように取り付けるとともに、前記接着層への前記可燃性被測定流体の侵入を防止する構成とした超音波振動子。
2. 接着層が弾力性のある請求項１記載の超音波振動子。
3. 請求項１または２の超音波振動子と、可燃性被測定流体が流れ超音波信号を送受信する一対の前記超音波振動子が設けられた流量測定部と、前記超音波振動子間の超音波伝搬時間を計測する計測回路と、この計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた超音波流量計。

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