(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体を流通させるフッ素系樹脂製の直円管と、該直円管の一方端に所定の流入角度で連通する流入管と、前記直円管の他方端に所定の流出角度で連通する流出管と、前記直円管の一方端および他方端にそれぞれ延在して相互に対向する一対の流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドと、該流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドにそれぞれ内在させて前記直円管の中心軸に沿って超音波ビームの送受信を交互に行うセラミック製の円板状圧電素子とを備え、前記円板状圧電素子から発生する超音波ビームが前記直円管の上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差から前記直円管内の流体速度を求め、該流体速度に直円管の断面積を乗じて直円管内を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計において、
前記セラミック製の円板状圧電素子が、前記直円管の中心軸に対して直交配置されているとともに前記直円管の一方端および他方端にそれぞれ形成された管路端封止領域に対面する音響インピーダンス整合層と前記円板状圧電素子に対面する振動吸収層との間に介在して積層され、
前記音響インピーダンス整合層の厚みが、前記円板状圧電素子の厚みより薄く設定されていることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記直円管に形成された管路端封止領域の厚みが、前記円板状圧電素子の厚みより厚く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記直円管の管路端封止領域に対して音響インピーダンス整合層を一体に密着させるグリセリン層が、前記直円管の管路端封止領域と音響インピーダンス整合層との間に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記流入管および流出管が、前記直円管の一方端と他方端とで同一の方向からコの字状に配置されて前記直円管と連通しているこことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記流入管および流出管が、前記直円管の一方端と他方端とで互い違いに配置されて前記直円管と連通していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子から発生する超音波ビームが測定導管の上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差から測定導管内の流体速度を求め、この流体速度に直円管の断面積を乗じて直円管内を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計に関するものであって、特に、半導体や液晶の製造工程におけるシリコンウエハの研磨・洗浄を行う装置や液晶製造装置などで用いられる様々な薬液、食品製造ラインやケミカル製造ラインにおける原料、貯蔵、混合プロセスで取り扱われる薬液などの液体を測定するための超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、時間差方式の超音波流量計として、流体が流通する流通路の一部に流体の流量を計測する計測流通路を含む流通路をなし、センサユニットを収容した樹脂からなる流量検出器本体と、計測流通路を挟んで互いに対向して配置された一対の超音波圧電素子とを備えた超音波流量検出器がある（例えば、特許文献１）。
【０００３】
そして、この超音波流量検出器における流量検出器本体のセンサユニットは、セラミックスからなる円板状の超音波圧電素子、その前面に配置された音響整合層、超音波圧電素子の側方及び後方を囲むハウジング、ゴム製のＯリング、及び、超音波圧電素子に接続されたフッ素樹脂被覆のリード線から構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−３８８６２号公報（特に、請求項１、図１参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の超音波流量検出器におけるセンサユニットは、音響整合層が超音波圧電素子の前面に配置されているが、超音波ビームが音響整合層を通過するときに音響振動が音響整合層に吸収されて信号強度が弱くなり、超音波送受信のＳ／Ｎ比が劣化して流量測定に支障を来すという問題があった。
【０００６】
また、計測流通路の両端屈曲部で流体が乱流渦を発生し、この乱流渦の動きによって超音波ビームの伝播に支障をきたすため、信号強度が弱い場合には、超音波送受信のＳ／Ｎ比がさらに劣化して測定精度に誤差が生じるという問題があった。
【０００７】
さらに、従来の超音波流量検出器では、超音波圧電素子の音響振動が減衰するまでに相当の時間を必要とし、超音波ビームの単位時間当たりの発生回数を増加させることができないため、超音波ビームの送受信が非効率的であり、高頻度の測定回数に基づく測定精度の向上が望めないという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、前述した従来技術の問題を解決するものであって、すなわち、本発明の目的は、高周波数の超音波ビームを効率よく安定的に送受信させて高頻度の測定回数に基づく優れた測定精度を発揮する超音波流量計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本請求項１に係る発明は、被測定流体を流通させるフッ素系樹脂製の直円管と、該直円管の一方端に所定の流入角度で連通する流入管と、前記直円管の他方端に所定の流出角度で連通する流出管と、前記直円管の一方端および他方端にそれぞれ延在して相互に対向する一対の流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドと、該流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドにそれぞれ内在させて前記直円管の中心軸に沿って超音波ビームの送受信を交互に行うセラミック製の円板状圧電素子とを備え、前記円板状圧電素子から発生する超音波ビームが前記直円管の上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差から前記直円管内の流体速度を求め、該流体速度に直円管の断面積を乗じて直円管内を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計において、前記セラミック製の円板状圧電素子が、前記直円管の中心軸に対して直交配置されているとともに前記直円管の一方端および他方端にそれぞれ形成された管路端封止領域に対面する音響インピーダンス整合層と前記円板状圧電素子に対面する振動吸収層との間に介在して積層され、前記音響インピーダンス整合層の厚みが、前記円板状圧電素子の厚みより薄く設定されていることにより、前述した課題を解決するものである。
【００１０】
本請求項２に係る発明は、請求項１に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記直円管に形成された管路端封止領域の厚みが、前記円板状圧電素子の厚みより厚く設定されていることにより、前述した課題を解決するものである。
【００１１】
本請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記直円管の管路端封止領域に対して音響インピーダンス整合層を一体に密着させるグリセリン層が、前記直円管の管路端封止領域と音響インピーダンス整合層との間に設けられていることにより、前述した課題を解決するものである。
【００１２】
本請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載された超音波流量計の構成に加えて、前記流入管および流出管が、前記直円管の一方端と他方端とで同一の方向からコの字状に配置されて前記直円管と連通していることにより、前述した課題を解決するものである。
【００１３】
本請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載された超音波流量計の構成に加えて、前記流入管および流出管が、前記直円管の一方端と他方端とで互い違いに配置されて前記直円管と連通していることにより、前述した課題を解決するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の超音波流量計は、被測定流体を流通させるフッ素系樹脂製の直円管と、この直円管の一方端に所定の流入角度で連通する流入管と、直円管の他方端に所定の流出角度で連通する流出管と、直円管の一方端および他方端にそれぞれ延在して相互に対向する一対の流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドと、これらの流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドにそれぞれ内在させて直円管の中心軸に沿って超音波ビームの送受信を交互に行うセラミック製の円板状圧電素子とを備えていることにより、円板状圧電素子から発生する超音波ビームが直円管の上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差から直円管内の流体速度を求め、この流体速度に直円管の断面積を乗じて直円管内を流れる流量を求めることができるばかりでなく、以下のような特有の効果を奏することができる。
【００１５】
すなわち、本請求項１に係る発明の超音波流量計によれば、セラミック製の円板状圧電素子が、直円管の中心軸に対して直交配置されているとともに直円管の一方端および他方端にそれぞれ形成された管路端封止領域に対面する音響インピーダンス整合層と円板状圧電素子に対面する振動吸収層との間に介在して積層されていることにより、音響インピーダンス整合層が円板状圧電素子と直円管の管路端封止領域との間に生じがちな音響インピーダンスの急変を段階的に緩和させるため、音響インピーダンス整合層が円板状圧電素子から発生する超音波ビームを直円管の管路端封止領域に向けて円滑に伝播させることができるとともに、振動吸収層が円板状圧電素子の音響振動を早期に減衰吸収するため、流入側測定ヘッドと流出側測定ヘッドとの相互間で超音波ビームの単位時間当たりの発生回数を大幅に増加させることができ、その結果、超音波ビームを効率よく安定的に送受信させるとともに測定回数の増加による測定平均値の精度を向上させることができる。
【００１６】
そして、音響インピーダンス整合層の厚みが、円板状圧電素子の厚みより薄く設定されていることにより、円板状圧電素子と音響インピーダンスが異なる直円管の管路端封止領域での乱反射が少なくなり波形が安定するため、超音波ビームの送受信を安定化させることができる。これに対して、音響インピーダンス整合層の厚みが円板状圧電素子の厚みより厚い場合には、超音波ビームが音響インピーダンス整合層を通過するときに音響振動が吸収されて信号強度が弱くなるため、超音波送受信のＳ／Ｎ比が著しく劣化して測定精度が悪化する。
【００１７】
本請求項２に係る発明の超音波流量計によれば、請求項１に係る発明が奏する効果に加えて、直円管に形成された管路端封止領域の厚みが、円板状圧電素子の厚みより厚く設定されていることにより、円板状圧電素子から一定の押圧力で押されている管路端封止領域の経時的な形態変形が抑制されて円板状圧電素子同士の相対的な配置関係が長期に亘って中心軸上で中心軸に垂直に維持され、円板状圧電素子同士が相互に平行に対面するように配置されるとともに、フッ素系樹脂の特性に起因して生じがちな管路端封止領域のフッ素系樹脂内への被測定流体の化学物質の湿潤が抑制されるため、管路端封止領域における超音波ビームの伝播を円滑に確保し、測定精度を長期に亘って維持することができる。これに対して、直円管に形成された管路端封止領域の厚みが円板状圧電素子の厚みより薄い場合には、円板状圧電素子から一定の押圧力で押されている管路端封止領域の経時的な形状変形を受け易くなるとともに、長期計量時にフッ素系樹脂の特性に起因して被測定流体の化学物質が管路端封止領域のフッ素系樹脂内に湿潤してくるため、管路端封止領域における超音波ビームの伝播に障害を来し、測定精度が悪化する。
【００１８】
本請求項３に係る発明の超音波流量計によれば、請求項１または請求項２に係る発明が奏する効果に加えて、直円管の管路端封止領域に対して音響インピーダンス整合層を一体に密着させるグリセリン層が、音響インピーダンス整合層と直円管の管路端封止領域との間に設けられていることにより、直円管の管路端封止領域と音響インピーダンス整合層のそれぞれの表面荒さに起因して生じがちな相互間の隙間が解消されるため、双方の密着度が向上して超音波ビームの送受信を効率アップさせることができる。
【００１９】
本請求項４に係る発明の超音波流量計によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに係る発明が奏する効果に加えて、流入管および流出管とが、直円管の一方端と他方端とで同一の方向からコの字状に配置されて前記直円管と連通していることにより、計量作業エリアにおいて直円管に対する流入管と流出管との取付スペースが最小化されるため、他の周辺機器との設置干渉も回避し易くなり、優れた操作性を発揮することができる。
【００２０】
本請求項５に係る発明の超音波流量計によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに係る発明が奏する効果に加えて、流入管および流出管が、直円管の一方端と他方端とで互い違いに配置されて前記直円管と連通していることにより、計量作業エリアにおいて如何なる設置形態であっても流入管と流出管のいずれか一方が上方に向けて配置され易くなり直円管内に滞留しがちな被測定流体の気泡を直円管の一方端と他方端のいずれか一方から脱気し易くなるため、流入側測定ヘッドと流出側測定ヘッドとの相互間で生じがちな気泡障害による超音波ビームを感度良く送受信させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施例である超音波流量計の概略を示す正面断面図。
【図２】図１の符号２で示す超音波流量計の流入側における要部拡大図。
【図３】（Ａ）（Ｂ）は音響インピーダンス整合層の厚みと円板状圧電素子の厚みとの大小関係を変えて比較したときの受信される超音波の波形を示す図。
【図４】（Ａ）（Ｂ）は振動吸収層の厚みと円板状圧電素子の厚みとの大小関係を変えて比較したときの受信される超音波の波形を示す図。
【図５】本発明の第２実施例である超音波流量計の概略を示す正面断面図。
【図６】本発明の第３実施例である超音波流量計の概略を示す正面断面図。
【図７】本発明の第４実施例である超音波流量計の概略を示す正面断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明は、被測定流体を流通させるフッ素系樹脂製の直円管と、この直円管の一方端に所定の流入角度で連通する流入管と、直円管の他方端に所定の流出角度で連通する流出管と、直円管の一方端および他方端にそれぞれ延在して相互に対向する一対の流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドと、これらの流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドにそれぞれ内在させて前記直円管の中心軸に沿って超音波ビームの送受信を交互に行うセラミック製の円板状圧電素子とを備え、円板状圧電素子から発生する超音波ビームが直円管の上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差から直円管内の流体速度を求め、この流体速度に直円管の断面積を乗じて直円管内を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計において、セラミック製の円板状圧電素子が直円管の中心軸に対して直交配置されているとともに直円管の一方端および他方端にそれぞれ形成された管路端封止領域に対面する音響インピーダンス整合層と前記円板状圧電素子に対面する振動吸収層との間に積層され、音響インピーダンス整合層の厚みが円板状圧電素子の厚みより薄く設定され、高周波数の超音波ビームを効率よく安定的に送受信させて高頻度の測定回数に基づく優れた測定精度を発揮するものであれば、その具体的な形態は、如何なるものであっても良い。
【００２３】
すなわち、本発明の超音波流量計における直円管と流入管と流出管との具体的な連通形態については、直円管の一方端および他方端にそれぞれ延在して相互に対向する一対の流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドを設けることができる連通形態であれば、如何なる連通形態であっても差し支えないが、たとえば、直円管の一方端に連通する流入管の所定の流入角度、直円管の他方端に連通する流出管の所定の流出角度については、直円管の一方端および他方端において過度の乱流渦が発生したり、流通障害が発生しなければ、３０°、４５°、９０°などで連通する如何なる角度であれば良く、また、直円管に対する流入管と流出管の配置レイアウトについても、流入管と流出管が、直円管の一方端と他方端とで同一の方向からコの字状に配置されているもの、あるいは、Ｚ字状のような互い違いに配置されているものの、いずれであっても良い。
【００２４】
本発明の超音波流量計で用いる直円管と流入管と流出管の具体的な材質については、耐薬品性、耐熱性、耐候性、透明性、電気的特性に優れたフッ素系樹脂であれば良いが、特に、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキル・ビニルエーテル共重合体）を用いた場合には、直円管の成形性に優れるばかりでなく、ＰＦＡ内の音速が被測定流体の音速よりも遅くなるため、超音波ビームが直円管などの管路に伝わってノイズ源となることを回避することができるので、好ましい。
【００２５】
本発明の超音波流量計で用いる音響インピーダンス整合層の具体的な材質については、円板状圧電素子と直円管の管路端封止領域との間に生じがちな音響インピーダンスの急変を段階的に緩和して超音波ビームを円滑に伝播させることができるものであれば良く、たとえば、円板状圧電素子と直円管のそれぞれの密度の中間程度の密度になるように、ガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させる際に小さな気泡を混入させて密度を調整したガラスエポキシ樹脂などがより好ましい。
【００２６】
また、本発明の超音波流量計で計測する被測定流体としては、たとえば、半導体や液晶の製造工程におけるシリコンウエハの研磨・洗浄を行う装置や液晶製造装置で用いられる様々な薬液、食品製造ラインやケミカル製造ラインにおける原料、貯蔵、混合プロセスで取り扱われる薬液などの液体である。
【実施例１】
【００２７】
以下に、本発明の第１実施例である超音波流量計１００について、図１乃至図４に基づいて説明する。
ここで、図１は、第１実施例である超音波流量計１００の概略を示す正面断面図であり、図２は、図１の符号２で示す超音波流量計１００の流入側における要部拡大図であり、図３（Ａ）は、音響インピーダンス整合層１４２の厚みｄ１が円板状圧電素子１４１の厚みｄ２より薄いときの円板状圧電素子１４１で受信される超音波の波形を示す図であり、図３（Ｂ）は、音響インピーダンス整合層１４２の厚みｄ１が円板状圧電素子１４１の厚みｄ２より厚いときの円板状圧電素子１４１で受信される超音波の波形を示す図であり、図４（Ａ）は、振動吸収層１４３の厚みｄ３が円板状圧電素子１４１の厚みｄ２より厚いときの円板状圧電素子１４１で受信される超音波の波形を示す図であり、図４（Ｂ）は、振動吸収層１４３の厚みｄ３が円板状圧電素子１４１の厚みｄ２より薄いときの円板状圧電素子１４１で受信される超音波の波形を示す図である。
【００２８】
本発明の第１実施例である超音波流量計１００は、図１に示すように、ＰＦＡからなるフッ素系樹脂製の直円管１１０と、ＰＦＡからなるフッ素系樹脂製の流入管１２０と、ＰＦＡからなる流出管１３０と、一対の流入側測定ヘッド１４０および流出側測定ヘッド１５０と、ピエゾ素子とも呼ばれるセラミック製の円板状圧電素子１４１とを備えている。
このうち、直円管１１０は、被測定流体の一例である液体を流通させるように設けられている。
また、流入管１２０は、直円管１１０の一方端１１１に所定の流入角度で連通するように配設されている。
同様に、流出管１３０は、直円管１１０の他方端１１２に所定の流出角度で連通するように配設されている。
【００２９】
本実施例では、流入管１２０は直円管１１０の一方端１１１に９０度で連通し、流出管１３０も流入管１２０と同じ側から直円管１１０の他方端１１２に９０度で連通し、直円管１１０と流入管１２０と流出管１３０とがコの字状に配置されている。
また、直円管１１０、流入管１２０および流出管１３０は、フッ素系樹脂のＰＦＡによって一体に成形されている。
一対の流入側測定ヘッド１４０および流出側測定ヘッド１５０は、直円管１１０の一方端１１１および他方端１１２にそれぞれ延在して相互に対向するように配設されている。
また、流入側測定ヘッド１４０および流出側測定ヘッド１５０も、直円管１１０、流入管１２０、流出管１３０と一体に成形され、成形性に優れたＰＦＡからなっている。
円板状圧電素子１４１は、流入側測定ヘッド１４０および流出側測定ヘッド１５０にそれぞれ内在されて直円管１１０の中心軸Ｃに沿って超音波ビームの送受信を交互に行うように設けられている。
【００３０】
そして、超音波流量計１００は、流入側測定ヘッド１４０および流出側測定ヘッド１５０と電気的に接続された図示しない変換器などの演算部によって、円板状圧電素子１４１から発生する超音波ビームが直円管１１０の上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差から直円管１１０内の液体速度を求め、この液体速度に直円管１１０の断面積を乗じて直円管１１０内を流れる被測定液体の流量を求めるように構成されている。
本実施例では、流入側測定ヘッド１４０の構成および流出側測定ヘッド１５０の構成は同様であるので、図２を用いて流入側測定ヘッド１４０の構成について説明することとし、流出側測定ヘッド１５０の構成の詳しい説明は省略する。
【００３１】
図２に示すように、流入側測定ヘッド１４０の内部には、セラミック製の円板状圧電素子１４１と、ガラスエポキシ樹脂製の音響インピーダンス整合層１４２と、シリコンゴム製の振動吸収層１４３と、グリセリン層１４４と、フッ素系樹脂製の円筒状保持部材１４６と、基板１４７と、ゴム製のＯリング１４８とが設けられ、流入側測定ヘッド１４０に形成した開口端部１４５に蓋部材１４９が螺着されている。
【００３２】
円板状圧電素子１４１は、直円管１１０の中心軸Ｃに対して直交配置され、送信側円板状圧電素子１４１として基板１４７から導線Ｌを介して送られた電気信号（電圧）によって反り共振周波数で振動して超音波ビームを送信する。他方、受信側円板状圧電素子１４１として送信側円板状圧電素子から送られた超音波ビームを受信して振動し、電気信号（電圧）を導線Ｌを介して基板１４７へ送るように構成されている。
【００３３】
音響インピーダンス整合層１４２は、直円管１１０の一方端１１１に形成された管路端封止領域１１１ａに対面し、管路端封止領域１１１ａと円板状圧電素子１４１との間に配設されている。
音響インピーダンス整合層１４２の音響インピーダンスは、管路端封止領域１１１ａの音響インピーダンスと円板状圧電素子１４１の音響インピーダンスとの間に設定されている。
【００３４】
要するに、円板状圧電素子１４１から発信された超音波ビームが管路端封止領域１１１ａによく透過するように、音響インピーダンス整合層１４２は、円板状圧電素子１４１の密度と管路端封止領域１１１ａの密度との中間の密度となるようにガラスに小さい気泡を混入させて密度調整した薄い層で、円板状圧電素子１４１と管路端封止領域１１１ａとの間の音響インピーダンスの急変を緩和している。
【００３５】
振動吸収層１４３は、円板状圧電素子１４１における音響インピーダンス整合層１４２側と反対側に配設されている。振動吸収層１４３は、粘弾性を有し、振動を早期に止めるために設けられている。また、振動吸収層１４３は、円板状圧電素子１４１を覆って空気や水分による円板状圧電素子１４１の劣化を防止する役割もある。
グリセリン層１４４は、管路端封止領域１１１ａと音響インピーダンス整合層１４２との間に塗られたグリセリンによって形成されている。
円筒状保持部材１４６は、内部に基板１４７を保持し、先端が円板状圧電素子１４１の周縁部１４１ａと当接している。
【００３６】
Ｏリング１４８は、円筒状保持部材１４６と蓋部材１４９との間に配設されている。Ｏリング１４８は、円板状圧電素子１４１に対する押圧力を所定の大きさに保つための緩衝材である。
蓋部材１４９は、Ｏリング１４８を押し続けるためにネジ構造を有している。
流入側測定ヘッド１４０に形成した開口端部１４５に対する蓋部材１４９の螺着によって、押圧力が調整されるように構成されている。
【００３７】
本実施例では、上述したように、セラミック製の円板状圧電素子１４１が、直円管１１０の中心軸Ｃに対して直交配置されているとともに直円管１１０の一方端１１１に形成された管路端封止領域１１１ａに対面するガラスエポキシ樹脂製の音響インピーダンス整合層１４２と円板状圧電素子１４１に対面するシリコンゴム製の振動吸収層１４３との間に介在して積層されている。
これにより、音響インピーダンス整合層１４２が、円板状圧電素子１４１と直円管１１０の管路端封止領域１１１ａとの間に生じがちな音響インピーダンスの急変を段階的に緩和させる。
また、振動吸収層１４３が、円板状圧電素子１４１の音響振動を早期に減衰吸収する。
【００３８】
さらに、音響インピーダンス整合層１４２の厚みｄ１（すなわち、厚み０．５ｍｍ）が、円板状圧電素子１４１の厚みｄ２（すなわち、厚み１ｍｍ）より薄く設定されている。
これにより、図３（Ａ）に示すように、円板状圧電素子１４１と音響インピーダンスが異なる直円管１１０の管路端封止領域１１１ａでの乱反射が少なくなり円板状圧電素子１４１で受信したときの波形がきれいな紡錘形で安定する。
要するに、信号強度が充分な強さとなり、超音波送受信のＳ／Ｎ比が充分な高さとなり、測定精度を向上させることができるので、被測定液体の流路上において乱流渦が生じるタイプの超音波流量計１００である場合に、特に有効である。
【００３９】
ここで、図３（Ａ）の横軸は、送信側の円板状圧電素子１４１が超音波ビームを発信したときを０とした時間を示し、縦軸は、受信側の円板状圧電素子１４１が超音波ビームを受信したことによって生じる電気信号（電圧）の大きさを示す。
また、「きれいな紡錘形」の波形とは、図３（Ａ）に示す波形のように、振動の振幅が単調に増加してピークに達し、その後、単調に減衰し、振幅の変化を示す線（図示せず）が紡錘形となる波形をいう。
【００４０】
振幅の変化は、出来るだけ早く増加し、出来るだけ早く減衰することが望ましい。
この理由は、受信側の円板状圧電素子１４１が超音波ビームを受信したときの波形が「きれいな紡錘形」になることにより、波形のピーク時の時間や電圧が所定以上となっている時間帯の中心となる時間などに基づいて、送信側の円板状圧電素子１４１が超音波ビームを発信してから受信側の円板状圧電素子１４１が超音波ビームを受信したその瞬間までの時間を精度よく測定することができ、その結果、流量測定の精度を向上させることができるからである。
【００４１】
これに対して、参考までに、音響インピーダンス整合層１４２の厚みｄ１が、円板状圧電素子１４１の厚みｄ２より厚い場合には、図３（Ｂ）に示すように、超音波ビームが音響インピーダンス整合層１４２を通過するときに音響振動がほとんど吸収されて信号強度が弱くなり、振動の振幅が単調に増加・減衰せずピークがどこにあるのかがはっきりしない乱れた波形となる。
そのため、超音波送受信のＳ／Ｎ比が著しく劣化して流量測定精度が悪化する。
【００４２】
また、本実施例では、振動吸収層１４３の厚みｄ３（すなわち、厚み４ｍｍ）が、円板状圧電素子１４１の厚みｄ２（すなわち、厚み１ｍｍ）より厚く設定されている。
これにより、図４（Ａ）に示すように、音響振動が早期に収束して次の超音波を発信することが可能になる。
【００４３】
これに対して、参考までに、振動吸収層１４３の厚みｄ３が円板状圧電素子１４１の厚みｄ２より薄い場合には、図４（Ｂ）に示すように、振動吸収層１４３による振動吸収が不十分であり音響振動が早期に収束せず次の超音波を発信することができない。
そのため、超音波ビームの単位時間当たりの発生回数に伴う測定回数が少なくなり、応答および測定平均値の精度が悪化する。
【００４４】
図２に戻ってさらなる技術的特徴について説明する。
本実施例では、直円管１１０に形成された管路端封止領域１１１ａの厚みｄ４（すなわち、厚み３ｍｍ）が、円板状圧電素子１４１の厚みｄ２（すなわち、厚み１ｍｍ）より厚く設定されている。
これにより、管路端封止領域１１１ａの経時的な形態変形が抑制されて円板状圧電素子１４１、１４１同士の相対的な配置関係が長期に亘って中心軸上で中心軸に垂直に維持され、円板状圧電素子同士１４１、１４１が相互に平行に対面するように配置されるとともに、フッ素系樹脂の特性に起因して生じがちな管路端封止領域１１１ａのフッ素系樹脂内への液体の化学物質の湿潤が抑制される。
【００４５】
これに対して、参考までに、直円管１１０に形成された管路端封止領域１１１ａの厚みｄ４が円板状圧電素子１４１の厚みｄ２より薄い場合には、円板状圧電素子１４１から一定の押圧で押されている管路端封止領域１１１ａが経時的に形態変形を受け易くなり、円板状圧電素子同士の平行度が崩れてくるとともに、長期計量時にフッ素系樹脂の特性に起因して液体の化学物質が管路端封止領域１１１ａのフッ素系樹脂内に湿潤してくる。
このため、管路端封止領域１１１ａにおける超音波ビームの伝播に障害を来し、測定精度が悪化する。
【００４６】
本実施例では、上述したように、グリセリン層１４４が、音響インピーダンス整合層１４２と直円管１１０の管路端封止領域１１１ａとの間に設けられている。
そして、グリセリン層１４４が、直円管１１０の管路端封止領域１１１ａに対して音響インピーダンス整合層１４２を一体に密着させている。
これにより、直円管１１０の管路端封止領域１１１ａと音響インピーダンス整合層１４２のそれぞれの表面荒さに起因して生じがちな相互間の隙間が解消される。
【００４７】
また、本実施例では、直円管１１０の管内径ｒ１および円板状圧電素子１４１の円径ｒ２が、ほぼ同一に設定されている。
ここで、「ほぼ同一」とは、両者の差が２ｍｍ未満の程度をいう。
これにより、円板状圧電素子１４１から発生する超音波ビームが直円管１１０内で乱反射することなく充分に振幅されて、超音波ビームの送受信が交互に行なわれる。
【００４８】
円筒状保持部材１４６が、流入側測定ヘッド１４０および流出側測定ヘッド１５０内に設けられ、円板状圧電素子１４１の周縁部１４１ａを保持するように周縁部１４１ａのみと当接している。
これにより、円板状圧電素子１４１の振動に支障を来すこと無く円板状圧電素子１４１が、音響インピーダンス整合層１４２に対して確実に位置決めされる。
さらに、円筒状保持部材１４６が、音響空洞部Ｓを備えている。
これにより、円板状圧電素子１４１の音響振動が、許容されて増幅する。
すなわち、円板状圧電素子１４１の中央部が振動するように、円筒状保持部材１４６が、円板状圧電素子１４１の周縁部１４１ａだけを押圧している。
【００４９】
蓋部材１４９が、流入側測定ヘッド１４０の開口端部１４５に螺着されている。
これにより、円板状圧電素子１４１に向けて円筒状保持部材１４６が弾力的に押圧されて確実に保持される。
さらに、円板状圧電素子１４１に生じがちな内部応力が、螺着度合いに応じて弾力的に吸収される。
なお、本実施例では、蓋部材１４９が、弾性変形するＯリング１４８を介して円筒状保持部材１４６を円板状圧電素子１４１に向けて押圧している。
これにより、円筒状保持部材１４６が円板状圧電素子１４１の周縁部１４１ａと当接してこの周縁部１４１ａを押圧する押圧力の大きさが適度な大きさとなる。
ここで、「適度な大きさ」とは、円板状圧電素子１４１の振動に悪影響を及ぼすこと無く、かつ、円板状圧電素子１４１を位置決めすることができる押圧力の大きさをいう。
【００５０】
流入管１２０および流出管１３０が、直円管１１０の一方端１１１と他方端１１２とで同一の方向からコの字状に配置されている。
これにより、計量作業エリアにおいて直円管１１０に対する流入管１２０と流出管１３０の取付スペースが最小化される。
【００５１】
また、本実施例では、円板状圧電素子１４１を厚み１ｍｍ、円径（ｒ２）１０ｍｍとし、超音波ビームの周波数を２ＭＨｚとした場合に、音響インピーダンス整合層１４２の厚みｄ１が０．５ｍｍに設定されるとともに、振動吸収層１４３の厚みｄ３が４ｍｍに設定されている。
これにより、音響インピーダンス整合層１４２が円板状圧電素子１４１と管路端封止領域１１１ａとの間の音響インピーダンスの大きな差の影響を抑制して安定した波形が伝播する。
【００５２】
これに対して、参考として、円板状圧電素子１４１を厚み１ｍｍ、円径（ｒ２）１０ｍｍとし、超音波ビームの周波数を２ＭＨｚとした場合に、音響インピーダンス整合層１４２の厚みｄ１が０．５ｍｍよりも薄くなってくると、音響インピーダンス整合層１４２の効果が薄れ、円板状圧電素子１４１と管路端封止領域１１１ａとの間の音響インピーダンスの大きな差の影響が残り、安定した波形の伝播に支障を生じてくる。他方、音響インピーダンス整合層１４２の厚みｄ１が０．５ｍｍを越えてくると、超音波ビームが音響インピーダンス整合層１４２を通過するときに音響振動が音響インピーダンス整合層１４２に吸収され、信号強度が弱くなり、超音波送受信のＳ／Ｎ比が劣化して測定精度が低下してくる。
【００５３】
このようにして得られた本発明の第１実施例である超音波流量計１００は、セラミック製の円板状圧電素子１４１が、直円管１１０の中心軸Ｃに対して直交配置されているとともに直円管１１０の一方端１１１および他方端１１２にそれぞれ形成された管路端封止領域（１１１ａ）に対面するガラスエポキシ樹脂製の音響インピーダンス整合層１４２と円板状圧電素子１４１に対面するシリコンゴム製の振動吸収層１４３との間に介在して積層され、音響インピーダンス整合層１４２の厚みｄ１が、円板状圧電素子１４１の厚みｄ２より薄く設定され、振動吸収層１４３の厚みｄ３が、円板状圧電素子１４１の厚みｄ２より厚く設定されていることにより、音響インピーダンス整合層１４２が円板状圧電素子１４１から発生する超音波ビームを直円管１１０の管路端封止領域１１１ａに向けて円滑に伝播させることができるとともに、流入側測定ヘッド１４０と流出側測定ヘッド１５０との相互間で超音波ビームの単位時間当たりの発生回数を大幅に増加させることができ、その結果、超音波ビームを効率よく安定的に送受信させることができ、応答および測定平均値の精度を著しく向上させることができる。
【００５４】
また、直円管１１０に形成された管路端封止領域１１１ａの厚みｄ４が、円板状圧電素子１４１の厚みｄ２より厚く設定されていることにより、管路端封止領域１１１ａにおける超音波ビームの伝播を円滑に確保し、測定精度を長期に亘って維持することができる。
【００５５】
さらに、直円管１１０の管路端封止領域１１１ａに対して音響インピーダンス整合層１４２を一体に密着させるグリセリン層１４４が、音響インピーダンス整合層１４２と直円管１１０の管路端封止領域１１１ａとの間に設けられていることにより、双方の密着度が向上して超音波ビームの送受信を効率アップさせることができる。
【００５６】
また、直円管１１０の管内径ｒ１および円板状圧電素子１４１の円径ｒ２が、ほぼ同一に設定されていることにより、流入側測定ヘッド１４０と流出側測定ヘッド１５０との相互間で超音波ビームを感度良く送受信させることができる。
【００５７】
さらに、円板状圧電素子１４１の周縁部１４１ａを保持する円筒状保持部材１４６が、流入側測定ヘッド１４０および流出側測定ヘッド１５０内に設けられて円板状圧電素子１４１の中心軸Ｃに沿った円板状圧電素子１４１の音響振動を許容する音響空洞部Ｓを備えていることにより、長期に亘って安定した流量計測が可能となり流量計として優れた耐久性を発揮することができ、流入側測定ヘッド１４０と流出側測定ヘッド１５０との相互間で超音波ビームを感度良く発信させることができる。
【００５８】
また、蓋部材１４９が、流入側測定ヘッド１４０および流出側測定ヘッド１５０に形成した開口端部１４５に螺着されていることにより、長期に亘って安定した流量計測が可能となり流量計として優れた耐久性を発揮することができる。
【００５９】
さらに、流入管１２０および流出管１３０が、直円管１１０の一方端１１１と他方端１１２とで同一の方向からコの字状に配置されていることにより、他の周辺機器との設置干渉も回避し易くなり、優れた操作性を発揮することができる。
【００６０】
また、円板状圧電素子１４１を厚み１ｍｍ、円径（ｒ２）１０ｍｍとし、超音波ビームの周波数を２ＭＨｚとした場合に、音響インピーダンス整合層１４２の厚みｄ１が０．５ｍｍに設定されるとともに、振動吸収層１４３の厚みｄ３が４ｍｍに設定されていることにより、超音波ビームを感度良く発信させることができるなど、その効果は甚大である。
【実施例２】
【００６１】
続いて、本発明の第２実施例である超音波流量計２００について、図５に基づいて説明する。
ここで、図５は、本発明の第２実施例の超音波流量計２００の概略を示す正面断面図である。
【００６２】
第２実施例の超音波流量計２００は、第１実施例の超音波流量計１００の流出管１３０の直円管１１０に対する配置を逆側にしたものであり、多くの要素について第１実施例の超音波流量計１００と共通するので、共通する事項については、詳しい説明を省略し、下２桁が共通する２００番台の符号を付すのみとする。
【００６３】
第２実施例の超音波流量計２００では、図５に示すように、流入管２２０および流出管２３０とが、直円管２１０の一方端２１１と他方端２１２とで互い違いに配置されている。所謂、Ｚ字形の超音波流量計２００である。
これにより、計量作業エリアにおいて如何なる設置形態であっても流入管２２０と流出管２３０のいずれか一方が上方に向けて配置され易くなり、直円管２１０内に滞留しがちな被測定液体内の気泡を直円管２１０の一方端２１１と他方端２１２のいずれか一方から脱気し易くなる。
【００６４】
このようにして得られた本発明の第２実施例である超音波流量計２００は、流入管２２０および流出管２３０が、直円管２１０の一方端２１１と他方端２１２とで互い違いに配置されていることにより、流入側測定ヘッド２４０と流出側測定ヘッド２５０との相互間で生じがちな気泡障害による超音波ビームを感度良く発信させることができるなど、その効果は甚大である。
【実施例３】
【００６５】
続いて、本発明の第３実施例である超音波流量計３００について、図６に基づいて説明する。
ここで、図６は、本発明の第３実施例の超音波流量計３００の概略を示す正面断面図である。
【００６６】
第３実施例の超音波流量計３００は、第１実施例の超音波流量計１００の流入管１２０の直円管１１０に対する流入角度および流出管１３０の直円管１１０に対する流出角度を４５度にしたものであり、多くの要素について第１実施例の超音波流量計１００と共通するので、共通する事項については、詳しい説明を省略し、下２桁が共通する３００番台の符号を付すのみとする。
【００６７】
第３実施例の超音波流量計３００では、図６に示すように、流入管３２０は直円管３１０の一方端３１１に４５度で連通し、流出管３３０も流入管３２０と同じ側から直円管３１０の他方端３１２に４５度で連通している。
これにより、流入管および流出管が直円管に対して９０度で連通している場合と比べて、連通箇所において被測定液体がスムーズに流れ、被測定液体の乱流渦が小さくなる、または、この乱流渦の発生が抑制される。
その結果、被測定液体の測定精度を向上させることができるなど、その効果は、甚大である。
【実施例４】
【００６８】
続いて、本発明の第４実施例である超音波流量計４００について、図７に基づいて説明する。
ここで、図７は、本発明の第４実施例の超音波流量計４００の概略を示す正面断面図である。
【００６９】
第４実施例の超音波流量計４００は、第２実施例の超音波流量計２００の流入管２２０の直円管２１０に対する流入角度および流出管２３０の直円管２１０に対する流出角度を４５度にしたものであり、多くの要素について第２実施例の超音波流量計２００と共通するので、共通する事項については、詳しい説明を省略し、下２桁が共通する４００番台の符号を付すのみとする。
【００７０】
第４実施例の超音波流量計４００では、図７に示すように、流入管４２０は、直円管４１０の一方端４１１に４５度で連通し、流出管４３０は、流入管４２０と反対側から直円管４１０の他方端４１２に４５度で連通している。
これにより、流入管および流出管が直円管に対して９０度で連通している場合と比べて、連通箇所において液体がスムーズに流れ、液体の乱流渦が小さくなる、または、この乱流渦の発生が抑制されるとともに、流入管４２０と流出管４３０とのいずれか一方が上方に向けて配置され易くなり直円管４１０内に滞留しがちな液体内の気泡を直円管４１０の一方端４１１と他方端４１２のいずれか一方から脱気し易くなる。
その結果、液体の測定精度を向上させることができるなど、その効果は甚大である。
【符号の説明】
【００７１】
１００、  ２００、  ３００、  ４００  ・・・  超音波流量計
１１０、  ２１０、  ３１０、  ４１０  ・・・  直円管
１１１、  ２１１、  ３１１、  ４１１  ・・・  一方端
１１１ａ                              ・・・  管路端封止領域
１１２、  ２１２、  ３１２、  ４１２  ・・・  他方端
１２０、  ２２０、  ３２０、  ４２０  ・・・  流入管
１３０、  ２３０、  ３３０、  ４３０  ・・・  流出管
１４０、  ２４０、  ３４０、  ４４０  ・・・  流入側測定ヘッド
１４１                                ・・・  円板状圧電素子
１４１ａ                              ・・・  周縁部
１４２                                ・・・  音響インピーダンス整合層
１４３                                ・・・  振動吸収層
１４４                                ・・・  グリセリン層
１４５                                ・・・  開口端部
１４６                                ・・・  円筒状保持部材
１４７                                ・・・  基板
１４８                                ・・・  Ｏリング
１４９                                ・・・  蓋部材
１５０、  ２５０、  ３５０、  ４５０  ・・・  流出側測定ヘッド
Ｃ                                    ・・・  中心軸
ｄ１                                  ・・・  音響インピーダンス整合層の厚み
ｄ２                                  ・・・  円板状圧電素子の厚み
ｄ３                                  ・・・  振動吸収層の厚み
ｄ４                                  ・・・  管路端封止領域の厚み
Ｌ                                    ・・・  導線
ｒ１                                  ・・・  直円管の管内径
ｒ２                                  ・・・  円板状圧電素子の円径
Ｓ                                    ・・・  音響空洞部
【要約】
【課題】高周波数の超音波ビームを効率よく安定的に送受信させて高頻度の測定回数に基づく優れた測定精度を発揮する超音波流量計を提供すること。
【解決手段】円板状圧電素子１４１が、音響インピーダンス整合層１４２と振動吸収層１４３との間に介在して積層され、音響インピーダンス整合層１４２の厚みｄ１が、円板状圧電素子１４１の厚みｄ２より薄く設定されていることにより、音響インピーダンス整合層１４２が円板状圧電素子１４１から発生する超音波ビームを直円管１１０の管路端封止領域１１１ａに向けて円滑に伝播させる超音波流量計１００。
【選択図】図２【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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