(57)【要約】【課題】流体の流量及び流速測定に用いる超音波振動子において、流体に接触する有天筒状金属ケースの耐食性を向上させ、動作耐久性を向上させる。【解決手段】天部４と側壁部８を有する有天筒状金属ケース７と、有天筒状金属ケース７の天部内壁面に、圧電体２を固定した超音波振動子１において、有天筒状金属ケース７は耐食性被覆層６を備えたものである。耐食性被覆層６によって、有天筒状金属ケース７の母材を保護し、測定流体に含まれる腐食性物質による腐食を抑制する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
天部と側壁部とを有する有天筒状金属ケースと、前記有天筒状金属ケースの天部内壁面に、圧電体を固定した超音波振動子において、前記有天筒状金属ケースは耐食性被覆層を備えることを特徴とする超音波振動子。
【請求項２】
天部と、側壁部と、前記側壁部の外側に設けた支持部とを備えた有天筒状金属ケースと、外部電極端子を有する端子板とで閉空間を構成し、一対の電極面を有する圧電体の一方の電極を前記閉空間内壁面に固定し、他方の電極面と前記端子板とを導電手段で電気的に接続した超音波振動子において、前記有天筒状金属ケースは外周部に耐食性被覆層を備えることを特徴とする超音波振動子。
【請求項３】
耐食性被覆層は、少なくとも有天筒状金属ケース天部、側壁部外壁面に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波振動子。
【請求項４】
有天筒状金属ケースの耐食性被覆層は、母材とは異なる金属層からなることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波振動子。
【請求項５】
有天筒状金属ケースの耐食性被覆層は、犠牲層を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波振動子。
【請求項６】
有天筒状金属ケースの耐食性被覆層は少なくとも二層よりなることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波振動子。
【請求項７】
有天筒状金属ケースの耐食性被覆層は、めっき層と化成処理層とを備えてなることを特徴とする請求項６に記載の超音波振動子。
【請求項８】
有天筒状金属ケースの耐食性被覆層は、化成処理層と前記化成処理層の上に樹脂層を備えてなることを特徴とする請求項６に記載の超音波振動子。
【請求項９】
有天筒状金属ケースのめっき層は、主に亜鉛−アルミニウム系合金（Ｚｎ−Ａｌ合金）、亜鉛−モリブデン−コバルト系合金、亜鉛−コバルト−クロム系合金、亜鉛−ニッケル系合金、亜鉛−鉄系合金の群から選択された合金であることを特徴とする請求項７記載の超音波振動子。
【請求項１０】
有天筒状金属ケースの樹脂層は、主にアルキド樹脂、メラミン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ナイロン樹脂、塩化ビニル系樹脂、塩化ゴム、ポリカーボネイトの群から選択された樹脂であることを特徴とする請求項８に記載の超音波振動子。
【請求項１１】
有天筒状金属ケースの化成処理層は、三価クロム錯体、リン酸化合物及び亜鉛化合物を主体とするクロメート層であることを特徴とする請求項７または８に記載の超音波振動子。
【請求項１２】
被測定流体が流れる流量測定部と上記流量測定部に設けられて超音波を送受信する一対の請求項１または２に記載の超音波振動子と、前記超音波振動子間の伝播時間を計測する計測回路と上記計測回路から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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は耐食性に優れた金属ケースと前記金属ケースを用いた超音波振動子、およびそれを用いて発生させた超音波により、気体や液体等の流体の流速を計測する超音波流速計や流量の計測を行う超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の超音波流量計に用いる超音波振動子には、圧電体と圧電体を収容する金属ケースで構成されており、この金属ケースはＦｅを主成分とし、Ｃｒ、Ｎｉからなる材料を含有し、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｎｂ等のいずれかの添加物を含む合金からなる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、特許文献１に記載された従来の超音波振動子を示すものである。図５に示すように超音波振動子２０と、金属ケース２１と、金属ケース２１の天部２２と、音響整合層２３とから構成されている。
【特許文献１】特開２００３−１２１２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、平板より加工した金属ケース２１はＦｅを主成分とし、Ｃｒ、Ｎｉからなる材料を含有し、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｎｂ等のいずれかの添加物を含む合金からなるため、塩化物イオンや硫化物イオンなどの腐食性物質を含有する気体や液体の流速および流量の計測を行う場合、金属ケース２１の腐食が進行して貫通穴ができ、超音波振動子２０の電気的接点部分の腐食による接点不良、ガス漏による動作不良などの課題を有していた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、超音波振動子に用いる金属ケースの耐食性を向上する構成とし、塩化物イオンや硫化物イオンなどの腐食性物質を含有する気体や液体の流速および流量の計測を長期間継続可能な超音波振動子およびこの超音波振動子を有する超音波流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波振動子は、天部と側壁部を有する有天筒状金属ケースと、前記有天筒状金属ケースの天部内壁面に、圧電体を固定した超音波振動子において、前記有天筒状金属ケースは耐食性被覆層を備えることを特徴とする超音波振動子としたものである。
【０００７】
これによって、塩化物イオンや硫化物イオンなどの腐食性物質を含有する気体や液体の流速および流量の計測を行う場合、有天筒状金属ケースは耐食性被覆層によって保護され、耐食性が向上する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の超音波振動子は、塩化物イオンや硫化物イオンなどの腐食性物質を含有する気体や液体の流速および流量の計測を長期継続することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、天部と側壁部を有する有天筒状金属ケースと、前記有天筒状金属ケースの天部内壁面に、圧電体を固定した超音波振動子において、前記有天筒状金属ケースは耐食性被覆層を備えることを特徴とする超音波振動子とすることにより、有天筒状金属ケースの腐食が抑制され、腐食性物質を含有する気体や液体の流速および流量の計測を長期継続することができる。
【００１０】
第２の発明は、天部と、側壁部と、前記側壁部の外側に設けた支持部とを備えた有天筒状金属ケースと、外部電極端子を有する端子板とで閉空間を構成し、一対の電極面を有する圧電体の一方の電極を前記閉空間内壁面に固定し、他方の電極面と前記端子板とを導電手段で電気的に接続した超音波振動子において、前記有天筒状金属ケースは耐食性被覆層を備えることを特徴とする超音波振動子とすることにより、有天筒状金属ケースの腐食が抑制され、腐食性物質を含有する気体や液体の流速および流量の計測を長期継続することができる。
【００１１】
第３の発明は、耐食性被覆層は、少なくとも有天筒状金属ケース天部、側壁部外壁面に備えることを特徴とする請求項１および２に記載の超音波振動子とすることにより、腐食性生物を気体や液体などの測定流体に触れる部分の耐食性を選択的に向上することができる。
【００１２】
第４の発明は、耐食性被覆層は、母材とは異なる金属層からなることを特徴とする請求項１および２に記載の有天筒状金属ケースとすることにより、耐食性を付与するための金属層を設けることによって母材の耐食性が向上する。
【００１３】
第５の発明は、耐食性被覆層は、犠牲層を備えることを特徴とする請求項１および２に記載の有天筒状金属ケースとすることにより、有天筒状金属ケースの母材より腐食しやすい犠牲層が先に腐食することで母材の耐食性を向上することができる。
【００１４】
第６の発明は、耐食性被覆層は少なくとも二層よりなることを特徴とする請求項１および２に記載の有天筒状金属ケースとすることにより、第一の耐食性被覆層の欠陥部分を第二層で被覆することで耐食性を向上する。
【００１５】
第７の発明は、耐食性被覆層は、めっき層と化成処理層とを備えてなることを特徴とする第６の発明の有天筒状金属ケースとすることにより、化成処理層の欠陥部分をめっき層で覆い、母材の耐食性を向上する。
【００１６】
第８の発明は、耐食性被覆層は、化成処理層と前記化成処理層の上に樹脂層を備えてなることを特徴とする請求項６に記載の有天筒状金属ケースとすることにより、化成処理層の欠陥部分を樹脂層で覆い母材の耐食性を向上する。
【００１７】
第９の発明は、めっき層は、主に亜鉛−アルミニウム系合金（Ｚｎ−Ａｌ合金）、亜鉛−モリブデン−コバルト系合金、亜鉛−コバルト−クロム系合金、亜鉛−ニッケル系合金、亜鉛−鉄系合金の群から選択された合金とすることにより、母材の耐食性を向上する。
【００１８】
第１０の発明は、樹脂層は、主にアルキド樹脂、メラミン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ナイロン樹脂、塩化ビニル系樹脂、塩化ゴム、ポリカーボネイトの群から選択された樹脂とすることにより、母材の耐食性を向上することができる。
【００１９】
第１１の発明は、化成処理層は、三価クロム錯体、リン酸化合物及び亜鉛化合物を主体とするクロメート層とすることにより、耐食性を向上することができる。
【００２０】
第１２の発明は、被測定流体が流れる流量測定部と上記流量測定部に設けられて超音波を送受信する一対の第１または第２の発明の超音波振動子と、上記超音波振動子間の伝播時間を計測する計測回路と上記計測回路から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とすることにより、腐食性物質を含有する気体や液体の流速および流量の計測を長期継続することができ、計測の耐久信頼性を向上することができる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明実施の形態における超音波振動子の断面図を示すものである。
【００２３】
図１において、有天筒状金属ケース７は、鉄を主成分とする鋼板の表面を被覆する耐食性被覆層で覆われた平板の耐食性鋼板を、深絞り加工によって天部４、側壁部８、支持部９を有しており、耐食性被覆層６で被覆されている。圧電体２は、対向する電極面３、３を備え、電極面３、３に接合手段５であるエポキシ接着剤をスクリーン印刷法で印刷し、有天筒状金属ケース７の天部内壁面に貼り合わせ、加圧した状態で加熱硬化炉に投入し接着剤を硬化し有天筒状金属ケース７と圧電体２とが接合される。接合手段５である接着剤の厚さは５〜５０μｍの厚さに調整することによって有天筒状金属ケース７と圧電体２とが電気的に接合する構成としている。
【００２４】
圧電体２への電気的信号は、圧電体２の電極面および有天筒状金属ケース７の支持部にはんだで固定した電極端子１０を介して伝えられる。
【００２５】
以上のように構成された超音波振動子において、有天筒状金属ケース７は、腐食性物質が含まれる測定流体に触れる部分に耐食性被覆層６を備えるため、腐食性物質が有天筒状金属ケース７の母材と接触することを防ぎ、母材が腐食することを防ぐことができる。
【００２６】
なお、具体的には有天筒状金属ケース７は、Ｆｅを主成分とする鋼板に、母材とは異なる金属層であり、犠牲層となる亜鉛めっき鋼板を使用する。犠牲層とは、母材より卑なる金属のめっき層であり、電気化学的に耐食性を向上するものである。
【００２７】
また、本実施の形態では亜鉛めっき鋼板上に塩化ビニルを被覆した鋼板を使用することによりさらに耐食性を向上することができる。
【００２８】
また、図３に示すように、耐食性被覆層６を第一の耐食性被覆層１４の上に、第二の耐食性被覆層１５を形成するように、少なくとも二層より形成することにより耐食性を向上することができる。
【００２９】
また、有天筒状金属ケース７の耐食性被覆層６は、めっき層と化成処理層とを備えてなるものである。
【００３０】
また、有天筒状金属ケース７の耐食性被覆層６は、化成処理層とこの化成処理層の上に樹脂層を備えてなるものである。
【００３１】
また、有天筒状金属ケース７のめっき層は、主に亜鉛−アルミニウム系合金（Ｚｎ−Ａｌ合金）、亜鉛−モリブデン−コバルト系合金、亜鉛−コバルト−クロム系合金、亜鉛−ニッケル系合金、亜鉛−鉄系合金の群から選択された合金である。
【００３２】
また、有天筒状金属ケース７の樹脂層は、主にアルキド樹脂、メラミン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ナイロン樹脂、塩化ビニル系樹脂、塩化ゴム、ポリカーボネイトの群から選択された樹脂である。
【００３３】
また、有天筒状金属ケース７の化成処理層は、三価クロム錯体、リン酸化合物及び亜鉛化合物を主体とするクロメート層である。
【００３４】
（実施の形態２）
図２は、本発明第２の実施の形態の超音波振動子の断面図である。
【００３５】
図２において、有天筒状金属ケース７は、鉄を主成分とする鋼板の表面を被覆する耐食性被覆層６で覆われた平板の耐食性鋼板を、深絞り加工によって、天部４、側壁部８、支持部９を有するケース状に加工する。この天部４の内壁面に接合手段５である接着剤で一対の電極面３、３を有する圧電体２の一方の電極面３を固定し、ケース支持部９に、電極端子１０を有する端子板１３と溶接によって接合し閉空間を構成する。端子板１３と、他方の電極面３を導電手段１１で固定する。導電手段１１は、導電部と絶縁部とから構成され、導電部はニッケル球状粒子に金メッキを施し、絶縁部はシリコンゴムで構成されている。
【００３６】
以上のように、本実施の形態においては、有天筒状金属ケース７を耐食性被覆層６で覆うことによって、有天筒状金属ケース７の母材が流速および流量を計測する流体に含まれる腐食性物質による腐食を防ぐことになり、有天筒状金属ケース７の耐食性を向上し、超音波振動子１を長期にわたって動作させることが可能となる。また、有天筒状金属ケース７と端子板１３とで閉空間を構成することによって、圧電体２を大気中に存在する腐食性物質に接触することを防ぐことができ、超音波振動子１を長期にわたって動作させることが可能となる。
【００３７】
（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態の超音波振動子を用いた超音波流量計の一部断面図を含む構成図を示すものである。
【００３８】
図４において、本発明の一対の超音波振動子１９、１９は、対向するように振動子取り付け穴１６に測定流体の流れる流路１８に対して所定の角度で配置する。超音波振動子１９と流路１８は、計測流体としてガスや水、灯油、石油などの液体の流量および流速を計測することを想定しているため、超音波振動子１９と振動子取り付け穴１６の間に、計測流体が漏れるのを防止するシール材１７を用いる。シール材１７はＬＰガスに耐性を有するニトリルブチル（ＮＢＲ）ゴム等のＯリングを用いる。
【００３９】
以上のように構成された、超音波流量計につて以下その動作、作用を説明する。
【００４０】
まず、計測手段としては、例えば既知のシングアラウンド方を用いて、超音波振動子１９の伝搬時間を計測回路で計測することにより、流量演算手段で流量を算出することができる。
【００４１】
以上のように構成された超音波流量計の動作、作用に関して説明する。
【００４２】
一対の超音波振動子１９、１９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１８の長手方向となす角度をθとする。また流体の無風状態での音速をＣ、流路１８内での流体の流速をＶとする。流れる流体の上流側に配置された超音波振動子１９から送信された超音波は流路１８を斜めに横断し、下流側に配置された超音波振動子１９で受信する。このときの伝播時間ｔ１は、
【００４３】
【数１】
2006217448.tif 000003
【００４４】
で示される。次に、下流側に配置された超音波振動子１９から超音波を送信して上流側に配置された超音波振動子１９で受信する。このときの伝播時間ｔ２は、
【００４５】
【数２】
2006217448.tif 000004
【００４６】
で示される。そして（数１）のｔ１と（数２）のｔ２から流体の音速Ｃを消去すると、
【００４７】
【数３】
2006217448.tif 000005
【００４８】
の（数３）が得られる。Ｌとθが既知なら、計測回路にて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、流路１８の断面積をＳ、補正係数をＫとすれば、流量演算手段で。Ｑ＝ＫＳＶを演算して流量を求めることができる。
【００４９】
以上のように、本発明の第３実施の形態においては、耐食性被覆層６を備える有天筒状金属ケース７を構成部品とする超音波振動子１９を使用することにより、塩化物イオンや硫化物イオンなどの腐食性物質を含有する気体や液体の流速および流量の計測を行う場合であっても、有天筒状金属ケース７は耐食性被覆層６によって保護され、計測を長期継続することができる。
【００５０】
なお、超音波振動子１９を超音波流量計に用いているとしたが、距離センサ等の超音波センサとして用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
以上のように、本発明にかかる有天筒状金属ケースと、有天筒状ケースを用いた超音波振動子と、超音波振動子を有する超音波流量計は、有天筒状金属ケース母材の腐食を抑制することが可能となるので耐食性に優れた金属ケースと前記金属ケースを用いた超音波振動子およびそれを用いて発生させた超音波により、気体や液体の流量や流速の計測を行う超音波流量計、および距離センサ等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の超音波振動子断面図
【図２】本発明の超音波振動子断面図
【図３】本発明の超音波振動子断面一部拡大図
【図４】本発明の超音波振動子に用いる超音波流量計の一部断面図を含む構成図
【図５】従来の超音波振動子に用いる超音波振動子の斜視図
【符号の説明】
【００５３】
１  超音波振動子
２  圧電体
３  電極面
４  天部
５  接合手段
６  耐食性被覆層
７  有天筒状金属ケース
８  側壁部
９  支持部
１０  電極端子
１１  導電手段
１２  絶縁部
１３  端子板
１４  第一の耐食性被覆層
１５  第二の耐食性被覆
１６  振動子取り付け穴
１７  シール材
１８  流路
１９  超音波振動子
２０  超音波振動子
２１  ケース
２２  天部
２３  音響整合層
２４  支持部
【図１】
2006217448.tif 000006
【図２】
2006217448.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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