(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測流体が流れる流路と、
該流路に超音波を送信する超音波送信器と、
前記流路内の被測流体を通過した超音波を受信する超音波受信器と、
前記超音波送信器に入力された送信信号と前記超音波受信器から出力された受信信号との位相を比較する位相比較器と、を備えており、
前記超音波送信器及び超音波受信器は、
超音波を送受信する圧電素子と、
該圧電素子と取付面との間に介在する音響接合剤と、
該音響接合剤へ前記圧電素子を押圧する押圧手段と、
を備えてなる超音波式渦流量計において、
少なくとも前記超音波送信器または超音波受信器のうち何れかの前記圧電素子に、前記音響接合部材に密着する一面と他面とを連通する孔を設けたことを特徴とする超音波式渦流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電素子を振動させて超音波を送受信することにより被測流体中に発生したカルマン渦を検出して流量を計測する超音波式渦流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体を製造する工程において、超純水や薬液等の流量測定を目的として渦流量計が配置されている。この種の渦流量計では、化学的に安定な樹脂材（例えば、ＰＦＡ（パーフロロアルコキシ），ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン），ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）など）により流量計本体と流路と渦発生体を一体成形した構成となっている。
【０００３】
また、渦流量計は、被測流体が流れる流路内にカルマン渦を発生させる渦発生体を設け、渦発生体の下流に位置するカルマン渦発生領域に一対の超音波センサを対向するように配置してなる。一対の超音波センサは、夫々圧電素子を流量計本体のセンサ室内壁に密着するように音響接合剤を介して取り付けられており、一方が超音波送信器であり、他方が超音波受信器である。
【０００４】
超音波送信器は、圧電素子に電圧が印加されると、振動して流路に超音波を送信する。また、超音波受信器は、流路内を流れる被測流体を通過した超音波を受信すると、圧電素子が受信信号を出力する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
超音波式渦流量計の流量計本体（メータボディ）を耐食性、耐薬性に優れたＰＦＡ，ＰＥＥＫ，ＰＰＳなどエンジニアプラスチックの樹脂材により成形した場合、樹脂材がポーラス（多孔性）構造であるので、被測流体に含まれる成分の一部がガス化して浸透するおそれがある。
【０００６】
特に被測流体がガス化しやすい液体の場合、樹脂材で一体成形された流量計本体の内部に形成された流路を流れる被測流体から発生したガスは、流路の内側と外側のガス濃度差により流路内壁を浸透して超音波センサが収納されたセンサ室へ侵入することが考えられる。
【０００７】
その場合、超音波センサの端面とセンサ室の内壁との間には、空気層が形成されないように音響接合剤（シリコンゲル等）が介在されている。しかしながら、センサ室の内壁から浸透したガスは、音響接合剤も浸透する。ここで、超音波センサの端面には、電極（金属）が形成されているため、ガスは浸透しない。よって、音響接合剤との境界に浸透してきたガスが溜まることでガス層が形成され、ガス浸透が進むにつれて境界に形成された空間が広がる。
【０００８】
このように、超音波センサの端面と音響接合剤との境界にガス層が広がると、超音波センサから発信された超音波は、ガス空間部分で大きく減衰し、超音波の伝搬効率が低下する。そのため、従来の超音波式渦流量計では、ガス化しやすい液体の流量を計測すると、ガス浸透が進むにつれて経時的に超音波センサの送受信効率が低下し、回路上の必要受信電圧を満足できなくなるという問題が生じるおそれがあった。
【０００９】
そこで、本発明は上記課題を解決した超音波式渦流量計を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、以下のような特徴を有する。
【００１２】
本発明は、少なくとも超音波送信器または超音波受信器のうち何れかの圧電素子に、音響接合剤に密着する一面と他面とを連通する孔を設けたものであり、圧電素子と音響接合剤との間にガス空間が形成されても、ガスを圧電素子の孔を通して排出できるので、圧電素子と音響接合剤との間にガス空間が広がることを防止する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明の一実施例について説明する。尚、以下に、圧電素子の第１〜第５実施例について説明するが、そのうち第２〜第５実施例が特許請求の範囲に記載した発明に対応するものである。
図１は本発明になる超音波式渦流量計の一実施例を示す縦断面図である。
図１に示されるように、超音波式渦流量計１０は、半導体の製造工程で超純水や薬液等の被測流体が供給される経路に配置されており、流量計本体（ボディ）１２が耐食性や耐薬品性に優れたＰＦＡ，ＰＥＥＫ，ＰＰＳなど樹脂材により一体成形されている。
【００１４】
流量計本体１２は、中央部に被測流体が流れる流路１４が形成されており、流路１４の両側にセンサ室１６，１８が形成されている。流路１４は、図１中紙面と垂直方向に延在しており、流路１４内には被測流体中にカルマン渦を発生させる渦発生体２０が起立されている。そして、渦発生体２０の下流に流速に比例した周期で発生するカルマン渦を検出する超音波センサからなる超音波送信器２２及び超音波受信器２４がセンサ室１６，１８に収納されている。
【００１５】
センサ室１６，１８は、両側に開口１６ａ，１８ａを有する凹部からなり、開口１６ａ，１８ａの周縁部には樹脂製の蓋２６，２８の周縁部が接着剤３０または溶着等により固着されている。従って、センサ室１６，１８の内部は、蓋２６，２８により密閉空間になっている。このようにセンサ室１６，１８が密閉されているのは、被測流体から発生したガスがセンサ室１６，１８に浸透すると、空気中に含まれる水分とガスが反応して金属部分を腐食させる場合があるので、水分がセンサ室１６，１８に侵入することを防止するためであり、また、薬品等の付着によりセンサ室１６，１８への侵入を防止するためである。
【００１６】
超音波送信器２２及び超音波受信器２４は、同一構成であり、センサ室１６，１８の内壁に音響接合剤３２を介して押圧される圧電素子３４と、圧電素子３４を直接押圧する弾性部材（例えば、シリコンゴムからなる）３６と、弾性部材３６を押圧するスペーサ３８と、から構成されている。尚、スペーサ３８は、蓋２６，２８の内壁により規制されている。
【００１７】
従って、圧電素子３４は、弾性部材３６により音響接合剤３２に押圧されている。尚、圧電素子３４の端面を音響接合剤３２に押圧する押圧力は、弾性部材３６の弾性により決まり、弾性部材３６の押圧力は、スペーサ３８の厚さ寸法に応じた圧縮代によって調整される。
【００１８】
音響接合剤３２としては、シリコンゲルやシリコンゴム、グリース等が用いられており、圧電素子３４の端面とセンサ室１６，１８の取付面１６ｂ，１８ｂとの間に介在して隙間（空間）を無くすことにより、圧電素子３４による振動が取付面１６ｂ，１８ｂに効率良く伝播するようにしている。
【００１９】
ここで、圧電素子３４の第１実施例の構成について、図２（A）(Ｂ)を参照して説明する。
図２（A）(Ｂ)に示されるように、圧電素子３４は、所定周波数の電圧が印加されると電圧に応じた振幅で振動する圧電部材４４と、圧電部材４４の両面に電極４５，４６が形成されている。また、電極４５，４６の外周縁部には、リード線（（図示せず）をはんだ付けするためのはんだ面４７が半円形に形成されている。
【００２０】
圧電部材４４は、超音波送信器２２に用いられる場合、電極４５，４６に電圧が印加され、超音波受信器２４に用いられる場合には、圧電部材４４の変位（振幅）に応じた電圧を電極４５，４６から出力する。
【００２１】
また、圧電素子３４の端面のうち音響接合剤３２が密着する端面３４ａ（電極４５が形成された側）には、円形の中心を横切るように半径方向に延在形成された溝４８が設けられている。この溝４８は、端面３４ａの中心から外周に延在しており、両端が圧電素子３４の外周に開口している。そして、溝４８は、圧電素子３４の外周からみると、図２（Ｂ）に示されるように、断面形状が三角形に形成されており、三角形の頂点部分が最も深い位置になる。
【００２２】
この溝４８は、音響接合剤３２に浸透したガスが圧電素子３４の端面３４ａ（電極４５）との間に溜まることを防止するための逃げ道である。また、圧電素子３４が弾性部材３６の弾性により音響接合剤３２に押圧されているため、溝４８の入り口部分（端面側）には、音響接合剤３２が部分的に進入する。しかし、溝４８は、断面形状が三角形であるので、溝４８の内部で円弧状に膨らんだ音響接合剤３２と三角形の頂点との間に微小な隙間５０が形成される。
【００２３】
今、流路１４を流れる被測流体から発生したガスが流量計本体１２及び音響接合剤３２を浸透すると、音響接合剤３２と圧電素子３４との間に滞留する。そして、滞留したガスの空間が次第に広がると、やがてガス空間の縁部が溝４８内の隙間５０に連通する。音響接合剤３２と圧電素子３４は、弾性部材３６の押圧力で押圧されているため、ガスが隙間５０を介してセンサ室１６，１８に排出される。
【００２４】
これにより、音響接合剤３２と圧電素子３４との間に溜まったガス空間（ガス層）が広がることが防止され、ガス空間（ガス層）による超音波の伝搬効率の低下が防止され、計測精度を保持できる。
【００２５】
また、圧電素子３４の端面に形成された溝４８には、音響接合剤３２の進入により比較的微小な隙間５０が形成されるので、溝４８により超音波の伝搬効率の低下は小さい。
【００２６】
尚、上記実施例では、圧電素子３４の端面３４ａに１本の溝４８を形成したが、これに限らず、２本以上の溝を形成しても良いし、あるいは圧電素子３４の端面３４ａの中心から放射状に複数の溝を外周側へ延在形成しても良い。
【００２７】
また、上記実施例では、弾性部材３６がシリコンゴムからなるものとしたが、これに限らず、シリコンゴム以外のゴム材あるいはコイルバネなどの弾性部材を用いても良いのは言うまでもない。
【００２８】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
図３は第２実施例の縦断面図である。図４は圧電素子の第２実施例の構成を示す図であり、（Ａ）は圧電素子の正面図、（Ｂ）は圧電素子の縦断面図である。
尚、図３及び図４（A）(Ｂ)において、上記第１実施例と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
【００２９】
図３及び図４（A）(Ｂ)に示されるように、第２実施例の圧電素子３４には、複数の孔５２（５２１〜５２４）が貫通している。この孔５２（５２１〜５２４）は、一端が音響接合剤３２に当接する圧電素子３４の端面３４ａ（電極４５）に開口し、他端が弾性部材３６が当接する圧電素子３４の端面３４ａ（電極４６）に開口する。
【００３０】
従って、圧電素子３４は、押圧方向に貫通する複数の孔５２（５２１〜５２４）を有するため、流路１４を流れる被測流体から発生したガスが流量計本体１２及び音響接合剤３２を浸透して音響接合剤３２と圧電素子３４との間に滞留し、ガス空間が次第に広がると、ガス空間の縁部が複数の孔５２（５２１〜５２４）の何れかに連通してガスが孔５２に排出される。
【００３１】
これにより、音響接合剤３２と圧電素子３４との間に溜まったガス空間（ガス層）が広がることが防止され、ガス空間（ガス層）による超音波の伝搬効率の低下が防止され、計測精度を保持することができる。
【００３２】
また、圧電素子３４の端面３４ａ（電極４６）が当接する弾性部材３６の端面３６ａには、圧電素子３４の孔５２と交差するように外周方向に延在形成された複数の通路３６ｂが設けられている。
【００３３】
そのため、複数の孔５２（５２１〜５２４）に排出されたガスは、弾性部材３６の通路３６ｂを通過してセンサ室１６，１８に排出される。尚、通路３６ｂは、必ず必要なものではなく、複数の孔５２（５２１〜５２４）に音響接合剤３２と圧電素子３４との間に溜まったガスを排出することで、音響接合剤３２と圧電素子３４との間に溜まったガス空間（ガス層）が広がることが防止され、ガス空間（ガス層）による超音波の伝搬効率の低下を防止できる。
【００３４】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
図５は圧電素子の第３実施例の構成を示す図であり、（Ａ）は圧電素子の正面図、（Ｂ）は圧電素子の縦断面図である。尚、図５（A）(Ｂ)において、上記第１、２実施例と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
【００３５】
図５（A）(Ｂ)に示されるように、第３実施例の圧電素子３４は、中央に孔５４が貫通している。この孔５４は、一端が音響接合剤３２に当接する圧電素子３４の端面３４ａ（電極４５）に開口し、他端が弾性部材３６が当接する圧電素子３４の端面３４ａ（電極４６）に開口する。そして、孔５４は、前述した第２実施例の孔５２よりも大径であり、空間容積も充分に確保されている。
【００３６】
従って、圧電素子３４は、押圧方向に貫通する５４を有するため、流路１４を流れる被測流体から発生したガスが流量計本体１２及び音響接合剤３２を浸透して音響接合剤３２と圧電素子３４との間に滞留し、ガス空間が次第に広がると、ガス空間の縁部が５４に連通してガスが孔５４に排出される。
【００３７】
これにより、音響接合剤３２と圧電素子３４との間に溜まったガス空間（ガス層）が広がることが防止され、ガス空間（ガス層）による超音波の伝搬効率の低下が防止され、計測精度を保持することができる。
【００３８】
次に、本発明の第４実施例について説明する。
図６は圧電素子の第４実施例の構成を示す図であり、（Ａ）は圧電素子の正面図、（Ｂ）は圧電素子の縦断面図である。尚、図６（A）（Ｂ)において、上記第１乃至３実施例と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
【００３９】
図６（A）（Ｂ）に示されるように、第４実施例の圧電素子３４は、中央に孔５６が貫通し、孔５６より半径方向に外側の位置には複数の孔５８（５８１〜５８３）が貫通している。孔５６及び複数の孔５８（５８１〜５８３）は、一端が音響接合剤３２に当接する圧電素子３４の端面３４ａ（電極４５）に開口し、他端が弾性部材３６が当接する圧電素子３４の端面３４ａ（電極４６）に開口する。
【００４０】
そのため、上記第２，３実施例と同様に、流路１４を流れる被測流体から発生したガスが流量計本体１２及び音響接合剤３２を浸透して音響接合剤３２と圧電素子３４との間に滞留し、ガス空間が次第に広がると、ガス空間の縁部が孔５６及び孔５８（５８１〜５８３）の何れかに連通してガスが孔５６または孔５８（５８１〜５８３）の何れかに排出される。
【００４１】
次に、本発明の第５実施例について説明する。
図７は圧電素子の第５実施例の構成を示す図であり、（Ａ）は圧電素子の正面図、（Ｂ）は圧電素子の縦断面図である。尚、図７（A）(Ｂ)において、上記第１乃至４実施例と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
【００４２】
図７（A）(Ｂ)に示されるように、第５実施例の圧電素子３４は、圧電部材４４がポーラス（多孔性）構造のＰＺＴ（圧電セラミックス：チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。そして、圧電部材４４の両端面に被覆形成された電極４５，４６には、多数の小孔６０（６０１〜６０ｎ）、６２（６２１〜６２ｎ）が設けられている。尚、図７（Ａ）では、一方の電極４５の一部分に小孔６０が示されているが、実際には電極４５の全面に小孔６０（６０１〜６０ｎ）が設けられている。また、他方の電極４６でも同様に全面に小孔６２（６２１〜６２ｎ）が設けられている。
【００４３】
そのため、流路１４を流れる被測流体から発生したガスが流量計本体１２及び音響接合剤３２を浸透して音響接合剤３２と圧電素子３４との間に至ると、電極４５の多数の小孔６０（６０１〜６０ｎ）を通過して圧電部材４４に浸透する。そして、ポーラス構造の圧電部材４４に浸透したガスの一部は、圧電部材４４の外周に排出される。
【００４４】
また、圧電部材４４の中央部分を浸透したガスは、電極４６の多数の小孔６２（６２１〜６２ｎ）を通過して弾性部材３６の端面３６ａに形成された通路３６ｂからセンサ室１６，１８に排出される。
【００４５】
尚、上記各実施例では、超音波送信器２２及び超音波受信器２４の圧電素子３４が同じ構成であるとしたが、これに限らず、超音波送信器２２または超音波受信器２４の何れか一方の圧電素子３４のみを上記各実施例の構成とするようにしても良い。
【００４７】
【発明の効果】
上述の如く、本発明によれば、少なくとも超音波送信器または超音波受信器のうち何れかの圧電素子に、音響接合剤に密着する一面と他面とを連通する孔を設けたため、圧電素子と音響接合剤との間にガス空間が形成されても、ガスを圧電素子の孔を通して排出できるので、圧電素子と音響接合剤との間にガス空間が広がることを防止できる。これにより、超音波の伝搬効率の低下が防止され、計測精度を保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる超音波式渦流量計の一実施例を示す縦断面図である。
【図２】圧電素子の第１実施例の構成を示す図であり、（Ａ）は圧電素子の正面図、（Ｂ）は圧電素子の縦断面図である。
【図３】第２実施例の縦断面図である。
【図４】圧電素子の第２実施例の構成を示す図であり、（Ａ）は圧電素子の正面図、（Ｂ）は圧電素子の縦断面図である。
【図５】圧電素子の第３実施例の構成を示す図であり、（Ａ）は圧電素子の正面図、（Ｂ）は圧電素子の縦断面図である。
【図６】圧電素子の第４実施例の構成を示す図であり、（Ａ）は圧電素子の正面図、（Ｂ）は圧電素子の縦断面図である。
【図７】圧電素子の第５実施例の構成を示す図であり、（Ａ）は圧電素子の正面図、（Ｂ）は圧電素子の縦断面図である。
【符号の説明】
１０  超音波式渦流量計
１２  流量計本体
１４  流路
１６，１８  センサ室
２０  渦発生体
２２  超音波送信器
２４  超音波受信器
３２  音響接合剤
３４  圧電素子
３６  弾性部材
３８  スペーサ
４４  圧電部材
４５，４６  電極
４８  溝
５０  隙間
５２（５２１〜５２４），５４，５６，５８（５８１〜５８３）  孔
６０（６０１〜６０ｎ），６２（６２１〜６２ｎ）  小孔
【図１】
0004870289.tif 000002
【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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