(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁流量計用流体検出管の製造方法において、アルミナが主成分のセラミクス粉末を圧縮型成形し、この圧縮成形体に電極挿入用の穴を開けて６００〜１４００℃の温度で仮焼成し、この仮焼成後の上記電極挿入用穴に白金若しくは白金合金の電極を挿入して１４００〜１７００℃の温度で本焼成し、且つ、前記セラミクス粉末は、アルミナと該アルミナより熱膨張係数の大きいセラミクスとを複合して白金に近い熱膨張係数としたことを特徴とする電磁流量計用流体検出管の製造方法。
【請求項２】
電磁流量計用流体検出管の製造方法において、アルミナが主成分のセラミクス粉末を圧縮型成形し、この圧縮成形体に電極挿入用の穴を開けて６００〜１４００℃の温度で仮焼成し、この仮焼成後の上記電極挿入用穴に白金若しくは白金合金の電極を挿入して１４００〜１７００℃の温度で本焼成し、且つ、前記セラミクス粉末は、アルミナをベースに部分安定化ジルコニアを３０〜４０％の範囲で複合したことを特徴とする電磁流量計用流体検出管の製造方法。
【請求項３】
白金電極と、アルミナ及び該アルミナより熱膨張係数の大きいセラミクスを複合して白金に近い熱膨張係数としたセラミクスで作製した管体とから成る電磁流量計用流体検出管。
【請求項４】
白金電極と、アルミナを基本材料として３０〜４０％の範囲でジルコニアを複合したセラミクスで作製した管体とから成る電磁流量計用流体検出管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、飲料充填機械等で充填する流体の流量を検出する電磁流量計用流体検出管及び流体検出管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
飲料充填機械では、例えばガラスビン、ＰＥＴボトル等の容器に飲料を充填する際、充填する飲料の流量を流量計により計測し、その計測結果に基づいて適量の飲料が容器に充填されるように流量制御を行なっている。上記流量計としては、電磁的に流量を計測する電磁流量計がある。図６は、本発明の対象とする電磁流量計の概略構成を示したものである。
【０００３】
図６において、１は流体流量を検出するための検出管で、この検出管１内の流路中を例えば飲料等の流体２が流れる。上記検出管１には、直径方向に流路に対して対称に、つまり、対向するように一対の電極３ａ、３ｂが取り付けられている。また、検出管１の外側には、電極３ａ、３ｂから９０ーシフトした位置で対向するように一対の電磁コイル４ａ、４ｂが取り付けられる。この電磁コイル４ａ、４ｂは、励磁回路５により励磁される。この励磁回路５は、電源ライン６より直流電源が供給され、定電流回路７を介して接地される。上記励磁回路５は、後述するＣＰＵ（マイクロコンピュータ）１１から与えられる励磁指令に応じて正弦波、あるいは矩形波の励磁信号を電磁コイル４ａ、４ｂに供給する。
【０００４】
上記電磁コイル４ａ、４ｂが励磁されることにより、検出管１の電極３ａ、３ｂに流体速度、地場強度等に応じた電圧が誘起する。例えば検出管１の直径をｄ（ｍ）、電磁コイル４ａ、４ｂにより与えられる磁束密度をＢ（Ｔ）、導電性のある流体２の平均流速をｖ（ｍ／ｓ）とし、かつ、磁界が均一で検出管１内が軸対称流速分布の場合、流体２中に発生する電圧ｅ（ｖ）は、次式で求められる。
【０００５】
ｅ＝Ｂ・ｄ・ｖ
上記電極３ａ、３ｂに誘起した電圧ｅは、差動増幅回路８に入力されて増幅され、その後、同期検出回路９へ送られる。この同期検出回路９は、励磁回路５による励磁信号に同期して上記電極３ａ、３ｂへの誘起電圧を検出し、流量変換回路１０へ出力する。この流量変換回路１０は、同期検出回路９で検出された信号を流量に換算し、ＣＰＵ１１へ出力する。このＣＰＵ１１は、上記したように励磁指令を励磁回路５に出力すると共に、流量変換回路１０から出力される流量に応じて飲料充填機械（図示せず）へ制御信号を出力する。
【０００６】
上記のように検出管１の電極３ａ、３ｂに誘起した電圧ｅを計測すれば、一意的に平均流速ｖを求めることができ、この流速ｖから流体２の流量を算出できる。
【０００７】
上記電極３ａ、３ｂの電位は、流体２との間に生じる電圧であるが、流体２の移動により発生する信号電圧が数ｍＶに対してノイズが数ｍＶから数Ｖ程度発生するため、直流では計測できず、上記したように交番磁界を印加して計測している。
【０００８】
そして、上記検出管１の電極３ａ、３ｂは、従来では図７（ａ）〜（ｃ）に示すように平形、外挿形、尖頭形のものが用いられている。図７（ａ）〜（ｃ）は、電極部の断面構造を示したものである。
【０００９】
図７（ａ）に示す平形は、金属製の検出管１の管壁２１及びその内側に設けられたライニング２２に電極用の穴を開け、この穴内に先端が平形の電極３を管内側から挿入し、管壁２１と電極３との隙間に管外側から絶縁体２３を介在させて密閉している。
【００１０】
図７（ｂ）に示す外挿形は、電極３の先端を細径に形成し、管壁２１及びライニング２２に設けた穴内に管外側から挿入して電極先端をライニング２２から少し突出させている。そして、管壁２１と電極３との隙間には、上記平形と同様に管外側から絶縁体２３を介在させて密閉している。
【００１１】
図７（ｃ）に示す尖頭形は、電極３の先端に近い部分にフランジ部２４を形成すると共に、このフランジ部２４の中心部を尖頭形に形成し、更に、このフランジ部２４に上記尖頭電極部を除いて絶縁コーティング２５を施している。そして、上記電極３を管壁２１及びライニング２２に設けた穴内に管内側から挿入し、フランジ部２４をライニング２２の内壁に当接させ、管壁２１と電極３との隙間に管外側から絶縁体２３を介在させて密閉している。
【００１２】
上記電極３（３ａ、３ｂ）の材質は、通常ＳＵＳ３１６が使用されるが、特に腐蝕性の高い流体２を測定するには、例えば白金イリジウム、ハステロイＢ、ハステロイＣ、チタン、タンタル、モネルなとが使用され、ライニング材質には、ネオプレン、ポリウレタン、天然ゴム、４フッ化エチレン樹脂、３フッ化エチレン、ガラスなどが条件に応じて使われる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
検出管１の材質としては、従来、上記したように金属が一般に使用されていたが、最近では耐腐蝕性に優れたセラミクスが使用されるようになってきている。
【００１４】
上記セラミクスを使用した検出管１は、耐蝕性に優れているが、加工が難しいという問題がある。例えば電極挿入用の穴開け加工を施す際、焼成後に行なうと、セラミクスが非常に硬くなってドリルによる穴開け加工が困難であり、また、仮焼結後に穴開け加工を行なうと、加工時に固まりで欠ける可能性があった。更にまた、焼結していない粉体成形体に電極を挿入すると、電極挿入時に粉体成形体を削って穴径が変化し、焼成後に電極と隙間を生じたり、欠けが生じたりする可能性があった。
【００１５】
セラミック検出管と白金（電極）との組み合わせては耐食性の点で優れているが、熱衝撃や曲げ強度、密着性の点で未だ改良の余地がある。
【００１６】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、電極を確実に装着でき、熱衝撃や曲げ強度、耐蝕性、密着性に優れた電磁流量計用流体検出管及び流体検出管の製造方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、電磁流量計用流体検出管の製造方法において、アルミナが主成分のセラミクス粉末を圧縮型成形し、この圧縮成形体に電極挿入用の穴を開けて６００〜１４００℃の温度で仮焼成し、この仮焼成後の上記電極挿入用穴に白金若しくは白金合金の電極を挿入して１４００〜１７００℃の温度で本焼成し、且つ、前記セラミクス粉末は、アルミナと該アルミナより熱膨張係数の大きいセラミクスとを複合して白金に近い熱膨張係数としたことを特徴とする。
【００１８】
第２の発明は、電磁流量計用流体検出管の製造方法において、アルミナが主成分のセラミクス粉末を圧縮型成形し、この圧縮成形体に電極挿入用の穴を開けて６００〜１４００℃の温度で仮焼成し、この仮焼成後の上記電極挿入用穴に白金若しくは白金合金の電極を挿入して１４００〜１７００℃の温度で本焼成し、且つ、前記セラミクス粉末は、アルミナをベースに部分安定化ジルコニアを３０〜４０％の範囲で複合したことを特徴とする。
【００２２】
第３の発明は、電磁流量計用流体検出管にあって、白金電極と、アルミナ及び該アルミナより熱膨張係数の大きいセラミクスを複合して白金に近い熱膨張率としたセラミクスで作製した管体とから成ることを特徴とする。
【００２３】
第４の発明は、電磁流量計用流体検出管にあって、白金電極と、アルミナを基本材料として３０〜４０％の範囲でジルコニアを複合したセラミクスで作製した管体とから成ることを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００２５】
（第１実施例）
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施例に係る電磁流量計における流体検出管の製造工程を示したものである。まず、図１（ａ）に示すように高純度アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の原料粉末を圧縮型成形し、この粉体成形体を旋盤やドリルにて検出管３０の概略構造に加工する。
【００２６】
次に上記検出管３０の構造に加工した粉体成形体をドリルにて穴開け加工を行ない、電極挿入用穴３１を形成する。その後、上記検出管３０を６００〜１４００℃の仮焼成温度、例えば１０００℃の温度で一旦仮焼結してバインダを揮発させ、少し焼結（固く）させる。この仮焼結体に対し、流路の流れを良くするために内面や端部の研磨加工を施した後、電極挿入用穴３１に図１（ｂ）に示すように白金若しくは白金合金により形成した棒状（円柱状）の電極３２を挿入する。この場合、電極３２の先端が検出管３０の内面と同一面となるように挿入位置を調整する。また、上記電極挿入用穴３１は、電極３２の直径より少し大きい値に予め設定している。
【００２７】
次いで、上記のように検出管３０の電極挿入用穴３１に電極３２を挿入した状態で、１４００〜１７００℃の本焼成温度、例えば１６００℃の温度で焼結させる。この焼結処理を行なうことにより、図１（ｃ）に示すように検出管３０の電極挿入用穴３１が狭まり、電極３２の外周面が電極挿入用穴３１の内壁に密着して確実に保持される。その後、最終研磨を行ない、検出管３０として完成させる。
【００２８】
電磁流量計において、磁場強度に応じた電圧を計測するためには、少なくとも流体検出管の内側は絶縁体で覆い、電圧を計測するための電極３２を接液させる必要がある。上記実施例で示したように配管部にセラミクスを用いると、配管自体の熱膨張係数は「１＊１０-5／℃」以下であり、また一般に電磁流量計の計測精度は０．１％オーダであるため、配管の熱膨張は殆ど問題とならず、温度補正の必要はない。しかもセラミクスの耐蝕性は、非常に良好である。
【００２９】
また、電極３２に白金を用いると、白金の熱膨張係数は「９＊１０-6／℃」、また、セラミクスの熱膨張係数、例えば高純度アルミナの熱膨張係数は「８＊１０-6／℃」であり、共に値が近いので大きな問題とはなり得ない。しかも、白金の耐蝕性は優れている。
【００３０】
そして、上記第１実施例で示したようにセラミクス粉体を圧縮成形し、検出管３０の構造に加工した状態で、電極挿入用穴３１を開けることにより、電極の穴開け加工を容易に行なうことができる。また、検出管３０を６００〜１４００℃の任意の温度で一旦仮焼結し、少し固くなった状態で、少し大きめの電極挿入用穴３１に電極３２を挿入し、その後、本焼成処理を行なっているので、電極挿入時に粉体成形体が削られる可能性及びクラックの発生を低減し、かつ、電極３２の外周面と電極挿入用穴３１の内壁との密着性を向上することができる。
【００３１】
（第２実施例）
アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）に３モルのイットリアを含む部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ2）を３５％添加し、上記第１実施例と同様の方法により検出管３０を完成させる。
【００３２】
アルミナとジルコニア（Ａｌ2Ｏ3／ＺｒＯ2）の複合焼結体は、ジルコニア強靭化アルミナとも呼ばれ、焼結過程においてアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）がジルコニア（ＺｒＯ2）の相変態を押さえつつ、逆にジルコニアがアルミナの粒成長速度を遅くさせるので、これがシナジー効果として働き、強靭化に作用する。これは四方良一、他著「高強度ＺｒＯ2−Ａｌ2Ｏ3 複合焼結体の機械的性質と組織の評価」によっても示される。図２は、上記アルミナ／ジルコニア複合焼結体におけるアルミナ含有量（重量％）と曲げ強度（ＭＰａ）との関係を示す特性曲線図である。特にジルコニアの添加量が３０〜４０％の範囲であると、図３に示すようにジルコニアの粒径は０．２μｍに漸近する。図３は、アルミナ／ジルコニア複合焼結体におけるアルミナ含有量とアルミナ及びジルコニアの粒径との関係を示したものである。また、更に、四方良一、他著「ジルコニアの低温熱劣化に及ぼす原料粉末比表面積の影響」では、低温（２００℃熱水）熱劣化を受けない臨界粒子径は０．３〜０．４μｍ程度に微細であれば耐蝕性が増すとしている。このため余裕を見て０．２μｍの粒径が得られる様、また強度と熱膨張係数を任意に選定できる様、アルミナ／ジルコニア複合焼結体にあってジルコニアの添加量を４０％以下とすることで、耐蝕性と熱膨張係数を考慮した高強度セラミクス検出管を得ることができる。
【００３３】
上記ジルコニアの含有量は、以下の理由により１５％以上であることが望ましい。
セラミクス（アルミナ／ジルコニア複合焼結体）の電極３への締め付け量は、焼結時の割れから判断しているが、経験値では電極径の約１０〜２０％である。この締付けにより密着性を確保している。セラミクスが電極３を締め付けたとき塑性変形による内部応力は、高温状態で緩和され、焼成後緩やかに徐冷することにより、残留内部歪みを小さくできる。徐冷条件によるが、ある温度から電極（白金）が収縮することにより、内部引張応力が発生する。
【００３４】
このため問題視されるのは、使用条件下での温度である。通常、電磁流量計は、最高でも２００℃以下で使用されるので、セラミクス（アルミナ／ジルコニア複合焼結体）の０〜２００℃の線膨張係数を考慮する。白金の線膨張係数は９．６である。図４は、アルミナ／ジルコニア複合焼結体のジルコニア含有量と線膨張係数（１０−６／℃）の関係を示したもので、曲線ａは０〜１００℃、曲線ｂは０〜２００℃、曲線ｃは０〜３００℃の場合の特性図である。
白金とセラミクスとの線膨張係数差は、セラミクスの強度と白金の締め付け量にも依存するが、経験値ではアルミナ／ジルコニア複合焼結体は、約１５％まで許容される。上記線膨張係数差が約２０％であるとすると、ジルコニアの含有量の下限は１５％程度までである。収縮のバラツキを考えるとジルコニア含有量の下限は３０％となる。以上により、ジルコニアの含有量は、１５％〜４０％までがよいが、バラツキまで考慮するとジルコニア含有量は３０〜４０％が妥当となる。このため本実施例では、ジルコニア含有量は３５％を選んだ。
【００３５】
（第３実施例）
アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）に３モルのイットリウムを含むジルコニア（ＺｒＯ2）を７５％添加し、上記第１実施例と同様の方法により検出管３０を完成させる。
【００３６】
前記第１実施例で示したように、セラミクスにより配管部を構成すると共に白金の電極３２を用いることにより、クラックの発生を低減すると共に電極部の隙間を無くし、かつ耐蝕性に優れた検出管３０を構成することができる。
【００３７】
ただ、温度変化が大きい場合、例えば急激に検出管３０が冷却されると、上記のように配管と電極との熱膨張係数差が小さい場合でも繰り返し熱衝撃が加わり、割れる可能性が高まる。このため第３実施例では、アルミナより熱膨張係数の大きいセラミクスの粉体として、部分安定化ジルコニアを７５％添加し、アルミナの熱膨張係数を大きくさせている。上記ジルコニアの熱膨張係数は、「１０＊１０-6／℃」である。
【００３８】
上記第３実施例で示したように部分安定化ジルコニアを７５％添加することにより、アルミナの熱膨張係数を白金の熱膨張係数である「９＊１０-6／℃」近くにでき、白金との熱膨張係数差を殆ど無くすことができる。この結果、検出管３０に大きな温度変化が与えられた場合でも、配管の損傷を防止することができる。
【００３９】
（第４実施例）
図５は、本発明の第４実施例に係る流体検出管の仮焼成前の要部を示したものである。第１実施例と同様にしてアルミナが主成分の原料粉末を圧縮型成形した後、旋盤やドリルにて検出管３０の概略構造に加工する。次に上記検出管３０に対し、ドリルにて穴開け加工を行なって電極挿入用穴３１を形成する。更に、上記検出管３０を６００〜１４００℃の仮焼成温度、例えば１０００℃の温度で一旦仮焼結した後、その内面や端部の研磨加工を施す。
【００４０】
一方、白金若しくは白金合金により形成した棒状（円柱状）の電極３２に対し、その外周面にアルミナ３３を蒸着法により０．００１〜０．００５ｍｍ蒸着させる。このときアルミナ３３は、例えば３ｍｍピッチで部分的に０．００５ｍｍ厚みむらを作成する。このアルミナ蒸着された電極３２を上記仮焼成された検出管３０の電極挿入用穴３１に挿入し、１４００〜１７００℃の本焼成温度、例えば１６００℃の温度で焼結させる。この焼結処理を行なうことにより、検出管３０の電極挿入用穴３１が狭まり、電極３２の外周面が電極挿入用穴３１の内壁に密着して確実に保持される。その後、最終研磨を行ない、検出管３０として完成させる。
【００４１】
上記のように電極３２の外周面にアルミナ３３を蒸着して電極挿入用穴３１に挿入し、その後、焼結処理を行なうことにより、電極３２と電極挿入用穴３１との密着性を高めることがてき、かつ、電極３２の抜けを確実に防止することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、セラミクス粉体を圧縮型成形し、検出管の構造に加工した状態で、電極挿入用穴を開けているので、電極の穴開け加工を容易に行なうことができる。また、上記圧縮型成形した検出管を６００〜１４００℃の任意の温度で一旦仮焼成し、少し固くなった状態で、電極挿入用穴に電極を挿入し、その後、１４００〜１７００℃の温度で本焼成処理を行なっているので、電極挿入時に粉体成形体が削られる可能性及びクラックの発生を低減し、かつ、電極の外周面と電極挿入用穴の内壁との密着性を向上することができる。
【００４３】
そして、検出管を構成するセラミクス粉体は、アルミナとアルミナより熱膨張率の大きいセラミクスとを複合して、例えば部分安定化ジルコニアを添加することにより、アルミナの熱膨張係数を白金の熱膨張係数に近付けたので、セラミクス検出管と白金電極との熱膨張係数差を殆ど無くすことができ、検出管に大きな温度変化が与えられた場合でも損傷を防止することができる。
また、検出管を構成する粉体セラミクスとして、アルミをベースに部分安定化ジルコニアを３０〜４０％の範囲で複合したものは、ジルコニア粒子が微細化して耐食性が増加して、耐食性と熱膨張係数を考慮した高強度セラミクス検出管を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る電磁流量計用流体検出管の製造方法を示す工程図。
【図２】第２実施例におけるアルミナ／ジルコニア複合焼結体のアルミナ含有量とアルミナ含有量と曲げ強度との関係を示す特性曲線図。
【図３】同実施例におけるアルミナ／ジルコニア複合焼結体のアルミナ含有量とアルミナ及びジルコニアの粒径との関係を示す特性曲線図。
【図４】同実施例におけるアルミナ／ジルコニア複合焼結体のジルコニア含有量と線膨張係数（１０−６／℃）の関係を示す特性図。
【図５】本発明の第４実施例に係る流体検出管の仮焼成前の要部を示す図。
【図６】本発明の対象とする電磁流量計の概略構成を示す図。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は従来の流体検出管における電極の断面構造を示す図。
【符号の説明】
３０  検出管
３１  電極挿入用穴
３２  電極
３３  アルミナ
【図１】
0003820051.tif 000002
【図２】
0003820051.tif 000003
【図３】
0003820051.tif 000004
【図４】
0003820051.tif 000005
【図５】
0003820051.tif 000006
【図６】
0003820051.tif 000007
【図７】
0003820051.tif 000008