JP2014085255A - 超音波流量計製造方法及びこれにより製造した超音波流量計並びに超音波流量計を備える流体制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波送受信器が取り付けられる伝送体が測定管と一体的に形成されており且つ測定精度の高い超音波流量計を提供する。
【解決手段】超音波流量計１０は、内部に流体を流通させる測定管１と、各々が伝送体４に超音波振動子を取り付けることにより構成され且つ測定管１の外側部に軸線方向に離間して配置された二つの超音波振動子とを備える。超音波流量計１０は、予め作成した測定管１をインサートとして金型内に設置して、測定管１の外側部に測定管１の軸線方向に離間して二つの伝送体４を測定管１と一体となるようにインサート成形し、二つの伝送体４にそれぞれ超音波振動子を取り付けることにより製造される。
【選択図】図４

Description

本発明は、化学工場、半導体製造分野、食品分野、バイオ分野などの各種産業における流体輸送において、流体中に超音波振動を伝搬させ、流れの上流側からの超音波伝搬時間と下流側からの超音波伝搬時間との差から流体の流速又は流量を計測する超音波流量計の製造方法及びこれにより製造した超音波流量計、並びに、このような超音波流量計を備える流体制御装置に関し、特に微小流量の計測及びスラリ流体とりわけ半導体分野で使用されるＣＭＰスラリ流体の流量の計測に適した超音波流量計の製造方法及びこれにより製造した超音波流量計、並びに、このような超音波流量計を備える流体制御装置に関する。

超音波伝搬時間の差によって測定管内を流れる流体の流速又は流量を計測する超音波流量計は２種類に大別することができる。

第１のタイプの超音波流量計では、直管状の測定管の両端部に測定管に対して略直角になるように流路が接続され、測定管を挟んで対面するように測定管の上流端部及び下流端部に超音波送受信器が配置される。かかる超音波流量計では、上流側の超音波送受信器から発せられた超音波が測定管内の流体中を伝搬して下流側の超音波送受信器により受信され、その後瞬時に、下流側の超音波送受信器から発せられた超音波が測定管内の流体へ伝搬して上流側の超音波送受信器により受信される（特許文献１、特許文献２、特許文献３等を参照）。その際、上流側の超音波送受信器から下流側の超音波送受信器への超音波伝搬時間と下流側の超音波送受信器から上流側の超音波送受信器への超音波伝搬時間とに差が生じることを利用して、測定管内の流体の流速を求め、流量を計測する。

第２のタイプの超音波流量計では、直管状の測定管の外周部に設けられた伝送体に二つの超音波送受信器が配置される。かかる超音波流量計では、一方の超音波送受信器から発せられた超音波が伝送体及び測定管壁を通して測定管内の流体に伝搬し、測定管の管壁で反射されながら測定管内の流体の流れの方向に対して斜めに伝搬して、他方の超音波送受信器により受信され、その後瞬時に、送信側と受信側が切り換えられ、同様に、一方の超音波送受信器から発せられた超音波が他方の超音波送受信器により受信される（特許文献４、特許文献５及び特許文献６等を参照）。その際、上流側の超音波送受信器から下流側の超音波送受信器への超音波伝搬時間と下流側の超音波送受信器から上流側の超音波送受信器への超音波伝搬時間とに差が生じることを利用して、直管部内の流体の流速を求め、流量を計測することは第１のタイプの超音波流量計と同様である。

第１のタイプの超音波流量計では、測定管の両端部に曲部が形成されるため、特に測定管内を流れる流体がスラリの場合、スラリが曲部に堆積、固着して超音波振動の伝搬が妨げられ、正確な流量の計測ができないという問題が生じる。これに対して、第２のタイプの超音波流量計では、測定管の両端部に曲部を形成する必要がないので、上記のような問題が生じにくいという利点がある。

特開２０００−１４６６４５号公報 特開２００６−３３７０５９号公報 特開２００７−５８３５２号公報 特開２００５−１８８９７４号公報 特開２００８−２７５６０７号公報 特開２０１１−１１２４９９号公報 特開２０１２−４２２４３号公報

ところが、第２のタイプの超音波流量計では、測定管の外周部に伝送体を設ける必要がある。測定管と別工程で作製した伝送体を接着剤や溶着などで測定管に後付けする場合、作業者の熟練度により、測定管に対する伝送体の位置や伝送体間の距離などにばらつきが生じやすく、測定精度の悪化の原因になる。また、接着剤の塗布量、接着剤の乾燥時間、接着剤の塗布の均一性などが超音波流量計の性能のばらつきを生じさせるため、超音波流量計の性能を保証するためには、これらを管理する必要が生じる。さらに、小径の測定管を使用する場合、測定管と伝送体との組立が困難となるという問題も生じる。射出成形により測定管と伝送体とを一体成形すれば、接着剤を用いる必要がなくなるが、測定管の内径に抜き勾配を設ける必要が生じ、測定管内の流体の流速が一定とならなくなるので、特に小径の測定管の作製には適さない。このため、伝送体と測定管を一体的に作製する場合、切削加工が用いられることが多い。

しかしながら、切削加工では、特に小さい管径の測定管の場合、作製が困難である上に、測定管の内周面の品質の管理が困難であり、測定管の内周面に微小な凹凸が形成されて、微細気泡が付着しやすくなる。この微細気泡は、表面で超音波振動を反射させてしまうため、特に超音波振動が測定管内で反射しながら伝搬する第２のタイプの超音波流量計では、出力信号強度を低下させる原因や測定精度を悪化させる原因となる。

このような測定管内の微細気泡の問題を解消するために、特許文献７に記載の直管式超音波流量計では、図１０に示されているように、筐体１０１の測定空間１０２内に設置された測定部１０３が、測定用流体を流す直管の測定用管体１０４と、測定用管体１０４の外周に軸線方向へ所定の間隔を設けて配設された一対の振動子１０５とを備え、測定用管体１０４の下流側に設けられた縮径部すなわち気泡圧潰部１０６により、小流量時に発生して内壁面近傍に集まる小さな気泡を圧潰させている。しかしながら、気泡圧潰部１０６として設けた縮径部により圧力損失が生じると共に、異物が付着及び堆積しやすくなる。また、縮径部により通常の大きさの気泡が通過しにくくなり、かえって測定精度を悪化させる原因となり得る。

よって、本発明は、従来技術に存する問題を解消して、超音波送受信器が取り付けられる伝送体が測定管と一体的に形成されており且つ測定精度の高い超音波流量計を提供することにある。

上記目的に鑑み、本発明は、内部に流体を流通させる測定管と、該測定管の外側部に軸線方向に離間して配置された二つの超音波送受信器とを備える超音波流量計を製造するための超音波流量計製造方法であって、予め作製した測定管をインサートとして金型内に設置して、前記測定管の外側部に前記測定管の軸線方向に離間して二つの伝送体を前記測定管と一体となるようにインサート成形し、前記二つの伝送体にそれぞれ超音波送受信器を取り付けるようにした超音波流量計製造方法を提供する。

上記超音波流量計製造方法では、予め作製した測定管をインサートとして配置し、その外側部に伝送体をインサート成形により一体的に形成する。したがって、測定管と伝送体とを別工程で作成でき、測定管の内周面の平滑性を向上させることが容易であり、小口径の測定管の製造にも容易に対応することができる。また、上記超音波流量計製造方法によれば、接着剤を用いて測定管と伝送体とを一体化する必要がないので、接着剤の使用に起因した超音波流量計の性能のばらつきの問題の発生を回避でき、小径の測定管の作製も容易となる。さらに、ほとんどばらつきもなく、測定管の外側部の予め定められた位置に正確に伝送体を形成することができ、作業者の熟練によらずに、一定レベルの測定精度を保証することが容易となる。

上記超音波流量計製造方法では、前記測定管を押出成形により作製することが好ましい。押出成形により作製された測定管は、内周面の表面粗さが小さいので、測定管の内周面に微細気泡が付着することを防止することができる。また、押出成形では、射出成形のように、測定管の内周面に抜き勾配を設ける必要がなく、抜き勾配が測定に与えることを防ぐことができ、小口径の測定管の製造も容易で、幅広い口径の測定管の製造に対応することができる。さらに、測定管を成形するときに、一度熱が加えられているので、測定管を用いてインサート成形を行っても熱的な安定性、生産性に優れている。前記測定管の内周面の算術平均粗さＲａが０μｍ＜Ｒａ≦０．２μｍであることがさらに好ましい。測定管の内周面をこのような算術平均粗さにすれば、測定管の内周面に微細気泡が付着することを効果的に防止することができる。

前記測定管の内径Ｄは、０．５ｍｍ≦Ｄ≦１０ｍｍであることが好ましい。

さらに、前記測定管と前記伝送体とが同じ材料から形成されていることが好ましく、前記測定管と前記伝送体がフッ素系樹脂から形成されていることがさらに好ましい。

上記超音波流量計製造方法では、前記測定管の上流側及び下流側の少なくとも一方に、インサート成形により前記測定管と一体となるように流路又は継手を形成することもできる。

また、本発明は、上記記載の超音波流量計製造方法により製造された超音波流量計を提供する。
さらに、本発明は、上記超音波流量計と、該超音波流量計からの出力に応じて機器の制御を行う制御部とを備える流体制御装置を提供する。

本発明の超音波流量計製造方法によれば、インサート成形により測定管と伝送体とを一体的に形成するので、作業者の熟練を要することなく且つ接着剤を用いることなく、測定管の外側部の正確な位置に測定管と一体的に伝送体を形成することができ、超音波流量計の測定精度を向上させることができる。また、測定管の内周面の平滑性を向上させて、測定管の内周面への微細気泡の付着を抑制することが容易となり、微細気泡による測定への影響を受けにくい測定精度の高い超音波流量計を実現することができる。

本発明の超音波流量計製造方法によって製造される第１の実施形態の超音波流量計の全体構成を示す縦断面図である。 図１に示されている超音波流量計の第１の変形形態を示す縦断面図である。 図１に示されている超音波流量計の第２の変形形態を示す縦断面図である。 本発明による超音波流量計製造方法の手順を示す説明図である。 超音波流量計の測定管の内周面に付着した微細気泡の影響を説明するための説明図である。 本発明による第２の実施形態の超音波流量計を示す縦断面図である。 本発明による第３の実施形態の超音波流量計を示す縦断面図である。 本発明による超音波流量計製造方法によって製造された超音波流量計を用いた流体制御装置の全体構成図である。 超音波流量計の測定管の内周面の表面粗さが測定精度及び出力信号強度に与える影響を調べるための実験設備の全体構成を示す概略図である。 従来技術の超音波流量計の例を部分的に断面で示す側面図である。

以下、図面を参照して、本発明による超音波流量計製造方法及びこれにより製造された超音波流量計、並びに、このような超音波流量計を用いた流体制御装置の実施の形態を説明する。
最初に、図１を参照して、本発明による超音波流量計製造方法によって製造される超音波流量計１０の全体構成を説明する。

超音波流量計１０は、測定対象の流体が内部を満水状態で流れるようになっている測定管１と、第１の伝送体２ａと第２の伝送体２ｂとからなる一対の伝送体２と、一対の伝送体２のそれぞれに取り付けられる超音波送受信器としての超音波振動子３とを備える。

測定管１の内周面１ａの表面粗さは、微細気泡が付着しにくいように、切削加工で作成されたものよりも小さくなっている。詳細には、測定管１の内周面１ａの算術平均粗さＲａは、切削加工の場合（一般的に０．４μｍ程度）よりも小さい、すなわち０μｍ＜Ｒａ＜０．４μｍとなっており、好ましくは、０μｍ＜Ｒａ≦０．２μｍ、さらに好ましくは０μｍ＜Ｒａ≦０．０２μｍとなっている。測定管１は、内周面１ａの表面粗さを小さくして平滑にするために、押出成形によって作製されたものであることが好ましい。測定管１の材質は、押出成形に適していることから、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などの合成樹脂から作成されることが好ましい。しかしながら、測定管１の材質は、超音波を伝搬することができるものであれば特に限定されるものではなく、ジュラルミン、アルミニウム、アルミ合金、チタン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などの金属などから作製してもよい。また、測定管１の外径及び内径は特に限定されるものではないが、超音波振動の伝搬を容易にするために、測定管１の管壁の厚さは薄い方が好ましい。さらに、測定管１の内径Ｄは、０．５ｍｍ≦Ｄ≦１０ｍｍであることが好ましい。内径が０．５ｍｍ以上であれば、インサートとして使用可能で、かつ、測定管１として使用可能な管を特別な製造方法によらずに製造可能で汎用性があり、入手が容易であるからである。また、内径が１０ｍｍ以下の測定管では、特に微細気泡の付着の影響が大きく、本発明による製造方法を用いて超音波流量計を製造したときに、測定管１の内周面１ａへの微細気泡の付着を防止する効果の恩恵が大きくなるからである。

一対の伝送体２の第１の伝送体２ａと第２の伝送体２ｂは、測定管１の外側部に、測定管１の軸線方向に離間して設けられ、測定管１と一体になるように融着部４で融着されている。第１の伝送体２ａ及び第２の伝送体２ｂの各々は、好ましくは、図１に示されている実施形態のように、頂点側から底面側に向かうにつれて拡径していく略円錐状をなしており、測定管１の周囲を取り囲む第１の伝送体２ａ及び第２の伝送体２ｂの貫通口の内周面と測定管１の外周面とが融着部４で全体にわたって一体となるように融着されている。また、第１の伝送体２ａ及び第２の伝送体２ｂは、その頂点側が互いに近い側を向き且つ底面側が互いから遠い側を向くように、対向して配置されており、測定管１の軸線方向に対して垂直方向に延びる端面を底面側に有している。

しかしながら、伝送体１の形状は、図１に示されている実施形態のものに限定されるものではない。例えば、図１に示されている実施形態では、伝送体２（第１の伝送体２ａ及び第２の伝送体２ｂ）の各々が略円錐状となっており、測定管１の周囲を取り囲む貫通口の内周面と測定管１の外周面とが全体にわたって一体となるように融着部４で融着されているが、図２に示されているように、貫通口の底面側が頂点側よりも拡径されており、融着部４が貫通口の内周面の頂点側の一部のみに形成され、貫通口の内周面の残余の部分が測定管１の外周面から離間した状態となるようにしてもよい。この場合、各伝送体２から測定管１に超音波が伝搬しやすいように、各伝送体２の貫通口の内周面の少なくとも３分の１が一体となるように融着されていることが好ましい。また、各伝送体２は、平面部分が測定管１の軸線に対して垂直となるように配置された半球形状、図３に示されているように測定管１の軸線に対して斜めに延びる円柱形状など、非円錐形状とすることもできる。さらに、各伝送体２は、測定管１の全周を取り囲んでいる必要はなく、図３に示されているように、測定管１の全周の一部のみに設けられていてもよい。

伝送体２の材質は、インサート成形可能なものであれば、特に限定されるものではない。例えば、伝送体２は、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などの合成樹脂から作成してもよく、ジュラルミン、アルミニウム、アルミ合金、チタン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などの金属などから作製してもよい。しかしながら、伝送体２は、超音波振動の伝搬性を良好にするために、測定管１と同じ材質から作製されることが好ましい。

超音波送受信器として使用される超音波振動子３は、超音波を発生できるものであれば、特に限定されるものではなく、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料を用いて作製され、電圧を印加したときに軸線方向に伸縮することにより超音波を発生する超音波振動子を超音波振動子３として使用することができる。各超音波振動子３は、一方の超音波振動子３で発生された超音波が測定管１内の流体を介して他方の超音波振動子３に伝搬されるように、各伝送体２に取り付けられる。図１に示されている実施形態では、超音波振動子３は、ドーナツ形状すなわち穴あき円板形状を有しており、超音波振動子３の軸線方向端面が各伝送体２の底面側端面に接着剤等により取り付けられている。超音波振動子３の内径は各伝送体２の底面側貫通口と略同径であり、その内周面は測定管２の外周面から離間した状態となるようにする。しかしながら、超音波振動子３の形状は、穴あき円板形状に限定されるものではなく、例えば、半円状や扇状とすることも可能である。

次に、図４を参照して、本発明による超音波流量計製造方法に従って、図１に示されている超音波流量計１０を製造する手順を説明する。まず、図４（ａ）に示されているように、切削加工により作製される場合よりも小さい算術平均粗さＲａ（０μｍ＜Ｒａ＜０．４μｍ）の測定管１を予め作製する。測定管の内周面に微小気泡が付着しにくくなるように、測定管１の内周面の算術平均粗さＲａは、０μｍ＜Ｒａ≦０．２μｍとすることが好ましく、０μｍ＜Ｒａ≦０．０２μｍとすることがさらに好ましい。特に、０μｍ＜Ｒａ≦０．２μｍの表面粗さの内周面１ａの測定管1を容易に作製することができることから、押出成形により測定管１を作製することが好ましい。

次に、図４（ｂ）に示されているように、予め作製された測定管１内にストレートピン５を挿入した後、図４（ｃ）に示されているように、ストレートピン５を挿入した状態の測定管１をインサートとして金型６内にセットして、伝送体２を形成する材料を金型６内に射出してインサート成形を行う。伝送体２の材料の射出成形に代えて圧縮成形を用いてインサート成形を行ってもよい。成形材料が冷却されて成形部７が測定管１と一体化した状態で固化したら、図４（ｄ）に示されているように、金型６内から、一体化した測定管１及び成形部７を取り出し、成形部７からランナー部分７ａを切削により除去して伝送体２とする。

このようにして、インサート成形により、一対の伝送体２が、測定管１の外側部の予め定められた位置に、互いに測定管１の軸線方向に予め定められた距離だけ離間した状態で、測定管１と一体的に形成された後、各伝送体２の端面に超音波振動子３を接着剤などで取り付けることにより、図１に示されている超音波流量計１０が作製される。

接着剤を用いて、測定管１と一対の伝送体２とを一体化する場合、接着剤の塗布量、接着剤の乾燥時間、接着剤の塗布の均一性などが超音波流量計１０の性能に影響し、作業者の熟練度が歩留りに影響を与えていた。このため、ばらつきを防ぐために、接着剤の塗布量や乾燥時間などを管理する必要が生じ、コストアップにつながっていた。さらに、超音波流量計のサイズが小さくなり、測定管１が小径になるほど、組立が困難であるという問題が生じていた。しかしながら、本発明の超音波流量計製造方法によれば、測定管１と一対の伝送体２とを一体化するために接着剤を用いる必要がなく、上記のような問題の発生を回避することができる。また、測定管１の材質としてＰＦＡやＰＶＤＦのようなフッ素系樹脂を用いる場合、測定管１への一対の伝送体２の固定には接着剤による接着が不向きであり、本発明による超音波流量計製造方法の利用が適している。

また、本発明の超音波流量計製造方法によれば、別工程で予め測定管１を作製するので、測定管１の内周面の表面粗さを小さくすることが容易であり、微細気泡が測定管１の内周面に付着しにくい超音波流量計を容易に製造することができる。特に、ＰＦＡやＰＶＤＦのようなフッ素系樹脂により測定管１を作製する場合、フッ素系樹脂の表面張力は大きく、気泡が付着しやすいので、本発明の超音波流量計製造方法の適用の効果が大きい。さらに、本発明の超音波流量計製造方法によれば、インサート成形により測定管１と一対の伝送体２とを一体的に形成するので、作業者の熟練に頼ることなく、ほとんどばらつきもなく、測定管１の外側部の予め定められた位置に一対の伝送体２を形成することができる。これにより、測定精度の高い超音波流量計１０を容易に提供することができる。

特に、押出成形により測定管１を作製すれば、算術平均粗さＲａが０．０２μｍ以下の内周面の測定管１を容易に作製することができる。さらに、押出成形により測定管１を作製する場合、射出成形で測定管１を作製する場合のように測定管１の内周面に抜き勾配を設ける必要がない。測定管１の内周面に抜き勾配を設けると、内部の流体の流速が位置によって変化することになり、測定に影響を与え、特に小口径の測定管１ではその影響が大きくなる。また、内径が５ｍｍ以下であり且つ長さが３０ｍｍ以上である測定管１の場合、射出成形により作製することが特に困難となる。しかしながら、押出成形により測定管１を作成すれば、そのような問題を防ぐことができ、小口径の測定管１の製造も容易である。したがって、微細気泡が測定管１の内周面に微細気泡を付着しにくく、小流量の測定も可能である、測定精度の高い超音波流量計を製造することが可能となる。さらに、測定管１を押出成形により作製している場合、測定管１の作製時に一度熱が加えられているので、測定管を用いてインサート成形を行っても熱的な安定性、生産性に優れるという利点もある。

測定管１と一対の伝送体２とを射出成形により一体成形することも可能であるが、微細気泡の付着を抑制するためには、測定管１の内周面の表面粗さを小さくする必要があるので、金型の設計や成形条件の管理が難しく、小口径（測定管１の内径が２ｍｍ以下）の測定管１では特に問題となる。しかしながら、押出成形により測定管１を作製すれば、表面粗さの小さい測定管１を容易に作製することができ、上述の問題も生じない。

次に、このようにして製造された超音波流量計１０の動作を説明する。
超音波流量計１０では、流体の流れに対して上流側に位置する超音波振動子３に変換器（図示せず）から電圧パルス又は周波数成分を持たない電圧が印加されると、超音波振動子３には、その厚さ方向（すなわち、電圧を印加する方向）及び径方向（すなわち、電圧印加方向と垂直な方向）に振動が発生する。伝送体２の底面側端面すなわち軸線方向端面と超音波振動子３の軸線方向端面とを固着させた上で超音波振動子３の両軸線方向端面の間に電圧を印加することにより、超音波として振動エネルギの大きい厚さ方向の超音波振動を伝送体２の底面側端面に伝搬させている。こうして、伝送体２に伝搬された超音波振動はさらに伝送体２及び測定管１の管壁を介して測定管２内の流体中へ伝わり、測定管１の外周面で反射されることを繰り返しながら測定管２内の流体中を伝搬した後、超音波振動が下流側に対向して位置する伝送体２を通してこれに固着される超音波振動子３へ伝搬され、電気信号に変換されて、この電気信号が変換器へ出力される。

超音波振動が上流側の超音波振動子３から下流側の超音波振動子３へ伝わり受信されると、瞬時に変換器内で送受信が切り換えられて、下流側に位置する超音波振動子３に電圧パルス又は周波数成分を持たない電圧が変換器から印加される。すると、上流側の超音波振動子３と同様に超音波振動が発生し、この超音波振動が伝送体２を通って測定管２内の流体に伝搬され、再び上流側に対向して位置する伝送体に固着される超音波振動子３に受信されると、電気信号に変換されて、この電気信号が変換器へ出力される。このとき、超音波振動は測定管２内の流体の流れに逆らって伝搬していくので、上流側の超音波振動子３から発信された超音波振動を下流側の超音波振動子３で受信したときに比べて流体中での超音波振動の伝搬速度が遅れ、伝搬時間が長くなる。

変換器内では、上流側超音波振動子３から下流側超音波振動子３への超音波振動の伝搬時間と下流側超音波振動子３から上流側超音波振動子３への超音波振動の伝搬時間が各々計測され、その差に基づいて流速及び流量が演算され、高精度な流量の計測を行うことができる。

超音波流量計１０の測定管１の内周面１ａに微細気泡が付着していると、微細気泡の表面で超音波を反射させてしまう。微細気泡の影響を受けていない超音波振動は、図５（ａ）において矢印Ａで示されているように、測定管１の外周面で反射されることを繰り返しながら測定管１内を伝搬していく。しかしながら、測定管１の内周面１ａに微細気泡が付着していると、図５（ａ）において矢印Ｂで示されているように、発信側の超音波振動子３から伝送体２及び測定管１に伝搬された超音波振動が測定管１と微細気泡との境界すなわち測定管１の内周面１ａ付近で反射されて測定管１内の流体に伝搬されなかったり、測定管１内の流体内を伝搬される超音波振動が測定管１内の流体と気泡との境界で反射されて受信側の超音波振動子３に入射されなかったりして、受信側の超音波振動子３に到達する超音波量が減少するため、信号強度の低下を招く。また、図５（ｂ）に示されているように、微細気泡の影響を受けていない超音波振動は、矢印Ａで示されているように、測定管１の外周面で反射されることを繰り返しながら測定管１内を伝搬していくのに対して、測定管１の内周面１ａに微細気泡が付着していると、矢印Ｂで示されているように、微細気泡と周囲との境界面で超音波振動が反射されてしまい、超音波振動の伝搬経路に差が生じて、伝搬時間にも影響を及ぼし、測定精度を悪化させる。

本発明による超音波流量計製造方法に従って、超音波流量計１０を製造すれば、超音波流量計１０の測定管１の内周面１ａの表面粗さを小さくして平滑にすることが容易となるので、微細気泡が測定管１の内周面１ａに付着することを抑制して、微細気泡による信号強度の低下や測定精度の悪化を防止することが可能となる。

以上、図１に示されている第１の実施形態の超音波流量計１０を例にして、本発明による超音波流量計及びその製造方法を説明したが、本発明の適用は第１の実施形態の超音波流量計１０の構成に限定されるものではない。図１に示されている第１の実施形態の超音波流量計１０では、測定管１の外周面と伝送体２の貫通口の内周面とが融着部４で一体となるように融着されているが、伝送体２は、測定管１の外側部に測定管１と一体となるように設けられていればよく、例えば、図６に示されている第２の実施形態の超音波流量計１０’のように、測定管１の外側に、一対の伝送体２を備えた外側測定管部８をインサート成形し、測定管１の外周面と外側測定管部８の内周面とが融着部４で一体となるように融着されるようにしてもよい。また、第１の実施形態の超音波流量計１０では、測定管１と一対の伝送体２とがインサート成形により一体的に形成されているが、図７に示されている第３の実施形態の超音波流量計１０”のように、インサート成形時に、測定管１の上流側及び下流側にそれぞれ入口流路９ａ及び出口流路９ｂを測定管１と一体となるように形成してもよい。さらに、インサート成形により形成される入口流路９ａ及び出口流路９ｂに、継手部９ｃや、超音波流量計１０”をハウジング（図示せず）に保持するための保持部９ｄを設けることも可能である。

図８は、本発明による超音波流量計を用いた流体制御装置を示している。
流体制御装置２０は、超音波流量計２１と、流体の流量、流速、圧力などを調整するための流体要素２２と、超音波流量計２１からの出力信号を処理して制御を行う電装部２５とを備える。超音波流量計２１としては、例えば図１に示される第１の実施形態の超音波流量計１０や、図２及び図３に示されている超音波流量計１０の変形形態、図６に示されている第２の実施形態の超音波流量計１０’、図７に示されている第３の実施形態の超音波流量計１０”など本発明による超音波流量計製造方法によって製造された超音波流量計が使用される。

流体要素２２としては、例えば電気駆動式又は空気駆動式のピンチバルブを使用することができる。しかしながら、流体要素２２は、流体の流量、流速、圧力などを調整するための機器であれば、電気駆動式又は空気駆動式のピンチバルブに限定されるものではない。

電装部２５は、超音波流量計２１（超音波流量計１０，１０’又は１０”）の超音波振動子２からの出力信号を増幅するアンプ部２３と、アンプ部２３によって増幅された信号に基づいて制御を行う制御部２４とを含み、制御部２４からの制御信号に基づいて、流体要素２２の動作を制御し、流体制御を行う。

流体制御装置２０によれば、本発明による超音波流量計２１を用いているので、流体の流量を高精度で測定することが可能であり、精密な流体制御が可能になる。

図９は、表面粗さによる微細気泡の付着が測定精度や信号強度に与える影響を確認するための実験装置を示している。実験では、脱気装置３３により脱気された純水３１をためたタンク３８内に空気３２を供給し、３０分間のバブリングを行うことにより、微細気泡を含む純水を準備し、バルブ３５で流量を調整しながら、微細気泡を含む純水をポンプ３４でタンク３８から超音波流量計３６へ供給し、超音波流量計３６（詳細には、その受信側超音波振動子）からの出力信号をオシロスコープ３７で観察した。また、実験では、超音波流量計３６の測定管のサイズは、長さ４０ｍｍ、外径３ｍｍ、内径２ｍｍで統一し、周波数６００ｋＨｚ、振幅±５Ｖの矩形波の電圧パルスを送信側超音波振動子に印加した。

このような条件下で、超音波流量計３６として、切削加工により測定管及び伝送体を一体的に作製した従来の超音波流量計を用いたときの受信側超音波振動子からの出力信号のピーク間電圧（ピークトゥピーク電圧）Ｖｐ−ｐと、超音波流量計３６として、本発明による超音波流量計１０，１０’又は１０”を用いたときの受信側超音波振動子からの出力信号のピーク間電圧（ピークトゥピーク電圧）Ｖｐ−ｐとを比較した。切削加工により伝送体と一体的に作製された測定管の内周面の算術平均粗さＲａは０．４μｍであり、これを用いた超音波流量計を超音波流量計３６として用いたときの超音波流量計からの出力信号は４０〜７５ｍＶｐ−ｐであった。これに対して、超音波流量計１０，１０’又は１０”で使用される押出成形により作製された測定管１の内周面１ａの算術平均粗さＲａは０．２μｍであり、これを用いた超音波流量計１０，１０’又は１０”からの出力信号は１００〜１７０ｍＶｐ−ｐとなり、受信信号強度が増加し、微細気泡の影響が提言されたことが確認された。また、測定精度の向上の効果も得られた。

１ 測定管
２ 伝送体
２ａ 第１の伝送体
２ｂ 第２の伝送体
３ 超音波振動子
１０，１０’，１０” 超音波流量計
２０ 流体制御装置
２２ 流体要素
２４ 制御部

Claims (9)

1. 内部に流体を流通させる測定管と、該測定管の外側部に軸線方向に離間して配置された二つの超音波送受信器とを備える超音波流量計を製造するための超音波流量計製造方法であって、
   予め作製した測定管をインサートとして金型内に設置して、前記測定管の外側部に前記測定管の軸線方向に離間して二つの伝送体を前記測定管と一体となるようにインサート成形し、前記二つの伝送体にそれぞれ超音波送受信器を取り付けるようにしたことを特徴とする超音波流量計製造方法。
2. 前記測定管を押出成形により作製する、請求項１に記載の超音波流量計製造方法。
3. 前記測定管の内周面の算術平均粗さＲａが０μｍ＜Ｒａ≦０．２μｍである、請求項１又は請求項２に記載の超音波流量計製造方法。
4. 前記測定管の内径Ｄが０．５ｍｍ≦Ｄ≦１０ｍｍである、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の超音波流量計製造方法。
5. 前記測定管と前記伝送体とが同じ材料から作製されている、請求項１から請求項４の何れか一項に記載の超音波流量計製造方法。
6. 前記測定管と前記伝送体がフッ素系樹脂から作製されている、請求項５に記載の超音波流量計製造方法。
7. 前記測定管の上流側及び下流側の少なくとも一方に、インサート成形により前記測定管と一体となるように流路又は継手を形成する、請求項１から請求項６の何れか一項に記載の超音波流量計製造方法。
8. 請求項１から請求項７の何れか一項に記載の超音波流量計製造方法により製造された超音波流量計。
9. 請求項８に記載の超音波流量計と、該超音波流量計からの出力に応じて機器の制御を行う制御部とを備えることを特徴とする流体制御装置。

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