JP3518268B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波により可燃
性流体の流量計測を行う超音波流量計に関するもので、
特にＬＰガスや天然ガスの流量計測を行う超音波流量計
に関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来この種の超音波流量計に用いる超音波
振動子には、例えば特表平６−５００３８９号公報が知
られており、図１３に示すようにエポキシ樹脂と微小ガ
ラス球からなる第１の整合層５３は圧電セラミック５
２、超音波吸収体５４を内包するケースとして共用して
いた。また超音波流量計としては特公平７−６０１６０
号公報が知られており、図１４に示すように測定管６３
を流れる被測定流体の流量を測定するため、超音波振動
子５５、５６はチャンバ５７、５８に配置されており、
このチャンバ５７、５８の前方に置かれた隔壁５９、６
０に設けられた円形孔には好ましくない粒子の混入を防
ぐためガーゼ６１、６２が備えられていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、ＬＰガスや天然ガスに接触しながら流量
計測を行う超音波振動子に対してエポキシ樹脂と微小ガ
ラス球からなる材料をケースとして利用すると、この材
料は微多孔性を有すためケースの中にＬＰガスや天然ガ
スが侵入することが考えられ、何らかの要因で圧電体に
高電圧がかかり、さらに酸素が十分ある場合には、引火
の可能性があるかもしれないという課題を有していた。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、超音波振動子を構成する圧電体は可燃性被
測定流体から遮断する金属製ケースで内包し、この金属
製ケースと金属製の流量計測部とを同電位としたもので
ある。

【０００５】上記発明によれば、超音波振動子内部や超
音波振動子と流量測定部の間での万一の放電によるガス
への引火の可能性をなくすることができるので可燃性流
体の流量計測を行う超音波流量計の安全性を向上でき
る。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の第１の形態の超音波流量
計は、流量測定部を流れる可燃性被測定流体に接触しな
がら超音波を送受信する一対の超音波振動子と、前記超
音波振動子間の超音波伝搬時間を計測する計測回路と、
この計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算
手段を備え、前記超音波振動子を構成する圧電体は前記
可燃性被測定流体から遮断するケースで内包されおり、
超音波振動子内部での放電によるガスへの引火の可能性
をなくすることができ、安全性の高い超音波流量計を得
ることができる。

【０００７】本発明の第２の形態の超音波流量計は、第
１の形態の超音波流量計において、ケースが導電性を有
す材料からなり、ケースによるシールド効果によりノイ
ズの影響を低減でき、高精度な超音波流量計を得ること
ができる。

【０００８】本発明の第３の形態の超音波流量計は、第
１の形態の超音波流量計において、ケースが金属からな
る。

【０００９】本発明の第４の形態の超音波流量計は、金
属からなる流量測定部と導電性を有すケースとを同電位
としたため、流量測定部とケースの間での放電防止がで
き、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

【００１０】本発明の第５の形態の超音波流量計は、可
燃性被測定流体に接触する金属からなる流量測定部の振
動子取付穴の内壁面と導電性を有すケースとの間に絶縁
層を設けたため、流量測定部とケースの間での放電防止
ができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができ
る。

【００１１】本発明の第６の形態の超音波流量計は、可
燃性被測定流体に接触する導電性を有すケースの少なく
とも側壁に絶縁層を設けたため、流量測定部とケースの
間での放電防止ができ、安全性の高い超音波流量計を得
ることができる。

【００１２】本発明の第７の形態の超音波流量計は、可
燃性被測定流体に接触する金属からなる流量測定部の振
動子取付穴の少なくとも内壁面に絶縁層を設けたため、
流量測定部とケースの間での放電防止ができ、安全性の
高い超音波流量計を得ることができる。

【００１３】本発明の第８の形態の超音波流量計は、金
属からなる流量測定部において可燃性被測定流体に非接
触な位置でかつ導電性を有するケースの近傍に電極部を
設け、前記電極部と前記ケースにより放電可能としたた
め、可燃性被測定流体に接触する位置での流量測定部と
ケースの間での放電防止ができ、安全性の高い超音波流
量計を得ることができる。

【００１４】本発明の第９の形態の超音波流量計は、金
属からなる流量測定部の可燃性被測定流体に非接触な位
置において、高抵抗体を介して前記流量測定部と導電性
を有すケースとを接触させたため、可燃性被測定流体に
接触する位置での流量測定部とケースの間での放電防止
ができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができ
る。

【００１５】本発明の第１０の形態の超音波流量計は、
流量測定部に設けた振動子取付穴の超音波振動子より可
燃性被測定流体が流れる流路側に少なくとも１つ以上の
網目状構造体を設けたため、振動子取付穴内部で放電に
より発生した熱が流路を流れる可燃性被測定流体に広が
ることを防止でき、安全性の高い超音波流量計を得るこ
とができる。

【００１６】本発明の第１１の形態の超音波流量計は、
第１０の形態の超音波流量計において、可燃性被測定流
体よりも熱伝導率の高い材料からなる網目状構造体を設
ける。

【００１７】本発明の第１２の形態の超音波流量計は、
第１０の形態の超音波流量計において、金属からなる網
目状構造体を設ける。

【００１８】本発明の第１３の形態の超音波流量計は、
圧電体を内包するケースの外側に整合層を設けたため、
超音波振動子の感度を向上でき、高精度な超音波流量計
を得ることができる。

【００１９】本発明の第１４の形態の超音波流量計は、
第１３の形態の超音波流量計において、圧電体を内包す
るケースならびに前記ケースの外側に設けた整合層の側
壁に剥離防止体を設けたため、整合層の剥離防止がで
き、信頼性の高い超音波流量計を得ることができる。

【００２０】本発明の第１５の形態の超音波流量計は、
第１３の形態の超音波流量計において、整合層表面なら
びに前記整合層とケースとの接続部の周囲に保護膜を設
けたため、可燃性非測定流体による整合層の劣化が防止
でき、信頼性の高い超音波流量計を得ることができる。

【００２１】本発明の第１６の形態の超音波流量計は、
第１３の形態の超音波流量計において、整合層の側壁全
体を覆うよう配置した振動規制体を設けたため、整合層
の不要な振動モードを低減し超音波振動子の感度が向上
できるので、高精度な超音波流量計を得ることができ
る。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。なお図面中で同一符号を付しているものは同
一なものであり、詳細な説明は省略する。

【００２３】（実施例１） 図１は本発明の実施例１の超音波流量計の構成図であ
る。また図２は図１の流路１の断面（ａ−ａ’）を横か
ら見た断面図である。図１において、１は流量測定部の
断面で、２は流路、３、４は流路２の側壁部、５、６は
側壁部３、４に設けた振動子取付穴７、８に取り付けら
れた超音波振動子で、９、１０は超音波振動子５、６と
振動子取付穴７、８の間のシール材、１１は超音波振動
子５、６に接続された計測回路、１２は計測回路１１に
接続された流量演算手段、３４、３５は超音波振動子
５、６と側壁部３、４に電気的に接続する導通手段であ
る。図２において１３は流路２の下部で、１４はシール
材１６を介して側壁部３、４に接続された上板部で、１
５は流路２の矩形形状の断面である。

【００２４】以上のように構成された超音波流量計の流
量測定部の作製方法の一例について図１、図２を用いて
説明する。流量測定部１を構成する材料には可燃性被測
定流体に対して化学変化を生じず、導電性を有す材料を
用いる。本実施例では可燃性被測定流体を例えばＬＰガ
ス、超音波流量計として家庭用ガスメータを想定する
と、流量測定部１を構成する材料は（財）日本エルピー
ガス機器検査協会や（財）日本ガス機器検査協会の検査
規程に記載された材料のうち、例えばアルミニウム合金
ダイカストとした。側壁部３、４の端面に例えばコルク
材からなるシール材１６を介して上板部１０をネジどめ
して、断面形状が矩形の流路２を有す流量測定部１を構
成する。また超音波振動子５、６は送受波面が相対する
よう側壁部３、４に斜めに設けられた振動子取付穴７、
８に例えばＯリングからなるシール材９、１０を介して
固定する。最後にＬＰガスに接触しない位置で超音波振
動子５、６と流量測定部１を電気的に接続するため例え
ばリード線からなる導通手段３４、３５を超音波振動子
５、６と側壁部３、４にそれぞれ例えば導電性ペースト
で接着する。

【００２５】以上のように構成された流量測定部１を用
いた超音波流量計についてその動作を説明する。超音波
振動子５と超音波振動子６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２の長手方向となす角
をθとする。またＬＰガスの無風状態での音速をＣ、流
路２内でのＬＰガスの流速をＶとする。流量測定部１の
上流側に配置された超音波振動子５から送信された超音
波は流路２を斜めに横断し、下流側に配置された超音波
振動子６で受信する。

【００２６】このときの伝搬時間ｔ１は、

【００２７】

【数１】

【００２８】で示される。次に送信・受信する超音波振
動子を切り替え、超音波振動子６から超音波を送信し、
超音波振動子５で受信する。このときの伝搬時間ｔ２
は、

【００２９】

【数２】

【００３０】で示される。ｔ１とｔ２の式からＬＰガス
の音速Ｃを消去すると、

【００３１】

【数３】

【００３２】の式が得られる。Ｌとθが既知ならば、計
測回路１１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、断面１５の面積をＳ、
補正係数をＫとすれば、流量演算回路１２で、Ｑ＝ＫＳ
Ｖを演算し、流量を求めることができる。

【００３３】以上のような動作原理で流量計測を行う超
音波流量計に用いる超音波振動子について図３、図４を
用いて説明する。図３は超音波振動子の断面図で、図４
は超音波振動子に用いる圧電体の外観図である。

【００３４】ＬＰガスのような可燃性ガスは音響インピ
ーダンスが小さく、配管の外に配置した超音波振動子か
ら超音波を伝搬させることは困難である。そこで超音波
振動子はＬＰガスに接触しながら計測する必要がある。
さらに家庭用ガスメータでは、電池電圧程度で超音波振
動子を駆動し、かつ計量器に求められる性能を有す必要
がある。以上のことから超音波振動子には火炎発生防止
と高感度化が求められる。

【００３５】そこで上記の特性を満足する超音波振動子
の作成方法の一例を簡単に説明する。まず超音波振動子
１７に用いる圧電体１８はケース１９に接着固定してケ
ース１９を圧電体１８のグランドと共用を図るため、広
がり振動を主モードとする圧電体では横方向に広がりに
くくなり高感度化が困難であるので、厚み縦振動を主モ
ードとする圧電体を選択する。

【００３６】例えば計測精度から周波数を約４００kH
z、流路２の寸法から圧電体１８の横２８、縦２９を８m
mと設定する。周波数から圧電体１８の厚み３０は４mm
となるが、このような直方体の圧電体１８は４００kHz
近傍では厚み縦振動と広がり振動が混在するため、超音
波を効率良く送受信できない。そこで厚み縦振動が主モ
ードとするため、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３に対する厚みの比が
好ましくは０．８以下となるように圧電体１８に溝３１
を２本設ける。溝の深さは、好ましくは厚みの９０％以
上程度とする。しかし溝の本数や深さ、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ
３のそれぞれの寸法は超音波振動子１７の特性と圧電体
１８の構造的強度から判断する。

【００３７】次に圧電体１８を導電性を有す例えば有天
円筒状の厚み０．２mmのステンレス製ケース１９の内側
に絶縁性のエポキシ系接着剤を用いて加圧しながら接着
する。このとき接着層の厚みは圧電体１８の電極Ａの表
面粗さにもよるが、１０マイクロメータ以下、好ましく
は５マイクロメータ以下の厚みとすると、圧電体１８の
電極Ａ２０の１個以上の凸部がケース１９に直接接触す
るため電気的導通も可能となる。

【００３８】それからケース１９の外側の超音波放射に
は例えばエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる円板形状
の整合層２１をエポキシ系接着剤で接着する。ケース１
９のフランジ部２２に例えば厚み０．５mmの円板形状の
ステンレス製端子板２３は圧電体１８とケース１９の接
着と同様に絶縁性のエポキシ系接着剤で加圧しながら接
着し、密封と同時にケース１９と端子板２３の電気的導
通を可能とする。圧電体１８の電極Ｂ２５と端子板２３
に絶縁層３３を介して固定された端子Ｂ２７はリード線
２５をハンダ付けする。またケース１９と端子板２３で
作られた密封空間２８には例えば窒素のような不活性ガ
スを充填する。

【００３９】ここで何らかの理由により、例えば雷によ
り生じた高電圧が端子Ａ２４、端子Ｂ２７と計測回路１
１を接続する図示していないリード線を通じて圧電体１
８に印加されたり、あるいは圧電体１８に電荷が蓄積さ
れた場合を考える。圧電体１８の電極Ａ２０と電極Ｂ２
５の間に高電圧がかけられたり、非常にたくさんの電荷
が蓄積されると電極Ａ２０と電極Ｂ２５の間や電極Ｂ２
５とケース１９の間で放電が起こることがある。放電が
起こっても圧電体１８はケース１９により密封されてい
て、空間２８にはＬＰガスが浸入できない構造となって
いるためＬＰガスに引火することは無い。さらに流量測
定部１に配置された超音波振動子５、６と側壁部３、４
はそれぞれ導通手段３４、３５で電気的に接続されてい
るため同電位となっている。このためＬＰガスに接触し
ている超音波振動子５、６と振動子取付穴７、８の間で
の放電が起こることも防止できる。

【００４０】以上のように、本実施例によれば直方体の
圧電体１８に２本の溝を設けることにより厚み縦振動を
利用することが可能となる。また圧電体１８とケース１
９、ケース１９と端子板２３を厚み１０マイクロメータ
以下、好ましくは５マイクロメータ以下の絶縁性のエポ
キシ樹脂系接着層で接着固定することにより、接着強度
と同時に導通も取ることができる。また圧電体１８の溝
により分割された電極Ａ２０をケース１９に接着固定す
ることにより、分割電極の接続が容易となるし、分割さ
れた圧電体１８が横方向へたわむような振動をすること
を防止できる。

【００４１】なお実施例１では、流量測定部１と超音波
振動子５、６を電気的に接続するとしたが、流量測定部
１と超音波振動子５、６と計測回路１１とを電気的に接
続しても良いし、流量測定部１あるいは超音波振動子
５、６のケース１９が絶縁体であれば同電位にする必要
はない。

【００４２】（実施例２） 以下、本発明の実施例２について、図面を参照しながら
説明する。

【００４３】図５は本発明の実施例２における超音波流
量計の流量測定部１の超音波振動子取付部分の断面図で
ある。図５における２、３、４、７は流量測定部１の流
路、側壁部、振動子取付穴で、以上は図２の構成と同様
なものである。図２の構成と異なるのは、振動子取付穴
７うち可燃性被測定流体に接触する全ての内壁面に絶縁
層３６を設けた点と、超音波振動子５のフランジ部３７
を挟み込む形状のシール材３８を設けた点と、シール材
３８を介して超音波振動子５を振動子固定部品３９で固
定した点である。

【００４４】上記のように構成された超音波流量計の流
量測定部１の作成方法、動作原理は実施例１と同様にな
るため省略する。

【００４５】超音波流量計の流量計測部１への超音波振
動子５の取り付け方法の一例について簡単に説明する。
流量測定部１の振動子取付穴７のうち少なくともＬＰガ
スのような可燃性被測定流体に接触する内壁面に例えば
絶縁体である厚み０．１mmの厚みのポリミドからなる絶
縁層３６を設ける。超音波振動子５のフランジ部３７の
外周に例えばＬＰガスに耐性を有すＮＢＲゴムからなる
円筒状のシール材３８をはめ込む。シール材３８をはめ
込んだ超音波振動子５を振動子取付穴７に挿入する。フ
ランジ部３７の後方に例えばリング形状のテフロンから
なる絶縁体でできた振動子固定部品３９を配置し、図示
していない例えばネジで超音波振動子５を固定する。

【００４６】例えばＬＰガスのような可燃性気体に接触
しながら流量を計測する家庭用ガスメータでは、安全面
からは低い電圧で駆動することが望ましいが、測定精度
からすると高い電圧で駆動し受信信号レベルを高めるこ
とが望ましい。そこで電池電圧をプラス方向とマイナス
方向に変えながら駆動する双方向駆動（バイポーラ駆
動）を考える。双方向駆動するためには超音波振動子５
に接続された図示されていない回路とアースとなってい
る流量計測部１は電気的に独立している必要がある。

【００４７】しかし上記のような構成では例えば急激な
熱変動により超音波振動子５内部に電荷が蓄積され、超
音波振動子５と流量測定部１との間に電位差が生じる
と、この電位差が高ければ超音波振動子５のケース側壁
４０、フランジ部３７と流量測定部１の側壁部３の間で
最も距離の短いところで放電を起こす可能性がある。放
電が振動子取付穴７内部で起こり、さらに酸素が十分存
在すると、ＬＰガスに引火する可能性がある。

【００４８】本実施例の構成ではフランジ部３７を絶縁
性のあるシール材３８で覆い、振動子取付穴７の内壁面
に絶縁層３６を設けることにより、超音波振動子５と振
動子取付穴７のＬＰガスに接触した部位での放電が防止
できる。

【００４９】なお実施例２では、絶縁層３６を振動子取
付穴７のうち少なくとも超音波振動子５を固定した後Ｌ
Ｐガスのような可燃性被測定流体に接触する内壁面に設
けるとしたが、放電防止が可能なら上記範囲より狭くて
も、広くても構わない。また絶縁層３６を振動子取付穴
７の内壁面に設けるとしたが、超音波振動子５のケース
側壁４０やケース側壁４０と振動子取付穴７の隙間に設
けても構わないし、複数の絶縁層を設けても構わない。

【００５０】（実施例３） 以下、本発明の実施例３について、図面を参照しながら
説明する。

【００５１】図６は本発明の実施例３における超音波流
量計の流量測定部１の超音波振動子取付部分の断面図で
ある。図６において、３、７は流量測定部１の側壁部、
振動子取付穴、３７、４１は超音波振動子５のフランジ
部、リード線、３８はシール材、３９は振動子取付部品
で、以上は図５の構成と同様なものである。図５の構成
と異なるのは、側壁部３にフランジ部３７近傍までのび
る例えばステンレス製の針状の突起部を設けた点と振動
子取付穴７の内壁面に絶縁層を設けなかった点である。

【００５２】ここで電極部４２の先端とフランジ部３７
の距離が超音波振動子５と流量測定部１の間で最も近
く、かつ放電可能な距離となるよう電極部４２を側壁部
３に設ける。このような位置関係では、電極部４２の先
端とフランジ部３７の間で放電が発生じるが、ＬＰガス
が存在しない位置での放電のため、ＬＰガスへの引火が
防止できる。

【００５３】なお実施例３では、ステンレス製の針状の
電極部４２を側壁部３に設けるとしたが、上記条件に限
定されるわけでなく、材料、形状を適宜変えて構成する
ことができ、例えば金メッキしたステンレスでも構わな
いし、可燃性非測定流体に接触しない位置で放電が可能
ならどのような構成でも構わない。また振動子取付部品
３９は実施例２と同様に絶縁体としたが、導体とし電極
部４２のかわりに利用してもよい。

【００５４】（実施例４） 以下、本発明の実施例４について、図面を参照しながら
説明する。

【００５５】図７は本発明の実施例４における超音波流
量計の流量測定部１の超音波振動子取付部分の断面図で
ある。図７において、３、７は流量測定部１の側壁部、
振動子取付穴、３７、４１は超音波振動子５のフランジ
部、リード線、３８はシール材、３９は振動子取付部品
で、以上は図５の構成と同様なものである。図５の構成
と異なるのは、側壁部３とフランジ部３７を電気的に接
続する高抵抗体４３を設けた点と振動子取付穴７の内壁
面に絶縁層を設けなかった点である。

【００５６】そこで超音波振動子５と流量測定部１を高
抵抗体４３で接続することを考える。高抵抗体４３は例
えば抵抗が１MΩ程度となるようシリコンゴムに少量の
カーボンを混合した材料を選択する。超音波振動子５を
駆動する電池電圧程度では数マイクロアンペアしか電流
が流れないので、双方向駆動にはほとんど影響を与えな
い。超音波振動子５と流量測定部１との間に生じた電位
差が高い場合、超音波振動子５と流量測定部１との間の
放電発生条件よりも高抵抗体４３を通じて流量測定部１
に電流を流れ易くしておけば、放電は発生しない。さら
に高抵抗体４３の両端に高電圧かかるため、超音波振動
子５に接続された図示されていない回路にかかる電圧が
下げられ、高電圧による回路の故障も避けられる。

【００５７】なお実施例４では、また高抵抗体４３を抵
抗が１MΩ程度となるようシリコンゴムに少量のカーボ
ンを混合した材料としたが、上記条件に限定されるわけ
でなく、抵抗値、材料、形状を適宜変えて構成すること
ができ、例えば超音波流量計に要求される必要絶縁耐圧
に応じ１MΩ〜１００MΩの抵抗値となるよう絶縁材料に
導電材料を混合したゴム系材料や塗布可能な材料でも構
わない。また側壁部３とフランジ部３７を電気的に接続
するために高抵抗体４３を設けたが、シール材３８や振
動子取付部品３９を高抵抗体４３として用いても構わな
い。

【００５８】（実施例５） 以下、本発明の実施例５について、図面を参照しながら
説明する。

【００５９】図８は本発明の実施例５における超音波流
量計の流量測定部１の超音波振動子取付部分の断面図で
ある。図８において、３、７は流量測定部１の側壁部、
振動子取付穴、３７、４１は超音波振動子５のフランジ
部、リード線、３８はシール材、３９は振動子取付部品
で、以上は図５の構成と同様なものである。図５の構成
と異なるのは、振動子取付穴７の流路２に接した面の全
体を覆う例えばメッシュサイズ５００番のステンレス製
メッシュからなる網目状構造体４４を設けた点と振動子
取付穴７の内壁面に絶縁層を設けなかった点である。

【００６０】さまざまな放電防止対策を行っても、何ら
かの理由で放電防止対策が働かず放電してしまう最悪の
ケースも考えられる。そこで何らかの理由により振動子
取付穴７の内部で放電が発生した場合を考える。振動子
取付穴７の内部で放電により発生した熱は、流路２を流
れるＬＰガスに広がろうとする。このとき振動子取付穴
７に設けた網目構造体４４に熱が到達すると、メッシュ
サイズが５００番と小さいうえ、ステンレスの方がＬＰ
ガスより熱伝導度が高いため、熱は流路２に広がらず、
網目構造体４４を伝わり側壁部３に伝導してしまう。こ
の結果、熱が流路２に広がることを防止でき、ＬＰガス
への引火の危険を防止できる。また網目構造体にはメッ
シュ穴が多数存在するため、超音波の伝搬が可能である
ため、流量の計測への影響は少ない。

【００６１】なお実施例５では、網目状構造体４４を振
動子取付穴７の流路２に接した面の全体を覆うよう設け
るとしたが、振動子取付穴７の超音波振動子５と流路２
の間でも構わないし、１枚以上ならば何枚でも構わな
い。また網目状構造体４４をメッシュサイズ５００番の
ステンレス製メッシュとしたが、上記条件に限定される
わけでなく、熱の広がり防止が可能で超音波の伝搬も可
能な構成ならなんでも構わず、例えばメッシュサイズが
１００〜５００番程度の金属やセラミックのメッシュで
良く、小さい穴の開いた金属板や樹脂板でも構わない。
また本実施例では放電対策を行っていないが、実施例１
〜４に示した放電対策と組み合わせて実施しても良い。

【００６２】（実施例６） 以下、本発明の実施例６について、図面を参照しながら
説明する。

【００６３】図９は本発明の実施例６における超音波流
量計に用いる超音波振動子の外観図、図１０は超音波振
動子の断面図である。図９、図１０において、１８は圧
電体、２２はケース１９のフランジ部、２１は整合層、
２３は端子板で、以上は図３の構成と同様なものであ
る。図３の構成と異なるのは、ケース１９の側壁部４６
と整合層２１の側壁を覆うように剥離防止体４５を設け
た点、整合層２１とケース１９の天上部４７の間に接着
層を設けた点である。

【００６４】上記のように構成された超音波振動子の作
成方法は実施例１と同様になるため省略する。

【００６５】例えば可燃性非測定流体をＬＰガスとする
と、ＬＰガスのような可燃性ガスは音響インピーダンス
が小さく、配管の外に配置した超音波振動子から超音波
を伝搬させることは困難である。そこで超音波振動子は
ＬＰガスに接触しながら計測する必要が有る。さらに家
庭用ガスメータを想定すると、電池電圧程度で超音波振
動子を駆動し、かつ計量器に求められる性能を有す必要
がある。以上のことから超音波振動子には放電によるガ
スへの引火の可能性をなくすることと高感度化が求めら
れる。

【００６６】上記の要求を満足するため、電圧が印加さ
れる圧電体１８は例えば厚み０．２mmの有天円筒状のス
テンレス製ケース１９と端子板２３で密封し、放電によ
るガスへの引火の可能性をなくする構成とする。またＬ
Ｐガスのような気体に対して効率良く超音波の送受信す
るため、ケース１９の天井部１０の外側に例えばエポキ
シ樹脂と微小ガラス球からなる円板形状の整合層２１を
エポキシ樹脂系接着剤にて接着する。

【００６７】しかしエポキシ樹脂と微小ガラス球からな
る整合層２１は微多孔質な材料であるため、ＬＰガスが
整合層２１を透過して接着層４７を劣化させたり、接着
層４７の横からＬＰガスが接着層４７を劣化され、整合
層２１が剥離する危険性がある。そこで整合層２１は天
上部４８に密着していれば特性に影響を与えないので、
接着層４７がＬＰガスにより劣化されても整合層２１が
剥離しない手段を考える。まず、例えば整合層２１の側
壁とケース１９の側壁部４６全体に例えば厚み１mm程度
のエポキシ樹脂からなる剥離防止体４５を塗布する。さ
らに接着層４７に例えば弾力性と粘着性のあるエラスト
マ系エポキシ樹脂を用いる。このような構成を用いる
と、接着層４７の横からＬＰガスが接着層４７を劣化す
るのを防止できるし、整合層２１が剥離する方向に力が
かかっても剥離防止体４５により剥離することが妨げら
れる。さらに接着層４８をエラストマ系エポキシ樹脂と
すると、その弾力によりケース１９と整合層２１の熱膨
張係数の違いによって発生する剥離する方向の力をある
程度吸収できるので、剥離に対して強くなる。

【００６８】なお実施例６では、剥離防止体４７を厚み
１mmのエポキシ樹脂とし整合層２１の側壁と側壁部４６
全体に設けたが、上記条件に限定されるわけでなく、厚
み、材料、設ける範囲は適宜変えて構成することがで
き、例えば金属や樹脂製のパイプを接着固定してもよ
い。また接着層４７をエラストマ系エポキシ樹脂とした
が、上記条件に限定されるわけでなく、適宜変えて構成
することができ、例えばエポキシ樹脂系接着剤でも構わ
ない。また剥離防止体４７を絶縁体とし、実施例２の超
音波振動子５に設けた絶縁層３６として用いてもよい。

【００６９】（実施例７） 以下、本発明の実施例７について、図面を参照しながら
説明する。

【００７０】図１１は本発明の実施例７における超音波
振動子の断面図である。図１１において、４６はケース
１９の側壁部、２１は整合層で、以上は図１０の構成と
同様なものである。図１０の構成と異なるのは、ケース
１９の側壁部４６と整合層２１の全ての表面を覆うよう
に保護膜４９を設けた点である。

【００７１】上記のように構成された超音波振動子の作
成方法は実施例６と同様になるため省略する。

【００７２】例えば可燃性非測定流体をＬＰガスとする
と、整合層２１は例えばエポキシ樹脂と微小ガラス球か
らなる微多孔性の材料が選択される。家庭用ガスメータ
を想定すると、１０年間ＬＰガスにさらすことから、材
料の劣化が心配される。整合層２１は超音波振動子１７
の特性を決める重要な部品で、整合層２１の劣化は超音
波流量計の性能にも影響を与える。そこで、整合層２１
の材料劣化を防止するため、整合層２１と側壁部４６の
全表面に、例えば厚み０．１mmのエポキシ樹脂からなる
保護膜４９を塗布する。ただし整合層２１の超音波放射
面５０に設けられた保護膜４９は、超音波振動子１７の
送受信特性からみれば無いほうがいいので、材料、厚み
等は被測定流体の材料、使用する超音波の周波数から適
した材料と厚みを選択しなければならない。このような
構成を用いると、整合層２１の材料劣化の防止になるう
え、接着層４７の横からＬＰガスが接着層４７を劣化す
るのを防止できるし、整合層２１が剥離する方向に力が
かかっても剥離防止体４５により剥離することは防止で
きる。

【００７３】なお実施例７では、また保護膜４９を厚み
０．１mmのエポキシ樹脂とし整合層２１と側壁部４６の
全面に設けたが、上記条件に限定されるわけでなく、厚
み、材料、設ける範囲は適宜変えて構成することがで、
例えば金属メッキや蒸着、パリレンコーティング、ポリ
ミドコーティングでも構わない。また保護膜４９の厚み
を均一としたが、整合層２１の超音波放射面５０に設け
る厚みよりも側壁部４９の厚みを厚くしても良いし、実
施例６の構成と組み合わせて実施しても良いことはいう
までもない。また保護膜４９を絶縁体とし、実施例２の
超音波振動子５に設けた絶縁層３６として用いてもよ
い。

【００７４】（実施例８） 以下、本発明の実施例８について、図面を参照しながら
説明する。

【００７５】図１２は本発明の実施例8における超音波
振動子の断面図である。図１２において、４６はケース
１９の側壁部、２１は整合層で、以上は図１０の構成と
同様なものである。図１０の構成と異なるのは、整合層
２１の直径より小さい穴の空いたキャップ状の振動規制
体５１を設けた点である。

【００７６】上記のように構成された超音波振動子の作
成方法は実施例６と同様になるため省略する。

【００７７】整合層２１には例えばエポキシ樹脂と微小
ガラス球からなる微多孔性の材料が選択し、整合層２１
はケース１９の外側に設けた構成の超音波振動子１７を
駆動すると、整合層２１は厚み方向に振動する以外に横
方向にも広がり振動する。しかし整合層２１の底面はケ
ース１９に接着固定されているため、超音波放射面５１
側だけ横方向に広がる振動モードが生じる。このため、
圧電体１８で発生させた振動を効率良くＬＰガスに伝搬
できなくなり、送受信感度が劣化する。

【００７８】そこで、整合層２１の側壁とケース１９の
側壁部４６を覆うように、例えば厚み０．５mmのステン
レス製で整合層２１の直径より小さい穴の空いたキャッ
プ状の振動規制体５１を被せ、隙間にエポキシ系接着剤
を注入して固定する。このような構成を用いると、整合
層２１の超音波放射面５０が横方向に振動しにくくなる
ため、整合層２１の不要な振動モード発生を防止でき
る。さらに接着層４７の横からＬＰガスが接着層４７を
劣化するのを防止でき、整合層２１が剥離する方向に力
がかかっても振動規制体５１により剥離することも防止
できる。

【００７９】なお実施例８では、また振動規制体５１を
整合層２１の直径より小さい穴の空いた厚み０．５mmの
ステンレス製としたが、上記条件に限定されるわけでな
く、厚み、材料、形状は適宜変えて構成することがで
き、例えば整合層２１の側壁のみに接続された金属製や
樹脂製のパイプを接続しても良いし、爪のような突起部
を有す形状でも構わない。また振動規制体５１を絶縁体
とし、実施例２の超音波振動子５に設けた絶縁層３６と
して用いてもよい。

【００８０】なお、実施例１〜８では、超音波振動子１
７に用いる圧電体を圧電セラミック、使用する振動モー
ドを厚み縦振動、周波数を４００kHz、形状を縦８mm、
横８mm、厚み４mmの直方体、溝を２本設けるとしたが、
上記条件に限定されるわけでなく、材料、振動モード、
周波数、形状、寸法、溝の本数を適宜変えて構成するこ
とができ、例えば薄い円板の厚み振動、円柱の厚み縦振
動、円板の広がり振動でも構わない。また流量測定部１
の材料をアルミニウム合金ダイカストとしたが、上記条
件に限定されるわけでなく、材料を適宜変えて構成する
ことができ、（財）日本エルピーガス機器検査協会や
（財）日本ガス機器検査協会の検査規程で認定されてい
る材料なら構わない。また流路２を矩形、超音波振動子
５、６を流路２に対し斜めに配置したが、上記条件に限
定されるわけでなく、流路形状、超音波振動子の配置を
適宜変えて構成することができ、流路形状は円筒形でも
構わないし、超音波振動子を流れに対して平行に配置し
ても構わない。またシール材９、１０をＯリング、シー
ル材３８をフランジ部３７を挟み込む円筒状のＮＢＲゴ
ムとしたが、上記条件に限定されるわけでなく、可燃性
被測定流体をシールできるのであれば材料、形状を適宜
変えて構成することができる。

【００８１】また可燃性被測定流体をＬＰガスとした
が、ＬＰガス以外の天然ガス、液化天然ガス、石油、灯
油等の気体、液体でも構わない。また超音波流量計とし
て家庭用ガスメータを想定したが、それ以外の超音波流
量計あるいは超音波流速計でも構わず、給湯器のガスの
流量制御用流速計でも構わない。またケース１９を有天
円筒状のステンレス、端子板２３をステンレスとした
が、上記条件に限定されるわけでなく、形状、材料は適
宜変えて構成することができ、例えばマイコンメータ検
査規程で認定されている材料なら構わない。また整合層
２１はエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる円板形状の
材料を１層のみ用いたが、被測定流体に適した形状の材
料を１層以上、あるいは被測定流体によっては設ける必
要がない場合もある。また空間２８には窒素のような不
活性ガスを充填するとしたが、他の気体、液体、固体を
充填しても構わず、例えばシリコンオイル、エポキシ樹
脂、微小ガラス球や微小樹脂球とエポキシ樹脂の混合体
でも構わない。超音波振動子の駆動電圧を電池電圧程度
としたが、それ以上の電圧あるいはそれ以下の電圧で駆
動しても構わない。また振動子取付部品３９をリング形
状のテフロンとしたが、上記条件に限定されるわけでな
く、材料、形状を適宜変えて構成することができ、ステ
ンレスなどの金属でも構わない。

【００８２】また実施例２〜５では超音波振動子５につ
いてのみ説明したが、超音波流量計に配置した他の超音
波振動子についても必要に応じて同様の構成を取る必要
があり、また複数の実施例の構成を組み合わせて実施し
ても良い。

【００８３】以上の説明から明らかなように上述の実施
例の超音波流量計によれば次の効果が得られる。

【００８４】流量測定部を流れる可燃性被測定流体に接
触しながら超音波を送受信する一対の超音波振動子と、
前記超音波振動子間の超音波伝搬時間を計測する計測回
路と、この計測回路の信号に基づいて流量を算出する流
量演算手段を備え、前記超音波振動子を構成する圧電体
は前記可燃性被測定流体から遮断するケースで内包され
ているので、超音波振動子内部での放電によるガスへの
引火の可能性をなくすることができ、安全性の高い超音
波流量計を得ることができる。

【００８５】また第２の超音波流量計は、ケースが導電
性を有す材料からなり、超音波振動子内部での火炎発生
防止と、ケースによるシールド効果によりノイズの影響
を低減できるので、安全性の高い、高精度な超音波流量
計を得ることができる。

【００８６】また第３の超音波流量計は、ケースが金属
からなり、超音波振動子内部での火炎発生防止と、ケー
スによるシールド効果によりノイズの影響を低減できる
ので、安全性の高い、高精度な超音波流量計を得ること
ができる。

【００８７】また第４の超音波流量計は、金属からなる
流量測定部と導電性を有すケースとを同電位としたた
め、超音波振動子内部や流量測定部とケースの間での放
電によるガスへの引火の可能性をなくすることができる
ので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。

【００８８】また第５の超音波流量計は、可燃性被測定
流体に接触する金属からなる流量測定部の振動子取付穴
の内壁面と導電性を有すケースとの間に絶縁層を設けた
ため、超音波振動子内部や、流量測定部とケースの間で
の放電によるガスへの引火の可能性をなくすることがで
きるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができ
る。

【００８９】また第６の超音波流量計は、可燃性被測定
流体に接触する導電性を有すケースの少なくとも側壁に
絶縁層を設けたため、超音波振動子内部や、流量測定部
とケースの間での放電によるガスへの引火の可能性をな
くすることができるので、安全性の高い超音波流量計を
得ることができる。

【００９０】また第７の超音波流量計は、可燃性被測定
流体に接触する金属からなる流量測定部の振動子取付穴
の少なくとも内壁面に絶縁層を設けたため、超音波振動
子内部や、流量測定部とケースの間での放電によるガス
への引火の可能性をなくすることができるので、安全性
の高い超音波流量計を得ることができる。

【００９１】また第８の超音波流量計は、金属からなる
流量測定部において可燃性被測定流体に非接触な位置で
かつ導電性を有すケースの極近傍に突起部を設け、前記
突起部と前記ケースにより放電可能としたため、超音波
振動子内部や、可燃性被測定流体に接触する位置での流
量測定部とケースの間での放電によるガスへの引火の可
能性をなくすることができるので、安全性の高い超音波
流量計を得ることができる。

【００９２】また第９の超音波流量計は、金属からなる
流量測定部の可燃性被測定流体に非接触な位置でかつ高
抵抗体を介して前記流量測定部と導電性を有すケースと
を接触させたため、超音波振動子内部や、可燃性被測定
流体に接触する位置での流量測定部とケースの間での放
電によるガスへの引火をなくすることができるので、安
全性の高い超音波流量計を得ることができる。

【００９３】また第１０の超音波流量計は、流量測定部
に設けた振動子取付穴の超音波振動子より可燃性被測定
流体が流れる流路側に少なくとも１つ以上の網目状構造
体を設けたため、振動子取付穴内部で放電により発生し
た熱が流路を流れる可燃性被測定流体に広がることを防
止できるので、安全性の高い超音波流量計を得ることが
できる。

【００９４】また第１１の超音波流量計は、可燃性被測
定流体よりも熱伝導率の高い材料からなる網目状構造体
を設けたため、振動子取付穴内部で放電により発生した
熱が流路を流れる可燃性被測定流体に広がることを防止
できるので、安全性の高い超音波流量計を得ることがで
きる。

【００９５】また第１２の超音波流量計は、金属からな
る網目状構造体を設けたため、振動子取付穴内部で放電
により発生した熱が流路を流れる可燃性被測定流体に広
がることを防止できるので、安全性の高い超音波流量計
を得ることができる。

【００９６】また第１３の超音波流量計は、圧電体を内
包するケースの外側に整合層を設けたため、超音波振動
子内部や、振動子取付穴内部で放電により発生した熱が
流路を流れる可燃性被測定流体に広がることを防止で
き、超音波振動子の感度も向上させることができるの
で、安全性の高い、高精度な超音波流量計を得ることが
できる。

【００９７】また第１４の超音波流量計は、圧電体を内
包するケースならびに前記ケースの外側に設けた整合層
の側壁に剥離防止体を設けたため、超音波振動子内部で
の放電によるガスへの引火の可能性をなくすることと、
超音波振動子の信頼性が向上できるので、安全性の高
い、高精度で信頼性の高い超音波流量計を得ることがで
きる。

【００９８】また第１５の超音波流量計は、整合層表面
ならびに前記整合層とケースとの接続部の周囲に保護膜
を設けたため、超音波振動子内部での放電によるガスへ
の引火の可能性をなくすることと、超音波振動子の信頼
性が向上できるので、安全性の高い、高精度で信頼性の
高い超音波流量計を得ることができる。

【００９９】また第１６の超音波流量計は、整合層の側
壁全体を覆うよう配置した振動規制体を設けたため、超
音波振動子内部での放電によるガスへの引火の可能性を
なくすることと、整合層の不要な振動モードが低減でき
超音波振動子の感度を向上させることができるので、安
全性の高い、高精度な超音波流量計を得ることができ
る。

【０１００】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明の
超音波流量計によれば、安全性の高い超音波流量計を得
ることができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の超音波流量計の構成図

【図２】同流量計の断面ａ−ａ’線の横断面図

【図３】同流量計の超音波振動子の断面図

【図４】同流量計の超音波振動子に用いる圧電体の外観
斜視図

【図５】本発明の実施例２における超音波流量計の流量
測定部１の超音波振動子取付部分の断面図

【図６】本発明の実施例３における超音波流量計の流量
測定部１の超音波振動子取付部分の断面図

【図７】本発明の実施例４における超音波流量計の流量
測定部１の超音波振動子取付部分の断面図

【図８】本発明の実施例５における超音波流量計の流量
測定部１の超音波振動子取付部分の断面図

【図９】本発明の実施例６における超音波流量計に用い
る超音波振動子の外観図

【図１０】同超音波振動子の断面図

【図１１】本発明の実施例７における超音波振動子の断
面図

【図１２】本発明の実施例８における超音波振動子の断
面図

【図１３】従来の超音波流量計用超音波振動子の断面図

【図１４】従来の超音波流量計の断面図

【符号の説明】

１ 流量測定部 ５、６ 超音波振動子 １１ 計測回路 １２ 流量演算手段 １８ 圧電体 １９ ケース ２１ 整合層 ３６ 絶縁層 ４２ 突起部 ４３ 高抵抗体 ４４ 網目状構造体 ４５ 剥離防止体 ４９ 保護膜 ５１ 振動規制体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 東 奈緒子 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番 １号 松下技研株式会社内 (56)参考文献 国際公開97／021985（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/66

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可燃性被測定流体が流れ導電性を有する
   材料からなる流量測定部と、この流量測定部に取付けら
   れ超音波信号を送受信する一対の超音波振動子と、前記
   超音波振動子間の超音波伝搬時間を計測する計測回路
   と、この計測回路からの信号に基づいて流量を算出する
   流量演算手段とを備え、前記超音波振動子は圧電体と、
   この圧電体を前記可燃性被測定流体から遮断する導電性
   を有するケースとを備え、前記流量測定部と前記ケース
   とを同電位とした超音波流量計。
2. 【請求項２】 可燃性被測定流体が流れる流量測定部
   と、この流量測定部に設けられ超音波信号を送受信する
   一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波伝
   搬時間を計測する計測回路と、この計測回路からの信号
   に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備え、前記
   超音波振動子は圧電体と、この圧電体を前記可燃性被測
   定流体から遮断するケースと、超音波振動子を取付ける
   穴に絶縁層を設けた超音波流量計。
3. 【請求項３】 絶縁層をケースの側壁に設けた請求項２
   記載の超音波流量計。
4. 【請求項４】 絶縁層を振動子を取付ける穴の内壁面に
   設けた請求項２記載の超音波流量計。
5. 【請求項５】 可燃性被測定流体が流れる流量測定部
   と、この流量測定部に設けられ超音波信号を送受信する
   一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波伝
   搬時間を計測する計測回路と、この計測回路からの信号
   に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備え、前記
   超音波振動子は圧電体と、この圧電体を前記可燃性被測
   定流体から遮断するケースと、前記ケースの可燃性被測
   定流体が存在しない位置に電極部を設けた超音波流量
   計。
6. 【請求項６】 可燃性被測定流体が流れる流量測定部
   と、この流量測定部に設けられ超音波信号を送受信する
   一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波伝
   搬時間を計測する計測回路と、この計測回路からの信号
   に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備え、前記
   超音波振動子は圧電体と、この圧電体を前記可燃性被測
   定流体から遮断するケースと、前記流量測定部は高抵抗
   体を介して前記ケースと接触する超音波流量計。
7. 【請求項７】 可燃性被測定流体が流れる流量測定部
   と、この流量測定部に設けられ超音波信号を送受信する
   一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波伝
   搬時間を計測する計測回路と、この計測回路からの信号
   に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備え、前記
   超音波振動子は圧電体と、この圧電体を前記可燃性被測
   定流体から遮断するケースと、可燃性被測定流体が流れ
   る流路に網目状構造体を設けた超音波流量計。
8. 【請求項８】 網目状構造体は可燃性被測定流体よりも
   熱伝導率の高い材料からなる請求項７記載の超音波流量
   計。
9. 【請求項９】 網目状構造体は金属製である請求項７又
   は８記載の超音波流量計。
10. 【請求項１０】 ケースは導電性材料からなる請求項２
    ないし９のいずれか１項記載の超音波流量計。
11. 【請求項１１】 ケースは金属製である請求項１ないし
    ９のいずれか１項記載の超音波流量計。