JP4704447B2 - 音響整合体、超音波送受波器および超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、流体に超音波を放射する音響整合体、音響整合体が設けられた超音波送受波器、および超音波送受波器が設けられた超音波流量計に関するものである。

近年、超音波が伝播路伝達する時間を計測し、流体の移動速度を測定して流量を計測する超音波流量計がガスメータなどに利用されている。
超音波流量計は、流体（例えばガス）が流れる管壁に、一対の超音波送受波器が流体の流れに対して斜めに交差するように設けられている。

この超音波流量計で流体の流量を求める場合、まず、一方の超音波送受波器から流体中に超音波を放射し、他方の超音波送受波器が伝播してきた超音波を受けて電圧に変換する。
つぎに、他方の超音波送受波器から管内を流れる流体中に超音波を放射し、一方の超音波送受波器が伝播してきた超音波を受けて電圧に変換する。
そして、変換した電圧や、超音波の速度、流体の流れ方向に対する超音波パルスの伝播方向の角度、超音波の伝播経路の距離などから流体の流量を求める。

ここで、一対の超音波送受波器は、流路内の流体に超音波を伝えるために、本体の音波放射面（超音波の送受波面）に音響整合体として整合部材が設けられている。
本体は、有底筒状のケースに圧電体が収容され、ケースの開口が端子板で閉鎖され、この端子板に、圧電体に導電ゴムを介して接続された端子が外部に突出させた状態で支持されている。

また、整合部材は、流路内の流体に超音波を伝えるために、多孔体（ガラスバルーン（中空））の整合層を有している。
この整合層は、音響インピーダンスが異なる第１層と第２層と含み、第１層が多孔体と多孔体中空隙部に担持された充填材との複合材であり、第２層が充填材料または多孔体であり、第１層および第２層間に独立した中間層が存在しないように構成されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−４５３８９号公報

特許文献１の整合層は、音響インピーダンスが異なる第１層と第２層の少なくとも２つの層を含み、第１層および第２層間に独立した中間層が存在しないように構成されている。
よって、第１層および第２層間の剥離を抑えることができるので、流体の流量計測精度を高めることが可能である。
しかし、近年、流体の流量を一層精度よく計測することが可能な技術の実用化が求められている。

本発明は、前述した要望を満たすためになされたもので、その目的は、流体の流量を一層精度よく計測できる音響整合体、超音波送受波器および超音波流量計を提供することにある。

本発明の音響整合体は、超音波送受波器における本体に取り付けられる音響整合体であって、前記本体の音波放射面に密着する多孔体と、前記多孔体における表面に積層され、熱硬化性樹脂および流動抑制粒子からなり表面が平坦である緻密層とを備える整合部材を有することを特徴とする。

多孔体の表面に緻密層を積層することで、整合部材に多孔体を用いることが可能になり、計測精度を向上できる。

また、本発明は、前記緻密層の表面が平坦であるため、超音波の直進性を確保することが可能になり、計測精度を一層高めることができる。

さらに、本発明は、前記多孔体の骨格が空隙を備えていることを特徴とする。
これにより、セラミック多孔体骨格に空隙を備えているため、より軽量な音響整合体とすることができ、超音波送受波器とした場合より効率よく、被測定流体に音を伝搬させることができ、より精度の高い流速流量計測が可能となる。

加えて、本発明は、前記流動抑制粒子の固形分率が３０％〜５０％であることを特徴とする。

流動抑制粒子の固形分率を３０％以上とすることで、緻密層の表面の変形量を小さく抑えることができる。
また、流動抑制粒子の固形分率を５０．０％以下とすることで、緻密層のバインダー（エポキシ系樹脂）容量を確保して緻密層の粘度を好適に確保することができる。

また、本発明は、前記流動抑制粒子の平均粒径が０．０５μｍ〜５μｍであることを特徴とする。

流動抑制粒子の平均粒径を０．０５μｍ以上とすることで、緻密層の表面の変形量を小さく抑えることができる。
また、流動抑制粒子の平均粒径を５μｍ以下にすることで、平均粒径が大きくなりすぎることを防いで、流動抑制粒子の凹凸で緻密層の表面に凹凸が発生することを抑えることができる。

さらに、本発明は、前記緻密層が転写法により形成されていることを特徴とする。

これにより、音響整合体における音波放射面が均一な平面となるため、不要な振動のない均質な音が被測定流体に伝搬させることができるためより精度の高い流速流量計測が可能となる。

加えて、本発明の超音波送受波器は、有底筒状のケースと、前記ケースに収容される圧電体と、前記圧電体に導電ゴムを介して接続された端子と、前記ケースの開口を閉鎖するとともに前記端子を外部に突出させた状態で支持する端子板とを有し、前記ケースの音波放射面に請求項１ないし請求項６のうちのいずれかに記載の音響整合体が取り付けられているとともに、前記音響整合体および前記ケースが撥水膜により被覆されていることを特徴とする。

また、本発明の超音波流量計は、被測定流体が流れる流量計測部と、前記流量計測部に上流側および下流側に対向配置された一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間計測回路と、前記超音波伝搬時間計測回路により得られた超音波伝搬時間に基づいて前記被測定流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段とを備える超音波流量計であって、前記超音波送受波器を有することを特徴とする。

本発明の音響整合体、超音波送受波器および超音波流量計によれば、多孔体の表面に緻密層を積層することで、整合部材に多孔体を用いることが可能になり、計測精度を向上できるという効果を有する。

以下、本発明の実施形態に係る音響整合体、超音波送受波器および超音波流量計について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態の超音波流量計１０は、流体（被測定流体（一例として、ガス））が流れる流路１２を備えた流量計測部１１と、流量計測部１１の上流側および下流側に対向配置された第１、第２の超音波送受波器（一対の超音波送受波器）１５，１６と、第１、第２の超音波送受波器１５，１６間の超音波伝播時間計測回路１７と、超音波伝播時間計測回路１７により得られた超音波伝播時間に基づいて流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段１８とを備えている。

この超音波流量計１０で流路１２を流れる流体の流速Ｖを求める際には、まず、第１超音波送受波器１５の共振周波数近傍の周波数の交流電圧を圧電振動子に印可して、第１超音波送受波器１５から流体中に超音波を放射する。放射された超音波を第２超音波送受波器１６で受けて電圧に変換する。
つぎに、第２超音波送受波器１６の共振周波数近傍の周波数の交流電圧を圧電振動子に印可して、第２超音波送受波器１６から流体中に超音波を放射する。放射された超音波を第１超音波送受波器１５で受けて電圧に変換する。

ここで、流路１２を流れる流体の流速をＶ、流体中の超音波の速度をＣ、流体の流れ方向と超音波パルスの伝播方向の角度をθとする。
第１超音波送受波器１５から放射された超音波パルスが第２超音波送受波器１６に到達する時間であるシングル・アラウンド周期をｔ１、シングル・アラウンド周波数をｆ１とすると、次式（１）が成立する。
ｆ１＝１／ｔ１
＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ …（１）

また、第２超音波送受波器１６から放射された超音波パルスが第１超音波送受波器１５に到達する時間であるシングル・アラウンド周期をｔ２、シングル・アラウンド周波数をｆ２とすると、次式（２）が成立する。
ｆ２＝１／ｔ２
＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ …（２）

したがって、両シングル・アラウンド周波数の周波数差Δｆは、次式（３）となり、超音波の伝播経路の距離Ｌと周波数差Δｆから流体の流速Ｖを求め、流速Ｖから流量を求めることができる。
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２（Ｖｃｏｓθ）／Ｌ （３）

この超音波流量計１０の精度を向上させるためには、超音波を送受波する第１、第２の超音波送受波器１５，１６（すなわち、図２に示す圧電体２８）における超音波の送受波面（以下、音波放射面という）２７に設けられた音響整合体２４の音響インピーダンスが重要である。

なお、第１、第２の超音波送受波器１５，１６は同じ構成なので、以下第１超音波送受波器１５の構成について説明して、第２超音波送受波器１６の説明を省略する。
図２、図３に示すように、第１超音波送受波器１５は、超音波を発生する本体２１と、本体２１で発生した超音波を流体に伝えるために、本体２１の音波放射面２７に設けられた音響整合体２４と、音響整合体２４および本体２１のケース２５を被覆する撥水膜２６とを備えている。

本体２１は、有底筒状のケース２５と、ケース２５に収容される圧電体２８と、圧電体２８に導電ゴムを介して接続された端子２９と、ケース２５の開口２５Ａを閉鎖するとともに端子２９を外部に突出させた状態で支持する端子板３１とを有している。

音響整合体２４は、ケース２５の音波放射面２７に取り付けられている。
この音響整合体２４は、音波放射面２７に密着された整合部材３４と、音波放射面２７および多孔体３５の端面３５Ａに密着された側壁部材３６とを有する。

第１超音波送受波器１５によれば、圧電体２８で振動された超音波が特定の周波数で振動し、その振動はケース２５を介して整合部材３４に伝わる。整合部材３４に伝わった振動は流体中に音波として伝播する。

ここで、整合部材３４の役割は、圧電体２８の振動を流体に効率よく伝播させることにある。流体中の音速Ｃと密度ρとで次式（４）のように音響インピーダンスが定義される。
Ｚ＝ρ×Ｃ …（４）
音響インピーダンスは圧電体と流体とでは大きく異なる。
このように、音響インピーダンスの異なる境界面上では音波の伝播に反射を生じて、透過する音波の強さが弱くなる。

そこで、圧電体２８の音響インピーダンスＺ１と、流体の音響インピーダンスＺ２に対して、両者の間に次式（５）の関係を有する音響インピーダンスを持つ物質を挿入することで、音波の反射を軽減して音波の透過する強度を高める方法が知られている。
Ｚ＝（Ｚ１×Ｚ２）（１／２） …（５）
この音響インピーダンスを満たす物質は、式（４）からわかるように、固体で密度が小さく音速の遅いものであることが要求される。

そこで、整合部材３４に多孔体３５を備えることで、固体で密度が小さく音速が遅いという条件を満たすようにした。
そして、整合部材３４に多孔体３５を備えるために、整合部材３４をつぎのように構成した。
すなわち、整合部材３４は、音波放射面２７に密着する多孔体３５と、多孔体３５における表面３５Ｂに積層され、図４に示す熱硬化性樹脂３８および第１流動抑制粒子（流動抑制粒子）３９からなる緻密層３７とを備えている。

多孔体３５は、緻密層３７および側壁部材３６により封止されている。
この多孔体３５は、一例として、図４に示すように、骨格４０が空隙４０Ａを備えたセラミック製の多孔体（以下、セラミック多孔体３５という）が用いられている。
また、セラミック多孔体３５は、骨格４０と骨格４０との間に孔４０Ｂが形成されている。
図２に示すように、セラミック多孔体３５を緻密層３７および側壁部材３６で封止することで、音波放射面２７およびセラミック多孔体３５間の境界部分４１や、セラミック多孔体３５および緻密層３７間の境界部分４２からの吸湿を防止できる。

緻密層３７は、図４に示すように、熱硬化性樹脂３８および第１流動抑制粒子３９からなり、表面３７Ａが平坦に形成されている。
緻密層３７の表面３７Ａを平坦に形成することで、超音波の直進性を確保することが可能になり、計測精度を高めることができる。

この緻密層３７は、転写法により形成されている。
転写法としては、一例として、スクリーン印刷、メタルマスク印刷などによって他の物（離型性を付与したＰＥＴフィルム）上にエポキシ樹脂を印刷し、この上にセラミック多孔体３５を配置し、セラミック多孔体３５の表面３５Ｂに転写する方法で形成されている。

図４に示す緻密層３７の熱硬化性樹脂３８は、一例として、バインダーとしてエポキシ系樹脂が用いられている。
また、緻密層３７の第１流動抑制粒子３９は、緻密層３７の粘度高めるもので、固形分率（容積固形分濃度）が３０〜５０％である。
また、第１流動抑制粒子３９は、平均粒径が０．０５μｍ〜５μｍである。
以下、第１流動抑制粒子３９の固形分率（容積固形分濃度）を３０％〜５０％、平均粒径が０．０５μｍ〜５μｍに決めた理由を説明する。

まず、第１流動抑制粒子３９の固形分率（容積固形分濃度）を３０％〜５０％に決めた理由を図５のグラフおよび表１に基づいて説明する。
なお、図５のグラフおよび表１に示すデータは、高温高湿試験条件：７０℃の環境で２４０時間経過後のデータとする。

第１流動抑制粒子３９の固形分率は、次式（１）で求められる。
固形分率＝［Ｖｐ／（Ｖｂ＋Ｖｐ）］×１００
但し、Ｖｂ：バインダー（エポキシ系樹脂）３８の容量
Ｖｐ：第１流動抑制粒子３９の容量

図５のグラフおよび表１に示すように、比較例１は、第１流動抑制粒子３９の固形分率が２．８％であり、緻密層３７の表面３７Ａの変形量が８０と大きい。
比較例２は、第１流動抑制粒子３９の固形分率が１５．０％であり、緻密層３７の表面３７Ａの変形量が２０と大きい。
比較例３は、第１流動抑制粒子３９の固形分率が２０．０％であり、緻密層３７の表面３７Ａの変形量が１７と大きい。

実施例１は、第１流動抑制粒子３９の固形分率が２９．５％であり、緻密層３７の表面３７Ａの変形量を４．５と小さく抑えることができる。
実施例２は、第１流動抑制粒子３９の固形分率が３６．２％であり、緻密層３７の表面３７Ａの変形量を２と小さく抑えることができる。
実施例３は、第１流動抑制粒子３９の固形分率が４５．０％であり、緻密層３７の表面３７Ａの変形量を０に抑えることができる。

図５のグラフおよび表１から第１流動抑制粒子３９の固形分率が２９．５％以上であれば、緻密層３７の表面３７Ａの変形量を４．５以下に小さく抑えることができることがわかる。
また、第１流動抑制粒子３９の固形分率が４５．０％以上であれば、緻密層３７の表面３７Ａの変形量を０に抑えることができることがわかる。

ここで、第１流動抑制粒子３９の固形分率が５０．０％を超えると、緻密層３７のバインダー（エポキシ系樹脂）３８の容量（Ｖｂ）が少なくなりすぎて、緻密層３７の粘度を好適に確保することが難しい。
そこで、第１流動抑制粒子３９の固形分率（容積固形分濃度）を３０％〜５０％に決めた。

つぎに、第１流動抑制粒子３９の平均粒径を０．０５μｍ〜５μｍに決めた理由を図６のグラフおよび表２に基づいて説明する。

図６のグラフおよび表２に示すように、実施例４は、第１流動抑制粒子３９の平均粒径が０．３μｍであり、粘度が確保されているので、緻密層３７の表面３７Ａの変形量を８と小さく抑えることができる。

実施例５は、第１流動抑制粒子３９の平均粒径が０．５μｍであり、粘度が確保されているので緻密層３７の表面３７Ａの変形量を５と小さく抑えることができる。
実施例６は、第１流動抑制粒子３９の平均粒径が１．０μｍであり、粘度が確保されているので緻密層３７の表面３７Ａの変形量を２と小さく抑えることができる。

実施例７は、第１流動抑制粒子３９の平均粒径が２．０μｍであり、粘度が確保されているので緻密層３７の表面３７Ａの変形量を２．５と小さく抑えることができる。
実施例８は、第１流動抑制粒子３９の平均粒径が５．０μｍであり、粘度が確保されているので緻密層３７の表面３７Ａの変形量を３と小さく抑えることができる。

図６のグラフおよび表２から第１流動抑制粒子３９の平均粒径が０．０５〜５μｍであれば、緻密層３７の表面３７Ａの変形量を８以下に小さく抑えることができることがわかる。
ここで、第１流動抑制粒子３９の平均粒径が５μｍを超えると、平均粒径が大きくなりすぎて、第１流動抑制粒子３９の凹凸で緻密層３７の表面３７Ａに凹凸が発生することが考えられる。
そこで、第１流動抑制粒子３９の平均粒径を０．０５μｍ〜５μｍに決めた。

側壁部材３６は、図２に示すように、音波放射面２７およびセラミック多孔体３５の端面３５Ａに密着されることで、比較的脆いセラミック多孔体３５を支えることができる。
さらに、側壁部材３６は、吸湿性を備えている。
側壁部材３６は、図４に示すように、光硬化性樹脂４４に第２流動抑制粒子（流動抑制粒子）４３が１〜５重量％混入されている。

第２流動抑制粒子４３は、側壁部材３６となる粘体の粘度を高めるための物質であり、一例として、平均粒径が０．０１〜０．１μｍの無機フィラーが用いられている。無機フィラーとしては例えば、シリカ、アルミナ、炭化珪素など特に限定されるものではない。
側壁部材３６に第２流動抑制粒子４３を混入することで、第２流動抑制粒子４３により側壁部材３６に所望の粘度が得られ、側壁部材３６でセラミック多孔体３５の端面３５Ａを確実に被覆できる。

また、側壁部材３６は、前述したように吸湿性を備えている。側壁部材３６に吸湿性を備えることで、セラミック多孔体３５が吸湿することを防止できる。
よって、セラミック多孔体３５の吸湿で音速が速くなることを抑えることができる。すなわち、音速を好適に遅く抑えることで計測精度を高めることができる。

この側壁部材３６は、音波放射面２７にセラミック多孔体３５を密着させてから、本体２１およびセラミック多孔体３５を一体的に軸回転させながらセラミック多孔体３５の端面３５Ａに側壁部材３６となる粘体を供給し、その後紫外線で硬化することにより形成されている。

撥水膜２６は、一例として、パリレン材が蒸着で音響整合体２４およびケース２５に被覆されている。音響整合体２４およびケース２５を撥水膜２６で被覆することで、音響整合体２４およびケース２５の経時変化を抑えることができる。
特に、音響整合体２４に備えた緻密層３７の表面３７Ａの経時変化を抑えることで、計測精度を安定させることができる。

以上説明したように、超音波流量計１０によれば、音響整合体２４に側壁部材３６が設けられているため、整合部材３４として脆性が高いセラミック多孔体３５を採用しても経時劣化が生じる虞れがなく、計測精度を向上できる。

本発明は、流体に超音波を放射する音響整合体、音響整合体が設けられた超音波送受波器、および超音波送受波器が設けられた超音波流量計への適用に好適である。

本発明に係る超音波流量計を示す断面図である。 本発明に係る超音波送受波器を示す断面図である。 図２のＡ部拡大した写真である。 図２のＡ部から撥水膜を除去した状態を示す拡大図である。 本発明に係る緻密層に混入された第１流動抑制粒子の固形分率（容積固形分濃度）と緻密層の表面の変形量との関係を示すグラフである。 本発明に係る緻密層に混入された第１流動抑制粒子の平均粒径と緻密層の表面の変形量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 超音波流量計
１１ 流量計測部
１２ 流路
１５，１６ 第１、第２の超音波送受波器（一対の超音波送受波器）
１７ 超音波伝搬時間計測回路
１８ 演算手段
２１ 本体
２４ 音響整合体
２５ ケース
２５Ａ ケースの開口
２６ 撥水膜
２７ 音波放射面
２８ 圧電体
２９ 端子
３１ 端子板
３４ 整合部材
３５ 多孔体
３５Ｂ 表面
３７ 緻密層
３７Ａ 緻密層の表面
３８ 熱硬化性樹脂
３９ 第１流動抑制粒子（流動抑制粒子）
４０ 多孔体の骨格
４０Ａ 空隙

Claims (7)

1. 超音波送受波器における本体に取り付けられる音響整合体であって、
   前記本体の音波放射面に密着する多孔体と、前記多孔体における表面に積層され、熱硬化性樹脂および流動抑制粒子からなり表面が平坦である緻密層とを備える整合部材を有することを特徴とする音響整合体。
2. 前記多孔体の骨格が空隙を備えていることを特徴とする請求項１に記載の音響整合体。
3. 前記流動抑制粒子の固形分率が３０％〜５０％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の音響整合体。
4. 前記流動抑制粒子の平均粒径が０．０５μｍ〜５μｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちのいずれかに記載の音響整合体。
5. 前記緻密層が転写法により形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のうちのいずれかに記載の音響整合体。
6. 有底筒状のケースと、
   前記ケースに収容される圧電体と、
   前記圧電体に導電ゴムを介して接続された端子と、
   前記ケースの開口を閉鎖するとともに前記端子を外部に突出させた状態で支持する端子板とを有し、
   前記ケースの音波放射面に請求項１ないし請求項５のうちのいずれかに記載の音響整合体が取り付けられているとともに、前記音響整合体および前記ケースが撥水膜により被覆されていることを特徴とする超音波送受波器。
7. 被測定流体が流れる流量計測部と、
   前記流量計測部に上流側および下流側に対向配置された一対の超音波送受波器と、
   前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間計測回路と、
   前記超音波伝搬時間計測回路により得られた超音波伝搬時間に基づいて前記被測定流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段とを備える超音波流量計であって、
   請求項６に記載の超音波送受波器を有することを特徴とする超音波流量計。

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