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1. (WO2012008111) 超音波流量計測ユニット
Document

明 細 書

発明の名称 超音波流量計測ユニット

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004  

先行技術文献

特許文献

0005  

発明の概要

0006   0007  

図面の簡単な説明

0008  

発明を実施するための形態

0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030  

産業上の利用可能性

0031  

符号の説明

0032  

請求の範囲

1   2   3  

図面

1A   1B   2A   2B   3  

明 細 書

発明の名称 : 超音波流量計測ユニット

技術分野

[0001]
 本発明は、送受信可能な一対の超音波振動子を用いて超音波信号の伝搬時間を計測し、空気やガスなどの被測定流体の流量を計測する超音波流量計測装置などに用いられる超音波流量計測ユニットに関する。

背景技術

[0002]
 従来の超音波流量計測装置は、例えば図3に示すような構成を有している。図3は、従来の超音波流量計測装置のブロック図である。
[0003]
 図3に示すように、従来の超音波流量計測装置は、被測定流体が流れる計測流路50と、計測流路50に対向配置されて超音波を送受信する少なくとも一対の超音波振動子51、52と、超音波振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計測制御部53と、計測制御部53からの信号に基づいて流量を算出する演算部54とを備えている。超音波振動子51、52は、天部と、側壁部と、側壁部の外側に設けた支持部と、天部の内壁面に固定された圧電体とで構成されている。振動伝達抑止体55は、超音波振動子51、52の側壁部に当接して側壁部の振動を低減する制振体と、超音波振動子51、52の支持部を保持する保持部から構成されている。そして、超音波振動子51、52は、振動伝達抑止体55の保持部を介して、計測流路50を構成する流路壁56の取付穴57に取り付けられている(例えば、特許文献1参照)。
[0004]
 しかしながら、従来の超音波流量計測装置の構成では、被測定流体の流量を計測するときにノイズとなる不要な超音波振動が計測流路50に伝達しないように、超音波送受波器の形状に合わせて、複雑な形状の振動伝達抑止体55を用いる必要がある。そのため、超音波振動子51、52の支持部を保持する振動伝達抑止体55が高価になるとともに、超音波振動子51、52の取り付けが煩雑になるなどの課題を有していた。

先行技術文献

特許文献

[0005]
特許文献1 : 特開2001-159551号公報

発明の概要

[0006]
 上記課題を解決するために、本発明の超音波流量計測ユニットは、被測定流体が流れる計測流路と、計測流路の同一面の上流と下流に配置される一対の超音波振動子と、一対の超音波振動子を収納するケースと、一対の超音波振動子の一方から送信された超音波信号が、被測定流体を伝搬し、一対の超音波振動子の他方で受信されるまでの伝搬時間を計測する伝搬時間測定部と、伝搬時間に基づいて被測定流体の流量を算出する流量演算部とを有する計測回路基板と、一対の超音波振動子を覆うケース内に充填された防振性を有する材料と、を備えている。
[0007]
 これにより、送信側の超音波振動子の一方から送信された超音波振動を防振材などの防振性を有する材料で吸収することにより、計測流路(筐体)への超音波振動の漏れを防ぐことができる。その結果、超音波流量計測ユニットの計測性能に関係する超音波振動の不要伝搬波の伝搬を防止して被測定流体の流量の計測精度を高めることができる。

図面の簡単な説明

[0008]
[図1A] 図1Aは、本発明の実施の形態1における超音波流量計測ユニットの断面図である。
[図1B] 図1Bは、同実施の形態における超音波流量計測ユニットの斜視図である。
[図2A] 図2Aは、本発明の実施の形態2における超音波流量計測ユニットの断面図である。
[図2B] 図2Bは、同実施の形態における超音波流量計測ユニットの斜視図である。
[図3] 図3は、従来の超音波流量計測装置のブロック図である。

発明を実施するための形態

[0009]
 以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
[0010]
 (実施の形態1)
 以下に、本発明の実施の形態1における超音波流量計測ユニットについて、図1Aと図1Bを用いて説明する。図1Aは、本発明の実施の形態1における超音波流量計測ユニットの断面図である。図1Bは、同実施の形態における超音波流量計測ユニットの斜視図である。
[0011]
 図1Aと図1Bに示すように、超音波流量計測ユニットは、少なくとも、計測流路6と、ケース8内に収納された一対の超音波振動子2a、2bと、計測回路基板5と、防振性を有する材料からなる防振材9と、で構成されている。計測回路基板5は、一対の超音波振動子2a、2bとリード線5a、5bを介して接続される伝搬時間測定部3と流量演算部4を備えている。ケース8内には、一対の超音波振動子2a、2bを覆うように、例えばシリコンゴムのほか、フッ素ゴムや温度特性に優れたフロロシリコンゴムなどをはじめとする弾性材料すなわち弾性ゴムなどの防振性を有する材料からなる防振材9が充填されている。
[0012]
 また、一対の超音波振動子2a、2bは、例えばポリブチレンテレフタレートやポリスチレンなどの樹脂で構成された計測流路6の同一面(例えば、図1Aにおける上面6d)の上流と下流に設けた取付部6a、6bに、超音波振動子押さえ具7を介して取り付けられている。このとき、超音波振動子2aと超音波振動子2bは、計測流路6を流れる、例えばガスなどの被測定流体の流れる方向に対して、互いに斜め方向に傾斜して、超音波振動などの超音波信号が入射するように取り付けられている。そして、一方の超音波振動子(2aまたは2b)から発信された超音波信号が、一対の超音波振動子2a、2bと対向する計測流路6の内面(例えば、図1Aにおける下面6e)の位置で反射して、他方の超音波振動子(2bまたは2a)で受信されるように配置されている。したがって、例えば超音波振動子2aから送信された超音波信号は、例えばV字状の伝搬経路(図1AのAA)をたどって超音波振動子2bで受信されることになる。これにより、一対の超音波振動子2a、2bを対向して計測流路6に配置する場合に比べて、超音波信号の伝搬経路を、例えば2倍程度にできるので、被測定流体の流量の計測精度を向上できる。また、一対の超音波振動子2a、2bを計測流路の一方に配置することにより、一対の超音波振動子2a、2bおよび計測回路基板5などの制御部がユニット化できるので、超音波流量計測ユニットを小型化できる。
[0013]
 また、一対の超音波振動子2a、2b間のV字状の伝搬経路を伝搬する超音波信号の伝搬時間は、計測回路基板5の伝搬時間測定部3で計測される。そして、伝搬時間測定部3で計測された伝搬時間に基づいて、流量演算部4で、計測流路6を流れる被測定流体の流量が演算される。
[0014]
 また、ケース8は、例えば中空状の矩形形状からなり、被測定流体が流れる計測流路6に取り付けた一対の超音波振動子2a、2bを囲んで収納するように設けられている。そして、ケース8内には、一対の超音波振動子2a、2bを覆うように防振材9が充填されている。これにより、送信側の超音波振動子の超音波振動の計測流路6への伝搬を、防振材9で吸収して防止できる。さらに、防振材9の充填により、一対の超音波振動子2a、2bがコーティング処理され、例えば防湿性などの信頼性が向上する。
[0015]
 以上の構成において、計測回路基板5の伝搬時間測定部3は、例えば超音波振動子2aの駆動により発生した超音波信号が、計測流路6内を流れる被測定流体を伝搬し、超音波振動子2bで受信されるまでの伝搬時間を測定する。そして、計測回路基板5の流量演算部4は、伝搬時間測定部3で測定された伝搬時間から、既知の演算式により、被測定流体の流量を演算して算出する。これにより、被測定流体の流量が求められる。このとき、防振材9により、被測定流体の流量の測定時において、ノイズとなる超音波振動の計測流路6への伝搬が抑制されるので、流量の計測精度を高めることができる。
[0016]
 以上のように、本実施の形態の超音波流量計測ユニットによれば、一対の超音波振動子2a、2bを収納するケース8内を防振材9で満たすことにより、送信側の超音波振動子からの超音波振動の計測流路6への伝搬を防振材9で吸収することができる。その結果、超音波振動が計測流路6を構成する筐体を介して受信側の超音波振動子に伝搬する、例えば筐体伝搬を防止して、被測定流体の流量の計測精度を高めた超音波流量計測ユニットを実現できる。
[0017]
 また、本実施の形態の超音波流量計測ユニットによれば、防振材9として、例えばシリコンゴムのほか、フッ素ゴムなどの防水特性を有する材料を選定することにより、一対の超音波振動子2a、2bを、例えば水分や水蒸気などから保護して、防湿効果を得ることもできる。
[0018]
 また、本実施の形態によれば、被測定流体が流れる計測流路6の材質を樹脂とすることにより、金属を用いるよりも超音波振動の計測流路6を介した筐体伝搬を、軽減することができる。その結果、被測定流体の流量の計測性能(計測精度)を高くすることができる。なお、超音波振動の計測流路6への筐体伝搬が少ない場合には、計測流路6を金属で形成してもよいことは、言うまでもない。
[0019]
 (実施の形態2)
 以下に、本発明の実施の形態2における超音波流量計測ユニットについて、図2Aと図2Bを用いて説明する。図2Aは、本発明の実施の形態2における超音波流量計測ユニットの断面図である。図2Bは、同実施の形態における超音波流量計測ユニットの斜視図である。
[0020]
 図2Aと図2Bに示すように、本実施の形態の超音波流量計測ユニットは、計測回路基板11を、一対の超音波振動子2a、2bの間に配置して、ケース8内に収納し、計測回路基板11と一対の超音波振動子2a、2bを防振材9で覆う点で、実施の形態1と異なる。他の構成および作用は、基本的に実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。
[0021]
 つまり、図2Aと図2Bに示すように、伝搬時間測定部3や流量演算部4を構成する回路部品11aが配置された計測回路基板11が、超音波振動子2aの取付部6aと超音波振動子2bの取付部6bとの間で形成された空間6cに収納されるように配置して取り付けられている。このとき、ケース8は、例えば中空状の矩形形状を有し、少なくとも一対の超音波振動子2a、2bおよび計測回路基板11の側面を覆うように設けられている。そして、ケース8内を防振材9で充填することにより、一対の超音波振動子2a、2bおよび計測回路基板11とが一体的にコーティング処理されている。
[0022]
 以上のように、本実施の形態によれば、一対の超音波振動子2a、2bおよび計測回路基板11を近接させ一体的にコーティング処理を行うことにより、超音波振動子2a、2bと計測回路基板11を、別々にコーティング処理を行う場合と比較して、工数を削減することができる。これにより、作業性や生産性に優れた超音波流量計測ユニットを実現できる。
[0023]
 また、本実施の形態によれば、一対の超音波振動子2a、2bおよび計測回路基板11を近接して配置できるため、超音波振動子2a、2bと計測回路基板11とを接続するリード線11b、11cの長さを短くすることが可能となる。これにより、リード線11b、11cが長い場合に発生する配線ノイズなどによる計測性能の低下を未然に防止できる。また、長いリード線11b、11cの場合に必要となる配線ノイズ対策などの設計事項に関係する制約を緩和できる。その結果、被測定流体の流量を、高い計測精度で測定できる超音波流量計測ユニットを実現できる。
[0024]
 また、本実施の形態によれば、計測回路基板11上に配置された回路部品11aを取付部6a、6bで構成された空間6cを位置させることにより、空間6cのスペースを有効に利用して、超音波流量計測ユニット全体の小型化を実現できる。このとき、図2Aには図示していないが、計測回路基板11として多層基板を用いて、例えばコンデンサやコイルなどの背の高い電子部品を多層基板の空間6c側に実装し、面実装部品などの背の低い部品を多層基板の空間6cの反対の面に実装してもよい。これにより、計測回路基板11を高密度実装して、さらにスペースを有効に利用することができる。
[0025]
 なお、本実施の形態では、一対の超音波振動子2a、2bを計測流路6の上面6dに設けた例で説明したが、これに限られない。例えば、計測流路6の下面6eに設け、上面6dで反射して計測する高精度もよく、また、計測流路6の側面の設けてもよい。つまり、一対の超音波振動子2a、2bを設ける位置が計測流路6の同一面側であればよい。これにより、さらに汎用性に優れた超音波流量計測ユニットを実現できる。
[0026]
 また、本実施の形態では、防振材が一対の超音波振動子の全体を覆う例で説明したがこれに限られない。被測定流体の流量の計測精度が低下しなければ、例えば一対の超音波振動子の一部を防振材で覆う構成としてもよい。これにより、防振材の充填量を低減できるので、作業性や生産性を向上できる。
[0027]
 以上で説明したように、本発明は、被測定流体が流れる計測流路と、計測流路の同一面の上流と下流に配置される一対の超音波振動子と、一対の超音波振動子を収納するケースと、一対の超音波振動子の一方から送信された超音波信号が、被測定流体を伝搬し、一対の超音波振動子の他方で受信されるまでの伝搬時間を計測する伝搬時間測定部と、伝搬時間に基づいて被測定流体の流量を算出する流量演算部を有する計測回路基板と、一対の超音波振動子を覆うケース内に充填された防振性を有する材料と、を備えている。これにより、送信側の超音波振動子の超音波信号となる超音波振動の漏れを防振性を有する防振材で吸収して、筐体伝搬を大幅に防止あるいは抑制することができる。その結果、被測定流体の流量の計測精度を高めることができる。また、防振材により、一対の超音波振動子の防湿効果も得ることができる。
[0028]
 また、本発明は、計測回路基板を、一対の超音波振動子間に配置して、計測回路基板および一対の超音波振動子を防振性を有する材料で覆って構成する。これにより、一対の超音波振動子と計測回路基板とを近接して配置し、短いリード線で配線できる。その結果、短いリード配線による配置と、防振材での一体的なコーティングを可能として、工数の削減や、リード線の配線ノイズ対策などの計測性能に関係する設計事項などの制約を低減した超音波流量計測ユニットを実現できる。
[0029]
 また、本発明は、防振性を有する材料が、シリコンゴム、フッ素ゴムやフロロシリコンゴムからなるゴムからなる。これにより、送信側の超音波振動子の超音波信号である超音波振動の漏れを効果的に防振材で吸収して、筐体伝搬を大幅に防止あるいは抑制することができる。
[0030]
 また、本発明は、一対の超音波振動子の一方から送信される超音波信号を、一対の超音波振動子と対向する計測流路で反射させて、一対の超音波振動子の他方で受信する構成を有する。これにより、一対の超音波振動子2a、2bを対向して計測流路6に配置する場合に比べて、超音波信号の伝搬経路を、例えば2倍程度にできるので、被測定流体の流量の計測精度を向上できる。また、一対の超音波振動子2a、2bを計測流路の一方に配置することにより、一対の超音波振動子2a、2bおよび計測回路基板5などの制御部がユニット化できるので、超音波流量計測ユニットを小型化できる。

産業上の利用可能性

[0031]
 本発明の超音波流量計測ユニットは、被測定流体の流量の計測精度の向上、および汎用性や多様性を高めることができるので、ガスメータや工場などの気体計測装置などの用途において有用である。

符号の説明

[0032]
 2a,2b,51,52  超音波振動子
 3  伝搬時間測定部
 4  流量演算部
 5,11  計測回路基板
 5a,5b,11b,11c  リード線
 6,50  計測流路
 6a,6b  取付部
 6c  空間
 6d  上面
 6e  下面
 7  超音波振動子押さえ具
 8  ケース
 9  防振材(防振性を有する材料)
 11a  回路部品
 53  計測制御部
 54  演算部
 55  振動伝達抑止体
 56  流路壁
 57  取付穴

請求の範囲

[請求項1]
被測定流体が流れる計測流路と、
前記計測流路の同一面の上流と下流に配置される一対の超音波振動子と、
前記一対の超音波振動子を収納するケースと、
前記一対の超音波振動子の一方から送信された超音波信号が、前記被測定流体を伝搬し、前記一対の超音波振動子の他方で受信されるまでの伝搬時間を計測する伝搬時間測定部と、前記伝搬時間に基づいて前記被測定流体の流量を算出する流量演算部とを有する計測回路基板と、
前記一対の超音波振動子を覆う前記ケース内に充填された防振性を有する材料と、
を備えた超音波流量計測ユニット。
[請求項2]
前記計測回路基板を、前記一対の超音波振動子間に配置して、前記計測回路基板および前記一対の超音波振動子を前記防振性を有する材料で覆う請求項1記載の超音波流量計測ユニット。
[請求項3]
前記一対の超音波振動子の一方から送信される前記超音波信号を、前記一対の超音波振動子と対向する前記計測流路で反射させて、前記一対の超音波振動子の他方で受信する請求項1記載の超音波流量計測ユニット。

図面

[ 図 1A]

[ 図 1B]

[ 図 2A]

[ 図 2B]

[ 図 3]