JP2000337940A

JP2000337940A - 流量計

Info

Publication number: JP2000337940A
Application number: JP11151492A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yoshikura; 博史吉倉; Koichi Tashiro; 耕一田代
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Tokico Ltd
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2000-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】安定した流量計測を行え、かつ適切に小口径
化できる流量計を提供する。【解決手段】流量計本体３に、流路２側を底部１１と
し、流量計本体３の径方向外方に開口する一対の有底の
穴部１２を相対向して形成し、一対の底部１１に一対の
超音波センサ４の圧電素子９を載置する。流路２の内壁
面に凹凸が形成されていないため、流体の流れが乱れる
ようなことがなく、良好な器差特性及び下限流量特性を
確保でき、流量計測を安定して行える。さらに、従来技
術で用いたセンサホルダ５を使用していないので、良好
な特性を維持して流量計本体３の小口径化を図ることが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体等の流体の流
量を測定する流量計に係り、特に超音波センサを用いる
流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の流量計として図２０及び図２１に
示すものがある。この流量計１は、内周側に流路２を形
成する管状の金属製の流量計本体３を有している。流量
計本体３には、相対向して孔（符号省略）が形成されて
いる。この孔に超音波センサ４のセンサホルダ（圧電素
子収納体）５の有底筒状のホルダ本体部６を挿入させ
て、この超音波センサ４がボルトなどの保持部材７によ
り取り付けられている。この場合、ホルダ本体部６の底
板部（振動板部）８が接液するように構成されている。
ホルダ本体部６には圧電素子９が収納されている。

【０００３】また、他のタイプの流量計１として図２２
及び図２３に示すものがある。この流量計１は、超音波
伝搬経路に、流量計本体３とは別部材の伝搬部材１０を
固定し、その上に超音波センサ４を設置し、伝搬部材１
０を介して流体中を伝搬して受信される超音波に対し、
伝搬部材１０と流量計本体３との接合部から流量計本体
３を伝搬して回り込む超音波（回り込みノイズ）が重畳
することを抑制するようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、圧電素子
（超音波素子）は、良好な振動特性（単一な厚みたて振
動）を得る上でアスペクト比（直径／厚さ）を十分大き
くする（一般にアスペクト比３倍以上）必要があること
から、その直径を小さくできず、上述した流量計１で
は、ホルダ本体部６の底板部８が大きくなるため、流路
２に凹凸が形成される。特に、小流量用では流速をかせ
ぐために流路を細くするため、凹凸が大きくなる。そし
て、このように凹凸が形成されることにより、流体の流
れを乱してしまう。このため、流量計１の特性〔器差特
性（器差のばらつき特性）、下限流量特性（流速が小さ
いところでも安定した流れとなって渦が安定して生成さ
れることを示す特性、すなわち小流速でも安定して計測
できることを示す特性）〕を悪化させるという問題点が
あった。他の従来技術として、図２４に示すように、流
量計本体３における渦発生体（ブラフボディ）３０の下
流側の渦発生領域を間にするようにして２組の超音波セ
ンサ４を周方向に沿わせて配置し、同じ流体中を伝搬し
た超音波同士を比較することで音速変化の影響を構造的
にキャンセルするように（クロスセンシングするよう
に）構成した流量計１がある。この流量計１は、超音波
センサ数が多いため、上述した従来技術に比して、流路
２に生ずる凹凸がより大きくなり、上記問題〔流体の流
れが乱れること、器差特性及び下限流量特性が悪化する
こと〕がより顕著なものになる。

【０００５】また、近時、小流量測定が求められてお
り、これに併せて流量計の口径も小さくされるようにな
ってきているが、口径に合わせて超音波センサ４の大き
さを小型化することには限界があるため、上述した図２
０〜図２４の従来技術では口径を小さくすると、その
分、流路２側に突出する部分が相対的に大きくなり、流
れの乱れをより生じさせることになり、口径を小さくす
るには限界があった。

【０００６】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、被測定流体の流れが乱れることを抑制して安定した
流量計測を行え、かつ適切に小口径化できる流量計を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
超音波素子を有する一対の超音波センサを管に備えた流
量計であって、前記管には該管の内周側を底部とし、該
管の径方向外方に開口する一対の有底の穴部を形成し、
前記一対の穴部の底部に前記一対の超音波センサの超音
波素子をそれぞれ載置することを特徴とする。請求項２
記載の発明は、請求項１記載の構成において、前記管を
複数の部位に分割し、前記一対の穴部のうち一方の穴部
が前記複数の部位のうち一つの部位に形成され、前記一
対の穴部のうち他方の穴部が前記複数の部位のうち他の
部位に形成されたことを特徴とする。請求項３記載の発
明は、請求項１記載の構成において、前記管の内周側か
ら前記管の径方向外方に延びて形成される溝により前記
管を複数の領域に区画し、前記一対の穴部のうち一方の
穴部が前記複数の領域のうち一つの領域に形成され、前
記一対の穴部のうち他方の穴部が前記複数の領域のうち
他の領域に形成されたことを特徴とする。

【０００８】請求項４記載の発明は、超音波素子と、該
超音波素子を収納するセンサホルダとからなる一対の超
音波センサを管に備えた流量計であって、前記センサホ
ルダは、その底板部が前記管の流路に臨んで配置される
よう前記管に形成された一対の孔に挿入され、前記孔に
挿入された前記センサホルダの底板部における前記流路
の周方向に沿う方向の長さを前記超音波素子の底面部の
長さに比して短く設定したことを特徴とする。請求項５
記載の発明は、請求項４記載の構成において、前記セン
サホルダにおける前記孔挿入部分は、前記底板部に向け
て径寸法が逓減することを特徴とする。請求項６記載の
発明は、請求項４記載の構成において、前記センサホル
ダにおける前記孔挿入部分は、前記底板部に向けて径寸
法が段階的に小さくなることを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１実施の形態の
流量計１を図１に基づいて説明する。流量計１は、内周
側に流路２を形成する管状の金属製の流量計本体（管）
３を有している。流量計本体３には、相対向して流路２
側（流量計本体３の内周側）を底部１１とし、流量計本
体３の径方向外方に開口する一対の有底の穴部１２が形
成されている。一対の底部１１には一対の超音波センサ
４の圧電素子（超音波素子）９がそれぞれ載置される。
穴部１２の開口部には穴部１２を閉塞する蓋１３が載置
されている。この蓋１３は流量計本体３にボルト１４に
より取り付けられている。流路２には被測定流体が流さ
れるようになっている。

【００１０】流量計本体３にはアンプケース１５が取り
付けられている。アンプケース１５には、リード線（図
示省略）を介して圧電素子９に接続されたアンプ回路１
６が収納されている。アンプ回路１６は、圧電素子９を
駆動して受信した超音波信号から流れの状態を検出して
流量を求め、流量信号の出力及び表示を行う。前記底部
１１の厚さは、流体と流量計本体３の材質の音響インピ
ーダンスとの関係で、流体が液体の場合には、平均肉厚
が（１／２）λの整数倍（λ：流量計本体３を伝搬する
超音波の波長）になるように設定され、超音波の伝搬効
率が良く定在波が発生しずらいようになっている。

【００１１】この流量計１は、アンプ回路１６に設けた
図示しない発振回路が図１上側の圧電素子９を駆動し、
流量計本体３の図１上側の底部１１を介して流体中に超
音波を伝搬させる。流体中を伝搬した超音波は図１下側
の底部１１を介して図１下側の圧電素子９で受信され、
アンプ回路１６の入力部で電気信号に変換され流量信号
として演算され、その出力、表示が行われる。

【００１２】そして、この流量計１では、流路２の内壁
面に従来技術で用いていたセンサホルダによる凹凸が形
成されておらず、なだらかな面になっている。すなわ
ち、上述した従来技術（図２０〜図２４）では流路２に
凹凸が形成されていたが、本実施の形態では、流路２に
従来技術で用いていたセンサホルダによる凹凸が形成さ
れていない。このため、本実施の形態では、流体の流れ
が乱れるようなことがなく、良好な器差特性及び下限流
量特性を確保でき、流量計測を安定して行える。さら
に、上述した従来技術で用いたセンサホルダ５を使用し
ていないので、良好な特性を維持して流量計本体３の小
口径化を図ることができる。

【００１３】次に、本発明の第２実施の形態の流量計１
を図２及び図３に基づいて説明する。図２及び図３にお
いて、前記一対の穴部１２のそれぞれを分離するように
流量計本体３は上側、下側の流量計本体３ａ，３ｂ（複
数の部位）に分割されている。上側、下側の流量計本体
３ａ，３ｂは、筒状をなすように重ね合わせられ、溶接
Ｙにより一体化されている。図２中、１７はリード線１
８（図１６）を通すリード線通し孔である。

【００１４】この第２実施の形態も、前記第１実施の形
態（図１）と同様に、流路２に従来技術で用いていたセ
ンサホルダによる凹凸が形成されないため、流体の流れ
が乱れるようなことがなく、良好な器差特性及び下限流
量特性を確保でき、流量計測を安定して行える。さら
に、第１実施の形態（図１）と同様に、良好な特性を維
持して流量計本体３の小口径化を図ることができる。

【００１５】また、上側の圧電素子９が発生した超音波
は、上側の流量計本体３ａに伝搬された後に流体に伝搬
すると同時に、上側の流量計本体３ａから下側の流量計
本体３ｂに直接伝搬する（いわゆる回り込む）超音波も
存在する。しかし、流量計本体３は上側の流量計本体３
ａと下側の流量計本体３ｂに分離して接合されているこ
とにより、前記回り込み超音波は前記分離部分（接合部
分）で減衰され、送信側（図２上側）の圧電素子９から
受信側（図２下側）の圧電素子９に回り込み超音波が直
接受信される比率は、流体中を伝搬した超音波に比べて
十分小さくなる（すなわち、Ｓ／Ｎを向上できる）。さ
らに、上述した従来技術では、流量計１を配管に設置し
たときの圧縮により、センサ孔（センサホルダ５のホル
ダ本体部６が挿入される孔）が変形してセンサ特性が変
化することが起こり得るが、本実施の形態では、上述し
た従来技術で問題となる圧縮力に対して、センサ穴の変
形がなくなり、その分、安定したセンサ特性を得ること
ができる。

【００１６】次に、本発明の第３実施の形態の流量計１
を図４に基づき、図２及び図３を参照して説明する。こ
の流量計１は、流量計本体３の周方向に４つの穴部１２
を備え、それぞれの底部１１に超音波センサ４の圧電素
子９を音響接合剤（図示省略）で接着している。さら
に、流量計本体３は、４つの穴部１２のそれぞれを分離
するように第１、第２、第３、第４の４つの流量計本体
３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ（複数の部位）に分割されてい
る。第１、第２、第３、第４の流量計本体３ｃ，３ｄ，
３ｅ，３ｆは、筒状をなすように重ね合わせられ、溶接
Ｙにより一体化されている。

【００１７】この流量計１では、第１の流量計本体３ｃ
の底部１１に載置した圧電素子９及び第２の流量計本体
３ｄの底部１１に載置した圧電素子９が超音波送信のた
めに用いられ、第１の流量計本体３ｃ及び第２の流量計
本体３ｄに対向する第３の流量計本体３ｅ及び第４の流
量計本体３ｆにそれぞれ設けられる圧電素子９が超音波
受信のために用いられるようになっており、多測線セン
シング（複数の超音波伝搬経路によってセンシングする
こと）を行うようにしている。

【００１８】この第３実施の形態も、前記第１実施の形
態（図１）及び第２実施の形態（図２及び図３）と同様
に、流路２に従来技術で用いていたセンサホルダによる
凹凸が形成されないため、流体の流れが乱れるようなこ
とがなく、良好な器差特性及び下限流量特性を確保で
き、流量計測を安定して行える。さらに、流量計本体３
が第１、第２、第３、第４の流量計本体３ｃ，３ｄ，３
ｅ，３ｆに分割して接合されていることにより、前記回
り込み超音波が分割部分（接合部分）で減衰されるた
め、Ｓ／Ｎを向上できる。また、上述した従来技術で用
いたセンサホルダ５を使用していないので、良好な特性
を維持したままで流量計本体３の小口径化を図ることが
できる。

【００１９】前記第１実施の形態（図１）の流量計１に
おいて、図５に示すように、流量計本体３を上側の底部
１１及び下側の底部１１を分離するように４つの流量計
本体３（第１、第２、第３、第４の流量計本体３ｃ，３
ｄ，３ｅ，３ｆ）に分離し、これらを筒状をなすように
接合して流量計１を構成（以下、便宜上、本発明の第４
実施の形態という。）してもよい。

【００２０】この第４実施の形態によれば、流路２に従
来技術で用いていたセンサホルダによる凹凸が形成され
ないため、流体の流れが乱れるようなことがなく、良好
な器差特性及び下限流量特性を確保でき、流量計測を安
定して行える。さらに、前記第３実施の形態と同様に、
流量計本体３が上側、下側の流量計本体３ａ，３ｂに分
割して接合されていることにより、前記回り込み超音波
が分割部分（接合部分）で減衰されるため、Ｓ／Ｎを向
上できる。また、上述した従来技術で用いたセンサホル
ダ５を使用していないので、良好な特性を維持して流量
計本体３の小口径化を図ることができる。

【００２１】前記第２実施の形態（図２及び図３）の流
量計１において、図６及び図７に示すように、流路２内
に開口し、かつ上側、下側の流量計本体３ａ，３ｂの各
底部１１を囲むように環状切欠溝２０を形成して流量計
１を構成（以下、便宜上、本発明の第５実施の形態とい
う。）してもよい。

【００２２】この第５実施の形態によれば、圧電素子９
を載置する前記各底部１１を囲むように環状切欠溝２０
を形成しており、これにより回り込み超音波を減衰す
る。このため、上側、下側の流量計本体３ａ，３ｂの接
合部による回り込み超音波の減衰とあいまって、回り込
み超音波が直接受信される比率は、流体中を伝搬した超
音波に比べて十分小さくなるので、Ｓ／Ｎの向上を図る
ことができる。この場合、第２実施の形態に比して、環
状切欠溝２０を設けた分、回り込み超音波の伝搬の抑制
が図れて、流量計測をより安定して果たすことができ
る。

【００２３】前記第１実施の形態（図１）の流量計１に
おいて、図８に示すように、流量計本体３の流路２側部
分（内周側部分）における上側の底部１１及び下側の底
部１１の間の部分に、流路２（管の内周側）から流量計
本体３の径方向外方に延びる２条の溝２０Ａを形成し、
この２条の溝２０Ａにより流量計本体３を図８上側、下
側の領域（複数の領域）〔符号省略〕に区画し、上側の
穴部１２を前記上側の領域に形成し、下側の穴部１２を
下側の領域に形成して流量計１を構成（以下、便宜上、
本発明の第６実施の形態という。）してもよい。この第
６実施の形態によれば、流路２に従来技術で用いていた
センサホルダによる凹凸が形成されないため、流体の流
れが乱れるようなことがなく、良好な器差特性及び下限
流量特性を確保でき、流量計測を安定して行える。さら
に、溝２０Ａを設けたことにより回り込み超音波が減衰
され、Ｓ／Ｎを向上できる。また、上述した従来技術で
用いたセンサホルダ５を使用していないので、良好な特
性を維持して流量計本体３の小口径化を図ることができ
る。なお、前記第２、第３、第４、第５実施の形態のよ
うに流量計本体３が完全に分割されている方が、超音波
の回り込みを防止できるが、この第６実施の形態のよう
に一部くっついていた（分割されていない）方が、組付
のときずれたりするようなことがなく便利である。

【００２４】また、この第６実施の形態（図８）では、
２条の溝２０Ａを流路２を間にして対向して設けた場合
を例にしたが、これに代えて、図９に示すように、４条
の溝２０Ｂにより流量計本体３を図９上側、下側、左
側、右側の４つの領域（複数の領域）に区画し、上側の
穴部１２を前記上側の領域に形成し、下側の穴部１２を
前記下側の領域に形成して流量計１を構成（以下、便宜
上、本発明の第７実施の形態という。）してもよい。こ
の第７実施の形態は、第６実施の形態と同様にＳ／Ｎの
向上及び良好な特性を維持して流量計本体３の小口径化
の実現が可能になると共に、４条の溝２０Ｂを設けたこ
とにより第６実施の形態に比して回り込み超音波をより
減衰してＳ／Ｎを更に向上することができる。

【００２５】次に、本発明の第８実施の形態を図１０及
び図１１に基づいて説明する。図１０及び図１１におい
て、流量計１の流量計本体３には、先端側が流路２内に
開口するコーン（円錐）形状の一対の孔（円錐孔）２１
が相対向して形成されており、この円錐孔２１に連通し
て流量計本体３の外側に開口する略円形状の外側穴２２
が設けられている。この外側穴２２及び円錐孔２１に超
音波センサ４が嵌装されている。

【００２６】超音波センサ４は、超音波の送受信を行う
圧電素子９と、この圧電素子９を収納するセンサホルダ
５と、から大略構成されている。センサホルダ５は、有
底筒状をなし底面部に圧電素子９を載置し前記外側穴２
２に挿入される略有底筒状の収納部２３と、収納部２３
の底面部に連接し前記円錐孔２１に挿入されるコーン
（円錐）形状の音波伝搬部２４（孔挿入部分）とからな
り、音波伝搬部２４（傾斜部）にはフッ素樹脂（例えば
ＰＦＡ）のライニング２５（コーティング）が施されて
いる。音波伝搬部２４には雄ねじ（図示省略）が形成さ
れ、円錐孔２１にはこの雄ねじに螺合する雌ねじ（図示
省略）が形成されている。

【００２７】音波伝搬部２４の先端部２６（底板部）は
流路２に臨んでおり、当該先端部２６における流路２の
周方向に沿う方向の長さＢは、圧電素子９の底面部の長
さＤに比して短く設定されている。また、音波伝搬部２
４はコーン形状とされており、先端部２６（底板部）に
向けて径寸法が逓減したものになっている。

【００２８】超音波センサ４は、収納部２３及び音波伝
搬部２４をそれぞれ外側穴２２及び円錐孔２１に挿入さ
せ、円錐孔２１に音波伝搬部２４をねじ込むことによ
り、音波伝搬部２４に施されたフッ素樹脂のライニング
２５が音波伝搬部２４及び円錐孔２１に締付けられた状
態で流量計本体３に取り付けられている。この場合、上
述したようにライニング２５が締付けられていることに
より、ライニング２５が流体をシールすることになる。

【００２９】そして、この第８実施の形態では、流路２
の内壁面に従来技術で用いていたセンサホルダによる凹
凸が形成されず、流体の流れが乱れるようなことを抑え
ることができ、良好な器差特性及び下限流量特性を確保
でき安定して流量計測を行える。さらに、圧電素子９か
ら送信されて音波伝搬部２４に伝搬した超音波は流体中
に伝搬する以外に流量計本体３内にも伝搬するが、音波
伝搬部２４に施したライニング２５内で超音波が十分減
衰し、流量計本体３内に伝搬する超音波（回り込みノイ
ズ）は流体中を伝搬する超音波に比べて十分小さくなる
（すなわち、Ｓ／Ｎを向上できる）。また、音波伝搬部
２４がコーン形状にされていることにより、超音波が音
波伝搬部２４の先端部に集中するので、音圧が高くなっ
てＳ／Ｎ比が向上する。また、音波伝搬部２４がコーン
形状にされており、流路２に臨む先端部２６が小さくな
っているので、流量計本体３の口径を小さくしても流れ
の乱れを生じさせるような大きな凹凸が形成されること
がない（すなわち、流量計本体３を小口径にしても、流
路２に形成される凹凸を必要最小限に抑えることができ
る）。

【００３０】上述した従来技術では、口径に合わせて圧
電素子９（超音波センサ４）を小さくすることに限界が
あり、小口径にするほど超音波センサ４の設置が困難に
なるが、この第８実施の形態では、圧電素子９の大きさ
よりも流路２内の超音波放射面（先端部２６）を十分小
さくできることから、超音波センサ４の設置自由度を向
上させることができる。

【００３１】また、第８実施の形態では、超音波センサ
４の固定を、超音波センサ４及び流量計本体３に設けた
ネジ構造（雄ねじ、雌ねじ）で行う場合を例にしたが、
これに限らず、超音波センサ４を流量計本体３に十分押
し込んだ状態で、収納部２３を外側穴２２の形成部に溶
接することにより行うようにしてもよい。また、第８実
施の形態では、音波伝搬部２４（傾斜部）にフッ素樹脂
（例えばＰＦＡ）のライニング２５を施した場合を例に
したが、フッ素樹脂に代えてゴムを用いてもよい。

【００３２】上述した第８実施の形態では、円錐孔２１
が流路２に垂直に延びる場合を例にしたが、これに代え
て、図１２ないし図１４に示すように円錐孔２１を流路
２に対して斜め形成し（便宜上、斜め円錐孔２１Ａとい
う。）、かつこの斜め円錐孔２１Ａに沿うように音波伝
搬部（便宜上、斜め音波伝搬部２４Ａという）〔孔挿入
部分〕を形成することにより流量計１を構成（以下、本
発明の第９実施の形態という。）してもよい。この第９
実施の形態では、超音波センサ４は略同一円周上に配置
するものの、外側穴２２は同一円周にはなく流量計本体
３の長手方向にずらせて配置し、これに伴い、２つの圧
電素子９が流量計本体３の長手方向にずれて配置され
る。

【００３３】この第９実施の形態は、第８実施の形態と
同様に、器差特性及び下限流量特性の向上、回り込み超
音波（回り込みノイズ）の減衰によるＳ／Ｎの向上、及
び音波伝搬部２４Ａがコーン形状にされていることによ
る小口径化を図ることができる。また、音波伝搬部２４
Ａがコーン形状にされていることにより、超音波が音波
伝搬部２４Ａの先端部２６に集中するので、音圧が高く
なってＳ／Ｎ比が向上する。また、この第９実施の形態
では、一方（図１３上側）の圧電素子９で発生した超音
波を斜め音波伝搬部２４Ａに伝搬し、一方の圧電素子９
とは同一円周上にない図１３上側の音波伝搬部２４（振
動板）の先端部２６から流体中に伝搬させている。この
ように超音波センサ４は略同一円周上に配置するもの
の、収納部２３を挿入する外側穴２２は同一円周上には
なく流量計本体３の長手方向にずらせて配置したこと
で、実際に超音波が流体中を伝搬する（斜め音波伝搬部
２４Ａの先端部２６）円周上には圧電素子９を収納する
収納部２３はなく、超音波センサ４の取り付けスペース
を十分確保できる。このため、流量計本体３を小口径に
しても、同一円周上に複数組の超音波センサ４を容易に
設置することができ、この分、流量計１を小口径化する
ことができる。

【００３４】次に、本発明の第１０実施の形態の流量計
１を図１５及び図１６に基づき、図１、図２０及び図２
１を参照して説明する。この流量計１は、内周側に円筒
状の流路２を形成する管状の金属製の流量計本体３を有
している。流量計本体３はその外形が断面視、略正方形
に形成されている。流量計本体３の流路２には、この流
路２を横切るように渦発生体３０（ブラフボディ）が図
示しないＯリング等によりシールされ、ねじ止め又は溶
接等により固定されており、流れ方向の後方にカルマン
渦を発生するようにしている。なお、渦発生体３０は、
流量計本体３と共に、鋳造等により一体成形してもよ
い。

【００３５】流量計本体３のカルマン渦発生領域に対応
した部分には、周方向に、４つの孔（流量計本体側孔）
３１が形成されており、超音波センサ４のセンサホルダ
５を挿入するようにしている。４つの流量計本体側孔３
１に挿入される超音波センサ４（センサホルダ５）を押
えるように流量計本体３にはセンサ支え部材３２が嵌装
されている。センサ支え部材３２には、流量計本体３の
４つの流量計本体側孔３１に対応して４つの孔（支え部
材側孔）３３が形成されており、ホルダ大径部３４、ホ
ルダ中径部３５及びホルダ小径部３６からなるセンサホ
ルダ５のホルダ大径部３４を挿入するようにしている。

【００３６】超音波センサ４は、超音波を送受信する圧
電素子９と、圧電素子９を収納するステンレス等金属部
材または樹脂部材からなる前記センサホルダ５と、セン
サホルダ５の開口部に配置して接着やプロジェクション
溶接またはねじ込み等により密閉挿入される蓋１３と、
蓋１３と圧電素子９の間に介装される複数の部材からな
る素子押え部材３７及び皿ばね３８と、センサホルダ５
の底板部８と圧電素子９との間に介装される樹脂または
金属材料からなる音響整合部材３９とから大略、構成さ
れており、センサホルダ５及び蓋１３の上側に配置され
る矩形の板材４０を介してボルト４１により流量計本体
３に保持されている。図１６中、４２はセンサホルダ５
と流量計本体３との間に介装されるＯリングなどのシー
ル部材である。

【００３７】流量計本体側孔３１は、流路２に臨む部分
の小径の小径孔部（本体側小径孔部３１ａ）と、本体側
小径孔部３１ａに段差を持って連接する大径の本体側大
径孔部３１ｂと、からなり、本体側大径孔部３１ｂが開
口している。また、支え部材側孔３３は、本体側大径孔
部３１ｂに比して大きい内径にされている。

【００３８】センサホルダ５は、有底円筒状または有底
多角形筒状をなしており、開口側から底板部８に向けて
段差を持って形成される前記ホルダ大径部３４、ホルダ
中径部３５、ホルダ小径部３６からなり、ホルダ大径部
３４が支え部材側孔３３に挿入され、ホルダ中径部３５
及びホルダ小径部３６（センサホルダ５における孔挿入
部分）が流量計本体側孔３１に挿入されている（すなわ
ち、センサホルダ５における孔挿入部分は、底板部８に
向けて径寸法が段階的に小さくなっている）。センサホ
ルダ５のホルダ大径部３４には、リード線通し孔１７が
形成されており、圧電素子９に接続したリード線１８が
挿通するようになっている。底板部８における流路２の
周方向に沿う方向の長さＢは圧電素子９の底面部の長さ
Ｄに比して短く設定されている。

【００３９】センサホルダ５に形成される孔４３は、底
板部８側に形成される小径の小径孔部（ホルダ側小径孔
部）４３ａと、ホルダ側小径孔部４３ａに段差をもって
連接する中径のホルダ側中径孔部４３ｂと、ホルダ側中
径孔部４３ｂに段差をもって連接する大径のホルダ大径
孔部４３ｃとからなっている。ホルダ側小径孔部４３ａ
と、ホルダ側中径孔部４３ｂとで形成される段差部に圧
電素子９が載置されている。ホルダ側中径孔部４３ｂに
は前記素子押え部材３７及び皿ばね３８が挿入されてい
る。

【００４０】前記音響整合部材３９はホルダ側小径孔部
４３ａに挿入されて上述したように圧電素子９と底板部
８との間に介装されている。音響整合部材３９及び圧電
素子９はシリコン接着剤やエポキシ樹脂等の音響接合剤
４４によりセンサホルダ５に固定されている。これによ
り、圧電素子９から発射された超音波は底板部８（振動
板）から流体中に放射される。

【００４１】ここで、音響整合部材３９は底板部８（セ
ンサホルダ５）の材質（例えばステンレスとすると固有
音響インピーダンスは39×10⁶Ns/m³）と圧電素子９（例
えばＰＺＴとすると固有音響インピーダンスは30×10⁶N
s/m³）の中間となる固有音響インピーダンスをもつ材料
を選択する。さらに、音響整合部材３９は底板部８（セ
ンサホルダ５）の材質（例えばステンレスとすると線膨
張係数は17.3×10^-6／℃）と圧電素子９（例えばＰＺＴ
とすると線膨張係数は7.9 ×10^-6／℃）の中間となる線
膨張係数をもつ材料を選択する。このように２種類の特
性を合わせもつ音響整合部材３９を選択することで、底
板部８と圧電素子９間の音波減衰を最小に抑えることが
でき、かつ使用温度範囲を拡大したときに生じる底板部
８と圧電素子９の線膨張係数の差が、それぞれの剥離等
の発生による音響不整合を抑えることができる。この場
合、音響整合部材３９と底板部８（センサホルダ５の振
動板）とは、音響接合剤４４による接着や、センサホル
ダ５のホルダ側小径孔部４３ａへの材料を流し込み一体
成形等により固定されている。また、音響整合部材３９
と底板部８のそれぞれの厚さは、超音波の放射効率を考
慮して発振周波数の（１／２）λの整数倍となるように
設定されている。これにより、音波の透過効率の向上を
図るようにしている。

【００４２】この第１０実施の形態では、送信側の超音
波センサ４の圧電素子９が、超音波信号を発生させる図
示しないセンサ駆動回路からの電気信号を受けて、厚み
たて振動により超音波を発生する。この超音波は音響整
合部材３９と底板部８を伝搬して流体中に発射される。
ここで、流れにより渦発生体３０の下流側にカルマン渦
が発生すると、流体中に放射された一対の送信側の圧電
素子９からの超音波はそれぞれドップラー効果により異
なった変調（進み・遅れ）をうけ、一対の送信側の圧電
素子９と対向する位置に設けられた一対の受信側の圧電
素子９に対応する底板部８及び音響整合部材３９を伝搬
して当該受信側の圧電素子９に受信される。この流体中
を伝搬して受信されかつカルマン渦により変調を受けた
２つの超音波は、電気信号に変換されたのち演算回路
（図示省略）で流量信号に変換される。

【００４３】また、この第１０実施の形態では、圧電素
子９を収納するセンサホルダ５のホルダ中径部３５及び
ホルダ小径部３６（ザグリ部）が、底板部８に向けて径
寸法が段階的に小さくなっているので、流路２内の流体
に接する部分（底板部８）が小さくなり、これにより流
路２の内壁面に従来技術で用いていたセンサホルダによ
る凹凸が形成されず、流体の流れが乱れるようなことを
抑えることができ、良好な器差特性及び下限流量特性を
確保でき、安定して流量計測できる。

【００４４】また、第１０実施の形態では、圧電素子９
を収納するセンサホルダ５のホルダ中径部３５及びホル
ダ小径部３６が、底板部８に向けて径寸法が段階的に小
さくなっているので、超音波がセンサホルダ５のホルダ
中径部３５及びホルダ小径部３６の先端部（底板部８）
に集中するので、音圧が高くなってＳ／Ｎ比が向上す
る。

【００４５】さらに、圧電素子９を収納するセンサホル
ダ５のホルダ中径部３５及びホルダ小径部３６が、底板
部８に向けて径寸法が段階的に小さくなっており、流路
２内の流体に接する部分（底板部８）が小さいので、口
径を小さくしても流れの乱れを生じさせるような、従来
技術で用いていたセンサホルダによる凹凸が形成される
ことがなく、小口径化を良好な特性を確保して達成する
ことができる。

【００４６】また、従来構造では、流量計の口径に合わ
せて圧電素子９（超音波センサ４）を小さくすることに
は限界があり、小さい口径になる程、超音波センサ４の
設置が困難になるが、この第１０実施の形態では、圧電
素子９の大きさよりも流路２内への超音波放射面を十分
小さくできることから、超音波センサ４を複数組設置す
ることが困難であった小口径のものに対してもセンサ設
置の自由度を上げることができる。さらに、上述したよ
うに圧電素子９の大きさよりも流路２内への超音波放射
面を十分小さくできることにより小口径に対応したクロ
スセンシング計測が可能となり、２組の超音波センサ４
を用いて同じ流体中を伝搬した超音波同士を比較する方
法の特徴である、流体中に存在する音速変化の影響を構
造的にキャンセルでき、かつカルマン渦の変調量を大き
くとりだせ低流速域での計測感度を向上させることがで
きる。

【００４７】また、音響整合部材３９を設けたことによ
り、低温時、高温時の使用で問題になる接合剤の剥離等
の発生がなくなるので、使用温度範囲の拡大を図ること
ができる。さらに、小口径化を図る上で圧電素子９を別
個に製作せずに現行品を流用できるため、装置の低廉化
を図ることができる。

【００４８】この第１０実施の形態のセンサホルダ５
は、径寸法が段階的に形成されるホルダ大径部３４、ホ
ルダ中径部３５、ホルダ小径部３６からなり比較的構成
が簡易である。このため、後述する第１３実施の形態の
センサホルダ５に比して、装置全体の構成を簡易なもの
にでき、ひいては生産性の向上を図ることができる。ま
た、この第１０実施の形態のセンサホルダ５は、ホルダ
側小径孔部４３ａがテーパを有していないため、構成が
簡易であり、後述する第１２実施の形態のセンサホルダ
５に比して、装置全体の構成を簡易なものにでき、ひい
ては生産性の向上を図ることができる。

【００４９】また、図１７に示すように、第１０実施の
形態の音響整合部材３９とセンサホルダ５のホルダ小径
部３６との間に隙間４５を形成し、音響整合部材３９を
底板部８に接合して流量計１を構成（以下、本発明の第
１１実施の形態という。）してもよい。この第１１実施
の形態では、圧電素子９から発射された超音波は流体中
に伝搬する以外にセンサホルダ５から流量計本体３にも
伝搬するが、前記隙間４５により超音波が減衰するの
で、第１０実施の形態に比してよりＳ／Ｎの向上を図る
ことができる。

【００５０】また、図１８に示すように、第１０実施の
形態のセンサホルダ５に形成されるホルダ側小径孔部４
３ａを、テーパを備えた筒状（略円錐状）に形成し、か
つ音響整合部材３９をこの当該ホルダ側小径孔部４３ａ
に嵌合する略円錐状に形成して流量計１を構成（以下、
本発明の第１２実施の形態という。）してもよい。この
第１２実施の形態では、略円錐状に形成された音響整合
部材３９内部で音波が集中し、底板部８から発射される
超音波の音圧が強くなる。このため、超音波センサ４の
Ｓ／Ｎ、ひいてはセンサ効率が向上する。

【００５１】また、図１９に示すように、第１０実施の
形態の流量計本体３の流量計本体側孔３１の流路２側の
部分はテーパを備えた筒状（略円錐状）に形成し、セン
サホルダ５のホルダ小径部３６を先細りの筒状（略円錐
状）に形成し、かつこのホルダ小径部３６に沿うように
音響整合部材３９を先細りの形状（略円錐状）にして流
量計１を構成（以下、本発明の第１３実施の形態とい
う。）してもよい。この第１３実施の形態では、センサ
ホルダ５の小径部及び音響整合部材３９が略円錐状に形
成されていることにより音響整合部材３９及びセンサホ
ルダ５の底板部８に音波が集中し、底板部８から発射さ
れる超音波の音圧が強くなる。このため、超音波センサ
４のＳ／Ｎ、ひいてはセンサ効率が向上する。

【００５２】上記実施の形態では４つの超音波センサ４
を流路２の周方向に並べているが、さらに、前記４つの
超音波センサ４に対して流路２の軸方向に並ぶように超
音波センサ４を配置し、計測精度の向上を図るように構
成してもよい。

【００５３】なお、前記全ての実施の形態の超音波セン
サは、超音波流量計や超音波センサを用いた渦流量計、
相関式流量計等に用いることができる。

【００５４】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、管には該
管の内周側を底部とし、該管の径方向外方に開口する一
対の有底の穴部を形成し、前記一対の穴部の底部に前記
一対の超音波センサの超音波素子をそれぞれ載置し、管
の流路の内壁面に凹凸が形成されておらず、なだらかな
面になっているので、流体の流れが乱れるようなことが
なく、良好な器差特性及び下限流量特性を確保でき、流
量計測を安定して行える。さらに、上述した従来技術で
用いたセンサホルダを使用していないので、良好な特性
を維持して管の小口径化を図ることができる。請求項２
記載の発明によれば、管を複数の部位に分割し、一対の
穴部のうち一方の穴部が前記複数の部位のうち一つの部
位に形成され、前記一対の穴部のうち他方の穴部が前記
複数の部位のうち他の部位に形成されており、一方の穴
部から他方の穴部に直接伝搬する（いわゆる回り込む）
超音波が、管の分割部（接合部）で減衰されるので、Ｓ
／Ｎを向上できる。請求項３記載の発明によれば、管の
内周側から前記管の径方向外方に延びて形成される溝に
より前記管を複数の領域に区画し、前記一対の穴部のう
ち一方の穴部が前記複数の領域のうち一つの領域に形成
され、前記一対の穴部のうち他方の穴部が前記複数の領
域のうち他の領域に形成されており、前記溝により、回
り込み超音波が減衰されるので、Ｓ／Ｎを向上できる。
また、前記請求項１記載の発明のように管が完全に分割
されている方が、超音波の回り込みを防止できるが、こ
の請求項３記載の発明のように一部くっついていた（分
割されていない）方が、組付のときずれたりするような
ことがなく便利である。

【００５５】請求項４記載の発明によれば、超音波素子
と、該超音波素子を収納するセンサホルダとからなる一
対の超音波センサを管に備えた流量計であって、センサ
ホルダは、その底板部が管の流路に臨んで配置されるよ
う前記管に形成された一対の孔に挿入され、前記孔に挿
入された前記センサホルダの底板部における前記流路の
周方向に沿う方向の長さを前記超音波素子の底面部の長
さに比して短く設定しており、管の口径を小さくしても
流体の流れの乱れを生じさせるような大きな凹凸が形成
されることがなく、小口径化を良好な特性を確保して達
成することができる。また、前記請求項１記載の発明の
ように管が完全に分割されている方が、超音波の回り込
みを防止できるが、この請求項４記載の発明のように一
部くっついていた（分割されていない）方が、組付のと
きずれたりするようなことがなく便利である。請求項５
記載の発明によれば、センサホルダにおける孔挿入部分
は、底板部に向けて径寸法が逓減しており、超音波がセ
ンサホルダの底板部に集中し、相対的に回り込み超音波
が少なくなるので、その分、Ｓ／Ｎを向上できる。請求
項６記載の発明によれば、センサホルダにおける孔挿入
部分は、底板部に向けて径寸法が段階的に小さく設定さ
れており、超音波がセンサホルダの底板部に集中し、相
対的に回り込み超音波が少なくなるので、その分、Ｓ／
Ｎを向上できる。請求項５記載の発明に比して、構造が
簡易であり、生産性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態の流量計を示す側面断
面図である。

【図２】本発明の第２実施の形態の流量計を示す側面断
面図である。

【図３】図２の流量計を示す正面断面図である。

【図４】本発明の第３実施の形態の流量計を示す側面断
面図である。

【図５】本発明の第４実施の形態の流量計を示す側面断
面図である。

【図６】本発明の第５実施の形態の流量計を示す側面断
面図である。

【図７】図６の流量計を示す正面断面図である。

【図８】本発明の第６実施の形態の流量計を示す側面断
面図である。

【図９】本発明の第７実施の形態の流量計を示す側面断
面図である。

【図１０】本発明の第８実施の形態の流量計を示す側面
断面図である。

【図１１】図１０の流量計を示す正面断面図である。

【図１２】本発明の第９実施の形態の流量計を示す側面
断面図である。

【図１３】図１２の流量計を示す正面断面図である。

【図１４】図１２の斜め円錐孔を模式的に示す図であ
る。

【図１５】本発明の第１０実施の形態の流量計を示す側
面断面図である。

【図１６】図１５の超音波センサを示す側面断面図であ
る。

【図１７】本発明の第１１実施の形態の流量計を示す側
面断面図である。

【図１８】本発明の第１２実施の形態の流量計を示す側
面断面図である。

【図１９】本発明の第１３実施の形態の流量計を示す側
面断面図である。

【図２０】従来の流量計の一例を示す側面断面図であ
る。

【図２１】図２０の流量計を示す正面断面図である。

【図２２】従来の流量計の他の例を示す側面断面図であ
る。

【図２３】図２２の流量計を示す正面断面図である。

【図２４】２組の超音波センサを用いた従来の流量計の
一例を示す側面断面図である。

【符号の説明】

１流量計２流路３流量計本体（管）４超音波センサ９圧電素子１１底部１２穴部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波素子を有する一対の超音波センサ
を管に備えた流量計であって、前記管には該管の内周側
を底部とし、該管の径方向外方に開口する一対の有底の
穴部を形成し、前記一対の穴部の底部に前記一対の超音
波センサの超音波素子をそれぞれ載置することを特徴と
する流量計。
【請求項２】前記管を複数の部位に分割し、前記一対
の穴部のうち一方の穴部が前記複数の部位のうち一つの
部位に形成され、前記一対の穴部のうち他方の穴部が前
記複数の部位のうち他の部位に形成されたことを特徴と
する請求項１記載の流量計。
【請求項３】前記管の内周側から前記管の径方向外方
に延びて形成される溝により前記管を複数の領域に区画
し、前記一対の穴部のうち一方の穴部が前記複数の領域
のうち一つの領域に形成され、前記一対の穴部のうち他
方の穴部が前記複数の領域のうち他の領域に形成された
ことを特徴とする請求項１記載の流量計。
【請求項４】超音波素子と、該超音波素子を収納する
センサホルダとからなる一対の超音波センサを管に備え
た流量計であって、前記センサホルダは、その底板部が
前記管の流路に臨んで配置されるよう前記管に形成され
た一対の孔に挿入され、前記孔に挿入された前記センサ
ホルダの底板部における前記流路の周方向に沿う方向の
長さを前記超音波素子の底面部の長さに比して短く設定
したことを特徴とする流量計。
【請求項５】前記センサホルダにおける前記孔挿入部
分は、前記底板部に向けて径寸法が逓減することを特徴
とする請求項４記載の流量計。
【請求項６】前記センサホルダにおける前記孔挿入部
分は、前記底板部に向けて径寸法が段階的に小さくなる
ことを特徴とする請求項４記載の流量計。