JP2012103040A - 風向風速計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で、かつ、腐食性ガス雰囲気下でも長期に渡って安定して風向風速の計測を行うことのできる装置を提供することを目的とする。
【解決手段】被測定流体が流れる流路部６と、流路部６に対して所定の角度θをもって設置される一対の超音波送受信部１Ａ，１Ｂとを備え、一方の超音波送受信部から出射され、他方の超音波送受信部で受信される超音波の伝播時間に基づいて被測定流体の風向と風速を計測する風向風速計測装置において、一対の超音波送受信部１Ａ，１Ｂの夫々を、信号処理部と接続されるプリント板２の中心からずれた位置に固定し、このプリント板２の外周縁部分を計測装置の筐体８に形成された保持部５に取り付ける構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、風向風速の計測を行うための風向風速計測装置に係り、特に、半導体製造装置内部やその付近などの特殊環境下における風向風速の計測を行うに好適な装置に関する。

気体の風向風速を計測する装置として、特開昭５３−４３５７４号（特許文献１）に記載されている熱線式のものや、特開平８−３０４４３５号（特許文献２）に記載されている超音波式のものが知られている。

このうち、超音波式の風向風速計測装置は、原理的に０風速の計測が可能で、風速に対してリニアな出力が得られるという特徴があり、高精度な風向風速計測が要求される分野で用いられている。また、超音波式の風向風速計測装置に、温度変化に起因する音速変化の影響を除去するための音速補正手段を付加することにより、使用環境や気体の温度に依存せず高精度の計測が可能になる。

超音波式風向風速計測装置の測定方法に関しては、一対の超音波送受信部を気体の流れる流路を間に挟んで相対向するように配置する「Ｚ法」と呼ばれる測定方法や、一対の超音波送受信部を流路の一方の壁側に配置する「Ｖ法」と呼ばれる測定方法などが知られている。ここでは、原理を説明する上で理解しやすいＺ法を適用した超音波式風向風速計測装置を例に、従来装置の概要について説明する。

図４は、Ｚ法による超音波式風向風速計測装置の測定原理を示す図である。
超音波式風向風速計測装置は、超音波の送受信を行う一対の超音波送受信部１Ａ，１Ｂ、被測定対象としての気体が流れる流路部６、図示しない伝播時間計測回路等を含む信号処理回路から構成される。超音波送受信部１Ａは、流路部６の中心軸に対してθだけ傾けて設置され、かつ、超音波送受信部１Ａと超音波送受信部１Ｂとは流路部６を間に挟んで相対向するように設置される。

いま、圧電振動子からなる超音波送受信部１Ａに、図５（ａ）に示すようなパルス電圧を印加すると、超音波送受信部１Ａから流路部６内に向けて超音波が出射され、流路内を伝播した超音波は超音波送受信部１Ｂで受信され、図５（ｂ）に示すような超音波受信信号が得られる。

ここで、風速が０の時の超音波の伝播時間Ｔは、次式（１）
Ｔ＝Ｌ／Ｃ・・・（１）
で表される。但し、Ｌは超音波の伝播経路長、Ｃは流路中を流れる気体固有の音速である。

いま、流路部６中を気体が風速Ｖ１で流れると、伝播時間Ｔ１は図５（ｃ）のように変化する。このときの超音波の伝播時間Ｔ１は、次式（２）
Ｔ１＝Ｌ／Ｃ１・・・（２）
で表される。

ここでＣ１は風速の影響を受けた時の気体の流速であり、次式（３）
Ｃ１＝Ｃ＋Ｖ１ｃｏｓθ・・・（３）
で表される。

式（３）を式（２）に代入して風速Ｖ１について解くと、次式（４）
Ｖ１＝Ｌ／Ｔ１ｃｏｓθ―Ｃ・・・（４）
となり、超音波の伝播時間Ｔ１を計測することで風速Ｖ１を計測できる。またこのときのＶ１の符号が風向を示すこととなる。

特開昭５３−４３５７４号公報 特開平８−３０４４３５号公報（段落〔０００５〕〜〔０００６〕、図１）

ところで、半導体製造装置の付近では洗浄液や現像液などから腐食性ガスが発生しており、このような環境下で風向風速の計測をしようとする場合には、風向風速計測装置のガスと触れる筐体部分を耐腐食性の高い金属材料で構成するようにしている。しかしながら、筐体部分の耐腐食性を高めても、ガスの種類によっては流路に設置された超音波送受信部が特性劣化してしまう可能性があった。

また、半導体製造装置に風向風速装置を取り付ける場合、半導体製造装置内部のスペースに起因する制約から風向風速計測装置は小さくしなければならない。しかし、筐体を金属材料で構成した風向風速計測装置を小型化しようとして、１対をなす超音波送受信部相互間の距離（配置間隔）を短く設定すると音響的な分離が難しくなり、場合によっては、直接的に筐体中を伝わる超音波の信号レベルが気中を伝わる超音波の信号レベルより大きくなって、風向風速計測が出来なくなるという問題を生じる恐れがあった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、小型で、かつ、腐食性ガス雰囲気下でも長期に渡って安定して風向風速の計測を行うことのできる風向風速計測装置を提供することを目的としている。

請求項１の発明は、被測定流体が流れる流路部と、前記流路部に対して所定の角度をもって設置される一対の超音波送受信部とを備え、一方の超音波送受信部から出射され、他方の超音波送受信部で受信される超音波の伝播時間に基づいて被測定流体の風向と風速を計測する風向風速計測装置において、前記一対の超音波送受信器の夫々を、電子回路部と接続されるプリント板の中心からずれた位置に固定し、このプリント板の外周縁部分を計測装置の筐体に形成された保持部に取り付けるようにしたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の風向風速計測装置において、前記保持部が、超音波送受信部の外形寸法と略等しい内径寸法をもち、一方の端部が前記流路部に向けて開口する第１の貫通孔と、超音波送受信部を搭載するプリント板と略等しい内径寸法をもち、一方の端部が前記第１の貫通孔の他方の端部と連通する第２の貫通孔と、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔によって形成される弓型形状の段付部とからなり、前記プリント板の外周縁部分を前記弓型形状の段付部に固定するようにしたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載の風向風速計測装置において、前記保持部の第１の貫通孔の内壁面と前記超音波送受信器の外周面との間にＯリングを介挿すると共に、前記筐体の電子回路部収納空間を塞ぐ蓋体と筐体の上部壁面との間にパッキンを装着して計測装置内部を密閉し、さらに、前記超音波送受信部を、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）又はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなる耐腐食性を有する樹脂材料でコーティングするようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、流路部の中心軸に対して所定の傾き角（θ）を持って配置される一対の超音波送受信部の夫々を、プリント板の中心からずれた位置に固定し、このプリント板の外周縁部分を計測装置の筐体に形成された保持部に取り付ける構成としているので、超音波送受信部から筐体側への超音波の伝播を抑制することができ、また、超音波送受信部相互間の距離を適切に保って音響的な分離を容易にしながら、装置全体をコンパクトにすることができる。

また、Ｏリングやパッキンなどの密閉手段により計測装置内部を密閉し、さらに、超音波送受信部の表面に耐食性コーティングを施すことで特性劣化を防止するようにしているので、腐食性ガス雰囲気下においても長期に渡って安定した計測が可能となる。

本発明の風向風速計測装置の構成を示す図であり、図１（A)は風向風速計測装置の側断面図、図１（B）は図１（A）のA-A線に沿った上面図である。 超音波送受信部のプリント板への固定方法を説明するための図である。 Ｖ法を用いた超音波式風向風速計測装置の原理図である。 Ｚ法を用いた超音波式風向風速計測装置の原理図である。 超音波送受信部の駆動波形、風速０の時の受信波形、及び風速Ｖ１の時の受信波形の一例である。

以下に、添付図面を参照して、本発明に係る風向風速計測装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。以下の実施形態では、風向風速計測装置の基本構成としてＶ法を採用した場合を例に説明を行うが、Ｚ法等を用いた構成としても良く、Ｖ法と同様の効果が得られる。

図１は本発明による風向風速計測装置の構成を示す図であり、図１（A)は風向風速計測装置の側断面図、図１（B）は図１（A）のA-A線に沿った上面図である。
風向風速計測装置１００は、被測定対象流体の流れる流路部６を有する筐体８、流路部６の上方に配置された一対の超音波送受信部１Ａ，１Ｂ、超音波送受信部１Ａ，１Ｂを搭載するプリント板２、ＳＷ１０や増幅回路１１からなる送受信制御部、パルス発生器１２や時間計測装置１３からなる信号処理回路部、などで構成される。

超音波送受信部１Ａ,１Ｂは、円形状を呈するプリント板２に取り付けられる。そして、このプリント板２が筐体８に形成された保持部５に固定される。超音波送受信部１Ａ,１Ｂのプリント板２への取付方法について図２を参照して説明する。超音波送受信部１Ａ,１Ｂはリードピン１Ｃを備えている。一方、プリント板２にはリードピン１Ｃを挿入するための２つの挿入穴２２が開けられており、特にこの挿入穴２２はプリント板２の中心からずれた位置に設けられている。超音波送受信部１Ａ,１Ｂをプリント板２に搭載した状態で、半田付けなどにより裏面からリードピン１Ｃとプリント板２とを２点で固定することにより、超音波送受信部１Ａ,１Ｂはプリント板２上の中心から外れた位置に取り付けられる。

この超音波送受信部１Ａ,１Ｂとプリント板２からなる超音波送受信手段は、プリント板２のネジ穴２１を貫通するネジ９によって保持部５に固定される。図１（Ｂ）に示すように、保持部５は、超音波送受信部１Ａ,１Ｂの外形寸法と略等しい内径寸法をもち、一方の端部が流路部６に向けて開口する第１の貫通孔３と、超音波送受信部１Ａ,１Ｂを搭載する円形のプリント板２と略等しい内径寸法をもち、一方の端部が第１の貫通孔３の他方の端部と連通する第２の貫通孔４と、第１の貫通孔３と第２の貫通孔４によって形成される弓型形状の段付部（顎部）４aとからなる。この弓型形状の段付部４aは、筐体８の内方に向かって延びるように形成されている。そして、プリント板２の外周縁部分を弓型形状の段付部に固定することにより、超音波送受信部１Ａ,１Ｂの組み付けが完了する。

本実施形態によれば、流路部６の中心軸に対して所定の傾き角（θ）を持って配置される超音波送受信部１Ａ,１Ｂを、プリント板２の中心からずれた位置に取り付け、このプリント板２を保持部５の弓型形状の段付部４aにて片持ち支持するような構成としているので、超音波送受信器１Ａと超音波送受信器１Ｂとの間の距離を保って、相互間の音響的な分離や測定に必要な超音波伝播経路長の確保をしつつ、装置全体（X-Y方向の筐体寸法）を小さくすることができる。

次に腐食性ガスへの対策について説明する。
本実施形態では、円形状のプリント板２で流路部６と連通する保持部５の第１の貫通孔３を塞ぎ、さらに、保持部５の第１の貫通孔３の内周壁面と超音波送受信部１Ａ,１Ｂ外周面との間にＯリング１５を介挿すると共に、筐体８の上部と蓋体８１との間にパッキン１４を装着するようにしている。この構成により、ＳＷ１０や増幅回路１１からなる送受信制御部が内蔵される筐体内部の気密をとることが出来る。なお、Ｏリング１５およびパッキン１４は、フッ素ゴムなどの耐腐食性のあるゴムを用いることが望ましい。

さらに、本実施形態においては、超音波送受信部１Ａ、１Ｂの表面を、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの耐腐食性を持つ樹脂でコーティングすることにより、流路部６を流れる気体に晒される超音波送受信部１Ａ、１Ｂの腐食による特性劣化をも防止するようにしている。

次に、風向風速計測装置１００の動作について説明する。
まず、パルス発生器１２から出力される送信パルス電圧をＳＷ１０を介して一方の超音波送受信部１Ａに印加すると、流路部６の内部に向けて超音波が出射される。その直後に、ＳＷ１０が超音波送受信部１Ｂ側に切り換えられ、反射部７で反射した超音波は、超音波送受信部１Ｂで受信されて電気信号に変換される。この超音波受信信号は増幅回路１１で増幅された後に時間計測回路１３に入力され、時間計測回路１３により超音波送受信部１Ａから出射された超音波が超音波送受信部１Ｂに到達するまでの伝播時間が計測される。次いで、ＳＷ１０の切替動作により、超音波送受信部１Ｂを送信側、超音波送受信部１Ａ
を受信側に切り替えて、同様に超音波伝播時間の計測が行われる。

そして、時間計測回路１３は、気体の流れと同方向（順方向）の超音波伝播時間と逆方向の超音波伝播時間との差に基づき、次式（５）を用いて風向風速の演算を行う。
Ｖ＝Ｃ^２（ｔ_２−ｔ_１）／２Ｄｔａｎθ・・・（５）
但し、Ｄ：流路部の内径、Ｃ：流路中を流れる気体固有の音速、
ｔ_１：順方向の超音波伝播時間、ｔ_２：逆方向の超音波伝播時間、である。

なお、上記演算式については、従来公知のＶ法を適用した風向風速計測装置と同じであるため説明を省略する。

１Ａ,１Ｂ：超音波送受信部
１Ｃ：リードピン
２：プリント板
５：保持部
６：流路部
８：筐体
８１：蓋体
９：ネジ
１０：ＳＷ
１１：増幅回路
１２：パルス発生器
１３：時間計測回路

Claims (3)

1. 被測定流体が流れる流路部と、前記流路部に対して所定の角度をもって設置される一対の超音波送受信部とを備え、一方の超音波送受信部から出射され、他方の超音波送受信部で受信される超音波の伝播時間に基づいて被測定流体の風向と風速を計測する風向風速計測装置において、
   前記一対の超音波送受信部の夫々を、電子回路部と接続されるプリント板の中心からずれた位置に固定し、このプリント板の外周縁部分を計測装置の筐体に形成された保持部に取り付けるようにした、ことを特徴とする風向風速計測装置。
2. 前記保持部は、
   超音波送受信部の外形寸法と略等しい内径寸法をもち、一方の端部が前記流路部に向けて開口する第１の貫通孔と、
   超音波送受信部を搭載するプリント板と略等しい内径寸法をもち、一方の端部が前記第１の貫通穴の他方の端部と連通する第２の貫通孔と、
   前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔によって形成される弓型形状の段付部とからなり、
   前記プリント板の外周縁部分を前記弓型形状の段付部に固定するようにした、ことを特徴とする請求項１に記載の風向風速計測装置。
3. 前記保持部の第１の貫通孔の内壁面と前記超音波送受信器の外周面との間にＯリングを介挿すると共に、前記筐体の電子回路部収納空間を塞ぐ蓋体と筐体の上部壁面との間にパッキンを装着して計測装置内部を密閉し、
   さらに、前記超音波送受信器の表面を、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）又はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）のいずれか一方からなる耐腐食性を有する樹脂材料でコーティングするようにしたことを特徴とする請求項２に記載の風向風速計測装置。