JP6752707B2 - Gas concentration measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、超音波計測装置に関し、特に、超音波振動子を有する超音波計測装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic measuring device, and more particularly to an ultrasonic measuring device having an ultrasonic vibrator.
超音波を発して、その反射波を受信する超音波振動子を用いた超音波計測装置が様々な用途で利用されている。例えば、医療分野における気体の濃度測定及び流量測定や、工場施設におけるガス漏れの検出、自動車を駐車場に駐車する際の障害物の検出等に超音波計測装置が利用されている。 Ultrasonic measuring devices using ultrasonic vibrators that emit ultrasonic waves and receive the reflected waves are used for various purposes. For example, ultrasonic measuring devices are used for measuring gas concentration and flow rate in the medical field, detecting gas leaks in factory facilities, detecting obstacles when parking an automobile in a parking lot, and the like.
具体的には、医療目的で使用されるサンプルガスが流れる配管中に、互いに対向する一対の超音波振動子を配置して、一方の超音波振動子からの超音波を他方の超音波振動子で受信することによって、配管中に流れるサンプルガスにおける酸素濃度を測定する(例えば、特許文献1参照)。 Specifically, a pair of ultrasonic transducers facing each other are arranged in a pipe through which a sample gas used for medical purposes flows, and ultrasonic waves from one ultrasonic transducer are transferred to the other ultrasonic transducer. By receiving at, the oxygen concentration in the sample gas flowing in the pipe is measured (see, for example, Patent Document 1).
また、開口が設けられた筺体の側面に超音波スピーカーと超音波マイクとを並べて配置して、筺体内に流入する気体に対して、超音波スピーカーから超音波を発して、その反射した超音波を超音波マイクで受信することによって、気体中のガス濃度を検出する(例えば、特許文献2参照)。 In addition, an ultrasonic speaker and an ultrasonic microphone are arranged side by side on the side surface of the housing provided with an opening, and ultrasonic waves are emitted from the ultrasonic speaker to the gas flowing into the housing, and the reflected ultrasonic waves are emitted. Is received by an ultrasonic microphone to detect the gas concentration in the gas (see, for example, Patent Document 2).
また、回路基板と超音波振動子とをケースに取り付けて、回路基板と超音波振動子とを一体化することにより小型化して、車両のバンパに取り付けて障害物を検出する(例えば、特許文献3参照)。この特許文献3に記載の構成では、円柱状の超音波振動子をケースの円筒部に挿入して取り付けている。 Further, the circuit board and the ultrasonic vibrator are attached to the case, the circuit board and the ultrasonic vibrator are integrated to reduce the size, and the circuit board and the ultrasonic vibrator are mounted on the bumper of the vehicle to detect obstacles (for example, patent documents). See 3). In the configuration described in Patent Document 3, a cylindrical ultrasonic vibrator is inserted and attached to the cylindrical portion of the case.
特許文献1〜3に記載の超音波計測装置は、超音波振動子から発せられた超音波の伝搬速度(伝搬時間)を計測し、超音波の伝搬速度の変化に基づいて被対象物の状態を判断している。
The ultrasonic measuring apparatus described in
上述したように、超音波計測装置は、様々な分野で使用されるものであり、その使用環境によっては、超音波振動子が外部から振動(衝撃も含む)を受ける場合がある。超音波振動子が外部から振動を受けて、超音波振動子の位置がわずかでもずれると、超音波の伝搬速度が変動して、その結果伝搬時間も変動する。すなわち、超音波振動子が外部から振動を受けると、超音波の伝搬時間に影響して被対象物の状態の判断精度が低下する。特に、超音波計測装置を小型化した場合、超音波を伝搬させる空間が小さくなって超音波の伝搬時間も短くなるため、外部からの振動が伝搬時間の計測に大きく影響する。 As described above, the ultrasonic measuring device is used in various fields, and the ultrasonic vibrator may receive vibration (including impact) from the outside depending on the usage environment. When the ultrasonic vibrator receives vibration from the outside and the position of the ultrasonic vibrator deviates even slightly, the propagation speed of the ultrasonic wave fluctuates, and as a result, the propagation time also fluctuates. That is, when the ultrasonic vibrator receives vibration from the outside, the propagation time of the ultrasonic wave is affected and the accuracy of determining the state of the object is lowered. In particular, when the ultrasonic measuring device is miniaturized, the space for propagating the ultrasonic waves becomes smaller and the propagation time of the ultrasonic waves becomes shorter, so that external vibration greatly affects the measurement of the propagation time.
そこで、本発明では、超音波振動子が外部から振動を受けても、超音波振動子の固定位置がずれないように、超音波振動子を筺体に固定することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to fix the ultrasonic vibrator to the housing so that the fixed position of the ultrasonic vibrator does not shift even if the ultrasonic vibrator receives vibration from the outside.
本発明のガス濃度計測装置は、円柱形状の超音波振動子と、前記超音波振動子を保持する筺体とを備えたガス濃度計測装置であって、前記超音波振動子を前記筺体に位置決めして固定する固定部を備え、前記固定部は、前記超音波振動子の外周面に設けられ、前記超音波振動子の周方向に延在する振動子嵌合部と、前記筺体に設けられ、前記振動子嵌合部と嵌合する筺体嵌合部と、を有し、前記筐体は、前記筐体の内外を通気する通気孔と、前記超音波振動子から発せられた超音波を反射する反射面と、を有し、前記振動子嵌合部は突条または溝であり、前記筺体嵌合部は前記振動子嵌合部に対応する溝または突条であることを特徴とする。望ましくは、前記筺体嵌合部は、前記振動子嵌合部を径方向から挟み込む一対の湾曲部材である。 The gas concentration measuring device of the present invention is a gas concentration measuring device including a cylindrical ultrasonic vibrator and a housing for holding the ultrasonic vibrator, and positions the ultrasonic vibrator on the housing. The fixing portion is provided on the outer peripheral surface of the ultrasonic vibrator, and is provided on the vibrator fitting portion extending in the circumferential direction of the ultrasonic vibrator and the housing. It has a housing fitting portion that fits with the vibrator fitting portion, and the housing reflects ventilation holes that ventilate the inside and outside of the housing and ultrasonic waves emitted from the ultrasonic vibrator. a reflective surface, was closed, the vibrator engaging portion is projections or grooves, wherein the housing fitting portion is a groove or ridge corresponds to the vibrator fitting portion. Desirably, the housing fitting portion is a pair of curved members that sandwich the vibrator fitting portion in the radial direction.
また、本発明は、円柱形状の超音波振動子と、前記超音波振動子を保持する筺体とを備えたガス濃度計測装置であって、前記超音波振動子を前記筺体に位置決めして固定する固定部を備え、前記固定部は、前記超音波振動子の外周面に設けられ、前記超音波振動子の周方向に延在する振動子嵌合部と、前記筺体に設けられ、前記振動子嵌合部と嵌合する筺体嵌合部と、を有し、前記筐体は、前記筐体の内外を通気する通気孔と、前記超音波振動子から発せられた超音波を反射する反射面と、を有し、前記筺体嵌合部は、前記振動子嵌合部を径方向から挟み込む一対の湾曲部材であることを特徴とする。 Further, the present invention is a gas concentration measuring device including a cylindrical ultrasonic vibrator and a housing for holding the ultrasonic vibrator, and the ultrasonic vibrator is positioned and fixed to the housing. A fixed portion is provided, and the fixed portion is provided on the outer peripheral surface of the ultrasonic vibrator and extends in the circumferential direction of the ultrasonic vibrator, and is provided on the housing and the vibrator. The housing has a housing fitting portion that fits with the fitting portion, and the housing has a ventilation hole that ventilates the inside and outside of the housing and a reflective surface that reflects ultrasonic waves emitted from the ultrasonic vibrator. The housing fitting portion is a pair of curved members that sandwich the vibrator fitting portion in the radial direction.
また、前記振動子嵌合部と前記筺体嵌合部との間に、振動を抑制する弾性部材を設けたことを特徴とする。また、前記振動子嵌合部は、前記超音波振動子の軸方向において、前記超音波振動子の振動面から所定の距離に設けられていることを特徴とする。 Further, it is characterized in that an elastic member that suppresses vibration is provided between the vibrator fitting portion and the housing fitting portion. Further, the vibrator fitting portion is provided at a predetermined distance from the vibration surface of the ultrasonic vibrator in the axial direction of the ultrasonic vibrator.
本発明によれば、超音波振動子が外部から振動を受けても、超音波振動子の位置ずれが防止されるので、超音波の伝搬時間を正確に計測することができる。このため、超音波振動子が振動を受けるような場所であっても、ガス濃度計測装置を使用することができ、ガス濃度計測装置の使用範囲を拡げることができる。 According to the present invention, even if the ultrasonic vibrator receives vibration from the outside, the displacement of the ultrasonic vibrator is prevented, so that the propagation time of the ultrasonic wave can be accurately measured. Therefore, the gas concentration measuring device can be used even in a place where the ultrasonic vibrator receives vibration, and the range of use of the gas concentration measuring device can be expanded.
本実施形態における超音波計測装置1は、例えば、車両に搭載されて車両におけるガス漏れ等を検出するために用いられる。図1に示すように、超音波計測装置1は、超音波計測装置1の筺体を構成する箱形状のフロントケース10と、フロントケース10に収容されるPCBユニット20と、フロントケース10の開口部を閉塞するリアカバー30とを備えている。
The
フロントケース10の側面には、フロントケース10の内外を通気する一対の側方通気孔11,11が設けられている。側方通気孔11,11には、水等の浸入を抑制する蓋12,12がそれぞれ取り付けられている。また、フロントケース10の内側面には、超音波を反射する反射面13が形成されている。
A pair of
PCBユニット20は、アナログPCB(PrintedCircuit Board)21と、アナログPCB21に接続される一対の超音波振動子22,23と、デジタルPCB24と、アナログPCB21、超音波振動子22,23、デジタルPCB24を保持するインナーシャーシ25とを備えている。
The
アナログPCB21は、超音波振動子22,23を駆動するとともに、超音波振動子22,23からの信号を処理する回路基板である。
The
超音波振動子22,23は円柱形状であり、内部に圧電素子やバッキング部材が組み込まれている。また、図2に示すように、超音波振動子22,23の一端面には、超音波振動子22,23の圧電素子への電圧供給や信号出力を行うための接続ピン22a,23aが設けられている。
The
超音波振動子22,23は、超音波を発する先端が互いに近接するように傾いてそれぞれ配置されている。一方の超音波振動子22の振動面26から超音波を発して、フロントケース10の反射面13で反射した超音波を他方の超音波振動子23が受信する。この超音波の伝搬速度(伝搬時間)を計測して、この伝搬速度の変化に基づいて、フロントケース10の内部のガス等の気体の濃度を判断する。
The
デジタルPCB24は、アナログPCB21からの信号を処理して外部に出力し、また、信号を生成してアナログPCB21に入力する。
The
インナーシャーシ25は、フロントケース10に位置決めされて固定されている。インナーシャーシ25は、フロントケース10に固定されることにより超音波計測装置1の筺体の一部を構成している。インナーシャーシ25は、一方側からアナログPCB21が取り付けられるとともに、他方側からデジタルPCB24が取り付けられる枠25aと、超音波振動子22,23を保持する保持部25bとを備えている。
The
リアカバー30は、フロントケース10の開口部を覆って、フロントケース10を密閉する。リアカバー30には、フロントケース10の内部に気体を導入する通気孔31が設けられている。通気孔31には、格子状の複数の開口を有するカバー32が取り付けられている。
The
このように、超音波計測装置1では、外気がリアカバー30の通気孔31からフロントケース10の内部に流入する。流入した気体に対して、超音波振動子22から反射面13に向けて超音波が発せられて、反射面13で反射した超音波が超音波振動子23で受信される。この間の超音波の伝搬時間に基づいて、流入した気体のガス濃度を判断することにより、ガス漏れの有無を判定する。
In this way, in the
次に、超音波振動子22,23の固定構造について図1〜5を参照して説明する。図2は、図1におけるPCBユニット20を上下反転した状態を示している。なお、デジタルPCB24の図示を省略している。
Next, the fixed structures of the
図2に示すように、インナーシャーシ25の枠25aは、アナログPCB21の形状に対応した形状である。インナーシャーシ25の枠25aには、アナログPCB21の位置決め孔21a,21aに係合する位置決めピン25c、25cが設けられている。また、アナログPCB21が取り付けられたときに、アナログPCB21を係止する爪25d、25dも設けられている。このため、アナログPCB21は、インナーシャーシ25の枠25aに取り付けられたとき、位置決めピン25c、25cに位置決めされて、爪25d、25dによって保持される。
As shown in FIG. 2, the
アナログPCB21の一端部の両面には、超音波振動子22,23の接続ピン22a,23aが電気的に接続される回路配線21b,21bが設けられている。なお、図2においては一面側の回路配線21b,21bを図示し、他面側の回路配線は見えていない。超音波振動子22,23の接続ピン22a,23aは、同様の構成であるので、以下、超音波振動子22の接続ピン22aについて説明する。
接続ピン22aは超音波振動子22の端面から5本延出されており、これら5本の接続ピン22aは3本と2本とに2列配列されている。1列目には3本の接続ピン22aが配列されており、2列目には2本の接続ピン22aが配列されている。1列目の接続ピン22aと2列目の接続ピン22aとの間隔は、アナログPCB21の厚さと略同じに設定されている。すなわち、1列目の接続ピン22aと2列目の接続ピン22aとでアナログPCB21を表裏面から挟み込んでいる。この状態において、各接続ピン22aを回路配線21bにそれぞれはんだ付けすることによって、超音波振動子22がアナログPCB21に電気的に接続されるとともに固定される。
Five connecting
超音波振動子22,23の外周面には、周方向に沿って全周に亘って振動子嵌合部としての溝22b,23bが形成されている。溝22b,23bは、超音波振動子22,23の圧電素子が埋設されている部分以外、すなわち、超音波振動子22,23の軸方向において、圧電素子の後方の周面に形成されている。つまり、超音波振動子22,23の中央部、または、接続ピン22a,23a側の周面に形成されている。
一方、枠25aの回路配線21b,21bに対応する縁には、保持部25bが設けられている。保持部25bは、超音波振動子22,23の外周面に沿った湾曲面25e,25eを有している。この湾曲面25e,25eには、剛性を向上するための複数のリブが設けられている。また、湾曲面25e,25eには、超音波振動子22,23の位置決めを行うとともに、超音波振動子22,23を固定するための筺体嵌合部としての突条25f,25fが設けられている。
On the other hand, a holding
突条25f,25fと溝22b,23bとは対応しており、溝22b,23bの幅は突条25f,25fの幅と略同じである。このため、超音波振動子22,23をインナーシャーシ25の保持部25bに取り付けることによって、超音波振動子22,23の溝22b,23bと、インナーシャーシ25の突条25f,25fとが互いに嵌り合うことによって、超音波振動子22,23がインナーシャーシ25の保持部25bに位置決めされて固定される。すなわち、超音波振動子22,23は、その軸方向に位置決めされるとともに、径方向にも位置決めされる。つまり、突条25f,25fと溝22b,23bとによって、超音波振動子22,23をインナーシャーシ25に位置決めして固定する固定部が構成されている。
The
また、図1に示すように、フロントケース10の超音波振動子22,23に対応する位置には、インナーシャーシ25の湾曲面25e,25eと同様の湾曲面10a,10aが形成されている。この湾曲面10a,10aには、インナーシャーシ25の湾曲面25e,25eに形成されているリブ及び突条25f,25fと同様のリブ及び突条10b,10bがそれぞれ形成されている。
Further, as shown in FIG. 1,
よって、超音波振動子22,23は、インナーシャーシ25の突条25f,25fと、フロントケース10の突条10b,10bとによって、その上下方向、すなわち、径方向から挟まれて固定される。
Therefore, the
このように、超音波振動子22,23の外周面に溝22b,23bを設けるとともに、この溝22b,23bに嵌合する突条25f,25fをインナーシャーシ25に設けて、この溝22b,23bと突条25f,25fとの嵌合により、超音波振動子22,23を筺体であるインナーシャーシ25に位置決めして固定するので、超音波振動子22,23の位置決めを高精度に行うことができる。また、超音波振動子22,23が位置ずれしないように、しっかりとインナーシャーシ25に固定することができる。
In this way, the
また、インナーシャーシ25の突条25f,25fとフロントケース10の突条10b,10bとによって、超音波振動子22,23を挟み込んで保持固定するので、さらに、超音波振動子22,23を、超音波計測装置1の筺体(インナーシャーシ25及びフロントケース10)に強固に固定することができる。
Further, since the
さらに、インナーシャーシ25の突条25f,25fが形成されている湾曲面25e,25eと、フロントケース10の突条10b,10bが設けられている湾曲面10a,10aは、リブによって補強されているので剛性が高く、超音波振動子22,23が位置ずれしないように固定することができる。
Further, the
このため、超音波振動子22,23が外部から振動を受けても、超音波振動子22,23の位置ずれが防止されるので、超音波の伝搬時間を正確に計測することができる。その結果、超音波振動子22,23が振動を受けるような場所であっても、超音波計測装置1を使用することができ、超音波計測装置1の使用範囲を拡げることができる。
Therefore, even if the
また、超音波振動子22,23の振動面26またはその付近で超音波振動子22,23を強固に保持固定すると振動面26の振動が妨げられるが、本実施形態では、溝22b,23bを、超音波振動子22,23の振動面26から、超音波振動子22,23を強固に保持固定しても振動面26の振動を妨げない、超音波振動子22,23の外周面上の所定の距離に形成しているので、振動面26の振動を妨げることなく、かつ、超音波振動子22,23の強固な固定を実現することができる。
Further, if the
なお、超音波振動子22,23の外周面に突条を形成し、インナーシャーシ25の湾曲面25e,25e及びフロントケース10の湾曲面10a,10aに溝を形成しても、上述した効果と同様の効果を得ることができる。
Even if a ridge is formed on the outer peripheral surfaces of the
次に、超音波振動子22,23の保持構造の変形例について説明する。図5に示すように、超音波振動子22の外周面には、円筒状のシリコーンゴム40(弾性部材)が装着されている。シリコーンゴム40は、超音波振動子22の溝22bに沿って密着している。また、シリコーンゴム40として振動を抑制する特性を有するものを使用する。
Next, a modified example of the holding structure of the
そして、このシリコーンゴム40を介して、超音波振動子22を、インナーシャーシ25及びフロントケース10に固定する。超音波振動子23についても同様にシリコーンゴム40を装着してインナーシャーシ25及びフロントケース10に固定する。
Then, the
このように、超音波振動子22,23を、シリコーンゴム40,40を介して固定することによって、外部からの振動がシリコーンゴム40,40によって抑制されて超音波振動子22,23に伝達することを低減できる。また、超音波振動子22,23自体の振動を筐体へ伝達することも低減できる。なお、シリコーンゴム40を溝22b,23bの部分のみに装着してもよい。
By fixing the
本実施形態における超音波計測装置1は、車両に搭載されるものとして説明したが、そのような用途以外にも、医療現場、工場施設等において携帯するポータブル計測装置として使用してもよい。また、ガス漏れの測定以外に、気体の温度、湿度、気圧、流速、ガスの組成の測定に用いてもよい。
Although the
1 超音波計測装置、10 フロントケース、10a 湾曲面、10b 突条、11 側方通気孔、12 蓋、13 反射面、20 PCBユニット、21 アナログPCB、21a 位置決め孔、21b 回路配線、22,23 超音波振動子、22a,23a 接続ピン、22b,23b 溝、24 デジタルPCB、25 インナーシャーシ、25a 枠、25b 保持部、25c 位置決めピン、25d 爪、25e 湾曲面、25f 突条、26 振動面、30 リアカバー、31 通気孔、32 カバー、40 シリコーンゴム。
1 Ultrasonic measuring device, 10 Front case, 10a curved surface, 10b ridge, 11 side vent, 12 lid, 13 reflective surface, 20 PCB unit, 21 analog PCB, 21a positioning hole, 21b circuit wiring, 22, 23 Ultrasonic transducer, 22a, 23a connection pin, 22b, 23b groove, 24 digital PCB, 25 inner chassis, 25a frame, 25b holding part, 25c positioning pin, 25d claw, 25e curved surface, 25f ridge, 26 vibrating surface, 30 rear cover, 31 vents, 32 covers, 40 silicone rubber.
Claims (5)
前記超音波振動子を前記筺体に位置決めして固定する固定部を備え、
前記固定部は、
前記超音波振動子の外周面に設けられ、前記超音波振動子の周方向に延在する振動子嵌合部と、
前記筺体に設けられ、前記振動子嵌合部と嵌合する筺体嵌合部と、
を有し、
前記筐体は、
前記筐体の内外を通気する通気孔と、
前記超音波振動子から発せられた超音波を反射する反射面と、
を有し、
前記振動子嵌合部は突条または溝であり、前記筺体嵌合部は前記振動子嵌合部に対応する溝または突条であることを特徴とするガス濃度計測装置。 A gas concentration measuring device including a cylindrical ultrasonic vibrator and a housing for holding the ultrasonic vibrator.
A fixing portion for positioning and fixing the ultrasonic vibrator to the housing is provided.
The fixed part is
An oscillator fitting portion provided on the outer peripheral surface of the ultrasonic oscillator and extending in the circumferential direction of the ultrasonic oscillator,
A housing fitting portion provided on the housing and fitting with the vibrator fitting portion,
Have,
The housing is
Vents that ventilate the inside and outside of the housing,
A reflective surface that reflects ultrasonic waves emitted from the ultrasonic vibrator,
Have a,
A gas concentration measuring device, wherein the vibrator fitting portion is a ridge or a groove, and the housing fitting portion is a groove or a ridge corresponding to the vibrator fitting portion .
前記筺体嵌合部は、前記振動子嵌合部を径方向から挟み込む一対の湾曲部材であることを特徴とするガス濃度計測装置。 In the gas concentration measuring device according to claim 1 ,
The housing fitting portion is a gas concentration measuring device characterized by being a pair of curved members that sandwich the vibrator fitting portion in the radial direction.
前記超音波振動子を前記筺体に位置決めして固定する固定部を備え、A fixing portion for positioning and fixing the ultrasonic vibrator to the housing is provided.
前記固定部は、The fixed part is
前記超音波振動子の外周面に設けられ、前記超音波振動子の周方向に延在する振動子嵌合部と、An oscillator fitting portion provided on the outer peripheral surface of the ultrasonic oscillator and extending in the circumferential direction of the ultrasonic oscillator,
前記筺体に設けられ、前記振動子嵌合部と嵌合する筺体嵌合部と、A housing fitting portion provided on the housing and fitting with the vibrator fitting portion,
を有し、Have
前記筐体は、The housing is
前記筐体の内外を通気する通気孔と、Vents that ventilate the inside and outside of the housing,
前記超音波振動子から発せられた超音波を反射する反射面と、A reflective surface that reflects ultrasonic waves emitted from the ultrasonic vibrator,
を有し、Have
前記筺体嵌合部は、前記振動子嵌合部を径方向から挟み込む一対の湾曲部材であることを特徴とするガス濃度計測装置。The gas concentration measuring device is characterized in that the housing fitting portion is a pair of curved members that sandwich the vibrator fitting portion in the radial direction.
前記振動子嵌合部と前記筺体嵌合部との間に、振動を抑制する弾性部材を設けたことを特徴とするガス濃度計測装置。 The gas concentration measuring device according to any one of claims 1 to 3.
A gas concentration measuring device characterized in that an elastic member that suppresses vibration is provided between the vibrator fitting portion and the housing fitting portion.
前記振動子嵌合部は、前記超音波振動子の軸方向において、前記超音波振動子の振動面から所定の距離に設けられていることを特徴とするガス濃度計測装置。 The gas concentration measuring device according to any one of claims 1 to 4.
The gas concentration measuring device is characterized in that the vibrator fitting portion is provided at a predetermined distance from the vibration surface of the ultrasonic vibrator in the axial direction of the ultrasonic vibrator.
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