JP7029599B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、超音波センサを安価に、精度よく計測流路に固定し、流量を計測する超音波流量計に関するものである。

従来、この種の超音波流量計における超音波センサの固定機構としては、例えば図１１に示すようなものがある。

図１１（ａ）は、特許文献１に記載された、従来の超音波流量計における超音波センサの固定機構の斜視図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＡＡ'断面図である。

図１１（ａ）に示すように、計測流路に取付けられる超音波センサ取付ブロック１０１には、超音波センサ１０９の取付部１０２と、開口部１０３が形成されている。取付部１０２に、支持体１０４と、支持体１０４に固定された圧電素子１０５および音響整合層１０６を持つ超音波センサ１０９が、絶縁性制振部材１０７を介して取付けられている。

超音波センサ取付ブロック１０１と別に形成された固定部材１１４は、超音波センサ取付ブロック上に形成された係合部１１１と篏合される被係合部１１２を有し、超音波センサ取付ブロックと固定され、押え部１１３によって超音波センサ１０９を取付部１０２に固定する。超音波センサ１０９は、音響整合層１０６と、支持体１０４の露出した孔部１０８を除いて絶縁性制振部材１０７に覆われており、取付部１０２と絶縁性制振部材１０７の間に発生する弾力で、孔部１０８から露出した支持体１０４と、押え部１１３が接することにより、超音波センサ取付ブロック１０１、超音波センサ１０９、固定部材１１４が一定の角度を保っている。

特開２０１４－９５５８１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、独立した部品として固定部材１１４を使っており、固定部材１１４の材料費と、組立の工数を要していた。また、支持体１０４と固定部材１１４が直に接し、超音波センサ１０９と超音波センサ取付ブロック１０１が絶縁性制振部材１０７を介して接する構成であるため、固定部材１１４の角度にずれが生じると、超音波センサ１０９も一緒にずれるため、計測流路と固定部材１１４が正確な角度で嵌合されなければ、超音波センサ１０９の角度に誤差が生じ、流量計測の精度に影響が出るという課題を有していた。また、超音波センサ１０９を取り付けた超音波センサ取付ブロック１０１を計測流路（図示せず）に固定する為に、超音波センサ取付ブロック１０１を計測流路の取り付け精度が悪いと、計測流路に対する超音波センサ１０９の取り付け角度に誤差が生じ、流量計測の精度に影響が出るという課題もあった。

本発明の超音波流量計によると、従来発生していた固定部材のコストを削減しながら、支持体と計測流路の一部である固定機構が直に接することで、計測流路と超音波センサの角度の精度を保証し、流量計測の精度を向上させることができる。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、被計測流体が流れる計測流路と、前記計測流路上の上流と下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサと、前記超音波センサの送受信による超音波の伝播時間に基づいて流量を検出する流量演算手段と、前記超音波センサを前記計測流路に固定する固定機構と、を有し、前記超音波センサは、被取付部を有し、前記固定機構は、前記計測流路と一体に形成されており、前記被取付部が前記固定機構と嵌合することで、前記超音波センサが前記計測流路に固定される構成としたものである。

これによって、従来発生していた固定部材のコストを削減しながら、支持体と計測流路の一部である固定機構が直に接することで、計測流路に対する超音波センサの取り付け角度の精度を保証し、流量計測の精度を向上させることができる。

本発明の超音波流量計は、従来発生していた固定部材のコストを削減しながら、流量計測の精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態１、２、３における超音波流量計の構成図 （ａ）本発明の実施の形態１における超音波センサの斜視図、（ｂ）（ａ）のＡＡ’断面図 本発明の実施の形態１における超音波流量計の計測流路の斜視図 （ａ）本発明の実施の形態１における超音波流量計の超音波センサ取付け状態の固定機構の斜視図、（ｂ）同超音波流量計の超音波センサ取付け状態の固定機構の断面図 （ａ）本発明の実施の形態２における超音波センサの斜視図、（ｂ）（ａ）のＡＡ’断面図 （ａ）本発明の実施の形態２における超音波流量計の計測流路の斜視図、（ｂ）同計測流路の固定機能を説明するための斜視図 （ａ）本発明の実施の形態２における超音波流量計の超音波センサの固定前の斜視図、（ｂ）同超音波センサの固定後の斜視図 （ａ）本発明の実施の形態３における超音波センサの斜視図、（ｂ）（ａ）のＡＡ’断面図 本発明の実施の形態３における超音波流量計の計測流路の斜視図 （ａ）本発明の実施の形態３における超音波流量計の超音波センサの固定前の斜視図、（ｂ）同超音波センサの固定後の斜視図 （ａ）従来の超音波流量計の超音波センサの固定機構の斜視図、（ｂ）（ａ）のＡＡ’断面図

第１の発明は、被計測流体が流れる計測流路と、前記計測流路上の上流と下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサと、前記超音波センサの送受信による超音波の伝播時間に基づいて流量を検出する流量演算手段と、前記超音波センサを前記計測流路に固定する固定機構と、を有し、前記超音波センサは、被取付部を有し、前記固定機構は、前記計測流路と一体に形成されており、前記被取付部が前記固定機構と嵌合することで、前記超音波センサが前記計測流路に固定される構成とすることにより、従来発生していた固定部材のコストを削減しながら、支持体と計測流路の一部である固定機構が直に接することで、計測流路と超音波センサの角度の精度を保証し、高精度の流量計測を実現できる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記固定機構は、スナップフィットである
とするもので、従来発生していた固定部材のコストを削減しながら、支持体と計測流路の一部である固定機構が直に接することで、計測流路と超音波センサの角度の精度を保証し、高精度の流量計測を実現でき、少ないコストで超音波センサを計測流路に組み付けることができる。

第３の発明は、特に、第１の発明において、前記固定機構は、被取付部を固定するための溝部を有し、前記超音波センサを前記溝部に挿入することで、前記被取付部が前記計測流路に固定される構成とするもので、従来発生していた固定部材のコストを削減しながら、支持体と計測流路の一部である固定機構が直に接することで、計測流路と超音波センサの角度の精度を保証し、高精度の流量計測を実現でき、少ない工数で超音波センサを計測流路に組み付けることができる。

第４の発明は、被計測流体が流れる計測流路と、前記計測流路上の上流と下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサと、前記超音波センサの送受信による超音波の伝播時間に基づいて流量を検出する流量演算手段と、前記超音波センサを前記計測流路に固定する固定機構とを有し、前記超音波センサは、被取付部を有し、前記固定機構は、前記計測流路と一体に形成されており、前記被取付部の少なくとも一部と前記固定機構とが接した状態で、前記固定機構が溶着あるいは溶接されることで、前記超音波センサが前記計測流路に固定される構成とすることにより、従来発生していた固定部材のコストを削減しながら、支持体と計測流路の一部である固定機構が直に接することで、計測流路と超音波センサの角度の精度を保証し、高精度の流量計測を実現でき、成型の条件に制限されにくく、超音波センサを樹脂成型された固定機構に直接嵌合させる場合よりも、より自由度の高い位置取りで超音波センサを固定することができる。

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、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における超音波流量計の構成図、図２（ａ）は本発明の実施の形態１における超音波流量計の超音波センサの斜視図、図２（ｂ）は（ａ）のＡＡ’断面の模式図、図３は本発明の実施の形態１における超音波流量計の超音波センサの固定機構の斜視図、図４（ａ）は超音波センサ取付け状態の固定機構の斜視図、（ｂ）は超音波センサの固定機構の断面図を示している。

流体を通す計測流路１は、被測定流体を通す配管であり、この計測流路１の上面４の上流と下流に取付部３ａ、３ｂが設けられており、超音波センサ２ａ、２ｂが固定されている。

この構成において、超音波センサ２ａから発信された超音波は開口部６ａを通過して被計測流体に伝搬し、伝搬経路Ｐ１で伝搬して流路底面５に反射した後、伝搬経路Ｐ２を伝搬して開口部６ｂを通過して他方の超音波センサ２ｂに達する。

流量演算手段７は、超音波センサ２ａ、２ｂ間の超音波の伝搬時間を計測して、被計測流体の流速Ｖを求めて、流路断面積を乗算することで流量を求めることができる。

超音波センサ２ａ、２ｂは、音響整合層１２と金属製の支持体９とが接着剤で接着され、支持体９他方の面に圧電素子１４が導電性の接着剤で接着されている。リード線１０ａ、１０ｂは、圧電素子１４の接着されていない方の電極に電気的に接続され、他方の電極には金属製の支持体９を介して電気的に接続されている。また、音響整合層１２を除く部分は絶縁性制振部材１３で覆われているが、支持体９は対向する２か所が絶縁性制振部材
１３の外方に延出されて円弧状の被取付部１５が形成されている。そして、超音波センサ２ａ、２ｂは、リード線１０ａ、１０ｂを介して流量演算手段７と接続される。

計測流路１の取付部３ａ、３ｂには、超音波センサ２ａ、２ｂの支持体９の被取付部１５と嵌合することで超音波センサ２ａ，２ｂを固定する固定機構１１ａ、１１ｂが設けてある。

次に、図３、図４に基づいて、超音波センサ２ａ、２ｂと固定機構１１ａ、１１ｂの取付けについて詳細に説明する。なお、以下の説明では、取付部３ａについてのみ説明するが、取付部３ｂについても同様である。

固定機構１１ａは、取付部３ａから延出された弾性部１６と弾性部１６の先端に設けた爪部１７からなるスナップフィットの形状となっており、超音波センサ２ａ被取付部１５に対応する位置に一対が設けてある。

超音波センサ２ａの被取付部１５は、超音波センサ２ａの外周に沿った円弧状に形成されており、超音波センサ２ａを取付部３ａに圧入することで、爪部１７が被取付部１５に係合して取付部３ａに固定される。

絶縁性制振部材１３が取付部３ａに当接して固定される構成としているので、絶縁性制振部材１３と取付部３ａの当接部分で生まれる弾性力（反発力）によって、被取付部１５が固定機構１１ａに押し付けられて発生する応力で被取付部１５の面と固定機構１１ａの面が一定の角度で合わさった状態となっている。これによって、超音波センサ２ａは計測流路１に対して動かずに固定されている。固定機構１１ａの間隔、接触する部分の角度の幅θは、組立のしやすさと、取付け精度を考慮して適切な値に設定されており、左右の保持力が均等になるように流路の左右に位置させている。

固定機構１１ａはスナップフィットの形をとっており、超音波センサ２ａは計測流路１に単純な動作で組み付けることができ、組立工程を、高額な設備を使わずに自動化することができる。

以上のように、本実施の形態１においては、従来発生していた固定部材のコストを削減しながら、被取付部１５と計測流路１の一部である固定機構１１ａ、１１ｂが直に接することで、計測流路１と超音波センサ２ａ、２ｂの角度の精度を保証し、高精度の流量計測を実現でき、少ない工数で超音波センサ２ａ、２ｂを計測流路に組み付けることができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。本実施の形態において、超音波センサ、固定機構以外は実施の形態１と共通の構造となっている。

本実施の形態で、実施の形態１の超音波センサ２ａ、２ｂを超音波センサ２０ａ、２０ｂ、固定機構１１ａ、１１ｂを固定機構２４ａ、２４ｂに置き換えて説明する。

図５（ａ）は本発明の実施の形態２における超音波センサの斜視図、図５（ｂ）は、（ａ）のＡＡ’断面図、図６（ａ）は本発明の実施の形態２における超音波流量計の計測流路の斜視図、図６（ｂ）は超音波流量計の超音波センサの固定機構の斜視図、図７（ａ）は本発明の実施の形態２における超音波流量計の超音波センサの固定前の斜視図、図７（ｂ）同超音波センサの固定後の斜視図を示している。

なお、以下の説明では、取付部３ａについてのみ説明するが、取付部３ｂについても同様である。

超音波センサ２０ａの支持体２１は、絶縁性制振部材１３から延出して形成された４つの被取付部２２がフランジの形状で形成されており、被取付部２２には、孔部２３が設けられている。

固定機構２４ａは超音波センサの外周を沿う円弧状で２個設けられており、被取付部２２を勘合するための溝状の空間が流路底面側に作られており、固定機構２４ａと取付部３ａには、孔部２３と嵌合するための凸部２５が４個設けられている。

超音波センサ２０ａの取付部３ａへの固定は、先ず、図７（ａ）に示すように超音波センサ２０ａを取付部３ａに所定の角度で取付け、次に、反時計回りに回することで、図７（ｂ）に示すように、被取付部２２と固定機構２４ａを篏合すると共に、凸部２５が孔部２３に嵌合して固定が行われる。固定機構２４ａの溝の深さ、間隔、接触する部分の角度の幅θは、組立のしやすさと、取付け精度を考慮して適切な値に設定されており、左右の保持力が均等になるように流路の左右に位置させている。

以上のように、本実施の形態２においては、従来発生していた固定部材のコストを削減しながら、被取付部２２と計測流路１の一部である固定機構２４ａ、２４ｂが直に接することで、計測流路１と超音波センサ２０ａ、２０ｂの角度の精度を保証し、高精度の流量計測を実現でき、組立工程を、高額な設備を使わずに自動化し、少ない工数で超音波センサ２０ａ、２０ｂを計測流路に組み付けることができる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３について説明する。本実施の形態において、超音波センサ、固定機構以外、実施の形態１と共通の構造となっている。

本実施の形態で、実施の形態１の超音波センサ２ａ、２ｂを超音波センサ３０ａ、３０ｂ、固定機構１１ａ、１１ｂを固定機構３４ａ、３４ｂに置き換えて説明する。

図８（ａ）は本発明の実施の形態３における超音波センサの斜視図、図８（ｂ）は、（ａ）のＡＡ’断面図、図９は超音波流量計の計測流路の固定機構の斜視図、図１０（ａ）は本発明の実施の形態３における超音波流量計の超音波センサの固定機構の固定前の斜視図、図１０（ｂ）は固定後の斜視図を示している。超音波センサ３０ａの支持体３１は、絶縁性制振部材１３から延出して形成された３つの被取付部３２が外周の３点に設けられており、それぞれに後述のリブ３５に挿入する孔部３３を設けている。

固定機構３４ａは、超音波センサ３０ａの被取付部３２に対応して３個設けてあり、それぞれに孔部３３に挿入されるリブ３５を有している。

超音波センサ３０ａの固定は、固定機構３４ａと超音波センサ３０ａとの嵌合ではなく、図１０に示すように、被取付部３２に設けた孔部３３を固定機構３４ａに設けたリブ３５に挿入した状態（図１０（ａ））で、リブ３５の先端を熱溶着により押し潰すことで、リブ３５が被取付部３２に覆いかぶさり（図１０（ｂ））、超音波センサ３０ａを、所定の位置と角度で固定することができる。なお、リブ３５の熱溶着後の大きさは、取付け精度、強度が得られるよう適切な大きさに設定されている。

実施の形態１、本実施の形態２では、固定機構に超音波センサの被固定部と嵌合する為の溝を形成する必要がある為、計測流路１の側面側に専用の金型を設ける必要があるが、
本実施の形態３では、上向きのリブ形状の形をとることで、上方向からのみ金型で成型できるため、取付部３ａ、３ｂの周辺の自由な位置と個数で作ることができ、超音波センサ２ａ、２ｂの形状に対応したり、超音波センサ２ａ、２ｂの角度の精度がよりよくなる位置に固定機構１１ａ、１１ｂを調整することができる。

以上のように、本実施の形態１においては、従来発生していた固定部材のコストを削減しながら、被取付部３２と計測流路１の一部である固定機構３４ａ、３４ｂが直に接することで、計測流路１と超音波センサ３０ａ、３０ｂの角度の精度を保証し、高精度の流量計測を実現でき、取付部３ａ、３ｂの周辺の自由な位置と個数で固定機構３４ａ、３４ｂを形成し、少ない工数で超音波センサ２ａ、２ｂを計測流路に組み付けることができる。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、コストを削減しながら、高精度の流量計測を実現できるため、家庭用流量計、産業用流量計等の用途に適用できる。

１ 計測流路
２ａ、２ｂ、２０ａ、２０ｂ、３０ａ、３０ｂ 超音波センサ
３ａ、３ｂ 取付部
７ 流量演算手段
１１ａ、１１ｂ、２４ａ、２４ｂ、３４ａ、３４ｂ 固定機構
１５、２２、３２ 被取付部

Claims (4)

1. 被計測流体が流れる計測流路と、
   前記計測流路上の上流と下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサと、
   前記超音波センサの送受信による超音波の伝播時間に基づいて流量を検出する流量演算手段と、
   前記超音波センサを前記計測流路に固定する固定機構と、を有し、
   前記超音波センサは、被取付部を有する金属製の支持体と、前記支持体の一方の面に接着された音響整合層と、前記支持体の他方の面に接着された圧電素子と、前記音響整合層を除く部分を覆う絶縁性制振部材とを備え、
   前記被取付部は、前記絶縁性制振部材の外方に延出して形成されており、
   前記固定機構は、前記計測流路と一体に形成されており、
   前記絶縁性制振部材が前記計測流路の固定部に当接し、前記被取付部が前記固定機構と嵌合することで、前記超音波センサが前記計測流路に固定される超音波流量計。
2. 前記固定機構は、スナップフィットである、請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記固定機構は、前記被取付部を固定するための溝部を有し、前記被取付部を前記溝部に挿入することで、前記超音波センサが前記計測流路に固定される、請求項１に記載の超音波流量計。
4. 被計測流体が流れる計測流路と、
   前記計測流路上の上流と下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサと、
   前記超音波センサの送受信による超音波の伝播時間に基づいて流量を検出する流量演算手段と、
   前記超音波センサを前記計測流路に固定する固定機構と、を有し、
   前記超音波センサは、被取付部を有する金属製の支持体と、前記支持体の一方の面に接着された音響整合層と、前記支持体の他方の面に接着された圧電素子と、前記音響整合層を除く部分を覆う絶縁性制振部材とを備え、
   前記被取付部は、前記絶縁性制振部材の外方に延出して形成されており、
   前記固定機構は、前記計測流路と一体に形成されており、
   前記絶縁性制振部材が前記計測流路の固定部に当接し、前記被取付部の少なくとも一部と前記固定機構とが接した状態で、前記固定機構が溶着あるいは溶接されることで、前記超音波センサが前記計測流路に固定される超音波流量計。

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