KR101908879B1 - 초음파 센서 유닛 및 그 제조 방법, 초음파 계측 장치 - Google Patents

Abstract

초음파 방사면에 대한 탄성체 시트의 밀착성을 충분히 확보할 수 있음과 함께 탄성체 시트의 교환을 용이하게 행할 수 있는 초음파 센서 유닛을 제공한다. 초음파 센서 유닛(2)은, 한 쌍의 초음파 센서(11, 12)와 초음파 센서(11, 12)가 배치되는 수납 구멍(35, 59)을 가지는 센서 홀더(42, 43)와 탄성체 시트로서의 고무 시트(90)를 구비한다. 초음파 센서(11, 12)는, 볼록 곡면 형상의 초음파 방사면(21)을 선단부에 가지고, 그 선단부를 계측용 배관(10)에 대고 누른 상태로 초음파를 방사한다. 고무 시트(90)는, 초음파 방사면(21)을 따라 신장된 상태로 초음파 방사면(21)을 덮는 제1 영역(91)과, 수납 구멍(35, 59)의 내주면과 초음파 센서(11, 12)의 외주면의 간극에 끼워지는 것으로 간극을 시일하는 제2 영역(92)을 가진다.

Description

초음파 센서 유닛 및 그 제조 방법, 초음파 계측 장치

본 발명은, 초음파 방사면으로부터 초음파를 전파시키는 초음파 센서를 구비한 초음파 센서 유닛 및 그 제조 방법, 초음파 센서 유닛을 이용하여 초음파 계측을 행하는 초음파 계측 장치에 관한 것이다.

종래, 초음파를 이용한 계측 장치로서, 액체의 유량 계측을 행하는 초음파 유량계나 액체에 포함되는 기포의 검출을 행하는 기포 검출 장치 등의 초음파 계측 장치가 실용화되어 있다. 이들 계측 장치에서는, 액체를 흘리는 배관에 초음파 센서의 초음파 방사면을 대고 눌러서 배관 내의 액체 중에 초음파를 전파시키도록 구성되어 있다.

배관이 딱딱한 수지 재료 등으로 형성되는 경우, 초음파 센서의 초음파 방사면과 배관의 밀착성이 불충분해지는 일이 있다. 이 때문에, 초음파 방사면과 배관 사이에 고무 시트(음향 커플러로서 기능 하는 탄성체 시트)를 마련하고, 배관에 대한 초음파 방사면의 밀착성을 향상시키는 것으로 초음파의 전파 효율을 높이도록 하고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 또한, 초음파 센서에 이용하는 드라이 커플링용 고무로서 고무 캡이나 고무 시트의 제품이 제공되고 있다(비특허문헌 1). 고무 캡은, 초음파 센서의 초음파 방사면을 덮도록 센서 선단측에 장착되는 캡 부재이며, 초음파 센서의 바깥 가장자리부에 걸어멈춤되고 고정(홀드)되도록 되어 있다.

일본 공표특허공보 2002-520584호(도 2 A 등 참조)

아이·에스·엘사(Imaging Supersonic Laboratories Co.,Ltd.) 홈페이지, [평성 28년 5월 23일 검색], 인터넷 URL: http://www1.kcn.ne.jp/~isl/pdf/drycoupj.pdf

그런데, 커플링용 고무로서 고무 캡을 이용하는 경우, 초음파 센서에 대한 홀드력을 확보할 필요가 있기 때문에, 고무의 두께가 두꺼워지고 성형 비용이 높아진다. 특히, 초음파 방사면의 사이즈가 작은 초음파 센서에 적용하는 경우, 고무 캡을 소형으로 할 필요가 있지만 그 성형이 곤란해지고 비용이 든다. 또한, 고무 캡이 소형이 되면, 초음파 센서에 대한 충분한 홀드력을 확보하는 것이 곤란해진다. 또한, 이 경우 초음파 센서에 고무 캡을 장착하기 어려워지기 때문에, 위치 어긋남 등에 의해서 초음파 방사면과 고무 캡 사이에 간극이 생기면, 정확한 초음파 계측을 할 수 없게 된다.

커플링용 고무로서 고무 시트를 이용하는 경우, 측정 부위에 고무 시트를 그때마다 수작업으로 협지하여 억누를 필요가 있고, 작업성이 나쁘다. 이 때문에, 통상은, 접착제나 양면테이프 등을 이용하여 초음파 방사면에 고무 시트를 접착 고정하고 있다. 그렇지만, 고무 시트를 접착하는 경우, 장기간의 사용에 의해서 접착 박리 등의 고장이 발생할 우려가 있다. 또한, 장기간의 사용에 의해서 고무가 마모되면, 초음파의 전파 효율이 낮아지기 때문에, 고무 시트의 교환이 필요하다. 이 경우, 접착제로 고정된 고무 시트를 초음파 방사면으로부터 깨끗하게 박리하는 것이 곤란하고, 고무 시트의 교환 작업에는 수고나 비용이 들어가게 된다.

본 발명은 상기의 과제에 비추어서 이루어진 것이며, 그 목적은, 초음파 방사면에 대한 탄성체 시트의 밀착성을 충분히 확보할 수 있음과 함께 탄성체 시트의 교환을 용이하게 행할 수 있는 초음파 센서 유닛을 제공하는 것에 있다. 또한, 다른 목적은, 상기 초음파 센서 유닛을 이용하여 초음파 계측을 보다 확실히 행할 수 있는 초음파 계측 장치를 제공하는 것에 있다. 또한, 다른 목적은, 상기 초음파 센서 유닛을 제조하는데 적합한 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 청구항 1에 기재의 발명은, 볼록 곡면 형상의 초음파 방사면을 선단부에 가지는 초음파 센서와, 전단면 및 후단면을 연통함과 함께 상기 초음파 센서가 배치되는 수납 구멍이 형성된 센서 수납 부재와, 상기 수납 구멍 내의 상기 초음파 센서를 기단부측으로부터 억누름과 함께 상기 초음파 센서의 상기 선단부를 상기 전단면으로부터 돌출시킨 상태로 고정하는 센서 누름 부재를 포함하는 센서 홀더를 구비하고, 상기 초음파 센서의 상기 선단부를 대상물에 대고 누른 상태로 상기 초음파 방사면으로부터 초음파를 방사하는 초음파 센서 유닛으로서, 상기 초음파 방사면을 따라서 신장된 상태로 상기 초음파 방사면을 덮는 제1 영역과, 상기 제1 영역의 외주측에 위치하고, 상기 수납 구멍의 내주면과 상기 초음파 센서의 외주면의 간극에 끼워지는 것으로 상기 간극을 시일하는 제2 영역을 가지는 탄성체 시트를 구비한 것을 특징으로 하는 초음파 센서 유닛을 그 요지로 한다.

따라서, 청구항 1에 기재의 발명에 의하면, 탄성체 시트는, 제1 영역과 그 외주측에 위치하는 제2 영역을 가지고, 탄성체 시트의 중앙부측에 있는 제1 영역이 초음파 방사면을 따라서 신장된 상태로 그 방사면을 덮도록 마련되어 있다. 이와 같이 탄성체 시트를 마련하는 것으로, 대상물의 표면에 대해서 초음파 방사면을 확실히 밀착시킬 수 있다. 특히, 본 발명에서는, 초음파 방사면이 볼록 곡면 형상으로 형성되어 있기 때문에, 탄성체 시트의 제1 영역을 균등하게 신장시킬 수 있고, 초음파 방사면에 대한 탄성체 시트의 밀착 상태를 양호하게 유지할 수 있다. 그 결과, 탄성체 시트가 찢어지거나, 탄성체 시트와 방사면 사이에 공기가 비집고 들어가 버리거나 하는 등의 문제를 방지할 수 있고, 대상물에 초음파를 효율적으로 전파시킬 수 있다. 또한, 탄성체 시트의 외주측에 있는 제2 영역에 의해서, 수납 구멍의 내주면과 초음파 센서의 외주면의 간극이 시일되므로, 초음파 센서가 수납되어 있는 센서 홀더 내의 기밀성이 확보된다. 그 결과, 센서 홀더 내에 있어서, 초음파 센서의 전기 단자나 접속 배선 등이 부식되거나 쇼트되는 문제를 회피할 수 있다.

청구항 2에 기재의 발명은, 청구항 1에 있어서, 상기 탄성체 시트는, 상기 초음파 방사면에 대해서 비접착 상태 그리고 교환 가능하도록 마련되어 있는 것을 그 요지로 한다.

따라서, 청구항 2에 기재의 발명에 의하면, 초음파 센서 유닛을 반복 사용하여 탄성체 시트가 마모되었을 경우, 센서 홀더를 센서 수납 부재와 센서 누름 부재로 분해하여 초음파 센서를 센서 홀더로부터 탈거하는 것으로써, 탄성체 시트를 소모 파츠(parts)로서 용이하게 교환할 수 있다.

청구항 3에 기재의 발명은, 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 탄성체 시트는 고무 시트이며, 상기 고무 시트에 있어서, 상기 제2 영역은 상기 고무 시트의 두께 방향으로 압축되는 한편, 상기 제1 영역은 상기 고무 시트의 면방향으로 신장되어서 상기 제2 영역보다 얇게 되어 있는 것을 그 요지로 한다.

따라서, 청구항 3에 기재의 발명에 의하면, 탄성체 시트는, 비교적 염가의 고무 시트이기 때문에, 부품 비용을 억제할 수 있다. 또한, 고무 시트는 충분한 신축성을 가지고, 수납 구멍과 초음파 센서의 사이에 제2 영역이 끼워져서 압축되는 것으로 간극을 확실히 시일할 수 있다. 또한, 고무 시트에 있어서 초음파 방사면을 덮는 제1 영역이 신장되어서 얇게 되기 때문에, 초음파의 전파 효율을 보다 높일 수 있다.

청구항 4에 기재의 발명은, 청구항 1 내지 3의 어느 하나에 있어서, 상기 탄성체 시트는, 고무제의 기재에 점착층을 적층하여 이루어지고, 자신의 신축에 의해서 밀착되는 자기 융착형의 고무 시트인 것을 그 요지로 한다.

따라서, 청구항 4에 기재의 발명에 의하면, 탄성체 시트가 자기 융착형의 고무 시트이기 때문에, 고무 시트의 외주측에 있는 제2 영역이 압축되는 것으로 밀착성이 높아지고, 수납 구멍의 내주면과 초음파 센서의 외주면의 간극을 확실히 시일할 수 있다. 또한, 고무 시트의 중앙측에 있는 제1 영역이 신장되는 것으로, 초음파 방사면을 따라서 고무 시트를 확실히 밀착시킬 수 있다.

청구항 5에 기재의 발명은, 청구항 1 내지 4의 어느 하나에 있어서, 상기 초음파 센서의 기단측에는 플랜지부가 형성됨과 함께, 상기 수납 구멍은, 소경부와 상기 소경부보다 상기 후단면측에 위치하는 대경부로 이루어지고, 상기 소경부와 상기 대경부와의 접속 부분에는, 상기 플랜지부가 상기 센서 수납 부재의 상기 후단면측으로부터 걸어멈춤 가능한 단차면이 형성되어 있는 것을 그 요지로 한다.

따라서, 청구항 5에 기재의 발명에 의하면, 수납 부재에 있어서, 수납 구멍의 소경부와 대경부와의 접속 부분에 형성된 단차면에 플랜지부가 후단면측으로부터 접촉하여 걸어멈춤하는 것으로써, 수납 구멍에 있어서의 축선 방향의 초음파 센서의 이동을 규제할 수 있다. 이 구성에 의해, 센서 수납 부재의 전단면으로부터 초음파 센서의 선단부를 소정량만큼 확실히 돌출시킬 수 있다.

청구항 6에 기재의 발명은, 청구항 5에 있어서, 상기 탄성체 시트는 원형의 시트이며, 그 직경은, 상기 수납 구멍에 있어서의 상기 소경부의 내경보다 크고, 또한 상기 대경부의 내경보다 작은 것을 그 요지로 한다.

따라서, 청구항 6에 기재의 발명에 의하면, 원형의 탄성체 시트의 직경은, 수납 구멍에 있어서의 소경부의 내경보다 크고, 또한 대경부의 내경보다 작기 때문에, 수납 구멍의 단차면에 탄성체 시트를 확실히 배치시킬 수 있다. 이 경우, 수납 구멍에 대해서 원형의 탄성체 시트의 위치 결정을 정확하게 행할 수 있기 때문에, 탄성체 시트의 조립 정밀도를 높일 수 있다. 그 결과, 초음파 방사면의 중심과 탄성체 시트의 중심의 위치 맞춤을 정확하게 행할 수 있고, 초음파 방사면을 따라서 제1 영역이 균등하게 신장된 상태로 탄성체 시트를 용이하게 설치할 수 있다.

청구항 7에 기재의 발명은, 청구항 1 내지 6의 어느 하나에 있어서, 상기 대상물은, 액체를 흘리는 계측용 배관이며, 상기 계측용 배관을 협지하여 대향하도록 한 쌍의 상기 초음파 센서가 배치되어 있고, 상기 한 쌍의 초음파 센서 중 적어도 한쪽의 상기 초음파 방사면을 상기 계측용 배관에 대고 눌러서 상기 계측용 배관을 클램프하기 위한 바이어스력을 상기 센서 홀더에 부여하는 바이어스 부재를 더 구비한 것을 그 요지로 한다.

따라서, 청구항 7에 기재의 발명에 의하면, 계측용 배관을 협지하여 대향하도록 한 쌍의 초음파 센서가 배치되어 있고, 적어도 한쪽의 초음파 센서를 유지하는 센서 홀더가 바이어스 부재에 의해 바이어스된다. 그 결과, 초음파 센서의 초음파 방사면이 계측용 배관에 대고 눌러져서 한 쌍의 초음파 센서에 의해서 계측용 배관이 클램프된다. 이 경우, 초음파 센서의 초음파 방사면으로부터 계측용 배관 내의 액체 중에 초음파를 효율적으로 전파시킬 수 있고, 액체의 유량 계측이나 액체에 포함되는 기포의 검출 등의 초음파 계측을 확실히 행할 수 있다.

청구항 8에 기재의 발명은, 청구항 7에 있어서, 상기 계측용 배관은, 상기 액체로서의 수액을 흘리는 수액 튜브의 도중에 마련되어 있는 것을 그 요지로 한다.

따라서, 청구항 8에 기재의 발명에 의하면, 수액을 흘리는 수액 튜브의 도중에 계측용 배관이 마련되어 있기 때문에, 초음파 센서의 초음파 방사면으로부터 계측용 배관을 개재하여 수액 중에 초음파를 효율적으로 전파시킬 수 있고, 수액의 유량 계측이나 수액에 포함되는 기포의 검출 등의 초음파 계측을 확실히 행할 수 있다. 또한, 수액 튜브는 가늘기 때문에, 그것에 연결되는 계측용 배관을 가늘게 형성할 수 있다. 이 경우, 초음파 센서로서, 예를 들면 직경이 15 mm 이하의 소형 센서를 이용할 수 있고, 초음파 센서 유닛을 컴팩트하게 형성할 수 있다.

청구항 9에 기재의 발명은, 청구항 1 내지 8의 어느 한 항에 기재된 초음파 센서 유닛과, 상기 초음파 센서에 전기적으로 접속되고, 상기 초음파 센서의 검출 신호에 기초하여 초음파 계측을 위한 연산 처리를 행하는 연산 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 초음파 계측 장치를 그 요지로 한다.

따라서, 청구항 9에 기재의 발명에 의하면, 초음파 센서 유닛에 있어서의 초음파 센서의 검출 신호가 연산 수단에 의해 얻어지고, 그 검출 신호에 기초하여 초음파 계측을 위한 연산 처리가 행해진다. 이와 같이, 초음파 센서 유닛을 이용하여 초음파 계측 장치를 구성하는 것으로써, 초음파 센서의 초음파 방사면에 있어서의 밀착성이 확보되기 때문에, 초음파의 전파 효율을 높일 수 있고, 초음파 계측을 보다 확실히 행할 수 있다. 또한, 센서 홀더 내의 기밀성이 확보되기 때문에, 초음파 센서의 전기 단자나 접속 배선 등이 부식되거나 쇼트되거나 하는 문제를 회피할 수 있다.

청구항 10에 기재의 발명은, 청구항 6에 기재의 초음파 센서 유닛을 제조하는 방법으로서, 상기 센서 수납 부재에 있어서, 상기 수납 구멍에 있어서의 상기 단차면에 상기 탄성체 시트를 위치 결정하면서 배치하는 시트 배치 공정과, 상기 센서 수납 부재의 상기 후단면측으로부터 상기 수납 구멍 내에 상기 초음파 센서를 삽입함과 함께, 상기 센서 누름 부재를 이용하여 상기 후단면을 억누르는 것으로, 상기 수납 구멍의 상기 소경부 내에 상기 탄성체 시트를 개재하여 상기 초음파 센서를 밀어넣고, 상기 탄성체 시트의 상기 제1 영역으로 덮인 상기 초음파 방사면을 상기 센서 수납 부재의 상기 전단면으로부터 돌출시킴과 함께, 상기 제2 영역에서 상기 수납 구멍의 내주면과 상기 초음파 센서의 외주면의 간극을 시일하는 센서 밀어넣기 공정과, 상기 단차면에 상기 플랜지부를 접촉시킨 상태로, 상기 센서 수납 부재에 상기 센서 누름 부재를 고정하는 것으로써, 상기 센서 홀더를 형성하는 홀더 형성 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 유닛의 제조 방법을 그 요지로 한다.

따라서, 청구항 10 기재의 발명에 의하면, 시트 설치 공정에서는, 수납 구멍에 있어서의 단차면에 탄성체 시트가 위치 결정되어서 배치된다. 구체적으로는, 수납 구멍의 중심에 맞춘 상태에서 단차면에 원형의 탄성체 시트가 배치된다. 그리고, 센서 밀어넣기 공정에서는, 센서 수납 부재의 후단면측으로부터 수납 구멍 내에 초음파 센서가 삽입됨과 함께, 센서 누름 부재를 이용하여 후단면이 억눌러진다. 이것에 의해, 수납 구멍의 소경부 내에 탄성체 시트를 개재하여 초음파 센서가 밀어넣어진다. 이 때, 탄성체 시트의 외주측에 있는 제2 영역은, 수납 구멍의 내주면과 초음파 센서의 외주면의 사이에 끼워진 상태로 고정된다. 또한, 탄성체 시트의 중앙측에 있는 제1 영역은, 초음파 센서가 수납 구멍 내에 밀어 넣어질 때의 초음파 방사면의 이동에 의해서 당겨져서 그 방사면을 따라서 균일하게 신장되어 간다. 또한, 탄성체 시트에 있어서, 제1 영역이 신장하는 것에 대해서 외주측으로 시트의 여분이 모아진다. 그 결과, 탄성체 시트의 제2 영역은, 수납 구멍의 내주면과 초음파 센서의 외주면의 간극으로 압축된 상태로 밀착된다. 이와 같이 하여, 탄성체 시트의 제1 영역에 의해 덮인 초음파 방사면이 센서 수납 부재의 전단면으로부터 돌출됨과 함께, 제2 영역에 의해서 수납 구멍의 내주면과 초음파 센서의 외주면의 간극이 시일된다. 그 후, 홀더 형성 공정에서는, 단차면에 플랜지부가 접촉된 상태로, 센서 수납 부재에 센서 누름 부재가 고정되는 것으로써, 센서 홀더가 형성된다. 이들 공정을 거쳐서 초음파 센서 유닛을 제조하면, 탄성체 시트의 제1 영역에 의해서, 초음파 센서의 초음파 방사면에 있어서의 밀착성이 확보되기 때문에, 초음파의 전파 효율을 높일 수 있고, 초음파 계측을 보다 확실히 행할 수 있다. 또한, 탄성체 시트의 제2 영역에 의해서 센서 홀더 내의 기밀성이 확보되기 때문에, 초음파 센서의 전기 단자나 접속 배선 등이 부식되거나 쇼트되는 문제를 회피할 수 있다.

이상, 상세히 기술한 바와 같이, 청구항 1 ~ 8에 기재의 발명에 의하면, 초음파 방사면에 대한 탄성체 시트의 밀착성을 충분히 확보할 수 있음과 함께 탄성체 시트의 교환을 용이하게 행할 수 있는 초음파 센서 유닛을 제공할 수 있다. 또한, 청구항 9에 기재의 발명에 의하면, 상기 초음파 센서 유닛을 이용하여 초음파 계측을 보다 확실히 행할 수 있는 초음파 계측 장치를 제공할 수 있다. 또한, 청구항 10에 기재의 발명에 의하면, 상기 초음파 센서 유닛을 제조하는데 적합한 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 제1의 실시형태의 초음파 유량계의 개략 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는 제1의 실시형태의 초음파 센서 유닛을 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 제1의 실시형태의 초음파 센서 유닛을 나타내는 단면도이다.
도 4는 초음파 유량계의 전기적 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 5는 초음파 센서 유닛의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 6은 초음파 센서 유닛의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 7은 초음파 센서 유닛의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 8은 실험용의 초음파 센서 유닛을 나타내는 설명도이다.
도 9는 고무 시트의 유무에 대응한 초음파의 송수 감도를 나타내는 그래프이다.
도 10은 제2의 실시형태의 초음파 센서 유닛을 나타내는 사시도이다.

[제1의 실시형태]

이하, 본 발명을 초음파 계측 장치로서의 초음파 유량계로 구체화한 제1의 실시형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.

도 1에 나타나는 바와 같이, 초음파 유량계(1)는, 초음파 센서 유닛(2)과, 연산 수단으로서의 계측 제어 장치(3)를 구비한다. 초음파 유량계(1)는, 예를 들면 의료 현장에 있어서, 수액 튜브(4)를 흐르는 수액(W1)(약액 등의 액체)의 유량을 초음파 전파 시간차 방식으로 측정한다.

도 1 ~ 도 3에 나타나는 바와 같이, 초음파 센서 유닛(2)은, 수액 튜브(4)에 접속되는 계측용 배관(10)(대상물)과, 계측용 배관(10)을 개재하여 대향 배치되는 한 쌍의 초음파 센서(11, 12)와, 각 초음파 센서(11, 12) 및 계측용 배관(10)이 설치되는 베이스(14)와, 초음파 센서(12)를 계측용 배관(10)에 바이어스하는 스프링 유닛(15)(바이어스 수단)을 구비한다.

계측용 배관(10)은, 직관부(直管部)(17)와 그것에 연결되는 유입구(18) 및 유출구(19)를 가지고, 유입구(18) 및 유출구(19)에 수액 튜브(4)가 각각 접속되어 있다. 즉, 계측용 배관(10)은, 수액 튜브(4)의 도중에 마련되어 있고, 직관부(17)에는 유입구(18)로부터 유출구(19)를 향해서 수액(W1)이 흐르게 되어 있다. 계측용 배관(10)은, 예를 들면 폴리카보네이트 등의 수지 재료를 이용하여 형성되어 있다.

도 3에 나타나는 바와 같이, 한 쌍의 초음파 센서(11, 12)는, 같이 동일한 구조를 가지는 센서이다. 각 초음파 센서(11, 12)는, 직경이 10 mm의 소형의 센서이며, 볼록 곡면 형상의 초음파 방사면(21)을 선단부에 가진다. 보다 상세하게는, 초음파 센서(11, 12)는, 선단측의 바깥 가장자리부가 R면 형상으로 모따기된 원통 형상을 이루고 기단부측에 플랜지부(25)를 가지는 캡 형상의 센서 케이스(26)와, 센서 케이스(26) 내에 내장되고, 초음파의 송수신이 가능한 초음파 진동자(27)를 구비한다. 초음파 진동자(27)는, 예를 들면 PZT 등의 압전 세라믹스를 이용하여 원판 형상으로 형성된 압전 소자이다.

캡 형상의 센서 케이스(26)에 있어서, 선단부가 되는 정상부(頂部)의 내면 측에 초음파 진동자(27)의 진동면이 접착 고정되어 있고, 그 선단부의 외면이 초음파 방사면(21)으로 되어 있다. 초음파 센서(11, 12)는, 선단부의 초음파 방사면(21)을 계측용 배관(10)에 대고 누른 상태로 초음파 방사면(21)으로부터 초음파를 방사한다. 센서 케이스(26) 내에 있어서 초음파 진동자(27)에 접속된 배선(28)이 외부로 인출되어 있고, 초음파 진동자(27)를 수납한 상태로 케이스(26) 내의 간극이 수지 충전제(29)로 매립되어 있다. 이 수지 충전제(29)에 의해서 센서 케이스(26) 내가 밀폐되는 것으로 초음파 센서(11, 12)가 형성되어 있다. 그리고, 초음파 센서(11, 12)에 있어서, 플랜지부(25)가 형성되어 있는 기단부측의 단면(기단면(基端面))의 중앙으로부터 배선(28)이 인출되어 있다.

도 1 ~ 도 3에 나타나는 바와 같이, 베이스(14)는, ABS 수지 등 수지 재료를 이용하여 대략 사각판 형상으로 형성되어 있고, 그 일단에는, 센서 수납 부재가 되는 고정 벽부(31)가 돌출 형성되어 있다. 고정 벽부(31)에는 전단면(33)과 후단면(34)을 연통하는 수납 구멍(35)이 형성되어 있고, 그 수납 구멍(35)에 초음파 센서(11)가 배치된다. 수납 구멍(35)은, 소경부(37)와 소경부(37)보다 후단면(34)측에 위치하는 대경부(38)로 이루어지고, 소경부(37)와 대경부(38)와의 접속 부분에는, 초음파 센서(11)의 플랜지부(25)가 후단면(34)측으로부터 걸어멈춤 가능한 단차면(39)(도 3 참조)이 형성되어 있다. 그리고, 고정 벽부(31)의 후단면(34)에 센서 누름판(41)(센서 누름 부재)이 나사 고정되어 있다. 센서 누름판(41)은, 수납 구멍(35) 내에 배치되어 있는 초음파 센서(11)를 그 기단부측으로부터 억누름과 함께, 초음파 센서(11)의 선단부(초음파 방사면(21))를 고정 벽부(31)의 전단면(33)으로부터 돌출시킨 상태로 고정한다. 센서 누름판(41)도 ABS 수지 등의 수지 재료로 이루어진다.

본 실시의 형태에서는, 베이스(14)의 고정 벽부(31)와 센서 누름판(41)에 의해서 센서 홀더(42)가 구성된다. 이 센서 홀더(42)는, 베이스(14)에 대해서 이동 불능으로 마련된 고정형의 센서 홀더로 되어 있다. 한편, 베이스(14)에 있어서 고정 벽부(31)와 대향하는 타단측에는, 가동형(可動型)의 센서 홀더(43)가 베이스(14)의 길이 방향으로 이동 가능하게 배치되어 있다. 구체적으로는, 베이스(14)의 타단측에, 홀더 수납 홈(45)(도 2 참조)이 베이스(14)의 길이 방향으로 노치(notch)되도록 하여 형성되어 있다. 홀더 수납 홈(45)의 대향하는 측면 상부에는, 센서 홀더(43)를 이동시키기 위한 가이드로서 기능하는 한 쌍의 가이드 돌기(46)가 베이스(14)의 길이 방향을 따라서 마련되어 있다.

가동형의 센서 홀더(43)는, 초음파 센서(12)를 수납하는 대략 원통 형상의 수납부(48)와, 그 수납부(48)의 하방에 마련된 대좌부(臺座部)(49)로 이루어지는 홀더 본체(50)(센서 수납 부재)와, 수납부(48)에 수납된 초음파 센서(12)를 그 기단부측으로부터 억누르는 센서 누름 덮개(51)(센서 누름 부재)를 구비한다. 센서 홀더(43)의 홀더 본체(50) 및 센서 누름 덮개(51)도 ABS 수지 등의 수지 재료로 이루어진다.

센서 홀더(43)에 있어서, 홀더 본체(50)의 수납부(48)에 있어서의 외주면에는, 축선 방향을 따라서 연장되도록 형성된 가이드 홈(53)을 가지는 가이드부(54)가 한 쌍 마련되어 있다. 가이드부(54)에 있어서, 가이드 홈(53)은 2개의 볼록 조부(條部)(55)의 사이에 형성되어 있다. 홀더 본체(50)에 있어서의 가이드부(54)의 가이드 홈(53)을 베이스(14)측의 가이드 돌기(46)에 끼워맞춘 상태로 대좌부(49)를 홀더 수납 홈(45)에 끼워넣는 것으로, 센서 홀더(43)가 축선 방향으로 슬라이드 가능하게 마련되어 있다.

홀더 본체(50)에 있어서의 수납부(48)에는, 전단면(57)와 후단면(58)을 연통하는 수납 구멍(59)이 형성되어 있고, 그 수납 구멍(59)에 초음파 센서(12)가 배치된다. 수납 구멍(59)은, 소경부(61)와 소경부(61)보다 후단면(58)측에 위치하는 대경부(62)로 이루어지고, 소경부(61)와 대경부(62)와의 접속 부분에는, 초음파 센서(12)의 플랜지부(25)가 후단면(58)측으로부터 걸어멈춤 가능한 단차면(63)(도 3 참조)이 형성되어 있다. 그리고, 센서 누름 덮개(51)는, 수납 구멍(59) 내에 배치되어 있는 초음파 센서(12)를 그 기단부측으로부터 억누름과 함께, 초음파 센서(12)의 선단부(21)를 홀더 본체(50)의 전단면(57)으로부터 돌출시킨 상태로 고정한다. 여기에서는, 수납부(48)에 있어서 가이드부(54)보다 중앙 쪽의 위치에는 수납 구멍(59)에 연통하는 관통 구멍(65)이 형성되어 있고, 관통 구멍(65)에는 스프링 핀(66)이 삽입되어 있다. 이 스프링 핀(66)이 수납 구멍(59) 내에서 센서 누름 덮개(51)에 접촉하는 것으로써 센서 누름 덮개(51)가 수납부(48)에 고정된다.

스프링 유닛(15)은, 코일 형상의 압축 스프링(70)과, 베이스(14)의 단면에 나사 고정되는 사이드 판(71)을 구비하고, 초음파 센서(12)의 초음파 방사면(21)을 계측용 배관(10)에 대고 눌러서 계측용 배관(10)을 클램프하기 위한 바이어스력을 센서 홀더(43)에 부여한다. 구체적으로는, 스프링 유닛(15)의 사이드 판(71)에는, 압축 스프링(70)의 기단측을 수납하여 고정하기 위한 중공(中空) 원통 형상의 스프링 수납부(73)가 형성되어 있다. 이 스프링 유닛(15)에 고정된 압축 스프링(70)의 선단측이 센서 누름 덮개(51)에 접촉하고, 압축 스프링(70)의 바이어스력이 센서 누름 덮개(51)를 개재하여 센서 홀더(43)에 작용하게 되어 있다.

홀더 본체(50)의 후단측에 있어서 수납부(48)와 대좌부(49)와의 접속 부분에는, 당김 봉(74)의 선단부를 고정하기 위한 노치 부분(75)이 형성됨과 함께, 대좌부(49)의 측면에는 스프링 핀(66)을 삽입하는 관통 구멍(77)이 형성되어 있다. 당김 봉(74)의 기단부측은 둥근 막대 형상을 이루고, 당김 봉(74)의 선단부는, 노치 부분(75)에 삽입하기 위하여 박판 형상으로 형성되어 있다. 당김 봉(74)의 기단부 및 선단부에는, 스프링 핀(66)을 삽입하기 위한 관통 구멍(78)이 형성되어 있다. 당김 봉(74)의 선단부를 홀더 본체(50)의 노치 부분(75)에 삽입함과 함께, 홀더 본체(50)의 관통 구멍(77)을 통하여 당김 봉(74)의 선단부의 관통 구멍(78)에 스프링 핀(66)을 삽입하는 것으로써, 당김 봉(74)이 홀더 본체(50)에 고정되어 있다. 또한, 스프링 유닛(15)의 사이드 판(71)에는, 당김 봉(74)의 기단부를 삽입 통과하여 유닛 외부에 돌출시키는 관통 구멍(79)이 형성되어 있고, 관통 구멍(79)으로부터 돌출된 당김 봉(74)의 기단부에 그립(81)이 스프링 핀(66)을 이용하여 고정되어 있다. 이 그립(81)을 당기는 것으로 당김 봉(74)를 개재하여 센서 홀더(43)가 압축 스프링(70)의 바이어스력에 저항하여 되돌아간다. 그 결과, 한 쌍의 초음파 센서(11, 12)에 의한 계측용 배관(10)의 클램프가 해제되고, 베이스(14)에 설치된 계측용 배관(10)의 탈거나 계측용 배관(10)의 재세트가 가능해진다.

베이스(14)에 있어서, 고정형의 센서 홀더(42)와 가동형의 센서 홀더(43)의 사이(한 쌍의 초음파 센서(11, 12)의 사이)가 되는 위치에는, 두께가 약간 두껍게 형성된 후육부(厚肉部)(83)가 마련되어 있고, 그 후육부(83)의 중앙 부분에는 오목 형상으로 형성된 배관 배치홈(84)이 형성되어 있다. 이 배관 배치홈(84)을 따라서 계측용 배관(10)의 직관부(17)가 배치된다. 이 상태에 있어서, 각 센서 홀더(42, 43)에 유지되어 있는 한 쌍의 초음파 센서(11, 12)가 직관부(17)를 협지하여 대향 배치되도록 되어 있다.

본 실시의 형태에서는, 고정형의 센서 홀더(42) 및 가동형의 센서 홀더(43)에 있어서, 초음파 센서(11, 12)의 초음파 방사면(21)에 대해서 비접착 상태 그리고 교환 가능하도록 고무 시트(90)(탄성체 시트)가 마련되어 있다. 고무 시트(90)는, 초음파 방사면(21)을 따라서 신장(伸張)된 상태로 초음파 방사면(21)을 덮는 제1 영역(91)과, 제1 영역(91)의 외주측에 위치하고, 수납 구멍(35, 59)의 내주면과 초음파 센서(11, 12)의 외주면의 간극에 끼워지는 것으로 간극을 시일하는 제2 영역(92)을 가진다. 고무 시트(90)는, 실리콘 고무제의 기재(基材)에 점착층을 적층하여 이루어지고, 자신의 신축에 의해서 밀착되는 자기 융착형의 고무 시트이다. 도 7에 나타나는 바와 같이, 고무 시트(90)에 있어서, 제2 영역(92)은 고무 시트(90)의 두께 방향으로 압축되는 한편, 제1 영역(91)은 고무 시트(90)의 면방향으로 신장되기 때문에, 제1 영역(91)의 두께(t1)는 제2 영역(92)의 두께(t2)보다 얇게 되어 있다(t1<t2). 본 실시의 형태에 있어서, 고무 시트(90)로서 원형의 시트가 이용된다. 고무 시트(90)는, 센서 홀더(42, 43)에 장착되기 전의 미장착 상태(도 2 참조)에서의 직경은, 예를 들면 14 mm 정도이며, 수납 구멍(35, 59)에 있어서의 소경부(37, 61)의 내경(예를 들면 11 mm 정도)보다 크고, 또한 대경부(38, 62)의 내경(예를 들면 15 mm)보다 작게 되어 있다. 또한, 미장착 상태에서의 고무 시트(90)의 두께는 0.5 mm 정도이다.

고정형의 센서 홀더(42)에 있어서, 초음파 센서(11)의 기단부로부터 연장되는 배선(28)은, 센서 누름판(41)의 관통 구멍(95)을 통해서 초음파 센서 유닛(2)의 외부로 인출되고, 계측 제어 장치(3)에 접속되어 있다. 또한, 가동형의 센서 홀더(43)에 있어서, 초음파 센서(12)의 기단부로부터 연장되는 배선(28)은, 센서 누름 덮개(51)의 중심 구멍(96), 압축 스프링(70)의 내측, 사이드 판(71)의 관통 구멍(97)을 통해서 초음파 센서 유닛(2)의 외부로 인출되고, 계측 제어 장치(3)에 접속되어 있다. 즉, 초음파 센서 유닛(2)의 각 초음파 센서(11, 12)는, 배선(28)을 개재하여 계측 제어 장치(3)에 전기적으로 접속되어 있다.

계측 제어 장치(3)는, 초음파 센서(11, 12)로 송수신되는 초음파의 전파 시간차에 대응한 수액(W1)의 유량을 연산에 의해 구한다. 이하, 계측 제어 장치(3)의 구성에 대해서 도 4를 이용하여 상세히 기술한다.

도 4에 나타나는 바와 같이, 계측 제어 장치(3)는, 신호 처리부(100), 연산 처리부(101), 입력 장치(102), 및 표시 장치(103) 등을 구비한다. 신호 처리부(100)는, 각 초음파 센서(11, 12)를 구동하기 위한 구동 신호를 출력하는 회로나, 초음파의 전파 시간을 검출하는 회로 등을 포함한다. 연산 처리부(101)는, 종래 주지의 CPU(105)나 메모리(106) 등을 포함하여 구성된 처리 회로이다. 연산 처리부(101)에 있어서, 메모리(106)에는, 제어 프로그램이나 데이터가 기억되어 있고, CPU(105)는 그 메모리(106)의 제어 프로그램에 따라서 유량의 연산 처리나 표시 처리를 행한다.

보다 상세하게는, 신호 처리부(100)는, 각 초음파 센서(11, 12)를 구동하여, 서로 초음파를 송수신시킨다. 이때, 신호 처리부(100)는, 한 쌍의 초음파 센서(11, 12)에 있어서 상류측의 초음파 센서(11)로부터 송신되고 하류측의 초음파 센서(12)로 수신된 초음파의 정방향의 전파 시간(수액(W1)의 흐름에 대해서 정방향으로 전파된 초음파의 전파 시간)을 검출한다. 또한, 신호 처리부(100)는, 하류측의 초음파 센서(12)로부터 송신되고 상류측의 초음파 센서(11)로 수신된 초음파의 역방향의 전파 시간(수액(W1)의 흐름에 대해서 역방향으로 전파된 초음파의 전파 시간)을 검출한다. 그리고, 신호 처리부(100)는, 정방향의 전파 시간과 역방향의 전파 시간을 연산 처리부(101)에 출력한다. 연산 처리부(101)는, 신호 처리부(100)로부터 출력된 정방향의 전파 시간과 역방향의 전파 시간을 취하고, 전파 시간에 대응한 수액(W1)의 유량을 연산에 의해 구한다.

입력 장치(102)는, 각종 조작 버튼을 포함하고, 측정의 개시·종료, 표시 모드의 설정 등을 행한다. 표시 장치(103)는, 예를 들면 액정 디스플레이이며, 연산 처리부(101)에서 구해진 유량을 표시한다.

다음에, 각 부재를 조립하여 초음파 센서 유닛(2)을 제조하는 방법에 대해서 설명한다.

우선, 도 5에 나타나는 바와 같이, 베이스(14)에 있어서, 고정 벽부(31)의 수납 구멍(35)에 있어서의 단차면(39)에 고무 시트(90)를 위치 결정하면서 배치한다(시트 배치 공정). 여기에서는, 수납 구멍(35)의 중심에 맞춘 상태로 단차면(39)에 원형의 고무 시트(90)를 배치한다. 그 후, 도 6에 나타나는 바와 같이, 고정 벽부(31)의 후단면(34)측으로부터 수납 구멍(35) 내에 초음파 센서(11)를 삽입함과 함께, 센서 누름판(41)을 이용하여 고정 벽부(31)의 후단면(34)을 억누른다. 이것에 의해, 도 7에 나타나는 바와 같이, 수납 구멍(35)의 소경부(37) 내에 고무 시트(90)를 개재하여 초음파 센서(11)가 밀어넣어진다(센서 밀어넣기 공정).

이 때, 고무 시트(90)의 외주측에 있는 제2 영역(92)은, 수납 구멍(35)의 내주면과 초음파 센서(11)의 외주면의 사이에 끼워진 상태로 고정된다. 또한, 고무 시트(90)의 중앙측에 있는 제1 영역(91)은, 초음파 센서(11)가 수납 구멍(35) 내에 밀어넣어질 때의 초음파 방사면(21)의 이동에 의해서 화살표(A1) 방향으로 당겨져서, 그 방사면(21)을 따라서 균일하게 신장되어 간다(도 7의 화살표(A1)를 참조). 또한, 고무 시트(90)에 있어서, 제1 영역(91)이 신장하는데 대해서 외주측으로 시트의 여분이 모아진다. 그 결과, 고무 시트(90)의 제2 영역(92)은, 수납 구멍(35)의 내주면과 초음파 센서(11)의 외주면의 간극에서, 화살표(A2)의 방향으로부터 압축된 상태로 밀착된다(도 7의 화살표(A2)를 참조). 이와 같이 하여, 고무 시트(90)의 제1 영역(91)에 의해 덮인 초음파 방사면(21)이 고정 벽부(31)의 전단면(33)으로부터 돌출됨과 함께, 제2 영역(92)에 의해 수납 구멍(35)의 내주면과 초음파 센서(11)의 외주면의 간극이 시일된다. 또한, 이 상태에서는, 고무 시트(90)의 제2 영역(92)의 외단(外端)은, 수납 구멍(35)의 관통 방향의 중앙부 부근에 위치하고 있다. 즉, 제2 영역(92)의 폭은, 관통 구멍(35)의 관통 방향(축방향)의 길이의 반 정도이다. 또한, 제2 영역(92)의 폭은, 시일성을 확보할 수 있는 폭이면 적절히 변경해도 좋다.

그리고, 수납 구멍(35)의 단차면(93)에 초음파 센서(11)의 플랜지부(25)를 접촉시킨 상태로, 고정 벽부(31)의 후단면(34)에 센서 누름판(41)을 나사 고정하는 것으로써, 센서 홀더(42)를 형성한다(홀더 형성 공정).

다음에, 가동형의 센서 홀더(43)를 베이스(14)에 장착한다. 구체적으로는, 홀더 본체(50)의 수납부(48)의 수납 구멍(59)에 있어서의 단차면(63)에, 고무 시트(90)를 위치 결정하면서 배치한다(시트 배치 공정). 그 후, 수납부(48)의 후단면(58)측으로부터 수납 구멍(59) 내에 초음파 센서(12)를 삽입함과 함께, 센서 누름 덮개(51)를 이용하여 초음파 센서(12)를 억누른다. 이것에 의해, 수납 구멍(59)의 소경부(61) 내에 고무 시트(90)를 개재하여 초음파 센서(12)를 밀어넣고, 고무 시트(90)의 제1 영역(91)으로 덮인 초음파 방사면(21)을 수납부(48)의 전단면(57)으로부터 돌출시킴과 함께, 제2 영역(92)으로 수납 구멍(59)의 내주면과 초음파 센서(12)의 외주면의 간극을 시일한다(센서 밀어넣기 공정). 그리고, 수납 구멍(59)의 단차면(63)에 초음파 센서(12)의 플랜지부(25)를 접촉시킨 상태로, 수납부(48)에 센서 누름 덮개(51)를 스프링 핀(66)으로 고정하는 것으로써, 센서 홀더(43)를 형성한다(홀더 형성 공정). 또한, 당김 봉(74)의 선단부를 홀더 본체(50)의 노치 부분(75)에 삽입한 후, 그 선단부를 스프링 핀(66)으로 고정한다. 이 후, 홀더 본체(50)의 수납부(48)에 형성된 가이드 홈(53)을 베이스(14)의 홀더 수납 홈(45)에 있어서의 가이드 돌기(46)에 끼워넣고, 센서 홀더(43)를 가이드 돌기(46)를 따라서 슬라이드시켜서 수납 홈(45) 내에 배치시킨다.

다음에, 베이스(14)의 단부에 스프링 유닛(15)을 조립한다. 상세하게는, 사이드 판(71)의 스프링 수납부(73)에 압축 스프링(70)의 기단측을 수납함과 함께, 압축 스프링(70)의 선단측을 수납 구멍(59) 내의 센서 누름 덮개(51)에 접촉시킨다. 또한, 당김 봉(74)의 기단부를 사이드 판(71)의 관통 구멍(79)에 삽입한 상태로 사이드 판(71)을 베이스(14)의 단부에 나사 고정한다. 그리고, 스프링 유닛(15)의 압축 스프링(70)의 바이어스력에 저항하여 센서 홀더(43)를 사이드 판(71)측으로 약간 되밀어내고, 사이드 판(71)의 관통 구멍(79)으로부터 당김 봉(74)의 기단부를 돌출시킨다. 그 후, 당김 봉(74)의 기단부에 그립(81)을 장착하여 스프링 핀(66)을 이용하여 고정한다. 그 결과, 초음파 센서 유닛(2)이 제조된다.

초음파 센서 유닛(2)에 있어서, 손으로 그립(81)을 당겨서 압축 스프링(70)의 바이어스력에 저항하여 센서 홀더(43)를 사이드 판(71)측으로 이동시킨 상태로 베이스(14)의 배관 배치홈(84)에 계측용 배관(10)을 설치한다. 그 후, 그립(81)으로부터 손을 놓는 것으로 압축 스프링(70)의 바이어스력에 의해서 센서 홀더(43)가 밀어내지고, 센서 홀더(43)에 유지되어 있는 초음파 센서(12)의 초음파 방사면(21)이 계측용 배관(10)의 직관부(17)에 대고 눌러진다. 그 결과, 한 쌍의 초음파 센서(11, 12)에 의해서 계측용 배관(10)의 직관부(17)가 클램프되기 때문에, 초음파 유량계(1)에 의해서 수액(W1)의 유량 계측이 가능해진다.

본 발명자들은, 실험용의 초음파 센서 유닛(200)(도 8 참조)을 작성하고, 고무 시트(90)의 유무에 의한 한 쌍의 초음파 센서(11, 12)의 송수신 감도의 차이를 확인했다. 도 8에 나타나는 바와 같이, 실험용의 초음파 센서 유닛(200)에 있어서, 베이스(14A)의 일단에 형성되는 고정형의 센서 홀더(42)는, 도 3에 나타내는 본 실시의 형태의 센서 홀더(42)와 동일한 구성이다. 즉, 센서 홀더(42)는, 수납 구멍(35)이 형성된 고정 벽부(31)와, 수납 구멍(35)에 배치된 초음파 센서(11)를 기단측으로부터 억눌러서 고정하는 센서 누름판(41)으로 이루어진다. 가동형의 센서 홀더(43A)는, 베이스의 길이 방향으로 이동 가능하게 마련되는 가동 벽부(201)와 센서 누름판(41)으로 이루어진다. 센서 홀더(43A)의 가동 벽부(201)에는, 고정 벽부(31)와 마찬가지로 수납 구멍(35)이 형성되어 있고, 수납 구멍(35) 내에 초음파 센서(12)가 배치된 상태로 센서 누름판(41)에 의해서 고정되어 있다. 또한, 가동 벽부(201)의 하단은, 베이스(14A)에 마련된 2개의 가이드 홈(202)에 끼워 넣어지는 슬라이드부(도시 생략)가 마련되어 있다. 그리고, 실험용의 초음파 센서 유닛(200)에서는, 리니어 슬라이더(203)를 조작하는 것으로 센서 홀더(43A)를 가이드 홈(202)을 따라서 이동시킴과 함께, 각 센서 홀더(42, 43A)에 유지되어 있는 한 쌍의 초음파 센서(11, 12)의 초음파 방사면(21)끼리를 접촉시킬 수 있게 되어 있다. 또한, 리니어 슬라이더(203)의 조작량을 변화시키는 것으로, 각 초음파 방사면(21)에 가해지는 하중도 조정할 수 있게 되어 있다. 또한, 실험용의 초음파 센서 유닛(200)에 있어서도, 각 센서 홀더(42, 43A)에 대한 고무 시트(90)의 장착 방법은 상기 초음파 센서 유닛(2)과 동일하다.

도 9에 나타나는 바와 같이, 각 센서 홀더(42, 43A)에 있어서 초음파 센서(11, 12)의 초음파 방사면(21)에 고무 시트(90)를 장착했을 경우가 고무 시트(90)를 장착하지 않는 경우보다 송수 감도가 10 dB 정도 높아지는 것이 확인되었다. 또한, 고무 시트(90)를 장착했을 경우, 하중이 높을수록, 고무가 찌그러져서 밀착성이 높아짐과 함께 초음파 방사면(21)에서의 고무 두께가 얇아지고 초음파의 감쇠율이 줄어드는 것으로부터, 송수 감도가 상승하는 것이 확인되었다.

따라서, 본 실시의 형태에 의하면 이하의 효과를 얻을 수 있다.

(1) 본 실시의 형태의 초음파 센서 유닛(2)에서는, 고무 시트(90)는, 제1 영역(91)과 그 외주측에 위치하는 제2 영역(92)을 가지고, 고무 시트(90)의 중앙부측에 있는 제1 영역(91)이 초음파 센서(11, 12)의 초음파 방사면(21)을 따라서 신장된 상태로 그 방사면(21)을 덮도록 마련되어 있다. 이와 같이 고무 시트(90)를 마련하는 것으로, 계측용 배관(10)의 표면에 대해서 초음파 방사면(21)을 확실히 밀착시킬 수 있다. 특히, 본 실시의 형태에서는, 초음파 방사면(21)이 볼록 곡면 형상으로 형성되어 있기 때문에, 고무 시트(90)의 제1 영역(91)을 균등하게 신장시킬 수 있고, 초음파 방사면(21)에 대한 고무 시트(90)의 밀착 상태를 양호하게 유지할 수 있다. 그 결과, 고무 시트(90)가 찢어지거나 고무 시트(90)와 초음파 방사면(21)의 사이에 공기가 비집고 들어가거나 하는 문제를 방지할 수 있고, 계측용 배관(10) 내의 수액(W1)에 초음파를 효율적으로 전파시킬 수 있다. 또한, 고무 시트(90)의 외주측에 있는 제2 영역(92)에 의해서, 수납 구멍(35, 59)의 내주면과 초음파 센서(11, 12)의 외주면의 간극이 시일되므로, 초음파 센서(11, 12)가 수납되어 있는 센서 홀더(42, 43) 내의 기밀성이 확보된다. 그 결과, 센서 홀더(42, 43) 내에 있어서, 초음파 센서(11, 12)의 전기 단자나 접속 배선(28) 등이 부식되거나 쇼트되거나 하는 문제를 회피할 수 있다.

(2) 본 실시의 형태의 초음파 센서 유닛(2)에 있어서, 고무 시트(90)는, 초음파 센서(11, 12)의 초음파 방사면(21)에 대해서 비접착 상태 그리고 교환 가능하도록 마련되어 있다. 따라서, 초음파 센서 유닛(2)을 반복 사용하여 고무 시트(90)가 마모되었을 경우, 센서 홀더(42, 43)를 분해하여 초음파 센서(11, 12)를 센서 홀더(42, 43)로부터 탈거하는 것으로써, 고무 시트(90)를 소모 파츠로서 용이하게 교환할 수 있다.

(3) 본 실시의 형태의 초음파 센서 유닛(2)에 있어서, 탄성체 시트로서 비교적 염가의 고무 시트(90)를 이용하고 있기 때문에, 부품 비용을 억제할 수 있다. 또한, 고무 시트(90)는 충분한 신축성을 가지고, 수납 구멍(35, 59)과 초음파 센서(11, 12)의 사이에 제2 영역(92)이 끼워져서 압축되는 것으로 간극을 확실히 시일할 수 있다. 또한, 고무 시트(90)에 있어서 초음파 방사면(21)을 덮는 제1 영역(91)이 신장되어서 얇게 되기 때문에, 초음파의 전파 효율을 보다 높일 수 있다.

(4) 본 실시의 형태의 초음파 센서 유닛(2)에 있어서, 고무 시트(90)가 자기 융착형의 시트이기 때문에, 고무 시트(90)의 외주측에 있는 제2 영역(92)이 압축되는 것으로 밀착성이 높아지고, 수납 구멍(35, 59)의 내주면과 초음파 센서(11, 12)의 외주면의 간극을 확실히 시일할 수 있다. 또한, 고무 시트(90)의 중앙측에 있는 제1 영역(91)이 신장되는 것으로, 초음파 방사면(21)을 따라서 고무 시트(90)를 확실히 밀착시킬 수 있다.

(5) 본 실시의 형태의 초음파 센서 유닛(2)에서는, 센서 홀더(42)의 고정 벽부(31) 및 센서 홀더(43)의 홀더 본체(50)에 있어서, 수납 구멍(35, 59)의 소경부(37, 61)와 대경부(38, 62)와의 접속 부분에 단차면(39, 63)이 형성되어 있다. 그리고, 단차면(39, 63)에 초음파 센서(11, 12)의 플랜지부(25)가 후단면(34, 58)측으로부터 접촉하여 걸어멈춤하는 것으로써, 수납 구멍(35, 59)에 있어서의 축선 방향의 초음파 센서(11, 12)의 이동을 규제할 수 있다. 이 구성에 의해, 고정 벽부(31) 및 홀더 본체(50)의 전단면(33, 57)으로부터 초음파 센서(11, 12)의 선단부(초음파 방사면(21))를 소정량만큼 확실히 돌출시킬 수 있다.

(6) 본 실시의 형태의 초음파 센서 유닛(2)에 있어서, 원형의 고무 시트(90)의 직경은, 수납 구멍(35, 59)에 있어서의 소경부(37, 61)의 내경보다 크고, 또한 대경부(38, 62)의 내경보다 작기 때문에, 수납 구멍(35, 59)에 있어서의 단차면(39, 63)에 고무 시트(90)를 확실히 배치시킬 수 있다. 이 경우, 수납 구멍(35, 59)에 대해서 원형의 고무 시트(90)의 위치 결정을 정확하게 행할 수 있기 때문에, 고무 시트(90)의 조립 정밀도를 높일 수 있다. 그 결과, 초음파 방사면(21)의 중심과 고무 시트(90)의 중심의 위치 맞춤을 정확하게 행할 수 있고, 초음파 방사면(21)을 따라서 제1 영역(91)이 균등하게 신장된 상태로 고무 시트(90)를 용이하게 설치할 수 있다.

(7) 본 실시의 형태의 초음파 유량계(1)에서는, 스프링 유닛(15)에 의해서 초음파 센서(12)를 유지하는 가동형의 센서 홀더(43)가 바이어스되는 것으로, 초음파 센서(12)의 초음파 방사면(21)이 계측용 배관(10)에 대고 눌러지고, 한 쌍의 초음파 센서(11, 12)에 의해서 계측용 배관(10)이 클램프된다. 그리고, 각 초음파 센서(11, 12)의 초음파 방사면(21)은, 고무 시트(90)를 개재하여 계측용 배관(10)에 밀착되어 있다. 이 때문에, 초음파 센서(11, 12)의 초음파 방사면(21)으로부터 계측용 배관(10) 내의 수액(W1) 중에 초음파를 효율적으로 전파시킬 수 있고, 수액(W1)의 유량 계측을 확실히 행할 수 있다.

(8) 본 실시의 형태의 초음파 유량계(1)에서는, 액체로서의 수액(W1)를 흘리는 수액 튜브(4)의 도중에 계측용 배관(10)이 마련되어 있다. 이 경우, 수액 튜브(4)는 가늘기 때문에, 그것에 연결되는 계측용 배관(10)을 가늘게 형성할 수 있다. 이 때문에, 초음파 센서(11, 12)로서 직경이 10 mm의 소형 센서를 이용할 수 있고, 초음파 센서 유닛(2)을 컴팩트하게 형성할 수 있다.

[제2의 실시형태]

다음에, 본 발명을 구체화한 제2의 실시형태를 도 10에 기초하여 설명한다. 상기 실시의 초음파 센서 유닛(2)에 있어서, 한 쌍의 초음파 센서(11, 12)는, 계측용 배관(10)의 직관부(17)의 상류측 및 하류측에 있어서 대향하도록 배치되는 것이었다. 이것에 비해서, 도 10에 나타나는 바와 같이, 본 실시의 형태의 초음파 센서 유닛(2A)에 있어서의 한 쌍의 초음파 센서(11, 12)는, 계측용 배관(10A)의 측면을 협지하여 대향하도록 배치되어 있다. 이 초음파 센서 유닛(2A)은, 예를 들면 수액(W1)에 포함되는 기포를 검지하기 위한 기포 검지 장치에 이용된다.

구체적으로는, 본 실시의 형태의 초음파 센서 유닛(2A)에서는, 고정형의 센서 홀더(42) 및 가동형의 센서 홀더(43)의 구성은 상기 제1의 실시형태와 동일하고, 베이스(14)에 있어서의 계측용 배관(10A)의 설치가 상기 제1의 실시형태와 다르다.

또한, 본 실시의 형태에서는, 초음파 센서 유닛(2A)에 있어서의 한쪽의 초음파 센서(11)를 송신용 센서로서 이용함과 함께 다른쪽의 초음파 센서(12)를 수신용 센서로서 이용하고, 각 초음파 센서(11, 12)의 배선(28)은 도시하지 않는 제어 장치(연산 수단)에 접속되어 있다. 제어 장치는, 송신용의 초음파 센서(11)로부터 수액(W1) 중에 초음파를 전파시키고 수신용의 초음파 센서(12)로 수신한 초음파의 신호 강도에 기초하여 수액(W1)에 포함되는 기포의 유무를 검출한다.

본 실시의 형태의 초음파 센서 유닛(2A)에서도, 상기 제1의 실시형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 초음파 센서(11, 12)의 초음파 방사면(21)으로부터 계측용 배관(10A) 내의 수액(W1) 중에 초음파를 효율적으로 전파시킬 수 있기 때문에, 수액(W1)에 포함되는 기포의 검출을 정밀도 좋게 확실히 행할 수 있다.

또한, 본 발명의 각 실시형태는 이하와 같이 변경해도 좋다.

· 상기 제1의 실시형태의 초음파 센서 유닛(2)은, 수액(W1)의 유량을 계측하는 초음파 유량계(1)에 이용하는 것이었지만, 이것으로 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 액체의 농도를 측정하기 위한 초음파 농도계 등의 초음파 계측 장치에 이용해도 좋다. 또한, 제2의 실시형태의 초음파 센서 유닛(2A)은, 수액(W1)에 포함되는 기포를 검지하기 위한 기포 검지 장치에 이용하는 것이었지만, 이것으로 한정되는 것이 아니고, 액체 중에 존재하는 이물을 검지하는 이물 검지 장치나, 액체 중에 존재하는 물질의 농도를 측정하는 초음파 농도계 등의 초음파 계측 장치에 이용해도 좋다.

· 제2의 실시형태의 초음파 센서 유닛(2A)에서는, 한 쌍의 초음파 센서(11, 12)를 이용하여 기포의 유무를 검출하고 있었지만, 예를 들면 송수신 겸용의 하나의 초음파 센서를 이용하여 초음파의 반사를 이용하는 것으로 기포의 유무를 검출해도 좋다.

· 상기 각 실시형태의 초음파 센서 유닛(2, 2A)에서는, 가동형의 센서 홀더(43)를 바이어스하는 스프링 유닛(15)을 이용하여 한쪽의 초음파 센서(12)의 초음파 방사면(21)을 계측용 배관(10, 10A)에 꽉 누르는 구성으로 하고 있었지만, 스프링 유닛(15) 이외의 다른 바이어스 부재를 이용하여 구성해도 좋다. 또한, 바이어스 부재를 이용하지 않고 작업자의 손으로 초음파 센서(11)의 초음파 방사면(21)을 대상물에 꽉 누르는 구성의 초음파 센서 유닛에 본 발명을 구체화해도 좋다. 이 초음파 센서 유닛을 이용하는 경우, 예를 들면 장식 패널 등의 판재가 접착층을 개재하여 고정되는 구조체에 있어서, 초음파 센서(11)의 초음파 방사면(21)을 판재 표면에 대고 눌러서 초음파를 송수신하는 것으로, 접착층의 불균일한 부분이나 박리 부분을 검출한다. 이 초음파 센서 유닛에서도, 고무 시트(90)를 개재하여 초음파 방사면(21)을 판재 표면에 확실히 밀착시킬 수 있다. 또한, 고무 시트(90)에 의해서 센서 홀더 내가 시일되기 때문에, 초음파 센서(11)의 전기 단자나 접속 배선 등이 부식되거나 쇼트되거나 하는 문제를 회피할 수 있다.

· 상기 각 실시형태의 초음파 센서 유닛(2, 2A)에서는, 센서 홀더(43)의 센서 누름 덮개(51)를 스프링 핀(66)에 의해 고정하도록 구성했지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 수납 구멍(59) 내에 있어서의 후단측의 내주면에 암나사를 형성함과 함께 센서 누름 덮개(51)의 외주면에 수나사를 형성하고, 나사 고정에 의해서 수납 구멍(59) 내에 센서 누름 덮개(51)를 고정하도록 구성해도 좋다.

· 상기 각 실시형태의 초음파 센서 유닛(2, 2A)에 있어서, 고무 시트(90)는, 실리콘 고무제의 시트였지만, 탄성을 가지는 탄성체 시트이면, 불소 수지나 엘라스토머 수지 등으로 이루어지는 수지제의 시트를 이용해도 좋다.

· 상기 각 실시형태에 있어서, 초음파 센서(11, 12)의 초음파 방사면(21)은, 선단측의 바깥 가장자리부가 R면 형상으로 모따기된 원통 형상을 이루는 방사면이었지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 초음파 센서(11, 12)의 초음파 방사면(21)은, 볼록 곡면 형상으로 형성되는 것이면 좋고, 예를 들면 반구 형상으로 형성되어 있어도 좋다.

다음에, 특허 청구의 범위에 기재된 기술적 사상 외에, 상술한 각 실시형태에 의해서 파악되는 기술적 사상을 이하에 열거한다.

(1) 청구항 7 또는 8에 있어서, 상기 계측용 배관은, 액체의 유량 또는 농도를 측정하기 위한 배관이며, 상기 한 쌍의 상기 초음파 센서는, 그 배관의 상류측 및 하류측에 있어서 대향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 유닛.

(2) 청구항 9에 있어서, 한 쌍의 상기 초음파 센서를 송수신 겸용의 센서로서 이용하고, 상기 연산 수단은, 상기 한 쌍의 초음파 센서에 의해 상기 액체의 흐름의 정역 방향으로 초음파를 전파시켜서 그 정방향으로 전파된 초음파와 역방향으로 전파된 초음파를 수신하여 상기 각 초음파의 전파 시간차를 검출함과 함께, 상기 전파 시간차에 기초하여 상기 액체의 유량을 연산에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 초음파 계측 장치.

(3) 청구항 7 또는 8에 있어서, 상기 계측용 배관은, 상기 액체 내에 혼재하는 기포 또는 이물을 검지하기 위한 배관이며, 상기 한 쌍의 상기 초음파 센서는, 그 배관의 측면을 협지하여 대향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 유닛.

(4) 청구항 9에 있어서, 한 쌍의 상기 초음파 센서 중 한쪽을 송신용 센서로서 이용함과 함께 다른쪽을 수신용 센서로서 이용하고, 상기 연산 수단은, 상기 송신용 센서로부터 상기 액체 중에 초음파를 전파시키고 상기 수신용 센서로 수신한 상기 초음파의 신호 강도에 기초하여 상기 기포 또는 이물의 유무를 검출하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.

(5) 청구항 1 내지 8의 어느 한 항에 있어서, 상기 초음파 센서는, 직경이 15 mm 이하의 소형 센서인 것을 특징으로 하는 초음파 센서 유닛.

(6) 청구항 1 내지 8의 어느 한 항에 있어서, 상기 대상물은, 상기 탄성체 시트보다 딱딱한 부재를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 유닛.

(7) 청구항 1 내지 8의 어느 한 항에 있어서, 상기 탄성체 시트는, 0.1 mm 이상 2 mm 이하의 두께를 가지는 시트인 것을 특징으로 하는 초음파 센서 유닛.

1…초음파 계측 장치로서의 초음파 유량계
2, 2A…초음파 센서 유닛
3…연산 수단으로서의 계측 제어 장치
4…수액 튜브
10, 10A…대상물로서의 계측용 배관
11, 12…초음파 센서
15…바이어스 수단으로서의 스프링 유닛
21…초음파 방사면
25…플랜지부
31…센서 수납 부재로서의 고정 벽부
33, 57…전단면
34, 58…후단면
35, 59…수납 구멍
37, 61…소경부
38, 62…대경부
39, 63…단차면
42…고정형의 센서 홀더
43…가동형의 센서 홀더
50…센서 수납 부재로서의 홀더 본체
51…센서 누름 부재로서의 센서 누름 덮개
90…탄성체 시트로서의 고무 시트
91…제1 영역
92…제2 영역
W1…액체로서의 수액

Claims (10)

1. 볼록 곡면 형상의 초음파 방사면을 선단부에 가지는 초음파 센서와,
   전단면(前端面) 및 후단면(後端面)을 연통함과 함께 상기 초음파 센서가 배치되는 수납 구멍이 형성된 센서 수납 부재와, 상기 수납 구멍 내의 상기 초음파 센서를 기단부(基端部)측으로부터 억누름과 함께 상기 초음파 센서의 상기 선단부를 상기 전단면으로부터 돌출시킨 상태로 고정하는 센서 누름 부재를 포함하는 센서 홀더를 구비하고, 상기 초음파 센서의 상기 선단부를 대상물에 대고 누른 상태로 상기 초음파 방사면으로부터 초음파를 방사하는 초음파 센서 유닛으로서,
   상기 초음파 방사면을 따라서 신장(伸張)된 상태로 상기 초음파 방사면을 덮는 제1 영역과,
   상기 제1 영역의 외주측에 위치하고, 상기 수납 구멍의 내주면과 상기 초음파 센서의 외주면의 간극에 끼워지는 것으로 상기 간극을 시일하는 제2 영역을 가지는 탄성체 시트를 구비한 것을 특징으로 하는 초음파 센서 유닛.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 탄성체 시트는, 상기 초음파 방사면에 대해서 비접착 상태 그리고 교환 가능하도록 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 유닛.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 탄성체 시트는 고무 시트이며,
   상기 고무 시트에 있어서, 상기 제2 영역은 상기 고무 시트의 두께 방향으로 압축되는 한편, 상기 제1 영역은 상기 고무 시트의 면방향으로 신장되어서 상기 제2 영역보다 얇게 되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 유닛.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 탄성체 시트는, 고무제의 기재(基材)에 점착층을 적층하여 이루어지고, 자신의 신축에 의해서 밀착되는 자기 융착형(自己融着型)의 고무 시트인 것을 특징으로 하는 초음파 센서 유닛.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 초음파 센서의 기단(基端)측에는 플랜지부가 형성됨과 함께,
   상기 수납 구멍은, 소경부와 상기 소경부보다 상기 후단면측에 위치하는 대경부로 이루어지고,
   상기 소경부와 상기 대경부와의 접속 부분에는, 상기 플랜지부가 상기 센서 수납 부재의 상기 후단면측으로부터 걸어멈춤 가능한 단차면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 유닛.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 탄성체 시트는 원형의 시트이며, 그 직경은, 상기 수납 구멍에 있어서의 상기 소경부의 내경보다 크고, 또한 상기 대경부의 내경보다 작은 것을 특징으로 하는 초음파 센서 유닛.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 대상물은, 액체를 흘리는 계측용 배관이며,
   상기 계측용 배관을 협지하여 대향하도록 한 쌍의 상기 초음파 센서가 배치되어 있고,
   상기 한 쌍의 초음파 센서 중 적어도 한쪽의 상기 초음파 방사면을 상기 계측용 배관에 대고 눌러서 상기 계측용 배관을 클램프하기 위한 바이어스력을 상기 센서 홀더에 부여하는 바이어스 부재를 더 구비한 것을 특징으로 하는 초음파 센서 유닛.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 계측용 배관은, 상기 액체로서의 수액을 흘리는 수액 튜브의 도중에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 유닛.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 초음파 센서 유닛과,
   상기 초음파 센서에 전기적으로 접속되고, 상기 초음파 센서의 검출 신호에 기초하여 초음파 계측을 위한 연산 처리를 행하는 연산 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 초음파 계측 장치.
10. 제 6 항에 기재된 초음파 센서 유닛을 제조하는 방법으로서,
    상기 센서 수납 부재에 있어서, 상기 수납 구멍에 있어서의 상기 단차면에 상기 탄성체 시트를 위치 결정하면서 배치하는 시트 배치 공정과,
    상기 센서 수납 부재의 상기 후단면측으로부터 상기 수납 구멍 내에 상기 초음파 센서를 삽입함과 함께, 상기 센서 누름 부재를 이용하여 상기 후단면을 억누르는 것으로, 상기 수납 구멍의 상기 소경부 내에 상기 탄성체 시트를 개재하여 상기 초음파 센서를 밀어넣고, 상기 탄성체 시트의 상기 제1 영역으로 덮인 상기 초음파 방사면을 상기 센서 수납 부재의 상기 전단면으로부터 돌출시킴과 함께, 상기 제2 영역으로 상기 수납 구멍의 내주면과 상기 초음파 센서의 외주면의 간극을 시일하는 센서 밀어넣기 공정과,
    상기 단차면에 상기 플랜지부를 접촉시킨 상태로, 상기 센서 수납 부재에 상기 센서 누름 부재를 고정하는 것으로써, 상기 센서 홀더를 형성하는 홀더 형성 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 유닛의 제조 방법.

Images