(57)【要約】【課題】超音波センサの不要な筐体振動を吸収し、流路への振動伝搬を防止することで、残響の短い超音波センサの取り付け構造を得ること。【解決手段】天部８と側壁部９と開口部１０を有する有天筒状のケース７と天部８の内壁面に固定された圧電体１２と側壁部９の端部に設けたフランジ部１３とフランジ部１３と開口部１０を塞ぐ端子板１４を有する超音波センサ１８と、側壁部９に設置された振動伝達抑止体１９と、フランジ部１３に密接する封止体２０とを含み、超音波センサ１８は封止体２０を介して当該超音波センサの被取り付け部６に取り付けることにより、圧電体の振動によるケース側壁面への振動伝搬を振動伝達抑止体で遮断すると同時に、被取り付け部への不要振動伝搬を防止することで、不要信号の影響を受けずに計測に必要な信号を送受信することが可能となる。【選択図】図１
2012018030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
天部と側壁部と開口部とを有する有天筒状のケースと、前記天部の内壁面に固定された圧電体と、前記側壁部の端部に設けたフランジ部と、前記フランジ部と前記開口部を塞ぐ端子板とを有する超音波センサと、
前記側壁部の少なくとも一部に設置され、前記側壁部の筐体振動を防止する振動伝達抑止体と、
前記フランジ部の少なくとも一部に密接する封止体と、を含み、
前記超音波センサは、前記封止体を介して当該超音波センサの被取り付け部に設置されている、
超音波センサの取り付け構造。
【請求項２】
前記側壁部の表面を覆う電気的絶縁材料で形成された成型層を備え、
前記振動伝達抑止体は、前記成型層の表面に設置されている、
請求項１に記載の超音波センサの取り付け構造。
【請求項３】
一対の前記超音波センサと、
被測定流体が流れる計測流路と、
前記計測流路に対向して配置された一対の前記被取り付け部と、
前記超音波センサ間の超音波伝播時間を計測する計測回路部と、
前記計測回路部からの信号に基づいて流量を算出する演算部と、を含み、
前記超音波センサは、請求項１または２に記載の取り付け構造により前記計測流路の被取り付け部に対向して取り付けられた、
超音波流量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波パスルの送受信を行う超音波送センサの取り付け構造およびこの超音波センサを用いて気体や液体の流量や流速の計測を行う超音波流量計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の超音波センサを超音波流量計測装置の流路へ取り付ける場合の取り付け構造は、例えば、有天筒状のケースの天部の内面に圧電体を配置した超音波センサにおいて、ケースの開口部の外周に設けたフランジと開口部を塞ぐ封止体を重ねて支持部を形成し、ケースの側壁部の外面に振動を低減する制振体を設置し、支持部と制振体の一部を保持する保持部を有する振動伝達抑止体を介して超音波センサが流路に設置されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は従来の超音波センサの取り付け構造の断面図を示すものであり、図に示すように超音波センサ１は、天部２ａと側壁部２ｂと開口部２ｃと開口部の外周にフランジ２ｄが一体で形成されたケース２と、天部２ａの内面に設置された圧電体３で構成されている。ケース２の側壁部２ｂには制振体４が巻装されており、開口部２ｃは封止体２ｅで封止され、封止体２ｅとフランジ２ｄとで超音波センサ１の支持部１ａを形成しており、支持部１ａは振動伝達抑止体５の保持部５ａに保持され、振動伝達抑止体５は超音波流量計測装置の被取り付け部６に設置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５２８７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の超音波センサ１の被取り付け部６への取り付け構成では、超音波センサ１のケース２の防振対策のために、制振体４と振動伝達抑止体５を設けているが、制振体４と振動伝達抑止体５が密着し、さらにその振動伝達抑止体５が保持部５ａを有しているので、被取り付け部６に取り付ける際に、この振動伝達抑止体５が被取り付け部６に密着して取り付けられる。この構成では、発信側の超音波センサ１の圧電体３の振動がケース２の側壁部２ｂを伝わり制振体４に伝達されるが、そこで、密着されている振動伝達抑止体５にもその振動が伝わってしまい、振動伝達抑止体５でも振動が完全に払拭されなかった残響振動が密着している被取り付け部６の壁を通じて受信側に伝わり、この流路壁を伝搬した残響による振動が測定流体中を伝搬した信号に干渉してノイズとなり、流量の計測が悪化する可能性を有しているという課題があった。
【０００６】
また、従来の超音波センサの制振体４と振動伝達抑止体５はお互いに嵌合するように構成され且つ、振動伝達抑止体５が超音波センサ１の支持部１ａを挟持するように備え付けるため超音波センサ１に組み込むことに時間を要する。さらに、振動伝達抑止体５は、センサ支持部１ａを挟持させるために凹部を設けなければならないが、材質はゴムのような弾性体を用いることが多いので、弾性体である振動伝達抑止体５の保持部５ａで支持部１ａを確実に挟持できずに、はずれてしまう可能性があるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の本発明の超音波センサの取り付け構造は、
天部と側壁部と開口部とを有する有天筒状のケースと天部の内壁面に固定された圧電体と側壁部の端部に設けたフランジ部とフランジ部と開口部を塞ぐ端子板とを有する超音波センサと、側壁部の少なくとも一部に設置され、側壁部の筐体振動を防止する振動伝達抑止体と、フランジ部の少なくとも一部に密接する封止体とを含み、超音波センサは封止体を介して当該超音波センサの被取り付け部に取り付けているものである。
【０００８】
これにより、圧電体の振動によるケース側壁面への振動伝搬を振動伝達抑止体で遮断すると同時に、流路への不要振動伝搬を防止することで、送受信側の超音波センサが、不要信号の影響を受けずに計測に必要な信号を送受信することが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の超音波センサの取り付け構造は、精度の高い計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波センサの取り付け構造の断面図
【図２】本発明の実施の形態２における超音波センサの取り付け構造の断面図
【図３】本発明の実施の形態２における超音波センサの側壁部の断面図
【図４】本発明の実施の形態３における超音波流量計測装置の断面図
【図５】従来の超音波センサの取り付け構造の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
第１の発明は、天部と側壁部と開口部とを有する有天筒状のケースと前記天部の内壁面に固定された圧電体と前記側壁部の端部に設けたフランジ部と前記フランジ部と前記開口部を塞ぐ端子板とを有する超音波センサと、前記側壁部の少なくとも一部に設置され、前記側壁部の筐体振動を防止する振動伝達抑止体と、前記フランジ部の少なくとも一部に密接する封止体とを含み、前記超音波センサは、前記封止体を介して当該超音波センサの被取り付け部に取り付けているものである。
【００１２】
これにより、超音波センサのケース側壁面に振動伝達抑止体を被取り付け部に接触せずに設けているので、圧電体からの振動がケース側壁面を伝わって流路側に伝搬することを防止し、さらに封止体と振動伝達抑止体は非接触で構成されているので、残響の短い超音波パルスの信号を送受信することができので、精度の高い計測が可能となる。
【００１３】
第２の発明は、特に第１の発明において、前記側壁部の表面を覆う電気的絶縁材料で形成された成型層を備え、前記振動伝達抑止体は、前記成型層の表面に設置されているものである。
【００１４】
これにより、超音波センサと被取り付け部間で電気的な絶縁距離を確保することができ、耐電圧性を高めて雷サージ性が向上する。さらに、超音波センサの残響によるノイズの発生の防止ができ、Ｓ／Ｎ比が改善されて被測定流体の流量、流速の計測精度など、計測特性の向上が可能となる。
【００１５】
第３の発明は、一対の前記超音波センサと、被測定流体が流れる計測流路と、前記計測流路に対向して配置された一対の前記被取り付け部と、前記超音波センサ間の超音波伝播時間を計測する計測回路部と、前記計測回路部からの信号に基づいて流量を算出する演算部とを含み、前記超音波センサは、第１または第２の取り付け構造により前記計測流路の被取り付け部に対向して取り付けられた超音波流量計測装置である。
【００１６】
これにより、計測精度が高く、計測特性の優れた超音波流量計測装置を提供することができる。
【００１７】
以下、本発明の実施形態に係る超音波センサのシール構造およびそれを用いた超音波流量計測装置について、図面を参照して説明する。なお図面中で同一符号を付しているものは同一なものであり、詳細な説明は省略する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における超音波センサの取り付け構造を示す断面図である。
【００１９】
超音波センサのケース７は天部８と側壁部９と開口部１０を有した有天筒状の形状である。ケース７の天部８の外壁面には整合層１１が固定されており、天部８の内壁面には圧電体１２が接着固定されている。圧電体１２は、両端に銀電極（図示せず）を備えた例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなるもので、上方の電極が接合材料であるエポキシ接着剤（図示せず）を介して固定されている。
【００２０】
側壁部９の外側にはフランジ部１３が一体に設けられており、ケース７の開口部１０側に環状に広がるフランジ部１３と開口部１０を溶接等により塞ぐ端子板１４を備えている。端子板１４には端子１５ａ、１５ｂが設けられており、端子１５ａと１５ｂは絶縁部１７で絶縁されている。端子１５ａは、表面に金メッキを施したニッケル球を含有した導電部１６を介在して圧電体１２の下方電極に接続されて、電気的に導通接続されている。
【００２１】
このように、超音波センサ１８は、有天筒状のケース７の内部に圧電体１２を設けて端子板１４で封止するとともにケース７の外部に整合層１１とフランジ部１３を備えている。
【００２２】
超音波センサ１８は、計測するガス流体（ＬＰガス、天然ガス）中で使用されるので、ケース７は、耐食性に優れたステンレスを用い、整合層１１は、ガス流体中に圧電体１２から発振した超音波を効率的に放射させるために音響インピーダンスと耐久性を考慮して、エポキシ樹脂と中空ガラス球の混合体からなる材料を選択する。ケース７のフランジ部１３と端子板１４は、電気抵抗溶接などにより固定し、封止と電気的導通を確保している。
【００２３】
ケース７の側壁部９には制振性に優れた材質で形成された振動伝達抑止体１９が密着して巻装されており、超音波センサ１８が超音波を発するときの圧電体１２からケース７の側壁部９に伝わる振動を防止する。
【００２４】
超音波センサ１８はガスシール用封止体２０を介して被取り付け部６に取り付け固定されている。封止体２０は、フランジ部１３上の全周囲に環状に設けられ、接触する被取り付け部６の壁面に沿うように変形して固定される。
【００２５】
振動伝達抑止体１９は、封止体２０を介して被取り付け部６に固定される際、被取り付け部６と接触しないように、超音波センサ１８を固定する。ケース７の側壁部で発生する不要な筐体振動が振動伝達抑止体１９を介して被取り付け部６に伝搬することを防ぐためである。
【００２６】
振動伝達抑止体１９は、ケース７の側壁部９の全壁面あるいは一部の周囲に環状に設けられるため一定の可撓性を有し、ケース７側壁面で固定が容易な一定な径を有する０リング状の弾性体やエラストマーが用いられる。
【００２７】
振動伝達抑止体１９や、流体シール用の封止体２０は、電気的絶縁材料から構成される
。具体的には、アクリロニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）を主成分にしたゴムや、フロロシリコンゴム、フッ素ゴム、シリコンゴムなどが挙げられる。封止体２０は、ガスシールに優れ且つ超音波センサ１８を被取り付け部６に取り付けた後の変形量が小さい０リング状の弾性体やエラストマー、例えば振動伝達抑止体１９で用いた材質が挙げられる。それぞれの目的が達成されれば材質にこだわるものではなく、振動伝達抑止体１９と封止体２０が同じ材質でも、異なる材質であってもよい。
【００２８】
本実施の形態の上記構成を採用することにより、振動伝達抑止体１９は、圧電体１２からの振動がケース７の側壁部９に筐体伝搬して、フランジ部１３を介して被取り付け部６に伝搬し、被取り付け部６の壁面を通してもう一方の超音波センサ１８に不要振動を伝搬することを防止する。
【００２９】
また、ケース７の側壁部９の筐体伝搬がフランジ部１３を介して端子板１４、端子１５ａ、１５ｂに振動して、超音波センサ１８の超音波パルス信号と合成されることも防止する。
【００３０】
また、封止体２０は、Ｏリングのように超音波センサ１８のフランジ部１３上の全周状に簡易に取り付けることが出来るので、フランジ部１３に沿って封止体２０を凹部に成形した成形物を予め、超音波センサに嵌め込む作業が必要なく、超音波センサ１８をそのまま封止体２０を介して、被取り付け部６に短時間で取り付けることができる。また、封止体２０の形状もフランジ部１３に沿って封止体２０を凹部に成形する必要がないので、低コストでガスシール用封止体を得ることができる。
【００３１】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における超音波センサの取り付け構造を示す断面図である。
【００３２】
図２に示すように、超音波センサ１８のケース７の側壁部９の表面に密着するように電気的絶縁材料で構成される成型層２１が設けられている。振動伝達抑止体１９は、成型層２１表面上に接触して固定される。
【００３３】
成型層２１を設けることで、落雷などにより被取り付け部６と超音波センサ１８のケース７間に異常高電圧が発生した場合でもリークに至る耐電圧を高めることができ、リーク電流による超音波センサ１８の損傷を防止することができる。
【００３４】
成型層２１は、ゴム材料のような弾性体や、ポリプロピレンのような樹脂成形物が挙げられ、形状としてはケース７の側壁部９の形状に沿う樹脂スリーブでもよい。また、成型層２１がポリプロピレンのような樹脂の場合は、振動伝達抑止体１９が成型層２１からずれないように、図３に示すように成型層２１の表面上全周の一部にガイド２２を設けることもできる。
【００３５】
このように、超音波センサ１８のケース７の側壁部９の表面を絶縁体で遮蔽して被取り付け部６に取り付ける際に、超音波センサ１８と被取り付け部６との電気的導通距離を大きくとることにより、落雷などの雷サージで、超音波センサと流路間に異常高電圧が発生した場合でもリークに至る耐電圧を高めて、リーク電流による超音波センサの損傷を防止することができる。
【００３６】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における超音波流量計測装置の構成を示す断面図である。
【００３７】
図に示すように、流路壁２４に囲まれた幅Ｗの計測流路２４であり、２個の超音波センサ２５、２６は互いに対向するように流路壁２４の取り付け部６に振動伝達抑止体１９と、封止体２０を介して取り付けられている。上流側の超音波センサ２５と下流側の超音波センサ２６は距離Ｌを隔てるとともに速度Ｖの被計測流体の流れに対して角度θ傾けて設置されている。超音波センサ２５、２６に対して超音波の送受信をさせる計測回路部２７が接続されており、計測回路部２７には計測回路部２７での信号を基に流速を計算し流量を算出する演算部２８が接続されている。
【００３８】
被測定流体は、都市ガスやＬＰガスであり、超音波流量計測装置としては、例えば、家庭用ガスメータ等が考えられ、計測流路２３を構成する材料はアルミダイキャストなどが挙げられる。
【００３９】
以上のように構成された超音波流量計測装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００４０】
計測流路２３を被計測流体が流れている時に、計測回路部２７の作用により超音波センサ２５、２６間で計測流路２３を横切るようにして超音波の送受が行われる。すなわち、上流側の超音波センサ２５から発せられた超音波が下流側の超音波センサ２６で受信されるまでの経過時間Ｔ１を計測する。また一方、下流側の超音波センサ２６から発せられた超音波が上流側の超音波センサ２５で受信されるまでの経過時間Ｔ２を計測する。
【００４１】
このようにして測定された経過時間Ｔ１およびＴ２を基に、以下の演算式により演算部２８で流量が算出される。いま、被計測流体の流れと超音波伝播路とのなす角度をθとし、流量測定部である超音波センサ２５、２６間の距離をＬ、被測定流体の音速をＣとすると、流速Ｖは以下の式にて算出される。
【００４２】
Ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）
Ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）
Ｔ１の逆数からＴ２の逆数を引き算する式より音速Ｃを消去して、
Ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）｛（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２）｝
θおよびＬは既知なのでＴ１およびＴ２の値より流速Ｖが算出できる。
ここで、計測流路２３の流れ方向に直交する横断面積ｓより、流量Ｑは
Ｑ＝ｋＶｓ
ここで、ｋは横断面積ｓにおける流速分布を考慮した換算係数である。
このようにして演算部２８で流量を求めることができる。
【００４３】
超音波による流量計測では、時間Ｔ１、Ｔ２を高精度に計測することが重要である。すなわち、送信側では圧電体からケースに伝搬する筐体振動による残響の少ない超音波振動を被計測流体中のみに発することが大切であり、受信側では流体通路壁を伝搬した超音波振動は排除し被計測流体中を伝搬した超音波振動のみを、残響を少なく受信することが重要である。
【００４４】
本実施の形態の超音波流量計測装置では、超音波センサ１８の側壁部９に設けた振動伝達抑止体１９が、センサが超音波振動を発するときに圧電体１２からケース７の側壁部９を伝搬する筐体振動を防止するので、残響の短い超音波パルスの信号を発振することができる。
【００４５】
さらに、振動伝達抑止体１９は、流路壁２４の所定箇所に取り付けられる際に、流路壁２４に接触しないように取り付けられるために、送信側の超音波センサから発振する際の
不要筐体振動を流路側に伝搬させることがない。
【００４６】
また、受信側の超音波センサでは、送信側から発振された超音波パルス信号を受信する際に整合層１１を介して振動が圧電体１２を振動させると同時に、側壁部９で筐体振動も生じるが、振動伝達抑止体１９により不要振動がフランジ部１３を介して端子板１４に接続している１５ａ、１５ｂに伝搬させることがないので、残響の短い超音波パルスの信号を受信することができる。
【００４７】
このことから、超音波センサの振動の減衰特性のばらつきを低減して超音波センサの送受信特性の安定化と信頼性を向上することができる。
【００４８】
さらに送受信の超音波センサで、流路壁２４に取り付けられる際には、超音波センサ１８のフランジ部１３上のガスシール用封止体２０によって、フランジ部の変形を防止して長期間の気密性を確保することができる。フランジ部１３の形状によらない単純な構成のガスシール用の封止体であるので、流路壁２４に超音波センサ１８を取り付ける際に、短時間で、容易にシール材を嵌めることができる。
【００４９】
また、封止体２０は、センサの側壁の筐体振動を防止する振動伝達抑止体１９とは、お互いに独立して超音波センサに供されるため、流路壁２４に取り付けたあと、一方の超音波センサ１８の筐体振動が振動伝達抑止体１９を介して、封止体２０に振動を伝搬することはないので、封止体２０が接触している流路壁２４に振動を伝搬させて、計測用の流路を通って、もう一方の超音波センサへ不要振動を伝搬させることなく、ガスシール性を確保することができる。
【００５０】
さらに、超音波センサ１８の側壁部９に設ける成型層２１を設ければ、アルミダイキャストのような金属でできている流路壁２４と超音波センサ１８を電気的な絶縁距離を確保することができ、耐電圧性を高めて雷サージ性が向上でき、信頼性の高い超音波流量計測装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、超音波振動子が発する振動の被取り付け部への伝搬を抑制することができるので、超音波振動子を使用した各種計測装置への用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００５２】
６  被取り付け部
７  ケース
８  天部
９  側壁部
１０  開口部
１２  圧電体
１３  フランジ部
１４  端子板
１８、２５、２６  超音波センサ
１９  振動伝達抑止体
２０  封止体
２１  成型層
２３  計測流路
２７  計測回路部
２８  演算部
【図１】
2012018030.tif 000003
【図２】
2012018030.tif 000004
【図３】
2012018030.tif 000005
【図４】
2012018030.tif 000006
【図５】
2012018030.tif 000007