(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フッ素樹脂で形成された配管の表裏に対向して配置され、超音波を送受信してその時間差から配管の内部に流れる流体の流量を検出する超音波液体流量検出センサであって、
直方体状で、その裏面長手方向に断面四角形状の凹部が形成され、かつ該凹部以外の部分に外方向に突出する係合部を有するとともに、該係合部と同一形状の凹部からなる係止部を有するセンサホルダを備え、該センサホルダの前記断面四角形状の凹部の一部に、配管と同じフッ素樹脂で形成され、配管と当接する部分を配管の外周と同じ曲面に形成されたシューが嵌挿されていることを特徴とする超音波液体流量検出センサ。
【請求項２】
前記シューの、超音波振動子を取り付ける面を、配管面に対して５０゜〜５８゜としたことを特徴とする請求項１に記載の超音波液体流量検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定流体の流れるフッ素樹脂配管の管外側に取り付けて流量を検出するクランプオン式の超音波液体流量検出センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
配管中に流れる流体を超音波で測定する方法は、配管の上流側と下流側に超音波液体流量検出センサをそれぞれ対向するようにクランプして配置し、超音波パルスを送受信させ、到達時間の差によって流速を検出することにより流量を測定する方法である。
【０００３】
従来、この方式の場合、配管に当接する超音波液体流量検出センサのシューには、アクリル、エポキシ等の材料が用いられおり、これを半導体洗浄装置等に用いられているＰＦＡ樹脂の小径配管に取り付けた場合、シューと配管の材質の相違により、シューからＰＦＡ樹脂配管へ入る音波が配管と直交する方向に屈折するため、センサ間の距離（スパン）を大きくとれず、測定精度を高めることができなかった。
【０００４】
また、従来、配管への超音波液体流量検出センサの固定にはワイヤバンドなどを用いて固定を行っていたが、この場合はあらゆる配管径に対応することができるという利点がある代わりに、その都度位置合わせを行わなければならないという問題がある。超音波流量計では、センサの位置が重要であり、位置合わせが正確に行われていないと測定精度に大きく影響してくるので、位置合わせに大きな労力を費やしていた。
【０００５】
そこで、半導体基板の洗浄等の分野のように小流量を超音波で測定する場合、クランプオン式ではなく図８に示すような専用の流量測定器を用いていた。この測定器は、検出部８０の流路８１を‘コ’字状にしたもので、入口８１ａから流入した液体は９０度曲げられて測定管８１ｂを通り、再び９０度曲げられて出口８１ｃから流出するように構成されている。測定管８１ｂの両端には超音波の発信、受信を行う超音波振動子８２が装着されていて、これら超音波振動子８２からの検出信号に基づいて、管路寸法等から流量を得ている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この流量測定器を用いる場合、既存の配管を切断して検出部を接続しなければならず、管内に不純物が混入するおそれがあり、またこの測定管は形状が‘コ’字状をしているので、隅の部分に液溜まりが生じ易く、不純物の蓄積、水溶液の析出などが生じることがあり、問題がある。
【０００７】
本発明の課題は、既存の配管を切断することなく設置でき、かつスパンを大きくとることができるとともに、超音波振動子間の位置あわせが容易な超音波液体流量検出センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、次にような手段を採用した。
請求項１に記載の超音波液体流量検出センサは、フッ素樹脂で形成された配管の表裏に対向して配置され、超音波を送受信してその時間差から配管の内部に流れる流体の流量を検出する超音波液体流量検出センサであって、直方体状で、その裏面長手方向に断面四角形状の凹部が形成され、かつ該凹部以外の部分に外方向に突出する係合部を有するとともに、該係合部と同一形状の凹部からなる係止部を有するセンサホルダを備え、該センサホルダの前記断面四角形状の凹部の一部に、配管と同じフッ素樹脂で形成され、配管と当接する部分を配管の外周と同じ曲面に形成されたシューが嵌挿されていることを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載の超音波液体流量検出センサは、請求項１に記載の発明において、シューの超音波振動子を取り付ける面を、配管面に対して５０度〜５８度としたことを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る超音波液体流量検出センサの第１の実施の形態につき説明する。
図１は、超音波液体流量検出センサ１０を配管５０にクランプオンした状態を原理的に説明する図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。但し、（ｂ）では下側のセンサ１０を省略している。図に示すように、配管５０は均一な直径を有するもので、半導体関係の洗浄液を搬送するために耐薬品性のあるフッ素樹脂（ＰＦＡ）で形成されている。配管５０にクランプオンされている超音波液体流量検出センサ１０のシュー１１は、配管５０と同じフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）で形成されているとともに、配管５０と当接する部分１１ａは配管５０の外周と同じ曲面、すなわち配管５０の外面の曲率と同じ曲率の曲面に形成されている。このため、シュー１１は配管５０の外面に密着する。また、シュー１１の側面１１ｂには超音波振動子１２が取り付けられており、この側面１１ｂは、配管５０の外表面に対して傾斜角θを持っている。
【００１２】
このように、フッ素樹脂（ＰＦＡ）系の配管５０に対し、同じ材質（ＰＴＦＥ）のシュー１１を用いたので、流量を計測するうえで良好な超音波受波は感度が得られる。これは、シュー１１と配管５０の音響特性が近いか又は同一のため、シュー１１と配管５０の間での超音波の反射がほとんど起こらず、効率よく配管５０内の液体に超音波が入射されることによる。さらに、フッ素樹脂内を伝播する音速は１３００ｍ／Ｓ程度と比較的遅いので、被測定体を水や水溶液などのフッ素樹脂より伝播速度の早いものに特定した場合、配管５０の中点を伝播する音波経路が最も短時間になるので、流量計測に用いられるＳ１のゼログロス点は、他の経路を伝播した受波によって乱されない。このことから適切な補正係数を乗じることにより、より精度の高い流量計測が可能となる。
【００１３】
また、このとき超音波の入射角はＳｎｅｌｌの法則に基づき、配管中心軸に対して、より鋭角になるように屈折が起こるので、送受信センサ１０の間隔を広げることができる。このことは、より精度の高い流量計測につながる。
【００１４】
一例として、シュー１１の材質をＰＴＦＥ、配管５０の材質をＰＦＡ、配管５０内に水を入れて、シュー１１の側面１１ｂの傾斜角θと超音波振動子の受波感度の関係を実験したところ、図２に示す結果を得た。シュー１１の超音波振動子１２取付け面の傾斜角θは、５０゜度〜５８゜の範囲が安定した受波感度を得られる。傾斜角が５０゜未満では超音波液体流量検出センサ１０間のスパンが取れず、５８゜を超えると急激に感度が下がることが判明した。なお、配管５０の直径は６．３５ｍｍである。また、シュー１１の配管５０と当接する部分１１ａを配管５０の外周と同じ曲面に形成したので、密着することによる受波感度の向上、Ｓ／Ｎ比の向上により、精度の高い流量計測が行える。
【００１５】
次に、第２の実施形態について説明する。
この超音波液体流量検出センサは、図３に示すセンサホルダ２３と、図４に示す超音波振動子２２が取り付けられたシュー２１とを備えている。なお、図３（ａ）はセンサホルダ２３を底側から見た斜視図、（ｂ）は上側から見た斜視図、図４（ａ）はシュー２１の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線による断面図、（ｃ）は正面図で、（ａ）を矢印Ｃ方向から見たものである。このセンサホルダ２３は、材質は塩化ビニール等のプラスチックで、その形状はほぼ直方体状に構成されており、その裏面中央部の長手方向両端にわたって少し凹んだ状態の溝２３ａが設けられていて、その溝２３ａの中に断面四角形状の凹部２３ｂが形成されている。また、裏面の溝２３ａの両側の高くなった部分で、かつセンサホルダ２３の端部近傍には一対の円柱状の係合部２３ｃが設けられている。
【００１６】
また、同じく裏面の溝２３ａの両側の高くなった部分で、かつセンサホルダ２３の中央部と端部との中間ほどに、前記係合部２３ｃと同一形状の凹部からなる係止部２３ｄが形成されている。なお、この係止部２３ｄはセンサホルダ２３の表裏に貫通している。さらに、センサホルダ２３は、中央部に円形の貫通孔２３ｅが設けられており、端部にはネジ溝が形成された円形の貫通孔２３ｆが設けられているとともに、側面と上面との間に貫通する４個の長方形の穴２３ｇが設けられている。
【００１７】
次に、このセンサホルダ２３に嵌め込まれるシュー２１について説明する。シュー２１はフッ素樹脂で構成されており、図４に示すように、側面視台形状の主部２１ａと、主部２１ａから水平に延びる平板状の副部２１ｂで構成されている。主部２１ａの長手方向の一方の側面２１ｃは垂直に形成されており、他方の側面２１ｄは底面に対して５８゜の傾斜角θを有していて、そこには超音波振動子２２が接着取り付けされている。また、主部２１ａの底面部２１ｅは、図４（ｃ）に示すように、曲面に形成されており、被測定液体を通す配管の外表面の曲面とほぼ同一曲率を有する曲面となっている。さらに、主部２１ａの上面にはネジ孔２１ｆが設けられており、該ネジ孔２１ｆは、シュー２１を上記センサホルダ２３に嵌挿したときに、センサホルダ２３の貫通孔２３ｅからネジを差し込んでこのネジ孔２１ｆに螺合させ、シュー２１をセンサホルダ２３に固定させるためのものである。
【００１８】
図５は、センサホルダ２３にシュー２１を嵌挿した状態の超音波液体流量検出センサ２０を示すもので、（ａ）は分解図、（ｂ）は完成状態を示す図である。シュー２１をセンサホルダ２３の凹部２３ｂに嵌挿して、ネジ２４にて固定する。この時、シュー２１の副部２１ｂは、その両側がセンサホルダ２３の溝２３ａの一部によって支持されている。また、超音波振動子２２に接続された配線２５は、センサホルダ２３の孔２３ｆを塞ぐキャップ２６の中心部を通って外部に引き出されている。
【００１９】
次に、この超音波液体流量検出センサ２０の使用方法について説明する。図６に示すように、一対の超音波液体流量検出センサ２０を左右を逆にしてひっくり返し、配管５０挟むようにして、互いの係合部２３ｃを相手側の係止部２３ｄに差し込む。配管５０は、両側のセンサ２０のシュー２１の底面部２１ｅによって両側から挟み込まれた状態になる。このように、上流側と下流側に対抗して配置される超音波液体流量検出センサ２０の位置決めがワンタッチで簡単に行える。
【００２０】
続いて、２つのセンサ２０が外れないように、図７に示すように、センサホルダ２３に形成されている穴２３ｇにバンド３０を通して締め付ける。このバンド３０は、多数の配線を束ねる時に用いるようなものでもよく、ロック、アンロックができるようなものであれば、流量の測定が終了した時点で外すことができ、さらに便利である。
【００２１】
このように、配管５０へのセンサ２０の取り付けが非常に簡単に行えるとともに、取り付け精度が向上し、また、センサホルダ２３の形状が、上流側、下流側とも同形状であり互い違いに向かい合わせて取り付ける構造になっているので、センサホルダ２３を形成する金型が１種類で済み、コストの軽減を図れる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による超音波液体流量検出センサはクランプオン形式なので、既存の配管を切断して取り付ける従来の半導体洗浄液量検出センサに比べて、流量検出作業が容易になるとともに、シューに配管と同じフッ素樹脂を用いたので、音波の反射屈折の関係からスパンを大きくとれ精度の高い流量測定が行える。
【００２３】
また、配管への取り付けが簡単で、かつ位置合わせ容易なので、作業時間を短縮することができる。さらに、１種類の金型から、上流、下流のセンサホルダを作ることができるので、コストを軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波液体流量検出センサの第１の実施の形態を配管に対して取り付けた図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】シューの超音波振動子取付面の角度と受波感度との関係を示す図である。
【図３】センサホルダを示し、（ａ）は底面から見た斜視図、（ａ）は上面から見た斜視図である。
【図４】シューの形状を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線による断面図、（ｃ）は右側面図である。
【図５】シューとセンサホルダの分解図、（ｂ）は組立完成図である。
【図６】図５に示す第２の実施形態の超音波液体流量検出センサを配管に取り付ける状態を説明するための図である。
【図７】超音波液体流量検出センサを配管に取り付けて、バンドで締めた図である。
【図８】従来から用いられている、半導体洗浄液の流量を測定するための検出器の動作原理を示す図である。
【符号の説明】
１０    超音波液体流量検出センサ
１１    シュー
１１ａ  配管と当接する部分
１２    超音波振動子
２０    超音波液体流量検出センサ
２１    シュー
２２    超音波振動子
２３    センサホルダ
２３ｂ  凹部
２３ｃ  係合部
２３ｄ  係止部
５０    配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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