JPWO2011040037A1 - 超音波流量計測ユニット - Google Patents

Abstract

本発明は、計測性能に関わる設計要因を払拭した汎用性と多様性に優れた超音波流量計測ユニットを提供するものであり、本発明の超音波流量計測ユニット（１９）は、流体が通過する計測用流路（９）と、計測用流路（９）に設けられた一対の超音波変換器（１０ａ，１０ｂ）と、これら超音波変換器（１０ａ，１０ｂ）の間で発受信される超音波信号（１１）の伝搬時間を計測し流量を算出する計測回路基板（１２）と、を備え、超音波変換器（１０ａ，１０ｂ）の端子に、ある角度に屈曲させたリードピン（１４）を接続し、計測用流路（９）に計測回路基板（１２）をオンボードした後、リードピン（１４）を計測回路基板（１２）に接続する構成となっている。

Description

本発明は、ガスや空気などの流体を超音波で計測する超音波流量計測ユニットに関するものである。

従来、この種の超音波流量計は計測用流路に一対の超音波変換器を対向して設け、この超音波変換器間の伝搬時間から流量を測定するもので、超音波変換器を配置した計測用流路部と伝播時間を計測し流量を演算する超音波計測回路部をリード線によって接続している（例えば、特許文献１参照）。

また、計測用流路部に取り付けた超音波変換器を気密封止して計測用流路をユニット化しているものもある（例えば、特許文献２参照）。

図７は、前記特許文献１に記載された従来の流量計測器を示すものである。図７に示すように、ガス室１内に入口１ａと出口１ｂとを仕切る隔壁２を介して取り付けられた計測用流路３と、計測用流路３を挟んで対向して設けられた超音波変換器４，５と、ガス室１の外部に設けられたコントローラ６と、超音波変換器４，５およびコントローラ６を接続するリード線７と、から構成されている。

特開２００３−９７９９３号公報 特開２００８−２２７６５８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、計測用流路３に取り付けられた超音波変換器４，５とコントローラ６とをリード線７で接続する構成なので、リード線７の仕様、配線構成、超音波変換器４，５の取り付け精度、リード線７の配線ノイズ対策、計測用流路３の精度確保など、計測性能に関係する設計制約事項が多く、且つ、組み立て時の調整工数が多いなどの課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、計測性能の安定化と設計自由度を高くした超音波流量計測ユニットを提供することを目的とする。

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測ユニットは、流体が通過する計測用流路と、前記計測用流路に設けられた一対の超音波変換器と、前記超音波変換器の間で発受信される超音波信号の伝搬時間を計測する計測部と前記計測部の信号に基づいて流量を算出する流量演算部からなる計測回路基板と、前記計測回路基板を保持する基板ホルダーと、前記超音波変換器の端子に接続されたリードピンとを備え、前記計測用流路に前記基板ホルダーをオンボード実装した後前記リードピンを計測回路基板に接続してなるものである。

これによって、超音波変換器の取り付け精度や延長リード線の配線ノイズ対策、計測用流路の精度など、計測性能に関係する設計事項の制約を払拭することができる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

以上のように、本発明によれば、計測性能の安定化と設計自由度を高くした超音波流量計測ユニットを提供することができる、という効果を奏する。

本発明の実施の形態１における超音波流量計測ユニットの構成例を示す断面図である。 （ａ）は、図１に示す超音波流量計測ユニットが備える超音波変換器の構成例を示す側面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す超音波変換器の平面図である。 図１に示す超音波流量計測ユニットの組立時の構成例を示す斜視図である。 図１に示す超音波流量計測ユニットを用いた流量計測装置の実装構成を示す斜視図である。 図１に示す超音波流量計測ユニットを用いた流量計測装置の他の実装構成を示す斜視図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態２における超音波流量計測ユニットの構成の一例を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す超音波流量計測ユニットの側面図である。 従来の超音波ガスメータの構成例を示す模式的断面図である。

９ 計測用流路
１０，１０ａ，１０ｂ 超音波変換器
１４ リードピン
１２ 計測回路基板
１３，２６ 基板ホルダー
１９，２５ 超音波流量計測ユニット
２４ 絶縁板
２４ａ リードピンガイド

本発明は、流体が通過する計測用流路と、前記計測用流路に設けられた一対の超音波変換器と、前記超音波変換器の間で発受信される超音波信号の伝搬時間を計測する計測部と前記計測部の信号に基づいて流量を算出する流量演算部からなる計測回路基板と、前記計測回路基板を保持する基板ホルダーと、前記超音波変換器の端子に接続されたリードピンとを備え、前記計測用流路に前記基板ホルダーをオンボード実装した後前記リードピンを計測回路基板に接続した構成の超音波流量計測ユニットである。この構成により、超音波変換器の取り付け精度や延長リード線の配線ノイズ対策、計測用流路の精度など、計測性能に関係する設計事項の制約を払拭することができる。

前記構成の超音波流量計測ユニットにおいては、計測回路基板は、平板状に形成されると共に、計測用流路の流れ方向に対して平行に配置され、超音波変換器は、前記計測用流路の流れ方向に対して、角度を有して配置され、リードピンは、前記計測回路基板との接続端が前記計測回路基板に対し垂直となる様な角度で屈曲すると共に、途中にＵ字状のリードフォーミングを有した構成であればよい。これにより、計測回路基板との直接接続において熱歪を吸収することができる。

前記構成の超音波流量計測ユニットにおいては、一対の超音波変換器は、共に計測用流路の同一面側に配置され、一方の超音波変換器から発信された超音波が前記計測用流路の内壁に１回反射して他方の超音波変換器で受信するように配置された構成であればよい。これにより、超音波変換器を計測用流路の片側に集約することにより、計測回路基板との接続を最短距離にすることが可能となるため計測回路基板の小型化ができる。

前記構成の超音波流量計測ユニットにおいては、基板ホルダーは、前記リードピン間に位置する絶縁板を一体に備えた構成であればよい。これにより、超音波変換器のリードピン間の絶縁を確保することができる。

前記構成の超音波流量計測ユニットにおいては、基板ホルダーは、前記リードピンを前記計測回路基板に設けた挿入孔に導入するためのリードピンガイドを一体に設けた構成であればよい。これにより、リードピンの計測回路基板の挿入孔への挿入を容易にすることが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本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、本発明の第１の実施の形態における超音波流量計測ユニットの模式的な断面図を示すものである。

図１に示すように、本実施の形態における超音波流量計測ユニット１９は、ユニット本体８、超音波変換器１０ａ，１０ｂ、計測回路基板１２、基板ホルダー１３、取り付け用フランジ１８等を備えている。

超音波変換器１０ａ，１０ｂは、ユニット本体８に取り付けられ、一方から発信された超音波が計測用流路９の壁面９ａに１回反射して他方で受信できるように、計測用流路９の同一面に配置している。具体的には、一方の超音波変換器１０ａは、計測用流路９における流体の流れ方向（図中ブロック矢印）の下流側に位置し、他方の超音波変換器１０ｂは、上流側に位置している。さらに、一方の超音波変換器１０ａは、計測用流路９における流体の流れ方向（図中ブロック矢印）に対して、超音波の発受信面が上流側に向かうように傾斜している。また、他方の超音波変換器１０ｂは、流体の流れ方向に対して、超音波の発受信面が下流側に向かうように傾斜している。それゆえ、一方の超音波変換器１０ａ（または超音波変換器１０ｂ）から発信された超音波信号１１は、壁面９ａで反射されて、他方の超音波変換器１０ｂ（または超音波変換器１０ａ）で受信される。

計測回路基板１２は、超音波変換器１０ａ，１０ｂの間で発信または受信される伝搬時間を計測する計測部（図示せず）と、この計測部の信号に基づいて流量を算出する流量演算部（図示せず）からなり、基板ホルダー１３に内装されている。基板ホルダー１３は、ユニット本体８に対して、接合部１３ａにおいて取り付けられている。接合部１３ａは、ユニット本体８の外面の一部であって、一対の超音波変換器１０ａ，１０ｂの取り付け位置の間に位置しており、略平坦な面となっている。それゆえ、基板ホルダー１３を介して取り付けられた計測回路基板１２は、計測用流路９内の流路配置方向（すなわち流体の流れ方向）に平行となるように配置されている。また、超音波変換器１０ａ，１０ｂの端子に接続されたリードピン１４は、計測回路基板１２に半田付けされている。これによって、超音波変換器１０ａ，１０ｂが計測回路基板１２と電気的に接続されている。

ユニット本体８は、内部に計測用流路９を有しているとともに、外面に凸状の変換器取付部１５を有している。変換器取付部１５は台形状の断面を有し、上面が接合部１３ａであり、台形の斜辺に相当する斜面には、超音波変換器１０ａ，１０ｂを取り付けるための一対の傾斜孔が形成されている。これら傾斜孔は、計測用流路９の外側から内側へ向かって互いに対向するように傾斜している。また、前記のとおり、傾斜孔の間に略平坦な接合部１３ａが設けられている。さらに、変換器取付部１５の外側（つまり、超音波変換器１０ａ，１０ｂから見て外側）には、取り付け用フランジ１８が設けられている。なお、変換器取付部１５、取り付け用フランジ１８については後述する。

ユニット本体８、計測用流路９、超音波変換器１０ａ，１０ｂ、計測回路基板１２、基板ホルダー１３、取り付け用フランジ１８等の具体的な構成は特に限定されず、公知のものを好適に用いることができる。また、超音波変換器１０ａ，１０ｂの傾斜角（すなわちユニット本体８に設けられる一対の傾斜孔の傾斜角）も特に限定されず、計測用流路９の内径またはユニット本体８の長さを考慮したうえで、取り付けられた超音波変換器１０ａ，１０ｂの間で、壁面９ａの反射により超音波信号１１が発信および受信できるような角度であればよい。

図２（ａ），（ｂ）は、図１に示す超音波流量計測ユニット１９が備える超音波変換器１０ａ，１０ｂの端子と、この端子に接続されるリードピン１４の構成を示すものである。なお、超音波変換器１０ａ，１０ｂの構成は基本的に同じであるため、以下の説明では、超音波変換器１０ａ，１０ｂをまとめて「超音波変換器１０」と記載する。

図２（ａ）に示すように、超音波変換器１０の発受信面の反対側にリードピン１４の一方の端が接続されている。リードピン１４の他方の端は計測回路基板１２への接続端であり、この他方の端は屈曲しており、その屈曲の角度は、超音波変換器１０をユニット本体８に取り付けたときに、同じくユニット本体８に取り付けられた計測回路基板１２に対して垂直に位置する角度に設定されている。また、リードピン１４は、超音波変換器１０の端子１０ｃ（および端子１０ｄ）にカシメ２３（或いは溶接）で接続されている。また、リードピン１４には途中にＵ字状のリードフォーミング１４ａを設けている。

さらに、図２（ｂ）に示すように、リードピン１４は、その屈曲方向が超音波変換器１０の端子１０ｃ，１０ｄの配列方向Ａに対して直角方向Ｂとなるように、超音波変換器１０に取り付けられている。このリードピン１４の具体的な構成は特に限定されず公知の構成であればよいが、屈曲の角度は前記のとおりに設定され、その長さは計測回路基板１２に半田付けができる長さに適宜設計されればよい。

図３は、図１に示す超音波流量計測ユニット１９の組立時の構成を模式的に示す斜視図を示すものである。図３においては、ユニット本体８と基板ホルダー１３と計測回路基板１２とを点線で結ぶことで組立時の構成を示している。

図３に示すように、まず、ユニット本体８（内部に計測用流路９が形成されている）の変換器取付部１５の傾斜孔に超音波変換器１０ａ，１０ｂを気密状態（図示せず）に取り付ける。次に、計測回路基板１２を組み込んだ基板ホルダー１３をユニット本体８の接合部１３ａ（変換器取付部１５の上面）に固定する。ここで、接合部１３ａには保持用突起１６が設けられているので、基板ホルダー１３は、保持用突起１６を介して接合部１３ａ（すなわちユニット本体８）に固定される。次に、リードピン１４を計測回路基板１２の端子孔１７に挿入して半田付けする。また、ユニット本体８における変換器取付部１５の周囲に取り付け用フランジ１８が設けられる。これによって超音波流量計測ユニット１９が組み立てられる。

以上のように構成された超音波流量計測ユニット１９について、以下その作用を説明する。

まず、計測用流路９の入口に被計測流量を導くだけで超音波流量計測が可能となる。また、本実施の形態においては、（ｉ）超音波変換器１０ａと超音波変換器１０ｂとが、計測用流路９の壁面９ａを１回反射して超音波信号１１が送受信されるように、ユニット本体８（計測用流路９の同一面）に配置され、（ｉｉ）計測回路基板１２（超音波変換器１０ａ，１０ｂの間で発受信される伝搬時間を計測する計測部と、前記計測部の信号に基づいて流量を算出する流量演算部とからなる）を、基板ホルダー１３と共にユニット本体８（すなわち計測用流路９）に合体させ、（ｉｉｉ）超音波変換器１０ａ，１０ｂの端子がリードピン１４によって計測回路基板１２に接続される、という構成を有しているので、超音波変換器１０の取り付けリード線の影響を低減でき、計測用流路９の精度や計測性能に関係する設計的要因を超音波流量計測ユニット１９で吸収できる上に、調整も一括で行うことが可能となる。それゆえ、従来の超音波流量計と比較して、小型化および生産性の向上を図ることができる。

また、図４は、本発明の超音波流量計測ユニット１９を計測装置に用いる場合の応用例を示すものである。

図４に示すように、超音波流量計測ユニット１９に、気体流路２０に取り付けるための取り付け用フランジ１８を設けたことにより、気体流路２０の挿入部２０ａにはめ込み固定することが可能となる。ここで、気体流路２０は、入口２０ｂから流入した気体が、出口２０ｃから排出されるように筐体（気体流路筐体）として構成されたもので、その途中に開口部である挿入部２０ａが配してあり、本発明の超音波流量計測ユニット１９が取り付け可能に構成されたものである。

また、図５は、本発明の超音波流量計測ユニット１９を計測装置に用いる場合の他の応用例を示すものである。

図５に示すように、計測装置本体２１には、気体の入口２１ａ側と出口２１ｂ側との間に、これら入口２１ａおよび出口２１ｂを隔離する壁２２が設けられており、この壁２２を介して入口２１ａおよび出口２１ｂをつなぐように本発明の超音波流量計測ユニット１９をはめ込むこともできる。この場合、測定対象の気体は、入口２１ａから流入して、超音波流量計測ユニット１９の計測用流路９の流入口９ｂを経由して、出口２１ｂから排出される。計測装置本体２１は、入口２１ａ側と出口２１ｂ側とを壁２２で仕切るだけの簡単な構造にすることができ、入口、出口の配置の自由度が広がるなど、多様性、汎用性に優れた小型、軽量な超音波流量計測ユニットを提供することができる。

このように、本実施の形態の超音波流量計測ユニット１９であれば、超音波流量計測性能に関係する設計的要因と制約を払拭して計測精度の向上、及び汎用性と多様性を高めることができる。なお、本実施の形態において、図４および図５に示す例では、流量の測定対象が気体であるが、本発明はこれに限定されず、液体等の流体であれば、どのような種類のものでも流量の測定が可能である。

（実施の形態２）
図６（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態２を示すもので、実施の形態１と同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、図６（ａ），（ｂ）においては、説明の便宜上、一部の要素に符号を付すことを省略している。

図６（ａ）の模式的断面図に示すように、本実施の形態の超音波流量計測ユニット２５は、基板ホルダー２６における超音波変換器１０ａ，１０ｂへの接続面に、絶縁板２４とリードピンガイド２４ａとが設けられている構成となっている。

具体的には、図６（ｂ）の側面図（基板ホルダー２６および計測回路基板１２の部分のみ断面図）に示すように、絶縁板２４は、超音波変換器１０ａ，１０ｂに接続される２本のリードピン１４（図２（ｂ）も参照）の間の絶縁を確保するために、これらの間に基板ホルダー２６と一体的に設けられている。また、リードピンガイド２４ａは、リードピン１４を計測回路基板１２に設けた端子孔１７に導くために、当該端子孔１７の周囲に設けられる。

以上のような構成により、基板ホルダー２６を樹脂成形で製造する場合に、絶縁板２４とリードピンガイド２４ａとを同時に形成することができるので、コストアップなしに、超音波変換器１０ｂのリードピン１４間の絶縁が確保されると共に、リードピン１４の計測回路基板１２の端子孔１７への挿入を容易にすることが可能となる。

なお、絶縁板２４およびリードピンガイド２４ａの具体的構成は特に限定されず、本実施の形態では、図６（ａ），（ｂ）に示すように、基板ホルダー２６に一体的に設けられる構成となっているが、別部材であって基板ホルダー２６に取り付けられる構成であってもよい。また、絶縁板２４の厚み、リードピンガイド２４ａの突出の程度等といった寸法についても諸条件に応じて好適な値が適宜設定される。

このように、本実施の形態の超音波流量計測ユニット２５においても、超音波流量計測性能に関係する設計的要因と制約を払拭して計測精度の向上、及び汎用性と多様性を高めることができる。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計測ユニットは、超音波流量計測性能に関係する設計的要因と制約を払拭して計測精度の向上、及び汎用性と多様性が可能となるので、ガスメータや工場などの気体計測装置、あるいはさまざまな流体の計測装置等の用途に好適に広く用いることができる。

Claims (5)

1. 流体が通過する計測用流路と、
   前記計測用流路に設けられた一対の超音波変換器と、
   前記超音波変換器の間で発受信される超音波信号の伝搬時間を計測する計測部と前記計測部の信号に基づいて流量を算出する流量演算部とからなる計測回路基板と、
   前記計測回路基板を保持する基板ホルダーと、
   前記超音波変換器の端子に接続されたリードピンと、を備え、
   前記計測用流路に前記基板ホルダーをオンボード実装した後、前記リードピンを計測回路基板に接続してなることを特徴とする、超音波流量計測ユニット。
2. 前記計測回路基板は、平板状に形成されると共に、前記計測用流路の流れ方向に対して平行に配置され、
   前記超音波変換器は、前記計測用流路の流れ方向に対して、角度を有して配置され、
   前記リードピンは、前記計測回路基板との接続端が前記計測回路基板に対し垂直となる様な角度で屈曲すると共に、途中にＵ字状のリードフォーミングを有したことを特徴とする、請求項１に記載の超音波流量計測ユニット。
3. 前記一対の超音波変換器は、共に前記計測用流路の同一面側に配置され、一方の超音波変換器から発信された超音波が前記計測用流路の内壁に１回反射して他方の超音波変換器で受信するように配置されたことを特徴とする、請求項１または２に記載の超音波流量計測ユニット。
4. 前記基板ホルダーは、前記リードピン間に位置する絶縁板を一体に備えたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波流量計測ユニット。
5. 前記基板ホルダーは、前記リードピンを前記計測回路基板に設けた挿入孔に導入するためのリードピンガイドを一体に設けたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波流量計測ユニット。