特開 2024-122804 超音波流量センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024122804

(43)【公開日】2024-09-09

(54)【発明の名称】超音波流量センサ

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/667 20220101AFI20240902BHJP

【ＦＩ】

G01F1/667 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023030570

(22)【出願日】2023-02-28

(71)【出願人】

【識別番号】000129253

【氏名又は名称】株式会社キーエンス

(72)【発明者】

【氏名】大津 信一郎

【テーマコード（参考）】

2F035

【Ｆターム（参考）】

2F035DA07

2F035DA08

2F035DA14

2F035DA21

(57)【要約】      （修正有）

【課題】超音波流量センサの小型化を実現しつつ、信号線による超音波素子への機械的影響を低減することにある。
【解決手段】超音波流量センサ１は、超音波信号を送受信する第１の超音波素子１１と、第１の超音波素子１１が取り付けられ、第１の超音波素子１１からの超音波信号を配管１３に向けて伝達する素子ベース１４と、素子ベース１４に取り付けられた第１素子ベース１４を収容するヘッド筐体５２と、ヘッド筐体５２とケーブル５３を介して接続されるアンプ筐体６０と、ヘッド筐体５２の中に固定され、ケーブル５３と、第１の超音波素子１１との間を中継する回路パターンが形成された中継基板４０と、第１の超音波素子１１と中継基板４０に形成された回路パターンとをヘッド筐体５２の中で電気的に接続する、金属細線４４を備えることができる。ここで、金属細線４４は、絶縁材料にエナメルを用いることができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

配管を流れる流体の流量を超音波信号により測定する超音波流量センサであって、
超音波信号を送受信する第１の超音波素子と、
前記第１の超音波素子が取り付けられ、当該第１の超音波素子からの超音波信号を配管に向けて伝達する第１素子ベースと、
前記第１素子ベースに取り付けられた前記第１の超音波素子を収容するヘッド筐体と、
前記ヘッド筐体とケーブルを介して接続されるアンプ筐体と、
前記ヘッド筐体の中に固定され、前記ケーブルと前記第１の超音波素子との間を中継する回路パターンが形成された中継基板と、
前記第１の超音波素子と前記中継基板に形成された回路パターンとを前記ヘッド筐体の中で電気的に接続する、絶縁材料にエナメルを用いた金属細線と、
超音波信号を送受信する第２の超音波素子と、
前記第２の超音波素子が取り付けられ、当該第２の超音波素子からの超音波信号を配管に向けて伝達する第２素子ベースと、
を備える超音波流量センサ。

【請求項2】

請求項１に記載の超音波流量センサにおいて、
前記ヘッド筐体に、前記金属細線が収容される空間を囲むノイズシールドが収容される超音波流量センサ。

【請求項3】

請求項１に記載の超音波流量センサにおいて、
前記アンプ筐体に収容され、前記第１の超音波素子と前記第２の超音波素子との間で送受信する超音波信号に基づいて配管の流量を測定する制御部をさらに備える超音波流量センサ。

【請求項4】

請求項３に記載の超音波流量センサにおいて、
前記アンプ筐体に収容され、前記第１の超音波素子を駆動する駆動回路をさらに備える超音波流量センサ。

【請求項5】

請求項４に記載の超音波流量センサにおいて、
前記アンプ筐体は、第二ケーブルを介して接続される中継筐体と本体筐体とを有し、前記制御部は前記本体筐体に収容され、前記第１の駆動回路は前記中継筐体に収容される超音波流量センサ。

【請求項6】

請求項３に記載の超音波流量センサにおいて、
前記アンプ筐体に第二ケーブルを介して接続されるとともに、前記第２素子ベースに取り付けられた前記第２の超音波素子を収容する第２ヘッド筐体を更に備え、前記第１ヘッド筐体と前記第２ヘッド筐体とが前記配管を挟んで、それぞれ前記配管の外壁に取り付けられるクランプオン型である超音波流量センサ。

【請求項7】

請求項１に記載の超音波流量センサにおいて、
前記第１の金属細線は、断面積が０．１平方ミリメートル以下である、超音波流量センサ。

【請求項8】

請求項７に記載の超音波流量センサにおいて、
前記第１の金属細線は、エナメルを用いた金属細線を複数本のより合わせた電線である、超音波流量センサ。

【請求項9】

請求項１に記載の超音波流量センサにおいて、
前記第１の超音波素子と前記第２の超音波素子との間で送受信する超音波信号に基づいて配管の流量を測定するとともに、測定した流量と所定のしきい値との比較結果を求める制御部をさらに備え、
前記中継基板に、表示灯光源が実装され、
前記ヘッド筐体に、前記制御部が求めた前記比較結果に基づいて前記表示灯光源からの光を受けて点灯する表示灯が形成される、超音波流量センサ。

【請求項10】

請求項１に記載の超音波流量センサにおいて、
前記中継基板に、前記ヘッド筐体を識別するヘッド識別素子が実装され、前記アンプ筐体は、起動時に前記ヘッド識別素子に基づいて前記ヘッド筐体の種別を判別する制御回路を収容する、超音波流量センサ。

【請求項11】

請求項１に記載の超音波流量センサにおいて、
前記流路を規定し、超音波信号を減衰するダンピング配管をさらに備える超音波流路センサ。

【請求項12】

請求項１１に記載の超音波流量センサにおいて、
前記ヘッド筐体はさらに、前記第２素子ベースに取り付けられた前記第２の超音波素子と前記ダンピング配管とを収容し、
前記第２の超音波素子と前記中継基板に形成された回路パターンとを前記ヘッド筐体の中で電気的に接続する、絶縁材料にエナメルを用いた第２の金属細線をさらに備える超音波流量センサ。

【請求項13】

請求項１２に記載の超音波流量センサにおいて、
前記ヘッド筐体に収容され、前記ダンピング配管を流れる流体の圧力を測定する圧力素子と、
前記アンプ筐体に収容され、前記第１の超音波素子と前記第２の超音波素子との間で送受信する超音波信号と前記圧力素子が測定する圧力とに基づいて配管の流量と圧力とを測定する制御部をさらに備える超音波流量センサ。

【請求項14】

請求項１１に記載の超音波流量センサにおいて、
前記中継基板に、前記ヘッド筐体を識別するヘッド識別素子が実装され、
前記ヘッド識別素子は不揮発性メモリであり、
前記不揮発性メモリは、前記ヘッド筐体を識別するヘッド識別情報と、前記ダンピング配管に関する補正値を記憶する、超音波流量センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、流路を流れる流体の流量を超音波信号により測定する超音波流量センサに関する。

【背景技術】

【0002】

流路を流れる流体の流量を超音波信号によって測定する測定機器として、超音波流量センサが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１の超音波流量センサは、配管の外壁に対して着脱自在に取り付けられ、配管の外から流体の流量を測定するクランプオン型超音波流量センサである。特許文献１のクランプオン型超音波流量センサの測定原理は、いわゆる伝搬時間差式であり、配管内を流れる流体に対して斜めに超音波信号を通過させ、流れに沿った方向と流れに逆らった方向とで超音波信号の伝播時間差を測定し、この伝搬時間差から気体の流速・流量を算出する。特許文献１では、配管に取り付けられるヘッド部と、ヘッド部にケーブルを介して接続されるヘッド部以外の中継部や本体部とに分離して、ヘッド部を小型化している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－１５８６７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで、配管が多く配置されるような狭小なスペースで超音波流量センサを取り付けたいという要求もあり、超音波流量センサのさらなる小型化が望まれている。
しかしながら、さらなる小型化により、ヘッド部筐体内において超音波素子に対する信号線の機械的影響が相対的に大きくなる。たとえば、信号線を介して応力が印加されることにより、たとえば、信号線が超音波素子から剥離して、超音波素子との間の導通不良を生じたり、超音波素子自体が素子ベースから剥離して、超音波素子と素子ベース間に空気の層が生じることにより、伝播する超音波信号の強度が下がるおそれがある。
本開示は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、超音波流量センサの小型化を実現しつつ、信号線による超音波素子への機械的影響を低減することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記目的を達成するために、本開示の一態様では、流路を流れる流体の流量を超音波信号により測定する超音波流量センサを前提とすることができる。
超音波流量センサは、超音波信号を送受信する第１の超音波素子と、前記第１の超音波素子が取り付けられ、当該第１の超音波素子からの超音波信号を配管に向けて伝達する素子ベースと、前記素子ベースに取り付けられた前記第１素子ベースを収容するヘッド筐体と、前記ヘッド筐体とケーブルを介して接続されるアンプ筐体と、前記ヘッド筐体の中に固定され、前記ケーブルと、前記第１の超音波素子との間を中継する回路パターンが形成された中継基板と、前記第１の超音波素子と前記中継基板に形成された回路パターンとを前記ヘッド筐体の中で電気的に接続する、金属細線を備えることができる。ここで、金属細線は、絶縁材料にエナメルを用いることができる。また、超音波流量センサは、上記構成に加えて、超音波信号を送受信する第２の超音波素子と、前記第２の超音波素子が取り付けられ、当該第２の超音波素子からの超音波素子を配管に向けて伝達する第２素子ベースを備えることができる。

【0006】

このように、小型化された超音波流量センサにおいて、筐体内の配線としてエナメルを用いた金属細線を用いることで、例えば、信号線の曲げによる被覆の反力を含む機械的影響を小さくすることができ、超音波素子及び中継基板を含む部品のヘッド筐体内の収容時あるいは組み立て時の金属細線の曲率を小さくすることで、筐体内の配線をコンパクトな構成とすることができる。

【発明の効果】

【0007】

以上説明したように、第１の超音波素子と中継基板に形成された回路パターンとを、絶縁材料にエナメルを用いた金属細線で電気的に接続する構成により、超音波流量センサの小型化を実現しつつ、信号線による超音波素子への機械的影響を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施形態に係る超音波流量センサの断面図である。

【図2】本発明の実施形態に係る超音波流量センサの機能ブロック図である。

【図3】本発明の実施形態に係る超音波流量センサのシールドを省略した外観に係る側面図である。

【図4】本発明の実施形態に係る超音波流量センサのシールドを省略した外観に係る斜視図である。

【図5】本発明の実施形態に係る超音波流量センサの筐体を省略した外観に係る斜視図である。

【図6】本発明の実施形態の変形例１に係る超音波流量センサの断面図である。

【図7】本発明の実施形態の変形例１に係る超音波流量センサの超音波素子周辺部の外観図である。

【図8】本発明の実施形態の変形例１に係る超音波流量センサの超音波素子周辺を説明する外観図である。

【図9】本発明の実施形態の変形例１に係る超音波流量センサの機能ブロック図である。

【図10】本発明の実施形態の変形例２に係る超音波流量センサの外観図である。

【図11】本発明の実施形態の変形例２に係る超音波流量センサの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

【0010】

図１は、本発明の実施形態に係る超音波流量センサ１の断面図である。超音波流量センサ１は、例えば圧縮空気をはじめとした各種気体の流量測定が可能に構成されている。超音波流量センサ１は、図示しないが空気圧システムに組み込んで利用することができる。本実施形態では、空気圧システムの配管の途中に超音波流量センサ１を設け、この超音波流量センサ１により、流路を流れる流体の流量を超音波信号により測定することで、空気圧システムの動作管理を流量に基づいて行えるようにしている。尚、超音波流量センサ１は、圧縮空気以外にも例えば窒素やアルゴン等の流量を測定することもできる。超音波流量センサ１が流量を測定する流体を、例えば対象流体、被測定流体と呼ぶこともできる。
以下、超音波流量センサ１の具体的な構造について説明する。超音波流量センサ１は、図１左側の（図示しない）上流側外部配管と、図１右側の（図示しない）下流側外部配管との間に設けられる。上流側外部配管は、超音波流量センサ１よりも上流側に位置する外部配管であり、また、下流側外部配管は、超音波流量センサ１よりも下流側に位置する外部配管である。尚、上流、下流は、説明の便宜を図るために定義するだけであり、実際の使用状態を限定するものではない。

【0011】

上流側外部配管及び下流側外部配管は、空気圧システムに設けられている配管の一部であり、圧縮空気は上流側外部配管から下流側外部配管へ流れるようになっている。超音波流量センサ１を空気圧システムに取り付ける際には、既存の配管の一部を切断した後、切断部よりも上流側を上流側外部配管とし、切断部よりも下流側を下流側外部配管として超音波流量センサ１を上流側外部配管と下流側外部配管との間に設置することが可能である。つまり、超音波流量センサ１は既存の配管を切断して設置することが可能である。尚、超音波流量センサ１は、空気圧システムの新設時に当該空気圧システムに組み込むこともできる。

【0012】

超音波流量センサ１は、第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２と、ダンピング配管１３と、第１の素子ベース１４及び第２の素子ベース１５とを備えている。第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２は、共に超音波信号を送受信するものであり、例えば圧電素子等で構成されていて全体として板状をなしている。ダンピング配管１３は、対象流体が流れる流路を規定するとともに、第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２から送信された超音波信号を減衰する部材からなる。具体的には、ダンピング配管１３は、超音波信号の減衰能を有する材料として、例えばナイロン、テフロン（登録商標）、ポリウレタン等からなり、第１の素子ベース１４及び第２の素子ベース１５を構成する材料よりも軟質な材料で構成されている。

【0013】

ダンピング配管１３における超音波信号が通過する部分の内面及び外面は、凹凸の無い、滑らかな面で構成されている。本実施形態では、ダンピング配管１３の長さ方向全体にわたり、内面及び外面が滑らかな面となっているので、第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２から送信された超音波信号が狙い通りに伝達される。また、ダンピング配管１３の流路には、流体の流れ方向と交差する方向に存在する部材（例えばメッシュ、フィルタ等）が設けられていない。つまり、ダンピング配管１３は、上流端から下流端まで完全に貫通した流路を有する円管材で構成されている。また、ダンピング配管１３の内面が滑らかな面で構成されていることから、ダンピング配管１３の内面に汚れが溜まりにくくなる。

【0014】

第１の超音波素子１１は、ダンピング配管１３の外側において径方向一方（図１の上側）に位置している。第１の素子ベース１４は、第１の超音波素子１１とダンピング配管１３との間で超音波信号を伝播するものであり、ダンピング配管１３の外側において第１の超音波素子１１とダンピング配管１３との間に配置されている。第１の素子ベース１４におけるダンピング配管１３側の配管側面１４ａは、当該ダンピング配管１３の管軸線Ｘと平行に延びる面で構成されている。第１の素子ベース１４における第１の超音波素子１１側の素子側面１４ｂは、上流側へ行くほどダンピング配管１３の管軸線Ｘから離れるように、当該管軸線Ｘに対して所定角度だけ傾斜している。
したがって、第１の素子ベース１４の配管側面１４ａと素子側面１４ｂとの管軸線Ｘに対する角度が相違することになり、これにより、第１の素子ベース１４は上流側へ行くほど厚み寸法が厚くなるくさび型となる。よって、第１の素子ベース１４を第１のクサビと呼ぶこともできる。

【0015】

第１の超音波素子１１における超音波信号を送受信する送受信面１１ａは、平面で構成されている。第１の素子ベース１４の素子側面１４ｂには、第１の超音波素子１１の送受信面１１ａが当接されている。このため、第１の超音波素子１１の送受信面１１ａもダンピング配管１３の管軸線Ｘに対して所定角度だけ傾斜することになる。

【0016】

ダンピング配管１３と第１の素子ベース１４との間には、音響結合材１３ｃが介在している。ダンピング配管１３の外面が音響結合材１３ｃに接触し、さらに第１の素子ベース１４の配管側面１４ａが音響結合材１３ｃに接触している。音響結合材１３ｃはダンピング配管１３の一部を構成する部材であってもよいし、第１の素子ベース１４の一部を構成する部材であってもよい。音響結合材１３ｃは、例えばゴムやグリス等からなる粘弾性体で構成されている。また、音響結合材１３ｃをゴム製とする場合、予めシート状に成形されたものを用いることができる。

【0017】

第２の超音波素子１２は、ダンピング配管１３の外側において径方向他方（図１の下側）に位置しており、第１の超音波素子１１と第２の超音波素子１２とはダンピング配管１３を径方向に挟むように配置されている。第２の素子ベース１５は、第２の超音波素子１２とダンピング配管１３との間で超音波信号を伝播するものであり、ダンピング配管１３の外側において第２の超音波素子１２とダンピング配管１３との間に配置されている。したがって、対象流体の流量は、ダンピング配管１３の流路を流れている時に測定される。ダンピング配管１３と第２の素子ベース１５との間にも、音響結合材１３ｃが介在している。第２の素子ベース１５は、第１の素子ベース１４と同様な樹脂材で構成することができる。

【0018】

第２の素子ベース１５におけるダンピング配管１３側の配管側面１５ａは、当該ダンピング配管１３の管軸線Ｘと平行に延びる面で構成されている。第２の素子ベース１５における第２の超音波素子１２側の素子側面１５ｂは、下流側へ行くほどダンピング配管１３の管軸線Ｘから離れるように、当該管軸線Ｘに対して所定角度だけ傾斜している。第２の素子ベース１５の配管側面１５aと、第１の素子ベース１４の配管側面１４aとは、互いに平行であり、また、第２の素子ベース１５の素子側面１５ｂと、第１の素子ベース１４の素子側面１４ｂとは、互いに平行である。

【0019】

したがって、第２の素子ベース１５の配管側面１５ａと素子側面１５ｂとの管軸線Ｘに対する角度が相違することになり、これにより、第１の素子ベース１４とは反対に、第２の素子ベース１５は下流側へ行くほど厚み寸法が厚くなるくさび型となる。よって、第２の素子ベース１５を第２のクサビと呼ぶこともできる。

【0020】

第２の超音波素子１２における超音波信号を送受信する送受信面１２ａは、第１の超音波素子１１と同様に、平面で構成されている。第２の素子ベース１５の素子側面１５ｂには、第２の超音波素子１２の送受信面１２ａが当接されている。このため、第２の超音波素子１２の送受信面１２ａもダンピング配管１３の管軸線Ｘに対して所定角度だけ傾斜することになる。

【0021】

超音波流量センサ１は、対象流体の流れ方向に長い形状のセンタブロック２をさらに備えている。センタブロック２は、例えば金属や硬質樹脂等の高剛性な部材からなるものである。したがって、ダンピング配管１３は、センタブロック２を構成する材料よりも軟質な材料で構成されていて、センタブロック２を構成する材料よりも超音波信号の減衰能が高くなっている。

【0022】

センタブロック２には、ダンピング配管１３が差し込まれる差込孔２０が流体の流れ方向に貫通するように形成されている。ダンピング配管１３の上流側部分及び下流側部分は、差込孔２０に差し込まれた状態でセンタブロック２に固定される。つまり、ダンピング配管１３は超音波流量センサ１に内蔵された内蔵配管と呼ぶこともできる。

【0023】

また、第１の素子ベース１４及び第２の素子ベース１５も、センタブロック２に固定されている。そして、第１の超音波素子１１は、第１の素子ベース１４に固定され、第２の超音波素子１２は、第２の素子ベース１５に固定されている。

【0024】

具体的には、センタブロック２には、第１の素子ベース１４のダンピング配管１３側が差し込まれる第１開口部２５が形成されている。図３に示すように、第１の素子ベース１４には、センタブロック２の外面に重ね合わされる第１フランジ部１４ｃが形成されている。第１フランジ部１４ｃには、第１ホルダ１６が重ね合わされている。第１ホルダ１６には、固定用のネジ（図示せず）が挿通するネジ挿通孔１６ａが形成されている。ネジ挿通孔１６ａに挿通されたネジは、第１の素子ベース１４の第１フランジ部１４ｃを貫通してセンタブロック２にねじ込まれる。これにより、第１の素子ベース１４がセンタブロック２に締結固定される。また、図１に示すように、第１の超音波素子１１は第１ホルダ１６により第１の素子ベース１４に押さえ付けられている。

【0025】

また、センタブロック２には、第２の素子ベース１５のダンピング配管１３側が差し込まれる第２開口部２６が形成されている。図３に示すように、第２の素子ベース１５には、センタブロック２の外面に重ね合わされる第２フランジ部１５ｃが形成されている。第２フランジ部１５ｃには、第２ホルダ１７が重ね合わされている。第２ホルダ１７には、固定用のネジ（図示せず）が挿通するネジ挿通孔１８ａ（図示せず）が形成されている。従って、第１の素子ベース１４と同様に、第２の素子ベース１５をセンタブロック２に締結固定できる。また、図１に示すように、第２の超音波素子１２は第２ホルダ１７により第２の素子ベース１５に押さえ付けられている。

【0026】

超音波流量センサ１は、上流側接続部３０及び下流側接続部３１と、上流側管路部材３２及び下流側管路部材３３とをさらに備えている。流体の流れ方向上流側から下流側に向かって、上流側接続部３０、上流側管路部材３２、ダンピング配管１３、下流側管路部材３３及び下流側接続部３１が順に同一直線上に位置するように配置されている。この直線は、ダンピング配管１３の管軸線Ｘ及びその延長線からなる直線である。尚、上流側管路部材３２及び下流側管路部材３３は必要に応じて設けられるものであり、省略してもよい。

【0027】

ダンピング配管１３の上流側部分及び下流側部分の外面には、それぞれＯリングからなる上流側配管シール材１３ａ及び下流側配管シール材１３ｂが密着するように設けられている。上流側配管シール材１３ａは、差込孔２０の上流側の内面に密着するようになっており、上流側配管シール材１３ａによってダンピング配管１３の上流側部分と差込孔２０との間がシールされるようになっている。また、下流側配管シール材１３ｂは、差込孔２０の下流側の内面に密着するようになっており、下流側配管シール材１３ｂによってダンピング配管１３の下流側部分と差込孔２０との間がシールされるようになっている。

【0028】

図３に示すように、センタブロック２の両側面には、側面開口部２ｂが形成されている。側面開口部２ｂにより、差込孔２０が側方に開放されることになる。したがって、ダンピング配管１３の一部が側面開口部２ｂから見える状態になる。側面開口部２ｂからグリス１３ｄを塗布することができる。グリス１３ｄは、超音波信号を減衰させるグリスであり、センタブロック２とダンピング配管１３との間に介在するように塗布する。これにより、センタブロック２に伝播する音波が減少し、ダンピング配管１３内で音波をより一層減衰させることができる。

【0029】

上流側接続部３０は、上流側外部配管１０１の流路とダンピング配管１３の流路とが連通するように、上流側外部配管１０１を接続するための部材である。上流側接続部３０の下流側の外周面には、例えばネジ山３０ａが形成されており、このネジ山３０ａをセンタブロック２の差込孔２０の上流側の内周面に形成されているネジ溝２０ａに螺合させることで、上流側接続部３０がセンタブロック２に対して気密に接続される。

【0030】

上流側接続部３０は、いわゆるワンタッチフィッティング、チューブフィッティング等と呼ばれている接続構造を構成する部材であり、上流側外部配管１０１をワンタッチ操作、即ち、工具等を用いることなく、接続したり、その接続を解除することが可能なものである。上流側接続部３０の構成は、上述した構成に限られるものではなく、各種フィッティング構造を採用することができる。また、上流側接続部３０の形状も任意に設定することができる。

【0031】

下流側接続部３１は、下流側外部配管１０２の流路とダンピング配管１３の流路の下流側とが連通するように、下流側外部配管１０２を接続するための部材である。下流側接続部３１は、上流側接続部３０と同様に構成されており、下流側の外周面に形成されているネジ山３１ａをセンタブロック２の差込孔２０の下流側の内周面に形成されているネジ溝２０ｂに螺合させることで、下流側接続部３１がセンタブロック２に対して気密に接続されるようになっている。つまり、本実施形態の接続部は、上流側接続部３０と下流側接続部３１とを含んでおり、センタブロック２の上流側部分及び下流側部分には、上流側接続部３０及び下流側接続部３１がそれぞれ固定されている。尚、上流側接続部３０及び下流側接続部３１は、ネジ以外の固定構造を用いてセンタブロック２に固定することも可能である。

【0032】

上流側管路部材３２は、ダンピング配管１３と上流側接続部３０との間に設けられ、ダンピング配管１３の流路と上流側外部配管１０１の流路とを連通させるための部材である。具体的には、上流側管路部材３２は、円筒状をなしており、センタブロック２の差込孔２０の上流側に差し込まれた状態で保持されている。上流側管路部材３２の流路の上流側は、上流側接続部３０の流路と連通し、また、上流側管路部材３２の流路の下流側は、ダンピング配管１３の流路と連通している。

【0033】

ここで、ダンピング配管１３の内径は、上流側外部配管１０１の内径よりも大きく設定されている。これにより、上流側外部配管１０１からダンピング配管１３に流入した流体の流速が低下するので、上流側外部配管１０１を高速で流れている流体であってもダンピング配管１３内での流量の測定が可能になる。尚、図示しないが、ダンピング配管１３の内径と、上流側外部配管１０１の内径とは同じであってもよいし、ダンピング配管１３の内径が上流側外部配管１０１の内径より小さくてもよい。

【0034】

本実施形態では、ダンピング配管１３の内径が上流側外部配管１０１の内径よりも大きく設定されているので、上流側管路部材３２内の流路を、ダンピング配管１３に近づくほど内径が拡大する拡大流路３２ａとしている。この拡大流路３２ａの上流端の内径は、上流側外部配管１０１の内径及び上流側接続部３０の下流端の内径と略等しく設定されている。一方、拡大流路３２ａの下流端の内径は、ダンピング配管１３の内径と略等しく設定されている。これにより、流体が上流側外部配管１０１からダンピング配管１３に流入する際に、乱流の発生が抑制されるので、測定精度が向上する。

【0035】

下流側管路部材３３は、ダンピング配管１３と下流側接続部３１との間に設けられ、ダンピング配管１３の流路と下流側外部配管１０２の流路とを連通させるための部材である。具体的には、下流側管路部材３３は、円筒状をなしており、センタブロック２の差込孔２０の下流側に差し込まれた状態で保持されている。下流側管路部材３３の流路の下流側は、下流側接続部３１の流路と連通し、また、下流側管路部材３２の流路の上流側は、ダンピング配管１３の流路と連通している。

【0036】

下流側外部配管１０２と上流側外部配管１０１とは同じ部材であるため、ダンピング配管１３の内径は、下流側外部配管１０２の内径よりも大きなものとなる。このことに対応するように、下流側管路部材３３内の流路を、下流側管路部材３２に近づくほど内径が縮小する縮小流路３３ａとしている。この縮小流路３３ａの上流端の内径は、ダンピング配管１３の内径と略等しく設定される一方、縮小流路３３ａの下流端の内径は、下流側外部配管１０２の内径及び下流側接続部３１の上流端の内径と略等しく設定されている。これにより、流体がダンピング配管１３から下流側接続部３１に流入する際に、乱流の発生が抑制される。

【0037】

超音波流量センサ１は、中継基板４０を更に備えている。中継基板４０は、第１の超音波素子１１を覆うように配置されており、ダンピング配管１３の管軸線Ｘと略平行に延びている。ヘッド筐体５２内には、ダンピング配管１３に対して中継基板４０を支持するフレーム５５が配置される。中継基板４０は、固定ネジ５４によりフレーム５５に固定される。中継基板４０には回路パターンが形成されており、この回路パターンと第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２とは、信号線４４を介して接続されている。また、中継基板４０には、回路パターンの一部として端子５６が形成される。ケーブル５３は、中継基板４０の端子５６と電気的に接続する。中継基板４０は、ヘッド筐体５２内に固定されるとともに、信号線４４に接続される第１の超音波素子１１とケーブル５３とを電気的に中継する。中継基板４０は、硬質基板であってもよく、フレキシブル基板であってもよい。さらに、中継基板４０には、ヘッド識別素子４１が実装され、ヘッド識別素子４１は抵抗または不揮発性のメモリで構成することができる。不揮発性メモリは、ヘッドの種別を識別するヘッド識別情報と、ダンピング配管に関する補正値を記憶することができる。中継基板４０は、ケーブル５３を介してヘッド筐体５２と着脱自在の構成されるアンプ筐体６０に接続し、図２に示すように、アンプ筐体６０内にはヘッドの種別を識別し、また、超音波素子７１０、７２０を駆動する駆動回路部６１が収容される。駆動回路部６１は、制御部６２、記憶部６３、表示部６４、接続部６５、操作部６６および表示ランプ６７を含む。駆動回路部６１の制御部６２、は、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）を含む。記憶部６３は、例えば揮発性メモリまたはハードディスクを含む。制御部、記憶部６３及び表示部６４は駆動回路６１の制御基板に実装される。 表示部６４は、例えばセグメント表示器を含む。表示部６４は、ドットマトリクス表示器を含んでもよい。記憶部６３には、流量センサ１を動作させるための種々のデータおよびプログラムが記憶される。制御部６２は、記憶部６３に記憶されたデータおよびプログラムに基づいて、超音波素子１１、１２、表示部６４および表示ランプ６７の動作を制御する。なお、中継基板に、表示灯光源を実装し、ヘッド筐体５２に、表示灯光源により発行する表示灯を形成することもできる。また、制御部６２は、接続部６６および（図示しない）ケーブルを通して（図示しない）電源装置等の外部装置に接続される。また、制御部６２は、内蔵配管の流路を流れる気体の圧力を測定する機能を備えることもできる。圧力を測定する機能として、流体の圧力を電気信号に変換して出力するように構成された、具体的には、ひずみゲージ等の圧力センサ４６を用いることができる。圧力センサ４６の配設構造として、センタブロック２の上流側部分には、圧力センサ４６の受圧部４６ａが嵌合する筒状部４７がダンピング配管１３の管軸線Ｘに対して直交する方向へ突出するように設けられているこのように、中継基板４０に実装する機能を簡素化し、超音波流量素子１１、１２の制御等の機能を、中継基板４０からケーブル等を介して接続される、ヘッド筐体５２の外部のアンプ筐体６０に実装させることで、ヘッド筐体５２に、設計レイアウト上必要な最低限の部品要素を収容することができるので、筐体の小型化を実現することができる。また、中継基板４０に実装する機能を簡素化することで、超音波流量素子から中継基板に接続する信号線４４の構成を簡素化することもできる。

【0038】

制御部６２は、算出された流量Ｑを記憶部に記憶されたしきい値と比較し、比較結果に基づいてオンオフ信号を出力する。オンオフ信号は、接続部に接続された、中継基板４０のヘッド識別素子４１や外部装置のオン状態とオフ状態とを切り替えるための信号である。表示ランプ６７は、ヘッド識別素子４１を識別した状態や外部装置のオン状態とオフ状態とを識別可能に点灯する。表示部６４は、アンプ筐体６０の窓部に近接する位置に配置される。表示部６４には、上記算出された流体の速度Ｖｆ及び流量Ｑまたは記憶部に記憶されたしきい値等の種々の情報を表示することができる。

【0039】

第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２で受信された超音波信号は、ケーブル５３を介して制御部６２に送信される。

【0040】

制御部６２は、第１の超音波素子１１と第２の超音波素子１２との間で送受信する超音波信号に基づいてダンピング配管１３で規定される流路の流量を測定する部分である。すなわち、制御部６２は、伝搬時間差式の測定部である。第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２は制御部６２に接続されており、第１の超音波素子１１と第２の超音波素子１２との間で送受信する超音波信号は、制御部６２に入力される。

【0041】

より具体的には、第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２は、ダンピング配管１３の管軸線Ｘに対して傾斜しているので、ダンピング配管１３内を流れる流体に超音波が斜めに通ることになる。第１の超音波素子１１は、流れに逆らった方向に超音波信号を送信し、第２の超音波素子１２は、流体の流れに沿った方向に超音波信号を送信する。このように、流体の流れに沿った方向と流れに逆らった方向とに超音波信号を送信してそれぞれ検出することで、流体の流れに沿った方向と流れに逆らった方向と超音波信号の伝播時間に差が生じることになる。

【0042】

第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２は例えば制御部６２や外部のアンプ等によって制御されると、例えば間欠的にバースト波超音波信号（数ＭＨｚオーダの超音波パルスが例えば１０個程度の塊となっている信号）を出射し、受信波形を制御部６２のＡ／Ｄコンバータで高速サンプリングする。制御部は、往路受信波形と復路受信波形とをそれぞれの出射時点の時刻を原点として位置合わせし、その状態から時間方向に相対的にずらしながら波形形状のマッチングを行い、マッチング度が極大となる時間シフト量を伝搬時間差として決定する。制御部６２は、決定した伝搬時間差から流速・流量を算出する。制御部６２が算出する流量は、瞬時流量であってもよく、積算流量であってもよい。

【0043】

図６に示すように、超音波流量センサ１はシールド５０を備えている。シールド５０は、外来電気的ノイズによる測定精度の低下を抑制するための部材であり、例えば銅箔等で構成されている。第１の超音波素子１１、第２の超音波素子１２、ダンピング配管１３、第１の素子ベース１４、第２の素子ベース１５、中継基板４０等はシールド５０によって覆われている。

【0044】

図１に示すように、超音波流量センサ１は、ヘッド筐体５２を備えている。ヘッド筐体５２は、少なくとも、第１の超音波素子１１と、第１の素子ベース１４と、ダンピング配管１３と、第２の超音波素子１２と、第２の素子ベース１５とを収容する部材であり、本実施形態では、中継基板４０、センタブロック２等も筐体５２に収容されている。ヘッド筐体５２は、流体の流れ方向に分割されており、第１筐体構成部５２ａと第２筐体構成部５２ｂとを有している。第１筐体構成部５２ａは上流側に位置しており、第２筐体構成部５２ｂは下流側に位置している。第１筐体構成部５２ａには、上流側接続部３０を覆う筒状の上流側カバー部５２ｃが形成されている。第２筐体構成部５２ｂには、下流側接続部３１を覆う筒状の下流側カバー部５２ｄが形成されている。筐体５２の構成は上述した構成に限られるものではなく、例えばダンピング配管１３の径方向に分割可能に構成されていてもよい。

【0045】

超音波素子１１は、筐体ヘッド５２内に配置される中継基板４０と信号線４４によって電気的に接続され、超音波素子１１と信号線４４とは接続部４５によって接続される。特に、小型化された流量センサのヘッド筐体内において、超音波素子１１と中継基板４０とを接続する信号線４４の引き回しをできる限り最短距離とする必要がある中で、信号線４４が硬い材料であると、信号線４４を基板４０に接続する際に大きな応力が印加され、超音波素子１１の位置がずれたり、信号線４４が超音波素子１１から剥離したりするリスクが生じる。

【0046】

特に、配管内を流れる流体中を伝搬しない信号を低減するために超音波素子１１の周囲をシールドで覆う必要があるような場合、狭小化されたスペースにおいて、従来の太いコシの強い信号線をシールドにより折り畳むように収容しようとすると、信号線４４に対する反力が大きくなる傾向がある。特に、超音波素子１１が、（圧電材料からなる）バルク材、または、（圧電材料を細かく分割し、樹脂で固めた）コンポジット材からなり、信号線４４と超音波素子１１とが、超音波素子１１の表面に金属を蒸着することで形成された電極を介してはんだ付けすることで固定されているため、上記反力により、信号線４４が破断する等の要因で電極剥離が起こり、導通不良が生じてしまう可能性が生じる。
そこで、本実施形態においては、信号線４４をコンパクトに折り曲げることで小型化された筐体内に収容可能とし、その際に大きな反力が生じないようにするために、信号線４４に、縦弾性係数が小さな材料で、かつ、断面二次モーメントが小さい断面形状の導体を選定することを特徴とする。

【0047】

具体的には、信号線４４に対する反力を小さくするために必要荷重（Ｗ）を小さくしたいという要求と、信号線４４を小さく組み込むために、変形量（δ）を大きくし、曲げ支点間長さ（Ｌ）を小さくしたい、という要求との相反する要求を満たすために、下記数式において、 信号線４４のＥ（縦弾性係数）を小さくし、Ｉ（断面二次モーメント）を小さくすることが求められる。

【0048】

【数1】

【0049】

したがって、信号線４４として、縦弾性係数を小さくするために、柔らかい特性の金属を選定し、また、断面二次モーメントを小さくするために外径Φ０．１５以下で被覆のないエナメル線の金属細線を用いることが好ましい。ここで、エナメル線とは、絶縁材料にエナメルを用いた電線をいい、一般に、直径０．０２５ミリメートル乃至０．３５ミリメートルの軟銅線に暑さ０．００３乃至０．０３５ミリメートル程度の高分子化合物を溶かしたワニスの絶縁被膜を焼き付けたものをさす。被膜には、ポリビニルホルマール、ポリウレタン、ポリアミドイミド、ポリエステル、ナイロン等が用いられる。金属細線を絶縁被膜で覆うことにより、金属配管周辺の反射信号と回り込み信号等を含むノイズの影響をさらに小さくすることができる。

【0050】

その他、信号線４４の構成として、外径Φ０．４以下のリッツ線、外径Φ０．１７のエナメル線、Φ０．１８のエナメル線等を採用することが考えられる。または、曲げＲが小さくなりすぎないために芯線径を細くするたけでも効果が得られる。例えば、断面積が０．１ミリメートル以下（Φ０．３５程度）の芯線を選定することで、信号線４４を同じ領域に収納する際にも、径の大きな芯線に比べて曲げＲ（変数Ｌ）を大きくすることができ、負荷を小さくすることもできる。ここで、電気的ノイズの低減を測るため、金属細線はシールド線とせず、シールド機能を金属細線から分離し、ノイズシールドとしてシールド５０を金属細線が収容される空間を囲むように収容させることを特徴とする。金属細線をシールド線とすると、シールド線の曲げ反力が大きくなるため、金属細線をシールド線の分だけ細くしつつ、反力を抑えるように折り畳みながら、ノイズシールドとしてシールド５０が金属細線の周囲を囲みこむことで、電気的ノイズ耐性の向上とが反力の低減を実現することができる。

【0051】

図６は、本発明の実施形態の変形例１に係る超音波流量センサの断面図である。

【0052】

本例の超音波流量センサ１００は、配管に対して着脱可能に取り付けられるクランプオン型の流量センサであり、図６に示すように、互いに分離可能な第１分割体１１０と第２分割体１２０とを備えている。

【0053】

図６に示すように、超音波流量センサ１００は、第１の超音波素子１１１及び第２の超音波素子１１２と、第１の素子ベース１１４及び第２の素子ベース１１５とを備えている。第１の超音波素子１１１及び第２の超音波素子１１２は、共に超音波信号を送受信するものであり、例えば圧電素子等で構成されていて全体として板状をなしている。第１の超音波素子１１１は、配管１６０の外側において径方向一方（図６の上側）に位置しており、超音波信号を送受信する送受信面１１１ａを有している。また、第２の超音波素子１１２は、配管１６０の外側において径方向他方（図６の下側）に位置しており、超音波信号を送受信する送受信面１１２ａを有している。

【0054】

第１の素子ベース１１４は、第１の超音波素子１１１と配管１６０との間で超音波信号を伝播するものであり、配管１６０の外側において第１の超音波素子１１１と配管１６０との間に配置されている。第１の素子ベース１１４は、配管１６０の外面に対向する配管側面１１４ａと、第１の超音波素子１１１の送受信面１１１ａに対向する素子側面１１４ｂとを有している。第１の超音波素子１１１は、第１の素子ベース１１４に設けられている。

【0055】

第１の素子ベース１１４の配管側面１１４ａは、配管１００の管軸線Ｘと平行に延びる面で構成されている。第１の素子ベースの素子側面１１４ｂは、上流側へ行くほど配管１６０の管軸線Ｘから離れるように、当該管軸線Ｘに対して所定角度だけ傾斜している。したがって、第１の素子ベース１４の配管側面１１４ａと素子側面１１４ｂとの管軸線Ｘに対する角度が相違することになり、これにより、第１の素子ベース１１４は上流側へ行くほど厚み寸法が厚くなる形状となる。第１の素子ベース１１４は、例えばポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等で構成することができる。

【0056】

第１の素子ベース１１４の素子側面１１４ｂが第１の面であり、第１の素子ベース１１４の配管側面１１４ａが第２の面である。素子側面１１４ｂと配管側面１１４ａとは、第１の角度α１をなしている。また、第１の素子ベース１１４の素子側面１１４ｂは、第１の超音波素子１１１の送受信面１１１ａに沿っており、また、第１の素子ベース１１４の配管側面１１４ａは、配管１６０の外面に沿っているので、配管１６０の側方から見たときに送受信面１１１ａと配管１６０の外面とのなす角度は、第１の角度α１となる。第１の角度α１の詳細については後述する。

【0057】

第１の素子ベース１１４の配管側面１１４ａと、配管１６０の外面との間には、音響結合材１１３ｃが介在している。配管１００の外面が音響結合材１１３ｃに接触し、さらに第１の素子ベース１１４の配管側面１１４ａが音響結合材１１３ｃに接触している。音響結合材１１３ｃは第１の素子ベース１１４の一部を構成する部材であってもよいし、配管１６０の一部を構成する部材であってもよい。音響結合材１１３ｃは、例えばゴムやグリス等からなる粘弾性体で構成されている。また、音響結合材１１３ｃをゴム製とする場合、予めシート状に成形されたものを用いることができる。

【0058】

第２の素子ベース１１５は、第２の超音波素子１１２と配管１６０との間で超音波信号を伝播するものであり、配管１６０の外側において第２の超音波素子１１２と配管１６０との間に配置されている。つまり、第１の素子ベース１１４及び第２の素子ベース１１５は、配管１６０を径方向両側から挟むように配置されている。

【0059】

第２の素子ベース１１５は、配管１６０の外面に対向する配管側面１１５ａと、第２の超音波素子１１２の送受信面１１２ａに対向する素子側面１１５ｂとを有している。第２の超音波素子１１２は、第２の素子ベース１１５に設けられている。

【0060】

第２の素子ベース１１５の配管側面１１５ａは、配管１６０の管軸線Ｘと平行に延びる面で構成されている。第２の素子ベース１１５の素子側面１１５ｂは、上流側へ行くほど配管１６０の管軸線Ｘから離れるように、当該管軸線Ｘに対して所定角度だけ傾斜している。したがって、第２の素子ベース１１５の配管側面１１５ａと素子側面１１５ｂとの管軸線Ｘに対する角度が相違することになり、これにより、第２の素子ベース１１５は下流側へ行くほど厚み寸法が厚くなる形状となる。第２の素子ベース１１５は、第１の素子ベース１１４と同様な材料で構成されている。

【0061】

第２の素子ベース１１５の素子側面１１５ｂが第３の面であり、第２の素子ベース１１５の配管側面１１５ａが第４の面である。素子側面１５ｂと配管側面１１５ａとは、第２の角度α２をなしている。また、第２の素子ベース１５の素子側面１１５ｂは、第２の超音波素子１１２の送受信面１１２ａに沿っており、また、第２の素子ベース１１５の配管側面１１５ａは、配管１６０の外面に沿っているので、配管１００の側方から見たときに送受信面１２ａと配管１６０の外面とのなす角度は、第２の角度α２となる。第２の角度α２の詳細については後述する。

【0062】

第２の素子ベース１１５の配管側面１１５ａと、配管１６０の外面との間には、音響結合材１１３ｃが介在している。配管１６０の外面が音響結合材１１３ｃに接触し、さらに第２の素子ベース１１５の配管側面１１５ａが音響結合材１１３ｃに接触している。音響結合材１１３ｃは第２の素子ベース１１５の一部を構成する部材であってもよい。

【0063】

第１分割体１１０は、第１の超音波素子１１１と、第１の素子ベース１１４と、第１の超音波素子１１１及び第１の素子ベース１１４を収容する第１ヘッド筐体１３０とを備えている。第１ヘッド筐体１３０は、第１箱状部１３１と、第１ベース部１３２とを有している。第１箱状部１３１は、下方に開放するとともに、配管１６０の長さ方向に長く形成されており、第１の超音波素子１１１及び第１の素子ベース１１４は第１箱状部１３１内に配置されている。第１の素子ベース１１４の周縁部には、第１取付板部１１４ｃが設けられている。第１取付板部１１４ｃは第１箱状部１３１ないし第１ベース部１３２に固定されている。

【0064】

第１ベース部１３２は、第１箱状部１３１の下方に配置されて当該第１箱状部１３１に一体化されている。第１ベース部１３２の中央部には、第１開放口１３２ａが形成されており、第１開放口１３２ａは配管１６０の長さ方向に長い形状となっている。第１の素子ベース１１４の配管側面１１４ａは、第１開放口１３２ａから下方に臨むように配置される。配管側面１１４ａに音響結合材１１３ｃが付着している場合には、音響結合材１１３ｃが第１開放口１３２ａから下方に臨むように配置される。

【0065】

第２分割体１２０は、第２の超音波素子１１２と、第２の素子ベース１１５と、第２の超音波素子１１２及び第２の素子ベース１１５を収容する第２ヘッド筐体１４０とを備えている。本実施形態では、筐体が第１ヘッド筐体３０と第２ヘッド筐体１４０とを含んでいる。第２ヘッド筐体１４０は、第２箱状部１４１と、第２ベース部１４２とを有している。第２箱状部１４１は、上方に開放するとともに、配管１６０の長さ方向に長く形成されており、第２の超音波素子１１２及び第２の素子ベース１１５は第２箱状部１４１内に配置されている。第２の素子ベース１１５の周縁部には、第２取付板部１１５ｃが設けられている。第２取付板部１１５ｃは第２箱状部１４１ないし第２ベース部１４２に固定されている。

【0066】

第２ベース部１４２は、第２箱状部１４１の上方に配置されて当該第２箱状部１４１に一体化されている。第２ベース部１４２の中央部には、第２開放口１４２ａが形成されており、第２開放口１４２ａは配管１６０の長さ方向に長い形状となっている。第２の素子ベース１５の配管側面１１５ａは、第２開放口１４２ａから上方に臨むように配置される。配管側面１１５ａに音響結合材１１３ｃが付着している場合には、音響結合材１１３ｃが第２開放口１４２ａから上方に臨むように配置される。

【0067】

超音波流量センサ１００は、第１ヘッド筐体１３０に収容される第１中継基板１５１及び第２ヘッド筐体１４０に収容される第２中継基板１５２を更に備えている。第１中継基板１５１は、第１の超音波素子１１１を覆うように配置されており、第１の超音波素子１１１と接続されている。第１ヘッド筐体１３０内には、図７に示すように、第１の素子ベース１１４に対して中継基板１５１を支持するフレーム１６５が配置される。第１中継基板１５１は、固定ネジ１５４によりフレーム１６５に固定される。第２中継基板１５２は、第２の超音波素子１１２を覆うように配置されており、第２の超音波素子１１２と接続されている。

【0068】

中継基板１５１、１５２の各々には回路パターンが形成されており、この回路パターンと第１の超音波素子１１１及び第２の超音波素子１１２とは、各々、信号線１５３、１５４を介して接続されている。中継基板１５１の回路パターンは、ケーブル１６３と電気的に接続する。中継基板１５１は、第１ヘッド筐体１３０内に固定されるとともに、信号線１５３に接続される第１の超音波素子１１１とケーブル１６３とを電気的に中継する。図８に示すように、第１の超音波素子１１１は、第１ヘッド筐体ヘッド１３０内に配置される中継基板１５１と信号線１５３によって電気的に接続され、超音波素子１１１と信号線１５３とは接続部１６４によって接続される。また、超音波素子１１１周辺には、中継基板１５１をフレーム１６５に固定する固定ネジ１５４と嵌合する雌ネジ１６４が配置される。ここで、中継基板１５１は、硬質基板であってもよく、フレキシブル基板であってもよい。さらに、中継基板１５１、１５２の各々には、ヘッド識別素子１５５、１５６が実装され、ヘッド識別素子１５５、１５６は抵抗または不揮発性のメモリで構成することができる。不揮発性メモリは、ヘッド筐体を識別するヘッド識別情報と、ダンピング配管に関する補正値を記憶することができる。中継基板１５１、１５２は、ケーブル１６３を介してヘッド筐体と着脱自在の構成されるアンプ筐体１７０に接続し、図９に示すように、アンプ筐体内にはヘッドの種別を識別し、また、超音波素子１１０、１２０を駆動する駆動回路部１７１が収容される。駆動回路部１７１は、制御部１７２、記憶部１７３、表示部１７４、接続部１７５、操作部１７６および表示ランプ１７７を含む。駆動回路部の制御部１７２、は、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）を含む。記憶部１７３は、例えば揮発性メモリまたはハードディスクを含む。制御部１７２、記憶部１７３及び表示部１７４は駆動回路１７１の制御基板に実装される。 表示部１７４は、例えばセグメント表示器を含む。表示部１７４は、ドットマトリクス表示器を含んでもよい。記憶部１７３には、流量センサ１００を動作させるための種々のデータおよびプログラムが記憶される。制御部１７２は、記憶部１７３に記憶されたデータおよびプログラムに基づいて、超音波素子１１１、１１２、表示部１７４および表示ランプ１７７の動作を制御する。なお、中継基板に、表示灯光源を実装し、ヘッド筐体に、表示灯光源により発行する表示灯を形成することもできる。また、制御部１７２は、接続部１７５およびケーブルを通して図示しない電源装置等の外部装置に接続される。また、制御部１７２は、内蔵配管の流路を流れる気体の圧力を測定する機能を備えることもできる。このように、中継基板１５１、１５２に実装する機能を簡素化し、超音波流量素子１００の制御等の機能を、中継基板１５１、１５２からケーブル１６３等を介して接続される、ヘッド筐体１３０、１４０の外部のアンプ筐体に実装させることで、ヘッド筐体１３０、１４０に、設計レイアウト上必要な最低限の部品要素を収容することができるので、筐体の小型化を実現することができる。また、中継基板１５１、１５２に実装する機能を簡素化することで、超音波流量素子１１１、１１２から中継基板１５１、１５２に接続する信号線１５３、１５４の構成を簡素化することもできる。

【0069】

制御部１７２は、算出された流量Ｑを記憶部に記憶されたしきい値と比較し、比較結果に基づいてオンオフ信号を出力する。オンオフ信号は、接続部に接続された、中継基板１５１、１５２のヘッド識別素子１５５、１５６や外部装置のオン状態とオフ状態とを切り替えるための信号である。表示ランプ１７７は、ヘッド識別素子を識別した状態や外部装置のオン状態とオフ状態とを識別可能に点灯する。表示部は、アンプ筐体部１７０の窓部に近接する位置に配置される。表示部１７４には、上記算出された流体の速度Ｖｆ及び流量Ｑまたは記憶部に記憶されたしきい値等の種々の情報を表示することができる。第１の超音波素子１１１及び第２の超音波素子１１２で受信された超音波信号は、ケーブル１６３を介して制御部に送信される。

【0070】

制御部１７２は、第１の超音波素子１１１と第２の超音波素子１１２との間で送受信する超音波信号に基づいて配管１６０で規定される流路の流量を測定する部分である。すなわち、制御部１７２は、伝搬時間差式の測定部である。第１の超音波素子１１１及び第２の超音波素子１１２は中継基板１５１、１５２を介して制御部１７２に接続されており、第１の超音波素子１１１と第２の超音波素子１１２との間で送受信する超音波信号は、制御部１７２に入力される。

【0071】

より具体的には、第１の超音波素子１１１及び第２の超音波素子１１２は、配管１６０の管軸線Ｘに対して傾斜しているので、配管１６０内を流れる流体に超音波が斜めに通ることになる。第１の超音波素子１１１は、流れに逆らった方向に超音波信号を送信し、第２の超音波素子１１２は、流体の流れに沿った方向に超音波信号を送信する。このように、流体の流れに沿った方向と流れに逆らった方向とに超音波信号を送信してそれぞれ検出することで、流体の流れに沿った方向と流れに逆らった方向と超音波信号の伝播時間に差が生じることになる。

【0072】

第１の超音波素子１１１及び第２の超音波素子１１２は例えば制御部１７２や外部のアンプ等によって制御されると、例えば間欠的にバースト波超音波信号（数ＭＨｚオーダの超音波パルスが例えば１０個程度の塊となっている信号）を出射し、受信波形を制御部１７２のＡ／Ｄコンバータで高速サンプリングする。制御部１７２は、往路受信波形と復路受信波形とをそれぞれの出射時点の時刻を原点として位置合わせし、その状態から時間方向に相対的にずらしながら波形形状のマッチングを行い、マッチング度が極大となる時間シフト量を伝搬時間差として決定する。制御部１７２は、決定した伝搬時間差から流速・流量を算出する。制御部１７２が算出する流量は、瞬時流量であってもよく、積算流量であってもよい。

【0073】

また、図示しないが、超音波流量センサ１００はシールドを備えている。シールドは、外来電気的ノイズによる測定精度の低下を抑制するための部材であり、例えば銅箔等で構成されている。第１の超音波素子１１１、第２の超音波素子１１２、第１の素子ベース１１４、第２の素子ベース１１５、中継基板１５１、１５２等はシールドによって覆われている。

【0074】

なお、本例においては、超音波流量センサの第１ヘッド筐体及び第２ヘッド筐体各々に中継基板を備える構成を例示しているが、図１に示す実施形態の超音波流量センサの構成と同様に、例えば、第１ヘッド筐体にのみ中継基板を備える構成とすることができる。これにより、本例の超音波流量センサをさらに小型化する構成とすることができる。

【0075】

図１０は、本発明の実施形態の変形例２に係る超音波流量センサの外観に係る斜視図である。

【0076】

本変形例の超音波流量センサ２００は、配管に対して着脱可能に取り付けられるクランプオン型の流量センサであり、クランプ部２１０およびセンサ部２２０により構成される。クランプ部２１０は、上クランプ部材２１１および下クランプ部材２１２を含む。クランプ部は、上クランプ部材および下クランプ部材により配管を挟み込むように配置される。これにより、クランプ部が配管２２０の外周面に取り付けられる。図１０及び図１１の例では、配管２の内径はｄである。本実施の形態においては、センサ部は、２個のセンサ固定ねじによりクランプ部２１０の上クランプ部材２１１に固定される。

【0077】

図１１に示すように、センサ部２２０は、筐体部２５０、結合部２６０、超音波制御機構２７０および駆動回路部２８０を含む。筐体部２５０は、アンプ筐体部２５１、ヘッド筐体部２５２および素子ベース２５３を含む。アンプ筐体部２５１は、透明部材により形成された窓部２５４を上面に有する。ヘッド筐体部２５２の上部にアンプ筐体部２５１が取り付けられるとともに、ヘッド筐体部２５２の下部に素子ベース２５３が取り付けられる。これにより、筐体部２５０の内部に水および油等の液体が浸入不可能な空間が形成される。

【0078】

結合部２６０は、固体形状の音響結合材２６１を含む。音響結合材２６１は、筐体部２５０の素子ベース２５３と配管２２０との間に配置される。ここで、本実施形態において、超音波流量センサ２００は、配管２２０に対して同じ側に、超音波素子２７１、２７２が相互に近接して配置される、「Ｖ型」の構成を適用している。

【0079】

筐体部２５０の内部に超音波制御機構２７０が収容される。超音波制御機構２７０は、２個の超音波素子２７１、２７２、超音波遮蔽板２７３および２個のシールド２７４、２７５を含む。超音波素子２７１は、配管２２０に対して所定の角度を成すように配置され、音響接合剤７１６により素子ベース２５３に接合される。同様に、超音波素子２７２は、配管２２０に対して所定の角度を成すように配置され、音響接合剤７２７により素子ベース２５３に接合される。超音波素子は、例えば圧電素子等で構成されていて全体として板状をなしている。

【0080】

超音波遮蔽板２７３は、素子ベース２５３を貫通するように超音波素子２７１、２７２間に配置される。シールド２７４、２７５は互いに異なる部材により形成される。シールド２７４は、超音波素子２７１、２７２の周囲を取り囲むように配置される。シールド２７５は、シールド２７４の上方に配置される。

【0081】

シールド２７４は、素子ベース２５３の特性インピーダンスに近い値の特性インピーダンスを有し、かつ超音波を減衰（分散）させる特性が大きい材料により形成される。例えば 、シールドは、異なる特性インピーダンス値を有する複数の部材が分散された材料により形成される。本実施の形態においては、シールドは、充填材として酸化アルミニウムが分散されたシリコーンにより形成される。

【0082】

シールド２７４は、超音波素子２７１、２７２の周囲を部分的に覆うように配置される 。この場合、配管２２０内を流れる流体中を伝播せずに超音波素子２７１、２７２から周囲に送信された超音波は、シールド２７４により減衰される。これにより、超音波素子２７１から周囲に送信された超音波が迷信号として超音波素子２７２により受信されることが防止される。同様に、超音波素子２７２から周囲に送信された超音波が迷信号として超音波素子２７１により受信されることが防止される。

【0083】

シールド２７５は、断熱材料により形成される。シールド部材は、シールド部材の上方でかつ後述する駆動回路部２８０の中継基板２８１の下方に配置される。この配置によれば、配管２２０内に低温の流体が流れる場合でも、配管２２０から中継基板２８１に放射される熱（冷気）は、シールド２７５により遮断される。これにより、中継基板２８１が結露することが防止される。また、結露を防止するために中継基板２８１を樹脂等により充填する必要がないので、センサ部２４０の組立および分解を容易に行うことができる。

【0084】

上記の配置においては、超音波素子２７１により送信された超音波は、素子ベース２５３０よび音響結合材２６１を通して入射角θで配管２２０内の流体に入射される。流体を通過した超音波は、反射角θで配管２２０の内面で反射され、音響結合材２６１および素子ベース２５３を通して超音波素子２７２により受信される。

【0085】

同様に、超音波素子２７２により送信された超音波は、素子ベース２５３および音響結合材２６１を通して入射角θで配管２２０内の流体に入射される。流体を通過した超音波は、反射角θで配管２２０の内面で反射され、音響結合材２６１および素子ベース２５３を通して超音波素子２７１により受信される。

【0086】

中継基板２８１は、超音波素子２７１、２７２に近接するように超音波素子２７１、２７２の上方に配置される。中継基板２８１には回路パターンが形成されており、この回路パターンと第１の超音波素子２７１及び第２の超音波素子２７２とは、各々、信号線２７６、２７７を介して接続されている。これにより、超音波素子２７１、２７２と中継基板２８１とを接続する信号線２７６、２７７が最短となり、超音波素子２７１、２７２からの放射ノイズを抑制することができる。中継基板２８１には、ヘッド識別素子２９１が実装され、ヘッド識別素子２９１は抵抗または不揮発性のメモリで構成することができる。不揮発性メモリは、ヘッド筐体を識別するヘッド識別情報と、ダンピング配管に関する補正値を記憶することができる。

【0087】

中継基板２８１は、ケーブルを介してヘッド筐体２５２と着脱自在の構成されるアンプ筐体２５１に接続し、アンプ筐体２５１内にはヘッドの種別を識別し、また、超音波素子２７１、２７２を駆動する駆動回路部２８０が収容される。駆動回路部２８０は、制御部２８２、記憶部２８３、制御基板２８４、表示部２８５、接続部２８６、操作部２８７および表示ランプ２８８を含む。接続部２８６、操作部２８７および表示ランプ２８８は、筐体部２５０のアンプ筐体部２５１の上面に設けられる。制御部２８２、は、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）を含む。記憶部２８３は、例えば揮発性メモリまたはハードディスクを含む。制御部２８２および記憶部２８３は制御基板２８４に実装される。 表示部２８５は、例えばセグメント表示器を含む。表示部２８５は、ドットマトリクス表示器を含んでもよい。表示部２８５は制御基板２８４に実装される。記憶部２８３には、流量センサ２００を動作させるための種々のデータおよびプログラムが記憶される。制御部２８２は、記憶部２８３に記憶されたデータおよびプログラムに基づいて、超音波素子２７１、２７２、表示部２８５および表示ランプ２８８の動作を制御する。なお、中継基板に、表示灯光源を実装し、ヘッド筐体に、表示灯光源により発行する表示灯を形成することもできる。また、制御部２８２は、接続部２８７およびケーブル２９０を通して図示しない電源装置等の外部装置に接続される。

【0088】

本例おいては、制御部２８２は時間差Δｔを測定する。時間差Δｔは、超音波素子２７１により送信された超音波が超音波素子２７２により受信されるまでの時間と超音波素子２７２により送信された超音波が超音波素子２７１により受信されるまでの時間との差である。測定された時間差Δｔに基づいて、制御部２８２は、配管２２０内を流れる流体の速度Ｖｆ及び配管２内を流れる流体の流量Ｑを所定の計算式により算出する。使用者は、操作部２８７を操作することにより、流量のしきい値を記憶部２８３に記憶させることができる。

【0089】

制御部２８２は、算出された流量Ｑを記憶部２８３に記憶されたしきい値と比較し、比較結果に基づいてオンオフ信号を出力する。オンオフ信号は、接続部２８６に接続された、中継基板２８１のヘッド識別素子２９１や外部装置のオン状態とオフ状態とを切り替えるための信号である。表示ランプ２８８は、ヘッド識別素子２９１や外部装置のオン状態とオフ状態とを識別可能に点灯する。

【0090】

表示部２８５は、アンプ筐体部２５１の窓部２５４に近接する位置に配置される。表示部２８５には、上記算出された流体の速度Ｖｆ及び流量Ｑまたは記憶部２８３に記憶されたしきい値等の種々の情報を表示することができる。

【0091】

このように、中継基板２８１に実装する機能を簡素化し、超音波流量素子の制御等の機能を、中継基板２８１からケーブル等を介して接続される、ヘッド筐体２５２の外部のアンプ筐体２５１に実装させることで、ヘッド筐体２５２に、設計レイアウト上必要な最低限の部品要素を収容することができるので、筐体の小型化を実現することができる。また、中継基板２８１に実装する機能を簡素化することで、超音波流量素子２７１、２７２から中継基板２８１に接続する信号線２７６、２７７の構成を簡素化することもできる。特に、本例のように、「Ｖ型」の超音波流量センサの場合、その構成上、２つの超音波流量素子が配管に対して中継基板に近い側に配置されるため、超音波流量素子の各々と中継基板２８１とを信号線２７６、２７７で接続するための距離を短くできるので、小型化された超音波流量センサを組み立てる際に作業性を向上させることができる。

【産業上の利用可能性】

【0092】

以上説明したように、本発明に係る超音波流量センサは、例えば空気圧システム等に組み込んで利用することができる。

【符号の説明】

【0093】

１ 超音波流量センサ
１１ 第１の超音波素子
１２ 第２の超音波素子
１３ ダンピング配管
１４ 第１の素子ベース
１５ 第２の素子ベース
４０ 中継基板
４１ ヘッド識別素子
４４ 信号線
５２ ヘッド筐体
６０ アンプ筐体
６１ 駆動回路部
６２ 制御部
６３ 記憶部
６４ 表示部
６５ 接続部
６６ 操作部
６７ 表示ランプ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】