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(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】P2024058752
(43)【公開日】2024-04-30
(54)【発明の名称】超音波流量計
(51)【国際特許分類】
G01F 1/667 20220101AFI20240422BHJP
G01F 1/66 20220101ALI20240422BHJP
【ＦＩ】
G01F1/667 A
G01F1/66 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022166040
(22)【出願日】2022-10-17
(71)【出願人】
【識別番号】000129253
【氏名又は名称】株式会社キーエンス
(74)【代理人】
【識別番号】110001427
【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】松井 裕基
(72)【発明者】
【氏名】松本 大樹
(72)【発明者】
【氏名】三宅 龍馬
【テーマコード（参考）】
2F035
【Ｆターム（参考）】
2F035DA08
2F035DA14
(57)【要約】
【課題】非金属チューブ内を流れる気体の流量を精度良く測定できるようにする。
【解決手段】超音波流量計１は、第１の角度α１を持った第１のくさび材１４と、第２の角度α２を持った第２のくさび材１５と、チューブ１００で励起される縦波の伝搬時間差に基づいて気体の流量を測定する流量測定部５３とを備えている。第１の角度α１及び第２の角度α２は、チューブ１００が縦波と横波との双方を励起し、縦波に対し横波の混在比率が１０％以下となるように構成されている。
【選択図】図３
【解決手段】超音波流量計１は、第１の角度α１を持った第１のくさび材１４と、第２の角度α２を持った第２のくさび材１５と、チューブ１００で励起される縦波の伝搬時間差に基づいて気体の流量を測定する流量測定部５３とを備えている。第１の角度α１及び第２の角度α２は、チューブ１００が縦波と横波との双方を励起し、縦波に対し横波の混在比率が１０％以下となるように構成されている。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
非金属チューブ内を流れる気体の流量を測定する超音波流量計であって、
超音波信号を送受信する第１の超音波素子と、
超音波信号を送受信する第２の超音波素子と、
前記第１の超音波素子に対向する第１の面と、前記チューブの外面に対向する第２の面とが第１の角度をなし、超音波信号を伝播する第１のくさび材と、
前記第２の超音波素子に対向する第３の面と、前記チューブの外面に対向する第４の面とが第２の角度をなし、超音波信号を伝播する第２のくさび材と、
前記第１の超音波素子と、前記第１のくさび材と、前記第２の超音波素子と、前記第２のくさび材とを収容する筐体と、
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のうち前記チューブで励起される縦波の伝搬時間差に基づいて当該チューブ内を流れる気体の流量を測定する流量測定部と、を備え、
前記第１のくさび材の前記第１の角度及び前記第２のくさび材の前記第２の角度は、前記チューブが縦波と横波との双方を励起し、前記縦波に対し前記横波の混在比率が１０％以下となるように構成された超音波流量計。
超音波信号を送受信する第１の超音波素子と、
超音波信号を送受信する第２の超音波素子と、
前記第１の超音波素子に対向する第１の面と、前記チューブの外面に対向する第２の面とが第１の角度をなし、超音波信号を伝播する第１のくさび材と、
前記第２の超音波素子に対向する第３の面と、前記チューブの外面に対向する第４の面とが第２の角度をなし、超音波信号を伝播する第２のくさび材と、
前記第１の超音波素子と、前記第１のくさび材と、前記第２の超音波素子と、前記第２のくさび材とを収容する筐体と、
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のうち前記チューブで励起される縦波の伝搬時間差に基づいて当該チューブ内を流れる気体の流量を測定する流量測定部と、を備え、
前記第１のくさび材の前記第１の角度及び前記第２のくさび材の前記第２の角度は、前記チューブが縦波と横波との双方を励起し、前記縦波に対し前記横波の混在比率が１０％以下となるように構成された超音波流量計。
【請求項2】
非金属チューブ内を流れる気体の流量を測定する超音波流量計であって、
超音波信号を伝播し、音速が１８００ｍ／秒以上２５００ｍ／秒以下であり、前記チューブの外側に配置される第１のくさび材と、
超音波信号を伝播し、音速が１８００ｍ／秒以上２５００ｍ／秒以下であり、前記チューブの外側に配置される第２のくさび材と、
前記第１のくさび材に設けられ、超音波信号を送受信する第１の超音波素子と、
前記第２のくさび材に設けられ、超音波信号を送受信する第２の超音波素子と、
前記第１のくさび材と、前記第２のくさび材と、前記第１の超音波素子と、前記第２の超音波素子とを収容する筐体と、
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のうち前記チューブで励起される縦波の伝搬時間差に基づいて当該チューブ内を流れる気体の流量を測定する流量測定部と、を備え、
前記第１の超音波素子における超音波信号を送受信する面と、前記チューブの外面とのなす角度、及び前記第２の超音波素子における超音波信号を送受信する面と、前記チューブの外面とのなす角度は、２０度以上４０度以下となるように構成された超音波流量計。
超音波信号を伝播し、音速が１８００ｍ／秒以上２５００ｍ／秒以下であり、前記チューブの外側に配置される第１のくさび材と、
超音波信号を伝播し、音速が１８００ｍ／秒以上２５００ｍ／秒以下であり、前記チューブの外側に配置される第２のくさび材と、
前記第１のくさび材に設けられ、超音波信号を送受信する第１の超音波素子と、
前記第２のくさび材に設けられ、超音波信号を送受信する第２の超音波素子と、
前記第１のくさび材と、前記第２のくさび材と、前記第１の超音波素子と、前記第２の超音波素子とを収容する筐体と、
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のうち前記チューブで励起される縦波の伝搬時間差に基づいて当該チューブ内を流れる気体の流量を測定する流量測定部と、を備え、
前記第１の超音波素子における超音波信号を送受信する面と、前記チューブの外面とのなす角度、及び前記第２の超音波素子における超音波信号を送受信する面と、前記チューブの外面とのなす角度は、２０度以上４０度以下となるように構成された超音波流量計。
【請求項3】
請求項２に記載の超音波流量計において、
前記第１の超音波素子における超音波信号を送受信する面の長さ、及び前記第２の超音波素子における超音波信号を送受信する面の長さは３０ｍｍ以下である超音波流量計。
前記第１の超音波素子における超音波信号を送受信する面の長さ、及び前記第２の超音波素子における超音波信号を送受信する面の長さは３０ｍｍ以下である超音波流量計。
【請求項4】
請求項２に記載の超音波流量計において、
前記第１の超音波素子及び前記第２の超音波素子は、２ＭＨｚ未満の超音波信号を送信するように構成された超音波流量計。
前記第１の超音波素子及び前記第２の超音波素子は、２ＭＨｚ未満の超音波信号を送信するように構成された超音波流量計。
【請求項5】
請求項１または２に記載の超音波流量計において、
前記第１のくさび材と前記チューブの外面との間及び前記第２のくさび材と前記チューブの外面との間には、それぞれ音響結合材が介在している超音波流量計。
前記第１のくさび材と前記チューブの外面との間及び前記第２のくさび材と前記チューブの外面との間には、それぞれ音響結合材が介在している超音波流量計。
【請求項6】
請求項１または２に記載の超音波流量計において、
前記チューブの外面を、前記第１のくさび材及び前記第２のくさび材が対向する方向とは異なる方向から支持する支持部が設けられている超音波流量計。
前記チューブの外面を、前記第１のくさび材及び前記第２のくさび材が対向する方向とは異なる方向から支持する支持部が設けられている超音波流量計。
【請求項7】
請求項６に記載の超音波流量計において、
前記第１のくさび材及び前記第２のくさび材は、前記チューブを径方向両側から挟むように配置され、
前記支持部は、前記チューブを径方向両側から支持する第１支持部及び第２支持部を含む超音波流量計。
前記第１のくさび材及び前記第２のくさび材は、前記チューブを径方向両側から挟むように配置され、
前記支持部は、前記チューブを径方向両側から支持する第１支持部及び第２支持部を含む超音波流量計。
【請求項8】
請求項７に記載の超音波流量計において、
前記第１支持部及び前記第２支持部の間隔は、前記チューブの外径よりも狭く設定され、前記チューブが前記第１支持部及び前記第２支持部により押圧されて変形する超音波流量計。
前記第１支持部及び前記第２支持部の間隔は、前記チューブの外径よりも狭く設定され、前記チューブが前記第１支持部及び前記第２支持部により押圧されて変形する超音波流量計。
【請求項9】
請求項８に記載の超音波流量計において、
前記第１のくさび材及び前記第２のくさび材の間隔は、前記チューブを径方向に押圧するように設定されている超音波流量計。
前記第１のくさび材及び前記第２のくさび材の間隔は、前記チューブを径方向に押圧するように設定されている超音波流量計。
【請求項10】
請求項９に記載の超音波流量計において、
前記第１のくさび材、前記第２のくさび材、前記第１支持部及び前記第２支持部で囲まれた空間には、変形後の前記チューブの一部を逃がすための逃げしろが設けられている超音波流量計。
前記第１のくさび材、前記第２のくさび材、前記第１支持部及び前記第２支持部で囲まれた空間には、変形後の前記チューブの一部を逃がすための逃げしろが設けられている超音波流量計。
【請求項11】
請求項１または２に記載の超音波流量計において、
前記チューブの外径が２０ｍｍ以下である超音波流量計。
前記チューブの外径が２０ｍｍ以下である超音波流量計。
【請求項12】
請求項１または２に記載の超音波流量計において、
前記チューブは、ナイロン、テフロン、ポリウレタンのうち、いずれかで構成された樹脂製チューブである超音波流量計。
前記チューブは、ナイロン、テフロン、ポリウレタンのうち、いずれかで構成された樹脂製チューブである超音波流量計。
【請求項13】
請求項１または２に記載の超音波流量計において、
前記筐体は、前記チューブを径方向に挟むように配置されて互いに結合される第１筐体及び第２筐体を含んでいる超音波流量計。
前記筐体は、前記チューブを径方向に挟むように配置されて互いに結合される第１筐体及び第２筐体を含んでいる超音波流量計。
【請求項14】
請求項１３に記載の超音波流量計において、
前記第１のくさび材と前記第１の超音波素子とが前記第１筐体に収容され、
前記第２のくさび材と前記第２の超音波素子とが前記第２筐体に収容されている超音波流量計。
前記第１のくさび材と前記第１の超音波素子とが前記第１筐体に収容され、
前記第２のくさび材と前記第２の超音波素子とが前記第２筐体に収容されている超音波流量計。
【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計に関する。
【背景技術】
【0002】
流路を流れる流体の流量を測定する測定機器として、一般的に、熱式のフローセンサが知られている。熱式のフローセンサは、流路内に配置される上流側ヒータと下流側ヒータとを備えており、流体が流れる時の上流側ヒータと下流側ヒータの温度分布の変化を検出し、その検出結果に基づいて流量を測定している。
【0003】
ところが、熱式のフローセンサは、偏流や乱流バタつきが生じると測定が安定しないため、ヒータの上流に整流板が必要になる。整流板を設けると圧力損失が発生するとともに、整流板に汚染物質が詰まり易く、更なる圧力損失の増大をもたらすことがある。また、熱式のフローセンサのヒータは汚れに弱く、壊れやすいという短所もある。
【0004】
一方、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、超音波流量計が知られている（例えば特許文献１、２参照）。特許文献１の超音波流量計は、金属配管の外壁に対して着脱自在に取り付けられ、金属配管の外から気体の流量を測定するクランプオン型超音波流量計である。特許文献１のクランプオン型超音波流量計の測定原理は、いわゆる伝搬時間差式であり、金属配管内を流れる気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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０２０－１０９３６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、例えばエアシリンダ等の空気圧システムでは、レギュレータで設定した空気圧を元に、エアシリンダの動作タイミング調整やブロー量の調整などをスピードコントローラや絞り弁の絞り量によって調整している。この空気圧システムの流路途中に流量計を配置すれば、システムの動作管理を流量に基づいて行うことができ、有効である。
【0007】
ところが、熱式のフローセンサを配置すると、上述した整流板による圧力損失の発生により、調整条件が変動していまい、再調整が必要になるとともに、経時的な詰まりによって高頻度の調整やメンテナンスが必要になってしまう。
【0008】
そこで、特許文献１のクランプオン型超音波流量計を用いれば、流路に整流板を配置せずに済むので、熱式のフローセンサを配置した場合のような問題は起こらないと考えられる。
【0009】
しかしながら、特許文献１のクランプオン型超音波流量計は、金属配管の共振現象を利用して信号を強化し、信号とノイズの比（Ｓ／Ｎ）を向上させることにより、流体流量の正確な測定を可能にしている。従って、金属配管に取り付けられることが前提となっており、空気圧システムで一般的に用いられている軟質樹脂製配管では音速が遅く、金属配管にて用いられるガイド波の励起が困難である。
【0010】
また、特許文献１では、金属配管の外から流量測定用の超音波信号を送信することで内部を流れる液体の測定は可能であるが、空気圧システムのように対象流体が気体の場合、気体は液体と比較して密度が小さく音速が遅いため、管外から測定しようとすると信号強度が低くなり、測定が困難である。
【0011】
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、非金属チューブ内を流れる気体の流量を精度良く測定できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記目的を達成するために、本開示の一態様では、非金属チューブ内を流れる気体の流量を測定する超音波流量計を前提とすることができる。超音波流量計は、超音波信号を送受信する第１の超音波素子と、超音波信号を送受信する第２の超音波素子と、前記第１の超音波素子に対向する第１の面と、前記チューブの外面に対向する第２の面とが第１の角度をなし、超音波信号を伝播する第１のくさび材と、前記第２の超音波素子に対向する第３の面と、前記チューブの外面に対向する第４の面とが第２の角度をなし、超音波信号を伝播する第２のくさび材と、前記第１の超音波素子と、前記第１のくさび材と、前記第２の超音波素子と、前記第２のくさび材とを収容する筐体と、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のうち前記チューブで励起される縦波の伝搬時間差に基づいて当該チューブ内を流れる気体の流量を測定する流量測定部と、を備えている。前記第１のくさび材の前記第１の角度及び前記第２のくさび材の前記第２の角度は、前記チューブが縦波と横波との双方を励起し、前記縦波に対し前記横波の混在比率が１０％以下となるように構成されている。
【0013】
すなわち、送信された超音波信号によりチューブが縦波と横波との双方を励起する。縦波と横波とでは音速が異なるので、互いに弱め合ったりして信号強度が低くなり、流量の測定が困難になる場合が想定される。このため、測定には、縦波と横波の一方のみを励起したいが、縦波と横波の信号強度を比較すると、縦波の方が高い。
【0014】
本態様では、チューブが縦波と横波との双方を励起するが、縦波に対し横波の混在比率が１０％以下となるように、第１のくさび材の第１の角度及び第２のくさび材の第２の角度を設定している。横波の混在比率が１０％を超えると、縦波と横波とが互いに弱め合う傾向が強くなるが、横波の混在比率が１０％以下であると、相対的に信号強度の高い縦波を用いた測定が可能になるので、測定精度が向上する。
【0015】
本開示の他の態様に係る超音波流量計の第１のくさび材及び第２のくさび材の音速は１８００ｍ／秒以上２５００ｍ／秒以下とすることができる。前記第１の超音波素子における超音波信号を送受信する面と、前記チューブの外面とのなす角度、及び前記第２の超音波素子における超音波信号を送受信する面と、前記チューブの外面とのなす角度は、２０度以上４０度以下となるように構成されている。
【0016】
この構成によれば、超音波素子における超音波信号を送受信する面と、チューブの外面とのなす角度が３０度以上４０度以下であるため、超音波信号によってチューブが縦波と横波との双方を励起した際、縦波に対し横波の混在比率が１０％以下になる。これにより、相対的に信号強度の高い縦波を用いた測定が可能になるので、測定精度が向上する。
【0017】
また、第１の超音波素子における超音波信号を送受信する面の長さ、及び第２の超音波素子における超音波信号を送受信する面の長さを３０ｍｍ以下とすることができる。これにより、筐体の大型化を回避しながら、上記角度範囲（２０度以上４０度以下）とすることによる作用効果が十分に高まり、縦波を用いた測定が高精度に行えるようになる。
【0018】
また、第１の超音波素子及び第２の超音波素子が２ＭＨｚ未満の超音波信号を送信するように構成されていてもよい。これにより、非金属チューブ内を流れる気体の流量の測定に適した周波数領域の超音波信号を伝播させることができる。
【0019】
また、第１のくさび材とチューブの外面との間及び第２のくさび材とチューブの外面には、音響結合材が介在していることにより、各超音波素子から送信された超音波信号がチューブに伝達され易くなり、迷信号を抑制できる。
【0020】
また、チューブの外面を、第１のくさび材及び第２のくさび材が対向する方向とは異なる方向から支持する支持部が設けられていてもよい。この場合、第１のくさび材及び第２のくさび材がチューブを径方向両側から挟むように配置され、支持部は、チューブを径方向両側から支持する第１支持部及び第２支持部を含んでいてもよい。これにより、曲がったり、潰れているチューブを測定に適した形状にして第１のくさび材及び第２のくさび材に対する相対的な位置を適切に設定できる。
【0021】
また、第１のくさび材及び第２のくさび材の間隔がチューブを径方向に押圧するように設定されていてもよく、この場合、変形後のチューブの一部を逃がすための逃げしろを設けておくことができる。チューブは、ナイロン、テフロン(登録商標)、ポリウレタンのうち、いずれかで構成された樹脂製チューブとすることができる。
【0022】
また、筐体は、チューブを径方向に挟むように配置されて互いに結合される第１筐体及び第２筐体を含んでいてもよい。この場合、第１のくさび材と第１の超音波素子とを第１筐体に収容し、第２のくさび材と第２の超音波素子とを第２筐体に収容できる。
【発明の効果】
【0023】
以上説明したように、チューブが縦波と横波との双方を励起した場合に、相対的に信号強度の高い縦波を用いることで、非金属チューブ内を流れる気体の流量を精度良く測定できる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本発明の実施形態１に係る超音波流量計をチューブに取り付ける前の状態を示す斜視図である。
【図2】実施形態１に係る超音波流量計の端面図である。
【図4】超音波流量計が取り付けられたチューブの状態を示す断面図である。
【図5】超音波流量計が取り付けられたチューブの断面形状を比較する図であり、ＦＩＧ．５Ａは支持部が無い場合、ＦＩＧ．５Ｂは支持部がある場合である。
【図6】縦波及び横波の透過率を示すグラフである。
【図7】くさび材の角度による指向性フィルタ特性の相違を説明する図であり、ＦＩＧ．７Ａは角度が大きい場合、ＦＩＧ．７Ｂは角度が小さい場合である。
【図8】受信側素子で受信した超音波信号の例を示す図である。
【図10】実施形態２に係る超音波流量計の筐体を省略した状態を示す斜視図である。
【図12】実施形態２に係る第１の超音波素子から送信された超音波信号の伝播を説明する図であり、ＦＩＧ．１２Ａは比較例であり、ＦＩＧ．１２Ｂは本発明である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
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。
【0026】
【0027】
超音波流量計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。超音波流量計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。空気圧システムは、大きく分けて駆動系用途のシステムと、吐出系用途のシステムと、吸引系用のシステムとがある。駆動系用途のシステムは、例えばエアシリンダ、チャック、圧入器等のように圧縮空気の圧力を利用して部材に力を加えるシステムである。吐出系用途のシステムは、例えば、ブロー、パージ、塗料などのスプレー、着座、リークテスト等で用いられる。吸引系用途のシステムは、例えば、吸着、真空引き等で用いられる。
【0028】
空気圧システムには、コンプレッサで圧縮された圧縮空気が流れるチューブ１００が設けられている。チューブ１００は非金属材料からなる非金属チューブであり、その材料としては、例えば樹脂材を挙げることができ、樹脂材で構成された場合、樹脂製チューブ１００となる。チューブ１００を構成する樹脂材としては、例えばナイロン、テフロン、ポリウレタン等を挙げることができ、これらのうち、いずれかの材料で構成することが可能である。また、チューブ１００の外径は、３ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲で設定されている。このようなチューブ１００は、取り回ししやすい程度の柔らかさを持っており、流路が潰れないように屈曲させることも可能である。
【0029】
チューブ１００には、スピードコントローラや絞り弁等が設けられており、レギュレータで設定した空気圧を元に、エアシリンダ等の動作タイミング調整やブロー量の調整などをスピードコントローラや絞り弁の絞り量によって調整している。本実施形態では、空気圧システムのチューブ１００に超音波流量計１を取り付け、この超音波流量計１により、チューブ１００内の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、超音波流量計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。超音波流量計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。
【0030】
以下、超音波流量計１の具体的な構造について説明する。超音波流量計１は、チューブ１００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計であり、図１に示すように、互いに分離可能な第１分割体１０と第２分割体２０とを備えている。図２～図４に示すように、第１分割体１０及び第２分割体２０により、チューブ１００が径方向両側から挟まれるようになっている。また、この実施形態の説明では、チューブ１００の流体の流れ方向を基準として、「上流」、「下流」と定義するが、この定義は説明の便宜を図るためだけであり、本発明を限定するものではない。また、図１～４の上側を超音波流量計１の「上」といい、図１～４の下側を超音波流量計１の「下」というものとするが、これも説明の便宜を図るためだけであり、本発明を限定するものではない。
【0031】
図２に示すように、超音波流量計１は、第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２と、第１のくさび材１４及び第２のくさび材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。第１の超音波素子１１は、チューブ１００の外側において径方向一方（図３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１１ａを有している。また、第２の超音波素子１２は、チューブ１００の外側において径方向他方（図３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１２ａを有している。第１の超音波素子１１の送受信面１１ａの長さＬ１、及び第２の超音波素子１２の送受信面１２ａの長さＬ２は、共に３０ｍｍ以下に設定されている。また、図４に示すように、第１の超音波素子１１の送受信面１１ａの幅Ｗ１、及び第２の超音波素子１２の送受信面１２ａの幅Ｗ２は、共に２０ｍｍ以下に設定されている。
【0032】
第１のくさび材１４は、第１の超音波素子１１とチューブ１００との間で超音波信号を伝播するものであり、チューブ１００の外側において第１の超音波素子１１とチューブ１００との間に配置されている。第１のくさび材１４は、チューブ１００の外面に対向するチューブ側面１４ａと、第１の超音波素子１１の送受信面１１ａに対向する素子側面１４ｂとを有している。第１の超音波素子１１は、第１のくさび材１４に設けられている。
【0033】
第１のくさび材１４のチューブ側面１４ａは、チューブ１００の管軸線Ｘと平行に延びる面で構成されている。第１のくさび材１４の素子側面１４ｂは、上流側へ行くほどチューブ１００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のくさび材１４のチューブ側面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のくさび材１４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のくさび材１４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。これにより、音速が１８００ｍ／秒以上２５００ｍ／秒以下である第１のくさび材１４となる。
【0034】
第１のくさび材１４の素子側面１４ｂが第１の面であり、第１のくさび材１４のチューブ側面１４ａが第２の面である。素子側面１４ｂとチューブ側面１４ａとは、第１の角度α１をなしている。また、第１のくさび材１４の素子側面１４ｂは、第１の超音波素子１１の送受信面１１ａに沿っており、また、第１のくさび材１４のチューブ側面１４ａは、チューブ１００の外面に沿っているので、チューブ１００の側方から見たときに送受信面１１ａとチューブ１００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。
【0035】
第１のくさび材１４のチューブ側面１４ａと、チューブ１００の外面との間には、音響結合材１３ｃが介在している。チューブ１００の外面が音響結合材１３ｃに接触し、さらに第１のくさび材１４のチューブ側面１４ａが音響結合材１３ｃに接触している。音響結合材１３ｃは第１のくさび材１４の一部を構成する部材であってもよいし、チューブ１００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。音響結合材１３ｃをゴム製とする場合には、架橋ゴム、例えばブチルゴム（イソブチエン・イソプレンゴム（ＩＩＲ））、エチレン（エチレン－プロピレンゴム（ＥＰＤＭ））、ニトリルゴム（ＮＢＲ）（アクリロニトリル・ブタジエンゴム（ＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、エピクロルヒドリンゴム（ＥＣＯ）、ノルボルネンゴム（ＮＯＲ）等で構成することができる。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。
【0036】
第２のくさび材１５は、第２の超音波素子１２とチューブ１００との間で超音波信号を伝播するものであり、チューブ１００の外側において第２の超音波素子１２とチューブ１００との間に配置されている。つまり、第１のくさび材１４及び第２のくさび材１５は、チューブ１００を径方向両側から挟むように配置されている。
【0037】
図４に示すように、第１のくさび材１４及び第２のくさび材１５の間隔は、チューブ１００を径方向に押圧するように設定されている。すなわち、チューブ１００に外力が作用していない時の形状を仮想線で示している。第１のくさび材１４のチューブ側面１４ａと、第２のくさび材１５のチューブ側面１５ａとの間隔が、音響結合材１３ｃを合わせたチューブ１００の外径寸法よりも短くなっており、これにより、超音波流量計１が取り付けられたチューブ１００は径方向に押圧されて変形する。
【0038】
第２のくさび材１５は、チューブ１００の外面に対向するチューブ側面１５ａと、第２の超音波素子１２の送受信面１２ａに対向する素子側面１５ｂとを有している。第２の超音波素子１２は、第２のくさび材１５に設けられている。
【0039】
第２のくさび材１５のチューブ側面１５ａは、チューブ１００の管軸線Ｘと平行に延びる面で構成されている。第２のくさび材１５の素子側面１５ｂは、上流側へ行くほどチューブ１００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のくさび材１５のチューブ側面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２のくさび材１５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のくさび材１５は、第１のくさび材１４と同様な材料で構成されており、従って、音速が１８００ｍ／秒以上２５００ｍ／秒以下である第２のくさび材１５となる。
【0040】
第２のくさび材１５の素子側面１５ｂが第３の面であり、第２のくさび材１５のチューブ側面１５ａが第４の面である。素子側面１５ｂとチューブ側面１５ａとは、第２の角度α２をなしている。また、第２のくさび材１５の素子側面１５ｂは、第２の超音波素子１２の送受信面１２ａに沿っており、また、第２のくさび材１５のチューブ側面１５ａは、チューブ１００の外面に沿っているので、チューブ１００の側方から見たときに送受信面１２ａとチューブ１００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。
【0041】
第２のくさび材１５のチューブ側面１５ａと、チューブ１００の外面との間には、音響結合材１３ｃが介在している。チューブ１００の外面が音響結合材１３ｃに接触し、さらに第２のくさび材１５のチューブ側面１５ａが音響結合材１３ｃに接触している。音響結合材１３ｃは第２のくさび材１５の一部を構成する部材であってもよい。
【0042】
第１分割体１０は、第１の超音波素子１１と、第１のくさび材１４と、第１の超音波素子１１及び第１のくさび材１４を収容する第１筐体３０とを備えている。第１筐体３０は、第１箱状部３１と、第１ベース部３２とを有している。第１箱状部３１は、下方に開放するとともに、チューブ１００の長さ方向に長く形成されており、第１の超音波素子１１及び第１のくさび材１４は第１箱状部３１内に配置されている。第１のくさび材１４の周縁部には、第１取付板部１４ｃが設けられている。第１取付板部１４ｃは第１箱状部３１ないし第１ベース部３２に固定されている。
【0043】
第１ベース部３２は、第１箱状部３１の下方に配置されて当該第１箱状部３１に一体化されている。図３に示すように、第１ベース部３２の中央部には、第１開放口３２ａが形成されており、第１開放口３２ａはチューブ１００の長さ方向に長い形状となっている。第１のくさび材１４のチューブ側面１４ａは、第１開放口３２ａから下方に臨むように配置される。チューブ側面１４ａに音響結合材１３ｃが付着している場合には、音響結合材１３ｃが第１開放口３２ａから下方に臨むように配置される。
【0044】
図１に示すように、第１ベース部３２の長手方向両側は、第１箱状部３１から延出するように形成されている。第１ベース部３２の長手方向両側には、図２に一部のみ示すネジＳが挿通するネジ挿通孔３２ｂが形成されている。また、図４に示すように、第１ベース部３２には、チューブ１００の外面を、第１のくさび材１４及び第２のくさび材１５が対向する方向（上下方向）とは異なる方向（側方）から支持する一対の上側支持部３２ｃが設けられている。上側支持部３２ｃは、第１ベース部３２の下面から下方へ突出してチューブ１００の長さ方向に延びている。図４の右側に位置する上側支持部３２ｃを第１支持部とし、図４の左側に位置する上側支持部３２ｃを第２支持部とし、これら左右の上側支持部３２ｃがチューブ１００を径方向両側から支持することになる。
【0045】
図３に示すように、第２分割体２０は、第２の超音波素子１２と、第２のくさび材１５と、第２の超音波素子１２及び第２のくさび材１５を収容する第２筐体４０とを備えている。本実施形態では、筐体が第１筐体３０と第２筐体４０とを含んでいる。第２筐体４０は、第２箱状部４１と、第２ベース部４２とを有している。第２箱状部４１は、上方に開放するとともに、チューブ１００の長さ方向に長く形成されており、第２の超音波素子１２及び第２のくさび材１５は第２箱状部４１内に配置されている。第２のくさび材１５の周縁部には、第２取付板部１５ｃが設けられている。第２取付板部１５ｃは第２箱状部４１ないし第２ベース部４２に固定されている。
【0046】
第２ベース部４２は、第２箱状部４１の上方に配置されて当該第２箱状部４１に一体化されている。図３に示すように、第２ベース部４２の中央部には、第２開放口４２ａが形成されており、第２開放口４２ａはチューブ１００の長さ方向に長い形状となっている。第２のくさび材１５のチューブ側面１５ａは、第２開放口４２ａから上方に臨むように配置される。チューブ側面１５ａに音響結合材１３ｃが付着している場合には、音響結合材１３ｃが第２開放口４２ａから上方に臨むように配置される。
【0047】
図１に示すように、第２ベース部４２の長手方向両側は、第２箱状部４１から延出するように形成されている。第２ベース部４２の長手方向両側には、第１ベース部３２のネジ挿通孔３２ｂに挿通したネジＳが挿通するネジ挿通孔４２ｂが形成されている。ネジ挿通孔４２ｂに挿通したネジＳには、図示しないナットが螺合するようになっている。
【0048】
また、図４に示すように、第２ベース部４２には、チューブ１００の外面を、第１のくさび材１４及び第２のくさび材１５が対向する方向（上下方向）とは異なる方向（側方）から支持する一対の下側支持部４２ｃが設けられている。下側支持部４２ｃは、上側支持部３２ｃと同様に配置されており、図４の右側に位置する下側支持部４２ｃを第１支持部とし、図４の左側に位置する下側支持部４２ｃを第２支持部とし、これら左右の下側支持部４２ｃが上側支持部３２ｃと共に、チューブ１００を径方向両側から支持することになる。
【0049】
右側の上側支持部３２ｃと、左側の上側支持部３２ｃとの間隔は、チューブ１００の外径よりも狭く設定されている。また、同様に、右側の下側支持部４２ｃと、左側の下側支持部４２ｃとの間隔も、チューブ１００の外径よりも狭く設定されている。これにより、チューブ１００が左右の上側支持部３２ｃ及び下側支持部４２ｃにより径方向に押圧されて変形する。
【0050】
図４に示すように、超音波流量計１の第１筐体３０及び第２筐体４０は、チューブ１００を径方向に挟むように配置されてネジＳ（図２に示す）により互いに結合される。したがって、第１筐体３０及び第２筐体４０を互いに結合した状態では、チューブ１００を配置するための空間Ｒが形成される。この空間Ｒは、第１のくさび材１４、第２のくさび材１５、上側支持部３２ｃ及び下側支持部４２ｃで囲まれた空間である。空間Ｒに配置されたチューブ１００は、上述したように上下方向及び左右方向に押圧されて変形する。空間Ｒの４つの隅部Ｒ１は、変形後のチューブ１００の一部を逃がすための逃げしろである。
【0051】
図５は、超音波流量計１が取り付けられたチューブ１００の断面形状を比較する図であり、ＦＩＧ．５Ａは上側支持部３２ｃ及び下側支持部４２ｃが無い場合、ＦＩＧ．５Ｂは上側支持部３２ｃ及び下側支持部４２ｃがある場合である。ＦＩＧ．５Ａに示すように、上側支持部３２ｃ及び下側支持部４２ｃが無いと、上下方向の押圧力を受けたチューブ１００は、斜め方向に長径を有する楕円形に近い形状になり、チューブ１００の上側部分が第１のくさび材１４の右側領域に強く接し、チューブ１００の下側部分が第２のくさび材１５の左側領域に強く接するようないびつな形状になる。こうなると、例えば第１の超音波素子１１から送信された超音波信号を第２の超音波素子１２で受信し難くなり、測定精度に悪影響を及ぼすおそれがある。これに対して、ＦＩＧ．５Ｂに示すように、上側支持部３２ｃ及び下側支持部４２ｃを設けることで、チューブ１００が左右対称及び上下対称な形状になり、例えば第１の超音波素子１１から送信された超音波信号を第２の超音波素子１２で確実に受信でき、その結果、測定精度を高めることができる。
【0052】
図３に示すように、超音波流量計１は、第１筐体３０に収容される第１回路基板５１及び第２筐体４０に収容される第２回路基板５２を更に備えている。第１回路基板５１は、第１の超音波素子１１を覆うように配置されており、第１の超音波素子１１と接続されている。第２回路基板５２は、第２の超音波素子１２を覆うように配置されており、第２の超音波素子１２と接続されている。
【0053】
超音波流量計１は、流量測定部５３及び制御部５４も備えている。流量測定部５３及び制御部５４は、第１信号線５１ａを介して第１回路基板５１と接続され、第２信号線５２ａを介して第２回路基板５２と接続されている。第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２は制御部５４によって制御される。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、２ＭＨｚ未満の超音波信号を送信するように構成されており、この周波数の超音波信号の送信は、第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２のハードウェアの構成、並びに、制御部５４によるハードウェアの制御によって可能である。
【0054】
また、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、第１信号線５１ａ及び第２信号線５２ａを介して流量測定部５３に送信される。尚、流量測定部５３及び制御部５４は、第１回路基板５１ないし第２回路基板５２に設けられていてもよい。
【0055】
流量測定部５３は、例えばマイクロコンピュータ等で構成されており、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のうち、チューブ１００で励起される縦波の伝搬時間差に基づいてチューブ１００内の気体の流量を測定する部分である。流量測定部５３は、伝搬時間差式の測定部であり、より具体的には、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は、流量測定部５３に入力される。
【0056】
第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２は、チューブ１００の管軸線Ｘに対して傾斜しているので、チューブ１００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。
【0057】
例えば、第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２が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、受信波形を流量測定部５３のＡ／Ｄコンバータで高速サンプリングする。流量測定部５３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。流量測定部５３は、決定した伝搬時間差から流速・流量を算出する。流量測定部５３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。
【0058】
（第１の角度及び第２の角度）
第１のくさび材１４の第１の角度α１は素子側面１４ｂとチューブ側面１４ａとがなす角度であり、また、第２のくさび材１５の第２の角度α２は素子側面１５ｂとチューブ側面１５ａとがなす角度である。第１の角度α１、及び第２の角度α２は、超音波信号が入力したチューブ１００が縦波と横波との双方を励起し、かつ、チューブ１００が励起した縦波に対し横波の混在比率が１０％以下となるように構成されている。すなわち、超音波信号が入力したチューブ１００が縦波と横波との双方を励起すると、縦波の音速と横波の音速とが異なっていることから、受信側素子で受信した時点で縦波と横波とが干渉して弱め合うことがある。このように、両方の波が混在すると、測定の安定性に影響を与えるためどちらかの波のみを励起したいが、横波は縦波に比べて強度が低いため、より信号強度の高い縦波を用いて安定した測定を行いたい。
第１のくさび材１４の第１の角度α１は素子側面１４ｂとチューブ側面１４ａとがなす角度であり、また、第２のくさび材１５の第２の角度α２は素子側面１５ｂとチューブ側面１５ａとがなす角度である。第１の角度α１、及び第２の角度α２は、超音波信号が入力したチューブ１００が縦波と横波との双方を励起し、かつ、チューブ１００が励起した縦波に対し横波の混在比率が１０％以下となるように構成されている。すなわち、超音波信号が入力したチューブ１００が縦波と横波との双方を励起すると、縦波の音速と横波の音速とが異なっていることから、受信側素子で受信した時点で縦波と横波とが干渉して弱め合うことがある。このように、両方の波が混在すると、測定の安定性に影響を与えるためどちらかの波のみを励起したいが、横波は縦波に比べて強度が低いため、より信号強度の高い縦波を用いて安定した測定を行いたい。
【0059】
ここで、縦波に対する横波の混在比率が１０％を超えると、受信側素子で受信した超音波信号が弱まりやすかったり、信号強度の高い縦波の割合が減ることで測定が安定しなくなってしまう。一方、本実施形態では、縦波に対する横波の混在比率が１０％以下であるため、受信側素子で受信した超音波信号が弱まることはなくなるとともに、信号強度の高い縦波を用いて安定した測定が可能になる。縦波に対する横波の混在比率が９％以下、または８％以下とすることで、より一層安定した測定が可能になる。
【0060】
図６は、縦波（一点鎖線で示す）の透過率と、横波（二点鎖線で示す）の透過率と、横波の透過率／縦波の透過率（実線で示す）とを示すグラフである。縦軸が透過率であり、横軸は第１の角度α１または第２の角度α２である。縦波の透過率と横波の透過率とは、第１の角度α１または第２の角度α２に依存し、例えばＺｏｅｐｐｒｉｔｚ方程式にて計算することができる。
【0061】
このグラフから明らかなように、縦波に対する横波の混在比率を１０％以下にするためには、第１の角度α１または第２の角度α２が４０度以下となる。要するに、第１の角度α１または第２の角度α２を４０度以下に設定することで、信号強度の高い縦波を用いて安定した測定が可能になる。つまり、チューブ１００が縦波と横波との双方を励起した場合に、相対的に信号強度の高い縦波を用いて流量を精度良く測定できる。
【0062】
また、図７は、第１の角度α１または第２の角度α２による指向性フィルタ特性の相違を説明する図である。第１の角度α１または第２の角度α２が大きくなればなるほど、第１のくさび材１４または第２のくさび材１５の指向性フィルタ特性が強くなり、反対に第１の角度α１または第２の角度α２が小さくなればなるほど、第１のくさび材１４または第２のくさび材１５の指向性フィルタ特性が弱くなる。図７中、実線の矢印は、狙いとする測線角度であり、破線の矢印は狙い外の測線角度である。指向性フィルタ特性が小さいと、狙いとする測定経路以外の経路から伝播した超音波信号が測定信号に多く含まれることになり、測定精度が悪化する要因となる。本実施形態では、第１の角度α１または第２の角度α２を２０度以上としており、これにより、狙いとする測定経路以外の経路から伝播した超音波信号が測定信号に含まれにくくなり、測定精度が向上する。第１の角度α１または第２の角度α２を、２５度以上、または３０度以上とすることで、指向性フィルタ特性が大きくなり、測定精度をより一層向上させることができる。
【0063】
第１のくさび材１４または第２のくさび材１５の指向性フィルタ特性は、第１の超音波素子１１または第２の超音波素子１２の大きさ、第１のくさび材１４または第２のくさび材１５の音速、第１の角度α１または第２の角度α２、超音波信号の周波数によって決定される。本実施形態では、第１の超音波素子１１または第２の超音波素子１２の長さＬ１、Ｌ２を３０ｍｍ以下とし、第１のくさび材１４または第２のくさび材１５の音速を１８００ｍ／秒以上２５００ｍ／秒以下とし、超音波信号の周波数を２ＭＨｚ以下としている。第１の超音波素子１１または第２の超音波素子１２の長さＬ１、Ｌ２の下限は、例えば１０ｍｍ以上とすることができる。超音波信号の周波数の下限は、１ＭＨｚ以上とすることができる。この範囲内では、第１の角度α１または第２の角度α２を２０度以上とするのが好ましい。
【0064】
第１の超音波素子１１または第２の超音波素子１２の長さＬ１、Ｌ２は長ければ長いほど、指向性フィルタ特性が向上するが、超音波流量計１のサイズも大型化して適用範囲が限定されてしまうので、第１の超音波素子１１または第２の超音波素子１２の長さＬ１、Ｌ２を３０ｍｍ以下とするのが好ましい。また、第１のくさび材１４または第２のくさび材１５の音速が遅ければ遅いほど指向性フィルタ特性が向上するが、測定結果の信頼性が低下してしまうので、１８００ｍ／秒以上とするのが好ましい。また、超音波信号の周波数が高ければ高いほど指向性フィルタ特性が向上するが、気体中での減衰が大きくなるので、２ＭＨｚ未満とするのが好ましい。
【0065】
図８は、受信側素子で受信した超音波信号の例を示す図であり、第１の角度α１または第２の角度α２が３５度の場合、２０度の場合、２５度の場合、３０度の場合をそれぞれ示している。この図から明らかなように、３５度、２５度、２０度の場合では、複数の反射信号が明瞭に区別可能な形態で受信できるが、２０度の場合は、複数の反射信号の区別がし難くなる傾向にある。この点からも、第１の角度α１または第２の角度α２の下限は２０度以上が好ましい。
【0066】
（実施形態２）
図９～図１２は、本発明の実施形態２に係る超音波流量計１を示すものである。この実施形態２では、内蔵チューブ１３を有している点で実施形態１のクランプオン型とは異なっている。以下、実施形態１と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について詳細に説明する。
図９～図１２は、本発明の実施形態２に係る超音波流量計１を示すものである。この実施形態２では、内蔵チューブ１３を有している点で実施形態１のクランプオン型とは異なっている。以下、実施形態１と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について詳細に説明する。
【0067】
図９に示すように、実施形態２に係る超音波流量計１は、内蔵チューブ１３を有しており、上流側外部配管１０１と下流側外部配管１０２との間に設けられる。上流側外部配管１０１は、超音波流量計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１０２は、超音波流量計１よりも下流側に位置する外部配管である。上流側外部配管１０１及び下流側外部配管１０２は、チューブ１００と同様な材料からなる。
【0068】
超音波流量計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１０１とし、切断部よりも下流側を下流側外部配管１０２として超音波流量計１を上流側外部配管１０１と下流側外部配管１０２との間に設置することが可能である。つまり、超音波流量計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、超音波流量計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。
【0069】
内蔵チューブ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り、ダンピング配管と呼ぶこともできる。具体的には、内蔵チューブ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、ポリウレタン等からなり、第１のくさび材１４及び第２のくさび材１５を構成する材料よりも軟質な材料で構成されている。
【0070】
内蔵チューブ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、内蔵チューブ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、内蔵チューブ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、内蔵チューブ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、内蔵チューブ１３の内面が滑らかな面で構成されていることから、内蔵チューブ１３の内面に汚れが溜まりにくくなる。尚、内蔵チューブ１３の外径は例えば３ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲で設定することができる。
【0071】
第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２は、内蔵チューブ１３の外側に位置している。第１のくさび材１４は、第１の超音波素子１１と内蔵チューブ１３との間に配置されている。内蔵チューブ１３と第１のくさび材１４との間には、音響結合材１３ｃが介在している。内蔵チューブ１３の外面が音響結合材１３ｃに接触している。音響結合材１３ｃは内蔵チューブ１３の一部を構成する部材であってもよい。
【0072】
第２のくさび材１５は、第２の超音波素子１２と内蔵チューブ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、内蔵チューブ１３の流路を流れている時に測定される。内蔵チューブ１３と第２のくさび材１５との間にも、音響結合材１３ｃが介在している。
【0073】
超音波流量計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、内蔵チューブ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。
【0074】
センタブロック２には、内蔵チューブ１３が差し込まれる差込孔２９が流体の流れ方向に貫通するように形成されている。内蔵チューブ１３の上流側部分及び下流側部分は、差込孔２９に差し込まれた状態でセンタブロック２に固定される。また、第１のくさび材１４及び第２のくさび材１５も、センタブロック２に固定されている。
【0075】
具体的には、センタブロック２には、第１のくさび材１４の内蔵チューブ１３側が差し込まれる第１開口部２５が形成されている。図１０に示すように、第１のくさび材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のくさび材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のくさび材１４がセンタブロック２に締結固定される。また、図９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のくさび材１４に押さえ付けられている。
【0076】
また、センタブロック２には、第２のくさび材１５の内蔵チューブ１３側が差し込まれる第２開口部２６が形成されている。図１０に示すように、第２のくさび材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（図示せず）が形成されている。従って、第１のくさび材１４と同様に、第２のくさび材１５をセンタブロック２に締結固定できる。また、図９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のくさび材１５に押さえ付けられている。
【0077】
超音波流量計１は、上流側接続部６０及び下流側接続部６１と、上流側管路部材６２及び下流側管路部材６３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６０、上流側管路部材６２、内蔵チューブ１３、下流側管路部材６３及び下流側接続部６１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、内蔵チューブ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６２及び下流側管路部材６３は必要に応じて設けられるものであり、省略してもよい。
【0078】
内蔵チューブ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２９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によって内蔵チューブ１３の上流側部分と差込孔２９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２９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によって内蔵チューブ１３の下流側部分と差込孔２９との間がシールされるようになっている。
【0079】
図１０及び図１１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は、センタブロック２の長手方向に長い形状とされている。側面開口部２ｂにより、差込孔２９が側方に開放されることになる。したがって、内蔵チューブ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と内蔵チューブ１３との間に介在するように塗布する。これにより、内蔵チューブ１３内の音波をより一層減衰させることができる。
【0080】
上流側接続部６０は、上流側外部配管１０１の流路と内蔵チューブ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６０の下流側の外周面には、例えばネジ山６０ａが形成されており、このネジ山６０ａをセンタブロック２の差込孔２９の上流側の内周面に形成されているネジ溝２９ａに螺合させることで、上流側接続部６０がセンタブロック２に対して気密に接続される。
【0081】
上流側接続部６０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６０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６０の形状も任意に設定することができる。
【0082】
下流側接続部６１は、下流側外部配管１０２の流路と内蔵チューブ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６１は、上流側接続部６０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６１ａをセンタブロック２の差込孔２９の下流側の内周面に形成されているネジ溝２９ｂに螺合させることで、下流側接続部６１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。尚、上流側接続部６０及び下流側接続部６１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。
【0083】
上流側管路部材６２は、内蔵チューブ１３と上流側接続部６０との間に設けられ、内蔵チューブ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６２は、円筒状をなしており、センタブロック２の差込孔２９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６２の流路の上流側は、上流側接続部６０の流路と連通し、また、上流側管路部材６２の流路の下流側は、内蔵チューブ１３の流路と連通している。
【0084】
ここで、内蔵チューブ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から内蔵チューブ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流量の測定が可能になる。尚、図示しないが、内蔵チューブ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、内蔵チューブ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。
【0085】
下流側管路部材６３は、内蔵チューブ１３と下流側接続部６１との間に設けられ、内蔵チューブ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６３は、円筒状をなしており、センタブロック２の差込孔２９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６３の流路の下流側は、下流側接続部６１の流路と連通し、また、下流側管路部材６３の流路の上流側は、内蔵チューブ１３の流路と連通している。
【0086】
超音波流量計１は、回路基板６５を更に備えている。回路基板６５は、第１の超音波素子１１を覆うように配置されており、内蔵チューブ１３の管軸線Ｘと略平行に延びている。回路基板６５には、第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２が接続されている。さらに、回路基板６５には、内蔵チューブ１３の流路を流れる流体の圧力を測定する圧力測定部６６と、制御部６７とが実装されている。制御部６７は、外部に設けられていてもよい。圧力測定部６６は、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圧力センサで構成されており、具体的には、ひずみゲージ等を用いることができる。
【0087】
圧力測定部６６の配設構造について具体的に説明する。センタブロック２の上流側部分には、圧力測定部６６の受圧部６６ａが嵌合する筒状部２２が内蔵チューブ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。筒状部２２の内面と受圧部６６ａの外面との間には、Ｏリングからなるセンサ部シール材２３が設けられおり、センサ部シール材２３によって筒状部２２と受圧部６６ａとの間の気密性が確保されるようになっている。
【0088】
さらに、センタブロック２の上流側部分には、内蔵チューブ１３と上流側接続部６０との間に、内蔵チューブ１３の流路に連通する連通路２４が設けられている。連通路２４は、上流側管路部材６２の周壁を貫通する第１通路６２ｂと、当該第１通路６２ｂと連通し、圧力測定部６６の受圧部６６ａに達するまで延びる第２通路２ａとを含んでいる。第１通路６２ｂは、センタブロック２の差込孔２９の内部において上流側配管シール材１３ａと上流側接続部６０の間の部分に連通している。また、第２通路２ａも、センタブロック２の差込孔２９の内部において上流側配管シール材１３ａと上流側接続部６０の間の部分に連通している。これにより、内蔵チューブ１３の流路は、連通路２４を介して筒状部２２の内部と連通し、圧力測定部６６の受圧部６６ａが連通路２４に臨むように設けられることになる。尚、図示しないが、圧力測定部６６を内蔵チューブ１３の下流側に設けてもよい。
【0089】
超音波流量計１は、表示灯６８、操作部（操作ボタン）及び表示パネル（図示せず）も備えている。表示灯６８及び表示パネルは制御部６７によって制御される。制御部６７は、例えばマイクロコンピュータ等で構成されており、外部機器からの指令に基づいて第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２を制御して、流量測定の開始及び停止を実行する。また、制御部６７は、測定値が予め設定された範囲外になった場合には、表示灯６８の表示形態をそれまでの形態とは異なる形態に変化させる。例えば、表示灯６８の表示色を変えたり、表示灯６８を点滅させたりすることができる。表示パネルは、例えば有機ＥＬパネルや液晶パネル等で構成されており、測定値や各種設定情報等が表示される。各種設定は、ユーザが操作部を操作することで可能になっている。操作部の操作状態は、制御部６７によって取得し、受け付けられる。
【0090】
流量測定部５３は、信号線６５ａを介して制御部６７と通信可能に接続されている。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、圧力測定部６６で測定された圧力は、信号線６５ａを介して流量測定部５３に送信される。尚、流量測定部５３は、回路基板６５に設けられていてもよい。
【0091】
流量測定部５３は、圧力測定部６６で測定された圧力を使用することで、質量流量を測定することもできる。質量流量を測定する際、内蔵チューブ１３の流路を流れる流体の温度を測定する温度センサを設けておき、温度センサによって検出された流体の温度を用いてもよいし、第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２で受信した超音波信号に基づいて音速を算出し、算出された音速から温度を推定し、質量流量の測定に用いてもよい。
【0092】
図１に示すように、超音波流量計１の筐体７２は、第１の超音波素子１１と、第１のくさび材１４と、内蔵チューブ１３と、第２の超音波素子１２と、第２のくさび材１５とを収容する部材であり、本実施形態では、回路基板６５、圧力測定部６６、センタブロック２等も筐体７２に収容されている。筐体７２は、流体の流れ方向に分割されており、第１筐体構成部７２ａと第２筐体構成部７２ｂとを有している。筐体７２の構成は上述した構成に限られるものではなく、例えば内蔵チューブ１３の径方向に分割可能に構成されていてもよい。
【0093】
（流体の流量測定）
次に、上記のように構成された超音波流量計１を用いて流体の流量を測定する場合について説明する。はじめに比較例について説明する。図１２のＦＩＧ．１２Ａは、比較例を示しており、内蔵チューブ１３が無い状態で、本実施形態２と同様な位置関係となるように、第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２と、第１のくさび材１４及び第２のくさび材１５とを配置している。この比較例の場合、第１の超音波素子１１の送受信面１１ａから送信された超音波信号は、第１のくさび材１４の素子側面１４ｂに入射して第１のくさび材１４を伝播し（矢印Ａ１）、第１のくさび材１４のチューブ側面１４ａから流体に伝播する（矢印Ａ２）。このとき、流体が気体である場合のように、第１のくさび材１４と流体との間の音響インピーダンスの差が大きいと、第１のくさび材１４と流体との界面での反射が大きくなる。第１のくさび材１４と流体との界面で反射した超音波信号の成分を矢印Ａ３で示す。この反射した成分が多いため、流体に伝播する超音波信号（矢印Ａ２）の強度が低くなる。また、第１のくさび材１４と流体との界面で反射した超音波信号は、第１のくさび材１４内に滞留する。第１のくさび材１４内に滞留した超音波信号は、センタブロック２等の部材を介して受信側素子（第２の超音波素子１２）まで回り込み、第２の超音波素子１２で受信される（矢印Ａ４）。このように流体とは別の経路を通じて受信された超音波信号はノイズ成分となり、流量の測定を阻害する。第２の超音波素子１２から送信された超音波信号も同様に、第２のくさび材１５と流体との界面で反射する成分が多くなってしまい、反射した成分がセンタブロック２等の部材を介して第１の超音波素子１１まで回り込み、第１の超音波素子１１で受信され、ノイズ成分となる。
次に、上記のように構成された超音波流量計１を用いて流体の流量を測定する場合について説明する。はじめに比較例について説明する。図１２のＦＩＧ．１２Ａは、比較例を示しており、内蔵チューブ１３が無い状態で、本実施形態２と同様な位置関係となるように、第１の超音波素子１１及び第２の超音波素子１２と、第１のくさび材１４及び第２のくさび材１５とを配置している。この比較例の場合、第１の超音波素子１１の送受信面１１ａから送信された超音波信号は、第１のくさび材１４の素子側面１４ｂに入射して第１のくさび材１４を伝播し（矢印Ａ１）、第１のくさび材１４のチューブ側面１４ａから流体に伝播する（矢印Ａ２）。このとき、流体が気体である場合のように、第１のくさび材１４と流体との間の音響インピーダンスの差が大きいと、第１のくさび材１４と流体との界面での反射が大きくなる。第１のくさび材１４と流体との界面で反射した超音波信号の成分を矢印Ａ３で示す。この反射した成分が多いため、流体に伝播する超音波信号（矢印Ａ２）の強度が低くなる。また、第１のくさび材１４と流体との界面で反射した超音波信号は、第１のくさび材１４内に滞留する。第１のくさび材１４内に滞留した超音波信号は、センタブロック２等の部材を介して受信側素子（第２の超音波素子１２）まで回り込み、第２の超音波素子１２で受信される（矢印Ａ４）。このように流体とは別の経路を通じて受信された超音波信号はノイズ成分となり、流量の測定を阻害する。第２の超音波素子１２から送信された超音波信号も同様に、第２のくさび材１５と流体との界面で反射する成分が多くなってしまい、反射した成分がセンタブロック２等の部材を介して第１の超音波素子１１まで回り込み、第１の超音波素子１１で受信され、ノイズ成分となる。
【0094】
これに対し、ＦＩＧ．１２Ｂに示す本実施形態２では、流路を規定している内蔵チューブ１３が超音波信号を減衰する部材で構成されているので、第１のくさび材１４と内蔵チューブ１３との音響インピーダンスが近くなる。また、第１のくさび材１４と内蔵チューブ１３との間に音響結合材１３ｃが介在している。実施形態２では、第１の超音波素子１１の送受信面１１ａから送信された超音波信号は、第１のくさび材１４の素子側面１４ｂに入射して第１のくさび材１４を伝播し（矢印Ｂ１）、第１のくさび材１４のチューブ側面１４ａから音響結合材１３ｃ及び内蔵チューブ１３に順に伝播する（矢印Ｂ２）。第１のくさび材１４と内蔵チューブ１３との音響インピーダンスが近いので、第１のくさび材１４と内蔵チューブ１３との界面での超音波信号の反射が小さくなるとともに、内蔵チューブ１３で超音波信号が減衰する。これにより、センタブロック２等の部材を介して受信側素子（第２の超音波素子１２）まで回り込む超音波信号を減少させることができ、その結果、ノイズ成分が減少する。
【0095】
超音波信号は内蔵チューブ１３で規定されている流路内の流体を通過した後（矢印Ｂ３）、内蔵チューブ１３及び音響結合材１３ｃに順に伝播する（矢印Ｂ４）。次いで、第２のくさび材１５を伝播して第２の超音波素子１２で受信される（矢印Ｂ５）。第２の超音波素子１２から送信された超音波信号も同様に、第２のくさび材１５と内蔵チューブ１３との界面での反射が小さくなるので、ノイズ成分が減少する。
【0096】
したがって、実施形態２では、実施形態１と同様に、チューブ１００が励起した縦波に対し横波の混在比率が１０％以下となるようにして相対的に信号強度の高い縦波を用いた測定を可能にしながら、内蔵チューブ１３によって超音波信号を減衰させてノイズ成分を減少させることができるので、測定が安定するとともに測定精度がより一層向上する。
【0097】
上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【0098】
以上説明したように、本発明に係る超音波流量計は、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】
【0099】
１ 超音波流量計
１１ 第１の超音波素子
１２ 第２の超音波素子
１３ｃ 音響結合材
１４ 第１のくさび材
１４ａ チューブ側面（第２の面）
１４ｂ 素子側面（第１の面）
１５ 第２のくさび材
１５ａ チューブ側面（第４の面）
１５ｂ 素子側面（第３の面）
３０ 第１筐体
３２ｃ 上側支持部
４０ 第２筐体
４２ｃ 下側支持部
１００ チューブ
α１ 第１の角度
α２ 第２の角度
１１ 第１の超音波素子
１２ 第２の超音波素子
１３ｃ 音響結合材
１４ 第１のくさび材
１４ａ チューブ側面（第２の面）
１４ｂ 素子側面（第１の面）
１５ 第２のくさび材
１５ａ チューブ側面（第４の面）
１５ｂ 素子側面（第３の面）
３０ 第１筐体
３２ｃ 上側支持部
４０ 第２筐体
４２ｃ 下側支持部
１００ チューブ
α１ 第１の角度
α２ 第２の角度
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
