專利名稱：超聲波流量計的制作方法
技術領域：
本發明涉及在化學工廠、半導體制造領域、食品領域、生物領域等的各種產業中的流體輸送中，使超聲波振動傳遞到流體中，根據來自流的上游側的超聲波傳遞時間和來自下游側的超聲波傳遞時間之差來計測流體的流速及流量的超聲波流量計，特別涉及適用于微小流量的計測及漿流體尤其是在半導體領域中使用的CMP漿流體的流量計測中的超聲波流量計。
背景技術：
根據超聲波傳遞時間之差而計測流體的流量的以往的超聲波流量計大體分為3種構造。
圖9表示第1已有技術的超聲波流量計的構造。在圖9中，參照標號“100”是指在圖中的實線箭頭方向上流體流動的大致U字形狀的流通體。參照標號“101”、“102”是指超聲波振子，這些超聲波振子101、102配置在流通體100的直管部103的兩側上。在該超聲波流量計中，如果在流體以滿水狀態在流通體100內流動時、上游側的超聲波振子101受從變換器(未圖示)發出的電氣信號激勵，則產生超聲波，向流通體100的直管部103內的流體傳遞，由下游側的超聲波振子102接收，變換為電氣信號、輸出給變換器。然后，瞬間下游側的超聲波振子102由來自于變換器的電氣信號激勵(激振)，產生的超聲波在直管部103的流體內傳遞并由上游側的超聲波振子101接收，變換為電氣信號、輸出給變換器。此時，利用在各個超聲波傳遞時間中產生差的事實，求出流通體100內的流速，計測流量(例如，日本專利特開2000-146645號公報)。
圖10表示第2已有技術的超聲波流量計的構造。在圖10中，參照標號“110”是指測量管，在測量管110內流體向圖10的實線箭頭方向流動。參照標號“111”、“112”是指檢測器，2個檢測器111、112成為一對，在測量管6的外周表面的相對置的位置、并且不是同一環上的位置上被鉗住。在該超聲波流量計中，由檢測器111產生的超聲波振動相對于測量管中的流體的流動方向傾斜地傳遞(圖中的虛線箭頭方向)，由檢測器112接收。在此情況下也與第1已有技術同樣，是切換檢測器111、112的發送接收、根據超聲波振動的傳遞時間差來計測流量的超聲波流量計。另外，圖示的檢測器111、112的構造是示意性的，在實際設置的情況下，如在日本專利特開2003-75219號公報中所述，將超聲波振子設置在楔形狀的固定器的傾斜面上，使從超聲波振子發出的超聲波相對于管的中心軸線向傾斜方向傳遞。
圖11表示第3以往的技術。如圖11所示，2個檢測器114、115在測量管113的外周表面的同一線上離開而被鉗住。在該測量管113中，通過使從具有與第2已有技術同樣的超聲波振子的檢測器114發出的超聲波振動由測量管113的內表面向圖中的虛線箭頭方向反射，根據由檢測器115接收的情況、和從檢測器115發出的超聲波振動由測量管113的內表面反射而由檢測器114接收的情況的超聲波振動的傳遞時間之差來計測流量。
但是，在上述第1已有技術的超聲波流量計中，在流通體100內流動的流體為漿的情況下，因為流通體100具有大致U字狀，所以，有漿堆積、固著在流通體100的曲部104中而妨礙超聲波振動的傳遞、特別是在半導體領域的CMP裝置內不能進行正確的流量計測的問題。此外，因為流通體110具有曲部104，所以，有在流通體110內產生流體的壓力損失等、不能進行正確的流速以及高精度的流量的計測的問題。進而，因為管路為大致U字狀，所以有制造成本較高的問題。
此外，在第2以往的超聲波流量計中，雖然沒有漿的堆積，但是在計測微小流量的情況下，為了得到可計測的流速而需要減小測量管的口徑，隨之，檢測器111、112的安裝距離變小，所以有傳遞距離、傳遞時間差變小而不能進行高精度的計測、或計測本身不能進行的問題。進而，固定器111、112是為了使超聲波振動相對于管的軸線方向傾斜地高效率地傳遞而使用的，但是，作為提高測量靈敏度的方法，為了減少來自于測量管的反射，需要夾著比測量管傳遞速度慢的材質，例如環氧樹脂。但是，在只使用樹脂的情況下，有超聲波振動的衰減變大的缺點。
此外，在第3已有技術的情況下，因反射而使超聲波振動的衰減變大，所以有微小流量的計測較困難、并且檢測器114、115的安裝也較困難的問題。
發明內容
本發明的目的是消除在上述已有技術中存在的問題，提供一種使超聲波振動高效率地傳遞到小口徑配管內的流體中、能夠進行高精度的流量的計測、并且小型且便宜的超聲波流量計。
本發明鑒于上述目的，提供一種超聲波流量計，具備沿著軸線方向分開而安裝在流體流動的管的外周面上的2個超聲波收發器，從這2個超聲波收發器的一個發送的超聲波振動經過上述管內的流體而由上述2個超聲波收發器的另一個接收，通過交替切換發送側和接收側的超聲波收發器來測量2個超聲波收發器間的超聲波傳遞時間，由此來測量上述流體的流速，其特征在于，各超聲波收發器具備包圍上述管而固定在上述管的外周面上的筒狀的傳送體、和從上述管的外周面隔開間隔而配置的超聲波轉換器，上述傳送體具有相對于上述管的軸線垂直的軸線方向端面，上述超聲波轉換器的軸線方向端面固接在上述傳送體的軸線方向端面上，通過將電壓施加于上述超聲波轉換器的軸線方向端面間，使上述超聲波轉換器在軸線方向上伸縮。
超聲波轉換器一般在施加電壓的方向上產生最大的振動能量。在本發明的超聲波流量計中，在將超聲波轉換器的軸線方向端面固接在傳送體的軸線方向端面之后，使超聲波轉換器在軸線方向上伸縮，所以，能夠將超聲波轉換器產生的超聲波振動經由傳送體有效地傳遞給流體。此外，將超聲波轉換器的軸線方向端面固接在筒狀的傳送體的軸線方向端面上，所以，能夠在超聲波轉換器和傳送體之間確保較大的超聲波振動傳遞面積，能夠從超聲波轉換器將較大的超聲波振動能量傳遞給傳送體。進而，因為傳送體包圍管的外周而配置，所以，超聲波振動從管整周向管內的流體傳遞，能夠通過管內的流體傳遞較大的超聲波振動能量。由此，本發明的超聲波流量計能夠進行高靈敏度的測量，并且能夠實現超聲波流量計的小型化。
此外，超聲波轉換器與管的外周面隔開間隔而配置，所以不會使超聲波振動傳遞給管，能夠減少在管中傳遞的振動、即對測量的干擾。由此，可以進一步提高本發明超聲波流量計的測量靈敏度。
上述超聲波轉換器優選為有孔的圓板形狀。
上述傳送體優選為具有從固接有上述超聲波轉換器的軸線方向端面朝向另一個軸線方向端面外徑變小的圓錐形狀。
此外，因為金屬材料難以使超聲波振動衰減，所以上述傳送體優選為由金屬材料構成。
進而，上述超聲波轉換器及上述傳送體也可以由在上述管的外周面的周向上被分割為多個的部分形成。
此外，上述傳送體也可以與上述管一體地形成。
本發明為以上那樣的結構，通過使用它，能夠得到以下的良好的效果。
(1)超聲波收發器由筒狀的傳送體和超聲波轉換器構成，通過使超聲波轉換器的軸線方向端面和傳送體的軸線方向端面固接，能夠將超聲波轉換器的厚度方向(與管的軸線方向平行的方向)的超聲波振動傳遞給測量管內的流體，所以能夠將超聲波轉換器產生的超聲波振動能量高效地傳遞給測量管內的流體。因而，根據本發明的超聲波流量計，即使測量管為小口徑，也能夠進行高精度的微小流量的計測。
(2)超聲波轉換器與測量管的外周面隔開間隔而配置，所以，不會將超聲波振動從超聲波轉換器直接傳遞給測量管，能夠減少在測量時作為雜音的從超聲波轉換器傳遞給管壁的超聲波振動及其它的干擾，能夠進行高精度的流量的計測。
(3)超聲波轉換器和傳送體包圍測量管的周圍而配置，所以超聲波振動從管的整周方向傳遞給管內的流體。因而，根據本發明的超聲波流量計，能夠將較大的振動能量施加給流體，能夠進行高靈敏度的測量。
(4)通過以上效果，能夠提供更小型、廉價的超聲波流量計。
(5)此外，由于將超聲波收發器設置在直管上，所以壓力損失較少，即使在流體為漿等的情況下也不會積存，能夠進行在半導體領域中使用的CMP漿流體的流量的計測。
以下，參照附圖，根據本發明的實施方式更詳細地說明本發明的上述及其它目的、特征、優點。
圖1是表示本發明的第1實施方式的縱剖視圖。
圖2是表示本發明的圖1的超聲波收發器的縱剖視圖。
圖3是表示本發明的圖1的超聲波收發器的左側視圖。
圖4表示本發明的超聲波轉換器為半圓狀的左側視圖。
圖5是表示本發明的第2實施方式的縱剖視圖。
圖6是本發明的圖5的左側視圖。
圖7是表示本發明的第3實施方式的縱剖視圖。
圖8是表示本發明的第4實施方式的縱剖視圖。
圖9是表示第1已有技術的超聲波流量計的縱剖視圖。
圖10是表示第2已有技術的超聲波流量計的縱剖視圖。
圖11是表示第3已有技術的超聲波流量計的縱剖視圖。
具體實施例方式
以下，參照圖1到圖8說明本發明的實施方式，但是，當然本發明并不限于這些實施方式。
首先，根據圖1到圖3說明本發明的第1實施方式。參照標號“1”是指硬鋁合金制的傳送體。傳送體1呈大致圓錐狀，包圍氟類樹脂制的測量管6而配置，具有向相對于測量管6的軸線方向垂直方向延伸的2個軸線方向端面8a、8b。此外，在傳送體1的中心上形成有由前部貫通口5以及后部貫通口4構成的貫通口3。后部貫通口4比前部貫通口5擴大直徑而設置，在將前部貫通口5的內周面通過環氧類樹脂的粘接劑密接固定在氟類樹脂制的測量管6的外周面上時，后部貫通口4的內周面成為從測量管6離開的狀態。另外，在本實施方式中，作為傳送體1的材料而使用硬鋁合金，但只要是鋁、鋁合金、鈦、耐蝕耐熱鎳基合金、SUS等金屬、或者樹脂、玻璃、石英等能夠傳遞超聲波振動的任意的材料就可以，特別優選為超聲波傳遞性高的金屬。此外，傳送體1的形狀為大致圓錐形，但是只要是超聲波振動的傳遞好的形狀，也可以是其它的形狀，并不限于大致圓錐形。進而，作為密接固定的方法，使用環氧類樹脂的粘接劑，但也可以使用膠水或各種粘接劑等，或也可以僅通過壓插來密接固定。即，只要在來自后述的超聲波轉換器2的超聲波振動不傳遞給測量管6的狀態下配設在測量管上就可以。
參照標號“2”是指使用鋯鈦酸鉛(PZT)等的壓電材料的超聲波轉換器，超聲波轉換器2具有環形體形狀即有孔圓板形狀。超聲波轉換器2的軸線方向端面7通過環氧類樹脂施加壓力而粘接在傳送體1的軸線方向端面的1個8b整面上，在超聲波轉換器2的另一個軸線方向端面9及外周面上涂布有、或通過粘接而密接固定有防振材料(未圖示)。超聲波轉換器2的內徑與傳送體1的后部貫通口4大致同徑，其內周面成為從測量管6的外周面離開的狀態。此外，軸線方向端面7成為電氣接地端子。通過超聲波轉換器2這樣密接固定在傳送體1上，構成上游側的超聲波收發器10。另外，在本實施方式中，超聲波轉換器2具有有孔圓板形狀，但是也可以是半圓狀(參照圖4)、扇狀。此外，超聲波轉換器2的內周面從測量管6的外周面離開，但是也可以經由隔斷超聲波振動的材料(防振材料)密接固定在測量管6上。
此外，下游側的超聲波收發器16也具有與上游側的超聲波收發器10同樣的結構，2個超聲波收發器10、16使各個傳送體1、12相對置，沿軸線方向相互離開而配置在測量管6的外周面上。
接著，根據圖1說明本發明的第1實施方式的超聲波流量計的作用。在測量管6的內部，測量流體以滿水狀態沿圖1中的實線箭頭方向流動。另外，因為測量管6是筆直型，所以，沒有壓力損失，能夠減少漿等積存的可能性。如果將不具有電壓脈沖或頻率成分的電壓從變換器(未圖示)施加給相對于流體的流動位于上游側的超聲波收發器10的超聲波轉換器2，則在超聲波轉換器2中，在其厚度方向(即，施加電壓的方向)及徑向(即，與施加電壓方向垂直的方向)上產生振動。在超聲波收發器10中，通過使超聲波轉換器2的軸線方向端面7固接在傳送體1的軸線方向端面8b上以后將電壓施加于超聲波轉換器2的兩軸線方向端面7及9之間，使振動能量較大的厚度方向的超聲波振動作為超聲波傳遞給傳送體1的軸線方向端面7。另一方面，因為超聲波轉換器2的徑向的超聲波振動由防振材料吸收而除去了超聲波的殘余影響，所以不會傳遞到周圍。
這樣，傳送到傳送體1的超聲波振動進一步在傳送體1內朝向其前部11傳遞。推測傳遞到該前部11的超聲波振動會在強化了朝向測量管6的中心的方向性的狀態下、從整個管外周經由管壁向測量管6的流體中傳遞、然后在流體中一邊向與管軸大致平行方向并且呈扇狀擴散一邊傳遞。接著，超聲波振動從對置地位于下游側的超聲波收發器16的傳送體12的前部15在傳送體12的內部傳送，從軸線方向端面14b(與位于傳送體11側的軸線方向端面14a相反側的端面)向轉換器13傳遞，被變換為電氣信號，向變換器輸出。
另外，在傳送體1內，通過其大致圓錐形狀強化了用來使超聲波振動朝向測量管內部的方向性，并且通過使用超聲波傳遞性高的金屬來抑制超聲波振動的振幅的衰減。此外，因為超聲波轉換器2自身沒有與測量管6接觸而是離開的，所以，能夠降低作為雜音的一個原因的在管壁中傳遞的超聲波振動、及其它的干擾，能夠進行高精度的流量計測。進而，因為超聲波轉換器2的軸線方向端面7作為電氣接地側，所以能夠進行可降低雜音噪聲的高精度的流量計測。
如果超聲波振動從上游側的超聲波收發器10向下游側的超聲波收發器16傳遞并被接收，則在變換器內瞬間地切換收發，將不具有電壓脈沖或頻率成分的電壓從變換器施加給位于下游側的超聲波收發器16的超聲波轉換器13。于是，與上游側的超聲波收發器10同樣地產生超聲波振動，該超聲波振動通過傳送體12傳遞給測量管6內的流體，再從對置地位于上游側的超聲波收發器10的傳送體1的前部11通過傳送體1的內部、從軸線方向端面8向超聲波轉換器2傳遞而被變換為電氣信號，將該電氣信號向變換器輸出。此時，因為超聲波振動與測量管6內的流體的流動逆向傳遞，所以，與將不具有電壓脈沖或頻率成分的電壓從變換器施加給上游側的超聲波收發器10相比，在流體中的超聲波振動的傳遞速度較慢，傳遞時間變長。
根據輸出的相互的電氣信號，分別計測在變換器內從上游側超聲波收發器10向下游側超聲波收發器16傳遞超聲波振動的時間、以及從下游側超聲波收發器16向上游側超聲波收發器10傳遞超聲波振動的時間，求得其差。根據其差計算流速及流量，能夠進行高精度的流量的計測。
接著，根據圖5及圖6，說明本發明的第2實施方式。
圖5及圖6表示超聲波收發器為上下2分割型的實施方式。參照標號“19”是指位于上游側的上下2分割型的超聲波收發器的上側半體，截面大致半圓狀的超聲波轉換器20與第1實施方式同樣地密接固定在大致半圓狀的傳送體21的底面部上，通過和具有與超聲波收發器上側半體19同樣的構造的超聲波收發器下側半體22上下成對而構成超聲波收發器。另外，僅通過超聲波收發器上側半體19也能夠發揮所要求的功能。在本實施方式的情況下，也與第1實施方式同樣地僅使傳送體21的貫通口的前部側部分的內周面密接在測量管6上，貫通口的其它部分的內周面從測量管6的外周面離開。其作用也與第1實施方式相同，能夠將超聲波收發器做得較小而實現輕量化，進而，在由環氧樹脂密接固定時能夠有效地施加壓力而進行粘接，所以密接力增加。因而，能夠進行更高精度的超聲波振動的收發，能夠進行更高精度的流速及流量的計測。
接著，根據圖7說明本發明的第3實施方式。
參照標號“23”是指測量管和傳送體為一體的傳送體一體型測量管。超聲波轉換器24、25與第1實施方式同樣地密接固定在傳送體一體型測量管23的傳送體部26、27的軸線方向端面部上，由超聲波轉換器24、25和傳送體部26、27構成各個超聲波收發器。在施工時，不需要象第1實施方式那樣的將傳送體密接固定在測量管上，僅將超聲波轉換器24、25密接固定在傳送體部26、27的軸線方向端面部上就可以了，所以能夠實現施工的簡單化。
接著，根據圖8說明本發明的第4實施方式。
參照標號“28”是指超聲波收發器，超聲波轉換器31由傳送體29、30所夾持，傳送體29、30的軸線方向端面部與第1實施方式同樣地密接固定在超聲波轉換器31的兩軸線方向端面上。只將傳送體29、30的前部密接固定在測量管6上，進而，超聲波收發器28在對置于各個傳送體29、30的狀態下，分開地配置在第1實施方式的各超聲波收發器10、16之間，只起到發送器的作用。下面說明本實施方式的作用，如果將不具有電壓脈沖或頻率成分的電壓施加給超聲波收發器28，則超聲波振動從兩個傳送體29、30的前部傳遞給測量管6，由用作上游側和下游側的接收器的超聲波收發器10、16分別接收超聲波振動，根據來自上游側的超聲波振動的傳遞時間和來自下游側的超聲波振動的傳遞時間之差來計測流速、流量。在本實施方式中，因為朝向上游側的超聲波振動和朝向下游側的超聲波振動同時產生，所以，能夠進行響應快并且精度高的流速、流量的計測。
通過使用以上說明的本發明，能夠高效率地將超聲波振動傳遞到測量管內的流體中，能夠進行高精度的計測，特別是能夠進行微小流量的高精度計測，進而，在半導體領域等中，能夠進行節省空間的設置。
以上，說明了如附圖所示的本發明的實施方式，但是，該實施方式主要是為了說明，并不意味著限制。因而，本發明的范圍是由權利要求書來限定的，可以不脫離權利要求地對本發明的實施方式進行修改及變更。
權利要求書(按照條約第19條的修改)按照條約第19條所做的修改對原權利要求1～10進行了修改，將其修改為新的權利要求1～5。
1、一種超聲波流量計，具備沿著軸線方向分開而安裝在流體流動的管的外周面上的2個超聲波收發器，從該2個超聲波收發器中的一個發送的超聲波振動經過上述管內的流體由上述2個超聲波收發器中的另一個接收，并且通過交替切換發送側和接收側的超聲波收發器來測量2個超聲波收發器間的超聲波傳遞時間，由此來測量上述流體的流速，其特征在于，各超聲波收發器具備包圍上述管而固定在上述管的外周面上的筒狀的傳送體、和從上述管的外周面隔開間隔而配置的超聲波轉換器，上述傳送體具有從固接有上述超聲波轉換器的軸線方向端面朝向另一個軸線方向端面外徑變小的大致圓錐形狀，上述傳送體具有相對于上述管的軸線垂直的軸線方向端面，上述超聲波轉換器的軸線方向端面固接在上述傳送體的軸線方向端面上，通過將電壓施加于上述超聲波轉換器的軸線方向端面間，使上述超聲波轉換器在軸線方向上伸縮。
2、如權利要求1所述的超聲波流量計，其特征在于，上述傳送體由金屬材料構成。
3、如權利要求1所述的超聲波流量計，其特征在于，上述超聲波轉換器及上述傳送體由在上述管的外周面的周向上被分割成多個的部分構成。
4、如權利要求1所述的超聲波流量計，其特征在于，上述傳送體與上述管一體地形成。
5、如權利要求1所述的超聲波流量計，其特征在于，上述管為樹脂制的。
權利要求
1.一種超聲波流量計，具備沿著軸線方向分開而安裝在流體流動的管的外周面上的2個超聲波收發器，從這2個超聲波收發器中的一個發送的超聲波振動經過上述管內的流體而由上述2個超聲波收發器中的另一個接收，通過交替切換發送側和接收側的超聲波收發器來測量2個超聲波收發器間的超聲波傳遞時間，由此來測量上述流體的流速，其特征在于，各超聲波收發器具備包圍上述管而固定在上述管的外周面上的筒狀的傳送體、和從上述管的外周面隔開間隔而配置的超聲波轉換器，上述傳送體具有相對于上述管的軸線垂直的軸線方向端面，上述超聲波轉換器的軸線方向端面固接在上述傳送體的軸線方向端面上，通過將電壓施加于上述超聲波轉換器的軸線方向端面間，使上述超聲波轉換器在軸線方向上伸縮。
2.如權利要求1所述的超聲波流量計，其特征在于，上述超聲波轉換器具有有孔的圓板形狀。
3.如權利要求1所述的超聲波流量計，其特征在于，上述傳送體具有從固接有上述超聲波轉換器的軸線方向端面朝向另一個軸線方向端面外徑變小的大致圓錐形狀。
4.如權利要求2所述的超聲波流量計，其特征在于，上述傳送體具有從固接有上述超聲波轉換器的軸線方向端面朝向另一個軸線方向端面外徑變小的大致圓錐形狀。
5.如權利要求1所述的超聲波流量計，其特征在于，上述傳送體由金屬材料構成。
6.如權利要求4所述的超聲波流量計，其特征在于，上述傳送體由金屬材料構成。
7.如權利要求1所述的超聲波流量計，其特征在于，上述超聲波轉換器及上述傳送體由在上述管的外周面的周向上被分割為多個的部分構成。
8.如權利要求1所述的超聲波流量計，其特征在于，上述傳送體與上述管一體地形成。
9.如權利要求1所述的超聲波流量計，其特征在于，上述管是樹脂制的。
10.如權利要求6所述的超聲波流量計，其特征在于，上述管是樹脂制的。
全文摘要
本發明的超聲波流量計具備2個超聲波收發器(10、16)。各超聲波收發器(10、16)具備包圍測量對象的流體流動的測量管(6)而固定在測量管(6)的外周面上的筒狀的傳送體(1、12)、和從測量管(6)的外周面隔開間隔而配置的超聲波轉換器(2、13)。傳送體(1)具有相對于測量管(6)的軸線垂直的軸線方向端面(8a、8b)。超聲波轉換器(2)的軸線方向端面(7)固接在傳送體(1)的軸線方向端面(8b)上，通過將電壓施加于超聲波轉換器(2)的軸線方向端面(8a、8b)間，使超聲波轉換器(2)在軸線方向上伸縮。
文檔編號G01F1/66GK1898536SQ20048003871
公開日2007年1月17日 申請日期2004年12月22日 優先權日2003年12月24日
發明者上村忍文 申請人:旭有機材工業株式會社