JP2007517207A - 交差式の送信および受信素子を有する超音波流れセンサ - Google Patents

Abstract

本発明は、流管路（２４）を通る流体の体積流量を測定する超音波流れセンサに関する。この超音波流れセンサは変換器アレイ（２）を有しており、変換器アレイ（２）は、流管路（２４）の流れ断面内に配置されておりかつ超音波（２７）を発生し、ここでこの超音波は、前記の流管路（２４）の流れ断面において、流体の流れ方向（１４）に対して横方向に伝搬する。超音波変換器アレイ（２）では変換器素子（４）が交差式に配置されており、この変換器素子（４）は、交互に送信（１０）および受信アンテナとして動作して、放射されたすべての個別の音波（２７）が干渉して共通の波面（２８）を構成する。

Description

内燃機関のインレット管路ないしはチャージ管路（Ladetrakt）におけるエアフローは流量測定器を用いて測定される。燃焼の化学的な過程においては燃料および空気の量の比が問題であるため、内燃機関のインテーク管路／チャージ管路におけるエアマス流量は測定すべきであり、またこのために体積または動圧（Staudruck）を測定する方法も使用される。測定すべき最大のエアマスフローは、エンジン出力に応じて１時間当たり４００〜１２００ｋｇの範囲になる。今日の内燃機関はアイドリング要求（Leerlaufbedarf）が少ないことに起因して、最小エアフローと最大エアフローとの比は１：９０〜１：１００である。

従来の技術
ボッシュ自動車技術ハンドブック（Kraftfahrzeug Taschenbuch/Bosch 23. aktualisierte und erweiterte Auflage - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1999, ISBN 3-528-03876-4）の第１１５ページから超音波流れ測定装置が公知である。この装置を用れば、例えば空気のような測定媒体を通る音響パルスの伝播時間ｔを、同じ測定区間ｌにりより、流れに遡行してまた流れにしたがって傾斜角αで測定することができる。得られた伝播時間差分は体積流量に比例する。

上記の刊行物の個所（第１１５ページの右側の欄に示された図を参照されたい）には、流管路が公知であり、その壁部には互いに向き合った２つのセンサが配置されている。音響パルスが送出される端面は互いに向き合っている。

従来技術からさらに超音波流れセンサが公知であり、ここでは、流体内の放射妨害作用（Strahlverwehrungeffect）を利用して、流速を測定している。さらに従来技術からマイクロメカニカルまたはシート技術で作製された超音波変換器または変換器が公知である。

本発明の説明
本発明では、超音波変換器を交互に配置することが提案される。ここでこれは交互に送信アンテナおよび受信アンテナとして作用して、放射された個別の音波がすべて干渉して共通の波面になる。この交互に配置することの明らかな利点は、これによって得られる互いに交差した、合同の送信および受信領域である。これにより、流管路内での個々の超音波反射との組み合わせにおいて互いに対称な送信および受信特性が得られる。超音波変換器を送信および受信素子に機能的に分けることによって、振幅が数オーダで異なり得る弱い送信信号と強い受信信号とを効果的に区別することができる。送信および受信についての対称性により、変換器アレイに対称に配向された面において直接的な超音波の反射が可能になり、送信時に個々の変換器素子間で位相シフトを行う必要がないのである。

本発明で提案される変換器アレイは、例えば、マイクロメカニカルに作製される分離トレンチを有するシリコン基板から作製することができ、ここでこの分離トレンチにより、個々の変換器素子の間で互いに分離される。このシリコン基板にはストライプ状電極が被着され、これらの上にはＰＶＤＦ（Polyvinylidenfluorid）シートが厚み振動子として載置される。このシートの上には平坦な対向電極および機械的保護のためのシール部が付着される。本発明で提案される超音波変換器の送信素子は、変換器アレイの外部で互いに電気的に直接コンタクトされ、また発振器に接続される。これによってこれらの送信素子は同位相で超音波を送出することができる。個別の波は干渉して共通の波面になり、これらの波面は１次近似において平らであり、これにより、流体に対して横方向に伝搬する。流管の対向する壁部は所定の曲率半径で湾曲されており、ここでこの曲率半径は有利には、流体が流れる管の直径の２倍である。このような配置構成により、超音波は変換器アレイの個所において近似的に平行化されてラインフォーカスが得られ、その位置は流体の速度に線形に依存して体積流量を示す。理想的なラインフォーカスは発生しないため、最大の受信強度を有する受信素子を決定する。これは比較器とサンプルアンドホールド増幅器によって行われ、これら共にオペアンプによって実現可能である。

図面
以下では図面に基づき、本発明を詳しく説明する。ここで、
図１は、湾曲した反射面に対向して配置された交差式の送信および受信変換器アレイを示す図であり、
図１．１は評価回路の変形実施例であり、
図２は、流管内の変換器アレイの配置例であり、反射面の曲率半径は、管直径の２倍であり、
図３は、変換器アレイを配置することにより、流れを加速する管狭窄部を構成することを示す図であり、
図４は、変換器アレイが構成された変換器基板の断面図であり、
図５は、干渉する超音波であり、
図６は、湾曲した反射面と協調動作する干渉波面の形の例を示している。

変形実施例
図１に示した交差式変換器アレイは、超音波流れセンサ１の構成部分である。ここに示した交差式変換器アレイは有利にはシリコン基板から作製される。交差式変換器アレイ２の個々の変換器素子４は分離トレンチ３によって互いに分離されている。分離トレンチ３はマイクロメカニカルに作製される。交差式変換器アレイ２であるシリコン基板（図４の位置１１を参照されたい）にはストライプ状の電極が設けられている。ストライプ状電極５はＰＶＤＦ（Polyvinylidenflluorid ポリフッ素ビニリデン）シート６によって覆われており、これらは厚み振動子として使用される。ＰＶＤＦシート６（Polyvinylidenflluorid）の上側には平坦な対向電極７と、機械的な保護のためのシール部１２が設けられている。シール部は、例えばエポキシ樹脂またはシリコーンから作製されるのに対して、対向電極７は有利には金またはアルミニウムから作製される。ストライプ状に構成される電極５は、アルミニウム、金または白金から作製することができる。これに対して超音波変換器アレイ２に対する支持基板は有利にはシリコン基板である。図面には示していない変形実施例では超音波変換器アレイ２の送信ないしは受信電極間にシールド電極を設けることができ、これによって機械的な結合だけでなく、電気的な結合も得ることができる。送信素子１０の下（図４を参照されたい）にはシリコン基板１１，ストライプ状電極５，ＰＶＤＦシート６の領域、対向電極７の領域ならびに場合によってはこれに被着されたシール部１２が配置されている。隣り合う２つずつの分離トレンチ３の間のエリアには領域が延在している。

図１において参照符号１０により、交差式変換器アレイ２の送信素子が示されている。

送信素子１０全体は、交差式に構成された変換器アレイ２の外部で互いに電気的にコンタクトしている。さらに送信素子１０は発振器２６に接続されているため、超音波を同位相で送出することができる。

図１からさらにわかるように交差式に構成された変換器アレイ２は、流体の流れ方向１４に対して垂直に配向されている。交差式変換器アレイ２に対向して、湾曲して構成された反射面１３が配置されている（図２も参照されたい）。

送信信号は参照符号１５によって識別され、これに対して受信信号は参照符号１６で示されている。交差式変換器アレイ２の送信素子１０から送出された同位相の超音波２７は、干渉して共通の波面２８になる。この干渉現象は、空気中の分子の動きによる超音波の空間的および時間的な経過に依存する。

干渉して波面２８になる個別の超音波２７は、１次近似において平坦であり、したがって流れ方向１４に流れる流体に対して横方向に伝搬する。伝搬する共通の波面２８は、対向する流管１７の壁に衝突し、これは曲率半径１９を有する。曲率半径１９は有利には、流管１７の管直径２０の２倍に等しい（ｒ＝２ｄ）。反射面１３の湾曲部２３に起因して、伝搬する波面２８は、交差式変換器アレイ２の位置で近似的に平行化されてラインフォーカス（Linienfokus）２９が得られる。ラインフォーカス２９の位置３０は、流れ方向１４に流れる媒体の速度に線形に依存する。流体の流れの速度と、ラインフォーカス２９の位置とが直線的に関係するため、交差式変換器アレイ２を通過する流体の体積流を直接推定することができる。通例は理想的なラインフォーカス２９は発生しないため、受信素子のうちで超音波信号の最大の受信強度を有する受信素子を求める。図１では位置Ｘ_０に第１のラインフォーカス２９が書き込まれており、これは流体がない場合に発生する。Ｘ軸に沿って第１のラインフォーカス２９．１は、参照符号２９．２で示した位置に移動する（Ｘ軸の位置Ｘ_１を参照されたい）。位置２９．1から２９．２へのラインフォーカスの移動は、流れ方向１４に流れる媒体による移動に起因する。参照符号２８によって、湾曲した反射面１３の方向に伝搬して干渉する波面が示されている。

図１．１には評価回路が概略的に示されている。図１．１に示されているこの評価回路には信号マルチプレクサ３４が含まれており、これは交差式変換器アレイ２に接続されている。信号マルチプレクサ３４には信号処理部３６ならびに比較器３１が後置接続されている。比較器３１と、同様にオペアンプとして構成することが可能なサンプルアンドホールドアンプ増幅器３２とよって、受信素子のうちで最大の受信超音波強度を有する受信素子を決定することができる。信号マルチプレクサ３４は、マルチプレクサ制御部３５を介して駆動制御することができる。Ｕ_１により、交差式変換器アレイ２において取り出し可能な入力電圧信号を表し、Ｕ_２により、サンプルアンドホールド増幅器２３の出力側に加える電圧信号を表す。択一的には、超音波流れセンサ１の交差式変換器アレイ２のストライプ状電極５全体にわたって発生する強度分布の重心を求めることも可能である。

図２には流管の断面が示されており、ここでは本発明によって提案される交差式超音波変換器アレイが記載されている。

流管２４は壁部によって区切られており、直径１８を有する（ｄを参照されたい）。流管２４の壁部には反射面１３が組み込まれており、これは湾曲部２３を有する。反射面１３の曲率半径は有利には管直径１８の２倍である。交差式変換器アレイ２は、図２では流管２４の壁部に組み込まれている。流速ないしは体積流量を求めるべき流体の流れ方向は、参照符号１４によって示されており、図２では右から左に経過する。

参照符号１７によって補助円が示されており、これは流管２４の直径１８の約２倍の半径を有する。補助円１７は、湾曲して構成される反射面１３の曲率を示すために使用される。図２には交差式変換器アレイ２から出力され、湾曲部２３を構成する湾曲した反射面１３に向かって移動するさまざまな波面２８ならびにこの反射面１３から交差式変換器アレイ２の受信素子に向かって反射される波面２８が示されている。

図３には流れを加速する管狭窄部を有する交差式変換器アレイの変形実施形態が示されている。

図３からわかるのは、交差式変換器アレイ２が、流管２４の管壁部内の面に収容されていることであり、これが湾曲部２３に構成されていることである。湾曲部２３は、流管２４の管壁部内に面状の凹みを形成するため、交差式変換器アレイ２の下側９と、反射面１３の上側との間の流れの断面は狭くなっている。このことは間隔２５のｄ_１によって示されており、これは、図２に示した流管２４と、壁部に組み込まれた反射面１３の上側との間の間隔１８のｄよりも小さい。図３に示した変形実施形態により、流管２４内で断面が狭くなるため、湾曲部断面は、交差式変換器アレイ２の下側で全体的に狭くなり、流れ方向１４の流れが加速される。これによって流管２４の壁部内側ならびに交差式変換器アレイ２の下側９における例えば埃などの粒子の堆積を効果的に阻止することができる。

超音波流れセンタの個々の変換器素子が遅延した位相で励起されて、個々の超音波２７間のコースの違いにより、湾曲または平坦になった波面２８が発生する場合（図５および６を参照されたい）、放射の平行化を発生させる湾曲部を反射面１３に構成しなくてもよい。これらの波面２８が放射の直後、管直径の２倍の曲率半径を有する場合、これらの波面は反対側での反射の後、制限された変換器アレイ２の箇所において集まってラインフォーカス２９になる。

上では最も強度の大きい受信素子を決定することについて述べた。その代わりに受信信号の強度分布の重心を決定して、これによって測定の分解能を改善することができる。一般的には反射湾曲部１３によって断面が拡大され、ひいては流管２４における流れ方向１４において流体の流速が局所的に低減される。これは場合によっては例えば埃などの粒子が大きく堆積し得る。埃や流体と一緒に運ばれる他の粒子の堆積は、図３に示した変形実施例によって阻止することができる。本発明によって提案される交差式変換器アレイ２の構成により、超音波変換器を交互に配置することができ、これらは交互に送信および受信アンテナとして動作して、放射した個別の音波２７がすべて干渉して共通の超音波波面２８を構成することができる。

上記のように提案される交互の配置構成の利点は、これによって達成される互い交差した、合同の送信および受信領域であり、これにより、流管２４内の個別の超音波反射との組み合わせにおいて対称な送信および受信装置を得ることができる。ここでは送信および受信素子に機能的に分けることによって有利にも、振幅が互いに数オーダも異なり得る弱い送信信号と強い受信信号とを区別することができる。送信および受信についての対称性により、超音波変換器アレイに対称に配向された面において直接の超音波の反射が可能になり、送信時に個々の変換器素子間で位相シフトを行う必要がない。

図４には変換器素子４の断面が示されている。シリコン基板１１には個々に分離トレンチ３が構成されている。シリコン基板１１の上側にはストライプ状電極５が延在しており、その上にはＰＶＤＦシート６が被着されている。ＰＶＤＦシート６の上には平坦な対向電極７が設けられており、これは金属製の材料、例えば金、アルミニウムまたは白金から作製される。オプションでは平坦な対向電極７の上側にはエポキシ樹脂保護層の形態のシール部１２が被着される。参照符号１０によって図４に例示的に示した送信素子の上側が示されている。ストライプ状電極５ないしは平坦な対向電極７の厚さと比べて、支持基板であるシリコン基板１１は格段に大きな厚さを有する。

図５には送信素子１０から送出される超音波の個別の波２７が示されており、これらは互いにオーバーラップすることにより、干渉して１つの波面２８にまとめられている。図５では干渉による波面２８は実質的に平行である。これに対して図６に示した超音波の個別の波は、平行化のため、位相のずれにより、湾曲した反射面１３がなければ湾曲した波面２８になる。

湾曲した反射面に対向して配置された交差式の送信および受信変換器アレイを示す図である。 評価回路の変形実施例を示す図である。 流管内の変換器アレイの配置例を示す図である。 変換器アレイを配置することにより、流れを加速する管狭窄部を構成することを示す図である。 変換器アレイが構成された変換器基板の断面図である。 干渉する超音波を示す図である。 湾曲した反射面と協調動作する干渉波面の形の例を示す図である。

符号の説明

１ 超音波流れセンサ、 ２ 交差式変換器アレイ、 ３ 分離トレンチ、 ４ 変換器素子、 ５ ストライプ状電極、 ６ ＰＶＤＦシート、 ７ 平坦対向電極、 ８ 上側、 ９ 下側、 １０ 送信素子、 １１ シリコン基板、 １２ エポキシ樹脂保護層、 １３ 反射面、 １４ 流れ方向、 １５ 送信信号、 １６ 受信信号、 １７ 補助円、 １８ アレイと反射面との間隔（ｄ）、 １９ 反射面の曲率半径、 ２０ 管直径、 ２１ 管狭窄部、 ２２ 反射面湾曲部、 ２３ 湾曲部、 ２４ 流管、 ２５ ｄ_１（流れ狭窄部の間隔）、 ２７ 超音波の個別波、 ２８ 干渉性の波面（湾曲または平行）、 ２９．１ 第１ラインフォーカス（流れなし）、 ２９．２ 第２ラインフォーカス（流れあり）、 ３１ 比較器、 ３２ サンプルアンドホールド増幅器、 ３４ 信号マルチプレクサ、 ３５ マルチプレクサ制御部、 ３６ アナログ信号処理部

Claims (10)

1. 流管路（２４）を通る流体の体積流量を測定する超音波流れセンサであって、
   該超音波流れセンサは変換器アレイ（２）を有しており、
   該変換器アレイ（２）は、流管路（２４）の流れ断面内に配置されておりかつ超音波（２７）を発生し、ここで該超音波は、前記の流管路（２４）の流れ断面にて、流体の流れ方向（１４）に対して横方向に伝搬する形式の超音波流れセンサにおいて、
   超音波変換器アレイ（２）では変換器素子（４）が交差式に配置されており、
   該変換器素子（４）は、交互に送信（１０）および受信素子として動作して、放射されたすべての個別の音波（２７）が干渉して共通の波面（２８）を構成することを特徴とする
   超音波流れセンサ。
2. 前記の個別の変換器素子（４）は、交差式に構成される変換器アレイ（２）にて分離トレンチ（３）によって互いに分離されている、
   請求項１に記載の超音波流れセンサ。
3. 交差式に構成される超音波変換器アレイ（２）には、当該超音波変換器アレイから所定の間隔（１８，２５）だけ離れた反射面（１３）が割り当てられており、
   該反射面は所定の曲率半径（１９）を有する、
   請求項１に記載の超音波流れセンサ。
4. 前記の反射面（１３）の曲率半径（２３）は、流管路（１７）の管直径（２０）の２倍である、
   請求項３に記載の超音波流れセンサ。
5. 前記の交差式に構成される超音波変換器アレイ（２）は、流管路（２４）の部分流れ断面の断面狭窄を生じさせる壁部に収容されている、
   請求項１に記載の超音波流れセンサ。
6. 前記の断面狭窄を生じさせる流管（２４）の狭窄部は、反射面（１３）の方を向いた湾曲部を含む、
   請求項５に記載の超音波流れセンサ。
7. 前記の超音波流れセンサは評価回路を含んでおり、
   該評価回路は、制御可能な信号マルチプレクサを用いて、交差式の変換器アレイ（２）の個々の受信素子をスキャンし、受信信号をアナログの信号処理部（３６）に供給し、
   前記信号処理部（３６）には比較器（３１）ならびにサンプルアンドホールド増幅器（３２）が後置接続されている、
   請求項１に記載の超音波流れセンサ。
8. 前記の交差式の変換器アレイ（２）は、上側（８）にストライプ状電極（５）を有しており、
   該ストライプ状電極は、ＰＤＶＦシート（６）によって平坦な対向電極（７）から分離されている、
   請求項１に記載の超音波流れセンサ。
9. 前記の平坦な対向電極（７）の上はシール部（１２）である、
   請求項８に記載の超音波流れセンサ。
10. 第１の位置（２９．１）から第２の位置（２９．２）へのラインフォーカス（２９）の移動が検出される、
    請求項１に記載の超音波流れセンサ。

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