JP2021169943A - Ultrasonic sensor - Google Patents

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Abstract

To enable reduction of measurement noise compared to conventional configurations.SOLUTION: An ultrasonic sensor comprises: a housing 1 having a linear main pipe 11, an inflow port 12 communicating with a side wall on one end side of the main pipe 11, and an outlet 13 communicating with a side wall on the other end side of the main pipe 11; a transmission/reception unit 2a provided on one end side of the main pipe 11, having a plurality of ultrasonic elements 21 arranged in a two-dimensional array, and transmitting an ultrasonic beam to the other end side of the main pipe 11 by beam forming, using the ultrasonic elements 21; a transmission/reception unit 2b provided on the other end side of the main pipe 11, having a plurality of ultrasonic elements 21 arranged in a two-dimensional array, and transmitting an ultrasonic beam to one end side of the main pipe 11 by beam forming, using the ultrasonic elements 21; and a measurement unit 3 which measures parameters related to fluid flowing through the main pipe 11, based on a transmission/reception result by the transmission/reception unit 2a and a transmission/reception result by the transmission/reception unit 2b.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、流体に関するパラメータを計測する超音波センサに関する。 The present invention relates to ultrasonic sensors that measure parameters relating to fluids.

従来、超音波の伝搬速度の変化を利用して、例えば、配管を流れる流体の流量を計測する方法が知られている。また、特に信頼性の高い計測を実現することを目的として、配管を伝わる超音波による計測ノイズ（ノイズ成分）を低減させた構成も知られている（例えば特許文献１参照）。この構成では、具体的には、筐体形状を複雑にして伝搬経路を長くすることで、筐体を伝わる超音波による計測ノイズの減衰を促進させている。 Conventionally, a method of measuring, for example, the flow rate of a fluid flowing through a pipe by utilizing a change in the propagation speed of ultrasonic waves has been known. Further, there is also known a configuration in which measurement noise (noise component) due to ultrasonic waves transmitted through a pipe is reduced for the purpose of realizing particularly highly reliable measurement (see, for example, Patent Document 1). In this configuration, specifically, by complicating the housing shape and lengthening the propagation path, the attenuation of measurement noise by ultrasonic waves transmitted through the housing is promoted.

特許第５０４６８２４号Patent No. 5046824

ここで、計測ノイズを低減することは重要な課題であり、超音波を利用した計測では、更なる改善が求められている。 Here, reducing measurement noise is an important issue, and further improvement is required in measurement using ultrasonic waves.

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来構成に対し、計測ノイズを低減可能な超音波センサを提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic sensor capable of reducing measurement noise with respect to a conventional configuration.

この発明に係る超音波センサは、直線状のメイン配管、当該メイン配管における一端側の側壁に連通された流入口、及び、当該メイン配管における他端側の側壁に連通された流出口を有する筐体と、メイン配管における一端側に設けられ、２次元アレイ状に配列された複数の超音波素子を有し、当該超音波素子を用いてビームフォーミングにより当該メイン配管における他端側へ超音波ビームを送信する第１の送受信部と、メイン配管における他端側に設けられ、２次元アレイ状に配列された複数の超音波素子を有し、当該超音波素子を用いてビームフォーミングにより当該メイン配管における一端側へ超音波ビームを送信する第２の送受信部と、第１の送受信部による送受信結果及び第２の送受信部による送受信結果に基づいて、メイン配管を流れる流体に関するパラメータを計測する計測部とを備えたことを特徴とする。 The ultrasonic sensor according to the present invention is a casing having a linear main pipe, an inflow port communicating with a side wall on one end side of the main pipe, and an outlet communicating with a side wall on the other end side of the main pipe. It has a body and a plurality of ultrasonic elements provided on one end side of the main pipe and arranged in a two-dimensional array, and an ultrasonic beam is formed to the other end side of the main pipe by beam forming using the ultrasonic elements. The main pipe is provided with a first transmission / reception unit for transmitting a signal and a plurality of ultrasonic elements provided on the other end side of the main pipe and arranged in a two-dimensional array, and the main pipe is subjected to beam forming using the ultrasonic elements. A measurement unit that measures parameters related to the fluid flowing through the main pipe based on the transmission / reception result of the first transmission / reception unit and the transmission / reception result of the second transmission / reception unit, and the second transmission / reception unit that transmits the ultrasonic beam to one end side of the above. It is characterized by having and.

この発明によれば、上記のように構成したので、従来構成に対し、計測ノイズを低減可能となる。 According to the present invention, since the configuration is as described above, measurement noise can be reduced as compared with the conventional configuration.

実施の形態１に係る超音波センサの構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the ultrasonic sensor which concerns on Embodiment 1. FIG. 図２Ａ、図２Ｂは、実施の形態１における超音波素子（ＰＭＵＴ）の構成例を示す図であり、図２Ａは上面図であり、図２ＢはＡ−Ａ線断面図である。2A and 2B are views showing a configuration example of the ultrasonic device (PMUT) according to the first embodiment, FIG. 2A is a top view, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line AA. 実施の形態１に係る超音波センサの動作例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation example of the ultrasonic sensor which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態１における送受信部による超音波ビームの形成を説明する図である。It is a figure explaining the formation of the ultrasonic beam by the transmission / reception part in Embodiment 1. 実施の形態１における送受信部による超音波ビームの調整を説明する図である。It is a figure explaining the adjustment of the ultrasonic beam by the transmission / reception part in Embodiment 1. FIG. 実施の形態１における異常検知部による異常検知を説明する図である。It is a figure explaining the abnormality detection by the abnormality detection part in Embodiment 1. FIG.

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る超音波センサの構成例を示す断面図である。
超音波センサは、超音波を用いて、流体に関するパラメータを計測する。流体は、液体でも気体でもよい。流体に関するパラメータとしては、例えば、流体の流速又は流量が挙げられる。この超音波センサは、図１に示すように、筐体１、送受信部（第１の送受信部）２ａ、送受信部（第２の送受信部）２ｂ及び計測部３（不図示）を備えている。図１において、矢印は流体の流れを示し、符号１０１は送受信部２ａ及び送受信部２ｂにより送受信される超音波ビームを示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Embodiment 1.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of an ultrasonic sensor according to a first embodiment.
Ultrasonic sensors use ultrasonic waves to measure parameters related to fluids. The fluid may be a liquid or a gas. Parameters relating to the fluid include, for example, the flow velocity or flow rate of the fluid. As shown in FIG. 1, this ultrasonic sensor includes a housing 1, a transmission / reception unit (first transmission / reception unit) 2a, a transmission / reception unit (second transmission / reception unit) 2b, and a measurement unit 3 (not shown). .. In FIG. 1, the arrow indicates the flow of the fluid, and the reference numeral 101 indicates the ultrasonic beam transmitted / received by the transmission / reception unit 2a and the transmission / reception unit 2b.

筐体１は、超音波センサが計測対象とする流体が流れるコの字型の配管である。図１に示す筐体１は、メイン配管１１、流入口１２及び流出口１３を有している。 The housing 1 is a U-shaped pipe through which a fluid to be measured by an ultrasonic sensor flows. The housing 1 shown in FIG. 1 has a main pipe 11, an inflow port 12, and an outflow port 13.

メイン配管１１は、流体に関するパラメータの計測が行われる直線状の配管である。このメイン配管１１には、流体が流れる他、超音波が伝搬される。 The main pipe 11 is a linear pipe in which parameters related to the fluid are measured. In addition to flowing fluid, ultrasonic waves are propagated through the main pipe 11.

流入口１２は、メイン配管１１における上流側（一端側）の側壁に設けられ、メイン配管１１に連通されている。この流入口１２は、メイン配管１１に流体を流入するための配管である。 The inflow port 12 is provided on the side wall on the upstream side (one end side) of the main pipe 11 and communicates with the main pipe 11. The inflow port 12 is a pipe for flowing a fluid into the main pipe 11.

流出口１３は、メイン配管１１における下流側（他端側）の側壁に設けられ、メイン配管１１に連通されている。この流出口１３は、メイン配管１１から流体を流出するための配管である。 The outflow port 13 is provided on the side wall on the downstream side (the other end side) of the main pipe 11 and communicates with the main pipe 11. The outflow port 13 is a pipe for flowing out the fluid from the main pipe 11.

なお、筐体１の形状は、図１に示す形状に限らず、超音波を用いて流体に関するパラメータの計測が可能な形状であればよい。 The shape of the housing 1 is not limited to the shape shown in FIG. 1, and may be any shape as long as it can measure parameters related to the fluid using ultrasonic waves.

送受信部２ａは、メイン配管１１における上流側に設けられ、送受信部２ｂとの間で超音波ビームを送受信する。この送受信部２ａは、２次元アレイ状に配列された複数の超音波素子２１を有する。送受信部２ａは、複数の超音波素子２１を個別に制御可能である。そして、送受信部２ａは、複数の超音波素子２１を用いてビームフィーミングによりメイン配管１１における下流側へ超音波ビームを送信する。この際、送受信部２ａは、複数の超音波素子２１により位相差を持たせて超音波を放射させることで、超音波ビームを形成する。 The transmission / reception unit 2a is provided on the upstream side of the main pipe 11, and transmits / receives an ultrasonic beam to / from the transmission / reception unit 2b. The transmission / reception unit 2a has a plurality of ultrasonic elements 21 arranged in a two-dimensional array. The transmission / reception unit 2a can individually control the plurality of ultrasonic elements 21. Then, the transmission / reception unit 2a transmits an ultrasonic beam to the downstream side of the main pipe 11 by beam forming using a plurality of ultrasonic elements 21. At this time, the transmission / reception unit 2a forms an ultrasonic beam by radiating ultrasonic waves with a phase difference caused by a plurality of ultrasonic elements 21.

送受信部２ｂは、メイン配管１１における下流側に設けられ、送受信部２ａとの間で超音波ビームを送受信する。この送受信部２ｂは、２次元アレイ状に配列された複数の超音波素子２１を有する。送受信部２ｂは、複数の超音波素子２１を個別に制御可能である。そして、送受信部２ｂは、複数の超音波素子２１を用いてビームフィーミングによりメイン配管１１における上流側へ超音波ビームを送信する。この際、送受信部２ｂは、複数の超音波素子２１により位相差を持たせて超音波を放射させることで、超音波ビームを形成する。 The transmission / reception unit 2b is provided on the downstream side of the main pipe 11 and transmits / receives an ultrasonic beam to / from the transmission / reception unit 2a. The transmission / reception unit 2b has a plurality of ultrasonic elements 21 arranged in a two-dimensional array. The transmission / reception unit 2b can individually control the plurality of ultrasonic elements 21. Then, the transmission / reception unit 2b transmits an ultrasonic beam to the upstream side in the main pipe 11 by beam forming using a plurality of ultrasonic elements 21. At this time, the transmission / reception unit 2b forms an ultrasonic beam by radiating ultrasonic waves with a phase difference caused by a plurality of ultrasonic elements 21.

ここで、送受信部２ａ及び送受信部２ｂが有する超音波素子２１の構成例について説明する。
超音波素子２１としては、例えばＭＵＴ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）が用いられる。ＭＵＴは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）の半導体製造技術によって構成された微小な超音波素子である。
ＭＵＴとしては、ＰＭＵＴ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）及びＣＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）がある。図２に、超音波素子２１の一例として、ＰＭＵＴの構成例について示す。 Here, a configuration example of the ultrasonic element 21 included in the transmission / reception unit 2a and the transmission / reception unit 2b will be described.
As the ultrasonic element 21, for example, a MUT (Micromachined Ultrasonic Transducers) is used. The MUT is a minute ultrasonic element configured by a semiconductor manufacturing technology of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).
Examples of MUTs include PMUTs (Piezoelectric Microsonic Transducers) and CMUTs (Capacitive Microsonic Transducers). FIG. 2 shows a configuration example of PMUT as an example of the ultrasonic element 21.

ＰＭＵＴは、圧電型の超音波素子である。このＰＭＵＴは、図２に示すように、半導体基板２１１、圧電素子（圧電膜）２１２、電極２１３及び電極２１４を有している。 The PMUT is a piezoelectric ultrasonic element. As shown in FIG. 2, this PMUT has a semiconductor substrate 211, a piezoelectric element (piezoelectric film) 212, an electrode 213, and an electrode 214.

半導体基板２１１には、下面の一部に溝が設けられることで、薄膜であるダイヤフラム２１５が形成されている。
圧電素子２１２は、半導体基板２１１におけるダイヤフラム２１５上に積層されている。
電極２１３は、圧電素子２１２の上面（ダイヤフラム２１５側とは反対側の面）に接続されている。
電極２１４は、圧電素子２１２の下面（ダイヤフラム２１５側の面）に接続されている。 A thin film diaphragm 215 is formed on the semiconductor substrate 211 by providing a groove on a part of the lower surface thereof.
The piezoelectric element 212 is laminated on the diaphragm 215 of the semiconductor substrate 211.
The electrode 213 is connected to the upper surface of the piezoelectric element 212 (the surface opposite to the diaphragm 215 side).
The electrode 214 is connected to the lower surface (the surface on the diaphragm 215 side) of the piezoelectric element 212.

このように構成されたＰＭＵＴは、電極２１３及び電極２１４により圧電素子２１２に対して電圧が印可されることで圧電素子２１２が伸縮し、これに伴ってダイヤフラム２１５が振動し、このダイヤフラム２１５の変位によって生じる圧力差により超音波が発信される。
また、ＰＭＵＴは、外部から超音波が到来すると、この超音波によってダイヤフラム２１５が振動し、これに伴って圧電素子２１２の電極間に起電力が生じ、この起電力を検出することで超音波を受信する。 In the PMUT configured in this way, the piezoelectric element 212 expands and contracts when a voltage is applied to the piezoelectric element 212 by the electrodes 213 and 214, and the diaphragm 215 vibrates accordingly, and the diaphragm 215 is displaced. Ultrasonic waves are transmitted by the pressure difference caused by.
Further, in the PMUT, when an ultrasonic wave arrives from the outside, the diaphragm 215 vibrates due to the ultrasonic wave, and an electromotive force is generated between the electrodes of the piezoelectric element 212 accordingly, and the ultrasonic wave is generated by detecting this electromotive force. Receive.

一方、ＣＭＵＴは、静電型の超音波素子である。このＣＭＵＴは、ＰＭＵＴに対し、駆動方式として静電引力を用い、出力方式としてキャパシタを用いる点は異なるが、ダイヤフラムを用いた基本的な動作原理については同様である。 On the other hand, the CMUT is an electrostatic ultrasonic element. This CMUT is different from PMUT in that an electrostatic attraction is used as a drive method and a capacitor is used as an output method, but the basic operating principle using a diaphragm is the same.

計測部３は、送受信部２ａによる送受信結果及び送受信部２ｂによる送受信結果に基づいて、メイン配管１１を流れる流体に関するパラメータを計測する。例えば、計測部３が流体の流量を計測する場合、計測部３は、送受信部２ａから送受信部２ｂへの超音波ビームの伝搬時間と、送受信部２ｂから送受信部２ａへの超音波ビームの伝搬時間との差に基づいて、流量を計測する。この計測部３による計測方法は、従来から知られている超音波を用いた計測方法と同様である。 The measuring unit 3 measures parameters related to the fluid flowing through the main pipe 11 based on the transmission / reception result by the transmission / reception unit 2a and the transmission / reception result by the transmission / reception unit 2b. For example, when the measuring unit 3 measures the flow rate of the fluid, the measuring unit 3 propagates the ultrasonic beam from the transmitting / receiving unit 2a to the transmitting / receiving unit 2b and the propagation of the ultrasonic beam from the transmitting / receiving unit 2b to the transmitting / receiving unit 2a. The flow rate is measured based on the difference from time. The measurement method by the measurement unit 3 is the same as the conventionally known measurement method using ultrasonic waves.

なお、計測部３は、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等により実現される。 The measurement unit 3 is realized by a processing circuit such as a system LSI (Large Scale Integration), a CPU (Central Processing Unit) that executes a program stored in a memory or the like, or the like.

次に、図１に示す実施の形態１に係る超音波センサの動作例について、図３を参照しながら説明する。
図１に示す実施の形態１に係る超音波センサの動作例では、図３に示すように、まず、送受信部２ａは、超音波ビームを送信する（ステップＳＴ３０１）。 Next, an operation example of the ultrasonic sensor according to the first embodiment shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
In the operation example of the ultrasonic sensor according to the first embodiment shown in FIG. 1, as shown in FIG. 3, the transmission / reception unit 2a first transmits an ultrasonic beam (step ST301).

この際、送受信部２ａは、図４に示すように、超音波素子２１毎に超音波を放射するタイミングに時間差（図４ではΔｔ１〜Δｔ５）を設けることで、超音波の強め合う箇所を任意の箇所にフォーカスし、線状の超音波ビームを形成する。作業者は、通常、図５Ａに示すように、送受信部２ｂが有する超音波素子２１のうち、中央に配置された超音波素子２１の受信感度が最も高くなるように、送受信部２ａのビームフォーミングの方向を調整する。なお、超音波の駆動周波数は、超音波素子２１の共振周波数であり、例えば５００ｋＨｚである。また、ビームフォーミングによりビームフォーミング前の信号に対して信号強度が強くなる。 At this time, as shown in FIG. 4, the transmission / reception unit 2a provides a time difference (Δt 1 to Δt 5 in FIG. 4) at the timing of radiating ultrasonic waves for each ultrasonic element 21, thereby strengthening the ultrasonic waves. Focus on any location to form a linear ultrasonic beam. As shown in FIG. 5A, the operator usually performs beamforming of the transmission / reception unit 2a so that the reception sensitivity of the ultrasonic element 21 arranged at the center is the highest among the ultrasonic elements 21 included in the transmission / reception unit 2b. Adjust the direction of. The driving frequency of the ultrasonic wave is the resonance frequency of the ultrasonic element 21, for example, 500 kHz. In addition, beamforming increases the signal strength with respect to the signal before beamforming.

次いで、送受信部２ｂは、送受信部２ａにより送信された超音波ビームを受信する（ステップＳＴ３０２）。 Next, the transmission / reception unit 2b receives the ultrasonic beam transmitted by the transmission / reception unit 2a (step ST302).

次いで、送受信部２ｂは、超音波ビームを送信する（ステップＳＴ３０３）。 Next, the transmission / reception unit 2b transmits an ultrasonic beam (step ST303).

この際、送受信部２ｂは、超音波素子２１毎に超音波を放射するタイミングに時間差を設けることで、超音波の強め合う箇所を任意の箇所にフォーカスし、線状の超音波ビームを形成する。作業者は、通常、送受信部２ａが有する超音波素子２１のうち、中央に配置された超音波素子２１の受信感度が最も高くなるように、送受信部２ｂのビームフォーミングの方向を調整する。なお、超音波の駆動周波数は、超音波素子２１の共振周波数であり、例えば５００ｋＨｚである。また、ビームフォーミングによりビームフォーミング前の信号に対して信号強度が強くなる。 At this time, the transmission / reception unit 2b forms a linear ultrasonic beam by setting a time difference in the timing of radiating ultrasonic waves for each ultrasonic element 21 to focus the points where the ultrasonic waves are strengthened at an arbitrary place. .. The operator usually adjusts the beamforming direction of the transmission / reception unit 2b so that the reception sensitivity of the ultrasonic element 21 arranged at the center is the highest among the ultrasonic elements 21 of the transmission / reception unit 2a. The driving frequency of the ultrasonic wave is the resonance frequency of the ultrasonic element 21, for example, 500 kHz. In addition, beamforming increases the signal strength with respect to the signal before beamforming.

次いで、送受信部２ａは、送受信部２ｂにより送信された超音波ビームを受信する（ステップＳＴ３０４）。 Next, the transmission / reception unit 2a receives the ultrasonic beam transmitted by the transmission / reception unit 2b (step ST304).

次いで、計測部３は、送受信部２ａによる送受信結果及び送受信部２ｂによる送受信結果に基づいて、メイン配管１１を流れる流体に関するパラメータを計測する（ステップＳＴ３０５）。 Next, the measuring unit 3 measures the parameters related to the fluid flowing through the main pipe 11 based on the transmission / reception result by the transmission / reception unit 2a and the transmission / reception result by the transmission / reception unit 2b (step ST305).

ここで、計測ノイズの一つの要因として、筐体内を伝搬する超音波が挙げられる。すなわち、従来構成では、単一の超音波素子を有する送信部により超音波を送信している。この場合、超音波が球状に広がり、流体が流れる筐体にも伝搬する。そして、この筐体を伝搬した超音波が受信部で受信されると、計測ノイズとなる。
そこで、実施の形態１に係る超音波センサでは、ビームフィーミングを利用する。すなわち、送受信部２ａ及び送受信部２ｂは、２次元アレイ状に配列された複数の超音波素子２１から放射される超音波に位相差を持たせることで、超音波を干渉させ、超音波ビームを形成する。これにより、この超音波センサでは、従来の単一の超音波素子を用いた場合のように超音波の伝搬が球状に広がることはなく、筐体１内を流れる流体に効率よく超音波を伝えることができる。このように、この超音波センサは、筐体１への超音波の伝搬を減らすことで、計測ノイズを従来構成に対して低減可能となる。 Here, one factor of the measurement noise is ultrasonic waves propagating in the housing. That is, in the conventional configuration, ultrasonic waves are transmitted by a transmission unit having a single ultrasonic element. In this case, the ultrasonic waves spread in a spherical shape and propagate to the housing through which the fluid flows. Then, when the ultrasonic wave propagating in this housing is received by the receiving unit, it becomes measurement noise.
Therefore, the ultrasonic sensor according to the first embodiment uses beam forming. That is, the transmission / reception unit 2a and the transmission / reception unit 2b interfere with the ultrasonic waves by giving a phase difference to the ultrasonic waves radiated from the plurality of ultrasonic elements 21 arranged in a two-dimensional array, and generate an ultrasonic beam. Form. As a result, in this ultrasonic sensor, the propagation of ultrasonic waves does not spread in a spherical shape as in the case of using a conventional single ultrasonic element, and the ultrasonic waves are efficiently transmitted to the fluid flowing in the housing 1. be able to. As described above, this ultrasonic sensor can reduce the measurement noise as compared with the conventional configuration by reducing the propagation of the ultrasonic wave to the housing 1.

なお、送受信部２ａ及び送受信部２ｂをＭＵＴとすることで、超音波素子２１のアレイ化を１チップに小型化可能となる。これにより、送受信部２ａ及び送受信部２ｂを、細管にも取付け可能となる。すなわち、通常の超音波素子２１をアレイ化して超音波ビームを形成しようとすると、送受信部２ａ及び送受信部２ｂの全体サイズが大きくなり、適用できるメイン配管１１の径も大型化してしまう。一方、送受信部２ａ及び送受信部２ｂをＭＵＴとすれば、１チップ化による小型化が可能であり、微細な流量を測定するための細いメイン配管１１にも取付け可能となる。例えば、送受信部２ａ及び送受信部２ｂをＭＵＴとすることで、１辺が５ｍｍ〜１０ｍｍ程度のチップで構成可能であり、例えばφ６程度の細管にも取付け可能となる。 By using the transmission / reception unit 2a and the transmission / reception unit 2b as MUTs, the array of ultrasonic elements 21 can be miniaturized to one chip. As a result, the transmission / reception unit 2a and the transmission / reception unit 2b can be attached to the thin tube. That is, when an attempt is made to form an ultrasonic beam by arranging ordinary ultrasonic elements 21 in an array, the overall size of the transmission / reception unit 2a and the transmission / reception unit 2b becomes large, and the diameter of the applicable main pipe 11 also becomes large. On the other hand, if the transmission / reception unit 2a and the transmission / reception unit 2b are MUTs, the size can be reduced by making one chip, and the transmission / reception unit 2a and the transmission / reception unit 2b can be attached to a thin main pipe 11 for measuring a minute flow rate. For example, by using the transmission / reception unit 2a and the transmission / reception unit 2b as MUTs, a chip having a side of about 5 mm to 10 mm can be configured, and for example, it can be attached to a thin tube having a diameter of about 6.

また、ＭＵＴによる超音波ビームは最小で数ｍｍ（５ｍｍ未満）程度の径になると考えられるため、メイン配管１１のうち、ＭＵＴのチップが取り付けられる部分（両端側）以外の部分の径を更に絞ることも可能であると考えられる。これにより、実施の形態１に係る超音波センサは、更に微細な流量の測定が可能となる。 Further, since it is considered that the ultrasonic beam produced by the MUT has a minimum diameter of about several mm (less than 5 mm), the diameter of the portion of the main pipe 11 other than the portion to which the MUT chip is attached (both ends) is further reduced. It is also considered possible. As a result, the ultrasonic sensor according to the first embodiment can measure a finer flow rate.

また、送受信部２ａ及び送受信部２ｂをＭＵＴとすることで、超音波センサの実装後又は取付け後に、超音波ビームの方向を微調整可能となる。これにより、組立て誤差に対応した調整が可能となるため、細いメイン配管１１に対しても確実に超音波ビームを通過させることが可能となる。また、偏流に対応した微調整が可能となる。すなわち、メイン配管１１内には配管形状等により偏流が存在する場合があり、この場合には、メイン配管１１の中央に正確に超音波ビームを通過させることが最適とは限らないため、これに対応した調整が可能となる。 Further, by setting the transmission / reception unit 2a and the transmission / reception unit 2b as MUTs, the direction of the ultrasonic beam can be finely adjusted after mounting or mounting the ultrasonic sensor. As a result, it is possible to make adjustments corresponding to the assembly error, so that the ultrasonic beam can be reliably passed through the thin main pipe 11. In addition, fine adjustment corresponding to the drift flow becomes possible. That is, there may be a drift in the main pipe 11 depending on the shape of the pipe or the like. In this case, it is not always optimal to allow the ultrasonic beam to pass through the center of the main pipe 11 accurately. Corresponding adjustment is possible.

なお、上記の超音波センサの実装後又は取付け後における超音波ビームの方向の微調整は、自動化も可能である（ビーム調整部）。例えば、超音波センサは、ゼロ点調整の際の機能として、一定の角度範囲でスキャンを行い、受信側で最も感度が高くなる方向を記憶部（不図示）に記憶させて今後の測定に用いることで、上記自動化が可能である。 Fine adjustment of the direction of the ultrasonic beam after mounting or mounting the above-mentioned ultrasonic sensor can be automated (beam adjustment unit). For example, an ultrasonic sensor scans in a certain angle range as a function at the time of zero point adjustment, stores the direction in which the sensitivity is highest on the receiving side in a storage unit (not shown), and uses it for future measurement. Therefore, the above automation is possible.

なお、図５に示すように、送受信部２ｂの中央に配置された超音波素子２１が最も受信感度が高くなるように送受信部２ａのビームフォーミングの方向が調整されている場合（校正後）において、流体が規定よりも多く流れて乱れ又は偏流が生じると、図６に示すように、最も受信感度が高い超音波素子２１が外周部側の超音波素子２１に遷移する。また、メイン配管１１に振動が生じた場合にも上記のような現象が生じる。送受信部２ａが超音波ビームの受信をする場合についても同様である。
そこで、超音波センサは、送受信部２ａ及び送受信部２ｂについて、超音波素子２１のうち、最も受信感度の高い超音波素子２１の遷移をそれぞれ監視することで、異常検知を行う機能（異常検知部）を有していてもよい。これにより、超音波センサは、上記のような流体の乱れ又は偏流或いはメイン配管１１の振動等の異常を検知可能となる。 As shown in FIG. 5, when the beamforming direction of the transmission / reception unit 2a is adjusted so that the ultrasonic element 21 arranged in the center of the transmission / reception unit 2b has the highest reception sensitivity (after calibration). When more fluid flows than specified and turbulence or drift occurs, the ultrasonic element 21 having the highest reception sensitivity transitions to the ultrasonic element 21 on the outer peripheral side as shown in FIG. Further, the above phenomenon also occurs when the main pipe 11 vibrates. The same applies to the case where the transmission / reception unit 2a receives the ultrasonic beam.
Therefore, the ultrasonic sensor has a function of detecting an abnormality by monitoring the transition of the ultrasonic element 21 having the highest reception sensitivity among the ultrasonic elements 21 for the transmission / reception unit 2a and the transmission / reception unit 2b (abnormality detection unit). ) May have. As a result, the ultrasonic sensor can detect an abnormality such as fluid turbulence or drift, or vibration of the main pipe 11 as described above.

以上のように、この実施の形態１によれば、超音波センサは、直線状のメイン配管１１、当該メイン配管１１における一端側の側壁に連通された流入口１２、及び、当該メイン配管１１における他端側の側壁に連通された流出口１３を有する筐体１と、メイン配管１１における一端側に設けられ、２次元アレイ状に配列された複数の超音波素子２１を有し、当該超音波素子２１を用いてビームフォーミングにより当該メイン配管１１における他端側へ超音波ビームを送信する送受信部２ａと、メイン配管１１における他端側に設けられ、２次元アレイ状に配列された複数の超音波素子２１を有し、当該超音波素子２１を用いてビームフォーミングにより当該メイン配管１１における一端側へ超音波ビームを送信する送受信部２ｂと、送受信部２ａによる送受信結果及び送受信部２ｂによる送受信結果に基づいて、メイン配管１１を流れる流体に関するパラメータを計測する計測部３とを備えた。これにより、実施の形態１に係る超音波センサは、従来構成に対し、計測ノイズを低減可能となる。 As described above, according to the first embodiment, the ultrasonic sensor is provided in the linear main pipe 11, the inflow port 12 communicated with the side wall on one end side of the main pipe 11, and the main pipe 11. It has a housing 1 having an outlet 13 communicated with a side wall on the other end side, and a plurality of ultrasonic elements 21 provided on one end side of the main pipe 11 and arranged in a two-dimensional array, and the ultrasonic waves. A transmission / reception unit 2a that transmits an ultrasonic beam to the other end side of the main pipe 11 by beam forming using the element 21, and a plurality of supers provided on the other end side of the main pipe 11 and arranged in a two-dimensional array. A transmission / reception unit 2b having a sound wave element 21 and transmitting an ultrasonic beam to one end side of the main pipe 11 by beam forming using the ultrasonic element 21, a transmission / reception result by the transmission / reception unit 2a, and a transmission / reception result by the transmission / reception unit 2b. Based on the above, a measuring unit 3 for measuring parameters related to the fluid flowing through the main pipe 11 is provided. As a result, the ultrasonic sensor according to the first embodiment can reduce measurement noise as compared with the conventional configuration.

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, it is possible to modify any component of the embodiment or omit any component of the embodiment within the scope of the invention.

１ 筐体
２ａ 送受信部（第１の送受信部）
２ｂ 送受信部（第２の送受信部）
３ 計測部
１１ メイン配管
１２ 流入口
１３ 流出口
２１ 超音波素子
２１１ 半導体基板
２１２ 圧電素子（圧電膜）
２１３ 電極
２１４ 電極
２１５ ダイヤフラム 1 Housing 2a Transmission / reception unit (first transmission / reception unit)
2b Transmitter / receiver (second transmitter / receiver)
3 Measuring unit 11 Main piping 12 Inflow port 13 Outlet 21 Ultrasonic element 211 Semiconductor substrate 212 Piezoelectric element (piezoelectric film)
213 Electrode 214 Electrode 215 Diaphragm

Claims (4)

直線状のメイン配管、当該メイン配管における一端側の側壁に連通された流入口、及び、当該メイン配管における他端側の側壁に連通された流出口を有する筐体と、
前記メイン配管における一端側に設けられ、２次元アレイ状に配列された複数の超音波素子を有し、当該超音波素子を用いてビームフォーミングにより当該メイン配管における他端側へ超音波ビームを送信する第１の送受信部と、
前記メイン配管における他端側に設けられ、２次元アレイ状に配列された複数の超音波素子を有し、当該超音波素子を用いてビームフォーミングにより当該メイン配管における一端側へ超音波ビームを送信する第２の送受信部と、
前記第１の送受信部による送受信結果及び前記第２の送受信部による送受信結果に基づいて、前記メイン配管を流れる流体に関するパラメータを計測する計測部と
を備えた超音波センサ。 A housing having a linear main pipe, an inflow port communicating with a side wall on one end side of the main pipe, and an outlet communicating with a side wall on the other end side of the main pipe.
It has a plurality of ultrasonic elements provided on one end side of the main pipe and arranged in a two-dimensional array, and transmits an ultrasonic beam to the other end side of the main pipe by beamforming using the ultrasonic elements. The first transmitter / receiver to do
It has a plurality of ultrasonic elements provided on the other end side of the main pipe and arranged in a two-dimensional array, and transmits an ultrasonic beam to one end side of the main pipe by beamforming using the ultrasonic elements. Second transmitter / receiver and
An ultrasonic sensor including a measurement unit that measures parameters related to a fluid flowing through the main pipe based on a transmission / reception result by the first transmission / reception unit and a transmission / reception result by the second transmission / reception unit. 前記超音波素子は、ＭＵＴである
ことを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。 The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the ultrasonic element is a MUT. 前記第１の送受信部及び前記第２の送受信部について、前記超音波素子のうち、最も受信感度の高い超音波素子の遷移をそれぞれ監視することで、異常検知を行う異常検知部を備えた
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波センサ。 The first transmission / reception unit and the second transmission / reception unit are provided with an abnormality detection unit that detects an abnormality by monitoring the transition of the ultrasonic element having the highest reception sensitivity among the ultrasonic elements. The ultrasonic sensor according to claim 1 or 2, wherein the ultrasonic sensor is characterized. 自機の実装後又は取付け後に、超音波ビームの方向を微調整するビーム調整部を備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか１項記載の超音波センサ。 The ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 3, further comprising a beam adjusting unit for finely adjusting the direction of the ultrasonic beam after mounting or mounting the own machine.
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