(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、製造工数を削減し低コスト化を図ると共に小型、高精度の超音波式気体センサ装置を提供することにある。【解決手段】  第１の超音波センサと第２の超音波センサと、前記第１の超音波センサから発生する超音波を導波する第１の超音波通路と、前記第２の超音波センサから発生する超音波を導波する第２の超音波通路とを備え、前記第１及び第２の超音波通路は超音波を偏向させて流体中に放射可能とするように超音波通路内部に反射部を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を発生させる第１の超音波センサと、
第１の超音波センサから発生する超音波を受信する第２の超音波センサと、
前記第１の超音波センサが配置される第１の超音波通路と、
前記第２の超音波センサが配置される第２の超音波通路と、を備え
前記第１及び第２の超音波通路は、超音波の進行方向を変える反射部を備える超音波式流量センサ。
【請求項２】
前記第１の超音波センサと前記第２の超音波センサは同一の支持基板に設けられる請求項１に記載の超音波式流量センサ。
【請求項３】
前記第１の超音波センサと前記第２の超音波センサは同一の方向を向いて設けられる請求項２に記載の超音波式流量センサ。
【請求項４】
前記支持基板は、前記第１の超音波センサが実装される箇所と、前記第２の超音波センサが実装される箇所との間にスリットが形成される請求項３に記載の超音波式流量センサ。
【請求項５】
前記第１の超音波通路は、第１の超音波センサから発生した超音波の進行方向を上流側に変更した後に下流側に変更するように反射部を複数有している請求項１乃至４の何れかに記載の超音波式流量センサ。
【請求項６】
前記第２の超音波通路は、第１の超音波センサから発生した超音波の進行方向を、上流側から下流側に変更した後、第２の超音波センサへ導くように複数の反射部が形成されている請求項５に記載の超音波式流量センサ。
【請求項７】
前記第一の超音波通路と前記第二の超音波通路が設けられ、前記回路基板を保持するハウジングを備え、
前記ハウジングの先端側には、前記第１の超音波通路から放出された超音波の進行方向を、前記第２の超音波通路の開口部に変更する反射部が設けられる請求項６に記載の超音波式流量センサ。
【請求項８】
前記第１の超音波センサと前記第２の超音波センサとにより相互に超音波を送受信する請求項６または７に記載の超音波式流量センサ。
【請求項９】
前記第１の超音波通路の開口方向と、前記第２の超音波通路の開口方向の少なくとも一方は、流路に対して垂直に開口している請求項１乃至８の何れかに記載の超音波式流量センサ。
【請求項１０】
前記第１と第２の超音波通路の開口部の断面が流路方向に横長である請求項９に記載の超音波式流量センサ。
【請求項１１】
前記第１と第２の超音波センサを流路の外側に配置し、前記第１と第２の超音波通路を流路の外側から内側まで延設した請求項１乃至１０の何れかに記載の超音波式流量センサ。
【請求項１２】
前記第１と第２の超音波通路に絞り部を設けた請求項１乃至１１の何れかに記載の超音波式流量センサ。
【請求項１３】
前記第１と第２の超音波センサ素子から得られた信号の差動信号に基づいて、超音波伝播時間を検出する請求項８に記載の超音波式流量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体の物理量を検出するために超音波センサを備えた気体センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体の流量、温度、成分などの物理量を検出して電気信号に変換するセンサ装置として、超音波の伝播速度を利用したセンサ装置が知られている。たとえば、気体の流量を測定するセンサ装置は、流路の上流側に配置した超音波センサと下流側に配置した超音波センサとで互いに超音波を送受信し、送信から受信までの伝播時間が流速によって変化することを利用した超音波伝播時間差式がある。このような、センサ装置は、気体の流速変化に対する検出感度を得るために、２つの超音波センサの配置間隔を広げ流体にさらされる超音波の伝播経路を十分に確保する必要がある。また、超音波の伝播経路を流体の流れ方向に沿う角度に傾ける必要がある。そのため、センサ装置が大型化するため、低コスト・小型・取り付けの簡易化が要求される自動車エンジンの吸気流量センサや排ガス流量センサには適用が困難であった。
【０００３】
このような自動車エンジンの流量センサへの対応を図った超音波伝播時間式のセンサ装置として特表２０１３−５０９５９８号公報（特許文献１）の超音波フローセンサがある。特許文献１の超音波フローセンサは、超音波フローセンサを測定管にプラグインすることにより取り付け可能とした構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１３−５０９５９８公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、測定管にプラグインして取り付けられるように小型化を図っているが、２つの超音波センサが近接し、超音波伝播距離が短くなるため流体の流速変化に対する伝播時間変化の感度が悪化する。また、センサ素子が流体に露出する構造であるため、エンジン本体から発生した不要な音波や振動によるノイズの影響を受けやすい。また、２つの超音波センサは流れ方向に傾斜して配置しているため製造工数がかかると共に実装ばらつきも増加する。また、自動車エンジンの排ガス流量計測においては超音波センサが高温の流体に晒されるため熱による劣化や、温度変化による計測誤差が増加する課題がある。
【０００６】
本発明の目的は、小型、高精度、高信頼の超音波式気体センサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の超音波センサと第２の超音波センサと、前記第１の超音波センサから発生する超音波を導波する第１の超音波通路と、前記第２の超音波センサから発生する超音波を導波する第２の超音波通路とを備え、前記第１及び第２の超音波通路は超音波の進行方向を変える反射部を備えた。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、流量計測感度、計測レンジを確保すると共に、超音波センサの配置及び向きを自由設定することができるため、２つの超音波センサを集約して簡易な実装構造とすることができ低コスト化、製造工程の簡易化が可能である。また、２つの超音波センサに加わる高周波振動などによるノイズの影響を低減でき高精度化が可能である。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明からにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例におけるセンサ装置の側面からの断面図。
【図２】実施例におけるセンサ装置の正面からの断面図。
【図３】実施例におけるセンサ装置の下面図。
【図４】実施例におけるセンサ装置の支持基板の実装構造。
【図５】実施例におけるセンサ装置の信号処理回路。
【図６】実施例における信号処理回路の波形図。
【図７】実施例におけるセンサ装置の効果を示す説明図。
【図８】実施例におけるセンサ装置の側面からの断面図。
【図９】実施例におけるセンサ装置の側面からの断面図。
【図１０】実施例おけるセンサ装置の側面からの断面図。
【図１１】実施例におけるセンサ装置の正面からの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下で説明する実施例は、超音波を用いた気体センサ装置の一例として、自動車エンジンの吸気流量を計測するセンサ装置に本発明を適用したものである。本実施例における気体センサ装置が検出対象とする物理量（環境パラメータ）は気体の流速であるが、この検出値を用いて気体の体積流量、質量流量を測定することもできる。また、気体の音速から気体の温度や成分などの物理量を測定する気体センサ装置にも適用することも可能である。また、各実施例は、矛盾が生じない限り、当然に組み合わせ可能である。
【００１１】
［実施例１］
本発明の実施例１について、図１を用いて説明する。
【００１２】
図１に示すように、本実施例のセンサ装置１は、超音波センサ３ａと、超音波センサ３ｂと、超音波センサ３ａ、３ｂが設けられる支持基板２と、支持基板２が設けられるハウジング４と、を備える。
【００１３】
支持基板２としては、ガラスエポキシを材料とするPCB（Printed Circuit Board）基板や、セラミック基板などで形成することができる。支持基板２には、超音波センサ３ａ，３ｂの駆動回路や、信号処理回路、発振器などの電気部品が実装されている。同一の支持基板２に超音波センサ３ａ、３ｂを設ける例を示しているが、別基板に設けてもよい。
【００１４】
超音波センサ３ａ、３ｂは、電気信号を超音波に変換すると共に、逆に超音波を電気信号に変換するものである。例えば、ひとつの素子で送受信できる圧電素子を用いることができる。その他、小型スピーカーと小型マイクロフォン、熱による空気の膨張収縮を利用した熱音響素子なども用いることもできる。
【００１５】
センサ装置１により流速を検出には既知の伝播時間差式を用いることができる。超音波センサ３ａより発信した超音波が超音波センサ３ｂに到達する伝播時間Ｔfは、気体の音速と超音波の伝播経路１２の距離によって決まるが、気体に流れが生じている場合、流れの速さに応じて伝播時間Ｔｆが変化する。本実施例では、開口部７ａから開口部７ｂの区間において、超音波が気体の流れに晒されている。この区間の気体に流れが生じていると伝播時間が変化することから、気体の流速を検出することができる。
【００１６】
ハウジング４は、超音波を導波する超音波通路５ａ、超音波通路５ｂ、反射部８が形成されている。超音波通路５ａは、流路１０における流れ方向の上流側に位置し、超音波通路５ｂは、流路１０における流れ方向の下流側に位置する。超音波通路５ａの一端は支持基板２によって塞がれると共に超音波センサ３ａが収容されている。また、超音波通路５ｂの一端は支持基板２によって塞がれると同時に超音波センサ３ｂが収容されている。反射部８はハウジング４の先端側に位置している。
【００１７】
超音波通路５ａと５ｂとは通路内部において連結部を持たない構造としている。つまり、超音波通路５ａは開口部７ａのみにおいて流路１０に開口し、超音波通路５ｂは開口部７ｂのみにおいて流路１０に開口している。また、超音波センサ３ａと３ｂの間には分離壁１３を設け超音波センサ３ａと３ｂが設置される空間を分離している。この理由は、超音波通路５ａと５ｂが内部で連結していると、気体の流れにより開口部７ａと７ｂに圧力差が生じ超音波通路５ａ、５ｂ内部に流れが生じる。この流れにより、超音波の伝播時間が変動し計測時の誤差や不安定化の原因となるためである。ただし、超音波通路５ａ、５ｂの内部に計測の妨げにならない程度の連結部を設けたり、流路への開口部を複数設けたりする構成としても本発明の効果は得られる。
【００１８】
超音波通路５ａの内部には超音波センサ３ａから放出された超音波の伝播方向（進行方向）を変えるように反射部６ａ、６ｂが形成される。反射部６ａは超音波センサ３ａから放出された超音波を上流側に進行させるようにしている。反射部６ｂは、反射部６ａによって上流側に反射された超音波を下流側に進行させるようにしている。
【００１９】
反射部６ｂによって反射された超音波は、超音波通路５ａの開口部７ａから流路１０へ放出され、気体の流れに晒される。放出された超音波は反射部８によって反射される。反射部８は超音波通路５ａから放出された超音波を、超音波通路５ｂへ導波するためのものである。本実施例では、反射部８は、超音波通路５ａ、５ｂが形成されたハウジング４と一体成形する例を示しているが、ハウジング４と別体に形成し、例えば、流路１０に形成することも可能である。本実施例のように、ハウジング４に形成すれば、流路４の形状が複雑化することを防げる。さらに、別部材とすることにより生じる実装誤差を低減可能という効果を奏する。
【００２０】
下流側の超音波通路５ｂは上流側の超音波通路５ａと対称形状となるように反射部９ａ、９ｂお及び開口部７ｂが設けられている。反射部９ｂは、開口部７ｂから超音波通路５ｂに取り込まれた超音波を上流方向へ向かうように進行方向を変える。また反射部９ａは反射部９ｂからの超音波を超音波センサ３ｂへ向かうように進行方向を変える。
【００２１】
上記の構成によって、超音波センサ３ａにおいて発信した超音波を超音波センサ３ｂにより受信することができる。また、超音波センサ３ｂにおいて発信した超音波は上記の経路を逆に通過して、超音波センサ３ａにより受信することができる。
【００２２】
流量検出における感度やダイナミックレンジは、超音波の伝播経路のうち流体に晒される区間の距離や角度に依存する。本実施例は、超音波センサ３ａから発信した超音波を、導波路５ａに設けた反射部６ａにより一度上流側に進行方向を変え、反射部６ｂにより下流側に進行方向を変える構成とすることで、超音波の伝播経路のうち流体に晒される区間の距離を、超音波センサ３ａと超音波センサ３ｂの間隔よりも長くすることができる。そのため、超音波センサ３ａと３ｂを近接に配置して小型化したとしても、流量の検出感度を確保することが可能となる。
【００２３】
また、超音波通路５ａ、５ｂの形状を変更することにより、超音波を任意の場所、角度に導波することができるため、超音波センサ３ａ、３ｂの配置に関わらず流速の検出感度およびダイナミックレンジを確保することができる。
【００２４】
また、本実施例では、超音波通路５ａ、５ｂはハウジング４内部に形成されているため、気体の流れの影響を受けにくい。超音波通路５ａ、５ｂ内は、流路内の気体により満たされているがハウジング４により流路の流れの影響を受けにくい。また、超音波通路５ａ、５ｂには本実施例で示す反射部を形成したように超音波通路内が曲げられ、その奥に超音波センサ３ａ、３ｂを収容しているため、超音波センサ３ａ、３ｂへの流れの遮蔽効果を高めることもできる。
【００２５】
本実施例によれば、流路１０を流れる流体が超音波センサ３ａ、ｂに到達することに起因するノイズを低減可能である。そして、流路１０の流れ方向に垂直に開口部７ａ、７ｂを設けることで、さらに流れの遮蔽効果を向上させることができる。更なる好例として、超音波通路５ａ、５ｂを超音波が伝搬する物質で充填することで、流体の遮断効果が向上する。
【００２６】
本実施例によれば、超音波センサ３ａ、３ｂは超音波通路５ａ、５ｂに搭載されており、開口部７ａ、７ｂから離れている。そのため、流体とともに飛来するオイル、ダスト、液滴といった汚損物が超音波センサ３ａ、３ｂに到達することも抑制でき、耐汚損に対しても有効である。本効果は、流路１０の流れ方向に垂直に開口部７ａ、７ｂを設けることでさらに向上する。さらに好例としては、超音波センサ３ａと超音波センサ３ｂの間隔よりも超音波通路５ａ、５ｂの開口部７ａ、７ｂの間隔が広がるように超音波通路の形状を設定している。言い換えると、開口部７ａ、７ｂから超音波センサが視認できないようにオーバーラップさせない形状とすることで、汚損物の飛来をさらに抑制できる。この構成は、遮蔽効果も向上させられる。
【００２７】
［実施例２］
本発明の実施例２について説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。
【００２８】
超音波センサ３ａ、３ｂから発信される超音波は、指向性が高いほうが良い。この理由は、指向性が高い場合、超音波センサ３ａから発信した超音波の大部分が反射部５ａ、５ｂにより反射され、伝播経路１２に沿った伝播経路により超音波センサ３ｂに受信される。つまり、音波の広がりによる損失を低減することができる。
【００２９】
指向性の強弱は、超音波の周波数により設定することが可能であり、１００kＨｚ以上において指向性が高まるため、本実施例ではそれ以上となるように設定する。望ましくは２００ｋＨｚ以上とすればより良好な指向性が得られ効率的な送受信が可能である。
【００３０】
しかしながら、超音波の指向性が高いと、超音波センサ３ａ、３ｂの設置位置・設置角度や、反射部６ａ、６ｂの角度などの製造ばらつきに対して敏感になる。したがって、好ましくは１ＭＨｚ以下であることが好ましいため、本実施例ではそのように設定する。ただし、それ以上の周波数であっても製造時の寸法精度の管理や、別部材を用いて鋭い指向性を緩和させる構造を持たせるなどの工夫により適宜設定可能である。
【００３１】
超音波の送受信において、超音波センサ３ａが発信した超音波は超音波センサ３ｂに反射し（第１波）、超音波センサ３ａに戻ってくる。さらに、超音波センサ３ａで反射し超音波センサ３ｂへ再度受信（第２波）される。
【００３２】
このような反響は、受信タイミング検出において誤検出する場合がある。本実施例では、超音波通路５ａ、５ｂにより超音波を閉じ込められ、音波の広がりによる減衰を低減する構造であるため、このような反響の影響を受けやすい。
【００３３】
そこで、超音波の周波数を200ｋＨｚとすれば、超音波のエネルギーが気体に吸収さることによる減衰を利用することができる。つまり、反響による第２波は伝播距離が長くなるため減衰される。したがって、受信タイミングの検出において誤検出を低減することができるためより好ましい。
【００３４】
本実施例では、超音波の周波数を１００kＨｚ以上１ＭＨｚ以下とすることで、損失低減並びに製品ばらつき低減の両立を図れる。また、更なる好例として、超音波の周波数を２００ｋＨｚ付近に設定することで、上記反響の影響を低減できる。
【００３５】
［実施例３］
本発明の実施例３について、図４を用いて説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。
【００３６】
本実施例では、超音波センサ３ａ、３ｂを同一の支持基板２に配置した構成とその利点について説明する。
【００３７】
図４（ａ）に示すように、支持基板２の下面（一面）側には、超音波センサ３ａおよび超音波センサ３ｂが取り付けられている。超音波センサ３ａ、３ｂは、同じ方向（支持基板２の面に対して垂直な方向）をむいて支持基板２に取り付けられている。
【００３８】
超音波センサ３ａの電極リード１６ａは、支持基板２に形成したスルーホール１５ａを抜けて、支持基板２の上面（他面）側に設けた電極パッド１７ａに接続される。電極リード１６ｂも同様である。超音波センサ３ａと支持基板２との接着は、接着剤１８ａにより接着され、スルーホール１６ａを介した空気の漏れを抑制している。
【００３９】
超音波センサ３ｂについても、前述した超音波センサ３ｂ同様に実装されている。超音波センサ３ａと３ｂ及び発熱量の大きい信号処理回路19などの電気部品の配置は、基板２上において対称であることが好ましい。基板に配置した電気部品の発熱によって超音波センサ３ａ及び超音波センサ３ｂに温度上昇が発生するが，対称に配置することによって超音波センサ３ａと超音波センサ３ｂの温度上昇量を等しくすることができる。これにより，温度変化による超音波センサ３ａ、３ｂの共振点の変動が等しくなり，発信される超音波の周波数と受信感度の高い周波数を一致するので，送受信効率の低下を抑制することができる。
【００４０】
図４（ｂ）に示すように、支持基板２の上面側には、信号処理回路１９などの電気部品を配置している。電極パッド１７ａ〜１７ｄは支持基板２に設けた配線により信号処理回路１９に接続される。信号処理回路１９は、発振器、増幅器、フィルタ、アナログデジタル変換器、デジタル信号処理回路などが含まれ、超音波の送受信、流速検出に必要な機能を備えている。信号処理回路１９としては、これらの各機能を備えるＩＣを組み合わせて形成するほか、マイコン、ＤＳＰ、ＦＰＧＡなども用いることができる。信号処理回路１９によって検出した流速信号は電極パッド２０ｂに出力され、コネクタ等を介して外部の制御装置に送られる。センサ装置の電源端子、接地端子は電極パッド２０ａ、２０ｃに接続されコネクタ等を介して外部の制御装置から供給される。パッド２０ｄは、外部の装置との通信用端子として用いることができる。通信用端子を用いて、流量計測における出力レンジおよびゼロ点などを校正することができるほか，センサ内部の故障や異常状態を外部装置に伝達することもできる。
【００４１】
図４（ｃ）は支持基板２の下面側の構造を示す。下面側には超音波センサ３ａ、３ｂが設けられている。超音波センサ３ａの周囲には、ハウジング４との接着領域２１が設けられている。接着領域２１は支持基板２の外周のほか超音波センサ３ａと超音波センサ３ｂの間にも設けられる。
【００４２】
支持基板にスリットを形成してもよい。信号処理回路１９と超音波センサ３ａ、３ｂとの間にスリットを形成すれば、基板上の信号処理回路１９の発熱が超音波センサ３ａ、３ｂに熱伝導することを抑制することができる。また，超音波センサ３ａと超音波センサ３ｂとの間にスリットを設ければ、基板２を介した超音波の伝達を抑制し、超音波送受信時の検出精度を低減することができる。
【００４３】
本実施例は、同一の支持基板２の一面に、同じ方向で超音波センサ３ａ、３ｂを配置することで、製造工程の簡略化が可能となり、低コスト化が可能である。超音波センサ３ａ、３ｂを、容易に近接して配置することも可能となる。
【００４４】
両面実装するようにすれば、支持基板２の小型化も可能となり、センサ装置１の小型化にさらに効果的である。
【００４５】
［実施例４］
図５を用いて本発明の実施例４について説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。
【００４６】
超音波センサ３ａは、端子Ｐ１から電圧パルスＶ１が印加され超音波を発生する。超音波センサ３ａの受信波形を検出するための、アンプＡ１とアンプＡ３からなる２段の増幅器を備える。超音波センサ３ｂは、端子Ｐ２から電圧パルスＶ２が印加され超音波を発生する。超音波センサ３ｂの受信波形を検出するための、アンプＡ２とアンプＡ４からなる２段の増幅器を備える。超音波センサ３ａの検出電圧ＶＵと超音波センサ３ｂの検出電圧ＶＤは、アンプＡ５からなる差動増幅器によりＶＵとＶＤの差動電圧が得られる。この差動電圧ＶＵ―ＶＤは、アナログデジタル変換器ＡＤによりデジタル信号に変換される。
【００４７】
デジタル信号に変換された信号は、ローパスフィルター及びハイパスフィルタにより不要な信号成分が除去された信号が検出器２２に送られ伝播時間を検出する。
【００４８】
上記のアンプＡ５からなる差動増幅器の効果および検出器２２の機能について図６を用いて説明する。超音波センサ３ａに駆動パルスＶ１が印加されると図６(a)のＶＵ波形に示すようにパルス信号Ｓ１が検出される。超音波センサ３ａから送信された超音波は超音波センサ３ｂに受信され、図６（ｂ）のＶＤ波形に示すように受信波形Ｒ１が得られる。ＶＵ波形及びＶＤ波形に示すノイズＮ１、Ｎ２は、エンジンの振動などによるノイズ波形の一例を示している。超音波センサ３ａと３ｂは互いに近接配置されるとともに、同一の支持基板２に搭載されているため、エンジン振動によるノイズＮ１とＮ２はほぼ同一の位相、周期、振幅となる。
【００４９】
図６（ｃ）はＶＵとＶＤの差動波形ＶＵ−ＶＤを示す。ＶＵとＶＤの差動をとることにより、ノイズＮ１とノイズＮ２が相殺されノイズ成分を除去した波形が得られ、伝播時間Ｔｆ、Ｔｄの検出において誤検出を低減することができる。
【００５０】
検出器２２は、上記の差動波形ＶＵ−ＶＤから、超音波の伝播時間を検出する。まず、超音波センサ３ａから超音波センサ３ｂへの伝播時間はＴｆは、図６（ｃ）に示すように、送信タイミングＤ１と受信波形Ｄ２の時間差となる。逆に、超音波センサ３ｂから超音波センサ３ａへの伝播時間はＴｂは、図６（ｃ）に示すように、送信タイミングＤ３と受信波形Ｄ４の時間差となる。これらのＴｆ、Ｔｂに基づいて演算することにより、気体の流速に依存した信号Ｄoutがえられる。
【００５１】
［実施例５］
図２を用いて、本発明の実施例５について説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。
【００５２】
図２に示すように、超音波通路５ａの超音波センサ３ａを収納する空間には、絞り部１４が設けられている。つまり、超音波通路５ａは流路１０内において通路幅が狭められている。
【００５３】
本実施例のような構造の場合、超音波通路５ａ、５ｂを形成するハウジングを流路１０に突出させる構造であるため流路に突出した部分が流れを妨げ、圧損の増加や気流の乱れによる計測誤差、ノイズの原因となる。本実施例では、図２に示すように超音波通路５ａに通路面積を縮小する絞り部を設け流路１０内における通路幅を狭めることができる。これにより、ハウジング筐体を薄型化し、流れを妨げや圧損を低減することが可能である。
【００５４】
［実施例６］
図３を用いて、本発明の実施例６について説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。
【００５５】
図３に本実施例におけるセンサ装置１の下面図を示す。超音波通路５ａ、５ｂの開口部７ａ、７ｂは気体の流れ11に沿う方向に横長となっている。開口部７ａ、７ｂは気体の流れ11に沿う方向に横長にすることで、高流量域においても開口部７ａから出た超音波を開口部７ｂに確実に取り込むことができる。また、流路中に突出したセンサ筐体を薄型化できるので流れの乱れによる測定誤差や圧損を低減することができる。
【００５６】
本実施例は、特に実施例５との組み合わせることでより効果を発揮する。
【００５７】
［実施例７］
図７を用いて、本発明の実施例７を説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。
【００５８】
本実施例では、超音波通路５ｂの反射部２４ａに対向する位置に絞り部２３を形成している。絞り部２３の反射面２４の法線方向は、超音波通路５ｂの開口部７ｂに向けている。超音波センサ３ａから発信した超音波を伝播経路１２に沿って超音波センサ３ｂに受信させるには、超音波通路内の反射部２４ａと２４ｂを用いて導波している。超音波通路内の他の面は、伝播経路１２に沿った超音波の導波に寄与しないことから、任意の形状にすることができる。
【００５９】
本実施例によれば、伝播経路１２以外の角度から飛来した不要音波２５を、反射面２４で反射させることができ、不要音波２５を超音波通路の外へ排除することができる。つまり、超音波通路５ｂに曲げ部（反射部）と絞り部２３を組み合わせることで、受信側（下流側）の超音波通路５ｂへの不要な音波の進入を低減することができるため、順流流れの検出精度が向上する。
【００６０】
超音波センサ３ａ、３ｂが送受信機能を兼ね備える場合、超音波通路５ａにも同様の形状を設けることにより、逆流流れの検出精度が向上する。
【００６１】
絞り部２３の形状や曲げ部の形状については、センサ装置が設置される環境における不要音波の進入角度により適宜設定することが可能である。したがって、形状は一義に決まるものではないが、伝播経路を曲部、絞り部の奥に超音波センサを収容することで不要ノイズの受信を排除できる。
【００６２】
上記の効果は超音波の回折効果が比較的小さい100ｋＨｚ以上の高周波に対して特に有効である。１００ｋＨｚ以下の超音波については、回折が大きく上記のように曲り部や絞り部を設けても超音波センサに到達してしまう。この音波の低周波成分については、信号処理回路におけるローパスフィルター処理により排除できる。言い換えると、本実施例により、超音波センサ３ａ、３ｂに到達する不要音波２５の周波数を制限できるため、本実施例の超音波通路と、受信信号のローパスフィルター処理の組み合わせにより、より効果的に不要な信号成分を除去して、電波時間差を検出することが可能となる。
【００６３】
［実施例８］
図８を用いて、本発明の実施例８について説明する。本実施例は、超音波通路内の反射部を一箇所とした例である。超音波センサ３ａ及び３ｂは同一の支持基板２に同一方向で水平に取り付けることが可能であり、製造工数の簡略化が図れる。また、超音波センサ３ａ、３ｂは同一の支持基板に配置しているため、エンジン振動によるノイズ波形がほぼ同一となる。前述のように差動構造の信号処理回路を備えることにより、ノイズ影響を低減することができる。
【００６４】
［実施例９］
図９を用いて、本発明の実施例９について説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。本実施例は、流路１０内に放出される超音波を気体の流れ１１に並行に導波する超音波通路を備えた構成である。
【００６５】
図９の変形例に示すように、超音波通路５ａから放出された超音波は、反射部８を介さずに直接超音波通路５ｂへ取り込む構成とすることもできる。つまり、超音波通路から流路に放出されてからの超音波の伝播経路の角度は、反射部８の有無については適宜設定可能であり、本発明に必須の構成ではない。
【００６６】
［実施例１０］
図１０と図１１を用いて、本発明の実施例１０について説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。
【００６７】
本実施例は、支持基板２の設置角度を、実施例１に対して90℃回転させて実装した構成である。超音波センサ３ａ及び３ｂも支持基板２に設置される。
【００６８】
図１１に示すように、超音波通路５aの超音波センサと対向する位置に、反射部６aを備えている。反射部６aにより、超音波センサ３aにより発信した超音波は９０°進行方向を変えて開口部７a側に向かう。反射部６aにより進行方向を変えた超音波は、反射部６ｂにて進行方向を下流側に変更した後、開口部７aから流路１０に放出される。
【００６９】
本実施例に示すように、超音波センサ３ａ、３ｂは任意の場所、角度で配置することができる。
【００７０】
上述した各実施例では、センサ装置１に超音波センサ３ａ、３ｂを設けた構成について説明したが、センサ装置１に圧力センサ、温度センサを備えることも可能である。この場合、支持基板２の超音波センサと同一面に圧力センサ、温度センサを設ける構成にできる。この場合、圧力センサの検出値と超音波の伝播時間から気体の質量流量や体積流量に変換して出力できる。
【００７１】
上述した各実施例では、自動車の吸気流量計測を例としているが、本実施例は、エンジンの排ガスなどの高温の流体計測においても以下の理由により好適な構成である。本実施例では、超音波センサ３ａ、３ｂ及び駆動回路が形成される支持基板２を流路１０の外側に設けている。超音波通路５ａ、５ｂは、流路１０の外側に配置した超音波センサ３ａ、３ｂにより発信した超音波を流路１０の中心付近まで導波し流路１０に放出している。流路１０に排ガスなどの高温の流体が流れる場合、流路１０内に突出したハウジングも高温に晒される。本実施例では、超音波センサ３ａ、３ｂや支持基板２に設けた回路部品は、流路の外側に配置しているため直接的に高温の流体に晒されることがない。したがって、超音波センサ素子や回路部品などの熱による劣化を低減することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１…センサ装置、２…支持基板、３ａ…超音波センサ、３ｂ…超音波センサ、４…ハウジング、５ａ〜５ｂ…超音波通路、６ａ〜６ｂ…反射部、７ａ〜７ｂ…開口部、８…反射部、９ａ〜９ｂ…反射部、１０…流路、１１…流れ、１２…伝播経路、１３…分離壁、１４…絞り部、１５ａ〜１５ｄ…スルーホール、１６ａ〜１６ｄ…電極リード、１７ａ〜１７ｄ…電極パッド
１８ａ…接着剤、１９…信号処理回路、２０ａ〜２０ｄ…電極パッド、２１…接着部、２２…検出器、２３…絞り部、２５…不要音波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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