(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気ばね（２）のカバー（４）に固定されて配置された超音波変換器（１２），この超音波変換器（１２）に固定して配置された基準反射器（１４），ピストン（８）又はバッファ（１８）に固定して配置された目的反射器（１６）及び送受信／評価電子機器（３０）から構成された、超音波すなわちエコー信号を測定する装置を使用して車両の前記空気ばね（２）の内部空間内で支配する圧力を算定する装置において、
前記エコー信号の前記超音波変換器（１２）と前記基準反射器（１４）との間の経過時間及び前記エコー信号の振幅の双方が評価されること、この場合、前記超音波変換器（１２）は、前記エコー信号の１／４の波長の厚さの整合層（２２）を有し、この整合層（２２）の音響インピーダンスは、前記超音波変換器（１２）の音響インピーダンスと前記空気ばね（２）の内部空間（２０）の周囲空気の音響インピーダンスとから成る幾何平均に一致するのではなくて、周囲気圧にある前記空気ばね（２）の内部空間（２０）の空気の音響インピーダンスより約１０倍だけ大きいこと、
前記エコー信号の振幅が、前記空気ばね（２）の内圧を算定するために前記送受信／評価電子機器（３０）を使用することによって評価されること、及び
前記基準反射器（１４）から反射した前記エコー信号の電気信号が、前記送受信／評価電子機器（３０）の積分器（４６）に入力され、この場合、前記電気信号の時間に対する電圧の変化が、前記エコー信号の音響エネルギーの量に関する目安であり、この音響エネルギーの量は、前記空気ばね（２）内の測定すべき圧力に依存することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記送受信／評価電子機器（３０）のマイクロコントローラ（３２）が、前記積分器（４６）の出力信号を走査し、この送受信／評価電子機器（３０）のアナログ／デジタル変換器（５０）を通じて測定結果を得ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記送受信／評価電子機器（３０）は、受信した前記エコー信号の前記電気信号を圧縮するための対数増幅器（３６）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気ばね内部の圧力を測定する超音波方法を実施するために設けられた装置に関する。この装置は、−請求項１の上位概念にしたがって−圧電磁器製の超音波変換器，反射器，基準反射器及び電子機器から構成される。
【０００２】
【従来の技術】
ヨーロッパ特許出願公開第 0 957 373号明細書中には、空気ばね内部で非接触式に距離と圧力を測定する装置と方法が記されている。両測定値は、パルス・エコー法にしたがって空気ばね内部で伝搬する超音波パルスを使用して算出される。超音波変換器と目的反射器との間の距離が、第１基準反射器と目的反射器とに対する超音波パルスの経過時間から算定される。スリーブの静圧力が、第１基準反射器に対して所定の距離にある第２基準反射器を使用して算定される。この目的のために、制御ユニットが、最初のエコーの振幅を一定に保持する。空気の減衰定数が、第１基準エコーと第２基準エコーとの振幅の比から算定される。同様に、圧力がこの比から算定される。
【０００３】
理論的考察から、この圧力測定方法は、あまり感度が良くないのと同時にかなり不精確であることが分かる。もう１つの欠点は、比較的大きな技術経費にある：２つの基準反射器と１つの制御ユニットが、送信出力に対して必要になる。
【０００４】
【特許文献１】
ヨーロッパ特許出願公開第 0 957 373号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
次いで、空気ばね内のスリーブの静圧力を測定する買い得でかつ正確に機能する装置を説明する。この場合、測定されるスリーブの圧力が、公知の距離測定方法で圧力を補正するためにも使用できる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は、空気ばね２のカバー４に固定されて配置された超音波変換器１２，この超音波変換器１２に固定して配置された基準反射器１４，ピストン８又はバッファ１８に固定して配置された目的反射器１６及び送受信／評価電子機器３０から構成された、超音波すなわちエコー信号を測定する装置を使用して車両の前記空気ばね２の内部空間内で支配する圧力を算定する装置において、前記エコー信号の前記超音波変換器１２と前記基準反射器１４との間の経過時間及び前記エコー信号の振幅の双方が評価されること、この場合、前記超音波変換器１２は、前記エコー信号の１／４の波長の厚さの整合層２２を有し、この整合層２２の音響インピーダンスは、前記超音波変換器１２の音響インピーダンスと前記空気ばね２の内部空間２０の周囲空気の音響インピーダンスとから成る幾何平均に一致するのではなくて、周囲気圧にある前記空気ばね２の内部空間２０の空気の音響インピーダンスより約10倍だけ大きいこと、前記エコー信号の振幅が、前記空気ばね２の内圧を算定するために前記送受信／評価電子機器３０を使用することによって評価されること、及び前記基準反射器１４から反射した前記エコー信号の電気信号が、前記送受信／評価電子機器３０の積分器４６に入力され、この場合、前記電気信号の時間に対する電圧の変化が、前記エコー信号の音響エネルギーの量に関する目安であり、この音響エネルギーの量は、前記空気ばね２内の測定すべき圧力に依存することによって解決される。好適な構成は、従属請求項に記載されている。
【０００７】
超音波を使用して空気ばね内部の圧力を測定する以下で説明する方法は、パルス・ エコー原理にしたがって作動する。超音波が、音響変換器によって空気ばね内へ放射される。この超音波は、既知の基準区間にしたがって反射される。エコーの経過時間と電気エコー信号の振幅の双方が評価される。この振幅は、基準区間の伝達特性、特に音響変換器と空気との間の音響エネルギーの透過率に依存する。
【０００８】
この測定方法は、２つの異なる媒体間の境界層を通過する音響エネルギーの透過率Ｔがこれらの媒体の音響インピーダンスに依存することを基礎にする：
Ｔ＝２Ｚ1 ／（Ｚ1 ＋Ｚ0 ）．    （１）
１つの媒体の音響インピーダンスＺは、この媒体に固有の密度ρと音波が伝播するときの速度ｃとの積である：
Ｚ＝ρｃ．    （２）
空気ばね内のスリーブの圧力ｐが、気体の法則に基づいて（一定温度下の）容積Ｖ内に密閉された空気の密度ρを算定する：
ｐＶ＝(const)1＝(const)2・p/ρ
＝＞ρ＝(const)3・p.                    （３）
音響変換器の音響インピーダンスＺ0 が、空気の音響インピーダンスＺ1 よりも著しく大きい場合、空気ばね内の圧力ｐと透過率Ｔとの間の関係はほぼ線形である。この関係は、電気的なエコー信号の振幅を決定する。
【０００９】
すなわち：スリーブの内圧を測定する本発明の方法は、空気の圧力に依存する伝達特性に起因するのではなくて、変換要素から空気への音響出力の伝達が空気ばね内の静圧力に依存することに起因する。
【００１０】
この方法を実施するために設けられた装置は、圧電磁気製の超音波変換器, 基準反射器及び電子機器から構成される。この装置は、エコーの経過時間と信号振幅の双方を評価可能である。
【００１１】
超音波は、圧電磁器製の変換要素によって生成される。この変換要素の音響インピーダンスは、周囲気圧下の空気の音響インピーダンスよりも５の10乗程度大きい。この極端な不整合のために、従来の超音波測定装置では、圧電磁器内部の超音波が空気に対する境界層面で完全に反射し、その超音波の一部しか空気に伝達されない。それ故に、超音波変換器は、周囲気圧下の使用に対してはいわゆる整合層を有する。
【００１２】
出力の整合と同時に最適な信号伝達を実現するためには、整合層の厚さを波長の１／４に精確にする必要がある。さらに、使用される物質の音響インピーダンスは、空気と圧電磁器の音響インピーダンスから成る幾何平均に一致させる必要がある。整合層を伴う超音波変換器を使用することは、空気ばね内の距離の測定に関して公知である（ドイツ連邦共和国特許発明第198 11 982号明細書）。
【００１３】
本発明の圧力測定方法の理論は、整合層が周囲気圧下で故意に不整合にされていることに基づく。こうして、ほぼ線形の振幅／圧力特性曲線を得る。この振幅／圧力特性曲線は、本発明にしたがって圧力を算定するために評価される。
【００１４】
媒体の密度及びそれと同時に音響インピーダンスが、空気ばね内の圧力によって上昇する。その結果、透過率(Transmissionsfaktor) 及びそれと同時に第１基準エコーの信号強度が、圧力と共に上昇する。圧力を信号の振幅の変化から算出するため、測定装置は、周囲気圧下で補正され得る。
【００１５】
整合層の音響インピーダンスが、周囲気圧下の空気の音響インピーダンスより約10倍だけ大きい場合は、圧力に依存する振幅比に対するほぼ線形な特性曲線が論理的に得られる（図３）。
【００１６】
ヨーロッパ特許出願公開第 0 957 373号明細書中に記された２つの反射器装置とは異なって、本発明の方法は、基準反射器を１つしか必要としない。この基準反射器は、圧力測定だけに使用されるのではなくて、圧力補正した高さの測定にも使用できる。２番目の反射器は必要ない。
【００１７】
圧力と振幅比との間の関係は、上述した明細書による方法の場合よりもここで提唱された方法の場合よりも遥かに強い。これによって、評価の経費が低減される。
【００１８】
好適な実施形によれば、電子回路は、信号の動特性を圧縮する対数増幅器を有する。この回路の電気出力信号は、反転していて、2.5 Ｖから零電位に関連する（図４）。この図は、周囲気圧下及び２bar,４bar,６bar,８bar 及び10bar の超過圧下の基準信号の電気変化を示す。信号電圧の相対的な最小値が、圧力に依存してずれる（図５）。増幅器の対数特性のために、この特性曲線は、比較的平坦に推移する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の測定装置の構造と動作を実施の形態に基づいて説明する：
図１中に示された空気ばね２は、主にカバー４，ロールスリーブ６及びピストン８を有する。カバー４は、シャーシに装着されている；ピストン８は、軸側（車輪側）で固定されている。
【００２０】
ロールスリーブ６が、ばねの偏位時にピストン８上で揺れる。ピストン８の甲板１６又はバッファ１８とカバー４との間の内のり距離１０は、車両のばねの偏位状況と負荷状況に依存する。
【００２１】
送受信器として構成された圧電磁器製の超音波変換器１２が、この距離１０を測定するためにカバー４に存在する。
【００２２】
基準反射器１４が、超音波変換器１２から一定の距離をおいて配置されている。この基準反射器１４は、張り渡された１本の導線でもよい。
【００２３】
超音波変換器１２は、ピストン８の方向に−又は甲板１６を使用するときはこの甲板１６の方向に−指向されている。この実施の形態では、甲板１６上に装着されたバッファ１８が、目的反射器として使用される。
【００２４】
超音波変換器１２に関連する詳細は、図２から分かる：
音響インピーダンスを空気ばねの内部空間２０の空気に良好に整合させるため（図１）、超音波変換器１２は、整合層２２を有する。この整合層２２の厚さは、使用する超音波信号の１／４の波長である。しかし、音響インピーダンスは、−従来のように−空気と圧電磁器１２の音響インピーダンスから成る幾何平均によって与えられるのではなくて、本発明にしたがって故意に不整合に選択されている。この場合、ほぼ線形な振幅／圧力特性曲線が得られる。この特性曲線は、空気ばねの内部圧力を算定するために使用される。
【００２５】
圧電結晶又は圧電磁器１２及び整合層２２から構成されたユニットが、密閉材２４によってセンサーハウジング２６内で固定されている。このセンサーハウジング２６は、空気ばねの内部空間２０の方向に円錐形の又はホルン状の開口部を有する。ビームの縦軸線２８に対して垂直に指向された板が、この開口部の近くに存在する。この板は、基準反射器１４として使用する。
【００２６】
信号の処理を図６中に示された送受信／評価電子機器３０のブロック図に基づいて説明する：
マイクロコントローラ３２が、エコーの経過時間とエコー信号の振幅の測定を制御する。マイクロコントローラ３２は、測定サイクルの最初に経過時間測定部を零にセットする。次いで、マイクロコントローラ３２は、送信段３４を起動させる。この送信段３４は、最初に圧電変換器１２の静容量を必要な送信電圧（５Ｖ〜 250Ｖ）に充電し、引続き急激に放電する。これによって、圧電磁器１２が固有の振動に励起される。これらの固有振動は、空気に伝達され、基準フープ１４の面で反射される（基準区間Ｓref ）。
【００２７】
固有振動が減衰した後に、音響変換器１２が、相互作用に基づいて入射したエコーを電気信号に変換する。このときに発生する信号の電圧は、数マイクロボルトである。この信号は、増幅されて（増幅器３６）能動式の帯域フィルタ３８に入力される。この帯域フィルタ３８は、音響変換器１２の固有周波数に同調している。検波器４０と後続接続された低域通過フィルタ４２は、振幅変調された信号から包絡線を抽出する。このエコー信号の振幅が設定された閾値（閾値切替器４４）を超えた場合は、マイクロコントローラ３２は、このことをエコーの入射のための時点として解釈して、経過時間の測定を停止する。このマイクロコントローラ３２は、測定された経過時間と基準区間Ｓref の既知の長さとから空気ばね２内の音の実際の伝播速度を算定する。
【００２８】
信号振幅の圧力依存性を算定するため、基準反射器１４から反射したエコー信号（図７）が、積分器４６に入力される。このエコー信号の電圧・時間面は、このエコー信号のエネルギー内容に関する目安である。この目安は、音響変換器１２の透過率を介して空気ばね２内の測定すべき圧力に依存する。
【００２９】
マイクロコントローラ３２は、積分器４６の出力信号を走査し、アナログ／デジタル変換器５０を介して測定結果を得る。
【００３０】
エコー信号は、温度に依存して時間的に遅延する。エコー信号が常に正確に処理されるように、マイクロコントローラ３２は、積分の開始と終了に関する時点（ｔ1 及びｔ2 ）を制御する。このことに対する根拠は、マイクロコントローラ３２が先の測定中に算定した伝播速度である。
【００３１】
基準信号の振幅を評価する回路が、図８中に示されている。このときのこの回路は、基準信号の電圧・時間面を形成する積分器４６である。
【００３２】
マイクロコントローラ３２は、この積分器の開始と終了を決定する（図６も参照）。
【図面の簡単な説明】
【図１】  測定装置を有する空気ばねの縦断面を示す。
【図２】  音響変換器に関連する詳細を縦方向に沿って示す。
【図３】  音響インピーダンスの変化によって圧力を測定する論理特性曲線を示す。
【図４】  対数増幅器の出力の電気エコー信号を示す。
【図５】  圧力に対する出力電圧の変化を示す。
【図６】  信号処理電子機器のブロック図である。
【図７】  エコー信号の時間／電圧グラフである。
【図８】  基準信号の振幅評価回路を示す。
【符号の説明】
２    （車両の）空気ばね
４    （空気ばねの）カバー，（空気ばねの）蓋
６    ロールスリーブ
８    ピストン
１０    ピストン（バッファ）／カバーの内のり距離
１２    超音波変換器，変換器，圧電磁器
１４    基準反射器，基準フープ
１６    甲板
１８    バッファ
２０    空気ばねの内部空間
２２    整合層
２４    密閉材
２６    センサーハウジング
２８    ビームの縦軸線
３０    送受信／評価電子機器
３２    （マイクロ）コントローラ
３４    送信段
Ｓref   基準区間
３６    増幅器
３８    帯域フィルタ
４０    検波器
４２    低域通過フィルタ
４４    閾値切替器
４６    積分器
４８    走査保持ユニット
５０    アナログ／デジタル変換器
【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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