JP4952164B2

JP4952164B2 - 流量計測素子、質量流量計

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Publication number: JP4952164B2
Application number: JP2006254717A
Authority: JP
Inventors: 貴彦吉田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2006-09-20
Publication date: 2012-06-13
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Description

本発明は、流体の質量流量を計測する流量計測素子、質量流量計に関するものである。

従来、超音波流量計として特許文献１に示すものがあった。特許文献１に示す超音波流量計は、測定流体が流れる配管などの流量計測部に上流側と下流側とに斜めに対向させて２つの超音波素子を設け、超音波伝達時間差から流体流量を算出するものである。つまり、上流側に設けられた超音波素子からの超音波伝達時間と、下流側に設けられた超音波素子からの超音波伝達時間の差から流速を算出し、流量計測部（配管など）の断面積との積から、流体の体積流量を求めるものである。
特開２００４−１２５８０４号公報

上記特許文献１においては、体積流量は求めることができるものの質量流量を求めることはできない。流体の質量流量を求めるためには、流体の圧力を計測する必要がある。

ところが、流量計測部に流体の圧力を計測するための圧力検出素子を設けるとその分だけ流量計測部への搭載スペースが必要になるという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、搭載スペースを大きくすることなく、流体の質量流量を計測することができる流量計測素子、質量流量計を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の流量計測素子は、
流体の質量流量計測用の流量計測素子であって、
半導体基板と、
その半導体基板上に形成され超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行う超音波素子と、
その半導体基板上に超音波素子と一体に形成され流体の圧力を検出する圧力検出素子とを備え、
超音波素子は圧電材料を含み、
圧力検出素子は歪ゲージを含み、
半導体基板は、圧電材料及び歪ゲージが形成された、超音波素子と圧力検出素子とに共通のメンブレン構造部を有し、
超音波素子は、圧電材料に印加された電圧でメンブレン構造部が共振することで超音波を送信すること、及び送信された超音波による前記メンブレン構造部の共振を圧電材料にて電気信号に変換することで超音波を受信することの少なくとも一方を行うとともに、
圧力検出素子は、流体からの圧力によるメンブレン構造部の歪みを歪ゲージにて電気信号に変換することで圧力を検出することを特徴とするものである。

このように、体積流量を求めるための超音波素子と、その体積流量から質量流量を求めるための圧力検出素子とを半導体基板上に一体に設けることによって流量計測素子の体格を小さくすることができ、流量計測部への搭載スペースを小さくすることができる。

また、このように、超音波素子は圧電材料を含み、圧力検出素子は歪ゲージを含み、半導体基板はメンブレン構造部を有するものであり、圧電材料及び歪ゲージは、メンブレン構造部に形成することによって超音波素子と圧力検出素子とを半導体基板上に一体に設けるようにすると好ましい。

また、圧電材料としては、請求項２に示すように、薄膜の圧電材料もしくはバルクの圧電材料のいずれかによって構成されるようにしてもよい。さらに、圧電材料は、請求項３に示すように、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＺｎＯ、ＡｌＮのいずれかによって構成されるようにしてもよい。

また、上記目的を達成するために請求項４に記載の質量流量計は、
超音波素子と圧力検出素子とが一体に形成された流量計測素子と、
流体が流れており一対の流量計測素子が流体の上流と下流に対向して設けられた流量測定部と、
一対の流量計測素子間の超音波伝搬時間を算出し、その算出された超音波伝搬時間に基づいて流体の体積流量を算出する体積流量算出手段と、
体積流量算出手段による算出結果と、圧力検出素子にて検出された流量測定部内における流体の圧力値とに基づいて流体の質量流量を算出する質量流量算出手段と、を備え、
各流量計測素子における超音波素子と圧力検出素子とは、半導体基板に一体に設けられ、
超音波素子は圧電材料を含み、
圧力検出素子は歪ゲージを含み、
半導体基板は、圧電材料及び歪ゲージが形成された、超音波素子と圧力検出素子とに共通のメンブレン構造部を有し、
一方の流量計測素子における超音波素子は、圧電材料に印加された電圧でメンブレン構造部が共振することで超音波を送信し、
他方の流量計測素子における超音波素子は、送信された超音波によるメンブレン構造部の共振を圧電材料にて電気信号に変換することで超音波を受信し、
圧力検出素子は、流体からの圧力によるメンブレン構造部の歪みを歪ゲージにて電気信号に変換することで圧力を検出することを備えたことを特徴とするものである。

このように、超音波素子と圧力検出素子とが一体に形成された流量計測素子を設け、この流量計測素子を用いて超音波伝搬時間、体積流量、質量流量を算出することによって、流量計測部への搭載スペースを大きくすることなく、流体の質量流量を求めることができる。

また、請求項５に示すように、流量測定部の上流と下流にはバルクの圧電材料を備える超音波送信素子が対向して流量計測素子とは別体に設けられ、流量計測素子の超音波素子は超音波送信素子から送信された超音波の受信を行うものであり、体積流量算出手段は、超音波送信素子と流量計測素子における超音波素子とによって送受信される超音波を用いて超音波伝搬時間を算出するようにしてもよい。

このように、バルクの圧電材料を備える超音波送信素子を設けることによって、一対の流量計測素子のみの場合に比べて搭載スペースは大きくなるものの、超音波の計測感度を向上させることができる。

また、請求項６に示すように、流体の温度を検出する温度センサと、温度センサの検出結果に基づいて超音波伝搬速度及び流体の圧力値の温度補正を行う補正手段を備えるようにしてもよい。このようにすることによって、正確な流体の質量流量を求めることができる。

この温度センサは、請求項７に示すように、流量計測素子と一体に設けられるようにすることによって、搭載スペースを大きくすることを防止できる。

また、請求項８に示すように、圧力検出素子による流体の圧力を検出するタイミングと、超音波素子による超音波の送受信を行うタイミングとを異ならせるようにしてもよい。

また、超音波の送受信周波数は既知であるため、請求項９に示すように、圧力検出素子による流体の圧力の検出と、超音波素子による超音波の送受信とを略同じタイミングで行い、周波数分離手段にて圧力検出素子による出力信号と超音波素子による出力信号との周波数分離を行うことによって応答性を向上させることができる。

なお、請求項１０及び請求項１１に記載の質量流量計における作用、効果に関しては、請求項２及び請求項３に記載の質量流量計における作用、効果と同等であるため説明を省略する。

また、請求項１２に示すように、圧電材料への印加電圧と歪ゲージの出力信号とを関連付けて記憶した第一診断用記憶部と、圧電材料に通電してメンブレン構造部を変位させ、その変位時の圧電材料への印加電圧及び歪ゲージの出力信号と第一診断用記憶部に記憶された内容とを比較して流量計測素子が正常に動作しているか否かを診断する第一診断手段とを備えるようにしてもよい。

このようにすることによって、メンブレン構造部に圧電材料と歪ゲージが形成された流量計測素子を用いた場合の質量流量計が正常で動作しているか否かを判断することができ質量流量計の信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態における質量流量計測システムの概略構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態における流量計測素子の概略構成を示す図面であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡＡ断面図である。図３は、本発明の実施の形態における質量流量計測システムの計測タイミングを示すチャートである。なお、本実施の形態においては、質量流量計測システムをエンジン制御に適用した例を用いて説明する。すなわち、質量流量計測システムを燃焼室に吸入される空気の質量流量を計測するシステムに適用した例を用いて説明する。

図１に示すように、質量流量計測システム１００は、流量計測部３０に一対の流量計測素子１０，２０が搭載され、その流量計測素子１０，２０と電気的に接続されており、流量計測素子１０，２０からの信号を用いて質量流量を計測する制御装置４０などを備える。より具体的には、流量計測素子１０，２０、流量計測部３０、制御装置４０を備える質量流量計に図示しないエンジン制御装置などの電源を供給する装置が接続された質量流量計測システムである。

流量測定部３０は、エンジン制御系における吸気管に相当するものであり、内部に流体（空気）が流れており、一対の流量計測素子１０，２０が上流と下流に対向して搭載されるものである。つまり、流量測定部３０の上流側には流量計測素子１０が搭載され、下流側には流量計測素子２０が流量計測素子１０と対向するように搭載される。なお、図１においては、この流量測定部３０である吸気管の断面図を示している。

一対の流量計測素子１０，２０は、メンブレンタイプの流量計測素子であり、半導体基板上に超音波の送信及び受信を行う超音波素子と流体の圧力を検出する圧力検出素子とが一体に設けられたものである。この流量計測素子１０，２０は、流量測定部３０の側壁に設けられた取付穴にシール材などを介して搭載される。なお、流量計測素子１０，２０に関しては、後ほど詳しく説明する。

制御装置４０は、ＣＰＵ４１、メモリ４２などを備えたマイクロコンピュータであり、エンジン制御装置などの外部に設けられた装置（図示省略）から電源が供給されて動作すると共に、メモリ４２に記憶されたプログラムに基づいて所定の演算処理を実行し、その演算結果をエンジン制御装置に出力する。具体的には、制御装置４０のＣＰＵ４１は、流量計測素子１０，２０（超音波素子）を駆動して超音波の送受信を行ったり、流量計測素子１０，２０（圧力検出素子）からの信号に基づいて流体の圧力を検出したりする。

さらに、制御装置４０のＣＰＵ４１は、一対の流量計測素子１０，２０間の超音波伝搬時間を算出し、算出された超音波伝搬時間に基づいて流体の体積流量を算出したり、その算出結果と流体の圧力とに基づいて流体の質量流量を算出したり、流量計測素子１０，２０が正常に動作しているか否かを診断したりする。

また、制御装置４０のメモリ４２は、本発明における第一診断用記憶部に相当するものであり、圧電体薄膜８（超音波用電極９ａ，９ｂ）への印加電圧と、その時の歪ゲージ６の出力信号とを関連付けて診断マップとして記憶している。

ここで、図２を用いて流量計測素子１０，２０に関して詳しく説明する。なお、流量計測素子１０と流量計測素子２０とは、同じ構成をしているため、ここでは、流量計測素子１０のみを説明して、流量計測素子２０に関する説明は省略する。

図２（ａ），（ｂ）は、質量流量計測システム１００における流量計測素子１０の構造について簡略化して示した図で、図２（ａ）流量計測素子１０の模式的な平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の一点鎖線で示したＡ−Ａにおける断面図である。

図２（ａ），（ｂ）に示す流量計測素子１０は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板を用いて形成されている。この半導体基板において、符号１はＳｉなどからなる第１半導体層（半導体基板）、符号２はＳｉＯ_２などからなる埋め込み酸化膜、符号３はＳｉなどからなる第２半導体層、符号４はＳｉＯ_２などからなる保護酸化膜である。半導体のマイクロマシニング技術により、半導体基板の薄肉部として形成されたメンブレン構造部５上には、圧電材料からなる圧電体薄膜８を超音波用電極９ａ，９ｂでサンドイッチした構造を有する超音波素子と、歪ゲージ６に歪ゲージ用電極７が接続した構造を有する圧力検出素子とが一体に形成される。なお、圧電体薄膜８は、ゾルゲル法やスパッタリングなどによって形成された薄膜である。

つまり、超音波素子と圧力検出素子とでメンブレン構造部５を共用するものである。したがって、一つの半導体素子で超音波の送受信、圧力の検出の２つの機能をなすことができる。このようにすることによって、流量計測素子１０の体格を小さくすることができ、流量計測部３０への搭載スペースを小さくすることができる。また、半導体基板上に一体に設けることによって、同じ半導体プロセス内で超音波素子と圧力検出素子とを製造することができるので、製造コスト、製品コストも低減することができる。

なお、超音波素子を構成する圧電材料は、圧電体薄膜８に限定されるものではなく、バルクの圧電材料であっても本発明の目的は達成できるものである。なお、バルクの圧電材料を用いることによって、超音波を送信する際の音圧を高くすることができるので感度を向上させることができる。圧電材料としては、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＺｎＯ、ＡｌＮのいずれかを用いることができる。

図２（ａ），（ｂ）の流量計測素子１０では、超音波を送信する場合、制御装置４０のＣＰＵ４１は、超音波用電極９ａ，９ｂに交流電圧を印加して、圧電体薄膜８、超音波用電極９ａ，９ｂと共にメンブレン構造部５を所定の超音波帯周波数で共振させ、超音波を送信する。また、超音波を受信する場合、制御装置４０のＣＰＵ４１は、流量計測素子２０から送信された超音波（流量計測素子２０の場合は、流量計測素子１０から送信された超音波）によりメンブレン構造部５を圧電体薄膜８、超音波用電極９ａ，９ｂと共に共振させ、圧電体薄膜８、超音波用電極９ａ，９ｂにて電気信号に変換して、超音波を受信する。

一方、図２（ａ），（ｂ）の流量計測素子１０では、流体の圧力を検出する場合、流体の圧力によってメンブレン構造部５に歪みが発生する。制御装置４０のＣＰＵ４１は、この歪量が歪ゲージ６において抵抗変化として表れることによって流体の圧力を検出する。

以上のように構成された質量流量計測システム１００の動作を説明する。

まず、質量流量計測システム１００による自己診断に関して説明する。制御装置４０のＣＰＵ４１は、エンジン制御装置から電源が供給されると、圧電体薄膜８（超音波用電極９ａ，９ｂ）に通電して圧電体薄膜８、超音波用電極９ａ，９ｂと共にメンブレン構造部５を変位させる。次に、制御装置４０のＣＰＵ４１は、その変位時の歪ゲージ６の出力信号を検出する。そして、制御装置４０のＣＰＵ４１は、その変位時の圧電体薄膜８（超音波用電極９ａ，９ｂ）への印加電圧及び歪ゲージ６の出力信号と、メモリ４２に記憶された診断マップの内容とを比較して流量計測素子１０，２０が正常に動作しているか否かを診断する。そして、制御装置４０のＣＰＵ４１は、上記診断の結果で正常に動作していると判定した場合は以降に説明する流体の質量流量の計測を開始する。一方、制御装置４０のＣＰＵ４１は、流量計測素子１０が異常であることを図示しない報知装置にて報知する。

なお、制御装置４０のＣＰＵ４１が自己診断するタイミングは、エンジン制御装置から電源が供給された時点のみに限定されるものではない。流量計測素子１０，２０は、いつ故障するかわからないため、エンジン制御装置から電源が供給されている間は、所定の間隔で診断を実行することによってより一層信頼性を向上させることができて好ましい。

次に、質量流量計測システム１００による質量流量の計測に関して説明する。流量計測素子１０と流量計測素子２０の中心を結ぶ距離をＬとし、流量計測素子１０と流量計測素子２０とを結ぶ線と流量測定部３０（流量測定部３０における流量計測素子１０に対して下流側）とのなす角をθとする。また、流体の無風状態での音速をＣ、流量測定部３０内での流体の流速をＶとする。

制御装置４０のＣＰＵ４１は、流量測定部３０の上流側に配置された流量計測素子１０を駆動して超音波を送信する。流量計測素子１０から送信された超音波は流量測定部３０内を斜めに横断する。制御装置４０のＣＰＵ４１は、流量計測素子１０から送信された超音波を下流側に配置された流量計測素子２０で受信する。そして制御装置４０のＣＰＵ４１は、このときの伝搬時間ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）を計測する。

次に、送信、受信する流量計測素子１０、流量計測素子２０を入れ替えて同様の処理を実行する。制御装置４０のＣＰＵ４１は、流量測定部３０の下流側に配置された流量計測素子２０を駆動して超音波を送信する。流量計測素子２０から送信された超音波は流量測定部３０内を斜めに横断する。制御装置４０のＣＰＵ４１は、流量計測素子２０から送信された超音波を上流側に配置された流量計測素子１０で受信する。そして制御装置４０のＣＰＵ４１は、このときの伝搬時間ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）を計測する。

制御装置４０のＣＰＵ４１は、この伝版時間ｔ１とｔ２とから音速Ｃを消去して、流体の流速Ｖ＝１／２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２）を算出する。また、距離Ｌとなす角θは既知であるため、流量測定部３０の断面積をＳとすると、制御装置４０のＣＰＵ４１は、Ｑ＝ＳＶを演算して流体の体積流量を計測する。

また、制御装置４０のＣＰＵ４１は、圧力検出素子にて流体の圧力Ｐを検出（計測）する。なお、本実施の形態における流量計測素子１０は、上述のように半導体基板に超音波素子と圧力検出素子とが一体に設けられている。したがって、図３に示すように、体積流量の計測タイミング、すなわち超音波素子による送信・受信タイミングと、圧力検出素子による流体の圧力計測タイミングとを異ならせると好ましい。このようにすることによって、流量計測素子１０から出力される信号が超音波素子による信号であるか、圧力検出素子による信号であるかを間違えることを防止できる。

そして、制御装置４０のＣＰＵ４１は、体積流量Ｑと流量計測素子１０，２０の圧力検出素子で検出した流体の圧力Ｐとを用いて、Ｑ_ｍ＝ＱＰを演算して流体の質量流量を求める。このようにして、質量流量計測システム１００は、流体の質量流量を計測するものである。また、制御装置４０のＣＰＵ４１は、演算結果である計測した流体の質量流量をエンジン制御装置へと出力する。

このように、超音波素子と圧力検出素子とが一体に形成された流量計測素子１０，２０を設け、この流量計測素子１０，２０を用いて超音波伝搬時間、体積流量、質量流量を算出することによって、流量計測部３０への搭載スペースを大きくすることなく、流体の質量流量を求めることができる。

（変形例１）
また、変形例１として、超音波送信素子を別体に設けてもよい。図４は、本発明の変形例１における質量流量計測システムの概略構成を示すブロック図である。なお、図４は、上記実施の形態における図１に対応する図面であり、図１と異なる点を主に図示しており、共通する点の多くを省略している。また、上述の実施の形態と共通する点に関しては説明を省略する。

図４における符号１０ａ，２０ｂは、半導体基板に形成されたメンブレン構造部に圧電体薄膜と歪ゲージとを設けて、超音波の受信と流体の圧力の検出を行う流量計測素子である。また、図４における符号２００ａ，２００ｂは、平面形状の面積が流量計測素子１０ａの圧電体薄膜の平面形状の面積に比べて大きいバルクの圧電材料を備える超音波送信素子である。

このように、流量計測素子１０ａ，２０ａとは別体に、バルクの圧電材料を備える超音波送信素子２００ａ，２００ｂを設けた、質量流量計測システムにおいては、超音波送信素子２００ａから送信された超音波を流量計測素子２０ａで受信し、超音波送信素子２００ｂから送信された超音波を流量計測素子１０ａで受信する。

超音波素子は、一般的に送信側が大きな音圧を出力することによって感度を向上させることができるものである。したがって、変形例１においては、超音波素子と圧力検出素子とを一体に設けた場合に比べたら搭載スペースは大きくなるものの、超音波送信素子を別体に設けているため感度を向上させることができる。また、変形例１においては、超音波送信素子、超音波受信素子、圧力検出素子を別体に設ける場合に比べると、感度を略同等で搭載スペースを小さくすることができる。

（変形例２）
また、変形例２として、流量計測素子としては、上述のメンブレンタイプの他にも静電容量タイプのものであってもよい。図５は、本発明の変形例２における流量計測素子の概略構成を示す図面であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢＢ断面図である。

変形例２における流量計測素子５０は、図５に示すように、半導体基板５１に絶縁膜５２を介して形成された容量検出電極５３ａ（第一電極）と、容量検出電極５３ａから離間して（エアギャップ５９を介して）対向配置され、その対向する部位の一部に通気孔５８を有する容量検出電極５３ｂ（第二電極）とを備える。

また、容量検出電極５３ａと容量検出電極５３ｂとの間には、エアギャップ５９を形成するために貫通穴が形成された絶縁膜５４、エアギャップ制御電極５５ａ、絶縁膜５６、エアギャップ制御電極５５ｂ、絶縁膜５７が順番に形成されている。

また、半導体基板５１は、Ｓｉなどからなる。容量検出電極５３ａ、容量検出電極５３ｂ、エアギャップ制御電極５５ａ、エアギャップ制御電極５５ｂは、ポリシリコン、アルミ、金などの導電性材料からなる。絶縁膜５２、絶縁膜５４、絶縁膜５６、絶縁膜５７は、ＳｉＯ_２などからなる。

このような静電容量タイプの流量計測素子５０においては、容量検出電極５３ａ、容量検出電極５３ｂに電圧を印加して容量検出電極５３ｂを撓ませることによって、エアギャップ５９を変位させて超音波を送信する。また、静電容量タイプの流量計測素子５０は、超音波の受信及び流体からの圧力によって容量検出電極５３ｂが撓み、容量検出電極５３ａと容量検出電極５３ｂとの間隔（エアギャップ５９）が変位する。これによって、容量検出電極５３ａと容量検出電極５３ｂとの間の静電容量が変化するので、その静電容量を出力信号として出力する。

このようにすることによっても、超音波素子と圧力検出素子とを半導体基板上に一体に設けることができ、搭載スペースを小さくすることができる。

ここで、変形例２における静電容量タイプの流量計測素子５０を用いた場合の自己診断について説明する。制御装置４０のＣＰＵ４１は、エンジン制御装置から電源が供給されると、エアギャップ制御電極５５ａ、エアギャップ制御電極５５ｂに通電して容量検出電極５３ａと容量検出電極５３ｂとの間隔（エアギャップ５９）を変位させる。次に、制御装置４０のＣＰＵ４１は、その変位時の容量検出電極５３ａと容量検出電極５３ｂとの間の静電容量を検出する。

そして、制御装置４０のＣＰＵ４１は、その変位時のエアギャップ制御電極５５ａ、エアギャップ制御電極５５ｂへの印加電圧及び容量検出電極５３ａと容量検出電極５３ｂとの間の静電容量と、メモリ４２に記憶された診断マップの内容とを比較して流量計測素子５０が正常に動作しているか否かを診断する。なお、この場合は、メモリ４２には、エアギャップ制御電極５５ａ、エアギャップ制御電極５５ｂへの印加電圧と、その時の容量検出電極５３ａと容量検出電極５３ｂとの間の静電容量とを関連付けて診断マップとして記憶している。

そして、制御装置４０のＣＰＵ４１は、上記診断の結果で正常に動作していると判定した場合は流体の質量流量の計測を開始する。一方、制御装置４０のＣＰＵ４１は、流量計測素子１０が異常であることを図示しない報知装置にて報知する。

なお、制御装置４０のＣＰＵ４１が自己診断するタイミングは、エンジン制御装置から電源が供給された時点のみに限定されるものではない。流量計測素子５０は、いつ故障するかわからないため、エンジン制御装置から電源が供給されている間は、所定の間隔で診断を実行することによってより一層信頼性を向上させることができて好ましい。

なお、変形例２に示す静電容量の流量計測素子５０は、音圧が小さいため主に超音波の受信と流体の圧力の検出用に用いて、超音波送信素子を別体で設けると好ましい。すなわち、変形例１における流量計測素子１０ａ，２０ａとして用いると好ましい。

（変形例３）
また、変形例３として、体積流量の計測タイミング、すなわち超音波素子による送信・受信タイミングと、圧力検出素子による流体の圧力計測タイミングとを同じタイミングにしてもよい。図６は、本発明の変形例３における質量流量計測システムの計測タイミングを示すチャートである。図６（ａ）は、超音波の受信と圧力の検出とを同じタイミングで行った場合の流量計測素子の出力である。図６（ｂ）は圧力検出素子による出力信号（圧力の検出信号）であり、図６（ｃ）は超音波素子による超音波受信時の出力信号である。

上述のように本発明における流量計測素子は、超音波素子と圧力検出素子とが一体に形成されているため、体積流量の計測タイミングと圧力検出素子による流体の圧力計測タイミングとを異ならせると好ましいが、一般的に超音波の送受信周波数は既知であるため、同じタイミングで行うことも可能である。

制御装置４０のＣＰＵ４１は、図６（ａ）に示すように圧力検出素子による出力信号と超音波素子による超音波受信時の出力信号とが重なって出力された信号を図６（ｂ）に示す圧力検出素子による出力信号と図６（ｃ）に示す超音波素子による出力信号との周波数分離を行う。このようにすることによって、応答性を向上させることができるので、質量流量計及び質量流量計測システムによる質量流量の計測時間を短縮することができる。

（変形例４）
また、変形例４に示すように、流体の温度を検出する温度センサを設け、この温度センサの検出結果に基づいて超音波伝搬速度及び流体の圧力の温度補正を行うようにしてもよい。図７は、本発明の変形例４における流量計測素子の概略構成を示す図面であり、（ａ）はメンブレンタイプの場合の断面図であり、（ｂ）は静電容量タイプの場合の断面図である。なお、図７（ａ）は、図２（ｂ）に対応する図面であり、共通する箇所は同一の符号を付与して説明を省略する。また、図７（ｂ）は、図５（ｂ）に対応する図面であり、共通する箇所は同一の符号を付与して説明を省略する。

流体は、温度によって体積が変化するので、超音波の伝搬速度、及び圧力検出素子に与える圧力は流体の温度に依存して変化するものである。そこで、図７（ａ）に示すように、温度センサ８０をメンブレンタイプの流量計測素子６０に搭載する。又は、図７（ｂ）に示すように、温度センサ８０を静電容量タイプの流量計測素子７０に搭載する。
また、例えば、温度と超音波の伝搬速度、温度と流体の圧力とを関連付けて温度マップとしてメモリ４２に記憶しておく。そして、制御装置４０のＣＰＵ４１は、温度センサ８０の検出結果と温度マップとを用いて超音波伝搬速度及び流体の圧力の温度補正を行う。

このようにすることによって、正確な流体の質量流量を求めることができ、質量流量計及び質量流量計測システムの信頼性を向上させることができる。また、この温度センサは、流量計測素子５０，６０と一体に設けられることによって、搭載スペースを大きくすることを防止できる。

なお、上述の実施の形態及び変形例１〜４においては、超音波素子及び圧力検出素子が半導体基板に一体に設けられた流量計測素子を例として説明したが本発明はこれ以外にも、一つのバルクの圧電材料によって超音波素子と圧力検出素子とを兼ねる流量計測素子を用いてもよい。

本発明の実施の形態における質量流量計測システムの概略構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態における流量計測素子の概略構成を示す図面であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡＡ断面図である。本発明の実施の形態における質量流量計測システムの計測タイミングを示すチャートである。本発明の変形例１における質量流量計測システムの概略構成を示すブロック図である。本発明の変形例２における流量計測素子の概略構成を示す図面であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢＢ断面図である。本発明の変形例３における質量流量計測システムの計測タイミングを示すチャートである。本発明の変形例４における流量計測素子の概略構成を示す図面であり、（ａ）はメンブレンタイプの場合の断面図であり、（ｂ）は静電容量タイプの場合の断面図である。

符号の説明

１半導体基板、２埋め込み酸化膜、３半導体層、４保護酸化膜、５メンブレン構造部、６歪ゲージ、７歪ゲージ用電極、８圧電体薄膜、９ａ超音波用電極、９ｂ超音波用電極、１０，２０，１０ａ，２０ａ，５０、６０、７０流量計測素子、５１半導体基板、５２絶縁膜、５３ａ容量検出電極、５３ｂ容量検出電極、５４絶縁膜、５５ａエアギャップ制御電極、５５ｂエアギャップ制御電極、５６絶縁膜、５７絶縁膜、５８通気孔、５９エアギャップ、３０流量測定部、４０制御装置、４１ＣＰＵ、４２メモリ、８０温度センサ、１００質量流量計測システム、２００ａ，２００ｂ超音波送信素子

Claims

流体の質量流量計測用の流量計測素子であって、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行う超音波素子と、
前記半導体基板上に前記超音波素子と一体に形成され、前記流体の圧力を検出する圧力検出素子とを備え、
前記超音波素子は圧電材料を含み、
前記圧力検出素子は歪ゲージを含み、
前記半導体基板は、前記圧電材料及び前記歪ゲージが形成された、前記超音波素子と前記圧力検出素子とに共通のメンブレン構造部を有し、
前記超音波素子は、前記圧電材料に印加された電圧で前記メンブレン構造部が共振することで超音波を送信すること、及び送信された超音波による前記メンブレン構造部の共振を前記圧電材料にて電気信号に変換することで超音波を受信することの少なくとも一方を行うとともに、
前記圧力検出素子は、流体からの圧力による前記メンブレン構造部の歪みを前記歪ゲージにて電気信号に変換することで圧力を検出することを特徴とする流量計測素子。
前記圧電材料は、薄膜の圧電材料もしくはバルクの圧電材料のいずれかによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の流量計測素子。
前記圧電材料は、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＺｎＯ、ＡｌＮのいずれかによって構成されることを特徴とする請求項２に記載の流量計測素子。
超音波素子と圧力検出素子とが一体に形成された流量計測素子と、
流体が流れており、一対の前記流量計測素子が前記流体の上流と下流に対向して設けられた流量測定部と、
一対の前記流量計測素子間の超音波伝搬時間を算出し、算出された前記超音波伝搬時間に基づいて前記流体の体積流量を算出する体積流量算出手段と、
前記体積流量算出手段による算出結果と、前記圧力検出素子にて検出された前記流量測定部内における前記流体の圧力値とに基づいて前記流体の質量流量を算出する質量流量算出手段と、を備え、
各流量計測素子における前記超音波素子と前記圧力検出素子とは、半導体基板に一体に設けられ、
前記超音波素子は圧電材料を含み、
前記圧力検出素子は歪ゲージを含み、
前記半導体基板は、前記圧電材料及び前記歪ゲージが形成された、前記超音波素子と前記圧力検出素子とに共通のメンブレン構造部を有し、
一方の前記流量計測素子における前記超音波素子は、前記圧電材料に印加された電圧で前記メンブレン構造部が共振することで超音波を送信し、
他方の前記流量計測素子における前記超音波素子は、送信された超音波による前記メンブレン構造部の共振を前記圧電材料にて電気信号に変換することで超音波を受信し、
前記圧力検出素子は、流体からの圧力による前記メンブレン構造部の歪みを前記歪ゲージにて電気信号に変換することで圧力を検出することを特徴とする質量流量計。
前記流量測定部の上流と下流にはバルクの圧電材料を備える超音波送信素子が対向して前記流量計測素子とは別体に設けられ、前記流量計測素子の超音波素子は前記超音波送信素子から送信された超音波の受信を行うものであり、前記体積流量算出手段は、前記超音波送信素子と前記流量計測素子における前記超音波素子とによって送受信される超音波を用いて前記超音波伝搬時間を算出することを特徴とする請求項４に記載の質量流量計。
前記流体の温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出結果に基づいて前記超音波伝搬速度及び前記流体の圧力値の温度補正を行う補正手段を備えることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の質量流量計。
前記温度センサは、前記流量計測素子と同一の半導体基板上に設けられることを特徴とする請求項６に記載の質量流量計。
前記圧力検出素子による前記流体の圧力を検出するタイミングと、前記超音波素子による超音波の送受信を行うタイミングとを異ならせることを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか一項に記載の質量流量計。
前記圧力検出素子による前記流体の圧力の検出と、前記超音波素子による超音波の送受信とを略同じタイミングで行い、前記圧力検出素子による出力信号と前記超音波素子による出力信号との周波数分離を行う周波数分離手段を備えることを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか一項に記載の質量流量計。
前記圧電材料は、薄膜の圧電材料もしくはバルクの圧電材料のいずれかによって構成されることを特徴とする請求項４乃至請求項９のいずれか一項に記載の質量流量計。
前記圧電材料は、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＺｎＯ、ＡｌＮのいずれかによって構成されることを特徴とする請求項４乃至請求項１０のいずれか一項に記載の質量流量計。
前記圧電材料への印加電圧と前記歪ゲージの出力信号とを関連付けて記憶した第一診断用記憶部と、
前記圧電材料に通電して前記メンブレン構造部を変位させ、その変位時の前記圧電材料への印加電圧及び前記歪ゲージの出力信号と前記第一診断用記憶部に記憶された内容とを比較して前記流量計測素子が正常に動作しているか否かを診断する第一診断手段と、を備えることを特徴とする請求項４乃至請求項１１のいずれか一項に記載の質量流量計。