JP2000206099A - ガス濃度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス濃度を高精度に測定することができるガ
ス濃度センサを提供すること。 【解決手段】 劣化品において最初の反射波（第１反射
波）の伝播時間Ｔ１’は、新品の第１反射波の伝播時間
Ｔ１と比べて長くなるので、新品の第１反射波の伝播時
間Ｔ１に基づいて、特定ガスのガス濃度を測定すると、
正確にガス濃度を検出できない。一方、最初の反射波よ
り後の反射波（例えば第２反射波）は、単に超音波素子
の表面で反射するだけであり素子内部の構造に影響され
ないので、センサが劣化した場合でも、その伝播時間Ｔ
２，Ｔ２’の変動は少なく、劣化の影響が少ない。そこ
で、劣化の影響を受け易い第１反射波ではなく、劣化の
影響を受け難い第２反射波の伝播時間に基づいて、特定
ガスのガス濃度を検出する。これにより、精度の高いガ
ス濃度の測定ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば内燃機関用
エンジンの吸気管へ供給される例えば吸入空気中の蒸発
燃料等の可燃性ガスのガス濃度を測定するガス濃度セン
サに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、燃料タンクからエンジンへの
燃料の供給系としては、燃料タンクからフューエルポン
プにより汲み上げた燃料を、燃料配管を介してインジェ
クタへ送る第１の供給系がある。

【０００３】また、これとは別に、燃料タンク内に発生
する蒸発燃料をキャニスタで一時的に吸着し、このキャ
ニスタに溜まった燃料をパージして、パージガスとして
吸気管へ送る第２の供給系がある。従って、エンジンで
は、インジェクタからの噴射燃料に加えて、パージガス
等の蒸発燃料（以下単にパージガスと記す）を、シリン
ダ内で燃焼させるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この様に、噴射燃料と
は別にパージガスをエンジンに供給することにより、燃
焼制御において空燃比が理論空燃比からズレてしまう
と、触媒のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘの浄化能力が激減するこ
とになり、その結果、排出ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ
等が増加してしまう。

【０００５】従って、例えばエンジンの始動時、特に触
媒不活性時において、燃焼用主燃料系としてパージガス
を使用するためには、パージガスの濃度を高精度で測定
し、且つその供給量を最適に制御することが極めて重要
である。しかしながら、パージガスの測定用センサとし
ては、例えば超音波を利用したもの（超音波センサ）が
考えられ、その開発が進められているが、必ずしも十分
ではない。

【０００６】つまり、この種の超音波センサは、送信し
た超音波の伝播時間に基づいてパージガスの濃度を検出
するものであるが、例えば超音波センサの超音波素子を
構成する材料に経時劣化が生じている場合などには、超
音波素子の特性が変化してしまうので、測定する超音波
の伝播時間も変化し、結果として、パージガスの濃度を
高精度に測定することは容易ではないという問題があっ
た。

【０００７】そのため、パージガスの濃度の測定結果に
基づいて、パージガスの濃度の制御を精度良く行なうこ
とが極めて難しいという問題があった。本発明は前記問
題点を解決するためになされたものであり、その目的
は、例えばパージガスのような特定ガスのガス濃度を高
精度に測定することができるガス濃度センサを提供する
ことである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】（１）前記目的を達成す
るための請求項１の発明は、超音波を利用して被測定ガ
ス中の特定ガスのガス濃度を検出するガス濃度センサで
あって、前記被測定ガスが供給される空間を介して所定
の距離離れた反射面へ超音波を送信する超音波素子を備
え、該超音波素子により前記反射面に超音波を送信し
て、前記反射面にて反射した反射波を前記超音波素子側
にて反射させて再度反射面にて反射させ、最初の反射波
より後の反射波の伝播時間に基づいて、前記特定ガスの
ガス濃度を検出することを特徴とするガス濃度センサを
要旨とする。

【０００９】いわゆる超音波センサでは、超音波を用い
て特定ガスのガス濃度を測定する場合には、被測定ガス
中に超音波を送信し、その超音波を受信するまでの時
間、或は反射面で反射した反射波を受信するまでの時間
を測定し、その時間（伝播時間）の長さに基づいて特定
ガスのガス濃度を求めている。

【００１０】これは、図４に例示する様に、被測定ガス
中の特定ガスのガス濃度に応じて、超音波の伝播時間が
変化するという特性を利用したものである。ところが、
経時劣化等により超音波素子の例えばモールド材の特性
が変化した場合には、図８に例示する様に、劣化品（Ｏ
ＬＤ）において最初の反射波（第１反射波）の伝播時間
Ｔ１’は、新品（ＮＥＷ）の第１反射波の伝播時間Ｔ１
と比べて長くなるので、新品の第１反射波の伝播時間Ｔ
１に基づいて、特定ガスのガス濃度を測定すると、正確
にガス濃度を検出できない。一方、最初の反射波より後
の反射波（例えば第２反射波）は、単に超音波素子の表
面で反射するだけであり素子内部の構造に影響されない
ので、図示する様に、センサが劣化した場合でも、その
伝播時間Ｔ２，Ｔ２’の変動は少なく、劣化の影響が少
ない。

【００１１】そこで、本発明では、劣化の影響を受け易
い最初の反射波（第１反射波）ではなく、劣化の影響を
受け難い第２反射波以降の反射波の伝播時間に基づい
て、特定ガスのガス濃度を検出するものである。これに
より、精度の高いガス濃度の測定ができ、よって、この
高い精度の測定結果に基づいて、精密にガス濃度を調節
することにより、例えば空燃比制御等を好適に行うこと
ができる。

【００１２】（２）請求項２の発明は、前記反射面にて
最初に反射した第１反射波と、該第１反射波が前記反射
面にて反射した第２反射波とを検出して、前記第１反射
波が到達してから前記第２反射波の反射波が到達するま
での時間を測定することにより、前記特定ガスのガス濃
度を検出することを特徴とする前記請求項１に記載のガ
ス濃度センサを要旨とする。

【００１３】本発明では、被測定ガス中の特定ガスのガ
ス濃度を検出する場合には、超音波素子により、被測定
ガスが供給される空間を介して所定距離離れた反射面に
超音波を送信する。そして、この超音波が最初に反射面
にて反射した第１反射波を例えば超音波素子により検出
し、更に、第１反射波が超音波素子により反射して再度
反射面にて反射した第２反射波を検出する。次に、第１
反射波が到達してから第２反射波が到達するまでの時間
（従って第２反射波の伝播時間）を測定することによ
り、特定ガスのガス濃度を検出する。

【００１４】上述した様に、第２反射波は、センサが劣
化した場合でも、その伝播時間の変動は少なく、センサ
の劣化の影響が少ない。また、第２反射波は、それ以降
の反射波よりもセンサ出力の減衰の程度が少ないので、
その受信波形を明瞭に検出できる。

【００１５】そこで、本発明では、センサ劣化の影響を
受け易い第１反射波ではなく、センサ劣化の影響を受け
難い第２反射波の伝播時間、即ち、第１反射波が到達し
てから第２反射波又はそれ以上の反射波が到達するまで
の時間を測定することにより、特定ガスのガス濃度を検
出するものである。

【００１６】これにより、一層精度の高いガス濃度の測
定ができ、よって、この高い精度の測定結果に基づい
て、精密にガス濃度を調節することにより、例えば空燃
比制御等を好適に行うことができる。 （３）請求項３の発明は、前記超音波の送信時から前記
第１反射波の到達までの第１到達時間と、前記送信時か
ら前記第２反射波の到達までの第２到達時間とを測定
し、前記第２到達時間と前記第１到達時間との差に基づ
いて、前記ガス濃度を検出することを特徴とする前記請
求項１又は２に記載のガス濃度センサを要旨とする。

【００１７】本発明は、前記請求項１又は２の発明を例
示したものである。ここでは、超音波の送信時から第１
反射波の到達までの第１到達時間と、送信時から第２反
射波の到達までの第２到達時間とを測定している。例え
ば図７に示す様に、第２到達時間（Ｔ３）と第１到達時
間（Ｔ１）を測定する。そして、両時間の差（Ｔ２）を
算出し、その差が第２反射波の伝播時間を示すので、そ
の差に基づいて、ガス濃度を検出する。

【００１８】（４）請求項４の発明は、前記各時間を測
定するための基準を、前記超音波の受信信号の強度が所
定のしきい値を越えた時とすることを特徴とする前記請
求項１〜３のいずれかに記載のガス濃度センサを要旨と
する。

【００１９】本発明は、超音波の伝播時間や到達時間を
求める際の測定のタイミングを例示したものである。こ
こでは、超音波の受信信号の強度が所定のしきい値を越
えた時を、超音波の伝播時間や到達時間を測定するタイ
ミングとする。これにより、簡単な手段で、超音波の伝
播時間や到達時間を測定できる。

【００２０】尚、伝播時間とは、超音波がある距離を伝
播するのに要した時間であり、到達時間とは、基準とな
る測定開始タイミングから各反射波が到達するまでの時
間であり、第１反射波に関しては同じ意味となる。 （５）請求項５の発明は、少なくとも２種類以上の周波
数成分を含む超音波を送信し、該超音波が予め決められ
た距離を伝播する伝播時間を、前記超音波の変調点を利
用して測定することにより、前記ガス濃度を検出するこ
とを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載のガ
ス濃度センサを要旨とする。

【００２１】本発明は、超音波の伝播時間を求める際の
測定のタイミングを例示したものである。ここでは、図
７に例示する様に、少なくとも２種類以上の周波数成分
を含む超音波を送信し、例えば送信時の変調点から第１
反射波の変調点までの時間（Ｔ１）や、第２反射波の変
調点までの時間（Ｔ３）等を測定する。これにより、信
号の強弱にかかわらず、正確に超音波の伝播時間を測定
することができる。

【００２２】（６）請求項６の発明は、前記超音波を送
信する場合に、少なくとも１点以上の逆位相成分を入れ
て送信し、前記超音波が予め決められた距離を伝播する
伝播時間を、前記逆位相点を利用して測定することによ
り、前記ガス濃度を検出することを特徴とするガス前記
請求項１〜３のいずれかに記載のガス濃度センサを要旨
とする。

【００２３】本発明は、超音波の伝播時間を求める際の
測定のタイミングを例示したものである。ここでは、図
１０に例示する様に、超音波を送信する場合に、少なく
とも１点以上の逆位相成分を入れて送信し、超音波が予
め決められた距離を伝播する時間を、その逆位相点を利
用して測定する。これにより、周波数変調を行わなくて
も、信号の強弱にかかわらず、正確に超音波の伝播時間
を測定することができる。

【００２４】（７）請求項７の発明は、前記特定ガス
が、内燃機関用エンジンの蒸発燃料であることを特徴と
する前記請求項１〜６のいずれかに記載のガス濃度セン
サを要旨とする。本発明は、ガス濃度センサの測定対象
の特定ガスの種類を例示したものである。ここでは、特
定ガスとして、パージガス等の蒸発燃料を測定対象とし
ている。これにより、燃料ガスのガス濃度を正確に測定
できるので、空燃比制御等を好適に行うことができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明のガス濃度センサの
実施の形態の例（実施例）を、図面を参照して説明す
る。 （実施例１）本発明は、超音波を利用したガス濃度セン
サにより、蒸発燃料のガス濃度を測定するものである。

【００２６】ａ）まず、本実施例におけるシステム構成
を説明する。図１はガス濃度センサを含むシステム構成
図である。図１に示す様に、本実施例では、エンジン１
の吸気管２には、その上流側より、吸入空気量を調節す
るスロットルバルブ３、パージガスのガス濃度を検出す
る第４ガス濃度センサ２４、燃料を噴射するインジェク
タ６が配置されている。

【００２７】一方、エンジン１の排気管７には、上流側
より、排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ（全領
域空燃比センサ）８、排ガスを浄化する３元触媒９が配
置されている。また、エンジン１に燃料を供給する経路
として、液体の燃料を供給する第１の供給系と、気体
（ガス）の燃料を供給する第２の供給系を備えている。

【００２８】前記第１の供給系として、ガソリンタンク
１１は、第１供給路１２及び燃料ポンプ１５を介して、
インジェクタ６に接続されている。従って、燃料は、ガ
ソリンタンク１１から、燃料ポンプ１５により、第１供
給路１２を介してインジェクタ６に供給され、インジェ
クタ６から吸気管２内に噴射供給される。

【００２９】一方、第２の供給系として、ガソリンタン
ク１１は、第２供給路１３を介してキャニスタ１４に接
続され、キャニスタ１４は、第３供給路１６及びパージ
バルブ１７を介して、スロットルバルブ３と第４ガス濃
度センサ２４との間の吸気管２に接続されている。

【００３０】また、本実施例では、前記第２供給路１
３、キャニスタ１４、キャニスタ１４からパージバルブ
１７の間の第３供給路１６には、各々蒸発燃料のガス濃
度を検出する第１ガス濃度センサ２１、第２ガス濃度セ
ンサ２２、第３ガス濃度センサ２３が配置されている。
これら第１〜第３ガス濃度センサ２１〜２３は、いずれ
か１つを配置しても良い。尚、蒸発燃料のうち、キャニ
スタ１４からパージ（蒸発による排出）されたものをパ
ージガスと称する。

【００３１】従って、ガソリンタンク１１から蒸発した
燃料は、一旦キャニスタ１４にて吸着され、このキャニ
スタ１４で適宜外気が導入されて、燃料のパージが行わ
れる。そして、パージにより発生した蒸発燃料（パージ
ガス）は、パージバルブ１７にてガス流量を調節され
て、スロットルバルブ３と第４ガス濃度センサ２４との
間の吸気管２に供給される。

【００３２】また、このシステムには、パージガスの供
給量の制御や空燃比の制御などを、電子制御装置（ＥＣ
Ｕ）２６で行なっている。このＥＣＵ２６には、第１〜
第４ガス濃度センサ２１〜２４（以下ガス濃度センサ２
５と総称する）、酸素センサ８、エアフロメータ１０等
の各種のセンサからの信号が入力するとともに、パージ
バルブ１７、スロットルバルブ３、インジェクタ６等の
各種のアクチュエータに制御信号を出力する。尚、ＥＣ
Ｕ２６は、ガス濃度センサ２５に対しても、そのオン・
オフ等の制御信号も出力する。

【００３３】ｂ）次に、本実施例のガス濃度センサ２５
の構造及びその基本原理について説明する。 まず、ガス濃度センサ２５の構造を説明する。本実施
例のガス濃度センサ２５は、圧電素子を利用して超音波
を発生する超音波式のガス濃度センサであり、特に超音
波の送信と受信とが兼用の超音波送受信素子（素子ＡＳ
ＳＹ）を用いる。

【００３４】具体的には、図２に示す様に、ガス濃度セ
ンサ２５は、駆動・演算用回路３１、超音波送受信素子
（以下単に超音波素子とも記す）３２、蒸発燃料を含む
吸入空気が導入される測定室３４、その測定室３４内に
て超音波を反射させるために超音波素子３２と対向する
側に所定距離離れて設けられた反射面３３、吸入空気が
流入・流出するガス入出孔（入口３６，出口３７）より
構成されている。

【００３５】前記超音波素子３２は、圧電素子３８に整
合層３９が接着され、素子ケース４１内にモールド材４
２によって固定されている。尚、センサ出力は出力取り
出しリード４３にて取り出される。 次に、ガス濃度センサ２５の駆動・演算用回路３１の
構成を説明する。

【００３６】図３のブロック図に示す様に、ガス濃度セ
ンサ２５の駆動及び演算には、ＣＰＵ（マイコン）５１
を用いる。超音波の送信及び受信は、送受信切り換えス
イッチ（ＳＷ）５２ａ，５２ｂを用いて切り換える。そ
して、送信時には、ドライバーを用いて超音波素子３２
へ電圧を印加し、超音波の送信を行なう。一方、受信時
には、超音波素子３２にて得られた受信波形は、アンプ
（増幅ＡＭＰ）５３で所定の増幅が施され、コンパレー
タ５４を通して整形された波形の信号は、ＣＰＵ５１内
部に導入される。ＣＰＵ５１では、タイマーを用いて伝
播時間を測定し、この測定結果をマップに参照して濃度
に換算し、その濃度を例えば図示しない表示装置等に出
力する。

【００３７】次に、ガス濃度センサ２５の基本原理に
ついて説明する。尚、図４では、説明のために、送信部
２５ｂと受信部２５ａとを別体に示しているが、本実施
例では、送信と受信との兼用素子を用いる。図４に示す
様に、ガス濃度センサ２５を用いて濃度測定を行なう場
合には、送信部２５ｂから超音波を送信し、その超音波
を受信部２５ａにより受信する。このとき、送信波形と
受信波形との間には、例えば吸入空気中のパージガスの
ガス濃度に応じて伝播時間のズレがある。例えば図４
（ａ）に示す様に、パージガスのガス濃度が低い場合に
は、送信波形と受信波形とのズレである伝播時間Ｔ1は
小さく、一方、図４（ｂ）に示す様に、パージガスのガ
ス濃度が高い場合には、伝播時間Ｔ2は大きい。従っ
て、この伝播時間に対応したセンサ出力を取り出すこと
により、ガス濃度を検出することができる。

【００３８】例えば蒸発燃料の主成分であるブタンを用
いて測定した場合には、センサ出力とブタンのガス濃度
との間には、図５に示すように、ほぼ比例関係がある。
従って、センサ出力が得られれば、そのセンサ出力か
ら、パージガスの濃度を検出することができる。

【００３９】ｃ）次に、前記ガス濃度センサ２５にて、
前記基本原理を用いて、実際に蒸発燃料（パージガス）
のガス濃度を測定する方法を説明する。 まず、超音波の伝播時間からガス濃度を算出するため
の演算式の例について説明する。

【００４０】本実施例では、図６（ａ）に示す様に、超
音波の送信波に、Ｆ１とＦ２という２種類の周波数成分
を含めて送信を行う。即ち、送信周波数をＦ１からＦ２
に変調する。その場合には、受信波にも、その周波数変
化が反映されるので、受信波において変調点が出現する
時間を到達時間とする。つまり、周波数の切換点（例え
ば送信波−反射波の各々の変調点）間の時間を測定すれ
ば、その伝播時間が判る。

【００４１】そして、この様にして伝播時間を測定して
から、ガス濃度を示す超音波の音速Ｃを、下記式（１）
から算出する。つまり、図６（ｂ）に示す様に、超音波
素子３２の外表面（整合層３９の表面）と所定の反射面
３３との距離Ｌが既知であることから、その距離Ｌを１
往復する時間である伝播時間Ｔを測定し、前記距離Ｌ及
び伝播時間Ｔを、下記式（１）に当てはめて、音速Ｃを
算出する。

【００４２】 Ｃ＝２Ｌ（素子表面から反射面の往復距離）／Ｔ（伝播時間）…（１） 従って、この音速Ｃに対応した値をセンサ出力（電圧）
として取り出すことにより、前記図５に示す様なマップ
から、ガス濃度を求めることができるのである。

【００４３】次に、実際の反射波を例示して、ガス濃
度の測定方法を説明する。図７に、音速Ｃを測定する場
合の送受信波形を示すが、周波数変調した送信波を送信
すると、その送信波は、反射面３３で反射して、超音波
素子３２にて、反射波（第１反射波）として検出され
る。その第１反射波は、この超音波素子３２の表面で反
射して、再度反射面３３にて反射し、再度超音波素子３
２にて、反射波の反射波（第２反射波）として検出され
る。以下、同様な反射が繰り返されるが、伝播距離が長
くなるに従い、反射波は徐々に減衰してゆく。

【００４４】その後、最初の送信波が出力されてから所
定時間経過すると、次の送信波を送信するために送受信
切り換えスイッチ５２ａ，５２ｂが切り替えられて、次
の送信波が送信され、以後、同様な処理が繰り返され
る。このとき、マイコン入力波形（即ちコンパレータ出
力）は、図７に示す状態となるので、その周波数の変調
点間の時間を測定する。つまり、受信波を、コンパレー
タで所定のスレッショルドレベルに基づいて、デジタル
信号（ハイ＋ロー）に変換した後、マイコンに入力し、
内部タイマ等でデジタル信号の立ち上がり及び立ち下が
り時間を測定することにより、その変調点が判るので、
各変調点間の時間を求めることができる。

【００４５】具体的には、まず、送信波の変調点から第
１反射波の変調点までの第１到達時間（従って第１伝播
時間）Ｔ１を測定するとともに、送信波の変調点から第
２反射波の変調点までの第２到達時間Ｔ３を測定する。
そして、第２到達時間Ｔ３から第１到達時間Ｔ１を差し
引いて、第２反射波の伝播時間（第２伝播時間Ｔ２）を
求める。

【００４６】従って、本実施例では、前記の様にして求
めた第２伝播時間Ｔ２を用いて、ガス濃度を検出するの
であるが、これは、下記の理由による。例えば超音波素
子３２のモードル材４２の経時劣化等により、第１伝播
時間Ｔ１は変動する。つまり、第１伝播時間Ｔ１のズレ
発生要因は、モールド材４２が硬化したり、吸水し重く
なると圧電素子３８の慣性が変化することにより、結果
として受信波形の振幅（感度）に影響を与えるのみなら
ず、変調点のズレを伴うことが考えられる。

【００４７】つまり、例えば図８に示す様に、経時劣化
のあるセンサ（ＯＬＤ）と新品のセンサ（ＮＥＷ）とを
比べると、ＯＬＤのセンサでは、その第１反射波は、山
数が減少したり振幅が減少するという変化がある。それ
によりＯＬＤの第１伝播時間Ｔ１’は、ＮＥＷのセンサ
の第１伝播時間Ｔ１より長くなってしまう。ところが、
第２反射波は、同様の傾向で単に素子表面で反射した反
射波が反射面３３で反射するだけであるので、経時劣化
の影響を受けず、よって、ＮＥＷのセンサの第２伝播時
間Ｔ２とＯＬＤのセンサの第２伝播時間Ｔ２’とは同じ
となる。

【００４８】従って、前記音速Ｃを算出する際に用いる
伝播時間として、この第２伝播時間を用いれば、経時劣
化の影響を受けないので、常に正しい音速Ｃを測定する
ことができる。これは、経時劣化がある場合でも、第２
伝播時間を測定すれば、第１反射波及び第２反射波の変
調点も共にズレることにより、前記経時変化による変調
点のズレはキャンセルできることになり、経時変化にか
かわらず正しく伝播時間が測定できることになるからで
ある。

【００４９】よって、本実施例では、上述した第２伝播
時間を用いて音速Ｃを算出し、この音速Ｃに対応したセ
ンサ出力を求め、このセンサ出力を図５の様なマップに
当てはめて、ガス濃度を検出するのである。尚、前記方
法とは別に、ある変調点を検出してから次の変調点を検
出するまでの時間を直接に計測しても、同様の結果が得
られる。また、変調点での波形は、コンパレータ５４の
スレッショルドレベルの設定によっては、再現性が欠け
る場合があるので、その変調点を基準に前何山目といっ
た様に、変調点を目安として使用しても良い。

【００５０】ｄ）次に、本実施例のガス濃度センサ２５
を用いて行った実験例について説明する。実験車両とし
ては、直列６気筒２．０Ｌのエンジン搭載車を用い、空
燃比λ＝１±０．０３になるように制御した。

【００５１】この実験では、ガス濃度センサの新品時の
センサ出力（第１伝播時間使用）と、第１伝播時間を採
用した実車１０００時間経過後のセンサ出力と、上記実
施例と同様に第２伝播時間を採用した実車１０００時間
経過後のセンサ出力と、を調べた。その結果を図９に示
すが、図９（ｂ）は図９（ａ）のうち濃度２０％以下の
範囲を拡大して示したものである。

【００５２】図９から明かな様に、新品時に比較し、第
１伝播時間を用いた比較例の場合には、第１伝播時間が
長くなることによりセンサ出力も大きくなり、ズレが発
生している。それに対して、本実施例の第２伝播時間を
用いた場合には、センサに劣化がある場合でも、第２伝
播時間の変動がないので、センサ出力は新品時とほぼ同
様であり、好適である。

【００５３】この様に、本実施例例では、第２反射波の
伝播時間である第２伝播時間、即ちセンサの劣化に影響
され難い第２伝播時間に基づいて、ガス濃度を求めるの
で、常に正確に蒸発燃料の濃度を求めることができる。
従って、この正確なガス濃度に基づいて、供給する蒸発
燃料の量を精密に調節できるので、精度のよい空燃比制
御等を行うことができる。 （実施例２）次に、実施例２について説明する。

【００５４】尚、前記実施例１と同様な箇所の説明は、
省略又は簡略化する。本実施例では、超音波を送信する
場合に、図１０（ａ）に示す様に、周波数逆位相成分
（１８０度）を導入する。従って、送信波形の逆位相ポ
イントには、信号波形が表れない。

【００５５】それにより、図１０（ｂ）に示す様に、受
信波形である反射波にも、逆位相ポイントに対応して信
号波形がない箇所が表れる。従って、逆位相成分が導入
された点を基準に伝播時間を測定することにより、経時
変化の影響を受けることなくガス濃度を測定することが
できる。

【００５６】具体的には、第２反射波の逆位相ポイント
が表れる時間から、第１反射波の逆位相ポイントが表れ
る時間を差し引いて、第２反射波の伝播時間（第２伝播
時間）を正確に求めることができるので、この第２伝播
時間に基づいて、ガス濃度を測定することができる。 （実施例３）次に、実施例３について説明する。

【００５７】尚、前記実施例１と同様な箇所の説明は、
省略又は簡略化する。本実施例では、図１１（ａ）に示
す様に、周波数変調や周波数逆位相成分を導入すること
なく、一定の周波数の超音波を送信する。それにより、
図１１（ｂ）に示す様に、受信波形には大きさの変化の
ある波が表れるが、本実施例では、その受信波形を、コ
ンパレータ５４にて所定のスレッショルドレベルにて判
定し、それを超音波の到達点（到達のタイミング）とす
る。

【００５８】従って、この超音波の到達点を基準に伝播
時間を測定することにより、経時変化の影響を受けるこ
となくガス濃度を測定することができる。具体的には、
第２反射波の超音波の到達点を示す時間から、第１反射
波の超音波の到達点を示す時間を引いて、第２反射波の
伝播時間（第２伝播時間）を求めることができるので、
この第２伝播時間に基づいて、ガス濃度を測定すること
ができる。

【００５９】本実施例では、前記実施例１，２と比べ
て、周波数変調や周波数逆位相成分の導入の必要がない
ので、センサの構成を簡易化できるという利点がある。
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様
で実施しうることはいうまでもない。

【００６０】例えば、超音波素子を２つ配置して、超音
波の送信と受信とを別々の素子で行なうようにしても良
い。

【００６１】

【発明の効果】以上詳述した様に、本発明のガス濃度セ
ンサは、超音波素子により反射面に超音波を送信し、反
射面にて反射した反射波を更に反射面で反射させる場合
に、最初の反射波より後の反射波の伝播時間に基づい
て、特定ガスのガス濃度を検出するので、ガス濃度セン
サの経時変化等の影響を低減して、常に正確にガス濃度
を検出することができる。

【００６２】従って、その正確な特定ガスのガス濃度に
基づいて、供給すべき特定ガスの量を精密に調節するこ
とができ、それにより、空燃比等の各種の制御を好適に
行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１のガス濃度センサの制御装置を含む
システム全体を示すシステム構成図である。

【図２】 ガス濃度センサを示し、（ａ）はセンサ全体
を示す説明図、（ｂ）は超音波送受信素子を示す説明図
である。

【図３】 ガス濃度センサの電気的構成を示すブロック
図である。

【図４】 ガス濃度センサの基本原理を示す説明図であ
る。

【図５】 センサ精度が正常な場合のブタン感度特性を
示すグラフである。

【図６】 （ａ）は周波数変調を示す説明図、（ｂ）は
反射面との距離を示す説明図である。

【図７】 （ａ）は送受信切り替えスイッチによる信号
を示すタイミングチャート、（ｂ）は送受信波形を示す
タイミングチャート、（ｃ）はコンパレータ出力を示す
タイミングチャートである。

【図８】 センサの新品と劣化品における超音波の送受
信波形を示すタイミングチャートである。

【図９】 実車による実験結果を示し、（ａ）は１００
％の範囲のガス濃度を示すグラフ、（ｂ）は２０％の範
囲を拡大したガス濃度を示すグラフである。

【図１０】 実施例２のガス濃度センサにおける超音波
の送受信波形を示す説明図である。

【図１１】 実施例３のガス濃度センサにおける超音波
の送受信波形を示す説明図である。

【符号の説明】

１…エンジン ２…吸気管 ６…インジェクタ ７…排気管 ８…酸素センサ １１…ガソリンタンク １４…キャニスタ １７…パージバルブ ２１，２２，２３，２４，２５…ガス濃度センサ ２６…電子制御装置（ＥＣＵ） ３２…超音波送受信素子（超音波素子） ３３…反射面 ３４…測定室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 秀樹 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 (72)発明者 大島 崇文 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 (72)発明者 佐藤 保史 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 Ｆターム(参考） 2G047 AA01 BC02 BC15 EA10 GB26 GG30 GG33

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波を利用して被測定ガス中の特定ガ
   スのガス濃度を検出するガス濃度センサであって、 前記被測定ガスが供給される空間を介して所定の距離離
   れた反射面へ超音波を送信する超音波素子を備え、 該超音波素子により前記反射面に超音波を送信して、前
   記反射面にて反射した反射波を前記超音波素子側にて反
   射させて再度反射面にて反射させ、最初の反射波より後
   の反射波の伝播時間に基づいて、前記特定ガスのガス濃
   度を検出することを特徴とするガス濃度センサ。
2. 【請求項２】 前記反射面にて最初に反射した第１反射
   波と、該第１反射波が前記反射面にて反射した第２反射
   波とを検出して、前記第１反射波が到達してから前記第
   ２反射波の反射波が到達するまでの時間を測定すること
   により、前記特定ガスのガス濃度を検出することを特徴
   とする前記請求項１に記載のガス濃度センサ。
3. 【請求項３】 前記超音波の送信時から前記第１反射波
   の到達までの第１到達時間と、前記送信時から前記第２
   反射波の到達までの第２到達時間とを測定し、前記第２
   到達時間と前記第１到達時間との差に基づいて、前記ガ
   ス濃度を検出することを特徴とする前記請求項１又は２
   に記載のガス濃度センサ。
4. 【請求項４】 前記各時間を測定するための基準を、前
   記超音波の受信信号の強度が所定のしきい値を越えた時
   とすることを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに
   記載のガス濃度センサ。
5. 【請求項５】 少なくとも２種類以上の周波数成分を含
   む超音波を送信し、該超音波が予め決められた距離を伝
   播する伝播時間を、前記超音波の変調点を利用して測定
   することにより、前記ガス濃度を検出することを特徴と
   する前記請求項１〜３のいずれかに記載のガス濃度セン
   サ。
6. 【請求項６】 前記超音波を送信する場合には、少なく
   とも１点以上の逆位相成分を入れて送信し、前記超音波
   が予め決められた距離を伝播する伝播時間を、前記逆位
   相点を利用して測定することにより、前記ガス濃度を検
   出することを特徴とするガス前記請求項１〜３のいずれ
   かに記載のガス濃度センサ。
7. 【請求項７】 前記特定ガスが、内燃機関用エンジンの
   蒸発燃料であることを特徴とする前記請求項１〜６のい
   ずれかに記載のガス濃度センサ。