JP2000241399A - ガス濃度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 取り付け場所を取らず、吸気管に簡易に取り
付け可能なガス濃度センサを提供すること。 【解決手段】 ガス濃度センサ２０を、センサ本体であ
るセンサケース２１と、センサケース２１の下部に突出
して設けられた差込部２２と、から構成し、インテーク
マニフォールド４には、取付穴１５を形成する。この場
合、取付時には、差込部２２を取付穴１５に差込み、セ
ンサケース２１をインテークマニフォールド４に固定す
るだけで良く、簡単である上、取付時に要する部品点数
も少ない。また、インテークマニフォールド４において
は、取付穴１５を形成するだけで良く、加工コストを低
減することができる。また、インテークマニフォールド
４を含んだ吸気管２に大幅な設計変更は必要ない上、取
付穴１５さえ形成すれば、任意の箇所に取付可能である
ため、取付場所の省スペース化が図れる。

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の吸
気管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。さらに、エンジンの
吸気管には、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等を低減
させるため、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）を介して、
排気ガスの一部（以下、ＥＧＲガスと記す）が再循環さ
れている。

【０００４】従って、エンジンでは、インジェクタから
の噴射燃料に、パージガス等の蒸発燃料（以下単にパー
ジガスと記す）とＥＧＲガスとが加えられ、シリンダ内
で燃焼させるようになっている。そして、噴射燃料とは
別に、パージガスやＥＧＲガスをエンジンの吸気管に供
給すると、エンジンに供給される燃料量が変化するの
で、通常は、インジェクタからの燃料噴射量だけでな
く、パージガスやＥＧＲガスの量についても、排気管に
取り付けられた周知の酸素センサの出力をもとにして制
御するようにしている。

【０００５】しかし、酸素センサは、排気ガス中の酸素
濃度を検出するので、吸気管中のパージガスやＥＧＲガ
スの濃度を制御しようとすると、制御遅れが生じる。従
って、例えば燃焼用主燃料系としてパージガスを使用す
るためには、吸気管中でパージガスの濃度を高精度で測
定し、その測定結果に応じてパージガスの供給量を最適
に制御することが極めて重要である。

【０００６】パージガスの濃度測定用センサとしては、
例えば超音波を利用したガス濃度センサ（超音波セン
サ）が考えられ、その開発が進められている。図１４を
用いて、このガス濃度センサの基本原理及び構成につい
て説明する。ガス濃度センサ６０は、図１４に示すよう
に、超音波の送信部６０ｂ、受信部６０ａ、及び送受信
部６０ｂ、６０ａを制御する駆動・演算用回路を有して
いる。通常、送信部６０ｂ及び受信部６０ａは、吸気管
の内壁の対向する位置に配置される。そして、駆動・演
算用回路の制御により送信部６０ｂから送信された超音
波が、吸気管内を流れるパージガス等を含んだ吸入空気
中を伝播して、受信部６０ａで受信される仕組みとなっ
ている。

【０００７】送信部６０ｂから受信部６０ａまで伝播す
る超音波の伝播時間は、例えば超音波が伝播する吸入空
気中のパージガスのガス濃度に応じて、変化する。例え
ば、図１４（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１４（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。

【０００８】具体的には、送信部６０ｂと受信部６０ａ
との間の距離Ｌが既知なので、駆動・演算用回路にて、
下記式（１）により、送信部６０ｂから受信部６０ａへ
伝播する超音波の音速Ｃを算出し、これをセンサ出力
（電圧）とする。 Ｃ＝Ｌ（送信部と受信部との間の距離）／Ｔ（伝播時間）…（１） そして、ガス濃度センサ６０において、例えば蒸発燃料
の主成分であるブタンを測定対象である特定ガスとした
場合には、前記式（１）から得られたセンサ出力を図７
に示す関係を用いて、ガス濃度（ブタン濃度）として出
力する。センサ出力とブタン濃度との間には、図７に示
すように、ほぼ比例関係があり、駆動・演算用回路を用
いて、センサ出力からブタン濃度に変換するのである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この様なガ
ス濃度センサ６０は、図１５の様に、吸気管に取り付け
られる。即ち、吸気管とは別に用意されたセンサ取付管
２ａの内壁の対向する位置に送信部６０ｂと受信部６０
ａとを取り付け、取付箇所で分割した吸気管に、センサ
取付管２ａを直列に連結する。

【００１０】従って、吸気管にガス濃度センサ６０を取
り付ける場合は、センサ取付管２ａの取付場所を確保す
るため、吸気管に大幅な設計変更が必要であった。ま
た、ガス濃度センサ６０の各部品に加え、センサ取付管
２ａを要し、部品点数が多くなるという問題があった。

【００１１】一方、センサ取付管２ａを設けず、既存の
吸気管の内壁面に送信部６０ｂと受信部６０ａとを取り
付ける方法も考えられるが、多気筒型エンジンにおける
インテークマニフォールドの様に、樹脂による一体成形
化が進んでいる吸気管等に、この様な加工を施すことは
煩わしく、加工コストも上昇するという問題があった。

【００１２】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、取り付け場所を取らず、
吸気管に簡易に取り付け可能なガス濃度センサを提供す
ることである。

【００１３】

【課題を解決するための手段及び効果】前記目的を達成
するための請求項１の発明は、被測定ガスを流入出させ
る流入孔及び流出孔を備えた測定室と、該測定室内で互
いに対向する２カ所の壁面の内の一方に設けられ、他方
の壁面に向けて超音波を送信すると共に、該壁面を反射
面として反射してくる超音波の反射波を受信可能な超音
波素子と、を備え、前記超音波素子に対して、超音波を
送信させると共に前記反射波を受信させ、前記超音波の
送信時から前記反射波の受信時までの伝播時間を計測
し、該伝播時間に基づいて、前記被測定ガス中の特定ガ
スのガス濃度を検出可能なガス濃度センサであって、前
記測定室と、前記超音波素子と、をセンサケース内に組
み込むとともに、該センサケースに、前記流入孔及び流
出孔に夫々連結された流入通路及び流出通路を有する差
込部を突設し、該差込部を、内燃機関用エンジンの吸気
管に穿設された取付穴に差込み、前記センサケースを前
記吸気管に固定することにより、前記流入通路及び流出
通路を介して、前記吸気管中を流れる吸入空気を前記被
測定ガスとして前記測定室に流入出させることができる
ようにしたことを特徴とするガス濃度センサを要旨とす
る。

【００１４】この様に、測定室内で対向する２箇所の壁
面の一方にのみ超音波素子を設けた請求項１に記載のガ
ス濃度センサは、センサケースと差込部とから成り、吸
気管に形成された取付穴に差込部を差込み、センサケー
スを吸気管に固定できるよう構成されている。

【００１５】従って、請求項１に記載のガス濃度センサ
を取り付ける場合は、吸気管（インテークマニフォール
ドを含む）においては、取付穴を形成するだけで良く、
加工コストを低減することができる。また、取付方法と
しては、差込部を取付穴に差込み、センサケースを吸気
管に固定するだけで良く、簡単である上、取付時に要す
る部品点数も少ない。

【００１６】また、従来のガス濃度センサと比べ、セン
サ取付管が不要であるため、吸気管に大幅な設計変更は
必要ない上、取付穴さえ形成すれば、既存の吸気管の任
意の箇所に取付可能であるため、取付場所の省スペース
化が図れる。また、請求項２の発明は、被測定ガスを流
入出させる流入孔及び流出孔を備えた測定室と、該測定
室内で互いに対向する２カ所の壁面に夫々設けられ、超
音波を送受信可能な一対の超音波素子と、を備え、一方
の超音波素子に対しては、超音波を送信させると共に、
他方の超音波素子に対しては、該超音波を受信させ、前
記超音波の送信時から受信時までの伝播時間を計測し、
該伝播時間に基づいて、前記被測定ガス中の特定ガスの
ガス濃度を検出可能なガス濃度センサであって、前記測
定室と、前記超音波素子と、をセンサケース内に組み込
むとともに、該センサケースに、前記流入孔及び流出孔
に夫々連結された流入通路及び流出通路を有する差込部
を突設し、該差込部を、内燃機関用エンジンの吸気管に
穿設された取付穴に差込み、前記センサケースを前記吸
気管に固定することにより、前記流入通路及び流出通路
を介して、前記吸気管中を流れる吸入空気を前記被測定
ガスとして前記測定室に流入出させることができるよう
にしたことを特徴とするガス濃度センサを要旨とする。

【００１７】この様に、測定室内で対向する２箇所の壁
面の両方に超音波素子を設けた請求項２に記載のガス濃
度センサは、請求項１に記載のガス濃度センサと同様
に、センサケースと差込部とから成り、吸気管に形成さ
れた取付穴に差込部を差込み、センサケースを吸気管に
固定できるよう構成されている。

【００１８】つまり、請求項２に記載のガス濃度センサ
では、請求項１に記載のガス濃度センサと同様の効果が
得られる。即ち、請求項２に記載のガス濃度センサを取
り付ける場合は、吸気管（インテークマニフォールドを
含む）においては、取付穴を形成するだけで良く、加工
コストを低減することができる。

【００１９】また、取付方法としては、差込部を取付穴
に差込み、センサケースを吸気管に固定するだけで良
く、簡単である上、取付時に要する部品点数も少ない。
また、従来のガス濃度センサと比べ、センサ取付管が不
要であるため、吸気管に大幅な設計変更は必要ない上、
取付穴さえ形成すれば、既存の吸気管の任意の箇所に取
付可能であるため、取付場所の省スペース化が図れる。

【００２０】また、請求項３の発明は、前記差込部に対
し、前記吸入空気の前記流入通路への流入を促す吸入空
気導入手段を設けたことを特徴とする請求項１または２
に記載のガス濃度センサを要旨とする。この様に、請求
項３に記載のガス濃度センサでは、吸入空気導入手段を
設けている。

【００２１】従って、吸気管（インテークマニフォール
ドを含む）中を流れる吸入空気を、スムースに、流入通
路及び流入孔を介して、測定室内に流入させ、流出孔及
び流出通路を介して、吸気管に流出させることができ
る。そして、この様な吸入空気導入手段の形態として
は、例えば、略平行に配置された流入通路及び流出通路
のセンサケースと反対側の端部間を連結する通路であっ
て、流入通路との連結部分では管径が大きく、流出通路
との連結部分では管径を小さくした連結通路を、差込部
の内部に形成するものであっても良い。この場合、吸気
管中を流れる吸入空気流に対して、流入通路及び流出通
路が略垂直になり、流入通路が、流出通路より前記吸入
空気流の上流側に位置するよう、差込部を吸気管内に配
置し、前記連結通路に吸入空気を流入させれば、連結通
路の上流側と下流側との間に差圧が生じる。従って、測
定室に対して、吸入空気をスムースに流入出させること
ができる。

【００２２】また、吸入空気導入手段の形態としては、
吸気管中を流れる吸入空気流に対して略垂直になるよう
配置された流入通路のセンサケースと反対側の開口端に
おいて、前記吸入空気流の下流側に、流入通路と略平行
に設けられたガス導入壁であっても良い。

【００２３】また、請求項４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
する請求項１〜３いずれかに記載のガス濃度センサを要
旨とする。請求項４に記載のガス濃度センサは、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、特定ガスを、パージガス等の蒸発燃料
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。

【００２４】また、請求項５の発明は、前記特定ガス
が、水蒸気であることを特徴とする請求項１〜３いずれ
かに記載のガス濃度センサを要旨とする。請求項５に記
載のガス濃度センサは、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
スを、水蒸気としている。これにより、例えば吸入空気
中の水蒸気濃度（湿度）を正確に測定することができ
る。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明のガス濃度センサの
一実施例を、図面を参照して説明する。本実施例におけ
るガス濃度センサは、一般的な直列６気筒エンジンに取
り付けられ使用されるものである。

【００２６】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に示すように、本実施例では、直列６気筒エ
ンジン１の吸気管２の上流側に、吸入空気量を調節する
スロットルバルブ３が配置され、その後方に各気筒に吸
入空気を導入するインテークマニフォールド４が接続さ
れている。インテークマニフォールド４の後方には、エ
ンジン１を介して、排気管（エキゾーストマニフォール
ド）５が接続され、排気管５中には、排気ガス中の酸素
濃度を検出する酸素センサ（全領域空燃比センサ）６が
取り付けられている。また、排気管５の後方には、排気
ガスを浄化する３元触媒７が取り付けられている。

【００２７】そして、エンジン１に燃料を供給する経路
としては、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の供給系とを備えてい
る。前記第１の供給系では、ガソリンタンク（図示はし
ない）に接続された第１供給路（図示はしない）を介し
て、インジェクタ８に燃料を供給する。インジェクタ８
は、インテークマニフォールド４における各気筒に分岐
した部分に各々取り付けられており、前記第１供給路中
に配置された燃料ポンプ（図示はしない）によって、燃
料の供給を受ける。燃料は、インジェクタ８からインテ
ークマニフォールド４内部に噴射供給される。

【００２８】一方、第２の供給系では、キャニスタ９に
接続された第２供給路１０を介して、インテークマニフ
ォールド４内部に燃料を供給する。第２供給路１０は、
インテークマニフォールド４における各気筒に分岐する
前の部分に接続されている。また、第２供給路１０中に
は、パージバルブ１１が取り付けられており、その開度
によって燃料の供給量が決まる。

【００２９】キャニスタ９は、ガソリンタンクに対し第
３供給路（図示はしない）を介して、接続されている。
従って、ガソリンタンクから蒸発した燃料は、一旦キャ
ニスタ９にて吸着され保持される。パージバルブ１１が
開けられると、キャニスタ９には外気が導入され、イン
テークマニフォールド４内部に、燃料のパージが行われ
る。つまり、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１１にて供給量を調節され供給さ
れる。尚、蒸発燃料のうち、キャニスタ９からパージ
（蒸発による排出）されたものを、以下パージガスと称
する。

【００３０】また、インテークマニフォールド４におけ
る各気筒に分岐する前の部分には、排気管５にその一端
が接続されたＥＧＲ用配管１２が接続されている。ＥＧ
Ｒ用配管１２中には、ＥＧＲ制御用バルブ１３が取り付
けられており、その開度により、排気ガスのインテーク
マニフォールド４への再循環量が制御される。尚、ＥＧ
Ｒ用配管１２によって、インテークマニフォールド４へ
再循環される排気ガスを、以下ＥＧＲガスと称する。

【００３１】本実施例におけるガス濃度センサ２０は、
図１中に図示はしないが、インテークマニフォールド４
における各気筒に分岐する前の部分であって、第２供給
路１０及びＥＧＲ用配管１２の接続箇所の後方部分に取
り付けられている。従って、ガス濃度センサ２０では、
パージガスやＥＧＲガスが供給される吸入空気を被測定
ガスとしている。

【００３２】また、このシステムでは、パージガス及び
ＥＧＲガスの供給量制御や空燃比制御などを、電子制御
装置（ＥＣＵ）１４で行なっている。このＥＣＵ１４に
は、ガス濃度センサ２０、酸素センサ６、エアフロメー
タ１５等の各種のセンサから信号が入力する。また、Ｅ
ＣＵ１４から、パージバルブ１１、ＥＧＲ制御用バルブ
１３、スロットルバルブ３、インジェクタ８等の各種の
アクチュエータに制御信号を出力する。尚、ＥＣＵ１４
は、ガス濃度センサ２０に対しても、そのオン・オフ等
の制御信号を出力する。

【００３３】次に、本実施例のガス濃度センサ２０の基
本構成及び取り付け方法について説明する。図２に示す
ように、ガス濃度センサ２０は、センサ本体であるセン
サケース２１と、センサケース２１の下部に突出して設
けられた差込部２２と、から成る。インテークマニフォ
ールド４におけるガス濃度センサ２０の取り付け箇所に
は、差込部２２をインテークマニフォールド４内部に差
込むための取付穴１５が形成されている。また、センサ
ケース２１の下部には、センサケース２１の周囲を取り
巻いて凹部２３が形成されており、凹部２３には、周知
のＯリング２４がはめ込まれている。

【００３４】ガス濃度センサ２０を取り付ける際は、ま
ず、差込部２２を取付穴１５に差込む。そして、取付穴
１５の内壁面に、Ｏリング２４を全周に渡って当接さ
せ、取付部分（差込部２２と取付穴１５との間）の気密
を保たせる。次に、センサケース２１とインテークマニ
フォールド４の外壁部分との間をねじ等で固定すれば
（図示はしない）、取付完了である。

【００３５】この様に、本実施例のガス濃度センサ２０
を取り付ける場合、インテークマニフォールド４におい
ては、取付穴１５を形成するだけで良く、加工コストを
低減することができる。さらに、取付方法も前記のよう
に簡単な上、取付時に要する部品点数も少ない。

【００３６】また、図１５に示した従来のガス濃度セン
サ６０と比べ、センサ取付管２ａが不要であるため、イ
ンテークマニフォールド４に大幅な設計変更は必要ない
上、取付場所の省スペース化が図れる。次に、図３を用
いて、ガス濃度センサ２０の構造を説明する。

【００３７】本実施例のガス濃度センサ２０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ＡＳＳＹ）を用いる。具体的には、ガス
濃度センサ２０は、図３に示す様な構造を有している。

【００３８】ガス濃度センサ２０の本体であるセンサケ
ース２１は、金属あるいは樹脂による一体構造となって
いる。センサケース２１の内部には、パージガスやＥＧ
Ｒガスを含んだ吸入空気が導入される測定室３１と、測
定室３１内で対向する２箇所の壁面の一方に設けられた
超音波送受信素子（以下単に超音波素子とも記す）３２
と、測定室３１内における超音波素子３２が設けられた
壁面に対向する他方の壁面であり、超音波素子３２から
所定の距離Ｌだけ離れ、超音波素子３２から送信される
超音波を反射させる反射面３３と、吸入空気をセンサケ
ース２１外から測定室３１内に流入させる流入孔３４
と、吸入空気を測定室３１内からセンサケース２１外に
流出させる流出孔３５と、を有している。さらに、セン
サケース２１には、図示はしないが、駆動・演算用回路
が備えられている。

【００３９】また、センサケース２１の下部には、差込
部２２が突出して設けられており、差込部２２は、前記
のようにインテークマニフォールド４内に差込まれ配置
されている。差込部２２の内部には、流入通路３６及び
流出通路３７が形成されていて、各々流入孔３４及び流
出孔３５に連結されている。流入通路３６及び流出通路
３７は、差込部２２内で略平行に配置され、図３におい
て、左から右に吸入空気を流すインテークマニフォール
ド４に対して、吸入空気を各々上方及び下方に流すよう
に構成されている。また、インテークマニフォールド４
内の吸入空気流に対して、上流側に流入通路３６が配置
され、下流側に流出通路３７が配置されている。

【００４０】さらに、流入通路３６及び流出通路３７の
下端は、差込部２２内で左右方向に形成された連結通路
３８によって連結されている。連結通路３８は、差込部
２２の左右端に開口部を有しており、内部に、インテー
クマニフォールド４内を流れる吸入空気を導入する。ま
た、連結通路３８は、内部で２段階の管内径を有してい
る。即ち、上流側の流入通路３６との連結部分を含んだ
部分が、下流側の流出通路３７との連結部分を含んだ部
分より、管内径が大きく形成されている。そのため、連
結通路３８の上流側と下流側との間に差圧が生じる。従
って、連結通路３８内に導入された吸入空気が、スムー
スに、流入通路３６及び流入孔３４を介して、測定室３
１内に流れ込み、流出孔３５及び流出通路３７を介し
て、インテークマニフォールド４内に流出されるように
なっている。

【００４１】また、図４に示すように、超音波素子３２
は、圧電素子４１と、圧電素子４１の測定室３１側の端
面に接着された整合層４２と、圧電素子４１からのセン
サ出力を取り出すよう圧電素子４１より引き出された出
力取り出しリード４３と、圧電素子４１、整合層４２及
び出力取り出しリード４３の圧電素子４１側の端部をモ
ールド材４４にて内部で固定する素子ケース４５と、か
ら成る。尚、整合層４２の測定室３１側の端面は、素子
ケース４５の測定室３１側の端面とほぼ一致するよう配
置されている。また、前記整合層４２及び素子ケース４
５の測定室３１側の端面には、耐油性及び耐熱性に優れ
た樹脂薄膜が接着されている。尚、出力取り出しリード
４３の圧電素子４１と反対側の端部は、前記駆動・演算
用回路に連結されている。

【００４２】次に、ガス濃度センサ２０の駆動・演算用
回路の構成を説明する。図５のブロック図に示す様に、
ガス濃度センサ２０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。

【００４３】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、反射面３３で反射した超音波の反射波を受信
する際には、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、ＣＰＵ
５１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。

【００４４】次に、ガス濃度センサ２０によって、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。

【００４５】本実施例では、図６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。

【００４６】そして、この様にして伝播時間を測定して
から、超音波の音速Ｃを、下記式（２）から算出する。
つまり、図３に示した様に、超音波素子３２の外表面
（整合層４２に樹脂薄膜を隔てた表面）と反射面３３と
の距離Ｌが既知であることから、前記駆動・演算用回路
にて、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（２）に
当てはめて、音速Ｃを算出する。

【００４７】 Ｃ＝２Ｌ（素子表面から反射面の往復距離）／Ｔ（伝播時間）…（２） 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、ガス濃度を求めることがで
きる。具体的には、ガス濃度センサ２０において、例え
ば蒸発燃料を測定対象である特定ガスとし、蒸発燃料の
主成分であるブタンのガス濃度を測定した場合、上記式
（２）から得られたセンサ出力を図７に示す関係をマッ
プとして用いて、ガス濃度（ブタン濃度）として出力す
る。センサ出力とブタン濃度との間には、図７に示すよ
うに、ほぼ比例関係があり、前記駆動・演算用回路を用
いて、センサ出力からブタン濃度に変換するのである。

【００４８】そして、実際の反射波の検出は、測定精度
を向上するため下記のように行われる。図８（ｂ）は、
超音波素子３２における送受信波形を示す図である。ま
ず、超音波素子３２より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。
この第１反射波は、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３２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。

【００４９】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、図８
（ａ）に示すように、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８（ｃ）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（ハイまたはローの２
値信号）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。

【００５０】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。

【００５１】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のモールド材４４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
レ発生要因としては、モールド材４４が硬化したり、吸
水し重くなると圧電素子４１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。

【００５２】つまり、例えば図９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、第１反射波において、
山数が増加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３２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。

【００５３】従って、前記音速Ｃ（つまり、式（２）に
より得られる音速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。

【００５４】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７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。一方、図１
５に示す従来のガス濃度センサ６０では、吸気管２（イ
ンテークマニフォールド４を含む、詳しくは、吸気管２
に直列に連結されたセンサ取付管２ａ）内を直接測定室
３１として、パージガスの濃度を測定する構成を採って
いるが、本実施例のガス濃度センサ２０では、インテー
クマニフォールド４内を流れる吸入空気を、流入通路３
６及び流入孔３４を介して、測定室３１に流入させた上
で、パージガスの濃度を測定する構成を採っている。

【００５５】つまり、本実施例のガス濃度センサ２０を
用いてパージガス供給量を制御しようとすると、従来の
ガス濃度センサ６０に比べ、吸入空気を測定室３１に流
入させる分だけ、制御遅れが生じることが懸念される。
図１０は、従来のガス濃度センサ６０及び本実施例のガ
ス濃度センサ２０を用いた実験車両において、空気過剰
率λ（つまり、空燃比）を制御した場合の時間応答性を
比べたものである。

【００５６】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、従来のガス濃度センサ６０を搭
載した車両におけるガス濃度センサ６０の取付位置は、
本実施例のガス濃度センサ２０の取付位置と同じとし
た。また、この実験では、インジェクタ８の燃料噴射量
及びパージバルブ１１の開度の制御を、ガス濃度センサ
２０、６０及び排気管５に取り付けられた酸素センサ６
の出力をもとに行った。また、図１０中の空気過剰率λ
の値は、前記酸素センサ６にて得られたものである。

【００５７】図１０に示す様に、この実験では、ある決
められた時間（図１０中、「キャニスタパージＯＮ」と
示された時間）に、一度パージバルブ１１を人為的に開
いた。そして、その後の空気過剰率λ（空燃比）の制御
を、各々のガス濃度センサ２０、６０の出力をもとに行
った。

【００５８】図１０から明らかな様に、本実施例のガス
濃度センサ２０を用いた場合も、パージバルブ１１が開
かれてから、従来のガス濃度センサ６０と同様の傾向を
辿って、空気過剰率λ（空燃比）が変化（応答）してい
る。つまり、本実施例のガス濃度センサ２０を用いれ
ば、従来のガス濃度センサ６０と同様に、空気過剰率λ
（空燃比）を制御することができる。

【００５９】以上説明したように、本実施例のガス濃度
センサ２０を取り付ける場合、インテークマニフォール
ド４においては、取付穴１５を形成するだけで良く、加
工コストを低減することができる。また、ガス濃度セン
サ２０の取付時には、差込部２２を取付穴１５に差込
み、センサケース２１とインテークマニフォールド４の
外壁部分との間をねじ等で固定するだけで良く、簡単で
ある上、取付時に要する部品点数も少ない。

【００６０】また、従来のガス濃度センサ６０と比べ、
センサ取付管２ａが不要であるため、インテークマニフ
ォールド４に大幅な設計変更は必要ない上、取付場所の
省スペース化が図れる。また、本実施例のガス濃度セン
サ２０では、差込部２２の内部に、２段階の管内径を有
する連結通路３８を設けたので、吸入空気が、スムース
に、流入通路３６及び流入孔３４を介して、測定室３１
内に流れ込み、流出孔３５及び流出通路３７を介して、
インテークマニフォールド４内に流出される。

【００６１】また、音速Ｃを算出する際に、第２伝播時
間を用いているため、経時劣化の影響を受けないで、常
に正しい音速Ｃを測定することができる。以上、本発明
の一実施例について説明したが、本発明は、上記実施例
に限定されるものではなく、種々の態様を採ることがで
きる。

【００６２】例えば、上記実施例では、蒸発燃料を測定
対象である特定ガスとしたが、水蒸気を特定ガスとする
こともできる。具体的には、パージバルブ１１が閉じて
いる状態で、上記実施例におけるガス濃度センサ２０
を、吸入空気中の水蒸気濃度（湿度）を測定するために
用いることができる。つまり、パージバルブ１１が閉じ
ている場合、ガス濃度センサ２０の測定室３１に流入す
る吸入空気に、蒸発燃料は含まれておらず、ガス濃度セ
ンサ２０のセンサ出力は、例えば吸入空気中の水蒸気濃
度（湿度）に応じて、変化する。

【００６３】図１１は、この場合のセンサ出力と水蒸気
濃度（図１１中では、絶対湿度（ｖｏｌ％）で示されて
いる）との関係を示している。従って、パージバルブ１
１が閉じている場合は、図１１の関係をマップとして用
い、前記駆動・演算用回路を用いて、センサ出力から水
蒸気濃度（湿度）に変換すれば、水蒸気濃度（湿度）が
得られる。

【００６４】また、上記実施例では、ガス濃度センサ２
０をインテークマニフォールド４における各気筒に分岐
する前の部分に取り付けたが、この箇所に限らず、取付
穴１５が形成された箇所であれば、任意の箇所に取り付
けることができる。例えば、上記実施例のガス濃度セン
サ２０を、インテークマニフォールド４における各気筒
に分岐した部分に取り付けても良い。この場合、上記実
施例のガス濃度センサ２０では、図１５に示した従来の
ガス濃度センサ６０に比べ、精度の高いガス濃度の測定
をすることできる。つまり、インテークマニフォールド
４における各気筒に分岐した部分では、管径が絞られて
いるため、この管径に合わせて取り付けられる従来のガ
ス濃度センサ６０の場合は、超音波の伝播距離が短くな
ることになる。この場合、超音波の伝播時間が短くなる
ため、ガス濃度によって変化する伝播時間の時間変化も
非常に小さくなる。従って、取付箇所にかかわらず測定
室３１内で十分な伝播距離が確保される上記実施例のガ
ス濃度センサ２０では、分解能的に測定精度が悪くなる
従来のガス濃度センサ６０に比べ、精度の高いガス濃度
の測定ができるのである。

【００６５】また、上記実施例のガス濃度センサ２０の
差込部２２は、内部に流入通路３６及び流出通路３７の
両方を備えたものとしたが、例えば図１２に示す様に、
流入通路３６のみを備えた差込部２２ａと流出通路３７
のみを備えた差込部２２ｂとを、各々流入孔３４と流出
孔３５とに連結しても良い。この場合、ガス濃度センサ
２０の取付箇所（例えば、インテークマニフォールド
４）に２つの差込部２２ａ、２２ｂに対応した２箇所の
取付穴１５ａ、１５ｂを形成し、この取付穴１５ａ、１
５ｂに差込部２２ａ、２２ｂを差込んだ上、センサケー
ス２１と取付箇所との間をねじ等で固定すれば（図示は
しない）、取付完了となる。

【００６６】尚、この場合、差込部２２ａ、２２ｂの各
々の周囲を取り巻いて凹部（図示はしない）を形成し、
この凹部にＯリング（図示はしない）をはめ込んだ上、
取付時にＯリングを取付穴１５ａ、１５ｂの内壁面に全
周に渡って当接させれば、取付部分（差込部２２ａ、２
２ｂと取付穴１５ａ、１５ｂとの間）の気密を保つこと
ができる。

【００６７】また、例えば図１２に示す様に、差込部２
２ａのセンサケース２１と反対側の端部における、ガス
濃度センサ２０が取り付けられたインテークマニフォー
ルド４等の内部を流れる吸入空気の下流側の部分に、上
下に配置されるガス導入壁２２ｃを設ければ、吸入空気
をスムースに流入通路３６に流入させることができる。

【００６８】また、上記実施例では、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）を求めることとして説明した
が、第ｎ＋１到達時間Ｔｎ＋２から第ｎ到達時間Ｔｎ＋
１を差し引いて、第ｎ＋１反射波の伝播時間（第ｎ＋１
伝播時間Ｔｎ＋１）を求めることとしても良い（ｎは２
以上の整数）。但し、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ので、反射回数が増すごとに、
測定精度は下がる。

【００６９】また、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（例えば、第１反射波の変調点
から第２反射波の変調点までの時間）を伝播時間として
直接に計測しても良く、この場合も上記実施例と同様の
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
目かの波形を検出する等、変調点を目安として使用して
も良い。

【００７０】また、上記実施例では、送信波の周波数を
Ｆ１からＦ２に１回だけ周波数変調したが、２回以上の
周波数変調を伴なった送信波としても良いのはいうまで
もない。また、上記実施例では、周波数変調を伴なった
超音波を送信したが、逆位相成分を入れた超音波を送信
してもよい。例えば、図１３（ａ）に示す様に、逆位相
成分（１８０度）を導入した超音波を送信すれば、送信
波の逆位相ポイントには、信号波形が表れない。

【００７１】そして、図１３（ｂ）に示す様に、受信波
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（変調点）を、上記実施例の周波数変調点と同様に、
測定基準とすることで、伝播時間を測定し、ガス濃度を
測定することができる。

【００７２】具体的には、例えば、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。

【００７３】また、一般的な位相変調による位相の切換
点を入れた超音波を送信しても良い。例えば、超音波素
子に送信させる超音波の波形に少なくとも１箇所の位相
切換点（例えば、位相をθ度から（θ＋１８０）度に切
換えた点）を導入すれば、受信波である反射波にもこの
位相切換点が反映されて表れる。従って、この位相切換
点（変調点）を、上記実施例の周波数変調点と同様に、
測定基準とすることで、伝播時間を測定し、ガス濃度を
測定することができる。

【００７４】具体的には、例えば、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。

【００７５】また、上記実施例では、測定室３１内で対
向する２箇所の壁面の一方にのみ、超音波素子３２を設
けたが、測定室３１内で対向する２箇所の壁面の両方
に、超音波素子３２を設けても良い。なお、この場合、
一方の超音波素子３２は超音波の送信用で、他方の超音
波素子３２は超音波の受信用である。そして、２つの超
音波素子３２は共に、図４に示す構造を有している。

【００７６】尚、この場合のガス濃度センサ２０は、以
下に述べる点で上記実施例のガス濃度センサ２０と異な
っている。まず、このガス濃度センサ２０の場合、図５
に示した駆動・演算用回路中に送受信切り換えスイッチ
５２ａ、５２ｂはなく、ドライバーは送信用の超音波素
子３２にのみ連結され、受信用の超音波素子３２のみが
アンプ（増幅ＡＭＰ）５３に連結されている。

【００７７】また、２つの超音波素子３２の外表面間の
距離をＬとすれば、この場合の駆動・演算用回路は、音
速Ｃを次の様に算出する。まず、送信用の超音波素子３
２からドライバーを介して、例えば図６に示す様な周波
数変調を伴った超音波を送信すると、受信用の超音波素
子３２にて受信される超音波にも、送信波と同様な周波
数変化が反映される。そして、送信用の超音波素子３２
からの送信波の変調点と受信用の超音波素子３２におけ
る最初の受信波の変調点との間の伝播時間ｔ１から音速
Ｃを求める場合は、上記実施例の場合と異なり、伝播距
離がＬとなるので、下記式（３）により、音速Ｃを算出
する。

【００７８】 Ｃ＝Ｌ（２つの素子表面間の距離）／ｔ１（伝播時間）…（３） なお、この場合の超音波素子３２の場合も、例えばモー
ルド材４４の経時劣化等により、前記の最初の伝播時間
ｔ１にズレが発生する。そこで、この場合は、送信波の
変調点から受信用の超音波素子３２に最初に到達する受
信波の変調点までの第１到達時間ｔ１（第１伝播時間ｔ
１）を測定するとともに、送信波の変調点から受信用の
超音波素子３２に２回目に到達する超音波（つまり、受
信用の超音波素子３２に最初に到達した際、受信用の超
音波素子３２の表面で反射し、送信用の超音波素子３２
の表面でも反射して、再度受信用の超音波素子３２にて
検出される超音波）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を差し引くことによって、受信用の超音波素子３２
の表面で最初に反射してから、２つの超音波素子３２間
を超音波が１往復するのに要した時間ｔ２（第２伝播時
間ｔ２）を求める。これは、受信用の超音波素子３２に
最初に到達した超音波が、２箇所の超音波素子３２間を
単に同様の傾向を伴って往復し、再度受信用の超音波素
子３２に到達するので、第２伝播時間ｔ２には、経時劣
化の影響が出ないためである。なお、この際、駆動・演
算用回路では、音速Ｃを下記式（４）によって算出す
る。

【００７９】 Ｃ＝２Ｌ（２つの素子表面間の往復距離）／ｔ２（伝播時間）…（４） 即ち、この場合のガス濃度センサ２０では、第１伝播時
間ｔ１によって音速Ｃを求める場合のみ、式（３）を用
い、第ｎ＋１伝播時間ｔｎ＋１（ｎは１以上の整数）に
よって音速Ｃを求める場合は式（４）を用いる（但し、
式（４）中、「ｔ２（伝播時間）」とあるのを、「ｔｎ
＋１（伝播時間）」として用いる）。

【００８０】なお、第ｎ＋１伝播時間ｔｎ＋１を求める
場合は、第ｎ＋１到達時間ｔｎ＋２から第ｎ到達時間ｔ
ｎ＋１を差し引いて、求める。但し、伝播距離が長くな
るに従い、受信用の超音波素子３２における受信波は徐
々に減衰してゆくので、ｎが増すごとに、測定精度は下
がる。

【００８１】また、受信用の超音波素子３２にてある変
調点を検出してから次の変調点を検出するまでの時間
（例えば、受信用の超音波素子３２に最初に到達した超
音波の変調点から、前記のように受信用の超音波素子３
２に２回目に到達した超音波の変調点までの時間）を伝
播時間として直接に計測しても良く、この場合も同様の
結果が得られる。

【００８２】尚、前記において、連結通路３８及びガス
導入壁２２ｃは、本発明の吸入空気導入手段に相当す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例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】 ガス濃度センサの基本構成及び取り付け方法
を示す説明図である。

【図３】 ガス濃度センサ全体の断面構造を示す説明図
である。

【図４】 超音波送受信素子の構造を示す説明図であ
る。

【図５】 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６】 １回の周波数変調を伴った送信波形を示した
図である。

【図７】 センサ出力とブタン濃度との関係を示すグラ
フである。

【図８】 （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９】 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１０】 従来のガス濃度センサ及び実施例のガス濃
度センサを用いた車両において、空燃比を制御した場合
の時間応答性を表した実験結果である。

【図１１】 センサ出力と水蒸気濃度（湿度）との関係
を示すグラフである。

【図１２】 変形例としてのガス濃度センサを示す説明
図である。

【図１３】 （ａ）は１点の逆位相成分を導入した送信
波形を示した図、（ｂ）は送受信波形を示すタイミング
チャートである。

【図１４】 ガス濃度センサの基本原理を示す説明図で
ある。

【図１５】 従来のガス濃度センサを示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１…エンジン、２…吸気管、４…インテークマニフォー
ルド、１５、１５ａ、１５ｂ…取付穴、２０…ガス濃度
センサ、２１…センサケース、２２、２２ａ、２２ｂ…
差込部、３１…測定室、３２…超音波素子、３３…反射
面、３４…流入孔、３５…流出孔、３６…流入通路、３
７…流出通路。

フロントページの続き (72)発明者 伴野 圭吾 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 石田 昇 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 BA03 BC02 BC15 BC16 GG33

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定ガスを流入出させる流入孔及び流
   出孔を備えた測定室と、 該測定室内で互いに対向する２カ所の壁面の内の一方に
   設けられ、他方の壁面に向けて超音波を送信すると共
   に、該壁面を反射面として反射してくる超音波の反射波
   を受信可能な超音波素子と、を備え、 前記超音波素子に対して、超音波を送信させると共に前
   記反射波を受信させ、前記超音波の送信時から前記反射
   波の受信時までの伝播時間を計測し、該伝播時間に基づ
   いて、前記被測定ガス中の特定ガスのガス濃度を検出可
   能なガス濃度センサであって、 前記測定室と、前記超音波素子と、をセンサケース内に
   組み込むとともに、 該センサケースに、前記流入孔及び流出孔に夫々連結さ
   れた流入通路及び流出通路を有する差込部を突設し、 該差込部を、内燃機関用エンジンの吸気管に穿設された
   取付穴に差込み、前記センサケースを前記吸気管に固定
   することにより、前記流入通路及び流出通路を介して、
   前記吸気管中を流れる吸入空気を前記被測定ガスとして
   前記測定室に流入出させることができるようにしたこと
   を特徴とするガス濃度センサ。
2. 【請求項２】 被測定ガスを流入出させる流入孔及び流
   出孔を備えた測定室と、 該測定室内で互いに対向する２カ所の壁面に夫々設けら
   れ、超音波を送受信可能な一対の超音波素子と、を備
   え、 一方の超音波素子に対しては、超音波を送信させると共
   に、他方の超音波素子に対しては、該超音波を受信さ
   せ、前記超音波の送信時から受信時までの伝播時間を計
   測し、該伝播時間に基づいて、前記被測定ガス中の特定
   ガスのガス濃度を検出可能なガス濃度センサであって、 前記測定室と、前記超音波素子と、をセンサケース内に
   組み込むとともに、 該センサケースに、前記流入孔及び流出孔に夫々連結さ
   れた流入通路及び流出通路を有する差込部を突設し、 該差込部を、内燃機関用エンジンの吸気管に穿設された
   取付穴に差込み、前記センサケースを前記吸気管に固定
   することにより、前記流入通路及び流出通路を介して、
   前記吸気管中を流れる吸入空気を前記被測定ガスとして
   前記測定室に流入出させることができるようにしたこと
   を特徴とするガス濃度センサ。
3. 【請求項３】 前記差込部に対し、前記吸入空気の前記
   流入通路への流入を促す吸入空気導入手段を設けたこと
   を特徴とする請求項１または２に記載のガス濃度セン
   サ。
4. 【請求項４】 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請求項１〜３いずれか
   に記載のガス濃度センサ。
5. 【請求項５】 前記特定ガスが、水蒸気であることを特
   徴とする請求項１〜３いずれかに記載のガス濃度セン
   サ。