JP2000249691A - ガス濃度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定ガスの温度を正確に測定することがで
き、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。 【解決手段】 測定室３４内における流入孔３４ａと流
出孔３４ｂとの間の上側の側壁に、流入孔３４ａから流
出孔３４ｂへの方向に長い小判状の形状を有する凹部４
１を設け、凹部４１内における流出孔３４ｂに近い側に
感温素子４２を設ける。これにより、凹部４１内の吸入
空気は十分に置換される上、凹部４１内に流入する吸入
空気が感温素子４２に当たりやすくなるので、測定室３
４内の吸入空気の温度を正確に測定することができる。
また、感温素子４２が測定室３４内の超音波の伝播を妨
げることはなく、超音波の伝播時間測定に誤差が生じる
ことはない。従って、吸入空気の温度が変化した場合で
も、蒸発燃料のガス濃度を高精度に測定することができ
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。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、パージ
ガスを含んだ吸入空気中に送信した超音波の伝播時間を
計測し、この伝播時間を用いてパージガスの濃度を検出
するものであるが、超音波が伝播する吸入空気の温度が
変化すると、超音波の音速は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】この問題を解決する方法としては、サーミ
スタ等の感温素子を設置することにより、吸入空気温度
を測定し、この吸入空気温度と超音波の伝播時間とを用
いて、パージガスの濃度を測定することが考えられる。
しかし、感温素子を、超音波が伝播する箇所に単に配置
したのでは、感温素子が超音波伝播を妨げることとな
り、超音波の伝播時間の測定において、測定誤差が生じ
る原因となった。

【０００８】また、感温素子を、超音波が伝播する箇所
と異なる箇所に配置することも考えられるが、この場合
は、超音波が伝播する箇所における実際の吸入空気の温
度と異なる温度が測定値として検出され、正確な吸入空
気の温度を得ることが困難であった。

【０００９】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、パージガス等の特定ガス
を含んだ被測定ガスの温度を正確に測定することがで
き、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。

【００１０】

【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、長尺状に形成され、長手
方向に沿った側壁に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、該測定室の
長手方向に沿って互いに対向する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、前記被測定ガスの温度を
測定するための感温素子と、該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、該伝播時間と前記感温素子にて得られた被測定
ガスの温度とに基づいて、前記被測定ガス中の特定ガス
のガス濃度を検出するガス濃度検出手段と、を備えるガ
ス濃度センサであって、前記測定室内における前記流入
孔と前記流出孔との間の側壁に凹部を形成し、該凹部内
に前記感温素子を設けたことを特徴とするガス濃度セン
サを要旨とする。

【００１１】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
ス濃度センサでは、超音波の伝播時間と被測定ガスの温
度とに基づいて、被測定ガス中の特定ガスのガス濃度を
検出するので、被測定ガスの温度が変化した場合でも、
正確に特定ガスのガス濃度を検出することができる。

【００１２】請求項１に記載のガス濃度センサでは、測
定室内と被測定ガスの温度が異なる流入通路及び流出通
路の内部や、被測定ガスがよどむ測定室内における超音
波素子及び反射面の近傍（換言すれば、測定室内におい
て、測定室の長手方向に沿って互いに対向する２カ所の
壁面の近傍）ではなく、被測定ガスの流速が十分確保さ
れ、被測定ガスが十分に置換される測定室内の流入孔と
流出孔との間の領域において、被測定ガスの温度を測定
するので、超音波が伝播する箇所における被測定ガスの
温度を正確に測定することができる。

【００１３】また、感温素子を、測定室内の流入孔と流
出孔との間の側壁に設けられた凹部内に配置しているた
め、感温素子が、測定室内の超音波の伝播を妨げること
はなく、超音波の伝播時間の測定において、測定誤差が
生じることはない。従って、請求項１に記載のガス濃度
センサでは、前記の様に正確に測定された超音波の伝播
時間及び被測定ガスの温度に基づいて、被測定ガス中の
特定ガスのガス濃度を高精度に測定することができる。

【００１４】そして、請求項１に記載のガス濃度センサ
を、例えば内燃機関用エンジンの吸気管へ供給される吸
入空気中の蒸発燃料のガス濃度を測定するために用いれ
ば、精度の高い蒸発燃料のガス濃度測定が可能となる。
従って、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。

【００１５】また、請求項２の発明は、長尺状に形成さ
れ、長手方向に沿った側壁に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、該
測定室の長手方向に沿って互いに対向する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、前記被測定ガスの温度を測定するための感温素子
と、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、該伝播時間と前記感温素子にて得られた被測定
ガスの温度とに基づいて、前記被測定ガス中の特定ガス
のガス濃度を検出するガス濃度検出手段と、を備えるガ
ス濃度センサであって、前記測定室内における前記流入
孔と前記流出孔との間の側壁に凹部を形成し、該凹部内
に前記感温素子を設けたことを特徴とするガス濃度セン
サを要旨とする。

【００１６】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
度センサでは、請求項１に記載のガス濃度センサと同様
に、超音波の伝播時間と被測定ガスの温度とに基づい
て、被測定ガス中の特定ガスのガス濃度を検出するの
で、被測定ガスの温度が変化した場合でも、正確に特定
ガスのガス濃度を検出することができる。

【００１７】請求項２に記載のガス濃度センサでは、測
定室内と被測定ガスの温度が異なる流入通路及び流出通
路の内部や、被測定ガスがよどむ測定室内における２つ
の超音波素子の近傍（換言すれば、測定室内において、
測定室の長手方向に沿って互いに対向する２カ所の壁面
の近傍）ではなく、被測定ガスの流速が十分確保され、
被測定ガスが十分に置換される測定室内の流入孔と流出
孔との間の領域において、被測定ガスの温度を測定する
ので、超音波が伝播する箇所における被測定ガスの温度
を正確に測定することができる。

【００１８】また、感温素子を、測定室内の流入孔と流
出孔との間の側壁に設けられた凹部内に配置しているた
め、感温素子が、測定室内の超音波の伝播を妨げること
はなく、超音波の伝播時間の測定において、測定誤差が
生じることはない。従って、請求項２に記載のガス濃度
センサでは、前記の様に正確に測定された超音波の伝播
時間及び被測定ガスの温度に基づいて、被測定ガス中の
特定ガスのガス濃度を高精度に測定することができる。

【００１９】そして、請求項２に記載のガス濃度センサ
を、例えば内燃機関用エンジンの吸気管へ供給される吸
入空気中の蒸発燃料のガス濃度を測定するために用いれ
ば、精度の高い蒸発燃料のガス濃度測定が可能となる。
従って、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。

【００２０】また、請求項３の発明は、前記凹部を、前
記流入孔から前記流出孔への方向に沿って、細長く形成
し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、凹部の形状を、測定室内を流れる被
測定ガスの流れに平行な方向に、長いものとしている。

【００２１】これにより、被測定ガスを、凹部内におい
て、効果的に流入出させることができ、凹部内の被測定
ガスを十分に置換することができるので、超音波が伝播
する箇所における被測定ガスの温度をより正確に測定す
ることができる。従って、請求項３に記載のガス濃度セ
ンサでは、この様に正確に測定された被測定ガスの温度
と超音波の伝播時間とに基づいて、被測定ガス中の特定
ガスのガス濃度を高精度に測定することができる。

【００２２】そして、請求項３に記載のガス濃度センサ
を、例えば内燃機関用エンジンの吸気管へ供給される吸
入空気中の蒸発燃料のガス濃度を測定するために用いれ
ば、精度の高い蒸発燃料のガス濃度測定が可能となる。
従って、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。

【００２３】また、請求項４の発明は、前記感温素子
を、前記凹部内の前記流出孔側に設けたことを特徴とす
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。この様に、請求項４に記載のガス濃度センサで
は、感温素子を、凹部内において、測定室内の被測定ガ
ス流に対して下流側となる位置に設けている。

【００２４】これにより、凹部内に流入する被測定ガス
が、感温素子に当りやすくなるので、超音波が伝播する
箇所における被測定ガスの温度をより正確に測定するこ
とができる。従って、請求項４に記載のガス濃度センサ
では、この様に正確に測定された被測定ガスの温度と超
音波の伝播時間とに基づいて、被測定ガス中の特定ガス
のガス濃度を高精度に測定することができる。

【００２５】そして、請求項４に記載のガス濃度センサ
を、例えば内燃機関用エンジンの吸気管へ供給される吸
入空気中の蒸発燃料のガス濃度を測定するために用いれ
ば、精度の高い蒸発燃料のガス濃度測定が可能となる。
従って、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。

【００２６】また、請求項５の発明は、前記ガス濃度検
出手段は、前記超音波素子に対して、少なくとも一つの
変調点を有する超音波を送受信させ、前記超音波の変調
点を利用して前記伝播時間を計測し、該伝播時間と前記
感温素子にて得られた被測定ガスの温度とに基づいて、
前記特定ガスのガス濃度を検出するものであることを特
徴とする請求項１〜４いずれかに記載のガス濃度センサ
を要旨とする。

【００２７】請求項５に記載のガス濃度センサは、請求
項１〜４いずれかに記載のガス濃度センサにおいて、超
音波の伝播時間の測定方法を示したものである。この様
に、超音波素子にて変調点を有する超音波を送信する
と、受信波にも、その変調点が反映される。従って、例
えば、送信波の変調点と受信波の変調点との間の時間を
測定すれば、超音波の伝播時間が判る。つまり、超音波
送受信波の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。

【００２８】そして、送信波に導入する具体的な変調点
としては、周波数変調による周波数の切換点であっても
良い。つまり、超音波素子に送信させる超音波の波形に
少なくとも１箇所の周波数切換点（例えば、周波数をＦ
１からＦ２に切換えた点）を導入すれば、受信波にもこ
の周波数切換点が反映されて表れる。従って、例えば、
周波数の切換点（つまり、送信波−受信波の各々の変調
点）間の時間を測定すれば、伝播時間が判る。つまり、
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。

【００２９】また、送信波に導入する具体的な変調点と
しては、信号波形が表れないポイントであっても良い。
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点の逆位相成分（１８０度）を導入すれば、送信
波の逆位相ポイントには、信号波形が表れない。そし
て、この逆位相ポイントは受信波にも反映され、信号波
形がない箇所が表れる。従って、例えば、逆位相ポイン
ト（つまり、送信波−受信波の各々の信号波形がない箇
所）間の時間を測定すれば、伝播時間が判る。つまり、
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。

【００３０】また、送信波に導入する具体的な変調点と
しては、一般的な位相変調による位相の切換点であって
も良い。つまり、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
信波にもこの位相切換点が反映されて表れる。従って、
例えば、位相切換点（つまり、送信波−受信波の各々の
位相切換点）間の時間を測定すれば、伝播時間が判る。
つまり、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。

【００３１】また、請求項６の発明は、前記ガス濃度検
出手段は、前記超音波素子が超音波を受信してから、次
に受信するまでの伝播時間を計測し、該伝播時間と前記
感温素子にて得られた被測定ガスの温度とに基づいて、
前記特定ガスのガス濃度を検出するものであることを特
徴とする請求項１〜５いずれかに記載のガス濃度センサ
を要旨とする。

【００３２】請求項６に記載のガス濃度センサは、請求
項１〜５いずれかの発明において、超音波の伝播時間を
より高精度に測定するものである。例えば、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、超音波を送信した後、超音波素子にて最初に
受信するまでの伝播時間が、劣化品では、新品の伝播時
間と比べて長くなる。従って、新品における最初の伝播
時間（つまり、超音波を送信した後、超音波素子にて最
初に受信するまでの時間）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。

【００３３】一方、最初の受信波より後の受信波（例え
ば、超音波素子にて最初に受信された後、測定室内を往
復し、再度超音波素子にて受信される超音波）は、単に
反射を繰り返して伝播したものであり、超音波素子内部
の構造に影響されないので、超音波素子が劣化した場合
でも、その伝播時間の変動は少なく、劣化の影響が少な
い。

【００３４】そこで、請求項６に記載のガス濃度センサ
では、超音波素子の劣化の影響を受け易い最初の受信波
ではなく、劣化の影響を受け難い後の受信波の伝播時間
に基づいて、特定ガスのガス濃度を検出するのである。
従って、請求項６に記載のガス濃度センサでは、前記の
様に正確に測定された超音波の伝播時間と被測定ガスの
温度とに基づいて、被測定ガス中の特定ガスのガス濃度
を高精度に測定することができる。

【００３５】そして、請求項６に記載のガス濃度センサ
を、例えば内燃機関用エンジンの吸気管へ供給される吸
入空気中の蒸発燃料のガス濃度を測定するために用いれ
ば、精度の高い蒸発燃料のガス濃度測定が可能となる。
従って、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。

【００３６】また、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
する請求項１〜６いずれかに記載のガス濃度センサを要
旨とする。請求項７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、蒸発燃料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。

【００３７】

【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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】また、このシステムでは、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。

【００４５】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ＡＳＳＹ）を用いる。

【００４６】具体的には、ガス濃度センサ２５は、図２
に示す様な構造を有している。ガス濃度センサ２５の本
体であるセンサケース３１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３１は、駆動・演
算用回路３２が設置されている回路基板封入部３３と、
長尺状に形成され、長手方向に沿った側壁に蒸発燃料を
含む吸入空気を流入出させる流入孔３４ａ及び流出孔３
４ｂを備えた測定室３４と、測定室３４内で、測定室３
４の長手方向に沿って互いに対向する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）３５と、測定室３４内における超音波素子３
５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３５から所定の距離Ｌだけ離れ、超音波素子３５
から送信される超音波を反射させる反射面３６と、流入
孔３４ａに連結され、吸入空気をセンサケース３１外か
ら測定室３４内に流入させる流入通路３７と、流出孔３
４ｂに連結され、吸入空気を測定室３４内からセンサケ
ース３１外に流出させる流出通路３８と、を有してい
る。そして、ガス濃度センサ２５を、図１に示すシステ
ム構成図のように、実際に配置した状態では、測定室３
４の長手方向は、水平方向と略平行となり、流入孔３４
ａ及び流出孔３４ｂは、測定室３４内で下方となる状態
（つまり、図２において、ｇ方向が略下方となる状態）
となっている。

【００４７】また、測定室３４内における流入孔３４ａ
と流出孔３４ｂとの間の上側の側壁には、凹部４１が設
けられている。凹部４１は、流入孔３４ａから流出孔３
４ｂへの方向に沿って細長い小判状の形状を有してお
り、凹部４１内における流出孔３４ｂに近い側には、測
定室３４内の吸入空気の温度を測定するため、サーミス
タ等の感温素子４２が設けられている。

【００４８】尚、ガス濃度センサ２５において、測定室
３４における長手方向に直角な方向の径（以下、測定室
３４の短径とも記す）φｄは、１２ｍｍである。また、
測定室３４の長手方向に沿った凹部４１の幅（以下、凹
部４１の長径とも記す）Ｌ’は、１８ｍｍで、測定室３
４の短径φｄより大きい。また、凹部４１において、凹
部４１の長径Ｌ’に垂直な方向の幅Ｌ’’（以下、凹部
４１の短径とも記す、図示はしない）は、９ｍｍであ
る。

【００４９】尚、回路基板封入部３３には、駆動・演算
用回路３２の設置後に回路蓋４３がなされている。そし
て、図３に示すように、超音波素子３５は、圧電素子４
４と、圧電素子４４の測定室３４側の端面に接着された
整合層４５と、圧電素子４４からのセンサ出力を取り出
すよう圧電素子４４より引き出された出力取り出しリー
ド４６と、圧電素子４４、整合層４５及び出力取り出し
リード４６の圧電素子４４側の端部をモールド材４７に
て内部で固定する素子ケース４８と、から成る。尚、整
合層４５の測定室３４側の端面は、素子ケース４８の測
定室３４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４５及び素子ケース４８の測定室３４
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。

【００５０】次に、本発明のガス濃度検出手段に相当す
るガス濃度センサ２５の駆動・演算用回路３２の構成を
説明する。図４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、マイクロプロセッサ５１を
用いる。

【００５１】まず、超音波の送信時には、ドライバ５２
を用いて超音波素子３５へ電圧を印加し、超音波の送信
を行なう。また、超音波の受信時には、超音波素子３５
にて得られた受信波形は、アンプ（増幅器）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、マイクロプロセッサ５１内部に導入され
る。そして、マイクロプロセッサ５１では、タイマー５
５を用いて超音波の送信から受信までの伝播時間を測定
する。一方、感温素子４２にて検出された測定室３４内
における吸入空気の温度情報は、感温素子４２から、温
度検出回路５６を介して、マイクロプロセッサ５１内部
に導入される。そして、マイクロプロセッサ５１では、
前記伝播時間及び吸入空気温度から、マップを参照して
演算処理を行ない、例えば吸入空気中のパージガスのガ
ス濃度に変換した上、Ｄ／Ａコンバータ５７を介して、
ガス濃度の検出値出力を行なう。

【００５２】次に、図５を用いてガス濃度センサ２５の
基本原理について説明する。なお、図５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５に示す様に、ガス濃度センサ２５を用いてガス
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５（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５（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Ｔ
２は大きい。従って、ガス濃度センサ２５では、パージ
ガスのガス濃度によって変化する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
るのである。

【００５３】次に、本実施例のガス濃度センサ２５に
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。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。

【００５４】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。そして、ガス濃度センサ２５
の駆動・演算用回路３２では、この様にして伝播時間を
測定した後、超音波の音速Ｃを、下記式（１）から算出
する。

【００５５】つまり、図２に示した様に、超音波素子３
５の外表面（整合層４５に樹脂薄膜を隔てた表面）と反
射面３６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を算出した上、センサ出力（電圧）として出力する。

【００５６】 Ｃ＝２Ｌ（素子表面から反射面の往復距離）／Ｔ（伝播時間）…（１） そして、例えば蒸発燃料の主成分であるブタンのガス濃
度Ｘｋを用いて蒸発燃料のガス濃度を測定する場合は、
下記式（２）の関係を用いて、前記式（１）で得られた
音速Ｃより蒸発燃料のガス濃度（つまり、ブタンのガス
濃度Ｘｋ）に変換する。

【００５７】

【数１】

【００５８】尚、式（２）中で、Ｒは気体定数、Ｔｇは
蒸発燃料を含んだ吸入空気の温度、Ｃｐｎは吸入空気に
含まれる第ｎ成分のガスの定圧比熱、Ｃｖｎは第ｎ成分
のガスの定積比熱、Ｍｎは第ｎ成分のガスの分子量、Ｘ
ｎは第ｎ成分のガスの混合比（換言すれば、第ｎ成分の
ガスのガス濃度）を表している。

【００５９】前記式（２）は、音速Ｃが、吸入空気に含
まれるガス成分の種類及びその混合比だけでなく、吸入
空気の温度Ｔｇによっても変化することを示している。
つまり、第ｋ成分のガスの混合比、即ちブタンのガス濃
度Ｘｋを蒸発燃料のガス濃度として高精度に測定するた
めには、吸入空気の温度Ｔｇを正確に測定する必要があ
る。

【００６０】そのため、本実施例のガス濃度センサ２５
では、超音波の伝播時間Ｔだけでなく、感温素子４２に
て、吸入空気の温度Ｔｇも測定する。尚、本実施例のガ
ス濃度センサ２５では、測定室３４内における流入孔３
４ａと流出孔３４ｂとの間の上側の側壁に、流入孔３４
ａから流出孔３４ｂへの方向に長い小判状の形状を有す
る凹部４１を設け、凹部４１内における流出孔３４ｂに
近い側に感温素子４２を設けているので、超音波が伝播
する箇所である測定室３４内の吸入空気温度Ｔｇを正確
に検出することができる。

【００６１】まず、吸入空気の温度Ｔｇを測定する箇所
としては、測定室３４内の他に例えば流入通路３７内及
び流出通路３８内が、考えられる。しかし、例えば吸入
空気から、流入通路３７、測定室３４及び流出通路３８
の内壁面に対してなされる熱伝達によって、超音波が伝
播する箇所である測定室３４内における吸入空気の温度
と、流入通路３７内や流出通路３８内における吸入空気
の温度とは、異なってしまう。従って、例えば流入通路
３７内や流出通路３８内に感温素子４２を配置して、吸
入空気の温度を測定すると、超音波が伝播する箇所にお
ける吸入空気の温度Ｔｇを正確に測定することができな
い。つまり、ガス濃度センサ２５にて測定した超音波の
伝播時間Ｔに対応する正確な吸入空気の温度Ｔｇが得ら
れないので、正確な蒸発燃料のガス濃度Ｘｋの測定がで
きなくなる。

【００６２】また、測定室３４内において吸入空気の温
度Ｔｇを測定する箇所としては、超音波素子３５及び反
射面３６の近傍（換言すれば、測定室３４内において、
測定室３４の長手方向に沿って互いに対向する２箇所の
壁面の近傍、つまり測定室３４内の流入孔３４ａと流出
孔３４ｂとの間の領域以外の領域）が、他に考えられ
る。しかし、この箇所では、吸入空気がよどんでしま
い、吸入空気が十分置換されないことから、吸入空気の
温度Ｔｇが変化した場合、温度測定値の応答性が悪い。

【００６３】従って、本実施例のガス濃度センサ２５で
は、吸入空気の流速が十分確保され、吸入空気が十分に
置換される測定室３４内の流入孔３４ａと流出孔３４ｂ
との間の領域において、吸入空気の温度Ｔｇを測定する
のである。つまり、本実施例のガス濃度センサ２５で
は、吸入空気の温度Ｔｇが変化した場合でも、超音波が
伝播する箇所における吸入空気の温度Ｔｇを正確に測定
することができる。

【００６４】また、本実施例のガス濃度センサ２５で
は、感温素子４２を、測定室３４内の側壁に設けられた
凹部４１内に配置している。従って、感温素子４２が、
測定室３４内の超音波の伝播を妨げることはなく、超音
波の伝播時間Ｔの測定において、測定誤差が生じること
はない。

【００６５】また、本実施例のガス濃度センサ２５で
は、凹部４１が、流入孔３４ａから流出孔３４ｂへの方
向（換言すれば、測定室３４内を流れる吸入空気の流れ
に平行な方向）に沿って細長い小判状の形状を有してい
る。これにより、吸入空気を、凹部４１内において、効
果的に流入出させることができ、凹部４１内の吸入空気
を十分に置換することができるので、超音波が伝播する
箇所における吸入空気の温度Ｔｇをより正確に測定する
ことができる。

【００６６】また、本実施例のガス濃度センサ２５で
は、凹部４１内における流出孔３４ｂに近い側の位置
（つまり、凹部４１内において、測定室３４内の吸入空
気流に対して下流側となる位置）に、感温素子４２を配
置している。これにより、凹部４１内に流入する吸入空
気が、感温素子４２に当たりやすくなるので、超音波が
伝播する箇所における吸入空気の温度Ｔｇをより正確に
測定することができる。

【００６７】また、本実施例のガス濃度センサ２５で
は、測定室３４内における上側の側壁に凹部４１を設け
ているので、例えば液化した蒸発燃料が測定室３４内に
流入した場合においても、凹部４１内にこの液体が溜る
ことはない。つまり、測定室３４内に液体が流入したと
しても、感温素子４２がその液体に浸ることはないの
で、超音波が伝播する箇所における吸入空気の温度Ｔｇ
を正確に測定することができる。

【００６８】この様に、本実施例のガス濃度センサ２５
では、前記の様に正確に測定された吸入空気の温度Ｔｇ
と超音波の伝播時間Ｔとに基づいて、吸入空気中の蒸発
燃料（ブタン）のガス濃度Ｘｋを検出するので、吸入空
気の温度Ｔｇが変化した場合でも、蒸発燃料（ブタン）
のガス濃度Ｘｋを高精度に検出することができる。

【００６９】具体的には、前記式（２）の関係から、例
えば、超音波が伝播する吸入空気中に含まれるブタン以
外のガス成分の種類及びその混合比を仮定すれば、伝播
時間Ｔ及び吸入空気温度Ｔｇに基づいて、ブタンのガス
濃度Ｘｋを測定することができる。この場合、吸入空気
温度Ｔｇが一定であれば、音速Ｃに対応したセンサ出力
とブタンのガス濃度Ｘｋとの間には、例えば図７に示す
様に、ほぼ比例関係がある。従って、駆動・演算用回路
３２にて、吸入空気温度Ｔｇによって変化する図７に示
す様な関係をマップとして用いることによって、センサ
出力をブタンのガス濃度Ｘｋに変換するのである。

【００７０】一方、本実施例のガス濃度センサ２５にお
ける、実際の音速Ｃの測定は、測定精度を向上するため
下記のように行われる。図８（ａ）は、超音波素子３５
における送受信波形を示す図である。まず、超音波素子
３５より周波数変調した送信波（最初の送信波）を送信
すると、その送信波は、反射面３６で反射して、超音波
素子３５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３５の表面で反射し
て、再度反射面３６にて反射し、再度超音波素子３５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。

【００７１】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、ドライバ５２から超音波素子３５へ
電圧が印加されて、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、マイクロプロセッサ
５１への入力波形（即ちコンパレータ５４からの出力）
は、図８（ｂ）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５４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、マイクロプロセッサ５１に入力し、内部タイマー５
５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。

【００７２】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。

【００７３】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、式（１）における伝播時間Ｔ
として用いることにより、音速Ｃを測定するのである
が、これは、下記の理由による。例えば、超音波素子３
５のモールド材４７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４７が硬化したり、吸水し重
くなると圧電素子４４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。

【００７４】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３５表面で反
射した反射波が反射面３６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。

【００７５】従って、前記式（１）において音速Ｃを算
出する際に用いる伝播時間Ｔ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。

【００７６】よって、本実施例では、上述した第２伝播
時間を用いて式（１）より音速Ｃを算出し、この音速Ｃ
に対応したセンサ出力を求め、吸入空気温度Ｔｇに対応
した前記図７の様なマップにこのセンサ出力を当てはめ
て、蒸発燃料（特定ガス）のガス濃度を検出するのであ
る。

【００７７】以上説明したように、本実施例のガス濃度
センサ２５では、測定室３４内における流入孔３４ａと
流出孔３４ｂとの間の上側の側壁に、流入孔３４ａから
流出孔３４ｂへの方向に長い小判状の形状を有する凹部
４１を設け、凹部４１内における流出孔３４ｂに近い側
に感温素子４２を設けているので、超音波が伝播する箇
所である測定室３４内の吸入空気温度Ｔｇを正確に検出
することができる。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。

【００７８】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。例えば、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。

【００７９】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。

【００８０】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１０（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。

【００８１】そして、図１０（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、音速Ｃを求
めることができる。

【００８２】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伝播時間を、式（１）における伝播時間Ｔとして
用いることにより、音速Ｃを測定することができる。

【００８３】また、上記実施例では、測定室３４内の長
手方向に沿って互いに対向する２箇所の壁面の一方にの
み、超音波素子３５を設けたが、図１１に示すように、
測定室３４内で対向する２箇所の壁面の両方に、超音波
素子３５、３５’を設けても、上記実施例と同様の効果
が得られる。なお、この場合、一方の超音波素子３５は
超音波の送信用で、他方の超音波素子３５’は超音波の
受信用である。そして、２つの超音波素子３５、３５’
は共に、図３に示す構造を有している。

【００８４】尚、この場合のガス濃度センサ２５は、以
下に述べる点で上記実施例のガス濃度センサ２５と異な
っている。まず、このガス濃度センサ２５の場合、図４
に示した駆動・演算用回路３２において、ドライバ５２
は送信用の超音波素子３５にのみ連結され、受信用の超
音波素子３５’のみが増幅器５３に連結されている。

【００８５】また、２つの超音波素子３５、３５’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３２は、音速Ｃを次の様に算出する。まず、送信用の
超音波素子３５からドライバ５２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３５’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３５からの送信波の変調点と受信用の超音
波素子３５’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。

【００８６】 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３５、３５’の場合も、例
えばモールド材４７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３５’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ｔ１）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３５’に２回目に到達する超音波
（つまり、受信用の超音波素子３５’に最初に到達した
際、超音波素子３５’の表面で反射し、送信用の超音波
素子３５の表面でも反射して、再度受信用の超音波素子
３５’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、超音波素子３
５’の表面で最初に反射してから、２つの超音波素子３
５、３５’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、超音波素子３
５’に最初に到達した超音波が、２箇所の超音波素子３
５、３５’間を単に同様の傾向を伴って往復し、再度超
音波素子３５’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３２では、音速Ｃを下記式（４）
によって算出する。

【００８７】 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２５における駆動・演
算用回路３２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ｔ
ｎ＋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）。

【００８８】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、超音波素子３５’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。

【００８９】また、超音波素子３５’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、超音波素子３５’に最初に到達した超音波の変調点
から、前記のように超音波素子３５’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。

【００９０】また、凹部４１の形状及び感温素子４２の
配置は、そのガス濃度センサ２５の使用条件（例えば測
定室３４内を流れる吸入空気の流速）において、超音波
の伝播を妨げないよう感温素子４２が配置され、凹部４
１内における感温素子４２周辺の吸入空気が十分に置換
されるものであれば、種々の態様を採ることが可能であ
る。

【００９１】従って、例えば図１２に示す様に、測定室
３４内の流入孔３４ａと流出孔３４ｂとの間の任意の箇
所の側壁に、流入孔３４ａから流出孔３４ｂへの方向に
沿って細長い形状を有する凹部４１を設け、その中央部
に感温素子４２を配置したものであっても良い。

【００９２】また、この場合、凹部４１の長径Ｌ’は、
図１２に示す凹部４１の様に、測定室３４の短径φｄよ
り大きいものであっても良いし、図１３に示す凹部４１
の様に、小さいものであっても良い。さらに、図１４に
示す様に、測定室３４内の流入孔３４ａと流出孔３４ｂ
との間の任意の箇所の側壁に真円状の凹部４１を設け、
その中心部に感温素子４２を配置したものであっても良
い。

【００９３】次に、図１５〜１９を用いて、凹部４１の
形状及び感温素子４２の配置を変えた場合のガス濃度セ
ンサ２５において、感温素子４２の応答特性を調べた実
験例について説明する。この実験では、図１５に示す様
な実験装置を用いて、ガス濃度センサ２５の測定室３４
内に蒸発燃料のガス濃度が既知である被測定ガス（上記
実施例の蒸発燃料を含んだ吸入空気に対応する）を供給
し、ガス濃度センサ２５にて、この蒸発燃料（特定ガ
ス）のガス濃度を測定した。

【００９４】まず、図１５に示すこの実験に用いた実験
装置の構成について説明する。この実験装置では、ま
ず、図１５に示す様に、窒素ガスタンク６１に充填され
た窒素ガス（Ｎ2）と蒸発燃料タンク６２に充填された
蒸発燃料とを、各々第１配管６３と第２配管６４とを介
して、ガス流量コントロール装置６５内に流入させた。
ガス流量コントロール装置６５では、２つのタンク６
１、６２からの窒素ガス及び蒸発燃料の供給量が制御さ
れ、この実験では、窒素ガスと蒸発燃料との混合比が、
常に窒素ガスが７０％、蒸発燃料が３０％となるようガ
ス流量コントロール装置６５の内部で混合した。次に、
この様に混合された混合ガスを、第３配管６６により、
ガス流量コントロール装置６５から流出させ、第３配管
６６中に配置されたガス加温ヒータ６７にて、適宜混合
ガスの温度を上昇させた。そして、この混合ガスを、流
入通路３７を介して、ガス濃度センサ２５の測定室３４
内に流入させ、流出通路３８を介して、測定室３４外に
流出させた。

【００９５】この実験では、この様に測定室３４内に流
入する前記混合ガスを被測定ガスとし、ガス濃度センサ
２５にて、超音波の伝播時間及び混合ガスの温度を測定
することにより、蒸発燃料のガス濃度（つまり、ブタン
のガス濃度Ｘｋ）を検出し、レコーダ６８を用いてこれ
らの測定結果を記録した。

【００９６】次に、図１６を用いて、この実験に用いた
３仕様のガス濃度センサ２５の形態について説明する。
尚、この３仕様のガス濃度センサ２５では、感温素子４
２の配置形態のみが異なっており、他の部分について
は、上記実施例のガス濃度センサ２５と同様の構造とな
っている。従って、図１６では、この感温素子４２の配
置形態を説明するため、測定室３４近傍の形状のみを示
している。

【００９７】まず、図１６（ａ）に示す仕様１のガス濃
度センサ２５は、測定室３４内ではなく、流入通路３７
内に感温素子４２を配置したものである。また、図１６
（ｂ）に示す仕様２のガス濃度センサ２５は、測定室３
４内における流入孔３４ａと流出孔３４ｂとの間の上側
の側壁に、真円状の形状を有する凹部４１を設け、凹部
４１内における流出孔３４ｂに近い側に感温素子４２を
配置したものである。

【００９８】また、図１６（ｃ）に示す仕様３のガス濃
度センサ２５は、上記実施例のガス濃度センサ２５であ
り、測定室３４内における流入孔３４ａと流出孔３４ｂ
との間の上側の側壁に、流入孔３４ａから流出孔３４ｂ
への方向に沿って細長い小判状の形状を有する凹部４１
を設け、凹部４１内における流出孔３４ｂに近い側に感
温素子４２を配置したものである。つまり、仕様３のガ
ス濃度センサ２５は、仕様２のガス濃度センサ２５に対
し、凹部４１の形状を、流入孔３４ａから流出孔３４ｂ
への方向に沿って細長くしたものである。

【００９９】尚、この３仕様のガス濃度センサ２５にお
いて、測定室３４の短径φｄは、１２ｍｍである。ま
た、仕様２のガス濃度センサ２５の場合、真円状の凹部
４１の径φＤは、９ｍｍであり、測定室３４の短径φｄ
より小さい。また、仕様３のガス濃度センサ２５の場
合、前記の様に凹部４１の長径Ｌ’は、１８ｍｍで、測
定室３４の短径φｄより大きく、凹部４１の短径Ｌ’’
は、９ｍｍである。

【０１００】次に、図１７〜１９を用いて、この実験の
結果について説明する。図１７〜１９は、各仕様のガス
濃度センサ２５の感温素子４２にて検出された前記混合
ガスの温度及び超音波の伝播時間計測結果に基づいて、
各仕様のガス濃度センサ２５から得られた蒸発燃料（ブ
タン）のガス濃度を、実験時間の経過に伴い、記録した
ものである。

【０１０１】尚、図１７〜１９中には、混合ガス温度も
示されているが、これは感温素子４２による検出値では
なく、測定室３４内の実際の混合ガス温度を示してい
る。つまり、この実験では、混合ガスの成分及び混合比
が一定（即ち、窒素ガスが７０％、蒸発燃料が３０％）
であるので、前記式（２）において、この混合ガスの成
分及び混合比から得られる値（即ち、Ｃｐｎ、Ｃｖｎ、
Ｍｎ、及びＸｎ）と、この実験で測定される超音波の伝
播時間Ｔから式（１）を用いて得られる音速Ｃと、を用
いて、測定室３４内の実際の混合ガス温度（即ち、式
（２）に本来代入されるべき混合ガス温度Ｔｇ）を求め
た上、図１７〜１９中に表示したのである。

【０１０２】そして、この実験では、図１７〜１９に示
す測定室３４内の実際の混合ガス温度値からわかる様
に、実験を開始してから所定時間経過した後（図１７〜
１９の横軸に示す時間では、１０〜２０（ｓｅｃ）のと
き）に、ガス加温ヒータ６７にて、測定室３４内の実際
の混合ガス温度を４℃程度急激に上昇させ、ガス濃度セ
ンサ２５にて検出された蒸発燃料のガス濃度値の変化
（つまり、感温素子４２の応答特性）を調べた。

【０１０３】まず、図１７に示す様に、仕様１のガス濃
度センサ２５の場合は、混合ガス中の蒸発燃料のガス濃
度が３０％と一定であるにもかかわらず、混合ガスの温
度上昇前は、蒸発燃料のガス濃度検出値が２８％前後と
低く、混合ガスの温度上昇後は、３３％近くまで大幅に
上昇し、測定誤差が大きいことが判った。

【０１０４】これは、感温素子４２にて検出された温度
が、図１７中に示す測定室３４内の実際の混合ガス温度
より、混合ガスの温度上昇前は低く、混合ガスの温度上
昇後は高かったことが前記式（２）の関係に反映された
ためである。この理由は、前記の様に、混合ガスから流
入通路３７、測定室３４、及び流出通路３８の内壁面等
に対してなされる熱伝達によって、流入通路３７内の混
合ガス温度と、測定室３４内の実際の混合ガス温度とが
異なるためであり、仕様１のガス濃度センサ２５では、
混合ガス中の蒸発燃料のガス濃度を正確に測定できない
ことを示している。

【０１０５】一方、図１８に示す様に、仕様２のガス濃
度センサ２５では、測定室３４内の実際の混合ガス温度
を仕様１と同程度だけ上昇させたにもかかわらず、混合
ガスの温度上昇前後で、ガス濃度検出値が３０％前後か
ら３２％前後に上昇したのみで、仕様１のガス濃度セン
サ２５に比べ、ガス濃度検出値の測定誤差が小さくなっ
た。

【０１０６】これは、感温素子４２にて検出された温度
が、仕様１のガス濃度センサ２５の感温素子４２におけ
る温度検出値に比べ、測定室３４内の実際の混合ガス温
度に近かったためであり、その理由は下記の通りであ
る。つまり、仕様２のガス濃度センサ２５では、測定室
３４内で十分に混合ガスが置換される流入孔３４ａと流
出孔３４ｂとの間の領域において、測定室３４内の混合
ガスの温度を直接測定するため、仕様１のガス濃度セン
サ２５に比べ、正確な温度を検出できる上、混合ガスの
温度が変化した場合でも、温度検出値の応答性が良いた
めである。また、感温素子４２は、凹部４１内における
流出孔３４ｂに近い側に配置されているので、凹部４１
内に流入する混合ガスが感温素子４２に当りやすく、温
度検出値の精度が良くなるという理由もある。尚、感温
素子４２は、凹部４１内に配置されているので、測定室
３４内の超音波の伝播を妨げることはなく、超音波の伝
播時間に測定誤差が生じることはない。

【０１０７】従って、感温素子４２の配置箇所として
は、測定室３４内と混合ガスの温度が異なる流入通路３
７内ではなく、測定室３４内における流入孔３４ａと流
出孔３４ｂとの間の側壁に設けられた凹部４１内におけ
る流出孔３４ｂに近い側とする方が良いことが判る。

【０１０８】次に、図１９に示す様に、仕様３のガス濃
度センサ２５では、混合ガスの温度上昇時に、感温素子
４２自体が持つ応答特性から、ガス濃度検出値が、一旦
２９％前後に低下したものの、混合ガスの温度上昇前後
では、ほぼ３０％のガス濃度検出値となり、仕様２のガ
ス濃度センサ２５に比べ、さらに好適であった。

【０１０９】これは、感温素子４２にて検出された温度
が、仕様２のガス濃度センサ２５の感温素子４２におけ
る温度検出値に比べ、さらに測定室３４内の実際の混合
ガス温度に近かったためであり、その理由は下記の通り
である。つまり、仕様３のガス濃度センサ２５では、凹
部４１の形状を、流入孔３４ａから流出孔３４ｂへの方
向に沿って細長くしているので、混合ガスを、凹部４１
内において、効果的に流入出させることができ、凹部４
１内の混合ガスを十分に置換することができるため、仕
様２のガス濃度センサ２５に比べ、さらに正確な温度を
検出できる上、混合ガスの温度が変化した場合でも、温
度検出値の応答性がさらに良いためである。

【０１１０】従って、凹部４１の形状は、真円状とする
よりも、凹部４１内の混合ガスを十分に置換できるよ
う、流入孔３４ａから流出孔３４ｂへの方向に沿って細
長くする方が良いことが判る。以上に述べた実験結果よ
り、感温素子４２による被測定ガスの温度検出精度を高
めるためには、請求項１、２の様に、測定室３４内にお
ける流入孔３４ａと流出孔３４ｂとの間の側壁に、凹部
４１を設け、凹部４１内に感温素子４２を配置すれば良
く、より好ましくは、請求項３の様に、凹部４１を流入
孔３４ａから流出孔３４ｂへの方向に沿って細長くし、
請求項４の様に、感温素子４２を、凹部４１内における
流出孔３４ｂに近い側に配置すれば良いことが、確認で
きた。

【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】 ガス濃度センサ全体の断面構造を示す説明図
である。

【図３】 超音波送受信素子の構造を示す説明図であ
る。

【図４】 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５】 ガス濃度センサの基本原理を示す説明図であ
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）は送受信波形を示すタイミングチャー
ト、（ｂ）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】 （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１１】 変形例としてのガス濃度センサ全体の断面
構造を示す説明図である。

【図１２】 変形例としてのガス濃度センサ全体の断面
構造を示す説明図である。

【図１３】 変形例としてのガス濃度センサ全体の断面
構造を示す説明図である。

【図１４】 変形例としてのガス濃度センサ全体の断面
構造を示す説明図である。

【図１５】 実験例で用いた実験装置の構成を示す説明
図である。

【図１６】 実験例で用いた３仕様のガス濃度センサの
形態を示す説明図である。

【図１７】 仕様１のガス濃度センサによる測定結果を
表すグラフである。

【図１８】 仕様２のガス濃度センサによる測定結果を
表すグラフである。

【図１９】 仕様３（実施例）のガス濃度センサによる
測定結果を表すグラフである。

【符号の説明】

１…エンジン、２１、２２、２３、２４、２５…ガス濃
度センサ、３２…駆動・演算用回路（ガス濃度検出手
段）、３４…測定室、３４ａ…流入孔、３４ｂ…流出
孔、３５…超音波素子、３６…反射面、３７…流入通
路、３８…流出通路、４１…凹部、４２…感温素子。

───────────────────────────────────────────────────── 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 (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 Ｆターム(参考） 2G047 AA01 BA03 BC02 BC03 BC15 EA10 GA18 GG43 GJ19

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 長尺状に形成され、長手方向に沿った側
   壁に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、該測定室の長手方向に沿って互いに対向
   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、 前記被測定ガスの温度を測定するための感温素子と、 該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、該伝播時間と前記感
   温素子にて得られた被測定ガスの温度とに基づいて、前
   記被測定ガス中の特定ガスのガス濃度を検出するガス濃
   度検出手段と、 を備えるガス濃度センサであって、 前記測定室内における前記流入孔と前記流出孔との間の
   側壁に凹部を形成し、該凹部内に前記感温素子を設けた
   ことを特徴とするガス濃度センサ。
2. 【請求項２】 長尺状に形成され、長手方向に沿った側
   壁に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、該測定室の長手方向に沿って互いに対向
   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、 前記被測定ガスの温度を測定するための感温素子と、 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、該伝播時間と前記感温素子にて得られた被測定ガ
   スの温度とに基づいて、前記被測定ガス中の特定ガスの
   ガス濃度を検出するガス濃度検出手段と、を備えるガス
   濃度センサであって、 前記測定室内における前記流入孔と前記流出孔との間の
   側壁に凹部を形成し、該凹部内に前記感温素子を設けた
   ことを特徴とするガス濃度センサ。
3. 【請求項３】 前記凹部を、前記流入孔から前記流出孔
   への方向に沿って、細長く形成し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】 前記感温素子を、前記凹部内の前記流出
   孔側に設けた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】 前記ガス濃度検出手段は、 前記超音波素子に対して、少なくとも一つの変調点を有
   する超音波を送受信させ、 前記超音波の変調点を利用して前記伝播時間を計測し、
   該伝播時間と前記感温素子にて得られた被測定ガスの温
   度とに基づいて、前記特定ガスのガス濃度を検出するも
   のであることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載
   のガス濃度センサ。
6. 【請求項６】 前記ガス濃度検出手段は、 前記超音波素子が超音波を受信してから、次に受信する
   までの伝播時間を計測し、該伝播時間と前記感温素子に
   て得られた被測定ガスの温度とに基づいて、前記特定ガ
   スのガス濃度を検出するものであることを特徴とする請
   求項１〜５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請求項１〜６いずれか
   に記載のガス濃度センサ。