JP2000304732A - Gas concentration sensor - Google Patents

Gas concentration sensor

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JP2000304732A
JP2000304732A JP11198028A JP19802899A JP2000304732A JP 2000304732 A JP2000304732 A JP 2000304732A JP 11198028 A JP11198028 A JP 11198028A JP 19802899 A JP19802899 A JP 19802899A JP 2000304732 A JP2000304732 A JP 2000304732A
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JP
Japan
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wave
gas concentration
gas
ultrasonic
propagation time
Prior art date
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Application number
JP11198028A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideki Ishikawa
秀樹 石川
Yoshikuni Sato
美邦 佐藤
Keigo Tomono
圭吾 伴野
Noboru Ishida
昇 石田
Takafumi Oshima
崇文 大島
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas concentration sensor with which a gas concentration can be measured with high accuracy. SOLUTION: A recessed part 34a is formed so that the bottom face is to be nearly parallel to a reflecting face 34 in an edge part which comes into contact with the sidewall of a measuring chamber in the reflecting face 34. The distance between the edge part of the reflecting face 34 and an ultrasonic element 33 is made longer than the distance between the central part of the reflecting face 34 and the ultrasonic element 33. As a result, different-route waves which are propagated along the sidewall of the measuring chamber are reflected by the bottom face of the recessed part 34a so as to be propagated. That is to say, as compared with a case in which the reflecting face 34 is a plane, the propagation distance of the different-route waves becomes long, and the different-route waves are not synthesized near the modulation point of straight waves. That is to say, since the modulation point of the straight waves can be detected precisely, the time between the modulation point of transmitted waves and the modulation point of receives waves can be measured as the propagation time of ultrasonic waves, and a gas concentration can be measured with high accuracy.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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、又は、燃料電池の燃料
ガス中若しくは排出ガス中のガス成分のガス濃度を測定
するガス濃度センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas concentration of a combustible gas such as evaporative fuel in intake air supplied to an intake pipe of an engine for an internal combustion engine, or a fuel gas or exhaust gas of a fuel cell. The present invention relates to a gas concentration sensor that measures a gas concentration of a gas component in the gas.

【0002】[0002]

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】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。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a fuel supply system from a fuel tank to an engine, a fuel pumping fuel from a fuel tank by a fuel pump to a fuel pipe via a fuel pipe to an injector has been known. Supply system.

【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。
[0003] Separately from this, a second supply system is provided in which a canister temporarily absorbs evaporated fuel generated in a fuel tank, purges fuel accumulated in the canister, and sends the purged gas to an intake pipe. is there. Therefore, in the engine, in addition to the fuel injected from the injector, evaporated fuel such as purge gas (hereinafter simply referred to as purge gas) is burned in the cylinder.

【0004】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,H
C,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。
As described above, if the air-fuel ratio deviates from the stoichiometric air-fuel ratio in the combustion control by supplying the purge gas to the engine separately from the injected fuel, the CO, H
The purifying ability of C and NOx is drastically reduced, and as a result, CO, HC, NOx and the like in the exhaust gas are increased.

【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。
Therefore, in order to use the purge gas as the main fuel system for combustion, for example, when starting the engine, particularly when the catalyst is inactive, the concentration of the purge gas is measured with high accuracy and the supply amount is controlled optimally. It is extremely important to do so. As a sensor for measuring the purge gas, for example, a sensor using ultrasonic waves (ultrasonic sensor) is considered, and its development is being promoted, but is not always sufficient.

【0006】つまり、この種の超音波センサには、超音
波素子に変調点を有する超音波を送受信させ、送受信波
の変調点間の時間(つまり、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があるが、超音波
素子にて実際に受信される超音波は、音圧が最も高く、
最短経路を辿って伝播する成分(直波)と、音圧が比較
的低く、直波より伝播距離が長い成分(異経路波)との
合成波となる。
That is, this type of ultrasonic sensor causes an ultrasonic element to transmit and receive an ultrasonic wave having a modulation point, and based on the time between the modulation points of the transmitted and received waves (ie, the propagation time of the ultrasonic wave), the purge gas Although there is something that detects concentration, the ultrasonic wave actually received by the ultrasonic element has the highest sound pressure,
This is a composite wave of a component (straight wave) propagating along the shortest path and a component (different path wave) having a relatively low sound pressure and a longer propagation distance than the direct wave.

【0007】即ち、直波より若干遅れて伝播する異経路
波が、直波の変調点付近で合成され、測定対象である直
波の変調点の検出が困難となり、直波の伝播時間を正確
に測定できないという問題があった。従って、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。
That is, a different path wave propagating slightly behind a direct wave is synthesized near the modulation point of the direct wave, making it difficult to detect the modulation point of the direct wave to be measured. There was a problem that measurement was not possible. Therefore, there is a problem that it is extremely difficult to accurately control the concentration of the purge gas based on the measurement result of the concentration of the purge gas.

【0008】また、近年では、自動車用のクリーンな動
力源として燃料電池の開発が盛んに行われている。この
燃料電池には溶融炭酸塩型やリン酸型等の方式がある
が、起動・停止の容易さや高出力密度、小型軽量である
等の利点を有する高分子電解質型(PEFC)が特に注
目されている。
In recent years, fuel cells have been actively developed as clean power sources for automobiles. There are several types of fuel cells, such as a molten carbonate type and a phosphoric acid type. The polymer electrolyte type (PEFC), which has advantages such as easy start / stop, high output density, and small size and light weight, has attracted special attention. ing.

【0009】高分子電解質型燃料電池は水素をその燃料
とするが、この水素はメタノールの改質ガスとして改質
機を通して得るのが一般的手法とされている。この際、
より効率的な発電のためにこの改質ガス中の水素濃度を
測定することは極めて重要である。この水素濃度を測定
するガス濃度センサは、可燃ガス中での使用が前提とさ
れるため、その作動温度が低いことが望まれている。こ
のような例としては、特公平7−31153号公報にプ
ロトン導電体膜を用いたセンサ等が開示されているが、
完全に非加熱なものではない。また、ナフィオンを電解
質とした電流測定方式のセンサ等も提案されているが、
燃料始動時に大量に発生するCOにより電極が被毒し、
また湿度依存も大きい等の問題がある。
[0009] The polymer electrolyte fuel cell uses hydrogen as its fuel, and it is generally accepted that this hydrogen is obtained as a reformed gas of methanol through a reformer. On this occasion,
It is extremely important to measure the hydrogen concentration in the reformed gas for more efficient power generation. Since the gas concentration sensor for measuring the hydrogen concentration is assumed to be used in combustible gas, it is desired that the operating temperature be low. As such an example, Japanese Patent Publication No. Hei 7-31153 discloses a sensor using a proton conductor membrane.
Not completely unheated. Also, a current measurement type sensor using Nafion as an electrolyte has been proposed,
The electrode is poisoned by a large amount of CO generated at the start of fuel,
There is also a problem that the humidity dependency is large.

【0010】ところで、このような非加熱でガス濃度を
検知し、雑ガス成分による被毒や湿度依存を減じる方法
として、上記エンジンに使用したような超音波センサを
利用する手法も提案されている。しかしながら、特に水
素ガスのように分子量の小さいガス成分を検出対象とす
る場合には音速が極めて高速となり、異経路波が直波に
重なる可能性が高いため変調点を検出することが困難と
なり、伝播時間測定の困難性が一層顕在化してくるとい
う問題が生じた。
By the way, as a method of detecting the gas concentration without heating and reducing the poisoning and the humidity dependency due to the miscellaneous gas components, a method using an ultrasonic sensor as used in the engine has been proposed. . However, especially when a gas component having a small molecular weight such as hydrogen gas is to be detected, the speed of sound becomes extremely high, and it is difficult to detect a modulation point because a different path wave is likely to overlap a direct wave. A problem has arisen that the difficulty of measuring the propagation time becomes more apparent.

【0011】さらに、このように高速の音波を受信する
に際しては、超音波の送信時に発生したコントローラの
スイッチングノイズや超音波の残響までもが、反射面か
ら返ってきた受信波に重なり、受波が妨げられるという
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、直波の伝播時間を正確
に測定することができ、例えばパージガスのような特定
ガス、あるいは燃料電池に使用される特定ガス等のガス
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。
Further, when receiving such a high-speed sound wave, the switching noise of the controller and the reverberation of the ultrasonic wave generated at the time of transmission of the ultrasonic wave also overlap with the received wave returned from the reflection surface, and There was a problem that was hindered. The present invention has been made to solve the above problems, and has an object to accurately measure a propagation time of a straight wave and to be used for a specific gas such as a purge gas or a fuel cell. An object of the present invention is to provide a gas concentration sensor capable of measuring a gas concentration of a specific gas or the like with high accuracy.

【0012】[0012]

【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、該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まで
の伝播時間を前記変調点を利用して計測し、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
検出するガス濃度検出手段と、を備えるガス濃度センサ
において、前記測定室を、前記反射面の縁部と前記超音
波素子との距離が、前記反射面の中央部と前記超音波素
子との距離より長くなるよう形成したことを特徴とする
ガス濃度センサを要旨とする。
According to the first aspect of the present invention, there is provided a measuring chamber having an inflow hole and an outflow hole through which a gas to be measured flows in and out, facing each other in the measuring chamber. An ultrasonic element that is provided on one of the two wall surfaces to transmit the ultrasonic wave toward the other wall surface and that can receive a reflected wave of the ultrasonic wave reflected on the wall surface as a reflection surface, The ultrasonic element transmits an ultrasonic wave having at least one modulation point and receives the reflected wave, and uses the modulation point to calculate a propagation time from the transmission of the ultrasonic wave to the reception of the reflected wave. And a gas concentration detecting means for detecting a gas concentration of the specific gas in the gas to be measured based on the propagation time. And the distance between the ultrasonic element and And gist of the gas concentration sensor, characterized in that formed so as to be longer than the distance between the central portion and the ultrasound element of the reflecting surface.

【0013】この様に、請求項1に記載のガス濃度セン
サでは、反射面の縁部と超音波素子との距離を、反射面
の中央部と超音波素子との距離より長くしている。これ
により、測定室の側壁に沿って伝播する異経路波の伝播
距離は長くなるので、異経路波が、直波の変調点付近で
合成されることをなくすことができる。
Thus, in the gas concentration sensor according to the first aspect, the distance between the edge of the reflection surface and the ultrasonic element is longer than the distance between the center of the reflection surface and the ultrasonic element. Accordingly, the propagation distance of the different path wave propagating along the side wall of the measurement chamber becomes longer, so that the different path wave can be prevented from being synthesized near the modulation point of the direct wave.

【0014】つまり、直波の変調点の検出を正確に行う
ことができるので、正確な伝播時間の測定ができ、精度
の高いガス濃度の測定が可能となる。そして、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。
In other words, since the modulation point of the direct wave can be detected accurately, the propagation time can be measured accurately, and the gas concentration can be measured with high accuracy. Then, by precisely adjusting the gas concentration based on the measurement result with high accuracy, for example, air-fuel ratio control or the like can be suitably performed.

【0015】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、該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
受信までの伝播時間を前記変調点を利用して計測し、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
ス濃度を検出するガス濃度検出手段と、を備えるガス濃
度センサにおいて、前記測定室の前記反射面の面積を、
前記超音波素子の開口面の面積以上にしたことを特徴と
するガス濃度センサを要旨とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a measurement chamber provided with an inflow hole and an outflow hole through which a gas to be measured flows in and out, and is provided on one of two opposite wall surfaces in the measurement chamber. An ultrasonic element that transmits an ultrasonic wave toward the other wall surface and that can receive a reflected wave of the ultrasonic wave reflected by the wall surface as a reflecting surface, and at least one modulation point for the ultrasonic element. And transmitting the ultrasonic wave having the received reflected wave, measuring the propagation time from the transmission of the ultrasonic wave to the reception of the reflected wave using the modulation point, based on the propagation time, Gas concentration detection means for detecting the gas concentration of the specific gas in the gas to be measured, in a gas concentration sensor, the area of the reflection surface of the measurement chamber,
The gas concentration sensor is characterized in that the area is larger than the area of the opening surface of the ultrasonic element.

【0016】この様に、請求項2に記載のガス濃度セン
サでは、測定室の反射面の面積を、超音波素子の開口面
の面積(詳しくは、超音波を送受信する部分の面積)と
少なくとも等しく、好ましくはより大きくしている。そ
のため、直波と平行に送信された超音波成分中に、測定
室の側壁に入射する成分はなくなるので、直波の伝播時
間に極めて近い時間で伝播する異経路波成分はなくな
る。従って、直波の変調点の検出を正確に行うことがで
きるので、正確な伝播時間の測定ができ、精度の高いガ
ス濃度の測定が可能となる。そして、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。
As described above, in the gas concentration sensor according to the second aspect, the area of the reflection surface of the measurement chamber is at least equal to the area of the opening surface of the ultrasonic element (more specifically, the area of a portion for transmitting and receiving ultrasonic waves). Equal, preferably larger. Therefore, among the ultrasonic components transmitted in parallel with the direct wave, there is no component incident on the side wall of the measurement chamber, so that there is no different-path wave component that propagates in a time very close to the propagation time of the direct wave. Therefore, the modulation point of the direct wave can be detected accurately, so that the propagation time can be measured accurately, and the gas concentration can be measured with high accuracy. Then, by precisely adjusting the gas concentration based on the measurement result with high accuracy, for example, air-fuel ratio control or the like can be suitably performed.

【0017】但し、反射面の面積が、超音波素子の開口
面の面積と等しい場合は、例えば、反射面近傍にて測定
室の側壁に入射する異経路波が問題になる場合がある。
つまり、この成分は、測定室の側壁に入射した後、反射
面と超音波素子との間をこの側壁に沿って直波と平行に
伝播するため、直波の伝播時間に比較的近い時間で伝播
するのである。
However, when the area of the reflection surface is equal to the area of the aperture surface of the ultrasonic element, for example, a different path wave incident on the side wall of the measurement chamber near the reflection surface may be a problem.
In other words, this component, after being incident on the side wall of the measurement chamber, propagates between the reflecting surface and the ultrasonic element along the side wall in parallel with the direct wave, so that the time is relatively close to the propagation time of the direct wave. It propagates.

【0018】従って、より好ましくは、反射面の面積を
超音波素子の開口面の面積より大きくすれば良い。この
場合、測定室の側壁に入射する異経路波は、測定室の側
壁に入射後、反射面と超音波素子との間をこの側壁に沿
って伝播する。そのため、直波の伝播時間は、この異経
路波に比べ、十分に短くなるため、直波の変調点の検出
を一層正確に行うことができ、伝播時間の測定を正しく
行うことができる。
Therefore, more preferably, the area of the reflection surface should be larger than the area of the aperture surface of the ultrasonic element. In this case, the different path wave incident on the side wall of the measurement chamber propagates along the side wall between the reflection surface and the ultrasonic element after being incident on the side wall of the measurement chamber. Therefore, the propagation time of the direct wave is sufficiently shorter than that of the different path wave, so that the modulation point of the direct wave can be detected more accurately, and the propagation time can be measured correctly.

【0019】なお、請求項2に記載のガス濃度センサに
おける反射面の縁部と超音波素子との距離を、請求項1
のように、反射面の中央部と超音波素子との距離より長
くすれば、前記の異経路波の伝播時間はさらに長くな
り、直波の変調点の検出精度をさらに向上することがで
きる。
The distance between the edge of the reflection surface and the ultrasonic element in the gas concentration sensor according to claim 2 is defined as claim 1.
If the distance is longer than the distance between the central portion of the reflection surface and the ultrasonic element as described above, the propagation time of the above-mentioned different path wave is further increased, and the detection accuracy of the modulation point of the direct wave can be further improved.

【0020】また、請求項3の発明は、前記ガス濃度検
出手段は、前記超音波素子に、少なくとも1回の周波数
変調を伴った超音波を送受信させ、前記超音波の変調点
を利用して求めた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ものである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。
Further, according to a third aspect of the present invention, the gas concentration detecting means causes the ultrasonic element to transmit and receive an ultrasonic wave with at least one frequency modulation, and utilizes a modulation point of the ultrasonic wave. The gas concentration sensor according to claim 1 or 2, wherein the gas concentration of the specific gas is detected based on the obtained propagation time.

【0021】請求項3に記載のガス濃度センサは、請求
項1または2の発明を例示したものである。例えば、周
波数をF1からF2に1回だけ変調した超音波を送信す
ると、受信波にも、その周波数変化が反映される。従っ
て、例えば、直波における周波数の切換点(つまり、送
信波−反射波の各々の変調点)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。
A gas concentration sensor according to a third aspect exemplifies the invention of the first or second aspect. For example, when an ultrasonic wave whose frequency is modulated only once from F1 to F2 is transmitted, the received wave reflects the frequency change. Therefore, for example, by measuring the time between frequency switching points in a direct wave (that is, each modulation point of a transmitted wave and a reflected wave),
The propagation time is known. That is, the propagation time of the ultrasonic wave can be accurately measured regardless of the strength of the signal.

【0022】また、請求項4の発明は、前記ガス濃度検
出手段は、前記超音波素子に、少なくとも1点の逆位相
成分を入れた超音波を送受信させ、前記超音波の変調点
を利用して求めた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ものである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。
According to a fourth aspect of the present invention, the gas concentration detecting means causes the ultrasonic element to transmit and receive an ultrasonic wave containing at least one antiphase component, and utilizes a modulation point of the ultrasonic wave. The gas concentration sensor according to claim 1 or 2, wherein the gas concentration of the specific gas is detected based on the propagation time obtained in the above.

【0023】請求項4に記載のガス濃度センサは、請求
項1または2の発明を例示したものである。例えば、1
点の逆位相成分(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。そして、この逆位相ポイントは受信波である反射波
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、直波における逆位相ポイント(つまり、送信波
−反射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。
A gas concentration sensor according to a fourth aspect exemplifies the invention of the first or second aspect. For example, 1
If an ultrasonic wave into which the opposite phase component (180 degrees) of the point is introduced is transmitted, no signal waveform appears at the opposite phase point of the transmission wave. The opposite phase point is also reflected on the reflected wave, which is a received wave, and a portion having no signal waveform appears. Therefore,
For example, the propagation time can be determined by measuring the time between the opposite phase points in the direct wave (that is, the point where there is no signal waveform of each of the transmitted wave and the reflected wave). That is, the propagation time of the ultrasonic wave can be accurately measured regardless of the strength of the signal.

【0024】なお、送信波に導入する変調点としては、
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、
直波における位相切換点(つまり、送信波−反射波の各
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。
The modulation points to be introduced into the transmission wave are:
It may be a switching point of phase by general phase modulation.
In other words, at least one phase switching point (for example, when the phase is changed from θ degrees to (θ
+)), The phase change point is reflected in the received wave. So, for example,
The propagation time can be determined by measuring the time between the phase switching points of the direct wave (that is, the phase switching points of the transmitted wave and the reflected wave). That is, the propagation time of the ultrasonic wave can be accurately measured regardless of the strength of the signal.

【0025】また、請求項5の発明は、前記ガス濃度検
出手段は、前記超音波素子より超音波を送信させ、該超
音波を前記反射面にて反射させた後、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
より後の反射波の受信までの伝播時間を計測し、該伝播
時間に基づいて、前記特定ガスのガス濃度を検出するも
のであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記
載のガス濃度センサを要旨とする。
According to a fifth aspect of the present invention, the gas concentration detecting means transmits an ultrasonic wave from the ultrasonic element, reflects the ultrasonic wave on the reflecting surface, and then transmits the ultrasonic wave to the ultrasonic element side. And reflects the reflected gas again on the reflecting surface, measures the propagation time until the reception of the reflected wave after the first reflected wave, and detects the gas concentration of the specific gas based on the propagation time. The gist of the present invention is a gas concentration sensor according to any one of claims 1 to 4.

【0026】請求項5に記載のガス濃度センサは、請求
項1〜4の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、劣化品において最初の反射波(第1反射
波)の伝播時間は、新品の第1反射波の伝播時間と比べ
て長くなるので、新品の第1反射波の伝播時間に基づい
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。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
9に図示する様に、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、劣化の影響が少ない。
According to a fifth aspect of the present invention, in the gas concentration sensor according to any one of the first to fourth aspects, the ultrasonic wave propagation time is measured with higher accuracy. For example, when the characteristics of, for example, the molding material of the ultrasonic element change due to aging or the like, the propagation time of the first reflected wave (first reflected wave) in the deteriorated product is equal to the propagation time of the new first reflected wave. If the gas concentration of the specific gas is measured based on the propagation time of the new first reflected wave, the gas concentration cannot be detected accurately. On the other hand, the reflected wave (for example, the second reflected wave) after the first reflected wave is simply reflected on the surface of the ultrasonic element and is not affected by the structure inside the element, and therefore, as shown in FIG. Is deteriorated, the fluctuation of the propagation time is small, and the influence of the deterioration is small.

【0027】そこで、請求項5に記載のガス濃度センサ
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。
Therefore, in the gas concentration sensor according to the fifth aspect, not the first reflected wave (the first reflected wave) which is susceptible to the deterioration but the reflected waves after the second reflected wave which are not easily affected by the deterioration. The gas concentration of the specific gas is detected based on the propagation time. Thus, the gas concentration can be measured with high accuracy. Therefore, by precisely adjusting the gas concentration based on the measurement result with high accuracy, for example, air-fuel ratio control can be suitably performed.

【0028】また、請求項6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1〜5のいずれかに記載のガス濃度セン
サを要旨とする。請求項6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。
According to a sixth aspect of the invention, there is provided a gas concentration sensor according to any one of the first to fifth aspects, wherein the specific gas is fuel vapor of an engine for an internal combustion engine. . The gas concentration sensor according to claim 6,
FIG. 3 illustrates the type of a specific gas to be measured by a gas concentration sensor. Here, as the specific gas, a fuel vapor such as a purge gas is measured. Thereby, the gas concentration of the fuel gas can be accurately measured, so that the air-fuel ratio control or the like can be suitably performed.

【0029】ところで、受信波形には、図21に模式的
に示すように、その波形成分として直波、異経路波の他
にも、送信時に発生したコントローラのスイッチングノ
イズや超音波の残響等が現れる。図21(a)に示すよ
うに音速が十分に小さい場合には、これらの各波形成分
が一定の間隔をもって表れるため、各々の波形位置を明
瞭に把握することができる。このため、直波を基準とし
た伝播時間を正確に測定することができる。
As shown in FIG. 21, the received waveform includes not only a direct wave and a different path wave but also switching noise of a controller and reverberation of an ultrasonic wave generated at the time of transmission. appear. When the speed of sound is sufficiently low as shown in FIG. 21A, these waveform components appear at regular intervals, so that the position of each waveform can be clearly grasped. Therefore, it is possible to accurately measure the propagation time based on the straight wave.

【0030】しかしながら、図21(b)に示すよう
に、音速が特に大きいような場合には、残響成分が十分
に収束しないうちに直波が受信されてしまうため、直波
の前半部が残響成分と重なってしまう場合がある。ま
た、直波と異経路波との伝播時間の差を十分にとること
ができないため、直波の後半部に異経路波が重なってし
まう場合がある。このような場合には、送信波の特定の
波形位置に対応する直波の波形位置を検出することが困
難となるため、伝播時間の正確な測定が困難となる。
However, as shown in FIG. 21 (b), when the speed of sound is particularly high, a direct wave is received before the reverberation component is sufficiently converged. It may overlap with the component. Further, since the difference in propagation time between the direct wave and the different path wave cannot be sufficiently obtained, the different path wave may overlap the latter half of the direct wave. In such a case, it is difficult to detect the waveform position of the direct wave corresponding to the specific waveform position of the transmission wave, so that it is difficult to accurately measure the propagation time.

【0031】そこで、このような問題を解決するための
具体的構成として、請求項7に記載された発明は、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、該他方の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、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までの伝
播時間を、前記超音波の波形の特定位置を検出すること
により計測し、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するガス濃度検出手段と
を備えるガス濃度センサにおいて、前記測定室を、前記
反射面の中央部と前記超音波素子との距離が60mm以
上となるように形成したことを特徴とするガス濃度セン
サを要旨とする。
Therefore, as a specific configuration for solving such a problem, the invention described in claim 7 is based on a measuring chamber provided with an inflow hole and an outflow hole through which a gas to be measured flows in and out; Provided on one of the two wall surfaces facing each other in the room, transmitting ultrasonic waves toward the other wall surface and receiving reflected ultrasonic waves reflected from the other wall surface as a reflection surface The ultrasonic element, the ultrasonic element, to transmit the ultrasonic wave and receive the reflected wave, the propagation time from the transmission of the ultrasonic wave to the reception of the reflected wave, the waveform of the ultrasonic wave In the gas concentration sensor comprising: measurement by detecting a specific position of, and based on the propagation time, gas concentration detection means for detecting the gas concentration of the specific gas in the measured gas, the measurement chamber, Center and front of reflective surface The distance between the ultrasonic element is summarized as gas concentration sensor, characterized in that was formed to have a higher 60 mm.

【0032】この請求項7記載の発明は、特に、比較的
分子量が小さいガス成分の濃度を超音波センサにより測
定する場合を想定している。つまり、ガス濃度の測定の
際に音速が極めて大きくなるような場合においても、当
該ガス濃度を有効に検出することができるように、超音
波素子と反射面との距離を具体的に規定したものであ
る。
The invention according to claim 7 particularly assumes a case where the concentration of a gas component having a relatively small molecular weight is measured by an ultrasonic sensor. In other words, the distance between the ultrasonic element and the reflecting surface is specifically defined so that the gas concentration can be effectively detected even when the sound speed becomes extremely large when measuring the gas concentration. It is.

【0033】また、この60mmという距離は、後述す
る実験結果より得られたものであるが、このように距離
を規定すると、反射波の伝播時間を十分にとることがで
きるため、送信波の残響成分が収束した後に反射波が超
音波素子に到達するようになる。この結果、残響成分が
反射波に重なることによる受波の妨害を回避することが
でき、反射波の到達を正確に検知することができる。こ
のことは、特に直波の先頭位置を基準として伝播時間を
測定する場合に都合がよい。
The distance of 60 mm is obtained from the experimental result described later. When the distance is defined as described above, the propagation time of the reflected wave can be sufficiently taken, and the reverberation of the transmitted wave can be obtained. After the components converge, the reflected wave reaches the ultrasonic element. As a result, it is possible to avoid interference with the received wave due to the reverberation component overlapping the reflected wave, and it is possible to accurately detect the arrival of the reflected wave. This is particularly convenient when measuring the propagation time with reference to the head position of the direct wave.

【0034】しかしながら、このように反射面の中央部
と超音波素子との距離を規定するだけでは、反射波(直
波)と残響成分との重なりの問題は解決できても、直波
と異経路波との重なりの問題は解決できない。このこと
は、伝播時間の測定を直波の先頭位置を基準に行う場合
には問題とならないが、直波の変調点を基準に行う場合
には、異経路波の重なりにより当該変調点を正確に検知
できないため問題となる。
However, by simply defining the distance between the central portion of the reflecting surface and the ultrasonic element as described above, the problem of the overlap between the reflected wave (straight wave) and the reverberation component can be solved, but it is different from the straight wave. The problem of overlap with path waves cannot be solved. This is not a problem when the propagation time is measured with reference to the head position of the direct wave, but when the measurement is performed with reference to the modulation point of the direct wave, the modulation point can be accurately determined due to the overlap of different path waves. This is a problem because it cannot be detected.

【0035】つまり、図22(a)に示すように音速が
十分に小さい場合には、各波形成分が一定の間隔をもっ
て表れるため、波形位置を明瞭に把握することができ
る。このため、伝播時間を正確に測定することができ
る。なお、この場合、請求項7記載の構成により、反射
面の中央部と超音波素子との距離が十分にとらえている
ため、伝播時間は図21(a)のときよりも長くなる。
That is, when the speed of sound is sufficiently low as shown in FIG. 22A, each waveform component appears at a fixed interval, so that the waveform position can be clearly grasped. Therefore, the propagation time can be accurately measured. In this case, since the distance between the central portion of the reflecting surface and the ultrasonic element is sufficiently secured according to the configuration described in claim 7, the propagation time is longer than that in FIG.

【0036】しかしながら、図22(b)に示すように
音速が特に大きいような場合には、上記請求項7記載の
構成により、直波の前半部が残響成分と重なるという問
題が解消されても、直波と異経路波との伝播時間の差に
ついては何ら変わらないため、直波の後半部に異経路波
が重なる問題は解消されない。このため、伝播時間の測
定を直波の変調点を基準に行う場合には、送信波の特定
の波形位置に対応する直波の波形位置を検出することが
困難となり、伝播時間の測定が困難となる。
However, in the case where the speed of sound is particularly high as shown in FIG. 22B, even if the problem that the first half of the direct wave overlaps with the reverberation component is solved by the configuration according to the seventh aspect. Since the difference between the propagation times of the direct wave and the different path wave does not change at all, the problem that the different path wave overlaps the latter half of the direct wave is not solved. Therefore, when measuring the propagation time with reference to the modulation point of the direct wave, it is difficult to detect the position of the direct wave corresponding to the specific waveform position of the transmission wave, and it is difficult to measure the propagation time. Becomes

【0037】そこで、請求項8記載の発明は、前記測定
室が、前記反射面の縁部に、該反射面に平行な底面を有
する凹部が設けられ、該凹部の底面と前記超音波素子と
の距離が、前記反射面の中央部と前記超音波素子との距
離より18mm以上長くなるように形成されたことを特
徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のガス濃度セン
サを要旨とする。
According to an eighth aspect of the present invention, in the measurement chamber, a concave portion having a bottom surface parallel to the reflective surface is provided at an edge of the reflective surface, and the bottom surface of the concave portion and the ultrasonic element are connected to each other. The gas concentration sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein the distance is set to be 18 mm or more longer than the distance between the center of the reflection surface and the ultrasonic element. I do.

【0038】この請求項8記載の発明は、さらに、反射
面に形成した凹部の底面と超音波素子との距離を具体的
に規定したものであり、上記請求項7と同様、ガス濃度
の測定の際に音速が極めて大きくなるような場合におい
ても、当該ガス濃度を有効に検出できる構成を具体的に
示したものである。
According to the present invention, the distance between the bottom surface of the concave portion formed on the reflection surface and the ultrasonic element is specifically defined. In this case, even when the speed of sound becomes extremely large, a configuration capable of effectively detecting the gas concentration is specifically shown.

【0039】この18mmという距離も後述する実験結
果により得られたものであり、このように距離を規定す
ると、直波の伝播距離と異経路波の伝播距離との差を十
分にとることができるため、直波が到達し終わった後に
異経路波が到達するようになる。この結果、異経路波が
直波に重なることによる受波の妨害を回避することがで
き、反射波の到達を正確に検知することができる。
The distance of 18 mm is also obtained from the experimental result described later. When the distance is defined in this manner, a sufficient difference between the propagation distance of the direct wave and the propagation distance of the different path wave can be obtained. Therefore, the different path wave arrives after the arrival of the straight wave. As a result, it is possible to avoid the interference of the received wave due to the overlapping of the different path wave and the straight wave, and it is possible to accurately detect the arrival of the reflected wave.

【0040】請求項7及び請求項8により特定された構
成を採用した場合の受信波形が、図17に示されてい
る。このように、音速が大きい場合においても各波形成
分が一定の間隔をもって表れるため、各々の波形位置を
明瞭に把握することができる。このため、直波を基準と
した伝播時間を正確に測定することができる。
FIG. 17 shows a reception waveform when the configuration specified by claims 7 and 8 is adopted. In this way, even when the sound speed is high, each waveform component appears at a fixed interval, so that the position of each waveform can be clearly grasped. Therefore, it is possible to accurately measure the propagation time based on the straight wave.

【0041】請求項9記載の発明は、前記特定ガスが、
水素ガスであることを特徴とする請求項1〜8のいずれ
かに記載のガス濃度センサを要旨とする。請求項9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
定ガスの種類を示したものであり、特に請求項7及び請
求項8のガス濃度センサがその有効性を顕著に発揮でき
る特定ガスとして示したものである。水素ガスは分子量
が小さく、その混合比が大きくなるに従い、ガス濃度測
定の際の音速が極めて大きくなるガスの一つである。こ
の水素ガスを測定対象としたものとしては、例えば燃料
電池等が挙げられる。
According to a ninth aspect of the present invention, the specific gas is:
A gas concentration sensor according to any one of claims 1 to 8, wherein the gas concentration sensor is hydrogen gas. The gas concentration sensor according to the ninth aspect indicates the type of the specific gas to be measured by the gas concentration sensor. In particular, the gas concentration sensors according to the seventh and eighth aspects can remarkably exhibit their effectiveness. This is shown as a specific gas. Hydrogen gas is one of the gases whose molecular weight is small and the sound speed at the time of measuring the gas concentration becomes extremely large as the mixing ratio increases. A fuel cell or the like may be used as a measurement object of the hydrogen gas.

【0042】[0042]

【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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment (embodiment) of a gas concentration sensor according to the present invention will be described below with reference to the drawings. (Embodiment 1) In this embodiment, a gas concentration sensor using an ultrasonic wave is used to measure the gas concentration of evaporated fuel.

【0043】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。
First, the system configuration in this embodiment will be described. FIG. 1 is a system configuration diagram including a gas concentration sensor. As shown in FIG. 1, in the present embodiment, a throttle valve 3 for adjusting an intake air amount, a fourth gas concentration sensor 24 for detecting a gas concentration of purge gas, Injector 6 for injecting fuel
Is arranged.

【0044】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。
On the other hand, an oxygen sensor (all-area air-fuel ratio sensor) 8 for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas and a three-way catalyst 9 for purifying the exhaust gas are arranged in the exhaust pipe 7 of the engine 1 from the upstream side. . Further, as a path for supplying fuel to the engine 1, a first supply system for supplying liquid fuel and a second supply system for supplying gaseous fuel are provided.

【0045】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。
As the first supply system, a gasoline tank 11 is provided via a first supply path 12 and a fuel pump 15.
It is connected to the injector 6. Therefore, fuel is supplied from the gasoline tank 11 to the injector 6 via the first supply path 12 by the fuel pump 15, and is injected from the injector 6 into the intake pipe 2.

【0046】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。
On the other hand, as a second supply system, the gasoline tank 11 is connected to a canister 14 via a second supply path 13, and the canister 14 is connected to a throttle valve 3 via a third supply path 16 and a purge valve 17. And the fourth gas concentration sensor 24 is connected to the intake pipe 2.

【0047】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。
In this embodiment, the second supply path 1
3, a first gas concentration sensor 21, a second gas concentration sensor 22, and a third gas concentration sensor 23 for detecting the gas concentration of the evaporated fuel, respectively, in the canister 14, and in the third supply path 16 between the canister 14 and the purge valve 17. Is arranged.
Any one of the first to third gas concentration sensors 21 to 23 may be arranged. In addition, the fuel purged (discharged by evaporation) from the canister 14 is referred to as purge gas.

【0048】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。
Therefore, the fuel evaporated from the gasoline tank 11 is once adsorbed by the canister 14, and the outside air is appropriately introduced into the canister 14 to purge the fuel. Then, the evaporated fuel (purge gas) generated by the purge is supplied to the intake pipe 2 between the throttle valve 3 and the fourth gas concentration sensor 24 after the gas flow rate is adjusted by the purge valve 17.

【0049】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。
The system includes an electronic control unit (EC) for controlling the supply of the purge gas and controlling the air-fuel ratio.
U) 26. The ECU 26 includes first to first
Fourth gas concentration sensors 21 to 24 (hereinafter gas concentration sensor 2)
5), signals from various sensors such as an oxygen sensor 8 and an air flow meter 10, and outputs control signals to various actuators such as a purge valve 17, a throttle valve 3, and an injector 6. In addition, EC
U26 also turns on the gas concentration sensor 25.
It also outputs a control signal such as OFF.

【0050】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。
Next, the structure and the basic principle of the gas concentration sensor 25 of this embodiment will be described. First, the structure of the gas concentration sensor 25 will be described. The gas concentration sensor 25 of the present embodiment is an ultrasonic gas concentration sensor that generates an ultrasonic wave using a piezoelectric element, and in particular, an ultrasonic transmission / reception element (element ASSY) for both transmitting and receiving ultrasonic waves. Is used.

【0051】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と、蒸発燃料を含む
吸入空気が導入される測定室32と、測定室32内で対
向する2箇所の端部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)33と、測定室32
内にて超音波を反射させるため、超音波素子33が設け
られた端部に対向する他方の端部に所定の距離Lだけ離
れて設けられた反射面34と、吸入空気が流入・流出す
る流入孔36及び流出孔37(図中には、入口36,出
口37とも記す)と、から成る。なお、反射面34にお
ける測定室32の側壁と接する縁部には、底面が反射面
34と略平行となるよう凹部34aが形成されている。
そのため、凹部34aの底面と超音波素子33との距離
は、反射面34の中央部と超音波素子33との距離よ
り、L’だけ長くなっている。
More specifically, as shown in FIG. 2, the gas concentration sensor 25 includes a driving / calculating circuit 31, a measuring chamber 32 into which intake air containing fuel vapor is introduced, and an opposing inside of the measuring chamber 32. An ultrasonic transmitting / receiving element (hereinafter, also simply referred to as an ultrasonic element) 33 provided at one of the two end portions to be measured;
In order to reflect the ultrasonic wave inside, the reflection surface 34 provided at a predetermined distance L at the other end opposite to the end where the ultrasonic element 33 is provided, and the intake air flows in and out. An inlet 36 and an outlet 37 (also referred to as an inlet 36 and an outlet 37 in the figure). A concave portion 34 a is formed at an edge portion of the reflection surface 34 that is in contact with the side wall of the measurement chamber 32 so that the bottom surface is substantially parallel to the reflection surface 34.
Therefore, the distance between the bottom surface of the concave portion 34 a and the ultrasonic element 33 is longer by L ′ than the distance between the central portion of the reflection surface 34 and the ultrasonic element 33.

【0052】超音波素子33は、圧電素子38と、圧電
素子38の測定室32側の端面に接着された整合層39
と、圧電素子38からのセンサ出力を取り出すよう圧電
素子38より引き出された出力取り出しリード41と、
圧電素子38、整合層39及び出力取り出しリード41
の圧電素子38側の端部をモールド材42にて内部で固
定する素子ケース43と、から成る。なお、整合層39
の測定室32側の端面は、素子ケース41の測定室32
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39及び素子ケース43の測定室32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。
The ultrasonic element 33 includes a piezoelectric element 38 and a matching layer 39 adhered to the end face of the piezoelectric element 38 on the measurement chamber 32 side.
An output extraction lead 41 extracted from the piezoelectric element 38 so as to extract a sensor output from the piezoelectric element 38,
Piezoelectric element 38, matching layer 39 and output lead 41
And an element case 43 in which the end on the side of the piezoelectric element 38 is fixed by a molding material 42 inside. The matching layer 39
The end face on the measurement chamber 32 side is the measurement chamber 32 of the element case 41.
It is arranged so as to substantially coincide with the end face on the side. A resin thin film having excellent oil resistance and heat resistance is bonded to the matching layer 39 and the end face of the element case 43 on the measurement chamber 32 side.

【0053】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31の構成を
説明する。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。
Next, the configuration of the driving / calculating circuit 31 of the gas concentration sensor 25 corresponding to the gas concentration detecting means of the present invention will be described. As shown in the block diagram of FIG. 3, a CPU (microcomputer) 51 is used for driving and calculating the gas concentration sensor 25. Transmission and reception of ultrasonic waves are switched using transmission / reception switches (SW) 52a and 52b.

【0054】そして、送信時には、ドライバーを用いて
超音波素子33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33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。
At the time of transmission, a voltage is applied to the ultrasonic element 33 using a driver to transmit the ultrasonic wave. On the other hand, at the time of reception, a reception waveform obtained by the ultrasonic element 33 is subjected to predetermined amplification by an amplifier (amplification AMP) 53, and a waveform signal shaped through a comparator 54 is introduced into the CPU 51. The CPU 51 measures the propagation time using a timer, converts the measurement result into a density by referring to a map, and outputs the density to, for example, a display device (not shown).

【0055】次に、ガス濃度センサ25の基本原理につ
いて説明する。なお、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。
Next, the basic principle of the gas concentration sensor 25 will be described. Although the transmitting unit 25b and the receiving unit 25a are shown separately in FIG. 4 for the purpose of explanation, in the present embodiment, an element that is used for both transmission and reception is used. As shown in FIG. 4, when performing concentration measurement using the gas concentration sensor 25, an ultrasonic wave is transmitted from the transmission unit 25b, and the ultrasonic wave is received by the reception unit 25a. At this time, there is a shift in the propagation time between the transmission waveform and the reception waveform, for example, according to the gas concentration of the purge gas in the intake air. For example, FIG.
As shown in FIG. 4A, when the gas concentration of the purge gas is low, the propagation time T1, which is the difference between the transmission waveform and the reception waveform, is small. On the other hand, as shown in FIG. Is higher, the propagation time T2 is longer. Therefore, by extracting the sensor output corresponding to the propagation time, the gas concentration can be detected.

【0056】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。
For example, when measurement is performed using butane, which is a main component of the evaporated fuel, there is a substantially proportional relationship between the sensor output and the gas concentration of butane, as shown in FIG.
Therefore, if a sensor output is obtained, the concentration of the purge gas can be detected from the sensor output.

【0057】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。
Next, a method of actually measuring the gas concentration of the evaporated fuel (purge gas) using the above-described basic principle by the gas concentration sensor 25 will be described. First, an example of an arithmetic expression for calculating the gas concentration from the ultrasonic wave propagation time will be described.

【0058】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。
In the present embodiment, as shown in FIG. 6A, transmission is performed by including two types of frequency components F1 and F2 in an ultrasonic transmission wave. That is, the transmission frequency is changed from F1 to F2.
Is modulated. In this case, since the frequency change is reflected in the received wave, the time at which the modulation point appears in the received wave is defined as the arrival time. That is, by measuring the time between the frequency switching points (for example, each modulation point of the transmitted wave and the reflected wave), the propagation time can be determined.

【0059】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33の外表面(整合層39から樹脂薄膜を隔てたの
表面)と反射面34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。
After measuring the propagation time in this way, the sound speed C of the ultrasonic wave indicating the gas concentration is calculated by the following equation (1).
Is calculated from That is, as shown in FIG. 6B, since the distance L between the outer surface of the ultrasonic element 33 (the surface separated from the matching layer 39 and the resin thin film) and the reflection surface 34 is known,
The propagation time T, which is the time for one round trip of the distance L, is measured, and the sound velocity C is calculated by applying the distance L and the propagation time T to the following equation (1).

【0060】 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。
C = 2L (reciprocating distance from the element surface to the reflection surface) / T (propagation time) (1) Then, for example, the gas concentration of the evaporated fuel is determined using the gas concentration Xk of butane, which is the main component of the evaporated fuel. When measuring
Using the relationship of the following equation (2), the sound velocity C obtained by the above equation (1) is converted into the gas concentration of the evaporated fuel (that is, the gas concentration of butane Xk).

【0061】[0061]

【数1】 (Equation 1)

【0062】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。
In the equation (2), R is a gas constant, Tg is the temperature of the intake air containing the evaporated fuel, Cpn is the specific heat of the n-th component gas contained in the intake air, and Cvn is the n-th component. Is the specific heat of the gas, Mn is the molecular weight of the n-th component gas, X
n represents the mixture ratio of the gas of the n-th component (in other words, the gas concentration of the gas of the n-th component).

【0063】そして、上記式(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、上記したように図5
に示す様な比例関係があり、これをマップとして用いる
ことができる。 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。
Then, from the relationship of the above equation (2), assuming, for example, the types of gas components other than butane contained in the intake air through which the ultrasonic wave propagates and the mixing ratio thereof, the propagation time T and the intake air temperature The gas concentration Xk of butane can be measured based on Tg. In this case, if the intake air temperature Tg is constant, between the sensor output corresponding to the sound speed C and the butane gas concentration Xk, as described above, as shown in FIG.
There is a proportional relationship as shown in the following, and this can be used as a map. Therefore, by extracting a value corresponding to the sound velocity C as a sensor output (voltage), the value shown in FIG.
The gas concentration can be obtained from the map shown in FIG.

【0064】なお、変調点の判別は、反射面34の縁部
に凹部34aが設けられているため、容易に行うことが
できる。図7は、反射面34に凹部34aがある場合、
及び反射面34が平面の場合の超音波素子33における
受信反射波の違いを示したものである。
The determination of the modulation point can be easily performed because the concave portion 34a is provided at the edge of the reflection surface 34. FIG. 7 shows a case where the reflecting surface 34 has a concave portion 34a.
3 shows a difference between the reflected waves received by the ultrasonic element 33 when the reflection surface 34 is a flat surface.

【0065】図7において、経路1は、超音波素子33
から送信される超音波のうち、音圧(感度)が最も高
く、伝播時間が短い成分(つまり、超音波素子と反射面
との間の最短経路を辿る成分であり、以下直波と記す)
の経路である。また、経路2は、超音波素子33から送
信される超音波のうち、音圧(感度)が比較的低く、伝
播時間が長い成分(つまり、異経路を伝播する成分であ
り、以下異経路波と記す)の経路である。
In FIG. 7, the path 1 includes the ultrasonic element 33
Component having the highest sound pressure (sensitivity) and the shortest propagation time among the ultrasonic waves transmitted from the device (that is, a component that follows the shortest path between the ultrasonic element and the reflection surface, and is hereinafter referred to as a direct wave).
Route. The path 2 is a component having a relatively low sound pressure (sensitivity) and a long propagation time (i.e., a component propagating through a different path; ).

【0066】尚、音波の特性で、音響インピーダンスの
異なる物質に斜めに入射すると、その境界面(気体−固
体間の境界面、この場合は、測定室32の側壁を指す)
を伝播する成分があることが一般的に知られており、経
路2は、その様な成分が辿る経路を示している。
When obliquely incident on a substance having a different acoustic impedance due to the characteristics of sound waves, the boundary surface (the boundary surface between the gas and the solid, in this case, the side wall of the measuring chamber 32).
It is generally known that there is a component that propagates, and path 2 indicates a path followed by such a component.

【0067】つまり、測定対象は、伝播距離が2Lであ
る成分、即ち直波の伝播時間である。反射面が平面であ
る従来のガス濃度センサの場合(図7(b))には、直
波より若干遅れて伝播する異経路波(特に、超音波素子
33からの送信後、反射面34近傍にて測定室32の側
壁に入射し、測定室32の側壁に沿って反射面34まで
伝播した後、反射面34に反射され、再度測定室32の
側壁に沿って超音波素子33に到達する成分)が、直波
の変調点付近で合成されるため、直波の変調点の検出が
困難になり、伝播時間Tの測定を正確に行うことができ
ない。
That is, the object to be measured is a component whose propagation distance is 2L, that is, the propagation time of a direct wave. In the case of a conventional gas concentration sensor having a flat reflecting surface (FIG. 7B), a different-path wave propagating slightly later than a direct wave (especially, near the reflecting surface 34 after transmission from the ultrasonic element 33). The light enters the side wall of the measurement chamber 32, propagates along the side wall of the measurement chamber 32 to the reflection surface 34, is reflected by the reflection surface 34, and reaches the ultrasonic element 33 again along the side wall of the measurement chamber 32. Component) is synthesized near the modulation point of the direct wave, so that it is difficult to detect the modulation point of the direct wave, and the measurement of the propagation time T cannot be performed accurately.

【0068】一方、反射面34に凹部34aがある場合
(図7(a))には、反射面34が平面の場合に比べ、
異経路波は直波よりさらに遅れて伝播する。即ち、この
場合の異経路波は、反射面34の中央部より超音波素子
33との距離が長い凹部34aの底面に反射されて伝播
するため、反射面34が平面の場合の異経路波に比べ、
2L’だけ長い距離を伝播する。従って、この場合の異
経路波が直波の変調点付近で合成されることはなく、直
波の変調点の検出を正確に行うことができるので、正確
な伝播時間Tの測定をすることができる。つまり、前記
式(1)により、正確な音速Cが得られるので、蒸発燃
料の濃度を高精度に測定することができる。
On the other hand, when the reflecting surface 34 has the concave portion 34a (FIG. 7A), the reflecting surface 34 is flat compared to the case where the reflecting surface 34 is flat.
The different path wave propagates later than the direct wave. That is, since the different path wave in this case is reflected on the bottom surface of the concave portion 34a whose distance to the ultrasonic element 33 is longer than the central part of the reflection surface 34 and propagates, the different path wave becomes a different path wave when the reflection surface 34 is flat. compared,
It propagates a long distance by 2L '. Accordingly, the different path wave in this case is not synthesized near the modulation point of the direct wave, and the detection of the modulation point of the direct wave can be performed accurately. Therefore, it is possible to measure the propagation time T accurately. it can. That is, since the accurate sound velocity C is obtained by the above equation (1), the concentration of the evaporated fuel can be measured with high accuracy.

【0069】そして、実際の反射波の検出は、測定精度
をさらに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33における送受信波形を示す図
である。なお、ここでは、検出方法の説明のために検出
対象の直波の波形のみを示している。
The actual detection of the reflected wave is performed as described below in order to further improve the measurement accuracy. FIG.
FIG. 3B is a diagram illustrating transmission / reception waveforms in the ultrasonic element 33. Note that, here, only the waveform of the direct wave to be detected is shown for explanation of the detection method.

【0070】まず、超音波素子33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34で反射
して、超音波素子33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33の表
面で反射して、再度反射面34にて反射し、再度超音波
素子33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。
First, when a transmission wave whose frequency is modulated is transmitted from the ultrasonic element 33, the transmission wave is reflected by the reflection surface 34 and detected as a reflected wave (first reflected wave) by the ultrasonic element 33. You. The first reflected wave is reflected on the surface of the ultrasonic element 33, is reflected again on the reflecting surface 34, and is detected again by the ultrasonic element 33 as a reflected wave (second reflected wave) of the reflected wave. . Hereinafter, similar reflection is repeated, but as the propagation distance increases, the reflected wave gradually attenuates.

【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、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。
Thereafter, when a predetermined time elapses after the first transmission wave is output, the transmission / reception switches 52a and 52b are switched to transmit the next transmission wave, and FIG.
As shown in (a), the next transmission wave is transmitted, and thereafter, the same processing is repeated. At this time, since the microcomputer input waveform (that is, the comparator output) is in the state shown in FIG. 8C, the time between the modulation points of the frequency is measured. That is, the received wave is converted into a digital signal (high or low 2) by a comparator based on a predetermined threshold level.
After converting the signal into a value signal, the signal is input to a microcomputer and the rise and fall times of the digital signal are measured by an internal timer or the like, so that the modulation point can be determined. Therefore, the time between each modulation point can be obtained.

【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。
More specifically, first, a first arrival time (therefore, a first propagation time) T1 from the modulation point of the transmission wave to the modulation point of the first reflection wave is measured, and the second arrival time T2 from the modulation point of the transmission wave is measured. The second arrival time T3 up to the modulation point of the reflected wave is measured.
Then, the first arrival time T1 is subtracted from the second arrival time T3 to determine the propagation time of the second reflected wave (second propagation time T2).

【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33のモールド材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
レ発生要因としては、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。
Therefore, in this embodiment, the gas concentration is detected by using the second propagation time T2 obtained as described above, for the following reason. For example, the first propagation time T1 fluctuates due to deterioration with time of the molding material 42 of the ultrasonic element 33, and the like. In other words, as a cause of the deviation of the first propagation time T1, the inertia of the piezoelectric element 38 changes when the molding material 42 is hardened or absorbs and absorbs water, thereby affecting the amplitude (sensitivity) of the received waveform. In addition to this, it is conceivable that a shift of the modulation point is involved.

【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33表面で反
射した反射波が反射面34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。
That is, as shown in FIG. 9, for example, comparing a sensor (OLD) with deterioration with time and a new sensor (NEW), the OLD sensor shows that the first reflected wave
There is a change that the number of peaks increases and the amplitude decreases. As a result, the first propagation time T1 ′ of the OLD becomes longer than the first propagation time T1 of the NEW sensor. However, the second reflected wave has the same tendency, and the reflected wave simply reflected on the surface of the element 33 is simply reflected on the reflecting surface 34.
It is not affected by aging, and therefore, the second propagation time T2 of the NEW sensor and the second propagation time T2 ′ of the OLD sensor
Is the same as

【0075】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。
Therefore, if the second propagation time is used as the propagation time used when calculating the sound velocity C, the sound velocity C can always be measured correctly because it is not affected by deterioration over time. This is because the second
If the propagation time is measured, the modulation points of the first reflected wave and the second reflected wave also shift, so that the shift of the modulation point due to the change with time can be canceled, and the propagation time can be measured correctly regardless of the change with time. Because it becomes.

【0076】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。以上説明し
たように、本実施例のガス濃度センサ25においては、
反射面34の縁部に凹部34aが形成されているので、
反射面34が平面の場合に比べて、直波の変調点の検出
を正確に行なうことができ、正確な伝播時間Tの測定を
することができる。
Therefore, in this embodiment, the sound velocity C is calculated using the above-described second propagation time, a sensor output corresponding to the sound velocity C is obtained, and the sensor output is applied to a map as shown in FIG. It detects the gas concentration. As described above, in the gas concentration sensor 25 of the present embodiment,
Since the concave portion 34a is formed at the edge of the reflecting surface 34,
As compared with the case where the reflection surface 34 is a flat surface, the modulation point of the direct wave can be detected more accurately, and the propagation time T can be measured more accurately.

【0077】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。尚、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。
Since the second propagation time is used when calculating the sound velocity C, the correct sound velocity C can be always measured without being affected by the deterioration with time. In the above embodiment, the first arrival time T1 is subtracted from the second arrival time T3 to calculate the propagation time (second propagation time T2) of the second reflected wave. However, the (n + 1) th arrival time Tn +
The propagation time of the (n + 1) th reflected wave (the (n + 1) th propagation time Tn + 1) may be obtained by subtracting the (n) th arrival time Tn + 1 from 2 (n is an integer of 2 or more). However, as the propagation distance becomes longer, the reflected wave gradually attenuates, so that the measuring accuracy decreases as the number of reflections increases.

【0078】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。
The time from the detection of a certain modulation point to the detection of the next modulation point (for example, the time from the modulation point of the first reflected wave to the modulation point of the second reflected wave) is directly measured. In this case, the same result as in the above embodiment can be obtained. Further, the waveform at the modulation point may lack reproducibility depending on the setting of the threshold level of the comparator 54. Therefore, the waveform at the modulation point may be used as a reference, for example, by detecting the waveform of a certain peak before the modulation point. You may use as.

【0079】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、反射面34の縁部に反
射面34と略平行な底面を有する凹部34aを設けた
が、反射面34の縁部と超音波素子33との距離が、反
射面34の中央部と超音波素子33との距離より長くな
るように、反射面34を構成するものであれば、上記実
施例と同様の効果が得られることはいうまでもない。
Further, in the above embodiment, the frequency of the transmission wave is frequency-modulated only once from F1 to F2, but it goes without saying that the transmission wave may be accompanied by two or more frequency modulations. Further, in the above embodiment, the concave portion 34 a having the bottom surface substantially parallel to the reflective surface 34 is provided at the edge of the reflective surface 34, but the distance between the edge of the reflective surface 34 and the ultrasonic element 33 is reduced. It is needless to say that the same effect as in the above embodiment can be obtained as long as the reflecting surface 34 is configured so as to be longer than the distance between the central portion and the ultrasonic element 33.

【0080】図10には、その一例として、図7(a)
に示した凹部34aと形状が異なる凹部34bが反射面
34の縁部に形成されたものを示す。図10に示す様
に、この凹部34bは、反射面34の縁部近傍の表面か
ら曲面を伴って形成されたもので、この凹部34bにお
ける測定室32の側壁と接する箇所では、超音波素子3
3との距離が最も長くなっている。そして、この場合
も、上記実施例と同様に、経路2を辿る異経路波が、経
路1を辿る直波より十分に遅れて伝播するため、直波の
変調点の検出を正確に行なうことができ、正確な伝播時
間Tの測定をすることができる。 (実施例2)次に、実施例2について説明する。
FIG. 10 shows, as an example, FIG.
A concave portion 34b having a different shape from the concave portion 34a shown in FIG. As shown in FIG. 10, the concave portion 34b is formed with a curved surface from the surface near the edge of the reflection surface 34. In the concave portion 34b, where the ultrasonic element 3
3 is the longest. Also in this case, similarly to the above embodiment, since the different path wave following the path 2 propagates sufficiently later than the direct wave following the path 1, it is possible to accurately detect the modulation point of the direct wave. It is possible to accurately measure the propagation time T. (Embodiment 2) Next, Embodiment 2 will be described.

【0081】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。本実施例は、図11(a)に示す
ように、反射面34の面積を、超音波素子33の開口面
の面積(詳しくは、超音波を送受信する部分の面積)よ
り大きくしたことを特徴とする。
The description of the same parts as in the first embodiment is as follows.
Omitted or simplified. As shown in FIG. 11A, the present embodiment is characterized in that the area of the reflecting surface 34 is larger than the area of the opening surface of the ultrasonic element 33 (specifically, the area of a part that transmits and receives ultrasonic waves). And

【0082】まず、図11(b)に示す様に、反射面3
4の面積が、超音波素子33の開口面の面積より小さい
場合は、経路1を辿る直波と平行に送信された超音波成
分中に、反射面34近傍で測定室32の側壁に入射する
異経路波も存在する。この異経路波中には、測定室32
の側壁に入射した後、この側壁に沿って反射面34まで
伝播し、反射面34にて反射された後、直波と平行な経
路を辿って超音波素子33に到達する成分(つまり、経
路3を辿る成分)も含まれている。この様な成分の伝播
時間は直波の伝播時間に極めて近い。従って、この異経
路波成分は直波の変調点付近で合成され、直波の変調点
の検出が困難になることから、伝播時間Tを正確に測定
することができなくなる。
First, as shown in FIG.
When the area of the ultrasonic wave element 4 is smaller than the area of the aperture surface of the ultrasonic element 33, the ultrasonic wave component transmitted in parallel with the direct wave following the path 1 is incident on the side wall of the measurement chamber 32 near the reflection surface 34. Different path waves also exist. During this different path wave, the measurement room 32
Incident on the side wall, propagates along the side wall to the reflecting surface 34, is reflected by the reflecting surface 34, and then reaches the ultrasonic element 33 following a path parallel to the direct wave (that is, the path). 3). The propagation time of such components is very close to the propagation time of a straight wave. Therefore, the different-path wave components are synthesized near the modulation point of the direct wave, which makes it difficult to detect the modulation point of the direct wave, so that the propagation time T cannot be measured accurately.

【0083】一方、反射面34の面積を、超音波素子3
3の開口面の面積と等しくすれば、直波と平行に送信さ
れた超音波成分中に、測定室32の側壁に入射する成分
はない。つまり、上記の経路3を辿る異経路波のよう
に、直波の伝播時間に極めて近い時間で伝播する成分は
なくなるため、直波の変調点の検出を正確に行なうこと
ができ、正確な伝播時間Tの測定をすることができる。
On the other hand, the area of the reflecting surface 34 is
Assuming that the area is equal to the area of the opening surface of No. 3, there is no component incident on the side wall of the measurement chamber 32 among the ultrasonic components transmitted in parallel with the direct wave. In other words, there is no component that propagates in a time very close to the propagation time of the direct wave, unlike the different-path wave that follows the above-described path 3, so that the modulation point of the direct wave can be detected accurately, and accurate propagation Time T can be measured.

【0084】しかし、この場合は、例えば、反射面34
近傍にて測定室32の側壁に入射する異経路波が、直波
の変調点近傍で合成される可能性がある。つまり、この
異経路波は、反射面34近傍にて測定室32の側壁に入
射した後、この側壁に沿って反射面34まで伝播する。
そして、反射面34にて反射された後、測定室32の側
壁に沿った、直波と平行な経路を辿って超音波素子33
に向かって伝播するため、直波の伝播時間に比較的近い
時間で伝播するのである。
However, in this case, for example, the reflecting surface 34
There is a possibility that a different-path wave incident on the side wall of the measurement chamber 32 in the vicinity may be synthesized in the vicinity of the modulation point of the direct wave. That is, the different path wave is incident on the side wall of the measurement chamber 32 in the vicinity of the reflection surface 34, and then propagates along the side wall to the reflection surface 34.
Then, after being reflected by the reflection surface 34, the ultrasonic element 33 follows a path parallel to the straight wave along the side wall of the measurement chamber 32.
Therefore, it propagates at a time relatively close to the propagation time of a straight wave.

【0085】従って、より好ましくは、反射面34の面
積を、超音波素子33の開口面の面積より大きくすれば
良い。この場合、図11(a)に示すように、測定室3
2の側壁に入射する異経路波は、経路2を辿る。即ち、
測定室32の側壁に入射し、この側壁に沿って反射面3
4まで伝播し、反射面34にて反射された後、超音波素
子33に到達するまで、再度測定室32の側壁に沿って
伝播するのである。つまり、この様な異経路波に比べ、
直波の伝播時間は十分に短くなるため、直波の変調点の
検出を一層正確に行なうことができ、伝播時間Tの測定
を正しく行うことができる。
Therefore, it is more preferable that the area of the reflecting surface 34 be larger than the area of the opening surface of the ultrasonic element 33. In this case, as shown in FIG.
The different path wave incident on the side wall of No. 2 follows the path 2. That is,
The light enters the side wall of the measurement chamber 32 and is reflected along the side wall.
4, and after being reflected by the reflection surface 34, propagates again along the side wall of the measurement chamber 32 until reaching the ultrasonic element 33. In other words, compared to such a different path wave,
Since the propagation time of the direct wave is sufficiently short, the modulation point of the direct wave can be detected more accurately, and the measurement of the propagation time T can be performed correctly.

【0086】なお、この場合の反射面34の縁部に実施
例1で示した凹部34a(34b)を形成すれば、前記
の異経路波の伝播時間はさらに長くなり、直波の変調点
の検出精度をさらに向上することができる。 (実施例3)次に、実施例3について説明する。
If the concave portion 34a (34b) shown in the first embodiment is formed at the edge of the reflecting surface 34 in this case, the propagation time of the above-mentioned different path wave is further increased, and the modulation point of the direct wave is changed. The detection accuracy can be further improved. Third Embodiment Next, a third embodiment will be described.

【0087】尚、上記実施例1と同様な箇所の説明は、
省略又は簡略化する。本実施例は、例えば水素ガスのよ
うな分子量が小さいガス成分の濃度を、超音波センサに
より測定する場合を想定している。つまり、ガス濃度の
測定の際に音速が極めて大きくなるような場合において
も、当該ガス濃度を有効に検出することができるよう
に、第1実施例において図6及び図7にて示した、超音
波素子33の外表面と反射面34との距離Lに相当する
距離と、反射面34に形成した凹部34aの底面と超音
波素子33の外表面との距離L’に相当する距離とを規
定したことを特徴とする。
The description of the same parts as in the first embodiment is as follows.
Omitted or simplified. In the present embodiment, it is assumed that the concentration of a gas component having a small molecular weight such as hydrogen gas is measured by an ultrasonic sensor. In other words, even in the case where the sound speed becomes extremely large when measuring the gas concentration, the superconductivity shown in FIGS. 6 and 7 in the first embodiment can be detected so that the gas concentration can be effectively detected. The distance corresponding to the distance L between the outer surface of the acoustic element 33 and the reflecting surface 34 and the distance corresponding to the distance L 'between the bottom surface of the concave portion 34a formed in the reflecting surface 34 and the outer surface of the ultrasonic element 33 are defined. It is characterized by having done.

【0088】まず、本実施例で採用したガス濃度センサ
325の構造について説明する。本実施例のガス濃度セ
ンサ325は、第1実施例と同様の超音波送受信素子
(素子ASSY)を用いており、具体的には図13に示
すような構造を有している。
First, the structure of the gas concentration sensor 325 employed in this embodiment will be described. The gas concentration sensor 325 of the present embodiment uses the same ultrasonic transmission / reception element (element ASSY) as that of the first embodiment, and specifically has a structure as shown in FIG.

【0089】ガス濃度センサ325の本体であるセンサ
ケース331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331は、駆動・演算用回路3
32が設置されている回路基板封入部333と、直径
(φ)12mmの長尺状に形成され、長手方向に沿った
側壁に水素ガスを含む吸入空気を流入出させる流入孔3
34a及び流出孔334bを備えた測定室334と、測
定室334内で、測定室334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」とも称す)335と、
測定室334内における超音波素子335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335か
ら所定の距離L3だけ離れ、超音波素子335から送信
される超音波を反射させる反射面336と、流入孔33
4aに連結され、吸入空気をセンサケース331外から
測定室334内に流入させる流入通路337と、流出孔
334bに連結され、吸入空気を測定室334内からセ
ンサケース331外に流出させる流出通路338と、を
有している。そして、ガス濃度センサ325を実際に配
置した状態では、測定室334の長手方向は、水平方向
と略平行となり、流入孔334a及び流出孔334b
は、測定室334内で下方となる状態(つまり、図13
において、g方向が略下方となる状態)となっている。
なお、反射面336における測定室334の側壁と接す
る縁部には、底面が反射面336と略平行となるよう凹
部336aが形成され、超音波素子335より発信され
た超音波の反射波のうち異経路波が、この凹部336a
の底面で反射されるように構成されている。
The sensor case 331 which is the main body of the gas concentration sensor 325 has an integral structure made of metal or resin. The sensor case 331 includes the drive / arithmetic circuit 3
Circuit board enclosing part 333 in which the inlet air 32 is provided, and an inlet hole 3 formed into an elongated shape having a diameter (φ) of 12 mm and allowing the intake air containing hydrogen gas to flow into and out of the side wall along the longitudinal direction.
34a and an outflow hole 334b, and an ultrasonic transmitting / receiving element (hereinafter simply referred to as “ultrasonic”) provided on one of two wall surfaces facing each other along the longitudinal direction of the measuring chamber 334 in the measuring chamber 334. 335);
The other wall surface facing the wall surface on which the ultrasonic element 335 is provided in the measurement chamber 334, and is a predetermined distance L3 away from the ultrasonic element 335, and is a reflecting surface that reflects ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic element 335. 336 and the inflow hole 33
4a, an inflow passage 337 that allows the intake air to flow into the measurement chamber 334 from outside the sensor case 331, and an outflow passage 338 that is connected to the outflow hole 334b, and allows the intake air to flow out of the measurement chamber 334 to the outside of the sensor case 331. And When the gas concentration sensor 325 is actually arranged, the longitudinal direction of the measurement chamber 334 is substantially parallel to the horizontal direction, and the inflow hole 334a and the outflow hole 334b are provided.
Is in a state of being downward in the measurement chamber 334 (that is, FIG.
, The g direction is substantially below).
A concave portion 336 a is formed at an edge portion of the reflection surface 336 which is in contact with the side wall of the measurement chamber 334 so that a bottom surface thereof is substantially parallel to the reflection surface 336, and among the reflected waves of the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic element 335. The different path wave is generated by the concave portion 336a.
Is configured to be reflected by the bottom surface of the.

【0090】そして、本実施例においては、水素ガスの
ような特に分子量が小さいガス成分の濃度を、超音波セ
ンサにより測定する場合、つまり、ガス濃度の測定の際
に音速が極めて大きくなるような場合においても、当該
ガス濃度を有効に検出することができるように、超音波
素子335の外表面と反射面336の中央部との距離L
3(以下、単に「距離L3」とも称す)を60mm以上
に構成し、反射面336に形成した凹部336aの底面
と超音波素子335の外表面との距離L3’(以下、単
に「距離L3’」とも称す)を18mm以上に構成して
いる(つまり、凹部336aの底面と超音波素子335
との距離が、反射面336の中央部と前記超音波素子3
35との距離より18mm以上長くなるように構成して
いる)。
In this embodiment, when the concentration of a gas component having a particularly small molecular weight, such as hydrogen gas, is measured by an ultrasonic sensor, ie, when the gas concentration is measured, the speed of sound becomes extremely large. Even in such a case, the distance L between the outer surface of the ultrasonic element 335 and the central portion of the reflection surface 336 is set so that the gas concentration can be effectively detected.
3 (hereinafter, also simply referred to as “distance L3”) is set to 60 mm or more, and a distance L3 ′ between the bottom surface of the concave portion 336a formed on the reflection surface 336 and the outer surface of the ultrasonic element 335 (hereinafter, simply referred to as “distance L3 ′”). ) Is configured to be 18 mm or more (that is, the bottom surface of the concave portion 336a and the ultrasonic element 335).
Distance between the center of the reflection surface 336 and the ultrasonic element 3
It is configured to be 18 mm or more longer than the distance to 35).

【0091】また、測定室334内における流入孔33
4aと流出孔334bとの間の側壁には、凹部341が
設けられている。凹部341は、直径9mmの真円状に
形成されており、その中央部には、測定室334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
342が設けられている。このように、感温素子342
が測定室334内の側壁に設けられた凹部341内に配
置されているため、感温素子342が測定室334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。
The inflow hole 33 in the measurement chamber 334
A concave portion 341 is provided on a side wall between 4a and the outflow hole 334b. The concave portion 341 is formed in a perfect circular shape having a diameter of 9 mm, and a temperature sensing element 342 such as a thermistor is provided at a central portion thereof for measuring the temperature of the intake air in the measurement chamber 334. Thus, the temperature sensing element 342
Is disposed in the concave portion 341 provided on the side wall in the measurement chamber 334, the temperature-sensitive element 342 does not hinder the propagation of the ultrasonic wave in the measurement chamber 334, and the ultrasonic wave propagation time T
There is no measurement error in the measurement of.

【0092】尚、回路基板封入部333には、駆動・演
算用回路332の設置後に回路蓋343がなされてい
る。次に、駆動・演算用回路332の構成を説明する。
図14のブロック図に示すように、ガス濃度センサ32
5の駆動及び演算には、マイクロプロセッサ351を用
いる。
The circuit board enclosing section 333 is provided with a circuit cover 343 after the drive / arithmetic circuit 332 is installed. Next, the configuration of the driving / arithmetic circuit 332 will be described.
As shown in the block diagram of FIG.
The microprocessor 351 is used for the driving and the calculation of 5.

【0093】まず、超音波の送信時には、ドライバ35
2を用いて超音波素子335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
335にて得られた受信波形は、アンプ(増幅器)35
3で所定の増幅が施され、コンパレータ354を通して
整形された波形の信号は、マイクロプロセッサ351内
部に導入される。そして、マイクロプロセッサ351で
は、タイマー355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342にて検出
された測定室334内における吸入空気の温度情報は、
感温素子342から、温度検出回路356を介して、マ
イクロプロセッサ351内部に導入される。そして、マ
イクロプロセッサ351では、上記伝播時間及び吸入空
気温度から、上記第1実施例で示したようなマップを参
照して演算処理を行ない、水素ガスのガス濃度に変換し
た上、D/Aコンバータ357を介して、ガス濃度の検
出値出力を行なう。
First, during transmission of ultrasonic waves, the driver 35
2, a voltage is applied to the ultrasonic element 335 to transmit an ultrasonic wave. At the time of receiving an ultrasonic wave, a reception waveform obtained by the ultrasonic element 335 is output to an amplifier (amplifier) 35.
The signal of the waveform subjected to predetermined amplification in 3 and shaped through the comparator 354 is introduced into the microprocessor 351. Then, the microprocessor 351 measures the propagation time from transmission to reception of the ultrasonic wave using the timer 355. On the other hand, the temperature information of the intake air in the measurement chamber 334 detected by the temperature sensing element 342 is:
It is introduced into the microprocessor 351 from the temperature sensing element 342 via the temperature detection circuit 356. Then, the microprocessor 351 performs an arithmetic process based on the propagation time and the intake air temperature with reference to the map as shown in the first embodiment, converts it into a gas concentration of hydrogen gas, and then converts the gas concentration into a D / A converter. Through 357, a detected value of the gas concentration is output.

【0094】次に、図15〜20を用いて、超音波素子
335の外表面と反射面336の中央部との距離L3、
及び反射面336に形成した凹部336aの底面と超音
波素子335の外表面との距離L3’をそれぞれ変化さ
せた場合における、ガス濃度センサの精度への影響を確
認した実験例について説明する。
Next, referring to FIGS. 15 to 20, the distance L3 between the outer surface of the ultrasonic element 335 and the central portion of the reflection surface 336 will be described.
An experimental example in which the influence on the accuracy of the gas concentration sensor when the distance L3 ′ between the bottom surface of the concave portion 336a formed in the reflection surface 336 and the outer surface of the ultrasonic element 335 is changed will be described.

【0095】この実験には、図15に示すような実験装
置を用いた。そして、ガス濃度センサ325の測定室3
34内に水素ガスの濃度を予め設定した被測定ガスを供
給し、ガス濃度センサ325にて、この水素ガスの濃度
を測定した。この実験装置では、まず、図15に示すよ
うに、窒素ガスタンク61に充填された窒素ガス
(N2)、水素ガスタンク62に充填された水素ガス
(H2)、及び水蒸気タンク63に充填された水蒸気
(H2O)を、各々第1配管71、第2配管72、及び
第3配管73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、
3つのタンク71、72及び73からの窒素ガス、水素
ガス、及び水蒸気の供給量が所定の混合比となるように
制御される。そして、このように混合された混合ガス
を、第4配管74によりガス流量コントロール装置65
から流出させ、この混合ガスを、流入通路337を介し
てガス濃度センサ325の測定室334内に流入させ、
流出通路338を介して測定室334外に流出させた。
In this experiment, an experimental apparatus as shown in FIG. 15 was used. And the measurement room 3 of the gas concentration sensor 325
A gas to be measured in which the concentration of hydrogen gas was set in advance was supplied into 34, and the concentration of this hydrogen gas was measured by a gas concentration sensor 325. In this experimental apparatus, first, as shown in FIG. 15, the nitrogen gas (N 2 ) filled in the nitrogen gas tank 61, the hydrogen gas (H 2 ) filled in the hydrogen gas tank 62, and the steam tank 63 were filled. Steam (H 2 O) is supplied to the gas flow control device 65 via the first pipe 71, the second pipe 72, and the third pipe 73, respectively.
Allowed to flow in. In the gas flow control device 65,
The supply amounts of the nitrogen gas, the hydrogen gas, and the steam from the three tanks 71, 72, and 73 are controlled to have a predetermined mixing ratio. The mixed gas thus mixed is supplied to the gas flow control device 65 through the fourth pipe 74.
And the mixed gas is caused to flow into the measurement chamber 334 of the gas concentration sensor 325 through the inflow passage 337.
The liquid was allowed to flow out of the measurement chamber 334 via the outflow passage 338.

【0096】この実験では、このように測定室334内
に流入する上記混合ガスを被測定ガスとし、ガス濃度セ
ンサ325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、水素ガスの濃度(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。
In this experiment, the mixed gas flowing into the measuring chamber 334 was used as a gas to be measured, and the gas concentration sensor 325 measured the propagation time of the ultrasonic wave and the temperature of the mixed gas. The gas concentration (Xk) was detected, and the results of these measurements were recorded using the recorder 68.

【0097】図16(a)及び(b)に、超音波の受信
波形の一例を示す。図16(a)は距離L3を45m
m、距離L3’を2mmに設定した、従来型のガス濃度
センサによる受信波形を示し、図16(b)は距離L3
を60mm、距離L3’を18mmとした本実施例のガ
ス濃度センサによる受信波形を示す。尚、測定条件は、
ガス温が100℃、ガスの混合比は、水素ガスを58
%、水蒸気を24%とし、残りを窒素ガスで調整した。
FIGS. 16A and 16B show an example of a received waveform of an ultrasonic wave. FIG. 16A shows that the distance L3 is 45 m.
FIG. 16B shows a reception waveform of a conventional gas concentration sensor in which the distance L3 ′ is set to 2 mm, and FIG.
Is 60 mm, and the distance L3 'is 18 mm. The measurement conditions are
The gas temperature is 100 ° C., and the mixing ratio of the gas is 58
% And water vapor to 24%, and the remainder was adjusted with nitrogen gas.

【0098】図16(a)から分かるように、距離L3
を45mm、距離L3’を2mmとした場合には、超音
波素子335から送信された超音波の残響成分が反射波
(直波)の前半部に重なっている様子が分かる。このこ
とは、反射波の到達を当該反射波の先頭で検知する場合
に、その先頭の検知が困難となることを示している。
As can be seen from FIG. 16A, the distance L3
Is 45 mm and the distance L3 'is 2 mm, it can be seen that the reverberation component of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic element 335 overlaps the first half of the reflected wave (straight wave). This indicates that when the arrival of the reflected wave is detected at the head of the reflected wave, it is difficult to detect the head.

【0099】さらに、反射波うち直波の後半部において
異経路波が重なっている様子がわかる。このことは、反
射波の到達を、直波の変調点で検知する場合に、その変
調点の検知が困難となることを示している。このような
問題は、被測定ガスとして分子量の小さい水素ガスを対
象としているため、音速が大きいことが原因していると
考えられ、この状態は、図21(b)にて模式的に示し
た状態に相当する。
Further, it can be seen that the different path waves overlap in the latter half of the straight wave among the reflected waves. This indicates that, when the arrival of the reflected wave is detected at the modulation point of the direct wave, it is difficult to detect the modulation point. Such a problem is considered to be caused by a high sound velocity because the measurement target gas is a hydrogen gas having a small molecular weight. This state is schematically shown in FIG. Corresponds to the state.

【0100】すなわち、残響成分と反射波とが重なって
しまうのは、超音波の音速が大きく、超音波の伝播時間
(超音波が超音波素子335から送信されてから反射面
336で反射し、超音波素子335にて受信されるまで
の時間)を十分にとることができないためであり、超音
波素子335から送信された超音波の残響成分が収束す
る前に、反射波が超音波素子335に到達してしまうた
めであると考えられる。
That is, the reverberation component and the reflected wave overlap because the sound speed of the ultrasonic wave is large and the propagation time of the ultrasonic wave (the ultrasonic wave is reflected from the reflecting surface 336 after being transmitted from the ultrasonic element 335, This is because it is not possible to take a sufficient amount of time until the ultrasonic wave is received by the ultrasonic element 335. Before the reverberation component of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic element 335 converges, the reflected wave is generated by the ultrasonic element 335. It is thought that this is due to reaching.

【0101】また、直波と異経路波とが重なるのは、超
音波の音速が大きい上、距離L3’(凹部336aの深
さ)が十分にとられていないため、直波と異経路波との
時間的間隔を十分に開けることができず、直波が超音波
素子335に到達し終わる前に、異経路波が到達してし
まうためであると考えられる。
Further, the direct wave and the different-path wave overlap because the sound speed of the ultrasonic wave is high and the distance L3 '(depth of the concave portion 336a) is not sufficient, so that the direct wave and the different-path wave overlap. This is considered to be because the time interval between the two waves cannot be sufficiently increased, and the different-path wave arrives before the direct wave reaches the ultrasonic element 335.

【0102】これに対し、図16(b)に示すように、
距離L3を60mm、距離L3’を18mmとした場合
には上記問題は生じていない。図17には、この状態が
模式的に分かりやすく示されている。すなわち、残響成
分と反射波(直波)、反射波のうち直波と異経路波は、
それぞれ一定の時間間隔をもって検出されている。
On the other hand, as shown in FIG.
When the distance L3 is 60 mm and the distance L3 'is 18 mm, the above problem does not occur. FIG. 17 schematically shows this state. That is, the reverberation component and the reflected wave (direct wave), and the reflected wave
Each is detected at regular time intervals.

【0103】残響成分と反射波とが重ならないのは、距
離L3を60mmとしたため反射波の伝播距離が長くな
り、残響成分が収束した後に反射波が到達するようにな
ったためである。この結果、残響成分が反射波に重なる
ことがなく、特に反射波の到達を反射波の先頭で検知す
る場合に、反射波の到達を正確に検知することができ
る。
The reason that the reverberation component does not overlap with the reflected wave is that the propagation distance of the reflected wave becomes longer because the distance L3 is set to 60 mm, and the reflected wave arrives after the reverberation component converges. As a result, the reverberation component does not overlap with the reflected wave, and particularly when the arrival of the reflected wave is detected at the head of the reflected wave, the arrival of the reflected wave can be accurately detected.

【0104】また、直波と異経路波とが重ならないの
は、距離L3’を18mmとしたため、直波の伝播距離
と異経路波の伝播距離との差が大きくなり、直波が到達
した後に異経路波が到達するようになったためである。
この結果、異経路波が直波に重なることがなく、特に反
射波の到達を直波の変調点で検知する場合に、その到達
を正確に検知することができる。
The reason that the direct wave and the different path wave do not overlap is that the distance L3 'is 18 mm, so that the difference between the direct wave propagation distance and the different path wave propagation distance increases, and the direct wave arrives. This is because a different path wave comes later.
As a result, the different path wave does not overlap the direct wave, and particularly when the arrival of the reflected wave is detected at the modulation point of the direct wave, the arrival can be detected accurately.

【0105】次に、図18〜20に、距離L3及び距離
L3’をそれぞれ変化させた場合における、ガス濃度セ
ンサの出力を測定した結果を示す。図18は、距離L3
を45mm、50mm、及び60mmの3種類に変化さ
せた場合における、水素投入量(設定濃度)に対するセ
ンサ出力(測定濃度)を示す。
Next, FIGS. 18 to 20 show the results of measuring the output of the gas concentration sensor when the distance L3 and the distance L3 'are respectively changed. FIG. 18 shows the distance L3
Shows the sensor output (measured concentration) with respect to the amount of hydrogen input (set concentration) when is changed to three types of 45 mm, 50 mm, and 60 mm.

【0106】なお、この実験におけるガスの混合比は、
水蒸気を24%とし、水素ガスを0〜70%の範囲で変
化させ、残りを窒素ガスで調整した。なお、このときの
距離L3’は2mmに設定され、この場合の伝播時間の
測定は、送信波及び受信波(反射波)の先頭を基準にし
て行った。
The gas mixture ratio in this experiment was:
The water vapor was set to 24%, the hydrogen gas was changed in the range of 0 to 70%, and the remainder was adjusted with nitrogen gas. In this case, the distance L3 'was set to 2 mm, and the measurement of the propagation time in this case was performed with reference to the head of the transmission wave and the reception wave (reflection wave).

【0107】図18に示すように、距離L3が60mm
の場合には、ガス濃度センサ325が、水素ガス
(H2)投入量に対して正確な値を出力している。すな
わち、水素ガス濃度を増加させることにより音速が大き
くなっても、ガス濃度センサ325は、水素ガス濃度を
正確に出力している。これに対し、距離L3が45mm
及び50mmの場合には、水素ガス投入量が40%を越
えるとガス濃度センサ325の精度が悪くなり、水素ガ
ス濃度を正確に検出できないことが分かる。
As shown in FIG. 18, the distance L3 is 60 mm
In the case of ( 1 ), the gas concentration sensor 325 outputs an accurate value with respect to the input amount of hydrogen gas (H 2 ). That is, even if the sound speed increases by increasing the hydrogen gas concentration, the gas concentration sensor 325 accurately outputs the hydrogen gas concentration. On the other hand, the distance L3 is 45 mm
In the case of 50 mm and 50 mm, it is understood that if the hydrogen gas input amount exceeds 40%, the accuracy of the gas concentration sensor 325 deteriorates, and the hydrogen gas concentration cannot be detected accurately.

【0108】これは、分子量の小さい水素ガス濃度が大
きくなるにしたがって音速が大きくなるため、距離L3
が45mm及び50mmの場合には、超音波の伝播時間
を十分にとることができず、超音波の送信時に発生した
残響やコントローラのスイッチングノイズが、反射面か
ら返ってきた反射波に重なり、正確な受波が妨げられる
ことが原因していると考えられる。
This is because the sound velocity increases as the concentration of the hydrogen gas having a small molecular weight increases, so that the distance L3
Is 45 mm and 50 mm, the propagation time of the ultrasonic wave cannot be sufficiently long, and the reverberation generated at the time of transmitting the ultrasonic wave and the switching noise of the controller overlap with the reflected wave returned from the reflecting surface, and the This is considered to be due to the fact that a strong reception is prevented.

【0109】これに対し、L3が60mmの場合には、
超音波の伝播時間を十分にとることができるため、こう
した問題が生じないものと考えられる。なお、本実験に
おいて、距離L3’を2mm(18mm未満)に設定し
たにもかかわらず、H2の高濃度域においても正確な検
出値が得られたのは、伝播時間の測定を変調点を基準に
して行わず、先頭を基準にして行ったため、直波の後半
部に異経路波が重なっても測定上の問題が生じないから
である。
On the other hand, when L3 is 60 mm,
It is considered that such a problem does not occur because the propagation time of the ultrasonic wave can be sufficiently set. In this experiment, even though the distance L3 ′ was set to 2 mm (less than 18 mm), an accurate detection value was obtained even in a high concentration range of H 2 because the measurement of the propagation time was performed at the modulation point. This is because the measurement is not performed as a reference but is performed with the head as a reference, so that a measurement problem does not occur even if the different path wave overlaps the latter half of the straight wave.

【0110】図19は、距離L3を60mmで一定と
し、距離L3’を2mm、9mm、18mm、及び25
mmの4種類に変化させた場合における、水素ガス投入
量に対するセンサ出力についての測定結果を示す。な
お、この実験におけるガスの混合比は、上記と同様、水
蒸気を24%とし、水素ガスを0〜70%の範囲で変化
させ、残りを窒素ガスで調整した。また、この場合の伝
播時間の測定は、送信波及び受信波(反射波)の変調点
を基準として行った。
FIG. 19 shows that the distance L3 is constant at 60 mm and the distance L3 'is 2 mm, 9 mm, 18 mm, and 25 mm.
4 shows the measurement results of the sensor output with respect to the hydrogen gas input amount when the distance is changed to four types of mm. The gas mixture ratio in this experiment was the same as described above, with water vapor being 24%, hydrogen gas being changed in the range of 0 to 70%, and the remainder being adjusted with nitrogen gas. In this case, the measurement of the propagation time was performed with reference to the modulation points of the transmission wave and the reception wave (reflected wave).

【0111】図19に示すように、距離L3’が18m
m及び25mmの場合には、ガス濃度センサ325が、
水素ガス投入量に対して正確な値を出力していることが
分かる。これに対し、距離L3’が2mm及び9mmの
場合には、水素ガス投入量が約60%を越えるとガス濃
度センサ325の精度が悪くなり、水素ガス濃度を正確
に検出できないことが分かる。
As shown in FIG. 19, the distance L3 'is 18 m
m and 25 mm, the gas concentration sensor 325
It can be seen that an accurate value is output for the hydrogen gas input amount. On the other hand, when the distance L3 'is 2 mm and 9 mm, if the amount of supplied hydrogen gas exceeds about 60%, the accuracy of the gas concentration sensor 325 deteriorates, and it can be seen that the hydrogen gas concentration cannot be detected accurately.

【0112】これは、上記したように、水素ガス濃度が
大きくなるにしたがって音速が大きくなるため、距離L
3’が2mm,9mmと小さい場合には直波と異経路波
の伝播時間の差を十分にとることができないため、異経
路波が直波の変調点に重なってしまい、正確な受波が妨
げられるためであると考えられる。これに対し、距離L
3’が18mm,25mmの場合には、直波と異経路波
の伝播時間の差を十分にとることができるため、こうし
た問題が生じないものと考えられる。
This is because the sound velocity increases as the hydrogen gas concentration increases as described above.
When 3 ′ is as small as 2 mm and 9 mm, the difference between the propagation times of the direct wave and the different path wave cannot be sufficiently obtained, so that the different path wave overlaps the modulation point of the direct wave, and accurate reception is not possible. Probably because it is hindered. On the other hand, the distance L
When 3 ′ is 18 mm or 25 mm, it is considered that such a problem does not occur because the difference between the propagation times of the straight wave and the different path wave can be sufficiently obtained.

【0113】このように、本実施例では、伝播経路であ
る測定室334の伝播距離を十分に長く取ることにより
超音波の伝播時間を延ばし、受信に対して送信の影響を
受けないように配慮することで、超音波の伝播時間を正
確に測定している。この結果、例えば水素ガス等の分子
量の小さいガス濃度の測定に、本実施例のガス濃度セン
サを有効に適用させることができる。
As described above, in the present embodiment, the propagation time of the ultrasonic wave is extended by setting the propagation distance of the measurement chamber 334, which is the propagation path, to be sufficiently long so that the reception is not affected by the transmission. By doing so, the propagation time of the ultrasonic wave is accurately measured. As a result, the gas concentration sensor according to the present embodiment can be effectively applied to the measurement of the concentration of a gas having a small molecular weight such as hydrogen gas.

【0114】次に、図20に、図19の比較例として、
距離L3を60mmで一定とし、距離L3’を2mm、
9mm、18mm、及び25mmの4種類に変化させた
場合における、ブタン(C410)投入量に対するセン
サ出力についての測定結果を示す。なお、本実験条件
は、水素ガスをブタンに置換したこと以外は上記実験条
件と同様である。
Next, FIG. 20 shows a comparative example of FIG.
The distance L3 is fixed at 60 mm, the distance L3 ′ is 2 mm,
9 mm, 18 mm, and in the case of changing the four 25 mm, shows the measurement results of the sensor output for butane (C 4 H 10) input. The experimental conditions were the same as those described above, except that the hydrogen gas was replaced with butane.

【0115】ブタンは、水素ガスに比べて分子量が大き
いため、その濃度が大きくなっても音速がそれほど大き
くなることはない。このため、図20に示すように、距
離L3’が2mmと最小の場合においても、ブタンの高
濃度域において異経路波が直波に重なることはなく、そ
の濃度が正確に検出されている。
Since butane has a higher molecular weight than hydrogen gas, the sound speed does not increase so much even if the concentration is increased. Therefore, as shown in FIG. 20, even when the distance L3 'is as small as 2 mm, the different path wave does not overlap with the straight wave in the high concentration area of butane, and the concentration is accurately detected.

【0116】ただし、ブタン投入量が10%以下の低濃
度の場合には、距離L3’が2mmのものについて、測
定値に若干の誤差が見られる。これは、上記水素ガスの
場合とは逆に、音速が小さいため超音波の進行速度が遅
く、反射面において直波の後半部が反射し終わる前に異
経路波が反射し、直波に重なってしまうためであると考
えられる。
However, when the concentration of butane is as low as 10% or less, a slight error is observed in the measured value when the distance L3 'is 2 mm. This is because, contrary to the case of the above hydrogen gas, the traveling speed of the ultrasonic wave is slow because the sound speed is small, and the different path wave is reflected before the second half of the straight wave is completely reflected on the reflecting surface, and overlaps with the straight wave. It is thought that it is because.

【0117】このように、音速が比較的小さい場合であ
っても、距離L3’をある程度とることが好ましい。以
上、本発明の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。
As described above, even when the sound speed is relatively low, it is preferable to set the distance L3 'to some extent. The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can take various aspects.

【0118】例えば、上記実施例1及び2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12(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。
For example, in the first and second embodiments, an ultrasonic wave with frequency modulation is transmitted, but an ultrasonic wave with an antiphase component may be transmitted. For example, as shown in FIG. 12A, if an ultrasonic wave into which an anti-phase component (180 degrees) is introduced is transmitted, no signal waveform appears at the anti-phase point of the transmitted wave.

【0119】そして、図12(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。
Then, as shown in FIG. 12 (b), the reflected wave, which is the received wave, has a portion where there is no signal waveform corresponding to the opposite phase point. Therefore, the point (modulation point) at which the antiphase component is introduced is defined as in the frequency modulation point of the above embodiment,
By using the measurement standard, the propagation time can be measured, and the gas concentration can be measured.

【0120】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。
Specifically, for example, the time when the antiphase point of the first reflected wave appears is subtracted from the time when the antiphase point of the second reflected wave appears, and the propagation time of the second reflected wave (second propagation time) ) Can be accurately obtained, so that the gas concentration can be measured based on the second propagation time.

【0121】また、実施例3では水素ガス濃度の検出を
対象とし、図13の形態のガス濃度センサについて、距
離L3を60mm以上とし、距離L3’を18mm以上
とする構成とした。しかしながら、これらの距離の数値
限定は、図13に示した形態のガス濃度センサに限ら
ず、水素ガス濃度を検出対象する場合には、他の形態の
ガス濃度センサに適用することも可能である。例えば、
実施例1及び実施例2に適用した図6及び図7に示す態
様のガス濃度センサについて、距離Lを60mm以上と
し、距離L’を18mm以上とする構成としてもよい。
In the third embodiment, the detection of the hydrogen gas concentration is targeted, and the gas concentration sensor of the embodiment shown in FIG. 13 is configured such that the distance L3 is 60 mm or more and the distance L3 'is 18 mm or more. However, the numerical limitation of these distances is not limited to the gas concentration sensor of the embodiment shown in FIG. 13, but can be applied to a gas concentration sensor of another embodiment when detecting a hydrogen gas concentration. . For example,
6 and 7 applied to the first embodiment and the second embodiment, the distance L may be set to 60 mm or more and the distance L 'may be set to 18 mm or more.

【0122】また、実施例3では、被測定ガスとして水
素ガスを例に挙げたが、本実施例の構成は、水素ガス以
外にも分子量の小さい気体であれば、その効果を有効に
発揮することができる。さらに、水素ガスほど分子量が
小さくないガスについても、L3,L3’,L、L’の
最適値がそれぞれ存在すると考えられるため、これらを
実験により求めてガス濃度センサの形状を規定してもよ
いことはもちろんである。
Further, in the third embodiment, the hydrogen gas is taken as an example of the gas to be measured. However, the configuration of the present embodiment effectively exerts its effect as long as the gas has a small molecular weight other than the hydrogen gas. be able to. Further, it is considered that the optimum values of L3, L3 ', L, and L' exist for gases whose molecular weight is not as small as that of hydrogen gas. Therefore, these may be obtained by experiments to determine the shape of the gas concentration sensor. Of course.

【0123】また、上記構成は、エンジン等の内燃機関
に限らず適用が可能であることはいうまでもない。例え
ば、燃料電池の改質ガス中の水素ガス濃度の測定等に、
本実施例のガス濃度センサを効果的に適用することがで
きる。
Further, it goes without saying that the above configuration is applicable not only to internal combustion engines such as engines. For example, for measuring the concentration of hydrogen gas in the reformed gas of a fuel cell,
The gas concentration sensor of this embodiment can be applied effectively.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【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。
FIG. 1 is a system configuration diagram illustrating an entire system including a control device of a gas concentration sensor according to a first embodiment.

【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。
FIGS. 2A and 2B show a gas concentration sensor, FIG. 2A is an explanatory diagram showing the entire sensor, and FIG. 2B is an explanatory diagram showing an ultrasonic transmitting / receiving element.

【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。
FIG. 3 is a block diagram showing an electrical configuration of the gas concentration sensor.

【図4】 ガス濃度センサの基本原理を示す説明図であ
る。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a basic principle of a gas concentration sensor.

【図5】 センサ出力とブタン濃度との関係を示すグラ
フである。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between sensor output and butane concentration.

【図6】 (a)は1回の周波数変調を伴った送信波形
を示した図、(b)は超音波素子と反射面との距離を示
す説明図である。
FIG. 6A is a diagram showing a transmission waveform with one frequency modulation, and FIG. 6B is an explanatory diagram showing a distance between an ultrasonic element and a reflection surface.

【図7】 (a)は反射面34に凹部34aがある場合
の送受信波の状態を示した図、(b)は反射面34が平
面である従来のガス濃度センサの場合の送受信波の状態
を示した図である。
7A is a diagram showing a state of a transmitted / received wave when the reflection surface has a concave portion a, and FIG. 7B is a diagram showing a state of the transmitted / received wave in the case of the conventional gas concentration sensor in which the reflection surface is flat. FIG.

【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。
8A is a timing chart showing a signal by a transmission / reception switch, FIG. 8B is a timing chart showing a transmission / reception waveform, and FIG. 8C is a timing chart showing a comparator output.

【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。
FIG. 9 is a timing chart showing transmission / reception waveforms of ultrasonic waves in new and deteriorated sensors.

【図10】 反射面34に変形例としての凹部34bが
ある場合の送受信波の状態を示した図である。
FIG. 10 is a diagram showing a state of a transmitted / received wave when a concave portion b as a modification is provided on the reflection surface.

【図11】 (a)は反射面34の面積を超音波素子3
3の反射面34側の面の面積より大きくした場合の送受
信波の状態を示した図、(b)は反射面34の面積を超
音波素子33の反射面34側の面の面積より小さくした
場合の送受信波の状態を示した図である。
11 (a) shows the area of the reflection surface 34 of the ultrasonic element 3; FIG.
FIG. 3B shows the state of the transmitted / received waves when the area of the reflection surface 34 is larger than the area of the reflection surface 34 side, and FIG. 3B shows the area of the reflection surface 34 smaller than the area of the reflection surface 34 side of the ultrasonic element 33. FIG. 6 is a diagram showing the state of a transmitted / received wave in the case.

【図12】 (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。
12A is a diagram showing a transmission waveform into which one antiphase component is introduced, and FIG. 12B is a timing chart showing a transmission / reception waveform.

【図13】 第3実施例にかかるガス濃度センサの断面
図である。
FIG. 13 is a sectional view of a gas concentration sensor according to a third embodiment.

【図14】 ガス濃度センサの電気的構成を示すブロッ
ク図である。
FIG. 14 is a block diagram showing an electrical configuration of the gas concentration sensor.

【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。
FIG. 15 is an explanatory diagram illustrating a configuration of an experimental device used in an experimental example.

【図16】 (a)は距離L3を60mm未満に構成し
た場合の送受信波の状態を示した図、(b)は距離L3
を60mm以上、かつ、距離L3’を18mm以上に構
成した場合の送受信波の状態を示した図である。
16A is a diagram illustrating a state of a transmitted / received wave when the distance L3 is configured to be less than 60 mm, and FIG.
FIG. 6 is a diagram showing a state of a transmitted / received wave when the distance L3 ′ is configured to be equal to or greater than 60 mm and the distance L3 ′ is equal to or greater than 18 mm.

【図17】 距離L3を60mm以上、かつ、距離L
3’を18mm以上に構成した場合の送受信波の状態を
模式的に示した図である。
FIG. 17 shows a case where the distance L3 is 60 mm or more and the distance L
It is the figure which showed typically the state of the transmission / reception wave when 3 'is comprised more than 18 mm.

【図18】 距離L3を変化させた場合における、水素
投入量(設定濃度)とセンサ出力(測定濃度)との関係
に関する実験結果を示したグラフである。
FIG. 18 is a graph showing an experimental result on a relationship between a hydrogen input amount (set concentration) and a sensor output (measured concentration) when the distance L3 is changed.

【図19】 距離L3’を変化させた場合における、水
素投入量(設定濃度)とセンサ出力(測定濃度)との関
係に関する実験結果を示したグラフである。
FIG. 19 is a graph showing an experimental result on a relationship between a hydrogen input amount (set concentration) and a sensor output (measured concentration) when the distance L3 ′ is changed.

【図20】 距離L3’を変化させた場合における、ブ
タン投入量(設定濃度)とセンサ出力(測定濃度)との
関係に関する実験結果を示したグラフである。
FIG. 20 is a graph showing an experimental result on a relationship between a butane injection amount (set concentration) and a sensor output (measured concentration) when the distance L3 ′ is changed.

【図21】 距離L3を60mm未満、かつ、距離L
3’を18mm未満に構成した場合の送受信波の状態を
模式的に示した図であり、(a)は音速が小さい場合の
送受信波を、(b)は音速が大きい場合の送受信波を、
それぞれ示す。
FIG. 21 shows a case where the distance L3 is less than 60 mm and the distance L
It is the figure which showed typically the state of the transmitted / received wave when 3 'was comprised below 18 mm, (a) shows the transmitted / received wave when the sound speed is low, (b) shows the transmitted / received wave when the sound speed is high,
Shown respectively.

【図22】 距離L3を60mm以上、かつ、距離L
3’を18mm未満に構成した場合の送受信波の状態を
模式的に示した図であり、(a)は音速が小さい場合の
送受信波を、(b)は音速が大きい場合の送受信波を、
それぞれ示す。
FIG. 22 shows a case where the distance L3 is 60 mm or more and the distance L
It is the figure which showed typically the state of the transmitted / received wave when 3 'was comprised below 18 mm, (a) shows the transmitted / received wave when the sound speed is low, (b) shows the transmitted / received wave when the sound speed is high,
Shown respectively.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…エンジン、 21、22、23、24、25、325…ガス濃度セン
サ、 31、332…駆動・演算用回路(ガス濃度検出手
段)、 32、334…測定室、 33、335…超音波送受信素子(超音波素子)、 34、336…反射面、 36、337…流入孔(入口)、 37、338…流出孔(出口)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Engine, 21, 22, 23, 24, 25, 325 ... Gas concentration sensor, 31, 332 ... Drive / calculation circuit (gas concentration detection means), 32, 334 ... Measurement room, 33, 335 ... Ultrasonic transmission / reception Element (ultrasonic element), 34, 336: reflection surface, 36, 337: inflow hole (inlet), 37, 338 ... outflow hole (outlet)

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 BC02 BC15 EA10 GB26 GG08 GG19 GJ19 Continued on the front page (72) Inventor Keigo Banno 14-18, Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya City, Aichi Prefecture Inside Japan Special Ceramics Co., Ltd. (72) Inventor Noboru Ishida 14-18, Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya City, Aichi Prefecture (72) Inventor Takafumi Oshima 14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi Japan F-term (reference) 2G047 AA01 BC02 BC15 EA10 GB26 GG08 GG19 GJ19

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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、 該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までの伝播時間
を前記変調点を利用して計測し、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する
ガス濃度検出手段と、 を備えるガス濃度センサにおいて、 前記測定室を、前記反射面の縁部と前記超音波素子との
距離が、前記反射面の中央部と前記超音波素子との距離
より長くなるよう形成したことを特徴とするガス濃度セ
ンサ。
A measuring chamber provided with an inflow hole and an outflow hole for allowing a gas to be measured to flow in and out, and provided on one of two wall surfaces facing each other in the measurement chamber, and superimposed on the other wall surface. An ultrasonic element that transmits a sound wave and that can receive a reflected wave of an ultrasonic wave reflected from the wall surface as a reflecting surface; and transmits an ultrasonic wave having at least one modulation point to the ultrasonic element. Together with the reflected wave, measuring the propagation time from the transmission of the ultrasonic wave to the reception of the reflected wave using the modulation point, based on the propagation time, the specific gas in the gas to be measured A gas concentration sensor comprising: a gas concentration sensor that detects a gas concentration of the measurement chamber; wherein the distance between the edge of the reflection surface and the ultrasonic element is equal to the center of the reflection surface and the ultrasonic wave. Shaped to be longer than the distance from the element Gas concentration sensor, characterized in that it has.
【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、 該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までの伝播時間
を前記変調点を利用して計測し、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する
ガス濃度検出手段と、 を備えるガス濃度センサにおいて、 前記測定室の前記反射面の面積を、前記超音波素子の開
口面の面積以上にしたことを特徴とするガス濃度セン
サ。
2. A measurement chamber provided with an inflow hole and an outflow hole through which a gas to be measured flows in and out, and is provided on one of two opposite wall surfaces in the measurement chamber, and extends toward the other wall surface. An ultrasonic element that transmits a sound wave and that can receive a reflected wave of an ultrasonic wave reflected from the wall surface as a reflecting surface; and transmits an ultrasonic wave having at least one modulation point to the ultrasonic element. Together with the reflected wave, measuring the propagation time from the transmission of the ultrasonic wave to the reception of the reflected wave using the modulation point, based on the propagation time, the specific gas in the gas to be measured A gas concentration sensor comprising: a gas concentration sensor for detecting a gas concentration of the gas concentration sensor, wherein an area of the reflection surface of the measurement chamber is equal to or larger than an area of an opening surface of the ultrasonic element. .
【請求項3】 前記ガス濃度検出手段は、 前記超音波素子に、少なくとも1回の周波数変調を伴っ
た超音波を送受信させ、 前記超音波の変調点を利用して求めた伝播時間に基づい
て、前記特定ガスのガス濃度を検出するものであること
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。
3. The gas concentration detecting means causes the ultrasonic element to transmit and receive an ultrasonic wave with at least one frequency modulation, and based on a propagation time obtained by using a modulation point of the ultrasonic wave. 3. The gas concentration sensor according to claim 1, wherein the gas concentration of the specific gas is detected.
【請求項4】 前記ガス濃度検出手段は、 前記超音波素子に、少なくとも1点の逆位相成分を入れ
た超音波を送受信させ、 前記超音波の変調点を利用して求めた伝播時間に基づい
て、前記特定ガスのガス濃度を検出するものであること
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. The gas concentration detecting means causes the ultrasonic element to transmit and receive an ultrasonic wave containing at least one antiphase component, and based on a propagation time obtained by using a modulation point of the ultrasonic wave. The gas concentration sensor according to claim 1, wherein the gas concentration of the specific gas is detected.
【請求項5】 前記ガス濃度検出手段は、 前記超音波素子より超音波を送信させ、該超音波を前記
反射面にて反射させた後、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
射波の受信までの伝播時間を計測し、該伝播時間に基づ
いて、前記特定ガスのガス濃度を検出するものであるこ
とを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のガス濃
度センサ。
5. The gas concentration detecting means transmits an ultrasonic wave from the ultrasonic element, reflects the ultrasonic wave on the reflection surface, reflects the ultrasonic wave on the ultrasonic element side, and re-reflects the reflection surface. And measuring a propagation time until a reflected wave is received after the first reflected wave, and detecting the gas concentration of the specific gas based on the propagation time. A gas concentration sensor according to any one of claims 1 to 4.
【請求項6】 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1〜5いずれか
に記載のガス濃度センサ。
6. The gas concentration sensor according to claim 1, wherein the specific gas is fuel vapor of an engine for an internal combustion engine.
【請求項7】 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、該他方の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、 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
の受信までの伝播時間を、前記超音波の波形の特定位置
を検出することにより計測し、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するガス
濃度検出手段と、 を備えるガス濃度センサにおいて、 前記測定室を、前記反射面の中央部と前記超音波素子と
の距離が60mm以上となるように形成したことを特徴
とするガス濃度センサ。
7. A measurement chamber provided with an inflow hole and an outflow hole through which a gas to be measured flows in and out, and is provided on one of two wall surfaces facing each other in the measurement chamber and is superposed toward the other wall surface. While transmitting a sound wave, an ultrasonic element capable of receiving a reflected wave of an ultrasonic wave reflected by using the other wall surface as a reflection surface, and transmitting the ultrasonic wave to the ultrasonic element and transmitting the reflected wave. Received, the propagation time from the transmission of the ultrasonic wave to the reception of the reflected wave is measured by detecting a specific position of the waveform of the ultrasonic wave, based on the propagation time,
A gas concentration sensor comprising: a gas concentration detection unit configured to detect a gas concentration of a specific gas in the measured gas. In the gas concentration sensor, a distance between a center of the reflection surface and the ultrasonic element is equal to or greater than 60 mm. A gas concentration sensor characterized by being formed as follows.
【請求項8】 前記測定室は、 前記反射面の縁部に、該反射面に平行な底面を有する凹
部が設けられ、 該凹部の底面と前記超音波素子との距離が、前記反射面
の中央部と前記超音波素子との距離より18mm以上長
くなるように形成されたことを特徴とする請求項1〜7
のいずれかに記載のガス濃度センサ。
8. The measurement chamber, wherein a concave portion having a bottom surface parallel to the reflection surface is provided at an edge of the reflection surface, and a distance between the bottom surface of the depression and the ultrasonic element is smaller than the reflection surface. 8. The device according to claim 1, wherein the distance is at least 18 mm longer than a distance between a center portion and the ultrasonic element.
The gas concentration sensor according to any one of the above.
【請求項9】 前記特定ガスが、水素ガスであることを
特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のガス濃度セ
ンサ。
9. The gas concentration sensor according to claim 1, wherein the specific gas is hydrogen gas.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2004325297A (en) * 2003-04-25 2004-11-18 Nissan Motor Co Ltd Apparatus and method for measuring gas concentration
WO2023085153A1 (en) * 2021-11-12 2023-05-19 日清紡ホールディングス株式会社 Waveform shaping device and gas concentration measuring device

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