JP2003302384A

JP2003302384A - センサ

Info

Publication number: JP2003302384A
Application number: JP2002107462A
Authority: JP
Inventors: 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
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2003-10-24

Abstract

(57)【要約】【課題】振動波の伝播特性を改善することのできるセ
ンサ構造を提供する。【解決手段】検出用素子本体４０は、センサ素子とし
ての圧電素子５１と、素子ケース４２と、圧電素子５１
を封止するように素子ケース４２内に充填された充填材
５８と、を有する。充填材５８は、損失正接が０．２よ
りも大きなウレタン樹脂で形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動波を用いたセ
ンサの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、特定のガス成分の濃度や湿度
を検出するガスセンサが知られている。ガスセンサの一
例として、超音波の伝播速度の変化を利用してガソリン
や軽油などの濃度を検出するガス濃度センサがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようなガス濃度セ
ンサでは、超音波素子が充填材で封止されるのが普通で
ある。充填材の材質や充填状態は、超音波の伝播特性に
大きな影響がある。しかし、従来は、充填材の材質や充
填状態が必ずしも適切に選択されていない場合があっ
た。このような問題は、超音波素子を使用するセンサに
限らず、一般に、振動波を送信または受信するための素
子を備えるセンサに共通する問題であった。なお、本明
細書において、「振動波」とは電気的な振動波ではな
く、力学的な振動波を意味する。

【０００４】本発明は、上述した従来の課題を解決する
ためになされたものであり、振動波の伝播特性を改善す
ることのできるセンサ構造を提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記課題の少なくとも一部を解決するため、本発明による
センサは、振動波の送信と受信の少なくとも一方に用い
られるセンサ素子と、前記センサ素子を収納する素子ケ
ースと、前記センサ素子を封止するように前記素子ケー
ス内に充填された充填材と、を有する素子アセンブリを
備え、前記充填材は、損失正接が０．２よりも大きなウ
レタン樹脂で形成されていることを特徴とする。

【０００６】このセンサによれば、損失正接が０．２よ
りも大きなウレタン樹脂で形成された充填材によってセ
ンサ素子が封止されているので、充填材の制振性能が向
上し、センサ素子の無駄な振動を効率良く減衰させるこ
とができる。

【０００７】なお、前記ウレタン樹脂は、無機フィラー
を均一に混合することによって比重が１．５以上になる
ように調整されたものであることが好ましい。比重を
１．５以上にすれば、充填材の制振性能を更に向上させ
ることができる。

【０００８】また、前記無機フィラーは金属酸化物であ
ることが好ましい。金属酸化物は化学的に安定なので、
高温環境下でも長時間良好な制振性能を維持することが
可能である。

【０００９】前記素子ケースは、前記素子ケースの上端
に設けられ、前記センサの他の所定の部材と結合するた
めに用いられるフランジ部を有し、前記充填材の充填量
は、前記充填材の表面の高さが前記フランジ部の下面以
下になるように設定されていることが好ましい。このよ
うに充填量を調整することによって、フランジ部で発生
する熱応力が充填材に加わりにくくすることができ、こ
の結果、振動波の伝播特性を改善することが可能であ
る。

【００１０】前記ウレタン樹脂は、ブタジエンの２重結
合に水素添加されたブタジエン系樹脂成分を含むことが
好ましい。ブタジエンの２重結合は、高温環境下では他
の分子と重合し易いので、ここに水素添加されたものを
用いることによって、高温環境下でも長時間良好な制振
性能を維持することが可能である。

【００１１】前記ウレタン樹脂は誘電正接が３％以下に
なるように調整されたものであることが好ましい。誘電
正接が低いウレタン樹脂を用いた場合、センサ素子の電
極間で生じる静電容量に起因するノイズをのりにくくす
ることができる。

【００１２】なお、前記センサ素子は、被測定対象であ
る気体への超音波の送信及び該気体中を伝播した超音波
の受信の少なくとも一方を行うための素子であり、前記
センサは、前記超音波の伝播速度と前記気体の温度とに
応じて前記気体中に含まれる少なくとも１種類のガス成
分の濃度を検出するために利用されるものであるものと
してもよい。このセンサによれば、ガス成分の濃度を精
度良く測定することが可能である。

【００１３】なお、本発明は、種々の態様で実現するこ
とが可能であり、例えば、センサ、センサ用の素子アセ
ンブリ、センサまたは素子アセンブリの製造方法、ガス
の特性または性質の検出方法または測定方法、等の態様
で実現することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例とし
てのガスセンサの分解斜視図である。このガスセンサ１
０は、超音波の伝播速度がガス濃度により変化すること
を利用してガソリン蒸気の濃度を検出するセンサであ
る。このガスセンサは、例えば内燃機関を動力源とする
車両に搭載されたキャニスタから吸気通路にガソリンを
パージする通路に配置されて、パージされるガソリン濃
度を検出する目的などに用いられる。

【００１５】（Ａ）ガスセンサの全体構成：図１に示し
たように、このガスセンサ１０は、大きくは、濃度を検
出しようとするガスが通過する流路を形成する流路形成
部材２０と、この流路形成部材２０に一体に作り込まれ
た収納部２２に収納される検出用素子本体４０、流路を
通過するガスの温度を検出するサーミスタ６０、検出用
素子本体４０の上部に配置される電子回路基板７０、収
納部２２にはめ込まれる金属製のケース８０から構成さ
れている。検出用素子本体４０は、収納部２２に設けら
れた取り付け用凹部２４に超音波溶着により固定されて
おり、サーミスタ６０は、取り付け用の挿入孔２５に挿
入・固定されている。後述するように、検出用素子本体
４０やサーミスタ６０は、電気的な信号をやり取りする
ための端子を有し、この端子は、電子回路基板７０の対
応する取り付け穴に挿入され、はんだ付けにより固定さ
れる。ガスセンサ１０は、これら検出用素子本体４０や
サーミスタ６０を収納部２２に固定した後、信号処理を
行なう基板である電子回路基板７０を取り付け、更にケ
ース８０を収納部２２にはめ込み、その上で、全体をウ
レタンなどの樹脂によりモールドして製造されている。
なお、ガスセンサ１０の製造工程については後述する。

【００１６】（Ｂ）流路形成部材２０の構成：ガスセン
サ１０の流路形成部材２０は、ガラスフィラー入りの合
成樹脂を成形したものであり、その引張り弾性率は、ガ
スセンサとして適切な値に調整されている。この流路形
成部材２０は、図１に示したように、上部に検出用素子
本体４０を収納する収納部２２を備え、その下部に、検
出用のガスが流通する流路を有する。主な流路として
は、ガスセンサ１０にガソリン蒸気が含まれるガスを導
入する導入路２７，このガスにおけるガソリン濃度を超
音波により検出するための測定室２８，測定室２８に対
してガスをバイパスするバイパス流路２９が形成されて
いる。測定室２８は、検出用素子本体４０のほぼ直下
に、バイパス流路２９は、サーミスタ６０のほぼ直下
に、それぞれ設けられている。

【００１７】こうした流路構造を詳しく説明するため
に、ガスセンサ１０の垂直断面を図２に示す。図２は、
ガスセンサ１０を、導入路２７および検出用素子本体４
０の軸線を含む平面で切断した断面図である。なお、ガ
スセンサ１０は最終的には樹脂（例えばウレタン）が充
填されてモールドされるが、図２では、図示の簡明さを
図って、全体をモールドする樹脂は描いていない。図２
に示したように、流路形成部材２０の内部は、流路に着
目すれば、導入路２７、測定室２８、バイパス流路２９
に分かれている。これらは、成形時の型を可動可能に設
けることにより容易に成形することができる。導入路２
７はバイパス流路２９に直角に連通しており、更に導入
孔３２を介して測定室２８とも連通している。バイパス
流路２９の下方は出口３４が形成されており、導入路２
７から導入されたガソリン蒸気を含むガスは、出口３４
から排出され、この実施例では、内燃機関の吸気通路に
図示しないホースにより接続されている。バイパス流路
２９の出口３４と反対側の端部は、サーミスタ６０が取
り付けられる挿入孔２５として形成される。従って、サ
ーミスタ６０は、導入路２７から流入したガスの温度に
所定の関係を持って、これを検出することになる。

【００１８】測定室２８は、上部が検出用素子本体４０
が取り付けられる凹部２４（図１）に連通しており、そ
の下方には、超音波を反射するための反射部３３が形成
されている。この反射部３３の働きについては、後述す
るが、測定室２８の底部からは、所定距離（本実施例で
は数ミリ）持ち上げられた構造となっており、この反射
部３３の周囲の空隙は、そのまま測定室２８の底部に連
通する排出流路３５を介してバイパス流路２９につなが
っている。このため、導入路２７から導入孔３２を通っ
て流入したガスは、測定室２８の内部に充満し、所定の
割合で、排出流路３５からバイパス流路２９に出てい
く。なお、排出流路３５は、測定室２８の底部に設けら
れていることから、測定室２８内の水蒸気やガソリン蒸
気などが結露して液化した場合、これらの水滴・油滴を
排出するドレインとしても働く。反射部３３の周囲の溝
に溜まった液体が排出されやすいように、反射部３３の
周辺外形は、排出流路３５に向けて傾斜されている。

【００１９】流路形成部材２０の上部に形成された収納
部２２には、上述したように、測定室２８に連通する開
口を有する取り付け用凹部２４や、サーミスタ取り付け
用の挿入孔２５などが形成されているが、この収納部２
２に相当する場所には、金属板３６がインサート成形さ
れている。この金属板３６は、その一隅に切り起こし部
８３を備える。この切り起こし部８３は、インサート成
形された後、図１に示したように、収納部２２の内側に
立設された状態となり、電子回路基板７０を取り付ける
際、基板上の取付孔７２に挿入される。取付孔７２に
は、接地ラインに接続されたランドが用意されており、
切り起こし部８３は、このランドにはんだ付けされる。
なお、電子回路基板７０側の取付孔の内寸を、切り起こ
し部８３より小さくし、切り起こし部８３を、内側に導
電材料がメッキされた取付孔７２に圧入することで、機
械的に電気的な接触を実現するものとしても良い。もと
より、圧接、嵌合、かみ合わせなどの手法を採用するこ
とも可能である。

【００２０】収納部２２の外側には、電気信号をやりと
りするためのコネクタ３１が形成されており、コネクタ
３１を形成する端子（図示せず）は、収納部２２の外壁
をこの部分で貫通している。

【００２１】図２からも理解できるように、流路形成部
材２０の成形時には、電子回路基板７０を収納する回路
基板収納室２３と測定室２８とが連通し、また、回路基
板収納室２３と挿入孔２５（「温度測定室」とも呼ぶ）
が連通するように、流路形成部材２０が樹脂で一体的に
成形される。但し、組み立て後の状態では、回路基板収
納室２３と測定室２８との間は検出用素子本体４０で封
止されており、また、回路基板収納室２３と挿入孔２５
との間もサーミスタ６０によって封止されている。

【００２２】なお、後述するように、検出用素子本体４
０は、超音波の音速検出用の素子と、他の部材（例えば
電気的な接続のための端子など）とを含むので、「音速
検出素子アセンブリ（音速検出素子組立体）」、また
は、単に「素子アセンブリ」とも呼ぶ。

【００２３】（Ｃ）検出用素子本体４０の構造：検出用
素子本体４０の構造を、図３の断面図に示した。この検
出用素子本体４０は、図１に示したように、組立後は円
盤形状となるが、これはフランジ部４１を有する合成樹
脂製の素子ケース４２の内部に、後述する圧電素子５１
などを収納したのち、ウレタンを内部に充填しているか
らである。素子ケース４２のフランジ部４１は、収納部
２２に設けられた取り付け用凹部２４（図１）より大径
に形成されており、フランジ部４１の下部の収容部４３
は、凹部２４より小径に形成されている。この素子ケー
ス４２単体の状態では、収容部４３の下面は開口されて
おり、その端面４５の外側縁部には、段差部４６が形成
されている。製造時には、この段差部４６の内側に、耐
ガソリン性のある材料を用いた円形の保護フィルム４８
が接着される。

【００２４】保護フィルム４８の中心には、円柱形状の
音響整合板５０が接着・固定されており、この音響整合
板５０の上面には超音波素子である圧電素子５１が接着
・固定されている。音響整合板５０は、圧電素子５１の
振動を、保護フィルム４８を介して効率よく、空気中に
（本実施例では測定室２８へ）送出するために設けられ
ている。音波や超音波は、媒質の密度の差が存在する場
所で反射し易いので、圧電素子５１を直接保護フィルム
４８に接着するのではなく、音響整合板５０を介して接
合することにより、圧電素子５１の振動を効率よく超音
波として測定室２８内に送出することができる。本実施
例では、音響整合板５０として、多数の小さなガラス玉
をエポキシ系樹脂で固めたものを用いた。また、これら
の音響整合板５０と圧電素子５１とを取り囲むように、
筒体５２が配置されている。この筒体５２は、ポリエチ
レンテレフタレートフィルム５２ａに銅箔５２ｃを接着
層５２ｂを介して貼り合わされたものであり、銅箔５２
ｃ側を内側にして円筒形に巻き、端面を重ねて貼り合わ
せたものである。この筒体５２の内径は、音響整合板５
０の外径と略一致しているので、筒体５２は、音響整合
板５０の外周に密着している。両者は接着されていな
い。

【００２５】圧電素子５１は、ピエゾなどの電歪素子を
円柱形に形成したものであり、軸方向上下面に形成され
た電極に電圧を印加した際、軸方向にのみ歪曲が生じる
ように、格子の方向を整えて切り出されている。圧電素
子５１は、後述するように、超音波を測定室２８内に送
出する送信器として働くが、同時に本実施例では超音波
振動を受信して電気信号を出力する受信器としても機能
する。もとより、送信用の素子と受信用の素子とを別々
に設けて、ガスセンサを作ることも可能である。圧電素
子５１としては、圧電セラミックスや水晶などの結晶体
などを適宜用いることができる。電極は、特に図示しな
いが、圧電素子５１の上下面に蒸着などの手法により形
成しても良いし、金属の薄板を貼り付けて構成しても良
い。

【００２６】素子ケース４２は、断面が略逆「Ｌ」字形
状をしており、その内周面は、鉛直面に対して所定の角
度（本実施例では約１１度）の傾きでテーパが付けられ
ている。従って、収容部４３の外壁に相当する部分は、
下部、即ち保護フィルム４８に近づくにつれて厚みを増
す。この結果、素子ケース４２の収容部４３は、フラン
ジ部４１との付け根の付近で外壁の厚みが薄く、可撓性
に富み、その下端では、保護フィルム４８を貼付する充
分な面積を用意している。この素子ケース４２は、ほぼ
円筒形に形成されているものの、端子５５ａ，５５ｂが
埋設されている箇所だけ、内側に突出した形状を有す
る。この突出部５６ａ，５６ｂに埋設された端子５５
ａ，５５ｂは、「Ｌ」字形状に曲っており、その下端に
は、リード線５４ａ，５４ｂがはんだ付けされる。端子
５５ａ，５５ｂの上端は、電子回路基板７０の対応する
取り付け孔に挿入され、その場所に用意されたランドに
はんだ付けされる。こうして圧電素子５１のリード線５
４ａ，５４ｂの取付を終えてから、素子ケース４２の内
部には、ウレタンが充填される。

【００２７】素子ケース４２は、フランジ部４１の下面
略中央に、溶着用の突起５９を円周状に備えている。こ
の突起５９は、超音波溶着時に溶融して、フランジ部４
１を、収納部２２の取り付け用凹部２４にしっかりと固
着する。

【００２８】（Ｄ）電子回路基板７０とその回路および
ガス濃度検出の手法：次に、電子回路基板７０の構造
と、その取付について説明する。電子回路基板７０は、
ガラスエポキシ基板に予めエッチング等により回路パタ
ーンを形成したものであり、部品の取付位置にランドや
スルーホールが設けられている。また、検出用素子本体
４０やサーミスタ６０、あるいはコネクタ３１の端子な
どが取付られる部位には、それぞれの端子形状に合わせ
た大きさの取付孔が設けられ、その周囲をランドパター
ンが取り巻いている。従って、完成した電子回路基板７
０は、所定の位置に、信号処理用の各種部品、例えば信
号処理用の集積回路（ＩＣ）や、抵抗器，コンデンサな
どが取り付けられており、これを、検出用素子本体４０
やサーミスタ６０の取付が完了した収納部２２に装着
し、はんだ付けを行なうことで、電気的な回路構成は完
了する。ガスセンサ１０の製造としては、最終的には樹
脂モールドを行なうが、この点は、後で製造方法の項で
一括して説明する。

【００２９】こうして完成したガスセンサ１０の電気的
な構成を、図４のブロック図に示す。図示するように、
この電子回路基板７０は、マイクロプロセッサ９１を中
心に構成されており、マイクロプロセッサ９１に接続さ
れた各回路素子、即ち、デジタル−アナログコンバータ
（Ｄ／Ａコンバータ）９２、ドライバ９３、増幅器９６
が接続されたコンパレータ９７等を備える。サーミスタ
６０は、直接マイクロプロセッサ９１のアナログ入力ポ
ートＰＡＰに接続されている。また、ドライバ９３と増
幅器９６は、検出用素子本体４０に接続されている。

【００３０】ドライバ９３はマイクロプロセッサ９１か
らの指令を受けて、短時間だけ検出用素子本体４０の圧
電素子５１を駆動する回路である。ドライバ９３が出力
するこの矩形波の信号を受けると、圧電素子５１は振動
し、送信器として機能して、超音波を測定室２８内に送
出する。

【００３１】測定室２８内に送出された超音波は、比較
的高い指向性を保ったまま直進し、測定室２８底部の反
射部３３に反射して戻ってくる。戻ってきた超音波が保
護フィルム４８に到達すると、保護フィルム４８および
音響整合板５０を介して、圧電素子５１にその振動は伝
わり、圧電素子５１は今度は受信器として機能して、振
動に応じた電気信号を出力する。この様子を、図５に示
した。図において、区間Ｐ１は、ドライバ９３が信号を
出力しており、圧電素子５１が送信器として機能してい
る期間を、区間Ｐ２は、反射部３３で反射した超音波に
より振動が圧電素子５１に伝わり、圧電素子５１が受信
器として機能している期間を、それぞれ示している。

【００３２】受信器として機能した際の圧電素子５１の
信号は、増幅器９６に入力されて増幅される。この増幅
器９６の出力は、コンパレータ９７に入力されており、
ここで予め用意された閾値Ｖref と比較される。閾値Ｖ
ref は、ノイズなどの影響により増幅器９６が出力する
誤信号を弁別できるレベルである。誤信号としては、ノ
イズなどによるものの他、検出用素子本体４０自身が持
っている残響などの影響によるものがある。

【００３３】図５に示されているように、圧電素子５１
が送信器として機能するときにも、圧電素子５１の信号
が増幅器９６で増幅され、受信波形ＲＶとして出力され
る。この受信波形ＲＶは、圧電素子５１の送信動作が終
了した後にも直ちに減衰せず、ある程度の時間に渡って
受信波形が残存する。この理由は、送信時の振動が圧電
素子５１近傍において減衰するのに時間を要するためで
ある。送信動作が終了した後の振動は「残響」と呼ばれ
ている。なお、本明細書では、残響を含む送信時の受信
波形ＲＶを「残響波」と呼ぶ。

【００３４】コンパレータ９７は、増幅器９６からの信
号を閾値Ｖref と比較することにより、圧電素子５１が
受信した振動の大きさが所定以上になったときにその出
力を反転する。このコンパレータ９７の出力をマイクロ
プロセッサ９１により監視し、圧電素子５１からの最初
の超音波の出力タイミング（図５のタイミングｔ１）か
ら、コンパレータ９７の出力が反転するまで（図５のタ
イミングｔ２）の時間Δｔを計測することにより、超音
波が測定室２８内の反射部３３までの距離Ｌを往復する
のに要した時間を知ることができる。超音波が、ある媒
質中を伝播する速度Ｃは、次式（１）に従うことが知ら
れている。

【００３５】

【数１】

【００３６】この式（１）は、複数の成分が混在してい
るガスについて成り立つ一般式であり、変数ｎは、第ｎ
成分についてであることを示すサフィックスである。従
って、Ｃｐｎは測定室２８内に存在するガスの第ｎ成分
の定圧比熱、Ｃｖｎは測定室２８のガスの第ｎ成分の定
積比熱、Ｍｎは第ｎ成分の分子量、Ｘｎは第ｎ成分の濃
度比を表している。また、Ｒは気体定数、Ｔは測定室２
８内のガスの温度、である。ガスに関する比熱などは知
られているので、伝播速度Ｃは、測定室２８内のガスの
温度Ｔと濃度比Ｘｎにより定まることになる。超音波の
伝播速度Ｃは、圧電素子５１から反射部３３までの距離
Ｌを用いて、Ｃ＝２×Ｌ／Δｔ …（２）と表せるから、Δｔを計測すれば、濃度比Ｘｎ、即ち、
ガソリン濃度を求めることができる。なお、本実施例で
は、ガソリン蒸気の濃度を検出したが、濃度が既知の場
合には、温度Ｔや距離Ｌを求めるセンサとして用いるこ
とも可能である。

【００３７】マイクロプロセッサ９１は、上記の式に従
う演算を高速に行ない、求めたガソリン濃度に対応した
信号をＤ／Ａコンバータ９２を介して出力する。この信
号ＳＧＮＬがコネクタ３１の端子を介して外部に出力さ
れる。実施例では、この信号ＳＧＮＬは、内燃機関の燃
料噴射量を制御しているコンピュータに出力され、ここ
で、キャニスタからのガソリンのパージ量を勘案して、
燃料噴射量を補正するといった処理に用いられる。な
お、図４には、電源関係のラインは特に図示しなかった
が、マイクロプロセッサ９１を初めとする各素子には、
いずれも直流電圧Ｖｃｃを供給する電源ラインとグラン
ド（接地ライン）とが接続されている。このうち接地ラ
インは、既に説明したように、流路形成部材２０の収納
部２２の位置にインサート成形された金属板３６とケー
ス８０とに接続されている。図４では、これらの部材は
模式的に描いたが、金属板３６（図２参照）とケース８
０（図１参照）とは、互いに組み合わさって検出用素子
本体４０を覆う箱体を構成しており（図２参照）、これ
を同電位に保っていることから、電気的には電磁シール
ドを実現している。従って、内部に収納された検出用素
子本体４０や電子回路基板７０は、その外部からのノイ
ズに対して効果的に保護される。

【００３８】（Ｅ）検出用素子本体４０の充填材５８の
材質と充填状態：図６は、検出用素子本体４０（音速検
出素子アセンブリ）の充填材５８の充填状態を示す説明
図である。但し、図６では説明の便宜上、圧電素子５１
周辺の筒体５２（図３）や端子５５ａ，５５ｂなどのい
くつかの部材の図示が省略されている。

【００３９】実施例で用いた素子ケース４２の寸法は以
下の通りである。・素子ケース４２の全体高さＨ：１０．５ｍｍ・素子収納部の底面開口部の直径Ｄ：１４ｍｍ・素子収納部の上端開口部の直径ｄ：１８ｍｍ・素子収納部の外径Ｏ：２０ｍｍ・フランジ部４１の厚みＦ：３．０ｍｍ・素子ケース４２の底面から圧電素子５１の上面までの
高さｈ：３．５ｍｍ但し、これらの寸法は一例であり、
他の寸法を採用することも可能である。

【００４０】素子ケース４２の内部には、圧電素子５１
を封止するために充填材５８が充填されている。この充
填材５８としては、例えばウレタン樹脂を利用すること
が好ましい。充填材５８は、圧電素子５１の振動を減衰
させる働きがあり、これによってセンサの性能を向上さ
せる効果がある。より具体的に言えば、図５の増幅器出
力の波形に現れているように、圧電素子５１は送信波形
の入力後に慣性振動を起こし、これが残響となる。この
残響が長いと、受信波と重なってしまい、センサの測定
精度が低下する。従って、充填材５８の材質としては、
振動の減衰効果が高く、圧電素子５１の慣性振動を十分
に抑制できるものが好ましい。

【００４１】充填材５８の振動減衰効果（制振効果）を
向上させるため、通常は、充填材５８の材料（例えばウ
レタン樹脂）に重金属など混入させて比重を大きくする
工夫がなされる。本実施例では、比重のみでなく、損失
正接（後述する）にも注目して充填材５８の減衰効果を
向上させる工夫を行った。

【００４２】図７は、本発明の第１実施例と比較例にお
ける充填材５８の特性を示している。第１実施例では、
硬化後の比重が１．６４となるウレタン混合物の２液性
の原液を用いた。このウレタン原液は、比重増加用混入
物（フィラー）としての金属酸化物が予め均一に混入さ
れたものである。金属酸化物としては、例えばアルミナ
（Ａｌ₂Ｏ₃）を用いることができる。また、フィラーと
しては、金属酸化物以外の無機フィラーを用いることも
可能である。第１実施例では、フィラーとして金属酸化
物を予め均一に混合することによって、硬化後のウレタ
ン樹脂の比重が１．６４になるように調整されたウレタ
ン原液を用いた。このウレタン原液としては、例えばサ
ンユレック株式会社（大阪府高槻市）の品番ＳＺ−１１
３７を用いることができる。充填材５８の充填時には、
まず、この２液性のウレタン原料を混合し、この混合液
を素子ケース４２内に所定の高さｊまで注入して圧電素
子５１を封止した。

【００４３】第１実施例で用いたウレタン樹脂の損失正
接ｔａｎδは、０．３０であった。ここで、「損失正接
ｔａｎδ」とは、応力と歪みの位相角δの正接の値であ
り、一般に「振動吸収係数」とも呼ばれている。

【００４４】損失正接ｔａｎδは以下のように導かれ
る。ある物体に架せられた応力に対する歪みの位相遅れ
を考慮した粘弾性の考え方に基づくと、弾性率Ｅ^*は次
の（３）式のように複素数で表される。Ｅ^*＝Ｅ’＋ｉＥ” …（３）

【００４５】ここで、Ｅ’は物体の弾性的特性（貯蔵弾
性率）、Ｅ”は粘性的特性（損失弾性率）である。損失
弾性率Ｅ”は、熱として消費されるエネルギを反映して
いる。損失正接ｔａｎδは、次の（４）式のように損失
弾性率Ｅ”と貯蔵弾性率Ｅ’の比として表される。ｔａｎδ＝Ｅ”／Ｅ’ …（４）

【００４６】この損失正接ｔａｎδは、振動吸収性を表
す尺度（粘弾性系における減衰性能の尺度）として用い
ることができる。

【００４７】比較例（図７）では、硬化後の比重が１．
００となるウレタン混合物の２液性の原液を用いた。こ
のウレタン原液は、比重増加用混入物（フィラー）が配
合されていないものである。比較例では、ウレタン原液
とは別に、比重増加用の混入物として重金属粉末を準備
した。この重金属粉末としては鉛粉末を用いた。充填材
５８の充填時には、まず、２液性のウレタン原料を重金
属粉末とともに混合し、この混合液を素子ケース４２内
に所定の高さｊまで注入して圧電素子５１を封止した。
重金属粉末の混合量は、硬化後の充填材５８の比重が
１．６４となるように調整した。比較例で用いたウレタ
ン樹脂の損失正接ｔａｎδは、０．２０であった。

【００４８】図８は、第１実施例と比較例における残響
長さの測定結果を示す説明図である。図８（Ａ）は、図
５に示した増幅器出力のより具体的な波形を示してい
る。図８（Ｂ）は、比較例と第１実施例の残響長さの測
定結果を示しており、横軸は損失正接、縦軸は残響長さ
である。ここで、「残響長さ」とは、送信の開始時刻か
ら、残響波（送信時の受信波形）の振幅が所定の閾値以
下になる時刻までの時間を意味している。このときの閾
値は、例えば最大振幅の５０％に設定される。

【００４９】図８（Ｂ）から明らかなように、第１実施
例のウレタン樹脂の損失正接（０．３０）は、比較例の
ウレタン樹脂の損失正接の値（０．２０）よりもかなり
大きな値である。損失正接は、粘弾性系における減衰性
能の尺度を表しているので、損失正接が大きいと、その
制振効果も高いことが理解できる。この意味から、ウレ
タン樹脂の損失正接の値は、０．２０よりも大きなこと
が好ましく、０．２５〜０．４の範囲が特に好ましい。

【００５０】なお、残響長さが短いほど、残響波と受信
波とが重なる可能性が低くなり、センサの測定精度が向
上するという利点がある。また、残響長さが短いほど測
定室２８（図２）の長さも短くすることができるので、
センサの全体をコンパクトにできるという利点もある。

【００５１】また、第１実施例のウレタン樹脂では、そ
の原液に金属酸化物が予め混合されているので、充填時
に改めて混入物（フィラー）を計量して混合するという
工程が不要になるという利点がある。また、充填時のフ
ィラー量の誤差によって充填材５８の材質が代わってし
まうことを防止できるという利点もある。

【００５２】図９は、実施例における比重と残響長さの
関係を示すグラフである。ここでは、図６に示した第１
実施例における金属酸化物の混入量を調整することによ
って、種々の比重のウレタン樹脂を生成して用いた。こ
の図９から理解できるように、比重が大きいほど残響長
さが短くなり、より好ましい。ウレタン樹脂の比重は、
無機フィラーを均一に混合させることによって１．５以
上とすることが好ましく、１．６〜１．９の範囲が特に
好ましい。

【００５３】図１０は、図６に示した第１実施例と比較
例の構造に熱衝撃を加えたときのセンサ感度の変化を示
すグラフである。ここで、「センサ感度」とは、受信波
（図８（Ａ））の最大振幅を意味している。熱衝撃は、
センサを収納した熱衝撃実験装置内に、１２０℃と−４
０℃の空気を５０分ずつ交互に導入することによって実
現した。

【００５４】第１実施例は、比較例に比べてセンサ感度
が低下し難く、高温環境下においても長期間安定した性
能を保つことができた。この理由は、第１実施例ではウ
レタン樹脂として耐熱性の高いものを用いており、ウレ
タンが熱により酸化劣化して硬度や弾性が変化するのを
防いでいるからである。すなわち、第１実施例で使用し
たウレタン樹脂（サンユレック株式会社のＳＺ−１１３
７）は、以下に説明するように、ブタジエンの２重結合
に水素添加されたブタジエン系樹脂成分を含んでいる。

【００５５】通常のブタジエン系樹脂成分は、以下のよ
うに二重結合を含んでいる。〜ＣＨ₂−ＣＨ＝ＣＨ−ＣＨ₂〜

【００５６】このブタジエンの二重結合は、高温環境下
において切断されて他の分子と重合してしまう傾向があ
る。一方、第１実施例で用いられているウレタン樹脂で
は、以下のように、ブタジエンの２重結合に水素が添加
されており、２重結合が除去されている。〜ＣＨ₂−ＣＨ₂−ＣＨ₂−ＣＨ₂〜

【００５７】２重結合が存在しない場合には、高温環境
下において２重結合が切断されるという現象が生じない
ため、他の分子と重合する恐れが無く、この結果、ウレ
タン樹脂の耐熱性が向上する。第１実施例では、このよ
うなウレタン樹脂を用いたことによって、比較例に比べ
て耐久性が向上しているものと推測される。但し、使用
条件等によっては、２重結合への水素添加を行わないウ
レタン樹脂を使用することも可能である。

【００５８】図１１（Ａ）は、実施例のウレタン樹脂の
充填量が残響長さに与える影響を示すグラフである。横
軸の充填量ｊは、図６に示すように、素子ケース４２の
底面から充填材５８の表面までの高さを意味している。
ここでは、４．５ｍｍ，６．５ｍｍ，１０．５ｍｍの３
つの充填量ｊの値について、それぞれ複数サンプルを作
成して実験した平均値が黒丸で示されている。また、黒
丸を中心とした上下の範囲は、標準偏差σの３倍値であ
る３σの範囲である。図１１（Ｂ）〜図１１（Ｄ）は、
３つの充填量ｊのときの充填状態を示す断面図である。
充填量ｊが７．５ｍｍのとき（図１１（Ｃ））には、充
填材５８の表面がフランジ部４１の下面４１ａとほぼ一
致している。充填量ｊが１０．５ｍｍのとき（図１１
（Ｄ））には、充填材５８の表面がフランジ部４１の上
面４１ｂ（すなわち素子ケース４２の上面）とほぼ一致
している。

【００５９】図１１（Ａ）のグラフから理解できるよう
に、充填量ｊが多くなるほど残響長さも長くなる傾向に
ある。その第１の理由は、充填量ｊが少ないほど、ウレ
タン樹脂自身の熱膨張による変形が少なくなり、圧電素
子５１への熱応力も少なくなるからである。第２の理由
は、充填量ｊが多い場合には、フランジ部４１で発生し
た熱応力がフランジ部４１から直接充填材５８に伝わる
からである。特に、フランジ部４１は、センサケースで
ある流路形成部材２０（図２）に結合されるので、高温
環境下では素子ケース４２の熱膨張が流路形成部材２０
によって規制され、これによってフランジ部４１に熱応
力が発生する。図１１（Ｄ）に示すような充填量ｊが多
い場合には、このフランジ部４１に発生した熱応力が充
填材５８に直接加わることになる。従って、充填材５８
の表面がフランジ部４１の下面４１ａ以下の高さになる
ように充填量ｊを設定することによって、充填材５８に
加わる熱応力を低減することができ、センサ性能を向上
させることが可能である。

【００６０】また、実施例に使用されたウレタン樹脂は
誘電正接が３％以下になるように調整されている。すな
わち、誘電正接が低いウレタン樹脂を用いることでセン
サ素子の電極間で生じる静電容量に起因するノイズをの
りにくくすることが可能であり、より好適である。

【００６１】（Ｆ）ガスセンサの製造方法：次に、本実
施例におけるガスセンサ１０を製造する方法について、
説明する。図１２は、ガスセンサの製造工程を示す工程
図である。図示するように、このガスセンサ１０を製造
するに際しては、まず圧電素子を組み立てる（工程Ｓ１
００）。他方、こうして得られた圧電素子組立を封入す
る素子ケース４２（図３）を用意する（工程Ｓ１１
０）。素子ケース４２は、ガラスフィラー入りの合成樹
脂を射出成形して製造するが、削り出しなどの手法によ
っても良い。

【００６２】次に、検出用素子本体４０を組み立てる作
業を行なう（工程Ｓ１２０）。この工程では、まず、工
程Ｓ１１０で製造した素子ケース４２に、工程Ｓ１００
で組み立てた圧電素子組立を組み付ける。この状態で、
筒体５２を、素子ケース４２の開口側から挿入し、音響
整合板５０の外周に嵌め込む作業を行なう（工程Ｓ１３
０）。作業に先立って、銅箔５２ｃを接着層５２ｂを介
してポリエチレンテレフタレートフィルム５２ａに貼り
合わせたものを、予め音響整合板５０の外径に合わせた
内径に巻き、筒体５２として製造しておく。筒体５２
は、特に接着などはせず、音響整合板５０に嵌め合わせ
ただけである。

【００６３】この状態で、圧電素子５１から延びる２本
のリード線５４ａ，５４ｂを、端子５５ａ，５５ｂには
んだ付けなどの手法で接続する作業を行なう（工程Ｓ１
４０）。以上の処理により、検出用素子本体４０に必要
に部品は全て組み付けられる。そこで、次に素子ケース
４２の開口側から、ウレタンを充填する処理を行なう
（工程Ｓ１５０）。なお、図２，図３ではウレタンは省
略されている。

【００６４】以上説明した検出用素子本体４０の製造と
は別に、流路形成部材２０（図２）の製作が行なわれ
る。この工程を工程Ｓ２００以下に示した。流路形成部
材２０の製作に際しては、まず金属板をプレス加工し
て、インサート成形用の金属板３６を成形する処理を行
なう（工程Ｓ２００）。

【００６５】次に、流路形成部材２０を、その内部に金
属板３６を備えるようにインサート成形する処理を行な
う（工程Ｓ２１０）。流路形成部材２０は、ガラスフィ
ラー入りの合成樹脂を用いて成形する。

【００６６】こうして流路形成部材２０を製作した後、
この流路形成部材２０の収納部２２の底部の凹部２４
に、既に製造しておいた検出用素子本体４０を溶着する
作業を行なう（工程Ｓ２３０）。溶着は、超音波溶着に
より行なう。これは検出用素子本体４０を所定の治具に
取り付けた上で、この検出用素子本体４０を超音波領域
の振動数で振動させて、そのフランジ部４１（図３）の
下面を収納部２２の接合面に強く打ちつける。図３に示
すように、フランジ部４１の下面には、突起５９が形成
されているから、超音波振動による力は全てこの突起５
９に集中することになり、突起５９は機械的なエネルギ
が集中することにより加熱され、やがて溶融する。この
結果、検出用素子本体４０は、フランジ部４１下面で、
流路形成部材２０の収納部２２の接合面に隙間なく溶着
する。検出用素子本体４０の取り付けの前後の様子を、
図１３（Ａ）（Ｂ）に示した。なお、溶着は、熱板溶着
など、他の手法に拠っても良い。

【００６７】検出用素子本体４０の取り付けと前後し
て、サーミスタ６０を流路形成部材２０の挿入孔２５に
取り付ける作業も行なう（工程Ｓ２４０）。その後、検
出用素子本体４０の上に緩衝材８８を載置する（工程Ｓ
２５０）。

【００６８】緩衝材８８を配置した後、図１４（Ａ）に
示したように、電子回路基板７０上に用意された取り付
け孔に、次の４つの部材を嵌め合わせつつ、電子回路基
板７０を、上方から、収納部２２に収納する（工程Ｓ２
６０）。即ち、・金属板３６から切り起こされて収納部２２底部に立設
している切り起こし部８３、・検出用素子本体４０から突出した端子５５ａ，５５
ｂ、・サーミスタ６０の端子６４ａ，６４ｂ、・コネクタ３１の４本の端子、の４つの部材を、電子回路基板７０の所定の取付孔に嵌
合する。このうちコネクタ３１の複数の端子のうち、図
４に示したＧＮＤ，ＳＧＮＬ，Ｖｃｃ用の端子を、電子
回路基板７０上の取付孔周囲に設けられたランドにはん
だ付けする。

【００６９】次に、図１４（Ｂ）に示したように、この
収納部２２にケース８０を取り付ける作業を行なう（工
程Ｓ２７０）。このとき、ケース８０に設けられた挿入
孔８５に、コネクタ３１の複数の端子のうちの１本の端
子３１ｄを貫通させ、その後、これをはんだ付けまたは
ロウ付けする。これでケース８０の取付作業は完了す
る。その後、収納部２２内に樹脂（本実施例ではウレタ
ン）を充填する作業を行なう（工程Ｓ２８０）。ウレタ
ンで検出用素子本体４０や電子回路基板７０をモールド
するのである。なお、図１４では、樹脂モールドした樹
脂は描いていない。その後、測定室２８に濃度を他の検
出装置で検出したガソリン蒸気を含むガスを導入し、ガ
スセンサ１０を動作させて、その出力を較正（キャリブ
レーション）する処理を行なう（工程Ｓ２９０）。ガス
センサ１０の較正は、この実施例では、検出結果から、
ガスセンサ１０の出力と他の測定装置で検出済みのガソ
リン濃度との関係を示す較正曲線を求めて、これをマイ
クロプロセッサ９１に内蔵したＥＥＰＲＯＭに書き込む
ことで行なったが、ウレタンの充填前に、電子回路基板
７０上に用意したトリマなどを調整することで行なうよ
うにしても良い。後者の場合には、ケース８０に調整用
の工具を差し入れるための開口部を設けておき、ケース
８０を取り付けた状態（樹脂モールド未実施の状態）で
調整を行なうことが望ましい。

【００７０】以上、本発明のいくつかの実施例について
説明したが、本発明はこうした実施例に何ら限定される
ものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲内におい
て変更することが可能である。

【００７１】例えば、本発明は、超音波を用いた他の種
類のセンサ（例えば比熱センサ）にも適用可能であり、
また、超音波以外の振動波を用いて種々の性質を検出す
るセンサに適用することができる。また、本発明は、上
記実施例のように送信部および受信部の両方として機能
するセンサに限らず、振動波の送信部と受信部のうちの
いずれか一方としてのみ機能するセンサにも適用可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のガスセンサ１０の概略構成を示す分解
斜視図である。

【図２】ガスセンサ１０の構造を示す断面図である。

【図３】検出用素子本体４０の構造を示す断面図であ
る。

【図４】電子回路基板７０の内部の電気的な構成を示す
説明図である。

【図５】超音波を用いたガス濃度の検出の原理を説明す
る説明図である。

【図６】検出用素子本体４０（音速検出素子アセンブ
リ）の充填構造を示す説明図である。

【図７】第１実施例と比較例における充填材の特性を示
す説明図である。

【図８】第１実施例と比較例における残響長さの測定結
果を示す説明図である。

【図９】実施例における比重と残響長さの関係を示すグ
ラフである。

【図１０】第１実施例と比較例の構造に熱サイクルを加
えたときのセンサ感度の変化を示すグラフである。

【図１１】実施例のウレタン樹脂の充填量が残響長さに
与える影響を示すグラフである。

【図１２】実施例におけるガスセンサ１０の製造方法を
示す工程図である。

【図１３】検出用素子本体４０を流路形成部材２０の収
納部２２に組み付ける様子を示す説明図である。

【図１４】電子回路基板７０とケース８０との取付の様
子を示す説明図である。

【符号の説明】

１０…ガスセンサ２０…流路形成部材２２…収納部２３…回路基板収納室２４…凹部２５…挿入孔２７…導入路２８…測定室２９…バイパス流路３１…コネクタ３１ｄ…端子３２…導入孔３３…反射部３４…出口３５…排出流路３６…金属板４０…検出用素子本体４１…フランジ部４１ａ…下面４２ｂ…上面４２…素子ケース４３…収容部４５…端面４６…段差部４８…保護フィルム５０…音響整合板５１…圧電素子５２…筒体５２ａ…ポリエチレンテレフタレートフィルム５２ｂ…接着層５２ｃ…銅箔５４ａ，５４ｂ…リード線５５ａ，５５ｂ…端子５６ａ，５６ｂ…突出部５８…充填材５９…突起６０…サーミスタ６４ａ，６４ｂ…端子７０…電子回路基板７２…取付孔８０…ケース８３…切り起こし部８５…挿入孔８７…リング８８…緩衝材９１…マイクロプロセッサ９２…Ｄ／Ａコンバータ９３…ドライバ９６…増幅器９７…コンパレータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伴野圭吾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 CA01 GA01 GA18 GB11 GB28 5D019 AA21 AA22 FF01 GG05 GG07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】センサであって、振動波の送信と受信の少なくとも一方に用いられるセン
サ素子と、前記センサ素子を収納する素子ケースと、前記センサ素子を封止するように前記素子ケース内に充
填された充填材と、を有する素子アセンブリを備え、前記充填材は、損失正接が０．２よりも大きなウレタン
樹脂で形成されていることを特徴とするセンサ。
【請求項２】請求項１記載のセンサであって、前記ウレタン樹脂は、無機フィラーを均一に混合するこ
とによって比重が１．５以上になるように調整されたも
のである、センサ。
【請求項３】請求項２記載のセンサであって、前記無機フィラーは金属酸化物である、センサ。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載のセ
ンサであって、前記素子ケースは、前記素子ケースの上端に設けられ、
前記センサの他の所定の部材と結合するために用いられ
るフランジ部を有し、前記充填材の充填量は、前記充填材の表面の高さが前記
フランジ部の下面以下になるように設定されている、セ
ンサ。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載のセ
ンサであって、前記ウレタン樹脂は、ブタジエンの２重結合に水素添加
されたブタジエン系樹脂成分を含む、センサ。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれかに記載のセ
ンサであって、前記ウレタン樹脂は誘電正接が３％以下
になるように調整されたものである、センサ。
【請求項７】請求項１ないし６のいずれかに記載のセ
ンサであって、前記センサ素子は、前記センサの被測定対象である気体
への超音波の送信及び該気体中を伝播した超音波の受信
の少なくとも一方を行うための素子であり、前記センサは、前記超音波の伝播速度と前記気体の温度
とに応じて前記気体中に含まれる少なくとも１種類のガ
ス成分の濃度を検出するために利用されるものである、
センサ。