JP2003302385A

JP2003302385A - センサ

Info

Publication number: JP2003302385A
Application number: JP2002107465A
Authority: JP
Inventors: Hideki Ishikawa; 秀樹石川; Yoshikuni Sato; 美邦佐藤; Keigo Tomono; 圭吾伴野; Takashi Morita; 剛史森田; 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】素子アセンブリとしての検出用素子本体
４０は、センサ素子としての圧電素子５１と、この圧電
素子５１を収納する素子ケース４２と、素子ケース４２
内に充填された第１の充填材５８とを有する。この検出
用素子本体４０と電子回路基板７０との間には緩衝材８
８が介挿される。その後、収納部２２内に第２の充填材
７４が充填される。緩衝材８８は、２つの充填材５８，
７４が直接接触しないようにするための介在物として機
能する。

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場合が多
い。充填材の充填状態などの超音波素子周辺の構造は、
超音波の伝播特性に影響する。特に、充填材などのよう
な超音波素子の周辺構造の熱膨張は、センサの特性に大
きな影響がある。しかし、従来は、超音波素子の周辺構
造の熱膨張によるセンサ特性への影響についてはあまり
考慮されていなかった。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
第１のセンサは、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第１の充填材とを有する素子ア
センブリと、前記素子アセンブリを収納するための収納
室と、前記収納室内に前記素子アセンブリが装着された
後に前記収納室内に充填された第２の充填材とを有する
素子アセンブリ収納部と、を備え、前記第１と第２の充
填材との間に、前記第１と第２の充填材とが直接接触し
ないように介在物が設けられていることを特徴とする。

【０００６】このセンサによれば、第１と第２の充填材
との間に介在物が設けられており、第１と第２の充填材
とが直接接触しないので、第２の充填材の熱膨張の影響
がセンサ素子を覆う第１の充填材に及ぶことを防止する
ことができる。この結果、第２の充填材により発生する
第１の充填材への熱応力の影響を低減することができ、
高温時における振動波の伝播特性を改善することができ
る。

【０００７】前記介在物は、弾性を有する緩衝材である
ことが好ましい。この構成によれば、第２の充填材に発
生した熱応力が介在物により低減され、介在物からの応
力がセンサ素子を覆う第１の充填材にあまり加わらない
ので、振動波の伝播特性をより改善することができる。

【０００８】また、前記緩衝材は、前記第１の充填材に
接触した状態で設けられていることが好ましい。この構
成によれば、第１の充填材の表面の露出部分が少ないの
で、第１の充填材の上方に存在する空気層の熱膨張によ
って、この露出部分に印加される応力を低減することが
できる。この結果、振動波の伝播特性をさらに改善する
ことができる。

【０００９】また、前記緩衝材は、発泡体を含むことが
好ましい。この構成によれば、第２の充填材に発生した
熱応力が介在物により十分に低減され、介在物からの応
力がセンサ素子を覆う第１の充填材にあまり加わらない
ので、振動波の伝搬特性をさらに改善することができ
る。

【００１０】本発明による第２のセンサは、振動波の発
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と、前記充填材に接触した
状態で設けられた発泡材と、を備えることを特徴とす
る。

【００１１】このセンサにおいても、充填材の表面の露
出部分が少ないので、充填材の上方に存在する空気層の
熱膨張によって、この露出部分に印加される応力を低減
することができる。この結果、振動波の伝播特性を改善
することができる。

【００１２】なお、前記発泡材は、多数の独立気泡を有
する独立気泡体であることが好ましい。この構成によれ
ば、第２の充填材がその充填時に発泡体を通過して素子
ケース内側への浸透することが無いため第２の充填材が
第１の充填材と接触することが無く、第２の充填材によ
り発生する第１の充填材（センサ素子を覆う充填材）へ
の熱応力の影響を回避することが可能である。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】

【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。

【００１６】（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。

【００１７】（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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】（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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】（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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】

【数１】

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】（Ｅ）検出用素子本体４０の周辺構造：図
６は、実施例における検出用素子本体４０（音速検出素
子アセンブリ）の周辺構造を示す説明図であり、図２の
一部を拡大したものである。但し、図６では説明の便宜
上、サーミスタ６０や、圧電素子５１周辺の筒体５２
（図３）などのいくつかの部材の図示が省略されてい
る。

【００４０】検出用素子本体４０の素子ケース４２の内
部には、圧電素子５１を封止するために第１の充填材５
８が充填されている。この第１の充填材としては、例え
ばウレタン樹脂やシリコーン樹脂を利用することができ
る。第１の充填材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。

【００４１】検出用素子本体４０のフランジ部４１（図
３）と電子回路基板７０の間には、緩衝材８８が固定さ
れている。緩衝材８８の固定には、例えば、両面テープ
や接着剤を用いることができる。緩衝材８８は、検出用
素子本体４０と略同一の外径に形成された略円盤状の発
泡体である。この発泡体は、例えばシリコーン樹脂で形
成されており、その厚さは数ミリである。この緩衝材８
８には、検出用素子本体４０から上方に突き出た端子５
５ａ，５５ｂが貫通する開口も設けられている。緩衝材
８８を検出用素子本体４０と電子回路基板７０との間に
介挿させた状態で、収納部２２内に第２の充填材７４が
充填される。このとき、充填材７４の進入が緩衝材８８
によって阻止されるので、検出用素子本体４０内の第１
の充填材５８と、収納部２２内の第２の充填材７４とが
直接接触しない構造が得られる。

【００４２】なお、本実施例においては、検出用素子本
体４０が本発明の素子アセンブリに相当し、また、圧電
素子５１がセンサ素子に、収納部２２が収納室にそれぞ
れ相当する。

【００４３】図７は、比較例の構造を示す説明図であ
る。この比較例では、緩衝材８８が設けられておらず、
検出用素子本体４０の充填材５８と収納部２２の充填材
７４とが互いに接触した構造となっている。図８は、８
５℃における比較例と実施例の構造の受信波形を比較し
て示す説明図である。これらの波形は、図５で説明した
送信時の増幅器出力（残響ＲＶを含む波形部分）のより
現実的な波形である。図８の比較結果から理解できるよ
うに、比較例の構造では、受信波の振幅が実施例よりも
長時間に渡って減衰しない状態で維持されてしまい、長
い残響が生じる。送信時の残響が過度に長くなると、送
信波と受信波とが重なってしまい測定誤差が大きくなる
という問題が生じる。実施例は、比較例に比べて残響特
性が改善されているので、このような問題が生じにくい
という利点がある。

【００４４】比較例の構造によって残響特性が悪化する
理由は、以下のように推測される。センサの環境が高温
になると、センサ各部の熱膨張によって熱応力が発生す
る。このとき、２つの充填材５８，７４が互いに接触し
ている場合には、充填材７４で発生した熱応力が、検出
用素子本体４０内部の充填材５８に加わり、充填材５８
を介して圧電素子５１にも加わる。このような熱応力
は、充填材５８や圧電素子５１の振動特性に大きな影響
を与えるので、振動波の減衰が遅くなり、図８（Ａ）に
示すように残響特性が悪化するものと考えられる。これ
に対して、実施例の構成では、検出用素子本体４０の充
填材５８と収納部２２の充填材７４とが互いに接触せ
ず、緩衝材８８によって隔てられているので、このよう
な熱応力の影響がより小さく抑えられている。従って、
残響特性も比較例に比べて優れているものと推測され
る。

【００４５】なお、緩衝材８８によって残響特性を向上
させる効果は、特に、本実施例のように、素子ケース４
２の内面がテーパ状に形成されており、素子ケース４２
上端の開口面積が底面の開口面積よりも大きくなってい
る場合に顕著である。この理由は、素子ケース４２の内
面がこのようなテーパ面に形成されていると、充填材５
８が熱膨張するときに上方に向けて変形しようとするた
めである。すなわち、比較例ではこのような充填材５８
の変形が収納部２２の充填材７４によって妨げられるの
で、充填材５８内部の熱応力が高まる傾向にある。これ
に対して、実施例の構造では、充填材５８の上方への変
形が充填材７４によって妨げられないので、充填材５８
内部の熱応力も小さくなり、残響特性が向上する。

【００４６】また、圧電素子５１から放射される超音波
は、音響整合層５０を通じて測定室２８へと放射される
成分だけでなく、測定室２８と反対方向に（すなわち第
１の充填材５８へと）放射される成分も存在し、このよ
うにして第１の充填材５８へと放射された超音波は第１
の充填材５８の表面で反射して圧電素子５１へと戻るこ
とになるため、この成分がノイズとして受信波形に合成
されてしまうこととなる。このようなノイズ成分に対し
て、本実施例の構造では、緩衝材８８が第１の充填材５
８の表面に直接接触することとなり、かつ緩衝材は弾性
を有しており、さらには超音波を吸収しやすい発泡材で
あるので、上記ノイズ成分が第１の充填材５８の表面に
達した際にそのノイズ成分を吸収する役目を果たし、測
定精度向上に対しても効果がある。

【００４７】図９は、図６に示した実施例の第１の変形
例を示す説明図である。この第１の変形例は、検出用素
子本体４０の充填材５８と緩衝材８８との間にもう１つ
の緩衝材８９が介挿されている点で図６に示した実施例
と異なるだけであり、他の点は上記実施例と同一であ
る。すなわち、図６の実施例では、検出用素子本体４０
の充填材５８と緩衝材８８との間に空間（空隙）が生じ
ており、ここに空気層が存在していたが、図９の第１の
変形例では、この空間が緩衝材８９によってほとんど埋
められている。

【００４８】この第１の変形例も、上記実施例と同様に
残響特性を向上させる効果を有する。また、第１の変形
例では、素子ケース４２内の充填材５８の表面が緩衝材
８９に接触しているので、空気層の熱膨張による応力が
充填材５８および圧電素子５１に加わりにくいという利
点がある。より具体的に説明すれば、第１の変形例で
は、充填材５８が空気に接する面積が少ないので、充填
材５８の上方にある空気層が熱膨張しても、空気の膨張
による応力の総計は小さな値に抑えられる。また、緩衝
材８８，８９はクッション効果（弾性）があるので、緩
衝材８８，８９の熱膨張による応力はほとんど無視でき
る程度である。この意味では、緩衝材８８，８９は、な
るべくクッション効果の高い材料で構成されていること
が好ましく、例えば、独立気泡体で構成されていること
が好ましい。ここで、「独立気泡体」とは、互いに連結
していない独立した多数の気泡を含む材料を意味してい
る。このような独立気泡体は、シリコーン樹脂やウレタ
ン樹脂で形成することができる。但し、シリコーン樹脂
の方がウレタン樹脂よりも耐熱性の点で優れているの
で、緩衝材８８，８９としては、シリコーン樹脂製の独
立気泡体を用いることが好ましい。

【００４９】また、充填材５８に接触する緩衝材８９
は、充填材５８の表面の大部分を覆うことが好ましく、
その８０％以上を覆うことが好ましい。このとき、緩衝
材８９によって覆われる充填材５８の面積は、緩衝材８
９に発泡が無いものとして計算される。また、緩衝材８
９は、常温において多少圧縮された状態で充填材５８の
表面に密着していることが好ましい。この理由は、この
ように常温で密着している状態にすれば、環境温度が高
温になったときにも緩衝材８９と充填材５８との間に間
隙が生じることを防止することができ、この結果、残響
特性をさらに向上させることができるからである。

【００５０】なお、緩衝材８８，８９としては、発泡体
以外の他の材料を用いることも可能であり、例えば、不
織布やゴムなどを利用することが可能である。また、緩
衝材８８，８９は、別体として形成されている必要はな
く、一体として形成されていてもよい。

【００５１】図１０は、第２の変形例を示す説明図であ
る。この第２の変形例は、緩衝材８８の代わりにＯ−リ
ング８７が介挿されている点で図６に示した実施例と異
なるだけであり、他の点は上記実施例と同一である。こ
の第２の変形例では、素子ケース４２内の充填材５８と
電子回路基板７０との間には、空間（空気層）が形成さ
れている。この第２の変形例も、上記実施例と同様に残
響特性を向上させる効果を有する。

【００５２】上述した実施例や第１および第２の変形例
は、検出用素子本体４０の充填材５８と、収納部２２内
の充填材７４との間に、これらの充填材５８，７４が直
接接触しないように介在物が設けられている点で共通し
ている。このような構造を採用することにより、検出用
素子本体４０の充填材５８に加わる熱応力を軽減するこ
とができ、残響特性を向上させることができるという利
点がある。

【００５３】図１１は、第３の変形例を示す説明図であ
る。この第３の変形例は、図９に示した第１の変形例か
ら充填材７４を無くしたものであり、他の点は第１の変
形例とほぼ同一である。なお、収納部２２は蓋２１で密
閉されている。この第３の変形例も、第１の変形例と同
様に、検出用素子本体４０内の充填材５８の上方にある
空気が膨張しても空気の膨張による充填材５８への圧力
が小さいので、残響特性を向上することが可能である。
すなわち、収納部２２に充填材７４が充填されていない
場合にも、検出用素子本体４０の充填材５８の表面に接
触した状態で緩衝材８８，８９を配置することによっ
て、残響特性を向上させることができる。

【００５４】（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。

【００５５】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。

【００５６】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。

【００５７】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）。

【００５８】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。

【００５９】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、凹部２４の中心に検出用素子本体４０
の中心を一致させ、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
５９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。

【００６０】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）。

【００６１】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。

【００６２】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。

【００６３】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。

【００６４】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】実施例における検出用素子本体４０（音速検出
素子アセンブリ）の周辺構造を示す説明図である。

【図７】比較例の構造を示す説明図である。

【図８】比較例と実施例の構造での受信波形を比較して
示す説明図である。

【図９】第１の変形例を示す説明図である。

【図１０】第２の変形例を示す説明図である。

【図１１】第３の変形例を示す説明図である。

【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２１…蓋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…第１の充填材５９…突起６０…サーミスタ６４ａ，６４ｂ…端子７０…電子回路基板７２…取付孔７４…第２の充填材８０…ケース８３…切り起こし部８５…挿入孔８７…リング８８，８９…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)発明者森田剛史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 5D019 AA17 EE05 FF01 GG05

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
された第１の充填材とを有する素子アセンブリと、前記素子アセンブリを収納するための収納室と、前記収
納室内に前記素子アセンブリが装着された後に前記収納
室内に充填された第２の充填材とを有する素子アセンブ
リ収納部と、を備え、前記第１と第２の充填材との間に、前記第１と第２の充
填材とが直接接触しないように介在物が設けられている
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、前記介
在物は、弾性を有する緩衝材である、センサ。
【請求項３】請求項２記載のセンサであって、前記緩衝材は、前記第１の充填材に接触した状態で設け
られている、センサ。
【請求項４】請求項３または４記載のセンサであっ
て、前記緩衝材は、発泡材を含む、センサ。
【請求項５】センサであって、振動波の発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と、前記充填材に接触した状態で設けられた発泡材と、を備
えることを特徴とするセンサ。
【請求項６】請求項４または５記載のセンサであっ
て、前記発泡材は、多数の独立気泡を有する独立気泡体であ
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。