JP2003329659A - ガスセンサおよびガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波素子などの検出用振動素子を用いてガ
スの性質を測定するガスセンサでは、超音波素子の配置
されたケース内を充填する樹脂の熱膨張などの影響で、
検出誤差が生じる。 【解決手段】 ガスセンサ１０の素子ケース４２の内周
面を、鉛直方向に対して約１１度の角度を有するテーパ
面１００として形成し、収容部４３のこのテーパ面１０
０と保護フィルム４８とにより囲まれた部分を、発泡ウ
レタンである充填材４９で充填した。この結果、高温時
に発泡ウレタンが熱膨張すると、テーパ面１００により
上方への分力を受け、膨張による体積変化の影響が保護
フィルム４８方向に及びにくくなる。従って保護フィル
ム４８の変形を伴う素子部分４４の突出が抑制され、反
射部３３までの伝播距離Ｌの変化ΔＬも抑制されて検出
精度が低下することはない。また、超音波素子５１の駆
動後の減衰振動である残響も短くなる。テーパ面１００
の下部を曲面に形成しても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスセンサの構造
に関し、詳しくは、所定の流路に存在する気体の性質を
検出するガスセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から検出用素子を用いて、流路に存
在する気体の性質として、例えば特定成分の濃度や温
度、あるいは湿度などを測定するガスセンサが知られて
いる。こうしたガスセンサでは、検出用素子からの信号
を電気的に処理して、気体の性質に対応した電気信号と
して出力する。ガスセンサの一例として、自動車など内
燃機関を搭載した輸送機器に設けられ、超音波の伝搬速
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
る超音波式のガスセンサを取り上げる。こうしたガスセ
ンサは、例えば自動車に搭載されたキャニスタから内燃
機関の吸気管に接続されたパージラインの途中に設けら
れ、センサに形成された所定体積の流路に、ガソリンな
どが含まれる蒸発燃料ガスが通過するよう構成される。
ガソリン蒸気の濃度が変化すると、媒質中を通過する超
音波の速度が変化するので、この変化を超音波の受信器
で検出し、信号を処理して、ガソリン濃度に対応した信
号として出力するのである。通常は、送信器から出力さ
れた超音波が所定距離を伝搬して受信器に到達するまで
の時間を検出して、ガソリン濃度を求めている。

【０００３】こうしたガスセンサを初めとし、気体の性
質の変化を大きな電気信号に直接変換できる素子は少な
く、検出用素子から出力される電気信号は微弱なことが
多い。このため、検出用素子にわずかな力が働いても出
力が変化してしまうことがあり、これを回避するため
に、従来の検出用素子では、素子本体を、樹脂などでモ
ールドして固定することが行なわれている。例えば、上
述した超音波式のガスセンサでは、超音波を送信あるい
は受信する素子を専用の収納ケースに収めた後、樹脂、
例えばウレタン樹脂などを収納ケースに充填し、検出用
素子を埋設・固定するのが一般的である（例えば、下記
特許文献１参照）。

【特許文献１】特開２０００−２０６０９９号公報

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
たガスセンサでは、モールドした樹脂の熱膨張などによ
り、超音波を検出する検出用振動素子に応力が加わって
検出精度を低下させたり、場合によっては、樹脂の熱膨
張により検出用振動素子が変位し、検出精度に影響を与
えるという問題があった。例えば、上述した超音波を用
いたガスセンサでは、超音波を送信または受信する素子
を検出対象であるガスから隔離するために、収納ケース
の開口部にフィルムなどの薄膜を設け、薄膜上に素子を
取り付けた上で、収納ケース内を樹脂で充填することが
ある。かかる構造を採用すると、高温時に検出用振動素
子の収納ケース内部の充填材が熱膨張し、内部には応力
が発生する。この結果、膨張した充填材に押し出される
ようにして、薄膜の変形を伴いつつ、検出用振動素子の
部分が収納ケースの開口部から突出する現象が見られ
た。検出用振動素子の部分が突出すると、超音波の伝搬
距離も変化し、検出精度に影響を与えてしまう。

【０００５】特に、検出用振動素子が超音波の送信と受
信の両方を兼用する場合には、検出用振動素子の周辺、
例えば検出用素子のケースの側面などで超音波が反射す
ることにより、ノイズが発生するといった問題も指摘さ
れていた。検出用振動素子から、検出用の流路以外の方
向に伝搬した超音波は、媒質の密度の差が大きい境界面
などで反射して戻ってくることがあり、これがノイズと
して観測されてしまう。ノイズが多くまた長時間に亘っ
て発生すると、超音波の検出精度に影響を与えてしまう
ことも考えられた。

【０００６】本発明は、上記した問題点を解決するため
になされたものであり、ケース内の検出用振動素子が充
填材で埋設された構造のガスセンサにおいて、温度変化
などに伴う検出精度の低下やノイズの発生などを抑制す
ることを目的とする。

【０００７】

【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本発明のガスセンサ
は、所定の流路に存在する気体の性質を検出するガスセ
ンサであって、前記気体の性質を気体内を伝搬する疎密
波の変化を利用して検出する検出用振動素子と、該検出
用振動素子を収納する筒状の素子ケースとを備え、該素
子ケースの内周面を、前記検出用振動素子が配置された
一端部側ほど内径を小さく形成すると共に、前記検出用
振動素子は、前記素子ケース内に充填した充填材により
埋設されたことを特徴とする。

【０００８】かかるガスセンサでは、検出用振動素子が
素子ケース内に充填した充填材に埋設されているが、素
子ケースの内周面を、前記検出用振動素子が配置された
一端部側ほど内径を小さく形成しているので、充填材が
膨張しても、充填材は、内周面において内径が大きい側
への分力を受け、もっぱら内径が大きい側に膨張するよ
う変形する。この結果、内径が小さい側、即ち検出用振
動素子の側への体積変化に対する影響は小さくなり、充
填材が膨張しても、検出用振動素子の位置の変位あるい
は検出用振動素子にかかる応力が抑制される。即ち、充
填材の膨張により素子ケース内に発生する応力も、検出
用振動素子の側では低減されるので、応力により検出用
振動素子の挙動が変化して、検出の精度を低下させると
いう現象も緩和される。

【０００９】筒状の素子ケースの内周面を、検出用振動
素子が配置された一端部側ほど内径を小さく形成するに
は、内周面の少なくとも一部を、一端部側に向けて内径
が絞られたテーパ面とするか、内周面の少なくとも一部
を、一端部側ほど内径が小さくなる曲面として形成する
ことができる。前者の場合、テーパ面の角度は、軸方向
に対して、７ないし１５度の範囲とすることができる。
更に好ましくは、１０ないし１２度の範囲としても良
い。これらの角度範囲では、充填材が膨張した場合の検
出用振動素子の変位が十分に小さくされ、また疎密波の
非所望の伝搬によるノイズなども十分に抑制される。他
方、後者の場合、曲面は、素子ケースの軸方向断面にお
いて、円、楕円、放物線、双曲線の一部とすることがで
きる。内周面が曲面の場合には、伝搬してきた疎密波が
内周面で反射すると、反射波の方向は同方向とならない
から、特異な反射波などが生じることがない。なお、内
周面を曲面にする場合、素子ケースの軸方向断面におい
て、自由曲線としても差し支えない。内周面は、素子ケ
ースの軸中心に対して線対称に形成しても良いが、非対
称とすることも差し支えない。非対象にすれば、素子ケ
ースの軸中心に検出用振動素子が置かれている場合で
も、周囲に向かって伝搬した疎密波の反射波が軸中心に
おいて重なり合うことがない。

【００１０】ここで、素子ケースは、略円筒形の収容部
と、収容部の一端部と反対側の他端部に連設され流路に
該素子ケースを取り付けるフランジ部とから構成するこ
とができる。こうした構造を採用すると、素子ケースの
取り付けをフランジ部で行なうことができ、検出用振動
素子の位置を素子ケースの取り付け位置から遠ざけるこ
とができ、好適である。検出用振動素子と素子ケースの
取り付け位置とが近接していると、疎密波が、素子ケー
スとこれが取り付けられた他の部材との間で伝搬しやす
く、慮外の反射などにより、種々のノイズが生じ易いか
らである。

【００１１】収容部とフランジ部とが分かれている場合
には、テーパ面は、収容部に対応する内周面に形成すれ
ば足りる。もとよりフランジまでテーパ面に形成しても
差し支えない。なお、テーパ面は直線である必要はな
く、素子ケースの内径が、検出用振動素子の側で小さく
なるようになっていれば、緩やかな曲面であっても差し
支えない。

【００１２】素子ケースの内周面をテーパ面としたと
き、収容部の外周面は、内周面と平行に形成しても良い
が、内周面と非平行とすることもできる。この場合は、
収容部の肉厚を収容部とフランジ部との連設箇所から収
容部の一端部に向けて、漸増する形状に形成すれば、収
容部とフランジ部との連設箇所では、素子ケースの肉厚
を収容部の一端部より薄くでき、収容部の一端部付近で
の十分な強度と、収容部全体の変形可能性とを、実現す
ることができる。

【００１３】素子ケースの一端部端面には、検出用振動
素子とガスの存在する流路とを隔てるフィルムの外周部
を固定することができる。フィルムは、素子ケースの内
部を、流路に存在するガスから保護するために役立つ
が、上述したように、素子ケースに設けられた収容部一
端部の肉厚が厚く形成されている場合には、特にフィル
ムの固定が容易になると言う利点も得られる。

【００１４】検出用振動素子は、気体の性質を気体内を
伝搬する疎密波の変化を利用して検出するものであり、
こうした疎密波としては、音波または超音波を用いるこ
とができる。このとき、検出用振動素子は、音波または
超音波を発生および／または受信する振動素子、例えば
圧電素子などを採用することができる。

【００１５】本発明のガスセンサは、揮発性の燃料を用
いて燃焼する熱機関を搭載した機器に搭載し、該揮発性
の燃料の濃度を検出するガス濃度検出装置に用いること
ができる。このとき、検出用の流路は、熱機関への燃料
通路の一部に設けられた流路とすればよい。また、ガス
センサの検出用振動素子に演算回路を接続し、この演算
回路で、検出用振動素子の振動による疎密波が、前記検
出用の流路を通過する速度を検出することで、該検出用
の流路内の前記燃料の濃度を演算するものとすればよ
い。このガス濃度検出装置は、検出用の流路に存在する
揮発性のガス、例えばガソリンや軽油などの蒸気の濃度
を、超音波などの疎密波の伝搬速度の変化により検出す
ることができる。

【００１６】

【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、超音波の伝搬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。

【００１７】（Ａ）ガスセンサ１０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７
０、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２
５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７
０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、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、全体を樹脂、例えばウレタン樹
脂によりモールドして製造されている。

【００１８】（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、ガラスフィラ入りの合成
樹脂を成形したものであり、その弾性率は、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２
０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。

【００１９】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、図
２では、ガスセンサ１０は最終的には樹脂、例えばウレ
タン樹脂が充填されてモールドされているが、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。導入路２７はバイパス流路２
９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２７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。

【００２０】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。検出用素子本体４０から反射部３３まで超音波が伝
搬する距離を、伝搬距離Ｌとよぶ。伝搬距離Ｌと反射部
３３の働きについては、後述する。反射部３３は、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。

【００２１】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、図３に示した金属板３６がイン
サート成型されている。この金属板３６は、図示するよ
うに、収納部２２の底面形状にほぼ倣う形状をしてお
り、取り付け用凹部２４に対応する凹部３７や、挿入孔
２５に対応する開口部３８などを有する。この金属板３
６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、インサート成型された後、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。

【００２２】収納部２２の内側の４つの隅部のうち、切
り起こし部８３に隣接する１カ所には、電子回路基板７
０を載置する支持台を兼ねて、端子用凸部２２ａが設け
られている（図４参照）。この外側には、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を形成する端子は、収納部２２の外壁をこの部
分で貫通している。コネクタ３１には、入り口側で３本
の端子が用意されており、３本の端子の両側の２本が、
外部からこのガスセンサ１０に電源を供給する電源ライ
ン（グランドと直流電圧Ｖｃｃ）、中心がガスセンサ１
０からの信号出力線ＳＧＮＬとなっている。このコネク
タ３１の端子は、収納部２２側では、図４に示すよう
に、４本（３１ａないし３１ｄ）となっている。これ
は、グランド（接地）ライン用の端子３１ｃが途中で二
股に分かれた形状をしているからである。二股に分かれ
た端子のひとつ３１ｄは、上方に延出されており、ケー
ス８０を組み付けるとき、このケース８０の対応する位
置に用意された挿入孔８５に挿入される。挿入後、端子
３１ｄは、ケース８０にはんだ付けまたはロウ付けされ
る。この結果、ケース８０全体が接地ラインに電気的に
結合されていることになる。収納部２２の隅部のうち、
残りの２カ所には、電子回路基板７０を載置する目的
で、図示しない支持台が形成されている。

【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５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、後述する圧電素子など
を収納したのち、樹脂、例えばウレタン樹脂を内部に充
填しているからである。素子ケース４２のフランジ部４
１は、収納部２２に設けられた取り付け用凹部２４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、耐ガソリン性を有す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５
０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５２ｃ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５０の外形と略
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。図５のよう
に、音響整合板５０，圧電素子５１，筒体５２から構成
されている部分を素子部分４４と呼ぶものとする。

【００２５】圧電素子５１は、ピエゾなどの電歪素子を
扁平な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】この圧電素子５１の外径は、音響整合板５
０の外径より小さくされている。従って、これを囲繞す
る筒体５２の内面と、圧電素子５１の側面との間には、
間隙が形成されることになる。筒体５２と音響整合板５
０および圧電素子５１との関係を図６に示した。図６
は、音響整合板５０，圧電素子５１，筒体５２の関係を
示す分解斜視図である。図示するように、筒体５２に
は、１２個の開口５３が設けられている。この開口５３
は、圧電素子５１の軸方向に沿って上方に偏位した位置
に設けられている。従って、組立後には、筒体５２の開
口５３は、音響整合板５０の外周ではなく、圧電素子５
１の外周に対応した位置に存在することになる。なお、
図６では、理解の便を図って、筒体５２を形成する各層
５２ａ，５２ｂ，５２ｃについては、一体に描いてあ
る。

【００２７】素子ケース４２は、図５に示したように、
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を有するテーパ面１００とされ
ており、かつ収容部４３の端面４５側になるほど、その
内径が小さくなるように形成されている。このテーパ面
１００が、鉛直方向に対してなす角度は、本実施例では
１１度である。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
５５ａ，５５ｂは、「Ｌ」字形状に曲っており、その上
下端は、素子ケース４２から露出している。この下端に
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、ウレタン樹脂などの樹脂が充填される。この樹
脂を充填材４９とよぶ。

【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、既に説明したよ
うに、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３１ａ〜３１ｃ、切り起こし部８３
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
７０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４
０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
脂モールドが行なわれる。

【００３０】こうして完成したガスセンサ１０の電気的
な構成を、図７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
らの指令を受けると、複数個の矩形波を出力する。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８に示
した。図において、区間Ｐ１は、ドライバ９３からの信
号を受けて、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Ｖｒｅｆ 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。圧電素子５１は、音響整合板５０に接着され、かつ
ウレタン樹脂などの樹脂で充填されているとはいえ、あ
る程度、自由端振動が可能なこともあり、ドライバ９３
から出力される駆動信号が失われた後も、所定期間に亘
って減衰振動することがある。また、圧電素子５１から
その周辺に伝搬する超音波振動もわずかながらあり、こ
れが素子ケース４２などの境界面で反射して戻ってくる
振動も存在する。これらが残響となる。

【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５
１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８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８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までの伝搬距離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
る媒質中を伝搬する速度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。

【００３７】伝搬速度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。超音波の伝搬
速度Ｃは、圧電素子５１から反射部３３までの伝搬距離
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や伝搬距離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３１ｂ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。

【００３９】（Ｅ）第１実施例の作用・効果：以上説明
した第１実施例では、素子ケース４２の内周面に所定の
角度を設け、内周面１００をテーパ面１００としてい
る。素子ケース４２をかかる形状にしたことにより、高
温時においてもガスセンサ１０の検出精度の低下やノイ
ズの発生が抑制されている。この理由を図９ないし図１
２に拠って説明する。図９，図１０は、充填材が膨張し
た場合の検出用素子本体４０の状態を模式的に示す説明
図である。なお、これらの図では、理解の便を図って、
部品のいくつかについては端面のみを示すものとし、断
面を示すハッチングは図示を省略した。また、筒体５２
を形成する各層５２ａ，５２ｂ，５２ｃについては一体
に描いてある。更に、端子５５ａ，５５ｂと突出部５６
ａ，５６ｂは、簡略化のため図示を省略した。

【００４０】本実施例の検出用素子本体４０と比較する
ために、素子ケース４２の内周を垂直に形成した検出用
素子本体４０ａの構造を、図９に示した。図にみられる
ように、内周面を垂直としテーパ面としていない素子ケ
ース４２ａを用いた検出用素子本体４０では、その温度
が上昇して充填材４９が熱膨張すると、充填材４９は、
専ら上下方向に自身を押し出すようにして容積を増大さ
せる。図９に示した検出用素子本体４０ａでは、素子ケ
ース４２ａの内周面は垂直であり、収容部４３ａが円環
状なので、充填材４９が膨張した際、径方向の容積変化
はほとんど生じないからである。このため、検出用素子
本体４０ａの内部では、素子部分４４は、保護フィルム
４８方向に強い力（内部応力）ＳＦを受け、素子部分４
４が保護フィルム４８の変形を伴いつつ、測定室２８側
に突出することになる。この結果、圧電素子５１の上面
と端子５５ａ，５５ｂとの距離が広がり、リード線５４
ａ，５４ｂの断線を引き起こすおそれが生じる。また、
保護フィルム４８の変形を伴いつつ素子部分４４が測定
室２８側に突出するので、反射部３３までの伝搬距離Ｌ
も、突出量ΔＬだけ短くなってしまう。この結果、測定
室２８内のガス濃度を計測するための超音波の伝搬速度
Ｃを求める既述した式（２）に誤差が生じることにな
り、ガス濃度の検出精度も低下してしまう。また、素子
ケース４２ａの内部では、特に径方向の容積変化が規制
されていることから、径方向に強い応力が発生し、これ
が圧電素子５１に作用して、ドライバ９３により駆動が
終了した後、長時間に亘って圧電素子５１の振動が減衰
しない、いわゆる残響なども発生しやすくなる。この残
響が長引くと、反射部３３で反射した超音波の検出にお
いて大きなノイズとなってしまうこともあり、検出用素
子本体４０ａとしての検出精度は更に低下してしまう。

【００４１】これに対して、本実施例では、図１０に示
したように、素子ケース４２の内周面は、鉛直方向に対
して所定の角度で傾いたテーパ面１００とされている。
このため、充填材４９が熱膨張すると、素子ケース４２
の内周のテーパ面１００では、充填材４９は、上方（フ
ランジ部４１方向）への分力ＤＦをテーパ面１００から
受けることになり、膨張した充填材４９は、専ら上方向
に体積変化を起こす。この結果、保護フィルム４８の変
形も小さくなり、当然圧電素子５１を含む素子部分４４
も測定室２８側に突出することがない。従って、リード
線５４ａ，５４ｂの断線の恐れも解消される。更に、保
護フィルム４８が変形しないことから、反射部３３まで
の伝搬距離Ｌが、温度上昇によって大きく変化するとい
うこともない。このため、保護フィルム４８の耐久性も
向上する。加えて、充填材４９の膨張により発生した径
方向の内部応力ＳＦは緩和され、残響の発生も抑制され
る。

【００４２】本実施例に示したテーパ面１００を形成す
ることによる効果を、具体的な数値として示す。図１１
は、図９に示した突出量ΔＬを計測した実験結果を示す
説明図である。図１１に示したように、実験は、（１）
素子ケース４２ａの内周面を鉛直（角度０）とした検出
用素子本体４０ａ、（２）素子ケース４２の内周面を鉛
直方向に対して１１度のテーパ面１００とした検出用素
子本体４０、（３）素子ケースの内周面を鉛直方向に対
して１５度のテーパ面１００とした図示しない検出用素
子本体、の三種類の検出用素子本体を複数個ずつ形成
し、これらに、−４０［℃］〜１２５［℃］の熱サイク
ルを６回加え、その後、突出量ΔＬ計測したものであ
る。図１１では、複数個のサンプルの計測値の平均値を
示した。突出量ΔＬは、保護フィルム４８先端が、熱サ
イクルを加える以前と比べてどれだけ突出したかを測定
した値である。実験から、素子ケース４２の内周面のテ
ーパの角度を１１度±４度程度の範囲にすることによ
り、素子部分４４の突出量ΔＬがほぼ０となり、充填材
４９の熱膨張による保護フィルム４８の突出が、大幅に
抑制されることが分かる。

【００４３】一方、素子ケース４２の内周面を所定角度
のテーパ面１００とすることにより、素子ケース４２に
反射して戻ってくる超音波振動、つまり残響も減らすこ
とができる。図１２に示したように、実験は、（１）素
子ケース４２ａの内周面を鉛直（角度０）とした検出用
素子本体４０ａ、（２）素子ケース４２の内周面を鉛直
方向に対して１１度のテーパ面１００とした検出用素子
本体４０、（３）素子ケースの内周面を鉛直方向に対し
て１５度のテーパ面１００とした図示しない検出用素子
本体、の三種類の検出用素子本体を複数個ずつ形成し、
その環境温度を８５［℃］まで上昇した場合の残響を計
測した。図１２（Ａ）に実験結果を示した。測定した残
響時間とは、図１２（Ｂ）に示したように、ドライバ９
３による圧電素子５１の駆動が終了してから、圧電素子
５１自身の振動が所定値以下に減衰するまでの時間Ｒで
ある。

【００４４】図１２に示したように、三種類の検出用素
子本体の中で、素子ケース４２の内周面を鉛直方向に対
して１１度のテーパ面１００としたときに、残響時間Ｒ
は最も短くなった。その理由はいくつか考えられるが、
一つには、充填材４９の熱膨張による応力ＳＦが、テー
パ面１００により上方に逃がされて、圧電素子５１に大
きな応力がかからないためと考えられる。圧電素子のよ
うに、電気的なエネルギにより格子間の距離が変わって
機械的な変位を結果する素子では、力が素子自体に加わ
り、内部に歪みが残ると、外部からの電気的な信号が失
われた後も、様々な力が素子内部に残り、これが振動の
減衰を妨げる可能性がある。また、もう一つには、圧電
素子５１から測定室２８側以外の方向に伝搬する超音波
ＵＳがある程度存在し、これが素子ケース４２などに反
射して戻ってくることによっても残響は増加するが、１
１度のテーパ面１００としたとき、超音波ＵＳの反射の
影響が小さくなると考えられる。

【００４５】以上説明したように、本実施例の検出用素
子本体４０では、保護フィルム４８の変形を伴う素子部
分４４の測定室２８側への突出が抑制され、更に圧電素
子５１の振動後の残響も低減される。この結果、充填材
４９が膨張するような条件下（例えば高温時）でも、ガ
スセンサ１０としての測定精度の低下を抑制することが
できる。従って、これを内燃機関の燃料（ガソリンや軽
油など）の蒸気の濃度検出に用いれば、温度変化の大き
い内燃機関の近傍でも、燃料ガスの濃度を精度良く検出
することができる。このガスセンサ１０を用いて構成さ
れたガス濃度検出装置は、キャニスタなどからパージさ
れるガソリンなどの濃度の検出に用いても良いし、吸気
管からシリンダに吸い込まれる混合気におけるガス濃度
の検出に適用することも可能である。

【００４６】（Ｆ）第２実施例：次に本発明の第２の実
施例について説明する。第２実施例のガスセンサは、図
１３に示すように、収容部２４３が、第１実施例の収容
部４３とは、その内周面２００の形状のみ異なるもので
あり、他の構成は同一である。収容部２４３の内周面２
００は、図示するように、その軸方向断面形状が、保護
フィルム４８の側ほど内側にせり出してくるように湾曲
されている。実施例では、収容部２４３の断面内周側
は、その上部は傾斜１１度のテーパ面となっており、下
部１／３程度（図示、符号ＳＮ部分）がテーパ面を接面
とする円弧となっている。

【００４７】収容部２４３の内周面２００を、図１４に
拡大して示した。図示するように、圧電素子５１あるい
は音響整合板５０から、その横方向に伝搬してくる超音
波振動（図示、符号ＩＳ）は、収容部２４３の内周面２
００がその下部において断面円弧形状とされているの
で、内周面２００で反射すると、様々な方向に広がって
いく。即ち、内周面２００で反射した反射波（図示、符
号ＲＳ）が特定の方向に揃ってしまうことはほとんど生
じない。この結果、収容部２４３の内周面での反射など
による残響は、一層効率的に低減されることになる。

【００４８】第２実施例における残響の実測例を図１５
に示した。図示するように、第１実施例のガスセンサ１
０の検出用素子本体４０が、外部からの励振用の信号
（Ａ）が失われてから、残響の影響により素子の振動が
所定値を下回るまでに１７３μｓｅｃを要したのに対し
て（Ｂ）、同一条件でテストした第２実施例の検出用素
子本体２４０では、素子の振動が所定値を下回るまでの
時間は、１６０μｓｅｃであった（Ｃ）。いくつかのサ
ンプルによりテストした結果もほぼ同一で、約１０ない
し２０μｓｅｃ程度、残響時間は短くなっていた。

【００４９】第２実施例では、収容部２４３の内周面２
００の下部ＳＮのみを円弧の一部としたが、内周面２０
０全体を緩やかな円弧形状としてもよい。また、下部Ｓ
Ｎの断面形状を円弧の一部に代えて、楕円の一部、放物
線の一部、双曲線の一部、自由曲線等とすることも差し
支えない。楕円や放物線の一部とする場合には、それら
の曲線の焦点に圧電素子５１や音響整合板５０が位置し
ないようにすることも好適である。

【００５０】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限定されるもので
はなく、例えば、送信用の超音波素子と受信用のそれと
を分離した構成や、素子ケース４２の外周壁を内周面１
００と同様にテーパを付けた構成など、本発明の要旨を
変更しない範囲内で、種々なる態様で実施できることは
勿論である。

【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】 流路形成部材２０にインサート成形された金
属板３６の形状を示す説明図である。

【図４】 コネクタ３１に設けられた端子３１ａないし
３１ｄの形状を示す斜視図である。

【図５】 検出用素子本体４０の構造を示す断面図であ
る。

【図６】 音響整合板５０，圧電素子５１と筒体５２の
構造を示す分解斜視図である。

【図７】 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８】 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９】 テーパなし素子ケース４２のときの検出用素
子本体４０の状態変化を示す説明図である。

【図１０】 テーパあり素子ケース４２のときの検出用
素子本体４０の状態変化を示す説明図である。

【図１１】 ３種類のテーパ角１００に対して素子部分
４４の突出量ΔＬを計測した実験結果を示す説明図であ
る。

【図１２】 ３種類のテーパ角１００に対して残響を計
測した実験結果を示す説明図である。

【図１３】 第２実施例の検出用素子本体２４０の概略
構成図である。

【図１４】 第２実施例の収容部２４３の内周面２００
形状を示す拡大図である。

【図１５】 第２実施例における残響時間の測定の様子
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 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 ３１ａ〜３１ｄ…端子 ３２…導入孔 ３３…反射部 ３４…出口 ３５…排出流路 ３６…金属板 ３７…凹部 ３８…開口部 ４０…検出用素子本体 ４１…フランジ部 ４２…素子ケース ４３…収容部 ４４…素子部分 ４５…端面 ４６…段差部 ４８…フィルム ４９…充填材 ５０…音響整合板 ５１…圧電素子 ５２…筒体 ５２ａ…フィルム ５２ｂ…接着層 ５２ｃ…銅箔 ５３…開口 ５４ａ，５４ｂ…リード線 ５５ａ，５５ｂ…端子 ５６ａ，５６ｂ…突出部 ５９…突起 ６０…サーミスタ 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 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 1００…テーパ面 ２００…内周面 ２４０…検出用素子本体 ２４３…収容部

フロントページの続き (72)発明者 小野田 守男 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 Ｆターム(参考） 2G047 AA01 BA03 BC02 BC15 CA01 EA04 EA10 GA01 GA09 2G064 AB05 AB13 AB23 BD18 BD23 DD23

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の流路に存在する気体の性質を検出
   するガスセンサであって、 前記気体の性質を気体内を伝搬する疎密波の変化を利用
   して検出する検出用振動素子と、該検出用振動素子を収
   納する筒状の素子ケースとを備え、 該素子ケースの内周面を、前記検出用振動素子が配置さ
   れた一端部側ほど内径を小さく形成すると共に、 前記検出用振動素子は、前記素子ケース内に充填した充
   填材に埋設されたガスセンサ。
2. 【請求項２】 前記素子ケースの内周面の少なくとも一
   部は、前記端部側に向けて内径が絞られたテーパ面とさ
   れた請求項１記載のガスセンサ。
3. 【請求項３】 前記テーパ面が有する角度は、７ないし
   １５度の範囲である請求項２記載のガスセンサ。
4. 【請求項４】 前記角度は、１０ないし１２度の範囲で
   ある請求項３記載のガスセンサ。
5. 【請求項５】 前記素子ケースの内周面の少なくとも一
   部は、前記一端部側ほど内径が小さくなる曲面として形
   成された請求項１記載のガスセンサ。
6. 【請求項６】 前記曲面は、前記素子ケースの軸方向断
   面において、円、楕円、放物線、双曲線の一部である請
   求項５記載のガスセンサ。
7. 【請求項７】 前記素子ケースは、略円筒形の収容部
   と、該収容部の前記一端部と反対側の他端部に連設さ
   れ、前記流路に該素子ケースを取り付けるフランジ部と
   から構成された請求項１ないし請求項６のいずれか記載
   のガスセンサ。
8. 【請求項８】 前記収容部に対応する内周面が、前記一
   端部側に向けて内径が絞られたテーパ面として形成され
   た請求項７記載のガスセンサ。
9. 【請求項９】 請求項７記載のガスセンサであって、 前記素子ケースは、 前記収容部の外周面と前記内周面とが平行でなく、 前記収容部の肉厚が、前記収容部と前記フランジ部との
   連設箇所から前記収容部に向けて、漸増する形状に形成
   されたガスセンサ。
10. 【請求項１０】 前記素子ケースの前記一端部端面に
    は、前記検出用振動素子と、前記流路とを隔てるフィル
    ムの外周部が固定された請求項１ないし請求項９のいず
    れか記載のガスセンサ。
11. 【請求項１１】 前記充填材として合成樹脂を用い、前
    記素子ケースと前記フィルムとが形成する素子収納部
    を、該合成樹脂により充填した請求項１０記載のガスセ
    ンサ。
12. 【請求項１２】 前記充填材は、ウレタン樹脂である請
    求項１ないし請求項１１のいずれか記載のガスセンサ。
13. 【請求項１３】 前記疎密波は、音波または超音波であ
    り、前記検出用振動素子は、音波または超音波を発生お
    よび／または受信する振動素子である請求項１ないし請
    求項１２のいずれか記載のガスセンサ。
14. 【請求項１４】 揮発性の燃料を用いて燃焼する熱機関
    を搭載した機器に搭載され、該揮発性の燃料の濃度を検
    出するガス濃度検出装置であって、 前記熱機関への燃料通路の一部に設けられた検出用の流
    路と、 該検出用の流路に臨んで設けられた請求項１ないし請求
    項１３のいずれか記載のガスセンサと、 該ガスセンサの前記検出用振動素子に接続され、該検出
    用振動素子の振動による疎密波が、前記検出用の流路を
    通過する速度を検出することで、該流路内の前記燃料の
    濃度を演算する演算回路とを備えたガス濃度検出装置。