JP3746728B2 - センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波と電気信号とのやり取りを行なう素子を収納した素子収容体を、超音波を用いて測定する対象物が存在する測定室に取り付けてなるセンサに関し、更に、このセンサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、超音波と電気信号とのやり取りを行なう素子をケース内に収納し、これをセンサや超音波の発生器として用いることが行なわれている。超音波は種々の媒質内を伝播するが、その伝播の状況は、媒質の性状、例えば媒質の濃度や厚み、あるいは温度などの影響を受けるから、超音波を利用したセンサとして利用されている。例えば、流路に臨む位置に超音波の発生器を設け、流路に存在する気体の濃度や温度、あるいは湿度などを検出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を取り上げる。こうしたガス濃度センサは、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を、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播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】
こうしたガス濃度センサを初めとし、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、従来のガスセンサでは、検出用素子からの電気信号を専用の信号処理回路により増幅・処理することが行なわれていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電気信号を増幅・処理するとしても、素子自体が検出する信号に既にノイズが重畳していたのでは、検出の精度を高めることは困難であった。従来のセンサでは、超音波の送信と受信を一つの素子で兼ねる場合にせよ、両者を別体にするにせよ、受信する素子において超音波ノイズの影響を充分に低減することができなかった。通常、素子を収容した素子収容体は、測定対象となるガスなどが存在する測定室とは別体に形成される。このガスセンサを、測定室に固定すると、超音波が測定室を形成する外壁内を伝播し、検出用素子まで到達することがあった。また、センサ内に超音波の送信用素子を収容している場合には、この素子から出力された超音波が、センサと測定室の固定箇所で反射して戻ってくることがあり、この反射波が、受信用の素子に受信されて、測定上のノイズとなってしまうこともあった。
【０００５】
本発明は、こうした問題を解決し、超音波の回り込みや反射などに起因するノイズを拾いにくいセンサを提供することを、その目的の一つとする。
【０００６】
【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素子収容体は、
超音波と電気信号とのやり取りを行なう素子を収納した素子収容体を、超音波を用いて測定する対象物が存在する測定室に取り付けてなるセンサであって、
前記素子収容体は、前記素子が収容される本体と、該本体より大径で前記測定室への取り付けを行なうためのフランジ部とを備え、
前記素子は、前記本体の一端に取り付けられ、
該フランジ部は、前記本体内において前記素子が取り付けられた前記一端とは反対側の前記本体の他端に一体に連設して設けられ、
前記測定室の一端には前記素子収容体を、他端には前記素子から出力された超音波を反射する反射部を、それぞれ備え、
前記素子収容体は、該素子収容体を前記測定室の一端に取り付けたとき、前記本体が当該測定室内壁に対して所定のクリアランスで隔たった外径形状とされたこと
を要旨としている。
【０００７】
かかるセンサでは、素子収容体は、そのフランジ部で測定室に取り付けられる。素子収容体内の素子は、本体の一端に取り付けられ、フランジ部は、この素子が取り付けられた一端とは反対側の本体の他端に連設されている。従って、超音波と電気信号とのやり取りを行なう素子からみると、測定を行なう側とは反対側で素子収容体が測定室に固定されていることになり、固定部からの超音波の反射や、測定を行なう側の超音波の伝播（回り込み）などによる影響を受けにくくなる。
【０００８】
こうした素子収容体の本体は、合成樹脂により成形することができる。この場合、一体のフランジ部も合成樹脂により形成される。
【０００９】
更に、本体を筒状とし、本体の一端を、封止部材により封止する構成とすることができる。このとき、素子は、前記封止部材に、直接または超音波の伝達を補助する部材を介して接合するものとすればよい。筒状の本体は、内部に素子を備えた状態で、樹脂により充填することもできる。かかる構成を採用すれば、センサと外部との超音波のやり取りを容易とし、かつ素子収容体の信頼性を高めることができる。
【００１０】
素子収容体が取り付けられる部位は、測定室を形成する内壁の一つとすることができる。更に、測定室の素子収容体が取り付けられる部位の内径は、前記素子収容体の外径より、２ミリ以上大きくすることが望ましい。両者の径を２ミリ以上異ならせると、平均的なクリアランスは１ミリとなり、超音波の素子における残響が軽減され、かつ両者の隙間に異物などが溜まりにくくなるという利点が得られるからである。
【００１１】
このセンサにおいて、測定する対象物としては気体、液体など、特に媒体は問わないが、例えばこれをガスとし、素子からの電気信号により、超音波の伝達状態を検出して、ガスの濃度を検出する検出部を備えるものとし、このセンサをガス濃度センサとして構成することができる。かかるガスセンサは、ガスの濃度を非接触で精度良く測定する簡易なセンサとなる。
【００１２】
本発明では、超音波を用いる場合、超音波の送信器と受信器を、一つの素子により兼用している。測定する対象物が存在する測定室の一端に素子収容体を設け、他端に超音波を反射する反射部を設け、素子から送出された超音波が前記反射部で反射して戻ってくるのを、同じ素子で検出する。このとき、反射部で反射して戻ってくるまでの時間を測定することにより、前記ガスの濃度を検出することができる。送信用と受信用を兼用することで、センサの全体構成を簡略なものとすることができる。
【００１４】
本発明のもう一つのセンサは、
超音波と電気信号とのやり取りを行なう素子を収納した素子収容体を、超音波を用いて測定する対象物が存在する測定室に設けたセンサであって、
前記素子収容体は、前記素子を収納する筒状部を前記測定室と共に樹脂により一体に形成し、
該筒状部は、前記対象物が存在する部位から所定距離離れた位置で前記測定室に連設するよう形成され、
前記素子が、前記素子収容体の前記筒状部の先端側に収容され、
前記筒状部の前記測定室側は封止されたこと
を要旨としている。
【００１５】
かかる構成のセンサでは、第１のセンサとは異なり、素子収容体は、別体に構成されているのではなく、素子を収容する筒状部を有し、これを測定室と共に樹脂により一体に形成している。しかも、この筒状部は、対象物が存在する部位から所定距離だけ離れた位置で、測定室に連設するよう形成され、素子は、この筒状部の先端側に収容されて、筒状部の測定室側は封止されている。従って、超音波と電気信号とのやり取りを行なう素子とこの素子を収容した筒状部との関係は、第１発明と同様、測定室から離れた位置で結合されたことになり、超音波の反射や回り込みの影響を、この素子が受けにくくなる。
【００１８】
【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１０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。
【００１９】
（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、（Ｇ）で詳述する。
【００２０】
（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。
【００２１】
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４０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２７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。
【００２２】
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。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。
【００２３】
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２２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、収納部２２の底面形状にほぼ倣う形状をしている。金属板３６には、電気的な接続を取るための切り起こし部８３が設けられている。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。
【００２４】
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７０を載置する支持台を兼ねて、端子用凸部が設けられている。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）に接続された端子ＧＮＤおよび端子Ｖｃｃであり、中心がガスセンサ１０からの信号出力線に接続された端子ＳＧＮＬとなっている（図５参照）。このコネクタ３１のこれらの端子は、収納部２２側では、４本となっている。これは、グランド（接地）ライン用の端子ＧＮＤ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（図５における端子ＧＮＤ１）は、電子回路基板７０に接続・はんだ付けされており、もう一つ（図５における符号Ｇ端子２）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（図１参照）に挿入される。挿入後、端子は、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。
【００２５】
（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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
素子ケース４２は、図３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（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を貼付する十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には端子５５ａ，５５ｂがインサート成形されている。この端子５５ａ，５５は、「Ｌ」字形状に曲っており、その下端は、収容部４３の内面に突出している。この下端に、リード線５４ａ，５４ｂがはんだ付けされる。こうして圧電素子５１のリード線５４ａ，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。なお、端子５５ａ，５５ｂの上端は、素子ケース４２の上面から上方に突出している。この端子は、電子回路基板７０が、その上部に取り付けられる際、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。
【００２９】
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４１を、収納部２２にしっかりと固着する。フランジ部４１が収納部２２の底面に固着された状態を図４に示した。このとき、収納部２２の凹部２４の内径Ｄ１と、検出用素子本体４０の素子ケース４２外径Ｄ２とは、２ミリ以上異なる寸法に設定されている（Ｄ１≧Ｄ２＋２）。この結果、収容部４３において、収容部４３の外周と凹部２４の内周とのクリアランスΔＤは、平均的に約１ミリとなっている。このクリアランスΔＤを１ミリ以上にしたところ、後述する残響の影響が低減され、好適であった。また、このクリアランスを１ミリ以上にすると、測定室２８内に混入したオイルスラッジやゴミなどが、この隙間に滞留することがなく、長期に亘る使用において、異物などの滞留に起因するトラブルを引き起こすことがない。
【００３０】
（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、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。
【００３１】
各種端子を電子回路基板７０にはんだ付けする際、コネクタ３１の端子のうち、一番外側の端子（図５参照）ＧＮＤ２は、対応するランドが、電子回路基板７０にはなく、端子ＧＮＤ２は、電子回路基板７０に設けられた貫通孔を通過するだけになっている。端子ＧＮＤ２は、電子回路基板７０に設けられた貫通孔を通過し、ケース８０の挿入孔８５に挿入され、ここで、ケース８０にはんだ付け、またはロウ付けされる。
【００３２】
こうして完成したガスセンサ１０の電気的な構成を、図５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。
【００３３】
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、所定時間、検出用素子本体４０の圧電素子５１を駆動する回路である。このドライバ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。
【００３４】
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６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。
【００３５】
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。
【００３６】
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６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６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。
【００３７】
【数１】

【００３８】
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２８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や伝播距離Ｌを求めるセンサとして用いることも可能である。
【００３９】
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。この信号がコネクタ３１の端子ＳＧＮＬを介して外部に出力される。実施例では、この端子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（ＥＣＵ）に接続されており、ガソリン濃度に対応したその信号は、ＥＣＵによって読み込まれ、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５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５では、これらの部材は模式的に描いたが、金属板３６とケース８０（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。
【００４０】
（Ｅ）実施例の作用・効果：
以上説明した本実施例のガスセンサ１０によれば、流路形成部材２０の測定室２８に導入されたガスにおけるガソリン蒸気の濃度を、超音波を用いて精度良く検出することができる。しかも、本実施例のガスセンサ１０によれば、検出用素子本体４０の取り付けが、フランジ部４１により行なわれ、このフランジ部４１が圧電素子５１に対して、測定室２８とは反対側に位置しており、かつ圧電素子５１を収納した収容部４３がフランジ部４１に対して測定室２８側に突出した形態となっている。この結果、
▲１▼圧電素子５１から検出用素子本体４０内に漏れた超音波の反射波に起因するノイズを低減でき、
▲２▼流路形成部材２０を伝播してくる超音波に起因するノイズを低減することができる。
【００４１】
▲１▼について詳しく説明する。圧電素子５１は、理想的には軸方向のみに振動して、超音波を測定室２８側にのみ送出する素子だが、現実には、検出用素子本体４０内部に伝播していく超音波が存在する。この超音波は、検出用素子本体４０内部を伝播してフランジ部４１に至り、フランジ部４１と収納部２２との接合箇所で反射して戻ってくる。これは検出用素子本体４０においては、残響という形でノイズとなる。即ち、ドライバ９３から印加される送出用の信号が停止した後も、所定時間圧電素子５１は振動しているが、フランジ部４１と収納部２２との接合箇所などで反射して戻ってくる超音波の音響レベルが高いと、これも残響として検出されることになる。本実施例では、収容部４３の一端にフランジ部４１を連設し、このフランジ部４１で収納部２２との接合を行なっている。このため、圧電素子５１と接合箇所までの距離を長くすることができ、ここで反射して戻ってくる超音波の音響レベルを充分に減衰させることができる。このため、接合箇所での反射に起因する残響が低減でき、検出精度を高めることができる。
【００４２】
▲２▼の効果について説明する。検出用素子本体４０の端面から送出された超音波は、反射部３３に向けて測定室２８内を伝播し、反射部３３で反射して戻ってくる。超音波の指向性は高いが、所定の広がりは有しているので、反射部３３で総ての超音波が反射して戻ってくるのではなく、一部の超音波は、流路形成部材２０の内壁などにぶつかり、流路形成部材２０自体の内部を伝播する。こうした超音波の一部は、流路形成部材２０の内部を伝播して、検出用素子本体４０にまで伝わってくるが、本実施例では、検出用素子本体４０は、フランジ部４１で収納部２２に接合されており、その伝播の経路は長くなり、かつフランジ部４１と収納部２２との接合箇所で伝播の方向を折り返さないと、検出用素子本体４０まで伝播し得ない形状となっている。このため、流路形成部材２０の内部を伝播してくる超音波による影響を、検出用素子本体４０の圧電素子５１が受けることはほとんどない。
【００４３】
更に、本実施例によれば、既に説明したように、収納部２２に設けられた凹部２４の内径は、検出用素子本体４０の収容部４３の外径より２ミリ以上大きな値とされている。この結果、両者の平均的なクリアランスは１ミリ以上となり、
▲３▼残響の影響が軽減され、
▲４▼異物などの滞留が防止され、音響特性の変化などが予防される。
この点を更に説明すると、図７に示したように、両者のクリアランスが大きくなるにつれて残響の影響が軽減されることが分かる。図における残響は、図６に示したグラフにおいて、ドライバ９３から信号が出力される期間Ｐ１が終了した後、圧電素子５１に残る振動が所定のレベルを下回るまでの時間として計測されている。図示するように、クリアランスが１ミリより小さい場合は、残響レベルが充分に低減されることがない。これに対して、平均的なクリアランスが１ミリ以上になると、残響は充分に低減される。また、キャニスタに至る通路において混入されがちなオイルスラッジなどの異物も、クリアランスが１ミリ以上あると、滞留することがなく、異物滞留に伴う不具合、例えば音響特性の変化などが防止される。
【００４４】
（Ｆ）変形例：
本発明のその他の変形例について説明する。図８は、検出用素子本体の変形例の形状を示す断面図である。図８に示した変形例における検出用素子本体４０Ａは、フランジ部４１Ａを除いて、上記実施例とほぼ同一の構成を有する。この例では、フランジ部４１Ａは、収容部４３内の一端に平らな形状に成形されているのではなく、図示するように、その外周先端が、「Ｌ」字形に屈曲されている。この結果、収納部２２と溶着される箇所からみると、収容部４３内の圧電素子５１は、直線距離は第１実施例と変らないものの、その経路長は長くなっている。従って、圧電素子５１から素子ケース４２内に漏洩した超音波が、収納部２２との接合点で反射して戻ってくる、といった影響は更に受けにくくなっている。
【００４５】
図９は、参考例を示す。この例では、フランジ部４１Ｂを収容部４３に対して、その中心に設けられた支柱４９を介して接合する構成としている。この場合にも、圧電素子５１から接合箇所までの経路長自体は長くすることができる。なお、図９に示した構成では、端子５５ａ，５５ｂは、支柱４９を貫通するように設けている。
【００４６】
（Ｇ）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１０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作業を行なう（工程Ｓ１００）。この工程は、図１１に示すように、保護フィルム４８を所定形状（実施例では円形）に切り出し、その中心に音響整合板５０を接着する。更に、その上に、圧電素子５１を中心を合わせて接着する。このとき、中心を合わせるように、治具を用いても良い。接着時の様子を図１１（Ａ）に、接着後の様子を（Ｂ）に示した。図示するように、接着後、圧電素子５１の電極には、リード線５４ａ，５４ｂを、はんだ付けや放電溶接などの手法により接続する。
【００４７】
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を用意する（工程Ｓ１１０）。素子ケース４２は、図１２（Ａ）に示すように、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。もとより、削り出しなどの手法によっても良い。素子ケース４２の内側に設けられた突出部５６ａ，５６ｂには、端子５５ａ，５５ｂが、インサート成形される。
【００４８】
次に、検出用素子本体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。この作業は、図１２（Ｂ）に示したように、圧電素子組立を、その保護フィルム４８の外周を、素子ケース４２の下方端面４５に接着剤で貼付し、固定することで行なう。端面４５の外周には、段差部４６が設けられているので、端面４５に保護フィルム４８を位置決めして接着するのは容易である。この状態で、図１３（Ａ）に示したように、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Ｓ１３０）。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。
【００４９】
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Ｓ１４０）。以上の処理により、図１３（Ｂ）に示したように、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）。このとき、充填材であるウレタンは、圧電素子５１およびその上端から引き出されたリード線５４ａ，５４ｂを覆い、かつフランジ部４１の上辺までは達しない程度に充填される。充填後の状態を図１３（Ｃ）に示した。
【００５０】
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）。本実施例で用いた金属板３６では、略長方形の金属板（実施例では錫メッキ鋼板）をプレス加工することにより、その形状を一体形成している。
【００５１】
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。金属板３６は、流路形成部材２０の成形時に、治具などを用いて、形成後の収納部２２の底部に埋設される位置に保持される。また、このとき同時に、コネクタ３１に収納された端子も、インサート成形される。
【００５２】
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。超音波溶着の作業に先立って、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の中心を一致させる。凹部２４の内径Ｄ１と収容部４３の外径Ｄ２とは、直径で約２〜３ミリ相違しているので（Ｄ１＞Ｄ２）、凹部２４の中心と検出用素子本体４０の中心を一致させることで、検出用素子本体４０の収容部４３の外側における凹部２４の内周とのクリアランスは、平均１ミリ程度が確保される。中心の位置あわせを行なった上で、検出用素子本体４０を、超音波領域の振動数で振動させ、そのフランジ部４１の下面を収納部２２の接合面に強く打ちつける。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１４（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。
【００５３】
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Ｓ２５０）。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発泡体であり、その厚さは数ミリである。この緩衝材８８には、検出用素子本体４０から上方に突き出た端子５５ａ，５５ｂが貫通する開口も設けられている。緩衝材８８は、この後の工程で取り付けられる電子回路基板７０と検出用素子本体４０との間に介装され得る厚みを有し、後述する工程で充填されるウレタンが検出用素子本体４０の周囲を埋め尽くさないようにする目的で用いられている。
【００５４】
緩衝材８８を配置した後、図１５（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、基板７０を、上方から、収納部２２に収納する（工程Ｓ２６０）。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，５５ｂ、
・サーミスタ６０の端子、
・コネクタ３１の３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の端子３１ｄ以外を、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。
【００５５】
次に、図１５（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１５では、樹脂モールドに用い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。
【００５６】
以上説明したガスセンサの製造方法によれば、検出用素子本体４０は、収納部２２の底部にフランジ部４１を用いて接合された構成となり、検出用素子本体４０内部の圧電素子５１からフランジ部４１の接合点までの経路長を充分に確保したセンサを容易に製造することができる。また、検出用素子本体４０の外周のクリアランスを平均値で１ミリ以上確保することができるので、異物などの滞留がおきにくいセンサを容易に製造することができる。この結果、長期に亘って市場で使用されるセンサの信頼性、耐久性を充分に確保することができる。
【００５７】
（Ｈ）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。図１６は、第２の実施例としてのセンサ１００の概略構成を示す断面図である。第２実施例では、検出用素子本体４００を、流路形成部材２００に一体に作り込んでいる点を除き、他は第１実施例と同様である。図１６に示したように、流路形成部材２００は、測定室２８の長手方向略中央で、上下に２体に分離される構造をとっている。収納部２２が形成された側を上側流路部材２００Ａ、反射部３０が形成された側を下側流路部材２００Ｂと呼ぶ。両者を組み合わせた後の形状は、検出用素子本体４００が流路形成部材２００Ａに作り込まれている点を除き、第１実施例と同一である。このセンサ１００では、流路形成部材２００Ａの収納部２２には、検出用素子本体４００を形成する容器部４２０が一体に樹脂形成されている。この容器部４２０は、第１実施例におけるフランジ部４１と収容部４３に相当する形状が作り込まれており、その先端は開口されている。
【００５８】
上側流路部材２００Ａと下側流路部材２００Ｂを組み合わせる前に、上側流路部材２００Ａの容器部４２０の開口側に、図１２に示した製造方法と同様に、保護フィルム４８上に取り付けられた音響整合板５０と圧電素子５１とを装着し、保護フィルム４８の外周を接着剤で接着する。後は、図１３に示したように、筒体５２の取り付け、リード線５４ａ，５４ｂの接続、ウレタンによる充填などを行ない、更に緩衝材８８の配置、電子回路基板７０の取り付け、合成樹脂による充填などを行なう。少なくとも容器部４２０におけるウレタンの充填を行なった後、上側流路部材２００Ａに下側流路部材２００Ｂを組み付ける。この結果、得られるセンサ１００は、図１６に示したように、第１実施例と、その機能などは同様のものとなる。
【００５９】
かかる構成によれば、圧電素子５１を収容した検出用素子本体４００と上側流路部材２００Ａの収納部２２とは一体に形成されており、接合箇所がない。従って、圧電素子５１から検出用素子本体４００内部に漏洩した超音波が、接続箇所で反射して戻ってくると言うことがない。仮に何らかの反射波が戻ってくるとすれば、上側流路部材２００Ａと下側流路部材２００Ｂとの接合箇所からとなり、そこからの経路長は極めて長いので、反射波は充分に減衰され、残響などの形態での影響は十二分に低減される。
【００６０】
また、図１６に示した第２実施例では、検出用素子本体４００の収容部の外周には充分なクリアランスが形成される。第１実施例とは異なり、特に検出用素子本体４００のセンタを凹部の中心にあわせるといった位置決め手間を要しない。従って、クリアランスの製造上のバラツキがなく、隙間に異物が滞留すると言った不具合の発生も充分に抑制される。更に、超音波溶着などの製造上の手間も要しないばかりか、測定室２８側とのシール性も充分に確保することができる。
【００６１】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明の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、例えば超音波を用いた温度センサや比熱センサ、あるいは超音波以外の手法により、ガスの種々の性質を検出するセンサなどに適用することが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】検出用素子本体４０の構造を示す断面図である。
【図４】検出用素子本体４０と収納部２２の構造を示す断面図である。
【図５】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６】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７】実施例における残響とクリアランスとの関係を実験値により示すグラフである。
【図８】実施例の第１の変形例を示す説明図である。
【図９】実施例の第２の変形例を示す説明図である。
【図１０】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１１】圧電素子組立の様子を示す説明図である。
【図１２】圧電素子組立を素子ケース４２に組み付ける手順を示す説明図である。
【図１３】検出用素子本体４０を製造する処理を順に示す説明図である。
【図１４】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１５】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。
【図１６】本発明の第２の実施例であるガスセンサの構成を示す断面図である。
【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
３２…導入孔
３３…反射部
３４…出口
３５…排出流路
３６…金属板
４０，４００…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…フィルム
４９…支柱
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
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
１００…ガスセンサ
２００Ａ…上側流路部材
２００Ｂ…下側流路部材
４２０…容器部

Claims (8)

1. 超音波と電気信号とのやり取りを行なう素子を収納した素子収容体を、超音波を用いて測定する対象物が存在する測定室に取り付けてなるセンサであって、
   前記素子収容体は、前記素子が収容される本体と、該本体より大径で前記測定室への取り付けを行なうためのフランジ部とを備え、
   前記素子は、前記本体の一端に取り付けられ、
   該フランジ部は、前記本体内において前記素子が取り付けられた前記一端とは反対側の前記本体の他端に一体に連設して設けられ、
   前記測定室の一端には前記素子収容体を、他端には前記素子から出力された超音波を反射する反射部を、それぞれ備え、
   前記素子収容体は、該素子収容体を前記測定室の一端に取り付けたとき、前記本体が当該測定室内壁に対して所定のクリアランスで隔たった外径形状とされた
   センサ。
2. 前記本体は、合成樹脂により成形された請求項１記載のセンサ。
3. 請求項１または請求項２記載のセンサであって、
   前記本体は筒状であり、該本体の前記一端を、封止部材により封止され、
   前記素子は、前記封止部材に、直接または超音波の伝達を補助する部材を介して接合され、
   前記筒状の本体は、内部に前記素子を備えた状態で、樹脂により充填された
   センサ。
4. 前記素子収容体が取り付けられる部位は、前記測定室を形成する内壁の一つである請求項１ないし請求項３のいずれか記載のセンサ
5. 請求項１ないし４記載のいずれか記載のセンサであって、
   前記測定室の前記素子収容体が取り付けられる部位の内径は、前記本体の外径より、２ミリ以上大きいセンサ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか記載のセンサであって、
   前記測定する対象物はガスであり、
   前記素子からの電気信号により、超音波の伝達状態を検出して、前記ガスの濃度を検出する検出部を備えた
   センサ。
7. 請求項６記載のセンサであって、
   前記検出部は、前記素子から送出された超音波が前記反射部で反射して戻ってくるまでの時間を測定することにより、前記ガスの濃度を検出する手段である
   センサ。
8. 超音波と電気信号とのやり取りを行なう素子を収納した素子収容体を、超音波を用いて測定する対象物が存在する測定室に設けたセンサであって、
   前記素子収容体は、前記素子を収納する筒状部を前記測定室と共に樹脂により一体に形成し、
   該筒状部は、前記対象物が存在する部位から所定距離離れた位置で前記測定室に連設するよう形成され、
   前記素子が、前記素子収容体の前記筒状部の先端側に収容され、
   前記筒状部の前記測定室側は封止された
   センサ。

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