(57)【要約】【課題】高温下においてもガス濃度を正確に検出可能なガスセンサを提供することを目的とする。【解決手段】ガスセンサ１０は、ガスＧＳが流入される測定室２８と、この測定室２８に臨む検出用素子本体４０を備える。検出用素子本体４０は、底面に保護フィルム４８が接着された素子ケース４２を備える。素子ケース４２内には、略円柱形状の音響整合板５０および超音波素子５１が充填層９９内に埋没した状態で収納されている。圧電素子５１の上方（音響整合板５０ないし保護フィルム４８とは反対側の方向）に位置する充填層９９には２つの凹部９４，９５が形成される。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の気体の流路に臨んで設けられ、所定の信号を受けて振動する検出用素子を備え、該検出用素子の振動によって生じた振動波を前記流路方向に送出して前記気体の性質を検出するガスセンサであって、
前記検出用素子を、前記振動波を前記流路方向に送出可能な態様で筐体内に収納し、
該筐体内における前記振動波の送出経路を確保しつつ、該筐体内に所定の充填材を充填することにより、前記検出用素子を埋設する充填層を所定の厚さに形成し、
該充填層の該検出用素子の埋設側とは反対側の表面の、前記検出用素子が埋設された範囲を含む所定の範囲に、凹部を設けた
ガスセンサ。
【請求項２】
前記凹部は、前記検出用素子の厚み方向において、前記該凹部の内底部を前記検出用素子の凹部側の表面に投影したときに、該表面と内底部投影領域とが重なる部分の総面積が、前記表面の面積の４０％以上となるように形成された請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記検出用素子が埋設された範囲において、前記凹部の内底部と該内底部に対向する前記検出用素子の表面とが非平行に設けられた請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記検出用素子が埋設された範囲に設けられた前記凹部の内底部と該内底部に対向する前記検出用素子の表面との距離を２ｍｍ以下とした請求項１ないし３のいずれかに記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスセンサに関し、詳しくは、所定の気体の流路に臨んで設けられ、所定の信号を受けて振動する検出用素子を備え、該検出用素子の振動によって生じた振動波を前記流路方向に送出して前記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、音の振動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ガス濃度センサを取り上げる。
【０００３】
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ガソリンをパージする通路に配置される。ガス濃度センサは、上記の通路内のガソリン蒸気を含むガスを流入する所定体積の流路と、この流路に臨んで設けられ、ガス濃度を検出する検出用素子を備える。ガス濃度センサは、ガス濃度の検出に際して検出用素子を振動させ、この振動によって生じた振動波（例えば、超音波）を流路方向に送出する。このような、ガス濃度の検出用に検出用素子が振動することにより、検出用素子から気体の流路方向に送出される振動波のことを、以下、検出用振動波という。流路を通過する振動波の速度は、流路に存在するガソリン蒸気の濃度に応じて変化する。ガス濃度センサは、一定の流路長の流路を通過する検出用振動波の速度を検出用振動波を受信する受信器で検出し、この検出結果からガソリン蒸気の濃度を求め、これを出力するのである。
【０００４】
このような従来のガスセンサでは、検出用振動波を送出する検出用素子は、耐熱性の高い樹脂等で形成された筐体内に配置されていた（例えば、特許文献１を参照）。また、ガス流路を通過する検出用振動波の速度を正確に検出するためには、検出用素子自体を熱等から保護すると共に筐体内での検出用素子の位置を一定に保つ必要があることから、検出用素子が配置された筐体内にウレタン等の充填材を充填することにより検出用素子を埋設する充填層を保護部材ないし制振部材として設けていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２０６０９９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超音波などの振動波は、充填層と大気との界面などのように音響インピーダンスが異なる箇所において反射する性質を有している。そのため、上記のような検出用素子からの振動波を利用してガス濃度を検出するガスセンサでは、検出用素子の振動に伴って検出用素子が埋設された充填層内に残響が生じる場合があり、この残響の影響を検出用素子が受けてしまうことによりガス濃度等の気体の性質を正確に検出できないおそれがあった。
【０００７】
即ち、送信用の検出用素子と受信用の検出用素子を兼用している場合には、充填層内の残響が長びくと、この残響の影響を受けた検出用素子の振動によって生じた振動波（以下、ノイズ振動波という）が検出用振動波に干渉し、検出用振動波に基づいた正確なガス濃度の検出をなし得ないおそれがあった。また、送信用の検出用素子と受信用の検出用素子とを別々に設けた場合においても、充填層内の残響が長びくと、検出用振動波がガス流路に送出された後に、残響の影響を受けた検出用素子からノイズ振動波がガス流路に送出されてしまい、検出用振動波に基づいた正確なガス濃度の検出をなし得ないおそれがあった。
【０００８】
このような残響は、高温下ほど、長期に継続されるという特性が見られる。従って、ガソリンをパージする通路付近やガスセンサ内のガス流路のように高温になり易い環境下では、残響が増加し、ガス濃度の正確な検出が困難となることがあった。
【０００９】
そこで、筐体内に充填される充填層の厚みを薄くして、検出用素子表面と充填層表面との距離を短くすることで、充填層内でのノイズ振動波の反射回数を増加させて、ノイズ振動波（残響）を速やかに減衰させることが考えられる。ところが、充填層の厚みを薄くしてしまうと、充填層の熱膨張による検出用素子の位置ずれが発生してしまうといった別の問題が発生する。したがって、残響および熱膨張の問題を同時に解決することが必要であるが、従来のガスセンサでは不十分であった。
【００１０】
そこで、本発明は、以上の課題を解決し、高温下においてもガス濃度を正確に検出可能なガスセンサを提供することを目的として、以下の構成を採った。
【００１１】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明のガスセンサは、
所定の気体の流路に臨んで設けられ、所定の信号を受けて振動する検出用素子を備え、該検出用素子の振動によって生じた振動波を前記流路方向に送出して前記気体の性質を検出するガスセンサであって、
前記検出用素子を、前記振動波を前記流路方向に送出可能な態様で筐体内に収納し、
該筐体内における前記振動波の送出経路を確保しつつ、該筐体内に所定の充填材を充填することにより、前記検出用素子を埋設する充填層を所定の厚さに形成し、
該充填層の該検出用素子の埋設側とは反対側の表面の、前記検出用素子が埋設された範囲を含む所定の範囲に、凹部を設けたことを要旨とする。
【００１２】
上記構成のガスセンサによれば、検出用素子を埋設する充填層を所定の厚さに形成すると共に、該充填層の該検出用素子の埋設側とは反対側の表面の、検出用素子が埋設された範囲を含む所定の範囲に、凹部を設ける。これにより、充填層は、凹部が設けられた範囲では、埋設された検出用素子の凹部側表面と充填層の表面との距離が凹部が設けられていない範囲に比べて短くなる。このため、検出用振動波の送出に伴う残響の影響により充填層内でノイズ振動波が放射された場合に、放射されたノイズ振動波が充填層内において単位時間当たりに反射する回数（放射されたノイズ振動波が、充填層の表面位置である充填層と大気との界面に当たって反射する回数）が、凹部が設けられない場合と比較して多くなる。この結果、ノイズ振動波が速やかに減衰し、残響の継続時間が短くなる。一方、凹部が設けられていない範囲では、充填層は、凹部が設けられた範囲よりも厚い所定の厚さに形成されるので、筐体内の充填量を十分に確保することが可能となる。この結果、筐体内の充填材の熱膨張に付随した検出用素子の位置移動が抑制され、こうした位置移動に伴ってガス流路の流路長が変化することにより検出用振動波がガス流路を通過する時間が変化してしまうといった事態が回避される。このように、残響および熱膨張の双方に対処した充填層を形成することで、検出用振動波に基づいた気体の性質の正確な検出を確保することができる。
【００１３】
凹部が、検出用素子の厚み方向において、凹部の内底部を検出用素子の凹部側の表面に投影したときに、表面と内底部投影領域とが重なる部分の総面積が、表面の面積の４０％以上となるように形成されることが望ましい。検出用素子の凹部側の表面は、充填層と大気との界面に向かってノイズ振動波を放射する放射源となるが、上記構成によれば、この放射源の４０％以上の範囲で、検出用素子の凹部側の表面と充填層の表面との距離が短くなる。従って、残響の継続時間をより短くすることができる。
【００１４】
検出用素子が埋設された範囲において、凹部の内底部と該内底部に対向する検出用素子の表面とが非平行に設けられることも好適である。こうすれば、放射されたノイズ振動波は、充填層と大気との界面に当たって乱反射するので、ノイズ振動波のエネルギをより積極的に分散させることが可能となり、ノイズ振動波の減衰効率を更に高めることができる。
【００１５】
検出用素子が埋設された範囲に設けられた凹部の内底部と該内底部に対向する検出用素子の表面との距離を２ｍｍ以下としてもよい。こうすれば、放射されたノイズ振動波が充填層内において単位時間当たりに反射する回数がより一層多くなるので、残響の継続時間を更に短くすることができる。
【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１０の分解斜視図である。このガスセンサ１０は、超音波の伝搬速度が気体の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、濃度検出対象としてのガソリン蒸気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。
【００１８】
流路形成部材２０は、ガラスフィラ入りの合成樹脂で成形されている。流路形成部材２０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。また、検出用素子本体４０は、収納部２２に設けられた取り付け用の凹部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。
【００１９】
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する。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。
【００２０】
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、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。
【００２１】
（Ｂ）流路形成部材２０の構成：
図１に示したように、ガスセンサ１０の流路形成部材２０は、上部に検出用素子本体４０等を収納する収納部２２を備え、この収納部２２の下部に、濃度検出用のガスが流通する流路を有する。この流路は、ガスセンサ１０にガソリン蒸気を含むガス（以下、ガスＧＳという）を導入する導入路２７，このガスＧＳにおけるガソリン蒸気の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ＧＳをバイパスするバイパス流路２９から構成されている。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。
【００２２】
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。図示するように、流路形成部材２０の内部に形成されたガスＧＳの流路は、導入路２７、測定室２８、バイパス流路２９に分かれている。略水平方向に延出された導入路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にも連通している。
【００２３】
本実施例では、上記の測定室２８が、特許請求の範囲における「所定の気体の流路」に相当する。勿論、この測定室２８以外の形態により、特許請求の範囲における「所定の気体の流路」を実現することも可能である。
【００２４】
図２に示すように、バイパス流路２９の下方には出口３４が形成されている。この出口３４は、本実施例では、図示しないホースによって内燃機関の吸気通路に接続されている。導入路２７から導入されたガスＧＳは、上記の出口３４から吸気通路に排出される。
【００２５】
図１および図２に示すように、バイパス流路２９の出口３４と反対側の端部には挿入孔２５が形成されており、この挿入孔２５にサーミスタ６０が取り付けられている。サーミスタ６０は、導入路２７からバイパス流路２９に流入したガスＧＳの温度を挿入孔２５を介して検知する。
【００２６】
図１および図２に示すように、測定室２８の上部は、凹部２４の底面に形成された連通孔２４ａを介して凹部２４に連通されており、この凹部２４に検出用素子本体４０が取り付けられている。検出用素子本体４０は、測定室２８に流入したガスＧＳにおけるガソリン蒸気の濃度を連通孔２４ａを介して検出する。この場合において、ガソリン蒸気の濃度は、サーミスタ６０によって検知されたガスＧＳの温度に所定の関係を持って検出される。
【００２７】
図２に示すように、測定室２８の下方には、検出用素子本体４０から送出された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。
【００２８】
反射部３３は、測定室２８の底部の中央領域を所定距離（本実施例では数ミリ）持ち上げることによって形成されている。これにより、反射部３３の周囲には所定の空隙が形成される。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ＧＳ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。
【００２９】
流路形成部材２０の収納部２２には、上述したように、測定室２８に連通する連通孔２４ａが設けられた凹部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、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った形状をしており、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。
【００３０】
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２２ａ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Ｖｃｃ）、中心がガスセンサ１０からの信号出力線となっている。このコネクタ３１の端子は、収納部２２側では、図３に示すように、４本（３１ａないし３１ｄ）となっている。これは、図示するように、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。
【００３１】
（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４に示す。図４（Ａ）は検出用素子本体４０の上面を示しており、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の４Ｂ−４Ｂ線に沿って検出用素子本体４０を切断したときの矢視断面形状を示している。図示するように、検出用素子本体４０は合成樹脂製の素子ケース４２を備える。この素子ケース４２の底面には開口部が設けられており、この開口部周囲の端面４５には、上記の開口部を覆うように、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が接着されている。なお、端面４５の外側縁部には段差部４６が形成されている。
【００３２】
本実施例では、上記の保護フィルム４８が接着された素子ケース４２が、特許請求の範囲における「筐体」に相当する。勿論、この保護フィルム４８が接着された素子ケース４２以外の形態により、特許請求の範囲における「筐体」を実現することも可能である。
【００３３】
素子ケース４２は、その上部において外側に張り出した形状のフランジ部４１と、フランジ部４１の下部の収容部４３から構成されている。フランジ部４１は収納部２２に設けられた凹部２４より大径に形成されており、収容部４３は凹部２４より小径に形成されている。フランジ部４１の下面略中央には、超音波溶着用の突起５９が円周状に形成されている。
【００３４】
図４（Ｂ）に示すように、素子ケース４２は、略逆「Ｌ」字形の断面形状を有する。素子ケース４２の内周面には、鉛直面に対して約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との付け根の付近においては、外壁の厚みが薄くて可撓性に富み、下側の端面４５においては、保護フィルム４８を貼付する充分な面積を有する。
【００３５】
図４（Ａ）に示すように、この素子ケース４２には、ケース内側に突出した形状の突出部５６ａ，５６ｂが設けられており、この突出部５６ａ，５６ｂ内には、端子５５ａ，５５ｂが埋設されている。また、図４（Ｂ）に示すように、各端子５５ａ，５５ｂの一端（点線で示した端部）はケース内側に僅かに突出されており、各端子５５ａ，５５ｂの他端（実線で示した端部）はケース上方に突出されている。
【００３６】
図４（Ｂ）に示すように、素子ケース４２には、略円柱形状の音響整合板５０，圧電素子５１が収納されている。音響整合板５０は、保護フィルム４８の略中心に接着・固定されており、この音響整合板５０の上面略中心に圧電素子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。このように圧電素子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。超音波は、媒質の密度の差が存在する場所で反射し易い性質を有するからである。なお、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が、勿論、これ以外の材料を用いることも可能である。
【００３７】
圧電素子５１の斜視形状を図５に示す。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。こうした圧電素子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。
【００３８】
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。
【００３９】
図５に示すように、圧電素子５１の上面，下面には、それぞれ、正の電極（以下、正電極という）５１ａ，負の電極（以下、負電極という）５１ｂが蒸着により形成されている。勿論、正電極５１ａ，負電極５１ｂを蒸着以外の他の手法によって形成してもよく、例えば、金属の薄板を貼り付けることにより形成してもよい。
【００４０】
圧電素子５１の下面に形成された負電極５１ｂは、圧電素子５１の上面に折り返された部分（折り返し部５１ｃ）を有する。折り返し部５１ｃは、負電極５１ｂからの入出力を取り出す部位であり、正電極５１ａに接触しないように、圧電素子５１の上面に折り返されている。
【００４１】
正電極５１ａ，負電極５１ｂの折り返し部５１ｃには、それぞれ、リード線５４ａ，リード線５４ｂの片端がはんだ付けされている。この２本のリード線５４ａ，５４ｂの他端は、図４（Ｂ）に示すように、突出部５６ａ，５６ｂから素子ケース４２内に突出する各端子５５ａ，５５ｂの一端にはんだ付けされる。
【００４２】
こうして圧電素子５１のリード線５４ａ，５４ｂを端子５５ａ，５５ｂに接続した後、素子ケース４２内には充填材としての樹脂（本実施例ではウレタン）が充填される。これにより、図４に示すように、素子ケース４２内には、保護フィルム４８に接着・固定された音響整合板５０および該音響整合板５０の上面に接着・固定された圧電素子５１の周囲に充填層９９が形成され、音響整合板５０や圧電素子５１，リード線５４ａ，５４ｂは充填層９９内に埋没した状態となる。図４（Ａ），図４（Ｂ）では、音響整合板５０，圧電素子５１，リード線５４ａ，５４ｂが充填層９９内に埋没した部分を点線を用いて示している。
【００４３】
図４に示すように、圧電素子５１の上方（音響整合板５０ないし保護フィルム４８とは反対側の方向）に位置する充填層９９には２つの凹部９４，９５が形成されている。本実施例では、上記の凹部９４，９５が、特許請求の範囲における「凹部」に相当する。この凹部９４，９５の詳細な構成については後述する。
【００４４】
こうした充填層９９の形成により検出用素子本体４０の組み立てが完了し、検出用素子本体４０は、図１に示したような円盤形状となる。組み立ての完了後、検出用素子本体４０のフランジ部４１は、その下面に形成された突起５９を超音波溶着によって溶融することにより、収納部２２の凹部２４にしっかりと固着される。
【００４５】
（Ｄ）電子回路基板７０の構造およびガソリンの蒸気濃度を検出する手法：
次に、電子回路基板７０の構造と、その取り付けについて説明する。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、各種部品（例えば、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，コンデンサ等）の取付位置にスルーホール等が設けられている。また、既に説明したように、電子回路基板７０には、検出用素子本体４０やサーミスタ６０、あるいは端子５５ａ，５５ｂ、コネクタ３１の端子３１ａ〜３１ｃ、切り起こし部８３に対応する位置に、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ており、この取付孔の周囲をランドパターンが取り巻いている。上記の各種部品が取り付けられた電子回路基板７０は、検出用素子本体４０やサーミスタ６０の取り付けが完了した後に、流路形成部材２０の収納部２２に装着される。この後、電子回路基板７０の各取付孔に挿入された端子を周囲のランドにはんだ付けすることにより、電子回路基板７０の電気的な回路構成が完了する。
【００４６】
こうして完成したガスセンサ１０の電気的な構成を、図６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。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。また、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に接続されている。
【００４７】
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。このような、ドライバ９３からの出力信号を受けて圧電素子５１が振動することにより、圧電素子５１から測定室２８内に送出される超音波のことを、以下、検出用超音波ＤＷという。
【００４８】
本実施例では、このドライバ９３が出力する矩形波の信号が、特許請求の範囲における「所定の信号」に相当する。勿論、このドライバ９３が出力する矩形波の信号以外の形態により、特許請求の範囲における「所定の信号」を実現することも可能である。
【００４９】
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、超音波の振動が、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に伝わる。超音波の振動を受け取った圧電素子５１は、今度は受信器として機能し、振動に応じた電気信号を増幅器９６に出力する。この様子を、図７に示した。図７において、送出期間Ｐ１は、圧電素子５１がドライバ９３からの信号を受けて検出用超音波ＤＷを送出する期間（圧電素子５１が送信器として機能している期間）を示しており、入力期間Ｐ２は、超音波の振動を受け取った圧電素子５１の信号が増幅器９６に入力される期間（圧電素子５１が受信器として機能している期間）を示している。
【００５０】
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。
【００５１】
上記の誤信号としては、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、かつ充填材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や充填層９９と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。このような、素子ケース４２内の残響の影響を受けて圧電素子５１が振動することにより圧電素子５１から送出される超音波のことを、以下、ノイズ超音波ＮＷという。
【００５２】
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７におけるタイミングｔ１）から、コンパレータ９７の出力が反転するまで（図７におけるタイミング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、ある媒質中を伝搬する速度Ｃは、次式（１）に従うことが知られている。
【００５３】
【数１】
2004239636.tif 000003
【００５４】
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ＧＳの第ｎ成分の定圧比熱、Ｃｖｎは測定室２８のガスＧＳの第ｎ成分の定積比熱、Ｍｎは第ｎ成分の分子量、Ｘｎは第ｎ成分の混合比を表している。また、Ｒは気体定数、Ｔは測定室２８内のガスＧＳの温度、である。
【００５５】
伝搬速度Ｃは、測定室２８内のガスＧＳ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、ガソリンの蒸気濃度を求めることができる。
【００５６】
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、求めたガソリンの蒸気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３１ｂを介して外部に出力される。実施例では、この信号は、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。
【００５７】
（Ｅ）凹部９４，９５の構成：
凹部９４，９５の構成につき、図４を参照しつつ説明する。図４には、圧電素子５１と凹部９４，９５との位置関係や放射されたノイズ超音波ＮＷのエネルギが分散される仕組み等がハッチングや矢印を用いて示されている。
【００５８】
図４（Ａ）に示すように、２つの凹部９４，９５は、ほぼ同一のくぼみ形状を有しており、互いに平行となる位置関係で設けられている。凹部９４，９５は、充填層９９の表面９９ａの斜線ハッチングで示した範囲ＴＲ１，ＴＲ２を含む範囲に形成されている（凹部９４，９５が形成された範囲のことを、以下、凹部形成範囲という）。この範囲ＴＲ１，ＴＲ２は、凹部９４，９５のくぼんだ部分の底である内底部９４ａ，９５ａのうち、それらと対向する正電極５１ａと重なる位置関係にある内底部９４ａ，９５ａの範囲を表わしている。換言すれば、本実施例では、範囲ＴＲ１，ＴＲ２の総面積が圧電素子５１の凹部９４、９５側の表面の面積の４０％となるように、凹部９４，９５を形成している。凹部９４，９５の内底部９４ａ，９５ａは正電極５１ａの表面とほぼ平行な面形状を有する。
【００５９】
図４（Ｂ）に凹部９４を例として示したように、凹部９４，９５が形成されていない範囲（以下、凹部非形成範囲という）において、素子ケース４２内の充填層９９の厚さは保護フィルム４８から所定の厚さｈ１とされており、充填層９９の表面９９ａは圧電素子５１の正電極５１ａの表面よりも距離ｋ２分だけ離間している。一方、凹部形成範囲においては、素子ケース４２内の充填層９９の厚さは厚さｈ１よりも凹部９４，９５のくぼみ深さ分だけ薄い厚さｈ２とされており、範囲ＴＲ１，ＴＲ２における内底部９４ａ，９５ａと圧電素子５１の正電極５１ａの表面との離間距離は、距離ｋ２よりも短い距離ｋ１となっている。
【００６０】
（Ｆ）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は、圧電素子５１を埋設する充填層９９の表面に圧電素子５１方向に凹む凹部９４，９５を設ける。この凹部９４，９５の内底部９４ａ，９５ａは、対向する正電極５１ａと重なる位置関係にある範囲ＴＲ１，ＴＲ２を含む範囲に形成される。このように凹部９４，９５を設けることにより、検出用超音波ＤＷの送出に伴う残響の影響により充填層９９内でノイズ超音波ＮＷが放射された場合に、このノイズ超音波ＮＷが速やかに減衰し、残響の継続時間が短くなる。一方、凹部非形成範囲においては、素子ケース４２内の充填層９９の厚さとして、保護フィルム４８から所定の厚さｈ１が確保されるので、素子ケース４２内の充填量を十分に確保することが可能となり、圧電素子５１の位置移動が抑制される。例えば、ガスセンサ１０が高温雰囲気中にさらされて充填層９９が熱膨張した際に、この熱膨張に伴って音響整合板５０および圧電素子５１が測定室２８に近づいた位置に移動し、検出用超音波ＤＷが測定室２８を通過する時間が変化してしまうといった事態が回避される。このように、残響および熱膨張の双方に対処した充填層９９を形成することで、検出用超音波ＤＷに基づいたガソリン蒸気の濃度の正確な検出を確保することができる。
【００６１】
凹部９４，９５を設けることにより充填層９９内で放射されたノイズ超音波ＮＷが速やかに減衰される根拠について図４（Ｂ）を参照しつつ説明する。圧電素子５１の正電極５１ａ側から発生したノイズ超音波ＮＷは、充填層９９の表面９９ａや内底部９４ａ，９５ａが位置する上方向に放射され、充填層９９内を伝搬して充填層９９と大気との界面である表面９９ａや内底部９４ａ，９５ａに当たる。これにより、ノイズ超音波ＮＷのエネルギＮＥは、界面を透過する透過分エネルギＴＥと界面に当たって反射した後に正電極５１ａ方向に戻ってくる反射分エネルギＨＥとに分散される。
【００６２】
上記実施例では、凹部形成範囲のうちの範囲ＴＲ１，ＴＲ２において、内底部９４ａ，９５ａと正電極５１ａの表面との離間距離ｋ１が距離ｋ２よりも短くなっているので、圧電素子５１の正電極５１ａ側から放射されたノイズ超音波ＮＷは界面である内底部９４ａ，９５ａに短時間で到達する。このため、充填層９９内においてノイズ超音波ＮＷが界面に当たって反射する回数は、単位時間当たりにおいて、凹部９４，９５が設けられていない場合よりも多くなり、内底部９４ａ，９５ａに対する反射が短時間の間に多数回繰り返される。従って、ノイズ超音波ＮＷのエネルギＮＥや反射分エネルギＨＥは充填層９９内において効率よく分散され、反射分エネルギＨＥが早期に減衰される。この結果、ノイズ超音波ＮＷの音響レベルは、凹部９４，９５が設けられない場合よりも速やかに低減されるのである。
【００６３】
本実施例のガスセンサ１０においてノイズ超音波ＮＷの音響レベルが低減される様子を図８に示す。この図８は、ドライバ９３からの出力信号を受けて圧電素子５１が検出用超音波ＤＷを測定室２８に送出した後（図７における送出期間Ｐ１の経過後）における圧電素子５１の振動状態の時間的推移を示すグラフである。このグラフでは、横軸を経過時間とし、縦軸を圧電素子５１の振幅としている。この圧電素子５１の振幅は、圧電素子５１に接続された振動検出器において検出された振幅を示している。このグラフにおいて、圧電素子５１の振幅の「Ｖｒｅｆ」という値は、圧電素子５１が閾値Ｖｒｅｆに相当する振動状態である場合に検出される振幅を示している。なお、入力期間Ｐ２は、圧電素子５１が受信器として機能している期間を示している。
【００６４】
図８に示すように、圧電素子５１の振幅は、圧電素子５１がドライバ９３により加振されることにより生じた後、速やかに減衰する。即ち、圧電素子５１の振幅は、検出用超音波ＤＷの送出後に「Ｖｒｅｆ」よりも小さくなり、入力期間Ｐ２の始期に至る前に微弱なものとなる。これは、検出用超音波ＤＷの送出後、該送出に伴って生じたノイズ超音波ＮＷが速やかに微弱な状態となり、充填層９９内における残響が十分に低減されていることを意味する。このため、入力期間Ｐ２においては、圧電素子５１は、ノイズ超音波ＮＷが極めて微弱化された状態で、反射部３３に反射された検出用超音波ＤＷを受け取る。このような微弱なノイズ超音波ＮＷであれば、たとえ反射波としての検出用超音波ＤＷに干渉した場合であっても、干渉度合いが弱いため、検出用超音波ＤＷの波形や位相を大きく乱してしまうことがない。従って、最初の検出用超音波ＤＷが送信されてから圧電素子５１に戻ってくるまでの経過時間を正確に得ることが可能となり、また、戻ってきた検出用超音波ＤＷを圧電素子５１が受信することにより、閾値Ｖｒｅｆ以上のレベルの信号を確実にコンパレータ９７に入力することができる。
【００６５】
なお、上記実施例では、測定室２８に反射部３３を設けることにより圧電素子５１を検出用超音波ＤＷの送信器および受信器として機能させる構成としたが、上記のような反射部３３を設けず、送信器としての超音波素子（以下、送信用素子という）と受信器としての超音波素子（以下、受信用素子という）を別々に設けた場合であっても、図８に示したようなノイズ超音波ＮＷの速やかな微弱化ないし残響の速やかな低減は重要な意義を有する。即ち、送信用素子から受信用素子に検出用超音波ＤＷが送出された後、送信用素子を埋設する充填層９９内で生じたノイズ超音波ＮＷが上記の図８に示すように速やかに低減されれば、検出用超音波ＤＷの送出後に送信用素子からノイズ超音波ＮＷが送信されてしまうことが防止される。例えば、再度の濃度検出を行なうために、送信用素子から検出用超音波ＤＷが再び送信される前や検出用超音波ＤＷが再び送信される際に、強度のノイズ超音波ＮＷが受信用素子に送出されることがない。従って、受信用素子に接続されたコンパレータが、ノイズ超音波ＮＷを受けた受信用素子からの信号を、検出用超音波ＤＷに基づく信号と間違えてマイクロプロセッサ９１に出力してしまうことがない。
【００６６】
なお、図８に示すグラフは、正電極５１ａと重なる位置関係にある内底部９４ａ，９５ａの範囲ＴＲ１，ＴＲ２の総面積が圧電素子５１の凹部９４、９５側の表面の面積の４０％となるように凹部９４，９５を形成した場合のデータを示している。ここで、上記範囲ＴＲ１，ＴＲ２の総面積が圧電素子５１の凹部９４、９５側の表面の面積の４０％以下となるように凹部９４，９５を形成した場合であっても、範囲ＴＲ１，ＴＲ２においては、内底部９４ａ，９５ａと正電極５１ａの表面との間の距離ｋ１が短くなるので、ノイズ超音波ＮＷの単位時間当たりの反射回数が多くなる。従って、凹部９４，９５が設けられていない従来の構成よりも、ノイズ超音波ＮＷを速やかに減衰し、残響の継続時間を短くすることができる。
【００６７】
（Ｇ）変形例：
上記実施例では、凹部９４，９５の内底部９４ａ，９５ａの形状を、正電極５１ａの表面とほぼ平行な面形状としたが、正電極５１ａの表面と平行にならない形状とすることも可能である。こうした形状とされた検出用素子本体１４０を第１変形例として図９に示した。図９（Ａ）は検出用素子本体１４０の上面を示しており、図９（Ｂ）は図９（Ａ）の９Ｂ−９Ｂ線に沿って検出用素子本体１４０を切断したときの矢視断面形状を示している。
【００６８】
図９に示すように、凹部１９４，１９５の内底部１９４ａ，１９５ａは、正電極５１ａの表面とは平行でない２つの斜面を有する形状とされている。こうすることにより、凹部１９４，１９５は、範囲ＴＲ１，ＴＲ２において、内底部１９４ａ，１９５ａと該内底部１９４ａ，１９５ａに対向する圧電素子５１の正電極５１ａの表面との距離ｋ１の値が相違するように設けられる。よって、充填層１９９内で放射されたノイズ超音波ＮＷは、界面である内底部１９４ａ，１９５ａに当たって乱反射するので、ノイズ超音波ＮＷのエネルギＮＥをより積極的に分散させることが可能となり、ノイズ超音波ＮＷの減衰効率を更に高めることができる。なお、上記図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示した以外の構成によっても、内底部１９４ａ，１９５ａと正電極５１ａの表面との距離ｋ１の値を範囲ＴＲ１，ＴＲ２内の位置に応じて異ならせることが可能である。例えば、図９（Ｃ）に示すように、凹部１９４Ｍの内底部を、正電極５１ａの表面とは平行でない４つの斜面を有する形状としてもよいし、図９（Ｄ）に示すように、凹部１９４Ｎの内底部を球面形状としてもよい。
【００６９】
また、上記実施例では、２つの凹部９４，９５を、ほぼ同一のくぼみ形状で、互いに平行となる位置関係で設けたが、２つの凹部９４，９５を互いに異なる形状としたり、２つの凹部９４，９５を互いに平行でない位置関係で設けても差し支えない。また、正電極５１ａと重なる位置関係の凹部を、３箇所以上に設ける構成としてもよく、また、１箇所に設ける構成としてもよい。凹部が１箇所に設けられた検出用素子本体２４０を第２変形例として図１０に示した。図１０（Ａ）は検出用素子本体２４０の上面を示しており、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の１０Ｂ−１０Ｂ線に沿って検出用素子本体２４０を切断したときの矢視断面形状を示している。
【００７０】
図１０に示すように、凹部２９４は、その内底部２９４ａが、範囲ＴＲ１において、対向する正電極５１ａと重なるように設けられている。内底部２９４ａは、正電極５１ａの表面とは平行でない多数の斜面を有する形状とされており、内底部２９４ａと正電極５１ａの表面との距離ｋ１の値は範囲ＴＲ１内の位置に応じて異なっている。こうした構成によっても、上記第１の変形例と同様の効果を得ることができる。
【００７１】
なお、上記実施例や変形例において、内底部９４ａ，１９４ａ，２９４ａと正電極５１ａの表面との距離ｋ１の値を小さくすれば、充填層９９，１９９，２９９内におけるノイズ超音波ＮＷの単位時間当たりの反射回数が増加するので、ノイズ超音波ＮＷをより一層速やかに減衰させ、残響の継続時間をより短くすることが可能となる。上記実施例のガスセンサ１０において、距離ｋ１の値を、それぞれ、０．８ｍｍ、１．８ｍｍ、２．７ｍｍとした場合に、残響の継続時間の長さを測定した結果を図１１のグラフに示した。図中の二点鎖線は、上記３つの場合の結果値を結んだものである。このグラフから、「距離ｋ１の値を２ｍｍ以下とした場合に、残響の継続時間が２００μｓｅｃ以下という極めて良好な値となる」ということが推定される。
【００７２】
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。
【００７３】
また、上記実施例において、保護フィルム４８上の音響整合板５０および圧電素子５１を取り囲む位置に、円筒形状の筒体を装着する構成としてもよい。筒体の材質としては、充填材であるウレタン樹脂と異なる材質のものを考えることができる。こうすれば、水平方向に放射されたノイズ超音波ＮＷのエネルギーは、筒体を透過したり、筒体に当たって反射することで、効果的に分散されるので、素子ケース４２内での残響の継続する時間をより一層短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としてのガスセンサ１０の分解斜視形状を示す説明図である。
【図２】ガスセンサ１０の垂直断面を示す説明図である。
【図３】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４】検出用素子本体４０の構造を示す説明図である。
【図５】圧電素子５１の斜視形状を示す説明図である。
【図６】ガスセンサ１０の内部の電気的な構成を示す説明図である。
【図７】超音波を用いたガソリン蒸気の濃度検出の原理を説明する説明図である。
【図８】ガスセンサ１０において、ノイズ超音波ＮＷの音響レベルが低減される様子を示す説明図である。
【図９】第１変形例を示す説明図である。
【図１０】第２変形例を示す説明図である。
【図１１】凹部９４，９５の内底部９４ａ，９５ａから圧電素子５１の正電極５１ａの表面までの距離ｋ１と残響長さとの関係を表わすグラフである。
【符号の説明】
１０…ガスセンサ
２０…流路形成部材
２２…収納部
２２ａ…端子用凸部
２４…凹部
２４ａ…連通孔
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
４０，１４０，２４０…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
５１ａ…正電極
５１ｂ…負電極
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
９１…マイクロプロセッサ
９２…デジタル−アナログコンバータ
９３…ドライバ
９４，９５，１９４，１９４Ｍ，１９４Ｎ，１９５，２９４…凹部
９４ａ，９５ａ，１９４ａ，１９５ａ，２９４ａ…内底部
９６…増幅器
９７…コンパレータ
９９，１９９，２９９…充填層
９９ａ，１９９ａ，２９９ａ…表面
【図１】
2004239636.tif 000004
【図２】
2004239636.tif 000005
【図３】
2004239636.tif 000006
【図４】
2004239636.tif 000007
【図５】
2004239636.tif 000008
【図６】
2004239636.tif 000009
【図７】
2004239636.tif 000010
【図８】
2004239636.tif 000011
【図９】
2004239636.tif 000012
【図１０】
2004239636.tif 000013
【図１１】
2004239636.tif 000014