(57)【特許請求の範囲】
【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、
前記素子ケースは、略円筒形の収容部と、該収容部の一端部とは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、該素子ケースの該収容部の内周面を前記一部側ほど内径を小さく形成すると共に、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ており、
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。
【請求項２】
前記素子ケースの前記収容部の内周面の少なくとも一部は、前記一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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【請求項７】
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６記載のガスセンサ。
【請求項８】
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７のいずれか記載のガスセンサ。
【請求項９】
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８記載のガスセンサ。
【請求項１０】
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９のいずれか記載のガスセンサ。
【請求項１１】
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１０のいずれか記載のガスセンサ。
【請求項１２】
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１１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。
【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、
前記素子ケースは、略円筒形の収容部と、該収容部の一端部とは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、該素子ケースの該収容部の内周面を前記一部側ほど内径を小さく形成すると共に、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ており、
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。しかも、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されている。こうした構造を採用しているので、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。更に、本発明では、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、内周面と非平行としている。このとき、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しているので、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。
【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。
【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。
【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１０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、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。
【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４０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。
【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（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１０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５０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５０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５１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４１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】
0003861062.tif 000002
【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２８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１２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５６ａ，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４４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５４ａ，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９３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、１１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２００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２００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１０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２００の下部ＳＮのみを円弧の一部としたが、内周面２００全体を緩やかな円弧形状としてもよい。また、下部ＳＮ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１００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
【図１】
0003861062.tif 000003
【図２】
0003861062.tif 000004
【図３】
0003861062.tif 000005
【図４】
0003861062.tif 000006
【図５】
0003861062.tif 000007
【図６】
0003861062.tif 000008
【図７】
0003861062.tif 000009
【図８】
0003861062.tif 000010
【図９】
0003861062.tif 000011
【図１０】
0003861062.tif 000012
【図１１】
0003861062.tif 000013
【図１２】
0003861062.tif 000014
【図１３】
0003861062.tif 000015
【図１４】
0003861062.tif 000016
【図１５】
0003861062.tif 000017