JP2003302386A

JP2003302386A - センサ

Info

Publication number: JP2003302386A
Application number: JP2002107473A
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】検出用素子本体４０は、センサ素子とし
ての圧電素子５１と、上端と下端に開口部を有する樹脂
製の素子ケース４２と、素子ケース４２の下端の開口部
を閉鎖するように設けられた保護フィルム４８と、圧電
素子５１を封止するように素子ケース４２内に充填され
た充填材５８と、を有する。素子ケース４２は、略中空
円筒状の収容部４３と、収容部４３の上部に設けられた
フランジ部４１と、を有している。収容部４３の壁面の
厚みｔは、フランジ部４１の厚みよりも小さく設定され
ている。

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。こ
のようなガス濃度センサの中は、超音波素子と、超音波
素子を収納する素子ケースとを有する素子アセンブリを
用いたものがある。素子ケース内の超音波素子は、充填
材で封止されることが多い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような素子アセン
ブリでは、高温環境下における超音波の伝播特性が素子
ケースの構造や材質に依存する。この理由は、高温環境
下では素子ケースや充填材に熱応力が加わり、超音波素
子の周辺における振動の減衰性能に影響を与えるからで
ある。しかし、従来は、素子ケースの構造や材質が必ず
しも適切に選択されていない場合があった。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
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、上端と下端に開口部をそれぞれ有
し、前記センサ素子を収納するための樹脂製の素子ケー
スと、前記素子ケースの下端の開口部を閉鎖するように
設けられた保護フィルムと、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
る素子アセンブリを備え、前記素子ケースは、略中空円
筒状の素子収容部と、前記素子収容部の上部に設けら
れ、前記センサの他の所定の部材と結合するために用い
られるフランジ部と、を有し、前記素子収容部の壁面の
厚みが、前記フランジ部の厚みよりも小さく設定されて
いることを特徴とする。

【０００６】このセンサによれば、素子収容部の壁面の
厚みがフランジ部の厚みよりも小さく設定されているの
で、充填材などの部材が熱膨張したときに素子収容部が
容易に変形する。この結果、充填材内部やセンサ素子に
加わる熱応力を低減することができ、振動波の伝播特性
を改善することが可能である。

【０００７】なお、前記素子収容部の壁面の厚みは、１
ｍｍから３ｍｍの範囲の値であることが好ましい。この
範囲の厚みとすれば、素子収容部が比較的変形し易いの
で、充填材内部やセンサ素子に加わる熱応力を低減する
ことができる。

【０００８】前記素子ケースは、引張り弾性率が１５Ｇ
Ｐａ未満の樹脂で形成されていることが好ましい。この
ような樹脂を用いるようにすれば、素子ケース自体の制
震性能を高めることができるので、振動波の伝播特性を
改善することが可能である。

【０００９】なお、前記素子ケースを形成する樹脂は、
無機フィラーが５０ｗｔ％以下含有されている樹脂であ
ることが特に好ましい。こうすれば、素子ケース自体の
制震性能をさらに高めることが可能である。

【００１０】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。

【００１１】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、センサ用の素子アセ
ンブリ、センサまたは素子アセンブリの製造方法、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。

【００１２】

【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。

【００１３】（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
ためのリード線や端子を有し、これらのリード線や端子
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２
２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。

【００１４】（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。なお、ガラ
スフィラーの含有量は５０ｗｔ％以下であることが好ま
しい。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２
８，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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】（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。

【００２２】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。なお、筒体５２は省略することも可能である。

【００２３】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。圧電素子５１の電極には、リード線５４ａ，５４ｂ
がはんだ付けされている。このリード線５４ａ，５４ｂ
は、電子回路基板７０（図２）にはんだ付けされる。

【００２４】素子ケース４２は、断面が略逆「Ｌ」字形
状をしており、中空円筒状の収容部４３と、収容部４３
の上部に設けられたフランジ部４１と、を有している。
すなわち、素子ケース４２は、上下に開口のあるシルク
ハットを上下逆にしたような形状を有している。素子ケ
ース４２の内周面は、鉛直面であり、収容部４３の壁厚
はほぼ一定である。素子ケース４２の内部には、圧電素
子５１を封止するためにウレタン樹脂（図示省略）が充
填される。

【００２５】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、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
るために用いられる。

【００２６】（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の製造時には、最終的には樹脂
モールドを行なう。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】

【数１】

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】（Ｅ）素子ケース４２の構造と材質：図６
は、素子ケース４２の寸法を示す説明図である。実施例
で用いた素子ケース４２の寸法は以下の通りである。・素子ケース４２の全体高さＨ：１０．５ｍｍ・収納部４３の内径２ｒ：１４．５ｍｍ・収納部４３の壁厚ｔ：１〜３ｍｍ・フランジ部４１の厚みＦ：３．０ｍｍ但し、これらの寸法は一例であり、他の寸法を採用する
ことも可能である。なお、収容部４３の壁厚ｔの値は、
センサの特性を考慮して選択される。

【００３７】素子ケース４２の内部には、圧電素子５１
を封止するために充填材５８が充填されている。この充
填材５８としては、例えば無機フィラーを混入した比重
を１．５以上としたウレタン樹脂を利用することが好ま
しい。なお、充填材５８は、素子ケース４２の上端まで
充填する必要はなく、素子ケース４２の上端よりも低い
位置まで充填材５８が充填されるようにしてもよい。

【００３８】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。より具体的に言えば、図５の増幅器出
力の波形に現れているように、圧電素子５１は送信波形
の入力後に慣性振動を起こし、これが残響となる。この
残響が長いと、受信波と重なってしまい、センサの測定
精度が低下する。従って、充填材５８の材質としては、
振動の減衰効果が高く、圧電素子５１の慣性振動を十分
に抑制できるものが好ましい。

【００３９】センサの性能は、充填材５８の材質のみで
なく、収容部４３の壁厚によっても大きな影響を受け
る。図７は、収容部４３の壁厚ｔが比較的大きい場合の
素子ケース４２の変形の様子を示す説明図である。収容
部４３の壁厚ｔが大きい場合には、高温（約８５℃）に
なって充填材５８が膨張しても、収容部４３自体はほと
んど変形せず、保護フィルム４８が下側に突出する形と
なる。この結果、圧電素子５１と反射部３３（図２）と
の距離が変化して測定誤差の原因となる。また、充填材
５８の特に横方向の膨張が収容部４３によって妨げられ
るので、充填材５８内に大きな内部応力が掛かり、充填
材５８の振動特性が変化する。具体的に言えば、充填材
５８の振動減衰特性（制震特性）が内部応力によって低
下する。この結果、残響波ＲＶ（図５）の長さが長くな
り、センサの測定精度を低下させる可能性がある。

【００４０】図８は、収容部４３の壁厚ｔが比較的小さ
い場合の素子ケース４２の変形の様子を示す説明図であ
る。収容部４３の壁厚ｔが小さい場合には、高温になっ
て充填材５８が膨張しても、収容部４３自体がかなり変
形するので保護フィルム４８はあまり下側に突出しな
い。この結果、圧電素子５１と反射部３３（図２）との
距離はほとんど変化せず、これによる測定誤差の低下は
ほとんど無い。また、充填材５８の横方向の膨張が収容
部４３によって妨げられていないので、充填材５８内に
内部応力があまり掛からない。この結果、熱応力による
充填材５８の振動減衰特性（制震特性）の低下も防止さ
れる。このように、収容部４３の壁厚ｔは、センサの測
定精度の点からは小さいことが好ましい。

【００４１】一方、収容部４３の壁厚ｔが過度に薄くな
ると、高温時に素子アセンブリ４０が破損する可能性が
ある。従って、収容部４３の壁厚ｔは、高温時において
も十分な強度を保てるような厚みに設定することが好ま
しい。また、壁厚ｔが過度に薄くなると、その底面に保
護フィルム４８を接着するのが困難になる。

【００４２】また、素子ケース４２全体の肉厚の中で
は、フランジ部４１（図６）の厚みが最も大きい。この
理由は、フランジ部４１は流路形成部材２０に固定（具
体的には熱溶着）されるので、高温時に流路形成部材２
０側からフランジ部４１にかなりの熱応力が加わるから
である。収容部４３は、流路形成部材２０から直接熱応
力を受けないので、フランジ部４１よりも肉厚を薄くす
ることが可能である。

【００４３】以上の種々の点を考慮すると、収容部４３
の壁厚ｔは、フランジ部４１の厚みよりも小さく設定さ
れていることが好ましい。具体的には、収容部４３の壁
厚ｔは、１ｍｍ〜３ｍｍの範囲が好ましい。

【００４４】なお、図６の例では、フランジ部４１は収
容部４３の上端に設けられているが、フランジ部４１を
収容部４３の上端よりもやや下側に設けるようにしても
良い。

【００４５】図９（Ａ）は、本発明の実施例における収
容部４３の壁厚ｔと残響長さの関係を示す表であり、図
９（Ｂ）はそれをグラフ化したものである。ここで、
「残響長さ」とは、送信の開始時刻から、残響波（送信
時の受信波形）の振幅が所定の閾値以下になる時刻まで
の時間を意味している。このときの閾値は、例えば最大
振幅の５０％に設定される。

【００４６】ここでは、壁厚ｔが１ｍｍ，２ｍｍ，３ｍ
ｍの場合について、それぞれ３つのサンプルを作成して
試験を行った。この結果からも理解できるように、壁厚
ｔが小さいほど残響長さが短くなっており、この意味で
は壁厚ｔが小さい方が好ましい。素子ケース４２の強度
や組立の容易性を考慮すると、収容部４３の壁厚ｔとし
ては、特に１ｍｍ〜２ｍｍの範囲が好ましい。

【００４７】なお、収容部４３の内径ｒ（図６）も、セ
ンサの性能に影響がある。すなわち、収容部４３の内径
ｒが小さいほど充填材５８の量も少なくなり、高温時の
充填材５８や圧電素子５１の内部応力も減少する。この
結果、残響長さが短くなり、センサの測定精度が向上す
る。この意味からは、収容部４３の内径ｒは小さいほど
好ましい。従って、素子アセンブリ４０の残響特性を向
上させるためには、収容部４３の壁厚ｒと内径ｒの比ｔ
／ｒをある程度の範囲に納めることが好ましい。具体的
には、壁厚ｒと内径ｒの比ｔ／ｒを、０．１〜０．４の
範囲の値とすることが好ましく、０．１〜０．３の範囲
が特に好ましい。

【００４８】なお、残響長さは、素子ケース４２や流路
形成部材２０を形成する樹脂材料にも依存する。図１０
は、素子ケース４２と流路形成部材２０のための５種類
の材料Ａ〜Ｅに対する振動特性の測定結果を示す説明図
である。材料Ａは金属（アルミニウム）であり、他の材
料Ｂ〜Ｅはいずれも樹脂である。また、材料Ｂ〜Ｄに
は、ガラスフィラーがそれぞれ配合されている。

【００４９】図１１（Ａ）は、振動特性の測定に用いら
れた測定装置の概念図である。この測定装置では、材料
の試験片１００が送信素子１０２と受信素子１０４との
間に設置される。試験片１００は、図１１（Ｂ）に示す
ように、断面が一辺８ｍｍの正方形であり、長さが６０
ｍｍの長尺の直方体である。この測定装置において、送
信素子１０２を一定のバースト波（振動が連続する振動
波）で駆動させ、受信素子１０４で受信される受信波を
オシロスコープ１１０で測定した。図１１（Ｃ）は、受
信波の形状の一例を示している。そして、バースト波の
開始時刻から、受信波の振幅が一定値に減衰するときま
での時間を「尾引き長さ」として測定した。

【００５０】一般に、試験片１００を形成する材料の減
衰能が大きいほど、尾引き長さが小さくなる傾向にあ
る。従って、素子ケース４２や流路形成部材２０の材料
としては、尾引き長さが小さい材料を選択することが好
ましい。

【００５１】図１０の表に示されているように、試験を
行った５種類の材料Ａ〜Ｅの尾引き長さを比較すると、
材料Ｃ〜Ｅが好ましく、材料Ｄが最も好ましい。この結
果から理解できるように、素子ケース４２や流路形成部
材２０の材料としては、引張り弾性率が１５ＧＰａ未満
の樹脂材料を用いることが好ましい。また、特に、ガラ
スフィラーが５０ｗｔ％以下配合されていることが好ま
しい。

【００５２】なお、上述したように、本実施例の構成で
は、素子ケース４２がフランジ部４１の下面の突起５９
（図３）が流路形成部材２０に超音波溶着されるので、
素子ケース４２と流路形成部材２０は同一の樹脂材料で
形成されていることが好ましい。この樹脂材料として上
述した好ましい材料を選択すれば、素子ケース４２や流
路形成部材２０の減衰能を高めることができ、残響長さ
を小さく抑えることができる。この結果、センサの性能
を向上させることが可能である。

【００５３】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。

【００５４】（１）例えば、収容部４３の壁厚ｔを一定
とする代わりに、収容部４３の内壁面を、鉛直面に対し
て所定の角度（例えば約１１度）で傾くテーパ面として
もよい。すなわち、収容部４３の壁面が、下部に行くに
つれて、即ち保護フィルム４８に近づくにつれて厚みを
増すようにしてもよい。このようにすれば、高温時にお
いて充填材５８が膨張するときに、素子ケース４２の上
方に充填材５８が膨張することを許容することができ、
充填材５８の内部応力を低減することができる。このよ
うに収容部４３の壁厚ｔが一定で無い場合には、収容部
４３の平均の壁厚がフランジ部４１の厚みよりも小さい
ことが好ましい。なお、本明細書において、「収容部４
３の壁厚」と言う文言は、壁厚が一定で無い場合の平均
の壁厚も含む広い意味で使用されている。

【００５５】（２）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】素子ケース４２の寸法を示す説明図である。

【図７】収容部４３の肉厚ｔが比較的大きい場合の素子
ケース４２の変形の様子を示す説明図である。

【図８】収容部４３の肉厚ｔが比較的小さい場合の素子
ケース４２の変形の様子を示す説明図である。

【図９】本発明の実施例における収容部４３の壁厚ｔと
残響長さの関係を示す説明図である。

【図１０】素子ケース４２と流路形成部材２０の５種類
の材料に対する振動特性の測定結果を示す説明図であ
る。

【図１１】材料の振動特性の測定装置と試験片と試験時
の信号と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…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１００…試験片１０２…送信素子１０４…受信素子１０６…送信回路１０８…受信回路１１０…オシロスコープ

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動波の送受信によって対象物の特性を
測定するセンサであって、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、上端と下端に開口部をそれぞれ有し、前記センサ素子を
収納するための樹脂製の素子ケースと、前記素子ケースの下端の開口部を閉鎖するように設けら
れた保護フィルムと、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を備え、前記素子ケースは、略中空円筒状の素子収容部と、前記素子収容部の上部に設けられ、前記センサの他の所
定の部材と結合するために用いられるフランジ部と、を
有し、前記素子収容部の壁面の厚みが、前記フランジ部の厚み
よりも小さく設定さ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、前記素子収容部の壁面の厚みは、１ｍｍから３ｍｍの範
囲の値である、センサ。
【請求項３】請求項１または２記載のセンサであっ
て、前記素子ケースは、引張り弾性率が１５ＧＰａ未満の樹
脂で形成されている、センサ。
【請求項４】請求項３記載のセンサであって、前記素子ケースを形成する樹脂は、無機フィラーが５０
ｗｔ％以下含有されている樹脂である、センサ。
【請求項５】請求項１ないし４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。