JP3861062B2

JP3861062B2 - Gas sensor and gas concentration detection device

Info

Publication number: JP3861062B2
Application number: JP2003041958A
Authority: JP
Inventors: 美邦佐藤; 秀樹石川; 守男小野田; 剛史森田; 昇石田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2002-03-06
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2023-02-20
Also published as: JP2003329659A

Description

【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】

【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure of a gas sensor, and more particularly, to a gas sensor that detects a property of a gas present in a predetermined flow path.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a gas sensor that uses a detection element to measure, for example, the concentration, temperature, or humidity of a specific component as a property of a gas present in a flow path is known. In such a gas sensor, a signal from the detection element is electrically processed and output as an electric signal corresponding to the property of the gas. As an example of a gas sensor, an ultrasonic gas sensor that is provided in a transport device equipped with an internal combustion engine such as an automobile and detects the concentration of gasoline, light oil or the like by using a change in the propagation speed of ultrasonic waves will be taken up. Such a gas sensor is provided in the middle of a purge line connected to an intake pipe of an internal combustion engine from a canister mounted on an automobile, for example, and an evaporative fuel gas containing gasoline or the like is contained in a flow path of a predetermined volume formed in the sensor. Configured to pass. When the gasoline vapor concentration changes, the speed of the ultrasonic wave passing through the medium changes, so this change is detected by the ultrasonic receiver, the signal is processed, and the signal is output as a signal corresponding to the gasoline concentration. is there. Normally, the gasoline concentration is obtained by detecting the time until the ultrasonic wave output from the transmitter propagates a predetermined distance and reaches the receiver.
[0003]
There are few elements that can directly convert a change in gas properties into a large electric signal, such as such a gas sensor, and the electric signal output from the detecting element is often weak. For this reason, the output may change even if a slight force is applied to the detection element. In order to avoid this, in the conventional detection element, the element body is molded and fixed with resin or the like. Has been done. For example, in the ultrasonic gas sensor described above, an element that transmits or receives ultrasonic waves is stored in a dedicated storage case, and then the storage case is filled with resin, for example, urethane resin, and the detection element is embedded and fixed. (For example, refer to Patent Document 1 below).
[Patent Document 1]
JP 2000-206099 A
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a gas sensor, stress is applied to the detection vibration element that detects ultrasonic waves due to thermal expansion of the molded resin or the like, and the detection accuracy is lowered in some cases. There was a problem of displacement and affecting the detection accuracy. For example, in a gas sensor using ultrasonic waves as described above, a thin film such as a film is provided at the opening of the storage case in order to isolate the element that transmits or receives ultrasonic waves from the gas to be detected, and the element is provided on the thin film. After mounting, the inside of the storage case may be filled with resin. When such a structure is employed, the filling material inside the storage case of the vibration element for detection is thermally expanded at a high temperature, and stress is generated inside. As a result, a phenomenon in which the portion of the vibration element for detection protrudes from the opening of the storage case while being deformed by the thin film while being pushed out by the expanded filler was observed. When the detection vibration element part protrudes, the propagation distance of the ultrasonic wave also changes, which affects the detection accuracy.
[0005]
In particular, when the detection vibration element is used for both transmission and reception of ultrasonic waves, noise is generated by reflection of the ultrasonic waves around the detection vibration element, for example, the side surface of the detection element case. The problem of doing was also pointed out. The ultrasonic wave propagated from the detection vibration element in a direction other than the detection flow path may be reflected and returned by a boundary surface having a large density difference of the medium, which is observed as noise. If there was a lot of noise and it occurred over a long period of time, it was considered that the detection accuracy of the ultrasonic wave was affected.
[0006]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and in a gas sensor having a structure in which a vibration element for detection in a case is embedded with a filler, the detection accuracy is reduced due to a temperature change or noise. The purpose is to suppress the occurrence.
[0007]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
  The gas sensor of the present invention that solves at least a part of the above problems is as follows.
  A gas sensor for detecting a property of a gas present in a predetermined flow path,
  A vibration element for detection that detects the property of the gas by using a change in a density wave propagating in the gas, and a cylindrical element case that houses the vibration element for detection,
The element case is connected to a substantially cylindrical accommodating portion and the other end on the opposite side to the one end of the accommodating portion,A flange portion for attaching the element case to the flow path;Of the housingInner surfaceBeforeIn addition to forming a smaller inner diameter on the part side,The outer peripheral surface of the housing portion and the inner peripheral surface are not parallel, and the thickness of the housing portion is formed in a shape that gradually increases from the connecting portion of the housing portion and the flange portion toward the housing portion. Has been
  The detection vibration element is embedded in a filling material filled in the element case.
It is characterized by.
[0008]
  In such a gas sensor, the detection vibration element is embedded in the filling material filled in the element case. The inner peripheral surface of the element case is formed so that the inner diameter is smaller toward the one end side where the detection vibration element is disposed. Therefore, even if the filler expands, the filler receives a component force toward the side with the larger inner diameter on the inner peripheral surface and deforms so as to expand exclusively toward the side with the larger inner diameter. As a result, the influence on the volume change to the side with the smaller inner diameter, that is, the detection vibration element side is reduced, and even if the filler expands, the displacement of the position of the detection vibration element or the stress applied to the detection vibration element does not occur. It is suppressed. That is, since the stress generated in the element case due to the expansion of the filler is also reduced on the detection vibration element side, the behavior of the detection vibration element changes due to the stress and the detection accuracy is lowered. Alleviated.In addition, the element case includes a substantially cylindrical housing portion and a flange portion that is connected to the other end portion opposite to the one end portion of the housing portion and attaches the element case to the flow path. Since such a structure is employed, the element case can be attached at the flange portion, and the position of the vibration element for detection can be moved away from the attachment position of the element case, which is preferable. If the vibration element for detection and the mounting position of the element case are close to each other, the dense wave easily propagates between the element case and the other member to which the element case is mounted. It is because it is easy to occur. Further, in the present invention, when the inner peripheral surface of the element case is a tapered surface, the outer peripheral surface of the housing portion is not parallel to the inner peripheral surface. At this time, since the thickness of the storage portion is formed in a shape that gradually increases from the connection portion between the storage portion and the flange portion toward one end portion of the storage portion, in the connection portion between the storage portion and the flange portion, The thickness of the element case can be made thinner than one end portion of the housing portion, and sufficient strength in the vicinity of the one end portion of the housing portion and the deformability of the entire housing portion can be realized.
[0009]
In order to make the inner diameter of the cylindrical element case smaller toward the one end where the detecting vibration element is disposed, the inner diameter is narrowed so that at least a part of the inner circumference faces toward the one end. Alternatively, at least a part of the inner peripheral surface can be formed as a curved surface having a smaller inner diameter toward the one end side. In the former case, the angle of the tapered surface can be in the range of 7 to 15 degrees with respect to the axial direction. More preferably, it may be in the range of 10 to 12 degrees. In these angle ranges, the displacement of the detecting vibration element when the filler expands is sufficiently small, and noise due to undesired propagation of the dense wave is sufficiently suppressed. On the other hand, in the latter case, the curved surface may be a part of a circle, an ellipse, a parabola, or a hyperbola in the axial section of the element case. When the inner peripheral surface is a curved surface, if the propagated dense wave is reflected by the inner peripheral surface, the direction of the reflected wave is not the same direction, so that a unique reflected wave does not occur. When the inner peripheral surface is a curved surface, it may be a free curve in the axial cross section of the element case. The inner peripheral surface may be formed symmetrically with respect to the axis center of the element case, but may be asymmetrical. If the object is not used, even when the detecting vibration element is placed at the axis center of the element case, the reflected waves of the sparse and dense waves that propagate toward the periphery do not overlap at the axis center.
[0011]
When the accommodating portion and the flange portion are separated, it is sufficient that the tapered surface is formed on the inner peripheral surface corresponding to the accommodating portion. Of course, the flange may be formed on the tapered surface. The tapered surface does not need to be a straight line, and may be a gentle curved surface as long as the inner diameter of the element case is small on the detection vibration element side.
[0013]
An outer peripheral portion of the film that separates the vibration element for detection and the flow path in which the gas exists can be fixed to the end surface of the one end portion of the element case. The film is useful for protecting the inside of the element case from the gas present in the flow path. However, as described above, when the thickness of one end of the accommodating portion provided in the element case is thick, In particular, there is also an advantage that the film can be fixed easily.
[0014]
The vibration element for detection detects the property of the gas by using a change of the dense wave propagating in the gas, and a sound wave or an ultrasonic wave can be used as the dense wave. At this time, a vibration element that generates and / or receives a sound wave or an ultrasonic wave, such as a piezoelectric element, can be employed as the vibration element for detection.
[0015]
The gas sensor of the present invention can be used in a gas concentration detection device that is mounted on a device equipped with a heat engine that burns using volatile fuel and detects the concentration of the volatile fuel. At this time, the detection flow path may be a flow path provided in a part of the fuel passage to the heat engine. In addition, an arithmetic circuit is connected to the detection vibration element of the gas sensor, and the detection circuit detects the speed at which the dense wave caused by the vibration of the detection vibration element passes through the detection flow path. The concentration of the fuel in the flow path may be calculated. This gas concentration detection device can detect the concentration of a volatile gas present in a detection flow path, for example, a vapor such as gasoline or light oil, by a change in the propagation speed of a dense wave such as an ultrasonic wave.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples. FIG. 1 is an exploded perspective view of a gas sensor as one embodiment of the present invention. The gas sensor 10 is a sensor that detects the concentration of gasoline vapor by utilizing the fact that the propagation speed of ultrasonic waves changes depending on the gas concentration. For example, this gas sensor is disposed in a passage for purging gasoline from a canister mounted on a vehicle having an internal combustion engine as a power source to an intake passage, and is used for the purpose of detecting the purged gasoline concentration.
[0017]
(A) Overall configuration of the gas sensor 10:
As shown in FIG. 1, the gas sensor 10 is roughly integrated into a flow path forming member 20 that forms a flow path through which a gas whose concentration is to be detected passes, and the flow path forming member 20. The detection element main body 40 stored in the storage section 22, the thermistor 60 for detecting the temperature of the gas passing through the flow path, the electronic circuit board 70 disposed on the detection element main body 40, and the storage section 22. It is composed of a metal case 80. The detection element body 40 is fixed to the mounting recess 24 provided in the storage portion 22 by ultrasonic welding, and the thermistor 60 is inserted into and fixed to the mounting insertion hole 25. As will be described later, the detection element body 40 and the thermistor 60 have terminals for exchanging electrical signals, and these terminals are inserted into corresponding mounting holes of the electronic circuit board 70 and fixed by soldering. Is done. In the gas sensor 10, after the detection element body 40 and the thermistor 60 are fixed to the storage portion 22, the electronic circuit board 70 is attached, and the case 80 is further fitted into the storage portion 22, and then the whole is made of resin, for example, urethane resin. It is manufactured by molding.
[0018]
(B) Configuration of the flow path forming member 20:
The flow path forming member 20 of the gas sensor 10 is formed by molding a synthetic resin containing a glass filler, and its elastic modulus is adjusted to an appropriate value as a gas sensor. As shown in FIG. 1, the flow path forming member 20 includes a storage portion 22 that stores a detection element main body 40 at an upper portion thereof, and a flow path through which a detection gas flows at a lower portion thereof. As main flow paths, an introduction path 27 for introducing a gas containing gasoline vapor into the gas sensor 10, a measurement chamber 28 for detecting the gasoline concentration in this gas by ultrasonic waves, and the gas is bypassed to the measurement chamber 28. A bypass channel 29 is formed. The measurement chamber 28 is provided almost directly below the detection element body 40, and the bypass flow path 29 is provided almost directly below the thermistor 60.
[0019]
In order to explain such a flow channel structure in detail, a vertical cross section of the gas sensor 10 is shown in FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of the gas sensor 10 cut along a plane including the axis of the introduction path 27 and the detection element body 40. In FIG. 2, the gas sensor 10 is finally filled with a resin, for example, a urethane resin, and is molded. However, for simplicity of illustration, the resin for molding the whole is not drawn. As shown in FIG. 2, the interior of the flow path forming member 20 is divided into an introduction path 27, a measurement chamber 28, and a bypass flow path 29 when focusing on the flow path. The introduction passage 27 communicates with the bypass passage 29 at a right angle, and further communicates with the measurement chamber 28 via the introduction hole 32. An outlet 34 is formed below the bypass passage 29, and the gas containing gasoline vapor introduced from the introduction passage 27 is discharged from the outlet 34. In this embodiment, a hose (not shown) is provided in the intake passage of the internal combustion engine. It is connected. The end of the bypass passage 29 opposite to the outlet 34 is formed as an insertion hole 25 to which the thermistor 60 is attached. Therefore, the thermistor 60 has a predetermined relationship with the temperature of the gas flowing in from the introduction path 27 and detects this.
[0020]
The measurement chamber 28 has an upper portion communicating with the concave portion 24 to which the detection element main body 40 is attached, and a reflection portion 33 for reflecting ultrasonic waves is formed below the measurement chamber 28. The distance through which the ultrasonic wave propagates from the detection element body 40 to the reflecting portion 33 is referred to as a propagation distance L. The propagation distance L and the function of the reflector 33 will be described later. The reflecting portion 33 has a structure that is lifted from the bottom of the measuring chamber 28 by a predetermined distance (several millimeters in this embodiment), and the gap around the reflecting portion 33 communicates with the bottom of the measuring chamber 28 as it is. The discharge channel 35 is connected to the bypass channel 29. For this reason, the gas that has flowed from the introduction path 27 through the introduction hole 32 fills the inside of the measurement chamber 28 and exits from the discharge flow path 35 to the bypass flow path 29 at a predetermined rate. Since the discharge channel 35 is provided at the bottom of the measurement chamber 28, when water vapor or gasoline vapor in the measurement chamber 28 is condensed and liquefied, the drain channel 35 is used as a drain for discharging these water droplets / oil droplets. Also work. The outer shape of the periphery of the reflection portion 33 is inclined toward the discharge flow path 35 so that the liquid accumulated in the grooves around the reflection portion 33 is easily discharged.
[0021]
As described above, the housing recess 22 formed in the upper part of the flow path forming member 20 is formed with the mounting recess 24 having an opening communicating with the measurement chamber 28, the insertion hole 25 for mounting the thermistor, and the like. However, the metal plate 36 shown in FIG. 3 is insert-molded at a place corresponding to the storage portion 22. As shown in the figure, the metal plate 36 has a shape substantially following the shape of the bottom surface of the storage portion 22, and has a recess 37 corresponding to the mounting recess 24, an opening 38 corresponding to the insertion hole 25, and the like. The metal plate 36 includes a cut and raised portion 83 at one corner. As shown in FIG. 1, the cut and raised portion 83 is erected on the inner side of the storage portion 22 as shown in FIG. 1, and is inserted into the mounting hole 72 on the substrate when the electronic circuit substrate 70 is attached. Is done. A land connected to the ground line is prepared in the mounting hole 72, and the cut-and-raised portion 83 is soldered to the land.
[0022]
Of the four corners on the inner side of the storage portion 22, one terminal adjacent to the cut-and-raised portion 83 is provided with a terminal convex portion 22a that also serves as a support for placing the electronic circuit board 70 ( (See FIG. 4). A connector 31 for exchanging electrical signals is formed on the outside, and a terminal forming the connector 31 penetrates the outer wall of the housing portion 22 at this portion. The connector 31 has three terminals on the entrance side. Two terminals on both sides of the three terminals are a power line (ground and DC voltage Vcc) for supplying power to the gas sensor 10 from the outside, and a center. Is a signal output line SGNL from the gas sensor 10. As shown in FIG. 4, the connector 31 has four terminals (31a to 31d) on the storage unit 22 side. This is because the terminal 31c for the ground (grounding) line has a bifurcated shape. One terminal 31d divided into two branches extends upward, and is inserted into an insertion hole 85 prepared at a corresponding position of the case 80 when the case 80 is assembled. After the insertion, the terminal 31d is soldered or brazed to the case 80. As a result, the entire case 80 is electrically coupled to the ground line. In the remaining two corners of the storage portion 22, support stands (not shown) are formed for the purpose of placing the electronic circuit board 70.
[0023]
(C) Structure of the detection element body 40:
The structure of the detection element body 40 is shown in the sectional view of FIG. As shown in FIG. 1, the detection element body 40 has a disk shape after assembly. This element body 40 houses a piezoelectric element and the like to be described later in an element case 42 made of a synthetic resin having a flange portion 41. After that, a resin, for example, a urethane resin is filled inside. The flange portion 41 of the element case 42 has a larger diameter than the mounting recess 24 provided in the storage portion 22, and the storage portion 43 below the flange portion 41 has a smaller diameter than the recess 24. In the state of the element case 42 alone, the lower surface of the accommodating portion 43 is opened, and a stepped portion 46 is formed on the outer edge of the end surface 45. At the time of manufacture, a circular protective film 48 using a material having gasoline resistance is adhered to the inside of the stepped portion 46.
[0024]
A cylindrical acoustic matching plate 50 is bonded and fixed to the center of the protective film 48, and a piezoelectric element 51 is bonded and fixed to the upper surface of the acoustic matching plate 50. The acoustic matching plate 50 is provided to efficiently send the vibration of the piezoelectric element 51 through the protective film 48 into the air (in the present embodiment, to the measurement chamber 28). Since sound waves and ultrasonic waves are likely to be reflected in a place where there is a difference in density of the medium, the piezoelectric element 51 is not directly bonded to the protective film 48, but is bonded via the acoustic matching plate 50. The vibration of 51 can be efficiently sent into the measurement chamber 28 as an ultrasonic wave. In this embodiment, as the acoustic matching plate 50, a large number of small glass balls hardened with an epoxy resin is used. A cylindrical body 52 is arranged so as to surround the acoustic matching plate 50 and the piezoelectric element 51. This cylindrical body 52 is obtained by bonding a copper foil 52c to a polyethylene terephthalate film 52a via an adhesive layer 52b, winding the copper foil 52c inward into a cylindrical shape, and laminating the end faces. is there. Since the inner diameter of the cylindrical body 52 substantially matches the outer shape of the acoustic matching plate 50, the cylindrical body 52 is in close contact with the outer periphery of the acoustic matching plate 50. Both are not bonded. As shown in FIG. 5, a portion constituted by the acoustic matching plate 50, the piezoelectric element 51, and the cylindrical body 52 is referred to as an element portion 44.
[0025]
The piezoelectric element 51 is an electrostrictive element such as a piezo formed in a flat cylindrical shape. When applying a voltage to the electrodes formed on the upper and lower surfaces in the axial direction, the piezoelectric element 51 is distorted only in the axial direction. It is cut out with the direction of. As will be described later, the piezoelectric element 51 functions as a transmitter that sends out ultrasonic waves into the measurement chamber 28. At the same time, the piezoelectric element 51 also functions as a receiver that receives ultrasonic vibrations and outputs electrical signals. Of course, it is also possible to provide a gas sensor by separately providing a transmitting element and a receiving element. As the piezoelectric element 51, a piezoelectric ceramic or a crystal such as quartz can be used as appropriate. Although not particularly shown, the electrodes may be formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric element 51 by a technique such as vapor deposition, or may be configured by attaching a metal thin plate.
[0026]
The outer diameter of the piezoelectric element 51 is smaller than the outer diameter of the acoustic matching plate 50. Accordingly, a gap is formed between the inner surface of the cylindrical body 52 surrounding this and the side surface of the piezoelectric element 51. The relationship among the cylindrical body 52, the acoustic matching plate 50, and the piezoelectric element 51 is shown in FIG. FIG. 6 is an exploded perspective view showing the relationship between the acoustic matching plate 50, the piezoelectric element 51, and the cylindrical body 52. As shown in the figure, the cylindrical body 52 is provided with twelve openings 53. The opening 53 is provided at a position displaced upward along the axial direction of the piezoelectric element 51. Therefore, after the assembly, the opening 53 of the cylindrical body 52 exists not at the outer periphery of the acoustic matching plate 50 but at a position corresponding to the outer periphery of the piezoelectric element 51. In FIG. 6, the

layers

52 a, 52 b, and 52 c forming the cylindrical body 52 are drawn together for convenience of understanding.
[0027]
As shown in FIG. 5, the element case 42 has a substantially inverted “L” shape in cross section, and its inner peripheral surface is a tapered surface 100 having a predetermined angle with respect to the vertical surface. And it is formed so that the internal diameter becomes small, so that it becomes the end surface 45 side of the accommodating part 43. As shown in FIG. The angle formed by the tapered surface 100 with respect to the vertical direction is 11 degrees in this embodiment. Therefore, the thickness of the portion corresponding to the outer wall of the accommodating portion 43 increases as it approaches the lower portion, that is, the protective film 48. As a result, the housing portion 43 of the element case 42 has a thin outer wall in the vicinity of the base with the flange portion 41 and is highly flexible, and has a sufficient area for attaching the protective film 48 at its lower end. Yes. Although the element case 42 is formed in a substantially cylindrical shape, the element case 42 has a shape protruding inward only at a portion where the

terminals

55a and 55b are embedded. The

terminals

55 a and 55 b embedded in the projecting

portions

56 a and 56 b are bent in an “L” shape, and upper and lower ends thereof are exposed from the element case 42.

Lead wires

54a and 54b are soldered to the lower ends. The upper ends of the

terminals

55a and 55b are inserted into corresponding mounting holes of the electronic circuit board 70 and soldered to lands prepared at the locations. After the attachment of the

lead wires

54a and 54b of the piezoelectric element 51 is thus completed, the inside of the element case 42 is filled with a resin such as urethane resin. This resin is referred to as filler 49.
[0028]
The element case 42 is provided with a welding projection 59 in a circumferential shape substantially at the center of the lower surface of the flange portion 41. The protrusion 59 is melted at the time of ultrasonic welding, and the flange portion 41 is firmly fixed to the mounting recess 24 of the storage portion 22.
[0029]
(D) Electronic circuit board 70 and its circuit and gas concentration detection method:
Next, the structure of the electronic circuit board 70 and its attachment will be described. The electronic circuit board 70 is obtained by forming a circuit pattern on a glass epoxy board in advance by etching or the like, and a land or a through hole is provided at a component mounting position. Further, as already described, the detection element main body 40, the thermistor 60, or the parts 31a to 31c of the connector 31, the cut-and-raised portion 83, and the like are attached to the attachment holes having a size corresponding to each terminal shape. The land pattern surrounds the surrounding area. Accordingly, the completed electronic circuit board 70 is provided with various signal processing components such as an integrated circuit (IC) for signal processing, resistors, capacitors, and the like at predetermined positions. The electrical circuit configuration is completed by mounting the element body 40 and the thermistor 60 on the storage portion 22 where the attachment is completed and performing soldering. As the manufacture of the gas sensor 10, resin molding is finally performed.
[0030]
The electrical configuration of the gas sensor 10 thus completed is shown in the block diagram of FIG. As shown in the figure, this electronic circuit board 70 is mainly composed of a microprocessor 91, and each circuit element connected to the microprocessor 91, that is, a digital-analog converter (D / A converter) 92, a driver 93. And a comparator 97 to which an amplifier 96 is connected. The thermistor 60 is directly connected to the analog input port PAP of the microprocessor 91. The driver 93 and the amplifier 96 are connected to the detection element body 40.
[0031]
When receiving a command from the microprocessor 91, the driver 93 outputs a plurality of rectangular waves. When the rectangular wave signal output from the driver 93 is received, the piezoelectric element 51 vibrates, functions as a transmitter, and transmits ultrasonic waves into the measurement chamber 28.
[0032]
The ultrasonic wave sent into the measurement chamber 28 goes straight while maintaining a relatively high directivity, and returns to the reflection portion 33 at the bottom of the measurement chamber 28. When the returned ultrasonic wave reaches the protective film 48, the vibration is transmitted to the piezoelectric element 51 through the protective film 48 and the acoustic matching plate 50, and the piezoelectric element 51 functions as a receiver this time according to the vibration. Output electrical signals. This situation is shown in FIG. In the figure, a section P1 receives a signal from the driver 93 and is a period in which the piezoelectric element 51 functions as a transmitter, and a section P2 transmits vibration to the piezoelectric element 51 by the ultrasonic wave reflected by the reflecting portion 33. The periods during which the piezoelectric element 51 functions as a receiver are shown.
[0033]
The signal of the piezoelectric element 51 when functioning as a receiver is input to the amplifier 96 and amplified. The output of the amplifier 96 is input to the comparator 97, where it is compared with a threshold value Vref prepared in advance. The threshold value Vref is a level at which an erroneous signal output from the amplifier 96 can be discriminated due to the influence of noise or the like. The erroneous signal may be due to the influence of reverberation or the like of the detection element body 40 itself, in addition to the noise. Although the piezoelectric element 51 is bonded to the acoustic matching plate 50 and filled with a resin such as urethane resin, the piezoelectric element 51 may be capable of free end vibration to some extent, and the drive signal output from the driver 93 is lost. Even after breaking, there may be a damped oscillation over a predetermined period. In addition, there is a slight amount of ultrasonic vibration propagating from the piezoelectric element 51 to the periphery thereof, and there is vibration that is reflected by a boundary surface such as the element case 42 and returned. These are reverberation.
[0034]
The comparator 97 compares the signal from the amplifier 96 with the threshold value Vref to invert the output when the magnitude of the vibration received by the piezoelectric element 51 exceeds a predetermined value. The output of the comparator 97 is monitored by the microprocessor 91, and the time Δt from the output timing of the first ultrasonic wave from the piezoelectric element 51 (timing t1 in FIG. 8) until the output of the comparator 97 is inverted (timing t2 in FIG. 8). Is measured, it is possible to know the time required for the ultrasonic wave to travel back and forth the propagation distance L to the reflecting portion 33 in the measurement chamber 28. It is known that the velocity C at which the ultrasonic wave propagates in a certain medium follows the following formula (1).
[0035]
[Expression 1]

[0036]
This equation (1) is a general equation that holds for a gas in which a plurality of components are mixed, and the variable n is a suffix that indicates that it is for the nth component. Therefore, Cpn is the constant pressure specific heat of the nth component of the gas existing in the measurement chamber 28, Cvn is the constant volume specific heat of the nth component of the gas in the measurement chamber 28, Mn is the molecular weight of the nth component, and Xn is the nth component. It represents the concentration ratio. R is a gas constant, and T is the temperature of the gas in the measurement chamber 28.
[0037]
The propagation velocity C is determined by the temperature T of the gas in the measurement chamber 28 and the concentration ratio Xn. The ultrasonic wave propagation speed C is determined by using the propagation distance L from the piezoelectric element 51 to the reflecting portion 33.
C = 2 × L / Δt (2)
Therefore, the concentration ratio Xn, that is, the gasoline concentration can be obtained by measuring Δt. In this embodiment, the concentration of gasoline vapor is detected. However, when the concentration is known, it can be used as a sensor for obtaining the temperature T and the propagation distance L.
[0038]
The microprocessor 91 performs a calculation according to the above equation at high speed and outputs a signal corresponding to the obtained gasoline concentration via the D / A converter 92. This signal SGNL is output to the outside via the terminal 31 b of the connector 31. In this embodiment, the signal SGNL is output to a computer that controls the fuel injection amount of the internal combustion engine, and is used for processing such as correcting the fuel injection amount in consideration of the gasoline purge amount from the canister. It is done.
[0039]
(E) Action and effect of the first embodiment:
In the first embodiment described above, a predetermined angle is provided on the inner peripheral surface of the element case 42, and the inner peripheral surface 100 is the tapered surface 100. By making the element case 42 into such a shape, a decrease in detection accuracy of the gas sensor 10 and generation of noise are suppressed even at high temperatures. The reason for this will be described with reference to FIGS. 9 and 10 are explanatory views schematically showing the state of the detection element body 40 when the filler expands. In these drawings, for convenience of understanding, only some end faces are shown for some parts, and hatching showing a cross section is omitted. In addition, the

layers

52a, 52b, and 52c that form the cylindrical body 52 are illustrated integrally. Further, the

terminals

55a and 55b and the

protrusions

56a and 56b are not shown for simplicity.
[0040]
For comparison with the detection element body 40 of this embodiment, the structure of the detection element body 40a in which the inner periphery of the element case 42 is formed vertically is shown in FIG. As shown in the figure, in the element body for detection 40 using the element case 42a in which the inner peripheral surface is vertical and not tapered, when the temperature rises and the filler 49 is thermally expanded, the filler 49 is exclusively used. The volume is increased by pushing itself up and down. In the detection element main body 40a shown in FIG. 9, since the inner peripheral surface of the element case 42a is vertical and the accommodating portion 43a is annular, almost no volume change in the radial direction occurs when the filler 49 expands. It is. For this reason, in the element main body 40a for detection, the element portion 44 receives a strong force (internal stress) SF in the direction of the protective film 48, and the element portion 44 moves toward the measurement chamber 28 while the protective film 48 is deformed. It will protrude. As a result, the distance between the upper surface of the piezoelectric element 51 and the

terminals

55a and 55b increases, which may cause the

lead wires

54a and 54b to be disconnected. Further, since the element portion 44 protrudes toward the measurement chamber 28 with the deformation of the protective film 48, the propagation distance L to the reflecting portion 33 is also shortened by the protrusion amount ΔL. As a result, an error occurs in the above-described equation (2) for obtaining the ultrasonic wave propagation velocity C for measuring the gas concentration in the measurement chamber 28, and the gas concentration detection accuracy is also lowered. Further, since the volume change in the radial direction is particularly restricted inside the element case 42a, a strong stress is generated in the radial direction. This acts on the piezoelectric element 51 and the driving by the driver 93 is terminated. So-called reverberation or the like in which the vibration of the piezoelectric element 51 is not attenuated over a long time is likely to occur. If this reverberation is prolonged, it may become a large noise in the detection of the ultrasonic wave reflected by the reflecting portion 33, and the detection accuracy as the detection element body 40a is further lowered.
[0041]
In contrast, in the present embodiment, as shown in FIG. 10, the inner peripheral surface of the element case 42 is a tapered surface 100 that is inclined at a predetermined angle with respect to the vertical direction. For this reason, when the filler 49 is thermally expanded, the filler 49 receives a component force DF upward (in the direction of the flange portion 41) from the tapered surface 100 on the tapered surface 100 of the inner periphery of the element case 42. The expanded filler 49 causes a volume change exclusively in the upward direction. As a result, the deformation of the protective film 48 is reduced, and the element portion 44 including the piezoelectric element 51 does not naturally protrude toward the measurement chamber 28 side. Therefore, the fear of disconnection of the

lead wires

54a and 54b is also eliminated. Furthermore, since the protective film 48 is not deformed, the propagation distance L to the reflecting portion 33 does not change greatly due to a temperature rise. For this reason, the durability of the protective film 48 is also improved. In addition, the radial internal stress SF generated by the expansion of the filler 49 is relaxed, and the occurrence of reverberation is also suppressed.
[0042]
The effect by forming the taper surface 100 shown in the present embodiment will be shown as specific numerical values. FIG. 11 is an explanatory diagram showing an experimental result of measuring the protrusion amount ΔL shown in FIG. As shown in FIG.
(1) A detection element body 40a in which the inner peripheral surface of the element case 42a is vertical (angle 0),
(2) A detection element body 40 in which the inner peripheral surface of the element case 42 is a tapered surface 100 of 11 degrees with respect to the vertical direction.
(3) a detection element main body (not shown) in which the inner peripheral surface of the element case is a tapered surface 100 of 15 degrees with respect to the vertical direction;
A plurality of detection element main bodies are formed, and a thermal cycle of −40 [° C.] to 125 [° C.] is added to these six times, and then the protrusion amount ΔL is measured. In FIG. 11, the average value of the measured values of a plurality of samples is shown. The protrusion amount ΔL is a value obtained by measuring how much the front end of the protective film 48 protrudes compared to before the thermal cycle is applied. From the experiment, by setting the taper angle of the inner peripheral surface of the element case 42 to a range of about 11 degrees ± 4 degrees, the protrusion amount ΔL of the element portion 44 becomes almost 0, and the protective film 48 due to the thermal expansion of the filler 49 is obtained. It can be seen that the protrusion of is greatly suppressed.
[0043]
On the other hand, by setting the inner peripheral surface of the element case 42 to a tapered surface 100 having a predetermined angle, it is possible to reduce ultrasonic vibrations reflected back to the element case 42, that is, reverberation. As shown in FIG. 12, the experiment
(1) A detection element body 40a in which the inner peripheral surface of the element case 42a is vertical (angle 0),
(2) A detection element body 40 in which the inner peripheral surface of the element case 42 is a tapered surface 100 of 11 degrees with respect to the vertical direction.
(3) a detection element main body (not shown) in which the inner peripheral surface of the element case is a tapered surface 100 of 15 degrees with respect to the vertical direction;
Each of the three types of detection element bodies was formed, and the reverberation when the environmental temperature was raised to 85 [° C.] was measured. FIG. 12A shows the experimental results. As shown in FIG. 12B, the measured reverberation time is a time R from when the driving of the piezoelectric element 51 by the driver 93 is completed until the vibration of the piezoelectric element 51 itself is attenuated to a predetermined value or less. is there.
[0044]
As shown in FIG. 12, the reverberation time R is the shortest when the inner circumferential surface of the element case 42 is a tapered surface 100 of 11 degrees with respect to the vertical direction among the three types of detection element bodies. It was. There are several possible reasons for this. One reason is that the stress SF due to the thermal expansion of the filler 49 is released upward by the taper surface 100 and no great stress is applied to the piezoelectric element 51. In an element such as a piezoelectric element that changes the distance between lattices due to electrical energy and results in mechanical displacement, if a force is applied to the element itself and strain remains inside, an external electrical signal is generated. Even after being lost, various forces remain inside the element, which can hinder vibration damping. On the other hand, there is a certain amount of ultrasonic waves US propagating from the piezoelectric element 51 in directions other than the measurement chamber 28 side, and the reverberation also increases when the ultrasonic waves US are reflected back to the element case 42 and the like. When the taper surface 100 is 11 degrees, the influence of the reflection of the ultrasonic wave US is considered to be small.
[0045]
As described above, in the detection element main body 40 of the present embodiment, the protrusion of the element portion 44 accompanying the deformation of the protective film 48 to the measurement chamber 28 side is suppressed, and reverberation after vibration of the piezoelectric element 51 is also reduced. Is done. As a result, it is possible to suppress a decrease in measurement accuracy as the gas sensor 10 even under conditions in which the filler 49 expands (for example, at a high temperature). Therefore, if this is used for the detection of the vapor concentration of the fuel (gasoline, light oil, etc.) of the internal combustion engine, the concentration of the fuel gas can be accurately detected even in the vicinity of the internal combustion engine having a large temperature change. The gas concentration detection device configured using the gas sensor 10 may be used for detecting the concentration of gasoline or the like purged from a canister or the like, or applied to detection of the gas concentration in the air-fuel mixture sucked into the cylinder from the intake pipe. It is also possible to do.
[0046]
(F) Second embodiment:
Next, a second embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 13, the gas sensor of the second example is different from the container 43 of the first example only in the shape of the inner peripheral surface 200, and the other configurations are the same. is there. As shown in the drawing, the inner peripheral surface 200 of the housing portion 243 is curved so that its axial cross-sectional shape protrudes inward toward the protective film 48 side. In the embodiment, on the inner peripheral side of the cross section of the accommodating portion 243, the upper portion is a tapered surface with an inclination of 11 degrees, and the lower one-third (shown in the figure, symbol SN portion) is an arc having a tapered surface as a contact surface. It has become.
[0047]
The inner peripheral surface 200 of the accommodating part 243 is shown in an enlarged manner in FIG. As shown in the figure, the ultrasonic vibration (illustration, symbol IS) propagating in the lateral direction from the piezoelectric element 51 or the acoustic matching plate 50 is such that the inner peripheral surface 200 of the accommodating portion 243 has a circular arc shape in the lower portion thereof. Therefore, when it reflects on the inner peripheral surface 200, it spreads in various directions. That is, the reflected waves (indicated by reference sign RS) reflected by the inner peripheral surface 200 hardly occur in a specific direction. As a result, reverberation due to reflection on the inner peripheral surface of the accommodating portion 243 is further efficiently reduced.
[0048]
An example of reverberation measurement in the second embodiment is shown in FIG. As shown in the drawing, the detection element main body 40 of the gas sensor 10 of the first embodiment has a period from when the external excitation signal (A) is lost until the vibration of the element falls below a predetermined value due to reverberation. While it took 173 μsec (B), in the detection element main body 240 of the second example tested under the same conditions, the time until the vibration of the element fell below a predetermined value was 160 μsec (C). The results of testing with several samples were almost the same, about 10 to 20 μsec, and the reverberation time was shortened.
[0049]
In the second embodiment, only the lower part SN of the inner peripheral surface 200 of the accommodating portion 243 is a part of the arc, but the entire inner peripheral surface 200 may be a gentle arc shape. In addition, the cross-sectional shape of the lower SN may be changed to a part of an arc, a part of an ellipse, a part of a parabola, a part of a hyperbola, a free curve, or the like. In the case of using an ellipse or a part of a parabola, it is also preferable that the piezoelectric element 51 and the acoustic matching plate 50 are not located at the focal point of those curves.
[0050]
Although several embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments. For example, a configuration in which an ultrasonic element for transmission is separated from that for reception, or an element case 42 is used. Needless to say, the present invention can be implemented in various modes within a range that does not change the gist of the present invention, such as a configuration in which the outer peripheral wall is tapered like the inner peripheral surface 100.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of a gas sensor 10 according to an embodiment.
2 is a cross-sectional view showing the structure of the gas sensor 10. FIG.
3 is an explanatory view showing the shape of a metal plate 36 that is insert-molded in a flow path forming member 20. FIG.
4 is a perspective view showing the shape of terminals 31a to 31d provided on the connector 31. FIG.
5 is a cross-sectional view showing a structure of a detection element body 40. FIG.
6 is an exploded perspective view showing structures of an acoustic matching plate 50, a piezoelectric element 51, and a cylindrical body 52. FIG.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an internal electrical configuration of the electronic circuit board 70;
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the principle of gas concentration detection using ultrasonic waves;
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a change in the state of the element body for detection 40 when the element case has no taper.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a change in the state of the element body for detection 40 when the element case has a taper.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing experimental results obtained by measuring the protrusion amount ΔL of the element portion 44 with respect to three types of taper angles 100;
FIG. 12 is an explanatory diagram showing experimental results obtained by measuring reverberation with respect to three types of taper angles.
FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a detection element body 240 according to a second embodiment.
FIG. 14 is an enlarged view showing the shape of the inner peripheral surface 200 of the accommodating portion 243 of the second embodiment.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing how reverberation time is measured in the second embodiment.
[Explanation of symbols]
10. Gas sensor
20 ... Flow path forming member
22 ... Storage section
24 ... recess
25 ... Insertion hole
27 ... Introduction path
28 ... Measurement room
29 ... Bypass flow path
31 ... Connector
31a-31d ... terminal
32 ... Introduction hole
33 ... Reflecting part
34 ... Exit
35 ... discharge channel
36 ... Metal plate
37 ... Recess
38 ... Opening
40. Detection element body
41 ... Flange
42 ... Element case
43 ... accommodating part
44 ... Element part
45 ... end face
46 ... Step part
48 ... Film
49 ... filler
50 ... Acoustic matching plate
51. Piezoelectric element
52 ... Cylinder
52a ... film
52b ... Adhesive layer
52c ... copper foil
53 ... Opening
54a, 54b ... Lead wire
55a, 55b ... terminals
56a, 56b ... projecting portion
59 ... Protrusions
60 ... Thermistor
70 ... Electronic circuit board
72 ... Mounting hole
80 ... Case
83 ... Cut-raising part
85 ... Insertion hole
88 ... cushioning material
91 ... Microprocessor
92 ... D / A converter
93 ... Driver
96 ... Amplifier
97 ... Comparator
100 ... Taper surface
200 ... inner peripheral surface
240 ... Detection element body
243 ... Accommodating section

Claims

A gas sensor for detecting a property of a gas present in a predetermined flow path,
A vibration element for detection that detects the property of the gas by using a change in a density wave propagating in the gas, and a cylindrical element case that houses the vibration element for detection,
The element case includes a substantially cylindrical accommodating portion, and a flange portion that is connected to the other end opposite to the one end portion of the accommodating portion and attaches the element case to the flow path. the inner diameter of the inner peripheral surface of the housing portion of the case as before Symbol part side together with the reduced form, the housing outer peripheral surface and the inner peripheral surface is not parallel, the thickness of the housing portion, the housing From the continuous location of the part and the flange part, it is formed in a shape that gradually increases toward the housing part,
The detection vibration element is a gas sensor embedded in a filling material filled in the element case.

The gas sensor according to claim 1, wherein at least a part of an inner peripheral surface of the housing portion of the element case is a tapered surface having an inner diameter reduced toward the one end side.

The gas sensor according to claim 2, wherein an angle of the tapered surface is in a range of 7 to 15 degrees.

The gas sensor according to claim 3, wherein the angle is in the range of 10 to 12 degrees.

The gas sensor according to claim 1, wherein at least a part of an inner peripheral surface of the element case is formed as a curved surface having an inner diameter that decreases toward the one end.

The gas sensor according to claim 5, wherein the curved surface is a part of a circle, an ellipse, a parabola, or a hyperbola in an axial section of the element case.

The gas sensor according to claim 6 , wherein an inner peripheral surface corresponding to the housing portion is formed as a tapered surface having an inner diameter reduced toward the one end side.

The gas sensor according to any one of claims 1 to 7 , wherein an outer peripheral portion of a film separating the vibration element for detection and the flow path is fixed to the end face of the one end portion of the element case.

The gas sensor according to claim 8 , wherein a synthetic resin is used as the filler, and an element housing portion formed by the element case and the film is filled with the synthetic resin.

The gas sensor according to claim 1, wherein the filler is urethane resin.

The gas sensor according to claim 1, wherein the density wave is a sound wave or an ultrasonic wave, and the vibration element for detection is a vibration element that generates and / or receives a sound wave or an ultrasonic wave.

A gas concentration detection device that is mounted on a device equipped with a heat engine that burns using volatile fuel and detects the concentration of the volatile fuel,
A flow path for detection provided in a part of a fuel passage to the heat engine;
The gas sensor according to any one of claims 1 to 11 , which is provided facing the detection flow path,
The density of the fuel in the flow path is determined by detecting the speed at which a dense wave generated by the vibration of the detection vibration element passes through the detection flow path, connected to the detection vibration element of the gas sensor. A gas concentration detection device comprising an arithmetic circuit for calculating.