JP2003302386A - Sensor - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor structure in which propagating characteristics of an oscillating wave can be improved. <P>SOLUTION: A detecting element body 40 includes a piezoelectric element 51 as a sensor element; an element case 42 made of a resin having openings at upper and lower ends; a protective film 48 provided so as to close the opening of the lower end of the case 42; and a filler 58 filled in the case 42 so as to seal the element 51. The case 42 includes a substantially hollow cylindrical housing part 43, and a flange 41 provided at the upper part of the housing part 43. The thickness t of the wall surface of the part 43 is set smaller than that of the flange 41. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[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。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a structure of a sensor using an oscillating wave.

【０００２】[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。2. Description of the Related Art Conventionally, gas sensors for detecting the concentration and humidity of specific gas components have been known. As an example of the gas sensor, there is a gas concentration sensor that detects the concentration of gasoline, light oil, or the like by utilizing the change in the propagation velocity of ultrasonic waves. Some of such gas concentration sensors use an element assembly having an ultrasonic element and an element case that houses the ultrasonic element. The ultrasonic element in the element case is often sealed with a filler.

【０００３】[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。In such an element assembly, the propagation characteristics of ultrasonic waves in a high temperature environment depend on the structure and material of the element case. The reason for this is that in a high temperature environment, thermal stress is applied to the element case and the filler, which affects the vibration damping performance around the ultrasonic element. However, conventionally, there have been cases where the structure and material of the element case are not always properly selected. Such a problem is not limited to a sensor using an ultrasonic element, but is generally a problem common to a sensor including an element for transmitting or receiving a vibration wave. In addition, in this specification, the "oscillation wave" does not mean an electrical oscillation wave, but a mechanical oscillation wave.

【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。The present invention has been made in order to solve the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is to provide a sensor structure capable of improving the propagation characteristics of vibration waves.

【０００５】[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。In order to solve at least a part of the above problems, a sensor according to the present invention has a sensor element used for at least one of transmission and reception of vibration waves, and an upper end and a lower end. A resin element case for accommodating the sensor element, each of which has an opening, a protective film provided to close the opening at the lower end of the element case, and the sensor element. Thus, an element assembly having a filling material filled in the element case is provided, and the element case is provided in an approximately hollow cylindrical element accommodating portion and an upper portion of the element accommodating portion, A flange portion used for coupling with a predetermined member, and a thickness of a wall surface of the element accommodating portion is set to be smaller than a thickness of the flange portion. .

【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。According to this sensor, since the thickness of the wall surface of the element accommodating portion is set smaller than the thickness of the flange portion, the element accommodating portion is easily deformed when the member such as the filler is thermally expanded. As a result, it is possible to reduce the thermal stress applied to the inside of the filler and the sensor element, and it is possible to improve the propagation characteristics of the vibration wave.

【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。The thickness of the wall surface of the element housing portion is 1
A value in the range of mm to 3 mm is preferable. When the thickness is within this range, the element housing portion is relatively easily deformed, so that the thermal stress applied to the inside of the filling material and the sensor element can be reduced.

【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。The element case has a tensile elastic modulus of 15 G.
It is preferably formed of a resin of less than Pa. If such a resin is used, the vibration damping performance of the element case itself can be improved, so that it is possible to improve the propagation characteristics of the vibration wave.

【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。The resin forming the element case is
A resin containing an inorganic filler in an amount of 50 wt% or less is particularly preferable. By doing so, it is possible to further improve the vibration control performance of the element case itself.

【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。The sensor element is an element for transmitting at least one of ultrasonic waves to a gas to be measured and reception of ultrasonic waves propagated in the gas, and the sensor is the ultrasonic sensor. It may be used to detect the concentration of at least one type of gas component contained in the gas depending on the propagation velocity of the sound wave and the temperature of the gas. According to this sensor, it is possible to accurately measure the concentration of the gas component.

【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。The present invention can be implemented in various modes, for example, a sensor, an element assembly for a sensor, a method for manufacturing a sensor or an element assembly, a method for detecting or measuring a characteristic or property of gas. , Etc. can be realized.

【００１２】[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。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below based on Examples. FIG. 1 is an exploded perspective view of a gas sensor as an embodiment of the present invention. This gas sensor 1
0 is a sensor that detects the concentration of gasoline vapor by utilizing the fact that the propagation velocity of ultrasonic waves changes depending on the gas concentration. This gas sensor is arranged, for example, in a passage for purging gasoline from an canister mounted on a vehicle powered by an internal combustion engine to an intake passage, and is used for the purpose of detecting the concentration of purged gasoline.

【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。(A) Overall Structure of Gas Sensor: As shown in FIG. 1, the gas sensor 10 is roughly composed of a flow path forming member 20 that forms a flow path through which a gas whose concentration is to be detected passes. The detection element body 40 housed in the housing 22 integrally formed in the flow path forming member 20, the thermistor 60 for detecting the temperature of the gas passing through the flow path, and the detection element body 40 are arranged above the detection element body 40. It is composed of an electronic circuit board 70 and a metal case 80 fitted in the housing portion 22. The detection element body 40 is fixed to the mounting recess 24 provided in the housing 22 by ultrasonic welding, and the thermistor 60 is inserted and fixed in the mounting insertion hole 25. As will be described later, the detection element body 40 and the thermistor 60 have lead wires and terminals for exchanging electrical signals, and these lead wires and terminals are provided in corresponding mounting holes of the electronic circuit board 70. It is inserted and fixed by soldering. The gas sensor 10
The detection element body 40 and the thermistor 60 are housed in the storage unit 2
After being fixed to 2, the electronic circuit board 70, which is a board for performing signal processing, is attached, the case 80 is further fitted into the housing portion 22, and the whole is molded with a resin such as urethane.

【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。(B) Structure 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 glass filler, and its tensile elastic modulus is adjusted to an appropriate value for the gas sensor. Has been done. The content of the glass filler is preferably 50 wt% or less. This flow path forming member 20, as shown in FIG.
The upper part is provided with a housing part 22 for housing the detection element body 40, and the lower part thereof has a flow path through which a detection gas flows. The main flow path is an introduction path 27 for introducing a gas containing gasoline vapor into the gas sensor 10, and a measurement chamber 2 for ultrasonically detecting the gasoline concentration in this gas.
8. A bypass flow path 29 that bypasses the gas is formed in the measurement chamber 28. The measurement chamber 28 is provided substantially directly below the detection element body 40, and the bypass flow path 29 is provided substantially directly below the thermistor 60.

【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。In order to explain such a flow channel structure in detail, a vertical cross section of the gas sensor 10 is shown in FIG. Figure 2
The gas sensor 10 is connected to the introduction path 27 and the detection element body 4
It is sectional drawing cut | disconnected by the plane containing the 0 axis line. Although the gas sensor 10 is finally filled with resin (for example, urethane) and molded, in FIG. 2, the resin for molding the whole is not drawn for the sake of simplicity of illustration. Figure 2
As shown in FIG. 4, the inside of the flow path forming member 20 is focused on the flow path, the introduction path 27, the measurement chamber 28, and the bypass flow path 29.
It is divided into These can be easily molded by movably providing a mold for molding. Introductory route 2
7 communicates with the bypass flow path 29 at a right angle, and also communicates with the measurement chamber 28 via the introduction hole 32. An outlet 34 is formed below the bypass passage 29, and the introduction passage 2
Gas including gasoline vapor introduced from the
And is connected to the intake passage of the internal combustion engine by a hose (not shown). An end portion of the bypass flow 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 from the introduction passage 27 and detects it.

【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。The measurement chamber 28 has a detection element body 40 at the top.
Is communicated with a concave portion 24 (FIG. 1) to which is attached, and a reflection portion 33 for reflecting ultrasonic waves is formed below the concave portion 24. Although the function of the reflecting portion 33 will be described later, it is structured such that it is lifted by a predetermined distance (several millimeters in this embodiment) from the bottom of the measuring chamber 28, and the void around the reflecting portion 33 is As it is, it is connected to the bypass flow passage 29 via the discharge flow passage 35 that communicates with the bottom of the measurement chamber 28. Therefore, the gas flowing from the introduction passage 27 through the introduction hole 32 fills the inside of the measurement chamber 28 and exits from the discharge passage 35 to the bypass passage 29 at a predetermined ratio. Since the discharge flow path 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, it serves as a drain for discharging these water and oil droplets. Also works. The peripheral outer shape of the reflecting portion 33 is inclined toward the discharge flow path 35 so that the liquid accumulated in the groove around the reflecting portion 33 can be easily discharged.

【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。As described above, the accommodating portion 22 formed on the upper portion of the flow path forming member 20 is provided with the mounting recess 24 having the opening communicating with the measuring chamber 28, the insertion hole 25 for mounting the thermistor, and the like. This storage part 2
A metal plate 36 is insert-molded at a position corresponding to 2. The metal plate 36 has a cut-and-raised portion 83 at one corner thereof. After the insert-molding, the cut-and-raised portion 83 is erected inside the housing portion 22 as shown in FIG. 1, and is inserted into the mounting hole 72 on the board when the electronic circuit board 70 is mounted. To be done. In the mounting hole 72, a land connected to the ground line is prepared,
The cut-and-raised portion 83 is soldered to this land.
Note that the inner size of the mounting hole on the electronic circuit board 70 side is made smaller than the cut-and-raised portion 83, and the cut-and-raised portion 83 is press-fitted into the mounting hole 72 having a conductive material plated inside, so that the mechanical electrical It is also possible to realize physical contact. Of course, it is also possible to adopt methods such as press contact, fitting, and engagement.

【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。A connector 31 for exchanging electrical signals is formed on the outside of the storage portion 22, and a terminal (not shown) forming the connector 31 penetrates the outer wall of the storage portion 22 at this portion. ing.

【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。As can be understood from FIG. 2, at the time of molding the flow path forming member 20, the circuit board housing chamber 23 housing the electronic circuit board 70 and the measurement chamber 28 communicate with each other, and the circuit board housing chamber 23 and Insertion hole 25 (also called "temperature measuring chamber")
The flow path forming member 20 is integrally molded with resin so that the two communicate with each other. However, in the state after assembly, the space between the circuit board storage chamber 23 and the measurement chamber 28 is sealed by the detection element body 40, and the circuit board storage chamber 23 and the insertion hole 25 are sealed.
The space between and is also sealed by the thermistor 60.

【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。As will be described later, the detection element body 4
0 includes an element for detecting the speed of sound of ultrasonic waves and another member (for example, a terminal for electrical connection), and therefore, “sound speed detecting element assembly (sound speed detecting element assembly)” or simply Also referred to as "element assembly".

【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。(C) Structure of the detecting element body 40: The structure of the detecting element body 40 is shown in the sectional view of FIG. As shown in FIG. 1, the detection element main body 40 has a disk shape after assembly, and this has a piezoelectric element 51, which will be described later, inside a synthetic resin element case 42 having a flange portion 41.
This is because the urethane is filled inside after storing such items. The flange portion 41 of the element case 42 is formed to have a larger diameter than the mounting recess 24 (FIG. 1) provided in the housing portion 22, and the housing portion 43 below the flange portion 41.
Are formed to have a smaller diameter than the recess 24. In the state of the element case 42 alone, the lower surface of the housing portion 43 is opened, and a step portion 46 is formed at the outer edge portion of the end surface 45 thereof. At the time of manufacture, a circular protective film 48 made of a gasoline resistant material is provided inside the step portion 46.
Are glued together.

【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。A cylindrical acoustic matching plate 50 is adhered and fixed to the center of the protective film 48, and a piezoelectric element 51 which is an ultrasonic element is adhered 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 into the air (to the measurement chamber 28 in this embodiment) via the protective film 48. Since sound waves and ultrasonic waves are likely to be reflected at a place where there is a difference in the 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 transmitted as ultrasonic waves into the measurement chamber 28. In this embodiment, as the acoustic matching plate 50, a large number of small glass beads hardened with an epoxy resin is used. Also, to surround the acoustic matching plate 50 and the piezoelectric element 51,
A tubular body 52 is arranged. The tubular body 52 is obtained by laminating a copper foil 52c on a polyethylene terephthalate film 52a via an adhesive layer 52b.
The c side is the inner side, and it is wound in a cylindrical shape, and the end faces are overlapped and pasted together. The inner diameter of the cylindrical body 52 is equal to the acoustic matching plate 5
The cylindrical body 52 is in close contact with the outer periphery of the acoustic matching plate 50, because the cylindrical body 52 has an outer diameter substantially equal to 0. The two are not glued. The tubular body 52 can be omitted.

【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。The piezoelectric element 51 is formed by forming an electrostrictive element such as a piezo into a cylindrical shape. When a voltage is applied to the electrodes formed on the upper and lower surfaces in the axial direction, distortion occurs only in the axial direction. It is cut out by adjusting the direction of the lattice. As will be described later, the piezoelectric element 51 functions as a transmitter that sends ultrasonic waves into the measurement chamber 28, but at the same time, it also functions as a receiver that receives ultrasonic vibrations and outputs electric signals. Of course, it is also possible to make a gas sensor by separately providing a transmitting element and a receiving element. As the piezoelectric element 51, piezoelectric ceramics, a crystal body such as quartz, or the like can be appropriately used. Although not particularly shown, the electrodes may be formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric element 51 by a method such as vapor deposition, or may be configured by attaching a thin metal plate. The electrodes of the piezoelectric element 51 include lead wires 54a and 54b.
Is soldered. These lead wires 54a, 54b
Are soldered to the electronic circuit board 70 (FIG. 2).

【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。The element case 42 has a substantially L-shaped cross section, and has a hollow cylindrical housing portion 43 and a housing portion 43.
And a flange portion 41 provided on the upper part of the.
That is, the element case 42 has a shape in which a top hat having openings at the top and bottom is turned upside down. The inner peripheral surface of the element case 42 is a vertical surface, and the wall thickness of the housing portion 43 is substantially constant. The inside of the element case 42 is filled with urethane resin (not shown) for sealing the piezoelectric element 51.

【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。The element case 42 is provided with a protrusion 59 for welding in a circumferential shape substantially at the center of the lower surface of the flange portion 41. The projection 59 melts during ultrasonic welding, and the flange portion 41
Is firmly fixed to the mounting recess 24 of the storage portion 22.

【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。(D) Electronic circuit board 70 and its circuit and method for detecting gas concentration: Next, the structure of the electronic circuit board 70 and its mounting will be described. The electronic circuit board 70 is
A circuit pattern is formed in advance on a glass epoxy substrate by etching or the like, and lands and through holes are provided at component mounting positions. Further, a mounting hole having a size corresponding to the shape of each terminal is provided in a portion where the detecting element body 40, the thermistor 60, or the terminal of the connector 31 is mounted, and a land pattern surrounds the mounting hole. Therefore, the completed electronic circuit board 7
0 has various parts for signal processing, such as an integrated circuit (IC) for signal processing, resistors, capacitors, etc., attached at predetermined positions.
The electrical circuit configuration is completed by mounting the or thermistor 60 in the housing 22 where the mounting is completed and soldering. When manufacturing the gas sensor 10, resin molding is finally performed.

【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。The electrical structure of the thus completed gas sensor 10 is shown in the block diagram of FIG. As shown,
The 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, an amplifier 96.
Are connected to the comparator 97 and the like. The thermistor 60 is directly connected to the analog input port PAP of the microprocessor 91. Further, the driver 93 and the amplifier 96 are connected to the detection element body 40.

【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。The driver 93 is a circuit which receives a command from the microprocessor 91 and drives the piezoelectric element 51 of the detecting element body 40 for a short time. When the rectangular wave signal output from the driver 93 is received, the piezoelectric element 51 vibrates and functions as a transmitter to send an ultrasonic wave into the measurement chamber 28.

【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。The ultrasonic waves sent into the measuring chamber 28 go straight while maintaining a relatively high directivity, and are reflected back by the reflecting portion 33 at the bottom of the measuring chamber 28. When the returned ultrasonic waves reach 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 and responds to the vibration. Output electrical signal. This state is shown in FIG. In the figure, a section P1 is a period during which the driver 93 is outputting a signal and the piezoelectric element 51 functions as a transmitter, and a section P2 is a vibration of the piezoelectric element 51 due to the ultrasonic waves reflected by the reflecting section 33. Each of the periods during which the piezoelectric element 51 is transmitted and functions as a receiver is shown.

【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。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,
Here, it is compared with a threshold value Vref prepared in advance. Threshold V
ref is a level capable of discriminating an erroneous signal output from the amplifier 96 due to the influence of noise or the like. The erroneous signal includes not only noise, but also reverberation of the detection element body 40 itself.

【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。As shown in FIG. 5, the piezoelectric element 51
Also functions as a transmitter, the signal of the piezoelectric element 51 is amplified by the amplifier 96 and output as the reception waveform RV. This reception waveform RV is not immediately attenuated even after the transmission operation of the piezoelectric element 51 is completed, and the reception waveform remains for some time. The reason for this is that it takes time for the vibration during transmission to be attenuated in the vicinity of the piezoelectric element 51. The vibration after the transmission operation is finished is called "reverberation". In this specification, the reception waveform RV at the time of transmission including reverberation is referred to as “reverberation wave”.

【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。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 level. The output of the comparator 97 is monitored by the microprocessor 91, and from the output timing of the first ultrasonic wave from the piezoelectric element 51 (timing t1 in FIG. 5) until the output of the comparator 97 is inverted (timing t2 in FIG. 5). By measuring the time Δt, it is possible to know the time required for the ultrasonic wave to travel back and forth the distance L to the reflecting portion 33 in the measurement chamber 28. It is known that the velocity C of ultrasonic waves propagating in a medium follows the following equation (1).

【００３３】[0033]

【数１】 [Equation 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。This equation (1) is a general equation which holds for a gas in which a plurality of components are mixed, and the variable n is the nth
It is a suffix indicating that it is for a 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. Further, R is a gas constant, T is a measurement chamber 2
The temperature of the gas in 8. Since the specific heat of the gas is known, the propagation velocity C is determined by the temperature T of the gas in the measurement chamber 28 and the concentration ratio Xn. The propagation velocity C of the ultrasonic wave can be expressed as C = 2 × L / Δt (2) using the distance L from the piezoelectric element 51 to the reflecting portion 33. Therefore, if Δt is measured, the concentration ratio Xn, that is,
The gasoline concentration can be calculated. Although the concentration of gasoline vapor is detected in the present embodiment, if the concentration is known, it can be used as a sensor for obtaining the temperature T and the distance L.

【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。The microprocessor 91 performs the 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 of the connector 31. In the embodiment, this signal SGNL is output to a computer that controls the fuel injection amount of the internal combustion engine, where the amount of gasoline purged from the canister is taken into consideration.
It is used for processing such as correcting the fuel injection amount. Although lines related to the power supply are not shown in FIG. 4, the elements such as the microprocessor 91 are not shown.
In both cases, a power supply line for supplying a DC voltage Vcc and a ground (ground line) are connected. Of these, the ground line is connected to the metal plate 36 insert-molded at the position of the housing portion 22 of the flow path forming member 20 and the case 80, as already described. Although these members are schematically illustrated in FIG. 4, the metal plate 36 (see FIG. 2) and the case 8 are illustrated.
0 (see FIG. 1) is combined with each other to form a box that covers the detection element body 40 (see FIG. 2), and since it is kept at the same potential, it is electrically electromagnetic shielded. Has been realized. Therefore, the detection element body 40 and the electronic circuit board 70 housed inside are effectively protected against noise from the outside.

【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。(E) Structure and material of element case 42: FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing dimensions of the element case 42. The dimensions of the element case 42 used in the examples are as follows.・ The overall height H of the element case 42: 10.5 mm ・ The inner diameter 2r of the housing 43: 14.5 mm ・ The wall thickness t of the housing 43: 1 to 3 mm ・ The thickness F of the flange 41: 3.0 mm However, these The dimension of is an example, and other dimensions can be adopted. The value of the wall thickness t of the housing portion 43 is
It is selected in consideration of the characteristics of the sensor.

【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。A piezoelectric element 51 is provided inside the element case 42.
A filling material 58 is filled to seal the above. As the filler 58, it is preferable to use, for example, a urethane resin mixed with an inorganic filler and having a specific gravity of 1.5 or more. The filling material 58 does not need to be filled up to the upper end of the element case 42, and the filling material 58 may be filled up to a position lower than the upper end of the element case 42.

【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。The filling material 58 has a function of damping the vibration of the piezoelectric element 51, and thus has an effect of improving the performance of the sensor. More specifically, as shown in the waveform of the amplifier output in FIG. 5, the piezoelectric element 51 causes inertial vibration after the transmission waveform is input, which becomes reverberation. If this reverberation is long, it overlaps with the received wave, and the measurement accuracy of the sensor deteriorates. Therefore, as the material of the filler 58,
It is preferable that the vibration damping effect is high and the inertial vibration of the piezoelectric element 51 can be sufficiently suppressed.

【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。The performance of the sensor is greatly affected not only by the material of the filling material 58 but also by the wall thickness of the accommodating portion 43. FIG. 7 is an explanatory diagram showing how the element case 42 is deformed when the wall thickness t of the housing portion 43 is relatively large. When the wall thickness t of the housing portion 43 is large, even if the filling material 58 expands due to a high temperature (about 85 ° C.), the housing portion 43 itself is hardly deformed, and the protective film 48 projects downward. Be in shape. As a result, the distance between the piezoelectric element 51 and the reflecting portion 33 (FIG. 2) changes, which causes a measurement error. In addition, since the expansion of the filler 58 particularly in the lateral direction is hindered by the accommodating portion 43, a large internal stress is applied to the filler 58, and the vibration characteristics of the filler 58 change. Specifically, the vibration damping characteristic (vibration damping characteristic) of the filler 58 is deteriorated by the internal stress. As a result, the length of the reverberation wave RV (FIG. 5) becomes long, which may reduce the measurement accuracy of the sensor.

【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。FIG. 8 is an explanatory view showing how the element case 42 is deformed when the wall thickness t of the accommodating portion 43 is relatively small. When the wall thickness t of the housing portion 43 is small, even if the filling material 58 expands due to high temperature, the housing portion 43 itself is considerably deformed, so that the protective film 48 does not project much downward. As a result, the distance between the piezoelectric element 51 and the reflecting portion 33 (FIG. 2) hardly changes, and there is almost no decrease in measurement error. Further, since the lateral expansion of the filling material 58 is not hindered by the accommodating portion 43, internal stress is not so much applied to the inside of the filling material 58. As a result, it is possible to prevent deterioration of the vibration damping characteristic (vibration damping characteristic) of the filler 58 due to thermal stress. As described above, it is preferable that the wall thickness t of the accommodating portion 43 is small in terms of the measurement accuracy of the sensor.

【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。On the other hand, if the wall thickness t of the accommodating portion 43 becomes excessively thin, the element assembly 40 may be damaged at a high temperature. Therefore, it is preferable that the wall thickness t of the accommodating portion 43 be set to a thickness that can maintain sufficient strength even at high temperatures. Further, if the wall thickness t becomes too thin, it becomes difficult to adhere the protective film 48 to the bottom surface thereof.

【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。Further, the thickness of the flange portion 41 (FIG. 6) is the largest in the total thickness of the element case 42. The reason for this is that the flange portion 41 is fixed (specifically, heat-welded) to the flow path forming member 20, so that the flow path forming member 2 can be heated at a high temperature.
This is because a considerable thermal stress is applied to the flange portion 41 from the 0 side. Since the housing portion 43 is not directly subjected to thermal stress from the flow path forming member 20, it is possible to make the wall thickness thinner than the flange portion 41.

【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。Considering the above various points, the accommodating portion 43
The wall thickness t of is preferably set smaller than the thickness of the flange portion 41. Specifically, the wall thickness t of the housing portion 43 is preferably in the range of 1 mm to 3 mm.

【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。In the example of FIG. 6, the flange portion 41 is provided at the upper end of the housing portion 43, but the flange portion 41 may be provided slightly below the upper end of the housing portion 43.

【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。FIG. 9A is a table showing the relationship between the wall thickness t of the accommodating portion 43 and the reverberation length in the embodiment of the present invention, and FIG. 9B is a graph thereof. here,
The “reverberation length” means the time from the start time of transmission to the time when the amplitude of the reverberation wave (reception waveform at the time of transmission) becomes equal to or less than a predetermined threshold value. The threshold value at this time is set to 50% of the maximum amplitude, for example.

【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。Here, the wall thickness t is 1 mm, 2 mm, 3 m.
For the case of m, three samples were prepared and tested. As can be understood from this result, the smaller the wall thickness t, the shorter the reverberation length. In this sense, the smaller the wall thickness t, the better. Considering the strength of the element case 42 and the ease of assembly, the wall thickness t of the housing portion 43 is particularly preferably in the range of 1 mm to 2 mm.

【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。The inner diameter r (FIG. 6) of the accommodating portion 43 also affects the performance of the sensor. That is, the smaller the inner diameter r of the housing portion 43 is, the smaller the amount of the filler 58 is, and the internal stress of the filler 58 and the piezoelectric element 51 at high temperature is also reduced. As a result, the reverberation length is shortened and the measurement accuracy of the sensor is improved. From this point of view, the smaller the inner diameter r of the housing portion 43, the better. Therefore, in order to improve the reverberation characteristic of the element assembly 40, the ratio t of the wall thickness r of the housing portion 43 to the inner diameter r is
It is preferable to keep / r within a certain range. Specifically, the ratio t / r of the wall thickness r and the inner diameter r is preferably set to a value in the range of 0.1 to 0.4, particularly preferably 0.1 to 0.3.

【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。The reverberation length also depends on the resin material forming the element case 42 and the flow path forming member 20. Figure 10
FIG. 4 is an explanatory diagram showing measurement results of vibration characteristics for five types of materials A to E for the element case 42 and the flow path forming member 20. The material A is metal (aluminum), and the other materials B to E are resins. Further, glass fillers are mixed in the materials B to D, respectively.

【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。FIG. 11A is a conceptual diagram of a measuring device used for measuring vibration characteristics. In this measuring device, a test piece 100 of material is placed between a transmitting element 102 and a receiving element 104. As shown in FIG. 11B, the test piece 100 has a square cross section with a side of 8 mm and a length of 60 mm.
It is a long rectangular parallelepiped of mm. In this measuring device, the transmission element 102 was driven by a constant burst wave (oscillation wave with continuous vibration), and the reception wave received by the reception element 104 was measured by the oscilloscope 110. FIG. 11C shows an example of the shape of the received wave. Then, the time from the start time of the burst wave to the time when the amplitude of the received wave attenuates to a constant value was measured as the "tailing length".

【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。Generally, the greater the damping capacity of the material forming the test piece 100, the smaller the tail length tends to be. Therefore, as the material of the element case 42 and the flow path forming member 20, it is preferable to select a material having a short trailing length.

【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。As shown in the table of FIG. 10, comparing the trailing lengths of the five tested materials A to E,
Materials C to E are preferred and material D is most preferred. As can be understood from this result, it is preferable to use a resin material having a tensile elastic modulus of less than 15 GPa as the material of the element case 42 and the flow path forming member 20. Further, it is particularly preferable that the glass filler is mixed in an amount of 50 wt% or less.

【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。As described above, in the structure of this embodiment, the element case 42 has the protrusion 59 on the lower surface of the flange portion 41.
(FIG. 3) is ultrasonically welded to the flow path forming member 20,
The element case 42 and the flow path forming member 20 are preferably made of the same resin material. If the above-mentioned preferable material is selected as the resin material, the damping ability of the element case 42 and the flow path forming member 20 can be enhanced, and the reverberation length can be suppressed to be small. As a result, it is possible to improve the performance of the sensor.

【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。Although some embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments and can be modified within the scope not changing the gist of the present invention. .

【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。(1) For example, instead of keeping the wall thickness t of the accommodating portion 43 constant, the inner wall surface of the accommodating portion 43 may be a tapered surface inclined at a predetermined angle (for example, about 11 degrees) with respect to the vertical plane. Good. That is, the thickness of the wall surface of the accommodating portion 43 may increase as it goes downward, that is, as it approaches the protective film 48. With this configuration, when the filler 58 expands at a high temperature, it is possible to allow the filler 58 to expand above the element case 42.
The internal stress of the filler 58 can be reduced. In this way, when the wall thickness t of the housing portion 43 is not constant, it is preferable that the average wall thickness of the housing portion 43 be smaller than the thickness of the flange portion 41. In addition, in the present specification, "the housing portion 4
The term "3 wall thickness" is used in a broad sense including the average wall thickness when the wall thickness is not constant.

【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。(2) The present invention is also applicable to other types of sensors using ultrasonic waves (for example, specific heat sensors), and a sensor for detecting various properties using vibration waves other than ultrasonic waves. Can be applied to. Further, the present invention is not limited to the sensor that functions as both the transmission unit and the reception unit as in the above-described embodiment, but can be applied to the sensor that functions only as one of the vibration wave transmission unit and the reception unit. Is.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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。FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of a gas sensor 10 of an embodiment.

【図２】ガスセンサ１０の構造を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the gas sensor 10.

【図３】検出用素子本体４０の構造を示す断面図であ
る。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a structure of a detection element body 40.

【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。FIG. 4 is an explanatory diagram showing an electrical configuration inside an electronic circuit board 70.

【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。FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating the principle of gas concentration detection using ultrasonic waves.

【図６】素子ケース４２の寸法を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing dimensions of an element case 42.

【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。FIG. 7 is an explanatory diagram showing a state of deformation of the element case when the wall thickness t of the housing portion is relatively large.

【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。FIG. 8 is an explanatory diagram showing a state of deformation of the element case when the wall thickness t of the accommodating portion 43 is relatively small.

【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。FIG. 9 is an explanatory diagram showing the relationship between the wall thickness t of the accommodating portion 43 and the reverberation length in the embodiment of the present invention.

【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。10 is an explanatory diagram showing measurement results of vibration characteristics of five kinds of materials of the element case 42 and the flow path forming member 20. FIG.

【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。FIG. 11 is an explanatory diagram showing a device for measuring vibration characteristics of a material, a test piece, and a signal during a test.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 10 ... Gas sensor 20 ... Flow path forming member 22 ... Storage section 23 ... Circuit board storage room 24 ... Recess 25 ... Insertion hole 27 ... Introduction route 28 ... Measuring room 29 ... Bypass channel 31 ... Connector 31d ... Terminal 32 ... Introduction hole 33 ... Reflector 34 ... Exit 35 ... Discharge channel 36 ... Metal plate 40 ... Element body for detection 41 ... Flange 42 ... Element case 43 ... Housing section 45 ... End face 46 ... Step 48 ... Protective film 50 ... Acoustic matching plate 51 ... Piezoelectric element 52 ... Cylindrical body 52a ... Polyethylene terephthalate film 52b ... Adhesive layer 52c ... Copper foil 54a, 54b ... Lead wire 55a, 55b ... Terminals 56a, 56b ... Projection 58 ... Filling material 59 ... Protrusion 60 ... Thermistor 64a, 64b ... Terminal 70 ... Electronic circuit board 72 ... Mounting hole 80 ... Case 83 ... Cut and raised part 85 ... insertion hole 87 ... Ring 88, 89 ... cushioning material 91 ... Microprocessor 92 ... D / A converter 93 ... Driver 96 ... Amplifier 97 ... Comparator 100 ... test piece 102 ... Transmitting element 104 ... Receiving element 106 ... Transmission circuit 108 ... Receiving circuit 110 ... Oscilloscope

フロントページの続き (72)発明者 伴野 圭吾 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内 (72)発明者 森田 剛史 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内 (72)発明者 石田 昇 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内 (72)発明者 大島 崇文 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内 Ｆターム(参考） 2G047 AA01 BC02 BC15 CA01 GA01 GB11 5D019 AA17 EE01 EE05 Continued front page    (72) Inventor Keigo Banno             14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi Japan special             Within Toyo Co., Ltd. (72) Inventor Takeshi Morita             14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi Japan special             Within Toyo Co., Ltd. (72) Inventor Noboru Ishida             14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi Japan special             Within Toyo Co., Ltd. (72) Inventor Takafumi Oshima             14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi Japan special             Within Toyo Co., Ltd. F term (reference) 2G047 AA01 BC02 BC15 CA01 GA01                       GB11                 5D019 AA17 EE01 EE05

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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。1. A sensor for measuring a characteristic of an object by transmitting and receiving a vibration wave, comprising: a sensor element used for at least one of transmission and reception of the vibration wave; and an opening portion at an upper end and a lower end, respectively. A resin element case for housing the sensor element, a protective film provided so as to close an opening at the lower end of the element case, and the element case is filled so as to seal the sensor element. An element assembly having a filling material, the element case having a substantially hollow cylindrical element accommodating portion, and being provided on an upper portion of the element accommodating portion, for coupling with another predetermined member of the sensor. And a flange portion to be used, wherein the thickness of the wall surface of the element housing portion is set smaller than the thickness of the flange portion. 【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。2. The sensor according to claim 1, wherein the wall thickness of the element housing portion is a value in the range of 1 mm to 3 mm. 【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。3. The sensor according to claim 1, wherein the element case is made of resin having a tensile elastic modulus of less than 15 GPa. 【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。4. The sensor according to claim 3, wherein the resin forming the element case is made up of 50 inorganic fillers.
A sensor, which is a resin containing less than or equal to wt%. 【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。5. The sensor according to claim 1, wherein the sensor element transmits ultrasonic waves to a gas to be measured by the sensor and ultrasonic waves propagated in the gas. For detecting at least one of the gas components contained in the gas according to the propagation velocity of the ultrasonic wave and the temperature of the gas. Is used for
Sensor.