JP2002350314A - バッテリモニタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 車両の走行中でも自動的に電解液の比重を測
定でき、しかも測定感度の高いバッテリモニタを提供す
る。 【解決手段】 本発明のバッテリモニタ１０は、入射用
の光ファイバ１１と出射用の光ファイバ１２との間にセ
ンサプレート１３が接続され、センサプレート１３の対
向する一対の両面に表面プラズモン励起用の薄膜１３
Ａ，１３Ｂが設けられ、センサプレート１３が電解液中
に浸漬されるとともに、表面プラズモン励起用の光Ｐが
光ファイバ１１から入射しセンサプレート１３を通って
光ファイバ１２から出射するものである。また、センサ
プレート１３が透明な板材からなり、光ファイバ１１，
１２がマルチモード光ファイバであり、光ファイバ１１
とセンサプレート１３との間に偏光フィルム１４が設け
られている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バッテリ液の比重
を測定するためのバッテリモニタに関する。

【０００２】

【従来の技術】鉛バッテリは、自動車、電動フォークリ
フト、電動車椅子等、広く用いられている。鉛バッテリ
の充電状態は、電解液の比重を測定することにより判断
される。この比重測定は、車両を停止させ、バッテリ容
器の蓋を開けて、専用の比重計（アルキメデスの原理を
利用したもの）を用いて行われる。したがって、車両の
走行中に、バッテリの充電状態を知ることはできない。
また、一般のユーザが比重測定を行うことは、電解液が
硫酸であることから危険を伴う。そのため、整備工場や
ガソリンスタンドで定期的に点検する必要があったの
で、極めて不便であった。

【０００３】一方、車両の走行中でも自動的に電解液の
比重を測定することを目的としたバッテリモニタが、特
開昭６３−２７４０６４号公報に開示されている。この
従来のバッテリモニタは、光ファイバのクラッド層の一
部を除去することによりコアを剥き出しにして検出部を
形成し、当該光ファイバの一端に発光素子を、他端に受
光素子をそれぞれ接続したものである。

【０００４】発光素子で発生した光は、光ファイバに導
かれ、コアが剥き出しになった検出部に伝達される。こ
のとき、検出部が電解液に浸漬されていると、検出部を
通過する光は、電解液の比重に応じてその一部が電解液
に放射されることにより減衰する。その減衰した光は、
再び光ファイバに導かれ受光素子に伝達されて電気信号
に変換される。このとき、電解液の比重が増加すると、
電解液の屈折率も増加するので、光の減衰量が大きくな
る。したがって、光の減衰量を測定することにより、電
解液の比重が間接的に求められる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のバッテリモニタ
は、幾何光学の原理を利用したものであるため、光の減
衰量が電解液の屈折率とコアの屈折率との差によって決
まる。しかしながら、従来のバッテリモニタでは、その
測定原理上の理由により、電解液の比重の変化に伴う光
の減衰量の変化が極めて少ないため、測定感度が低いと
いう本質的な問題があった。

【０００６】

【発明の目的】そこで、本発明の目的は、車両の走行中
でも自動的に電解液の比重を測定でき、しかも測定感度
の高いバッテリモニタを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のバッテリ
モニタは、入射用光ファイバと出射用光ファイバとの間
にセンサプレートが接続され、このセンサプレートの少
なくとも一部に表面プラズモン励起用の薄膜が設けら
れ、センサプレートがバッテリ液中に浸漬されるととも
に、表面プラズモン励起用の光が入射用光ファイバから
入射しセンサプレートを通って出射用光ファイバから出
射するものである。

【０００８】表面プラズモン励起用の光は、入射用光フ
ァイバから導かれ、センサプレートを全反射を繰り返し
ながら伝搬し、出射用光ファイバから出てくる。光がセ
ンサプレート内を伝搬する際に、薄膜上に表面プラズモ
ンと呼ばれる電子の疎密波を励起するため、光のエネル
ギが減衰する。このときの減衰量は、薄膜と接するバッ
テリ液の屈析率と相関関係を有する。なおかつ、バッテ
リ液の屈折率はバッテリ液の比重と相関関係を有する。
したがって、光の透過光量を測定することにより、バッ
テリ液の比重を知ることができる。このように、本発明
のバッテリモニタの測定原理は、表面プラズモン共鳴現
象を利用したものであるので、前述の従来のバッテリモ
ニタと全く異なり、極めて高い測定精度を実現できる。

【０００９】また、センサプレートが透明な板材からな
る、としてもよい（請求項２）。入射用光ファイバ及び
出射用光ファイバがマルチモード光ファイバである、と
してもよい（請求項３）。入射用光ファイバとセンサプ
レートとの間に偏光フィルムが設けられた、としてもよ
い（請求項４）。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係るバッテリモニ
タの一実施形態を示し、図１［１］は全体斜視図、図１
［２］は分解斜視図、図１［３］はセンサプレートの斜
視図である。以下、この図面に基づき説明する。

【００１１】本実施形態では、バッテリとして鉛バッテ
リを用いているので、バッテリ液を電解液と呼ぶことに
する。バッテリモニタ１０は、入射用の光ファイバ１１
と出射用の光ファイバ１２との間にセンサプレート１３
が接続され、センサプレート１３の対向する一対の両面
に表面プラズモン励起用の薄膜１３Ａ，１３Ｂが設けら
れ、センサプレート１３が電解液Ｌ（図２参照）中に浸
漬されるとともに、表面プラズモン励起用の光Ｐが光フ
ァイバ１１から入射しセンサプレート１３を通って光フ
ァイバ１２から出射するものである。また、センサプレ
ート１３が透明な板材からなり、光ファイバ１１，１２
がマルチモード光ファイバであり、光ファイバ１１とセ
ンサプレート１３との間に偏光フィルム１４が設けられ
ている。なお、マルチモード光ファイバは、例えば単一
モード光ファイバに比べて、コア直径が大きいので、低
価格であり光軸合わせも容易である。

【００１２】センサプレート１３は、透明なガラス板か
らなる。センサプレート１３の矢印Ａ，Ｂから見た面に
は、金（又は銀）からなる膜厚約５０［ｎｍ］の薄膜１
３Ａ，１３Ｂが形成されている。このとき、ガラスと金
薄膜との間には、密着力を上げるためにＣｒからなる膜
厚約１ｎｍの薄膜を設けてもよい。また、薄膜１３Ａ，
１３Ｂ上には、浮遊粒子の付着を防止するためアルカン
チオールなどの高分子薄膜（図示せず）が設けられてい
る。更に、光ファイバ１１，１２、センサプレート１３
及び偏光フィルム１４は、ホルダ１５Ａ，１５Ｂによっ
て保持されている。

【００１３】バッテリモニタ１０は、屈折率を測定する
ための光学部品であり、センサプレート１３に表面プラ
ズモン励起用の光Ｐを入射させ、その透過光量に基づき
センサプレート１３と接する電解液Ｌの屈折率（すなわ
ち比重）を求める。そして、光ファイバ１１，１２、セ
ンサプレート１３及び偏光板フィルタ１４が、ホルダ１
５Ａ，１５Ｂを介して一体となっている。

【００１４】図２は、図１［１］におけるII−II線横断
面図である。以下、この図面に基づき、バッテリモニタ
１０の動作を説明する。

【００１５】表面プラズモン励起用の光Ｐは、光ファイ
バ１１から導かれ、偏光フィルタ１４によってＴＭモー
ドの光となり、センサプレート１３内を全反射を繰り返
しながら伝搬し、光ファイバ１２から放射される。光Ｐ
がセンサプレート１３内を伝搬する際に、薄膜１３Ａ，
１３Ｂ上に表面プラズモンと呼ばれる電子の疎密波を励
起するため、光Ｐのエネルギ一が減衰する。このときの
減衰量は、薄膜１３Ａ，１３Ｂと接する電解液Ｌの屈析
率と相関関係を有する。なおかつ、電解液Ｌの屈析率は
電解液Ｌの比重と相関関係を有する。したがって、光Ｐ
の透過光量を測定することにより、電解液Ｌの比重を知
ることができる。

【００１６】光Ｐは、金からなる薄膜１３Ａ，１３Ｂと
ガラス板からなるセンサプレート１３板との界面で、全
反射する。このとき、薄膜１３Ａ，１３Ｂ上に表面プラ
ズモンが励起する。そのため、ガラス板の屈析率は電解
液Ｌの屈折率よりも大きくなければならない。センサプ
レート１３の材質は、ガラスに限らず、透明な材料であ
ればよく、例えば樹脂、石英、サファイアなどでもよ
い。

【００１７】図３は本実施形態のバッテリモニタととも
に用いられる投光ユニット及び受光ユニットの一例を示
す断面図であり、図３［１］は投光ユニット、図３
［２］は受光ユニットである。以下、図２及び図３に基
づき説明する。

【００１８】投光ユニット２０は、表面プラズモン励起
用の光Ｐを出力する発光素子２１と、発光素子２１の出
力をモニタする受光素子２２と、発光素子２１及び受光
素子２２を収容するとともに光フアイバ１１と接続する
ホルダ２３とを備えている。受光ユニット２４は、光Ｐ
を受光する受光素子２５と、受光素子２５を収容すると
ともに光フアイバ１２と接続するホルダ２６とを備えて
いる。発光素子２１にはＬＥＤや半導体レ一ザが用いら
れ、受光素子２２，２５にはフォトダイオードが適して
いる。

【００１９】発光素子２１から放射された光Ｐは、光フ
ァイバ１１中を伝搬し偏光フィルタ１４でＴＭモードに
変換されセンサプレート１３を透過する。その透過光は
光ファイバ１２を伝搬し、受光ユニット２４中の受光素
子２５に入射する。発光素子２１の出力は受光素子２２
で監視されているので、この出力と受光ユニット２４の
受光素子２５の出力とを比較することで、センサプレー
ト１３で減衰する光量を求めることができる。

【００２０】図４は、本実施形態のバッテリモニタの使
用例を示す構成図である。以下、この図面に基づき説明
する。ただし、図１乃至図３と同じ部分は同じ符号を付
すことにより説明を省略する。

【００２１】鉛バッテリ３０の電槽３１内には、電解液
Ｌである希硫酸が入れられている。電解液Ｌの比重を測
定することで、鉛バッテリ３０の充電状態を点検してい
る。電解液Ｌの比重は、１．２６〜１．２８が望まし
く、比重が１．２４以下であれば充電の必要がある。電
解液Ｌの比重と電解液Ｌの屈折率とは相関がある。した
がって、電解液Ｌの屈折率を測定することで、その比重
を求めることができる。

【００２２】電槽３１内の電解液Ｌ中に、バッテリモニ
タ１０のセンサプレート１３が浸漬されている。バッテ
リモニタ１０は光ファイバ１１，１２とセンサプレ一ト
１３とが一体となっていて、光フアイバ１１，１２の端
面はバッテリ３０の外まで延びており、そこで投光ユニ
ット２０と受光ユニット２４とに接続されている。受光
ユニット２４からの出力信号は、アンプ回路３２を経て
ＡＤコンバータ３３でディジタル信号に変換された後、
自動車などに搭載された演算装置（ＣＰＵ３４）に入力
及び演算されることにより、電解液Ｌの比重が適性か否
かの判断に使用される。

【００２３】図５［１］は、電解液の屈折率と比重との
関係を示すグラフである。図５［２］は、本実施形態の
バッテリモニタで測定した、屈折率とバッテリモニタ出
力との関係を示すグラフである。以下、この図面に基づ
き説明する。

【００２４】図５［１］に示すように、電解液の屈折率
と比重とには明確な相関関係がある。電解液の比重の適
正値は１．２６〜１．２８であり、比重が１．２４以下
では充電が必要である。したがって、この測定例では、
屈折率が１．３７７〜１．３８０が適正値であり、屈折
率が１．３７３以下であれぱ充電が必要になる。

【００２５】図５［２］に示す測定例では、屈折率ｌ．
４５８６、厚さ０．４ｍｍ、長さ１５ｍｍの材料で作ら
れたセンサプレートと、波長６４４ｎｍの光とを用い
た。電解液を評価するための屈折率の範囲においてバッ
テリモニタ出力が大きく変化しているので、このバッテ
リモニタ出力を入力することによって電解液の比重をリ
アルタイムで正確に知ることができる。

【００２６】

【実施例】次に、前述した従来技術のバッテリモニタと
本発明のバッテリモニタとの性能を比較した実施例につ
いて説明する。

【００２７】鉛バッテリの電解液の比重は１．２６〜
１．２８までが正常であり、１．２４に低下すると充電
の必要がある。そこで、比重が１．２６から１．２４に
下がるところをどれくらいの感度で見極められるかにつ
いて比較した。このとき、光学的及び電気的な検出能力
は同じとし、検出部だけの差を比較した。すなわち、入
射光強度を１００としたとき、透過光強度がいくつにな
るかで比較した。

【００２８】電解液の比重と屈折率 比重１．２４→屈折率１．３７３７ 比重１．２６→屈折率１．３７７０

【００２９】従来技術 比重１．２４→透過光強度８６．７ 比重１．２６→透過光強度８３．７（差３．０）

【００３０】本発明 比重１．２４→透過光強度４７．８ 比重１．２６→透過光強度５７．４（差９．６）

【００３１】このように、透過光強度の変化量は、従来
技術が３．０であるのに対して、本発明はその３倍以上
の９．６も変化する。例えば、安価なシステムにする場
合、ＡＤコンバ一タはマイクロコンピュータ内蔵の８ビ
ット（２５６段階）となると考えられる。この場合、入
射光強度をＡＤコンバータのフルレンジ一杯（２５５）
（ＡＤコンバータの出力は０〜２５５）にとると、比重
の１．２４と１．２６との差は、従来技術では７ビッ
ト、本発明では２４ビットとして検出されることにな
る。電気ノイズやＡＤコンバータの精度を考慮すると、
７ビットでは不安であるが、２４ビットあれぱ十分に実
用的である。

【００３２】従来技術では、コアの屈折率と周囲の液体
の屈折率との差に対応して、漏洩する光量が変化するこ
とを利用している。しかし、光ファイバは用途や製法で
コアの屈折率が決まっており、ユーザが任意にコアの屈
折率を選ぶことは事実上できない。仮に屈折率を変えら
れるとしても、コアの材質が限られているので、その範
囲はわずかである。

【００３３】これに対し、本発明では、センサプレート
の材質、蒸着するＡｕ薄膜の厚さ、表面状態などをユー
ザが自由にデザインできるので、検出感度を容易に向上
できる。

【００３４】なお、本発明は、言うまでもなく、上記実
施形態に限定されるものではない。例えば、薄膜は、セ
ンサプレートの両面ではなく、どちらか一方だけに設け
てもよい。光ファイバとホルダとを着脱自在とする着脱
機構を設けてもよい。偏光フィルムは省略してもよい。
センサープレートの近傍に電解液の温度を測定する温度
センサを設け、求められる電解液の比重を補正してもよ
い。１２Ｖ仕様の鉛バッテリにおいて、六個の電槽全て
に本発明のバッテリモニタを設けてもよい。

【００３５】

【発明の効果】本発明に係るバッテリモニタによれば、
入射用光ファイバと出射用光ファイバとの間にセンサプ
レートが接続され、このセンサプレートに表面プラズモ
ン励起用の薄膜が設けられ、センサプレートがバッテリ
液中に浸漬されるとともに、表面プラズモン励起用の光
が入射用光ファイバから入射しセンサプレートを通って
出射用光ファイバから出射することにより、車両の走行
中でも自動的に電解液の比重を測定でき、しかも表面プ
ラズモン共鳴現象を利用しているので測定感度を向上で
きる。また、車両の走行中に電解液の比重を正確かつリ
アルタイムで測定できるので、バッテリの過放電や過充
電を適切に防止できる。更に、整備工場やガソリンスタ
ンドでの電解液の点検が不要になるので、ユーザの利便
性を向上できる。

【００３６】請求項２記載のバッテリモニタによれば、
センサプレートが透明な板材からなることにより、金属
（Ａｕ、Ａｇなど）の蒸着が容易、プリズムよりも安価
で小型、光軸合わせが不要で量産性が高い、等の効果を
奏する。

【００３７】請求項３記載のバッテリモニタによれば、
入射用光ファイバ及び出射用光ファイバがマルチモード
光ファイバであることにより、低価格化を達成できると
ともに、光軸合わせを容易化できる。

【００３８】請求項４記載のバッテリモニタによれば、
入射用光ファイバとセンサプレートとの間に偏光フィル
ムが設けられたことにより、ＳＮ比を向上できるので、
分解能を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るバッテリモニタの一実施形態を示
し、図１［１］は全体斜視図、図１［２］は分解斜視
図、図１［３］はセンサプレートの斜視図である。

【図２】図１［１］におけるII−II線横断面図である。

【図３】本実施形態のバッテリモニタとともに用いられ
る投光ユニット及び受光ユニットの一例を示す断面図で
あり、図３［１］は投光ユニット、図３［２］は受光ユ
ニットである。

【図４】本実施形態のバッテリモニタの使用例を示す構
成図である。

【図５】図５［１］は、電解液の屈折率と比重との関係
を示すグラフである。図５［２１］は、本実施形態のバ
ッテリモニタで測定した、屈折率とバッテリモニタ出力
との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１０ バッテリモニタ １１ 入射用の光ファイバ １２ 出射用の光ファイバ １３ センサプレート １３Ａ，１３Ｂ 薄膜 １４ 偏光フィルム Ｌ 電解液（バッテリ液） Ｐ 光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G059 AA02 AA05 BB04 EE01 EE02 EE04 EE05 FF07 GG01 GG02 GG04 JJ17 JJ19 JJ21 KK01 MM01 MM09 5H030 AA03 AA04 AA06 AS08 FF12 FF67 FF68

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射用光ファイバと出射用光ファイバと
   の間にセンサプレートが接続され、このセンサプレート
   の少なくとも一部に表面プラズモン励起用の薄膜が設け
   られ、前記センサプレートがバッテリ液中に浸漬される
   とともに、表面プラズモン励起用の光が前記入射用光フ
   ァイバから入射し当該センサプレートを通って前記出射
   用光ファイバから出射する、 バッテリモニタ。
2. 【請求項２】 前記センサプレートが透明な板材からな
   る請求項１記載のバッテリモニタ。
3. 【請求項３】 前記入射用光ファイバ及び前記出射用光
   ファイバがマルチモード光ファイバである、 請求項１又は２記載のバッテリモニタ。
4. 【請求項４】 前記入射用光ファイバと前記センサプレ
   ートとの間に偏光フィルムが設けられた、 請求項１、２又は３記載のバッテリモニタ。