JP2006003343A - 静電容量式液状態検知センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 外筒電極にスリットを設けギャップ間の圧力を外部に逃がし、且つ、スリット形成に伴う強度低下を抑制した静電容量式液状態検知センサを提供する。
【解決手段】 内部電極と所定の間隔を隔てて配置される外筒電極１０には、先端部１１から後端部１２にかけての母線（一点鎖線Ａで示す）に沿って、複数のスリット１４，１５，１６が、それぞれ独立に形成されている。各スリット１４，１５，１６間にはスリットが形成されない中間スリット非形成領域１７，１８が位置している。スリット１４，１５，１６により、外筒電極１０の内部と外部との間での液体の循環作用が同電極１０の軸線方向に対して確保されるので、ギャップ間に存在する液体の氷結時の体積膨張に伴う圧力を外部に逃がすことができる。また、中間スリット非形成領域１７，１８の存在により、外筒電極１０の強度が良好に維持されるので、外筒電極１０の変形が有効に防止される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液体収容容器内に収容される液体の状態を検知する静電容量式液状態検知センサに関するものである。

ディーゼル自動車から排出される排気ガスには、一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）以外に窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれている。そこで、近年、この有害な窒素酸化物（ＮＯｘ）を無害なガスに還元することが行われている。例えば、ディーゼル自動車の排気ガス排出用のマフラーの途中にＮＯｘ選択還元（ＳＣＲ）触媒を設置し、別途車両に設けたタンクに還元剤溶液として尿素水を入れ、この尿素水を上記触媒へ噴射するようにして、ＮＯｘをＮ２等の無害なガスに還元するシステムが提案されている。このシステムでは、尿素水が無くなった場合にはＮＯｘ還元反応を促すことができずにＮＯｘの大量な排出を起こすため、尿素水を収容するタンクに、収容される尿素水の水位（液位）を測定するセンサを設け、尿素水の残量が規定量以下となった場合に警報を発する等の措置が講じられている。

この水位を測定するためのセンサの一例として、静電容量式液状態検知センサが知られている。この静電容量式液状態検知センサは、導体からなる細長い筒状の外筒電極と、その外筒電極内にて軸線方向に沿って設けられた内部電極との間（以下、「ギャップ間」という。）で静電容量を測定するものである。尿素水のように導電性を有する液体の水位の測定に用いる静電容量式液状態検知センサでは、外筒電極と内部電極との間でのショート防止のために、内部電極の外表面上には絶縁膜が形成される。そして、外筒電極の軸線方向が液体の水位の上下方向となるように、静電容量式液状態検知センサがタンクにセットされる。導電性の液体を使用している場合には、液体に浸漬していない部分の静電容量は、ギャップ間の空気層および内部電極の絶縁膜の厚みに依存する。一方、液体に浸漬している部分の静電容量は、導電性の液体が外筒電極と同電位となるため絶縁膜の厚みに依存し、前者よりも静電容量が大きくなる。このため、液体に浸漬している部分が増えるほど測定される静電容量が大きくなることとなり、水位として検知することができる。

こうした静電容量式液状態検知センサでは、液体がギャップ間に流入出しやすいように、センサの先端側（外筒電極の先端側）を開放状に形成したり、閉塞した場合でも孔を設けたりしている（例えば、特許文献１参照）。さらに、従来の静電容量式液状態検知センサでは、外筒電極の側壁にその先端から後端まで延びるスリットを設けることで、外筒電極の一端側が異物等により詰まった場合でも、ギャップ間で液体の流入出が円滑に行われるようにしている（例えば、特許文献２参照）。
特開平７−３１８３９５号公報 実開昭６３−１０１８１５号公報

しかし、ディーゼル自動車が寒冷地等で使用される場合など、液体のタンクが、例えば−３０℃〜−４０℃といった環境に曝されることがある。このような場合に、静電容量式液状態検知センサのギャップ間に入り込んでいる液体が急冷され、ギャップ間に存在する液体が、外筒電極の軸線方向に沿ってみたときの先端側と後端側との双方向から氷結を開始することがある。ところで、特許文献１のように、外筒電極と内部電極との間に形成されるギャップ間がほぼ閉空間であって、このギャップ間に存在する液体が上記先端側と後端側との双方向から氷結を開始した場合には、液体氷結時の体積膨張に伴い発生する圧力が、ギャップ間に存在する液体の中間側に向けて逃げることになる。しかし、ギャップ間が閉空間に形成されているが故に上記圧力の逃げ場がなく、氷結による大きな体積膨張を生じてしまう。その結果、ギャップ間に存在する液体が氷結すると、上記圧力上昇や大きな体積膨張に起因して外筒電極や内部電極に変形が生じてしまうことがあった。特に、内部電極が柱状（中実状）である場合などには、内部電極の強度が高いため、外筒電極に変形が生じやすくなっていた。

また、こうした場合に、外筒電極にスリットが設けられている静電容量式液状態検知センサであれば、スリットを介して外筒電極の外部と、ギャップ間との間で液体の循環作用を確保することができるので、液体氷結時の体積膨張に伴い上昇する圧力を効果的に外筒電極の外部に逃すことができる。しかし、スリットによって上記圧力を外部に逃したとしても、液体氷結時の体積膨張は依然として少なからずギャップ間に生ずる。そのため、特許文献２のように、スリットが外筒電極の全長にわたって形成されていると、外筒電極自身の強度が低下する傾向にあり、小さな体積膨張によっても外筒電極の変形が生じてしまうという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、外筒電極にスリットを設けギャップ間の圧力を効果的に外部に逃がし、且つ、スリットの形成に伴う強度低下を防止することができる静電容量式液状態検知センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の静電容量式液状態検知センサは、導体からなる筒状の外筒電極と、前記外筒電極内で前記外筒電極の軸線方向に沿って設けられた導体からなる筒状または柱状の内部電極と、前記外筒電極および前記内部電極の後端側で、前記外筒電極と前記内部電極とを非接触の状態で支持する基部とを備える静電容量式液状態検知センサであって、前記外筒電極は、当該外筒電極の全長よりも短い長さで前記軸線方向に沿って開口するスリットを複数有し、複数の前記スリットは、第１スリットと、第２スリットを含み、前記第１スリットの先端は前記第２スリットの先端よりも先端側に位置し、前記第１スリットの後端は前記第２スリットの後端よりも先端側に位置する関係を満たすことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明の静電容量式液状態検知センサは、請求項１に記載の発明の構成に加え、複数の前記スリットは、いずれの先端も前記外筒電極の先端より後端側に位置していることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明の静電容量式液状態検知センサは、請求項１または２に記載の発明の構成に加え、複数の前記スリットは、いずれの後端も前記外筒電極の後端より先端側に位置していることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明の静電容量式液状態検知センサは、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記外筒電極の外周面における少なくとも一の母線上に、複数の前記スリットが位置していることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明の静電容量式液状態検知センサは、請求項４に記載の発明の構成に加え、前記外筒電極の外周面における複数の異なる母線上に、各々複数の前記スリットが位置していることを特徴とする。

また、請求項６に係る発明の静電容量式液状態検知センサは、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記第１スリットの後端は、前記第２スリットの先端よりも先端側に位置する関係を満たしており、前記外筒電極のうち、前記第１スリットの後端と前記第２スリットの先端との間には、全周にわたってスリットが存在しない中間スリット非形成領域が位置していることを特徴とする。

また、請求項７に係る発明の静電容量式液状態検知センサは、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記スリットを少なくとも１つ以上含むようにして前記外筒電極の中心軸線に直交する断面をとったときに、前記スリットの開口幅の合計寸法は、前記外筒電極の外周に対して３％以上の大きさを有することを特徴とする。

また、請求項８に係る発明の静電容量式液状態検知センサは、請求項７に記載の発明の構成に加え、前記内部電極の外周面上には絶縁膜が形成され、前記断面をとったときに、前記スリットの開口幅の合計寸法は、前記外筒電極の外周に対して１０％以下の大きさを有することを特徴とする。

また、請求項９に係る発明の静電容量式液状態検知センサは、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記内部電極の外周面上には絶縁膜が形成されており、前記スリットの前記軸線方向に直交する向きの開口幅は、いずれも５ｍｍ以下であることを特徴とする。

また、請求項１０に係る発明の静電容量式液状態検知センサは、請求項１乃至９のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記液体は尿素水であることを特徴とする。

請求項１に係る発明の静電容量式液状態検知センサでは、複数のスリットが、第１スリットと、第２スリットとを含みつつ、第１スリットの先端が第２スリットの先端よりも先端側に位置し、第１スリットの後端が第２スリットの後端よりも先端側に位置する関係を満たしている点が、最も注目すべき点である。外筒電極がこのような関係を満たすスリットを有することにより、外筒電極の外部の液体とギャップ間の液体との循環作用を、複数のスリットを設けながらも、外筒電極の軸線方向に対して付与することができる。よって、ギャップ間に存在する液体が急冷されて氷結することがあっても、液体氷結時の体積膨張に伴いギャップ間の先端側および後端側から中間側に向けて上昇する圧力を、スリットを介して外筒電極の外部に逃がすことができる。

また、本発明では、外筒電極の全長にわたって開口するスリットを設けることなく、上記関係を満たすスリットを含む複数のスリットを設けることで液体の循環作用を外筒電極の軸線方向に対して付与させているので、ギャップ間に存在する液体が氷結により少なからず体積膨張を生じた場合でも、外筒電極のうちスリットとスリットとの間に位置する部位（領域）が補強部として機能し、外筒電極の変形が生じにくい。さらに、外筒電極の軸線方向に対する液体の循環作用を促すための開口を外筒電極に形成するにあたって、外筒電極の軸線方向に沿って開口する細長形状のスリットを複数形成するようにしたので、円形の孔を外筒電極の長手方向に沿って多数形成する場合と比較して、その形成作業が容易となり、製造効率に優れる静電容量式液状態検知センサを提供することができる。

従って、本願発明の静電容量式液状態検知センサでは、ギャップ間の液体が氷結する場合にも、内部電極と外筒電極との間隙（ギャップ寸法）が広がるのを有効に抑制することができ、外筒電極と内部電極との間の静電容量を長期間に亘って高精度に測定することができる。

また、請求項２に係る発明の静電容量式液状態検知センサでは、複数のスリットの各先端が、外筒電極の先端よりも後端側に位置しているので、全周にわたってスリットが存在しないスリット非形成領域（先端側スリット非形成領域）が外筒電極の先端に連なるようにして設けられることになる。これにより、外筒電極の先端側の強度を増すことができ、ギャップ間に存在する液体の氷結に伴う外筒電極の変形を有効に抑制することができる。

また、請求項３に係る発明の静電容量式液状態検知センサでは、複数のスリットの各後端が、外筒電極の後端よりも先端側に位置しているので、全周にわたってスリットが存在しないスリット非形成領域（後端側スリット非形成領域）が外筒電極の後端に連なるようにして設けられることになる。これにより、外筒電極の後端側の強度を増すことができ、ギャップ間に存在する液体の氷結に伴う外筒電極の変形を有効に抑制することができる。さらに、外筒電極の後端側は内側電極の後端側と共に基部に支持されるため、本センサを振動がかかる用途（例えば、車両用途）に用いた場合、外筒電極の後端寄り部位に振動に起因した応力が集中し易い傾向にあるが、外筒電極に上記後端側スリット非形成領域を設けることで、外筒電極の後端側の強度が増し、センサ自体の耐振性が向上させることができる。

また、請求項４に係る発明の静電容量式液状態検知センサでは、スリットが外筒電極の外周面の少なくとも一の母線上に複数形成されているので、外筒電極の外部の液体とギャップ間の液体との循環作用を、外筒電極の軸線方向に対して効果的にもたらすことができる。これにより、液体氷結時の体積膨張に伴ってギャップ間の先端側および後端側から中間側に向けて上昇する圧力を、外筒電極の外部に効果的に逃がすことができる。

また、請求項５に係る発明の静電容量式液状態検知センサでは、外筒電極の外周面における複数の異なる母線上に、各々複数のスリットが形成されているので、液体氷結時の体積膨張に伴ってギャップ間の先端側および後端側から中間側に向けて上昇する圧力を、外筒電極の周方向の複数箇所から外部に効率良く逃すことができる。

さらに、請求項６に係る発明の静電容量式液状態検知センサでは、外筒電極のうち、第１スリットの後端と第２スリットの先端との間に、全周にわたりスリットが存在しない中間スリット非形成領域が介在している。これにより、外筒電極の軸線方向における中間部位に、全周にわたりスリットが存在しない領域が配置されることになるため、ギャップ間に存在する液体が少なからず体積膨張を生じた場合でも、外筒電極の変形をより効果的に抑制することができる。

また、請求項７に係る発明の静電容量式液状態検知センサでは、スリットを少なくとも１つ以上含む外筒電極の中心軸線に直交する断面において、外筒電極の外周の３％以上を占める部位にスリットが形成されているので、液体氷結時の体積膨張に伴い上昇する圧力を有効に逃がすことができる。

さらに、請求項８に係る発明の静電容量式液状態検知センサでは、スリットを少なくとも１つ以上含む外筒電極の中心軸線に直交する断面において、スリットの開口幅の合計寸法を、外筒電極の外周の１０％以下に制限しているので、例えば外筒電極の外部にて氷結した液体の氷塊といった絶縁膜に接触して当該絶縁膜を傷付けるような大きさの固形物がスリットを通過しにくく、絶縁膜の保護を有効に図ることができる。

さらに、請求項９に係る発明の静電容量式液状態検知センサでは、前記スリットの前記軸線方向に直交する向きの開口幅を５ｍｍ以下に制限しているので、外筒電極の外部にて氷結した液体の氷塊といった絶縁膜に接触して当該絶縁膜を傷付けるような大きさの固形物が、スリットを介して外筒電極の内部に入り込むのを防ぐことができ、絶縁膜の保護を有効に図ることができる。

以下、本発明を具体化した静電容量式液状態検知センサの一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１〜図３を参照して、静電容量式液状態検知センサの一例としての液体レベルセンサ１について説明する。図１は、液体レベルセンサ１の縦断面図である。図２は、外筒電極１０の斜視図である。図３は、液体レベルセンサ１の先端部付近の分解斜視図である。

本実施の形態の液体レベルセンサ１は、ディーゼル自動車の排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元に使用される尿素水を収容したタンク（図示外）に取り付けられ、液体の状態の検知、つまりは尿素水の水位を測定するために利用されるものである。

図１に示すように、液体レベルセンサ１は、円筒形状を有する外筒電極１０と、その外筒電極１０の内部にて、外筒電極１０の軸線方向に沿って設けられた内部電極２０と、外筒電極１０および内部電極２０を互いに非接触の状態で支持する基部４０とから構成される。

外筒電極１０は導電性の金属材料からなり、図２に示すように、長細い円筒形状を有する。液体レベルセンサ１の先端側（図１における下側）にあたる外筒電極１０の先端部１１（図２における上側）には、後述する内部電極２０のブッシュ３０（図１参照）の抜け防止のための開口部１３が設けられている。そして、開口部１３の設けられた位置における外筒電極１０の母線（図中一点鎖線Ａで示す。）に沿って、細幅のスリット１４，１５，１６が、先端部１１側から順に後端部１２（液体レベルセンサ１の基部４０側の端部）に向かって、それぞれが独立に形成されている。スリット１４，１５，１６はそれぞれが略同形状で等間隔に１本の母線上に沿って断続的に配置され、各スリット１４，１５，１６間には全周にわたりスリットが存在しない筒状形態の中間スリット非形成領域１７，１８が位置している。さらに、先端部１１および後端部１２にも、それぞれの端面から連なって、全周にわたりスリットが存在しない筒状形態の先端側スリット非形成領域７１および後端側スリット非形成領域７２が設けられている。そして、これら各スリット１４，１５，１６は、外筒電極１０の外周面上で周方向に等間隔となる３本の母線上に、それぞれ形成されている。また、外筒電極１０の後端部１２には、スリット１４，１５，１６が形成された各母線とは異なる母線上に、１つの空気抜き孔１９が形成されている。

このように本実施の形態の液体レベルセンサ１では、外筒電極１０に設けられる複数（具体的には、９つ）のスリット１４，１５，１６において、１つのスリット１４と１つのスリット１５を選択したときに、一方のスリット１４の開口先端が他方のスリット１５の開口先端よりも先端側（図２における上側）に位置し、一方のスリット１４の開口後端が他方のスリット１６の開口後端よりも先端側（図２における上側）に位置する関係を満たしている。この場合、一方のスリット１４が、特許請求の範囲における「第１スリット」に相当し、他方のスリット１５が、特許請求の範囲における「第２スリット」に相当することになる。なお、複数のスリット１４，１５，１６において、スリット１４とスリット１６を選択してみたとき、もしくはスリット１５とスリット１６を選択したときにも、上述の関係を満たしている。

次に、図１に示すように、外筒電極１０は、後端部１２が金属製の基部４０の電極支持部４１の外周に係合した状態で溶接されている。基部４０は尿素水を収容したタンク（図示外）に液体レベルセンサ１を固定するための台座として機能し、そのための取り付け孔（図示外）を鍔部４２に有する。また、基部４０の鍔部４２を挟んで電極支持部４１の反対側には、外筒電極１０および内部電極２０が外部回路（図示外）との電気的な接続を行えるようにするための中継用の回路基板６０などを収容する収容部４３が形成されている。なお、回路基板６０は収容部４３の内壁面の四隅より突出する基板載置部（図示外）上に載置されている。外部回路との接続は、収容部４３を覆って保護し、鍔部４２に固定されるカバー４５の側部に固定されるコネクタ６２を介して行われ、コネクタ６２の外部接続端子（図示外）と回路基板６０の配線とが配線ケーブル６１によって接続されている。

基部４０の電極支持部４１には、収容部４３内に貫通する孔４６が穿設されており、この孔４６内に、内部電極２０が固定される。本実施の形態の内部電極２０は中実で円柱状をした導電性の金属棒であり、外筒電極１０の全長とほぼ同じ長さを有する。内部電極２０の先端部２１側（図１における下側であり、液体レベルセンサ１の先端側）の端部は面取りされている。この内部電極２０の外周面上には、例えばＰＦＡからなる絶縁膜２３（図４参照）が形成されている。また、後端部２２側（図１における上側）には、内部電極２０を基部４０に固定するため、パイプガイド５５とインナーケース５０が係合されている。パイプガイド５５は、内部電極２０の後端部２２の端縁寄りに接合された環状のガイド部材である。

また、インナーケース５０は内部電極２０と外筒電極１０とが確実に絶縁されるように、内部電極２０を位置決め支持する筒状の絶縁性を有する樹脂製部材であり、先端側が基部４０の電極支持部４１の孔４６に係合する。インナーケース５０には径方向外側に向かって突出する鍔部５１が形成されており、インナーケース５０が電極支持部４１に係合される際には収容部４３側から電極支持部４１の内周に挿通される。そして、鍔部５１が収容部４３内の底面に当接することで、電極支持部４１の内周をインナーケース５０が通り抜けることが防止されている。内部電極２０もまたインナーケース５０の内周側を収容部４３側から挿通されるが、パイプガイド５５が鍔部５１に当接することで、インナーケース５０に対して抜け防止される。

さらに、インナーケース５０の外周と内周とには、それぞれ、第１Ｏリング５３と第２Ｏリング５４とが設けられている。第１Ｏリング５３は、インナーケース５０の外周と基部４０の孔４６との間の隙間を密閉し、第２Ｏリング５４は、インナーケース５０の内周と内部電極２０の後端部２２の内周との間の隙間を密閉している。これにより、液体レベルセンサ１がタンク（図示外）に取り付けられた際に、タンク内とタンク外とが収容部４３を介して連通しないようにその気密性が保たれている。なお、基部４０の鍔部４２において液体レベルセンサ１の先端側の面には図示外の板状のゴム部材が嵌められ、第１Ｏリング５３，第２Ｏリング５４と同様に、タンクへの取り付け時に、タンクの内外の気密性が保たれる。

そして、内部電極２０の基部４０への組み付けの際には、２枚の押さえ板５６，５７によって、パイプガイド５５がインナーケース５０の鍔部５１に対して押圧される。押さえ板５７は、パイプガイド５５との間に押さえ板５６を挟み、パイプガイド５５を押圧した状態で、ネジ５８によって収容部４３内に固定される。これにより、パイプガイド５５に接合された内部電極２０が電極支持部４１に固定されることとなる。押さえ板５６，５７には中央に孔が設けてあり、内部電極２０の電極取りだし用リード線５９が挿通され、回路基板６０に接合されている。回路基板６０からはグランド側の電極が、詳細は図示しないが、基部４０に接続されており、このため外筒電極１０がグランド側に電気的に接続される。

また、基部４０の電極支持部４１にて支持された内部電極２０は、その先端部２１が、外筒電極１０の先端部１１と非接触の状態となるようにゴム製のブッシュ３０により、保持されている。図１，図３に示すように、ブッシュ３０は、外径が外筒電極１０の内周と略一致する円筒形状の胴部３２の一端側に、テーパー状にすぼまった先端部３１が形成されている。先端部３１は、胴部３２側の端が胴部３２の外径よりも大きく構成された鍔部３４として形成されており、外筒電極１０に胴部３２が嵌められた際のストッパーとして機能する。

ブッシュ３０の胴部３２の内周には、内部電極２０の先端部２１を位置決め保持するためのリブ３６が複数本周方向に対して分散して列設されている。そして、先端部３１には、胴部３２の内周側に接続する孔３３が開口されており、胴部３２の内周で内部電極２０が保持された状態でも、リブ３６の隙間を介してブッシュ３０の内側と外側とが連通するように構成されている。これにより、孔３３を介してタンクに収容された尿素水が外筒電極１０と内部電極２０との間に形成されるギャップ（間隙）に入り込むことが可能となる。また、胴部３２の外周には、外筒電極１０の開口部１３に係合して、ブッシュ３０の抜け防止として機能する突起部３５が設けられている。このようなブッシュ３０に保持される内部電極２０は、外筒電極１０との接触が防止される。

ところで前述したように、外筒電極１０の外周面の一の母線上のスリット１４，１５，１６は、その母線上において連なって形成されており、各スリット間には、全周にわたりスリットが形成されていない中間スリット非形成領域１７，１８が位置している。すなわち、外筒電極１０の母線上にて外筒電極１０の先端部１１から後端部１２にかけて連続するスリットは形成されず、スリット間の強度が筒状形態の中間スリット非形成領域１７，１８により確保されている。本実施の形態では、外筒電極１０にスリット１４，１５，１６を設けたことで、タンク（図示外）内の尿素水がギャップ間に流入出しやすくなり、ギャップ間と外筒電極１０の外部との間における尿素水の循環作用が外筒電極１０の軸線方向に対して良好にもたらされる。このため、寒冷地などで尿素水が氷結した際にも、スリット１４，１５，１６の全てないしいずれかを介して、尿素水氷結時の体積膨張に伴い上昇する圧力を外部に分散させることができるので、上記圧力上昇に起因した外筒電極１０の変形を抑制することができる。

また、上記循環作用によって上昇した圧力を外部に逃したとしても、尿素水氷結時の体積膨張は依然として少なからずギャップ間に生ずるが、上記の中間スリット非形成領域１７，１８の存在により、一つのスリットあたりの長さが抑えられる。従って、複数のスリット１４，１５，１６を形成したにも関わらず中間スリット非形成領域１７，１８の存在によって外筒電極１０の強度が維持され、外筒電極１０の上記体積膨張に伴った撓みが抑制されるので、外筒電極１０の変形を効果的に抑制することができる。なお、このように外筒電極１０の変形を効果的に抑制するためには、外筒電極１０の外周面の一の母線上に形成される各スリット１４，１５，１６同士の間隔（換言すれば、上記母線上における各中間スリット非形成領域１７，１８の長さ）を、母線上に沿ってみたときに５ｍｍ以上形成し、また、外筒電極１０の肉厚を０．５ｍｍ以上に形成することが、外筒電極１０の強度を良好に確保する上で好ましい。

また、外筒電極１０の先端部１１に、外筒電極１０の先端側の端面より連なる先端側スリット非形成領域７１を設けたことで、各母線上のスリット１４によって分断される部位同士を接続して補強することができ、外筒電極１０の強度を増すことができる。さらに、外筒電極１０の後端部１２に、外筒電極１０の後端側の端面より連なる後端側スリット非形成領域７２を設けたことで、外筒電極１０の強度をさらに増すことができる。そして、この後端側スリット非形成領域７２を設けることで、液体レベルセンサ１を車両に取り付けて使用した際に、同センサ１に振動がかかりその振動に起因した応力が外筒電極１０の後端部１２に及んでも、その応力に耐えられる程度の強度を確保できるので、同センサ１の耐振性を向上させることができる。

次に、本実施の形態の液体レベルセンサ１により、液体の水位などの状態（本実施の形態では尿素水のレベル）を検知する原理について、図４を参照して説明する。図４は、外筒電極１０と内部電極２０との間（ギャップ間）に満たされた尿素水の水面近傍の拡大断面図である。この液体レベルセンサ１は、尿素水を収容したタンク（図示外）に、外筒電極１０および内部電極２０を、その軸線方向を尿素水の水位の高低方向に沿うように配置した状態で組み付けられる。そして、ギャップ間（外筒電極１０と内部電極２０との間）の静電容量を測定することで、両者間に存在する尿素水が、外筒電極１０の軸線方向にどれだけの水位まで存在しているかを検出することができる。これは周知のように、電位の異なる２点間において、静電容量の大きさがその２点間の距離に反比例することに基づく。

すなわち、図４に示すように、尿素水で満たされていない部分におけるギャップ間で電位差の生じる部位の距離は、距離Ｂで示す、両者間の空気層と絶縁膜２３との合計の厚み分の距離となる。一方、尿素水が満たされた部位におけるギャップ間で電位差の生じる部位の距離は、尿素水が導電性なので外筒電極１０と尿素水との電位が等しくなることから、距離Ｃで示す、絶縁膜２３の厚み分の距離となる。つまり、尿素水が満たされている部位は、満たされていない部位よりも電位差の生じる部位間の距離がより近いため、静電容量が大きい。このことから、ギャップ間に電圧を印加した場合、尿素水が満たされている部分が多くなるに従って、静電容量がより大きくなる距離Ｃである部分の割合が増える。ここで周知のように、静電容量の大きさが、互いに対向する電位の異なる部位の面積に比例することから、液体レベルセンサ１の全体として検出される静電容量は、尿素水の水位が高くなるに従って大きくなる。

こうした液体の水位を測定するにあたって、内部電極２０の外周面上に形成された絶縁膜２３の厚みが薄いほど、外筒電極１０と内部電極２０との間に印加する電圧が低くても大きな静電容量を得ることができる。絶縁膜２３は傷等により絶縁性が失われる場合があるため、本実施の形態の液体レベルセンサ１では、尿素水中に氷塊などの固形物が存在した場合でも、その固形物が外筒電極１０と内部電極２０との間に入り込まないように、外筒電極１０に形成したスリット１４，１５，１６の幅（開口幅）に制限を設けている。以下、図５を参照して、スリット１４，１５，１６の幅について説明する。図５は、外筒電極１０の中心軸線と直交する方向におけるスリット１４，１５，１６のいずれかの形成部位の断面図である。

図５に示すように、外筒電極１０には、外周面の周方向に対して等間隔に配置された３本の母線上に、スリット１４，１５，１６がそれぞれ形成されている。図５では、外筒電極１０の断面における外周に沿った方向において、スリット１４，１５，１６の幅を、幅Ｄとして示している。また同様に、外筒電極１０の軸線断面における外周に沿った方向において、スリット１４，１５，１６が形成されていない部分の幅を、幅Ｅとして示している。すなわち、全ての幅Ｄと全ての幅Ｅとを合計した長さが、外筒電極１０の外周の長さに相当する。

本実施の形態では、スリット１４，１５，１６の幅Ｄの合計を、外筒電極１０の外周の長さ（幅Ｄと幅Ｅの合計）の１０％以下となるように設定している。このような大きさにスリット１４，１５，１６の幅を設定することで、例えば不純物や氷結した尿素水の塊などの固形物が尿素水中に含まれるとき、その固形物がスリット１４，１５，１６を通過しにくくなるため、絶縁膜２３を傷等から保護することができる。なお、スリット１４，１５，１６の幅Ｄが、外筒電極１０の外周の長さの１０％未満であっても、小さな固形物がスリット１４，１５，１６を通過する場合がある。しかし、この幅のスリット１４，１５，１６を通過できる大きさの固形物が内部電極２０の絶縁膜２３に衝突しても、十分な質量がないため絶縁膜２３を傷付けることは少なく、絶縁性に影響を与え難い。

なお、本実施の形態では、各スリット１４，１５，１６の軸線方向に直交する向きの幅（開口幅）Ｅを２．５ｍｍに設定している。このように、各スリット１４，１５，１６の幅Ｅを５ｍｍ以下に設定することで、外筒電極１０の外部にて氷結した尿素水の氷塊といった絶縁膜２３に接触してこの絶縁膜２３を傷付けるような大きさの固形物が、各スリット１４，１５，１６を介して外筒電極１０の内側に入り込むのを防ぐことができる。従って、絶縁膜２３の保護をより有効に図ることができる。

また、本実施の形態の液体レベルセンサ１のスリット１４，１５，１６は、寒冷地などにおける使用の際に、ギャップ間に存在する尿素水の氷結に伴う圧力上昇により外筒電極１０に変形が生じないように形成されている。詳細には、ギャップ間に入り込んでいる尿素水が急冷されることがあると、ギャップ間に存在する尿素水が、外筒電極１０の先端部１１側と後端部１２側との双方向から氷結を開始することがある。すると、ギャップ間に存在する尿素水の中間側に向けて氷結に伴う圧力上昇を生ずる。しかし、スリット１４，１５，１６が形成されていることによって、外筒電極１０の内部と外部との間での循環作用が確保されるので、上記圧力を効果的に外筒電極１０の外部に逃すことができる。このような効果を発揮するには、スリット１４，１５，１６の幅Ｄの合計が、外筒電極１０の外周の３％以上であることが望ましい。

［実施例１］
ここで、スリットの幅や母線上における分割数（同じ母線上で連なったスリットの数）と、外筒電極の強度との関係について、上記の効果が得られるか否かを確認するため、評価試験を行った。その結果を図６の表に示す。図６は、スリットの幅や母線上における分割数と、外筒電極の強度との関係についての評価試験の結果を示す表である。

この評価試験を行うにあたって、内部電極には、ＳＵＳ３０４からなる中実で円柱状の金属棒を用いた。また、外筒電極には、円筒状で外径が３０ｍｍ、肉厚が１ｍｍ、全長が３００ｍｍのＳＵＳ３０４からなる金属筒に、後述する１２種類の条件に基づくスリットを形成したものをそれぞれ用意した。そして、各種類ごとに２本ずつサンプルを作製し、ギャップ間を水で満たした状態で急冷して氷結させ、その後、解凍してから外筒電極の状態について評価を行った。

外筒電極は、以下の３つの条件に基づき組み合わせ、１２種類用意した。まず、スリットが形成される外筒電極の外周面上の母線数については、１本、２本（外筒電極の中心軸線と直交する断面から見て１８０度ごと）、３本（同様に１２０度ごと）、４本（同様に９０度ごと）のものを組み合わせた。次に、スリットの個々の幅（図５における幅Ｄに相当）は、１．０ｍｍのもの、２．５ｍｍのもの、５．０ｍｍのものを組み合わせた。そして、スリットの長さは、１２０ｍｍで２本が配置されたものとし、スリット同士の間に位置する補強部の長さは、１０ｍｍとした。また、比較例１として、外筒電極の先端から後端まで連なるスリット（開口幅２．５ｍｍ）を１本設けたものを用意し、比較例２として、外筒電極の全長よりも短い長さ（１２０ｍｍ）の２本のスリット（開口幅２．５ｍｍ）を、外筒電極の先端から連なる形で、かつ外筒電極の外周面上の異なる母線上に形成したものを用意した。なお、比較例２の２本のスリットの後端の位置は、外筒電極の軸線方向において同一の位置となるように調整した。

図６に示すように、スリットが形成される外筒電極の外周面上の母線数が１本である場合、スリットの幅が１．０ｍｍ（全周におけるスリットの幅の割合が１．１％）あるいは２．５ｍｍ（同２．７％）とした場合に、外筒電極に極僅かな変形が生じたり、スリットの縁部に一部変形が生じたりし、評価結果は「△」となった。同条件でスリットの幅を５．０ｍｍ（同５．３％）とした場合には、スリットの縁部に一部変形が生じ、評価結果は「○」となった。

また、スリットが形成される外筒電極の外周面上の母線数を２本とした場合、スリットの幅が１．０ｍｍ（全周におけるスリットの幅の割合が２．１％）とした場合に、外筒電極に極僅かな変形が生じたり、スリットの縁部に一部変形が生じたりし、評価結果は「△」となった。同条件でスリットの幅を２．５ｍｍ（同５．３％）あるいは５．０ｍｍ（同１０．６％）とした場合には、スリットの縁部に一部変形が生じ、評価結果は「○」となった。

さらに、スリットが形成される外筒電極の外周面上の母線数を３本とした場合、スリットの幅に関わらず、外筒電極の変形は生じず、問題は全くないとして、評価結果が「☆」となった。なお、本実施例では、スリットの幅が１．０ｍｍ、２．５ｍｍ、５．０ｍｍである場合に、全周におけるスリットの幅の割合がそれぞれ、３．２％、８．０％、１５．９％となった。また、スリットが形成される外筒電極の外周面上の母線数を４本とした場合も同様に、スリットの幅に関わらず問題は全く生じず、評価結果が「☆」となった。なお、本実施例では、スリットの幅が１．０ｍｍ、２．５ｍｍ、５．０ｍｍである場合に、全周におけるスリットの幅の割合がそれぞれ、４．２％、１０．６％、２１．２％となった。

一方、外筒電極の先端から後端まで連なるスリットを１本設けた比較例１、並びに外筒電極の先端から連なるスリット２本設けた比較例２については、共に外筒電極に大きな変形が生じ、評価結果が「×」となった。

上記評価試験の結果より、外筒電極１０の外周面上の母線に沿って、複数のスリットを形成しつつ、スリット同士の間に補強部を設けた構造では、スリットが形成される外筒電極の外周面上の母線数に関わらず、外筒電極に大きな変形が生じ、評価結果が「×」となるものはなかった。このことから、細長い外筒電極の外周面上の母線に沿って複数のスリットを形成しつつ、スリット同士の間に全周にわたりスリットが存在しない中間スリット非形成領域を設けた構造については、外筒電極と内部電極との間（ギャップ間）の液体が氷結する場合にも外筒電極の変形が大きく生じるのを防ぐことができる。従って、内部電極と外筒電極とのギャップ寸法が広がるのを有効に抑制することができ、ひいては上記ギャップ間の静電容量を長期に亘って高精度に測定することができる静電容量式液状態検知センサを提供することができる。

また、上記評価試験の結果より、外筒電極の外周におけるスリットの幅の割合が少なくとも３％以上であれば、スリットの縁部に多少の変形は認められるものの、外筒電極に変形は生じないことがわかった。なお、本実施例ではスリットの長さによる外筒電極の変形性の影響は無かったが、外筒電極の長さが本実施例で使用したもの（３００ｍｍ）より長いものを使用すれば、スリットの長さによる撓みの影響が生ずるため、スリットの分割数を増やし、補強部として機能する中間スリット非形成領域を設けることが望ましい。また、スリットが形成される外筒電極の外周面上の母線数を３本以上とすれば、外筒電極に対する変形の影響が生じないこともわかった。ここで母線数を３本とすると、外筒電極の中心軸線と直交する断面においてスリットの位置が外周の１２０度ごとに配置されるので配置バランスがよく、外筒電極の強度を良好に確保した形で、液体氷結時の体積膨張に伴い上昇する圧力を、周方向の方向性に依存されることなく効果的に外部へ逃すことが可能となる。

なお、本発明は各種の変形が可能なことはいうまでもない。例えば、本実施の形態では、内部電極２０を中実の円柱状の金属棒としたが、円柱状に限らず、角柱状であっても中空の円筒状や角筒状であってもよい。また、外筒電極１０は円筒状に限らず、角筒状であってもよい。

また、本実施の形態では、液体の状態を検知する対象の液体として尿素水を例に説明したが、これに限らず、導電性の液体であれば、内部電極２０の外周面上に絶縁膜２３を施すことで、液体の状態を検知することができる。また、非導電性の液体であれば、内部電極２０の外周面上には絶縁膜２３の形成を行わなくともよい。これは、空気の誘電率と、非導電性の液体の誘電率との間で差があるので、本実施の形態と同様に、外筒電極１０と内部電極２０との間の静電容量の測定を行えば、その静電容量に変化が生ずるからである。

また、検知される液体の状態とは水位（液位）に限らず、例えば液体の濃度、劣化度、異物の混入度などであってもよい。

さらに、本実施の形態では、外筒電極１０の３本の母線（図中一点鎖線Ａで示す。）に沿って、細幅のスリット１４，１５，１６をそれぞれ形成した構造を示したが、外筒電極への複数のスリットの配置位置はこれに限定されない。例えば、図７に示すように、外筒電極８０の軸線方向に沿って螺旋状に複数のスリット８５を設けても良い。なお、図７に示した外筒電極８０の先端部８１および後端部８２においても、上記実施の形態の外筒電極１０と同様に、それぞれの端面から連なり、且つスリットが存在しない筒状形態の先端側スリット非形成領域８３および後端側スリット非形成領域８４が設けられている。また、別の形態として、図８に示すように、外筒電極９０の軸線方向に沿って千鳥状に複数のスリット９５を設けても良い。なお、図８に示した外筒電極９０の先端部９１および後端部９２においても、上記実施の形態の外筒電極１０と同様に、それぞれの端面から連なり、且つスリットが存在しない筒状形態の先端側スリット非形成領域９３および後端側スリット非形成領域９４が設けられている。但し、図８，９に示した外筒電極８０，９０のいずれの形態においても、複数のスリット８５（９５）は、任意の２つを選択したときに、一方のスリット８５（９５）の開口先端が他方のスリット８５（９５）の開口先端よりも先端側に位置し、一方のスリット８５（９５）の開口後端が他方のスリット８５（９５）の開口後端よりも先端側に位置する関係を満たすように形成されるものである。

電位の異なる２部材間の静電容量を測定することで液体の状態を検知することができる静電容量式液状態検知センサに適用できる。

液体レベルセンサ１の縦断面図である。 外筒電極１０の斜視図である。 液体レベルセンサ１の先端部付近の分解斜視図である。 外筒電極１０と内部電極２０との間（ギャップ間）に満たされた尿素水の水面近傍の拡大断面図である。 外筒電極１０の中心軸線と直交する方向におけるスリット１４，１５，１６のいずれかの形成部位の断面図である。 スリットの幅や母線上における分割数と、外筒電極の強度との関係についての評価試験の結果を示す表である。 外筒電極１０とはスリットの配列（形成部位）が異なる形態の外筒電極８０の斜視図である。 外筒電極１０とはスリットの配列（形成部位）が異なる形態の外筒電極９０の斜視図である。

符号の説明

１ 液体レベルセンサ
１０，８０，９０ 外筒電極
１１，８１，９１ 先端部
１２，８２，９２ 後端部
１４，１５，１６，８５，９５ スリット
１７，１８ 中間スリット非形成領域
２０ 内部電極
２３ 絶縁膜
４０ 基部
７１ 先端側スリット非形成領域
７２ 後端側スリット非形成領域

Claims (10)

1. 導体からなる筒状の外筒電極と、前記外筒電極内で前記外筒電極の軸線方向に沿って設けられた導体からなる筒状または柱状の内部電極と、前記外筒電極および前記内部電極の後端側で、前記外筒電極と前記内部電極とを非接触の状態で支持する基部とを備える静電容量式液状態検知センサであって、
   前記外筒電極は、当該外筒電極の全長よりも短い長さで前記軸線方向に沿って開口するスリットを複数有し、
   複数の前記スリットは、第１スリットと、第２スリットとを含み、前記第１スリットの先端は前記第２スリットの先端よりも先端側に位置し、前記第１スリットの後端は前記第２スリットの後端よりも先端側に位置する関係を満たすことを特徴とする静電容量式液状態検知センサ。
2. 複数の前記スリットは、いずれの先端も前記外筒電極の先端より後端側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の静電容量式液状態検知センサ。
3. 複数の前記スリットは、いずれの後端も前記外筒電極の後端より先端側に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量式液状態検知センサ。
4. 前記外筒電極の外周面における少なくとも一の母線上に、複数の前記スリットが位置していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電容量式液状態検知センサ。
5. 前記外筒電極の外周面における複数の異なる母線上に、各々複数の前記スリットが位置していることを特徴とする請求項４に記載の静電容量式液状態検知センサ。
6. 前記第１スリットの後端は、前記第２スリットの先端よりも先端側に位置する関係を満たしており、前記外筒電極のうち、前記第１スリットの後端と前記第２スリットの先端との間には、全周にわたってスリットが存在しない中間スリット非形成領域が位置していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の静電容量式液状態検知センサ。
7. 前記スリットを少なくとも１つ以上含むようにして前記外筒電極の中心軸線に直交する断面をとったときに、前記スリットの開口幅の合計寸法は、前記外筒電極の外周に対して３％以上の大きさを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の静電容量式液状態検知センサ。
8. 前記内部電極の外周面上には絶縁膜が形成され、前記断面をとったときに、前記スリットの開口幅の合計寸法は、前記外筒電極の外周に対して１０％以下の大きさを有することを特徴とする請求項７に記載の静電容量式液状態検知センサ。
9. 前記内部電極の外周面上には絶縁膜が形成されており、前記スリットの前記軸線方向に直交する向きの開口幅は、いずれも５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の静電容量式液状態検知センサ。
10. 前記液体は尿素水であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の静電容量式液状態検知センサ。