JP2006038830A - 静電容量式液状態検知センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 内部電極の表面上に形成される絶縁膜の厚みの範囲を規定することで液体の状態の検知を精度よく行うことができる静電容量式液状態検知センサを提供する。
【解決手段】 液体レベルセンサ１で外筒電極１０と内部電極２０との間の静電容量を測定し、尿素水の水位を検知する際に、尿素水で満たされている部分で電位差の生じる部位の距離は、距離Ｂで示す絶縁膜２３の厚み分の距離となる。この絶縁膜２３の厚みを１５０μｍ以上とすれば、絶縁膜２３の形成時に途切れ等が生じず、絶縁不良の発生を防止することができる。また、静電容量の大きさが電位の異なる２点間の距離に反比例することから、絶縁膜２３の厚みを５００μｍ未満として厚みに制限を設けたことで、測定される静電容量は回路等から発生する浮遊容量と比べ十分大きく、ノイズとして浮遊容量が測定されてもセンサの検知精度には影響を及ぼさない。
【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」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（例えば特許文献１、２参照。）。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、ギャップの空気層および内部電極の絶縁膜の厚み（膜厚）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液体の水位を測定する場合において、ギャップの距離が一定であれば、水位と静電容量とが比例することとなる。すなわち、内部電極の外表面上に形成された絶縁膜の厚みが均一であればあるほど、センサの精度は高くなる。従来の静電容量式液状態検知センサでは、樹脂製のチューブで内部電極の外表面上を被覆して絶縁膜を形成することで、絶縁膜の厚みの均一性を図っている（例えば特許文献３参照。）。
特開平８−２９６９３２号公報 特開２００３−５７０９３号公報 特開平７−３１８３９５号公報

ところで、チューブを内部電極に被せる工程や内部電極と外筒電極とを同軸状に組み付ける工程においてチューブに破れが発生しないようにするためには、チューブの膜厚を厚くしてチューブ自体の強度を保つ必要がある。しかし、絶縁膜の厚みに依存する静電容量は、絶縁膜の膜厚が厚くなればなるほど小さくなってしまうため、厚手のチューブの被覆により絶縁膜を形成した内部電極を用いた場合、検知される静電容量の大きさの範囲が狭くなってしまう。このように検知される静電容量の範囲が狭い場合には、センサの検知精度を向上させるべく精度の高い電子部品を用いざるを得ず、検知回路を含めたセンサ全体が高価になってしまうという問題があった。さらに、検知可能な静電容量の大きさに対し、センサの配線パターンなど回路構造から発生する浮遊容量の大きさの割合が大きくなるのでノイズとして無視できなくなり、センサの検知精度が低下するという問題があった。

一方、検知される静電容量の大きさの範囲を広げるために、絶縁膜を薄く形成することが考えられるが、絶縁膜を薄くしてしまうと、製造過程の搬送時等に外部から絶縁膜に軽微な衝撃が掛かることで、絶縁膜が破れてしまい、適正な静電容量の測定、ひいては適正な液状態の検知が行えなくなるおそれがある。

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、内部電極の表面上に形成される絶縁膜の厚みの範囲を規定することで液体の状態の検知を精度よく行う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、本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を備えるとともに、液体収容容器内に収容された液体の状態を検知する静電容量式液状態検知センサであって、少なくとも前記内部電極の前記液体に接触する部分の外表面に、厚みが１００μｍ以上５００μｍ未満の絶縁膜を形成したことを特徴とする。

本発明の静電容量式液状態検知センサによれば、内部電極の液体に接触する部分の外表面に形成した絶縁膜の厚みを１００μｍ以上としたので、後述する実験結果からも裏付けられるように、絶縁膜が破れて内部電極の表面が露出するのを抑制することができる。従って、センサ組み付け時等に絶縁膜が破れたり傷付いたりするのを抑えられる。また、測定される静電容量の大きさは上記絶縁膜の厚みに依存するが、その厚みを５００μｍ未満として厚みに制限を設けたので、測定される静電容量の最大値を比較的大きく確保することができ、すなわち測定を行う静電容量の範囲（レンジ）が広くなり、分解能が高い（細かな静電容量の差を検知することができる）回路を利用せずとも比較的安価な回路構成で液位の検知が可能である。また、回路等に起因する浮遊容量に対して測定される静電容量の大きさを十分大きく確保することもでき、センサの検知精度の低下を防止することができる。なお、上記膜厚の範囲を有する絶縁膜は、チューブを用いて形成してもよいし、樹脂コーティングにより形成してもよいが、内部電極表面に対する密着性を高めた形で上記厚みの範囲を確保するには、樹脂コーティングにより絶縁膜を形成することが好ましい。

なお、内部電極の外表面に形成する絶縁膜の厚みとしては、１５０μｍ以上５００μｍ未満とすることが好ましい。この絶縁膜の厚みを１５０μｍ以上とすることで、後述する実験結果からも裏付けられるように、絶縁膜が破れて内部電極の表面が露出するのを効果的に防止することができる。従って、センサ組み付け時等に絶縁膜が破れたり傷付いたりするのを有効に抑えられ、歩留まりを１００％に近づけることができる。

さらに、上記の静電容量式液状態検知センサであって、前記内部電極は円筒形状または円柱形状をなしており、その軸線と直交する断面において、前記内部電極の外表面上に形成された絶縁膜の最も厚い部位における厚みと、最も薄い部位における厚みとの差が３００μｍ以下であると良い。

本発明の静電容量式液状態検知センサでは、内部電極の軸線と直交する断面における絶縁膜の最も厚い部位の厚みと、最も薄い部位の厚みとの差が３００μｍ以下となるようにしたので、絶縁膜形成後の内部電極の真円度が高く保たれ、センサの検知精度を良好に得ることができる。また、絶縁膜形成後の内部電極の真円度を高く保てることから、内部電極を含めたセンサの組み付け精度についても高めることができる。なお、上記絶縁膜の最も厚い部位の厚みと最も薄い部位の厚みとの差は、２００μｍ以下とすることが好ましい。

さらに、上記いずれかに記載の静電容量式液状態検知センサであって、前記外筒電極の外表面に、前記軸線方向に沿って延びるスリットが少なくとも１つ以上形成されていると良い。

本発明の静電容量式液状態検知センサでは、外筒電極に、軸線方向に延びるスリットを少なくとも１つ以上形成したことにより、外筒電極と内部電極との間（ギャップ間）に入り込む液体と外筒電極の外部の液体との循環作用が円滑に確保されることになる。これにより、ギャップ間に存在する液体に異物が混入した場合にも、スリットを通してその異物を外部に排出することができ、絶縁膜に異物が付着することを抑制することができる。また、ギャップ間に存在する液体が急冷されて氷結したとしても、液体氷結時の体積膨張に伴い上昇する圧力を、スリットを介して外筒電極の外部に逃がすことができ、氷結による外筒電極の変形を抑制することができる。なお、軸線方向に沿って長細いスリットを外筒電極に形成することにより、外筒電極自身の強度を良好に保つことができる。

また、上記の静電容量式液状態検知センサであって、前記スリットは、前記外筒電極の中心軸線と直交する断面において、該外筒電極の外表面における周上の３％以上１０％以下の部位に形成されていると良い。

本発明の静電容量式液状態検知センサでは、外筒電極の中心軸線と直交する断面において、外筒電極の外表面における周上の３％以上の部位にスリットが形成されているので、外筒電極と内部電極との間に形成される間隙に存在する液体氷結時の体積膨張に伴い上昇する圧力を、外部に有効に逃がすことができる。また、外筒電極の中心軸線と直交する断面において、スリットの形成部位（開口幅）は、外筒電極の外表面における周上の１０％以下の部位であるので、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行うことができる。

さらに、上記いずれかに記載の静電容量式液状態検知センサであって、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、５ｍｍ以下に設定されていると良い。

本発明の静電容量式液状態検知センサでは、スリットの軸線方向に直交する向きの開口幅を５ｍｍ以下に設定しているので、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、絶縁膜の保護をより有効に行うことができる。

さらに、上記いずれかに記載の静電容量式液状態検知センサであって、前記内部電極の後端側周囲を取り囲む絶縁支持部材と、前記絶縁支持部材の内面と前記内部電極の外表面との間に配置され、前記液体が該内面と該外表面との間を通って前記内部電極の後端側から流出するのを防止する水密部材とを備え、前記液体は導電性を有しており、前記絶縁膜は、前記内部電極の外表面のうち、先端から少なくとも前記水密部材と前記内部電極との接触部まで形成されていると良い。

ところで、外筒電極と内部電極とを有する静電容量式液状態検知センサにおいては、内部電極の外表面と、この内部電極の後端側周囲を取り囲む絶縁支持部材の内面との間に水密部材を配置し、液体収容容器に収容された液体が内部電極の外表面と絶縁支持部材の内面との間を通って内部電極の後端側から流出するのを防止することが考えられる。しかし、液体が尿素水のように導電性を示す場合、内部電極のうち絶縁支持部材の先端から突出する外表面に上記絶縁膜を形成するだけでは、液体収容容器に導電性を示す液体が満たされてその液体が絶縁支持部材の内面と内部電極の外表面との間に入り込むことがあると、外筒電極と内部電極との間でショートが生じ、液状態を正常に検知できないおそれがある。これに対して、本発明の静電容量式液状態検知センサでは、厚みの範囲を規定した上記絶縁膜を、内部電極の外表面のうち、先端から少なくとも水密部材と内部電極との接触部まで形成するようにしている。これにより、絶縁支持部材の内面と内部電極の外表面との間に導電性の液体が入り込んだとしても、外筒電極と内部電極との間でショートが発生するのを防止することができ、液体の状態の検知を精度良く行うことができる。

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。

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、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、外筒電極１０の先端部１１（外筒電極１０の基部４０とは反対側の端部）に係合するゴム製のブッシュ３０が設けられている。このブッシュ３０は円筒形状の胴部３２を有し、その一端側に、外筒電極１０に係合された際に外筒電極１０の内部への落ち込みを防止する鍔部３４が形成されている。また胴部３２には突起部３５が突設されており、外筒電極１０の先端部１１に開口された開口部１３に係合することでブッシュ３０の抜けを防止し、鍔部３４とともにブッシュ３０の位置決めを行う。胴部３２の内周には、軸線方向に延びる複数のリブ３６が列設されており、内部電極２０の先端部２１がこのリブ３６によって位置決め保持されることで、内部電極２０と外筒電極１０との接触が防止される。そして、ブッシュ３０の鍔部３４側の端面には胴部３２の内周側に接続する孔３３が開口されており、リブ３６により内部電極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、外筒電極１０の外周上で、開口部１３の形成された位置と同一の母線上には複数の細幅のスリット１４が、外筒電極１０の先端部１１から基端部１２（外筒電極１０の基部４０側の端部）に向かう一本の母線上に沿って断続的に形成されている。このスリット１４と開口部１３とは、外筒電極１０の外表面上で周方向に等間隔となる３本の母線上に３組、それぞれ形成されている。このスリット１４を介し、タンクに収容された尿素水が、上記ギャップと外筒電極１０の外部との間で円滑に流動することができる。また、外筒電極１０の基端部１２には、スリット１４が形成された各母線とは異なる母線上に、一つの空気抜き孔１９が形成されている。

次に、外筒電極１０は、基端部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が開口されており、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の外周表面上には、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＥＴＦＥ等のフッ素系樹脂からなる絶縁膜２３（図３参照）が形成されている。この絶縁膜２３は、フッ素系樹脂をディッピングや静電粉体塗装により内部電極２０の外表面上に塗布し、熱処理することにより樹脂コーティング層の形態で形成される。また、基端部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の基端部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。なお、インナーケース５０が、特許請求の範囲における「絶縁支持部材」に相当する。

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の基端部２２の外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。なお、第２Ｏリング５４が、特許請求の範囲における「水密部材」に相当する。

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。

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２を参照して説明する。図２は、外筒電極１０と内部電極２０との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が、その軸線方向を尿素水の水位の高低方向に沿うように組み付けられる。そして、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知することができる。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２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で電位差の生じる部位の距離は、距離Ａ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Ｂ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Ｂ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の全体として検知される静電容量は、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の外表面上に形成された絶縁膜２３の厚みが薄いほど、大きな静電容量を得ることができる。しかし、フッ素系樹脂からなる絶縁膜２３は衝撃等を受けると傷付きやすいため、本実施の形態では、絶縁膜２３の厚みを１００μｍ以上（より好ましくは１５０μｍ以上）として規定している。これにより絶縁膜２３の耐破損性が高くなり、絶縁膜２３の表面に衝撃等を受け傷付いた場合でも、絶縁膜２３が破れ内部電極２０の表面が露出することを避け、内部電極２０の絶縁性が損なわれることを防止することができる。

また、前述したように絶縁膜２３の形成は、フッ素系樹脂のディッピングや静電粉体塗装により内部電極２０の外表面上に塗布し、熱処理することにより行われる。こうした絶縁膜２３の形成の一度の工程において、形成される絶縁膜２３の厚みは、通常、５０μｍ程度となる。そこで、形成された絶縁膜２３の表面上にさらに、絶縁膜２３を形成し、すなわち、内部電極２０の表面上に複数回、重ねて絶縁膜２３を形成する工程を行う。すると、一回の工程で形成される絶縁膜２３に途切れが発生したとしても、重ねて膜形成が行われるためその途切れが埋められることとなる。絶縁膜２３の厚みが上記１００μｍ以上（より好ましくは１５０μｍ以上）であれば、少なくとも２回以上の絶縁膜形成の工程が行われるため、絶縁膜に途切れが偶発的に生じて意図しない絶縁不良が発生することを防止することができる。

さらに、本実施の形態では、絶縁膜２３の厚みを５００μｍ未満として規定した。このように絶縁膜２３の厚みを上記５００μｍ未満とすれば、測定される静電容量の大きさに対して浮遊容量の大きさが十分小さくなり、ノイズとして無視することができるためセンサの検知精度を低下させることはない。

また、本実施の形態では、上記厚みの範囲を規定した絶縁膜２３が、内部電極２０の外表面のうち、少なくとも先端から第２リング５４と内部電極２０との接触部まで連続形成されている。これにより、タンクに導電性を示す尿素水が満たされ、インナーケース５０の内面と内部電極２０の外表面との間に尿素水が入り込んだとしても、外筒電極１０と内部電極２０との間でショートが発生するのを防止することができ、ひいては尿素水の水位をより精度良く検知することができる。

ところで、上記したように、絶縁膜２３の形成の一度の工程で形成される絶縁膜２３の厚みが５０μｍ程度であることから、絶縁膜２３の厚みを上記５００μｍに近づけると、絶縁膜の形成を行う工程の繰り返し回数が増えることとなる。こうした場合、フッ素系樹脂の硬化時に、フッ素系樹脂の自重により形成される絶縁膜２３の厚みに厚い部分や薄い部分などの偏りを生ずることがある。また、絶縁膜の形成工程の条件によって、上記偏りを生ずることもある。そこで、本実施の形態では、図３に示すように、内部電極２０の中心軸線と直交する断面において、絶縁膜２３の最も厚い部分の厚み（図中距離Ｃで示す）と、最も薄い部分の厚み（図中距離Ｄで示す）との差（以下、「真円度（単位はｍｍ）」という。）が０．３ｍｍ（３００μｍ）以下となるように規定している。すなわち、真円度が０ｍｍであれば、その断面における絶縁膜２３の外周が真円を形成していることを示す。内部電極２０を電極支持部４１にて指示するインナーケース５０の内周は略真円に形成されており、内部電極２０の上記断面が真円に近いほど内部電極２０を含めたセンサの組み付け精度を良好なものとし、またＯリング５４による気密性を高めることができる。従って、真円度を０．３ｍｍ（３００μｍ）以下として真円に近い状態となるように規定することが、センサの組み付け精度、さらにはセンサの検知精度を高めるうえで望ましい。

このように厚みが薄くなるように形成される絶縁膜２３は、センサ使用時においても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との間に入り込み難いように、外筒電極１０に形成したスリット１４の幅（開口幅）に制限を設けている。以下、図４を参照して、スリット１４の幅について説明する。図４は、外筒電極１０の中心軸線と直交する断面におけるスリット１４の形成部位を示す断面図である。

図４に示すように、外筒電極１０には、外表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がそれぞれ形成されている。図４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の幅を、幅Ｅ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が形成されていない部分の幅を、幅Ｆとして示している。すなわち、全ての幅Ｅと全ての幅Ｆ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の幅Ｅの合計を、外筒電極１０の外周の長さ（幅Ｅと幅Ｆ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の幅Ｅ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を通過する場合がある。しかし、この幅のスリット１４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の幅を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、スリット１４を介して外筒電極１０の内部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行うことができる。

また、本実施の形態の液体レベルセンサ１のスリット１４は、例えば寒冷地などにおける使用の際に、ギャップ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、ギャップに存在する尿素水が、外筒電極１０の先端部１１側と基端部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の幅Ｅの合計が、外筒電極１０の外周の長さ（幅Ｅと幅Ｆの合計）の３％以上であることが望ましい。

このように、本実施の形態の液体レベルセンサ１では、絶縁膜２３の厚みを薄くできるようにするため、薄くした場合に起こりうる弊害（固形物の衝突による破損）を防止できるような工夫がなされている。そして、上記のように薄い絶縁膜２３を形成する際に絶縁膜２３の厚みを規定することで、絶縁不良を防止し、検知精度のよい液体レベルセンサ１を実現している。そこで、上記したように絶縁膜の厚みを規定することによって得られる効果を確認するため、以下に示す、４つの評価試験を行った。

［実施例１］
まず、絶縁膜の厚み（膜厚）よる絶縁性の有無について評価試験を行った。この評価試験を行うにあたって設定した条件は以下の通りである。内部電極には、全長４９３．５ｍｍ、外径Φ１０ｍｍ、肉厚１．５ｍｍの円筒状の金属筒を用い、その材料としてＳＵＳ３０４を用いた。そして、内部電極の外表面上で、長さ４８５．５ｍｍにわたってＰＦＡによるコーティングを施し、絶縁膜を形成した。このコーティングは静電粉体塗装によって行い、塗装、乾燥、熱による固着、冷却を１サイクルとした。このとき、形成する絶縁膜の１００μｍ未満の厚みの調整は塗装時間によって行い、１００μｍ以上の厚みの調整はサイクル数の変更によって行った。

そして、絶縁膜の厚みがそれぞれ５０，７５，１００，１２５，１５０，２００μｍのサンプルを各２０本ずつ作製し、全てのサンプルに対し、絶縁試験を行った。内部電極の内周と、絶縁膜上に載置した電極との間に電圧（１０００Ｖ）を印加し、絶縁膜上を導電性液体で湿らせた脱脂綿等を走らせ、このとき絶縁性が保たれているかを確認した。そして、絶縁不良が１０％未満の範囲内でしか発生しなかった（換言すれば、９０％を超える合格率を示した）サンプルを合格とし、絶縁膜の厚みの異なるものごとに、２０本のサンプル中の合格したサンプルの割合を合格率として絶縁膜の厚みと比較した。

図５に示すように、絶縁膜の厚みを５０，７５μｍとした場合の合格率はそれぞれ７５，９０％であった。また、絶縁膜の厚みを１００μｍとした場合の合格率は、９５％であり、さらに絶縁膜の厚みを１２５，１５０，２００μｍとした場合の合格率は、いずれも１００％であった。この結果、絶縁膜の厚みが１００μｍ以上であれば、絶縁不良が生じるセンサが生産されにくくなり、この絶縁膜の１２５μｍ以上であれば、製造されるセンサにおいて絶縁性は失われないことがわかった。絶縁不良は主に、絶縁膜を形成する際に発生した絶縁膜の途切れによるものであり、絶縁膜の厚みを厚くするほど途切れの発生率が下がることがわかる。また、ＰＦＡのコーティングのサイクル数が増えれば、例えば初回のサイクルで途切れが生じたとしても、次のサイクルでその途切れが埋められると絶縁性が保たれる。こうしたことから、絶縁膜の厚みを１００μｍ以上、より好ましくは１２５μｍ以上に形成するとよいことがわかった。

［実施例２］
次に、絶縁膜の厚みによる傷付きに起因した絶縁性の有無について評価試験を行った。この評価試験で使用した内部電極は実施例１と同じものであり、絶縁膜の厚みをそれぞれ５０，７５，１００，１２５，１５０，２００μｍとして形成したサンプルのうち、実施例１と同様の試験を行って合格とされたものを、各厚みにつき２０本ずつサンプルとして用いた。そして、全てのサンプルに対し、衝突試験を行った。すなわち、試験台上にＳＵＳ３０３の塊を載置して、サンプルを垂直に立てた状態で保持し、ＳＵＳ３０３に向けて倒し込む。このときの倒し込みは自然落下により行い、垂直に立てたサンプルの上端より全長の１／３の位置をＳＵＳ３０３に衝突させた。これをサンプル１本当たり３回繰り返して行った。そして、実施例１と同様の絶縁試験を行い、厚みごとに２０本のサンプル中、絶縁不良となり不合格（不良）となったサンプルの割合を求め、不良率を調べた。

図６に示すように、絶縁膜の厚みを５０，７５，１００，１２５μｍとした場合の不良率はそれぞれ９０，４０％であった。また、絶縁膜の厚みを１００,１２５μｍとした場合の不良率は２０,１０％であり、絶縁膜の厚みを１５０，２００μｍとした場合の不良率は、いずれも０％であった。この結果、絶縁膜の厚みが１００μｍ以上であれば、最低限度の不良率で留められることが分かり、絶縁膜の厚みが１５０μｍ以上であれば、絶縁膜に衝撃が加わり傷付くことがあっても内部電極の表面は露出せず、絶縁性が保たれることがわかった。

［実施例３］
次に、絶縁膜の厚みによる静電容量の大きさについて評価試験を行った。この評価試験で使用した内部電極は実施例１と同じものであり、絶縁膜の厚みをそれぞれ１００，２００，３００，３５０，４５０，５００，６００，７００μｍとして形成したサンプルのうち、実施例１と同様の試験を行って合格とされたものを用意した。そして、これらの内部電極を使用して上述した実施の形態と略同等の静電容量式液状態検知センサを作製（なお、外筒電極には、外径Φ３０ｍｍ、肉厚１．０ｍｍの円筒状の金属筒を使用）し、尿素水を満杯まで満たしたタンクに取り付け静電容量の測定を行った。

図７に示すように、絶縁膜の厚みが１００，２００，３００，３５０，４５０，５００，６００，７００μｍである場合の外筒電極と内部電極との間の静電容量は、それぞれ、１５００，８００，５００，３８０，２１０，１３０，７０，５０ｐＦとなった。尿素水が満杯のときに測定される静電容量は、その液状態検知センサで測定しうる静電容量の最大値である。この測定しうる静電容量の最大値が大きいほど、０から最大値間の静電容量を細かく測定できなくとも十分に各水位を測定することができる。すなわち、静電容量に基づき水位を検知するための回路として、いわゆる分解能が低い安価な回路を用いることができる。この評価試験の結果より、絶縁膜の厚みが５００μｍ未満であれば、静電容量の最大値が１３０ｐＦより大きい値であるセンサに対し分解能を有する安価な回路を用いることができることがわかった。

［実施例４］
次に、絶縁膜の厚みによる内部電極の真円度について評価試験を行った。この評価試験で使用した内部電極は実施例１と同じものであり、絶縁膜の厚みをそれぞれ１００，２００，３００，３５０，４５０，５００，５５０，７００μｍとして形成したサンプルのそれぞれの真円度を測定した。

図８に示すように、絶縁膜の厚みを１００，２００，３００，３５０，４５０，５００，５５０，７００μｍに形成した場合の内部電極の真円度は、それぞれ、０．１０，０．１０，０．１０，０．１１，０．１５，０．２０，０．２８，０．６０ｍｍであった。この評価試験の結果から、絶縁膜の厚みを５００μｍ未満とした場合、真円度を０．３ｍｍ（３００μｍ）未満とすることができ、センサの組み付け精度を良好に得ることができた。なお、本実施例４の評価結果では、絶縁膜の厚みを５００μｍ未満とした場合、真円度が３００μｍ未満となったが、絶縁膜の形成時の条件（具体的には、静電粉体塗装時の条件）によっては、絶縁膜の厚みが例えば４５０μｍであっても、真円度が０．１５ｍｍよりも大きい値を示す場合があるが、この真円度は、絶縁膜の厚みが１００μｍ以上５００μｍ未満の範囲であれば、３００μｍ以下まではセンサの組み付け精度等の観点より許容されるものである。

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、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。

また、内部電極２０に形成した絶縁膜２３は、本実施の形態ではフッ素系樹脂としたが、状態を検知する液体の特性（例えば、酸化・還元性など）にあわせて腐食されにくい材質のものを選択するとよい。なお、絶縁膜の形成をディッピングや静電粉体塗装により行ったが、内部電極との間で空気層の混入が全くない状態となるようにすれば、絶縁チューブを用いて絶縁膜の形成を行ってもよい。しかし、内部電極の表面との密着性を考慮すると、本実施の形態のように樹脂コーティングによって形成することが望ましい。

また、本実施の形態では、外筒電極１０の外表面上で３本の異なる母線上にスリット１４を形成したが、スリット１４を形成する母線は３本とは限らず、１本でも２本でも、あるいは４本以上であってもよい。また、一の母線上において、スリット１４は断続的に形成されているが、連続した一つのスリットとして形成されていてもよい。さらに、外筒電極１０の軸線方向に沿って複数のスリットを形成する場合には、一の母線上に断続的に形成する必要はなく、例えばらせん状や千鳥状に複数のスリットを軸線方向に沿って形成してもよい。

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と内部電極２０との間に満たされた尿素水の水面近傍の拡大断面図である。 内部電極２０の中心軸線と直交する断面図である。 外筒電極１０の中心軸線と直交する断面におけるスリット１４の形成部位を示す断面図である。 絶縁膜の厚みよる絶縁性の有無についての評価試験の結果を示すグラフである。 絶縁膜の厚みによる傷付きに起因した絶縁性の有無についての評価試験の結果を示すグラフである。 絶縁膜の厚みによる静電容量の大きさについての評価試験の結果を示すグラフである。 絶縁膜の厚みによる内部電極の真円度についての評価試験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 液体レベルセンサ（液状態検知センサ）
１０ 外筒電極
１４ スリット
２０ 内部電極
２３ 絶縁膜
４０ 基部
５０ インナーケース（絶縁支持部材）
５４ 第２Ｏリング（水密部材）

Claims (8)

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を備えるとともに、液体収容容器内に収容された液体の状態を検知する静電容量式液状態検知センサであって、
   少なくとも前記内部電極の前記液体の接触する部分の外表面に、厚みが１００μｍ以上５００μｍ未満の絶縁膜を形成したことを特徴とする静電容量式液状態検知センサ。
2. 前記絶縁膜の厚みが、１５０μｍ以上５００μｍ未満であ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. 前記内部電極は円筒形状または円柱形状をなしており、その軸線と直交する断面において、前記内部電極の外表面上に形成された絶縁膜の最も厚い部位における厚みと、最も薄い部位における厚みとの差が３００μｍ以下であ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. 前記外筒電極に、前記軸線方向に沿って延びるスリットが少なくとも１つ以上形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の静電容量式液状態検知センサ。
5. 前記スリットは、前記外筒電極の中心軸線と直交する断面において、該外筒電極の外表面における周上の３％以上１０％以下の部位に形成され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. 前記スリットの前記軸線方向に直交する向きの開口幅は、５ｍｍ以下に設定されていることを特徴とする請求項４または５に記載の静電容量式液状態検知センサ。
7. 前記内部電極の後端側周囲を取り囲む絶縁支持部材と、前記絶縁支持部材の内面と前記内部電極の外表面との間に配置され、前記液体が該内面と該外表面との間を通って前記内部電極の後端側から流出するのを防止する水密部材とを備え、前記液体は導電性を有しており、前記絶縁膜は、前記内部電極の外表面のうち、先端から少なくとも前記水密部材と前記内部電極との接触部まで形成されている請求項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. 前記液体は尿素水であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の静電容量式液状態検知センサ。