JP2007047006A - 静電容量式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 検知対象物の容量が少ない場合における検知対象物の状態の検知感度を向上することができる静電容量式センサを提供する。
【解決手段】 厚さＥが３００μｍの絶縁被膜２３を被覆した円柱状の内部電極２０と筒状の外筒電極１０との間に満たされる尿素水の水位に応じ、センサ部１の全体の静電容量は変動する。尿素水の水位が低いと測定される静電容量も小さくなるが、内部電極２０の先端から距離Ｘの範囲内であるＡ部において、絶縁被膜２３の厚さＤを１００μｍに形成した。これにより、尿素水の水位がＡ部にあるときには、測定される静電容量が増加する。すると、尿素濃度測定時には、濃度に応じて得られる静電容量の変化度合いが大きくなるため、ノイズや配線容量の影響などにより生ずる誤差の影響を相対的に低減させることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電極間の静電容量を測定することで検知対象物収容容器内に収容される検知対象物の状態を検知する静電容量式センサに関するものである。

従来、液体や粉体などの検知対象物の状態を検知するセンサの一例として、例えば液体の水位（液位）を測定するための液位センサが知られており、その一例としての静電容量型液量計は、例えば自動車の燃料などの残量の測定に用いられる（例えば、特許文献１参照。）。この静電容量型液量計は、導体からなる細長い筒状の電極（外筒電極）と、その筒内にて軸線方向に沿って設けられた筒状の電極（内部電極）との間（以下、「ギャップ間」という。）の静電容量を測定するものである。外筒電極の軸線方向が液位の上下方向となるように、静電容量型液量計は液体を収容するタンクに設けられる。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の誘電率に依存し、液体に浸漬した部分の静電容量がギャップ間に満たされた液体の誘電率に依存することから、液位が高くなるに従って測定される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、液位を検知することができる。

近年、例えばディーゼル自動車から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を無害なガスに還元するためにＮＯｘ選択還元（ＳＣＲ）触媒を用いる場合があるが、その還元剤として尿素水が用いられる。この尿素水のように導電性を示す液体の液位を測定する場合、上記液位センサの外筒電極と内部電極との間でのショートの防止のために、内部電極の外表面上には誘電体からなる絶縁被膜をコーティングしたものが用いられる。

このような液位センサにおいて、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の静電容量と内部電極の絶縁被膜の静電容量との合成容量となる。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略同電位となるため、絶縁被膜の静電容量となる。そして両者の静電容量の合計が、センサ全体の静電容量として測定される。空気層の厚みにくらべ絶縁被膜の厚みは十分に小さいので、液体に浸漬していない部分の減少に伴う静電容量の変化量は、浸漬している部分の増加に伴う静電容量の変化量と比べ十分に小さい。このため、センサ全体の静電容量は液体に浸漬している部分の静電容量の増減にほぼ正比例することとなり、測定される静電容量の大小から液位を検知することができる。

一方、液体や粉体などの検知対象物の状態を検知するセンサの他の例として、液体に含まれる特定成分の濃度を検出する液体濃度センサが知られている（例えば、特許文献２参照。）。この液体濃度センサは、電極間に電圧を印加した際に測定される静電容量が、電極間に満たされた液体の濃度の大小に応じて変化することから液体の濃度を検知するものである。
特開平９−１５２３６８号公報 特開平１１−３５２０８９号公報

ところで、収容容器に収容される液体は消費などにより容量（すなわち、液位）が低下するため、上述した静電容量方式のセンサを液位が低下する使用環境下に取り付けた場合、液体に浸漬する電極間部分が液位の低下に伴い少なくなる。そして、液体に浸漬する電極間部分が少なくなるに従い、測定される静電容量自体が小さくなる。しかし、液位が低下した状況下（すなわち、液体に浸漬する電極間部分が少なくなっている状況下）で液体の状態（更なる液位の変化や、液体の濃度）を上述した従来のセンサを使って検出する場合、測定される静電容量自体が小さいが故にノイズや配線容量（浮遊容量）の影響を受けやすくなるため、精度よく液体の状態を検知することができない虞があった。つまり、従来の静電容量方式のセンサでは、液体の容量が低下した状況では静電容量変化に応じた適切な液体の状態検知ができない虞があった。

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、検知対象物の容量が少ない場合における検知対象物の状態の検知感度を向上することができる静電容量式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センサは、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筒状または柱状の内部電極とを備え、検知対象物が収容される検知対象物収容容器の底壁側に、前記外筒電極および前記内部電極の一端側を向けた状態で、前記検知対象物収容容器内に前記外筒電極および前記内部電極を配置させ、前記外筒電極と前記内部電極との間の静電容量を測定することで前記検知対象物の状態を検知する静電容量式センサであって、前記内部電極の前記一端より前記軸線方向に沿って他端側に向けた所定範囲内の位置に、前記検知対象物の状態変化に応じた前記静電容量の変化度合いを高める静電容量増加手段を備えている。

また、請求項２に係る発明の静電容量式センサは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記検知対象物は導電性を有すると共に、前記内部電極の外面には絶縁被膜が被覆されており、前記静電容量増加手段として、前記内部電極の前記所定範囲内の位置における前記絶縁被膜の厚みを、前記所定範囲外の位置における前記絶縁被膜の厚みよりも薄く構成している。

また、請求項３に係る発明の静電容量式センサは、請求項１または２に記載の発明の構成に加え、前記検知対象物は導電性を有すると共に、前記内部電極の外面には絶縁被膜が被覆されており、前記静電容量増加手段として、前記所定範囲内の位置における前記絶縁被膜に、前記所定範囲外の位置における前記絶縁被膜よりも誘電率の高い絶縁被膜を用いたことを特徴とする。

請求項１に係る発明の静電容量式センサでは、検知対象物収容容器内に収容される検知対象物の状態変化に応じて外筒電極と内部電極との間で測定される静電容量が増減するが、内部電極の一端より所定範囲内の位置に備えた静電容量増加手段によって、測定される静電容量の変化度合いを増加させることができる。ここで、検知対象物の状態変化とは、検知対象物収容容器内における検知対象物の容量の変化、濃度の変化など、その変化に応じ、測定される静電容量に増減が生ずる状態変化を意味する。そして、本発明では、検知対象物収容容器の底壁側を向く内部電極の一端から、他端側に向けた所定範囲内の位置に静電容量増加手段を設けたことから、検知対象物の容量が消費などにより内部電極の他端側から一端側に向けて低下を生じ、上記所定範囲内にまで低下した場合にも、上記所定範囲内の位置の電極間にて測定される静電容量自体が大きく低下することを抑制することができる。これにより、液体が上記所定範囲内に低下した状況下における液体の状態変化に応じた静電容量の変化度合いが従来に比して大きくなると共に、測定される静電容量に対するノイズや配線容量等の影響を相対的に低減させることができる。つまり、本発明の静電容量式センサによれば、低容量下での検知対象物の状態検知感度が高く、適切な検知を行える。なお、検知対象物としては、液体や粉体を挙げることができる。

また、請求項２に係る発明の静電容量式センサは、検知対象物として、導電性を有するものを対象にしているため、内部電極の外面には外筒電極との短絡を防ぐために絶縁被膜が被覆されている。導電性の検知対象物に曝されている電極間部分の静電容量は絶縁被膜を誘電体とするコンデンサの静電容量となり、絶縁被膜の厚みに依存して薄いほど大きくなる。検知対象物の容量が低下していくと、やがて外筒電極と内部電極との間で所定範囲内の位置のみにて検知対象物が介在することとなるが、本発明では所定範囲内の位置における絶縁被膜の厚みが所定範囲外の位置よりも薄く構成されているため、測定される静電容量は絶縁被膜の厚みを変化させない場合に比して大きくなる。これにより、検知対象物の状態変化に応じた静電容量の変化度合いが大きくなると共に、ノイズや配線容量の影響などを相対的に低減させることができ、低容量下での検知対象物の状態検知感度を高くすることができる。

こうしたことは、請求項３に係る発明の静電容量式センサのように、所定範囲内の位置における絶縁被膜に所定範囲外の位置の絶縁被膜よりも誘電率の高い絶縁被膜を用いた場合でも同様に、測定される静電容量を、絶縁被膜の誘電率を変化させない場合に比して大きくすることができるので、上記同様の効果を得ることができる。

以下、本発明を具体化した静電容量式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２を参照し、一例としての静電容量式センサ１００について説明する。図１は、静電容量式センサ１００の概略の構成を示すブロック図である。図２は、静電容量式センサ１００の縦断面図である。

図１に示すように、本実施の形態の静電容量式センサ１００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の状態、つまりは尿素水の水位や尿素水中の尿素濃度を検知するための装置である。静電容量式センサ１００は、マイクロコンピュータ１３０と、電圧出力部１１０と、センサ部１とから構成されている。

センサ部１は、一対の電極（後述する外筒電極１０および内部電極２０）を有し、検知対象物としての尿素水９１を収容した検知対象物収容容器としてのタンク９０に取り付けられる。このセンサ部１には、センサ部１の一対の電極間に印加する交流電圧を出力する電圧出力部１１０が接続されている。電圧出力部１１０はマイクロコンピュータ１３０に接続され、マイクロコンピュータ１３０から指定された周波数の交流電圧をセンサ部１に印加する。本実施の形態では、電圧出力部１１０は、低周波数（１００ｋＨｚ）および高周波数（１０ＭＨｚ）の２種類の交流電圧を出力可能に構成されている。

また、センサ部１は、一対の電極間を通過する電流値を電圧値に変換するための電流電圧変換部１２０に電気的に接続され、その出力がマイクロコンピュータ１３０に入力される。マイクロコンピュータ１３０は図示外のＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を内蔵し、予め記憶されたプログラムに基づき各種演算処理を実行することにより、尿素水９１に含まれる尿素濃度および尿素水９１の水位を検知し、図示外の外部回路（例えば、ＥＣＵ）に出力する。

次に、センサ部１の詳細について図２を参照して説明する。図２に示すように、センサ部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Ｏ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、軸線Ｏ方向に延びる長細い円筒形状に形成され、本実施の形態では内径約２８ｍｍ、全長約６２０ｍｍの大きさとなっている。外筒電極１０の先端部１１（図２における下部）は開放され、この先端部１１の開口よりタンク９０（図１参照）内の尿素水９１が外筒電極１０内に流入出できるようになっている。また、外筒電極１０の外周上にて周方向に等間隔となる３本の母線上には、各母線に沿ってそれぞれ複数のスリット（図示外）が断続的に開口されている。さらに、外筒電極１０の基端部１２（図２における上部）には、スリットが形成された各母線とは異なる母線上に、一つの空気抜孔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の外周に溶接されている。基部４０はタンク９０にセンサ部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、センサ部１と電気的に接続される回路基板６０などを収容する収容部４３が形成されている。この基部４０を介し、外筒電極１０は接地されている。

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、その回路上には電圧出力部１１０、電流電圧変換部１２０、マイクロコンピュータ１３０（図１参照）が実装されている。これら電子機器を実装した回路基板６０と外部装置との接続は、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の基端部２２が挿通される。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、外径約１０ｍｍで、外筒電極１０の全長よりもやや長く形成されている。内部電極２０の先端部２１側（図２における下側であり、センサ部１の先端側）の端部はＲ状に面取りされている。この内部電極２０の外周面上には、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＥＴＦＥ等のフッ素系樹脂やエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂などからなる絶縁被膜２３（図３参照）が形成されている。本実施の形態では、絶縁被膜２３は、ＰＦＡ（比誘電率は約２．１）をディッピングもしくは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したものである。

本実施の形態では、内部電極２０の先端から所定の距離Ｘ（例えば、全長約６２０ｍｍの内部電極２０の先端から約２０ｍｍ）までの部位（Ａ部とする。）において、内部電極２０に被覆された絶縁被膜２３は、その厚さＤが１００μｍに形成されている。また、Ａ部を除く部位（Ｂ部とする。）において、内部電極２０に被覆された絶縁被膜２３は、その厚さＥが３００μｍに形成されている。なお、Ａ部が、本発明における「所定範囲内」に相当し、Ｂ部が、本発明における「所定範囲外」に相当する。

また、内部電極２０の基端部２２側（図２における上側）には、内部電極２０を基部４０に固定するためのパイプガイド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。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。また、内部電極２０は、収容部４３側からインナーケース５０の内側に挿通されるが、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からの脱落が防止される。

さらに、インナーケース５０の外周と内周とには、それぞれ、Ｏリング５３とＯリング５４とが設けられている。Ｏ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、Ｏ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、センサ部１がタンク９０（図１参照）に取り付けられた際に、タンク９０の内部と外部とが収容部４３を介して連通しないようにその水密性および気密性が保たれている。なお、基部４０の鍔部４２においてセンサ部１の先端側の面には図示外の板状のシール部材が嵌められ、Ｏリング５３，５４と同様に、タンク９０への取り付け時に、タンク９０の内外の水密性および気密性が保たれる。

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の電極取り出し用リード線５９が挿通され、回路基板６０に接合されている。回路基板６０のグランド側の電極（図示外）は基部４０に接続されており、これにより、基部４０に溶接された外筒電極１０がグランド側に電気的に接続される。

次に、本実施の形態の静電容量式センサ１００により、尿素水９１の水位および濃度を検知する原理について、図３〜図６を参照して説明する。なお、尿素水９１の水位および濃度を検出する原理を説明するにあたっては、理解を容易とするために、本実施の形態のように、Ａ部における絶縁被膜２３の厚さＤとＢ部における絶縁被膜２３の厚さＥを異ならせずに、絶縁被膜２３の厚さがＡ部、Ｂ部にて同一であるものに置き換えたものに基づき説明する。検出の原理自体は、本実施の形態の静電容量式センサ１００においても同様である。図３は、図２に示したＢ部における外筒電極１０と内部電極２０とのギャップ間に満たされた尿素水９１の水面近傍の拡大断面図である。図４は、尿素濃度の異なる２種類の尿素水（０ｗｔ％，３２．５ｗｔ％）について、印加電圧の周波数が低周波数（１００ｋＨｚ）である場合の水位と静電容量との相関関係を示すグラフである。図５は、尿素濃度の異なる２種類の尿素水（０ｗｔ％，３２．５ｗｔ％）について、印加電圧の周波数が高周波数（１０ＭＨｚ）である場合の水位と静電容量との相関関係を示すグラフである。図６は、異なる２種類の周波数（１００ｋＨｚ，１０ＭＨｚ）の電圧をギャップ間に印加した場合について、尿素水９１の濃度とギャップ間の静電容量との相関関係を示すグラフである。

なお、図４〜図６は、尿素水９１の水位が０のときに、静電容量式センサ１００から出力される静電容量を０として補正したグラフである。また、図６では、尿素水９１の水位レベルが４０ｃｍであるときの相関関係を示している。

静電容量式センサ１００のセンサ部１は、尿素水９１を収容したタンク９０に、その底壁側に外筒電極１０および内部電極２０の先端側を向けた状態で組み付けられる。つまりセンサ部１は、タンク９０内で容量の変化する尿素水９１の変位方向（尿素水９１の水位の高低方向）を軸線Ｏ方向とし、外筒電極１０および内部電極２０の先端側が尿素水９１の容量の少ない側（低水位側）となるように、タンク９０に組み付けられる。そして、外筒電極１０と内部電極２０とのギャップ間の静電容量を測定し、両者間に存在する尿素水９１が軸線Ｏ方向においてどれだけの水位まで存在しているか検知している。

すなわち、図３に示すように、尿素水９１で満たされていない部分においては、ギャップ間で電位差の生じる部位の距離は、外筒電極１０の内周面と絶縁被膜２３との間に介在する空気層の厚みに相当する距離（距離Ｇで示す）と、絶縁被膜２３の厚さに相当する距離（距離Ｈで示す）との合計の距離（距離Ｆで示す）となる。一方、尿素水９１が満たされた部分において、ギャップ間で電位差の生じる部位の距離は、尿素水９１が導電性を示すため外筒電極１０と尿素水９１との電位がほぼ等しくなることから、絶縁被膜２３の厚さに相当する距離Ｈとなる。

換言すれば、尿素水９１で満たされていない部分におけるギャップ間の静電容量は、電極間の距離がＧで空気を誘電体（不導体）とするコンデンサの静電容量と、電極間の距離がＨで絶縁被膜２３を誘電体とするコンデンサとを直列に接続したコンデンサの合成の静電容量といえる。また、尿素水９１で満たされた部分におけるギャップ間の静電容量は、電極間の距離がＨで絶縁被膜２３を誘電体とするコンデンサの静電容量といえる。そして両者を並列に接続したコンデンサの静電容量が、センサ部１の全体の静電容量として測定されることとなる。

ここで、２重管構造のコンデンサの静電容量Ｃは、以下の式により求められる。
Ｃ＝２πεＬ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）・・・（１）
なお、εはギャップ間に介在する誘電体の誘電率（真空中の誘電率ε_０に誘電体の比誘電率を乗算した値）、Ｌは２重管の軸線方向の長さ、ｒ１は誘電体を挟む外側の電極の内径半径、ｒ２は誘電体を挟む内側の電極の外径半径を示す。

尿素水９１で満たされていない部分において、空気を誘電体とするコンデンサの容量は、外筒電極１０の内径半径をｒ１、絶縁被膜２３を含む内部電極２０の外径半径をｒ２、空気の誘電率をε、外筒電極１０および内部電極２０の全長から尿素水９１で満たされた部位の長さを引いた長さをＬとして求められる。同様に、絶縁被膜２３を誘電体とするコンデンサの容量は、絶縁被膜２３を含む内部電極２０の外径半径をｒ１、絶縁被膜２３を除く内部電極２０の外径半径をｒ２、絶縁被膜２３の誘電率をε、外筒電極１０および内部電極２０の尿素水９１で満たされていない部分の長さをＬとして求められる。一方、導電性を示す尿素水９１で満たされた部分では、絶縁被膜２３を含む内部電極２０の外径半径をｒ１、絶縁被膜２３を除く内部電極２０の外径半径をｒ２、絶縁被膜２３の誘電率をε、外筒電極１０および内部電極２０の尿素水９１に満たされた部分の長さをＬとして静電容量を求めることができる。

比誘電率を約２．１とする絶縁被膜２３を挟む電極間の距離Ｈと比べ、比誘電率を約１とする空気層を挟む電極間の距離Ｇは大きいため、空気を誘電体とする電極間の単位当たりの静電容量は、絶縁被膜２３を誘電体とする電極間の単位当たりの静電容量よりも小さい。このため、尿素水９１で満たされていない部分の静電容量よりも尿素水９１で満たされた部分の静電容量の方が大きく、外筒電極１０および内部電極２０からなるコンデンサ全体としての静電容量は、尿素水９１の水位に比例する。

ところで、尿素水の場合、周波数が低周波数（例えば１００ｋＨｚ）の電圧を印加した場合でも、高周波数（例えば１０ＭＨｚ）の電圧を印加した場合でも、導電性を示す。一方で、尿素濃度が０ｗｔ％、すなわち水の場合、低周波数の電圧を印加した場合には導電性を示すが、高周波数の電圧を印加した場合には絶縁性を示し、誘電体（不導体）として振る舞う性質がある。

図４のグラフに示すように、上記ギャップ間に印加する電圧の周波数を低周波数（１００ｋＨｚ）とした場合、上記したように、センサ部１で測定される静電容量は、導電性を示す尿素水９１と内部電極２０との間に介在する絶縁被膜２３の静電容量に依存し、尿素水９１の水位に比例してギャップ間の静電容量が増加する。尿素水９１の尿素濃度が低く水に近い状態であったとしても、低周波数であれば水も導電性を示すため、センサ部１で測定される静電容量は絶縁被膜２３の静電容量に依存することとなり、尿素水９１の水位の増加に比例してギャップ間の静電容量も増加する。つまり、尿素水９１の水位に対する静電容量の増加率は、尿素水９１の濃度の大小にかかわらず一定であることがわかる。このことは図６のグラフにおいても示され、ギャップ間に印加する電圧の周波数が低周波数（１００ｋＨｚ）であれば、尿素水９１の濃度の大小にかかわらずギャップ間の静電容量がほぼ一定となることがわかる。

一方で、図５のグラフに示すように、ギャップ間に印加する電圧の周波数を高周波数（１０ＭＨｚ）とした場合、低周波数の場合と同様に、尿素水９１の水位に比例してギャップ間の静電容量が増加するが、尿素水９１の濃度によって、それぞれの増加率が異なってくることがわかる。これは、印加される電圧が高周波数である場合、尿素水９１中の尿素濃度が低下するほど水に近い状態となり、上記したように誘電体（不導体）の性質を帯びてくることによる。つまり、外筒電極１０と内部電極２０との間に介在する尿素水９１の濃度が低くなるほど尿素水９１による電圧降下が大きくなり、測定されるギャップ間の静電容量は小さくなる。従って図６に示すように、ギャップ間に印加する電圧の周波数が高周波数（１０ＭＨｚ）である場合には、尿素濃度の大小に比例して、ギャップ間の静電容量も増減する。

このことから以下に示す手順により、尿素濃度を求めることができる。まず、ギャップ間に印加する電圧の周波数を低周波数（１００ｋＨｚ）としてギャップ間の静電容量を測定し、図４で示した尿素水９１の水位とギャップ間の静電容量との相関関係から、尿素水９１の水位を検知する。また、あらかじめ尿素水９１の水位ごとに濃度と静電容量との関係を求める計算式やテーブルを作成しておき、これをマイクロコンピュータ１３０のＲＯＭに記憶させておく。そして、水位の検知結果から最適な計算式やテーブルを選択する。次にギャップ間に印加する電圧の周波数を高周波数（１０ＭＨｚ）に切り換えてギャップ間の静電容量を測定し、選択された計算式に基づき計算したりテーブルを参照して、尿素濃度を得る。

例えば、周波数１００ｋＨｚの電圧をギャップ間に印加したときに測定された静電容量が１６０ｐＦであった場合、図４に示す相関関係に基づき予め作成したテーブル（図示外）を用いて尿素水９１の水位を求めると、約４０ｃｍであるとわかる。次に、周波数を１０ＭＨｚに切り換えたときに測定された静電容量が１２５ｐＦであった場合、図６に示す相関関係に基づき作成したテーブル（図示外）を用いて尿素水９１の尿素濃度を求めると、約１６．３ｗｔ％であることがわかる。

このような原理を用い、静電容量式センサ１００では尿素水９１の水位と尿素濃度を検知することができる。尿素水９１の水位とセンサ出力である静電容量とが比例関係にあるため、尿素濃度の違いは、図５に示す、尿素濃度ごとに異なるグラフの傾きによって示されることとなる。ここで、タンク９０内の尿素水９１の残量が少なくなった場合（水位が低くなった場合）には、測定される静電容量が小さくなるため、尿素水９１の濃度の差に応じた静電容量の値の差が小さいと、静電容量と水位とから尿素濃度の判定を行う場合の判別がつきにくくなる。そこで本実施の形態の静電容量式センサ１００では、尿素水９１の残量が少なくなった場合に浸漬される部位、すなわち内部電極２０の先端から所定の距離Ｘまでの部位であるＡ部に、ギャップ間の静電容量を増加させるための静電容量増加手段を設けている。

具体的には上記したように、内部電極２０に被覆された絶縁被膜２３は、Ａ部において厚さＤが１００μｍに形成されており、Ｂ部の厚さＥ（３００μｍ）よりも薄く形成されている。上記（１）の式に基づくと、Ａ部の絶縁被膜２３の厚みを薄くすればｒ１／ｒ２の値をより小さくすることができる。これにより、Ａ部における絶縁被膜２３の静電容量をＢ部と比べ相対的に大きくしている。このように構成することで、尿素水９１の水位がＡ部にあるうちは、尿素濃度が大きくなるほど水位に対する静電容量の変化率（図５に示すグラフの傾き）が大きくなり、同じ水位において尿素濃度ごとに異なってくる静電容量の差を判別し易くなる。このため、ノイズや配線容量の影響などにより生ずる誤差の影響は、相対的に低減されることとなる。

このように、本実施の形態の静電容量式センサ１００において、センサ部１の内部電極２０の先端から所定の距離Ｘまでの部位（Ａ部）に静電容量増加手段を設けたことによる効果を確認するため、以下に示す模擬試験を行った。

［実施例１］
模擬試験では、静電容量式センサのセンサ部の構成が異なる２つのサンプルを設定し、それぞれ、尿素水の水位と得られる静電容量との関係を比較するためのシミュレーションをおこなった。サンプル１は、全長６２０ｍｍ，外径３０ｍｍ，内径２８ｍｍの外筒電極と、厚さ３００μｍの絶縁被膜を被覆した全長６２０ｍｍ，外径１０ｍｍの内部電極（絶縁被膜を含めた外径は１０．６ｍｍ）とを用いて作製したセンサ部をタンクに組み付けた静電容量式センサをシミュレートするものである。サンプル２は、本実施の形態で説明したように、サンプル１の内部電極に被覆した絶縁被膜の厚さをＡ部において１００μｍとしたものである。

これらサンプルに対し、尿素濃度が３２．５ｗｔ％の尿素水と水とのそれぞれについて、水位（レベル）を０ｍｍから６２０ｍｍまで５ｍｍずつ高くしていき、各レベルにおいて、高周波として周波数１ＭＨｚの電圧と、低周波として周波数３２．１５ｋＨｚの電圧とを印加し、得られる静電容量を算出するシミュレーションを行った。

シミュレーション結果の算出には（１）の式を用い、得られた各条件の静電容量を合成することによってセンサ部から得られる静電容量を求めた。このとき、絶縁被膜の比誘電率を２．１，空気の比誘電率を１，水の比誘電率を８０とし、真空の誘電率８．８５×１０^−１２（Ｆ／ｍ）に掛け合わせて求めた値を、絶縁被膜、空気、水のそれぞれの誘電率εとした。

なお本実施例では、導電体としての尿素水による電圧降下がないと仮定して得られる静電容量の最大値と、尿素水が不導体であると仮定して得られる静電容量の最小値との差（尿素濃度に応じた静電容量の値の変動幅）の比較を行う。尿素水による電圧降下がないと仮定した場合、尿素水や水（尿素濃度０ｗｔ％の尿素水）に低周波数の電圧を印加した場合と、尿素水に高周波数の電圧を印加した場合とは、ともに、尿素水に浸漬された部位の静電容量は絶縁被膜の静電容量となる。このため、静電容量の最小値としては、尿素水に浸漬された部位について（１）の式に基づき算出した絶縁被膜の静電容量および水（尿素濃度が０ｗｔ％の尿素水）の静電容量の合成容量と、尿素水に浸漬されていない部位について（１）の式に基づき算出した絶縁被膜の静電容量および空気層の静電容量の合成容量とを求め、両者の合算値をセンサ部から得られる静電容量とした。一方で、静電容量の最大値としては、尿素水に浸漬された部位について（１）の式に基づき算出した絶縁被膜の静電容量と、尿素水に浸漬されていない部位について（１）の式に基づき算出した絶縁被膜の静電容量および空気層の静電容量の合成容量とを求め、両者の合算値をセンサ部から得られる静電容量とした。

模擬試験の結果、図７に示すように、従来例としてのサンプル１では水位の上昇に伴い、得られる静電容量が比例して増加した。このとき、図８に示すように、水位が２０ｍｍの場合の静電容量は、最大値が７４ｐＦ、最小値が６１ｐＦとなって、両者間の差は１３ｐＦであった。

次に、図９に示すように、サンプル２では、サンプル１と比べ最大値が大幅に増加した。また、最小値としての合成容量も絶縁被膜の容量が増加することによって上がる。しかし、最大値の増加幅と比べ小さいため、水位が２０ｍｍのとき、最大値１５１ｐＦ、最小値８４ｐＦとなって差が６７ｐＦと大きくなった。尿素濃度の変化に応じた静電容量の変化度合いがサンプル１よりも顕著に大きくなり、尿素濃度ごとに異なる静電容量の差を、従来よりも判別し易くなることが示された。

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、絶縁被膜２３の厚みは、本実施の形態ではＡ部を１００μｍ、Ｂ部を３００μｍとしたが任意に変更可能であり、例えばＡ部を２００μｍ、Ｂ部を５００μｍとしてもよい。

また、静電容量増加手段として、絶縁被膜２３の材質をＡ部とＢ部とで異ならせてもよい。すなわち、Ａ部にはＢ部よりも誘電率の高い（比誘電率の大きい）材料を被覆するとよい。例えば、Ａ部には、比誘電率が３以上であるエポキシ系樹脂のポリイミドを用い被覆すれば、Ｂ部（本実施の形態では比誘電率が約２．１のＰＦＡで被覆）よりも静電容量が高くなり、静電容量増加手段としての効果を発揮することができる。

また、内部電極２０に形成した絶縁被膜２３としては、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、絶縁被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被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。

さらに、検知対象物は液体に限らず、粉体であってもよい。また、温度センサを設け、尿素濃度測定時の精度を高めてもよい。

電位の異なる２部材間の静電容量を測定することで検知対象物の状態を検知することができる静電容量式センサに適用できる。

静電容量式センサ１００の概略の構成を示すブロック図である。 静電容量式センサ１００の縦断面図である。 図２に示したＢ部における外筒電極１０と内部電極２０とのギャップ間に満たされた尿素水９１の水面近傍の拡大断面図である。 尿素濃度の異なる２種類の尿素水（０ｗｔ％，３２．５ｗｔ％）について、印加電圧の周波数が低周波数（１００ｋＨｚ）である場合の水位と静電容量との相関関係を示すグラフである。 尿素濃度の異なる２種類の尿素水（０ｗｔ％，３２．５ｗｔ％）について、印加電圧の周波数が高周波数（１０ＭＨｚ）である場合の水位と静電容量との相関関係を示すグラフである。 異なる２種類の周波数（１００ｋＨｚ，１０ＭＨｚ）の電圧をギャップ間に印加した場合について、尿素水９１の濃度とギャップ間の静電容量との相関関係を示すグラフである。 従来のセンサ部を用いた場合に測定されうる水位と静電容量との関係をシミュレートしたグラフである。 従来のセンサ部を用いた場合に測定されうる水位と静電容量との関係をシミュレートしたグラフである。 内部電極のＡ部における絶縁被膜の膜厚を薄く形成したセンサ部を用いた場合に測定されうる水位と静電容量との関係をシミュレートしたグラフである。

符号の説明

１０ 外筒電極
２０ 内部電極
２１ 先端部
２２ 基端部
２３ 絶縁被膜
９０ タンク
９１ 尿素水
１００ 静電容量式センサ

Claims (3)

1. 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筒状または柱状の内部電極とを備え、
   検知対象物が収容される検知対象物収容容器の底壁側に、前記外筒電極および前記内部電極の一端側を向けた状態で、前記検知対象物収容容器内に前記外筒電極および前記内部電極を配置させ、前記外筒電極と前記内部電極との間の静電容量を測定することで前記検知対象物の状態を検知する静電容量式センサであって、
   前記内部電極の前記一端より前記軸線方向に沿って他端側に向けた所定範囲内の位置に、前記検知対象物の状態変化に応じた前記静電容量の変化度合いを高める静電容量増加手段を備えたことを特徴とする静電容量式センサ。
2. 前記検知対象物は導電性を有すると共に、前記内部電極の外面には絶縁被膜が被覆されており、前記静電容量増加手段として、前記内部電極の前記所定範囲内の位置における前記絶縁被膜の厚みを、前記所定範囲外の位置における前記絶縁被膜の厚みよりも薄く構成したことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式センサ。
3. 前記検知対象物は導電性を有すると共に、前記内部電極の外面には絶縁被膜が被覆されており、前記静電容量増加手段として、前記所定範囲内の位置における前記絶縁被膜に、前記所定範囲外の位置における前記絶縁被膜よりも誘電率の高い絶縁被膜を用いた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センサ。
   

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