JP2009265043A - 静電容量式センサの異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量式センサが異常状態にあるか否かを検出することにより、被測定物の状態の誤検知を防止することができる静電容量式センサの異常検出装置を提供する。
【解決手段】コンデンサを構成するレベル検出部に波形が正弦波形状をなす測定信号を入力し、出力される検出信号の信号値をサンプリングする。検出信号の波形の形状の特徴が基準信号の波形の形状の特徴と一致しなければ検出信号の信号値を巡回シフトし、あらためて両信号の波形の形状の特徴を比較する。巡回シフトによりずらした位相が、初回の検出信号の位相から９０度以上ずれても両信号の波形の形状の特徴が一致しなければ、レベルセンサに異常が生じたと判定する。
【選択図】図１１

Description

本発明は、コンデンサを構成する一対の電極間に被測定物を介在させ、両電極間の静電容量に基づき被測定物の状態を検知する静電容量式センサが異常状態にあるか否かを検出する静電容量式センサの異常検出装置に関するものである。

従来、コンデンサを構成する一対の電極間に被測定物を介在させ、両電極間の静電容量の測定結果に基づいて被測定物の状態を検知する静電容量式センサが知られている。このような静電容量式センサの例として、液体の濃度を検知する濃度センサ、液体の劣化状態を検知する劣化センサ、水位（液位）を検知する水位センサ、気体の湿度を検出する湿度センサ等が挙げられる。

例えば、オイルの劣化状態を検知する劣化センサでは、オイル内に浸漬した一対の電極板によりコンデンサを構成する。その電極板間に電圧が周期的に変動する正弦波波形をなす測定信号を入力すると、その出力として得られるコンデンサを通過した電流を電流電圧変換した検出信号は、測定信号と同じ周波数の正弦波波形となる。この検出信号はコンデンサの静電容量に応じて波形の振幅が変化するので、振幅を測定することにより両電極間の静電容量を測定できる。オイルは、劣化状態に応じてその誘電率が変化するので、測定した静電容量に基づきオイルの劣化状態を判定することができる（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、このような静電容量式センサを用いて被測定物の状態を検知するには、測定信号の生成回路と検出信号のサンプリング回路および解析回路とを設ける必要がある。その一方で、各種回路を有する電装部品には低廉化が求められており、そのためにはこうした信号の処理回路に汎用のマイクロコンピュータを用いることが望ましい。特許文献１では、検出信号から取得する電圧のサンプリング点を減らしつつ、得られたサンプリング点に対し数学的手法を用いて解析を行うことで、マイクロコンピュータに対する負荷が小さい処理ながら正確に検出信号の振幅の算出を行っている。
特開２００４−２１９１５９号公報

しかしながら、静電容量式センサに異常が生じた場合、検出信号の波形は、正常時の波形に対して位相ズレを生ずるが、特許文献１ではセンサの異常を検出できず、検出信号がどのような状態にあっても取得したサンプリング点を基に波形の振幅を求めるため、被測定物の実際の状態とは異なる状態を検知してしまう虞があった。

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、静電容量式センサが異常状態にあるか否かを検出することにより、被測定物の状態の誤検知を防止することができる静電容量式センサの異常検出装置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の異常検出装置は、コンデンサを構成する一対の電極間に被測定物を介在させ、前記電極間に電圧が周期的に変動する正弦波波形をなす測定信号を入力し、その出力として得られた検出信号の波形の状態に基づいて前記被測定物の状態を検出する静電容量式センサが異常状態にあるか否かを検出する静電容量式センサの異常検出装置であって、前記測定信号の波形の変動周期に基づいて定められた当該変動周期よりも短い一定間隔の位相であるサンプリング位相ごとに、前記測定信号の変動周期の一周期分における前記検出信号の信号値を取得するサンプリング手段と、取得した前記検出信号の前記信号値を、その信号値の取得順に関連付けて記憶する記憶手段と、前記検出信号の前記信号値と前記取得順との相関関係から、前記検出信号の波形形状を特定するための特徴を得る波形形状特定手段と、特定した前記検出信号の波形形状の特徴と、予め取得した正常時の検出信号である基準信号の波形形状の特徴とを比較し、両者が一致する場合に、前記静電容量式センサが正常であると判定する正常判定手段と、前記検出信号の波形形状の特徴と前記基準信号の波形形状の特徴とが一致しない場合、前記検出信号の前記信号値と前記取得順との相関関係を前記一周期内で巡回的に１ずつずらし、再度、前記波形形状特定手段および前記正常判定手段よる判定を行う再判定手段と、前記再判定手段による判定において前記静電容量式センサが正常であるとは判定されず、且つ、初回の前記検出信号の波形の位相に対し、前記信号値と前記取得順との相関関係をずらした後の前記検出信号の波形の位相が９０度以上ずれた場合、前記静電容量式センサに異常が生じたと判定する異常判定手段と、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の異常検出装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記異常判定手段は、前記再判定手段による判定において前記静電容量式センサが正常であるとは判定されず、且つ、初回の前記検出信号の波形の位相に対し、前記信号値と前記取得順との相関関係をずらした後の前記検出信号の波形の位相が９０度以上ずれた場合、前記静電容量式センサに異常が生じたと仮に判定する仮判定手段と、前記仮判定手段によって前記静電容量式センサが異常状態にあると仮に判定された回数を計数する計数手段と、を備え、前記計数手段により計数された仮判定回数が予め定められた基準回数に達した場合に、前記静電容量式センサが異常状態にあると判定す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センサの異常検出装置は、コンデンサを構成する一対の電極間に被測定物を介在させ、前記電極間に電圧が周期的に変動する正弦波波形をなす測定信号を入力し、その出力として得られた検出信号の波形の状態に基づいて前記被測定物の状態を検出する静電容量式センサが異常状態にあるか否かを検出する静電容量式センサの異常検出装置であって、前記測定信号の波形の変動周期に基づいて定められた当該変動周期よりも短い一定間隔の位相であるサンプリング位相ごとに、前記測定信号の変動周期の一周期分における前記検出信号の信号値を取得するサンプリング手段と、取得した前記検出信号の前記信号値を、その信号値の取得順に関連付けて記憶する記憶手段と、前記検出信号の前記信号値のうち特定の位相における前記信号値を特定信号値として着目し、前記特定信号値の特徴を得る信号値特徴取得手段と、予め取得した正常時の検出信号において前記特定の位相における前記信号値を基準信号値とし、その基準信号値の特徴と前記特定信号値の特徴とが一致する場合に、前記静電容量式センサが正常であると判定する正常判定手段と、前記基準信号値の特徴と前記特定信号値の特徴とが一致しない場合、前記特定の位相を前記サンプリング位相分ずらし、その位相における前記検出信号の前記信号値を新たな特定信号値として、再度、前記信号値特徴取得手段および前記正常判定手段よる判定を行う再判定手段と、前記再判定手段による判定において前記静電容量式センサが正常であるとは判定されず、且つ、初回の前記特定の位相に対し、着目する位相が９０度以上ずれた場合、前記静電容量式センサに異常が生じたと判定する異常判定手段と、を備えている。

また、請求項４に係る発明の静電容量式センサの異常検出装置は、請求項３に記載の発明の構成に加え、前記異常判定手段は、前記再判定手段による判定において前記静電容量式センサが正常であるとは判定されず、且つ、初回の前記特定の位相に対し、着目する位相が９０度以上ずれた場合、前記静電容量式センサに異常が生じたと仮に判定する仮判定手段と、前記仮判定手段によって前記静電容量式センサが異常状態にあると仮に判定された回数を計数する計数手段と、を備え、前記計数手段により計数された仮判定回数が予め定められた基準回数に達した場合に、前記静電容量式センサが異常状態にあると判定す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センサの異常検出装置は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記サンプリング位相が９０度の約数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センサの異常検出装置では、正弦波波形をなす測定信号を静電容量式センサに入力し、出力される検出信号の位相が、静電容量式センサが正常なときに出力する基準信号の位相に対して９０度以上ずれた場合に、静電容量式センサに異常が生じたと判定することができる。具体的には検出信号の信号値のサンプリングをサンプリング位相ごとに行い、その信号値により得られる検出信号の波形形状が基準信号の波形形状と一致するかにより判定を行うが、一致しない場合には、サンプリングした信号値の取得順をずらして新たに得られる検出信号の波形形状が基準信号の波形形状が一致するか判定する。そして一致しないまま巡回的に１ずつずらしていった位相が９０度以上ずれた場合、静電容量式センサに異常が生じたと判定するのである。従って、静電容量式センサの異常を検出するための新たな構成を必要とせず、静電容量式センサによる被測定物の状態検出の際に入力される測定信号と、その出力の検出信号とを用いる簡易な構成で、静電容量式センサに異常が生じたか判定することができる。また、検出信号が正弦波波形であるので、基準信号との位相のずれを見るには多くのサンプリング点を必要とせず、例えば４点以上サンプリング点を取得すれば可能であり、静電容量式センサが異常状態にあるか否かをより簡易な構成で判断することができる。

また、請求項２に係る発明によれば、静電容量式センサが異常状態にあるか否かを複数回の判断により行うことができるので、一時的な異常状態を検出してしまうことにより異常判定がなされてしまうことを防止し、静電容量式センサの異常判定に対する信頼性を高められる。

また、請求項３に係る発明の静電容量式センサの異常検出装置においても、正弦波波形をなす測定信号を静電容量式センサに入力し、出力される検出信号の位相が、静電容量式センサが正常なときに出力する基準信号の位相に対して９０度以上ずれた場合に、静電容量式センサに異常が生じたと判定することができる。具体的には検出信号の信号値のサンプリングを行い、その信号値のうち、検出信号の波形の特徴を示す特定信号値の特徴が、基準信号の波形の特徴を示す基準信号値の特徴と一致するかにより判定を行うが、一致しない場合には、特定信号値として着目すべく検出信号の位相をずらし、新たな位相の信号値を特定信号値として基準信号値と一致するか判定する。そして一致しないままサンプリング位相分ずつずらしていった位相が９０度以上ずれた場合、静電容量式センサに異常が生じたと判定するのである。従って、静電容量式センサの異常を検出するための新たな構成を必要とせず、静電容量式センサによる被測定物の状態検出の際に入力される測定信号と、その出力の検出信号とを用いる簡易な構成で、静電容量式センサに異常が生じたか判定することができる。また、検出信号が正弦波波形であるので、基準信号との位相のずれを見るには多くのサンプリング点を必要とせず、例えば４点以上サンプリング点を取得すれば、基準信号や検出信号の特徴（基準信号値や特定信号値の特徴）を掴むことが可能であり、静電容量式センサが異常状態にあるか否かをより簡易な構成で判断することができる。

また、請求項４に係る発明によれば、静電容量式センサが異常状態にあるか否かを複数回の判断により行うことができるので、一時的な異常状態を検出してしまうことにより異常判定がなされてしまうことを防止し、静電容量式センサの異常判定に対する信頼性を高められる。

ところで、基準信号と検出信号とは、静電容量式センサにおける異常の発生とは関係なく９０度までの位相ずれを生じ得るが、請求項５に係る発明のように、サンプリング位相を９０度の約数とすれば、両者の位相ずれが最大の９０度であるときに、測定誤差を見込んでも９０度により近い位相において両者の位相ずれに対する判定を行うことができる。従って、静電容量式センサにおける異常の発生有無の判断を精度よ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センサの異常検出装置の一実施の形態について、図面を参照して説明する。ここでは、静電容量式センサの一例として尿素水溶液のレベル（液位）を検出するレベルセンサ１００を挙げ、そのレベルセンサ１００に搭載され、レベルセンサ１００の異常を検出するための回路（異常検出回路２０）およびプログラム（後述する異常検出プログラム）からなるシステムを、本発明に係る異常検出装置の一例として説明する。まず、本発明の第１の実施の形態として、レベルセンサ１００の異常を検出するための異常検出回路２０の電気的な構成について、図１〜図３を参照して説明する。図１は、レベルセンサ１００の異常を検出するための異常検出回路２０の電気的な構成を示す図である。図２は、レベル検出部１０の模式的な構造を示す図である。図３は、ＲＡＭ８０の記憶エリアの模式的な構成を示す図である。なお、レベルセンサ１００の異常を検出する回路（異常検出回路２０）は尿素水溶液のレベルを検出するための回路と共用されており、このレベル検出のための回路構成やプログラムについては公知であるため、その説明（後述）については簡略化する。

図１に示す、第１の実施の形態のレベルセンサ１００は、自動車のディーゼルエンジンから排出される排気ガスの浄化に用いられる尿素水溶液１６（図２参照）のレベルを検出するためのセンサとして用いられるものである。レベルセンサ１００は尿素水溶液１６に浸されてレベルを検出するためのレベル検出部１０を有し、このレベル検出部１０は、一対の電極間に介在する尿素水溶液１６のレベルに応じて両電極間の静電容量が変化するコンデンサを構成する。図２に示すように、レベル検出部１０は、円筒状の外筒電極１１と、その外筒電極１１の内部にて外筒電極１１の軸線方向に沿って同心的に配置される円筒状の内部電極１２とから構成される。内部電極１２の表面上には誘電率の高い絶縁被膜（図示外）が塗布されている。なお、内部電極１２は円筒状でなく、中実状であっても良い。

次に、図１に示すように、レベルセンサ１００は、レベル検出部１０に電圧を印加する回路において異常が生じたか否かを検出するための異常検出回路２０を備える。異常検出回路２０は、マイクロコンピュータ３０、波形生成回路４０、検出抵抗５１および差動増幅回路５０等を有する。マイクロコンピュータ３０は、公知の構成のＣＰＵ６０，ＲＯＭ７０，ＲＡＭ８０や、図示しない各種入出力ポートを備え、尿素水溶液１６のレベルの検出結果をＥＣＵ（エンジン制御装置）に対し出力する。ＣＰＵ６０は、レベルセンサ１００の制御（第１の実施の形態においては、異常検出回路２０の制御）を司る。ＲＯＭ７０には、後述する異常検出プログラムや、異常検出プログラムで使用される各種変数の初期値、閾値等が所定の記憶エリアに記憶されている。また、異常検出プログラムで使用される基準信号（後述）の波形の形状を示すデータも記憶されている。ＲＡＭ８０には、図３に示すように、異常検出プログラムの実行時に各種変数やカウント値、データなどが一時的に記憶されるワークエリア８１や、レベル検出部１０への測定信号の入力結果として得られる検出信号のサンプリングによって取得される信号値（電圧値）を記憶するサンプリングデータ記憶エリア８２等が設けられている。また、ＲＯＭ７０やＲＡＭ８０は、レベルセンサ１００にて実行される他のプログラムと共用されるものであり、図示しないが、それらのプログラムで使用される記憶エリアも有している。

次に、図１に示す、波形生成回路４０は、マイクロコンピュータ３０の複数の出力ポートを利用して、電圧変化が正弦波波形をなす測定信号を生成する回路である。具体的に、波形生成回路４０は、概略、マイクロコンピュータ３０の複数の出力ポートにそれぞれ抵抗値の異なる抵抗器の一端を接続し、各抵抗器の他端を、ローパスフィルタの入力に接続した構成をなす。マイクロコンピュータ３０の各出力ポートの出力電圧は、例えば０Ｖおよび＋５Ｖの二値的な電圧であるが、各出力ポートのオン・オフを適宜組み合わせると、各抵抗器を介して合成される出力電圧を、０Ｖ〜５Ｖの範囲で段階的に切り替えることができる。したがって、マイクロコンピュータ３０の各出力ポートのオン・オフのタイミングを調整し、予め定められた順序および周期にて切り替えることにより、正弦波の軌跡をたどる階段状の電圧波形を有した信号を出力することができる。なお、各抵抗器の一端を、それぞれトランジスタを介してバッテリに接続し、マイクロコンピュータ３０の出力ポートで各トランジスタのオン・オフを制御し、各抵抗器でバッテリ電圧を降圧させて合成し、安定した出力電圧を得てもよい。このように生成した階段状の信号を、ローパスフィルタを通過させてスムージングすれば、電圧が滑らかに変動する正弦波波形の測定信号を生成することができる。第１の実施の形態では、一周期を８分割した１／８周期（進角４５度）ごとにマイクロコンピュータ３０の各出力ポートのオン・オフを所定のパターンにしたがって切り替えて階段状の信号を作成しスムージングして正弦波波形をなす測定信号を生成している。なお、この波形生成回路４０については、特開２００３−１１０３６４号公報にも記載されているため、波形生成回路４０の詳細についての説明はここまでとする。

波形生成回路４０の出力は、検出抵抗５１を介してレベル検出部１０の内部電極１２に接続されており、外筒電極１１側は接地されている。そして検出抵抗５１の両端には差動増幅回路５０が接続されている。レベル検出部１０の内部電極１２の電位は、波形生成回路４０から出力される測定信号によって印加される電圧に応じて変動するが、その変動幅（すなわち振幅）が外筒電極１１と内部電極１２との間の静電容量によって左右される。内部電極１２の電位は検出抵抗５１を流れる電流に比例し、検出抵抗５１の両端に現れる電位差として現れるので、差動増幅回路５０では電流電圧変換して得た信号を検出信号とし、マイクロコンピュータ３０へ出力している。

ここで、尿素水溶液１６のレベル（水位）を検出する方法について簡単に説明する。図２に示すように、被測定物としての尿素水溶液１６が収容されたタンク１５内にレベル検出部１０を配置したとき、外筒電極１１と内部電極１２との間には、尿素水溶液１６に満たされる部位と空気層の残る部位とが生ずる。尿素水溶液１６は導電性を有するため、外筒電極１１と内部電極１２との間の静電容量は、尿素水溶液１６の介在する部位において形成される、絶縁被膜を誘電体とするコンデンサと、尿素水溶液１６が介在しない部位において形成される、絶縁被膜および空気層を誘電体とするコンデンサとの合成容量となる。このため、外筒電極１１と内部電極１２との間の静電容量は、尿素水溶液１６のレベルに応じ変化を生ずるものとなる。

図１に示す波形生成回路４０で生成された正弦波波形をなす測定信号がレベル検出部１０に入力されると、外筒電極１１と内部電極１２とからなるコンデンサは、周期変動する測定信号の電圧値と、内部電極１２側の電位との電位差に応じて充放電を行う。したがって、波形生成回路４０とレベル検出部１０との間に設けられた検出抵抗５１を流れる電流の向きや大きさが変化し、この検出抵抗５１の両端の電位差を差動増幅回路５０で検出して得られる検出信号は、もとの測定信号と同じ周波数で変動する正弦波波形をなす。コンデンサの静電容量に変化が生ずると、検出抵抗５１を流れる電流の最大値や最小値にも変化が生ずることとなるため、レベルセンサ１００では、検出信号の振幅をもとにタンク１５内における尿素水溶液１６のレベルの検出を行う。

ところで、異常検出回路２０において電子部品の不具合やノイズ等の影響により異常が生じた場合、回路上に意図しなかった浮遊容量などが生じ、正常時の検出信号（以下、「基準信号」という。）に対し、サンプリングした検出信号の位相に大きなずれを生ずることがある。もっとも、レベル検出部１０において、経時劣化等により外筒電極１１と内部電極１２との間の絶縁抵抗が下がると検出信号に意図しない抵抗成分が混入するため、上記異常の発生とは関係なく位相差として９０度までは、ずれを生じ得る。そこで第１の実施の形態では、後述する異常検出プログラムの実行にしたがって、基準信号と検出信号との位相のずれに基づき、レベルセンサ１００に異常が発生しているか否かの検出を行う。

以下、図４〜図１１を参照し、異常検出プログラムの動作について説明する。図４は、第１の実施の形態の異常検出プログラムのフローチャートである。図５は、基準信号の一周期分の波形の形状を示すグラフである。図６は、検出信号の信号値を記憶したサンプリングデータ記憶エリア８２の様子を模式的に示す図である。図７は、検出信号の一周期分の波形の形状を示すグラフである。図８は、位相を４５度ずらした検出信号の信号値を記憶したサンプリングデータ記憶エリア８２の様子を模式的に示す図である。図９は、位相を４５度ずらした検出信号の一周期分の波形の形状を示すグラフである。図１０は、位相を９０度ずらした検出信号の信号値を記憶したサンプリングデータ記憶エリア８２の様子を模式的に示す図である。図１１は、位相を９０度ずらした検出信号の一周期分の波形の形状を示すグラフである。なお、フローチャートの各ステップについては「Ｓ」と略記する。

まず、異常検出プログラムの実行において使用される変数やフラグ、カウンタ等について説明する。「異常状態」フラグは、異常検出プログラムでレベルセンサ１００に異常が発生したと判定された場合に立てられるフラグであり、フラグ成立後はレベル検出が行われないように異常検出プログラム実行の終了判定に用いられる。「サンプリング回数」カウンタは、検出信号の信号値（電圧値）をサンプリング（取得）した回数を計数するためのカウンタで、サンプリングの終了タイミングを図るのに用いられる。変数「平均値」は、サンプリングした検出信号の信号値の平均値の算出結果を記憶する変数で、検出信号の波形の形状（後述）を特定するのに用いる。「位相補正」カウンタは、検出信号の波形の形状を基準信号の波形の形状と比べる際に、検出信号の位相をずらした角度を把握するのに用いるカウンタで、異常発生の有無を判定する際に用いられる。「異常仮発生回数」カウンタは、レベルセンサ１００に異常が発生したと仮に判定した回数を計数するカウンタであり、異常仮発生回数が予め定められた設定値（例えば５回）に達すると、レベルセンサ１００に異常が発生したと判定される。「波形比較」フラグは、検出信号の波形の形状と基準信号の波形の形状との比較の実施が初回か２回目以降であるかを確認するのに参照されるフラグであり、両信号の波形の形状の比較が実施されると成立する。

第１の実施の形態の異常検出プログラムは、レベルセンサ１００で尿素水溶液１６のレベル検出を行うにあたって、レベルセンサ１００で実行されている制御プログラムからコールされるサブルーチンである。図４に示す、異常検出プログラムがコールされると、まず、異常状態フラグが参照され、以前の異常検出プログラムの実行の際に既にレベルセンサ１００に異常状態が検出されていないか確認される（Ｓ１１）。そして検出されている場合（異常状態フラグが成立している場合）にはそのまま異常検出プログラムを終了し、制御プログラムに戻る（Ｓ１１：ＹＥＳ）。

異常状態が検出されていなければ（Ｓ１１：ＮＯ）、初期化が行われ（Ｓ１３）、サンプリング回数カウンタ、平均値、位相補正カウンタ、波形比較フラグがリセットされる。なお、異常状態フラグと異常仮発生回数カウンタはリセットされず、その値が持ち越される。

次のＳ１５〜Ｓ２１において、検出信号のサンプリングが行われる。マイクロコンピュータ３０において、測定信号の生成タイミングと検出信号のサンプリングタイミングを同期させ、測定信号を基準に設定したタイミングにて検出信号の信号値（電圧値）のサンプリングが行われる。具体的に、サンプリングは以下の手順で行われる。まず、マイクロコンピュータ３０において測定信号の生成を開始し、開始したタイミングを基準に設定された第１のタイミングに検出信号のサンプリングを行い、サンプリングデータ記憶エリア８２の取得順で１番目に指定された記憶エリアに取得した信号値を記憶する（Ｓ１５）。サンプリング回数を１増やし（Ｓ１７）、予め定められた回数（第１の実施の形態では８回）に達しないうちはＳ１５に戻る（Ｓ１９：ＹＥＳ）。次に、測定信号の生成を再び開始し、第１のタイミングから、サンプリング間隔として予め定められたサンプリング位相（第１の実施の形態では測定信号の位相で４５度）分ずらした第２のタイミングに検出信号のサンプリングを行い、サンプリングデータ記憶エリア８２の取得順で２番目の記憶エリアに取得した信号値を記憶する（Ｓ１５）。そして同様にサンプリング回数を１増やしてＳ１５に戻る（Ｓ１７，Ｓ１９：ＹＥＳ）。以降も同様に繰り返し、１回のサンプリングにつきサンプリング間隔分の位相ずつずらしたタイミングで検出信号のサンプリングを行い、測定信号の一周期分の信号値を取得する。第１の実施の形態ではサンプリング間隔が４５度であるのでサンプリングを８回行えば一周期、３６０度分の信号値を得られる。サンプリング回数が８回に達したら（Ｓ１７，Ｓ１９：ＮＯ）、取得した８つの信号値の平均値を算出して記憶する（Ｓ２１）。なお、Ｓ１５において、差動増幅回路５０を介して検出信号の信号値を取得するＣＰＵ６０が、本発明における「サンプリング手段」に相当する。また、取得した検出信号の信号値をサンプリングデータ記憶エリア８２に記憶するＲＡＭ８０が、本発明における「記憶手段」に相当する。

次に、Ｓ２３〜Ｓ３３で、検出信号の波形の形状を基準信号の波形の形状と比較して一致するか確認する。基準信号は、異常検出回路２０およびレベル検出部１０において異常が発生していない状態において、レベル検出部１０に測定信号を入力して得られた検出信号を、上記のＳ１５〜Ｓ２１の処理によりサンプリングしたものである。さらに、この基準信号の波形の形状を特定する上で、その波形の形状の特徴が予め求められている。基準信号の波形の形状の特徴について、求め方の一例を以下に示す。図５に示すように、取得順（あるいは逆順でもよい）に信号値をサーチしていき、平均値（８つの信号値の平均値）より小さい信号値と大きい信号値とが連続する点（図５において取得順が３番目の信号値Ｘの点と、取得順が４番目の信号値Ｙの点）を特定する。そのうち平均値に近い信号値Ｙの点に着目し、この信号値Ｙの点を見出すのと同じ方法で特定される点が、信号値Ｙの点と同じ取得順すなわち４番目にあることを、基準信号の波形の形状の特徴とする。

図４に示すように、まず、基準信号の波形の形状の特徴と検出信号の波形の形状の特徴との比較が初回か２回目以降かを確認するため波形比較フラグが参照される（Ｓ２３）。初回はＳ１３でリセットされて波形比較フラグは成立していないのでＳ２９に進み（Ｓ２３：ＮＯ）、サンプリングデータ記憶エリア８２に記憶された検出信号の各信号値から検出信号の波形の形状を特定するための特徴を求める（Ｓ２９）。例えば図６に示すように、検出信号のサンプリング結果として、取得順に信号値Ａ〜Ｈを得たとする。各信号値Ａ〜Ｈの大きさの関係は、図７に示す。平均値（信号値Ａ〜Ｈの平均値）よりも小さい信号値と大きい信号値とが取得順に連続する点は、図７に示すように、信号値Ｅの点と信号値Ｆの点であり、そのうち平均値に近い信号値Ｆは取得順が６番である。したがって検出信号の波形の形状の特徴は、着目した信号値Ｆの点の取得順が６番であることとなる。なお、Ｓ２９で、検出信号の波形の形状を特定するための特徴を求めるＣＰＵ６０が、本発明の「波形形状特定手段」に相当する。

この検出信号の波形の形状の特徴（着目した点（信号値Ｆの点）の取得順が６番であること）は基準信号の波形の形状の特徴（着目した点（信号値Ｙの点）の取得順が４番であること）と一致せず（Ｓ３１：ＮＯ）、また、波形の比較が初回であるので位置補正カウンタは０のままであり（Ｓ３３：ＹＥＳ）、Ｓ２３に戻る。また、Ｓ３１の処理の際に、波形比較フラグが立てられる。

そしてＳ２３では、波形比較フラグが成立しているので２巡目以降と判断し（Ｓ２３：ＹＥＳ）、サンプリングデータ記憶エリア８２に記憶された検出信号の信号値が巡回シフトされ、取得順に対する信号値の巡回的な並び替えが行われる（Ｓ２５）。具体的には、図８に示すように、取得順１番の信号値Ａがバッファに退避され、取得順２番以降の信号値Ｂ〜Ｈの取得順がそれぞれ１ずつ昇順されるように各信号値がシフトされた後、信号値Ａが新たに取得順８番として記憶される。この処理により、検出信号の新たな波形は、図９に示すように、もとの検出信号の波形（図７参照）に対し位相がサンプリング位相分（すなわち４５度）ずれた波形となる。なお、２巡目以降に検出信号の信号値を巡回シフトさせつつＳ２３〜Ｓ３３の処理を行うＣＰＵ６０が、本発明の「再判定手段」に相当する。

次に、図４に示すように、巡回シフトによって生成された新たな検出信号の波形の位相が、元の検出信号の波形の位相に対しずれた分（４５度）が位相補正カウンタに加算される（Ｓ２７）。そして、上記同様に新たな検出信号の波形の形状を特定するための特徴が求められる（Ｓ２９）。新たな検出信号の波形の形状の特徴は、図９に示すように、着目した信号値Ｆの点の取得順が５番であることであり、基準信号の波形の形状の特徴と一致しない（Ｓ３１：ＮＯ）。また、位置補正カウンタは上記Ｓ２７の処理にて４５度となっており、９０度未満であるので（Ｓ３３：ＹＥＳ）、再度、Ｓ２３に戻り、巡回シフトと位相補正カウンタの加算が行われる（Ｓ２３：ＹＥＳ，Ｓ２５，Ｓ２７）。すなわち図１０に示すように、取得順１番の信号値Ｂがバッファに退避され、取得順２番以降の信号値Ｃ〜Ｈ，Ａの取得順がそれぞれ１ずつ昇順された後、信号値Ｂが新たに取得順８番として記憶される。この処理により、検出信号の新たな波形は、図１１に示すように、もとの検出信号の波形（図７参照）に対し位相がサンプリング位相２回分（９０度）ずれた波形となる。

ここで、Ｓ２９で求められる新たな検出信号の波形の形状の特徴、すなわち、図１１に示すように、着目した信号値Ｆの点の取得順が４番であることが、基準信号の波形の形状の特徴と一致すると（Ｓ３１：ＹＥＳ）、基準信号の位相と検出信号の位相とのずれは、９０度以内、または９０度にサンプリング位相分の誤差を加えた位相以内のものであることとなる。つまり、基準信号の位相と検出信号の位相とにずれがあっても、レベル検出部１０における絶縁抵抗の低下により生じ得る抵抗成分の混入に起因する程度のものであり、レベルセンサ１００に異常は生じていないと判断される。より詳細に、第１の実施の形態の異常検出プログラムでは、上記したように、ＣＰＵ６０の指示により生成した測定信号をレベル検出部１０に入力し、出力される検出信号のうち狙いの位相において信号値を取得する。そして狙いの位相をずらし、同処理を繰り返し行って、検出信号一周期分の信号値を取得している。このため、Ｄ／Ａ変換やＡ／Ｄ変換に絡むタイミングのずれなどの影響により、検出信号の信号値を取得するタイミングのずれによる測定誤差を生ずる場合があるが、第１の実施の形態では、このように、基準信号の位相と検出信号の位相とのずれに対し測定誤差を見込んだ上で、レベルセンサ１００の異常発生の有無についての判断を行っている。そして、レベルセンサ１００に異常が生じていないと判断された場合には、異常仮発生回数のリセット後に（Ｓ４１）、上記したように、検出信号の振幅をもとにタンク１５内における尿素水溶液１６のレベルの検出が行われ（Ｓ４３）、その後、異常検出プログラムが終了されて、制御プログラムに戻る。なお、Ｓ３１で、検出信号の波形の形状の特徴が基準信号の波形の形状の特徴と一致する場合に、レベルセンサ１００が正常であると判定するＣＰＵ６０が、本発明の「正常判定手段」に相当する。

一方、Ｓ３１において、第１の実施の形態のようにサンプリング位相が４５度の場合、基準信号と検出信号との比較が３巡目となると、両信号の位相のずれが９０度となる。この場合において、Ｓ２９で求められた新たな検出信号の波形の形状の特徴が基準信号の波形の形状の特徴と一致しなければ（Ｓ３１：ＮＯ，Ｓ３３：ＮＯ）、基準信号の位相と検出信号の位相とのずれが、異常検出回路２０において生じた電子部品の不具合やノイズ等の影響に起因するものとされ、レベルセンサ１００に異常が生じたと仮に判断されて、異常仮発生回数が１加算される（Ｓ３５）。異常仮発生回数が設定値（例えば５回）未満であれば（Ｓ３７：ＮＯ）、そのまま異常検出プログラムを終了して制御プログラムに戻り、次回のレベル検出の際には、今回加算された異常仮発生回数のまま、レベルセンサ１００の異常状態の検出が行われる。なお、Ｓ３３で、位相補正カウンタに基づきレベルセンサ１００に異常が生じたと仮に判定するＣＰＵ６０が、本発明の「仮判定手段」に相当し、Ｓ３５で以上仮発生回数を１加算するＣＰＵ６０が、本発明の「計数手段」に相当する。

異常仮発生回数が設定値に達しないうちは、制御プログラムからレベル検出のため異常検出プログラムがコールされる度に、上記一連の処理による異常発生の有無の検出が行われる。異常検出プログラムが繰り返し実行される中で、レベルセンサ１００に異常が生じていないと判断された場合には、上記のようにＳ４１で異常仮発生回数がリセットされる。しかし、異常検出プログラムの実行の都度、レベルセンサ１００に異常が仮に発生したと判断され、異常仮発生回数が設定値に達すると（Ｓ３７：ＹＥＳ）、レベルセンサ１００に異常が発生したと断定され、異常状態フラグが成立されて（Ｓ３９）、異常検出プログラムが終了する。以後、制御プログラムから異常検出プログラムがコールされても、異常状態フラグが成立しているので（Ｓ１１：ＹＥＳ）、レベルセンサ１００の異常発生の検出やレベル検出は行われない。なお、Ｓ３３〜Ｓ３９によってレベルセンサ１００に異常が発生したと判定するＣＰＵ６０が、本発明の「異常判定手段」に相当する。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態の異常検出装置は、第１の実施の形態のレベルセンサ１００と同構成をなし、異常検出プログラムの一部が異なるものである。ここでは、異常検出プログラムの動作で異なる部分について、図１２を参照して説明し、その他の部分の処理やレベルセンサ１００の構成については説明を省略または簡略化する。図１２は、第２の実施の形態の異常検出プログラムのフローチャートである。なお、図１２の異常検出プログラムのフローチャートでは、図４のフローチャートと同一内容の処理については同一のステップ番号を付した。また、基準信号および検出信号については、第１の実施の形態と同一の信号（それぞれ図５および図７）を例に説明する。

第２の実施の形態の異常検出プログラムでは、以下のようにレベルセンサ１００の異常発生の有無が検出される。まず、予め基準信号の各信号値のうち特徴を有する信号値（基準信号値）を特定しておき、第１の実施の形態と同様に検出信号のサンプリングを行って得られた信号値のうち、基準信号値と同位相の信号値に着目し、これを特定信号値としてその特徴を調べる。基準信号値と特定信号値との特徴が異なれば、着目する位相をずらし、新たな信号値を特定信号値としてその特徴を調べ、同様に基準信号値と特定信号値との特徴の比較を行う。初回の特定信号値の位相から９０度（または９０度に測定誤差を加算した位相）以上ずらす前に、基準信号値と特定信号値との特徴が一致すれば、レベルセンサ１００に異常の発生はないとする。

具体的に、図１２に示すように、第２の実施の形態の異常検出プログラムにおいても、第１の実施の形態と同様の手法で、検出信号のサンプリングが行われる（Ｓ１５〜Ｓ１９）。そして、Ｓ２３〜Ｓ３３では、検出信号の着目する位相における信号値（特定信号値）の特徴と、基準信号の着目する位相における信号値（基準信号値）の特徴との比較による異常発生の有無の検出が行われる。ここで、基準信号の基準信号値の設定の仕方の一例を以下に示す。図５に示す、基準信号の波形は、取得順が６番目の信号値Ｚの点において、その信号値Ｚが極大値を示す。基準信号は波形が正弦波形状であるため一周期内に極大値は１つであり、取得順の６番目の信号値が極大値を示すことが、基準信号の特徴であると言える。したがって、取得順の６番目の位相を着目する位相（特定の位相）として設定し、その特定の位相において信号値が極大値を示すことを、基準信号の特徴とするのである。

したがって、図１２に示すように、検出信号の特徴と基準信号の特徴との初回の比較においては（Ｓ２３：ＮＯ）、特定の位相を取得順で６番目の位相とし、その位相における検出信号の信号値Ｆ（図６，図７参照）を特定信号値とする。この特定信号値（信号値Ｆ）は、信号値Ａ〜Ｈの中で極大値でないという特徴を有し（Ｓ３０）、基準信号値の特徴（極大値であること）とは一致しない（Ｓ３２：ＮＯ）。なお、このとき、波形比較フラグが立てられる。特徴の比較が初回であるので位置補正カウンタは０のままであり（Ｓ３３：ＹＥＳ）、Ｓ２３に戻る。なお、Ｓ３０で特定信号値の特徴を得るＣＰＵ６０が、本発明の「信号値特徴取得手段」に相当する。

２巡目では（Ｓ２３：ＹＥＳ）、着目する位相をサンプリング位相分ずらして変更し、取得順が７番目の位相が新たな特定の位相として設定される（Ｓ２６）。この処理により、検出信号の新たな特定信号値が、もとの検出信号の特定信号値に対し位相がサンプリング位相分（すなわち４５度）ずれた位相における信号値となるため、位相補正カウンタには＋４５度が加算される（Ｓ２７）。上記同様、新たな特定の位相（取得順７番目）の信号値Ｇ（図６，図７参照）について特徴を確認すると、信号値Ａ〜Ｈの中で極大値でないという特徴が得られ（Ｓ３０）、基準信号値の特徴とは一致しない（Ｓ３２：ＮＯ）。また、位置補正カウンタは上記Ｓ２７の処理にて４５度となっており、９０度未満であるので（Ｓ３３：ＹＥＳ）、再度Ｓ２３に戻る。

そして３巡目では、取得順の８番目の位相が新たな特定の位相として設定され、位置補正カウンタに４５度が加算される（Ｓ２３：ＹＥＳ，Ｓ２６，Ｓ２７）。上記同様、新たな特定の位相（取得順８番目）の信号値Ｈ（図６，図７参照）について特徴を確認すると、信号値Ａ〜Ｈの中で極大値であるという特徴が得られ（Ｓ３０）、この特徴は基準信号値の特徴と一致する（Ｓ３２：ＹＥＳ）。したがって、レベルセンサ１００に異常は生じていないと判断され、異常仮発生回数のリセット後に（Ｓ４１）、尿素水溶液１６のレベルの検出が行われ（Ｓ４３）、その後、異常検出プログラムが終了されて、制御プログラムに戻る。

一方、この３巡目において、位相補正カウンタが９０度となったにもかかわらず特定信号値の特徴が基準信号値の特徴と一致しなかった場合には（Ｓ３２：ＮＯ，Ｓ３３：ＮＯ）、レベルセンサ１００に異常が生じたと仮に判断さる（Ｓ３５）。そして、異常検出プログラムが繰り返し実行される中で異常仮発生回数が設定値（例えば５回）に達すると（Ｓ３７：ＹＥＳ）、レベルセンサ１００に異常が発生したと断定されることは（Ｓ３９）、第１の実施の形態と同様である。なお、異常仮発生回数が設定値未満であれば（Ｓ３７：ＮＯ）、そのまま異常検出プログラムを終了して制御プログラムに戻り、次回のレベル検出の際には、今回加算された異常仮発生回数のまま、レベルセンサ１００の異常状態の検出が行われる。

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、第１の実施の形態において、基準信号の波形の形状の特徴の求め方は上記した方法に限らず、様々な方法を用いてもよい。極大値、極小値を有する信号値を求め、それぞれの信号値の取得順を波形の形状の特徴としてもよい。

また、第２の実施の形態では、基準信号値の特徴として、着目した位相において信号値が極大値となることを特徴としたが、極小値であることを特徴としてもよいし、平均値を求め、信号値の中で基準信号値が最も平均値に近い値であることを特徴としてもよい。この場合、第１の実施の形態のように、Ｓ１９とＳ２３の間にＳ２１を設け、検出信号の各信号値の平均値を求め、得られた平均値を特定信号値の特徴把握に用いてもよい。

また、サンプリング回数を８回としたがこれに限らず、７回以下であっても、あるいは９回以上であってもよく、検出信号一周期分の信号値のサンプリングが行えればよい。なお、基準信号と検出信号とが異常の発生とは関係なく９０度までの位相ずれを生じ得るので、サンプリング位相を９０度の約数とすれば、両者の位相ずれが最大の９０度であるときに、測定誤差を見込んでも９０度により近い位相において両者の位相ずれに対する判定を行うことができるので、精度の高い異常発生の有無の判断を行うことができ、好ましい。さらに、検出信号一周期分の信号値のサンプリングを行うには、サンプリング位相×サンプリング回数が一周期分の位相、すなわち３６０度となるように、サンプリング回数を決定すればよい。そして、これにより決定したサンプリング回数をＳ１９におけるしきい値とするとともに、決定したサンプリング位相をＳ２７における位相補正カウンタの増分とすればよい。

また、Ｓ３３〜Ｓ３９では、位相補正カウンタが９０度以上となったら異常仮発生回数を加算し、その異常発生回数が設定値に達したら、レベルセンサ１００に異常が発生したと判定したことにより、誤判断による異常判定をなくし、判定の信頼性を高めることができた。もちろん、異常仮発生回数のカウントを行わず、位相補正カウンタが９０度以上となっただけで即座にレベルセンサ１００に異常が発生したと判定してもよい。

また、レベルセンサ１００に搭載した異常検出回路２０は、レベル検出を行う回路とは別途設けてもよい。また、レベルセンサ１００とは別体に設け、例えばレベルセンサとＥＣＵとの間にて中継するように配置させてもよい。

レベルセンサ１００の異常を検出するための異常検出回路２０の電気的な構成を示す図である。 レベル検出部１０の模式的な構造を示す図である。 ＲＡＭ８０の記憶エリアの模式的な構成を示す図である。 第１の実施の形態の異常検出プログラムのフローチャートである。 基準信号の一周期分の波形の形状を示すグラフである。 検出信号の信号値を記憶したサンプリングデータ記憶エリア８２の様子を模式的に示す図である。 検出信号の一周期分の波形の形状を示すグラフである。 位相を４５度ずらした検出信号の信号値を記憶したサンプリングデータ記憶エリア８２の様子を模式的に示す図である。 位相を４５度ずらした検出信号の一周期分の波形の形状を示すグラフである。 位相を９０度ずらした検出信号の信号値を記憶したサンプリングデータ記憶エリア８２の様子を模式的に示す図である。 検位相を９０度ずらした出信号の一周期分の波形の形状を示すグラフである。 第２の実施の形態の異常検出プログラムのフローチャートである。

符号の説明

１０ レベル検出部
１１ 外筒電極
１２ 内部電極
１６ 尿素水溶液
２０ 異常検出回路
３０ マイクロコンピュータ
４０ 波形生成回路
５０ 差動増幅回路
５１ 検出抵抗
６０ ＣＰＵ
８０ ＲＡＭ
８２ サンプリングデータ記憶エリア
１００ レベルセンサ

Claims (5)

1. コンデンサを構成する一対の電極間に被測定物を介在させ、前記電極間に電圧が周期的に変動する正弦波波形をなす測定信号を入力し、その出力として得られた検出信号の波形の状態に基づいて前記被測定物の状態を検出する静電容量式センサが異常状態にあるか否かを検出する静電容量式センサの異常検出装置であって、
   前記測定信号の波形の変動周期に基づいて定められた当該変動周期よりも短い一定間隔の位相であるサンプリング位相ごとに、前記測定信号の変動周期の一周期分における前記検出信号の信号値を取得するサンプリング手段と、
   取得した前記検出信号の前記信号値を、その信号値の取得順に関連付けて記憶する記憶手段と、
   前記検出信号の前記信号値と前記取得順との相関関係から、前記検出信号の波形形状を特定するための特徴を得る波形形状特定手段と、
   特定した前記検出信号の波形形状の特徴と、予め取得した正常時の検出信号である基準信号の波形形状の特徴とを比較し、両者が一致する場合に、前記静電容量式センサが正常であると判定する正常判定手段と、
   前記検出信号の波形形状の特徴と前記基準信号の波形形状の特徴とが一致しない場合、前記検出信号の前記信号値と前記取得順との相関関係を前記一周期内で巡回的に１ずつずらし、再度、前記波形形状特定手段および前記正常判定手段よる判定を行う再判定手段と、
   前記再判定手段による判定において前記静電容量式センサが正常であるとは判定されず、且つ、初回の前記検出信号の波形の位相に対し、前記信号値と前記取得順との相関関係をずらした後の前記検出信号の波形の位相が９０度以上ずれた場合、前記静電容量式センサに異常が生じたと判定する異常判定手段と、
   を備えたことを特徴とする静電容量式センサの異常検出装置。
2. 前記異常判定手段は、
   前記再判定手段による判定において前記静電容量式センサが正常であるとは判定されず、且つ、初回の前記検出信号の波形の位相に対し、前記信号値と前記取得順との相関関係をずらした後の前記検出信号の波形の位相が９０度以上ずれた場合、前記静電容量式センサに異常が生じたと仮に判定する仮判定手段と、
   前記仮判定手段によって前記静電容量式センサが異常状態にあると仮に判定された回数を計数する計数手段と、
   を備え、
   前記計数手段により計数された仮判定回数が予め定められた基準回数に達した場合に、前記静電容量式センサが異常状態にあると判定することを特徴とする請求項１に記載の静電容量式センサの異常検出装置。
3. コンデンサを構成する一対の電極間に被測定物を介在させ、前記電極間に電圧が周期的に変動する正弦波波形をなす測定信号を入力し、その出力として得られた検出信号の波形の状態に基づいて前記被測定物の状態を検出する静電容量式センサが異常状態にあるか否かを検出する静電容量式センサの異常検出装置であって、
   前記測定信号の波形の変動周期に基づいて定められた当該変動周期よりも短い一定間隔の位相であるサンプリング位相ごとに、前記測定信号の変動周期の一周期分における前記検出信号の信号値を取得するサンプリング手段と、
   取得した前記検出信号の前記信号値を、その信号値の取得順に関連付けて記憶する記憶手段と、
   前記検出信号の前記信号値のうち特定の位相における前記信号値を特定信号値として着目し、前記特定信号値の特徴を得る信号値特徴取得手段と、
   予め取得した正常時の検出信号において前記特定の位相における前記信号値を基準信号値とし、その基準信号値の特徴と前記特定信号値の特徴とが一致する場合に、前記静電容量式センサが正常であると判定する正常判定手段と、
   前記基準信号値の特徴と前記特定信号値の特徴とが一致しない場合、前記特定の位相を前記サンプリング位相分ずらし、その位相における前記検出信号の前記信号値を新たな特定信号値として、再度、前記信号値特徴取得手段および前記正常判定手段よる判定を行う再判定手段と、
   前記再判定手段による判定において前記静電容量式センサが正常であるとは判定されず、且つ、初回の前記特定の位相に対し、着目する位相が９０度以上ずれた場合、前記静電容量式センサに異常が生じたと判定する異常判定手段と、
   を備えたことを特徴とする静電容量式センサの異常検出装置。
4. 前記異常判定手段は、
   前記再判定手段による判定において前記静電容量式センサが正常であるとは判定されず、且つ、初回の前記特定の位相に対し、着目する位相が９０度以上ずれた場合、前記静電容量式センサに異常が生じたと仮に判定する仮判定手段と、
   前記仮判定手段によって前記静電容量式センサが異常状態にあると仮に判定された回数を計数する計数手段と、
   を備え、
   前記計数手段により計数された仮判定回数が予め定められた基準回数に達した場合に、前記静電容量式センサが異常状態にあると判定することを特徴とする請求項３に記載の静電容量式センサの異常検出装置。
5. 前記サンプリング位相が９０度の約数であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の静電容量式センサの異常検出装置。

Images