JP2011220858A

JP2011220858A - 液体センサ

Info

Publication number: JP2011220858A
Application number: JP2010090784A
Authority: JP
Inventors: Tomomi Okamoto; 智美岡本
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2011-11-04

Abstract

【課題】沈殿物の干渉を受け難く、小型・軽量で小容量のタンク内に設置可能であり、タンク内の液体の下限レベル又は上限レベルを精度よく検知する。
【解決手段】本発明に係る液体センサ３０は、基板３４と、基板３４の表面側に設けられる音波発信側電極３７ａ，３７ｂ及び音波受信側電極３８ａ，３８ｂと、基板３４の裏面側に設けられて音波発信側電極３７ａ，３７ｂ及び音波受信側電極３８ａ，３８ｂと電気的に結合される内部電極３９ａ，３９ｂとを有し、音波発信側電極３７ａ，３７ｂから音波受信側電極３８ａ，３８ｂに伝搬する音波の位相差により液体の濃度を測定する表面弾性波素子３１と、表面弾性波素子３１に電気的に結合され、表面弾性波素子３１が液体の所定濃度範囲外の濃度値を一定時間以上継続して検知した場合には液体が存在しないと判断する制御装置３３と、を備えていることを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、液体の有無を検知するための液体センサに関し、特に、タンク内に貯留された液体のレベルを検知するセンサとして機能する液体センサに関する。

従来、タンク内に貯留された液体のレベルを検知するための液体センサとして、導光体を伝搬するセンシング光の光量変化から液面レベルを検出する光学式の液体センサ（例えば、特許文献１参照）や、液面の変化に応じて上下するフロートを利用して液面レベルを検出するフロート式の液体センサ（例えば、特許文献２参照）などが知られている。

一方、従来、変圧器やフィルタとして、携帯電話やテレビ等に表面弾性波（Surface
Acoustic Wave：ＳＡＷ）素子が利用されており、最近では、この表面弾性波素子を液体中の検体を検出するためのセンサとして使用したり（例えば、特許文献３参照）、或いは、液体の濃度センサとして使用したりする技術が提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開２００２−１８８９５１号公報特開平１０−２５２１３４号公報特表２００９−５１７６８２号公報特開２００５−２０７７３７号公報

しかしながら、上記した従来の光学式の液体センサでは、タンク内に沈殿物が発生した場合には正確な液体のレベルの検出ができないといった問題があった。

また、上記した従来のフロート式の液体センサでは、タンク内にフロートを設置するためのスペースが必要なため、タンクの容量が小さい場合には設置できないといった問題があった。

さらに、表面弾性波素子を利用したセンサは、液体中で使用することを前提としているため、タンク内の液体のレベルを検出することはできなかった。

本発明は上記した課題を解決すべくなされたものであり、沈殿物などの干渉を受け難く、小型・軽量で小容量のタンク内に設置することができ、タンク内の液体の下限レベル又は上限レベルを精度よく検知することのできる液体センサを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するため、本発明は、液体の有無を検知するための液体センサであって、基板と、該基板の表面側において表面弾性波伝搬領域を挟んでそれぞれ対向する位置に設けられる音波発信側電極及び音波受信側電極と、該音波発信側電極及び音波受信側電極との間で前記基板を挟むように前記基板の裏面側に設けられて前記音波発信側電極及び前記音波受信側電極と電気的に結合される内部電極と、を有し、前記音波発信側電極から前記表面弾性波伝播領域を経由して前記音波受信側電極に伝搬する音波の位相差により前記液体の濃度を測定する表面弾性波素子と、該表面弾性波素子に電気的に結合され、前記表面弾性波素子が前記液体の所定濃度範囲外の濃度値を一定時間以上継続して検知した場合には前記液体が存在しないと判断する制御装置と、を備えていることを特徴とする。

また、本発明に係る液体センサは、前記液体を貯留するタンク内において前記音波発信側電極が前記音波受信側電極より下方に位置するように設けられ、前記液体の下限レベルを検知するセンサとして機能してもよい。

さらに、本発明に係る液体センサは、前記液体を貯留するタンク内において前記音波発信側電極が前記音波受信側電極より上方に位置するように設けられ、前記液体の上限レベルを検知するセンサとして機能してもよい。

さらにまた、本発明に係る液体センサには、前記タンクの外面の前記内部電極に対向する位置に外部電極が設けられ、該外部電極は前記内部電極と静電容量結合されているのが好ましい。

さらに、前記液体はダイレクトメタノール燃料電池の燃料として使用される希釈されたメタノール溶液であってもよい。

本発明によれば、沈殿物などの干渉を受け難く、小型・軽量で小容量のタンク内に設置することができ、タンク内の液体の下限レベル又は上限レベルを精度よく検知することができる等、種々の優れた効果を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る液体センサを設置した燃料電池を示す模式図である。本発明の実施の形態に係る液体センサを示す平面図である。本発明の実施の形態に係る液体センサを示す断面図である。本発明の実施の形態に係る液体センサを拡大して部分的に示す断面図である。本発明の実施の形態に係る液体センサの作用を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態では、本発明に係る液体センサをダイレクトメタノール燃料電池に設置した場合について例示して説明する。

先ず、図１を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る液体センサを設置したダイレクトメタノール燃料電池について説明する。ここで、図１は本発明の実施の形態に係る液体センサを設置した燃料電池を示す模式図である。

本発明の実施の形態におけるダイレクトメタノール燃料電池１０では、燃料タンク１１に貯溜されたメタノール（例えば、メタノール５０％水溶液）が燃料ポンプ１２によって希釈タンク１３へ搬送され、この希釈タンク１３内で、水タンク１４から水ポンプ１５によって希釈タンク１３に搬送された水により最適な濃度（例えば、メタノール５％水溶液）まで希釈される。そして、このように最適な濃度に希釈されたメタノールは、イオン交換樹脂１６において不純物が除去され、循環ポンプ１７によってセルスタック１８の負極側へ送り込まれる。

この時、セルスタック１８の出力特性は、メタノール濃度に大きく影響されるため、メタノール水溶液の濃度は希釈タンク１３内に設置される液体センサ３０によって監視される。そして、この液体センサ３０の測定結果に基づき、燃料ポンプ１２及び水ポンプ１５の駆動が制御され、燃料タンク１１からメタノールが希釈タンク１３内に供給されると共に水タンク１４から水が希釈タンク１３内へ供給され、希釈タンク１３内のメタノール水溶液の濃度が最適濃度になるように調整される。

一方、空気は、エアフィルタ２１において空気中の不純物が除去され、コンプレッサ２２によってセルスタック１８の正極側へ圧送される。これにより、セルスタック１８の負極にメタノールが供給されると共にセルスタック１８の正極に空気が供給され、セルスタック１８において電気化学反応が行われて電力が発生する。

また、この時、セルスタック１８の正極出口からは、未反応の空気と、電気化学反応により生成された水とが排出されるが、セルスタック１８の運転温度が比較的高温であるため、生成された水の多くは水蒸気の状態となる。そこで、この水蒸気をセルスタック１８の正極出口の未反応空気と共に熱交換器２３へ導入し、冷却ファン２４により、これらの未反応空気及び水蒸気を冷却し、水蒸気を凝集させて水の回収率を高めている。

その後、このように熱交換器２３により冷却された未反応空気及び水蒸気と、希釈タンク１３から配管２５を通って水タンク１４に排出された二酸化炭素は、水タンク１４内で混合され、排ガス触媒２６によって有害成分が除去されて浄化された後、排ガス排出管２７を通って大気中へ排出される。

次に、本発明の実施の形態に係る液体センサ３０について詳細に説明する。ここで、図２は本発明の実施の形態に係る液体センサを示す平面図、図３は本発明の実施の形態に係る液体センサを示す断面図、図４は本発明の実施の形態に係る液体センサを拡大して部分的に示す断面図、図５は本発明の実施の形態に係る液体センサの作用を示すフローチャートである。

液体センサ３０は、希釈タンク１３の内側側面に沿って設けられる表面弾性波素子３１と、希釈タンク１３の外側側面に設けられる外部電極３２と、外部電極３２に電気的に接続される制御装置３３とを備えて構成されている。

表面弾性波素子３１には、例えばタンタル酸リチウムや水晶などの圧電効果を示す材料により形成される矩形平板状の基板３４が設けられており、基板３４の表面側には、弾性表面伝搬領域３５ａが電極で覆われたショート経路３６ａと、弾性波伝搬領域３５ｂに基板３４の表面が露出するように開口４６が形成されたオープン経路３６ｂとの２つの経路が形成されている。

表面弾性波素子３１のショート経路３６ａには、基板３４の表面側において表面弾性波伝搬領域３５ａを挟んでそれぞれ対向する位置に設けられる金製の音波発信側電極３７ａ及び音波受信側電極３８ａと、音波発信側電極３７ａ及び音波受信側電極３８ａとの間で基板３４を挟むように基板３４の裏面側に設けられる内部電極３９ａと、音波発信側電極３７ａ及び音波受信側電極３８ａと内部電極３９ａとの間に形成されたスルーホール４０を通って音波発信側電極３７ａ及び音波受信側電極３８ａと内部電極３９ａとを結合する電気配線４１ａとが設けられており、音波発信側電極３７ａ及び音波受信側電極３８ａはフッ素樹脂などの電極保護膜４２によって被覆されている。

また、表面弾性波素子３１のオープン経路３６ｂについても、前記ショート経路３６ａと同様に、金製の音波発信側電極３７ｂ及び音波受信側電極３８ｂ、内部電極３９ｂ、電気配線４１ｂがそれぞれ設けられており、音波発信側電極３７ｂ及び音波受信側電極３８ｂはフッ素樹脂などの電極保護膜４２によって被覆されている。

このような構成を備えた表面弾性波素子３１は、図４に示されているように、基板３４の周縁部（例えば、四隅）に設置される希釈タンク１３と同一の樹脂材料製（例えば、ポリプロピレン製）の外れ止め部材４３によって希釈タンク１３の内側側面にメカニカル接合されることにより、或いは射出成形によって希釈タンク１３と一体成形されることにより、希釈タンク１３の内側側面に取り付けられる。

この場合、表面弾性波素子３１は、音波発信側電極３７ａ，３７ｂが音波受信側電極３８ａ，３８ｂより上方又は下方のいずれかに位置するように配置することが好ましい。すなわち、音波の発信条件を一定にするため、表面弾性波素子３１をメタノールの下限レベルを検知するセンサとして使用する場合には、音波発信側電極３７ａ，３７ｂを音波受信側電極３８ａより下方に配置し、表面弾性波素子３１をメタノールの上限レベルを検知するセンサとして使用する場合には、音波発信側電極３７ａ,３７ｂを音波受信側電極３８ａ，３８ｂより上方に配置するのが好ましい。

また、外部電極３２は、各内部電極３９ａ，３９ｂに対向する位置に配置され、各内部電極３９ａ，３９ｂとそれぞれ静電容量結合されている。なお、外部電極３２と内部電極３９ａ，３０ｂとはインダクタンスを対向させて磁気結合されていてもよい。

このような構成を備えた液体センサ３０では、音波が音波発信側電極３７ａ，３７ｂから表面弾性波伝播領域３５ａ，３５ｂを経由して音波受信側電極３８ａ，３８ｂに伝搬する際に、ショート経路３６ａにおいて密度粘土積を測定すると共に、オープン経路３６ｂにおいて誘電率及び導電率を測定し、この誘電率により希釈タンク１３内のメタノールの濃度を測定し、導電率によりギ酸濃度を測定する。メタノールとギ酸を区別して測定することにより、ギ酸が混合することによる測定誤差の発生を防止し、希釈タンク１３内のメタノール濃度を正確に測定することができる。

このように液体センサ３０で測定したメタノールの濃度値は外部電極３２を経由して制御装置３３に送出され、制御装置３３では、図５のステップ１（Ｓ１）に示すように、前記測定した濃度値が、ダイレクトメタノール燃料電池１０の燃料として最適な濃度の許容範囲（例えば、４．５〜５％）内にあるかどうかが判断される。この結果、前記測定した濃度値が前記許容範囲内にあると判断された場合には、前記ステップ１が繰り返される一方、前記測定した濃度値が前記許容範囲内にないと判断された場合には、次のステップ２（Ｓ２）に進む。

このステップ２では、前記測定した濃度値が、ダイレクトメタノール燃料電池１０の燃料の濃度として可能性のある限界濃度範囲（例えば、０〜５０％）内にあるかどうかが制御装置３３によって判断される。

この場合、音波の位相差は音波の伝搬速度により影響を受け、この伝搬速度はメタノール溶液中と空気中とでは異なる（例えば、メタノール溶液中の伝搬速度は４，１６０ｍ／ｓ、空気中の伝搬速度は４，２００ｍ／ｓ）ため、制御装置３３は音波が音波発信側電極３７ａ，３７ｂから表面弾性波伝播領域３５ａ，３５ｂを経由して音波受信側電極３８ａ，３８ｂに伝搬する際の位相差を検出することにより、ダイレクトメタノール燃料電池１０の燃料の濃度として可能性のある限界濃度範囲（例えば、０〜５０％）内にあるかどうかを判断する。

この結果、前記測定した濃度値が前記限界濃度範囲内にあると判断された場合には、次のステップ３（Ｓ３）に進み、前記測定した濃度値が希釈されたメタノールの基準濃度値（例えば、３％）より大きいかどうかが制御装置３３によって判断される。

この結果、前記測定した濃度値が前記基準濃度値より小さいと判断された場合には、制御装置３３からの指令により燃料ポンプ１２が駆動され（Ｓ４参照）、燃料タンク１１からメタノールが希釈タンク１３内に供給される一方、前記測定した濃度値が前記基準濃度値より大きいと判断された場合には、制御装置３３からの指令により水ポンプ１５が駆動され（Ｓ５参照）、水タンク１４から水が希釈タンク３５内へ供給され、希釈タンク１３内のメタノール水溶液の濃度が最適濃度になるように調整される。

また、前記ステップ２において、前記測定した濃度値が前記限界濃度範囲内にない（以下、「異常値」と言う。）と判断された場合には、制御装置３３内のタイマー（図示省略）が時間Ｔの計測を開始し、制御装置３３は、この異常値が一定時間（例えば、３０秒間）継続して検知されたかどうかを判断する（Ｓ６参照）。この結果、前記異常値の状態が一定時間内で解消した場合には、表面弾性波素子３１の表面弾性波伝播領域３５ａに気泡が付着したか或いは振動等により前記異常値が一時的に測定されたものと判断して前記ステップ１に戻り、以降、上記したステップと同様のステップが繰り返される。なお、表面弾性波素子３１の表面弾性波伝播領域３５ａに気泡が付着しやすい場合には、希釈タンク１３内に攪拌装置（図示せず）を設置することもできる。

一方、前記ステップ６において、前記異常値が一定時間継続して検知された場合には、制御装置３３は、表面弾性波素子３１の表面弾性波伝播領域３５ａが液体中に無く、メタノール溶液が不足若しくは無くなったものと判断する。これにより、制御装置３３は、燃料ポンプ１２及び水ポンプ１５にそれぞれ駆動指令を送出し、燃料タンク１１からメタノールが希釈タンク１３内に供給されると共に、水タンク１４から水が希釈タンク１３内へ供給され、希釈タンク１３内のメタノール水溶液の濃度が最適濃度になるように調整される（Ｓ７参照）。

なお、図１において二点鎖線で示すように、上記したメタノール溶液の下限レベル用液体センサ３０とは別に、希釈タンク１３内のメタノール溶液の上限レベルを検知する液体センサ３０を、下限レベル用の液体センサ３０より上方位置の希釈タンク１３の内側側面に設置してもよい。この場合、上限レベル用の液体センサ３０は、上述したように、音波発信側電極３７ａ,３７ｂが音波受信側電極３８ａ，３８ｂより上方に位置するように設置されるのが好ましい。

上記したように本発明の実施の形態に係る液体センサ３０は、希釈タンク１３の内側側面に沿って取り付けられているため、希釈タンク１３内に沈殿物が発生した場合でも沈殿物の影響を受けることなく正確に液体のレベルを検出することができる。

また、メタノール溶液の濃度を測定するセンサをメタノールの上下限レベルを検知する液体センサ３０として兼用していると共に液体センサ３０自体が薄く・小型であるため、希釈タンク１３の容量が小さい場合でも設置することができると共に、システムの簡素化を図ることができる。

さらにまた、メタノール溶液に臨む表面弾性波素子３１が金製であると共に、内部電極３９ａ，３９ｂ、及び外部電極３２はメタノール溶液に接触することがないため、金属イオンなどの不純物がメタノール溶液中に溶出したり、或いはメタノール溶液を介して電気が流れて感電や電気分解の問題が発生したりして燃料電池に悪影響を及ぼすおそれがない。

さらに、弾性表面素子３１と外部電極３２との間の希釈タンク１３の側面に電気配線を通すためのスルーホールを開ける必要がないため、このスルーホールを介して、希釈したメタノールが外部に漏出したり、或いは外部から不純物が内部に侵入したりすることがなく、ダイレクトメタノール燃料電池１０に悪影響を与えるおそれもない。

さらに、伝搬する表面弾性波は横波を使用しているので、レイリー波のようにメタノール溶液中に縦波を放出して信号が減衰してしまうがなく、液体センサ３０の測定精度を向上させることができる。

なお、上記した実施の形態の説明において、本発明の実施の形態に係る液体センサ３０は、希釈タンク１３の内側側面に沿って取り付けられているが、上記した取付位置に限定される趣旨ではない。

また、上記した実施の形態では、液体センサ３０をダイレクトメタノール燃料電池１０の燃料であるメタノール溶液を貯留する希釈タンク１３内に設置した場合について説明したが、これは単なる例示に過ぎず、本発明に係る液体センサは、他のタイプの燃料電池、或いは燃料電池以外の機器に使用される液体や気体の有無を検出するセンサとしても適用可能であることは言う迄もない。

１０ダイレクトメタノール燃料電池
１３希釈タンク
３０液体センサ
３１表面弾性波素子
３２外部電極
３３制御装置
３４基板
３５ａ，３５ｂ表面弾性波伝搬領域
３７ａ，３７ｂ音波発信側電極
３８ａ，３８ｂ音波受信側電極
３９ａ，３９ｂ内部電極

Claims

液体の有無を検知するための液体センサであって、
基板と、該基板の表面側において表面弾性波伝搬領域を挟んでそれぞれ対向する位置に設けられる音波発信側電極及び音波受信側電極と、該音波発信側電極及び音波受信側電極との間で前記基板を挟むように前記基板の裏面側に設けられて前記音波発信側電極及び前記音波受信側電極と電気的に結合される内部電極と、を有し、前記音波発信側電極から前記表面弾性波伝播領域を経由して前記音波受信側電極に伝搬する音波の位相差により前記液体の濃度を測定する表面弾性波素子と、
該表面弾性波素子に電気的に結合され、前記表面弾性波素子が前記液体の所定濃度範囲外の濃度値を一定時間以上継続して検知した場合には前記液体が存在しないと判断する制御装置と、
を備えていることを特徴とする液体センサ。
前記液体を貯留するタンク内において前記音波発信側電極が前記音波受信側電極より下方に位置するように設けられ、前記液体の下限レベルを検知するセンサとして機能する請求項１に記載の液体センサ。
前記液体を貯留するタンク内において前記音波発信側電極が前記音波受信側電極より上方に位置するように設けられ、前記液体の上限レベルを検知するセンサとして機能する請求項１又は２に記載の液体センサ。
前記タンクの外面の前記内部電極に対向する位置に外部電極が設けられ、該外部電極は前記内部電極と静電容量結合されている請求項２又は３に記載の液体センサ。
前記液体はダイレクトメタノール燃料電池の燃料として使用される希釈されたメタノール溶液である請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載の液体センサ。