JP3029482B2 - 静電容量型センサの製造方法 - Google Patents

静電容量型センサの製造方法

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JP3029482B2 JP3150870A JP15087091A JP3029482B2 JP 3029482 B2 JP3029482 B2 JP 3029482B2 JP 3150870 A JP3150870 A JP 3150870A JP 15087091 A JP15087091 A JP 15087091A JP 3029482 B2 JP3029482 B2 JP 3029482B2
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孝夫 小島
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はアルコール混合比センサ
(FFセンサ)、液レベルセンサ、オイル汚れセンサ等
に利用される静電容量型センサに関する。
【0002】
【従来の技術・課題】近年、ガソリンにメタノールを混
合してなるアルコール燃料によって走行できるアルコー
ル燃料自動車(FFV)が脚光を浴びている。この場
合、ガソリンとアルコールの理論空燃比が異なるため、
燃料中のガソリンとアルコールの混合率を測定し、最適
なエンジン制御により完全燃焼させる必要がある。その
ための混合比検出センサとして、ガソリンとメタノール
の比誘電率の違いを利用した静電容量型センサが用いら
れる。
【0003】従来、この静電容量型センサとしては、二
枚の金属板を所定の間隔をもって配置したものが周知で
あるが、金属板間の短絡対策が難しい。また、図6に示
すように、二枚の絶縁基板(1)、(1)を所定の間隔
をもって配置し、その基板同士の対向面に夫々電極
(2)、(2)を備えたものがある。この場合、被測定
液のアルコール−ガソリン混合比を電極間の静電容量変
化をもって検知するためには、その被測定液が二枚の基
板(1)、(1)の間隔に入り込んで電極(2)、
(2)に接触しなければならないことから、通常その間
隔は1mm以上とされる。
【0004】しかし、正確にアルコール濃度(ガソリン
とアルコールとの混合率)を測定するためには得られる
静電容量の絶縁値が大きい方がよいのであるが、上記の
ように基板間の間隔を大きくすると静電容量値が小さく
なり、測定精度が低くならざるを得ないし、静電容量値
を高めるために電極(2)、(2)面積を大きくする
と、大型化してしまう。また、間隔を狭めると電極曲り
等による製品バラツキが大きくなり、使用時において被
測定液中の不純物等により目詰りし易い。更に、基板
(1)、(1)のソリや温度変化による変形によって基
板の間隔にバラツキを生じるので、同じ濃度の被測定液
を流しても静電容量値が変化し、被測定液の濃度に対応
した静電容量値とならない。燃料管にシール性良く組付
けることも容易ではなかった。従って、被測定液の正確
な濃度を測定できず、簡易な組付構造とならないため量
産性にも乏しいものとなっていた。
【0005】
【解決手段・作用】上述した課題を解決するために、本
発明の静電容量型センサの製造方法は、一対の電極に測
定流体を接触させ、該一対の電極間に発生する静電容量
に基づいて、該測定流体の誘電特性を測定する静電容量
型センサの製造方法であって、未焼成ないし仮焼後のセ
ラミック絶縁基板材料上に、焼成後において互いに離間
した一対の電極となるよう電極材料を形成し、さらに、
該未焼成ないし仮焼後のセラミック絶縁基板材料上に焼
成後において厚みが15〜150μmのセラミック絶縁
層となるようセラミック絶縁層材料を積層した後、この
積層体を同時焼成することを特徴とする。
【0006】かかる発明により製造される静電容量型セ
ンサによれば、例えば、図1に示すように一のセラミッ
絶縁基板(1)表面に両電極(2)、(2)が存在す
るので、被測定液は狭い間隔には入り込む必要がない。
又、一対の電極(2)、(2)は通常のスクリーン印刷
法などにより、その離間距離が一定のものを一の基板表
面に簡易に形成でき、しかも仮に絶縁基板(1)にソ
リ、変形等が生じても一対の電極(2)、(2)間距離
には殆ど影響を及ぼさない。そして、液濃度の測定時に
は、浸漬などによって被測定液を両電極(2)、(2)
に接触させることにより一対の電極(2)、(2)間の
静電容量変化によって、液濃度ないしは混合比を検出で
きる。
【0007】
【好適な態様】一のセラミック絶縁基板(1)としては
取付状況に応じて平板状、円柱状、角状など種々の形状
のものを使用できる。セラミック絶縁基板材料としては
例えばAl23系、ステアタイト系などが好ましい。
【0008】一対の電極(2)、(2)の形成はスクリ
ーン印刷法によることが好ましい。各電極の幅や一対の
電極の離間距離などを所望の寸法形状に形成でき、その
再現性も良く、量産性に優れる。検出部A(図5参照)
における一対の電極パターンの離間距離は例えば0.1
5〜0.4mm程度にするとよい。この電極間距離は検
出部(A)における電極パターン全域において一定とす
ることが高い検出精度を維持する上で好ましい。又、検
出部における各電極長はできるかぎり長くすると良く、
その為にくし状電極とか旋回状電極にするとよい。電極
を絶縁基板と強固に固着させるためには、生状態ないし
は仮焼後の基板材料に電極材料として有機系バインダを
含有する金属インキを印刷した後基板材料の焼成と電極
の焼付けとを同時に行うことが好ましい基板材料に電
極材料として有機インク(メタルオーガニックペース
ト)を印刷、焼付けてもよい。スパッタリング、蒸着な
ど物理的固着方法にすることにより小型化することもで
きる。この場合、電極の離間距離を0.5μm程度にす
ることが可能である。
【0009】特に、被測定液が導電性液である場合、電
極を被覆してセラミック絶縁層(3)を備えることが
である。何故なら、導電性液が電極に接触すると、電
極同士が導通してしまい、静電容量が計れなくなるから
である。被測定液としてアルコールとガソリンとの混合
燃料には水分(H2O)など導電性物質が不純物として
混入することがあり、そのような場合にも、またオイル
レベルセンサに用いた場合にも使用液中に含まれる金属
粉による影響を防止できる。セラミック絶縁層材料とし
ては耐久性、耐食性等の見地から選択すれば良く、例え
Al23質等を広く使用できる。セラミック絶縁層材
料は、焼成前のセラミック基板材料(及び電極材料)に
積層し同時焼成することが好ましい。絶縁層の厚みは1
50μm以下、より好ましくは120μm以下にすると
よく、セラミック絶縁層の場合には15μm以上にする
とよい。セラミック基板材料とセラミック絶縁層材料の
同時焼成の場合、15μm未満では絶縁層に存在するピ
ンホール(通常2〜4μm程度)によりショートしてし
まい、絶縁層としての機能を果せないおそれがある。1
50μmより厚くすると、被測定液の濃度に対応した静
電容量が小さくなり、センサとして測定精度が低下す
る。
【0010】その他、電極(2)、(2)材料がタング
ステン(W)、モリブデン(Mo)など酸化され易い材
料である場合、耐酸化層で被覆することが好ましい。例
えばニッケル(Ni)をメッキ等して形成する。
【0011】
【実施例】Al 90%、SiO 6%、Mg
O、CaO等4%を調合し、40時間湿式混合した。乾
燥後ほぐし(20メッシュパス)、溶剤を加え、10時
間粉砕した後、有機バインダーを加え更に5時間混合し
た。ドクターブレード法により厚みが夫々50μm、1
20μm、200μm及び700μmの各シートに成形
した。自然乾燥後、200℃で2時間さらに乾燥させ
た。その後、60×90mmの寸法に切断してAl
質シートを得た。
【0012】次に、厚み700μmのAl23質シート
を基体シート(未焼成セラミック基板材料)として用
い、このシート表面に、図1、図5に示すようなパター
ン(図1はラセン状、図5はクシ状パターン)が多数形
成されるように、電極材料としてタングステン(W)又
は白金(Pt)をスクリーン印刷した。この場合、電極
パターンの幅0.35mm、一対の電極パターン間の離
間距離0.2mm、厚み20μmとした。そして、この
電極パターンが多数形成されたシートを各電極パターン
毎のシートになるように切断した(40×12mm)。
さらに、一部の試料(No.2〜4;No.9)につい
ては、前記Al23質シートのうち厚み50μm、12
0μm及び200μmのもの(未焼成セラミック絶縁層
材料)を、電極パターンを被覆して積層した。そして、
この積層体を同様に所定の寸法(40×12mm)に切
断して各電極パターン毎の積層体を得た(図3,4)。
300℃で24時間加熱して樹脂抜きを行なった後、1
600℃で1時間大気中にて焼成した。又、他の一部の
試料(No.5〜7:No.10、これらは参考例)に
ついては、ポリイミドフィルムを積層するか又はテフロ
ンを塗布した後、その後乾燥して絶縁層を形成し、その
積層体を所定寸法に切断した。この場合、ポリイミドフ
ィルムとしては厚み40μmのものを用い、このフィル
ム1〜3枚をポリイミドワニスを用いて積層させた。
尚、各電極パターン毎の積層体は焼成後において35×
10mmの寸法に収縮した。又、各シート(50,12
0,200及び700μm)は、焼成後において夫々4
0,95,160及び560μmの厚みとなった。
【0013】得られた静電容量型センサ本体を図1〜5
に示す。従来のセンサ本体とは異なり、基板(1)が一
つのみであり、この一の基板(1)表面に両電極
(2)、(2)が備えられている。尚、図3,4におい
て(3)は絶縁層であり、電極パターンのうち特に検知
部(A)即ち電極同士が近接している部分を被覆してい
る。
【0014】こうして得られた静電容量型センサ本体の
特性を次のようにして調べた。即ち、センサ本体の電極
端子から絶縁被覆されたシールドリードを引き出し、市
販のL.C.R.メータ(L:インダクタンス、C:容
量、R:抵抗)に接続する。そして、5MHzの周波数
により、先ず、a:空気中(液に接触しない状態)に
て、電極間の静電容量を調べた。次に、センサ本体のう
ち検出部全体をb:ガソリン100%液、c:アルコー
ル100%液に浸漬して、電極間の静電容量を測定し
た。その結果を表1に示す。
【0015】又、評価は次のように行なった。尚、各式
において、aは空気中において得られた電極間の静電容
量、bはガソリン100%液において得られた電極間の
静電容量、cはアルコール100%液において得られた
電極間の静電容量とする。
【0016】○:a≦(c−b) △:a/4≦(c−b)<a ×:(c−b)<a/4 ここで、(c−b)が高い値になる程優れているのは、
メタノール液に接触した時の静電容量とガソリン液に接
触したときの静電容量との差が大きい方がそれらの混合
液の混合比を明確に判定できるからである。又、aやa
/4との関係も考慮したのは、被測定液そのものについ
ての静電容量を問題にすべきだからである。
【0017】
【表1】 表1によれば、いずれの試料も静電容量型のFFセンサ
として優れた静電容量特性を示している。但し、絶縁層
の厚みが200μmになると(c−b)差が僅か2pF
(ピコファラツド)となり、浮遊容量レベルとなるた
め、有効でない。従って、絶縁層の厚みは150μm程
度以下にすることが好ましいことがわかる。
【0018】この静電容量型センサ本体をFFセンサと
して使用する場合の取付状態の一例を図7に示す。同図
において、センサ本体(10)はホルダ(11)に耐蝕
性鋼シールパッキン(12)及びシールガラス(13)
を介して所定位置に保持されている。本体(10)検出
部側は穴あきプロテクタ(14)で覆われる一方、電極
(2)端子はリード(15)にロー付又はハンダ付され
ている。そして、ホルダ(11)が燃料管(16)に取
り付けられ、又リード(15)が制御装置(17)に接
続されている。
【0019】尚、FFセンサとして使用する場合を例に
とって説明したが、本発明品はその他各種の静電容量型
センサとして広く適用できることは自明であろう。
【0020】
【発明の効果】静電容量特性に優れ、被測定液の濃度や
混合比を正確に検知できる静電容量型センサを量産性良
く提供できる。従来センサにおける種々の問題、即ち使
用時における目詰りや一対の電極間距離のバラツキ等を
解消し、しかも静電容量型センサを小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の静電容量型センサ本体の一実施例を示
す平面図(左図)、及び側面図(右図)
【図2】図1のII-II断面図
【図3】本発明センサ本体の他の実施例を示す平面図
【図4】図3のIV-IV断面図
【図5】本発明のセンサ本体の他の実施例を示す平面図
【図6】従来の静電容量型センサ本体の例を示す側面図
【図7】本発明の静電容量型センサについてFFセンサ
としての使用状態の一例を示す断面図
【符号の説明】
1 絶縁基板 2 電極 3 絶縁層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−237044(JP,A) 実開 平1−89375(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/00 - 27/24 G01R 27/00 - 27/32

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一対の電極に測定流体を接触させ、該一対
    の電極間に発生する静電容量に基づいて、該測定流体の
    誘電特性を測定する静電容量型センサの製造方法であっ
    て、 未焼成ないし仮焼後のセラミック絶縁基板材料上に、焼
    成後において互いに離間した一対の電極となるよう電極
    材料を形成し、さらに、該未焼成ないし仮焼後のセラミ
    ック絶縁基板材料上に焼成後において厚みが15〜15
    0μmのセラミック絶縁層となるようセラミック絶縁層
    材料を積層した後、この積層体を同時焼成することを特
    徴とする静電容量型センサの製造方法。
  2. 【請求項2】焼成後において前記一対の電極の離間距離
    が0.15〜0.4mmとなるよう、前記電極材料を前
    記未焼成ないし仮焼後のセラミック絶縁基板上に形成す
    ることを特徴とする請求項1記載の静電容量型センサの
    製造方法。
  3. 【請求項3】焼成後において前記一対の電極が互いに対
    向しながら周回する渦巻き状電極となるよう、前記電極
    材料を前記未焼成ないし仮焼後のセラミック絶縁基板上
    に形成することを特徴とする請求項1又は2記載の静電
    容量型センサの製造方法。
  4. 【請求項4】焼成後において前記一対の電極がそれぞれ
    のくし状部が互いに組み合わされたくし状電極となるよ
    う、前記電極材料を前記未焼成ないし仮焼後のセラミッ
    ク絶縁基板上に形成することを特徴とする請求項1又は
    2記載の静電容量型センサの製造方法。
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