JP4416033B2 - 濃度センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、濃度センサ装置に関する。

濃度センサ装置としては、従来、例えば特許文献１に記載の技術が知られている。この文献に記載の技術を含め、従来一般に知られている濃度センサ装置について説明する。

濃度センサ装置は、一般に、例えばガソリン及びエタノールを主成分とするエタノール混合ガソリンのような混合燃料（混合物）中に配置されて交流電圧が印加される一対の電極を有し、これら成分の種類及び各成分の濃度並びに交流電圧の周波数に応じて変化する混合燃料の誘電率を一対の電極間の静電容量に基づき検出するセンサ部を備える。このセンサ部は、ある特定の１種の周波数にて交流電圧を混合燃料に印加することで検出された誘電率に基づき、例えばエタノール濃度（あるいはガソリン濃度）を検出する。
特開平５−８７７６４号公報

ところで、上記混合燃料にあっては、主成分であるガソリンやエタノール以外に例えば水が混入することが知られている。詳しくは、精製段階においてエタノールに水が混入したり、混合燃料が大気に触れることで大気に含まれる水が混合燃料に溶け込んだり、混合燃料を運搬する際に人為的に水が混入したりすることが知られている。このように混合燃料に水が混入すると、混合燃料の誘電率は、基本的に、ガソリン及びエタノール並びに水の３成分の濃度に依存して変化することになる。上記従来技術においては、混合燃料はガソリン及びエタノールのみから構成されているとみなしており、混合燃料に混入した水によってその誘電率が受ける影響は何ら考慮されていない。したがって、検出されるエタノール濃度（あるいはガソリン濃度）に誤差が生じることになる。

なお、ガソリンは数百種類にも及ぶ複数の成分から構成されるが、いずれの成分も誘電率は略同一であるため、ここではガソリンを１種類のものとして取り扱う。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、混合物を構成する複数の成分のうち注目する成分の濃度を推定することのできる濃度センサ装置を提供することにある。

こうした目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、複数の成分から構成される混合物中に配置されて交流電圧が印加される一対の電極を有し、前記複数の成分の種類及び濃度並びに前記交流電圧の周波数に応じて変化する前記混合物の誘電率を前記一対の電極間の静電容量に基づき検出するセンサ部と、前記複数の成分の中から注目する成分の濃度を前記混合物の誘電率に基づき推定する濃度推定部とを備える濃度センサ装置として、前記センサ部は、前記注目する成分以外の成分の誘電率が略同一となるとともに前記注目する成分の誘電率が変化する、異なる２種類の周波数にて交流電圧を前記一対の電極に印加して前記混合物の誘電率を検出し、前記濃度推定部は、検出された前記混合物の誘電率の差分、及び、前記異なる２種類の周波数において予め測定された前記注目する成分の誘電率に基づいて、前記注目する成分の濃度を推定することとした。

通常、混合物の誘電率は、混合物を構成する各成分の誘電率とその濃度との線型和に略同一となることが知られている。すなわち、例えば混合物が第１成分から第３成分までの３種類の成分によって構成される場合、この混合物の誘電率は、第１成分の誘電率と第１成分の濃度との積、及び、第２成分の誘電率と第２成分の濃度との積、並びに、第３成分の誘電率と第３成分の濃度との積の和と略同一になる。そのため、濃度センサ装置としての上記構成によれば、上記検出された混合物の誘電率の差分をとることで、注目する成分以外の成分の誘電率及び濃度の影響がこの差分から排除される。すなわち、この差分には、注目する成分の誘電率及び濃度の影響が表れることになる。そして、上記異なる２種類の周波数における、注目する成分の誘電率を予め測定しておくことで、注目する成分の濃度をこの差分に基づいて推定することができるようになる。

具体的には、上記請求項１に記載の構成において、例えば請求項２に記載の発明のように、前記濃度推定部は、前記異なる２種類の周波数としてｆ１［Ｈｚ］及びｆ２［Ｈｚ］を選択し、これら周波数ｆ１及びｆ２において検出される前記混合物の誘電率をε１及びε２とし、これら周波数ｆ１及びｆ２において予め計測された前記注目する成分の誘電率をそれぞれεｃ１及びεｃ２とすると、前記注目する成分の濃度ｃを下式（１）によって算出・推定することができる。これにより、簡単な演算によって、注目成分の濃度ｃを算出・推定することができるようになる。
（数１）
ｃ＝（ε１−ε２）／（εｃ１−εｃ２）・・・（１）
また、上記請求項１または２に記載の構成において、例えば請求項３に記載の発明のように、前記濃度推定部は、前記注目する成分以外の成分である第１成分及び第２成分並びに前記注目する成分である第３成分の３種類の成分によって前記混合物が構成されるものとみなし、前記異なる２種類の周波数において予め計測された第１成分及び第２成分の誘電率並びに当該濃度推定部によって推定された第３成分の濃度に基づいて、第１成分及び第２成分の濃度を算出・推定することとしてもよい。これにより、混合物の構成比を算出・推定することができるようになる。

具体的には、上記請求項３に記載の構成において、例えば請求項４に記載の発明のように、前記濃度推定部は、前記異なる２種類の周波数のうちの１つである周波数ｆ１において予め計測された第１成分及び第２成分の誘電率をそれぞれεａ１及びεｂ１とすると、第１成分の濃度ａ及び第２成分の濃度ｂを下式（２）及び（３）によってそれぞれ算出・推定するとよい。
（数２）
ａ＝（ε１−εｂ１＋（εｂ１−εｃ１）×ｃ）／（εａ１−εｂ１）・・・（２）
ｂ＝１−ａ−ｃ・・・（３）
これにより、濃度推定部は、第１成分の濃度ａ及び第２成分の濃度ｂを簡単な演算によって算出・推定することができるようになる。

なお、上記請求項１〜４のいずれかに記載の構成において、例えば請求項５に記載の発明のように、当該濃度センサ装置は、前記異なる２種類の周波数において予め計測された前記注目する成分単独の誘電率を記憶保持する記憶保持部をさらに備えるとよい。さらに、例えば請求項６に記載の発明のように、前記記憶保持部は、前記異なる２種類の周波数において予め計測された、前記注目する成分単独の誘電率を温度別に記憶保持しており、当該濃度センサ装置は、前記混合物の温度を検出する温度検出部をさらに備えることが望ましい。これにより、混合物の温度特性が考慮された誘電率に基づいて注目する成分の濃度を推定することができるようになるため、濃度検出精度の向上をさらに図ることができるようになる。

ところで、混合物を構成する分子は、通常、極性を有する。そのため、一対の電極に交流電圧を印加する際、その極性が変わらず正あるいは負に一定のままであると、一方の電極の周辺には負イオンあるいは正イオンが集まり、逆に、他方の電極の周辺には正イオンあるいは負イオンが集まり、いわゆる電気二重層が形成されてしまう。すると、混合物の誘電率の検出精度、ひいては、濃度検出精度が低下することが懸念される。

その点、上記請求項１〜６のいずれかに記載の構成において、例えば請求項７に記載の発明のように、前記センサ部は、極性が繰り返し反転する交番電圧を前記交流電圧として前記一対の電極に印加することが望ましい。これにより、いわゆる電気二重層が一対の電極間に生じることが抑制され、混合物の誘電率に係る検出精度の低下、ひいては、濃度検出精度の低下が抑制されるようになる。

上記請求項１〜７のいずれかに記載の構成において、例えば請求項８に記載の発明のように、前記センサ部は、矩形波状、三角波状もしくは正弦波状の電圧を前記交流電圧として前記一対の電極に印加することとしてもよい。

また、一対の電極は混合物に直接触れる。そのため、これら電極を構成する物質と混合物を構成する物質との間で化学反応が発生し、これら電極を腐食してしまうおそれがある。その点、例えば請求項９に記載の発明のように、前記一対の電極は、前記混合物と接触する部分が絶縁膜により被覆されていることが望ましい。これにより、一対の電極を構成する物質と混合物を構成する物質との間で化学反応が発生することを抑制することができるようになる。

また、一対の電極の形状については任意であるが、例えば請求項１０に記載の発明のように、前記一対の電極は、櫛歯状に形成されているとよい。これにより、体格の小さな電極であっても、対向面積を十分に確保することができるようになるため、当該濃度センサ装置の体格の小型化を図ることができるようにもなる。

なお、例えば請求項１１に記載の発明のように、前記混合物は、ガソリン、エタノール及び水を含むこととしてもよく、例えば請求項１４に記載の発明のように、前記混合物は、軽油、脂肪酸メチルエステル及び水を含むこととしてもよい。

ちなみに、上記請求項１１に記載の構成において、例えば請求項１２に記載の発明のように、前記センサ部は、５０ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下の周波数帯の中から前記異なる２種類の周波数のうちの一方を選択するとともに、５００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下の周波数帯の中から前記異なる２種類の周波数のうちの他方を選択するとよい。

５０ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下の周波数帯においては、ガソリン及びエタノールの誘電率は略同一となる一方、水の誘電率は変化し、５００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下の周波数帯においては、ガソリン及びエタノール並びに水の誘電率は略同一となることが発明者らによって確認されている。

そのため、濃度センサ装置としての上記請求項１２に記載の構成によれば、例えばセンサ部の温度特性などに起因して一対の電極に印加する交流電圧の周波数がばらつくようなことがあったとしても、センサ部によって検出される混合物の誘電率のうちの１つには、その影響が表れることはない。そのため、センサ部の温度特性などが混合物の誘電率に与える影響を低減することができ、ひいては、混合物の濃度検出精度の向上を図ることができるようになる。

なお、上記請求項１２に記載の構成は上記請求項５に記載の構成あるいは上記請求項６に記載の構成と併用することもできる。併用する場合にあっては、センサ部によって検出される混合物の誘電率のうちの１つを予め計測して記憶保持部に記憶保持しておけば、センサ部によって検出する混合物の誘電率を１つだけ検出することで、混合物を構成する複数の成分のうち注目する成分の濃度を推定することができるようになる。

また、上記異なる２種類の周波数の選択についてはこれに限られない。他に例えば、上記請求項１１に記載の構成において、例えば請求項１３に記載の発明のように、前記センサ部は、５０ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下の周波数帯の中から前記異なる２種類の周波数を両方とも選択することとしてもよい。

以下、本発明に係る濃度センサ装置の一実施の形態について、図１〜図３を参照して説明する。なお、図１は、本実施の形態の濃度センサ装置について、その全体構成例を示すブロック図であり、図２は、本実施の形態の濃度センサ装置を構成するセンサ部について、その構造例及び配設例を示す模式図である。また、図３は、エタノール混合ガソリンの主成分であるガソリン単体及びエタノール単体並びにこれら主成分以外の成分である水単体について、櫛歯電極に印加される交流電圧の周波数と比誘電率との関係を示す図である。はじめに、図１及び図２を併せ参照しつつ、本実施の形態の構成及び機能について説明する。

これら図１及び図２に示すように、濃度センサ装置１は、例えば車両の燃料管５０の管壁に配設され、この燃料管５０を流れる例えばガソリン及びエタノールを主成分とするエタノール混合ガソリン（以下「混合燃料」と記載）５１の誘電率εを検出するセンサ部１０を備える。

詳しくは、センサ部１０は、混合燃料５１中に配置される第１及び第２電極（一対の電極）１２ａ及び１２ｂと、これら第１及び第２電極１２ａ及び１２ｂに交流電圧Ｖを印加して静電容量を検出する検出回路１１とを有する。なお、センサ部１０は、極性が繰り返し反転する正弦波状の電圧を交流電圧Ｖとして第１及び第２電極１２ａ及び１２ｂに印加しており、これら第１及び第２電極１２ａ及び１２ｂとして櫛歯電極が採用されている。

既述したように、第１及び第２電極１２ａ及び１２ｂは混合燃料５１中に配置されているため、これら電極間の静電容量Ｃは、混合燃料５１を構成する成分の種類及び濃度並びに交流電圧Ｖの周波数に応じて変化する。また、そうした静電容量Ｃは、第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂの大きさ及び形状によって定められる係数α及び誘電率εにて「Ｃ＝α×ε」にて表される。そのため、検出回路１１は、検出された静電容量Ｃ及び予め求められた係数αに基づき誘電率εを算出（検出）する。このようにして、センサ部１０は混合燃料５１の誘電率εを検出する。なお、こうしたセンサ部１０による混合燃料５１の誘電率の検出原理については公知であるため、ここでのこれ以上の詳しい説明を割愛する。

ところで、従来の濃度センサ装置においては、通常、混合燃料の誘電率に基づいてエタノール濃度（あるいはガソリン濃度）を検出するに際に、混合燃料がガソリン及びエタノールのみから構成されているとみなしていた。しかしながら、実際には、ガソリンやエタノール以外に例えば水が混合燃料に混入する。詳しくは、精製段階においてエタノールに水が混入したり、混合燃料が大気に触れることで大気に含まれる水が混合燃料に溶け込んだり、混合燃料を運搬する際に人為的に水が混入したりする。このように混合燃料に水が混入すると、混合燃料の誘電率は、ガソリン及びエタノール並びに水の３成分の濃度に依存して変化することになる。したがって、混合燃料に混入した水によって誘電率が受ける影響を考慮しなければ、検出されるエタノール濃度（あるいはガソリン濃度）に誤差が生じてしまう。なお、ガソリンは数百種類にも及ぶ複数の成分から構成されるが、いずれの成分も誘電率は略同一であるため、以下、ガソリンを１種類のものとして取り扱う。

そこで、本実施の形態では、センサ部１０は、異なる２種類の周波数として、ガソリン及びエタノールの誘電率が略同一となるとともに水の誘電率が変化するような周波数ｆ１及びｆ２を選択し、これら周波数にて交流電圧Ｖを第１及び第２電極１２ａ及び１２ｂに印加することとした。

詳しくは、誘電緩和現象として知られるように、物質の誘電率には、この物質を構成する分子の分極特性に起因して、固有の周波数特性が現れる。すなわち、高周波数領域において交流電圧を物質に印加すると、例えば誘電損失のピークなど、誘電率に変化が観察される。また、物質の導電率や物質中に含まれるイオン、導電性不純物などの影響により、低周波数領域において交流電圧を物質に印加しても、物質の誘電率に変化が観察される。

具体的には、図３に、例えば「２０度」の室温において計測された、センサ部１０によって検出される誘電率を変換した比誘電率と交流電圧Ｖの周波数との関係を、ガソリン単体及びエタノール単体並びに水単体の別に示す。この図３に一点鎖線にて示すように、ガソリン単体では、例えば「１０［ＭＨｚ］〜５００［ｋＨｚ］〜１［ｋＨｚ］」といった周波数帯において交流電圧Ｖを変化させたところで、比誘電率は略「２」と一定値になる。また、図３に二点鎖線にて示すように、エタノール単体では、例えば「１０［ＭＨｚ］〜５００［ｋＨｚ］〜５０ｋ［Ｈｚ］」といった周波数帯において交流電圧Ｖを変化させたところで、比誘電率は略「２４」と一定値になるものの、例えば「５０［ｋＨｚ］〜５［ｋＨｚ］」といった周波数帯において交流電圧Ｖを変化させると、比誘電率は急増して「１０００」をはるかに上回る。また、図３に実線にて示すように、水単体では、例えば「１０［ＭＨｚ］〜５００［ｋＨｚ］」といった周波数帯において交流電圧Ｖを変化させたところで、比誘電率は略「８０」と一定値になるものの、例えば「５００［ｋＨｚ］〜５０［ｋＨｚ］」といった周波数帯において交流電圧Ｖを変化させると、比誘電率は急増して「１０００」をはるかに上回る。

そこで、本実施の形態では、センサ部１０は、ガソリン単体及びエタノール単体の比誘電率が略同一となるとともに水単体の比誘電率が変化する、例えば「５０ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下」といった周波数帯の中から上記周波数ｆ１を選択する。センサ部１０は、ガソリン単体及びエタノール単体並びに水単体の比誘電率が略同一となる、例えば「５００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下」といった周波数帯の中から上記周波数ｆ２を選択する。そして、これら周波数ｆ１及びｆ２にて交流電圧Ｖを第１及び第２電極１２ａ及び１２ｂに印加する。これにより、異なる２種類の周波数ｆ１及びｆ２において、ガソリン及びエタノールの誘電率は略同一となるとともに水の誘電率は変化することとなる。

また、図１及び図２に示すように、濃度センサ装置１は、センサ部１０にて検出された混合燃料５１の誘電率の差分、及び、上記周波数ｆ１及びｆ２において予め計測された注目する成分である水の誘電率に基づき、水の濃度ｃ並びに混合燃料５１の主成分であるガソリンの濃度ａ及びエタノールの濃度ｂをそれぞれ推定する濃度推定部２０を備える。

通常、混合燃料５１の誘電率は、各成分の誘電率とその濃度との線型和と略同一になることが知られている。すなわち、本実施の形態の場合、混合燃料５１は、ガソリン及びエタノールによって主に構成されさらに水を含むため、その誘電率は、基本的に、ガソリンの誘電率と濃度との積、及び、エタノールの誘電率と濃度との積、並びに、水の誘電率と濃度との積の和に略同一となる。

具体的には、上記周波数ｆ１及びｆ２におけるガソリンの誘電率をそれぞれεａ１及びεａ２、エタノールの誘電率をそれぞれεｂ１及びεｂ２、並びに、水の誘電率をそれぞれεｃ１及びεｃ２とし、ガソリンの濃度をａ、エタノールの濃度をｂ、及び、水の濃度をｃとすると、センサ部１０によって周波数ｆ１及びｆ２において検出される混合燃料５１の誘電率ε１及びε２はそれぞれ、下式（４）及び（５）によって表される。
（数３）
ε１＝εａ１×ａ＋εｂ１×ｂ＋εｃ１×ｃ・・・（４）
ε２＝εａ２×ａ＋εｂ２×ｂ＋εｃ２×ｃ・・・（５）
ここで、ガソリン単体及びエタノール単体の比誘電率は上記周波数ｆ１及びｆ２において略同一である（すなわちεａ１＝εａ２及びεｂ１＝εｂ２）ため、上式（４）及び（５）の差分は下式（６）によって表される。
（数４）
ε１−ε２＝（εｃ１−εｃ２）×ｃ・・・（６）
したがって、ガソリン及びエタノールの影響が上記差分から排除され、水の誘電率及び濃度の影響のみが上記差分に表れることになる。そのため、濃度推定部２０は、上式（６）に基づく下式（７）によって水の濃度ｃを算出・推定する。
（数５）
ｃ＝（ε１−ε２）／（εｃ１−εｃ２）・・・（７）
また、濃度推定部２０は、ガソリン及びエタノール並びに水によって混合燃料５１が構成されるとみなすことにより、ガソリンの濃度ａ及びエタノールの濃度ｂをそれぞれ、下式（８）及び（９）にて算出・推定する。
（数６）
ａ＝（ε１−εｂ１＋（εｂ１−εｃ１）×ｃ）／（εａ１−εｂ１）・・・（８）
ｂ＝１−ａ−ｃ・・・（９）
なお、濃度推定部２０が上式（７）〜（９）に基づき、ガソリンの濃度ａ及びエタノールの濃度ｂ並びに水の濃度ｃを推定・算出するためには、少なくとも、周波数ｆ１におけるガソリンの誘電率εａ１、エタノールの誘電率εｂ１、並びに、周波数ｆ１及びｆ２における水の誘電率εｃ１及びεｃ２が既知である必要がある。そのため、図１に示すように、当該濃度センサ１は、ガソリン単独の誘電率εａ１及びεａ２、エタノール単独の誘電率εｂ１及びεｂ２、並びに、水単独の誘電率εｃ１及びεｃ２を予め求めておき、これを記憶保持する記憶保持部３０をさらに備えている。

以上説明した本実施の形態の濃度センサ装置１では、センサ部１０は、まず、ガソリン単体及びエタノール単体の比誘電率が略同一となるとともに水単体の比誘電率が変化する、例えば「５０ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下」といった周波数帯の中から周波数ｆ１を選択する。また、センサ部１０は、ガソリン単体及びエタノール単体並びに水単体の比誘電率が略同一となる、例えば「５００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下」といった周波数帯の中から周波数ｆ２を選択する。そして、これら周波数ｆ１及びｆ２にて交流電圧Ｖを第１及び第２電極１２ａ及び１２ｂに印加する。これにより、異なる２種類の周波数ｆ１及びｆ２において、ガソリン及びエタノールの誘電率は略同一となるとともに水の誘電率は変化することとなる。さらに、濃度推定部２０は、センサ部１０によって検出された誘電率ε１及びε２の差分（上式（７））及び周波数ｆ１及びｆ２における水単独の誘電率εｃ１及びεｃ２に基づき、水の濃度ｃを算出・推定することとした。これにより、混合燃料５１の注目する成分である水の濃度ｃを推定することができるようになる。

上記実施の形態の濃度センサ装置１では、センサ部１０は、ガソリン単体及びエタノール単体並びに水単体の比誘電率が略同一となる周波数ｆ２を選択する。そのため、センサ部１０の温度特性などに起因して第１及び第２電極１２ａ及び１２ｂに印加する交流電圧Ｖの周波数がばらつくようなことがあったとしても、センサ部１０によって検出される混合燃料５１の誘電率ε２にはその影響が表れることはない。そのため、センサ部１０の温度特性などが混合燃料５１の誘電率に与える影響を低減することができ、ひいては、混合燃料５１の濃度検出精度の向上を図ることができるようになる。また、そうした周波数ｆ２における混合燃料５１の誘電率を予め計測して記憶保持部３０に記憶保持しておけば、周波数ｆ１における混合燃料５１の誘電率をセンサ部１０によって検出すれば、水の濃度ｃを推定することができるようになる。

また、上記異なる２種類の周波数ｆ１及びｆ２の選択についてはこれに限られない。センサ部１０は、「５０ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下」といった周波数帯の中から異なる２種類の周波数ｆ１及びｆ２を両方とも選択することとしてもよい。

上記実施の形態では、センサ部１０は、極性が繰り返し反転する正弦波状の交流電圧Ｖを第１及び第２電極１２ａ及び１２ｂに印加した。通常、混合燃料５１を構成する分子は極性を有するため、第１及び第２電極１２ａ及び１２ｂに交流電圧を印加する際、その極性が変わらず正あるいは負に一定のままであると、第１及び第２電極１２ａ及び１２ｂのうち一方の電極の周辺には負イオンあるいは正イオンが集まり、逆に、他方の電極の周辺には正イオンあるいは負イオンが集まり、いわゆる電気二重層が形成されてしまう。すると、混合燃料５１の誘電率の検出精度、ひいては、濃度検出精度が低下することが懸念される。その点、本実施の形態では、極性が繰り返し反転する正弦波を印加するため、第１及び第２電極１２ａ及び１２ｂ間に電気二重層が生じることが抑制され、混合燃料５１の誘電率に係る検出精度の低下、ひいては、濃度検出精度の低下が抑制されるようになる。

上記実施の形態では、先の図１に示すように、第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂは、櫛歯状に形成されていることとした。これにより、体格の小さな電極であっても、対向面積を十分に確保することができるようになるため、当該濃度センサ装置１の体格の小型化を図ることができるようになる。

なお、本発明に係る濃度センサ装置は、上記実施の形態にて例示した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々に変形して実施することが可能である。すなわち、上記実施の形態を適宜変更した例えば次の形態として実施することもできる。

上記実施の形態では、先の図１及び図２に示すように、検出回路１１がセンサ部１０内に備えられた構成を採用していたが、逆に、検出回路１１がセンサ部１０外に備えられた構成を採用してもよい。ただしこの場合、濃度センサ装置１が検出回路を備えることとなる。

同様に、上記実施の形態（変形例を含む）では、先の図１及び図２に示すように、濃度センサ装置１が濃度推定部２０及び記憶保持部３０を備えていたがこれに限らない。すなわち、濃度推定部２０及び記憶保持部３０は、センサ部１０内に備えられていてもよい。

上記実施の形態（変形例を含む）では、先の図１に示すように、センサ部１０は、櫛歯状に形成された第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂを備えることとしたが、電極形状についてはこれに限らない。他に例えば、図１に対応する図として図４に示すように、センサ部１０ａは、板状に形成された第１電極１３ａ及び第２電極１３ｂを備えることとしてもよい。これによっても、混合燃料５１の誘電率を検出することはできる。また、あるいは、センサ部は、同心の円筒状に形成された第１電極及び第２電極を備えることとしてもよい。要は、混合燃料５１の誘電率を検出することができれば、電極形状については任意である。また、センサ部１０ａのように、交流電圧Ｖに重畳することのあるノイズが混合燃料５１の誘電率の検出精度の与える影響を低減するためにＧＮＤ電位に接続された第３電極１３ｃを備えることとしてもよい。またさらに、センサ部１０ａのように、第１電極１３ａ〜第３電極１３ｃは、混合燃料５１と接触する部分が絶縁膜１４によって被覆されることとしてもよい。これにより、第１電極１３ａ〜第３電極１３ｃを構成する物質と混合燃料５１を構成する物質との間で化学反応が発生することを抑制することができるようになる。

上記実施の形態（変形例を含む）では、センサ部１０及び１０ａは、交流電圧Ｖとして正弦波状の交流電圧を第１及び第２電極１２ａ及び１２ｂに印加していたがこれに限らない。他に例えば、矩形波状、三角波状の交流電圧を第１及び第２電極１２ａ及び１２ｂに印加することとしてもよい。

上記実施の形態（変形例を含む）では、センサ部１０及び１０ａは、第１及び第２電極１２ａ及び１２ｂに極性が繰り返し反転する交番電圧を交流電圧Ｖとして印加していたがこれに限らない。電気二重層が形成される前に混合燃料５１の誘電率を検出することができるのであれば、極性が繰り返し反転する交番電圧でなくともよい。

上記実施の形態（変形例を含む）では、先の図１に示すように、当該濃度センサ装置１は、ガソリン単独の誘電率εａ１及びεａ２、エタノール単独の誘電率εｂ１及びεｂ２、並びに、水単独の誘電率εｃ１及びεｃ２を予め求めておき、これを記憶保持する記憶保持部３０を備えていたが、これに限らない。あるいは、図１に対応する図として図５に示すように、ガソリン単独の誘電率、エタノール単独の誘電率並びに水単独の誘電率を温度別に予め求めておき、これを記憶保持する記憶保持部３０ａと、混合燃料５１の温度を検出する温度検出部４０とをさらに備える濃度センサ装置１ａとしてもよい。これにより、混合燃料５１の温度特性が考慮された誘電率に基づき、ガソリンの濃度ａ及びエタノールの濃度ｂ並びに水の濃度ｃを推定することができるようになる。ひいては、濃度検出精度の向上をさらに図ることができるようになる。ちなみに、温度検出部４０によって検出された混合燃料５１の温度が、記憶保持部３０ａに記憶保持されている各種誘電率が求められたときの温度と異なる場合には、例えば直線補間などした上で、ガソリンの濃度ａ及びエタノールの濃度ｂ並びに水の濃度ｃを推定するとよい。

また、そうした変形例においては、図５に示すように、濃度センサ装置１が温度センサ４０を備えていたが、この構成に限られない。温度センサ４０はセンサ部１０内に備えられることとしてもよい。

上記実施の形態（変形例を含む）では、濃度推定部２０は、上式（８）及び（９）によって、ガソリンの濃度ａ及びエタノールの濃度ｂを算出・推定していたが、これに限らない。他に例えば、下式（１０）及び（１１）によって、ガソリンの濃度ａ及びエタノールの濃度ｂを算出・推定してもよい。これによっても、上記実施の形態に準じた作用効果が得られる。すなわち、ガソリンの濃度ａ及びエタノールの濃度ｂを簡単な演算によって算出・推定することができるようになる。ちなみに、この場合、記憶保持部３０は、少なくとも、周波数ｆ２におけるガソリンの誘電率εａ２、エタノールの誘電率εｂ２、並びに、周波数ｆ１及びｆ２における水の誘電率εｃ１及びεｃ２が既知である必要がある。
（数７）
ａ＝１−ｂ−ｃ・・・（１０）
ｂ＝（εａ２−（εａ２−εｃ２）×ｃ−ε２）／（εａ２−εｂ２）・・・（１１）
上記実施の形態（変形例を含む）では、濃度推定部２０は、上式（８）及び（９）あるいは上式（１０）及び（１１）によって、ガソリンの濃度ａ及びエタノールの濃度ｂを算出・推定していた。換言すれば、濃度推定部２０は、混合燃料５１がガソリン及びエタノール並びに水によって主に構成されものとみなしていた（すなわち「ａ＋ｂ＋ｃ＝１」）が、これにも限らない。濃度推定部２０は、混合燃料５１がガソリン及びエタノールによって主に構成されるものとみなし（すなわち「ａ＋ｂ＝１」）、周波数ｆ１及びｆ２におけるガソリン及びエタノールの誘電率（すなわちεａ１及びεａ２並びにεｂ１及びεｂ２）に基づいて、ガソリンの濃度ａ及びエタノールの濃度ｂを算出・推定することとしてもよい。換言すれば、上式（９）に替えて下式（１２）を、上式（１０）に替えて下式（１３）を、それぞれ用いることとしてもよい。
（数８）
ｂ＝１−ａ・・・（１２）
ａ＝１−ｂ・・・（１３）
上記実施の形態（変形例を含む）では、混合燃料５１を構成するガソリンの濃度ａ及びエタノールの濃度ｂ並びに水の濃度ｃを算出・推定することとしていた。しかしながら、混合燃料５１が構成される成分をこれら３成分に限る必要はない。要は、センサ部は、注目する成分以外の成分の誘電率が略同一となるとともに注目する成分の誘電率が変化する、異なる２種類の周波数にて交流電圧を混合物に印加して混合物の誘電率を検出し、濃度推定部は、検出された混合物の誘電率の差分、及び、異なる２種類の周波数において予め測定された注目する成分の誘電率に基づいて、注目する成分の濃度を推定すればよい。これにより、混合燃料を構成する成分のうち注目する成分の濃度を推定することはできる。

上記実施の形態（変形例を含む）では、例えば火花点火式エンジンの燃料として使用されることの多い、ガソリン及びエタノールにて主に構成され水を含む混合燃料の濃度を検出するものとしていたが、これに限らない。他に例えば、圧縮着火式エンジンの燃料として使用されることの多い、軽油及び脂肪酸メチルエステルにて主に構成され水を含む混合燃料の濃度を検出するものとしてもよい。すなわち、本発明は、フレックス燃料やバイオ軽油などの混合物の濃度を検出する濃度センサ装置として広く適用することができる。

上記実施の形態（変形例を含む）では、混合燃料を構成する成分のうち注目する成分の種類（例えば水）が既知であり、異なる２種類の周波数における誘電率を予め測定することができるため、注目する成分の濃度を推定することが可能であった。しかしながら、注目する成分（混合燃料に混入した成分）の種類が未知である場合においては、そうした成分の濃度を推定することは難しい。ただし、誘電率ε１及び誘電率ε２のいずれか一方の推移をモニタリングすることで、混合燃料５１に物質が混入したことを検出することはできる。

本発明に係る濃度センサ装置の一実施の形態について、その全体構成例を示すブロック図。 同実施の形態を構成するセンサ部について、その構造例及び配設例を示す模式図。 混合燃料の主成分であるガソリン単体及びエタノール単体並びに主成分以外の成分である水単体について、櫛歯電極に印加される交流電圧の周波数と比誘電率との関係を示す図。 同実施の形態を構成するセンサ部の変形例について、その電極構造を側面方向から示す側面断面図。 同実施の形態の変形例について、その全体構成例を示すブロック図。

符号の説明

１…濃度センサ装置、１０、１０ａ…センサ部、１１…検出回路、１２ａ…第１電極、１２ｂ…第２電極、１３ａ…第１電極、１３ｂ…第２電極、１３ｃ…ＧＮＤ用電極、１４…絶縁膜、２０…濃度推定部、３０…記憶保持部、４０…温度センサ、５０…燃料管、５１…混合燃料（混合物）。

Claims (14)

1. 複数の成分から構成される混合物中に配置されて交流電圧が印加される一対の電極を有し、前記複数の成分の種類及び濃度並びに前記交流電圧の周波数に応じて変化する前記混合物の誘電率を前記一対の電極間の静電容量に基づき検出するセンサ部と、前記複数の成分の中から注目する成分の濃度を前記混合物の誘電率に基づき推定する濃度推定部とを備える濃度センサ装置であって、
   前記センサ部は、前記注目する成分以外の成分の誘電率が略同一となるとともに前記注目する成分の誘電率が変化する、異なる２種類の周波数にて交流電圧を前記一対の電極に印加して前記混合物の誘電率を検出し、
   前記濃度推定部は、検出された前記混合物の誘電率の差分、及び、前記異なる２種類の周波数において予め測定された前記注目する成分の誘電率に基づいて、前記注目する成分の濃度を推定することを特徴とする濃度センサ装置。
2. 前記濃度推定部は、前記異なる２種類の周波数としてｆ１［Ｈｚ］及びｆ２［Ｈｚ］を選択し、これら周波数ｆ１及びｆ２において検出される前記混合物の誘電率をε１及びε２とし、これら周波数ｆ１及びｆ２において予め計測された前記注目する成分の誘電率をそれぞれεｃ１及びεｃ２とすると、前記注目する成分の濃度ｃを下式（１）によって算出・推定することを特徴とする請求項１に記載の濃度センサ装置。
   （数１）
   ｃ＝（ε１−ε２）／（εｃ１−εｃ２）・・・（１）
3. 前記濃度推定部は、前記注目する成分以外の成分である第１成分及び第２成分並びに前記注目する成分である第３成分の３種類の成分によって前記混合物が構成されるものとみなし、前記異なる２種類の周波数において予め計測された第１成分及び第２成分の誘電率並びに当該濃度推定部によって推定された第３成分の濃度に基づいて、第１成分及び第２成分の濃度を算出・推定することを特徴とする請求項１または２に記載の濃度センサ装置。
4. 前記濃度推定部は、前記異なる２種類の周波数のうちの１つである周波数ｆ１において予め計測された第１成分及び第２成分の誘電率をそれぞれεａ１及びεｂ１とすると、第１成分の濃度ａ及び第２成分の濃度ｂを下式（２）及び（３）によってそれぞれ算出・推定することを特徴とする請求項３に記載の濃度センサ装置。
   （数２）
   ａ＝（ε１−εｂ１＋（εｂ１−εｃ１）×ｃ）／（εａ１−εｂ１）・・・（２）
   ｂ＝１−ａ−ｃ・・・（３）
5. 当該濃度センサ装置は、前記異なる２種類の周波数において予め計測された前記注目する成分単独の誘電率を記憶保持する記憶保持部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の濃度センサ装置。
6. 前記記憶保持部は、前記異なる２種類の周波数において予め計測された前記注目する成分単独の誘電率を温度別に記憶保持しており、
   当該濃度センサ装置は、前記混合物の温度を検出する温度検出部をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の濃度センサ装置。
7. 前記センサ部は、極性が繰り返し反転する交番電圧を前記交流電圧として前記一対の電極に印加することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の濃度センサ装置。
8. 前記センサ部は、矩形波状、三角波状もしくは正弦波状の電圧を前記交流電圧として前記一対の電極に印加することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の濃度センサ装置。
9. 前記一対の電極は、前記混合物と接触する部分が絶縁膜により被覆されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の濃度センサ装置。
10. 前記一対の電極は、櫛歯状に形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の濃度センサ装置。
11. 前記混合物は、ガソリン、エタノール及び水を含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の濃度センサ装置。
12. 前記センサ部は、５０ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下の周波数帯の中から前記異なる２種類の周波数のうちの一方を選択するとともに、５００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下の周波数帯の中から前記異なる２種類の周波数のうちの他方を選択することを特徴とする請求項１１に記載の濃度センサ装置。
13. 前記センサ部は、５０ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下の周波数帯の中から前記異なる２種類の周波数を両方とも選択することを特徴とする請求項１１に記載の濃度センサ装置。
14. 前記混合物は、軽油、脂肪酸メチルエステル及び水を含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の濃度センサ装置。

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