JP4723366B2 - 液体状態検知センサ - Google Patents

Description

本発明は、液体状態検知センサに関する。

例えば、ディーゼル自動車から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する排ガス浄化装置において、ＮＯｘ選択還元（ＳＣＲ）触媒を用いることがあるが、その還元剤として尿素水溶液が用いられている。この還元反応を効率良く行うためには、尿素濃度が３２．５ｗｔ％の尿素水溶液を用いると良いことが知られている。しかしながら、ディーゼル自動車に搭載される尿素水タンクに収容される尿素水溶液では、経時変化などにより、その尿素濃度が変化してしまうことがある。また、尿素水タンク内に、誤って異種溶液（軽油など）や水等を混入してしまう虞もある。このような現状に鑑み、尿素水タンク内の液体の状態（尿素水溶液の尿素濃度など）を管理するべく、液体状態検知センサ（尿素濃度識別装置）が提案されている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。
特開２００５−８４０２６号公報 特開２００５−１２７２６２号公報

特許文献１の尿素濃度識別装置は、基板と感温体と絶縁層と発熱体と保護層とが、順に積層されてなる素子（薄膜チップ）を有する傍熱型濃度検知部を備えている。この尿素濃度識別装置では、発熱体に所定時間通電を行い、その通電の前後において感温体により測定した発熱体の温度変化に基づいて、尿素濃度を検知する。具体的には、尿素水溶液に含まれる尿素の濃度の違いにより、尿素水溶液の熱容量に差異が生じることから、尿素濃度の違いにより、発熱体の温度変化に差異が生じることとなる。これを利用して、発熱体の温度変化を検知することで、尿素濃度を検知している。

特許文献２の液体判別装置も、特許文献１の傍熱型濃度検知部と同様な構成の検知部を備えており、特許文献１と同様にして、貯蔵タンク内の液体還元剤（尿素水溶液）の濃度を検出する。また、検出された濃度に基づいて、貯蔵タンク内の液体が、水、液体還元剤（尿素水溶液）、または空であると判別することもできる。

ところで、尿素水タンク内の尿素水溶液が減少し、その液面レベルが素子（発熱体）の位置を下回った場合や、尿素水タンク内に尿素水溶液よりも熱伝導率が小さな液体（例えば軽油など）が収容されている場合には、発熱体の温度上昇率が高くなり、発熱体が異常昇温する虞がある。このような状況で、尿素水タンク内に尿素水溶液が適量収容されている場合と同様に、所定時間（特許文献１では、４秒間を例示している）発熱体に通電してしまうと、発熱体が過昇温し、素子が故障（破損など）する虞があった。

なお、特許文献１では、尿素水タンク内の尿素水溶液が減少し、その液面レベルが素子（発熱体）の位置を下回った場合等に、尿素濃度識別装置によって警告を発するようにすることができると記載されている。しかしながら、警告を発したときには、既に、発熱体が過昇温しているため、過昇温に起因する素子の故障（破損など）を防止することはできなかった。また、特許文献２では、貯蔵タンク内の液体が、水、液体還元剤（尿素水溶液）、または空であると判別するが、貯蔵タンクが空の場合でも、貯蔵タンク内に水や液体還元剤（尿素水溶液）が収容されている場合と同様に、発熱体（加熱ヒータ）への通電を行うようにしていた。このため、発熱体（加熱ヒータ）が過昇温し、素子が故障（破損など）する虞があった。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、液体状態検知素子（発熱抵抗体）の過昇温を防止できる液体状態検知センサを提供することを目的とする。

その解決手段は、被測定液体の状態を検知する液体状態検知センサであって、自身の温度に応じて抵抗値が変化する発熱抵抗体を含み、上記被測定液体に浸漬される液体状態検知素子と、上記発熱抵抗体への通電を行う通電手段と、上記通電手段による上記発熱抵抗体への通電開始から初期通電時間内に当該発熱抵抗体の抵抗値に対応して出力される第１出力値と、上記通電手段による上記発熱抵抗体への通電開始から上記初期通電時間より長い第２通電時間が経過した時点での当該発熱抵抗体の抵抗値に対応して出力される第３出力値とに基づいて、上記被測定液体の状態を検知する状態検知手段と、上記第２通電時間が経過する前に、上記第１出力値と、上記通電手段による上記発熱抵抗体への通電開始から上記第２通電時間より短く且つ上記初期通電時間より長い第１通電時間が経過した時点での当該発熱抵抗体の抵抗値に対応して出力される第２出力値と、に基づいて、上記発熱抵抗体の異常昇温を検知する異常検知手段であって、上記発熱抵抗体の異常昇温を検知した場合、上記通電手段による上記発熱抵抗体への通電を停止させる通電停止信号を出力する異常検知手段と、を備える液体状態検知センサである。

本発明の液体状態検知センサでは、発熱抵抗体への通電開始から初期通電時間内に発熱抵抗体の抵抗値に対応して出力される第１出力値と、発熱抵抗体への通電開始から初期通電時間より長い第２通電時間が経過した時点での発熱抵抗体の抵抗値に対応して出力される第３出力値と基づいて、被測定液体（例えば、尿素水溶液）の状態を検知する。

被測定液体に含まれる特定成分の濃度の違いなどにより、被測定液体の熱伝導率が異なることから、発熱抵抗体により被測定液体を加熱した場合に、濃度の違い等により、被測定液体の温度上昇率が異なることとなる。本発明の液体状態検知センサでは、発熱抵抗体を有する液体状態検知素子を被測定液体に浸漬して発熱抵抗体に通電していることから、被測定液体の温度上昇率（すなわち、被測定液体の濃度など）が発熱抵抗体の温度上昇に影響を与えることとなる。この発熱抵抗体は、自身の温度に応じた抵抗値を有するため、被測定液体の状態（濃度や液種など）の違いにより、所定の通電時間後の発熱抵抗体の抵抗値に違いが生じることとなる。従って、上述のように、発熱抵抗体の抵抗値に起因する第１出力値と第３出力値に基づいて、適切に、被測定液体の状態（濃度や液種など）を検知することができる。

しかも、本発明の液体状態検知センサは、第２通電時間が経過する前に、第１出力値と、通電開始から第２通電時間より短く且つ上記初期通電時間より長い第１通電時間が経過した時点での発熱抵抗体の抵抗値に対応して出力される第２出力値とに基づいて、発熱抵抗体の異常昇温を検知する異常検知手段を備えている。この異常検知手段は、発熱抵抗体の異常昇温を検知した場合に、通電手段による発熱抵抗体への通電を強制的に停止させる通電停止信号を出力する。従って、発熱抵抗体が異常昇温している（発熱抵抗体の温度上昇率が異常に高い）場合には、第２通電時間が経過するまで通電することなく、発熱抵抗体への通電を停止することができる。これにより、液体状態検知素子（発熱抵抗体）の過昇温を防止することができる。

ここで、発熱抵抗体が異常昇温する場合としては、例えば、液体収容容器内に収容されている被測定液体の液面レベルが、発熱抵抗体よりも下方にまで低下した場合（空焚きの状態）を挙げることができる。あるいは、液体収容容器内に収容されている被測定液体が、本来収容されているべき液体に比べて、熱伝導率が過少な液体となっている場合を挙げることができる。具体的には、液体収容容器内に尿素水溶液が収容されているべきところ、誤って、軽油が収容されている場合を例示することができる。

このような場合には、発熱抵抗体から奪われる熱量が過少となるため、発熱抵抗体が異常昇温することとなる。しかしながら、本発明の液体状態検知センサでは、上述のように、異常昇温を検知して、発熱抵抗体への通電を停止するため、発熱抵抗体の過昇温を防止することができる。

なお、第１〜第３出力値としては、通電手段により発熱抵抗体に定電流を流す場合には、例えば、発熱抵抗体に生じる電圧値に対応した値を用いることができる。また、通電手段により発熱抵抗体に定電圧をかける場合には、例えば、発熱抵抗体を流れる電流値に対応した値を用いることができる。
また、異常検知手段では、例えば、第１出力値と第２出力値との差分値や、第１出力値と第２出力値との比の値などに基づいて、発熱抵抗体の異常昇温を検知することができる。

また、初期通電時間とは、発熱抵抗体への通電開始後であって、発熱抵抗体自身の温度が周囲の液体の温度とほぼ同一となっている時間をいい、例えば、通電開始から１００ｍｓｅｃの時間となる。
また、第１出力値としては、発熱抵抗体への通電開始から初期通電時間内に出力されるものであれば良く、例えば、通電開始から１００ｍｓｅｃ以内に出力された出力値であれば良い。なお、発熱抵抗体への通電開始時点においては、発熱抵抗体に流れる電流が比較的安定し難い傾向があるため、発熱抵抗体への通電開始から２ｍｓｅｃ以上１００ｍｓｅｃ以内（より好ましくは５０ｍｓｅｃ以内）の初期通電時間内に出力された出力値を第１出力値とするのが好ましい。

さらに、上記の液体状態検知センサであって、前記異常検知手段は、前記第１出力値と前記第２出力値との差分である第１差分値と、第１閾値とが、所定の大小関係を満たした場合に、前記通電停止信号を出力するように構成されてなる液体状態検知センサとすると良い。

本発明の液体状態検知センサでは、第１出力値と第２出力値との差分である第１差分値と、第１閾値とが、所定の大小関係を満たした場合に、通電停止信号を出力するようにしている。このように、第１閾値を基準として判断することで、適切に、発熱抵抗体の異常昇温を検知し、通電停止信号を出力することができる。

なお、所定の大小関係としては、(1)第１差分値＞第１閾値、(2)第１差分値≧第１閾値、(3)第１差分値＜第１閾値、(4)第１差分値≦第１閾値を例示できる。例えば、発熱抵抗体が昇温（抵抗値上昇）するにしたがって第１差分値が大きくなる場合には、異常検知手段は、(1)第１差分値＞第１閾値、または(2)第１差分値≧第１閾値の関係を満たした場合に、通電停止信号を出力するように構成すると良い。

さらに、上記の液体状態検知センサであって、前記異常検知手段は、前記所定の大小関係が、前記第１差分値＞前記第１閾値または上記第１差分値≧上記第１閾値であり、上記第１差分値が、上記第１閾値よりも大きな第２閾値を上回った場合には、前記被測定液体の液面レベルが前記発熱抵抗体の下方にまで低下している第１異常状態を検出し、上記第１差分値が、上記第２閾値を下回った場合には、前記被測定液体の熱伝導率が過少である第２異常状態を検出するように構成されてなり、または、上記所定の大小関係が、上記第１差分値＜上記第１閾値または上記第１差分値≦上記第１閾値であり、上記第１差分値が、上記第１閾値よりも小さな第２閾値を下回った場合には、上記第１異常状態を検出し、上記第１差分値が、上記第２閾値を上回った場合には、上記第２異常状態を検出するように構成されてなる液体状態検知センサとすると良い。

発熱抵抗体が異常昇温する場合とは、(1)被測定液体の熱伝導率が過少である場合、例えば、液体収容容器内に尿素水溶液が収容されているべきところ、誤って、軽油が収容されている場合、あるいは、(2)被測定液体の液面レベルが発熱抵抗体の下方にまで低下した場合である。液体（軽油など）に比べて、空気のほうが熱伝導率が小さいことから、(1)の場合の第１差分値と、(2)の場合の第１差分値とは、常に所定の大小関係を満たすこととなる。従って、(1)の場合の第１差分値と(2)の場合の第１差分値との境界値として第２閾値を設定することで、(1)と(2)とを識別することが可能となる。

そこで、本発明の液体状態検知センサでは、異常検知手段において、第１差分値と、第１閾値及び第２閾値との大小関係に基づいて、被測定液体の液面レベルが発熱抵抗体の下方にまで低下している第１異常状態と、被測定液体の熱伝導率が過少である第２異常状態とを検出するようにした。このうち、第１異常状態を検出することで、液体状態検知センサを設けた機器（ディーゼル車両など）の運転者に対し、被測定液体の補給を促す等の処理を講ずることができる。また、第２異常状態を検出することで、運転者に対し、被測定液体の入れ替え（例えば、尿素水溶液ではなく誤って軽油が収容されている場合には、尿素水溶液に入れ替える）を促す等の処理を講ずることができる。

このように、本発明の液体状態検知センサでは、発熱抵抗体の異常昇温の原因を特定した異常状態を検出するので、液体状態検知センサを設けた機器（ディーゼル車両など）の運転者に対し、適切な処置（被測定液体の補給や入れ替え等）を取らせることが可能となる。

さらに、上記いずれかの液体状態検知センサであって、前記液体状態検知素子は、前記発熱抵抗体が、セラミック基体内に液密に封止されてなる液体状態検知センサとすると良い。

本発明の液体状態検知センサでは、液体状態検知素子として、発熱抵抗体が、セラミック基体内に液密に封止された液体状態検知素子を用いている。このような液体状態検知素子は、当該素子自身を直接、被測定液体に浸漬することができる。このため、薄膜チップ内に尿素水溶液が浸水しないように、薄膜チップを樹脂モールドした素子（例えば、特開２００５−８４０２６号公報に開示されている素子）に比べて、感度が良好となる。従って、本発明の液体状態検知センサでは、被測定液体の状態を精度良く検知できると共に、発熱抵抗体の異常昇温を精度良く検知することができる。

さらに、上記いずれかの液体状態検知センサであって、前記被測定液体は、尿素水溶液である液体状態検知センサとすると良い。

本発明の液体状態検知センサは、尿素水溶液の状態を検知する液体状態検知センサである。尿素水溶液は、例えば、ＮＯｘ還元剤として、ディーゼル車両の液体収容容器内に収容される。ところが、作業者が誤って、尿素水溶液の液体収容容器内に、軽油を注入してしまう虞がある。また、ディーゼル車両の運転時間の経過と共に尿素水溶液が減少し、尿素水溶液の液面レベルが素子よりも下方に低下し、さらには空状態となる虞もある。しかも、尿素水溶液に比べて、軽油は熱伝導率が小さく、空気はさらに熱伝導率が小さいため、液体収容容器内に誤って軽油が注入されている場合、及び液体収容容器内の尿素水溶液の液面レベルが素子よりも下方に低下した場合には、発熱抵抗体が異常昇温することとなる。

これに対し、本発明の液体状態検知センサでは、前述のように、異常検知手段によって発熱抵抗体の異常昇温が検知された場合に、通電手段による発熱抵抗体への通電を停止させる通電停止信号を出力するようにしている。このため、発熱抵抗体が異常昇温している（発熱抵抗体の温度上昇率が異常に高い）場合には、第２通電時間が経過するまで通電することなく、発熱抵抗体への通電を停止することができる。従って、液体収容容器内に誤って軽油が注入されている場合、及び尿素水溶液の液面レベルが素子よりも下方に低下している場合でも、液体状態検知素子の過昇温を防止できる。

本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、実施形態にかかる液体状態検知センサ１００の部分縦断面図である。図１に示すように、液体状態検知センサ１００は、素子構造体３０と、電極構造体７０と、検知部１６０と、取付部４０とを備えている。ここで、液体状態検知センサ１００について、その軸線Ｃに沿う方向に見て、素子構造体３０側を先端側、検知部１６０側を基端側とする。本実施形態の液体状態検知センサ１００は、図４に示すように、その先端側が尿素水タンク９８内の尿素水溶液Ｌに浸漬され、尿素水溶液Ｌの状態を検知することができる。

取付部４０は、金属からなり、取付ボルトが挿通可能なボルト用貫通孔（図示省略）が穿孔されている。液体状態検知センサ１００は、取付部４０のボルト用貫通孔を利用して、取付ボルトにより、尿素水タンク９８（図４参照）に取付可能とされている。

電極構造体７０は、外筒電極１０と、内筒電極２０と、両電極の間に位置する筒状のゴムブッシュ８０とを有している。このうち、外筒電極１０は、金属製で円筒状をなし、その軸線を軸線Ｃに一致させて、液体状態検知センサ１００の先端側から基端側にまで延びている。この外筒電極１０は、基端部１２において、取付部４０に溶接されている。なお、取付部４０は、検知部１６０を構成する配線基板６０に対し、そのグランド電位をなす配線部（図示しない）と同電位となるように接続されている。このため、取付部４０に溶接されている外筒電極１０も、グランド電位となる。

内筒電極２０は、金属製で、外筒電極１０より小径の円筒状をなし、その軸線を軸線Ｃに一致させて、外筒電極１０の内側において、液体状態検知センサ１００の先端側から基端側にまで延びている。この内筒電極２０は、図示を省略しているが、その基端部において、絶縁部材を介して取付部４０に固着されている。なお、内筒電極２０は、検知部１６０を構成する配線基板６０に電気的に接続され、交流電圧が印加されるように構成されている。また、内筒電極２０のうち尿素水溶液Ｌに接触する外表面には、フッ素系樹脂からなる絶縁被膜２３が形成されている。

素子構造体３０は、液体状態検知素子１１０と、ホルダ１２０と、固定部材１２５，１２６と、プロテクタ１３０とを有している。
このうち、液体状態検知素子１１０は、図２に示すように、第１セラミック絶縁層１１１と、第２セラミック絶縁層１１２と、これらの間に位置する導体層１１８とを有している。詳細には、液体状態検知素子１１０は、同時焼成されてなり、導体層１１８が、第１セラミック絶縁層１１１と第２セラミック絶縁層１１２との間（セラミック基体内）に液密に封止されている。このため、液体状態検知素子１１０を直接、尿素水溶液Ｌに浸漬しても、液体状態検知素子１１０内に尿素水溶液Ｌが浸水して導体層１１８が短絡する虞がない。

第１セラミック絶縁層１１１及び第２セラミック絶縁層１１２は、アルミナ製で、矩形板形状をなしている。また、導体層１１８は、Ｐｔを主成分とした導体層であり、図３に示すように、第１リード部１１５と、第２リード部１１６と、両者に接続する発熱抵抗体１１７とを有している。発熱抵抗体１１７は、第１リード部１１５及び第２リード部１１６に比べて小さな断面積の線が、蛇行した形態をなしている。このため、導体層１１８に通電すると、主に、発熱抵抗体１１７において発熱することとなる。この発熱抵抗体１１７は、自身の温度に応じて抵抗値が変化する。

さらに、図２に示すように、第１セラミック絶縁層１１１には、導体層１１８（詳細には、第１リード部１１５と第２リード部１１６）に連通する位置に、第１セラミック絶縁層１１１の厚み方向（図２において左右方向）に貫通するビアホール１１１ｂが、２ヶ穿孔されている。各々のビアホール１１１ｂ内には、ビア導体１１３が充填形成されている。そして、第１セラミック絶縁層１１１の表面１１１ｃには、各々のビア導体１１３に導通する、矩形状の接続パッド１１４が形成されている。

各々の接続パッド１１４には、コネクタ１１９が接続されている（図１参照）。さらに、このコネクタ１１９と検知部１６０（配線基板６０）とは、図１に示すように、内筒電極２０の筒内に挿通されたリード線９０により電気的に接続されている。これにより、液体状態検知素子１１０の発熱抵抗体１１７が、検知部１６０（配線基板６０）に電気的に接続される。

ホルダ１２０は、筒状をなし、環状のシール部材１２７を介して内筒電極２０に装着されている。このホルダ１２０の筒内には、液体状態検知素子１１０が挿通されている。固定部材１２５，１２６は、接着剤からなり、ホルダ１２０の筒内に充填されている。これにより、液体状態検知素子１１０が、ホルダ１２０に保持される。なお、液体状態検知素子１１０のうち発熱抵抗体１１７が位置する部位は、尿素水溶液Ｌに浸漬するように、ホルダ１２０から先端側（図１において下側）に突出している。プロテクタ１３０は、筒状をなし、液体状態検知素子１１０を包囲しつつ、ホルダ１２０に固着されている。このプロテクタ１３０には、その内外を尿素水溶液Ｌが流通するための貫通孔が複数穿孔されている。

液体状態検知素子１１０を保持したホルダ１２０は、外筒電極１０に固定されたゴムブッシュ８０により、軸線Ｃ方向に位置ずれを生じないよう内筒電極２０に対し固定されている。
なお、シール部材１２７及びホルダ１２０内に充填された固定部材１２５，１２６により、内筒電極２０の筒内への尿素水溶液Ｌの浸入が防止されている。

検知部１６０は、図１に示すように、ＣＰＵ２２１などが実装された配線基板６０により構成されており、保護カバー１６１の内部に配置されている。具体的には、検知部１６０は、図４に示すように、マイクロコンピュータ２２０と、第１検知回路部２８０と、第２検知回路部２５０と、入出力回路部２９０とを有している。
このうち、マイクロコンピュータ２２０は、ＣＰＵ２２１、ＲＯＭ２２２、及びＲＡＭ２２３を有し、各種制御を行う。入出力回路部２９０は、マイクロコンピュータ２２０とＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）との間で信号の入出力を行うための、通信プロトコルの制御を行う。

第２検知回路部２５０は、マイクロコンピュータ２２０からの指令に基づいて、外筒電極１０と内筒電極２０との間に所定の交流電圧を印加する。そして、このときに流れた電流を電圧変換し、その電圧信号をマイクロコンピュータ２２０に出力する。外筒電極１０と内筒電極２０との間に位置する尿素水溶液Ｌの液量に応じて、外筒電極１０と内筒電極２０との間の静電容量が異なることから、マイクロコンピュータ２２０では、出力された電圧信号に基づいて、尿素水溶液Ｌの液面レベルを検知することができる。

第１検知回路部２８０は、差動増幅回路部２３０と、定電流出力部２４０と、スイッチ２６０とを有している。この第１検知回路部２８０は、マイクロコンピュータ２２０からの指令に基づいて、液体状態検知素子１１０に定電流を流し、発熱抵抗体１１７の抵抗値に対応して出力された電圧信号を、マイクロコンピュータ２２０に出力する。

具体的には、定電流出力部２４０は、発熱抵抗体１１７と電気的に接続されており、定電流を出力する。スイッチ２６０は、定電流出力部２４０と発熱抵抗体１１７との通電経路上に位置し、マイクロコンピュータ２２０からの指令に基づいて、定電流出力部２４０から発熱抵抗体１１７への通電のＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行う。差動増幅回路部２３０は、発熱抵抗体１１７の入力端側の電位Ｐｉｎと出力端側の電位Ｐｏｕｔとの差分値を、検出電圧値としてマイクロコンピュータ２２０に出力する。これにより、マイクロコンピュータ２２０では、この検出電圧値に基づいて、例えば、尿素水溶液Ｌの尿素濃度を算出し、尿素濃度が適正であるか否かを検知したり、尿素水溶液Ｌの温度を算出したりすることができる。

例えば、尿素水溶液Ｌの尿素濃度が３２．５ｗｔ％であるときは、図５に実線で示すように、通電時間ｔの経過に伴って発熱抵抗体１１７の電圧が変動する。この例を参照して説明すると、まず、定電流出力部２４０から発熱抵抗体１１７に定電流を流し、発熱抵抗体１１７への通電開始から初期通電時間ｔ０（本実施形態ではｔ０＝１００ｍｓｅｃ）を経過するまでに、発熱抵抗体１１７の抵抗値に対応して出力された電圧信号（第１出力値Ｖ１）を検知する。なお、本実施形態では、通電開始から１０ｍｓｅｃ経過した時点での電圧信号を、第１出力値Ｖ１として検知する（図６のステップＳ２，Ｓ３参照）。次いで、通電開始から第２通電時間ｔ２（本実施形態では７００ｍｓｅｃ）経過した時点での、発熱抵抗体１１７の抵抗値に対応して出力された電圧信号（第３出力値Ｖ３）を検知する。

次いで、Ｖ３とＶ１との差分値（第２差分値とする）ΔＶ２＝Ｖ３−Ｖ１を算出し、この第２差分値ΔＶ２から所定の演算式に基づいて、尿素水溶液の尿素濃度を算出すれば、尿素濃度が適正であるか否かを判定することができる。この例では、尿素濃度が３２．５ｗｔ％と算出され、尿素濃度は適正であると判定されることとなる。

これは、次のような原理に基づいて実現される。尿素水溶液Ｌに含まれる尿素の濃度の違いにより、尿素水溶液Ｌの熱伝導率が異なることから、発熱抵抗体１１７により尿素水溶液Ｌを加熱した場合、尿素濃度の違いにより、尿素水溶液Ｌの温度上昇率が異なることとなる。このため、尿素水溶液Ｌの温度上昇率（すなわち、尿素水溶液Ｌの濃度）が、尿素水溶液Ｌに浸漬された液体状態検知素子１１０に含まれる発熱抵抗体１１７の温度上昇に影響を与えることとなる。

前述のように、発熱抵抗体１１７は、自身の温度に応じて抵抗値が変化する。従って、発熱抵抗体１１７に所定時間定電流を流した後では、尿素水溶液Ｌの尿素濃度の違い、あるいは液種の違い等により、発熱抵抗体１１７の抵抗値に違いが生じることとなる。このため、発熱抵抗体１１７に第２通電時間ｔ２（例えば、ｔ２＝７００ｍｓｅｃ）だけ定電流を流したとき、尿素水溶液Ｌの尿素濃度の違い等により、第１出力値Ｖ１と第３出力値Ｖ３との差分値（第２差分値）ΔＶ２＝Ｖ２−Ｖ１にも違いが生じることとなる。従って、ΔＶ２に基づいて、尿素水溶液Ｌの尿素濃度、あるいは液種を検知することが可能となる。

また、通電開始から初期通電時間ｔ０内（本実施形態では、通電開始から１０ｍｓｅｃ経過時）における発熱抵抗体１１７の温度は、液体状態検知素子１１０（発熱抵抗体１１７）の周囲に位置する尿素水溶液Ｌの温度とほぼ一致している。このことから、通電開始から初期通電時間ｔ０内（本実施形態では、通電開始から１０ｍｓｅｃ経過時）における発熱抵抗体１１７の抵抗値は、液体状態検知素子１１０（発熱抵抗体１１７）の周囲に位置する尿素水溶液Ｌの温度に対応した抵抗値となっている。従って、第１出力値Ｖ１を利用して、尿素水溶液Ｌの温度を検知することもできる。

ところで、尿素水タンク９８内の尿素水溶液Ｌが減少し、その液面レベルが発熱抵抗体１１７よりも下方に低下した場合や、尿素水タンク９８内に尿素水溶液Ｌよりも熱伝導率が小さな液体（例えば軽油など）が収容されている場合には、発熱抵抗体１１７の温度上昇率が高くなり、異常昇温する虞がある。このような状況で、尿素水タンク９８内に尿素水溶液Ｌが適量収容されている場合と同様に、第２通電時間ｔ２（例えば、ｔ２＝７００ｍｓｅｃ）の間、発熱抵抗体１１７に通電してしまうと、発熱抵抗体１１７が過昇温し、これが繰り返されることで液体状態検知素子１１０が故障（破損など）する虞がある。

そこで、本実施形態の液体状態検知センサ１００では、次のようにして、発熱抵抗体１１７の過昇温を防止するようにした。
まず、図５に示すように、通電開始から第２通電時間ｔ２（本実施形態では、ｔ２＝７００ｍｓｅｃ）が経過する前に、第２通電時間ｔ２より短い第１通電時間ｔ１（本実施形態では、ｔ１＝３００ｍｓｅｃ）が経過した時点での、発熱抵抗体１１７の抵抗値に対応して出力された電圧信号（第２出力値Ｖ２）を検知する。次いで、先に取得した第１出力値Ｖ１と、この第２出力値Ｖ２との差分値（第１差分値）ΔＶ１を算出する。この第１差分値ΔＶ１が、閾値Ｑ（予め、様々な濃度の尿素水溶液Ｌについて取得したΔＶの最大値）以下であれば、尿素水タンク９８内に尿素水溶液Ｌが適量収容されていると判定できる。この場合には、第２通電時間ｔ２（本実施形態では７００ｍｓｅｃ）が経過するまで発熱抵抗体１１７に通電し続けても、発熱抵抗体１１７が過昇温する虞がない。

一方、第１差分値ΔＶ１が閾値Ｑを上回った場合は、尿素水タンク９８内に尿素水溶液Ｌが適切に収容されていないこととなる。具体的には、尿素水タンク９８内に、尿素水溶液よりも熱伝導率の小さな液体（例えば、軽油）が注入されている場合には、図５に一点鎖線で示すように、電圧が上昇し、第１差分値ΔＶ１ｂが閾値Ｑを上回ることとなる。さらに、尿素水溶液Ｌの液面レベルが発熱抵抗体１１７よりも下方にまで低下した場合（空焚き状態）には、図５に破線で示すように、電圧が上昇し、第１差分値ΔＶ１ｃが閾値Ｑをさらに大きく上回ることとなる。これらの場合には、発熱抵抗体１１７が異常昇温しているため、第２通電時間ｔ２（本実施形態では７００ｍｓｅｃ）が経過するまで発熱抵抗体１１７に通電し続けると、前述のように、発熱抵抗体１１７が、過昇温して故障する虞がある。

そこで、本実施形態での液体状態検知センサ１００では、実測されたΔＶ１の値が閾値Ｑを上回った場合には、発熱抵抗体１１７への通電の停止することとした。すなわち、発熱抵抗体１１７が異常昇温している（発熱抵抗体１１７の温度上昇率が異常に高い）場合には、第２通電時間ｔ２（本実施形態では７００ｍｓｅｃ）が経過するまで通電することなく、第１通電時間ｔ１（本実施形態では３００ｍｓｅｃ）が経過した時点で、発熱抵抗体１１７への通電を停止する。これにより、液体状態検知素子１１０（発熱抵抗体１１７）の過昇温を防止することができる。

なお、図５に示すように、予め、尿素水溶液Ｌの液面レベルが発熱抵抗体１１７よりも下方にまで低下した状態（空焚き状態）で取得した第１差分値ΔＶ１ｃと、尿素水タンク９８内に軽油が収容されている状態で取得した第１差分値ΔＶ１ｂとに基づいて、閾値Ｑより大きな閾値Ｒを設定しておくと良い。このようにすれば、実測されたΔＶ１の値が閾値Ｑを上回り、さらに閾値Ｒを上回ったときには、尿素水溶液Ｌの液面レベルが発熱抵抗体１１７よりも下方に低下している（尿素水タンク９８内が空状態など）と判定することができる。

また、実測されたΔＶ１が、閾値Ｑと閾値Ｒとの間の値となった場合には、液面レベルが発熱抵抗体１１７よりも下方に低下してはいないが、尿素水タンク９８内に熱伝導率の小さな液体（軽油など）が入っていると判定することができる。

なお、本実施形態では、定電流出力部２４０、スイッチ２６０、及びマイクロコンピュータ２２０が、通電手段に相当する。また、マイクロコンピュータ２２０が、状態検知手段、及び異常検知手段に相当する。

ここで、図６を参照して、本実施形態の液体状態検知の流れについて説明する。
まず、ステップＳ１において、マイクロコンピュータ２２０からの指令に基づいて、スイッチ２６０がＯＮにされ、定電流出力部２４０から発熱抵抗体１１７への通電を開始する。次いで、ステップＳ２に進み、通電開始から１０ｍ秒経過したか否かを判定する。１０ｍ秒経過していないと判定された場合（ＮＯ）には、１０ｍ秒経過するまで、この処理を繰り返し行う。その後、通電開始から１０ｍ秒経過したと判定された場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ３に進み、通電開始から１０ｍ秒経過時点の発熱抵抗体１１７の抵抗値に対応して出力された第１出力値Ｖ１を、マイクロコンピュータ２２０で取得する。次いで、ステップＳ４に進み、マイクロコンピュータ２２０において、第１出力値Ｖ１から、所定の演算式に基づいて、発熱抵抗体１１７の温度を算出する。さらに、発熱抵抗体１１７の温度から、所定の換算式に基づいて、尿素水溶液Ｌの温度を算出する。

次に、ステップＳ５に進み、検出された尿素水溶液Ｌの温度と、予めＲＯＭ２２２に記憶されている尿素水溶液の凍結温度（−１１℃）とを比較する。凍結温度以下と判定された場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ６に進み、マイクロコンピュータ２２０からの指令に基づいて、スイッチ２６０がＯＦＦにされ、定電流出力部２４０から発熱抵抗体１１７への通電を停止する。次いで、ステップＳ７に進み、通電停止から１秒経過したか否かを判定する。１秒経過していないと判定された場合（ＮＯ）には、１秒経過するまで、この処理を繰り返し行う。その後、通電停止から１秒経過したと判定された場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１に戻り、上述した処理を再度実行する。ここで、通電停止から１秒経過するまで待機するのは、通電により上昇した発熱抵抗体１１７の温度を、被測定液体の温度にまで低下させるためである。

ところで、尿素水溶液Ｌの温度が凍結温度以下である場合は、発熱抵抗体１１７の熱により一度解凍された尿素水溶液Ｌが再び凍結する虞がある。このときの尿素水溶液Ｌの大きな体積変化により、液体状態検知素子１１０に大きな力がかかり、液体状態検知素子１１０が破損する虞がある。これに対し、本実施形態では、尿素水溶液Ｌの温度が凍結温度以下であるうちは、ステップＳ１〜Ｓ７までの処理を繰り返し、尿素水溶液Ｌを加熱しないようにしている。これにより、液体状態検知素子１１０の破損を防止することができる。

一方、ステップＳ５において、尿素水溶液Ｌの温度が凍結温度より高いと判定された場合（ＮＯ）には、ステップＳ８に進み、通電時間が３００ｍ秒（第１通電時間ｔ１）を経過したか否かを判定する。３００ｍ秒（第１通電時間ｔ１）経過していないと判定された場合（ＮＯ）には、３００ｍ秒経過するまで、この処理を繰り返し行う。その後、通電時間が３００ｍ秒（第１通電時間ｔ１）を経過したと判定された場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ９に進み、通電開始から３００ｍ秒（第１通電時間ｔ１）を経過した時点での、発熱抵抗体１１７の抵抗値に対応して出力された第２出力値Ｖ２を、マイクロコンピュータ２２０で取得する。

次いで、ステップＳＡに進み、マイクロコンピュータ２２０において、第２出力値Ｖ２と、先のステップＳ２において取得した第１出力値Ｖ１との差分として、第１差分値ΔＶ１を算出（ΔＶ１＝Ｖ２−Ｖ１）する。次いで、ステップＳＢに進み、第１差分値ΔＶ１が、予めＲＯＭ２２２に記憶されている閾値Ｑ（図５参照）より小さい値であるか否かを判定する。第１差分値ΔＶ１が閾値Ｑより小さい（ΔＶ１＜Ｑ）と判定された場合（ＹＥＳ）には、ステップＳＣに進み、通電時間が７００ｍ秒（第２通電時間ｔ２）を経過したか否かを判定する。７００ｍ秒（第２通電時間ｔ２）経過していないと判定された場合（ＮＯ）には、７００ｍ秒経過するまで、この処理を繰り返し行う。

その後、通電時間が７００ｍ秒（第２通電時間ｔ２）を経過したと判定された場合（ＹＥＳ）には、ステップＳＤに進み、通電開始から７００ｍ秒（第２通電時間ｔ２）を経過した時点での、発熱抵抗体１１７の抵抗値に対応して出力された第３出力値Ｖ３を、マイクロコンピュータ２２０で取得する。さらに、ステップＳＥに進み、マイクロコンピュータ２２０からの指令に基づいて、スイッチ２６０がＯＦＦにされ、定電流出力部２４０から発熱抵抗体１１７への通電を停止する。

次いで、ステップＳＦに進み、リセットフラグが「１」であるか否かを判定する。後に詳述するが、ステップＳＢにおいて、第１差分値ΔＶ１が閾値Ｑ以上（ΔＶ１≧Ｑ）である（ＮＯ）と判定された場合には、ステップＳＬにおいてリセットフラグを「０」とするようにしている。従って、前回の状態検知サイクル（ステップＳ１〜ＳＶの一連のサイクル）のステップＳＢにおいて、ΔＶ１≧Ｑ（ＮＯ）と判定されていた場合にはリセットフラグ＝０となっており、逆に、ΔＶ１＜Ｑ（ＹＥＳ）と判定されていた場合にはリセットフラグ＝１となっている。

ステップＳＦにおいて、リセットフラグが「１」である（ＹＥＳ）と判定された場合には、ステップＳＧに進み、第１異常カウンタＫ１及び第２異常カウンタＫ２をリセットする。なお、第１異常カウンタＫ１及び第２異常カウンタＫ２については、後のステップＳＮ，ＳＲの処理を説明するときに詳述する。一方、リセットフラグが「１」でない（ＮＯ）と判定された場合には、ステップＳＨに進み、リセットフラグを「１」にする。

次いで、ステップＳＩに進み、マイクロコンピュータ２２０において、第３出力値Ｖ３と、先のステップＳ２において取得した第１出力値Ｖ１との差分として、第２差分値ΔＶ２を算出（ΔＶ２＝Ｖ３−Ｖ１）する。次いで、ステップＳＪに進み、マイクロコンピュータ２２０において、第２差分値ΔＶ２から所定の演算式に基づいて、尿素水溶液の尿素濃度を算出し、この値を入出力回路部２９０を通じてＥＣＵに出力する。ＥＣＵでは、入力された尿素濃度の値に基づいて、尿素濃度が適正か否かの判断をする。

次いで、ステップＳＶに進み、通電停止から６０秒を経過したか否かを判定する。６０秒経過していないと判定された場合（ＮＯ）には、６０秒経過するまで、この処理を繰り返し行う。その後、通電停止から６０秒経過したと判定された場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１に戻り、上述した処理を再度実行する。ここで、通電停止から６０秒経過するまで待機するのは、通電により上昇した発熱抵抗体１１７の温度を、被測定液体の温度にまで低下させるためである。

一方、ステップＳＢにおいて、第１差分値ΔＶ１が閾値Ｑ以上である（ＮＯ）と判定された場合には、ステップＳＫに進み、マイクロコンピュータ２２０からの指令に基づいて、スイッチ２６０がＯＦＦにされ、定電流出力部２４０から発熱抵抗体１１７への通電を停止する。前述のように、第１差分値ΔＶ１が閾値Ｑ以上となった場合には、発熱抵抗体１１７が異常昇温しているため、第２通電時間ｔ２（本実施形態では７００ｍｓｅｃ）が経過するまで発熱抵抗体１１７に通電し続けると、発熱抵抗体１１７が過昇温する虞がある。これに対し、本実施形態では、上述のように、ステップＳＢにおいて、通電開始から３００ｍ秒（第１通電時間ｔ１）を経過した時点で、速やかに発熱抵抗体１１７への通電を停止するので、発熱抵抗体１１７の過昇温を防止することができる。

次いで、ステップＳＬに進み、リセットフラグを「０」とする。次いで、ステップＳＭに進み、第１差分値ΔＶ１が、予めＲＯＭ２２２に記憶されている閾値Ｒ（図５参照）より大きな値であるか否かを判定する。

第１差分値ΔＶ１が閾値Ｒより大きい（ΔＶ１＞Ｒ）と判定された場合（ＹＥＳ）には、ステップＳＮに進み、第１異常カウンタＫ１に「１」を加算する。次いで、ステップＳＰに進み、第１異常カウンタＫ１の値が５以上であるか否かを判定する。第１異常カウンタＫ１の値が５以上（Ｋ１≧５）である（ＹＥＳ）と判定された場合には、ステップＳＱに進み、マイクロコンピュータ２２０において、液面レベルが発熱抵抗体１１７の下方にまで低下している（空焚き状態である）第１異常状態を検出し、第１異常状態である旨の第１異常信号を、入出力回路部２９０を通じてＥＣＵに出力する。これにより、例えば、ＥＣＵから第１警告信号を発するようにして、運転者に対し、尿素水溶液の補給を促すことができる。

ところで、本実施形態では、上述のように、ステップＳＭにおいてΔＶ１＞Ｒと判定された後、直ちにステップＳＱにおいて第１異常信号を出力するのではなく、第１異常カウンタＫ１の値が５以上となるのを待って、第１異常信号を出力するようにしている。換言すれば、ステップＳＢにおいて２回続けてΔＶ１＜Ｑと判定されることなく、計５回以上ステップＳＭにおいてΔＶ１＞Ｒと判定された場合に限り、第１異常信号を出力するようにしている。

これは、例えば、尿素水タンク９８がディーゼル車両に搭載されている場合には、ディーゼル車両の揺れにより、尿素水タンク９８内の尿素水溶液Ｌの液面が揺れる（上下動する）ので、実際（静止状態）には液面レベルが発熱抵抗体１１７の上方に位置している場合であっても、ΔＶ１＞Ｒ（ΔＶ１≧Ｑ）と判定されてしまうことがある。そこで、本実施形態では、上述のように、２回続けてΔＶ１＜Ｑと判定されることなく計５回以上ΔＶ１＞Ｒと判定された場合に限り（第１異常カウンタＫ１の値が「５」に達した後）、第１異常状態を検出し、第１異常信号を出力するようにした。これにより、第１異常状態の誤検知、及び第１異常信号の誤出力を防止することができる。

一方、ステップＳＭにおいて、第１差分値ΔＶ１が閾値Ｒ以下（ΔＶ１≦Ｒ）である（ＮＯ）と判定された場合には、ステップＳＲに進み、第２異常カウンタＫ２に「１」を加算する。次いで、ステップＳＴに進み、第２異常カウンタＫ２の値が５以上であるか否かを判定する。第２異常カウンタＫ２の値が５以上（Ｋ２≧５）である（ＹＥＳ）と判定された場合には、ステップＳＵに進み、マイクロコンピュータ２２０において、尿素水タンク９８内に収容されている液体の熱伝導率が過少である第２異常状態を検出し、第２異常状態である旨の第２異常信号を、入出力回路部２９０からＥＣＵに出力する。これにより、例えば、ＥＣＵから第２警告信号を発するようにして、運転者に対し、液体の入れ替え（例えば、尿素水溶液ではなく誤って軽油が収容されている場合には、尿素水溶液に入れ替える）を促すことができる。

ここで、ステップＳＭにおいてΔＶ１≦Ｒ（ＮＯ）と判定されたときも、直ちにステップＳＵにおいて第２異常信号を出力するのではなく、第２異常カウンタＫ２の値が５以上となるのを待って、第２異常信号を出力するようにしている。換言すれば、ステップＳＢにおいて２回続けてΔＶ１＜Ｑと判定されることなく、計５回以上ステップＳＭにおいてΔＶ１≦Ｒと判定された場合に限り、第２異常信号を出力するようにしている。これにより、第２異常状態の誤検知、及び第２異常信号の誤出力も防止することができる。

次いで、ステップＳＶに進み、通電停止から６０秒を経過したか否かを判定する。６０秒経過していないと判定された場合（ＮＯ）には、６０秒経過するまで、この処理を繰り返し行う。その後、通電停止から６０秒経過したと判定された場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１に戻り、上述した処理を再度実行する。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施形態の液体状態検知センサ１００では、外筒電極１０及び内筒電極２０を設け、尿素水溶液Ｌの液面レベルも検知するようにしたが、外筒電極１０及び内筒電極２０を設けなくても良い。

また、実施形態の液体状態検知センサ１００では、第１検知回路部２８０に定電流出力部２４０を設け、液体状態検知素子１１０に定電流を流し、発熱抵抗体１１７の抵抗値に対応した電圧信号を出力するようにした。しかしながら、例えば、第１検知回路部に定電圧出力部を設け、液体状態検知素子１１０に定電圧かけて、発熱抵抗体１１７を流れる電流に対応した電流信号を出力するようにしても良い。

実施形態にかかる液体状態検知センサ１００の部分縦断面図である。 実施形態にかかる液体状態検知素子１１０の断面図である。 液体状態検知素子１１０の内部を説明する説明図である。 液体状態検知センサ１００の電気的な構成を示すブロック図である。 通電時間ｔと発熱抵抗体１１７の電圧との関係を示すグラフである。 実施形態にかかる液体状態検知の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１００ 液体状態検知センサ
１１０ 液体状態検知素子
１１７ 発熱抵抗体
２２０ マイクロコンピュータ（通電手段、状態検知手段、異常検知手段）
２４０ 定電流出力部（通電手段）
２６０ スイッチ２６０（通電手段）

Claims (5)

1. 被測定液体の状態を検知する液体状態検知センサであって、
   自身の温度に応じて抵抗値が変化する発熱抵抗体を含み、上記被測定液体に浸漬される液体状態検知素子と、
   上記発熱抵抗体への通電を行う通電手段と、
   上記通電手段による上記発熱抵抗体への通電開始から初期通電時間内に当該発熱抵抗体の抵抗値に対応して出力される第１出力値と、上記通電手段による上記発熱抵抗体への通電開始から上記初期通電時間より長い第２通電時間が経過した時点での当該発熱抵抗体の抵抗値に対応して出力される第３出力値とに基づいて、上記被測定液体の状態を検知する状態検知手段と、
   上記第２通電時間が経過する前に、
   上記第１出力値と、
   上記通電手段による上記発熱抵抗体への通電開始から上記第２通電時間より短く且つ上記初期通電時間より長い第１通電時間が経過した時点での当該発熱抵抗体の抵抗値に対応して出力される第２出力値と、に基づいて、
   上記発熱抵抗体の異常昇温を検知する異常検知手段であって、上記発熱抵抗体の異常昇温を検知した場合、上記通電手段による上記発熱抵抗体への通電を停止させる通電停止信号を出力する異常検知手段と、を備える
   液体状態検知センサ。
2. 請求項１に記載の液体状態検知センサであって、
   前記異常検知手段は、
   前記第１出力値と前記第２出力値との差分である第１差分値と、第１閾値とが、所定の大小関係を満たした場合に、前記通電停止信号を出力するように構成されてなる
   液体状態検知センサ。
3. 請求項２に記載の液体状態検知センサであって、
   前記異常検知手段は、
   前記所定の大小関係が、前記第１差分値＞前記第１閾値または上記第１差分値≧上記第１閾値であり、
   上記第１差分値が、上記第１閾値よりも大きな第２閾値を上回った場合には、前記被測定液体の液面レベルが前記発熱抵抗体の下方にまで低下している第１異常状態を検出し、
   上記第１差分値が、上記第２閾値を下回った場合には、前記被測定液体の熱伝導率が過少である第２異常状態を検出するように構成されてなり、または、
   上記所定の大小関係が、上記第１差分値＜上記第１閾値または上記第１差分値≦上記第１閾値であり、
   上記第１差分値が、上記第１閾値よりも小さな第２閾値を下回った場合には、上記第１異常状態を検出し、
   上記第１差分値が、上記第２閾値を上回った場合には、上記第２異常状態を検出するように構成されてなる
   液体状態検知センサ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の液体状態検知センサであって、
   前記液体状態検知素子は、
   前記発熱抵抗体が、セラミック基体内に液密に封止されてなる
   液体状態検知センサ。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の液体状態検知センサであって、
   前記被測定液体は、尿素水溶液である
   液体状態検知センサ。

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