JP5233762B2 - 濃度センサ装置 - Google Patents
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第1参考形態による濃度センサ装置を図1に示す。第1参考形態の濃度センサ装置10は、図1に示すように基板11、センサ部12および圧電素子部13を備えている。基板11は、例えばシリコンなどの半導体で形成されている。濃度センサ装置10は、図2に示すように混合燃料が流れる配管部材100に取り付けられる。濃度センサ装置10は、配管部材100の内側において図2(A)に示すように天部、図2(B)に示すように底部、あるいは図2(C)に示すように側部などに設けられる。
濃度センサ装置10は、回路部18を備えている。回路部18は、基板11においてセンサ部12と同一の面側に設けられている。回路部18は、例えば図示しない処理回路および接続パッドなどを有している。処理回路は、例えばセンサ部12から出力される信号や圧電素子部13へ入力される信号を処理する回路を構成している。接続パッドは、濃度センサ装置10と外部の接続端子とを接続するボンディングワイヤなどが接続される。回路部18は、センサ部12と同一の面側にセンサ部12と隣接して設けられている。回路部18は、センサ部12と同様にシリコン窒化膜からなる保護膜16で保護されている。
さらに、第1参考形態では、圧電素子部13と回路部18とを接続する貫通電極19は基板11を貫いている。そのため、貫通電極19は、水分などを含む混合燃料に晒されにくい。したがって、貫通電極19の腐食や損傷を低減することができ、貫通電極19の耐
久性を高めることができる。
第2、第3参考形態による濃度センサ装置をそれぞれ図3または図4に示す。
第2参考形態では、図3に示すようにセンサ部12および圧電素子部13は基板11の同一の面側に設けられている。センサ部12および圧電素子部13を基板11の同一の面側に設けると、センサ部12および圧電素子部13の設置面積を確保すると体格の大型化を招いたり、体格を維持すると圧電素子部13の振動面積の減少を招いたりする。一方、センサ部12および圧電素子部13を基板11の同一の面側に設けることにより、センサ部12と圧電素子部13とが近接して配置される。したがって、圧電素子部13の振動によってセンサ部12が直接振動し、異物の脱離をより促進することができる。
第4参考形態による濃度センサ装置を図5に示す。
図5に示すように第4参考形態による濃度センサ装置10は、基板11に設けられている凹部22を備えている。凹部22は、基板11の一方の面側から他方の面側へ窪んだダイアフラム状に形成されている。センサ部12および回路部18は、基板11の平坦な側すなわち凹部22とは反対の面側に設けられている。圧電素子部13は、凹部22の開口側の端面に沿って設けられている。これにより、圧電素子部13は、凹部22を形成する基板11の開口側の面を覆った状態となっている。その結果、圧電素子部13は、基板11を挟んでセンサ部12および回路部18と反対の面側に設けられている。
濃度センサ装置10は、基板11を板厚方向へ貫く貫通電極19を備えている。貫通電
極19は、一方の端部が回路部18に接続され、他方の端部が圧電素子部13に接続して
いる。これにより、圧電素子部13は、貫通電極19を経由して回路部18と電気的に接
続している。
第5参考形態による濃度センサ装置を図6に示す。
図6に示すように第5参考形態による濃度センサ装置10は、基板11に設けられている凹部22を備えている。凹部22は、基板11の一方の面側から他方の面側へ窪んだダイアフラム状に形成されている。センサ部12および回路部18は、基板11の平坦な側すなわち凹部22とは反対の面側に設けられている。また、濃度センサ装置10は、凹部22が設けられている基板11の開口側を塞ぐ絶縁膜23を備えている。すなわち、凹部22は、開口側の端部が絶縁膜23で塞がれている。絶縁膜23は、例えばシリコン酸化膜などにより形成されている。
第6、第7、第8参考形態による濃度センサ装置をそれぞれ図7、図8または図9に示す。
第6参考形態では、図7に示すように基板11の平坦な面側にセンサ部12および圧電素子部13が設けられている。すなわち、第6参考形態の場合、センサ部12と圧電素子部13とは、基板11の同一の面側に設けられている。基板11とセンサ部12および圧電素子部13との間には、シリコン酸化膜からなる絶縁膜25が設けられている。圧電素子部13が振動すると、その振動は凹部22によって板圧が減少した基板11を通してセンサ部12に伝達される。したがって、センサ部12の振動が促進され、異物の脱離を促進することができる。
第9参考形態による濃度センサ装置を図10に示す。
第9参考形態では、図10に示すように濃度センサ装置10は、基板11およびセンサ部12を備えている。基板11は、図10(B)に示すようにセンサ部12と反対の端面側に絶縁膜14、およびセンサ部12との間に絶縁膜17が形成されている。センサ部12は、図10(A)に示すように複数の電極パターン41、42を有している。これらの電極パターン41、42は、いずれも互いに対向する櫛歯形状に形成されている。対向する電極パターン41と電極パターン42との間の誘電率や比誘電率を検出することにより、センサ部12は混合燃料に含まれるアルコールの濃度を検出する。センサ部12の電極パターン41および電極パターン42は、保護膜16によって保護されている。
回路部は、燃料の誘電率を測定と、センサ部12への通電による振動の発生とを時分割して実施する。すなわち、回路部は、燃料の誘電率を測定するときと、センサ部12を圧電素子部13として振動させるときとで電極パターン41と電極パターン42との間に印加する電圧の印加パターンを切り換える。
第10参考形態による濃度センサ装置を図11に示す。第10参考形態は、図9参考形態の変形であり、相違点を説明する。
第10参考形態では、図11に示すように濃度センサ装置10は、基板11を挟んでセンサ部12と反対側の面に電極部43を備えている。電極部43は、基板11のセンサ部12と反対の端面側とともに絶縁膜14で覆われている。センサ部12を構成する電極パターン41および電極パターン42の構成は、第9参考形態と同様である。
第11参考形態による濃度センサ装置を図12に示す。
第10参考形態では、図12に示すように濃度センサ装置10は、基板11、センサ部12および圧電素子部13を備えている。基板11は、図12(B)に示すようにセンサ部12と反対の端面側に絶縁膜14、およびセンサ部12との間に絶縁膜17が形成されている。センサ部12は、図12(A)に示すように複数の電極51、52を有している。これらの電極51、52は、いずれも互いに対向して形成されている。電極51および電極52は、例えば図12(A)に示すように櫛歯形状に形成されている。電極51と電極52との間の誘電率や比誘電率を検出することにより、センサ部12は混合燃料に含まれるアルコールの濃度を検出する。センサ部12の電極51および電極52は、保護膜16によって保護されている。
第12参考形態による濃度センサ装置を図13に示す。
第12参考形態では、図13に示すように濃度センサ装置10は、基板11、センサ部12および圧電素子部13を備えている。基板11は、図13(B)に示すようにセンサ部12と反対の端面側に絶縁膜14、およびセンサ部12との間に絶縁膜17が形成されている。センサ部12は、図13(A)に示すように複数の電極15を有している。電極15は、上述の第1参考形態と同様の構成である。
電極パターン61および電極パターン62は、いずれも圧電素子で櫛歯形状に形成されている。電極パターン61および電極パターン62は、図示しない回路部と電気的に接続している。これにより、電極パターン61および電極パターン62には、回路部から所定の電圧が印加される。電極パターン61と電極パターン62との間に電圧を印加することにより、電極パターン61と電極パターン62との間には歪みが生じる。そのため、生じた歪みは、粗密波となって基板11を板厚方向へ伝わり、センサ部12を振動させる。
以上説明した、上述の第9参考形態と第12参考形態とを組み合わせてもよい。すなわち、第9参考形態による濃度センサ装置10において、基板11の一方の端面に第一電極パターンに相当する櫛歯形状の電極パターン41、42を有するセンサ部12を設け、他方の端面に第二電極パターンに相当する櫛歯形状の電極パターン61、62を設けてもよい。これにより、圧電素子部13は、センサ部12を構成する電極パターン41、42と、基板11のセンサ部12と反対側に設けられた電極パターン61、62とによって構成される。そのため、センサ部12は、電極パターン41、42によって自身が振動するとともに、基板11を経由して伝達された電極パターン61、62の振動によっても振動する。その結果、センサ部12は、複数の方向へ振動する。したがって、センサ部12に付着した異物の脱離を促進することができるとともに、センサ部12を自身の振動によって自己洗浄することができる。
第13参考形態による濃度センサ装置を図14に示す。
第13参考形態の場合、濃度センサ装置10は、図14に示すように一部が切り欠かれた配管部材100に設けてもよい。この場合、配管部材100の外側には、濃度センサ装置10を取り付けるための実装基板103が設けられる。濃度センサ装置10と実装基板103との間には、リブ31やシール部材32が設けられる。これにより、リブ31やシール部材32の内側への混合燃料の流入が防止される。実装基板103と濃度センサ装置10とは、例えばはんだボール33やボンディングワイヤによって電気的に接続される。また、図14に示す場合、濃度センサ装置10の圧電素子部13は、基板11の回路部を経由することなく例えばはんだボール33により実装基板103と電気的に直接接続される。濃度センサ装置10と実装基板103との間にリブ31やシール部材32を設けることにより、これらはんだボール33やボンディングワイヤが設けられている内側への混合燃料の流入は防止される。したがって、はんだボール33やボンディングワイヤなどの腐食や損傷を防止することができる。
第1実施形態による濃度センサ装置を図15に示す。
第1実施形態では、図15に示すように濃度センサ装置70は、通路形成部材71、センサ部72および堆積制限部73を備えている。通路形成部材71は、筒状であり、内部に混合燃料が流れる液体通路としての燃料通路74を形成している。混合燃料は、燃料通路74を図15における左方の上流側から右方の下流側へ流れる。センサ部72は、上述した複数の参考形態と同様に図示しない基板、およびこの基板に設けられた図示しない電極などから構成されている。
なお、帯電部75と捕捉部76とは極性が異なっていればよく、帯電部75を負に帯電させ、捕捉部76を正に帯電させてもよい。
第2実施形態による濃度センサ装置を図17に示す。
第2実施形態では、図17に示すように濃度センサ装置70の捕捉部76は、燃料通路74の軸と平行に延びる電極部材81を有している。電極部材81は、板状に形成され、燃料通路74に少なくとも一枚以上設けられている。電極部材81は、燃料通路74における燃料の流れ方向において上流側から下流側へかけて板幅が縮小している。ここで、電極部材81の板幅とは、燃料通路74を形成する通路形成部材71の弦に沿った長さである。
第3、第4、第5実施形態による濃度センサ装置をそれぞれ図20、図22または図24に示す。
第3実施形態の場合、図20に示すように濃度センサ装置70の捕捉部76は、燃料通路74の軸に対し傾斜して延びる電極部材83を有している。電極部材83は、板状に形成され、燃料通路74に少なくとも一枚以上設けられている。電極部材83は、燃料通路74における燃料の流れ方向において上流側から下流側へかけて一定の板幅に設定されている。このように電極部材83を配置することにより、燃料通路74は少なくとも一部の幅が上流側から下流側へかけて狭められる。
第6、第7実施形態による濃度センサ装置をそれぞれ図26または図28に示す。
第6実施形態の場合、図26に示すように濃度センサ装置70の捕捉部76は、少なくとも一枚以上の電極部材85を有している。電極部材85は、両端が開口した筒状の円錐もしくは角錐などの錐形状または錐台形状に形成され、多段状に設けられている。第6実施形態の場合、電極部材85は、燃料通路74の上流側から下流側へ向けて内径が縮小する円錐筒形状である。電極部材85を例えば網状または多孔状に形成し、電極部材85を通過する混合燃料の圧力損失を低減する構造でもよい。
第6実施形態では、捕捉部76は少なくとも一枚以上の電極部材85を有している。この電極部材85は、上流側から下流側へ向けて内径が縮小している。そのため、混合燃料は、徐々に内径が縮小する電極部材85を通過する。これにより、混合燃料に含まれる異物は、捕捉部76に捕捉されやすくなる。
さらに、第6、第7実施形態では、壁部86は、捕捉部76を通過する混合燃料のうち、より含まれる異物が少ない混合燃料をセンサ部72側へ案内する。したがって、混合燃料に含まれる異物をセンサ部72の上流側で捕捉することができ、センサ部72の濃度検出精度を高めることができる。
第8実施形態による濃度センサ装置を図30に示す。
第8実施形態の場合、図30に示すように濃度センサ装置70は、振動付与手段としての振動発生部87を備えている。振動発生部87は、通路形成部材71の外側に設けられており、通路形成部材71に振動を与える。燃料通路74に設けられる帯電部75および捕捉部76などは、長期間の使用によって異物が堆積するおそれがある。そこで、振動発生部87は、燃料通路74を形成する通路形成部材71を間欠的に振動させる。これにより、帯電部75および捕捉部76は、通路形成部材71とともに振動する。特に、振動発生部87を帯電部75および捕捉部76の近傍に配置することにより、帯電部75および捕捉部76の振動が促進される。したがって、帯電部75および捕捉部76への異物の堆積を低減することができ、帯電部75および捕捉部76の機能を長期間維持することができる。
第14、第15、第16参考形態による濃度センサ装置をそれぞれ図31、図32または図33に示す。
第14参考形態では、図31に示すように濃度センサ装置10は、基板11およびセンサ部12を備えている。基板11は、センサ部12と反対の端面側に絶縁膜14、およびセンサ部12との間に絶縁膜17が形成されている。センサ部12は、第1参考形態などと同様に複数の電極15を有している。センサ部12の電極15は、保護膜16によって保護されている。
第17参考形態による濃度センサ装置10を図34および図35に示す。
第17参考形態では、濃度センサ装置10は、保護膜16のセンサ部12と反対側に流路形成部95を有している。流路形成部95は、保護膜16のセンサ部12と反対側の端面に形成されている。流路形成部95は、図35に示すようにセンサ部12に向けて混合燃料の流れを形成するように設けられている。燃料通路を流れる混合燃料は、流路形成部95によって保護膜16によって覆われているセンサ部12の基板11と反対側へ案内される。そのため、混合燃料は、センサ部12の基板11と反対側を積極的に流れる。その結果、保護膜16に異物が付着しても、付着した異物は流路形成部95によって形成された混合燃料の流れによって除去される。なお、図36に示すように、流路形成部96は、センサ部12へ向けて湾曲する形状であってもよい。このような流路形成部96であっても、センサ部12側へ混合燃料の流れを案内することができる。
第18参考形態による濃度センサ装置10を図37に示す。
第18参考形態では、濃度センサ装置10は、保護膜16のセンサ部12と反対側に多孔質部材97を有している。多孔質部材97は、保護膜16を覆う保護膜部でもある。多孔質部材97は、混合燃料の通過を許容しつつ、混合燃料に含まれる異物の通過を制限する複数の孔を有している。多孔質部材97は異物の通過を制限するため、混合燃料に含まれる異物はセンサ部12側へ到達しない。
また、第18参考形態では、多孔質部材97に振動を与える振動発生部98を備える。多孔質部材97を用いることにより、混合燃料に含まれる異物は多孔質部材97の表面に堆積しやすくなる。そのため、多孔質部材97を振動発生部98で振動させることにより、多孔質部材97に堆積した異物の除去を促進することができる。
以上説明した複数の実施形態では、圧電素子部13と回路部18とを主に貫通電極19で電気的に接続する例について説明した。しかし、圧電素子部13と回路部18とは貫通電極19に限らず、例えばボンディングワイヤやバンプなどで電気的に接続してもよい。また、図14で説明したように、例えば圧電素子部13などの濃度センサ装置10の一部の素子を外部の実装基板103とボンディングワイヤやはんだボール33などによって電気的に接続してもよい。
また、上述の複数の実施形態では、特定成分として生物由来のアルコールを含む混合燃料を液体として適用する例について説明した。しかし、液体は、例えば潤滑油、アルコール、あるいは水など、混合燃料に限らず任意に選択することができる。
Claims (10)
- 液体に含まれる特定成分の濃度を検出するセンサ部と、
前記センサ部と一体、または前記液体の流れ方向において前記センサ部の上流側に設けられ、前記センサ部への異物の堆積を妨げる堆積制限部と、
前記センサ部および前記堆積制限部を収容し、前記液体が流れる液体通路を形成する通路形成部材と、を備え、
前記堆積制限部は、
前記液体通路における前記液体の流れ方向において前記センサ部の上流側に設けられ、前記液体通路を流れる前記液体に電圧を印加して前記液体を帯電させる帯電部と、
前記液体通路の前記帯電部と前記センサ部との間に設けられ、前記帯電部で帯電した異物を捕捉する捕捉部と、
を有することを特徴とする濃度センサ装置。 - 前記液体通路に設けられ、前記帯電部を通過した前記液体の流れを前記センサ部側と前記捕捉部側とに分離する壁部をさらに備えることを特徴とする請求項1記載の濃度センサ装置。
- 前記堆積制限部は、前記液体通路の前記センサ部より下流側に設けられ、前記液体通路を流れる前記液体に電圧を印加して、前記帯電部で帯電した前記液体の電荷を除去する除電部を有することを特徴とする請求項1または2記載の濃度センサ装置。
- 前記帯電部に印加される電圧と前記捕捉部に印加される電圧とは、それぞれ極性が正または負で異なり、かつ一方の極性から他方の極性へ反転することなく一方の極性を維持することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載の濃度センサ装置。
- 前記帯電部および前記捕捉部で前記液体に印加される電圧は、1kHz以上の交流電圧であり、一方の極性の最大値および他方の極性の最小値は接地電圧であることを特徴とする請求項4記載の濃度センサ装置。
- 前記捕捉部は、前記液体通路の軸と平行に延びる少なくとも一枚以上の板状の電極部材を有し、
前記電極部材は、上流側の端部が前記液体通路の軸に垂直な断面において任意の位置における弦に対応する板幅を有し、下流側の端部に向けて前記板幅が縮小することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項記載の濃度センサ装置。 - 前記捕捉部は、前記液体通路の軸に対し傾斜して延びる少なくとも一枚以上の板状の電極部材を有し、
前記電極部材は、前記液体通路の上流側から下流側へ向けて前記液体通路の少なくとも一部の幅を狭めていることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項記載の濃度センサ装置。 - 前記捕捉部は、少なくとも一枚以上の筒状の錐形状の電極部材を有し、
前記電極部材は、前記液体通路の上流側から下流側へ向けて内径が縮小していることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項記載の濃度センサ装置。 - 前記捕捉部は、少なくとも一枚以上の筒状の錐形状の電極部材を有し、
前記電極部材は、前記液体通路の上流側から下流側へ向けて前記液体通路における前記液体の流れを前記通路形成部材の内壁へ案内する形状であることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項記載の濃度センサ装置。 - 前記通路形成部材に振動を与える振動付与手段をさらに備えることを特徴とする請求項1から9のいずれか一項記載の濃度センサ装置。
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