JP6646808B2 - センサ - Google Patents

Description

本発明は、液中アルコール濃度を検出するセンサに関する。

自動車のエンジンなどの内燃機関の代替燃料として、近年、ガソリンにメタノールやエタノール等のアルコールを混合したアルコール混合燃料が検討されている。アルコール混合燃料は、アルコール濃度に応じて燃焼効率が変化するため、内燃機関の出力を制御する上で、内燃機関に供給するアルコール混合燃料のアルコール濃度を検出が重要となる。

そして、このような測定液中のアルコール濃度を検出するセンサとしては、一対の電極からなるコンデンサをアルコール混合燃料中に浸漬し、誘電率の異なるガソリンとアルコールの混合液中の電極間の静電容量変化を観察することで、アルコール濃度を検出する静電容量検出型のセンサが一般的に用いられている。

なお、静電容量検出型のセンサを用いる上で注意しなければならないのは、アルコールの導電性である。導電性（抵抗成分）は導電性イオンが混入することで大きく変化し、導電性（抵抗成分）にともなう電極間の電気導通成分が静電容量検出の誤差として発生する。

従来このような誤差成分を抑制する手法として、特許文献１では、コンデンサを形成する電極を絶縁体で覆い、電極間の電気導通を防止する構造が提案されている。また、特許文献２では、検出用コンデンサのほかに基準コンデンサを別に設け、双方の位相差の比較によりアルコール濃度の真値を求める構成が提案されている。

特開２００４−１２５４６４号公報 特開２００５−１２１４２８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電極を絶縁体で覆う構成においては、アルコールの導電性に伴う電極間の導通成分は除去できる反面、コンデンサと測定液の間に絶縁体が介在するので混合比に対する静電容量変化量が小さくなるため、静電容量変化量を維持する上で小型化が困難になる。また、特許文献２に開示された基準コンデンサを別に設ける構成においては、検出回路が複雑になることから小型化が困難になる。

そこで、本発明は、このような問題を解決し、アルコール濃度を検出する濃度センサを小型化することを目的とする。

この目的を達成するために本発明は、測定液中のアルコール濃度を検出するセンサとして、測定液中に配置される第１のコンデンサと、第１のコンデンサに交流電圧を印加する交流電源と、第１のコンデンサの出力信号を検波する第１の検波器と、検波器の検波タイミング信号を形成する位相器とからなる構成とした。

この構成により、アルコール濃度を検出する濃度センサを小型化することができる。

本発明の一実施の形態におけるセンサの回路図 同センサの使用形態を示す模式図 同センサにおける交流電源からの出力信号を示す図 同センサにおけるコンデンサからの出力される検出信号を示す図 同センサにおける検波器から出力される検波信号を示す図 他の形態におけるセンサの回路図 同センサの回路図

以下、本発明の一実施の形態におけるセンサについて図を用いて説明する。図１はアルコール濃度を検出するセンサ１を示す回路図であり、図２はこのセンサの使用形態を示した模式図である。

コンデンサ２は、測定液となるアルコール混合燃料３の中に配置され、コンデンサ２を形成する一対の電極２ａ，２ｂの間に生じる静電容量を検出する。なお、この容量検出による濃度分析は、ガソリンとアルコールの誘電率が異なるためアルコール混合燃料３に含まれるアルコールの量によって電極２ａ，２ｂ間の誘電率の変化することを利用するもので、コンデンサ２で検出した容量情報を含む信号をアルコール濃度情報としてセンサ１
から出力する。交流電源４は、電極２ａに測定用の交流電圧を印加する。電流―電圧変換回路５は、コンデンサ２と後述する検波器６の間に接続され、コンデンサ２の電極２ｂを通過する電流を増幅し検出信号として出力する。位相器７は、交流電源４と検波器６の間に接続され、検波器６の検波タイミング信号を形成する。検波器６は、位相器７で生成した検波タイミング信号を基にして電流―電圧変換回路５からの検出信号を検波する。

次に、このセンサ１におけるアルコール濃度の検出の過程を説明する。

図３は、電極２ａに印加される交流電源４からの出力信号を示す。この出力信号は正弦波信号であり、Ｖ（ｔ）＝Ｖｓｉｎωｔで表される。図４はアルコール混合燃料３の中に配置したコンデンサ２に接続された電流ー電圧変換回路５からの検出信号を示したものである。なお、信号ａは、電極２ｂに流れる電流を電流―電圧変換回路５により電圧信号に変換した検出信号を示し、Ｉ（ｔ）＝（Ｖ／Ｒ）ｓｉｎωｔ＋（ＶωＣ）ｃｏｓωｔで表される。信号ｂは、信号ａにおける（Ｖ／Ｒ）ｓｉｎωｔで表される抵抗成分電流を示し、信号ｃは、信号ａにおける（ＶωＣ）ｃｏｓωｔで表される静電容量成分電流を示す。抵抗成分電流はアルコール混合液の導電率によって変化し、静電容量成分はアルコール混合液の誘電率によって変化する。信号ｂは、図３に示す交流電源４からの出力信号と位相が一致し、信号ｃは図３に示す交流電源４からの出力信号に対して位相が９０度遅延している。

次に検波器６による検波処理について図５を用いて説明する。なお、検波器６における検波タイミング信号は、位相器７を介して形成される。位相器７は、位相遅延により、図３に示す出力信号が０Ｖと交差するタイミングｔ０〜ｔ４に対して、１／４周期遅延した検波タイミングｔ０‘〜ｔ４’を形成している。そして、この検波器６においてコンデンサ２からの検出信号は、検波タイミングｔ０‘〜ｔ４’で検波することにより、上述した抵抗成分電流ｂを排除た検波信号ｄを出力している。

すなわち、コンデンサ２から出力された検出信号ａは、上述したように、容量成分電流ｃと抵抗成分電流ｂを含んでいる。抵抗成分電流の信号ｂは、時刻ｔ０‘〜ｔ１’の区間と、時刻ｔ２‘〜ｔ３’の区間で反転して信号ｂ１を形成する、この信号ｂ１を時刻ｔ０‘〜ｔ４’のタイミングの積分処理することで電圧が０Ｖの信号ｅを形成する。静電容量成分電流の信号ｃは、時刻ｔ０‘〜ｔ１’の区間と、時刻ｔ２‘〜ｔ３’の区間で反転して信号ｃ１を形成する、この信号ｃ１を時刻ｔ０‘〜ｔ４’のタイミングで積分処理することで電圧がＶ１Ｖの信号ｆが出力される。すなわち、検波器６から出力される検波信号ｄは、信号ｆと等しくなり、抵抗成分信号が排除されたことがわかる。

以上のように、アルコール濃度を検出するセンサ１において、アルコールの導電性による検出精度の劣化に対して、上述した特許文献１の絶縁体の被覆による検出精度の劣化や、特許文献２の基準コンデンサの併設による大型化を防止でき、結果として小型で且つ検出精度の高いアルコール濃度センサを実現することができる。

次に、上述したアルコール濃度を検出するセンサ１に、液位を検出するセンサ２０を複合したセンサ２１の実施形態について図６、図７を用いて説明する。図６はセンサ２１の回路図であり、図７はセンサ２１の使用形態を示す模式図である。

このセンサ２１におけるアルコール濃度を検出するセンサ１の構造は、図１に示す上述したセンサ１と同様の構成であり、アルコール濃度を検出するコンデンサ２と、交流電圧を出力する交流電源４、コンデンサ２の電荷から検出信号を形成する電流―電圧変換回路５、交流電圧から検波タイミング信号を形成する位相器７、この検波タイミング信号を用いて電流―電圧変換回路５からの検出信号を同期検波する検波器６とを備える。

液位を検出するセンサ２０は、静電容量検出型であり、液位を検出する一対の電極２２ａ，２２ｂからなるコンデンサ２２を有する。そして、コンデンサ２２を形成する一対の電極２２ａ，２２ｂを、アルコール混合燃料３の中に配置し、電極２２ａ，２２ｂ間の容量を検出する。この検出した容量は、アルコール混合燃料３に対する電極２２ａ，２２ｂの浸かり度合いにより変化する。この点については、液中に浸かっている電極２２ａ，２２ｂの対向部分の容量は、アルコール混合燃料の誘電率に従い、液中に浸かっていない電極２２ａ，２２ｂの対向部分の静電容量は、空気の誘電率に従うためである。したがって、コンデンサ２２の静電容量変化情報を含む信号がアルコール混合燃料３の液位情報としてセンサ２０から出力される。なお、この液位を検出するセンサ２０においても静電容量検出型を採用していることから、アルコール混合燃料３の導電性の影響を除去することが重要となる。

そこで、このセンサ２０においても、コンデンサ２２に対して交流電圧を印加する交流電源２４と、コンデンサ２２に流れる電流を電圧に変換する電流―電圧変換回路２５と、交流電圧から検波タイミング信号を形成する位相器２７と、この検波タイミング信号を用いて電流―電圧変換回路２５からの出力信号を同期検波する検波器２６を設け、アルコール混合燃料３の導電性の影響を除去する構成としている。

なお、液位を検出するセンサ２０を構成する交流電源２４と位相器２７は、アルコール濃度を検出するセンサ１を構成する交流電源４、位相器７と共用することができ、複合化した場合において部品点数が削減できセンサ２１を小型化することができる。また、交流電源４，２４を共用することでアルコール濃度を検出するセンサ１を構成するコンデンサ２と液位を検出するセンサ２０を構成するコンデンサ２２の交流電圧が印加される側の電極２ａ，２２ａも共用することができ、センサ２１をより小型化することができる。

本発明は、液中アルコール濃度を検出するセンサに関して小型化することができるという効果を有し、特に自動車などの内燃機関用途において有効となる。

１ センサ（アルコール濃度を検出するセンサ）
２ 第１のコンデンサ
４ 第１の交流電源
６ 第１の検波器
７ 第１の位相器
２０ センサ（液位を検出するセンサ）
２１ センサ（アルコール濃度と液位を検出するセンサ）
２２ 第２のコンデンサ
２４ 第２の交流電源
２６ 第２の検波器
２７ 第２の位相器

Claims (3)

1. 測定液中に配置されて前記測定液のアルコール濃度を検出する第１のコンデンサと、
   前記第１のコンデンサに交流電圧を印加する交流電源と、
   前記第１のコンデンサの出力信号を検波してアルコール濃度信号を出力する第１の検波器と、
   前記交流電源と前記第１の検波器の間に接続され、前記交流電源からの出力信号に対して位相が９０度遅延した検波タイミング信号を形成する位相器を有し、
   前記検波タイミング信号が０Ｖとクロスするタイミングを順にｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４として、
   前記第１の検波器は、前記第１のコンデンサからの出力信号を、ｔ０〜ｔ１の区間とｔ２〜ｔ３の区間で反転した第１の反転信号を形成し、前記第１の反転信号をｔ０〜ｔ４の区間で積分するように構成されているセンサ。
2. 測定液中に配置されて前記測定液のアルコール濃度を検出する第１のコンデンサと、
   前記測定液中に配置されて前記測定液の液位を検出する第２のコンデンサと、
   前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサに交流電圧を印加する交流電源と、
   前記第１のコンデンサの出力信号を検波してアルコール濃度信号を出力する第１の検波器と、
   前記第２のコンデンサの出力信号を検波して液位信号を出力する第２の検波器と、
   前記交流電源と前記第１の検波器の間および前記交流電源と前記第２の検波器の間に接続され、前記交流電源からの出力信号に対して位相が９０度遅延した検波タイミング信号を形成する位相器を有し、
   前記検波タイミング信号が０Ｖとクロスするタイミングを順にｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４として、
   前記第１の検波器は、前記第１のコンデンサからの出力信号を、ｔ０〜ｔ１の区間とｔ２〜ｔ３の区間で反転した第１の反転信号を形成し、前記第１の反転信号をｔ０〜ｔ４の区間で積分するように構成されており、
   前記第２の検波器は、前記第２のコンデンサからの出力信号を、ｔ０〜ｔ１の区間とｔ２〜ｔ３の区間で反転した第２の反転信号を形成し、前記第２の反転信号をｔ０〜ｔ４の区間で積分するように構成されているセンサ。
3. 前記第１のコンデンサを形成する電極であって前記交流電源に接続される電極と、前記第２のコンデンサを形成する電極であって前記交流電源に接続される電極とが同じ電極である請求項２に記載のセンサ。