JPH03233346A - アルコール含有率検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、燃焼器等に供給される燃料の性状を非接触
で判別する装置に係わり、特に自動車等のエンジンに用
いられるアルコール混合燃料中のアルコール含有率を測
定するアルコール含有率検知装置に間する。

〔従来の技術〕

近時、米国、欧州等の各国で、石油の消費量の低減化を
図るため、ガソリン中にアルコールを混合した燃料が自
動車用として普及しつつある。

このようなアルコール混合燃料をガソリン燃料の空燃比
にマツチングされたエンジンにそのまま用いると、アル
コールがガソリンに比し理論空燃比が小さい等に起因し
て空燃比がリーン化するため、アルコール混合燃料中の
アルコール含有率を検出して燃料噴射弁等のアクチュエ
ータを制御し、アルコール含有率に応じて空燃比１点火
時期等を調整する。

第４図はこのような従来のアルコール含有率検知装置の
構成国であり、図中の１は円柱状透光体、２はケース、
３はシール３ａ、３ｂからなり、シール３ａは円柱状透
光体１とケース２の間を燃料シーリングしており、シー
ル３ｂは燃料通路１２とケース２の間を燃料シーリング
している。

一方、４は発光素子、５は絞り、６は集光レンズ、７は
集光光束、８は１次元光位置検知素子であって、ここで
は半導体装置検出素子（以下、ＰＳＤと称する）を用い
た場合を示している。

また、９は円柱状透光体ｌの柱軸に対し所定角度でカッ
トされ燃料通路１２より導かれた燃料と接する屈折面、
１０は裏面反射鏡であり、燃料との接液面との反対側に
反射面１１が形成されている。

１００は検知回路で、発光素子４を駆動する駆動部】０
１、ＰＳＤ８の光電流の前置増幅部１０２ａ、１０２ｂ
および両前買増幅器１０２ａ。

１０２ｂの出力を加算する加算部１０３、この加算部１
０３の出力と前置増幅器１０２ｂの出力との除算を行う
除算部１０４よりなる。加算部１０３の出力は駆動部１
０１にフィードバックしている。

第５図は第４図のアルコール含有率検知装置の検知部の
構造を示すもので、第４図の符号１〜１２で示す部分を
抽出したものである。

また、第６図（に）はこの検知部のＰＳＤ８の動作説明
図、第６図Ｏ）は検知部の出力特性図である。

次に動作について説明する。第４図において、円柱状透
光体ｌの一端に配した発光素子４が駆動部１０１により
駆動されて発光すると、放射光は絞り５を通り、集光レ
ンズ６で集光され、集光光束７は円柱状透光体１の他端
の屈折面９にＰａ点にて入射角ψで入射する。

前記屈折面９は燃料通路１２より流入した燃料と接して
おり、集光光束７は２０点で第６図（ａ）に示す燃料の
屈折率Ｎ、と円柱状透光体１の屈折率Ｎ４との差により
、屈折角Ｘ　＝ａｒｃＳＩＮ　ＣＮａ／　ＮｔＸＳ［Ｎ
ψ）で屈折する。

２０点で屈折角Ｘで屈折した光は燃料中を透過して裏面
反射鏡１０の反射面１１のＰｔ　点にて反射され、燃料
中を再度透過した後、再度上記屈折面９に２２点で入射
し、上記入射角ψと屈折角Ｘとの関係式に従って円柱状
透光体１内に屈折して、発光素子４と同側に配置された
ＰＳＤ８に到達する。

レンズ６はＰＳＤＢ上で集光光束７が略集光されるよう
焦点距離が選定されている。ＰＳＤ８に集光光束７が入
射すると、ＰＳＤ８からは入射光量に対応じた光１流が
各々電極１．１ｔに分割して流れるが、この時光電流ｊ
＋＋１２は電極までの距離に逆比例して分割出力される
。

すなわち、ＰＳＤ８の電極Ｉ、から光入射位置までの距
離をＸとし、その電極間距離をＬとすると、位置ＸはＸ
　−Ｌ　Ｘ　ｉｔ／（ｉ＋＋ｉｄで与えられる。

この時位置Ｘは入射光の重心に一致する。

次にＰＳＤ８の各電極１＋、Ｉｚからの光電流ｉ、ｉオ
は、検知回路１００に入力され、前置増幅部１０２ａ、
１０２ｂで増幅された後、光電流１１　とｉｔが加算部
１０３で加算され、光電流１８と前記加算結果より除算
部１０４で除算ｉｔ／（ｉ＋＋ｉｚ）が行われて、位置
信号Ｘに相当した電圧Ｖ　ｏａｔ　として出力される。

この時加算部１０３の出力が駆動部１０１にフィードバ
ックされ、駆動部１０１は入力（ｉｌ＋＋ｔ）が一定と
なるよう、発光素子４の発光強度を制御する。

燃料中のアルコール含有率の変化に従い、燃料の屈折率
Ｎ、が変化すると、屈折面９における屈折角Ｘが変化す
るため、集束光７のＰＳＤＢ上への入射位置Ｘが変化し
、検知回路１００の出力電圧Ｖ。ｔはアルコール含有率
に応じた値となる。

この時、第５図に示すように、発光素子４と集束レンズ
６との距Ｗ１ａ、集束レンズ６と第１の屈折点Ｐ、との
距離ｂｌ　、ａ折点Ｐ、と反射点ＰＬとの距ｍ　ｂ　ｔ
　、反射点Ｐ、と第２の屈折点Ｐ２との距離ｂｓ、屈折
点Ｐ！とＰＳＤ８との距１１ｂ。

とを用いると、従来のアルコール含有率検知装置の光学
系の倍率αはほぼ （ｒ　＝　（ｂｌ＋ｂｚ＋Ｊ＋ｂａ＋ΔＬ（Ｎ□Ｎｆ）
／ａ　　　　−（１）となる。

ここで、ΔＬ（ＮＯＮｒ）　は光路が屈折率Ｎ、の円柱
状透光体ｌおよび屈折率Ｎｔの燃料中を通ることによる
補正項である。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のアルコール含有率検知装置は以上のように構成さ
れているので、発光素子４の光束利用率の点より距Ｍａ
を短くすることができず、（１）式の分子、すなわち像
点距離が、分母、つまり物点距離より一桁以上長くなる
ため、光学系の倍率αが杓子以上と大きくなり、したが
って、ＰＳＤＢ上での発光素子４の像は相当大きくなる
。

第６図（ｂ）はＰＳＤＢ上での発光素子４の像が大きい
場合の出力特性を示したもので、燃料の屈折率Ｎ、が変
化してＰＳＤ８に結像した像の一部が受光部をはずれた
場合には、その像の光重心位置が像中心とずれて、真の
受光光重心位置を検出できなくなるため、第６図中）に
示すように、出力特性に非直線性が生してしまう。

このような従来のアルコール含有率検知装置においては
、ＰＳＤ８の受光長さを有効に利用することができない
ため、燃料の屈折率Ｎ、の検出範囲が狭く、さらに屈折
面９や裏面鏡ＩＯの汚れによる集束光７の拡散でＰＳＤ
Ｂ上の像がより大きくなった場合、出力特性に非直線性
が生してしまう等、検出性、耐汚損性に欠けるという問
題点があった。

また、光学系の倍率αが（１）式に示すように、燃料の
屈折率Ｎ、にも依存するため、ＰＳＤ８の位置設定が困
難であるという問題点もあり、受光長さの長い、大形で
かつ高価なＰＳＤを使用しなければならず、装置が大型
でかつ高価になるといった欠点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、受光長さが短く、安価なＰＳＤを用いても燃
料の屈折率Ｎｔの検出範囲が広く、光学系の汚れによる
影響が少なく、出力直線性のよい、小型で安価なアルコ
ール含有率検知装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係るアルコール含有率検知装置は、透光体の
一方の側に設けられた発光素子と、透光体の同側あるい
は他方の側に設けられた１次元光位置検知素子と、透光
体の一部に設けられた燃料との屈折面と、発光素子と屈
折面との間に設けられたコリメートレンズと、屈折面と
１次元光位置検知素子との間に配設したコンデンサレン
ズとを設けたものである。

（作　用） この発明のアルコール含有率検知装置は、透光体の一方
の側に設けた発光素子より発した光をコリメートレンズ
で平行光として、透光体の一部に設けた燃料との屈折面
に導き、その平行屈折光をコンデンサレンズで１次元光
位夏検知素子に集光させ、燃料中のアルコール含有率の
変化による燃料の屈折率変化を１次元光位置検知素子上
の光入射位置変化として測定することにより、燃料中の
アルコール含有率を精度良く検出するように作用する。

〔実施例〕

以下、この発明のアルコール含有率検知装置の実施例を
図に基づいて説明する。第１図はその一実施例の検出部
の構造を示す断面図であり、第４図で示した検知回路１
００の部分は第４図と同様であり、この第１図では図示
を省略している。

また、この第１図において、第４図〜第６図（ａ）第６
図（ｂ）と同一部分には同一符号を付してその重複説明
を避ける。すなわち、第１図において、符号ｌ〜５．８
〜１２で示す部分は第４図と同様であり、符号１３〜１
６で示す部分が第４図とは異なるものである。

また、第４図に示す集光レンズ６に代えて、コリメート
レンズ１３が設けられている。また、集光光束７に代え
て、平行光束１６が示されている。

上記コリメートレンズ１３は発光素子４と透光体１の間
に配置されている。また、１４は透光体１と１次元光位
置検知素子８（ここでは従来装置と同様にＰＳＤを用い
た場合を示す、）の間に配置されたコンデンサレンズ、
１５はコリメートレンズ１３　コンデンサレンズ１４１
発光素子４゜ＰＳＤ８等を保持するホルダであり、発光
素子４の側に絞り５を一体に形成した場合を示す。

次に動作について説明する。動作の説明に際し、検知回
路１００については第４図と同様であり、第４図を参照
して説明する。円柱状透光体１の一端に配した発光素子
４が駆動部１０１により駆動されて発光すると、放射光
は絞り５を通り、コリメートレンズ１３で平行光束１６
となり、円柱状透光体ｌの他端の燃料流入口１２より流
入した燃料と接している屈折面９に入射する。

屈折面９に入射した平行光束１６は燃料の屈折率Ｎ、に
応じた屈折角で屈折し、燃料中を透過して、裏面反射鏡
１０の反射面１１にて反射され、燃料中を再度透過した
後、再度上記屈折面９に入射し、同様に燃料の屈折率Ｎ
、に応じた屈折角で円柱状透光体１内に屈折して、コリ
メートレンズ１３と同し側に配置されたコンデンサレン
ズ１４に入射し、コンデンサレンズ１４でＰＳＤ８上に
集光される。

ＰＳＤ８に入射した信号光は入射位置Ｘに対応じた分割
光ｔｆＬｊ　ｌ＋　ｉ　ｗ　となって各々電極■ｒ２か
ら流れ、検知回路１００に入力され、前置増幅部１０２
ａ、１０２ｂで増幅された後、光電流ｊ、とｊ！が加算
部１０３で加算され、光電流１２と前記加電結果より除
算部１０４で除算ｉ　ｇ／（＋＋＋ｉｔ）が行われて、
位置信号Ｘ−Ｌｘｉ　ｚ／（ｔ＋＋ｔ、）に相当した電
圧Ｖ　ｏａｔ　として出力される。

この時、加算部１０３の出力が駆動部１０１にフィード
バックされ、駆動部１０１は入力（ｉｕｉｇ）が一定と
なるよう発光素子４の発光強度を制御する。

燃料中のアルコール含有率の変化に従い燃料の屈折率Ｎ
、が変化すると、屈折面９における屈折角が変化するた
め、平行光束１６のＰＳＤＢ上への入射位置Ｘが変化し
、検知回路ｌｏｏの出力電圧Ｖ６．．はアルコール含有
率に応じた値となる。

このようなコリメートコンデンサ光学系においては、光
学系の倍率αは、発光素子４とコリメートレンズ１３と
の距離（物点距離）ａ、コンデンサレンズ１４とＰＳＤ
８との距離（像点距離）ｂを用いて、α−ｂ　／　ａで
与えられるため、倍率αを略ｌに近くできる。

通常発光素子４として用いる近赤外ＬＥＤの発光部の直
径は数１００ｎであり、したがって、このような光学系
においては、ＰＳＤＢ上での像直径も同程度の極めて小
さなものにでき、ＰＳＤ８の受光長さを端から端まで有
効に利用できるため、受光長さが短く、したがって小型
で安価なＰＳＤを用いて、広い燃料屈折率検知範囲を持
つアルコール含有率検知装置を、安価にまた小型に構成
できるという利点がある。

また、像倍率αが小さいため、燃料と接する円柱状透光
体１の屈折面９や裏面反射鏡１０が汚れて平行光束１６
が拡散し、ＰＳＤＢ上での像直径が多少大きくなっても
、出力の直線性が失われず、耐久性のよい装置を得るこ
とができるという利点もある。

なお、この第１図の実施例ではコリメートレンズ１３．
コンデンサレンズ１４を別体とした場合を示したが、両
レンズはほぼ同一面上に配置できるため一体成型のプラ
スチックレンズとすれば装置をより安価にできる。

第２図はこの発明の他の実施例の検出部の構造を示す断
面図で、コリメートレンズ１３．　コンデンサレンズ１
４を円柱状透光体１の一端に円柱状透光体ｌの一部とし
て構成したもので、光学ガラス材を熱間ブレス整形した
後、レンズ面および屈折面９を研磨仕上げする方法で形
成できる。

この第２図の実施例のような構造では、第１図の実施例
の構造でのコリメートレンズ１３．コンデンサレンズ１
４の下面および円柱状透光体ｌの上面での余分な反射が
除去でき、光学系の透過率があがることにより、より光
学系の汚れに対する耐久性を確保できるとともに、一体
化により光学系をより安価に、また小型にできるという
利点がある。

第３図はこの発明のさらに異なる他の実施例の検出部の
構造を示す断面図であり、透光体の一部を楔状に欠き、
この楔状面を燃料通路１２中の燃料と接触させてなる柱
状透光体１の一端に発光素子４．絞り５．コリメートレ
ンズ１３を、楔状面を挟んだ他端にコンデンサレンズ１
４とＰＳＤ８を配置した構造としている。なお、Ｉ７は
透光体１をシール３ａに密着させてシールするための押
え部材である。

発光素子４から発しコリメートレンズ１３によりコリメ
ートされた平行光束１６は、柱状透光体１の楔状に欠い
た燃料との一方の屈折面９に入射し、一方の屈折面９で
燃料の屈折率に応じた屈折角で屈折した後、燃料中を透
過して楔状面の他方の屈折面９に入射し、再度燃料の屈
折率に応じた屈折角で屈折した後柱状透光体ｌを他端側
に透過して、コンデンサレンズ１４によりＰＳＤ８上の
燃料の屈折率に応じた位置に集光される。

この第３図の実施例の構造では、裏面反射鏡ｌＯが不要
であり、同様に光学系の透過率が上がることにより、光
学系の汚れに対する耐久性を確保できるとともに、裏面
反射鏡１０の省略で光学系をより安価にできるという利
点がある。

なお、コンデンサレンズ１４は通常の凸面レンズを用い
た場合のみ示したが、ＰＳＤ８の短軸方向に長い楕円形
状となるよう円筒度を加えた非球面レンズとすることは
ＰＳＤ８の取付は精度の軽減に有利である。

また、上記実施例では、１次元光位置検知素子８として
ＰＳＤを用いた場合を示したが、フォトダイオードアレ
イ、１次元ＣＣＤ等の位置検知素子を用いても同様の効
果が期待できることは当業者にとって明らかである。

さらに、上記各実施例では燃料中のアルコール含有率の
検知につき示したが、他の液体の屈折率測定用としても
応用できることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、透光体の一方の側に
発光素子を設け、コリメートレンズを介して平行光をこ
の透光体の一部に形成した燃料との屈折面に入射させ、
その平行屈折光をコンデンサレンズにより１次元光位置
検知素子上に集光させて、この１次元光位置検知素子上
の光入射位置により燃料中のアルコール含有率を検知す
るように構成したので、屈折率検出範囲が広く、耐汚損
性の優れた、小型で安価なアルコール含有率検知装置を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるアルコール含有率検
知装置の検出部の構造を示す断面図、第２図および第３
図はこの発明のアルコール含有率検知装置の異なる他の
実施例の検出部の構造を示す断面図、第４図は従来のア
ルコール含有率検知装置の構成国、第５図は従来のアル
コール含有率検知装置の検知部の構造を示す断面図、第
６図（ａ）は従来のアルコール含有率検知装置検知部の
動作説明図、第６図中）は同上検知部の出力特性図であ
る。 ｌ・・・透光体、４・・・発光素子、５・・・絞り、８
・・・１次元光位夏検知素子、９・・・屈折面、ｌＯ・
・・裏面反射鏡、１３・・・コリメートレンズ、１４・
・・コンデンサレンズ、１６・・・平行光束、１００・
・・検知回路。 なお、図中同一記号は、同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　透光体の一方の側に設けられた発光素子と、上記透光
   体の一部に燃料と接するように設けられ上記発光素子よ
   り発生した光を導いて少なくとも１回以上屈折させる屈
   折面と、上記透孔体の同側あるいは他方の側に設けられ
   上記屈折面で燃料中のアルコール含有率の変化に応じた
   屈折率で屈折された屈折光を入射してその入射位置より
   上記燃料中のアルコール含有率に応じて出力する１次元
   位置検知素子と、上記発光素子と上記屈折面との間に設
   けられこの発光素子の発光光を上記屈折面に平行光とし
   て入射させるコリメートレンズと、上記屈折面と上記１
   次元位置検知素子との間に設けられ上記屈折面で屈折さ
   れた屈折光を上記１次元位置検知素子に集光させるコン
   デンサレンズとを備えたアルコール含有率検知装置。