WO2005111552A1

WO2005111552A1 - 静電容量式液状態検知センサ

Info

Publication number: WO2005111552A1
Application number: PCT/JP2005/009037
Authority: WO
Inventors: Yoshikuni Sato; Takashi Yamamoto; Takeo Sasanuma; Hideki Toyoda
Original assignee: Ngk Spark Plug Co., Ltd.
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2005-11-24
Also published as: EP1754961A4; US20070227887A1; EP1754961B1; CN100420924C; CN1954197A; DE602005020617D1; EP1754961A1

Abstract

本発明は、外筒電極にスリットを設けギャップ間の圧力を外部に逃がし、且つ、スリット形成に伴う強度低下を抑制した静電容量式液状態検知センサを提供する。　内部電極２０と所定の間隔を隔てて配置される外筒電極１０には、先端部１１から後端部１２にかけての母線（一点鎖線Ａで示す）に沿って、複数のスリット１４，１５，１６が、それぞれ独立に形成されている。各スリット１４，１５，１６間にはスリットが形成されない中間スリット非形成領域１７，１８が位置している。スリット１４，１５，１６により、外筒電極１０の内部と外部との間での液体の循環作用が同電極１０の軸線方向に対して確保されるので、ギャップ間に存在する液体の氷結時の体積膨張に伴う圧力を外部に逃がすことができる。また、中間スリット非形成領域１７，１８の存在により、外筒電極１０の強度が良好に維持されるので、外筒電極１０の変形が有効に防止される。

Description

明細書

静電容量式液状態検知センサ

技術分野

[0001] 本発明は、液体収容容器内に収容される液体の状態を検知する静電容量式液状態検知センサに関するものである。

発明の背景

[0002] ディーゼル自動車から排出される排気ガスには、一酸化炭素（CO)および炭化水素 (HC)以外に窒素酸ィ匕物 (NOx)が含まれている。そこで、近年、この有害な窒素酸ィ匕物（NOx)を無害なガスに還元することが行われている。例えば、ディーゼル自動車の排気ガス排出用のマフラーの途中に NOx選択還元 (SCR)触媒を設置し、別途車両に設けたタンクに還元剤溶液として尿素水を入れ、この尿素水を上記触媒へ噴射するようにして、 NOxを N2等の無害なガスに還元するシステムが提案されてヽる。このシステムでは、尿素水が無くなった場合には NOx還元反応を促すことができずに NOxの大量な排出を起こすため、尿素水を収容するタンクに、収容される尿素水の水位 (液位)を測定するセンサを設け、尿素水の残量が規定量以下となった場合に警報を発する等の措置が講じられて!/、る。

[0003] この水位を測定するためのセンサの一例として、静電容量式液状態検知センサが知られている。この静電容量式液状態検知センサは、導体力なる細長い筒状の外筒電極と、その外筒電極内にて軸線方向に沿って設けられた内部電極との間（以下、「ギャップ間」という。）で静電容量を測定するものである。尿素水のように導電性を有する液体の水位の測定に用いる静電容量式液状態検知センサでは、外筒電極と内部電極との間でのショート防止のために、内部電極の外表面上には絶縁膜が形成される。そして、外筒電極の軸線方向が液体の水位の上下方向となるように、静電容量式液状態検知センサがタンクにセットされる。導電性の液体を使用している場合には、液体に浸漬していない部分の静電容量は、ギャップ間の空気層および内部電極の絶縁膜の厚みに依存する。一方、液体に浸漬している部分の静電容量は、導電性の液体が外筒電極と同電位となるため絶縁膜の厚みに依存し、前者よりも静電容量が大きくなる。このため、液体に浸漬している部分が増えるほど測定される静電容量が大きくなることとなり、水位として検知することができる。

[0004] こうした静電容量式液状態検知センサでは、液体がギャップ間に流入出しやす!/、ように、センサの先端側 (外筒電極の先端側)を開放状に形成したり、閉塞した場合でも孔を設けたりしている (例えば、特許文献 1参照)。さらに、従来の静電容量式液状態検知センサでは、外筒電極の側壁にその先端力後端まで延びるスリットを設けることで、外筒電極の一端側が異物等により詰まった場合でも、ギャップ間で液体の流入出が円滑に行われるようにしている（例えば、特許文献 2参照)。

特許文献 1：特開平 7— 318395号公報

特許文献 2 :実開昭 63— 101815号公報

[0005] しかし、ディーゼル自動車が寒冷地等で使用される場合など、液体のタンク力例えば— 30°C〜― 40°Cといった環境に曝されることがある。このような場合に、静電容量式液状態検知センサのギャップ間に入り込んで、る液体が急冷され、ギャップ間に存在する液体が、外筒電極の軸線方向に沿ってみたときの先端側と後端側との双方向から氷結を開始することがある。ところで、特許文献 1のように、外筒電極と内部電極との間に形成されるギャップ間がほぼ閉空間であって、このギャップ間に存在する液体が上記先端側と後端側との双方向から氷結を開始した場合には、液体氷結時の体積膨張に伴、発生する圧力が、ギャップ間に存在する液体の中間側に向けて逃げることになる。しかし、ギャップ間が閉空間に形成されているが故に上記圧力の逃げ場がなぐ氷結による大きな体積膨張を生じてしまう。その結果、ギャップ間に存在する液体が氷結すると、上記圧力上昇や大きな体積膨張に起因して外筒電極や内部電極に変形が生じてしまうことがあった。特に、内部電極が柱状（中実状)である場合などには、内部電極の強度が高いため、外筒電極に変形が生じやすくなつていた。

[0006] また、こうした場合に、外筒電極にスリットが設けられている静電容量式液状態検知センサであれば、スリットを介して外筒電極の外部と、ギャップ間との間で液体の循環作用を確保することができるので、液体氷結時の体積膨張に伴い上昇する圧力を効果的に外筒電極の外部に逃すことができる。しかし、スリットによって上記圧力を外部に逃したとしても、液体氷結時の体積膨張は依然として少な力ずギャップ間に生ずる。そのため、特許文献 2のように、スリットが外筒電極の全長にわたって形成されていると、外筒電極自身の強度が低下する傾向にあり、小さな体積膨張によっても外筒電極の変形が生じてしまうという問題があった。

発明の概要

[0007] 本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、外筒電極にスリットを設けギャップ間の圧力を効果的に外部に逃がし、且つ、スリットの形成に伴う強度低下を防止することができる静電容量式液状態検知センサを提供することを目的とする

[0008] 上記目的を達成するために、本発明の第 1の特徴により、導体からなる筒状の外筒電極と、前記外筒電極内で前記外筒電極の軸線方向に沿って設けられた導体からなる筒状または柱状の内部電極と、前記外筒電極および前記内部電極の後端側で、前記外筒電極と前記内部電極とを非接触の状態で支持する基部とを備える静電容量式液状態検知センサであって、前記外筒電極は、当該外筒電極の全長よりも短い長さで前記軸線方向に沿って開口するスリットを複数有し、複数の前記スリットは、第 1スリットと、第 2スリットを含み、前記第 1スリットの先端は前記第 2スリットの先端よりも先端側に位置し、前記第 1スリットの後端は前記第 2スリットの後端よりも先端側に位置することを特徴とする静電容量式液状態検知センサが提供される。

[0009] また、本発明の他の特徴により、複数の前記スリットは、いずれの先端も前記外筒電極の先端より後端側に位置していることを特徴とする静電容量式液状態検知センサが提供される。

[0010] また、本発明の他の特徴により、複数の前記スリットは、いずれの後端も前記外筒電極の後端より先端側に位置していることを特徴とする静電容量式液状態検知センサが提供される。

[0011] また、本発明の他の特徴により、前記外筒電極の外周面における少なくとも一の母線上に、複数の前記スリットが位置して!/、ることを特徴とする静電容量式液状態検知センサが提供される。

[0012] また、本発明の他の特徴により、前記外筒電極の外周面における複数の異なる母線上に、各々複数の前記スリットが位置していることを特徴とする静電容量式液状態検知センサが提供される。

[0013] また、本発明の他の特徴により、前記第 1スリットの後端は、前記第 2スリットの先端よりも先端側に位置する関係を満たしており、前記外筒電極のうち、前記第 1スリットの後端と前記第 2スリットの先端との間には、全周にわたってスリットが存在しない中間スリット非形成領域が位置していることを特徴とする静電容量式液状態検知センサが提供される。

[0014] また、本発明の他の特徴により、前記スリットを少なくとも 1つ以上含むようにして前記外筒電極の中心軸線に直交する断面をとつたときに、前記スリットの開口幅の合計寸法は、前記外筒電極の外周に対して 3%以上の大きさを有することを特徴とする静電容量式液状態検知センサが提供される。

[0015] また、本発明の他の特徴により、前記内部電極の外周面上には絶縁膜が形成され、前記断面をとつたときに、前記スリットの開口幅の合計寸法は、前記外筒電極の外周に対して 10%以下の大きさを有することを特徴とする静電容量式液状態検知センサが提供される。

[0016] また、本発明の他の特徴により、前記内部電極の外周面上には絶縁膜が形成されており、前記スリットの前記軸線方向に直交する向きの開口幅は、いずれも 5mm以下であることを特徴とする静電容量式液状態検知センサが提供される。

[0017] また、本発明の他の特徴により、前記液体は尿素水であることを特徴とする静電容量式液状態検知センサが提供される。

[0018] 本発明の静電容量式液状態検知センサでは、複数のスリットが、第 1スリットと、第 2 スリットとを含みつつ、第 1スリットの先端が第 2スリットの先端よりも先端側に位置し、第 1スリットの後端が第 2スリットの後端よりも先端側に位置する関係を満たしている点力最も注目すべき点である。外筒電極がこのような関係を満たすスリットを有することにより、外筒電極の外部の液体とギャップ間の液体との循環作用を、複数のスリットを設けながらも、外筒電極の軸線方向に対して付与することができる。よって、ギヤップ間に存在する液体が急冷されて氷結することがあっても、液体氷結時の体積膨張に伴、ギャップ間の先端側および後端側から中間側に向けて上昇する圧力を、スリツトを介して外筒電極の外部に逃がすことができる。

[0019] また、本発明では、外筒電極の全長にわたって開口するスリットを設けることなぐ上記関係を満たすスリットを含む複数のスリットを設けることで液体の循環作用を外筒電極の軸線方向に対して付与させているので、ギャップ間に存在する液体が氷結により少な力ゝらず体積膨張を生じた場合でも、外筒電極のうちスリットとスリットとの間に位置する部位 (領域)が補強部として機能し、外筒電極の変形が生じにくい。さらに、外筒電極の軸線方向に対する液体の循環作用を促すための開口を外筒電極に形成するにあたって、外筒電極の軸線方向に沿って開口する細長形状のスリットを複数形成するようにしたので、円形の孔を外筒電極の長手方向に沿って多数形成する場合と比較して、その形成作業が容易となり、製造効率に優れる静電容量式液状態検知センサを提供することができる。

[0020] 従って、本願発明の静電容量式液状態検知センサでは、ギャップ間の液体が氷結する場合にも、内部電極と外筒電極との間隙 (ギャップ寸法)が広がるのを有効に抑制することができ、外筒電極と内部電極との間の静電容量を長期間に亘つて高精度に測定することができる。

[0021] また、本発明の静電容量式液状態検知センサでは、複数のスリットの各先端が、外筒電極の先端よりも後端側に位置して、るので、全周にわたつてスリットが存在しな!ヽスリット非形成領域 (先端側スリット非形成領域)が外筒電極の先端に連なるようにして設けられることになる。これにより、外筒電極の先端側の強度を増すことができ、ギヤップ間に存在する液体の氷結に伴う外筒電極の変形を有効に抑制することができる。

[0022] また、本発明の静電容量式液状態検知センサでは、複数のスリットの各後端が、外筒電極の後端よりも先端側に位置して、るので、全周にわたつてスリットが存在しな!ヽスリット非形成領域 (後端側スリット非形成領域)が外筒電極の後端に連なるようにして設けられることになる。これにより、外筒電極の後端側の強度を増すことができ、ギヤップ間に存在する液体の氷結に伴う外筒電極の変形を有効に抑制することができる。さら〖こ、外筒電極の後端側は内側電極の後端側と共に基部に支持されるため、本センサを振動が力かる用途 (例えば、車両用途）に用いた場合、外筒電極の後端寄り部位に振動に起因した応力が集中し易い傾向にあるが、外筒電極に上記後端側スリット非形成領域を設けることで、外筒電極の後端側の強度が増し、センサ自体の耐振性が向上させることができる。

[0023] また、本発明の静電容量式液状態検知センサでは、スリットが外筒電極の外周面の少なくとも一の母線上に複数形成されて!/、るので、外筒電極の外部の液体とギャップ間の液体との循環作用を、外筒電極の軸線方向に対して効果的にもたらすことができる。これにより、液体氷結時の体積膨張に伴ってギャップ間の先端側および後端側力中間側に向けて上昇する圧力を、外筒電極の外部に効果的に逃がすことができる。

[0024] また、本発明の静電容量式液状態検知センサでは、外筒電極の外周面における複数の異なる母線上に、各々複数のスリットが形成されているので、液体氷結時の体積膨張に伴ってギャップ間の先端側および後端側力中間側に向けて上昇する圧力を、外筒電極の周方向の複数箇所力外部に効率良く逃すことができる。

[0025] さらに、本発明の静電容量式液状態検知センサでは、外筒電極のうち、第 1スリットの後端と第 2スリットの先端との間に、全周にわたりスリットが存在しない中間スリット非形成領域が介在している。これにより、外筒電極の軸線方向における中間部位に、全周にわたりスリットが存在しない領域が配置されることになるため、ギャップ間に存在する液体が少なからず体積膨張を生じた場合でも、外筒電極の変形をより効果的に抑制することができる。

[0026] また、本発明の静電容量式液状態検知センサでは、スリットを少なくとも 1つ以上含む外筒電極の中心軸線に直交する断面において、外筒電極の外周の 3%以上を占める部位にスリットが形成されてヽるので、液体氷結時の体積膨張に伴ヽ上昇する圧力を有効に逃がすことができる。

[0027] さらに、本発明の静電容量式液状態検知センサでは、スリットを少なくとも 1つ以上含む外筒電極の中心軸線に直交する断面において、スリットの開口幅の合計寸法を、外筒電極の外周の 10%以下に制限しているので、例えば外筒電極の外部にて氷結した液体の氷塊といった絶縁膜に接触して当該絶縁膜を傷付けるような大きさの固形物がスリットを通過しにくぐ絶縁膜の保護を有効に図ることができる。 [0028] さらに、本発明の静電容量式液状態検知センサでは、前記スリットの前記軸線方向に直交する向きの開口幅を 5mm以下に制限しているので、外筒電極の外部にて氷結した液体の氷塊といった絶縁膜に接触して当該絶縁膜を傷付けるような大きさの固形物が、スリットを介して外筒電極の内部に入り込むのを防ぐことができ、絶縁膜の保護を有効に図ることができる。

図面の簡単な説明

[0029] [図 1]液体レベルセンサの縦断面図である。

[図 2]外筒電極の斜視図である。

[図 3]液体レベルセンサの先端部付近の分解斜視図である。

[図 4]外筒電極と内部電極との間 (ギャップ間）に満たされた尿素水の水面近傍の拡大断面図である。

[図 5]外筒電極の中心軸線と直交する方向におけるスリットのいずれかの形成部位の断面図である。

[図 6]スリットの幅や母線上における分割数と、外筒電極の強度との関係についての評価試験の結果を示す表である。

[図 7]図 2の外筒電極とはスリットの配列 (形成部位)が異なる他の形態の外筒電極の斜視図である。

[図 8]図 2の外筒電極とはスリットの配列 (形成部位)が異なる他の形態の外筒電極の斜視図である。

詳細な説明

[0030] 以下、本発明を具体ィ匕した静電容量式液状態検知センサの一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図 1〜図 3を参照して、静電容量式液状態検知センサの一例としての液体レベルセンサ 1について説明する。図 1は、液体レベルセンサ 1の縦断面図である。図 2は、外筒電極 10の斜視図である。図 3は、液体レベルセンサ 1の先端部付近の分解斜視図である。

[0031] 本実施の形態の液体レベルセンサ 1は、ディーゼル自動車の排気ガス中に含まれる窒素酸化物 (NOx)の還元に使用される尿素水を収容したタンク（図示外）に取り付けられ、液体の状態の検知、つまりは尿素水の水位を測定するために利用されるものである。

[0032] 図 1に示すように、液体レベルセンサ 1は、円筒形状を有する外筒電極 10と、その外筒電極 10の内部にて、外筒電極 10の軸線方向に沿って設けられた内部電極 20 と、外筒電極 10および内部電極 20を互いに非接触の状態で支持する基部 40とから構成される。

[0033] 外筒電極 10は導電性の金属材料からなり、図 2に示すように、長細い円筒形状を有する。液体レベルセンサ 1の先端側（図 1における下側）にあたる外筒電極 10の先端部 11 (図 2における上側）には、後述する内部電極 20のブッシュ 30 (図 1参照）の抜け防止のための開口部 13が設けられている。そして、開口部 13の設けられた位置における外筒電極 10の母線（図中一点鎖線 Aで示す。 )に沿って、細幅のスリット 14 , 15, 16が、先端部 11側力も順に後端部 12 (液体レベルセンサ 1の基部 40側の端部）に向力つて、それぞれが独立に形成されている。スリット 14, 15, 16はそれぞれが略同形状で等間隔に 1本の母線上に沿って断続的に配置され、各スリット 14, 15 , 16間には全周にわたりスリットが存在しない筒状形態の中間スリット非形成領域 17 , 18が位置している。さらに、先端部 11および後端部 12にも、それぞれの端面から連なって、全周にわたりスリットが存在しなヽ筒状形態の先端側スリット非形成領域 7 1および後端側スリット非形成領域 72が設けられている。そして、これら各スリット 14, 15, 16は、外筒電極 10の外周面上で周方向に等間隔となる 3本の母線上に、それぞれ形成されている。また、外筒電極 10の後端部 12には、スリット 14, 15, 16が形成された各母線とは異なる母線上に、 1つの空気抜き孔 19が形成されている。

[0034] このように本実施の形態の液体レベルセンサ 1では、外筒電極 10に設けられる複数（具体的には、 9つ）のスリット 14, 15, 16において、 1つのスリット 14と 1つのスリツト 15を選択したときに、一方のスリット 14の開口先端が他方のスリット 15の開口先端よりも先端側（図 2における上側）に位置し、一方のスリット 14の開口後端が他方のスリット 16の開口後端よりも先端側（図 2における上側）に位置する関係を満たしている。この場合、一方のスリット 14が、特許請求の範囲における「第 1スリット」に相当し、他方のスリット 15が、特許請求の範囲における「第 2スリット」に相当することになる。なお、複数のスリット 14, 15, 16にお!/ヽて、スリット 14とスリット 16を選択してみたとき、もしくはスリット 15とスリット 16を選択したときにも、上述の関係を満たして、る。

[0035] 次に、図 1に示すように、外筒電極 10は、後端部 12が金属製の基部 40の電極支持部 41の外周に係合した状態で溶接されてヽる。基部 40は尿素水を収容したタンク (図示外）に液体レベルセンサ 1を固定するための台座として機能し、そのための取り付け孔（図示外)を鍔部 42に有する。また、基部 40の鍔部 42を挟んで電極支持部 4 1の反対側には、外筒電極 10および内部電極 20が外部回路（図示外）との電気的な接続を行えるようにするための中継用の回路基板 60などを収容する収容部 43が形成されている。なお、回路基板 60は収容部 43の内壁面の四隅より突出する基板載置部（図示外)上に載置されている。外部回路との接続は、収容部 43を覆って保護し、鍔部 42に固定されるカバー 45の側部に固定されるコネクタ 62を介して行われ、コネクタ 62の外部接続端子（図示外）と回路基板 60の配線とが配線ケーブル 61によつて接続されている。

[0036] 基部 40の電極支持部 41には、収容部 43内に貫通する孔 46が穿設されており、この孔 46内に、内部電極 20が固定される。本実施の形態の内部電極 20は中実で円柱状をした導電性の金属棒であり、外筒電極 10の全長とほぼ同じ長さを有する。内部電極 20の先端部 21側（図 1における下側であり、液体レベルセンサ 1の先端側）の端部は面取りされている。この内部電極 20の外周面上には、例えば PF Aからなる絶縁膜 23 (図 4参照）が形成されている。また、後端部 22側（図 1における上側）には、内部電極 20を基部 40に固定するため、パイプガイド 55とインナーケース 50が係合されている。パイプガイド 55は、内部電極 20の後端部 22の端縁寄りに接合された環状のガイド部材である。

[0037] また、インナーケース 50は内部電極 20と外筒電極 10とが確実に絶縁されるように、内部電極 20を位置決め支持する筒状の絶縁性を有する榭脂製部材であり、先端側が基部 40の電極支持部 41の孔 46に係合する。インナーケース 50には径方向外側に向力つて突出する鍔部 51が形成されており、インナーケース 50が電極支持部 41 に係合される際には収容部 43側から電極支持部 41の内周に挿通される。そして、鍔部 51が収容部 43内の底面に当接することで、電極支持部 41の内周をインナーケ一ス 50が通り抜けることが防止されている。内部電極 20もまたインナーケース 50の内周側を収容部 43側から挿通されるが、パイプガイド 55が鍔部 51に当接することで、インナーケース 50に対して抜け防止される。

[0038] さらに、インナーケース 50の外周と内周とには、それぞれ、第 lOリング 53と第 20リング 54とが設けられている。第 lOリング 53は、インナーケース 50の外周と基部 40の孔 46との間の隙間を密閉し、第 20リング 54は、インナーケース 50の内周と内部電極 20の後端部 22の内周との間の隙間を密閉している。これにより、液体レベルセンサ 1がタンク（図示外）に取り付けられた際に、タンク内とタンク外とが収容部 43を介して連通しないようにその気密性が保たれている。なお、基部 40の鍔部 42において液体レベルセンサ 1の先端側の面には図示外の板状のゴム部材が嵌められ、第 lOリング 53,第 20リング 54と同様に、タンクへの取り付け時に、タンクの内外の気密性が保たれる。

[0039] そして、内部電極 20の基部 40への組み付けの際には、 2枚の押さえ板 56, 57によつて、ノィプガイド 55がインナーケース 50の鍔部 51に対して押圧される。押さえ板 5 7は、パイプガイド 55との間に押さえ板 56を挟み、パイプガイド 55を押圧した状態で、ネジ 58によって収容部 43内に固定される。これにより、パイプガイド 55に接合された内部電極 20が電極支持部 41に固定されることとなる。押さえ板 56, 57には中央に孔が設けてあり、内部電極 20の電極取りだし用リード線 59が挿通され、回路基板 60に接合されている。回路基板 60からはグランド側の電極力詳細は図示しないが、基部 40に接続されており、このため外筒電極 10がグランド側に電気的に接続される。

[0040] また、基部 40の電極支持部 41にて支持された内部電極 20は、その先端部 21が、外筒電極 10の先端部 11と非接触の状態となるようにゴム製のブッシュ 30により、保持されている。図 1,図 3に示すように、ブッシュ 30は、外径が外筒電極 10の内周と略一致する円筒形状の胴部 32の一端側に、テーパー状にすぼまった先端部 31が形成されている。先端部 31は、胴部 32側の端が胴部 32の外径よりも大きく構成された鍔部 34として形成されており、外筒電極 10に胴部 32が嵌められた際のストッパーとして機能する。

[0041] ブッシュ 30の胴部 32の内周には、内部電極 20の先端部 21を位置決め保持するためのリブ 36が複数本周方向に対して分散して列設されている。そして、先端部 31には、胴部 32の内周側に接続する孔 33が開口されており、胴部 32の内周で内部電極 20が保持された状態でも、リブ 36の隙間を介してブッシュ 30の内側と外側とが連通するように構成されている。これにより、孔 33を介してタンクに収容された尿素水が外筒電極 10と内部電極 20との間に形成されるギャップ（間隙）に入り込むことが可能となる。また、胴部 32の外周には、外筒電極 10の開口部 13に係合して、ブッシュ 30の抜け防止として機能する突起部 35が設けられている。このようなブッシュ 30に保持される内部電極 20は、外筒電極 10との接触が防止される。

[0042] ところで前述したように、外筒電極 10の外周面の一の母線上のスリット 14, 15, 16 は、その母線上において連なって形成されており、各スリット間には、全周にわたりスリットが形成されていない中間スリット非形成領域 17, 18が位置している。すなわち、外筒電極 10の母線上にて外筒電極 10の先端部 11から後端部 12にかけて連続するスリットは形成されず、スリット間の強度が筒状形態の中間スリット非形成領域 17, 18 により確保されている。本実施の形態では、外筒電極 10にスリット 14, 15, 16を設けたことで、タンク（図示外）内の尿素水がギャップ間に流入出しやすくなり、ギャップ間と外筒電極 10の外部との間における尿素水の循環作用が外筒電極 10の軸線方向に対して良好にもたらされる。このため、寒冷地などで尿素水が氷結した際にも、スリット 14, 15, 16の全てないしいずれかを介して、尿素水氷結時の体積膨張に伴い上昇する圧力を外部に分散させることができるので、上記圧力上昇に起因した外筒電極 10の変形を抑制することができる。

[0043] また、上記循環作用によって上昇した圧力を外部に逃したとしても、尿素水氷結時の体積膨張は依然として少な力ずギャップ間に生ずるが、上記の中間スリット非形成領域 17, 18の存在により、一つのスリットあたりの長さが抑えられる。従って、複数のスリット 14, 15, 16を形成したにも関わらず中間スリット非形成領域 17, 18の存在によって外筒電極 10の強度が維持され、外筒電極 10の上記体積膨張に伴った橈みが抑制されるので、外筒電極 10の変形を効果的に抑制することができる。なお、このように外筒電極 10の変形を効果的に抑制するためには、外筒電極 10の外周面の一の母線上に形成される各スリット 14, 15, 16同士の間隔 (換言すれば、上記母線上における各中間スリット非形成領域 17, 18の長さ）を、母線上に沿ってみたときに 5m m以上形成し、また、外筒電極 10の肉厚を 0. 5mm以上に形成することが、外筒電極 10の強度を良好に確保する上で好まヽ。

[0044] また、外筒電極 10の先端部 11に、外筒電極 10の先端側の端面より連なる先端側スリット非形成領域 71を設けたことで、各母線上のスリット 14によって分断される部位同士を接続して補強することができ、外筒電極 10の強度を増すことができる。さらに、外筒電極 10の後端部 12に、外筒電極 10の後端側の端面より連なる後端側スリット非形成領域 72を設けたことで、外筒電極 10の強度をさらに増すことができる。そして、この後端側スリット非形成領域 72を設けることで、液体レベルセンサ 1を車両に取り付けて使用した際に、同センサ 1に振動がかかりその振動に起因した応力が外筒電極 10の後端部 12に及んでも、その応力に耐えられる程度の強度を確保できるので、同センサ 1の耐振性を向上させることができる。

[0045] 次に、本実施の形態の液体レベルセンサ 1により、液体の水位などの状態 (本実施の形態では尿素水のレベル)を検知する原理について、図 4を参照して説明する。図 4は、外筒電極 10と内部電極 20との間（ギャップ間）に満たされた尿素水の水面近傍の拡大断面図である。この液体レベルセンサ 1は、尿素水を収容したタンク（図示外）に、外筒電極 10および内部電極 20を、その軸線方向を尿素水の水位の高低方向に沿うように配置した状態で組み付けられる。そして、ギャップ間（外筒電極 10と内部電極 20との間）の静電容量を測定することで、両者間に存在する尿素水が、外筒電極 10の軸線方向にどれだけの水位まで存在しているかを検出することができる。これは周知のように、電位の異なる 2点間において、静電容量の大きさがその 2点間の距離に反比例することに基づく。

[0046] すなわち、図 4に示すように、尿素水で満たされていない部分におけるギャップ間で電位差の生じる部位の距離は、距離 Bで示す、両者間の空気層と絶縁膜 23との合計の厚み分の距離となる。一方、尿素水が満たされた部位におけるギャップ間で電位差の生じる部位の距離は、尿素水が導電性なので外筒電極 10と尿素水との電位が等しくなることから、距離 Cで示す、絶縁膜 23の厚み分の距離となる。つまり、尿素水が満たされて、る部位は、満たされて、な、部位よりも電位差の生じる部位間の距離がより近いため、静電容量が大きい。このことから、ギャップ間に電圧を印加した場合、尿素水が満たされている部分が多くなるに従って、静電容量がより大きくなる距離 Cである部分の割合が増える。ここで周知のように、静電容量の大きさが、互いに対向する電位の異なる部位の面積に比例することから、液体レベルセンサ 1の全体として検出される静電容量は、尿素水の水位が高くなるに従って大きくなる。

[0047] こうした液体の水位を測定するにあたって、内部電極 20の外周面上に形成された絶縁膜 23の厚みが薄いほど、外筒電極 10と内部電極 20との間に印加する電圧が低くても大きな静電容量を得ることができる。絶縁膜 23は傷等により絶縁性が失われる場合があるため、本実施の形態の液体レベルセンサ 1では、尿素水中に氷塊などの固形物が存在した場合でも、その固形物が外筒電極 10と内部電極 20との間に入り込まないように、外筒電極 10に形成したスリット 14, 15, 16の幅（開口幅）に制限を設けている。以下、図 5を参照して、スリット 14, 15, 16の幅について説明する。図 5 は、外筒電極 10の中心軸線と直交する方向におけるスリット 14, 15, 16のいずれかの形成部位の断面図である。

[0048] 図 5に示すように、外筒電極 10には、外周面の周方向に対して等間隔に配置された 3本の母線上に、スリット 14, 15, 16がそれぞれ形成されている。図 5では、外筒電極 10の断面における外周に沿った方向において、スリット 14, 15, 16の幅を、幅 Dとして示している。また同様に、外筒電極 10の軸線断面における外周に沿った方向において、スリット 14, 15, 16が形成されていない部分の幅を、幅 Eとして示している。すなわち、全ての幅 Dと全ての幅 Eとを合計した長さ力外筒電極 10の外周の長さに相当する。

[0049] 本実施の形態では、スリット 14, 15, 16の幅 Dの合計を、外筒電極 10の外周の長さ（幅 Dと幅 Eの合計)の 10%以下となるように設定している。このような大きさにスリツト 14, 15, 16の幅を設定することで、例えば不純物や氷結した尿素水の塊などの固形物が尿素水中に含まれるとき、その固形物がスリット 14, 15, 16を通過しに《なるため、絶縁膜 23を傷等力も保護することができる。なお、スリット 14, 15, 16の幅 Dが、外筒電極 10の外周の長さの 10%未満であっても、小さな固形物がスリット 14, 15, 16を通過する場合がある。し力し、この幅のスリット 14, 15, 16を通過できる大きさの固形物が内部電極 20の絶縁膜 23に衝突しても、十分な質量がないため絶縁膜 23 を傷付けることは少なぐ絶縁性に影響を与え難い。

[0050] なお、本実施の形態では、各スリット 14, 15, 16の軸線方向に直交する向きの幅（開口幅） Eを 2. 5mmに設定している。このように、各スリット 14, 15, 16の幅 Eを 5m m以下に設定することで、外筒電極 10の外部にて氷結した尿素水の氷塊といった絶縁膜 23に接触してこの絶縁膜 23を傷付けるような大きさの固形物が、各スリット 14, 15, 16を介して外筒電極 10の内側に入り込むのを防ぐことができる。従って、絶縁膜 23の保護をより有効に図ることができる。

[0051] また、本実施の形態の液体レベルセンサ 1のスリット 14, 15, 16は、寒冷地などにおける使用の際に、ギャップ間に存在する尿素水の氷結に伴う圧力上昇により外筒電極 10に変形が生じないように形成されている。詳細には、ギャップ間に入り込んでいる尿素水が急冷されることがあると、ギャップ間に存在する尿素水力外筒電極 10 の先端部 11側と後端部 12側との双方向から氷結を開始することがある。すると、ギヤップ間に存在する尿素水の中間側に向けて氷結に伴う圧力上昇を生ずる。しかし、スリット 14, 15, 16が形成されていることによって、外筒電極 10の内部と外部との間での循環作用が確保されるので、上記圧力を効果的に外筒電極 10の外部に逃すことができる。このような効果を発揮するには、スリット 14, 15, 16の幅 Dの合計力外筒電極 10の外周の 3%以上であることが望ましい。

[0052] ここで、スリットの幅や母線上における分割数（同じ母線上で連なったスリットの数）と、外筒電極の強度との関係について、上記の効果が得られる力否かを確認するため、評価試験を行った。その結果を図 6の表に示す。図 6は、スリットの幅や母線上における分割数と、外筒電極の強度との関係についての評価試験の結果を示す表である

[0053] この評価試験を行うにあたって、内部電極には、 SUS304からなる中実で円柱状の金属棒を用いた。また、外筒電極には、円筒状で外径が 30mm、肉厚が lmm、全長が 300mmの SUS304力もなる金属筒に、後述する 12種類の条件に基づくスリットを形成したものをそれぞれ用意した。そして、各種類ごとに 2本ずつサンプルを作製し、ギャップ間を水で満たした状態で急冷して氷結させ、その後、解凍して力外筒電極の状態につ!、て評価を行った。

[0054] 外筒電極は、以下の 3つの条件に基づき組み合わせ、 12種類用意した。まず、スリットが形成される外筒電極の外周面上の母線数については、 1本、 2本 (外筒電極の中心軸線と直交する断面から見て 180度ごと）、 3本（同様に 120度ごと）、 4本（同様に 90度ごと）のものを組み合わせた。次に、スリットの個々の幅（図 5における幅 Dに相当）は、 1. Ommのもの、 2. 5mmのもの、 5. Ommのものを糸且み合わせた。そして、スリットの長さは、 120mmで 2本が配置されたものとし、スリット同士の間に位置する補強部の長さは、 10mmとした。また、比較例 1として、外筒電極の先端から後端まで連なるスリット（開口幅 2. 5mm)を 1本設けたものを用意し、比較例 2として、外筒電極の全長よりも短い長さ（120mm)の 2本のスリット（開口幅 2. 5mm)を、外筒電極の先端から連なる形で、かつ外筒電極の外周面上の異なる母線上に形成したものを用意した。なお、比較例 2の 2本のスリットの後端の位置は、外筒電極の軸線方向にお Vヽて同一の位置となるように調整した。

[0055] 図 6に示すように、スリットが形成される外筒電極の外周面上の母線数が 1本である場合、スリットの幅が 1. Omm (全周におけるスリットの幅の割合が 1. 1%)あるいは 2 . 5mm (同 2. 7%)とした場合に、外筒電極に極僅かな変形が生じたり、スリットの縁部に一部変形が生じたりし、評価結果は「△」となった。同条件でスリットの幅を 5. Om m (同 5. 3%)とした場合には、スリットの縁部に一部変形が生じ、評価結果は「〇」となった。

[0056] また、スリットが形成される外筒電極の外周面上の母線数を 2本とした場合、スリットの幅が 1. Omm (全周におけるスリットの幅の割合が 2. 1%)とした場合に、外筒電極に極僅かな変形が生じたり、スリットの縁部に一部変形が生じたりし、評価結果は「△ 」となった。同条件でスリットの幅を 2. 5mm (同 5. 3%)あるいは 5. Omm (同 10. 6% )とした場合には、スリットの縁部に一部変形が生じ、評価結果は「〇」となった。

[0057] さらに、スリットが形成される外筒電極の外周面上の母線数を 3本とした場合、スリツトの幅に関わらず、外筒電極の変形は生じず、問題は全くないとして、評価結果が「 ☆」となった。なお、本実施例では、スリットの幅が 1. Omm、 2. 5mm、 5. Ommである場合に、全周におけるスリットの幅の割合がそれぞれ、 3. 2%、 8. 0%、 15. 9%となった。また、スリットが形成される外筒電極の外周面上の母線数を 4本とした場合も同様に、スリットの幅に関わらず問題は全く生じず、評価結果が「☆」となった。なお、本実施例では、スリットの幅が 1. Omm、 2. 5mm、 5. Ommである場合に、全周におけるスリットの幅の割合がそれぞれ、 4. 2%、 10. 6%、 21. 2%となった。

[0058] 一方、外筒電極の先端力も後端まで連なるスリットを 1本設けた比較例 1、並びに外筒電極の先端力も連なるスリット 2本設けた比較例 2については、共に外筒電極に大きな変形が生じ、評価結果が「 X」となった。

[0059] 上記評価試験の結果より、外筒電極 10の外周面上の母線に沿って、複数のスリットを形成しつつ、スリット同士の間に補強部を設けた構造では、スリットが形成される外筒電極の外周面上の母線数に関わらず、外筒電極に大きな変形が生じ、評価結果力 S「X」となるものはな力つた。このことから、細長い外筒電極の外周面上の母線に沿つて複数のスリットを形成しつつ、スリット同士の間に全周にわたりスリットが存在しない中間スリット非形成領域を設けた構造については、外筒電極と内部電極との間 (ギヤップ間）の液体が氷結する場合にも外筒電極の変形が大きく生じるのを防ぐことができる。従って、内部電極と外筒電極とのギャップ寸法が広がるのを有効に抑制することができ、ひいては上記ギャップ間の静電容量を長期に亘つて高精度に測定することができる静電容量式液状態検知センサを提供することができる。

[0060] また、上記評価試験の結果より、外筒電極の外周におけるスリットの幅の割合が少なくとも 3%以上であれば、スリットの縁部に多少の変形は認められるものの、外筒電極に変形は生じないことがわ力つた。なお、本実施例ではスリットの長さによる外筒電極の変形性の影響は無力つた力外筒電極の長さが本実施例で使用したもの（300 mm)より長いものを使用すれば、スリットの長さによる橈みの影響が生ずるため、スリットの分割数を増やし、補強部として機能する中間スリット非形成領域を設けることが望ましい。また、スリットが形成される外筒電極の外周面上の母線数を 3本以上とすれば、外筒電極に対する変形の影響が生じないこともゎカゝつた。ここで母線数を 3本とすると、外筒電極の中心軸線と直交する断面においてスリットの位置が外周の 120度ごとに配置されるので配置バランスがよぐ外筒電極の強度を良好に確保した形で、液体氷結時の体積膨張に伴い上昇する圧力を、周方向の方向性に依存されることなく効果的に外部へ逃すことが可能となる。

[0061] なお、本発明は各種の変形が可能なことはいうまでもない。例えば、本実施の形態では、内部電極 20を中実の円柱状の金属棒とした力円柱状に限らず、角柱状であつても中空の円筒状や角筒状であってもよい。また、外筒電極 10は円筒状に限らず

、角筒状であってもよい。

[0062] また、本実施の形態では、液体の状態を検知する対象の液体として尿素水を例に説明したが、これに限らず、導電性の液体であれば、内部電極 20の外周面上に絶縁膜 23を施すことで、液体の状態を検知することができる。また、非導電性の液体であれば、内部電極 20の外周面上には絶縁膜 23の形成を行わなくともよい。これは、空気の誘電率と、非導電性の液体の誘電率との間で差があるので、本実施の形態と同様に、外筒電極 10と内部電極 20との間の静電容量の測定を行えば、その静電容量に変化が生ずる力である。

[0063] また、検知される液体の状態とは水位 (液位）に限らず、例えば液体の濃度、劣化度、異物の混入度などであってもよい。

[0064] さらに、本実施の形態では、外筒電極 10の 3本の母線（図中一点鎖線 Aで示す。 ) に沿って、細幅のスリット 14, 15, 16をそれぞれ形成した構造を示したが、外筒電極への複数のスリットの配置位置はこれに限定されない。例えば、図 7に示すように、外筒電極 80の軸線方向に沿って螺旋状に複数のスリット 85を設けても良い。なお、図 7に示した外筒電極 80の先端部 81および後端部 82においても、上記実施の形態の外筒電極 10と同様に、それぞれの端面力も連なり、且つスリットが存在しない筒状形態の先端側スリット非形成領域 83および後端側スリット非形成領域 84が設けられている。また、別の形態として、図 8に示すように、外筒電極 90の軸線方向に沿って千鳥状に複数のスリット 95を設けても良い。なお、図 8に示した外筒電極 90の先端部 9 1および後端部 92においても、上記実施の形態の外筒電極 10と同様に、それぞれの端面力も連なり、且つスリットが存在しない筒状形態の先端側スリット非形成領域 9 3および後端側スリット非形成領域 94が設けられている。但し、図 8, 9に示した外筒電極 80, 90のいずれの形態においても、複数のスリット 85 (95)は、任意の 2つを選択したときに、一方のスリット 85 (95)の開口先端が他方のスリット 85 (95)の開口先端よりも先端側に位置し、一方のスリット 85 (95)の開口後端が他方のスリット 85 (95) の開口後端よりも先端側に位置する関係を満たすように形成されるものである。

産業上の利用可能性

電位の異なる 2部材間の静電容量を測定することで液体の状態を検知することができる静電容量式液状態検知センサに適用できる。

Claims

請求の範囲

[1] 導体からなる筒状の外筒電極と、前記外筒電極内で前記外筒電極の軸線方向に沿って設けられた導体からなる筒状または柱状の内部電極と、前記外筒電極および前記内部電極の後端側で、前記外筒電極と前記内部電極とを非接触の状態で支持する基部とを備える静電容量式液状態検知センサであって、

前記外筒電極は、当該外筒電極の全長よりも短い長さで前記軸線方向に沿って開口するスリットを複数有し、

複数の前記スリットは、第 1スリットと、第 2スリットとを含み、前記第 1スリットの先端は前記第 2スリットの先端よりも先端側に位置し、前記第 1スリットの後端は前記第 2スリットの後端よりも先端側に位置する関係を満たすことを特徴とする静電容量式液状態検知センサ。

[2] 複数の前記スリットは、いずれの先端も前記外筒電極の先端より後端側に位置して

V、ることを特徴とする請求項 1に記載の静電容量式液状態検知センサ。

[3] 複数の前記スリットは、いずれの後端も前記外筒電極の後端より先端側に位置していることを特徴とする請求項 1または 2に記載の静電容量式液状態検知センサ。

[4] 前記外筒電極の外周面における少なくとも一の母線上に、複数の前記スリットが位置していることを特徴とする請求項 1乃至 3のいずれかに記載の静電容量式液状態検知センサ。

[5] 前記外筒電極の外周面における複数の異なる母線上に、各々複数の前記スリットが位置していることを特徴とする請求項 4に記載の静電容量式液状態検知センサ。

[6] 前記第 1スリットの後端は、前記第 2スリットの先端よりも先端側に位置する関係を満たしており、前記外筒電極のうち、前記第 1スリットの後端と前記第 2スリットの先端との間には、全周にわたつてスリットが存在しなヽ中間スリット非形成領域が位置してヽることを特徴とする請求項 1乃至 5のいずれかに記載の静電容量式液状態検知センサ。

[7] 前記スリットを少なくとも 1つ以上含むようにして前記外筒電極の中心軸線に直交する断面をとつたときに、前記スリットの開口幅の合計寸法は、前記外筒電極の外周に対して 3%以上の大きさを有することを特徴とする請求項 1乃至 6のいずれかに記載の静電容量式液状態検知センサ。

[8] 前記内部電極の外周面上には絶縁膜が形成され、前記断面をとつたときに、前記スリットの開口幅の合計寸法は、前記外筒電極の外周に対して 10%以下の大きさを有することを特徴とする請求項 7に記載の静電容量式液状態検知センサ。

[9] 前記内部電極の外周面上には絶縁膜が形成されており、前記スリットの前記軸線方向に直交する向きの開口幅は、いずれも 5mm以下であることを特徴とする請求項 1乃至 8のいずれかに記載の静電容量式液状態検知センサ。

[10] 前記液体は尿素水であることを特徴とする請求項 1乃至 9のいずれかに記載の静電容量式液状態検知センサ。