JP2014142204A - 筒形電極、およびそれを用いた燃料性状センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 内部に収容される基板上の回路素子の正常な作動を確保可能な筒形電極を提供する。
【解決手段】 内側電極４１内のサーミスタ基板５０の基板面５５１にはサーミスタ４５が設けられる。基板面５５１に平行な仮想平面Ｐ１上に投影された内側電極４１の中心軸φＰ１に垂直な方向の第２挿入部５６の長さをｗ、中心軸φＰ１に垂直な方向のサーミスタ４５の長さをａ、仮想平面Ｐ１に垂直な方向のサーミスタ４５の長さをｂ、および内側電極４１の内径をｄとすると、中心軸φＰ１上の点から仮想平面Ｐ１上のサーミスタ４５の中心４５１までの距離ｘが、｛（ｄ／２）²−（ｙ＋ｂ）²｝^1/2−ａ／２（ただし、ｙ＝｛（ｄ／２）²−（ｗ／２）²｝^1/2）より小さくなるようにサーミスタ４５は設けられる。これにより、サーミスタ基板５０が内側電極４１内を移動するとき、サーミスタ４５と内側電極４１との当接を防止することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、回路素子が設けられた基板を内部に収容する筒形電極、およびその筒形電極を用いて燃料の性状を検出する燃料性状センサに関する。

従来、内燃機関の燃料に含まれるアルコールの濃度を検出する燃料性状センサが知られている。燃料性状センサでは、燃料に浸漬される２つの電極の帯電量から算出される電極間の静電容量に基づいて燃料のアルコール濃度を算出する。例えば、特許文献１には、内側電極の内部に温度センサを実装した基板を挿入し、検出される燃料温度と算出される静電容量との関係から燃料のアルコール濃度を算出する燃料性状センサが記載されている。

米国特許第１６９２７５８３号明細書

しかしながら、特許文献１に記載の燃料性状センサでは、基板上の温度センサの実装位置や基板の幅によって温度センサが内側電極の内壁に当接するおそれがある。この場合、温度センサは、内側電極と導通するため、正確な燃料温度を検出できなくなる。

本発明の目的は、内部に収容される基板上の回路素子の正常な作動を確保可能な筒形電極を提供することにある。

本発明の筒形電極は、筒形状の電極部と、電極部の内部に収容される基板と、基板上に設けられる回路素子と、を備え、回路素子は、基板が電極部の内壁に当接するとき電極部の内壁との間に隙間が形成される位置に設けられることを特徴とする。

本発明の筒形電極では、電極部の内部において基板が移動し基板が電極部の内壁に当接するとき、基板上の回路素子と電極部の内壁との間に隙間が形成される。これにより、回路素子と電極部との間の絶縁を確保することができる。したがって、回路素子が正常に作動することができる。

本発明の一実施形態による筒形電極を用いた燃料性状センサを用いる燃料供給システムの模式図である。 本発明の一実施形態による筒形電極を用いた燃料性状センサの断面図である。 本発明の一実施形態による筒形電極を用いた燃料性状センサの要部断面図である。 図２のＩＶ部拡大図である。 本発明の一実施形態による筒形電極のサーミスタ基板のもととなる基板用樹脂部材の一部を示した模式図である。 本発明のその他の実施形態による筒形電極を用いた燃料性状センサの要部拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

（一実施形態）
本発明の一実施形態による筒形電極を用いた燃料性状センサを図１から図５に示す。
図１に示すように、燃料性状として燃料中のエタノール濃度を検出する燃料性状センサ１は、車両の燃料供給系統７０に設けられる。より詳細には、燃料性状センサ１は、燃料タンク７２とデリバリパイプ７５とを接続する燃料配管７４に設けられる。

燃料タンク７２には、ガソリンとエンタノールとが混合された混合ガソリン（以下適宜、単に「燃料」という。）が貯留される。燃料タンク７２には、ガソリンとエタノールとの混合液体、ガソリン、および、エタノールのいずれもが任意で給油可能である。したがって、燃料タンク７２内の燃料中のエタノール濃度は、０〜１００％の間で、給油時点を境に変動する可能性がある。
燃料タンク７２内の燃料は、燃料ポンプ７３により燃料配管７４を通り、デリバリパイプ７５へ圧送され、インジェクタ７６から図示しない吸気管またはシリンダ内へ噴射される。インジェクタ７６は、エンジンのＥＣＵ７７により駆動制御される。

ＥＣＵ７７は、マイクロコンピュータなどから構成され、燃料性状センサ１からの検出信号、および、エンジンの駆動に係る各種検出信号が入力される。一実施形態では、最適条件、例えば、排気中に含まれる有害物質量が最小かつ省燃費条件、でエンジンを運転するため、エンジンへ供給される燃料中のエタノール濃度を燃料性状センサ１により検出し、検出されたエタノール濃度に応じ、空燃比、燃料噴射量、点火時期等の各種制御パラメータを制御している。なお、インジェクタ７６にできるだけ近い位置におけるエタノール濃度を測定しエンジンを最適条件で運転すべく、燃料性状センサ１は、インジェクタ７６に近い位置に設けることが好ましい。

燃料性状センサ１は、図２に示すように、ハウジング１０、外側電極３１、内側電極４１、サーミスタ４５、サーミスタ基板５０、および、回路部６０などを備える。なお、図２および図４には、燃料の流れ方向を矢印Ｆで示す。

ハウジング１０は、第１ハウジング１１、および、第２ハウジング２１を有する。
第１ハウジング１１は、例えばステンレス等の金属により、略筒状に形成される。第１ハウジング１１の内部には、燃料室１２が形成される。第１ハウジング１１の径方向外側には、連結管部１６、１７が形成される。連結管部１６、１７は、例えばステンレス等の金属により筒状に形成される。一実施形態では、連結管部１６、１７は、第１ハウジング１１と一体に形成されている。連結管部１６の内部には通路１８が形成され、連結管部１７の内部には通路１９が形成される。通路１８、１９は、燃料室１２と連通する。また、連結管部１６、１７は、図示しないコネクタ等を介して燃料配管７４（図１参照）と接続する。これにより、連結管部１６、１７の通路１８、１９、および、第１ハウジング１１の燃料室１２には、燃料が流れる。なお、一実施形態による燃料性状センサ１では、燃料は、矢印Ｆのように図２の紙面左側から流れ、通路１８、燃料室１２、通路１９の順に通って図２の紙面右側に流れる。

第２ハウジング２１は、例えば樹脂等により形成される。第２ハウジング２１は、円筒部２２、および、基板収容部２３を有している。
円筒部２２は、第１ハウジング１１の一方の端部に形成される開口１３から第１ハウジング１１の内部に挿入される。円筒部２２の径方向内側には、樹脂等により略円筒状に形成されるホルダ２９が設けられる。ホルダ２９は、二次成形等により第２ハウジング２１に固定されている。

基板収容部２３の内部には、電気回路がプリントされた回路基板２５が収容されている。回路基板２５は、熱かしめ等により第２ハウジング２１に固定される。また、基板収容部２３には、端子２７を有するコネクタ２６が形成されている。端子２７は、一方の端部が回路基板２５に挿通されてはんだ等により電気的に接続され、中間部が第２ハウジング２１に埋設され、他方の端部がコネクタ２６の内部空間に設けられる。これにより、コネクタ２６は、ＥＣＵ７７（図１参照）や図示しない電源等と回路部６０とを電気的に接続可能である。

外側電極３１および内側電極４１は、いずれも略円筒状に形成される。一実施形態では、外側電極３１と内側電極４１とは、略同心状に設けられる。外側電極３１の回路基板２５側の端部は、図示しない端子等を介して回路基板２５に接続される。また、内側電極４１の回路基板２５側の端部は、端子４３を介して回路基板２５と接続される。

外側電極３１は、回路基板２５側の端部が第２ハウジング２１の円筒部２２にインサート成形されている。外側電極３１の回路基板２５側の端部は、第２ハウジング２１の円筒部２２とホルダ２９との間に配置される。外側電極３１は、径方向外側に突出する突出部３２を有する。突出部３２は、外側電極３１と第１ハウジング１１の間に設けられるＯリング３８の脱落を防止する。これにより、第１ハウジング１１と外側電極３１とは、円筒部２２およびＯリング３８により所定の距離が維持され、絶縁されつつ保持される。

内側電極４１は、回路基板２５とは反対側に底部４２を有する有底円筒状に形成される。「電極部」としての内側電極４１は、回路基板２５側において、外側電極３１の径方向内側であって、内側電極４１の径方向外側に設けられるホルダ２９に埋め込まれている。また、外側電極３１と内側電極４１との間であって、ホルダ２９の先端側には、Ｏリング３９が設けられる。これにより、外側電極３１と内側電極４１とは、ホルダ２９およびＯリング３９により、所定の距離が維持され、絶縁されつつ保持される。

外側電極３１は、径方向に通じる燃料孔３３、３４を有している。第１ハウジング１１の燃料室１２の燃料は、燃料孔３３、３４を経由して外側電極３１と内側電極４１との間の空間３５に流入する。これにより、外側電極３１および内側電極４１は、空間３５に流入した燃料を誘電体とし、コンデンサとして機能する。なお、内側電極４１は、先端側に底部４２を有する有底円筒状に形成されているので、内側電極４１の内部には燃料は流入しない。また、Ｏリング３８、３９は、燃料室１２および空間３５内の燃料が、Ｏリング３８、３９よりも回路基板２５側に流入することを防止する。

サーミスタ４５は、温度に応じて抵抗値が変化する抵抗体により構成される。「回路素子」としてのサーミスタ４５は、チップ型であり、サーミスタ基板５０に実装される。また、サーミスタ４５は、サーミスタ基板５０に形成される図示しない配線を経由して回路部６０と電気的に接続される。

サーミスタ基板５０は、接続部５１、５２、第１挿入部５５、および第２挿入部５６を有する。接続部５１、５２、第１挿入部５５、および第２挿入部５６は、一体に形成される。サーミスタ基板５０は、特許請求の範囲に記載の「基板」に相当する。
接続部５１、５２は、回路基板２５に形成されるスルーホール２５１、２５２に挿通され、はんだ等で固定される。また、接続部５１、５２には、スルーホール５３、５４が形成される。スルーホール５３、５４は、少なくとも一部がスルーホール２５１、２５２の内部となるように配置される。これにより、はんだづけの際の作業性が向上する。また、スルーホール５３、５４、２５１、２５２の縁部および内壁には、導電体が設けられる。これにより、サーミスタ基板５０は、回路基板２５に保持されるとともに、電気的に接続される。

第２挿入部５６は、内側電極４１の底部４２近傍まで挿入される。第２挿入部５６にはサーミスタ４５が実装される。第２挿入部５６は、図４に示すように、内側電極４１の中心軸φ方向の長さＬが、サーミスタ４５が実装されるのに十分な長さとなるように形成される。第２挿入部５６は、特許請求の範囲に記載の「実装部」に相当する。
第１挿入部５５は、第２挿入部５６と接続部５１、５２との間に設けられる。第１挿入部５５は、図４に示すように、内側電極４１の中心軸φに垂直な方向の長さｗ１が、第２挿入部５６の中心軸φに垂直な方向の長さｗ２に比べて短くなるように形成されている。第１挿入部５５は、特許請求の範囲に記載の「接続部」に相当する。

第１挿入部５５の一部および第２挿入部５６と内側電極４１との間には、熱伝導部材４９が設けられる。これにより、例えば、燃料の温度変化が生じる過渡期であっても、サーミスタ４５による検出誤差を小さくする。

回路部６０は、回路基板２５に実装される複数の電子部品から構成される。回路部６０は、外側電極３１、内側電極４１、および、外側電極３１と内側電極４１との間の燃料により構成されるコンデンサの静電容量（以下、「燃料の静電容量」という。）を算出する。また、回路部６０は、サーミスタ４５に通電するとき、検出される電圧からサーミスタ４５の抵抗値を算出する。
回路部６０では、サーミスタ４５の抵抗値から燃料温度を算出し、燃料の静電容量と燃料温度との関係から燃料中のエタノール濃度を算出する。

一実施形態による筒形電極を用いた燃料性状センサ１では、内側電極４１とサーミスタ基板５０およびサーミスタ基板５０上に実装されているサーミスタ４５との位置関係について特徴がある。ここで、図３、４に基づいて燃料性状センサ１の特徴を説明する。

図３には、外側電極３１、内側電極４１、サーミスタ基板５０の第２挿入部５６、およびサーミスタ４５の断面図であって、内側電極４１の中心軸φに略垂直な断面図である。
サーミスタ４５は、内側電極４１の中心軸φに対して垂直であって平板状に形成されている第２挿入部５６の長手方向に平行な基板面５５１上に実装されている。このとき、サーミスタ４５は、燃料の温度を正確に検出するため、空間３５に可能な限り近づけるように内側電極４１の内壁４１１付近に実装される。基板面５５１は、特許請求の範囲に記載の「回路素子が設けられている面」に相当する。

ここで、基板面５５１に平行な仮想平面Ｐ１を仮定し仮想平面Ｐ１上に内側電極４１の中心軸φ、サーミスタ基板５０の第２挿入部５６、およびサーミスタ４５を投影したとき、仮想平面Ｐ１上の内側電極４１の中心軸φＰ１上の点から仮想平面Ｐ１上のサーミスタ４５の中心４５１までの距離をｘ（ｍ）、仮想平面Ｐ１上の中心軸φＰ１に対して垂直な方向の第２挿入部５６の長さをｗ（ｍ）、仮想平面Ｐ１上の中心軸φＰ１に対して垂直な方向のサーミスタ４５の長さをａ（ｍ）、仮想平面Ｐ１に対して垂直な方向のサーミスタ４５の長さをｂ（ｍ）、および内側電極４１の内径をｄ（ｍ）とすると、距離ｘは、以下の式１で表される。

ただし、式１に含まれる距離ｙ（ｍ）は、以下の式２で表される。

なお、距離ｙは、図３に示すように、仮想平面Ｐ１に対して垂直な方向の内側電極４１の中心軸φと基板面５５１との距離を表している。

次に、燃料性状センサ１の製造方法について図２および図５に基づいて説明する。

最初に、内側電極４１およびホルダ２９を一次成形する。
また、別の工程では、サーミスタ４５を実装したサーミスタ基板５０を作成する。サーミスタ基板５０は、図５に示すように、１枚の基板用樹脂部材２４から複数個のサーミスタ基板５０を切り抜くことにより作成する。サーミスタ基板５０を作成するとき、最初に、電気配線を設け、次に第２挿入部５６と基板用樹脂部材２４とを接続する接続部２４１を残してサーミスタ基板５０の形状を形成する。サーミスタ基板５０の形状が形成された基板用樹脂部材２４の所定の位置にサーミスタ４５を設ける。その後、接続部２４１、２４２を点線Ｃ、Ｄに沿って切断し、サーミスタ基板５０を基板用樹脂部材２４から切り離す。

次に、一次成形された内側電極４１およびホルダ２９と、外側電極３１および第２ハウジング２１とを二次成形する。
次に、内側電極４１の内部に流動状態の熱伝導部材４９を流し込む。熱伝導部材４９が流し込まれた後、サーミスタ４５を実装したサーミスタ基板５０を挿入する。このとき、内側電極４１内の熱伝導部材４９には流動性があるため、サーミスタ基板５０は、内側電極４１に対して相対移動する。
最後に、基板収容部２３に組み付ける回路基板２５に、外側電極３１、内側電極４１、サーミスタ基板５０およびコネクタ２６の端子２７を電気的に接続し、封止することにより燃料性状センサ１は完成する。

一実施形態による内側電極４１を用いた燃料性状センサ１では、式１および式２の条件を満たす位置にサーミスタ４５が設けられる。これにより、熱伝導部材４９が流動状態であってサーミスタ基板５０を内側電極４１の内部に挿入したとき、サーミスタ基板５０が内側電極４１に対して中心がずれて挿入された場合でも、サーミスタ４５と内側電極４１の内壁４１１との間には隙間が形成される。また、一実施形態による燃料性状センサ１では、燃料室１２の燃料の温度を正確に検出するため、サーミスタ４５は可能な限り内側電極４１の内壁４１１の近傍に実装される。このため、サーミスタ基板５０の移動により内側電極４１と導通するおそれがあるが、式１および式２の条件を満たす位置に実装することにより内側電極４１との絶縁を確保する。これにより、サーミスタ４５と内側電極４１との導通を防止することができる。したがって、サーミスタ４５は正常に作動することができる。

サーミスタ基板５０の第１挿入部５５は、内側電極４１の中心軸φに垂直な方向の長さｗ１が第２挿入部５６の中心軸φに垂直な方向の長さｗ２に比べて短くなるように形成されている。これにより、サーミスタ４５が実装される第２挿入部５６のみを式１および式２の条件を満たし、かつ、サーミスタ４５が内側電極４１の内壁４１１に当接しないように平行度や直角度などを管理する。一方、第１挿入部５５は、上述したような精度の管理を必要としないため、サーミスタ基板５０の製作を容易にすることができる。

また、第１挿入部５５の長さｗ１は、第２挿入部５６の長さｗ２に比べて短いため、接続部５１、５２から第２挿入部５６へ伝わる熱量が小さくなる。これにより、サーミスタ４５は燃料温度を正確に検出することができる。

また、第１挿入部５５に基板用樹脂部材２４の接続部２４１が設けられることにより、接続部２４２だけでサーミスタ基板５０が保持される場合に比べて、サーミスタ４５を実装するときのサーミスタ基板５０のそりを抑制する。これにより、サーミスタ基板５０に対するサーミスタ４５の実装位置の精度を向上することができる。また、サーミスタ基板５０上に設けられるはんだの残留応力を低減することができる。

（他の実施形態）
（ア）上述の実施形態では、本発明の筒形電極を内側電極として用いる燃料性状センサを説明した。しかしながら、本発明の筒形電極を用いる装置はこれに限定されない。回路素子を実装した基板を内部に収容する筒形電極を用いる装置であればよい。

（イ）上述の実施形態では、サーミスタ基板の第１挿入部は、内側電極の中心軸に垂直な方向の長さが第２挿入部の内側電極の中心軸に垂直な方向の長さに比べ短くなるように形成されているとした、しかしながら、第１挿入部と第２挿入部との大きさの関係はこれに限定されない。図６に示す燃料性状センサのように、内側電極４１の内部に挿入されるサーミスタ基板８０の第１挿入部８５の内側電極の中心軸に垂直な方向の長さが、サーミスタ４５が実装される第２挿入部８６の内側電極の中心軸に垂直な方向の長さと同じ長さで形成されてもよい。

（ウ）上述の実施形態では、サーミスタ基板に実装されるサーミスタは１つであるとした。しかしながら、サーミスタ基板に実装されるサーミスタの数はこれに限定されない。複数個あってもよい。その場合、第２挿入部は、内側電極の中心軸方向の長さが全てのサーミスタが実装される長さであればよい。

以上、本発明はこのような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の種々の形態で実施可能である。

１、２ ・・・燃料性状センサ、
４１ ・・・内側電極（電極部）、
４１１ ・・・内壁、
４５ ・・・サーミスタ（回路素子）、
５０、８０ ・・・サーミスタ基板（基板）、
５１、５２ ・・・接続部、
５５、８５ ・・・第１挿入部（接続部）
５６、８６ ・・・第２挿入部（実装部）、
５５１ ・・・基板面（回路素子が設けられている面）、
φ ・・・内側電極の中心軸（電極部の中心軸）、
Ｐ１ ・・・仮想平面。

Claims (4)

1. 筒形状の電極部（４１）と、
   前記電極部の内部に収容される基板（５０、８０）と、
   前記基板上に設けられる回路素子（４５）と、
   を備え、
   前記回路素子は、前記基板が前記電極部の内壁（４１１）に当接するとき、前記電極部の内壁との間に隙間が形成される位置に設けられることを特徴とする筒形電極。
2. 前記基板の前記回路素子が設けられている面（５５１）に平行な仮想平面（Ｐ１）上に前記電極部の中心軸（φ）、前記基板、および前記回路素子を投影するとき、前記仮想平面上の前記電極部の中心軸上（φＰ１）の点から前記仮想平面上の前記回路素子の中心（４５１）までの距離をｘ、前記仮想平面上の前記電極部の中心軸に対して垂直な方向の前記基板の長さをｗ、前記仮想平面上の前記電極部の中心軸に対して垂直な方向の前記回路素子の長さをａ、前記仮想平面に対して垂直な方向の前記回路素子の長さをｂ、および前記電極部の内径をｄとすると、前記回路素子は、下記に示す距離ｘの位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載の筒形電極。
   

   

   ただし、
   

   
3. 前記基板は、前記回路素子が設けられる実装部（５６）と、外部の電気回路と前記実装部とを電気的に接続する接続部（５１、５２、５５）と、から構成され、
   前記電極部の中心軸（φ）に対して垂直な方向の前記接続部の長さ（ｗ１）は、前記電極部の中心軸に対して垂直な方向の前記実装部の長さ（ｗ２）より短いことを特徴とする請求項１または２に記載の筒形電極。
4. 燃料中に浸漬される請求項１から３のいずれか一項に記載の筒形電極と、
   前記筒形電極の径外方向に設けられる外側電極（３１）と、
   前記筒形電極と前記外側電極との間を流れる燃料の電気的特性値、および前記回路素子により検出される燃料の温度に基づき、燃料の性状を算出する回路部（６０）と、
   を備えることを特徴とする燃料性状センサ。

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