JPH0549178B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、ガソリン・アルコールなどの混合
比検出装置に関する。

［従来の技術とその問題点］ 例えば、自動車の内燃機関にあつては、近年で
は燃料にガソリンとアルコールとの混合流体を用
いることが考えられている。この混合燃料で良好
な機関の出力を得るには、混合比を連続的に検知
して、この情報を自動燃焼制御装置にフイードバ
ツクして最適の点火時期を確保する必要がある。

このため燃料の混合比検出装置が必要になつて
おり、この検出装置は、両端に発光素子および受
光素子を配置した透光体を備え、この透光体の外
周面に混合燃料を流動させるように構成してい
る。

そして、発光素子により透光体に向けて光を発
し、全反射により通過する光量により受光素子か
ら発生する出力を検知している。この出力の何如
により透光体の流体に対する屈折率を測定し、こ
の屈折率に基づいて燃料の混合比を算出してい
る。

ところが、受光素子および発光素子を透光体の
両端にそれぞれ配置しているため、これらの素子
を収納するケースが個別に要求され、勢い構造の
複雑化を招きコスト的に不利になるとともに、組
立て工数が増加する不都合ある。したがつて、全
体の構造がコンパクトになり、コスト的に有利に
なるとともに、組立て工数の低減化に寄与できる
混合比検出装置が登場することが望まれている。

［発明の目的］ この発明は上記の期待に応えるべくなされたも
ので、その目的は厚み方向寸法を小にでき薄型化
が図られ全体の構造がコンパクトになり、コスト
的に有利になるとともに、組立て工数の低減化に
寄与できる混合比検出装置を提供するにある。

［問題点を解決するための手段］ この発明は、屈折率が異なる二種類の流体から
なる流体の通路に望ませた面を前記流体との境界
面とする平板状の透光体と、前記透光体の他方の
両側に配置され、前記流体の通路を指向した平面
を有する基台と、該基台の前記平面上に配置さ
れ、前記透光体へ向かつて発光する発光素子と、
前記流体と前記透光体との前記境界面における前
記発光素子の反射光を受光するために前記基台の
前記平面上に配置され、前記二種類の液体のうち
一方の液体に対する臨界角から他方の液体に対す
る臨界角に至るまでの反射光を常時受けられるよ
うに、前記発光素子との間隔およびその受光面の
大きさが設定された受光素子と、該受光素子の前
記受光面全体の受光量に応じて前記流体における
前記二種類の液体の混合比を検出する混合比検出
手段とからなる技術的手段を採用する。

［作用および発明の効果］ 受光素子及び発光素子を共に透光体の他端面側
の内部に配置し、素子どうしの間隔寸法並びに受
光素子の大きさ寸法を、透光体の一方の液体に対
する臨界角から透光体の他方の液体に対する臨界
角に至るまでの反射光を受けられる関係に設定し
たので、臨界角が小さい側の液体が多い場合に
は、混合比に応じて決まる臨界角以上の入射角の
光による反射光を多く含むが、臨界角が大きい側
の液体が多い場合には、臨界角以上の入射角の光
による反射光は少なくなる。これにより、受光素
子において受光される光の受光量は、二種類の液
体からなる流体の混合比に応じて決まり、受光量
に応じて二種類の液体の混合比を、光量によつて
特定することができる。

従つて、流体の通路に臨ませるセンサ部分に、
それぞれ配置される透光体、発光素子、受光素子
の構成において、厚み方向の寸法が小になり、薄
型化が可能となり全体的にコンパクトな構造が得
られ、コスト的に有利になるとともに、受光素子
および発光素子を別々に収容した各ケースを逐一
取付けなければならないものと相違して、組立て
工数を削減でき、これに伴い迅速な組立作業が得
られ、ひいては生産性の向上に繋がるといつた優
れた効果を有する。

［実施例］ 以下この発明を自動車の内燃機関に適用した各
実施例を図面を参照して説明する。

先ず、第１図および第２図に示す第１実施例に
おいて、１は屈折率検出用のセンサで、これは後
述する第５図に示すように、電子式燃料噴射装置
において、ガソリンとメタノールとの混合液を収
容した燃料タンク２０とプレツシヤレギユレータ
２３とを連結するパイプ２３ａに取り付けられて
いる。このパイプ２３ａの側壁には、取付口２が
内外を貫通する状態に形成されている。この取付
口２のパイプ２３ａの内部側には、透光体、例え
ば平坦状のフリントガラス３が接着剤により液密
状態に取り付けられている。さらに、取付口２に
は、内部に位置する基台４を備えた取付板４ａが
配設され、この取付板４ａは基台４ととものケー
スＫを構成し、取付口２の開口周縁部に溶接ある
いは接着剤などにより接合されている。基台４に
は、発光素子５および受光素子６が所定の距離を
隔てて同一面上に位置した状態でフリントガラス
３に対向するように設置されている。これら発光
素子５および受光素子６は、例えば透光性のエポ
キシ樹脂により一体的にモールド成形されてい
る。このモールド成形により基台４とフリントガ
ラス３との間はエポキシ樹脂のモールド層Ｍで充
填され、これらの間に空気層が生じないようにし
ている。そして、発光素子５と受光素子６との距
離寸法の設定ならびに、受光素子６の大きさ寸法
の設定は第３図に示す原理に基づいている。この
第３図において、フリントガラス３がメタノール
液のみ接触していて発光素子５の点Ｏから出た光
が境界相の点Ｐに臨界角ΘMで入射して点Ｑに反
射するとき距離OQを１とする。また、フリント
ガラス３がガソリン液のみ接触していて発光素子
５の点Ｏから出た光が境界相の点Ｒに臨界角ΘG
で入射して点Ｓに反射するとき距離QSをωとす
る。そして、メタノール液およびガソリン液の屈
折率をそれぞれnMおよびnGとし、フリントガラ
ス３の厚み寸法および屈折率をそれぞれｄおよび
nLとする。すると、反射の法則から sinΘM＝nM／nL sinΘG＝nG／nL 距離OQ＝2dtanΘM 距離OS＝2dtanΘG これにより１≦2dtanΘM （１＋ω）≧2dtanΘGの各等式が成り立つ。

このときωを予め決定しておけば、 ≦2dtanΘM≧１≧（2dtanΘG−ω）となる。

反射の法則からsinΘMおよびsinΘGの値が分る
ので、tanΘMおよびtanΘGが算出でき距離１を
設定できる。

このようにして一般には両素子５，６間の距離
１の大きさが設定されるが、実際には本実施例の
如く取り付ける際の便宜もあつて、透光体はフリ
ントガラス３とモールド層Ｍとの二相から成つて
いる。この場合には、発光素子５と受光素子６と
の距離寸法の設定ならびに、受光素子６の大きさ
寸法の設定は第４図に示す原理に基づいている。
この第４図において、モールド層Ｍの厚みおよび
屈折率をそれぞれd1およびnL1とし、フリントガ
ラス３の厚みおよび屈折率をそれぞれd2および
nL2とする。モールド層Ｍのメタノール液に対す
る臨界角、モールド層Ｍのガソリン液に対する臨
界角、フリントガラス３のメタノール液に対する
臨界角ならびにフリントガラス３のガソリン液に
対する臨界角をそれぞれΘM1、ΘG1、ΘM2およ
びΘG2とする。

すると、反射の法則によりsinΘM1＝nM／
nL1、sinΘM2＝nM／n12、sinΘG1＝nG／nL1、
sinΘG1＝nG／nL2の各等式が得られる。一方、
寸法l1は距離AEに等しくω1＋l1は距離AIに等し
い。

ここで、第４図を参照して距離AEを求めるべ
く光路ABCDEについて考えると、 距離AE＝2d1tanΘM1＋2d2tanΘM2 また、光路AFGHIについて考えると、距離Ａ Ｉ＝2d1tanΘG1＋2d2tanΘG2 よつて、１≦2d1tanΘM1＋2d2tanΘM2ならびに
（１＋ω1）≧2d1tanΘG1＋2dtanΘG2の各等式が得
られる。

ここで予めω1の値を決めておけば、不等式
2d1tanΘM1＋2d2tanΘM2≧l1≧2d1tanΘG1＋
2d2tanΘG2−ω1が成り立つ。

このようにして、発光素子５および受光素子６
との距離間隔寸法l1ならびに、受光素子６の大き
さω1がそれぞれ設定されている。

つぎに、第５図は、このセンサ１を適用した電
子式燃料噴射装置が組み込まれた自動車用エンジ
ンの作動制御システム図である。この第５図にお
いて、３７はエンジンシリンダ、５０はエンジン
のキースイツチ、５１は制御回路、５５は電源と
しての蓄電池、２０は燃料タンクである。２１は
燃料ポンプ、２３は燃料タンク２０からパイプ２
３ａを介して接続されたプレツシヤレギユレータ
で、パイプ２３ａ内には、本発明に関わるセンサ
１が設けられている。２４はインジエクタ、２６
はコールドスタートインジエクタ、２５はイグニ
シヨンコイル、３０はエアクリーナ、３１はエア
バルブ、３２はエアフローメータ、３３はスロツ
トルバルブ、３４はスロツトルバルブポジシヨン
センサ、３５は吸気管、３６は排気管である。ま
た、５２は酸素センサ、５３はエンジン冷却水温
センサである。

また、第６図は発光素子５および受光素子６が
組み込まれた電子回路図を示す。この電子回路図
において、７は演算増幅器で、これの負端子７ａ
は入力端子７ｃに接続されるとともに、温度補償
用に電気抵抗体８および発光素子５を順に介して
共通線９に接続されている。一方、演算増幅器７
の正端子７ｂは電気抵抗体１０およびツエナーダ
イオード１１を順に介して共通線９に接続されて
いる。この演算増幅器７の正端子７ｂにおける入
力電圧（E1）はツエナーダイオード１１によつ
て所定の大きさに維持され、出力電圧（E0）も
所定の大きさに維持されるが、出力電流（I0）の
電圧降下の大小によつて変化する。すなわち、周
囲温度が高くなつて発光素子５の電圧降下が小さ
くなると、出力電流（I0）が大きくなる。また、
周囲温度が低くなつて発光素子５の電圧降下が大
きくなると、出力電流（I0）が低くなる。このよ
うにして、発光素子５には周囲温度の変化によつ
て発光効率の変化を補う大きさの電流が流れるよ
うになり温度補償作用が得られる。さらに、１２
は演算増幅器で、これの正端子１２ａと負端子１
２ｂとの間には受光素子６が接続され、正端子１
２ａは共通線９に接続され、負端子１２ｂは電気
抵抗体１３を介して出力端子１２ｃに接続されて
いる。そして、この演算増幅器１２における出力
端子１２ｃと共通線９との間には、第５図の入力
部５１ａを介して制御回路５１に接続されてい
る。

つぎに、上記の構成をセンサ１の作動とともに
説明する。

キースイツチ５０の操作に伴いエンジンが起動
し、制御回路５１に給電される。これに伴い燃料
タンク２０内のガソリンとメタノールとの混合燃
料が燃料ポンプ２１により燃料配管２２を介して
インジエクタ２４に供給される。インジエクタ２
４は、制御回路５１によりエンジンの運転条件な
どに最適となるように計算された時期および量で
吸気管３５内に噴射する。

一方、センサ１においては、制御回路５１から
電圧が印加され、電圧が発光素子５に与えられて
発光素子５が光を発する。このような発光素子５
からの光は、第１図に示すようにモールド層Ｍを
通過し、フリンドガラス３に入り、このフリント
ガラス３と混合燃料との境界部で反射しフリント
ガラス３およびモールド層Ｍを逆方向に戻つて受
光素子６に入射する。

このとき、フリントガラス３の外周面にはガソ
リンとメタノールとの混合燃料が接触状態に流動
しており、ガソリンとメタノールとの混合比が変
動する毎に、混合燃料の屈折率が変化するためフ
リントガラス３に対する発光素子５からの光の臨
界角が変る。そして、屈折率の変化からガソリン
とメタノールとの混合比と受光素子６に入射する
光量との関係があらかじめ用意されて、これらの
データが制御回路５１に入力されている。

しかして、受光素子６に入射した光は電流に変
換されて入力部５１ａを介して制御回路５１に供
給される。この出力の大きさにより制御回路５１
がインジエクタ２４に対する最適の噴射量および
噴射時期を計算してエンジンの出力を良好に維持
するものである。

このように上記構成によれば、受光素子および
発光素子を同一側に収納するとともに、発光素子
と受光素子との間隔寸法ならびに受光素子の大き
さ寸法は、透光体の一方の流体に対する臨界角か
ら透光体の他方の流体に対する臨界角に至るまで
の反射光を受けられる関係に設定したので、厚み
方向の寸法が小になり、薄型化が可能となり全体
的にコンパクトな構造が得られ、コスト的に有利
になるとともに、受光素子および発光素子を別々
に収容した各ケースを逐一取付けなければならな
いものと相違して、組立て工数を削減でき、これ
に伴い迅速な組立作業が得られ、ひいては生産性
の向上に繋がる構造が簡素で全体的にコンパクト
になるとともに、組立て工数が低減し、コスト的
に有利で組立作業が迅速で済み、ひいては生産性
の向上に結び付く。しかも、センサ１全体の薄型
化が可能になつたことに伴い、センサ１全体が取
付口２内に収容されてしまうので、センサ１の一
部がパイプ２３ａ内に突出するものと相違して混
合燃料の流路抵抗になるものがなく混合燃料の円
滑な流動状態が得られる。

つぎに、本発明の第２実施例を第７図ないし第
９図を参照して説明する。この第２実施例では、
別途に温度補償用の受光素子PDcを第７図および
第８図に見られる如く基台４上に設けている。こ
の受光素子PDcは、細片状を成し受光素子６の発
光素子５から離れた側に隣接状態に位置し、発光
素子５から発しフリントガラス３の境界部にすべ
ての被測定液体に対する臨界角以上で入射して全
反射する光のみを受け、被測定液体に無関係に受
光量が常に一定となるように設定している。

かかる受光素子PDcは、第９図に示す電子回路
に組み込まれている。すなわち、受光素子６側の
結線状態は第６図と同様であり、受光素子PDcは
第１の演算増幅器７０の正負の両端子７０ａ，７
０ｂ間に接続され、負端子７０ｂと受光素子PDc
との共通点は抵抗Ｒ１を介して第１の演算増幅器
７０の出力端子７０ｃに接続されている。この出
力端子７０ｃは抵抗Ｒ２を介して第２の演算増幅
器７１における負端子７１ｂに接続され、この負
端子７１ｂと出力端子７１ｃとの間にはハンチン
グ防止用のコンデンサ７２を接続している。この
コンデンサ７２と出力端子７１ｃとの共通点から
は発光素子５を介して接地されている。この出力
端子７１ｃと発光素子５との共通点は抵抗Ｒ３を
介して第３の演算増幅器７３の正端子７３ａに接
続され、該演算増幅器７３の負端子７３ｂは抵抗
Ｒ４を介して出力端子７３ｃに接続されている。
そして、この抵抗Ｒ４と出力端子７３ｃとの共通
点は抵抗Ｒ５を介して第２の演算増幅器７１に帰
還し、その正端子７１ａに接続されている。

さて、運転時などに周囲温度の変化に伴い受光
素子６からの出力は、７１ａの電圧を一定とする
と演算増幅器７１の動作として受光素子PCcの出
力が一定になるように受光素子５の通電量を制御
するのでこの時被測定液体の屈折率が一定であれ
ば受光素子６の出力は一定となるが、周囲温度の
変化により被測定液体の屈折率は変化するので第
１０図において縦軸を出力電圧、横軸を温度とす
る座標に実線で示すように、温度の上昇につれて
次第に増加するように変化する。

また、発光素子５は、第１１図に縦軸を電圧降
下、横軸を温度とする座標に示すように、両端に
加わる電圧を周囲温度の上昇に伴い漸次降下させ
る。しかして、第１１図の態様で変化する発光素
子５の両端間の電圧は、正端子７３ａを介して第
３の演算増幅器７３に送られ、出力端子７３ｃか
ら電圧が第１２図に示すように出力される。この
第１２図には、縦軸を電圧、横軸を周囲温度とし
ており、周囲温度の上昇に伴い出力される電圧が
次第に減少する様子を示している。

この結果、上昇温度に伴い漸減する電圧が第２
の演算増幅器７１の出力端子７１ｃを介して発光
素子５の両端に印加され、この発光素子５の発光
量は逓減する。これにより受光素子６からの出力
電圧は、漸減し第１０図に破線で見られるよう
に、周囲温度の変化に関係なく略一定の出力電圧
が得られる状態となる。

ところで、発光素子は一般に、長期使用に伴い
経時変化により発光強度が例えば１千時間の運転
で数パーセント、１万時間の運転で10パーセント
ないし20パーセント程度低下するが、この場合に
は補償用の受光素子PDcの受ける光量が減少し、
その出力が低下することから第１の演算増幅器７
０からの出力電圧が低下する。このように低下し
た出力電圧は、第２の演算増幅器７１の負端子７
１ｂに入力され、増幅を受けて出力端子７１ｃか
ら出力されるため発光素子５には、上昇した出力
電圧が印加され、発光素子５の発光量が増加し光
強度の低下が補償される。

この場合、フリントガラス３の表面に長期使用
につれてデイポジツトなどが付着して発光素子５
の光がデイポジツトに吸収され反射量が減少し、
受光素子PDcが受ける光量が減つても上記と同様
にして第２の演算増幅器７１により上昇を受けた
出力電圧が発光素子５に印加される。このためデ
イポジツトなどの付着による光量の減少が補償さ
れる。

なお、上記実施例では、第１図に示すように、
モード層Ｍとフリントガラス３との間に空気層が
生じないように構成したが、取付時に不可避的に
空気層が生じてしまう場合には、第１３図に示す
ように、ガソリンとメタノールとの混合液よりも
屈折率の大きい透光性材料、例えばタービン油や
透光性のシリコンゴムなど（便宜上、第１３図に
記号Ｚで示す）により空気層を充填するようにし
てもよい。

なお、上記の各実施例においては、互いに共通
する同一部分には同一符号を付して異なる部分の
み説明した。

また、上記実施例では、モールド層Ｍをエポキ
シ樹脂により形成したが、透明なシリコン樹脂に
より形成してもよい。

さらには、上記実施例では、透光体をフリント
ガラス３から形成したが、鉛ガラスや強化ガラス
あるいは耐腐蝕性材料の透明なプラスチツクでも
よく、要は透光性材料で成つていればよい。

また、上記実施例では、ガソリンとメタノール
といつた自動車における内燃機関の燃料混合比の
検出に適用したが、これのみに限定されず、食品
工業界において、製造工程における食塩や砂糖の
濃度変位を検出し、所定の濃度を維持するように
監視する装置としても適用できるものである。

その他、具体的な実施にあたつては、混合燃料
はガソリンとメタノールに限定されないなど本発
明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はパイプとともに示すセンサの断面図、
第２図は第１図の−線に沿う横断面図、第３
図および第４図は作用説明図、第５図は自動車エ
ンジンの作動制御システム図、第６図は給電制御
回路の結線図、第７図は本発明の第２実施例を示
す第１図相当図、第８図は第２図相当図、第９図
は電子回路図、第１０図は受光素子における周囲
温度と出力電圧との関係を示すグラフ、第１１図
は周囲温度につれて発光素子の両端に加わる電圧
との関係を示すグラフ、第１２図は周囲温度によ
り第２の演算増幅器７１に印加される電圧との関
係を示すグラフ、第１３図は本発明の他の実施例
を示す第１図の部分図である。 図中３……フリントガラス（平板状の透光体）、
４……基台、５……発光素子、６……受光素子、
５１……制御回路（混合比検出手段）、２３ａ…
…パイプ（流体の通路）、Ｍ……モールド層（モ
ールド形成した樹脂）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 屈折率が異なる二種類の液体からなる流体の
   通路に望ませた面を前記流体との境界面とする平
   板状の透光体と、 前記透光体の他方の面側に配置され、前記流体
   の通路を指向した平面を有する基台と、 該基台の前記平面上に配置され、前記透光体へ
   向かつて発光する発光素子と、 前記流体と前記透光体との前記境界面における
   前記発光素子の反射光を受光するために前記基台
   の前記平面上に配置され、前記二種類の液体のう
   ち一方の液体に対する臨界角から他方の液体に対
   する臨界角に至るまでの反射光を常時受けられる
   ように、前記発光素子との間隔およびその受光面
   の大きさが設定された受光素子と、 該受光素子の前記受光面全体の受光量に応じて
   前記流体における前記二種類の液体の混合比を検
   出する混合比検出手段と からなる混合比検出装置。 ２ 前記二種類の液体は、ガソリンとアルコール
   からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の混合比検出装置。 ３ 前記透光体は、前記発光素子と前記受光素子
   とを一体にモールド形成した樹脂を有し、該樹脂
   とガラスとから二重構造をなしていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の混合比検出装
   置。