JPH06130019A - アルコール濃度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 出力特性を任意に設定することの可能なアル
コール濃度センサを提供する。 【構成】 ５０％デューティ比のパルスを発生する周知
のロジカルオシレータに抵抗２１７、２１８とダイオー
ド２１９ａ、ｂを追設して５０％以上のデューティ比の
パルスを発生するパルス発生部が構成される。パルスは
検出部２２に導かれシフト用コンデンサ２２１を介して
アルコール濃度検出用コンデンサ１１３および可変コン
デンサ２２２に交流パルスを供給する。２つのコンデン
サ１１３、２２２に充電された電荷は放電抵抗２２３に
よって放電されるが、放電電圧はインバータ２２５、２
２６で波形成形され出力部２３で直流信号に変換され
る。デューティ比、可変コンデンサの容量および放電抵
抗の抵抗値を調節することによって出力特性を任意に設
定することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアルコール濃度センサに
係わり、特にガソリンとアルコールの混合燃料中のアル
コール濃度を測定するアルコール濃度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車用内燃機関の低公害化を図
り、ガソリン消費量を節約するためにメタノール車の開
発が活発化している。特にガソリンとアルコールとを任
意の割合で混合した混合燃料（以下混合燃料と記す。）
を使用することの可能なＦＦＶ（Flexible Fuel Vehicl
e ）は燃料の自由度が高いため、実用化のための開発が
進んでいる。

【０００３】しかし混合燃料はアルコールの濃度によっ
て最適な空燃比が異なるため、混合燃料内のアルコール
濃度をアルコール濃度センサによって計測して空燃比お
よび点火時期を制御することが必要となる。アルコール
濃度センサとしては光学式と靜電容量式の２種類が提案
されているが、構造が簡単であることから靜電容量式が
主流となっている。

【０００４】即ち靜電容量式アルコール濃度センサは、
混合燃料のアルコール濃度に応じて混合燃料の誘電率が
相違することを利用し、電極板間に混合燃料を通過させ
て、電極間の靜電容量を測定することにより混合燃料の
アルコール濃度を測定する。しかしながら靜電容量を直
接計測する場合は、アルコール濃度の変化による靜電容
量の変化は微小であるだけでなく、大気温度および湿度
によって靜電容量が大きく変動するため、正確な靜電容
量は困難である。

【０００５】上記問題点を解決するために靜電容量の変
化を発振周波数の変化に変換して、アルコール含有割合
を検出するものが提案されている（実開平２−１６０５
４公報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらアルコー
ル濃度センサを実際の自動車に搭載するためには、セン
サの出力特性を調整可能であることが必要となるが、上
記提案に係るアルコール濃度センサにあっては出力特性
の調整範囲は限定されているため、例えば電子式内燃機
関制御装置に接続するためには別途インターフェイス回
路を設置することが必要となり装置が複雑化することは
避けられない。

【０００７】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あって、出力特性を任意に設定することの可能なアルコ
ール濃度センサを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明にかかるアルコー
ル濃度センサは、ガソリンとアルコールとを混合した混
合燃料の中に浸漬された一対の電極板で構成される検出
用コンデンサと、検出用コンデンサと並列に接続され合
成容量を調整するための可変コンデンサと、電極板に５
０％以上の範囲でデューティ比を設定することの可能な
パルス状の電力を供給するパルス電源と、パルス電源に
よって一対の電極と可変コンデンサとに蓄積された電荷
を放電するための抵抗値を調整することの可能な放電抵
抗と、アルコール濃度に比例する信号として放電電圧が
所定のしきい値以上である時間に比例した電圧を出力す
る出力部と、を具備する。

【０００９】

【作用】本発明にかかるアルコール濃度センサにあって
は、パルス電源から発生されるパルス状電力のデューテ
ィ比を調節することによって出力電圧を、可変コンデン
サの容量を調節することによってアルコール濃度が
“０”である時の出力電圧であるオフセット電圧を、放
電抵抗の抵抗値を調整することによってゲインが変更さ
れる。

【００１０】

【実施例】図１は本発明にかかる第１のアルコール濃度
センサの１実施例の断面図であって、筐体１１は中空で
あり、燃料ポンプ（図示せず。）から吐出された燃料は
供給側燃料流路１１１を通って筐体１１内に入り排出側
燃料流路１１２を介して内燃機関（図示せず。）に供給
される。

【００１１】筐体１１の上部にはホルダ１２が搭載され
ており、ホルダ１２の中には電子回路を形成する基板１
２１が収納されている。アルコール濃度を混合燃料の温
度変化により補償するための基板１２１に取り付けられ
た温度センサ１２２は、ホルダ１２および筐体１１を貫
通して、温度検知部分が混合燃料中に浸漬するように設
置されている。

【００１２】アルコール濃度検出用の一対の電極板１１
３ａおよび１１３ｂとで構成される検出用コンデンサ１
１３は絶縁材料で作られたスタッド１１４上に同じく絶
縁材料で作られたスペーサ１１５を介して設置されてい
る。検出用コンデンサ１１３には一対のリード線１１６
および１１７が引き出されて、基板１２１に接続されホ
ルダ１２および筐体１１を貫通する一対の端子１２３お
よび１２４に接続されている。即ち検出用コンデンサ１
１３は、電極板間に存在するアルコールの濃度に依存す
る誘電率を測定するために使用される。

【００１３】基板１２１上の電子回路の出力は、電気信
号としてケーブル１２５によって外部に取り出される。
図２は基板１２１上に形成される第１アルコール濃度セ
ンサの回路図であって、パルス発生部２１、検出部２２
および出力部２３から構成されている。パスル発生部２
１は検出部に電力を供給するパルス電源として機能する
が、第１、第２および第３のインバータ２１１、２１２
および２１３とフィードバック用の第１の抵抗および第
１のコンデンサ２１４および２１５で基本回路が構成さ
れる。

【００１４】しかし基本回路だけではデューティ比５０
％のパルスが発生されるだけであり、本発明で必要な５
０％以上のデューティ比を有するパルスを発生すること
はできない。そこで第４のインバータ２１６、第２の抵
抗２１７と第３の抵抗２１８および第１のダイオード２
１９ａと第２のダイオード２１９ｂとを付加し、５０％
以上のデューティ比のパルスの発生を可能とする。

【００１５】なお第２の抵抗２１７あるいは第３の抵抗
２１８の抵抗値を調整することによりデューティ比を変
更することが可能となる。パルス発生部２１で発生され
たパルスは零ボルトと正電圧電源との間でオンオフを繰
り返す正方向パルスであるが、この正方向パルスを直接
検出用コンデンサ１１３に印加した場合は、直流である
出力信号にドリフトが発生することは避けることができ
ない。

【００１６】出力信号のドリフトは、パルス発生部２１
で発生するパルスを正電圧と負電圧との間でオンオフを
繰り返す交流パルスとすることにより解決することがで
きるが、パルス発生部２１を駆動する電圧を正負２電源
とする必要がある。しかし車載用のアルコール濃度セン
サとして適用するためには、単一電源とすることが必要
である。

【００１７】本実施例においては、単一電源での動作を
解決するためにパルス発生部２１に直列に接続されるシ
フト用コンデンサ２２１を介してアルコール濃度センサ
を構成する検出用コンデンサ１１３および可変コンデン
サ２２２にパルスが供給される。ここで可変コンデンサ
２２２の容量値を調整することにより、検出用コンデン
サ一対の電極板１１３および１１４と可変コンデンサ２
２２とで構成される合成コンデンサの容量を調整するこ
とが可能となる。

【００１８】即ち図２に示す実施例のように検出用コン
デンサ１１３と可変コンデンサ２２２とが並列に接続さ
れた場合は、合成コンデンサの容量Ｃｃは次式で表され
る。 Ｃｃ ＝ Ｃｖ ＋ Ｃｓ （１） 検出用コンデンサ１１３および可変コンデンサ２２２の
他端には、放電抵抗２２３の一端に接続される。なお放
電抵抗２２３の他端は接地されている。

【００１９】さらに放電抵抗２２３と並列にクランプ用
である第３のダイオードが接続されており、後段の回路
に負電圧が伝達されることを防止する。検出用コンデン
サ１１３、可変コンデンサ２２２と放電抵抗２２３とは
放電回路を構成し、シフト用コンデンサ２２１の出力が
正電圧である時に合成コンデンサに充電され、シフト用
コンデンサ２２１の出力が負電圧に反転した時に放電抵
抗２２３によって放電が行われる。

【００２０】放電電圧は第５および第６のインバータ２
２５および２２６によって矩形波に成形されるため、第
６のインバータ２２６の出力信号は放電電圧が所定のし
きい値電圧である時間に比例するパルス信号、即ち検出
用コンデンサ１１３の電極板間に存在する混合燃料の誘
電率に比例したパルス信号が出力される。従って放電抵
抗２２３の抵抗値Ｒを調整することにより放電時定数を
変更すること、即ち第６にインバータ２２６の出力パル
スのデューティ比を調整することが可能となる。

【００２１】第６のインバータ２２６の出力パルスは出
力部２３に伝送されるが、第４の抵抗２３１と第３のコ
ンデンサ２３２とで構成される平滑回路で平滑化され、
トランジスタ２３３のドレンから検出用コンデンサ１１
３の電極板間に存在する混合燃料の誘電率に比例した電
圧が出力される。図３は図２に示す第１のアルコール濃
度センサの回路の各部の波形図であって、横軸に時間、
縦軸に電圧をとる。

【００２２】図３（ａ）はパルス発生部２１の出力パル
ス波形、図３（ｂ）はシフト用コンデンサの出力波形、
図３（ｃ）は放電波形、図３（ｄ）は検出部の出力波
形、そして図３（ｅ）は出力部２３から出力される直流
信号を示している。図３（ａ）および図３（ｂ）から理
解できるように、パルス発生部２１の出力が正方向パル
スであっても、シフト用コンデンサ２２１の出力は交流
パルスとなり、出力信号のドリフトを抑制することが可
能となる。

【００２３】ここで放電電圧のしきい値を電源電圧の１
／２に設定すれば、トランジスタ２３３から出力される
信号電圧Ｖは次式で表される。 Ｖ ＝ −（ln０．５）・Ｒ・Ｃｃ ＝ −（ln０．５）・Ｒ・（Ｃｖ ＋ Ｃｓ） （２） 従って、検出用コンデンサ１１３の一対の電極板１１３
ａおよび１１３ｂ間に存在する混合燃料の誘電率が変化
すれば、検出用コンデンサ１１３の容量値Ｃｓが変化
し、出力電圧Ｖも変化するがゲインは放電抵抗２２３の
抵抗値によって調整することが可能となり、検出用コン
デンサ１１３の容量値Ｃｓが“０”であるときの出力電
圧は可変コンデンサ２２２の容量値によって調整するこ
とが可能となる。

【００２４】図４はアルコール濃度センサの出力特性図
であって、横軸に検出用コンデンサ容量Ｃｓを、縦軸に
信号電圧Ｖをとる。そして点線は出力特性調整前の出力
特性であって、最大出力電圧はＶmax ’、オフセット電
圧はＶoffset’、ゲインはＫ’である。実線は出力特性
調整後の出力特性であって、パルス発生部２１で発生さ
れるデューティ比を大とすることによって最大出力電圧
をＶmax に、可変コンデンサ２２２の容量値を小とする
ことによってオフセット電圧をＶoffsetに、放電抵抗２
２３の抵抗値を大とすることによりゲインをＫに変更す
ることが可能となる。

【００２５】検出精度を改善するために、検出用コンデ
ンサ１１３の電極板１１３ａおよび１１３ｂの板面積を
大とすることが有効である。図５は電極板面積を大とす
ることの可能な検出用コンデンサ１１３の構造図であっ
て、（ａ）は１枚の電極板の形状図、（ｂ）は１枚の電
極板の組み立て状態の斜視図、（ｃ）は検出用コンデン
サの組み立て状態の斜視図を表す。

【００２６】即ち１枚の電極板（１１３ａあるいは１１
３ｂ）を、（ａ）に示すように２つの円板５１および５
２を接続板５３で接続した形状とする。なお一方の円板
５１にはリード線（１１６あるいは１１７）を半田付け
あるいはかしめによって接続するための小片５４が設け
られている。次に（ｂ）に示すように２つの円板５１お
よび５２が平行となるように接続板５３を直角に折り曲
げ、小片５４にリード線を接続する。

【００２７】このように加工した電極板を２つ嵌合させ
ることによって、検出用コンデンサ１１３とすることが
できる。この形状とすることによって検出用コンデンサ
１１３の構造的強度が確保できるとともに、電気的な接
続を確実なものとすることが可能である。混合燃料は燃
料タンク（図示せず）に貯蔵されるが、振動により混合
燃料中に気泡が発生することがある。この気泡が上記の
アルコール濃度センサを通過した場合には測定誤差とな
って表れる。

【００２８】即ち、 ガソリンの比誘電率 ＝ ２．０ ネタノールの比誘電率 ＝３３．６ 空気の比誘電率 ＝ １．０ であるため、特にアルコール濃度の高い混合燃料である
場合には出力電圧は大きく低下する。

【００２９】図６は気泡を含有する混合燃料のアルコー
ル濃度を計測した場合の出力信号波形図であって、横軸
に時間を、縦軸に出力電圧をとる。図６（ａ）は図２に
示す回路の出力信号波形であって、気泡を含有する混合
燃料が検出コンデンサ１１３の電極板間を通過する度に
出力信号は減少するため、出力信号にはスパイク状のノ
イズが重畳する。

【００３０】図７は上記問題点を解決するために、出力
部２３にスパイクノイズ除去回路を追設した場合の回路
図を示す。図７（ａ）はトランジスタ２２３のドレンで
ある出力端子の後段にピークホールド回路２３６を追設
した場合の回路図であって、ピークホールド回路は周知
の回路を使用することが可能である。

【００３１】図７（ｂ）はトランジスタ２２３のドレン
である出力端子の後段に積分回路２３７を追設した場合
の回路図であって、積分回路２３７は第４のダイオード
２３７ａ、第７と第８の抵抗２３７ｂと２３７ｃおよび
第４のコンデンサ２３７ｄから構成される。そして第８
の抵抗２３７ｃの抵抗値を第７の抵抗２３７ｂの抵抗値
より大きくすることによって、出力信号が減少するノイ
ズに対してだけ積分動作がはたらく。

【００３２】図６（ｂ）は、図７の回路によって気泡を
含有する混合燃料のアルコール濃度を計測した場合の出
力信号波形であって、スパイク状のノイズが除去され平
坦な出力信号を得ることができる。なおアルコール濃度
センサは内燃機関近傍に設置されること場合が多いた
め、筐体１１が加熱された場合には検出用コンデンサ１
１３の電極板１１３ａおよび１１３ｂにも熱が伝導され
て、電極板１１３ａおよび１１３ｂ上で気泡が発生し測
定誤差を生じる。

【００３３】上記問題を解決するためにスタッド１１４
およびスペーサ１１５を断熱性を有する絶縁材料とする
ことにより、電極板１１３ａおよび１１３ｂへの熱伝導
が抑制され、測定精度を改善することが可能である。ま
た筐体１１を金属製とした場合には、検出用コンデンサ
１１３と筐体１１との間に浮遊容量が生じ、計測精度に
誤差を生じることは避けられない。

【００３４】図８は検出用コンデンサと筐体１１との間
に発生する浮遊容量を考慮した等価回路であって、図８
（ａ）は図１に示すように検出用コンデンサ１１３とし
て一対の平行電極板１１３ａおよび１１３ｂとした場合
の等価回路である。即ちパルス発生部２１に接続される
電極板１１３ａと筐体１１との間には浮遊容量Ｃf1が生
じ、出力部２３に接続される電極板１１３ｂと筐体１１
との間には浮遊容量Ｃf2が生じ、図８（ｂ）に示すよう
に検出用コンデンサ１１３の電極板１１３ａが浮遊容量
Ｃf1で、電極板１１３ｂが浮遊容量Ｃf2で接地された回
路となる。

【００３５】図９は浮遊容量の影響をシミュレーション
により検証したグラフであって、図９（ａ）は浮遊容量
Ｃf1が検出用コンデンサ１１３の容量の１／２である場
合を、図９（ｂ）は浮遊容量Ｃf1が略零であり浮遊容量
Ｃf2が検出用コンデンサ１１３の容量の１／２である場
合を示している。このグラフから明らかなように、浮遊
容量Ｃf1を略零とすれば、検出精度は相対的に約２０％
改善可能である。

【００３６】図８（ｃ）および図８（ｄ）は浮遊容量Ｃ
f1を略零とし、検出精度を向上させることの可能な検出
用コンデンサの構造図である。即ち図８（ｃ）は電極板
１１３ｂを相互に接続された複数枚（図８（ｃ）におい
ては２枚）の電極板とし、その間に奇数枚（図８（ｃ）
においては１枚）の電極板１１３ａを挿む構造であり、
（ｄ）は電極板１１３ｂを中空の直方体あるいは円筒状
とし、その中に電極板１１３ａを設置する構造である。

【００３７】上記実施例においては、検出用コンデンサ
１１３はパルス発生部２１と直列に接続されるので、電
極板１１３ａおよび１１３ｂは両方とも筐体１１から絶
縁されていることが必要である。従ってリード線および
端子を一対設置する必要があるだけでなく、リード線間
および端子間の絶縁を確実なものとする必要があるため
構造が複雑となる。

【００３８】図１０は検出用コンデンサの構造を簡単に
した第２のアルコール濃度センサの断面図であって、筐
体１１を検出用コンデンサ１１３の一方の電極板として
使用するものである。なお図１と同一の参照番号は同一
の部品を示す。即ち検出用コンデンサ１１３の一方の電
極板１１３ａは、絶縁材料で作られたスタッド１１４に
よって筐体１１の底面と平行に設置される。他の一方の
電極板１１３ｂは筐体１１である。

【００３９】一方の電極板１１３ａはリード線１１６に
よって、一方の端子１２３に接続される。また他の一方
の端子１２４はリード線１１７によって筐体１１と接触
しているホルダ１２に接地される。図１１は第２のアル
コール濃度センサの回路図であって、検出部２２だけが
図２の回路図と異なる。

【００４０】即ち検出用コンデンサ１１３および可変コ
ンデンサ２２２と放電抵抗２２３とを入れ換えて、シフ
ト用コンデンサ２２１に放電抵抗２２３の一端が接続さ
れている。放電抵抗２２３の他の一端は第５のインバー
タ２２５に接続されるとともに、検出用コンデンサ１１
３、可変コンデンサ２２２およびクランプ用ダイオード
２２４を介して接地されている。

【００４１】この第２のアルコール濃度センサによれ
ば、浮遊容量は本質的に問題とはならず測定精度を向上
することが可能となる。

【００４２】

【発明の効果】本発明にかかるアルコール濃度センサに
よれば、出力信号の最大電圧、ゲインおよびオフセット
電圧を独立して調整して出力特性を任意に設定すること
が可能となり、例えばＥＣＵ（内燃機関用電子制御装
置）である電子回路に接続する場合にも特にインターフ
ェイス回路を使用する必要はなく、構造を簡略化するこ
とが可能であるばかりでなく経済的にも有利である。

【００４３】さらに上記に説明した実施例によれば、単
一電源で駆動可能となるだけでなく浮遊容量に起因する
測定誤差を少なくでき、検出用コンデンサの構造を簡略
化することも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は第１のアルコール濃度センサの断面図で
ある。

【図２】図２は第１のアルコール濃度センサの回路図で
ある。

【図３】図３は第１のアルコール濃度センサの波形図で
ある。

【図４】図４はアルコール濃度センサの出力特性図であ
る。

【図５】図５は検出用コンデンサの構造図である。

【図６】図６は気泡を含有する場合の出力信号波形図で
ある。

【図７】図７はスパイクノイズ除去回路を追設した場合
の回路図である。

【図８】図８は検出用コンデンサの等価回路図である。

【図９】図９は浮遊容量の影響の検証グラフである。

【図１０】図１０は第２のアルコール濃度センサの断面
図である。

【図１１】図１１は第２のアルコール濃度センサの回路
図である。

【符号の説明】

２１…パルス発生部 ２２…検出部 ２２１…シフト用コンデンサ １１３…検出用コンデンサ ２２２…可変コンデンサ ２２３…放電抵抗 ２２４…クランプ用ダイオード ２３…出力部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加茂 尚 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 西野 典明 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガソリンとアルコールとを混合した混合
   燃料の中に浸漬された一対の電極板で構成される検出用
   コンデンサと、 前記検出用コンデンサと並列に接続された合成容量を調
   整するための可変コンデンサと、 前記電極板に５０％以上の範囲でデューティ比を設定す
   ることの可能なパルス状の電力を供給するパルス電源
   と、 前記パルス電源によって、前記一対の電極と前記可変コ
   ンデンサとに蓄積された電荷を放電するための、抵抗値
   を調整することの可能な放電抵抗と、 アルコール濃度に比例する信号として、放電電圧が所定
   のしきい値以上である時間に比例した電圧を出力する出
   力部と、を具備するアルコール濃度センサ。