(57)【要約】【課題】本発明は、静電容量を測定することで液中アルコール濃度を検出するセンサに関し、周囲温度の変化に対して濃度測定精度を向上させることを目的とする。【解決手段】本開示における濃度センサは、交流電圧源１とコンデンサ２と検波回路４とタイミング生成回路５とを備え、タイミング生成回路５は、交流電圧源１に接続されたＡＤ変換回路１０と、ＡＤ変換回路１０に接続されたＤＡ変換回路１２と、ＤＡ変換回路１２に接続された電圧制御発振回路１４と、電圧制御発振回路１４に接続された分周回路１５を有し、ＡＤ変換回路１０のサンプリングタイミング信号は、電圧制御発振回路１４から出力されたクロック信号φ０であり、ＤＡ変換回路１２におけるサンプリングタイミング信号は、分周回路１５からの出力信号φ１であり、検波回路４の検波タイミング信号は、分周回路１５からの出力信号φ２とした。【選択図】図２
2018100932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の中に配置されるコンデンサと、
前記コンデンサに交流電圧を印加する交流電圧源と、
前記コンデンサからの出力信号を検波する検波回路と、
前記交流電圧から前記検波回路の検波タイミング信号を生成するタイミング生成回路と、を備え、
前記タイミング生成回路は、
前記交流電圧源からの出力信号をデジタル値に変換するＡＤ変換回路と、
前記ＡＤ変換回路から出力されたデジタル値をアナログ信号に変換するＤＡ変換回路と、前記ＤＡ変換回路から出力されたアナログ信号に応じたクロック信号を出力する電圧制御発振回路と、
前記電圧制御発振回路から出力されたクロック信号を分周する分周回路と、を有し、
前記ＡＤ変換回路におけるサンプリングタイミング信号は、前記電圧制御発振回路から出力されたクロック信号であり、
前記ＤＡ変換回路におけるサンプリングタイミング信号は、前記分周回路からの出力信号であり、
前記検波回路の検波タイミング信号は、前記分周回路からの出力信号である、
濃度センサ。
【請求項２】
前記ＡＤ変換回路と前記ＤＡ変換回路の間に接続された第一の演算回路と、
前記第一の演算回路に接続された補償回路とを、備えた、
請求項１に記載の濃度センサ。
【請求項３】
前記補償回路は、
温度検出回路と、
前記温度検出回路の検出結果に基づいて出力値を演算する第二の演算回路を有し、
前記第一の演算回路において、前記第二の演算回路からの出力値と前記ＡＤ変換回路からの出力値の差を演算する、
請求項２に記載の濃度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、静電容量型の濃度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジンなどの内燃機関の代替燃料として、近年、ガソリンにメタノールやエタノール等のアルコールを混合したアルコール混合燃料が検討されている。アルコール混合燃料は、アルコール濃度に応じて燃焼効率が変化するため、内燃機関の出力を制御する上で、内燃機関に供給するアルコール混合燃料のアルコール濃度を検出が重要となる。
【０００３】
そして、このような測定液中のアルコール濃度を検出する濃度センサとしては、一対の電極からなるコンデンサをアルコール混合燃料中に浸漬し、誘電率の異なるガソリンとアルコールの混合液中の電極間の静電容量変化を観察することで、アルコール濃度を検出する静電容量検出型の濃度センサが一般的に用いられている。
【０００４】
なお、静電容量検出型の濃度センサを用いる上で注意しなければならないのは、アルコールの導電性である。導電性（抵抗成分）は導電性イオンが混入することで大きく変化し、導電性（抵抗成分）にともなう電極間の電気導通成分が静電容量検出の誤差として発生する。
【０００５】
従来このような誤差成分を抑制する手法として、特許文献１では、コンデンサを形成する電極を絶縁体で覆い、電極間の電気導通を防止する構造が提案されている。また、特許文献２では、検出用コンデンサのほかに基準コンデンサを別に設け、双方の位相差の比較によりアルコール濃度の真値を求める構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１２５４６４号公報
【特許文献２】特開２００５−１２１４２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そして、このような濃度センサにおいては、上述したように、内燃機関の出力制御に関する部品であるため、さらなる検出精度の向上が求められている。
【０００８】
そこで、本開示はこのような要望に応え、濃度センサの検出精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の一態様における濃度センサは、交流電圧源とコンデンサと検波回路とタイミング生成回路とを備え、タイミング生成回路は、交流電圧源に接続されたＡＤ変換回路と、ＡＤ変換回路に接続されたＤＡ変換回路と、ＤＡ変換回路に接続された電圧制御発振回路と、電圧制御発振回路に接続された分周回路を有し、ＡＤ変換回路のサンプリングタイミング信号は、電圧制御発振回路から出力されたクロック信号であり、ＤＡ変換回路におけるサンプリングタイミング信号は、分周回路からの出力信号であり、検波回路の検波タイミング信号は、分周回路からの出力信号φ２とした。
【発明の効果】
【００１０】
この構成により、濃度センサの検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本開示の濃度センサの使用形態を示す図である。
【図２】図２は、本開示の濃度センサの回路図である。
【図３】図３は、本開示における交流電圧源からの出力信号を示す図である。
【図４】図４は、本開示における電流―電圧変換回路からの出力信号を示す図である。
【図５】図５は、本開示における検波回路での信号処理動作を示す図である。
【図６】図６は、本開示におけるタイミング生成回路における信号処理動作を示す図である。
【図７】図７は、本開示におけるタイミング生成回路における信号処理動作を示す図である。
【図８】図８は、本開示におけるタイミング生成回路における信号処理動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下では、本開示の実施の形態に係る濃度センサについて、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される形状、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００１３】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。
【００１４】
図１は、濃度センサ１００の使用形態を示した模式図である。濃度センサ１００は、基本構成として交流電圧源１、コンデンサ２、検波回路４、タイミング生成回路５とを有する。交流電圧源１の出力信号は、コンデンサ２とタイミング生成回路５に接続されている。コンデンサ２の出力は検波回路４に接続されている。タイミング生成回路５の出力は検波回路４に接続されている。コンデンサ２と検波回路４の間には、電流―電圧変換回路３が配置しているが、必ずしも電流―電圧変換回路３を配置しなくてもよい。コンデンサ２は、対向する一対の導電板で構成される。コンデンサ２は、測定対象６の中に配置される。濃度センサ１００は、測定対象６の濃度変化に伴うコンデンサ２の静電容量変化を検出する静電容量型センサである。また、交流電圧源１とコンデンサ２を除く各処理回路については、ＩＣやマイコンを用いて形成することができる。
【００１５】
なお、この実施の形態における測定対象６は、ガソリンとアルコールを混合した混合燃料である。ガソリンとアルコールは誘電率が異なるため、混合燃料に含まれるアルコールの割合によって混合燃料の誘電率が変化する。この混合燃料の誘電率の変化をコンデンサ２で検出することで、混合燃料におけるアルコールの濃度を検出する。
【００１６】
図２に濃度センサ１００の回路図を示す。タイミング生成回路５は、ＡＤ変換回路１０、演算回路１１、ＤＡ変換回路１２、フィルタ回路１３、電圧制御発振回路１４、分周回路１５、補償回路１６を有する。
【００１７】
ＡＤ変換回路１０は、交流電圧源１からの出力信号をデジタル値に変換する。演算回路１１は、補償回路１６から出力された出力値と、ＡＤ変換回路１０から出力されたデジタ
ル値の差を演算する。ＤＡ変換回路１２は、演算回路１１から出力された出力値をアナログ信号に変換する。フィルタ回路１３は、ＤＡ変換回路１２から出力されたアナログ信号を積分処理する。電圧制御発振回路１４は、フィルタ回路１３からの出力電圧に応じた周波数のクロック信号φ０を出力する。クロック信号φ０は、ＡＤ変換回路１０と分周回路１５に入力される。クロック信号φ０は、ＡＤ変換回路１０のサンプリングタイミング信号となる。分周回路１５は、クロック信号φ０を８分周し出力信号φ１、φ２を出力する。出力信号φ１と出力信号φ２の位相は９０°異なる。出力信号φ１は、ＤＡ変換回路１２のサンプリングタイミング信号である。出力信号φ２は、検波回路４の検波タイミング信号である。補償回路１６は、温度検出回路１７と、演算回路１８を有する。温度検出回路１７は、測定対象６の温度を検出する。演算回路１８は、温度検出回路１７の検出結果に応じた目標値を所定の演算式に基づき演算する。目標値とは、交流電圧源１の出力信号の温度に対応した出力値である。
【００１８】
上述したように、タイミング生成回路５において、ＡＤ変換回路１０とＤＡ変換回路１２を配置さたことで、電圧制御発振回路１４の前段にデジタル処理区間１９は配置される。タイミング生成回路５にデジタル処理区間１９を設けたことで、温度や湿度などの変動要素に対する補償情報を付加する場合において、回路規模の拡大を抑制することができる。
【００１９】
次に、検波回路４における検波処理について説明する。
【００２０】
図３に交流電圧源１からの出力信号２０を示す。図３における縦軸は、電圧を示し、横軸は時刻を示す。出力信号２０は正弦波信号であり、Ｖ（ｔ）＝Ｖｓｉｎωｔで表される。なお、時刻ｔ０、ｔ２、ｔ３、ｔ４は、出力信号２０が０Ｖと交差するタイミングを示す。
【００２１】
図４に電流―電圧変換回路３からの出力信号３０を示す。図４における縦軸は、電圧を示し、横軸は時刻を示す。図中の時刻ｔ０〜ｔ４は、図３に示す時刻ｔ０〜ｔ４と一致する。出力信号３０は、コンデンサ２から出力される電流信号を電流―電圧変換回路３により電圧信号に変換したものである。出力信号３０は、Ｉ（ｔ）＝（Ｖ／Ｒ）ｓｉｎωｔ＋（ＶωＣ）ｃｏｓωｔで表される。
【００２２】
信号３１は、出力信号３０における抵抗成分電流を示す。抵抗成分電流は、（Ｖ／Ｒ）ｓｉｎωｔで表される。信号３１は、測定対象６の導電率によって変化する。信号３１の位相は、図３に示す交流電圧源１からの出力信号２０と位相が一致する。
【００２３】
信号３２は、出力信号３０における静電容量成分電流を示す。静電容量成分電流は、（ＶωＣ）ｃｏｓωｔで表される。信号３２は、測定対象６の誘電率によって変化する。測定対象６の誘電率は、測定対象６の濃度に比例する。信号３２の位相は、図３に示す交流電圧源１からの出力信号２０の位相と９０°異なる。
【００２４】
図５に検波回路４における信号処理動作を示す。図５における縦軸は、電圧を示し、横軸は時刻を示す。なお、時刻ｔ０〜ｔ４は、図３に示す時刻ｔ０〜ｔ４と一致する。時刻ｊ０、ｊ１、ｊ２、ｊ３は、図４に示す信号３２が０Ｖと交差するタイミングを示す。
【００２５】
信号４０は、検波回路４の検波タイミング信号である。つまり、信号４０は、図２における分周回路１５の出力信号φ２である。図３に示す交流電圧源１からの出力信号２０と信号４０の位相の差は９０°である。タイミング生成回路５における検波タイミング信号の形成については後述する。
【００２６】
検波回路４における検波処理は、電流−電圧変換回路３からの出力信号３０に対して時刻ｊ０〜ｊ１の区間と時刻ｊ２〜ｊ３の区間において反転処理をおこなう。そして、反転処理を行った信号に対して時刻ｊ０〜ｊ４のタイミングで積分処理するものである。
【００２７】
電流−電圧変換回路３から出力信号３０は、上述したように、抵抗成分電流である信号３１と容量成分電流である信号３２を含む。
【００２８】
抵抗成分電流の信号３１は、時刻ｊ０〜ｊ１の区間と、時刻ｊ２〜ｊ３の区間で反転されて反転信号３１ａを形成する。反転信号３１ａは、時刻ｊ０〜ｊ４のタイミングで積分処理されることで、電圧が０Ｖの信号４１となる。つまり、抵抗成分電流は検波処理によりキャンセルされる。
【００２９】
静電容量成分電流の信号３２は、時刻ｊ１〜ｊ２の区間と、時刻ｊ３〜ｊ４の区間で反転されて反転信号３２ａを形成する。反転信号３２ａは、時刻ｊ０〜ｊ４のタイミングで積分処理されることで、電圧がｖ１Ｖの信号４２となる。
【００３０】
つまり、検波回路４から出力される信号は、抵抗成分電流の影響がキャンセルされるので、高い検出精度の濃度センサ１００が実現できる。
【００３１】
次に、タイミング生成回路５における検波タイミング信号の生成について説明する。
【００３２】
図６から図８に、タイミング生成回路５における信号処理動作を示す。図３における縦軸は、電圧を示し、横軸は時刻を示す。
【００３３】
信号５０は、ＡＤ変換回路１０のサンプリングタイミング信号である。つまり、信号５０は、電圧制御発振回路１４から出力されたクロック信号φ０である。信号５０は、交流電圧源１の出力信号２０を８逓倍したパルス波である。ＡＤ変換回路１０は、信号５０の立下り時刻ｓ０〜ｓ７において出力信号２０をサンプリングしたデジタル値を出力する。時刻ｓ０、ｓ４は、交流電圧源１の出力信号２０が０Ｖとなるタイミングと一致している。信号５１は、ＤＡ変換回路１２のサンプリングタイミング信号である。信号５１は、分周回路１５出力信号φ１である。信号５１の周波数は、交流電圧源１からの出力信号２０の周波数と一致する。ＤＡ変換回路１２は、信号５１の立下りタイミングでデジタル値をサンプリングしアナログ信号として出力する。したがって、クロック信号φ０は、時刻ｓ０のタイミングにおいて交流電圧源１の出力信号２０と同期するように制御される。信号５２は、分周回路１５の出力信号φ２である。信号５１と信号５２の位相の差は９０°である。
【００３４】
図６は、信号５０と出力信号２０の位相が時刻ｓ０において一致している状態での信号処理動作を示す。この場合、時刻ｓ０における出力信号２０の電圧２０ａが０Ｖなので、ＡＤ変換回路は０をデジタル値として出力する。したがって、後段に配置された電圧制御発振回路１４の出力クロックφ０の状態が維持される。
【００３５】
図７は、時刻ｓ０のタイミングにおいて出力信号２０の位相が進んだ状態での信号処理動作を示す。この場合、時刻ｓ０における出力信号２０の電圧２０ｂが負の値なので、ＡＤ変換回路１０は負の値をデジタル値として出力する。したがって、後段に配置されたフィルタ回路１３は、このデジタル値に応じて、電圧制御発振回路１４の出力クロックの周波数が下がる極性の信号を出力する。電圧制御発振回路１４は、フィルタ回路１３の出力に応じて出力クロックの周波数が減少される。
【００３６】
図８は、時刻ｓ０のタイミングにおいて出力信号２０の位相が遅れた状態での信号処理
動作を示す。この場合、時刻ｓ０における出力信号２０の電圧２０ｃが正の値なので、ＡＤ変換回路１０は正の値をデジタル値として出力する。したがって、後段に配置されたフィルタ回路１３は、このデジタル値に応じて、電圧制御発振回路１４の出力クロックの周波数が上がる極性の信号を出力する。電圧制御発振回路１４は、フィルタ回路１３の出力に応じて出力クロックの周波数が増加される。
【００３７】
タイミング生成回路５は、図７における信号処理動作と図８における信号処理動作を繰り返すことで、最終的に図６に示す目標の信号処理動作の状態に収束される。なお、このようなタイミング生成回路５はＡＤ変換回路１０の分解能単位で設定することが出来るため、電圧制御発振器２５のクロック周波数に因らず微細な設定が可能である。
【００３８】
また、ＡＤ変換回路１０とＤＡ変換回路１２の間は、デジタル処理区間である。デジタル区間においては付加的な信号処理を行う場合での回路規模の拡大が抑制される。上述したタイミング生成回路５では、ＡＤ変換回路１０とＤＡ変換回路１２の間に演算回路１１が配置されている。演算回路１１には、補償回路１６が接続されている。補償回路１６では、温度条件や湿度条件といった環境変化に応じた目標値を出力する。演算回路１１では、補償回路１６から出力された目標値とＡＤ変換回路１０から出力されたデジタル値の差を演算し、ＤＡ変換回路１２に出力される。したがって、タイミング生成回路５は環境変化の影響を抑制することができる。
【００３９】
このタイミング生成回路５では、補償回路１６が温度検出回路１７と演算回路１８で構成している。温度検出回路１７は温度を検出する。演算回路１８は、予め設定された関数により検出温度に応じた目標値を決定して出力する。これにより濃度センサ１００は、温度変化の影響を抑制した高い精度での検出が可能となる。
【００４０】
例えば、温度検出回路１７で測定対象６の温度を検出する場合、測定対象６の温度変化に伴う出力変動を抑制することができる。特に、測定対象６が、上述したようにガソリンとアルコールを混合した混合燃料であれば、温度変化に伴う出力変動が大きくなるので、温度変化に伴う出力変動の抑制が有効である。また、温度検出回路１７で電圧制御発振回路１４や検波回路４などの濃度センサ１００を構成する処理回路の温度を検出する場合、処理回路の温度変化に伴う出力変動を抑制することができる。特に、複数の処理回路を集積したＩＣを用いる場合であれば、温度変化に伴う出力変動が大きくなるので、温度変化に伴う出力変動の抑制が有効である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本開示の濃度センサは、特に自動車などの内燃機関用途において有効となる。
【符号の説明】
【００４２】
１  交流電圧源
２  コンデンサ
４  検波回路
５  タイミング生成回路
６  測定対象
１０  ＡＤ変換回路
１１  演算回路（第一の演算回路）、
１２  ＤＡ変換回路
１４  電圧制御発振回路
１５  分周回路
１６  補償回路
１７  温度検出回路
１８  演算回路（第二の演算回路）
２０  出力信号
１００  濃度センサ
φ０  クロック信号
φ１  出力信号
φ２  出力信号
【図１】
2018100932.tif 000003
【図２】
2018100932.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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