(57)【要約】【課題】  比較的低濃度のアルコール濃度範囲において、アルコール濃度を精密に測定して、アルコール混合ガソリンを使用する内燃エンジンにおいて精密な空燃比制御を可能にするアルコール濃度センサを提供する。【解決手段】  絶縁基板２とその表面上にて静電容量を形成するように配置された１対の薄膜電極４，５とを備えている。絶縁基板２として比誘電率５以下の材料を使用する。薄膜電極４，５は絶縁保護膜により覆われている。絶縁保護膜として比誘電率５以下の材料を使用する。薄膜電極４，５のそれぞれに接続された１対の外部取り出し電極１０，１１を備え、更に外部取り出し電極１０，１１の薄膜電極４，５との接続端部と絶縁基板２の一部とを封止する樹脂モールド１２をも備えている。樹脂モールド１２は絶縁基板２の薄膜電極の形成された表面を露出させている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルコールを混合したガソリン中のアルコール濃度を測定するための静電容量型のアルコール濃度センサであって、絶縁基板と該絶縁基板の表面上にて静電容量を形成するように配置された１対の薄膜電極とを備えており、前記絶縁基板として比誘電率５以下の材料を使用してなることを特徴とするアルコール濃度センサ。
【請求項２】
前記絶縁基板の厚さは２００〜１０００μｍであることを特徴とする、請求項１に記載のアルコール濃度センサ。
【請求項３】
前記薄膜電極の厚さは０．０１〜０．８μｍであることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載のアルコール濃度センサ。
【請求項４】
前記１対の薄膜電極の少なくとも一部は絶縁保護膜により覆われていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のアルコール濃度センサ。
【請求項５】
前記絶縁保護膜として比誘電率５以下の材料を使用してなることを特徴とする、請求項４に記載のアルコール濃度センサ。
【請求項６】
前記絶縁保護膜の厚さは０．４〜１μｍであることを特徴とする、請求項４〜５のいずれかに記載のアルコール濃度センサ。
【請求項７】
更に、前記１対の薄膜電極のそれぞれに接続された１対の外部取り出し電極を備え、また、該外部取り出し電極の前記薄膜電極との接続端部と前記絶縁基板の一部とを封止する樹脂モールドをも備えており、該樹脂モールドは前記絶縁基板の前記薄膜電極の形成された表面の少なくとも一部を露出させていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のアルコール濃度センサ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかのアルコール濃度センサの前記１対の薄膜電極を含んで構成された発信回路と、該発信回路の発信周波数に基づき前記アルコール濃度を算出する演算部とを備えていることを特徴とするアルコール濃度測定装置。
【請求項９】
前記演算部は検量線を用いて前記アルコール濃度を算出することを特徴とする、請求項８に記載のアルコール濃度測定装置。
【請求項１０】
前記検量線は、前記アルコール濃度の範囲０〜５％とこれに対応する前記発信回路の発信周波数範囲とにおけるアルコール濃度と発信周波数との関係を示すものであることを特徴とする、請求項８〜９のいずれかに記載のアルコール濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の内燃エンジンの燃料として使用されるガソリン中のエタノールやメタノール等のアルコールの濃度を測定するアルコール濃度センサ及びアルコール濃度測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の内燃エンジンでは、燃料として化石燃料の一種であるガソリンが使用されている。
【０００３】
しかるに、将来において化石燃料の産出量が減少するおそれがあること及び地球温暖化防止のため炭酸ガス排出量の削減が要請されることから、内燃エンジンの燃料としてガソリン中に植物由来の燃料であるアルコール例えばエタノールまたはメタノールを混合することが検討されている。
【０００４】
このアルコール混合ガソリンの場合には、ガソリンとアルコールとで理論空燃比が大きく異なることから、ガソリンに対し混合されるアルコールの割合（アルコール濃度）に応じて理想的な比率にて空気を混合して（即ち空燃比を最適化して）燃焼させることが、内燃エンジンの出力効率を向上させて燃費を向上させ且つ排気ガス中の不完全燃焼生成物である炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）などの量を低減するためには、必要である。
【０００５】
そのために、燃料であるガソリン中のアルコールの濃度を測定し、その測定結果に基づきエンジン制御を行うことが好ましい。即ち、内燃エンジンに実際に供給されるガソリン中のアルコールの濃度を測定し、その測定結果に応じて内燃エンジンの燃焼条件を適宜設定することで、実際に燃焼に供されるガソリン中のアルコールの濃度に応じた好適な燃焼状態（即ち、内燃エンジンの出力トルクを高め、排気ガス中の不完全燃焼生成物の量を低減する燃焼状態）を実現することが望ましい。
【０００６】
このようなガソリン中のアルコールの濃度の測定及びその測定結果に基づく内燃エンジン制御の技術は、例えば特開平４−３５０５５０号公報（特許文献１）、特開平５−２８８７０７号公報（特許文献２）及び特開平６−２７０７３号公報（特許文献３）に開示されている。
【０００７】
これら公報に開示されているアルコール濃度測定用のセンサは静電容量型のセンサであり、容量を形成する１対の電極の間に被測定液体であるガソリンを介在させ、この１対の電極間の容量値がガソリン中のアルコール濃度に応じて異なることを利用してアルコール濃度の測定を行っている。
【０００８】
特許文献１の装置では、アルコール濃度センサとして、絶縁基体の表面に互いに離間させて１対の電極を形成したものを使用している。ここでは、絶縁基体としてはＡｌ２Ｏ３系セラミックス及びステアタイト系セラミックスが好適なものとして挙げられている。
【０００９】
ところで、上記の公報に記載の技術は、０％から１００％までの幅広い範囲のアルコール濃度を測定対象としており、この広範囲のアルコール濃度に対する１対の電極間の幅広い容量値の変化を測定するものである。
【００１０】
このような広範囲のアルコール濃度の全領域に対応してエンジン制御を良好に行うことは理想的ではあるが、現実にはエンジンの構成を変更する必要が生じたりして単に空燃比の制御のみでは十分なエンジン制御を行うことは困難である。
【特許文献１】特開平４−３５０５５０号公報
【特許文献２】特開平５−２８８７０７号公報
【特許文献３】特開平６−２７０７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
伝統的な内燃エンジンの構成にそれほど大きな変更を要することなく、アルコール混合ガソリンを燃料とする内燃エンジンにおいて空燃比制御により出力効率を向上させ且つ排気ガス中の不完全燃焼を低減することができるアルコール濃度範囲としては、０〜５％が例示される。即ち、このような比較的低いアルコール濃度のアルコール混合ガソリンを使用することで、純粋ガソリン用に構成が設定されたエンジンを用いても、空燃比制御を適切に実施しさえすれば、良好にエンジンを動作させることができる。
【００１２】
本発明は、特にこのような比較的低濃度のアルコール濃度範囲において、アルコール濃度を精密に測定して、アルコール混合ガソリンを使用する内燃エンジンにおいて精密な空燃比制御を可能にすることを目的とするものであり、特にそのためのアルコール濃度センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、上記目的を達成するものとして、
アルコールを混合したガソリン中のアルコール濃度を測定するための静電容量型のアルコール濃度センサであって、絶縁基板と該絶縁基板の表面上にて静電容量を形成するように配置された１対の薄膜電極とを備えており、前記絶縁基板として比誘電率５以下の材料を使用してなることを特徴とするアルコール濃度センサ、
が形成される。
【００１４】
本発明の一態様においては、前記絶縁基板の厚さは２００〜１０００μｍである。本発明の一態様においては、前記薄膜電極の厚さは０．０１〜０．８μｍである。本発明の一態様においては、前記１対の薄膜電極の少なくとも一部は絶縁保護膜により覆われている。本発明の一態様においては、前記絶縁保護膜として比誘電率５以下の材料を使用してなる。本発明の一態様においては、前記絶縁保護膜の厚さは０．４〜１μｍである。
【００１５】
本発明の一態様においては、アルコール濃度センサは、更に、前記１対の薄膜電極のそれぞれに接続された１対の外部取り出し電極を備え、また、該外部取り出し電極の前記薄膜電極との接続端部と前記絶縁基板の一部とを封止する樹脂モールドをも備えており、該樹脂モールドは前記絶縁基板の前記薄膜電極の形成された表面の少なくとも一部を露出させている。
【００１６】
また、本発明によれば、上記目的を達成するものとして、
以上のようなアルコール濃度センサの前記１対の薄膜電極を含んで構成された発信回路と、該発信回路の発信周波数に基づき前記アルコール濃度を算出する演算部とを備えていることを特徴とするアルコール濃度測定装置、
が提供される。
【００１７】
本発明の一態様においては、前記演算部は検量線を用いて前記アルコール濃度を算出する。本発明の一態様においては、前記検量線は、前記アルコール濃度の範囲０〜５％とこれに対応する前記発信回路の発信周波数範囲とにおけるアルコール濃度と発信周波数との関係を示すものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の静電容量型アルコール濃度センサによれば、表面上に静電容量を形成する１対の薄膜電極が配置された絶縁基板として比誘電率５以下の材料を使用したことで、比較的低濃度のアルコール濃度範囲においても、アルコール濃度を高感度で精密に測定することができ、かくして、アルコール混合ガソリンを使用する内燃エンジンにおける精密な空燃比制御が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は本発明によるアルコール濃度センサの一実施形態を示す斜視図であり、図２はその模式的断面図であり、図３は本実施形態のアルコール濃度センサの絶縁基板及び薄膜電極を示す模式的斜視図である。
【００２１】
本実施形態において、絶縁基板２の一方の主面（表面）上には、１対の薄膜電極４，５と該薄膜電極を覆うように形成された絶縁保護膜６が形成されている。
【００２２】
絶縁基板２は、比誘電率が５以下の材料からなり、厚さが例えば２００〜１０００μｍである。比誘電率が５以下の絶縁基板２の材料としては、例えばパイレックス（登録商標）ガラス、溶融石英、さらには、テフロン（登録商標）、ナイロン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メタル、ベークライトなどの合成樹脂が例示される。比誘電率が５以下の材料からなる絶縁基板２を使用することの意義については後述する。
【００２３】
薄膜電極４，５は、アルミニウム、金、銀、銅、チタン、ニッケル、クロムさらにはこれらを含む合金等の耐食性の高い導電体からなり、厚さが例えば０．０１〜０．８μｍである。薄膜電極４，５は、図示されているように、櫛形で互いに櫛歯が入り組んでいるパターン状に形成及び配置されている。或いは、薄膜電極４，５は、上記特許文献１に記載のように、二重渦巻き状のものであってもよい。特許文献１に記載されているように、このような同一平面上の一対のパターン状薄膜電極とすることで、絶縁基板が反ったりして変形した場合にも、電極間距離が殆ど変化しないので、容量安定性が良好である。薄膜電極４，５は、例えば、スパッタリングにより絶縁基板２の表面上に導電膜を成膜し、該導電膜をフォトリソグラフィーにより所定のパターンに形成することで、得ることができる。薄膜電極４，５は、それらの端部に、後述する外部取り出し電極との接続のためのパッド部４ａ，５ａを備えている。
【００２４】
絶縁保護膜６は、薄膜電極４，５を被測定液体であるアルコール含有ガソリンによる化学的損傷から保護し且つ薄膜電極４，５間のアルコール含有ガソリン特にそれに含まれる水分などの導電性不純物を介しての電気的導通を阻止するものであり、その材料としては例えばＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等の絶縁体が例示される。但し、絶縁保護膜６は、薄膜電極パッド部４ａ，５ａ上には形成されていない。絶縁保護膜６の厚さは、例えば０．４〜１μｍである。絶縁保護膜６は、厚すぎると、アルコール含有ガソリンの比誘電率の検知感度が低下するので、この観点からはできるだけ薄い方が好ましい。一方、絶縁保護膜６は、薄すぎると、ピンホールが形成されて所期の効果を得にくくなることがあるので、この観点からはできるだけ厚い方が好ましい。絶縁保護膜６の材料としては、絶縁基板２と同様に比誘電率５以下の材料からなることが好ましい。比誘電率が５以下の絶縁材料からなる絶縁保護膜６を使用することの意義については後述する。絶縁保護膜６は、例えば、スパッタリングにより形成することができる。尚、アルコール含有ガソリンに殆ど導電性不純物が含まれない場合には、絶縁保護膜６を使用しなくてもよい。また、絶縁保護膜６の厚さが薄膜電極４，５間の対向距離に対して十分に小さい場合（例えば１／５以下の場合）には、アルコール含有ガソリンの比誘電率の検知感度に対する絶縁保護膜６の比誘電率の影響はそれほど大きくないので、５を越える比誘電率の材料を用いて絶縁保護膜６を形成してもよい。
【００２５】
絶縁基板２は、その裏面が接合剤によりリードフレームのダイパッド部８に接合されている。一方、薄膜電極のパッド部４ａ，５ａは、それぞれボンディングワイヤ１２によりリードフレームのリード部（外部取り出し電極）１０，１１と接続されている。外部取り出し電極１０，１１の薄膜電極との接続端部（即ちボンディングワイヤ１２が接続されている端部）と絶縁基板２の一部とダイパッド部８とボンディングワイヤ１２とが、樹脂モールド１４により封止されている。樹脂モールド１４は絶縁基板２の薄膜電極４，５の形成された表面を露出させており、これにより薄膜電極４，５は絶縁保護膜６を介して被測定液体であるアルコール含有ガソリンと近接して位置することができる。
【００２６】
図４は以上のようなアルコール濃度センサを用いたアルコール濃度測定装置の一実施形態の構成概略図である。この装置は、発信回路２２と、その出力信号の周波数即ち発信回路の発信周波数に基づきアルコール濃度を算出する演算部としてのマイコン（マイクロコンピュータ）２６とを備えている。発信回路２２の入力ＶＤＤは例えば５Ｖであり、その出力ＯＵＴは、抵抗素子ＥＲ１，ＥＲ２の抵抗値Ｒ１，Ｒ２及び容量素子ＥＣの容量値Ｃにより決まる。容量素子ＥＣは、図１〜３に関し説明したアルコール濃度センサの薄膜電極４，５により構成される。容量素子ＥＣの容量値Ｃは、１対の薄膜電極４，５の間に介在する物質の比誘電率による影響を受ける。本実施形態においては、１対の薄膜電極４，５間に電圧を印加した場合において、これらの間に形成される電気力線は、一部がアルコール含有ガソリンを経ており、他の一部が絶縁基板２を経ている。
【００２７】
発信回路２２の出力信号のパルス幅Ｔ（即ち発信周波数ｆの逆数）は、Ｃ，Ｒ１，Ｒ２と、
１／Ｔ＝ｆ＝１．４４／［Ｃ（Ｒ１＋２・Ｒ２）］
の関係を持つ。
【００２８】
ここで、ガソリン中のアルコール濃度（例えばエタノール濃度）をαとし、絶縁基板２の比誘電率をεｓｕｂとし、ガソリンの比誘電率をεｒ［ｇ］とし、アルコール（例えばエタノール）の比誘電率をεｒ［ａ］とし、真空の誘電率をε０とし、容量素子ＥＣが平行平板であると仮定した時の電極面積及び電極間距離をＳ及びｄとすれば、絶縁保護膜６のない場合には、
Ｃ＝ε０（Ｓ／ｄ）（εｒ［ｇ］（１−α）＋εｒ［ａ］α＋εｓｕｂ）
となる。従って、アルコール濃度０の場合の静電容量値をＣ［ｇ］とし、アルコール濃度１の場合の静電容量値をＣ［ａ］とすると、これら２つの場合の間での静電容量値の変化率は、
（Ｃ［ａ］−Ｃ［ｇ］）／Ｃ［ｇ］＝（εｒ［ａ］−εｒ［ｇ］）／（εｒ［ｇ］＋εｓｕｂ）
となる。この式から、絶縁基板２の材料として低い比誘電率を持つものを使用することで、容量素子ＥＣの静電容量値の変化率が向上することが分かる。
【００２９】
絶縁保護膜６が存在する場合には、これらの関係は更に複雑になるが、絶縁基板２の場合と同様に低い比誘電率を持つ絶縁保護膜６を使用することで、容量素子ＥＣの静電容量値の変化率が向上する。
【００３０】
図５に、アルコールとしてエタノールを使用した場合の、エタノール濃度変化に対する発信回路２２の出力信号の発信周波数ｆの変化率（エタノール濃度０の場合を基準とする変化率）の特性の一例を示す。この例では、絶縁基板２として、厚さ２５０μｍのものを用い、比誘電率４．８４のパイレックス（登録商標）ガラス（ホウケイ酸ガラス）を用いたもの（本発明実施形態）と、比誘電率９．３４〜１１．５４のアルミナを用いたもの（比較例）との比較を示す。尚、薄膜電極４，５の厚さは０．４μｍで、薄膜電極４，５間の対向距離は１０μｍとした。また、絶縁保護膜６は、比誘電率４で厚さ０．４μｍ（薄膜電極４，５間の対向距離の１／２５）のものを使用した。
【００３１】
図５から、本発明実施形態のものでは、エタノール濃度５％以下における発信回路２２の発信周波数の変化率が大きく、この変化率の値によりエタノール濃度を感度よく測定することができることが分かる。
【００３２】
発信回路２２の出力は、マイコン２６に入力され、ここで、メモリに記憶されているエタノール濃度０の場合の発信周波数を基準とする発信周波数変化率を算出し、メモリに記憶されている検量線を参照してエタノール濃度へと換算される。検量線は、図５の本発明実施形態に示される如きものを、予めエタノール濃度既知のガソリンにつき測定により得て、これをメモリに記憶しておく。尚、検量線としては、発信周波数を図５に示されるような変化率ではなく周波数値そのもので表したものを使用してもよい。この場合には、マイコン２６における発信周波数変化率の算出が不要となる。
【００３３】
このようにして得られたエタノール濃度値を示す信号が不図示のＤ／Ａコンバータを介して、図４に示される出力バッファ回路２８へと出力され、ここからアナログ出力として不図示の自動車のエンジンの燃焼制御などを行うメインコンピュータ（ＥＣＵ）へと出力される。ＥＣＵでは、入力されるエタノール濃度値信号に応じて内燃エンジンの燃焼条件を適宜設定することで、実際に燃焼に供されるガソリン中のアルコールの濃度に応じた好適な燃焼状態（即ち、内燃エンジンの出力トルクを高め、排気ガス中の不完全燃焼生成物の量を低減する燃焼状態）を実現することが可能となる。
【００３４】
一方、エタノール濃度値信号は、必要に応じてデジタル出力として取り出して、表示、警報その他の動作を行う機器へと入力することができる。
【００３５】
図６には、ガソリン流通経路に設置されたアルコール濃度センサが示されている。アルコール含有ガソリンの燃料タンクから内燃エンジンへの供給経路を構成する燃料タンク側パイプ３２と内燃エンジン側パイプ３４との間に、測定部ハウジング本体３０及び測定部ハウジング蓋体３１からなる測定部ハウジングを設置する。蓋体３１は本体３０に適合され、蓋体３１の内側にアルコール濃度センサ２０が取り付けられる。該センサの外部取り出し電極１０，１１は、蓋体３１の外側へと延出しており、該蓋体３１の外面に取り付けられる不図示の回路基板と接続される。回路基板には発信回路２２さらには必要に応じてマイコン２６及び出力バッファ回路２８等が形成され若しくは搭載されている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明によるアルコール濃度センサの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１のアルコール濃度センサの模式的断面図である。
【図３】図１のアルコール濃度センサの絶縁基板及び薄膜電極を示す模式的斜視図である。
【図４】本発明によるアルコール濃度測定装置の一実施形態の構成概略図である。
【図５】エタノール濃度変化に対する発信回路の発信周波数の変化率の特性の一例を示すグラフである。
【図６】ガソリン流通経路におけるアルコール濃度センサの設置形態の一例を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【００３７】
２  絶縁基板
４，５  薄膜電極
４ａ，５ａ  薄膜電極のパッド部
６  絶縁保護膜
８  リードフレームのダイパッド部
１０，１１  リードフレームのリード部（外部取り出し電極）
１２  ボンディングワイヤ
１４  樹脂モールド
２０  アルコール濃度センサ
２２  発信回路
２６  マイコン
２８  出力バッファ回路
ＶＤＤ  発信回路の入力
ＯＵＴ  発信回路の出力
ＥＲ１，ＥＲ２  抵抗素子
ＥＣ  容量素子
３０  測定部ハウジング本体
３１  測定部ハウジング蓋体
３２  燃料タンク側パイプ
３４  内燃エンジン側パイプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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