JP4897635B2

JP4897635B2 - 液体状態検知センサ

Info

Publication number: JP4897635B2
Application number: JP2007259649A
Authority: JP
Inventors: 真治熊澤; 雅幸本村; 克則矢澤; 悟阿部
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2007-10-03
Filing date: 2007-10-03
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2027-10-03
Also published as: JP2009085917A

Description

本発明は、液体に含まれる特定成分の濃度などの液体の状態を検知する液体状態検知センサに関するものである。

ディーゼル自動車から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を無害なガスに還元する排ガス浄化装置にＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ）を用いる場合があるが、その還元剤として尿素水溶液が用いられる。この還元反応を効率よく行うには、尿素濃度が３２．５ｗｔ％の尿素水溶液を用いるとよいことが知られている。しかし、自動車に搭載される尿素水タンクに収容される尿素水溶液は、過酷な環境条件下で保管され、また経時変化などにより、その尿素濃度に変化を生ずる場合がある。また、尿素水タンクに誤って異種水溶液（例えば軽油）あるいは水が混入される可能性もある。こうしたことから、尿素水溶液の尿素濃度を管理できるように、尿素濃度を検知するための濃度センサ（液体状態検知センサ）が尿素水タンクに取り付けられ、濃度検知が行われている。

ところで、尿素水溶液の熱伝導率は、自身に含まれる尿素の濃度により差異が生ずることが知られており、温度に応じて抵抗値が変化する性質を有する発熱抵抗体を一定時間加熱した場合、発熱抵抗体の周囲における尿素水溶液の尿素の濃度によって発熱抵抗体の抵抗値変化の度合が異なってくる。このことから、発熱抵抗体を一定時間加熱したときの発熱抵抗体の抵抗値変化の度合いを捉えれば、尿素水溶液に含まれる尿素の濃度を検知することができる（例えば、特許文献１参照。）。

このような液体状態検知センサでは、発熱抵抗体の抵抗値変化が自身の発熱による影響を受けにくくするため、尿素濃度の測定の際には短期間発熱抵抗体への通電が行われる。短期間の通電による発熱抵抗体の抵抗値変化は小さいものであり、精確に濃度測定を行うためには、発熱抵抗体に安定した電力を供給する必要がある。そこで一般的には、例えば図４に示されるような定電流出力回路５００が構成されて発熱抵抗体５０７への通電が行われており、電力供給の安定化が図られている。具体的には電源５０１に、電流検出抵抗５０２、トランジスタ５０４および発熱抵抗体５０７が順に直列に接続され、グランドに接続されている。電流検出抵抗５０２の両端には、その両端の電位差Ｖｉを検出する差動増幅回路５０３が接続されており、この差動増幅回路５０３の出力が、基準電源５０６から供給される基準電位Ｖｓと共に、オペアンプ５０５に入力されている。そしてオペアンプ５０５の出力は、トランジスタ５０４のベースに入力されている。定電流出力回路５００がこうした構成を有することで、電源５０１の供給する電力が不安定となり電流検出抵抗５０２を流れる電流の大きさに変動を生じても、電位差Ｖｉと基準電位Ｖｓとの比較結果に基づくオペアンプ５０５の制御により、トランジスタ５０４のコレクタ−エミッタ間を流れる電流、すなわち、発熱抵抗体５０７を流れる電流は、その大きさが一定に保たれるのである。
特開２００７−１１４１８１号公報

しかしながら、定電流出力回路５００のように、差動増幅回路５０３およびオペアンプ５０５を用いて発熱抵抗体５０７に流れる電流を一定に保つためのフィードバック制御を行う回路構成では、電子部品の点数が多くなるため、上記のようなフィードバック制御の速度が低下する傾向にある。尿素濃度の検知は発熱抵抗体への短期間の通電によって行われるため、検知精度をより高められるようにフィードバック制御の高速化が求められていた。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、発熱抵抗体へ供給する電力を安定化させるためのフィードバック制御の高速化を図り、液体の状態の検知精度をより高めることができる液体状態検知センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の液体状態検知センサは、発熱抵抗体に一定時間通電したときの液体に対する前記発熱抵抗体の放熱特性に基づいて、前記発熱抵抗体の周囲における前記液体の状態を検知する液体状態検知センサにおいて、前記発熱抵抗体に通電するために、前記発熱抵抗体の一端側に配置される電源部と、前記発熱抵抗体に流れる電流を検出するために、自身の一端側に前記発熱抵抗体が配置され、自身の他端がグランドに接続される電流検出手段と、当該電流検出手段によって検出される電流の大きさに基づいて、前記発熱抵抗体に流れる電流の大きさを調整するために、前記発熱抵抗体と前記電流検出手段との間に配置される電流調整手段とを備え、前記電源部、前記発熱抵抗体、前記電流調整手段、および前記電流検出手段がこの順に直列に接続されて、前記グランドを介して閉ループ回路を構成すると共に、基準となる電圧と、前記電流検出手段の一端の電圧とが入力され、両電圧の比較結果に応じて前記電流調整手段の駆動状態の制御を行う制御手段をさらに備えている。

また、請求項２に係る発明の液体状態検知センサは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記制御手段には、前記電流検出手段の前記一端の電圧の入力に、前記制御手段を駆動または非駆動の状態に制御する制御信号が重畳されて入力されることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明の液体状態検知センサは、請求項１または２に記載の発明の構成に加え、前記電源部には、当該電源部から前記発熱抵抗体に供給される電圧の波形に生ずる変動ノイズを除去するノイズ除去手段を備えている。

また、請求項４に係る発明の液体状態検知センサは、請求項３に記載の発明の構成に加え、前記ノイズ除去手段は、降圧型のリニアレギュレータであることを特徴とする。

請求項１に係る発明の液体状態検知センサでは、電流検出手段を電流調整手段の下流側（グランド側）に配置し、グランドとの電位差をもって電流検出手段の両端の電位差を検出することができる。そしてこの電位差を基準となる電圧と比較することで制御手段による電流調整手段の制御を行うことができるので、電流検出手段の両端の電位差を検出するための差動増幅回路が不要となり、電気回路の構成を簡易化できることからフィードバック制御の高速化を図ることができる。発熱抵抗体の放熱特性に基づく液体の状態の検知は、発熱抵抗体への短期間の通電を通じて行われるため、フィードバック制御を高速化することにより、より精確に、液体の状態の検知を行うことができる。

なお、本発明に係る液体状態検知センサは、発熱抵抗体に一定時間通電したときの液体に対する発熱抵抗体の放熱特性に基づき液体の状態を検知するものであるが、発熱抵抗体の放熱特性をもとに状態検知される対象としては、液体中に含まれる特定成分の濃度検知や液体の種別検知などが挙げられる。

また、請求項２に係る発明では、制御手段の駆動・非駆動を制御する制御信号は、基準となる電圧が入力される側ではなく、電流検出手段が接続される側に入力される。つまり、制御手段を非駆動の状態としたときには、制御手段の出力は低電位側に維持されることとなる。制御手段による電流調整手段の制御は比較的低い電圧により行われることから、制御手段を駆動状態にする際に、制御手段の出力を電流調整手段の制御が可能な電圧に復帰させるまでにかかる時間は、制御手段の出力を高電位側に維持して制御手段を非駆動の状態とした場合と比べて短くなる。従って、フィードバック制御の高速化を図ることができ、より精確に、液体の状態の検知を行うことができる。

ところで、電源部から発熱抵抗体に供給される電圧の波形は、供給開始後、安定するまでに、一時的に規定電圧を超える、いわゆるオーバーシュートを示したり、一時的に規定電圧を下回る、いわゆるアンダーシュートを示したりしてふらつきが生ずる場合がある。また、電源部が昇圧回路を含んで構成される場合には、昇圧回路を構成するスイッチング素子のスイッチングノイズが、発熱抵抗体に供給される電圧の波形に重畳する場合がある（なお、本明細書では、このような電圧波形に生ずるふらつきやスイッチングノイズを総称して、変動ノイズと言うことにする。）。そこで請求項３に係る発明では、このような電圧波形に生ずる変動ノイズをノイズ除去手段によって除去すれば、電源部からの電圧の供給開始直後から安定した電力を発熱抵抗体に供給することができ、より精確に、液体の状態の検知を行うことができる。

そして、このようなノイズ除去手段として、請求項４に係る発明のように降圧型のリニアレギュレータを用いれば、スイッチングレギュレータを用いた場合と比べ自身の駆動に伴う変動ノイズの発生がないため、発熱抵抗体に安定した電力を供給することがでる。

以下、本発明を具体化した液体状態検知センサの一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１を参照し、一例としての液体状態検知センサ１００の構造について説明する。図１は、液体状態検知センサ１００の一部を切り欠いてみた縦断面図である。なお、液体状態検知センサ１００においてレベル検知部７０（外筒電極１０および内部電極２０から構成されるコンデンサ）の長手方向を軸線Ｏ方向とし、液体性状検知部３０が設けられる側を先端側、取付金具４０が設けられる側を後端側とする。

本実施の形態の液体状態検知センサ１００は、ディーゼル自動車の排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元に使用される尿素水溶液の状態を検知するためのセンサである。具体的には、尿素水溶液のレベル（液位）、温度、およびその溶液に含まれる特定成分としての尿素の濃度を検知するものである。図１に示すように、液体状態検知センサ１００は、円筒形状を有する外筒電極１０、およびその外筒電極１０の内部にて外筒電極１０の軸線Ｏ方向に沿って設けられた円筒状の内部電極２０から構成されるレベル検知部７０を有する。また、内部電極２０の先端側に設けられた液体性状検知部３０と、液体状態検知センサ１００を尿素水タンク９８（図２参照）に取り付けるための取付金具４０とを備えている。

外筒電極１０は金属材料からなり、軸線Ｏ方向に延びる長細い円筒形状を有する。外筒電極１０の外周上にて周方向に等間隔となる３本の母線上には、各母線に沿ってそれぞれ複数の細幅のスリット１５が断続的に開口されている。また、外筒電極１０の先端部１１において、上記スリット１５が形成された各母線上には、後述する内部電極２０との間に介在されるゴムブッシュ８０の抜け防止のための開口部１６がそれぞれ設けられている。さらに、外筒電極１０の後端側の基端部１２に近い位置で、スリット１５が形成された各母線とは異なる母線上には、１つの空気抜孔１９が形成されている。

外筒電極１０の先端部１１は、後述する液体性状検知部３０のセラミックヒータ１１０の径方向周囲を、そのセラミックヒータ１１０を覆って保護するプロテクタ１３０ごと包囲するように、開口部１６の位置よりさらに軸線Ｏ方向先端側に延長されている。そして外筒電極１０の最先端部（図中最下部）は開口されている。

また、外筒電極１０の基端部１２は、金属製の取付金具４０の先端に設けられた電極支持部４１に、その外周に係合した状態で溶接されている。取付金具４０は尿素水タンク９８に液体状態検知センサ１００を固定するための台座として機能し、取り付けボルトを挿通するための取り付け孔（図示外）が、電極支持部４１の後端側で鍔状に設けられた鍔部４２に開口されている。

取付金具４０の鍔部４２を挟んで電極支持部４１の反対側には、鍔部４２から直立する壁面に囲われ凹部状をなす収容部４３が形成されている。収容部４３には、後述する尿素水溶液のレベル、温度、尿素濃度などを検知するための回路や、図示外の外部回路（本実施の形態では、自動車のエンジン制御装置（ＥＣＵ））との電気的な接続を行うための入出力回路等が搭載された回路基板６０などが収容される。なお、この取付金具４０は、回路基板６０に対し、そのグランド電位をなす配線部（図示しない）と同電位となるように接続されているため、外筒電極１０は取付金具４０を介して接地されている。

回路基板６０は、収容部４３の内壁面の四隅より突出する基板載置部（図示外）上に載置されている。収容部４３はカバー４５に覆われ保護されており、そのカバー４５は、鍔部４２に固定されている。また、カバー４５の側面にはコネクタ６２が固定されており、コネクタ６２の接続端子（図示外）と回路基板６０上のパターン（後述する入出力回路部２９０）とが配線ケーブル６１によって接続されている。このコネクタ６２を介し、回路基板６０とＥＣＵとの接続が行われる。

取付金具４０の電極支持部４１には収容部４３内に貫通する孔４６が開口されており、この孔４６内に、内部電極２０の基端部２２が挿通されている。本実施の形態の内部電極２０は軸線Ｏ方向に延びる長細い円筒形状をした金属材料からなる。この内部電極２０の外周面上には、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＥＴＦＥ等のフッ素系樹脂やエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂などからなる絶縁性被膜２３が形成されている。この内部電極２０と外筒電極１０との間で、尿素水溶液のレベルに応じて静電容量が変化するコンデンサを形成してなるレベル検知部７０が構成されている。

内部電極２０の軸線Ｏ方向後端側の基端部２２には、内部電極２０を取付金具４０に固定するためのパイプガイド５５とインナーケース５０が配置されている。パイプガイド５５は内部電極２０の基端部２２の端縁寄りに接合された環状のガイド部材である。インナーケース５０は内部電極２０と外筒電極１０とが確実に絶縁されるように内部電極２０を位置決め支持する鍔付き筒状の樹脂製部材であり、先端側が取付金具４０の電極支持部４１の孔４６に内挿されている。インナーケース５０には径方向外側に向かって突出する鍔部５１が形成されており、インナーケース５０が電極支持部４１に係合される際には、収容部４３側から電極支持部４１の孔４６に挿通される。そして、鍔部５１が収容部４３内の底面に当接することで、インナーケース５０が孔４６内を通り抜けることが防止される。また、内部電極２０は、収容部４３側からインナーケース５０の内側に挿通されるが、パイプガイド５５が鍔部５１に当接することで、インナーケース５０からの脱落が防止される。

さらに、インナーケース５０の外周と内周とには、それぞれ、Ｏリング５３とＯリング５４とが設けられている。Ｏリング５３は、インナーケース５０の外周と取付金具４０の孔４６との間の隙間を密閉し、Ｏリング５４は、インナーケース５０の内周と内部電極２０の基端部２２の外周との間の隙間を密閉している。これにより、液体状態検知センサ１００が尿素水タンク９８（図２参照）に取り付けられた際に、尿素水タンク９８の内部と外部とが収容部４３を介して連通しないように、その水密性および気密性が保たれる。なお、取付金具４０の鍔部４２の先端側の面には図示外の板状のシール部材（例えばゴムパッキン）が装着され、液体状態検知センサ１００を尿素水タンク９８に取り付けた際に、鍔部４２と尿素水タンク９８との間の水密性および気密性が保たれるようになっている。

そして、内部電極２０の取付金具４０への組み付けの際には、２枚の押さえ板５６，５７によって、パイプガイド５５がインナーケース５０の鍔部５１に対して押圧される。絶縁性の押さえ板５６は、パイプガイド５５との間に押さえ板５７を挟み、パイプガイド５５を押圧した状態で、ネジ５８によって収容部４３内に固定される。これにより、パイプガイド５５に接合された内部電極２０が電極支持部４１に固定されることとなる。押さえ板５６，５７には中央に孔５９が開口されており、内部電極２０の電極引出線５２と、後述するセラミックヒータ１１０との電気的な接続を行う２本のリード線９０（図１では一方のリード線９０のみを表示している）を内包する２芯のケーブル９１とが挿通され、それぞれ回路基板６０上のパターンに電気的に接続されている。回路基板６０のグランド側の電極（図示外）は取付金具４０に接続されており、取付金具４０に溶接された外筒電極１０がグランド側に電気的に接続される。

次に、内部電極２０の先端部２１に設けられた液体性状検知部３０は、本実施の形態では尿素水溶液の温度および含有される尿素の濃度の検出を行う液体性状検出素子としてのセラミックヒータ１１０を有する。セラミックヒータ１１０は、絶縁性セラミックからなる２枚の板材で、ＰｔまたはＷを主体とする発熱抵抗体１１４（図２参照）を挟んで埋設し、焼成したものである。このセラミックヒータ１１０は、内部電極２０の先端部２１に装着される絶縁性樹脂製のホルダ１２０に支持されている。ホルダ１２０は、外径が段違い状２段に構成された円筒形状を有し、小径となる先端側にて、発熱抵抗体１１４の埋設された側を露出した状態のセラミックヒータ１１０を、接着剤からなる固定部材１２５，１２６で固定している。そして大径側となる後端側が内部電極２０の先端部２１に装着されており、その内部電極２０の外周面とホルダ１２０の内周面との間にシールリング１４０が介在され、内部電極２０の内部の水密性および気密性が確保されている。また、セラミックヒータ１１０のホルダ１２０から露出された部分は、プロテクタ１３０によって周囲を覆われ保護されている。

ところで、ホルダ１２０の装着前に、セラミックヒータ１１０のコネクタ１１９にはケーブル９１の２本のリード線９０の芯線がそれぞれ加締めまたは半田付けにより接合される。さらに絶縁性の保護部材９５により、コネクタ１１９とリード線９０とが接合部位ごと覆われ保護される。そして、２つのリード線９０は筒形状の内部電極２０内を挿通され、上記回路基板６０に接続されている。

次に、プロテクタ１３０は、有底円筒形状に形成された金属製の保護部材である。開口側がホルダ１２０の小径部分の外周に嵌合されている。また、プロテクタ１３０の外周上には液体流通孔（図示外）が開口されており、プロテクタ１３０の内外での尿素水溶液の交換が行われる。そして、上記した液体性状検知部３０は、内部電極２０の先端部２１にホルダ１２０を介し装着され、さらにゴムブッシュ８０によって、外筒電極１０内で弾性的に支持される。ゴムブッシュ８０は円筒形状を有し、その外周面上に形成された突起部８７が、外筒電極１０の開口部１６に係合されて固定される。また、ゴムブッシュ８０の外周面と内周面とのそれぞれには、軸線Ｏ方向に沿った複数の溝（図示外）が溝設されている。液体状態検知センサ１００が尿素水タンク９８に取り付けられた際に、この溝を介し、ゴムブッシュ８０の先端側に流入する尿素水溶液と、後端側に流入する尿素水溶液との液交換や気泡抜きが行われる。

次に、図２を参照して、液体状態検知センサ１００の電気的な構成について説明する。図２は、液体状態検知センサ１００の電気的な構成を示す図である。図２に示すように、液体状態検知センサ１００は液体収容容器としての尿素水タンク９８に取り付けられ、一対の電極（外筒電極１０および内部電極２０）を備えたレベル検知部７０と、発熱抵抗体１１４が埋設されたセラミックヒータ１１０を備えた液体性状検知部３０とが、尿素水タンク９８に収容された状態検知対象の液体としての尿素水溶液に浸漬される。

液体状態検知センサ１００の回路基板６０上には、公知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータ２２０が搭載されている。このマイクロコンピュータ２２０には、レベル検知部７０の制御を行うレベル検知回路部２５０と、液体性状検知部３０の制御を行う液体性状検知回路部２８０と、ＥＣＵとの通信を行う入出力回路部２９０とが接続されている。

入出力回路部２９０は、液体状態検知センサ１００とＥＣＵとの間での信号の入出力を行うため、通信プロトコルの制御を行う。また、レベル検知回路部２５０は、マイクロコンピュータ２２０の指示に基づき、レベル検知部７０の外筒電極１０と内部電極２０との間に交流電圧を印加し、レベル検知部７０をなすコンデンサを流れた電流を電圧変換して、その電圧信号をマイクロコンピュータ２２０に出力する回路部である。

次に、液体性状検知回路部２８０は、マイクロコンピュータ２２０の指示に基づき、液体性状検知部３０のセラミックヒータ１１０に定電流を流し、発熱抵抗体１１４の両端に発生する検出電圧をマイクロコンピュータ２２０に出力する回路部である。液体性状検知回路部２８０は、差動増幅回路部２３０および定電流出力回路部３００を有する。差動増幅回路部２３０は、発熱抵抗体１１４の一端に現れる電位Ｐｉｎと他端に現れる電位Ｐｏｕｔとの差分を検出電圧としてＡ／Ｄ変換し、マイクロコンピュータ２２０に出力する。

定電流出力回路部３００は、発熱抵抗体１１４に流す定電流を出力するための回路部である。定電流出力回路部３００は、電源部３９０、ノイズ除去部３３０、スイッチ部３４０、ＭＯＳ−ＦＥＴ３５０、電流検出抵抗３６０、オペアンプ３７０、および基準電源３８０から構成される。

電源部３９０は、直流電源であるバッテリー３１０、昇圧回路部３２０から構成される。また、この電源部３９０と発熱抵抗体１１４との間には、ノイズ除去部３３０が接続される。バッテリー３１０は、発熱抵抗体１１４に通電するための電力を生成する電源であり、一端がグランドに接続されている。バッテリー３１０の他端には公知のスイッチング回路から構成される昇圧回路部３２０の一端が接続されており、この昇圧回路部３２０では、バッテリー３１０から供給される電圧の昇圧が行われる。昇圧回路部３２０の他端にはノイズ除去部３３０の一端が接続されている。ノイズ除去部３３０は公知の構成の降圧型のリニアレギュレータ（図２では回路構成の一例を示す。）であり、昇圧回路部３２０で一旦上昇させた電圧を降下させつつ、スイッチングノイズやバッテリーの電圧変動に伴う電圧のふらつきといった電圧波形に生ずる変動ノイズの除去を行って、発熱抵抗体に供給される電圧（ひいては電力）の安定化を図る。なお、ノイズ除去部３３０が、本発明における「ノイズ除去手段」に相当する。

そしてノイズ除去部３３０の他端には、発熱抵抗体１１４の一端が接続されている。発熱抵抗体１１４は、前述したように、尿素水溶液中に浸漬されて、自身を流れる電流によって発熱する。発熱抵抗体１１４の他端は、自身を流れる電流の大きさを調整するために設けられるＮ型のＭＯＳ−ＦＥＴ３５０のドレインに接続されている。ＭＯＳ−ＦＥＴ３５０のソースには発熱抵抗体１１４を流れる電流の大きさを検出するために設けられる電流検出抵抗３６０の一端が接続されており、その他端はグランドに接続されている。このように、バッテリー３１０、昇圧回路部３２０、ノイズ除去部３３０、発熱抵抗体１１４、ＭＯＳ−ＦＥＴ３５０、および電流検出抵抗３６０はこの順に接続されて、グランドを介し閉ループ回路を構成している。なお、ＭＯＳ−ＦＥＴ３５０が、本発明における「電流調整手段」に相当し、電流検出抵抗３６０が、本発明における「電流検出手段」に相当する。

また、ＭＯＳ−ＦＥＴ３５０のゲートには、ドレイン−ソース間を流れる電流の大きさを制御するために設けられるオペアンプ３７０の出力端子が接続されている。このオペアンプ３７０の反転入力端子（−入力端子）には電流検出抵抗３６０の一端が接続されており、非反転入力端子（＋入力端子）には、基準となる電圧を発生する基準電源３８０に接続されている。そして、オペアンプ３７０の反転入力端子にはマイクロコンピュータ２２０によって制御されるスイッチ部３４０からの出力も接続されており、ＭＯＳ−ＦＥＴ３５０の駆動・非駆動を制御するための制御信号（電位）が、電流検出抵抗３６０からの一端に現れる電位Ｓに重畳される。なお、オペアンプ３７０が、本発明における「制御手段」に相当する。

ここで、発熱抵抗体１１４による尿素水溶液の状態の検知原理について簡単に説明する。発熱抵抗体１１４への通電開始後間もない時間内では、発熱抵抗体の発熱がまだ大きくなされていないため、発熱抵抗体自身の温度は、自身の周囲に存在する尿素水液体の温度とほぼ同一である。そして時間の経過と共に、発熱抵抗体１１４自身の温度は連続的に上昇していく。従って、通電開始から短期間における発熱抵抗体１１４の抵抗値変化と周囲に存在する尿素水溶液の温度との相関関係を予め確認しておくことにより、尿素水溶液の温度を測定することが可能である。また、尿素水溶液は、その濃度（溶液中の尿素濃度）に応じて熱伝導率に違いが生ずることが知られている。つまり、発熱抵抗体１１４の温度上昇率は、尿素水溶液の熱伝導率、すなわち濃度に応じて異なってくる。このことから、発熱抵抗体１１４を一定時間加熱したときの、発熱抵抗体１１４の抵抗値変化の度合いに基づき、尿素水溶液の尿素濃度を得ることができる。

このような原理に基づいて、液体状態検知センサ１００では、発熱抵抗体１１４への通電開始直後（詳細には、通電開始後１０ｍｓ経過後）に差動増幅回路部２３０により検出される検出電圧Ｖ１をもとに、尿素水溶液の温度をマイクロコンピュータ２２０にて行う。さらに、この液体状態検知センサ１００では、発熱抵抗体１１４に通電を開始してから７００ｍｓといった短期間の通電時間経過後に、差動増幅回路部２３０により検出される検出電圧Ｖ２と、発熱抵抗体１１４への通電開始直後に検出された上記検出電圧Ｖ１との差分値をマイクロコンピュータ２２０にて演算し、この差分値をもとに尿素濃度の測定を行う。これらの測定をより精確に行うためには、発熱抵抗体１１４に定電流を流すことが肝要である。つまり、バッテリー３１０における電圧変動や昇圧回路部３２０におけるスイッチングノイズの影響を低減し、さらに定電流を流せば、外的要因による発熱抵抗体１１４自身の抵抗値の変動を低減し、精確な測定結果を得ることができるのである。

液体性状検知回路部２８０では、電源部３９０において、バッテリー３１０から供給された電力を昇圧回路部３２０において一旦昇圧し、ノイズ除去部３３０において降圧することによって、スイッチングノイズやバッテリーの電圧変動に伴う電圧のふらつきといった電圧波形に生ずる変動ノイズの除去を行うことができる。バッテリー３１０から供給される電圧の波形は、供給開始後、安定するまでに、一時的に規定電圧を超える、いわゆるオーバーシュートを示したり、一時的に規定電圧を下回る、いわゆるオーバーシュートを示したりする場合がある。このような電圧の波形に生ずる変動ノイズをノイズ除去部３３０、すなわち降圧型のリニアレギュレータによって除去すれば、電力の供給開始直後から安定した電力を発熱抵抗体１１４に供給することができる。

そして、発熱抵抗体１１４を流れる電流の大きさは、電流検出抵抗３６０の一端に現れる電位Ｓとして検出されることとなる。この電位Ｓはオペアンプ３７０に入力されており、基準電源３８０の電位Ｔと比較され、その比較結果が出力としてＭＯＳ−ＦＥＴ３５０のゲートに入力され、ゲート電圧が調整されることとなる。電位Ｓが電位Ｔより高ければＭＯＳ−ＦＥＴ３５０のドレイン−ソース間を流れる電流、すなわち発熱抵抗体１１４を流れる電流が減衰される。そして電位Ｓが電位Ｔより低ければ、発熱抵抗体１１４を流れる電流が増幅される。このようなフィードバック制御を行うことにより、液体性状検知回路部２８０では、発熱抵抗体１１４に定電流を供給することができる。

なお、尿素水溶液の温度測定では、発熱抵抗体１１４への通電開始後、発熱抵抗体１１４自身の発熱による温度変化の影響が出るまでの僅かな時間で発熱抵抗体１１４の抵抗値を検出する必要がある。このためには発熱抵抗体１１４を流れる電流が、より早く安定化することが好ましい。本実施の形態では、電流調整を行うＭＯＳ−ＦＥＴ３５０よりも下流側（グランド側）に電流検出を行う電流検出抵抗３６０を配置し、この電流検出抵抗３６０の一端に現れる電位Ｓをグランドとの電位差として得られるようにしている。この電位Ｓとの比較対象となる基準電源３８０の電位Ｔもまたグランドとの電位差であり、こうした構成とすることにより、電流検出抵抗３６０の両端の電位差を求める回路部分を不要とし、回路構成の簡易化を図り、回路の信頼性を高めることができる。また、回路構成の簡易化によって、オペアンプ３７０によるＭＯＳ−ＦＥＴ３５０の制御が有効となるまでの時間をより早めることができるので、フィードバック制御の速度を向上することができる。これにより、尿素水溶液の温度および尿素濃度の検知精度を高めることができる。

また、ノイズ除去部３３０において取りきれなかったノイズや外的要因によるノイズ（例えば電磁波ノイズなど）によって発熱抵抗体１１４を流れる電流に変動が生じても、電流検出抵抗３６０を発熱抵抗体１１４よりもグランド側に配置したことで、そのノイズを検出することができる。発熱抵抗体１１４に定電流を流すために行われるフィードバック制御では、こうしたノイズによる影響も低減されることとなり、尿素水溶液の温度および尿素濃度の検知精度を高めることができる。

さらに、オペアンプ３７０の駆動・非駆動の制御を行うスイッチ部３４０からの制御信号が−入力端子側に入力されるため、オペアンプ３７０は非駆動時には負側の飽和状態となり、つまりその出力が０Ｖの状態となっている。オペアンプ３７０が駆動時に飽和状態から復帰するには時間を要することが知られているが、ＭＯＳ−ＦＥＴ３５０のゲート電圧として出力されることとなる比較的小さな電圧を出力可能な状態になるには、正側の飽和状態からよりも負側飽和状態から復帰する方が早い。このように、スイッチ部３４０からの制御信号が、オペアンプ３７０の−入力端子側に入力されることで、オペアンプ３７０によるＭＯＳ−ＦＥＴ３５０の制御が有効となるまでの時間をより早め、応答性を向上することができる。

なお、本発明は各種の変形が可能なことはいうまでもない。例えば、バッテリー３１０が発熱抵抗体１１４に供給するのに必要な電圧に対して十分に高い電圧を供給することができれば、昇圧回路部３２０を設けなくともよい。また、スイッチ部３４０は、オペアンプ３７０とＭＯＳ−ＦＥＴ３５０との間の位置（図２における点Ｕで示す）に配置してもよいし、ノイズ除去部３３０と発熱抵抗体１１４との間の位置（図２における点Ｖで示す）に配置してもよい。

さらに、スイッチ部３４０は、図３に示すような回路構成を採っていてもよい。具体的には、基準電源４８０の正極側に２つの抵抗４９１，４９２を直列に接続した分圧回路を接続し、その分圧回路の一端を接地する。そして、分圧回路の分圧点をオペアンプ３７０の非反転入力端子に接続する。さらに、スイッチ部３４０のうち、オペアンプ３７０の反転入力端子に接続される側の端部と反対側の端部を、基準電源４８０と抵抗４９１との間に接続する。このような回路構成においても、上記実施の形態と同様な機能を果たす定電流出力回路部４００となる。

また、液体状態検知センサ１００としては、レベル検知部７０を有さないタイプのセンサであってもよい。また、上記の実施形態の液体状態検知センサ１００では、尿素水溶液の温度検知と尿素の濃度検知とを行ったが、尿素水溶液の温度検知を行わないものであってもよい。さらに、尿素の濃度検知に代えて、液体の種別検知を行うようにしてもよい。

また、検知対象の液体として用いた尿素水溶液は一例に過ぎず、他の液体であってもよい。また、ノイズ除去部３３０は、コンデンサを用いて簡易的にノイズの除去を行う回路構成であってもよい。さらに、電流調整部はＭＯＳ−ＦＥＴ３５０に限られず、ＮＰＮ型のトランジスタや他のスイッチング素子で構成されてもよい。

液体状態検知センサ１００の一部を切り欠いてみた縦断面図である。液体状態検知センサ１００の電気的な構成を示す図である。変形例としての定電流出力回路部４００におけるスイッチ部３４０の回路構成を示す図である。従来の液体状態検知センサの定電流出力回路５００を示す図である。

符号の説明

１００液体状態検知センサ
１１４発熱抵抗体
３３０ノイズ除去部（ノイズ除去手段）
３４０スイッチ部
３５０ＭＯＳ−ＦＥＴ（電流調整手段）
３６０電流検出抵抗（電流検出手段）
３７０オペアンプ（制御手段）
３８０、４８０基準電源
３９０電源部

Claims

発熱抵抗体に一定時間通電したときの液体に対する前記発熱抵抗体の放熱特性に基づいて、前記発熱抵抗体の周囲における前記液体の状態を検知する液体状態検知センサにおいて、
前記発熱抵抗体に通電するために、前記発熱抵抗体の一端側に配置される電源部と、
前記発熱抵抗体に流れる電流を検出するために、自身の一端側に前記発熱抵抗体が配置され、自身の他端がグランドに接続される電流検出手段と、
当該電流検出手段によって検出される電流の大きさに基づいて、前記発熱抵抗体に流れる電流の大きさを調整するために、前記発熱抵抗体と前記電流検出手段との間に配置される電流調整手段と
を備え、
前記電源部、前記発熱抵抗体、前記電流調整手段、および前記電流検出手段がこの順に直列に接続されて、前記グランドを介して閉ループ回路を構成すると共に、
基準となる電圧と、前記電流検出手段の一端の電圧とが入力され、両電圧の比較結果に応じて前記電流調整手段の駆動状態の制御を行う制御手段をさらに備えたことを特徴とする液体状態検知センサ。
前記制御手段には、前記電流検出手段の前記一端の電圧の入力に、前記制御手段を駆動または非駆動の状態に制御する制御信号が重畳されて入力されることを特徴とする請求項１に記載の液体状態検知センサ。
前記電源部には、当該電源部から前記発熱抵抗体に供給される電圧の波形に生ずる変動ノイズを除去するノイズ除去手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の液体状態検知センサ。
前記ノイズ除去手段は、降圧型のリニアレギュレータであることを特徴とする請求項３に記載の液体状態検知センサ。