液体用濃度測定装置
【課題】液体の濃度を測定するにあたり、検知電極の間に生じるリーク抵抗の影響を排除可能な液体用濃度測定装置を提供する。
【解決手段】第１発振部２０および第２発振部２５を備える構成とし、２つの異なる周波数ｆ１、ｆ２のパルス波でスイッチｓｗ１、ｓｗ２を切り換える。一方のスイッチｓｗ１がオンとなり他方のスイッチｓｗ２がオフとなった場合、検知電極４１は充電される。反対に、一方のスイッチｓｗ１がオフとなり他方のスイッチｓｗ２がオンとなった場合、充電されていた検知電極４１は、放電する。このような充放電によって得られるオペアンプ４３の出力電圧Ｖ（ｆ１）、Ｖ（ｆ２）の差を取る。しかも、同一の論理回路を用いて、各スイッチｓｗ１、ｓｗ２を排他的に制御する。
【解決手段】第１発振部２０および第２発振部２５を備える構成とし、２つの異なる周波数ｆ１、ｆ２のパルス波でスイッチｓｗ１、ｓｗ２を切り換える。一方のスイッチｓｗ１がオンとなり他方のスイッチｓｗ２がオフとなった場合、検知電極４１は充電される。反対に、一方のスイッチｓｗ１がオフとなり他方のスイッチｓｗ２がオンとなった場合、充電されていた検知電極４１は、放電する。このような充放電によって得られるオペアンプ４３の出力電圧Ｖ（ｆ１）、Ｖ（ｆ２）の差を取る。しかも、同一の論理回路を用いて、各スイッチｓｗ１、ｓｗ２を排他的に制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルコール濃度などを測定する液体用濃度検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の燃料として、低公害なアルコール混合ガソリンが注目されている。このような混合ガソリンは、ガソリンのみの場合と比べ、最適な空燃比が異なっている。そのため、混合ガソリンが最適な空燃比となるように制御するため、混合ガソリン中のアルコールの含有量、すなわちアルコール濃度を測定することが重要となってくる。
【０００３】
アルコール濃度を精度よく測定するためには、変化比率の比較的高い物理定数を用いることが望ましい。そのため、従来、比誘電率の変化を検出する方法が開示されている。例えば、比誘電率は静電容量の変化から求められるため、一対の電極を対向配置して静電容量を測定する液体用濃度計が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここに開示される液体用濃度計は、制御回路により一定周期で切り換えられる切換スイッチを介して濃度センサの充放電を繰り返し、測定対象となる流体の濃度に比例した出力電圧を得るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、一対の電極を対向配置して静電容量を求める場合、不純物が多いと、すなわちガソリンが粗悪であると、当該電極間の抵抗（以下「リーク抵抗」という）が比較的小さくなってしまうという問題がある。すなわち、不純物の含まれないガソリンであれば絶縁状態（リーク抵抗が無限大）となって電極間の導電率はほぼ「０」となるのであるが、不純物が多くなると、導電率が比較的大きくなってしまう。
【０００６】
そのため、精度よくアルコール濃度を測定するためには、リーク抵抗の影響を排除する測定装置が必要になってくる。この点、上記特許文献１に記載の液体用濃度計では、リーク抵抗の影響を受けてしまい、アルコール濃度を精度よく測定することが困難となるおそれがある。
【０００７】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、液体の濃度を測定するにあたり、検知電極の間に生じるリーク抵抗の影響を排除可能な液体用濃度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明では、スイッチ手段にて、検知電極の充電及び放電が切り換えられる。検知電極は、電極が対向して配置されてなる。スイッチ手段に対しては、動作信号出力手段によって、スイッチ手段の切り換えを第１の周期で行うための第１周波数の動作信号、及び、スイッチ手段の切り換えを第２の周期で行うための第２周波数の動作信号が出力される。これらの動作信号に基づき、スイッチ手段への切換信号を出力するのが論理回路である。測定値出力手段は、検知電極の静電容量に応じた電圧を測定値として出力可能であり、第１周波数による第１測定値及び第２周波数による第２測定値を出力可能である。
【０００９】
リーク抵抗をＲｐとした場合、測定値としての電圧の計算式には、（１／Ｒｐ）を含む定数項が表れる。そのため、単一の周波数で測定した場合には、リーク抵抗Ｒｐが小さくなると、その影響が比較的大きくなって、測定値がばらつくことになる。これに対し、本発明では、第１周波数による第１測定値および第２周波数による第２測定値を出力するため、これら２つの測定値の差分をとれば、（１／Ｒｐ）を含む定数項を消去することができ、リーク抵抗の影響を排除することができる。
【００１０】
ところで、複数のスイッチ手段にて充放電を実現する場合、図９（ａ）に示すように、一方のスイッチｓｗ１にはＮＯＴ回路３５を介して切換信号を入力し、他方のスイッチｓｗ２には切換信号を直接入力する構成が考えられる。
【００１１】
しかしながら、この場合、ＮＯＴ回路３５からの反転信号の出力タイミングが遅延する虞がある。すなわち、スイッチｓｗ１への切換信号が、スイッチｓｗ２への切換信号と比べて遅延する虞がある。そして、ＮＯＴ回路３５からの反転信号の出力タイミングが遅延すると、スイッチｓｗ１の切換タイミングが遅延し、結果として、排他的に制御されるべき２つのスイッチｓｗ１、ｓｗ２が同時にＯＮ、あるいは、同時にＯＦＦとなる期間が生じてしまう（図９（ｂ）参照）。このような期間が生じると、上記第１及び第２測定値に測定誤差が発生し、測定精度が低下することになる。
【００１２】
この点、本発明では、論理回路を、各スイッチ手段に対応させて配置される同一構成の回路とした。例えば、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＥＸＯＲ回路３３、３４で構成するという具合である。このように各スイッチ手段に対応させて同一構成の論理回路を配置すれば、当該論理回路による遅延時間も同一となるため、各スイッチ手段の切換タイミングが相互にずれることがない。その結果、上記第１及び第２測定値に測定誤差が発生することを抑止でき、測定精度が低下することを抑制できる。
【００１３】
なお、複数のスイッチ手段としたのは、例えばクロール接続などの構成で、合計４つのスイッチで構成されることが考えられるためである。この場合、所定の２つのスイッチと残りの２つのスイッチとが排他的に制御されるという具合である。
【００１４】
請求項２によれば、増幅手段によって第１測定値および第２測定値が増幅されるため、測定値の差分を好適に取り出すことが可能となる。
請求項３によれば、基準電圧生成手段にて生成された基準電圧を基準として第１測定値および第２測定値が増幅されるため、測定可能範囲での測定値の増幅に寄与する。
【００１５】
請求項４によれば、基準電圧生成手段にて生成される基準電圧に基づくＡＣ結合が行われているため、測定値の変動が基準電圧を中心とするものとなり、測定可能範囲での測定値の増幅に寄与する。
なお、第１測定値および第２測定値を出力する構成とし、両測定値の差分は外部の演算手段にて演算することも考えられる。これに対し、請求項５に示すように、第１測定値と第２測定値との差分を測定結果として出力するようにしてもよい。また、ＡＤ変換などを行う構成としてもよい。
請求項６では、測定値出力手段が第１測定値および第２測定値を平滑化する平滑化手段を有している。このようにすれば、出力電圧がなまされるため、その後の測定値の処理が比較的簡単になる。
【００１６】
ところで、上述したように第１測定値および第２測定値の差分をとることによりリーク抵抗の影響を排除することができるが、各測定値自体は、リーク抵抗の影響があると、比較的大きくなってしまう。測定値としての電圧の計算式には、（１／Ｒｐ）を含む定数項が表れるためである。したがって、リーク抵抗の影響が大きくなると、測定可能範囲を越えてしまい、測定不可となってしまうことが懸念される。
この点、請求項７によれば、検知電極のプラス側端子にカップリングコンデンサが接続されているため、検知電極に流れるリーク電流を半分にすることが可能となる。これによって、各測定値に現れるリーク抵抗の影響を半分にすることができる。その結果、測定可能範囲を越えてしまうことが抑制され、測定不可となってしまう事態を回避できる可能性が高くなる。また、カップリングコンデンサを接続することにより、検知電極の両方の電極に交互に電荷が溜まるため、電食（検知電極の電気分解）の抑制に寄与する。
【００１７】
請求項８によれば、検知電極のマイナス側端子が直接接地されているため、静電気による影響を受けにくくなるという点で有利である。例えば、スイッチ手段を構成するスイッチが静電気によって損傷を受けることを抑制できる。また例えば、電磁波によってスイッチが誤作動したりすることを抑制できる。さらに、このようにすれば、スイッチ手段の構成が比較的簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態のアルコール濃度センサの構成を示す回路図である。
【図２】アルコール濃度センサの基本動作を説明するための回路図である。
【図３】検知電極およびリーク抵抗に発生する電流を示す説明図である。
【図４】出力電圧Ｖａを示す説明図である。
【図５】カップリングコンデンサを設けた場合の基本構成を示す回路図である。
【図６】カップリングコンデンサを設けた場合の検知電極およびリーク抵抗に発生する電流を示す回路図である。
【図７】カップリングコンデンサを設けた場合の出力電圧Ｖａを示す説明図である。
【図８】出力電圧の基準電圧を基準とする増幅を示す説明図である。
【図９】（ａ）は比較例の構成を示す回路図であり、（ｂ）は切換信号の遅延を示す説明図である。
【図１０】本実施形態における切換信号の出力タイミングを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本形態のアルコール濃度センサは、車両に搭載して用いられる。車両燃料としての混合ガソリン中のエタノール濃度を測定するセンサである。
図１は、本形態のアルコール濃度センサ１の回路構成を示す回路図である。
アルコール濃度センサ１は、図１中の左端に示すバッテリ１０を電源電圧Ｖｃｃ（本形態では５Ｖ）とし、図１中の右端に示す端子１１に測定結果を出力する。電源電圧Ｖｃｃは、図１中左上の定電圧ＩＣ（三端子レギュレータ）１２によって安定的に供給される。
【００２０】
アルコール濃度センサ１は、破線で示す第１発振部２０、第２発振部２５、検知部４０、基準電圧生成部５０、ＡＣ結合部６０、及び、増幅部７０、さらには、マイコン８０を備えている。
第１発振部２０は、判定動作にヒステリシスを設けたシュミットトリガ２１、シュミットトリガ２１に並列に接続された抵抗器２２、および、シュミットトリガ２１の入力側と接地電位との間に接続されたコンデンサ２３で構成されている。かかる構成により、第１発振部２０は、周波数ｆ１のパルス波（動作クロック）を出力する。同様に、第２発振部２５は、シュミットトリガ２６、抵抗器２７、および、コンデンサ２８で構成されている。かかる構成により、第２発振部２５は、周波数ｆ２のパルス波（動作クロック）を出力する。なお、本形態では、シュミットトリガ２１、２６を採用して回路構成しているが、同様の出力を得られるのであれば他の構成を採用してもよい。例えば、マイコン８０を用いて、周波数ｆ１及び周波数ｆ２のパルス波を出力するようにしてもよい。
【００２１】
ここで、第１発振部２０および第２発振部２５からの出力端子はそれぞれ、周波数切換スイッチ３１、３２に接続されている。これら２つの周波数切換スイッチ３１、３２は、交互にオンとなるように、マイコン８０によって制御される。つまり、これら周波数切換スイッチ３１、３２がマイコン８０によって制御されることにより、後述する回路が周波数ｆ１または周波数ｆ２のパルス波で動作することになる。
【００２２】
第1発振部２０および第２発振部２５からのパルス波は、２つのスイッチｓｗ１およびスイッチｓｗ２を切り換える。ここで一方のスイッチｓｗ１と周波数切換スイッチ３１、３２との間には、ＥＸＯＲ回路３３が接続されている。また、他方のスイッチｓｗ２と周波数切換スイッチ３１、３２の間には、ＥＸＯＲ回路３４が接続されている。一方のスイッチｓｗ１に対応するＥＸＯＲ回路３３には、電源電圧Ｖｃｃが入力されるようになっており、他方のスイッチｓｗ２に対応するＥＸＯＲ回路３４は、その入力端子が接地されている。かかる構成により、周波数切換スイッチ３１がオンの状態では、第１発振部２０によって出力される周波数ｆ１のパルス波によって、スイッチｓｗ１、ｓｗ２が互い違いにオン／オフを繰り返すことになる。同様に、周波数切換スイッチ３２がオンの状態では、第２発振部２５によって出力される周波数ｆ２のパルス波によって、スイッチｓｗ１、ｓｗ２が互い違いにオン／オフを繰り返すことになる。
【００２３】
検知部４０は、検知電極４１を備えている。この検知電極４１が車両の燃料経路に設置される。検知電極４１は、対向して配置されることでいわゆるコンデンサを構成している。本形態では、検知電極４１の静電容量を測定することにより、エタノール濃度を測定する。このとき、測定を阻害する要因として、リーク抵抗Ｒｐが存在する。すなわち、検知部４０に示す抵抗Ｒｐは、不純物の混入によって変わってくるものである。このリーク抵抗Ｒｐは、検知電極４１と並列に接続されるものとして考えることができる。本形態の特徴の一つは、このリーク抵抗Ｒｐの影響を受けることなくエタノール濃度を測定可能な点にある。
【００２４】
検知電極４１のプラス側端子は、カップリングコンデンサ４２およびスイッチｓｗ１を順に経由してオペアンプ（演算増幅器）４３の反転入力端子に接続されている。また、オペアンプ４３の出力端子と反転入力端子との間には、コンデンサ４４とゲイン抵抗Ｒｇとが並列に接続されている。さらにまた、電源電圧Ｖｃｃと接地電位との間には抵抗器４５、４６が順次接続されており、２つの抵抗器４５、４６の接続点がオペアンプ４３の非反転入力端子に接続されている。また、検知電極４１のプラス側端子はスイッチｓｗ２を経由して接地されており、マイナス側端子は直接接地されている。
【００２５】
オペアンプ４３の出力端子は、抵抗器４７を経由してオペアンプ４８の非反転入力端子に接続されている。また、この非反転入力端子は、コンデンサ４９を経由して接地されている。かかる構成により、オペアンプ４３の出力電圧は、平滑化された出力電圧Ｖａとしてオペアンプ４８の非反転入力端子へ入力されることになる。オペアンプ４８の出力端子と反転入力端子とは、共通接続されている。オペアンプ４８の出力は、ＡＣ結合部６０への入力となっている。
【００２６】
基準電圧生成部５０は、基準電圧を生成するものであり、抵抗器５１、５２、５３と、オペアンプ５４とから構成されている。
抵抗器５１、５２は、電源電圧Ｖｃｃ（本形態では５Ｖ）と接地電位（＝０Ｖ）との間に順次接続されて、電源電圧Ｖｃｃを分圧することにより基準電圧Ｖｒ（本形態では２．５Ｖ）を生成する。この抵抗器５１、５２同士の接続点には、オペアンプ５４の非反転入力端子が接続されている。オペアンプ５４の反転入力端子と出力端子とは共通接続されており、出力端子は、抵抗器５３を介して接地されている。かかる構成により、オペアンプ５４は、上記基準電圧Ｖｒを出力するバッファとして機能する。
【００２７】
ＡＣ結合部６０は、カップリングコンデンサ６１および抵抗器６２によって、ＡＣ結合を構成している。オペアンプ４８の出力端子は、コンデンサ６１を経由してオペアンプ７１の非反転入力端子に接続されている。また、コンデンサ６１とオペアンプ７１の非反転入力端子との接続点が抵抗器６２を経由して、上記オペアンプ５４の出力端子に接続されている。
【００２８】
増幅部７０は、オペアンプ７１および抵抗器７２、７３から構成されている。オペアンプ７１の出力端子は、抵抗器７２を経由して反転入力端子に接続されている。また、反転入力端子には、抵抗器７３を経由して、上記オペアンプ５４の出力端子が接続されている。かかる構成により、増幅部７０は、基準電圧を基準として電圧Ｖｂを増幅し、電圧Ｖｃをマイコン８０へ出力する。
【００２９】
マイコン８０は、その端子ＶＣＣに、電源電圧Ｖｃｃを接続して構成されている。マイコン８０の端子Ａ／Ｄ２には、増幅部７０からの出力電圧Ｖｃが入力される。マイコン８０は、この出力電圧ＶｃをＡＤ変換するとともに差分をとって、端子１１に出力する。この端子１１は、図示しないＥＣＵに接続される。マイコン８０の端子ＡＤ１には、オペアンプ４８の出力端子が接続されており、出力電圧の異常を検知可能となっている。例えば、測定可能範囲を上回る電圧が端子ＡＤ１に入力されると、マイコン８０がそれを検知して警告処理を行うことが考えられる。
【００３０】
次に、アルコール濃度センサ１の基本部分の動作を説明する。
第１発振部２０および第２発振部２５からのパルス波（動作クロック）によって、スイッチｓｗ１、ｓｗ２が互い違いにオン／オフを繰り返すことは既に述べた（図１参照）。ここでは、図２に基づき、周波数ｆのパルス波が入力されてスイッチｓｗ１、ｓｗ２がオン／オフされる場合の電流の流れを説明する。また、この電流の変化を、図３に基づき説明する。なお、図２は、図１の回路の一部を示すものである。
【００３１】
パルス波がｌｏｗレベルの場合、図２（ａ）に示すように、一方のスイッチｓｗ１がオンとなり、他方のスイッチｓｗ２がオフとなる。これは、一方のスイッチｓｗ１に対応するＥＸＯＲ回路３３への入力が「１」（電源電圧Ｅ）及び「０」（パルス波）となり、スイッチｓｗ１へ切換信号「１」が出力されるためである。また、他方のスイッチｓｗ２に対応するＥＸＯＲ回路３４への入力が「０」（パルス波）及び「０」（接地電圧）となり、スイッチｓｗ２への切換信号「０」が出力されるためである。
【００３２】
この場合、オペアンプ４３は、非反転入力端子および反転入力端子の電位を同じにするように動作し、図２（ａ）に示すように、結果的に、電源電圧Ｅによって、ゲイン抵抗Ｒｇに電流が発生する。ここでは、検知電極４１に発生する電流をｉ１とし、リーク抵抗Ｒｐに発生する電流をｉ２として示した。
【００３３】
このときは、図３中に期間Ｔ１、Ｔ３で示すごとく、検知電極４１に発生する電流ｉ１は、最初に立ち上がり、検知電極４１が充電されると「０」になる。一方、検知電極４１と並列に接続されたものとされるリーク抵抗Ｒｐに発生する電流ｉ２は一定値となる。なお、厳密には、電流（ｉ１＋ｉ２）が一定となるため電流ｉ１、ｉ２が同時に立ち上がることはないが（電流ｉ２の立ち上がりが遅れるが）、ここでは便宜上、電流ｉ２を一定値として説明している。
【００３４】
パルス波がｈｉｇｈレベルの場合、図２（ｂ）に示すように、一方のスイッチｓｗ１がオフとなり、他方のスイッチｓｗ２がオンとなる。これは、一方のスイッチｓｗ１に対応するＥＸＯＲ回路３３への入力が「１」（電源電圧Ｅ）及び「１」（パルス波）となり、スイッチｓｗ１へ切換信号「０」が出力されるためである。また、他方のスイッチｓｗ２に対応するＥＸＯＲ回路３４への入力が「１」（パルス波）及び「０」（接地電圧）となり、スイッチｓｗ２への切換信号「１」が出力されるためである。
【００３５】
この場合、図２（ｂ）に示すように、検知電極４１のプラス側が接地されるため、充電されていた検知電極４１は、放電する。そのため、検知電極４１には、パルス波がｌｏｗレベルの場合と反対方向の電流ｉ１が発生する。
【００３６】
このときは、図３中に期間Ｔ２、Ｔ４で示すごとく、検知電極４１に流れる電流ｉ１は、反対方向へ立ち上がり、検知電極４１の放電が終了すると「０」になる。一方、検知電極４１と並列に接続されたものとされるリーク抵抗Ｒｐに流れる電流ｉ２は、「０」になる。
【００３７】
次に、このように周波数ｆのパルス波でスイッチｓｗ１、ｓｗ２が切り換えられた場合のオペアンプ４３の出力電圧について説明する。
まず図３から、電流ｉ２の平均は、次の式１で示すごとくとなる。
【００３８】
【数１】
【００３９】
また、検知電極４１に溜まる電荷は、検知電極４１の静電容量をＣｐとすると、電源電圧Ｅであるため、次の式２で示すごとくとなる。
【００４０】
【数２】
【００４１】
電流ｉ１の平均は、電荷の時間微分であるため、式２を用いて、次の式３で示すごとくとなる。ここでは、周期Ｔ０（＝１／ｆ）とした（図３参照）。
【００４２】
【数３】
【００４３】
したがって、出力電圧Ｖは、式１、式３を用いて、次の式４で示すごとくとなる。
【００４４】
【数４】
【００４５】
この式４によれば、リーク抵抗Ｒｐが無限大に近い場合、出力電圧Ｖにばらつきは生じない。つまり、精度よくエタノール濃度が測定できることになる。しかしながら、リーク抵抗Ｒｐが小さくなった場合、すなわち不純物が多く含まれているような場合には、測定誤差が大きくなってしまう。
【００４６】
そこで、本形態では、図１に示したように、第１発振部２０および第２発振部２５を備える構成とし、２つの異なる周波数ｆ１、ｆ２のパルス波でスイッチｓｗ１、ｓｗ２を切り換え、このときのオペアンプ４３の出力電圧Ｖ（ｆ１）、Ｖ（ｆ２）の差を取ることにした。すなわち、次の式５に示すごとくである。
【００４７】
【数５】
【００４８】
このようにすれば、リーク抵抗Ｒｐの影響を受けず、検知電極４１の静電容量Ｃｐを出力電圧Ｖの差分として測定することができる。
【００４９】
図４は、電圧Ｖを平滑化した電圧Ｖａの変化を示す説明図である。
オペアンプ４３からの出力電圧Ｖは、図１および図２に示した抵抗器４７およびコンデンサ４９によって平滑化される。図４では最初に周波数ｆ２のパルス波でスイッチｓｗ１、ｓｗ２の切り換えを行っているが、時刻ｔ１までにほぼ収束している。また、時刻ｔ１から周波数ｆ１のパルス波でスイッチｓｗ１、ｓｗ２の切り換えを行っているが、時刻ｔ２までにほぼ収束している。したがって、周波数ｆ１、ｆ２の切り換えタイミングは、このような電圧Ｖａの変化に基づいて、マイコン８０によって制御すればよい。
【００５０】
ところで、電圧Ｖａは、上記式４から分かるように、リーク抵抗Ｒｐが小さくなると、大きな値となる。図４中には、リーク抵抗Ｒｐが無限大の場合と、１ｋオームの場合とを比較して示した。つまり、出力電圧Ｖ（ｆ１）、Ｖ（ｆ２）の差分はリーク抵抗Ｒｐに影響を受けないものとなるが、出力電圧Ｖａ自体は、リーク抵抗Ｒｐの影響で大きくなってしまうのである。そして、極端な場合、出力電圧Ｖａが測定可能範囲を越えてしまうおそれがある。
【００５１】
そこで、本形態では、図５に示したように、検知電極４１のプラス側端子が、カップリングコンデンサ４２によってＡＣ結合されるようにした。この場合、基本的な動作は、図２で説明したものと同様になる。そして、このときは、図６に示すように、電流ｉ２の平均が、カップリングコンデンサ４２を挿入しない場合と比較して、１／２となる。これによって、上記式４から分かるように、リーク抵抗Ｒｐの影響を１／２とすることができる。すなわち、図７に示すように、カップリングコンデンサ４２を挿入しない場合は破線で示すような出力電圧Ｖａとなるが、カップリングコンデンサ４２を設けることによって、リーク抵抗Ｒｐが同じ１ｋオームの場合でも、実線で示すように出力電圧Ｖａを小さくすることができる。また、このようにすることで、検知電極４１の片方の電極だけに電荷が溜まることを抑制できるため、検知電極４１の電食を抑制することができる。
【００５２】
上述したような出力電圧Ｖａは、オペアンプ４８、基準電圧生成部５０、および、ＡＣ結合部６０により、基準電圧（本形態では２．５Ｖ）を基準とする出力電圧Ｖｂとなる（図１参照）。図８中に、記号Ａで示すごとくである。さらに、出力電圧Ｖｂは、増幅部７０によって増幅されて、出力電圧Ｖｃとなる。図８中に記号Ｂで示すごとくである。これによって、測定結果を好適に取り出すことができる。
【００５３】
なお、本形態におけるスイッチｓｗ１、ｓｗ２が「スイッチ手段」を構成し、第１発振部２０、第２発振部２５、周波数切換スイッチ３１、３２およびマイコン８０が「動作信号出力手段」を構成する。また、２つのＥＸＯＲ回路３３、３４が「論理回路」を構成し、オペアンプ４３、ゲイン抵抗Ｒｇ、コンデンサ４４、抵抗器４５、４６、４７、およびコンデンサ４９が「測定値出力手段」を構成し、ここで抵抗器４７およびコンデンサ４９が「平滑化手段」を構成する。また、基準電圧生成部５０が「基準電圧生成手段」を構成し、ＡＣ結合部６０が「ＡＣ結合手段」を構成し、増幅部７０が「増幅手段」を構成し、マイコン８０が「差分演算手段」を構成する。
【００５４】
以上詳述したように、本形態のアルコール濃度センサ１によれば、リーク抵抗Ｒｐに影響されることなく、エタノール濃度を精度よく測定することができる。
【００５５】
ところで、２つのスイッチｓｗ１、ｓｗ２は、一方がオンならば他方がオフ、あるいは、一方がオフならば他方がオンという具合に、排他的に制御されている。
例えば図２に示した構成と同様の回路は、図９（ａ）のように、ＮＯＴ回路３５を用いて設計することが考えられる。この場合、一方のスイッチｓｗ１に対する切換信号のみがＮＯＴ回路３５によって反転されるようになっており、他方のスイッチｓｗ２に対する切換信号は、直接入力されている。
【００５６】
しかしながら、図９（ａ）に示すような回路構成では、ＮＯＴ回路３５からの反転信号の出力タイミングが遅延する虞がある。つまり、図９（ｂ）に示すように、駆動パルスに対してスイッチｓｗ１への切換信号だけが期間Ｔ１だけ遅延する虞がある。ＮＯＴ回路３５からの切換信号の出力タイミングが遅延すると、スイッチｓｗ１の切換タイミングが遅延し、結果として、排他的に制御されるべき２つのスイッチｓｗ１、ｓｗ２が同時にＯＮ、あるいは、同時にＯＦＦとなる期間が生じてしまう。このような期間が生じると、測定誤差が発生し、測定精度が低下することが否めない。
【００５７】
この点、本形態では、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、２つのスイッチｓｗ１、ｓｗ２に対応させ、同一のＥＸＯＲ回路３３、３４を設け、このＥＸＯＲ３３、３４の出力が各スイッチｓｗ１、ｓｗ２に入力されるようにした。このようにすれば、図１０に示すように、駆動パルスに対する遅延期間Ｔ２は、２つのスイッチｓｗ１、ｓｗ２で同一となる。したがって、２つのスイッチｓｗ１、ｓｗ２を完全に排他的に制御することが可能となり、測定精度が低下することを抑制できる。
【００５８】
また、カップリングコンデンサ４２を設けることによって、出力電圧Ｖａを小さくすることができるため（図７参照）、測定可能範囲を比較的大きくすることができる。しかも、検知電極４１の両方の電極に電荷が交互に溜まるため、検知電極４１の電食を抑制することができる。
【００５９】
さらにまた、検知電極４１のマイナス側端子を直接接地していることによって、２つのスイッチｓｗ１、ｓｗ２で回路を構成することができ、その回路構成が比較的簡単になる。加えて、静電気によりスイッチｓｗ１、ｓｗ２が損傷を受けることを抑制でき、また、電磁波によるスイッチｓｗ１、ｓｗ２の誤作動を抑制することができる。
【００６０】
以上、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々なる形態で実施可能である。
（イ）上記形態は２つのスイッチｓｗ１、ｓｗ２を用いた構成であったが、いわゆるクロール接続と呼ばれるような４つのスイッチを用いる構成であっても同様に本発明を適用することができる。
（ロ）上記形態はエタノール濃度を測定するセンサであったが、メタノール濃度なども同様の方法で測定することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１：アルコール濃度センサ（液体用濃度測定装置）、１０：バッテリ、１１：端子、２０：第１発振部、２５：第２発振部、３１、３２：周波数切換スイッチ、３３、３４：ＥＸＯＲ回路（論理回路）、３５：ＮＯＴ回路、４０：検知部、４１：検知電極、４２：カップリングコンデンサ、４３：オペアンプ、４４：コンデンサ、４５：抵抗器、４７：抵抗器、４９：コンデンサ、５０：基準電圧生成部（基準電圧生成手段）、６０：ＡＣ結合部（ＡＣ結合手段）、６１：カップリングコンデンサ、６２：抵抗器、７０：増幅部（増幅手段）、８０：マイコン（差分演算手段）、Ｒｇ：ゲイン抵抗、Ｒｐ：リーク抵抗、ｓｗ１、ｓｗ２：スイッチ（スイッチ手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルコール濃度などを測定する液体用濃度検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の燃料として、低公害なアルコール混合ガソリンが注目されている。このような混合ガソリンは、ガソリンのみの場合と比べ、最適な空燃比が異なっている。そのため、混合ガソリンが最適な空燃比となるように制御するため、混合ガソリン中のアルコールの含有量、すなわちアルコール濃度を測定することが重要となってくる。
【０００３】
アルコール濃度を精度よく測定するためには、変化比率の比較的高い物理定数を用いることが望ましい。そのため、従来、比誘電率の変化を検出する方法が開示されている。例えば、比誘電率は静電容量の変化から求められるため、一対の電極を対向配置して静電容量を測定する液体用濃度計が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここに開示される液体用濃度計は、制御回路により一定周期で切り換えられる切換スイッチを介して濃度センサの充放電を繰り返し、測定対象となる流体の濃度に比例した出力電圧を得るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、一対の電極を対向配置して静電容量を求める場合、不純物が多いと、すなわちガソリンが粗悪であると、当該電極間の抵抗（以下「リーク抵抗」という）が比較的小さくなってしまうという問題がある。すなわち、不純物の含まれないガソリンであれば絶縁状態（リーク抵抗が無限大）となって電極間の導電率はほぼ「０」となるのであるが、不純物が多くなると、導電率が比較的大きくなってしまう。
【０００６】
そのため、精度よくアルコール濃度を測定するためには、リーク抵抗の影響を排除する測定装置が必要になってくる。この点、上記特許文献１に記載の液体用濃度計では、リーク抵抗の影響を受けてしまい、アルコール濃度を精度よく測定することが困難となるおそれがある。
【０００７】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、液体の濃度を測定するにあたり、検知電極の間に生じるリーク抵抗の影響を排除可能な液体用濃度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明では、スイッチ手段にて、検知電極の充電及び放電が切り換えられる。検知電極は、電極が対向して配置されてなる。スイッチ手段に対しては、動作信号出力手段によって、スイッチ手段の切り換えを第１の周期で行うための第１周波数の動作信号、及び、スイッチ手段の切り換えを第２の周期で行うための第２周波数の動作信号が出力される。これらの動作信号に基づき、スイッチ手段への切換信号を出力するのが論理回路である。測定値出力手段は、検知電極の静電容量に応じた電圧を測定値として出力可能であり、第１周波数による第１測定値及び第２周波数による第２測定値を出力可能である。
【０００９】
リーク抵抗をＲｐとした場合、測定値としての電圧の計算式には、（１／Ｒｐ）を含む定数項が表れる。そのため、単一の周波数で測定した場合には、リーク抵抗Ｒｐが小さくなると、その影響が比較的大きくなって、測定値がばらつくことになる。これに対し、本発明では、第１周波数による第１測定値および第２周波数による第２測定値を出力するため、これら２つの測定値の差分をとれば、（１／Ｒｐ）を含む定数項を消去することができ、リーク抵抗の影響を排除することができる。
【００１０】
ところで、複数のスイッチ手段にて充放電を実現する場合、図９（ａ）に示すように、一方のスイッチｓｗ１にはＮＯＴ回路３５を介して切換信号を入力し、他方のスイッチｓｗ２には切換信号を直接入力する構成が考えられる。
【００１１】
しかしながら、この場合、ＮＯＴ回路３５からの反転信号の出力タイミングが遅延する虞がある。すなわち、スイッチｓｗ１への切換信号が、スイッチｓｗ２への切換信号と比べて遅延する虞がある。そして、ＮＯＴ回路３５からの反転信号の出力タイミングが遅延すると、スイッチｓｗ１の切換タイミングが遅延し、結果として、排他的に制御されるべき２つのスイッチｓｗ１、ｓｗ２が同時にＯＮ、あるいは、同時にＯＦＦとなる期間が生じてしまう（図９（ｂ）参照）。このような期間が生じると、上記第１及び第２測定値に測定誤差が発生し、測定精度が低下することになる。
【００１２】
この点、本発明では、論理回路を、各スイッチ手段に対応させて配置される同一構成の回路とした。例えば、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＥＸＯＲ回路３３、３４で構成するという具合である。このように各スイッチ手段に対応させて同一構成の論理回路を配置すれば、当該論理回路による遅延時間も同一となるため、各スイッチ手段の切換タイミングが相互にずれることがない。その結果、上記第１及び第２測定値に測定誤差が発生することを抑止でき、測定精度が低下することを抑制できる。
【００１３】
なお、複数のスイッチ手段としたのは、例えばクロール接続などの構成で、合計４つのスイッチで構成されることが考えられるためである。この場合、所定の２つのスイッチと残りの２つのスイッチとが排他的に制御されるという具合である。
【００１４】
請求項２によれば、増幅手段によって第１測定値および第２測定値が増幅されるため、測定値の差分を好適に取り出すことが可能となる。
請求項３によれば、基準電圧生成手段にて生成された基準電圧を基準として第１測定値および第２測定値が増幅されるため、測定可能範囲での測定値の増幅に寄与する。
【００１５】
請求項４によれば、基準電圧生成手段にて生成される基準電圧に基づくＡＣ結合が行われているため、測定値の変動が基準電圧を中心とするものとなり、測定可能範囲での測定値の増幅に寄与する。
なお、第１測定値および第２測定値を出力する構成とし、両測定値の差分は外部の演算手段にて演算することも考えられる。これに対し、請求項５に示すように、第１測定値と第２測定値との差分を測定結果として出力するようにしてもよい。また、ＡＤ変換などを行う構成としてもよい。
請求項６では、測定値出力手段が第１測定値および第２測定値を平滑化する平滑化手段を有している。このようにすれば、出力電圧がなまされるため、その後の測定値の処理が比較的簡単になる。
【００１６】
ところで、上述したように第１測定値および第２測定値の差分をとることによりリーク抵抗の影響を排除することができるが、各測定値自体は、リーク抵抗の影響があると、比較的大きくなってしまう。測定値としての電圧の計算式には、（１／Ｒｐ）を含む定数項が表れるためである。したがって、リーク抵抗の影響が大きくなると、測定可能範囲を越えてしまい、測定不可となってしまうことが懸念される。
この点、請求項７によれば、検知電極のプラス側端子にカップリングコンデンサが接続されているため、検知電極に流れるリーク電流を半分にすることが可能となる。これによって、各測定値に現れるリーク抵抗の影響を半分にすることができる。その結果、測定可能範囲を越えてしまうことが抑制され、測定不可となってしまう事態を回避できる可能性が高くなる。また、カップリングコンデンサを接続することにより、検知電極の両方の電極に交互に電荷が溜まるため、電食（検知電極の電気分解）の抑制に寄与する。
【００１７】
請求項８によれば、検知電極のマイナス側端子が直接接地されているため、静電気による影響を受けにくくなるという点で有利である。例えば、スイッチ手段を構成するスイッチが静電気によって損傷を受けることを抑制できる。また例えば、電磁波によってスイッチが誤作動したりすることを抑制できる。さらに、このようにすれば、スイッチ手段の構成が比較的簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態のアルコール濃度センサの構成を示す回路図である。
【図２】アルコール濃度センサの基本動作を説明するための回路図である。
【図３】検知電極およびリーク抵抗に発生する電流を示す説明図である。
【図４】出力電圧Ｖａを示す説明図である。
【図５】カップリングコンデンサを設けた場合の基本構成を示す回路図である。
【図６】カップリングコンデンサを設けた場合の検知電極およびリーク抵抗に発生する電流を示す回路図である。
【図７】カップリングコンデンサを設けた場合の出力電圧Ｖａを示す説明図である。
【図８】出力電圧の基準電圧を基準とする増幅を示す説明図である。
【図９】（ａ）は比較例の構成を示す回路図であり、（ｂ）は切換信号の遅延を示す説明図である。
【図１０】本実施形態における切換信号の出力タイミングを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本形態のアルコール濃度センサは、車両に搭載して用いられる。車両燃料としての混合ガソリン中のエタノール濃度を測定するセンサである。
図１は、本形態のアルコール濃度センサ１の回路構成を示す回路図である。
アルコール濃度センサ１は、図１中の左端に示すバッテリ１０を電源電圧Ｖｃｃ（本形態では５Ｖ）とし、図１中の右端に示す端子１１に測定結果を出力する。電源電圧Ｖｃｃは、図１中左上の定電圧ＩＣ（三端子レギュレータ）１２によって安定的に供給される。
【００２０】
アルコール濃度センサ１は、破線で示す第１発振部２０、第２発振部２５、検知部４０、基準電圧生成部５０、ＡＣ結合部６０、及び、増幅部７０、さらには、マイコン８０を備えている。
第１発振部２０は、判定動作にヒステリシスを設けたシュミットトリガ２１、シュミットトリガ２１に並列に接続された抵抗器２２、および、シュミットトリガ２１の入力側と接地電位との間に接続されたコンデンサ２３で構成されている。かかる構成により、第１発振部２０は、周波数ｆ１のパルス波（動作クロック）を出力する。同様に、第２発振部２５は、シュミットトリガ２６、抵抗器２７、および、コンデンサ２８で構成されている。かかる構成により、第２発振部２５は、周波数ｆ２のパルス波（動作クロック）を出力する。なお、本形態では、シュミットトリガ２１、２６を採用して回路構成しているが、同様の出力を得られるのであれば他の構成を採用してもよい。例えば、マイコン８０を用いて、周波数ｆ１及び周波数ｆ２のパルス波を出力するようにしてもよい。
【００２１】
ここで、第１発振部２０および第２発振部２５からの出力端子はそれぞれ、周波数切換スイッチ３１、３２に接続されている。これら２つの周波数切換スイッチ３１、３２は、交互にオンとなるように、マイコン８０によって制御される。つまり、これら周波数切換スイッチ３１、３２がマイコン８０によって制御されることにより、後述する回路が周波数ｆ１または周波数ｆ２のパルス波で動作することになる。
【００２２】
第1発振部２０および第２発振部２５からのパルス波は、２つのスイッチｓｗ１およびスイッチｓｗ２を切り換える。ここで一方のスイッチｓｗ１と周波数切換スイッチ３１、３２との間には、ＥＸＯＲ回路３３が接続されている。また、他方のスイッチｓｗ２と周波数切換スイッチ３１、３２の間には、ＥＸＯＲ回路３４が接続されている。一方のスイッチｓｗ１に対応するＥＸＯＲ回路３３には、電源電圧Ｖｃｃが入力されるようになっており、他方のスイッチｓｗ２に対応するＥＸＯＲ回路３４は、その入力端子が接地されている。かかる構成により、周波数切換スイッチ３１がオンの状態では、第１発振部２０によって出力される周波数ｆ１のパルス波によって、スイッチｓｗ１、ｓｗ２が互い違いにオン／オフを繰り返すことになる。同様に、周波数切換スイッチ３２がオンの状態では、第２発振部２５によって出力される周波数ｆ２のパルス波によって、スイッチｓｗ１、ｓｗ２が互い違いにオン／オフを繰り返すことになる。
【００２３】
検知部４０は、検知電極４１を備えている。この検知電極４１が車両の燃料経路に設置される。検知電極４１は、対向して配置されることでいわゆるコンデンサを構成している。本形態では、検知電極４１の静電容量を測定することにより、エタノール濃度を測定する。このとき、測定を阻害する要因として、リーク抵抗Ｒｐが存在する。すなわち、検知部４０に示す抵抗Ｒｐは、不純物の混入によって変わってくるものである。このリーク抵抗Ｒｐは、検知電極４１と並列に接続されるものとして考えることができる。本形態の特徴の一つは、このリーク抵抗Ｒｐの影響を受けることなくエタノール濃度を測定可能な点にある。
【００２４】
検知電極４１のプラス側端子は、カップリングコンデンサ４２およびスイッチｓｗ１を順に経由してオペアンプ（演算増幅器）４３の反転入力端子に接続されている。また、オペアンプ４３の出力端子と反転入力端子との間には、コンデンサ４４とゲイン抵抗Ｒｇとが並列に接続されている。さらにまた、電源電圧Ｖｃｃと接地電位との間には抵抗器４５、４６が順次接続されており、２つの抵抗器４５、４６の接続点がオペアンプ４３の非反転入力端子に接続されている。また、検知電極４１のプラス側端子はスイッチｓｗ２を経由して接地されており、マイナス側端子は直接接地されている。
【００２５】
オペアンプ４３の出力端子は、抵抗器４７を経由してオペアンプ４８の非反転入力端子に接続されている。また、この非反転入力端子は、コンデンサ４９を経由して接地されている。かかる構成により、オペアンプ４３の出力電圧は、平滑化された出力電圧Ｖａとしてオペアンプ４８の非反転入力端子へ入力されることになる。オペアンプ４８の出力端子と反転入力端子とは、共通接続されている。オペアンプ４８の出力は、ＡＣ結合部６０への入力となっている。
【００２６】
基準電圧生成部５０は、基準電圧を生成するものであり、抵抗器５１、５２、５３と、オペアンプ５４とから構成されている。
抵抗器５１、５２は、電源電圧Ｖｃｃ（本形態では５Ｖ）と接地電位（＝０Ｖ）との間に順次接続されて、電源電圧Ｖｃｃを分圧することにより基準電圧Ｖｒ（本形態では２．５Ｖ）を生成する。この抵抗器５１、５２同士の接続点には、オペアンプ５４の非反転入力端子が接続されている。オペアンプ５４の反転入力端子と出力端子とは共通接続されており、出力端子は、抵抗器５３を介して接地されている。かかる構成により、オペアンプ５４は、上記基準電圧Ｖｒを出力するバッファとして機能する。
【００２７】
ＡＣ結合部６０は、カップリングコンデンサ６１および抵抗器６２によって、ＡＣ結合を構成している。オペアンプ４８の出力端子は、コンデンサ６１を経由してオペアンプ７１の非反転入力端子に接続されている。また、コンデンサ６１とオペアンプ７１の非反転入力端子との接続点が抵抗器６２を経由して、上記オペアンプ５４の出力端子に接続されている。
【００２８】
増幅部７０は、オペアンプ７１および抵抗器７２、７３から構成されている。オペアンプ７１の出力端子は、抵抗器７２を経由して反転入力端子に接続されている。また、反転入力端子には、抵抗器７３を経由して、上記オペアンプ５４の出力端子が接続されている。かかる構成により、増幅部７０は、基準電圧を基準として電圧Ｖｂを増幅し、電圧Ｖｃをマイコン８０へ出力する。
【００２９】
マイコン８０は、その端子ＶＣＣに、電源電圧Ｖｃｃを接続して構成されている。マイコン８０の端子Ａ／Ｄ２には、増幅部７０からの出力電圧Ｖｃが入力される。マイコン８０は、この出力電圧ＶｃをＡＤ変換するとともに差分をとって、端子１１に出力する。この端子１１は、図示しないＥＣＵに接続される。マイコン８０の端子ＡＤ１には、オペアンプ４８の出力端子が接続されており、出力電圧の異常を検知可能となっている。例えば、測定可能範囲を上回る電圧が端子ＡＤ１に入力されると、マイコン８０がそれを検知して警告処理を行うことが考えられる。
【００３０】
次に、アルコール濃度センサ１の基本部分の動作を説明する。
第１発振部２０および第２発振部２５からのパルス波（動作クロック）によって、スイッチｓｗ１、ｓｗ２が互い違いにオン／オフを繰り返すことは既に述べた（図１参照）。ここでは、図２に基づき、周波数ｆのパルス波が入力されてスイッチｓｗ１、ｓｗ２がオン／オフされる場合の電流の流れを説明する。また、この電流の変化を、図３に基づき説明する。なお、図２は、図１の回路の一部を示すものである。
【００３１】
パルス波がｌｏｗレベルの場合、図２（ａ）に示すように、一方のスイッチｓｗ１がオンとなり、他方のスイッチｓｗ２がオフとなる。これは、一方のスイッチｓｗ１に対応するＥＸＯＲ回路３３への入力が「１」（電源電圧Ｅ）及び「０」（パルス波）となり、スイッチｓｗ１へ切換信号「１」が出力されるためである。また、他方のスイッチｓｗ２に対応するＥＸＯＲ回路３４への入力が「０」（パルス波）及び「０」（接地電圧）となり、スイッチｓｗ２への切換信号「０」が出力されるためである。
【００３２】
この場合、オペアンプ４３は、非反転入力端子および反転入力端子の電位を同じにするように動作し、図２（ａ）に示すように、結果的に、電源電圧Ｅによって、ゲイン抵抗Ｒｇに電流が発生する。ここでは、検知電極４１に発生する電流をｉ１とし、リーク抵抗Ｒｐに発生する電流をｉ２として示した。
【００３３】
このときは、図３中に期間Ｔ１、Ｔ３で示すごとく、検知電極４１に発生する電流ｉ１は、最初に立ち上がり、検知電極４１が充電されると「０」になる。一方、検知電極４１と並列に接続されたものとされるリーク抵抗Ｒｐに発生する電流ｉ２は一定値となる。なお、厳密には、電流（ｉ１＋ｉ２）が一定となるため電流ｉ１、ｉ２が同時に立ち上がることはないが（電流ｉ２の立ち上がりが遅れるが）、ここでは便宜上、電流ｉ２を一定値として説明している。
【００３４】
パルス波がｈｉｇｈレベルの場合、図２（ｂ）に示すように、一方のスイッチｓｗ１がオフとなり、他方のスイッチｓｗ２がオンとなる。これは、一方のスイッチｓｗ１に対応するＥＸＯＲ回路３３への入力が「１」（電源電圧Ｅ）及び「１」（パルス波）となり、スイッチｓｗ１へ切換信号「０」が出力されるためである。また、他方のスイッチｓｗ２に対応するＥＸＯＲ回路３４への入力が「１」（パルス波）及び「０」（接地電圧）となり、スイッチｓｗ２への切換信号「１」が出力されるためである。
【００３５】
この場合、図２（ｂ）に示すように、検知電極４１のプラス側が接地されるため、充電されていた検知電極４１は、放電する。そのため、検知電極４１には、パルス波がｌｏｗレベルの場合と反対方向の電流ｉ１が発生する。
【００３６】
このときは、図３中に期間Ｔ２、Ｔ４で示すごとく、検知電極４１に流れる電流ｉ１は、反対方向へ立ち上がり、検知電極４１の放電が終了すると「０」になる。一方、検知電極４１と並列に接続されたものとされるリーク抵抗Ｒｐに流れる電流ｉ２は、「０」になる。
【００３７】
次に、このように周波数ｆのパルス波でスイッチｓｗ１、ｓｗ２が切り換えられた場合のオペアンプ４３の出力電圧について説明する。
まず図３から、電流ｉ２の平均は、次の式１で示すごとくとなる。
【００３８】
【数１】
【００３９】
また、検知電極４１に溜まる電荷は、検知電極４１の静電容量をＣｐとすると、電源電圧Ｅであるため、次の式２で示すごとくとなる。
【００４０】
【数２】
【００４１】
電流ｉ１の平均は、電荷の時間微分であるため、式２を用いて、次の式３で示すごとくとなる。ここでは、周期Ｔ０（＝１／ｆ）とした（図３参照）。
【００４２】
【数３】
【００４３】
したがって、出力電圧Ｖは、式１、式３を用いて、次の式４で示すごとくとなる。
【００４４】
【数４】
【００４５】
この式４によれば、リーク抵抗Ｒｐが無限大に近い場合、出力電圧Ｖにばらつきは生じない。つまり、精度よくエタノール濃度が測定できることになる。しかしながら、リーク抵抗Ｒｐが小さくなった場合、すなわち不純物が多く含まれているような場合には、測定誤差が大きくなってしまう。
【００４６】
そこで、本形態では、図１に示したように、第１発振部２０および第２発振部２５を備える構成とし、２つの異なる周波数ｆ１、ｆ２のパルス波でスイッチｓｗ１、ｓｗ２を切り換え、このときのオペアンプ４３の出力電圧Ｖ（ｆ１）、Ｖ（ｆ２）の差を取ることにした。すなわち、次の式５に示すごとくである。
【００４７】
【数５】
【００４８】
このようにすれば、リーク抵抗Ｒｐの影響を受けず、検知電極４１の静電容量Ｃｐを出力電圧Ｖの差分として測定することができる。
【００４９】
図４は、電圧Ｖを平滑化した電圧Ｖａの変化を示す説明図である。
オペアンプ４３からの出力電圧Ｖは、図１および図２に示した抵抗器４７およびコンデンサ４９によって平滑化される。図４では最初に周波数ｆ２のパルス波でスイッチｓｗ１、ｓｗ２の切り換えを行っているが、時刻ｔ１までにほぼ収束している。また、時刻ｔ１から周波数ｆ１のパルス波でスイッチｓｗ１、ｓｗ２の切り換えを行っているが、時刻ｔ２までにほぼ収束している。したがって、周波数ｆ１、ｆ２の切り換えタイミングは、このような電圧Ｖａの変化に基づいて、マイコン８０によって制御すればよい。
【００５０】
ところで、電圧Ｖａは、上記式４から分かるように、リーク抵抗Ｒｐが小さくなると、大きな値となる。図４中には、リーク抵抗Ｒｐが無限大の場合と、１ｋオームの場合とを比較して示した。つまり、出力電圧Ｖ（ｆ１）、Ｖ（ｆ２）の差分はリーク抵抗Ｒｐに影響を受けないものとなるが、出力電圧Ｖａ自体は、リーク抵抗Ｒｐの影響で大きくなってしまうのである。そして、極端な場合、出力電圧Ｖａが測定可能範囲を越えてしまうおそれがある。
【００５１】
そこで、本形態では、図５に示したように、検知電極４１のプラス側端子が、カップリングコンデンサ４２によってＡＣ結合されるようにした。この場合、基本的な動作は、図２で説明したものと同様になる。そして、このときは、図６に示すように、電流ｉ２の平均が、カップリングコンデンサ４２を挿入しない場合と比較して、１／２となる。これによって、上記式４から分かるように、リーク抵抗Ｒｐの影響を１／２とすることができる。すなわち、図７に示すように、カップリングコンデンサ４２を挿入しない場合は破線で示すような出力電圧Ｖａとなるが、カップリングコンデンサ４２を設けることによって、リーク抵抗Ｒｐが同じ１ｋオームの場合でも、実線で示すように出力電圧Ｖａを小さくすることができる。また、このようにすることで、検知電極４１の片方の電極だけに電荷が溜まることを抑制できるため、検知電極４１の電食を抑制することができる。
【００５２】
上述したような出力電圧Ｖａは、オペアンプ４８、基準電圧生成部５０、および、ＡＣ結合部６０により、基準電圧（本形態では２．５Ｖ）を基準とする出力電圧Ｖｂとなる（図１参照）。図８中に、記号Ａで示すごとくである。さらに、出力電圧Ｖｂは、増幅部７０によって増幅されて、出力電圧Ｖｃとなる。図８中に記号Ｂで示すごとくである。これによって、測定結果を好適に取り出すことができる。
【００５３】
なお、本形態におけるスイッチｓｗ１、ｓｗ２が「スイッチ手段」を構成し、第１発振部２０、第２発振部２５、周波数切換スイッチ３１、３２およびマイコン８０が「動作信号出力手段」を構成する。また、２つのＥＸＯＲ回路３３、３４が「論理回路」を構成し、オペアンプ４３、ゲイン抵抗Ｒｇ、コンデンサ４４、抵抗器４５、４６、４７、およびコンデンサ４９が「測定値出力手段」を構成し、ここで抵抗器４７およびコンデンサ４９が「平滑化手段」を構成する。また、基準電圧生成部５０が「基準電圧生成手段」を構成し、ＡＣ結合部６０が「ＡＣ結合手段」を構成し、増幅部７０が「増幅手段」を構成し、マイコン８０が「差分演算手段」を構成する。
【００５４】
以上詳述したように、本形態のアルコール濃度センサ１によれば、リーク抵抗Ｒｐに影響されることなく、エタノール濃度を精度よく測定することができる。
【００５５】
ところで、２つのスイッチｓｗ１、ｓｗ２は、一方がオンならば他方がオフ、あるいは、一方がオフならば他方がオンという具合に、排他的に制御されている。
例えば図２に示した構成と同様の回路は、図９（ａ）のように、ＮＯＴ回路３５を用いて設計することが考えられる。この場合、一方のスイッチｓｗ１に対する切換信号のみがＮＯＴ回路３５によって反転されるようになっており、他方のスイッチｓｗ２に対する切換信号は、直接入力されている。
【００５６】
しかしながら、図９（ａ）に示すような回路構成では、ＮＯＴ回路３５からの反転信号の出力タイミングが遅延する虞がある。つまり、図９（ｂ）に示すように、駆動パルスに対してスイッチｓｗ１への切換信号だけが期間Ｔ１だけ遅延する虞がある。ＮＯＴ回路３５からの切換信号の出力タイミングが遅延すると、スイッチｓｗ１の切換タイミングが遅延し、結果として、排他的に制御されるべき２つのスイッチｓｗ１、ｓｗ２が同時にＯＮ、あるいは、同時にＯＦＦとなる期間が生じてしまう。このような期間が生じると、測定誤差が発生し、測定精度が低下することが否めない。
【００５７】
この点、本形態では、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、２つのスイッチｓｗ１、ｓｗ２に対応させ、同一のＥＸＯＲ回路３３、３４を設け、このＥＸＯＲ３３、３４の出力が各スイッチｓｗ１、ｓｗ２に入力されるようにした。このようにすれば、図１０に示すように、駆動パルスに対する遅延期間Ｔ２は、２つのスイッチｓｗ１、ｓｗ２で同一となる。したがって、２つのスイッチｓｗ１、ｓｗ２を完全に排他的に制御することが可能となり、測定精度が低下することを抑制できる。
【００５８】
また、カップリングコンデンサ４２を設けることによって、出力電圧Ｖａを小さくすることができるため（図７参照）、測定可能範囲を比較的大きくすることができる。しかも、検知電極４１の両方の電極に電荷が交互に溜まるため、検知電極４１の電食を抑制することができる。
【００５９】
さらにまた、検知電極４１のマイナス側端子を直接接地していることによって、２つのスイッチｓｗ１、ｓｗ２で回路を構成することができ、その回路構成が比較的簡単になる。加えて、静電気によりスイッチｓｗ１、ｓｗ２が損傷を受けることを抑制でき、また、電磁波によるスイッチｓｗ１、ｓｗ２の誤作動を抑制することができる。
【００６０】
以上、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々なる形態で実施可能である。
（イ）上記形態は２つのスイッチｓｗ１、ｓｗ２を用いた構成であったが、いわゆるクロール接続と呼ばれるような４つのスイッチを用いる構成であっても同様に本発明を適用することができる。
（ロ）上記形態はエタノール濃度を測定するセンサであったが、メタノール濃度なども同様の方法で測定することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１：アルコール濃度センサ（液体用濃度測定装置）、１０：バッテリ、１１：端子、２０：第１発振部、２５：第２発振部、３１、３２：周波数切換スイッチ、３３、３４：ＥＸＯＲ回路（論理回路）、３５：ＮＯＴ回路、４０：検知部、４１：検知電極、４２：カップリングコンデンサ、４３：オペアンプ、４４：コンデンサ、４５：抵抗器、４７：抵抗器、４９：コンデンサ、５０：基準電圧生成部（基準電圧生成手段）、６０：ＡＣ結合部（ＡＣ結合手段）、６１：カップリングコンデンサ、６２：抵抗器、７０：増幅部（増幅手段）、８０：マイコン（差分演算手段）、Ｒｇ：ゲイン抵抗、Ｒｐ：リーク抵抗、ｓｗ１、ｓｗ２：スイッチ（スイッチ手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極が対向して配置されてなる検知電極と、
前記検知電極の充電および放電を切り換えるための複数のスイッチ手段と、
前記スイッチ手段の切り換えを第１の周期で行うための第１周波数の動作信号、及び、前記スイッチ手段の切り換えを第２の周期で行うための第２周波数の動作信号を出力可能な動作信号出力手段と、
前記動作信号出力手段からの動作信号に基づき、前記スイッチ手段への切換信号を出力する論理回路と、
前記検知電極の静電容量に応じた電圧を測定値として出力可能であり、前記第１周波数による第１測定値及び前記第２周波数による第２測定値を出力可能な測定値出力手段と、を備え、
前記論理回路を、前記各スイッチ手段に対応させて配置される同一構成の回路としたことを特徴とする液体用濃度測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の液体用濃度測定装置において、
前記第１測定値および前記第２測定値を増幅する増幅手段を備えていることを特徴とする液体用濃度測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の液体用濃度測定装置において、
基準電圧を生成する基準電圧生成手段を備え、
前記増幅手段は、前記基準電圧生成手段にて生成された基準電圧を基準とし、前記第１測定値および第２測定値を増幅することを特徴とする液体用濃度測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の液体用濃度測定装置において、
前記基準電圧生成手段にて生成される基準電圧に基づくＡＣ結合を行うＡＣ結合手段を備えていることを特徴とする液体用濃度測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の液体用濃度測定装置において、
前記第１測定値と前記第２測定値との差分を、測定結果として出力する差分演算手段を備えていることを特徴とする液体用濃度測定装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の液体用濃度測定装置において、
前記測定値出力手段は、前記第１測定値および前記第２測定値を平滑化する平滑化手段を有していることを特徴とする液体用濃度測定装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の液体用濃度測定装置において、
前記検知電極は、そのプラス側端子にカップリングコンデンサが接続されて構成されていることを特徴とする液体用濃度測定装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の液体用濃度測定装置において、
前記検知電極は、そのマイナス側端子が直接接地されていることを特徴とする液体用濃度測定装置。
【請求項１】
電極が対向して配置されてなる検知電極と、
前記検知電極の充電および放電を切り換えるための複数のスイッチ手段と、
前記スイッチ手段の切り換えを第１の周期で行うための第１周波数の動作信号、及び、前記スイッチ手段の切り換えを第２の周期で行うための第２周波数の動作信号を出力可能な動作信号出力手段と、
前記動作信号出力手段からの動作信号に基づき、前記スイッチ手段への切換信号を出力する論理回路と、
前記検知電極の静電容量に応じた電圧を測定値として出力可能であり、前記第１周波数による第１測定値及び前記第２周波数による第２測定値を出力可能な測定値出力手段と、を備え、
前記論理回路を、前記各スイッチ手段に対応させて配置される同一構成の回路としたことを特徴とする液体用濃度測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の液体用濃度測定装置において、
前記第１測定値および前記第２測定値を増幅する増幅手段を備えていることを特徴とする液体用濃度測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の液体用濃度測定装置において、
基準電圧を生成する基準電圧生成手段を備え、
前記増幅手段は、前記基準電圧生成手段にて生成された基準電圧を基準とし、前記第１測定値および第２測定値を増幅することを特徴とする液体用濃度測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の液体用濃度測定装置において、
前記基準電圧生成手段にて生成される基準電圧に基づくＡＣ結合を行うＡＣ結合手段を備えていることを特徴とする液体用濃度測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の液体用濃度測定装置において、
前記第１測定値と前記第２測定値との差分を、測定結果として出力する差分演算手段を備えていることを特徴とする液体用濃度測定装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の液体用濃度測定装置において、
前記測定値出力手段は、前記第１測定値および前記第２測定値を平滑化する平滑化手段を有していることを特徴とする液体用濃度測定装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の液体用濃度測定装置において、
前記検知電極は、そのプラス側端子にカップリングコンデンサが接続されて構成されていることを特徴とする液体用濃度測定装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の液体用濃度測定装置において、
前記検知電極は、そのマイナス側端子が直接接地されていることを特徴とする液体用濃度測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１８５７０２（Ｐ２０１０−１８５７０２Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８６５３（Ｐ２００９−２８６５３）
【出願日】平成２１年２月１０日（２００９．２．１０）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１０日（２００９．２．１０）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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