特許 7368265 液体センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-16

(45)【発行日】2023-10-24

(54)【発明の名称】液体センサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/59 20060101AFI20231017BHJP

   G01N 27/22 20060101ALI20231017BHJP

   G01F 23/26 20220101ALI20231017BHJP

【ＦＩ】

G01N21/59 C

G01N27/22 B

G01F23/26 Z

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020025742

(22)【出願日】2020-02-19

(65)【公開番号】P2021131274

(43)【公開日】2021-09-09

【審査請求日】2022-09-02

(73)【特許権者】

【識別番号】000229737

【氏名又は名称】日本ピラー工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100124039

【弁理士】

【氏名又は名称】立花 顕治

(74)【代理人】

【識別番号】100179213

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 未知子

(74)【代理人】

【識別番号】100170542

【弁理士】

【氏名又は名称】桝田 剛

(72)【発明者】

【氏名】小山 達也

(72)【発明者】

【氏名】中津 彰

【審査官】横尾 雅一

(56)【参考文献】

【文献】特開平０６－２８１５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２３０３００（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００６／０９８４３５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】登録実用新案第３１９７５１５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０５－２６４３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／００６８０１５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１８０６６３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／００ － Ｇ０１Ｎ ２１／７４

Ｇ０１Ｎ ２７／２２

Ｇ０１Ｆ ２３／００

Ｇ０１Ｆ ２３／１４ － Ｇ０１Ｆ ２３／２９６５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも一部分が液体中に浸漬された状態で、液質を検出するように構成された液体センサであって、
基板と、
発光素子と、
受光素子とを備え、
前記基板には、孔が形成されているとともに、第１及び第２光導波路が埋め込まれており、
前記第１光導波路の一端は、前記孔を介して、前記第２光導波路の一端と向き合っており、
前記第１光導波路の他端には前記発光素子が取り付けられており、
前記第２光導波路の他端には前記受光素子が取り付けられており、
前記孔の周囲には、前記基板の内周面が形成されており、
前記内周面上には、第１電極と、前記第１電極と向き合う第２電極とが形成されており、
前記受光素子の出力、および、前記第１及び第２電極間の静電容量を検出するように構成された検出回路をさらに備える、液体センサ。

【請求項2】

前記第１及び第２光導波路の各々は、光ファイバーで構成されている、請求項１に記載の液体センサ。

【請求項3】

前記基板は、フッ素樹脂基板である、請求項１又は請求項２に記載の液体センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体センサに関する。

【背景技術】

【0002】

特開平５－２７３１２１号公報（特許文献１）は、液体センサを開示する。この液体センサは、発光素子と、発光素子によって発せられた光を反射する反射面と、反射面によって反射した光を受光する受光素子とを備えている。この液体センサにおいては、発光素子によって発せられた光が測定対象の液体内を通過する。そして、受光素子の出力に従って液体の汚れ度合いが測定される（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平５－２７３１２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献１に開示されている液体センサにおいては、たとえば、振動等によって反射面の平滑度合いが低下すると、液質の検出精度が低下する。

【0005】

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、振動等が生じたとしても液体の液質を比較的正確に検出可能な液体センサを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に従う液体センサは、少なくとも一部分が液体中に浸漬された状態で、液質を検出するように構成されている。この液体センサは、基板と、発光素子と、受光素子とを備えている。基板には、孔が形成されているとともに、第１及び第２光導波路が埋め込まれている。第１光導波路の一端は、上記孔を介して、第２光導波路の一端と向き合っている。第１光導波路の他端には発光素子が取り付けられている。第２光導波路の他端には受光素子が取り付けられている。この液体センサは、検出回路をさらに備える。検出回路は、受光素子の出力を検出するように構成されている。

【0007】

この液体センサにおいては、光の反射を用いることなく、液体中を通過した光が受光素子によって受光される。また、第１及び第２光導波路の双方は、基板に埋め込まれている。したがって、この液体センサによれば、第１及び第２光導波路間の位置関係がずれにくく、反射面の平滑度合いによる影響も受けないため、振動等が生じたとしても液体の液質を比較的正確に検出することができる。

【0008】

上記液体センサにおいて、第１及び第２光導波路の各々は、光ファイバーで構成されていてもよい。

【0009】

上記液体センサにおいて、基板は、フッ素樹脂基板であってもよい。

【0010】

この液体センサによれば、フッ素樹脂基板が耐候性及び耐薬性に優れるため、過酷環境で液体の液質を検出することができる。

【0011】

この液体センサにおいて、孔の周囲には、基板の内周面が形成されており、内周面上には、第１電極と、第１電極と向き合う第２電極とが形成されており、検出回路は、第１及び第２電極間の静電容量を検出するように構成されていてもよい。

【0012】

この液体センサにおいては、第１及び第２電極間の静電容量を検出することによって、液体の液位が検出される。すなわち、この液体センサによれば、共通の基板を用いることによって、液体の液質及び液位の双方を検出することができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、振動等が生じたとしても液体の液質を比較的正確に検出可能な液体センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】液体センサの構成を模式的に示す図である。

【図2】図１のＩＩ－ＩＩ断面を模式的に示す図である。

【図3】図３は、基板を模式的に示す平面図である。

【図4】図３のＩＶ－ＩＶ断面を模式的に示す図である。

【図5】基板の製造手順を示すフローチャートである。

【図6】光ファイバーを内蔵しており銅箔で挟まれた基板の製造方法を説明するための図である。

【図7】実施の形態２における基板を模式的に示す平面図である。

【図8】基板の製造手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0016】

［１．実施の形態１］
＜１－１．液体センサの構成＞
図１は、本実施の形態１に従う液体センサ１０の構成を模式的に示す図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ断面を模式的に示す図である。液体センサ１０は、車両等のオイルタンク内に取り付けられ、燃料（オイル）の液質を光学的に検出するように構成されている。すなわち、液体センサ１０は、少なくとも一部分が燃料中に浸漬された状態で、燃料の液質を検出する。

【0017】

図１及び図２を参照して、液体センサ１０は、液体センサ本体１００と、検出回路２００と、ケーブル３００とを含んでいる。液体センサ本体１００においては、筒状のプラグ１０２内に基板１０４が収容されている。詳細については後述するが、基板１０４においては、孔を介して対向する２つの光導波路が埋め込まれている。一方の光度導波路の端部には発光素子が取り付けられており、他方の光導波路の端部には受光素子が取り付けられている。この液体センサ１０においては、受光素子による受光量に基づいて、燃料の液質が検出される。以下、基板１０４について詳細に説明する。

【0018】

＜１－２．基板の構成＞
図３は、基板１０４を模式的に示す平面図である。図４は、図３のＩＶ－ＩＶ断面を模式的に示す図である。基板１０４は、いわゆるフッ素樹脂基板である。

【0019】

図３及び図４を参照して、基板１０４の形状は、長辺及び短辺を有する略矩形状である。基板１０４には、略円形状の孔Ｈ１が形成されている。

【0020】

基板１０４において、孔Ｈ１が形成される前は、基板１０４内に光導波路２０２が形成されていた。基板１０４に孔Ｈ１が形成されることによって、光導波路２０２は光導波路２０２Ｘ，２０２Ｙに分断されている。すなわち、基板１０４には、光導波路２０２Ｘ，２０２Ｙが埋め込まれている。光導波路２０２は、たとえば、光ファイバーで構成されている。

【0021】

光導波路２０２Ｘの一端は、孔Ｈ１を介して、光導波路２０２Ｙの一端と向き合っている。光導波路２０２Ｘの他端には、発光素子２０１が取り付けられている。発光素子２０１は、たとえば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）又は半導体レーザで構成されている。発光素子２０１は、検出回路２００からの指示に従って発光するように構成されている。

【0022】

光導波路２０２Ｙの他端には、受光素子２０４が取り付けられている。受光素子２０４は、たとえば、フォトトランジスタ、フォトダイオード又は光導電セルで構成されている。受光素子２０４は、発光素子２０１が発した光を光導波路２０２Ｘ，２０２Ｙを介して受光し、受光量に応じた電圧を出力するように構成されている。

【0023】

本実施の形態１に従う液体センサ１０の使用時に、基板１０４は、燃料中に浸漬される。基板１０４が燃料中に浸漬された状態では、孔Ｈ１が燃料で満たされる。すなわち、発光素子２０１が発した光は、光導波路２０２Ｘを通過し、孔Ｈ１に存在する燃料中を通過し、光導波路２０２Ｙを通過することによって、受光素子２０４に受光される。孔Ｈ１に存在する燃料の液質が良い場合には、受光素子２０４によって受光される光の強度が強い。一方、孔Ｈ１に存在する燃料の液質が悪い場合には、受光素子２０４によって受光される光の強度が弱い。検出回路２００は、受光素子２０４による受光量と燃料の液質との関係を予め記憶しており、受光素子２０４による受光量に基づいて燃料の液質を検出する。

【0024】

本実施の形態１に従う液体センサ１０においては、光の反射を用いることなく、燃料中を通過した光が受光素子２０４によって受光される。また、光導波路２０２Ｘ，２０２Ｙの双方は、基板１０４に埋め込まれている。したがって、この液体センサ１０によれば、光導波路２０２Ｘ，２０２Ｙ間の位置関係がずれにくく、反射面の平滑度合いによる影響も受けないため、振動等が生じたとしても燃料の液質を比較的正確に検出することができる。

【0025】

また、本実施の形態１に従う液体センサ１０においては、基板１０４がフッ素樹脂基板である。液体センサ１０によれば、フッ素樹脂基板が耐候性及び耐薬性に優れるため、過酷環境で燃料の液位を検出することができる。

【0026】

＜１－３．基板の製造方法＞
図５は、基板１０４の製造手順を示すフローチャートである。図５に示される処理は、たとえば、基板１０４の製造装置によって実行される。

【0027】

図５を参照して、製造装置は、たとえば、光ファイバー（光導波路２０２）を内蔵しており銅箔で挟まれた基板を製造する（ステップＳ１００）。

【0028】

図６は、光ファイバーを内蔵しており銅箔で挟まれた基板の製造方法を説明するための図である。図６に示されるように、光導波路２０２が所望の位置に埋め込まれたフッ素樹脂２２０が銅箔２１０，２１２で挟まれる。銅箔２１０，２１２で挟まれたフッ素樹脂２２０が加熱融着を通じて成形される。これにより、光ファイバーを内蔵しており銅箔で挟まれた基板が完成する。

【0029】

再び図５を参照して、製造装置は、酸処理を通じて、ステップＳ１００で製造された基板から銅箔２１０，２１２を剥離する（ステップＳ１１０）。その後、製造装置は、基板上に孔Ｈ１を形成し、光導波路２０２を光導波路２０２Ｘと光導波路２０２Ｙとに分断する（ステップＳ１２０）。これにより、基板１０４が完成する。

【0030】

＜１－４．液体センサの動作＞
本実施の形態１に従う液体センサ１０において、検出回路２００は、発光素子２０１を発光させる。発光素子２０１が発した光は、光導波路２０２Ｘ、孔Ｈ１に存在する燃料、光導波路２０２Ｙを通過して、受光素子２０４に受光される。検出回路２００は、受光素子２０４の出力電圧を検出する。検出回路２００は、出力電圧に基づいて、燃料の液質を検出する。

【0031】

たとえば、検出回路２００は、受光素子２０４の出力電圧が所定値以下である場合に、燃料の汚れが所定レベル以上であると判定する。判定結果は、たとえば、外部のモニタ等に出力される。これにより、ユーザは、燃料の液質を視覚的に認識することができる。

【0032】

＜１－５．特徴＞
以上のように、本実施の形態１に従う液体センサ１０においては、光の反射を用いることなく、燃料中を通過した光が受光素子２０４によって受光される。また、光導波路２０２Ｘ，２０２Ｙの双方は、基板１０４に埋め込まれている。したがって、この液体センサ１０によれば、光導波路２０２Ｘ，２０２Ｙ間の位置関係がずれにくく、反射面の平滑度合いによる影響も受けないため、振動等が生じたとしても燃料の液質を比較的正確に検出することができる。

【0033】

［２．実施の形態２］
上記実施の形態１に従う液体センサ１０においては、燃料の液質のみが検出された。本実施の形態２に従う液体センサにおいては、燃料の液質に加えて、燃料の液位（残量）が検出される。以下、上記実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。

【0034】

＜２－１．基板の構成＞
図７は、本実施の形態２に従う液体センサが含む基板１０４Ａを模式的に示す平面図である。図７に示されるように、基板１０４Ａの形状は、長辺及び短辺を有する略矩形状から、孔Ｈ１Ａ部分をくり抜いた形状である。孔Ｈ１Ａの形状は、長辺及び短辺を有する略矩形状である。孔Ｈ１Ａは、基板１０４Ａの長手方向における下方に貫通している。孔Ｈ１Ａの長辺は基板１０４Ａの長辺に沿って延びており、孔Ｈ１Ａの短辺は基板１０４Ａの短辺に沿って延びている。

【0035】

孔Ｈ１Ａの周囲には、基板１０４Ａの内周面１１４が形成されている。内周面１１４のうち孔Ｈ１Ａの一方の長辺に沿って延びる面の一部には電極１０６が形成されており、内周面１１４のうち孔Ｈ１Ａの他方の長辺に沿って延びる面の一部には電極１１０が形成されている。

【0036】

電極１０６及び電極１１０は、互いに向き合っている。内周面１１４のうち孔Ｈ１Ａの短辺に沿って延びる面には、電極１０６及び電極１１０が形成されていない。なお、電極１０６と電極１１０とが分断されている限り、内周面１１４のうち孔Ｈ１Ａの短辺に沿って延びる面の一部に電極１０６，１１０が形成されてもよい。

【0037】

基板１０４Ａの主面上には、Ｌ字状の配線１０８及び配線１１２が形成されている。配線１０８は、電極１０６と電気的に接続されるとともに、検出回路２００Ａと電気的に接続されている。配線１１２は、電極１１０と電気的に接続されるとともに、検出回路２００Ａと電気的に接続されている。

【0038】

なお、電極１０６，１１０及び配線１０８，１１２の各々は、たとえば、金、銀、銅、アルミニウム等の導電材料で構成される。また、電極１０６，１１０及び配線１０８，１１２の各々は、たとえば、フッ素樹脂でコーティングされてもよい。

【0039】

基板１０４Ａにおいて、孔Ｈ１Ａが形成される前は、基板１０４Ａ内に光導波路２０２Ａが形成されていた。基板１０４Ａに孔Ｈ１Ａが形成されることによって、光導波路２０２Ａは光導波路２０２ＸＡ，２０２ＹＡに分断されている。すなわち、基板１０４Ａには、光導波路２０２ＸＡ，２０２ＹＡが埋め込まれている。光導波路２０２Ａは、たとえば、光ファイバーで構成されている。

【0040】

光導波路２０２ＸＡの一端は、孔Ｈ１Ａを介して、光導波路２０２ＹＡの一端と向き合っている。光導波路２０２ＸＡの他端には、発光素子２０１Ａが取り付けられている。発光素子２０１Ａは、たとえば、ＬＥＤ又は半導体レーザで構成されている。発光素子２０１Ａは、検出回路２００Ａからの指示に従って発光するように構成されている。

【0041】

光導波路２０２ＹＡの他端には、受光素子２０４Ａが取り付けられている。受光素子２０４Ａは、たとえば、フォトトランジスタ、フォトダイオード又は光導電セルで構成されている。受光素子２０４Ａは、発光素子２０１Ａが発した光を光導波路２０２ＸＡ，２０２ＹＡを介して受光し、受光量に応じた電圧を出力するように構成されている。

【0042】

本実施の形態２に従う液体センサの使用時に、基板１０４Ａは、基板１０４Ａの長辺が燃料の液面に垂直な方向に延びるように配置される。燃料の液面の高さが変化することによって、電極１０６と電極１１０との間に位置する燃料の量が変化する。その結果、電極１０６と電極１１０との間に存在する物質の比誘電率が変化し、電極１０６と電極１１０との間の静電容量が変化する。検出回路２００Ａは、電極１０６，１１０間の静電容量と燃料の残量との関係を予め記憶しており、電極１０６と電極１１０との間の静電容量に基づいて燃料の残量を検出する。

【0043】

なお、本実施の形態２に従う液体センサによる燃料の液質の検出原理は、上記実施の形態１に従う液体センサ１０と同様である。

【0044】

このように、本実施の形態２に従う液体センサにおいては、電極１０６，１１０間の静電容量を検出することによって、燃料の液位が検出される。すなわち、この液体センサによれば、共通の基板１０４Ａを用いることによって、燃料の液質及び液位の双方を検出することができる。

【0045】

＜２－２．基板の製造方法＞
図８は、基板１０４Ａの製造手順を示すフローチャートである。図８に示される処理は、たとえば、基板１０４Ａの製造装置によって実行される。図８を参照して、製造装置は、たとえば、光ファイバー（光導波路２０２）を内蔵した基板を製造する（ステップＳ２００）。この処理は、図５のステップＳ１００，Ｓ１１０で行なわれる処理と同様である。

【0046】

製造装置は、光ファイバーを内蔵した基板の主面上に配線（配線１０８，１１２）をプリントする（ステップＳ２１０）。製造装置は、基板上に孔Ｈ１Ａを形成する（ステップＳ２２０）。製造装置は、内周面１１４のうち孔Ｈ１Ａの各長辺に沿って延びる各面の一部にめっき処理を施し、電極１０６，１１０を形成する（ステップＳ２３０）。この際、製造装置は、孔Ｈ１Ａ側に露出している光導波路２０２ＸＡ，２０２ＹＡにはめっき処理を施さない。これにより、基板１０４Ａが完成する。

【0047】

＜２－３．液体センサの動作＞
上記実施の形態１に従う液体センサ１０と同様、本実施の形態２に従う液体センサは、オイルタンク内に設置された状態で使用される。検出回路２００Ａが電極１０６，１１０間に所定電圧を印加した状態で、検出回路２００Ａは、電極１０６，１１０間の静電容量を検出する。この検出は、公知の種々の方法を用いて行なわれる。検出回路２００Ａは、検出された静電容量に基づいて、燃料の液位（残量）を検出する。検出結果は、たとえば、外部のモニタ等に出力される。これにより、ユーザは、燃料の残量を視覚的に認識することができる。

【0048】

また、本実施の形態２に従う液体センサにおいて、検出回路２００Ａは、発光素子２０１Ａを発光させる。発光素子２０１Ａが発した光は、光導波路２０２ＸＡ、孔Ｈ１Ａに存在する燃料、光導波路２０２ＹＡを通過して、受光素子２０４Ａに受光される。検出回路２００Ａは、受光素子２０４Ａの出力電圧を検出する。検出回路２００Ａは、出力電圧に基づいて、燃料の液質を検出する。

【0049】

たとえば、検出回路２００Ａは、受光素子２０４Ａの出力電圧が所定値以下である場合に、燃料の汚れが所定レベル以上であると判定する。判定結果は、たとえば、外部のモニタ等に出力される。これにより、ユーザは、燃料の液質を視覚的に認識することができる。

【0050】

＜２－４．特徴＞
以上のように、本実施の形態２に従う液体センサにおいては、電極１０６，１１０間の静電容量を検出することによって、燃料の液位が検出される。すなわち、この液体センサによれば、共通の基板１０４Ａを用いることによって、燃料の液質及び液位の双方を検出することができる。

【0051】

［３．変形例］
以上、実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。以下、変形例について説明する。

【0052】

上記実施の形態２においては、液体センサの使用時に、基板１０４Ａが、基板１０４Ａの長辺が燃料の液面に垂直な方向に延びるように配置された。しかしながら、基板１０４Ａは、必ずしも基板１０４Ａの長辺が燃料の液面に垂直な方向に延びるように配置される必要はない。燃料の液位の変化に伴なって電極１０６，１１０間の静電容量が変化する限り、基板１０４Ａは燃料の液面に対してどのような角度で配置されてもよい。

【0053】

また、上記実施の形態１，２においては、液体センサ１０等がオイルタンク内に取り付けられ、燃料の液質が検出された。しかしながら、液体センサ１０等が検出する液質は、燃料の液質に限られない。液体センサ１０等は、たとえば、動作時に振動を伴なうタンク内に取り付けられ、水、各種水溶液（たとえば、酸性水溶液、アルカリ性水溶液）、アルコール類、溶剤類、オイル（たとえば、振動が発生する機器の差動オイル又は潤滑オイル）等の液質を検出してもよい。すなわち、液体センサ１０等は、少なくとも一部分が液体中に浸漬された状態で、液体の液質を検出すればよい。

【符号の説明】

【0054】

１０ 液体センサ、１００ 液体センサ本体、１０２ プラグ、１０４，１０４Ａ 基板、１０６，１１０ 電極、１０８，１１２ 配線、２００，２００Ａ 検出回路、２０１，２０１Ａ 発光素子、２０２，２０２Ａ，２０２Ｘ，２０２ＸＡ，２０２Ｙ，２０２ＹＡ 光導波路、２０４ 受光素子、２１０，２１２ 銅箔、２２０ フッ素樹脂、３００ ケーブル、Ｈ１，Ｈ１Ａ 孔。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】