JP4804178B2

JP4804178B2 - 液面レベルセンサ

Info

Publication number: JP4804178B2
Application number: JP2006061469A
Authority: JP
Inventors: 利雄大池; 泰典川口
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2026-03-07
Also published as: JP2007240262A

Description

本発明は、液体に浸漬された電極対の両電極間の静電容量により液面レベルを検出する静電容量式の液面レベルセンサに関する。

近年、自動車等の車両の燃料タンクには、液体に浸漬された電極対の両電極間の静電容量により液面レベルを検出する静電容量式の液面レベルセンサが用いられている。電極対の両電極間の静電容量は液体の誘電率により変化し、液体の誘電率は液体の種類や温度等の条件により変化する。そこで従来、静電容量式の液面レベルセンサにおいて、液体の誘電率に応じて補正を行うようにした液面レベルセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示されたセンサは、平坦面が鉛直となるように対向配置された平板状の測定用電極対と、対向配置された平板状の参照用電極対とを備え、測定用電極対の両電極間の静電容量及び参照用電極対の両電極間の静電容量に基づいて水位を検出するものである。参照用電極対は液体に浸漬され、参照用電極対の両電極間の液中及び気中における静電容量の比から液体の誘電率が求められる。そして、測定用電極対の両電極間の静電容量に対し、求められた液体の誘電率を用いて補正を行い、水位を高精度に検出するようにしている。

特開平１１−１０８７３５号公報

しかし、特許文献１に開示されたセンサでは、参照用電極対が少しでも気中に露出すると参照用電極対により求められる液体の誘電率に誤差を生じ、水位の検出精度が低下する原因となる。よって、参照用電極対は常に液中に配置される必要があるが、このことは測定用電極対による水位の検出範囲を参照用電極対が完全に浸漬する水位よりも上方に限定することとなる。そして、測定用電極対による水位の検出範囲を下方に拡大すべく参照用電極対を小型化すると、参照用電極対の出力が不安定となり、やはり液体の誘電率に誤差を生じる。

このように、特許文献１に開示されたセンサでは、液体容器の底までの液面レベルの検出、つまり液面レベルが低いときの液面レベルの検出は困難であった。そして、薄型の燃料タンクが求められる近年の自動車において、液面レベルセンサの検出不能な範囲がタンク底部にあることは車両性能上大きな問題であり、タンクの底まで検出可能な液面レベルセンサが求められている。

さらに、特許文献１に開示されたセンサは、測定用電極対及び参照用電極対の２組の電極対を必要とし、センサの小型化が難しい。また、これら２組の電極対は露出しているため電磁波等の影響を受けやすく、それにより両電極間の静電容量が変化して液面レベルの検出精度が低下する虞がある。さらに、自動車等の車両では、走行時には振動で燃料が揺さぶられ、燃料の飛沫が露出した電極対に付着することも考えられるが、この場合、電極対の両電極間の静電容量が正規より高い値となり液面レベルの検出精度が低下する。また、走行時には燃料が揺さぶられ、その液面が安定せず、露出した電極対はその影響を直接に受けるため、検出される液面レベルが安定しない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化を図り、さらには液面レベルの検出精度を高めた液面レベルセンサを提供することにある。

上記目的は、本発明に係る下記（１）〜（５）の液面レベルセンサにより達成される。

（１）絶縁性基体の外周に互いに平行に螺旋状に巻きつけられた第１電極及び第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極に対向するように前記絶縁性基体の外周を取り囲む第３電極と、を備え、
前記第１電極及び前記第２電極の螺旋軸が鉛直となるように配置され、前記第１電極及び前記第２電極の螺旋ピッチが、上端から下端に向かうに従って徐々に密となるように設定され、
前記第３電極が筒状に形成され、前記第１電極及び前記第２電極並びに前記絶縁性基体が、前記第３電極内に収容され、
前記第１電極と前記第２電極とから成る第１の電極対、及び、前記第１電極または第２電極と前記第３電極とから成る第２の電極対の２組の電極対がそれぞれ液体に浸漬された際の両電極間の静電容量に基づいて、該液体の液面レベルを検出することを特徴とする液面レベルセンサ。

（２）筒状の前記第３電極が、その周壁を軸に沿って分断されて開閉可能に構成されていることを特徴とする上記（１）に記載の液面レベルセンサ。

（３）筒状の前記第３電極の下端の開口を塞ぐ底板を有し、
前記底板にオリフィスが穿設されていることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の液面レベルセンサ。

（４）前記オリフィスの外側に該オリフィスを覆うフィルタを有していることを特徴とする上記（３）に記載の液面レベルセンサ。

（５）２組の前記電極対それぞれの両電極間の静電容量に基づいて前記液体の液面レベルを演算するための回路が、筒状の前記第３電極に収容されていることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の液面レベルセンサ。

上記（１）の構成の液面レベルセンサによれば、２組の電極対を構成する電極は、第１の電極対を構成する第１電極及び第２電極、並びに、第２の電極対を構成する第１電極（または第２電極）及び第３電極である。よって、２組の電極対それぞれの液体に浸漬された際の両電極間の静電容量の変化は互いに異なる。そして、これら２組の電極対それぞれの両電極間の静電容量の比に基づいて、液体の誘電率の影響を補正して液面レベルを精度よく検出することができる。
ここで、液面レベルの検出は２組の電極対それぞれの一部が液体に浸漬されていれば可能であり、その検出範囲は２組の電極対の水平方向の重複部分となる。これによれば、従来のように参照用電極対を常に液中に配置しておく必要がなく、液体容器の底もしくはその近傍まで液面レベルを検出することができる。
そして、従来は測定用電極対と参照用電極対とに独立した計４つの電極が必要であったのに対し、２組の電極対を第１〜第３電極の組み合わせで構成することで部品点数を削減することができ、液面レベルセンサの小型化を図ることができる。

また、第１電極及び第２電極の螺旋ピッチが下端ほど密とされ、液面が下端部にあるとき、即ち液面レベルが低いときの液面変位に対する２組の電極対それぞれの両電極間の静電容量の変化率が比較的大きくなる。これにより、液面レベルが低いときの液面レベルの検出精度を向上させることができる。

また、筒状の第３電極内に第１電極及び第２電極を収容することで第１電極及び第２電極を電気的にシールドし、第１電極及び第２電極に作用する電磁波等の影響を排除することができる。さらには、液体容器内で液体が激しく揺さぶられたとしても筒状の第３電極内では液体の揺れが軽減され、液体の飛沫が飛び難く、また液面も安定する。これにより、液面レベルを精度よく、安定して検出することができる。

上記（２）の構成の液面レベルセンサによれば、第３電極を開くことで該第３電極内に第１電極及び第２電極並びに絶縁性基体を容易に収容することができる。

上記（３）の構成の液面レベルセンサによれば、ダンパー効果を得ることができ、液体容器内で液体が激しく揺さぶられたとしても筒状の第３電極内では液体の揺れが軽減され、液面が安定する。これにより、液面レベルを安定して検出することができ。

上記（４）の構成の液面レベルセンサによれば、ごみ等でオリフィスが詰まることを防止することができ、筒状の第３電極内に異物が侵入し電極間が短絡することを未然に防ぐことができる。

上記（５）の構成の液面レベルセンサによれば、演算回路も第３電極で電気的にシールドし、電磁波等の影響を排除することができ、また、液面レベルセンサをコンパクトにまとめることができる。

本発明によれば、小型化を図り、さらには液面レベルの検出精度を高めた液面レベルセンサを提供することができる。

以下、本発明に係る好適な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る液面レベルセンサの一実施形態の正面図、図２は図１の液面レベルセンサの底面図、図３は図１の液面レベルセンサにおいて液面変位と２組の電極対それぞれの両電極間の静電容量との関係を示すグラフである。

図１及び図２に示すように、本実施形態の液面レベルセンサ１０は、容器１内の液体Ｌに浸漬されて液体Ｌの液面Ｓのレベルを検出するものである。この液面レベルセンサ１０は、絶縁性基体１２の外周に互いに平行に螺旋状に巻きつけられた第１電極１３及び第２電極１４と、第１電極１３及び第２電極１４に対向するように絶縁性基体１２の外周を取り囲む第３電極１５と、を備えている。

絶縁性基体１２は、角柱状の中央部の周面から四方に放射状にリブ２１が突設されて長手方向に垂直な断面において略十字状に形成された棒状部材であり、その長手方向を鉛直として配置される。絶縁性基体１２の材料は特に限定されないが、強度や液体（車両燃料等）に対する耐性などを考慮して、例えばポリアセタール樹脂等の合成樹脂を用いることが好ましい。

第１電極１３及び第２電極１４は、絶縁性基体１２の４つのリブ２１の外周に互いに平行に螺旋状に巻きつけられており、その螺旋ピッチは、電極１３，１４がそれぞれ接続される端子１６，１７が設けられた絶縁性基体１２の長手方向の上端から、下端に向けて徐々に密となるように設定されている。

各リブ２１の外縁には、第１電極１３及び第２電極１４の螺旋ピッチに対応して複数の保持溝がそれぞれ刻設されており、電極１３，１４は、これらの保持溝に差し込まれながら各リブ２１の外縁に巻きつけられている。尚、電極１３，１４の材料には、液体（車両燃料等）に対する耐性を考慮して、ＳＵＳや洋白などを用いることが好ましい。

第３電極１５は、略円筒状に形成された金属パイプであり、内部に第１電極１３及び第２電極１４並びに絶縁性基体１２を収容しており、その内周面は、電極１３，１４と隙間をおいて半径方向に対向している。第３電極１５の材料には、液体（車両燃料等）に対する耐性を考慮して、ＳＵＳや洋白などを用いることが好ましい。

第３電極１５の下端の開口は底板２２により塞がれている。底板２２と容器１の底面との間には僅かに隙間がおかれ、そして底板２２には少なくとも１つ（本実施形態では２つ）のオリフィス（小孔）２３が穿設されており、液体Ｌはオリフィス２３を通して第３電極１５内へ流入し、もしくは第３電極１５外へ流出する。オリフィス２３により液体Ｌの流入及び流出は緩慢なものとなり、つまり、ダンパーの如く振舞う。尚、図示は省略するが、オリフィス２３の外側に該オリフィス２３を覆うフィルターが設けられている。

液面Ｓの変位に伴い、第１電極１３と第２電極１４とで構成される電極対の両電極間、第２電極１４と第３電極１５とで構成される電極対の両電極間、あるいは第３電極１５と第１電極１３とで構成される電極対の両電極間に液体が介在している部分の長さが変化し、これらの電極対それぞれの両電極間の静電容量が変化する。これらの電極対それぞれの両電極間の静電容量は、回路ユニット１９にて測定される。

回路ユニット１９は、絶縁性基体１２の上方に位置し、第３電極１５内に収容されている。尚、第３電極１５の上端の開口は、蓋板２４により塞がれており、この蓋板２４には空気抜きのための小孔２５が穿設されている。電極１３，１４，１５は、それぞれ端子１６，１７，１８を介して、回路ユニット１９内の測定回路に接続されている。

回路ユニット１９の測定回路では、電極１３，１４，１５の群から互いに異なる組み合わせで選ばれる２組の電極対を構成するように回路が適宜切換えられ、これら２組の電極対それぞれの両電極間の静電容量が測定され、測定された静電容量に基づいて所定の演算がなされ液面Ｓのレベルが検出される。この演算は、例えば以下のようにして行われる。

第１電極１３と第２電極１４とで構成される電極対（以下で第１電極対という）の両電極間の静電容量が測定される。次いで、回路が切換えられ、第２電極１４と第３電極１５とで構成される電極対（以下で第２電極対という）の両電極間の静電容量が測定される。尚、第３電極１５は常に接地電位とされ、第１電極１３及び第２電極１４のシールドとして機能している。

図３に、容器１の底面からの液面Ｓの高さｈに対する第１電極対の静電容量Ｃ_１及び第２電極対の静電容量Ｃ_２の関係を示す。図中、一点差線が第１電極対の静電容量Ｃ_１の特性曲線であり、二点鎖線が第２電極対の静電容量Ｃ_２の特性曲線である。図３に示すように、第１電極１３及び第２電極１４の螺旋ピッチは下端ほど密とされており、液面Ｓの変位に対し、液面Ｓが下端部にあるときほど静電容量Ｃ_１，Ｃ_２の変化率が大きくなる。

第１電極対の静電容量Ｃ_１及び第２電極対の静電容量Ｃ_２は、それぞれ次式で表される。

ここで、ｋは定数であり、ε_ｒは液体の誘電率であり、ｇ_１（ｈ），ｇ_２（ｈ）はそれぞれ図３に示す第１電極対の静電容量Ｃ_１又は第２電極対の静電容量Ｃ_２の特性曲線を原点に平行移動したものであってｈの関数であり、Ｃ_０１，Ｃ_０２はそれぞれ第１電極対又は第２電極対の気中（ｈ＝０）における静電容量である。

式（１）において両辺をＣ_０１で割り、次式を得る。

式（３）を整理して次式を得る。

同様に式（２）において両辺をＣ_０２で割り、整理して次式を得る。

式（４）で式（５）を辺々割り、次式を得る。

式（６）はε_ｒを含んでおらず、即ち、式（６）より液体の誘電率によらず液面レベルが算出される。尚、第１電極対及び第２電極対のいずれにも該当しない組み合わせで構成される電極対、即ち第３電極１５と第１電極１３とで構成される電極対の両電極間の静電容量を、第１電極対の静電容量Ｃ_１及び第２電極対の静電容量Ｃ_２の双方に加算するようにして、上記演算に供される両静電容量の値を全体的に上げるようにしてもよい。

このように、本実施形態の液面レベルセンサ１０によれば、２組の電極対を構成する電極は、第１電極１３、第２電極１４、第３電極１５の群から互いに異なる組み合わせで選ばれる。よって、２組の電極対それぞれの液体Ｌに浸漬された際の両電極間の静電容量の変化は互いに異なる。そして、これら２組の電極対それぞれの両電極間の静電容量の比に基づいて、液体Ｌの誘電率の影響を補正して液面レベルを精度よく検出することができる。
ここで、液面レベルの検出は２組の電極対それぞれの一部が液体に浸漬されていれば可能であり、その検出範囲は２組の電極対の水平方向の重複部分となる。これによれば、従来のように参照用電極対を常に液中に配置しておく必要がなく、液体容器の底もしくはその近傍まで液面レベルを検出することができる。
そして、従来は測定用電極対と参照用電極対とに独立した計４つの電極が必要であったのに対し、２組の電極対を第１電極１３、第２電極１４、第３電極１５の組み合わせで構成することで部品点数を削減することができ、液面レベルセンサ１０の小型化を図ることができる。

また、本実施形態の液面レベルセンサ１０によれば、第１電極１３及び第２電極１４の螺旋ピッチが下端ほど密とされ、液面Ｓが下端部にあるとき、即ち液面レベルが低いときの液面変位に対する２組の電極対それぞれの両電極間の静電容量の変化率が比較的大きくなる。これにより、液面レベルが低いときの液面レベルの検出精度を向上させることができる。

また、本実施形態の液面レベルセンサ１０によれば、筒状の第３電極１５内に第１電極１３及び第２電極１４を収容することで第１電極１３及び第２電極１４を電気的にシールドし、第１電極１３及び第２電極１４に作用する電磁波等の影響を排除することができる。さらには、液体容器内１で液体Ｌが激しく揺さぶられたとしても筒状の第３電極１５内では液体Ｌの揺れが軽減され、液体Ｌの飛沫が飛び難く、また液面Ｓも安定する。これにより、液面レベルを精度よく、安定して検出することができる。

また、本実施形態の液面レベルセンサ１０によれば、底板２２のオリフィス２３によりダンパー効果を得ることができ、液体容器１内で液体Ｌが激しく揺さぶられたとしても筒状の第３電極１５内では液体Ｌの揺れが軽減され、液面Ｓが安定する。これにより、液面レベルを安定して検出することができ。

また、本実施形態の液面レベルセンサ１０によれば、オリフィス２３の外側に該オリフィス２３を覆うフィルターを設けたので、ごみ等でオリフィス２３が詰まることを防止することができ、筒状の第３電極１５内に異物が侵入し電極間が短絡することを未然に防ぐことができる。

また、本実施形態の液面レベルセンサ１０によれば、回路ユニット１９までも第３電極１５内に収容されており、演算回路も第３電極１５で電気的にシールドし、電磁波等の影響を排除することができ、また、液面レベルセンサをコンパクトにまとめることができる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

例えば、上述した液面レベルセンサ１０では、第３電極１５は金属パイプとして説明したが、これに限定されず、絶縁性材料からなるパイプの内周面に金属を電解・非電解メッキしたものでもよく、また、図４に示すように、軸に沿って分割してもよい。

図４に示す第３電極１５´は、内周面に金属メッキされた絶縁性の合成樹脂材料からなるパイプの周方向の一箇所を軸に沿って分断したものであって、軸に関して分断箇所と対称な箇所に設けられた薄肉のヒンジ部３１を変形させながら開閉する。これによれば、第３電極１５´を開いくことで、第３電極１５´内に第１電極１３及び第２電極１４並びに絶縁性基体１２を容易に収容することができる。尚、分断箇所の両縁には、閉じられた際に互いに係合するロック手段としての係止突起３２及び係止部３３がそれぞれ設けられている。尚、上述した実施形態の金属パイプの第３電極１５では、軸に沿って２分割し、両者を金属製のヒンジで物理的にも電気的にも接続するようにすればよい。

本発明に係る液面レベルセンサの一実施形態の正面図である。図１の液面レベルセンサの底面図である。図１の液面レベルセンサにおいて液面変位と２組の電極対それぞれの両電極間の静電容量との関係を示すグラフである。図１の液面レベルセンサの第３電極の変形例の平面図である。

符号の説明

１容器
１０液面レベルセンサ
１２絶縁性基体
１３第１電極
１４第２電極
１５第３電極
２２底板
２３オリフィス
Ｌ液体
Ｓ液面

Claims

絶縁性基体の外周に互いに平行に螺旋状に巻きつけられた第１電極及び第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極に対向するように前記絶縁性基体の外周を取り囲む第３電極と、を備え、
前記第１電極及び前記第２電極の螺旋軸が鉛直となるように配置され、前記第１電極及び前記第２電極の螺旋ピッチが、上端から下端に向かうに従って徐々に密となるように設定され、
前記第３電極が筒状に形成され、前記第１電極及び前記第２電極並びに前記絶縁性基体が、前記第３電極内に収容され、
前記第１電極と前記第２電極とから成る第１の電極対、及び、前記第１電極または第２電極と前記第３電極とから成る第２の電極対の２組の電極対がそれぞれ液体に浸漬された際の両電極間の静電容量に基づいて、該液体の液面レベルを検出することを特徴とする液面レベルセンサ。
筒状の前記第３電極が、その周壁を軸に沿って分断されて開閉可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の液面レベルセンサ。
筒状の前記第３電極の下端の開口を塞ぐ底板を有し、
前記底板にオリフィスが穿設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液面レベルセンサ。
前記オリフィスの外側に該オリフィスを覆うフィルタを有していることを特徴とする請求項３に記載の液面レベルセンサ。
２組の前記電極対それぞれの両電極間の静電容量に基づいて前記液体の液面レベルを演算するための回路が、筒状の前記第３電極に収容されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の液面レベルセンサ。