JP2021131273A - 液体センサ - Google Patents

Abstract

【課題】振動等が生じたとしても液体の液位を比較的正確に検出可能な液体センサを提供する。【解決手段】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、液体の液位を検出するように構成されている。この液体センサは、基板を備える。基板には孔が形成されている。孔の周囲には、基板の内周面が形成されている。この内周面上には、第１電極と、該第１電極と向き合う第２電極とが形成されている。液体センサは、検出回路をさらに備える。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る。【選択図】図１

Description

本発明は、液体センサに関する。

特開２０１３−０８８３７４号公報（特許文献１）は、燃料の液位を検出する燃料検出装置を開示する。この燃料検出装置は、基板上に設置された検出電極と、基板を内部に収容する筒状の対向電極とを備えている。この燃料検出装置においては、検出電極と対向電極との間の静電容量に基づいて、燃料の液位が検出される（特許文献１参照）。

特開２０１３−０８８３７４号公報

上記特許文献１に開示されている燃料検出装置（液体センサ）においては、たとえば振動等に起因して、筒状の対向電極と基板との相対的な位置がずれる可能性がある。この場合には、検出電極と対向電極との間の距離が変化する。この距離の変化によって燃料（液体）の液位の変化と関係なく静電容量が変化するため、静電容量に基づいて燃料の液位を正確に検出することができなくなる。

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位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。

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、液位を検出するように構成されている。この液体センサは、基板を備える。基板には孔が形成されている。孔の周囲には、基板の内周面が形成されている。この内周面上には、第１電極と、該第１電極と向き合う第２電極とが形成されている。液体センサは、検出回路をさらに備える。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る。

この液体センサにおいては、基板の内周面上に第１及び第２電極の双方が形成されている。したがって、振動等によって第１及び第２電極間の距離が変化する可能性は低い。その結果、この液体センサによれば、振動等が生じたとしても液体の液位（残量）を比較的正確に検出することができる。

上記液体センサにおいて、基板は、長辺及び短辺を有する略矩形状であり、孔は、長辺及び短辺を有する略矩形状であり、孔の長辺は基板の長辺に沿って延びており、孔の短辺は基板の短辺に沿って延びており、第１及び第２電極の各々は、孔の長辺に形成されており、第１電極と前記第２電極とは、孔の短辺において分断されていてもよい。

上記液体センサにおいて、基板は、基板の長辺が液体の液面に垂直な方向に延びるように配置されてもよい。

この液体センサにおいては、基板の長辺が液体の液面に垂直な方向に延びているため、第１及び第２電極の各々も液体の液面に垂直な方向に延びている。したがって、液体の液面の低下過程において、第１及び第２電極間に液体が滞留しにくい。その結果、この液体センサによれば、第１及び第２電極間に液体が滞留することによる液位の検出精度の低下を抑制することができる。

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。

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、過酷環境でも液体の液位を検出することができる。

上記液体センサは、発光素子と、受光素子とをさらに備え、基板には、第１及び第２光導波路が埋め込まれており、第１光導波路の一端は、孔を介して、第２光導波路の一端と向き合っており、第１光導波路の他端には発光素子が取り付けられており、第２光導波路の他端には受光素子が取り付けられており、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てもよい。

孔に位置する液体の液質が良い場合には受光素子の出力が大きくなり、孔に位置する液体の液質が悪い場合には受光素子の出力が小さくなる。この液体センサにおいては、受光素子の出力を検出することによって、液体の液質が検出される。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、液体の液位及び液質の双方を検出することができる。

本発明によれば、振動等が生じたとしても液体の液位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。

液体センサの構成を模式的に示す図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面を模式的に示す図である。 基板を模式的に示す平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ断面を模式的に示す図である。 くし型の電極が形成された基板を模式的に示す図である。 基板の製造手順を示すフローチャートである。 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。 実施の形態２における基板の製造手順を示すフローチャートである。 光ファイバーを内蔵した基板の製造方法を説明するための図である。 変形例における基板を模式的に示す平面図である。

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。

［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。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）の残量（液位）を電気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、燃料の液位を検出する。

図１に示されるように、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、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は互いに対向する２つの電極を含み、電極間の静電容量が燃料の残量に応じて変化する。検出回路２００は、公知の技術を用いることによって、電極間の静電容量を検出する。検出回路２００は、電極間の静電容量に基づいて、燃料の残量を検出する。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面を模式的に示す図である。図２に示されるように、プラグ１０２は、筒状であり、基板１０４を内部に収容する。たとえば振動等に起因して、筒状のプラグ１０２と基板１０４との相対的な位置がずれる可能性がある。仮に、基板１０４に設けられた一方の電極がプラグ１０２に設けられている場合には、プラグ１０２と基板１０４との位置ずれに基づいて、電極間の距離が変化する。この距離の変化によって燃料の液位の変化と関係なく電極間の静電容量が変化するため、静電容量に基づいて燃料の液位を正確に検出することができなくなる。

本実施の形態１に従う液体センサ１０おいては、基板１０４の構成を工夫することにより、このような問題が解決されている。次に、基板１０４の構成について詳細に説明する。

＜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。

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の中央部分には、孔Ｈ１が形成されている。孔Ｈ１の形状は、長辺及び短辺を有する略矩形状である。孔Ｈ１の長辺は基板１０４の長辺に沿って延びており、孔Ｈ１の短辺は基板１０４の短辺に沿って延びている。

孔Ｈ１の周囲には、基板１０４の内周面１１４が形成されている。内周面１１４のうち孔Ｈ１の一方の長辺に沿って延びる面には電極１０６が形成されており、内周面１１４のうち孔Ｈ１の他方の長辺に沿って延びる面には電極１１０が形成されている。

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Ｈ１の各短辺に沿って延びる面の一部にも電極１０６及び電極１１０が形成されているが、電極１０６と電極１１０との間には間隙Ｐ１及び間隙Ｐ２が形成されており、電極１０６と電極１１０とは分断されている。なお、電極１０６，１１０間の長さは、燃料の液位が低下した後に、表面張力によって電極１０６，１１０間に燃料が滞留しない程度の長さであることが好ましい。

なお、電極１０６は、内周面１１４のうち孔Ｈ１の一方の長辺に沿って延びる面の少なくとも一部に形成されていればよく、内周面１１４のうち孔Ｈ１の各短辺に沿って延びる面に形成される必要はない。また、電極１１０は、内周面１１４のうち孔Ｈ１の他方の長辺に沿って延びる面の少なくとも一部に形成されていればよく、内周面１１４のうち孔Ｈ１の各短辺に沿って延びる面に形成される必要はない。また、基板１０４の厚みを増すことで、電極１０６，１１０の面積を大きくすることができ、結果的に電極１０６，１１０間の静電容量を大きくすることができる。

基板１０４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２００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２００と電気的に接続されている。

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。

液体センサ１０（図１）の使用時に、基板１０４は、基板１０４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２００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。

本実施の形態１に従う液体センサ１０においては、基板１０４の内周面１１４上に電極１０６，１１０の双方が形成されている。したがって、振動等によって電極１０６，１１０間の距離が変化する可能性は低い。その結果、液体センサ１０によれば、振動等が生じたとしても燃料の液位を比較的正確に検出することができる。

また、たとえば、燃料の液位を検出するために、くし型の電極が形成された基板が用いられる場合を考える。

図５は、くし型の電極が形成された基板を模式的に示す図である。図５に示されるように、このような場合には、燃料の液面の低下過程において、くし型の電極間に燃料が滞留しやすい。くし型の電極間に燃料が滞留すると、燃料の液面の低下に従って電極間の静電容量が適切に変化しないため、静電容量に基づいて燃料の残量を正確に検出することができない。

本実施の形態１に従う液体センサ１０においては、基板１０４の長辺が燃料の液面に垂直な方向に延びているため、電極１０６，１１０の各々も燃料の液面に垂直な方向に延びている。したがって、燃料の液面の低下過程において、電極１０６，１１０間に燃料が滞留しにくい。その結果、液体センサ１０によれば、電極１０６，１１０間に燃料が滞留することによる液位の検出精度の低下を抑制することができる。

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。

＜１−３．基板の製造方法＞
図６は、基板１０４の製造手順を示すフローチャートである。図６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。

図６を参照して、製造装置は、主面上に配線がプリントされた基板を準備する（ステップＳ１００）。製造装置は、ルータ又はプレスでの打ち抜き加工によって、基板上に孔Ｈ１を形成する（ステップＳ１１０）。製造装置は、孔Ｈ１の周囲の内周面１１４にめっき処理を施す（ステップＳ１２０）。製造装置は、ルータ又はプレスでの打ち抜き加工により間隙Ｐ１，Ｐ２を形成することによって、電極１０６と電極１１０とを分断する（ステップＳ１３０）。これにより、基板１０４が完成する。

＜１−４．液体センサの動作＞
上述のように、液体センサ１０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２００が電極１０６，１１０間に所定電圧を印加した状態で、検出回路２００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２００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。

＜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、基板１０４の内周面１１４上に電極１０６，１１０の双方が形成されている。したがって、振動等によって電極１０６，１１０間の距離が変化する可能性は低い。その結果、液体センサ１０によれば、振動等が生じたとしても燃料の液位を比較的正確に検出することができる。

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

＜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。

孔Ｈ１Ａの周囲には、基板１０４Ａの内周面１１４Ａが形成されている。内周面１１４Ａ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１０６Ａが形成されており、内周面１１４Ａ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１１０Ａが形成されている。

電極１０６Ａ及び電極１１０Ａは、互いに向き合っている。内周面１１４Ａのうち孔Ｈ１Ａの各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。

基板１０４Ａの主面上には、Ｌ字状の配線１０８Ａ及び配線１１２Ａが形成されている。配線１０８Ａは、電極１０６Ａ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１１２Ａは、電極１１０Ａ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。

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２０２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２０２は光導波路２０２Ｘ，２０２Ｙに分断されている。すなわち、基板１０４Ａ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。

光導波路２０２Ｘの一端は、孔Ｈ１Ａ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２００Ａからの指示に従って発光するように構成されている。

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。

本実施の形態２に従う液体センサの使用時に、基板１０４Ａは、燃料中に浸漬される。基板１０４Ａが燃料中に浸漬された状態では、孔Ｈ１Ａ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Ｈ１Ａ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Ｈ１Ａ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Ｈ１Ａ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２００Ａ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。

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

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、受光素子２０４の出力を検出することによって、燃料の液質が検出される。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、燃料の液位及び液質の双方を検出することができる。

＜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）。

図９は、光ファイバーを内蔵した基板の製造方法を説明するための図である。図９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。その後、酸処理を通じて、銅箔２１０，２１２が剥離される。これにより、光ファイバーを内蔵した基板が完成する。

再び図８を参照して、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１０８Ａ，１１２Ａ）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１０６Ａ，１１０Ａ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２０２Ｘ，２０２Ｙ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。

＜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１０６Ａ，１１０Ａ間に所定電圧を印加した状態で、検出回路２００Ａは、電極１０６Ａ，１１０Ａ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。

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２０１を発光させる。発光素子２０１が発した光は、光導波路２０２Ｘ、孔Ｈ１Ａ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２００Ａは、受光素子２０４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。

たとえば、検出回路２００Ａ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。

＜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、受光素子２０４の出力電圧を検出することによって、燃料の液質が検出される。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、燃料の液位及び液質の双方を検出することができる。

［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。

上記実施の形態１，２においては、平面視において、電極１０６，１０６Ａが、それぞれ電極１１０，１１０Ａと平行に配置されていた。しかしながら、電極１０６，１０６Ａは、必ずしも電極１１０，１１０Ａと平行に配置されていなくてもよい。

図１０は、変形例における基板１０４Ｂを模式的に示す平面図である。図１０に示されるように、基板１０４Ｂは、電極１０６Ｂと、電極１１０Ｂとを含んでいる。平面視において、電極１０６Ｂは、電極１１０Ｂと平行に配置されていない。上記実施の形態１，２における各電極は、このような位置関係で配置されてもよい。

また、上記実施の形態１においては、液体センサ１０の使用時に、基板１０４が、基板１０４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１０４は、必ずしも基板１０４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１０４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。

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、燃料の液位（残量）が検出された。しかしながら、液体センサ１０等が検出する液位は、燃料の液位に限られない。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）等の液位を検出してもよい。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、液体の液位を検出すればよい。

１０ 液体センサ、１００ 液体センサ本体、１０２ プラグ、１０４，１０４Ａ、１０４Ｂ 基板、１０６，１０６Ａ，１０６Ｂ，１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ 電極、１０８，１０８Ａ，１０８Ｂ，１１２，１１２Ａ，１１２Ｂ 配線、１１４，１１４Ａ 内周面、２００，２００Ａ 検出回路、２０１ 発光素子、２０２，２０２Ｘ，２０２Ｙ 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、Ｐ１，Ｐ２ 間隙。

Claims (5)

1. 少なくとも一部分が液体中に浸漬された状態で、液位を検出するように構成された液体センサであって、
   基板を備え、
   前記基板には孔が形成されており、
   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。
2. 前記基板は、長辺及び短辺を有する略矩形状であり、
   前記孔は、長辺及び短辺を有する略矩形状であり、
   前記孔の長辺は前記基板の長辺に沿って延びており、前記孔の短辺は前記基板の短辺に沿って延びており、
   前記第１及び第２電極の各々は、前記孔の長辺に形成されており、
   前記第１電極と前記第２電極とは、前記孔の短辺において分断されている、請求項１に記載の液体センサ。
3. 前記基板は、前記基板の長辺が前記液体の液面に垂直な方向に延びるように配置される、請求項２に記載の液体センサ。
4. 前記基板は、フッ素樹脂基板である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液体センサ。
5. 発光素子と、
   受光素子とをさらに備え、
   前記基板には、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、
   前記検出回路は、前記受光素子の出力を検出するように構成されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の液体センサ。

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