JP4795049B2

JP4795049B2 - 液面レベルセンサ

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Publication number: JP4795049B2
Application number: JP2006042735A
Authority: JP
Inventors: 利雄大池; 泰典川口
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2026-02-20
Also published as: JP2007218861A

Description

本発明は、液体に浸漬された一対の電極間の静電容量に基づき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、液体に浸漬された一対の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。一対の電極間の静電容量は液体の誘電率により変動し、液体の誘電率は液体の種類や温度等の条件により変動する。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一対の測定用電極と、対向配置された平板状の一対の参照用電極とを備え、一対の測定用電極間の静電容量及び一対の参照用電極間の静電容量の双方に基づいて水位を検出するものである。

一対の参照用電極は液体に浸漬され、一対の参照用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、一対の測定用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、水位を正確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、一対の参照用電極が少しでも気中に露出すると一対の参照用電極により求められる液体の誘電率に誤差が生じ、水位の検出精度が低下する原因となる。よって、一対の参照用電極は常に液中に配置される必要があるが、このことは一対の測定用電極による水位の検出範囲を一対の参照用電極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、一対の測定用電極による測定範囲を下方に拡大すべく一対の参照用電極を小型化すると、一対の参照用電極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、液体を収容する容器の底面までの液面レベルの測定、つまり液面レベルが低いときの液面レベルの測定は困難であった。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測定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、タンク底面まで測定可能な液面レベルセンサが求められている。

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、液体の誘電率によらず正確に、液体容器の底部まで液面レベルを検出可能な液面レベルセンサを提供することにある。

上記目的は、本発明の下記（１）〜（２）に係る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一対の電極が互いに平行に螺旋状に巻きつけられた第１センサエレメント及び第２センサエレメントを備え、
前記第１センサエレメント及び前記第２センサエレメントは、前記一対の電極の螺旋軸が鉛直で、前記第１センサエレメントの下端と前記第２センサエレメントの下端とが同一高さとなるように、それぞれ配置されており、
前記第１センサエレメントの前記一対の電極と前記第２センサエレメントの前記一対の電極とは螺旋ピッチが互いに異なっており、
前記第１センサエレメントの一対の電極の螺旋ピッチは下端から上端に向かうに従って徐々に密もしくは疎となるように設定され、前記第２センサエレメントの一対の電極の螺旋ピッチは、前記第１センサエレメントの一対の電極の螺旋ピッチとは逆に、下端から上端に向かうに従って徐々に疎もしくは密となるように設定され、
液体に浸漬された際の前記第１センサエレメント及び前記第２センサエレメントの一対の電極間の静電容量に基づいて該液体の液面レベルを測定することを特徴とする液面レベルセンサ。

（２）前記第１センサエレメントの一対の電極の螺旋ピッチと前記第２センサエレメントの一対の電極の螺旋ピッチとが、上下対称と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。

上記（１）の構成の液面レベルセンサによれば、第１センサエレメントと第２センサエレメントとでは一対の電極の螺旋ピッチが異なっており、液体に浸漬された際の出力特性、即ち、一対の電極間の静電容量の変化が互いに異なる。そして、第１センサエレメント及び第２センサエレメントが共に液体に浸漬された際の両センサエレメントの出力の比に基づいて、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第１センサエレメント及び第２センサエレメント各々の一部が液体に浸漬されていれば可能であり、その測定範囲は第１センサエレメントと第２センサエレメントと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、液体容器の底部若しくはその近傍まで液面レベルを測定することができる。

また、第１センサエレメント又は第２センサエレメントのうち、一対の電極の螺旋ピッチが下端ほど密とされた一方は、液面が下端部にあるときの液面変位に伴う静電容量の変化率が比較的大きく、他方は、一対の電極の螺旋ピッチが下端ほど疎とされ、よって液面が下端部にあるときの液面変位に伴う静電容量の変化率が比較的小さい。そのため、液面が両センサエレメントの下端部にあるときに液面変位に伴う両センサエレメントの出力の差を顕著なものとし、補正精度を向上させることができる。

上記（２）の構成の液面レベルセンサによれば、第１センサエレメントの一対の電極の螺旋ピッチと第２センサエレメントの一対の電極の螺旋ピッチとが上下対称とされており、液面変位に対する両センサエレメントの出力は逆特性を示すため、補正が容易となる。

本発明によれば、液体の誘電率によらず正確に液面レベルを測定可能であり、液体容器の底部まで測定可能な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第１実施形態の正面図、図２は図１の液面レベルセンサの第１センサエレメントの底面図、図３は図１の液面レベルセンサにおいて液面変位と第１センサエレメント及び第２センサエレメントの静電容量の変化との関係を示すグラフである。また、図４は本発明に係る液面レベルセンサの第２実施形態の正面図、図５は図４の液面レベルセンサにおいて液面変位と第１センサエレメント及び第２センサエレメントの静電容量の変化との関係を示すグラフである。

（第１実施形態）
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の外周に一対の電極１３，１４が互いに平行に螺旋状に巻きつけられた第１センサエレメント１１と、絶縁性基体２２の外周に一対の電極２３，２４が互いに平行に螺旋状に巻きつけられた第２センサエレメント２１とを備えている。

第１センサエレメント１１の絶縁性基体１２は、角柱状の中央部の周面から四方に放射状にリブ１５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ている。絶縁性基体１２の材料は特に限定されず、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２センサエレメント２１の絶縁性基体２２は、第１センサエレメント１１の絶縁性基体１２と同一の材料で同一の形状に形成されている。

第１センサエレメント１１の電極１３，１４は、絶縁性基体１２の４つのリブ１５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の長手方向の一端から、他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１５の外縁には、電極１３，１４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１５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２センサエレメント２１の電極２３，２４は、絶縁性基体２２の４つのリブ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２３，２４がそれぞれ接続される端子２６，２７が設けられた絶縁性基体２２の長手方向の一端から他端に向けて徐々に疎、つまりは第１センサエレメント１１の一対の電極１３，１４とは逆となるように設定されている。

さらに、第１センサエレメント１１及び第２センサエレメント２１について、端子１６，１７又は端子２６，２７が設けられた側を上と仮定して、第１センサエレメント１１の一対の電極１３，１４の螺旋ピッチと第２センサエレメント２１の一対の電極２３，２４の螺旋ピッチとは、上下対称に設定されている。

第１センサエレメント１１及び第２センサエレメント２１は、ケース２に保持されて、それぞれ端子１６，１７又は端子２６，２７を上にして一対の電極１３，１４又は電極２３，２４の螺旋軸が鉛直となるように容器１内に配置されている。第１センサエレメント１１及び第２センサエレメント２１の下端は、いずれも容器１の底面近傍にあって同一高さに位置している。

液面Ｓの変位に伴い、第１センサエレメント１１の一対の電極１３，１４において両者の間に液体が介在している部分の長さが変化し、一対の電極１３，１４間の静電容量が変化する。同様に、液面Ｓの変位に伴い、第２センサエレメント２１の一対の電極２３，２４間の静電容量も変化する。そして、一対の電極１３，１４間の静電容量及び一対の電極２３，２４間の静電容量は、端子１６，１７そして端子２６，２７に接続している駆動回路３にて測定され、測定された２つの静電容量に基づいて所定の演算がなされ、それにより液面Ｓのレベルが検出される。

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センサエレメント１１の一対の電極１３，１４間の静電容量Ｃ_１及び第２センサエレメント２１の一対の電極２３，２４間の静電容量Ｃ_２の関係を示す。図中、一点差線が第１センサエレメント１１の静電容量Ｃ_１の特性曲線であり、二点鎖線が第２センサエレメント２１の静電容量Ｃ_２の特性曲線である。

図３に示すように、一対の電極１３，１４の螺旋ピッチが下端ほど密とされた第１センサエレメント１１は、液面Ｓが下端部にあるときの液面Ｓの変位に伴う静電容量Ｃ_１の変化率が比較的大きく、一対の電極２３，２４の螺旋ピッチが下端ほど疎とされた第２センサエレメント２１は、液面Ｓが下端部にあるときの液面Ｓの変位に伴う静電容量Ｃ_２の変化率が比較的小さくなる。より詳細には、第１センサエレメント１１の一対の電極１３，１４の螺旋ピッチと第２センサエレメント２１の一対の電極２３，２４の螺旋ピッチとは上下対称であるので、液面Ｓの変位に対する静電容量の変化は第１センサエレメント１１と第２センサエレメント２１とで逆特性を示す。

第１センサエレメント１１の静電容量Ｃ_１及び第２センサエレメント２１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センサエレメント１１の静電容量Ｃ_１又は第２センサエレメント２１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センサエレメント１１又は第２センサエレメント２１の気中（ｈ＝０）における静電容量であり、本実施形態ではＣ_０１＝Ｃ_０２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。

このように、本実施形態の液面レベルセンサによれば、第１センサエレメントと第２センサエレメントとでは一対の電極の螺旋ピッチが異なっており、液体に浸漬された際の出力特性、即ち、一対の電極間の静電容量の変化が互いに異なる。そして、第１センサエレメント及び第２センサエレメントが共に液体に浸漬された際の両センサエレメントの出力の比に基づいて、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第１センサエレメント及び第２センサエレメント各々の一部が液体に浸漬されていれば可能であり、その測定範囲は第１センサエレメントと第２センサエレメントと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、液体容器の底部若しくはその近傍まで液面レベルを測定することができる。

また、本実施形態の液面レベルセンサによれば、第１センサエレメント又は第２センサエレメントのうち、一対の電極の螺旋ピッチが下端ほど密とされた第１センサエレメントは、液面が下端部にあるときの液面変位に伴う静電容量の変化率が比較的大きく、第２センサエレメントは、一対の電極の螺旋ピッチが下端ほど疎とされ、よって液面が下端部にあるときの液面変位に伴う静電容量の変化率が比較的小さい。そのため、液面が両センサエレメントの下端部にあるときに液面変位に伴う両センサエレメントの出力の差を顕著なものとし、補正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によれば、第１センサエレメントの一対の電極の螺旋ピッチと第２センサエレメントの一対の電極の螺旋ピッチとが上下対称とされており、液面変位に対する両センサエレメントの出力は逆特性を示すため、補正が容易となる。

また、本実施形態の液面レベルセンサによれば、第１センサエレメントの下端と第２センサエレメントの下端とが同一高さにあり、両センサエレメントの下端から液面レベルの測定が可能である。よって、液体容器の底部まで液面レベルを測定することができる。

（第２実施形態）
次に、図４及び図５を参照して、本発明に係る液面レベルセンサの第２実施形態を説明する。

図４に示すように、本実施形態の液面レベルセンサ４０は、上述した第１実施形態の液面レベルセンサ１０と第２センサエレメントを異にしており、絶縁性基体４２の外周に一対の電極４３，４４が互いに平行に螺旋状に巻きつけられた第２センサエレメント４１を備え、その他の構成は第１実施形態の液面レベルセンサ１０と共通する。尚、第１実施形態の液面レベルセンサ１０と共通する部材については、図中同一符号を付して説明を省略する。

第２センサエレメント４１の絶縁性基体４２は、第１センサエレメント１１の絶縁性基体１２と同一の材料で同一の形状に形成されている。そして、第２センサエレメント４１の電極４３，４４は、絶縁性基体４２の４つのリブ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、下端から上端にわたって等間隔に設定されている。

第１センサエレメント１１及び第２センサエレメント４１は、第１実施形態の液面レベルセンサ１０と同様に、ケースに保持されて、それぞれ端子１６，１７又は端子４６，４７を上にして一対の電極１３，１４又は電極４３，４４の螺旋軸が鉛直となるように容器１内に配置されている。第１センサエレメント１１及び第２センサエレメント４１の下端は、いずれも容器の底面近傍にあって同一高さに位置している。

液面の変位に伴い、第１センサエレメント１１の一対の電極１３，１４において両者の間に液体が介在している部分の長さが変化し、一対の電極１３，１４間の静電容量が変化する。同様に、液面Ｓの変位に伴い、第２センサエレメント４１の一対の電極４３，４４間の静電容量も変化する。そして、一対の電極１３，１４間の静電容量及び一対の電極４３，４４間の静電容量は、端子１６，１７そして端子４６，４７に接続している駆動回路にて測定され、測定された２つの静電容量に基づいて上記所定の演算がなされ、それにより液面レベルが検出される。

図５に、容器１の底面からの液面Ｓの高さｈに対する第１センサエレメント１１の静電容量Ｃ_１及び第２センサエレメント４１の静電容量Ｃ_２の関係を示す。図中、一点差線が第１センサエレメント１１の静電容量Ｃ_１の特性曲線であり、二点鎖線が第２センサエレメント４１の静電容量Ｃ_２の特性曲線である。

本実施形態の液面レベルセンサによれば、第１センサエレメントと第２センサエレメントとでは一対の電極の螺旋ピッチが異なっており、液体に浸漬された際の出力特性、即ち、一対の電極間の静電容量の変化が互いに異なる。そして、第１センサエレメント及び第２センサエレメントが共に液体に浸漬された際の両センサエレメントの出力の比に基づいて、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第１センサエレメント及び第２センサエレメント各々の一部が液体に浸漬されていれば可能であり、その測定範囲は第１センサエレメントと第２センサエレメントと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、液体容器の底部若しくはその近傍まで液面レベルを測定することができる。

また、本実施形態の液面レベルセンサによれば、第２センサエレメントについては一対の電極の螺旋ピッチが等間隔とされており、第２センサエレメントは共用として種々に螺旋ピッチを変えた第１センサエレメントとの組み合わせで、誘電率の異なる種々の液体に対応することができ、汎用性に優れる。

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。

本発明に係る液面レベルセンサの第１実施形態の正面図である。図１の液面レベルセンサの第１センサエレメントの底面図である。図１の液面レベルセンサにおいて液面変位と第１センサエレメント及び第２センサエレメントの静電容量の変化との関係を示すグラフである。本発明に係る液面レベルセンサの第２実施形態の正面図である。図４の液面レベルセンサにおいて液面変位と第１センサエレメント及び第２センサエレメントの静電容量の変化との関係を示すグラフである。

符号の説明

１容器
１０液面レベルセンサ
１１第１センサエレメント
１２絶縁性基体
１３，１４電極
２１第２センサエレメント
２２絶縁性基体
２３，２４電極
Ｌ液体
Ｓ液面

Claims

絶縁性基体の外周に一対の電極が互いに平行に螺旋状に巻きつけられた第１センサエレメント及び第２センサエレメントを備え、
前記第１センサエレメント及び前記第２センサエレメントは、前記一対の電極の螺旋軸が鉛直で、前記第１センサエレメントの下端と前記第２センサエレメントの下端とが同一高さとなるように、それぞれ配置されており、
前記第１センサエレメントの前記一対の電極と前記第２センサエレメントの前記一対の電極とは螺旋ピッチが互いに異なっており、
前記第１センサエレメントの一対の電極の螺旋ピッチは下端から上端に向かうに従って徐々に密もしくは疎となるように設定され、前記第２センサエレメントの一対の電極の螺旋ピッチは、前記第１センサエレメントの一対の電極の螺旋ピッチとは逆に、下端から上端に向かうに従って徐々に疎もしくは密となるように設定され、
液体に浸漬された際の前記第１センサエレメント及び前記第２センサエレメントの一対の電極間の静電容量に基づいて該液体の液面レベルを測定することを特徴とする液面レベルセンサ。
前記第１センサエレメントの一対の電極の螺旋ピッチと前記第２センサエレメントの一対の電極の螺旋ピッチとが、上下対称と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。