(57)【要約】【課題】被検出液の密度を高精度に検出する液体密度検出装置を提供する。【解決手段】燃料を蓄える燃料配管６０に取り付けられる保持部材１０の内部空間１３に球状のフロート２０が収容されている。圧力センサ３０はフロート２０の浮力を検出し、傾斜角検出手段４０は圧力センサ３０が鉛直方向に対して傾斜する傾斜角度を検出する。電気回路５０は、圧力センサ３０の検出した浮力検出値Ｐを、傾斜角検出手段の検出した傾斜角度出力に基づいて補正することで、被検出液の密度相当値を検出する。フロート２０が保持部材１０の内壁を転がり運動をすることでフロート２０と保持部材１０の内壁との間の摩擦力が無視できる程度に小さくなる。これにより、圧力センサ３０はフロートの押付け力を正確に検出することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間に被検出液を蓄える配管と、
前記配管内に配設される筒状の保持部材と、
前記保持部材の内部空間に収容され、被検出液よりも密度の小さい球状のフロートと、
前記フロートの浮力を検出する圧力センサと、
前記圧力センサが鉛直方向に対して傾斜する傾斜角度を検出する傾斜角検出手段と、
前記圧力センサの検出した浮力検出値を、前記傾斜角検出手段の検出した傾斜角度出力に基づいて補正することで被検出液の密度相当値を検出する演算部と、備えることを特徴とする液体密度検出装置。
【請求項２】
前記保持部材は、内壁が円筒状に形成される円筒部と、この円筒部の外気側の一端を閉塞し、前記圧力センサを取り付ける蓋部とを設けることを特徴とする請求項１に記載の液体密度検出装置。
【請求項３】
前記円筒部と前記蓋部とは一体で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の液体密度検出装置。
【請求項４】
前記フロートは、内部が中空であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の液体密度検出装置。
【請求項５】
前記保持部材は、前記円筒部の径方向に被検出液が流通する通孔を有することを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の液体密度検出装置。
【請求項６】
前記傾斜角検出手段は、
有底筒状に形成され、内壁が球面状の第１底部及びこの第１底部に接続する筒状の第１筒部とを有する外側電極と、
前記外側電極の径内側に前記外側電極の内壁とは非接触で設けられる内側電極と、
前記外側電極の内壁と前記内側電極の外壁とに接触する液状の誘電体と、
前記外側電極と前記内側電極とに電気的に接続し、前記外側電極と前記内側電極との間の静電容量を検出することで前記圧力センサの傾斜角度を検出する検出部と、を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の液体密度検出装置。
【請求項７】
前記内側電極は、有底筒状に形成され、外壁が球面状の第２底部及びこの第２底部に接続する筒状の第２筒部を有することを特徴とする請求項６に記載の液体密度検出装置。
【請求項８】
前記外側電極の前記第１筒部の内壁は、前記第１底部の内壁の球面の接線方向に接続していることを特徴とする請求項６または７に記載の液体密度検出装置。
【請求項９】
前記内側電極の前記第２筒部の外壁は、前記第２底部の外壁の球面の接線方向に接続していることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の液体密度検出装置。
【請求項１０】
前記外側電極の軸方向が鉛直方向であるとき、前記誘電体と前記外側電極の内壁とが接触する位置は、前記第１底部と前記第１筒部との接続位置であることを特徴とする請求項６から９のいずれか一項に記載の液体密度検出装置。
【請求項１１】
前記内側電極の軸方向が鉛直方向であるとき、前記誘電体と前記内側電極の外壁とが接触する位置は、前記第２底部と前記第２筒部との接続位置であることを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項に記載の液体密度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体の密度を検出する液体密度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体に浸漬させたフロートが受ける浮力を検出することで、液体の密度を検出する液体密度検出装置が公知である（特許文献１参照）。この液体密度検出装置は、筒状の保持部材の内側にフロートを収容し、圧力センサでフロートの浮力を検出する。そして、液体密度検出装置は、圧力センサの検出した浮力検出値と、予め記憶しているフロートの体積及び密度によって、フロートが浸漬する液体の密度を算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３９４６３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この種の液体密度検出装置では、保持部材が傾くと、保持部材の内壁とフロートとの摩擦力により、圧力センサがフロートの浮力を正確に検出することができず、検出誤差が大きくなるといった問題があった。
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、被検出液の密度を高精度に検出する液体密度検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に係る発明によると、球状のフロートは、被検出液で満たされる保持部材の内部空間に収容されている。傾斜角検出手段は、フロートの浮力を検出する圧力センサが鉛直方向に対して傾斜する傾斜角度を検出する。演算部は、圧力センサの検出した浮力検出値を傾斜角検出手段の検出した傾斜角度出力に基づいて補正することで被検出液の密度相当値を検出する。球状のフロートが保持部材の内壁を転がり運動をすることでフロートと保持部材の内壁との間の摩擦力が無視できる程度に小さくなり、圧力センサはフロートの浮力検出値を正確に検出することができる。この液体密度検出装置をエンジンの燃料系統の配管に取り付ければ、自動車用燃料の揮発性と燃料密度とは相関関係を有するので、液体密度検出装置の検出する燃料密度相当値によって燃料の揮発性を正確に検出し、燃料の揮発性に応じた最適なエンジン制御をすることができる。
【０００６】
なお、本明細書において、筒状の保持部材を取り付ける配管は、被検出液を満たす流通管、被検出液を保有する管、容器などを含み、また、保持部材は配管と一体に構成されてもよい。また、球状のフロートとは、断面形状が真円形のものだけでなく、楕円形のものも含むものとする。
【０００７】
請求項２に係る発明によると、保持部材は、内壁が円筒状に形成される円筒部と、この円筒部の外気側の一端を閉塞し、圧力センサが取り付けられる蓋部とを設ける。このため、フロートの外壁は、円筒部の内壁と圧力センサと各一点のみで当接する。これにより、圧力センサは、フロートの浮力を正確に検出することができる。
【０００８】
請求項３に係る発明によると、円筒部と蓋部とは一体で形成されている。このため、円筒部と蓋部との接続部分のシール性を向上するとともに、保持部材の製造コストを低減することができる。
【０００９】
請求項４に係る発明によると、フロートは、内部が中空である。これにより、フロートの浮力を圧力センサの検出能力に適合させ、圧力センサの検出精度を向上することができる。
【００１０】
請求項５に係る発明によると、保持部材は、円筒部の径方向に被検出液が流通する通孔を有する。このため、例えば、自動車の燃料配管に液体密度検出装置を取付け、被検出液として燃料の密度を検出する場合、液体密度検出装置は燃料配管内の燃料の密度変化を速やかに検出することができる。
【００１１】
請求項６に係る発明によると、傾斜角検出手段は、有底筒状に形成され、内壁が球面状の第１底部及びこの第１底部に接続する筒状の第１筒部とを有する外側電極と、外側電極の径内側に外側電極の内壁とは非接触で設けられる内側電極と、外側電極の内壁と内側電極の外壁とに接触する液状の誘電体と、外側電極と内側電極とに電気的に接続し、外側電極と内側電極との間の静電容量を検出することで圧力センサの傾斜角度を算出する検出部とを有する。この構成により、傾斜角検出手段は、全方位の傾斜を検出することができる。このため、この液体密度検出装置を、全方位へ傾斜する可能性のある自動車の燃料系統等に適用すれば、燃料密度を正確に検出し、燃料の揮発性に応じた最適なエンジン制御をすることができる。
【００１２】
請求項７に係る発明によると、内側電極は、有底筒状に形成され、外壁が球面状の第２底部、及び、この第２底部に接続する筒状の第２筒部を有する。このため、傾斜角度に応じ、外側電極と誘電体との接触面積が変化するとともに、内側電極と誘電体との接触面積が変化する。これにより、検出部の検出する静電容量が傾斜角度に応じて大きく変化する。したがって、演算部は、保持部材の傾斜角度を高精度に算出することができる。
【００１３】
請求項８に記載の発明によると、外側電極の第１筒部の内壁は、第１底部の内壁の球面の接線方向に接続している。また、請求項９に記載の発明によると、内側電極の第２筒部の外壁は、第２底部の外壁の球面の接線方向に接続している。これにより、外側電極の内壁、又は内側電極の外壁に沿って誘電体がスムーズに移動する。したがって、傾斜角検出手段は、検出部の検出する静電容量変化の応答性を向上することができる。
【００１４】
請求項１０に係る発明によると、外側電極の軸方向が鉛直方向であるとき、誘電体と外側電極の内壁とが接触する位置は、第１底部と第１筒部との接続位置である。また、請求項１１に係る発明によると、内側電極の軸方向が鉛直方向であるとき、誘電体と内側電極の外壁とが接触する位置は、第２底部と第２筒部との接続位置である。このため、外側電極または内側電極の軸方向が鉛直方向から僅かに傾斜した場合であっても、外側電極または内側電極が誘電体と接触する面積が変化する。これにより、検出部は、保持部材の傾斜角度を高精度に算出することができる。
【００１５】
なお、上述した請求項６に係る発明において、傾斜角検出手段は、傾斜角度を高精度に検出することを目的とする傾斜角検出装置の発明として把握することも可能である。すなわち、「有底筒状に形成され、内壁が球面状の第１底部およびこの第１底部に接続する筒状の第１筒部とを有する外側電極と、外側電極の径内側に外側電極の内壁とは非接触で設けられる内側電極と、外側電極の内壁と内側電極の外壁とに接触する液状の誘電体と、外側電極と内側電極とに電気的に接続し、外側電極と内側電極との間の静電容量を検出することで外側電極および内側電極の少なくともいずれか一方の傾斜角度を算出する検出部と、を備える傾斜角検出装置。」である。この構成により、外側電極又は内側電極の軸方向に垂直な平面において３６０°いずれの方向への傾斜であっても検出することができる。この傾斜角検出装置に請求項７−１１に記載の発明を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態の液体密度検出装置を示す構成図。
【図２】本発明の第１実施形態の液体密度検出装置の傾斜角検出手段を示す構成図。
【図３】本発明の第２実施形態の液体密度検出装置を示す構成図。
【図４】本発明の第３実施形態の液体密度検出装置を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明による複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、第１実施形態は、請求項１、２、６−１１の発明の特徴を具現化したものであり、第２実施形態は請求項３−５の発明の特徴を具現化したものである。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による液体密度検出装置は、エンジンの燃料系統に適用され、被検出液として燃料の密度を検出する。液体密度検出装置の検出した燃料の密度は、車載のＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）に伝送される。ＥＣＵは、燃料の密度から燃料の揮発性を算出し、この燃料の揮発性に応じたエンジン制御を行う。
【００１８】
図１に示すように、液体密度検出装置１は、燃料配管６０に固定される保持部材１０、フロート２０、圧力センサ３０、及び傾斜角検出手段４０等を備えている。
保持部材１０は、例えば樹脂又は金属等、摩擦係数の小さい材料から筒状に形成され、内壁が円筒状の円筒部１１と、この円筒部１１の外気側の一端を閉塞する円盤状の蓋部１２とを有している。保持部材１０は、エンジンと燃料タンクとを接続する燃料配管６０の外壁に燃料流通方向に直行するように設けられている。保持部材１０は、燃料配管６０を流通する燃料が保持部材１０内に流入するように、少なくとも一部が燃料配管６０内に取り付けられ、円筒部１１の他端を燃料配管６０内に開口している。
蓋部１２の径外方向の外壁と円筒部１１の内壁とは、液密にシールされている。このため、蓋部１２と円筒部１１との接続部から外部への燃料の漏出が防止されるとともに、外部の空気が保持部材１０内に侵入することを防いでいる。
【００１９】
フロート２０は、例えば合成樹脂、発砲樹脂等、燃料よりも密度の小さい材料により中実、球状に形成されている。フロート２０は、燃料圧力によって変形することのない剛性を有し、円筒部１１の内壁と一点のみで当接する。フロート２０の直径は、円筒部１１の内径より小さく形成され、円筒部１１の軸方向が鉛直方向に対して傾斜するとき、内部空間１３を鉛直方向上側へ回転移動する。
【００２０】
圧力センサ３０は、例えば電子式の圧力センサであり、蓋部１２の内部空間１３側に設けられている。圧力センサ３０は、円筒部１１の軸方向に対して垂直に取り付けられている。圧力センサ３０は板厚方向の浮力を検出するので、圧力センサ３０が浮力を検出する方向は、保持部材１０の軸方向となる。したがって、保持部材１０が傾斜するとき、圧力センサ３０の検出するフロート２０の浮力検出値は、フロート２０が燃料から受ける浮力のうち、保持部材１０の軸方向への分力となる。
【００２１】
傾斜角検出手段４０は、図１及び図２に示すように、外側電極４１、内側電極４４及び誘電体４７から構成され、保持部材１０の近傍で軸方向の一端が燃料配管６０に挿入されている。
外側電極４１は、有底筒状に形成され、内壁が半球面状に形成された第１底部４２と、円筒状の第１筒部４３とを有している。第１筒部４３の内径と、第１底部４２の内径とは同一の大きさに形成されている。第１筒部４３の内壁は、第１底部４２の球面状の内壁の接線方向に接続し、第１筒部４３と第１底部４２とは一体で形成されている。
外側電極４１は、第１筒部４３の軸方向と保持部材１０の円筒部１１の軸方向とが同一方向になるように燃料配管６０に取り付けられている。このため、第１筒部４３の軸方向が鉛直方向に対して傾斜する傾斜角度は、圧力センサ３０が鉛直方向に対して傾斜する傾斜角度となる。したがって、傾斜角検出手段４０は、第１筒部４３の傾斜角度を検出することで、圧力センサ３０の傾斜角度を検出することができる。
【００２２】
内側電極４４は、有底筒状に形成され、内壁が半球面状に形成された第２底部４５と、円筒状の第２筒部４６とを有している。第２筒部４６の外径と、第２底部の外径とは同一の大きさに形成されている。第２筒部４６の外壁は、第２底部４２の球面状の外壁の接線方向に接続し、第２底部４５と第２筒部４６とは一体で形成されている。
内側電極４４は、外側電極４１の径内側で、外側電極４１の内壁とは非接触で設けられている。外側電極４１の内壁と内側電極４４の外壁との距離は、全方位において同一である。図１に示す破線４８は、第１底部４２と第１筒部４３との接続面、及び第２底部４５と第２筒部４６との接続面を概念的に示すものである。外側電極４１と内側電極４４とは、第１底部４２と第１筒部４３との接続面と、第２底部４５と第２筒部４６との接続面とが同一平面となるように組み付けられている。
【００２３】
誘電体４７は、比誘電率が大きく、温度変化による粘度変化の小さい液状の不導体であり、外側電極４１の内壁と内側電極４４の外壁との間に入れられている。外側電極４１及び内側電極４４の軸方向が鉛直方向にあるとき、誘電体４７と、外側電極４１の内壁及び内側電極４４の外壁とは、破線４８の位置で接触する。
誘電体４７は、外側電極４１及び内側電極４４の傾斜角度に応じて、外側電極４１の内壁と接触する面積を変化させるとともに、内側電極４４の外壁と接触する面積を変化させる。これにより、傾斜角検出手段４０は、全方位の傾斜角度を検出することができる。
【００２４】
電気回路５０は、マイクロコンピュータ、ＩＣ、抵抗等の電気的素子から構成されている。電気回路５０は、圧力センサ３０と配線５１、５２により電気的に接続し、外側電極４１、内側電極４４と配線５３、５４により電気的に接続している。また、電気回路５０は、図示しないＥＣＵ等と電気的に接続している。
【００２５】
電気回路５０は、圧力センサ３０が検出するフロート２０の浮力検出値、傾斜角検出手段４０が検出する傾斜角度出力、フロート２０の体積及び密度から保持部材１０の内部空間の燃料密度を検出する。
ここで、保持部材１０の内部空間１３の燃料からフロート２０が受ける浮力Ｆ、圧力センサ３０が検出するフロートの浮力検出値Ｐ、圧力センサ３０が鉛直方向に対して傾斜する傾斜角度θ、フロート２０の体積Ｖ、保持部材１０の内部空間１３の燃料密度ｍｄ、フロート２０の密度ｍｆ、の関係は、
Ｐ＝Ｆｃｏｓθ  
Ｆ＝Ｖ（ｍｄ−ｍｆ）  であることから、
Ｐ＝Ｖ（ｍｄ−ｍｆ）ｃｏｓθ・・・・数式（１）
となる。電気回路５０は、この数式（１）から燃料密度ｍｆに相当する値を検出する。
【００２６】
電気回路５０は、燃料密度相当値をＥＣＵに伝送する。ここで、燃料密度の大きい燃料は重質成分が多いため揮発性が低く、燃料密度の小さい燃料は軽質成分が多いため揮発性が高い。このため、ＥＣＵは、燃料密度相当値から燃料の揮発性を検出することで、燃料の揮発性に応じた噴射量、点火時期等のエンジン制御を行うことが可能となる。
なお、電気回路５０は、傾斜角検出手段４０によって検出する静電容量から傾斜角度θを検出することで特許請求の範囲に記載の「検出部」として機能し、傾斜角度θと圧力センサ３０の検出した浮力検出値Ｐとフロート２０の体積Ｖ及び密度ｍｄとから燃料密度ｍｆに相当する値を検出することで特許請求の範囲に記載の「演算部」として機能する。
【００２７】
本実施形態では、フロート２０は球状に形成されている。このため、フロート２０と保持部材１０の内壁との間の摩擦力が無視できる程度に小さくなり、圧力センサ３０は、フロート２０の浮力検出値を正確に検出することができる。さらに、傾斜角検出手段４０が圧力センサ３０の鉛直方向に対する傾斜角度θを検出するので、電気回路５０は、圧力センサ３０の検出するフロート２０の浮力検出値Ｐと傾斜角度θとフロート２０の体積Ｖ及び密度ｍｄとにより、燃料配管６０内の燃料密度ｍｆ相当値を正確に検出することができる。
【００２８】
さらに、本実施形態では、傾斜角検出手段４０の外側電極４１の第１底部４２の内壁及び内側電極４４の第２底部４５の外壁が半球面状に形成されている。第１筒部４３の内壁が第１底部４２の内壁の接線方向に接続し、第２筒部４６の外壁が第２底部４５の外壁の接線方向に接続している。このため、傾斜角検出手段４０は、外側電極及び内側電極の軸方向に垂直な平面において３６０°いずれの方向への傾斜であっても検出することができるとともに、車両の姿勢変化に対して誘電体４７がスムーズに移動するので、傾斜角度検出の応答性を向上することができる。これにより、液体密度検出装置１は、燃料配管６０内の燃料の密度を正確に検出し、ＥＣＵへ伝送することで、ＥＣＵは、燃料の揮発性に応じた最適なエンジン制御をすることができる。したがって、液体密度検出装置１を適用した自動車は、燃料に応じた最適な運転性能が得られる。
【００２９】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態による液体密度検出装置を図３を参照して説明する。なお、以下、複数の実施形態において、第１実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態の液体密度検出装置２では、保持部材７０の円筒部７１と蓋部７２とが一体で形成されている。これにより、円筒部７１と蓋部７２との接続部分のシール性が向上するとともに、製造コストが低減する。
また、円筒部７１の径外方向に通孔７３、７４が形成され、この通孔７３、７４を経由して燃料配管６０内の燃料が保持部材７０の内部空間に流通する。
【００３０】
フロート８０は、例えば、セラミック又は金属等の硬質材料から球状に形成されている。フロート８０は、内部８１が中空に形成されている。フロート８０の内部８１には、燃料からフロートの受ける浮力が、圧力センサ３０の検出圧力範囲に適合するように、所定の気圧の空気が封入されている。
【００３１】
本実施形態では、内部８１が中空に形成されたフロート８０を用いることで、フロート８０の密度を相対的に小さくすることができる。これにより、保持部材７０の傾斜角度に対応し、圧力センサ３０の検出するフロート８０の浮力検出値の変化量が大きくなる。このため、圧力センサ３０は、フロート８０の浮力を正確に検出することができる。したがって、液体密度検出装置２は、燃料密度を正確に検出することができる。
さらに、本実施形態では、円筒部７１の径外方向に通孔７３、７４が形成されている。これにより、燃料配管６０内の燃料密度の変化に対応し、保持部材７０の内部空間１３の燃料が速やかに入れ替わるので、液体密度検出装置２は、燃料配管６０内の燃料の密度変化を速やかに検出することができる。
【００３２】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態による液体密度検出装置を図４を参照して説明する。本実施形態の液体密度検出装置３では、フロート９０の断面が楕円形に形成されている。このような構成であっても、円筒部１１の軸方向が鉛直方向に対して傾斜するとき、フロート９０は、保持部材１０の内壁とフロート９０の外壁との摩擦力を無視できる程度に小さくし、内部空間１３を鉛直方向上側へ移動する。このため、液体密度検出装置３は、燃料密度を正確に検出することができる。
【００３３】
（他の実施形態）
上述した複数の実施形態では、エンジンの燃料配管に適用した液体密度装置について説明した。これに対し、本発明の液体密度検出装置は、エンジン用の燃料に限らず、種々の被検出液の密度を検出するものに適用しても良い。
上述した複数の実施形態では、保持部材と傾斜角検出手段とを燃料配管の近傍の位置に設けた。これに対し、本発明の液体密度検出装置は、保持部材と傾斜角検出手段とを一体に設けても良い。
上述した複数の実施形態では、電気回路は、保持部材及び傾斜角検出手段と別体で設けた。これに対し、本発明の液体密度検出装置は、電気回路を保持部材及び傾斜角検出手段と一体に設けても良い。
上述した複数の実施形態では、傾斜角検出手段の第１底部及び第２底部を半球面状に形成した。これに対し、本発明の傾斜角検出手段の第１底部及び第２底部は、半球面状に限らず球の一部に開口を有する形状であっても良い。
さらに、本発明の傾斜角検出手段のみをもって、種々の物品の傾斜角度を高精度に検出する傾斜角検出装置として使用することが可能である。また、液体密度検出装置から傾斜角検出手段を除いたもののみにより、被検出液の密度を検出しても良い。
このように、本発明の液体密度検出装置は、上記実施形態に限らず、種々の実施形態として適用することが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１：液体密度検出装置、１０：保持部材、１３：内部空間、２０：フロート、３０：圧力センサ、４０：傾斜角検出手段、５０：電気回路（演算部、検出部）、６０：燃料配管（配管）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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