(57)【要約】【課題】容器内の被検出液体の液位だけでなく、被検出液体の性状、即ち電気化学特性を検出可能な液体検出装置を提供する。【解決手段】液体検出装置１００は、被検出液体の液面と交差する方向に延び、被検出液体の検出可能範囲を規定する電極長さＬを有する一対の電極１，２と、一対の電極に印加するための基準信号を発生する信号発生部４と、一対の電極の出力信号及び基準信号を用いて、被検出液体のインピーダンスの実部及び／又は虚部を計測する信号計測部５と、計測されたインピーダンスの実部及び／又は虚部を演算し、被検出液体の性状及び液位を検出する演算部８とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出液体の液面と交差する方向に延び、被検出液体の検出可能範囲を規定する電極長さを有する一対の電極と、
一対の電極に印加するための基準信号を発生する信号発生部と、
一対の電極の出力信号及び基準信号を用いて、被検出液体のインピーダンスの実部及び／又は虚部を計測する信号計測部と、
計測されたインピーダンスの実部及び／又は虚部を演算し、被検出液体の性状及び液位を検出する演算部とを備えたことを特徴とする液体検出装置。
【請求項２】
信号発生部は、基準信号の周波数を掃引し、
演算部は、周波数の掃引により計測された複数のインピーダンスの実部及び／又は虚部を演算して得た特徴量を基に、被検出液体の性状を検出することを特徴とする、請求項１に記載の液体検出装置。
【請求項３】
信号発生部は、さらに基準信号の振幅を掃引し、
演算部は、周波数及び振幅の掃引により計測された複数のインピーダンスの実部及び／又は虚部を演算して特徴量を得ることを特徴とする、請求項２に記載の液体検出装置。
【請求項４】
前記特徴量は、インピーダンスの実部及び／又は虚部から算出されるパラメータの、周波数−振幅空間での重心の座標を含むことを特徴とする、請求項３に記載の液体検出装置。
【請求項５】
演算部は、検出した性状を基に、検出した液位を補正するための補正係数を算出することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体検出装置。
【請求項６】
一対の電極は、筒状の内部導体と、内部導体に対して同軸配置された筒状の外部導体とで構成され、
内部導体は、検出電極として機能し、
外部導体は、接地電極として機能することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の液体検出装置。
【請求項７】
信号発生部、信号計測部及び演算部の動作を制御する制御部をさらに備えたことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の液体検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料タンクなどの容器内に配置され、液体の性状及び液位を検出する液体検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、車両などのタンクに搭載されている液位計としては、浮力を利用したフロートセンサが主流である。フロートセンサは、液面に浮いているフロートの高さを抵抗値に変換し、電圧を検出することによって、タンクの液位又は残量を例えば車両の機器に表示し、ユーザに提示する。こうしたフロートセンサは、フロート全体の形状が大きく、車種、機器毎、又はタンク毎に、形状寸法、出力特性を設計し直す必要があり、コスト低減が課題となっている。
【０００３】
一方、タンクの液面レベルを検出する静電容量方式液位センサが考案されている。例えば、特許文献１では、基板上に形成された対向する異なる二対の電極を用いて、充填される燃料の液面の静電容量を検知することで、目的とする燃料の液面レベルを検出する技術が開示されている。また、特許文献２では、常時燃料中にある検出電極と、燃料の液位の検出電極対からなる、櫛形の３種類の検出電極を設け、燃料の誘電率、温度変化によらない液位センサが開示されている。さらに、特許文献３では、燃料中のアルコール濃度補正に関した温度補正を加えた信号処理を行う燃料性状検出装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開第２００７−４０７５３号公報
【特許文献２】特開第２０１０−１１７２３７号公報
【特許文献３】特開第２０１２−３６７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、従来の液位センサでは、誘電率補正、温度補正などにより液位の検出が行われている。しかし、近年、エコ社会を実現するために燃料が多様化し、ガソリンの他、バイオ燃料などが出現している。それゆえ、燃料の液位に加えて燃料の性状も同時に検出可能な燃料検出装置に対する要請がある。また、車両の燃費改善などのために、装置の構成を単純化して小型化、軽量化することが望まれている。
【０００６】
これは、燃料検出装置に限らず、ガソリンなどの燃料とは異なる電気化学特性を有する液体を検出する液体検出装置にも当てはまる。
【０００７】
本発明の目的は、容器内の被検出液体の液位だけでなく、被検出液体の性状、即ち電気化学特性を検出可能な液体検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る液体検出装置は、被検出液体の液面と交差する方向に延び、被検出液体の検出可能範囲を規定する電極長さを有する一対の電極と、一対の電極に印加するための基準信号を発生する信号発生部と、一対の電極の出力信号及び基準信号を用いて、被検出液体のインピーダンスの実部及び／又は虚部を計測する信号計測部と、計測されたインピーダンスの実部及び／又は虚部を演算し、被検出液体の性状及び液位を検出する演算部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、被検出液体の性状及び液位を検出する演算部を備えたことにより、被検出液体の液位だけでなく性状を検出することができ、さらに検出した性状に応じて液位を補正することができるため、より高精度な液位検出が可能となる。また、一対の電極を用いて検出が行われるため、装置の構成を単純化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態による燃料検出装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図２】検出電極及び接地電極で構成される同軸型検出構造を示す構成図である。
【図３】周波数掃引により計測された燃料パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。
【図４】周波数掃引により計測された燃料パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。
【図５】周波数掃引により計測された燃料パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。
【図６】周波数掃引に加えて電圧掃引を行うことにより計測された燃料パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。
【図７】周波数掃引に加えて電圧掃引を行うことにより計測された燃料パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。
【図８】周波数掃引に加えて電圧掃引を行うことにより計測された燃料パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。
【図９】信号配列から特徴量を抽出する方法を示す、図３〜図８に対応する説明図であり、図９（ａ）は２次元の信号配列について、図９（ｂ）は１次元の信号配列について示す。
【図１０】図９（ａ）を３次元的に表記した説明図である。
【図１１】異なる燃料性状についての、燃料レベルと特徴量との関係を示すグラフであり、図１１（ａ）は燃料レベル対重心間の距離のグラフを、図１１（ｂ）は燃料レベル対重心間の角度のグラフを示す。
【図１２】燃料検出装置の動作シーケンスの一例を示すフローチャートである。
【図１３】燃料レベルの変動が激しい場合の、動作シーケンスの一例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】
【００１１】
本発明の実施の形態による液体検出装置の一例としての燃料検出装置について、以下で図を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施の形態による燃料検出装置の電気的構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態による燃料検出装置１００は、検出電極１及び接地電極２と、信号発生器４と、信号計測部５と、演算部８と、などを備えており、それぞれリード線などにより接続されている。
【００１３】
検出電極１及び接地電極２は、燃料が注入される燃料タンク３内に配置されており、燃料の注入に伴って燃料に浸漬される。接地電極２は、回路接地電位を有する。この信号発生器４は、検出電極１に印可する基準信号を発生する信号供給源であり、可変の振幅、即ち電圧又は電流の振幅と周波数の信号を印加することができ、周波数及び電圧について線形掃引、対数掃引などの掃引機能を有する。
【００１４】
信号計測部５は、信号検出部（図示せず）と、ＡＤ(Analog to Digital)変換器６と、信号計測器７とを含む。信号検出部は、検出電極１と接地電極２との間に生じた所定の周波数ｆのアナログ交流信号（出力信号）を検出する。
【００１５】
ＡＤ変換器６は、例えばマルチビット型のＡＤコンバータであって、変換ビット数が可変であることが好ましい。ＡＤ変換器６は、検出された出力信号を基準信号に同期してサンプリングすることにより、出力信号をデジタル値に変換する。
【００１６】
信号計測器７は、信号発生部４から出力される基準信号及びＡＤ変換器６から出力されるデジタル出力を用いて、燃料タンク３内の燃料の性状、及び電極１，２の幾何形状に応じたインピーダンスを計測する。この信号計測器７は、例えばインピーダンスアナライザであって、勿論ＡＤ変換器と一体化されてもよい。信号計測器７は、ＡＤ変換器６から出力されたデータをサンプリングし、一定期間蓄積することが可能であり、蓄積したデータは、平均処理或いは移動平均処理を施すことによって、液面変化、ノイズなどによる変動成分を除去できる。
【００１７】
基準信号の電圧Ｖ（ｔ）、出力信号の電流Ｉ（ｔ）は、それぞれＶ（ｔ）＝Ｖｃｏｓ（ωｔ）、Ｉ（ｔ）＝Ｉｃｏｓ（ωｔ＋θ）と表すことができる。信号計測器７は、下記の式（１）に示す演算を行い、インピーダンスＺ（ｆ）を算出する。ここで、ｔは時間であり、ωは角周波数であり２πｆに等しい。
【００１８】
Ｚ（ｆ）＝Ｖ（ｔ）／Ｉ（ｔ）・ｅｘｐ（−θ）
＝｜Ｚ（ｆ）｜∠θ（ｆ）
＝Ｒ（ｆ）＋ｊＸ（ｆ）              …（１）
【００１９】
また、Ｒはインピーダンスの実部であって、レジスタンスを表す。Ｘはインピーダンスの虚部であって、リアクタンスを表す。このように、信号計測器７は、インピーダンスＺを、レジスタンスＲ、リアクタンスＸ、インピーダンスの大きさ｜Ｚ｜、位相θ、並列抵抗Ｒｐ、並列容量Ｃｐ、損失Ｄ（又は、誘電正接ｔａｎδ）、並列容量Ｃｐなど、所望の燃料パラメータに変換し、例えばメモリに保存する。これらの燃料パラメータは、インピーダンスの実部及び／又は虚部から得ることができる。例えば、インピーダンスの大きさ｜Ｚ｜＝（Ｒ２＋Ｘ２）１／２、損失Ｄ＝Ｒ／Ｘの関係が存在する。
【００２０】
このとき、レジスタンスＲ、リアクタンスＸなどは、直接インピーダンスＺをＦＦＴ（高速フーリエ変換）することによって算出することもできる。
【００２１】
演算部８は、性状検出器９及びレベル検出器１０を有する。この性状検出器９及びレベル検出器１０は、マイクロプロセッサなどで構成され、所定のプログラムに従ってデジタル信号処理を行う。性状検出器９は、計測された燃料パラメータを基に、燃料タンク３内に注入されている燃料の性状、即ち電気化学特性を検出する。レベル検出器７も同様に、計測された燃料パラメータを基に、燃料レベル、即ち液位又は燃料残量を検出する。
【００２２】
制御部１１は、マイクロコンピュータなどにより構成され、後述するように図１２又は図１３に示すシーケンスに従って、信号発生器４及び信号計測部５の動作内容、動作タイミングなど、演算部８による信号処理の内容、処理タイミングなどを制御する。
【００２３】
外部Ｉ／Ｆ（インタフェース）部１２は、燃料性状及び燃料レベルの検出結果を外部出力信号として外部機器へ伝送し、ドライバなどのユーザに対して燃料性状、燃料レベルを表示する。外部機器は、例えば車両の場合、エンジン制御装置（ＥＣＵ）、表示パネルの燃料メータなどを指す。また、外部Ｉ／Ｆ部１２には、入力信号として、初期値設定及び信号処理パラメータ設定のための信号、リセット信号などが伝送される。一般にエンジン制御装置では、近年では車内ネットワーク（ＣＡＮ、ＬＩＮ）などが用いられているため、演算部８の演算結果はシリアルデータ通信で伝送される。一方、車内ネットワークを用いない場合は、電圧、電流の出力が行われる。特に、アナログ式の燃料メータでは、燃料メータを駆動するための電圧、電流の入出力が行われる。
【００２４】
図２は、検出電極及び接地電極で構成される同軸型検出構造を示す構成図である。この同軸型検出構造は、従来から広く用いられている構造である。検出電極１は、燃料の液面と交差する方向、例えば鉛直方向に延びる筒状の内部導体である。接地電極２は、検出電極１に対して同軸配置された筒状の外部導体である。接地電極２には、穴などが形成されていてもよく、例えば、網状の金属でもよい。検出電極１及び接地電極２は、例えば円筒形状、角筒形状などに形成され、電極間の距離が一定となるように位置決めされる。
【００２５】
検出電極１及び接地電極２の電極長さＬは、燃料タンク３の高さ程度の値である。燃料の検出可能範囲は、この電極長さＬによって規定される。例えば電極１，２が鉛直方向に延びる場合、電極長さＬが鉛直方向の検出可能範囲となる。なお、検出電極１と接地電極２とは、必ずしも同じ電極長さＬを有する必要はない。検出電極１と接地電極２の同軸比は、電極長さＬと燃料パラメータのダイナミックレンジとから適宜選択することができ、特性インピーダンスが例えば５０Ω系、７５Ω系でもよい。同軸型検出構造をなす端器１３には、図示しないが、検出電極１を保持し且つ所定の誘電率を有する治具が設けられており、治具には燃料と空気の通り穴が形成されている。端器１３は、同軸型検出構造の両端又はいずれかの片端に設けられる。
【００２６】
次に、本実施形態による燃料検出装置１００の動作について説明する。信号発生器４により検出電極１に基準信号が印加されると、信号計測部５により、検出電極１及び接地電極２の電極間に存在する燃料の性状、即ち電気化学特性値及び燃料レベルに応じて、所定のインピーダンスが計測される。ここで、電気化学特性値とは、比誘電率、電気伝導度、体積抵抗率、誘電損失、導電率などを言う。燃料タンク３内に燃料が存在しない場合、検出電極１の内部には空気が存在するため、空気に応じたインピーダンスが計測される。
【００２７】
このとき、信号発生器４は、２つの異なる周波数範囲ｆ１〜ｆ２、ｆ３〜ｆ４について所定の刻みで掃引する。刻みとしては、例えば線形刻み、対数刻みを用いることができる。掃引する周波数範囲は、例えば１ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下、或いは５０ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下の範囲である。この周波数範囲では、燃料のインピーダンス変動が比較的小さいため、計測誤差を小さくすることができる。
【００２８】
図３から図５は、周波数掃引により計測された燃料パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。グラフの横軸は周波数を、縦軸は燃料パラメータを表す。このとき、電圧の振幅は一定に維持した。図３は、周波数範囲ｆ１〜ｆ２について計測された各燃料パラメータの周波数特性を示す。また、図４、図５は、周波数範囲ｆ１〜ｆ２と周波数範囲ｆ３〜ｆ４とについて計測された各燃料パラメータの周波数特性の比較を示している。図４、図５で、周波数範囲ｆ１〜ｆ２のグラフと周波数範囲ｆ３〜ｆ４のグラフとは、スケールを等しくして比較されている。
【００２９】
周波数範囲ｆ１〜ｆ２と周波数範囲ｆ３〜ｆ４とは、計測を同時期に行ってもよいし、異なる時期に行ってもよい。また、これらの燃料パラメータの組み合わせを選択して計測してもよく、時系列にすべて計測して組み合わせを選択してもよい。
【００３０】
計測された各燃料パラメータは、周波数と燃料パラメータとの２次元信号配列のデータとしてメモリなどに保存される。
【００３１】
また、信号発生器４は、２つの異なる周波数範囲ｆ１〜ｆ２、ｆ３〜ｆ４での掃引に加えて、それぞれ２つの異なる電圧範囲Ｖ１〜Ｖ２、Ｖ３〜Ｖ４（又は、それぞれ電流範囲Ｉ１〜Ｉ２、Ｉ３〜Ｉ４）について、所定の刻みで掃引する。なお、電圧範囲又は電流範囲は、電圧又は電流の振幅の範囲を指すものとする。
【００３２】
図６から図８は、周波数掃引に加えて電圧掃引を行うことにより計測された燃料パラメータの周波数特性の一例を示すグラフである。グラフの横軸は周波数を、縦軸は燃料パラメータを表す。グラフ中の矢印は、電圧又は電流の増加方向を示す。図６は、周波数範囲ｆ１〜ｆ２且つ電圧範囲Ｖ１〜Ｖ２について計測された各燃料パラメータの周波数特性、電圧特性を示す。また、図７、図８は、周波数範囲ｆ１〜ｆ２且つ電圧範囲Ｖ１〜Ｖ２と、周波数範囲ｆ３〜ｆ４且つ電圧範囲Ｖ３〜Ｖ４と、について計測された各燃料パラメータの周波数特性の比較を示している。図７、図８で、周波数範囲ｆ１〜ｆ２且つ電圧範囲Ｖ１〜Ｖ２のグラフと周波数範囲ｆ３〜ｆ４且つ電圧範囲Ｖ３〜Ｖ４のグラフとは、スケールを等しくして比較されている。
【００３３】
周波数範囲ｆ１〜ｆ２且つ電圧範囲Ｖ１〜Ｖ２と、周波数範囲ｆ３〜ｆ４且つ電圧範囲Ｖ３〜Ｖ４とは、計測を同時期に行ってもよいし異なる時期に行ってもよい。また、これらの燃料パラメータの組み合わせを選択して計測してもよく、時系列にすべて計測して組み合わせを選択してもよい。
【００３４】
計測された各燃料パラメータは、電圧（又は電流）と周波数と燃料パラメータとの３次元信号配列のデータとしてメモリなどに保存される。
【００３５】
次に、性状検出器９及びレベル検出器１０で、計測されたインピーダンス又は変換された燃料パラメータから、燃料性状及び燃料レベルを算出する方法について説明する。以下では燃料パラメータの一例として、リアクタンスＸを用いた燃料性状及び燃料レベルの検出について説明する。レジスタンスＲなど、インピーダンスＺの実部及び／又は虚部から得られる他の燃料パラメータを用いた場合についても、燃料性状及び燃料レベルの検出方法は同様であり、説明は省略する。
【００３６】
リアクタンスＸは、周波数ｆと電圧Ｖの関数であり、周波数範囲ｆ１〜ｆ２及び電圧範囲Ｖ１〜Ｖ２についての２次元信号配列Ｘ１（ｆ，Ｖ)がメモリなどに保存されている。同様に、周波数範囲ｆ３〜ｆ４及び電圧範囲Ｖ３〜Ｖ４についての２次元信号配列Ｘ２（ｆ，Ｖ)が得られる。
【００３７】
ここで、２つの周波数範囲ｆ１〜ｆ２、ｆ３〜ｆ４は、同じ刻み数ｎを有し、刻みの大きさも同じである。この２つの周波数範囲の一部は、重複してもよい。また、２つの電圧範囲Ｖ１〜Ｖ２、Ｖ３〜Ｖ４は、同じ刻み数ｍを有し、刻みの大きさも同じである。この２つの電圧範囲は、処理インピーダンスが異なれば、完全に重複してもよい。
【００３８】
性状検出器９は、信号配列Ｘ１（ｆ、Ｖ），Ｘ２（ｆ、Ｖ）の特徴量を抽出する。本実施形態では、特徴量として、ｆ−Ｖ空間での重心の座標Ｇ、重心間の距離Ｉ及び重心間の角度Φが抽出されるが、これに限定されることはない。
【００３９】
まず、信号配列Ｘ１（ｆ、Ｖ），Ｘ２（ｆ、Ｖ）のそれぞれの重心Ｇ１（ｆ、Ｖ）、Ｇ２（ｆ、Ｖ）を、下記の式（２）によって算出する。
【００４０】
【数１】
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【００４１】
次に、重心Ｇ１，Ｇ２の間の距離Ｉを算出する。距離Ｉとして、ユークリッド距離ＩＥ（式３）又はマンハッタン距離ＩＭ（式４）を算出することができる。
ＤＥ＝｛（Ｇ１（ｆ）−Ｇ２（ｆ））２＋（（Ｇ１（Ｖ）−Ｇ２（Ｖ））２｝１／２  …（３）
ＤＭ＝｜（Ｇ１（ｆ）−Ｇ２（ｆ）｜＋｜（Ｇ１（Ｖ）−Ｇ２（Ｖ）｜  …（４）
【００４２】
次に、重心Ｇ１，Ｇ２の間の角度Φを算出する。角度Φとして、重心Ｇ１，Ｇ２がなす正接角度Φｔ（式５）、内積角度Φｃ（式６）又は外積角度Φｓ（式７）を算出することができる。
Φｔ＝ａｒｃｔａｎ（（（Ｇ１（Ｖ）−Ｇ２（Ｖ））／（（Ｇ１（ｆ）−Ｇ２（ｆ）））    …（５）
Φｃ＝ａｒｃｃｏｓ（（（Ｇ１（ｆ）・Ｇ１（Ｖ）＋（Ｇ２（ｆ）・Ｇ２（Ｖ））／｛（Ｇ１（ｆ）−Ｇ２（ｆ））２＋（（Ｇ１（Ｖ）−Ｇ２（Ｖ））２）｝１／２    …（６）
Φｓ＝ａｒｃｓｉｎ（（（Ｇ１（ｆ）・Ｇ１（Ｖ）＋（Ｇ２（ｆ）・Ｇ２（Ｖ））／｛（Ｇ１（ｆ）−Ｇ２（ｆ））２＋（（Ｇ１（Ｖ）−Ｇ２（Ｖ））２｝１／２            …（７）
【００４３】
これらは、信号配列空間が２次元の場合、即ちｆ−Ｖ空間の説明であるが、信号配列空間が１次元、即ちｆ空間でもよい。このときも、信号配列空間の信号配列は、図３から図８において示した、燃料パラメータの組み合わせを用いることができる。また、本実施形態では、２つの周波数範囲、電圧範囲について特徴量を抽出したが、３つ以上の周波数範囲、電圧範囲について特徴量を抽出してもよく、この場合、例えば重心で規定される面積のような特徴量が抽出されてもよい。
【００４４】
ここで、アルコール混合ガソリンについて説明する。近年、世界的な環境対策として、アルコール混合ガソリンが用いられている。アルコール混合ガソリンは、アルコールとガソリンとを所定の体積比により混合して作成される場合が多い。ガソリンの比誘電率は約２．０であり、例えばエタノールの比誘電率は約２３である。それゆえ、アルコール混合ガソリンの比誘電率は、アルコール混合比に応じて変化する。以下、燃料性状としてアルコール混合ガソリンのアルコール混合比を検出する場合について説明する。
【００４５】
アルコール混合比をＥｒ（０から１の値）、ガソリンの体積をＶｇａｓ、アルコールの体積をＶａｌとすると、アルコール混合ガソリンの体積Ｖｍｉｘは、下記の式（８）で与えられる。
Ｖｍｉｘ＝Ｖｇａｓ（１−Ｅｒ）＋ＶａｌＥｒ        …（８）
【００４６】
また、ガソリンの比誘電率εｇａｓ、アルコールの比誘電率εａｌとすると、アルコール混合ガソリンの比誘電率εｍｉｘは、下記の式（９）で与えられる。
εｍｉｘ＝ｅｘｐ（ｌｎ（εｇａｓ）・（１−Ｅｒ）＋ｌｎ（εａｌ）・Ｅｒ）…（９）
【００４７】
図９は、信号配列から特徴量を抽出する方法を示す、図３〜図８に対応する説明図であり、図９（ａ）は２次元の信号配列について、図９（ｂ）は１次元の信号配列についてそれぞれ示している。図９では例として、所定のアルコール混合比を有する燃料について計測したリアクタンスＸを示している。アルコール混合ガソリンでは、周波数が低い側のｆ１，ｆ３では高インピーダンスであり、周波数が高い側のｆ２，ｆ４では低インピーダンスとなる非線形な傾向を示す。図９の特徴点１，２は、それぞれ信号配列Ｘ１，Ｘ２から求めた重心を指す。
【００４８】
図１０は、図９（ａ）を３次元的に表記した説明図である。周波数範囲ｆ１〜ｆ２、電圧範囲Ｖ１〜Ｖ２を切り替えて計測したリアクタンスＸ１（又は静電容量Ｃ１）と、周波数ｆ３〜ｆ４、電圧Ｖ３〜Ｖ４を切り替えて計測したリアクタンスＸ２（又は静電容量Ｃ２）についてプロットしている。また、リアクタンスＸ以外の燃料パラメータを用いてもよい。
【００４９】
図１１は、異なる燃料性状についての、燃料レベルと特徴量との関係を示すグラフである。図１１（ａ）では、グラフの横軸は燃料レベルを、縦軸は重心間の距離Ｉを示す。図１１（ｂ）では、グラフの横軸は燃料レベルを、縦軸は重心間の角度Φを示す。図１１では、燃料性状が異なる場合として、アルコール混合ガソリンのアルコール混合比（％）を変えて計測した結果を想定している。図中のＥ０、Ｅ１０、Ｅ２０、Ｅ３０はそれぞれアルコール混合比が０％、１０％、２０％、３０％であることを示す。
【００５０】
図１１（ａ）に示すように、重心間の距離Ｉは燃料レベルｈの増加に伴って上昇し、アルコール混合比の増加により、燃料レベルｈ−距離Ｉグラフの傾きＩ／ｈが増加する。また、図１１（ｂ）に示すように、重心間の角度Φはアルコール混合比の増加に応じて大きくなるが、燃料レベルによらず一定である。即ち、角度Φは燃料性状を示していると言える。
【００５１】
性状検出器９は、アルコール混合比と重心間の角度Φとの関係を記録したマップを予め保存したメモリを有し、又は当該マップが記録されたデータベースに接続されている。性状検出器９は、算出した角度Φと、当該マップとの比較を行い、燃料性状をリアルタイムに検出することができる。
【００５２】
さらに、性状検出器９は、燃料レベルを補正するためのレベル補正係数γを算出する。補正係数の算出は一義的な値とするか、或いは上記のマップから決定することができる。
【００５３】
レベル検出器１０は、アルコール混合比と傾きＩ／ｈとの関係を記録したマップを予め保存したメモリを有し、又は当該マップが記録されたデータベースに接続されている。図１１（ａ）に示したように、燃料レベルの増加に伴って距離Ｉは上昇し、アルコール混合比の増加に伴って傾きは増加する。それゆえ、レベル検出器１０は、性状検出器９により検出された燃料性状たるアルコール混合比と当該マップとを比較して、傾きＩ／ｈを算出し、その傾きＩ／ｈと算出された距離Ｉとから燃料レベルｈを検出する。
【００５４】
また、性状検出器９により算出されたレベル補正係数γを検出した燃料レベルｈに乗算して補正することにより、さらに精度の高い燃料レベルを得ることができる。
【００５５】
次に、図２の同軸型検出構造を用いてインピーダンスＺの虚部たるリアクタンスＸ（静電容量Ｃ）を計測した場合に、その静電容量Ｃと検出した燃料性状とから燃料レベルを検出する方法について説明する。検出電極１の外径をｄ１、接地電極２の内径をｄ２、軸長をＬ、電極間に存在する混合燃料の比誘電率をεｒ、空気の比誘電率をε０、燃料レベル、即ち導体下端から液面までの距離をｈとして、静電容量Ｃは、下記の式（１０）で与えられる。
Ｃ＝１／２πｆＸ＝αε０（Ｌ−ｈ）＋αε０εｒｈ  …（１０）
（α＝２π／ｌｎ（ｄ２／ｄ１））
【００５６】
したがって燃料レベルｈは、下記の式（１１）で与えられる。
ｈ＝（Ｃ／αε０−Ｌ）／（εｒ−１）  …（１１）
【００５７】
性状検出器９により燃料性状、ここでは比誘電率εｒが既知となっているため、上記の式（１１）を用いて、代数的に燃料レベルｈを算出することができる。なお、比誘電率εｒは、上記の式（９）を用いて算出することも可能である。
【００５８】
このとき、燃料の比誘電率は温度により変化するため、燃料温度が計測できる場所にサーミスタ、熱電対などの温度検出器を設置して、検出した温度を基に燃料レベルを補正してもよい。
【００５９】
ここで、ガソリン１００％（アルコール混合比０％）の比誘電率をεｇａｓとすると、静電容量Ｃの近似式は、下記の式（１２）で与えられる。
Ｃ＝１／２πｆＸ≒β（εｒ／εｇａｓ）・ｈ  …（１２）
（β＝２π／ｌｎ（ｄ２／ｄ１））
【００６０】
したがって燃料レベルｈは、下記の式（１３）で表すこともできる。
ｈ＝Ｃβεｇａｓ／εｒ  …（１３）
【００６１】
また、性状検出器９により算出したレベル補正係数γを用いて、燃料パラメータから燃料レベルを検出することもできる。例えば、ガソリン１００％の最小レベルｈｍｉｎのときのリアクタンスをＸｍｉｎ、ガソリン１００％の最大レベルｈｍａｘのときのリアクタンスをＸｍａｘとし、予めメモリ又はデータベースに記録しておく。計測されるリアクタンスの値がＸのときの燃料レベルｈは、下記の式（１４）で与えられる。
ｈ＝（ｈｍａｘ-ｈｍｉｎ）／（Ｘｍａｘ−Ｘｍｉｎ）・Ｘ・γ  …（１４）
【００６２】
燃料性状によって、燃料レベルを示す燃料パラメータが燃料レベルと非線形の関係にある場合、予め所定の刻みで計測して、メモリ又はデータベースに蓄積し、燃料性状からメモリ又はデータベースを参照して、燃料レベルを算出してもよい。
【００６３】
以上で説明した方法により、演算部８で、計測されたインピーダンス又は変換された燃料パラメータから、燃料性状及び燃料レベルが検出される。検出された燃料性状及び燃料レベルは、制御部１１から外部Ｉ／Ｆ部１２に伝送され、外部機器によってユーザに表示されることになる。
【００６４】
図１２は、燃料検出装置の動作シーケンスの一例を示すフローチャートである。制御部１１は、このフローチャートに従って、信号発生器４、信号計測部５、演算部８の動作を制御する。
【００６５】
燃料検出装置１００は、電源投入、リセット後に動作を開始する。まず、ステップＳ１で、初期化としての内部揮発メモリのクリア、制御部１１での制御パラメータなどの初期設定を行う。
【００６６】
次に、ステップＳ２では、信号発生器４に送信するための、基準信号の周波数、電圧、電流などの値を設定する。また、ステップＳ３では、信号計測部５が受信する周波数、電圧、電流、及びその検出範囲、検出幅などの値を設定する。
【００６７】
次に、ステップＳ４で、基準信号を制御しつつ信号を検出し、ステップＳ５で、検出した信号データを信号配列としてメモリ、データベースなどに格納する。このステップＳ４とステップＳ５とを繰り返し実施する。
【００６８】
ステップＳ６で格納された信号配列数が所定の個数に達したと判定されると、次のステップＳ７で、信号配列データを処理して、燃料の特徴量、即ち重心の座標、重心間の距離及び重心間の角度を抽出する。そしてステップＳ８で、特徴量から、燃料性状、即ち電気化学特性を検出する。ステップＳ８ではまた、検出されたのはどの燃料であるか、例えばアルコール混合ガソリンであればアルコール混合比を判別することができる。
【００６９】
次のステップＳ９では、検出された燃料性状が、メモリ又はデータベースに保存された所定の燃料性状であるか否かを判定し、所定の燃料性状でないと判定された場合、内燃機関の燃焼などに適さないとして、エラー処理をする。エラー処理は、エラー時の電圧、電流を出力し、或いはエラーに相当するデータを外部機器に出力することにより行う。外部機器は、エラーの報知を受けて、警告灯、警報音などをユーザに報知する。
【００７０】
一方、ステップＳ９で所定の燃料性状であると判定された場合、ステップＳ１０で燃料性状からレベル補正係数γを算出し、次のステップＳ１１で、レベル補正係数γを用いて補正した燃料レベルを算出、出力する。そして、このシーケンスのステップＳ２以降を繰り返し実施する。
【００７１】
例えば、燃料タンク３を燃料レベルの変動が激しい環境に設置した場合には、燃料が電極１，２の間で揺れて、検出信号のバラツキが増加する。信号のバラツキが増加すると、信号処理後のデータの検出誤差が増加することが予想される。
【００７２】
このとき、図１３に示したように、検出誤差の増加を防止するために、ステップＳ６で格納された信号配列数が所定の個数に達したと判定されると、ステップＳ６ａを実施して、検出した複数の信号の変動量を計算する。次のステップＳ６ｂでは、計算した変動量が所定の範囲内の値であるか否かを判定し、所定の範囲内であれば、次のステップＳ７を実施する。かかる判定は、例えば標準偏差のような散布度を基準に行うことができる。
【００７３】
信号の変動量が大きく、所定の範囲内にない場合は、検出した信号データのうち変動量の大きいものは捨てて、変動量が少ない状態となるまで、ステップＳ４以降のシーケンスを繰り返し実施する。
【００７４】
以上、本実施形態による燃料検出装置１００によれば、燃料性状及び燃料レベルを検出する演算部８を備えたことにより、燃料レベルだけでなく燃料性状を検出することができる。即ち、前記の通り、燃料性状は、基準信号の周波数及び電圧（又は電流）の振幅を掃引して燃料パラメータを計測し、計測した燃料パラメータの信号配列から特徴量を抽出し、抽出した特徴量を、例えば図１１（ｂ）を用いて説明した方法で検出される。燃料レベルは、例えば図１１（ａ）を用いて説明した方法、又は式（１１），（１３），（１４）を用いて検出される。
【００７５】
また、検出した性状から算出されるレベル補正係数補正γにより燃料レベルを補正することができるため、より高精度な燃料レベルの検出が可能となる。
【００７６】
また、電極１，２を同軸型検出構造としたことで、内部導体の偏芯に強くなり、さらに外部導体が接地されているため、外来ノイズの混入を防止することができる。
【００７７】
さらに、複数対の電極でなく一対の電極１，２により燃料性状及び燃料レベルを同時に検出できるため、装置の構成が単純化されて実装が容易になり、更には装置を小型化して低コスト化することができる。
【００７８】
以上で説明した実施形態では、燃料性状の検出後に燃料レベルを検出する場合について説明したが、例えば予め決定された燃料を使用する場合など、燃料性状の検出が必要なく、燃料レベルの補正を容易に行うことができる場合には、燃料レベルのみを検出してもよい。また、燃料レベルの検出が必要でない場合には、燃料性状のみを検出してもよい。
【００７９】
また、燃料タンク内に電極が設置され、アルコール混合ガソリンなどの燃料を検出する燃料検出装置について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、燃料と異なる電気化学特性を有する液体を検出し、当該液体用の容器内に電極が設置されてもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１  検出電極、  ２  接地電極、  ３  燃料タンク、  ４  信号発生器、
５  信号計測部、  ６  Ａ／Ｄ変換器、  ７  信号計測器、  ８  演算部、
９  性状検出器、  １０  レベル検出器、  １１  制御部、  １２  外部Ｉ／Ｆ部、
１００  液体検出装置（燃料検出装置）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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