(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量センサ素子であって、
両端部間で長手方向に延在し、幅方向に互いに離されて配置された１対の導電性の板と、
一方を他方から、かつ外部環境から絶縁するように前記１対の導電性の板を密閉する、導電性の劣る素材の基板とを含み、
前記基板は、前記容量センサ素子の高さを変化させるために伸縮可能なばね状素材でできており、
前記容量センサ素子は、前記容量センサ素子によって検出されるべき物質の誘電値を決定するように構成された測定要素を含み、前記測定要素は、前記物質を受入れるための開口を有する、容量センサ素子。
【請求項２】
前記１対の導電性の板は、スパイラル形状を有する、請求項１に記載の容量センサ素子。
【請求項３】
前記１対の導電性の板は、ヘリカル形状を有する、請求項１に記載の容量センサ素子。
【請求項４】
前記１対の導電性の板は、織り合わされる、請求項１に記載の容量センサ素子。
【請求項５】
前記導電性の板は、互いに一緒に広がる、請求項１に記載の容量センサ素子。
【請求項６】
液面高さに対応する信号を受信し、かつ、前記信号を電圧に変換するために、前記１対の導電性の板と電気的に通信する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）と、
前記電圧を受信し、かつ、出力電気回路の抵抗値を変えてディスプレイに結果を表示するために、前記ＡＳＩＣと電気的に通信するマイクロコントローラとをさらに含む、請求項１に記載の容量センサ素子。
【請求項７】
前記液体は車両の燃料であり、前記容量センサ素子は伸縮し、前記燃料が入れられる燃料タンクの形状および寸法の変化に適応可能である、請求項６に記載の容量センサ素子。
【請求項８】
容量センサ素子を用いてリザーバ内の液体を測定する方法であって、
両端部間で長手方向に延在する１対の導電性の板を互いに離して配置するステップと、
一方を他方から、かつ外部環境から絶縁するように、導電性の劣る素材の基板内で前記１対の導電性の板を密閉するステップとを含み、
前記基板は、前記容量センサ素子の高さを変化させるために伸縮可能なばね状素材でできており、さらに
前記容量センサ素子によって検出されるべき物質を受けるための開口を有し、当該物質の誘電値を決定するように構成された測定要素をリザーバ内に配置するステップと、
前記液体を測定するステップとを含む、方法。
【請求項９】
スパイラル形状を形成するように前記１対の導電性の板を成形するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
ヘリカル形状を形成するように、前記ばね状素材上に前記１対の導電性の板を成形するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記１対の導電性の板を織り合わすステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記１対の導電性の板は、互いに一緒に広がる、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記１対の導電性の板から特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）へ信号を出力するステップと、
前記信号を電圧に変換するステップと、
前記電圧をマイクロコントローラへ出力するステップと、
出力電気回路の抵抗値を変えるステップと、
ディスプレイに結果を表示するステップとをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記液体は車両の燃料であり、前記容量センサ素子は伸縮し、前記燃料が入れられる燃料タンクの形状および寸法の変化に適応可能である、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
１．技術分野
本発明は、一般的に、燃料システム内のレベルセンサに関し、特に、燃料システムにおいて燃料を測定するための静電位差レベルセンサ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
２．関連技術
典型的な自動車の燃料システムは、タンクとともに燃料を収容するためのリザーバを含む、タンク内に配置された燃料デリバリーシステムを含む。リザーバの内部に配置された燃料ポンプは、リザーバから燃料を取り出し、燃料を内燃機関に送る。燃料がリザーバから取出されるので、燃料検出器は、センサを用いることによってタンク内に残る燃料の液面高さを測定する。燃料レベル測定メカニズムは、たとえば、フローティングアームメカニズム、圧力センサ、容量センサおよび超音波センサを含む。
【０００３】
フローティングアームメカニズムは、リザーバ内に可動部品を必要とし、設置に時間が掛かり、誤測定に繋がる接触問題をもたらすおそれがある。典型的には、フロートは燃料レベルアセンブリに揺動可能に取付けられ、フロートの浮いている位置に基づいてタンク内の燃料の液面高さの測定を可能とするために電気回路と相互に作用する。
【０００４】
容量センサは、測定のために電気キャパシタを用い、参照のための電気キャパシタを用いる。測定のために用いられるキャパシタは、通常、タンクの高さの全範囲にわたって存在し、タンク内の燃料の液面高さに応じて静電容量が変化する。基準キャパシタは定常的に燃料に浸され、燃料の誘電率の基準値を提供する。電気回路がタンク内の燃料の液面高さを判定する。キャパシタは平らなあるいは筒状の板であり得、それらの間で燃料が上下しそれにより静電容量に影響を与える。これらのセンサは、妨害作用によって相互に影響し合うインターデジタル電極としても用いられ得る。電極の形態でもあり得る。
【０００５】
米国特許第５，００１，５９６号は、容器内の液体を表わすデータを測定するためのキャパシタを形成するように互いに離されて設置された細長い延長可能なキャパシタプレートを有する、燃料レベルセンサのキャパシタを開示する。キャパシタプレートは、容器の形状の如何なる変化にも対応するように連続的に延長可能である。
【０００６】
米国公開公報第２００７／０２４０５０６号は、リザーバ内の液体の液面高さを検知する検知アセンブリを開示する。励磁回路は、電圧信号を受信し、励磁信号を生成するために、第１および第２ポートに電気的に接続される。受信回路が励磁回路の隣に配置され、励磁回路を用いて可変静電容量を定める。液体によって生み出された誘電体の変化に起因する励磁回路と受信回路との間の静電容量の変化に起因して、受信回路は、リザーバ内の液体の液面高さを用いて出力電圧変数を生成する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の概要
本発明は燃料システム内のセンサ素子に関し、特に、燃料システムにおいて、燃料液面高さおよび燃料の種類を測定するための正電位差レベルセンサ素子に関する。センサ素子は、誘電素材上に設けられ、遮蔽板に固定された２つの電極板を含む。センサ素子は、燃料の種類および液面高さを測定するための検出能力、静電容量検出能力が向上された、スパイラルコイルなどの三次元センサ素子を形成するように成形される。
【０００８】
発明のある実施形態において、互いに離されて配置され、誘電素材に取り付けられた、少なくとも２つの細長板と、静電容量を有するように少なくとも２つの細長板に接続された容量素子とを含む容量センサ素子がある。容量素子において計測された誘電率は、液体および気体誘電体における変動に応じて変化し、容量センサ素子は、伸縮するように構成され得る。
【０００９】
発明のある局面において、少なくとも２つの細長板は、容量センサ素子の高さを変化させるために伸縮可能な実質的なスパイラル形状を形成するように成形される。
【００１０】
発明の別の局面において、少なくとも２つの細長板は、容量センサ素子の高さを変化させるために伸縮可能の実質的なヘリカル形状を形成するように、ばね状素材上に成形される。
【００１１】
発明のさらに別の局面において、少なくとも２つの細長板は、伸縮可能な素子を生じさせるように織り合わされる。
【００１２】
発明のさらに別の局面において、測定された誘電率は、液面高さ、または液体の種類に対応する。
【００１３】
発明の別の局面において、センサ素子は、測定された誘電率に対応する静電容量を、静電容量を電圧に変換する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に対して出力し、電圧は、出力電気回路の抵抗値を変え、ディスプレイに結果を表示するマイクロコントローラに対して出力される。
【００１４】
発明のさらに別の局面において、液体は車両の燃料であり、容量センサは伸縮し、燃料が入れられる燃料タンクの形状および寸法の変化に適応可能である。
【００１５】
発明の別の実施形態において、互いに離れており、かつ誘電素材に取り付けられた少なくとも２つの細長板を配置するステップと、静電容量を有するように少なくとも２つの細長板に容量素子を接続するステップとを含む、容量センサ素子を用いてリザーバ内の液体を測定する方法がある。容量素子において測定された誘電率は、液体および気体誘電体における変動に応じて変化し、容量センサ素子は、伸縮するように構成され得る。
【００１６】
発明のある局面において、方法は、容量センサ素子の高さを変化させるために伸縮可能の実質的なスパイラル形状を形成するように少なくとも２つの細長板を成形するステップをさらに含む。
【００１７】
発明の別の局面において、方法は、容量センサ素子の高さを変化させるために伸縮可能の実質的なヘリカル形状を形成するように、ばね状素材上に少なくとも２つの細長板を成形するステップをさらに含む。
【００１８】
発明のさらに別の局面において、方法は、伸縮可能な素子を生じさせるように、少なくとも２つの細長板を織り合わすステップをさらに含む。
【００１９】
発明のさらに別の局面において、測定された誘電率は、液面高さ、または液体の種類に対応する。
【００２０】
発明の別の局面において、方法は、測定された誘電率に対応する静電容量を、静電容量を電圧に変換する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に対して出力し、電圧を、出力電気回路の抵抗値を変え、ディスプレイに結果を表示するマイクロコントローラに対して出力するステップをさらに含む。
【００２１】
発明のさらに別の局面において、液体は車両の燃料であり、容量センサは伸縮し、燃料が入れられる燃料タンクの形状および寸法の変化に適応可能である。
【００２２】
図面の簡単な説明
発明のこれらおよび他の局面、特徴および利点は、現時点で好ましい実施形態および最良の形態の以下の詳細な説明、添付の特許請求の範囲および添付の図面に関連して検討されることによりより容易に理解され得るであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】本発明に従うセンサ素子の断面を示す。
【図１Ｂ】図１Ａ内のセンサ素子の分解図の断面を示す。
【図２】本発明に従う、可変高さを有するセンサ素子コイルの側面図を示す。
【図３】図２のセンサ素子コイルの断面を示す。
【図４】本発明に従うセンサ素子を有するシステム構成を示す。
【図５】図４の実施形態に従うセンサ素子の電気的な概要を示す。
【図６】従来技術において知られる、３つの個別の周波数を用いる電圧および静電容量の出力を示す。
【図７】ジグザグ状の発明のセンサ素子の例示の実施形態を示す。
【図８】ヘビ状の本発明のセンサ素子の例示の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
現時点で好ましい実施形態の詳細な説明
図１Ａは本発明に従う例示のセンサ素子を示す。ここで説明されるセンサ素子は、液体の液面高さの測定および／または検知される液体の種類の判定に用いられる。たとえば、自動車の環境下において、センサ素子は燃料タンク内の燃料の液面高さを測定するために用いられ得るとともに燃料タンク内の燃料の種類が何であるかを判定するために用いられ得る。図１Ａを参照して、センサ素子１０５がより詳細に説明される。センサ素子１０５は、例示の実施形態において、固定された基準面として作用する遮蔽板ＳＨ２上に取付けられた基板ＳＢＳＴの上に成形された２つの電極Ｅ１およびＥ２を有する。図１Ａは、成形されたセンサ素子１０５のＡＡ断面を示し、センサ素子１０５は以下の説明において理解されるであろう。
【００２５】
図１Ｂは、図１Ａ内のセンサ素子の分解図を示す。分解図において、２つの電極板Ｅ１，Ｅ２が遮蔽板ＳＨ２とともに示される。技術的に容易に理解されるように、キャパシタＣ２が電極Ｅ１およびＥ２を接続し、一方キャパシタＣ１およびＣ３が電極Ｅ１およびＥ２をそれぞれ遮蔽板ＳＨ２に接続する。静電容量は、誘電率Ｋ１，Ｋ２およびＫ３、電極板Ｅ１およびＥ２の面積、および、電極板Ｅ１とＥ２との間の距離Ｄの関数として測定され得、
【００２６】
【数１】
0005952743.tif 000002
【００２７】
のように表わされ得る。
ここで、ｋｏは試験液の誘電体であり、ｋｒは基板の誘電率であり、ｐｉはｐｉであり、ｗは配線の幅であり、ｄは配線間の距離である。
【００２８】
しかしながら、静電容量の検知を生じさせる十分な面積を生み出すために２つよりも多い電極板が用いられ得ることが理解される。示された実施形態において、１つの電極板Ｅ１は受動線（グランド）として作用し、一方、別の電極板Ｅ２は能動線（図示せぬサイン波によって脈動される）として作用する。能動板は、誘電率（燃料または空気）に依存して、受動板上にサイン波を誘発する。板（あるいは多重に織り合わされた板）は、並んで配置される。板の密閉によって板が摩耗または損傷から保護され、構成の強度が増す。
【００２９】
図２は、本発明に従うある実施形態におけるセンサ素子を示す。センサ素子１０５は、この実施形態において、図示されるように高さが可変の三次元スパイラルまたはヘリカルコイル形状である。しかしながら、理解されるように、スパイラルまたはヘリカル形状は例示であり、異なるパターンおよび形状が用いられ得る。パターンおよび形状は実行される増強された静電容量検知のために十分な表面積を生み出すように用いられる。センサ素子１０５は、センサ素子１０５の上端および下端において、車両のリザーバあるいはベゼル内に配置された燃料ポンプアセンブリに機械的に取付けられる。代替的には、センサ素子１０５はリザーバ内に配置された独立した機器としてのブラケットに取付けられ得る。
【００３０】
図示されたセンサ要素１０５の上端部には、回路基板（ＰＣＢ）が設けられている。ＰＣＢの詳細は以下に示される。ＰＣＢがセンサ要素１０５の上端部に設けられる一方で、ＰＣＢは車両の任意の位置において、センサ素子１０５から離れて設けられ得る。これらの装置は燃料の吸収に対する耐性はあるものの、時間の経過とともにある程度の吸収は避けられない。そのような吸収を最小限にするため、ＰＣＢは、燃料の液面下にあることが最小限となるように適切に設けられるべきである。したがって、燃料の吸収を防ぎ、電気回路をセンサに近接させるために、ＰＣＢをセンサ素子１０５の上端部に設けることが好ましい。センサ素子１０５の下端部には、燃料タンク内の燃料の誘電率を判定するのに用いられる測定／検出センサ素子１０７がある。測定／検出センサ素子１０７の詳細は図３を参照して以下に説明される。
【００３１】
センサ素子１０５は、空気／気化燃料対液体燃料によって生じる誘電差によって、燃料を収容するリザーバ内の燃料の液面高さを検出する。本実施形態において、センサ素子１０５は、図１のＡＡ断面に示されるように、１つあるいは複数の編み合わされた電極板および絶縁体ＳＨ２から構成されるスパイラルあるいはヘリカルコイルである。燃料の誘電率は非常に低いため、正確な測定結果を得るためには検出板の面積は大きいことが好ましい。これに関して、表面積を大きくするために、三次元センサ素子コイル設計が用いられる。そのような素子は、異なる設計および幾何学構成、たとえば燃料タンクの寸法および形状に適応するように、押し潰されたり引伸ばされたりし得る。従来のセンサ素子は複数の設計および構造に適用するように再構成することは容易ではないため、これは利点である。
【００３２】
図３に示されるように、センサ素子１０５の下端部には、測定／検出センサ素子１０７、板Ｅ６およびＥ７から構成される検出センサ素子１０７がある。測定／検出センサ素子１０７は、燃料タンク内の燃料の誘電率を判定する。測定／検出センサ１０７は図示された実施形態においてセンサ素子１０５の下端部に構成されるが、測定／検出センサ１０７を離れた場所に設置してもよい。代替的には、素子１０７の代わりに予め測定された誘電率を用いてもよい。
【００３３】
図３は、測定／検出センサ１０７のＢＢ断面を示し、間に燃料を受入れるための開口を有する。測定／検出センサ１０７によって検出された誘電値は、マイクロコントローラ（μＣ）１１５によって、種々の燃料の種類に対応する燃料の誘電率のデータベースと比較される。この方法では、マイクロコントローラ１１５は燃料タンク内の燃料の種類が何であるか、および／または燃料が不純にされているかどうかを判断することができる。燃料の種類を学習した結果、この情報は、燃焼工程における空燃比を用いられる燃料に基づいて調整するために車載コンピュータによって用いられる。たとえば、フレックス燃料の空燃比はハイオク燃料の空燃比と異なり得る。これは、車両のどこかでより高価な検知装置が用いられる必要性を無くす。同様に、測定／検出センサ１０７は、水および不純物の誘電値が燃料の誘電値と大きく異なり得ることから、燃料タンク内の水または不純物を検知するのにも用いられ得る。そして、車載コンピュータは、燃料タンク、車両の燃料タンク内への不純物の混入をドライバに警告し得る。
【００３４】
図４は、発明に従うセンサ素子を有するシステム構成を示す。全体システム１００は、センサ素子１０５、ＡＳＩＣ１１０（任意の互換性のあるＡＳＩＣが用いられ得ることが理解されるが、この事例においては既製品であるフリースケール（登録商標）のＡＳＩＣ  ＭＣ３３９４１  エレクトリックフィールドイメージングデバイスである）、マイクロチップ（登録商標）、フリースケール（登録商標）あるいはテキサスインスツルメンツ（登録商標）によって製造されるマイクロコントローラ１１５、規定状態を制御し、マイクロコントローラと連動する電気回路１２０、車両の燃料ゲージ１２５を、図４に示されるように含む。動作において、ＡＳＩＣはセンサ素子１０５から検出された情報を受取り、センサによって生成された静電容量を比例する電圧出力を生成するために変換する。電圧出力はマイクロコントローラに送られ、マイクロコントローラは車両の要求に応じて出力電気回路抵抗値を変化させ、そして車両の要求が車両の燃料ゲージに表示される。
【００３５】
図５は、図４の実施形態に従うセンサ素子の概要を示す。燃料タンク内に設けられたフロートに取付けられた可変抵抗を必要とする従来の燃料レベルセンサとは異なり、本発明は、如何なる可動部品も用いずにグランドまでの抵抗経路を制御する固体回路を有する。この抵抗経路を制御する回路はマイクロコントローラ１１５により制御される。図６に示されるように、マイクロコントローラ１１５は、静電容量に対して比例する出力電圧を生成する回路（この事例ではＡＳＩＣ１１０）の出力からアナログ入力を受取る電極Ｅ１に出力されるＡＳＩＣ１１０のベース周波数は、ディスクリート抵抗を介して選択可能である。センサ素子１０５は、幅および間隔が計算されている２つの素子あるいは配線から構成される。１つ目の配線（電極Ｅ１）はトランスミッタ配線として振る舞い、一方、２つ目の配線（電極Ｅ２）はレシーバあるいはディテクタとして振る舞い、両方ともＡＳＩＣ１１０において内部で接地されている。例示の作動において、ＡＳＩＣ１１０がピーク間の振幅がノミナルで５．０Ｖの、低い無線周波数のサイン波を電極Ｅ１上に発生させると、比較可能な対応する弱められた波がレシーバ電極Ｅ２上に生み出される。そして受取られた波がＡＳＩＣ１１０によって増幅され、対応する比例電圧アナログ出力がマイクロコントローラ１１５に送られる。電極Ｅ２上に引起された電圧は、電極Ｅ１およびＥ２の間の静電容量の逆関数として測定される。静電容量が増大すると、ＡＳＩＣによる電圧出力が低下する結果となる。絶縁体ＳＨ２は接続ワイヤに沿った電極信号を最小にするために含まれ、ＡＳＩＣ１１０内において、電極Ｅ２から返されたＡＣ信号のバッファされたバージョンを回路は提供する。電極信号とほぼ同じ振幅および位相をＡＣ信号は有するため、２つの信号間の電位差は皆無かそれに近く、したがって、如何なる電場も相殺される。事実上、絶縁体ＳＨ２は電極信号を外部ノイズから絶縁する。絶縁体ＳＨ２は、電極Ｅ１およびＥ２を接続するのに用いられる同軸ケーブルに接続され得て、また、ＡＣ信号を減衰させ得る如何なるノイズも相殺するために、電極Ｅ１およびＥ２の裏で用いられるグランド面にも接続され得る。
【００３６】
図７および８は、本発明に従うセンサ素子のさまざまな実施形態を示す。図７において、センサ素子１０５は、ジグザグ形状あるいはパターンを生み出すように成形される。図８において、センサ素子１０５は、ヘビ状あるいはパターンを形成するように成形される。本発明はこれらの例に限定されず、センサ素子は技術的に知られている任意の形状あるいはパターンを形成するように成形され得ることが容易に理解される。
【００３７】
上述の技術を考慮すると、本発明の多くの修正および変更が可能であることが明らかである。したがって、添付の特許請求の範囲の範疇において、詳細に説明されたものとは別のやり方で本発明が実践され得ることが理解される。
【図３】
0005952743.tif 000003
【図１Ａ】
0005952743.tif 000004
【図１Ｂ】
0005952743.tif 000005
【図２】
0005952743.tif 000006
【図４】
0005952743.tif 000007
【図５】
0005952743.tif 000008
【図６】
0005952743.tif 000009
【図７】
0005952743.tif 000010
【図８】
0005952743.tif 000011