(57)【要約】  この静電容量式ゲージは、計測／参照／基準キャパシタを備え、キャパシタは、電子信号変換回路に接続され、この回路は、キャパシタを充／放電するスイッチと、基準キャパシタへの放電前に、計測／参照キャパシタの電荷を蓄積する積分器と、積分器の出力値を閾値と比較するコンパレータと、カウンタと、次式でタンク内液体レベルを計算する演算ユニットとを具備する。h=[n ref,empty/(n ref-n ref,empty)].[(n meas-n meas,empty)/n meas,empty]（空のときの参照キャパシタ容量：n ref,empty、燃料内に浸された参照キャパシタ容量：n ref、空のときの計測キャパシタ容量：n meas,empty、計測される液体中の計測キャパシタ容量：n meas）。カウンタは、閾値オーバシュート間の時間をタイマ計測する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測キャパシタと、
参照キャパシタと、
基準キャパシタとを具備し、
これらのキャパシタは、電子信号変換回路によって供給されるとともにこれに接続されており、
この電子信号変換回路は、所定の周波数で前記キャパシタを充電及び放電するためのスイッチと、
前記基準キャパシタの中へ放電される前に、前記計測キャパシタ又は前記参照キャパシタの電荷が、転送され及び蓄積される積分器と、
前記積分器の出力値を閾値と比較するためのコンパレータと、
カウンタと、
次式によって、タンク内の液体のレベルを計算するためのプロセッサユニット又は演算ユニットとを具備し、
h =  [n ref,empty/(n ref-n ref,empty)] . [(n meas-n meas,empty)/n meas,empty]
但し、ｎは、空のときの参照キャパシタの静電容量（n ref,empty）と、燃料内に浸された参照キャパシタの静電容量（n ref）と、空のときの計測キャパシタの静電容量（n meas,empty）と、計測される液体中の計測キャパシタの静電容量（n meas）とを前記カウンタによって各々読まれた値である静電容量式ゲージにおいて、
前記カウンタは、２つの連続する閾値オーバシュート間の経過時間を計測するためのタイマであることを特徴とする静電容量式ゲージ。
【請求項２】
請求項１に記載のゲージにおいて、
計測の開始時点に、電子回路は、所定の離散的な電荷とともに、前記スイッチの位置の調整によって、計測キャパシタの充電を誘導する第１の段階と、
前記スイッチの位置は、電荷を蓄積する積分器へ電荷が転送されることができるように変更される第２の段階と、
前記コンパレータは、積分器の出力値（通常はその電圧）を閾値（参照電圧）と比較する第３の段階と、
前記段階１から３は、前記積分器の出力値が閾値より大きくなるまで周波数１（充電周波数）で周期的に繰り返される第４の段階と、
このとき、前記カウンタは連動し、前記積分器は前記基準キャパシタを介して放電される第５の段階と、
前記段階１から３は、閾値が第１の時間即ちカウンタが停止する時点に達するまで周期的に繰り返される第６の段階と、
前記段階１から６は、必要に応じて、前記参照キャパシタ及びこれに属する基準手段とともに繰り返される第７の段階と、
前記演算ユニットは、対応する液体のレベルの値（ｈ）を判定する第８の段階と、
前記演算ユニットは、タンクの形状に適応する体積／レベル変換テーブルを用いて、タンク内の燃料の体積（Ｖ）を判定する第９の段階とを実行するように構成されたことを特徴とするゲージ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のゲージにおいて、
前記キャパシタは、干渉効果によって相互影響するとともに、相互にフィンガ形状の（櫛歯状に重なった）電極を具備することを特徴とするゲージ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のゲージにおいて、
前記電極は、相互に櫛歯状に重なったフィンガ形状のループとともに迷路形状に形成されており、
前記計測キャパシタのフィンガ電極は、ゲージがタンク内に位置するとき、垂直に配設されていることを特徴とするゲージ。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のゲージにおいて、
前記相互にフィンガ形状の電極は、絶縁支持部へ配設され、
これらの電極及び電子信号変換回路の電気接続は、この支持部によって被覆されていることを特徴とするゲージ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のゲージにおいて、
一方は計測キャパシタの静電容量を計測するためであり、他方は参照キャパシタの静電容量を計測するためである、２つの基準キャパシタを具備することを特徴とするゲージ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のゲージにおいて、
前記タイマは、充電周波数１より大きい周波数２で動作することを特徴とするゲージ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のゲージにおいて、
燃料の体積（Ｖ）の計算値を表示するためのデバイスに接続され、
電流が供給されているときに、継続的に動作するよう構成され、
各々の計測の後に、計算値（Ｖ）は、次の計測までメモリに保持し且つこれを表示する表示デバイスへ送信されることを特徴とするゲージ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のゲージを燃料タンク内のレベルゲージとして使用することを特徴とする方法。
【請求項１０】
燃料タンクと、
該タンクのレベルゲージとして請求項８に記載のゲージとを具備することを特徴とする自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電荷転送方式を用いた電子回路による静電容量式ゲージに関し、燃料タンクのレベルゲージとしての使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
多数のデバイスが、タンク内、特に自動車燃料タンク内の液体レベルを測定するために、日進月歩提案されてきた。
これら公知のデバイスは、普通は、タンク内の燃料レベルを示す信号を出力するレベル・センサ又はゲージを使用する。
【０００３】
これらのレベルセンサ又はゲージのいくつかは、タンクの満杯の高さを超えて配置されることを意図されているとともに、その静電容量がタンク内の液体のレベルとともに再現可能に変動するように構成されている計測キャパシタと、常に沈められているようにタンクの底に配置されることを意図されている参照キャパシタとを具備している。
【０００４】
従って、特許文献１は、かかるゲージを開示しており、このゲージは、計測キャパシタ及び参照キャパシタが、所定の周波数においてこれらのキャパシタを充電及び放電するためのスイッチ及び積分器を備えた電子信号変換回路と、コンパレータと、カウンタとによって供給されるとともにこれらに接続されて構成されている。
各々のチャージにおいて、キャパシタ（計測又は参照）は、所定の電位（Ｖ）へ立ち上げられる、これにより、所定の電荷が生じる（Q = V.Cmeas。ただし、Cmeasは、計測キャパシタの静電容量)。
この電荷は、積分器へ転送され、この出力値は、予め決定されている閾値と比較される。
積分器の出力値が閾値以下のままである場合、積分器は、キャパシタ（計測又は参照）経由で、各々の電荷について、電荷Q = V.Cmeasの受信を継続する。
閾値を越えると、積分器は、基準キャパシタの中へ放電し、同じ電位（Ｖ）へ立ち上げられ、このサイクルが再開する。
カウンタは、所定の計測期間に閾値が越えられると、回数を計数し、ｎとする。
この数は、計測された静電容量（計測静電容量又は参照静電容量）に比例する。
いま、この静電容量が、“空のとき”を除き、これ自身、タンク内の液体レベル（計測静電容量）に比例するか、又は、液体の種類（参照静電容量）に依存する。
以下の関係が、最終的に得られる。
h =  [n ref,empty/(n ref-n ref,empty)] . [(n meas-n meas,empty)/n meas,empty]
但し、ｎは、空のときの参照キャパシタの静電容量（n ref,empty）に対してと、燃料中に浸された参照キャパシタの静電容量（n ref）に対してと、空のときの計測キャパシタの静電容量（n meas,empty）に対してと、計測キャパシタの静電容量（nmeas）に対して、夫々カウンタによって読まれた値であるとともに、所定の計測期間に対してのものである（より詳細には関連特許を参照。その関連特許の教示は本願明細書中に引用して組み込まれる。）。
【０００５】
このゲージの欠点は、計測精度を良好とするために、数多くの閾値オーバシュート（と、それゆえ長い計測時間と）を持つことが必要であるので、応答時間は比較的長い（典型的には１秒より長い）ということにある。
いま、液体レベルの瞬時値が、所定の充填レベルの上のタンクの充填バルブを閉じるために、所定のシステム中に用いられる。
従って、充填が急速すぎるならば、このレベルには、超えられてしまうという危険がある。
実験目的のためのタンク中の液体レベルの変化の“動的な”計測を使用することは有益であるということが導出可能である（例えば、充填率の関係における特定の幾何効果の研究）。
【特許文献１】国際公開WO 01/02817号公報
【特許文献２】米国特許第4,296,630号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願は、上記のな変化の期間の液体レベルの変化に追従可能であるとともに、より短い応答時間の静電容量式ゲージを構成することにより、この問題を解決することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するために、本発明は、計測キャパシタと、参照キャパシタと、基準キャパシタとを具備し、これらのキャパシタは、電子信号変換回路によって供給されるとともにこれに接続されており、この電子信号変換回路は、所定の周波数で前記キャパシタを充電及び放電するためのスイッチと、前記基準キャパシタの中へ放電される前に、前記計測又は参照キャパシタの電荷が、転送され及び蓄積される積分器と、前記積分器の出力値を閾値と比較するためのコンパレータと、カウンタと、次式によって、タンク内の液体のレベルを計算するためのプロセッサ又は演算ユニットとを具備し、
h =  [n ref,empty/(n ref-n ref,empty)] . [(n meas-n meas,empty)/n meas,empty]
但し、ｎは、空のときの参照キャパシタの静電容量（n ref,empty）と、燃料内に浸された参照キャパシタの静電容量（n ref）と、空のときの計測キャパシタの静電容量（n meas,empty）と、計測される液体中の計測キャパシタの静電容量（n meas）とを前記カウンタによって各々読まれた値であり、前記カウンタは、２つの連続する閾値オーバシュート間の経過時間を計測のためのタイマであることを特徴とする静電容量式ゲージに関する。
【０００８】
従って、このゲージは、所定の期間を超える閾値オーバシュートの数をカウンタが計数するのではなく、連続する閾値オーバシュート間の経過時間のみをカウントするという事実によって上記の従来技術のものとは異なる。
従って、この計測時間は、２つの閾値オーバシュートの間の時間であり、いくつかの閾値オーバシュートの時間にまたがるものではない。
従って、それは、顕著に、より短いものである。
【０００９】
このゲージは、好ましくは、計測の開始時点に、電子回路は、所定の離散的な電荷とともに、前記スイッチの位置の調整によって、計測キャパシタの充電を誘導する第１の段階と、前記スイッチの位置は、電荷がこれを蓄積する積分器へ転送されることができるように変更される第２の段階と、前記コンパレータは、積分器の出力値（通常はその電圧）を閾値（参照電圧）と比較する第３の段階と、前記段階１から３は、前記積分器の出力値が閾値より大きくなるまで周波数１（充電周波数）で周期的に繰り返される第４の段階と、このとき、前記カウンタは連動し、前記積分器は前記基準キャパシタを介して放電される第５の段階と、前記段階１から３は、閾値が第１の時間即ちカウンタが停止する時点に達するまで周期的に繰り返される第６の段階と、前記段階１から６は、必要に応じて、前記参照キャパシタ及びこれに属する基準手段とともに繰り返される第７の段階と、前記演算ユニットは、対応する液体のレベルの値（ｈ）を判定する第８の段階と、前記演算ユニットは、タンクの形状に適応する体積／レベル変換テーブルを用いて、タンク内の燃料の体積（Ｖ）を判定する第９の段階とを実行するように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
このようなテーブルは、液体（燃料）の既知の量に伴う一連の計測値に従ったゲージの目盛りによって構成することができる。
“ゲージ”という用語は、燃料タンク内の液体のレベル／体積を示す信号を供給するデバイスを意味することを意図する。
本発明によれば、このデバイスは、複合電子デバイスであり、即ち、これは、計測デバイスによって送信された信号を処理する（又は信号変換する）ための電子回路を有し、これは、タンク内の液体のレベルを判定するために使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明によるこのゲージは、タンクの満杯の高さを超えて配置されることを目的とするとともに、静電容量がタンク内の液体のレベルとともに再現可能に変化するように構成された計測キャパシタと、常に浸されることができるようにタンクの底に配置されることを目的とする参照キャパシタと、基準キャパシタとを具備する。
【００１２】
これらのキャパシタは、いずれの公知のタイプのもので構成できる。
これらは、平坦な又は円筒状の板を具備することができ、
それらの静電容量は、それらの間に存在する媒質によって、及び、表皮効果によって影響を受ける。
特許文献２に記載されているように、代替的に且つ好ましくは、それらは、互いに櫛歯状にかみあった（interdigitated）（櫛歯状に重なった；imbricated）電極を具備し、これらは、干渉効果によって互いに影響する。
これらの電極は、絶縁基盤の上に実装されるとともに、プリント回路のように形成される。すなわち、これらは、プリント回路の場合と同様の製造手法によって製造される。
【００１３】
“互いにかみあった”電極という用語は、相互に櫛歯状に重なった指の構造でのループ状のコイル構造を持つ電極を示すために用いられるとともに、このことは、上記の特許文献２に記載されている。
【００１４】
特に好適な変形によれば、本発明によるゲージは、計測キャパシタ及び参照キャパシタをそれぞれ形成する、相互に櫛歯状に重なった計測電極対と、これもまた相互に櫛歯状に重なった参照電極対とを具備している。
後者の電極対は、好ましくは、タンク内に存在する液体中に常に沈んでいるように、基盤（これは、タンクの底に配置固定される）の一端に配置されている。
それがタンク内に占める相対的な高さは、好適には、計測電極対によって占められたものに対して相対的に低いので、後者は、液体の高さ全体にわたって配置される。
【００１５】
特に好適な手法によれば、計測される液体のレベルに従って実質的に線形特性の信号を取得できるようにタンク内にゲージが位置する場合、計測キャパシタの電極のフィンガは、垂直に配設される。
好適には、計測電極及び参照電極のループは、タンク内にゲージが位置するとき、いずれも垂直である。
さらには、それらは、好適には部分的に共通な少なくとも一つの電極を持つことができる。
【００１６】
本発明のこの変形例によるキャパシタの電極と、電子的信号変換回路との間の電気的な接続は、好適には、計測を妨害しないように絶縁基板によって覆われている。
【００１７】
基準静電容量に関しては、それらは、計測静電容量と参照静電容量を有するプリント回路上に配置された部品である。
【００１８】
特に好適な一変形例によれば、本発明のゲージは、計測制度を向上させるために、
２つの基準キャパシタ、即ち、計測キャパシタの静電容量を計測することを目的とするものと、参照キャパシタの静電容量を計測することを目的とするものとを具備する。
事実、計測されるキャパシタの静電容量が、放電される基準キャパシタの静電容量に接近するが、依然として基準キャパシタの静電容量以下である場合に、この精度が向上するということが観察さてきた。
参照キャパシタの静電容量は、計測キャパシタの静電容量よりも相当に小さいので、従って、またも比較的小さい静電容量の基準キャパシタの中へ放電することが好ましい（典型的には、計測キャパシタの基準静電容量の場合略５００ｐＦに対して略５０ｐＦ）。
参照キャパシタを放電するための基準キャパシタの静電容量は、１０ｐＦから５００ｐＦまで変化させてもよい。
計測キャパシタを放電するための基準キャパシタの静電容量は、１００ｐＦから５０００ｐＦまで変化させてもよい。
【００１９】
本発明の好適な変形例によれば、ゲージの解像度を増加するための目的とともに、計数周波数２は、チャージ周波数１より大きい。
典型的には、周波数２は、数１０ＭＨｚのオーダで計測されるのに対して、周波数１は、数１００ＫＨｚのオーダで計測される。
【００２０】
例示したように、上記ＰＣＴ出願に記載されているシステムとともに、計測期間は、典型的に、６００ｍｓのオーダであり、カウンタが閾値オーバシュートを略２５００を計数した間の期間であり、その期間の間に積分器が
600 ms/100 kHz = 0.6 x 105 = 60000 充電
を受信した間の期間である。
これは、６００／２５００＝２４０μｓの２つの閾値オーバシュートの間の期間と、積分器が６００００／２５００＝２４充電を受信した間の期間とになる。
本発明によれば、同じ充電システムが用いられるが、最初の閾値オーバシュートの後で、カウンタ（クロノメータ）が、略１０ＭＨｚ（即ち、２つの“パルス”の間の０．１μｓ）の周波数で動作する場合、２つの閾値オーバシュートの間の期間（２４０μｓとなる）以上の期間が得られ、カウンタ上の２４０／０．１＝２４００回（beat）となる。
従って、積分器の上で様々な充電の増加は、本当の意味では、不連続ではないとともに、これらが多数あるので（時間の関数としての積分器上の出力値の傾向が、２４個の小さい傾斜を持った段階踏板形状を有する関数になり、実際は直線の方向へ傾向がある）、従って、少なくとも同様な解像度が取得される（カウンタ上で２５００回に対して２４００回）。
しかしながら、計測期間は、きわめて短い（ｍｓの代わりにμｓで測定される）ので、より良好なゲージ応答時間である。
【００２１】
本発明によるゲージは、好ましくは、演算ユニットによって計算されたレベル値を表示するためのデバイスに接続される。
【００２２】
好ましくは、本発明のゲージは、電流により電力がかかっているときには、定常的に動作を可能に構成してもよい。
この目的を達成するために、前記段階１から９は、継続的且つ周期的に反復される。
各々の計測の後、演算ユニットによって計算された値は、次の計測までこれをメモリ内に保持するとともに表示する表示デバイスへ送信される。
【００２３】
最後に、本発明は、好ましくは自動車用燃料タンク内のレベルゲージとして、上記したゲージの利用にも関連する。
これは、好ましくは、上述のような、演算ユニットを伴ったゲージである。
これは、好ましくは電流を供給されている限り、すなわち、好ましくは自動車のエンジンが稼動している限り、継続的に動作する。
【国際調査報告】
2009513963.tif 000002
2009513963.tif 000003