(57)【要約】【課題】経時変化の影響を軽減して長期にわたって正確にレベル測定ができるようにした液面レベルセンサを提供する。【解決手段】同等の性能を有する複数のホール素子１７ａ〜１７ｄが対になって設けられており、これらホール素子１７ａ〜１７ｄにより検出されたそれぞれの磁束密度により、同周期であって位相差のある２つのサイン波１７ａｂ′、１７ｃｄ′が生成される。そして、２つのサイン波のうちの一方で他方を除することにより、振幅値の経時変化分が除去される。したがって、磁石の経時変化の影響が除去されて、長期にわたって正確にレベル測定ができるようになる。【選択図】      図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液面レベルを測定する液体に対して浮力を有する部材で形成されたフロートの、前記液面レベルに応じた移動にともなって回転する磁石の磁束密度を検出して、これを電気信号に変換する磁電変換素子を有し、この電気信号に基づいて前記液面レベルを測定する液面レベルセンサであって、
前記磁電変換素子は、前記磁石の回転軸を周回するように同等の性能を有するものが複数配置されており、
前記複数の磁電変換素子はそれぞれ、前記磁石の回転角度において所定の位相差をもって前記磁束密度を検出し、
前記複数の磁電変換素子のうちのひとつの磁電変換素子により検出された磁束密度で、他のひとつの磁電変換素子により検出された磁束密度を除した結果に基づいて、前記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。
【請求項２】
液面レベルを測定する液体に対して浮力を有する部材で形成されたフロートの、前記液面レベルに応じた移動にともなって回転する磁石の磁束密度を検出して、これを電気信号に変換する磁電変換素子を有し、この電気信号に基づいて前記液面レベルを測定する液面レベルセンサであって、
前記磁電変換素子は、前記磁石の回転角度において９０度ずつの位相差で前記磁束密度を検出するように、前記磁石の回転軸を周回するように少なくとも４つ配置されており、
１８０度の位相差で前記磁束密度を検出するように配置された一対の磁電変換素子により検出された磁束密度の差分で、１８０度の位相差で前記磁束密度を検出するように配置された他の一対の磁電変換素子により検出された磁束密度の差分を除した結果に基づいて、前記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。
【請求項３】
請求項１又は２記載の液面レベルセンサにおいて、
前記磁電変換素子はホール素子である、
ことを特徴とする液面レベルセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液面レベルセンサに関し、特に、磁石及びホール素子を利用した液面レベルセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の液面レベルセンサは、例えば、自動車の燃料残量を監視するためのレベルセンサとして利用されている。この種の液面レベルセンサでは、液面レベルに連動するフロートに連結された磁石と、この磁石により生成される液面レベルに応じた磁力をホール素子等の磁電変換素子により電気信号に変換することによって、液面レベルを検出している。
【０００３】
ところが、従来の液面レベルセンサでは、磁石の高温減磁や低温減磁等の経時変化により磁石の磁束密度が変化し、液面レベルの測定値が狂うという問題があった。この問題を図９〜図１２を用いて説明する。図９は、従来の液面レベルセンサを示す平面図である。図１０は、図９の液面レベルセンサがタンク内に取り付けられた状態を示す図である。図１１は、図９の液面レベルセンサの検出部を概略的に示す斜視図である。図１２は、図９の液面レベルセンサの検出レベルが経時劣化した状態を示すグラフである。
【０００４】
図９及び図１０に示すように、液面レベルセンサは、容器ＴＮＫ内にある液体ＬＱの液面レベルを検出するため、容器ＴＮＫ内壁に固設されている。フロート９０３は、アーム９０２を介して磁石ホルダー９１１に連接されている。このフロート９０３は、円筒状をしており、液面レベルを測定する液体ＬＱに対して浮力を有する部材で形成されている。また、アーム９０２は細長い棒状のステンレス等の金属により形成されている。このアーム９０２の一端は、フロート９０３の中心を貫通してこのフロート９０３に結合されている。
【０００５】
また、磁石ホルダー９１１は、内側に円環状の磁石９０４を収容する収容部を有する一方、外側に例えばＴの字型になった上記アーム９０２の他端（アーム９２１）を保持するアーム保持部９３１を有している。磁石ホルダー９１１は、非磁性体の材料で形成されており、その外形はそこに収容する磁石９０４の外形よりやや大きい円筒形状の外側中心部に上記アーム保持部９３１が設けられたようになっている。上記アーム保持部９３１を介して、フロート９０３に結合されたアーム９０２は磁石ホルダー９１１にも連結されている。
【０００６】
この磁石ホルダー９１１は、図９に示すような抜け防止フランジ９６１、９６２、９６３によって保持されながら、これらによって作られる仮想の回転軸を中心にして回転可能にセンサケース９０５に装着されている。なお、図９に示すαは、液面レベルに応じた磁石９０４の回転角度である。
【０００７】
上述した磁石ホルダー９１１の磁石９０４の収容部は、磁石９０４の外形に合わせて円筒状の内径を有している。そして、磁石９０４は、接着剤等を用いて、この収容部に固着されている。このような構造により、磁石９０４は液面レベルに応じて移動するフロート９０３に連動して回転軸を中心として回転する。なお、この磁石９０４は、２極着磁された永久磁石である。
【０００８】
そして、この磁石９０４の中心部には、磁電変換素子としてのホール素子９０８が配線板９０７に実装されて固定的に配置されている。このホール素子９０８は、液面レベルに応じて回転する磁石９０４による磁束密度を検出して、これを電気信号に変換して出力する。ホール素子９０８及び磁石９０４は、この液面レベルセンサにおいて、磁束密度の検出部を構成しており、図１１に示すように、ホール素子９０８は円環状の磁石９０４の中心部に固定的に配置されている。磁石９０４は、上述したように液面レベルに応じて、図１１中、矢印で示す方向に回転するので、この回転に伴い変動するホール素子９０８に対する磁束密度が、液面レベル測定に利用される。
【０００９】
なお、上記ホール素子９０８を実装する配線板９０７は、本液面レベルセンサの筐体外形を構成するセンサケース９０５にネジ止め等（不図示）により固定されており、この配線板９０７は、本液面レベル測定に必要な関連電気回路部品や上記磁束密度から変換された液面レベルに対応する電気信号を外部に出力するターミナル９０９も実装している。そして、センサケース９０５の裏側は、ケース蓋９１０が覆設されている。
【００１０】
上述のような構成において、液面レベルの変動に応じてフロート９０３が移動する。このフロート９０３の移動に応じて、アーム９０２を介して磁石ホルダー９１１が回転するため、これに伴いこの磁石ホルダー９１１に保持収容される磁石９０４も回転する。そして、ホール素子９０８が、上記フロート９０３の移動に応じて回転する磁石９０４による磁束密度を検出して、これを電気信号に変換することによって、この電気信号に基づき液面レベルが測定されることになる。なお、このような液面レベルセンサは、下記特許文献１でも示されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−２０６９５９号公報（図１−図３）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、磁石の磁束密度は、高温減磁や低温減磁等により経時変化することが知られている。したがって、上述のような構成の従来の液面レベルセンサによると、磁石の回転角度に対応して検出される磁束密度も、図１２の実線で示すような初期特性から、同図点線で示すような特性に劣化することになる。この結果、徐々に液面レベルの測定値が狂っていくという問題があった。
【００１３】
よって本発明は、上述した現状に鑑み、上記経時変化の影響を軽減して長期にわたって正確にレベル測定ができるようにした液面レベルセンサを提供することを課題としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の液面レベルセンサは、液面レベルを測定する液体に対して浮力を有する部材で形成されたフロートの、前記液面レベルに応じた移動にともなって回転する磁石の磁束密度を検出して、これを電気信号に変換する磁電変換素子を有し、この電気信号に基づいて前記液面レベルを測定する液面レベルセンサであって、前記磁電変換素子は、前記磁石の回転軸を周回するように同等の性能を有するものが複数配置されており、前記複数の磁電変換素子はそれぞれ、前記磁石の回転角度において所定の位相差をもって前記磁束密度を検出し、前記複数の磁電変換素子のうちのひとつの磁電変換素子により検出された磁束密度で、他のひとつの磁電変換素子により検出された磁束密度を除した結果に基づいて、前記液面レベルを測定する、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項１記載の発明によれば、磁電変換素子は、磁石の回転軸を周回するように同等の性能を有するものが複数配置されている。複数の磁電変換素子はそれぞれ、磁石の回転角度において所定の位相差をもって磁束密度を検出する。そして、複数の磁電変換素子のうちのひとつの磁電変換素子により検出された磁束密度で、他のひとつの磁電変換素子により検出された磁束密度を除することにより、経時変化分が除去される。
【００１６】
上記課題を解決するためになされた請求項２記載の液面レベルセンサは、液面レベルを測定する液体に対して浮力を有する部材で形成されたフロートの、前記液面レベルに応じた移動にともなって回転する磁石の磁束密度を検出して、これを電気信号に変換する磁電変換素子を有し、この電気信号に基づいて前記液面レベルを測定する液面レベルセンサであって、前記磁電変換素子は、前記磁石の回転角度において９０度ずつの位相差で前記磁束密度を検出するように、前記磁石の回転軸を周回するように少なくとも４つ配置されており、１８０度の位相差で前記磁束密度を検出するように配置された一対の磁電変換素子により検出された磁束密度の差分で、１８０度の位相差で前記磁束密度を検出するように配置された他の一対の磁電変換素子により検出された磁束密度の差分を除した結果に基づいて、前記液面レベルを測定する、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項２記載の発明によれば、磁電変換素子は、磁石の回転角度において９０度ずつの位相差で磁束密度を検出するように、少なくとも４つ配置されており、１８０度の位相差で磁束密度を検出するように配置された一対の磁電変換素子により検出された磁束密度の差分で、１８０度の位相差で磁束密度を検出するように配置された他の一対の磁電変換素子により検出された磁束密度の差分を除することにより、経時変化分が除去される。
【００１８】
上記課題を解決するためになされた請求項３記載の液面レベルセンサは、請求項１〜３のいずれか一項に記載の液面レベルセンサにおいて、前記磁電変換素子はホール素子である、ことを特徴とする。
【００１９】
請求項３記載の発明によれば、磁電変換素子はホール素子であるので、広く普及していて入手しやい。また、非接触にて磁石の回転角度を検出できるので、この素子が搭載された基板は、液体に触れないように密封することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず、図１〜図３を用いて本発明の液面レベルセンサの一実施形態の外観的な構造について説明する。図１は、本発明の液面レベルセンサの一実施形態を示す斜視図である。図２は、図１の液面レベルセンサの分解斜視図である。図３は、図１の液面レベルセンサを反対方向からみた斜視図である。
【００２１】
図１〜図３に示す本液面レベルセンサは、図１０で示した従来の液面レベルセンサと同様、容器内にある液体の液面レベルを検出するため、容器内壁に固設されて使用される。図１に示すように、本液面レベルセンサは、センサ本体１、アーム２及びフロート３から基本的に構成される。このフロート３は、円筒状をしており、液面レベルを測定する液体に対して浮力を有する部材で形成されている。また、アーム２は細長い棒状のステンレス等の金属により形成されている。このアーム２の一端は折れ曲がり、フロート３の中心を貫通してフロート３に結合され、その他端も逆方向に折れ曲がり、センサ本体１のアーム取付穴１４ａ１に挿入される。
【００２２】
センサ本体１は、図１〜図３に示すように、センサケース１１、基板１２、ケース蓋１３、ギア１４ａ、１４ｂ、磁石１５、及びギアカバー１６を含んで構成される。センサケース１１は、開口した箱形をしており、基板１２、ギア１４ａ、１４ｂ、及び磁石１５を収容する。また、センサケース１１には、容器内の所定部位に固定するための固定用アームも突設されている。
【００２３】
センサケース１１において、図２中の手前側には基板１２が収容される。基板１２は、センサケース１１側に設けられた複数の突起１１１にそれぞれ嵌合する複数の穴１２１が穿設されている。これら複数の穴１２１が複数の突起１１１に嵌合されて基板１２が所定位置に収容された後、この上にケース蓋１３が覆設される。なお、基板１２上には、複数のホール素子やマイコン（マイクロコンピュータ）等も配設されるが、これらについては、図４及び図５を用いて後述する。
【００２４】
一方、センサケース１１において、図２中の向こう側には、ギア１４ａ、１４ｂ、及び磁石１５が収容される。ギア１４ａは上記アーム２に直結する大径ギアであり、ギア１４ｂは磁石１５を搭載する小径ギアである。例えば、ギア１４ａの歯数は３６、ギア１４ｂの歯数は１０である。このようなギア比により、アーム２に直結するギア１４ａの回転速度が、３．６倍に変換されて、ギア１４ｂ、すなわち、磁石１５が回転することになる。
【００２５】
また、ギア１４ａには、円筒状の回転軸部が突設されており、その先端にはアーム取付穴１４ａ１が設けられている。アーム取付穴１４ａ１の一部は、アーム２が取付穴１４ａ１を軸にして自由回転しないように、切欠部が形成されている。また、ギア１４ｂには、円筒状の磁石１５の外径よりもやや大きな内径の磁石収容部が設けられている。
【００２６】
ギアカバー１６には一対の突起１６１が設けられ、センサケース１１側にはこれらにそれぞれ対応する一対の穴１１３が設けられている。ギア１４ａと磁石１５が収容されたギア１４ｂとが歯合されてセンサケース１１の所定位置に収容された後、一対の突起１６３がそれぞれ対応する穴１１３に嵌合されてギアカバー１６が覆設される。
【００２７】
このような構成において、図１の矢印で示すように、液面レベルの変動に応じてフロート３が移動すると、このフロート３の移動にともなって磁石１５が回転する。そして、ここでは、図示しない複数のホール素子がそれぞれ磁石１５による磁束密度を検出して、これを電気信号に変換することによって、この電気信号に基づき液面レベルが測定される。なお、本発明の特徴的な液面レベルの測定方法については、図６〜図８に示すグラフを用いて後述する。
【００２８】
次に、図４及び図５を用いて、ホール素子及び磁石の配置方法について説明する。図４は、ホール素子及び磁石の配置方法を示す概略斜視図である。図５は、多素子入りホールＩＣを利用した例を示す概略斜視図である。なお、図４及び図５は、上記図１〜図３の液面レベルセンサにおける、基板、ホール素子、磁石等を概略的に示したものである。
【００２９】
図４に示すように、液面レベルの変動に応じたフロート３の移動にともなって、磁石１５は、矢印で示すように、回転軸ＲＸを中心にして両方向に回転可能である。この磁石１５は、Ｓ極及びＮ極に２極着磁された円筒状をした永久磁石である。磁石１５は、基板１２上に配設されたホール素子１７ａ〜１７ｄから所定距離だけ離間して回転するように配置されている。
【００３０】
基板１２上に配設される４つのホール素子１７ａ〜１７ｄは、２つの対になっている。すなわち、ホール素子１７ａ及び１７ｂが回転軸ＲＸを挟んで一方の対となり、ホール素子１７ｃ及び１７ｄが回転軸ＲＸを挟んで他方の対となっている。更に、４つのホール素子１７ａ〜１７ｄはそれぞれ、磁石１５の回転角度において９０度ずつの位相差で磁束密度を検出するように配置されている。また、４つのホール素子１７ａ〜１７ｄは共に同等の性能を有するものとする。上記ホール素子１７ａ〜１７ｄは、請求項中の磁電変換素子に対応する。磁電変換素子として、ホール素子を用いることにより、非接触にて磁石の回転角度を検出できるので、この素子が搭載された基板は、液体に触れないように密封することができる。
【００３１】
なお、図示しないが、基板１２上には、４つのホール素子１７ａ〜１７ｄにより検出された磁束密度から磁石１５の回転角等を算出したり、その他の液面レベル測定に関する処理を司るマイクロコンピュータも配置されている。
【００３２】
磁電変換素子としては、上述のように独立の複数のホール素子を配置してもよいが、図５に示すように、複数のホール素子を１チップに実装した多素子入りホールＩＣ１８を使用してもよい。このような多素子入りホールＩＣ１８を使用することにより、より安価に液面レベルセンサを製造することができるようになる。図中、マイコン１９は、ホールＩＣ１８にて検出された異なる位相における磁束密度から磁石１５の回転角等を算出したり、その他の液面レベル測定に関する処理を司るものである。
【００３３】
更に、図６〜図８を用いて、上記ホール素子１７ａ〜１７ｄにより検出された磁束密度を利用して、磁石１５の回転角度、すなわち、液面レベルを測定する方法について説明する。図６は、４つのホール素子により検出された磁束密度と磁石の回転角度との関係を示すグラフである。図７は、対になったホール素子により検出された磁束密度の差分波形と磁石の回転角度との関係を示すグラフである。図８は、図７に示す２つの差分波形に基づき求めたアークタンジェント値と磁石の回転角度との関係を示すグラフである。
【００３４】
図６において、１７ａ′、１７ｂ′、１７ｃ′及び１７ｄ′はそれぞれ、ホール素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ及び１７ｄにより検出された磁束密度を示す。ホール素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ及び１７ｄはそれぞれ、磁石１５の回転角度において、９０度ずつの位相差をもって磁束密度を検出していることがわかる。
【００３５】
図７において、１７ａｂ′は、上記図６に示す磁束密度１７ａ′と磁束密度１７ｂ′との差分を示し、１７ｃｄ′は、上記図６に示す磁束密度１７ｂ′と磁束密度１７ｃ′との差分を示す。この段階では、差分１７ａｂ′及び差分１７ｃｄ′を示す２つのサイン波は、いずれも、磁石の磁束密度の経時変化分を未だ含んでいる可能性がある。
【００３６】
しかしながら、ホール素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ及び１７ｄは同等の性能を有するため、磁石１５の磁束密度の経時変化分も同等に検出する。このため、差分１７ａｂ′及び差分１７ｃｄ′を示す２つのサイン波は、位相が９０度ずれただけの２つの同等のサイン波（又はコサイン波とよんでもよい）であることがわかる。この場合、いうまでもなく、最大振幅値も同等である。したがって、２つのサイン波のうちの一方で他方を除した値は、振幅値に依存しないことになる。すなわち、２つのサイン波のうちの一方で他方を除することにより、振幅値の経時変化分、すなわち、磁石の経時変化分を除去することができる。
【００３７】
２つのサイン波のうちの一方で他方を除した値と磁石１５の回転角度との関係は、予め実験等により求めることができるので、これを上記マイコンに含まれるメモリに格納しておき、ここから随時、上記除した値に対応する磁石１５の回転角度を読み出して、これに基づいて液面のレベル検出を行うことができる。なお、上記２つのサイン波は必ずしもサイン及びコサインの関係であることは必要ではないが、サイン及びコサインの関係にすることにより以下のような有利な点がある。
【００３８】
図８において、１７′は、上記差分１７ａｂ′及び差分１７ｃｄ′に基づいて求められた、磁石１５の回転角度に対応したアークタンジェント値を示す。上述のように差分１７ａｂ′と差分１７ｃｄ′とは、サイン及びコサインの関係になっているので、磁石１５の回転角度において、これらからタンジェント値を得ることができる。したがって、磁石１５の回転角度において、このタンジェント値を満たすθ、すなわち、アークタンジェント値を得ることができる（図８の縦軸）。
【００３９】
このアークタンジェント値θは、図８に示すように、磁石１５の回転角度に対してリニアな関係にある。したがって、上記のように磁石の経時変化分が除去されたうえに、液面レベル測定のための計算処理も容易になる。アークタンジェント値と磁石１５の回転角度との関係も、予め実験等により求めることができるので、これを上記マイコンに含まれるメモリに格納しておき、ここから随時、上記アークタンジェント値に対応する磁石１５の回転角度を読み出して、これに基づいて液面のレベル検出を行うことができる。
【００４０】
上記差分、除算、アークタンジェント値及び回転角度等の演算は、上記マイコンにて行われる。そして、演算された磁石１５の回転角度は、フロート３の位置、更には、液面レベルに換算されて、図示しない表示部に送信される。
【００４１】
以上のように、本実施形態によると、高温減磁や低温減磁等による経時変化の影響を軽減して長期にわたって正確にレベル測定ができるようにした液面レベルセンサを提供することができる。
【００４２】
なお、本発明は、上記実施形態で示したように、ホール素子を４つに限定するものではない。測定精度を向上させるために、ホール素子を４つ以上にホール素子を搭載するようにしてもよい。また、本発明は、自動車の燃料残量の監視以外の用途にも適用可能である。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、磁電変換素子は、磁石の回転軸を周回するように同等の性能を有するものが複数配置されている。複数の磁電変換素子はそれぞれ、磁石の回転角度において所定の位相差をもって磁束密度を検出する。そして、複数の磁電変換素子のうちのひとつの磁電変換素子により検出された磁束密度で、他のひとつの磁電変換素子により検出された磁束密度を除することにより、経時変化分が除去される。したがって、磁石の経時変化の影響が除去されて、長期にわたって正確にレベル測定ができるようになる。
【００４４】
請求項２記載の発明によれば、磁電変換素子は、磁石の回転角度において９０度ずつの位相差で磁束密度を検出するように、少なくとも４つ配置されており、１８０度の位相差で磁束密度を検出するように配置された一対の磁電変換素子により検出された磁束密度の差分で、１８０度の位相差で磁束密度を検出するように配置された他の一対の磁電変換素子により検出された磁束密度の差分を除することにより、経時変化分が除去される。したがって、磁石の経時変化の影響が除去されて、長期にわたって正確にレベル測定ができるようになる。特に、差分を求めた後に、除算するようにしているので、長期にわたってより正確にレベル測定ができるようになる。
【００４５】
請求項３記載の発明によれば、非接触にて磁石の回転角度が検出されるので、磁電変換素子の気密性が向上して、長期にわたって更に正確にレベル測定ができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液面レベルセンサの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の液面レベルセンサの分解斜視図である。
【図３】図１の液面レベルセンサを反対方向からみた斜視図である。
【図４】ホール素子及び磁石の配置方法を示す概略斜視図である。
【図５】多素子入りホールＩＣを利用した例を示す概略斜視図である。
【図６】４つのホール素子により検出された磁束密度と磁石の回転角度との関係を示すグラフである。
【図７】対になったホール素子により検出された磁束密度の差分波形と磁石の回転角度との関係を示すグラフである。
【図８】図７に示す２つの差分波形に基づき求めたアークタンジェント値と磁石の回転角度との関係を示すグラフである。
【図９】従来の液面レベルセンサを示す平面図である。
【図１０】図９の液面レベルセンサがタンク内に取り付けられた状態を示す図である。
【図１１】図９の液面レベルセンサの検出部を概略的に示す斜視図である。
【図１２】図９の液面レベルセンサの検出レベルが経時劣化した状態を示すグラフである。
【符号の説明】
１  センサ本体
２  アーム
３  フロート
１１  センサケース
１２  基板
１４ａ、１４ｂ  ギア
１５  磁石
１６  ギアカバー
１７ａ〜１７ｄ  ホール素子（磁電変換素子）
【図１】
2004325105.tif 000003
【図２】
2004325105.tif 000004
【図３】
2004325105.tif 000005
【図４】
2004325105.tif 000006
【図５】
2004325105.tif 000007
【図６】
2004325105.tif 000008
【図７】
2004325105.tif 000009
【図８】
2004325105.tif 000010
【図９】
2004325105.tif 000011
【図１０】
2004325105.tif 000012
【図１１】
2004325105.tif 000013
【図１２】
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