(57)【要約】【課題】分解能を高めて測定精度を向上させた液面レベルセンサを提供する。【解決手段】複数のホール素子１７ａ〜１７ｄにより検出されたそれぞれの磁束密度を利用して、磁石の回転角度において９０度の位相差を有し、且つ、同等の周期を有する２つのサイン波が生成され、２つのサイン波に基づき磁石の回転角度に対応したアークタンジェント値が求められる。そして、このアークタンジェント値に基づいて、液面レベルが測定される。これにより、最大で３６０度という回転角度範囲をフロートの全移動範囲に割り当てることも可能になり、従来に比べて分解能を大幅に高めることができる。更に、増速用部材としてのギア１４ａ、１４ｂにより更に分解能を高めることができる。したがって、高精度のレベル測定ができるようになる。【選択図】      図８
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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により検出されたそれぞれの磁束密度を利用して、前記磁石の回転角度において９０度の位相差を有し、且つ、同等の周期を有する２つのサイン波を生成し、
前記２つのサイン波に基づき、前記磁石の回転角度に対応したアークタンジェント値を求め、
前記アークタンジェント値に基づいて、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】
請求項１記載の液面レベルセンサにおいて、
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回転速度を増加させる増速用部材
を更に有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、磁石の回転角度範囲が最大でも１８０度までしか利用できないため、十分な分解能が得られず、測定精度もよくないという問題もあった。これらの問題を図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による磁石の回転角度と磁束密度の関係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】
ところが、従来の液面レベルセンサでは、図１２に示すように、磁石の回転角１８０度を挟んで、検出される磁束密度が左右対称となる。したがって、磁束密度の変動範囲ΔΦに対して、最大でも回転角度範囲１８０度（０度〜１８０度の範囲Δα′又は１８０度〜３６０度の範囲Δα″）しか割り当てることができない。このような回転角度範囲にフロートの全移動範囲を割り当ても十分な分解能が得られず、この結果、測定精度もよくないという問題もあった。
【００１３】
よって本発明は、上述した現状に鑑み、分解能を高めて測定精度を向上させ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により検出されたそれぞれの磁束密度を利用して、前記磁石の回転角度において９０度の位相差を有し、且つ、同等の周期を有する２つのサイン波を生成し、前記２つのサイン波に基づき、前記磁石の回転角度に対応したアークタンジェント値を求め、前記アークタンジェント値に基づいて、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。これら複数の磁電変換素子により検出されたそれぞれの磁束密度を利用して、磁石の回転角度において９０度の位相差を有し、且つ、同等の周期を有する２つのサイン波が生成され、２つのサイン波に基づき、磁石の回転角度に対応したアークタンジェント値が求められる。そして、このアークタンジェント値に基づいて、液面レベルが測定される。これにより、レベル検出に利用可能な磁石の回転角度範囲が３６０度まで拡張される（図８参照）。
【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、請求項１記載の液面レベルセンサにおいて、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回転速度を増加させる増速用部材、を更に有することを特徴とする。
【００１７】
請求項２記載の発明によれば、液面レベルに応じた移動にともなって回転する磁石の回転速度を増加させる増速用部材を有するので、より分解能を高めることができる。
【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。
【００１９】
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する。
【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４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。図４は、図３に示す両ギアの平面図である。
【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５及び図６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、図４に示すように、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】
磁石１５が３．６倍で回転するということは、換言すれば、磁石の所定の回転角度変化量に対して、３．６倍の磁束密度変化量を割り当てることが可能となるということになるため、分解能を高めることができ、高精度のレベル測定ができるようになる。なお、ギア１４ａ、１４ｂは、請求項中の増速用部材に対応する。上記例示したギア比は、適宜変更可能であることはいうまでもない。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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７及び図８に示すグラフを用いて後述する。
【００２９】
次に、図５及び図６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５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６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５及び図６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。
【００３０】
図５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。
【００３１】
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１７ｃが回転軸ＲＸを挟んで一方の対となり、ホール素子１７ｂ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度ずつ異なる位相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。
【００３２】
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。
【００３３】
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６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。
【００３４】
更に、図７及び図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７は、対になった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８は、図７に示す２つのサイン波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。
【００３５】
図７において、１７ａ′及び１７ｂ′はそれぞれ、ホール素子１７ａ及び１７ｂにより検出された磁束密度を示す。ホール素子１７ａ及び１７ｂはそれぞれ、磁石１５の回転角度において、９０度の位相差で磁束密度を検出していることがわかる。なお、図示しないが、ホール素子１７ｃ及び１７ｄにより検出された磁束密度も同様の関係となる。補足すると、ホール素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ及び１７ｄは、磁石１５の回転角度において、それぞれ９０度の位相差をもって磁束密度を検出する。なお、各ホール素子１７ａ〜１７ｄは同等の性能を有するので、これらにより検出された磁束密度は上記のように位相差があるだけで、同等の周期及び振幅値を有するサイン波（コサイン波とよんでもよい）となる。
【００３６】
図８において、１７′は、上記磁束密度１７ａ′及び１７ｂ′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。すなわち、上述のように磁束密度１７ａ′と１７ｂ′とは、コサイン及び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）。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０度から３６０度に対応して固有の値を有する。また、アークタンジェント値θは、磁石１５の回転角度に対してリニアに変化する。
【００３７】
図８に示すように、アークタンジェント値θを利用することにより、レベル検出に利用可能な磁石の回転角度範囲を３６０度（図中、Δαで示す範囲）まで拡張することができる。これにより、最大で３６０度という回転角度範囲をフロートの全移動範囲に割り当てることも可能になり、従来に比べて分解能を２倍に高めることができる。したがって、分解能を高めて測定精度を向上させることができる。
【００３８】
なお、上述の例は、ホール素子１７ａ及び１７ｂにより検出された磁束密度に基づいてアークタンジェント値θを求めるようにしたが、ホール素子１７ｃ及び１７ｄにより検出された磁束密度、或いは、ホール素子１７ｂ及び１７ｃや、ホール素子１７ｄ及び１７ａにより検出された磁束密度に基づいてアークタンジェント値θを求めるようにしてもよい。更には、ホール素子１７ａ及び１７ｃにより検出された磁束密度の差分と、ホール素子１７ｂ及び１７ｄにより検出された磁束密度の差分と、に基づいてアークタンジェント値θを求めることも可能である。要は、磁石の回転角度において９０度の位相差を有し、且つ、同等の周期を有する２つのサイン波であれば、これら２つのサイン波に基づき、磁石の回転角度に対応したアークタンジェント値が求められる。
【００３９】
アークタンジェント値と磁石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、上記マイコンに含まれるメモリに格納されている。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。レベル検出に関する演算処理は、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。
【００４０】
以上のように、本実施形態によると、アークタンジェント値を利用してレベル検出に利用可能な磁石の回転角度範囲を拡張すると共にギア比により磁石の回転速度を増速させて、分解能を高め測定精度を向上させた液面レベルセンサを提供することができる。
【００４１】
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２つ又は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。
【００４２】
【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。これら複数の磁電変換素子により検出されたそれぞれの磁束密度を利用して、磁石の回転角度において９０度の位相差を有し、且つ、同等の周期を有する２つのサイン波が生成され、２つのサイン波に基づき、磁石の回転角度に対応したアークタンジェント値が求められる。そして、このアークタンジェント値に基づいて、液面レベルが測定される。これにより、レベル検出に利用可能な磁石の回転角度範囲が３６０度まで拡張される（図８参照）。これにより、最大で３６０度という回転角度範囲をフロートの全移動範囲に割り当てることも可能になり、従来に比べて分解能を大幅に高めることができる。したがって、高精度のレベル測定ができるようになる。
【００４３】
請求項２記載の発明によれば、液面レベルに応じた移動にともなって回転する磁石の回転速度を増加させる増速用部材を有するので、より分解能を高めることができる。したがって、より高精度のレベル測定ができるようになる。
【００４４】
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、更に高精度の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】図３に示す両ギアの平面図である。
【図５】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６】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７】対になった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８】図７に示す２つのサイン波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による磁石の回転角度と磁束密度の関係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（増速用部材）
１５  磁石
１６  ギアカバー
１７ａ〜１７ｄ  ホール素子（磁電変換素子）
【図１】
2004325104.tif 000003
【図２】
2004325104.tif 000004
【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】
2004325104.tif 000010
【図９】
2004325104.tif 000011
【図１０】
2004325104.tif 000012
【図１１】
2004325104.tif 000013
【図１２】
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