(57)【要約】【課題】電極に使用する平板の時間経過による測定精度の低下度合が少ない静電容量式液面センサを提供する。【解決手段】液体Ｆの流通が可能な筐体４内に電極対を配置したものを、液体Ｆの入った容器Ｖ内に収納し、電極間の静電容量にもとづいて、容器Ｖ内の液位を算出する静電容量式液面センサであって、筐体４内には３枚の導電性の平行平板電極１〜３を備え、中央の平板２の両面と外側１，３の２枚との間で、２組の電極対を形成している。【選択図】図１
2005308590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体の流通が可能な筐体内に電極対を配置したものを、液体の入った容器内に収納し、電極間の静電容量にもとづいて、容器内の液位を算出する静電容量式液面センサであって、
上記筐体内には３枚の導電性の平行平板電極を備え、
中央の平板の両面と外側の２枚との間で、２組の電極対を形成していることを特徴とする静電容量式液面センサ。
【請求項２】
請求項１において、
上記平行平板間は、スペーサにより均一の厚みが保持されていることを特徴とする静電容量式液面センサ。
【請求項３】
請求項２において、
上記スペーサは、液面変化を抑制する所定の形状をなしていることを特徴とする静電容量式液面センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
上記筐体の上部には空気流通穴が設けられていることを特徴とする静電容量式液面センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器内の液体の液位を計測する静電容量式液面センサの改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液面センサとして、液体の入った容器内に収納されている複数の電極間の静電容量にもとづいて、容器内の液面液位を検出する静電容量式のものが知られている。この液面センサは、例えば車両の燃料タンクに設置され、燃料の残量を計測するために用いられる。
【０００３】
この種の静電容量式液面センサの例として、次の文献に記載のものが挙げられる。特許文献１に記載の液面センサは、３つの測定電極により液面レベル（液位）を測定し、補正電極により傾斜時の補正を行うものであり、また、先行出願である特願２００２−３７７６５０号に記載の液面センサは、分極電極を用いて連立方程式を解くことにより、液位と傾斜角度を算出するようにしたものである。
いずれの技術も、容器が傾いていても正確な液位（および容器内の液量）を検出することができるので、きわめて有用である。
【特許文献１】特許第３１２８９３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、この種の静電容量式液面センサは、まず静電容量を算出し、その静電容量をもとに液位を算出するものであるが、静電容量は電極間隔の変化により変化するものであるため、電極間隔を一定に保つことが正確な液位を算出するための必須条件となっている。
【０００５】
しかしながら、従来の静電容量式液面センサでは、１組の電極を構成する２枚の平行平板が個別の性状を有したものであるため、時間が経過するとともに現れる反りなどの形状変化は平板間で異なり、そのため、時間が経つと２枚の平板は平行でなくなってしまうことがある。
特に、電極は容器内の液量の多少（液位の高低）にかかわらず測定可能とする必要があるため、自ずと縦長なものを使用しなければならないが、長くすればするほど一定の間隔に電極対を設定保持することは、製造時においても困難であり、そのため、取り付け当初から正確な測定ができない場合もある。
また、車両の燃料タンクで使用する場合などの振動等による液面の急激な変化に対して安定した測定を行うために、従来では複雑なソフトウェアに頼るしかない、という問題もあった。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するために提案されたもので、その目的は、電極に使用する平板の時間経過による測定精度の低下度合が少ない静電容量式液面センサを提供することにある。
また、電極に形状変化があったとしても算出された液位を容易に補正できること、電極用平板の変化そのものを防止し、電極間隔を一定に保持させることも主たる目的に含まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の静電容量式液面センサは、液体の流通が可能な筐体内に電極対を配置したものを、液体の入った容器内に収納し、電極間の静電容量にもとづいて、容器内の液位を算出する液面センサであって、筐体内には３枚の導電性の平行平板電極を備え、中央の平板の両面と外側の２枚との間で、２組の電極対を形成している。
【０００８】
請求項２では、請求項１において、平行平板間はスペーサにより均一の厚みが保持されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３では、請求項２において、スペーサは液面変化を抑制する所定の形状をなしていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４では、請求項１〜３のいずれかにおいて、筐体の上部には空気流通穴が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１〜４に記載の静電容量式液面センサは、筐体内に３枚の導電性の平行平板電極を備え、中央の平板の両面と外側の２枚との間で、２組の電極対を形成しているので、外側の平板を同一性状のものとすることができ、その結果、時間経過とともに平板の形状が変化したとしても、同一性状である外側の２枚は同程度に変化していくため、外側電極間の間隔（全体幅）の変化は起こりにくい。
電極対の静電容量は、電極間隔の変化により変位するものであり、このように２組の電極対の外側平板の間隔を一定に保つことができれば、かりに中央電極が反るなどして各電極間隔がずれてしまっても、全体間隔が保持されているので、２組の電極についての算出値を用いて補正等を行えば正確な液位を求めることができ、測定精度を維持することができる。
【００１２】
請求項２では、平行平板間をスペーサにより均一の厚みで保持しているので、一定の電極間隔を保持することができる。その結果、平板の形状変化を抑えることができ、さらに測定精度の低下を防止することができる。
【００１３】
請求項３では、スペーサが液面変化を抑制する所定の形状をなしているので、振動等があっても液面変化を吸収し、精度を落とすことなく正確な液位を算出することができる。また、ソフトウェアによる調整を行う必要性も少ない。
【００１４】
請求項４では、筐体の上部に空気流通穴を設けているので、筐体内外の液面高さや傾斜などの状態を一致させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の実施の形態について、添付図面とともに説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の静電容量式液面センサの電極ユニットＵを示す図である。この電極ユニットＵは、筐体４と、その筐体４内に収容される導電性を有した３枚の平行平板１〜３からなる電極とを含んで構成されている。
電極ユニットＵは、筐体４の電極収容部に電極１〜３を収容して蓋４１を閉じた状態で、液体の入った燃料タンクなどの容器の中に収容して使用されるようにしたものである。また、筐体４の下部には、容器内の液体が出入りする穴４ｂが設けられ、上部には、筐体４内外の液面を一致させるための空気流通穴４ａが設けられている。
【００１７】
３枚の平板のうち中央２の両面と、その両面のそれぞれに対向する外側の２枚の平板１，３とにより、２組の電極を構成している。
外側の平板と中央のものとは異なる性状の材料を使用し、外側２枚は同一性状の材料を使用することが望ましい。
【００１８】
このような性状の平板を平行に設置すれば、時間経過とともに平板の形状が変化したとしても、同一性状である外側の２枚は同程度に変化していくため、外側電極１，３間の間隔（全体幅）の変化は起こりにくい。
電極対の静電容量は、電極の属性との関係式：Ｃ（静電容量）＝ε（誘電率）×ｌ（電極長）×ｗ（電極幅）／ｄ（電極間隔）  からも理解できるように、電極間隔により変位するものであるが、このように２組の電極対の外側平板１，３の間隔を一定に保つことができれば、かりに中央電極２が反るなどして各電極間隔がずれたとしても、全体間隔が保持されているので、２組の電極についての算出値を用いて補正等を行えば正確な液位を求めることができ、測定精度を維持することができる。
【００１９】
図２は、本発明の液面センサの取り付け例を示す図である。
この静電容量式液面センサは、燃料タンクなどの容器Ｖに収容された液体Ｆの液位ｈを計測するものであり、上記の電極ユニットＵと、各平板１〜３から導出されたリード線Ｌに接続された検出回路５とを有して構成されている。
容器Ｖは直方体状に形成されており、内部の中空部に燃料Ｆ（液体）が収納されている。また、検出回路５は、例えば燃料タンクＶの蓋部（不図示）に載置されている。
【００２０】
図３は、この液面センサの内部構成を示す図である。
この図例では、電極ユニットＵに収容された中央の電極２が３つに分割されたものを使用している。後述するように、分割電極２ａ，２ｂ，２ｃを使用することにより、液面が傾斜している場合も連立方程式を解くだけで液位を算出できるようになっている。
なお、本実施例では中央電極２が分割電極である例を示しているが、分割されていない１枚の平板電極であってもよい。
【００２１】
検出回路５は、電源回路５ａと、発振回路５ｂと、切替回路５ｃと、電流値測定回路５ｄと、Ｉ／Ｖ変換回路５ｅと、全波整流回路５ｆと、増幅回路５ｇと、演算部５ｈと、記憶部５ｉとを有して構成されている。
電源回路５ａは、この検出回路５の各部に電力を供給するものである。なお、各部と電源回路５ａとの配線は省略する。
また、発振回路５ｂは外側平板電極１，３に接続され、中央平板電極２との間に正弦波の交流電圧信号を出力する。
【００２２】
切替回路５ｃは、中央平板２の分割電極２ａ，２ｂ，２ｃのそれぞれと、電流値測定回路５ｄと、演算部５ｈとに接続され、演算部５ｈにより制御されて電流値を計測する分割電極を選択する。
電流値測定回路５ｄは、切替回路５ｃに接続され、切替回路５ｃにより選択された分割電極２ａ，２ｂ，２ｃと、外側電極１，３との間に流れる交流電流信号が入力され、それをＩ／Ｖ変換回路５ｅに出力する。
【００２３】
Ｉ／Ｖ変換回路５ｅは、電流値測定回路５ｄから切替回路５ｃに流れる交流電流信号が入力され、それを交流電圧信号へ変換して全波整流回路５ｆに出力する。
全波整流回路５ｆは、Ｉ／Ｖ変換回路５ｅから入力された交流電圧信号を直流電圧信号に整流して増幅回路５ｇに出力する。
増幅回路５ｇは、全波整流回路５ｆから出力された直流電圧信号を所望の信号レベルに増幅して演算部５ｈに入力する。
【００２４】
演算部５ｈは、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）で構成され、増幅回路５ｇと、切替回路５ｃとに接続される。この演算部５ｈは、切替回路５ｃを制御して、静電容量を計測する分割電極を選択し、選択された分割電極に流れる交流電流信号に対応する直流電圧信号が増幅回路５ｇから入力され、その信号から静電容量を算出する。
【００２５】
図４は、演算部５ｈの演算内容を説明するための概略図であり、（ａ）は電極を配置した容器Ｖの正面図、（ｂ）は電極部分のみの斜視図を示している。ここで、ｌ（エル）は電極の長さ、ｗは電極の幅、ｄは電極間隔を示しており、ｈは液位、θは容器Ｖの水平面との傾きを示している。なお、（ａ）図では、電極ユニットＵの筐体４を省略している。また、（ｂ）図では、もう一方の外側電極３は省略している。
【００２６】
演算部５ｈは、算出した静電容量にもとづいて、容器Ｖ内の液体Ｆの液位ｈと、液体Ｆの誘電率εｌ（エル）と、電極の面内における計測時の液面の傾斜角度θを求める。
ここで、演算部５ｈは、分割電極２ａ，２ｂ，２ｃと外側電極１，３との間のそれぞれの静電容量の値と、電極間隔ｄなどの予め計測されている電極属性値とを、液位ｈと液体Ｆの誘電率εｌと電極面内の液面の傾きθを変数とする連立方程式に代入することにより、液位ｈ、傾斜角度θ、誘電率εｌを算出する。
【００２７】
図５には上記の連立方程式を、図６には連立方程式を解いて得られた液位ｈ、傾斜角度θ、誘電率εｌの各算出式を示している。なお、電極対は２組あるが、いずれも同一の式が用いられる。したがって、それぞれの電極間隔ｄが同一値であるため、それぞれの静電容量値が同一値である限りは、同一の液位ｈが得られるはずである。
ここで、Ｃ２は中央電極２と対向する外側電極１との間の静電容量、Ｃ２ａは分割電極２ａと外側電極１（または外側電極３、以下同様）との間の静電容量、Ｃ２ｂは分割電極２ｂと外側電極１との間の静電容量を示している。これら（２）〜（４）式は、点Ｐを原点とし、平行平板の静電容量の公式を用いて立てられている。
また、傾斜角度θが小さい値であると仮定して、ｔａｎθの代わりに近似値であるθを採用する。また、εａは空気の誘電率（定数）として与えられる。
これら分割電極ごとの式は、液体Ｆに浸かっている部分の形状が異なるように、複数の分割電極が形成されているので、互いに独立となる。
【００２８】
そして、（１）〜（４）式より、液位ｈ、誘電率εｌ、傾斜角度θと静電容量との関係式（５）〜（７）が導出される。
演算部ｈは、算出された静電容量値Ｃ２、Ｃ２ａ、Ｃ２ｂおよび電極属性値ｄ、ｌ、ｗを（５）式に代入することにより液位ｈを算出する。同様にして、静電容量の値と電極属性値を（６）、（７）式に代入して、誘電率εｌと傾斜角度θを求める。傾斜角度θを求めているので、液位ｈと傾斜角度θとにより容器Ｖ内の液体容量も算出することができる。
【００２９】
このように、２組の電極対をもとにした２つの液位を算出しているが、２組の電極対の実際の電極間隔に差が生じていることを仮定して、２値を平均するなどの補正を行い、正確な液位を得る。
すなわち、時間の経過とともに中央電極２の形状が変化したとしても、外側電極１，３の形状変化が同等なものであるため、総合的な補正を行うだけで、時間経過による形状変化に関係なく、正確な液位が得られ、測定精度を維持することができる。
【００３０】
次に、電極用平板の形状変化を防止し電極間隔を一定に保持するために、スペーサを２組の電極間に配置したものについて説明する。
図７〜１０には、スペーサの各種の態様例を示している。なお、以下に示したスペーサはそれぞれ異なるものであるが、図面には同一の符号を付して説明している。
【００３１】
図７は、電極面に一定の厚さのスペーサＳを複数個設置したものである。中央電極２の両面にこのようなスペーサＳを設ければ、３枚の平板電極の間隔を保持することができる。もちろん、外側電極１，３にスペーサＳを取り付けてもよい。
【００３２】
また、図８（ａ）、（ｂ）は、一定厚さのスペーサＳが連結されたスペーサユニットＳＵで、３枚の平板を固定させた例である。これらによれば、３枚の平板電極を間隔を保持したまま固定することができるので、測定精度を維持することができる。
【００３３】
図９には、液面の揺れを抑制したスペーサＳの例を示している。
（ａ）は、電極面に液面と垂直方向の波板Ｓをスペーサとして設置した例である。波板Ｓを電極間に設置することで、間隔が保たれるとともに、液面を波打たせずに整流でき、液面変化による測定精度の低下を防止することができる。
また（ｂ）は、多孔質材Ｓをスペーサとして電極間に設置した例である。（ａ）と同様に液面の上下変動を抑制することができる。
【００３４】
なお、この液面変化の抑制は、容器が傾くことによりできる液面傾斜を抑えるものではなく、振動などによる液面の揺れを抑えるものである。
つまり、筐体４に設けた空気流通穴４ａにより、筐体４の外側の液体の状態（例えば傾斜）が内側に伝達され外側の液面状態を捉えることができ、かつ液面変化抑制スペーサにより、傾いたこと等により発生する振動による液面変化を抑制することができるものである。
【００３５】
図１０（ａ）、（ｂ）は、段差を設けた筐体兼用のスペーサを示した図である。このスペーサは１対で向かい合わせて使用する。
（ａ）はその一方を示した図である。スペーサ４Ｓは２つの段差を設けており、奥の段４Ｓａに外側電極１を設置し、次の段４Ｓｂに中央電極２を設置している（図１０（ａ）には外側電極１のみ図示）。
また、（ｂ）は１組のスペーサ４Ｓを向かい合わせたものの拡大平面図（（ａ）の矢印方向から見た図）である。他方のスペーサ４Ｓ（左側）は、奥の段４Ｓａにもう１つの外側電極３を配置している。そして、両方のスペーサ４Ｓ、４Ｓを向かい合わせて対にすれば１つの電極ユニットが形成される。
【００３６】
このように、１組の段差付きスペーサ４Ｓを使用すれば、３枚の平行平板電極１〜３の間隔を保持することができるとともに、スペーサ４Ｓがケースとしての役目も果たすので、図１で示したような筐体４で覆う必要もない。また、筐体スペーサ４Ｓには空気流通穴や液体流通穴を設ける必要がないので、容易に低コストで電極ユニットを作ることができる。
【００３７】
以上に示した各種スペーサは、例えばポリエチレン、シンジオタクチック・ポリスチレン、四フッ化エチレンなどの低誘電率の材質で形成されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の静電容量式液面センサの電極ユニットを示す図である。
【図２】本発明の静電容量式液面センサの取り付け例を示す図である。
【図３】本発明の静電容量式液面センサの内部構成を示すブロック図である。
【図４】演算内容を説明するための概略図であり、（ａ）は電極を配置した容器Ｖの正面図、（ｂ）は電極のみの斜視図を示している。
【図５】液位等の算出式を導出するための連立方程式である。
【図６】液位、誘電率、傾斜角度の算出式である。
【図７】スペーサの一例を示す図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）はスペーサの他例を示す図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は液面変化を抑制することができるスペーサ例を示す図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は筐体兼用のスペーサの例を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１〜３      平行平板電極
１，３      外側電極
２      中央電極
４      筐体
４ａ      空気流通穴
４ｂ      液体流通穴
Ｕ      電極ユニット
５      検出回路
５ｈ      演算部
Ｖ      容器
ｈ      液位
ｄ      電極間隔
ｌ      電極長
ｗ      電極幅
Ｓ      スペーサ
ＳＵ      スペーサユニット
４Ｓ      筐体兼用スペーサ
【図１】
2005308590.tif 000003
【図２】
2005308590.tif 000004
【図３】
2005308590.tif 000005
【図４】
2005308590.tif 000006
【図５】
2005308590.tif 000007
【図６】
2005308590.tif 000008
【図７】
2005308590.tif 000009
【図８】
2005308590.tif 000010
【図９】
2005308590.tif 000011
【図１０】
2005308590.tif 000012