JP2021131275A

JP2021131275A - 液体センサ

Info

Publication number: JP2021131275A
Application number: JP2020025743A
Authority: JP
Inventors: 達也小山; Tatsuya Koyama; 彰中津; Akira Nakatsu
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2021-09-09

Abstract

【課題】寄生容量の影響を受けない液体センサを提供する。【解決手段】液体センサは、少なくとも一部分が液体中に浸漬された状態で、液位を検出するように構成されている。液体センサは、基板と、送信回路と、位相検出回路と、制御回路とを備えている。基板においては、表面に伝送線路が形成されている。送信回路は、伝送線路に電気信号を送信するように構成されている。位相検出回路は、伝送線路を透過した電気信号の位相を検出するように構成されている。制御回路は、上記位相に基づいて上記液位を検出するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、液体センサに関する。

特開２０１３−０８８３７４号公報（特許文献１）は、燃料の液位を検出する燃料検出装置を開示する。この燃料検出装置は、基板上に設置された検出電極と、基板を内部に収容する筒状の対向電極とを備えている。この燃料検出装置においては、検出電極と対向電極との間の静電容量に基づいて、燃料の液位が検出される（特許文献１参照）。

特開２０１３−０８８３７４号公報

上記特許文献１に開示されるような方式は、電極間の静電容量を検出することによって燃料（液体）の液位を検出する。このような方式の場合、たとえば電極とグラウンドとの間において寄生容量が生じ得る。寄生容量の影響が大きくなると、液位検出の精度が低下する。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、寄生容量の影響を受けない液体センサを提供することである。

本発明に従う液体センサは、少なくとも一部分が液体中に浸漬された状態で、液位を検出するように構成されている。液体センサは、基板と、送信回路と、位相検出回路と、制御回路とを備えている。基板においては、表面に伝送線路が形成されている。送信回路は、伝送線路に電気信号を送信するように構成されている。位相検出回路は、伝送線路を透過した電気信号の位相を検出するように構成されている。制御回路は、上記位相に基づいて上記液位を検出するように構成されている。

伝送線路を伝播する電気信号の波長は、伝送線路の比誘電率の影響を受ける。すなわち、伝送線路の比誘電率によって、位相検出回路によって検出される位相は変化する。また、伝送線路の比誘電率は、伝送線路が液体中に浸漬されている割合によって変化する。すなわち、液体の液位と位相検出回路によって検出される位相とは相関を有する。この液体センサにおいては、伝送線路を透過した電気信号の位相に基づいて液体の液位が検出される。したがって、この液体センサによれば、電極間の静電容量に基づいた液位検出とは異なる方式が用いられているため、寄生容量の影響を受けずに液体の液位検出を行なうことができる。

上記液体センサは、液体の液位と電気信号の位相との関係を示す関係情報を記憶するメモリをさらに備え、制御回路は、関係情報及び上記位相に基づいて上記液位を検出するように構成されていてもよい。

上記液体センサにおいて、基板には各々の線路長が異なる複数の伝送線路が形成されており、送信回路は、複数の伝送線路の各々に電気信号を送信するように構成されており、位相検出回路は、複数の伝送線路の各々を透過した各電気信号の位相を検出するように構成されており、制御回路は、位相検出回路によって検出された各電気信号の位相に基づいて上記液位を検出するように構成されていてもよい。

上記液体センサにおいて、基板は、フッ素樹脂基板であってもよい。

この液体センサによれば、フッ素樹脂基板が耐候性及び耐薬性に優れるため、過酷環境でも燃料の液位を検出することができる。

本発明によれば、寄生容量の影響を受けない液体センサを提供することができる。

液体センサの構成を模式的に示す図である。図１のＩＩ−ＩＩ断面を模式的に示す図である。基板を模式的に示す平面図である。メモリに記憶されているテーブルを模式的に示す図である。液体センサの動作手順を示すフローチャートである。実施の形態２における基板を模式的に示す平面図である。実施の形態２における液体センサの動作手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［１．実施の形態１］
＜１−１．液体センサの構成＞
図１は、本実施の形態１に従う液体センサ１０の構成を模式的に示す図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面を模式的に示す図である。液体センサ１０は、車両等のオイルタンク内に取り付けられ、燃料（オイル）の残量（液位）を検出するように構成されている。すなわち、液体センサ１０は、少なくとも一部分が燃料中に浸漬された状態で、燃料の液位を検出する。

図１及び図２を参照して、液体センサ１０は、液体センサ本体１００と、検出ユニット２００と、ケーブル３００とを含んでいる。液体センサ本体１００においては、筒状のプラグ１０２内に基板１０４が収容されている。

たとえば、燃料の液位を検出する方法として、互いに対向する２つの電極を燃料中に浸漬し、該電極間の静電容量を検出することによって燃料の液位を検出する方式がある。このような方式の場合、たとえば電極とグラウンドとの間において寄生容量が生じ得る。寄生容量の影響が大きくなると、液位検出の精度が低下する。

詳細については後述するが、本実施の形態１においては、基板１０４上に伝送線路が形成されている。伝送線路を透過する電気信号の位相は、伝送線路の燃料への浸かり具合によって変化する。検出ユニット２００は、伝送線路を透過する電気信号の位相の変化を検出することによって、燃料の液位（残量）を検出する。したがって、液体センサ１０によれば、電極間の静電容量に基づいた液位検出とは異なる方式が用いられているため、寄生容量の影響を受けずに燃料の液位検出をすることができる。次に、基板１０４の構成について詳細に説明する。

＜１−２．基板の構成＞
図３は、基板１０４を模式的に示す平面図である。基板１０４は、いわゆるフッ素樹脂基板である。液体センサ１０によれば、フッ素樹脂基板が耐候性及び耐薬性に優れるため、過酷環境でも燃料の液位を検出することができる。

図３に示されるように、基板１０４の形状は、長辺及び短辺を有する略矩形状である。液体センサ１０（図１）の使用時に、基板１０４は、基板１０４の長辺が燃料の液面に垂直な方向に延びるように配置される。基板１０４上には、導体によって伝送線路１０６が形成されている。基板１０４上には、マイクロストリップ線路が形成されているといえる。

伝送線路１０６の一端には送信回路２１２が接続されており、伝送線路１０６の他端には位相検出回路２１４が接続されている。送信回路２１２は、制御回路２１０による制御に従って所定周波数のアナログ電気信号を伝送線路１０６に送信するように構成されている。位相検出回路２１４は、伝送線路１０６を透過したアナログ電気信号の位相を検出するように構成されている。本実施の形態１においては、位相検出回路２１４によって検出される位相に基づいて燃料の液位が検出される。なお、制御回路２１０、送信回路２１２、位相検出回路２１４及びメモリ２１６の各々は、検出ユニット２００に含まれている。以下、位相に基づいて燃料の液位が検出可能な理由について説明する。

伝送線路１０６におけるアナログ電気信号の伝播速度「Ｖ」に関しては、以下の式（１）が成り立つ。

なお、この式（１）において、「Ｃ」は真空中の光の速度を示し、「Ｅｒ１」は空気中に配置されている伝送線路１０６の実効誘電率を示し、「Ｅｒ２」は燃料中に配置されている伝送線路１０６の実効誘電率を示す。「Ａ」は伝送線路１０６の燃料中への浸漬割合（０−１）を示す。

また、伝送線路１０６におけるアナログ電気信号の伝播速度「Ｖ」に関しては、以下の式（２）が成り立つ。

なお、この式（２）において、「Ｆ」はアナログ電気信号の周波数を示し、「λ」はアナログ電気信号の波長を示す。上記式（１）（２）から以下の式（３）が導かれる。

式（３）から分かるように、伝送線路１０６の燃料中への浸漬割合「Ａ」が変化すると、伝送線路１０６を透過するアナログ電気信号の波長「λ」が変化する。アナログ電気信号の波長「λ」が変化することによって、位相検出回路２１４によって検出される位相が変化する。すなわち、燃料の液位と位相検出回路２１４によって検出される位相とは相関を有する。

メモリ２１６は、伝送線路１０６が燃料に浸漬されていない状態で送信回路２１２によってアナログ電気信号が送信された場合において、位相検出回路２１４が検出する位相（以下では、「デフォルト位相」とも称する。）を記憶している。また、メモリ２１６は、位相検出回路２１４によって検出された位相とデフォルト位相との位相差（以下、単に「位相差」とも称する。）と、燃料の液位との対応関係を管理するテーブルＴ１を記憶している。

図４は、テーブルＴ１を模式的に示す図である。図４に示されるように、テーブルＴ１においては、位相差毎に燃料の液位が対応付けられている。テーブルＴ１は、燃料の液位と位相差との関係を予め実験を通じて導くことによって生成されている。すなわち、本実施の形態１においては、基板１０４が浸漬される燃料の種類が予め特定されており、該燃料に基板１０４を浸漬した状態における位相差と液位との関係が予め実験的に導き出されている。

制御回路２１０は、位相検出回路２１４によって位相が検出されると、メモリ２１６に記憶されているデフォルト位相を参照することによって位相差を算出する。制御回路２１０は、メモリ２１６に記憶されているテーブルＴ１を参照し、算出された位相差に対応する液位を検出する。これにより、燃料の液位が検出される。検出された液位を示す情報は、たとえば、不図示のモニタに表示される。

＜１−３．液体センサの動作＞
図５は、液体センサ１０の動作手順を示すフローチャートである。図５に示される処理は、たとえば、制御回路２１０によって所定周期で繰り返し実行される。

図５を参照して、制御回路２１０は、アナログ電気信号を送信するように送信回路２１２を制御する（ステップＳ１００）。制御回路２１０は、位相検出回路２１４によって検出された位相と、メモリ２１６に記憶されているデフォルト位相とに基づいて、位相差を算出する（ステップＳ１１０）。制御回路２１０は、メモリ２１６に記憶されているテーブルＴ１を参照して、算出された位相差に対応付けられている燃料の液位を検出する（ステップＳ１２０）。これにより、燃料の液位が検出される。

＜１−４．特徴＞
以上のように、本実施の形態１に従う液体センサ１０において、制御回路２１０は、伝送線路１０６を透過したアナログ電気信号の位相に基づいて燃料の液位を検出する。したがって、本実施の形態１に従う液体センサ１０によれば、電極間の静電容量に基づいた液位検出とは異なる方式が用いられているため、寄生容量の影響を受けずに燃料の液位検出を行なうことができる。

［２．実施の形態２］
上記実施の形態１においては、基板１０４が浸漬される燃料の種類が予め特定されていた。本実施の形態２に従う液体センサは、基板１０４が浸漬される燃料の種類が予め特定されていない場合にも燃料の液位をある程度推定可能である。以下では、上記実施の形態１と異なる点を中心に説明し、重複する部分については説明を繰り返さない。

＜２−１．基板の構成＞
図６は、基板１０４Ａを模式的に示す平面図である。基板１０４Ａは、いわゆるフッ素樹脂基板である。本実施の形態２に従う液体センサによれば、フッ素樹脂基板が耐候性及び耐薬性に優れるため、過酷環境でも燃料の液位を検出することができる。

図６に示されるように、基板１０４Ａの形状は、長辺及び短辺を有する略矩形状である。本実施の形態２に従う液体センサの使用時に、基板１０４Ａは、基板１０４Ａの長辺が燃料の液面に垂直な方向に延びるように配置される。基板１０４Ａ上には、導体によって第１伝送線路１０８、第２伝送線路１１０及び第３伝送線路１１２が形成されている。第１伝送線路１０８、第２伝送線路１１０及び第３伝送線路１１２は、互いに線路長が異なる。基板１０４Ａ上には、複数のマイクロストリップ線路が形成されているといえる。

第１伝送線路１０８、第２伝送線路１１０及び第３伝送線路１１２の各々の一端には送信回路２１２Ａが接続されており、第１伝送線路１０８、第２伝送線路１１０及び第３伝送線路１１２の各々の他端には位相検出回路２１４Ａが接続されている。

送信回路２１２Ａは、制御回路２１０Ａによる制御に従って所定周波数のアナログ電気信号を第１伝送線路１０８、第２伝送線路１１０及び第３伝送線路１１２の各々に送信するように構成されている。位相検出回路２１４は、第１伝送線路１０８、第２伝送線路１１０及び第３伝送線路１１２の各々を透過したアナログ電気信号の位相を検出するように構成されている。

メモリ２１６Ａは、第１伝送線路１０８が燃料に浸漬されていない状態で送信回路２１２Ａによってアナログ電気信号が送信された場合において、位相検出回路２１４Ａが検出する位相（以下では、「第１デフォルト位相」とも称する。）を記憶している。また、メモリ２１６Ａは、第２伝送線路１１０が燃料に浸漬されていない状態で送信回路２１２Ａによってアナログ電気信号が送信された場合において、位相検出回路２１４Ａが検出する位相（以下では、「第２デフォルト位相」とも称する。）を記憶している。また、メモリ２１６Ａは、第３伝送線路１１２が燃料に浸漬されていない状態で送信回路２１２Ａによってアナログ電気信号が送信された場合において、位相検出回路２１４Ａが検出する位相（以下では、「第３デフォルト位相」とも称する。）を記憶している。

制御回路２１０Ａは、第１伝送線路１０８を透過したアナログ電気信号の位相と第１デフォルト位相との位相差がある場合には、燃料の液位がエリアＡ１に存在すると判定する。なお、「位相差がある」とは位相差が所定値以上であることを示し、「位相差がない」とは位相差が所定値未満であることを示す。

制御回路２１０Ａは、第１伝送線路１０８を透過したアナログ電気信号の位相と第１デフォルト位相との位相差がなく、第２伝送線路１１０を透過したアナログ電気信号の位相と第２デフォルト位相との位相差がある場合には、燃料の液位がエリアＡ２に存在すると判定する。

また、制御回路２１０Ａは、第１伝送線路１０８を透過したアナログ電気信号の位相と第１デフォルト位相との位相差がなく、第２伝送線路１１０を透過したアナログ電気信号の位相と第２デフォルト位相との位相差がなく、第３伝送線路１１２を透過したアナログ電気信号の位相と第３デフォルト位相との位相差がある場合には、燃料の液位がエリアＡ３に存在すると判定する。

また、制御回路２１０Ａは、第１伝送線路１０８を透過したアナログ電気信号の位相と第１デフォルト位相との位相差がなく、第２伝送線路１１０を透過したアナログ電気信号の位相と第２デフォルト位相との位相差がなく、第３伝送線路１１２を透過したアナログ電気信号の位相と第３デフォルト位相との位相差がない場合には、燃料の液位がエリアＡ４に存在すると判定する。

＜２−２．液体センサの動作＞
図７は、本実施の形態２に従う液体センサの動作手順を示すフローチャートである。図７に示される処理は、たとえば、制御回路２１０Ａによって所定周期で繰り返し実行される。

図７を参照して、制御回路２１０Ａは、第１伝送線路１０８、第２伝送線路１１０及び第３伝送線路１１２の各々にアナログ電気信号を送信するように送信回路２１２Ａを制御する（ステップＳ２００）。制御回路２１０Ａは、第１伝送線路１０８を透過したアナログ電気信号の位相と第１デフォルト位相との位相差、第２伝送線路１１０を透過したアナログ電気信号の位相と第２デフォルト位相との位相差、及び、第３伝送線路１１２を透過したアナログ電気信号の位相と第３デフォルト位相との位相差を検出する（ステップＳ２１０）。

制御回路２１０Ａは、第１伝送線路１０８を透過したアナログ電気信号の位相と第１デフォルト位相との位相差がないか否かを判定する（ステップＳ２２０）。位相差があると判定されると（ステップＳ２２０において「ＮＯ」）、制御回路２１０Ａは、燃料の液位がエリアＡ１（図６）に存在することを検出する（ステップＳ２３０）。

一方、位相差がないと判定されると（ステップＳ２２０において「ＹＥＳ」）、制御回路２１０Ａは、第２伝送線路１１０を透過したアナログ電気信号の位相と第２デフォルト位相との位相差がないか否かを判定する（ステップＳ２４０）。位相差があると判定されると（ステップＳ２４０において「ＮＯ」）、制御回路２１０Ａは、燃料の液位がエリアＡ２に存在することを検出する（ステップＳ２５０）。

一方、位相差がないと判定されると（ステップＳ２４０において「ＹＥＳ」）、制御回路２１０Ａは、第３伝送線路１１２を透過したアナログ電気信号の位相と第３デフォルト位相との位相差がないか否かを判定する（ステップＳ２６０）。位相差があると判定されると（ステップＳ２６０において「ＮＯ」）、制御回路２１０Ａは、燃料の液位がエリアＡ３に存在することを検出する（ステップＳ２７０）。

一方、位相差がないと判定されると（ステップＳ２６０において「ＹＥＳ」）、制御回路２１０Ａは、燃料の液位がエリアＡ４に存在することを検出する（ステップＳ２８０）。

＜２−３．特徴＞
以上のように、本実施の形態２に従う液体センサにおいて、制御回路２１０Ａは、第１伝送線路１０８、第２伝送線路１１０及び第３伝送線路１１２の各々を透過したアナログ電気信号の位相に基づいて燃料の液位を検出する。したがって、本実施の形態２に従う液体センサによれば、電極間の静電容量に基づいた液位検出とは異なる方式が用いられているため、寄生容量の影響を受けずに燃料の液位検出を行なうことができる。

［３．変形例］
以上、実施の形態１，２について説明したが、本発明は、上記実施の形態１，２に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。以下、変形例について説明する。

上記実施の形態１，２においては、基板上に１又は複数の伝送線路が形成された。しかしながら、各伝送線路の形状及び長さはこれらに限定されない。燃料の液位が変化した場合に、位相差が２πを越えない範囲において、各伝送線路の形状及び長さは適宜変更可能である。

また、上記実施の形態１において、テーブルＴ１は、位相差と液位との対応関係を管理した。しかしながら、テーブルＴ１によって管理される内容はこれに限定されない。テーブルＴ１は、たとえば、位相検出回路２１４によって検出される位相自体と液位との対応関係を管理してもよいし、位相検出回路２１４によって検出される位相差を何らかのルールで変換した値と液位との対応関係を管理してもよい。

また、上記実施の形態２において、伝送線路の数は３つであった。しかしながら、基板１０４Ａ上に形成される伝送線路の数はこれに限定されない。基板１０４Ａ上には、たとえば、２つの伝送線路が形成されてもよいし、４つ以上の伝送線路が形成されてもよい。

また、上記実施の形態１，２においては、液体センサ１０等がオイルタンク内に取り付けられ、燃料の液位（残量）が検出された。しかしながら、液体センサ１０等が検出する液位は、燃料の液位に限られない。液体センサ１０等は、たとえば、動作時に振動を伴なうタンク内に取り付けられ、水、各種水溶液（たとえば、酸性水溶液、アルカリ性水溶液）、アルコール類、溶剤類、オイル（たとえば、振動が発生する機器の差動オイル又は潤滑オイル）等の液位を検出してもよい。すなわち、液体センサ１０等は、少なくとも一部分が液体中に浸漬された状態で、液体の液位を検出すればよい。

１０液体センサ、１００液体センサ本体、１０２プラグ、１０４，１０４Ａ基板、１０６伝送線路、１０８第１伝送線路、１１０第２伝送線路、１１２第３伝送線路、２００検出ユニット、２１０，２１０Ａ制御回路、２１２，２１２Ａ送信回路、２１４，２１４Ａ位相検出回路、２１６，２１６Ａメモリ、３００ケーブル、Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４エリア、Ｔ１テーブル（関係情報）。

Claims

少なくとも一部分が液体中に浸漬された状態で、液位を検出するように構成された液体センサであって、
表面に伝送線路が形成された基板と、
前記伝送線路に電気信号を送信するように構成された送信回路と、
前記伝送線路を透過した電気信号の位相を検出するように構成された位相検出回路と、
前記位相に基づいて前記液位を検出するように構成された制御回路とを備える、液体センサ。
前記液位と前記位相との関係を示す関係情報を記憶するメモリをさらに備え、
前記制御回路は、前記関係情報及び前記位相に基づいて前記液位を検出するように構成されている、請求項１に記載の液体センサ。
前記基板には各々の線路長が異なる複数の伝送線路が形成されており、
前記送信回路は、前記複数の伝送線路の各々に電気信号を送信するように構成されており、
前記位相検出回路は、前記複数の伝送線路の各々を透過した各電気信号の位相を検出するように構成されており、
前記制御回路は、前記位相検出回路によって検出された各電気信号の位相に基づいて前記液位を検出するように構成されている、請求項１に記載の液体センサ。
前記基板は、フッ素樹脂基板である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液体センサ。