JP4115036B2 - 液面検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１次コイルと２次コイル間の磁気結合に変化を生じさせることによって、燃料タンク等に満たされた液体の液面の位置を検出する液面検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液面検出装置は、燃料タンク等のケーシング内部に満たされた液体（例えば、ガソリンやオイル等）の液面の高さを検出するものである。従来から知られている液面検出装置は、例えば、燃料タンクを形成するケーシング内に液面の上昇下降に応じて上下動する液面検出用フロートが設けられ、この液面検出用フロートの上下動に応じて変化する摺動式可変抵抗器の摺動抵抗値により該液体の液面の高さを検出することができるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の液面検出装置は、摺動式可変抵抗器の摺動抵抗値の変化（すなわち、液面の高さ）をスライド移動する摺動子（スライド刷子）の接触位置で検出するという機械的な方式、いわば接触方式によるものであった。そのため、摺動動作の繰り返しによる摺動子及びその摺動面における機械的摩耗や腐食等を避けることができず、耐久性に乏しく、それゆえ数年使用することによって液面高さの計測に誤差を生ずるようになる、という問題点があった。また、摺動式可変抵抗器で精密な測定を行なうようにするためには、摺動式可変抵抗器の機構部の構造を複雑かつ精密な構成としなければならない。しかし、そうすると装置が大型化してしまい、かつ、コストが高いものとなる、という問題点もあった。
【０００４】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、小型かつシンプルな構造を持つと共に、高精度な分解能で液面の検出が可能であり、かつ、摺動摩耗の心配のない耐久性に富んだ非接触式の液面検出装置を提供しようとするものである。
また、製造が極めて容易になるようなシンプルな構造を持つ液面検出装置を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る液面検出装置は、液体の液面の上昇下降に応じて上下に変位するフロート部材と、前記フロート部材の上下動に連動して、一方が他方に対して相対的に変位するように近接して配置された磁気応答部材及び検出部とを具備し、前記検出部は同相の交流信号によって励磁される複数のコイルであって、前記相対的変位の方向に沿って順次配列されてなるものとを含み、前記フロート部材の上昇下降に応じて前記磁気応答部材と前記コイルとの相対的位置が変化し、この相対的位置に応じて各コイルのインダクタンスを変化させ、前記磁気応答部材の端部が１つのコイルの一端から他端まで変位する間で該コイルの両端間電圧が漸増又は漸減するようにしたものであり、更に、前記各コイルの電圧をそれぞれ取り出し、それらを複数系列でそれぞれ加算及び／又は減算することにより、各系列毎に前記各コイルの前記両端間電圧の漸増又は漸減特性を合成し、前記検出対象位置に応じて所定の周期関数特性に従う振幅をそれぞれ示す複数系列の交流出力信号を生成するようにしたアナログ演算回路であって、該複数系列の各交流出力信号の振幅を規定する前記周期関数特性は所定位相だけ異なる同一特性の周期関数からなるものとを具え、前記交流出力信号の振幅に基づき液面位置データを得ることを特徴とする。これによれば、１次巻線のみを設ければよく２次巻線は不要であることから、当該装置を簡潔に構成でき、小型かつシンプルな構造の液面検出装置を提供することができる。
【０００６】
この発明における好ましい実施例としては、更に、前記アナログ演算回路で生成された複数系列の交流出力信号を入力し、該交流出力信号における振幅値の相関関係から該振幅値を規定する前記所定の周期関数における特定の位相値を検出し、検出した位相値に基づき位置検出データを生成する振幅位相変換部を具え、前記位置検出データを液面位置データとして用いるようにしてもよい。
この発明における好ましい実施例としては、前記磁気応答部材は磁石を含み、前記検出部は、前記磁石の相対的変位の方向に沿って所定範囲にわたって延びた磁性体コアを含み、前記磁石からの磁束を強く受ける該磁性体コアの所定箇所において磁気飽和を生じるものであり、前記フロート部材の上昇下降に応じて前記磁石と前記検出部の相対的位置が変化し、これに応じて前記磁性体コアにおいて磁気飽和を生じる前記所定箇所が変位し、この磁気飽和箇所の変位に応じた出力信号を前記巻線部より得ることによって液面の位置検出をなすようにしたものがある。
【０００７】
磁石に近接して配置された検出部においては、磁性体コアの所定箇所において、フロート部材に連動して相対的に変位する前記磁石からの磁束を強く受け、その部分で磁気飽和が生じるように構成されている。磁性体コアにおける磁気飽和状態となった箇所では、あたかもその箇所に磁性体コアが存在しないかのような状態となり、磁気結合度が著しく低下する。従って、このような磁気結合度の低下に応じた出力信号が巻線部から得られ、フロート部材の位置検出、つまり液面の高さの検出を行うことができる。すなわち、磁石の相対的変位の方向に沿って所定範囲にわたって延びた磁性体コアにおけるどの位置が磁気飽和状態となっているかを検出できるように巻線部を適切に配置するようにすれば、該所定範囲にわたる磁石の位置検出を連続的に検出することが可能である。なお、そのような巻線部の配置それ自体は、既に誘導型位置検出装置で公知の配置を適宜用いればよい。
【００１２】
以上から明らかなように、本発明によれば、磁気応答部材と検出部とを接触させる必要の無い非接触方式の液面検出装置として構成できることになり、したがって、摺動摩耗の心配のない耐久性に富んだ液面検出装置を提供することができる。また、小型かつシンプルな構造を持つと共に、広い範囲にわたって精密な測定が可能な液面検出装置を提供することができる。更には、製造が極めて容易になるようなシンプルな構造を持つ液面検出装置を提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る液面検出装置の一実施例を概略的に示した全体概略断面図である。図２は、図１に示した液面検出装置の検出部を特に拡大して詳細に示した一部拡大図である。なお、図２では図示の都合上、検出部６はまっすぐな直線状であるかのように図示したが、実際は磁石５の円弧状の揺動運動を追従できるように、図１に略示するように円弧状に配置されている。
燃料タンク１内部には、液面上に充分浮力を有する物体若しくは物質（例えば、中空体やウレタン等）により形成された液面検出用フロート２（以下、単にフロートと呼ぶ）が当該タンク１内の液体の液面上に浮いた状態に、かつ液面の変位に連動して上下動するように取付けられる。前記フロート２にはアーム３が接続され、また当該フロート２と反対側のアーム３の先端にはアーム３と支点Ｚを共有するようにして、アーム３と固定的に（あるいはギア等を介して）変位子４が接続されている。この変位子４の所定箇所には、永久磁石５が固定的に配置される。そのため、液面の変位に伴ってフロート２が上下動すると、アーム３及び変位子４を介して、永久磁石５は液面が変位した分だけ矢印Ｘ方向に往復動するようになっている。一方、タンク１外部には、前記磁石５の往復動の方向（矢印Ｘ方向）に沿うようにして検出部６が設置される。
検出部６は、磁石５の往復動方向（矢印Ｘ方向）に沿って所定範囲にわたって延びた磁性体コア７と、該磁性体コア７を介して磁気的に結合される１次巻線ＰＷ及び２次巻線Ｓ１〜Ｓ４とを含んでおり、タンク１本体を挟んで磁石５と対向する位置に近接配置される。例えば、検出部６は適当な非磁性ケーシングに収納されて、同じく非磁性ケーシングからなるタンク１本体の外周の所定位置に固定的に配置される。磁性体コア７は、比透磁率が大きく、保磁力の小さな珪素鋼などの磁性体からなり、その形状は細長の円柱状であってもよいし、珪素鋼板を積層して形成された細長の直方体形状等、適宜の形状であってもよい。この磁性体コア７の周囲に１次巻線ＰＷ及び２次巻線Ｓ１〜Ｓ４が所定の配置で巻回されている。なお、図示の都合上、検出部６における各巻線の径を大きく、また、磁性体コア７を太く、描いているが、実際は、これらをかなり細くすることができるので、検出部６は磁石５等に比べてかなり細い（薄い）ものである。
【００１４】
４つの２次巻線Ｓ１〜Ｓ４は、変位方向に関してそれぞれ異なる位置に配置されている。例えば、１つの２次巻線（Ｓ１〜Ｓ４）のコイル長をＰ／４とすると、４つの２次巻線Ｓ１〜Ｓ４の全体ではＰの長さとなる。１次巻線ＰＷは、２次巻線Ｓ１〜Ｓ４の全体をカバーするように設けられている。
磁石５が近接していない限り、磁性体コア７の存在によって１次巻線ＰＷと２次巻線Ｓ１〜Ｓ４との間の磁気結合度は大であり、２次巻線Ｓ１〜Ｓ４からは大きなレベルの誘導出力が得られる。しかし、長尺の磁性体コア７のいずれかの箇所に対して、そのときのフロート２の位置に応じて磁石５が近接すると、その箇所では、該磁石５から発される磁束を強く受け、磁気飽和状態となる。換言すれば、そのように磁石５が近接した磁性体コア７の箇所において部分的に磁気飽和状態となるように磁石５の性能及びサイズ等を決定するものとし、また、それに応じた適切な誘導出力の変化が得られるように、各巻線ＰＷ，Ｓ１〜Ｓ４のコイル長、巻数等を設定するものとする。
【００１５】
磁気飽和状態となった磁性体コア７の箇所では、１次及び２次巻線間の電磁誘導性能に関しては磁性体コア７が存在していない空状態と等価となり、１次及び２次巻線間の磁気結合度は低下する。よって、磁石５の近接に応じた、つまりフロート２の位置に応じた、誘導出力信号が各２次巻線Ｓ１〜Ｓ４から得られることになる。基本的にはこのような原理で、２次巻線Ｓ１〜Ｓ４の出力に基づきフロート２の位置、すなわち、液面の高さを検出することができることになる。
２次巻線Ｓ１〜Ｓ４の出力に基づき液面の高さの検出データを具体的に得るための構成は、種々有りうる。
最も、単純には、各２次巻線Ｓ１〜Ｓ４の出力レベルを単純に比較して、最もレベルの低い１つの２次巻線（Ｓ１〜Ｓ４のいずれか）が配置されている位置を現液面高さとして検出するやり方がある。ただし、この場合は、Ｐの範囲を４分割した分解能でしか検出することができない、という不利がある。このような発想の変形としては、２次巻線の数が１個のみ、又は４個以上でも４個未満でもよい、ということになる。タンク１内に液体がまったくない空状態（すなわち、液面の高さが最小状態）若しくはタンク１内に液体が充分満たされている満タン状態（すなわち、液面の高さが最高状態）のいずれかのみを検出する場合、そのような実施の形態も有りうる。すなわち、本発明では、２次巻線の数は４個に限ることなく、１又は任意の複数であってよい。あるいは、２個の２次巻線のみを差動接続して設け、差動トランスのように、フロート２の連続的な移動位置に対応するアナログ電圧を得ることも可能である。
【００１６】
しかし、図２に示した実施例は、以下に説明するレゾルバ原理に従う位置検出処理に最も適しているものであり、有利である。
図３は、レゾルバ原理に従う位置検出処理を行うために採用した、１次巻線ＰＷ及び２次巻線Ｓ１〜Ｓ４の結線状態を示す図である。１次巻線ＰＷは１相の交流信号（便宜上、ｓｉｎωｔで示す）によって励磁される。１つおきに配置された２次巻線Ｓ１とＳ３は差動接続されて、第１の出力交流信号Ａを生じる。もう一方の１つおきに配置された２次巻線Ｓ２とＳ４も差動接続されて、第２の出力交流信号Ｂを生じる。このことは、概ね、範囲Ｐにおける磁石５の変位に応じた、磁性体コア７における磁気飽和箇所の移動を、０度≦θ≦３６０度、なる角度表示で示すとすると、２次巻線Ｓ１における誘導出力の関数はｓｉｎθで表わすことができ、次の２次巻線Ｓ２における誘導出力の関数はｃｏｓθで表わすことができ、次の２次巻線Ｓ３における誘導出力の関数は−ｓｉｎθで表わすことができ、次の２次巻線Ｓ４における誘導出力の関数は−ｃｏｓθで表わすことができることによる。換言すれば、概ねそのような関係が得られるように設計するのである。なお、磁性体コア７に生じる磁気飽和による磁気結合変化が一方向であることを考慮すると、厳密には１つの２次巻線（例えばＳ１）における誘導出力の関数は０度≦θ≦３６０度の全範囲では回らないが、１つおきに配置された２個の２次巻線を差動接続していることにより、そのことが可能となっている。
【００１７】
よって、概ね、範囲Ｐにおける磁石５の変位に応じて、一方の２次巻線Ｓ１，Ｓ３の差動接続から得られる第１の出力交流信号Ａはサイン関数の振幅関数ｓｉｎθを持つもの、つまりＡ＝ｓｉｎθｓｉｎωｔで表わすことができるものとなり、他方の２次巻線Ｓ２，Ｓ４の差動接続から得られる第２の出力交流信号Ｂはコサイン関数の振幅関数ｃｏｓθを持つもの、つまりｃｏｓθｓｉｎωｔで表わすことができるものとなる。
こうして、図２及び図３のような配置及び巻線構成によれば、従来知られたレゾルバにおいて得られるのと同様の、同相交流であって２相の振幅関数を持つ２つの出力交流信号（サイン出力とコサイン出力）を液面検出装置において得ることができることが理解できる。従って、本発明の液面検出装置において得られる２相の出力交流信号（Ａ＝ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔとＢ＝ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ）は、従来知られたレゾルバの出力と同様の使い方若しくは処理をすることができる。例えば、適切なディジタル又はアナログ位相検出回路２２を使用して、上記２相の出力交流信号Ａ，Ｂにおけるサイン関数ｓｉｎθとコサイン関数ｃｏｓθの位相値θをディジタル又はアナログで測定することができる。これにより、連続的な液面の高さを高分解能で検出することができる。
【００１８】
なお、図２の構成において、図４に示すように、１次巻線と２次巻線の関係を逆にして、公知の位相シフトタイプ位置検出器のように構成してもよい。すなわち、４つの巻線Ｓ１〜Ｓ４を１次巻線とし、巻線ＰＷを２次巻線とする。この場合、一方の差動接続された１次巻線Ｓ１，Ｓ３の対を例えばサイン相の交流信号ｓｉｎωｔによって励磁し、他方の差動接続された１次巻線Ｓ２，Ｓ４の対を例えばコサイン相の交流信号ｃｏｓωｔによって励磁する。そうすると、１次巻線Ｓ１，Ｓ３による２次側の誘導出力は前記から例えばｓｉｎθ・ｓｉｎωｔに相当するものとなり、また、１次巻線Ｓ２，Ｓ４による２次側の誘導出力は前記から例えばｃｏｓθ・ｃｏｓωｔに相当するものとなる。よって、２次巻線ＰＷに得られるこれらの合成出力は、液面高さに応じた電気的位相シフトθを含む信号（例えばこれをｓｉｎ（ωｔ＋θ）で示す）となる。この出力信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）における電気的位相シフトθを公知の位相測定回路９で、ディジタル的に又はアナログ的に検出するようにすればよい。この場合も、連続的な液面の高さを高分解能で検出することができる。
【００１９】
上述の実施例に係る液面検出装置において、図５に示すようにフロート２に直接永久磁石５を配置するようにしてもよい。ただし、この場合にはタンク１内部に隔壁８を設置して、磁石５が常時検出部６に近接するようにしておく必要がある。さらに、図６に示すように、永久磁石５を配置したフロート２と共に検出部６をタンク１内部に収納するようにしてもよい。ただし、この場合にも、磁石５を常時検出部６に近接するようにしなければならないことは言うまでもない。そこで、図６に示した実施例においては、永久磁石５を設置したフロート２を検出部６の形状（図に直交する方向の断面形状）と同様の形状に構成して、常時磁石５が検出部６に近接するようにしている。例えば、検出部６が円柱形状であるような場合では、フロート２をドーナツ型に形成し、フロート中央の孔の部分に検出部６を通すようにする。こうすれば、磁石２が検出部６から離れることがなく、常時近接した状態となる。このようにした場合、磁石５はフロート２中央の検出部６に対向する面に設置するのが一番よいが、磁石５の変位に伴って、２次巻線Ｓ１〜Ｓ４から出力交流信号が得られればどこに設置してもよい。
【００２０】
図７は、本発明の別の実施例に係る液面検出装置を概念的に示した概念図である。
図７は液面検出装置の別の実施形態を示すもので、内側の壁面６１が非磁性の性質を持ち、外側の壁面６２が非磁性または磁性の性質を持つ物質からなる、例えば円柱や直方体といったような適宜の形状をなし、かつ内側の壁面６１と外側の壁面６２が上面及び下面で一体的に接続された筒状体に検出部６が構成されている。この内側６１及び外側６２の壁面で囲まれる所定の密閉された空間の中に、１次巻線ＰＷおよび２次巻線Ｓ１〜Ｓ４が巻き回されている。２次巻線Ｓ１〜Ｓ４は、１次巻線ＰＷに比べて大径であり１次巻線ＰＷの外側に巻かれる格好になっている。図７では図２と同様に、各々のコイル長Ｐ／４の２次巻線Ｓ１〜Ｓ４が４つ、そして１次巻線ＰＷが２次巻線Ｓ１〜Ｓ４全体をカバーするようにして所定の位置に設けられている。
フロート２は、比透磁率が大きく、保磁力の小さな珪素鋼などの磁性体からなる薄板や細線を包合した、液体に対して充分浮力を有する物体・物質により構成され、その形状は細長の円柱状であってもよいし、珪素鋼板を積層して形成された細長の直方体形状等、適宜の形状であってよい。ただし、後述するように内側壁面６１に沿って自由にフロート２が上下動できる形状、大きさでなくてはならない。すなわち、少なくとも内側壁面６１の直径よりもフロート２の直径を小さく構成しなければならない。
【００２１】
前記フロート２は、当該筒状体の内側壁面６１に近接配置され、かつ内側壁面６１に沿って該タンク１内における液面の高さの変化に連動して直線的にかつ往復的に変位可能となっている。また、このフロート２が変位する経路の周囲に、１次巻線ＰＷ及び２次巻線Ｓ１〜Ｓ４が所定の配置で固定的に巻き回されている。かくして、磁性体を含むフロート２は液面の変化に連動して検出部６に対して相対的に直線的に変位する。
【００２２】
このような構成によっても、既に上述した別の実施例と同じようにして１次巻線ＰＷを１相の交流信号によって励磁することにより、２次巻線Ｓ１〜Ｓ４に位置検出出力信号を出力させ、それにより液面の高さを検出できるようになる。すなわち、比透磁率の大きい磁性体の位置が相対的に変化することにより、１次巻線ＰＷと２次巻線間Ｓ１〜Ｓ４の磁気結合が液面高さに応じて変化され、これにより、液面高さに応じて振幅変調された誘導出力交流信号が、各２次巻線Ｓ１〜Ｓ４に誘起される。したがって、先にあげた実施例と同様に位相検出回路２２を介することにより、当該実施例においても液面高さを検出することができる。勿論、当該実施例においても、上述のレゾルバ型の位置検出だけでなく、位相シフト型の位置検出ができることは言うまでもない。
なお、上述の実施例ではフロート２に磁性体を配置した関係上、検出部６を液体中に構成し、当該磁性体に検出部６が対向するようにしているが、フロート２と磁性体とを別々に構成して互いに連動して移動させるようにした場合、検出部６は液体中に構成しなくてもよい。
【００２３】
また、上述した各実施例において、１次巻線ＰＷを内側に、２次巻線Ｓ１〜Ｓ４を外側にして検出部を構成したが、その逆に１次巻線ＰＷを外側に、２次巻線Ｓ１〜Ｓ４を内側にして検出部６を構成したとしても、上述したような位置検出が行なえることに何ら変わりはない。
【００２４】
図８は、液面検出装置の別の実施形態を概念的に示す概念図である。図１に示した実施例と同様に、燃料タンク１内部には、液面上に充分浮力を有する物体若しくは物質（例えば、中空体やウレタン等）により形成された液面検出用フロート２（以下、単にフロートと呼ぶ）が当該タンク１内の液体の液面上に浮いた状態に、かつ液面の変位に連動して上下動するように取付けられる。前記フロート２にはアーム３が接続され、また当該フロート２と反対側のアーム３の先端にはアーム３と支点Ｚを共有するようにして、アーム３と固定的に（あるいはギア等を介して）変位子４が接続されている。この変位子４には、磁気応答部材１１が固定的に配置され、液面の変位に伴ってフロート２が上下動すると、磁気応答部材１１はアーム３及び変位子４を介して液面が変位した分だけ矢印Ｙ方向に幾分円弧状に往復動するようになっている。本実施例において、液面が上昇した場合には磁気応答部材１１が右方向に進行（変位）するし、反対に液面が下降した場合には磁気応答部材１１が左方向に進行（変位）する。そして、検出部６はこの磁気応答部材１１の変位を検出する。
【００２５】
図９は、サイン及びコサイン関数特性を示す振幅をそれぞれ持つ２つの交流出力信号において、電気角で０度から３６０度までのフルの範囲での振幅変化が得られるようにする検出部６の実施例を示す。図９（Ａ）は、この実施例に係る液面検出装置の検出部６におけるコイル部１０と磁気応答部材１１との物理的配置関係の一例を外観略図によって示すもの、同図（Ｂ）はそのコイル軸方向断面略図、同図（Ｃ）は該コイル部１０の電気回路の一例を示す図である。上述したように、図９に示す液面検出装置における検出部６は、液面を磁気応答部材１１の直線位置で検出するものであり、例えば、コイル部１０が相対的に固定されており、磁気応答部材１１が液面の変位に応じて（つまり、フロート２の変位に応じて）相対的に直線変位する。コイル部１０は、巻数、コイル長等の性質が同等の６つのコイルＬα，ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤ，Ｌβを、磁気応答部材１１の変位方向（矢印Ｙ方向：図８参照）に沿って順次配列してなる。磁気応答部材１１は、例えば棒状の鉄のような磁性体からなり、コイル部１０のコイル空間内に侵入する。一例として、図８において右方向に磁気応答部材１１が進行するとき（すなわち、液面が上昇した場合）、磁気応答部材１１の先端１１ａが、最初にコイルＬαに侵入し、次に、コイルＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤの順に侵入していき、最後にコイルＬβに侵入する。２点鎖線１１‘は最後のコイルＬβにまで侵入した磁気応答部材１１を示している。
【００２６】
真中の４つのコイルＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤに対応する範囲が有効検出範囲である。１つのコイルの長さをＫとすると、その４倍の長さ４Ｋが有効検出範囲となる。有効検出範囲の前後に１づつ設けられたコイルＬα，Ｌβは補助コイルである。補助コイルＬα，Ｌβは、コサイン関数特性を忠実に得ることができるようにするために設けたものであり、精度をそれほど追及しない場合は、省略可能である。
【００２７】
図９（Ｃ）に示すように、各コイルＬα，ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤ，Ｌβは、交流電源１２から発生される所定の１相の交流信号（仮にｓｉｎωｔで示す）によって定電圧又は定電流で励磁される。各コイルＬα，ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤ，Ｌβの両端間電圧をそれぞれＶα，ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤ，Ｖβで示すと、このそれぞれの電圧Ｖα，ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤ，Ｖβを取り出すために、端子１３〜１９が設けられている。容易に理解できるように、各コイルＬα，ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤ，Ｌβは、物理的に切り離された別々のコイルである必要はなく、一連のコイルの全長を６等分する位置に端子１３〜１９を設けるだけでよい。すなわち、端子１３，１４間のコイル部分がコイルＬαとなり、端子１４，１５間のコイル部分がコイルＬＡ、端子１５，１６間のコイル部分がコイルＬＢ、端子１６，１７間のコイル部分がコイルＬＣ、端子１７，１８間のコイル部分がコイルＬＤ、端子１８，１９間のコイル部分がコイルＬβ、となる。各コイルの出力電圧Ｖα，ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤ，Ｖβは、アナログ演算回路２０及び２１に所定の組み合わせで入力され、所定の演算式に従って加算又は減算されることで、各アナログ演算回路２０及び２１から検出対象位置に応じたサイン及びコサイン関数特性を示す振幅をそれぞれ持つ２つの交流出力信号（つまり互に９０度位相のずれた振幅関数特性を持つ２つの交流出力信号）が生成される。例示的に、アナログ演算回路２０の出力信号をｓｉｎθｓｉｎωｔで示し、アナログ演算回路２１の出力信号をｃｏｓθｓｉｎωｔで示す。アナログ演算回路２０及び２１は、オペアンプＯＰ１，ＯＰ２と抵抗回路群ＲＳ１，ＲＳ２とを含んで構成される。
なお、図８及び図９では図示の都合上、検出部６のコイル部１０及び磁気応答部材１１はまっすぐな直線状であるかのように図示したが、実際には磁気応答部材１１は緩やかな円弧運動をするので、この円弧運動にあわせた円弧状をなしていることは勿論である。
【００２８】
以上の構成により、磁気応答部材１１の各コイルに対する近接又は侵入の度合いが増すほど該コイルの自己インダクタンスが増加し、該部材の端部が１つのコイルの一端から他端まで変位する間で該コイルの両端間電圧が漸増する。複数のコイルＬα，ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤ，Ｌβが検出対象の変位方向に沿って順次配列されてなることにより、これらコイルに対する磁気応答部材の位置が、検出対象の変位に応じて相対的に変位するにつれ、図１０（Ａ）に例示するように、各コイルの両端間電圧Ｖα，ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤ，Ｖβの漸増変化が順番に起こる。図１０（Ａ）において、或るコイルの出力電圧が傾斜している区間において、当該コイルの一端から他端に向かって磁気応答部材１１の端部が変位していることになる。典型的には、磁気応答部材１１の端部が或る１つのコイルの一端から他端まで変位する間に生じる該コイルの両端間電圧の漸増変化カーブは、サイン又はコサイン関数における９０度の範囲の関数値変化になぞらえることができる。そこで、各コイルの出力電圧Ｖα，ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤ，Ｖβをそれぞれ適切に組み合わせて加算及び／又は減算することにより、検出対象位置に応じたサイン及びコサイン関数特性を示す振幅をそれぞれ持つ２つの交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔを生成することができる。
【００２９】
すなわち、アナログ演算回路２０では、コイルＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤの出力電圧ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤを下記式（１）のように演算することで、図１０（Ｂ）に示すようなサイン関数特性の振幅カーブを示す交流出力信号を得ることができ、これは、等価的に「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」で示すことができる。
（ＶＡ−ＶＢ）＋（ＶＤ−ＶＣ） …式（１）
【００３０】
また、アナログ演算回路２１では、コイルＬα，ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤ，Ｌβの出力電圧Ｖα，ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤ，Ｖβを下記式（２）のように演算することで、図１０（Ｂ）に示すようなコサイン関数特性の振幅カーブを示す交流出力信号を得ることができる。なお、図１０（Ｂ）に示すコサイン関数特性の振幅カーブは、実際はマイナス・コサイン関数特性つまり「−ｃｏｓθｓｉｎωｔ」であるが、サイン関数特性に対して９０度のずれを示すものであるからコサイン関数特性に相当するものである。従って、これをコサイン関数特性の交流出力信号といい、以下、等価的に「ｃｏｓθｓｉｎωｔ」で示す。
（ＶＡ−Ｖα）＋（ＶＢ−ＶＣ）＋（Ｖβ−ＶＤ） …式（２）
なお、式（２）の演算に代えて、下記の式（２'）の演算を行なってもよい。（ＶＡ−Ｖα）＋（ＶＢ−ＶＣ）−ＶＤ …式（２'）
【００３１】
なお、式（２）で求めたマイナス・コサイン関数特性の交流出力信号「−ｃｏｓθｓｉｎωｔ」を電気的に１８０度位相反転処理することで、実際に、ｃｏｓθｓｉｎωｔで示される信号を生成し、これをコサイン関数特性の交流出力信号としてもよい。しかし、後段の位相検出回路（振幅位相変換回路）２２で、例えば、コサイン関数特性の交流出力信号を「−ｃｏｓθｓｉｎωｔ」の形で減算演算に使用するような場合は、マイナス・コサイン関数特性の交流出力信号「−ｃｏｓθｓｉｎωｔ」のままで使用すればよい。なお、式（２）の演算に代えて、下記の式（２"）の演算を行なえば、実際にコサイン関数特性の交流出力信号「ｃｏｓθｓｉｎωｔ」を生成することができる。
（Ｖα−ＶＡ）＋（ＶＣ−ＶＢ）＋（ＶＤ−Ｖβ） …式（２"）
【００３２】
各交流出力信号の振幅成分であるサイン及びコサイン関数における位相角θは、検出対象位置に対応しており、９０度の範囲の位相角θが、１個のコイルの長さＫに対応している。従って、４Ｋの長さの有効検出範囲は、位相角θの０度から３６０度までの範囲に対応している。よって、この位相角θを検出することにより、４Ｋの長さの範囲における検出対象位置をアブソリュートで検出することができる。
【００３３】
ここで、温度特性の補償について説明すると、温度に応じて各コイルのインピーダンスが変化し、その出力電圧Ｖα，ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤ，Ｖβも変動する。例えば、図１０（Ａ）で実線のカーブに対して破線で示すように各電圧が一方向に増加または減少変動する。しかし、これらを加減算合成したサイン及びコサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔにおいては、図１０（Ｂ）で実線のカーブに対して破線で示すように正負両方向の振幅変化として表れる。これを振幅係数Ａを用いて示すと、Ａｓｉｎθｓｉｎωｔ及びＡｃｏｓθｓｉｎωｔとなり、この振幅係数Ａが周辺環境温度に応じて変化することとなり、この変化は２つの交流出力信号において同じように現われる。ここから明らかなように、温度特性を示す振幅係数Ａは、それぞれのサイン及びコサイン関数における位相角θに対して影響を及ぼさない。従って、この実施形態においては、自動的に温度特性の補償がされていることとなり、精度のよい位置検出が期待できる。
【００３４】
サイン及びコサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔにおける振幅関数ｓｉｎθ及びｃｏｓθの位相成分θを、位相検出回路（若しくは振幅位相変換手段）２２で計測することで、検出対象位置をアブソリュートで検出することができる。この位相検出回路２２としては、例えば本出願人の出願に係る特開平９−１２６８０９号公報に示された技術を用いて構成するとよい。あるいは、公知のレゾルバ出力を処理するために使用されるＲ−Ｄコンバータを、この位相検出回路２２として使用するようにしてもよい。
【００３５】
なお、図１０（Ｂ）に示すように、サイン及びコサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔにおける振幅特性は、角度θと検出対象位置ｘとの対応関係が線形性を持つものとすると、真のサイン及びコサイン関数特性を示していない。しかし、位相検出回路２２では、見かけ上、この交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔをそれぞれサイン及びコサイン関数の振幅特性を持つものとして位相検出処理する。その結果、検出した位相角θは、検出対象位置ｘに対して、線形性を示さないことになる。しかし、位置検出にあたっては、そのように、検出出力データ（検出した位相角θ）と実際の検出対象位置との非直線性はあまり重要な問題とはならない。つまり、所定の反復再現性をもって位置検出を行なうことができればよいのである。また、必要とあらば、位相検出回路２２の出力データを適宜のデータ変換テーブルを用いてデータ変換することにより、検出出力データと実際の検出対象位置との間に正確な線形性を持たせることが容易に行なえる。よって、本発明でいうサイン及びコサイン関数の振幅特性を持つ交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔとは、真のサイン及びコサイン関数特性を示していなければならないものではなく、図１０（Ｂ）に示されるように、実際は三角波形状のようなものであってよいものであり、要するに、そのような傾向を示していればよい。つまり、サイン等の三角関数に類似した周期関数であればよい。なお、図１０（Ｂ）の例では、観点を変えて、その横軸の目盛をθと見立ててその目盛が所要の非線形目盛からなっているとすれば、横軸の目盛をｘと見立てた場合には見かけ上三角波形状に見えるものであっても、θに関してはサイン関数又はコサイン関数ということができる。
【００３６】
サイン及びコサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔにおける振幅関数ｓｉｎθ及びｃｏｓθの位相成分θの変化範囲は、上記実施例のような０度から３６０度までのフル範囲での変化に限らず、それよりも狭い限られた角度範囲での変化であってもよい。その場合は、コイルの構成を簡略化することができる。微小変位検出を目的とする場合などは有効検出範囲は狭くてもよいので、そのような場合に、検出可能位相範囲は３６０度未満の適宜の範囲であってよい。その他、検出目的に応じて、検出可能位相範囲が３６０度未満の適宜の範囲であってよい場合が種々あるので、そのような場合に適宜応用可能である。以下、それらの変形例について示す。
【００３７】
図１１は、０度から１８０度までの範囲での位相変化を生じさせることができる実施例を示す。この場合、コイル部１０は、有効検出範囲に対応する２つのコイルＬＡ，ＬＢとその前後に１づつ設けられた補助コイルＬα，Ｌβとによって構成される。アナログ演算回路２３では、各コイルの端子間電圧Ｖα，ＶＡ，ＶＢ，Ｖβを入力し、例えば、下記式（３）のように演算することでサイン関数特性の振幅カーブを示す交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔを生成し、下記式（４）のように演算することでコサイン関数特性の振幅カーブを示す交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを生成する。
ＶＡ−ＶＢ …式（３）
（ＶＡ−Ｖα）＋（ＶＢ−Ｖβ） …式（４）
【００３８】
前出の図１０を併せて参照すれば容易に理解できるように、式（３）の演算により、０度〜１８０度の範囲についての、サイン関数特性の振幅カーブを示す交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔを生成することができる。また、式（４）の演算により、−９０度〜０度〜９０度〜１８０度〜２７０度の範囲についての、コサイン関数特性の振幅カーブを示す交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを生成することができる。補助コイルＬβを省略できること前述と同様である。この場合、振幅関数の位相角成分θを検出することにより、２つのコイルＬＡ，ＬＢのコイル長２Ｋに相当する長さの範囲における検出対象位置をアブソリュートで検出することができる。なお、演算式は上記に限らず、適宜設定可能である。すなわち、１８０度の幅の位相変化をどの角度範囲で生じさせるかによって、適宜演算式を変更することができる。例えば、１８０度から３６０度の角度範囲に対応して有効な位相変化を生じさせる場合は、「（Ｖα−ＶＡ）＋（Ｖβ−ＶＢ）」の演算式によってサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔを生成し、「ＶＢ−ＶＡ」の演算式によってコサイン関数特性の交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを生成することができる。
【００３９】
図１２は、０度から９０度までの範囲での位相変化を生じさせることができる実施例を示す。この場合、コイル部１０は、有効検出範囲に対応する１つのコイルＬＡとその前後に１づつ設けられた補助コイルＬα，Ｌβとによって構成される。アナログ演算回路２４では、各コイルの端子間電圧Ｖα，ＶＡ，Ｖβを入力し、例えば、下記式（５）のように演算することでサイン関数特性の振幅カーブを示す交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔを生成し、下記式（６）のように演算することでコサイン関数特性の振幅カーブを示す交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを生成する。
ＶＡ−Ｖβ …式（５）
ＶＡ−Ｖα …式（６）
【００４０】
これも、前出の図１０を併せて参照すれば容易に理解できるように、式（５）の演算により、０度〜９０度〜１８０度の範囲についての、サイン関数特性の振幅カーブを示す交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔを生成することができる。また、式（６）の演算により、−９０度〜０度〜９０度の範囲についての、コサイン関数特性の振幅カーブを示す交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを生成することができる。よって、有効検出範囲として０度〜９０度の範囲を確保することができる。この場合も、演算式は上記に限らず、適宜設定可能である。すなわち、９０度の幅の位相変化をどの角度範囲で生じさせるかによって、適宜演算式を変更することができる。
【００４１】
図１３は、コイル部１０及び磁気応答部材１１の別の構成例を示す側面及び断面図である。この場合、各コイルＬα，ＬＡ〜ＬＤ，Ｌβの相互の配置間隔は、図９の例と同様に、Ｋであるが、各コイルの長さが短くなっている。すなわち、隣接する各コイルＬα，ＬＡ〜ＬＤ，Ｌβは図９のように密接している必要はなく、適宜離隔していてもよい。磁気応答部材１１の先端１１ａは、とがった、先細りの形状をしている。例えば、ほぼＫぐらいの長さの先端部分が先細りの形状をしている。これにより、磁気応答部材１１の先端１１ａの移動にともなうコイルのインダクタンス変化を滑らかな漸増（若しくは漸減）変化特性とすることができる。勿論、図９のように各コイルＬα，ＬＡ〜ＬＤ，Ｌβが密接して配置されている場合も、磁気応答部材１１の先端１１ａを適宜先細りの形状としてもよい。
【００４２】
また、上記各実施例において、磁気応答部材１１としては、磁性体に限らず、銅やアルミニウムのような非磁性良導電体を使用してもよい。その場合は、磁気応答部材１１の近接につれて渦電流損によりコイル端子間電圧が漸減することとなる。また、磁性体と導電体とを組み合わせたハイブリッドタイプとしてもよい。その場合、例えば、図１４に示すように、磁気応答部材１１の先端部分１１ａにおいて、非磁性良導電体１１ｂの先細り形状を構成し、先細りによる非磁性良導電体１１ｂの減少を補うように磁性体１１ｃを配置するとよい。
【００４３】
別の実施形態として、磁気応答部材１１として永久磁石を含み、コイル部１０の各コイルには鉄心コアを含むようにしてもよい。図１５は、その一例を示すもので、磁気応答部材１１として機能する永久磁石１１Ｍは、例えば中空リング状をなしており、このリング空間内にコイル部１０が入り込むようになっている。コイル部１０の各コイルＬα，ＬＡ〜ＬＤ，Ｌβの軸心空間には鉄心コア３１が挿入されており、該鉄心コア３１が磁気飽和状態となるようにコイルが励磁される。永久磁石１１Ｍが、いずれかのコイルに接近するとその近接箇所に対応する鉄心コア３１が部分的に過飽和状態となり、該コイルの端子間電圧が低下する。永久磁石１１Ｍが１つのコイルの一端から他端まで変位する間で該コイルの両端間電圧が漸減するように、該永久磁石１１Ｍの長さは少なくともコイル長Ｋに相当する長さを持つ。このように、磁気応答部材１１として永久磁石１１Ｍを使用する場合も、上記非磁性良導電体１１ｂを用いる場合と同様に、磁気応答部材１１つまり永久磁石１１Ｍが１つのコイルの一端から他端まで変位する間で該コイルの両端間電圧の漸減変化を引き起こさせることができる。ただし、図１５の例では、或るコイルの箇所を永久磁石１１Ｍが通り過ぎてしまうと、また飽和状態に戻るが、後段のアナログ演算を適切に行なうことで所望のサイン及びコサイン関数特性の出力振幅レベル変化が得られるようにすればよい。あるいは、磁気応答部材１１として永久磁石１１Ｍを連続的に複数配置することにより、過飽和状態が持続するようにしてもよい。永久磁石１１Ｍはリング状のものに限らず、棒状等その他形状であってもよい。その場合、軸心方向に平行にその近傍を永久磁石１１Ｍからなる磁気応答部材１１が通過する配置構成からなる。
【００４４】
更に、上記各実施例においては、サイン及びコサイン関数の振幅特性を持つ２つの出力交流信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔを生成する例（いわばレゾルバタイプの２相出力を生ずる例）について説明したが、これに限らず、所定位相ずれを示す３以上の三角関数の振幅特性を持つ３以上の出力交流信号（例えば、ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ、ｓｉｎ（θ−１２０°）・ｓｉｎωｔ及びｓｉｎ（θ−２４０°）・ｓｉｎωｔ）を出力するように構成してもよい。
なお、配置するコイルＬＡ〜ＬＤの数は４以上であってもよい。
また、上記各実施例においては、コイル部１０を固定しているが、反対に磁石５あるいは磁気応答部材１１を固定し、コイル部１０をフロート２の上昇下降にあわせて移動可能にして、磁石５あるいは磁気応答部材１１に対して変位するように構成してもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上の通り、この発明によれば、非接触の検出方法により液面の高さを検出させることができるようになるので、摺動摩耗の心配のない耐久性に富んだ液面検出装置を提供することができる。また、小型かつシンプルな構造を持つと共に、広い範囲にわたる連続的な液面検出可能な液面検出装置を提供することができる。更には、製造が極めて容易になるようなシンプルな構造を持つ液面検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る液面検出装置の一実施の形態に係る全体概略構成を示す正面概略図。
【図２】 図１に示した液面検出装置の一部を拡大して示す一部断面拡大図。
【図３】 図１における検出部の１次及び２次巻線の結線例を示す図。
【図４】 図１における検出部の１次及び２次巻線の別の結線例を示す図。
【図５】 本発明に係る液面検出装置の別の実施例を示す断面図。
【図６】 本発明に係る液面検出装置の別の実施例を示す断面図。
【図７】 本発明に係る液面検出装置の別の実施例を示す断面図。
【図８】 本発明に係る液面検出装置の別の実施例を示す概念図。
【図９】 図８に示した液面検出装置の一実施例を示すものであって、（Ａ）は概観略図、（Ｂ）はコイル軸方向の断面図、（Ｃ）はコイル部に関連する電気回路図。
【図１０】 図９の液面検出装置の検出動作説明図。
【図１１】 図９の液面検出装置の別の実施例を示す、コイル部に関連する電気回路図。
【図１２】 図９の液面検出装置の更に別の実施例を示す、コイル部に関連する電気回路図。
【図１３】 図９に関する各実施例におけるコイル配置の更に別の変形例及び磁気応答部材の先端形状の変形例を示す断面略図。
【図１４】 図９に関する各実施例において磁気応答部材を磁性体と導電体によりハイブリッド構成する一例を略示する平面図。
【図１５】 図９に関する各実施例において磁気応答部材として永久磁石を含んで構成する一例を略示する斜視図。
【符号の説明】
１ 燃料タンク
２ フロート
３ アーム
４ 変位子
５ 永久磁石
６ 検出部
６１ 検出部内壁
６２ 検出部外壁
７ 磁性体コア
８ タンク内隔壁
９ 位相測定回路
１０ コイル部
１１ 磁気応答部材
１１ａ 先端部分
１１ｂ 導電体
１１Ｍ 永久磁石
１２ 交流電源
２０，２１，２３，２４，２５，２６，２８ アナログ演算回路
２２ 位相検出回路
３０，３１ 鉄心コア
ＰＷ，Ｓ１〜Ｓ４ １次巻線及び２次巻線
Ｌα，ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤ，Ｌβ コイル

Claims (3)

1. 液体の液面の上昇下降に応じて上下に変位するフロート部材と、
   前記フロート部材の上下動に連動して、一方が他方に対して相対的に変位するように近接して配置された磁気応答部材及び検出部と
   を具備し、
   前記検出部は同相の交流信号によって励磁される複数のコイルであって、前記相対的変位の方向に沿って順次配列されてなるものとを含み、前記フロート部材の上昇下降に応じて前記磁気応答部材と前記コイルとの相対的位置が変化し、この相対的位置に応じて各コイルのインダクタンスを変化させ、前記磁気応答部材の端部が１つのコイルの一端から他端まで変位する間で該コイルの両端間電圧が漸増又は漸減するようにしたものであり、
   更に、前記各コイルの電圧をそれぞれ取り出し、それらを複数系列でそれぞれ加算及び／又は減算することにより、各系列毎に前記各コイルの前記両端間電圧の漸増又は漸減特性を合成し、前記検出対象位置に応じて所定の周期関数特性に従う振幅をそれぞれ示す複数系列の交流出力信号を生成するようにしたアナログ演算回路であって、該複数系列の各交流出力信号の振幅を規定する前記周期関数特性は所定位相だけ異なる同一特性の周期関数からなるものと
   を具え、前記交流出力信号の振幅に基づき液面位置データを得ることを特徴とする液面検出装置。
2. 前記アナログ演算回路で生成された複数系列の交流出力信号を入力し、該交流出力信号における振幅値の相関関係から該振幅値を規定する前記所定の周期関数における特定の位相値を検出し、検出した位相値に基づき位置検出データを生成する振幅位相変換部を更に具え、前記位置検出データを液面位置データとして用いることを特徴とする請求項１に記載の液面検出装置。
3. 前記磁気応答部材は磁石を含み、前記検出部は、前記磁石の相対的変位の方向に沿って所定範囲にわたって延びた磁性体コアを含み、前記磁石からの磁束を強く受ける該磁性体コアの所定箇所において磁気飽和を生じるものであり、
   前記フロート部材の上昇下降に応じて前記磁石と前記検出部の相対的位置が変化し、これに応じて前記磁性体コアにおいて磁気飽和を生じる前記所定箇所が変位し、この磁気飽和箇所の変位に応じた出力信号を前記検出部より得ることによって液面の位置検出をなすことを特徴とする請求項１又は２に記載の液面検出装置。

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