JP5507022B1 - 静電容量式燃料レベルゲージ - Google Patents

Abstract

二重同軸構造を用いて燃料タンク内の燃料レベルを検出する静電容量式燃料レベルゲージにおいて、中心電極と、最外側のグランド電極と、上記中心電極とグランド電極との間に位置した切り替え電極との二重同軸構造で構成し、上記中心電極と切り替え電極との静電容量Ｃ１および上記グランド電極と切り替え電極の静電容量Ｃ２を選択的に計測することにより上記燃料レベル及び誘電率（ε）を算出するようにした。

Description

本発明は、車両などの燃料タンクに設置され、燃料残量検出および燃料性状検出を行う二重同軸タイプ容量式燃料ゲージに関する。

現在、車両などの燃料タンクに搭載されている燃料残量計は、浮力を利用したフロートセンサが主流である。即ち、燃料の液面レベルをフロートの高さ変化で検出することによって、燃料タンクの燃料残量を運転者に提示している。こうしたフロートセンサの原理は単純であるが、フロートの形状が大きく、車種毎、あるいは燃料タンク毎に、形状寸法や出力特性を設計し直す必要があり、コスト低減のネックとなっている。他方、ガソリン燃料へのアルコール混入による最近の燃料性状の変化により、電極摺動式のフロートセンサでは、信頼性上の課題が発生している。

一方、静電容量方式により燃料の液面レベルを検出する燃料レベルセンサが提案されている（例えば特許文献１）。特許文献１におけるセンサー部は、液面レベルを検出するための測定電極と、誘電率補正用の補正電極と、上記測定電極と補正電極との間に挿入された共通アース電極とを同軸構成とし、上記測定電極と共通アース電極との間の静電容量、および上記補正電極と共通アース電極との間の静電容量をそれぞれ検知することで、燃料の誘電率および液面レベルを検出している。

特開平５−２２３６２４号公報

従来の特許文献１に示す容量式液面レベル検出装置では、液面レベル測定用の電極容量と誘電率補正用の電極容量が等しくなるように形状寸法を決め、最初に発振周波数信号に基づき誘電率を計算し、この計算結果である誘電率に基いて液面レベルを計算するようにしており、誘電率計測の誤差分が液面レベルに加算される欠点がある。また、測定電極が外周に用いられており、外来ノイズに対して不安定になるなど性能上の課題もある。

本発明の目的は、燃料の液面レベルを誘電率とは独立して安定的に精度よく計算でき、同時に性状も判別できる二重同軸タイプ容量式燃料レベルゲージを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る静電容量式燃料レベルゲージは、二重同軸構造を用いて燃料タンク内の燃料レベルを検出する静電容量式燃料レベルゲージにおいて、上記二重同軸構造を、中心電極と、最外側のグランド電極と、上記中心電極とグランド電極との間に位置した切り替え電極で構成し、上記中心電極と切り替え電極との静電容量Ｃ１および上記グランド電極と切り替え電極の静電容量Ｃ２を選択的に計測することにより上記燃料レベルを測定するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、上記のような二重同軸構成を採用することにより、燃料の液面レベルを誘電率とは独立して精度よく計算でき、同時に性状も判別できる静電容量式燃料レベルゲージを実現できる。また、最外周側の電極であるグランド電極をグランドとしているので、ノイズの影響を排除して計測精度を高めることができる。

本発明の実施の形態１による静電容量式燃料レベルゲージの燃料タンクへの装着状況を示す構成図である。 本発明の実施の形態１による静電容量式燃料レベルゲージの縦断面を示す詳細説明図である。 本発明の実施の形態１による燃料レベルゲージの電気的構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による燃料レベルゲージの燃料高さ（燃料レベル）と各電極の静電容量の関係を示すグラフで、燃料の比誘電率＝２の場合である。 本発明の実施の形態１による燃料レベルゲージの燃料高さ（燃料レベル）と各電極の静電容量の関係を示すグラフで、燃料の比誘電率＝１０の場合である。 本発明の実施の形態１による燃料レベルゲージの燃料高さ（燃料レベル）と各電極の静電容量の関係を示すグラフで、燃料の比誘電率＝２３の場合である。 本発明の実施の形態１による燃料レベルゲージの燃料高さ（燃料レベル）に対する計測高さ（計算値）を示すグラフで、燃料の比誘電率＝２の場合である。 本発明の実施の形態１による燃料レベルゲージの燃料高さ（燃料レベル）に対する計測高さ（計算値）を示すグラフで、燃料の比誘電率＝１０の場合である。 本発明の実施の形態１による燃料レベルゲージの燃料高さ（燃料レベル）に対する計測高さ（計算値）を示すグラフで、燃料の比誘電率＝２３の場合である。

実施の形態１．
図１〜図９を用いて本発明の実施の形態１における二重同軸タイプ容量式燃料ゲージの装着状況及び具体的構造と特性について説明する。
図１は本発明の実施の形態１による静電容量式燃料レベルゲージの燃料タンクへの装着構成図を示している。図１において、燃料ポンプ１００は内燃機関の燃料１０１を貯蔵する燃料タンク１０２の上部に設けられたフランジ部１０３で保持され、図示しない螺子などでシール機能も持たせて固定されている。燃料１０１は内燃機関が作動中は燃料ポンプ１００によりフィルタ１０５で燃料１０１中の一定寸法以上の異物を除去し、図示しない内部ポンプ及びモータの回転により吸い込まれて、吐出パイプ１０６から図示しないインジェクターへと送り出される。

燃料タンク１０２中には燃料１０１の液面レベルを計測して、図示しない運転者近傍の表示器に信号を送り、運転者に知らせるための二重同軸タイプ容量式燃料ゲージ１１０が設置される。この燃料ゲージ１１０の上部は上記フランジ部１０３に保持されたコネクタ部１１５にワンタッチでプラグインされる構造となっており、その下部はホルダ１１７により上記燃料ポンプ１００に保持されている。
また、コネクタ１１５は燃料ポンプ１００のモータ部に接続される電線の接続部でもあり、上記フランジ部１０３の上部に設置されている制御部１２０は後述するような二重同軸タイプ容量式燃料ゲージ１１０の信号処理装置１０(図３を参照)その他の電子部品を内蔵し、燃料レベル計測および燃料性状計測のための制御機能を持つものである。

上記燃料ゲージ１１０のセンシング部１１１は、図２に示すような最外部に配置され導電体からなる円筒状のグランド電極１１２と、上記グランド電極１１２の中心に位置した中心電極１１３と、上記グランド電極１１２と中心電極１１３との間に同軸円筒状に挿入された切り替え電極１１４とからなる二重同軸円筒タイプとして構成されている。また、上記中心電極１１３の下端は上記グランド電極１１２および切り替え電極１１４の下端よりも高い位置に来るように短く構成されている。

上記グランド電極１１２および中心電極１１３はいずれもグランドに接続され接地電位となっている。上記切り替え電極１１４はグランド電極１１２と対極して両電極間の容量Ｃ２測定時には燃料レベル検出用電極として作用し、一方、上記切り替え電極１１４は中心電極１１３と対極して両電極間の容量Ｃ１測定時には燃料性状検出用電極として作用
する。ここで、最外部に位置するグランド電極１１２は接地電位で使用されるので外来ノイズの影響をこれにより遮断することができる。

次に、容量Ｃ１および容量Ｃ２を計測し燃料高さＬを計測する信号処理装置１０について図３の燃料ゲージ１１０の電気的構成図により説明する。
図３に示すように、グランド電極１１２および中心電極１１３に接続された切り替え部１０ａは、グランド電極１１２および中心電極１１３を選択的に切り替えて、切り替え電極１１４が計測する静電容量を切り替えるための切り替えスイッチである。ＣＶ（Ｃｈａｒｇｅ ｔｏ Ｖｏｌｔａｇｅ）変換部１０ｂは、グランド電極１１２と切り替え電極１１４間の静電容量Ｃ２、もしくは中心電極１１３と切り替え電極１１４間の静電容量Ｃ１を電圧信号に変換する回路である。

ＡＤ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ）変換部１０ｃは、ＣＶ変換部１０ｂのアナログ電圧信号をデジタル値に変換する。ＡＤ変換部１０ｃに接続された信号演算部１０ｄは、マイクロプロセッサ等で構成され、所定のプログラムに従ってデジタル信号処理を行い、グランド電極１１２と切り替え電極１１４間の静電容量Ｃ２、もしくは中心電極１１３と切り替え電極１１４間の静電容量Ｃ１に基づいて燃料高さＬ（燃料液位）を算出する。外部Ｉ／Ｆ（インタフェース）部１０ｅは、信号演算部１０ｄの演算結果である燃料液位の信号を外部機器３０、例えば、車両の表示パネル（図示せず）等へ伝送し、運転者に対して燃料高さＬを表示する。

次に、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２は、同軸ケーブルの基本式から、以下の式１および式２で算出される。
Ｃ１＝｛２πε／lｎ（ｂ／ａ）｝＊（Ｌ−ｈ） （１）
Ｃ２＝｛２πε／lｎ（ｄ／ｃ）｝＊Ｌ （２）
ここで、εは燃料の誘電率で真空中の誘電率ε０に比誘電率εｒを掛けた値である。ａは中心電極１１３の直径、ｂは切り替え電極１１４の内径、ｃは切り替え電極１１４の外径、ｄはグランド電極１１２の内径、Ｌは燃料高さ、ｈは実施形態１の中心電極１１３と切り替え電極１１４との燃料底面側からの高さ寸法差である。
いま、式（１）および式（２）よりＣ１／Ｃ２を計算すると、以下の式（３）となる。
Ｃ１／Ｃ２＝
２πε（Ｌ−ｈ）／lｎ（ｂ／ａ）＊lｎ（ｄ／ｃ）／２πεＬ （３）

ここで、各電極の寸法を以下の式（４）のように設定し、
（ｂ／ａ）＝（ｄ／ｃ） （４）
式（３）に式（４）を当てはめると、誘電率εは消去され、以下の式（５）により燃料高さＬは求めることができる。
Ｌ＝ｈ＊Ｃ２／（Ｃ２−Ｃ１） （５）

このように、燃料高さＬを求める式（５）は、誘電率εに無関係な値となり、Ｃ１およびＣ２を任意の周波数で計測することにより、燃料高さＬが求まる。なお、切り替え電極１１４は信号処理装置１０によりＣ１のときは中心電極１１３、Ｃ２のときはグランド電極１１２と切り替えて静電容量が計測される。ここで、グランド電極１１２も中心電極１１３も常にグランドに接続されている。
なお、式（５）に示すように誘電率εが消去されることにより、燃料の性状が変化し燃料の誘電率が変化しても影響を受けない。また、誘電率が影響を受ける燃料温度の影響も除去されて燃料高さが求まることが明白である。

一例として、ａ＝２．４、ｂ＝４．４、ｃ＝５．０、ｄ＝９．０、ｈ＝３．０、εｒが２（レギュラーガソリン）、１０（レギュラーとエタノールの混合）、２３（エタノール）の状態のときのシミュレーション結果を、図４〜６に示す。この寸法の場合、ｂ／ａ＝ｄ／ｃ＝１．８となっている。図において、実線１５１がＣ１の出力特性、点線１５２がＣ２の出力特性を示す。図４がεｒ＝２、図５がεｒ＝１０、図６がεｒ＝２３の場合である。静電容量値が燃料高さにより大きく変わるのが分かる。

次にこのＣ１、Ｃ２を式（５）に当てはめた特性を図７〜図９に示す。図７がεｒ＝２、図８がεｒ＝１０、図９がεｒ＝２３の場合である。図７〜図９において、実線１６１及び破線１６１は出力特性を示す。ここでは、実線１６１及び破線１６１が示している出力特性を、共に特性１６１と称する。破線１６１は、Ｃ２の出力値を性状補正した後の出力特性を示す。また、破線１６１は、燃料高さが３ｍｍを超える領域においては、実線１６１と重なっており、重なっている部分では破線１６１が見えない状態となっている。図７〜図９から、比誘電率εｒの大きさに拘わらず燃料高さ（実測値）とほぼ同一の計測高さ（計算値）の特性１６１が現れていることが分かる。なお、実線１６１の燃料高さが３ｍｍ以下の領域において不規則変化が現れるが、Ｃ２の出力値を性状補正することにより破線１６１のような不規則変化がない出力を得ることが出来る。

すなわち、燃料が満タンに近い状態でＬを算出した際に、予め式（２）より誘電率εを算出しておき、図７〜図９に示すようにＬがゼロ近傍において、Ｃ２が下がっているのにＣ１が下がらないと判断される場合に、上記予め算出しておいたεを用いて式（２）からＬを算出し、これを補正値とすることができる。
性状については上記によりＬとＣ２が求まるので、式２を変形すれば誘電率ε（燃料性状）は必要に応じて容易に導ける。

本実施の形態によれば、センシング部を二重管の同軸構成としたので、燃料の液面レベルを誘電率とは独立して精度よく計算でき、同時に性状も判別できる静電容量式燃料レベルゲージを実現できる。また、中心電極の下部を他の２つの円管電極より短くしたので、燃料の比誘電率の影響を排除して、燃料レベルを計測することができる。また、最外周側の電極であるグランド電極１１２をグランドとしているので、ノイズの影響を排除して計測精度を高めることができる。

１００ 燃料ポンプ、 １０１ 燃料、 １０２ 燃料タンク、
１１０ 二重同軸タイプ容量式燃料ゲージ、 １１１ センシング部、
１１２ グランド電極、 １１３中心電極、 １１４ 切り替え電極。

Claims (6)

1. 二重同軸構造を用いて燃料タンク内の燃料レベルを検出する静電容量式燃料レベルゲージにおいて、
   上記二重同軸構造を、最外側のグランド電極と、このグランド電極より底面側の長さが短い中心電極と、上記中心電極と上記グランド電極との間に位置し上記グランド電極と同じ長さの切り替え電極と、で構成し、
   上記中心電極および上記グランド電極を選択的に切り替えて、上記中心電極と上記切り替え電極との静電容量Ｃ１および上記グランド電極と上記切り替え電極の静電容量Ｃ２を計測することにより上記燃料レベルを測定するようにしたことを特徴とする静電容量式燃料レベルゲージ。
2. 上記中心電極および上記切り替え電極を常に接地電位としたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式燃料レベルゲージ。
3. 上記中心電極の直径をａ、上記切り替え電極の内径をｂ、上記切り替え電極の外形をｃ、上記グランド電極の内径をｄとするとき、ｂ／ａ＝ｄ／ｃの寸法構成にすることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の静電容量式燃料レベルゲージ。
4. 上記中心電極と上記切り替え電極及び上記グランド電極との寸法差をｈとするとき、
   式 ｈ＊Ｃ２／（Ｃ２−Ｃ１）
   を用いて上記燃料レベルを求めることを特徴とする請求項３に記載の静電容量式燃料レベルゲージ。
5. 上記切り替え電極に対応する電極を、上記静電容量Ｃ１を計測するときは中心電極側に、上記静電容量Ｃ２を計測するときはグランド電極側に切り替える切り替えスイッチを含み、上記切り替えに伴って計測された上記静電容量Ｃ１、Ｃ２に基づいて燃料レベルを計測する信号処理装置を備えたことを特徴とする請求項４に記載の静電容量式燃料レベルゲージ。
6. 先に求めた燃料レベルおよび上記静電容量Ｃ２から、次式
   Ｃ２＝｛２πε／lｎ（ｄ／ｃ）｝＊Ｌ
   を用いて燃料性状（ε）を求めることを特徴とする請求項４に記載の静電容量式燃料レベルゲージ。

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