JP5669621B2 - フロート及び液位検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、フロート及び液位検出装置に関する。

従来、検出指示量の誤差を抑制することが可能な液位検出装置が提案されている。この液位検出装置は、容器内の液位に応じて回転する容器内マグネットと、容器内マグネットと磁気的に結合した回転伝達用マグネットと、回転伝達用マグネットと共に回転する検出側マグネットと、検出側マグネットの回転により変化する磁束によって起電力が変化するホールＩＣとを備え、ホールＩＣから出力される起電力の大きさにより液位を検出する。また、この液位検出装置では、液位の検出に要する部材同士が非接触となっているため、摩耗劣化などが殆どなく、劣化による検出指示量の誤差を抑えることができる（例えば特許文献１参照）。

特開２００１−２０１３９０号公報

しかし、特許文献１に記載の液位検出装置においてフロートは中空タイプであって一般的に樹脂材料で形成されているため、経時に伴い、フロート内の圧力とフロート外との圧力差からタンク内の液体（液化ガスを含む）がフロートに浸透してしまい、浮力が変化して出力特性が変化してしまう。この問題は特に高圧ガスタンクに用いられるフロートにおいて顕著となる。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、出力特性の変化を抑えることが可能なフロート及び液位検出装置を提供することにある。

本発明のフロートは、タンク内の液位を検出する液位検出装置のフロートであって、タンク内の液位に応じて上下動するように内部に空間を有する中空状に形成されると共に、下端側にスリット状の貫通孔が形成されて内部の空間と外部とが連通していることを特徴とする。

このフロートによれば、下端側に貫通孔が形成されて内部の空間と外部とが連通しているため、液位が低下して貫通孔を塞がない状態においては、フロート内部に浸入した液体が外部に排出されることとなる。これにより、タンク内の液体がフロートに浸透し継続的に留まって、浮力が変化してしまう事態を抑制することができる。また、下端側に貫通孔が形成されているため、液位が上昇して貫通孔を塞ぐ状態においては、フロートは擬似的に完全中空状のフロートと同じように作用して気体層による浮力が発生する。以上より、浮力を発生してフロートとして作用しつつも、フロートへの液体の浸入を抑制することができる。従って、出力特性の変化を抑えることができる。

本発明の液位検出装置は、磁石を有する上記のフロートと、非磁性の材料により構成され、内部に液体を収納するタンクと、タンク外に設けられ、磁束密度を磁電変換して出力する磁気センサと、磁気センサから得られる出力信号から液位を検出する液位検出部と、を備えることが好ましい。

この液位検出装置によれば、非磁性の材料により構成されたタンクを備え、フロートは磁石を有するため、液位に応じて磁石が上下動して、磁気センサにて検出される磁束密度が変化し、液位検出部によって液位が検出されることとなる。このように、上記の液位検出構成であるため、歯車やアームを備える必要がなく、可動部自体が少なくなっており、故障の可能性を低減することができる。さらに、フロートをタンクの上端から下端まで移動させるにあたり、アームの可動範囲を確保する必要がなく、タンクの大きさに制限を受け難くすることができる。

また、本発明の液位検出装置において、一端側がタンクの上面内壁に接続され、他端側がフロートに接続された弾性部材をさらに備え、フロートは、水平方向よりも鉛直方向に長く形成された長尺形状であって、弾性部材は、液位が任意位置より高い場合にフロートを下げる力を加えると共に、液位が当該任意位置より低い場合にフロートを持ち上げる力を加えることが好ましい。

この液位検出装置によれば、弾性部材を備えるため、液位が上がったときに、フロートは浮力により上方移動するが、弾性部材がその自由長より縮むこととなりフロートを押すため、フロートの動きを制限してフロートを所定位置で止めることとなる。一方、液位が下がった場合、フロートが下方移動して弾性部材はその自由長より伸びることとなる。このため、弾性部材は、フロートの自重を打ち消すようにフロートを持ち上げる力が働くこととなり、フロートを所定位置で止めることとなる。

このフロートを所定位置で止める作用、及び、長尺形状のフロートにより浮力が変化する作用から、フロート位置の変化量は液位の変化量のｎ分の１とすることができる。この結果、磁石の可動範囲も小さくなり、通常では磁気センサに磁束が到達できないほど縦長のタンクに対しても適用することができる。

本発明によれば、出力特性の変化を抑えることが可能な液位検出装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る液位検出装置の概略構成図である。 図１に示した磁気センサの出力信号を示す図である。 図１に示した差動アンプの出力信号を示す図である。 液位が下がった場合におけるフロート及びコイルスプリングの状態を示す図である。 本実施形態に係るフロートの断面図である。 液位が上昇した場合におけるフロートの内部を示す一部破断図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る液位検出装置の概略構成図である。図１に示すように、液位検出装置１は、液体Ｆを収納したタンク１０内の液位を検出するものであって、タンク１０と、フロート２０と、ガイドレール３０と、磁気センサ４１，４２と、差動アンプ５０と、液位検出部６０と、コイルスプリング（弾性部材）７０とを備えている。

タンク１０は、内部に液体Ｆを収納するものである。このタンク１０は、非磁性の材料、すなわち樹脂やアルミやステンレスにより構成されている。

フロート２０は、タンク１０内の液位に応じて上下動するものであって、本実施形態においてはタンク１０の一側端側（図中右側）に設けられている。ガイドレール３０は、フロート２０の水平方向への移動を規制するための案内部材である。フロート２０はガイドレール３０に水平方向の移動が規制されることでタンク１０の一側端側において上下動することとなる。さらに、フロート２０は、磁石２１を備えている。この磁石２１は、２つの磁極（Ｎ極及びＳ極）を結ぶ方向が垂直方向となっている。

磁気センサ４１，４２は、タンク１０外に設けられ、磁束密度を磁電変換して出力するものである。具体的に磁気センサ４１，４２は、タンク１０外においてフロート２０に近接するように設置され、ホールＩＣやＭＲセンサなどが用いられる。このような磁気センサ４１，４２は、垂直方向の磁束に応じた電気信号を出力するように配置されている。

また、磁気センサ４１，４２は、高さが異なる状態で２つ設けられており、それぞれが差動アンプ５０に信号出力する。差動アンプ５０は、２つの入力信号の差分を一定係数（差動利得）で増幅する増幅回路である。差動アンプ５０の非反転入力端子にはタンク１０外の上部に設けられる第１磁気センサ４１からの出力信号が入力され、差動アンプ５０の反転入力端子にはタンク１０外の下部に設けられる第２磁気センサ４２からの出力信号が入力される。

液位検出部６０は、磁気センサ４１，４２から得られる出力信号から液位を検出するものであって、本実施形態では２つの磁気センサ４１，４２から得られた出力信号の差分に基づいて液位を検出する。

次に、本実施形態に係る液位検出装置１による液位検出の概要について説明する。図２は、図１に示した磁気センサ４１，４２の出力信号を示す図である。図２に示すように、第１磁気センサ４１はタンク１０外の上部に設けられている。このため、液位が上がって第１磁気センサ４１と磁石２１とが近くなった場合、大きい出力が得られる。一方、液位が下がって第１磁気センサ４１と磁石２１とが遠くなった場合、小さい出力が得られる。特に、第１磁気センサ４１は、液位の上昇に応じて指数関数的に大きくなる信号を出力する。

また、第２磁気センサ４２はタンク１０外の下部に設けられている。このため、液位が上がって第２磁気センサ４２と磁石２１とが遠くなった場合、小さい出力が得られる。一方、液位が下がって第２磁気センサ４２と磁石２１とが近くなった場合、大きい出力が得られる。特に、第２磁気センサ４２は、液位の上昇に応じて指数関数的に小さくなる信号を出力する。

図３は、図１に示した差動アンプ５０の出力信号を示す図である。上記したように、第１磁気センサ４１からの出力信号は差動アンプ５０の非反転入力端子に入力され、第２磁気センサ４２からの出力信号は差動アンプ５０の反転入力端子に入力される。このため、差動アンプ５０は、図３に示すように液位に応じて略比例的な信号を出力することとなる。

液位検出部６０は、差動アンプ５０から得られた信号に基づいて、液位を検出する。この際、液位検出部６０は、例えば図３に示すような液位と出力信号との関係を示すデータを記憶しておき、差動アンプ５０から得られた信号に基づいて液位を検出する。

再度、図１を参照する。コイルスプリング７０は、一端側がタンクの上面内壁に接続され、他端側がフロート２０に接続されている。また、コイルスプリング７０は、液位が高い場合に自由長より縮むこととなり、液位が低い場合に自由長より伸びることとなる。すなわち、コイルスプリング７０は、任意位置より液位が高い場合に圧縮状態となり、任意位置より液位が低い場合に伸張状態となる。

さらに、本実施形態においてフロート２０は柱状に形成されており、水平方向よりも鉛直方向に長く形成された長尺形状となっている。この長尺形状のフロート２０において磁石２１はフロート２０の上部に取り付けられている。

このような構成であるため、液位が上がった場合、フロート２０は浮力により上方移動するが、コイルスプリング７０がフロート２０を押すこととなり、フロート２０の動きを制限してフロート２０を所定位置で止めることとなる。このとき、フロート２０の大部分が液体Ｆに浸かっており浮力が大きくなる。このため、コイルスプリング７０がフロート２０を押す力についても大きくなっている。

図４は、液位が下がった場合におけるフロート２０及びコイルスプリング７０の状態を示す図である。図４に示すように液位が下がった場合、フロート２０が下方移動してコイルスプリング７０は、図１に示す状態より伸びることとなる。しかし、僅かに液体Ｆが存在しているため、液体Ｆによりフロート２０には浮力が発生する。一方、コイルスプリング７０は、フロート２０の自重を打ち消すようにフロート２０を持ち上げる力が働くこととなり、フロート２０を所定位置で止める。このとき、フロート２０の大部分が液体Ｆに浸かっておらず浮力は小さくなるが、フロート２０には（浮力）＋（コイルスプリング７０の持ち上げる力）−（フロート２０の自重）という力が働いて、結果的にフロート２０には上方へ作用する力が加えられることとなる。

また、図１及び図４から明らかなように、フロート２０は、長尺形状に形成されており、液位が高いときに上方からコイルスプリング７０に押される状態にあり、液位が低いときに上方からコイルスプリング７０に持ち上げられる状態にある。このようなフロート２０の形状及びコイルスプリング７０からすると、液位の変化量に対してフロート位置の変化量はｎ分の１（ｎは１より大きい数）とされる。この結果、磁石２１の可動範囲も制限され、磁石２１が磁気センサ４１，４２から遠く離れてしまう事態を防止することができる。また、磁石２１が磁気センサ４１，４２から遠く離れてしまう事態を防止することができるため、コイルスプリング７０を備えない場合において磁気センサ４１，４２に磁束が到達できないほど縦長のタンク１０に対しても適用することができる。なお、本実施形態ではコイルスプリング７０を例に挙げているが、これに限らず、弾性部材であれば他のスプリングやゴム等であってもよい。

次に、本実施形態に係るフロート２０の詳細について説明する。図５は、本実施形態に係るフロート２０の断面図である。図５に示すように、フロート２０は、内部に空間を有する中空形状となっている（符号２２参照）。さらに、フロート２０は、図１及び図４に示すように、スリット状の開口部（貫通孔）２３を下端側に有している。このため、以下の作用を奏し、出力変化を抑制することができる。

次に、本実施形態に係る液位検出装置１における作用を説明する。まず、図４に示すように液位が低下したとする。そして、開口部２３を塞がない状態まで液位が低下したとする。この場合、フロート２０内に液体Ｆが浸入してしたとしても、液体Ｆは開口部２３を介して排出されることとなる。このため、フロート２０の内部に液体Ｆが継続的に留まって浮力が変化してしまう事態を防止することができる。

図６は、液位が上昇した場合におけるフロート２０の内部を示す一部破断図である。図６に示すように、液位が上昇すると開口部２３を塞ぐこととなる。この液位の上昇の過程において中空部２２に気体が閉じ込められ、気体層が形成されることとなる。これにより、開口等を有しないフロートと同様に気体層を含めた浮力が発生する。よって、本実施形態に係るフロート２０は浮力を発生して通常のフロートと同様に作用することとなる。

このようにして、本実施形態に係る下端側に開口部２３が形成されて内部の空間と外部とが連通しているため、液位が低下して開口部２３を塞がない状態においては、フロート２０内部に浸入した液体Ｆが外部に排出されることとなる。これにより、タンク１０内の液体Ｆがフロート２０に浸透し継続的に留まって、浮力が変化してしまう事態を抑制することができる。また、下端側に開口部２３が形成されているため、液位が上昇して開口部２３を塞ぐ状態においては、フロート２０は擬似的に完全中空状のフロート２０と同じように作用して気体層による浮力が発生する。以上より、浮力を発生してフロート２０として作用しつつも、フロート２０への液体Ｆの浸入を抑制することができる。従って、出力特性の変化を抑えることができる。

また、非磁性の材料により構成されたタンク１０を備え、フロート２０は磁石２１を有するため、液位に応じて磁石２１が上下動して、磁気センサ４１，４２にて検出される磁束密度が変化し、液位検出部６０によって液位が検出されることとなる。このように、上記の液位検出構成であるため、歯車やアームを備える必要がなく、可動部自体が少なくなっており、故障の可能性を低減することができる。さらに、フロート２０をタンク１０の上端から下端まで移動させるにあたり、アームの可動範囲を確保する必要がなく、タンク１０の大きさに制限を受け難くすることができる。

また、コイルスプリング７０を備えるため、液位が上がったときに、フロートは浮力により上方移動するが、コイルスプリング７０がその自由長より縮むこととなりフロート２０を押すため、フロート２０の動きを制限してフロート２０を所定位置で止めることとなる。一方、液位が下がった場合、フロート２０が下方移動してコイルスプリング７０はその自由長より伸びることとなる。このため、コイルスプリング７０は、フロート２０の自重を打ち消すようにフロート２０を持ち上げる力が働くこととなり、フロート２０を所定位置で止めることとなる。

このフロート２０を所定位置で止める作用、及び、長尺形状のフロート２０により浮力が変化する作用から、フロート２０位置の変化量は液位の変化量のｎ分の１とすることができる。この結果、磁石２１の可動範囲も小さくなり、通常では磁気センサ４１，４２に磁束が到達できないほど縦長のタンク１０に対しても適用することができる。

さらに、フロート２０は完全に密閉された中空状となっていないため、以下の効果を有する。すなわち、フロートが完全に密閉された中空状であれば、圧力差によって変形してしまう可能性がある。このため、フロートにリブを設けたり、発砲タイプのフロートを用いたりする必要がある。よって、フロートが大型化してしまう可能性がある。しかし、本実施形態ではフロート２０の大型化を抑制して小型軽量化することができると共に、フロートを肉厚としたりリブを設けたりする必要もない。

加えて、磁気センサ４１，４２をタンク１０の上部に設置できるため、車両用の燃料タンクに適用した場合にはセンサと地面との干渉を防止することができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

例えば、本実施形態においてコイルスプリング７０を備え、フロート２０の移動量を抑えているが、特にこれに限らず、コイルスプリング７０を備えないものであってもよい。また、コイルスプリング７０に限らず、他の弾性部材を備えるものであってもよい。

さらに、本実施形態に係るフロート２０は水平方向よりも垂直方向に長く形成された長尺形状となっているが、形状はこれに限らず例えば水平方向に長くなっていてもよい。また、気球のように上部が膨らんだ形状となっていてもよい。

さらに、本実施形態において開口部２３はスリット状となっているが、特にこれに限らず、円形の穴等であってもよい。また、本実施形態においてフロート２０は、中空形状であって開口部２３が形成されているが、これに限らず、コップを逆さまにした形状に開口部２３を設けるなど、中空形状でなくともよい。

また、本実施形態においてフロート２０の案内部材としてガイドレール３０を備えているが、このガイドレール３０は筒状のものであってもよいし、複数本の長尺棒により構成されていてもよい。

また、本実施形態において磁石２１はフロート２０の上部に設けられているが、これに限らず、中間部に設けられていてもよいし、下部に設けられていてもよい。

また、本実施形態においてフロート２０は、タンク１０内の液位を磁気変化により検出する液位検出装置１に用いられているが、これに限らず、例えば特許文献１に示したようなアームを備える液位検出装置に適用されてもよい。

１…液位検出装置
１０…タンク
２０…フロート
２１…磁石
２２…中空部
２３…開口部（貫通孔）
３０…ガイドレール
４１，４２…磁気センサ
５０…差動アンプ
６０…液位検出部
７０…コイルスプリング（弾性部材）

Claims (3)

1. タンク内の液位を検出する液位検出装置のフロートであって、
   前記タンク内の液位に応じて上下動するように内部に空間を有する中空状に形成されると共に、下端側にスリット状の貫通孔が形成されて内部の空間と外部とが連通している
   ことを特徴とするフロート。
   
2. 磁石を有する請求項１に記載のフロートと、
   非磁性の材料により構成され、内部に液体を収納するタンクと、
   前記タンク外に設けられ、磁束密度を磁電変換して出力する磁気センサと、
   前記磁気センサから得られる出力信号から液位を検出する液位検出部と、
   を備えることを特徴とする液位検出装置。
3. 一端側が前記タンクの上面内壁に接続され、他端側が前記フロートに接続された弾性部材をさらに備え、
   前記フロートは、水平方向よりも鉛直方向に長く形成された長尺形状であって、
   前記弾性部材は、液位が任意位置より高い場合に前記フロートを下げる力を加えると共に、液位が当該任意位置より低い場合に前記フロートを持ち上げる力を加える
   ことを特徴とする請求項２に記載の液位検出装置。

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