JP6209367B2 - 液面レベルセンサ - Google Patents

Description

本発明は、液面レベルセンサに関する。

従来より、自動車等のタンク内に貯留される液体の液面レベルを検出する液面レベルセンサが知られている。この液面レベルセンサには、種々の形態があるが、その中の一つに静電容量の変化を利用して液面レベルを検出するものがある。

例えば特許文献１には、静電容量式液面レベルセンサが開示されている。液面レベルセンサは、基板と、基板に形成される櫛歯形状の第１電極と、基板に形成される櫛歯状の第２電極とで構成されており、液体に浸漬された際の第１電極と第２電極との間の静電容量の変化に基づいて液体の液面レベルを検出する。

特開２００７−２１８６００号公報

しかしながら、従来の液面レベルセンサによれば、気相中に露出している電極に液滴などが付着した場合に、液面レベルの検出に誤差が生じてしまう可能性がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、液滴などの付着に起因する検出誤差を抑制することができる液面レベルセンサを提供する。

かかる課題を解決するために、本発明は、基板と、基板上に形成される櫛歯状の第１電極と、基板上に形成されるとともに、第１電極と対向配置される櫛歯状の第２電極と、基板との間に空隙を設けた状態で当該基板の周囲に配置されるとともに、第２電極と電気的に接続される第３電極と、第１電極と第２電極及び第３電極との間の静電容量の変化に基づいて液体の液面レベルを検出する検出部と、を有する液面レベルセンサを提供する。この場合において、基板と第３電極との間の距離は、気相中にある第１電極及び第３電極に付着することを想定した液滴の厚さの２倍の値よりも大きくなるような関係を有している。

ここで、本発明において、第１電極及び第２電極は、液面レベルの変位方向に沿って延在する共通部と、それぞれが共通部から液面レベルの変位方向と直交する方向に延出する複数の櫛歯部とでそれぞれ構成され、第１電極における櫛歯部は、第２電極における櫛歯部よりも幅広に設定されていることが好ましい。

また、本発明において、第３電極は、板状部材で構成されて基板と正対して配置されるとともに、液面レベルの変位方向において第２電極の存在する範囲と対応するように構成されていることが好ましい。

本発明によれば、第３電極を設けることで、第１電極と第２電極との間で静電結合するのみならず、第１電極と第３電極との間でも静電結合することとなる。第３電極を設けることで液適等に起因する静電容量の変化の割合を相対的に減少させることができるので、液滴などの付着に起因する検出誤差を抑制することができる。

本実施形態に係る静電容量式液面レベルセンサの構成を模式的に示す斜視図 図１に示す静電容量式液面レベルセンサの要部を示す拡大斜視図 図２に示す静電容量式液面レベルセンサの状態を模式的に示す断面図 本実施形態に係る静電容量式液面レベルセンサとの比較となる液面レベルセンサの状態を模式的に示す断面図

図１は、本実施形態に係る静電容量式液面レベルセンサ１の構成を模式的に示す斜視図であり、図２は、図１に示す静電容量式液面レベルセンサ１の要部を示す拡大斜視図である。本実施形態に係る静電容量式液面レベルセンサ１は、例えば車両に搭載される燃料タンク内の液体である燃料の液面レベルを検出するものである。燃料タンクは、例えばステンレスなどの剛性及び耐腐食性の高い材料を用いて構成されており、略直方体状の箱形に形成されている。

静電容量式液面レベルセンサ１は、基板１０を含む検出ユニットと、検出部２０とを主体に構成されている。検出ユニットは、例えば円筒状のケース５の内部に収容配置されており、当該ケース５が燃料タンク内の壁面に取付固定される。

検出ユニットは、基板１０と、センサ電極（第１電極）１１と、接地電極（第２電極）１２と、シールド電極（第３電極）１３とで構成されている。例えば、基板１０、センサ電極１１及び接地電極１２は、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）により実現されている。

基板１０は、フィルム状の絶縁体であり、例えばポリイミド膜が用いられる。基板１０は、矩形形状に設定されており、液面レベルの変位方向（鉛直方向）の長さがこれに直交する方向（水平方向）の長さよりも大きくなるような細長形状を有している。基板１０の表面には、後述するセンサ電極１１及び接地電極１２が形成されており、これらの電極１１，１２を含めた状態で被膜層が絶縁材料により形成されている。絶縁材料としては、ビニル系樹脂、アクリル樹又はフルオロシリコーン樹脂等の撥油性を有する材料が挙げられる。

センサ電極１１は、基板１０上に形成されている。例えば、センサ電極１１は、銅などの導体箔により形成されており、接着層（図示せず）を介して基板１０上に形成されている。センサ電極１１は、櫛歯状に形成されている。具体的には、センサ電極１１は、鉛直方向に沿って直線状に延在する共通部１１ａと、それぞれが共通部１１ａから水平方向に延出する複数の櫛歯部１１ｂとで構成されている。個々の櫛歯部１１ｂは、互いに同一形状となる矩形形状に設定されており、鉛直方向に沿って等ピッチで配列されている。

一方、接地電極１２も、基板１０上に形成されている。例えば、接地電極１２は、銅などの導体箔により形成されており、接着層（図示せず）を介して基板１０上に形成されている。接地電極１２は、櫛歯状に形成されている。具体的には、接地電極１２は、鉛直方向に沿って直線状に延在する共通部１２ａと、それぞれが共通部１２ａから水平方向に延出する複数の櫛歯部１２ｂとで構成されている。個々の櫛歯部１２ｂは、互いに同一形状となる矩形形状に設定されており、鉛直方向に沿って等ピッチで配列されている。

センサ電極１１と接地電極１２とは、互いの櫛歯部１１ｂ，１２ｂが向き合うように配置されており、互いの櫛歯部１１ｂ，１２ｂが互い違いとなるように配置されている。個々の電極１１，１２は類似の構成を備えているが、センサ電極１１における櫛歯部１１ｂは、接地電極１２における櫛歯部１２ｂよりも幅広に設定されている。具体的には、センサ電極１１の櫛歯部１１ｂの幅、すなわち、鉛直方向の長さは、接地電極１２の櫛歯部１２ｂにおける鉛直方向の長さよりも大きくなるように設定されている。

シールド電極１３は、基板１０との間に空隙を設けた状態で、この基板１０の周囲に配置されている。本実施形態において、シールド電極１３は、銅等の導電性を有する平板（板状部材）で構成されている。シールド電極１３は、基板１０の裏面側に当該基板１０と正対して配置され、これにより、接地電極１２と平行となる関係に位置づけられている。また、シールド電極１３は、基板１０と対応した矩形形状に設定されており、これにより、接地電極１２の存在する範囲をカバーするように設定されている。

検出部２０は、液体に浸漬された際の静電容量の変化に基づいて液体の液面レベルを検出する。検出部２０が備える一方の端子には、リード線１４ａを介してセンサ電極１１が電気的に接続される。また、検出部２０が備える他方の端子には、リード線１４ｂを介して接地電極１２が電気的に接続されるとともに、リード線１４ｃを介してシールド電極１３が電気的に接続されている。接地電極１２及びシールド電極１３が共通の端子に接続されることで、シールド電極１３と接地電極１２とが電気的に接続されることとなる。

この検出部２０は、静電容量計測部２１と、演算部２２とで構成されている。

静電容量計測部２１は、センサ電極１１と、接地電極１２及びシールド電極１３との間の静電容量を計測する。液面レベルの変位に伴い、センサ電極１１と、接地電極１２及びシールド電極１３とにおいて燃料（液体）によって覆われる部分の長さが変化する。それにより、センサ電極１１と、接地電極１２及びシールド電極１３との間の静電容量が変化する。液面レベルの変位に応じて変化する静電容量は、センサ電極１１と、接地電極１２及びシールド電極１３とに接続している静電容量計測部２１により測定される。静電容量計測部２１による計測結果は、演算部２２に出力される。

演算部２２は、静電容量の計測結果に基づいて液面レベルを演算する。具体的には、演算部２２は、測定された静電容量と、予め測定されている燃料の比誘電率及び気相中におけるセンサ電極１１と接地電極１２及びシールド電極１３との間の静電容量とに基づいて液面レベルを算出する。

図３は、図２に示す静電容量式液面レベルセンサ１の状態を模式的に示す断面図であり、センサ電極１１と、接地電極１２及びシールド電極１３とに発生する電気力線を破線で示している。図３において、電気力線は、センサ電極１１と接地電極１２との間の静電結合を示すとともに、センサ電極１１とシールド電極１３との間の静電結合を示している。

図４は、本実施形態に係る静電容量式液面レベルセンサ１との比較となる液面レベルセンサの状態を模式的に示す断面図であり、当該液面レベルセンサは、センサ電極Ａ及び接地電極Ｂのみを有し、シールド電極を備えていない。また、図４に示す液面レベルセンサは、センサ電極Ａの櫛歯部と接地電極Ｂの櫛歯部との幅（鉛直方向の長さ）は同一に設定されている。ここで、同図（ａ）は、それぞれの櫛歯部を幅狭に構成し、狭いピッチで個々の櫛歯部を配列した状態を示す、同図（ｂ）は、それぞれの櫛歯部を幅広に構成し、広いピッチで個々の櫛歯部を配列した状態を示す。また、図４は、図３と同様に、センサ電極Ａと接地電極Ｂとの間に発生する電気力線を破線で示しており、この電気力線は、センサ電極Ａと接地電極Ｂとの間の静電結合を示す。

図４を参照するに、液面レベルよりも高い位置に露出したセンサ電極Ａ及び接地電極Ｂ、すなわち、気相中にあるセンサ電極Ａ及び接地電極Ｂに、液滴などが付着して液体が部分的に接触することがある。この場合、当該領域において静電容量の変化が生じるため、液面レベルに検出誤差が生じる虞がある。これは、液体が部分的に接触している領域におけるセンサ電極Ａと接地電極Ｂとの静電結合が、他の領域のそれよりも強く静電結合していることが要因に挙げられる。つまり、液面レベルが増加した際に増える静電容量の変化に対して、液体が部分的に接触した際に増える静電容量の変化が大きい場合に、誤差が大きくなることとなる。

ここで、図４（ａ）に示すように、ピッチが狭い状態では、電極Ａ，Ｂの表面に電界が集中するため、検出する静電容量変化が大きくなる。この場合、液滴などの影響が大きくなり易く、大きな誤差が生じやすいという不都合がある。一方、図４（ｂ）に示すように、ピッチが広い状態では、電極Ａ，Ｂの表面から離れて電界が広がるため、検出する静電容量の変化が小さくなる。この場合、液滴などの影響を小さく抑えることができるが、取付場所における周囲の影響を受けやすいという不都合がある。

この点、本実施形態によれば、静電容量式液面レベルセンサ１は、基板１０と、基板１０上に形成された櫛歯状のセンサ電極１１と、基板１０上に形成されるとともにセンサ電極１１に対向配置された櫛歯状の接地電極１２と、基板１０との間に空隙を設けた状態で当該基板１０の周囲に配置されるとともに接地電極１２と電気的に接続されるシールド電極１３と、液体に浸漬された際のセンサ電極１１と接地電極１２及びシールド電極１３との間の静電容量の変化に基づいて燃料の液面レベルを検出する検出部２０と、を有している。

本実施形態では、シールド電極１３は、板状部材で構成されて基板１０の裏面に正対して配置されるとともに、液面レベルの変位方向において接地電極１２の存在する範囲と対応するように構成されている。

図３に示すように、静電容量式液面レベルセンサ１によれば、シールド電極１３を設けることで、センサ電極１１と接地電極１２との間で静電結合するのみならず、センサ電極１１とシールド電極１３との間でも静電結合することとなる。センサ電極１１とシールド電極１３との間の距離Ｄに対して、液滴等の厚さｄが僅かであれば、センサ電極１１とシールド電極１３との間では液滴等の影響を受けにくくなる。これにより、液体が部分的に接触した際に増える静電容量の変化が、液面レベルが増加した際に増える静電容量の変化に対して相対的に小さくなる。このため、センサ電極１１及びシールド電極１３に液滴が付着するようなシーンにおいても、その検出誤差を小さくすることができる。ここで、シールド電極１３と基板１３との間の距離Ｄを定義するならば、液滴の厚さｄの２倍の値よりも大きくなるような関係であることが好ましい。液適の厚さは、実験やシミュレーションを通じてその最適値を取得することができる。

また、センサ電極１１における櫛歯部１１ｂは、接地電極１２における櫛歯部１２ｂよりも幅広に設定されている。

かかる構成によれば、センサ電極１１とシールド電極１３との間の静電結合を多くすることができるので、液滴などの影響を抑制することができる。また、センサ電極１１の櫛歯部１１ｂと、接地電極１２の櫛歯部１２ｂとが交互に配置されているので、センサ電極１１とシールド電極１３と間の静電結合をしていない部分を、櫛歯状の接地電極１２で補うことができる。これにより、検出分解能が低下するといった事態を抑制することができる。また、接地電極１２により、基板１０に対向するシールド電極１３と逆方向においても電界の広がりを小さくすることができる。これにより、取付場所における周囲の影響を受け難くすることができる。

また、図４に示す例では、液面レベルの変動に対して静電容量の変化がステップ状となり、検出分解能が低くなる。一方、シールド電極１３を備える本実施形態によれば、液面レベルの変動に対して静電容量の変化が平滑化されるので、検出分解能の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態では、基板１０の背面にシールド電極１３を正対して配置している。しかしながら、本発明はこれに限定されず、シールド電極１３は、基板１０との間に空隙を設けた状態で当該基板１０の周囲に配置されていれば足り、他の形状を自由に採用することができる。

以上、本実施形態にかかる静電容量式液面レベルセンサについて説明したが、本発明はこの実施形態に限定されることなく、その発明の範囲において種々の変更が可能である。

１ 静電容量式液面レベルセンサ
５ ケース
１０ 基板
１１ センサ電極
１１ａ 共通部
１１ｂ 櫛歯部
１２ 接地電極
１２ａ 共通部
１２ｂ 櫛歯部
１３ シールド電極
２０ 検出部
２１ 静電容量計測部
２２ 演算部

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板上に形成される櫛歯状の第１電極と、
   前記基板上に形成されるとともに、前記第１電極と対向配置される櫛歯状の第２電極と、
   前記基板との間に空隙を設けた状態で当該基板の周囲に配置されるとともに、前記第２電極と電気的に接続される第３電極と、
   前記第１電極と前記第２電極及び前記第３電極との間の静電容量の変化に基づいて液体の液面レベルを検出する検出部と、を有し、
   前記基板と前記第３電極との間の距離は、気相中にある前記第１電極及び前記第３電極に付着することを想定した液滴の厚さの２倍の値よりも大きくなるような関係を有することを特徴とする液面レベルセンサ。
2. 前記第１電極及び前記第２電極は、前記液面レベルの変位方向に延在する共通部と、それぞれが前記共通部から前記液面レベルの変位方向と直交する方向に延出する複数の櫛歯部とでそれぞれ構成され、
   前記第１電極における櫛歯部は、前記第２電極における櫛歯部よりも幅広に設定されていることを特徴とする請求項１に記載された液面レベルセンサ。
3. 前記第３電極は、板状部材で構成されて前記基板と正対して配置されるとともに、前記液面レベルの変位方向において前記第２電極の存在する範囲と対応するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載された液面レベルセンサ。

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