JP7129159B2 - 液量算出装置および移動体の重心変更装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動体、例えば航空機に搭載される容器に貯留された液体の量を算出する液量算出装置に関する。

従来から、内部に貯留された液体の量を検出できる容器が種々提案されている。容器を搭載している移動体が傾いたときには傾きを考慮して液体の量を検出する必要がある。例えば特許文献１、２は、容器内に設けられる一対の液位センサを用いて液面の傾き（以下、傾斜角）を検出する。具体的には、特許文献１、２は、所定の間隔をあけて配置されている一対のセンサのそれぞれのセンサで検出した液面の位置に基づいて液面の傾斜角を求める。

特開２０００－３５３３４号公報 特開２０１２－１３７４８０号公報

例えば、航空機の飛行試験時には、旅客や貨物を想定したウエイトの配置を変化させて機体の重心が異なる状況を作りだし、このような機体の重心が異なる条件下における機体の空力特性のデータを取得することが行われる。このとき、機体内に複数の容器を搭載し、これらの容器間でウエイトとなる液体を移動させることで、機体の重心位置を調整する。

航空機の飛行試験時に機体の重心を精度よく変更するためには、各々の容器における液体の量を正確に知ることが重要である。ところが、航空機は、飛行時にピッチ方向（左右を軸とする回転方向）およびロール方向（前後を軸とする回転方向）に傾く。そのため、航空機の飛行試験時に液量を求める際には、容器に対するピッチ方向およびロール方向の液面の傾斜角を考慮してセンサで検出された液位に基づき液量を算出する必要がある。

特許文献１、２は、一対のセンサのそれぞれで検出した液位に基づいて液面の傾斜角を求めるので、一対のセンサの両方が液面に接している必要がある。ところが、液体の量が少ないか、または、液面の傾斜角が大きくなると、一方のセンサにしか液面が接しなくなるので、液面の傾斜角を求めることができない。したがって、特許文献１、２による液面の傾斜角を求める手法によれば、検出できる液面の傾斜角の範囲に制約があるので、検出できる液量の範囲にも制約がある。

以上より、本発明は、液体の量が少ないか、または、容器の傾斜角が大きくなったとしても、広い範囲で液量を検出できる液量算出装置を提供することを目的とする。

本発明の液量算出装置は、移動体に搭載される容器に貯留される液体の量を算出する。
本発明の液量算出装置は、第一傾斜検出部と、液位検出部と、演算部と、を備える。
第一傾斜検出部は、移動体の移動に伴う容器の状態量の変化に基づいて、液面の傾斜角を検出する。液位検出部は、容器に貯留される液面の位置を検出する。また、演算部は、第一傾斜検出部が検出した液面の傾斜角と、液位検出部が検出した液面の位置と、容器の仕様と、に基づいて、容器に貯留される液体の量を算出する。なお、本発明において、液面の傾斜角は、液体を貯留する容器の容積部分に対する、液面の傾斜角として定義される。

本発明における液量算出装置において、複数の液位検出部を、平面方向における容器の第一方向および第一方向と直交する第二方向の少なくとも一つの方向に間隔をあけて容器内に配置することができる。
複数の液位検出部として、第一方向の一方端に偏って配置される第一液位検出部と、第一方向の他方端に偏って配置される第二液位検出部とを備えることができる。
また、複数の液位検出部として、第二方向の一方端に偏って配置される第三液位検出部と、第二方向の他方端に偏って配置される第四液位検出部と、を備えることができる。

本発明における液量算出装置において、第一傾斜検出部を容器に対応して設けることができる。この形態は、複数の容器が存在する場合に、全ての容器に第一傾斜検出部を設けること、および、複数の容器の中から選択された単数または複数の容器に第一傾斜検出部を設けること、を包含しており、それぞれの容器における液面の傾斜角を検出する。
また、本発明における液量算出装置において、第一傾斜検出部は、移動体に設けられた機体姿勢センサであってもよい。この形態は、複数の容器が存在する場合に、容器とは独立して単数または複数の第一傾斜検出部が設けられることを包含している。

本発明における液量算出装置において、液位検出部は、移動体の姿勢によらず、容器に対する姿勢が維持される液位検出部であってもよいし、または、移動体の姿勢によって、容器に対する姿勢が変わる液位検出部であってもよい。

後者の具体例として、伸縮体と、浮体と、測距部と、第二傾斜検出部と、を含む液位検出部とすることができる。
この伸縮体は、揺動中心を介して容器に支持されるとともに、軸線方向に伸縮する。浮体は、伸縮体に支持されるとともに、液面に浮く。測距部は、揺動中心から浮体までの距離を検出する。また、第二傾斜検出部は、鉛直方向に対する伸縮体の傾斜角を検出する。

本発明の液量算出装置は、移動体としての航空機に設けることができる。そして、液面の傾斜角および液位検出部の傾斜角は、航空機のピッチ方向およびロール方向の成分を含んでいてもよい。

本発明の移動体の重心変更装置は、上記の液量算出装置を複数有しており、液量算出装置の容器同士を接続する配管と、ポンプと、制御部と、を備える。ポンプは、配管を介して複数の容器の間で液体を移動させる。制御部は、液量算出装置で算出した各々の容器における液体の量と、移動体における容器の配置に基づいて、複数の容器間における液体の移動量が生ずるようにポンプの動作を制御する。

本発明の液量算出装置は、液面の傾斜角を容器の状態量の変化に基づいて求めるので、液面の傾斜角を検出するために液位検出部が液体に接する必要がない。
したがって、本発明の液量算出装置によれば、例えば容器の傾斜角が大きいために一対の液位検出部の一方が液面を検出できなくても、他方の液位検出部が液面と接していれば、液面の傾斜角と液面の位置を用いて液体の量を算出できるので、検出できる液量の範囲の制約を小さくできる。

第１実施形態の重心変更装置における航空機への搭載例を示す図である。 第１実施形態の重心変更装置の構成例を示す図である。 （ａ）第１実施形態の液量算出装置を示す側面図であり、（ｂ）第１実施形態の液量算出装置を示す正面図である。 （ａ）タンクの前側が上向きに傾斜した状態を示す図であり、（ｂ）タンクの前側が下向きに傾斜した状態を示す図である。 （ａ）第１実施形態において一方の液面検出センサで液面を検出しているときの側面方向概要図であり、（ｂ）第１実施形態において一方の液面検出センサで液面を検出しているときの正面方向概要図である。 （ａ）第１実施形態において２つの液面検出センサで液面を検出しているときの側面方向概要図であり、（ｂ）第１実施形態において２つの液面検出センサで液面を検出しているときの正面方向概要図である。 （ａ）第２実施形態の液量算出装置を示す側面図であり、（ｂ）第２実施形態の液量算出装置を示す正面図である。 （ａ）第２実施形態においてタンクがピッチ方向に傾斜した状態を示す図であり、（ｂ）第２実施形態においてタンクがロール方向に傾斜した状態を示す図である。 （ａ）第２実施形態において一方の液面検出センサで液面を検出しているときの側面方向概要図であり、（ｂ）第２実施形態において一方の液面検出センサで液面を検出しているときの正面方向概要図である。 （ａ）第２実施形態において２つの液面検出センサで液面を検出しているときの側面方向概要図であり、（ｂ）第２実施形態において２つの液面検出センサで液面を検出しているときの正面方向概要図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る重心変更装置を移動体としての航空機に適用した例について説明する。
本実施形態は第１実施形態と第２実施形態を含み、両者は一対の液位検出部としての液位センサがタンク２０の長手方向（第一方向）に間隔をあけて配置される点で共通する。ただし、第１実施形態は、航空機の姿勢によらず、タンクに対する液位センサの姿勢が維持される例に該当し、第２実施形態は、航空機の姿勢によって、タンクに対する姿勢が変わる例に該当する。以下、第１実施形態、第２実施形態の順に説明する。

〔第１実施形態の説明〕
第１実施形態の重心変更装置１０は、図１に示すように、航空機１００の飛行試験時において航空機１００の胴体部分１００Ａに取り付けられる。重心変更装置１０は、複数のタンク２０を有しており、各々のタンク２０には旅客や貨物を想定したウエイトとして機能する液体（水）が貯留される。そして、重心変更装置１０は、これらのタンク２０の間で水を移動させることで航空機１００の胴体部分１００Ａにおける重心位置を変更する。
ここで、以下の説明において、航空機１００の前後方向はＸで示し、航空機１００の左右方向はＹで示し、航空機１００の上下方向はＺで示す。また、航空機１００のピッチ方向はＰで示し、航空機１００のロール方向はＲで示す。

〔重心変更装置〕
重心変更装置１０は、図２に示すように、タンク２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ，２０Ｆ，２０Ｇ，２０Ｈと、マニホールド部３０Ａ，３０Ｂと、ポンプ４０と、制御部５０とを有している。
ここで、タンク２０Ａ－２０Ｈは同様の構成を有しており、個々の要素を区別する必要がないときにはタンク２０と総称する。同様に、マニホールド部３０Ａ，３０Ｂは同様の構成を有しており、個々の要素を区別する必要がないときにはマニホールド部３０と総称する。

タンク２０は、ウエイトとしての水を貯留する容器であって、各々のタンク２０に貯留される水量は後述の液量算出装置６０によって検出される。第１実施形態においては、航空機１００の前後方向Ｘに沿って４つずつ、左右方向Ｙに２列となるように並べられた合計８個のタンク２０が配置される。例えば、第１実施形態のタンク２０は、図３に示すように、水が貯留される内部空間である容積部分が直方体の形状を有している。なお、本実施形態において、タンク２０の容積部分とタンク２０の外形が異なることがあることを考慮して、傾斜角などについて容積部分を対象とする。また、本実施形態においては、タンク２０の外形とタンク２０の容積部分の形状が直方体で一致しかつ寸法も一致するとみなせるので、以下ではタンク２０の容積部分を単にタンク２０と略記することがある。

また、第１実施形態におけるタンク２０は、容積部分の長さ方向Ｌが航空機の前後方向Ｘと一致し、容積部分の幅方向が航空機の左右方向Ｙと一致し、容積部分の高さ方向Ｈが航空機の上下方向Ｚと一致するように配置される。そのため、航空機１００がピッチ方向Ｐに傾斜するとタンク２０もピッチ方向Ｐに傾斜し、航空機１００がロール方向Ｒに傾斜するとタンク２０もロール方向Ｒに傾斜する。

マニホールド部３０は、タンク２０およびポンプ４０間で水をやりとりする配管である。マニホールド部３０は、タンク２０およびポンプ４０にそれぞれ接続されている。マニホールド部３０は、機体前側に配置された４つのタンク２０Ａ－２０Ｄおよび機体後側に配置された４つのタンク２０Ｅ－２０Ｈに対してそれぞれ１つずつ設けられる。つまり、第１実施形態では航空機１００の前後方向Ｘに沿って機体前側および機体後側にマニホールド部３０Ａ，３０Ｂが配置されている。

機体前側の４つのタンク２０Ａ－２０Ｄは、機体前側のマニホールド部３０Ａと接続されている。機体後側の４つのタンク２０Ｅ－２０Ｈは、機体後側のマニホールド部３０Ｂと接続されている。また、マニホールド部３０において各タンク２０に分岐している配管３１には、給水または排水するタンク２０を切り替えるためにそれぞれ弁３２が設けられている。

そして、機体前側のマニホールド部３０Ａと機体後側のマニホールド部３０Ｂの中間に１つのポンプ４０が配置されており、マニホールド部３０Ａ，３０Ｂは配管３３を介してそれぞれポンプ４０と接続されている。ポンプ４０は、機体前側のタンク２０と機体後側のタンク２０との間で水を移動させる。

ここで、重心変更装置１０は、弁３２の開閉により、同じマニホールド部３０に接続された４つのタンク２０のうちで排水を行うタンク２０と排水を行わないタンク２０とを設定できる。同様に、重心変更装置１０は、弁３２の開閉により、同じマニホールド部３０に接続された４つのタンク２０のうちで給水を行うタンク２０と給水を行わないタンク２０とを設定できる。これにより、重心変更装置１０は、ポンプ４０を駆動させる際に開いている弁３２を切り替えることで、機体前側で弁３２の開いているタンク２０と、機体後側で弁３２の開いているタンク２０との間で水を移動させることができる。このようなタンク２０間での水の移動により、航空機１００の胴体部分１００Ａにおける重心位置が変更される。

制御部５０は、重心変更装置１０の各要素を制御する。例えば、制御部５０は、弁３２の開閉を切り替える制御や、タンク２０間における水の移動量を決定する制御を実行する。また、制御部５０は、後述の液量算出装置６０の演算部６３を含み、各々のタンク２０に貯留された水の量（以下、水量）を演算部６３によって算出する。なお、図２では演算部６３を１つのみ示すが、演算部６３は実際にはタンク２０ごとに設けられている。

〔液量算出装置〕
次に、各々のタンク２０に対応する液量算出装置６０の構成を説明する。なお、各々の液量算出装置６０の構成は共通するので、タンク２０Ａの液量算出装置６０Ａを説明し、重複説明は省略する。
第１実施形態の液量算出装置６０Ａは、図３に示すように、タンク２０Ａに設けられており、第一傾斜センサ６１と、一対の液面検出センサ６２Ａ，６２Ｂと、演算部６３とを有している。ここで、液面検出センサ６２Ａ，６２Ｂは同様の構成を有しているので、個々の要素を区別する必要がないときには液面検出センサ６２と総称する。

〔第一傾斜センサ〕
第一傾斜センサ６１は、タンク２０の状態量の変化に基づいてタンク２０の水平面に対する傾斜角、換言すると水の液面の傾斜角を検出する第一傾斜検出部の一例である。

第一傾斜センサ６１は、水平方向に対してタンク２０がピッチ方向Ｐに傾斜している傾斜角α_１と、水平面に対してタンク２０がロール方向Ｒに傾斜している傾斜角α_２とをそれぞれ検出する。なお、傾斜角α_１と傾斜角α_２を総称するときには、単に傾斜角αという。
第一傾斜センサ６１は、例えば振動型のジャイロセンサで構成され、タンク２０と相対位置が一定であるタンク２０の外側上面に取り付けられている。第一傾斜センサ６１は、航空機１００の動きに伴ってタンク２０の傾斜角が変化したときに、センサに加わるコリオリの力からピッチ方向Ｐとロール方向Ｒにおける角速度を検出する。そして、第一傾斜センサ６１は、これらの角速度を積分演算することで、タンク２０におけるピッチ方向Ｐとロール方向Ｒのそれぞれの傾斜角を検出する。なお、第一傾斜センサ６１が検出したタンク２０における傾斜角の情報は、演算部６３に出力される。また、角速度は状態量の一例である。

〔液面検出センサ〕
液面検出センサ６２は、液位検出部の一例である。液面検出センサ６２は、タンク２０内の水面２２の位置を検出する。この位置は、タンク２０の高さ方向の位置である。液面検出センサ６２が検出する水面２２の位置は、水平面に対するタンク２０の傾斜角に応じて変化する。なお、液面検出センサ６２が検出した水面２２の位置の情報は、演算部６３に出力される。

例えば、液面検出センサ６２は、タンク２０の上面から垂直に垂下した棒状のセンサ本体６５を有している。センサ本体６５は、一対の絶縁された電極（不図示）を有する検出領域６５Ａがセンサ本体６５の長さ方向に沿って複数対配置される、導電率式の水位センサを構成している。センサ本体６５において、検出領域６５Ａが空気に接触していると検出領域６５Ａの電極間に電流は流れないが、検出領域６５Ａが水に接触していると検出領域６５Ａの電極間には水の電気抵抗に応じた電流が流れる。そのため、液面検出センサ６２は、電流が流れている検出領域６５Ａの位置を求めることで、センサ本体６５のどの位置に水面２２が位置しているかを検出できる。
なお、液面検出センサ６２の構成は、例えば、静電容量型の水位センサなどの他の公知の水位センサであってもよい。

ここで、第１実施形態の液面検出センサ６２は、センサ本体６５がタンク２０の上面２１に固定されており、タンク２０の上面２１とセンサ本体６５のなす角度は、航空機１００の姿勢に関らず常に直角の姿勢が維持される。また、センサ本体６５の検出する水面２２の位置から、タンク２０の上面２１において、センサ本体６５の一端が固定されている箇所から水面２２までセンサ本体６５に沿った方向の距離を求めることができる。

また、第１実施形態のタンク２０は、容積部分の形状が直方体をなしており、平面方向において、長さ方向Ｌ（第一方向）と、長さ方向と直交する幅方向（第二方向）とを有する。タンク２０の長さ方向の寸法は、幅方向Ｗ（第二方向）より大きい。このタンク２０の仕様に応じて、タンク２０がピッチ方向Ｐに傾斜するときに水面２２の検出範囲を広げるために、液面検出センサ６２Ａ，６２Ｂは、以下のようにタンク２０に配置されている。

図３に示すように、液面検出センサ６２Ａは、タンク２０の長さ方向Ｌの中央よりも前側に偏って配置され、液面検出センサ６２Ｂは、タンク２０の長さ方向Ｌの中央よりも後側に偏って配置されている。なお、この液面検出センサ６２Ａ，６２Ｂはあくまで一例であり、さらに前側、後側に偏って配置されてもよい。

ここで、図４（ａ）,（ｂ）は、タンク２０に貯留されている水量が少ない場合を想定している。
図４（ａ）において破線で示すように、タンク２０の長さ方向Ｌの中央のみに液面検出センサ６２を配置したとすると、この液面検出センサ６２は水面２２に接触しない。
図４（ａ）において実線で示すように、タンク２０の長さ方向Ｌの中央よりも後側に位置している液面検出センサ６２Ｂが、タンク２０の後側に溜まっている水の水面２２に接触する。同様に、図４（ｂ）において実線で示すように、タンク２０の長さ方向Ｌの中央よりも前側に位置している液面検出センサ６２Ａが、タンク２０の前側に溜まっている水の水面２２に接触する。
なお、ここでは水量が少ない場合を想定したが、傾斜角が大きい場合にも同様のことが当てはまる。

したがって、タンク２０の長さ方向Ｌに間隔をあけて液面検出センサ６２Ａ，６２Ｂを配置すると、タンク２０の長さ方向Ｌの中央のみに液面検出センサ６２を配置する場合に比べて、タンク２０がピッチ方向Ｐに傾斜するときに水面２２を検出する範囲を、より水量が少ない範囲まで広げることができる。
なお、図４を用いた説明はあくまで液体の量が少ないか、または傾斜角が大きいことを前提としている。本実施形態において、この前提がない場合には長さ方向Ｌの中央のみに液面検出センサを設けることを許容する。

図４に示す例では、タンク２０の長さ方向Ｌにおいて複数の液面検出センサ６２を配置し、タンク２０がピッチ方向Ｐに傾斜するときに水面２２の検出範囲を広げる例を説明した。一方、タンク２０の幅方向Ｗ（機体の左右方向）に複数、典型的には一対の液面検出センサ６２を配置すれば、タンク２０がロール方向Ｒに傾斜するときに水面２２の検出範囲を広げることができる。
なお、液面検出センサ６２の数やそれらの配置位置は、タンク２０の仕様、水平面に対するタンク２０の傾斜角の範囲、あるいはタンク２０に貯留される水（液体）の量の範囲を考慮して、適宜設定することができる。したがって、本実施形態において、液面検出センサ６２はタンク２０内に１つのみ設置してもよい。あるいは、本実施形態において、長さ方向Ｌや幅方向Ｗに３つ以上の液面検出センサ６２を設置するようにしてもよい。

〔演算部〕
次に、演算部６３は、タンク２０の仕様情報、第一傾斜センサ６１で検出した傾斜角の情報（傾斜角情報）および液面検出センサ６２で検出した水面２２の位置の情報（水面位置情報）を用いて、タンク２０に貯留されている現在の水量を算出する。演算部６３は、タンク２０の形状および寸法の仕様を示す仕様情報を保持する記憶媒体６４を有している。記憶媒体６４は、タンク２０の仕様情報として以下の情報を保持する。

タンク２０の仕様情報
(i)タンク２０の長手寸法Ｌ
(ii)タンク２０の幅寸法Ｂ
(iii)タンク２０の高さ寸法Ｈ
(iv)タンク２０における液面検出センサ６２の取付位置
(v)液位センサ６２のタンク２０に対する姿勢は直角で維持される

また、演算部６３は、記憶媒体６４にタンク２０の水量を算出するための演算式を保持している。この演算式は、タンク２０の仕様情報、傾斜角情報および水面位置情報を変動要素としている。また、演算式は、タンク２０の傾斜方向に対して側方からみたとき（ピッチ方向Ｐの傾斜であれば幅方向Ｗからみたとき、ロール方向Ｒの傾斜であれば長さ方向Ｌからみたとき）の水の領域の形状が、三角形、台形、五角形をなす場合にそれぞれ異なる演算式が適用される。なお、本実施形態では、演算式の例として、水の領域の形状が三角形をなすときに適用される第１演算式（１）と、水の領域の形状が台形をなすときに適用される第２演算式（２）と、をそれぞれ説明する。

そして、演算部６３は、タンク２０の仕様情報、第一傾斜センサ６１で検出した傾斜角情報および液面検出センサ６２で検出した水面位置情報を、後述する演算式に代入してタンク２０に貯留されている水量を算出する。演算部６３が算出した水量の情報は、制御部５０に出力される。
なお、演算部６３は、専用のハードウエアで構築されたプロセッサであってもよく、制御部５０内における演算処理によってソフトウェア的に実現されてもよい。

演算部６３は、タンク２０に貯留されている水量を、例えば、以下のステップで算出する。
（ステップ１）：演算部６３は、タンク２０の仕様情報（（i）～（iv））を記憶媒体６４から読み出す。
（ステップ２）：演算部６３は、タンク２０におけるピッチ方向Ｐの傾斜角α₁およびロール方向Ｒの傾斜角α₂を第一傾斜センサ６１から取得する。これら傾斜角情報α_１，α_２は、タンク２０の水平面に対する傾斜角を示す。
（ステップ３）：演算部６３は、水面位置情報ｈを液面検出センサ６２から取得する。この水面位置情報ｈは、タンク２０の上面２１において、センサ本体６５の一端が固定されている箇所から水面２２までセンサ本体６５に沿った方向の距離ｈを示す。また、この水面位置情報ｈは、液面検出センサ６２Ａ，６２Ｂのそれぞれで検出された水面位置情報ｈａと水面位置情報ｈｂを含んでいる。

（ステップ４）：演算部６３は、ステップ１で取得した仕様情報（（ｉ）～（iv））と、ステップ２で取得したタンク２０の傾斜角情報α_１，α_２と、ステップ３で取得した水面位置情報ｈａ，ｈｂと、を第一演算式（１）または第二演算式（２）に代入することで、タンク２０に貯留されている水量を算出する。
演算部６３は、水面位置情報ｈａ，ｈｂの一方しか取得できないときには取得できた水面位置情報ｈａ，ｈｂを用い、水面位置情報ｈａ，ｈｂの両方を取得したときには、例えば、水量の算出のときに予め決定されている一方の液面検出センサ６２の水面位置情報を用いる。
なお、液面検出センサ６２が１つのみの場合は、その液面検出センサ６２の水面位置情報を用いる。

次に、記憶媒体６４が保持する第一演算式（１）、第二演算式（２）を順に説明する。なお、第一演算式（１）は、ピッチ方向Ｐに傾斜したときに適用される第一演算式（１ｐ）とロール方向Ｒに傾斜したときに適用される第一演算式（１ｒ）に区分して説明する。第二演算式（２）についても同様である。

はじめに、図５（ａ）に示すように、第１実施形態においてタンク２０がピッチ方向Ｐに傾斜したために、演算部６３が液面検出センサ６２Ｂから水面位置情報を取得したものとする。そして、図５（ａ）に示すように、幅方向Ｗからみたときに水の領域の形状が三角形をなす条件において、演算部６３は第一演算式（１ｐ）により水量Ｖを算出する。

なお、第１実施形態は、液面検出センサ６２のセンサ本体６５はタンク２０の上面２１に対して垂直に固定され、タンク２０は直方体である。したがって、第一演算式（１ｐ）において、α_１＝β_１の関係が成り立つ。次に説明する第一演算式（１ｒ）についても同様にα_２＝β_２の関係が成り立つ。つまり、第一演算式（１ｒ）,（１ｐ）のβ_１およびβ_２の値は、α_１およびα_２の値から一義的に定まる。
また、後述する第２実施形態においては、α_１＝β_１の関係およびα_２＝β_２の関係が成り立つわけではない。

第一演算式（１ｐ）の変動要素の内訳は、以下の通りである。なお、第一演算式（１ｒ）の変動要素の内訳も以下と同じである。なお、液面検出センサ６２で検出された水面２２は、検出された点を通過して水平方向に延びるものとみなしている。
Ｖ：水量
Ｌ：タンク２０の長手寸法
Ｂ：タンク２０の幅寸法
Ｈ：タンク２０の高さ寸法
Ａ_１：容積部分の長さ方向Ｌにおけるタンク２０の端から液面検出センサまでの距離
Ａ_２：容積部分の幅方向Ｗにおけるタンク２０の端から液面検出センサまでの距離
α_１：容積部分のピッチ方向Ｐの傾斜角
α_２：容積部分のロール方向Ｒの傾斜角
ｈ：センサ本体６５におけるタンクの上面から水面までの距離
β_１：センサ本体６５における鉛直方向からピッチング方向Ｐへの傾斜角（＝α_１）
β_２：センサ本体６５における鉛直方向からロール方向Ｒへの傾斜角（＝α_２）

また、図５（ｂ）に示すように、タンク２０がロール方向Ｒに傾斜したために、演算部６３が液面検出センサ６２Ａおよび６２Ｂの両方から水面位置情報を取得したものとする。そして、図５（ｂ）に示すように、長さ方向Ｌからみたときに水の領域の形状が三角形をなす条件において、演算部６３は下記の第一演算式（１ｒ）により水量Ｖを算出する。図５（ｂ）においては、タンク２０の長さ方向Ｌにおける２つの液面検出センサ６２のうち一方のみを図示している。

次に、図６（ａ）に示すように、タンク２０がピッチ方向Ｐに傾斜したことにより、液面検出センサ６２Ａおよび液面検出センサ６２Ｂの両方が水面２２に接し、演算部６３が液面検出センサ６２Ａおよび液面検出センサ６２Ｂの両方から水面位置情報を取得したものとする。そして、図６（ａ）に示すように、幅方向Ｗからみたときに水の領域の形状が台形をなす条件において、演算部６３は第二演算式（２ｐ）により水量Ｖを算出する。なお、第二演算式（２ｐ）における変動要素は第一演算式（１ｐ）と同様である。

また、図６（ｂ）に示すように、タンク２０がロール方向Ｒに傾斜したことにより、液面検出センサ６２Ａおよび液面検出センサ６２Ｂの両方が水面２２に接し、演算部６３が液面検出センサ６２Ａおよび液面検出センサ６２Ｂの両方から水面位置情報を取得したものとする。そして、図６（ｂ）に示すように、長さ方向Ｌからみたときに水の領域の形状が台形をなす条件において、演算部６３は第二演算式（２ｒ）により水量Ｖを算出する。図６（ｂ）においては、タンク２０の長さ方向Ｌにおける２つの液面検出センサ６２のうち一方のみを図示している。なお、第二演算式（２ｒ）における変動要素は第一演算式（１ｒ）と同様である。

以下、第１実施形態の液量算出装置６０が奏する効果を述べる。
本実施形態の液量算出装置６０は、タンク２０の状態量の変化に基づいてそのタンク２０の傾斜角を検出し、この傾斜角に基づいてタンク２０の水量を算出する。傾斜角を検出するためには、液面検出センサ６２Ａ，６２Ｂの少なくとも一方が水面２２に接していなければならないが、液面検出センサ６２Ａ，６２Ｂの両方が液面２２に接している必要はない。
したがって、本実施形態の液量算出装置６０によれば、一対の液面検出センサ６２Ａ，６２Ｂの一方だけしか水面２２と接していなくても、他方の液面検出センサが液面２２と接していれば、液面２２の傾斜角と液面２２の位置を用いて水量を算出できる。この結果として、液量演算装置６０は、検出する液量について、水量が少ない、または、液面の傾斜角が大きいといった制約の範囲を小さくできる。

また、液量算出装置６０は、タンク２０のピッチ方向Ｐの傾斜角およびロール方向の傾斜角Ｒを用いることで、タンク２０がピッチ方向Ｐに傾斜する場合とロール方向Ｒに傾斜する場合のいずれについても水量を算出できる。特に、寸法が相対的に大きいピッチ方向Ｐについて、間隔をあけて液面検出センサ６２Ａと液面検出センサ６２Ｂを設けているので、正および負の方向の両方のピッチ方向Ｐに航空機１００が傾いても、水量を算出できる。

また、液量算出装置６０は、各タンク２０にそれぞれ第一傾斜センサ６１が取り付けられている。そのため、第一傾斜センサ６１は、タンク２０の傾斜角をタンク２０から直接検出するので傾斜角を高い精度で取得できる。このように、液量算出装置６０は、高い精度の傾斜角の情報に基づいて水量を算出するため、算出する水量の精度も高い。

本実施形態においては、演算式を用いてタンク２０の水量を算出する液量算出装置６０の構成例を説明した。しかし、液量算出装置６０は、演算式を用いずに他の手法によってタンク２０の水量を算出してもよい。例えば、タンク２０の仕様を３次元ＣＡＤ(computer-aided design)でモデリングし、傾斜角（ピッチ、ロール）、水面２２の位置と水量の組み合わせを予め算出してデータテーブル化しておいてもよい。そして、演算部６３は、計測された傾斜角（ピッチ、ロール）、水面２２の位置に基づいて上記のデータテーブルを参照し、予め算出されている水量の値をデータテーブルから読み出してもよい。

〔重心変更装置の動作〕
次に、図１，図２を参照して、液量算出装置６０を備える第１実施形態の重心変更装置１０の動作を説明する。
制御部５０は、現在の重心変更装置１０の設定における機体の重心位置をすでに算出している。この算出は、以下の手順で行われる。
制御部５０は、各々のタンク２０に設けられる液量算出装置６０の演算部６３から、各々のタンク２０に貯留されている水量の情報を取得する。そして、制御部５０は、各タンク２０の水量および各タンク２０の平面方向（ＸＹ方向）の位置に基づいて、現在の重心変更装置１０の設定における機体の重心位置を算出する。

制御部５０は、その後に機体の重心位置の変更指示を受けると、指示された重心位置に合致する各タンク２０の水量の配分、つまり各タンク２０の水量の目標値を算出する。そして、制御部５０は、各タンク２０の現在の水量と目標値との差分から、各タンク２０における水の移動量を算出する。

制御部５０は、各タンク２０における水の移動量に基づいて、水を移動させるタンク２０と水を移動させないタンク２０を決定する。制御部５０は、水を移動させるタンク２０の弁３２を開き、水を移動させないタンク２０の弁３２を閉じるように指示する。そして、制御部５０はポンプ４０の駆動を指示して、機体前側で弁３２の開いているタンク２０と、機体後側で弁３２の開いているタンク２０との間で水を移動させる。制御部５０は、各タンク２０の水量が目標値になると、タンク２０間の水の移動を終了させる。
以上のようにして、重心変更装置１０は、航空機１００の胴体部分１００Ａにおける重心位置を変更できる。

〔重心変更装置の効果〕
第１実施形態の重心変更装置１０は、液量算出装置６０を有することにより、タンク２０がピッチ方向やロール方向に傾いていても各タンク２０の水量を正しく検出できる。そのため、第１実施形態の重心変更装置１０によれば、航空機１００の機体がピッチ方向またはロール方向に傾いている状態でも機体の重心位置を正確に変更できる。
つまり、第１実施形態の重心変更装置１０によれば、機体の重心位置を変更するときに、タンク２０の水量を検出するために機体の姿勢を安定させる必要がなくなるので、試験飛行時の飛行時間を短縮できる。また、第１実施形態の重心変更装置１０によれば、離陸後から試験飛行の高度に達するまでの時間のように、航空機１００の姿勢が安定していないときにも機体の重心位置を変更できるので、飛行試験時の上昇時間を有効に利用できる。

〔第２実施形態の説明〕
次に、図７，図８を参照しつつ、第２実施形態の液量算出装置６０’の構成を説明する。第２実施形態の液量算出装置６０’は、図１，図２に示す重心変更装置１０において、第１実施形態の液量算出装置６０に置き換えて使用される。
なお、以下の第２実施形態の説明において、第１実施形態と同一の要素には同じ符号を付して重複説明を省略する。

第２実施形態の液量算出装置６０’は、図７に示すように、第１実施形態の液面検出センサ６２に代えて、フロート式の２つの液面検出センサ７０Ａ，７０Ｂを有している。液面検出センサ７０Ａ，７０Ｂが検出した水面２２の位置の情報は、演算部６３に出力される。
第２実施形態の液量算出装置６０’において、タンク２０内における２つの液面検出センサ７０Ａ，７０Ｂの配置は、図３の場合と同様である。なお、液面検出センサ７０Ａ，７０Ｂは同様の構成を有しており、個々の要素を区別する必要がないときには液面検出センサ７０と総称する。

〔液面検出センサ〕
液面検出センサ７０は、水面２２に浮く浮体７１と、浮体７１を支持する伸縮体７２と、揺動中心として伸縮体７２を揺動可能に支持する自在継手７３と、伸縮センサ７４と、第二傾斜センサ７５とを有している。

浮体７１は、例えば、水よりも比重の低い気体（ヘリウムガス等）が内部に充填された中空の構造体である。浮体７１は、伸縮体７２の一端に取り付けられている。
伸縮体７２は、それぞれ径の異なる複数の筒体７２Ａ１，７２Ａ２，７２Ａ３が入れ子状に収納された構成である。伸縮体７２は、筒体７２Ａ１，７２Ａ２，７２Ａ３の相互の進退によりその軸線方向に伸縮する。
自在継手７３は、タンク２０の上面２１と伸縮体７２の他端とを接続する。浮体７１が取り付けられた伸縮体７２は、自在継手７３を介してタンク２０の容積部分を自由に揺動運動する。この揺動運動は、容器２０の上面２１に干渉しない範囲で行われる。

伸縮センサ７４は、伸縮体７２の筒体７２Ａ１，７２Ａ２，７２Ａ３の各々の繰り出し量を検出することで伸縮体７２の一端から他端までの距離を検出する。伸縮センサ７４は、例えばリニアポテンショメータなどで構成される。伸縮センサ７４が検出した伸縮体７２の距離の情報は、演算部６３に出力される。なお、伸縮センサ７４は、測距部の一例である。
第二傾斜センサ７５は、例えば伸縮体７２に内蔵されたジャイロセンサで構成され、鉛直方向に対する伸縮体７２のピッチ方向およびロール方向の傾斜角を検出する。第二傾斜センサ７５が検出した伸縮体２２の傾斜角の情報は、演算部６３に出力される。なお、第二傾斜センサ７５は、第二傾斜検出部の一例である。

第２実施形態の液面検出センサ７０は、水面２２の傾斜角に応じて、水面２２に浮く浮体７１の位置が移動する。そうするために、液面検出センサ７０は、伸縮体７２の伸縮および自在継手７３を介する揺動運動によって浮体７１が水面２２の変動に追従できるように構成されている。
以上の構成を有するので、液面検出センサ７０における伸縮体７２の一端から他端までの距離は変動し、浮体７１は水面２２の変動に応じて自由に位置が変わる。

なお、液面検出センサ７０の浮体７１が水面２２に接触していない場合には、液面検出センサ７０の伸縮体７２は鉛直方向に垂下して最も伸長した状態となる。したがって、液面検出センサ７０の伸縮体７２の傾斜角が鉛直方向とほぼ一致し、伸縮体７２の長さが閾値を超えていれば、演算部６３は液面検出センサ７０が水面２２を検出していないと判定してもよい。

第２実施形態の液量算出装置６０’による水量の算出手順は、第１実施形態の液量算出装置６０による水量の算出手順を踏襲する。ただし、液量算出装置６０’は液面検出センサ７０が揺動運動するので、伸縮体７２の鉛直方向に対するピッチ方向の傾斜角β_１および伸縮体７２の鉛直方向に対するロール方向の傾斜角β_２を考慮して水量が算出される。

具体的には、前述した第一演算式（１ｐ）,（１ｒ）および第二演算式（２ｐ），（２ｒ）におけるβ_１およびβ_２として、以下に示すように、第二傾斜センサ７５で検出した値が代入される。また、第一演算式（１ｐ）,（１ｒ）および第二演算式（２ｐ），（２ｒ）におけるｈとして、伸縮センサ７４で検出された伸縮体７２の一端から他端までの距離が代入される。その他の第一演算式（１ｐ）,（１ｒ）および第二演算式（２ｐ），（２ｒ）における変動要素は第１実施形態と同様である。

ここで、図９（ａ）は、第１実施形態の図５（ａ）に対応し、幅方向Ｗからみたときに水の領域の形状が三角形をなし、演算部６３が第一演算式（１ｐ）により水量Ｖを算出する場合を示している。図９（ｂ）は、第１実施形態の図５（ｂ）に対応し、長さ方向Ｌからみたときに水の領域の形状が三角形をなし、演算部６３が第一演算式（１ｒ）により水量Ｖを算出する場合を示している。
また、図１０（ａ）は、第１実施形態の図６（ａ）に対応し、幅方向Ｗからみたときに水の領域の形状が台形をなし、演算部６３が第二演算式（２ｐ）により水量Ｖを算出する場合を示している。図１０（ｂ）は、第１実施形態の図６（ｂ）に対応し、長さ方向Ｌからみたときに水の領域の形状が台形をなし、演算部６３が第二演算式（２ｒ）により水量Ｖを算出する場合を示している。

ｈ：伸縮体７２の一端から他端までの長さ
β_１：鉛直方向に対する伸縮体７２のピッチ方向の傾斜角
β_２：鉛直方向に対する伸縮体７２のロール方向の傾斜角

〔第２実施形態の効果〕
第２実施形態の液量算出装置６０’も、第１実施形態の液量算出装置６０と同様の効果を得ることができる。

また、液量算出装置６０’によれば、伸縮体７２が伸縮することと自在継手７３により伸縮体７２が揺動運動することにより、液量算出装置６０よりも水量を検出する範囲が広くなる。
つまり、図４（ａ），（ｂ）に破線で示した液面検出センサ６２を液面検出センサ７０に代替したとすれば、浮体７１が水面２２に浮くように、伸縮体７２が揺動しかつ伸長することができる。したがって、第２実施形態によれば、第１実施形態よりも水面２２の位置を検出できる範囲が広くなるので、検出できる水量の範囲が広がる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択することや、他の構成に適宜変更することが可能である。例えば、重心変更装置１０は航空機１００に限定されず、船舶、車両などの移動体に搭載されてもよい。また、タンク２０に貯留される液体は、水以外の揮発性の小さい液体であってもよい。

また、上記実施形態においては、タンク２０の容積部分が直方体である例を説明したが、タンク２０の容積部分の形状は、円柱状、球状などの他の形状であってもよい。

また、上記実施形態においては、タンク２０に取り付けられた第一傾斜センサ６１で、タンク２０のピッチ方向の傾斜角およびロール方向の傾斜角を検出する例を説明した。しかし、各タンク２０は航空機１００の胴体部分１００Ａに取り付けられているため、航空機の胴体１０１Ａの傾斜角をタンクの容積部分の傾斜角とみなすことができる。そのため、演算部６３は、図２に示される機体姿勢センサ５１で検出された航空機１００のピッチ方向およびロール方向の傾斜角を、タンク２０のピッチ方向の傾斜角およびロール方向の傾斜角として用いることができる。そうすれば、各タンク２０に設けていた第一傾斜センサ６１を省略することができる。

また、上記実施形態において、第一傾斜センサ６１や第二傾斜センサ７５には、状態量として角速度を用いるジャイロセンサを採用した例を示した。しかし、本発明はこれに限らず状態量として加速度を用いる加速度センサをこれらのセンサに採用してもよい。

上記実施形態における演算部６３は、検出された水面２２の１点から水平方向に水面２２が伸びるとみなして水量を算出した。しかし、航空機１００の飛行時においてタンク２０に貯留される水には、移動方向の加速度に比例する慣性力と重力との合力が負荷される。そのため、演算部６３は、移動方向の加速度を考慮して水面２２の傾斜を水平から補正して水量を算出してもよい。

１０ 重心変更装置
２０，２０Ａ－２０Ｈ タンク
２１ 上面
２２ 水面
３０，３０Ａ，３０Ｂ マニホールド部
３１，３３ 配管
３２ 弁
４０ ポンプ
５０ 制御部
５１ 機体姿勢センサ
６０，６０’，６０Ａ 液量算出装置
６１ 姿勢検出センサ
６２，６２Ａ，６２Ｂ 液面検出センサ
６３ 演算部
６４ 記憶媒体
６５ センサ本体
６５Ａ 検出領域
７０，７０Ａ，７０Ｂ 液面検出センサ
７１ 浮体
７２ 伸縮体
７２Ａ１－Ａ３ 筒体
７３ 自在継手
７４ 伸縮センサ
７５ 傾斜センサ
１００ 航空機
１００Ａ 胴体部分

Claims (7)

1. 移動体に搭載される容器に貯留される、燃料を除く液体の量を算出する液量算出装置であって、
   前記移動体の移動に伴う前記容器の状態量の変化に基づいて、前記液体の液面の傾斜角を検出する第一傾斜検出部と、
   前記第一傾斜検出部に対して別の要素であって、前記容器に貯留される前記液体の液面の位置を検出する液位検出部と、
   前記第一傾斜検出部が検出する前記液面の傾斜角と、前記液位検出部が検出する前記液面の位置と、前記容器の仕様と、に基づいて、前記容器に貯留される前記液体の量を算出する演算部と、を備え、
   複数の前記液位検出部が、平面方向における前記容器の第一方向および前記第一方向と直交する第二方向の少なくとも一つの方向に間隔をあけて前記容器内に配置され、
   前記液位検出部は、
   揺動中心を介して前記容器に支持されるとともに、軸線方向に伸縮する伸縮体と、
   前記伸縮体に支持されるとともに、前記液面に浮く浮体と、
   前記揺動中心から前記浮体までの距離を検出する測距部と、
   鉛直方向に対する前記伸縮体の傾斜角を検出する第二傾斜検出部と、を含み、
   前記液位検出部は、前記伸縮体の伸縮および揺動運動により前記浮体が前記液面の変動に追従するように構成されている、
   ことを特徴とする液量算出装置。
2. 複数の前記液位検出部は、
   前記第一方向の一方端に偏って配置される第一液位検出部と、
   前記第一方向の他方端に偏って配置される第二液位検出部と、を備える、
   請求項１に記載の液量算出装置。
3. 複数の前記液位検出部は、
   前記第二方向の一方端に偏って配置される第三液位検出部と、
   前記第二方向の他方端に偏って配置される第四液位検出部と、を備える、
   請求項１または２に記載の液量算出装置。
4. 前記第一傾斜検出部は、
   前記容器に対応して設けられ、前記液面の前記傾斜角を検出する、
   請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の液量算出装置。
5. 前記第一傾斜検出部は、
   前記移動体に設けられた機体姿勢センサである、
   請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の液量算出装置。
6. 前記移動体は、航空機であり、
   前記液面の傾斜角および前記液位検出部の傾斜角は、前記航空機のピッチ方向およびロール方向の成分を含む、
   請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の液量算出装置。
7. 請求項１～請求項６のいずれか一項に記載の液量算出装置を複数有する移動体の重心変更装置であって、
   前記液量算出装置の前記容器同士を接続する配管と、
   前記配管を介して複数の前記容器の間で前記液体を移動させるポンプと、
   前記液量算出装置で算出した各々の前記容器における前記液体の量と、前記移動体における前記容器の配置に基づいて、複数の前記容器間における前記液体の移動量が生ずるように前記ポンプの動作を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする移動体の重心変更装置。

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