JPH11281465A - 液面レベルセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フロートアーム回転角度の検出範囲を広くす
ることができる液面レベルセンサを提供する。 【解決手段】 フロートアーム３は、フロート２の上下
動によって回転軸４を中心に回動し、永久磁石１１は、
フロートアーム３の回動に伴って回動し、磁気抵抗素子
１２の面内にはバイアス磁石１４により一定のバイアス
磁界が印加され、磁気抵抗素子１２に印加される磁界
は、永久磁石の信号磁界とバイアス磁界とが合成された
合成磁界となり、合成磁界は、永久磁石の回動に伴って
回転する。合成磁界の角度変化は、バイアス磁石がない
場合と比較して、信号磁界の回転に対する変化が小さい
ため、センサ出力がリニアで検出可能なフロートアーム
の検出角度範囲は、バイアス磁石がない場合よりも大き
くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、貯液槽に貯留した
各種液体の液面レベルを検出する液面レベルセンサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】貯液槽に貯留した各種液体の液面レベル
を検出する液面レベルセンサの１つの方式として、液面
に浮かぶフロートの位置を検出するフロート式の液面レ
ベルセンサが知られている。

【０００３】図７に従来のこの種のフロート式の液面レ
ベルセンサの概略構成図を示す。図７に示す液面レベル
センサは、回転軸４に連結されたフロートアーム３の先
端部に液面に浮かぶフロート２が取り付けられ、液面の
レベルに追従するフロート２の上下動をフロートアーム
３の回転角度に変換し、変換された回転角度から液面の
レベルを電気信号により検出するものである。

【０００４】この場合、フロートアーム３の回転角度を
リニア（直線的）に電気信号に変換する手段として、図
８に示すような摺動抵抗式が広く用いられている。この
摺動抵抗式は、フロートアーム３のフロート２を取り付
けた反対側に、コンタクト５を保持するコンタクトホル
ダ６が取り付けられる。コンタクト５は、フロートアー
ム３が回転することで、抵抗板８の抵抗部９を摺動する
ようになっている。

【０００５】このため、抵抗部９のコンタクト５と電極
７との間の抵抗値は、フロートアーム３の回転角度の位
置に対応した値となるため、フロートアーム３の位置を
リニアな電気信号に変換することができる。

【０００６】しかし、この方式にあっては、コンタクト
５を持つため、常にコンタクト５に電流が流れる必要が
あり、貯蔵液体が導電性を有する場合には、使用するこ
とができなかった。また、貯蔵液体が可燃性物質である
場合には、その液体の耐引火性がかなり低下する。さら
に、長期使用による特性劣化または破壊等の信頼性に欠
ける問題点等があった。

【０００７】そこで、上記問題点を解決した液面レベル
センサとして、例えば、特開平８−９４４１３号公報に
記載された液面レベル測定装置が知られている。

【０００８】この液面レベル測定装置の断面図を図９に
示す。この液面レベル測定装置は、フロート式レベルセ
ンサであり、液面に浮かぶフロート２には回動するフロ
ートアーム３の先端部が連結され、このフロートアーム
３の後端部には回動自在に支承された回転軸４が取り付
けられている。

【０００９】また、液面レベル測定装置は、回転軸４を
軸支する筐体部１０、回転軸４と同軸にしてフロートア
ーム３の後端部に取り付けれた永久磁石１１、回転軸と
同軸上で対向配置して側壁で仕切られると共に密閉され
た空間部内に収められた磁気抵抗素子１２を備えて構成
される。

【００１０】すなわち、磁気センサである磁気抵抗素子
１２により非接触で検出し、且つ電流経路であるセンサ
部は、密閉構造となっているため、前記問題点を解決す
ることができる。

【００１１】永久磁石１１は、回転軸４に取り付けら
れ、フロートアーム３の回転とともに同じ角度で同一方
向に回転する。磁気抵抗素子１２は、永久磁石１１の回
転に伴って永久磁石１１の磁界の向きが変化して抵抗値
が変化する。

【００１２】このような構成によれば、液体の液面にフ
ロート２が浮かび、液面のレベルの上昇に応じて、フロ
ートアーム３が回転軸４を中心として回転（フロートア
ーム角度が−９０°から＋９０°までの１８０°）して
フロート２が円弧状の軌跡を描く。

【００１３】このとき、図１０に示すように、永久磁石
１１も角度θだけ回転するので、永久磁石１１の回転に
伴って永久磁石１１の磁界の向きが変化するから、磁気
抵抗素子１２の抵抗値が変化する。

【００１４】すなわち、磁気抵抗素子１２は、図１１に
示すように、第１の磁気抵抗素子１２ａ乃至第４の磁気
抵抗素子１２ｄからなるフルブリッジ構成であり、永久
磁石１１により磁気抵抗素子１２が受ける磁界１３も、
磁気抵抗素子１２の面内で矢印方向（反時計方向）に角
度θだけ回転する。

【００１５】そして、磁気抵抗素子１２の抵抗値は、自
発磁化が磁界方向を向いていると仮定すると、パターン
に対する磁界角度αにより図１２に示すように変化す
る。図１２からわかるように、磁気抵抗素子１２の抵抗
値は、磁界角度αが４５°（及び１３５°）を中心に約
±３０°の範囲において、磁界角度αに対して直線的に
変化する。このため、約±３０°の範囲において、高精
度に液面のレベルを測定することができる。

【００１６】また、パターンに対する磁界方向が、図１
１に示す方向１３を基準として変化するように、磁気抵
抗素子１２と永久磁石１１とを配置することにより、フ
ロートアーム３の角度変化が約６０°まで検出できるよ
うになる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
フロート式の液面レベルセンサにあっては、図７からも
わかるように、フロートアーム３の回転角度θは、場合
によっては最大で１８０°となることもある。

【００１８】しかし、フロートアームの回転角度の検出
範囲が約６０°までとなっていたため、検出範囲が約６
０°以上では、フロートアームの回転角度を検出できな
かった。

【００１９】本発明は、フロートアームの回転角度の検
出範囲を広くすることができる液面レベルセンサを提供
することを課題とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するために以下の構成とした。請求項１の発明は、液面
に浮かぶフロートに取り付けられ、フロートの上下動に
よって回転軸を中心に回動するフロートアームと、前記
回転軸に取り付けられ、前記フロートアームの回動に伴
って回動する永久磁石と、この永久磁石の回動による永
久磁石の信号磁界の向きの変化により抵抗値が変化して
前記フロートアームの回転角度を検出する磁気抵抗手段
と、この磁気抵抗手段の面内に一定のバイアス磁界を印
加するバイアス磁石とを備えることを特徴とする。

【００２１】この発明によれば、フロートの上下動によ
ってフロートアームが回転軸を中心に回動すると、永久
磁石もフロートアームの回動に伴って回動する。また、
磁気抵抗手段の面内にはバイアス磁石により一定のバイ
アス磁界が印加されているため、磁気抵抗手段に印加さ
れる磁界は、永久磁石の信号磁界とバイアス磁界とが合
成された合成磁界となる。

【００２２】この合成磁界は、永久磁石の回動に伴って
回転するため、抵抗値が変化してフロートアームの回転
角度を検出することができる。また、合成磁界の角度変
化は、バイアス磁石がない場合と比較して、信号磁界の
回転に対する変化が小さいため、センサ出力がリニアで
検出可能なフロートアームの検出角度範囲は、バイアス
磁石がない場合よりも大きくなる。すなわち、フロート
アームの回転角度の検出範囲が広くなる。

【００２３】請求項２の発明は、前記磁気抵抗手段及び
前記バイアス磁石を側壁を仕切って密閉した筐体部を備
えることを特徴とする。

【００２４】この発明によれば、筐体部に、磁気抵抗手
段及び前記バイアス磁石を側壁を仕切って密閉したの
で、磁気抵抗手段及びバイアス磁石が液体等に濡れるこ
とがなくなるので、高精度となる。

【００２５】請求項３の発明のように、前記信号磁界の
強度は、前記バイアス磁界の強度以上であることを特徴
とする。

【００２６】この発明によれば、信号磁界の強度をバイ
アス磁界の強度以上とすることで、従来よりも２倍以上
のフロートアームの回転角度を検出することができるよ
うになる。

【００２７】請求項４の発明のように、前記信号磁界の
強度及び前記バイアス磁界の強度は、前記磁気抵抗手段
の飽和磁界の強度以上であることを特徴とする。

【００２８】この発明によれば、信号磁界の強度及びバ
イアス磁界の強度を、磁気抵抗手段の飽和磁界の強度以
上とすることで、リニアなセンサ出力を得る検出角度範
囲を広くすることができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の液面レベルセンサ
の実施の形態を図面を参照して説明する。図１に本発明
の液面レベルセンサの実施の形態の構成図を示し、図２
に磁気センサの構成図を示す。

【００３０】液面レベルセンサは、フロート式レベルセ
ンサであり、液面に浮かぶフロート２には回動するフロ
ートアーム３の先端部が連結され、このフロートアーム
３の後端部には回動自在に支承された回転軸４が取り付
けられている。

【００３１】また、回転軸４は、筐体部１０により軸支
され、回転軸４には、回転軸４と同軸上にある永久磁石
１１が取り付けられている。この永久磁石１１は、図２
に示すように、検出する角度範囲（０°から３６０°ま
で）において、フロートアーム３の回転とともに同じ角
度で同一方向に回転するようになっている。

【００３２】磁気センサである磁気抵抗素子１２、及び
バイアス磁石１４は、筐体部１０内に密封されて収納さ
れるとともに、永久磁石１１と対向して配置されてい
る。平板状のバイアス磁石１４は、磁気抵抗素子１２の
下面に密着して配置され、磁気抵抗素子１２の長手方向
または長手方向に直交する方向に沿って着磁されてお
り、磁気抵抗素子１２に対して面内方向に常に一定のバ
イアス磁界を印加するようになっている。

【００３３】また、磁気抵抗素子１２には永久磁石１１
による信号磁界が印加されるようになっていて、永久磁
石１１の回転により、磁気抵抗素子１２に対して信号磁
界の向きが変化するようになっている。

【００３４】なお、磁気抵抗素子１２を有する磁気セン
サは、磁気抵抗素子１２の出力信号を処理する図示しな
いセンサ信号処理部を設けてなる。

【００３５】磁気抵抗素子１２は、図３に示すように、
第１の磁気抵抗素子１２ａと、この第１の磁気抵抗素子
１２ａに中点ａを介して接続される第２の磁気抵抗素子
１２ｂと、この第２の磁気抵抗素子１２ｂに中点ｄを介
して接続される第３の磁気抵抗素子１２ｃと、この第３
の磁気抵抗素子１２ｃに中点ｃを介して接続される第４
の磁気抵抗素子１２ｄとからなるフルブリッジを構成す
る。第４の磁気抵抗素子１２ｄは、第１の磁気抵抗素子
１２ａに中点ｂを介して接続される。

【００３６】各磁気抵抗素子１２ａ〜１２ｄは、磁界の
変化により抵抗値変化を生じ、この抵抗値の変化を電圧
値の変化として取り出し、取り出した電圧値をセンサ信
号として図示しないセンサ信号処理部に出力するように
なっている。

【００３７】次に、このように構成された実施の形態の
液面レベルセンサの動作を図面を参照して説明する。

【００３８】まず、タンク内の液体の液面のレベルの変
動に応じて、フロートアーム３が回転軸４を中心として
回転すると、これに伴って、永久磁石１１も回転する。
すなわち、フロートアーム３の回転角度の変化に応じ
て、永久磁石１１の回転角度も変化する。

【００３９】すると、磁気抵抗素子１２には、図３に示
すように、永久磁石１１が発生する信号磁界１１ａと、
バイアス磁石１４が発生する一定方向のバイアス磁界１
４ａとが印加される。このため、磁気抵抗素子１２に
は、信号磁界１１ａとバイアス磁界１４ａとが加算され
た合成磁界１５が印加される。

【００４０】図３に示す状態では、信号磁界１１ａの磁
界ベクトルは、真下方向に向いており、バイアス磁界１
４ａの磁界ベクトルは、右方向に向いているため、合成
磁界１５は、バイアス磁界１４ａの磁界ベクトルから反
時計方向に４５°回転した方向に向く。

【００４１】そして、液面のレベルによってフロート２
が上下動することで永久磁石１１が回転すると、信号磁
界１１ａも磁気抵抗素子１２の面内で回転するため、合
成磁界１５も磁気抵抗素子１２の面内で回転することに
なる。なお、バイアス磁界１４ａは、常に一定方向に向
いている。

【００４２】このときのバイアス磁界に対する信号磁界
の角度とバイアス磁界に対する合成磁界の角度との関係
を図４に示す。図４において、直線的に変化する実線
（−）で示す直線は、バイアス磁界１４ａがない場合の
角度特性を示し、“○”印で示す直線は、バイアス磁界
１４ａと信号磁界１１ａとの比が１対１である場合の角
度特性を示す。

【００４３】“◇”印で示す曲線は、バイアス磁界１４
ａと信号磁界１１ａとの比が２対１である場合の角度特
性を示し、“△”印で示す曲線は、バイアス磁界１４ａ
と信号磁界１１ａとの比が１対２である場合の角度特性
を示す。

【００４４】また、永久磁石１１が回転したときにおけ
るバイアス磁界１４ａ、信号磁界１１ａ、合成磁界１５
の各磁界ベクトルを図５に示す。図５において、横軸
は、バイアス磁界１４ａに対する信号磁界１１ａの角度
を示しており、縦軸における３つの矢印の内の上から１
番目の矢印は、バイアス磁界１４ａの磁界ベクトルを示
し、２番目の矢印は、信号磁界１１ａの磁界ベクトルを
示し、３番目の矢印は、合成磁界１５の磁界ベクトルを
示している。

【００４５】図４及び図５からもわかるように、バイア
ス磁界１４ａがある場合における合成磁界１５の角度変
化を、バイアス磁界１４ａがない場合における信号磁界
１４ａの角度変化と比較すると、合成磁界１５は、信号
磁界１４ａの回転に対する角度変化が小さくなる。

【００４６】例えば、信号磁界１１ａの強度と、バイア
ス磁界１４ａの強度との比を１対１とすると、信号磁界
１１ａが±１８０°の範囲を変化するのに対して、合成
磁界１５は、±９０°の範囲を変化することになる。

【００４７】そして、永久磁石１１が回転することで、
合成磁界１５の向きが変化して、磁気抵抗素子１２の第
１の磁気抵抗素子１２ａ乃至第４の磁気抵抗素子１２ｄ
のそれぞれの抵抗値が変化する。

【００４８】さらに、各抵抗値の変化を各中点から中点
電圧として取り出して、図示しないセンサ信号処理部に
出力する。この中点電圧により、液面のレベルを測定す
ることができる。

【００４９】一方、磁気抵抗素子１２の回転角リニア検
出範囲は、図１２からもわかるように、約６０°（±３
０°）である。このため、図４において、合成磁界の角
度を約６０°（±３０°）とした場合における信号磁界
の回転角度検出範囲は、バイアス磁界１４ａと信号磁界
１１ａとの比を２対１とした場合には、約９０°（±４
５°）となる。

【００５０】また、合成磁界の角度を約６０°（±３０
°）とした場合における信号磁界の回転角度検出範囲
は、バイアス磁界１４ａと信号磁界１１ａとの比を１対
１とした場合には、約１２０°（±６０°）となる。

【００５１】さらに、合成磁界の角度を約６０°（±３
０°）とした場合における信号磁界の回転角度検出範囲
は、バイアス磁界１４ａと信号磁界１１ａとの比を１対
２とした場合には、約１８０°（±９０°）となる。す
なわち、実施の形態では、信号磁界による回転角リニア
検出範囲が広がることになる。

【００５２】図６にバイアス磁界がない場合、及びバイ
アス磁界と信号磁界との比を可変した場合におけるフロ
ートアーム回転角度に対するセンサ出力を示す。

【００５３】図６において、実線（−）で示す曲線は、
バイアス磁界１４ａがない場合のセンサ出力を示し、
“○”印で示す直線は、バイアス磁界１４ａと信号磁界
１１ａとの比が１対１である場合のセンサ出力を示す。

【００５４】“◇”印で示す曲線は、バイアス磁界１４
ａと信号磁界１１ａとの比が２対１である場合のセンサ
出力を示し、“△”印で示す曲線は、バイアス磁界１４
ａと信号磁界１１ａとの比が１対２である場合のセンサ
出力を示す。

【００５５】図６から、バイアス磁界がない場合におけ
るリニアセンサ出力に比較して、バイアス磁界がある場
合におけるリニアセンサ出力を得るフロートアーム回転
角度、すなわち、検出角度範囲が大きくなっていること
がわかる。

【００５６】このように、磁気抵抗素子１２に対して面
内方向に、常に一定のバイアス磁界を印加するバイアス
磁石１１を設けたため、リニアセンサ出力を得る検出角
度範囲を広くすることができるから、検出範囲の広い液
面レベルセンサを提供することができる。

【００５７】また、磁気抵抗素子１２は、図１２に示す
関係では、自発磁化が磁界方向を向いているという仮定
の下にあるため、磁気抵抗素子１２を飽和磁界以上で動
作させる必要がある。

【００５８】さらに、図５に示すように、信号磁界１１
ａの角度が±９０°の範囲において、合成磁界１５の強
度は、バイアス磁界１４ａの強度及び信号磁界１１ａの
強度を下回ることはなく、この２つの磁界の強度を、磁
気抵抗素子１２の飽和磁界以上とすれば、十分である。

【００５９】また、筐体部１０に、磁気抵抗素子１２及
びバイアス磁石１４を側壁を仕切って密閉したので、磁
気抵抗素子１２及びバイアス磁石１４が液体等に濡れる
ことがなくなるので、高精度となる。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、フロートの上下動によ
ってフロートアームが回転軸を中心に回動すると、永久
磁石もフロートアームの回動に伴って回動する。また、
磁気抵抗手段の面内にはバイアス磁石により一定のバイ
アス磁界が印加されているため、磁気抵抗手段に印加さ
れる磁界は、永久磁石の信号磁界とバイアス磁界とが合
成された合成磁界となる。

【００６１】この合成磁界は、永久磁石の回動に伴って
回転するため、抵抗値が変化してフロートアームの回転
角度を検出することができる。また、合成磁界の角度変
化は、バイアス磁石がない場合と比較して、信号磁界の
回転に対する変化が小さいため、センサ出力がリニアで
検出可能なフロートアームの検出角度範囲は、バイアス
磁石がない場合よりも大きくなる。すなわち、フロート
アームの回転角度の検出範囲が広くなる。

【００６２】また、筐体部に、磁気抵抗手段及び前記バ
イアス磁石を側壁を仕切って密閉したので、磁気抵抗手
段及びバイアス磁石が液体等に濡れることがなくなるの
で、高精度となる。

【００６３】また、信号磁界の強度をバイアス磁界の強
度以上とすることで、従来よりも２倍以上のフロートア
ームの回転角度を検出することができるようになる。

【００６４】さらに、信号磁界の強度及びバイアス磁界
の強度を、磁気抵抗手段の飽和磁界の強度以上とするこ
とで、リニアなセンサ出力を得る検出角度範囲を広くす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液面レベルセンサの実施の形態の構成
図である。

【図２】磁気センサの構成図である。

【図３】磁気抵抗素子に加わる合成磁界を示す図であ
る。

【図４】バイアス磁界に対する信号磁界の角度とバイア
ス磁界に対する合成磁界の角度との関係を示す図であ
る。

【図５】永久磁石が回転したときにおけるバイアス磁
界、信号磁界、合成磁界の各磁界ベクトルの変化を示す
図である。

【図６】フロートアーム回転角度とセンサ出力との関係
を示す図である。

【図７】従来のフロート式の液面レベルセンサの概略構
成図である。

【図８】摺動抵抗式の構成を示す図である。

【図９】従来の液面レベル測定装置の断面図である。

【図１０】図９の液面レベル測定装置の磁気センサの構
成図である。

【図１１】図１０の磁気センサにおける磁気抵抗素子の
パターンと永久磁石の磁界とを示す図である。

【図１２】図１０の磁気センサにおける磁気抵抗素子の
パターンに対する磁界角度と抵抗値との関係を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ タンク ２ フロート ３ フロートアーム ４ 回転軸 ５ コンタクト ６ コンタクトホルダ ７ 電極 ８ 抵抗板 ９ 抵抗部 １０ 筐体部 １１ 永久磁石 １１ａ 信号磁界 １２ 磁気抵抗素子 １４ａ バイアス磁界 １５ 合成磁界

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液面に浮かぶフロートに取り付けられ、
   フロートの上下動によって回転軸を中心に回動するフロ
   ートアームと、 前記回転軸に取り付けられ、前記フロートアームの回動
   に伴って回動する永久磁石と、 この永久磁石の回動による永久磁石の信号磁界の向きの
   変化により抵抗値が変化して前記フロートアームの回転
   角度を検出する磁気抵抗手段と、 この磁気抵抗手段の面内に一定のバイアス磁界を印加す
   るバイアス磁石と、を備えることを特徴とする液面レベ
   ルセンサ。
2. 【請求項２】 前記磁気抵抗手段及び前記バイアス磁石
   を側壁を仕切って密閉した筐体部を備えることを特徴と
   する請求項１記載の液面レベルセンサ。
3. 【請求項３】 前記信号磁界の強度は、前記バイアス磁
   界の強度以上であることを特徴とする請求項１または請
   求項２記載の液面レベルセンサ。
4. 【請求項４】 前記信号磁界の強度及び前記バイアス磁
   界の強度は、前記磁気抵抗手段の飽和磁界の強度以上で
   あることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか
   １項記載の液面レベルセンサ。