WO2012095996A1

WO2012095996A1 - 液状態検知センサ

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Publication number: WO2012095996A1
Application number: PCT/JP2011/050577
Authority: WO
Inventors: 千明片岡; 赤木　正紀
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2012-07-19
Also published as: US8919196B2; US20130283905A1; CN102713536B; DE112011104716B4; DE112011104716T5; JPWO2012095996A1; JP5360238B2; CN102713536A

Abstract

　少ない端子数でより多くの項目を検知することが可能な液状態検知センサを提供することを目的とする。　３つの端子Ａ～Ｂと、端子Ａ－Ｂ間に設けられたコンデンサＣ１と、端子Ｂ－Ｃ間に設けられたコンデンサＣ２と、端子Ａ－Ｃ間に設けられたコンデンサＣ３と、を備えて、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２を直列接続し、当該直列接続に対してコンデンサＣ３を並列接続する。そして、それぞれ互いに静電容量測定エリアに干渉しない位置に設け、コンデンサＣ１は燃料タンク１０の燃料の液外に位置してベーパ層リファレンス測定部とし、コンデンサＣ２は燃料タンク１０の一部または全部が燃料内に浸る液位測定部とし、コンデンサＣ３は燃料タンク１０の底付近に位置して燃料リファレンス測定部とする。

Description

液状態検知センサ

　本発明は、液状態検知センサにかかり、特に、燃料タンク等の液体を貯留するタンク内に設けられ、複数種類の液状態を検知可能な液状態検知センサに関する。

　液状態検知センサとしては、例えば、燃料タンク内に設けられ、燃料タンク内の燃料残量を検知するものが一般的に知られている。

　この種の液状態検知センサとしては、例えば、特開２０１０－２５７８２号公報に記載の技術が提案されている。当該技術では、被測定液中にある第１の検出電極と、被測定液の液位を測定する第２の検出電極と、常に被測定液外にある第３の検出電極を設け、第２の検出電極が被測定液中に浸漬されている部分の長さに比例する時間だけコンデンサを充電し、かつ第２の検出電極が被測定液外にある部分の長さに比例した時間だけコンデンサの電荷を放電するという動作を繰り返すようにしたセンサが提案されている。

　しかしながら、特開２０１０－２５７８２号公報に記載の技術では、第１の端子と他の端子の組み合わせにより検出電極を構成しているため、検出電極数＋１個の端子が必要となる。

　本発明は、上記事実を考慮して成されたもので、少ない端子数でより多くの項目を検知することが可能な液状態検知センサを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、ｎ（ｎ≧３の自然数）個の端子と、それぞれ異なる前記端子の組み合わせの前記端子間に設けられたｎ個以上の静電容量測定部と、を備えることを特徴としている。

　請求項１に記載の発明によれば、ｎ個の端子を有し、それぞれ異なる端子の組み合わせの端子間に設けられたｎ個以上の静電容量測定部を備えている。すなわち、静電容量測定部によってｎ以上の項目の測定が可能となり、本構成を用いない場合に比べて、少ない端子数で多くの検知項目を検知することが可能となる。なお、ｎ以上の項目は、同一の項目を測定しても、異なる項目を測定してもよい。

　例えば、静電容量測定部は、請求項２に記載の発明のように、全ての組み合わせの端子間に設けられ、ｎ！／（２×（ｎ－２）！）個備える。これにより、少ない端子数で最大の検知項目を検知することが可能となる。

　また、静電容量測定部は、請求項３に記載の発明のように、常に燃料タンク内の被測定液中に配設された第１の静電容量測定部と、被測定液の液位を測定するための第２の静電容量測定部と、常に被測定液の外に配設された第３の静電容量測定部と、を含むようにしてもよい。これによって、第１の静電容量測定部で液中の場合の静電容量を測定することができ、第３の静電容量測定部で液の外の場合の静電容量を測定することができる。そして、第１及び第３の静電容量測定部の測定結果を踏まえて、第２の静電容量測定結果から液位を正確に検知することができる。

　このとき、請求項４に記載の発明のように、静電容量測定部が、給油された燃料を一旦貯留するために燃料タンクに形成された液層に配設された第４の静電容量測定部をさらに含むようにしてもよい。このように構成することにより、給油された燃料の種類を第４の静電容量測定部によって検知することが可能となる。

　また、静電容量測定部は、請求項５に記載の発明のように、燃料タンク内の燃料の温度を検知する第５の静電容量測定部をさらに含むようにしてもよい。

　また、請求項６に記載の発明のように、第５の静電容量測定部によって測定される静電容量、前記燃料の温度、及び前記燃料内に含まれるアルコール濃度の予め定めた関係を記憶し、第５の静電容量測定部によって測定された静電容量に基づいて燃料の温度を求め、求めた燃料の温度と第５の静電容量測定部によって測定された静電容量に基づいてアルコール濃度を算出する算出手段をさらに備えるようにしてもよい。

　また、静電容量測定部は、請求項７に記載の発明のように、一対の電極間の距離の変化による静電容量の変化から圧力を検知する第６の静電容量測定部をさらに含むようにしてもよい。

　さらに、静電容量測定部は、請求項８に記載の発明のように、同一の基盤上に設けるようにしてもよい。

　以上説明したように本発明によれば、少ない端子数でより多くの項目数の液状態を検知することができる、という効果がある。

本発明の第１実施形態に係わる液状態検知センサを設けた燃料タンクの概略構成を示す図である。本発明の第１実施形態に係わる液状態検知センサの概略構成を示す図である。本発明の第１実施形態に係わる液状態検知センサの回路構成を示す回路図である。本発明の第１実施形態に係わる液状態検知センサにおける各端子間の静電容量を表す式を示す表である。本発明の第２実施形態に係わる液状態検知センサを設けた燃料タンクの概略構成を示す図である。本発明の第２実施形態に係わる液状態検知センサの概略構成を示す図である。本発明の第２実施形態に係わる液状態検知センサの回路構成を示す回路図である。本発明の第２実施形態に係わる液状態検知センサにおける端子Ａ－Ｂ間の静電容量の算出方法を説明するための図である。本発明の第２実施形態に係わる液状態検知センサにより検知可能な検知項目とその測定部の対応を示す表である。燃料温度と静電容量の関係の一例を示すグラフである。静電容量とアルコール濃度の関係の一例を示すグラフである。

　以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。

（第１実施形態）

　図１は、本発明の第１実施形態に係わる液状態検知センサを設けた燃料タンクの概略構成を示す図である。

　燃料タンク１０には、自動車等で使用する液状の燃料が貯留される。燃料タンク１０に貯留する燃料は、燃料タンク１０に接続された給油パイプ１２から給油される。また、燃料タンク１０に貯留された燃料は、燃料タンク１０内に設けられた燃料ポンプ１４から吸い上げられて、自動車のエンジン等の内燃機関に供給される。

　燃料ポンプ１４には、フィルタ１６が設けられており、フィルタ１６を介して燃料が吸い上げられることによって、燃料ポンプ１４の詰まり等が抑制されるようになっている。

　また、燃料タンク１０内には、本発明の第１実施形態に係わる液状態検知センサ１８が設けられている。本実施形態では、液状態検知センサ１８は、燃料タンク１０内に貯留される燃料の残量を検知する。

　図２は、本発明の第１実施形態に係わる液状態検知センサ１８の概略構成を示す図であり、図３は、本発明の第１実施形態に係わる液状態検知センサ１８の回路構成を示す回路図である。

　第１実施形態の液状態検知センサ１８は、端子Ａ～Ｃの３つの端子を有すると共に、燃料の状態を検知するために３つのコンデンサＣ１～Ｃ３を備えており、各端子Ａ～Ｃが演算装置２０に接続されている。

　各コンデンサＣ１～Ｃ３は、それぞれ櫛歯状の一対の電極で構成されており、一対の電極間に電荷の充電と放電が可能とされている。

　詳細には、コンデンサＣ１は端子Ａ－Ｂ間に設けられ、コンデンサＣ２は端子Ｂ－Ｃ間に設けられ、コンデンサＣ３は端子Ａ－Ｃ間に設けられている。

　各コンデンサＣ１～３の電気的接続は、図３に示すように、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２が直列に接続されると共に、当該直列接続に対してコンデンサＣ３が並列に接続されている。

　そして、各コンデンサＣ１～Ｃ３は、それぞれ互いに静電容量測定エリアに干渉しない位置に設けられており、コンデンサＣ１は、燃料タンク１０の上側部分の燃料の液外に位置してベーパ層リファレンス測定部とされ、コンデンサＣ２は、燃料タンク１０の燃料残量に応じて一部または全部が燃料内に浸る液位測定部とされ、コンデンサＣ３は、燃料タンク１０の底付近に位置して燃料リファレンス測定部とされている。

　すなわち、液状態検知センサ１８は、図２の点線で折り曲げられて燃料タンク１０内に設けられ、コンデンサＣ１にはベーパ層に応じた電荷が充電され、コンデンサＣ３には燃料の特性に応じた電荷が充電され、コンデンサＣ２には燃料の残量（液位）に応じた電荷が充電される。

　次に上述のように構成された本発明の第１実施形態に係わる液状態検知センサ１８による燃料残量の検知方法について説明する。

　燃料タンク１０内の燃料残量を検知する場合には、本実施の形態では、端子Ａ－Ｂ間、端子Ｂ－Ｃ間、及び端子Ａ－Ｃ間の各端子間の静電容量を測定する。

　ここで、端子Ａ－Ｂ間の静電容量Ｃ_ＡＢ、端子Ｂ－Ｃ間の静電容量Ｃ_ＢＣ、及び端子Ａ－Ｃ間の静電容量Ｃ_ＡＣを求めると図４に示すようになる。

　各端子間の静電容量を測定して、図４の各式に代入して連立方程式を解くことにより、各コンデンサＣ１～Ｃ３に充電された電荷を求めることができる。

　ここで、ベーパ層リファレンス測定部（コンデンサＣ１の電荷）により燃料外の静電容量が分かり、燃料リファレンス測定部（コンデンサＣ３の電荷）により燃料内の静電容量が分かるので、燃料内外の静電容量から液位測定部のどれくらいが燃料内に位置するかを算出することができる。すなわち、液位測定部（コンデンサＣ２の電荷）の静電容量から燃料の残量を算出することができる。

　従って、図４に示す各端子間の静電容量を表す式を演算装置２０に予め記憶して、液状態検知センサ１８の検知結果を演算装置２０に取り込むことで、演算装置２０によって各コンデンサＣ１～Ｃ３の静電容量を測定することができ、燃料の残量を検知することが可能となる。

　このように、本実施形態では、３つの端子と各端子間に設けられた３つの静電容量測定部により、３種類の液状態を検知することができ、少ない端子数で最大の検知項目を検知することができる。

（第２実施形態）

　続いて、本発明の第２実施形態に係わる液状態検知センサについて説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係わる液状態検知センサを設けた燃料タンク３０の概略構成を示す図である。

　燃料タンク３０には、第１実施形態と同様に、自動車等で使用する液状の燃料が貯留される。燃料タンク３０に貯留された燃料は、燃料タンク３０に接続された給油パイプ３２から給油される。また、燃料タンク３０に貯留された燃料は、燃料タンク３０内に設けられた燃料ポンプ３４によって吸い上げられて、自動車のエンジン等の内燃機関に供給される。

　燃料ポンプ３４には、フィルタ３６が設けられており、フィルタ３６を介して燃料が吸い上げられることによって、燃料ポンプ３４の詰まり等が抑制されるようになっている。

　また、本実施形態の燃料タンク３０は、給油パイプ３２から給油された燃料を一旦貯留するための液層３８が形成されており、給油パイプ３２から給油された燃料が液層３８に一旦貯留される。詳細には、液層３８は、燃料タンク３０の満タン液面より高いところに設けられている。すなわち、給油された燃料は一旦液層３８に貯留されてから、液層３８を溢れた分が燃料タンク３０へ貯留されるので、液層３８には給油された燃料のみが貯留されることになる。

　また、燃料タンク３０内には、本発明の第２実施形態に係わる液状態検知センサ４０が設けられている。本実施形態では、液状態検知センサ４０は、燃料タンク３０内に貯留された燃料の残量のみならず、燃料の種類や燃料タンク３０内の内圧や燃料の温度等の複数種類の状態を検知する。

　図６は、本発明の第２実施形態に係わる液状態検知センサ４０の概略構成を示す図であり、図７は、本発明の第２実施形態に係わる液状態検知センサ４０の回路構成を示す回路図である。

　第２実施形態に係わる液状態検知センサ４０は、端子Ａ～Ｄの４つの端子を有すると共に、燃料の各種状態を検知するために６つのコンデンサＣ１～Ｃ６を備えており、各端子Ａ～Ｃが演算装置４２に接続されている。

　コンデンサＣ１～３、Ｃ５は、それぞれ櫛歯状の一対の電極で構成されており、一対の電極間に感化の充電と放電が可能とされている。

　また、コンデンサＣ４は温度に応じて静電容量が変化するコンデンサが用いられ、コンデンサＣ６は、圧力に応じて静電容量が変化するコンデンサが用いられるものとする。なお、コンデンサＣ４、Ｃ６についても櫛歯状の一対の電極としてもよいが、他の構成としてもよい。

　詳細には、コンデンサＣ１は端子Ａ－Ｂ間に設けられ、コンデンサＣ２は端子Ｂ－Ｃ間に設けられ、コンデンサＣ３は端子Ａ－Ｃ間に設けられ、コンデンサＣ４は端子Ａ－Ｄ間に設けられ、コンデンサＣ５は端子Ｂ－Ｄ間に設けられ、コンデンサＣ６は端子Ｃ－Ｄ間に設けられている。

　各コンデンサＣ１～Ｃ６の電気的接続は、図７に示すように、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ６が直列に接続され、当該直列接続に対してコンデンサＣ４が並列に接続されている。

　また、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の直列接続に対してコンデンサＣ３が並列に接続され、コンデンサＣ２とコンデンサＣ６の直列接続に対してコンデンサＣ５が並列に接続されている。

　そして、第１実施形態と同様に、各コンデンサＣ１～Ｃ６は、それぞれ互いに静電容量測定エリアに干渉しない位置に設けられており、コンデンサＣ１は、燃料タンク３０の上側部分の燃料の液外に位置してベーパ層リファレンス測定部とされ、コンデンサＣ２は、燃料タンク３０の燃料残量に応じて一部または全部が燃料内に浸る液位測定部とされ、コンデンサＣ３は、燃料タンク３０の底付近に位置して燃料リファレンス測定部とされている。

　また、コンデンサＣ４は、フィルタ内部３６に位置して温度測定部とされ、コンデンサＣ５は、液層３８に位置して給油燃料性状測定部とされ、コンデンサＣ６は、フィルタ３６内部に位置してフィルタ内の圧力測定部とされている。

　すなわち、液状態検知センサ４０は、図６の点線で折り曲げられて燃料タンク３０内の底面から液層３８まで壁面を沿うように設けられている。そして、コンデンサＣ１にはベーパ層に応じた電荷が充電され、コンデンサＣ２には燃料の残量（液位）に応じた電荷が充電され、コンデンサＣ３には燃料の特性に応じた電荷が充電され、コンデンサＣ４には燃料の温度に応じた電荷が充電され、コンデンサＣ５には燃料の種類（燃料性状）に応じた電荷が充電され、コンデンサＣ６にはフィルタ３６内の圧力に応じた電荷が充電される。

　次に上述のように構成された本発明の第２実施形態に係わる液状態検知センサ４０による各種液状態の検知方法について説明する。

　燃料タンク３０内の燃料の各種状態を検知する場合には、本実施形態では、端子Ａ－Ｂ間、端子Ａ－Ｃ間、端子Ａ－Ｄ間、端子Ｂ－Ｃ間、端子Ｂ－Ｄ間、端子Ｃ－Ｄ間の各端子間の静電容量を測定する。

　ここで、第１実施形態と同様に、各端子間の静電容量を求めるための式の算出について説明する。なお、各端子間の静電容量は、第１実施形態に比べて複雑となるため、一例として、端子Ａ－Ｂ間の静電容量の求め方について説明する。図８は、本発明の第２実施形態に係わる液状態検知センサにおける端子Ａ－Ｂ間の静電容量の算出方法を説明するための図である。

　端子Ａ－Ｂ間（図８の上側）を抽出すると、端子Ａ－Ｂ間は、図８の中央に示す回路図で示すことができる。ここで、点線で囲った部分をΔ－Ｙ変換すると、図８の下側に示すように、Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃに変換される。なお、変換されたＣａ、Ｃｂ、Ｃｃは以下に示す式で表される。

　Ｃａ＝（Ｃ３Ｃ４＋Ｃ４Ｃ６＋Ｃ３Ｃ６）／Ｃ６

　Ｃｂ＝（Ｃ３Ｃ４＋Ｃ４Ｃ６＋Ｃ３Ｃ６）／Ｃ４

　Ｃｃ＝（Ｃ３Ｃ４＋Ｃ４Ｃ６＋Ｃ３Ｃ６）／Ｃ３

　この式を用いて、コンデンサＣｂとコンデンサＣ２の合成容量Ｃ（ｂ，２）、及びコンデンサＣｃとコンデンサＣ５の合成容量Ｃ（ｃ，５）、コンデンサＣｂとコンデンサＣ２とコンデンサＣｃとコンデンサＣ５の合成容量Ｃ（ｂ，２，ｃ，５）、コンデンサＣａとコンデンサＣｂとコンデンサＣ２とコンデンサＣｃとコンデンサＣ５の合成容量Ｃ（ａ、ｂ，２、ｃ、５）の順に求める。

　そして、最終的に端子Ａ－Ｂ間の合成容量Ｃ（１，２，３，４，５，６）を求めると、以下の式となり、この式によって端子Ａ－Ｂ間の静電容量を表すことができる。

　なお、他の端子間の静電容量についても同様の計算を行うことによって求めることができるので詳細は省略する。

　すなわち、第１実施形態と同様に、各端子間の静電容量を測定して、演算装置４２に取り込むことにより、演算装置４２で各端子間の静電容量を表す式に代入して連立方程式を解くことにより、各コンデンサＣ１～Ｃ６に充電された電荷を求めることができる。これによって、本実施形態では、図９に示すように、液状態検知センサ４０の各測定部（コンデンサＣ１～Ｃ６）によって各検知項目を検知することができる。

　具体的には、第１実施形態と同様に、ベーパ層リファレンス測定部（コンデンサＣ１）により燃料外の静電容量が分かり、燃料リファレンス測定部（コンデンサＣ３の電荷）により燃料内の静電容量が分かるので、燃料内外の静電容量から液位測定部のどれくらいが燃料内に位置するかを算出することができる。すなわち、液位測定部（コンデンサＣ２の電荷）の静電容量から燃料の残量を算出することができる。

　また、温度測定部（コンデンサＣ４）の静電容量が分かるので、静電容量に対応する温度を予め測定して演算部４２に記憶しておくことにより、燃料タンク３０内の燃料の温度を測定することができる。例えば、図１０に示すように、燃料温度と静電容量の関係を予め測定して演算部４２に予め記憶しておくことにより、測定した静電容量に対応する燃料温度を読み出すことで燃料の温度を検知することができる。

　また、給油燃料性状測定部（コンデンサＣ５）の静電容量が分かるので、静電容量に対応する燃料の種類や温度を予め定めておくことにより、液層３８における燃料の種類や温度等を測定することができる。例えば、図１０に示すように、燃料温度と静電容量の関係を予め測定して演算部４２に記憶すると共に、図１１に示すように、静電容量とアルコール濃度の関係を予め定めて演算装置４２に予め記憶しておくことで、測定した静電容量に対応する燃料温度を求めて、求めた燃料温度と測定した静電容量に基づいてアルコール濃度を読み出すことにより燃料内のアルコール濃度を検知することができる。従って、当該アルコール濃度から燃料の種類を特定することも可能となる。また、一般的な燃料タンクでは、給油燃料は燃料タンク内で混合されてしまうので、燃料の正確な性状を検知することができないが、本実施形態では、液層３８が燃料タンク３０の満タン液面より高い位置に設けられて給油された燃料を一旦貯留するようになっているので、燃料給油量に多少に関わらず、燃料の誤給油を検知することができる。

　さらに、圧力測定部（コンデンサＣ６）の静電容量が分かるので、静電容量と圧力との関係を予め測定して演算装置４２に記憶しておくことで、測定した静電容量に対応する圧力を読み出すことにより、フィルタ３６内の圧力を検知することができ、これによって、予め定めた圧力範囲以上の圧力の場合には、フィルタ３６や燃料ポンプ３４の詰まり等と考えられるので、フィルタ３６や燃料ポンプ３４の詰まりを検知することが可能となる。

　このように、本実施形態では、４つの端子と各端子間に設けられた６つの静電容量測定部により、６種類の液状態を検知することができ、少ない端子数で最大の検知項目を検知することができる。

　なお、上記の実施の形態では、３つの端子と、３つの静電容量測定部の場合を第１実施形態として説明し、４つの端子と、６つの静電容量測定部の場合を第２実施形態として説明したが、これに限るものではない。例えば、一般化してＮ（Ｎ≧３の自然数）個の端子数とすると、組み合わせの総数_ＮＣ_２＝Ｎ！／（２×（Ｎ－２）！）個の検出パターンが可能である。すなわち、Ｎ＝３（第１実施形態）では、Ｃ＝３！／（２×（３－２）！）＝３パターンとなり、Ｎ＝４（第２実施形態）では、Ｃ＝４！／（２×（４－２）！）＝６パターンとなり、各パターン数分の検出電極を各端子間に、互いに静電容量が干渉しないエリアに設けることにより、最大の検出項目数の検出が可能となる。なお、組み合わせの総数_ＮＣ_２は、異なるＮ個の中から２つを選ぶ組み合わせを表す。また、検出項目としては、同一の項目としてもよいし、異なる項目としてもよい。

Claims

　ｎ（ｎ≧３の自然数）個の端子と、
　それぞれ異なる前記端子の組み合わせの前記端子間に設けられたｎ個以上の静電容量測定部と、
　を備えた液状態検知センサ。
　前記静電容量測定部は、全ての組み合わせの端子間に設けられ、｛ｎ！／（２×（ｎ－２）！）｝個備える請求項１に記載の液状態検知センサ。
　前記静電容量測定部は、
　常に燃料タンク内の被測定液中に配設された第１の静電容量測定部と、
　前記被測定液の液位を測定するための第２の静電容量測定部と、
　常に前記被測定液の外に配設された第３の静電容量測定部と、
　を含む請求項１又は請求項２に記載の液状態検知センサ。
　前記静電容量測定部が、給油された燃料を一旦貯留するために前記燃料タンクに形成された液層に配設された第４の静電容量測定部をさらに含む請求項３に記載の液状態検知センサ。
　前記静電容量測定部は、前記燃料タンク内の燃料の温度を検出する第５の静電容量測定部をさらに含む請求項３又は請求項４に記載の液状態検知センサ。
　前記第５の静電容量測定部によって検出される静電容量、前記燃料の温度、及び前記燃料内に含まれるアルコール濃度の予め定めた関係を記憶し、前記第５の静電容量測定部によって検出された静電容量に基づいて前記燃料の温度を求め、求めた前記燃料の温度と前記第５の静電容量測定部によって検出された静電容量とに基づいて前記アルコール濃度を算出する算出手段をさらに備えた請求項５に記載の液状態検知センサ。
　前記静電容量測定部は、一対の電極間の距離の変化による静電容量の変化から圧力を検出する第６の静電容量測定部をさらに含む請求項３～６の何れか１項に記載の液状態検知センサ。
　前記静電容量測定部は、単一の基盤上に設ける請求項３～７の何れか１項に記載の液状態検知センサ。