特開 2023-85584 液面検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023085584

(43)【公開日】2023-06-21

(54)【発明の名称】液面検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01F 23/284 20060101AFI20230614BHJP

【ＦＩ】

G01F23/284

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020085354

(22)【出願日】2020-05-14

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．ＴＥＦＬＯＮ

(71)【出願人】

【識別番号】000010098

【氏名又は名称】アルプスアルパイン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】竇 元珠

【テーマコード（参考）】

2F014

【Ｆターム（参考）】

2F014AB02

2F014AB03

2F014AC04

2F014FC01

(57)【要約】

【課題】液面までの最小検知距離を短くすること。
【解決手段】液面検出装置は、誘電体を用いて形成された柱状を有し、先端側の部分が液体内に挿入され、先端面から後端面に至る複数の空孔を有する誘電体導波部材と、誘電体導波部材の後端面に向けて電波を送信する送信部と、空孔において侵襲した液体の液面によって反射された電波である反射波を、誘電体導波部材の後端側において受信する受信部と、送信部によって送信された電波および受信部によって受信された反射波に基づいて、液体の液面までの距離を算出する算出部とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘電体を用いて形成された柱状を有し、先端側の部分が液体内に挿入され、先端面から後端面に至る複数の空孔を有する誘電体導波部材と、
前記誘電体導波部材の前記後端面に向けて電波を送信する送信部と、
前記空孔において侵襲した液体の液面によって反射された前記電波である反射波を、前記誘電体導波部材の前記後端側において受信する受信部と、
前記送信部によって送信された電波および前記受信部によって受信された前記反射波に基づいて、前記液体の液面までの距離を算出する算出部と
を備えることを特徴とする液面検出装置。

【請求項2】

前記誘電体導波部材の前記後端面と対面して設けられ、前記電波を放射する送信アンテナと、
前記誘電体導波部材の前記後端面と対面して設けられ、前記反射波を受信する受信アンテナと
を有することを特徴とする請求項１に記載の液面検出装置。

【請求項3】

前記誘電体導波部材は、
前記先端面と前記後端面との間で直線状に延在する柱状を有する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液面検出装置。

【請求項4】

前記誘電体導波部材は、
前記先端面と前記後端面との間で屈曲状に延在する柱状を有する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液面検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液面検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１には、タンクの屋根口を通る導波間に沿ってレーダエネルギーを送り、液体表面からの反射エネルギーを受けることにより、タンク内の液体表面の高さ位置を測定するレーダ液面計システムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２００８－５２５７９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、検出対象の液面とアンテナとの距離が短い場合、レーダから電波を放射してから、当該電波が液面で反射して受信されるまでの時間が短くなり、この場合、液面の位置の検出精度が低下する虞がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

一実施形態に係る液面検出装置は、誘電体を用いて形成された柱状を有し、先端側の部分が液体内に挿入され、先端面から後端面に至る複数の空孔を有する誘電体導波部材と、誘電体導波部材の後端面に向けて電波を送信する送信部と、空孔において侵襲した液体の液面によって反射された電波である反射波を、誘電体導波部材の後端側において受信する受信部と、送信部によって送信された電波および受信部によって受信された反射波に基づいて、液体の液面までの距離を算出する算出部とを備える。

【発明の効果】

【0006】

一実施形態によれば、液面までの最小検知距離を短くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】一実施形態に係る液面検出装置の設置例を示す図

【図2】一実施形態に係る誘電体導波部材の断面図

【図3】一実施形態に係る液面検出装置が備える本体部の構成を示す図

【図4】一実施形態に係る液面検出装置が備える制御回路の回路構成を示す図

【図5】一実施形態に係る液面検出装置と従来技術との比較例を説明するための図

【図6】一実施形態に係る液面検出装置による液面までの距離の算出方法の変形例としてＦＭＣＷ方式を説明するための図

【図7】一実施形態に係る液面検出装置が備える誘電体導波部材の断面構成の変形例を示す図

【図8】一実施形態に係る液面検出装置が備える誘電体導波部材の外形状の変形例を示す図

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、一実施形態について説明する。なお、以降の説明では、便宜上、図中Ｚ軸方向を、上下方向とし、図中Ｘ軸方向および図中Ｙ軸方向を水平方向とする。

【0009】

（液面検出装置１００の概要）
図１は、一実施形態に係る液面検出装置１００の設置例を示す図である。図１に示す液面検出装置１００は、液体タンク１０に設置されることにより、液体タンク１０内の液体１２の液面１２Ａの高さ位置を検出する装置である。図１に示すように、液面検出装置１００は、誘電体導波部材１１０と、本体部１２０とを備える。液体タンク１０としては、例えば、自動車等の車両のウオッシャー液タンク、燃料タンク等が用いられる。

【0010】

誘電体導波部材１１０は、誘電体を用いて形成された柱状を有する。図１に示す例では、誘電体導波部材１１０は、下側（Ｚ軸負側）を先端側とし、上側（Ｚ軸正側）を後端側とし、先端と後端との間で上下方向（Ｚ軸方向）に直線状に延在する、円柱形状を有する。但し、これに限らず、誘電体導波部材１１０は、四角柱形状、六角柱形状、その他の多角柱形状を有するものであってもよい。例えば、誘電体導波部材１１０は、誘電体として、誘電率が２～１００の範囲内である、各種樹脂素材（例えば、ＰＥ、ＰＳ、ＰＰ、Ｔｅｆｌｏｎ、ＡＢＳ、液晶ポリマ等）が用いられて形成される。

【0011】

図１に示すように、誘電体導波部材１１０は、先端側（Ｚ軸負側）の先端面１１１から後端側（Ｚ軸正側）の後端面１１２に至る複数の空孔１１３を有する。また、図１に示すように、誘電体導波部材１１０は、先端側（Ｚ軸負側）の部分が液体１２内に挿入されるように、液体１２の液面１２Ａに対して垂直に設置される。

【0012】

図２は、一実施形態に係る誘電体導波部材１１０の断面図である。図２に示すように、本実施形態の誘電体導波部材１１０は、そのＸＹ平面による断面において、中央に１つの空孔１１３が形成されており、当該１つの空孔１１３を取り囲むように、同一円周上に６つの空孔１１３が形成されている。また、図２に示すように、本実施形態の誘電体導波部材１１０は、複数の空孔１１３の各々が、円形の断面形状を有する。

【0013】

なお、誘電体導波部材１１０の外径は、空孔１１３が複数本配置可能であれば任意に設定可能である。また、空孔１１３の内径は、λａ／２以下であることが好ましい。但し、λａは、空気中波長である。

【0014】

例えば、図２に示す例では、誘電体導波部材１１０の外径は１０ｍｍである。また、図２に示す例では、空孔１１３の内径は１．５ｍｍである。また、図２に示す例では、誘電体導波部材１１０の素材として、誘電率が３．３の液晶ポリマを用いている。

【0015】

図３は、一実施形態に係る液面検出装置１００が備える本体部１２０の構成を示す図である。図３に示すように、液面検出装置１００の本体部１２０は、回路基板１２１、アンテナ１２２、制御回路１２３、カバー１２４、およびケース１２５を備える。

【0016】

回路基板１２１は、液体タンク１０の上面１０Ａに対して水平に配置される、平板状の部材である。回路基板１２１としては、例えば、ＰＣＢ（printed circuit board）が用いられる。

【0017】

アンテナ１２２は、その放射面が、誘電体導波部材１１０の後端側の後端面１１２と対面するように、回路基板１２１の下面１２１Ｂに設けられている。図３に示すように、アンテナ１２２は、誘電体導波部材１１０の後端面１１２に向けて電波を送信する。また、アンテナ１２２は、複数の空孔１１３の各々において侵襲した液体１２の液面１２Ａで反射した電波の反射波を、誘電体導波部材１１０の後端側において受信する。

【0018】

制御回路１２３は、回路基板１２１の上面１２１Ａに実装される。制御回路１２３は、液面検出装置１００の各種動作を制御する。例えば、制御回路１２３は、アンテナ１２２を介した電波の送信、アンテナ１２２を介した反射波の受信、電波と反射波とに基づく液面１２Ａの高さ位置の検出等を行う。

【0019】

カバー１２４は、下側が開口した箱状の部材である。カバー１２４は、制御回路１２３の全体を覆うように、回路基板１２１の上面１２１Ａに取り付けられる。カバー１２４は、金属素材が用いられて形成される。これにより、カバー１２４は、制御回路１２３における外来ノイズの影響を抑制することができる。

【0020】

ケース１２５は、収容空間１２５Ａを有する容器状の部材である。ケース１２５は、収容空間１２５Ａの内部に、回路基板１２１、アンテナ１２２、制御回路１２３、カバー１２４を収容する。図３に示すように、ケース１２５は、底面１２５Ｂにおいて、液体タンク１０の上面１０Ａに対して固定的に設置される。この際、誘電体導波部材１１０は、図３に示すように、液体タンク１０の上面１０Ａに形成された開口部１０Ｂを貫通する。ケース１２５は、例えば、樹脂素材が用いられて形成される。

【0021】

図４は、一実施形態に係る液面検出装置１００が備える制御回路１２３の回路構成を示す図である。

【0022】

図４に示すように、一実施形態に係る液面検出装置１００は、誘電体導波部材１１０の後端側に、送信アンテナ１２２Ａおよび受信アンテナ１２２Ｂを備える。送信アンテナ１２２Ａおよび受信アンテナ１２２Ｂは、制御回路１２３と接続されている。送信アンテナ１２２Ａは、「送信部」を構成する。受信アンテナ１２２Ｂは、「受信部」を構成する。

【0023】

また、図４に示すように、制御回路１２３は、オシレータ４０１、アンプ４０２、アンプ４０３、ミキサ４０４、遅延回路４０５、Ａ－Ｄコンバータ４０６、レーダＭＣＵ（Micro Controller Unit）４０７、および信号処理ＭＣＵ４０８を備える。

【0024】

図４に示す制御回路１２３においては、レーダＭＣＵ４０７の制御によってオシレータ４０１で発生した所定の周波数（本実施形態では、６０ＧＨｚとしている）のパルス信号が、アンプ４０２によって増幅された後、送信アンテナ１２２Ａから電波によって送信される。

【0025】

送信アンテナ１２２Ａから送信された電波は、複数の空孔１１３が形成されている誘電体導波部材１１０を、誘電体導波部材１１０の先端方向に伝搬する。誘電体導波部材１１０においては、液体１２によって侵襲された部分のインピーダンスが変化する。このため、誘電体導波部材１１０の先端方向に伝搬する電波は、複数の空孔１１３を侵襲した液体１２の液面１２Ａで反射して反射波（液面反射パルス）となり、複数の空孔１１３が形成されている誘電体導波部材１１０を、誘電体導波部材１１０の後端方向に伝搬し、受信アンテナ１２２Ｂによって受信される。

【0026】

受信アンテナ１２２Ｂによって受信された反射波は、アンプ４０３によって増幅され、ミキサ４０４によって遅延回路４０５の出力信号と混合され、さらにＡ－Ｄコンバータ４０６によってデジタル信号に変換された後、レーダＭＣＵ４０７に入力される。

【0027】

信号処理ＭＣＵ４０８は、レーダＭＣＵ４０７の制御によって送信された電波と、レーダＭＣＵ４０７に入力された反射波とに基づいて、液面１２Ａまでの距離を算出する。すなわち、信号処理ＭＣＵ４０８は、「算出部」としての機能を有する。例えば、本実施形態では、信号処理ＭＣＵ４０８は、パルス方式により、電波の送信タイミングと、反射波の受信タイミングとの時間差δｔと、電波の速度Ｃとに基づいて、下記数式（１）により、液面１２Ａまでの距離ｄを算出する。

【0028】

ｄ＝Ｃ・δｔ／２・・・（１）

【0029】

複数の空孔１１３が形成されている誘電体導波部材１１０においては、電波の伝搬速度が空気中よりも遅くなり、且つ、電波（パルス信号）のパルス幅が短くなる。これにより、一実施形態に係る液面検出装置１００は、電波を空気中で伝搬させる場合と比較して、電波の伝搬速度を遅らせることができ、これにより、液面１２Ａまでの距離の検知に関し、距離分解能が向上し、且つ、最小検知距離を短くすることができる。

【0030】

図５は、一実施形態に係る液面検出装置１００と従来技術との比較例を説明するための図である。図５（ａ）は、従来技術における送信パルスと受信信号との関係を示す。すなわち、図５（ａ）は、電波を空気中で伝搬させた場合の送信パルスと受信信号との関係を表している。図５（ｂ）は、一実施形態に係る液面検出装置１００における送信パルスと受信信号との関係を示す。すなわち、図５（ｂ）は、複数の空孔１１３が形成されている誘電体導波部材１１０で電波を伝搬させた場合の送信パルスと受信信号との関係を表している。

【0031】

図５（ａ）に示すように、従来技術では、送信パルスの伝搬速度が比較的速く、時間差δｔが比較的短くなるため、時間差δｔが最小パルス幅Ｔｗよりも短くなる。この場合、従来技術では、送信パルスと受信信号とがオーバーラップするため、受信信号を検出することができない。

【0032】

一方、図５（ｂ）に示すように、一実施形態に係る液面検出装置１００では、送信パルスの伝搬速度が比較的遅く、時間差δｔが比較的長くなるため、時間差δｔが最小パルス幅Ｔｗよりも長くなる。この場合、一実施形態に係る液面検出装置１００では、送信パルスと受信信号とがオーバーラップしないため、受信信号を検出することができる。

【0033】

従来技術の場合、最小検知距離ｄｍｉｎは、下記数式（２）によって求められる。

【0034】

ｄｍｉｎ＝Ｃ・δｔｍｉｎ／２＝Ｃ・Ｔｗ／２・・・（２）

【0035】

一方、一実施形態に係る液面検出装置１００の場合、複数の空孔１１３が形成されている誘電体導波部材１１０における電波の伝搬速度はＣε＝Ｃ／√εとなるため（但し、εは等価誘電率）、最小検知距離ｄｍｉｎは、下記数式（３）によって求められる。

【0036】

ｄｍｉｎ＝Ｃε・Ｔｗ／２＝Ｃ・Ｔｗ／２√ε・・・（３）

【0037】

例えば、従来技術において、Ｔｗ＝２５０ｐｓ、ε＝４とした場合、最小検知距離ｄｍｉｎは、およそ３．７５ｃｍとなる。

【0038】

一方、一実施形態に係る液面検出装置１００において、Ｔｗ＝２５０ｐｓ、ε＝４とした場合、最小検知距離ｄｍｉｎは、およそ１．９ｃｍとなる。

【0039】

以上説明したように、一実施形態に係る液面検出装置１００は、複数の空孔１１３が形成されている誘電体導波部材１１０の後端面１１２に向けて電波を送信し、誘電体導波部材１１０の後端側において、空孔１１３において侵襲した液体１２の液面１２Ａによって反射された電波である反射波を受信し、送信された電波および受信された反射波に基づいて、液体１２の液面１２Ａまでの距離を算出する。

【0040】

これにより、一実施形態に係る液面検出装置１００は、液面検出装置１００と液面１２Ａとの間において、電波の伝搬速度を遅くすることができる。このため、一実施形態に係る液面検出装置１００は、電波の送信タイミングと反射波の受信タイミングとの時間差を比較的長くすることができる。したがって、一実施形態に係る液面検出装置１００によれば、液面１２Ａまでの最小検知距離を短くすることができる。

【0041】

また、一実施形態に係る液面検出装置１００は、液体１２内に誘電体導波部材１１０を挿入するため、液面１２Ａの揺らぎを抑制することができる。

【0042】

また、一実施形態に係る液面検出装置１００は、電波の伝搬速度を遅くすることができる、液面１２Ａまでの距離の検出分解能および検出精度を高めることができる。

【0043】

また、一実施形態に係る液面検出装置１００は、電波を複数の空孔１１３が形成されている誘電体導波部材１１０に閉じ込めることができるため、液体タンク１０内における電波の乱反射を抑制することができる。

【0044】

また、一実施形態に係る液面検出装置１００は、アンテナ１２２を誘電体導波部材１１０の後端面１１２と対面して設けたことにより、アンテナ１２２を比較的小さくすることができるため、システムの小型化を実現することができる。

【0045】

また、一実施形態に係る液面検出装置１００は、誘電体導波部材１１０の後端面１１２と対面して設けられ、電波を放射する送信アンテナ１２２Ａと、誘電体導波部材１１０の後端面１１２と対面して設けられ、反射波を受信する受信アンテナ１２２Ｂとを有する。

【0046】

これにより、一実施形態に係る液面検出装置１００は、比較的簡単な構成で、誘電体導波部材１１０の後端面１１２に向けて電波を送信することができるとともに、誘電体導波部材１１０の後端面１１２から出射される電波を受信することができる。

【0047】

（距離の算出方法の変形例）
図６は、一実施形態に係る液面検出装置１００による液面１２Ａまでの距離の算出方法の変形例としてＦＭＣＷ方式を説明するための図である。図６に示すように、信号処理ＭＣＵ４０８は、ＦＭＣＷ方式により、電波（送信パルス）の周波数と、反射波（受信信号）の周波数との中間周波数に基づいて、液面１２Ａまでの距離を算出してもよい。

【0048】

図６に示すビート信号の周波数は、下記数式（４）によって求められる。但し、ΔＦは、チャープ帯域幅である。また、ｒは、液面１２Ａまでの距離である。また、ｃは、光速である。また、１／ｆｍは、変調の周期である。

【0049】

ｆｒ＝２ｆｍΔＦ・２ｒ／ｃ・・・（４）

【0050】

上記数式（４）に基づき、液面１２Ａまでの距離ｒは、下記数式（５）によって求められる。

【0051】

ｒ＝ｃ・ｆｒ／４ｆｍ・ΔＦ・・・（５）

【0052】

この変形例においては、ΔＦが電波法で制限され、ｆｍおよびｆｒがレーダの性能によって制限されるため、最小検知距離ｒｍｉｎが制限される。この変形例においても、電波を複数の空孔１１３が形成されている誘電体導波部材１１０で伝搬させて、電波の伝搬速度を遅くすることにより、最小検知距離ｒｍｉｎを短くすることができる。

【0053】

（誘電体導波部材１１０の断面構成の変形例）
図７は、一実施形態に係る液面検出装置１００が備える誘電体導波部材１１０の断面構成の変形例を示す図である。図７に示すように、誘電体導波部材１１０の断面構成は、如何なる構成であってもよい。

【0054】

例えば、誘電体導波部材１１０の断面の外形状は、円形状に限らず、図７（ｂ）および図７（ｃ）に示すように、六角形状であってもよく、図７（ｄ）に示すように、四角形状等であってもよい。

【0055】

また、例えば、複数の空孔１１３の構成（数、配置、断面形状等）は、如何なる構成であってもよい。例えば、複数の空孔１１３の各々の断面形状は、円形状に限らず、図７（ａ）に示すように、三角形状であってもよく、図７（ｂ）、図７（ｃ）、および図７（ｄ）に示すように、四角形状等であってもよい。

【0056】

また、例えば、複図７（ｅ）に示すように、複数の空孔１１３のうちの一部の空孔１１３が、誘電体導波部材１１０の外周面に対する開口部１１３Ａを有するものであってもよい。

【0057】

（誘電体導波部材１１０の外形状の変形例）
図８は、一実施形態に係る液面検出装置１００が備える誘電体導波部材１１０の外形状の変形例を示す図である。図８に示すように、誘電体導波部材１１０は、先端と後端との間で屈曲状に延在する柱状を有するものであってもよい。これにより、一実施形態に係る液面検出装置１００は、複数の空孔１１３が形成されている誘電体導波部材１１０の長さをより長くすることができ、このため、電波の送信タイミングと反射波の受信タイミングとの時間差をより長くすることができる。したがって、一実施形態に係る液面検出装置１００によれば、液面１２Ａまでの最小検知距離を短くすることができる。

【0058】

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形又は変更が可能である。

【符号の説明】

【0059】

１０ 液体タンク
１０Ａ 上面
１０Ｂ 開口部
１２ 液体
１２Ａ 液面
１００ 液面検出装置
１１０ 誘電体導波部材
１１１ 先端面
１１２ 後端面
１１３ 空孔
１２０ 本体部
１２１ 回路基板
１２２ アンテナ
１２２Ａ 送信アンテナ
１２２Ｂ 受信アンテナ
１２３ 制御回路
１２４ カバー
１２５ ケース
１２５Ａ 収容空間
１２５Ｂ 底面
４０１ オシレータ
４０２ アンプ
４０３ アンプ
４０４ ミキサ
４０５ 遅延回路
４０６ Ａ－Ｄコンバータ
４０７ レーダＭＣＵ
４０８ 信号処理ＭＣＵ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】