JP2001082262A

JP2001082262A - 圧電センサユニット

Info

Publication number: JP2001082262A
Application number: JP25826999A
Authority: JP
Inventors: Kiyonori Moroto; 清規諸戸
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-09-13
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2001-03-27

Abstract

(57)【要約】【課題】圧力センサとレベルセンサとを１つの部品、
つまり１つの圧電素子２１にて構成することにより、部
品点数および組付工数を削減してコストダウンを図るこ
とのできる圧電センサユニット１３を提供する。【解決手段】自動車の燃料タンクの天井壁に圧電素子
２１を取り付ける。そして、燃料タンクの内部圧力に応
じた応力を圧電素子２１が受けると、圧電素子２１が応
力に応じた電圧を発生し、その圧電素子２１に発生した
電圧を計測することで燃料タンクの内部圧力を測定でき
る。これにより、圧力センサとして使用できる。また、
圧電素子２１に交流電圧を加えることによって圧電素子
２１から超音波を発生させ、その超音波が燃料タンク内
の液体燃料の液面で反射して圧電素子２１に戻ってくる
までの時間を計時することで燃料タンク内の液体燃料の
液面レベルを測定できる。これにより、レベルセンサと
して使用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料タンクに取り
付けた圧電素子を用いて、燃料タンクの内部圧力を測定
する圧力センサと燃料タンク内の液面レベルを測定する
レベルセンサとの両方の機能を統合した圧電センサユニ
ットに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、自動車の乗員は、燃料残量計
測装置により計測された液体燃料の残量を表示する視覚
表示手段としての燃料残量計（フューエルメータ）を見
て燃料タンク内の液体燃料の残量を認識している。その
燃料残量計測装置は、燃料タンク内の液体燃料の残量、
つまり燃料タンク内の液面レベルを測定するフロート式
レベルゲージ（レベルセンサ）を備え、このフロート式
レベルゲージからの電気信号に応じて燃料残量計が残燃
料を表示するように構成されている。

【０００３】また、特開平１１−３０１５７号公報にお
いては、自動車の燃料タンクにこの燃料タンクの内部圧
力を測定する圧力センサを取り付けて、燃料タンクのリ
ークチェック（漏れ検査）を行うようにした燃料タンク
漏れ検査装置（従来の技術）が開示されている。この燃
料タンク漏れ検査装置は、エンジンの吸気管負圧で燃料
タンク内を負圧にして、燃料タンクに連通する通気系に
設けられた全ての弁装置を閉弁することで、燃料タンク
を完全に密閉する。このときの圧力変動から燃料タンク
に漏れがあるか否かを検査している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、燃料タンク
内の液面レベルを測定するフロート式レベルゲージは、
燃料タンク内の液体燃料が急激に減少することはないの
で、常に燃料残量を測定する必要はない。また、燃料タ
ンクの内部圧力を測定する圧力センサは、燃料タンクの
リークチェックを実施するときにしか使用しない。

【０００５】したがって、圧力センサの機能を有する部
品とレベルセンサの機能を有する部品との両方の部品を
燃料タンクに搭載して液面レベルの測定と漏れ検査とを
行うようにした場合には、部品点数および組付工数が多
くなり、コストアップとなるという問題が生じる。

【０００６】

【発明の目的】本発明の目的は、圧力センサとレベルセ
ンサとを１つの部品にて構成することにより、部品点数
および組付工数を削減してコストダウンを図ることので
きる圧電センサユニットを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、圧電素子を利用して燃料タンクの内部圧力を測
定する圧力センサ回路と、圧電素子を利用して燃料タン
ク内の液体燃料の液面レベルを測定するレベルセンサ回
路とを設けている。それによって、圧力センサとレベル
センサとを１つの圧電素子にて構成できるので、燃料タ
ンクに取り付ける部品点数および組付工数を減少でき
る。これにより、圧電センサユニットの製品価格を低減
することができる。

【０００８】請求項２に記載の発明によれば、圧力セン
サとして使用するときは、燃料タンクの内部圧力に応じ
た応力を圧電素子が受けると、圧電素子が応力に応じた
電圧を発生し、その圧電素子に発生した電圧を計測する
ことで燃料タンクの内部圧力が測定可能となる。

【０００９】請求項３に記載の発明によれば、レベルセ
ンサとして使用するときは、圧電素子に交流電圧を加え
ることによって圧電素子から超音波を発生させ、その超
音波が液体燃料の液面で反射して圧電素子に戻ってくる
までの時間を計時することで液面レベルが測定可能とな
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】〔実施例の構成〕発明の実施の形
態を実施例に基づき図面を参照して説明する。ここで、
図１は圧電センサユニットを示した図で、図２は燃料タ
ンク内圧制御システムの全体構成を示した図である。

【００１１】本実施例の燃料タンク内圧制御システム
は、燃料タンク１とキャニスタ２との間に介在された調
圧弁３の開閉動作によって燃料タンク１内の圧力制御を
行うものである。燃料タンク１は、給油筒１ａを具備
し、その給油筒１ａの先端開口部にキャップ４が着脱自
在に取り付けられている。

【００１２】給油筒１ａの内部（但し、満タン時の液面
より上方）には、キャップ４を開いた時等に液体燃料が
流出（吹き出し）するのを防止する開閉板５が設けられ
ている。この開閉板５は、バネ等により付勢されて常時
閉じており、給油筒１ａに給油ガン（図示せず）が挿入
された時に、給油ガンに押し込まれて開くことができ
る。燃料タンク１の内部には、サブタンク６が設けら
れ、このサブタンク６内より吸い上げた燃料をエンジン
へ供給する燃料ポンプ７が収納されている。

【００１３】キャニスタ２は、燃料タンク１内で発生し
た蒸発燃料を蓄えるための容器であり、連通管８を通じ
て燃料タンク１に接続されている。キャニスタ２の内部
には、連通管８を通って流入した蒸発燃料を吸着する吸
着剤（例えば活性炭）が収納されている。

【００１４】このキャニスタ２には、外気を導入するた
めの大気孔（図示せず）が設けられ、この大気孔にキャ
ニスタ開閉弁９が取り付けられている。キャニスタ開閉
弁９は、制御回路１０により通電制御される電磁弁であ
り、通電時に閉弁して大気孔を閉塞する。

【００１５】そして、キャニスタ２は、パージ管１１
（パージ通路）を通じてエンジンの吸気管（スロットル
弁の近傍）に接続されている。パージ管１１には、キャ
ニスタ２から吸気管へ供給される蒸発燃料のパージ流量
を調節するパージ制御弁１２が設けられている。このパ
ージ制御弁１２は、エンジンの運転状態に応じて制御回
路１０によりデューティー比制御される。

【００１６】調圧弁３は、連通管８の燃料タンク１側端
部に接続されて連通管８を開閉する。この調圧弁３は、
圧電センサユニット１３の検出値に基づいて制御回路１
０により、オン／オフ制御される。

【００１７】また、調圧弁３には、双方向リリーフバル
ブ（図示せず）が一体に設けられている。この双方向リ
リーフバルブは、タンク内圧が予め設定された高圧異常
時の開弁圧よりも高くなると開く高圧側ボール弁（図示
せず）と、タンク内圧が予め設定された低圧異常時の開
弁圧よりも低くなると開く低圧側ボール弁（図示せず）
とを具備し、それぞれボール弁が開くことで燃料タンク
１とキャニスタ２とを連通させることができる。そし
て、双方向リリーフバルブは、制御回路１０への電力供
給停止（例えばバッテリが外された場合）等によって調
圧弁３の作動を通電制御できなくなった場合に、タンク
内圧を高圧側と低圧側の開弁圧範囲内に保つことができ
る。

【００１８】また、調圧弁３には、液面を検知した時に
閉弁する２段カットバルブ１６が一体に設けられてい
る。この２段カットバルブ１６は、大型カットバルブと
小型カットバルブとかなり、それぞれスプリングにより
液面を検知した際の浮力を補って閉弁するように構成さ
れたフロート式カットバルブである。

【００１９】なお、２段カットバルブ１６と離れた位置
（例えば給油筒１ａの近傍）に小型カットバルブと同一
構造のカットバルブ１７が設けられており、通気管１４
を通じて圧電センサユニット１３に接続されている。こ
れにより、液面の傾きによって２段カットバルブ１６が
閉弁した時でもカットバルブ１７から通気管１４を通じ
て圧電センサユニット１３および調圧弁３までタンク内
圧を導入することができる。

【００２０】そして、調圧弁３の近傍で燃料タンク１の
天井壁には、圧電センサユニット１３が取り付けられて
いる。この圧電センサユニット１３は、図１に示したよ
うに、圧電素子２１と、通気管１４を通じて導入される
タンク内圧（燃料タンク１の内部圧力）を測定する圧力
センサ回路２２と、燃料タンク１内の液体燃料の残燃料
レベル（液面レベル）を測定するレベルセンサ回路２３
と、圧力センサの機能とレベルセンサの機能とをコント
ロールする制御部２４とを備え、ケース内に収納されて
いる。

【００２１】圧電素子２１は、燃料タンク１内において
液体燃料の液面レベルよりも上方に取り付けられた圧電
振動子（超音波振動子）であって、具体的には燃料タン
ク１の天壁面に設けられた天窓から燃料タンク１の内部
に臨むように燃料タンク１の天井壁に取り付けられてい
る。この圧電素子２１は、歪みや応力を加えると分極が
生じ表面電位が発生し（直接圧電効果）、電圧をかける
と応力が生じ歪む（逆圧電効果）現象を生じる。そし
て、圧電素子２１の材料としては、チタン酸バリウム、
ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等のセラミックスを用
いている。

【００２２】圧力センサ回路２２は、圧電素子２１が発
生した電荷を増幅し、制御回路１０に出力する増幅器２
５を有している。レベルセンサ回路２３は、圧電素子２
１に交流電圧を加えることで圧電素子２１を振動させて
超音波を発生させる発信器２６、液体燃料の液面で反射
して戻ってきた超音波（反射波）を増幅する増幅器２
７、および圧電素子２１が超音波を発信してから受信す
るまでの時間をカウントするタイマー回路２８を有して
いる。制御部２４は、圧力センサ回路２２によって測定
した燃料タンク１の内部圧力（タンク内圧）、あるいは
レベルセンサ回路２３によって測定した燃料タンク１内
の液面レベル（残燃料レベル）を制御回路１０に電気配
線（信号線）を介して出力する。

【００２３】制御回路１０は、燃料ポンプ７または燃料
タンク１の上面に取り付けられて燃料タンク１内に配さ
れ、電気配線（信号線）によってエンジン制御装置（以
下ＥＣＵと言う）１８および圧電センサユニット１３の
制御部２４に接続されている。この制御回路１０は、各
種演算処理を行うＣＰＵ、制御プログラムや各種データ
を予め記憶するＲＯＭ、読み書き可能なＲＡＭ、および
タイマー回路等を内蔵したマイクロコンピュータであ
り、圧電センサユニット１３の圧力センサ回路２２より
入力した圧力センサ信号またはレベルセンサ回路２３よ
り入力したレベルセンサ信号、ＥＣＵ１８より受信した
通信信号（例えばエンジン回転数や車速等の運転状態を
知らせる信号）、およびＲＯＭに記憶された制御用プロ
グラムに基づいて、調圧弁３、キャニスタ開閉弁９、パ
ージ制御弁１２および燃料ポンプ７を通電制御する。

【００２４】ＥＣＵ１８は、エンジンの運転状態を検出
する各種センサ（エンジン回転数センサ、車速センサ、
スロットル開度センサ、冷却水温センサ、吸気量セン
サ、吸気圧センサ等）より入力したセンサ信号、および
制御回路１０より入力した信号に基づいてエンジンの運
転状態を制御すると共に、制御回路１０での制御処理に
必要な信号を制御回路１０へ送信する。なお、ＥＣＵ１
８および制御回路１０は、イグニッションスイッチをオ
フ（エンジンキーを抜いた状態）にしてもバッテリより
電力の供給を受けて作動することができる。

【００２５】〔実施例の作用〕次に、本実施例の圧電セ
ンサユニット１３の作用を図１および図２に基づいて簡
単に説明する。

【００２６】ここで、本実施例では、圧電センサユニッ
ト１３を圧力センサとして使用する場合は、上述したよ
うに、エンジンの吸気管負圧で燃料タンク１を負圧にし
て、全ての弁を閉じ燃料タンク１を完全に密閉し、この
ときの圧力変動から燃料タンク１または通気系に漏れが
ないか否かを検査するリークチェック（漏れ検査）をす
るときに限られる。

【００２７】上記のリークチェックを制御回路１０の作
動も含めて詳述する。先ず車両停止中であり、且つエン
ジンがアイドル運転状態であるか否かを判定して、車両
停止中であり、且つエンジンがアイドル運転状態である
場合に、パージ制御弁１２を全閉にした後に、キャニス
タ開閉弁９および調圧弁３をそれぞれ全閉にして燃料タ
ンク１からパージ制御弁１２までの区間を密閉化する。

【００２８】すなわち、パージ制御弁１２を全閉にする
ことで燃料タンク１からパージ制御弁１２までの区間を
キャニスタ２の大気孔を通じて大気圧と同じ状態に調整
し、やや遅れてキャニスタ開閉弁９と調圧弁３とを全閉
にすることにより、大気圧に調整された密閉空間を形成
する。

【００２９】そして、圧電素子２１に電圧を加えると、
圧電素子２１が圧力に応じた応力を受けるため、そのと
きに発生した電圧を測定することによって、燃料タンク
１の内部圧力を測定する。そして、制御部２４が密閉化
直後のタンク内圧（Ｐ１）を読み込んでから所定時間
（例えば１０秒間）が経過したら、再度圧電素子２１に
電圧を加えて、燃料タンク１の内部圧力を測定する。そ
して、制御部２４がタンク内圧（Ｐ２）を読み込んでか
ら、密閉化後の経過時間におけるタンク内圧の変化量Δ
Ｐ（２−１）を算出する。

【００３０】すなわち、大気圧に調整された後に、調圧
弁３を閉じて燃料タンク１が密閉化されると、蒸発燃料
の発生量に応じてタンク内圧が変化量ΔＰ（２−１）だ
け上昇する。そして、パージ制御弁１２と調圧弁３をそ
れぞれ全開する。これにより、パージ制御弁１２から燃
料タンク１内までの通気系全体に吸気管負圧が導入され
始める。

【００３１】次に、圧電素子２１に電圧を加えて、燃料
タンク１の内部圧力を測定する。そして、制御部２４が
タンク内圧を読み込み、タンク内圧が所定値（例えば−
２０ｍｍＨｇ）以下になったか否かを判定する。タンク
内圧が所定値（例えば−２０ｍｍＨｇ）以下になってい
る場合には、パージ制御弁１２と調圧弁３をそれぞれ全
閉する。これにより、燃料タンク１内が所定の負圧（吸
気管負圧）に調整された状態となる。

【００３２】次に、圧電素子２１に電圧を加えて、燃料
タンク１の内部圧力を測定する。そして、制御部２４が
タンク内圧（Ｐ３）を読み込んでから所定時間（例えば
１０秒間）が経過したら、再度圧電素子２１に電圧を加
えて、燃料タンク１の内部圧力を測定する。そして、制
御部２４がタンク内圧（Ｐ４）を読み込んでから、調圧
弁３を閉じた後のタンク内圧の変化量ΔＰ（４−３）を
算出する。

【００３３】すなわち、燃料タンク１内に吸気管負圧を
導入し調圧弁３を閉じると、所定時間経過する間に燃料
タンク１内で発生する蒸発燃料の発生量に応じてタンク
内圧が変化量ΔＰ（４−３）だけ上昇する。次に、下記
の数１の式に示すリーク判定条件に基づいてリーク判定
を行う。

【００３４】

【数１】ここで、αは大気圧と吸気管負圧との違いによる蒸発燃
料量の差を補正する係数で、βは圧力センサ回路２２の
精度、キャニスタ開閉弁９の漏れ等を補正する係数であ
る。

【００３５】すなわち、燃料タンク１側にリーク原因が
あるならば、正圧下では燃料タンク１内から大気中へ圧
力が漏れるのに対し、吸気管負圧下では大気中から燃料
タンク１内へ圧力が流入する。したがって、大気圧下で
のタンク内圧の変化量ΔＰ（２−１）よりも吸気管負圧
下でのタンク内圧の変化量ΔＰ（４−３）の方が大きく
なるはずである。

【００３６】そこで、リーク判定の結果、上記の数１の
式が成立する場合には、燃料タンク１側に「リーク有
り」と判定し、警報ランプ（視覚表示手段）や警報ブザ
ー（聴覚表示手段）等の警報装置（図示せず）を作動さ
せて乗員に異常を知らせる。一方、リーク判定の結果、
上記の数１の式が成立しない場合には、調圧弁３からパ
ージ制御弁１２までの通気系側に「リーク有り」と判定
し、警報ランプや警報ブザー等の警報装置を作動させて
乗員に異常を知らせる。

【００３７】次に、圧電センサユニット１３をレベルセ
ンサとして使用する場合を詳述する。発信器２６から圧
電素子２１に電圧を加えて圧電素子２１を歪ませる。こ
のとき、圧電素子２１に加える電圧を交流電圧にするこ
とによって、圧電素子２１は振動し超音波を発生する。

【００３８】そして、圧電素子２１から発信した超音波
が燃料タンク１内の液体燃料の液面で反射して戻ってく
る（受信する）までの時間をタイマー回路２８でカウン
トし、その時間から液面レベル（残燃料レベル）を測定
する。このとき、圧電素子２１は超音波の受信器として
も使用される。つまり、超音波によって圧電素子２１が
振動し、そのとき発生する電圧を検出している。そし
て、圧電素子２１に発生した電圧から液面レベルを測定
して、この液面レベルの測定値を図示しないフューエル
メータ（視覚表示手段）に反映させる。

【００３９】なお、燃料タンク１内の液体燃料の液面レ
ベルを測定するレベルセンサの機能と燃料タンク１の内
部圧力（タンク内圧）を測定する圧力センサの機能と
は、時間軸で使い分けても良く、信号処理でそれぞれの
信号を分離しても良い。

【００４０】〔実施例の効果〕以上のように、本実施例
の燃料タンク１は、１つの圧電素子２１を具備した圧電
センサユニット１３を燃料タンク１に設置することで、
リークチェック（漏れ検査）をするときに使用される圧
力センサと残燃料を測定するときに使用されるレベルセ
ンサとを１つの部品（圧電素子２１）で構成することが
できるので、部品点数および組付工数を削減でき、コス
トダウンを図ることができる。

【００４１】なお、圧力センサ回路２２にて測定される
燃料タンク１の内部圧力（タンク内圧）の変化速度、ま
たはレベルセンサ回路２３にて測定される液面レベルに
基づいて燃料タンク１への給油開始を判定できるように
しても良い。この場合には、給油開始の判定手段として
圧電センサユニット１３を利用できるため、給油開始を
検出するための専用の検出手段を具備する必要はなく、
部品点数を削減できる。

【００４２】〔変形例〕本実施例では、圧電素子２１の
材料としてセラミックスを用いたが、圧電素子２１の材
料として水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）等の
単結晶を用いても良い。この他、圧電性高分子材料であ
るポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を用いても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧電センサユニットを示したブロック図である
（実施例）。

【図２】燃料タンク内圧制御システムの全体構成を示し
た模式図である（実施例）。

【符号の説明】

１燃料タンク３調圧弁９キャニスタ開閉弁１２パージ制御弁１３圧電センサユニット２１圧電素子２２圧力センサ回路２３レベルセンサ回路２６発信器２８タイマー回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）燃料タンク内において液体燃料の液
面レベルよりも上方に取り付けられた１つの圧電素子
と、（ｂ）この圧電素子を利用して、前記燃料タンクの内部
圧力を測定する圧力センサ回路と、（ｃ）前記圧電素子を利用して、前記燃料タンク内の液
体燃料の液面レベルを測定するレベルセンサ回路とを備
えた圧電センサユニット。
【請求項２】請求項１に記載の圧電センサユニットにお
いて、前記圧力センサ回路は、前記燃料タンクの内部圧力に応
じた応力を前記圧電素子が受けると、前記圧電素子が応
力に応じた電圧を発生し、その圧電素子に発生した電圧
を計測することで、前記燃料タンクの内部圧力を測定す
ることを特徴とする圧電センサユニット。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の圧電セン
サユニットにおいて、前記レベルセンサ回路は、前記圧電素子に交流電圧を加
えることによって、前記圧電素子が振動して前記圧電素
子から超音波を発生させ、その超音波が液体燃料の液面
で反射して前記圧電素子に戻ってくるまでの時間を計時
することで、液面レベルを測定することを特徴とする圧
電センサユニット。