JP2004053504A - 超音波液面計 - Google Patents

Abstract

【課題】車両走行時の横Ｇや路面の傾斜状態等によりタンクの液面が傾斜しても、液面での反射波が適切に受信できて液面の高さを計測できる超音波液面計を提供する。
【解決手段】この超音波液面計１は、車載液体タンク３の液面５の高さを計測するものであって、液面５に向けて球面波状の超音波７Ｐを発振する発振素子９と、超音波７Ｐの液面５での反射波７Ｒを受信する受信素子１１と、超音波７Ｐの発振時点から反射波７Ｒの受信時点までの時間差から液面５の高さを計測する計測手段１３とを備える。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車の燃料タンク、冷却水タンク、ウォシャー液タンク、ブレーキ液タンク等の車載液体タンクの液面の高さを計測する超音波液面計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の液面計としては、フロート式や熱抵抗式が使用されている。フロート式は、車載液体タンクの液面の上下動をフロートの上下動に変換し、そのフロートが一定の高さより高いか低いかに応じてスイッチがオンオフされることで、車載液体タンクの液面が一定の高さより高いか低いかを検出するものである。熱抵抗式は、例えば燃料計に使用されており、燃料に浸っているか否かに応じて熱抵抗が変化する発熱体を車載液体タンク内の一定の高さに配置し、その発熱体の熱抵抗の変化に応じて、車載液体タンクの液面の高さが一定の高さより高いか低いかを検出するものである。
【０００３】
ところが、これらフロート式及び熱抵抗式の液面計では、一定の高さより高いか低いかの２値しか判定できず、液面低下の警報にしか使用できないという欠点がある。特に熱抵抗式の液面計では、検出精度や応答性があまり良くないという欠点もある。
【０００４】
これらの欠点を解決する液面計として超音波式の液面計（以後、超音波液面計と称す）を用いることが例えば特願平１１−２３７２３４等に開示されている。この超音波液面計は、例えばタンク底面上からタンク天井面（即ち液面）に向けて平面波状の超音波を発振し、その超音波の液面での反射波をタンク底面上で受信し、その超音波の発振時点から反射波の受信時点の時間差により液面の高さを計測するものであり、計測精度及び応答性が良く産業用途で使用されていたもの転用したものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、もともと産業用途で使用されたいた上記超音波液面計は、使用される超音波が平面波状であるため、図６に示す様に、そのまま車載用に使用した場合、車両走行時の横Ｇや路面の傾斜により車載液体タンク１０１の液面１０３が傾斜すると、タンク底面から発振される超音波１０５Ｐの液面１０３での反射波１０５Ｒが適切にタンク底面側に反射されなくなり、即ちタンク底面側で反射波１０５Ｒを受信できなくなり、液面１０３の高さを計測できなくなる欠点がある。
【０００６】
そこで、この発明の課題は、車両走行時の横Ｇや路面の傾斜状態等により車載液体タンクの液面が傾斜しても、液面での反射波が適切に受信できて液面の高さを計測できる超音波液面計を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためには、請求項１に記載の発明は、車載液体タンクの液面の高さを計測する超音波液面計であって、前記液面に向けて球面波状の超音波を発振する発振素子と、前記超音波の前記液面での反射波を受信する受信素子と、前記超音波の発振時点から前記反射波の受信時点までの時間差から前記液面の高さを計測する計測手段とを備えるものである。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、前記発振素子は、２次元的に分布された複数の超音波発振領域を有し、それら各超音波発振領域を中央に位置する領域から外周側に位置する領域に向けて時間差を付けて順に発振させることで、球面波状の超音波を発振させるものである。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、前記発振素子は、半球面状に形成された超音波発振領域を有するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態＞
図１は本発明の実施の形態に係る超音波液面計の構成概略図であり、図２は図１の超音波液面計で用いられる発振用圧電素子の拡大斜視図であり、図３は図１の超音波液面計に於ける発振超音波及び受信反射波の時間経過に基づく振幅の一例図である。
【００１１】
この実施の形態に係る超音波液面計１は、例えば自動車の燃料タンク、冷却水タンク、ウォッシャー液タンク、ブレーキ液タンク等の車載液体タンクの液面の高さを計測するものであり、図１に示す如く、車載液体タンク３の液面５（車載液体タンク３の天井面）に向けて球面波状の超音波７Ｐを発振する発振用振動子（発振素子）９と、発振用振動子９から発振された超音波７Ｐの車載液体タンク３の液面５での反射波７Ｒを受信する受信用振動子（受信素子）１１と、超音波７Ｐの発振時点と反射波７Ｒの受信時点との時間差から車載液体タンク３の液面５の高さを計測する計測装置（計測手段）１３とを備える。
【００１２】
発振用振動子９及び受信用振動子１１は、車載液体タンク３の例えば底部の中央にて互いに近接して配設される。この配設状態で、発振用振動子９の上面（超音波発振面）及び受信用振動子１１の上面（超音波受信面）はそれぞれ、車載液体タンク３内に露出される様に即ち車載液体タンク３内の液体に浸される様にして車載液体タンク３の上方に向けて配置される。
【００１３】
発振用振動子９は、図２に示す様に、平板状（図では円板状）の単一の圧電素子９１と、圧電素子９１の上面にそれぞれ２次元的に分布する様に形成された複数（図では２つ）の上面電極９３，９４と、圧電素子９１の下面全面に形成された単一の下面電極９５とを備えて構成される。図中の９７ａ，９７ｂ，９７ｃはそれぞれ、計測装置１３から各電極９３，９４，９５への駆動電圧の印加用の配線である。ここでは、複数の上面電極９３，９４の上面９３ｕ，９４ｕが複数の超音波発振領域を成している（以後、超音波発振領域９３ｕ，９４ｕと称す）。
【００１４】
ここでは、複数の上面電極９３，９４は、中央に配置された例えば円形の電極９３と、円形電極９３の外周側にて円形電極９３と同心円状に順に外側に配置された１つ以上（図では１つ）の例えば円環状の電極９４とから構成される。ここでは、円還状電極９４はＣ字状に一部開裂されて形成されており、その開裂部分の間隙を通じて、円形電極９３に於ける配線９７ａの接続用の引出電極９３ｓが外周側に引き出されて形成される。
【００１５】
この発振用振動子９は、各上面電極９３，９４に個別に駆動電圧が印加されることで、各上面電極９３，９４の形成領域毎に部分的に圧電素子９１を発振させることができ、これにより各超音波発振領域９３ｕ，９４ｕ毎に個別に超音波を発振することができる。ここでは、各超音波発振領域９３ｕ，９４ｕは、計測装置１３の制御により中央に位置する領域９３ｕから外周側に位置する領域９４ｕに向けて時間差（位相差）を付けて順に発振させられる。これにより、各超音波発振領域９３ｕ，９４ｕから発振される各超音波は、ホイヘンスの原理により合成されて球面波状の超音波７Ｐとなって伝搬される。
【００１６】
受信用振動子１１は、詳細な図示は省略されるが、平板状の単一の圧電素子と、その圧電素子の上面全面に形成された単一の上面電極と、その圧電素子の下面全面に形成された単一の下面電極とを備えて構成される。ここでは、受信用振動子１１の上面電極の上面が超音波受信領域を成している。この受信用振動子１１は、その超音波受信領域で受信する反射波７Ｒを電気信号に変換して計測装置１３に出力する。
【００１７】
計測装置１３は、発振用アンプ１３１、受信用アンプ１３２、発振回路１３３、受信回路１３４と、処理部１３５を備える。
【００１８】
発振回路１３３は、処理部１３５の制御により所定の周波数の駆動電圧を生成し、生成した駆動電圧を発振用アンプ１３１を介して上記の如く発振用振動子９の各電極９３，９４に時間差を付けて印加することで、発振用振動子９から球面波状の超音波７Ｐを例えばパルス状に発振させる。
【００１９】
受信回路１３４は、受信用アンプ１３２を介して受信用振動子１１で受信された反射波７Ｒを検出する。
【００２０】
処理部１３５は、図３に示す様に、発振用振動子９から発振される超音波７Ｐの発振時点として例えば発振用振動子９の複数の超音波発振領域９３ｕ，９４ｕのうちの一番最初に発振される中央の超音波発振領域９３ｕから超音波が発振された時点ｔ１から、反射波７Ｒの受信時点として例えば受信回路１３４により反射波７Ｒの一波（順次受信する反射波の第１の番目の反射波）が検出された時点ｔ２までの時間差（ｔ２−ｔ１）から車載液体タンク３の液面５の高さを計測する。
【００２１】
例えば車載液体タンク３の液中での音速ｃが１５００ｍ／ｓの場合に於いて例えばｔ２−ｔ１＝１３８μｓの場合は、車載液体タンク３の液面５の高さｈは、例えばｈ＝ｃ×（ｔ２−ｔ１）÷２＝１５００ｍ／ｓ×１３８μｓ÷２＝１０．３５ｃｍとなる。尚、この計算法は一例でありこの計算法に限定するものではない。
【００２２】
この超音波液面計１では、発振用振動子９から球面波状の超音波７Ｐを発振させることで、その超音波７Ｐの車載液体タンク３の液面５での反射波７Ｒが球面波状の超音波となる様にしている。これにより、図４に示す様に、車載液体タンク３の液面５が傾斜した場合でも、その超音波７Ｐの車載液体タンク３の液面５での反射波７Ｒは、必ず車載液体タンク３の底面側に伝搬する成分を含み、必ず受信用振動子１１に受信される。即ち、車載液体タンク３の液面５が傾斜した場合でも必ず液面５の高さが計測装置１３により計測される。
【００２３】
以上のように構成された超音波液面計１によれば、発振用振動子９から車載液体タンク３の液面５に向けて球面波状の超音波７Ｐを発振させることで、その超音波７Ｐの液面５での反射波７Ｒが球面波となる様にしているため、車載液体タンク３の液面５が多少傾斜する場合でも確実に反射波７Ｒを受信用振動子１１に受信させることができ、確実に車載液体タンク３の液面５の高さを計測できる。
【００２４】
又、発振用振動子９が２次元的に分布された複数の超音波発振領域９３ｕ，９４ｕを有して構成され、それら各超音波発振領域９３ｕ，９４ｕが中央に位置する領域９３ｕから外周側に位置する領域９４ｕに向けて時間差を付けて順に発振されることで、発振用振動子９から球面波状の超音波７Ｐが発振されるため、簡易な構成で十分大きなエネルギを有する球面波状の超音波７Ｐを発振させることができる。
【００２５】
又、発振用振動子９及び受信用振動子１１が車載液体タンク３の底部の中央にて互いに近接して配設されるため、車載液体タンク３の液面５が傾斜しても、その傾斜による液面５の上下動の影響を避けて正確に液面５の高さを計測できる。
【００２６】
尚、この実施の形態では、発振用振動子９から発振される超音波７Ｐが球面波（従って反射波７Ｒも球面波）であるため、そのエネルギは伝搬距離の２乗に反比例して減衰するが、その減衰については、発振用振動子９から発振されて液面５で反射されて受信用振動子１１で受信される間の伝搬距離は精々数１０ｃｍ程度なので、発振時の発振電圧を適当に上げることで十分補償可能である。
【００２７】
尚、発振用振動子９から発振される球面状波の超音波は、ここでは、球面波や楕円波等の曲面波を含む意味で使用される。
【００２８】
尚、この実施の形態では、発振用振動子９と受信用振動子１１とを別々に備える場合で説明したが、受信用振動子１１を省略して発振用振動子９を発振用と受信用とに共通使用する様にしても構わない。即ち、図１を参照して、超音波発振時は、発振用振動子９を発振用アンプ１３１に接続し、発振用アンプ１３１を介して発振回路１３３から印加される駆動電圧によって発振用振動子９から超音波７Ｐを発振させ、超音波受信時は（即ち発振直後に）、発振用振動子９を発振用アンプ１３１から切り離して受信用アンプ１３２に接続し直し、発振用振動子９で受信される反射波７Ｒを受信用アンプ１３２を介して受信回路１３４に出力する様に構成しても構わない。
【００２９】
尚、この実施の形態では、発振用振動子９が、単一の圧電素子９１の上面に複数の上面電極９３，９４を形成し圧電素子９１の下面に単一の下面電極９５を形成して構成される場合で説明したが、圧電素子９１を複数の上面電極９３，９４毎に個別に設ける様にしても構わず、更に下面電極９５も複数の上面電極９３，９４毎に個別に形成する様にしても構わない。即ち、発振用振動子９を、それぞれが超音波発振領域９３ｕ，９４ｕに対応する複数の発振用振動子の集合体として構成しても構わない。それらの場合も本実施の形態の場合と同様の効果を得る。
【００３０】
尚、この実施の形態では、発振用振動子９が２次元的に分布された複数の超音波発振領域９３ｕ，９４ｕを有して構成され、それら各超音波発振領域９３ｕ，９４ｕが時間差を付けて発振されることで、発振用振動子９から球面波状の超音波７Ｐが発振される場合で説明したが、発振用振動子９の超音波発振領域を単一の半球面状に形成することで、発振用振動子９から球面波状の超音波７Ｐを発振させる様にしても構わない。図５はその場合の発振用振動子９Ｂの側面視の断面図である。
【００３１】
この場合の発振用振動子９Ｂは、図５に示す様に、例えば平板状の圧電素子９２の上面に例えば半球体状の上面電極９７が形成され、その圧電素子９１の下面に下面電極９８が形成されて構成される。図中の９９ａ、９９ｂはそれぞれ、計測装置１３から各電極９７，９８への駆動電圧の印加用の配線である。ここでは、半球体状の上面電極９７の上面９７ｕが超音波発振領域を成している。この発振用振動子９Ｂでは、上面電極９７及び下面電極９８に駆動電圧が印加されることで、半球面状の超音波発振領域９７ｕから球面波状の超音波７Ｐが発振される。この場合の発振用振動子９Ｂによっても簡易な構成で十分大きなエネルギを有する球面波状の超音波７Ｐを発振させることができる。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、発振素子から車載液体タンクの液面に向けて球面波状の超音波を発振させることで、その超音波の液面での反射波が球面波となる様にしているため、車載液体タンクの液面が多少傾斜する場合でも確実に反射波が受信素子に受信される様にでき、確実に車載液体タンクの液面の高さを計測できる。
【００３３】
請求項２に記載の発明によれば、発振素子が２次元的に分布された複数の超音波発振領域を有して構成され、それら各超音波発振領域が中央に位置する領域から外周側に位置する領域に向けて時間差を付けて順に発振されることで、発振素子から球面波状の超音波が発振されるため、簡易な構成で十分大きなエネルギを有する球面波状の超音波を発振させることができる。
【００３４】
請求項３に記載の発明によれば、発振素子は、半球面状に形成された超音波発振領域を有して構成されるため、簡易な構成で十分大きなエネルギを有する球面波状の超音波を発振させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る超音波液面計の構成概略図である。
【図２】図１の発振用圧電素子の拡大斜視図である。
【図３】図１の超音波液面計に於ける発振超音波及び受信反射波の時間経過に基づく振幅の一例図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る超音波液面計の液面傾斜時の反射波の様子を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る超音波液面計の発振用振動子の変形例の側面視の断面図である。
【図６】従来の超音波液面計の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１　超音波液面計
３　車載液体タンク
５　液面
７Ｐ　超音波
７Ｒ　反射波
９　発振用振動子
１１　受信用振動子
１３　計測装置
９１，９２　圧電素子
９３，９４，９７　上面電極
９３ｕ，９４ｕ　超音波発振領域（上面電極の上面）
９５，９８　下面電極

Claims (3)

1. 車載液体タンクの液面の高さを計測する超音波液面計であって、前記液面に向けて球面波状の超音波を発振する発振素子と、前記超音波の前記液面での反射波を受信する受信素子と、前記超音波の発振時点から前記反射波の受信時点までの時間差から前記液面の高さを計測する計測手段とを備えることを特徴とする超音波液面計。
2. 前記発振素子は、２次元的に分布された複数の超音波発振領域を有し、それら各超音波発振領域を中央に位置する領域から外周側に位置する領域に向けて時間差を付けて順に発振させることで、球面波状の超音波を発振させることを特徴とする請求項１に記載の超音波液面計。
3. 前記発振素子は、半球面状に形成された超音波発振領域を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波液面計。

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