JP2004117301A - 振動式液面検出器およびそれを用いた液面検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体の温度や圧力が変化しても、常に高い精度で液面位置を検出可能な振動式液面検出器およびそれを用いた液面検出装置を提供する。
【解決手段】燃料液面センサ３の振動板３１に振動の主たる振動伝播方向が互いに略直交する２つの振動伝播経路つまり測定経路３１ａおよび基準経路３１ｂとを設け、この燃料液面センサ３を、基準経路３１ｂの振動伝播方向が液面４１と平行に且つ測定経路３１ａの振動伝播方向が液面４１に垂直に燃料タンク２に取り付ける構成としている。つまり、基準経路３１ｂは常に燃料４中に浸漬されている。これにより、測定経路３１ａを経由する振動の伝播時間Ｔａおよび基準経路３１ｂを経由する振動の伝播時間Ｔｂに基づき液面４１位置を算出して、燃料４の温度や圧力が変動した場合においても、常に高い精度で燃料タンク２内の液面４１位置を検出することができる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容器に貯蔵される液体の液面位置を検出する振動式液面検出器およびそれを用いた液面検出装置に関するものであり、たとえば自動車に装備される容器である燃料タンクの内部に取り付けられて燃料の液面を検出する用途に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の液面検出装置として、超音波レベル検出装置がある。この超音波レベル検出装置は、超音波が伝播可能な振動部材である金属棒状体の任意の位置に圧電素子を固着し、この圧電素子にパルス状の信号を印加して、印加後の予め決められた固定時間内に検出された信号の位相を検出し、金属棒状体が浸漬する液体のレベルを検出するものである。（たとえば、特許文献１参照。）
上述の超音波レベル検出装置は、液面の変動に対応して回転する浮子（いわゆるフロート）を用いてその回転角度を検出する方式に比べて、運動部分が無いため信頼性を向上させることができる。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３０２６１０５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液体の温度や圧力が変化すると、それにともない振動部材内における超音波の伝播速度が変化するため、液面位置検出を高い精度で行うことが困難であるという問題がある。
【０００５】
本発明は上記のような点に鑑みなされたものであり、その目的は、液体の温度や圧力が変化しても、常に高い精度で液面位置を検出可能な振動式液面検出器およびそれを用いた液面検出装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。
【０００７】
本発明の請求項１に記載の振動式液面検出器では、振動部材と、振動部材の両端部にそれぞれ固定される圧電素子と、振動部材に形成され振動を伝播可能な２つの振動伝播経路とを備え、２つの振動伝播経路は、振動の主たる振動伝播方向が互いに略直交するように形成され、圧電素子の一方はパルス状入力信号が印加されると振動し、この振動が２つの振動伝播経路を介して圧電素子の一方へ伝播し、圧電素子の他方は振動を検出して検出信号を外部へ出力し、入力信号および検出信号に基づき振動部材が浸漬される液体の液面位置を検出する構成とした。従来の振動式液面検出器は、振動部材は１つの振動伝播経路を備え、振動部材を、振動部材が浸漬される液体の液面の変化に連動して振動部材の液体に浸漬される部分の長さが変化するように配置して、液面位置を検出している。この場合、液体の温度や圧力が変化すると振動部材内における超音波の伝播速度が変化するため、液面位置検出を高い精度で行うことが困難である。一方、本発明の請求項１に記載の振動式液面検出器は、振動部材は互いに直交する２つの振動伝播経路を備えている。このため、圧電素子の一方にパルス信号が印加され振動すると、この振動は２つの伝播経路を経由して圧電素子の他方に伝えられる。したがって、圧電素子の他方は２つの伝播経路それぞれによりつたえられる振動を受信して２つの検出信号を出力する。ここで、振動部材を、一方の振動伝播経路を液面と平行に、他方の振動伝播経路を液面に略垂直になるように液体中に配置すると、一方の振動伝播経路はその全長に亘り常に液体中に浸漬され、他方の振動伝播経路は液体の液面の変化に連動して振動部材の液体に浸漬される部分の長さが変化することになる。すなわち、圧電素子の一方にパルス信号が印加され起振されると、その振動が一方の振動伝播経路を経て圧電素子の他方により検出されるまでの時間は液体の液面が変化しても変わらない。それに対して、圧電素子の一方の振動が他方の振動伝播経路を経て圧電素子の他方により検出されるまでの時間は液体の液面が変化に連動して変化する。しかし、上述の両伝播時間の比率は、液体の温度や圧力が変化しても変わらない。したがって、上述の２種類の検出信号に基づき液面位置を算出することにより、液体の温度や圧力の変化に関わらず、常に高い精度で液面位置を検出できる。また、振動式液面検出器の振動部材に互いに直交する２つの振動伝播経路を備えるように形成することで、両振動伝播経路と液体の液面との関係を上述の関係に容易に設定することができる。
【０００８】
本発明の請求項２に記載の振動式液面検出器では、各振動伝播経路は略Ｕ字状に形成される構成とした。振動式液面検出器では、圧電素子の一方にパルス状の入力信号を印加してから圧電素子の他方がこのパルスによる振動部材の振動を検出するまでの時間を測定し、それに基づいて液面位置を検出している。したがって、振動部材の振動伝播経路長さ、すなわち両圧電素子間経路長さが長いほど、液面検出精度、検出分解能が良好となる。一方、コンパクトな振動式液面検出器を実現するという観点から、振動部材の全長を増大させずに検出部分の長さはできるだけ長くしたいという要求がある。振動部材を略Ｕ字状に形成することで、所定長さの振動伝播経路の振動部材を用いた場合、検出部分の長さ、つまり検出可能な液面変化範囲を最大とすることができる。また、振動部材を略Ｕ字状に形成することにより両圧電素子を振動式液面検出装置の一端側にまとめて配置できるので、両圧電素子と外部との電気接続用リード線の取出しが容易に行える。
【０００９】
本発明の請求項３に記載の液面検出装置では、振動部材と、振動部材の両端部にそれぞれ固定される圧電素子と、振動部材に形成され振動を伝播可能な２つの振動伝播経路とを備え、２つの振動伝播経路は、振動の主たる振動伝播方向が互いに略直交するように形成され、圧電素子の一方はパルス状入力信号が印加されると振動し、この振動が２つの振動伝播経路を介して圧電素子の一方へ伝播し、圧電素子の他方は振動を検出して検出信号を外部へ出力し、入力信号および検出信号に基づき振動部材が浸漬される液体の液面位置を検出する振動式液面検出器と、液体が貯蔵される容器とを備え、容器内部に取り付けられる振動式液面検出器により容器内の液体の液面位置を検出する液面検出装置であって、振動式液面検出器は、一方の振動伝播経路の振動伝播方向が液体の液面と平行であり且つ他方の振動伝播経路の振動伝播方向が液体の液面に略垂直であるように容器に取り付けられる構成としている。これにより、一方の振動伝播経路はその全長に亘り常に液体中に浸漬され、他方の振動伝播経路は液体の液面の変化に連動して振動部材の液体に浸漬される部分の長さが変化することになる。すなわち、圧電素子の一方にパルス信号が印加され起振されると、その振動が一方の振動伝播経路を経て圧電素子の他方により検出されるまでの時間は液体の液面が変化しても変わらない。それに対して、圧電素子の一方の振動が他方の振動伝播経路を経て圧電素子の他方により検出されるまでの時間は液体の液面が変化に連動して変化する。しかし、上述の両伝播時間の比率は、液体の温度や圧力が変化しても変わらない。したがって、上述の２種類の検出信号に基づき液面位置を算出することにより、液体の温度や圧力の変化に関わらず、常に高い精度で液面位置を検出できる。
【００１０】
本発明の請求項４に記載の液面検出装置では、一方の振動伝播経路は容器の底面近傍に配置される構成としている。これにより、容器内の液面位置が低くなった場合、つまり容器内の液体量が少ない場合においても、振動式液面検出器の一方の振動伝播経路はその全長に亘り確実に液体中に浸漬されるので、高い精度で液面位置を検出することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態による液面検出装置を、自動車の燃料タンク内の燃料液面位置を検出するための燃料液面検出装置１に適用した場合を例に図に基づいて説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１における、容器である燃料タンク２への振動式液面検出器である燃料液面センサ３の取り付け部分を示す部分断面図であり、図２中のＩ−Ｉ線断面図である。図２は、図１中のＩＩ矢視図である。図１の上下方向が自動車の上下方向であり、図１の上方が自動車の上方である。なお、各図において、同一構成部分には同一符号を付してある。
【００１３】
燃料液面検出装置１は、大きくは、燃料タンク２、燃料タンク２の内側の底面に取り付けられた燃料液面センサ３から構成され、液体である燃料４の液面４１を検出するものである。
【００１４】
以下に、燃料液面検出装置１の構成について説明する。
【００１５】
振動式液面検出器である燃料液面センサ３は、図１に示すように、振動部材である振動板３１、振動板３１の両端部それぞれに固定される圧電素子３２、振動板３１の両端部を保持する防振材３３から構成されている。
【００１６】
振動板３１は、自体の振動を効率良く伝播可能な材質、たとえば、金属材料であるステンレス鋼からなり、図１に示すように、一枚のステンレス鋼製帯板をその両端を揃えるように折り曲げて形成されている。また、振動板３１の両端部には、図１に示すように、後述する圧電素子３２がそれぞれ固定されている。さらに、振動板３１の両圧電素子３２、３２間には、図１および図２に示すように、振動を伝播可能な２つの振動伝播経路として測定経路３１ａおよび基準経路３１ｂがそれぞれ形成されている。また、測定経路３１ａと基準経路３１ｂとは、互いの延出方向が異なり、図１に示すように、測定経路３１ａの延出方向と基準経路３１ｂの延出方向とは、９０度の角度を成している。そして、燃料液面センサ３が燃料タンク２の底面２ａに取り付けられると、振動伝播経路の一方である基準経路３１ｂは燃料４の液面４１と平行な位置関係となり且つ振動伝播経路の他方であるの測定経路３１ａは液面４１と直行する位置関係となっている。このため、振動板３１の測定経路３１ａは、液面４１の位置変化に連動して測定経路３１ａの燃料４に浸漬される部分の長さが変化するが、基準経路３１ｂは、常に、その全体が燃料４に浸漬されることになる。
【００１７】
振動板３１の両端部には、図１に示すように、圧電素子３２が固定されている。各圧電素子３２は、ピエゾ効果を有する物質、たとえばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）から形成されている。また、圧電素子３２は、振動板３１を確実に振動させることができるように、あるいは振動板３１の振動を確実に検出できるように、たとえば接着等により振動板３１に強固に固定されている。圧電素子３２からは、両者を外部に接続するためのリード線（図示せず）が引き出されている。
また、振動板３１は、図１に示すようにその両端部において防振材３３に保持されている。
【００１８】
防振材３３は、適度な柔軟性を有する材質、たとえばゴム、樹脂等から形成されている。
【００１９】
ここで、圧電素子３２が作動して生じる振動板３１の振動が振動板３１以外、たとえば燃料タンク２に伝達すると、測定経路３１ａおよび基準経路３１ｂを伝播する振動レベル（振動エネルギ）が小さくなり圧電素子３２による検出信号レベル（信号電圧）が低下する、あるいは、測定経路３１ａおよび基準経路３１ｂ以外を経由して伝播される振動による検出信号が発生する等して、高い精度による液面４１位置の検出が困難となる。
【００２０】
振動板３１を防振材３３により保持することで上述の不具合を抑制して、高い精度による液面４１位置の検出が可能となる。
【００２１】
以上説明したように構成される燃料液面センサ３は、図１に示すように、燃料タンク２の底面２ａに形成されるボス部２１に、ワッシャ６を介してボルト５を締付けて固定されている。
【００２２】
燃料タンク２は、樹脂材料で形成され、図１に示すように、底面２ａには、燃料液面センサ３固定用のボス部２１が燃料タンク２と一体成形により形成されている。
【００２３】
次に、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１における燃料液面センサ３の液面検出原理、作動について説明する。
【００２４】
圧電素子３２は、パルス状の電気信号を印加されると体積が変化する、すなわち振動する。本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１においては、圧電素子３２の一方は、図１において左右方向に振動して、振動板３１がその長さ方向と直角方向に振動するように起振され横波（振動方向と進行方向が垂直の波）として振動板３１を圧電素子３２の他方に向かって伝播する。この横波の伝播速度は、下記の数式１で表される。
【００２５】
【数１】Ｖ∝√ＥＩ／（ρ１＋ρ２）
数式１中において、Ｖは横波の伝播速度、Ｅは振動板３１のヤング率、Ｉは振動板３１の断面２次モーメント、ρ１は振動板３１の密度、ρ２は振動板３１周囲の流体の密度である。ρ２は、振動板３１が燃料４に浸っている場合は燃料４の密度であり、振動板３１が燃料４から露出している場合は空気の密度である。
【００２６】
燃料４の密度は、空気の密度よりはるかに大きいので、数式１から明らかなように、振動板３１が燃料４に浸っている場合と、振動板３１が燃料４から露出している、つまり空気中にある場合とでは、振動板３１における振動の伝播速度が異なる。すなわち、振動板３１では、その燃料４に浸っている部分における振動伝播速度は、その燃料４から露出して空気中にある部分における振動伝播速度よりも小さくなる。したがって、圧電素子３２の一方へパルス状の電気信号を印加してから圧電素子３２の他方から発せられる振動検出信号を受信するまでの時間、すなわち振動の伝播時間は、振動板３１全体が燃料４に浸漬されている状態、つまり満タン状態のときに最大値となり、燃料４がエンジン（図示せず）により消費されて液面４１が低下、すなわち振動板３１の空気中への露出部分長さが増加するに連れて伝播時間は減少する。振動板３１全体が空気中へ露出した状態のときに最小値となる。
【００２７】
したがって、圧電素子３２の一方へパルス状の電気信号を印加してから圧電素子３２の他方から発せられる振動検出信号を受信するまでの時間（以降、振動伝播時間Ｔと書く）を計測することにより、容易に液面４１位置を検出することができる。
【００２８】
ところで、燃料タンク２内の燃料４の温度は、外気温度の影響を受けて変化するのみならず、自動車作動中において、エンジンからの高温のリターン燃料により変化する。このため、燃料タンク２内においては、燃料４の温度および圧力が変化すると、数式１中におけるρ１、ρ２が変化する。すなわち、振動板３１中の振動伝播速度Ｖが変化するので、振動伝播時間Ｔが変動する。
【００２９】
従来の燃料液面センサにおいては、振動板は１つの振動伝播経路、すなわち燃料４の液面４１に略直交するように配置される振動伝播経路のみを備えるため、自動車作動中において燃料４の温度および圧力が変動すると、液面４１位置が同一であっても振動伝播時間Ｔが変動し高い精度での検出が困難であった。
【００３０】
一方、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１の燃料液面センサ３においては、振動板３１は２つの振動伝播経路、すなわち燃料４の液面４１に略直交するように配置される測定経路３１ａと液面４１に平行に配置される基準経路３１ｂとを備えている。測定経路３１ａにおける振動伝播時間をＴａ、基準経路３１ｂにおける振動伝播時間をＴｂとすると、両者の値は燃料４温度および圧力の変化に応じて変動するが、両者の比、つまりＴａ／Ｔｂは燃料４温度および圧力が変化しても一定である。
【００３１】
このように、２種類の検出信号、つまりＴａ、Ｔｂに基づき液面４１位置を算出することにより、燃料４の温度や圧力の変化に関わらず、常に高い精度で液面４１位置を検出することができる。
【００３２】
次に、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１における電気回路構成について、図３に基づいて説明する。
【００３３】
図３は、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１における電気回路構成を説明する構成図である。なお、図３においては、分かり易さのために、燃料液面センサ３は機能上の要部（振動板３１、測定経路３１ａ、基準経路３１ｂ、圧電素子３２）のみ示している。
【００３４】
図３に示すように、イグニッションスイッチ３０がＯＮされると、バッテリ４０から電力が制御装置１０へ供給される。
【００３５】
制御装置１０は、燃料液面検出装置１の圧電素子３２の一方へパルス状の電気信号を印加すると共に、圧電素子３２の他方から発せられる振動検出信号を受信する。そして、圧電素子３２の一方へパルス状の電気信号を印加してから圧電素子３２の他方から発せられる振動検出信号を受信するまでの時間、すなわち振動伝播時間ＴａおよびＴｂを計測して、それに基づいて燃料タンク２内の燃料４の液面４１を算出する。
【００３６】
さらに制御部１０は、算出した液面４１に基づいて、自動車の運転席に設置されるコンビネーションメータ２０内の燃料計２１を駆動するための駆動信号を出力する。この駆動信号により燃料計２１のムーブメント（図示せず）が指針２２を回動させて、燃料４の液面４１位置が表示される。
【００３７】
以上説明した、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１においては、振動板３１と、振動板３１の両端部にそれぞれ固定される圧電素子３２と、振動板３１に形成され振動を伝播可能な２つの振動伝播経路である測定経路３１ａおよび基準経路３１ｂとを備え、測定経路３１ａおよび基準経路３１ｂは、振動の主たる振動伝播方向が互いに略直交するように形成され、圧電素子３２の一方はパルス状入力信号が印加されると振動し、この振動が測定経路３１ａおよび基準経路３１ｂを経由して圧電素子３２の他方へ伝播し、圧電素子の他方はこの振動を検出して検出信号を外部へ出力し、入力信号および検出信号に基づき振動板３１が浸漬される燃料４の液面４１位置を検出する燃料液面センサ３を、燃料４が貯蔵される燃料タンク２内部に取り付けてなる燃料液面検出装置１であって、燃料液面センサ３は、基準経路３１ｂの振動伝播方向が燃料４の液面４１と平行であり且つ測定経路３１ａの振動伝播方向が燃料４の液面４１に垂直であるように燃料タンク２に取り付けられる構成としている。つまり、振動板３１の測定経路３１ａは、液面４１の位置変化に連動して測定経路３１ａの燃料４に浸漬される部分の長さが変化するが、基準経路３１ｂは、常に、その全体が燃料４に浸漬されることになる。したがって、燃料液面センサ３の出力である２種類の検出信号、すなわち測定経路３１ａを経由する振動の検出信号および基準経路３１ｂを経由する振動の検出信号に基づき液面４１位置を算出することにより、燃料４の温度や圧力が変動した場合においても、常に高い精度で燃料タンク２内の液面４１位置を検出することができる。
【００３８】
なお、以上説明した、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１においては、測定経路３１ａを燃料４の液面４１と直交するように配置しているが、燃料液面センサ３が取り付けられる燃料タンク２形状によっては、ある程度傾斜させて配置してもよい。一方、基準経路３１ｂは、燃料タンク２内燃料４量の多少に拘わらず良好な液面４１位置検出精度を得るために、常に燃料４中に浸漬される必要があり、液面４１と平行な位置関係を維持し且つできるだけ燃料タンク２の底面２ａ近くに配置されることが望ましい。
【００３９】
また、以上説明した、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１においては、燃料液面センサ３を燃料タンク２の底面２ａに取り付けているが、取り付け位置を燃料タンク２の底面に限る必要はなく側面あるいは上面であってもよい。その場合も、燃料タンク２と測定経路３１ａおよび基準経路３１ｂとの位置関係を上述したように設定すれば、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１と同様の効果が得られる。
【００４０】
また、以上説明した、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１においては、燃料タンク２の材質を樹脂としているが、他の材質、たとえば鋼板で形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１の部分断面図であり、図２中のＩ−Ｉ線断面図である。
【図２】図１中のＩＩ矢視図である。
【図３】本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１の電気回路構成を説明する構成図である。
【符号の説明】
１　　燃料液面検出装置（液面検出装置）
２　　燃料タンク（容器）
２ａ　　底面
２１　　ボス部
３　　燃料液面センサ（振動式液面検出器）
３１　　振動板（振動部材）
３１ａ　　測定経路（一方の振動伝播経路）
３１ｂ　　基準経路（他方の振動伝播経路）
３２　　圧電素子
３３　　防振材
４　　燃料（液体）
４１　　液面
５　　ボルト
６　　ワッシャ
１０　　制御装置
２０　　コンビネーションメータ
２１　　燃料計
２２　　指針
３０　　イグニッションスイッチ
４０　　バッテリ
Ｅ　　ヤング率
Ｉ　　断面２次モーメント
Ｖ　　伝播速度
Ｔ、Ｔａ、Ｔｂ　　振動伝播時間
ρ１、ρ２　　密度

Claims (4)

1. 振動部材と、
   前記振動部材の両端部にそれぞれ固定される圧電素子と、
   前記振動部材に形成され振動を伝播可能な２つの振動伝播経路とを備え、
   前記２つの振動伝播経路は、前記振動の主たる振動伝播方向が互いに略直交するように形成され、
   前記圧電素子の一方はパルス状入力信号が印加されると振動し、この振動が前記２つの振動伝播経路を介して前記圧電素子の一方へ伝播し、前記圧電素子の他方は前記振動を検出して検出信号を外部へ出力し、前記入力信号および前記検出信号に基づき前記振動部材が浸漬される液体の液面位置を検出することを特徴とする振動式液面検出器。
2. 前記各振動伝播経路は略Ｕ字状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の振動式液面検出器。
3. 振動部材と、
   前記振動部材の両端部にそれぞれ固定される圧電素子と、
   前記振動部材に形成され振動を伝播可能な２つの振動伝播経路とを備え、
   前記２つの振動伝播経路は、前記振動の主たる振動伝播方向が互いに略直交するように形成され、
   前記圧電素子の一方はパルス状入力信号が印加されると振動し、この振動が前記２つの振動伝播経路を介して前記圧電素子の一方へ伝播し、
   前記圧電素子の他方は前記振動を検出して検出信号を外部へ出力し、
   前記入力信号および前記検出信号に基づき前記振動部材が浸漬される液体の液面位置を検出する振動式液面検出器と、
   液体が貯蔵される容器とを備え、
   前記容器内部に取り付けられる前記振動式液面検出器により前記容器内の前記液体の液面位置を検出する液面検出装置であって、
   前記振動式液面検出器は、一方の前記振動伝播経路の振動伝播方向が前記液体の液面と平行であり且つ他方の前記振動伝播経路の振動伝播方向が前記液体の液面に略垂直であるように前記容器に取り付けられることを特徴とする液面検出装置。
4. 前記一方の前記振動伝播経路は前記容器の底面近傍に配置されることを特徴とする請求項３に記載の液面検出装置。

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