JP2004156949A - 液面検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液面位置が低い場合、つまり液面位置が容器底部とほぼ同レベルにあっても液面位置を正確に検出可能な液面検出装置を提供する。
【解決手段】燃料タンク３底部の内面である底面３１に燃料５を分離貯留し且つ上部に反射板４１を備える較正タンク４を設け、燃料タンク３底部の外面３２に、超音波センサ２を、液面５１に向けて超音波を発射可能且つ燃料タンク３の鉛直方向においてピエゾ素子２１の一部が較正タンク４の反射板４１と重なるように取り付た。これにより、燃料タンク３内の液面５１位置がどこであっても、較正タンク４内、詳しくは貯留空間４５内を常時燃料５で満たして燃料５中における超音波の伝播速度の較正を可能として、液面５１位置が低い、つまり底面３１とほぼ同レベルにあっても、液面５１位置を正確に検出可能な燃料液面検出装置１を実現できる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タンクに貯蔵される液体の液面位置を検出する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燃料タンク内の燃料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、超音波が液体の液面で反射する性質を利用して、超音波センサを用いて容器内の液面位置を検出することが提案されている。
【０００３】
ところで、超音波を用いた液面検出装置では、液体の温度、圧力等の変化に応じて液体中における超音波の伝播速度が変化するため液面位置を正確に検出することが困難である。そこで、容器底面より上方の既知の位置に、超音波センサから発射された超音波を直接超音波センサに反射する反射板を設置し、この反射板からの反射波および液面からの反射波の２種類の反射波を検知し、それらに基づいて超音波の伝播速度を較正して液面位置を正確に検出しようというものである。
【０００４】
この種の液面検出装置としては、容器の底部外面に超音波センサを取り付けると共に、容器内部の予め定めた測定基準高さ位置に超音波センサから発せられた超音波を超音波センサ側に反射する超音波反射部材を設けたものがある。この液面検出装置においては、超音波センサから容器内の上方、つまり液面に向けて発射し、且つこの超音波の液面での反射波および超音波反射部材での反射波をそれぞれ検知し、これら２つの検知信号に基づいて液面位置を検出している。（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２０８５９５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の液面検出装置においては、超音波反射部材が液体中浸漬されている場合、すなわち超音波反射部材からの反射波が液体中のみを進行する場合は、液面位置を正確に検出することができる。しかし、容器内の液体量が減少し超音波反射部材が液体から空気中に露出すると、超音波反射部材からの反射波は液体と空気の物性が異なる２種類の物質中を進行することになり、液面位置を正確に検出できなくなる。
【０００７】
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、液面位置が低い場合、つまり液面位置が容器底部とほぼ同レベルにあっても液面検出が可能な液面検出装置を提供することである。
【０００８】
【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。
【０００９】
本発明の請求項１に記載の液面検出装置では、液体を貯蔵するタンクと、上端が開口し且つタンクの底部の内面に固定されて液体を分離貯留する貯留手段と、貯留手段の内側に内面に対向して設けられる反射板と、反射板のタンクの内面側表面および貯留手段の内壁面により形成される貯留空間とタンク内部の空間とを連通する通路と、超音波を発射し且つこの超音波の反射波を検知する超音波センサとを備え、貯留手段の上端はタンク内における液体の液面の最高位置よりも低い位置に設けられ、超音波センサは、タンクの底部の外面に、タンク内の液面に向けて超音波を発射可能且つタンクの鉛直方向においてその振動面の一部が貯留手段の反射板と重なるように取り付けられる構成とした。
【００１０】
従来の液面検出装置においては、容器、すなわちタンク底面上方の既知の位置に超音波反射部材を取り付けている。超音波反射部材は、タンク内の液体量が多い場合は、液面より下方、つまり液体中に浸漬されており、液面位置を正確に検出することができる。タンク内の液面が低下して液面が超音波反射部材より下側になると、液面位置を正確に検出することができない。ここで、何らかの手段を講じることにより、超音波反射部材が、タンク内の液面位置の高低に拘わらず常に液体中に浸漬されるようにすれば、タンク内の液面が超音波反射部材より下側にある時でも液面位置を正確に検出できる、つまり、タンク内の液体量が最大量からほぼ空の状態まで液面位置を正確に検出することができる。
【００１１】
本発明の請求項１に記載の液面検出装置では、タンク内に液体を分離貯留する貯留手段を設置すると共に、貯留手段の上端近傍に超音波センサからの超音波を超音波センサ側に反射する反射板を設けている。貯留手段の上端はタンクの最高液面位置より低い位置に設けられ且つ貯留手段は貯留空間と貯留手段の外側とを連通する通路を備えている。したがって、タンク内が液体で最大量まで充填されると、貯留手段内は完全に液体で充満される。さらに、容器内の液体量が減少して液面位置が低下しても、貯留手段は液体で充満され続ける、つまり反射板は液体中に浸漬され続ける。これにより、タンク内の液体量が最大量からほぼ空の状態、すなわち液面がタンク底部とほぼ同レベルまで液面位置を正確に検出することができる液面検出装置が実現できる。
【００１２】
この場合、本発明の請求項２に記載の液面検出装置のように貯留手段をタンクと一体的に形成すれば、貯留手段をタンクに取り付ける工程を省略して液面検出装置の組付け工数を低減することができる。
【００１３】
本発明の請求項３に記載の液面検出装置は、先に説明した本発明の請求項１に記載の液面検出装置において、タンク底部の外面に取り付けられていた超音波センサをタンク底部の内面、すなわちタンクの内側に取り付ける構成としている。これにより、タンク外部の異物等との接触により超音波センサが損傷を受けることを防止できる。
【００１４】
また、この場合、本発明の請求項４に記載の液面検出装置のように、貯留手段を超音波センサと一体的に形成すれば、液面検出装置の組付け工数を低減することができる。
【００１５】
本発明の請求項５に記載の液面検出装置では、通路は反射板に設けられた貫通孔である構成とした。この通路は、タンク内に液体が最大容量まで充填された際に、貯留手段の貯留空間に液体を導入するほかに、この貯留空間内からの液体の流出を抑制する役割を果たしている。つまり、通路の断面積を適当に設定する、望ましくは、通路の管路抵抗が大きいように設定することにより、何らかの原因でタンクが振動して貯留空間内の液体が貯留空間外へ流出しようとすると、通路の管路抵抗が大きく流れ難くなり、液体の流出を抑制できるので、常に貯留空間内に液体を確実に充満させておくことができる。本発明の請求項５に記載の液面検出装置のように、反射板に貫通孔を設けて通路を形成すれば、液面検出装置の仕様に応じて最適な断面積を有する通路を容易に作成できる。
【００１６】
本発明の請求項６に記載の液面検出装置では、反射板は、タンクの鉛直方向において貯留手段の上端よりも低い位置に設けられる構成とした。タンク内に液体が最大容量まで充填されて貯留手段内が液体で満たされると、貯留手段において、反射板の上方、すなわち貯留空間の外側にも液体が保持されることになる。何らかの原因でタンクが振動した場合、この部分の液体の一部は貯留手段外へこぼれるものの大部分は残留する。つまり、貯留手段の反射板上方の空間が補助タンクの役割を果たすので、貯留空間内に液体を確実に充満させておくことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１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。
【００１８】
（第１実施形態）
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、液体である燃料５を貯蔵するタンクとしての燃料タンク３の部分断面図である。図１において、図の上下方向が自動車の上下方向である。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【００１９】
燃料液面検出装置１は、図１に示すように、大きくは、燃料タンク３、貯留手段である較正タンク４および超音波センサ２から構成されている。
【００２０】
以下に、燃料液面検出装置１の構成について説明する。
【００２１】
超音波センサ２は、図１に示すように、燃料タンク３の底部の外面３２に、接合材６（たとえば接着剤等）を介して取り付けられている。超音波センサ２は、超音波を発生し且つこの超音波の反射波を受信するための振動面であるピエゾ素子２１を備えている。ピエゾ素子２１は、ピエゾ効果（電圧が印加されると体積が変化する一方、外部から力を受けると電圧を発生する特性）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。ピエゾ素子２１は、超音波センサ２のケース２４の内面に、柔軟性を有する接着剤（図示せず）を介して接着されている。また、ピエゾ素子２１からは、ピエゾ素子２１に電圧を印加する、あるいはピエゾ素子２１が発生する電圧信号を外部へ送達するためのリード線２６が延出されている。ピエゾ素子２１の背面側には、外部の振動がピエゾ素子２１に伝達されることを防止するための防振部材２２が配置されている。これにより、ピエゾ素子２１の振動が燃料タンク３内の燃料以外に伝達されることを防止して、良好な燃料液面検出機能を維持している。ケース２４内には、ピエゾ素子２１の気密を維持するために、ポッティング材２３が充填されて、さらに、ケース２４の開口端（図１の上端）にはカバー２５が取り付けられている。超音波センサ２に電圧が印加されると、ピエゾ素子２１が振動して、この振動が燃料タンク３に伝わり、燃料タンク３の底部の内面である底面３１から液面５１に向けて、つまり図１において上方に向けて超音波が発射される。
【００２２】
燃料タンク３は、たとえば、樹脂材料を型成形して形成されている。また、燃料タンク３の底部の内面である底面３１には、燃料を燃料タンク３から分離貯留する貯留手段である較正タンク４が設けられている。
【００２３】
較正タンク４は、上端４６（図１の上側端部）が開口する有底円筒状に形成されている。較正タンク４の上端４６は、燃料タンク３内における燃料５液面５１の最高位置５２よりも低い位置に設けられている。較正タンク４の内側の上端４６からやや下方には、燃料タンク３の底面３１に対向するように、反射板４１が取り付けられている。これにより、反射板４１の底面側表面である表面４３と、較正タンク４の内壁面４４とに囲まれる貯留空間４５が形成される。また、反射板４１には、上述の貯留空間４５を燃料タンク３内の空間とを連通する通路として貫通孔状の連通路４２が設けられている。このため、燃料タンク３内に燃料５が満タン状態まで、すなわち液面５１が最高位置５２になるように補給されると、貯留空間４５へは連通路４２を介して燃料５が流入し、貯留空間４５は燃料で満たされる。また、超音波センサ２のピエゾ素子２１と較正タンク４の燃料タンク３の鉛直方向における位置関係は、図２に示すように、ピエゾ素子２１の一部が較正タンク４の底面４６と重なるように設定されている。このように配置することにより、ピエゾ素子２１からの振動を、なお、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１においては、較正タンク４は、樹脂材料により燃料タンク３と一体的に形成されている。
【００２４】
次に、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、燃料液面検出作動について説明する。
【００２５】
先ず、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１における検出回路構成について、図３に示す、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１の電気回路構成図に基づいて説明する。
【００２６】
超音波センサ２（詳しくはピエゾ素子２１）は制御装置７に接続され、この制御装置７は表示部８に接続されている。
【００２７】
制御装置７は、ピエゾ素子２１への電圧印加を制御するパルス発生回路７１、ピエゾ素子２１から出力される電圧信号を処理して液面位置を算出する演算回路７２、および演算回路７２により算出された液面位置信号に基づき表示部８を駆動する駆動信号を出力する駆動回路７３から構成されている。
【００２８】
また、制御装置７は、イグニッションスイッチ９のＯＮ、ＯＦＦを検出可能にバッテリ１０に接続されており、イグニッションスイッチ９がＯＮ状態となると作動を開始する。
【００２９】
表示部８は、一般に、自動車の運転席正面のコンビネーションメータ（図示せず）内に設置されている。表示部８は、たとえば指針計器等からなり、燃料タンク３内の液面位置を運転者が認知可能に表示する。
【００３０】
次に、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１における液面検出作動について説明する。
【００３１】
パルス発生回路７１からパルス状電圧信号が超音波センサ２に印加されるとピエゾ素子２１が振動し、燃料タンク３内では、底面３１から燃料５の液面５１に向けて超音波が発射されると共に、底面４６から反射板４１の表面４３に向けて超音波が発射される。液面５１に向かう超音波は、図１における矢印Ａで示す経路を辿って進行し、液面５１で反射して再びピエゾ素子２１に入射する。この反射パルスを受信すると、ピエゾ素子２１は電圧信号である液面信号を発生する。一方、反射板４１に向かう超音波は、図１における矢印Ｂで示す経路を辿って進行し、表面４３で反射して再びピエゾ素子２１に入射する。この反射パルスを受信して、ピエゾ素子２１は電圧信号である較正信号を発生する。すなわち、超音波センサ２は、超音波を発射した後に２種類の反射パルスを受信し、それに対応して、２種類の信号、液面信号および較正信号を出力する。これらの電圧信号は演算回路７２に入力される。
【００３２】
演算回路７２は、パルス発生回路７１がピエゾ素子２１へ信号を発してから上述した２種類の反射パルスを検出するまでの時間を算出する。演算回路７２は、較正信号に基づいて燃料５中における超音波パルスの伝播速度を算出し、この伝播速度と液面信号とに基づいて、液面５１位置を算出する。
【００３３】
従来の液面検出装置においては、液面位置が低下して超音波の伝播速度較正用の反射部材が燃料中から空気中へ露出すると、液中における超音波の伝播速度の較正が不可能になり液面位置を正確に検出することができなくなるという問題があった。
【００３４】
これに対して、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１においては、液面５１が、反射板４１の上端４６よりも下方にある場合においても、較正タンク４内は燃料５で満たされている。つまり、液面５１位置に拘わらず常時、較正タンク４内、詳しくは貯留空間４５内は燃料５で満たされている。したがって、液面５１位置に拘わらず常時、燃料５中における超音波の伝播速度の較正が可能となる。これにより、満タン状態から空の状態になるまで液面５１位置を正確に検出することができる。
【００３５】
ところで、液面５１が、反射板４１の上端４６よりも下方にある場合においては、較正タンク４の反射板４１より上方に貯留される燃料５の一部は、自動車（図示せず）走行時の振動により燃料タンク３内へこぼれ出る。これにより、較正タンク４内の燃料液面位置は、図１に示すように、その上端４６より若干低いところにある。しかしながら、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１においては、反射板４１の貫通孔４２の直径および長さを、貯留空間４５内と外部との燃料の移動を抑制可能なように、すなわち、燃料タンク３が揺れた場合でも、連通孔４２で絞られるために貯留空間４５内の燃料５が外部へ流出し難いように設定しているので、貯留空間４５を確実に燃料５で満たされた状態にしておくことができる。
【００３６】
以上説明した、本発明の第１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３と、上端が開口し且つ燃料タンク３内側の底面３１に固定されて燃料５を分離貯留する較正タンク４と、較正タンク４の内側に底面３１に対向して設けられる反射板４１と、反射板４１の底面３１側表面４３および較正タンク４の内壁面４４により形成される貯留空間４５と燃料タンク３内部の空間とを連通する連通路４２と、超音波を発射し且つこの超音波の反射波を検知する超音波センサ２とを備え、さらに、較正タンク４の上端４６は燃料タンク３内における液面５１の最高位置５２よりも低い位置に設けられ、超音波センサ２は、燃料タンク３の底部の外面３２に、燃料タンク３内の液面５１に向けて超音波を発射可能且つ燃料タンク３の鉛直方向においてそのピエゾ素子２１の一部が較正タンク４の反射板４１と重なるように取り付けられる構成とした。これにより、１個の超音波センサ２を用いて、液面５１および反射板４１の両方に向けて超音波を発射し且つ両者からの反射波を検知できると共に、燃料タンク３内の液面５１位置がどこであっても、較正タンク４内、詳しくは貯留空間４５内は常に燃料５で満たされている。したがって、燃料タンク３内が、満タン状態から空の状態、つまり液面５１位置が底面３１とほぼ同レベルとなるまでの間、常時、燃料５中における超音波の伝播速度の較正を可能として、液面５１位置を正確に検出することができる。
【００３７】
また、以上説明した、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１においては、較正タンク４は、樹脂材料により燃料タンク３と一体的に形成されている。これにより、部品点数を低減し且つ組付け工数を低減して燃料液面検出装置のコスト上昇を抑えることができる。
【００３８】
図４に、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１の変形例の部分平面図であり、図１中のＩＶ矢視図である。この変形例においては、貯留空間４５を外部と連通する連通路４２を、図４に示すように、反射板４１に切り取り部４７を設けることにより形成している。
【００３９】
図５に、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１における他の変形例の部分断面図示す。他の変形例においては、上述の、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１に対して、反射板４１の厚さを大きくしている。すなわち、図５に示すように、反射板４１の上端を、較正タンク４の上端４６と略一致させている。この場合、貫通孔４２は、その長さがより長く形成されるので、貯留空間４５から外部への燃料５の移動を効果的に抑制することができる。
【００４０】
（第２実施形態）
図６に、本発明の第２実施形態による燃料液面検出装置１の部分断面図を示す。上述の第１実施形態による燃料液面検出装置１においては、超音波センサ２を燃料タンク３底部の外面３２に取り付けている。これに対し、本発明の第２実施形態による燃料液面検出装置１においては、超音波センサ２を、図６に示すように、燃料タンク３内部の底面３１に取り付けている。また、較正タンク４は、超音波センサ２と一体化されている、すなわち、樹脂材料により超音波センサ２のケース２４と一体成形により形成されている。
【００４１】
この場合も、較正タンク４内は、液面５１位置に拘わらず燃料５で満たされる。したがって、液面５１が、最高位置５２からピエゾ素子２１と同じレベル、すなわち図６中における液面５３となるまでの間は、液面５１位置を正確に検出することができる。
【００４２】
また、較正タンク４を、超音波センサ２と一体化することにより、部品点数を低減し且つ組付け工数を低減して燃料液面検出装置のコスト上昇を抑えることができる。
【００４３】
なお、本発明の第２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３は、樹脂成形品、あるいは鋼板プレス加工品のいずれであってもよい。
【００４４】
さらに、超音波センサ２を燃料タンク３内に取り付けることにより、自動車の走行中等において、各種異物との衝突により超音波センサ２が損傷を受けることを防止できる。
【００４５】
図７に、本発明の第２実施形態による燃料液面検出装置１の変形例の部分断面図を示す。この変形例においては、燃料タンク３の形状を変更している。すなわち、図７に示すように、低部の一部を下方へ突出させ、この突出させた部分の内側に超音波センサ２を取り付けている。これにより、ピエゾ素子２１の位置を燃料タンク３の通常の底面３１とほぼ同レベルとして、検出可能最低液面位置、すなわち検出可能最低燃料量を、本発明の第２実施形態による燃料液面検出装置１より小さくすることができる。
【００４６】
なお、以上説明した本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１、その変形例および他の変形例においては、燃料タンク３を樹脂成形により形成しているが、他の材料、たとえば鋼板等により形成してもよい。この場合、較正タンク４は、鋼板を略有底円筒状にプレス加工して形成してもよいし、あるいは樹脂成形してもよい。
【００４７】
また、以上説明した本発明の第１実施形態、その変形例および他の変形例、第２実施形態およびその変形例は、本発明の液面検出装置を、自動車の燃料液面検出装置１に適用した場合を例に説明したが、燃料液面検出装置１以外に適用してもよい。自動車に搭載される他の液体、たとえば、エンジンオイル、ブレーキフルードあるいはウィンドウォッシャ液等の液面検出に用いてもよい。さらに、自動車以外の用途において、各種液体を貯蔵する容器の液面検出装置として適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１の部分断面図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１における電気回路を説明する構成図である。
【図４】本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１の変形例の部分平面図である。
【図５】本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１における他の変形例の部分断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態による燃料液面検出装置１の部分断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態による燃料液面検出装置１の変形例の部分断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料液面検出装置（液面検出装置）
２ 超音波センサ
２１ ピエゾ素子（振動面）
２２ 防振部材
２３ ポッティング
２４ ケース
２５ カバー
２６ リード線
３ 燃料タンク（タンク）
３１ 底面（内面）
３２ 外面
４ 較正タンク（貯留手段）
４１ 反射板
４２ 貫通孔（通路）
４３ 表面
４４ 内壁面
４５ 貯留空間
４６ 上端
４７ 切り取り部
５ 燃料（液体）
５１ 液面
５２ 最高位置
６ 接着材
７ 制御装置
７１ パルス発生回路
７２ 演算回路
７３ 駆動回路
８ 表示部
９ イグニッションスイッチ
１０ バッテリ
Ａ、Ｂ 伝播経路

Claims (6)

1. 液体を貯蔵するタンクと、
   上端が開口し且つ前記タンク底部の内面に固定されて前記液体を分離貯留する貯留手段と、
   前記貯留手段の内側に前記内面に対向して設けられる反射板と、
   前記反射板の前記内面側表面および前記貯留手段の内壁面により形成される貯留空間と前記タンク内部の空間とを連通する通路と、
   超音波を発射し且つこの超音波の反射波を検知する超音波センサとを備え、
   前記貯留手段の上端は前記タンクにおける前記液体の液面の最高位置よりも低い位置に設けられ、
   前記超音波センサは、前記タンクの底部の外面に、前記タンク内の前記液面に向けて超音波を発射可能且つ前記タンクの鉛直方向においてその振動面の一部が前記貯留手段の前記反射板と重なるように取り付けられることを特徴とする液面検出装置。
2. 前記貯留手段は前記タンクと一体的に形成されることを特徴とする請求項１に記載の液面検出装置。
3. 上端が開口し且つ前記タンク底部の内面に固定されて前記液体を分離貯留する貯留手段と、
   前記貯留手段の内側に前記内面に対向して設けられる反射板と、
   前記反射板の前記内面側表面および前記貯留手段の内壁面により形成される貯留空間と前記タンク内部の空間とを連通する通路と、
   超音波を発射し且つこの超音波の反射波を検知する超音波センサとを備え、
   前記貯留手段の上端は前記タンクにおける前記液体の液面の最高位置よりも低い位置に設けられ、
   前記超音波センサは、前記タンク底部の前記内面に、前記タンク内の液体の液面に向けて超音波を発射可能且つ前記タンクの鉛直方向においてその一部が前記貯留手段の前記反射板と重なるように取り付けられることを特徴とする液面検出装置。
4. 前記貯留手段は前記超音波センサと一体的に形成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。
5. 前記通路は前記反射板に設けられた貫通孔であることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の液面検出装置。
6. 前記反射板は、前記タンクの鉛直方向において前記貯留手段の上端よりも低い位置に設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の液面検出装置。

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