JP2015172508A

JP2015172508A - 液面位置検出装置

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Publication number: JP2015172508A
Application number: JP2014048105A
Authority: JP
Inventors: 幹夫岩村; Mikio Iwamura; 高橋　寿; Hisashi Takahashi; 寿高橋; 和彦笠井; Kazuhiko Kasai
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2015-10-01

Abstract

【課題】不感域を小さくできる超音波式の液面位置検出装置を提供する。【解決手段】液体Ｆを収納する車載タンクＴに設けられ、超音波からなる駆動波Ｋを液面Ｓへ放射し、この液面Ｓからの反射波を受波する振動子１と、この振動子１に駆動パルスを付与し、この駆動パルスに基づく所望の駆動波Ｋを生成させる出力回路２２と、振動子１からの信号に基づいて、駆動波Ｋの放射から反射波Ｒを受波するまでの時間Ｄを計測する計測回路２１とを設けた制御手段２と、を備え、制御手段２は、前記駆動パルスの回数を変えることによって異なる波形の駆動波Ｋ１，Ｋ２が出力させるように振動子１を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を用いた液面位置検出装置に関する。

例えば、特許文献１に示すように、駆動波（超音波パルス）を液体液面に向けて放射し、液面から反射してくる反射波を受波するまでの時間を計時し、この時間から液体液面までの距離を検出することで、液面位置（液面レベル）を計測するものが提案されている。

これら、超音波式の液面位置検出装置にあっては、振動子から放射された駆動波が、振動媒体を伝搬し、この伝搬方向に何らかの液面（物体）が存在すると、液面での反射波が振動子によって受波されるように構成している。

実開昭５８−１６３８２７号公報

しかしながら、前述した従来の超音波式の液面位置検出装置において、液面が振動子から近距離に存在する場合には、駆動波を出力する際に振動子が放射動作した残響が十分に減衰する前に、反射波が振動子に返るに至る。従って、振動子では、駆動波による残響振動と、反射波による受波振動とが重なってしまう。

さらに駆動波よりも反射波の振幅が小さいために、上記の場合、振動子の出力信号から受波振動の返着時期を捕らえることが容易でなく、放射から受波までの時間を正確に把握することが困難となり、近距離での液面位置検出では誤差を含んでしまい、精度が必要な場合には、結果として不感域となってしまう。

この不感域となる距離は、必要な駆動波の大きさや振動子の残響特性などから変動するが、この距離が大きいほど、装置を大型化してしまうという問題があった。

そこで本発明の目的は、上述の課題に着目し、不感域を小さくできる超音波式の液面位置検出装置を提供することにある。

本発明の液面位置検出装置は、
液体を収納するタンクに設けられ、超音波からなる駆動波を液面へ放射し、この液面からの反射波を受波する超音波入出力手段と、
この超音波入出力手段に駆動パルスを付与し、この駆動パルスに基づく所望の駆動波を生成させる出力回路と、前記超音波入出力手段からの信号に基づいて、前記駆動波の放射から前記反射波を受波するまでの時間を計測する計測回路とを設けた制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記駆動パルスの回数を変えることによって異なる波形の駆動波が出力させるように前記超音波入出力手段を制御することを特徴とする。

また、前記制御手段は、前記駆動波の放射を促すため所定回数の駆動パルスからなる近距離用駆動信号と、
前記所定回数よりも多くの駆動パルスを出力する遠距離用駆動信号と、
を前記超音波入出力手段に出力することを特徴とする。

また、前記制御手段は、計測された液面位置に基づいて、前記近距離用駆動信号と前記遠距離用駆動信号とのいずれかを選択して出力することを特徴とする。

本発明の液面位置検出装置は、超音波式であっても不感域を小さくできる。

本発明の実施の形態に係る液面位置検出装置を搭載したタンクを示す図。同上実施の形態の液面位置検出装置の概略構成図。同上実施の形態の処理手順の例を示す図。同上実施の形態の駆動波や反射波による信号波形の例を示す図。同上実施の形態の駆動波や反射波による信号波形の例を示す図。同上実施の形態の処理手順の別例を示す図。

本発明の実施の形態に係る液面位置検出装置を、車両駆動用の液体燃料を収める車載タンク内の燃料残量を計測するための構成として適用したものを例にあげて、図面を用いて説明する。

液面位置検出装置は、図１に示すように、車載タンク（タンク）Ｔ内に入れられた、車両の燃料（例えば、ガソリンやエタノール）からなる液体Ｆの液面Ｓの位置を検出する装置である。液体Ｆの量は、走行や給油などで増減し、液面Ｓも上下する。

また、液面位置検出装置は、車載され、図２に示すように、振動子（超音波入出力手段）１と、制御手段２とを備えている。

振動子１は、制御手段２からの駆動信号に基づいて振動し、振動子１と接する伝搬体１１に振動を伝播することで伝搬体１１に駆動波（表面波）Ｋを発生させる、例えば、圧電セラミック素子を適用できる。振動子１は、車載タンクＴ内の上下方向に細長く設けられる伝搬体１１の長手方向に対して垂直な方向で往復振動するものが好適であり、制御手段２からの駆動信号に基づいて振動するとともに、この振動量に応じた電気信号を制御手段２に出力できる。

なお、伝搬体１１は、車載タンクＴ内に設けられ、表面波が伝搬するものであり、合成樹脂から構成されている。伝搬体１１は、上下方向に長尺な帯板形状である。伝搬体１１の上端に設けられる振動子１の振動は、伝搬体１１に伝達され、伝搬体１１の上端に表面波が発生する。この表面波は、駆動波Ｋとして伝搬体１１の上端から下端に向かって長手方向に伝搬する。この実施の形態では、この表面波は、超音波（例えば、２０ＫＨｚ以上の音波であればよい）のパルス（超音波パルス）となっている。

また、振動子１は、伝搬体１１を伝搬する反射波（表面波）Ｒが伝達されて振動する。振動子１は、この振動を電気信号に変換して制御手段２に供給する。振動子１と伝搬体１１との間には、振動の伝わりを効率良くするための超音波用接触媒質を介在させてもよい。

制御手段２は、マイクロコンピュータ２１と、出力回路２２と、入力回路２３とを備えている。出力回路２２や入力回路２３は、振動子１の近くに設けられる。

マイクロコンピュータ２１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどから構成されるコンピュータ、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換器、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器などを含んで構成される。出力回路２２や入力回路２３を介して振動子１に接続される。また、マイクロコンピュータ２１は、振動子１への駆動パルスの発生を促すとともに、振動子１からの電気信号などに基づいて液面位置を計測する演算回路（計測回路）を備えている。

なお、マイクロコンピュータ２１は、燃料残量を計測するための専用のものであってもよいし、車載計器内の制御手段として兼用することもできる。この場合、車載タンクＴ形状と液面位置とに基づいて、燃料残量の計測を行うとともに、この計測値を車両利用者に報知する表示手段３を制御することもできる。表示手段３は、燃料計であり、数値や指針による表示、バー表示などによって、燃料残量を表現できる。また、マイクロコンピュータ２１は、車速などの車両情報を入力し、車両状態の状態（車載タンクＴ内の液面の揺れや坂道、給油状態など）に応じて、液面位置検出装置の適切な検出タイミングを得ることができる。

出力回路２２は、マイクロコンピュータ２１からの信号に基づいて、振動子１へ駆動パルスを出力するものであり、この場合、マイクロコンピュータ２１からのパルス信号を増幅して大きな電圧の駆動パルスを生成し振動子１へ出力するトランス回路を適用できる。

入力回路２３は、振動子１から供給される電気信号を受け取り、受け取った電気信号を増幅して、マイクロコンピュータ２１へ伝える。この場合、該電気信号のうち大きな電圧部分をカットする入力保護回路や、余計な周波数帯をノイズとして除去するバンドパスフィルタを設けており、反射波Ｒの検出精度を高める。なお、入力回路２３のノイズフィルタによって、車両の駆動ノイズ、または走行ノイズの影響を抑えて、より正確な液面位置検出ができる。

次に液面位置検出装置の動作を、制御手段２が実行する液面位置検出処理を中心に説明する。例えば、制御手段２のコンピュータのＣＰＵが、ＲＡＭをメインメモリとして、ＲＯＭに格納されているプログラムに従って、及びＲＯＭに格納されている各種データを用いて、液面位置検出処理を実行する。制御手段２は、例えば、車両の起動スイッチなどからの指令に基づいて、液面位置検出処理を開始する。

制御手段２は、液面位置検出処理において、液面位置が推定できていない場合に、１回の駆動パルス（近距離用駆動信号）を振動子１へ供給する（ステップＳ１）。この駆動パルスは、振動子１から液面Ｓまでが近い場合、即ち、車載タンクＴ内の液体Ｆが大量である場合、図４に示すように、駆動波Ｋ１発生時の振動子１の残響振動を速く終わらせて、反射波Ｒを入力可能状態にできる。

次に、制御手段２は、ステップ１にて発せられた駆動波Ｋ１と反射波Ｒとの時間差Ｄを振動子１からの出力に基づいて算出し、この時間差Ｄによって振動子１と液面Ｓとの距離、すなわち液面位置を算出できる（ステップＳ２）。

従って、短時間の駆動波Ｋ１及び反射波Ｒの伝搬時間差Ｄが小さい場合、即ち、振動子１から液面Ｓまでが近い場合でも検出でき、不感域を小さくできる。なお、振動子１と液面Ｓとの距離が近い場合には、大きなエネルギーを必要としないため、余計に大きな駆動波を生成しなくとも正確に反射波Ｒを検出できる。なお、振動子１と液面Ｓとの距離が大きい場合には、十分な大きさの反射波を入力できず、液面位置を算出できない場合があるため、以下の処理も行う。

制御手段２は、３回の駆動パルス（遠距離用駆動信号）を振動子１へ供給する（ステップＳ３）。この駆動パルスは、振動子１から液面Ｓまでが遠い場合、即ち、車載タンクＴ内の液体Ｆが少量である場合、図５に示すように、駆動波の残響振動が終わる前に次なる駆動パルスを供給することで、大きなエネルギーの駆動波Ｋ２を生成でき、遠距離であっても検出可能な反射波Ｒが返ってくるようにできる。

次に、制御手段２は、ステップ３にて発せられた駆動波Ｋ２と反射波Ｒとの時間差Ｄを振動子１からの出力に基づいて算出し、この時間差Ｄによって振動子１と液面Ｓとの距離、すなわち液面位置を算出できる（ステップＳ４）。なお、振動子１と液面Ｓとの距離が小さい場合には、駆動波の残響振動と反射波Ｒが重なってしまい液面位置を算出できない場合がある。

上述のように、ステップＳ１，Ｓ２の処理によって、振動子１と液面Ｓとが近距離の場合を想定した駆動波Ｋ１によって、不感域の小さな液面位置検出処理が可能となる。また、これとは別に、ステップＳ３，Ｓ４の処理を行うことによって、遠距離の場合を想定して、十分に大きな駆動波Ｋ２を用いて液面位置検出を行うことができる。

これらの処理を繰り返して行うことで、液面位置を検出できるが、マイクロコンピュータ２１による制御を用いて、算出された液面位置に基づいて選択的に駆動波Ｋ１，Ｋ２を生成することもできる。

即ち制御手段２は、図６に示すように、前に算出された液面位置と所定のしきい値とを比較し（ステップＳ１１）、液面位置が十分に近い場合には、ステップＳ１と同様に、１回の駆動パルス（近距離用駆動信号）を振動子１へ供給する（ステップＳ１２）。また、液面位置が遠い場合には、ステップＳ３と同様に、３回の駆動パルス（遠距離用駆動信号）を振動子１へ供給する（ステップＳ１３）。

このステップＳ１２またはステップＳ１３のいずれかの処理を経てから、制御手段２は、駆動波Ｋと反射波Ｒとの時間差Ｄを振動子１からの出力に基づいて算出し、この時間差Ｄによって振動子１と液面Ｓとの距離、すなわち液面位置を算出できる（ステップＳ１４）。

従って、計測された液面位置に基づいて、近距離用駆動信号と遠距離用駆動信号とのいずれかを選択して出力でき、無駄な駆動波を生成、出力せずにすむため、検出回数を増やしたり、消費電力を抑えることができ、有利である。

斯かる液面位置検出装置は、液体Ｆを収納する車載タンクＴに設けられ、超音波からなる駆動波Ｋを液面Ｓへ放射し、この液面Ｓからの反射波Ｒを受波する振動子１と、この振動子１に駆動パルスを付与し、この駆動パルスに基づく所望の駆動波Ｋを生成させる出力回路２２と、振動子１からの信号に基づいて、駆動波Ｋの放射から反射波Ｒを受波するまでの時間Ｄを計測する計測回路２１とを設けた制御手段２と、を備え、制御手段２は、前記駆動パルスの回数を変えることによって異なる波形の駆動波Ｋ１，Ｋ２が出力させるように振動子１を制御する。

従って、不感域を小さくできる超音波式の液面位置検出装置となる。

また、制御手段２は、駆動波Ｋの放射を促すため所定回数の駆動パルスからなる近距離用駆動信号と、前記所定回数よりも多くの駆動パルスを出力する遠距離用駆動信号と、を振動子１に出力する。即ち、所望の距離まで十分に検出可能な駆動波Ｋ２と、不感域を小さくできる駆動波Ｋ１とを用いることで、検出可能な範囲を広くできる。また、不感域を小さくすることで、液面位置検出装置を小型化できるため、その分、燃料容量、または車内スペースを確保でき、また、液面位置検出装置の設置箇所の自由度が高まる。従って、特に、周囲に構造物を有する車載用の燃料タンクに適用する場合に有利である。

なお、本発明の液面位置検出装置を上述した実施の形態の構成にて例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の構成においても、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良、並びに表示の変更が可能なことは勿論である。例えば、上述した実施の形態において、制御手段２は、駆動パルスを３回分振動子１に付与することで駆動波を生成させる場合と、駆動パルスを１回で駆動波を生成させる場合とを有する例をあげたが、燃料残量や、燃料の種類、密度、温度に応じて、最適な回数を選択して、駆動波Ｋを生成させることもできる。

また、液面位置検出装置を小型に設けることができるため、車載タンクに好適であり、上述の実施の形態において液体燃料を収納する車載タンクＴに適用した液面位置検出装置を示したが、オイル用や冷却水用のタンクや、ウォッシャー液用のタンクなどに適用することもできる。また、車載以外にも小型化が必要なタンクに適用でき、上述実施の形態と同様の効果を得ることができる。

本発明は、液面位置検出装置に関して、例えば、自動車やオートバイ、あるいは農業機械や建設機械を備えた移動体に搭載されるタンク内の液面位置検出装置として好適である。

１振動子（超音波入出力手段）
１１伝搬体
２制御手段
２１マイクロコンピュータ（計測回路）
２２出力手段
２３入力手段
３表示手段
Ｔ車載タンク（タンク）
Ｆ液体（液体燃料）
Ｓ液面
Ｋ駆動波
Ｒ反射波

Claims

液体を収納するタンクに設けられ、超音波からなる駆動波を液面へ放射し、この液面からの反射波を受波する超音波入出力手段と、
この超音波入出力手段に駆動パルスを付与し、この駆動パルスに基づく所望の駆動波を生成させる出力回路と、前記超音波入出力手段からの信号に基づいて、前記駆動波の放射から前記反射波を受波するまでの時間を計測する計測回路とを設けた制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記駆動パルスの回数を変えることによって異なる波形の駆動波が出力させるように前記超音波入出力手段を制御することを特徴とする液面位置検出装置。
前記制御手段は、前記駆動波の放射を促すため所定回数の駆動パルスからなる近距離用駆動信号と、
前記所定回数よりも多くの駆動パルスを出力する遠距離用駆動信号と、
を前記超音波入出力手段に出力することを特徴とする請求項１に記載の液面位置検出装置。
前記制御手段は、計測された液面位置に基づいて、前記近距離用駆動信号と前記遠距離用駆動信号とのいずれかを選択して出力することを特徴とする請求項２に記載の液面位置検出装置。