JP4155144B2 - 車両用液面検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載されて液体の液面位置を検出する車両用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。

従来、自動車等において燃料の量、すなわち燃料液面を検出する車両用液面検出装置としては、燃料の表面に浮くフロートに回動腕を設け、液面の変動によるフロートの位置変化に応じて回動腕を回動させ、その回動角度変化をたとえば電気抵抗変化に変換するものが一般的である。しかしながら、このような機械式の液面検出装置は、体格が大きく設置場所が制限される、あるいは検出精度があまり良くない、等の問題があった。

このような問題を解決するために、液面を機械的に検出するのではなく、たとえば、超音波を発射し液面からの反射波を受信して液面を検出する方法、つまり非接触式検出法が提案されている。

たとえば、超音波発振素子と筒体を備える超音波センサを液体容器中の底部に配置し、筒体に設けられる反射体により超音波発振素子から発せられた超音波を筒体に設けられた開口部を通して液面に向けて反射し、この超音波の液面における反射波を超音波センサにより受信し、これに基づいて液面位置を検出する測定装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

これにより、液面検出装置の体格を小型化できると共に、検出精度を向上することができる。
特開平１１−１５３４７１号

上述の公報に開示される液面検出装置において、超音波発振素子は、その中心軸方向を液面と平行としてタンク底部に取り付けられている。そのため、反射体は、反射体で反射し液面に向かう超音波の経路と液面からの反射波の経路とが一致するように、液面に対して４５°傾斜した斜面、つまり平面として形成されている。これにより、超音波発振素子の中心軸上を進む超音波は、液面で反射し往路と同じ経路を辿って超音波発振素子に入射する。

超音波発振素子からは超音波が放射状に発射される。このため、超音波の進行方向と超音波発振素子の中心軸との成す角度が０°より大きくなるに連れて、反射体から液面へ向かう超音波の液面への入射角は０°から増大し、したがって液面からの反射波の反射体への入射点は、往路の入射点、つまり超音波発振素子からの超音波の入射点よりも外側へ移動する。超音波の進行方向と超音波発振素子の中心軸との成す角度が所定値を超えると、液面からの反射波は反射体に入射しなくなり、液面検出に寄与しなくなる。

すなわち、従来の液面検出装置においては、超音波発振素子から発射される超音波の一部分しか液面検出に利用していないことになる。

このため、超音波発振素子が受信する超音波のエネルギが小さく、超音波発振素子による出力信号レベルが低くなり、高精度の液面検出が困難になるという問題がある。

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、超音波発振素子が受信する超音波のエネルギを増大させる、すなわち超音波発振素子が発する超音波の液面検出における利用効率を高めることにより、高精度の液面検出が可能な車両用液面検出装置を提供することである。

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。

本発明の請求項１に記載の車両用液面検出装置では、液体を貯蔵するタンクと、タンク内の底部に配置される超音波発振素子と、超音波発振素子が発射した超音波をタンク内の液体の液面に向けて反射する反射面を備える反射部材とを備え、超音波発振素子から発射された超音波の液面で反射した反射波を反射面を介して超音波発振素子により受信して液面位置を検出する車両用液面検出装置において、反射面は超音波発振素子および液面の両方に対して凹である形状に形成され、反射面は、超音波発振素子から発射され超音波発振素子の軸線上を進む超音波の反射面における反射波の進行方向である反射軸線が液面と直交するように形成され、反射面は、超音波発振素子から発射され超音波発振素子の軸線上以外を進むすべての超音波の反射面における反射波の進行方向である反射線がタンクに貯蔵される液体量が最大時における液面より上方且つ反射軸線上の特定の一点で交叉するように形成される構成とした。

ここで、超音波発振素子から発射された超音波が反射体で反射されて液面に向かって進み液面に入射するとき、液面への入射角度が０°、すなわち液面に対して直角に入射する超音波は、液面で反射すると、往路と同じ経路を辿って反射体を介して超音波発振素子に再び入射する。

一般に、超音波発振素子からは超音波が放射状に発射される。このため、従来の車両用液面検出装置において、上述の液面に直角に入射するような超音波の進行方向とは異なる方向、つまりずれた方向に進行する超音波は、反射体が平面であるために、反射体から液面へ向かう超音波の液面への入射角が０°よりも大きくなる。このような超音波の液面からの反射波の反射体への入射点は、往路の入射点に対して、上述の液面に対して直角に入射する超音波の入射点とは反対側、つまり往路の入射点よりも反射体の外周により近づく側へ移動する。そして、上述の液面に直角に入射するような超音波の進行方向からのずれ角度が所定値を超えると、液面からの反射波は反射体に入射せずに反射体の外側に進み、言い換えると超音波発振素子に受信されなくなり液面検出に寄与しなくなる。

すなわち、従来の液面検出装置においては、超音波発振素子から発射される超音波のエネルギの一部しか液面検出に利用していない。

このため、超音波発振素子が受信する超音波のエネルギが小さく、超音波発振素子による出力信号レベルが低くなり、高精度の液面検出が困難になるという問題がある。

そこで、本発明の請求項１に記載の車両用液面検出装置のように、反射面形状を超音波発振素子および液面の両方に対して凹であるように設定すれば、上述した液面に直角に入射する超音波の進行方向とは異なる方向、つまりずれた方向に進行する超音波の液面への入射角は、ずれ角度が同じ場合、従来の車両用液面検出装置の場合よりも小さくなり、反射面における液面からの反射波の入射点と往路の入射点との位置のずれ量が小さくなる。

したがって、液面からの反射波が反射体に入射せず超音波発振素子に受信されなくなるような超音波における上述の液面に直角に入射するような超音波の進行方向からのずれ角度は、従来の液面検出装置におけるずれ角度よりも大きくなる。すなわち、超音波発振素子から放射状に発射された超音波の液面で反射して再び超音波発振素子に受信されるような超音波の中心角を、従来の液面検出装置における中心角よりも拡大できるので、超音波発振素子から発射される超音波のエネルギの液面検出に対する利用効率を増大させて超音波発振素子による出力信号レベルを高めて、高精度の液面検出が可能な車両用液面検出装置を実現することができる。

本発明の請求項１に記載の車両用液面検出装置では、反射面は、超音波発振素子から発射され超音波発振素子の軸線上を進む超音波の反射面における反射波の進行方向である反射軸線が液面と直交するように形成される構成としている。

一般に、超音波発振素子からは超音波が軸対象且つ放射状に発射される。したがって、超音波発振素子の軸線上を進む超音波の反射面における反射波の進行方向である反射軸線が液面と直交するように反射面を配置すれば、超音波発振素子の軸線上を進む超音波の反射面への入射点は反射面のほぼ中央になり、反射面全域を液面検出に有効に利用することができる。

本発明の請求項１に記載の車両用液面検出装置では、反射面は、超音波発振素子から発射され超音波発振素子の軸線上以外を進むすべての超音波の反射面における反射波の進行方向である反射線がタンクに貯蔵される液体量が最大時における液面より上方且つ反射軸線上の特定の一点で交叉するように形成される形成される構成とした。

この場合、特定の一点は、焦点として機能している。したがって、液面がこの特定の一点上にあるときは、超音波発振素子から放射状に発射された超音波は、いずれも、反射面、液面、反射面を経て超音波発振素子の発射点に入射する。すなわち、超音波発振素子から発射される超音波のエネルギのほぼ１００％が超音波発振素子に受信されることになる。

本発明の請求項１に記載の車両用液面検出装置では、液面は、最高位、つまりタンク内の液体貯蔵量が最大量のときでも、この特定の一点よりも下方にある。この場合、超音波発振素子から放射状に発射された超音波のうち、超音波発振素子の軸線上を進む超音波は、反射面、液面、反射面を経て超音波発振素子の発射点に入射する。一方、超音波発振素子の軸線上以外を進む超音波は、反射面、液面、反射面を経て超音波発振素子の発射点には入射しないが、超音波発振素子には入射するので、超音波発振素子に受信される超音波のエネルギレベルを依然として高く保つことができる。

実際の使用状態において、液体の消費、補給に対応して、タンク内の液体貯蔵量、すなわち液面位置は変化するが、上述した構成とすることで、タンク内の液面位置の変動に対して、常に超音波発振素子に受信される超音波のエネルギレベルを高めて、高精度の液面検出が可能な車両用液面検出装置を実現することができる。

本発明の請求項２に記載の車両用液面検出装置では、軸線および反射軸線を含む平面方向における反射面の断面形状は、軸線と超音波発振素子の発振面との交点である発振面中心、および特定の一点を焦点に持つ楕円である構成としている。

この場合、軸線および反射軸線を含む平面内において、一方の焦点である超音波発振素子の発振面中心から放射状に発射される全ての超音波は、反射面で液面に向けて反射されてもう一つの焦点である特定の一点に収束するように進行する。しかし、液面が特定の一点よりも反射面側、つまり超音波発振素子側にあるので、超音波はもう一つの焦点に収束する前に液面で反射面に向かって反射し、さらに反射面で反射して超音波発振素子に入射する。このときの超音波発振素子への入射点は、一方の焦点、つまり発振面中心とはならず、発振面中心の周りに分布する。しかしながら、発射された超音波のほとんどが超音波発振素子に受信されるため、超音波発振素子に受信される超音波のエネルギレベルを高めて、高精度の液面検出が可能な車両用液面検出装置を実現することができる。

本発明の請求項３に記載の車両用液面検出装置では、反射面は二次曲面として形成され
る構成とした。

これにより、軸線および反射軸線を含む平面内において、一方の焦点である超音波発振素子の発振面中心から放射状に発射される超音波のほとんどが超音波発振素子に受信されるのに加えて、軸線および反射軸線を含む平面外において円錐状に発射される超音波の超音波発振素子での受信率を高めることができる。

したがって、液面で反射したのち反射面を経由して超音波発振素子に高い割合で超音波発振素子に受信される超音波のエネルギレベルを高めて、高精度の液面検出が可能な車両用液面検出装置を実現することができる。

本発明の請求項４に記載の車両用液面検出装置では、反射面は三次曲面として形成される構成とした。

これにより、一方の焦点である超音波発振素子の発振面中心から放射状且つ円錐状に発射される超音波のほとんどが超音波発振素子に受信されるため、超音波発振素子に受信される超音波のエネルギレベルを高めて、高精度の液面検出が可能な車両用液面検出装置を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態による車両用液面検出装置を、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。

図１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、液体としての燃料８を貯蔵するタンクである燃料タンク２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。また、図１中における液面８１は、燃料タンク２内に貯蔵される燃料８量が最大時、すなわち満タン時における液面位置を示している。

図２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模式図である。

燃料液面検出装置１は、図１に示すように、タンクである燃料タンク２、超音波発振素子である超音波素子３、反射部材である反射板４およびガイドパイプ７から構成されている。すなわち、燃料タンク２の底面２１に配置されたガイドパイプ７の一端側に超音波素子３が、他端側に反射板４が取り付けられている。

以下に、燃料液面検出装置１の構成について説明する。

超音波発振素子である超音波素子３は、図１に示すように、液体を貯蔵するタンクである自動車の燃料タンク２内の底面２１上に、ブラケット５を介して固定されている。

超音波素子３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。超音波素子３は、図１に示すように、リード線６を介して外部の電気回路に接続されている。この超音波素子３にパルス状電圧を印加すると発振面３１が振動して、発振面３１から燃料８中に超音波が伝播される。また、この超音波が液面で反射した反射波が発振面３１に到達し、その圧力作用により発振面３１が振動すると超音波素子３は電圧を発生し、出力信号としてリード線６を介して外部に出力される。また、超音波素子３の発振面３１は円形に形成されている。また、超音波素子３は、後述するブラケット５に保持固定されている。リード線６は、ブラケット５外へ延出されて燃料タンク２外部へ気密的に引き出されている。

ブラケット５は、樹脂、あるいは金属からなり、超音波素子３を保持固定している。また、ブラケット５は、図１に示すように、ガイドパイプ７の一端側（図１において右側）に、超音波素子３の発振面をガイドパイプ７の他端に向けて、すなわち、超音波素子３が発射する超音波が、ガイドパイプ７の他端側に向けて伝播するようにして固定されている。

ガイドパイプ７は、樹脂、あるいは金属から円筒状に形成されている。ガイドパイプ７の他端側（図１において左側）には、反射部材である反射板４が配置されている。ガイドパイプ７は、超音波素子３から発射された超音波が燃料タンク２内に広く拡散してしまうことを防止して、超音波素子３から発射された超音波を高効率で反射板４の反射面４１に入射させるためのものである。

反射板４は、樹脂、あるいは金属からなり、図１に示すように、超音波素子３の発振面３１および燃料８の液面８１の両方に対向する反射面４１を備えている。この反射面４１は、反射板４と一体的に形成されてもよいし、反射板４とは別の部品として形成されたものを反射板４に固定する構成であってもよい。

以下に、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１の特徴である、反射板４の反射面４１の形状について説明する。

反射面４１は、図１に示すように、超音波素子３の発振面３１および燃料８の液面８１の両方に対して凹である凹面状に形成されている。また、反射面４１は、図１に示すように、超音波素子３から発射され超音波素子３の軸線Ｃ方向に進む超音波を、液面に直交する方向に進行するように反射するように形成されている。つまり、超音波素子３の軸線Ｃ方向に進む超音波の反射面４１における反射波の進行方向が反射軸線Ｃ‘であり、反射軸線Ｃ’は、図１に示すように、液面８１と直交している。また、反射面４１は、超音波素子３の発振面３１から発射された超音波で軸線Ｃ上以外を進行するすべての超音波の反射面４１に於ける反射波の進行方向である反射軸線が、反射軸線Ｃ‘上且つ最高液面８１の上方（図１の上方）の特定の一点である点Ｙに収束するように形成されている。

すなわち、図１において反射面４１を示す曲線は、超音波素子３の軸線Ｃと発振面３１との交点Ｘ（以降、焦点Ｘと書く）と上述の点Ｙ（以降、焦点Ｙと書く）とを２つの焦点に持つ楕円となっている。つまり、図１は、２つの焦点Ｘ、Ｙを含み且つ液面８１と直交する平面で切った燃料液面検出装置１の断面図を示している。

また、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、反射面４１を、三次曲面としての楕球面（楕円回転面）状に形成している。すなわち、図１において、焦点Ｘ、Ｙを通る直線を回転軸とする楕球面（楕円回転面）状に形成している。

次に、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１の電気回路構成について図２に基づき説明する。

図２の電気回路構成図に示すように、制御回路９は、イグニッションスイッチ１１を介してバッテリ１２に接続されている。また、制御回路９は、超音波素子３が接続されている。また、制御回路９は、表示部１０が接続されている。

制御回路９は、たとえばマイクロコンピュータ等から構成され、超音波素子３へパルス状電圧信号を印加するためのパルス発生回路９１、超音波素子３から出力される反射波受信信号を処理し、それに基づいて液面位置を算出する演算回路９２、および演算回路９２により算出された液面位置信号に基づき表示部１０を駆動する駆動信号を出力する駆動回路９３から構成されている。制御回路９は、イグニッションスイッチ１１がＯＮされてバッテリ１２から電力が供給されると、燃料液面検出装置１は作動を開始する。

表示部１０は、たとえば指針計器あるいは液晶パネル等からなり、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１０は、制御回路９の駆動回路９３に駆動されて演算回路９２により算出された液面位置、すなわち燃料タン内の燃料残量を運転者が視認可能に表示する。

次に、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１の燃料液面検出作動、および、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１の特徴である反射面４１形状の作用効果について説明する。

図３は、超音波素子３、反射面４１、液面８１間の超音波の伝播経路を説明する模式図である。

図４は、従来の車両用液面検出装置における、超音波素子１０３、反射面１０４、液面１０８間の超音波の伝播経路を説明する模式図である。

パルス発生回路９１により超音波素子３にパルス状電圧信号が印加されると発振面３１が振動して、パルス状の超音波が燃料８中に発射される。この超音波パルスは、図３中に各矢印Ｃ、Ｄ、Ｅで示す方向に進行する。ここで、矢印Ｄ、Ｅは、それぞれ反射面４１の上端部、下端部に入射する超音波の伝播経路を示している。超音波パルスは、反射面４１で反射されて液面８１に到達し、液面８１で反射して、再び反射面４１で反射して発振面３１に到達し発振面３１を振動させる。これにより超音波素子３は電圧信号を発生し、この電圧信号、つまり反射パルス検出信号は演算回路９２に入力される。

演算回路９２は、パルス発生回路９１がパルス状電圧信号を発してから反射パルスによる電圧信号を検出するまでの時間を算出する。演算回路９２は、この時間に基づいて、液面８１位置、つまり図１中における液面高さＨを算出する。さらに、この液面高さＨと予めデータとして記憶しているタンク形状とから燃料タンク２内の燃料残量を算出する。

駆動回路９３は、演算回路９２が算出した燃料タンク２内の燃料残量を表示部１０に表示させるための信号、たとえば指針軸（図示せず）を燃料タンク２内の燃料残量に対応した角度まで回動させるための駆動信号を表示部１０に対して出力する。これにより、表示部１０は、燃料タンク２内の燃料残量を表示する。

次に、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１の特徴である反射面４１形状の作用効果について説明する。

図３に示す本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１における反射面４１の超音波素子３の軸線Ｃ方向投影高さＫと、図４に示す従来の車両用液面検出装置における反射面１０４の超音波素子１０３の軸線Ｃ方向投影高さＫ‘とは等しい大きさに設定されている。

従来の車両用液面検出装置においては、図４に示すように、反射面１０４は平面状に形成されている。したがって、超音波素子１０３から発射され、反射面１０４および液面１０８で反射し、再び反射面１０４で反射した反射波が直接超音波素子１０３に入射する超音波、つまり液面１０８検出に有効に利用可能な超音波の伝播方向の範囲は、図４に示す角度θ２となる。

この場合、超音波素子１０３から発射されて反射面１０４に入射する超音波の一部分を液面検出に利用しているにすぎず、したがって、超音波素子１０３に入射する超音波のエネルギが小さいため、超音波素子１０３の出力信号レベルが低くなり、高精度の液面検出が困難になるという問題がある。

これに対して、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、反射面４１は、図３に示すように、楕球面状に形成されている。したがって、超音波素子３から発射され、反射面４１および液面８１で反射し、再び反射面４１で反射した反射波が直接超音波素子３に入射する超音波、つまり液面８１検出に有効に利用可能な超音波の伝播方向の範囲は、図３に示す角度θ１となる。正確には、超音波素子３からは、超音波が放射状且つ円錐状に発射されるので、その円錐の中心角がθ１である。図３、図４から明らかなように、θ１＞θ２である。

すなわち、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、超音波素子３から発射されて反射面４１に入射する超音波のほぼ全部を液面検出に利用することができる。したがって、超音波素子３に入射する液面８１における反射波の超音波のエネルギを、従来の車両用液面検出装置の場合よりも増大させ、超音波素子３の出力信号レベルを高めて、高精度の液面検出を行うことができる。

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、反射面４１形状を３次曲面である楕球面状としているが、これを２次曲面、つまり断面が楕円の筒体の壁面状、言い換えると、図１における反射面４１を示す曲線を紙面垂直方向に平行移動させた軌跡状としてもよい。この場合も、超音波素子３に入射する液面８１における反射波の超音波のエネルギを、従来の車両用液面検出装置の場合よりも増大させ、超音波素子３の出力信号レベルを高めて、高精度の液面検出を行うことができる。

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、反射面４１形状を３次曲面である楕球面状としているが、正確な楕球面状でなくても、楕球面に近似する凹面状３次曲面としてもよい。

また、以上説明した実施形態は、本発明の車両用液面検出装置を、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。すなわち、車両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。さらには、液体輸送用車両に備えられた液体輸送用タンク内の液面を検出するために適用してもよい。

本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１の部分断面図である。 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模式図である。 本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１における超音波素子３、反射面４１、液面８１間の超音波の伝播経路を説明する模式図である。 従来の車両用液面検出装置における、超音波素子１０３、反射面１０４、液面１０８間の超音波の伝播経路を説明する模式図である。

符号の説明

１ 燃料液面検出装置（車両用液面検出装置）
２ 燃料タンク（タンク）
２１ 底面（底部）
３ 超音波素子（超音波発振素子）
３１ 発振面
４ 反射板（反射部材）
４１ 反射面
５ ブラケット
６ リード線
７ ガイドパイプ
８ 燃料（液体）
８１ 液面
９ 制御回路
９１ パルス発生回路
９２ 演算回路
９３ 駆動回路
１０ 表示部
１１ イグニッションスイッチ
１２ バッテリ
１０３ 超音波素子
１０４ 反射面
１０８ 液面
Ｄ、Ｅ 伝播経路
Ｃ 軸線
Ｃ‘ 反射軸線
Ｈ 液面高さ
Ｋ、Ｋ‘ 高さ
Ｘ 焦点
Ｙ 焦点
θ１ 中心角
θ２ 角度

Claims (4)

1. 液体を貯蔵するタンクと、
   前記タンク内の底部に配置される超音波発振素子と、
   前記超音波発振素子が発射した超音波を前記タンク内の液体の液面に向けて反射する反射面を備える反射部材とを備え、
   前記超音波発振素子から発射された超音波の前記液面で反射した反射波を前記反射面を介して前記超音波発振素子により受信して前記液面位置を検出する車両用液面検出装置において、
   前記反射面は前記超音波発振素子および前記液面の両方に対して凹である形状に形成され、
   前記反射面は、前記超音波発振素子から発射され前記超音波発振素子の軸線上を進む超音波の前記反射面における反射波の進行方向である反射軸線が前記液面と直交するように形成され、
   前記反射面は、前記超音波発振素子から発射され前記超音波発振素子の軸線上以外を進むすべての超音波の前記反射面における反射波の進行方向である反射線が前記タンクに貯蔵される液体量が最大時における前記液面より上方且つ前記反射軸線上の特定の一点で交叉するように形成されることを特徴とする車両用液面検出装置。
2. 前記軸線および反射軸線を含む平面方向における前記反射面の断面形状は、前記軸線と前記超音波発振素子の発振面との交点である発振面中心、および前記特定の一点を焦点に持つ楕円であることを特徴とする請求項１に記載の車両用液面検出装置。
3. 前記反射面は二次曲面として形成されることを特徴とする請求項２に記載の車両用液面検出装置。
4. 前記反射面は三次曲面として形成されることを特徴とする請求項２に記載の車両用液面検出装置。

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