JP4421906B2 - 液面検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体を収容する容器内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。

従来、車両、たとえば自動車等において、液体貯蔵用タンクである燃料タンク内に貯蔵される燃料量を検出するための手段として、燃料液面を検出する液面検出装置がある。これは、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。

そこで、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。

この超音波を利用した液面検出装置として、たとえば、液体を収容する容器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容器内の液体の液面に向けて反射する反射部材と、超音波発振素子および反射部材間の超音波伝播経路である断面形状第２筒形の第１筒と、反射部材から液面間の超音波伝播経路である断面形状第２筒形の第２筒とを備え、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部材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構成のものがある（たとえば、特許文献１参照）。
特願２００３−３３８４８３号特許願

上述した特許文献１に記載の液面検出装置では、第１筒および第２筒は、超音波を効率良く伝播させるために、硬質材料、たとえば金属材料から成る管材が用いられている。

また、液面位置を容器の貯蔵量が最大量時、いわゆる満タン時から検出可能とするために、反射部材から液面間の超音波伝播経路である第２筒の先端は、満タン時における液面位置よりも上方に位置するように形成されている。言い換えると、第２筒の長さは容器の深さ方向のほぼ全域に亘っている。

このため、容器内に液面検出装置を装着する作業中に第２筒の先端が容器内壁に接触して容器を傷つける、または、液面検出装置が取り付けられた容器の搬送中等において容器に外力が作用し第２筒の先端が容器内壁に接触して容器を傷つける、といった不具合が発生する可能性がある。

本発明は、上記のような問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、第２筒の構成に工夫を凝らして、第２筒の先端が容器内壁に接触して容器を傷つけることを防止可能な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に記載の液面検出装置では、液体を収容する容器内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容器内の液体の液面に向けて反射する反射壁と、一端側に超音波発振素子が設けられ且つ他端側に反射壁が設けられており、超音波発振素子および反射壁間の超音波伝播経路を形成する第１筒と、反射壁から液面間の超音波伝播経路を形成する第２筒とを備え、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反射壁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液面検出装置であって、第２筒は、その軸方向において複数個の要素に分割され且つ各要素は第２筒よりも弾性係数の小さい弾性部材により連結され、第２筒は前記弾性部材を関節として折曲可能である構成としている。

ここで、第２筒の先端、つまり第２筒を構成する複数個の要素のうち先端に位置する要素が容器と接触して第２筒に外力が作用した場合を考える。

この場合、外力は、容器と接触した要素から、要素同士を保持固定している弾性部材に伝達される。

ところで、弾性部材の弾性係数は第２筒を構成する要素の弾性係数よりも小さく設定されている。

したがって、第２筒に作用した外力により、弾性部材が大きく変形し第２筒を構成する要素自体の変形量はわずかとなる。弾性部材が大きく変形することにより、容器と接触した要素は、第２筒の軸線に対して傾斜する。

これにより、要素が容器と接触して第２筒に作用した外力、すなわち容器に作用した外力は、弾性部材を変形させるために消費され、容器に作用する力は大幅に減少するので、容器が第２筒である要素によって傷つけられることを防止することができる。

また、容器と第２筒に作用した外力が消滅すると、つまり、液面検出装置と容器との位置関係が正規状態に復元すると、弾性部材は変形前の状態に戻り、第２筒の形状も元通りに復元するので、第２筒は確実に反射部材から液面間の超音波伝播経路としての役割を果たすことができる。すなわち、外力が作用している間だけ弾性部材は変形し要素が傾斜して容器が損傷を受けることを防止する。

本発明の請求項２に記載の液面検出装置では、液体を収容する容器内に配置され、液体の液面に向けて超音波を発射する超音波発振素子と、超音波発振素子の超音波発信側と液面との間の超音波伝播経路を形成する筒とを備え、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超音波発振素子により受信して液面位置を検出する液面検出装置であって、筒は、その軸方向において複数個の要素に分割され、且つ各要素は筒よりも弾性係数の小さい弾性部材により連結され、筒は弾性部材を関節として折曲可能である構成としている。

この場合も、本発明の請求項１に記載の液面検出装置の場合と同様の効果が得られる。すなわち、要素が容器と接触して筒に作用した外力、すなわち容器に作用した外力は、弾性部材を変形させるために消費され、容器に作用する力は大幅に減少するので、容器が筒である要素によって傷つけられることを防止することができる。

本発明の請求項３に記載の液面検出装置では、弾性部材は、コイルスプリング、またはゴムあるいは樹脂から成るチューブであり、弾性部材は隣り合う２つの要素の接続部を覆い且つ弾性変形しつつ隣り合う２つの要素と嵌合し、弾性部材の各要素との嵌合時において、弾性部材の弾性力は要素の半径方向に要素の中心に向かう方向に作用する構成としている。

これにより、弾性部材を一般的な素材から容易に形成することができるので、液面検出装置のコスト上昇を抑制することができる。

また、本発明の請求項３に記載の構成により、隣り合う２つの要素は、弾性部材を介して互いに同軸上に密着固定される。したがって、液面検出装置の使用時において、各要素は一直線上に並ぶので確実に反射部材から液面間の超音波伝播経路としての役割を果たすことができる。

本発明の請求項４に記載の液面検出装置では、液体を収容する容器内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容器内の液体の液面に向けて反射する反射壁と、一端側に超音波発振素子が設けられ且つ他端側に反射壁が設けられており、超音波発振素子および反射壁間の超音波伝播経路を形成する第１筒と、反射壁から液面間の超音波伝播経路を形成する第２筒とを備え、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壁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液面検出装置であって、第２筒は、第２筒の外周側に第２筒と同軸状の環状溝を備える構成としている。

この場合、第２筒の先端が容器と接触して第２筒に外力が作用すると、第２筒には曲げ応力が発生する。ここで、第２筒の外周側に第２筒と同軸状の環状溝が無い場合、第２筒に生じる曲げ応力の大きさは第２筒全長に亘りほぼ均一である。

これに対して、本発明の請求項４に記載の液面検出装置では、第２筒の外周側に第２筒と同軸状の環状溝を設けている。この環状溝部において応力集中が生じ、溝底部の曲げ応力は、一般部の曲げ応力よりも大幅に大きくなる。言い換えると、第２筒は、この環状溝部において変形し易くなっている。

このため、第２筒の先端が容器と接触して第２筒に外力が作用すると、第２筒の環状溝部における曲げ応力が増大し、曲げ応力の大きさが許容応力値を超えると、第２筒は環状溝部を境にして折れ曲がる。すると、第２筒の先端と容器との接触部に作用する力の小さくなる。

これにより、第２筒が容器に接触して容器と第２筒に力が作用したときに、容器が第２筒によって傷つけられることを防止することができる。

本発明の請求項５に記載の液面検出装置では、液体を収容する容器内に配置され、液体の液面に向けて超音波を発射する超音波発振素子と、超音波発振素子の超音波発信側と液面との間の超音波伝播経路を形成する筒とを備え、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超音波発振素子により受信して液面位置を検出する液面検出装置であって、筒は、筒の外周側に筒と同軸状の環状溝を備える構成としている。

この場合も、本発明の請求項４に記載の液面検出装置の場合と同様の効果が得られる。すなわち、筒が容器に接触して容器と筒に力が作用したときに、容器が筒によって傷つけられることを防止することができる。

本発明の請求項６に記載の液面検出装置では、第２筒あるいは筒の先端部に、第２筒の軸方向の延長方向に延出する突起を備える部材あるいは筒の軸方向の延長方向に延出する突起を備える部材を設け、突起は第２筒の径方向において第２筒の外側に設けられる、あるいは筒の径方向において筒の外側に設けられる構成としている。

この場合、第２筒または筒と容器が接触する際、部材の突起先端と容器が接触することになる。部材の突起は第２筒または筒の径方向において第２筒または筒の外側に設けられる、つまり第２筒または筒の軸線とはオフセットしているので、突起先端と容器が接触して作用する力は、第２筒または筒を曲げるように作用する。

これにより、第２筒または筒を構成する各要素を接続している弾性部材を容易に変形させる、あるいは、第２筒または筒の環状溝部に作用する曲げ応力を確実に増大させることができる。

したがって、第２筒または筒が容器に接触して容器と第２筒または筒に力が作用したときに、容器が第２筒または筒によって傷つけられることを確実に防止することができる。

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。

（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が搭載されている、液体としての燃料８を収容する容器である燃料タンク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中における二点鎖線は、燃料タンク２内の燃料貯蔵量が最大時、つまり満タン時の液面８２である。

図２は、図1中のＩＩ矢視図である。

図３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、超音波発振素子である超音波センサ３、第１筒であるガイドパイプ５、反射壁である測定用反射面５４、および第２筒であるガイドパイプ６から構成されている。そして、ガイドパイプ５が、図１に示すように、燃料タンク２内の底面２１に固定されることにより、燃料液面検出装置１が、燃料タンク２に取り付けられる。

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センサ３は、図１に示すように、ブラケット４を介して後述するガイドパイプ５の一端に固定されている。すなわち、図１に示すように、超音波を発射する発振面３１をガイドパイプ５内に対向させて固定されている。

超音波センサ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。超音波センサ３は、図１に示すように、外部の電気回路に接続するためのリード線７を備えており、リード線７は、ブラケット４外へ延出されて燃料タンク２の外へ気密的に引き出されている。また、超音波センサ３の発振面３１は円形に形成されている。

ブラケット４は、樹脂、あるいは金属から、図１に示すように、略有底円筒状に形成され、その底部４２に超音波センサ３が、たとえば接着等により固定されている。また、ブラケット４の開口端側（図１の右側）には、図１に示すように、プラグ１３が接着あるいは圧入等により固定されている。プラグ１３は、超音波センサ３から引き出されたリード線７が挿通されてそれを保持するとともに、ブラケット４内への異物の侵入を防止している。また、ブラケット４は、ガイドパイプ５の一端側（図１において右側）に、超音波センサ３の発振面３１をガイドパイプ５の他端（図１において左側）に向けて、すなわち、超音波センサ３が発射する超音波が、ガイドパイプ５内を他端側に向けて伝播するようにして固定されている。

リード線７を介して超音波センサ３にパルス状電圧が印加されると、発振面３１が振動し、発振面３１の振動がブラケット４の底部４２へ伝わり、さらにブラケット４の外側の表面４１から燃料８中に超音波が発射される。一方、この超音波が、液面８１あるいは校正用反射面５３で反射し、それらの反射波がブラケット４の表面４１を介して発振面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センサ３は電圧を発生し、それが出力信号としてリード線７を介して外部に出力される。

第１筒であるガイドパイプ５は、たとえば、樹脂材料あるいは金属材料から形成されている。本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１では、ガイドパイプ５を、アルミニウムダイカスト用合金により形成している。ガイドパイプ５の一端側（図１において右側）には、ブラケット４を介して超音波センサ３が取り付けられている。

また、ガイドパイプ５の他端側（図１において左側）には、超音波センサ３から発射された超音波を燃料タンク２内の液面８１に向けて反射する反射壁である測定用反射面５４が、ガイドパイプ５と一体成型により設けられている。測定用反射面５４は、図１に示すように、超音波センサ３から発射され超音波センサ３の軸上の伝播経路Ａを進む超音波を、液面８１へ向けて反射する。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、測定用反射面５４は、液面８１への入射角が０°となる方向に、つまり液面８１に直交する方向に反射するように配置されている。すなわち、測定用反射面５４は、図１に示すように、液面に対して４５°傾斜させて設けられている。これにより、超音波センサ３の発振面３１から発射され超音波センサ３の軸上の伝播経路Ｂを進む超音波は、測定用反射面５４で反射して液面８１に到達し液面８１で反射した後、往路と同じ経路を辿って発振面３１に入射する。

また、ガイドパイプ５には、超音波センサ３と測定用反射面５４との間の超音波伝播経路としての大径部５１および小径部５２が設けられている。すなわち、図１に示すように、ガイドパイプ５の超音波センサ３側から大径部５１、小径部５２の順番で配置されている。ここで、大径部５１の直径ｄ１は小径部５２の直径ｄ２より大きく設定されるとともに、大径部５１および小径部５２は互いに同軸上に形成されている。また、大径部５１および小径部５２は、超音波センサ３の発振面３１と同軸上に配置されている。

また、超音波センサ３と測定用反射面５４との間の超音波伝播経路を、上述したように、大径部５１および小径部５２から構成したことにより、両者の接続部に段部が形成される。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、この段部を校正用反射面５３として利用している。校正用反射面５３は、図２に示すように、外径ｄ１、内径ｄ２、且つ外径と内径が同軸上の円環形状をなしている。また、校正用反射面５３は、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１においては、大径部５１および小径部５２内における超音波の進行方向、すなわち伝播経路Ｂに垂直な平面として形成されている。したがって、超音波センサ３から発せられた超音波の一部は、図１中に示す伝播経路Ａを辿って校正用反射面５３に入射し、そこで反射して、再び伝播経路Ａを辿って超音波センサ３に入射する。

ガイドパイプ５には、図１に示すように、測定用反射面５４および液面８１間の超音波伝播経路である第２筒としてのガイドパイプ６が装着されている。ガイドパイプ６は、軸方向、すなわち図１の上下方向において２個要素であるロアーパイプ６１とアッパーパイプ６２に分割されるとともに、両者を弾性部材であるスプリング６３により一体的に保持固定して構成されている。

ロアーパイプ６１およびアッパーパイプ６２は、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１では、ステンレス鋼製の円管から形成されている。ロアーパイプ６１の外形寸法および内径寸法は、アッパーパイプ６２の外形寸法および内径寸法とそれぞれ等しくなっている。また、スプリング６３は、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１では、ばね用鋼線から密着コイルスプリングとして形成されている。スプリング６３の弾性係数、すなわちばね定数は、ロアーパイプ６１およびアッパーパイプ６２の弾性係数よりも遥かに小さく設定されている。また、スプリング６３の内径寸法、つまりスプリング６３単体時における内径寸法は、ロアーパイプ６１およびアッパーパイプ６２の外形寸法よりもわずかに小さく設定されている。これにより、ロアーパイプ６１およびアッパーパイプ６２を突き当てた状態で、両者の接続部を覆うようにスプリング６３をロアーパイプ６１およびアッパーパイプ６２に嵌合させると、スプリング６３は弾性変形して、その弾性力はロアーパイプ６１およびアッパーパイプ６２の径方向に中心に向かうように作用するので、スプリング６３は、ロアーパイプ６１およびアッパーパイプ６２に強固に固定される。これにより、ガイドパイプ６が形成される。

ガイドパイプ６は、図１に示すように、ロアーパイプ６１がガイドパイプ５に設けられた固定孔５５に、たとえば圧入あるいは接着等により固定されることにより、ガイドパイプ５に固定されている。また、ガイドパイプ６の液面８１側先端位置は、図１に示すように、燃料タンク２内の燃料８貯蔵量が最大時、つまり満タン時における液面８２よりも、長さＫだけ上方に突き出すように設定されている。

次に、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１の電気回路構成について図３に基づき説明する。

図３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、超音波センサ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、超音波センサ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、超音波センサ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８１位置、すなわち燃料タン内２の燃料８残量を運転者が視認可能に表示する。

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。

パルス発生回路９１によりパルス状電圧信号を印加されると、超音波センサ３がパルス状の超音波を燃料タンク２内の燃料８中に発射すると、超音波センサ３の発振面３１が振動し、発振面３１の振動がブラケット４の底部４２へ伝わり、さらにブラケット４の外側の表面４１から超音波が燃料８中に発射される。この超音波の一部は、ガイドパイプ５内を図１中に示す伝播経路Ａを辿って進行して校正用反射面５３に入射する。そこで反射されて、再び伝播経路Ａを辿って超音波センサ３の発振面３１に入射する。一方、超音波センサ３から燃料８中に発射されたパルス状超音波の一部は、ガイドパイプ５内を図１中に示す伝播経路Ａを辿って進行して測定用反射面５４に入射する。そこで反射されて、ガイドパイプ６内を図１中に示す伝播経路Ｃを辿って液面８１へ向かって進む。さらに、液面８１で反射されて、往路と同一の経路、すなわち再び伝播経路Ｃ、測定用反射面５４、伝播経路Ｂを経て超音波センサ３に入射する。

すなわち、超音波センサ３は、パルス発生回路９１に駆動されて１つの超音波パルスを発射すると、それに対応して、上述したように２つの反射パルス、つまり校正用反射面５３からの反射パルスと液面８１からの反射パルスとを受信する。超音波センサ３から校正用反射面５３までの伝播経路長さは、図１から明らかなように、超音波センサ３から液面８１までの伝播経路長さよりも短いので、超音波センサ３は、先ず、校正用反射面５３からの反射パルスを受信し、次に、液面８１からの反射パルスを受信する。超音波センサ３は、これらの反射パルスを受信する度に電圧信号を発生し、この電圧信号は演算回路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上述の２つの反射パルスを検出するまでの時間をそれぞれ算出する。

ここで、校正用反射面５３は、超音波センサ３に対して予め定められた位置に設けられている。すなわち、校正用反射面５３と超音波センサ３との距離が既知である。したがって、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校正用反射面５３からの反射パルスを受信するまでの時間と校正用反射面５３と超音波センサ３との距離に基づいて、燃料８中における超音波パルスの伝播速度を算出する。次に、このようにして算出した燃料８中における超音波パルスの伝播速度とパルス発生回路９１がパルス状電圧信号を発してから液面８１からの反射パルスを受信するまでの時間とに基づいて、液面８１位置、つまり図１中における液面８１高さＨを算出し、さらに予め記憶されている燃料タンク２形状に基づいて、燃料タンク２内の燃料８残量を算出する。

ところで、液体中における超音波パルスの伝播速度は、液体の温度が変化するとそれに連れて変化する。このため、校正用反射面５３が無い場合、高精度で液面８１検出を行うためには、燃料８温度検出用の温度センサ（図示せず）を設け、温度センサの検出結果と制御回路９に予め記憶されている伝播速度データとに基づいて、その時点における燃料８中における超音波パルス伝播速度を算出しなければならない。すなわち、温度センサが必要になり、燃料液面検出装置１のコストが上昇してしまう。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、校正用反射面５３を設けることにより、燃料８の温度を測定すること無しに、その時点における燃料８中における超音波パルス伝播速度を正確に算出できる。これにより、コスト上昇を抑えつつ、高精度な液面８１検出が可能な燃料液面検出装置１を実現できる。

駆動回路９３は、表示部１０に演算回路９２が算出した液面８１高さＨあるいは燃料８残量を表示させるための信号、たとえば指針軸（図示せず）を液面８１高さＨあるいは燃料８残量に対応した角度まで回動させるための駆動信号を出力する。これにより、表示部１０により燃料タンク２内の液面８１高さＨあるいは燃料８残量が表示される。

次に、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１の特徴である、ガイドパイプ６の作用および効果について説明する。

通常、燃料液面検出装置１は、それ自体の組付けが完了した後に、燃料タンク２内に組み付けられている。また、燃料タンク２への燃料液面検出装置１取り付け作業は、たとえば、燃料液面検出装置１と同様に燃料タンク２内に搭載される燃料ポンプ（図示せず）を燃料タンク２内へ挿入するための開口部（図示せず）を介して行われる。この開口部の大きさは、作業可能な範囲でできるだけ小さく設定されている。したがって、この開口部を通して燃料液面検出装置１を燃料タンク２内に入れ、さらに所定の位置に所定の姿勢で固定することは、中が見えないだけに困難である。

また、燃料液面検出装置１のガイドパイプ６は、その先端が、満タン時液面、すなわち最高液面８２よりも上方に突き出している。言い換えると、燃料液面検出装置１が燃料タンク２内に固定された状態において、ガイドパイプ６は、燃料タンク２の深さ方向のほぼ全長を占めることになる。

このため、従来の液面検出装置においては、燃料タンク２への取り付け作業中に、ガイドパイプ６の先端が燃料タンク２に接触して、燃料タンク２が傷つけられるという不具合が発生する可能性があった。

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、ガイドパイプ６を、軸方向、すなわち燃料タンク２の上下方向において２個の要素、すなわちロアーパイプ６１とアッパーパイプ６２に分割し、且つ両者を弾性部材であるスプリング６３により一体的に保持固定して構成している。

ここで、スプリング６３のばね定数は、ロアーパイプ６１およびアッパーパイプ６２の弾性係数よりもはるかに小さく設定されている。言い換えると、ガイドパイプ６に何らかの外力が作用した場合、ロアーパイプ６１およびアッパーパイプ６２自体はほとんど変形せずに、スプリング６３が変形することになる。

燃料液面検出装置１の燃料タンク２への取り付け作業中において、ガイドパイプ６が燃料タンク２に接触する、すなわちアッパーパイプ６２の先端が燃料タンク２に接触して、ガイドパイプ６および燃料タンク２に力が作用すると、スプリング６３が変形してガイドパイプ６はスプリング６３を関節にして「く」字上に折れ曲がる。すなわち、アッパーパイプ６２の先端が燃料タンク２に接触することによってガイドパイプ６および燃料タンク２に作用する力は、スプリング６３を変形させるために消費され、燃料タンク２に作用する力は大幅に減少する。

これにより、燃料タンク２が燃料液面検出装置１のガイドパイプ６によって傷つけられることを防止することができる。

さらに、取り付け作業中において、燃料タンク２内における燃料液面検出装置１の姿勢が修正される、または燃料液面検出装置１の取り付けが完了して、ガイドパイプ６に作用していた外力が消滅すると、スプリング６３は変形前の状態に戻り、ガイドパイプ６の形状が元通りに復元する。すなわち、ガイドパイプ６は、燃料液面検出装置１において、測定用反射面５４から液面８１間の超音波伝播経路としての役割を果たすので、燃料液面検出装置１は正常に作動する。

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において、ロアーパイプ６１およびアッパーパイプ６２を連結しているスプリング６３のばねとしての諸特性は、たとえば、以下の条件を満たすように設定されている。すなわち、自動車の走行中の振動や揺動する液面の波動エネルギ等を受けてもガイドパイプ６は変形せず、且つ燃料液面検出装置１の燃料タンク２への取り付け作業中においてガイドパイプ６が燃料タンク２に接触したときにはガイドパイプ６から燃料タンク２に作用する力の大きさが燃料タンク２を傷つけるレベルに達する以前にスプリング６３が変形するように設定されている。

（第２実施形態）
図４には、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。

図５には、図４のＶ矢視図を示す。

本発明の第２実施形態による燃料液面検出装置１では、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、ガイドパイプ６の先端、つまり図４中においてガイドパイプ６の上端に、部材であるガードキャップ１４を装着している点のみが異なっている。

ガードキャップ１４は、ゴムあるいは樹脂材料から形成され、図４に示すように、ガイドパイプ６の先端、つまりアッパーパイプ６２の先端に嵌合固定されている。また、ガードキャップ１４は、ガイドパイプ６の軸方向の延長方向、つまり図４の上方に延出する突起１４ａを備えている。また、突起１４ａは、図５に示すように、アッパーパイプ６２の輪郭線（図４中の破線）の外側に設けられている。さらに、ガードキャップ１４には、ガイドパイプ６の内側と燃料タンク２の内部とを連通する貫通孔１４ｂが設けられている。

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、燃料液面検出装置１の燃料タンク２への取り付け作業中において、ガイドパイプ６が燃料タンク２に接触する場合、先ずガードキャップ１４の突起１４ａが燃料タンク２に接触する。

ここで、突起１４ａは、アッパーパイプ６２の輪郭線（図４中の破線）の外側に設けられているので、ガイドパイプ６に作用する曲げモーメント、すなわちアッパーパイプ６２とロアーパイプ６１とがスプリング６３を関節にして「く」字上に折れ曲がるように作用するモーメントが、第１実施形態による燃料液面検出装置１の場合よりも大きくなる。

これにより、より容易に、すなわちより小さい接触力の時点でアッパーパイプ６２とロアーパイプ６１とがスプリング６３を関節にして「く」字上に折れ曲がるので、アッパーパイプ６２の先端が燃料タンク２に接触することによってガイドパイプ６および燃料タンク２に作用する力を大幅に減少できる。したがって、燃料タンク２が燃料液面検出装置１のガイドパイプ６によって傷つけられることを確実に防止することができる。

（第３実施形態）
図６には、本発明の第３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。

本発明の第３実施形態による燃料液面検出装置１では、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、ガイドパイプ６においてアッパーパイプ６２とロアーパイプ６１とを接続している弾性部材をスプリング６３からゴムパイプ６４に変更している。

この場合も、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１の場合と同様に、燃料液面検出装置１の燃料タンク２への取り付け作業中において、ガイドパイプ６が燃料タンク２に接触する場合、アッパーパイプ６２とロアーパイプ６１とがゴムパイプ６４を関節にして「く」字上に折れ曲がるので、アッパーパイプ６２の先端が燃料タンク２に接触することによってガイドパイプ６および燃料タンク２に作用する力を大幅に減少できる。したがって、燃料タンク２が燃料液面検出装置１のガイドパイプ６によって傷つけられることを確実に防止することができる。

なお、本発明の第３実施形態による燃料液面検出装置１において、ゴムパイプ６４の材質は、燃料８に対する耐性に優れるものが選定される。また、ゴムパイプ６４のばねとしての諸特性は、第１実施形態による燃料液面検出装置１でのスプリング６３の場合と同様に、以下の条件を満たすように設定されている。すなわち、自動車の走行中の振動や揺動する液面の波動エネルギ等を受けてもガイドパイプ６は変形せず、且つ燃料液面検出装置１の燃料タンク２への取り付け作業中においてガイドパイプ６が燃料タンク２に接触したときにはガイドパイプ６から燃料タンク２に作用する力の大きさが燃料タンク２を傷つけるレベルに達する以前にゴムパイプ６４が変形するように設定されている。

（第４実施形態）
図７には、本発明の第４実施形態による燃料液面検出装置１の要部における部分断面図を示す。

本発明の第４実施形態による燃料液面検出装置１においては、図７に示すように、第２筒であるガイドパイプ６を１つの部材から構成し、且つガイドパイプ６の外周側にガイドパイプ６と同軸状の環状溝６ａを形成している。

ところで、燃料液面検出装置１を燃料タンク２に組付ける作業中、あるいは燃料液面検出装置１の組付けが完了した燃料タンク２の搬送中等において、外力の作用によりガイドパイプ６の先端が燃料タンク２と接触し、ガイドパイプ６に力が作用することがある。このとき、ガイドパイプ６には曲げ応力が発生するが、環状溝６ａにおいて応力集中が起きるため、環状溝６ａの溝底部の曲げ応力はガイドパイプ６の一般部における曲げ応力よりも大幅に大きくなる。すなわち、ガイドパイプ６は、この環状溝６ａ部において容易に変形し易くなっている。環状溝６ａの溝底部の曲げ応力の大きさが許容応力値を超えると、ガイドパイプ６は環状溝６ａを境に「く」字状に折れ曲がるので、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、図７においては、環状溝６ａの個数を３個としているが、３個である必要はなく、１個、あるいはそれ以上何個でもよい。

図８に、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１の変形例の部分断面図を示す。

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、ガイドパイプ６のアッパーパイプ６２とロアーパイプ６１を外形寸法および内径寸法とも同一の管材から形成して両者を突き合わせ、その突き合わせ部分の外周部にスプリング６３を密着させている。

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の変形例では、図８に示すように、両者を異なる外形寸法および内径寸法の管材から形成し部分的に挿通させ、その挿通部の外周箇所にスプリング６５を密着させている。

すなわち、図８に示すように、ロアーパイプ６１の外周側面をアッパーパイプ６２の内周側面を両者が摺動可能に挿通し、且つロアーパイプ６１のおよびアッパーパイプ６２の外周部にスプリング６５を密着させて、ロアーパイプ６１のおよびアッパーパイプ６２を固定している。また、この変形例におけるスプリング６５は、その両端部が密着巻部６５ａ、中央部が隙間巻部（いわゆる圧縮ばね部）６５ｂとなっており、両密着巻部６５ａがそれぞれロアーパイプ６１のおよびアッパーパイプ６２に密着固定されている。

この変形例において、アッパーパイプ６２の先端が燃料タンク２の内面に接触した場合、アッパーパイプ６２は、スプリング６５、詳しくは、スプリング６５の隙間巻部６５ｂの弾性力に抗して、ロアーパイプ６１外周と摺動しつつ図８の下方に移動する。

これにより、アッパーパイプ６２の先端と燃料タンク２の内面との接触部に作用する力は、スプリング６５を変形させるために消費され、燃料タンク２に作用する力は大幅に減少する。

したがって、燃料タンク２が燃料液面検出装置１のガイドパイプ６のアッパーパイプ６２によって傷つけられることを防止することができる。

なお、ガイドパイプ６の内面に、校正用反射面５４から液面８１に向かう超音波を校正用反射面５４側に反射する突起物があると、高精度の液面８１位置検出が困難となる可能性がある。このため、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、アッパーパイプ６２とロアーパイプ６１を外形寸法および内径寸法とも同一の管材から形成して両者を突き合わせることにより、ガイドパイプ６の内面の平滑化を狙っている。

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の変形例におけるガイドパイプ６内面には、図８に示すように、段差が生じるが、この段差は校正用反射面５４から液面８１に向かう超音波を校正用反射面５４側に反射することがない。したがって、本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１の変形例においても、高精度な液面８１位置検出が可能となる。

なお、以上説明した、本発明の第１〜第４実施形態による燃料液面検出装置１においては、ガイドパイプ５をアルミニウムダイカスト用合金から、ガイドパイプ５をステンレス鋼管からそれぞれ形成しているが、これらの材質に限る必要は無く、他の材質から形成してもよい。

また、以上説明した、本発明の第１〜第４実施形態による燃料液面検出装置１においては、測定用反射面５４形状を単純な平面状としているが、これを凹面状、つまり発振面３１および液面８１の両方に向かって凹であるような形状としてもよい。

また、以上説明した、本発明の第１〜第４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を超音波の発射方向を液面８１と平行として配置するとともに、ガイドパイプ５に測定用反射面５４を設け、それにより液面８１に向けて反射しているが、この構成に限る必要は無く、ガイドパイプ５を廃止して、超音波素子３をガイドパイプ６の下端、すなわちロアーパイプ６１の下端側に配置し、超音波素子３からの超音波をガイドパイプ６内を直接液面８１に向けて伝播させてもよい。

また、以上説明した、本発明の第１〜第４実施形態による燃料液面検出装置１においては、ガイドパイプ５に校正用反射面５３を設けているが、校正用反射面５３を必ず設ける必要は無く、廃止してもよい。その場合、当該自動車が装備している気温センサ（図示せず）による温度検出信号、あるいは、燃料タンク２に燃料温度センサを設置しその温度検出信号に基づいて超音波の燃料８中の伝播速度を補正して液面８１を算出してもよい。

また、以上説明した実施形態は、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。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。あるいは、液体輸送用車両、たとえばタンクローリ等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。さらには、車両以外の民生用各種用途にも適用することができる。また、容器内を流れる液体の液位の検出用途にも適用できる。

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１中のＩＩ矢視図である。 本発明の第１実施形態による燃料液面検出装置１における電気回路構成を説明する模式図である。 本発明の第２実施形態による燃料液面検出装置１における部分断面図である。 図４中のＶ矢視図である。 本発明の第３実施形態による燃料液面検出装置１における部分断面図である。 本発明の第４実施形態による燃料液面検出装置１における部分断面図である。 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 燃料タンク（容器）
２１ 底面
３ 超音波素子（超音波発振素子）
３１ 発振面
４ ブラケット
４１ 表面
４２ 底部
５ ガイドパイプ（第１筒）
５１ 大径部（内部空間）
５２ 小径部（内部空間）
５３ 測定用反射面（反射壁）
５４ 校正用反射面
５５ 取り付け孔
６ ガイドパイプ（第２筒）
６１ ロアーパイプ（要素）
６２ アッパーパイプ（要素）
６３ スプリング（弾性部材）
６４ ゴムパイプ（弾性部材）
６５ スプリング（弾性部材）
６５ａ 密着巻部
６５ｂ 隙間巻部
７ リード線
８ 燃料（液体）
８１ 液面
８２ 最高液面
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
１３ プラグ
１４ ガードキャップ（部材）
１４ａ 突起
１４ｂ 貫通孔
Ａ、Ｂ、Ｃ 伝播経路
ｄ１ 内径
ｄ２ 内径
Ｈ 液面高さ
Ｈｍａｘ 最大液面高さ
Ｋ 長さ

Claims (6)

1. （ａ）液体を収容する容器内に配置される超音波発振素子と、
   （ｂ）前記超音波発振素子が発射した超音波を前記容器内の液体の液面に向けて反射する反射壁と、
   （ｃ）一端側に前記超音波発振素子が設けられ且つ他端側に前記反射壁が設けられており、前記超音波発振素子および前記反射壁間の超音波伝播経路を形成する第１筒と、
   （ｄ）前記反射壁から前記液面間の超音波伝播経路を形成する第２筒とを備え、
   （ｅ）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壁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液面検出装置であって、
   （ｆ）前記第２筒は、その軸方向において複数個の要素に分割され且つ各前記要素は前記第２筒よりも弾性係数の小さい弾性部材により連結され、
   （ｇ）前記第２筒は前記弾性部材を関節として折曲可能であることを特徴とする液面検出装置。
2. （ａ）液体を収容する容器内に配置され、前記液体の液面に向けて超音波を発射する超音波発振素子と、
   （ｂ）前記超音波素子の超音波発信側と前記液面との間の超音波伝播経路を形成する筒とを備え、
   （ｃ）前記超音波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液面検出装置であって、
   （ｄ）前記筒は、その軸方向において複数個の要素に分割され且つ各前記要素は前記筒よりも弾性係数の小さい弾性部材により連結され、
   （ｅ）前記筒は前記弾性部材を関節として折曲可能であることを特徴とする液面検出装置。
3. （ａ）前記弾性部材は、コイルスプリング、またはゴムあるいは樹脂から成るチューブであり、
   （ｂ）前記弾性部材は隣り合う２つの前記要素の接続部を覆い且つ弾性変形しつつ隣り合う２つの前記要素と嵌合し、
   （ｃ）前記弾性部材の前記各要素との嵌合時において、前記弾性部材の弾性力は前記要素の半径方向に前記要素の中心に向かう方向に作用することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液面検出装置。
4. （ａ）液体を収容する容器内に配置される超音波発振素子と、
   （ｂ）前記超音波発振素子が発射した超音波を前記容器内の液体の液面に向けて反射する反射壁と、
   （ｃ）一端側に前記超音波発振素子が設けられ且つ他端側に前記反射壁が設けられており、前記超音波発振素子および前記反射壁間の超音波伝播経路を形成する第１筒と、
   （ｄ）前記反射壁から前記液面間の超音波伝播経路を形成する第２筒とを備え、
   （ｅ）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壁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液面検出装置であって、
   （ｆ）前記第２筒は、前記第２筒の外周側に前記第２筒と同軸状の環状溝を備えることを特徴とする液面検出装置。
5. （ａ）液体を収容する容器内に配置され、前記液体の液面に向けて超音波を発射する超音波発振素子と、
   （ｂ）前記超音波発振素子の超音波発信側と前記液面との間の超音波伝播経路を形成する筒とを備え、
   （ｃ）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液面検出装置であって、
   （ｄ）前記筒は、前記筒の外周側に前記筒と同軸状の環状溝を備えることを特徴とする液面検出装置。
6. （ａ）前記第２筒あるいは前記筒の先端部に、前記第２筒の軸方向の延長方向に延出する突起を備える部材あるいは前記筒の軸方向の延長方向に延出する突起を備える部材を設け、
   （ｂ）前記突起は前記第２筒の径方向において前記第２筒の外側に設けられる、あるいは前記筒の径方向において前記筒の外側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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