(57)【要約】【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検出が可能な液面検出装置を提供する。【解決手段】超音波センサ２を、燃料タンク３内部の底面３１近傍に、底面３１に向けて超音波を発射可能に取り付けると共に、底面３１に、超音波センサ２から発射された超音波を液面４１に向けて反射する反射面３２と超音波センサ２から発射される超音波を超音波センサ２に向けて反射させる基準反射面３３とを形成した。これにより、検出可能最低液面高さｈ１を、従来の燃料液面検出装置における検出可能最低液面高さｈ２よりも小さくして、すなわち、より燃料タンク３の底面３１に近い位置として、液面４１位置を、満タン位置から底面３１とほぼ同レベルになるまで正確に検出し、且つ燃料４の温度や圧力に拘わらず、常に液面４１位置を正確に検出できる燃料液面検出装置１を実現できる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を貯蔵するタンクと、
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、
前記超音波センサは前記タンク内部の底面近傍に前記底面に向けて超音波を発射可能に取り付けられ、
前記底面には前記超音波センサから発射された超音波を前記タンク内の前記液体の液面に向けて反射する反射面が形成されることを特徴とする液面検出装置。
【請求項２】
前記底面には前記超音波センサから発射される超音波を前記超音波センサに向けて反射させる基準反射面が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。
【請求項３】
前記反射面は前記液面に向けて反射される反射波の前記液面への入射角が略０度であるように形成されると共に、前記基準反射面は前記超音波センサの振動面と略平行に形成されることを特徴とする請求項２に記載の液面検出装置。
【発明の詳細な説明】
【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レベルを検出することが提案されている。
【０００３】
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、この超音波センサから容器内の上方に向けて発射した超音波の反射波を超音波センサにより検知する構成としたものがある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、上述の公報に開示される液面検出装置においては、超音波センサを容器の底部外面に取り付けている。したがって、上述の公報に開示される液面検出装置を自動車の燃料タンク内の燃料液面検出用として用いた場合、超音波センサは、燃料タンクの底面から自動車下方、つまり道路面側に張り出している。このため、自動車走行中において、タイヤによる跳ね石等の異物に直撃される、あるいは未舗装路走行中に路上の突起物、たとえば岩石、切り株等に衝突して、超音波センサが破損する恐れがある。
【０００５】
このような問題を解決するために、超音波センサの取り付け位置を容器の底部内面、つまり燃料タンクの底部内面に変更したものがある。
【０００６】
さらに、燃料中における超音波の伝播速度が燃料の温度、圧力等の変化に応じて変化しても、液面位置を正確に検出するために、超音波センサの上方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たものがある。これは、この反射板からの反射波信号を用いて、超音波の伝播速度を較正することにより液面位置を正確に検出しようというものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２０８５９５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
超音波センサの取り付け位置を燃料タンクの底部内面に変更することにより、自動車走行中の超音波センサ破損は防止できる。
【０００９】
ところで、運転者にとって、燃料補給時期決定に際しては、燃料タンク内の燃料液面レベルが低いときほど、すなわち燃料タンク内残存燃料量が少ないときほど、より正確な燃料タンク内の燃料液面レベル情報が必要になる。
【００１０】
ところが、超音波センサの高さ、すなわち燃料タンクの上下方向寸法が大きいため、上述の液面検出装置においては、燃料タンク内の燃料液面レベルが超音波センサの上端以下になると、液面位置が検出できない、つまり、運転者が正確な燃料液面位置情報が欲しいときにそれが得られないという問題がある。
【００１１】
同様に、超音波の伝播速度を較正するための反射板を備える液面検出装置においては、燃料タンク内の燃料液面レベルがこの反射板の下端以下になると、液面位置が検出できなくなってしまう。この場合、反射板は、超音波センサより上方に設置されているので、反射板を備えない液面検出装置よりも早期に（より高い液面位置において）液面位置が検出できないことになる。
【００１２】
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、超音波センサのタンクへの取り付け方法に工夫を凝らして、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。
【００１３】
【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。
【００１４】
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、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、超音波センサは、タンク内部の底面近傍に、底面に向けて超音波を発射可能に取り付けられ、タンクの底面には超音波センサから発射され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が形成される構成とした。超音波センサにおいては、その振動面が振動して超音波を発射すると共に、外部から振動面に入射した超音波により振動面が励振されて超音波を検知している。そのため、超音波の発射効率および検知性能を高めるために、振動面は超音波センサの表面直近に配置されている。従来の液面検出装置においては、タンクの底部内面に超音波センサを取り付け、この超音波センサから容器内の上方、すなわち液面に向けて発射された超音波の反射波を超音波センサにより検知している。この場合、振動面は、超音波センサの上端側に位置しているので、タンク内の液面レベルが超音波センサの上端以下の場合においては液面位置検出が不能であった。一方、本発明の請求項１に記載の液面検出装置では、超音波センサを、タンク内部の底面近傍に、且つ底面に向けて超音波を発射するように取り付けている。言い換えると、振動面は超音波センサの下端側に位置している。したがって、超音波センサからタンク底面に向けて発射された超音波は、タンク底面の反射面で反射して液面に向かって進み、液面で底面側に反射する。この反射波は、反射面で超音波センサ側に反射して超音波センサに検出される。これにより、液面位置が検出される。
【００１５】
さらに、本発明の請求項１に記載の液面検出装置においては、超音波センサは、タンクの底面近傍に取り付けられている。すなわち、タンク内における超音波センサの振動面の位置は、従来の液面検出装置における超音波センサの場合よりもタンク底面に近い位置となっている。これにより、液面レベルが、従来の液面検出装置における超音波センサの上端以下となっても、言い換えると、従来の液面検出装置において液面検出不能となる液面レベルになっても、なお液面検出が可能となる。したがって、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である液面検出装置を実現できる。
【００１６】
本発明の請求項２に記載の液面検出装置では、タンクの底面には、超音波センサから発射され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のほかに、超音波センサから発射される超音波を超音波センサに向けて反射させる基準反射面が形成される構成とした。
【００１７】
ここで、液体中における超音波の伝播速度は、当該液体の温度、圧力等に依存している。したがって、液面位置が一定の場合であっても、液体の温度、圧力等が変化すると、超音波センサが超音波を発射してから反射部材を経由して液面からの反射波を受信するまでの時間が変化するので、液面位置を正確に検出することが困難である。
【００１８】
本発明の請求項２に記載の液面検出装置では、反射面に加えて基準反射面を設けている。この基準反射面は、超音波センサに対して予め定められた位置に固定されている、言い換えると、超音波センサと基準反射面間距離は不変且つ既知の値である。したがって、超音波センサが超音波を発射してから基準反射面からの反射波を受信するまでの時間を測定することにより、その時点の当該液体の温度、圧力条件下における超音波の速度が算出可能となる。この速度データおよび反射面を経由して液面で反射された反射波を受信するまでの時間データに基づいて、タンク内の液面位置を高い精度で検出することができる。
【００１９】
本発明の請求項３に記載の液面検出装置では、反射面は液面に向けて反射される反射波の液面への入射角が略０度であるように形成されると共に、基準反射面は超音波センサの振動面と略平行に形成される構成とした。超音波センサの振動面からは放射状に超音波が発射されるが、超音波の強さ、つまり振動強度は、振動面と垂直な方向において最大となっている。したがって、各反射面と超音波センサの振動面との位置関係を上述のように形成することにより、基準反射面における反射効率（基準反射面に向けて出射される超音波の強さ／基準反射面で反射し超音波センサに入射する超音波の強さ）および液面における反射効率（液面に向けて出射される超音波の強さ／液面で反射し超音波センサに入射する超音波の強さ）を高め、超音波センサにより基準反射面からの反射波、液面および反射面からの反射波を確実に検知することができる。
【００２０】
【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。
【００２１】
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、液体である燃料４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。
【００２２】
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および超音波センサ２から構成されている。
【００２３】
以下に、燃料液面検出装置１の構成について説明する。
【００２４】
超音波センサ２は、図１に示すように、燃料タンク３内部の底面３１近傍、すなわち燃料タンク３の底面３１に接近させて、ブラケット（図示せず）を介して燃料タンク３に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、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、燃料タンク３の底面３１に向けて、つまり図１において下方に向けて超音波が発射される。また、超音波センサ２が燃料タンク３内に取り付けられた状態で、ピエゾ素子２１と燃料タンク３の底面３１との距離は、図１に示すように、ｈ１となっている。
【００２５】
燃料タンク３は、たとえば、鋼板をプレス加工したものから形成されている。また、燃料タンク３の底面３１には、超音波センサ２から発射された超音波を反射させるための反射面３２および基準反射面３３が形成されている。反射面３２は、入射した超音波を燃料タンク３内の液面４１に向けて反射し且つこの反射波の液面４１への入射角が略０度となるような形状、たとえば超音波センサ２に向かって凹である凹面状に形成されている。一方、基準反射面３３は、入射した超音波センサ２からの超音波を直接超音波センサ２に向けて反射させるように、すなわち、ピエゾ素子２１と対向し且つ略平行であるように形成されている。これらの反射面３２および基準反射面３３は、燃料タンク３のプレス成形時において燃料タンク３と一体に形成される。ここで、基準反射面３３は、超音波センサ２が燃料タンク３内に取り付けられた状態で、ピエゾ素子２１との距離が、図１に示すように、Ｈとなるように形成されている。このＨの大きさは、超音波センサ２が基準反射面からの反射波を良好に受信可能で、且つできるだけ小さい値に設定されている。なお、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、基準反射面３３と底面３１とを略同一平面状としている、言い換えると、燃料タンク３の底部外面が面一状となるようにしているので、Ｈ≒ｈ１である。
【００２６】
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、燃料液面検出作動について説明する。
【００２７】
先ず、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１における検出回路構成について、図２に示す、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１の電気回路構成図に基づいて説明する。
【００２８】
超音波センサ２（詳しくはピエゾ素子２１）は制御装置５に接続され、この制御装置５は表示部６に接続されている。
【００２９】
制御装置５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５１、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５２、および演算回路５２により算出された液面位置信号に基づき表示部６を駆動する駆動信号を出力する駆動回路５３から構成されている。
【００３０】
また、制御装置５は、イグニッションスイッチ７のＯＮ、ＯＦＦを検出可能にバッテリ８に接続されており、イグニッションスイッチ７がＯＮ状態となると作動を開始する。
【００３１】
表示部６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６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。
【００３２】
次に、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１における液面検出作動について説明する。
【００３３】
パルス発生回路５１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が振動して反射面３２および基準反射面３３に向けて超音波が発射される。反射面３２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４１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は電圧信号である液面信号を発生する。一方、基準反射面３３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、基準反射面３３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は電圧信号である基準信号を発生する。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、液面信号および基準信号を出力する。これらの電圧信号は演算回路５２に入力される。ここで、燃料タンク３内において、液面４１がピエゾ素子２１よりも上方（図１の上方）にある場合は、経路Ａの長さは経路Ｂの長さよりも常に長くなっている。したがって、超音波センサ２は、最初に基準信号を出力し、その後に液面信号を出力する。
【００３４】
演算回路５２は、パルス発生回路５１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５２は、最初に受信する基準信号に基づいて燃料４中における超音波パルスの伝播速度を算出し、この伝播速度と続いて受信する液面信号とに基づいて、液面４１位置を算出する。
【００３５】
駆動回路５３は、演算回路５２が算出した液面４１位置を、表示部６に表示させるための信号、たとえば指針軸（図示せず）を液面４１位置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。
【００３６】
ところで、従来の燃料液面検出装置においては、超音波センサ２００は、図１中の２点鎖線で示すように燃料タンク３の底面３１に、ピエゾ素子２０１が、図１中の２点鎖線で示すように、超音波センサ２００の上端側に位置するように取り付けられて、燃料タンク３の上方（図１の上方）に向けて超音波を発射する構成となっている。さらに、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１における基準反射面３３に相当する基準反射面３０３が、図１に示すように、超音波センサ２００の上方に設置されている。したがって、従来の燃料液面検出装置においては、液面４１位置が基準反射面３０３より低い状態、つまり基準反射面３０３が燃料４から露出した状態では液面４１を正確には検出できなくなる。すなわち、従来の燃料液面検出装置における検出可能最低液面高さは、図１に示すように、基準反射面３０３と底面３１間の距離であるｈ２となる。ｈ２は、底面３１からかなり高い位置にあり、燃料タンク３内の残存燃料量がまだ相当あるにも拘わらず、液面４１位置を正確に検出できない。
【００３７】
これに対し、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１においても、燃料タンク３内の燃料４量が減少して液面４１位置が下がると（図１において下方へ移動すると）、経路Ａの長さが減少し、超音波センサ２が受信する２種類の反射パルスの間隔が短くなるが、液面４１位置がピエゾ素子２１より上方にある間は、液面４１を正確に検出することができる。さらに液面４１位置が低下して、液面４１位置がピエゾ素子２１より下方になると、経路Ｂの一部が燃料４中から露出する、すなわち空気中になるため、燃料４中における超音波パルスの伝播速度を正確に算出することができなくなる。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における検出可能最低液面高さがｈ１となる。しかしながら、ｈ１の大きさは、上述した従来の燃料液面検出装置における検出可能最低液面高さｈ２と比較すると遥かに小さい。したがって、液面４１位置を、満タン状態からほぼ空の状態、つまり燃料タンク３の底面３１とほぼ同レベルになるまで正確に検出することが可能となる。
【００３８】
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、超音波センサ２を、燃料タンク３内部の底面３１近傍に、底面３１に向けて超音波を発射可能に取り付けると共に、燃料タンク３の底面３１に、超音波センサ２から発射された超音波を燃料タンク３内の液面４１に向けて反射する反射面３２と超音波センサ２から発射される超音波を超音波センサ２に向けて反射させる基準反射面３３とを形成した。これにより、検出可能最低液面高さｈ１を、従来の燃料液面検出装置における検出可能最低液面高さｈ２よりも小さくして、すなわち、より燃料タンク３の底面３１に近い位置として、液面４１位置が燃料タンク３の底面３１とほぼ同レベルになるまで液面４１を正確に検出することを可能、且つ燃料４の温度や圧力が変化しても、常に液面４１位置を正確に検出できる燃料液面検出装置１を実現することができる。
【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、反射面３２は、液面４１に向けて反射される反射波の液面４１への入射角が略０度であるように形成されると共に、基準反射面３３は超音波センサ２の振動面であるピエゾ素子２１と略平行に形成される構成とした。これにより、基準反射面３３における反射効率（基準反射面３３に向けて出射される超音波の強さ／基準反射面３３で反射し超音波センサ２に入射する超音波の強さ）および液面４１における反射効率（液面４１に向けて出射される超音波の強さ／液面４１で反射し超音波センサ２に入射する超音波の強さ）を高め、超音波センサ２により基準反射面３３からの反射波、液面４１および反射面３２からの反射波を確実に検知することができる。
【００４０】
図３に、本発明の一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、超音波センサ２、反射面３２および基準反射面３３と、燃料タンク３の底面３１との燃料タンク３の上下方向における位置関係を変更している。すなわち、超音波センサ２と、反射面３２および基準反射面３３との位置関係は、上述の本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１と同じとしつつ、超音波センサ２、反射面３２および基準反射面３３の３者を下方に移動させた。これにより、ピエゾ素子２１と燃料タンク３の底面３１との距離ｈ１、すなわち、検出可能最低液面高さをさらに小さくすることができる。
【００４１】
図４に、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１における他の変形例の部分断面図を示す。他の変形例においては、反射面３２および基準反射面３３を燃料タンク３と一体成形するのではなく、図４に示すように、別部品、すなわち反射部材３４上に形成し、この反射部材３４を燃料タンク３の底面３１に取り付けている。また、反射部材３４は、金属あるいは樹脂等により形成される。これによっても、上述の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。さらに、超音波センサ２の仕様変更等により反射面３２および基準反射面３３の形状変更の必要が生じた場合、反射部材３４の形状を変更するという容易且つ安価な手段で対応することができる。
【００４２】
なお、以上説明した本発明の一実施形態および各変形例による燃料液面検出装置１においては、燃料タンク３を鋼板のプレス成形により形成しているが、他の材料、たとえば樹脂等により形成してもよい。
【００４３】
また、以上説明した実施形態および各変形例は、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。
【図２】本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１における電気回路を説明する構成図である。
【図３】本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１の変形例における部分断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１の他の変形例における部分断面図である。
【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
３２    反射面
３３    基準反射面
３４    反射部材
４    燃料（液体）
４１    液面
５    制御装置
５１    パルス発生回路
５２    演算回路
５３    駆動回路
６    表示部
７    イグニッションスイッチ
８    バッテリ
２００    超音波センサ
２０１    ピエゾ素子（振動面）
３０３    基準反射面
Ａ、Ｂ    伝播経路
Ｈ    距離
ｈ１、ｈ２    液面高さ
【図１】
2004150948.tif 000003
【図２】
2004150948.tif 000004
【図３】
2004150948.tif 000005
【図４】
2004150948.tif 000006