(57)【要約】【課題】振動板２の配置に工夫を凝らして、燃料４１の波の衝突時の衝撃力による振動板２の変形、破損を防止できる燃料レベルゲージ１を提供する。【解決手段】振動板２全体をカバー３で覆う構成とした。これにより、自動車走行中の振動により燃料タンク４０内燃料４１が揺れて波が発生しても、カバー３により、燃料４１の波が振動板２に直接衝突して衝撃力を与えることを防止できるので、振動板２が変形あるいは破損することを防止できる。また、カバー３に、振動板２を支持するためのガイド部３ａを設ける構成とした。これにより、振動板２は、カバー３内においてカバー３との間に適切な隙間を維持しつつ収容保持されるので、自動車走行中の振動により振動板２とカバー３が接触して、両者が変形する、あるいは破損することを防止できる。【選択図】　　　　図１
2004061234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動部材と、
前記振動部材の両端部にそれぞれ固定される圧電素子とを備え、
前記圧電素子の一方は外部からパルス状の入力信号を印加されて前記振動部材を振動させ、
前記圧電素子の他方は前記振動部材の前記振動を検出して検出信号を外部へ出力し、
前記入力信号および前記検出信号に基づき前記振動部材が浸漬される液体の液面位置を検出する振動式液面検出装置であって、
前記振動部材の略全体を覆うカバーを備えることを特徴とする振動式液面検出装置。
【請求項２】
前記カバーは前記振動部材を支持する支持手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の振動式液面検出装置。
【請求項３】
前記振動部材は細長い板状部材で形成され、且つ少なくとも１個の円弧部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動式液面検出装置。
【請求項４】
前記振動部材は略Ｕ字状に形成されることを特徴とする請求項３に記載の振動式液面検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体の液面位置を検出する振動式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の内部に取付けられて燃料の液面を検出する用途に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の振動式液面検出装置としては、たとえば、特許第３０２６１０５号公報に開示される超音波レベル検出装置がある。この超音波レベル検出装置は、金属棒状体の任意の位置に圧電素子を固着し、この圧電素子にパルス状の信号を印加して、印加後の予め決められた固定時間内に検出された信号の位相を検出し、前記金属棒状体が浸漬する液体のレベルを検出するものである。この超音波レベル検出装置は、液面の変動に対応して回転する浮子を用いてその回転角度を検出する方式に比べて、運動部分が無いため信頼性を向上させることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の超音波レベル検出装置を、たとえば自動車の燃料タンク内に取付けて燃料タンク内燃料の液面検出用として用いた場合、自動車走行中に自動車の振動により燃料タンク内燃料が揺れて波が発生する。この燃料の波により衝撃力を受けて、超音波レベル検出装置の金属棒状体が変形あるいは破損する等の不具合を生じる可能性がある。
【０００４】
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、振動部材の配置に工夫を凝らして、燃料の波の衝突時衝撃力による振動部材の変形、破損を防止できる振動式液面検出装置を提供するものである。
【０００５】
【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。
【０００６】
本発明の請求項１に記載の振動式液面検出装置では、振動部材と、振動部材の両端部にそれぞれ固定される圧電素子とを備え、圧電素子の一方は外部からパルス状の入力信号を印加されて振動部材を振動させ、圧電素子の他方は振動部材の振動を検出して検出信号を外部へ出力し、入力信号および検出信号に基づき振動部材が浸漬される液体の液面位置を検出する振動式液面検出装置であって、振動部材の略全体を覆うカバーを備える構成とした。これにより、たとえば、振動式液面検出装置が自動車の燃料タンク内燃料の液面検出用として使用される場合において、当該自動車の振動により燃料タンク内燃料が揺れて波が発生しても、カバーにより燃料の波が振動部材に直接衝突して衝撃力を与えることを防止できるので、振動部材の変形、破損を防止できる振動式液面検出装置を実現できる。
【０００７】
本発明の請求項２に記載の振動式液面検出装置では、カバーは振動部材を支持する支持手段を備える構成とした。これにより、振動部材とカバーとの間に適切な隙間を維持できるので、振動部材とカバーが支持手段以外の部位において接触して、言い換えると衝突して両者が変形あるいは破損することを防止できる。
【０００８】
本発明の請求項３に記載の振動式液面検出装置では、振動部材は細長い板状部材で形成され、且つ少なくとも１個の円弧部を備える構成している。これにより、振動部材上における圧電素子の作動により発生した振動の伝播が妨げられる（たとえば伝播速度が変化する、あるいは振動の振幅が減衰する）こと無しに、振動部材の形状を必要に応じて所望の形状に変える、たとえば、取付けられる燃料タンクの形状に合わせて搭載容易な形状とすることができる。
【０００９】
本発明の請求項４に記載の振動式液面検出装置では、振動部材は略Ｕ字状に形成される構成としている。振動式液面検出装置では、圧電素子の一方にパルス状の入力信号を印加してから圧電素子の他方がこのパルスによる振動部材の振動を検出するまでの時間を測定し、それに基づいて液面位置を検出している。したがって、振動部材の振動伝播経路長さ、すなわち両圧電素子間経路長さが長いほど、液面検出精度、検出分解能が良好となる。本発明の請求項４に記載の振動式液面検出装置では、振動部材を略Ｕ字状に形成することにより、振動部材の全長を変えずに、振動部材の振動伝播経路長さ、つまり両圧電素子間経路長さを振動部材全長の約倍に延長して良好な液面検出精度、検出分解能が得られる振動式液面検出装置を実現することができる。また、振動部材を略Ｕ字状に形成することにより両圧電素子を振動式液面検出装置の一端側にまとめて配置できるので、両圧電素子と外部との電気接続用リード線の取出しが容易に行える。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態による振動式液面検出装置を、自動車の燃料タンク内に装着されて燃料液面位置を検出するための燃料レベルゲージに適用した場合を例に図に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態による振動式液面検出装置である燃料レベルゲージ１の断面図であり、図２のＩ−Ｉ線断面図である。図２は、燃料レベルゲージ１の断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。なお、各図において、同一構成部分には同一符号を付してある。
【００１２】
燃料レベルゲージ１は、大きくは、振動部材である振動板２と、振動板２の両端部それぞれに固定される圧電素子４、５と、振動板２を収容するケース３と、振動板２およびケース３が固定される保持板６とから構成されている。燃料レベルゲージ１は、図３に示すように、自動車の燃料タンク４０の天板内面から垂下するブラケット４０ａに保持板６を介して取付けられると共に、燃料レベルゲージ１の振動板２は燃料４１中に浸漬されている。本発明の一実施形態による燃料レベルゲージ１において、圧電素子４に外部からパルス状の入力信号が印加されるとそれに応じて圧電素子４の体積が変化して振動板２を振動させる。この振動が振動板２上を伝播して圧電素子５に至り圧電素子５に圧力を作用させと圧電素子５に電荷が発生し検出信号として外部へ出力される。ところで、圧電素子４へのパルス状入力信号印加後、圧電素子５から検出信号が出力されるまでの時間は、振動板２の燃料４１中にある部分の長さ、つまり液面４１ａ位置によって変化する。すなわち、本発明の一実施形態による燃料レベルゲージ１においては、圧電素子４へのパルス状入力信号印加後、圧電素子５から検出信号が出力されるまでの時間を測定し、それに基づいて液面４１ａ位置を検出している。
【００１３】
振動部材である振動板２は、自体の振動を効率良く伝播可能な材質、たとえば、金属材料であるステンレス鋼の薄板からなり、図１に示すように、Ｕ字状に形成されている。Ｕ字の底部には円弧部２ａが形成されている。つまり、振動板２は、ステンレス鋼の薄板をその長手方向略中央部に円弧部２ａを成すように折り曲げて形成されている。円弧部２ａの半径の大きさは、後述する圧電素子４により起振された振動板２の振動の伝播に影響を及ぼさないように、具体的には、振動伝播速度および振幅が変化しないように設定されている。振動板２の両端部には、図１に示すように、圧電素子４、５が固定されている。両圧電素子４、５は、振動板２を確実に振動させることができるように、あるいは振動板２の振動を確実に検出できるように強固に固定されている。上述したように、振動板２をＵ字状に形成することで、振動板２の全長部材の全長Ｌ（図１参照）を延長することなしに両圧電素子４、５間の振動伝播経路長さを延長できるので、燃料レベルゲージ１の液面検出精度、検出分解能を向上することができる。また、振動板２の両端部、すなわち両圧電素子４、５よりも端部側（図１において上側）には、振動板２を支持板６に固定するための貫通孔２ｂが形成されている。２つの貫通孔２ｂはほぼ同軸上に設けられている。
【００１４】
圧電素子４、５は、ピエゾ効果を有する物質、たとえばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）から形成されている。圧電素子４、５には、両者を外部に接続するためのリード線（図示せず）が引き出されている。
【００１５】
カバー３は、ステンレス鋼の薄板からなり、断面が長方形の筒状に形成されている。カバー３の両端（図１および図２における上下端）は開口されて、振動板２全体を完全に収容している。カバー３は、図１に示すように、その上端側において支持板６にビス１２により固定されている。このように、振動板２全体をカバーで覆う構成とすることにより、自動車走行中の振動により燃料タンク４０内燃料４１が揺れて波が発生しても、カバー３により燃料４１の波が振動板２に直接衝突して衝撃力を与えることを防止できるので、振動板２の変形、破損を防止できる燃料レベルゲージ１を実現できる。また、カバー３の両端が開口しているので、カバー３内外の燃料４１の液面４１ａは常に同一となる。したがって、カバー３を装着しても、液面４１ａ位置を正確に検出することができる。
【００１６】
また、カバー３の下端側には、支持手段であるガイド部３ａが、図２に示すように、カバー３の対向する壁面の一部をそれぞれ内側に突出させることにより設けられている。すなわち、ガイド部３ａは、プレス加工等を施すことにより、図２における上方が固定端である板ばね状に形成されている。そして、両ガイド部３ａは、弾性変形しつつ振動板２の幅方向の側端面にそれぞれ弾性変形して付勢力を作用させて押圧接触している。これにより、振動板２は、カバー３内においてカバー３との間に適切な隙間を維持しつつ収容保持されるので、自動車走行中の振動により振動板２とカバー３が接触して、両者が変形する、あるいは破損することを防止できる。また、振動板２上におけるガイド部３ａが押圧接触する部位を、振動板２の幅方向の側端面としている。これにより、振動板２における圧電素子４により起振された振動の伝播を妨害することなく、振動板２を保持することができる。
【００１７】
以上説明した振動板２およびカバー３は、支持板６に取付けられている。支持板６は、たとえば鋼板から形成されている。
【００１８】
ところで、圧電素子４により起振された振動板２の振動が、振動板２の円弧部２ａを経由する経路と平行して他のルートによっても圧電素子５に伝達されると、液面検出の良好な精度を維持することが困難となる。したがって、燃料レベルゲージ１としての液面検出機能を良好に維持するためには、振動板２は、支持板６に振動的に絶縁されて取付けられることが望ましい。
【００１９】
以下に、振動板２の支持板６への取付け構造について、図１に基づき説明する。
【００２０】
先ず、振動板２の貫通孔２ｂにブッシュ７を装着する。ブッシュ７は柔軟性を有する材質、たとえばゴムあるいは樹脂で形成されている。
【００２１】
次に、ブッシュ７の貫通孔７ａに、スリーブ８を挿入する。スリーブ８は、たとえば鋼管で形成されている。
【００２２】
次に、鋼板製のワッシャ９を介してボルト１０をスリーブ８および支持板６の貫通孔６ａに貫通させて、ナット１１を締付ける。
【００２３】
以上で、振動板２の支持板６への取付けが完了する。
【００２４】
ここで、ブッシュ７の単品時（取付け前の状態）における全長（図１の左右方向長さ）は、スリーブ８の軸方向長さ（図１の左右方向長さ）よりも若干長く設定されている。したがって、ボルト１０およびナット１１を締付けて振動板２の支持板６への取付けが完了すると、ブッシュ７は圧縮され弾性変形し、その弾性力により振動板２が保持される。また、ブッシュ７による保持力は、燃料レベルゲージ１としての液面検出機能を良好に維持できるレベルであるように、ブッシュ７およびスリーブ８の長さ、ブッシュ７の材質特性（特に硬さ）が設定されている。
【００２５】
次に、本発明の一実施形態による燃料レベルゲージ１による燃料液面検出システムについて、図３に基づいて説明する。
【００２６】
図３は、本発明の一実施形態による燃料レベルゲージ１を用いた燃料レベル表示システムを説明する構成図である。
【００２７】
ここで、燃料液面検出システム説明に先立ち、本発明の一実施形態による燃料レベルゲージ１の液面検出原理について簡単に説明する。
【００２８】
圧電素子４は、パルス状の電気信号を印加されると体積が変化する、すなわち振動する。本発明の一実施形態による燃料レベルゲージ１においては、圧電素子４は、図１において上下方向に振動して、振動板２が図１において上下方向に振動するように起振され横波（振動方向と進行方向が同一の波）として振動板２を圧電素子５に向かって伝播する。この横波の伝播速度は、下記の数式１で表される。
【００２９】
【数１】Ｖ∝√ＥＩ／（ρ１＋ρ２）
数式１中において、Ｖは横波の伝播速度、Ｅは振動板２のヤング率、Ｉは振動板２の断面２次モーメント、ρ１は振動板２の密度、ρ２は振動板２周囲の流体の密度である。ρ２は、振動板２が燃料４１に浸っている場合は燃料４１の密度であり、振動板２が燃料４１から露出している場合は空気の密度である。
【００３０】
燃料４１の密度は、空気の密度よりはるかに大きいので、数式１から明らかなように、振動板２が燃料４１に浸っている場合と、振動板２が燃料４１から露出している、つまり空気中にある場合とでは、振動板２における振動の伝播速度が異なる。すなわち、振動板２の燃料４１に浸っている部分における振動伝播速度は、振動板２の燃料４１から露出して空気中にある部分における振動伝播速度よりも小さくなる。したがって、圧電素子４へパルス状の電気信号を印加してから圧電素子５から発せられる振動検出信号を受信するまでの時間、すなわち振動の伝播時間は、振動板２全体が燃料４１に浸漬されている状態、つまり満タン状態のときに最大値となり、燃料４１がエンジン（図示せず）により消費されて液面４１ａが低下、すなわち振動板２の空気中への露出部分長さが増加するに連れて伝播時間は減少する。振動板２全体が空気中へ露出した状態のときに最小値となる。
【００３１】
以上説明したように、圧電素子４へパルス状の電気信号を印加してから圧電素子５から発せられる振動検出信号を受信するまでの時間を計測することにより、容易に且つ正確に液面４１ａ位置を検出することができる。
【００３２】
次に、本発明の一実施形態による燃料レベルゲージ１による燃料液面検出システムについて、図３に基づいて説明する。
【００３３】
図３に示すように、イグニッションスイッチ５０がＯＮされると、バッテリ６０から電力が制御装置２０へ供給される。
【００３４】
制御装置２０は、燃料レベルゲージ１の圧電素子４へパルス状の電気信号を印加すると共に、圧電素子５から発せられる振動検出信号を受信する。そして、圧電素子４へパルス状の電気信号を印加してから圧電素子５から発せられる振動検出信号を受信するまでの時間、すなわち振動の伝播時間を計測して、それに基づいて燃料タンク４０内の燃料４１の液面４１ａを算出する。
【００３５】
さらに制御部２０は、算出した液面４１ａに基づいて、コンビネーションメータ３０内の燃料計３１を駆動するための駆動信号を出力する。この駆動信号により燃料計３１のムーブメント（図示せず）が指針３１ａを回動させて、燃料４１の液面４１ａ位置が表示される。
【００３６】
以上説明した、本発明の一実施形態による燃料レベルゲージ１においては、振動板２全体をカバー３で覆う構成とした。これにより、自動車走行中の振動により燃料タンク４０内燃料４１が揺れて波が発生しても、カバー３により、燃料４１の波が振動板２に直接衝突して衝撃力を与えることを防止できるので、振動板２が変形あるいは破損することを防止できる燃料レベルゲージ１を実現できる。
【００３７】
また、以上説明した、本発明の一実施形態による燃料レベルゲージ１においては、カバー３に、振動板２を支持するためのガイド部３ａを設ける構成とした。これにより、振動板２は、カバー３内においてカバー３との間に適切な隙間を維持しつつ収容保持されるので、自動車走行中の振動により振動板２とカバー３が接触して、両者が変形する、あるいは破損することを防止できる。
【００３８】
また、以上説明した、本発明の一実施形態による燃料レベルゲージ１においては、振動板２をＵ字状に形成し、且つＵ字の底部には円弧部２ａを形成する構成とした。振動板２をＵ字状に形成することで、振動板２の全長部材の全長Ｌ（図１参照）を延長することなしに両圧電素子４、５間の振動伝播経路長さを延長できるので、燃料レベルゲージ１の液面検出精度、検出分解能を向上することができる。また、Ｕ字の底部、つまり振動板２の折れ曲がり部を円弧状に形成することで、振動板２上における圧電素子４の作動により発生した振動の伝播が振動板２の折れ曲がり部により妨げられる（たとえば伝播速度が変化する、あるいは振動の振幅が減衰する）ことを防止しつつ、振動板２の形状を必要に応じて所望の形状（本発明の一実施形態においてはＵ字状）として、たとえば、取付けられる燃料タンク４０の形状に合わせて搭載容易な形状とすることができる。
【００３９】
なお、以上説明した、本発明の一実施形態による燃料レベルゲージ１においては、振動板２を支持するためのガイド部３ａを、互いに対向するように一対設けているが、どちらか１個を省略してもよい。
【００４０】
図４、図５、図６に、本発明の一実施形態による燃料レベルゲージ１の変形例および他の変形例を示す。これらの変形例および他の変形例は、いずれも振動板２の形状を各図に示すような形状に変更したものである。すなわち、振動板２における円弧部２ａの個数が、図４、図５、図６においては、それぞれ２個、３個、４個となっている。これにより、振動板２の折れ曲がり部を円弧状として振動板２上における圧電素子４の作動により発生した振動の伝播が振動板２の折れ曲がり部により妨げられる（たとえば伝播速度が変化する、あるいは振動の振幅が減衰する）ことを防止しつつ、振動板２の形状を、取付けられる燃料タンク４０の形状に応じて最適な形状とすることができる。
【００４１】
図７に、本発明の一実施形態による燃料レベルゲージ１の他の変形例を示す。この他の変形例は、カバー３のガイド部３ａの形状を変更したものである。すなわち、カバー３のガイド部３ａの一方を図７に示すように、ガイド部３ｂに変更している。ガイド部３ｂは、カバー３の壁面から内側に凸状に形成されている。この場合も、上述の一実施形態の場合と同様に、振動板２を、ガイド部３ａの弾性変形力によりカバー３との間に適切な隙間を維持しつつカバー３内に保持して、自動車走行中の振動により振動板２とカバー３が接触して両者が変形する、あるいは破損することを防止できる。
【００４２】
なお、以上説明した本発明の一実施形態、その変形例および他の変形例による燃料レベルゲージ１においては、振動板２を金属板で形成しているが、振動を効率良く伝播可能であれば他の材料、たとえば樹脂、セラミックス等であっても良い。
【００４３】
また、以上説明した本発明の一実施形態、その変形例および他の変形例による燃料レベルゲージ１においては、ケース３を金属板で形成しているが、他の材料、たとえば樹脂等であっても良い。
【００４４】
また、本発明の一実施形態、その変形例および他の変形例では、振動式液面検出装置を自動車用燃料レベルゲージ１に適用した場合を例に説明したが、本発明の振動式液面検出装置を他の用途における振動式液面検出装置に適用してもよい。また、検出する液体も、燃料以外に水、潤滑油、各種薬品、各種飲料等であってもよい。その場合も、上述の一実施形態による燃料レベルゲージ１の場合と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による燃料レベルゲージ１の断面図であり、図２中のＩ−Ｉ線断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料レベルゲージ１の断面図であり、図１中のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による燃料レベルゲージ１を用いた燃料レベル表示システムを説明する構成図である。
【図４】本発明の一実施形態の変形例による燃料レベルゲージ１の振動板２の断面図である。
【図５】本発明の一実施形態の他の変形例による燃料レベルゲージ１の振動板２の断面図である。
【図６】本発明の一実施形態の他の変形例による燃料レベルゲージ１の振動板２の断面図である。
【図７】本発明の一実施形態の他の変形例による燃料レベルゲージ１の部分断面図である。
【符号の説明】
１　　燃料レベルゲージ（振動式液面検出装置）
２　　振動板（振動部材）
２ａ　　円弧部
３　　カバー
３ａ　　ガイド部（支持手段）
３ｂ　　ガイド部（支持手段）
４、５　　圧電素子
６　　保持板
７　　ブッシュ
８　　スリーブ
９　　ワッシャ
１０　　ボルト
１１　　ナット
２０　　制御装置
３０　　コンビネーションメータ
３１　　燃料計
４０　　燃料タンク
４０ａ　　ブラケット
４１　　燃料
４１ａ　　液面
５０　　イグニッションスイッチ
６０　　バッテリ
【図１】
2004061234.tif 000003
【図２】
2004061234.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004061234.tif 000007
【図６】
2004061234.tif 000008
【図７】
2004061234.tif 000009