(57)【要約】【課題】車両走行中に石等異物が超音波検出器に衝突して超音波検出器が破損することを防止できると共にタンク内の液体量が減少して液面が低下した場合でも、高い精度で液面位置を検出可能な車両用液面検出装置を提供する。【解決手段】燃料液面センサ２を燃料タンク３の側面３５下方に取り付けると共に、燃料液面センサ２から発射される超音波を液面５１に向けて反射し且つ液面５１への入射角が０度となるように反射する測定プレート３１およびを燃料液面センサ２から発射される超音波を直接燃料液面センサ２に向けて反射する較正プレート３２を配置した。これにより、燃料液面センサ２が石等の異物との衝突により損傷を受けることを防止できる。また、液面からと較正プレート３２からとの２種類の反射パルスに基づいて液面位置を測定することにより、燃料タンク３内の液面５１位置を高い精度で検出することができる。【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、
超音波振動子を内蔵し前記タンクの外表面に取り付けられる超音波検出器とを備え、
前記超音波検出器から前記タンク内の液体に超音波を発射して液面を計測する車両用液面検出装置において、
前記外表面は前記タンクの側面であり、
前記タンク内に設けられて前記超音波検出器から発射される超音波を反射する反射部材を備え、
前記反射部材は前記超音波検出器から発射される超音波を前記液面に向けて反射し且つ前記液面への入射角が０度となるように配置されることを特徴とする車両用液面検出装置。
【請求項２】
前記超音波検出器は前記側面の底面近傍に取り付けられ且つ前記反射部材は前記タンクの底面に固定され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。
【請求項３】
前記タンク内に前記超音波検出器から発射される超音波を直接前記超音波検出器に向けて反射する較正用反射部材を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用液面検出装置。
【請求項４】
前記反射部材、前記較正用反射部材および前記タンクは樹脂材料からなり且つ前記反射部材および前記校正用反射部材は前記タンクと一体成形により形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の車両用液体検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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。
【０００２】
【従来の技術】
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、この方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。
【０００３】
このような問題を解決するために、たとえば特開平６−２４９６９７号公報、特開２０００−３１４６５１号公報、あるいは特開２００１−２０８５９５号公報に開示される液面検出装置においては、液体容器底部に超音波振動子を備える超音波センサを装着し、超音波センサから液体容器内の液体中に超音波を発射し、この超音波が液面で反射して再び超音波センサにて受信して、超音波が超音波センサと液面間を往復する時間を計測し、これに基づいて液面位置を検出している。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。
【０００４】
さらに、上述の特開２００１−２０８５９５号公報に開示される液面検出装置においては、タンク内の予め定めた測定基準高さ位置で、且つ超音波を超音波センサに反射する反射板を設置し、この反射板からの反射波データおよび液面からの反射波データの２種類の超音波データを活用して液面を測定している。これにより、液体の温度や圧力が変化して液体中における超音波の伝播速度が変化しても、高い精度で液面位置を検出することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
とこるで、上述の各公報に開示される液面検出装置においては、いずれも超音波センサを液体容器底部に取り付けている。したがって、上述の各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、燃料タンク底面から自動車下方、つまり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て、超音波センサが破損する恐れがある。
【０００６】
また、特開２００１−２０８５９５号公報に開示される液面検出装置においては、液体の温度や圧力如何に関わらず液面位置を高い精度で検出できるものの、タンク内の液体量が減少して液面が上述の反射板以下になると、液面位置の測定精度が低下するという問題がある。
【０００７】
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、超音波検出器のタンクへの取り付け位置に工夫を凝らして、車両走行中に異物が超音波検出器に衝突して超音波検出器が損傷を受けることを防止できる車両用液面検出装置を提供することである。
【０００８】
もう１つの目的は、タンク内の液体量が減少して液面が低下した場合でも、高い精度で液面位置を検出することができる車両用液面検出装置を提供することである。
【０００９】
【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。
【００１０】
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、超音波振動子を内蔵しタンクの外表面に取り付けられる超音波検出器とを備え、超音波検出器からタンク内の液体に超音波を発射して液面を計測する車両用液面検出装置において、超音波検出器が取り付けられる外表面はタンクの側面であり、タンク内に設けられて超音波検出器から発射される超音波を反射する反射部材を備え、この反射部材は超音波検出器から発射される超音波を液面に向けて反射し且つ液面への入射角が０度となるように配置される構成とした。超音波検出器から液体内に発射された超音波は、反射部材により反射されて液面に入射角０度、すなわち超音波の入射方向と液面の鉛直方向との成す角度が０度で入射する。このため、超音波は、液面においてその入射方向と同一方向に反射され、入射時と同一経路を辿って反射部材に向かって進み、さらに反射部材で反射されて超音波検出器に入射して受信される。これにより、超音波検出器をタンク側面の外表面に取り付けた場合においても、超音波検出器を底面に取り付けた場合と同様に液面を検出することができる。したがって、車両走行中に異物がタンク外表面に取り付けられた超音波検出器に衝突して超音波検出器が損傷を受けることを防止できる。
【００１１】
本発明の請求項２に記載の車両用液面検出装置では、超音波検出器は側面の底面近傍に取り付けられ且つ反射部材はタンクの底面に固定される構成とした。これにより、タンク内の液面高さが底面に近い場合、つまりタンク内の液体量が少ない場合においても、液面位置を精度良く検出することができる。
【００１２】
本発明の請求項３に記載の車両用液面検出装置では、タンク内に超音波検出器から発射される超音波を直接超音波検出器に向けて反射する較正用反射部材を備える構成とした。ところで、液体中における超音波の伝播速度は、当該液体の温度、圧力等の変化に応じて変化する。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、超音波検出器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。
【００１３】
本発明の請求項３に記載の車両用液面検出装置では、反射部材に加えて較正用反射部材を設けている。較正用反射部材は超音波検出器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、超音波検出器と較正用反射部材間距離は不変且つ既知の値である。したがって、超音波検出器が超音波を発射してから較正用反射部材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部材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。さらに、タンク内の液体量が少ない場合、つまりタンク内の液面高さが底面に近い場合においても液面位置を精度良く検出することができる。
【００１４】
本発明の請求項４に記載の車両用液面検出装置では、反射部材、較正用反射部材およびタンクは樹脂材料からなり且つ反射部材および校正用反射部材はタンクと一体成形により形成される構成としている。これにより、反射部材および較正用反射部材と超音波検出器との位置関係を正確に維持することができる。また、部品点数を低減してコストを低減することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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。
【００１６】
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５を貯蔵するタンクである燃料タンク３の部分断面図である。図２は、図１中のＩＩ矢視図である。また、図１において、図の上下方向が自動車の上下方向である。なお、各図においては、同一構成部分には同一符号を付してある。
【００１７】
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３、超音波検出器である燃料液面センサ２、反射部材である測定プレート３１および校正用反射部材である較正プレート３２から構成されている。
【００１８】
以下に、燃料液面検出装置１の構成について説明する。
【００１９】
先ず、超音波検出器である燃料液面センサ２について説明する。燃料液面センサ２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３の外表面である側面３５上において、タンク３の下方、つまり底面３５近傍に固定されている。
【００２０】
燃料液面センサ２において、超音波を発生し且つ超音波の反射波を受信するという中枢機能を果たしている超音波振動子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。また、超音波振動子２１には、図１に示すように、外部から超音波振動子２１に電圧を印加するため、あるいは超音波振動子２１にて発生した電圧信号を外部へ出力するためのリード線２６が接続されている。また、超音波振動子２１はハウジング２２に、たとえば接着等により固定されている。
【００２１】
ハウジング２２は、剛性の高い材質、たとえば金属（ステンレス鋼板等）から形成され、超音波振動子２１を保護すると共に、超音波振動子２１の振動を確実に外部へ伝達する役目を果たしている。また、ハウジング２２は、樹脂製のケース２４に保持されている。ここで、ハウジング２２は、柔軟で振動を吸収可能な材質からなる防振部材２３を介して樹脂製のケース２４に保持されている。これにより、超音波振動子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。
【００２２】
ケース２４は、略円盤状に形成されている。ケース２４には、図１に示すように、後述する燃料タンク３の孔部３４と係合する突き出し部２５が２個、中心を挟んで対向して設けられている。燃料液面センサ２は、突き出し部２５が後述する燃料タンク３の孔部３４に係合・当接することにより燃料タンク３に保持固定される。
【００２３】
次に、タンクである燃料タンク３について説明する。
【００２４】
燃料タンク３は、樹脂材料により形成されている。また、燃料タンク３の側面３５には、図１に示すように、側面３５沿い方向への燃料液面センサ２の移動、すなわち図１中における左右方向への移動を規制する略円筒状の支持壁３３が設けられている。支持壁３３には、燃料液面センサ２の突き出し部２５と係合するための孔部３４が設けられている。孔部３４は、図１に示すように、側面３５と略平行な貫通孔状に形成されている。また、支持壁３３は、燃料タンク３の樹脂成形時において燃料タンク３と一体に形成される。
【００２５】
燃料タンク３の底面３６には、燃料液面センサ２から発射される超音波を反射する反射部材である測定プレート３１が設けられている。この測定プレート３１は、燃料液面センサ２および液面５１に対して、測定プレート３１で反射される超音波の液面５１への入射角が０度となる、言い換えると、図１に示すように、超音波の進行方向と液面５１との成す角度が９０度となるような位置関係に配置されている。また、測定プレート３１は樹脂材料からなり、燃料タンク３と一体成形により形成されている。測定プレート３１を上述した位置関係に配置することにより、燃料液面センサ２の設置位置を、従来の燃料液面検出装置における燃料タンク３の底面外表面ではなく、燃料タンク３の側面３５上としても液面５１位置を検出することが可能となる。
【００２６】
また、燃料タンク３の底面３６には、燃料液面センサ２から発射される超音波を直接燃料液面センサ２に向けて反射する較正用反射部材である較正プレート３２が設けられている。
【００２７】
測定プレート３１および較正プレート３２は、図２に示すように、燃料液面センサ２の超音波発射部であるハウジング２２に対向して設けられている。また、図１中のＩＩ矢視方向における測定プレート３１および較正プレート３２それぞれの輪郭線の境界線Ｃが、図２に示すように、ハウジング２２を略二分する位置に形成されている。これにより、燃料液面センサ２から発射される超音波は、同時に測定プレート３１および較正プレート３２に入射する。燃料液面センサ２から測定プレート３１に入射した超音波は、図１中に示す伝播経路Ａのように、測定プレート３１で反射されて液面５１へ向かって進み、液面５１で反射されて往路と同一の経路を辿り再び燃料液面センサ２によって受信される。一方、燃料液面センサ２から較正プレート３２に入射した超音波は、図１中に示す伝播経路Ｂのように、較正プレート３２で燃料液面センサ２に向けて反射され、直ちに燃料液面センサ２によって受信される。すなわち、燃料液面センサ２が１つの超音波パルスを発射すると、燃料液面センサ２は、上述の２つの反射パルス、つまり液面５１からの反射パルスと較正プレート３２からの反射パルスを受信する。
【００２８】
さらに、測定プレート３１の底面３６側端部と燃料液面センサ２が取り付けられる側面３５との距離Ｌ１は、較正プレート３２と側面３５との距離Ｌ２より大きく設定されている。これにより、測定プレート３１を経由する液面５１からの反射パルスの燃料５中の伝播距離は、較正プレート３２からの反射パルスの燃料５中の伝播距離よりも常に大きくなっている。このため、燃料液面センサ２が１つの超音波パルスを発射した後上述の各反射パルスを受信するまでの時間は、液面５１からの反射パルスを受信するまでの時間の方が液面５１からの反射パルスを受信するまでの時間より長くなる。言い換えると、燃料液面センサ２が１つの超音波パルスを発射した後、較正プレート３２からの反射パルスが常に先に受信されることになる。
【００２９】
次に、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１の組付け工程における燃料液面センサ２の燃料タンク３への取り付け方法について説明する。
【００３０】
先ず、燃料タンク３の支持壁３３の内側に略円形のシート状の接着剤４をセットする。
【００３１】
次に、燃料液面センサ２を、燃料タンク３の支持壁３３の内側に、燃料液面センサ２の突き出し部２５と支持壁３３の孔部３４との円周方向位置を一致させ、ハウジング２２を側面３５に向かう方向に押圧する。これにより、支持壁３３は、突き出し部２５に押されて図１の上下方向に弾性変形する。さらに燃料液面センサ２を押込んでいくと、燃料液面センサ２の突き出し部２５が燃料タンク３の支持壁３３の孔部３４に係合して、燃料液面センサ２の燃料タンク３への取り付け作業が完了する。このとき、接着剤４は、燃料タンク３底面３５と燃料液面センサ２のハウジング２２の両者に完全に密着している。これにより、超音波振動子２１と燃料タンク３内の燃料との間の空気を排除して、超音波振動子２１から燃料への超音波放射および液面からの反射波受信を安定させて、燃料液面センサ２による液面検出精度を向上できる。
【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、燃料液面検出作動について、図３に基づいて説明する。
【００３３】
図３に、本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１の電気回路構成図を示す。
【００３４】
燃料液面センサ２（詳しくは超音波振動子２１）は制御回路６に接続され、この制御回路６は表示部７に接続されている。
【００３５】
制御回路６は、超音波振動子２１への電圧印加を制御するパルス発生回路６１、超音波振動子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６２、および演算回路６２により算出された液面位置信号に基づき表示部７を駆動する駆動信号を出力する駆動回路６３から構成されている。なお、制御回路６にはバッテリ（図示せず）から電力が供給されている。
【００３６】
表示部７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ものである。一般に、表示部７は、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。
【００３７】
パルス発生回路６１からの信号により超音波振動子２１が振動して燃料液面センサ２がパルス状の超音波を燃料タンク３内の燃料５中に発射すると、この超音波パルスは、図１中に各矢印で示す方向に進行し、燃料５の液面５１あるいは較正プレート３２で反射され、再び燃料液面センサ２により受信される。このとき、燃料液面センサ２は反射パルスを２回受信する。最初に、較正プレート３２からの反射パルスが受信され、次に、液面５１からの反射パルスが受信される。超音波振動子２１は、これら反射パルスを受信する度に振動して電圧信号を発生し、この電圧信号は演算回路６２に入力される。
【００３８】
演算回路６２は、パルス発生回路６１が超音波振動子２１へ信号を発してから反射パルスを検出するまでの時間を算出する。ここで、演算回路６２は、最初に受信する較正プレート３２からの反射パルスに基づいて燃料５中における超音波パルスの伝播速度を算出し、この伝播速度および液面５１からの反射パルスを受信するまでの時間に基づいて、液面５１位置、つまり図１中における液面高さＨを算出する。
【００３９】
駆動回路６３は、表示部７に演算回路６２が算出した液面高さＨを表示させるための信号、たとえば指針軸（図示せず）を液面高さＨ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。
【００４０】
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、燃料液面センサ２を燃料タンク３の側面３５下方に取り付けると共に、燃料タンク３内の底面３６に燃料液面センサ２から発射される超音波を反射する測定プレート３１を設けている。さらに、この測定プレート３１を、燃料液面センサ２から発射される超音波を液面５１に向けて反射し且つ液面５１への入射角が０度となるように配置した。これにより、燃料液面センサ２を燃料タンク３側面の側面３５の外表面に取り付けた場合でも、従来の燃料液面検出装置のように燃料液面センサ２を燃料タンクの底面に取り付けた場合と同様に液面を検出することが可能となる。したがって、自動車走行中等において、石等の異物が燃料タンクに衝突しても、燃料液面センサ２が燃料タンク３側面３５に装着されるため、燃料液面センサ２が石等の異物との衝突により損傷を受けることを防止できる。
【００４１】
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、燃料タンク３内に燃料液面センサ２から発射される超音波を直接燃料液面センサ２に向けて反射する較正プレート３２を備える構成とした。プレート３２は燃料液面センサ２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、燃料液面センサ２と較正プレート３２間距離は不変且つ既知の値である。したがって、燃料液面センサ２が超音波を発射してから較正プレート３２からの反射波を受信するまでの時間に基づいて、その時点の燃料温度、圧力条件下における超音波の燃料中の伝播速度が算出できる。このようにして算出された超音波の燃料中の伝播速度および液面５１で反射された反射波の伝播時間データに基づいて液面位置を測定することにより、燃料タンク３内の液面５１位置を高い精度で検出することができる。
【００４２】
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、燃料タンク３を樹脂で形成すると共に、測定プレート３１および較正プレート３２、さらに燃料液面センサ２固定用の支持壁３３を燃料タンク３の樹脂成形時において燃料タンク３と一体に形成している。これにより、部品点数を低減してコストを低減すると共に、燃料液面センサ２と測定プレート３１および較正プレート３２との位置関係を正確に維持できるので、液面５１位置検出精度を向上することができる。
【００４３】
図４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、測定プレート３１および較正プレート３２の形状を変更している。すなわち、図４に示すように、測定プレート３１および較正プレート３２を一体化している。これにより、両プレート３１、３２を独立して形成する場合に比べて、燃料タンク３の成形型形状を簡略化することができる。この場合、燃料液面高さが、較正プレート３２の高さＤ以下になると、燃料液面センサ２が受信する２個の反射パルスのうち、液面５１からの反射パルスがなくなり、較正プレート３２による反射パルスのみになり、液面検出ができなくなる。しかし、通常、燃料タンク３にはある死蔵量が存在しており、較正プレート３２の高さＤをこの死蔵量のレベル相当とすれば、運転者が必要とする燃料量検出機能上は問題無い。
【００４４】
図５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。この他の変形例においては、上述の変形例に対して、図５に示すように、測定プレート３１および較正プレート３２の上下方向の位置関係を入れ替えたものである。この場合も、両プレート３１、３２を一体化することで燃料タンク３の成形型形状を簡略化することができる。また、他の変形例においては、燃料液面高さが、測定プレート３１の高さＥ以下になると、燃料液面センサ２が受信する２個の反射パルスのうち、較正プレート３２による反射パルスがなくなり、液面５１からの反射パルスのみになり、燃料中における超音波の伝播速度の較正ができなくなる。しかし、液面５１からの反射パルスのみによって若干精度が落ちるものの液面位置の測定は可能である。また、液面レベルがこのような位置にある場合は、燃料タンク３内の残存燃料量は極わずかで直ちに給油が必要なレベルであるので、実用上は問題無い。
【００４５】
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、接着剤４をシート状としているが、シート状に限る必要はなく、たとえなゼリー状等であってもよい。
【００４６】
また、以上説明した実施形態および各変形例は、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。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。
【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】図１中のＩＩ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の電気回路構成図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１の変形例の部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料液面検出装置１の変形例における平面図である。
【符号の説明】
１　　燃料液面検出装置（車両用液面検出装置）
２　　燃料液面センサ（超音波検出器）
２１　　超音波振動子
２２　　ハウジング
２３　　防振部材
２４　　ケース
２５　　突き出し部
２６　　リード線
３　　燃料タンク（タンク）
３１　　測定プレート（反射部材）
３２　　較正プレート（較正用反射部材）
３３　　支持壁
３４　　孔部
３５　　側面（外表面）
３６　　底面
４　　接着剤
５　　燃料（液体）
５１　　液面
６　　制御回路
６１　　パルス発生回路
６２　　演算回路
６３　　駆動回路
７　　表示部
Ａ、Ｂ　　伝播経路
Ｃ　　境界線
Ｄ、Ｅ　　プレート高さ
Ｈ　　液面高さ
Ｌ１、Ｌ２　　距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004101486.tif 000005
【図４】
2004101486.tif 000006
【図５】
2004101486.tif 000007