JP6281445B2 - 液面検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、自動車の燃料タンク内の燃料液面の位置を検出する燃料液面検出装置に適用して好適な、液面検出装置に関するものである。

従来、タンク内の液体の液面位置を検出する液面検出装置として、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１の液面検出装置（超音波液面計）は、タンク内に深さ方向に延びる細い管状の伝送管が設けられ、この伝送管の底部の水密ケースに超音波振動子が装着されている。

特許文献１では、超音波振動子からパルス状の超音波が伝送管内に発射されると、超音波パルスは液体の液面で反射され、反射した超音波パルスは伝送管を伝わり、超音波振動子によって検出される。そして、超音波振動子から超音波パルスが発射されて検出されるまでの所要時間が換算され、この所要時間に応じて、液面位置が把握されるようになっている。

特開平６−２４９６９７号公報

しかしながら、上記特許文献１では、超音波パルスは液体中を移動するため、発射されて検出されるまでの所要時間は、液体の密度に依存するので、正確な液体の特性を把握しておく必要がある。例えば、使用する液体に応じて、所要時間に対する液面位置の関係を正確に把握しておく必要がある。

また、タンクが傾いたとき、液面で反射された超音波パルスは、伝送管の内壁で反射されながら超音波振動子に戻るので、液面の計測が可能となっているものの、タンクの傾きを計測することはできない。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、容器内の液面位置を検出するにあたって、使用する液体の密度に影響されることなく、また、容器の傾きがあった場合にその傾きも検出可能な液面検出装置を提供することにある。

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。

本発明では、容器（１０）内に貯留される液体の液面の位置（Ｈ）を検出する液面検出装置であって、
容器（１０）の底面部（１１）と所定の角度（θ１）をもって、底面部（１１）の所定位置（Ｏ）から液面に向かう方向に、第１の波動を発射する第１発射部（１１０）と、
第１の波動とは逆の方向で、底面部（１１）と所定の角度（θ１）をもって、所定位置（Ｏ）から液面に向かう方向に、第２の波動を発射する第２発射部（１２０）と、
底面部（１１）に配置されて、液面で反射して底面部（１１）に至る第１の波動の位置（Ｃ）、および液面で反射して底面部（１１）に至る第２の波動の位置（Ｆ）を検知する検知部（１３０）と、
所定の角度（θ１）、第１の波動の位置（Ｃ）、および第２の波動の位置（Ｆ）を基にして、液面の位置（Ｈ）、および底面部（１１）に対する液面の相対的な傾き（θ２、θ３）を算出する算出部（１４０）とを備えることを特徴としている。

この発明によれば、波動は、直進性を備えており、また、液面に当たったときの入射角度と反射角度とは等しい状態で底面部（１１）に至る。よって、算出部（１４０）は、所定の角度（θ１）と、第１の波動の位置（Ｃ）と、第２の波動の位置（Ｆ）とを基にして、幾何学的に液面の位置（Ｈ）、に加えて底面部（１１）に対する液面の相対的な傾き（θ２、θ３）を算出することができる（詳細後述）。液面の相対的な傾き（θ２、θ３）を算出できることで、液面の位置（Ｈ）の変化が、本来の液量の変化によるものなのか、容器（１０）の傾きによるものなのかを特定することが可能となる。そして、上記算出においては、使用する液体の密度に影響されることがないので、事前に正確な液体の特性を把握しておく必要がない。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態における液面検出装置を示す正面図である。 発射されたレーザ光の軌跡、液面位置、および傾きθ２を、ｘｙ平面上に投影した状態を示す説明図である。 発射されたレーザ光の軌跡、および傾きθ３をｚｙ平面上に投影した状態を示す説明図（図２のIII方向矢視図）である。 ｘｙｚ座標内において、発射されたレーザ光の軌跡を示す矢視図である。 第２実施形態における液面検出装置を示す正面図である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
第１実施形態の液面検出装置１００について、図１〜図４を用いて説明する。液面検出装置１００は、例えば、車両用の燃料タンク１０内に貯留される燃料（例えば、ガソリン）の液面の位置を検出（算出）する装置である。燃料タンク１０は本発明の容器に対応し、また、燃料は本発明の液体に対応する。

図１に示すように、燃料タンク１０は、例えば、直方体を成しており、底面部１１は平面状に形成されている。ここで、以下の説明を理解しやすくするために、燃料タンク１０にはｘｙｚ座標が定義されている。ｘ軸は底面部１１の面に沿う１つの方向（図１中の左右方向）を示す軸であり、ｙ軸は底面部１１に直交する方向を示す軸であり、ｚ軸は底面部１１の面に沿いｘ軸に直交する方向（図１中の前後方向）を示す軸である。ｘｙｚ座標における原点Ｏは、基準位置（本発明の所定位置）として定義されている。

液面検出装置１００は、第１発光素子１１０、第２発光素子１２０、支持部１２５、受光部１３０、算出部１４０等を備えている。

第１発光素子１１０は、第１の波動を発射する第１発射部である。波動は、ここでは光を用いたものとなっている。第１発光素子１１０は、例えば、レーザ光を発射するレーザポインタが使用されている。第１発光素子１１０は、例えば、棒状の支持部１２５によって底面部１１から所定距離だけ液面側に離れた位置で、燃料タンク１０内の燃料が最少量（Ｅｍｐｔｙ）となった場合であっても、燃料に浸る位置となるように固定されている。第１発光素子１１０は、例えば、ｘｙ平面内に含まれるように配置されている。

第１発光素子１１０は、燃料の液面に向けて第１レーザ光を発射するようになっている。レーザ光が発射される方向は、底面部１１における基準位置（原点Ｏ）から、例えばｘｙ平面内に含まれて、底面部１１と角度θ１をもって液面に至る第１の方向となっている。角度θ１は、本発明の所定の角度に対応する。

第２発光素子１２０は、第２の波動を発射する第２発射部であり、上記の第１発光素子１１０と同様の構造を有している。即ち、波動は、ここでは光を用いたものとなっている。第２発光素子１２０は、レーザ光を発射するレーザポインタが使用されている。第２発光素子１２０は、支持部１２５によって底面部１１から所定距離だけ液面側に離れた位置で、燃料タンク１０内の燃料が最少量（Ｅｍｐｔｙ）となった場合であっても、燃料に浸る位置となるように固定されている。第２発光素子１２０は、例えば、ｘｙ平面内に含まれるように配置されており、第１発光素子１１０に対して、ｘ軸方向にある程度の距離を持って配置されている。よって、第１発光素子１１０、および第２発光素子１２０は、共に、ｘｙ平面内に含まれるように配置されている。

第２発光素子１２０は、燃料の液面に向けて第２レーザ光を発射するようになっている。レーザ光が発射される方向は、底面部１１における基準位置（原点Ｏ）から、例えばｘｙ平面内に含まれ、第１発光素子１１０における第１の方向とは逆の方向であって、底面部１１と角度θ１をもって液面に至る第２の方向となっている。

受光部１３０は、底面部１１に配置された検知部であり、第１発光素子１１０、および第２発光素子１２０からそれぞれ発射され、液面で反射し、更に底面部１１に至る第１レーザ光、第２レーザ光を検知するようになっている。

受光部１３０は、例えば、基準位置（原点Ｏ）を中心とする円形の板部材に、複数の光感素子１３１が所定の間隔で網目状に配置されて形成されている。受光部１３０は、複数の光感素子１３１のうち、受光した光の強度が最も強い光感素子１３１の位置を第１レーザ光の位置（図２中のＣ、図３中のＧ）、および第２レーザ光の位置（図２中のＦ）として検知するようになっている。

複数の光感素子１３１うち、受光した光の強度が最も強い光感素子１３１は、第１レーザ光、および第２レーザ光を検知したことを示す検知信号を、後述する算出部１４０に出力するようになっている。尚、受光した光の強度が最も強い光感素子１３１が複数、存在する場合は、算出部１４０は、例えば、基準位置に対するそれら光感素子１３１の平均的な位置を検知位置として、把握するようになっている。

算出部１４０は、第１、第２レーザ光が発射される際の既知の角度θ１、および受光部１３０から得られる第１レーザ光の位置Ｃ、第２レーザ光の位置Ｆに基づいて、燃料の液面の位置（図２中のＨ）、および底面部１１に対する液面の相対的な傾き（図２中のθ２、図３中のθ３）を算出するようになっている。算出部１４０は、予め、燃料の液面の位置Ｈ（底面部１１から液面までの距離Ｌ）、および底面部１１に対する液面の相対的な傾きθ２、θ３を算出するための算出式を保有（記憶）している（詳細後述）。

また、算出部１４０は、燃料タンク１０内の燃料の体積を算出するための体積算出式を保有している。体積算出式は、液面の位置（液面までの距離Ｌ）、液面の相対的な傾きθ２、θ３、および予め把握された燃料タンク１０に関する形状特性によって、算出される式となっている。体積算出式における燃料タンク１０の形状特性は、例えば、底面部１１の面積が、液面までの距離Ｌ、および傾きθ２、θ３によって、ｙ軸方向にどのように変化していくか表すものとすることができる。よって、このような形状特性（底面部１１の面積変化）を、ｙ軸方向に積分することで、燃料の体積を算出することができるものとなる。

次に、上記のように構成される液面検出装置の作動（算出部１４０における算出要領）について、図２〜図４を加えて説明する。尚、図２、図３は、燃料タンク１０が傾いた状態を示しており、ここでは便宜上、液面が底面部１１に対して相対的に傾いているように表示している。そして、図２中の傾きθ２は、ｘｙ平面上においてｘ軸に対する傾きを示しており、図３中の傾きθ３は、ｚｙ平面上においてｚ軸に対する傾きを示している。

また、液面の相対的な傾きがθ２のみを有する場合では、図２に示すように、第１、第２レーザ光は、傾きθ２に応じて、ｘｙ平面上を移動する。更に、傾きθ２に対して傾きθ３が加わると、第１、第２レーザ光は、図３、図４に示すように、傾きθ３に応じて、液面（Ａ点、（Ｅ点））で反射する際にｚ軸方向にずれて、底面部１１に至る。よって、図２は、ｚ軸方向から投影して見た場合の第１、第２レーザ光を示しており、図３は、ｘ軸方向から投影して見た場合の第１（第２）レーザ光を示している。

図２に示すように、第１発光素子１１０から発射された第１レーザ光は、角度θ１をもって、あたかも基準位置（原点Ｏ）から発射されたようにして液面に進み、Ａ点で反射して、底面部１１における第１レーザ光の位置Ｃに至る。また、同様に、第２発光素子１２０から発射された第２レーザ光は、角度θ１をもって、あたかも基準位置（原点Ｏ）から発射されたようにして、第１レーザ光とは逆方向に液面に進み、Ｅ点で反射して、底面部１１における第２レーザ光の位置Ｆに至る。

また、図３に示すように、第１発光素子１１０から発射された第１レーザ光は、あたかも基準位置（原点Ｏ）から発射されたようにして液面に進み、Ａ点で反射して、傾きθ３に応じて、底面部１１における第１レーザ光の位置Ｇに至る。第２発光素子１２０から発射された第２レーザ光も同様である。

以下、燃料の液面の位置Ｈ（底面部１１から液面までの距離Ｌ）、および底面部１１に対する液面の相対的な傾きθ２、θ３を算出するための算出式について説明する。ここでは、算出式を得るために、図２中におけるＯＣ、ＯＦ、ＯＣ／ＯＦ、および図３中におけるＯＧの長さ（距離）を、距離Ｌ、傾きθ２、傾きθ３を含む数式として導いている。

まず、図２において、直線ＡＢは、Ａ点からｘ軸（底面部１１）におろされた垂線である。直線ＡＤは、Ａ点で液面に直交してｘ軸（底面部１１）に至る直線である。ｙ軸上において底面部１１から液面の位置Ｈまでの距離をＬ、更に、液面の位置Ｈからｙ軸に沿ってＡ点に相当する位置に至る距離をＭとする。また、図３において、直線ＡＧは、Ａ点で液面に直交してｚ軸（底面部１１）に至る直線である。

各部の角度は、以下のようになっている。即ち、
∠ＯＡＢ＝π／２−θ１、
∠ＢＡＤ＝θ２、
入射角度＝反射角度の関係であることより、
∠ＯＡＤ＝∠ＤＡＣ＝（π／２−θ１）＋θ２＝π／２−θ１＋θ２、
∠ＢＡＣ＝θ２＋（π／２−θ１＋θ２）＝π／２−θ１＋２・θ２、である。

ＡＢ、ＯＢにおいて、
（数１）
ｔａｎθ１＝ＡＢ／ＯＢ となる。

数式１より、
ＯＢ＝ＡＢ／ｔａｎθ１＝（Ｌ＋Ｍ）／ｔａｎθ１ となる。

よって、
（数２）
ＯＢ＝（Ｌ＋Ｍ）／ｔａｎθ１ となる。

また、ｔａｎθ２＝Ｍ／ＯＢ であり、
（数３）
Ｍ＝ＯＢ・ｔａｎθ２ となる。

数式２に数式３を代入すると、
ＯＢ＝（Ｌ＋Ｍ）／ｔａｎθ１＝（Ｌ＋ＯＢ・ｔａｎθ２）／ｔａｎθ１ となり、
ＯＢ・ｔａｎθ１＝Ｌ＋ＯＢ・ｔａｎθ２ となり、
ＯＢ（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２）＝Ｌ となる。

よって
（数４）
ＯＢ＝Ｌ／（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２） となる。

また、数式１よりＡＢ＝ｔａｎθ１・ＯＢであり、これに数式４を代入すると、
ＡＢ＝ｔａｎθ１・ＯＢ＝ｔａｎθ１・Ｌ／（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２） となる。

よって、
（数５）
ＡＢ＝ｔａｎθ１・Ｌ／（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２） となる。

また、
（数６）
ｔａｎ（∠ＢＡＣ）＝ｔａｎ（π／２−θ１＋２・θ２）＝ＢＣ／ＡＢ となる。

数式５、数式６より、
ＢＣ＝ＡＢ・ｔａｎ（π／２−θ１＋２・θ２）
＝｛ｔａｎθ１・Ｌ／（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２）｝・ｔａｎ（π／２−θ１＋２・θ２） となる。

よって、
（数７）
ＢＣ＝｛ｔａｎθ１・Ｌ／（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２）｝・ｔａｎ（π／２−θ１＋２・θ２） となる。

数式４、数式７より、
ＯＣ＝ＯＢ＋ＢＣ
＝Ｌ／（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２）＋｛ｔａｎθ１・Ｌ／（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２）｝・ｔａｎ（π／２−θ１＋２・θ２）
＝｛Ｌ＋Ｌ・ｔａｎθ１・ｔａｎ（π／２−θ１＋２・θ２）｝／（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２） となる。

よって、
（数８）
ＯＣ＝｛Ｌ＋Ｌ・ｔａｎθ１・ｔａｎ（π／２−θ１＋２・θ２）｝／（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２） となる。

次に、ＯＦにおいては、上記数式８のＯＣにおいて、θ２を−θ２とすることで、得られる。

即ち、
（数９）
ＯＦ＝｛Ｌ＋Ｌ・ｔａｎθ１・ｔａｎ（π／２−θ１−２・θ２）｝／（ｔａｎθ１＋ｔａｎθ２） となる。

数式８、数式９より、
ＯＣ／ＯＦ＝｛Ｌ＋Ｌ・ｔａｎθ１・ｔａｎ（π／２−θ１＋２・θ２）｝
／（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２）
／[｛Ｌ＋Ｌ・ｔａｎθ１・ｔａｎ（π／２−θ１−２・θ２）｝
／（ｔａｎθ１＋ｔａｎθ２）]
＝[（ｔａｎθ１＋ｔａｎθ２）／（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２）]
・[（１＋ｔａｎθ１・ｔａｎ（π／２−θ１＋２・θ２）
／（１＋ｔａｎθ１・ｔａｎ（π／２−θ１−２・θ２）] となる。

よって、
（数１０）
ＯＣ／ＯＦ＝[（ｔａｎθ１＋ｔａｎθ２）／（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２）]
・[（１＋ｔａｎθ１・ｔａｎ（π／２−θ１＋２・θ２）／
（１＋ｔａｎθ１・ｔａｎ（π／２−θ１−２・θ２）] となる。

一方、図３に示すように、
（数１１）
ｔａｎθ３＝ＯＧ／ＯＡ となる。

また、ＡＯ＝ＡＢであり、数式１１、数式５より、
ＯＧ＝ＯＡ・ｔａｎθ３
＝ＡＢ・ｔａｎθ３
＝｛ｔａｎθ１・Ｌ／（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２）｝・ｔａｎθ３、となる。

よって、
（数１２）
ＯＧ＝｛ｔａｎθ１・Ｌ／（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２）｝・ｔａｎθ３ となる。

算出部１４０は、上記の説明に基づく数式１０、８、９、１２を算出式として、予め保有（記憶）している。そして、算出部１４０は、受光部１３０から得られる検知信号より、底面部１１における第１レーザ光の位置Ｃ（Ｇ）、および第２レーザ光の位置Ｆを把握し、ｘｙ平面上における距離ＯＣ、ＯＦ、ＯＧを算出する。

そして、算出部１４０は、数式１０にＯＣ、ＯＦ、および角度θ１を代入して、傾きθ２を算出する。次に、数式８にＯＣ、および角度θ１、傾きθ２を代入して、液面までの距離Ｌ（即ち、液面の位置Ｈ）を算出する。あるいは、数式９にＯＦ、および角度θ１、傾きθ２を代入して、液面までの距離Ｌ（即ち、液面の位置Ｈ）を算出する。更に、数式１２にＯＧ、角度θ１、傾きθ２を代入して、傾きθ３を算出する。

更に、算出部１４０は、体積算出式を用いて、上記で得られた液面までの距離Ｌ、傾きθ２、θ３、および燃料タンク１０に関する形状特性によって、燃料の体積を算出する。

算出部１４０は、上記傾きθ２、θ３、液面の位置Ｈ、および燃料タンク１０内の燃料の体積を予め定められた所定時間ごとに算出する。

以上のように、本実施形態によれば、第１、第２レーザ光（波動）は、直進性を備えており、また、液面に当たったときの入射角度と反射角度とは等しい状態で底面部１１に至る。よって、算出部１４０は、所定の角度θ１と、第１レーザ光の位置Ｃ（Ｇ）と、第２レーザ光の位置Ｆとを基にして、幾何学的に（数式１０、８、９、１２によって）、液面の位置Ｈ、に加えて底面部１１に対する液面の相対的な傾きθ２、θ３を算出することができる。液面の相対的な傾きθ２、θ３を算出できることで、液面の位置Ｈの変化が、本来の液量の変化によるものなのか、燃料タンク１０の傾きによるものなのかを特定することが可能となる。そして、上記算出においては、使用する液体の密度に影響されることがないので、事前に正確な液体の特性を把握しておく必要がない。

また、本実施形態では、上記のように液面の位置Ｈ、および液面の相対的な傾きθ２、θ３を所定の角度θ１と、第１レーザ光の位置Ｃ（Ｇ）と、第２レーザ光の位置Ｆとを基にして算出する。よって、底面部１１に対する液面の相対的な傾きθ２、θ３が発生する場合でも特許文献１で説明したような伝送管を必要とせず、シンプルな構成とすることができる。

また、本実施形態では、波動として、光（レーザ光）を用いることで、好適な直進性、反射特性が得られ、理論に一致した結果を算出できる。

また、体積算出式によって、燃料の体積が算出可能となることで、燃料の補給等、今後の対応に備えることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態の液面検出装置１００Ａを図５に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態における液面検出装置１００に対して、警告部１５０を追加したものである。

警告部１５０は、車両の運転者（使用者）に対して、燃料タンク１０内の燃料の体積が、少なくなったことを警告する警告手段である。運転者に対する警告は、例えば、ブザー、チャイム、あるいは音声等による注意喚起である。

算出部１４０は、上記第１実施形態で説明したように、燃料タンク１０内の燃料の体積が、予め定めた所定体積を下回ったと判定すると、上記警告部１５０を作動させるようになっている。これにより、運転者は速やかに燃料の補給等の処置を行うことが可能となる。

（その他の実施形態）
上記第１、第２実施形態では、第１、第２発光素子１１０、１２０を用いて、第１、第２発射部から発射する波動を、光（レーザ光）とし、また、発射された光を検知する検知部として受光部１３０（光感素子１３１）を用いるものとした。しかしながら、これに限定されることなく、波動としては、音（例えば、超音波）を用いるものとしてもよい。この場合は、第１、第２発射部、および検知部として、音波振動子とすることで対応が可能である。

また、上記第１実施形態において、燃料タンク１０の体積算出にあたっては、省略したものとして、液面の位置Ｈの大小によって、燃料の体積の大小を把握するものとしてもよい。

１０ 燃料タンク（容器）
１１ 底面部
１００、１００Ａ 液面検出装置
１１０ 第１発光素子（第１発射部）
１２０ 第２発光素子（第２発射部）
１３０ 受光部（検知部）
１４０ 算出部
１５０ 警告部

Claims (4)

1. 容器（１０）内に貯留される液体の液面の位置（Ｈ）を検出する液面検出装置であって、
   前記容器（１０）の底面部（１１）と所定の角度（θ１）をもって、前記底面部（１１）の所定位置（Ｏ）から液面に向かう方向に、第１の波動を発射する第１発射部（１１０）と、
   前記第１の波動とは逆の方向で、前記底面部（１１）と前記所定の角度（θ１）をもって、前記所定位置（Ｏ）から液面に向かう方向に、第２の波動を発射する第２発射部（１２０）と、
   前記底面部（１１）に配置されて、前記液面で反射して前記底面部（１１）に至る前記第１の波動の位置（Ｃ）、および前記液面で反射して前記底面部（１１）に至る前記第２の波動の位置（Ｆ）を検知する検知部（１３０）と、
   前記所定の角度（θ１）、前記第１の波動の位置（Ｃ）、および前記第２の波動の位置（Ｆ）を基にして、前記液面の位置（Ｈ）、および前記底面部（１１）に対する前記液面の相対的な傾き（θ２、θ３）を算出する算出部（１４０）とを備えることを特徴とする液面検出装置。
2. 前記第１の波動、および前記第２の波動は、光であることを特徴とする請求項１に記載の液面検出装置。
3. 前記算出部（１４０）は、前記液面の位置（Ｈ）、前記液面の相対的な傾き（θ２、θ３）、および予め把握された前記容器（１０）に関する形状特性を基にして、前記液体の体積を算出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. 前記算出部（１４０）は、前記液体の体積が予め定めた所定体積を下回ると、使用者に対する警告を行う警告部（１５０）を作動させることを特徴とする請求項３に記載の液面検出装置。

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