JP2007535661A - 回転アーム上の浮子に取り付けられた回転角センサを使用する燃料液面センサ - Google Patents

Abstract

浮子に取り付けるためのアームに接続された磁気位置センサを有する、燃料液面センサが提供される。磁気位置センサは、固定子および可動部を備え、固定子は、ギャップを画定する２つの軟磁性片を有し、そのギャップには、ギャップ内の磁気誘導の変動を測定するための磁気感受性プローブが備わっており、可動部は、固定子の磁性片と平行に変位可能な、軟磁性材料からなるヨークと、固定子に面したヨークの空洞内に一部分が埋め込まれた磁石とを備え、磁石の極は、固定子に対する可動部の移動方向に対して垂直に分極されている。

Description

本発明は燃料液面センサに関する。

その開示が本明細書に組み込まれる特許文献１は、固定子および可動部を有する磁気位置センサを開示している。固定子は、ギャップを画定する２つの軟磁性片を有し、そのギャップには、ギャップ内の磁気誘導の変動を測定するための磁気感受性プローブ、例えばホール効果センサが備わっている。可動部は、固定子の磁性磁極片と平行に変位可能な軟磁性材料のヨークと、ヨーク内に一部分が埋め込まれた磁石とを備える。磁石の極は、これらの固定子片と平行である。固定子に対して磁石が移動することにより、ギャップ内の磁界が変動し、磁気感受性プローブが、固定子に対する磁石の位置を表す信号を発生する。
米国特許第６５９３７３４号

現在使用されている燃料液面センサの大部分は、回転式のアームによって電気抵抗性ストリップに沿って移動する導電性ワイパに接続された浮子を使用している。これにより、センサの抵抗がワイパの移動に伴って変化する。ストリップを通る電流の変化が燃料液面の変動を示す。これらのセンサは、燃料タンク内で動作し、しばしば燃料ポンプを収容したアセンブリに取り付けられる。ワイパおよび抵抗性ストリップは、燃料にさらされる。燃料液面センサは、長期間確実に動作することが期待される。しかし、ストリップは、ワイパによって絶えず摩擦され、一部の燃料は腐食性であり、また燃料がきれいであるほど磨耗をひどくすることが分かっている。さらに、ワイパの接触面をきれいに保つために、また燃料によってセンサ上に堆積された被膜を加熱除去するために、数十ｍＡの動作電流がしばしば使用される。

本発明は、浮子に取り付けるためのアームに接続された磁気位置センサを有する燃料液面センサであって、磁気位置センサが固定子および可動部を備え、固定子が、ギャップを画定する２つの軟磁性片を有し、そのギャップには、ギャップ内の磁気誘導の変動を測定するための磁気感受性プローブが備わっており、可動部が、固定子の磁性片と平行に変位可能な軟磁性材料からなるヨークと、ヨークに結合された磁石とを備え、磁石の極が、固定子に対する可動部の移動方向に対して垂直に分極されている、燃料液面センサを提供する。

適切には、磁石の極は、固定子のこれらの磁性片と平行である。固定子に対して磁石が移動すると、ギャップ内の磁界が変動し、磁気感受性プローブが、固定子に対する磁石の位置を表す信号を発生する。
適切には、磁石は、ヨークの空洞内に一部分が埋め込まれている。

こうした磁気位置センサは、互いに接触しない固定子および可動部を有し、したがって２つの部分の摩擦による磨耗が回避される。磁気感受性プローブを有する磁気センサ、例えばホール効果センサを使用すると、電流消費量が低減される。燃料によって堆積された被膜を加熱除去するための電流を供給する、またはワイパの接触面をきれいに保つ必要がないので、電流消費量はさらに低減される。

燃料液面センサは、燃料タンク内での組立てを容易にするために、しばしば燃料ポンプにごく近接して配置される。ポンプのモータの磁界によって引き起こされる、または鉄のケーシングもしくは支持体が近接していることによって引き起こされる磁界に対して堅固な耐性をもたらすことが、本発明の１つの特徴である。これらの磁界は、他の検出技術、例えば、磁束の向きの検出を利用する技術に、より容易に影響を与えることがあり、それにより追加の磁気遮蔽が必要となる可能性がある。

一実施形態では、磁気感受性プローブはホール効果センサである。現在の好ましい一実施形態では、ホール効果センサは、演算回路および何らかのメモリをも有する集積回路（ＩＣ）の一部である。
このＩＣは、機械的エラーを低減させるための最小および最大の出力を設定するように、あらかじめプログラムすることができる。

一実施形態では、このＩＣは、燃料の液面を示す信号リード線の役割も果たす２本の電源リード線を有する。このＩＣは、磁気位置センサからの位置信号を、パルス符号変調された２値信号に変換するが、それは電源電流を変調したものであり、例えば一方のレベルが５ｍＡであり、他方のレベルが１０ｍＡである。

現代の車両は、計器およびエンジンの管理用のコンピュータを少なくとも１つ有する。本発明の一実施形態では、車両のコンピュータが、燃料液面センサからの燃料液面信号を、燃料タンクの形状を考慮に入れた計器の指示値に変換する。あるいは、ホール・センサがその一部であるこのＩＣは、燃料タンクの形状に適合するように、燃料液面センサの出力を較正する手段を有することもできる。こうした手段は、プログラム可能なデバイス、例えばルック・アップ・テーブルとすることができ、これは任意の燃料タンクの形状に従ってプログラムすることができる。したがって、異なる燃料タンク用に異なるセンサを設計するどんな必要も（プログラミングは別として）回避することができる。
このＩＣは、他の情報、例えば故障指示情報および／または部品識別情報も提供することができる。このＩＣは、他の信号処理、例えば温度補償を行うこともできる。

燃料液面センサの一実施形態では、燃料中に完全に浸すことのできるハウジング内または封入材中に、少なくとも位置センサを有する。少なくとも位置センサは、適切な封入材に封入することができる。適切な封入材の一例は、ビニルエステル樹脂である。

本発明は、この燃料液面センサを収容している燃料タンクも提供する。本発明は、この燃料液面センサを備える車両も提供する。
本発明をよりよく理解するために、ここで例示のために添付の図面が参照される。

図１のセンサは、固定された固定子１と、有効な行程Ｘｃを有し、その行程上で送出される信号が高い線形性を有する、ＯＸ方向に可動な部分２とを備える。
固定子は、環の四半分の形をとる、軟磁性材料からなる２つの固定子片３、４を備える。可動部２は、半円形の軟鉄のヨーク５を有する。固定子片３、４およびヨーク５は、それらの間で、主ギャップ７を画定する。ヨーク５は空洞６を有し、その中には、ギャップ７に対して垂直に、すなわちこの場合は径方向に磁化された、磁石８が収容されている。

固定子は、磁気感受性プローブ１０が中に配置された長さＦの副ギャップ９によって離隔された、２つの強磁性片３、４を有する。２つの固定子片３、４は、例えば黄銅製の非磁性体片によって結合され、可動部の回転軸と同軸である同じ円柱面上に位置合せされる。

行程Ｘｃは、磁化部分の平均半径Ｒｍの円に沿って可動部が移動する角度が切り取る弧の幅である。磁石の行程は、磁気感受性プローブがその中に主ギャップに対して垂直に配設されている副ギャップの中心に対して±Ｘｃ／２の範囲に及ぶ。

可動部２は、軟磁性材料からなるヨーク５およびヨーク５内に一部分が埋め込まれた永久磁石８を備える。磁石８は径方向に、すなわち換言すれば、ＯＸに対して垂直に分極されている。可動部２は、ＯＸに対して垂直に測定して一定の最小距離Ｙｏのところを、固定子片３、４と平行に変位する。

永久磁石８は、可動ヨーク５のほぼ中央に位置する空洞内で、固定子片３、４の側に、０．１Ｌ＜ｅ＜０．９Ｌとなるような深さｅで一部分が埋め込まれている。ただし、Ｌは磁石８の分極方向の厚さである。深さｅは、センサの特性が最適になるように決定される。
永久磁石８は、ヨーク５と共に、一定の最小距離Ｅ−Ｌのところを固定子片３、４と平行に変位する。ただしＥは、ＯＸに対して垂直に測定された、固定子片と空洞の底の間の距離である。ヨーク５は、固定子からＥ−Ｌより大きいＹｏ＝Ｅ−ｅに等しい最小距離のところに位置する。

磁石８の平均半径Ｒｍの円に沿って測定された固定子片３、４の幅Ｘｓは、Ｘｃ以上であり、全体の行程Ｘｃの上で線形性の高い信号を得るために、好ましくはＸｃ＋２Ｅ’にほぼ等しい。ただし、Ｅ’はｅ／４〜Ｅの範囲である。
好ましくは、磁石８の平均半径Ｒｍの円に沿って測定された可動ヨーク５内の空洞の幅、および磁石８の幅は、Ｘｃ＋Ｆ以上であり、好ましくはＸｃ＋Ｆ＋２Ｅ’にほぼ等しい。

有利な一変更形態によれば、磁石８の平均半径Ｒｍの円に沿って測定された可動ヨーク５の幅は、少なくとも３Ｘｃ＋Ｆ＋６Ｅ’に等しい。
有利な一変更形態によれば、Ｌ／Ｅの比は、０．５以上であり、好ましくは０．７５以上である。

有利な一変更形態によれば、Ｘｓ／Ｅの比は比較的大きく、好ましくは８より大きい。
有利な一変更形態によれば、磁石８、可動ヨーク５、および強磁性固定子片３、４は、磁化方向とも変位ＯＸの方向とも垂直な軸に沿って測定された長さＺが同じであり、好ましくは３Ｅ以上である。

これらの有利な変更形態により、所望の測定範囲に適合された、幾何形状および体積が最適な磁石８を有するセンサを定義することが可能になる。

磁気感受性プローブ１０は、ホール効果プローブ、磁気抵抗プローブ、磁気トランジスタなどでよい。重要なことは、送出される信号が、その要素が配置される場所の磁気誘導に対して、可能な限り線形関係にあることである。

永久磁石８は、様々なタイプのものとすることができ、好ましくはサマリウム−コバルトまたはＮｄＦｅＢの磁石８が、または場合によってはＡｌＮｉＣｏまたはフェライト・タイプなどの磁石８でさえも使用される。信号の優れた線形性を得るために、磁石は、１に近い、好ましくは１．２未満の可逆透磁率を有する。低い温度係数を有する磁石８を選択することが好ましい。

強磁性固定子部および可動ヨーク５は、鉄−ニッケル、鉄−シリコン、純鉄などで作製することができる。

磁石８は可動ヨーク５上に直接固定されているので、磁石用のガイド片を導入する必要はない。磁石８をヨーク５内に埋め込むことにより、磁石８の接合品質に対するセンサの影響されやすさを低減させることも可能になり、また製造作業中に磁石をヨーク５上に配置することが容易になる。

磁石８の体積を最小限に抑えること、または磁気誘導の変動ΔＢを増大させ、それにより信号対雑音比を高めることが可能である。
可動ヨーク５内に設けられる空洞の深さｅは、空洞がなく（ｅ＝０）、磁石８が同一で全体的な外側の寸法が同じ場合に比べて、磁気回路から磁気感受性プローブ１０に送出される磁気誘導を増大させるために、かつ／または行程に沿ったセンサの線形性を向上させるために、慎重に選択する。

永久磁石８を埋め込むと、漏れ磁束の分布および大きさが修正され、したがってセンサの線形性に影響を及ぼすことが可能になる。線形性が、永久磁石８が一部分埋め込まれた空洞６の深さの関数として変動することは、証明することができる。

図２を参照すると、図１の車両用燃料液面センサ４２は、プラスチック成形品でよい基礎フレーム４０を備える。基礎フレーム４０は、ギャップ９を画定する磁極片３、４を備える固定子１を支持し、ギャップ９内にはホール効果センサ１０がある。基礎フレーム４０は、ホール効果センサに接続する電気コネクタのリード・フレーム１４も支持する。ヨーク５は、空洞６に一部分が埋め込まれた磁石８を有する。ヨークは、ベアリング４１を軸にして回転する。ヨークは、浮子（図示せず）に取り付けるためのアーム１２に接続される。

図３を参照すると、図１および図２の燃料液面センサ４２は、ホール効果センサ１０を備えており、それはアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１８に接続されている。Ａ／Ｄ変換器の出力は、例えば演算回路およびメモリＭ、２２を有するデジタル処理装置である、信号処理装置２０に接続される。処理装置の出力は、端子Ｔに接続された電源リード線２８を流れる電流を２値変調する、パルス符号変調器２４に接続される。この２値の符号は、例えば５ｍＡおよび１０ｍＡの電流でよいが、他のどんな適切な値を使用することもできる。電源２６が、要素４２、１８、２０および２４に、リード線２８内の電流の変調の影響を受けない直流を供給する。

図３のセンサの別のバージョンでは、ホール効果センサ１０が、Ａ／Ｄ変換器１８も処理装置２０も、また任意選択で変調器２４も有するＩＣの一部である。

メモリ２２は、ホール効果センサの出力を燃料タンクの形状に従って較正するためのルック・アップ・テーブルＬＵＴを格納することができる。処理装置２０は、ホール・センサ１６の出力に従ってＬＵＴをアドレスし、例えばタンクの形状とは無関係にタンク内の燃料の容積と線形の関係にある値を読み出す。
あるいは、車両は、燃料計を含む車両の計器を操作するためのコンピュータを有することもでき、そのコンピュータは、このようなルック・アップ・テーブルを格納し、処理装置が変調器２４を介してそのコンピュータにホール・センサの「未処理の」出力を供給する。

処理装置２０は、他の機能、例えば故障指示、部品識別、および温度補償の１つまたは複数を提供することもできる。
燃料液面センサ４２は、燃料ポンプの一部とすることができる。

図３の例ではデジタル信号処理を使用しているが、燃料液面センサの別の例では、燃料液面を表すアナログ信号が提供される。
少なくとも位置センサ４２は、燃料中に完全に浸すことができるように、燃料耐密のハウジング内に収容され、あるいは封入材中に封入される。適切な封入材は、ビニルエステル樹脂である。

位置センサ４２は、外部の磁界に対する耐性をもたらす。この燃料液面センサは簡単である。

磁気位置センサの概略図である。 図１に示すセンサを組み込んだ車両用燃料液面センサの概略図である。 図２の燃料液面センサの構成図である。

Claims (17)

1. 浮子に取り付けるためのアームに接続された磁気位置センサを有する燃料液面センサであって、前記磁気位置センサが、固定子および可動部を備え、前記固定子が、ギャップを画定する２つの軟磁性片を有し、前記ギャップには、そのギャップ内の磁気誘導の変動を測定するための磁気感受性プローブが備わっており、前記可動部が、前記固定子の前記磁性片と平行に変位可能な、軟磁性材料からなるヨークと、前記固定子に面した前記ヨークの空洞内に一部分が埋め込まれた磁石とを備え、前記磁石の極が、前記固定子に対する前記可動部の移動方向に対して垂直に分極されているセンサ。
2. 前記磁気感受性プローブがホール効果センサである、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記磁気位置センサによって発生され、前記固定子に対する前記可動部の位置を表す信号を処理するための信号処理装置をさらに備える、請求項２に記載のセンサ。
4. 前記信号処理装置と前記磁気感受性プローブが、同じ集積回路の一部である、請求項３に記載のセンサ。
5. 前記センサが、２つの電源端子を有し、前記信号処理装置が、前記固定子に対する前記可動部の位置を表す前記信号を前記電源端子上に出力するように動作可能である、請求項３または４に記載のセンサ。
6. 前記信号がパルス符号変調された信号である、請求項５に記載のセンサ。
7. 前記信号処理装置が、故障指示および／または部品識別を行うように動作可能である、請求項３、４、５または６に記載のセンサ。
8. 前記信号処理装置が、温度補償を行うように動作可能である、請求項３、４、５、６または７に記載のセンサ。
9. 燃料ポンプと組み合わせた、前記請求項のいずれかに記載のセンサ。
10. 少なくとも前記磁気位置センサが封入材中に封入される、前記請求項のいずれかに記載のセンサ。
11. 前記封入材がビニルエステル樹脂である、請求項１０に記載のセンサ。
12. 前記信号処理装置が、前記センサの出力を燃料タンクの形状に合わせて較正するようにプログラム可能である、請求項３から９のいずれか一項に記載のセンサ。
13. 前記請求項のいずれかに記載のセンサを備える車両。
14. コンピュータおよび請求項１から１１のいずれか１項に記載のセンサを備える車両であって、前記コンピュータが、前記センサの前記出力を車両の燃料タンクの形状に合わせて較正するように構成されている車両。
15. 実質的に、添付の図面を参照して本明細書に記載されたとおりのセンサ。
16. 請求項１５に記載のセンサを備える車両。
17. 請求項１から１２および１５のいずれか１項に記載の燃料液面センサを収容している、燃料タンク。

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