JP2020085724A - 液面検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出信号にのるノイズが低減された液面検出装置を提供する。【解決手段】液面検出装置１００は、超音波発振素子１１と、ケース１５と、金属管２２と、接続部材１３と、を備える。金属管２２は、超音波の伝播経路であってケース１５の底部１５１から延びる伝播経路４を形成する。接続部材１３は、超音波発振素子１１と電気的に接続し、超音波発振素子１１に取り付けられ、ケース１５の蓋部１５２に向かって延びる。金属管２２は、金属管２２における伝播経路４を形成する部分２２１から延長された延長管部２２２を有する。接続部材１３の少なくとも一部が延長管部２２２内に存在する。【選択図】図１

Description

本開示は、液面検出装置に関する。

液体を貯蔵するタンク内の底部において、超音波発振素子によって超音波を送信し、液面で反射した反射波を受信することにより、液面の位置を検出する液面検出装置がある。特許文献１には、このような液面検出装置が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られることが記載されている。

また、特許文献１には、液面検出装置として、超音波発振素子を収納するケースと、ケースの一端側に取り付けられるとともに、内部空間が超音波発振素子から送信された超音波の伝播経路を形成する筒状の伝送管とを備えるものが記載されている。この液面検出装置においては、超音波発振素子に電圧を印加するためのリード線が超音波発振素子に接続され、リード線は伝送管の延びる方向と反対側に延び、ケース外へ延出されている。

特開２００６−１１９０４６号公報

しかしながら、本発明者らの詳細な検討の結果、特許文献１に記載されている液面検出装置においては、超音波発振素子に電気的に接続する接続部材としてのリード線が十分に電気的にシールドされておらず、検出信号にノイズがのる場合があることが判明した。ノイズの発生源としては、具体的には、タンク内の燃料をエンジンに供給するためのポンプを駆動するモータ、及び自動車の周囲に存在する電子・電気機器、例えば道路に埋め込まれたロードヒータなどが挙げられる。

本開示の一局面は、検出信号にのるノイズが低減された液面検出装置を提供する。

本開示の一態様は、液面の位置を検出する液面検出装置（１００）であって、超音波発振素子（１１）と、ケース（１５）と、金属管（２２）と、接続部材（１３）と、を備える。超音波発振素子は、超音波を送受信可能である。ケースは、超音波発振素子を収容する収容室（１６）を形成するケースであって、超音波発振素子の超音波を送受信する面側に設けられた底部（１５１）と、超音波発振素子の超音波を送受信する面と反対の面側に設けられた蓋部（１５２）と、底部と蓋部との間に設けられ、底部と蓋部とともに収容室を画定する外周部（１５３）と、を有する。金属管は、超音波の伝播経路であってケースの底部から延びる伝播経路（４）を形成する。接続部材は、超音波発振素子と電気的に接続し、超音波発振素子に取り付けられ、ケースの蓋部に向かって延びる。金属管は、金属管における伝播経路を形成する部分（２２１）から延長された延長管部（２２２）を有する。接続部材の少なくとも一部が延長管部内に存在する。

このような構成によれば、超音波発振素子と電気的に接続する接続部材の少なくとも一部が金属管の延長管部によって電気的にシールドされるため、検出信号にのるノイズを低減することができる。

液面検出装置の断面図である。 センサ部の水平断面図である。 センサ部の垂直断面図である。

以下、本開示の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
［１．構成］
図１に示す液面検出装置１００は、車両に搭載され、液体の燃料を貯蔵するタンク２００内の底部において、超音波を送信し、液面で反射した反射波を受信することにより、液面の位置を検出する装置である。なお、図１に示す液面検出装置１００の一部については、内部構造を分かりやすく示すため、断面ではなく側面を示している。液面検出装置１００は、機能的な見地から見て、大きく２つの機能部、具体的には、センサ部１と、ハウジング部２と、を備える。

センサ部１は、全体として超音波の送受信部として機能するアセンブリである。図２に示すように、センサ部１は、超音波発振素子１１と、接続部材１３と、弾性体１４と、ケース１５と、外部接続端子１７とを備える。

超音波発振素子１１は、超音波を送受信する素子である。超音波発振素子１１は、ＰＺＴなどのピエゾ効果を有する物質によって、円盤状に構成されている。ピエゾ効果とは、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のことである。超音波発振素子１１の両面にはそれぞれ、ほぼ全面に印刷された電極が設けられている。超音波発振素子１１は、両面の電極間に、図１に示すリード線３を介して外部の電気回路から電圧が印加されると、上述したピエゾ効果により板厚方向である中心軸Ａ方向に振動することにより超音波を発振する。

弾性体１４は、超音波発振素子１１の中心軸Ａと同軸に配置された概略円柱状の部材である。軸方向両側の２つの端面のうち、第１の面が超音波発振素子１１に当接しており、第２の面が後述するケース１５の蓋部１５２に当接している。弾性体１４は、例えば柔軟な樹脂やゴムなどの弾性材料で形成されている。

ケース１５は、超音波発振素子１１及び弾性体１４を収容する収容室１６を形成する。ケース１５は、底部１５１と、蓋部１５２と、外周部１５３とを有する。底部１５１は、超音波発振素子１１の超音波を送受信する面１１１（以下、「おもて面１１１」と称す）側に設けられる。蓋部１５２は、超音波発振素子１１の超音波を送受信する面１１１と反対の面１１２（以下、「裏面１１２」と称す）側に設けられる。外周部１５３は、底部１５１と蓋部１５２との間に設けられ、底部１５１と蓋部１５２とともに収容室１６を画定する。底部１５１及び外周部１５３は、有底円筒状に一体に形成されており、蓋部１５２はこれらと別体である。蓋部１５２は、外周部１５３に設けられた爪に蓋部１５２に設けられた穴又は溝が引っかかることにより、外周部１５３に固定される。蓋部１５２が外周部１５３に固定された状態において、弾性体１４は、蓋部１５２により圧縮され弾性変形した状態でケース１５の収容室１６に収容されるように、中心軸Ａの方向における寸法が大きめに設計されている。このため、超音波発振素子１１は、弾性体１４の弾性力によりケース１５の底面に押し付けられた状態で固定される。

接続部材１３は、超音波発振素子１１に取り付けられ、超音波発振素子１１と外部接続端子１７とを電気的に接続する端子である。接続部材１３は金属板で形成されている。
本実施形態の液面検出装置１００は、図２に示すように、接続部材１３として、第１の接続部材１３１と第２の接続部材１３２とを備えている。第１の接続部材１３１と第２の接続部材１３２とは、弾性体１４を挟んで対向する位置に設けられている。図１においては、第１の接続部材１３１は手前側に設けられ、第２の接続部材１３２は奥側に設けられている。

第１の接続部材１３１は、その一端が、図２に示すように、超音波発振素子１１のおもて面１１１と裏面１１２とを挟んで保持する、挟持部１３１ａとなっている。第２の接続部材１３２も同様である。超音波発振素子１１の裏面１１２と挟持部１３１ａとの間にはインシュレータ１２が介在しており、挟持部１３１ａは超音波発振素子１１の裏面１１２とは直接接触しない。一方、超音波発振素子１１の裏面１１１と第２の接続部材１３２の挟持部１３２ａとの間にもインシュレータ１２が介在しており、挟持部１３２ａは、超音波発振素子１１の裏面１１２とは直接接触していない。インシュレータ１２は、例えば樹脂材料やセラミックス材料などの絶縁材料で形成されている。なお、第１の接続部材１３１はグランド側の端子である。すなわち、第１の接続部材１３１は接地されている。

以下、第１の接続部材１３１と第２の接続部材１３２とは、同様の構成を有するため、第１の接続部材１３１についてのみ説明する。
図２に示すように、第１の接続部材１３１は、超音波発振素子１１から蓋部１５２に向かって延びている。具体的には、第１の接続部材１３１は、中心軸Ａに沿う方向に延びている。また、第１の接続部材１３１は、弾性体１４とケース１５の外周部１５３との間に設けられ、ケース１５の外周部１５３の内面に沿っている。第１の接続部材１３１における挟持部１３１ａと反対側の端部は、蓋部１５２に設けられた孔１８を通って、収容室１６の外側へ突出している。また、第１の接続部材１３１における、収容室１６の外側へ突出している端部は、外部接続端子１７と接続している。図１に示すように、第１の接続部材１３１において、外部接続端子１７と接続する端部と、挟持部１３１ａとの間は、中心軸Ａに沿う方向に対して波状に湾曲した構造になっている。これは、超音波発振素子１１に第１の接続部材１３１を取り付ける際に、挟持部１３１ａが超音波発振素子１１を挟む位置がずれないように、第１の接続部材１３１に加わる外力を吸収するためである。

ここで、ケース１５は樹脂製である。ケース１５が例えば金属製である場合、第１の接続部材１３１がケース１５の外周部１５３の内面に沿って設けられているため、短絡する可能性がある。また、ケース１５が金属製である場合、超音波発振素子１１から送信された超音波が、ケース１５の底部１５１で反射してしまうことがある。本実施形態ではケース１５は絶縁性の樹脂材料で形成されている。

次に、ハウジング部２について説明する。ハウジング部２は、全体として超音波の伝播経路として機能するアセンブリである。図１に示すように、ハウジング部２は、ボディ２１と、第１の金属管２２と、第２の金属管２３と、反射板２４とを有する。

ボディ２１は、センサ部１、第１の金属管２２、第２の金属管２３及び反射板２４を保持及び固定する樹脂製の部材である。第１の金属管２２、第２の金属管２３及び反射板２４は、ボディ２１に装着されている。ボディ２１は、タンク２００の底面に固定されている。センサ部１は、超音波発振素子１１の中心軸Ａが第１の金属管２２の中心軸Ａと同軸となるようにボディ２１に取り付けられている。

第１の金属管２２は金属製の筒である。本実施形態では、第１の金属管２２はステンレス鋼製である。第１の金属管２２は、伝播管部２２１と、延長管部２２２とを有する。
伝播管部２２１は、概略円錐台状の筒である。伝播管部２２１の、中心軸Ａと直交する面における断面は円形である。

伝播管部２２１は、超音波の伝播経路であってケース１５の底部１５１から延びる第１の伝播経路４を形成する。第１の伝播経路４は、ケース１５の底部１５１から、中心軸Ａに沿って、ケース１５の蓋部１５２と反対側に向かって延びている。第１の伝播経路４は、円錐部４１と、直線部４２と、段部４３とを有する。円錐部４１は、超音波発振素子１１から離れるにつれて断面積が徐々に縮小する円錐台状の部分である。換言すると、円錐部４１は、中心軸Ａと直交する面における断面の直径が、超音波発振素子１１から離れるにつれて縮小する。直線部４２は、断面積が一定、つまり直管状の部分である。段部４３は、円錐部４１と直線部４２とを連結する部分であって、円錐部４１における超音波発振素子１１が設けられる端部と反対側の端部においてステップ状に断面積が縮小する部分である。段部４３の存在により、第１の金属管２２には、円環状の基準面２２３が形成されている。

延長管部２２２は、第１の金属管２２において、伝播管部２２１から延長された部分である。延長管部２２２は、具体的には、第１の接続部材１３１及び第２の接続部材１３２の少なくとも一部が延長管部２２２内に存在するように、伝播管部２２１から延長されている。具体的には、延長管部２２２は、伝播管部２２１から、中心軸Ａに沿って、ケース１５の蓋部１５２に向かって延びている。本実施形態では、図２の矢印Ｃに示すように、延長管部２２２は、伝播管部２２１から、収容室１６における蓋部１５２側の端１６１を越え、蓋部１５２の厚さ方向、すなわち中心軸Ａに沿う方向の途中まで延長されている。また、延長管部２２２は、ケース１５の外周部１５３の外側を覆っている。本実施形態では、延長管部２２２は、ケース１５の外周部１５３の全周を覆っている。

第２の金属管２３は、直管状の金属製の筒である。本実施形態では、第２の金属管２３はステンレス鋼製である。第２の金属管２３は、第２の金属管２３の中心軸Ｂが中心軸Ａと直交し、かつ第１の金属管２２における直線部４２側の端部と、ボディ２１を介して連続するように設けられている。第２の金属管２３は、中心軸Ｂと直交する面における断面が円形である。第２の金属管２３の上方端部は、タンク２００の燃料の貯蔵量が最大時における液面よりも、所定長さだけ上方に突出するように位置する。第２の金属管２３は、超音波の伝播経路の一部である第２の伝播経路５を形成している。第２の伝播経路５は、タンク２００の底部から液面に向かって延びている。具体的には、タンク２００の底部から鉛直方向に延びている。本実施形態における第２の伝播経路５の直径は、直線部４２の直径と等しい。

反射板２４は、金属製の板である。反射板２４は、ボディ２１に保持及び固定された状態において、第１の金属管２２の中心軸Ａと第２の金属管２３の中心軸Ｂとが、反射板２４の反射面２４１にて交差するように配置されている。反射板２４は、超音波発振素子１１から送信された超音波を燃料の液面に向けて反射する。具体的には、反射板２４は、第１の金属管２２の中心軸Ａに沿って進む超音波を、液面への入射角が０°となる方向、すなわち液面に直交する方向に向けて反射するように設置されている。本実施形態では、反射板２４は、液面に対して４５°傾斜するように設けられている。

以上のような構成により、リード線３、外部接続端子１７、第１の接続部材１３１及び第２の接続部材１３２を介して超音波発振素子１１にパルス状電圧が印加されると、超音波発振素子１１が振動し、ケース１５の底部１５１を介して超音波が第１の伝播経路４に送信される。反射板２４を介し液面で反射した反射波又は基準面２２３で反射した反射波をセンサ部１が受信すると、その圧力作用によりケース１５の底部１５１が振動し、これに伴い超音波発振素子１１も振動する。これにより、超音波発振素子１１は電圧を発生し、当該電圧が第１の接続部材１３１、第２の接続部材１３２、外部接続端子１７及びリード線３を介して外部の電気回路に出力信号として入力される。

本実施形態では、グランド側の端子である第１の接続部材１３１と、延長管部２２２とが、電気的に接続されている。具体的には、図３に示すように、ケース１５の外周部１５３に設けられた貫通孔１５４を通る部材１９によって、第１の接続部材１３１と延長管部２２２とが電気的に接続されている。本実施形態では、部材１９はリード線である。なお、図２においては部材１９を図示しておらず、図３においてはインシュレータ１２を図示していない。

［２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（２ａ）第１の接続部材１３１及び第２の接続部材１３２の少なくとも一部が第１の金属管２２の延長管部２２２内に存在するため、第１の接続部材１３１及び第２の接続部材１３２が電気的にシールドされる。その結果、検出信号にのるノイズが低減される。

（２ｂ）延長管部２２２は、伝播管部２２１から少なくとも収容室１６におけるケース１５の蓋部１５２側の端１６１まで延長されている。すなわち、第１の接続部材１３１及び第２の接続部材１３２の大部分が延長管部２２２で覆われている。そのため、第１の接続部材１３１及び第２の接続部材１３２が、延長管部２２２によってより効果的に電気的にシールドされる。

（２ｃ）第１の接続部材１３１は接地されており、第１の接続部材１３１と延長管部２２２とが電気的に接続されている。延長管部２２２がグランドに電気的に接続されているため、第１の接続部材１３１及び第２の接続部材１３２が、延長管部２２２によってより効果的に電気的にシールドされる。また、延長管部２２２を、すでに接地されている第１の接続部材１３１に接続するため、例えば延長管部２２２を接地するための配線を、新たに設けなくて済む。

［３．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（３ａ）延長管部２２２の形状は上記実施形態に示される形状に限定されない。
具体的には、上記実施形態では、延長管部２２２がケース１５の外周部１５３の全周を覆っているが、延長管部２２２が必ずしも外周部１５３の全周を覆っていなくてもよい。例えば、外周部１５３の全周を延長管部２２２が部分的に覆っていてもよい。具体的には、延長管部２２２がパンチングメタルで形成されたり、網状になっていたりしてもよい。このような場合において、外周部１５３の全周のうち延長管部２２２で覆われている部分の割合は、生じるノイズの強度が所望の値以下となるように、ノイズの発生源の位置などに応じて適宜設定することができる。生じるノイズをより効果的に低減するため、外周部１５３の全周のうち延長管部２２２で覆われている割合は大きい方が好ましい。そのため、延長管部２２２が外周部１５３の全周を覆うことが好ましい。

また、上記実施形態では、延長管部２２２の端部は、円管を中心軸Ａに垂直な面で切断した形状であるが、延長管部２２２の端部の形状はこれに限定されない。例えば、延長管部２２２の端部が、円管を中心軸Ａに対し傾いた面で切断した形状であってもよい。延長管部２２２の端部の形状は、生じるノイズの強度が所望の値以下となる範囲で、センサ部１を構成する他の部材の配置、ノイズの発生源の位置などに応じて適宜設定することができる。

（３ｂ）上記実施形態では、第１の接続部材１３１と延長管部２２２とを電気的に接続する部材１９がリード線であるが、部材１９はこれに限定されない。例えば、部材１９としてリード線にかえて端子を用いてもよい。また、第１の接続部材１３１の一部を部材１９としてもよい。

（３ｃ）上記実施形態では、延長管部２２２が第１の接続部材１３１を介して接地されているが、延長管部２２２が第１の接続部材１３１を介さずに接地されていてもよい。
（３ｄ）上記実施形態では、第１の接続部材１３１と延長管部２２２とが、ケース１５の外周部１５３に設けられた貫通孔１５４を通る部材１９によって、電気的に接続されている。しかし、第１の接続部材１３１と延長管部２２２との接続方法はこれに限定されない。例えば、延長管部２２２の一部を、蓋部１５２を貫通して突出するまで延長させ、その突出させた部分と、グランドに接続する外部接続端子１７とを、接続してもよい。また、外周部１５３と蓋部１５２との間を通る部材によって、第１の接続部材１３１と延長管部２２２とを接続してもよい。

（３ｅ）上記実施形態では、第１の金属管２２及び第２の金属管２３がステンレス鋼製であるが、第１の金属管２２及び第２の金属管２３を構成する金属はこれに限定されない。例えば、金属として、鉄、アルミニウム、並びにこれらに対してＮｉめっき及びＺｎめっきなどのめっき処理を施したものが挙げられる。

（３ｆ）上記実施形態では、ケース１５が絶縁性の樹脂材料で形成されているが、ケース１５の材質はこれに限定されない。例えば、ケース１５は導電性の樹脂材料で形成されていてもよい。

（３ｇ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換などしてもよい。

１…センサ部、２…ハウジング部、４…第１の伝播経路、１１…超音波発振素子、１３…接続部材、１３１…第１の接続部材、１３２…第２の接続部材、１５…ケース、１５１…底部、１５２…蓋部、１５３…外周部、１６…収容室、１６１…収容部の蓋部側の端、２２…第１の金属管、２２１…伝播管部、２２２…延長管部、１００…液面検出装置。

Claims (5)

1. 液面の位置を検出する液面検出装置（１００）であって、
   超音波を送受信可能な超音波発振素子（１１）と、
   前記超音波発振素子を収容する収容室（１６）を形成するケース（１５）であって、前記超音波発振素子の超音波を送受信する面側に設けられた底部（１５１）と、前記超音波発振素子の超音波を送受信する面と反対の面側に設けられた蓋部（１５２）と、前記底部と前記蓋部との間に設けられ、前記底部と前記蓋部とともに前記収容室を画定する外周部（１５３）と、を有する前記ケースと、
   超音波の伝播経路であって前記ケースの前記底部から延びる前記伝播経路（４）を形成する、金属管（２２）と、
   前記超音波発振素子と電気的に接続し、前記超音波発振素子に取り付けられ、前記ケースの前記蓋部に向かって延びる接続部材（１３）と、
   を備え、
   前記金属管は、前記金属管における前記伝播経路を形成する部分（２２１）から延長された延長管部（２２２）を有し、
   前記接続部材の少なくとも一部が前記延長管部内に存在する、液面検出装置。
2. 前記延長管部は、前記金属管の前記伝播経路を形成する部分から少なくとも前記収容室における前記ケースの前記蓋部側の端まで延長されている、請求項１に記載の液面検出装置。
3. 前記ケースは樹脂製であり、前記接続部材は、前記ケースの前記外周部の内面に沿っている、請求項１又は請求項２に記載の液面検出装置。
4. 前記接続部材は接地されており、
   前記接続部材と前記金属管とが電気的に接続されている、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の液面検出装置。
5. 前記延長管部は、前記ケースの前記外周部の外側を覆う、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の液面検出装置。

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