JP6904268B2 - 液面検出装置 - Google Patents

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の内部の底面において、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知られている。一般に、この種の液面検出装置は、超音波の伝搬経路として機能する内部空間を有するハウジングを備える。伝搬経路は、超音波発振素子が設けられる位置から水平に延びる第１の経路と、第１の経路における超音波発振素子が設けられる位置とは反対側の端部から上方に延びる第２の経路とを有する構成が一般的である。

ところで、例えば、車両に搭載された燃料貯蔵用のタンクにおける液面の位置の検出は、ハウジングの内部に燃料が満たされた状態を前提として行われるが、給油中に雨水がタンク内へ浸入するなどの理由により、ハウジングの内部に水が溜まることがある。そうすると、超音波の伝搬速度は燃料中と水中とでは異なるため、液面の位置の検出精度が低下し得る。特許文献１には、燃料と比較して比重量が大きく伝搬経路の鉛直方向下部に溜まりやすい水の特性を考慮して、伝搬経路の最下部に水抜きのための貫通孔が設けられた液面検出装置が開示されている。

特開２００４−３４７３７８号公報

特許文献１に記載の液面検出装置では、水抜きのための貫通孔が、伝搬経路の最下部であって、ハウジングにおけるその下面がタンクの底面に隙間なく当接する部分に設けられている。したがって、ハウジングの内部に溜まった水をハウジングの外部へ抜くためには、貫通孔から横方向に延びハウジングの外部に通じる溝を別途設ける必要があった。

本開示の一局面は、ハウジングの内部に溜まった水を、簡素な構成によりハウジングの外部へ抜けやすくすることのできる液面検出装置を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、タンクの内部の底面に設けられ、タンクに貯蔵された液体の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、ハウジング（２）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。ハウジングは、超音波が伝搬する伝搬経路を内部に有する。伝搬経路は、第１の経路（４）と、第２の経路（５）と、を有する。第１の経路は、超音波発振素子が設けられる位置から水平に延びる。第２の経路は、第１の経路における超音波発振素子が設けられる位置とは反対側の端部から上方に延びる。第１の経路は、超音波発振素子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経路である円錐部（４１）を有する。ハウジングは、円錐部が形成されている部分の下面が底面から離間した形状であり、円錐部における超音波発振素子側の端部かつ鉛直方向下部にハウジングの内外を連通する貫通孔（６）を有する。

このような構成によれば、ハウジングの内部に溜まった水は、円錐部における超音波発振素子側の端部かつ鉛直方向下部であって、ハウジングにおけるその下面がタンクの底面から離間した部分に設けられた貫通孔から、外へ抜けやすい。その結果、上述した溝などを設ける必要がなく、簡素な構成によりハウジングの内部に溜まった水をハウジングの外部へ抜けやすくすることができる。

本実施形態の液面検出装置の側断面図である。 本実施形態の液面検出装置の側面図である。 本実施形態の液面検出装置の下面図である。 本実施形態の超音波の指向性を示す図である。

以下、本発明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。また、下記の実施形態の説明で用いる符号を特許請求の範囲にも適宜使用しているが、これは本開示の理解を容易にする目的で使用しており、特許請求の範囲の解釈を限定する意図ではない。

［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。センサ部１は、超音波発振素子１１、２つの内部端子１３、弾性体１４、ケース１５、蓋１６及び２つの外部端子１７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（チタン酸ジルコン酸）などのピエゾ効果を有する物質によって、中心軸Ａが規定される形状である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、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。超音波発振素子１１は、絶縁部材と共にケース１５に収容されている。

内部端子１３は、超音波発振素子１１と外部端子１７とを電気的に接続する端子である。内部端子１３は、金属板で形成されている。超音波発振素子１１と内部端子１３とは、はんだ付けにより電気的に接続されている。本実施形態では、２つの内部端子１３が、超音波発振素子１１及び弾性体１４を挟んで両側に設けられている。

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って、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の面が蓋１６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、２つの内部端子１３及び弾性体１４を収容する収容室を有する有底円筒状のケースである。
蓋１６は、ケース１５の収容室を閉じる部材である。蓋１６がケース１５に係止された状態において、弾性体１４は、蓋１６により圧縮され、弾性変形した状態で収容室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。蓋１６に設けられた孔には内部端子１３が挿通されており、内部端子１３の先端部がケース１５の収容室の外側へ突出している。

外部端子１７は、内部端子１３とリード線３とを電気的に接続する端子である。外部端子１７は、金属板で形成されている。外部端子１７の一端は、内部端子１３の先端部と溶接により接合されている。外部端子１７の他端は、リード線３と、圧着等によりかしめられて接続されている。外部端子１７は、ケース１５の収容室の外側において蓋１６に固定されている。

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、内部に超音波を伝搬する伝搬経路を有することで、全体として超音波の伝搬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、ガイドパイプ２２、ガイドパイプ２３及び反射板２４を有する。

ボディ２１は、センサ部１、ガイドパイプ２２、ガイドパイプ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。ガイドパイプ２２、ガイドパイプ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がガイドパイプ２２の中心軸と同軸となるように、ボディ２１に取り付けられている。

ガイドパイプ２２は、概略円錐台状の金属製の筒である。図１では右側にあたる、ガイドパイプ２２の一端側は、センサ部１と対向する位置に設けられている。ガイドパイプ２２は、ガイドパイプ２２の中心軸Ａと直交する方向における断面が円形である。ガイドパイプ２２は、超音波発振素子１１が設けられる位置から水平に延びている、伝搬経路の一部である第１の経路４を形成している。第１の経路４は、円錐部４１、直線部４２及び段部４３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、第１の経路４の中心軸Ａと直交する方向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。ハウジング部２は、円錐部４１が形成されている部分の外形も概略円錐台状である。このため、図２に示すように、ハウジング部２における円錐部４１が形成されている部分の下面は、タンク２００の底面から離間している。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、ガイドパイプ２２には、中心軸Ａと同軸である円環状の基準面２２１が形成されている。

ガイドパイプ２３は、直管状の金属製の筒である。ガイドパイプ２３は、ガイドパイプ２３の中心軸Ｂが中心軸Ａと直交し、かつガイドパイプ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。ガイドパイプ２３は、中心軸Ｂと直交する方向における断面が円形である。ガイドパイプ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。ガイドパイプ２３は、伝搬経路の一部である第２の経路５を形成している。第２の経路５は、タンク２００の底部から、上方、本実施形態では鉛直方向、に延びている。本実施形態における第２の経路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、ガイドパイプ２２の中心軸Ａとガイドパイプ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、ガイドパイプ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、外部端子１７及び内部端子１３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の底面を介して超音波が第１の経路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２２１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の底面が振動し、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、当該電圧が内部端子１３、外部端子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。超音波発振素子１１から基準面２２１までの距離は既定されているため、超音波発振素子１１が超音波を送信してから基準面２２１で反射した反射波を受信するまでの時間に基づき、燃料中における超音波の伝搬速度が計測可能である。したがって、基準面２２１で反射した反射波を液面の位置を算出するための基準波として用いることで、液体の温度変化による超音波の伝搬速度の変化に関係なく、液面の位置を高い精度で検出することができる。

ここで、図１及び図３に示すように、ハウジング部２は、貫通孔６を有する。具体的には、貫通孔６は、ガイドパイプ２２の円錐部４１における超音波発振素子１１側の端部、かつ鉛直方向下部、本実施形態では鉛直方向最下部に設けられている。ここで、鉛直方向最下部とは、第１の経路４の中心軸Ａに対して垂直な断面において鉛直方向に最も低い位置、換言すれば、第１の経路４の中心軸Ａの真下の位置である。つまり、貫通孔６は、図３に示すように、ハウジング部２におけるタンク２００の底面から離間している円錐部４１が形成されている部分の下面に位置している。ただし、貫通孔は、必ずしも鉛直方向最下部に設けられていなくてもよく、鉛直方向最下部から少しずれた位置に設けられてもよい。貫通孔６は、ハウジング部２の内外を連通する円形の貫通孔である。貫通孔６の大きさは、ハウジング部２の内部に滞まった水がハウジング部２の外部へ抜ける大きさに設定されている。本実施形態では、貫通孔６の直径は３ｍｍに設定されている。

また、貫通孔６は、超音波発振素子１１から送信される超音波を反射しにくい位置に設けられている。すなわち、超音波発振素子１１から送信される超音波は、図４に示すような指向性を持っている。ここで、反射波の出力波形の精度に大きく影響するのは出力＝５％程度までの角度範囲であると考えると、出力が−２６ｄｂ以上の角度範囲、つまり約±２５度程度、更に誤差を考慮すると±３０度の角度範囲が、実質的な超音波の送信範囲となる。より正確には、図１に示す仮想範囲７２が、実質的な超音波の送信範囲となる。仮想範囲７２は、超音波発振素子１１における第１の経路４に面する側の面の中心７１から±３０度の角度をもって中心軸Ａを中心として３６０度に、すなわち中心７１を頂点として、反射板２４側に向かって円錐状に広がる範囲である。つまり、仮想範囲７２は、中心７１を頂点とし、中心軸Ａを軸として頂角θで規定される円錐状の範囲であって、この例における頂角θは６０度である。本実施形態では、貫通孔６は、仮想範囲７２よりも外側に設けられている。

［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。
（１ａ）本実施形態における液面検出装置１００によれば、ハウジング部２の内部に溜まった水を、簡素な構成により貫通孔６からハウジング部２の外部へ抜けやすくすることができる。

例えば、図３に示すように、貫通孔６の代わりに貫通孔６ａをハウジング部２に設けるとする。貫通孔６ａは、ハウジング部２におけるタンク２００の底面に隙間なく当接する部分に位置する。このため、貫通孔６ａのみによってはハウジング部２の内部に溜まった水がハウジング部２の外部へ抜けにくく、貫通孔６ａから横方向に延びハウジングの外部に通じる溝をハウジング部２に別途設ける必要がある。

これに対し、本実施形態の貫通孔６は、ハウジング部２とタンク２００の底部とが離間している位置に設けられている。その結果、上述した溝を設ける必要がなく、簡素な構成によりハウジング部２の内部に留まった水をハウジング部２の外部へ抜けやすくすることができる。

（１ｂ）ハウジング部２は、円錐部４１における鉛直方向最下部に貫通孔６を有する。このような構成によれば、水は伝搬経路の鉛直方向下部に溜まりやすい特性を有しているため、ハウジング部が円錐部における鉛直方向最下部とは異なる部分に貫通孔を有している場合と比較して、ハウジング部２の内部に溜まった水をより抜けやすくすることができる。

（１ｃ）貫通孔６は、仮想範囲７２よりも外側に設けられている。このような構成によれば、超音波発振素子１１から送信される超音波が、貫通孔６の内面で反射することを生じにくくすることができる。

仮に、仮想範囲７２よりも内側に貫通孔が設けられている場合、超音波発振素子１１から送信された超音波が貫通孔の内面で反射することにより、その反射波が液面の位置の検出においてノイズとなり、液面の位置の検出精度の低下が生じ得る。これに対し、本実施形態の貫通孔６は、仮想範囲７２よりも外側に設けられている。つまり、超音波発振素子１１から送信された超音波は、ハウジング部２における貫通孔６が設けられている面に反射しにくい。その結果、検出精度の低下を生じにくくすることができる。

なお、本実施形態では、ハウジング部２がハウジングに相当する。
［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。

（２ａ）上記実施形態では、円形である貫通孔６を例示した。しかしながら、貫通孔の形状はこれに限定されるものではく、例えば、半円状、楕円状や、三角状などの多角形状などであってもよい。また例えば、貫通孔は、多角形の各頂点が角ではなく丸い形状であったり、２つの等しい長さの平行線と２つの半円状からなるいわゆる角丸長方形状であってもよい。また例えば、貫通孔は複数設けられていてもよい。

（２ｂ）上記実施形態では、頂角が６０度で規定される円錐状である仮想範囲７２よりも外側に貫通孔６が設けられている構成を例示した。しかしながら、仮想範囲及び貫通孔の位置はこれに限定されるものではない。仮想範囲は、例えば頂角が６０度以外の角度であってもよい。

（２ｃ）上記実施形態では、タンク２００内の燃料の液面検出に用いられる液面検出装置１００を例示した。しかしながら、液面検出装置の用途は特に限定されるものではない。液面検出装置は、車両に搭載される他の液体、例えば、エンジンオイル、ブレーキフルード、ウィンドウォッシャ液等の液面検出に用いられてもよい。また例えば、液面検出装置は、液体輸送用車両に備えられた液体輸送用タンク内や車両以外の各種民生用機器の液体容器内などの液面検出に用いられてもよい。

（２ｄ）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、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…センサ部、２…ハウジング部、３…リード線、４…第１の経路、５…第２の経路、６，６ａ…貫通孔、１１…超音波発振素子、１３…内部端子、１４…弾性体、１５…ケース、１６…蓋、１７…外部端子、２１…ボディ、２２，２３…ガイドパイプ、２４…反射板、４１…円錐部、４２…直線部、４３…段部、７１…中心、７２…仮想範囲、１００…液面検出装置、２００…タンク、２２１…基準面、２４１…反射面、Ａ，Ｂ…中心軸。

Claims (3)

1. タンクの内部の底面に設けられ、前記タンクに貯蔵された液体の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、
   超音波が伝搬する伝搬経路を内部に有するハウジング（２）と、
   を備え、
   前記伝搬経路は、
   前記超音波発振素子が設けられる位置から水平に延びる第１の経路（４）と、
   前記第１の経路における前記超音波発振素子が設けられる位置とは反対側の端部から上方に延びる第２の経路（５）と、を有し、
   前記第１の経路は、前記超音波発振素子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経路である円錐部（４１）を有し、
   前記ハウジングは、前記円錐部が形成されている部分の下面が前記底面から離間した形状であり、前記円錐部における前記超音波発振素子側の端部かつ鉛直方向下部に前記ハウジングの内外を連通する貫通孔（６）を有する、液面検出装置。
2. 請求項１に記載の液面検出装置であって、
   前記ハウジングは、前記円錐部における鉛直方向最下部に前記貫通孔を有する、液面検出装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の液面検出装置であって、
   前記超音波発振素子は、中心軸が規定される形状であって、前記第１の経路の中心軸と同軸になるよう配置されており、
   前記貫通孔は、前記超音波発振素子における前記第１の経路に面する側の面の中心（７１）を頂点とし、前記超音波発振素子の中心軸を軸として、６０度の頂角で円錐状に広がる仮想の範囲（７２）よりも外側に設けられている、液面検出装置。

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