WO2020111005A1 - 液面検出装置 - Google Patents

Abstract

液面の位置を検出する液面検出装置（１００）は、センサ部（１）と、金属管（２２）と、ボディ（２１）と、を備える。センサ部は、超音波を送受信可能である。金属管は、センサ部から送信された超音波が伝播する伝播経路を形成する。ボディは、金属管及びセンサ部を保持する。金属管は、接地されている。

Description

液面検出装置 関連出願の相互参照

　本国際出願は、２０１８年１１月２８日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１８－２２２４９４号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１８－２２２４９４号の全内容を本国際出願に参照により援用する。

　本開示は、液面検出装置に関する。

　特許文献１には、液体を貯蔵するタンク内の底部に設けられ、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ように構成された液面検出装置が開示されている。超音波発振素子は、当該超音波発振素子と電気的に接続する内部端子とともに、ケースに収容されている。ケースから送信された超音波を伝播する伝播経路は、伝播効率を高めるため、金属管により形成されている。ケース及び金属管は、樹脂製のボディによって保持されている。

特開２００６－４７０５６号公報

　発明者の詳細な検討の結果、上述した液面検出装置では、タンク内の液体の揺動に伴い、樹脂製のボディに静電気が発生し、金属管が帯電状態となるという課題が見出された。帯電状態の金属管が内部端子へ放電すると、液面位置の誤検出が生じ得る。

　本開示の一局面は、金属管が帯電状態となることを抑制することができる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であって、センサ部と、金属管と、ボディと、を備える。センサ部は、超音波を送受信可能である。金属管は、センサ部から送信された超音波が伝播する伝播経路を形成する。ボディは、金属管及びセンサ部を保持する。金属管は、接地されている。

　このような構成によれば、金属管が接地されているため、金属管が帯電状態となることを抑制することができる。したがって、金属管が帯電状態となることに起因する、液面位置の誤検出を生じにくくすることができる。

第１実施形態の液面検出装置の側断面図である。 第１実施形態の液面検出装置の分解斜視図である。 第２実施形態の第１の内部端子の斜視図である。 第３実施形態の液面検出装置の構成を模式的に示す図である。

　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．第１実施形態］
　［１－１．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、インシュレータ１２と、第１の内部端子１３ａと、第２の内部端子１３ｂと、弾性体１４と、ケース１５と、蓋１６と、第１の外部端子１７ａと、第２の外部端子１７ｂ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。

　インシュレータ１２は、超音波発振素子１１における超音波を送受信する面１１１（以下、「おもて面１１１」と称す）を覆う底部１２１と、外周面を覆う側部１２２と、を有する有底円筒状の部材である。また、インシュレータ１２は、底部１２１に対して超音波発振素子１１の板厚分だけ間隔を空けた位置に、側部１２２の内側から突出し、超音波発振素子１１におけるおもて面１１１とは反対の面１１２（以下、「裏面１１２」と称す）の一部を覆う突出片１２３を有する。インシュレータ１２は、例えば樹脂材料及びセラミックス材料などの絶縁材料で形成されている。

　第１の内部端子１３ａ及び第２の内部端子１３ｂは、超音波発振素子１１に取り付けられている。第１の内部端子１３ａは、超音波発振素子１１と第１の外部端子１７ａとを電気的に接続する端子である。第２の内部端子１３ｂは、超音波発振素子１１と第２の外部端子１７ｂとを電気的に接続する端子である。第１の内部端子１３ａ及び第２の内部端子１３ｂは、金属板で形成されている。第１の内部端子１３ａと第２の内部端子１３ｂとは、弾性体１４を挟んで対向する位置に設けられている。

　第１の内部端子１３ａは、その一端が、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の内部端子１３ｂも同様、その一端が、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１３１ｂとなっている。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の突出片１２３が介在するため、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のおもて面１１１と挟持部１３１ｂとの間にはインシュレータ１２の底部１２１が介在するため、挟持部１３１ｂは超音波発振素子１１のおもて面１１１とは直接接触しない。つまり、第１の内部端子１３ａは超音波発振素子１１のおもて面１１１と接触し、第２の内部端子１３ｂは超音波発振素子１１の裏面１１２と接触している。

　第１の内部端子１３ａと第２の内部端子１３ｂとは、同様の構成を有するため、以下では、第１の内部端子１３ａの構成についてのみ説明する。

　第１の内部端子１３ａは、上述した挟持部１３１ａに加え、棒部１３２ａ及び湾曲部１３３ａを有する。棒部１３２ａは、超音波発振素子１１から蓋１６に向かって中心軸Ａに沿う方向に延びる直線状の部分である。湾曲部１３３ａは、挟持部１３１ａと棒部１３２ａとの間に設けられた、中心軸Ａに沿う方向に対して波状に湾曲した部分である。湾曲部１３３ａは、第１の内部端子１３ａが超音波発振素子１１に取り付けられる際に、第１の内部端子１３ａに加わる外力を吸収する構造になっている。

　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、第２の面が蓋１６に当接する。弾性体１４は、例えば柔軟な樹脂及び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、インシュレータ１２、第１の内部端子１３ａ、第２の内部端子１３ｂ及び弾性体１４を収容する収容室１５１を有する有底円筒状のケースである。ケース１５は、絶縁樹脂材料で形成されている。ケース１５は、複数の第１の係止爪１５２及び複数の第２の係止爪１５３を有する。第１の係止爪１５２は、ケース１５を蓋１６と係止するための爪である。第２の係止爪１５３は、ケース１５をハウジング部２、具体的には後述するボディ２１と係止するための爪である。

　蓋１６は、ケース１５の収容室１５１を閉じる部材である。蓋１６は、導電樹脂材料で形成されている。蓋１６は、複数の係止孔１６１、第１の連通部１６２ａ、第２の連通部１６２ｂ、第１の固定部１６３ａ及び第２の固定部１６３ｂを有する。係止孔１６１は、ケース１５の第１の係止爪１５２と係合する孔である。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１５１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。第１の連通部１６２ａ及び第２の連通部１６２ｂは、収容室１５１の内外を連通する部分であり、本実施形態では、孔である。第１の連通部１６２ａには第１の内部端子１３ａの棒部１３２ａが挿通され、棒部１３２ａの先端部は収容室１５１の外側へ突出する。第２の連通部１６２ｂには第２の内部端子１３ｂが同様に挿通される。第１の固定部１６３ａは、第１の外部端子１７ａが固定される部分である。第２の固定部１６３ｂは、第２の外部端子１７ｂが固定される部分である。

　第１の外部端子１７ａは、第１の内部端子１３ａと図１に示すリード線３とを電気的に接続する端子である。第２の外部端子１７ｂは、第２の内部端子１３ｂとリード線３とを電気的に接続する端子である。第１の外部端子１７ａ及び第２の外部端子１７ｂは、金属板で形成されている。本実施形態では、第１の外部端子１７ａは、第１の固定部１６３ａに固定され、収容室１５１の外側へ突出する第１の内部端子１３ａの棒部１３２ａの先端部と接続する。第２の外部端子１７ｂは、第２の固定部１６３ｂに固定され、第１の外部端子１７ａと同様、第２の内部端子１３ｂと接続する。なお、第１の外部端子１７ａは接地されている。接地されているとは、接地電位となっている導体と電気的につながっていることを意味する。接地電位となっている導体は、例えば、上述した電気回路に設けられた接地電位部であってもよく、また例えば、車両を構成するボディ部品などの金属部品であってもよい。

　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導電樹脂材料で形成された部材である。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。具体的には、図２に示すように、ボディ２１は、複数の係止孔２２２を有する。係止孔２２２は、ケース１５の第２の係止爪１５３と係合する孔である。ケース１５がボディ２１に係止されることにより、センサ部１はボディ２１に取り付けられている。なお、図１に示すように、ケース１５がボディ２１に係止された状態において、蓋１６がボディ２１に接触する。

　第１の金属管２２は、概略円錐台状の金属製の筒である。第１の金属管２２の中心軸Ａと直交する面における断面は円形である。第１の金属管２２は、超音波の伝播経路であって、ケース１５の底面から延びる第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の底面から、中心軸Ａに沿って、蓋１６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２２１が形成されている。

　第２の金属管２３は、直管状の金属製の筒である。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、第２の伝播経路５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、第１の内部端子１３ａ及び第２の内部端子１３ｂ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、当該電圧が第１の内部端子１３ａ及び第２の内部端子１３ｂ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、接地されている第１の外部端子１７ａが導電樹脂製の蓋１６に固定され、当該蓋１６が導電樹脂製のボディ２１に接触している。また、ボディ２１は、第１の金属管２２を保持及び固定している。このように、第１の外部端子１７ａと第１の金属管２２とが、蓋１６及びボディ２１を介して電気的に接続されており、第１の金属管２２が接地されている。

　［１－２．効果］
　以上詳述した第１実施形態によれば、以下の効果が得られる。

　（１ａ）本実施形態では、接地されている第１の外部端子１７ａと、第１の金属管２２と、が導電樹脂製の蓋１６及び導電樹脂製のボディ２１を介して電気的に接続されている。これにより、タンク２００内の液体の揺動に伴い発生し、第１の金属管２２に帯電する静電気を、接地されている第１の外部端子１７ａに常に逃がすことができるので、第１の金属管２２が帯電状態となることを抑制することができる。したがって、第１の金属管２２が帯電状態となることに起因する、液面位置の誤検出を生じにくくすることができる。

　特に、本実施形態の液面検出装置１００では、ボディ２１が直接タンク２００の底部に取り付けられるため、タンク２００内の液体の揺動に伴い当該タンク２００自体に発生する静電気を更にボディ２１が拾ってしまう。このように、本実施形態の液面検出装置１００は、ボディが直接タンクの底部に取り付けられない構成と比較して、第１の金属管２２がより帯電状態となりやすい環境である。このような環境においても、第１の金属管２２が帯電状態となることを抑制することができる。

　なお、第１の内部端子１３ａ及び第２の内部端子１３ｂが２つの内部端子に相当し、第１の外部端子１７ａ及び第２の外部端子１７ｂが２つの外部端子に相当し、第１の金属管２２が金属管に相当する。

　［２．第２実施形態］
　［２－１．構成］
　図３に示すように、第２実施形態では、第１の内部端子１３ｃの形状が第１実施形態の第１の内部端子１３ａと異なる。また、第２実施形態の蓋１６は、絶縁樹脂材料で形成されている点が、第１実施形態の蓋１６と異なる。その他、第２実施形態の液面検出装置の基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と共通する構成については同一符号を用いて説明を省略し、第１実施形態と相違する構成を中心に説明する。

　図３に示すように、第２実施形態の第１の内部端子１３ｃは、湾曲部１３３ａを有しない点及び屈折部１３３ｃを有する点が、第１実施形態の第１の内部端子１３ａと異なる。屈折部１３３ｃは、棒部１３２ａに対して垂直に延びる部分である。屈折部１３３ｃは、ケース１５と蓋１６との間からケース１５の外へ突出する。ケース１５がボディ２１に係止した状態において、屈折部１３３ｃは、ボディ２１と蓋１６との間に挟まれ、ボディ２１に圧接する。なお、ケース１５には、蓋１６と接触する側の面に、屈折部１３３ｃを挿通可能な溝が形成されていてもよい。

　以上のように、本実施形態では、接地されている第１の外部端子１７ａが第１の内部端子１３ｃの棒部１３２ａに接続され、第１の内部端子１３ｃの屈折部１３３ｃが導電樹脂製のボディ２１に接触している。また、ボディ２１は、第１の金属管２２を保持及び固定している。このように、第１の外部端子１７ａと第１の金属管２２とが、第１の内部端子１３ｃ及びボディ２１を介して電気的に接続されており、第１の金属管２２が接地されている。

　［２－２．効果］
　（２ａ）本実施形態では、接地されている第１の外部端子１７ａと第１の金属管２２とが、金属製の第１の内部端子１３ｃ及び導電樹脂製のボディ２１を介して電気的に接続されている。これにより、第１の金属管２２が帯電状態となることを抑制することができる。特に、本実施形態の構成では、蓋１６を導電樹脂材料で形成する必要がない。

　［３．第３実施形態］
　図４に示すように、第３実施形態では、接地部材３２を備える点、及び、第１の外部端子１７ａが接地されていない点が、第１実施形態と異なる。また、第３実施形態の蓋１６は、絶縁樹脂材料で形成されている点が、第１実施形態の蓋１６と異なる。その他、第３実施形態の液面検出装置の基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と共通する構成については同一符号を用いて説明を省略し、第１実施形態と相違する構成を中心に説明する。

　［３－１．構成］
　接地部材３２は、リード線３３を介して接地されている。接地部材３２は、例えば金属及び導電樹脂材料などの導電材料で形成されている円環状の部材である。接地部材３２は、中央の開口にケース１５が挿通された状態で、ボディ２１と蓋１６との間に挟まれ、ボディに圧接する。なお、接地部材３２は、平らな形状に限らず、例えば、波状の起伏を有する形状の金属板であってもよい。このような形状の金属板の場合、起伏が潰されることによるバネ力により、圧接力を高めることができる。

　以上のように、本実施形態では、接地されている接地部材３２が導電樹脂製のボディ２１に接触している。また、ボディ２１は、第１の金属管２２を保持及び固定している。このように、接地部材３２と第１の金属管２２とが、ボディ２１を介して電気的に接続されており、第１の金属管２２が接地されている。

　［３－２．効果］
　（３ａ）本実施形態では、接地されている接地部材３２と第１の金属管２２とが、導電樹脂製のボディ２１を介して電気的に接続されている。これにより、第１の金属管２２が帯電状態となることを抑制することができる。特に、本実施形態の構成では、第１の外部端子１７ａを接地させる必要がなく、蓋１６も導電樹脂材料で形成する必要がない。

　［４．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、上記各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。

　（４ａ）上記第１実施形態では、ケース１５が絶縁樹脂材料で形成されていたが、例えば、ケース１５が導電樹脂材料で形成されていてもよい。これにより、第１の金属管２２と第１の外部端子１７ａとの間の導電経路を増やすことができる。具体的には、ボディ２１及び蓋１６を介する導電経路に加え、ボディ２１、ケース１５及び蓋１６を介する導電経路により、第１の金属管２２に帯電する静電気を接地されている第１の外部端子１７ａに逃がすことができる。したがって、第１の金属管２２が帯電状態となることをより一層抑制することができる。

　（４ｂ）上記第２実施形態では、湾曲部を有しない構成の第１の内部端子１３ｃを例示したが、第１の内部端子は、第１実施形態の第１の内部端子１３ａと同様、湾曲部を有するように構成されてもよい。

　（４ｃ）上記第３実施形態では、接地部材３２が円環状の部材である構成を例示したが、接地部材の形状は円環状に限定されるものではなく、例えばＵ字状であってもよい。

　（４ｄ）上記各実施形態における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、上記各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。

Claims (6)

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センサ部（１）と、
   　前記センサ部から送信された超音波が伝播する伝播経路を形成する金属管（２２）と、
   　前記金属管及び前記センサ部を保持するボディ（２１）と、
   　を備え、
   　前記金属管は、接地されている、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、
   　前記センサ部は、
   　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（１５１）を有するケース（１５）と、
   　前記ボディに接触するように設けられ、前記収容室を閉じる蓋（１６）と、
   　前記収容室の外側において前記蓋に固定された２つの外部端子（１７ａ，１７ｂ）と、
   　前記超音波発振素子と前記２つの外部端子のそれぞれとを電気的に接続する２つの内部端子（１３ａ，１３ｂ）と、
   　を備える、液面検出装置。
3. 　請求項２に記載の液面検出装置であって、
   　前記２つの外部端子の一方（１７ａ）は、接地されており、
   　前記ボディ及び前記蓋はそれぞれ、導電樹脂で形成されている、液面検出装置。
4. 　請求項３に記載の液面検出装置であって、
   　前記ケースは、導電樹脂で形成されており、前記ボディと接触するように設けられる、液面検出装置。
5. 　請求項２に記載の液面検出装置であって、
   　前記２つの外部端子の一方（１７ａ）は、接地されており、
   　前記ボディは、導電樹脂で形成されており、
   　前記２つの内部端子の一方（１３ａ）は、前記２つの外部端子のうち接地された方と前記ボディとを電気的に接続する、液面検出装置。
6. 　請求項２に記載の液面検出装置であって、
   　接地された接地部材（３２）を更に備え、
   　前記ボディは、導電樹脂で形成されており、
   　前記接地部材は、前記ボディに接触するように設けられる、液面検出装置。

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