JP2001074537A - 超音波検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 動作状態の自己診断機能を有し、受信信号が
出力されない場合は、故障しているものと判断すること
ができる超音波検出器を得る。 【解決手段】 超音波素子から発信された超音波信号の
反射信号を受信することによって検出対象を検出するよ
うにした超音波検出器。検出器本体２の動作診断用通路
を伝播した超音波信号を受信することによって自己の動
作診断機能を有する。相対向する二つの超音波素子７，
８を有し、一方の超音波素子７から超音波信号を発信
し、他方の超音波素子８によって超音波信号を受信する
ようにしてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波を利用した
検出器に関するもので、特に、動作を自己診断すること
ができることを特徴としており、例えば、タンカーその
他の船舶における原油タンクやバラストタンクなどの限
界液面の検出、その他各種警報装置などにおける限界液
面の検出器などとして適用可能なものである。

【０００２】

【従来の技術】超音波を利用した検出器は、すでに各種
分野において用いられている。図５は、超音波検出器の
原理を示す。図において、符号７，８は超音波素子を示
している。超音波素子は、例えばセラミック基板に電極
を形成し、この電極に超音波帯域周波数の駆動信号を入
力することによってセラミック基板を振動させ、超音波
信号を発信させることができ、また、伝播してきた超音
波信号をセラミック基板で受け、電極から受信信号を出
力させることができるようにしたものである。

【０００３】図５に示すように、二つの超音波素子７，
８を、所定の距離をおいて相対向させて配置し、一方の
超音波素子７から超音波信号を発信し、この超音波信号
を他方の超音波素子８で受信できるようにする。この二
つの超音波素子７，８を用い、液体１２の液面が二つの
超音波素子７，８間に達したときこれを検出する場合を
想定すると、超音波素子７，８を液体１２のインピーダ
ンスに合わせて設定する。液体１２の液面が二つの超音
波素子７，８間に達せず、空隙のみであれば、超音波素
子７，８間のインピーダンスが大きくなり、超音波素子
７から発信された超音波信号は超音波素子８に届かず、
超音波素子７からは信号が出力されない。液体１２の液
面が二つの超音波素子７，８間の所定レベルに達する
と、超音波素子７，８間のインピーダンスが小さくな
り、超音波素子７から発信された超音波信号は液体１２
を伝播して超音波素子８に届き、超音波素子７から信号
が出力される。

【０００４】上記のように、液体１２の液面が二つの超
音波素子７，８間の所定レベルに達すると、超音波素子
８から信号が出力されるので、二つの超音波素子７，８
をタンクなどの所望の警報レベルに設置し、超音波素子
８からの出力信号によって警報を発するようにするとよ
い。従って、例えば、タンカーなどの原油タンク、各種
船舶のバラストタンクなどに設置しておけば、液面が限
界位置まで達したとき警報を発することができ、オーバ
ーフローを防止することができる。このような超音波素
子を用いた検出原理はよく知られており、各種装置に応
用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
超音波検出器は、超音波素子から発信された超音波が超
音波素子に届くか否かによって、検出対象が検出領域に
存在するかどうかを検出するものである。しかしなが
ら、従来の超音波検出器によれば、超音波検出器が故障
している場合は何らの受信信号も出力されないのは当然
として、検出領域に検出対象が存在しないときも、何ら
の受信信号も出力されない。換言すれば、受信信号が出
力されない場合に、この状態が、故障によるものなの
か、検出対象が存在しないことによるものなのか、区別
がつかないということになる。

【０００６】そのため、上記従来の超音波検出器を、タ
ンカーなどの原油タンクにおける液面限界検出器として
使用している場合を想定すると、たまたま超音波検出器
が故障していた場合には、液面が限界位置に達しても警
報を発することができず、原油をオーバーフローさせて
環境を汚染させてしまうという重大事故につながらない
とも限らない。そこで従来は、一つの超音波検出器が故
障しても他の超音波検出器で検出することができるよう
に、複数の超音波検出器を設置するなどの対策がとられ
ている。また、超音波検出器が故障していなくても、何
らの受信信号も出力されない状態が続いていると、ユー
ザーは、もしかしたら、超音波検出器が故障しているの
では、と余計な心配をすることになり、決して好ましい
ことではない。要するに、従来の超音波検出器によれ
ば、超音波素子から何らの受信信号も出力されない状態
にある場合に、その状態が故障によって生じているの
か、または実際の検出対象が検出領域に存在しないこと
によって生じているのかを判別することができないので
ある。

【０００７】本発明は以上のような従来技術の問題点を
解消するためになされたもので、正常に動作しているこ
とを判断することができる、いわば動作状態の自己診断
機能を有し、自己診断機能用受信信号が出力されない場
合は、故障しているものと判断することができる超音波
検出器を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
超音波信号を発信し受信することができる超音波素子を
有し、超音波素子から発信された超音波信号の反射信号
を受信することによって検出対象を検出するようにした
超音波検出器において、検出器本体の自己診断機能用通
路を伝播した超音波信号を受信することによって自己の
動作診断機能を有することを特徴とする。

【０００９】請求項２記載の発明は、相対向する二つの
超音波素子を有し、一方の超音波素子から超音波信号を
発信し、他方の超音波素子によって上記超音波信号を受
信可能とし、上記他方の超音波素子からの受信信号出力
の有無で、上記二つの超音波素子間に検出対象が存在す
るか否かを検出するようにした超音波検出器であって、
一方の超音波素子から発信され検出器本体の自己診断機
能用通路を伝播した超音波信号を他方の超音波素子で受
信することによって自己の動作診断機能を有することを
特徴とする。

【００１０】請求項３記載の発明は、請求項２記載の発
明において、検出対象は液体であり、相対向する二つの
超音波素子は検出器本体に密閉されていることを特徴と
する。請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の
発明において、超音波素子から超音波信号を間欠的に発
信し、検出対象が存在する場合の上記超音波信号の受信
信号と、検出器本体を伝播した超音波信号の受信信号と
の時間差によって、検出対象からの信号と検出器本体を
伝播した信号とを判別することを特徴とする。

【００１１】請求項５記載の発明は、請求項１記載の発
明において、１個の超音波素子を有し、この１個の超音
波素子を送信時と受信時に切り換えることにより、送信
用と受信用に兼用させたことを特徴とする。請求項６記
載の発明は、請求項１または２記載の発明において、受
信信号の時間差を検出することによって、互いに異なる
２液体の境界を検出することができることを特徴とす
る。請求項７記載の発明は、請求項２記載の発明におい
て、ある一定の信号を送り、検出対象の受信信号と自己
動作診断用の受信信号にレベル差をもたせ、このレベル
差を検出することにより自己診断を可能としたことを特
徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
にかかる超音波検出器の実施の形態について説明する。
図１において、超音波検出器１は縦断面がコの字状の検
出器本体２を有している。検出器本体２の材質は特に限
定されないが、超音波を効率よく伝播することができ、
かつ超音波の伝播速度が速い材質、例えば金属などで製
作する。検出器本体２の図１において上下端部には、超
音波素子設置部３，４が相対向して形成されている。こ
れら超音波素子設置部３，４は中間連結部を介して一体
に成形され、検出器本体２全体としては上記のように縦
断面コの字状に形成されている。検出器本体２自体が動
作診断用通路になっていて、この動作診断用通路を動作
診断用超音波信号が伝播するようになっている。

【００１３】上記各超音波素子設置部３，４はそれぞれ
上下の端面から抉られた形の空間３１，４１を有してい
て、空間３１の底面には超音波素子７が配置され、上記
空間４１の天井面には超音波素子８が配置されている。
二つの超音波素子７，８は、上記超音波素子設置部３ま
たは超音波素子設置部４を隔て相対向し、上記超音波素
子設置部３、超音波素子設置部４にそれぞれ固定されて
いる。各超音波素子設置部３，４の開放端はそれぞれ蓋
５，６が被せられ、内部空間が気密になっている。

【００１４】上記一方の蓋５を貫いて入力端子１０及び
出力端子１１が固定されている。入力端子１０はリード
線を介して一方の超音波素子７の端子に接続され、出力
端子１１は、検出器本体２内部に形成された上下方向の
孔９に通されたリード線を介して他方の超音波素子８の
端子に接続されている。この実施の形態では、一方の超
音波素子７が発信用、他方の超音波素子８が受信用とな
っている。

【００１５】入力端子１０に超音波帯域周波数の駆動信
号を入力すると、超音波素子７が駆動信号の周波数に応
じた振動数で振動し、他方の超音波素子８に向かって超
音波信号が発信される。また、超音波素子７から発信さ
れる超音波信号の一部は、検出器本体２に伝達され、検
出器本体２を伝播して超音波素子８に達するようになっ
ている。超音波素子８は、検出器本体２を伝播してきた
超音波信号、および相対向する超音波素子７，８間を伝
播してきた超音波信号を受信することができるようにな
っていて、それぞれ受信した超音波信号に応じた波形の
信号を、それぞれの超音波信号を受信したタイミングで
出力するようになっている。この出力信号は出力端子１
１から取り出すことができる。

【００１６】ここまでの説明でわかるように、図１に示
す実施の形態によれば、一方の超音波素子７から発信さ
れる超音波信号を直接他方の超音波素子８が受信した場
合はもちろん、検出器本体２を経由した超音波信号を超
音波素子８が受信した場合も、受信信号を出力するよう
になっている。そのため、二つの超音波素子７，８間に
検出対象が存在せず、空隙のみがあり、二つの超音波素
子７，８間のインピーダンスが大きく、一方の超音波素
子７からの直接的な超音波信号が他方の超音波素子８に
届かなくても、検出器本体２を経由した超音波信号は超
音波素子８に届く。従って、超音波検出器１が故障して
いない限り、超音波素子８から受信信号が出力されるの
で、超音波素子８から受信信号が出力されている間は、
超音波検出器１が正常に作動していることがわかる。す
なわち、超音波検出器１は、自己の動作診断機能を有し
ている。

【００１７】図１に示す実施の形態の動作を、例えば液
面限界検出に使用した場合を想定して説明する。図１に
示す超音波検出器１を図示のように縦方向に向けて、検
出しようとする限界液面が二つの超音波素子７，８間に
位置するように、タンクの内壁面などに設置する。そし
て、一方の超音波素子７には所定の周波数の駆動信号を
間欠的に入力して、所定の周波数の超音波信号を間欠的
に出力させる。液面が超音波素子８の位置に達していな
いときは、上記のように検出器本体２を経由した超音波
信号のみが超音波素子８に届き、この超音波信号に対応
した受信信号を超音波素子８が出力する。液面、例えば
油の上面が二つの超音波素子７，８間に設定されている
限界液面に達すると、二つの超音波素子７，８間のイン
ピーダンスが小さくなり、一方の超音波素子７からの直
接的な超音波信号が他方の超音波素子８に届き、この超
音波信号に対応した受信信号を超音波素子８が出力す
る。

【００１８】このときの超音波素子８からの受信信号出
力波形例を図２に示す。検出器本体２が金属で製作され
ているものとすると、超音波信号が検出器本体２を伝播
する速度は、液体を伝播する速度よりも速い。従って、
超音波素子８によって超音波信号が受信され、超音波素
子８から出力される信号波形は、図２に示すように、時
間軸上で相前後し、時間差を持った信号として現れる。
図２において、時間軸上で速く表れている受信信号２１
は検出器本体２を伝播した信号に対応し、遅く現れてい
る受信信号２２は液体を伝播してきた信号に対応してい
る。周波数はどちらも同じである。検出器本体２側に分岐
させる信号は、超音波素子７から発信させる超音波信号
に対して少ない割合でよく、従って、図２の例では、検
出器本体２を伝播した信号の受信信号２１は、液体を伝
播してきた信号の受信信号２２よりも振幅が小さくなっ
ている。

【００１９】このように、二つの超音波素子７，８間に
液面が達すると、超音波素子８から図２に示すような時
間差をもった二つの信号２１，２２が出力されるので、
液面が検出レベルに達したことを検出することができ
る。また、上記二つの信号２１，２２の時間差によっ
て、検出対象からの信号と検出器本体２を伝播した信号
とを判別することができる。一方、二つの超音波素子
７，８間に液面が達していないときは、上記受信信号２
１のみが間欠的に出力される。従って、このときは二つ
の超音波素子７，８間に液面が達していないことがわか
るし、上記信号２１が間欠的に出力されていることを確
認することができるため、超音波検出器１が正常に動作
していることを確認することができる。

【００２０】本発明にかかる超音波検出器を用いれば、
使い方によっては互いに異なる複数の液体の境界を検出
することもできる。図３はその例を示す。例えば、タン
カー等のバラストタンクは、海水を汲み上げてタンカー
のバランスを保つ仕組みになっているが、バラストタン
クに油が混入していることがあり、これを知らずにバラ
ストとしての海水を海洋に放出すると、混入していた油
も海洋に放出されることになり、海洋汚染という重大な
事態に至ることがありえる。そこで、海水に油が混入し
ていることを簡便な手段で検出することができれば望ま
しいことであり、さらに、これ以上海水を放出しようと
すると油が放出されてしまうという警報を発することが
できればさらに望ましいことである。

【００２１】そこで、図３に示すように、前記超音波検
出器１を水平方向に向け、互いに異なる２液体の境界を
検出しようとするレベルに、図３の例では、海水１６
と、その上層の油１５との境界を検出しようとするレベ
ルに設置する。そして、一方の超音波素子７から所定の
周波数の超音波信号を間欠的に出力させる。二つの超音
波素子７，８間に何ら検出対象が存在しないときは、前
述のように検出器本体２を伝播した超音波に対応した受
信信号を超音波素子８が出力するだけである。

【００２２】今、例えば超音波検出器１がバラストタン
クに設置され、バラストタンクが海水１６で満たされ、
超音波検出器１が海水１６中に没しているとすれば、超
音波素子８は、検出器本体２を伝播した超音波に対応し
た受信信号と、海水１６を伝播した超音波に対応した受
信信号とを出力することになり、図２に示す波形と同様
の波形を出力する。海水の放出によってその液面が下が
り、海水１６と油１５の境界が二つの超音波素子７，８
の高さ位置とほぼ同じ高さになると、一方の超音波素子
７から発信された超音波信号は、検出器本体２、海水１
６、油１５にそれぞれ分かれて伝播し、他方の超音波素
子８に至る。検出器本体２を構成する金属、海水１６、
油１５を伝播する超音波の速度はそれぞれ固有の値を持
っているため、超音波素子８に到達する時間に差を生
じ、超音波素子８による受信信号に時間軸上の差を生じ
る。

【００２３】図４はこのときの受信信号の例を示すもの
で、まず検出器本体２を伝播した超音波信号に対応した
受信信号２１が出力され、次に油１５を伝播した超音波
信号に対応した受信信号２２が出力され、さらに海水１
６を伝播した超音波信号に対応した受信信号２３が出力
される。このように、二つの超音波素子７，８の位置に
複数の液体の境界位置がくると、複数の液体固有の特性
に応じて時間差を持った受信信号が出力されるため、受
信信号の時間差によって複数の液体を判別することがで
きる。また、超音波素子７，８間に検出対象が存在しな
くても、検出器本体２を伝播した超音波信号に対応した
受信信号２１が間欠的に出力されるので、超音波検出器
が正常に動作していることを確認することができる。図
４において、受信信号２２と受信信号２３との時間間隔
が、受信信号２１と受信信号２２との時間間隔が短くな
っているのは、油と水における超音波の伝播速度が金属
よりも近いことによる。

【００２４】図３に示すような使用態様によって複数の
液体の境界面を検出する場合において、複数の液体の特
性上、超音波伝播速度が比較的近いときは、超音波の発
信周波数を上げて分解能を高め、併せて間欠的な発信信
号の時間幅も狭くするとよい。こうすれば複数の液体を
判別することができ、複数の液体の境界が超音波検出器
１の位置に存在することを検出することができる。この
検出信号に基づいて警報を発し、警報に基づいて海水の
放出を停止するようにすれば、油１５を海洋に放出する
ことを防止することができる。

【００２５】以上説明した各実施の形態では、発信用超
音波素子と、受信用超音波素子の二つの素子を用いてい
たが、１個の超音波素子を用い、これを送信時と受信時
に切り換えることにより、送信用と受信用に兼用させて
もよい。受信時は、検出器本体の動作診断用通路を伝播
し反射してきた動作診断用超音波信号と、検出対象によ
って反射された超音波信号とを受信することになる。ま
た、検出器本体の動作診断用通路に分岐させる動作診断
用超音波信号のレベルと、検出対象に向けて発信させる
超音波信号レベルとに差をつけ、これらの信号の受信レ
ベル差によって動作診断用信号を判別し、動作診断機能
を持たせるようにしてもよい。図２、図４に示す例で
は、動作診断用超音波信号のレベルが、検出対象に向け
て発信させる超音波信号レベルよりも低くなっている。

【００２６】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、超音波素
子から発信された超音波信号を受信することによって検
出対象を検出するようにした超音波検出器において、検
出器本体を伝播した超音波信号を受信することによって
自己の動作診断機能をもたせたため、検出器本体を伝播
した超音波信号を受信することができれば、正常に動作
しているものと判断することができる。逆に、受信信号
が何ら出力されなければ、超音波検出器が故障している
ものと判断することができ、実際には検出対象が検出さ
れるべき領域に存在しているにもかかわらず、受信信号
が出力されないから検出対象も検出領域に存在していな
いものと、誤った判断をしてしまうことを防止すること
ができる。

【００２７】請求項２記載の発明によれば、相対向する
二つの超音波素子を有し、一方の超音波素子から超音波
信号を発信し、他方の超音波素子によって上記超音波信
号を受信可能とし、他方の超音波素子からの受信信号出
力の有無で、二つの超音波素子間に検出対象が存在する
か否かを検出するようにした超音波検出器であって、一
方の超音波素子から発信され検出器本体を伝播した超音
波信号を他方の超音波素子で受信することによって自己
の動作診断機能をもたせたため、請求項１記載の発明と
同様の作用効果を得ることができる。

【００２８】請求項３記載の発明によれば、請求項２記
載の発明において、検出対象は液体であり、相対向する
二つの超音波素子は検出器本体に密閉されているため、
液体の液面が所定の位置に達したときこれを検出して信
号を出力することができる。

【００２９】請求項４記載の発明によれば、請求項１ま
たは２記載の発明において、超音波素子から超音波信号
を間欠的に発信し、検出対象が存在する場合の上記超音
波信号の受信信号と、検出器本体を伝播した超音波信号
の受信信号との時間差によって、検出対象からの信号と
検出器本体を伝播した信号とを判別するようにしたた
め、前述のような自己の動作診断機能をもつことができ
るとともに、検出対象が検出領域に存在するときはこれ
を検出することができる。

【００３０】請求項５記載の発明によれば、請求項１記
載の発明において、１個の超音波素子を有し、この１個
の超音波素子を送信時と受信時に切り換えることによ
り、送信用と受信用に兼用させたため、部品数を少なく
して構成を簡単にしながら、請求項１記載の発明と同様
の作用効果を得ることができる。

【００３１】請求項６記載の発明によれば、請求項１ま
たは２記載の発明において、受信信号の時間差を検出す
ることによって、互いに異なる２液体の境界を検出する
ことができるようにしたため、これを例えば船舶のバラ
ストタンクなどに設置しておけば、バラストとしての海
水に油が混入していても、海水と油の境界を検出するこ
とができ、誤って海水とともに油を海洋に放出してしま
うというな事態を防止することができる。

【００３２】請求項７記載の発明によれば、請求項２記
載の発明において、信号のレベルを受信する構成になっ
ていて、検出対象の受信レベルと動作診断時の受信レベ
ルとに差をつけ、このレベル差で動作を診断するように
なっているため、正常に動作しているかどうか、自己診
断できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる超音波検出器の実施の形態を示
す正面縦断面図である。

【図２】上記超音波検出器による検出信号の例を示す波
形図である。

【図３】本発明にかかる超音波検出器の使用形態の例を
示す正面図である。

【図４】同上使用形態による検出信号の例を示す波形図
である。

【図５】従来の超音波検出器の例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 超音波検出器 ２ 検出器本体 ７ 超音波素子 ８ 超音波素子 １５ 検出対象としての油 １６ 検出対象としての海水

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波信号を発信し受信することができ
   る超音波素子を有し、超音波素子から発信された超音波
   信号を受信することによって検出対象を検出するように
   した超音波検出器において、 検出器本体を伝播する動作診断用通路を設け、反射して
   きた超音波信号を受信することによって自己の動作診断
   機能を有することを特徴とする超音波検出器。
2. 【請求項２】 相対向する二つの超音波素子を有し、一
   方の超音波素子から超音波信号を発信し、他方の超音波
   素子によって上記超音波信号を受信可能とし、上記他方
   の超音波素子からの受信信号出力の有無で、上記二つの
   超音波素子間に検出対象が存在するか否かを検出するよ
   うにした超音波検出器であって、 一方の超音波素子から発信され検出器本体の動作診断用
   通路を伝播した超音波信号を他方の超音波素子で受信す
   ることによって自己の動作診断機能を有することを特徴
   とする超音波検出器。
3. 【請求項３】 検出対象は液体であり、相対向する二つ
   の超音波素子は検出器本体に密閉されている請求項２記
   載の超音波検出器。
4. 【請求項４】 超音波素子から超音波信号を間欠的に発
   信し、検出対象が存在する場合の上記超音波信号の受信
   信号と、検出器本体を伝播した超音波信号の受信信号と
   の時間差によって、検出対象からの信号と検出器本体を
   伝播した信号とを判別する請求項１または２記載の超音
   波検出器。
5. 【請求項５】 １個の超音波素子を有し、この１個の超
   音波素子を送信時と受信時に切り換えることにより、送
   信用と受信用に兼用させたことを特徴とする請求項１記
   載の超音波検出器。
6. 【請求項６】 受信信号の時間差を検出することによっ
   て、互いに異なる２液体の境界を検出することができる
   請求項１または２記載の超音波検出器。
7. 【請求項７】 信号のレベルを受信する構成になってい
   て、検出対象の受信レベルと動作診断時の受信レベルと
   に差をつけ、このレベル差で動作を診断することを特徴
   とする請求項２記載の超音波検出器。