JP2001091335A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波素子の検出面とタンクとの間に塗布し
た超音波伝導媒質が高粘度のものであっても、超音波セ
ンサをタンクに取り付けてから短時間で超音波伝導媒質
を一定の厚さに安定させることが可能な超音波センサを
提供をする。 【解決手段】 センサ１０がタンクに取り付けられる
と、板バネ１９の弾発力によって、素子３０がタンク側
に付勢され、素子３０の検出面３１とタンクの外面６１
との間に塗布された超音波伝導媒質の一部が、時間の経
過に伴って、素子３０の検出面３１とタンクの外面６１
との間から側方に押し流される。ここで、素子３０の検
出面３１には、側方に開放する溝３２が設けられている
から、その溝３２に沿って余分な超音波伝導媒質が検出
面３１より側方にスムーズに流れることができ、短時間
で超音波伝導媒質が一定の厚さになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、筒体又は容器の外
壁に取り付けられて、それらの内容物が所定量を満たし
ているか否かを検出する超音波センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の超音波センサは、一般に、送信
用と受信用の超音波素子とを備え、両超音波素子を例え
ばタンクの外周面に押し当てた状態に取り付けられて、
両超音波素子の間で送受信される超音波の受信量に基づ
き、タンク内の液体が所定量を満たしているか否かを検
出する。そして、このような超音波センサには、例え
ば、図２３に示した特開平９−１２６８６４号公報記載
のもののように、弾性体１の弾発力にて超音波素子２を
タンク３の外面に押圧する構成のものがあり、このもの
では、タンク３の曲率に拘わらず、超音波素子２の検出
面２Ａをタンク３に確実に押し当てることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、超音波セン
サをタンクに取り付けるときには、通常、超音波素子の
検出面とタンクの外面と間に、粘性を有する超音波伝導
媒質が塗布される。その理由は、微少（ミクロ）単位に
おいては、検出面及びタンクの外面には微小な凹凸があ
り、このために、検出面とタンクの外面とが物理的に面
当接しているように見えても、両者間にわずかな空間部
分が生じる。そして、この空間部分では、超音波素子と
タンクとの間で超音波のエネルギーが伝わらなくなり、
検出に悪影響を及ぼすからである。

【０００４】一方、超音波素子とタンクとの間の超音波
伝導媒質が過剰な状態で測定をはじめると、測定中に、
超音波伝導媒質の厚さが変化して、検出結果が安定しな
いという事態が生じる。このため、取り付け時に、超音
波センサを強い力でタンクに押し付け、余分な超音波伝
導媒質を、超音波素子の検出面とタンクの外面との間か
ら側方に押し出し、超音波伝導媒質を一定の厚さに安定
させてから検出をはじめる必要がある。

【０００５】ところが、上記したように、弾性体１にて
超音波素子２をタンク３の外面に押圧する超音波センサ
では、弾性体１の弾発力以上の大きな力で超音波素子２
をタンク３に押し付けることができないから、超音波伝
導媒質を一定の厚さに安定させるまでに時間がかかって
しまう。

【０００６】特に、タンク３が高温となるような場合に
は、高温時でも超音波伝導媒質が流れ落ちないようにす
るために、高粘度の超音波伝導媒質が用いられる。この
ため、常温時には、超音波伝導媒質の粘性はかなり高く
なっており、この状態で上記弾性体１を有した超音波セ
ンサをタンク３に取り付けると、超音波伝導媒質が一定
の厚さに安定するまでには、非常に長い時間を要する。

【０００７】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、超音波素子の検出面とタンクとの間に塗布した超音
波伝導媒質が高粘度のものであっても、超音波センサを
タンクに取り付けてから短時間で超音波伝導媒質を一定
の厚さに安定させることが可能な超音波センサの提供を
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明に係る超音波センサは、筒体又は容
器を構成する外壁に取り付けられた超音波素子によっ
て、筒体又は容器内の内容物を検出する超音波センサで
あって、超音波素子を筒体又は容器に押し付ける弾性体
を備えると共に、超音波素子のうち筒体又は容器に押し
付けられる検出面と筒体又は容器の外面との間に、粘性
を有する超音波伝導媒質が塗布される超音波センサにお
いて、超音波素子の検出面には、検出面の縁部において
側方に向けて開放する溝が形成されているところに特徴
を有する。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１記載の超音波
センサにおいて、筒体又は容器の外壁は、曲面を有し、
検出面は、曲面に線当接するように平坦に形成され、溝
は、検出面のうち曲面に線当接する部分を除いた領域に
配されているところに特徴を有する。

【００１０】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
記載の超音波センサにおいて、溝は、検出面の中心部か
ら縁部に向かって、溝の断面積が大きくなっているとこ
ろに特徴を有する。

【００１１】

【発明の作用及び効果】＜請求項１の発明＞超音波セン
サが筒体又は容器（以下、「容器等」という）の外面に
取り付けられると、超音波素子の検出面と容器等の外面
との間に塗布された超音波伝導媒質が、弾性体の弾性発
力にて押圧される。すると、超音波伝導媒質が、検出面
に形成された溝に沿って検出面の中心側から側方に向け
てスムーズに流れ、余分な超音波伝導媒質が短時間で溝
の開放口から排出される。これにより、超音波センサを
容器等に取り付けてから短時間で、検出面が容器等の外
面に突き当たり、もって検出面と容器等の外面との間の
超音波伝導媒質が一定の厚さになって安定する。このよ
うに、本発明によれば、検出面に溝を備えない従来のも
のに比べて、超音波伝導媒質がスムーズに流れるから、
超音波伝導媒質が一定の厚さに安定するまでの時間を短
縮することができる。

【００１２】＜請求項２の発明＞請求項２の発明では、
溝は、検出面のうち容器等の曲面に線当接する部分を除
いた領域に配されているから、超音波素子の検出面と容
器等の外面との当接範囲が溝によって削減されることが
なくなり、容器等の曲面に超音波センサを取り付けたと
きでも、超音波の送受信強度を高い状態にして、上記目
的を達成することができる。

【００１３】＜請求項３の発明＞請求項３の構成によれ
ば、溝は、検出面の中心部より縁部側の方が断面積が大
きくなっているから、超音波伝導媒質が溝の開放口に向
かってより一層スムーズに流れ、余分な超音波伝導媒質
を短時間で開放口から排出できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態に係る
超音波センサ１０（以下、単に「センサ１０」という）
を図１〜図９に基づいて説明する。

【００１５】センサ１０は、図１に示されており、直方
体状の樹脂ケース１１のうちタンクに宛われる面に窓部
１２を備え、その窓部１２の奥側にゴム部材１３を有す
る。そして、ゴム部材１３に形成した一対の凹部１４，
１４に、それぞれ円柱状の超音波素子３０，３０（以
下、単に「素子３０」という）の後端部を収容して備え
る。

【００１６】ゴム部材１３より奥側には、金属板１６が
設けられ、その金属板１６に向けて、ゴム部材１３の背
面から前記凹部１４の底壁及び周壁がエンボス状をなし
て突出している。そして、各エンボス部分の先端には、
薄皿状の金属キャップ１７が冠着される一方、金属板１
６のうち各金属キャップ１７との対向部分には、それぞ
れ金属板１６の一部を切離してなる素子支持部１８が設
けられている。

【００１７】各素子支持部１８は、図２に示すように、
片持ち梁状の一対の板バネ１９，１９が、互いに向かい
合って接近する構造をなし、各板バネ１９の先端から起
立した支持突部２０，２０の先端が、図３に示すよう
に、金属キャップ１７は中心点を挟んだ両側に当接して
いる。これにより、素子３０が両支持突部２０，２０の
並び方向と直交する方向で傾動でき、かつ、素子３０が
各板バネ１９の弾性力に抗して樹脂ケース１１の奥側に
移動できる。

【００１８】さて、素子３０のうちタンクに外面６１に
付き合わされる平坦な検出面３１には、図７及び図８に
示すように、複数の溝３２が径方向に沿って放射状に形
成されている。より詳細には、溝３２は、図７に示すよ
うに、検出面３１のうちタンクの外面６１に線当接する
部分及びその近傍を除いた領域において、検出面３１を
８等配する位置に配されている。

【００１９】ここで、本実施形態のセンサ１０では、図
５及び図６に示すように、一対の素子３０，３０がタン
クの軸方向と直交する方向に並ぶように取り付けられた
場合には（タンクに横向きに取り付けられた場合に
は）、素子３０の検出面３１が、図７の上下方向を向く
中心線Ｌ１の位置でタンクの外面６１と線当接し、この
場合からセンサ１０を９０度旋回させてタンクに縦向き
に取り付けた場合には（図示せず）、素子３０の検出面
３１は、図７の左右方向を向く中心線Ｌ２の位置でタン
クの外面６１と線当接する。

【００２０】そこで、本実施形態では、８つの溝３２
は、検出面３１のうち図７の上下及び左右方向を向いた
２つの中心線Ｌ１，Ｌ２が、それそれ隣り合った一対の
溝３２，３２の間の真中を通るように配され、これによ
り、センサ１０がタンクに対して縦横のどちら向きに取
り付けられても、溝３２の縁部がタンクの外面６１に当
接しないようにしてある。

【００２１】また、溝３２は、図８に示すように、断面
形状が三角形をなして、その三角形の底面が検出面３１
で開放している。そして、溝３２の幅が、検出面３１の
中心部から側縁部に向かうに伴って徐々に広くなると共
に、溝３２の深さが、検出面３１の中心部から側縁部に
向かうに伴って徐々に深くなっており、これにより、溝
３２の断面積が、検出面３１の中心部から縁部に向かう
に伴って徐々に大きくなっている。

【００２２】センサ１０は、図４に示したブラケット５
０を介してタンクに取り付けられる。ブラケット５０
は、金属板より形成され、主板部５１の両側部から一対
の対向壁５２，５２を直立曲げしてなる。そして、主板
部５１に形成した切欠部５４の両縁部５４Ａ，５４Ａ
（図４及び図７参照）をタンクの外面６１に当てて、主
板部５１の両端に備えたバンド係止部５３，５３に、タ
ンクの外周に回したバンド（図示せず）の両端が係止さ
れることでタンクに固定される。

【００２３】次に、上記センサ１０をタンクに取り付け
る際の動作を説明する。センサ１０をタンクに取り付け
るには、まず、ブラケット５０のみを上述したようにタ
ンクに固定しておく。次いで、センサ１０に備えた両素
子３０の検出面３１に超音波伝導媒質４０（図９参照）
を塗布し、このセンサ１０を、素子３０が配された面側
からブラケット５０の両対向壁５２，５２の間に押し込
む。

【００２４】センサ１０を押し込んでいくと、やがて、
センサ１０に備えたフランジ２１が、ブラケット５０の
対向壁５２に設けた受部５５に当接し（図５参照）、そ
れ以上、センサ１０をタンクに接近させることができな
くなる。このセンサ１０を押し込む過程で、素子３０の
検出面３１に塗布した超音波伝導媒質４０がタンクの外
面６１に密着し、ここからさらにセンサ１０が正規位置
まで押し込まれるまでの間に、素子３０がタンクに押さ
れて樹脂ケース１１の奥側に移動する。これにより、樹
脂ケース１１の奥側の板バネ１９が弾性変形し、この弾
発力にて素子３０の検出面３１が、タンクの外面６１に
押しつけられる。詳細には、図５及び図６にタンクの外
面６１の曲率を変えて比較して示すように、素子３０
は、タンクの外面６１の曲率に応じた角度となるように
傾動し、検出面３１のうち図７の上下方向に延びた中心
線Ｌ１に沿った部分が、タンクの外面６１に最も接近し
た状態となって、上記板バネ１９の弾発力にて素子３０
の検出面３１がタンクに向けて押し付けられる。

【００２５】この状態で、ブラケット５０のうち対向壁
５２，５２に回動可能に備えたレバー式のクリップ５６
を回動させてセンサ１０に備えたフランジ２１に係止さ
せ、センサ１０のブラケット５０へのセットが完了す
る。

【００２６】さて、上記したように、センサ１０がブラ
ケット５０にセットされると、素子３０の検出面３１と
タンクの外面６１との間で超音波伝導媒質４０が押圧さ
れた状態に保持される。ここで、素子３０の検出面３１
には、側方に開放する複数の溝３２が設けられているか
ら、超音波伝導媒質４０は分断されて各溝３２に流れ込
み、それら溝３２に沿って検出面３１の中心側から側方
に向かってスムーズに流れる。しかも、溝３２の断面積
は、検出面３１の中心部より縁部側の方が大きいから、
そうでない場合に比べてより一層スムーズに超音波伝導
媒質４０が溝３２の開放口に向かって流れることがで
き、余分な超音波伝導媒質４０を短時間で開放口から排
出できる（図９（Ｂ）参照）。これにより、検出面３１
のうち中心線Ｌ１（図７参照）に沿った部分が短時間で
タンクの外面６１に突き当たり、もって検出面３１とタ
ンクの外面６１との間の超音波伝導媒質４０が短時間で
一定の厚さになって安定する。ここで、検出面３１に
は、上記中心線Ｌ１を除いた領域に配されているから、
素子３０の検出面３１とタンクの外面６１との当接範囲
が溝３２によって削減されることがなくなり、超音波の
送受信強度を高い状態にすることができる。

【００２７】このように、本実施形態のセンサ１０によ
れば、素子の検出面に溝を備えない従来のものに比べ
て、検出面３１とタンクの外面６１との間から余分な超
音波伝導媒質４０がスムーズに側方に排出されて、超音
波伝導媒質４０が一定の厚さに安定させるまでの時間を
短縮することができる。これにより、センサ１０を取り
付けてから、短時間で安定した検出を行うことができ
る。

【００２８】＜他の実施形態＞本発明は、前記実施形態
に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するよ
うな実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、
下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実
施することができる。

【００２９】（１）前記実施形態のセンサ１０は、ブラ
ケット５０を介してタンクに取り付けられる構成となっ
ていたが、センサを直にタンクに取り付ける構成として
もよい。 （２）前記実施形態では、板バネ１９で素子３０をタン
クに向けて付勢していたが、例えばコイルバネにて素子
をタンクに付勢する構成としてもよい。

【００３０】（３）前記実施形態の溝３２は、全部で８
つ設けられていたが、溝の数は８つに限定されるもので
はなく、例えば、図１０に示すように、検出面３１を４
等配する位置に４つの溝７０を径方向に沿って形成した
ものでもよい。 （４）前記実施形態では、タンクの外面との当接領域以
外の部分に溝を形成していたが、例えば、図１１に示す
ように、タンクの外面に当接し得る上下の中心線Ｌ１，
Ｌ２に沿った位置に溝７１を形成してもよい。

【００３１】（５）また、図１２に示すように、図１０
記載の溝７０と図１１記載の溝７１の両方形成した構造
としてもよい。 （６）さらに、図１３に示すように、図１０記載の溝７
０と前記第１実施形態に記載の溝３２の両方形成した構
造としてもよい。

【００３２】（７）溝は、必ずしも検出面の中心位置か
ら側方に向かうに従って幅広となっている必要はなく、
例えば、図１４及び図１５に示すように、幅が一定の溝
７３を検出面に形成してもよい。 （８）溝は、検出面の中心から放射線状に延びていなく
てもよく、例えば、図１６に示すように、検出面３１に
縦方向に並行した複数の溝７４を備えたものでもよい。

【００３３】（９）図１７に示すように、縦横に並行し
た複数の溝を形成することで、格子状の溝７５を形成し
てもよい。 （１０）超音波伝導媒質が流れ易いという観点からする
と、検出面には、溝の総面積が溝以外の領域の総面積よ
り広い方がよいから、図１９に示すように、検出面３１
のうちタンクの外面に当接し得る十字状の当接領域Ｓを
除いた領域を、全体的に陥没させて溝７６としてもよ
い。

【００３４】（１１）また、図１８に示すように、検出
面３１のうちタンクの外面に当接しうる十字状の当接領
域Ｓを除いた領域に、格子状の溝７７を形成してもよ
い。 （１２）さらに、図２０（Ｂ）に示すように、上記溝７
６の底面とタンクへの当接領域Ｓとをテーパ面７８で繋
げて、超音波伝導媒質が溝３２内に流れやすくしてもよ
い。

【００３５】（１３）図２１（Ｂ）に示すように、上記
溝７６の底面と当接領域Ｓとを連続した曲面で繋げた構
造としてもよい。 （１４）前記実施形態の溝３２は、溝３２の幅が、検出
面３１の中心部から側縁部に向かって広くなると共に、
溝３２の深さが、検出面３１の中心部から側縁部に向か
って深くなる構造であったが、例えば、図２２に示すよ
うに、溝３２の深さは一定で、溝３２の幅のみが検出面
３１の中心部から側縁部に向かって広くなるものや、図
示しないが、溝の幅は一定で、溝の深さのみが検出面の
中心部から側縁部に向かって深くなるものでもよい。

【００３６】（１５）本発明の超音波センサが取り付け
られる容器の形状は、円筒体、直方体、球体等のどのよ
うなものでもよく、また、例えば、小麦粉又はセメント
等の粉体物や、穀物又は樹脂ペレット等の粒体物を貯蔵
するホッパ等も本発明における容器に含まれる。 （１６）また、超音波センサは、タンク等の容器に取り
付けられるもののみならず、筒体に取り付けられるもの
であってもよい。その筒体の具体例としては、例えば、
タンクに連通してその側部に沿って配された筒体であっ
て、そのタンク内と同じ水位の液体が内部に通される液
柱管や、例えば、タンク等の容器に連通したパイプ、バ
ルブ等の流路管等が挙げられる。

【００３７】（１７）前記実施形態のセンサ１０は、送
信用と受信用の一対の超音波素子３０，３０を備えてい
たが、例えば、送信用と受信用とを１つの超音波素子で
兼用したものであってもよい。具体的には、１つの超音
波素子のみをタンクに取り付け、その超音波素子をまず
送信用として駆動させることで超音波をタンクに与えた
後、同じ超音波素子を受信用に切り換えて、タンク及び
内容物を媒体として反射した超音波を受信する構成とし
てもよい。

【００３８】（１８）また、一対の超音波素子をタンク
に取り付ける場合は、前記実施形態のように、両素子３
０，３０を横並びして取り付ける構成に限られず、例え
ば、タンクを間に挟むようにして２つの超音波素子を取
り付けた構成としてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る超音波センサの側断面
図

【図２】金属板の斜視図

【図３】超音波センサの側断面図

【図４】ブラケットの斜視図

【図５】曲率が小さいタンクに取り付けられた超音波セ
ンサの側断面図

【図６】曲率が大きいタンクに取り付けられた超音波セ
ンサの側断面図

【図７】超音波センサの底面図

【図８】超音波センサの検出面を示す斜視図

【図９】（Ａ）超音波センサをタンクに取り付けた直後
の状態を示す超音波素子の部分斜視図 （Ｂ）超音波センサをタンクに取り付けて時間が経過し
た後の状態を示す超音波素子の部分斜視図

【図１０】溝の変形例１を示す超音波素子の検出面の平
面図

【図１１】溝の変形例２を示す超音波素子の検出面の平
面図

【図１２】溝の変形例３を示す超音波素子の検出面の平
面図

【図１３】溝の変形例４を示す超音波素子の検出面の平
面図

【図１４】溝の変形例５を示す超音波素子の検出面の平
面図

【図１５】溝の変形例６を示す超音波素子の検出面の平
面図

【図１６】溝の変形例７を示す超音波素子の検出面の平
面図

【図１７】溝の変形例８を示す超音波素子の検出面の平
面図

【図１８】溝の変形例９を示す超音波素子の検出面の平
面図

【図１９】（Ａ）溝の変形例１０を示す超音波素子の検
出面の平面図 （Ｂ）その超音波素子の側断面図

【図２０】（Ａ）溝の変形例１１を示す超音波素子の検
出面の平面図 （Ｂ）その超音波素子の側断面図

【図２１】（Ａ）溝の変形例１２を示す超音波素子の検
出面の平面図 （Ｂ）超音波素子の側断面図

【図２２】溝の変形例１３を示す斜視図

【図２３】従来の超音波センサの側断面図

【符号の説明】

１０…超音波センサ １１…樹脂ケース １３…ゴム部材 １８…素子支持部 １９…板バネ（弾性体） ３０…超音波素子 ３１…検出面 ３２，７０，７１，７３，７４，７５，７６，７７…溝 ４０…超音波伝導媒質 ６１…タンク（容器）の外面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒体又は容器を構成する外壁に取り付け
   られた超音波素子によって、前記筒体又は容器内の内容
   物を検出する超音波センサであって、 前記超音波素子を前記筒体又は容器に押し付ける弾性体
   を備えると共に、 前記超音波素子のうち前記筒体又は容器に押し付けられ
   る検出面と前記筒体又は容器の外面との間に、粘性を有
   する超音波伝導媒質が塗布される超音波センサにおい
   て、 前記超音波素子の前記検出面には、前記検出面の縁部に
   おいて側方に向けて開放する溝が形成されていることを
   特徴とする超音波センサ。
2. 【請求項２】 前記筒体又は容器の外壁は、曲面を有
   し、 前記検出面は、前記曲面に線当接するように平坦に形成
   され、 前記溝は、前記検出面のうち前記曲面に線当接する部分
   を除いた領域に配されていることを特徴とする請求項１
   記載の超音波センサ。
3. 【請求項３】 前記溝は、前記検出面の中心部から縁部
   に向かって、前記溝の断面積が大きくなっていることを
   特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波センサ。