JP2017044622A - 液面位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】組立作業性に優れた液面位置検出装置を提供する。
【解決手段】容器に設けられ表面波を伝搬する伝搬体と、伝搬体に振動を与えるとともに反射した表面波を検出する圧電素子が設けられた振動発生検出手段と、表面波の反射時間から液面位置を算出する位置検出手段とを備える液面位置検出装置であって、圧電素子は伝搬体と対向する面の裏面５１ｃに第一の通電部５１ｅと第一の非通電部５１ｆと、伝搬体と対向する面５１ｄに第二の通電部５１ｇと第二の非通電部５１ｈとを備え、第一の通電部と第二の非通電部に接触し圧電素子を保持する保持部５２ａを設けた第一のリード端子５２と、第二の通電部と第一の非通電部に接触し圧電素子を保持する保持部５３ａを設けた第二のリード端子５３とを備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、超音波を利用し、タンク内の液体の液面を検出する液面位置検出装置に関する。

液面位置検出装置には、タンク内の液面にフロートを浮かべて液面位置を検出する装置や、タンク内に超音波伝搬体を配置し、液体中の部分を伝搬する表面波の速度と、気体中の部分を伝搬する表面波の速度の差を利用して液面位置を検出する装置がある。このような超音波を利用した液面位置検出装置が各種提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の液面位置検出装置では、金属製の超音波伝搬体を長手方向が上下になるようにタンク内に配置し、超音波伝搬体の上端部に設けた超音波振動子を振動させる。液体接触部分を伝搬する表面波の速度が、液体から露出する露出部分を伝搬する表面波の速度よりも遅くなることを利用して液面位置が検出される。しかし、超音波伝搬体が金属製であるため、液体接触部分を伝搬する表面波の速度と露出部分を伝搬する表面波の速度が、略同じになり、液面位置の検出精度が悪くなる。この対策として、合成樹脂製の伝搬体を使用した技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２の液面位置検出装置では、合成樹脂製の伝搬体は、長手方向が上下になるようにタンク内に配置されている。伝搬体の上面に設けられた圧電素子を振動させ、伝搬体の表面に表面波を発生させる。伝搬体の下端で反射した表面波が、圧電素子に戻ってくるまでの時間を計測する。液体接触部分を伝搬する表面波の速度が、液体から露出する露出部分を伝搬する表面波の速度よりも遅くなることを利用して液面位置が検出される。圧電素子は、伝搬体の上面に固定部材により押しつけられるように配置されている。

特開平４−８６５２５号公報 特開２０１５−１０８７８号公報

しかしながら、前述の液面検出装置は、圧電素子と回路基板（圧電素子の電源供給や信号の送受信用）が電気コードによって接続されているため、圧電素子に電気コードを半田付けや溶接によって通電させて電気コードを引き回す必要があるため、組立作業が複雑になり、改善の余地があった。

本発明は、伝搬体の上端部に圧電素子を配置し、超音波を利用して液面を検出する液面位置検出装置において、圧電素子と回路基板の電気的接続において組立作業性に優れた液面位置検出装置を提供することを目的とする。

本発明の液面位置検出装置１０は、液体８０に浸るように容器７０に設けられ表面波Ｗ１を伝搬する伝搬体２０と、伝搬体２０に振動を与えるとともに反射した表面波Ｗ１を検出する圧電素子５１が設けられた振動発生検出手段５０と、圧電素子５１で検出された信号から表面波Ｗ１の反射時間を計測して液面８１の位置を算出する位置検出手段６０とを備える液面位置検出装置１０であって、圧電素子５１は、伝搬体２０と対向する面の裏面５１ｃに第一の通電部５１ｅと第一の非通電部５１ｆと、伝搬体２０と対向する面５１ｄに第二の通電部５１ｇと第二の非通電部５１ｈとを備え、第一の通電部５１ｅと第二の非通電部５１ｈに接触し圧電素子５１を保持する保持部５２ａを設けた第一のリード端子５２と、第二の通電部５１ｇと第一の非通電部５１ｆに接触し圧電素子５１を保持する保持部５３ａを設けた第二のリード端子５３と、を備えたものである。

また、前記第一のリード端子５２と前記第二のリード端子５３は、それぞれ屈曲部５２ｂ，５３ｂを備えたことを特徴とする。

また、前記第一のリード端子５２と前記第二のリード端子５３は、同形状であることを特徴とする。

リード端子の保持部が圧電素子を保持するとともに、圧電素子と回路基板を通電することによって、製造時において圧電素子５１への半田付けや溶接などの工程を削減することにより製造工程の簡素化を図ることができ、ひいては生産性向上を図ることができる。

リード端子に屈曲部を設けることによって、製造時や使用環境下における振動や熱膨張によるリード端子の変形が生じた場合であっても、圧電素子保持部や回路基板に加わる応力を緩和することができる。

リード端子を同形状とすることによって、製造時における誤組の虞がなくなり、部品が共通であるため部品管理が容易となる。

本発明に係る液面位置検出装置の構成図である。 液面検出装置の要部断面図である。 液面検出装置の要部分解斜視図である。 液面検出装置の要部斜視図である。 基板収納部に伝搬体及び素子収納部を組み付ける説明図である。 本発明に係る圧電素子とリード端子の説明図である。 上記圧電素子とリード端子の断面図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

図１に示すように、液面位置検出装置１０は、容器７０に貯留された液体８０の液面８１の位置を検出する装置である。容器７０は、例えば燃料タンクであり、液体８０は、例えばガソリンである。ガソリンの使用、給油に伴い、液面８１の位置は上下に移動する。なお、容器７０は燃料タンクに限定されず、液体８０を貯留できれば一般的な容器であってもよい。また、液体８０はガソリンに限定されず、アルコール等の燃料や水等でもよく、いずれの液体であっても差し支えない。

液面位置検出装置１０は、液体８０に浸るように設けられ超音波を伝搬する伝搬体２０と、この伝搬体２０に設けられ伝搬体２０に振動を与えるとともに反射した超音波を検出する圧電素子５１が設けられた振動発生検出手段５０と、圧電素子５１で検出された信号から超音波の反射時間を計測して液面位置を算出する位置検出手段６０とを備える。

伝搬体２０の上端部には、圧電素子５１を収納する素子収納部３０が設けられている。素子収納部３０は、この素子収納部３０の収納空間３１と連通するように形成され回路基板４１を収納する基板収納部４０を備える。基板収納部４０は鍔部４２を一体的に備え、この鍔部４２は締結部材４３によって容器７０に締結されている。

伝搬体２０は、樹脂材料からなる。樹脂材料は、例えばポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）である。伝搬体２０の材料をＰＰＳとすることで、超音波（表面波Ｗ１、内部伝搬波Ｗ２）を良好に伝搬することができる。なお、樹脂材料はＰＰＳに限定されず、超音波を伝搬できれば他の一般的な樹脂であっても差し支えない。

また、伝搬体２０は、上下に長い四角柱形状であり、その途中に切り欠いた溝２１を備えている。この溝２１は、内部伝搬波を反射する内部伝搬波反射部２２を備えている。なお、実施例では伝搬体２０の形状を四角柱としたが、これに限定されず、円柱、三角柱等、上下に長い柱形状であれば他の形状であっても差し支えない。

振動発生検出手段５０は、圧電素子５１と、圧電素子５１を駆動させる信号を送信する回路と、圧電素子で検出した信号を受信する回路とから構成され、これらの回路は回路基板４１に実装されている。

圧電素子５１は、伝搬体２０に表面波Ｗ１と内部伝搬波Ｗ２を発生させるとともに、表面波Ｗ１と内部伝搬波Ｗ２を検出するために、伝搬体２０の端部まで溝２１が設けられていない表面（表面そのものと表面から伝搬体２０の厚さよりも短い所定の深さまでの領域とを含む）の主面２３から圧電素子５１の一部が迫り出すように配置されている。圧電素子５１は、伝搬体２０に振動を与え、伝搬体２０の主面２３に表面波Ｗ１を発生させるとともに、伝搬体２０の内部に内部伝搬波Ｗ２を発生させる。さらに圧電素子５１は、主面２３の下端２４で反射された表面波Ｗ１と、内部伝搬波反射部２２で反射された内部伝搬波Ｗ２とを検出し電圧に変換する。なお、表面波Ｗ１としては、レイリー波、漏洩レイリー波及び横波型弾性表面波（ＳＨ−ＳＡＷ）等があり、内部伝搬波Ｗ２としては、横波がある。

振動発生では、位置検出手段６０が所定周期で出力する駆動信号によって、振動発生検出手段５０の圧電素子５１に電圧が加えられ、圧電素子５１が駆動する。結果、上述した表面波Ｗ１及び内部伝搬波Ｗ２を発生する。

振動検出では、反射した表面波Ｗ１及び反射した内部伝搬波Ｗ２によって、圧電素子５１から出力信号が出力される。結果、出力信号が位置検出手段６０に送られ、液面の位置が算出される。

なお、実施例では、位置検出手段６０を回路基板４１に実装された回路としたが、これに限定されず、位置検出手段６０を基板収納部４０の外部に配置された外部装置に設けても差し支えない。

次に、液面８１の高さを算出する基本原理を説明する。概略を説明すると、液面８１の高さは、表面波Ｗ１の伝搬時間Ｔ１と内部伝搬波Ｗ２の伝搬時間Ｔ２から求められる。以下、詳細に説明する。

表面波Ｗ１の伝搬時間Ｔ１は、位置検出手段６０が駆動信号を出力した時点ｔ１から表面波Ｗ１が発生し、伝搬体２０の下端２４で反射した表面波Ｗ１を圧電素子５１で検出して位置検出手段６０が出力信号を受信した時点ｔ２までの時間である。

内部伝搬波Ｗ２の伝搬時間Ｔ２は、位置検出手段６０が駆動信号を出力した時点ｔ１から内部伝搬波Ｗ２が発生し、伝搬体２０の内部伝搬波反射部２２で反射した内部伝搬波Ｗ２を圧電素子５１で検出して位置検出手段６０が出力信号を受信した時点ｔ３までの時間である。

表面波Ｗ１は、伝搬体２０が液体８０に浸かった部分では、伝搬体２０（主面２３）を進む速度が遅くなる。このため、容器７０内の液面が高い位置にあるほど、Ｔ１が大きくなる。内部伝搬波Ｗ２は、伝搬体２０の内部を進むため、伝搬体２０が液体８０に浸かっている部分に影響されずにＴ２の値が定まる。

内部伝搬波Ｗ２の伝搬時間Ｔ２から、位置検出手段６０のメモリ等に記憶した温度条件を参照し、伝搬体２０の温度を求める。伝搬体２０の温度に基づいて、表面波Ｗ１の伝搬時間Ｔ１の温度補正を行う。伝搬時間Ｔ１の温度補正を行った値から、位置検出手段６０のメモリ等に記憶した情報を参照し、液面８１の高さを算出する。
なお、実施例では温度補正の式については言及しないが、予め決められた補正係数等を考慮して位置検出手段６０によって演算し、温度補正を行うものとする。

次に、液面位置検出装置１０の要部について説明する。
図１〜図４に示すように、液面位置検出装置１０は、上下に長い伝搬体２０と、圧電素子５１が収納された素子収納部３０と、回路基板４１が収納された基板収納部４０とを備える。

伝搬体２０は、上部に素子収納部３０を一体的に備える。素子収納部３０は、側面視で伝搬体２０の主面２３から一部が迫り出すように形成された底面部３２と、この底面部３２から垂直方向に延設された壁部３３とを有する。圧電素子５１は、側面視で主面２３から一部が迫り出すとともに、底面部３２の上面に密着し、底面部３２を介して主面２３の垂直方向に振動を与えるように配置されている。

壁部３３のうち、迫り出し側の壁部３３ａは、主面２３よりも外側（図左側）に位置する。壁部３３のうち、迫り出し側と反対側の壁部３３ｂは、伝搬体２０の主面２３と反対側の裏面２５よりも内側（図左側）に位置する。圧電素子５１の迫り出し側の端部５１ａは、主面２３よりも外側（図左側）に位置する。圧電素子５１の迫り出し側と反対側の端部５１ｂは、反対側の裏面２５よりも内側（図左側）に位置する。圧電素子５１の端部５１ｂが裏面２５から迫り出さないように配置することで、裏面２５にノイズとなる表面波が発生することを防止し、表面波Ｗ１を主面２３側にのみ良好に発生させることができる。なお、圧電素子５１の端部５１ｂが裏面２５から迫り出さないように配置されれば、壁部３３の迫り出し側と反対側の壁部３３ｂが、伝搬体２０の裏面２５よりも外側（図右側）に位置してもよい。

底面部３２及び圧電素子５１は、主面２３から一部が迫り出す領域Ｓ１を有する。このため、圧電素子５１の中央部を主面２３の延長線上に配置することができ、表面波Ｗ１を良好に発生させることができる。さらに、伝搬体２０は樹脂材料からなるので、液体接触部分を伝搬する表面波Ｗ１の速度と露出部分を伝搬する表面波Ｗ１の速度の差を大きくし、液面８１（図１参照）の検出精度を向上させることができる。

圧電素子５１は、例えば、主面２３と垂直に振動するすべり素子からなる。圧電素子５１の振動は、底面部３２を介して伝搬体２０の主面２３に付与され、主面２３に表面波Ｗ１が発生する。また、伝搬体２０の内部には、内部伝搬波Ｗ２が発生する。圧電素子５１は、主面２３の下端２４（図１参照）で反射した表面波Ｗ１及び内部伝搬波反射部２２（図１参照）で反射した内部伝搬波Ｗ２を検出する検出部としての機能も有する。

また、伝搬体２０の上部に素子収納部３０が一体的に設けられているので、圧電素子５１を密閉された素子収納部３０の収納空間３１内に配置して圧電素子５１への液体の接触を防止できる。

素子収納部３０の収納空間３１には、底面部３２の上面にオイル、グリス、接着剤等からなり空気層を遮断するための干渉部材３４が設けられ、この干渉部材３４上に圧電素子５１が設けられ、この圧電素子５１を覆うようにゴム等の弾性部材３５が設けられ、弾性部材３５上にスペーサー３６が設けられる。このスペーサー３６は、押圧部材３７で圧電素子５１側に付勢される。

押圧部材３７は、板ばね部材であり、素子収納部３０の上部３８に接着されている。なお、素子収納部３０に対する押圧部材３７の固定方法は、接着に限定されず、ねじ、フック等によって固定する方法であっても差し支えない。また、押圧部材３７は、板ばね部材に限定されず、弾性部材であればコイルばね、トーションばね等でもよく、スペーサー３６を押し圧できれば他の弾性部材であってもよい。

圧電素子５１は、伝搬体２０の上面（素子収納部３０の底面部３２）に振動面が接触している。押圧部材３７で弾性部材３５を直接押すのではなく、スペーサー３６を介在させてスペーサー３６を押すことで、圧電素子５１を均一に押圧することができる。

また、圧電素子５１は、伝搬体２０と対向する面の裏面（図３の上側の面）５１ｃに第一の通電部５１ｅと第一の非通電部５１ｆと、伝搬体２０と対向する面（図３の下側の面）５１ｄに第二の通電部５１ｇと第二の非通電部５１ｈとを備えている（図６（ｂ），（ｃ）参照）。第一の通電部５１ｅ，第二の通電部５１ｇはニッケルメッキによってメッキ処理されている。なお、第一の非通電部５１ｆと第二の非通電部５１ｈとは、メッキ処理が施されていない。

スペーサー３６が押圧部材３７で付勢されることで、圧電素子５１が底面部３２に押圧されるので、周囲環境の温度変化によって生じる圧電素子５１の取付部の精度誤差を吸収し、圧電素子５１を底面部３２に隙間なく押しつけることができる。このため、周囲環境の温度が変化した場合でも、伝搬体２０からの表面波Ｗ１を圧電素子５１で検出し、液面位置の検出精度を向上させることができる。

振動発生検出手段５０は、圧電素子５１と、図示せぬ送信回路及び受信回路を実装した回路基板４１とを備え、圧電素子５１に接続された第一，第二のリード端子５２，５３が回路基板４１に接続されている。弾性部材３５には、第一，第二のリード端子５２，５３を回避する切り欠き３５ａが形成され、スペーサー３６には、第一，第二のリード端子５２，５３を回避する切り欠き３６ａが形成されている。

また、第一，第二のリード端子５２，５３は同形状であり、圧電素子５１を保持する例えばコの字状の保持部５２ａ，５３ａを備えている。保持部５２ａはメッキ処理が施された第一の通電部５１ｅと接触する接触部５２ａ１と、第二の非通電部５１ｈと接触する接触部５２ａ２を備えている。保持部５３ａは、図７に示すように、メッキ処理が施された第二の通電部５１ｇと接触する接触部５３ａ２と、第一の非通電部５１ｆと接触する接触部５３ａ１を備えている。第二の非通電部５１ｈ及び第一の非通電部５１ｆは、メッキ処理が施されていないため、第一のリード端子５２と第二の通電部５１ｇ、第二のリード端子５３と第一の通電部５１ｅとの間に電気的な絶縁作用を介在させることができる。これにより、第一のリード端子５２は５１ｃ面のみに通電し、第二のリード端子５３は５１ｄ面にのみ通電させることができるため５１ｃ、５１ｄ間に電位差を設けることができる。
したがって、メッキ処理の有無箇所によって、第一，第二のリード端子５２，５３が同じ形状であっても、圧電素子５１に電流を流すことができる。

また、第一，第二のリード端子５２，５３は圧電素子５１と回路基板４１の中間部分に屈曲部５２ｂ，５３ｂを備えており、製造時や使用環境下における振動や熱膨張による第一，第二のリード端子５２，５３の変形が生じた場合であっても、圧電素子５１の保持部５２ａ，５３ａや回路基板４１に加わる応力を緩和することができる。

基板収納部４０は、樹脂材料からなる。樹脂材料は、例えばポリアセタール（ＰＯＭ）である。基板収納部４０及び鍔部４２を構成する材料をポリアセタール（ＰＯＭ）とすることで、基板収納部４０及び鍔部４２の材料を素子収納部３０の材料よりも安価で靭性が高い材料とすることができる。結果、装置全体を安価にし、且つ容器７０への取付強度を向上させることができる。

基板収納部４０は、素子収納部３０の収納空間３１と連通し、回路基板４１を収納するための収納空間４４を備える。基板収納部４０の開口部は、図示せぬシール部材を介してカバー部材４５によって覆われている。このため、素子収納部３０の開口部もカバー部材４５で密閉される状態となる。カバー部材４５は、締結部材４５ａによって基板収納部４０に締結されている。なお、カバー部材４５を基板収納部４０に接着しても差し支えない。

容器７０の上面と基板収納部４０との間は、シール部材４６によってシールされている。シール部材４６は、Ｏリングであるが、シールできれば他の部材であってもよい。また、素子収納部３０の上部３８には、係止片３９が設けられている。

図２、図５に示すように、基板収納部４０には、組み付け用切り欠き部４７が形成されている。素子収納部３０は、素子収納部３０の係止片３９を組み付け用切り欠き部４７に通して回転することで、基板収納部４０へ組み付けられる。素子収納部３０の下部にはフランジ部３９ａが形成されており、フランジ部３９ａと基板収納部４０との間のシール部材４８によってシールされる。シール部材４８は、Ｏリングである。基板収納部４０は、係止片３９とＯリング４８によって挟持して固定された状態となる。

伝搬体２０には、圧電素子５１を配置するための素子収納部３０が一体的に成形され、素子収納部３０には、シール部材４８を介して回路基板４１を収納する基板収納部４０が備えられ、基板収納部４０の開口部がカバー部材４５で覆われる。このため、圧電素子５１が密閉された素子収納部３０の収納空間３１に配置されることになり、気密性を確保し、圧電素子５１及び回路基板４１への液体の接触を防止することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態の構成にて例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の構成においても、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良、並びに設計の変更が可能なことはもちろんである。例えば、実施例ではリード端子の保持部をコの字状としたが、圧電素子の角部を覆う中空の三角柱または四角柱の形状としても良い。

また、実施例では、圧電素子の通電部をニッケルメッキとしたが、通電が確保できれば他のメッキ処理や導電性のコーティング処理等でも差支えない。

本発明は、容器に貯留された液体の液面位置を計測する液面位置検出装置に好適である。

１０ 液面位置検出装置
２０ 伝搬体
２１ 溝
２２ 内部伝搬波反射部
２３ 主面
３０ 素子収納部
３２ 底面部
３３ 壁部
３５ 弾性部材
３６ スペーサー
３７ 押圧部材
３９ 係止片
３９ａ フランジ部
４０ 基板収納部
４１ 回路基板
４２ 鍔部
４３ 締結部材
４７ 切り欠き部
４８ シール部材
５０ 振動発生検出手段
５１ 圧電素子
５１ａ 端部
５１ｂ 端部
５１ｃ 面（伝搬体と対向する面の裏面）
５１ｄ 面（伝搬体と対向する面）
５１ｅ 第一の通電部
５１ｆ 第一の非通電部
５１ｇ 第二の通電部
５１ｈ 第二の非通電部
５２ 第一のリード端子
５２ａ 保持部
５２ａ１ 接触部
５２ａ２ 接触部
５２ｂ 屈曲部
５３ 第二のリード端子
５３ａ 保持部
５３ａ１ 接触部
５３ａ２ 接触部
５３ｂ 屈曲部
６０ 位置検出手段
７０ 容器
８０ 液体
８１ 液面

Claims (3)

1. 液体に浸るように容器に設けられ表面波を伝搬する伝搬体と、
   前記伝搬体に振動を与えるとともに反射した表面波を検出する圧電素子が設けられた振動発生検出手段と、
   前記圧電素子で検出された信号から表面波の反射時間を計測して液面位置を算出する位置検出手段とを備える液面位置検出装置において、
   前記圧電素子は、前記伝搬体と対向する面の裏面に第一の通電部と第一の非通電部と、
   前記伝搬体と対向する面に第二の通電部と第二の非通電部とを備え、
   前記第一の通電部と前記第二の非通電部に接触し前記圧電素子を保持する保持部を設けた第一のリード端子と、
   前記第二の通電部と前記第一の非通電部に接触し前記圧電素子を保持する保持部を設けた第二のリード端子と、
   を備えることを特徴とする液面位置検出装置。
2. 前記第一のリード端子と前記第二のリード端子は、それぞれ屈曲部を備えることを特徴とする請求項１に記載の液面位置検出装置。
3. 前記第一のリード端子と前記第二のリード端子は、同形状であることを特徴とする請求項１に記載の液面位置検出装置。
   

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