JP2017062118A - 液面検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電素子の安定した振動が得られる液面検出装置を提供する。【解決手段】 振動発生手段２は、圧電素子２ａと、圧電素子２ａを駆動する駆動信号Ｓ４を発する送信回路２ｂと、伝搬体１に発生する表面波および内部伝搬波を受信し、前記位置検出手段３へ出力する受信回路２ｃと、を備えている。送信回路２ｂは、駆動信号Ｓ４を発する変圧器Ｖｃと、変圧器Ｖｃからの駆動信号Ｓ４を圧電素子２ａに出力する出力端子２ｂ１と、出力端子２ｂ１とグランドＥとの間に設けられたダイオードＣＤ５とを備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、超音波を用いた液面検出装置に関する。

例えば、特許文献１，２には、伝搬体（超音波良導体）のうち、液体中にある第１の部分を伝搬する表面波の音速が真空又は気体中にある第２の部分を伝搬する表面波の音速よりも遅くなることを利用して液体の液面位置を検出する装置が開示されている。

このような液面検出装置は伝搬体の長さ、すなわち液体タンクの高さ・容量によって、表面波および内部伝搬波の振幅が変化してしまうため、検出回路側で調整する必要があった。そこで、本願出願人は、斯かる問題を解決し、液面位置の検出精度が良好となる液面検出装置を提案している（特願２０１５−１５０４７号）。

特開平４−８６５２５号公報 特開２０１５−１０８７８号公報

しかしながら、超音波を発生する圧電素子へ高電圧を供給するための高電圧供給回路に変圧器を用い、この変圧器へのスイッチング制御では、オン／オフ時に高電圧が発生し、圧電素子にプラス電圧だけでなく、マイナス電圧も印加されていたため、プラス電圧の印加で発生した振動（分極面間で伸びる力）と、マイナス電圧の印加で発生した振動（分極面間で縮む力）とが打ち消し合って、伝搬体への振動が小さくなり、温度や液面位置検出に必要な横波，表面波が小さくなり、温度や液面位置検出の精度が悪化するという問題を有していた。

本発明の液面検出装置は、
液体Ｌに浸る伝搬体１と、前記伝搬体１に振動を与える振動発生手段２と、前記伝搬体１の振動を検出する振動検出手段２と、前記振動検出手段２からの測定信号に基づいて前記液体Ｌの液面ＬＳの位置を検出する位置検出手段３と、を備えた液面検出装置Ｆであって、
前記振動発生手段２は、圧電素子２ａと、前記圧電素子２ａを駆動する駆動信号Ｓ４を発する送信回路２ｂと、前記伝搬体１に発生する表面波および内部伝搬波を受信し、前記位置検出手段３へ出力する受信回路２ｃと、を備え、
前記送信回路２ｂは、前記駆動信号Ｓ４を発する変圧器Ｖｃと、前記変圧器Ｖｃからの前記駆動信号Ｓ４を前記圧電素子２ａに出力する出力端子２ｂ１と、前記出力端子２ｂ１とグランドＥとの間に設けられたダイオードＣＤ５と、を備えている。

変圧器からの駆動信号を圧電素子に出力する出力端子と、グランドとの間に、ダイオードを設けたことにより、圧電素子へは、プラス電圧またはマイナス電圧の一方のみ印加され、プラス電圧とマイナス電圧との印加による振動の打ち消し合いの影響を受けず、圧電素子の安定した振動が得られる。

本発明の第１実施形態の構成図。 同実施形態の伝搬体の側面図。 同実施形態の送信回路を示す構成図。 同実施形態の受信回路を示す構成図。 同実施形態の表面波と内部伝搬波とを示す波形図。 （ａ）は、内部伝搬波の伝搬時間と温度との関係を示す図、（ｂ）は、表面波の伝搬時間と液面位置との関係を示す図。 同実施形態の液面検出処理を表すフロー図。 同実施形態及び比較例のタイミング図。

以下、添付図面を用いて本発明の第１実施形態を説明する。本発明の実施形態による液面検出装置Ｆは、図１，２に示すように伝搬体１と、振動発生検出手段２と、位置検出手段３とを少なくとも備えている。

伝搬体１は、図示しないタンク内に貯留した液体Ｌ、例えば、ガソリンやアルコールなどの媒質に浸る。

伝搬体１は、振動を良好に伝達可能な材質であり、本実施形態では、合成樹脂、特に、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を主体とし、場合によっては添加剤を加える。伝搬体１の形状は、柱状体であり、後述する表面波Ｗ１が伝搬する平面からなる伝搬面を備えており、本実施形態では、四角柱である。その一部に切り欠いた溝１ａを備えている。この溝１ａは、後述する内部伝搬波を反射する内部伝搬波反射部１ｂを備えている。

振動発生検出手段２は、伝搬体１に振動を与える振動発生手段であるとともに、伝搬体１の振動を検出する振動検出手段である。

振動発生検出手段２は、圧電素子２ａと、圧電素子２ａを駆動する信号を送信する送信回路２ｂと、圧電素子２ａで検出した信号を受信する受信回路２ｃとから構成されている。

圧電素子２ａは、伝搬体１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１の他端まで溝１ａを設けていない面に圧電素子２ａが突き出るように設置してある。伝搬体１と圧電素子２ａとは、密着状態で固定されている。このように構成したことによって、圧電素子２ａは、伝搬体１に振動を与え、伝搬体１の表面に表面波Ｗ１を発生させるとともに、伝搬体１の内部に内部伝搬波Ｗ２を発生させるものであり、さらに、伝搬体１の振動（表面波Ｗ１と内部伝搬波Ｗ２による振動）を検出し電圧に変換する。なお、表面波Ｗ１としては、レイリー波や漏洩レイリー波や横波表面弾性波があり、内部伝搬波Ｗ２としては、横波がある。

図３を用いて、送信回路２ｂの構成を説明する。送信回路２ｂは、圧電素子２ａを駆動するものであり、ダイオードＣＤ５、高電圧供給回路ＣＤ６、トランス制御回路ＣＤ７、出力端子２ｂ１、入力端子２ｂ２から構成されており、位置検出手段３が出力した駆動信号Ｓ１に基づいて圧電素子２ａに電圧を加える。

高電圧供給回路ＣＤ６は、電源電圧を昇圧させるトランスＶｃを有しており、このトランスＶｃから出力端子２ｂ１に駆動信号Ｓ４を発する。高電圧供給回路ＣＤ６のトランスＶｃは一次コイルＶｃ１及び二次コイルＶｃ２を有しており、トランスＶｃの二次コイルＶｃ２にダイオードＣＤ５が接続されている。ダイオードＣＤ５は、カソードが出力端子２ｂ１に電気的に接続され、アノードがグランドＥに電気的に接続されている。

高電圧供給回路ＣＤ６は、トランス制御回路ＣＤ７によって駆動制御され、出力端子２ｂ１に駆動信号Ｓ４を発する。トランス制御回路ＣＤ７は、トランスＶｃの一次コイルＶｃ１に接続されており、入力端子２ｂ２から入力された駆動信号Ｓ１に基づいて、トランスＶｃを駆動する。

図４を用いて、受信回路２ｃの構成を説明する。受信回路２ｃは、圧電素子２ａが出力した信号を検出し、位置検出手段３に信号を出力するものであり、入力保護回路ＣＤ１、増幅回路ＣＤ２、バンドパスフィルタＣＤ３、波形整形回路ＣＤ４から構成されており、圧電素子２ａが検出した振動を位置検出手段３に信号として出力する。

圧電素子２ａが検出する振動の振幅は、伝搬体１の長さによって変化するため、前記受信回路２ｃの増幅回路ＣＤ２の増幅度を、検出した振動の振幅の大きさに応じて調整する必要がある。伝搬体長さ毎の信号増幅の最適な増幅度は、あらかじめ実験で求めておき、伝搬体１の長さに応じた増幅度になるように第二抵抗体Ｒ２の抵抗値を調整する。なお、第二抵抗体Ｒ２は、可変抵抗手段からなり、抵抗値を設定できる。

受信回路２ｃが有するバンドパスフィルタＣＤ３は、圧電素子２ａが検出した信号が持つ周波数以外の信号、例えば、外部による伝搬体１自体の振動によって発生するノイズを、除去し圧電素子２ａが検出した信号のみ位置検出手段３に信号として出力する。バンドパスフィルタＣＤ３によって、受信回路２ｃは、正確な信号検出ができる。

なお、受信回路２ｃは、検出した信号（測定信号）の振幅度に応じて自動利得制御を行う回路構成を適用することによって、可変抵抗手段からなる第二抵抗体Ｒ２の抵抗値を自動的に調整することもできる。この場合、抵抗値の設定を行うための予めの実験が不要になる。また、自動利得制御によって、伝搬体１の経年変化等による波形の変動にも自動的に対応して最適な信号の増幅を行うことができ、これにより正確な信号検出ができる。

伝搬体１に生じる振動について、図５を用いて説明する。図５は、模式的に示してある。図中、最も左の振動が、位置検出手段３が出力した駆動信号Ｓ１によって圧電素子２ａが発生させた振動Ｖ１である。左から二番目の振動が、伝搬体１内を伝わって伝搬体１の内部伝搬波反射部１ｂで反射し戻ってきた内部伝搬波Ｗ２の振動Ｖ２である。最も右の振動が、伝搬体１の表面を伝わって伝搬体１の他端で反射し戻ってきた表面波Ｗ１の振動Ｖ３である。本実施形態では、表面波Ｗ１の振動Ｖ３によって受信回路２ｃが出力する信号を測定信号Ｓ３と呼び、内部伝搬波Ｗ２の振動Ｖ２によって受信回路２ｃが出力する信号を基準信号Ｓ２と呼ぶ。なお、表面波Ｗ１は、伝搬体１が液体Ｌに浸かった部分では、表面波Ｗ１の伝搬体１を進む速度が遅くなる性質があり、表面波Ｗ１の伝搬時間Ｔ２によって液体Ｌの液面ＬＳを検出する。

なお、内部伝搬波Ｗ２の伝搬時間Ｔ１は、位置検出手段３の制御部３ａが駆動信号Ｓ１を出力した時点ｔ１から内部伝搬波Ｗ２が発生し、振動発生検出手段２で反射した内部伝搬波Ｗ２を検出して出力した基準信号Ｓ２を受ける時点ｔ２までの時間であり、表面波Ｗ１の伝搬時間Ｔ２は、位置検出手段３の制御部３ａが駆動信号Ｓ１を出力した時点ｔ１から表面波Ｗ１が発生し、伝搬体１の他端で反射した表面波Ｗ１を検出して出力した測定信号Ｓ３を受ける時点ｔ３までの時間である。

振動発生検出手段２の受信回路２ｃは、表面波Ｗ１が伝搬体１を伝搬し反射した表面波Ｗ１の振動Ｖ３を検出した測定信号Ｓ３を位置検出手段３へ出力するとともに内部伝搬波Ｗ２が伝搬体１を伝搬し反射した内部伝搬波Ｗ２の振動Ｖ２を検出した基準信号Ｓ２を位置検出手段３へ出力する。

位置検出手段３は、少なくともマイクロコンピュータなどからなる制御部３ａと記憶手段３ｂとを備えている。位置検出手段３は、振動発生検出手段２を駆動し振動させる駆動信号Ｓ１を出力するとともに、振動発生検出手段２の振動によって発生した伝搬波である表面波Ｗ１と内部伝搬波Ｗ２が伝搬体１を伝搬し反射し、振動発生検出手段２で表面波Ｗ１と内部伝搬波Ｗ２の振動を検出することによって、液体Ｌの液面ＬＳの位置を検出する。

制御部３ａは、制御部３ａが実行する処理を行うＣＰＵと、ＣＰＵのメインメモリとして機能するＲＡＭと、制御部３ａに所定の処理などを実行させる各種プログラムを記憶するＲＯＭと、制御部３ａに入出力される情報（信号）をＣＰＵ用にデジタル変換したり出力用にアナログ変換したりする各種変換器と、を備える。

記憶手段３ｂは、不揮発性メモリなどであり、図６で示す、内部伝搬波Ｗ２の伝搬時間Ｔ１と伝搬体１の温度との関係を格納する。

位置検出手段３は、駆動信号Ｓ１と基準信号Ｓ２によって求められる内部伝搬波Ｗ２の伝搬時間Ｔ１によって、記憶手段３ｂを参照して伝搬体１の温度を求め、この伝搬体１の温度によって、駆動信号Ｓ１と測定信号Ｓ３によって求められる表面波Ｗ１の伝搬時間Ｔ２を補正し液面ＬＳを精度良く検出する。

次に、図６，７を用いて、位置検出手段３の処理動作について説明する。

ステップＳＴ１にて、位置検出手段３は、駆動信号Ｓ１を出力する。

ステップＳＴ２にて、位置検出手段３は、駆動信号Ｓ１によって、伝搬体１に生じた内部伝搬波Ｗ２に基づく基準信号Ｓ２の検出の有無を判定する。基準信号Ｓ２を検出したと判定した場合は、ステップＳＴ３へ進み。検出しないと判定した場合は、ステップＳＴ１へ戻る。

ステップＳＴ３にて、位置検出手段３は、内部伝搬波Ｗ２が、伝搬体１を伝搬した伝搬時間Ｔ１を求める。本実施形態では、伝搬時間Ｔ１は、駆動信号Ｓ１を出力してから基準信号Ｓ２を入力するまでの伝搬時間Ｔ１で求めている。本実施形態では、位置検出手段３が、駆動信号Ｓ１を出力してから圧電素子２ａが振動するまでの時間と、圧電素子２ａが振動を検出し、受信回路２ｃを介して位置検出手段３が信号を受けるまでの時間は、無視できるほど短い時間と考えている。

ステップＳＴ４にて、位置検出手段３は、基準信号Ｓ２の伝搬時間Ｔ１から記憶手段３ｂを参照し伝搬体１の温度を求める。

ステップＳＴ５にて、位置検出手段３は、駆動信号Ｓ１によって、伝搬体１の表面に生じた表面波Ｗ１に基づく測定信号Ｓ３の検出の有無を判定する。測定信号Ｓ３を検出したと判定した場合は、ステップＳＴ６へ進み。検出しないと判定した場合は、ステップＳＴ１へ戻る。

ステップＳＴ６にて、位置検出手段３は、表面波Ｗ１が、伝搬体１の表面を伝搬した伝搬時間Ｔ２を求める。

ステップＳＴ７にて、位置検出手段３は、ステップＳＴ４にて求めた伝搬体１の温度に基づいて、伝搬体１の温度に基づく補正係数（ａ、ｂ）によって、表面波Ｗ１の伝搬時間Ｔ２を補正し、補正した伝搬時間に基づいて液面ＬＳを検出する。なお、伝搬時間Ｔ２を解とする式は、下記の一次式により表される。

Ｔ２＝ａｘ＋ｂ

図８（ａ），（ｂ）は、本実施形態におけるダイオードＣＤ５の作用を説明するためのタイミング図である。
駆動信号Ｓ１の立ち上りＴｏｎで、トランス制御回路ＣＤ７はオンになり、トランスＶｃの一次コイルＶｃ１に電流が流れ、出力端子２ｂ１にプラス電圧が発生し、このプラス電圧が圧電素子２ａに印加され、圧電素子２ａには、振動方向を分極面間にして、伸びる力が作用する。

駆動信号Ｓ１の立ち下がりＴｏｆｆで、トランス制御回路ＣＤ７はオフになり、オンのときの電流向きと逆方向に電流が流れるが、ダイオードＣＤ５の順方向電圧により、圧電素子２ａにはマイナス電圧は印加されない。
圧電素子２ａへは、プラス電圧のみの印加となり、振動方向を分極面間にして、伸びる力のみになるため、マイナス電圧印加での振動方向による振動を打ち消し合いの影響を受けず、圧電素子２ａの安定した振動が得られる。

図８（ｃ）は、送信回路２ｂにダイオードＣＤ５が無い場合の比較例を示すものである。
駆動信号Ｓ１の立ち下がりＴｏｆｆで、トランス制御回路ＣＤ７はオフになり、オンのときの電流向きと逆方向に電流が流れ、圧電素子２ａにマイナス電圧が印加され、圧電素子２ａには振動方向を分極面間にして、縮む作用が作用する。
圧電素子２ａへは、プラス電圧及びマイナス電圧が交互に印加され、振動方向を分極面間にして、伸びる力と縮む力が作用して打ち消し合うため、圧電素子２ａの安定した振動が得られなかった。

本実施形態によれば、変圧器からの駆動信号を圧電素子に出力する出力端子と、グランドとの間に、ダイオードを設けたことにより、圧電素子へは、プラス電圧のみ印加され、プラス電圧とマイナス電圧との印加による振動の打ち消し合いの影響を受けず、圧電素子の安定した振動が得られる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更（構成要素の削除を含む）が可能であることはもちろんである。例えば、記憶手段３ｂは、図６（ｂ）で示すように、伝搬体１の所定の温度毎（例えば、摂氏５度毎）に表面波Ｗ１の伝搬時間Ｔ２に関連した液面ＬＳの位置を記憶しておく。図６（ｂ）では、摂氏０度、摂氏５度、摂氏１０度他の例を図示している。位置検出手段３は、記憶手段３ｂで記憶した伝搬体１の温度に基づく表面波Ｗ１の伝搬時間Ｔ２に関連した液面ＬＳの位置を求めて、液面ＬＳの位置を検出するものであってもよい。

また、本実施形態では、内部伝搬波反射部１ｂを切り欠いた溝１ａによって構成したが、本実施形態に限定されるものではなく、内部伝搬波Ｗ２が反射する構成であれば、貫通穴や、伝搬体１の一部分を底面まで切り欠き鍵状に形成したものや、ビス止めや、溝１ａに別の部材を嵌め込んだものであってもよい。なお、前記別の部材は、樹脂や金属であっても良い。

また、本実施形態では、ガソリンやアルコールなどの液体燃料の液面を検出するものであったが、ガソリンやアルコールなどの液体燃料のみに限定されるものではなく、水などの他の液体を検出することも可能である。また、用途は、車両などの乗物に限定されるものではなく、広い用途に利用できる。

また、伝搬体１の形状は、四角柱に限定されるものではなく、表面波Ｗ１が伝搬可能な平面を備えていればよく、例えば、伝搬体１の長手方向に対して垂直方向の断面形状が、Ｄの字形状などであってもよい。

本発明は、液面検出装置に関し、特に、超音波を利用し、液面を検出する液面検出装置に利用可能である。

Ｆ 液面検出装置
Ｌ 液体
ＬＳ 液面
Ｓ１ 駆動信号
Ｓ２ 基準信号（内部伝搬波Ｗ２）
Ｓ３ 測定信号（表面波Ｗ１）
Ｔ１ 伝搬時間（内部伝搬波Ｗ２）
Ｔ２ 伝搬時間（表面波Ｗ１）
Ｖ１ 振動
Ｖ２ 振動（内部伝搬波）
Ｖ３ 振動（表面波）
Ｗ１ 表面波
Ｗ２ 内部伝搬波
１ 伝搬体
１ａ 溝
１ｂ 内部伝搬波反射部
２ 振動発生検出手段（振動発生手段、振動検出手段）
２ａ 圧電素子
２ｂ 送信回路
２ｂ１ 出力端子
２ｃ 受信回路
３ 位置検出手段
３ａ 制御部
３ｂ 記憶手段
ＣＤ１ 入力保護回路
ＣＤ２ 増幅回路
ＣＤ３ バンドパスフィルタ
ＣＤ４ 波形整形回路
ＣＤ５ ダイオード
Ｖｃ トランス（変圧器）
Ｒ１ 第一抵抗体
Ｒ２ 第二抵抗体
Ａｍｐ１ 増幅器

Claims (1)

1. 液体に浸る伝搬体と、前記伝搬体に振動を与える振動発生手段と、前記伝搬体の振動を検出する振動検出手段と、前記振動検出手段からの測定信号に基づいて前記液体の液面の位置を検出する位置検出手段と、を備えた液面検出装置であって、
   前記振動発生手段は、圧電素子と、前記圧電素子を駆動する駆動信号を発する送信回路と、前記伝搬体に発生する表面波および内部伝搬波を受信し、前記位置検出手段へ出力する受信回路と、を備え、
   前記送信回路は、前記駆動信号を発する変圧器と、前記変圧器からの前記駆動信号を前記圧電素子に出力する出力端子と、前記出力端子とグランドとの間に設けられたダイオードと、を備えたことを特徴とする液面検出装置。
   
   

Images