JP2017207409A - 内容物検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内容物の検知精度を向上することができる内容物検知装置を提供する。【解決手段】内容物検知装置１０１は、容器８０とホルダ１４０とセンサ１１０とを備える。容器８０は、粉体Ｐを収納する第１空間Ｓ１を構成する。センサ１１０は、ホルダ１４０に固定される固定部と、固定部から第１空間Ｓ１へ伸びるセンサ部１６と、固定部からセンサ部１６とは逆方向へ伸びる回路部と、を有する。センサ１１０は、圧電フィルムの主面が重力方向に直交する状態でホルダ１４０に固定される。ホルダ１４０は、第２空間を構成する。回路部は、第２空間に位置する。センサ部１６は、容器８０の中に挿入されている端部５１を有する。端部５１は、容器８０の中の予め定められた所定高さに位置している。【選択図】図１

Description

本発明は、内容物を検知する内容物検知装置に関するものである。

従来、内容物の量を検知する内容物検知装置が知られている。例えば特許文献１は、粉体の量を検知するセンサを開示している。

図３２は、特許文献１に係るセンサを示す外観斜視図である。図３３は、図３３に示すＡ−Ａ´線の断面図である。図３４は、図３３に示すセンサのブロック図である。このセンサは、圧電振動子１とケース４と発振回路１７とを備える。圧電振動子１は、圧電磁器素子３と振動板２と電極１５と電極７とからなる。ケース４は、支持ケース部５と取付け部６とからなる。

圧電振動子１の振動板２と電極７との間に電圧が印加されると、圧電磁器素子３の圧電効果により振動板２と電極１５との間に電圧が発生する。この発生電圧が発振回路１７に帰還されて、発振回路１７が圧電振動子１の固有振動数で発振する。これにより、圧電磁器素子３が伸縮し、振動板２が振動する。そして、圧電振動子１の振動板２に粉体が接触すると、その接触が圧電振動子１の負荷となり、振動板２の振動が大幅に減衰するかまたは実質的に停止する。

特開昭６３−８５８０号公報

しかしながら、特許文献１では圧電磁器素子３の主面が支持ケース部５に接触することによって、圧電振動子１が支持ケース部５に支持されている。そのため、圧電振動子１の振動板２に粉体が接触していない時、振動板２の振動が支持ケース部５によって阻害される。そのため、特許文献１のセンサには、粉体の検知精度が低いという問題がある。

本発明の目的は、内容物の検知精度を向上することができる内容物検知装置を提供することにある。

本発明の内容物検知装置は、圧電素子と筐体とを備える。圧電素子は、圧電体と圧電体の主面に形成された電極とを有する。筐体は、内容物を収納する第１空間を構成する。内容物は例えば粉体、液体である。圧電素子は、筐体に固定される固定部と、固定部から第１空間へ伸びる圧電部とを有する。

この構成において圧電素子は、圧電部の主面でなく、固定部で筐体に固定されている。そのため、圧電部の振動が筐体によって殆ど阻害されない。すなわち圧電素子は圧電部を効率よく振動させることができる。

本発明の内容物検知装置は、内容物の検知精度を向上することができる。

本発明の第１実施形態に係る内容物検知装置１０１を模式的に示す外観斜視図である。 図１に示す内容物検知装置１０１の正面透視図である。 図１に示すセンサ１１０及びホルダ１４０の断面図である。 図１に示すセンサ１１０の平面図である。 図４に示すセンサ部１６の断面図である。 図４に示すセンサ部１６に備えられる圧電フィルム３１の平面図である。 図１に示すセンサ部１６を模式的に示す外観図である。 図７に示すセンサ部１６が曲がった状態の概念図である。 図７に示すセンサ部１６が捻れた状態の概念図である。 図１に示す内容物検知装置１０１の正面図である。 本発明の第２実施形態に係る内容物検知装置２０１を模式的に示す外観斜視図である。 図１１に示す圧電素子１５０の断面図である。 図１１に示す圧電素子１５０が振動している時における内容物検知装置２０１の外観斜視図である。 図１１に示す内容物検知装置２０１の変形例に係る内容物検知装置２０２の側面図である。 本発明の第３実施形態に係る内容物検知装置３０１を模式的に示す外観斜視図である。 図１５に示す圧電素子１５０及び圧電素子２５０が振動している時における圧電素子１５０及び圧電素子２５０の外観斜視図である。 図１５に示す圧電素子１５０のセンサ部１６から出力される第１検知信号の波形を示す図である。 図１５に示す圧電素子２５０のセンサ部１６から出力される第２検知信号の波形を示す図である。 図１５に示す圧電素子１５０のセンサ部１６から出力される第１検知信号と図１５に示す圧電素子２５０のセンサ部１６から出力される第２検知信号との差を示す図である。 外部から振動が加わった時における圧電素子１５０及び圧電素子２５０の外観斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る内容物検知装置４０１を模式的に示す正面透視図である。 図２１に示すカバー４４０を示す外観斜視図である。 図２２に示すカバー４４０の変形例に係るカバー４４１を示す外観斜視図である。 図１に示すセンサ１１０の変形例に係るセンサ１１１を示す外観斜視図である。 図１に示すセンサ１１０の変形例に係るセンサ１１２を示す外観斜視図である。 本発明の第５実施形態に係る内容物検知装置５０１を模式的に示す正面透視図である。 図２６に示すセンサ部５１６を模式的に示す外観図である。 図２７に示すセンサ部５１６が曲がった状態の概念図である。 図２７に示すセンサ部５１６が捻れた状態の概念図である。 図１０に示す内容物検知装置１０１の変形例に係る内容物検知装置１０２を示す正面図である。 図１０に示す内容物検知装置１０１の変形例に係る内容物検知装置１０３を示す正面図である。 特許文献１に係るセンサを示す外観斜視図である。 図３３に示すＡ−Ａ´線の断面図である。 図３３に示すセンサのブロック図である。

以下、本発明の第１実施形態に係る内容物検知装置について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る内容物検知装置１０１を模式的に示す外観斜視図である。図２は、図１に示す内容物検知装置１０１の正面透視図である。図３は、図１に示すセンサ１１０及びホルダ１４０の断面図である。図１に示す矢印は、重力の方向を示す。

内容物検知装置１０１は、容器８０とホルダ１４０とセンサ１１０と検出回路１７５と供給部１８０とを備える。供給部１８０は、センサ１１０の上方に位置した状態で容器８０に固定されている。供給部１８０は、粉体Ｐを容器８０に供給する。

容器８０は、粉体Ｐを収納する第１空間Ｓ１を構成する。粉体Ｐは、供給部１８０から第１空間Ｓ１へ重力によって降る。また、容器８０の底面には、開口部８９が設けられている。そのため、容器８０に収納されている粉体Ｐは所定量ずつ、開口部８９から重力によって流出する。

センサ１１０は図３に示すように、ホルダ１４０に固定される固定部５２と、固定部５２から第１空間Ｓ１へ伸びるセンサ部１６と、固定部５２からセンサ部１６とは逆方向へ伸びる回路部５３と、を有する。

なお、センサ１１０が、本発明の圧電素子の一例を構成する。容器８０とホルダ１４０とが、本発明の筐体の一例を構成する。センサ部１６が、本発明の圧電部の一例を構成する。粉体Ｐが、本発明の内容物の一例を構成する。

センサ１１０は、後述する圧電フィルム３１の主面が重力方向に直交する状態でホルダ１４０に固定される。すなわちセンサ１１０は、後述する圧電フィルム３１の主面が粉体面Ｑに対して平行となる状態でホルダ１４０に固定される。

ホルダ１４０の形状は円柱状である。ホルダ１４０は例えば弾性体によって構成される。ホルダ１４０は例えば弾性体を介して固定部５２を固定する。また、ホルダ１４０は図３に示すように、第１空間Ｓ１と異なる第２空間Ｓ２を構成する。回路部５３は、第２空間Ｓ２に位置する。また、センサ部１６は、容器８０の中に挿入されている端部５１を有する。端部５１は、容器８０の中の予め定められた所定高さに位置している。

ここで、回路部５３が第１空間Ｓ１に位置すると、粉体Ｐが回路部５３に付着するおそれがあり、付着位置によっては回路部５３がショートし、センサとして機能しなくなる可能性がある。特に粉体Ｐがカーボンのような導電性を持つ材料である場合、その可能性が高い。そのため、回路部５３が第２空間Ｓ２に位置する。

また、回路部５３が第２空間Ｓ２に位置する最大の理由はセンサ部１６の一端をできるだけ固定部５２に近付けたいためである。仮に固定部５２、回路部５３、及びセンサ部１６になると、センサ部１６の変位が小さくなるおそれがある。

なお、内容物検知装置１０１は例えば、画像形成装置に備えられる。粉体Ｐは例えばトナーである。画像形成装置は、感光体ドラムの表面に静電潜像を形成する。画像形成装置は、現像装置によって感光体ドラムに対してトナーを供給することによって静電潜像を現像する。トナーは、現像装置が現像を行う毎に、消費される。そのため、トナーボトルに貯蔵されたトナーは、供給部１８０を介して内容物検知装置１０１の容器８０に供給され、容器８０に供給されたトナーが、容器８０の底面に設けられた開口部８９を介して現像装置へ流出する。

内容物検知装置１０１は例えば、容器８０に供給されたトナーの有無をチェックするために、センサ１１０を備える。これにより、トナーボトル内にトナーがなくなったとしても、内容物検知装置１０１の容器８０内にトナーが収納されているため、画像形成装置の印刷動作を停止させることなく、空になったトナーボトルを取り外して、新しいトナーボトルに交換するために必要な時間を確保することができる。すなわち、内容物検知装置１０１は、トナーボトルが交換される間、画像形成動作を続けることが可能となる。

図４は、図１に示すセンサ１１０の平面図である。図５は、図４に示すセンサ部１６の断面図である。図６は、図４に示すセンサ部１６に備えられる圧電フィルム３１の平面図である。

センサ１１０は図４に示すように、センサ部１６と第１端子３２と第２端子３３とセンサ回路３９と接続端子７１と基板３０とを有する。基板３０の表主面には、センサ部１６、センサ回路３９、接続端子７１、第１端子３２及び第２端子３３が実装されている。センサ回路３９及び接続端子７１は、回路部５３を構成する。基板３０の材料は例えば、ポリイミド等の樹脂である。第１端子３２及び第２端子３３は、導体パターンである。

次に、センサ部１６は、図５に示すように、圧電フィルム３１、粘着剤層９１及び粘着剤層９２、第１電極３４、第２電極３５、基板３０、及び基板３７を備える。基板３７の材料は例えば、ＰＥＴ等の樹脂である。

図５に示すように、第１電極３４、第２電極３５、圧電フィルム３１、基板３０、及び基板３７は、それぞれ平板状で厚み方向に対向する表主面および裏主面を備える。なお、図５中の上側面を表主面、下側面を裏主面と称する。

図５に示すように、基板３７、第２電極３５、粘着剤層９１、圧電フィルム３１、粘着剤層９２、第１電極３４、及び基板３０は、この順に表主面側から裏主面側にかけて積層されている。

具体的には、圧電フィルム３１の表主面に第２電極３５が粘着剤層９１を介して積層され、第２電極３５の表主面にさらに基板３７が積層されている。また、圧電フィルム３１の裏主面に第１電極３４が粘着剤層９２を介して積層され、第１電極３４の裏主面にさらに基板３０が積層されている。

なお、第２電極３５、第１電極３４、圧電フィルム３１、及び基板３７は、それぞれの平面視した外形状が概略長方形状である。基板３７の外形状は、圧電フィルム３１の外形状より若干大きい。

基板３７の裏主面には、第２電極３５が形成されており、基板３０の表主面には、第１電極３４が形成されている。そして、図５に示すように、第１電極３４の表主面には、圧電フィルム３１が粘着剤層９２によって貼付されている。また、第２電極３５の裏主面には、圧電フィルム３１が粘着剤層９１によって貼付されている。なお、粘着剤層９１及び粘着剤層９２は、例えばアクリル系粘着剤で構成される。

なお、電極の役割として、第２電極３５は基準電位電極であり、第１電極３４を電荷検知電極であることが好ましい。この構成は、静電気や電磁ノイズ等の影響を受けにくくすることができる。

次に、図４、図５に示すように、第１端子３２の第１の端は、第２電極３５に接続している。一方、第１端子３２の第２の端は、センサ回路３９に接続している。第２電極３５はグランド電極である。

そして、第２端子３３の第１の端は、第１電極３４に接続している。一方、第２端子３３の第２の端は、センサ回路３９に接続している。第１電極３４はホット電極である。基板３０の表主面には、第１電極３４、センサ回路３９、及び第２端子３３が実装されている。

なお、基板３０の裏主面にもグランド電極が形成されていてもよい。この構成は、このグランド電極と第２電極３５とで第１電極３４を挟み込む構造となるため、ノイズの影響を軽減することができる。

したがって、センサ回路３９は、図４、図５に示すように、第１端子３２及び第２端子３３を介して第１電極３４と第２電極３５とに接続している。また、センサ回路３９は、接続端子７１に接続している。センサ回路３９はセンサ部１６で発生した電荷を電圧に変換し、増幅した検知信号を接続端子７１に出力する。

次に、圧電フィルム３１の構成について詳述する。
図６に示すように、圧電フィルム３１は、圧電フィルム３１の長辺に対して約４５°を成す方向１９へ分子配向している。圧電フィルム３１は、圧電フィルム３１の短辺に対して約４５°を成す方向１９へ分子配向している。

圧電フィルム３１は、Ｌ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）を主材料とするフィルムである。ＰＬＬＡは、主鎖が螺旋構造を有するキラル高分子であり、所定の軸方向に配向させることで圧電性を発現する性質を有している。この圧電性は、圧電フィルムの厚み方向を第１軸とし、ＰＬＬＡの分子が配向する方向を第３軸として圧電テンソル成分ｄ_１４で表わされる。すなわちＰＬＬＡはずり圧電性を有する圧電体である。

ここで、圧電フィルム３１における延伸方向１９の角度は、長辺に対して正確な４５°に限られることなく、４５°に近い任意の角度とすることができる。延伸方向１９の角度が、長辺に対して４５°に近い角度であるほど、曲げ力を効率的に検知することができる。

したがって、本発明でいう略４５°とは、例えば４５°±１０°程度の４５°を中心とする所定範囲の角度をいう。これらの具体的な角度は、曲げセンサの用途や各部の特性などに基づいて全体の設計に応じて適宜決定するとよい。

なお、圧電フィルム３１は、ＰＬＬＡを主材料とするフィルムに限られず、Ｄ型ポリ乳酸（ＰＤＬＡ）や、ポリ-γ-ベンジル-Ｌ-グルタメート（ＰＢＬＧ）等の他のキラル高分子を主材料とするフィルムでもよい。ただし、ＰＬＬＡやＰＤＬＡのようなキラル高分子を主材料とする圧電フィルム３１の圧電性は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やＰＺＴ等の強誘電体のようにイオンの分極によって発現するものではなく、分子の特徴的な構造である螺旋構造に由来するものである。

したがって、キラル高分子は、ＰＶＤＦ等の他のポリマーや、圧電結晶薄膜を用いた圧電セラミックスのように、ポーリング処理によって圧電性を発現させる必要がなく、また、ＰＶＤＦ等は経時的に圧電定数の変動が見られ、場合によっては圧電定数が著しく低下する場合があるが、キラル高分子の圧電定数は経時的に極めて安定している。

さらには、キラル高分子は、他の強誘電性の圧電体で生じる焦電性が生じることがない。したがって、キラル高分子を主材料とする圧電フィルム３１は、温度変化に依存することなく、力のみに応じた電圧を得ることができる。

また、キラル高分子はポリマーであり、柔軟性を有するので、圧電セラミックスのように、大きな変位で破損することがない。したがって、キラル高分子を主材料とする圧電フィルム３１は、変位量が大きくても破損することがなく、確実に変位量を検知することができる。よって、センサ１１０は、センサ部１６の変位を、確実且つ高感度に検知することができる。

次に、センサ１１０の検知方法について、より詳細に説明する。図７は、図１に示すセンサ部１６を模式的に示す外観図である。図８は、図７に示すセンサ部１６が曲がった状態の概念図である。図９は、図７に示すセンサ部１６が捻れた状態の概念図である。

なお、図８では、センサ部１６の固定部５２の端辺ＤＣを固定端辺とし、端部５１の端辺ＢＡに曲げが生じた場合を図示している。言い換えれば、固定端辺ＤＣの両端となる角Ｄおよび角Ｃが固定された角となり、端辺ＢＡの両辺となる角Ｂおよび角Ａが、互いに同じ方向へ変位した場合を示している。

また、図９では、センサ部１６の固定部５２の端辺ＤＣを固定端辺とし、端部５１の端辺ＢＡに捻れが生じた場合を図示している。言い換えれば、固定端辺ＤＣの両端となる角Ｄおよび角Ｃが固定された角となり、端辺ＢＡの両辺となる角Ｂおよび角Ａが、互いに逆方向へ変位した場合を示している。

（曲げ変形）
図７に示すように、曲げ変位が０の場合、すなわちセンサ部１６に対して曲げを生じさせる外力が加わっていない場合、センサ部１６は、平坦な状態となる。

この場合、センサ部１６の圧電フィルム３１は伸縮せず、センサ部１６から出力される電圧の変化は生じない。例えば、この状態で電圧が０［Ｖ］になるように予め設定すれば、センサ部１６から出力される電圧は、０［Ｖ］となる。

そして、図８に示すようにセンサ部１６に対して曲げを生じさせる外力が加わった場合、センサ部１６は、長手方向に沿って湾曲する。この場合、センサ部１６の圧電フィルム３１は、センサ部１６に貼付されている面と曲げ方向によって、伸びるか若しくは縮む。

このとき、圧電フィルム３１の延伸方向１９が圧電フィルム３１の長辺に対して約４５°を成す方向であるため、圧電フィルム３１の伸長方向または圧縮方向は延伸方向１９に対して約４５°を成す。

そのため、圧電フィルム３１は、センサ部１６に貼付されている面と曲げ方向によって、ずり変形を生じる。このずり変形の圧電効果により電荷が発生し、センサ部１６から出力される電圧に変化が生じる。すなわち、センサ部１６から出力される電圧は、０［Ｖ］から所定電圧値（例えば数Ｖ）に変化する。

（捻れ変形）
図７に示すように、捻れ変位が０の場合、すなわちセンサ部１６に対して捻れを生じさせる外力が加わっていない場合、センサ部１６は、平坦な状態となる。

この場合、圧電フィルム３１は伸縮せず、センサ部１６から出力される電圧の変化は生じない。例えば、この状態で電圧が０［Ｖ］になるように予め設定すれば、センサ部１６から出力される電圧は、０［Ｖ］となる。

そして、図９に示すようにセンサ部１６に対して捻れを生じさせる外力が加わった場合、センサ部１６では角Ａと角Ｂが、それぞれ異なる方向へ変位した状態となる。

しかし、圧電フィルム３１の延伸方向１９が圧電フィルム３１の長辺に対して約４５°を成す方向であるため、圧電フィルム３１の伸長方向または圧縮方向は延伸方向１９と一致する。このとき、圧電フィルム３１はずり変形を生じていないため、圧電定数ｄ_１４による電荷を生じない。すなわち、捻れ変形によってセンサ部１６から出力される電圧に変化が生じない。すなわち、センサ部１６から出力される電圧は、０［Ｖ］である。

したがって、センサ１１０は、センサ部１６から出力される微弱な電圧をセンサ回路３９によって観測することで、センサ部１６の曲げ変形を検知できる。センサ回路３９は、この検知結果を示す検知信号を接続端子７１から外部の検出回路１７５等へ出力する。

以上の構成において、端部５１は図１、図２に示すように、容器８０の中の予め定められた所定高さに位置している。また、端部５１は、容器８０に収納されている粉体Ｐの中に挿入されている。粉体Ｐは、供給部１８０から第１空間Ｓ１へ重力によって降る。そして、容器８０に収納されている粉体Ｐは所定量ずつ、開口部８９から重力によって流出する。

そのため、センサ部１６は図８に示すように、粉体Ｐの移動によって端部５１が曲がった形状に変形する。この変形は一定以上になるとセンサ部１６の弾性によりある程度戻る。よって、端部５１が粉体Ｐに接触する間、センサ１１０には、粉体Ｐの移動による捻れと、センサ部１６の弾性による戻りとが繰り返して生じる。これにより、圧電フィルム３１には圧電効果により電荷が生じ、センサ部１６から出力される電圧に変化が生じる。

ここで、供給部１８０から容器８０への粉体Ｐの供給が停止した時、容器８０に収納されている粉体Ｐの量は所定量ずつ減っていく。そして、容器８０に収納されている粉体Ｐの量が所定高さ以下に減少した時、センサ部１６は、端部５１が粉体Ｐの中に挿入されていない状態となる。そのため、センサ部１６は図７に示すように、端部５１が曲がっていない元の形状に戻る。これにより、センサ部１６から出力される電圧が０Ｖになる。

以上により、内容物検知装置１０１は、センサ部１６の曲げ状態に基づいて、予め定められた所定高さまで粉体Ｐが収納されているか否かを検知できる。ここで、センサ１１０は、センサ部１６の主面でなく、固定部５２でホルダ１４０に固定されている。そのため、センサ部１６の振動がホルダ１４０によって殆ど阻害されない。すなわちセンサ１１０は端部５１を効率よく振動させることができる。

したがって、内容物検知装置１０１は、粉体Ｐの量の検知精度を向上することができる。

また、衝撃を含む外部の振動が、容器８０からホルダ１４０を介してセンサ１１０に伝わる場合がある。そのため、センサ部１６も図８に示すように、外部の振動によって曲げ変位を起こす場合がある。

しかし、ホルダ１４０が弾性体で構成されている或いはホルダ１４０が弾性体を介して固定部５２を固定する場合、容器８０に外部の振動が加わったとしても、弾性体によって外部の振動が減衰されるため、容器８０からホルダ１４０を介してセンサ部１６に伝わり難い。よって、内容物検知装置１０１は、外部の振動によって誤検知を行うことを防止できる。

また、センサ１１０では回路部５３とセンサ部１６との間に固定部５２が配置されているため、センサ部１６の振動が回路部５３に伝わり難い。よって、内容物検知装置１０１は、センサ部１６の振動によるノイズの影響を低減できる。

また、ホルダ１４０が弾性体で構成されている場合、センサ部１６の振動が回路部５３にさらに伝わり難い。よって、内容物検知装置１０１は、センサ部１６の振動によるノイズの影響をさらに低減できる。

また、仮にセンサ部１６と回路部５３とが別々の基板に形成されていた場合、センサ部１６と回路部５３とは配線で接続される必要がある。この場合、配線の揺れによってノイズが発生したりセンサ部１６と配線との接続箇所において亀裂が発生したりするおそれがある。センサ１１０は、センサ部１６と回路部５３とが１つの基板３０に形成されているため、ノイズを軽減したり亀裂の発生を抑制したりすることができる。

また、内容物検知装置１０１では、回路部５３が粉体Ｐの状態を検知するため、回路部５３と検出回路１７５とを接続する伝送線路Ｌ１が揺れたとしても、結果に影響を与えない。

なお、センサ１１０は、図２に示すように、端部５１が、容器８０に収納されている粉体Ｐの中に挿入される状態でホルダ１４０に固定されているが、これに限るものではない。センサ１１０は、図１０に示すように、端部５１が、容器８０に収納されている粉体Ｐの中に挿入されない状態でホルダ１４０に固定されてもよい。この場合、センサ１１０は、センサ部１６の曲げ状態に基づいて、供給部１８０から容器８０へ降る粉体Ｐの流量を検知することもできる。

以下、本発明の第２実施形態に係る内容物検知装置について説明する。

図１１は、本発明の第２実施形態に係る内容物検知装置２０１を模式的に示す外観斜視図である。図１２は、図１１に示す圧電素子１５０の断面図である。
なお、図１１は、説明簡略化のため、容器８０及び供給部１８０の図示を省略している。

内容物検知装置２０１が内容物検知装置１０１と相違する点は、ホルダ２４０、アクチュエータ２１０及び駆動回路２７５を備える点である。内容物検知装置２０１は、センサ１１０及びアクチュエータ２１０によって構成される圧電素子１５０を備える。その他の構成に関してはホルダ１４０と同じであるため、説明を省略する。

ホルダ２４０の形状は四角柱状である。その他の構成に関してはホルダ１４０と同じである。

圧電素子１５０は、圧電フィルム３１の主面が重力方向に直交する状態でホルダ２４０に固定される。すなわち圧電素子１５０は、圧電フィルム３１の主面が粉体面Ｑに対して平行となる状態でホルダ１４０に固定される。

センサ１１０は前述したように、ホルダ２４０に固定される固定部５２と、固定部５２から第１空間Ｓ１へ伸びるセンサ部１６と、固定部５２からセンサ部１６とは逆方向へ伸びる回路部５３と、を有する。

同様にアクチュエータ２１０は、ホルダ２４０に固定される固定部２５２と、固定部２５２から第１空間Ｓ１へ伸びるアクチュエータ部２１６と、固定部２５２からアクチュエータ部２１６とは逆方向へ伸びる回路部２５３と、を有する。

次に、センサ部１６は、図１２に示すように、圧電フィルム３１、粘着剤層９１及び粘着剤層９２、第１電極３４、第２電極３５、基板３０、及び基板３７を備える。アクチュエータ部２１６は同様に、圧電フィルム３１、粘着剤層９１及び粘着剤層９２、第１電極３４、第２電極３５、基板３０、及び基板３７を備える。回路部２５３は、アクチュエータ部２１６の第１電極３４及び第２電極３５に接続している。

圧電素子１５０は、センサ１１０及びアクチュエータ２１０が積層されることによって構成されている。センサ１１０に関して回路部５３は図１１に示すように、センサ部１６で発生した電荷を電圧に変換し、増幅した検知信号を検出回路１７５に出力する。

一方、アクチュエータ２１０に関して駆動回路２７５は、交流の駆動電圧をアクチュエータ２１０の回路部２５３に出力する。回路部２５３は、駆動電圧をアクチュエータ部２１６の第１電極３４及び第２電極３５に印加する。

次に、内容物検知装置２０１の動作について説明する。
図１３は、図１１に示す圧電素子１５０が振動している時における内容物検知装置２０１の外観斜視図である。

アクチュエータ２１０に関して回路部２５３が駆動電圧を第１電極３４及び第２電極３５に印加すると、圧電フィルム３１が伸縮する。圧電フィルム３１が貼付された基板３０及び基板３７は伸縮しないため、アクチュエータ部２１６が図１３に示すように撓み振動する。

一方、センサ１１０に関してセンサ部１６はこの撓み振動で電荷を発生し、回路部５３は電荷を電圧変換し、増幅した検知信号を検出回路１７５に出力する。すなわち、回路部５３は、センサ部１６の振幅を検知信号として検出回路１７５に出力する。

以上の構成において、端部５１が粉体Ｐに接触する第１状態から、端部５１が粉体Ｐに接触しない第２状態になった時、センサ部１６の振幅が変化する。そのため、内容物検知装置２０１は、センサ部１６の振幅に基づいて、予め定められた所定高さまで粉体Ｐが収納されているか否かを検知できる。

また、センサ１１０は、センサ部１６の主面でなく、固定部５２でホルダ１４０に固定されている。そのため、センサ部１６の振動がホルダ１４０によって殆ど阻害されない。すなわちセンサ１１０は端部５１を効率よく振動させることができる。

したがって、内容物検知装置２０１は、内容物検知装置１０１と同様に、粉体Ｐの量の検知精度を向上することができる。

なお、図１４に示すように、アクチュエータ２１０の長手方向の長さをセンサ１１０の長手方向の長さより長くし、センサ１１０がアクチュエータ２１０によって拘束されない領域を有することが好ましい。この構成は、端部５１の可動範囲が広がるため、粉体Ｐの量の検知精度をより向上することができる。

以下、本発明の第３実施形態に係る内容物検知装置について説明する。

図１５は、本発明の第３実施形態に係る内容物検知装置３０１を模式的に示す外観斜視図である。
なお、図１５は、説明簡略化のため、容器８０及び供給部１８０の図示を省略している。

内容物検知装置３０１が内容物検知装置２０１と相違する点は、ホルダ３４０、圧電素子２５０及び基準電圧回路３７５を備える点である。その他の構成に関してはホルダ２４０と同じであるため、説明を省略する。

圧電素子２５０の構成は、圧電素子１５０の構成と同じである。ホルダ３４０は、ホルダ２４０より大きい。圧電素子１５０の固定部５２及び固定部２５２と、圧電素子２５０の固定部５２及び固定部２５２とは、ホルダ３４０に固定される。

圧電素子１５０及び圧電素子２５０は、圧電フィルム３１の主面が重力方向に直交する状態でホルダ３４０に固定される。すなわち圧電素子１５０及び圧電素子２５０は、圧電フィルム３１の主面が粉体面Ｑに対して平行となる状態でホルダ１４０に固定される。基準電圧回路３７５は基準電圧を生成する。

次に、内容物検知装置３０１の動作について説明する。
図１６は、図１５に示す圧電素子１５０及び圧電素子２５０が振動している時における圧電素子１５０及び圧電素子２５０の外観斜視図である。図１７は、図１５に示す圧電素子１５０のセンサ部１６から出力される第１検知信号の波形を示す図である。図１８は、図１５に示す圧電素子２５０のセンサ部１６から出力される第２検知信号の波形を示す図である。図１９は、図１５に示す圧電素子１５０のセンサ部１６から出力される第１検知信号と図１５に示す圧電素子２５０のセンサ部１６から出力される第２検知信号との差を示す図である。図２０は、外部から振動が加わった時における圧電素子１５０及び圧電素子２５０の外観斜視図である。

圧電素子１５０に対して駆動回路２７５は、基準電圧に基づいて交流の第１駆動電圧をアクチュエータ２１０の回路部２５３に出力する。回路部２５３は、第１駆動電圧をアクチュエータ部２１６の第１電極３４及び第２電極３５に印加する。回路部２５３が第１駆動電圧を第１電極３４及び第２電極３５に印加すると、圧電素子１５０はアクチュエータ部２１６によって図１６に示すように撓み振動する。

一方、圧電素子１５０のセンサ１１０に関してセンサ部１６はこの撓み振動で電荷を発生し、回路部５３は電荷を電圧変換し、増幅した第１検知信号（図１７参照）を検出回路１７５に出力する。すなわち、回路部５３は、センサ部１６の振幅を第１検知信号として検出回路１７５に出力する。

圧電素子２５０に対して駆動回路２７５は、基準電圧に基づいて交流の第２駆動電圧をアクチュエータ２１０の回路部２５３に出力する。第２駆動電圧は、第１駆動電圧とは逆位相の電圧である。回路部２５３は、第２駆動電圧をアクチュエータ部２１６の第１電極３４及び第２電極３５に印加する。回路部２５３が第２駆動電圧を第１電極３４及び第２電極３５に印加すると、圧電素子２５０はアクチュエータ部２１６によって図１６に示すように圧電素子１５０とは逆位相で撓み振動する。

一方、圧電素子２５０のセンサ１１０に関してセンサ部１６はこの撓み振動で電荷を発生し、回路部５３は電荷を電圧変換し、増幅した第２検知信号（図１８参照）を検出回路１７５に出力する。すなわち、回路部５３は、センサ部１６の振幅を第２検知信号として検出回路１７５に出力する。この第２検知信号は、第１検知信号と逆位相の信号となる。

検出回路１７５は図１９に示すように、基準電圧に基づいて第１検知信号と第２検知信号との差を示す差信号を生成する。

以上の構成において圧電素子１５０及び圧電素子２５０では、端部５１が粉体Ｐに接触する第１状態から、端部５１が粉体Ｐに接触しない第２状態になった時、センサ部１６の振幅が変化する。そのため、内容物検知装置３０１は、差信号の振幅に基づいて、予め定められた所定高さまで粉体Ｐが収納されているか否かを検知できる。

また、センサ１１０は、センサ部１６の主面でなく、固定部５２でホルダ１４０に固定されている。よって、センサ部１６の振動がホルダ３４０によって殆ど阻害されない。すなわちセンサ１１０は端部５１を効率よく振動させることができる。

したがって、内容物検知装置３０１は、内容物検知装置１０１と同様に、粉体Ｐの量の検知精度を向上することができる。

ここで、外部から圧電素子１５０及び圧電素子２５０に振動が加わった時、同じ向きの力が圧電素子１５０及び圧電素子２５０に加わる。そのため、圧電素子１５０及び圧電素子２５０は図２０に示すように同位相で振動する。そのため、第１検知信号と第２検知信号とが同位相になる。すなわち、検出回路１７５では第１検知信号と第２検知信号とが相殺される。よって、外部の振動によって発生する検出回路１７５の出力は大幅に低減する。

したがって、内容物検知装置３０１は、外部の振動によって誤検知を行うことを防止できる。

以下、本発明の第４実施形態に係る内容物検知装置について説明する。

図２１は、本発明の第４実施形態に係る内容物検知装置４０１を模式的に示す正面透視図である。図２２は、図２１に示すカバー４４０を示す外観斜視図である。図２３は、図２２に示すカバー４４０の変形例に係るカバー４４１を示す外観斜視図である。図２４は、図１に示すセンサ１１０の変形例に係るセンサ１１１を示す外観斜視図である。図２５は、図１に示すセンサ１１０の変形例に係るセンサ１１２を示す外観斜視図である。
なお、図２１に示す矢印は、粉体Ｐの動きを示している。

内容物検知装置４０１が内容物検知装置１０１と相違する点は、カバー４４０を備える点である。カバー４４０は図２１及び図２２に示すように、センサ部１６の上方に位置しセンサ部１６を保護する。カバー４４０はホルダ１４０に固定されている。その他の構成に関しては同じであるため、説明を省略する。

以上の構成では、供給部１８０から第１空間Ｓ１へ降る粉体Ｐが、センサ部１６に直接接触しない。したがって、内容物検知装置４０１は、容器８０に収納されている粉体Ｐの正確な量を検知できる。

なお、図２１及び図２２に示すようにカバー４４０は上方から平面視してセンサ部１６を全て覆うように配置することが効果的であるが、これに限るものではない。

例えば図２３に示すように上方から平面視して、少なくとも一部がセンサ部１６と重なるカバー４４１も、一定の効果を得ることができる。また、カバーは供給部１８０から降る粉体Ｐに対して凸であることが好ましい。

また、例えば図２４に示すようにカバー部４４２を有するセンサ１１１を使用し、センサ１１１の両端をホルダ１４０に固定してもよい。センサ１１１は、カバー部４４２をさらに有する点でセンサ１１０と相違する。カバー部４４２はセンサ部１６の上方に位置しセンサ部１６を保護する。

また、例えば図２５に示すようにセンサ部１１６を有するセンサ１１２を使用し、センサ１１２の両端をホルダ１４０に固定してもよい。センサ１１１がセンサ１１０と相違する点は、センサ部１１６の長手方向の長さがセンサ部１６の長手方向の長さより長い点である。その他の構成については同じであるため、説明を省略する。

このセンサ１１２は、片端をホルダ１４０に固定したセンサ１１０と比べて剛性を高めることができる。さらに、このセンサ１１２は、省スペースでセンサ部１１６の長さを得ることができるため、Ｓ／Ｎ比を改善できる。

以下、本発明の第５実施形態に係る内容物検知装置について説明する。

図２６は、本発明の第５実施形態に係る内容物検知装置５０１を模式的に示す正面透視図である。図２７は、図７に示すセンサ部１６の変形例に係るセンサ部５１６を模式的に示す外観図である。図２８は、図２７に示すセンサ部５１６が曲がった状態の概念図である。図２９は、図２７に示すセンサ部５１６が捻れた状態の概念図である。

内容物検知装置５０１が内容物検知装置１０１と相違する点は、曲げ変形を検知できるセンサ１１０に代えて、捻れ変形を検知できるセンサ１１３を備える点である。その他の構成については同じであるため、説明を省略する。

センサ１１３がセンサ１１０と相違する点は、圧電フィルム３１の延伸方向１９がセンサ部１６と異なるセンサ部５１６を備える点である。圧電フィルム３１の延伸方向１９は図２７に示すように、センサ部５１６の長手方向と一致している。すなわち、圧電フィルム３１は、圧電フィルム３１の長辺に対して約０°を成す方向１９へ分子配向している。圧電フィルム３１は、圧電フィルム３１の短辺に対して約９０°を成す方向１９へ分子配向している。

ここで、圧電フィルム３１における延伸方向１９の角度は、長辺に対して正確な０°に限られることなく、０°に近い任意の角度とすることができる。延伸方向１９の角度が、長辺に対して０°に近い角度であるほど、捻れ力を効率的に検知することができる。したがって、約０°とは、例えば０°±１０°程度の０°を中心とする所定範囲の角度をいう。同様に約９０°とは、例えば９０°±１０°程度の９０°を中心とする所定範囲の角度をいう。

なお、図２８では、センサ部５１６の固定部５２の端辺ＤＣを固定端辺とし、端部５１の端辺ＢＡに曲げが生じた場合を図示している。言い換えれば、固定端辺ＤＣの両端となる角Ｄおよび角Ｃが固定された角となり、端辺ＢＡの両辺となる角Ｂおよび角Ａが、互いに同じ方向へ変位した場合を示している。

また、図２９では、センサ部５１６の固定部５２の端辺ＤＣを固定端辺とし、端部５１の端辺ＢＡに捻れが生じた場合を図示している。言い換えれば、固定端辺ＤＣの両端となる角Ｄおよび角Ｃが固定された角となり、端辺ＢＡの両辺となる角Ｂおよび角Ａが、互いに逆方向へ変位した場合を示している。

（曲げ変形）
図２７に示すように、曲げ変位が０の場合、すなわちセンサ部５１６に対して曲げを生じさせる外力が加わっていない場合、センサ部５１６は、平坦な状態となる。この場合、センサ部５１６の圧電フィルム３１は伸縮せず、センサ部５１６から出力される電圧の変化は生じない。例えば、この状態で電圧が０［Ｖ］になるように予め設定すれば、センサ部５１６から出力される電圧は、０［Ｖ］となる。

そして、図２８に示すようにセンサ部５１６に対して曲げを生じさせる外力が加わった場合、センサ部５１６は、長手方向に沿って湾曲する。この場合、センサ部５１６の圧電フィルム３１は、センサ部５１６に貼付されている面と捻れ方向によって、伸びるか若しくは縮む。

しかし、圧電フィルム３１の延伸方向１９がセンサ部５１６の長手方向と一致しているため、圧電フィルム３１の伸長または圧縮方向は延伸方向１９と一致する。このとき圧電フィルム３１はずり変形をおこしていないので、圧電定数ｄ_１４による電荷を生じない。すなわち、曲げ変位によってセンサ部５１６から出力される電圧に変化が生じない。すなわち、センサ部５１６から出力される電圧は、０［Ｖ］である。

（捻れ変形）
図２７に示すように、捻れ変位が０の場合、すなわちセンサ部５１６に対して捻れを生じさせる外力が加わっていない場合、センサ部５１６は、平坦な状態となる。この場合、圧電フィルム３１は伸縮せず、センサ部５１６から出力される電圧の変化は生じない。例えば、この状態で電圧が０［Ｖ］になるように予め設定すれば、センサ部５１６から出力される電圧は、０［Ｖ］となる。

そして、図２９に示すようにセンサ部５１６に対して捻れを生じさせる外力が加わった場合、センサ部５１６では角Ａと角Ｂが、それぞれ異なる方向へ変位した状態となる。

この場合、圧電フィルム３１は、センサ部５１６に貼付されている面と捻れ方向によって、ずり変形が生じる。このずり変形の圧電効果により電荷が発生し、これによりセンサ部５１６から出力される電圧に変化が生じる。すなわち、センサ部５１６から出力される電圧は、０［Ｖ］から所定電圧値（例えば数Ｖ）に変化する。

したがって、センサ１１３は、センサ部１６から出力される微弱な電圧をセンサ回路３９によって観測することで、センサ部５１６の捻れ変形を検知できる。そして、センサ回路３９は、この検知結果を示す検知信号を接続端子７１から外部の検出回路１７５等へ出力する。

なお、センサ部５１６が捻れ易くなるよう、センサ１１３は図２６に示すように、粉体Ｐが流出する開口部８９の中心軸からずれていることが好ましい。

以上の構成においてセンサ部５１６は図２９に示すように、粉体Ｐの移動によって端部５１が捻れた形状に変形する。この変形は一定以上になるとセンサ部５１６の弾性によりある程度戻る。

よって、端部５１が粉体Ｐに接触する間、センサ１１０には、粉体Ｐの移動による捻れと、センサ部５１６の弾性による戻りとが繰り返して生じる。これにより、圧電フィルム３１には圧電効果により電荷が生じ、センサ部５１６から出力される電圧に変化が生じる。

ここで、供給部１８０から容器８０への粉体Ｐの供給が停止した時、容器８０に収納されている粉体Ｐの量は所定量ずつ減っていく。そして、容器８０に収納されている粉体Ｐの量が所定高さ以下に減少した時、センサ部５１６は、端部５１が粉体Ｐの中に挿入されていない状態となる。そのため、センサ部５１６は図２７に示すように、端部５１が捻れていない元の形状に戻る。これにより、センサ部５１６から出力される電圧が０Ｖになる。

以上により、内容物検知装置５０１は、センサ部５１６の捻れ状態に基づいて、予め定められた所定高さまで粉体Ｐが収納されているか否かを検知できる。また、センサ１１３は、センサ部１６の主面でなく、固定部５２でホルダ１４０に固定されている。よって、センサ部１６の振動がホルダ３４０によって殆ど阻害されない。すなわちセンサ１１３は端部５１を効率よく振動させることができる。

したがって、内容物検知装置５０１は、内容物検知装置１０１と同様に、粉体Ｐの量の検知精度を向上することができる。

一方、内容物検知装置５０１においても、衝撃を含む外部の振動が、容器８０から固定部５２を介してセンサ１１３に伝わる場合がある。そのため、センサ１１３も図２８に示すように、外部の振動によって曲げ変位を起こす場合がある。

しかし、センサ１１３では前述したように、曲げ変位によってセンサ部５１６から出力される電圧に変化が生じない。即ちセンサ１１３は、センサ部５１６が捻れたことを検知するセンサであって、センサ部５１６が曲がったことを検知するセンサではない。また一般に、外部の振動によってセンサ部５１６が捻れ振動を生じる可能性は、外部の振動によってセンサ部５１６が曲げ振動を生じる可能性と比較して低い。そのため、センサ１１３は、外部の振動によって誤検知を行うことを防止できる。

したがって、内容物検知装置５０１は、粉体Ｐの量を検知できるとともに、外部の振動によって誤検知を行うことを防止できる。

《他の実施形態》
なお、前記実施形態では、内容物検知装置１０１は内容物として粉体Ｐを収納しているが、これに限るものではない。実施の際、内容物検知装置は内容物として例えば液体を収納しても良い。液体は例えば薬液やインクなどである。

また、前記実施形態では回路部５３は図７〜図９に示すように、センサ部１６が曲がっているか曲がっていないかを検知しているが、これに限るものではない。実施の際、回路部５３は、センサ部１６から出力される電圧の値を測定してもよい。回路部５３は、電圧の値から曲げ方向および曲げ量を検知することもできる。例えば、曲げ方向は内容物の移動方向を示し、曲げ量は容器８０に収納されている内容物の量を示す。

また、前記実施形態では回路部５３は図２７〜図２９に示すように、センサ部５１６が捻れているか捻れていないかを検知しているが、これに限るものではない。実施の際、回路部５３は、センサ部５１６から出力される電圧の値を測定してもよい。回路部５３は、電圧の値から捻れ方向および捻れ量を検知することもできる。例えば、捻れ方向は内容物の移動方向を示し、捻れ量は容器８０に収納されている内容物の量を示す。

また、前記実施形態では容器８０とホルダ１４０とが別になっているが、これに限るものではない。実施の際、容器８０とホルダ１４０とが一体成型されていても良い。

また、前記実施形態ではセンサ１１０が図２、図１０に示すように、センサ部１６の主面（圧電フィルム３１の主面）が粉体面Ｑに対して平行となる状態でホルダ１４０に固定されているが、これに限るものではない。

実施の際、センサ１１０が図３０に示すように、センサ部１６の主面（圧電フィルム３１の主面）が粉体面Ｑと直交する状態でホルダ１４０に固定されていてもよい。この構成では、センサ１１０が粉体面Ｑの重力方向の変化を検出することができる。また、供給部１８０から降る粉体Ｐがセンサ部１６の主面に堆積しないため、センサ１１０は、供給部１８０から降る粉体Ｐの流量を検出することができる。

また、センサ１１０が図３１に示すように、センサ部１６の主面（圧電フィルム３１の主面）が粉体面Ｑと斜めに交わる状態でホルダ１４０に固定されていてもよい。

最後に、前記実施形態の説明は、すべての点で例示であり、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲は、特許請求の範囲と均等の範囲を含む。

Ｐ…粉体
Ｑ…粉体面
Ｓ１…第１空間
Ｓ２…第２空間
１…圧電振動子
２…振動板
３…圧電磁器素子
４…ケース
５…支持ケース部
７、１５…電極
１６…センサ部
１７…発振回路
１９…延伸方向
３０…基板
３１…圧電フィルム
３２…第１端子
３３…第２端子
３４…第１電極
３５…第２電極
３７…基板
３９…センサ回路
５１…端部
５２…固定部
５３…回路部
７１…接続端子
８０…容器
８９…開口部
９１、９２…粘着剤層
１０１、１０２、１０３、２０１、２０２、３０１、４０１、５０１…内容物検知装置
１１０、１１１、１１２、１１３…センサ
１１６…センサ部
１４０、２４０、３４０…ホルダ
１５０、２５０…圧電素子
１７５…検出回路
１８０…供給部
２１０…アクチュエータ
２１６…アクチュエータ部
２５２…固定部
２５３…回路部
２７５…駆動回路
３７５…基準電圧回路
４４０、４４１…カバー
４４２…カバー部
５１６…センサ部

Claims (10)

1. 圧電体と前記圧電体の主面に形成された電極とを有する圧電素子と、
   内容物を収納する第１空間を構成する筐体と、を備え、
   前記圧電素子は、前記筐体に固定される固定部と、前記固定部から前記第１空間へ伸びる圧電部とを有する内容物検知装置。
2. 前記筐体は、前記第１空間を構成する容器と、前記圧電素子の前記固定部を固定するホルダとを有する、請求項１に記載の内容物検知装置。
3. 前記ホルダは、弾性体を有し、
   前記固定部は、前記弾性体を介して前記ホルダに固定される、請求項２に記載の内容物検知装置。
4. 前記圧電素子は、前記固定部から前記圧電部とは逆方向へ伸び前記電極に接続する回路部をさらに有する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の内容物検知装置。
5. 前記筐体は、前記第１空間と異なる第２空間を構成し、
   前記回路部は、前記第２空間に位置する、請求項４に記載の内容物検知装置。
6. 前記回路部は、前記電極から出力される電圧を検出する、請求項４又は請求項５に記載の内容物検知装置。
7. 前記回路部は、前記圧電体の曲げ変形または捻れ変形を前記電圧によって検知する、請求項６に記載の内容物検知装置。
8. 前記回路部は、前記電極に駆動電圧を印加する、請求項６又は請求項７に記載の内容物検知装置。
9. 前記圧電素子は、前記圧電体の前記主面が重力方向に直交する状態で前記筐体に固定される、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の内容物検知装置。
10. 前記圧電部の上方に位置し前記圧電部を保護するカバーを備える、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の内容物検知装置。

Images