JP2018017658A - 液面位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波を利用して、温度センサを用いることなく液面の位置を精度良く検出可能な液面位置検出装置を提供することにある。【解決手段】液面位置検出装置１０は、圧電素子３１を振動させることによって伝搬体２０の内部を伝搬する内部伝搬波Ｗ１と、伝搬体２０の表面を伝搬する表面波Ｗ２とを発生させる。液面位置検出装置１０は、振動が発生してから内部伝搬波反射部２２又は表面波反射部２４によって反射された内部伝搬波Ｗ１と表面波Ｗ２とが圧電素子３１に入力するまでの期間に基づいて、内部伝搬波Ｗ１と表面波Ｗ２との伝搬速度に影響を与える伝搬体２０の温度を考慮して、伝搬体２０が浸る液体８０の液面８１の位置を決定する。内部伝搬波反射部２２は、内部伝搬波Ｗ１と表面波Ｗ２とが重なって圧電素子３１に入力することがないような伝搬体２０上の位置に設けられる。【選択図】図１

Description

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

液面位置検出装置として、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知られている。このような超音波を利用した液面位置検出装置としては、例えば特許文献１が開示するものがある。

特許文献１に開示されている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。特許文献１に開示されている液面位置検出装置では、超音波伝搬体の表面を伝搬する表面波を検出し、表面波の伝搬期間を測定する。特許文献１に開示されている液面位置検出装置では、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、表面波の伝搬期間に応じて液面位置が検出される。

ここで、超音波伝播体を伝搬する表面波の速度は、超音波伝播体自身の温度に影響を受ける。すなわち、超音波伝播体自身の温度に起因して超音波伝搬体の密度が変化し、超音波伝播体を伝搬する表面波の速度が超音波伝搬体の密度によって変化する。そのため、超音波伝播体の温度を検出する温度センサを備えることが考えられるが、温度センサを備える場合には製造コストが上昇するという問題があった。

この問題を解決するために、特許文献２に開示されている液面位置検出装置が提案されている。特許文献２に開示されている液面位置検出装置は、伝搬体の振動として、伝搬体の表面を伝搬する表面波を発生させると共に、伝搬体の内部を伝搬する内部伝搬波も発生させる。内部伝搬波が伝搬体の内部を伝搬する速度は、伝搬体が液体に接触している長さに影響されず、伝搬体の温度のみに影響される。特許文献２に開示されている液面位置検出装置では、内部伝搬波が伝搬体の内部を伝搬する速度によって、表面波が伝搬体の表面を伝搬する速度を補正する。その結果、特許文献２に開示されている液面位置検出装置では、温度センサを備えることを必要とせず、伝搬体の温度の影響を考慮することができる。

ところで、特許文献２では、内部伝搬波を反射するための内部伝搬波反射部を伝搬体に設けることが開示されている。本発明者らは、内部伝搬波反射部を伝搬体上の適切な位置に設けることによって内部伝搬波及び表面波の検出精度が向上することを、認識した。

特開平４−８６５２５号公報 特開２０１６−１２５８２５号公報

本発明の１つの目的は、超音波を利用して、温度センサを用いることなく液面の位置を精度良く検出可能な液面位置検出装置を提供することにある。本発明の他の目的は、以下に例示する態様及び好ましい実施形態、並びに添付の図面を参照することによって、当業者に明らかになるであろう。

本発明に従う第１の態様は、圧電素子に電圧を印加することによってこの圧電素子を振動させる振動発生部と、
前記圧電素子の振動を伝搬する伝搬体と、
前記振動が前記伝搬体の反射部で反射されて前記圧電素子に入力することを検出する振動検出部と、
前記伝搬体が浸される液体の液面の位置を決定する位置決定部と、
を備える液面位置検出装置であって、
前記伝搬体は、前記振動が前記伝搬体の表面を伝搬する表面波と、前記振動が前記伝搬体の内部を伝搬する内部伝搬波と、を伝搬し、
前記反射部は、表面波反射部と、内部伝搬波反射部と、を含み、
前記位置決定部は、前記振動が発生してから前記表面波が前記表面波反射部で反射されて前記圧電素子に入力するまでの期間である表面波伝搬期間に基づいて前記伝搬体が浸される前記液体の前記液面の前記位置を決定し、
前記位置決定部は、前記振動が発生してから前記内部伝搬波が前記内部伝搬波反射部で反射されて前記圧電素子に入力するまでの期間である内部伝搬波伝搬期間によって、前記表面波伝搬期間を補正し、
前記表面波反射部は、前記伝搬体の長手方向の２つの端部のうちの前記圧電素子から遠い側の端部であり、
前記内部伝搬波反射部は、前記内部伝搬波伝搬期間をｎ（ｎは１以上の整数）倍した期間が前記表面波伝搬期間と重ならないような、前記伝搬体上の位置に形成されることを特徴とする液面位置検出装置に関する。

内部伝搬波反射部を、内部伝搬波伝搬期間をｎ倍した期間が表面波伝搬期間と重ならないように設けることによって、反射された内部伝搬波と表面波とが干渉することが防止され、反射された内部伝搬波又は表面波のいずれが圧電素子に入力したのか区別される。

本発明に従う第２の態様では、第１の態様において、前記内部伝搬波反射部は、前記内部伝搬波伝搬期間を前記ｎ倍した期間及び前記内部伝搬波伝搬期間をｎ＋１倍した期間の双方が、前記伝搬体が浸される前記液体の前記液面の前記位置が最も高いときの前記表面波伝搬期間と前記伝搬体が浸される前記液体の前記液面の前記位置が最も低いときの前記表面波伝搬期間との間に含まれないような、前記伝搬体上の位置に形成されてもよい。

このような条件を満たすように伝搬体上の位置に内部伝搬波反射部が形成されることによって、反射された内部伝搬波と表面波とが干渉することがない。

本発明に従う第３の態様では、第１又は第２の態様において、前記内部伝搬波反射部は、気体内での前記表面波の伝搬速度が前記液体内での前記表面波の伝搬速度よりも速いときには次の式（１）を満たすように前記伝搬体上の位置に形成される一方で、前記気体内での前記表面波の伝搬速度が前記液体内での前記表面波の伝搬速度よりも遅いときには次の式（２）を満たすように前記伝搬体上の位置に形成されてもよい。

ここで、
ｖｓは、内部伝搬波の伝搬速度であり、
ｖｒは、気体内での表面波の伝搬速度であり、
ｖｌｒは、液体内での表面波の伝搬速度であり、
Ｌ１は、伝搬体における、圧電素子に近い側の端部から内部伝搬波反射部までの長さであり、
Ｌ２は、伝搬体の全長であり、
Ｌ３は、伝搬体における、圧電素子に近い側の端部から液体の液面の位置が最も高いときの液面の位置までの長さである。

式（１）を満たすようなＬ１の範囲内で、伝搬体に内部伝搬波反射部を形成することによって、内部伝搬波伝搬期間をｎ倍した期間が、伝搬体が浸される液体の液面の位置が検出範囲内にあるときの表面波と重ならない。

本発明に従う第４の態様では、第３の態様において、前記内部伝搬波伝搬期間をｎ＋１倍した時点において前記内部伝搬波反射部で反射されて前記圧電素子に入力する、前記内部伝搬波の振幅が所定の振幅よりも小さいときには、
前記内部伝搬波反射部は、前記式（１）の代わりに次の式（３）を満たすように、あるいは前記式（２）の代わりに次の式（４）を満たすように、前記伝搬体上の位置に形成されてもよい。

内部伝搬波伝搬期間をｎ＋１倍した時点において内部伝搬波反射部で反射されて圧電素子に入力する、内部伝搬波の振幅が所定の振幅よりも小さいときには、式（３）又は式（４）を満たすようなＬ１の範囲内で、伝搬体に内部伝搬波反射部を形成することによっても、伝搬体が浸される液体の液面の位置が検出範囲内にあるときの表面波と重ならない。

本発明に従う第５の態様では、第１から第４の態様において、前記伝搬体における、前記圧電素子に近い側の端部から前記内部伝搬波反射部までの長さが、前記伝搬体の全長の半分よりも長いときには、前記ｎは１であってもよい。

内部伝搬波は、内部伝搬波反射部で反射される回数が増える程、減衰して振幅が小さくなる。すなわち、内部伝搬波が内部伝搬波反射部で反射される回数であるｎが１であるときが、圧電素子に入力する内部伝搬波の振幅が最も大きく、振動検出部による検出が容易である。

本発明に係る液面位置検出装置の構成の例を示す図である。 液面の位置と表面波及び内部伝搬波との関係を示す図である。 図１に示される液面位置検出装置の動作の例を示すフローチャート図である。 伝搬体において内部伝搬波反射部が設けられる位置を説明する図である。 内部伝搬波反射部を伝搬体上の適切な位置に設けるための条件を説明する図である。 内部伝搬波反射部を伝搬体上の適切な位置に設けるための条件を説明する図である。

以下に説明する好ましい実施形態は、本発明を容易に理解するために用いられている。従って、当業者は、本発明が、以下に説明される実施形態によって不当に限定されないことを留意すべきである。

《１．全体の構成の例》
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、伝搬体２０と、圧電素子３１と、振動発生部３２と、振動検出部３３と、位置決定部４０と、を備える。伝搬体２０と、圧電素子３１と、振動発生部３２と、振動検出部３３と、位置決定部４０とは、ケース５０の内部に収納されている。ケース５０は、容器７０に固定されている。

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Ｗ２、内部伝搬波Ｗ１）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。

伝搬体２０は、上下に長い四角柱形状である。しかしながら、伝搬体２０の形状は四角柱に限定されず、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。伝搬体２０が上下に長い形状であることによって、液体８０に浸ることができる。

伝搬体２０は、長手方向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。また、伝搬体２０の２つの端部２４，２５のうち、圧電素子３１から遠い側の端部２４は表面波を反射する。伝搬体２０の圧電素子３１から遠い側の端部２４を、表面波反射部２４とも呼び、内部伝搬波反射部２２と表面波反射部２４とを合わせて伝搬体２０の反射部とも呼ぶ。

圧電素子３１は、伝搬体２０の、圧電素子３１から近い側の端部２５から圧電素子３１から遠い側の端部２４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）である、主面２６から圧電素子３１の一部が迫り出すように配置されている。また、圧電素子３１の底面がケース５０の底部の上面に密着すると共に、伝搬体２０の圧電素子３１から近い側の端部２５がケース５０の底部の下面に密着する。これによって、伝搬体２０に表面波Ｗ２と内部伝搬波Ｗ１を発生させるとともに、表面波Ｗ２と内部伝搬波Ｗ１を検出することができる。

圧電素子３１は振動することによってケース５０の底部を介して伝搬体２０に振動を与え、伝搬体２０の主面２６に表面波Ｗ２を発生させるとともに、伝搬体２０の内部に内部伝搬波Ｗ１を発生させる。さらに圧電素子３１は、伝搬体２０の端部２４で反射された表面波Ｗ２と、内部伝搬波反射部２２で反射された内部伝搬波Ｗ１とを検出し電圧に変換する。なお、表面波Ｗ２はレイリー波（気体内で伝搬する表面波）と漏洩レイリー波（液体内で伝搬する表面波）とを含み、内部伝搬波Ｗ１は横波を含む。また、一般的に、内部伝搬波Ｗ１が伝搬体２０を伝搬する速度である内部伝搬波伝搬速度は、表面波Ｗ２が伝搬体２０を伝搬する速度である表面波伝搬速度よりも速い。また、圧電素子３１が伝搬体２０と直接接触する構造とすることもできる。このような構造にすることによって、内部伝搬波Ｗ１及び表面波Ｗ２を伝搬体２０により強い振幅で伝えることができる作用が期待できる。

振動発生部３２は、圧電素子３１に電圧を印加することによって圧電素子３１を振動させるように構成されている。例えば、振動発生部３２は、位置決定部４０が所定周期で出力する駆動信号に応じて圧電素子３１に電圧を印加する。

振動検出部３３は、表面波Ｗ２又は内部伝搬波Ｗ１が、伝搬体２０の反射部である内部伝搬波反射部２２又は表面波反射部２４によって反射されて圧電素子３１に入力するときに、圧電素子３１によって出力される電圧を検出するように構成されている。振動検出部３３は、例えば、電圧を検出するときに検出信号を位置決定部４０に対して出力してもよい。なお、図１に示される例において、振動発生部３２及び振動検出部３３が別体として構成されているが、これに限定されず、振動発生部３２及び振動検出部３３が一体として構成されていてもよい。

位置決定部４０は、例えばマイクロコンピュータ（マイコン）によって構成されており、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等で構成される処理部４１とＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）等で構成される記憶部４２とを少なくとも備える。位置決定部４０は、伝搬体２０が浸される液体８０の液面８１の位置を決定するが、詳しい説明は後述する。

図１に示される例においては、位置決定部４０はケース５０の内部に備えられているが、これに限定されず、位置決定部４０をケース５０の外部に配置された外部装置に設けてもよい。また、位置決定部４０が、振動発生部３２と振動検出部３３との少なくとも１つを含んでいてもよい。

《２．動作の例》
図２及び図３を参照して、液面位置検出装置１０の動作の例を説明する。まず、図２を参照して、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Ｗ２の表面波伝搬期間Ｔ２と内部伝搬波Ｗ１の内部伝搬波伝搬期間Ｔ１から求められる。以下、詳細に説明する。

前提として、伝搬体２０が、気体内での表面波伝搬速度と、液体内での表面波伝搬速度とは異なる。また、気体内での表面波伝搬速度と、液体内での表面波伝搬速度とで、どちらが速くなるのかについては、伝搬体２０の材料によって決まる。図２は、伝搬体２０が、気体内での表面波伝搬速度が液体内での表面波伝搬速度よりも速い材料によって構成されているときの例を示す。

図２の上側には、液面８１の位置が低い状況において、振動を発生させたことによって伝搬体２０が伝搬する内部伝搬波Ｗ１及び表面波Ｗ２−Ｌが反射して圧電素子３１に入力する様子が示されている。また、図２の下側には、液面８１の位置が高い状況において、振動を発生させたことによって伝搬体２０が伝搬する内部伝搬波Ｗ１及び表面波Ｗ２−Ｈが反射して圧電素子３１に入力する様子が示されている。

図２に示される時点ｔ０は、振動Ｗ０が発生した時点、すなわち位置決定部４０が駆動信号を出力した時点である。上述したように、振動Ｗ０が発生することによって、伝搬体２０が内部伝搬波Ｗ１及び表面波Ｗ２を伝搬する。図２に示される時点ｔ１は、内部伝搬波Ｗ１が内部伝搬波反射部２２で反射されて圧電素子３１に入力した時点である。図２に示される期間Ｔ１は、時点ｔ０から時点ｔ１までの期間である内部伝搬波伝搬期間Ｔ１である。

図２に示される時点ｔ２−Ｌは、液面８１の位置が低い状況において、表面波Ｗ２−Ｌが表面波反射部２４で反射されて圧電素子３１に入力した時点である。また、図２に示される時点ｔ２−Ｈは、液面８１の位置が高い状況において、表面波Ｗ２−Ｈが表面波反射部２４で反射されて圧電素子３１に入力した時点である。

図２に示される例においては、気体内での表面波伝搬速度が液体内での表面波伝搬速度よりも速いため、時点ｔ２−Ｌは時点ｔ２−Ｈよりも早い時点となる。その結果、時点ｔ０から時点ｔ２−Ｌまでの期間である表面波伝搬期間Ｔ２−Ｌは、時点ｔ０から時点ｔ２−Ｈまでの期間である表面波伝搬期間Ｔ２−Ｈよりも短い期間となる。このように、図２に示される例においては、液面８１の位置が低いほど表面波伝搬期間Ｔ２が短くなり、液面８１の位置が高いほど表面波伝搬期間Ｔ２が長くなる。このことを利用して、位置決定部４０は、記憶部４２に記憶されている、表面波伝搬期間Ｔ２と液面８１の位置との関係を示す演算式又はテーブル等を、処理部４１が演算又は参照することによって、表面波伝搬期間Ｔ２に応じた液面８１の位置を決定することができる。

ところで、内部伝搬波伝搬速度及び表面波伝搬速度は、伝搬体２０の温度に影響を受ける。すなわち、伝搬体２０の温度に起因して伝搬体２０の密度が変化し、内部伝搬波伝搬速度及び表面波伝搬速度が伝搬体２０の密度及び／又は弾性率によって変化する。ここで、内部伝搬波Ｗ１は伝搬体２０の内部を進むため、内部伝搬波伝搬速度（内部伝搬波伝搬期間Ｔ１）は、伝搬体２０が液体８０に浸かっている長さに影響されずに、伝搬体２０の温度のみに影響を受けるものである。

そのため、内部伝搬波Ｗ１の内部伝搬波伝搬期間Ｔ１から、位置決定部４０の記憶部４２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、所定の補正係数等を考慮した補正手法を用いて、表面波Ｗ２の表面波伝搬期間Ｔ２を補正する。位置決定部４０が、補正後の表面波伝搬期間Ｔ２に応じた液面８１の位置を決定することによって、伝搬体２０の温度を考慮した精度の高い液面８１の位置を決定することができる。

続いて、図３を参照して、液面位置検出装置１０の一連の動作を説明する。ステップＳＴ０１では、振動発生部３２が振動Ｗ０を発生させる。ステップＳＴ０２では、位置決定部４０が、圧電素子３１が反射された内部伝搬波Ｗ１を入力したか否かを判定する。ステップＳＴ０２の判定がＹＥＳのときにはフローはステップＳＴ０３に進み、ステップＳＴ０２の判定がＮＯのときにはフローはステップＳＴ０１に進む。

ステップＳＴ０３では、位置決定部４０は、内部伝搬波伝搬期間Ｔ１を取得する。ステップＳＴ０４では、位置決定部４０は、内部伝搬波伝搬期間Ｔ１に基づいて伝搬体２０の温度を決定する。ステップＳＴ０５では、位置決定部４０が、圧電素子３１が反射された表面波Ｗ２を入力したか否かを判定する。ステップＳＴ０５の判定がＹＥＳのときにはフローはステップＳＴ０６に進み、ステップＳＴ０５の判定がＮＯのときにはフローはステップＳＴ０１に進む。

ステップＳＴ０６では、位置決定部４０は、表面波伝搬期間Ｔ２を取得する。ステップＳＴ０７では、位置決定部４０は、ステップＳＴ０４で決定した伝搬体２０の温度に基づいて表面波伝搬期間Ｔ２を補正する。ステップＳＴ０８では、位置決定部４０は、補正後の表面波伝搬期間Ｔ２に応じた液面８１の位置を決定する。ステップＳＴ０８の処理が完了すると、フローは終了する。

《３．内部伝搬波反射部の位置》
以下、伝搬体２０において、内部伝搬波反射部２２を設ける適切な位置について説明する。まず、その前提として、伝搬体２０に内部伝搬波反射部２２を設ける理由について説明する。

上述したように、伝搬体２０を伝搬する内部伝搬波Ｗ１及び表面波Ｗ２は、圧電素子３１の同一の振動によって発生し、伝搬体２０の反射部で反射してそれぞれ圧電素子３１に入力する。圧電素子３１は、反射された内部伝搬波Ｗ１又は表面波Ｗ２を入力したときに電圧を出力する。振動検出部３３は、圧電素子３１によって出力される電圧を検出し、検出信号を位置決定部４０に対して出力する。

ここで、振動検出部３３及び位置決定部４０は、圧電素子３１に入力する振動（波）が、反射された内部伝搬波Ｗ１又は表面波Ｗ２のいずれであるかを区別することができない。そのため、振動が発生してから反射された内部伝搬波Ｗ１及び表面波Ｗ２が圧電素子３１に入力するまでの予想期間を含むタイミングデータが、例えば位置決定部４０の記憶部４２等に予め記憶されている。例えば位置決定部４０は、タイミングデータを参照して、振動が発生してから検出信号を入力するまでの期間に基づいて、反射された内部伝搬波Ｗ１又は表面波Ｗ２のいずれが圧電素子３１に入力したのかを判定する。

ところで、反射された内部伝搬波Ｗ１と表面波Ｗ２とが例えば干渉したときには、位置決定部４０による反射された内部伝搬波Ｗ１又は表面波Ｗ２のいずれが圧電素子３１に入力したのかの正確な判定が困難になる。そこで、内部伝搬波Ｗ１が伝搬体２０を伝搬する長さと表面波Ｗ２が伝搬体２０を伝搬する長さとが異なる長さとなるように、伝搬体２０に内部伝搬波反射部２２を設けている。その結果、伝搬体２０上の適切な位置に内部伝搬波反射部２２を設けることによって、反射された内部伝搬波Ｗ１と表面波Ｗ２とが干渉することが防止され、反射された内部伝搬波Ｗ１又は表面波Ｗ２のいずれが圧電素子３１に入力したのかを位置決定部４０が正確に判定することができる。

次に、図４を参照して、伝搬体２０において、内部伝搬波反射部２２を設ける適切な位置について説明する。図４には、伝搬体２０、圧電素子３１及び液面８１が模式的に示されている。

図４に示されている長さＬ１は、圧電素子３１から近い側の伝搬体２０の端部２５から伝搬体２０上の内部伝搬波反射部２２までの長さを示す。図４に示されている長さＬ２は、圧電素子３１から近い側の伝搬体２０の端部２５から圧電素子３１から遠い側の伝搬体２０の端部２４までの長さ、すなわち伝搬体２０の長手方向の全長を示す。図４に示されている長さＬ３は、圧電素子３１から近い側の伝搬体２０の端部２５から、液面８１の位置が最も高い状態における液面８１の位置までの長さを示す。なお、液面８１の位置が最も高い状態とは、例えば液体８０が容器７０の満タン位置まで貯留されている状態である。また、長さＬ２及び長さＬ３は、例えば容器７０の深さ等の仕様によって定まる長さである。

図４に示されるように、長さＬ１が長さＬ２よりも短ければ、反射された内部伝搬波Ｗ１と表面波Ｗ２とが干渉しないようにも考えられる。しかしながら、反射された内部伝搬波Ｗ１と表面波Ｗ２とは、圧電素子３１から近い側の伝搬体２０の端部２５（及び圧電素子３１）によってさらに反射される。そのため、長さＬ１によっては、例えば、反射された表面波Ｗ２が最初に圧電素子３１に入力するときに、複数回反射された内部伝搬波Ｗ１と干渉して圧電素子３１に入力する状況が発生し得る。この状況においても、位置決定部４０による反射された内部伝搬波Ｗ１又は表面波Ｗ２のいずれが圧電素子３１に入力したのかの判定が困難になる。

以下、図５及び図６を参照して、この状況も考慮した、内部伝搬波反射部２２を伝搬体２０上の適切な位置に設けるための条件を説明する。内部伝搬波反射部２２を伝搬体２０上の適切な位置に設けるための条件は、気体内での表面波伝搬速度ｖｒが液体内での表面波伝搬速度ｖｌｒよりも速いときと遅いときとで異なる。まずは、図５を参照して、伝搬体２０が、気体内での表面波伝搬速度ｖｒが液体内での表面波伝搬速度ｖｌｒよりも速い材料によって構成されているときの条件を説明する。

図５及び図６に示されている符号のうち図２に示されている符号と同一の符号については、図２を参照して上述した用語と同一の用語を指している。したがって、図５及び図６に示されている符号のうち図２に示されている符号と同一の符号についての説明は省略する。

図５の上側には、液面８１の位置が最も低い状態において、振動を発生させたことによって伝搬体２０が伝搬する内部伝搬波Ｗ１及び表面波Ｗ２−Ｅが反射して圧電素子３１に入力する様子が示されている。液面８１の位置が最も低い状態とは、例えば液体８０が容器７０の最低ラインの位置より下回っている状態である。すなわち、図５の上側に示される状況において、伝搬体２０は液体８０に浸っていない。また、図５の下側には、液面８１の位置が最も高い状況において、振動を発生させたことによって伝搬体２０が伝搬する内部伝搬波Ｗ１及び表面波Ｗ２−Ｆが反射して圧電素子３１に入力する様子が示されている。すなわち、図５の下側に示される状況において、伝搬体２０は図４に示されるＬ３より下側が液体８０に浸っている。

図５に示されるｎＷ１は、ｔ０から内部伝搬波伝搬期間Ｔ１をｎ（ｎは１以上の整数）倍した期間ｎＴ１が経過した時点ｎｔ１において、圧電素子３１に入力する反射された内部伝搬波である。すなわち、ｎＷ１は、内部伝搬波反射部２２でｎ回反射されて圧電素子３１に入力する内部伝搬波である。

図５に示される時点ｔ２−Ｅは、表面波Ｗ２−Ｅが表面波反射部２４で反射されて圧電素子３１に入力した時点である。図５に示される時点ｔ２−Ｆは、表面波Ｗ２−Ｆが表面波反射部２４で反射されて圧電素子３１に入力した時点である。なお、時点ｔ２−Ｅ及び時点ｔ２−Ｆは、表面波Ｗ２−Ｅ及び表面波Ｗ２−Ｆが表面波反射部２４で１回反射されて圧電素子３１に入力するそれぞれの時点である。また、内部伝搬波ｎＷ１及び時点ｎｔ１におけるｎは、時点ｔ２−Ｅの直前で圧電素子３１に入力する内部伝搬波が内部伝搬波反射部２２で反射された回数である。

図５に示される例において、気体内での表面波伝搬速度ｖｒが液体内での表面波伝搬速度ｖｌｒよりも速いため、時点ｔ２−Ｅは時点ｔ２−Ｆよりも早い時点となっている。その結果、時点ｔ０から時点ｔ２−Ｅまでの期間である、液面８１の位置が最も低い状態の表面波伝搬期間Ｔ２−Ｅは、液面８１の位置が最も高い状態の表面波伝搬期間Ｔ２−Ｆよりも長くなる。

図５に示される（ｎ＋１）Ｗ１は、内部伝搬波ｎＷ１よりも１回多く内部伝搬波反射部２２で反射されて圧電素子３１に入力する内部伝搬波である。図５に示される時点（ｎ＋１）ｔ１は、内部伝搬波（ｎ＋１）Ｗ１が圧電素子３１に入力する時点、すなわちｔ０から内部伝搬波伝搬期間Ｔ１をｎ＋１倍した期間（ｎ＋１）Ｔ１が経過した時点である。

図５に示される例では、内部伝搬波ｎＷ１が表面波Ｗ２−Ｅ及び表面波Ｗ２−Ｆ、又は表面波Ｗ２−Ｅと表面波Ｗ２−Ｆとの間の表面波Ｗ２と重ならない。このような条件を満たすように伝搬体２０上の位置に内部伝搬波反射部２２が形成されることによって、反射された内部伝搬波Ｗ１又は表面波Ｗ２のいずれが圧電素子３１に入力したのかを位置決定部４０が正確に判定することができる。

また、図５に示される例では、内部伝搬波伝搬期間Ｔ１をｎ倍した期間ｎＴ１及び内部伝搬波伝搬期間Ｔ１をｎ＋１倍した期間（ｎ＋１）Ｔ１の双方が、液面８１の位置が最も低いときの表面波伝搬期間Ｔ２−Ｅと液面８１の位置が最も高いときの表面波伝搬期間Ｔ２−Ｆとの間に含まれない。このような条件を満たすように伝搬体２０上の位置に内部伝搬波反射部２２が形成されることによって、反射された内部伝搬波Ｗ１と表面波Ｗ２とが干渉することがない。

伝搬体２０が、気体内での表面波伝搬速度ｖｒが液体内での表面波伝搬速度ｖｌｒよりも速い材料によって構成されているときに、内部伝搬波ｎＷ１が表面波Ｗ２−Ｅ及び表面波Ｗ２−Ｆ、又は表面波Ｗ２−Ｅと表面波Ｗ２−Ｆとの間の表面波Ｗ２と重ならない条件は、次の式（５）且つ式（６）が成立することである。

ここで、期間＝長さ／速度、の関係が成立するため、式（５）は次の式（７）となり、式（６）は次の式（８）となる。ただし、式中、ｖｓは内部伝搬波Ｗ１の伝搬速度であり、ｖｒは気体内での表面波Ｗ２の伝搬速度であり、ｖｌｒは液体８０内での表面波Ｗ２の伝搬速度である。

式（７）及び式（８）をＬ１に関する不等式として整理することによって式（９）が得られる。

式（９）を満たすようなＬ１の範囲内で、伝搬体２０に内部伝搬波反射部２２を形成することによって、内部伝搬波ｎＷ１が表面波Ｗ２−Ｅ及び表面波Ｗ２−Ｆ、又は表面波Ｗ２−Ｅと表面波Ｗ２−Ｆとの間の表面波Ｗ２と重ならない。且つ、内部伝搬波伝搬期間Ｔ１をｎ倍した期間ｎＴ１及び内部伝搬波伝搬期間Ｔ１をｎ＋１倍した期間（ｎ＋１）Ｔ１の双方が、液面８１の位置が最も低いときの表面波伝搬期間Ｔ２−Ｅと液面８１の位置が最も高いときの表面波伝搬期間Ｔ２−Ｆとの間に含まれない。

続いて、図６を参照して、伝搬体２０が、気体内での表面波伝搬速度ｖｒが液体内での表面波伝搬速度ｖｌｒよりも遅い材料によって構成されているときの条件を説明する。以下、図５を参照して説明した、伝搬体２０が、気体内での表面波伝搬速度ｖｒが液体内での表面波伝搬速度ｖｌｒよりも速い材料によって構成されているときの条件と同じ内容については説明を省略する。

図６の上側には、液面８１の位置が最も高い状況において、振動を発生させたことによって伝搬体２０が伝搬する内部伝搬波Ｗ１及び表面波Ｗ２−Ｆが反射して圧電素子３１に入力する様子が示されている。また、図６の下側には、液面８１の位置が最も低い状態において、振動を発生させたことによって伝搬体２０が伝搬する内部伝搬波Ｗ１及び表面波Ｗ２−Ｅが反射して圧電素子３１に入力する様子が示されている。

図６に示される例においては、気体内での表面波伝搬速度ｖｒが液体内での表面波伝搬速度ｖｌｒよりも遅いため、時点ｔ２−Ｅは時点ｔ２−Ｆよりも遅い時点となっている。その結果、時点ｔ０から時点ｔ２−Ｅまでの期間である、液面８１の位置が最も低い状態の表面波伝搬期間Ｔ２−Ｅは、液面８１の位置が最も高い状態の表面波伝搬期間Ｔ２−Ｆよりも短くなっている。

図６に示される例においても図５に示される例と同様に、内部伝搬波ｎＷ１が表面波Ｗ２−Ｅ及び表面波Ｗ２−Ｆ、又は表面波Ｗ２−Ｅと表面波Ｗ２−Ｆとの間の表面波Ｗ２と重ならない。このような条件を満たすように伝搬体２０上の位置に内部伝搬波反射部２２が形成されることによって、反射された内部伝搬波Ｗ１又は表面波Ｗ２のいずれが圧電素子３１に入力したのかを位置決定部４０が正確に判定することができる。

また、図６に示される例においても図５に示される例と同様に、内部伝搬波伝搬期間Ｔ１をｎ倍した期間ｎＴ１及び内部伝搬波伝搬期間Ｔ１をｎ＋１倍した期間（ｎ＋１）Ｔ１の双方が、液面８１の位置が最も低いときの表面波伝搬期間Ｔ２−Ｅと液面８１の位置が最も高いときの表面波伝搬期間Ｔ２−Ｆとの間に含まれない。このような条件を満たすように伝搬体２０上の位置に内部伝搬波反射部２２が形成されることによって、反射された内部伝搬波Ｗ１と表面波Ｗ２とが干渉することがない。

伝搬体２０が、気体内での表面波伝搬速度ｖｒが液体内での表面波伝搬速度ｖｌｒよりも遅い材料によって構成されているときに、内部伝搬波ｎＷ１が表面波Ｗ２−Ｅ及び表面波Ｗ２−Ｆ、又は表面波Ｗ２−Ｅと表面波Ｗ２−Ｆとの間の表面波Ｗ２と重ならない条件は、次の式（１０）且つ式（１１）が成立することである。

式（１０）及び式（１１）を、上述した式（５）及び式（６）と同様に変形した後、Ｌ１に関する不等式として整理することによって式（１２）が得られる。

式（１２）を満たすようなＬ１の範囲内で、伝搬体２０に内部伝搬波反射部２２を形成することによって、内部伝搬波ｎＷ１が表面波Ｗ２−Ｅ及び表面波Ｗ２−Ｆ、又は表面波Ｗ２−Ｅと表面波Ｗ２−Ｆとの間の表面波Ｗ２と重ならない。且つ、内部伝搬波伝搬期間Ｔ１をｎ倍した期間ｎＴ１及び内部伝搬波伝搬期間Ｔ１をｎ＋１倍した期間（ｎ＋１）Ｔ１の双方が、液面８１の位置が最も低いときの表面波伝搬期間Ｔ２−Ｅと液面８１の位置が最も高いときの表面波伝搬期間Ｔ２−Ｆとの間に含まれない。

図５及び図６に示される例において、内部伝搬波（ｎ＋１）Ｗ１の振幅が所定の振幅よりも小さいときには、内部伝搬波反射部２２は、式（９）の代わりに次の式（１３）あるいは式（１２）の代わりに次の式（１４）を満たすようなＬ１に範囲内に設けられてもよい。なお、内部伝搬波（ｎ＋１）Ｗ１の振幅が所定の振幅よりも小さいときとは、例えば、振動検出部３３が、圧電素子３１が出力する電圧を正確に検出できない程度、圧電素子３１に入力する内部伝搬波の振幅が小さくなるときである。

内部伝搬波（ｎ＋１）Ｗ１の振幅が所定の振幅よりも小さいときには、式（１３）又は式（１４）を満たすようなＬ１の範囲内で、伝搬体２０に内部伝搬波反射部２２を形成することによっても、内部伝搬波ｎＷ１が表面波Ｗ２−Ｅ及び表面波Ｗ２−Ｆ、又は表面波Ｗ２−Ｅと表面波Ｗ２−Ｆとの間の表面波Ｗ２と重ならない。また、内部伝搬波伝搬期間Ｔ１をｎ倍した期間ｎＴ１及び内部伝搬波伝搬期間Ｔ１をｎ＋１倍した期間（ｎ＋１）Ｔ１の双方が、液面８１の位置が最も低いときの表面波伝搬期間Ｔ２−Ｅと液面８１の位置が最も高いときの表面波伝搬期間Ｔ２−Ｆとの間に含まれない。

また、図５及び図６に示される例において、Ｌ１の長さがＬ２の長さの半分の長さよりも長いときには、ｎは１となる。内部伝搬波Ｗ１は、内部伝搬波反射部２２で反射される回数が増える程、振幅が小さくなる。すなわち、内部伝搬波Ｗ１が内部伝搬波反射部２２で反射される回数であるｎが１であるときが、圧電素子３１に入力する内部伝搬波Ｗ１の振幅が最も大きく、位置決定部４０による検出が容易である。

また、内部伝搬波反射部２２で反射される回数が増える程、内部伝搬波Ｗ１の振幅が小さくなるため、内部伝搬波反射部２２で反射される回数、すなわちｎは５以内が好ましい。

本実施形態では、内部伝搬波反射部２２を切り欠いた溝２１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Ｗ１が反射する構成であればよい。内部伝搬波Ｗ１が反射する構成は、例えば、貫通穴、伝搬体２０の一部分を底面まで切り欠き鍵状に形成したもの、ビス止め、溝２１に別の部材を嵌め込んだものであってもよい。また、溝２１に嵌め込まれる別の部材は、樹脂又は金属であってもよい。

本発明は、上述の例示的な実施形態に限定されず、また、当業者は、上述の例示的な実施形態を特許請求の範囲に含まれる範囲まで、容易に変更することができるであろう。

１０・・・液面位置検出装置、２０・・・伝搬体、２１・・・溝、２２・・・内部伝搬波反射部、２４・・・表面波反射部、３１・・・圧電素子、３２・・・振動発生部、３３・・・振動検出部、４０・・・位置決定部、５０・・・ケース、７０・・・容器、８０・・・液体、８１・・・液面、Ｗ１・・・内部伝搬波、Ｗ２・・・表面波。

Claims (5)

1. 圧電素子に電圧を印加することによってこの圧電素子を振動させる振動発生部と、
   前記圧電素子の振動を伝搬する伝搬体と、
   前記振動が前記伝搬体の反射部で反射されて前記圧電素子に入力することを検出する振動検出部と、
   前記伝搬体が浸される液体の液面の位置を決定する位置決定部と、
   を備える液面位置検出装置であって、
   前記伝搬体は、前記振動が前記伝搬体の表面を伝搬する表面波と、前記振動が前記伝搬体の内部を伝搬する内部伝搬波と、を伝搬し、
   前記反射部は、表面波反射部と、内部伝搬波反射部と、を含み、
   前記位置決定部は、前記振動が発生してから前記表面波が前記表面波反射部で反射されて前記圧電素子に入力するまでの期間である表面波伝搬期間に基づいて前記伝搬体が浸される前記液体の前記液面の前記位置を決定し、
   前記位置決定部は、前記振動が発生してから前記内部伝搬波が前記内部伝搬波反射部で反射されて前記圧電素子に入力するまでの期間である内部伝搬波伝搬期間によって、前記表面波伝搬期間を補正し、
   前記表面波反射部は、前記伝搬体の長手方向の２つの端部のうちの前記圧電素子から遠い側の端部であり、
   前記内部伝搬波反射部は、前記内部伝搬波伝搬期間をｎ（ｎは１以上の整数）倍した期間が前記表面波伝搬期間と重ならないような、前記伝搬体上の位置に形成されることを特徴とする液面位置検出装置。
2. 前記内部伝搬波反射部は、前記内部伝搬波伝搬期間を前記ｎ倍した期間及び前記内部伝搬波伝搬期間をｎ＋１倍した期間の双方が、前記伝搬体が浸される前記液体の前記液面の前記位置が最も高いときの前記表面波伝搬期間と前記伝搬体が浸される前記液体の前記液面の前記位置が最も低いときの前記表面波伝搬期間との間に含まれないような、前記伝搬体上の位置に形成される、請求項１記載の液面位置検出装置。
3. 前記内部伝搬波反射部は、気体内での前記表面波の伝搬速度が前記液体内での前記表面波の伝搬速度よりも速いときには次の式（１）を満たすように前記伝搬体上の位置に形成される一方で、前記気体内での前記表面波の伝搬速度が前記液体内での前記表面波の伝搬速度よりも遅いときには次の式（２）を満たすように前記伝搬体上の位置に形成される、請求項１又は２記載の液面位置検出装置。
   

   

   ここで、
   ｖｓは、内部伝搬波の伝搬速度であり、
   ｖｒは、気体内での表面波の伝搬速度であり、
   ｖｌｒは、液体内での表面波の伝搬速度であり、
   Ｌ１は、伝搬体における、圧電素子に近い側の端部から内部伝搬波反射部までの長さであり、
   Ｌ２は、伝搬体の全長であり、
   Ｌ３は、伝搬体における、圧電素子に近い側の端部から液体の液面の位置が最も高いときの液面の位置までの長さである。
4. 前記内部伝搬波伝搬期間をｎ＋１倍した時点において前記内部伝搬波反射部で反射されて前記圧電素子に入力する、前記内部伝搬波の振幅が所定の振幅よりも小さいときには、
   前記内部伝搬波反射部は、前記式（１）の代わりに次の式（３）を満たすように、あるいは前記式（２）の代わりに次の式（４）を満たすように、前記伝搬体上の位置に形成される、請求項３記載の液面位置検出装置。
   

   
5. 前記伝搬体における、前記圧電素子に近い側の端部から前記内部伝搬波反射部までの長さが、前記伝搬体の全長の半分よりも長いときには、前記ｎは１である、請求項１から４のいずれか１項記載の液面位置検出装置。

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