JP4830070B2 - 弾性表面波素子、液位検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、弾性表面波素子と液位検出装置に関する。詳しくは、複数の共振周波数を有する弾性表面波素子と、この弾性表面波素子を用いた液位検出装置に関する。

従来、圧電基板上に共振周波数の異なるＩＤＴ電極を形成している弾性表面波素子というものがある。この弾性表面波素子は、所定の共振周波数を有する第１の弾性表面波共振器を並列腕に、第１の弾性表面波共振器の反共振周波数に略一致する共振周波数を有する第２の弾性表面波共振器を直列腕にそれぞれ複数個配列される。そして、上述の第１及び第２の弾性表面波共振器のうち、少なくとも１つの弾性表面波共振器の電極指が、２つ以上の異なる周期を持つように形成されている（例えば、特許文献１参照）。

また、弾性表面波素子を用いる物理量の検出センサとして、弾性表面波の伝播面上のずり変位の垂直方向に凹凸のあるすべり弾性表面波センサと、凹凸のない平坦なすべり弾性表面波センサとを、同一の弾性表面波素子に設置し、両センサにより液体の密度と粘度を分離測定する液体の密度と粘度の分離測定方法というものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−８８１１２号公報（第６頁、図１１，１２） 特開平１１−２１１７０５号公報（第４頁、図２，３）

このような特許文献１によれば、この弾性表面波素子はフィルタとして用いられるものであって、電極指を２つ以上の異なる周期を持つように形成し、通過帯域外の周波数帯域において所望の抑圧度を得るように構成されている。このような構成の場合、異なる周期の設定領域幅が小さく、例えば、物理量を測定するセンサとしては不適当である。

また、この弾性表面波素子は、直列共振器または並列共振器を複数備えて構成されているが、そのうちの１つに外的な負荷、例えば、電極指が液体等に浸漬されるような場合には、周波数応答性が著しく低下し、あるいは出力が得られないことが推測される。

また、前述した特許文献２では、凹凸がある弾性表面波センサと凹凸のない弾性表面波センサにて、標準液体と被測定液体とを負荷し、弾性表面波センサの質量負荷による弾性表面波の速度変化により液体の密度と粘度の分離測定を行っている。
しかしながら、このような方法では、微量な液体を被検出液体として用いており、容器等に収容された液体の量を測定することはできない。

本発明の目的は、前述した課題を解決することを要旨とし、複数の共振周波数を有する弾性表面波素子と、この弾性表面波素子を用いて液体の量を液位として検出することができる液位検出装置を提供することである。

本発明の弾性表面波素子は、圧電基板上に所定共振周波数にて励振するＩＤＴ電極を備える弾性表面波素子であって、前記ＩＤＴ電極が、異なる所定の共振周波数を有する複数の電極指群から構成され、前記複数の電極指群が、前記圧電基板上に位置をずらして配設され、前記複数の電極指群のいずれかに液体が接触する状態によって生じる当該電極指群の周波数特性の変化を検出することを特徴とする。
ここで、電極指群とは、例えば、所定の共振周波数を形成するための電極幅とピッチとを有する電極指のユニットを意味する。また、外部負荷としては、例えば、電極指群が液体に浸漬された場合等の負荷を含む。さらに、周波数特性としては、検出しやすい挿入損失が代表される。

本発明によれば、異なる共振周波数を有する複数の電極指群を備え、これらの電極指群それぞれが位置をずらして配設されているために、仮に電極指の１つに液体等が負荷された際に、液体が付着した電極指群の挿入損失は大きくなり、付着しない電極指群の挿入損失には変化がないため、そのような負荷状態を検出するセンサとして用いることができる。

また、前記ＩＤＴ電極が、前記複数の電極指群それぞれを弾性表面波が伝播する方向に直列に配列してなることが好ましい。

このように電極指群を構成すれば、簡単な構成により複数の共振周波数を有する弾性表面波素子を実現できる。

また、圧電基板上に所定共振周波数にて励振するＩＤＴ電極を備える弾性表面波素子であって、複数の電極指群が、共振周波数の異なる複数のＩＤＴ電極を形成し、前記複数のＩＤＴ電極それぞれが、平行に配設されると共に、弾性表面波が伝播する方向に位置をずらして配設され、前記複数のＩＤＴ電極が並列接続されており、前記複数の電極指群のいずれかに液体が接触する状態によって生じる当該電極指群の周波数特性の変化を検出することを特徴とする。

このように複数の電極指群をレイアウトすることにより、上述したような液体等の負荷を複数のＩＤＴ電極に対して的確に個別付加することができる。

また、前記ＩＤＴ電極が、複数の所定共振周波数を有する電極指群を直列に配列してなる入力側電極と、前記入力側電極の所定共振周波数に対応する所定周波数を有する電極指群を直列に配列してなる出力側電極とから構成され、且つ、弾性表面波が伝播する方向に配設されていることが好ましい。

このように入力側電極と出力側電極とを備えることで、優れた周波数特性を有する弾性表面波素子を実現するとともに、簡単な構成の電極指群により複数の共振周波数を有する弾性表面波素子を実現することができる。

また、圧電基板上に所定共振周波数にて励振するＩＤＴ電極を備える弾性表面波素子であって、前記ＩＤＴ電極が、弾性表面波が伝播する方向に配列される入力側電極と出力側電極とから形成され、前記入力側電極が、単一の共振周波数を有する電極指群からなり、前記出力側電極が、前記入力側電極の共振周波数を含む異なる所定の共振周波数を有する複数の電極指群を備え、前記複数の電極指群が並列接続されるとともに、弾性表面波が伝播する方向に位置をずらして配設されており、前記複数の電極指群のいずれかに液体が接触する状態によって生じる当該電極指群の周波数特性の変化を検出することを特徴とする。

このように出力電極側の電極指群を構成することにより、各共振周波数の切り分けを明確に行うことができ、段階的な挿入損失の検出を行うことができる。

さらに、圧電基板上に所定共振周波数にて励振するＩＤＴ電極を備える弾性表面波素子であって、複数の電極指群が、共振周波数の異なる複数のＩＤＴ電極を形成し、前記複数のＩＤＴ電極それぞれが、弾性表面波が伝播する方向に対して平行に、且つ、独立して配設されており、前記複数の電極指群のいずれかに液体が接触する状態によって生じる当該電極指群の周波数特性の変化を検出することを特徴とする。

このように共振周波数が異なるＩＤＴ電極それぞれが独立して形成されているため、仮に、１つのＩＤＴ電極に負荷された状態において、他のＩＤＴ電極は負荷の影響を受けないので、周波数特性（挿入損失）の差異が明確に生じ、検出力を高めることができる。

また、本発明では、前記ＩＤＴ電極が、一方向性電極から構成されていることを特徴とする。

液体内に浸漬した後、液体の接触から離脱した場合、ＩＤＴ電極に液体が付着していることが考えられ、このような状態では、弾性表面波素子の駆動が不安定になることが知られている。従って、一方向性電極を採用することによって、液体を一方向に移動させたり飛散させたりすることによりＩＤＴ電極の形成領域の外部に除去し、安定駆動を持続することができる。

また、本発明の液位検出装置は、液体中に配設され、圧電基板上に複数の所定共振周波数にて励振するＩＤＴ電極を備え、前記ＩＤＴ電極が、異なる所定の共振周波数を有する複数の電極指群から構成され、前記複数の電極指群が、前記圧電基板上に位置をずらして配設される弾性表面波素子と、液体外部に配設され前記弾性表面波素子を励振する励振回路部と周波数特性を検出する検出回路部とを有する制御部と、を備え、前記複数の電極指群のいずれかに液体が接触する状態によって生じる周波数特性の変化を検出し、周波数特性の変化から液体の液位を検出することを特徴とする。

ＩＤＴ電極、つまり電極指群の表面に液体が接触する状態の差により、弾性表面波素子の周波数特性が変化する。仮に、複数の共振周波数を有する電極指群のうちの１つが液体中に浸漬しており、他が液体に接触しない状態において、浸漬している電極指群の周波数特性が他とは異なることを検出することで、電極指群のどの位置まで液体があるのかを判定することができる。従って、弾性表面波素子を適切な高さ位置に配設することにより、液体の液位を検出することができる。

このことから、液体が容器等に収容されている場合、容器の底面積と液位の積から液体の収容容積、収容容積と液体の密度の積から液体の重量等の液量を測定することが可能となる。

また、前記弾性表面波素子が、弾性表面波の伝播方向を液体の液面に対して略垂直となるように配設されていることが好ましい。

このようにすれば、簡単な電極指構成で、液位を検出することができる。

さらに、液体中に配設され、圧電基板上に所定共振周波数にて励振する複数のＩＤＴ電極を備え、前記複数のＩＤＴ電極が、互いに異なる所定の共振周波数を有する複数の電極指群から構成され、前記複数のＩＤＴ電極それぞれが、弾性表面波の伝播方向を液体の液面に対して略水平となるように配設され、且つ、液面に対する高さ位置をずらして配設される弾性表面波素子と、液体外部に配設され前記弾性表面波素子を励振する励振回路部と周波数特性を検出する検出回路部とを有する制御部と、を備え、前記複数の電極指群のいずれかに液体が接触する状態によって生じる周波数特性の変化を検出し、周波数特性の変化から液体の液位を検出することを特徴とする。

このようにすれば、共振周波数が異なるＩＤＴ電極それぞれが、液面に対して高さ位置をずらし、また，それぞれが独立して形成されているため、液体に浸漬されるＩＤＴ電極の周波数特性は、浸漬されないときとは大きく変化し、浸漬されていない他のＩＤＴ電極は、液体負荷の影響を全く受けない。従って、周波数特性（挿入損失）の差異が明確に生じ、検出力を高めることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図５は実施形態１に係る液位検出装置、弾性表面波素子、及び液位検出方法を示し、図６は実施形態２、図７は実施形態３、図８は実施形態４、図９は実施形態５に係る弾性表面素子を示している。
（実施形態１）

図１は、本発明の実施形態１に係る液位検出装置の概略構成を示す斜視図である。図１において、液位検出装置１は、液体２が収容される容器１０の内部側壁１１に取り付けられる液位検出センサとしての弾性表面波素子２０と、容器１０の外部に備えられる制御部８０とから構成されている。

容器１０は、本実施形態では立方体の容器を例示しているが、その形状は立方体に限らず任意に選択することが可能である。また、弾性表面波素子２０は、弾性表面波の伝播方向（矢印にて図示）を液面３に対して垂直となるように配設されている。

弾性表面波素子２０には、圧電基板２１の主面（表面と表すことがある）にＩＤＴ電極３０が形成されている。ＩＤＴ電極３０を構成するすだれ状の電極指（図２、参照）は弾性表面波の伝播方向Ｗに垂直に形成されることから、電極指は液面３に対して平行となる。

制御部８０と弾性表面波素子２０とは、容器１０の内部側壁１１を挟んで図示しないリードで接続される。このリードは、電気的に絶縁されると共に、容器１０との間において防水処置が施されている。この制御部８０には、図示を省略するが、弾性表面波素子２０を励振させるための励振回路部、弾性表面波素子２０の周波数応答性出力を検出するための検出回路部、電源、検出結果を表示する表示部等を含んでいる。

次に、本実施形態にて用いられる弾性表面波素子２０の構成について説明する。
図２は、本実施形態に係る弾性表面波素子２０の１例を模式的に表す正面図である。図２において、弾性表面波素子２０には、圧電基板２１の表面に入出力電極３１とＧＮＤ電極３２とから構成されるＩＤＴ電極３０が形成されている。

入出力電極３１とＧＮＤ電極３２は、図示するような複数の電極指がそれぞれ入り組んで構成されている。各電極指の構成を図示したように配列した電極を一方向性電極と呼び、励振された弾性表面波は図中矢印Ｗ方向のみに移動する。このような一方向性電極によれば、ＩＤＴ電極３０（入出力電極３１とＧＮＤ電極３２）上に液滴が付着している場合、矢印Ｗ方向に液滴を移動させるか、または飛散させる特性を有し、液滴をＩＤＴ電極３０の上面から除去する。

ここで、ＩＤＴ電極３０は、図示するように３つの異なる共振周波数を有する電極指群４０，４１，４２を直列に連続的に接続して構成されている。電極指群４０の共振周波数をｆ１、電極指群４１の共振周波数をｆ２、電極指群４２の共振周波数をｆ３とする。

これら電極指群４０〜４２は、所定の共振周波数に対応して、それぞれの電極指の幅、間隔、ピッチを設定し形成されている。本実施形態では、具体例として、中心となる共振周波数ｆ２を２１０ＭＨｚとして、共振周波数ｆ１をｆ２＋１０ＭＨｚ、共振周波数ｆ３をｆ２−１０ＭＨｚに設定して例示する（図３〜図５、参照）。

続いて、上述した弾性表面波素子２０を液位検出センサとして用いる場合の作用について図面を参照して説明する。ここでは、容器１０に取り付けられた弾性表面波素子２０に対する３水準の液位検出を例示して説明する。
図３（ａ）は、液位の３水準のうちの第１水準を例示するＩＤＴ電極３０との関係を示す説明図である。図３（ａ）では、液体２の液面３ａがＩＤＴ電極３０の最上部にある状態を示している。すなわち、電極指群４０〜４２の総てが液体中に浸漬された状態である。

ここで、ＩＤＴ電極３０を励振させたときの周波数特性の１例をあげ説明する。
図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す状態の周波数特性を示すグラフである。横軸に共振周波数（単位：ＭＨｚ）、縦軸に挿入損失（単位：ｄＢ）を表している。図３（ｂ）に表されるように、ＩＤＴ電極３０が総て液体中に浸漬される状態では、出力はほとんど発生せず、上述した各共振周波数域において、高い挿入損失の値を示している。すなわち、共振周波数ｆ１〜ｆ３がこのように表されている状態は、液位が液面３ａにある（全浸漬している）ことを検出できる。

次に、液位が第２水準のときを例示して周波数特性の変化について説明する。
図４（ａ）は、液体２の液面３ｂが、ＩＤＴ電極３０に全く接触しない位置、つまり液体２がほとんど無い状態を表している。

ここで、ＩＤＴ電極３０を励振させたときの周波数特性について説明する。
図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す液位の状態の周波数特性を示すグラフである。横軸に共振周波数（単位：ＭＨｚ）、縦軸に挿入損失（単位：ｄＢ）を表している。図４（ｂ）に表されるように、このような液位の状態では、周波数特性は液体の負荷による影響を全く受けないため所望の周波数特性を示し、挿入損失は、共振周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の領域においてほぼ同等な低レベルをしめしている。

このような状態では、全浸漬のときの図３（ｂ）にて表される共振周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の領域における挿入損失とは全く異なるレベルであり、液体２がほとんど無い状態であることを示している。

次に、液位が第３水準のときを例示して周波数特性の変化について説明する。
図５（ａ）は、液体２の液面３ｃが、電極指群４１の中央付近にある場合を表している。すなわち、電極指群４０の総てと電極指群４１の約半分が液体中に浸漬され、電極指群４２は浸漬されていない状態である。

ここで、ＩＤＴ電極３０を励振させたときの周波数特性の１例をあげ説明する。
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す状態の周波数特性を示すグラフである。横軸に共振周波数（単位：ＭＨｚ）、縦軸に挿入損失（単位：ｄＢ）を表している。図５（ｂ）に表されるように、浸漬された電極指群４１（共振周波数ｆ１領域）では出力が低下し挿入損失が増大する。

液体２に浸漬されていない電極指群４２（共振周波数ｆ３領域）では、液体２による負荷がないため出力レベルは影響されず、図４（ｂ）に示す共振周波数ｆ３帯域のレベルと同じ挿入損失を示している。

液体２に約半分の範囲で浸漬されている電極指群４１（共振周波数ｆ２領域）では、電極指群４２に比べ挿入損失が低下しており、挿入損失がｆ３＞ｆ２＞ｆ１の関係に表されている。このことにより、液位が電極指群４１の形成範囲にあることを検出することができる。

また、図示は省略するが、液位が上述した３水準以外の場合についても説明を加える。
まず、液位が電極指群４０の範囲にある状態では、共振周波数ｆ２，ｆ３の帯域の挿入損失は図４（ｂ）に示すレベルであり、共振周波数ｆ１の帯域の挿入損失は図５（ｂ）に示すｆ２に近似した値を示す。つまり、挿入損失が概ねｆ３＝ｆ２＞ｆ１の関係となる。このような状態のとき、液位が電極指群４０の形成範囲にあることを検出することができる。

また、液位が電極指群４２の範囲にある状態では、共振周波数ｆ１，ｆ２の帯域の挿入損失は図５（ｂ）に示す共振周波数ｆ１帯域と近似した値を示し、共振周波数ｆ３の帯域の挿入損失は図５（ｂ）に示す共振周波数ｆ２帯域と近似した値を示す。つまり、挿入損失が概ねｆ１＝ｆ２＜ｆ３の関係となる。挿入損失がこのよう状態を示すとき、液位が電極指群４２の領域にあることを検出することができる。

なお、上述した実施形態１では、電極指群が３つある状態を例示して説明したが、電極指群は３つに限らず、液位検出の範囲、分解能の要求にあわせて任意に設定することができる。また、各電極指群の電極指の構成も１例を示したものであり、共振周波数の帯域、要求出力レベルにあわせて任意に設定することが可能である。

従って、上述した実施形態１によれば、弾性表面波素子２０が、異なる共振周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３を有する電極指群４０，４１，４２を備え、これらの電極指群それぞれが直列に配設されている。従って、簡単な構成により複数の共振周波数を有し、小型の弾性表面波素子２０を実現することができる。

また、電極指群４０〜４２のいずれかの範囲が液体２に浸漬され負荷された際に、液体２に浸漬された電極指群の挿入損失は大きくなり、浸漬されない電極指群の挿入損失には変化がないので、共振周波数ｆ１〜ｆ３の各帯域において、挿入損失の差異を検出することによって、電極指群のどの位置に液体があるのかを判定することができることから、弾性表面波素子２０を適切な高さ位置に配設することにより、液体２の液位を検出することができる。
（実施形態２）

続いて、本発明の実施形態２について図面を参照して説明する。実施形態２は、弾性表面波素子に形成される共振周波数が異なる複数のＩＤＴ電極が、並列に配設されていることに特徴を有している。
図６は、実施形態２に係る弾性表面波素子１２０のＩＤＴ電極の構成の１例を模式的に示す説明図である。図６において、本実施形態のＩＤＴ電極は、異なる共振周波数を有するＩＤＴ電極１３０，２３０，３３０が、それぞれ弾性表面波の伝播方向に対して平行に離間して配設され構成されている。

ＩＤＴ電極１３０は、入力側電極１３１と出力側電極１３２とから構成されている。そして、入力側電極１３１はＩＮ電極１３１ａとＧＮＤ電極１３１ｂとから構成され、出力側電極１３２はＯＵＴ電極１３２ａとＧＮＤ電極１３２ｂとから構成されている。入力側電極１３１と出力側電極１３２とは、所定の間隔を有して弾性表面波の伝播方向に配設されており、共振周波数ｆ３となるように電極指の電極幅、電極間隔、ピッチ等が設定されている。

ＩＤＴ電極２３０は、入力側電極２３１と出力側電極２３２とから構成されている。そして、入力側電極２３１はＩＮ電極２３１ａとＧＮＤ電極２３１ｂとから構成され、出力側電極２３２はＯＵＴ電極２３２ａとＧＮＤ電極２３２ｂとから構成されている。入力側電極２３１と出力側電極２３２とは、所定の間隔を有して弾性表面波の伝播方向に配設されており、共振周波数ｆ２となるように電極指の電極幅、電極間隔、ピッチ等が設定されている。

また、ＩＤＴ電極３３０は、入力側電極３３１と出力側電極３３２とから構成されている。そして、入力側電極３３１はＩＮ電極３３１ａとＧＮＤ電極３３１ｂとから構成され、出力側電極３３２はＯＵＴ電極３３２ａとＧＮＤ電極３３２ｂとから構成されている。入力側電極３３１と出力側電極３３２とは、所定の間隔を有して弾性表面波の伝播方向に配設されており、共振周波数ｆ１となるように電極指の電極幅、電極間隔、ピッチ等が設定されている。

各ＩＤＴ電極における共振周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３は、それぞれ異なり、前述した実施形態１と同様な共振周波数帯域に設定される。

それぞれのＩＤＴ電極は、図６に示すように接続される。つまり、各ＩＤＴ電極の入力側電極１３１，２３１，３３１は並列接続され、ＩＮ端子７０及びＧＮＤ端子７１に接続される。また、出力側電極１３２，２３２，３３２も同様に並列接続され、ＯＵＴ端子７３、ＧＮＤ端子７２に接続される。
なお、図示する結線は、各端子の配置の説明を分かりやすくするために模式化して表している。

これらＩＤＴ電極１３０，２３０，３３０は、弾性表面波の伝播方向に相互に出力側電極の長手方向範囲分だけ、位置をずらして配設される。

上述したように構成される弾性表面波素子１２０を液位検出装置（図１に示す）に取り付けて液位を検出する方法について説明する。図６に表すように液面Ａ〜Ｄの場合を例示して説明する。まず、液面Ａの状態のとき、各ＩＤＴ電極１３０，２３０，３３０は、液体に接触していないので、液体負荷の影響を受けずに、出力側電極１３２，２３２，３３２の出力の挿入損失は図４（ｂ）にて示す各共振周波数ｆ１〜ｆ３における状態とほぼ同じとなる。

液面Ｂのときは、出力側電極３３２のみが液体２中に浸漬されている状態である。各共振周波数における挿入損失は、ｆ２＝ｆ３＞ｆ１の関係となり、図５（ｂ）にて示す挿入損失と類似な特性を示す。このことから、液位が液面Ｂの位置にあることを検出することができる。

また、液面Ｃのときは、出力側電極３３２，２３２が液体２に浸漬されている状態である。従って、各共振周波数における挿入損失は、ｆ１＝ｆ２＜ｆ３の関係となり、液位が液面Ｃの位置にあることを検出できる。

さらに、液面Ｄの状態は、出力側電極３３２，２３２，１３２とが総て液体２に浸漬されている状態である。従って、各共振周波数における挿入損失は、図３（ｂ）にて示す各共振周波数ｆ１〜ｆ３と同様な特性を示し、液位が液面Ｄの位置にあることを検出することができる。

なお、本実施形態においても、共振周波数が異なるＩＤＴ電極が３つある状態を例示して説明したが、ＩＤＴ電極は３つに限らず、液位検出の範囲、分解能の要求にあわせて任意に設定することができる。また、各ＩＤＴ電極の電極指の構成も１例を示したものであり、共振周波数の帯域、要求出力レベルにあわせて任意に設定することが可能である。

従って、上述した実施形態２によれば、各ＩＤＴ電極が入力側電極と出力側電極とを備えることで、優れた周波数特性を有する弾性表面波素子１２０を実現するとともに、共振周波数が異なるＩＤＴ電極を独立して設けていることから、各共振周波数における挿入損失の差異がより鮮明に出現しやすいという効果がある。

また、ＩＤＴ電極１３０，２３０，３３０を独立して構成しても、それぞれの入力側電極と出力側電極を並列接続しているため、結線の簡素化と入出力端子、ＧＮＤ端子の数を最低数で構成することができる。
（実施形態３）

続いて、本発明の実施形態３について図面を参照して説明する。実施形態３は、弾性表面波素子に形成されるＩＤＴ電極が、共振周波数が異なる電極指群からなる入力側電極と出力側電極とから構成されていることに特徴を有している。
図７は、実施形態３に係る弾性表面波素子２２０のＩＤＴ電極３００の構成の１例を模式的に示す説明図である。図７において、本実施形態のＩＤＴ電極３００は、複数の異なる共振周波数を有する入力側電極３１０と出力側電極３２０とが、弾性表面波の伝播方向に直列に配列されて構成されている。

入力側電極３１０は、すだれ状のＩＮ電極３１１とＧＮＤ電極３１２とが入り組んで形成され、図示するように３つの異なる共振周波数を有する電極指群３１５，３１６，３１７を直列に連続的に接続して構成されている。電極指群３１５の共振周波数をｆ１、電極指群３１６の共振周波数をｆ２、電極指群３１７の共振周波数をｆ３とする。

出力側電極３２０は、入力側電極３１０と同じ構成とし、ＯＵＴ電極３２２とＧＮＤ電極３２１とが入り組んで形成され、図示するように３つの異なる共振周波数を有する電極指群３２５，３２６，３２７を直列に連続的に接続して構成されている。電極指群３２５の共振周波数をｆ１、電極指群３２６の共振周波数をｆ２、電極指群３２７の共振周波数をｆ３とする。

本実施形態では、入力側電極３１０と出力側電極３２０は、それぞれ前述した実施形態１（図２、参照）にて説明したＩＤＴ電極３０と同じ構成を例示している。従って、出力側電極３２０を図２に示すＩＤＴ電極３０に置き換えて液位の検出を行うことができる。

つまり、実施形態３における電極指群３２５，３２６，３２７それぞれの範囲に液位が存在するとき、各共振周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の帯域における挿入損失の出現は、図３（ｂ）、図４（ｂ）、図５（ｂ）に表される各共振周波数における挿入損失に準じ、このことから、液位を検出することができる。

従って、上述した実施形態３では、前述した実施形態１と実施形態２による効果を奏する。つまり、簡単な構成により複数の共振周波数を有し、小型化を可能にし、ＩＤＴ電極３００が入力側電極３１０と出力側電極３２０とを備えることで、優れた周波数特性を有する弾性表面波素子２２０を実現し、正確な液位検出装置を提供できる。
（実施形態４）

続いて、本発明の実施形態４について図面を参照して説明する。実施形態４は、弾性表面波素子に形成されるＩＤＴ電極が、入力側電極と、異なる複数の共振周波数を有する出力側電極と、から構成されていることに特徴を有している。
図８は、実施形態４に係る弾性表面波素子２２０のＩＤＴ電極３００の構成の１例を模式的に示す説明図である。図８において、本実施形態のＩＤＴ電極３００は、入力側電極３１０と、異なる複数の共振周波数を有する出力側電極３２０とが、弾性表面波の伝播方向に直列に配列されて構成される。

入力側電極３１０は、すだれ状のＩＮ電極３１１とＧＮＤ電極３１２とが入り組んで形成されている。この入力側電極３１０は、単一の共振周波数帯域を有し、本実施形態では、中心となる共振周波数ｆ２に設定している。

出力側電極３２０は、共振周波数ｆ１を有する電極指群３２５と、共振周波数ｆ２を有する電極指群３２６と、共振周波数ｆ３を有する電極指群３２７とから構成さている。これら電極指群３２５〜３２７はそれぞれ、ＯＵＴ電極３２２とＧＮＤ電極３２１とから構成されている。そして、各電極指群３２５，３２６，３２７は、所定の共振周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３を有するように、入力側電極３１０からの距離、それぞれの電極幅、電極間隔、ピッチ等が設定される。

そして、電極指群３２５，３２６，３２７は、それぞれが弾性表面波の伝播方向に対しての垂直方向に位置をずらして形成される。

このように構成された弾性表面波素子２２０による液位の検出は、前述した実施形態３（図７、参照）と同様に行うことができる。つまり、実施形態４における電極指群３２５、電極指群３２６、電極指群３２７それぞれの範囲に液位が存在するとき、各共振周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の帯域における挿入損失の出現は、図３（ｂ）、図４（ｂ）、図５（ｂ）に表される挿入損失に準じ、このことから、液位を検出することができる。

また、電極指群３２５，３２６，３２７は、それぞれが弾性表面波の伝播方向に対して垂直方向に位置をずらして形成することにより、各共振周波数の切り分けを明確に行うことができるという効果を奏する。
（実施形態５）

続いて、本発明の実施形態５について図面を参照して説明する。実施形態５は、異なる共振周波数を有する複数のＩＤＴ電極を弾性表面波の伝播方向に対して垂直方向に、それぞれ位置を離間し、独立して設けていることを特徴とする。
図９は、実施形態５に係る弾性表面波素子におけるＩＤＴ電極の構成の１例を模式的に示す説明図である。図９において、本実施形態の弾性表面波素子２００は、圧電基板２１の表面にＩＤＴ電極３３０，３４０，３５０を形成して構成される。

ＩＤＴ電極３４０，３５０，３６０は同様な構成とされるが、ＩＤＴ電極３６０は共振周波数ｆ１、ＩＤＴ電極３５０は共振周波数ｆ２、ＩＤＴ電極３４０は共振周波数ｆ３を有するように、それぞれの電極指の電極幅、電極間隔、ピッチが設定されている。
なお、前述した実施形態１〜実施形態４にて説明したＩＤＴ電極を異なる所定の共振周波数を有する構成としてもよい。

この弾性表面波素子２００は、液位検出装置（図１、参照）において、各ＩＤＴ電極が液面に対して弾性表面波の伝播方向が平行であり、液面に対して垂直方向にそれぞれを配設している。すなわち、この弾性表面波素子２００は、液位検出装置において、液面に対してＩＤＴ電極３６０を下方向に配設される。

従って、例えば、ＩＤＴ電極３６０が液体中に浸漬されたときには、ＩＤＴ電極３６０の出力はほとんどなく、ＩＤＴ電極３５０，３４０による周波数特性が出現し、しかもＩＤＴ電極３５０は共振周波数ｆ２、ＩＤＴ電極３４０は共振周波数ｆ３における挿入損失を検出する。

このようにして、本実施形態では、ＩＤＴ電極の数に応じた段階的な液位を検出することができる。また、液位によって、周波数特性の出現があるか、ある場合において挿入損失のピークが出現する共振周波数を検出することにより、より明確な分解能を有する液位検出装置を提供することができる。

なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前述した実施形態１〜５における電極指群、及び電極指の構成は１例であって、それらの構成は限定されるものではない。

また、実施形態２、実施形態５では、複数のＩＤＴ電極を１つの圧電基板に形成しているが、それぞれのＩＤＴ電極を個別に有する独立した弾性表面波素子とし、図６あるいは図９に示すように液位検出装置に配設して取り付けても同様な効果を得ることができる。

さらに、実施形態３の技術思想を基礎にして、実施形態３または実施形態４に示すＩＤＴ電極の構造を組み合わせることもできる。このような場合、各ＩＤＴ電極それぞれに異なる共振周波数を有する電極指群を位置をずらして配設する。このようにすれば、液位の検出分解能をさらに高めることができる。

従って、前述した実施形態１〜実施形態５によれば、複数の共振周波数を有する弾性表面波素子と、この弾性表面波素子を用いて液体の量を液位として検出する液位検出装置を提供することができる。この液位検出装置は、例えば、燃料や薬品の残量検出、プリンターに用いられるインクカートリッジのインク残量計等に採用することができる。

本発明の実施形態１に係る液位検出装置の概略構成を示す斜視図。 本発明の実施形態１に係る弾性表面波素子を模式的に表す正面図。 （ａ）は本発明の実施形態１に係る液位の第１水準を例示するＩＤＴ電極の説明図、（ｂ）は（ａ）に示す液位の状態の周波数特性を示すグラフ。 （ａ）は本発明の実施形態１に係る液体の第２水準を例示するＩＤＴ電極の説明図、（ｂ）は（ａ）に示す液位の状態の周波数特性を示すグラフ。 （ａ）は本発明の実施形態１に係る液体の第３水準を例示するＩＤＴ電極の説明図、（ｂ）は（ａ）に示す液位の状態の周波数特性を示すグラフ。 本発明の実施形態２に係る弾性表面波素子のＩＤＴ電極の構成を模式的に示す説明図。 本発明の実施形態３に係る弾性表面波素子のＩＤＴ電極の構成を模式的に示す説明図。 本発明の実施形態４に係る弾性表面波素子のＩＤＴ電極の構成を模式的に示す説明図。 本発明の実施形態５に係る弾性表面波素子のＩＤＴ電極の構成を模式的に示す説明図。

符号の説明

１…液位検出装置、２…液体、２０…弾性表面波素子、２１…圧電基板、３０…ＩＤＴ電極、４０，４１，４２…電極指群、ｆ１，ｆ２，ｆ３…共振周波数。

Claims (10)

1. 圧電基板上に所定共振周波数にて励振するＩＤＴ電極を備える弾性表面波素子であって、
   前記ＩＤＴ電極が、異なる所定の共振周波数を有する複数の電極指群から構成され、前記複数の電極指群が、前記圧電基板上に位置をずらして配設され、
   前記複数の電極指群のいずれかに液体が接触する状態によって生じる当該電極指群の周波数特性の変化を検出することを特徴とする弾性表面波素子。
2. 請求項１に記載の弾性表面波素子において、
   前記ＩＤＴ電極が、前記複数の電極指群それぞれを弾性表面波が伝播する方向に直列に配列して形成されていることを特徴とする弾性表面波素子。
3. 圧電基板上に所定共振周波数にて励振するＩＤＴ電極を備える弾性表面波素子であって、
   複数の電極指群が、共振周波数の異なる複数のＩＤＴ電極を形成し、
   前記複数のＩＤＴ電極それぞれが、平行に配設されると共に、弾性表面波が伝播する方向に位置をずらして配設され、
   前記複数のＩＤＴ電極が並列接続されており、
   前記複数の電極指群のいずれかに液体が接触する状態によって生じる当該電極指群の周波数特性の変化を検出することを特徴とする弾性表面波素子。
4. 請求項１に記載の弾性表面波素子において、
   前記ＩＤＴ電極が、複数の所定共振周波数を有する電極指群を直列に配列してなる入力側電極と、前記入力側電極の所定共振周波数に対応する所定周波数を有する電極指群を直列に配列してなる出力側電極とから構成され、且つ、弾性表面波が伝播する方向に配設されていることを特徴とする弾性表面波素子。
5. 圧電基板上に所定共振周波数にて励振するＩＤＴ電極を備える弾性表面波素子であって、
   前記ＩＤＴ電極が、弾性表面波が伝播する方向に配列される入力側電極と出力側電極とから形成され、
   前記入力側電極が、単一の共振周波数を有する電極指群からなり、
   前記出力側電極が、前記入力側電極の共振周波数を含む異なる所定の共振周波数を有する複数の電極指群を備え、前記複数の電極指群が並列接続されるとともに、弾性表面波が伝播する方向に位置をずらして配設されており、
   前記複数の電極指群のいずれかに液体が接触する状態によって生じる当該電極指群の周波数特性の変化を検出することを特徴とする弾性表面波素子。
6. 圧電基板上に所定共振周波数にて励振するＩＤＴ電極を備える弾性表面波素子であって、
   複数の電極指群が、共振周波数の異なる複数のＩＤＴ電極を形成し、
   前記複数のＩＤＴ電極それぞれが、弾性表面波が伝播する方向に対して平行に、且つ、独立して配設されており、
   前記複数の電極指群のいずれかに液体が接触する状態によって生じる当該電極指群の周波数特性の変化を検出することを特徴とする弾性表面波素子。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の弾性表面波素子において、
   前記ＩＤＴ電極が、一方向性電極から構成されていることを特徴とする弾性表面波素子。
8. 液体中に配設され、圧電基板上に複数の所定共振周波数にて励振するＩＤＴ電極を備え、前記ＩＤＴ電極が、異なる所定の共振周波数を有する複数の電極指群から構成され、前記複数の電極指群が、前記圧電基板上に位置をずらして配設される弾性表面波素子と、
   液体外部に配設され前記弾性表面波素子を励振する励振回路部と周波数特性を検出する検出回路部とを有する制御部と、を備え、
   前記複数の電極指群のいずれかに液体が接触する状態によって生じる周波数特性の変化を検出し、周波数特性の変化から液体の液位を検出することを特徴とする液位検出装置。
9. 請求項８に記載の液位検出装置において、
   前記弾性表面波素子が、弾性表面波の伝播方向を液体の液面に対して略垂直となるように配設されていることを特徴とする液位検出装置。
10. 液体中に配設され、圧電基板上に所定共振周波数にて励振する複数のＩＤＴ電極を備え、前記複数のＩＤＴ電極が、互いに異なる所定の共振周波数を有する複数の電極指群から構成され、前記複数のＩＤＴ電極それぞれが、弾性表面波の伝播方向を液体の液面に対して略水平となるように配設され、且つ、液面に対する高さ位置をずらして配設される弾性表面波素子と、
    液体外部に配設され前記弾性表面波素子を励振する励振回路部と周波数特性を検出する検出回路部とを有する制御部と、を備え、
    前記複数の電極指群のいずれかに液体が接触する状態によって生じる周波数特性の変化を検出し、周波数特性の変化から液体の液位を検出することを特徴とする液位検出装置。

Images