JPH09229748A - 超音波液面レベルセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液面が波打っている場合でも、液面レベルを
確実に精度よく検出可能な超音波液面レベルセンサを提
供する。 【解決手段】 超音波送受信手段１１と、超音波を伝搬
可能な中実部材からなり、その一端が前記超音波送受信
手段１１に接続し、他端が液体を貯蔵する容器２内に挿
入されるセンサ本体１２と、前記超音波送受信手段１１
の超音波の発信及び受信を所定間隔で切り換え、受信信
号を処理して液面レベルを表示する制御回路２０とを備
える超音波液面レベルセンサ１００であって、前記セン
サ本体１２の外周面には、前記超音波送受信手段１１か
ら送信された超音波を該超音波送受信手段１１に向かっ
て反射可能な反射面１６を備える複数の凹部１７が螺旋
状に形成されていることを特徴とする超音波液面レベル
センサ１００。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、容器中に貯蔵され
た液体の液面レベル（液面高さ）を超音波を用いて検出
する超音波液面レベルセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】容器内に貯蔵された液体の液面レベルを
検出するために、フロート（浮き）を用いた液面レベル
センサが一般的に用いられている。この形式の液面レベ
ルセンサは、液面に浮いたフロートが液面レベルに応じ
て上下し、その移動距離から液面レベルを検出するもの
である。しかし、フロートを支持する機構を必要とし、
構造が複雑なものとなってしまう。そこで、超音波を用
いて液面レベルを検出することによって、可動部を一切
持たない構造とした液面レベルセンサが、特開昭５０−
１２３４６４号公報等に記載されている。

【０００３】図７に示したように、上記特開昭５０−１
２３４６４号公報に記載の超音波液面レベルセンサ１
は、超音波を導管４を通じて容器２内に導入して液体３
の液面３ａに向かって発射するとともに、液面３ａで反
射した超音波の反射波Ｈを２つのマイク５，６で受信す
る構成となっている。そして、超音波の発信から反射波
の受信までの時間を測定することにより、液面３ａのレ
ベルを検出するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の超音波液面レベルセンサは、液面３ａで反射し
た超音波を受信することによって液面レベルを検出する
構造であるため、例えば自動車の燃料タンク内の燃料や
ブレーキオイルタンク内のブレーキオイル等のように、
振動により液面３ａが波打っている場合には、超音波が
液面３ａで散乱されるため、前記マイク５，６は乱反射
した超音波を受信することとなり、液面３ａのレベルを
正確に検出することができない。

【０００５】そこで、本発明は上述した従来の技術が有
する問題点を解消し、液面が波打っていても、液面レベ
ルを正確に検出することができる超音波液面レベルセン
サを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、本発明
の、超音波送受信手段と、超音波を伝搬可能な中実部材
からなり、その一端が前記超音波送受信手段に接続し、
他端が液体を貯蔵する容器内に挿入されるセンサ本体
と、前記超音波送受信手段の超音波の発信及び受信を所
定間隔で切り換え、受信信号を処理して液面レベルを表
示する制御回路とを備える超音波液面レベルセンサであ
って、前記センサ本体の外周面には、前記超音波送受信
手段から送信された超音波を該超音波送受信手段に向か
って反射可能な反射面を備える複数の凹部が螺旋状に形
成されていることを特徴とする超音波液面レベルセンサ
により達成される。また、前記凹部は、前記センサ本体
の外周面と直交して該センサ本体内部に向かう平面から
なる前記反射面と、前記反射面の前記センサ本体の内部
側端部から該センサ本体の容器側端部に向かって傾斜す
る傾斜面とから形成されることが好ましい。

【０００７】超音波は、超音波が伝搬している媒体Ａと
他の媒体Ｂとの境界において、媒体Ａと媒体Ｂとの音響
インピーダンスの差に応じて、媒体Ａから媒体Ｂへと透
過する性質がある。具体的には、超音波伝搬可能なアク
リル樹脂が空気中に置かれている場合には、アクリル樹
脂の音響インピーダンズが空気の音響インピーダンスに
比べて格段に大きいために、アクリル樹脂中を伝搬する
超音波は空気中に透過せず、両者の境界面でほぼ全反射
する。これに対して、アクリル樹脂の端部が水中に浸漬
している場合には、水の音響インピーダンスは空気の音
響インピーダンスよりは大きいために、アクリル樹脂と
水との音響インピーダンスの差は小さくなり、アクリル
樹脂中を伝搬する超音波はその一部が水中へと透過し、
アクリル樹脂端部で反射する超音波の量が減少する。

【０００８】本発明に係る超音波液面センサは、上述し
たような、隣接する媒体の音響インピーダンスの差に応
じて、両者の界面での超音波の反射量（もしくは透過
量）が異なることを利用して液面レベルを検出するもの
である。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る超音波液面レ
ベルセンサの一実施形態を、図１から図６を参照して詳
細に説明する。ここで、図１は超音波液面レベルセンサ
を液体容器に取り付けた状態を示す図面、図２は図１に
示したセンサユニットの斜視図、図３は図２に示したセ
ンサユニットの側面の展開図面、図４は反射凹部が液面
より上方に位置する場合における超音波の反射状態を説
明する断面図、図５は反射凹部が液体中に没した状態に
おける超音波の透過および反射状態を説明する断面図、
図６は超音波の反射強度と液面レベルとの関係を示した
線図である。

【００１０】図１に示したように、超音波液面レベルセ
ンサ１００は、液体３を貯蔵する容器２の上蓋に取り付
けられるセンサユニット１０と、このセンサユニット１
０の作動を制御するともに、得られた信号を処理する電
子回路ユニット及び電子回路ユニットの演算結果である
液面レベルを表示する制御回路２０とを有している。

【００１１】前記センサユニット１０は、圧電素子を内
蔵した超音波送受信源１１を、超音波を伝搬可能な材
料、例えばアクリル樹脂からなる中実の棒状体に成形し
たセンサ本体１２の一端面に接続して構成される。ここ
で、センサ本体１２となる中実の棒状体は円柱、楕円
柱、多角柱等の種々の断面形状を採ることができる。そ
して、前記超音波送受信源１１に形成された取り付けフ
ランジ１３を、パッキン１４を介して容器２の上蓋にボ
ルト１５によって螺着することにより、センサユニット
１０は、センサ本体１２が容器２内に突出した状態で容
器２に装着される。この時、センサ本体１２の超音波送
受信源１１の取付側端部とは反対側の端部（以下、先端
と呼ぶ）は、容器２の底部と対向してもよいし、他の方
向を向いていてもよい。

【００１２】前記超音波送受信源１１は、前記センサ本
体１２の上端面から先端に向かって超音波を送信すると
同時に、送信した超音波の反射波を受信する。前記の送
信及び受信モードは、制御回路２０の電子回路ユニット
により所定間隔で切り換えられる。そして、超音波送受
信源１１によって受信された反射波は、前記制御回路２
０の電子回路ユニットによって処理され、反射波の反射
強度から液面レベルを算出して、表示器に表示する構成
とされている。

【００１３】一方、図２に示したように、センサ本体１
２の外周面には、超音波送受信源１１から送信された超
音波を超音波送受信源１１に向かって反射させる反射面
１６を形成するために、複数の凹部１７が凹設されてい
る。これらの凹部１７は、図３に示したように、センサ
本体１２のほぼ上端から先端に向かって一定のピッチＰ
で螺旋状に配設されている。また、凹部１７は、図４お
よび図５に示したように、センサ本体１２の外周面から
直交して所定長をもってセンサ本体１２の内部に向かう
平面を反射面１６とし、この反射面１６のセンサ本体１
２の内部側端部から先端に向かって傾斜する傾斜面１８
とから形成される。凹部１７を上記の如く形成すること
により、前記反射面１６を透過した超音波Ｔが再び反射
面１６に向かって戻ることがなく、また液体が反射面１
６から容易に流下するため、Ｓ／Ｎに優れ、高精度の検
出が可能となる。

【００１４】次に、上述のように構成された超音波液面
レベルセンサ１００による液面検出原理を、図４乃至図
６を参照して詳細に説明する。

【００１５】超音波送受信源１１から送信された超音波
は、センサ本体１２の軸線方向にそって先端に向かって
進行し、複数の反射面１６のそれぞれに到達する。この
時、液体３が容器２内に皆無、もしくはセンサ本体１２
の先端よりも低い液位をもって貯蔵されている場合に
は、センサ本体１２はその全体が空気中に置かれた状態
となり、全ての反射面１６は空気と界面を形成すること
になり、既述した音響インピーダンスの差が大きい場合
となる。従って、各反射面１６に到達した超音波Ｗは、
そのほとんど全てが反射されて反射されて超音波送受信
源１１に戻ることとなる。ところで、超音波Ｗは伝搬距
離が長くなるほど減衰量は大きくため、本発明の超音波
液面レベルセンサ１００においては、センサ本体１２の
先端に位置する反射面１６からの反射波Ｈほど超音波送
受信源１１の受信強度が小さくなる。従って、上記の液
体３が容器２内に皆無、もしくはセンサ本体１２の先端
よりも低い液位をもって貯蔵されている場合には、反射
波Ｈの受信強度は、図６（ａ）の如く反射面番号（番号
が大きくなるほど先端に近くなる）の増加とともに、一
様に減衰する。

【００１６】これに対して、容器２内に液体３が、例え
ばセンサ本体１２の上端より６番目の反射面１６よりも
高い液位をもって貯蔵されている場合には、６番目以降
の反射面１６は全て液体３と界面を形成することにな
り、既述した音響インピーダンスの差が小さい場合とな
る。従って、図５に示すように、この６番目以降の反射
面１６に到達した超音波Ｗは、その一部（図中、符号
Ｔ）が反射面１６を透過して液体３中に伝搬する。その
結果、６番目以降の反射面１６に到達した超音波Ｗは、
伝搬距離による減衰に加えて透過分（Ｔ）を差し引いた
反射波Ｈ’となって超音波送受信源１１に戻ることとな
る。その結果、図６（ｂ）に示すように、反射波Ｈの受
信強度は６番目の反射面までは図６（ａ）と同様に減衰
し、６番目の反射面において急落し、更にそれ以降の反
射面においては、この６番目の反射面の受信強度を最大
値として一様に減衰する。

【００１７】従って、液体３が容器２内に貯蔵されてい
ない場合での超音波送受信源１１による受信強度曲線
（図６（ａ））を求めておき、この受信強度曲線におい
て受信強度が急落した点を検出することで、それに対応
する反射面番号が得られ、その反射面番号に相当する位
置から液体３の液面３ａを検出することができる。この
演算は、制御回路２０において行われ、演算結果である
液面レベルは表示器に表示される。

【００１８】上記の液面検出動作において、超音波の送
信及び反射がセンサ本体１２中で行われるために、容器
２の振動によって液面３ａが波打っている場合でも、反
射波を確実に受信できる。また、反射面１６の数を増や
すことで、より細かな液面レベルの検出か可能となる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波液
面レベルセンサは、液面が波打っている場合でも反射波
を確実に受信して、その液面レベルを検出できる。従っ
て、例えば自動車の燃料タンクやブレーキオイルタンク
のように、液体を貯蔵する容器が振動を受けるような用
途に適用しても、確実に精度よく液面レベルを検出する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施形態の超音波液面レベルセ
ンサを液体容器に取り付けた状態を示す図面である。

【図２】図１中に示したセンサユニットの斜視図であ
る。

【図３】図２に示したセンサユニットの側面の展開図面
である。

【図４】反射凹部が液面より上方に位置する場合におけ
る超音波の反射状態を説明する断面図である。

【図５】反射凹部が液体中に没した状態における超音波
の透過および反射状態を説明する断面図である。

【図６】超音波の反射強度と液面レベルとの関係を示し
た線図である。

【図７】従来の超音波液面レベルセンサを液体容器に取
り付けた状態を示す図面である。

【符号の説明】

Ｗ 送信波 Ｈ 反射波 １ 従来の超音波液面レベルセンサ ２ 容器 ３ 液体 ３ａ 液面 ４ 超音波導管 ５，６ マイク １０ センサユニット １１ 超音波送受信源 １２ センサ本体 １３ 取り付けフランジ １４ パッキン １５ 取り付けボルト １６ 反射面 １７ 凹部 １８ 傾斜面 ２０ 制御回路 １００ 超音波液面レベルセンサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波送受信手段と、超音波を伝搬可能
   な中実部材からなり、その一端が前記超音波送受信手段
   に接続し、他端が液体を貯蔵する容器内に挿入されるセ
   ンサ本体と、前記超音波送受信手段の超音波の発信及び
   受信を所定間隔で切り換え、受信信号を処理して液面レ
   ベルを表示する制御回路とを備える超音波液面レベルセ
   ンサであって、前記センサ本体の外周面には、前記超音
   波送受信手段から送信された超音波を該超音波送受信手
   段に向かって反射可能な反射面を備える複数の凹部が螺
   旋状に形成されていることを特徴とする超音波液面レベ
   ルセンサ。
2. 【請求項２】 前記凹部は、前記センサ本体の外周面と
   直交して該センサ本体内部に向かう平面からなる前記反
   射面と、前記反射面の前記センサ本体の内部側端部から
   該センサ本体の容器側端部に向かって傾斜する傾斜面と
   から形成されることを特徴とする請求項１に記載の超音
   波液面レベルセンサ。