(57)【要約】【課題】測定空間によらず液面の位置を高精度に測定可能な液面センサー、及び液面検出方法を提供する。【解決手段】液面センサーは、第一開口端及び第二開口端を有する中空部材と、前記中空部材の前記第一開口端を閉塞するように設けられたセンサー部と、を備え、前記センサー部は、振動板と、前記振動板に設けられ、前記振動板の厚み方向に沿って第一電極膜、圧電膜、及び第二電極膜が積層されることで構成された圧電素子と、を備える。【選択図】図１
2019100791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一開口端及び第二開口端を有する中空部材と、
前記中空部材の前記第一開口端を閉塞するように設けられたセンサー部と、を備え、
前記センサー部は、振動板と、前記振動板に設けられ、前記振動板の厚み方向に沿って第一電極膜、圧電膜、及び第二電極膜が順に積層されることで構成された圧電素子と、を備える
ことを特徴とする液面センサー。
【請求項２】
請求項１に記載の液面センサーにおいて、
前記振動板及び前記圧電素子の総膜厚は、５μｍ以下である
ことを特徴とする液面センサー。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の液面センサーにおいて、
前記中空部材の前記第二開口端が液体に挿通されて前記中空部材の内部の所定位置に液面が位置する際の前記液面の位置を検出する制御部を備え、
前記制御部は、前記振動板が、前記液面と前記センサー部との間の距離に応じた共振周波数で振動した際の当該共振周波数に基づいて、前記液面の位置を検出する
ことを特徴とする液面センサー。
【請求項４】
請求項３に記載の液面センサーにおいて、
前記制御部は、前記センサー部から前記中空部材の内部に音波を送信し、前記センサー部から前記液面までの間で共振する音波により共振する前記振動板の前記共振周波数に基づいて、前記液面の位置を検出する
ことを特徴とする液面センサー。
【請求項５】
請求項４に記載の液面センサーにおいて、
前記制御部は、前記センサー部から送信する音波の周波数を所定の周波数範囲内で変化させ、
前記圧電素子から出力される信号が最大となる際の前記音波の周波数を前記共振周波数として、前記液面の位置を検出する
ことを特徴とする液面センサー。
【請求項６】
請求項３に記載の液面センサーにおいて、
前記制御部は、前記振動板を前記厚み方向に変位させる応力を付与して前記振動板を待機位置まで移動させ、前記待機位置から前記振動板への前記応力の付与を解除した際の前記振動板の振動から前記共振周波数を検出して、前記液面の位置を検出する
ことを特徴とする液面センサー。
【請求項７】
請求項３に記載の液面センサーにおいて、
前記制御部は、前記センサー部から音波を送信させ、前記液面で反射された音波を前記センサー部で受信した際の、前記音波の送信タイミングから受信タイミングまでの時間に基づいて、前記センサー部から前記液面の位置を検出する
ことを特徴とする液面センサー。
【請求項８】
第一開口端及び第二開口端を有する中空部材と、前記中空部材の前記第一開口端を閉塞するように設けられたセンサー部と、を備え、前記センサー部が、振動板と、前記振動板に設けられ、前記振動板の厚み方向に沿って第一電極膜、圧電膜、及び第二電極膜が順に積層されることで構成された圧電素子と、を有する液面センサーを用いて液面の位置を検出する液面検出方法であって、
前記液面センサーは、前記中空部材の前記第二開口端が液体に挿通されて前記中空部材の内部の所定位置に液面が位置するように配置され、
前記振動板が、前記液面と前記センサー部との間の距離に応じた共振周波数で振動した際の当該共振周波数に基づいて、前記液面の位置を検出する
ことを特徴とする液面検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液面センサー及び液面検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、タンク内に貯留された液体の液面を検出する液面センサーが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の液面センサーは、タンク内の側壁面にブザーを設け、ブザーから一定周波数のブザー音を出力させる。そして、タンク内の気体の体積に基づいて変化するヘルムホルツ共鳴周波数と、ヘルムホルツ共鳴周波数の変化の範囲内におけるブザー音の周波数とにより決定される、タンクの入口から発せられる音の音圧の変化に基づいて、タンク内の液体の量を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１２２７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記特許文献１に記載のように、ヘルムホルツ共鳴周波数を用いて液面を検出するセンサーでは、共鳴素子（例えば、ブザー）と共鳴対象（例えば、タンク内の空気）との音響マッチングが悪く、タンク内の液面の測定精度を向上させることが困難であった。
また、ヘルムホルツ共鳴を用いた液面センサーでは、タンク内の側面にブザーを設ける必要があり、さらに、共鳴対象の空気が収納される十分な空間が必要となるため、測定空間を大きく採る必要があり、狭空間に対する測定が困難になる等、測定環境が限られていた。
【０００５】
本発明は、測定環境によらず液面の位置を高精度に測定可能な液面センサー、及び液面検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る一適用の液面センサーは、第一開口端及び第二開口端を有する中空部材と、前記中空部材の前記第一開口端を閉塞するように設けられたセンサー部と、を備え、前記センサー部は、振動板と、前記振動板に設けられ、前記振動板の厚み方向に沿って第一電極膜、圧電膜、及び第二電極膜が順に積層されることで構成された圧電素子と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本適用例の液面センサーでは、中空部材の第二開口端が液体内に入るように、液体に対して液面センサーを配置すると、中空部材の液面からセンサー部までの空間（中空空間）が略閉空間となる。このような構成の液面センサーでは、中空空間の気体の慣性と、振動板の剛性とで決まる固有周波数で振動板を振動させ、その共振周波数に基づいてセンサー部から液面までの距離を算出することが可能となる。したがって、従来のような、液体を貯留するタンク内に、ヘルムホルツ共鳴を引き起こさせるための広い空間が不要となり、測定環境によらず、液面位置を検出することができる。
【０００８】
ところで、中空空間の気体の慣性と、振動板の剛性とで決まる固有周波数に基づいて距離を算出する場合、センサー部のイナータンス（入力された応力と、それによって発生する加速度との比）と、センサー部から液面までの気体のイナータンスとにより精度が左右される。このセンサー部のイナータンスＭａｃｔは、センサー部の密度をρａｃｔ、厚み寸法をｔ、厚み方向に直交する断面の面積をＳとすると、Ｍａｃｔ∝（ρａｃｔ×ｔ）／Ｓとなる。一方、中空空間の気体のイナータンスＭｇａｓは、気体の密度ρｇａｓ、センサー部から液面までの距離をｌとして、Ｍｇａｓ＝（ρｇａｓ×ｌ）／Ｓとなる。
そして、振動板が共振した場合、センサー部のコンプライアンスをＣａｃｔ、中空空間の気体のコンプライアンスをＣｇａｓとすると、その共振周波数ｆは、ｆ＝１／｛（Ｍａｃｔ＋Ｍｇａｓ）（Ｃａｃｔ＋Ｃｇａｓ）｝１／２となる。
【０００９】
上述のように、共振周波数に基づいて、センサー部から液面までの距離を算出する場合、距離ｌの項が入るＭｇａｓの、（Ｍａｃｔ＋Ｍｇａｓ）に対する大小関係が精度に大きく影響する。すなわち、Ｍａｃｔの値がＭｇａｓに対して大きい場合、Ｍｇａｓはノイズとして検出されてしまい、測定精度が極端に悪くなる。一方、ＭａｃｔとＭｇａｓとが同等である場合、又は、Ｍａｃｔの値がＭｇａｓに対して小さい場合、高精度な測定が可能となる。
ここで、一般的なバルク型の圧電体では、厚み寸法ｔが大きくなり、センサー部のイナータンスＭａｃｔは、気体のイナータンスＭｇａｓに比べて、非常に大きい値となり、精度の高い測定ができない。これに対して、本適用例では、圧電素子が第一電極膜、圧電膜、第二電極膜の積層体により構成されて薄膜形状となり、振動板と圧電素子との合計厚み寸法は、上述のようなバルク型の圧電体に比べて十分小さい値（例えば１／１０００倍）となる。したがって、センサー部のイナータンスＭａｃｔも十分に小さくでき、気体のイナータンスＭｇａｓと同等、若しくは、小さくすることができる。このため、本適用例では、液面センサーにより高精度に液面位置を検出することが可能となる。
以上に示すように、本適用例の液面センサーは、測定環境によらず液面の位置を高精度に測定することができる。
【００１０】
本適用例の液面センサーにおいて、前記振動板及び前記圧電素子の総膜厚は、５μｍ以下であることが好ましい。
本適用例では、振動板及び圧電素子の総膜厚（合計厚み寸法）が５μｍ以下となる。このような場合、振動板及び圧電素子の音響インピーダンスを中空空間の気体の音響インピーダンスに近付けることができ、センサー出力信号を大きくできる。また、センサー部のイナータンスＭａｃｔを十分に低減でき、高精度な液面位置の検出が可能となる。
【００１１】
本適用例の液面センサーにおいて、前記中空部材の前記第二開口端が液体に挿通されて前記中空部材の内部の所定位置に液面が位置する際の前記液面の位置を検出する制御部を備え、前記制御部は、前記振動板が、前記液面と前記センサー部との間の距離に応じた固有周波数で振動した際の共振周波数に基づいて、前記液面の位置を検出することが好ましい。
【００１２】
本適用例では、振動板が共振した際、圧電素子から共振周波数に応じた検出信号が出力される。このため、制御部は、この検出信号から共振周波数を検出することができる。共振周波数が検出されれば、上述したｆ∝１／｛（Ｍａｃｔ＋Ｍｇａｓ）（Ｃａｃｔ＋Ｃｇａｓ）｝１／２の式に基づいて、センサー面から液面までの距離ｌを算出することができ、液面位置を検出できる。
【００１３】
本適用例の液面センサーにおいて、前記制御部は、前記センサー部から前記中空部材の内部に音波を送信し、前記センサー部から前記液面までの間で共振する音波により共振する前記振動板の前記共振周波数に基づいて、前記液面の位置を検出することが好ましい。
【００１４】
本適用例では、制御部は、センサー部を制御して、圧電素子に対して周期駆動電圧を印加することで振動板を振動させ、音波を中空空間に出力する。この際、出力された音波の周波数に、中空空間の固有周波数が含まれている場合、振動板が共振する。これにより、上述のように、振動板の振動から共振周波数を検出することで、センサー面から液面までの距離を算出することができる。
【００１５】
本適用例の液面センサーにおいて、前記制御部は、前記センサー部から送信する音波の周波数を所定の周波数範囲内で変化させ、前記圧電素子から出力される信号が最大となる際の前記音波の周波数を前記共振周波数として、前記液面の位置を検出することが好ましい。
【００１６】
本適用例では、センサー部から出力する音波の周波数を、所定の周波数範囲内で変化（スイープ）させる。この周波数範囲としては、検出した液面の位置に応じて設定することができ、例えば、液面が第二開口端に位置する場合の距離に対応した共振周波数から、液面が第一開口端に位置する場合の距離に対応した共振周波数までの範囲等とすることができる。
そして、本適用例では、上記周波数範囲で出力する音波の周波数をスイープさせて、検出信号が最大となる周波数を共振周波数とすることで、容易に共振周波数を検出することができる。すなわち、出力される音波の周波数が共振周波数と一致すると、音波が中空空間で共鳴して振動板が共振するため、振動板の振動振幅も最大となる。これにより、圧電素子から出力される検出信号の電圧値も最大となり、共振周波数を検出することができる。
【００１７】
本適用例の液面センサーにおいて、前記制御部は、前記振動板を前記厚み方向に変位させる応力を付与して前記振動板を待機位置まで移動させ、前記待機位置から前記振動板への前記応力の付与を解除した際の前記振動板の振動から前記共振周波数を検出して、前記液面の位置を検出することが好ましい。
【００１８】
本適用例では、例えば、圧電素子に一定電圧を印加する等によって、振動板を厚み方向に変位させる応力を付与して待機位置まで移動させる。そして、当該応力を解除すると、振動板は復元力によって減衰振動で変位する。この際の減衰振動は、中空空間の固有周波数での振動となるので、その振動板の振動周波数を検出することで、共振周波数を検出することができる。
【００１９】
本適用例の液面センサーにおいて、前記制御部は、前記センサー部から音波を送信させ、前記液面で反射された音波を前記センサー部で受信した際の、前記音波の送信タイミングから受信タイミングまでの時間に基づいて、前記センサー部から前記液面の位置を検出することが好ましい。
【００２０】
本適用例では、センサー部から音波を送信させて、送信タイミングから受信タイミングまでの時間と音速とにより、ＴＯＦ法を用いてセンサー部から液面の位置を検出（液面までの距離を算出）する。このようなＴＯＦ法では、液面が静止している場合に、高精度に距離を算出することができる。また、ＴＯＦ法を用いて算出された距離を用いて、共振周波数に基づいて算出された距離を算出する際の各種パラメーターを補正することもできる。
【００２１】
本適用例の液面検出方法は、第一開口端及び第二開口端を有する中空部材と、前記中空部材の前記第一開口端を閉塞するように設けられたセンサー部と、を備え、前記センサー部が、振動板と、前記振動板に設けられ、前記振動板の厚み方向に沿って第一電極膜、圧電膜、及び第二電極膜が順に積層されることで構成された圧電素子と、を有する液面センサーを用いて液面の位置を検出する液面検出方法であって、前記液面センサーは、前記中空部材の前記第二開口端が液体に挿通されて前記中空部材の内部の所定位置に液面が位置するように配置され、前記振動板が、前記液面と前記センサー部との間の距離に応じた共振周波数で振動した際の当該共振周波数に基づいて、前記液面の位置を検出することを特徴とする。
本適用例では、上述した発明と同様に、検出された共振周波数（振動板の振動周波数）に基づいて、上述したｆ∝１／｛（Ｍａｃｔ＋Ｍｇａｓ）（Ｃａｃｔ＋Ｃｇａｓ）｝１／２の式を用いて、センサー面から液面の位置を高精度に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第一実施形態に係る液面センサーの概略を示す概略図。
【図２】第一実施形態のセンサー部の一部の断面形状の概略を示す断面図。
【図３】共振周波数と液面位置（距離ｌ）との関係を示す図。
【図４】第一実施形態における液面センサーを用いた液面検出方法を示すフローチャート。
【図５】第一実施形態における共振周波数の検出方法を示す図。
【図６】第二実施形態における共振周波数の検出方法を示す図。
【図７】第四実施形態における液面センサーを用いた液面検出方法を示すフローチャート。
【図８】第五実施形態における、液面センサーを有するインクタンクを備えたプリンターの概略図。
【図９】一変形例に係る液面センサーの概略を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［第一実施形態］
以下、第一実施形態について説明する。
［液面センサー１の構成］
図１は、第一実施形態に係る液面センサー１の概略を示す概略図である。
図１に示すように、液面センサー１は、例えば、液体５１を貯留するタンク５０に設置され、中空部材１０と、センサー部２０と、制御部３０と、を備える。
【００２４】
［中空部材１０の構成］
中空部材１０は、略棒状部材であり、一端部に第一開口端１１、他端に第二開口端１２が設けられ、第一開口端１１から第二開口端１２までが壁面１３により囲われて中空（筒状）に形成されている。この中空部材１０の断面形状は、円形であってもよく、矩形状であってもよい。
【００２５】
この中空部材１０の第一開口端１１には、センサー部２０が設けられ、第一開口端１１が閉塞されている。
また、中空部材１０の第二開口端１２は、タンク５０内に液面センサー１を設置する際に、液体５１に挿入される部分である。
また、図示は省略するが、中空部材１０の第一開口端１１の近傍には、気体連通孔が設けられており、中空部材１０の内部（中空空間１０Ａ）と外部空間とが連通されている。これにより、中空部材１０の第二開口端１２側をタンク５０の液体５１に挿し込んだ際に、中空部材１０に液体５１が侵入し、中空空間１０Ａにおける液面５２の位置と、タンク５０の液面位置とが同じ高さ位置となる。
【００２６】
［センサー部２０の構成］
センサー部２０は、上述のように、中空部材１０の第一開口端１１を閉塞するように設けられている。
図２は、センサー部２０の一部の断面形状の概略を示す断面図である。
センサー部２０は、図２に示すように、複数の開口部２１Ａが設けられた素子基板２１と、素子基板２１上に設けられて開口部２１Ａを閉塞する振動板２２と、振動板２２上に設けられ、振動板２２の厚み方向から見た際に、開口部２１Ａと重なる位置に配置される圧電素子２３とを備える。
【００２７】
素子基板２１は、例えばＳｉ等の半導体基板により構成されている。この素子基板２１には、上述したように、複数の開口部２１Ａが設けられている。本実施形態では、各開口部２１Ａは、素子基板２１の基板厚み方向を貫通した貫通孔であり、当該貫通孔の一端側（本実施形態では、中空部材１０とは反対側）に振動板２２が設けられる。
これらの開口部２１Ａには、開口幅寸法がそれぞれ異なる複数種の開口部２１Ａが含まれる。図２に示す例では、開口幅寸法が第１寸法ｗ１となる第１の開口部２１Ａ１、開口幅寸法が第２寸法ｗ２となる複数の第２の開口部２１Ａ２が設けられる例であるが、より多くの開口幅寸法がそれぞれ異なる開口部２１Ａが形成されている。また、同種の開口部２１Ａが複数設けられていてもよい。例えば、複数の第１の開口部２１Ａ１、複数の第２の開口部２１Ａ２が設けられる構成としてもよい。
【００２８】
振動板２２は、例えばＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体等より構成され、素子基板２１の一端側を覆って設けられている。すなわち、振動板２２は、各開口部２１Ａを構成する隔壁２１Ｂにより支持され、開口部２１Ａを閉塞する。
【００２９】
圧電素子２３は、振動板２２のうち、厚み方向から見た際に、開口部２１Ａと重なる部分（振動部２２Ａ）のそれぞれに設けられている。この圧電素子２３は、振動部２２Ａ側から第一電極膜２３Ａ、圧電膜２３Ｂ、及び第二電極膜２３Ｃを積層した積層体により構成されている。
このような構成のセンサー部２０では、１つの振動部２２Ａと、当該振動部２２Ａ上の圧電素子２３とにより、１つの音波トランスデューサーＴｒが構成される。この音波トランスデューサーＴｒの厚み寸法（振動板２２の厚さ方向に沿った寸法）、つまり、振動板２２と圧電素子２３との合計厚み寸法は、５μｍ以下となる。
このような音波トランスデューサーＴｒでは、第一電極膜２３Ａ及び第二電極膜２３Ｃの間に所定周波数の正弦波電圧、又は、矩形波電圧（駆動信号）が印加されることで、圧電膜２３Ｂが撓んで振動部２２Ａが振動して音波（超音波を含む）が、開口部２１Ａから中空空間１０Ａに向かって送信される。
また、中空空間１０Ａの固有周波数と、送信された音波の周波数とが一致すると共鳴が生じ、振動板２２（振動部２２Ａ）が共振して振動振幅が増幅される。これにより、振動部２２Ａ上の圧電素子２３から振動振幅に応じた検出信号が、振動周波数（共振周波数）に応じた波形で出力される。
【００３０】
ここで、音波トランスデューサーＴｒから送信される音波の周波数は、開口部２１Ａの開口寸法によって変化する。したがって、本実施形態では、センサー部２０には、駆動信号を印加する圧電素子２３を切り替えることで、複数の周波数の音波を順次切り替えて出力することが可能となる。
【００３１】
ところで、本実施形態では、中空空間１０Ａに出力する音波の周波数をスイープさせて、中空空間１０Ａの気体の固有周波数と一致する音波の周波数、つまり、振動板２２が共振する共振周波数を探索する。したがって、センサー部２０から送信する音波の周波数としては、検出対象となる液面５２の位置に基づいて設定することが好ましい。例えば、検出対象の液面５２の位置が、センサー部２０からの距離がｘ１からｘ２までの範囲である場合、液面５２がセンサー部２０から距離ｘ１に位置する際の中空空間１０Ａの固有周波数から、液面５２がセンサー部２０から距離ｘ２に位置する際の中空空間１０Ａの固有周波数までを、検出対象の周波数範囲（以降、対象周波数範囲と称する）とする。そして、この対象周波数範囲内で周波数がスイープされるように、各開口部２１Ａの開口寸法が決定されればよい。
【００３２】
［制御部３０の構成］
制御部３０は、センサー部２０に接続され、センサー部２０の動作を制御するとともに、センサー部２０から出力された検出信号に基づいて、液面５２の位置を検出する。
この制御部３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算部や、メモリー等により構成された記憶部を有し、演算部が記憶部に記憶されたプログラムを読み込み実行することで、図１に示すように、センサー駆動制御部３１、周波数検出部３２、距離算出部３３等として機能する。
【００３３】
センサー駆動制御部３１は、センサー部２０の各音波トランスデューサーＴｒに周期駆動電圧を印加して、振動部２２Ａを振動させ、中空空間１０Ａに音波を出力する。また、センサー駆動制御部３１は、音波の出力周波数がそれぞれ異なる音波トランスデューサーＴｒを順に駆動させることで、中空空間１０Ａに出力する音波の周波数をスイープさせる。
【００３４】
周波数検出部３２は、振動板２２（各振動部２２Ａ）が共振した際の共振周波数を検出する。本実施形態では、センサー駆動制御部３１により、中空空間１０Ａ内に出力する音波の周波数を対象周波数範囲内でスイープさせる。そして、例えば、振動板２２が共振した際に出力された周波数を、共振周波数として検出する。
距離算出部３３は、検出した共振周波数に基づいて、センサー部２０から中空空間１０Ａの液面５２の位置までの距離を算出する。
【００３５】
［距離算出部３３による距離の算出原理］
次に、距離算出部３３により、共振周波数に基づいてセンサー部２０から液面５２の位置までの距離を算出する際の算出原理について説明する。
以降の説明にあたり、センサー部２０の厚み寸法、つまり、振動板２２と圧電素子２３との合計厚み寸法をｔとする。また、音波トランスデューサーＴｒの開口部２１Ａが平面視で矩形状に形成されており、長軸方向の寸法をＬ、短軸方向の寸法をｗとする。音波トランスデューサーＴｒのヤング率をＥ，ポアソン比をνとし、振動板２２の密度をρｆｉｌｍ、中空空間１０Ａの気体（例えば空気）の密度をρｇａｓとし、センサー部２０から液面５２までの距離をｌとする。なお、ここで述べる距離ｌは、振動板２２が共振した際の振動板２２から液面５２までの平均距離となる。つまり、振動部２２Ａが振動すると、振動部２２Ａの中心では、変位量が大きくなり、外周部程変位量が小さくなる。ここでは、振動部２２Ａが振動していない初期位置から、平均変位量だけ液面５２側に変位した位置を、基準位置とし、当該基準位置と液面５２との距離をｌとする。
【００３６】
中空空間１０Ａは、中空部材１０の壁面１３、センサー部２０、及び液面５２によって囲われる略閉空間であり、また、音波の波長に対してセンサー部２０あｋら液面５２までの距離ｌが短い場合、閉空間内の気体は、慣性を有するおもりとして機能する。この場合、中空空間１０Ａ内の気体は、当該おもりの慣性と振動板２２の剛性とで決まる固有周波数を有する。上述したように、中空空間１０Ａの固有周波数と、音波の周波数とが一致すると共鳴が発生して、振動板２２が共振振動する。その際の共振周波数をｆ（＝ω／２π）とすると、共振周波数ｆは、以下の式（１）により表される。
【００３７】
【数１】
2019100791.tif 000003
【００３８】
ここで、コンプライアンスＣａｃｔは、センサー部２０のコンプライアンスであり、センサー部２０の硬さの逆数を示す。また、コンプライアンスＣｇａｓは、センサー部２０から液面５２までの中空空間１０Ａの気体のコンプライアンスである。
イナータンスＭａｃｔは、センサー部２０における振動の伝達関数であり、加えられる応力とその応力による加速度との比を示すイナータンスである。イナータンスＭｇａｓは、センサー部２０から液面５２までの中空空間１０Ａの気体のイナータンスである。
そして、センサー部２０に係るコンプライアンスＣａｃｔ及びイナータンスＭａｃｔは、以下の式（２）（３）により表される。
【００３９】
【数２】
2019100791.tif 000004
【００４０】
ところで、中空空間１０Ａの気体がおもりとして機能するには、当該中空空間１０Ａのセンサー部２０から液面５２までの距離ｌにおいて、一体として動く必要がある。つまり、音波の波長λと、距離ｌとの関係が、λ＞ｌとなる場合、中空空間１０Ａ内の気体は剛体運動し、おもりとしての機能のみが発生する。一方、λ≦ｌとなる場合、中空空間１０Ａの気体は弾性運動し、ばねとしての機能が加重される。つまり、λ＞ｌとなる場合、Ｃａｃｔ≫Ｃｇａｓの関係となる。
この場合、式（１）の分母におけるＣａｃｔ＋ＣｇａｓはＣａｃｔ＋Ｃｇａｓ≒Ｃａｃｔと近似することができる。
このため、センサー部２０の各音波トランスデューサーＴｒから出力される音波の周波数は、λ＞ｌを満たす周波数に設定されていることが好ましい。よって、例えば、検出対象の液面５２の位置をセンサー部２０からの距離がｘ１からｘ２までの範囲とする場合では、対象周波数範囲内に含まれる周波数の音波が出力され、かつ、λ＞ｘ２＞ｘ１となるように、各開口部２１Ａの開口寸法が形成されていることが好ましい。
【００４１】
一方、中空空間１０Ａの気体に係るイナータンスＭｇａｓは、次式（４）により表される。
【００４２】
【数３】
2019100791.tif 000005
【００４３】
式（１）において、距離ｌを含むパラメーターは、Ｍｇａｓの項である。ここで、共振周波数ｆから距離ｌを算出する際に、Ｍｇａｓに対するＭａｃｔの値により、距離ｌの算出精度が大きく変化する。
つまり、Ｍｇａｓ≪Ｍａｃｔである場合、Ｍｇａｓの変化に対して、Ｍａｃｔ＋Ｍａｃｔの変化量は微小であり、Ｍｇａｓの変化はノイズ成分として捉えられてしまう。これに対して、ＭｇａｓがＭａｃｔと同程度の値である場合や、Ｍｇａｓ＞Ｍａｃｔとなる場合、Ｍｇａｓの変化により、Ｍａｃｔ＋Ｍａｃｔの変化も大きくなり、ノイズ成分としてではなく、距離ｌの変動として捉えることが可能となる。
【００４４】
ここで、本実施形態のセンサー部２０を用いる場合と、バルク型の圧電体をセンサー部２０の代わりに用いる場合を比較する。
バルク側の圧電体を用いる場合、圧電体の厚み寸法ｔの値が、本実施形態の音波トランスデューサーＴｒの厚み寸法ｔよりも大きくなる。具体的には、本実施形態の音波トランスデューサーＴｒの厚み寸法ｔは、上述したように、５μｍ以下であるのに対して、バルク型の圧電体の厚み寸法ｔは、可能な限り薄く形成したとしてもｍｍオーダーが限界である。すなわち、本実施形態のように、振動板２２に対して圧電素子２３を積層した薄膜型の圧電体である音波トランスデューサーＴｒでは、バルク型の圧電体に対して厚み寸法を１／１０００倍程度に薄く形成することが可能となる。
【００４５】
比較例であるバルク型の圧電体と、本実施形態の音波トランスデューサーＴｒにおいて、式（３）に示すイナータンスＭａｃｔを比較する。
比較例のバルク型の圧電体では、本実施形態の音波トランスデューサーＴｒの厚み寸法の約１０００倍となるので、イナータンスＭａｃｔの値も１０００倍程度大きくなる。
一方、振動板２２の密度ρｆｉｌｍと、気体の密度ρｇａｓとを比較すると、振動板２２の密度ρｆｉｌｍは、気体の密度ρｇａｓの１０００倍程度となる。よって、比較例のバルク型の圧電体を用いた場合では、Ｍｇａｓの値と、Ｍａｃｔの値とでは、桁数（単位）が大きく異なり、Ｍｇａｓ≪Ｍａｃｔとなってしまう。この場合、上述のように、距離ｌの算出精度は極めて低い。
【００４６】
これに対して、本実施形態では、音波トランスデューサーＴｒが、バルク型の圧電体の厚み寸法の約１／１０００であるため、振動板２２の密度ρｆｉｌｍが気体の密度ρｇａｓの１０００倍程度であることを相殺することができる。すなわち、Ｍｇａｓの値と、Ｍａｃｔの値との桁数（単位）が同程度となり、Ｍｇａｓがノイズとして捉えられることがなく、高い精度で、距離ｌを算出することが可能となる。
【００４７】
図３は、共振周波数と液面５２の位置（距離ｌ）との関係を示す図である。
以上に示したように、本実施形態では、式（１）において、コンプライアンスＣｇａｓが、センサー部２０のコンプライアンスＣａｃｔに対して十分に小さく、Ｃｇａｓを無視することが可能となる。また、イナータンスＭａｃｔとイナータンスＭｇａｓとが等価となるため、距離ｌの算出精度が高くなる。このような本実施形態において、距離ｌと共振周波数ｆとの関係性を図示すると、図３に示すように、１つの距離ｌと１つの共振周波数ｆとが対応づけられ、液面５２が上昇（距離ｌが減少）すると、共振周波数が上昇し、液面５２が下降（距離ｌが増大）すると、共振周波数が下降する。
したがって、共振周波数ｆを検出することで、センサー部２０から液面５２までの距離ｌを求めることができる。
【００４８】
［液面検出方法］
次に、上記のような液面センサー１を用いた液面検出方法について説明する。
図４は、液面センサー１を用いた液面検出方法を示すフローチャートである。
液面センサー１は、上述したように、液体５１が貯留されたタンク５０の所定位置に取り付けられ、中空部材１０の第二開口端１２が液面５２から液体５１内に挿通されるように配置される。中空部材１０の第一開口端１１側には、気体連通孔が設けられるため、タンク５０内の液体５１は、中空部材１０の第二開口端１２から中空部材１０の内部に侵入し、中空空間１０Ａの液面５２の位置は、タンク５０内の液面位置と同一位置となる。
【００４９】
そして、液面センサー１により液面５２の位置を検出する場合、先ず、制御部３０のセンサー駆動制御部３１は、センサー部２０を制御して音波を中空空間１０Ａに出力する（ステップＳ１）。
本実施形態では、ステップＳ１において、出力する音波の周波数が異なる音波トランスデューサーＴｒを順次駆動させる。つまり、出力する音波の周波数をスイープさせる。
【００５０】
周波数検出部３２は、複数の音波トランスデューサーＴｒから出力された検出信号から、電圧値が最大となる検出信号を出力した音波トランスデューサーＴｒに基づいて、共振周波数を検出する（ステップＳ２）。
図５は、本実施形態における共振周波数の検出方法を示す図であり、横軸に時間、縦軸に音波トランスデューサーＴｒから出力された検出信号の電圧を示している。
ステップＳ１において、音波の周波数を対象周波数範囲でスイープさせ、音波の送信と、音波トランスデューサーＴｒからの検出信号の検出とを交互に実施すると、図５に示すような検出信号が得られる。
すなわち、時間とともに、センサー部２０から出力される音波の周波数が変動する。ここで、中空空間１０Ａに出力された音波のうち、中空空間１０Ａの体積に応じた固有周波数と一致する周波数の音波が出力されると、中空空間１０Ａにおいて共鳴する。これにより、音波トランスデューサーＴｒの振動板２２（振動部２２Ａ）が共振し、図５のＡに示すように、各音波トランスデューサーＴｒから出力される検出信号も電圧値も大きくなる。
よって、音波を出力した後の圧電素子２３からの検出信号を記憶しておき、どの音波トランスデューサーＴｒから音波を出力した際に、検出信号の電圧値が最大となったかを判定することで、共振周波数を検出することができる。また、例えば、各音波トランスデューサーＴｒが出力する音波の周波数を記憶部に記憶しておき、検出信号が最大となった際に音波を出力した音波トランスデューサーＴｒに対応する周波数を記憶部から読み出すことで共振周波数を検出できる。
なお、共振周波数と一致する周波数の音波を出力する音波トランスデューサーＴｒでは、当該共振周波数と同じ固有周波数を有するため、共振によって他の音波トランスデューサーＴｒよりも振動振幅が大きくなる。よって、検出信号の電圧が最大となる音波トランスデューサーＴｒを特定することで、共振周波数を検出してもよい。
【００５１】
この後、距離算出部３３は、検出した共振周波数を用いて距離ｌを算出する（ステップＳ３）。距離ｌの算出では、上述した式（１）及び式（４）から、センサー部２０から液面５２までの距離ｌを算出してもよく、例えば図３に示すような距離ｌと共振周波数ｆとを関係データを記憶部に記憶しておき、関係データから共振周波数ｆに対する距離ｌを求めてもよい。
【００５２】
［本実施形態の作用効果］
本実施形態では、液面センサー１は、第一開口端１１及び第二開口端１２を有する中空部材１０と、中空部材１０の第一開口端１１を閉塞するように設けられたセンサー部２０と、を備える。そして、このセンサー部２０は、振動板２２と、振動板２２に設けられ、振動板２２の厚み方向に沿って第一電極膜２３Ａ、圧電膜２３Ｂ、及び第二電極膜２３Ｃが積層されることで構成された圧電素子２３と、を備える。
このような液面センサー１では、中空部材１０の第二開口端１２が液体５１内に入るように、液体５１に対して液面センサー１を配置することで、中空空間１０Ａが略閉空間となり、中空空間１０Ａの気体の固有周波数で振動板２２を共振させることで、共振周波数を検出することができ、共振周波数に基づいてセンサー部２０から液面５２までの距離を算出することができる。したがって、従来のような、液体５１を貯留するタンク内に、ヘルムホルツ共鳴を引き起こさせるための広い空間が不要となり、測定空間によらず、液面５２の位置を検出することができる。
【００５３】
また、圧電素子２３の代わりに、バルク型の圧電体を用いた場合、厚み寸法ｔが大きくなるので、イナータンスＭａｃｔが、中空空間１０Ａの気体のイナータンスＭｇａｓに比べて、非常に大きい値となる。この場合、Ｍｇａｓの変動はノイズ成分とされる可能性が高く、微小な距離ｌの変動を精度よく算出することができない。これに対して、本実施形態では、センサー部２０が、薄膜状の圧電素子２３により構成されているため、厚み寸法ｔがバルク型の圧電体の１／１０００程度となる。これにより、十分な測定精度で、距離ｌを算出することが可能となる。
【００５４】
本実施形態では、振動板２２と圧電素子２３の総膜厚が５μｍ以下となる。このような場合、振動板２２の変位量を大きくでき、圧電素子２３から出力される信号も大きくなる。また、センサー部２０のイナータンスＭａｃｔを十分に低減でき、高精度な液面５２の位置の検出が可能となる。
【００５５】
本実施形態では、中空部材１０の液面５２とセンサー部２０との距離ｌを算出する制御部３０を備える。そして、制御部３０は、振動板２２が、共振した際の共振周波数を検出して、式（１）（４）に基づいて、若しくは図３に示すような共振周波数と距離との関係データを用いて、距離ｌを算出する。これにより、上述のように、精度の高い距離ｌの算出が可能となる。
【００５６】
本実施形態では、制御部３０は、センサー部２０から中空部材１０の内部に音波を送信し、センサー部２０から液面５２までの間で共振する音波により振動する振動板２２の振動周波数（共振周波数）を検出して、距離ｌを算出する。
このように、共振周波数を効率よく検出することが可能となり、距離ｌの算出が容易に行える。
また、制御部３０は、センサー部２０から送信する音波の周波数を対象周波数範囲内でスイープさせる。そして、圧電素子２３から出力される信号が最大となる際の音波の周波数を、共振周波数として検出する。この場合、検出信号の電圧値を監視することで、対象周波数範囲における共振周波数を容易に特定することができる。
【００５７】
［第二実施形態］
次に第二実施形態について説明する。
なお、以降の説明にあたり、既に説明した事項については、同一符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
上述した第一実施形態では、出力する音波の周波数がそれぞれ異なる複数種の音波トランスデューサーＴｒを順次駆動させて、検出信号の電圧値が最大となった際に駆動させた音波トランスデューサーＴｒの周波数、或いは、電圧値が最大となる検出信号を出力した音波トランスデューサーＴｒの周波数を共振周波数とした。これに対して、第二実施形態では、ステップＳ１において、センサー駆動制御部３１は、各音波トランスデューサーＴｒから同時に音波を出力させる点で、上記第一実施形態と相違する。
【００５８】
この場合、中空空間１０Ａに出力される音波は、複数の周波数成分を含む音波となる。しかしながら、その中に中空空間１０Ａの気体の固有周波数と同一の周波数成分が含まれている場合、上記第一実施形態と同様に共振を生じさせる。
この場合、ステップＳ２で、検出信号の電圧値が最大となる音波トランスデューサーＴｒに対応する周波数を共振周波数として検出する。
【００５９】
本実施形態では、制御部３０は、センサー部２０から出力する音波の周波数をスイープさせることなく、共振周波数を検出することができる。これにより、より迅速に、液面５２の位置を検出することができる。
【００６０】
［第三実施形態］
次に第三実施形態について説明する。
第一実施形態及び第二実施形態では、出力する音波の周波数がそれぞれ異なる複数種の音波トランスデューサーＴｒがセンサー部２０に設けられる例を示した。これに対して、第三実施形態では、各音波トランスデューサーＴｒが同一の特性を有し、開口部２１Ａの開口寸法（長軸長さＬや短軸長さｗ）が同一である点で相違する。
【００６１】
すなわち、第一実施形態では、開口部２１Ａの開口寸法に応じた周波数を中心とした狭帯域の音波が出力することで、共振周波数を検出する。この場合、出力する音波の周波数において半値幅が所定の第一閾値以下となるように、各音波トランスデューサーＴｒを設計する。これに対して、第三実施形態では、音波トランスデューサーＴｒは、半値幅が第一閾値よりも大きく、対象周波数範囲が半値幅の範囲に含まれるように設計されている。この場合、ステップＳ１において、音波トランスデューサーＴｒを駆動させると、狭帯域の音波トランスデューサーＴｒを同時に駆動させた場合と同様の音波、すなわち、対象周波数範囲の各周波数に亘ってブロードな周波数波形の音波が出力される。
【００６２】
図６は、本実施形態の共振周波数の検出方法を示す図である。
本実施形態では、第一実施形態のように、共振周波数と同じ周波数の音波を出力した音波トランスデューサーＴｒや、電圧値が最大となる音波トランスデューサーＴｒを特定することで共振周波数を検出することができない。
したがって、本実施形態では、ステップＳ２において、音波トランスデューサーＴｒから出力される検出信号の波形に基づいて、共振周波数を検出する。
つまり、図６に示すように、振動部２２Ａが共振すると、振動部２２Ａの変位位置に応じた信号が出力されて、信号波形が形成される。よって、振動部２２Ａの振動周期Ｔは、検出信号の周期Ｔと一致し、周期Ｔから共振周波数を検出することができる。
よって、本実施形態では、第一実施形態や第二実施形態のように、複数種の周波数に対応した音波トランスデューサーＴｒが設けられていなくても、共振周波数を検出することができる。
【００６３】
［第四実施形態］
次に、第四実施形態について説明する。
第一実施形態から第三実施形態では、音波トランスデューサーＴｒを駆動させて音波を出力し、共振周波数を検出したが、第四実施形態では、ステップＳ１においてセンサー部２０から音波を出力しない点で相違する。
【００６４】
本実施形態では、第三実施形態と同様に、センサー部２０には、１種の音波トランスデューサーＴｒが設けられている。なお、１種の音波トランスデューサーＴｒは、複数設けられていてもよく、１つの音波トランスデューサーＴｒのみが設けられる構成としてもよい。
また、本実施形態では、所定周波数の音波を出力しない。よって、第一開口端１１を覆うように振動板２２が形成され、その振動板２２上に圧電素子２３が設けられる構成としてもよい。つまり、開口部２１Ａを有する素子基板２１が設けられていなくてもよい。
【００６５】
図７は、本実施形態の距離算出方法を示すフローチャートである。
本実施形態では、図５のステップＳ１に代えて、センサー駆動制御部３１は、音波トランスデューサーＴｒの振動部２２Ａを、一方向に所定量だけ変位させた待機位置に移動させる（ステップＳ１１）。
このステップＳ１１では、例えば、センサー駆動制御部３１は、音波トランスデューサーＴｒに、一定の電圧値を印加する。これにより、圧電膜２３Ｂが印加電圧に応じた形状に変形し、その変形に応じた応力によって、振動部２２Ａの形状（位置）も変化して待機位置に移動される。圧電膜２３Ｂに上記電圧を印加し続けることで、振動部２２Ａも待機位置から移動されない。
なお、ここでは、センサー駆動制御部３１によって一定電圧を印加する例を示すが、これに限定されない。例えば、バネ等の弾性部材により振動部２２Ａを押圧したり引っ張ったりすることで、一定の応力を付与し続け、振動部２２Ａを待機位置に移動させてもよい。また、センサー部２０が、振動板２２の中空空間１０Ａとは反対側に密閉空間を形成するケーシングを備え、ケーシング内の内圧を増減させることで、振動部２２Ａを待機位置に移動させてもよい。
【００６６】
そして、本実施形態では、ステップＳ２において、待機位置に維持する応力を解除し、振動板２２を開放してフリーな状態にする。これにより、振動板２２（振動部２２Ａ）は、待機位置から元の位置に戻ろうとする復元力によって、減衰振動する。この際、中空空間１０Ａの気体の慣性と、振動板２２の剛性とで決まる固有周波数と同じ周波数で、振動板２２（振動部２２Ａ）が振動する。
このため、第三実施形態と同様にして、振動板２２（振動部２２Ａ）から出力される検出信号の信号波形から、共振周波数を検出することが可能となる。
【００６７】
本実施形態では、制御部３０は、振動板２２に応力を付与して厚み方向に変位させて待機位置まで移動させ、待機位置から振動板への応力を開放した際の振動板の振動から、共振周波数を検出する。
この場合、振動板２２の減衰自由振動に基づいて、共振周波数を算出するので、センサー部２０から音波を出力する必要がなく、音波出力時の残留振動によって振動板２２が振動することがないので、液面検出における処理の効率化を図ることができる。
【００６８】
［第五実施形態］
次に、第五実施形態について説明する。
第一から第四実施形態では、距離算出部３３は、共振周波数を検出し、式（１）や式（３）に基づいて、或いは、図３に示すような共振周波数と距離との関係データに基づいて、距離ｌを算出した。これに対して、第五実施形態では、共振周波数に基づく距離算出と、ＴＯＦ（Time Of Flight）法を用いた距離算出との双方により、距離ｌを算出する。
【００６９】
つまり、第一から第四実施形態に示す方法は、例えば、タンク５０に振動が有る場合等で、タンク５０内の液面５２が波立っている場合でも、精度良く距離ｌを算出することが可能となる方法である。一方、ＴＯＦ法では、タンク５０に振動が有る場合、液面５２で音波が様々な方向に反射してしまい、距離測定の精度が悪化してしまう。よって、液面５２が波立っている場合には、上述のような共振周波数に基づいた距離ｌの算出を行うことが好ましい。
【００７０】
これに対して、タンク５０に振動がなく、液面５２に波立ちがない場合では、音波の送信タイミングから受信タイミングまでの時間と、気体中の音速とに基づいて、距離ｌを算出するＴＯＦ法により、高精度かつ迅速な距離算出が可能となる。
また、共振周波数に基づいて距離ｌを算出する場合、式（１）に示すように、用いるパラメーターが多数あり、かつ、コンプライアンスＣｇａｓを無視した近似式により距離ｌの算出を行うので、ＴＯＦ法による距離算出に比べてその精度は低下する。
【００７１】
これに対して、本実施形態では、共振周波数に基づいた距離算出と、ＴＯＦ法を用いた距離算出とを併用した距離算出を実施する。すなわち、本実施形態では、タンク５０に振動がある場合において、共振周波数に基づいた距離算出を実施し、タンク５０に振動がない場合において、共振周波数に基づいた距離算出と、ＴＯＦ法による距離算出との双方を実施する。これにより、より高精度な液面検出が可能となる。
【００７２】
このような本実施形態の液面センサー１の適用例を、具体例を挙げて説明する。
図８は、液面センサー１が設置されたインクタンクを有するプリンター１００の概略図である。
図８に示すプリンター１００は、搬送機構１１０と、キャリッジ１２０と、キャリッジ１２０を移動させるキャリッジ駆動部１３０とを備える。
搬送機構１１０は、例えば、紙面等のメディアＭを所定の印刷位置までＹ方向に搬送する。
キャリッジ１２０は、Ｙ方向に交差するＸ方向に移動可能に設けられている。
キャリッジ駆動部１３０は、例えばタイミングベルトを駆動させることでキャリッジ１２０をＸ方向に移動させる。
【００７３】
キャリッジ１２０には、印刷部１４０が設けられている。この印刷部１４０は、インクタンク１４１を備え、インクタンク１４１から供給されたインクをメディアＭ上に吐出して画像を形成する。図示は省略するが、インクタンク１４１には、インクの供給機構が接続されており、インクタンク１４１に貯留されるインクが一定となるように（インクタンク１４１内の液面５２の位置が一定となるように）維持されている。
【００７４】
このようなプリンター１００では、インクタンク１４１で貯留されるインクが一定量に保たれるように、インクの残量を常時、或いは周期的に確認する必要がある。このために、インクタンク１４１に、上記第一実施形態から第四実施形態で説明したような液面センサー１が設けられ、インクの液面位置を検出している。
【００７５】
ここで、キャリッジ１２０が駆動されている場合では、キャリッジ駆動部１３０からの動力が伝達されることで、インクタンク１４１に振動が発生する。
この場合、制御部３０は、上記第一から第四実施形態で説明したように、振動板２２（振動部２２Ａ）の共振周波数を検出して、共振周波数から液面５２の位置を検出（距離ｌを算出）する。
【００７６】
一方、キャリッジ１２０が、例えば、Ｘ方向の端部（ホーム位置）に待機している場合、キャリッジ駆動部１３０からの動力が伝達されておらず、液面５２が静止している。
この場合、制御部３０は、センサー部２０から音波を出力し、液面５２で反射した音波を受信することで、ＴＯＦ法により、距離を算出する。
【００７７】
この際、制御部３０は、ＴＯＦ法による距離算出に加え、共振周波数を用いた距離ｌの算出を行うことが好ましい。
この場合、制御部３０は、ＴＯＦ法により求められた距離ｌ´と、共振周波数を用いて算出された距離ｌとの比較を行い、異なる場合に補正処理を行うことができる。
【００７８】
具体的には、ＴＯＦ法では、振動板２２が静止している静止位置を基準として、液面５２から振動板２２までの距離ｌ´が算出される。一方、共振周波数に基づいた距離算出では、振動板２２が振動した際の平均位置を基準位置として、基準位置から液面５２までの距離ｌが算出される。この基準位置は、例えば、液面センサー１の製造時等において、予め測定されており、記憶部に記憶される。
このように、ＴＯＦ法により求められた距離ｌ´と、共振周波数に基づいて算出される距離ｌとは、基準位置と静止位置との寸法分だけ差が生じる。しかしながら、液面センサー１の経年劣化等によって、振動板２２が振動した際の平均位置（基準位置）が変動する場合がある。
そこで、本実施形態では、キャリッジ１２０がホーム位置に位置する際に、ＴＯＦ法による距離算出と、共振周波数に基づいた距離算出との双方を実施する。これにより、基準位置と静止位置との差の変動を判定することができる。そして、当該差が変動している場合、変動分を補正値として記憶部に記憶しておく。これにより、共振周波数に基づいて距離算出を行った際に、算出された距離ｌに対して補正値を加算することで、液面センサー１の経年劣化による誤差を補正することが可能となる。
【００７９】
このような本実施形態では、キャリッジ１２０が移動している最中に、共振周波数に基づいた距離ｌを算出する際に、上記補正値を用いて、算出された値を補正することができ、より高精度な液面検出を実施することが可能となる。
【００８０】
［変形例］
なお、本発明は上述の各実施形態及び変形例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、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
【００８１】
第一実施形態において、液面センサー１の中空部材１０が、直線状の軸方向を有する筒状となる例を示したが、これに限定されない。
図９は、液面センサー１の他の例を示す図である。
中空部材１０は、第一開口端１１から第二開口端１２までの間で屈曲した図９に示すような形状であってもよい。また、第一開口端１１から第二開口端１２までの間で円弧に湾曲した形状であってもよい。この場合、第五実施形態で示したようなＴＯＦ法による距離算出はできないが、液面センサー１を所期の位置に設置することができ、設置自由度や形状自由度が向上する。また、中空部材１０は、剛体により構成されていてもよく、例えば、樹脂部材等の可撓性部材により構成されていてもよい。可撓性部材により構成されている場合、タンク５０の形状に応じて液面センサー１の配置位置や形状を変形することが可能となり、汎用性が向上する。
【００８２】
また、中空部材１０を液面５２に対して垂直方向から挿通する例を示したが、これに限定されず、液面５２に対する挿通方向は、如何なる方向であってもよく、中空部材１０内に液面５２が形成されて、閉空間となる中空空間１０Ａが形成されればよい。
すなわち、液面センサー１は、中空空間１０Ａの体積によって変動する共振周波数に基づいて距離を算出するものであるため、中空部材１０の形状や液体５１への挿通方向、中空空間１０Ａにおける液面５２の方向等は、自由に変更することが可能となる。
【００８３】
第一実施形態において、音波トランスデューサーＴｒから出力される音波の波長λが、測定対象となる距離（ｘ１、ｘ２）よりも大きくなるように、各音波トランスデューサーＴｒを設計し、式（１）において、Ｃｇａｓを無視した近似式により距離ｌを求めるとしたが、これに限定されない。
例えば、λ≦ｌであってもよい。この場合、Ｃｇａｓは、距離ｌのパラメーターを含むため、式（１）は、ｌを含む項数が増え、計算に係る負荷は増大する。しかしながら、第一実施形態と同様、圧電素子２３の厚み寸法ｔがバルク型の圧電体等に比べて十分小さいため、センサー部２０のイナータンスＭａｃｔを中空空間１０Ａの気体のイナータンスＭｇａｓと同等以下にすることができ、精度良く距離ｌを算出することができる。
【００８４】
第一実施形態において、出力する音波の周波数が異なる複数種の音波トランスデューサーＴｒが設けられ、音波を出力する音波トランスデューサーＴｒを順に切り替えることで周波数をスイープさせる例を示したが、これに限定されない。
例えば、１種の音波トランスデューサーであっても、当該音波トランスデューサーＴｒに入力する駆動信号の波形を、例えばファンクションジェネレーター等により制御することで所望の周波数の音波を出力することが可能となり、周波数のスイープを行うことができる。
【００８５】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。
【符号の説明】
【００８６】
１…液面センサー、１０…中空部材、１０Ａ…中空空間、１１…第一開口端、１２…第二開口端、１３…壁面、２０…センサー部、２１…素子基板、２１Ａ…開口部、２１Ａ１…第１の開口部、２１Ａ２…第２の開口部、２１Ｂ…隔壁、２２…振動板、２２Ａ…振動部、２３…圧電素子、２３Ａ…第一電極膜、２３Ｂ…圧電膜、２３Ｃ…第二電極膜、３０…制御部、３１…センサー駆動制御部、３２…周波数検出部、３３…距離算出部、５０…タンク、５１…液体、５２…液面。
【図１】
2019100791.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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