(57)【要約】 【課題】  燃料などの液体の種類あるいは性状を高精度に判別可能な液体性状判別装置及びその判別方法を提供すること。【解決手段】  判別用の液体に圧電材料から形成された超音波振動素子を接触させ、その超音波振動素子の厚み縦振動の共振周波数での固有振動波形及び中心周波数が、液体の粘性に応じて変化することで、その液体粘性を検知する液体性状判別装置であり、その厚み縦振動の共振周波数が１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下であり、絶対粘度０．１ｍＰａ・ｓに検知感度を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料から形成された超音波振動素子を判別用の液体に接触させ、前記超音波振動素子の厚み縦振動の共振周波数での固有振動波形及び中心周波数が、前記液体の粘性に応じて変化することで、前記粘性を検知する液体性状判別装置であって、前記厚み縦振動の共振周波数が１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下であり、絶対粘度の０．１ｍＰａ・ｓ以上に検知感度を有することを特徴とする液体性状判別装置。
【請求項２】
前記超音波振動素子の発振周波数は１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の範囲内の領域で可変であり、超音波振動素子の単位表面積あたり０．１ｍｌ／ｍｍ２以上の液体に対して、粘性を検知することを特徴とする、請求項１記載の液体性状判別装置。
【請求項３】
前記圧電材料は、Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ3及びＰｂ（Ｎｉ1/3（１＋ｙ）Ｎｂ2/3（１−ｙ／５））Ｏ3（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を主成分とすることを特徴とする、請求項１または請求項２記載の液体性状判別装置。
【請求項４】
前記超音波振動素子は容器内に設置され、その容器内の液体の粘性を測定評価することを特徴とする、請求項３記載の液体性状判別装置。
【請求項５】
圧電材料から形成された超音波振動素子を判別用の液体に接触させ、前記超音波振動素子の厚み縦振動の共振周波数での固有振動波形及び中心周波数が、前記液体の粘性に応じて変化することで、前記粘性を検知する液体性状判別方法であって、前記厚み縦振動の共振周波数が１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の範囲にあり、０．１ｍＰａ・ｓ以上の絶対粘度を検知する手段を前記超音波振動素子を用いて構成し、前記超音波振動素子の単位表面積あたり０．１ｍｌ／ｍｍ2以上の前記液体に対して前記固有振動波形及び中心周波数を測定することを特徴とする液体性状判別方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液体の性状あるいは種類を判別する液体性状判別装置及びその判別方法に関し、特に自動車などに装備される燃料タンク内の燃料の性状、種類などを判別する用途に好適な液体性状判別装置及びその判別方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、タンク内に貯蔵される液体量及び性状（温度、密度、粘度、誘電率）を検出するための手段として、例えば、自動車のオイルタンク内のオイルコンディションを検出する装置がある。
【０００３】
その装置としては、例えば音叉型をした超音波発振素子が、センサハウジング内で指定された周波数範囲で励起され、その伝達係数が測定され、オイルの粘度、密度及び誘電率を判断する方法が提案されている。これは、超音波発振素子から発射された超音波が、センサハウジング内で共鳴し、その共振周波数がオイルの性状により変化することから、信号の周波数特性の変化を計測し、性状を検出するものである。なお、これらの性状は温度及び液体量に依存することから、共振周波数の温度及び量との関係は、データとして予め入力されるか、実際に同時測定を行う必要がある。通常は、温度は別システムで測定され、液体量は同一センサからの励起信号の、液面からの反射時間と、センサハウジング壁からの反射時間の差異から検出される。このように、複数データを処理するアルゴリズムがシステムとして付帯し、オイルコンディションセンサ装置を構成している。
【０００４】
そのオイルコンディションセンサとしては、ドリリング装置などでオイル粘性を検知するセンサとして実績のある、音叉型の超音波発振素子が一般に使用されている。また、自動車用のオイルコンディションセンサの励起周波数としては、１００ｋＨｚ以下の周波数で動作するように設計され、５〜５０ｋＨｚが推奨されている（例えば特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６８７３９１６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、アルコール類の混入したガソリンの使用が可能となることで、エンジン燃料の種類及び燃料特性の変化を、正確に判別できるような液体性状判別装置に対する要求が強まってきた。
【０００７】
自動車の燃料タンク内に貯蔵される液体、すなわち燃料としては、通常、ガソリン及び軽油が広く用いられている。給油所、いわゆるガソリンスタンドにおいては、これら２種類の燃料を、顧客の希望に応じて給油しているが、今後は、エタノール類等の燃料も給油可能となる。この為、運転手あるいは給油作業員の勘違い等により、異種燃料が自動車の燃料タンクに注入される可能性がある。自動車の燃料タンクに正規の燃料とは異なる種類の燃料が給油された場合、エンジンが正常に運転できない、あるいは再始動できないといった不具合が発生し、その修復のためには、燃料タンク内の燃料を完全に入れ替える必要がある。
【０００８】
更に、今後は通常ガソリンにアルコール等を混入させたものを燃料として用いることになり、その混合比率により、燃焼効率が変化することから、燃料性状を判別する装置が必要となっている。すなわち、混合燃料を用いるメリットを確保するためにも、その燃料に適したエンジン内での燃料噴霧量を最適化する必要があり、混合比率の正確な測定が不可欠となる。
【０００９】
しかしながら、上述したオイルコンディションセンサ装置においては、オイル粘性の大きな変化は検出できるものの、液体への混入物による共振信号の変化が小さく、液体種類の判別は困難となる。また、市販されているオイルコンディションセンサの粘度測定範囲は、１〜６０ｍＰａ・ｓであるが、エタノール類等の混合ガソリンについては、２５℃のエタノール粘度が約１ｍＰａ・ｓであり、ガソリン温度の上昇を考慮すると、１ｍＰａ・ｓ以下の測定が必要となる。
【００１０】
また、ガソリン燃料等（エタノール類含む）を管理するにあたり、サンプリングによる絶対粘度測定・評価を定常的に行うことが想定され、わずかな量のサンプルでも評価できることが必要となる。しかし、従来のオイルコンディションセンサ装置では、測定周波数が数百ｋＨｚ以下で測定することから、微量液体中に超音波素子を浸し、その粘性変化等を測定することはできず、サンプリング用での実用は困難である。
【００１１】
本発明は上記のような点を鑑みなされたものであり、その目的は、より高感度の超音波センサを可能にし、ガソリンタンク内の燃料などの液体の種類を高精度に判別可能な液体性状判別装置及びその判別方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。
【００１３】
本発明の請求項１に記載の液体性状判別装置は、判別用の液体に圧電材料から形成された超音波振動素子を接触させ、その超音波振動素子の厚み縦振動の共振周波数での固有振動波形及び中心周波数が、液体の粘性に応じて変化することで、その液体粘性を検知する液体性状判別装置であり、使用する周波数が、１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下であり、０．１ｍＰａ・ｓ以上の絶対粘度が測定できることを特徴とした。
【００１４】
本発明は超音波振動素子の厚み縦振動の共振周波数での振動特性評価に基づいており、そのとき使用する共振周波数の範囲は１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚであり、この範囲はバルク形状の超音波振動素子の厚さ範囲（１ｍｍ〜５０μｍ）に対応している。すなわち、１ＭＨｚ未満の共振周波数を使用するには、その超音波振動素子の厚さが実用的に厚くなり過ぎ好ましくない。また、１００ＭＨｚを超える共振周波数を使用するには、超音波振動素子の厚さが実用的に薄くなり過ぎ好ましくない。また、０．１ｍＰａ・ｓの絶対粘度に検知感度を有することで、ガソリンタンク内の燃料等の種類が判別可能になる。
【００１５】
本発明の液体性状判別装置で用いる超音波振動素子は、圧電材料をペレット状としたもので、その上下面に電極を配し、その電極間で発生する共振周波数のオイル中での周波数変化を評価した。数百ｋＨｚと数ＭＨｚでの共振信号が確認され、後者において、絶対粘度０．１ｍＰａ・ｓの測定が可能であることが確認された。また、前者周波数での絶対粘度測定可能な範囲は、１ｍＰａ・ｓ以上であった。両者において振動モードが異なり、後者の場合は電極間の厚み縦振動であり、オイル粘性変化に対するインピーダンス変化が大きくなることが、分かった。これにより、タンク内の液体の種類を高精度に判別することができる液体性状判別装置を提供できる。
【００１６】
本発明の請求項２に記載の液体性状判別装置では、液体の入った容器の設定位置に、圧電材料から形成された超音波振動素子を設置し、液体の粘性変化によって、その超音波振動素子の固有振動波形及び中心周波数が変化することで、その液体粘性を検知し、使用する周波数が、１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下であり、振動素子単位表面積あたり０．１ｍｌ／ｍｍ２以上の少量液体に対して、粘性変化を検知できることを特徴とした。
【００１７】
本発明の液体性状判別装置で用いる超音波振動素子は、圧電材料をペレット状としたもので、その上下面に電極を配し、その電極間で発生する厚み縦振動の共振周波数の変化を測定し、被測定物の粘性を評価するものである。被測定物として液体または液滴を素子表面に接触または付着させ、固有振動波形及び中心周波数の変化し、その粘性を評価できることが判明した。これにより、タンク内の液体の種類を、液体が少量であっても高精度に判別する液体性状判別装置を提供できる。
【００１８】
本発明の請求項３に記載の液体性状判別装置では、圧電材料から形成された超音波振動素子の材料として、Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３及びＰｂ（Ｎｉ１／３（１＋ｙ）Ｎｂ２／３（１−ｙ／５））Ｏ３で０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１を主成分とすることで、使用する周波数が、１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下であり、絶対粘度０．１ｍＰａ・ｓ以上が測定でき、振動素子単位表面積あたり０．１ｍｌ／ｍｍ２以上の少量液体に対して、粘性変化を検知できることを特徴とした。なお、Ｎｉの添字１／３（１＋ｙ）は（１／３）・（１＋ｙ）を示し、Ｎｂの添字２／３（１−ｙ／５）は（２／３）・（１−ｙ／５）を示す。
【００１９】
更に、本発明の請求項４に記載の液体性状判別装置では、超音波振動素子が規定の容器内部に設置され、その容器内の液体の粘性変化を主に測定することで、容器外部の液体を評価できることを特徴とした。
【００２０】
また、本発明の請求項５に記載の液体性状判別方法は、圧電材料から形成された超音波振動素子を判別用の液体に接触させ、前記超音波振動素子の厚み縦振動の共振周波数での固有振動波形及び中心周波数が、前記液体の粘性に応じて変化することで、前記粘性を検知する液体性状判別方法であって、前記厚み縦振動の共振周波数が１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の範囲にあり、０．１ｍＰａ・ｓ以上の絶対粘度を検知する手段を前記超音波振動素子を用いて構成し、前記超音波振動素子の単位表面積あたり０．１ｍｌ／ｍｍ2以上の前記液体に対して前記固有振動波形及び中心周波数を測定することを特徴とする。
【００２１】
すなわち、本発明の液体性状判別装置及びその判別方法では、超音波振動素子として、Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３及びＰｂ（Ｎｉ１／３（１＋ｙ）Ｎｂ２／３（１−ｙ／５））Ｏ３で０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１を主成分とし、圧電係数４４０ｐＣ／Ｎで比誘電率２５００の特性を持つ材料を使用することで、１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下で固有振動数（共振周波数）を持ち、絶対粘度０．１ｍＰａ・ｓ以上が測定でき、振動素子単位表面積あたり０．１ｍｌ／ｍｍ２以上の少量液体に対して粘性変化を検知できる、厚み縦振動を発生できることが分かった。更に、規定の容器内に本発明の超音波振動素子を設置することにより、一定の容量の液体を評価することで、測定の精度を上げることができ、装置を実用化できた。
【００２２】
これらにより、タンク内の液体の種類を、液体が少量であっても高精度に判別する液体性状判別装置及びその判別方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明により、より高感度の超音波センサを可能にし、車載用途では、ガソリンタンク内の燃料の種類を高精度に判別することの可能な、液体性状判別装置及びその判別方法を提供できる。また、タンク内の液体が少量であっても、高精度に粘性評価できることから、タンクからの抽出サンプルの測定にも有効となる。更に、被測定物の範囲が限定されることは無く、車載用途から民生用装置と広い範囲で使用されるものと言える。
【００２４】
アルコールの混ざったガソリンの粘性を、より高精度に検知・評価できることから、車載応用として、ガソリンへのアルコールの混合率を評価し、その燃焼条件（エンジン室内への噴霧圧、噴霧量、温度等）が適性に保たれることから、エンジン燃焼効率を改善することができ、環境保全に大きく寄与すると言える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
超音波振動素子は、その主成分組成をＰｂ（Ｚｒ0.5Ｔｉ0.5）Ｏ3＋Ｐｂ（Ｎｉ0.5Ｎｂ0.6）Ｏ3とし、直径１５ｍｍ、厚さ１ｍｍに成形、焼結し、電極をその両面に焼き付けした。本素子の周波数特性を図１に示す。縦軸にはインピーダンスの絶対値Ｚ及び位相角θを示し、横軸には周波数を示した。シリコーンオイル（ジメチルシリコーンオイル）の粘性を変化させ、その超音波振動素子の厚さ縦振動の固有振動波形及び中心周波数の変化を測定した。動粘度が５０ｃｓｔ、１００ｃｓｔ、４５０ｃｓｔのオイルを評価した結果を図２及び図３に示す。
【００２７】
中心周波数が、基準状態（振動子が空気中に放置された状態）から４５０ｃｓｔの場合へと増加し、固有振動数が４ＭＨｚの場合、４．０から４．１ＭＨｚへと変化し、インピーダンス（絶対値Ｚ）は９Ωから３．９Ωへと変化した。また、固有振動数が５１０ｋＨｚの場合は、中心周波数は殆ど変化無く、インピーダンスは２９Ωから２５Ωと４ＭＨｚに比較し、変動の小さいことが分かった。４ＭＨｚの場合、５０ｃｓｔ以下の分解能が得られ、液体の密度が０．９７ｇ／ｃｍ３であることから、絶対粘度で０．０５ｍＰａ・ｓの精度を持つことが分かる。
【００２８】
（実施の形態２）
超音波振動素子は、その主成分組成をＰｂ（Ｚｒ0.5Ｔｉ0.5）Ｏ3＋Ｐｂ（Ｎｉ0.5Ｎｂ0.6）Ｏ3とし、直径１５ｍｍ、厚さ１ｍｍに成形、焼結し、電極をその両面に焼き付けした。シリコーンオイルの粘性を変化させ、その超音波振動素子の厚さ縦振動の固有振動波形及び中心周波数の変化を測定した。動粘度が４５０ｃｓｔのオイル滴を振動素子電極面に付着させたとき、その液滴が素子表面から除去されていく間、固有振動４ＭＨｚの場合は、図４の通り、矢印の向きに波形が変化するものの、５１０ｋＨｚの場合は、殆ど変化の無いことが分かった。液滴は重量０．０７ｇ、密度０．９７ｇ／ｃｍ3であり、素子表面積が１．８ｃｍ2であることから、液滴の体積は約０．０７ｍｌであった。振動素子単位表面積あたり０．１ｍｌ／ｍｍ2以上の少量液体に対して、粘性変化を検知できることが分かった。固有振動４ＭＨｚの超音波振動素子を用いた場合、高感度、高精度の粘性測定が可能となり、良好な液体性状判別装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の超音波振動素子の周波数特性を示す図。
【図２】オイル粘性測定結果（５１０ｋＨｚ付近）を示す図。
【図３】オイル粘性測定結果（４ＭＨｚ付近）を示す図。
【図４】オイル付着状態での粘性測定結果を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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