(57)【要約】【課題】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。【解決手段】液位検出装置１は、液体中に配設され主面に励振電極３０と反射器３５とが弾性表面波の伝播方向に直列に形成される弾性表面波素子２０と、液体外部に配設され弾性表面波素子２０を励振する励振回路部と応答性を検出する検出回路部とを有する制御部８０とを備えている。反射器３５は梯子状電極３５ａ〜３５ｅを有し、液体が梯子状電極３５ａ〜３５ｅのいずれかに接触する位置によって生じる遅延時間の変化を検出し、この遅延時間の変化から液体の液位を検出する。【選択図】図１
2007292627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中に配設され主面に励振電極と反射器とが弾性表面波の伝播方向に直列に形成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応答性を検出する検出回路部とを有する制御部と、を備え、
液体が前記反射器に接触する位置によって生じる反射波の応答性の変化を検出し、この応答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。
【請求項２】
請求項１に記載の液位検出装置において、
前記反射器が弾性表面波の伝播方向に対して垂直に形成される複数の梯子状電極を有しており、
前記梯子状電極が液面に対して略水平となるように前記弾性表面波素子を配設し、
液体が前記梯子状電極に接触する位置によって生じる応答性の変化を検出し、応答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。
【請求項３】
請求項２に記載の液位検出装置において、
前記弾性表面波素子が複数備えられ、
複数備えられた前記弾性表面波素子それぞれが、液面に対して高さ位置が異なるよう配設されていることを特徴とする液位検出装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の液位検出装置において、
前記励振電極が一方向性電極によって形成されていることを特徴とする液位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液位検出装置に関し、詳しくは、弾性表面波素子を液位検出センサとして備える液位検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２１１７０５号公報（第４頁、図２，３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような特許文献１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。
【０００５】
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ができない。
【０００６】
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、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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の液位検出装置は、液体中に配設され主面に励振電極と反射器とが弾性表面波の伝播方向に直列に形成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応答性を検出する検出回路部とを有する制御部と、を備え、液体が前記反射器に接触する位置によって生じる反射波の応答性の変化を検出し、この応答性の変化から液体の液位を検出することを特徴とする。
ここで、応答性としては、例えば、反射波の位相、振幅、遅延時間を含む。また、液位とは、液面位置（液面の高さ位置）を意味する。
【０００８】
この発明の弾性表面波素子は、反射器の表面に液体が接触する位置の差により、弾性表面波素子の応答性が変化することを検出する。この発明によれば、液体中に反射器が全て浸漬している状態、一部が浸漬している状態、または浸漬していない状態を反射波の遅延時間等の差によって検出することができる。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。
【０００９】
また、液体が容器等に収容されてる場合、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。
【００１０】
また、前記反射器が弾性表面波の伝播方向に対して垂直に形成される複数の梯子状電極を有しており、前記梯子状電極が液面に対して略水平となるように前記弾性表面波素子を配設し、液体が前記梯子状電極に接触する位置によって生じる応答性の変化を検出し、応答性の変化から液体の液位を検出することが好ましい。
【００１１】
詳しくは、後述する実施の形態で説明するが、励振電極から出力する弾性表面波は反射器にて反射され励振電極に入力される。この間の時間を応答時間とすると、反射器の梯子状電極の液体に接触する位置（梯子状電極の数）によって励振電極と反射器との弾性表面波の伝播距離が変化するため応答時間が変化する。この応答時間の差を遅延時間として検出し、この遅延時間と液位との相関を予め判定テーブルとして用意しておくことにより、段階的な液位の検出を正確に検出することができる。
【００１２】
また、前記弾性表面波素子が複数備えられ、複数備えられた前記弾性表面波素子それぞれが、液面に対して高さ位置が異なるよう配設されていることが好ましい。
【００１３】
このようにすれば、１個の弾性表面波素子では検出できない幅広い範囲の液位を検出することができる。
【００１４】
さらに、前記励振電極が一方向性電極によって形成されていることが望ましい。
励振電極を一方向性電極によって形成することから、励振された弾性表面波の伝播方向が一方向となり、液体に浸漬される反射器からの反射波の伝播方向も一方向となるため、液位の検出を行うことができる。
【００１５】
また、励振電極及び反射器が液体の接触から離間した際に、これらの電極に液体が付着していることが考えられ、このように電極に液体が付着しているような状態では、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ることにより励振電極及び反射器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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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４は実施形態１に係る液位検出装置及び弾性表面波素子を示し、図５は実施形態２を示している。
（実施形態１）
【００１７】
図１は、本発明の実施形態１に係る液位検出装置１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に固着さ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。
【００１８】
容器１０は、本実施形態では立方体の箱状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を液面３に対して垂直となるように配設されている。
【００１９】
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）に励振電極３０と反射器３５とが形成されている。励振電極３０はＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極と称され、すだれ状の電極が弾性表面波の伝播方向に垂直となるように形成されている。
【００２０】
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の反射波の位相、振幅、遅延時間等の応答性を検出するための検出回路部、電源、検出結果を液位に変換して表示する表示部等を含んでいる。
【００２１】
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の表面に励振電極３０が形成され、励振電極３０はＩＮ／ＯＵＴ電極３１とＧＮＤ電極３２とから構成されている。
【００２２】
ＩＮ／ＯＵＴ電極３１とＧＮＤ電極３２とはそれぞれ、すだれ状の交差指電極から構成され、励振信号を入力することにより弾性表面波を励起し、この弾性表面波の伝播方向に反射器３５が励振電極３０に対して直列に配置されている。
【００２３】
反射器３５は、梯子状の電極からなり、相互に平行な梯子状電極３５ａ〜３５ｅが励振電極３０のピッチに対応して等間隔に配設されている。このような形態の反射器をグレーティング反射器と呼ぶ。従って、図１に示すように、励振電極３０と反射器３５を構成するそれぞれの電極は、液面３に対して水平となり、弾性表面波の伝播方向に対して垂直である。
【００２４】
また、励振電極３０は、図２に示すように、すだれ状のＩＮ／ＯＵＴ電極３１とＧＮＤ電極３２とが交互に配設された一方向性電極である。従って、励振電極３０によって励起された弾性表面波は、図中、矢印Ｗ1方向に伝播する。そして、反射器３５によって反射波が励振電極３０に再入力される（図中、矢印Ｗ2方向）。
【００２５】
ここで、励振電極３０と反射器３５との間の弾性表面波の伝播距離をｄとし、弾性表面波の音速をＶとすると、励振電極３０からの弾性表面波が反射器３５で反射されて励振電極３０に再入力されるまでの時間Ｔ（以降、遅延時間Ｔと表す）は、Ｔ＝２ｄ／Ｖで表すことができる。
【００２６】
なお、弾性表面波素子２０が液体２中に浸漬されない状態においては、伝播距離ｄは、励振電極３０の中心位置Ｓから反射器３５の中心位置Ｒｅまでの距離と考えられる。
【００２７】
弾性表面波素子２０が液体２中にあるときに、液面３が反射器３５の梯子状電極３５ａ〜３５ｅのどの位置にあるかによって、伝播距離ｄが変化し、弾性表面波の伝播速度が一定ならば遅延時間Ｔも変化し、遅延時間Ｔの変化から液位（液面高さ）を検出することができる。
【００２８】
また、一方向性電極により形成される励振電極３０は、図中矢印Ｗ1に示す方向に弾性表面波を伝播する。従って、励振電極３０及び反射器３５上に付着している液滴は、弾性表面波の伝播方向に移動され、あるいは飛散されてこれらの電極が形成されている領域から除去される。
【００２９】
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に対する液位の４水準の液位を例示して説明する。
図３は、液位の４水準を示す弾性表面波素子２０の正面図である。図３では、液面３が励振電極３０の範囲にある状態を液面３Ａ、反射器３５の最上部にある状態を液面３Ｂ、中間にある状態を液面３Ｃ、最下部にある状態を液面３Ｄとして表している。
ここで、励振電極３０を励振させて、反射波の応答性検出の１例をあげ説明する。
【００３０】
検出する応答性としては、励振された弾性表面波と反射波との位相差、振幅差、遅延時間を検出可能であるが、ここでは他との差が生じやすい遅延時間Ｔと液量の関係を例示して説明する。図３も参照する。
図４は、液量と遅延時間Ｔとの関係を示すグラフである。横軸に液量、縦軸に遅延時間（単位μｓ：マイクロ秒）を表している。なお、液面３Ａのときの液位（励振電極３０の一部まで浸漬、反射器３５が全浸漬の状態）を液量１とし、液面３Ｄのときの液位を液量０、液面３Ｃのときの液位を液量０．５に換算して表している。
【００３１】
図４に示すグラフでは、液量と遅延時間Ｔとの関係は反比例の関係にあることが示される。なお、液面３Ａの状態においては、励振電極３０は所定の励振を行うことができないこと、反射器３５が全浸漬であることから反射波の応答はない。液面３Ｄの状態は、液体が反射器３５の最下部の梯子状電極３５ｅの位置、つまり液体がほとんどない状態を示しており、弾性表面波の伝播距離は、図２において示す伝播距離ｄに相当し、遅延時間Ｔが１．３μｓ程度であることを示している。
【００３２】
また、液面３Ｂの状態では、液面は梯子状電極３５ａの下部にある。従って、弾性表面波の伝播距離は非常に短く、遅延時間Ｔは０．５μｓ程度と短い。
【００３３】
従って、予め所定の液体における液量（液位）と遅延時間Ｔとの関係を測定しておくことで、このグラフを判定テーブルとして、検出された遅延時間Ｔの値から液量、つまり液位を測定することができる。
なお、遅延時間から液位（または液量）への変換の計算は、制御部８０に演算回路を備え、判定テーブルをもとに演算することで容易に行うことが可能である。また、液位の値を表示する表示部を備えておけばなおよい。
【００３４】
従って、上述した実施形態１によれば、反射器３５の電極表面に液体が接触する位置（梯子状電極が浸漬する位置）の差により、弾性表面波の遅延時間Ｔが変化する。つまり、液体中に反射器３５が全て浸漬している状態（液面３Ａ）、一部が浸漬している状態（液面３Ｂ，３Ｃ）、または、ほとんど浸漬していない状態（液面３Ｄ）それぞれの液位を反射波の遅延時間Ｔの差によって、梯子状電極の形成数に対応して段階的に検出することができる。このことから、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、液体の液位を検出することができる。
【００３５】
また、液体が容器１０に収容されてる場合、容器１０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。
【００３６】
さらに、励振電極３０を一方向性電極によって形成することによって、液体に浸漬される反射器から励振電極３０に入力される反射波が一方向となるため、液位の検出を可能にする。
また、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ることにより励振電極３０及び反射器３５の形成領域の外部に除去させ、安定駆動を持続することができる。
【００３７】
なお、上述した実施形態１では、弾性表面波素子２０の主面を液面３に対して垂直に配設する例をあげ説明したが、弾性表面波素子２０の主面を液面の内側（容器１０の底部方向）に傾斜して配設してもよい。この際、反射器３５の梯子状電極３５ａ〜３５ｅが液面３に対して略水平とする。このようにすれば、実施形態１と同様な効果を有する他、励振電極３０及び反射器３５を有する主面（表面）が容器底部方向に傾斜していることから、これら励振電極３０及び反射器３５に付着した液滴をより確実に、しかも速く除去することができるという効果を奏する。
【００３８】
また、励振電極３０及び反射器３５の表面に、液体に対して反応性の低い絶縁性保護膜、さらに、その表面に保護金属膜を形成してもよい。励振電極３０及び反射器３５は、一般にＡｌ等によって形成される金属電極である。従って、被測定物としての液体の種類によってはこれらの電極が腐食されることがある。そこで、これらの電極を保護する皮膜を形成することによって励振電極３０、反射器３５を保護し、多様な液体に使用することができる。
【００３９】
また、励振電極３０及び反射器３５の表面に撥液性膜を形成してもよい。撥液性膜によって、励振電極３０及び反射器３５に付着した液滴をより一層確実に、しかも速く除去することができるという効果を奏する。
（実施形態２）
【００４０】
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、液位検出センサとしての弾性表面波素子を複数個備えていることを特徴とし、弾性表面波素子個々の構造は前述した実施形態１と共通であるので説明を省略する。
図５は、実施形態２に係る液位検出装置１の概略構造を示す斜視図である。図５において、容器１０の内部側壁１１，１２にはそれぞれ弾性表面波素子２０，２５が取り付けられている。なお、弾性表面波素子２０，２５の仕様は共通とする。
【００４１】
弾性表面波素子２５は、他方の弾性表面波素子２０より高い位置に配設される。この高さ位置は、弾性表面波素子２０の反射器３５の最上部の梯子状電極３５ａ（図２、参照）と弾性表面波素子２５における最下部の梯子状電極３５ｅ（図２、参照）とがほぼ一致する位置とする。従って、図５に示される液面３の水準は、弾性表面波素子２０では液面３Ｂ（図３に示す液面３Ｂと一致）、弾性表面波素子２５では液面３Ｄ（図３に示す液面３Ｄと一致）に相当する。
【００４２】
液面３がこのような状態のとき、遅延時間Ｔは、弾性表面波素子２０においては図４に示す液量３Ｂ、弾性表面波素子２５においては液量３Ｄの位置で示す遅延時間を示す。弾性表面波素子２０，２５をこのように配置することにより、実施形態１にて説明した液位の約２倍の範囲の液位を検出することができる。
【００４３】
また、弾性表面波素子２０，２５はそれぞれ、容器１０の外部に設けられている制御部８０に図示しないリードにて接続されており、制御部８０は二つの弾性表面波素子２０，２５の遅延時間Ｔを個別に検出できる構成としている。
【００４４】
なお、図５においては、弾性表面波素子を２個用いる例をあげ説明したが、弾性表面波素子の数は２個に限らず増やすことができる。
例えば、容器１０の内部側面の４面それぞれに弾性表面波素子の高さ位置を変えて設ければよく、その数は限定されない。
【００４５】
従って、上述した実施形態２によれば、複数の弾性表面波素子を高さ位置を変えて配設することにより、弾性表面波素子１個では不可能な広い範囲の液位の測定を行うことができるという効果がある。
【００４６】
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、前述した実施形態では、液位検出センサとしての弾性表面波素子を容器の内部側壁に取り付けているが、別体の保持台等に弾性表面波素子を取り付けることが可能であり、このようにすれば、容器を有しない場所に滞留する液体の液位を検出することができる。
【００４７】
また、前述した実施形態１，２では、弾性表面波素子２０と制御部８０とをリードで接続する構造を例示したが、近接無線手段を接続することができる。例えば、弾性表面波素子２０に無線受送信部を備え、制御部８０に無線送受信部を備え通信接続する。
このようにすれば、弾性表面波素子２０と、制御部８０の配設位置の制約を低減することができる。つまり、容器１０の形状の制約を排除し、弾性表面波素子と制御部との接続リードの形成が困難な場合、さらには容器なしの場面における液位の検出を可能にするという効果を奏する。
従って、前述の実施形態１、実施形態２によれば、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ができ、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。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】本発明の実施形態１に係る液位の４水準を示す弾性表面波素子の正面図。
【図４】本発明の実施形態１に係る液量と遅延時間との関係を示すグラフ。
【図５】本発明の実施形態２に係る液位検出装置の概略構成を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４９】
１…液位検出装置、２０…弾性表面波素子、３０…励振電極、３５…反射器、３５ａ〜３５ｅ…反射器の梯子状電極、８０…制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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