(57)【要約】【課題】  外面が塗装された容器内の液体を高い精度で検出可能な液体検知ユニット及び液体検知機能付き容器を提供する。【解決手段】  液体Ｌを収容した容器５を被測定系として該容器５の壁部外面５ａに取り付けられる液体検知ユニット１００であって、超音波ビームを出力可能な超音波出力部１と、該超音波出力部１の超音波送信面１ａと密着する音響インピーダンス整合層２と、容器５の外面５ａに布された樹脂塗装４と音響インピーダンス整合層２との間に、音響インピーダンスが該樹脂塗装４の音響インピーダンス以上で、かつ容器５と音響インピーダンス整合層２との双方の音響インピーダンス未満となる、予め定められた厚さを有した中間層３と、を備える。【選択図】図１
2009031135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を収容した容器を被測定系として該容器の壁部外面に取り付けられる液体検知ユニットであって、少なくとも前記被測定系を励振するための測定用超音波ビームを出力可能な超音波出力部と、該超音波出力部の超音波送信面と密着する形で配置される音響インピーダンス整合層と、を備え、
前記容器の外面には樹脂塗装が塗布されるとともに、該樹脂塗装と前記音響インピーダンス整合層との間には、音響インピーダンスが該樹脂塗装の音響インピーダンス以上で、かつ前記容器と前記超音波出力部との双方の音響インピーダンス未満となる予め定められた厚さを有した中間層が設けられることを特徴とする液体検知ユニット。
【請求項２】
前記中間層は、自身の音響インピーダンスを調整するために混入されたフィラーを含む樹脂材料にて構成される請求項１記載の液体検知ユニット。
【請求項３】
前記中間層は、シリコンを主材料とする樹脂プレートにて構成され、少なくとも前記樹脂塗装側の中間層表面に液状カプラント剤が塗布される形で、該樹脂塗装に対し密着されてなる請求項１又は請求項２に記載の液体検知ユニット。
【請求項４】
前記超音波出力部と一体をなす前記音響インピーダンス整合層と、前記中間層との間がエポキシ系接着剤により接合されており、前記超音波出力部と前記音響インピーダンス整合層と前記中間層とが一体構造をなす請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の液体検知ユニット。
【請求項５】
前記中間層は、前記音響インピーダンス整合層と前記樹脂塗装とを接着固定する接着層であり、該接着層は弾性接着剤により形成されてなる請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の液体検知ユニット。
【請求項６】
前記中間層の内部を伝播する前記測定用超音波ビームの波長をλとした場合に、該中間層の厚さｄは、λ／２に自然数を乗じて、その端数αがλ／２に対し±２５％以内となるように定められてなる請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の液体検知ユニット。
【請求項７】
前記容器の壁部外面に取り付けられるとともに、前記被測定系への前記測定用超音波ビームの出力を遮断したときに、該被測定系からの残響超音波を受信する残響超音波受信部を備える請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の液体検知ユニット。
【請求項８】
前記超音波出力部は、前記被測定系への前記測定用超音波ビームの出力が可能とされるとともに、前記被測定系からの残響超音波の受信も可能な超音波トランスジューサとして、前記残響超音波受信部に兼用されるとともに、該超音波トランスジューサは、前記超音波出力部の前記超音波送信面が前記残響超音波受信部の超音波受信面と共通の超音波受信面とされてなる請求項７記載の液体検知ユニット。
【請求項９】
前記残響超音波は、前記超音波出力部から出力された前記測定用超音波ビームが前記容器に収容された前記液体の液表面にて反射した反射超音波である請求項７又は請求項８に記載の液体検知ユニット。
【請求項１０】
請求項８記載の要件を備え、
前記超音波トランスジューサは、前記容器の底壁部外面に取り付けられるものである請求項９記載の液体検知ユニット。
【請求項１１】
前記容器が金属タンクであり、前記超音波出力部は該金属タンクの金属壁部に取り付けられ、当該金属壁部の厚さ方向に前記測定用超音波ビームを出力するものである請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の液体検知ユニット。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の液体検知ユニットが、液体を収容した前記容器の壁部外面に対し、前記中間層を介して押圧保持された形で組み付けられてなる液体検知機能付き容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液体検知ユニット及び液体検知機能付き容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００４−５３５０４号公報
【特許文献２】特開２００２−９０２１０号公報
【０００３】
従来、タンク（容器）内面に超音波を送信し、その反響音波を検出し受信する液体検知ユニットが知られている。例えば、特許文献１及び２には、タンク内面に超音波の送信面ないし受信面を露出させる形で超音波送信部及び受信部を配置し、超音波ビームが液面位置で反射して戻ってくるまでの時間を計測することにより液面高さを知ることができるようにした液体検知ユニット、いわゆる超音波レベル計（液面計）に関する記載がある。
【０００４】
こうした液体検知ユニットは、超音波送信部の送信面に音響インピーダンス整合層が結合されるとともに、この音響インピーダンス整合層が被測定系をなす液体を収容した容器の壁部外面に対し、液状グリスを介して密着して配置される形で構成されることが一般的である。この場合、超音波送信部から出力される超音波は、超音波発振部→音響インピーダンス整合層→液状グリス→タンクの塗装→タンクの順に伝播する。
【０００５】
そして、従来の液体検知ユニットにおいては、音響インピーダンス整合層を音響インピーダンスが比較的大きい材料にて構成し、この音響インピーダンス整合層をタンクに対し、液状グリス（極めて薄いため厚みを無視できる）を介して結合させることにより、出力される超音波を効率的に伝播する技術が存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来の液体検知ユニットの構成には、以下のような課題があった。
【０００７】
第一の課題は、タンク（容器）の板厚に起因する計測精度の低下である。液体検知ユニットにタンクが音響的に結合すると、図７に示すように、その板厚に応じて超音波送信部における共振特性が変化し、センサ単体での共振周波数とは異なる周波数ポイントに複数の共振解が出現する。こうした共振解の出現個数と出現ポイントは板厚に応じて異なるものであり、板厚次第（特に板厚が厚い場合）では多数の共振解が集中して出現し、それらにより不要なスプリアスが発生することがある。このため、本来検出したかった周波数帯域において複数の不要周波数成分が混在し、Ｓ／Ｎ比が低下して、計測精度の低下を招くこととなる。検出対象とする周波数と、推移した超音波送信部の共振周波数との関係によっては、信号を検出できないほど残響が増大してＳ／Ｎ比を低下させ、検出精度が大きく低下することもありえる。さらに、こうした不要なスプリアスの存在下では反射信号の感度を十分に増幅することもできないので、例えば、タンクローリーによる高速充填による液面の揺れやガス使用時における液面の揺れ等のような液面の変動に対し、十分な感度が得られないといった問題もある。
【０００８】
第二の課題は、タンク（容器）の塗装に起因する計測精度の低下である。タンク表面に塗布される塗装には一定の厚みが認められるので、その塗装厚と、該塗装の音響インピーダンスと、タンクの板厚とに応じて選択された周波数による超音波の波長との関係次第では、超音波の伝播が大きく損なわれることがある。その結果、図８に示すように、検出信号の信号レベルが低くなってＳ／Ｎ比が低下し、検出精度が低くなってしまう。また、塗装は経時的な劣化も生じうるので、長期的に見て検出値にずれが生じ、安定した計測ができないという問題もある。
【０００９】
一方で、液体検知ユニットとタンクとの間に結合材として、ゴム弾性を有するシリコンシートを介在させ、容器への取り付け安定性を確保する技術がある。ところが、この場合、シリコンシートの音響インピーダンスは、タンク（容器）に対し適切な値をとるものではないため、少なからず検出精度の低下が生じている。また、常に同じシリコンシートを用いる構成とすると、タンクの材料が変化した場合に計測精度が低下する可能性もあり、汎用性に欠けるという問題もある。さらに、これらに上記のような塗装の厚みが関与すれば、検出精度が相乗的な低下も懸念される。また、シリコンシートには、超音波発振部側の音響インピーダンス整合層との組み付け強度に関しても課題があるし、経時劣化が早いという課題もある。
【００１０】
本発明の課題は、外面が塗装された容器内の液体を高い精度で検出可能な液体検知ユニットと、これを備える液体検知機能付き容器を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明の液体検知ユニットは、
液体を収容した容器を被測定系として該容器の壁部外面に取り付けられる液体検知ユニットであって、少なくとも被測定系を励振するための測定用超音波ビームを出力可能な超音波出力部と、該超音波出力部の超音波送信面と密着する形で配置される音響インピーダンス整合層と、を備え、
容器の外面には樹脂塗装が塗布されるとともに、該樹脂塗装と音響インピーダンス整合層との間には、音響インピーダンスが該樹脂塗装の音響インピーダンス以上で、かつ該容器と該超音波出力部との双方の音響インピーダンス未満となる予め定められた厚さを有した中間層が設けられることを特徴とする。
【００１２】
上記本発明の構成によると、従来音響的に結合されていた容器の壁部（板）と液体検知ユニットの音響インピーダンス整合層との間に中間層が設けられるとともに、その中間層は、容器の壁部に液体検知ユニットが結合した状態において、予め定められた厚さとなるように構成されている。さらに、その中間層の音響インピーダンスがそれら樹脂塗装の音響インピーダンスと超音波出力部の音響インピーダンスとの間の値に定められている。これによると、上記音響インピーダンス条件を満たす中間層により容器と液体検知ユニットとが音響的にアイソレーションされた状態となるので、容器壁部の厚み（板厚）に応じて生じる超音波出力部の基本共振特性の変動を低減でき、その結果、不要なスプリアスの発生が抑制され、高い計測精度を確保することができる。従来のシリコンシートと比較しても、本発明の中間層は、上記音響インピーダンス条件を満たすため、該シリコンシートよりも音響インピーダンスが高く、平均でおよそ１．７倍程度の差を有するものとなり、結果として、より高い計測精度を確保できるようになった。また、この中間層の存在により、伝播する超音波が容器表面の塗装の影響を受け難くなる利点も得られる。なお、本発明における中間層の音響インピーダンスは、隣接する樹脂塗装からなる層と音響インピーダンス整合層との双方の音響インピーダンスに対し、一桁以上異なる固体物質であることが望ましい。
【００１３】
また、本発明の液体検知ユニットは、容器の壁部外面に取り付けられ、被測定系への測定用超音波ビームの出力を遮断したときに、該被測定系からの残響超音波を受信する残響超音波受信部を備えて構成することができる。この構成によると、残響超音波受信部が受信する残響超音波に基づく容器内の液体情報を検知する液体情報検知手段を設けることにより、容器内の液体の情報を非接触にて検知することが可能となり、さらに、検知された液体情報を出力する液体情報出力手段を設けることにより、この液体情報の報知が可能となる。
【００１４】
本発明では、超音波ビームによる励振を遮断した後の残響を検出するので、励振期間と残響検出期間とが時系列的に順次行なわれる形になる。従って、超音波出力部は、被測定系への測定用超音波ビームの出力が可能とされるとともに、被測定系からの残響超音波の受信も可能な超音波トランスジューサとして、残響超音波受信部に兼用されるとともに、該超音波トランスジューサを、超音波出力部の超音波送信面と残響超音波受信部の超音波受信面とが共通の超音波受信面をなす形で構成することができる。この構成によると、１個の超音波トランスジューサにより超音波送信部と残響超音波受信部とが兼用された構成とすることができ、液体検知ユニットのコンパクト化及び低コスト化に寄与する。
【００１５】
また、本発明の液体検知ユニットにおいて、残響超音波受信部の受信する残響超音波は、容器に収容された液体の液表面にて測定用超音波ビームが反射した反射超音波とすることができる。これにより、例えば、測定用超音波ビームを発信した時点からその反射波（反射超音波）を受信する時点までの時間情報等に基づいて液面位置等の液体情報を検知する液体情報検知手段を設けることにより、容器内の液体の情報を非接触にて検知することが可能となり、さらに、検知された液体情報を出力する液体情報出力手段を設けることにより、この液体情報を適宜報知することが可能となる。また、超音波トランスジューサが上記構成を有する場合には、該超音波トランスジューサを容器の底壁部外面に取り付けられ、取り付けられた容器壁部の壁厚方向に測定用超音波ビームが出力されるようにすることが好適である。
【００１６】
測定適用対象となる容器は金属タンク（特に鋼鉄製など、内部音響損失の比較的小さい材料で構成されたもの）とすることができ、液体として液化ガス（液化石油ガス（ＬＰＧ）や液化天然ガス（ＬＮＧ）などの燃料用液化ガス、液化炭酸ガス、液化アンモニアガス、液体窒素などのボンベ、タンク、コンテナなどが主な用途である）を収容するものとできる。この場合、超音波出力部は該金属タンクの金属壁部に取り付けられ、当該金属壁部の厚さ方向に測定用超音波ビームを出力するように構成しておくとよい。また、金属タンクは、車両、船舶ないし航空機（特に、自動車）に搭載された燃料タンクとすることができる。このような燃料タンクに上記液体情報検知機能を搭載することで、燃料残量をタンク外側にて非接触にて検知できるようになるとともに、タンクを本発明の液体検知ユニットが組み付けられる液体検知機能付き容器の一部と見る場合には、その液体検知機能付き容器におけるタンク構造の単純化にも寄与する。
【００１７】
また、中間層は、自身の音響インピーダンスを調整するために混入されたフィラーを含む樹脂材料にて構成することができる。この構成によると、中間層は、上記した音響インピーダンス条件を満たすように、超音波出力部、音響インピーダンス整合層、容器の壁部（被接触材質）、該壁部の樹脂被膜等の音響インピーダンスに応じて、適切なフィラー含有率を有するものにすることができる。このため、容器の壁厚による不要なスプリアスの発生を適切に抑制しつつ、容器表面の塗装により超音波の伝播が損なわれないようにできるので、Ｓ／Ｎ比も良好となり高精度の検出が可能となる。
【００１８】
また、中間層は、シリコンを主材料とする樹脂プレートにて構成することができ、そのとき、該中間層の少なくとも樹脂塗装側の中間層表面に液状カプラント剤を塗布して該樹脂塗装に対し密着するように構成できる。この構成によると、シリコンを主材料とする樹脂プレートである中間層は、変形の生じ難いプレート状の安定した形状を有しており、表面に皺やよれが生じ難いので、樹脂塗装された容器に対し安定して取り付けられる。さらに、液状グリス等の液状カプラント剤を介して樹脂塗装された容器に対し密着することにより、安定した音響結合が得られる。つまり、上記構成によれば、中間層をなすシリコンを主材料とする樹脂プレートと、樹脂塗装された容器との結合界面は、物理的にも音響的にも安定した結合状態となるので、安定した超音波伝達を確保しつつ、容器の壁厚による超音波出力部の共振特性への変動を抑制できる（即ち、音響結合によるスプリアスの発生が抑えられる）。その結果、Ｓ／Ｎ比を低下させること無く高精度な検出が可能となる。これに対し、従来のシリコンシートは、ゴム弾性を有するため、容器に取り付ける際に表面が皺になったりよれたりする等、取付性が悪く、手馴れた者でないと取付に時間が掛かるという問題があった。また、形状が変形し易いので、作業時に一度地面に落として異物（泥等）が付着すると、その付着部分が変形してしまう。この変形部分が容器に取り付けた際の結合境界であった場合には、この界面における超音波伝達性能が損なわれてしまうので、容器への取り付けに際しては細心の注意を払う必要があった。ところが上記のように、シリコンを主材料とする樹脂プレートの場合は、もともと形状が安定しているため、変形や皺、よれ等が発生し難く、上記のような問題とは無縁となる。
【００１９】
この中間層と、超音波出力部と一体をなす音響インピーダンス整合層との間をエポキシ系接着剤により接合して、超音波出力部と音響インピーダンス整合層と中間層とが一体構造をなすように構成することもできる。この構成によると、超音波出力部を有する液体検知ユニットに中間層が一体に設けられているので、該液体検知ユニットを容器（容器の樹脂塗装面）に組み付ける（例えば液状カプラント剤を介して密着結合させる）だけで、計測可能な状態とすることができる。つまり、ユニットの容器への組み付け作業性が優れた構成となる。また、こうした接着剤を使用した際には、音響インピーダンス整合層の超音波出力面と中間層との間に、該接着剤からなる第二の中間層、更に言えば該接着剤が硬化状態となった第二の中間層が形成される。この場合、音響インピーダンス整合層の中間層側の面に湾曲面等の凹凸があった場合でも、この第二の中間層はそれら凹凸を吸収する形で密着して硬化形成されるので、音響インピーダンス整合層と中間層との間において超音波を効率よく伝播させることができるし、また、境界面の機械的なズレや経時的なズレも少なく、長期に渡って安定した液体情報検出が可能となる。従来のシリコンシートと比べて接着剤との相性もよく、特にプラスチック材料からなる層（音響インピーダンス整合層や中間層）に対しより強固に接着することもできる。さらに、シリコンシートよりも安価で、かつ経時劣化への耐性が高いという利点も得られる。また、中間層において、上記した音響インピーダンス条件が満たされていれば、上記のように液体情報の高精度な検出も可能となる。
【００２０】
なお、この中間層において、樹脂塗装側及び音響インピーダンス整合層側の双方の中間層表面に液状カプラント剤を塗布し、これにより、樹脂塗装及び音響インピーダンス整合層の双方に対し、液状グリス等の液状カプラント剤を介して密着結合して、双方の境界面を安定状態とすることもできる。
【００２１】
一方、中間層を、音響インピーダンス整合層と樹脂塗装とを接着固定する接着層とすることができ、該接着層を弾性接着剤により形成することができる。この構成によると、液状グリス等の液状カプラント剤が全く使用されず、弾性接着層を介して音響インピーダンス整合層と樹脂塗装とが結合されるので、境界面に機械的なズレや経時的なズレが少なく、さらに境界部の熱膨張の影響も低減できるので、長期に渡って安定した液体情報検出が可能となる。また、該中間層において、上記した音響インピーダンス条件が満たされていれば、上記のように液体情報の高精度な検出も可能となる。
【００２２】
中間層の内部を伝播する測定用超音波ビームの波長をλとした場合に、該中間層の厚さｄは、少なくともλ／２以上であるように定めることができる。さらに望ましくは、厚さｄは、少なくともλ／２以上であって、λ／２に自然数を乗じたときに、その端数αがλ／２に対し±２５％以内、より望ましくは±２０％以内となるように定めることができる。即ち、
ｄ＝λ／２×ｍ＋α
として定めることができる（ｍは自然数）。なお、αは、
−λ／２×１／４≦α≦λ／２×１／４
と定めることができ、より望ましくは、
−λ／２×１／５≦α≦λ／２×１／５
と定めることができる。この構成によれば、中間層の音響インピーダンスの影響により発生するスプリアス特性や、機械的振動の発生を効果的に低減できる。
【００２３】
本発明の液体検知機能付き容器は、上記液体検知ユニットが、上記した液体を収容した容器の壁部外面に対し、上記中間層を介して押圧保持された形で組み付けられてなることを特徴とする。これにより、上記した液体検知ユニットの効果を有した液体検知機能付き容器を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明に係る液体検知ユニットの実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、測定対象となる容器に液体検知ユニットが組み付けられた液体検知機能付き容器の一例を示す外観図である。図１に示す液体検知機能付き容器２００は、容器５と液体検知ユニット１００とにより構成されている。
【００２５】
容器５はＬＰＧ又はＬＮＧの金属タンクとして構成されている。金属タンク５は鋼鉄製であり、側壁部５Ｓの壁厚はほぼ一様である。また、底面部５Ｂ及び天面部５Ｕの壁厚もほぼ一様である。また、天面部５Ｕの上部中央には圧力制御弁が組み込まれたガス取出部９が形成されている。該金属タンク５に上記ＬＰＧないしＬＮＧからなる液体Ｌが収容され、被測定系を構成する。また、容器５の外面５ａには樹脂塗装４が塗布されている。
【００２６】
液体検知ユニット１００は、容器５側に向けて一定の保持力（一般的にはマグネットによる保持力）Ｆが付与される形で液体Ｌを収容した容器５に対し押圧保持された形で該容器５の壁部外面５ａに取り付けられる。そして、該容器５を被測定系として、上記の金属タンク５内の液体情報、具体的には液面ＬＶの位置を、タンク外から測定できるように構成されている。本実施形態においては、被測定系を励振するための測定用超音波ビーム（送信音波）を出力可能な超音波出力部１と、該超音波出力部１の超音波送信面１ａと密着する形で配置される音響インピーダンス整合層２と、を備えて構成されている。具体的には、超音波出力部１が、被測定系を励振する励振用測定プローブとして所定の周波数の測定用超音波ビーム（送信音波）を容器５の壁部５Ａの厚さ方向に出力する機能を有して構成されている。
【００２７】
本実施形態における超音波出力部１は、被測定系への測定用超音波ビーム（送信音波）の出力が可能とされるとともに、被測定系からの残響超音波（本実施形態においては測定用超音波ビームが液表面ＬＶにて反射した反射音波）の受信も可能な超音波トランスジューサとして、被測定系からの残響超音波を受信する残響超音波受信部に兼用されている。つまり、上記した超音波出力部の機能と、その測定用超音波ビームの出力を遮断したときの被測定系からの残響超音波を受信する残響超音波受信部の機能とを合わせ有するものである。このため、図２に示すように、超音波出力部１の超音波送信面１ａと残響超音波受信部の超音波受信面とは、共通の超音波受信面として構成されている。
【００２８】
残響超音波受信部の機能は、被測定系への測定用超音波ビーム（送信音波）の出力を遮断したときに、該被測定系からの残響超音波（反射音波）を受信するものである。なお、本実施形態における残響超音波は、超音波トランスジューサ１から出力された測定用超音波ビーム（送信音波）が容器５に収容された液体Ｌの液表面ＬＶにて反射した反射超音波である。このため、超音波出力部と残響超音波受信部とが兼用される本実施形態の超音波トランスジューサ１は、液表面ＬＶに向けて測定用超音波を出力するとともに、出力した測定用超音波が液表面ＬＶにおいて反射した反射超音波が受信可能となるよう、図１に示すように、容器５の底壁部外面５ｂに取り付けられている。
【００２９】
該液体検知ユニット１において、超音波トランスジューサ１の前端面１ａは超音波放出面とされており、その表面に密着する形で音響インピーダンス整合層２が固定的に取り付けられている。音響インピーダンス整合層２は、超音波トランスジューサ１（圧電セラミック）の音響インピーダンスＺ１と容器側壁部５Ａ（鋼鉄）の音響インピーダンスＺ５との中間の音響インピーダンスＺ２を有する。本実施形態における音響インピーダンス整合層２には、例えば、耐食性に優れたアルミ（特に１０００系純ＡＬ：具体的には１０５０）又はアルミ合金（ＡＬ−Ｍｇ合金：特に５０００系ＡＬ−Ｍｇ合金で、具体的には５０５２、５０５６）にアルマイト処理を施したものや、ステンレス（ＳＵＳ３０４等）等を使用することができる。
【００３０】
また、図２に示すように、音響インピーダンス整合層２の前端面２ａには、組み付け状態において予め定められた厚さを有した中間層３が設けられている。中間層３の厚さｄ３（図４参照）は、中間層３の内部を伝播する、超音波トランスジューサ１から出力された測定用超音波ビームの波長をλとした場合に、該中間層３の厚さｄが、少なくともλ／２以上で、かつλ／２の自然数倍に定められている。詳細には、中間層３の厚さｄは、λ／２に自然数を乗じて、その端数αがλ／２に対し±２５％以内、より望ましくは±２０％以内となるように定められている。即ち、
ｄ＝λ／２×ｍ＋α
として定められている（ｍは自然数）。ただし、端数αは、
−λ／２×１／４≦α≦λ／２×１／４
を満たすものであり、本実施形態においては、
−λ／２×１／５≦α≦λ／２×１／５
を満たすように定められている。これにより、容器５の壁厚や樹脂塗装４の影響により発生する不要なスプリアスを効果的に抑制し、検出感度の低下を防ぐことができる。
【００３１】
また、本発明における中間層３は、音響インピーダンス整合層２と、容器５の外面５ａに塗布された樹脂塗装４との間に設けられる固体物質層であり、該中間層３の音響インピーダンスＺ３が、樹脂塗装４の音響インピーダンスＺ４以上で、かつ容器５と超音波出力部１との双方の音響インピーダンスＺ５，Ｚ１未満となるように、さらには音響インピーダンス整合層２の音響インピーダンスＺ２未満となるように定められている。つまり、各層の音響インピーダンスがＺ４≦Ｚ３＜Ｚ１，Ｚ５を満たすように定められている。さらに言えば、上記各層１，２，３，４，５の音響インピーダンスＺ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４，Ｚ５の関係は、Ｚ４≦Ｚ３＜Ｚ２＜Ｚ１≦Ｚ５を満たすように定められている。詳細には、中間層３の音響インピーダンスＺ３は、樹脂塗装４の音響インピーダンスＺ４とそれほど差は無いが、音響インピーダンス整合層２の音響インピーダンスＺ２及び容器５の音響インピーダンスＺ５と比べて、少なくとも５倍以上は大きい関係であることが望ましい。さらに望ましくは、中間層３は、上記音響インピーダンス条件を満たしつつ、隣接する樹脂塗装４と音響インピーダンス整合層２との双方の音響インピーダンスＺ４，Ｚ２に対し一桁以上異なる音響インピーダンスＺ３を有した固体物質であるとよい。
【００３２】
本実施形態における樹脂塗装４には、例えば、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリエステル、エポキシ系の樹脂材料等を使用することができる。
【００３３】
また、本実施形態における中間層３は、上記音響インピーダンス条件を満足するように、樹脂塗装４の材料に応じた材質が選択される。例えば、シリコンを主材料とするシリコン系の樹脂プレート、その他のプレート材として、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）のようなしなやかな材料を使用することができるし、ポリカーボネイト（ＰＣ）、ＡＢＣ樹脂、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ナイロン（ＰＡ６，ＰＡ６−６）等を使用することもできる。また、上記音響インピーダンス条件を満足するのであれば、高分子材料としてゴム（ＮＢＲ）を使用することもできる。
【００３４】
なお、本発明における中間層３には、上記音響インピーダンス条件を満たす高分子材料であればよい。従って、上記の他にも、接着性・耐候性に優れた汎用エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等の材料を用いてもよい。例えば、ＰＰＯ（ポリフェニレンオキシド），ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド：ガラス繊維入りも可），ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル），ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン），ＰＡＩ（ポリアミドイミド），ＰＥＴＰ（ポリエチレンテレフタレート），ＰＣ（ポリカーボネート）等を採用することもできる。
【００３５】
また、本実施形態の中間層３は、音響インピーダンス整合層２側と樹脂塗装４側との双方の表面３ａ，３ｂに液状グリス等の液状カプラント剤６を塗布する形で、音響インピーダンス整合層２と樹脂塗装４との双方に対し密着されている。これら双方の密着状態において、液状カプラント剤はほとんど厚みを有さない状態となるので、双方を音響的に安定して結合することができる。このため、安定な超音波伝達を確保しつつ、容器５の壁厚による超音波出力部の共振特性への影響を大きく低減することができる。なお、中間層３は特に接着性に優れた材料が選択されなくともよく、液状カプラント剤６等により安定的に配置することができる。
【００３６】
図３は、液体検知ユニット１の構成例を、その電気的構成とともに示す概念図である。図３の超音波トランスジューサ１は、駆動回路１０１からの駆動電圧の印加により超音波ビームを送出する超音波送出機能と、残響超音波の受信により電気信号（受信信号）を信号処理回路１０３に出力する超音波受信機能とを複合して備える。具体的には、板厚方向に分極処理された圧電セラミック振動板１０と、該圧電セラミック振動板１０の各主表面を覆う形で該圧電セラミック振動板１０を挟んで対向形成された電極対１ｅ，１ｅとを備える。この電極対１ｅ，１ｅは、超音波ビームの送信駆動時には該圧電セラミック振動板１０を超音波振動させるための駆動電圧が印加される駆動電極となり、残響超音波の受信時には圧電セラミック振動板１０の振動に伴う電気信号を出力する出力電極となる。これら電極対１ｅ，１ｅと、駆動回路１０１及び信号処理回路１０３との接続切り替えは切替スイッチ１０１ｓにより行なわれる。
【００３７】
駆動回路１０１は、出力周波数が可変に構成された発振回路（ここでは、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）１０１ｂと、その発振回路１０１ｂの出力を増幅して圧電セラミック振動板１０へ駆動信号として出力する主回路（アンプ）１０１ａとを有する。発振回路１０１ｂの出力周波数は、周波数設定部１０２から入力される周波数指示電圧に応じて変更される。出力周波数は、液体検知ユニット１が取り付けられる容器５の壁部５Ｂ（５Ａ）の壁厚ｄ５（図４参照）に応じて定められる値である。容器５の壁厚ｄ５は、容器の種類に応じて異なる場合（例えば図４の場合ｄ５´となる場合もある）があるので、容器５への組み付け前にその大きさに応じて設定される。
【００３８】
駆動回路１０１、切替スイッチ１０１ｓ、周波数設定部１０２、信号処理回路１０３は、これらの動作シーケンス制御を司るマイコン１０６に接続されている。本実施形態におけるマイコン１０６は、測定用超音波ビームが液面位置で反射して戻ってくるまでの時間を計測する反射時間計測手段と、計測された反射時間に基づいて液体情報として液面高さを取得する液体情報取得手段として機能し、容器内の液体残量を検出することができる。なお、本実施形態における液体情報は、少なくとも測定用超音波ビームが液面位置で反射して戻ってくるまでの時間に基づいて算出可能なものであればよく、本実施形態のような液面高さに限られるものではない。
【００３９】
また、マイコン１０６には、入力部１０５と表示部１０４も接続されている。入力部１０５は押しボタンスイッチやキーボードなどで構成され、周波数設定処理に使用される。また、表示部１０４は液体情報の検出結果を視覚的に出力するものであり、例えばＬＥＤ点灯部として構成されている。
【００４０】
以上が本発明の第一実施形態である。以下、上記実施形態とは異なる他の実施形態について説明する。なお、上記実施形態と同一の構成部分については同一の符号を付することにより説明を省略する。
【００４１】
第二実施形態では、図５の（ａ）に示すように、上記第一実施形態における厚さ条件を満たす中間層３が、同じく上記第一実施形態における音響インピーダンス条件を満たすように調整するために、樹脂材料をマトリックスとしてフィラーを分散させた複合材料により構成されている。具体的に言えば、図２に示すように、中間層３は、自身の音響インピーダンスを調整するために、ガラス繊維（ＧＦ）あるいは炭素繊維（ＣＦ）がフィラー３１ａとして充填された樹脂材料３１ｂにより構成されている。なお、本実施形態における樹脂材料３１ｂとしてはＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を使用し、ガラス繊維が充填されているものとする。ガラス繊維が充填されることにより、接着性及び耐熱性が向上している。ただし、使用可能な樹脂材料はこれに限られるものではなく、ガラス系あるいはカーボン系のフィラーが充填可能で、これにより音響インピーダンスの調整が可能なものであればよい。
【００４２】
第三実施形態では、図５の（ｂ）に示すように、上記第一実施形態における音響インピーダンス条件及び厚さ条件を満たす中間層３３と、音響インピーダンス整合層２との間が接着剤７により接合されている。このため、液体検知ユニット１００は、超音波トランスジューサ１と音響インピーダンス整合層２と中間層３３とが一体構造をなし、液体検知ユニット１００の容器に対する組付け性が良好である。接着剤７は、硬化した後には、密着する双方の層２，３よりも薄い接着剤層３４として形成されており、この接着剤層３４は第二の中間層として中間層３３とともに中間層３に含まれる構成となっている。つまり、この実施形態においては、上記した中間層３が第一の中間層３３と接着剤層３４とからなり、液体検知ユニット１００の一部としてこの接着剤層３４も組み込まれている。
【００４３】
なお、第一の中間層３３の材料は、上記第一実施形態及び第二実施形態で列挙したものを利用できるが、ここでは特に、接着性・耐候性に優れた汎用エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等の材料を用いる。例えば、上記したＰＰＯ，ＰＰＳ，ＰＰＥ，ＰＥＥＫ，ＰＡＩ，ＰＥＴＰ，ＰＣ等のエンジニアリングプラスチックを用いることとする。また、接着剤層３４を形成する接着剤には、プラスチック材料に良好な接着性を示すエポキシ系ないしシリコン系の接着剤を使用できる。なお、硬化後の接着剤層３４の層厚は、超音波トランスジューサ１から出力され、接着剤層３４内部を伝播する測定用超音波ビームの波長をλとしたときに、上記中間層３よりも薄い範囲内において、λ／２の自然数倍に定められている。詳細には、λ／２に自然数を乗じたときの端数αが、λ／２に対し±２５％以内、より望ましくは±２０％以内となるように定められている。なお、本実施形態においては、λ／２（上記端数条件を満たす程度）に定められている。
【００４４】
第四実施形態では、図５の（ｃ）に示すように、樹脂塗装４と音響インピーダンス整合層２との間が、上記第一実施形態における音響インピーダンス条件及び厚さ条件を満たす弾性接着層３５により接着固定されている。この弾性接着層３５が上記中間層に相当するものである。この弾性接着層３５は、硬化後に弾性体となる弾性接着剤８により形成されている。なお、この弾性接着剤８に炭素粉を混入して、形成される弾性接着層３５の音響インピーダンスを調整してもよい。これにより、容器５の壁厚や樹脂塗装４の厚さに応じた適切な音響インピーダンスを有する弾性接着層３５を形成できる。
【００４５】
第五実施形態では、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）に示すように、超音波出力部１に結合される音響インピーダンス整合層２に、中間層嵌込部２ｇ，２ｇ´，２ｈが形成され、ここに、上記第一実施形態における音響インピーダンス条件及び厚さ条件を満たす中間層３が嵌め込まれている。この構成によると、高精度な検出状態を維持しつつ、中間層３の横ズレも防止できる。
【００４６】
図６（ａ）においては、穴部（中間層嵌込部）２ｇの深さが、少なくとも中間層３がずれない程度の深さを有する構成となっている。穴部２ｇの深さは、具体的に言えば、中間層３の厚さｄ３の３０％以下に定められている。なお、穴部２ｇを有する音響インピーダンス整合層２と中間層３と密着面には上記液状カプラント剤ないし上記接着剤を塗布して結合することで、双方の安定的な結合が可能となる。本実施形態においては、音響インピーダンス整合層２の層厚ｄ２が３．００ｍｍ、中間層３の層厚ｄ３が０．９４ｍｍ、中間層嵌込穴部２ｇの深さｔ１が０．２ｍｍ〜０．３ｍｍとされている。
【００４７】
図６（ｂ）においては、音響インピーダンス整合層２に形成される穴部（中間層嵌込部）２ｇ´が、中間層３の横ズレを完全に防止できるように深く形成されている。具体的には、穴部２ｇ´は、底面から超音波出力部１の超音波出力面１ａまでの距離ｔ２がλ／１０以上λ／８以下となるように形成されている（λは、超音波出力部１から出力され、音響インピーダンス整合層２の内部を伝播する音波の波長）。なお、高精度な検出状態を維持する観点から、超音波出力部１の超音波出力面１ａは、液体検知ユニット１００における各層を層厚方向に投影して重ねてみたときに、超音波出力部１の超音波出力面１ａの外形が中間層３の外形に含まれるよう広く形成することが望ましい。本実施形態においては、ｔ２が０．６５ｍｍ以上０．７５ｍｍ以下に定められている。なお、音響インピーダンス整合層２の層厚ｄ２は３．１３ｍｍ、中間層３の層厚ｄ３は１．９６ｍｍである。
【００４８】
図６（ｃ）においては、音響インピーダンス整合層２の容器５側の面２ａが凹状に湾曲した湾曲面（中間層嵌込部）２ｈとして形成されている。そして、中間層３の超音波出力部１側の面３ｂも、該湾曲面２ｈに密接可能となるように、該湾曲面２ｈに対応する形で凸状に湾曲した湾曲面として形成されている。なお、中間層３の容器５側の面３ａは、平坦面でもよいが、容器５の底壁部５Ｂの底面形状に応じた形状、更に言えば、該底壁部５Ｂに塗布されている樹脂塗装４の形状に応じた形状としてもよい。ただし、中間層３の面３ａを、容器５の底面形状や樹脂塗装４の形状に応じた形状とする場合には、中間層３を一定厚さを有した弾性体からなる弾性体層（例えば丹精接着剤からなる）３６とすることができる。これにより、中間層３６は、音響インピーダンス整合層２と樹脂塗装４との間にてそれらの形状に応じて変形するので、特殊な形状に加工する必要が無い。
【００４９】
なお、上記図６（ａ）〜（ｃ）における中間層嵌込部は、他の実施形態においても適用可能である。また、本発明における中間層３は、上面視において円形となるものに限られず、他の形状であってもよい。また、これが嵌め込まれる中間層嵌込部の形状も円形に限られるものではなく、他の形状のものであってもよい。
【００５０】
以上、本発明の各実施形態を説明したが、これらはあくまで例示にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００５１】
本発明の液体検知ユニットは、容器の壁部と超音波出力部との結合により得られた共振ポイントにおいて効率的に音波を出力する手法ではなく、上記実施形態のように、容器の壁部と超音波出力部とは中間層を介して音響的に分離し、かつ、その中間層が上記実施形態における音響インピーダンス条件及び厚さ条件を満たすように構成することで、容器壁部材そのものに近い固有周波数にて、超音波出力部を駆動するものであり、その一実施形態として、上記のような、出力された超音波ビームが液面位置で反射して戻ってくるまでの時間を計測することにより液面高さを知ることができるようにした超音波レベル計（液面計）を例示している。しかしながら、本発明の液体検知ユニットは、上記のような超音波レベル計に限られず、出力された超音波ビームの残響情報を検出するものであれば適用可能である。例えば、液体を収容した容器を被測定系とし、該容器の側壁部外面において、該容器内の特定の液面レベルに対応した複数の液体検知位置に取り付けられる超音波出力部と、該超音波出力部とともに上記液体検知位置に取り付けられ、該超音波出力部により出力される測定用超音波ビームを遮断したときの、該被測定系からの残響情報を検出する残響検出手段と、を備え、検出された残響情報に基づいてマイコンが液体検知位置における液体の有無を反映した液体有無情報を出力する液体有無情報出力手段して機能するものを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の液体検知機能付き容器の一実施形態を示す模式図。
【図２】本発明の液体検知ユニットの構成を示す断面図。
【図３】本発明の液体検知ユニットを示すブロック図。
【図４】本発明の液体検知ユニットの容器への組み付け状態を示す断面図。
【図５】本発明の液体検知ユニットの他の実施形態を示す断面図。
【図６】本発明の液体検知ユニットにおいて、図５とは異なる他の実施形態を示す断面図。
【図７】液体検知ユニットの共振特性の変動を示すグラフ。
【図８】塗装の厚みによる音響結合の問題を説明するグラフ。
【符号の説明】
【００５３】
１００  液体検知ユニット
２００  液体検知機能付き容器
１  超音波トランスジューサ（超音波出力部、残響超音波検出部）
２  音響インピーダンス整合層
３  中間層
４  樹脂塗装
５  容器
５Ｂ  容器底面部（容器底壁部）
Ｌ  液体
ＬＶ  液表面
１０６  マイコン（液体有無判定手段）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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