(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一部が検出対象である液体と接触するように配設される超音波良導体と、該超音波良導体に付設され、超音波良導体に対して超音波パルスを供給する超音波振動子と、該超音波振動子が付設されている超音波良導体の所定部位及び該超音波振動子と液体との接触を回避するため、装填される取付孔に対し外周部が液密に接触するように配設されるシール手段と、を有して構成される超音波式液面センサにおいて、
前記シール手段が、金属環と、該金属環の内周縁から内方に突出するゴムからなるリップとを有してなり、超音波振動子の付設位置よりも下方であって、リップの内周部が超音波良導体の外面に接触するシール部材であり、
さらに、前記超音波良導体における超音波振動子の付設位置よりも上部であって、超音波良導体の振動方向に対して略直交する方向に略水平に設けられ、超音波良導体を振動可能に支持し得ると共に、任意の保持手段により所定高さで保持される支軸を有することを特徴とする超音波式液面センサ。
【請求項２】
前記シール部材が、リップの端部を対向させて２個一組として配設されている請求項１記載の超音波式液面センサ。
【請求項３】
前記シール手段が装填される取付孔が、検出対象となる液体の貯留タンクの上壁に形成した孔部に挿通される筒状の保護ケースの内面である請求項１又は２に記載の超音波式液面センサ。
【請求項４】
前記シール手段が装填される取付孔が、検出対象となる液体の貯留タンクの上壁に形成される孔部自体である請求項１〜３のうちのいずれか１に記載の超音波式液面センサ。
【請求項５】
一部が検出対象である液体と接触するように配設される超音波良導体と、該超音波良導体に付設され、超音波良導体に対して超音波パルスを供給する超音波振動子と、を有する超音波式液面センサを、該超音波振動子が付設されている超音波良導体の所定部位及び該超音波振動子と液体との接触を回避するよう、シール手段を介して取付孔に装填する取付方法において、
前記シール手段が、金属環と、該金属環の内周縁から内方に突出するゴムからなるリップとを有するシール部材からなり、超音波振動子の付設位置よりも下方であって、外周部を取付孔に液密に接触させ、リップの内周部を超音波良導体の外面に接触させて前記シール部材を取り付け、
さらに、前記超音波良導体における超音波振動子の付設位置よりも上部であって、超音波良導体の振動方向に対して略直交する方向に略水平に、超音波良導体を振動可能に支持し得る支軸を設け、該支軸を任意の保持手段により所定高さで保持させて取り付けることを特徴とする超音波式液面センサの取付方法。
【請求項６】
前記シール部材が、リップの端部を対向させて２個一組として用いられる請求項５記載の超音波式液面センサの取付方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体が貯留されたタンクに設置されて液面検出を行う液面センサ及びその取付方法に関し、特に、一部が液体に接触するように配設される超音波良導体に超音波パルスを供給して貯留液体の液面高さ（レベル）を検出して出力する接触式の超音波式液面センサ及びその取付方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の超音波式液面センサとして、例えば、特開平４−８６５２５号公報に開示にされた技術が知られている。この超音波式液面センサは、所定の長さを有する棒状、筒状又は板状等の超音波良導体の上部に超音波振動子を接着して構成され、超音波良導体の一部を液体と接触するように配設したものである。このようにして配設した超音波振動子から超音波パルスを発信すると、超音波良導体に沿って超音波が伝播するが、超音波良導体と液体との接触面積（すなわち、液面高さ）が変動すると伝播する超音波の受ける液体抵抗が変化する。このため、それに伴って超音波振動子に戻ってきて受波される超音波（反射波）の伝播時間（速度）も変動する。超音波式液面センサは、この原理を利用し、超音波の伝播時間を計測して演算し、液体の水位（液面高さ）を算出するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した超音波式液面センサを実際に用いる場合には、検出液体の貯留されているタンクの上壁に孔部を形成し、この孔部に超音波良導体を挿通して超音波振動子を孔部よりも上方位置に取り付けたり、あるいは、タンク上壁に形成した孔部に、筒状の保護ケースを挿通し、その保護ケース内部に超音波良導体の一部を挿入してその部位に超音波振動子を取り付けたりしている。しかも、いずれの場合も、超音波振動子が液体と接触することによる劣化や誤動作防止のため、前者の場合にはタンクの上壁の孔部と超音波良導体との間に、後者の場合には保護ケース内面と超音波良導体との間にシール手段を設ける必要がある。そして、かかるシール手段としては、超音波良導体の振動をできるだけ阻害しないように、可撓性のある材料、例えば、合成ゴム等を筒状に加工したものを装填している。
【０００４】
しかしながら、このような筒状の合成ゴム等を使用した場合には、超音波良導体に、筒状の合成ゴム等の内面全体が接触しているため、超音波良導体の振動、すなわち、超音波振動子からの超音波の伝播が阻害され易いという欠点があった。また、合成ゴム等は、温度変化により硬度が変化し易く、特に、使用環境温度が１０℃以下となると、ゴム硬度の上昇が著しい。その結果、超音波振動子からの超音波パルスの伝播は、使用環境温度によっては大きく左右され、ゴム硬度の上昇具合によっては超音波パルスが伝播されずに超音波振動子による反射波の受波がなされないこともあるという問題が生じていた。このため、上記した公報に示されているような、超音波良導体の一部を検出液体に接触させて液面高さを検出する超音波式液面センサは、厳密に管理された使用環境下でならともかく、種々の使用環境が予想される実用レベルでの使用が非常に困難であった。
【０００５】
本発明は上記した問題点に鑑みなされたものであり、超音波振動子から供給される超音波パルスの伝播効率を従来のものより向上させることができ、しかも使用環境に左右されることなく安定した超音波パルスの伝播を可能とすることができる超音波式液面センサ及びその取付方法を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を達成するため本発明の超音波式液面センサは、一部が検出対象である液体と接触するように配設される超音波良導体と、該超音波良導体に付設され、超音波良導体に対して超音波パルスを供給する超音波振動子と、該超音波振動子が付設されている超音波良導体の所定部位及び該超音波振動子と液体との接触を回避するため、装填される取付孔に対し外周部が液密に接触するように配設されるシール手段と、を有して構成される超音波式液面センサにおいて、前記シール手段が、金属環と、該金属環の内周縁から内方に突出するゴムからなるリップとを有してなり、超音波振動子の付設位置よりも下方であって、リップの内周部が超音波良導体の外面に接触するシール部材であり、さらに、前記超音波良導体における超音波振動子の付設位置よりも上部であって、超音波良導体の振動方向に対して略直交する方向に略水平に設けられ、超音波良導体を振動可能に支持し得ると共に、任意の保持手段により所定高さで保持される支軸を有することを特徴とする。
【０００７】
前記シール部材は、リップの端部を対向させて２個一組として配設することが好ましい。
【０００８】
前記シール手段が装填される取付孔は、検出対象となる液体の貯留タンクの上壁に形成した孔部に挿通される筒状の保護ケースの内面であることが好ましいが、検出対象となる液体の貯留タンクの上壁に形成される孔部自体とすることもできる。
【０００９】
また、本発明の超音波式液面センサの取付方法は、一部が検出対象である液体と接触するように配設される超音波良導体と、該超音波良導体に付設され、超音波良導体に対して超音波パルスを供給する超音波振動子と、を有する超音波式液面センサを、該超音波振動子が付設されている超音波良導体の所定部位及び該超音波振動子と液体との接触を回避するよう、シール手段を介して取付孔に装填する取付方法において、前記シール手段が、金属環と、該金属環の内周縁から内方に突出するゴムからなるリップとを有するシール部材からなり、超音波振動子の付設位置よりも下方であって、外周部を取付孔に液密に接触させ、リップの内周部を超音波良導体の外面に接触させて前記シール部材を取り付け、さらに、前記超音波良導体における超音波振動子の付設位置よりも上部であって、超音波良導体の振動方向に対して略直交する方向に略水平に、超音波良導体を振動可能に支持し得る支軸を設け、該支軸を任意の保持手段により所定高さで保持させて取り付けることを特徴とする。
【００１０】
この場合、前記シール部材は、リップの端部を対向させて２個一組として用いることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施の形態に基づき本発明をさらに詳細に説明する。図において、１は本発明の一の実施の形態にかかる超音波式液面センサであり、保護ケース２、超音波良導体３、超音波振動子４、シール手段であるシール部材５，６、支軸７等を有して構成される。
【００１２】
保護ケース２は、略円筒状に形成されると共に、外面の所定部位にフランジ部２ａが突設されている。このフランジ部２ａは、図３に示したように、検出対象となる液体が貯留されている貯留タンク１０の上壁１０ａに形成された孔部１０ｂから、該フランジ部２ａよりも下方部位の下側筒部２ｂを挿通した後、上壁１０ａ上に位置させて、ネジ挿通孔２ｃを介してネジ部材（図示せず）により固定される。また、この保護ケース２の上端開口部には、後述の超音波良導体３や超音波振動子４等を配設した後に装着されるキャップ部材２ｄが装填されている。
【００１３】
超音波良導体３は、超音波パルスを伝播し易い材料、通常、ステンレス鋼等の金属から形成されているが、石英ガラスのようなガラス材を用いることもできる。形状は、所定の長さを有するものであれば限定されるものではないが、本実施の形態では、断面略円形の棒状のものを用いている。もちろん、断面略円形の筒状、あるいは、断面が円形でない角形の棒状や筒状の部材であってもよいし、厚みの薄い板状のものであってもよい。但し、後述するシール部材５，６のリップ５２ａ，６２ａの内周部をこの超音波良導体３の外面に液密に密着させる必要があることを考慮すると、製作の容易性から断面略円形の棒状又は筒状のものが好ましい。
【００１４】
超音波振動子４は、圧電振動子等から構成され、本実施の形態では、超音波パルスの送信と受信を兼用したタイプのものが用いられている。構成を簡略にするためには、このように送受兼用のものが好ましいが、送信用と受信用と別々のものを後述の所定の位置に並列的に配置することもできる。
【００１５】
シール部材５，６は、金属環５１，６１と、該金属環５１，６１の内周縁から内方に突出するゴムからなるリップ５２ａ，６２ａとを有してなる。より具体的には、図１及び図２に示すように、それぞれ、断面略Ｌ字状の金属環５１，６１と、該金属環５１，６１の周壁５１ａ，６１ａと底壁５１ｂ，６１ｂの各外面に付着されると共に、該底壁５１ｂ，６１ｂの内周縁から内方に突出するように、本実施の形態ではさらに隆起するように設けられるリップ５２ａ，６２ａを有するゴム部５２，６２から構成される。そして、リップ５２ａ，６２ａの内周部内に、すなわち、リップ５２ａ，６２ａの端部付近であって、さらに内方に突出するように形成された突条部５２ｂ，６２ｂの突端内に、超音波良導体３が挿通され、超音波良導体３の外面に液密に当接している（図１及び図２（ｂ）参照）。すなわち、このシール部材５，６は、一般にオイルシールとして用いられるものとほぼ同様の形状に形成され、この金属環５１，６１とゴム部５２ｂ，６２ｂを同時に加硫して一体的に成形したものである。シール部材５，６としては、これに限定されるものではなく、リップ５２ａ，６２ａの外周にさらに中心方向への付勢力を有するバネ部材（図示せず）を配設した構造のもの等であってもよい。
【００１６】
また、本実施の形態では、図１に示すように、シール部材５，６を２つ用い、各リップ５２ａ，６２ａの端部同士を対向させて、すなわち、互いに反対向きにさせて配設している。これは、検出液体の貯留タンク１０内が減圧雰囲気である場合には、超音波良導体３が下向きに引っ張られる力が作用し、加圧雰囲気の場合には上向きに引っ張られる力が作用するため、いずれの条件であっても、シール性が損なわれないようにするためである。なお、減圧雰囲気にのみ対処すればよい場合にはリップを本実施の形態の下側のシール部材６と同様に設けたもののみ、加圧雰囲気にのみ対処すればよい場合にはリップを本実施の形態の上側のシール部材５と同様に設けたもののみを配設するだけでもよいことはもちろんである。
【００１７】
上記した超音波良導体３、超音波振動子４及びシール部材５，６は、次のような位置関係で保護ケース２に配設される。なお、以下の説明は、これらの組立順序とは無関係である。まず、シール部材５，６は、取付孔として機能する保護ケース２の下側筒部２ｂ内面に、その外周部が液密に接触するように配設される。なお、図１において下側に配置されるシール部材６の底壁外面には、保護ケース２に周縁が係合される、シール部材５，６の脱落防止のためのリング８が配設される。
【００１８】
超音波良導体３は、このシール部材５，６のリップ５２ａ，６２ａの内周部を貫通して、上端３ａ側が、保護ケース２のフランジ部２ａよりも上方部位の上側筒部２ｅ内に位置するよう配設される。この結果、超音波良導体３中、上側に配置されたシール部材５よりも上方に位置する部位が、検出対象である液体と接触しない非接触部位３ｂとなり、下側に配置されたシール部材６よりも下方に位置する部位が液体と接触する接触可能部位３ｃとなる。
【００１９】
超音波振動子４は、液体との接触を回避する必要があるため、超音波良導体３のうち、上記液体との非接触部位３ｂの外面に付設される。超音波振動子４の付設方法としては、接着、溶着、はんだ付け等の接合手段が挙げられる。
【００２０】
ここで、超音波良導体３は上記のように配設されるが、シール部材５，６が配設されているといっても、それはあくまで液密性を確保するためのものであり、超音波良導体３を確実に所定位置で保持するものではない。このため、超音波良導体３は、保護ケース２内の所定位置で保持され、保護ケース２の下端開口部から抜け落ちないようにすることが好ましい。しかしながら、超音波良導体３を所定位置で支持するということは、支持方法によっては、超音波良導体３の振動を妨げる原因となる。従って、本実施の形態では、図１に示したように、超音波良導体３の上端３ａ付近であって超音波良導体３の振動方向（図１上、奥行き方向）に対して略直交する方向に、すなわち、超音波振動子４の付設面から略９０度離れた位置の外面に開口するように軸挿通孔３ｄを形成し、この軸挿通孔３ｄに支軸７を挿通し、この支軸７の両端部を保護ケース２の上側筒部２ｅの内面で支持している。これにより、超音波良導体３は振動方向に対しては全く自由であり、このような支持手段を設けたとしても、超音波良導体３の振動が阻害されることはない。
【００２１】
本実施の形態では、上記のように、支軸７の両端部を、該支軸７の保持手段として機能する保護ケース２に固定し、軸挿通孔３ｄの径を支軸７の径より若干大きなものとして、超音波良導体３がその振動方向に動作自由に配設しているが、支軸７を軸挿通孔３ｄ内に挿通したときに空転しないような径にし、支軸７の両端部を保護ケース２の内面に対して回転自由に支持するようにしてもよい。また、超音波良導体３に軸挿通孔３ｄを形成せずに、その振動方向に略直交する方向に略水平に支軸７に相当する突起部（図示せず）を突出させて、保護ケース２内に軸支することもできる。さらには、保護ケース２の内面から、超音波良導体３の振動方向に略直交する方向に略水平に本実施の形態の支軸７に相当する突起部（図示せず）を突出させて、該突起部に超音波良導体３に形成した軸挿通孔３ａを係合させるようにしてもよい。また、支軸７の保持手段として、本実施の形態では、保護ケース２を利用しているが、保護ケース２を用いない場合には、該支軸７を所定高さで保持し得る任意の保持手段、例えば、貯留タンク１０の上壁１０ａ上に設置した所定高さのフレーム材等を用いることができる。
【００２２】
なお、保護ケース２のキャップ部材２ｄの内端部は、図１に示すように、支軸７の位置決めのため、該支軸７に当接している。また、未説明の符号９は、図３に示した高周波発信部及び受信部を有するコントローラ１２から超音波振動子４に超音波パルスを発生させる電気パルスを供給し、逆に、超音波振動子４からコントローラ１２へ受波された音響エネルギーを供給するための外部ケーブル１３を接続するためのプラグである。９ａは、このプラグ９と超音波振動子４とを結ぶリード線である。
【００２３】
本実施の形態の超音波式液面センサ１は次のように使用される。まず、上記したように、検出液体の貯留タンク１０の上壁１０ａに形成された孔部１０ｂに、保護ケース２の下側筒部２ｂを挿通し、フランジ部２ａを上壁１０ａ上に当接してネジ止めして固定する。この結果、超音波良導体３の液体との接触可能部位３ｃの少なくとも一部が液体中に浸漬される。本実施の形態の超音波式液面センサ１は、上記のように、超音波良導体３、超音波振動子４及びシール部材５，６を保護ケース２内にユニット化している。従って、このようにして配設するだけで、超音波良導体３の非接触部位３ｂと超音波振動子４とを、シール部材５，６により液体と接触しないよう取り付けることができる。なお、本実施の形態のように予めユニット化されておらず、保護ケース２を用いずに貯留タンク１０に直接取り付ける場合には、まず、貯留タンク１０の上壁１０ａに形成された孔部１０ｂをシール部材５，６が装填される取付孔として利用し、この孔部１０ｂ内にシール部材５，６を配設し、そのリップ内周部に超音波良導体３を挿通して取り付ければよい。
【００２４】
液面高さを検出する際は、コントローラ１２から電気パルスを出力して、超音波振動子４を励振する。それにより、超音波振動子４から超音波パルスが発射され、超音波良導体３が図１上奥行き方向に振動し、超音波が伝播していく。
【００２５】
超音波は、液面１０ｃに到達するまでは、所定の伝播速度で超音波良導体３に沿ってその下端３ｄ方向に伝播していくが、この際、シール部材５，６が配設されている部位を通過する。上記したように、従来のものでは、シール手段通過時に超音波の伝播が妨げられていたが、本実施の形態によれば、シール手段としてリップ５２ａ，６２ａの内周部のみが超音波良導体３に接触するシール部材５，６を用いているため、従来の円筒状のゴム部材を用いたシール手段と異なり、シール部材５，６と超音波良導体３とが面ではなく、いわば線で接触しているに過ぎない。従って、シール手段を施すことによる超音波良導体３の振動阻害がほとんどない。また、使用環境温度が変化しても、シール部材５，６が超音波良導体３に対して線接触しているに過ぎないため、ゴム部の硬度変化に伴う悪影響も非常に少なく、安定している。また、支軸７が超音波良導体３を上記のように振動方向には動作自由に支持しているため、支軸７を設けても超音波良導体３の振動に対する悪影響は非常に少ない。
【００２６】
シール部材５，６が配設されている部位を通過した超音波は、液面１０ａに到達するまでは、所定の伝播速度で超音波良導体３に沿ってその下端３ｄ方向に伝播していくが、液面１０ｃに到達した時点から液体の抵抗を受けて、速度が遅くなって伝播していく。その後、超音波良導体３の下端３ｄで反射し、超音波振動子４に向かって伝播し、液面１０ｃを脱すると、再び速度を増して超音波振動子４に到達する。超音波振動子４で反射波として超音波が受波されるとその音響エネルギーがコントローラ１２へ供給され、電気信号に変換されると共に、さらに受信部で増幅されて演算回路で到達時間が計測され、該到達時間に対応する液面高さが検出される。検出結果は、コントローラ１２等に設けられている所定の表示部（図示せず）に表示される。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の超音波式液面センサ及びその取付方法によれば、シール手段としてリップの内周部のみが超音波良導体に接触するシール部材を用いているため、超音波振動子から供給される超音波パルスの伝播効率を従来のシール手段と比較して向上させることができる。また、超音波良導体と該シール部材との接触面積が非常に小さいため、使用環境、特に、使用温度の変化に左右されることなく安定した超音波パルスの伝播を可能とすることができる。従って、超音波良導体を液体に接触させて液面高さを検出する接触式の超音波式液面センサとして、実用に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の超音波式液面センサの一の実施の形態の要部を示す部分断面図である。
【図２】図２（ａ）は、同上の実施の形態にかかる超音波式液面センサで用いた一方のシール部材を示す部分正面断面図であり、図２（ｂ）は、斜め方向からみた断面図である。
【図３】図３は、同上の実施の形態にかかる超音波式液面センサの使用方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１  超音波式液面センサ
２  保護ケース
３  超音波良導体
４  超音波振動子
５  シール部材
６  シール部材
７  支軸
１０  貯留タンク
１２  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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