JP2015010878A - 液面位置検出装置及び液面位置検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体の密度に基づいて、検出結果を補正する液面位置検出装置及び液面位置検出方法を提供する。
【解決手段】伝搬体１００の露出部分に表面波又は横波が反射する基準反射部１７０を設け、制御装置４００は、伝搬体１００の表面波の伝搬時間であって、液体９０の液面９１の位置に応じて変化する伝搬時間と、基準反射部１７０にて反射し戻ってくるまでの基準伝搬時間とを検出する。そして、前記基準伝搬時間に基づいて前記伝搬時間に基づいた前記液面位置を補正し、液面９１の位置を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液面位置検出装置及び液面位置検出方法に関する。

例えば、特許文献１には、金属製の超音波良導体のうち、液体中にある第１の部分を伝搬する表面波の音速が真空又は気体中にある第２の部分を伝搬する表面波の音速よりも遅くなることを利用して液体の液面位置を検出する装置が開示されている。

特開平４−８６５２５号公報

しかし、従来の液面検出装置では、測定対象である液体の密度が異なると、液体中にある導体を伝搬する表面波の音速が変動し、検出結果に影響を及ぼす問題点があった。液体の密度が異なる例としては、アルコールを混入したガソリンでは、アルコール濃度の異なる燃料を入れることで、液体の密度が異なることがあった。

そこで、本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、液体の密度に基づいて、検出結果を補正する液面位置検出装置及び液面位置検出方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点に係る液面位置検出装置は、液体に浸り、前記液体の液面位置に応じて前記液体に接触する液体接触部分と前記液体から露出する露出部分との境界が変位する、表面波又は板波が伝搬する伝搬体と、前記表面波又は板波を前記伝搬体に発生させる表面波発生手段と、前記表面波発生手段によって発生した前記表面波又は板波が前記伝搬体の第１箇所から前記境界を跨いで第２箇所まで伝搬する伝搬時間に基づいて前記液面位置を検出する液面位置検出手段と、を備え、前記伝搬体の前記露出部分に前記表面波又は横波が反射する基準反射部を設け、前記液面位置検出手段は前記表面波発生手段によって発生した前記表面波又は横波が前記伝搬体の前記基準反射部にて反射し戻ってくるまでの基準伝搬時間に基づいて前記伝搬時間に基づいた前記液面位置を補正するものである。

本発明の第２の観点に係る液面位置検出方法は、液体に浸り、前記液体の液面位置に応じて前記液体に接触する液体接触部分と前記液体から露出する露出部分との境界が変位する伝搬体の第１箇所に表面波又は板波を発生させ、発生させた前記表面波又は板波が当該伝搬体を前記第１箇所から前記境界を跨いで第２箇所まで伝搬する第１のステップと、前記伝搬体の前記第１箇所から前記第２箇所までの前記表面波又は板波の伝搬時間に基づいて前記液面位置を検出する第２ステップと、前記表面波発生手段によって発生した前記表面波又は横波が前記伝搬体の前記露出部分に設けた基準反射部にて反射し戻ってくるまでの基準伝搬時間を検出する第３ステップと、前記基準伝搬時間に基づいて前記伝搬時間に基づいた前記液面位置を補正する第４ステップと、を有するものである。

本発明に係る液面位置検出装置及び液面位置検出方法によれば、液体の密度に基づいて検出結果を補正する液面位置検出装置及び液面位置検出方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る液面位置検出装置の概略構成図である。 図１の紙面左方向から見た樹脂成形体及び振動子の概略構成図である。 図１の制御装置が実行する液面位置検出処理の一例を示すフローチャートである。 表面波としてレイリー波が伝搬するときの第１音速及び第２音速を、レイリー波が伝達する物質毎に示す図である。 中心周波数５ＭＨｚの振動子から供給されパルサーレシーバーで増幅された電気信号の波形を伝搬体の材料ごとに示す図である。 中心周波数２．２５ＭＨｚの振動子から供給されパルサーレシーバーで増幅された電気信号の波形を伝搬体の材料ごとに示す図である。 中心周波数１ＭＨｚの振動子から供給されパルサーレシーバーで増幅された電気信号の波形を伝搬体の材料ごとに示す図である。 中心周波数０．５ＭＨｚの振動子から供給されパルサーレシーバーで増幅された電気信号の波形を伝搬体の材料ごとに示す図である。 伝搬時間の理論値と図８の測定波形から得られる伝搬時間の実測値との関係を示すグラフの図である。 液体をガソリンとした場合の、振動子から供給されパルサーレシーバーで増幅された電気信号の波形を示す図である。 伝搬時間の理論値と図１０の測定波形から得られる伝搬時間の実測値との関係を示すグラフの図である。 ＰＰＳの伝搬体の、図８の測定波形を拡大した図である。 変形例に係る伝搬体の図である。 変形例に係る基準反射部の要部断面斜視図である。

本発明の一実施形態に係る液面位置検出装置１０を、図面を参照して説明する。

（液面位置検出装置１０の構成）
液面位置検出装置１０の構成を図１及び図２を参照して説明する。液面位置検出装置１０は、容器８０内に入れられた液体９０の液面９１の位置を検出する装置である。液体９０の量は増減し、液面９１も上下する。液面位置検出装置１０は、伝搬体１００と、振動子（ここでは、横波トランスデューサ）２００と、パルサーレシーバー３００と、制御装置４００と、を備える。

伝搬体１００は、表面波が伝搬するものであり、合成樹脂から構成されている。伝搬体１００は、上下方向に長尺な帯板形状である。例えば、伝搬体１００は、図１の上下方向の長さを３００ｍｍ、幅（図１の左右方向の長さ）を３０ｍｍ、厚さ（図１の紙面を貫く方向の長さ）を１０ｍｍの帯板形状とする。ここで、図１及び図２に示すように、伝搬体１００の６面のうち、上側の面（３０ｍｍ×１０ｍｍの面）を上面１５０といい、下側の面（３０ｍｍ×１０ｍｍの面）を下面１６０という。また、伝搬体１００の側面のうち面積の広い面（３００ｍｍ×３０ｍｍの面）を主面１１０及び主面１２０という。主面１１０の一部には、伝搬体１００を伝搬する表面波を反射する基準反射部１７０が設けられている。この基準反射部１７０は、主面１１０が窪んだ凹部である。伝搬体１００の主面１１０及び主面１２０以外の側面（３００ｍｍ×１０ｍｍの面）を側面１３０及び側面１４０という。後述のように、主面１１０に表面波が伝搬する。

伝搬体１００は、側面１３０及び側面１４０で容器８０に設けられた固定部材８１、８２に挟まれることによって、固定されている。伝搬体１００は、このような固定方法に限らない。伝搬体１００は、表面波の伝搬を阻害しないように、表面波が伝搬する主面１１０以外の側面を用いて固定されればよい。伝搬体１００は、下面１６０が容器８０の底面と長さｄだけ離間して配置される。伝搬体１００における、上面１５０から液面９１までの上下方向に沿った長さ（伝搬体１００が液体に浸っていない部分である第１部分１０１の長さ）Ｌ１と、下面１６０から液面９１までの上下方向に沿った長さ（伝搬体１００が液体に浸っている部分である第２部分１０２の長さ）Ｌ２とは、液体９０の増減によって変化する。

基準反射部１７０は、伝搬体１００の液体９０から常に露出している露出部分に設けられており、基準反射部１７０にて反射する表面波は、液体１０の影響を受けない。

振動子２００は、圧電素子などを含んで構成される。振動子２００は、伝搬体１００の上面１５０に押しつけられ、伝搬体１００の主面１１０に表面波を発生させる。振動子２００は、主面１１０に表面波を発生させやすいように、その中心が主面１１０及び上面１５０を構成する辺の中点と重なるように配置される。振動子２００は、パルサーレシーバー３００から供給される電気信号によって振動する。振動子２００の振動は伝搬体１００に伝達され、伝搬体１００の主面１１０の上端に表面波が発生する。この表面波は伝搬体１００の主面１１０を上端から下端に向かって伝搬する。この実施の形態では、この表面波は、超音波（例えば、２０ＫＨｚ以上の音波であればよい。）のパルス（超音波パルス）となっている。また、この表面波は、レイリー波である。また、振動子２００には、伝搬体１００を伝搬する表面波（後述の反射波）が伝達されて振動する。振動子２００は、この振動を電気信号に変換してパルサーレシーバー３００に供給する。振動子２００と伝搬体１００との間には、振動の伝わりを効率良くするための超音波用接触媒質を介在させてもよい。

パルサーレシーバー３００は、振動子２００に接続される。パルサーレシーバー３００は、パルサーとして、所定の電気信号（前記表面波として超音波パルスを発生させる電気信号）を振動子２００に供給し、振動子２００を振動させる。パルサーレシーバー３００は、レシーバーとして、振動子２００から供給される電気信号を受け取り、受け取った電気信号を増幅する。

制御装置４００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などから構成されるコンピュータ、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換器、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器などを含んで構成される。制御装置４００は、パルサーレシーバー３００に接続される。制御装置４００は、パルサーレシーバー３００を制御し、パルサーレシーバー３００から電気信号を振動子２００に供給させる。これによって、振動子２００は振動し、表面波としての超音波パルスが主面１１０に発生する。制御装置４００は、パルサーレシーバー３００で増幅された、振動子２００からの電気信号を受け取り、受け取った電気信号に基づいて後述の液面位置検出処理を行う。また、制御装置４００は、液面位置検出装置１０外部の外部装置６００とデータのやり取りが可能になっている。

（液面位置検出装置１０の動作）
次に液面位置検出装置１０の動作を、制御装置４００が実行する液面位置検出処理（図３参照）を中心に説明する。例えば、制御装置４００のコンピュータのＣＰＵが、ＲＡＭをメインメモリとして、ＲＯＭに格納されているプログラムに従って、及びＲＯＭに格納されている各種データを用いて、液面位置検出処理を実行する。制御装置４００は、例えば、外部装置６００からの指令に基づいて、液面位置検出処理を開始する。

制御装置４００は、液面位置検出処理において、パルサーレシーバー３００を制御して、主面１１０に表面波（超音波パルス）を発生させる（ステップＳ１０１）。

具体的には、制御装置４００は、パルサーレシーバー３００から電気信号を振動子２００に供給させる。これによって、振動子２００は振動する。振動子２００の振動は、伝搬体１００の主面１１０の上端に伝わる。この振動の伝達によって、伝搬体１００の主面１１０の上端（第１箇所）に表面波（超音波パルス）が発生する。この表面波は、伝搬体１００の主面１１０を上端から下端に向かって伝搬する。伝搬体１００の主面１１０を伝搬し、下端に到達した表面波は、下端で反射されて反射波として伝搬体１００の主面１１０を上端に向かって伝搬し、やがて上端（第２箇所）に到達する。このように、この実施の形態では、第１箇所から第２箇所まで表面波が伝搬するときに、気体に接触する第１部分１０１と液体９０に接触する第２部分１０２との境界を二回跨いで伝搬する。この反射波も表面波で超音波パルスである。上端に到達した反射波は、振動子２００を振動させる。また、伝搬体１００の主面１１０を伝搬し、基準反射部１７０に到達した表面波は、基準反射部１７０で反射されて基準反射波として伝搬体１００の主面１１０を上端に向かって伝搬し、やがて上端に到達する。振動子２００は、これらの振動を電気信号に変換して、パルサーレシーバー３００に供給する。パルサーレシーバー３００は、供給された電気信号を増幅して制御装置４００に供給する。なお、この増幅された振動の電気信号を以下では、反射波信号と基準反射波信号もいう。

制御装置４００は、ステップＳ１０１の処理を行ってから反射波信号と基準反射波信号が供給されるまでの期間を計測するために、ＲＡＭに設けられるタイマにタイマ初期値である０を設定する（ステップＳ１０２）。前記各期間は、反射波信号の場合は、主面１１０の上端で表面波を発生させたタイミングから、当該表面波の反射波が主面１１０の上端に到達するタイミングまでの期間であり、要するに振動子２００によって発生した表面波が主面１１０を往復する伝搬時間である。また、基準反射波信号の場合は、主面１１０の上端で表面波を発生させたタイミングから、当該表面波の基準反射波が主面１１０の上端に到達するタイミングまでの期間であり、要するに振動子２００によって発生した表面波が、上端から主面１１０に設けた基準反射部１７０までを往復する伝搬時間である。

ステップＳ１０２のあと、制御装置４００は、パルサーレシーバー３００から基準反射波信号が供給されたか否かを判定する（ステップＳ１０３）。この判定は、適宜の方法で行うことができるが、制御装置４００は、例えば、パルサーレシーバー３００によって振動子２００を振動させたあと、つまり、表面波を発生させたあと（例えば、前記タイマのタイマ値が予め定められた値（パルサーレシーバー３００による振動子２００の振動が終了するのに十分な期間の値）を超えたときよりもあとなど）に供給される電気信号（パルサーレシーバー３００から供給される電気信号）をサンプリングし、例えば、この電気信号の電圧に基づく値（例えば、電圧値、電圧値の２乗の所定期間における平均値、前記電圧値又は前記平均値の変化度、電気信号の振幅など）が予め定められた所定の閾値以上となったか否かを判定し、電気信号の電圧に基づく値が所定の閾値以上となった場合に、基準反射波信号が供給されたと判定する（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）。予め実験などによって基準反射波信号を測定しておき、測定結果に基づいて前記所定の閾値を定めておけばよい（例えばＲＯＭに格納しておけばよい）。この電気信号の電圧に基づく値が所定の閾値未満である場合には、基準反射波信号が供給されていないので（ステップＳ１０３；Ｎｏ）、制御装置４００は、前記タイマのタイマ値を＋１などして更新し（ステップＳ１０７）、再度ステップＳ１０３の処理を実行する。これによって、制御装置４００は、タイマで伝搬時間を計測しながら、基準反射波信号の受信まで待機する。

ステップＳ１０３のあと、制御装置４００は、パルサーレシーバー３００から反射波信号が供給されたか否かを判定する（ステップＳ１０４）。この判定は、前記基準反射波の判定方法と同様であり、制御装置４００は、例えば、パルサーレシーバー３００によって振動子２００を振動させたあと、つまり、表面波を発生させたあと（例えば、前記タイマのタイマ値が予め定められた値（パルサーレシーバー３００による振動子２００の振動が終了するのに十分な期間の値）を超えたときよりもあとなど）に供給される電気信号（パルサーレシーバー３００から供給される電気信号）をサンプリングし、例えば、この電気信号の電圧に基づく値（例えば、電圧値、電圧値の２乗の所定期間における平均値、前記電圧値又は前記平均値の変化度、電気信号の振幅など）が予め定められた所定の閾値以上となったか否かを判定し、電気信号の電圧に基づく値が所定の閾値以上となった場合に、反射波信号が供給されたと判定する（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）。予め実験などによって反射波信号を測定しておき、測定結果に基づいて前記所定の閾値を定めておけばよい（例えばＲＯＭに格納しておけばよい）。この電気信号の電圧に基づく値が所定の閾値未満である場合には、反射波信号が供給されていないので（ステップＳ１０４；Ｎｏ）、制御装置４００は、前記タイマのタイマ値を＋１などして更新し（ステップＳ１０７）、再度ステップＳ１０３の処理を実行する。これによって、制御装置４００は、タイマで伝搬時間を計測しながら、反射波信号の受信まで待機する。

反射波信号が供給された場合（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）、現在のタイマ値が振動子２００によって発生した表面波が主面１１０を往復する伝搬時間に応じたタイマ値になるので、このタイマ値にもとづいて、液面９１の位置（液面位置）を特定する（ステップＳ１０５）。詳しくは後述するが、伝搬体１００は合成樹脂製なので、主面１１０のうち液体９０に接触する部分（第２部分１０２）を伝搬する表面波（反射波も含む。）の伝搬速度（第２部分１０２を伝搬する表面波（音波）の速度であり、以下では第２音速という。）が、主面１１０のうち空気に接触する部分（第１部分１０１）を伝搬する表面波（反射波も含む。）の伝搬速度（第１部分１０１を伝搬する表面波（音波）の速度であり、以下では第１音速という。）よりも遅くなる。このため、前記タイマで計測される伝搬時間（現在のタイマ値に応じた期間）は、第２部分１０２の長さＬ２が長いほど、長くなる（図９参照）。このため、容器８０に多く液体９０が入っており容器８０の底面からの液面９１の位置が高いほど、伝搬時間も長くなる。例えば、伝搬時間と液面９１の位置との関係を予め実験などで特定し、特定した両者の関係をテーブル又は演算式としてＲＯＭに格納しておく。また、基準反射波信号の基準伝搬時間に応じたタイマ値に基づいて、液体９０の密度を特定する。これは、伝搬時間と液体９０の密度との関係を予め実験などで特定し、特定した両者の関係をテーブル又は演算式としてＲＯＭに格納しておく。制御装置４００は、ステップＳ１０５において、前記現在のタイマ値に応じた伝搬時間と、前記基準反射波信号の基準伝搬時間に応じたタイマ値に基づいて、ＲＯＭに格納したテーブルや演算式を用いて、液面９１の位置を特定する。

この実施の形態では、このようにして、制御装置４００は、伝搬体１００の第１箇所（主面１１０の上端）から第２箇所（主面１１０の上端）までの表面波の伝搬時間であって液体９０の液面９１の位置に応じて液体接触部分（第２部分１０２）が長くなるほど期間が長くなる伝搬時間を検出し、検出した伝搬時間に基づいて液面９１の位置を検出することになる。液面９１の位置は、例えば、伝搬体１００が液体９０に浸る第２部分１０２の長さＬ２（つまり、伝搬体１００の下面１６０から液面９１までの長さ）や、容器８０の底面から液面９１の高さなどで表されればよい。液面９１の位置を第２部分の長さＬ２で表すときは、第２部分１０２の長さＬ２が０ｍｍであれば液面９１は伝搬体１００の下面１６０よりも下にあることになり、第２部分の長さＬ２が１００ｍｍであれば、液面９１は伝搬体１００の下面１６０から１００ｍｍ上にあることになる。容器８０の底面から液面９１の高さは、液体９０の深さであり、長さＬ２＋長さｄ（図１など）で求められる。なお、長さｄが短ければ短いほど、伝搬体１００が液体９０に浸る第２部分１０２の長さＬ２の値と容器８０の底面から液面９１の高さの値とは近づくことになる。

なお、以下では、主面１１０のうち空気に接触する部分（第１部分１０１）を伝搬する表面波（ここではレイリー波である。）を、単にレイリー波とも呼ぶ。主面１１０のうち液体９０に接触する部分（第２部分１０２）を伝搬する表面波は、そのエネルギーの一部を液体９０に放出しながら伝搬するため、このような表面波を以下では漏洩レイリー波とも呼ぶ。漏洩レイリー波の方がレイリー波よりも減衰が大きくなる。

制御装置４００は、ステップＳ１０５で液面９１の位置を特定したあと、特定した液面９１の位置を外部装置６００に出力する（ステップＳ１０６）。外部装置６００は、例えば、ディスプレイなどであり、液面９１の位置を表示する。

（伝搬体１００について）
伝搬体１００は、金属で形成するよりも合成樹脂で形成した方がよい。この理由を、図４を参照して説明する。図４は、表面波としてレイリー波が伝搬するときの第１音速及び第２音速を、レイリー波が伝達する物質毎に示す図である。図４における、第１音速は、その物質が空気と接触するときの表面波（音波でありレイリー波）の速度であり、第２音速は、その物質が水と接触するときの表面波（音波であり漏洩レイリー波）の音速である。第１音速及び第２音速は、実験により測定しても得られるし、レイリー波や漏洩レイリー波の方程式からも得られる。図４に示すように、ステンレス、鋼、アルミニウムなどの金属では、第１音速と第２音速とが殆ど変化しない（しかも第２音速の方が早くなっている。）。これは、金属全般にいえると考えられる。また、第１音速と第２音速とが殆ど変化しないことは、その金属が水以外の液体に接触する場合にもいえると考えられる。上記方法によって液面９１の位置を検出するときには、第１音速と第２音速との差を利用するので、第１音速と第２音速とが殆ど変化しない金属で伝搬体１００を形成すべきでない。一方、ポリエチレン、ポリスチレン、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）においては、第１音速と第２音速との差が大きく（特に金属に比べて差が大きい）、また金属と異なり第２音速の方が遅くなっている。これは、これら樹脂の、密度が小さく、音速が遅いからだと思われる。密度が小さく、音速が遅いのは合成樹脂全般にいえることなので、第１音速と第２音速との差が大きく、また第１音速よりも第２音速の方が遅いという点は、合成樹脂全般にいえると考えられる。これは、表面波（レイリー波）の音速は、接触する液体の密度及び音速によって決まるからである。また、第１音速と第２音速との差が大きく、また第１音速よりも第２音速の方が遅いという点は、その合成樹脂が水以外の液体に接触する場合にもいえると考えられる。このため、伝搬体１００は、合成樹脂で形成した方がよい。

次に、伝搬体１００は、合成樹脂のうち、どのようなもので形成するのが望ましいかを説明する。これについて、本願発明者が行った実験などについて以下に説明する。実験で用いた装置は、液面位置検出装置１０と同様の構成である。液体９０は水とした。また、ＰＰＳ、ＰＯＭ（ポリアセタール）それぞれを材料として、長さ３００ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの形状で伝搬体１００を形成した。パルサーレシーバー３００には、ＯＬＹＭＰＵＳ社製の５０７７ＰＲを用いた。パルサーレシーバー３００から出力される電気信号は電圧を２００Ｖとした。振動子２００には、中心周波数５ＭＨｚ、２．２５ＭＨｚ、１ＭＨｚ、０．５ＭＨｚの横波を発生させるものを用い、超音波用接触媒質には横波用のものを使用した。各材料の伝搬体１００および各周波数の振動子２００を液面位置検出装置１０に用いた場合について、液体９０を補充し、液面９１の位置（ここでは、伝搬体１００が液体９０に浸る第２部分１０２の長さＬ２によって表すもの。以下、これを液面レベルともいう。）を０ｍｍから２１０ｍｍまで、３０ｍｍずつ変化させたときの、振動子２００から出力される電気信号をパルサーレシーバー３００で増幅した波形を測定した。液面レベルはスケールを用い、目視で合わせた。図５〜８に中心周波数５ＭＨｚ、２．２５ＭＨｚ、１ＭＨｚ、０．５ＭＨｚの振動子２００それぞれを用いたときの波形を伝搬体１００の材料ごとに示す（縦軸は電圧、横軸は時間である）。なお、各図の測定波形は、１００個の測定波形を平均化したものである。また、各図に示す各測定波形において、主面１１０の下端で反射して上端に到達した反射波の部分（反射波信号の部分）を実線丸印で囲んだ。このような反射波を、以下では、下端反射波という。なお、主面１１０を伝搬する表面波は、一部液面９１の位置（第１部分１０１と第２部分１０２との界面）で一部反射される。この反射波の部分を点線丸印で囲んだ。このような反射波を、以下では、界面反射波という。なお、各反射波を確認できなかった場合には、丸で囲っていない。なお、各図の測定波形において、左側の大きく振動している部分は、表面波を主面１１０の上端に発生させるために振動子２００が振動した部分である。

図５〜８などを参照すると、ＰＯＭで伝搬体１００を形成した場合には、下端反射波を確認できなかった。これは、主面１１０を伝搬する表面波の減衰が大きいためと考えられる。なお、図５〜８などでは示していないが、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）で伝搬体１００を形成した場合も、下端反射波を確認できなかった。これも、主面１１０を伝搬する表面波の減衰が大きいためと考えられる。しかし、例えば、伝搬体１００の厚さを大きくするとともに振動子２００の振動の周波数を低くしたりするなどして、表面波の振幅を最初から大きくするようにすれば、下端反射波を確認できると考えられる。このため、これら樹脂でも液面９１の位置は検出可能と考えられる。一方で、ＰＰＳで伝搬体１００を形成した場合には、５ＭＨｚ、２．２５ＭＨｚ、１ＭＨｚ、０．５ＭＨｚのどの周波数の振動子２００においても下端反射波を確認できた。このため、ＰＰＳのように表面波の減衰が少ない樹脂で伝搬体１００を形成することは、液面９１の位置の検出に有効だと考えられる。また、０．５ＭＨｚの中心周波数の振動子２００を用いたときのように、中心周波数を低くした方が、下端反射波のＳ／Ｎ比（下端反射波とノイズとの比）が大きく、液面９１の位置の検出に有効だと考えられる。

次に、図９に、ＰＰＳで伝搬体１００を形成し、０．５ＭＨｚの振動子２００を使用したときの、各液面レベルの伝搬時間の理論値と実測値との関係を示す。図９では、横軸を液面レベル、縦軸を伝搬時間としている。

理論値は、下記の数式１によって求めたものである。「Ｔ」は伝搬時間の理論値、「ｌ」は液面レベル（往復するので、２倍にしている。）、ＶＲはＰＰＳを伝搬するレイリー波の音速、ＶＬＲはＰＰＳを伝搬するレイリー波の音速である。「６００」は、伝搬体１００の長さ３００ｍｍ×２の値である（表面波が往復するため）。

実測値は、図８に示す波形の反射波信号における電圧値の最小値を検出したタイミングを反射波の到達タイミング（伝搬時間の終期タイミング）とし、表面波を発生させるタイミングを開始タイミングとして計測した伝搬時間（計測値）を補正したものである。電圧値の最小値を検出したタイミングを反射波の到達タイミングとしているので、実際の伝搬時間と計測値とには誤差が生じる。この誤差を補正したものが実測値である。具体的には、液面レベルが０ｍｍのとき（つまり、伝搬体１００のすべてが第１部分１０１であるとき）の理論値と計測値との差（理論値−計測値）を、各計測値に加える。これによって得られたものが実測値である。なお、誤差はそれほど大きくなく、補正を行わなくとも理論値と計測値とは略同じとしてよい。反射波の到達タイミングをどのようなタイミングとするかは、任意に設定可能である。補正を行うか否かも任意である。

図９に示すように、理論値と実測値とは、ほぼ一致する。このため、本実施形態の考え方が正しいことが分かる。そして、図９のように、液面レベルに応じて伝搬時間は変化するので（特に、両者は比例関係にある。）、適切な条件で伝搬時間を測定すれば、液面レベルなどの液面９１の位置を精度良く検出できる。

以上で説明した各結果は、液体９０を水以外のものとした場合であっても同様である。例えば、液体９０をガソリンにしても、同様の結果が得られる（伝搬時間の値、第２音速等は適宜異なる）。なお、ガソリンでは、ＰＰＳの第２音速は、８４６［ｍ／ｓ］になる。図１０に、液体９０をガソリンにし、伝搬体１００をＰＰＳで形成し、上記と同様の方法で測定した波形を示す。なお、ここでは、液面レベルを０ｍｍから７０ｍｍまで、１０ｍｍずつ変化させたときの、振動子２００から出力される電気信号をパルサーレシーバー３００で増幅した波形を測定した。液面レベルは、上記のように液体９０を補充していくのではなく、伝搬体１００を上下方向に動かして調整した。各測定波形において、主面１１０の下端で反射して上端に到達した反射波（反射波信号）の部分を実線丸印で囲んだ。なお、各図の測定波形は、２０個の測定波形を平均化したものである。また、図１１に、上記と同様にして得た各液面レベルの伝搬時間の理論値と実測値との関係を示す。図１０及び図１１のように、ガソリンであっても、液面レベルに応じて伝搬時間が遅くなるので、液面位置の検出が可能である。特に、伝搬体１００をＰＰＳとすることで、Ｓ／Ｎ比も良好である。また、理論値と実測値とは、ほぼ一致する。このように、液体９０がガソリンであっても、液面レベルに応じて伝搬時間は変化するので（特に、両者は比例関係にある。）、適切な条件で伝搬時間を測定すれば、液面レベルなどの液面９１の位置を精度良く検出できる。

（本実施形態のまとめ）
このように、この実施の形態では、表面波又は横波が、伝搬体１００の基準反射部１７０にて反射し戻ってくるまでの基準伝搬時間に基づいて液面位置を補正するため、液体の密度の変化による影響を受けることなく、液面位置を検出することができる。また、合成樹脂製の伝搬体１００を伝搬する表面波によって液面９１の位置を検出でき、表面波による検出によって、伝搬体１００を厚さ方向において全体的に振動させずにすむので、液体９０の液面９１の位置を検出するために用いる部材である伝搬体１００が破損しにくくなっている。また、伝搬体１００を合成樹脂で形成することによって、レイリー波の音速と漏洩レイリー波の音速との差を大きくすることができるので、液面９１の位置の変化に応じて変化する伝搬時間の変化度を大きくすることができ、精度良く液面位置を検出できる。また、伝搬時間の変化度を大きくすることができるので、液面９１の位置を細かく検出できる。また、伝搬体１００をＰＰＳで形成することによって、下端反射波のＳ／Ｎ比（反射波信号のＳ／Ｎ比）を良好にすることができ、液面９１の位置を良好に検出できる。Ｓ／Ｎ比は、その材料の減衰定数によるので、液体９０を水とした場合に３つの材料（ＰＯＭ、ＰＰＳ、ＰＢＴ）のうちでＰＰＳを用いた場合のＳ／Ｎ比が最も良ければ、液体９０を他のガソリンなどの他の液体とした場合でもＳ／Ｎ比はＰＰＳが３つのうちで最も良いと考えられる。

なお、液面９１の位置の検出は、液面９１の詳細な位置を検出すること（上記のように、容器８０の底面からの液面９１の高さを検出すること）の他、液面９１の位置を何段階かに分けて現在の液面９１の位置がどの段階に属するかを検出することなども含む。このような場合、例えば、伝搬時間と液面９１の位置を複数段階に分けた各段階との関係を予め実験などで特定し、特定した両者の関係をテーブルなどとしてＲＯＭに格納しておく。制御装置４００は、ステップＳ１０５において、前記タイマ値に応じた伝搬時間に基づいて、ＲＯＭに格納したテーブルなどを用いて、伝搬時間に対応する段階（現在の液面９１の位置が属する段階）を特定することで、液面９１の位置を特定する。これによって、液面９１の位置を検出したことになる。また、伝搬時間の検出は、伝搬時間そのものを検出するほか、例えば、表面波の発生のあとの所定のタイミングから反射波信号などによって表される反射波の検出タイミングまでの期間を特定することによって行ってもよい。このような期間の検出も、結局は伝搬時間の検出に該当する。また、反射波の検出タイミングの遅れ時間（例えば、液面レベルが０ｍｍのとき（つまり、容器８０が空のとき）の伝搬時間を基準とした遅れ時間）に基づいて液面レベルを検出してもよい。なお、このような場合も、伝搬時間を検出して液面レベルを検出することに該当する。

（変形例）
本発明は、上記で説明した実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態に様々な変形（構成要素の削除を含む。）を施してもよい。以下に変形例を記載する。

（変形例１）
上記では、伝搬体１００を伝搬する波であって、液面９１の位置を検出することに用いる波として、表面波（特にレイリー波）を例示したが、このような波は、板波にしてもよい。伝搬体１００の厚さを薄くするなどして、表面波ではなく板波を発生させることでも、上記実施形態のように液面９１の位置を検出できる。なお、このような場合であっても、上記同様に伝搬体１００をＰＰＳにすることで、反射波について良好なＳ／Ｎ比が得られると考えられる。

（変形例２）
上記実施形態では、下端反射波の検出タイミング（下端反射波の主面１１０上端への到達タイミング）に基づいて、液面９１の位置を検出しているが、界面反射波の検出タイミング（界面反射波の主面１１０上端への到達タイミング）に基づいて、液面９１の位置を検出してもよい。この場合、液面９１の位置が高ければ高いほど、界面反射波の検出タイミングは早くなる。つまり、表面波を発生させてから界面反射波の主面１１０への到達タイミングまでの期間（以下、界面反射伝搬時間という。）が短くなる。

例えば、制御装置４００は、ステップＳ１０３において、パルサーレシーバー３００からの電気信号をサンプリングし、電気信号の電圧に基づく値（例えば、電圧値、電圧値の２乗の所定期間における平均値、前記電圧値又は前記平均値の変化度、電気信号の振幅など）が予め定められた所定の閾値以上となったか否かを判定し、この値が所定の閾値以上となった場合に、界面反射波の反射波信号が供給されたと判定する（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）。予め実験などによって界面反射波の反射波信号を測定しておき、測定結果に基づいて前記所定の閾値を定めておけばよい（例えばＲＯＭに格納しておけばよい）。

容器８０の底面から液面９１の高さ（液面９１の位置）と界面反射伝搬時間とは比例関係になるので、例えば、界面反射伝搬時間と液面９１の位置との関係を予め実験などで特定し、特定した両者の関係をテーブル又は演算式としてＲＯＭに格納しておく。制御装置４００は、ステップＳ１０５において、前記タイマ値に応じた期間（この期間が界面反射到達期間となる。）に基づいて、ＲＯＭに格納したテーブルや演算式を用いて、液面９１の位置を特定する。

ここで、０．５ＭＨｚの中心周波数の振動子２００を用い、ＰＰＳで伝搬体１００を形成したときの図８の測定波形の拡大図を図１２に示す。実線で囲む部分内の波形が下端反射波を示し、点線で囲む部分内の波形が、界面反射波を示す。図１２のように、液面レベルの変化に対して、下端反射波の検出タイミングよりも界面反射波の検出タイミングの方が敏感に変化する。つまり、液面９１の位置の変化に対して、下端反射波を用いたときの伝搬時間は変化が鈍いが、界面反射伝搬時間は変化の感度がよい。この点からすると、界面反射波の方が、液面９１の位置の検出に有利である。一方、Ｓ／Ｎ比は、下端反射波の方が良い。この点からすると、下端反射波の方が、液面９１の位置の検出に有利である。また、下端反射波を用いたときの伝搬時間は液面９１の位置が高いほど遅れることになる。この方が液面９１の位置を検出する場合に伝搬時間が長くなり好適に液面９１の位置を検出できる。このように、両者の検出方法には一長一短がある。なお、変形例１と同様に板波を用いて液面９１の位置を検出しても良い。

なお、伝搬体１００は金属製であってもよいが、金属で伝搬体１００を形成した場合、表面波の減衰が大きいので、伝搬体１００は合成樹脂製、特にＰＰＳが望ましい。

（変形例３）
伝搬体１００の形状は、上記の帯状形状に限らす、円柱状、多角柱状などであってもよく、曲がっていてもよい。また、伝搬体１００は、その長尺方向を液面９１の法線方向と平行として配置するほか、その長尺方向を液面９１の法線方向に対して傾けるように配置してもよい。これによって、表面波が伝わる距離を長くとることができ、液面９１の位置の検出の精度を上げることができる。また、主面１１０などの表面波が伝搬する面に、表面波の進行方向の沿って延びる凹部又は凸部を複数形成し、この面に凹凸を形成してもよい。例えば、図１３のように、凹部１１０ａを主面１１０に形成する。なお、図１３では、模式的に凹部１１０ａが模式的に描かれており、実際には多数の凹部１１０ａが主面１１０に形成される。また、図１３のハッチングを施した図は、伝搬体の断面図である。凹部又は凸部の形状は適宜の形状でよい。凹部の深さや幅、凸部の高さや幅は、表面波の波長よりも短くするとよい。これによって、表面波が凹部又は凸部の延びる方向に沿って伝搬しやすくなる。

（変形例４）
上記容器８０は、車両に搭載される燃料タンクであってもよい。この場合、液体９０は、ガソリンなどの燃料になる。このような場合、伝搬体１００は、例えば、燃料タンクに取り付けられる、燃料タンクから燃料を取り出す燃料ポンプを備える燃料圧送ユニットなどに取り付けられてもよい。伝搬体１００の取り付け構造は、表面波が伝搬する面が他の部材と接触しないようなものであればどのような構造であってもよい。なお、このような燃料タンクの場合、耐薬品性などの観点から伝搬体１００として使用される樹脂は限られている。特に、樹脂として、上記ＰＯＭ、ＰＰＳ、ＰＢＴが用いられることが多い。これら樹脂では、上記のように、ＰＰＳを用いるとＳ／Ｎ比が良いので（上記実験結果は液体９０を水とした場合であるが、ガソリンの場合も同様にＰＰＳがＳ／Ｎ比が良い）、燃料タンクの場合には特にＰＰＳで伝搬体１００を形成することが望ましい。

（変形例５）
パルサーレシーバー３００と制御装置４００は、別体の装置でなくてもよく、一体の装置として形成されてもよい。

（変形例６）
振動子２００は、伝搬体１００の主面１１０上に接触して配置してもよい。また、上記実施形態では、表面波の発生用と、表面波（反射波等）の受信用と、を同じ振動子２００として設けているが、発生用と受信用との２つの振動子２００を設けても良い。下端反射波を用いる場合には、気体と接触する第１部分１０１と液体と接触する第２部分１０２との両者にわたって伝搬する表面波（つまり、第１部分１０１と第２部分１０２との境界を跨いで伝搬する表面波）の伝搬時間が液面９１の位置によって変化するので、液面位置検出装置１０は、伝搬体１００の第１箇所から前記境界を跨いで第２箇所まで伝搬する表面波の伝搬時間であって前記液体の液面位置に応じて前記液体接触部分が長くなるほど長くなる伝搬時間を測定するものであればよい。なお、前記第１箇所と第２箇所は、例えば、第１部分１０１上の異なる箇所であってもよく、第２部分１０２上の異なる箇所であってもよく、上記実施形態のように、同じ箇所であってもよい。「第１箇所から前記境界を跨いで第２箇所まで」とは、境界を二度以上跨ぐ場合も含む。表面波は、振動子２００以外の他の手段によって発生させてもよい。

（変形例７）
表面波（反射波など）の受信は、振動子２００以外の他の手段によって行ってもよい。また、液面９１の上は空気以外の他の気体であってもよく、真空であってもよい。

（変形例８）
表面波は、レイリー波以外のものであってもよい。表面波は、超音波よりも低い周波数の音波であってもよい。また、表面波は、伝搬体１００の表面のみを伝搬するものであればよい。なお、厳密にいうと表面波が伝搬する伝搬体１００の表面とは深さがある。つまり、ここでいう表面とは、表面そのものと、表面から所定の深さまでの領域と、から構成される。所定の深さとは、伝搬体１００の厚さよりも短い長さの深さであり、表面波の波長とほぼ同じ長さの深さである。

（変形例９）
表面波は、パルス波でなくてもよく、例えば、バースト波などであってもよい。また、板波もパルス波やバースト波などであればよい。

（変形例１０）
ＰＰＳとしては、直鎖型、架橋型、反架橋型などがあり、さらに、ガラス繊維や無機フィラーなどのフィラー（添加材料）を添加したものなどがあるが、伝搬体１００に用いるＰＰＳとしては各種のＰＰＳを用いることができる。直鎖型、架橋型、反架橋型などの違い、フィラーの添加の有無やフィラーの種類の違いなどによる、表面波や板波の伝搬の状態（例えば、Ｓ／Ｎ比が良好なこと、表面波又は板波の音速など）への影響は小さいものと考えられる。

（変形例１１）
基準反射部１７０の形状は、例えば、図１４の（ａ）〜（ｃ）のような形状であっても良い。図１４（ａ）の基準反射部１７０の形状は、窪んだ凹部であり、凹部の形状が、半円柱形状である。なお、表面波を良好に反射するために、凹部の縁１７１は、振動子２００を設けた上面１５０に対して平行である。また、基準反射部１７０の他の形状としては、図１４（ｂ）に示すように、凹部の形状が、三角柱形状である。なお、この凹部形状においても、表面波を良好に反射するために、凹部の縁１７１は、振動子２００を設けた上面１５０に対して平行である。また、また、さらに他の基準反射部１７０としては、図１４（ｃ）に示すように、伝搬体１００に合成樹脂からなる六面体を接着剤などで固定し、基準反射部１７０としたものである。この六面体の場合でも、表面波を良好に反射するために、六面体の一辺１７１は、振動子２００を設けた上面１５０に対して平行である。なお、基準反射部１７０となる六面体は、六面体に限定されるものではなく、振動子２００を設けた上面１５０に対して平行であれば、どのような立体物でもよく、また、立体物は、伝搬体１００に一体に形成しても良い。

１０ 液面位置検出装置
８０ 容器
９０ 液体
９１ 液面
１００ 伝搬体
１０１ 第１部分
１０２ 第２部分
１１０ 主面
１５０ 上面
１７０ 基準反射部
２００ 振動子
３００ パルサーレシーバー
４００ 制御装置
６００ 外部装置

Claims (2)

1. 液体に浸り、前記液体の液面位置に応じて前記液体に接触する液体接触部分と前記液体から露出する露出部分との境界が変位する、表面波又は板波が伝搬する伝搬体と、前記表面波又は板波を前記伝搬体に発生させる表面波発生手段と、前記表面波発生手段によって発生した前記表面波又は板波が前記伝搬体の第１箇所から前記境界を跨いで第２箇所まで伝搬する伝搬時間に基づいて前記液面位置を検出する液面位置検出手段と、を備え、
   前記伝搬体の前記露出部分に前記表面波又は横波が反射する基準反射部を設け、前記液面位置検出手段は前記表面波発生手段によって発生した前記表面波又は横波が前記伝搬体の前記基準反射部にて反射し戻ってくるまでの基準伝搬時間に基づいて前記伝搬時間に基づいた前記液面位置を補正することを特徴とする液面位置検出装置。
2. 液体に浸り、前記液体の液面位置に応じて前記液体に接触する液体接触部分と前記液体から露出する露出部分との境界が変位する伝搬体の第１箇所に表面波又は板波を発生させ、発生させた前記表面波又は板波が当該伝搬体を前記第１箇所から前記境界を跨いで第２箇所まで伝搬する第１のステップと、
   前記伝搬体の前記第１箇所から前記第２箇所までの前記表面波又は板波の伝搬時間に基づいて前記液面位置を検出する第２ステップと、
   前記表面波発生手段によって発生した前記表面波又は横波が前記伝搬体の前記露出部分に設けた基準反射部にて反射し戻ってくるまでの基準伝搬時間を検出する第３ステップと、
   前記基準伝搬時間に基づいて前記伝搬時間に基づいた前記液面位置を補正する第４ステップと、を有することを特徴とする液面位置検出方法。