超音波トランスジューサ及び超音波レベル計
【課題】液面レベルの低い場合の残響特性の影響が少なく、液体の充填等の液面変化に強く、液面の低い場合から高い場合まで、簡単な制御で安定した液面計測を可能とする。
【解決手段】超音波レベル計は、容器３０の底部外壁面に取り付けられ、容器内部に収容された液体の液面に向けて超音波を送信させると共に、液面からの反射波を受信する超音波トランスジューサ１０を備える。超音波トランスジューサ１０は、円板状圧電素子１２とリング状圧電素子１３が同心円状に配置され、２つの圧電素子１２，１３がそれぞれ異なる振動状態（縦振動，横振動）により超音波の送受信を行う。
【解決手段】超音波レベル計は、容器３０の底部外壁面に取り付けられ、容器内部に収容された液体の液面に向けて超音波を送信させると共に、液面からの反射波を受信する超音波トランスジューサ１０を備える。超音波トランスジューサ１０は、円板状圧電素子１２とリング状圧電素子１３が同心円状に配置され、２つの圧電素子１２，１３がそれぞれ異なる振動状態（縦振動，横振動）により超音波の送受信を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波トランスジューサ及び超音波レベル計、より詳細には、超音波の伝播時間を利用して容器内の液体の液面レベルなどを計測するための超音波トランスジューサ及び該超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計に関する。
【背景技術】
【０００２】
送受信兼用の超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計は、超音波トランスジューサから超音波を送信し、その反射波を受信するまでの時間を計測し、その時間に基づいて対象物までの距離を算出するもので、対象物までの距離を正確かつ容易に計測することができるため、各種用途で利用されている。
【０００３】
貯槽内部の液面が高い位置にある場合（貯槽底面から遠距離にある場合）、液面が近い場合に比べて微弱な波であるため、従来の受信回路では、液面が高い場合であっても十分にエコーを取得するには増幅回路のゲインを高める必要があった。ところが、増幅回路を高ゲインにした場合、駆動残響が指数関数的に減衰しきるところまでの十分な時間が必要となってしまう。すなわち、高い液面まで対応させようとすると、駆動残響時間が長引くために、液面位置が低い場合に液面をとらえることができないという問題があった。
【０００４】
この問題を解決するために、受信回路をゲイン可変増幅回路で構成し、前回の計測結果で液面位置が低い場合には、低ゲインで反射エコーを検出する方法が考えられる。しかし、この方法では、液面位置が急激に変化するような場合、あるいは計測間隔が非常に長い場合には液面変動に追従できず、安定した計測ができない。
【０００５】
これに対して、特許文献１には、超音波トランスジューサの駆動タイミングを起点として時間に応じて信号の増幅率が大きくなるように制御することにより、残響により検出できない不感帯時間（距離）を調整し、常に安定した残響特性と感度特性を実現できるようにした技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２５７９８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術の場合、信号の増幅率を制御することで、残響により検出できない不感帯時間を調整し、常に安定した残響特性と感度特性を両立させるには限界がある。また貯槽の板厚が大きい場合、信号の増幅率を変化させると共に、超音波トランスジューサに入力するパルス信号の発振時間を変化させることにより、ある程度の残響による不感帯時間（距離）を短く調整できるが、調整にも限界があり、温度や経時変化等を考慮すると、検出マージンが問題となる上、上記調整のタイミングなどの制御が複雑化し、消費電力の増加が余儀なくされるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、液面レベルの低い場合の残響特性の影響が少なく、液体の充填等の液面変化に強く、液面の低い場合から高い場合まで、簡単な制御で安定した液面計測を可能とする超音波トランスジューサ及び該超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計を提供すること、を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、容器の底部外壁面に取り付けられ、該容器内部に収容された液体の液面に向けて超音波を送信させると共に、前記液面からの反射波を受信する超音波トランスジューサであって、２つの圧電素子が略同一箇所に配置され、該２つの圧電素子がそれぞれ異なる振動状態により超音波の送受信を行うことを特徴としたものである。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記２つの圧電素子が同心円状に配置されていることを特徴としたものである。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記２つの圧電素子のうち、送信用圧電素子の機械的共振周波数と、受信用圧電素子の電気的反共振周波数とが略等しいことを特徴としたものである。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１の発明において、前記容器の底部外壁面と前記２つの圧電素子との間に音響整合層を備え、前記音響整合層の厚みは、前記２つの圧電素子間で一致した共振周波数における音波の波長の１／２の整数倍に音響整合されていることを特徴としたものである。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記音響整合層は、前記２つの圧電素子のうち、一方の圧電素子が固定された第１の領域と、他方の圧電素子が固定された第２の領域とを備え、前記第１の領域と前記第２の領域との境界にスリットが形成されていることを特徴としたものである。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、前記音響整合層は、前記２つの圧電素子のうち、一方の圧電素子が固定された第１の部材と、他方の圧電素子が固定された第２の部材とにより一体的に形成され、前記第１の部材と前記第２の部材とがそれぞれ別の材質で構成されていることを特徴としたものである。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか１の発明における超音波トランスジューサと、該超音波トランスジューサにより超音波を送信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて前記液面の検出動作を制御する制御部とが接続されたことを特徴とする超音波レベル計である。
【００１５】
請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記制御部は、前記液面のレベルが所定レベル以下の場合、超音波の送信時、前記２つの圧電素子のうち、厚み方向に縦振動する一方の圧電素子を駆動させ、前記液面で反射した前記超音波の受信時、前記厚み方向と直交する方向に横振動する他方の圧電素子で前記超音波を受信するように制御することを特徴としたものである。
【００１６】
請求項９の発明は、請求項７の発明において、前記制御部は、前記液面のレベル及び／又は前記液面の状態に基づいて、前記２つの圧電素子の使用状態を切り換えることを特徴としたものである。
【００１７】
請求項１０の発明は、請求項７の発明において、前記制御部は、前記液面のレベルが所定レベルを超えている場合、前記液面で反射した超音波の受信時、前記２つの圧電素子を同時に使用して前記超音波を受信するように制御することを特徴としたものである。
【００１８】
請求項１１の発明は、請求項７の発明において、前記制御部は、前記液面のレベルが所定レベルを超えており且つ前記液面の揺れが発生した場合、超音波の送信時、前記２つの圧電素子を同時に駆動させ、前記液面で反射した前記超音波の受信時、前記２つの圧電素子を使用して前記超音波を受信するように制御することを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、液面レベルの低い場合の残響特性の影響が少なく、液体の充填等の液面変化に強く、液面の低い場合から高い場合まで、簡単な制御で安定した液面計測を可能とし、消費電力の低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計を容器に設置した状態の一例を示す図である。図中、１０は超音波トランスジューサ、２０はコントローラ（制御部）、３０は液化ガスや灯油等を収容する貯槽又は容器（以下、容器で代表する）、３１は液面を示す。超音波レベル計は、後述する２つの圧電素子を備えた超音波トランスジューサ１０と、超音波トランスジューサ１０により超音波を送信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて液面３１の検出動作を制御するコントローラ２０とで構成される。超音波トランスジューサ１０は、容器３０の外壁底面に図示しないマグネット等により設置され、有線によりコントローラ２０に接続されている。
【００２１】
なお、超音波トランスジューサ１０とコントローラ２０との間の通信を無線を介して行うように構成してもよく、この場合、配線の損傷や第三者による故意の切断等による動作不良を回避することが可能となる。
【００２２】
上記のような構成において、例えば、液体の液面３１を検出しようとする際に、作業者はコントローラ２０を操作して、超音波トランスジューサ１０から超音波ｗを送信し、主に液面３１で反射して戻ってきた反射エコーを受信し、この受信した反射エコーに基づいて液面位置、すなわち液面３１までの液面距離を算出し、さらに算出した液面距離に基づいて容器３０内の液体容量を算出することができる。
【００２３】
液面３１の高さを検出する際に、超音波トランスジューサ１０は、容器３０の底部壁に向けて上方に超音波ｗを送信する。送信した超音波ｗは、液面３１で反射して戻ってくるが、液面３１の高さに応じて超音波トランスジューサ１０が反射波を受信するまでの遅延時間が異なる。コントローラ２０は、受信した反射波の遅延時間から液面距離を算出するためのデータ、例えば温度や伝播速度（空気又は液体等）に応じた音速データ等を保持しており、このデータに基づいて液面距離を算出する。
【００２４】
図２は、図１に示した超音波トランスジューサ１０の詳細構成例を示す図である。図中、超音波トランスジューサ１０は、振動状態（振動モード）の異なる２つの圧電素子１２，１３を備え、容器３０と圧電素子１２，１３との間に設けられた音響整合層１１により、圧電素子１２，１３が音響整合される。これら２つの圧電素子１２，１３は略同一箇所（本例の場合、同心円状）に配置され、容器３０の底部外壁面に音響整合層１１を介して取り付けられる。そして、２つの圧電素子１２，１３は、それぞれ異なる振動モードにより超音波の送受信を行う。
【００２５】
すなわち、超音波トランスジューサ１０には、それぞれ異なる振動モードを有する圧電素子１２，１３が備えられ、本例の場合、圧電素子１２は円板状圧電素子であり、圧電素子１３はリング状圧電素子である。２つの圧電素子１２，１３のうち、円板状圧電素子１２に外部（図１に示したコントローラ２０）より電圧を印加し、この電気信号により電気機械変換された振動による超音波が音響整合層１１へと伝播され、容器３０の壁（板厚部）を透過し、媒質中の既存のＬＰＧなどの液体へと超音波が伝播される。その後、この媒質中を伝播し、液層と気層との境界面（図１に示した液面３１）にて全反射した超音波が、再び受信側の超音波トランスジューサ１０の一部であるリング状圧電素子１３で受信される。
【００２６】
このように、超音波トランスジューサを構成する２つの圧電素子が略同一な位置で超音波を送受信することができるため、送受信の効率が良く、実装スペースも最小限で済むため、小型コンパクトにすることができ、簡単な制御で消費電力の低減を図ることができる。
また、２つの圧電素子の振動状態の相異により、受信時の残響特性が良く、液面レベルが低い場合でも液面検出が可能となる。
【００２７】
図３は、円板状圧電素子１２とリング状圧電素子１３の周波数インピーダンス特性の一例を示す図である。図中、４１は円板状圧電素子１２の周波数インピーダンスで、４２はリング状圧電素子１３の周波数インピーダンスである。図中の点線部において、送信時に縦振動モード（Ａモード）を行う。このＡモードでは円板状圧電素子１２を縦（厚み）方向に機械振動させ、機械的共振周波数ｆ３により超音波を伝播させる。また、受信時に横振動モード（Ｂモード）を行う。このＢモードではリング状圧電素子１３を円板状圧電素子１２の縦振動とは直交関係となる横方向へ広がり振動させる。この際、リング状圧電素子１３の電気的反共振周波数ｆ２が、円板状圧電素子１２の機械的共振周波数ｆ３と略同一周波数（ｆ２≒ｆ３）となる。
【００２８】
このように、送信用圧電素子（円板状圧電素子）の厚み（液面）方向への縦振動による機械的共振周波数ｆ３が、受信用圧電素子（リング状圧電素子）の電気的反共振周波数ｆ２とほぼ一致していることで、互いの振動が阻害されることが無く、送受信の効率が良い超音波トランスジューサを提供することができる。
【００２９】
図４は、音響整合層１１の厚みと２つの圧電素子１２，１３の共振周波数との関係を説明するための図である。ここで、図３において略一致した共振周波数ｆ３≒ｆ２以下の周波数で、ｆ２近傍周波数における共振周波数ｆ（≒ｆ２≒ｆ３）において、音響整合層１１の厚みｔは、この周波数ｆによる音波の波長λのおおよそ１／２の整数倍ｍで音響整合される。
【００３０】
すなわち、音響整合層１１の厚みｔは下記の式（１）から求められる。
ｔ＝ｍ・λ／２＝ｍ・｛Ｃ／（２ｆ）｝ …式（１）
但し、ｍ：整数、λ：音響整合層１１を伝搬する音波の波長、Ｃ：音響整合層１１を伝搬する縦波音波の速度、ｆ：２つの圧電素子間の共振周波数とする。例えば、ｍ＝１である場合、厚みｔ＝Ｃ／（２ｆ）の音響整合層となる。
【００３１】
このように、超音波トランスジューサの音響整合層の厚みが、２つの圧電素子で一致した共振周波数における音波の波長のおおよそ１／２の整数倍に音響整合することで、２つの圧電素子の振動特性を変化させること無く、超音波振動を発生でき、使用帯域内における不要な共振の発生を低減することができる。このため、Ｓ／Ｎが良く、効率の良い送受信特性が確保することができる。
【００３２】
図５は、本発明に係る超音波トランスジューサ１０の他の構成例を示す図である。本例における音響整合層１１は、２つの圧電素子１２，１３のうち、円板状圧電素子１２が固定された第１の領域１１１と、リング状圧電素子１３が固定された第２の領域１１２とを備える。そして、第１の領域１１１と第２の領域１１２との境界にスリット１４が形成されている。これにより、音響整合層１１は、２つの圧電素子１２，１３の境界で、スリット１４により一定の間隔をおいて分離される。
【００３３】
すなわち、円板状圧電素子１２の外周縁から一定の距離だけ離れた位置に、この外周に沿う形で相似形のリング状スリット１４が形成され、このスリット１４の外周には、さらに一定の距離を隔てて、リング状圧電素子１３が配置される。２つの圧電素子１２，１３は音響整合層１１と接着等により結合され、このスリット１４によって機械的にアイソレーションされた超音波トランスジューサ１０の放射面の構造を有する。図５の構造とすることで、２つの圧電素子１２，１３は、機械的にアイソレーションされ、同一の音響整合層１１に接着剤等で固定されていながら、互いの振動モードによる干渉が抑えられ、異なる振動モードで振動し、超音波の送受信を行うことができる。
【００３４】
このように、２つの圧電素子を固定する音響整合層が、圧電素子間の境界においてスリット（溝）で分離されるため、互いに異なる振動モードによる振動位相の微妙なズレを機械的に分離することができる。これにより、残響が少なく、個々の振動を効率良く伝播できるようになるため、消費電力の低減化が図れ、液面検出におけるＳ／Ｎの向上が期待できる。また温度や経時変化、互いの圧電素子振動による機械的なストレスを低減することができる。
【００３５】
図６は、本発明に係る超音波トランスジューサ１０の他の構成例を示す図である。本例における音響整合層１１は、２つの圧電素子１２，１３のうち、円板状圧電素子１２が固定された第１の部材１１ａと、リング状圧電素子１３が固定された第２の部材１１ｂとにより一体的に形成される。そして、第１の部材１１ａと第２の部材１１ｂとがそれぞれ別の材質で構成されている。
【００３６】
すなわち、音響整合層１１は、円板状圧電素子１２の外周と、この外周に沿う形で配置された、リング状圧電素子１３の内周との中心線を境界に、それぞれ材質の異なる２つの部材１１ａ，１１ｂが接合部１５で貼り合わされた構造を有する。そして、音響整合層１１の下面には振動モードが互いに異なる圧電素子１２，１３が接着固定され、これら互いに異なる振動モードによる振動を、互いに材質の異なる音響整合層の第１の部材１１ａ，第２の部材１１ｂへと伝播させ、超音波の送受信を行う。
【００３７】
このように、２つの圧電素子を固定する音響整合層が、圧電素子間の境界において材質の異なる２つの部材で構成されるため、２つの圧電素子の共振周波数の差（特性差）を緩和でき、更には機械的な振動における互いの干渉が低減できるので、送受信効率がよく、消費電力の低減化が図れ、更には液面検出におけるＳ／Ｎの向上が期待できる。また温度や経時変化、互いの圧電素子振動による機械的なストレスを低減することができる。
【００３８】
図７は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の一例を説明するための図である。本例は図１及び図２に示した超音波レベル計の構成に基づいて説明する。
超音波レベル計のコントローラ２０は、液面３１のレベルが所定レベル以下の場合、超音波ｗの送信時、２つの圧電素子１２，１３のうち、厚み（液面）方向に縦振動する円板状圧電素子１２を駆動させ、液面３１で反射した超音波ｗの受信時、厚み方向と直交する方向に横振動するリング状圧電素子１３で超音波ｗを受信するように制御する。
【００３９】
すなわち、図７（Ａ）に示すように、液面レベルが規定のレベルｈｘ以下の場合、特に近距離での残響を考慮して計測する場合、図７（Ｂ）に示すように、２つの圧電素子１２，１３のうち、送信用の縦振動をする円板状圧電素子１２を駆動し、電気機械変換された振動音波が音響整合層１１へ伝播され、これによる超音波ｗ１が、容器３０の壁を透過し、媒質中の液体（ＬＰＧ等）へ送信され、この媒質中を伝播し、液層と気層との境界面（液面３１）にて反射し、反射した超音波ｗ２が再び受信側のリング状圧電素子１３で受信される。
【００４０】
超音波ｗ２の受信時において、リング状圧電素子１３は、送信側の円板状圧電素子１２の振動方向と直交関係となる広がり振動（横方向振動）を行い、且つ、共振周波数が円板状圧電素子１２の共振周波数と略一致するようにしている。
【００４１】
このように、液面レベルが規定のレベル以下の場合、特に近距離での残響を考慮して計測する場合、２つの圧電素子のうち、縦振動する一方の圧電素子を駆動し、受信時には、送信側と直交関係となる広がり振動（横方向振動）し且つ上記一方の圧電素子と共振周波数が略一致した他方の圧電素子により、超音波を受信するので、送信側と振動が分離できるため、送信時の圧電素子による残響の影響が低減され、近距離検出における検出マージンを向上させることができる。さらに、送受信を別々の圧電素子にすることで、送受信効率が良く、液面検出におけるＳ／Ｎの向上を図ることができる。
【００４２】
図８は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。本例は図１及び図２に示した超音波レベル計の構成に基づいて説明する。
超音波レベル計のコントローラ２０は、液面３１のレベル及び／又は液面３１の状態に基づいて、２つの圧電素子１２，１３の使用状態を切り換える制御を行う。
【００４３】
すなわち、図８において、Ａモード（縦振動モード）では円板状圧電素子１２を動作させ、Ｂモード（横振動モード）ではリング状圧電素子１３を動作させる。本例の場合、液面３１のレベル（液面の高さ）や、液面３１の状態（液面の揺れなど）に応じて、超音波の送受信モード（Ａモード，Ｂモード）を使い分ける。
【００４４】
例えば、通常時においては、送信をＡモード、受信をＢモードにしておき、送信時に円板状圧電素子１２でのみ超音波の送信を行い、受信時にリング状圧電素子１３でのみ超音波の受信を行う。この際、容器３０の内部に媒質（ＬＰＧ等）を充填し、液面レベルがｈｘ以上となり且つ液面３１に揺れが発生したと判断（検出能力が低下）した場合には、超音波の送受信を行う圧電素子のモード（Ａモード，Ｂモード）を切り換えて、使い分けを行う。具体的には、送信の場合、Ａモードの円板状圧電素子１２に加えて、Ｂモードのリング状圧電素子１３を駆動させ、両方の圧電素子で超音波の送信を行い、受信の場合、Ｂモードのリング状圧電素子１３に加えて、Ａモードの円板状圧電素子１２でも受信し、両方の圧電素子で超音波の受信を行う。
【００４５】
このように、液面のレベル及び／又は液面の状態に応じて、さらには、温度変化による残響特性、感度特性などに応じて、送受信用の２つの圧電素子の使用状態を切り換える構成とすることで、２つの圧電素子の最適な使い分けが可能となるため、全計測範囲に渡って検出マージンが高く、常に安定した液面検出が可能となる。
【００４６】
図９は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。本例は図１及び図２に示した超音波レベル計の構成に基づいて説明する。
超音波レベル計のコントローラ２０は、液面３１のレベルが所定レベルを超えている場合、液面３１で反射した超音波ｗの受信時、２つの圧電素子１２，１３を同時に使用して超音波ｗを受信するように制御する。
【００４７】
すなわち、図９（Ａ）に示すように、液面３１のレベルが規定のレベルｈｘを超えた状態で、超音波を送受信する際に、図９（Ｂ）に示すように、超音波の受信時において、振動モードの互いに異なる２つの圧電素子１２，１３を同時に使用する。本例の場合、送信時はＡモードで一方の圧電素子のみで送信し、受信時はＡ＋Ｂモードで両方の圧電素子により受信するように制御される。
【００４８】
より具体的には、超音波を送信し伝播させる際には、Ａモードの円板状圧電素子１２を駆動し、電気機械変換された振動音波が音響整合層１１へ伝播され、これによる超音波振動が、容器３０の壁を透過し、媒質中の液体（ＬＰＧ等）へ送信され、この媒質中を伝播し、液層と気層との境界面（液面３１）にて反射し、再び受信側のリング状圧電素子１３と円板状圧電素子１２で受信される。
【００４９】
なお、受信時には、互いに振動モードの異なる、Ａモード（円板状圧電素子１２の縦振動）とＢモード（リング状圧電素子１３の横振動）の２つの振動モードによる圧電素子により、ほぼ同時に液面境界で反射し再び戻ってくる超音波を受信する。この際、互いの圧電素子１２，１３の電気的反共振周波数がほぼ一致していることと、互いの振動モードが直交関係となることで、図９（Ｂ）に示すように、Ａモード（円板状圧電素子１２）及びＢモード（リング状圧電素子１３）の位相がほぼ揃って縦横に振動する。
【００５０】
このように、液面のレベルが所定レベルを超えた場合、超音波を受信する際、２つの圧電素子を同時に使用し、２つの圧電素子によりほぼ同時に反射音波を受信することで、特に液面が遠い時（遠距離の液面計測時）に超音波信号の減衰による影響が少なく、効率良く超音波を受信することが可能となる。
【００５１】
図１０は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。本例は図１及び図２に示した超音波レベル計の構成に基づいて説明する。
超音波レベル計のコントローラ２０は、液面３１のレベルが所定レベルを超えており且つ液面３１の揺れが発生した場合、超音波ｗの送信時、２つの圧電素子１２，１３を同時に駆動させ、液面３１で反射した超音波ｗの受信時、２つの圧電素子１２，１３を使用して超音波ｗを受信するように制御する。
【００５２】
ずなわち、図１０に示すように、液面３１のレベルが規定のレベル：ｈｘを超え、液面３１の揺れが発生した場合、送信時に２つの圧電素子１２，１３を同時に使用（Ａ＋Ｂモード）し、これらを駆動し、送信パワーを増強させると同時に、受信時に、圧電素子１２，１３を切り換えることなく、２つの圧電素子１２，１３を同時に使用（Ａ＋Ｂモード）することで、液面３１の揺れにより分散され散乱される境界面からの反射音波を効率良く取得する。
【００５３】
このように、液面のレベルが所定レベルを超え、内容液の充填等により液面の揺れが発生した場合、送受信の２つの圧電素子を同時に駆動し、送信パワーを増強させ、液面の揺れ等により分散される反射波の超音波信号を、２つの圧電素子により広い範囲で、しかも効率良く受信できるので、液面に揺れがあっても安定した液面検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計を容器に設置した状態の一例を示す図である。
【図２】図１に示した超音波トランスジューサの詳細構成例を示す図である。
【図３】円板状圧電素子とリング状圧電素子の周波数インピーダンス特性の一例を示す図である。
【図４】音響整合層の厚みと２つの圧電素子の共振周波数との関係を説明するための図である。
【図５】本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を示す図である。
【図６】本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を示す図である。
【図７】本発明の超音波レベル計による液面検出処理の一例を説明するための図である。
【図８】本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。
【図９】本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。
【図１０】本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０…超音波トランスジューサ、１１…音響整合層、１１ａ…第１の部材、１１ｂ…第２の部材、１２…圧電素子（円板状圧電素子）、１３…圧電素子（リング状圧電素子）、１４…スリット、１５…接合部、２０…コントローラ、３０…容器、３１…液面、４１…円板状圧電素子の周波数インピーダンス特性、４２…リング状圧電素子の周波数インピーダンス特性、１１１…第１の領域、１１２…第２の領域。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波トランスジューサ及び超音波レベル計、より詳細には、超音波の伝播時間を利用して容器内の液体の液面レベルなどを計測するための超音波トランスジューサ及び該超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計に関する。
【背景技術】
【０００２】
送受信兼用の超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計は、超音波トランスジューサから超音波を送信し、その反射波を受信するまでの時間を計測し、その時間に基づいて対象物までの距離を算出するもので、対象物までの距離を正確かつ容易に計測することができるため、各種用途で利用されている。
【０００３】
貯槽内部の液面が高い位置にある場合（貯槽底面から遠距離にある場合）、液面が近い場合に比べて微弱な波であるため、従来の受信回路では、液面が高い場合であっても十分にエコーを取得するには増幅回路のゲインを高める必要があった。ところが、増幅回路を高ゲインにした場合、駆動残響が指数関数的に減衰しきるところまでの十分な時間が必要となってしまう。すなわち、高い液面まで対応させようとすると、駆動残響時間が長引くために、液面位置が低い場合に液面をとらえることができないという問題があった。
【０００４】
この問題を解決するために、受信回路をゲイン可変増幅回路で構成し、前回の計測結果で液面位置が低い場合には、低ゲインで反射エコーを検出する方法が考えられる。しかし、この方法では、液面位置が急激に変化するような場合、あるいは計測間隔が非常に長い場合には液面変動に追従できず、安定した計測ができない。
【０００５】
これに対して、特許文献１には、超音波トランスジューサの駆動タイミングを起点として時間に応じて信号の増幅率が大きくなるように制御することにより、残響により検出できない不感帯時間（距離）を調整し、常に安定した残響特性と感度特性を実現できるようにした技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２５７９８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術の場合、信号の増幅率を制御することで、残響により検出できない不感帯時間を調整し、常に安定した残響特性と感度特性を両立させるには限界がある。また貯槽の板厚が大きい場合、信号の増幅率を変化させると共に、超音波トランスジューサに入力するパルス信号の発振時間を変化させることにより、ある程度の残響による不感帯時間（距離）を短く調整できるが、調整にも限界があり、温度や経時変化等を考慮すると、検出マージンが問題となる上、上記調整のタイミングなどの制御が複雑化し、消費電力の増加が余儀なくされるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、液面レベルの低い場合の残響特性の影響が少なく、液体の充填等の液面変化に強く、液面の低い場合から高い場合まで、簡単な制御で安定した液面計測を可能とする超音波トランスジューサ及び該超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計を提供すること、を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、容器の底部外壁面に取り付けられ、該容器内部に収容された液体の液面に向けて超音波を送信させると共に、前記液面からの反射波を受信する超音波トランスジューサであって、２つの圧電素子が略同一箇所に配置され、該２つの圧電素子がそれぞれ異なる振動状態により超音波の送受信を行うことを特徴としたものである。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記２つの圧電素子が同心円状に配置されていることを特徴としたものである。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記２つの圧電素子のうち、送信用圧電素子の機械的共振周波数と、受信用圧電素子の電気的反共振周波数とが略等しいことを特徴としたものである。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１の発明において、前記容器の底部外壁面と前記２つの圧電素子との間に音響整合層を備え、前記音響整合層の厚みは、前記２つの圧電素子間で一致した共振周波数における音波の波長の１／２の整数倍に音響整合されていることを特徴としたものである。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記音響整合層は、前記２つの圧電素子のうち、一方の圧電素子が固定された第１の領域と、他方の圧電素子が固定された第２の領域とを備え、前記第１の領域と前記第２の領域との境界にスリットが形成されていることを特徴としたものである。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、前記音響整合層は、前記２つの圧電素子のうち、一方の圧電素子が固定された第１の部材と、他方の圧電素子が固定された第２の部材とにより一体的に形成され、前記第１の部材と前記第２の部材とがそれぞれ別の材質で構成されていることを特徴としたものである。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか１の発明における超音波トランスジューサと、該超音波トランスジューサにより超音波を送信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて前記液面の検出動作を制御する制御部とが接続されたことを特徴とする超音波レベル計である。
【００１５】
請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記制御部は、前記液面のレベルが所定レベル以下の場合、超音波の送信時、前記２つの圧電素子のうち、厚み方向に縦振動する一方の圧電素子を駆動させ、前記液面で反射した前記超音波の受信時、前記厚み方向と直交する方向に横振動する他方の圧電素子で前記超音波を受信するように制御することを特徴としたものである。
【００１６】
請求項９の発明は、請求項７の発明において、前記制御部は、前記液面のレベル及び／又は前記液面の状態に基づいて、前記２つの圧電素子の使用状態を切り換えることを特徴としたものである。
【００１７】
請求項１０の発明は、請求項７の発明において、前記制御部は、前記液面のレベルが所定レベルを超えている場合、前記液面で反射した超音波の受信時、前記２つの圧電素子を同時に使用して前記超音波を受信するように制御することを特徴としたものである。
【００１８】
請求項１１の発明は、請求項７の発明において、前記制御部は、前記液面のレベルが所定レベルを超えており且つ前記液面の揺れが発生した場合、超音波の送信時、前記２つの圧電素子を同時に駆動させ、前記液面で反射した前記超音波の受信時、前記２つの圧電素子を使用して前記超音波を受信するように制御することを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、液面レベルの低い場合の残響特性の影響が少なく、液体の充填等の液面変化に強く、液面の低い場合から高い場合まで、簡単な制御で安定した液面計測を可能とし、消費電力の低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計を容器に設置した状態の一例を示す図である。図中、１０は超音波トランスジューサ、２０はコントローラ（制御部）、３０は液化ガスや灯油等を収容する貯槽又は容器（以下、容器で代表する）、３１は液面を示す。超音波レベル計は、後述する２つの圧電素子を備えた超音波トランスジューサ１０と、超音波トランスジューサ１０により超音波を送信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて液面３１の検出動作を制御するコントローラ２０とで構成される。超音波トランスジューサ１０は、容器３０の外壁底面に図示しないマグネット等により設置され、有線によりコントローラ２０に接続されている。
【００２１】
なお、超音波トランスジューサ１０とコントローラ２０との間の通信を無線を介して行うように構成してもよく、この場合、配線の損傷や第三者による故意の切断等による動作不良を回避することが可能となる。
【００２２】
上記のような構成において、例えば、液体の液面３１を検出しようとする際に、作業者はコントローラ２０を操作して、超音波トランスジューサ１０から超音波ｗを送信し、主に液面３１で反射して戻ってきた反射エコーを受信し、この受信した反射エコーに基づいて液面位置、すなわち液面３１までの液面距離を算出し、さらに算出した液面距離に基づいて容器３０内の液体容量を算出することができる。
【００２３】
液面３１の高さを検出する際に、超音波トランスジューサ１０は、容器３０の底部壁に向けて上方に超音波ｗを送信する。送信した超音波ｗは、液面３１で反射して戻ってくるが、液面３１の高さに応じて超音波トランスジューサ１０が反射波を受信するまでの遅延時間が異なる。コントローラ２０は、受信した反射波の遅延時間から液面距離を算出するためのデータ、例えば温度や伝播速度（空気又は液体等）に応じた音速データ等を保持しており、このデータに基づいて液面距離を算出する。
【００２４】
図２は、図１に示した超音波トランスジューサ１０の詳細構成例を示す図である。図中、超音波トランスジューサ１０は、振動状態（振動モード）の異なる２つの圧電素子１２，１３を備え、容器３０と圧電素子１２，１３との間に設けられた音響整合層１１により、圧電素子１２，１３が音響整合される。これら２つの圧電素子１２，１３は略同一箇所（本例の場合、同心円状）に配置され、容器３０の底部外壁面に音響整合層１１を介して取り付けられる。そして、２つの圧電素子１２，１３は、それぞれ異なる振動モードにより超音波の送受信を行う。
【００２５】
すなわち、超音波トランスジューサ１０には、それぞれ異なる振動モードを有する圧電素子１２，１３が備えられ、本例の場合、圧電素子１２は円板状圧電素子であり、圧電素子１３はリング状圧電素子である。２つの圧電素子１２，１３のうち、円板状圧電素子１２に外部（図１に示したコントローラ２０）より電圧を印加し、この電気信号により電気機械変換された振動による超音波が音響整合層１１へと伝播され、容器３０の壁（板厚部）を透過し、媒質中の既存のＬＰＧなどの液体へと超音波が伝播される。その後、この媒質中を伝播し、液層と気層との境界面（図１に示した液面３１）にて全反射した超音波が、再び受信側の超音波トランスジューサ１０の一部であるリング状圧電素子１３で受信される。
【００２６】
このように、超音波トランスジューサを構成する２つの圧電素子が略同一な位置で超音波を送受信することができるため、送受信の効率が良く、実装スペースも最小限で済むため、小型コンパクトにすることができ、簡単な制御で消費電力の低減を図ることができる。
また、２つの圧電素子の振動状態の相異により、受信時の残響特性が良く、液面レベルが低い場合でも液面検出が可能となる。
【００２７】
図３は、円板状圧電素子１２とリング状圧電素子１３の周波数インピーダンス特性の一例を示す図である。図中、４１は円板状圧電素子１２の周波数インピーダンスで、４２はリング状圧電素子１３の周波数インピーダンスである。図中の点線部において、送信時に縦振動モード（Ａモード）を行う。このＡモードでは円板状圧電素子１２を縦（厚み）方向に機械振動させ、機械的共振周波数ｆ３により超音波を伝播させる。また、受信時に横振動モード（Ｂモード）を行う。このＢモードではリング状圧電素子１３を円板状圧電素子１２の縦振動とは直交関係となる横方向へ広がり振動させる。この際、リング状圧電素子１３の電気的反共振周波数ｆ２が、円板状圧電素子１２の機械的共振周波数ｆ３と略同一周波数（ｆ２≒ｆ３）となる。
【００２８】
このように、送信用圧電素子（円板状圧電素子）の厚み（液面）方向への縦振動による機械的共振周波数ｆ３が、受信用圧電素子（リング状圧電素子）の電気的反共振周波数ｆ２とほぼ一致していることで、互いの振動が阻害されることが無く、送受信の効率が良い超音波トランスジューサを提供することができる。
【００２９】
図４は、音響整合層１１の厚みと２つの圧電素子１２，１３の共振周波数との関係を説明するための図である。ここで、図３において略一致した共振周波数ｆ３≒ｆ２以下の周波数で、ｆ２近傍周波数における共振周波数ｆ（≒ｆ２≒ｆ３）において、音響整合層１１の厚みｔは、この周波数ｆによる音波の波長λのおおよそ１／２の整数倍ｍで音響整合される。
【００３０】
すなわち、音響整合層１１の厚みｔは下記の式（１）から求められる。
ｔ＝ｍ・λ／２＝ｍ・｛Ｃ／（２ｆ）｝ …式（１）
但し、ｍ：整数、λ：音響整合層１１を伝搬する音波の波長、Ｃ：音響整合層１１を伝搬する縦波音波の速度、ｆ：２つの圧電素子間の共振周波数とする。例えば、ｍ＝１である場合、厚みｔ＝Ｃ／（２ｆ）の音響整合層となる。
【００３１】
このように、超音波トランスジューサの音響整合層の厚みが、２つの圧電素子で一致した共振周波数における音波の波長のおおよそ１／２の整数倍に音響整合することで、２つの圧電素子の振動特性を変化させること無く、超音波振動を発生でき、使用帯域内における不要な共振の発生を低減することができる。このため、Ｓ／Ｎが良く、効率の良い送受信特性が確保することができる。
【００３２】
図５は、本発明に係る超音波トランスジューサ１０の他の構成例を示す図である。本例における音響整合層１１は、２つの圧電素子１２，１３のうち、円板状圧電素子１２が固定された第１の領域１１１と、リング状圧電素子１３が固定された第２の領域１１２とを備える。そして、第１の領域１１１と第２の領域１１２との境界にスリット１４が形成されている。これにより、音響整合層１１は、２つの圧電素子１２，１３の境界で、スリット１４により一定の間隔をおいて分離される。
【００３３】
すなわち、円板状圧電素子１２の外周縁から一定の距離だけ離れた位置に、この外周に沿う形で相似形のリング状スリット１４が形成され、このスリット１４の外周には、さらに一定の距離を隔てて、リング状圧電素子１３が配置される。２つの圧電素子１２，１３は音響整合層１１と接着等により結合され、このスリット１４によって機械的にアイソレーションされた超音波トランスジューサ１０の放射面の構造を有する。図５の構造とすることで、２つの圧電素子１２，１３は、機械的にアイソレーションされ、同一の音響整合層１１に接着剤等で固定されていながら、互いの振動モードによる干渉が抑えられ、異なる振動モードで振動し、超音波の送受信を行うことができる。
【００３４】
このように、２つの圧電素子を固定する音響整合層が、圧電素子間の境界においてスリット（溝）で分離されるため、互いに異なる振動モードによる振動位相の微妙なズレを機械的に分離することができる。これにより、残響が少なく、個々の振動を効率良く伝播できるようになるため、消費電力の低減化が図れ、液面検出におけるＳ／Ｎの向上が期待できる。また温度や経時変化、互いの圧電素子振動による機械的なストレスを低減することができる。
【００３５】
図６は、本発明に係る超音波トランスジューサ１０の他の構成例を示す図である。本例における音響整合層１１は、２つの圧電素子１２，１３のうち、円板状圧電素子１２が固定された第１の部材１１ａと、リング状圧電素子１３が固定された第２の部材１１ｂとにより一体的に形成される。そして、第１の部材１１ａと第２の部材１１ｂとがそれぞれ別の材質で構成されている。
【００３６】
すなわち、音響整合層１１は、円板状圧電素子１２の外周と、この外周に沿う形で配置された、リング状圧電素子１３の内周との中心線を境界に、それぞれ材質の異なる２つの部材１１ａ，１１ｂが接合部１５で貼り合わされた構造を有する。そして、音響整合層１１の下面には振動モードが互いに異なる圧電素子１２，１３が接着固定され、これら互いに異なる振動モードによる振動を、互いに材質の異なる音響整合層の第１の部材１１ａ，第２の部材１１ｂへと伝播させ、超音波の送受信を行う。
【００３７】
このように、２つの圧電素子を固定する音響整合層が、圧電素子間の境界において材質の異なる２つの部材で構成されるため、２つの圧電素子の共振周波数の差（特性差）を緩和でき、更には機械的な振動における互いの干渉が低減できるので、送受信効率がよく、消費電力の低減化が図れ、更には液面検出におけるＳ／Ｎの向上が期待できる。また温度や経時変化、互いの圧電素子振動による機械的なストレスを低減することができる。
【００３８】
図７は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の一例を説明するための図である。本例は図１及び図２に示した超音波レベル計の構成に基づいて説明する。
超音波レベル計のコントローラ２０は、液面３１のレベルが所定レベル以下の場合、超音波ｗの送信時、２つの圧電素子１２，１３のうち、厚み（液面）方向に縦振動する円板状圧電素子１２を駆動させ、液面３１で反射した超音波ｗの受信時、厚み方向と直交する方向に横振動するリング状圧電素子１３で超音波ｗを受信するように制御する。
【００３９】
すなわち、図７（Ａ）に示すように、液面レベルが規定のレベルｈｘ以下の場合、特に近距離での残響を考慮して計測する場合、図７（Ｂ）に示すように、２つの圧電素子１２，１３のうち、送信用の縦振動をする円板状圧電素子１２を駆動し、電気機械変換された振動音波が音響整合層１１へ伝播され、これによる超音波ｗ１が、容器３０の壁を透過し、媒質中の液体（ＬＰＧ等）へ送信され、この媒質中を伝播し、液層と気層との境界面（液面３１）にて反射し、反射した超音波ｗ２が再び受信側のリング状圧電素子１３で受信される。
【００４０】
超音波ｗ２の受信時において、リング状圧電素子１３は、送信側の円板状圧電素子１２の振動方向と直交関係となる広がり振動（横方向振動）を行い、且つ、共振周波数が円板状圧電素子１２の共振周波数と略一致するようにしている。
【００４１】
このように、液面レベルが規定のレベル以下の場合、特に近距離での残響を考慮して計測する場合、２つの圧電素子のうち、縦振動する一方の圧電素子を駆動し、受信時には、送信側と直交関係となる広がり振動（横方向振動）し且つ上記一方の圧電素子と共振周波数が略一致した他方の圧電素子により、超音波を受信するので、送信側と振動が分離できるため、送信時の圧電素子による残響の影響が低減され、近距離検出における検出マージンを向上させることができる。さらに、送受信を別々の圧電素子にすることで、送受信効率が良く、液面検出におけるＳ／Ｎの向上を図ることができる。
【００４２】
図８は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。本例は図１及び図２に示した超音波レベル計の構成に基づいて説明する。
超音波レベル計のコントローラ２０は、液面３１のレベル及び／又は液面３１の状態に基づいて、２つの圧電素子１２，１３の使用状態を切り換える制御を行う。
【００４３】
すなわち、図８において、Ａモード（縦振動モード）では円板状圧電素子１２を動作させ、Ｂモード（横振動モード）ではリング状圧電素子１３を動作させる。本例の場合、液面３１のレベル（液面の高さ）や、液面３１の状態（液面の揺れなど）に応じて、超音波の送受信モード（Ａモード，Ｂモード）を使い分ける。
【００４４】
例えば、通常時においては、送信をＡモード、受信をＢモードにしておき、送信時に円板状圧電素子１２でのみ超音波の送信を行い、受信時にリング状圧電素子１３でのみ超音波の受信を行う。この際、容器３０の内部に媒質（ＬＰＧ等）を充填し、液面レベルがｈｘ以上となり且つ液面３１に揺れが発生したと判断（検出能力が低下）した場合には、超音波の送受信を行う圧電素子のモード（Ａモード，Ｂモード）を切り換えて、使い分けを行う。具体的には、送信の場合、Ａモードの円板状圧電素子１２に加えて、Ｂモードのリング状圧電素子１３を駆動させ、両方の圧電素子で超音波の送信を行い、受信の場合、Ｂモードのリング状圧電素子１３に加えて、Ａモードの円板状圧電素子１２でも受信し、両方の圧電素子で超音波の受信を行う。
【００４５】
このように、液面のレベル及び／又は液面の状態に応じて、さらには、温度変化による残響特性、感度特性などに応じて、送受信用の２つの圧電素子の使用状態を切り換える構成とすることで、２つの圧電素子の最適な使い分けが可能となるため、全計測範囲に渡って検出マージンが高く、常に安定した液面検出が可能となる。
【００４６】
図９は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。本例は図１及び図２に示した超音波レベル計の構成に基づいて説明する。
超音波レベル計のコントローラ２０は、液面３１のレベルが所定レベルを超えている場合、液面３１で反射した超音波ｗの受信時、２つの圧電素子１２，１３を同時に使用して超音波ｗを受信するように制御する。
【００４７】
すなわち、図９（Ａ）に示すように、液面３１のレベルが規定のレベルｈｘを超えた状態で、超音波を送受信する際に、図９（Ｂ）に示すように、超音波の受信時において、振動モードの互いに異なる２つの圧電素子１２，１３を同時に使用する。本例の場合、送信時はＡモードで一方の圧電素子のみで送信し、受信時はＡ＋Ｂモードで両方の圧電素子により受信するように制御される。
【００４８】
より具体的には、超音波を送信し伝播させる際には、Ａモードの円板状圧電素子１２を駆動し、電気機械変換された振動音波が音響整合層１１へ伝播され、これによる超音波振動が、容器３０の壁を透過し、媒質中の液体（ＬＰＧ等）へ送信され、この媒質中を伝播し、液層と気層との境界面（液面３１）にて反射し、再び受信側のリング状圧電素子１３と円板状圧電素子１２で受信される。
【００４９】
なお、受信時には、互いに振動モードの異なる、Ａモード（円板状圧電素子１２の縦振動）とＢモード（リング状圧電素子１３の横振動）の２つの振動モードによる圧電素子により、ほぼ同時に液面境界で反射し再び戻ってくる超音波を受信する。この際、互いの圧電素子１２，１３の電気的反共振周波数がほぼ一致していることと、互いの振動モードが直交関係となることで、図９（Ｂ）に示すように、Ａモード（円板状圧電素子１２）及びＢモード（リング状圧電素子１３）の位相がほぼ揃って縦横に振動する。
【００５０】
このように、液面のレベルが所定レベルを超えた場合、超音波を受信する際、２つの圧電素子を同時に使用し、２つの圧電素子によりほぼ同時に反射音波を受信することで、特に液面が遠い時（遠距離の液面計測時）に超音波信号の減衰による影響が少なく、効率良く超音波を受信することが可能となる。
【００５１】
図１０は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。本例は図１及び図２に示した超音波レベル計の構成に基づいて説明する。
超音波レベル計のコントローラ２０は、液面３１のレベルが所定レベルを超えており且つ液面３１の揺れが発生した場合、超音波ｗの送信時、２つの圧電素子１２，１３を同時に駆動させ、液面３１で反射した超音波ｗの受信時、２つの圧電素子１２，１３を使用して超音波ｗを受信するように制御する。
【００５２】
ずなわち、図１０に示すように、液面３１のレベルが規定のレベル：ｈｘを超え、液面３１の揺れが発生した場合、送信時に２つの圧電素子１２，１３を同時に使用（Ａ＋Ｂモード）し、これらを駆動し、送信パワーを増強させると同時に、受信時に、圧電素子１２，１３を切り換えることなく、２つの圧電素子１２，１３を同時に使用（Ａ＋Ｂモード）することで、液面３１の揺れにより分散され散乱される境界面からの反射音波を効率良く取得する。
【００５３】
このように、液面のレベルが所定レベルを超え、内容液の充填等により液面の揺れが発生した場合、送受信の２つの圧電素子を同時に駆動し、送信パワーを増強させ、液面の揺れ等により分散される反射波の超音波信号を、２つの圧電素子により広い範囲で、しかも効率良く受信できるので、液面に揺れがあっても安定した液面検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計を容器に設置した状態の一例を示す図である。
【図２】図１に示した超音波トランスジューサの詳細構成例を示す図である。
【図３】円板状圧電素子とリング状圧電素子の周波数インピーダンス特性の一例を示す図である。
【図４】音響整合層の厚みと２つの圧電素子の共振周波数との関係を説明するための図である。
【図５】本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を示す図である。
【図６】本発明に係る超音波トランスジューサの他の構成例を示す図である。
【図７】本発明の超音波レベル計による液面検出処理の一例を説明するための図である。
【図８】本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。
【図９】本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。
【図１０】本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０…超音波トランスジューサ、１１…音響整合層、１１ａ…第１の部材、１１ｂ…第２の部材、１２…圧電素子（円板状圧電素子）、１３…圧電素子（リング状圧電素子）、１４…スリット、１５…接合部、２０…コントローラ、３０…容器、３１…液面、４１…円板状圧電素子の周波数インピーダンス特性、４２…リング状圧電素子の周波数インピーダンス特性、１１１…第１の領域、１１２…第２の領域。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器の底部外壁面に取り付けられ、該容器内部に収容された液体の液面に向けて超音波を送信させると共に、前記液面からの反射波を受信する超音波トランスジューサであって、
２つの圧電素子が略同一箇所に配置され、該２つの圧電素子がそれぞれ異なる振動状態により超音波の送受信を行うことを特徴とする超音波トランスジューサ。
【請求項２】
前記２つの圧電素子が同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項３】
前記２つの圧電素子のうち、送信用圧電素子の機械的共振周波数と、受信用圧電素子の電気的反共振周波数とが略等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項４】
前記容器の底部外壁面と前記２つの圧電素子との間に音響整合層を備え、
前記音響整合層の厚みは、前記２つの圧電素子間で一致した共振周波数における音波の波長の１／２の整数倍に音響整合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項５】
前記音響整合層は、前記２つの圧電素子のうち、一方の圧電素子が固定された第１の領域と、他方の圧電素子が固定された第２の領域とを備え、
前記第１の領域と前記第２の領域との境界にスリットが形成されていることを特徴とする請求項４に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項６】
前記音響整合層は、前記２つの圧電素子のうち、一方の圧電素子が固定された第１の部材と、他方の圧電素子が固定された第２の部材とにより一体的に形成され、
前記第１の部材と前記第２の部材とがそれぞれ別の材質で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超音波トランスジューサと、該超音波トランスジューサにより超音波を送信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて前記液面の検出動作を制御する制御部とが接続されたことを特徴とする超音波レベル計。
【請求項８】
前記制御部は、前記液面のレベルが所定レベル以下の場合、超音波の送信時、前記２つの圧電素子のうち、厚み方向に縦振動する一方の圧電素子を駆動させ、前記液面で反射した前記超音波の受信時、前記厚み方向と直交する方向に横振動する他方の圧電素子で前記超音波を受信するように制御することを特徴とする請求項７に記載の超音波レベル計。
【請求項９】
前記制御部は、前記液面のレベル及び／又は前記液面の状態に基づいて、前記２つの圧電素子の使用状態を切り換えることを特徴とする請求項７に記載の超音波レベル計。
【請求項１０】
前記制御部は、前記液面のレベルが所定レベルを超えている場合、前記液面で反射した超音波の受信時、前記２つの圧電素子を同時に使用して前記超音波を受信するように制御することを特徴とする請求項７に記載の超音波レベル計。
【請求項１１】
前記制御部は、前記液面のレベルが所定レベルを超えており且つ前記液面の揺れが発生した場合、超音波の送信時、前記２つの圧電素子を同時に駆動させ、前記液面で反射した前記超音波の受信時、前記２つの圧電素子を使用して前記超音波を受信するように制御することを特徴とする請求項７に記載の超音波レベル計。
【請求項１】
容器の底部外壁面に取り付けられ、該容器内部に収容された液体の液面に向けて超音波を送信させると共に、前記液面からの反射波を受信する超音波トランスジューサであって、
２つの圧電素子が略同一箇所に配置され、該２つの圧電素子がそれぞれ異なる振動状態により超音波の送受信を行うことを特徴とする超音波トランスジューサ。
【請求項２】
前記２つの圧電素子が同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項３】
前記２つの圧電素子のうち、送信用圧電素子の機械的共振周波数と、受信用圧電素子の電気的反共振周波数とが略等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項４】
前記容器の底部外壁面と前記２つの圧電素子との間に音響整合層を備え、
前記音響整合層の厚みは、前記２つの圧電素子間で一致した共振周波数における音波の波長の１／２の整数倍に音響整合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項５】
前記音響整合層は、前記２つの圧電素子のうち、一方の圧電素子が固定された第１の領域と、他方の圧電素子が固定された第２の領域とを備え、
前記第１の領域と前記第２の領域との境界にスリットが形成されていることを特徴とする請求項４に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項６】
前記音響整合層は、前記２つの圧電素子のうち、一方の圧電素子が固定された第１の部材と、他方の圧電素子が固定された第２の部材とにより一体的に形成され、
前記第１の部材と前記第２の部材とがそれぞれ別の材質で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の超音波トランスジューサ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超音波トランスジューサと、該超音波トランスジューサにより超音波を送信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて前記液面の検出動作を制御する制御部とが接続されたことを特徴とする超音波レベル計。
【請求項８】
前記制御部は、前記液面のレベルが所定レベル以下の場合、超音波の送信時、前記２つの圧電素子のうち、厚み方向に縦振動する一方の圧電素子を駆動させ、前記液面で反射した前記超音波の受信時、前記厚み方向と直交する方向に横振動する他方の圧電素子で前記超音波を受信するように制御することを特徴とする請求項７に記載の超音波レベル計。
【請求項９】
前記制御部は、前記液面のレベル及び／又は前記液面の状態に基づいて、前記２つの圧電素子の使用状態を切り換えることを特徴とする請求項７に記載の超音波レベル計。
【請求項１０】
前記制御部は、前記液面のレベルが所定レベルを超えている場合、前記液面で反射した超音波の受信時、前記２つの圧電素子を同時に使用して前記超音波を受信するように制御することを特徴とする請求項７に記載の超音波レベル計。
【請求項１１】
前記制御部は、前記液面のレベルが所定レベルを超えており且つ前記液面の揺れが発生した場合、超音波の送信時、前記２つの圧電素子を同時に駆動させ、前記液面で反射した前記超音波の受信時、前記２つの圧電素子を使用して前記超音波を受信するように制御することを特徴とする請求項７に記載の超音波レベル計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−２３２８０１（Ｐ２００８−２３２８０１Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７２３２４（Ｐ２００７−７２３２４）
【出願日】平成１９年３月２０日（２００７．３．２０）
【出願人】（０００００６９３２）リコーエレメックス株式会社 (708)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２０日（２００７．３．２０）
【出願人】（０００００６９３２）リコーエレメックス株式会社 (708)
【Ｆターム（参考）】
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