JPH0814986A - 液体レベル検出装置 - Google Patents
液体レベル検出装置Info
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- JPH0814986A JPH0814986A JP16580294A JP16580294A JPH0814986A JP H0814986 A JPH0814986 A JP H0814986A JP 16580294 A JP16580294 A JP 16580294A JP 16580294 A JP16580294 A JP 16580294A JP H0814986 A JPH0814986 A JP H0814986A
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- piezoelectric substrate
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Landscapes
- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 直線性の分解能が高く、液体レベルの検出を
高精度で可能にさせる。 【構成】 圧電基板（１）上に距離（Ｌ）の間隔で入力
電極（２）と出力電極（３）とを配す。両電極（２，
３）間に液体（４）のレベルがくるように、圧電基板
（１）を被測定液体（４）内に入れる。圧電基板（１）
の表面上でのＳＨモード表面波エネルギーの液体中への
ロスを計測し、液体レベルを検出する。
高精度で可能にさせる。 【構成】 圧電基板（１）上に距離（Ｌ）の間隔で入力
電極（２）と出力電極（３）とを配す。両電極（２，
３）間に液体（４）のレベルがくるように、圧電基板
（１）を被測定液体（４）内に入れる。圧電基板（１）
の表面上でのＳＨモード表面波エネルギーの液体中への
ロスを計測し、液体レベルを検出する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は液体レベルの検知装置
に関する。
に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、液体レベルの検知はフロートによ
り液面高さを検出し、それを抵抗変化やインダクタンス
変化により検出するものや、投げ込み式の水位計のよう
に圧力により液面レベルを検出するものなどがある。さ
らにまた、液体の誘電率を利用した静電容量による液面
検知などがある。
り液面高さを検出し、それを抵抗変化やインダクタンス
変化により検出するものや、投げ込み式の水位計のよう
に圧力により液面レベルを検出するものなどがある。さ
らにまた、液体の誘電率を利用した静電容量による液面
検知などがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来のフロートによる
液面レベルの検知ではフロートがスムースに上下するた
めの機構が必要であり、液面レベルを高精度に検知する
ためにはフロートの上下による微少変位を精度良く測定
する必要がある。フロートの上下による変位を抵抗変化
で取り出す場合には、フロートの直線変位を直接、抵抗
変化に変換するだけでは充分な精度（分解能）が得られ
ず、精度を上げるためにはテコの原理による変位拡大機
構が必要となり、検出部の大きさが大きくなってしまう
という問題があった。また、差動トランスなどによりフ
ロートの微小変位の高精度検出が可能であるが、液面レ
ベルに対する出力信号の直線性が得られないという問題
があった。静電容量式においてはタンク壁面と検出電極
間の静電容量変化により液面レベルを検出するが、この
方式においても液面レベルと静電容量との関係は単純な
比例関係になく、事前の校正が必要であった。本発明の
目的は高精度で分解能が高く、直線性の良い液体レベル
検知装置を提供することにある。
液面レベルの検知ではフロートがスムースに上下するた
めの機構が必要であり、液面レベルを高精度に検知する
ためにはフロートの上下による微少変位を精度良く測定
する必要がある。フロートの上下による変位を抵抗変化
で取り出す場合には、フロートの直線変位を直接、抵抗
変化に変換するだけでは充分な精度（分解能）が得られ
ず、精度を上げるためにはテコの原理による変位拡大機
構が必要となり、検出部の大きさが大きくなってしまう
という問題があった。また、差動トランスなどによりフ
ロートの微小変位の高精度検出が可能であるが、液面レ
ベルに対する出力信号の直線性が得られないという問題
があった。静電容量式においてはタンク壁面と検出電極
間の静電容量変化により液面レベルを検出するが、この
方式においても液面レベルと静電容量との関係は単純な
比例関係になく、事前の校正が必要であった。本発明の
目的は高精度で分解能が高く、直線性の良い液体レベル
検知装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
すべくなされたもので、実施例に対応する図１で説明す
ると、本発明による液体レベル検知装置は、圧電基板１
上に所定の距離Ｌを隔てて配置された入力用電極２と出
力用電極３とを有する検出部１０と、その入力用電極２
と出力用電極３との間に被測定液体４を接触させ、ネッ
トワークアナライザ５などの弾性表面波の伝搬ロス計測
手段とにより液体のレベルを検出することを特徴とす
る。
すべくなされたもので、実施例に対応する図１で説明す
ると、本発明による液体レベル検知装置は、圧電基板１
上に所定の距離Ｌを隔てて配置された入力用電極２と出
力用電極３とを有する検出部１０と、その入力用電極２
と出力用電極３との間に被測定液体４を接触させ、ネッ
トワークアナライザ５などの弾性表面波の伝搬ロス計測
手段とにより液体のレベルを検出することを特徴とす
る。
【０００５】
【作用】本発明による液体レベル検知装置では入力電極
２に高周波の交流電圧を印加すると圧電基板１上に弾性
表面波が発生する。圧電基板１の結晶方位を適当に選ぶ
と発生する弾性表面波の種類が変わり、ＳＨ（Shear Ho
rizontal）モードの表面波を励振することができる。代
表的なものとして３６°ＹＸ回転−ＬｉＴａＯ3基板の
Ｘ方向伝搬がある。このＳＨモードの表面波は圧電基板
表面の垂直方向（図１中のＸ2 方向）への振動変位が小
さく、水平方向（図１中のＸ3 方向）への振動変位が大
きいという特徴を有している。ＳＨモードの表面波の伝
搬路に液体を負荷すると、基板表面の垂直方向の振動変
位が小さいために弾性表面波エネルギーの液体中への散
逸が少ないが、一方で基板表面の水平方向の振動変位が
大きいために負荷された液体の粘性により弾性表面波エ
ネルギーが液体中に放出される。ＳＨモードの弾性表面
波の伝搬は液体の負荷による伝搬ロスの変化は摂動理論
より以下のように導かれる。圧電基板表面に粘性流体が
負荷された場合の単位長さ当たりの伝搬ロスＩＬ〔dB／
mm〕は次式のようになる。
２に高周波の交流電圧を印加すると圧電基板１上に弾性
表面波が発生する。圧電基板１の結晶方位を適当に選ぶ
と発生する弾性表面波の種類が変わり、ＳＨ（Shear Ho
rizontal）モードの表面波を励振することができる。代
表的なものとして３６°ＹＸ回転−ＬｉＴａＯ3基板の
Ｘ方向伝搬がある。このＳＨモードの表面波は圧電基板
表面の垂直方向（図１中のＸ2 方向）への振動変位が小
さく、水平方向（図１中のＸ3 方向）への振動変位が大
きいという特徴を有している。ＳＨモードの表面波の伝
搬路に液体を負荷すると、基板表面の垂直方向の振動変
位が小さいために弾性表面波エネルギーの液体中への散
逸が少ないが、一方で基板表面の水平方向の振動変位が
大きいために負荷された液体の粘性により弾性表面波エ
ネルギーが液体中に放出される。ＳＨモードの弾性表面
波の伝搬は液体の負荷による伝搬ロスの変化は摂動理論
より以下のように導かれる。圧電基板表面に粘性流体が
負荷された場合の単位長さ当たりの伝搬ロスＩＬ〔dB／
mm〕は次式のようになる。
【０００６】 ＩＬ＝２０ log exp〔１／４Ｐ｛（ρωη／２）1/2 ・（ｖ1 2＋ｖ2 2）＋ηｖ s ( κ／（ρｖs 2 −κ））1/2 ・ｖ3 2｝〕 (1)
【０００７】ここで Ｐ：単位長さ当たりのパワーフ
ロー密度 ρ：液体の密度 η：液体の粘度 ｖ1 、ｖ2 、ｖ3 ：粒子速度成分 ｖs : 表面波の伝搬速度 κ：液体の体積弾性率 ω：角速度 Ｐ、ｖ1 、ｖ2 、ｖ3 、ｖs は材料固有の値であり、κ
は液体中の音速ｖ1 からκ＝ｖ1 2・ρより求まるので、
負荷する液体の密度、粘度がわかれば、（１）式からＩ
Ｌが求められる。この伝搬ロスＩＬは表面波伝搬路の単
位長さ当たりの値であるので、伝搬路Ｌ中で液体を負荷
した距離ｌに比例した伝搬ロスを出力として取り出すこ
とができる。
ロー密度 ρ：液体の密度 η：液体の粘度 ｖ1 、ｖ2 、ｖ3 ：粒子速度成分 ｖs : 表面波の伝搬速度 κ：液体の体積弾性率 ω：角速度 Ｐ、ｖ1 、ｖ2 、ｖ3 、ｖs は材料固有の値であり、κ
は液体中の音速ｖ1 からκ＝ｖ1 2・ρより求まるので、
負荷する液体の密度、粘度がわかれば、（１）式からＩ
Ｌが求められる。この伝搬ロスＩＬは表面波伝搬路の単
位長さ当たりの値であるので、伝搬路Ｌ中で液体を負荷
した距離ｌに比例した伝搬ロスを出力として取り出すこ
とができる。
【０００８】
【実施例】以下、図面に示す実施例についてさらに詳細
に説明する。図１は本発明による液体レベル検出装置の
一実施例の説明図である。圧電基板１上に所定の距離Ｌ
を隔てて入力用電極２と出力用電極３とを設けた検出部
１０の入力用電極２と出力用電極３の間に被測定液体４
を接触させ、入力用電極２、出力用電極３それぞれを弾
性表面波の伝搬ロス計測手段であるネットワークアナラ
イザ５の入出力に接続する。図２と図３は検出部１０に
ついて詳細に説明したものである。圧電基板１には３６
°ＹＸ回転−ＬｉＴａＯ3 基板を用い、伝搬方向がＸ方
向になるように、また検知したい液体のレベルに合わせ
て所定の間隔Ｌを隔てて入力用電極２、出力用電極３を
配置する。入力用電極２、出力用電極３ともすだれ状電
極（Interdigital Transducer)と呼ばれる構造のもの
で、その電極対のピッチλにより圧電基板１上を伝搬す
る弾性表面波の共振周波数が決まる。
に説明する。図１は本発明による液体レベル検出装置の
一実施例の説明図である。圧電基板１上に所定の距離Ｌ
を隔てて入力用電極２と出力用電極３とを設けた検出部
１０の入力用電極２と出力用電極３の間に被測定液体４
を接触させ、入力用電極２、出力用電極３それぞれを弾
性表面波の伝搬ロス計測手段であるネットワークアナラ
イザ５の入出力に接続する。図２と図３は検出部１０に
ついて詳細に説明したものである。圧電基板１には３６
°ＹＸ回転−ＬｉＴａＯ3 基板を用い、伝搬方向がＸ方
向になるように、また検知したい液体のレベルに合わせ
て所定の間隔Ｌを隔てて入力用電極２、出力用電極３を
配置する。入力用電極２、出力用電極３ともすだれ状電
極（Interdigital Transducer)と呼ばれる構造のもの
で、その電極対のピッチλにより圧電基板１上を伝搬す
る弾性表面波の共振周波数が決まる。
【０００９】入力用電極２、出力用電極３は圧電基板１
上に真空蒸着やスパッタリングによりアルミニウム、金
などの金属薄膜を形成し、フォトリソグラフィーにより
形成される。ネットワークアナライザ５より出力された
高周波信号は３６°ＹＸ回転−ＬｉＴａＯ3 基板のよう
な圧電基板１上に設けられた入力用電極２で高周波信号
はＳＨモードの弾性表面波振動に変換され、伝搬路をｘ
1 方向に向かって伝搬し、出力用電極３において再び高
周波信号に変換される。
上に真空蒸着やスパッタリングによりアルミニウム、金
などの金属薄膜を形成し、フォトリソグラフィーにより
形成される。ネットワークアナライザ５より出力された
高周波信号は３６°ＹＸ回転−ＬｉＴａＯ3 基板のよう
な圧電基板１上に設けられた入力用電極２で高周波信号
はＳＨモードの弾性表面波振動に変換され、伝搬路をｘ
1 方向に向かって伝搬し、出力用電極３において再び高
周波信号に変換される。
【００１０】ＳＨモードの表面波は圧電基板表面の垂直
方向（図３中のＸ2 方向）への振動変位が小さく、水平
方向（図２中のＸ3 方向）への振動変位が大きいため、
伝搬中に粘性を持った液体と接触すると表面波エネルギ
ーが液体中に失われる。この失われるエネルギーは弾性
表面波の伝搬路中で液体が接触している長さに比例する
ので図１で示したようにネットワークアナライザ５のよ
うな計測手段により高周波信号の伝搬ロスを計測するこ
とにより、表面波の伝搬路長Ｌ中において液体との接触
長さｌを検知することができる。
方向（図３中のＸ2 方向）への振動変位が小さく、水平
方向（図２中のＸ3 方向）への振動変位が大きいため、
伝搬中に粘性を持った液体と接触すると表面波エネルギ
ーが液体中に失われる。この失われるエネルギーは弾性
表面波の伝搬路中で液体が接触している長さに比例する
ので図１で示したようにネットワークアナライザ５のよ
うな計測手段により高周波信号の伝搬ロスを計測するこ
とにより、表面波の伝搬路長Ｌ中において液体との接触
長さｌを検知することができる。
【００１１】図４は本発明による液体レベル検知装置の
液面レベルｌとネットワークアナライザ５により測定さ
れる伝搬ロスとの関係を示したものである。液面レベル
がゼロの時でもＩＬ0 の伝搬ロスがあるが、液面レベル
ｌと伝搬ロスＩＬは比例関係になる。
液面レベルｌとネットワークアナライザ５により測定さ
れる伝搬ロスとの関係を示したものである。液面レベル
がゼロの時でもＩＬ0 の伝搬ロスがあるが、液面レベル
ｌと伝搬ロスＩＬは比例関係になる。
【００１２】図５は検出部１０の表面を保護膜６で覆っ
たものについての説明図である。入力用電極２、出力用
電極３は通常、金やアルミニウムなどの材料を用いて形
成されるが、電極材料としてアルミニウムを用いた場合
には被測定液体により、腐食される場合もあるので、レ
ジストや二酸化シリコンなどによる保護膜６を薄く（１
ミクロン以下）形成しておくと良い。
たものについての説明図である。入力用電極２、出力用
電極３は通常、金やアルミニウムなどの材料を用いて形
成されるが、電極材料としてアルミニウムを用いた場合
には被測定液体により、腐食される場合もあるので、レ
ジストや二酸化シリコンなどによる保護膜６を薄く（１
ミクロン以下）形成しておくと良い。
【００１３】本発明の実施例では圧電基板に３６°ＹＸ
回転−ＬｉＴａＯ3 基板を用いた場合について説明した
が、ＳＨモードの弾性表面波を発生するものとして、Ｓ
Ｔカット水晶、３６°あるいは４１°ＹＸ回転−ＬｉＮ
ｂＯ3 などが使用可能である。
回転−ＬｉＴａＯ3 基板を用いた場合について説明した
が、ＳＨモードの弾性表面波を発生するものとして、Ｓ
Ｔカット水晶、３６°あるいは４１°ＹＸ回転−ＬｉＮ
ｂＯ3 などが使用可能である。
【００１４】
【発明の効果】本発明による液体レベル検知装置ではフ
ロート式と比較して可動部が無いため、信頼性が高い。
さらに液面レベルに対する出力変化が線形であるため直
線性が良く、静電容量式のような面倒な校正が不要であ
る。また表面に薄い保護膜を形成することにより電極を
保護することにより、腐食性液体のレベル検知も可能で
ある。
ロート式と比較して可動部が無いため、信頼性が高い。
さらに液面レベルに対する出力変化が線形であるため直
線性が良く、静電容量式のような面倒な校正が不要であ
る。また表面に薄い保護膜を形成することにより電極を
保護することにより、腐食性液体のレベル検知も可能で
ある。
【図１】本発明による実施例を示す斜視図である。
【図２】本発明による実施例の検知部の平面図である。
【図３】本発明による実施例の検知部の断面図である。
【図４】本発明による実施例による出力特性のグラフ図
である。
である。
【図５】本発明による実施例の検知部の断面図である。
１ 圧電基板 ２ 入力用電極 ３ 出力用電極 ４ 被測定液体 ５ ネットワークアナライザ ６ 保護膜 １０ 検出部
Claims (2)
- 【請求項１】 圧電基板上に所定の距離を隔てて配置さ
れた入力用電極と出力用電極とを有し、その入力用電極
と出力用電極との間に被測定液体を接触させる検出部
と、弾性表面波の伝搬ロス計測手段とにより液体のレベ
ルを検出することを特徴とする装置。 - 【請求項２】 検出部表面を保護膜で覆ったことを特徴
とする請求項１に記載の液体レベル検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16580294A JPH0814986A (ja) | 1994-06-27 | 1994-06-27 | 液体レベル検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16580294A JPH0814986A (ja) | 1994-06-27 | 1994-06-27 | 液体レベル検出装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0814986A true JPH0814986A (ja) | 1996-01-19 |
Family
ID=15819277
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16580294A Pending JPH0814986A (ja) | 1994-06-27 | 1994-06-27 | 液体レベル検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0814986A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007292626A (ja) * | 2006-04-26 | 2007-11-08 | Epson Toyocom Corp | 液位検出装置 |
| WO2025219473A1 (de) * | 2024-04-18 | 2025-10-23 | Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. | Sensor für behälterinnenräume |
-
1994
- 1994-06-27 JP JP16580294A patent/JPH0814986A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007292626A (ja) * | 2006-04-26 | 2007-11-08 | Epson Toyocom Corp | 液位検出装置 |
| WO2025219473A1 (de) * | 2024-04-18 | 2025-10-23 | Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. | Sensor für behälterinnenräume |
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