(57)【要約】【課題】  検出対象から反射される反射波の検出に際しノイズの影響を低減し、検出対象の位置をより正確に計測することが可能になる超音波計測回路およびそれを用いた液面検出装置を提供する。【解決手段】  検出対象に対して超音波センサ３より超音波を発射し、検出対象から反射される反射波を検出して検出対象の位置を計測する超音波計測回路であって、  超音波センサ３に対し超音波を発射させる駆動信号を与える送信回路１１０と、  超音波センサ３で受信される受信信号の中から反射波に相当する反射波信号を検出する受信回路１２０とを備え、  受信回路１２０は、駆動信号の発生時点から反射波を受信するよりも短い期間だけ、受信信号の信号レベルもしくは受信信号の判定レベルを変更する調整手段１２４を有することを特徴とする。【選択図】  図２
2006145403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象に対して超音波センサより超音波を発射し、前記検出対象から反射される反射波を検出して前記検出対象の位置を計測する超音波計測回路であって、
前記超音波センサに対し超音波を発射させる駆動信号を与える送信回路と、
前記超音波センサで受信される受信信号の中から前記反射波に相当する反射波信号を検出する受信回路とを備え、
前記受信回路は、前記駆動信号の発生時点から前記反射波を受信するよりも短い期間だけ、前記受信信号の信号レベルもしくは前記受信信号の判定レベルを変更する調整手段を有することを特徴とする超音波計測回路。
【請求項２】
前記受信回路は、前記受信信号を整流して検波信号に変換する検波回路と、この検波回路の前記検波信号と閾値とを比較処理する比較回路とを有し、
前記調整手段は、前記検波回路に与える前記受信信号の信号レベルを前記期間だけ低電位側へオフセットさせることを特徴とする請求項１に記載の超音波計測回路。
【請求項３】
前記受信回路は、前記受信信号を整流して検波信号に変換する検波回路と、この検波回路の前記検波信号と閾値とを比較処理する比較回路とを有し、
前記調整手段は、前記比較回路の前記閾値を前記期間だけ高くすることを特徴とする請求項１に記載の超音波計測回路。
【請求項４】
前記受信回路は、前記検波回路の前段に前記受信信号を増幅する増幅回路を有し、
前記検波回路は、前記受信信号を整流する整流回路と、この整流回路で整流した整流信号を検波するダイオード検波回路とを有し、
前記調整手段は、前記増幅回路の出力側と前記整流回路の入力側とを交流結合する結合コンデンサを有し、この結合コンデンサを通過する前記受信信号のリップル成分をオフセット電位として用いることを特徴とする請求項２に記載の超音波計測回路。
【請求項５】
検出対象およびこの検出対象より近い所定位置にある基準対象に対して、超音波センサより超音波を発射し、前記検出対象および前記基準対象からそれぞれ反射される反射波および基準波を検出して前記検出対象の位置を計測する超音波計測回路であって、
前記超音波センサに対し超音波を発射させる駆動信号を与える送信回路と、
前記超音波センサで受信される受信信号の中から、前記反射波に相当する反射波信号および前記基準波に相当する基準波信号を検出する受信回路とを備え、
前記受信回路は、前記駆動信号の発生時点から前記反射波を受信するよりも短い期間だけ、前記受信信号の信号レベルもしくは前記受信信号の判定レベルを変更する調整手段を有することを特徴とする超音波計測回路。
【請求項６】
前記期間は、前記基準波が前記基準対象にて再度反射される２次基準波が検出されるまでの期間に略等しい期間が設定されることを特徴とする請求項５に記載の超音波計測回路。
【請求項７】
請求項５に記載の超音波計測回路を備えた液面検出装置であって、
前記超音波センサが、液体を貯蔵するタンク内の底部に配置され、前記超音波センサから超音波を、前記検出対象となる前記液体の液面に対して発射し、この液面から反射される前記反射波を前記受信回路で処理して前記液体の液面位置を検出することを特徴とする液面検出装置。
【請求項８】
前記伝送管の内部には、前記所定位置において前記基準対象となる段部が形成され、前記超音波センサから発射された超音波の一部を前記基準波として前記超音波センサ側に反射するように構成されたことを特徴とする請求項７に記載の液面検出装置。
【請求項９】
前記受信回路より前記反射波信号および前記基準波信号を受けて、前記駆動信号の発生時点から前記各信号を検出するまでの超音波の各伝播時間を求め、これら各伝播時間に基いて前記液体の液面位置を検出する制御演算手段を有することを特徴とする請求項８に記載の液面検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサを用いて検出対象の位置を計測する超音波計測回路およびそれを用いた液面検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波計測回路の応用例として、タンク内の液体の液面レベルを検出する液面検出装置が知られている。この装置では、タンクの深さ方向に細い管状の伝送管を装着し、この伝送管の底部の水密ケースに超音波センサ（超音波振動子）を装着し、この超音波センサから超音波を発射し、液面で反射した反射波を超音波センサで受信することにより、液体の液面位置を計測している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−２４９６９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような構成によると、伝送管内に充満する液体中に伝播すると共に、水密ケースから伝送管自体にも伝達されて伝送管の肉部（つまりボデー本体）中を進行して超音波センサに入射する。すなわち、超音波センサは、液面からの反射波および伝送管の端部からの反射波の２種類の反射波を受信することになる。液面からの反射波は液面位置検出に必要な信号であるが、伝送管の端部からの反射波はいわゆるノイズであり、このノイズにより正確な液面検出は妨げられる可能性がある。
【０００４】
このようなことは、上記した液面検出装置に限らず、検出対象に対して超音波を発射し、この検出対象からの反射波を検出する超音波計測回路にとっても、例えば、超音波の伝播経路途中からの反射波など検出対象以外からの反射波（つまりノイズ）を受信しており、このノイズにより検出対象の正確な位置検出は妨げられる可能性があり、超音波計測の際の共通の問題である。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、検出対象から反射される反射波の検出に際しノイズの影響を低減し、検出対象の位置をより正確に計測することが可能になる超音波計測回路およびそれを用いた液面検出装置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】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するため、請求項１ないし請求項９に記載の技術的手段を採用する。
【０００７】
請求項１に記載の本発明の超音波計測回路によれば、検出対象に対して超音波センサより超音波を発射し、検出対象から反射される反射波を検出して検出対象の位置を計測する超音波計測回路であって、
超音波センサに対し超音波を発射させる駆動信号を与える送信回路と、超音波センサで受信される受信信号の中から反射波に相当する反射波信号を検出する受信回路とを備え、
受信回路は、駆動信号の発生時点から反射波を受信するよりも短い期間だけ、受信信号の信号レベルもしくは受信信号の判定レベルを変更する調整手段を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明は、超音波の伝播経路途中からの反射波ノイズ、特に信号レベルの比較的高いノイズは、検出対象の反射波より早い時点で超音波センサに入射し、反射波ノイズと検出対象の反射波とは受信時点が少し異なり、時間的に分けて対応可能であることに着目してなされたものである。
【０００９】
そこで本発明では、調整手段を用いて駆動信号の発生時点から反射波を受信するよりも短い期間だけ、受信信号の信号レベルもしくは受信信号の判定レベルを変更することで、検出対象以外からの反射波ノイズの影響を低減して誤検出を防ぐことが可能になると共に、検出対象の反射波を受信する時点では受信信号に対するレベル変更を中止することで、検出対象の反射波を安定的に検出可能になる。
【００１０】
請求項２に記載の本発明の超音波計測回路によれば、受信回路は、受信信号を整流して検波信号に変換する検波回路と、この検波回路の検波信号と閾値とを比較処理する比較回路とを有し、調整手段は、検波回路に与える受信信号の信号レベルを前記期間だけ低電位側へオフセットさせることで、比較的高いレベルの反射波ノイズが超音波センサに入射しても、前記期間中は確実に誤検出を防ぐことが可能になる。
【００１１】
請求項３に記載の本発明の超音波計測回路によれば、受信回路は、受信信号を整流して検波信号に変換する検波回路と、この検波回路の検波信号と閾値とを比較処理する比較回路とを有し、調整手段は、比較回路の閾値を前記期間だけ高くすることで、比較的高いレベルの反射波ノイズが超音波センサに入射しても、前記期間中は確実に誤検出を防ぐことが可能になる。
【００１２】
請求項４に記載の本発明の超音波計測回路によれば、受信回路は、検波回路の前段に前記受信信号を増幅する増幅回路を有し、検波回路は、受信信号を整流する整流回路と、この整流回路で整流した整流信号を検波するダイオード検波回路とを有し、
調整手段は、増幅回路の出力側と整流回路の入力側とを交流結合する結合コンデンサを有し、この結合コンデンサを通過する受信信号のリップル成分をオフセット電位として用いることを特徴とする。
【００１３】
それにより、特別なオフセット設定回路を追加せずに結合コンデンサを用いて受信信号にオフセット電位を与えることが可能になる。また、このオフセット電位であるリップル成分の電位レベルを、結合コンデンサの容量を変えることで比較的容易に調整が可能になる。
【００１４】
請求項５に記載の本発明の超音波計測回路によれば、検出対象およびこの検出対象より近い所定位置にある基準対象に対して、超音波センサより超音波を発射し、検出対象および基準対象からそれぞれ反射される反射波および基準波を検出して検出対象の位置を計測する超音波計測回路であって、
超音波センサに対し超音波を発射させる駆動信号を与える送信回路と、超音波センサで受信される受信信号の中から、反射波に相当する反射波信号および基準波に相当する基準波信号を検出する受信回路とを備え、
受信回路は、駆動信号の発生時点から反射波を受信するよりも短い期間だけ、受信信号の信号レベルもしくは受信信号の判定レベルを変更する調整手段を有することを特徴とする。
【００１５】
そこで本発明では、調整手段を用いて駆動信号の発生時点から反射波を受信するよりも短い期間だけ、受信信号の信号レベルもしくは受信信号の判定レベルを変更することで、検出対象以外からの反射波ノイズの影響を低減して誤検出を防ぐことが可能になると共に、検出対象の反射波を受信する時点では受信信号に対するレベル変更を中止することで、検出対象の反射波を安定的に検出可能になる。
【００１６】
しかも、受信回路は、所定位置にある基準対象からの基準波信号を検出するため、既知距離間の超音波の伝播時間を計測することで、現在の超音波の伝播速度が分かり、計測した検出対象の位置に対して温度補正を行うことが可能となる。
【００１７】
請求項６に記載の本発明の超音波計測回路によれば、前記期間は、基準波が基準対象にて再度反射される２次基準波が検出されるまでの期間に略等しい期間が設定されている。そこで、これ以降に受信する反射波ノイズのノベルは一段と低下しており、本発明では少なくともこの期間をカバーすることで実質的には誤検出のない計測が可能となる。
【００１８】
請求項７に記載の本発明の液面検出装置によれば、請求項５に記載の超音波計測回路を備えた液面検出装置であって、
超音波センサが、液体を貯蔵するタンク内の底部に配置され、超音波センサから超音波を、検出対象となる液体の液面に対して発射し、この液面から反射される反射波を受信回路で処理して液体の液面位置を検出することを特徴とする。
【００１９】
それにより、所定位置にある基準対象からの基準波信号を検出するため、既知距離間の超音波の伝播時間を計測することで、液体の温度を検出する温度センサを用いることなく、液体の液面位置、つまり液残量を確実に検出することが可能になる。
【００２０】
請求項８に記載の本発明の液面検出装置によれば、伝送管の内部には、所定位置において基準対象となる段部が形成され、超音波センサから発射された超音波の一部を基準波として超音波センサ側に反射するように構成され、所定位置にある基準対象からの基準波を比較的容易に入手可能になる。
【００２１】
請求項９に記載の本発明の液面検出装置によれば、受信回路より反射波信号および基準波信号を受けて、駆動信号の発生時点から各信号を検出するまでの超音波の各伝播時間を求め、これら各伝播時間に基いて液体の液面位置を検出する制御演算手段を有することを特徴とする。そこで本発明では、超音波の各伝播時間に基いて現在の超音波の伝播速度を求め、液体の液面位置、つまり液残量を確実に検出することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の超音波計測回路およびそれを用いた液面検出装置の一実施形態について説明する。
【００２３】
（液面検出装置の構造）
まず、液面検出装置の検出本体部分の構造について説明する。ここでは、自動車の燃料タンク内の燃料の液面位置を検出するための液面検出装置１に適用した場合を例として、説明するが、本発明は、燃料以外の液体の液面検出にも適用可能である。
【００２４】
図１は、液面検出装置１における燃料タンク２の部分断面図である。
【００２５】
液面検出装置１は、図１に示すように、液体である燃料１４を貯蔵するタンクとしての燃料タンク２、超音波振動子（超音波発信素子とも言う）である超音波センサ３、および超音波センサ３から発せられた超音波の伝播経路を形成する伝送管としてのボディ１２から構成されている。
【００２６】
超音波センサ３を構成する超音波振動子は、ピエゾ効果（電圧が印加されると体積が変化する一方、外部から力を受けると電圧を発生する特性）を有する物質、たとえばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等により円盤状に形成されている。超音波センサ３の表面および裏面（図に向かって左右両端面が相当）には、外部と電気的に接続される電極（図示なし）が形成されている。両電極は、それぞれ超音波センサ３の表面のほぼ全面および裏面のほぼ全面に亘って形成されている。
【００２７】
超音波センサ３は、両電極間に電圧を印加されると、上述したピエゾ効果により板厚方向である軸方向（図１において左右方向）に振動して超音波を発射する。両電極には、両電極を外部に電気的に接続するためのリード線６がそれぞれ接続されている。各リード線６は、それぞれ電極に半田付けされている。また、超音波センサ３は、ケースであるブラケット７およびカバー８内に密閉的に収納されている。
【００２８】
ケースの一方となるブラケット７は、例えば、樹脂材料から略有底円筒状に形成され、その底部７１に、超音波センサ３が配置されている。ブラケット７の底部７１と反対側の開口端部７２には、ケースの他方となるカバー８が装着されている。カバー８は、ブラケット７の開口端部７２に密着して固定され、これにより、超音波センサ３をブラケット７内に密閉している。
【００２９】
また、ブラケット７の外表面には、防振手段として突起７４がブラケット７と一体的に形成されている。突起７４は複数個設けられ、カバー８が装着されたブラケット７がボディ１２に取り付けられると、突起７４は、その先端としての円錐の頂点において、伝送管であるボディ１２の内面およびガイドパイプ９の端面に当接する。また、ブラケット７の表面において、各突起７４は、ボディ１２内におけるブラケット７の姿勢が一義的に定まり且つ全ての突起７４の先端がガイドパイプ９あるいは９ボディ１２に等間隔に当接するように設定されている。それにより、ブラケット７は、ボディ１２の孔部と同軸状の位置関係を安定して維持できる。
【００３０】
カバー８は、例えば、樹脂材料から形成され、その係止爪８２をブラケット７の係止孔７３に係止させてブラケット７に固定されている。また、カバー８には、超音波センサ３に接続されたリード線６をカバー８の外側へ延出させるための貫通孔８１が設けられている。カバー８のブラケット７と反対側の表面には、コネクタ部８３が形成されている。コネクタ部８３には導電性材料からなるターミナル８４が配設されている。
【００３１】
ターミナル８４には、一端が超音波センサ３の電極に接続されたリード線６の他端が、はんだ付け等により接続されている。コネクタ部８３に、外部の電気回路から延出されている図示しないコネクタを係合させることにより、超音波センサ３は外部の送受信回路１００および制御演算回路２００と電気的に接続される。また、カバー８と超音波センサ３との間には、スリーブ５に固定される形態で緩衝部材４が配置されている。
【００３２】
緩衝部材４は、柔軟な樹脂材料あるいはゴム材料等、例えば、ニトリルゴムから形成されている。緩衝部材４は、ブラケット７にカバー８が固定されると、ブラケット７内において圧縮されて弾性変形した状態となる。この緩衝部材４の弾性力により、超音波センサ３はブラケット７に押し付けられるので、超音波センサ３はブラケット７内の所定位置に固定される。緩衝部材４は、超音波センサ３から背後へ漏れる超音波パルスを吸収する役目も果たしている。これにより、超音波センサ３から発射される超音波パルスは、伝送管であるガイドパイプ９内の燃料１４中へ向けて進行する。
【００３３】
伝送管であるボディ１２は、樹脂材料、例えば、燃料タンク２内の燃料１４に対して安定性に優れる樹脂材料から形成されている。ボディ１２は、超音波センサ３を保持固定する、詳しくは、超音波センサ３を収納しているブラケット７を保持固定するための係止爪１２ａがボディ１２と一体的に形成されている。係止爪１２ａは複数個、例えば、４個設けられている。係止爪１２ａは、ブラケット７の蓋としてのカバー８の端部に係止すると弾性変形し、その弾性力によりカバー８はガイドパイプ９側へ押圧される。また、ボディ１２は、実際に超音波の伝播経路となる、ガイドパイプ９、反射板１１およびガイドパイプ１０を備えている。すなわち、ガイドパイプ９およびガイドパイプ１０の内部空間が超音波の伝播経路となっている。また、ガイドパイプ９およびガイドパイプ１０は、図1に示すように、それらの軸線Ａ、Ｂを直交させて配置されているが、両ガイドパイプ９、１０の中間に配置した反射板１１で超音波を反射させることにより、両ガイドパイプ９、１０間に超音波を伝播させている。
【００３４】
ガイドパイプ９は、金属材料から形成され、ガイドパイプ９の一端側（図１において右側）は、超音波センサ３を保持固定しているブラケット７に当接している。詳しくは、ブラケット７に設けられた突起７４の先端、つまり円錐の頂点に当接している。ガイドパイプ９は、アルミニウムダイカスト用合金により形成されている。
【００３５】
また、ガイドパイプ９は、その軸線Ａと直交する方向における断面形状が、円形に形成されるとともに、その超音波センサ３側端部（図１の右端）における内径寸法がｄ１、後述する反射板１１側端部（図１の左端）における内径寸法がｄ２となっている。また、ガイドパイプ９は、その軸線Ａと直交する方向における断面積が、超音波センサ３から遠ざかるに連れて、すなわち図１において右端から左方向に向かうに連れて小さくなるように形成されている。すなわち、ｄ１＞ｄ２という関係が成り立っている。
【００３６】
また、ガイドパイプ９には、図１に示すように、段部９１が形成されている。段部９１は、リング状に形成されるとともに、超音波センサ３に対向する面として形成されている。したがって、超音波センサ３から発射された超音波の一部は段部９１に入射する。この超音波は、段部９１で反射して超音波センサ３に向かって進み、超音波センサ３に入射することになる。
【００３７】
また、ガイドパイプ９の超音波センサ３と反対側（図１において左側）には、超音波センサ３から発射された超音波を燃料タンク２内の液面１４ａに向けて反射するための反射板１１が、配置されている。反射板１１は、金属材料、例えば、鉄系金属、好ましくはステンレス鋼板により形成されている。反射板１１は、図１に示すように、その反射面１１ａに入射した超音波センサ３から発射された超音波を、液面１４ａへ向けて反射するように設置され、液面に対して４５°傾斜させて設けられている。
【００３８】
反射板１１から液面１４ａ間の超音波伝播経路を形成する伝送管であるガイドパイプ１０は、ガイドパイプ９と同様に、ステンレス鋼管から形成されている。また、ガイドパイプ１０は、その軸線Ｂと直交する方向における断面形状が円形に形成されるとともに、その直径が全長に亘り一様に直径寸法ｄ３に形成されている。ガイドパイプ１０の直径寸法ｄ３は、ガイドパイプ９の反射板１１側端部における直径寸法ｄ２と等しく形成されている。また、ガイドパイプ１０の液面１４ａ側先端位置は、燃料タンク２内の燃料１４貯蔵量が最大時、つまり満タン時における液面１４ｂよりも、所定長さだけ上方に突き出すように設定されている。
【００３９】
以上説明した、ガイドパイプ９、反射板１１およびガイドパイプ１０は、ガイドパイプ９の軸線Ａとガイドパイプ１０の軸線Ｂとが、反射板１１の反射面１１ａ上において交差するような位置関係を形成している。ボディ１２は、超音波伝播経路としてのガイドパイプ９、反射板１１およびガイドパイプ１０相互の位置関係を高精度に維持しつつそれらを保持固定している。
【００４０】
（超音波計測回路）
次に、本発明の超音波計測回路について、液面検出装置１への適用回路を例として説明するが、本発明回路は液面検出以外の用途にも適用可能である。
【００４１】
図２は、超音波計測回路を含む液面検出装置１の全体構成を示すブロック図であり、図１において、超音波センサ３と接続される送受信回路１００および制御演算回路２００が対応する。
【００４２】
図２において、送受信回路１００は、送信回路１１０と受信回路１２０から構成され、送受信兼用の超音波センサ３に対して超音波の発射および超音波の受信処理を行う。もちろん、超音波センサ３を送信用と受信用に分けて設けてもよい。制御演算回路２００は、マイコンもしくは制御論理回路から構成され、例えば、自動車のイグニッションスイッチの投入など、外部より液面検出装置１の作動指令を受けるとこの制御演算回路２００が作動し、適切なタイミングで送受信回路１００を制御する。
【００４３】
詳述すると、送信回路１１０は、例えば、４０ｋＨｚで発振する高周波発信器１１１およびその発振信号を増幅する増幅回路１１２から構成され、制御演算回路２００から駆動信号Ｓ１を受けると発振信号を出力して、超音波センサ３つまり超音波振動子を駆動し、超音波を発射させる。ちなみに、高周波発信器１１１を省略し、制御演算回路２００より高周波信号を重畳した駆動信号Ｓ１を与えるようにしてもよい。
【００４４】
他方、受信回路１２０は、超音波センサ３で受信される受信信号を増幅する増幅回路１２１、その受信信号を半波整流して検波信号に変換する検波回路１２２、この検波回路１２２の検波信号と閾値とを比較処理する比較回路１２３、および駆動信号Ｓ１の発生時点から検出対象の反射波（この場合、液面波）を受信するよりも短い期間だけ、受信信号の信号レベル、もしくは受信信号の判定レベル、つまり比較回路１２３の閾値を変更する調整手段１２４から構成される。
【００４５】
そこで、本例では、検出対象である液体１４の液面１４ａ（１４ｂ）、および超音波伝播経路の途中であって超音波センサ３から所定距離だけ離れた位置に設けた段部９１からの反射波（この場合、前者を液面波、後者を基準波と言う）を受信し、検出処理する。この基準波を利用する理由は、燃料温度センサを用いずに、計測位置に対して温度補正を可能にするためである。本来、超音波の伝播速度には温度依存性があり、既知距離間の超音波の伝播時間を計測することで温度の影響度、もしくは現在の超音波の伝播速度が分かり、計測した液面位置に対して温度補正を行うことが可能になる。
【００４６】
ここで、調整手段１２４を設けた理由は、検出対象以外からの反射波（つまりノイズ）の影響を低減して誤検出を防ぐことと、検出対象の反射面状態（ここでは、自動車の路面状態や走行状態に関係した液面変動や液面傾斜）の変化に対して受信信号の信号レベルが変化しても、安定的に計測可能にすることとの両立を図るためである。
【００４７】
とりわけ、超音波の伝播経路途中からの反射波、例えば、超音波の進行方向を反射板１１で９０度変化させているため反射板１１から乱反射等の影響や、段部９１による基準波の再反射波である２次基準波の影響などがあり、また伝送管であるガイドパイプ９、１０の肉部内を伝播する反射波など、検出対象以外からの反射波（つまりノイズ）が存在する。
【００４８】
それに対し、本発明では、いずれのノイズ、特に信号レベルの比較的高いノイズは、検出対象の液面波より早い時点で超音波センサ３に入射し、これらの反射波ノイズと液面波とは受信時点が少し異なり、時間的に分けて対応可能なことに着目した。
【００４９】
すなわち、調整手段１２４の作用により、駆動信号Ｓ１の発生時点から検出対象の液面波を受信するよりも短い期間だけ、ノイズ対策のために受信信号の信号レベルを低くするか、もしくは受信信号の判定レベル、つまり比較回路１２３の閾値を高くすることでノイズによる誤検出を防止する。他方、上記期間後は、受信信号の信号レベルを低くせずにそのまま送出し、また閾値も通常値のままとすることで、液面波を感度良く検出でき、液体１４の液面変動や液面傾斜により液面波の信号レベルが低くなる場合でも安定的に計測可能になる。
【００５０】
次に、図３（ａ）〜（ｅ）は、図２に示す超音波計測回路の各部の信号波形を示すタイムチャートであり、以下、超音波センサ３で受信される受信信号の処理状況を補足する。
【００５１】
（ａ）は、制御演算回路２００から検出対象である液面変位（変位速さ）を考慮した所定周期で出力される駆動信号Ｓ１を示す。（ｂ）は、受信信号を増幅回路１２１で増幅した増幅信号Ｓ２を示し、時間的に発射波Ｓ２１、基準波Ｓ２２、液面波Ｓ２３の順に受信、増幅され、超音波センサ３から検出対象までの距離が遠いほど減衰により信号レベルは低くなる。（ｃ）は、増幅信号Ｓ２を検波回路１２２で半波整流した後に検波した検波信号Ｓ３を示す。（ｄ）は、比較回路１２３に入力される検波信号Ｓ３と所定の閾値Ｖｓとの電位関係を示す。（ｅ）は、比較回路１２３から出力される比較信号Ｓ４を示し、時間ｔ１は超音波センサ３から段部９１を往復する伝播時間、時間ｔ２は超音波センサ３から液面１４ａを往復する伝播時間を示す。
次に、制御演算回路２００における計測作動を、図４に示すフローチャートに基いて説明する。
【００５２】
制御演算回路２００は、所定周期で駆動信号Ｓ１を送信回路１１０に与える（ステップ２０１）と共に、経過時間ｔを計測するためにタイマー処理を開始する（ステップ２０２）。続いて、受信回路１２０の比較回路１２３より比較信号Ｓ４を入力し、基準波信号Ｓ２２を受信すると、駆動信号Ｓ１の発生時点から基準波信号Ｓ２２を受信するまでの経過時間ｔ１（つまり超音波の伝播時間のこと）をタイマー手段にて算出し、メモリに一時記憶する（ステップ２０３、２０４）。
【００５３】
続いて、液面波信号Ｓ２３を受信すると、駆動信号Ｓ１の発生時点から基準波信号Ｓ２３を受信するまでの経過時間ｔ２（超音波の伝播時間）をタイマー手段にて算出し、メモリに一時記憶する（ステップ２０５、２０６）と共に、タイマー処理を停止する（ステップ２０７）。続いて、得られた経過時間（伝播時間）ｔ１と段部９１までの既知の距離データとに基いて、現在の超音波の伝播速度を算出、記憶する。この伝播速度と得られた経過時間（伝播時間）ｔ２とに基いて、検出対象である液面１４ａまでの距離、つまり液面高さＨを算出し、タンク２内の燃料残量を検出する。この残量情報を外部に出力して図示していない表示装置等に表示させることが可能である（ステップ２０８）。
【００５４】
以上が、超音波計測回路の基本的構成である。
【００５５】
（調整手段１２４）
次に、本発明の要部である調整手段１２４の機能ついて詳述する。
【００５６】
仮に後述する機能がないとすると、図５（ａ）、（ｂ）のタイムチャートに示すように、反射板１１からの乱反射や２次基準波等による反射波ノイズＳＮを、基準波Ｓ２２の受信時点と液面波Ｓ２３の受信時点との間の期間に受信し、しかもその反射波ノイズＳＮの信号レベルが比較回路１２３の閾値Ｖｓより高い場合には、比較回路１２３は反射波ノイズ信号ＳＮを検出し、制御演算回路２００に出力してしまう。制御演算回路２００は、この信号ＳＮを液面波信号Ｓ２３と誤判断して計測処理を行ってしまう。また、伝送管であるガイドパイプ９、１０の肉部からの反射波ノイズＳＮのように基準波Ｓ２２より早い時期に受信し、しかもその反射波ノイズＳＮの信号レベルが比較回路１２３の閾値Ｖｓより高い場合には、比較回路１２３は反射波ノイズ信号ＳＮを検出し、制御演算回路２００に出力してしまう。この場合、制御演算回路２００は、この信号ＳＮを基準波信号Ｓ２２と誤判断して計測処理を行ってしまう。
【００５７】
そこで、本発明の調整手段１２４では、図５（ｃ）または（ｄ）に示すように、駆動信号Ｓ１の発生時点から検出対象の液面波Ｓ２３を受信するよりも短い調整期間Ｔ１だけ、受信信号の信号レベルを誤検出しない程度まで低い側に電圧オフセットを与えている。このオフセットは、図５（ｃ）に示すように調整期間Ｔ１の間一定レベルとしてもよいし、図５（ｄ）に示すように調整期間Ｔ１にレベルを低い側から基準電位Ｖｒまで徐々に変化させてもよい。
【００５８】
この調整期間Ｔ１は、反射波ノイズＳＮのうちで受信信号レベルが比較的高く出る２次基準波、つまり基準波Ｓ２２が段部９１で再度反射されて形成される２次基準波が受信されるまでの期間をカバーするのが望ましい。２次基準波の受信以降に受信する反射波ノイズＳＮのレベルは一段と低下しており、本発明では少なくともこの期間をカバーすることで、実質的には誤検出のない計測が可能となる。
【００５９】
次に、調整手段１２４を含む受信回路１２０の詳細回路の一例を図６に示す。本例は図５（ｄ）を実現する回路である。
【００６０】
図６において、送信回路１１０、超音波センサ（つまり超音波振動子）３、この超音波センサ３で受信した受信信号を増幅器１２１Ａ、１２１Ｂで２段増幅する増幅回路１２１、調整手段１２４の主要部を構成する交流結合用コンデンサＣ１、Ｃ２、基準電位Ｖｒが非反転入力端子（＋）に入力され、コンデンサＣ１の他端が抵抗１２２２を介して反転端子（−）に接続される演算増幅器１２２１および半波整流用ダイオード１２２３、１２２４を含み、増幅回路１２１の増幅信号の半波整流を行う整流回路１２２Ａ、ダイオード１２２６を通して入力される半波整流信号のピーク値をコンデンサＣ３に保持することで、半波整流信号の包絡線波形出力（電圧）を形成するダイオード検波回路１２２Ｂ、およびこの包絡線波形出力と閾値Ｖｓとを比較器１２３１で比較処理して受信される基準波Ｓ２２や液面波Ｓ２３を検出する比較回路１２３からなる。なお、整流回路１２２Ａは全波整流回路で構成してもよい。
【００６１】
そこで、調整手段１２４のコンデンサＣ１、Ｃ２を用いて受信信号の信号レベルに電圧オフセットを与えることについて、図７に示す説明図に基いて説明する。
【００６２】
まず、図７（ａ）は、コンデンサＣ１を通過前の増幅された受信信号波形である。駆動信号Ｓ１による発射波Ｓ２１と検出したい反射波との間にノイズＳＮが受信される場面を想定してある。増幅された受信信号は基準電位Ｖｒを中心として変動する出力波形が望ましいが、通常はわずかに基準電位Ｖｒに対しオフセット電位Ｖｏｆｆが加わっていることを示している。
【００６３】
図７（ｂ）は、コンデンサＣ１を通過後の受信信号波形である。コンデンサＣ１により受信信号の直流成分をカットできるが、オフセットされた受信信号がコンデンサＣ１の一端に加わるため、演算増幅器１２２１の作動との関係で基準電位Ｖｒより負側に変化するオフセット電位に相当するリップル電位Ｖｒｉｐが発生する。このリップル電位Ｖｒｉｐの大きさと発生期間は、コンデンサＣ１の一端に加わる受信信号自体の信号レベルおよびそこに含まれるオフセット電位Ｖｏｆｆ、そしてコンデンサ容量等に応じて決まる。この場合、コンデンサＣ１の充放電経路に他のコンデンサＣ２があるため、このコンデンサＣ２の容量および抵抗１２２２、１２２５も関係している。
【００６４】
そこで、各素子Ｃ１、Ｃ２、１２２２、１２２５の容量や抵抗値等を調整し、オフセット電位に相当するリップル波形（遅延出力）を変化させることで、その発生期間（調整期間Ｔ１相当）と実質的なオフセットレベルを調整し、それによりノイズＳＮのレベルを抑え、かつ検出したい反射波の信号レベルが閾値Ｖｓを超えるようにレベル調整することが可能になる。
【００６５】
なお、コンデンサＣ１には受信信号を受ける毎にリップル電位Ｖｒｉｐが発生することになるが、受信信号自体の信号レベルは、駆動信号による発射波Ｓ２１と比べて、その後に受信する反射波ではかなり低くなるため、影響はほとんどなく便宜上無視してある。
【００６６】
次に、調整手段１２４の他の例を図８に示す。本例では、受信信号の信号レベルを調整せずに、駆動信号Ｓ１の発生時点から検出対象の反射波（液面波）を受信するよりも短い期間だけ、受信信号の判定レベルを変更することで、ノイズＳＮに対応するようにしている。つまり、ノイズＳＮレベルよりは高くかつ基準波Ｓ２２よりは低いレベルとなる閾値に変更する。
【００６７】
具体的には、図８に示すように、比較回路１２３の閾値Ｖｓを前記期間だけ、通常値より基準波Ｓ２２を検出できる程度に高くするため、閾値形成用抵抗１２４３と並列に抵抗１２４２および電子スイッチ１２４１の直列回路を接続し、制御演算回路２００により電子スイッチ１２４１のオンタイミングを制御する構成である。比較的短時間に電子スイッチ１２４１をオンオフさせる必要があり、電子スイッチ１２４１には高速スイッチング素子を用い、また演算速度の速い制御演算回路２００を用いるのが望ましい。
【００６８】
（他の実施形態）
上記実施形態では、液面検出装置１の本体構造として段部９１を形成して基準波Ｓ２２を発生させるように構成していたが、図９に示すように、段部９１を省略し、内側の超音波の伝播経路が円錐状にストレートに延びる内部空間をもつガイドパイプ９で構成してもよい。この構造を用いる場合には、基準波Ｓ２２を受信できないため、別に温度センサ等により超音波の伝播速度の温度補正が必要となる。
【００６９】
図１０は、段部９１を省略した実施形態を採用した場合の超音波計測回路の一例である。図２の計測回路と異なる点は、燃料温度センサ３００を追加したこと、検波回路１２２として加算回路１２２Ｃを追加して全波整流を行い、整流信号の包絡線波形出力（電圧）を形成することである。
【００７０】
これにより、制御演算回路２００は、受信回路１２０が検出した結果に対し、燃料温度センサ３００の温度情報を用いて温度補正を行い、正確な位置を計測することができる。
【００７１】
なお、超音波センサ３からの超音波の伝播経路途中に基準波を発生させる段部９１を省く構成とすることで、超音波センサ３から検出対象までの超音波伝播経路の設定の自由度が高まり、検出用途として、液面以外の検出対象の位置を計測する装置への適用が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明が適用される液面検出装置を装着したタンク２の部分断面図である。
【図２】本発明の一実施形態となる超音波計測回路を示すブロック図である。
【図３】図２に示す各部位の信号波形を示すタイムチャートである。
【図４】制御演算回路２００における計測処理を示すフローチャートである。
【図５】調整手段１２４の機能を説明するためのタイムチャートである。
【図６】受信回路１２０の詳細回路例を示す回路図である。
【図７】図６に示す調整手段１２４の作動を説明するための説明図である。
【図８】調整手段１２４の他の例を示す回路図である。
【図９】本発明が適用される段部９１の省いた液面検出装置を装着したタンク２の部分断面図である。
【図１０】他の実施形態となる超音波計測回路を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７３】
１      液面検出装置
２      燃料タンク（タンク）
３      超音波センサ
４      緩衝部材
７      ブラケット
８      カバー
９      ガイドパイプ
９１    段部
１０    ガイドパイプ
１１    反射板
１１ａ  反射面
１２    ボデイ
１４    燃料（液体）
１４ａ、１４ｂ  液面
１１０  送信回路
１２０  受信回路
１２１  増幅回路
１２２  検波回路
１２２Ａ  整流回路
１２２Ｂ  ダイオード検波回路
１２３  比較回路
１２４  調整手段
２００  制御演算回路（制御演算手段）
【図１】
2006145403.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006145403.tif 000006
【図５】
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【図６】
2006145403.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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