(57)【要約】      （修正有）【課題】超音波の受信波の振幅の減衰時に超音波の伝播時間の測定誤差を低減させることのできる超音波の伝播時間測定方法、ガス濃度測定方法及びガス濃度センサを提供する。【解決手段】超音波素子５で受信された受信波は、受信増幅回路２９に送られて、増幅される。この受信増幅回路２９で増幅された受信波は、全波整流回路３１により全波整流されて整流受信波として、差動増幅回路３７及び比較器３３に入力される。差動増幅回路３７では整流受信波を増幅して、ピークホールド回路３９に出力し、ピークホールド回路３９では、整流受信波のピークの電圧値を取り込む。そして、その整流受信波のピークの電圧値がＡ／Ｄ制御部２５でデジタル信号に変換されて、ＰＩＤ制御部２６に出力される。ＰＩＤ制御部２６では、ＰＩＤ制御により、受信増幅回路２９での増幅率を決定して、受信増幅回路２９に制御コマンドを送信する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスが存在する空間に超音波素子から超音波を送信し、当該超音波素子によって送信された超音波を前記超音波素子とは別の超音波素子又は同じ超音波素子によって受信し、前記超音波の送信から受信までの伝播時間を計算する超音波の伝播時間測定方法であって、
受信した受信波の振幅を増幅する増幅工程と、
前記増幅工程で増幅された受信波を整流して整流受信波とする整流工程と、
当該整流受信波の振幅を所定の判定電圧値と比較し、当該整流受信波の振幅が前記所定の判定電圧値に達したときに受信波到達信号を出力する比較工程と、
当該受信波到達信号を受信したときを前記超音波の到達時間として、前記超音波の送信から受信までの伝播時間を計算する伝播時間計算工程と、
前記整流工程で得られた整流受信波の振幅に基づいて、前記増幅工程での受信波の振幅の増幅率を制御する増幅率制御工程と
を備えたことを特徴とする超音波の伝播時間測定方法。
【請求項２】
前記増幅率制御工程は、前記整流受信波の振幅のピーク電圧値に基づいてフィードバック制御を行うことにより前記増幅工程での受信波の振幅の増幅率を制御することを特徴とする請求項１に記載の超音波の伝播時間測定方法。
【請求項３】
前記判定電圧値として電圧値の異なる第１判定電圧値と第２判定電圧値との２つを設け、
前記比較工程では、前記整流受信波の振幅が前記第１判定電圧値に達したときに、第１受信波到達信号を出力し、前記整流受信波の振幅が前記第２判定電圧値に達したときに、第２受信波到達信号を出力し、
前記伝播時間計算工程では、前記第１受信波到達信号を受信したときの受信時間と、前記第２受信波到達信号を受信したときの受信時間との中間の時間を前記受信波の到達時間として、前記超音波の送信から受信までの伝播時間を計算することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波の伝播時間測定方法。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載の超音波の伝播時間測定方法により測定された伝播時間に基づいて、前記ガスの濃度を計算する濃度計算工程を備えたことを特徴とするガス濃度測定方法。
【請求項５】
濃度の測定対象であるガスが存在する空間の温度を検出する温度検出手段からの出力に基づいて温度を測定する温度測定工程を備え、
前記濃度計算工程では、前記超音波の伝播時間測定方法により測定された伝播時間及び前記温度測定工程で測定された温度に基づいて、前記ガスの濃度を計算することを特徴とする請求項４に記載のガス濃度測定方法。
【請求項６】
濃度の測定対象であるガスが存在する空間に超音波を送信する超音波素子と、
当該超音波素子によって送信された超音波を前記超音波素子とは別の超音波素子又は同じ超音波素子によって受信する受信手段と、
当該受信手段が受信した受信波の振幅を増幅する増幅手段と、
当該増幅手段の増幅率を制御する増幅率制御手段と、
前記増幅手段が増幅した受信波を整流して整流受信波とする整流手段と、
当該整流受信波の振幅を所定の判定電圧値と比較し、当該整流受信波の振幅が前記所定の判定電圧値に達したときに受信波到達信号を出力する比較手段と、
当該比較手段から前記受信波到達信号を受信したときを前記超音波の到達時間として、前記超音波の送信から受信までの伝播時間を計算する伝播時間計算手段と、
当該伝播時間計算手段により計算された前記伝播時間に基づいて、前記ガスの濃度を計算する濃度計算手段とを備え、
前記増幅率制御手段は、前記整流手段により得られた整流受信波の振幅に基づいて、前記増幅率を制御することを特徴とするガス濃度センサ。
【請求項７】
前記増幅率制御手段は、前記整流手段により得られた整流受信波の振幅のピーク電圧値に基づいてフィードバック制御を行うことにより前記増幅手段の増幅率を制御することを特徴とする請求項６に記載のガス濃度センサ。
【請求項８】
前記判定電圧値として電圧値の異なる第１判定電圧値と第２判定電圧値との２つを設け、
前記比較手段は、前記整流受信波の振幅が前記第１判定電圧値に達したときに、第１受信波到達信号を出力し、前記整流受信波の振幅が前記第２判定電圧値に達したときに、第２受信波到達信号を出力し、
前記伝播時間計算手段は、前記第１受信波到達信号を受信したときの受信時間と、前記第２受信波到達信号を受信したときの受信時間との中間の時間を前記受信波の到達時間として、前記超音波の送信から受信までの伝播時間を計算することを特徴とする請求項６又は７に記載のガス濃度センサ。
【請求項９】
濃度の測定対象であるガスが存在する空間の温度を測定する温度測定手段を備え、
前記濃度計算手段は、前記伝播時間計算手段により計算された伝播時間及び前記温度測定手段で測定された温度に基づいて、前記ガスの濃度を計算することを特徴とする請求項６乃至８の何れかに記載のガス濃度センサ。
【請求項１０】
前記増幅手段の増幅率に基づいて、前記超音波素子の劣化を判断する素子劣化判断手段を備えたことを特徴とする請求項６乃至９の何れかに記載のガス濃度センサ。
【請求項１１】
前記素子劣化判断手段は、前記増幅手段の増幅率が所定値以上で所定時間以上続いた場合に、前記超音波素子が劣化したと判断することを特徴とする請求項１０に記載のガス濃度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の伝播時間測定方法、ガス濃度測定方法及びガス濃度センサに関し、詳細には、ガスが存在する空間に超音波素子から超音波を送信し、当該超音波素子によって送信された超音波を前記超音波素子とは別の超音波素子又は同じ超音波素子によって受信し、前記超音波の送信から受信までの伝播時間を計算する超音波の伝播時間測定方法、この超音波の伝播時間測定方法を用いたガス濃度測定方法及びこのガス濃度測定方法を用いたガス濃度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、超音波を超音波素子によって送信し、所定距離伝播した超音波を受信し、超音波の送信から受信までの伝播時間を測定する超音波の伝播時間の測定方法や、この測定方法を用いたガス濃度センサが知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。この超音波の伝播時間測定方法では、特定ガスを含む被測定ガスである吸入空気が導入されている測定室内に超音波素子から超音波を送信し、送信された超音波は、被測定ガス中を通過し、超音波素子と対向する側に所定距離離れて設けられた反射面で反射する。反射面にて反射した反射波は、再度被測定ガス中を通過して、超音波素子により受信される。その受信された受信波を受信増幅回路で増幅して、その増幅された受信波を全波整流し、全波整流波の全部または一部を積分し、該積分値に基づいて比較器の判定値（スレッショルドレベル）の電圧値を変更する。そして、伝播時間を測定する場合には、増幅された受信波の振幅が上記判定値を超えたときを受信波の到達時間として伝播時間を決定していた。ここで、従来の伝播時間測定方法では、受信増幅回路で増幅された受信波の振幅が所定の範囲内となるように、受信増幅回路の増幅率を設定していた。
【特許文献１】特開２００１−１２４７４５号公報
【特許文献２】特開２００２−２４３５３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、超音波素子で受信される受信波の振幅は、超音波素子の劣化により小さくなり、また、測定室内の圧力が負圧になると、さらに、受信波の振幅は小さくなる。このため、受信増幅回路で受信波を増幅しても、超音波の到達時間を測定するのに十分な振幅が得られないことがあり、受信波の到達時間の測定に誤差が生じる問題点があった。また、受信増幅回路で増幅された受信波の振幅が所定の範囲内となるように、センサの組み立て時に、超音波素子の特性に合わせて受信増幅回路の増幅率を個別に調整する必要があった。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、超音波の受信波の振幅の減衰時に超音波の伝播時間の測定誤差を低減させることのできる超音波の伝播時間測定方法、ガス濃度測定方法及びガス濃度センサを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明の超音波の伝播時間測定方法は、ガスが存在する空間に超音波素子から超音波を送信し、当該超音波素子によって送信された超音波を前記超音波素子とは別の超音波素子又は同じ超音波素子によって受信し、前記超音波の送信から受信までの伝播時間を計算する超音波の伝播時間測定方法であって、受信した受信波の振幅を増幅する増幅工程と、前記増幅工程で増幅された受信波を整流して整流受信波とする整流工程と、当該整流受信波の振幅を所定の判定電圧値と比較し、当該整流受信波の振幅が前記所定の判定電圧値に達したときに受信波到達信号を出力する比較工程と、当該受信波到達信号を受信したときを前記超音波の到達時間として、前記超音波の送信から受信までの伝播時間を計算する伝播時間計算工程と、前記整流工程で得られた整流受信波の振幅に基づいて、前記増幅工程での受信波の振幅の増幅率を制御する増幅率制御工程とを備えている。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明の超音波の伝播時間測定方法は、請求項１に記載の発明の構成に加えて、前記増幅率制御工程は、前記整流受信波の振幅のピーク電圧値に基づいてフィードバック制御を行うことにより前記増幅工程での受信波の振幅の増幅率を制御することを特徴とする。
【０００７】
また、請求項３に記載の発明の超音波の伝播時間測定方法は、請求項１又は２に記載の発明の構成に加えて、前記判定電圧値として電圧値の異なる第１判定電圧値と第２判定電圧値との２つを設け、前記比較工程では、前記整流受信波の振幅が前記第１判定電圧値に達したときに、第１受信波到達信号を出力し、前記整流受信波の振幅が前記第２判定電圧値に達したときに、第２受信波到達信号を出力し、前記伝播時間計算工程では、前記第１受信波到達信号を受信したときの受信時間と、前記第２受信波到達信号を受信したときの受信時間との中間の時間を前記受信波の到達時間として、前記超音波の送信から受信までの伝播時間を計算することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項４に記載の発明のガス濃度測定方法は、請求項１乃至３の何れかに記載の超音波の伝播時間測定方法により測定された伝播時間に基づいて、前記ガスの濃度を計算する濃度計算工程を備えている。
【０００９】
また、請求項５に記載の発明のガス濃度測定方法は、請求項４に記載の発明の構成に加えて、濃度の測定対象であるガスが存在する空間の温度を検出する温度検出手段からの出力に基づいて温度を測定する温度測定工程を備え、前記濃度計算工程では、前記超音波の伝播時間測定方法により測定された伝播時間及び前記温度測定工程で測定された温度に基づいて、前記ガスの濃度を計算することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項６に記載の発明のガス濃度センサは、濃度の測定対象であるガスが存在する空間に超音波を送信する超音波素子と、当該超音波素子によって送信された超音波を前記超音波素子とは別の超音波素子又は同じ超音波素子によって受信する受信手段と、当該受信手段が受信した受信波の振幅を増幅する増幅手段と、当該増幅手段の増幅率を制御する増幅率制御手段と、前記増幅手段が増幅した受信波を整流して整流受信波とする整流手段と、当該整流受信波の振幅を所定の判定電圧値と比較し、当該整流受信波の振幅が前記所定の判定電圧値に達したときに受信波到達信号を出力する比較手段と、当該比較手段から前記受信波到達信号を受信したときを前記超音波の到達時間として、前記超音波の送信から受信までの伝播時間を計算する伝播時間計算手段と、当該伝播時間計算手段により計算された前記伝播時間に基づいて、前記ガスの濃度を計算する濃度計算手段とを備え、前記増幅率制御手段は、前記整流手段により得られた整流受信波の振幅に基づいて、前記増幅率を制御することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項７に記載の発明のガス濃度センサは、請求項６に記載の発明の構成に加えて、前記増幅率制御手段は、前記整流手段により得られた整流受信波の振幅のピーク電圧値に基づいてフィードバック制御を行うことにより前記増幅手段の増幅率を制御することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項８に記載の発明のガス濃度センサは、請求項６又は７に記載の発明の構成に加えて、前記判定電圧値として電圧値の異なる第１判定電圧値と第２判定電圧値との２つを設け、前記比較手段は、前記整流受信波の振幅が前記第１判定電圧値に達したときに、第１受信波到達信号を出力し、前記整流受信波の振幅が前記第２判定電圧値に達したときに、第２受信波到達信号を出力し、前記伝播時間計算手段は、前記第１受信波到達信号を受信したときの受信時間と、前記第２受信波到達信号を受信したときの受信時間との中間の時間を前記受信波の到達時間として、前記超音波の送信から受信までの伝播時間を計算することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項９に記載の発明のガス濃度センサは、請求項６乃至８の何れかに記載の発明の構成に加えて、濃度の測定対象であるガスが存在する空間の温度を測定する温度測定手段を備え、前記濃度計算手段は、前記伝播時間計算手段により計算された伝播時間及び前記温度測定手段で測定された温度に基づいて、前記ガスの濃度を計算することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項１０に記載の発明のガス濃度センサは、請求項６乃至９の何れかに記載の発明の構成に加えて、前記増幅手段の増幅率に基づいて、前記超音波素子の劣化を判断する素子劣化判断手段を備えている。
【００１５】
また、請求項１１に記載の発明のガス濃度センサは、請求項１０に記載の発明の構成に加えて、前記素子劣化判断手段は、前記増幅手段の増幅率が所定値以上で所定時間以上続いた場合に、前記超音波素子が劣化したと判断することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載の発明の超音波の伝播時間測定方法では、ガスが存在する空間に超音波素子から超音波を送信し、当該超音波素子によって送信された超音波を前記超音波素子とは別の超音波素子又は同じ超音波素子によって受信し、前記超音波の送信から受信までの伝播時間を計算する場合に、増幅工程で受信した受信波の振幅を増幅し、その増幅率は、整流された受信波の振幅に基づいて、増幅率制御工程で増幅率を制御するので、超音波素子が劣化しても、受信波の振幅の増幅率が制御されて、一定の振幅となるように増幅されるので、比較工程で、整流受信波の振幅と所定の判定電圧値との比較を正しく行うことができ、超音波の伝播時間測定が正確にできる。また、初期状態時に受信増幅回路の増幅率を調整する必要がなく、超音波素子の経年変化による再調整も不要となる。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明の超音波の伝播時間測定方法では、請求項１に記載の発明の効果に加えて、増幅率制御工程では、整流受信波の振幅のピーク電圧値に基づいてフィードバック制御を行うことにより増幅工程での受信波の振幅の増幅率を制御するので、超音波素子が劣化しても、受信波の振幅が常に正確に一定に保たれるので、比較工程で、整流受信波の振幅と所定の判定電圧値との比較が正しく行うことができ、超音波の伝播時間測定が正確にできる。尚、フィードバック制御としてＰＩＤ制御やＨ∞制御を用いることができる。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明の超音波の伝播時間測定方法では、請求項１又は２に記載の発明の効果に加えて、判定電圧値として第１判定電圧値と第２判定電圧値との２つを設け、比較工程では、整流受信波の振幅が第１判定電圧値に達したときに、第１受信波到達信号を出力し、整流受信波の振幅が第２判定電圧値に達したときに、第２受信波到達信号を出力し、伝播時間計算工程では、第１受信波到達信号を受信したときの受信時間と、第２受信波到達信号を受信したときの受信時間との中間の時間を受信波の到達時間として、超音波の送信から受信までの伝播時間を計算するので、より正確な伝播時間の計算が可能となる。
【００１９】
また、請求項４に記載の発明のガス濃度測定方法では、請求項１乃至３の何れかに記載の超音波の伝播時間測定方法により測定された伝播時間に基づいて、ガスの濃度を計算する濃度計算工程を備えているので、ガス濃度を正確に測定することができる。
【００２０】
また、請求項５に記載の発明のガス濃度測定方法では、請求項４に記載の発明の効果に加えて、濃度の測定対象であるガスが存在する空間の温度を検出する温度検出手段からの出力に基づいて温度を測定する温度測定工程を備え、濃度計算工程では、前記超音波の伝播時間測定方法により測定された伝播時間及び温度測定工程で測定された温度に基づいて、前記ガスの濃度を計算するので、ガスの温度にかかわらず、正確に濃度を測定することができる。
【００２１】
また、請求項６に記載の発明のガス濃度センサでは、ガスが存在する空間に超音波素子から超音波を送信し、当該超音波素子によって送信された超音波を前記超音波素子とは別の超音波素子又は同じ超音波素子によって受信し、前記超音波の送信から受信までの伝播時間を計算する場合に、増幅手段が受信した受信波の振幅を増幅手段が増幅し、その増幅率は、整流された受信波の振幅に基づいて、増幅率制御手段が増幅率を制御するので、超音波素子が劣化しても、受信波の振幅の増幅率が制御されて、一定の振幅となるように増幅されるので、比較手段で、整流受信波の振幅と所定の判定電圧値との比較を正しく行うことができ、超音波の伝播時間測定が正確にでき、ガス濃度が正確に測定できる。また、初期状態時に受信増幅回路の増幅率を調整する必要がなく、超音波素子の経年変化による再調整も不要となる。
【００２２】
また、請求項７に記載の発明のガス濃度センサでは、請求項６に記載の発明の効果に加えて、増幅率制御手段では、整流受信波の振幅のピーク電圧値に基づいてフィードバック制御を行うことにより増幅工程での受信波の振幅の増幅率を制御するので、超音波素子が劣化しても、受信波の振幅が常に一定に保たれるので、比較手段で、整流受信波の振幅と所定の判定電圧値との比較が正しく行うことができ、超音波の伝播時間測定が正確にでき、ガス濃度を正確に測定できる。
【００２３】
また、請求項８に記載の発明のガス濃度センサでは、請求項６又は７に記載の発明の効果に加えて、判定電圧値として第１判定電圧値と第２判定電圧値との２つを設け、比較手段は、整流受信波の振幅が第１判定電圧値に達したときに、第１受信波到達信号を出力し、整流受信波の振幅が第２判定電圧値に達したときに、第２受信波到達信号を出力し、伝播時間計算手段は、第１受信波到達信号を受信したときの受信時間と、第２受信波到達信号を受信したときの受信時間との中間の時間を受信波の到達時間として、超音波の送信から受信までの伝播時間を計算するので、より正確な伝播時間の計算が可能となる。よって、ガス濃度を正確に測定できる。
【００２４】
また、請求項９に記載の発明のガス濃度センサでは、請求項６乃至８に記載の発明の効果に加えて、濃度の測定対象であるガスが存在する空間の温度を測定する温度測定手段を備え、濃度計算手段では、前記超音波の伝播時間測定手段により測定された伝播時間及び温度測定手段で測定された温度に基づいて、前記ガスの濃度を計算するので、ガスの温度にかかわらず、正確に濃度を測定することができる。
【００２５】
また、請求項１０に記載の発明のガス濃度センサでは、請求項６乃至９に記載の発明の効果に加えて、増幅手段の増幅率に基づいて、素子劣化判断手段が超音波素子の劣化を判断するので、他の部材等を設ける必要がなく、容易に超音波素子の劣化を判断できる。
【００２６】
また、請求項１１に記載の発明のガス濃度センサでは、請求項１０に記載の発明の効果に加えて、素子劣化判断手段は、前記増幅手段の増幅率が所定値以上で所定時間以上続いた場合に、前記超音波素子が劣化したと判断するので、正確に超音波素子の劣化を判断できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の超音波の伝播時間測定方法、ガス濃度測定方法及びガス濃度センサの一実施の形態であるガス濃度センサ１を図面を参照して説明する。ガス濃度センサ１は、超音波伝播時間測定方法を利用したガス濃度センサであり、被測定ガス（即ち測定対象の雰囲気）中における特定ガスのガス濃度を測定するものである。このガス濃度センサ１は、ガス濃度を測定する各種の装置に用いることができるが、一例として、自動車のガソリンタンクで蒸発した燃料を一時的に貯めるキャニスタのパージラインに設置され、パージガス中の蒸発燃料の濃度測定に使用することができる。
【００２８】
まず、本実施の形態のガス濃度センサ１の構成について、図１を参照して説明する。図１は、ガス濃度センサ１の縦断面図である。本実施の形態のガス濃度センサ１は、圧電素子を利用して超音波を発生する超音波式のガス濃度センサであり、特に超音波の送信と受信とが兼用の超音波送受信素子（以下、単に「超音波素子５」という）を用いる。  
【００２９】
具体的には、図１に示すように、ガス濃度センサ１は、ガス濃度の検出に必要な駆動・演算の処理を行う駆動・演算用回路３、超音波の送受信を行う超音波素子５、特定ガスを含む被測定ガスであるパージガスが導入される測定室７、測定室７内にて超音波を反射させるために超音波素子５と対向する側に所定距離離れて設けられた反射面９、測定室７内の温度を測定するサーミスタ１１、パージガスが流入するガス流入孔１３、パージガスが流出するガス流出孔１５より構成されている。
【００３０】
このガス濃度センサ１を用いてガスの濃度測定を行う場合には、被測定ガスは、ガス流入孔１３から測定室７内に流入し、ガス流出孔１５から外部に流出するので、その間に、測定室７内で被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定する。つまり、測定室７内で超音波の伝播時間を測定する際には、まず、特定ガスを含む被測定ガスであるパージガスが導入されている測定室７内に超音波素子５から超音波を送信し、送信された超音波は、被測定ガス中を通過し、超音波素子５と対向する側に所定距離離れて設けられた反射面９で反射する。反射面９にて反射した反射波は、再度被測定ガス中を通過して、超音波素子５により受信される。このとき、送信波を送信してから反射波（受信波）を受信するまでの伝播時間は、パージガス中の特定ガス（蒸発燃料）のガス濃度に応じて異なって来る。従って、この伝播時間に対応したセンサ出力を取り出すことにより、被測定ガス中のガス濃度を検出することができる。  
【００３１】
次に、図２を参照して、駆動・演算用回路３の電気的構成の詳細を説明する。図２は、駆動・演算用回路３のブロック図である。図２に示すように、駆動・演算用回路３は、超音波素子５の駆動を行い、被測定ガス中のガス濃度を計算する回路である。この駆動・演算用回路３には、超音波素子５の接続を送信回路２８と受信増幅回路２９との間で切り替える送受信切替回路２７が設けられ、送受信切替回路２７には、超音波の送信時に超音波素子５を駆動する送信回路２８及び受信した受信波の振幅を増幅する受信増幅回路２９が接続されている。また、受信増幅回路２９には、当該受信増幅回路２９で増幅された受信波を全波整流する全波整流回路３１が接続され、全波整流回路３１には、比較器３３及び差動増幅回路３７が接続されている。この比較器３３では、全波整流された整流受信波の振幅を所定の判定電圧値と比較し、整流受信波の振幅が所定の判定電圧値に達したときに受信波到達信号を出力する。尚、全波整流回路３１により、受信波を全波整流しているのは、整流波に時間的な遅れを作らない為である。差動増幅回路３７には、差動増幅回路３７で増幅された整流受信波のピークを保持するピークホールド回路３９が接続されている。
【００３２】
次に、駆動・演算用回路３の制御を司るマイクロプロセッサ２０について説明する。尚、図２では、マイクロプロセッサ２０の内部は、機能的に表現されている。このマイクロプロセッサ２０内には、超音波の送信タイミングを示す信号を生成する送信タイミング部２１と、ピークホールド回路３９からの信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ制御部２５と、Ａ／Ｄ制御部２５からの出力信号に基づいて、ＰＩＤ制御（比例積分微分制御）により、受信増幅回路２９の増幅率を制御するＰＩＤ制御部２６と、ガス濃度センサ１の測定室７内の温度を測定するサーミスタ１１の抵抗値に基づいて、温度を測定する温度測定回路４５に接続され、温度測定回路４５からの出力信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部２３と、比較器３３からの受信波到達信号に基づいて、超音波の送信から受信までの時間を計算する伝播時間計算部２４と、当該伝播時間計算部２４で計算された伝播時間に基づいて、被測定ガス中のガス濃度を計算する濃度計算部２２とが設けられている。濃度計算部２２で求められた被測定ガス中のガス濃度を示すデータは、図示外の外部装置に出力されるようになっている。
【００３３】
次に、図３を参照して、受信増幅回路２９の構成を説明する。図３は、受信増幅回路２９の回路図である。図３に示すように、受信増幅回路２９は、オペアンプ２９１と、４個の抵抗２９２，２９３，２９４，２９５と、３個のスイッチング素子２９６，２９７，２９８で構成されている。スイッチング素子２９６〜２９８としては、トランジスタ等を用いることができる。オペアンプ２９１は、プラス接地になっており、抵抗２９２は、その抵抗値がＲ１（Ω）であり、オペアンプ２９１のマイナス端子と出力端子間に並列に接続されている。また、抵抗２９３，２９４，２９５は、各々、一端部が、オペアンプ２９１のマイナス端子に接続され、抵抗２９３はＲ０（Ω）、抵抗２９４は２Ｒ０（Ω）、抵抗２９５は４Ｒ０（Ω）の抵抗値となっている。また、抵抗２９３の他端部には、マイクロプロセッサ２０の出力ポート（以下、「マイコンポート」という。）３００の出力信号により制御されるスイッチング素子２９６が接続されている。また、抵抗２９４の他端部には、マイコンポート３０１の出力信号により制御されるスイッチング素子２９７が接続されている。さらに、抵抗２９５の他端部には、マイコンポート３０２の出力信号により制御されるスイッチング素子２９８が接続されている。
【００３４】
上記の受信増幅回路２９では、マイコンポート３００のみがＯＮとなると、スイッチング素子２９６が閉状態となり、入力端子２９９に加えられた、受信波の信号は、Ｒ１／Ｒ０の増幅率で、オペアンプ２９１で増幅されて、図２に示す全波整流回路３１に出力される。また、マイコンポート３００，３０１がＯＮとなると、スイッチング素子２９６，２９７が閉状態となり、入力端子２９９に加えられた、受信波の信号は、３Ｒ１／２Ｒ０の増幅率で、オペアンプ２９１で増幅されて、図２に示す全波整流回路３１に出力される。さらに、また、マイコンポート３００，３０１，３０２がＯＮとなると、スイッチング素子２９６，２９７，２９８が閉状態となり、入力端子２９９に加えられた、受信波の信号は、７Ｒ１／４Ｒ０の増幅率で、オペアンプ２９１で増幅されて、図２に示す全波整流回路３１に出力される。即ち、図３に示す受信増幅回路２９では、３ビットの信号で、増幅率を「Ｒ１／Ｒ０」、「３Ｒ１／２Ｒ０」、「７Ｒ１／４Ｒ０」の３段階に変更することができる。尚、受信増幅回路２９は、上記の例では、増幅率を３段階に切り替える例を示したが、５段階、８段階等の任意の段階に切り替えるように変更しても良い。この場合には、スイッチング素子を増幅率の段階の数に対応して増やせば良い。
【００３５】
次に、全波整流回路３１での受信波の整流について説明する。受信増幅回路２９で増幅された受信波は、全波整流回路３１に入力されると全波整流される。この全波整流された受信波を以下「整流受信波」という。ここで、全波整流しているのは、半端整流では、整流受信波の山が１つおきになり、受信波を受信した否かの判定を比較器３３で行う場合に、所定の判定電圧値であるスレッショルドレベルに達したか否かの判断が、半波長分遅れるからである。
【００３６】
次に、ＰＩＤ制御部２６で行われるＰＩＤ制御について説明する。ＰＩＤ制御部２６では、以下のように処理が行われる。
１．まず、ピークホールド回路３９によって得られたピークホールド電圧値（ＰＶ）と、ピークホールド目標電圧値（ＳＶ）の偏差（ｅ）を求める。
ｅ＝ＳＶ−ＰＶ
【００３７】
２．次に、次回の増幅率に反映させる値（Ｙ）を求めるために、まず、偏差（ｅ）に係数（Ｋ１）をかける。（比例制御（Ｐ制御））
Ｙ１＝Ｋ１×ｅ 
【００３８】
３．積分したい時間（Ｔｉ）を求め、計算周期（Ｔｓ）を積分したい時間（Ｔｉ）で割り、偏差の累積（Ｓｅ）と係数（Ｋ２）をかける。つまり、比例制御によるオフセットを時間の経過とともになくする。（積分制御（Ｉ制御））
Ｙ２＝Ｋ２×（Ｔｓ／Ｔｉ）×Ｓｅ
【００３９】
４．微分したい時間（Ｔｄ）を求め、計算周期（Ｔｓ）で割り、前回計算した偏差の累積（ＺＳｅ）から偏差（ｅ）を引いたものと係数（Ｋ３）をかけあわせる。つまり、急激な外乱に対して大きな操作量を出して早くもとの制御に戻す働きをする。（微分制御（Ｄ制御））
Ｙ３＝Ｋ３×（Ｔｄ／Ｔｓ）×（ＺＳｅ−ｅ）
【００４０】
５．Ｙ１とＹ２とＹ３とを足したもの（Ｙ）が次回の増幅率に反映させる値となる。
Ｙ＝Ｙ１＋Ｙ２＋Ｙ３
【００４１】
６．つぎの周期の計算に備え、偏差の累積（Ｓｅ）を出すために、前回計算に使用した偏差の累積（ＯＳｅ）と偏差（ｅ）を足す。
Ｓｅ＝ＯＳｅ＋ｅ
上記の１〜６の計算を繰り返し行う。
【００４２】
次に、上記のように構成されたガス濃度センサ１の動作を図１乃至図３を参照して説明する。まず、ガス濃度センサ１では、ガス濃度の測定対象である被測定ガスは、ガス流入孔１３から測定室７内に流入する。そして、測定室７内に存在する測定ガスは、ガス流出孔１５から外部に流出する。ここで、マイクロプロセッサ２０の送信タイミング部２１で超音波の送信タイミングを示す信号が生成されて、送信回路２８に送られる。すると、送信回路２８は、送受信切替回路２７を介して、超音波素子５に駆動パルス信号を送り、超音波素子５から超音波が測定室７内に送信される。この送信された超音波は、被測定ガス中を通過し、超音波素子５と対向する側に所定距離離れて設けられた反射面９で反射する。反射面９にて反射した反射波は、再度被測定ガス中を通過して、超音波素子５により受信される。
【００４３】
このときに、温度測定回路４５は、サーミスタ１１を用いて、測定室７内の温度を測定し、Ａ／Ｄ変換部２３により、測定温度のデジタルデータを、濃度計算部２２に送る。
【００４４】
超音波素子５で受信された反射波（受信波）は、所定の振幅をもった交流信号として、送受信切替回路２７を介して、受信増幅回路２９に送られて、ＰＩＤ制御部２６の制御により予め設定されている増幅率で増幅される。この受信増幅回路２９で増幅された受信波は、全波整流回路３１により全波整流されて整流受信波として、差動増幅回路３７及び比較器３３に入力される。差動増幅回路３７では整流受信波を増幅して、ピークホールド回路３９に出力し、ピークホールド回路３９では、整流受信波のピーク（頂上）の電圧値を取り込む。そして、その整流受信波のピーク（頂上）の電圧値がＡ／Ｄ制御部２５でデジタル信号に変換されて、ＰＩＤ制御部２６に出力される。ＰＩＤ制御部２６では、上記ＰＩＤ制御により、受信増幅回路２９での増幅率を決定して、受信増幅回路２９にスイッチング素子２９６，２９７，２９８の制御コマンドを送信する。
【００４５】
一方、比較器３３では、予め定められている所定の判定電圧値であるスレッショルドレベルと、全波整流回路３１から入力される整流受信波の振幅の電圧値とを比較して、整流受信波の振幅の電圧値が所定の判定電圧値であるスレッショルドレベルに達した場合には、受信波到達信号を伝播時間計算部２４に出力する。伝播時間計算部２４では、超音波の送信から受信までの伝播時間を計算し、その伝播時間を示すデータを濃度計算部２２に出力する。濃度計算部２２では、伝播時間計算部２４から入力された伝播時間を示すデータと、Ａ／Ｄ変換部２３から入力された測定室７内の温度データに基づいて、ガス濃度の測定対象である被測定ガスの濃度を計算して、図示外の外部装置（一例として、自動車のＥＣＵ）に出力する。
【００４６】
尚、ガス濃度の計算は以下のように行う。まず、伝播時間計算部２４から入力された伝播時間に基づいて、音速を算出する。これは、以下の式により算出できる。
音速Ｃ＝（超音波素子５の表面から反射面９までの往復距離）／伝播時間
【００４７】
上記の式により求められた音速Ｃは、温度により変化するので、温度測定回路４５で測定された温度から基準温度における音速ＫＣに換算して、その音速ＫＣとガスの濃度の関係（比例関係）を示すマップから、ガス濃度を求める。尚、このようなマップは、テーブルデータとして、マイクロプロセッサ２０の図示外のＲＯＭに記憶されいている。
【００４８】
次に、図４乃至図６を参照して、上記の構成のガス濃度センサ１を用いて行った評価実験結果を説明する。図４は、評価実験に用いた評価装置１００のブロック図であり、図５は、評価実験結果のグラフであり、図６は、負圧下で行った評価実験結果のグラフである。評価実験には、図４に示す、評価装置１００を用いた。評価装置１００では、ガス流量を調節するマスフロコントローラ１０１、評価対象のガス濃度センサ１、ガス濃度を記録する測定器であるアナライジングレコーダ１０３、ガスの濃度を確認するための濃度分析計（例えば赤外線式濃度分析計）１０２等を用いた。尚、マスフロコントローラ１０１には、窒素のガスボンベ１０４が弁１０６を介して接続され、また、ブタンのガスボンベ１０５が弁１０７を介して接続されている。
【００４９】
また、この評価装置１００では、マスフロコントローラ１０１によってある一定の濃度のガスをガス濃度センサ１に流し、ガス濃度センサ１を通過したガスは後段で濃度分析計１０２を通過する。ガス濃度センサ１の出力と濃度分析計１０２の出力を各々アナライジングレコーダ１０３により記録するようになっている。
【００５０】
この評価実験では、温度２５℃の条件にて、ブタン（特定ガス）と窒素（ベースガス）との混合ガス（被測定ガス）を作成し、ブタン濃度の異なる混合ガスをガス濃度センサ１に流し、濃度分析計１０２により正しい濃度を測定した。その結果を、図５に示すグラフに記す。図５に示すように、ガス濃度センサ１の出力を、濃度分析計１０２の出力を基準として比較すると、従来方式では、±６％あった誤差が、±２％となった。従って、本実施の形態のガス濃度センサ１では、従来方式に比べて精度が向上したことが分かる。
【００５１】
また、超音波素子５における超音波の送信特性や受信特性は、耐久試験後等に低下し、超音波素子５にて受信される受信波が減衰する場合がある。従って、上記の条件に加えて、圧力の影響等によってさらに受信波が減衰した場合などは、伝播時間が測定できなくなる可能性もある。そこで、耐久試験後に負圧（０．５ａｔｍ）環境下において、評価装置１００を用いて、上記同様の評価試験を行った結果を図６に示すグラフ記す。耐久試験条件は、−４０℃を３０分間保持、移行時間３０分で９５℃に昇温、９５℃を３０分間保持、移行時間３０分で−４０℃に降温することを１サイクルとして、１０００サイクル行った。図６に示すように、従来の方式では、受信波の減衰が大きく、伝播時間が測定できない箇所があるのに対して、本方式を用いることによって伝播時間を正確に測定でき、ガス濃度センサ１の出力を、濃度分析計１０２の出力を基準として比較すると、誤差が、±２％であることが分かる。
【００５２】
尚、上記第１の実施の形態では、超音波素子５が受信手段に相当し、受信増幅回路２９が増幅手段に相当し、ＰＩＤ制御部２６が増幅率制御手段に相当し、全波整流回路３１が整流手段に相当し、比較器３３が比較手段に相当し、伝播時間計算部２４が伝播時間計算手段に相当し、濃度計算部２２が濃度計算手段に相当し、サーミスタ１１が温度検出手段に相当し、温度測定回路４５が温度測定手段に相当する。
【００５３】
以上説明したように、第１の実施の形態のガス濃度センサ１では、超音波素子５が劣化して受信した受信波の振幅が小さくなっても、全波整流回路３１により全波整流された整流受信波のピークホールド電圧を取得するピークホールド回路３９からの出力に基づいてＰＩＤ制御部２６による受信増幅回路２９での増幅率のＰＩＤ制御により、受信波の振幅を一定に保つことができるので、伝播時間を正確に測定でき、且つ、ガス濃度の測定精度を高めることができる。
【００５４】
また、第１の実施の形態のガス濃度センサ１では、受信した受信波の振幅を一定に保つので、初期状態での受信増幅回路２９の増幅率の調整が不要となり、ガス濃度センサ１の組み立て時の調整時間が節約できる。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施の形態の駆動・演算用回路３について、図７及び図８を参照して説明する。図７は、第２の実施の形態の駆動・演算用回路３のブロック図であり、図８は、ウインドウコンパレータ３４の回路図である。この第２の実施の駆動・演算用回路３も、第１の実施の形態と同じように、ガス濃度センサ１に使用されるものであり、第１の実施の形態と異なる点は、比較器３３をウインドウコンパレータ３４とした点であり、他の構成は、第１の実施の形態と同じである。従って、ここでは、第１の実施の形態と異なるウインドウコンパレータ３４について説明し、他の構成は説明は第１の実施の形態の説明を援用する。
【００５６】
図８に示すように、ウインドウコンパレータ３４には、第１コンパレータ３４１と、第２コンパレータ３４２とが設けられており、第１コンパレータ３４１及び第２コンパレータ３４２には、全波整流回路３１で全波整流された整流受信波の振幅を所定の判定電圧値であるスレッショルドレベルに達したか否かを判断するためのスレッショルドレベルが各々設けられており、この２つのスレッショルドレベルが異なる電圧値となっている。この２つのスレッショルドレベルは、図８に示すように、直列に接続された抵抗３３３，３３４，３３５の各抵抗値を変更することにより分圧比を変更して、予め使用する超音波素子５の特性に合わせて、任意に設定できるようになっている。従って、ウインドウコンパレータ３４では、全波整流回路３１で全波整流された整流受信波の振幅が、第１コンパレータ３４１のスレッショルドレベルに到達したときには、第１受信波到達信号を出力し、第２コンパレータ３４２のスレッショルドレベルに到達したときには、第２受信波到達信号を出力する。
【００５７】
次に、図９乃至図１４を参照して、ウインドウコンパレータ３４での波形処理を説明する。図９は、振幅の大きい受信波を増幅した場合の波形を示す図であり、図１０は、振幅の小さい受信波を増幅した場合の波形を示す図であり、図１１は、全波整流された整流受信波であり、図１２は、全波整流された整流受信波の包絡線を示す図であり、図１３は、スレッショルドレベルを１つ設けた場合の波形図であり、図１４は、スレッショルドレベルを２つ設けた場合の波形図である。
【００５８】
図９及び図１０に示すように、本実施の形態のウインドウコンパレータ３４では、第１コンパレータ３４１のスレッショルドレベルと、それよりも低い電圧値である第２コンパレータ３４２のスレッショルドレベルの２つが設けられている。第２の実施の形態で、２つのスレッショルドレベルを用いた理由を図１１乃至図１４を参照して説明する。ここでは、図１１に示す全波整流された整流受信波を以後の説明の簡略化のために図１２に示す包絡線で代用する。図１３に示すように、振幅の元々大きい受信波も振幅の元々小さい受信波も同じ振幅まで増幅される。従って、振幅の元々大きい受信波の場合には、振幅の包絡線の傾きが大きくなり、振幅の元々小さい受信波の場合には、振幅の包絡線の傾きが小さくなる。従って、図１３に示すように、振幅の元々小さい受信波の場合と、振幅の元々大きい受信波の場合とでは、スレッショルドレベルへの到達時間の誤差が生じる。この誤差が大きいと、伝播時間を正確に測定できず、ガス濃度の測定精度を高めることができない。
【００５９】
これに対して、図１４に示すように、スレッショルドレベルを第１スレッショルドレベルと、それより電圧値が低い第２スレッショルドレベルの２つ設け、第１スレッショルドレベルに整流受信波の振幅が到達した時間と、第２スレッショルドレベルに整流受信波の振幅が到達した時間との中間の時間を用いると、図１４に示すように、振幅の元々小さい受信波の場合と、振幅の元々大きい受信波の場合とでは、誤差が小さくなる。従って、本第２の実施の形態では、図９及び図１０に示すように、２つのスレッショルドレベルを設けている。尚、図９に示すように、振幅の元々大きい受信波の場合には、振幅の包絡線の傾きが大きくなり、第１コンパレータのスレッショルドレベルに到達する時間と、第１コンパレータのスレッショルドレベルより低い電圧値である第２コンパレータのスレッショルドレベルに到達する時間との時間差が小さくなる。また、図１０に示すように、振幅の元々小さい受信波の場合には、振幅の包絡線の傾きが小さくなり、第１コンパレータのスレッショルドレベルに到達する時間と、第１コンパレータのスレッショルドレベルより低い電圧値である第２コンパレータのスレッショルドレベルに到達する時間との時間差が大きくなる。従って、第１コンパレータのスレッショルドレベルに到達する時間と第２コンパレータのスレッショルドレベルに到達する時間との時間差から受信した受信波の振幅の大きさが分かる。
【００６０】
第２実施の形態の駆動・演算用回路３では、２つのコンパレータ３４１，３４２を内蔵したウインドウコンパレータ３４を用い、２つのコンパレータ３４１，３４２から伝播時間計算部２４に入力される第１受信波到達信号の受信時間と、第２受信波到達信号の受信時間との中心値を受信波の到達時間として用いることにより、伝播時間計算部２４では、より正確な超音波の伝播時間測定が可能になる。従って、ガス濃度の測定精度を高めることができる。尚、第１受信波到達信号の受信時間と、第２受信波到達信号の受信時間との時間差に応じて、マイクロプロセッサ２０によって補正をかけて、より正確な超音波の伝播時間測定ができるようにしても良い。
【００６１】
次に、ガス濃度センサ１の超音波素子５の劣化度合の判定処理について図１５及び図１６を参照して説明する。 図１５は、マイクロプロセッサ２０で行われるガス濃度センサ１の超音波素子５の劣化度合判定処理のフローチャートであり、図１６は、超音波素子５の劣化と増幅率の関係を示すグラフである。ガス濃度センサ１の超音波素子５は、圧電素子から構成されているが、経年変化により劣化してくる。超音波素子５が劣化すると、受信波を受信したときの出力波形の振幅が小さくなってくるので、図１６に示すように、受信増幅回路２９の増幅率が上昇することになる。従って、増幅率が上昇したまま所定時間以上継続する場合には、超音波素子５の劣化と判断できる。
【００６２】
次に、図１５に示す劣化度合判定処理のフローチャートを参照して、ガス濃度センサ１の超音波素子５の劣化度合の判定処理を説明する。この劣化度合判定処理では、まず、増幅率上昇時間測定タイマＴ＝０として、リセットする（Ｓ１）。次いで、ＰＩＤ制御部２６から増幅率の指示信号を読み込む（Ｓ２）、ここで、増幅率が予め超音波素子５の特性に応じて定められている劣化と判断できる所定の増幅率以上か否かを判断する（Ｓ３）。増幅率が所定の増幅率以上の場合には（Ｓ３：ＹＥＳ）、増幅率上昇時間測定タイマＴ＝０の場合には（Ｓ４：ＹＥＳ）、増幅率上昇時間測定タイマＴをスタートし（Ｓ５）、Ｓ６の判断処理に移行する。また、増幅率上昇時間測定タイマＴ＝０でない場合、即ち、増幅率上昇時間測定タイマＴが起動している場合には、直ちにＳ６の判断処理に移行する。
【００６３】
Ｓ６の判断処理では、増幅率上昇時間測定タイマＴの値が、基準時間以上か否かを判断する（Ｓ６）。増幅率上昇時間測定タイマＴの値が、基準時間（一例として、１時間）以上の場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、即ち、ガス濃度センサ１の超音波素子５が劣化し、受信増幅回路２９での受信波の増幅率が所定値以上の場合が、基準時間（一例として、１時間）以上続いているので、超音波素子５の劣化と判断する（Ｓ７）。この結果は、マイクロプロセッサ２０から図示外のポートを介して図示外の外部装置（一例として、自動車のＥＣＵ）に出力する。尚、Ｓ３でＮＯと判断された場合及び、Ｓ６でＮＯと判断された場合には、Ｓ２に戻って、Ｓ２〜Ｓ６の処理を繰り返す。尚、超音波素子５の劣化の判定は、増幅率が所定値以上の場合となったときに、超音波素子５の劣化と判定しても良い。これは、図１６に示すように、時間がたつにつれ、増幅率の基準が上昇するためである。また、本第２の実施の形態では、上記のように、ウインドウコンパレータ３４を用いると受信した受信波の振幅の大きさが分かるので、超音波素子５の劣化の判定基準に受信した受信波の振幅の大きさを用いても良い。
【００６４】
次に、本第２の実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に評価実験を行った。その結果を図１７及び図１８を参照して説明する。図１７は、評価実験結果のグラフであり、図１８は、負圧下で行った評価実験結果のグラフである。評価実験には、図４に示す、評価装置１００を用いて、第１の実施の形態と同様の条件で行った。図１７に示すように、ガス濃度センサ１の出力を、濃度分析計１０２の出力を基準として比較すると、従来方式では、±６％あった誤差が、±１％となった。従って、本実施の形態のガス濃度センサ１では、従来方式に比べて精度が格段に向上したことが分かる。
【００６５】
また、超音波素子５における超音波の送信特性や受信特性は、耐久試験後等に低下し、超音波素子５にて受信される受信波が減衰する場合がある。従って、上記の条件に加えて、圧力の影響等によってさらに受信波が減衰した場合などは、伝播時間が測定できなくなる可能性もある。そこで、第１の実施の形態と同様の耐久試験後に負圧（０．５ａｔｍ）環境下において、評価装置１００を用いて、上記同様の評価試験を行った結果を図１８に示すグラフ記す。図１８に示すように、従来の方式では、受信波の減衰が大きく、伝播時間が測定できない箇所があるのに対して、本方式を用いることによって伝播時間を正確に測定でき、ガス濃度センサ１の出力を、濃度分析計１０２の出力を基準として比較すると、誤差が、±１％であることが分かる。
【００６６】
尚、上記第２の実施の形態では、第１コンパレータ３４１のスレッショルドレベルが「第１判定電圧値」に相当し、第２コンパレータ３４２のスレッショルドレベルが「第２判定電圧値」に相当し、図１５に示す劣化度合判定処理のフローチャートのＳ６のステップ及びＳ７のステップを実行するマイクロプロセッサ２０が、「素子劣化判断手段」に相当する。
【００６７】
以上説明したように、上記第２の実施の形態の駆動・演算用回路３では、ウインドウコンパレータ３４を用いて、第１コンパレータ３４１のスレッショルドレベルと、第２コンパレータ３４２のスレッショルドレベルとの２つのスレッショルドレベルを用いて、各スレッショルドレベルに受信波が到達した時間の中間の時間を受信波の到達時間として用いるので、元々の受信波の振幅の大小にかかわらず、伝播時間を正確に測定でき、且つ、ガス濃度の測定精度をより高めることができる。
【００６８】
また、第２の実施の形態では、受信した受信波の振幅を一定に保つので、初期状態での受信増幅回路２９の増幅率の調整が不要となり、ガス濃度センサ１の組み立て時の調整時間が節約できる。さらに、経年変化による再調整が不要である。また、ウインドウコンパレータ３４を用いると受信した受信波の振幅の大きさが分かるので、超音波素子５の劣化の判定基準に受信した受信波の振幅の大きさを用いることもできる。
【００６９】
尚、本発明は、上記実施の形態に限られず、各種の変更が可能である。例えば、増幅率の設定は、３段階に限られず、スイッチング素子の数を増やして、さらに多段階に増幅率を切り替えるようにしてもよい。また、第１コンパレータ３４１のスレッショルドレベルと、第２コンパレータ３４２のスレッショルドレベルとの２つのスレッショルドレベルも任意に電圧値の設定を変更することができる。また、ＰＩＤ制御のかわりに、Ｈ∞制御を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、各種のガス濃度センサに限られず、超音波の伝播時間を用いる各種のセンサ等に適応できる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】ガス濃度センサ１の縦断面図である。
【図２】駆動・演算用回路３のブロック図である。
【図３】受信増幅回路２９の回路図である。
【図４】評価実験に用いた評価装置１００のブロック図である。
【図５】評価実験結果のグラフである。
【図６】負圧下で行った評価実験結果のグラフである。
【図７】第２の実施の形態の駆動・演算用回路３のブロック図である。
【図８】ウインドウコンパレータ３４の回路図である。
【図９】振幅の大きい受信波を増幅した場合の波形を示す図である。
【図１０】振幅の小さい受信波を増幅した場合の波形を示す図である。
【図１１】全波整流された整流受信波である。
【図１２】全波整流された整流受信波の包絡線を示す図である。
【図１３】スレッショルドレベルを１つ設けた場合の波形図である。
【図１４】スレッショルドレベルを２つ設けた場合の波形図である。
【図１５】マイクロプロセッサ２０で行われるガス濃度センサ１の超音波素子５の劣化度合判定処理のフローチャートである。
【図１６】超音波素子５の劣化と増幅率の関係を示すグラフである。
【図１７】評価実験結果のグラフである。
【図１８】負圧下で行った評価実験結果のグラフである。
【符号の説明】
【００７２】
１  ガス濃度センサ
３  駆動演算用回路
５  超音波素子
７  測定室
９  反射面
１１  サーミスタ
１３  ガス流入孔
１５  ガス流出孔
２０  マイクロプロセッサ
２１  送信タイミング部
２２  濃度計算部
２３  Ａ／Ｄ変換部
２４  伝播時間計算部
２５  Ａ／Ｄ制御部
２６  ＰＩＤ制御部
２７  送受信切替回路
２８  送信回路
２９  受信増幅回路
３１  全波整流回路
３３  比較器
３４  ウインドウコンパレータ
３７  差動増幅回路
３９  ピークホールド回路
４５  温度測定回路
２９１  オペアンプ
２９２，２９３，２９４，２９５  抵抗
２９６，２９７，２９８  スイッチング素子
【図１】
2005134228.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005134228.tif 000009
【図８】
2005134228.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2005134228.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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