JP7218682B2

JP7218682B2 - 超音波式距離測定装置

Info

Publication number: JP7218682B2
Application number: JP2019128734A
Authority: JP
Inventors: 祐也柴田; 広記岩宮; 哲博今野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2023-02-07
Anticipated expiration: 2039-07-10
Also published as: JP2021015010A; US11385095B2; US20210010846A1

Description

本明細書に記載の開示は、タンクに貯留された被検出液体の液面と超音波素子との間の超音波の伝搬経路の距離を測定する超音波式距離測定装置に関するものである。

特許文献１に示されるように、燃料の液面に向けて超音波を発生し、その液面で反射された超音波を検出することで液面の位置を検出する液面検出装置が知られている。

特開２０１８－１１９８０８号公報

特許文献１に示される液面検出装置は、検出した超音波に基づく受信信号を増幅整流して検波信号に変換している。そして液面検出装置は検波信号が閾値信号よりも大きくなった時間に基づいて、液面検出装置から液面まで伝搬し、液面で反射されて液面から液面検出装置に戻ってきた超音波の伝搬時間を算出している。液面検出装置はこの伝搬時間と別途算出した超音波の速さなどに基づいて液面の位置を算出している。

しかしながら液面検出装置にノイズが混入すると、検波信号が閾値信号よりも大きくなる時間が不正確になる虞がある。伝搬時間が不正確になり、液面の位置の検出精度が低下する虞がある。

そこで本明細書に記載の開示は、距離測定精度の低下の抑制された超音波式距離測定装置を提供することを目的とする。

開示の１つは、タンク（２００）に貯留された被検出液体（２１０）の液面（２１０ａ）と超音波素子（１１）との間の超音波の伝搬経路の距離を測定する超音波式距離測定装置であって、
超音波を発生するとともに、入力された超音波を電気信号に変換する超音波素子と、
超音波素子に超音波を発生するための駆動信号を出力する送信回路（４０）と、
超音波素子で変換された電気信号が閾値よりも大きくなった際に検出信号を出力する比較回路（５３）と、
伝搬経路の媒介を伝搬する超音波の速さが依存する物理量を検出する媒介センサ（７０）と、
物理量と超音波の伝搬速さの相関関係、および、伝搬経路の最長伝搬経路長と最短伝搬経路長を記憶する記憶部（６３）と、
媒介センサの出力に対応する超音波の伝搬速さを物理量と超音波の伝搬速さの相関関係から読み出す読み出し回路（６１）と、
記憶部に記憶された最長伝搬経路長と最短伝搬経路長、および、読み出し回路で読み出された超音波の伝搬速さに基づいて、液面で反射された超音波に基づく検出信号が比較回路から出力される液面タイミングを検出するための伝搬経路検出期間を設定する期間回路（６１）と、
伝搬経路検出期間における液面タイミングと、超音波素子から超音波の出力される出力タイミングとの時間差、および、読み出し回路で読み出された超音波の伝搬速さに基づいて、伝搬経路の距離を算出する算出回路（６１）と、を有する。

超音波素子（１１）で発生した超音波は液面（２１０ａ）に向かって伝搬する。その超音波の一部が液面（２１０ａ）で反射される。その反射された超音波の一部が超音波素子（１１）にかえってくる。この超音波素子（１１）で発生して液面（２１０ａ）で反射された超音波が超音波素子（１１）にかえってくるのに要する時間（伝搬時間）は、超音波素子（１１）と液面（２１０ａ）との間の超音波の伝搬経路の距離と、その伝搬経路を伝搬する超音波の伝搬速さによって求められる。

伝搬速さ一定において、伝搬時間が最も長くなるのは伝搬経路の距離が最長の時である。伝搬時間が最も短くなるのは伝搬経路の距離が最短の時である。液面（２１０ａ）で反射された超音波が超音波素子（１１）にかえってくるタイミングは、伝搬時間が最長の時と最短の時の間になることが期待される。伝搬時間が最短の時と最長の時の間以外の期間に、比較回路（５３）から検出信号が出力された場合、その検出信号は、液面（２１０ａ）の位置に基づく信号ではないことが期待される。

これに対して本開示では、超音波の最長伝搬経路長と最短伝搬経路長、および、超音波の伝搬速さに基づいて、液面（２１０ａ）で反射された超音波に基づく検出信号が比較回路（５３）から出力される液面タイミングを検出するための伝搬経路検出期間を設定している。そしてこの伝搬経路検出期間における液面タイミングと出力タイミングとの時間差、および、超音波の伝搬速さに基づいて伝搬経路の距離を算出している。

これにより、液面（２１０ａ）の位置に基づかない検出信号によって、超音波素子（１１）と液面（２１０ａ）との間の伝搬経路の距離を測定することが抑制される。距離測定精度の低下が抑制される。

なお、上記の括弧内の参照番号は、後述の実施形態に記載の構成との対応関係を示すものに過ぎず、技術的範囲を何ら制限するものではない。

超音波式距離測定装置の全体構成を示す説明図である。超音波センサの概略構成を説明するための断面図である。超音波式距離測定装置を伝達する信号を説明するためのブロック図である。信号処理を説明するためのタイミングチャートである。ノイズ混入時の信号処理を説明するためのタイミングチャートである。検出期間の設定を説明するためのタイミングチャートである。検出期間の更新を説明するためのタイミングチャートである。経過時間検出処理を説明するためのフローチャートである。伝搬速さ検出処理を説明するためのフローチャートである。伝搬経路検出処理を説明するためのフローチャートである。信号処理の変形例を説明するためのブロック図である。

（第１実施形態）
以下、図１～図１０に基づいて超音波式距離測定装置１００を説明する。それにあたって、以下においては互いに直交の関係にある３方向をｘ方向、ｙ方向、および、ｚ方向と示す。ｚ方向が高さ方向に相当する。

超音波式距離測定装置１００は、図１に示すように車両用の燃料タンク２００内に設けられる。超音波式距離測定装置１００は燃料タンク２００の内に貯留された燃料２１０の液面２１０ａの位置（液位）を検出する機能を果たす。燃料２１０は例えばガソリンである。燃料２１０が被検出液体である。

図１と図３に示すように超音波式距離測定装置１００は、超音波センサ１０、伝送管３０、送信回路４０、受信回路５０、制御回路６０、および、媒介センサ７０を有する。超音波センサ１０は伝送管３０に設けられている。超音波センサ１０は送信回路４０と受信回路５０それぞれと電気的に接続されている。送信回路４０と受信回路５０それぞれは制御回路６０と電気的に接続されている。媒介センサ７０は制御回路６０と電気的に接続されている。

超音波センサ１０と伝送管３０は燃料タンク２００の底面２００ａに設けられている。超音波センサ１０と伝送管３０は燃料２１０の中にある。超音波センサ１０で発生した超音波は燃料タンク２００内の燃料２１０を伝搬する。また媒介センサ７０も燃料２１０の中にある。

なお、超音波センサ１０と伝送管３０は底面２００ａからｚ方向に離間した天面２００ｂに設けられてもよい。車両が水平面に停車している場合、ｚ方向は天地方向に沿う。天面２００ｂは燃料２１０の液面２１０ａよりも鉛直方向上方に位置する。超音波センサ１０と伝送管３０は燃料２１０の外にある。超音波センサ１０で発生した超音波は燃料タンク２００内の空気を伝搬する。なお超音波センサ１０が底面２００ａ若しくは天面２００ｂに固定されるのであれば、超音波式距離測定装置１００は伝送管３０を有さずともよい。

＜超音波センサ＞
超音波センサ１０は、超音波素子１１とケース１２を有する。超音波素子１１は超音波を発生する超音波振動子である。超音波素子１１はピエゾ効果を発生するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料からなる。圧電材料は電圧印加によって体積を変化し、外力印加によって電圧を発生する。

超音波素子１１はｚ方向を厚み方向とする円盤形状を成している。超音波素子１１はｚ方向に並ぶ当接面１１ａと裏面１１ｂを有する。これら当接面１１ａと裏面１１ｂそれぞれに電極が印刷成形されている。電極は当接面１１ａと裏面１１ｂそれぞれの全面にわたって形成されている。

当接面１１ａと裏面１１ｂそれぞれに形成された電極にリード１４の一端が半田若しくは圧接によって接続されている。そしてリード１４の他端は図２に示すターミナル１５に接続されている。ターミナル１５は図１に示すリードワイヤ１６に接続されている。このリードワイヤ１６に送信回路４０と受信回路５０が電気的に接続されている。

ケース１２は超音波素子１１を収容する収納空間を有する。ケース１２は絶縁性の樹脂材料からなる。具体的に言えばケース１２は、筒部２１、底部２２、および、蓋部２３を有する。底部２２は筒部２１と一体的に連結されている。蓋部２３は筒部２１および底部２２とは別体である。

筒部２１はｚ方向を軸方向として延びている。筒部２１の有する２つの開口のうちの一方が底部２２によって閉塞されている。筒部２１の有する２つの開口のうちの他方が開口している。蓋部２３は筒部２１の開口を閉塞する態様で筒部２１に連結されている。これにより筒部２１の中空は閉塞空間になっている。筒部２１の中空がケース１２の収納空間になっている。なお蓋部２３には上記したリード１４の一部を収納空間の外に突出するための貫通孔２３ａが形成されている。

この収納空間には超音波素子１１の他に防振部１７が設けられている。防振部１７は柔軟な樹脂材料若しくはゴム材料によって形成されている。この形成材料としては例えばニトリルゴムがある。

収納空間において超音波素子１１は底部２２側に位置している。防振部１７は蓋部２３側に位置している。蓋部２３が筒部２１に固定されると、防振部１７が超音波素子１１と蓋部２３との間で圧縮される。防振部１７はｚ方向に弾性変形する。防振部１７はｚ方向において自身から遠ざかる方向に復元力を発生する。この復元力によって超音波素子１１の当接面１１ａが底部２２の内面２２ａに当接している。それとともに防振部１７が蓋部２３に接触している。

送信回路４０から超音波素子１１に超音波を発生するための駆動信号が入力されると、超音波素子１１は当接面１１ａと裏面１１ｂの並ぶｚ方向に振動する。この振動によって、超音波素子１１の当接しているケース１２の底部２２もｚ方向に振動する。底部２２の外面２２ｂに接している燃料２１０が振動する。燃料２１０に超音波が発生する。

逆に、外部から入力される振動によって底部２２が振動すると、超音波素子１１がｚ方向において底部２２と防振部１７との間で圧縮される。これにより超音波素子１１で電圧が発生する。この受信した振動に応じた電圧が、超音波の受信信号として受信回路５０に入力される。

なお、超音波を発生した後の超音波素子１１には残響振動が残る。防振部１７はこの残響振動の発生を抑制する機能を果たしている。それとともに防振部１７は超音波素子１１で発生した超音波が蓋部２３を介してケース１２の収納空間の外に漏れることを抑制している。

＜伝送管＞
伝送管３０は、超音波センサ１０から出力される超音波を燃料２１０の液面２１０ａに向けて伝播させるとともに、液面２１０ａで反射した超音波を再び超音波素子１１に伝播させる経路（伝播経路）を構成する。

伝送管３０は、この伝搬経路を構成する垂直管３１、および、この垂直管３１と超音波センサ１０のケース１２とを連結するハウジング３２を有する。

垂直管３１は例えばアルミニウムダイカスト用合金などの金属材料や、絶縁性の樹脂材料によって形成されている。垂直管３１はｚ方向に延びている。垂直管３１の有する２つの開口のうちの一方が底面２００ａ側でケース１２の底部２２によって閉塞されている。垂直管３１の有する２つの開口のうちの他方が天面２００ｂ側で開放されている。

垂直管３１のｚ方向の長さは、燃料タンク２００に燃料２１０が満タンに貯留された際の液面２１０ａよりも天面２００ｂ側に他端側が突き出すように設定されている。図示しないが、垂直管３１には中空と外とを連通するための連通孔が形成されている。これにより、連通孔を介して垂直管３１の中空に燃料２１０が浸入する。垂直管３１の中空内の燃料２１０とその外の燃料２１０それぞれの液面２１０ａの位置が等しくなっている。

以上に示した構成により、超音波素子１１で超音波が発生すると、その超音波は垂直管３１の一方側の開口から他方側の開口へと向かって伝搬する。超音波の一部が液面２１０ａに入射して反射される。この反射された超音波（液面波）の一部が超音波センサ１０の外面２２ｂに入射する。これにより超音波素子１１が振動する。超音波素子１１で液面波に基づく受信信号が生成される。

超音波の伝搬速さをｖｐ、超音波が出力されてから液面波が超音波素子１１に戻ってくるまでの伝搬時間をｔｐとすると、伝搬経路長ＬｐはＬｐ＝ｖｐ×ｔｐ／２と数式によって表すことができる。

ハウジング３２は燃料２１０に対して安定性に優れる樹脂材料によって形成されている。ハウジング３２は垂直管３１における一方の開口側と筒部２１それぞれの外側の表面を覆っている。ハウジング３２によって超音波センサ１０が垂直管３１に固定されている。

＜送信回路＞
送信回路４０は駆動回路４１とインピーダンス整合回路４２を備えている。駆動回路４１は電源とグランドとの間に設けられたスイッチを有する。インピーダンス整合回路４２は電源とスイッチとの間に設けられたダイオードを有する。ダイオードのカソード電極が電源に接続されている。またインピーダンス整合回路４２はダイオードに並列接続された一次パルストランスと、この一次パルストランスと磁気結合した二次パルストランスと、を有する。二次パルストランスの両端にリードワイヤ１６が接続されている。

スイッチ素子は制御回路６０から入力される制御信号によって開閉制御される。スイッチ素子が開状態から閉状態になると、上記したパルストランスに駆動信号としての電流が流れる。これによりリードワイヤ１６を介して超音波素子１１に電圧が印加される。

＜受信回路＞
受信回路５０は、増幅回路５１、検波回路５２、および、比較回路５３を有する。増幅回路５１には上記した二次パルストランスの両端に接続された２つのリードワイヤ１６が接続されている。そのために増幅回路５１には、送信回路４０から超音波素子１１に入力される駆動信号（送信信号）と、超音波素子１１から入力される受信信号が入力される。

増幅回路５１はこれら送信信号と受信信号それぞれを増幅する。増幅回路５１は送信信号と受信信号それぞれを増幅した信号（増幅信号）を検波回路５２に出力する。

検波回路５２は増幅信号を半波整流し、その半波整流された複数の信号それぞれのピークを繋いだ検波信号を生成する。検波回路５２はこの検波信号を比較回路５３に出力する。

比較回路５３は検波信号と閾値とを比較する。比較回路５３は検波信号が閾値よりも大きい場合にハイレベル、検波信号が閾値よりも小さい場合にローレベルになる比較信号を生成する。比較回路５３はこの比較信号を制御回路６０に出力する。なお、比較回路５３は検波信号が閾値よりも大きい場合にローレベル、検波信号が閾値よりも小さい場合にハイレベルになる比較信号を生成してもよい。比較信号が検出信号に相当する。

＜制御回路＞
制御回路６０は、演算回路６１、タイマ６２、および、メモリ６３を有する。演算回路６１は後述の経過時間検出処理、伝搬速さ検出処理、および、伝搬経路検出処理を例えば１００ｍｓ毎に周期的に行っている。または演算回路６１は車両のイグニッションスイッチがオフからオンに切り換ると、イベント処理として経過時間検出処理、伝搬速さ検出処理、および、伝搬経路検出処理を行っている。演算回路６１が読み出し回路、期間回路、および、算出回路に相当する。メモリ６３が記憶部に相当する。

演算回路６１は図４に示す制御信号を送信回路４０に出力する。制御信号を受け取ると送信回路４０は駆動信号を超音波素子１１に出力する。駆動信号が入力されると超音波センサ１０は伝送管３０内の燃料２１０に超音波を出力する。超音波の一部は液面２１０ａで反射され、液面波として超音波センサ１０に戻ってくる。

超音波を受信すると超音波センサ１０は、それを電圧に変換して電気信号（受信信号）を生成する。超音波センサ１０はこの受信信号を受信回路５０に出力する。

受信信号が入力されると受信回路５０は、それを増幅するとともに検波信号に変換する。受信回路５０は検波信号と閾値とを比較して比較信号を生成する。受信回路５０はこの比較信号を演算回路６１に出力する。

上記したように駆動信号は超音波センサ１０だけではなく受信回路５０にも入力される。そのために受信回路５０は受信信号を検波信号に変換して比較信号を生成する前に、駆動信号を検波信号に変換して比較信号を生成する。受信回路５０はこの駆動信号に基づく比較信号も演算回路６１に出力する。

演算回路６１は入力された複数の比較信号それぞれの電圧レベルがローレベルからハイレベルに立ち上がったタイミング（立ち上がりエッジ）を検出する。演算回路６１は初めに検出された立ち上がりエッジを駆動信号が超音波センサ１０に入力されることで、超音波センサ１０から超音波が出力されたタイミング（出力タイミング）と認定する。

演算回路６１はこの立ち上がりエッジと、この後に検出される立ち上がりエッジとの時間差をタイマ６２の計測時間に基づいて算出する。これによって演算回路６１は超音波センサ１０から出力された超音波が超音波センサ１０に戻ってくるまでの経過時間を算出する。それとともに演算回路６１はメモリ６３にその経過時間を記憶する。

＜立ち上がりエッジの数＞
ところで、例えば図４に示すように、超音波を出力した後に超音波センサ１０が受信する超音波は、液面２１０ａで反射された液面波の１つであることが期待される。そのために演算回路６１が検出する立ち上がりエッジの数は、駆動信号に基づく立ち上がりエッジを除くと、１つであることが期待される。

しかしながら、例えば図５に示すように検波信号にノイズが重複する場合がある。この場合、２つよりも多くの立ち上がりエッジが検出される。図５では３つの立ち上がりエッジが検出される。そのためにいずれの立ち上がりエッジが液面波に基づくものであるかを判別することができなくなる。

係る課題を解決するために演算回路６１は、液面波に基づく立ち上がりエッジを検出するための伝搬経路検出期間を設定している。

なお、当然ながらにして液面２１０ａの位置は燃料タンク２００内の燃料２１０の貯留量によって変化する。そのために例え超音波の伝搬速さｖｐが一定だとしても、液面２１０ａの位置によって液面波の検出されるタイミングが異なってくる。また、超音波の伝搬速さｖｐは温度によって変化する。そのために燃料２１０の温度によって液面波の検出されるタイミングが異なってくる。

演算回路６１はこのように液面２１０ａの位置と伝搬速さｖｐの変化によって液面波の検出されるタイミングが異なったとしても、これらを検出するとともにノイズを除去できる伝搬経路検出期間を設定している。

＜媒介センサ＞
上記した伝搬経路検出期間の設定を説明する前に、媒介センサ７０を説明する。媒介センサ７０は、伝搬経路の媒介を伝搬する超音波の速さが依存する物理量を検出する機能を果たす。媒介センサ７０は、この物理量として伝搬経路の媒介の温度と組成を検出する機能を果たす。具体的に言えば媒介センサ７０は温度センサ７１と組成センサ７２を有する。

これら温度センサ７１と組成センサ７２は燃料２１０内に位置している。温度センサ７１は燃料２１０の温度を検出する。組成センサ７２は燃料２１０の組成を検出する。これらの検出結果が上記した演算回路６１に入力される。

このように燃料２１０の温度と組成を検出するのは、超音波の伝搬速さｖｐは、超音波の伝搬する燃料２１０の温度と組成によって異なるためである。本実施形態の燃料２１０は、温度が低まるほどに伝搬速さｖｐが速まる性質を有する。メモリ６３には、超音波の伝搬する媒介の温度と超音波の伝搬速さｖｐの相関関係が記憶されている。

演算回路６１は温度センサ７１と組成センサ７２から入力される燃料２１０の温度と組成に基づいて、メモリ６３に記憶された相関関係から超音波の伝搬速さｖｐを読み出す。演算回路６１はこの読み出した伝搬速さｖｐに基づいて、以下に示す伝搬経路検出期間を設定している。

＜伝搬経路検出期間＞
超音波センサ１０で超音波が出力されてから、液面２１０ａで反射された液面波が超音波センサ１０に戻ってくるまでの伝搬時間ｔｐは、伝搬経路長Ｌｐと超音波の伝搬速さｖｐに依存している。

伝搬速さｖｐ一定において、伝搬時間ｔｐが最も短くなるのは伝搬経路長Ｌｐが最も短い時である。伝搬時間ｔｐが最も長くなるのは伝搬経路長Ｌｐが最も長い時である。液面波に基づく立ち上がりエッジの検出されるタイミングは、伝搬時間ｔｐが最短の時と最長の時の間になることが期待される。伝搬時間ｔｐが最短の時と最長の時の間以外の期間に、立ち上がりエッジが検出された場合、その立ち上がりエッジは、液面波に基づく信号ではないことが期待される。

なお、伝搬経路長Ｌｐの最も短い時とは、燃料タンク２００に燃料２１０がほとんどない時である。伝搬経路長Ｌｐの最も長い時とは、燃料タンク２００に燃料２１０が満タンの時である。以下においては表記を簡便とするために、燃料２１０がほとんどない時の伝搬経路長を最短伝搬経路長Ｌｌ、燃料２１０が満タンの時の伝搬経路長を最長伝搬経路長Ｌｈと示す。これら最短伝搬経路長Ｌｌと最長伝搬経路長Ｌｈはメモリ６３に記憶されている。

メモリ６３に記憶される最短伝搬経路長Ｌｌは燃料タンク２００に燃料２１０がほとんどない時の伝搬経路長よりも若干短くともよい。同様にして、メモリ６３に記憶される最長伝搬経路長Ｌｈは燃料タンク２００に燃料２１０が満タンの時の伝搬経路長よりも若干長くともよい。

初めて伝搬経路検出期間を設定する場合、演算回路６１は、例えば図６に示すように、メモリ６３から読み出した伝搬速さｖｐ、最短伝搬経路長Ｌｌ、および、最長伝搬経路長Ｌｈそれぞれによって伝搬経路検出期間の下限値と上限値とを定めている。式で表せば、伝搬経路検出期間の下限値は２Ｌｌ／ｖｐと表される。伝搬経路検出期間の上限値は２Ｌｈ／ｖｐと表される。

演算回路６１はこの伝搬経路検出期間内に入力された比較信号の立ち上がりエッジを検出する。そして演算回路６１は検出した立ち上がりエッジと伝搬経路検出期間よりも前の期間で初めに検出された立ち上がりエッジとの時間差を伝搬時間ｔｐとして算出する。演算回路６１は算出した伝搬時間ｔｐをメモリ６３に記憶する。

なお、ノイズなどのために、例えば図５に示すように伝搬経路検出期間内に複数の立ち上がりエッジが検出される場合がある。この場合に演算回路６１は、伝搬経路検出期間において最も短時間で検出された立ち上がりエッジを液面波に基づく立ち上がりエッジとみなして選択する。液面波に基づく立ち上がりエッジの立つタイミングが液面タイミングに相当する。

演算回路６１は算出した伝搬時間ｔｐと伝搬速さｖｐとに基づいて、伝搬経路長Ｌｐを算出する。式で表せば、Ｌｐ＝ｖｐ×ｔｐ／２と表される。演算回路６１は算出した伝搬経路長Ｌｐをメモリ６３に記憶する。

再度、伝搬経路検出期間を設定する場合、メモリ６３には前の伝搬経路検出期間の設定処理時に算出した伝搬時間ｔｐが記憶されている。またメモリ６３には伝搬速さに対する液面波の波形の長さの相関関係が予め記憶されている。

演算回路６１はこのメモリ６３に記憶された相関関係から伝搬速さｖｐに対応する液面波の波形の長さＬｗを読み出す。そして演算回路６１は読み出した液面波の波形の長さＬｗとメモリ６３に記憶された伝搬時間ｔｐとによって伝搬経路検出期間を更新する。これによれば、例えば図７に示すように伝搬経路検出期間が適切に狭められる。

この「波形の長さ」とは、超音波の伝搬速さを周波数で割った波長を示しているわけではない。例えば図４に示す検波信号の波形の長さを示している。検波信号が例えば閾値よりも低い０Ｖなどの基準値よりも大きい範囲の長さを示している。

更新された伝搬経路検出期間の下限値はｔｐ－Ｌｗ／２と表される。上限値はｔｐ＋Ｌｗ／２と表される。このように、更新された伝搬経路検出期間の中心値はメモリ６３に記憶された伝搬時間ｔｐに設定される。伝搬経路検出期間の幅は、液面波の波形の長さＬｗになる。

なお、液面波に基づく検波信号が閾値を上回るのは、検波信号がピーク値を取る手間になる。そのために伝搬経路検出期間の中心値はメモリ６３に記憶された伝搬時間ｔｐよりも若干遅めに設定してもよい。伝搬経路検出期間の幅は液面波の波形の長さＬｗに１以上の係数を乗算した値に設定してもよい。また、メモリ６３には液面波の波形の長さＬｗが固定値として記憶されていてもよい。図７ではメモリ６３に記憶された伝搬時間をｔｐｍと表記している。

次に、演算回路６１の経過時間検出処理、伝搬速さ検出処理、および、伝搬経路検出処理を図８～図１０に基づいて説明する。

＜経過時間検出処理＞
図８に経過時間検出処理を簡易的に示す。周期的若しくは突発的なイベントタスクが立ち上がると、演算回路６１は図８に示すステップＳ１０を実行し始める。ステップＳ１０において演算回路６１は、タイマ６２によって時間を計測し始める。

ステップＳ２０へ進むと演算回路６１は、制御信号を送信回路４０に出力する。これにより受信回路５０に駆動信号と受信信号とが入力される。演算回路６１にはこれら２種類の信号に基づく比較信号が入力される。

ステップＳ３０において演算回路６１は入力された比較信号の立ち上がりエッジを検出する。演算回路６１は初めに検出された立ち上がりエッジと、この後に検出される立ち上がりエッジとの時間差を、超音波センサ１０から出力された超音波が超音波センサ１０に戻ってくるまでの経過時間として算出する。演算回路６１はその経過時間をメモリ６３に記憶する。

ステップＳ４０に進むと演算回路６１はタイマ６２による時間計測を終了する。この時間計測の終了タイミングは、超音波素子１１の使用環境温度において超音波の伝搬速さｖｐが最も遅く、燃料タンク２００に燃料２１０が満タンに貯留されている際に液面波が超音波センサ１０に戻ってくることの期待される時間よりも長めに設定される。以上が経過時間検出処理である。

＜伝搬速さ検出処理＞
図９に伝搬速さ検出処理を簡易的に示す。演算回路６１は時間経過検出処理を実行し終えると図９に示すステップＳ１１０を実行し始める。

ステップＳ１１０において演算回路６１は、温度センサ７１と組成センサ７２それぞれの出力を取得する。この後に演算回路６１はステップＳ１２０に進む。

ステップＳ１２０に進むと演算回路６１は温度センサ７１と組成センサ７２それぞれの出力に基づいて、メモリ６３に記憶された相関関係から超音波の伝搬速さｖｐを読み出す。以上が伝搬速さ検出処理である。

＜伝搬経路検出処理＞
図１０に伝搬経路検出処理を簡易体に示す。なお図３に示すように、車両には給油があったか否かを判定する給油センサ３００が設けられている。演算回路６１は伝搬速さ検出処理を実行し終えると図１０に示すステップＳ２１０を実行し始める。

ステップＳ２１０において演算回路６１は、給油センサ３００の出力を取得する。それに基づいて演算回路６１は燃料タンク２００に燃料２１０の給油があったか否かを判定する。給油がない場合、演算回路６１はステップＳ２２０に進む。給油があった場合、演算回路６１はステップＳ２３０に進む。

ステップＳ２２０に進むと演算回路６１は、メモリ６３に伝搬時間ｔｐが記憶されているか否かを判定する。メモリ６３に伝搬時間ｔｐが記憶されている場合、演算回路６１はステップＳ２４０に進む。メモリ６３に伝搬時間ｔｐが記憶されていない場合、演算回路６１はステップＳ２３０に進む。

ステップＳ２４０に進むと演算回路６１は、メモリ６３に記憶された伝搬時間ｔｐと液面波の波形の長さＬｗを読み出す。そして演算回路６１は伝搬経路検出期間の下限値ｔｐ－Ｌｗ／２と上限値ｔｐ＋Ｌｗ／２を算出する。演算回路６１はステップＳ２５０に進む。

ステップＳ２３０に進んだ場合に演算回路６１はメモリ６３から最短伝搬経路長Ｌｌと最長伝搬経路長Ｌｈを読み出す。そして演算回路６１はこれらと伝搬速さ検出処理のステップＳ１２０でメモリ６３から読み出した伝搬速さｖｐとに基づいて、伝搬経路検出期間の下限値２Ｌｌ／ｖｐと上限値２Ｌｈ／ｖｐを算出する。この後に演算回路６１はステップＳ２５０に進む。

なお、演算回路６１が初めて伝搬経路検出処理を実行する場合、メモリ６３には伝搬時間ｔｐが記憶されていない。そのために初めて伝搬経路検出処理を実行する場合に演算回路６１はステップＳ２４０ではなくステップＳ２３０を実行する。その後の伝搬経路検出処理で演算回路６１はステップＳ２４０を実行する。これにより伝搬経路検出期間が更新される。伝搬経路検出期間の幅が狭められる。

ステップＳ２５０に進むと演算回路６１は伝搬経路検出期間内に入力された比較信号の立ち上がりエッジを選択する。伝搬経路検出期間内に複数の立ち上がりエッジがある場合に演算回路６１はこれらのうち最も伝搬経路検出期間の下限値に近い立ち上がりエッジを選択する。そして演算回路６１はステップＳ２６０に進む。

ステップＳ２６０に進むと演算回路６１はステップＳ２５０で選択した立ち上がりエッジに対応する経過時間を伝搬時間ｔｐとしてメモリ６３に記憶する。この経過時間は経過時間検出処理のステップＳ３０で算出済みである。この後に演算回路６１はステップＳ２７０に進む。

ステップＳ２７０に進むと演算回路６１はステップＳ２５０で選択した経過時間（伝搬時間ｔｐ）と伝搬速さｖｐをメモリ６３から読み出す。そして演算回路６１は伝搬経路長Ｌｐ＝ｖｐ×ｔ０２／２を算出する。演算回路６１はこの伝搬経路長Ｌｐをメモリ６３に記憶する。以上が伝搬経路検出処理である。

以上に示した処理の実行によって伝搬経路長Ｌｐを検出すると、演算回路６１は伝搬経路長Ｌｐと超音波センサ１０のｚ方向の長さなどに基づいて液面２１０ａのｚ方向における高さ位置（液位）を算出する。そして演算回路６１は算出した液位を含むデータを例えば車両の液面位置表示装置に出力する。

＜作用効果＞
次に超音波式距離測定装置１００の作用効果を説明する。

液面２１０ａで反射された超音波が超音波素子１１にかえってくるタイミングは、超音波の伝搬時間が最長の時と最短の時の間になることが期待される。伝搬時間が最短の時と最長の時の間以外の期間に立ち上がりエッジが検出された場合、その立ち上がりエッジは、液面２１０ａの位置に基づく信号ではないことが期待される。

そこで超音波式距離測定装置１００は、超音波の伝搬経路の最短伝搬経路長Ｌｌと最長伝搬経路長Ｌｈ、および、超音波の伝搬速さｖｐに基づいて、液面波に基づく立ち上がりエッジを検出する伝搬経路検出期間を設定している。超音波式距離測定装置１００は、この伝搬経路検出期間における立ち上がりエッジの超音波が出力されてからの経過時間（伝搬時間ｔｐ）と、超音波の伝搬速さｖｐとに基づいて伝搬経路長Ｌｐを算出している。

これにより、液面２１０ａの位置に基づかない信号によって伝搬経路長Ｌｐを測定することが抑制される。距離測定精度の低下が抑制される。

メモリ６３に伝搬時間ｔｐが記憶されている場合、演算回路６１はその伝搬時間ｔｐと液面波の波形の長さＬｗによって伝搬経路検出期間を更新する。これにより伝搬経路検出期間の幅が狭められる。液面２１０ａの位置に基づかない信号によって伝搬経路長Ｌｐを測定することがより効果的に抑制される。

メモリ６３には伝搬速さ（燃料温度）に対する液面波の波形の長さの相関関係が記憶されている。演算回路６１はこのメモリ６３に記憶された相関関係から伝搬速さｖｐに対応する液面波の波形の長さＬｗを読み出す。これによれば、メモリ６３に固定値としての波形の長さが記憶されている構成と比べて、より適切に伝搬経路検出期間の幅が狭められる。

以上、本開示の好ましい実施形態について説明したが、本開示は上記した実施形態になんら制限されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

（第１の変形例）
本実施形態では例えば図１０に示すようにメモリ６３に伝搬時間ｔｐが記憶されている場合にそれを用いて液面検出期間を更新する例を示した。しかしながらステップＳ２２０とステップＳ２４０を実行せずに、伝搬速さｖｐ、最短伝搬経路長Ｌｌ、および、最長伝搬経路長Ｌｈに基づいて液面検出期間を設定してもよい。

（第２の変形例）
本実施形態において演算回路６１は経過時間を算出した後に伝搬経路検出期間を設定する例を示した。しかしながら演算回路６１は、例えば図１１に示すように伝搬経路検出期間を設定した後に経過時間を算出してもよい。

（その他の変形例）
本実施形態では、超音波式距離測定装置１００として、燃料タンク２００内の燃料２１０の液面２１０ａの位置を検出するものとして説明した。しかしながら超音波式距離測定装置１００の被検出液体としてはガソリンなどの燃料２１０に限らない。被検出液体としては、例えば、ウォシャ液、冷却液、ブレーキオイル、ＡＴフルードなどを採用することができる。

本実施形態では１つの演算回路６１が、メモリ６３からのデータの読み出し処理、検出期間の設定処理、および、伝搬経路長の算出処理を行う例を示した。しかしながらこれら３種類の処理を別々の処理回路で実施してもよい。

本実施形態では媒介センサ７０が温度センサ７１と組成センサ７２の両方を有する例を示した。しかしながら媒介センサ７０は温度センサ７１と組成センサ７２のうちの少なくとも一方を有すればよい。例えば媒介センサ７０が組成センサ７２を備えずに温度センサ７１を備える場合、超音波を伝搬する媒介をガソリンや空気などに予め定めておく。媒介センサ７０が温度センサ７１を備えずに組成センサ７２を備える場合、超音波を伝搬する媒介の温度を予め一定値に定めておく。

１１…超音波素子、４０…送信回路、５３…比較回路、６１…演算回路、６３…メモリ、７０…媒介センサ、７１…温度センサ、７２…組成センサ、１００…超音波式距離測定装置、２００…燃料タンク、２１０…燃料、２１０ａ…液面

Claims

タンク（２００）に貯留された被検出液体（２１０）の液面（２１０ａ）と超音波素子（１１）との間の超音波の伝搬経路の距離を測定する超音波式距離測定装置であって、
前記超音波を発生するとともに、入力された前記超音波を電気信号に変換する前記超音波素子と、
前記超音波素子に前記超音波を発生するための駆動信号を出力する送信回路（４０）と、
前記超音波素子で変換された前記電気信号が閾値よりも大きくなった際に検出信号を出力する比較回路（５３）と、
前記伝搬経路の媒介を伝搬する前記超音波の速さが依存する物理量を検出する媒介センサ（７０）と、
前記物理量と前記超音波の伝搬速さの相関関係、および、前記伝搬経路の最長伝搬経路長と最短伝搬経路長を記憶する記憶部（６３）と、
前記媒介センサの出力に対応する前記超音波の伝搬速さを前記物理量と前記超音波の伝搬速さの相関関係から読み出す読み出し回路（６１）と、
前記記憶部に記憶された前記最長伝搬経路長と前記最短伝搬経路長、および、前記読み出し回路で読み出された前記超音波の伝搬速さに基づいて、前記液面で反射された前記超音波に基づく前記検出信号が前記比較回路から出力される液面タイミングを検出するための伝搬経路検出期間を設定する期間回路（６１）と、
前記伝搬経路検出期間における前記液面タイミングと、前記超音波素子から前記超音波の出力される出力タイミングとの時間差、および、前記読み出し回路で読み出された前記超音波の伝搬速さに基づいて、前記伝搬経路の距離を算出する算出回路（６１）と、を有する超音波式距離測定装置。
前記記憶部は、前記物理量と前記超音波の伝搬速さの相関関係、および、前記最長伝搬経路長と前記最短伝搬経路長の他に、前記伝搬経路で反射されて前記超音波素子に入力される前記超音波の波形の長さを記憶し、
前記算出回路は算出した前記液面タイミングと前記出力タイミングとの時間差を前記記憶部に記憶させており、
前記期間回路は、
前記記憶部に前記液面タイミングと前記出力タイミングとの時間差が記憶されていない場合、前記記憶部に記憶された前記最長伝搬経路長と前記最短伝搬経路長、および、前記読み出し回路で読み出された前記超音波の伝搬速さに基づいて前記伝搬経路検出期間を設定し、
前記記憶部に前記液面タイミングと前記出力タイミングとの時間差が記憶されている場合、前記記憶部に記憶された前記液面タイミングと前記出力タイミングとの時間差、および、前記超音波の波形の長さに基づいて前記伝搬経路検出期間を設定する請求項１に記載の超音波式距離測定装置。
前記記憶部には、前記超音波の伝搬速さと前記超音波の波形の長さとの相関関係が記憶されており、
前記期間回路は、前記記憶部に前記液面タイミングと前記出力タイミングとの時間差が記憶されている場合、前記記憶部に記憶された前記液面タイミングと前記出力タイミングとの時間差と、前記超音波の伝搬速さに応じた前記超音波の波形の長さに基づいて前記伝搬経路検出期間を設定する請求項２に記載の超音波式距離測定装置。
前記算出回路は、前記伝搬経路検出期間に前記検出信号が複数ある場合、複数の前記検出信号のうち、最も前記出力タイミングとの時間差の短い前記検出信号の前記比較回路から出力されるタイミングを前記液面タイミングとして選択する請求項１～３いずれか１項に記載の超音波式距離測定装置。
前記被検出液体は燃料である請求項１～４いずれか１項に記載の超音波式距離測定装置。
前記タンクに貯留された前記被検出液体中に設けられる請求項１～５いずれか１項に記載の超音波式距離測定装置。
前記媒介センサは、前記媒介の温度を検出する温度センサ（７１）と、前記媒介の組成を検出する組成センサ（７２）と、のうちの少なくとも一方を有し、前記物理量として前記媒介の温度と組成のうちの少なくとも一方を検出する請求項１～６いずれか１項に記載の超音波式距離測定装置。