JPH11153471A - 音波による液体情報測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 音波を発生する単一の音波発振素子を利用
し、液体の液面レベル及び音波の伝搬時間を共に測定す
るようにした液体情報測定装置を提供する。 【解決手段】 超音波センサＳは、燃料中に送受信部２
２を配置した超音波発振素子２０と、燃料中に配置した
両反射板３３、３４とを有する。反射板３５は、超音波
発振素子２０からの互い近接した両周波数の各送信超音
波を受けて超音波発振素子２０に向け反射する。反射板
３４は、超音波発振素子２０からの上記各送信超音波を
燃料の液面レベルに向けて反射するとともにこの液面レ
ベルからの反射音波を入射されて送受信部２２に向けて
反射する。位相測定器９０は、超音波発振素子２０から
の各反射超音波に基づく受信出力をそれぞれ２値化しこ
れら２値化出力の位相差を算出する。マイクロコンピュ
ータ４０は当該位相差及び各周波数に基づき音波の伝搬
時間及び液面レベルを算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可聴音波や超音波
等の音波を用いて当該音波の燃料等の液体中の伝搬時間
及び液体の液面レベルの二つの液体情報を測定する液体
情報測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車の燃料タンク中の液体燃料
の液面レベルを測定するにあたっては、当該液体燃料の
静電容量を用いて測定する液面レベル測定装置がある。
また、当該燃料中の超音波の伝搬時間を測定するにあた
っては、特開平７−２２５２２８号公報にて示すよう
に、超音波が燃料内を往復する時間を求めて当該超音波
の燃料内での伝搬時間を測定する伝搬時間測定装置があ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記液面レベ
ル測定装置及び伝搬時間測定装置によっては、液面レベ
ル及び伝搬時間を別々の装置により別々に測定し得るに
すぎず、液面レベル及び伝搬時間を単一の測定装置でも
って共に測定することはできない。このため、コストの
低減や省スペースの要請に反するという不具合が生ず
る。

【０００４】そこで、本発明は、このようなことに対処
するため、可聴音波や超音波等の音波を発生する単一の
音波発振素子を利用して、液体の液面レベル及び伝搬時
間の二つの液体情報を共に測定するようにした液体情報
測定装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題の解決にあた
り、請求項１及び２に記載の発明によれば、少なくとも
送受信部（２２）を液体中に位置させる音波発振素子で
あって第１及び第２の周波数にて液体中に第１及び第２
の音波を送信する音波発振素子（２０）と、液体中に配
置された伝搬時間測定用反射体であって第１及び第２の
送信音波を入射されてこれら各入射音波を送受信部に向
け第１及び第２の伝搬時間測定用音波として反射する伝
搬時間測定用反射体（３５）と、液体中に配置されて第
１及び第２送信音波を入射されるとともにこれら各入射
音波を液体の液面レベルに向けて反射するとともにこの
液面レベルからの各反射音波を入射されて送受信部に向
けて第１及び第２の液面レベル測定用音波として反射す
る液面レベル測定用反射体（３４）とを備え、音波発振
素子により、第１及び第２の伝搬時間測定用反射音波を
受信して第１及び第２の伝搬時間測定用受信出力を発生
し、第１及び第２の液面レベル測定用反射音波を受信し
て第１及び第２の液面レベル測定用受信出力を発生する
ようにした音波センサ（Ｓ）と、互いに近接する第１及
び第２の周波数にて第１及び第２のバースト信号をそれ
ぞれ時を異にして発生するバースト信号発生手段であっ
て第１及び第２のバースト信号に基づき第１及び第２の
周波数にて音波発振素子から第１及び第２の音波を送信
させるバースト信号発生手段（５０、６０、７０）と、
第１及び第２の伝搬時間測定用受信出力をそれぞれ２値
化して第１及び第２の伝搬時間測定用２値化出力を発
生、第１及び第２の液面レベル測定用受信出力をそれぞ
れ２値化して第１及び第２の液面レベル測定用２値化出
力を発生する２値化出力手段（９０ａ）と、音波発振素
子の第１音波の送信からその受信出力に対する伝搬時間
測定用２値化出力の初期部までの伝搬時間測定用マスク
時間の間マスクする伝搬時間測定用マスク手段（３１
０）と、伝搬時間測定用マスク時間の経過後液面レベル
測定用受信出力に対する液面レベル測定用２値化出力の
初期部までの液面レベル測定用マスク時間の間マスクす
る液面レベル測定用マスク手段（４２０、４３０）と、
伝搬時間測定用マスク時間の経過後の第１或いは第２の
伝搬時間測定用２値化出力のレベル変化時期を第１或い
は第２の伝搬時間測定用位相として算出し、液面レベル
測定用マスク時間の経過後の第１或いは第２の液面レベ
ル測定用２値化出力のレベル変化時期を第１或いは第２
の液面レベル測定用位相として算出する液面レベル測定
用位相算出手段（９０ｂ）と、第１及び第２の伝搬時間
測定用位相の差及び第１及び第２の周波数に基づき液体
中の音波の伝搬時間を算出する伝搬時間算出手段（３６
０、３７０、３７１、３７２、３８０）と、第１及び第
２の液面レベル測定用位相の差及び第１及び第２の周波
数に基づき液面レベルを算出する液面レベル算出手段
（４７０、４８０、４８１、４８２、４９０、４９０
ａ）とを備える音波による液体情報測定装置が提供され
る。

【０００６】これにより、互いに近接する二つの周波数
の各音波に対する各受信出力のレベル変化時期の間の位
相の差及び単一の音波発振素子を利用して、液体中の音
波の伝搬時間及び当該液体の液面レベルを二つの液体情
報として共に測定することができる。従って、コストの
低減や省スペースの要請を満たすことができる。

【０００７】この場合、上述のように、互いに近接する
二つの周波数の各音波に対する各受信出力のレベル変化
時期の間の位相の差を利用して液体中の音波の伝搬時間
及び液面レベルを求めるので、液体中において音波が減
衰しても、これに影響されることなく、伝搬時間及び液
面レベルの高精度の測定が可能となる。また、少なくと
も伝搬時間測定用及び液面レベル測定用受信出力の各初
期部をそれぞれマスクするので、送信音波が受信反射音
波と重なっても、これに影響されることなく、伝搬時間
の高精度の測定が可能となる。

【０００８】また、請求項２に記載の発明によれば、伝
搬時間算出手段は、第１及び第２の伝搬時間測定用位相
の差に応じて第１及び第２の周波数に基づき液体中の音
波の波数を算出する伝搬時間測定用波数算出手段（３７
１、３７２）を備えて、伝搬時間測定用波数、第１及び
第２周波数の一方及びこの一方の周波数に対応する第１
及び第２の伝搬時間測定用位相の一方に基づき液体中の
音波の伝搬時間を算出し、液面レベル算出手段は、第１
及び第２の液面レベル測定用位相の差に応じて第１及び
第２の周波数に基づき液体中の音波の波数を算出する液
面レベル測定用波数算出手段（４８１、４８２）を備え
て、液面レベル測定用波数、第１及び第２周波数の一方
及びこの一方の周波数に対応する第１及び第２の液面レ
ベル測定用位相の一方に基づき液面レベルを算出する。

【０００９】これにより、請求項１に記載の発明の作用
効果をより一層向上できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
により説明する。図１は、本発明に係る液体情報測定装
置が自動車の燃料タンク１０に適用された例を示してい
る。この液体情報測定装置は、超音波センサＳを備えて
おり、この超音波センサＳは、燃料タンク１０の低部に
取り付けられている。

【００１１】超音波センサＳは、超音波発振素子２０
と、筒体３０とを備えている。超音波発振素子２０は、
その頸部２１にて、燃料タンク１０の周壁１１の低部に
形成した取り付け穴部１１ａに液密的に嵌装されてお
り、この超音波発振素子２０は、その送受信部２２に
て、燃料タンク１０内に位置している。これにより、超
音波発振素子２０は、その発振により、送受信部２２の
送受信面２２ａから超音波を発振し、後述のように反射
される当該超音波を送受信面２２ａにて受信して受信信
号を発生する。

【００１２】筒体３０は、図２にて示すごとく、正方形
の横断面を有するもので、この筒体３０は、燃料タンク
１０内にて、その周壁１１と底壁１２ととの隅角部に
て、当該底壁１２上に固定されている。ここで、筒体３
０は、その基端部側開口部３１にて、燃料タンク１０の
周壁１１の低部に当接しており、この筒体３０の開口部
３１内には、超音波発振素子２０の送受信部２２が同軸
的に位置している。また、筒体３０は、その開口部３１
から底壁１２に沿いその中央方向に向け延出しており、
この筒体３０の上壁３２には、連通口３３が形成されて
いる。このため、燃料タンク１０内の燃料１０ａは、筒
体３０内に連通口３３を介し満たされている。

【００１３】また、筒体３０は、図１にて示すごとく、
両反射壁３４、３５を備えており、これら両反射壁３
４、３５は、筒体３０の先端壁に互いに隣接して形成さ
れている。ここで、両反射壁３４、３５は筒体３０の先
端壁を２分割した形で図２にて図示左右に位置してい
る。反射壁３４は、筒体３０の上壁３２の先端部から４
５度の傾斜角度にて図１にて図示左方へかつ下方へ傾斜
しており、この反射壁３４は、連通口３３の図１にて図
示紙面の表面側部分に対向している。

【００１４】これにより、筒体３０内にて超音波発振素
子２０から燃料１０ａ内に送信される超音波を連通口３
３の上記表面側部分を通してその上方へ向け反射する。
また、このように反射された超音波が燃料１０ａの液面
レベルＬにて反射されると、この反射超音波が連通口３
３の上記手前部分を通り反射壁３４に入射して超音波発
振素子２０の送受信面２２ａに向けて反射される。

【００１５】一方、反射壁３５は、連通口３３の図１に
て図示紙面の裏面側部分にて、上壁３２に直交して位置
しており、この反射壁３５は、超音波発振素子２０の送
受信面２２ａから燃料１０ａ内に送信される超音波を受
けてこの超音波を燃料１０ａを通して超音波発振素子２
０の送受信面２２ａに向けて反射する。また、液体情報
測定装置は、マイクロコンピュータ４０を備えており、
このマイクロコンピュータ４０は、図３乃至図５にて示
すフローチャートに従い、コンピュータプログラムを実
行し、増幅器８０及び温度センサ１００の出力に基づき
周波数発生器５０及び位相測定器９０の制御に要する演
算処理やこの位相測定器９０の出力による超音波の音速
及び液面レベルＬの演算処理等を行う。

【００１６】周波数発生器５０は、マイクロコンピュー
タ４０による制御のもと、周波数Ｆ１を有する第１周波
数信号或いは周波数Ｆ２を有する第２周波数信号をパル
ス状に順次発生する。但し、両周波数Ｆ１、Ｆ２は相互
に近接した値である。ゲート回路６０は、周波数発生器
５０からの第１或いは第２の周波数信号を駆動回路７０
に順次出力する。

【００１７】ここで、このゲート回路６０は、周波数発
生器５０から第１周波数信号を受けたとき、第２周波数
信号の出力を禁止した状態で、第１周波数信号を順次所
定数（例えば、８個）に達するまで駆動回路７０に出力
する。また、ゲート回路６０は、周波数発生器５０から
の第１周波数信号を上記所定数だけ順次出力した後、超
音波発振素子２０が超音波の送信後その反射超音波の受
信に要する所要時間の経過に伴い、第１周波数信号の出
力を禁止した状態で、周波数発生器５０からの第２周波
数信号を順次上記所定数に達するまで駆動回路７０に出
力する。

【００１８】このように、ゲート回路６０は、周波数発
生器５０からの第１周波数信号及び第２周波数信号を上
記所定数ずつ上記所要時間の経過毎に交互に駆動回路７
０に順次出力する。駆動回路７０は、ゲート回路６０か
らの各第１周波数信号に基づき第１バースト信号を順次
超音波発振素子２０に出力し、また、ゲート回路６０か
らの各第２周波数信号に基づき第２バースト信号を順次
超音波発振素子２０に出力する。このことは、超音波発
振素子２０は、第１バースト信号に基づき発振し周波数
Ｆ１の超音波を送信し、第２バースト信号に基づき発振
し周波数Ｆ２の超音波を送信することを意味する。

【００１９】増幅器８０は、超音波発振素子２０からの
受信信号を受けて増幅し増幅信号を位相測定器９０及び
マイクロコンピュータ４０に出力する。位相測定器９０
は、２値化回路９０ａと、位相算出回路９０ｂとを備え
ている。２値化回路９０ａは、増幅器８０からの増幅信
号を所定閾値を基準として２値化して２値化信号を位相
算出回路９０ｂに出力する。

【００２０】ここで、超音波発振素子２０の受信信号が
周波数Ｆ１の反射超音波に対応するとき、上記２値化信
号を第１の２値化信号という。また、超音波発振素子２
０の受信信号が周波数Ｆ２の反射超音波に対応すると
き、上記２値化信号を第２の２値化信号という。位相算
出回路９０ｂは、マイクロコンピュータ４０からの後述
するマスク信号の立ち下がり時期を起点として、２値化
回路９０ａからの第１或いは第２の２値化信号の立ち下
がり時期における位相を後述のように算出する。

【００２１】この場合、第１の２値化信号の立ち下がり
時期の位相をＰ１ａ又はＰ２ａといい、第２の２値化信
号の立ち下がり時期の位相をＰ２ａ又はＰ２ｂという。
そして、位相算出回路９０ｂは、その算出位相Ｐ１ａ
（或いはＰ２ａ）又はＰ２ａ（或いはＰ２ｂ）を第１又
は第２の位相データＰ１ａ（或いはＰ２ａ）又はＰ２ａ
（或いはＰ２ｂ）としてマイクロコンピュータ４０に出
力する。

【００２２】温度センサ１００は、燃料タンク１０の周
壁１１の低部に嵌着されており、この温度センサ１００
は、筒体３０内に延出し、筒体３０内の燃料１０ａの温
度を検出する。このように構成した本実施形態におい
て、マイクロコンピュータ４０は図３のフローチャート
に従いコンピュータプログラムの実行を開始する。

【００２３】ステップ２００において、マイクロコンピ
ュータ４０内の初期化の処理がなされる。ついで、音速
測定ルーチン３００の処理がなされる（図３及び図４参
照）。まず、図４のステップ３１０にて、マスク時間ｔ
１が設定されマスク信号として位相算出回路９０ｂに出
力される。

【００２４】ここで、マスク時間ｔ１は、図６にて示す
ごとく、超音波発振素子２０が周波数Ｆ１或いはＦ２の
超音波の送信を開始する直前の時期からこの超音波の送
信後反射板３５により反射されて超音波発振素子２０に
より受信され受信信号として出力された後この受信信号
の振幅が安定するまでの時間に相当する。なお、マスク
時間ｔ１は、超音波による超音波発振素子２０と反射板
３５との間の伝搬時間Ｔ１（超音波発振素子２０による
超音波の送信後この超音波が反射板３５により反射され
て超音波発振素子２０から受信信号が発生する時までの
時間）とこの伝搬時間Ｔ１の終了時、即ち、受信信号の
発生時期からその振幅の安定時期まで時間の和である
（図６参照）。

【００２５】ついで、ステップ３２０において、マイク
ロコンピュータ４０が周波数発生器５０に周波数Ｆ１を
設定処理すると、この周波数発生器５０は、周波数Ｆ１
にて第１周波数信号をゲート回路６０に出力する。する
と、ゲート回路６０は、周波数発生器５０からの第１周
波数信号を順次８個になるまで駆動回路７０に出力す
る。これに伴い、駆動回路７０は、各第１周波数信号に
応答して第１バースト信号を順次超音波発振素子２０に
出力する。

【００２６】このため、超音波発振素子２０は、各第１
バースト信号に応答して、周波数Ｆ１の超音波を筒体３
０内の燃料１０ａを通し反射板３５に向け超音波を送信
する。この送信後、反射板３５が超音波を反射すると、
この反射超音波は、筒体３０内の燃料１０ａを通り超音
波発振素子２０の送受信面２２ａに入射する。このた
め、超音波発振素子２０は受信信号を発生し増幅器８０
に出力し、この増幅器８０が、増幅信号を発生し２値化
回路９０ａに出力する。

【００２７】すると、この２値化回路９０ａは、増幅器
８０の増幅信号の振幅を所定閾値を基準に２値化して第
１の２値化信号（図７（ａ）参照）を発生する。これに
伴い、位相算出回路９０ｂが、２値化回路９０ａの第１
の２値化信号に基づき、マスク時間ｔ１の立ち下がり時
期を基準として、当該第１の２値化信号の立ち下がり時
期の位相Ｐ１ａ（図７（ｂ）参照）を算出し、第１位相
データＰ１ａとしてマイクロコンピュータ４０に出力す
る。

【００２８】ここで、具体的には、位相Ｐ１ａは、次の
数１の式に基づきマスク時間ｔ１、伝搬時間Ｔ１及び周
波数Ｆ１に応じて算出される。

【００２９】

【数１】Ｐ１ａ＝ｔ１−Ｔ１−（１／Ｆ１）・ｉｎｔ
（２Ｄ１・Ｆ１／ｃ） 但し、数１の式で、Ｄ１は超音波発振素子２０の送受信
面２２ａと反射壁３５との間の距離である（図１参
照）。ｃは超音波の音速である。また、ｉｎｔは、整数
化を表す。

【００３０】しかして、ステップ３３０において、当該
第１位相データＰ１ａがマイクロコンピュータ４０のメ
モリに記憶される。ついで、ステップ３４０において、
マイクロコンピュータ４０が周波数発生器５０に周波数
Ｆ２を設定処理すると、この周波数発生器５０は、周波
数Ｆ２にて第２周波数信号をゲート回路６０に出力す
る。

【００３１】すると、ゲート回路６０は、周波数発生器
５０からの第２周波数信号を順次８個になるまで駆動回
路７０に出力する。これに伴い、駆動回路７０は、各第
２周波数信号に応答して第２バースト信号を順次超音波
発振素子２０に出力する。このため、超音波発振素子２
０は、各第２バースト信号に応答して、周波数Ｆ２の超
音波を筒体３０内の燃料１０ａを通し反射板３５に向け
超音波を送信する。この送信後、反射板３５が超音波を
反射すると、この反射超音波は、筒体３０内の燃料１０
ａを通り超音波発振素子２０の送受信面部２２ａに入射
する。

【００３２】このため、超音波発振素子２０は受信信号
を発生し増幅器８０に出力し、この増幅器８０が、増幅
信号を発生し２値化回路９０ａに出力する。すると、こ
の２値化回路９０ａは、増幅器８０の増幅信号の振幅を
所定閾値を基準に２値化して第２の２値化信号（図７
（ｂ）参照）を発生する。これに伴い、位相算出回路９
０ｂが、２値化回路９０ａの第２の２値化信号に基づ
き、マスク時間ｔ１の立ち下がり時期を基準として、当
該第２の２値化信号の立ち下がり時期の位相Ｐ１ｂ（図
７（ｂ）参照）を算出し、第２位相データＰ１ｂとして
マイクロコンピュータ４０に出力する。

【００３３】ここで、具体的には、位相Ｐ１ｂは、次の
数２の式に基づきマスク時間ｔ１、伝搬時間Ｔ１及び周
波数Ｆ２に応じて算出される。

【００３４】

【数２】Ｐ１ｂ＝ｔ１−Ｔ１−（１／Ｆ２）・ｉｎｔ
（２Ｄ１・Ｆ２／ｃ） しかして、ステップ３５０において、当該第２位相デー
タＰ１ｂがマイクロコンピュータ４０のメモリに記憶さ
れる。ついで、ステップ３６０において、各ステップ３
３０及び３５０で前記メモリに記憶した第１位相データ
Ｐ１ａと第２位相データＰ１ｂとの差ｄｐ１＝（Ｐ１ａ
−Ｐ１ｂ）が算出される。

【００３５】その後、ステップ３７０において、差ｄｐ
１＞０か否かが判定される。具体的には、次のようにし
て判定される。数１及び数２の式を用いれば、差ｄｐ１
は、次の数３の式により表される。

【００３６】

【数３】 ここで、ｉｎｔ（２Ｄ１・Ｆ１／ｃ）＝Ｎ１とし、ｉｎ
ｔ（２Ｄ１・Ｆ２／ｃ）＝Ｎ２として表すと、差ｄｐ１
は次の数４の式により表される。

【００３７】

【数４】 ｄｐ１＝（１／Ｆ１）・Ｎ１−（１／Ｆ２）・Ｎ２ この数４の式において、両周波数Ｆ１、Ｆ２を相互に近
接した周波数とすれば、波数Ｎ１＝Ｎ２或いはＮ１＝Ｎ
２＋１とすることができる。従って、Ｎ１＝Ｎ２＝Ｎと
すれば、数４の式は次の数５の式に変換できる。

【００３８】

【数５】 ｄｐ１＝Ｎ｛（Ｆ１−Ｆ２）／（Ｆ１・Ｆ２）｝ また、Ｎ１＝Ｎ２＋１＝Ｎとすれば、数４の式は次の数
６の式に変換できる。

【００３９】

【数６】ｄｐ１＝Ｎ｛（Ｆ１−Ｆ２）／（Ｆ１・Ｆ
２）｝−（１／Ｆ２） ここで、Ｎ１＞Ｎ２、即ちｄｐ１＞０の場合は、数６の
式に対応し、Ｎ１＝Ｎ２、即ちｄｐ１≦０は、数５の式
に対応する。そこで、ステップ３７０において、ｄｐ１
＞０の場合は、ＹＥＳと判定され、ｄｐ１≦０の場合は
ＮＯと判定される。

【００４０】しかして、ステップ３７０における判定が
ＹＥＳとなる場合には、次の数７の式に基づき波数Ｎが
算出される。

【００４１】

【数７】Ｎ＝ｄｐ１・Ｆ１・Ｆ２／（Ｆ１−Ｆ２） 一方、ステップ３７０における判定がＮＯとなる場合に
は、次の数８の式に基づき波数Ｎが算出される。

【００４２】

【数８】Ｎ＝｛Ｆ１・Ｆ２／（Ｆ１−Ｆ２）｝｛ｄｐ１
＋（１／Ｆ２）｝ なお、数７及び数８の各式は、数５及び数６の各式の変
形により得られる。このようにして波数Ｎが算出される
と、次のステップ３８０において、次の数９の式に基づ
き、筒体３０内の燃料１０ａ中における超音波の伝搬時
間Ｔ１が算出される。

【００４３】

【数９】Ｔ１＝ｔ１−｛（Ｎ／Ｆ１）−Ｐ１ａ｝ この場合、伝搬時間Ｔ１は、位相算出器９０からの両位
相データＰ１ａ、Ｐ１ｂに基づき数７或いは数８の式を
利用して算出されるから、簡単な処理にて伝搬時間Ｔ１
の算出が可能となる。

【００４４】ここで、超音波発振素子２０の受信信号の
振幅のうち初期の不安定な振幅は、マスク時間ｔ１によ
りマスクされ、安定な振幅のみを利用して、マスク時間
ｔ１の周期を基準として、両位相Ｐ１ａ、Ｐ１ｂを算出
する。従って、伝搬時間Ｔ１の算出が高精度にてなされ
得る。このことは、伝搬時間Ｔ１の高精度測定が可能で
あることを意味する。

【００４５】その後、ステップ３９０において、次の数
１０の式に基づき、上記伝搬時間Ｔ１に応じて超音波の
音速ｃが算出される。

【００４６】

【数１０】ｃ＝（２Ｄ１／Ｔ１） これにより、燃料１０ａ中の超音波の音速を高精度にて
算出することができ、その結果、燃料１０ａの物理的性
状の高精度の測定が可能となる。また、上述のように、
超音波発振素子２０の受信信号の振幅のうち初期の振幅
はマスク時間ｔ１によりマスクされる。従って、超音波
発振素子２０の送信超音波が受信信号とその初期におい
て重なりあっても、これに影響されることなく、伝搬時
間Ｔ１の高精度の算出が可能となる。

【００４７】このようにして音速測定ルーチン３００の
処理が終了すると、液面レベル測定ルーチン４００の処
理がなされる（図３及び図５参照）。まず、ステップ４
１０において、ステップ３２０にてなされたと同様の周
波数Ｆ１の設定処理がなされる。然る後、上述と同様に
駆動回路７０が第１バースト信号を順次発生すると、超
音波発振素子２０が周波数Ｆ１の超音波を筒体３０内の
燃料１０ａを通して反射板３４に向けて送信する。

【００４８】すると、この送信超音波が反射板３４によ
り反射された後液面レベルＬにて反射されて反射板３４
に入射し、この入射超音波が反射されて超音波発振素子
２０から受信信号として出力されるまでの時間ｔ’、即
ち、反射波到来時間ｔ’（図８参照）が、周波数Ｆ１の
設定時期及び増幅器８０の増幅信号の出力時期に応じて
算出される。

【００４９】但し、この算出は、マスク時間ｔ（図６参
照）の間、即ち、超音波の音速測定のために超音波発振
素子２０から送信された超音波が反射板３５により反射
されて超音波発振素子２０から生ずる受信信号が無くな
るまでの間、当該受信信号をマスクした状態でなされ
る。これにより、液面レベルの測定に対し、超音波の音
速測定時に超音波発振素子２０から生ずる受信信号が誤
差として混入することがない。

【００５０】ついで、ステップ４３０において、マスク
時間ｔ２（図６参照）が、反射波到来時間ｔ’と所定遅
延時間Δｔ（図８参照）との和（ｔ’＋Δｔ）として設
定される。ここで、増幅器８０の増幅信号の振幅が所定
のスレッショルドレベルを超えたときに反射波到来時間
ｔ’の終期を設定することで、この終期を基準として所
定遅延時間Δｔを設定する（図８参照）。

【００５１】このようなステップ４３０における処理後
は、このステップ４３０におけるマスク時間ｔ２を基準
として、位相算出回路９０ｂの各位相の算出及びステッ
プ４４０以後の演算処理がなされる。即ち、２値化回路
９０ａは、増幅器８０の増幅信号の振幅を上記所定閾値
を基準に２値化して第１の２値化信号（図９（ａ）参
照）を発生する。

【００５２】これに伴い、位相算出回路９０ｂが、２値
化回路９０ａの第１の２値化信号に基づき、マスク時間
ｔ２の立ち下がり時期を基準として、当該第１の２値化
信号の立ち下がり時期の位相Ｐ２ａ（図９（ｂ）参照）
を算出し、第１位相データＰ２ａとしてマイクロコンピ
ュータ４０に出力する。ここで、具体的には、位相Ｐ２
ａは、次の数１１の式に基づきマスク時間ｔ２、伝搬時
間Ｔ２及び周波数Ｆ１に応じて算出される。

【００５３】

【数１１】Ｐ２ａ＝ｔ２−Ｔ２−（１／Ｆ１）・ｉｎｔ
（２Ｄ２・Ｆ１／ｃ） 但し、数１の式で、Ｄ２は反射板３４と液面レベルＬと
の間の距離である（図１参照）。しかして、ステップ４
４０において、当該第１位相データＰ２ａがマイクロコ
ンピュータ４０のメモリに記憶される。

【００５４】ついで、上記ステップ３４０の処理と同様
にステップ４５０にて周波数Ｆ２が設定される。然る
後、上述と同様に駆動回路７０が第２バースト信号を順
次発生すると、超音波発振素子２０が周波数Ｆ２の超音
波を筒体３０内の燃料１０ａを通して反射板３４に向け
て送信する。すると、この反射壁３４は、当該送信超音
波を、当該反射板３４と液面レベルＬとの間の燃料１０
ａを通し液面レベルＬに向け反射する。

【００５５】これに伴い、液面レベルＬが反射壁３４か
らの超音波を反射すると、この反射超音波は、液面レベ
ルＬと反射板３４との間の燃料１０ａを通り反射壁３４
に入射する。そして、この入射超音波は反射壁３４によ
り反射されて筒体３０内の燃料１０ａを通り超音波発振
素子２０の送受信面２２ａに入射する。このため、超音
波発振素子２０は受信信号を発生し増幅器８０に出力
し、この増幅器８０が、増幅信号を発生し２値化回路９
０ａ及びマイクロコンピュータ４０に出力する。

【００５６】すると、この２値化回路９０ａは、増幅器
８０の増幅信号の振幅を所定閾値を基準に２値化して第
２の２値化信号（図９（ｂ）参照）を発生する。これに
伴い、位相算出回路９０ｂが、２値化回路９０ａの第２
の２値化信号に基づき、マスク時間ｔ２の立ち下がり時
期を基準として、当該第２の２値化信号の立ち下がり時
期の位相Ｐ２ｂ（図９（ｂ）参照）を算出し、第２位相
データＰ２ｂとしてマイクロコンピュータ４０に出力す
る。

【００５７】ここで、具体的には、位相Ｐ２ｂは、次の
数１２の式に基づきマスク時間ｔ２、伝搬時間Ｔ２及び
周波数Ｆ２に応じて算出される。

【００５８】

【数１２】Ｐ２ｂ＝ｔ２−Ｔ２−（１／Ｆ２）・ｉｎｔ
（２Ｄ２・Ｆ２／ｃ） しかして、ステップ４６０において、当該第２位相デー
タＰ２ｂがマイクロコンピュータ４０のメモリに記憶さ
れる。ついで、ステップ４７０において、各ステップ４
４０及び４５０で前記メモリに記憶した第１位相データ
Ｐ２ａと第２位相データＰ２ｂとの差ｄｐ２＝（Ｐ２ａ
−Ｐ２ｂ）が算出される。

【００５９】その後、ステップ４８０において、差ｄｐ
２＞０か否かが判定される。具体的には、次のようにし
て判定される。数１１及び数１２の式を用いれば、差ｄ
ｐ２は、次の数１３の式により表される。

【００６０】

【数１３】 ここで、ｉｎｔ（２Ｄ２・Ｆ１／ｃ）＝Ｎ３とし、ｉｎ
ｔ（２Ｄ２・Ｆ２／ｃ）＝Ｎ４として表すと、差ｄｐ２
は次の数１４の式により表される。

【００６１】

【数１４】 ｄｐ２＝（１／Ｆ１）・Ｎ３−（１／Ｆ２）・Ｎ４ この数１４の式において、両周波数Ｆ１、Ｆ２を相互に
近接した周波数とすれば、波数Ｎ３＝Ｎ４或いはＮ４＝
Ｎ３＋１とすることができる。従って、Ｎ３＝Ｎ４＝Ｎ
とすれば、数１４の式は次の数１５の式に変換できる。

【００６２】

【数１５】 ｄｐ２＝Ｎ｛（Ｆ１−Ｆ２）／（Ｆ１・Ｆ２）｝ また、Ｎ３＝Ｎ４＋１＝Ｎとすれば、数１４の式は次の
数１６の式に変換できる。

【００６３】

【数１６】ｄｐ２＝Ｎ｛（Ｆ１−Ｆ２）／（Ｆ１・Ｆ
２）｝−（１／Ｆ２） ここで、Ｎ３＞Ｎ４、即ちｄｐ２＞０の場合は、数１６
の式に対応し、Ｎ３＝Ｎ４、即ちｄｐ２≦０は、数１５
の式に対応する。そこで、ステップ４８０において、ｄ
ｐ２＞０の場合は、ＹＥＳと判定され、ｄｐ２≦０の場
合はＮＯと判定される。

【００６４】しかして、ステップ４８０における判定が
ＹＥＳとなる場合には、次の数１７の式に基づき波数Ｎ
が算出される。

【００６５】

【数１７】Ｎ＝ｄｐ２・Ｆ１・Ｆ２／（Ｆ１−Ｆ２） 一方、ステップ４８０における判定がＮＯとなる場合に
は、次の数１８の式に基づき波数Ｎが算出される。

【００６６】

【数１８】Ｎ＝｛Ｆ１・Ｆ２／（Ｆ１−Ｆ２）｝｛ｄｐ
２＋（１／Ｆ２）｝ なお、数１７及び数１８の各式は、数１５及び数１６の
各式の変形により得られる。このようにして波数Ｎが算
出されると、次のステップ４９０において、次の数１９
の式に基づき、反射壁３４と液面レベルＬとの間の燃料
１０ａ中における超音波の伝搬時間Ｔ２が算出される。

【００６７】

【数１９】Ｔ２＝ｔ＋ｔ２−｛（Ｎ／Ｆ１）−Ｐ２ｂ｝ この場合、伝搬時間Ｔ２は、位相算出器９０からの両位
相データＰ２ａ、Ｐ２ｂに基づき数１７或いは数１８の
式を利用して算出されるから、簡単な処理にて伝搬時間
Ｔ２の算出が可能となる。

【００６８】ここで、超音波発振素子２０の受信信号の
振幅のうち初期の不安定な振幅は、マスク時間ｔ２によ
りマスクされ、安定な振幅のみを利用して、マスク時間
ｔ２の周期を基準として、両位相Ｐ２ａ、Ｐ２ｂを算出
する。従って、伝搬時間Ｔ２の算出が高精度にてなされ
得る。このことは、伝搬時間Ｔ２の高精度測定が可能で
あることを意味する。

【００６９】その後、ステップ４９０ａにおいて、次の
数２０の式に基づき液面レベルＬと反射壁３４の上下方
向中央の間の距離Ｄ２が距離Ｄ１及び両伝搬時間Ｔ１、
Ｔ２に応じて算出される。

【００７０】

【数２０】Ｄ２＝Ｄ１（Ｔ２−Ｔ１）／Ｔ１ ここで、この距離Ｄ２は燃料タンク１０内の燃料の液面
レベルＬを表す。以上説明した通り、本実施形態によれ
ば、距離Ｄ１における燃料１０ａ中の超音波の音速ｃ及
び液面レベルＬの双方を単一の超音波発振素子２０を有
する単一の装置でもって、測定できる。従って、コスト
の低減を確保できるとともに、省スペース化に有効であ
る。

【００７１】また、図１０（ａ）にて示すごとく、液面
レベルＬが低下したために、液面レベルＬの測定時の超
音波発振素子２０の受信信号が、図１０（ｂ）にて示す
ごとく、超音波の音速測定時の超音波発振素子２０の受
信信号に近づいて重なることがあっても、図６にて示す
ごとく、両マスク時間ｔ、ｔ２により超音波の音速測定
時の超音波発振素子２０の受信信号がマスクされる。

【００７２】従って、液面レベルＬの高精度の測定が損
なわれることはない。なお、本発明の実施にあたって
は、超音波に限ることなく、可聴音波等の各種の音波を
用いて燃料１０ａ中の伝搬時間及び液面レベルＬを測定
するようにしても、上記実施形態と同様の作用効果を達
成できる。また、本発明の実施にあたり、燃料タンク１
０内の燃料の液面レベルＬ及び当該燃料中の超音波の伝
搬時間や音速に限ることなく、各種の容器内の液体の液
面レベル及び当該液体中の超音波の伝搬時間や音速を測
定するようにしてもよい。

【００７３】また、本発明の実施にあたり、数９の式に
代えて、次の数２１の式により波数Ｎを算出してもよ
い。

【００７４】

【数２１】Ｔ１＝ｔ１−｛（Ｎ／Ｆ２）−Ｐ１ｂ｝

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すブロック図であって
図２にて１−１線に沿う筒体の断面を含む図である。

【図２】図１の筒体の２−２線に沿う断面図である。

【図３】図１のマイクロコンピュータの作用を示すフロ
ーチャートである。

【図４】図３の音速測定ルーチンの詳細フローチャート
である。

【図５】図３の液面レベル測定ルーチンの詳細フローチ
ャートである。

【図６】マスク時間ｔ、ｔ１、ｔ２及び伝搬時間Ｔ１、
Ｔ２を、超音波の音速及び液面レベルの各測定時におけ
る周波数Ｆ１、Ｆ２の送信超音波及び受信信号との関係
で示すタイミングチャートである。

【図７】（ａ）は、超音波の音速測定時における第１及
び第２の２値化信号のタイミングチャートであり、
（ｂ）は、（ａ）の符号Ａの楕円で囲う部分を拡大して
示すタイミングチャートである。

【図８】マスク時間ｔ２、反射波到来時間ｔ’及び遅延
時間Δｔをスレッショルドレベル及び増幅信号との関係
で示すタイミングチャートである。

【図９】（ａ）は、液面レベルの測定時における第１及
び第２の２値化信号のタイミングチャートであり、
（ｂ）は、（ａ）の符号Ｂの楕円で囲う部分を拡大して
示すタイミングチャートである。

【図１０】（ａ）は、液面レベルの低下状態における超
音波センサの要部断面図であり、（ｂ）は、液面レベル
測定時の超音波発振素子の受信信号が超音波の音速測定
時の超音波発振素子の受信信号に移動して重なる状態を
示すタイミングチャートである。

【符号の説明】

Ｓ…超音波センサ、２０…超音波発振素子、３４、３５
…反射板、４０…マイクロコンピュータ、５０…周波数
発生器、６０…ゲート回路、７０…駆動回路、８０…増
幅器、９０…位相算出器、９０ａ…２値化回路、９０ｂ
…位相算出回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 拓也 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 高橋 利光 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも送受信部（２２）を液体中に
   位置させる音波発振素子であって前記第１及び第２の周
   波数にて前記液体中に第１及び第２の音波を送信する音
   波発振素子（２０）と、 前記液体中に配置された伝搬時間測定用反射体であって
   前記第１及び第２の送信音波を入射されてこれら各入射
   音波を前記送受信部に向け第１及び第２の伝搬時間測定
   用音波として反射する伝搬時間測定用反射体（３５）
   と、 前記液体中に配置されて前記第１及び第２送信音波を入
   射されるとともにこれら各入射音波を前記液体の液面レ
   ベルに向けて反射するとともにこの液面レベルからの各
   反射音波を入射されて前記送受信部に向けて第１及び第
   ２の液面レベル測定用音波として反射する液面レベル測
   定用反射体（３４）とを備え、 前記音波発振素子により、前記第１及び第２の伝搬時間
   測定用反射音波を受信して第１及び第２の伝搬時間測定
   用受信出力を発生し、前記第１及び第２の液面レベル測
   定用反射音波を受信して第１及び第２の液面レベル測定
   用受信出力を発生するようにした音波センサ（Ｓ）と、 互いに近接する第１及び第２の周波数にて第１及び第２
   のバースト信号をそれぞれ時を異にして発生するバース
   ト信号発生手段であって前記第１及び第２のバースト信
   号に基づき前記第１及び第２の周波数にて前記音波発振
   素子から前記第１及び第２の音波を送信させるバースト
   信号発生手段（５０、６０、７０）と、 前記第１及び第２の伝搬時間測定用受信出力をそれぞれ
   ２値化して第１及び第２の伝搬時間測定用２値化出力を
   発生、前記第１及び第２の液面レベル測定用受信出力を
   それぞれ２値化して第１及び第２の液面レベル測定用２
   値化出力を発生する２値化出力手段（９０ａ）と、 前記音波発振素子の第１音波の送信からその受信出力に
   対する前記伝搬時間測定用２値化出力の初期部までの伝
   搬時間測定用マスク時間の間マスクする伝搬時間測定用
   マスク手段（３１０）と、 前記伝搬時間測定用マスク時間の経過後前記液面レベル
   測定用受信出力に対する前記液面レベル測定用２値化出
   力の初期部までの液面レベル測定用マスク時間の間マス
   クする液面レベル測定用マスク手段（４２０、４３０）
   と、 前記伝搬時間測定用マスク時間の経過後の前記第１或い
   は第２の伝搬時間測定用２値化出力のレベル変化時期を
   第１或いは第２の伝搬時間測定用位相として算出し、前
   記液面レベル測定用マスク時間の経過後の前記第１或い
   は第２の液面レベル測定用２値化出力のレベル変化時期
   を第１或いは第２の液面レベル測定用位相として算出す
   る液面レベル測定用位相算出手段（９０ｂ）と、 前記第１及び第２の伝搬時間測定用位相の差及び前記第
   １及び第２の周波数に基づき前記液体中の音波の伝搬時
   間を算出する伝搬時間算出手段（３６０、３７０、３７
   １、３７２、３８０）と、 前記第１及び第２の液面レベル測定用位相の差及び前記
   第１及び第２の周波数に基づき前記液面レベルを算出す
   る液面レベル算出手段（４７０、４８０、４８１、４８
   ２、４９０、４９０ａ）とを備える音波による液体情報
   測定装置。
2. 【請求項２】 前記伝搬時間算出手段は、 前記第１及び第２の伝搬時間測定用位相の差に応じて前
   記第１及び第２の周波数に基づき前記液体中の前記音波
   の波数を算出する伝搬時間測定用波数算出手段（３７
   １、３７２）を備えて、 前記伝搬時間測定用波数、前記第１及び第２周波数の一
   方及びこの一方の周波数に対応する前記第１及び第２の
   伝搬時間測定用位相の一方に基づき前記液体中の音波の
   伝搬時間を算出し、 前記液面レベル算出手段は、 前記第１及び第２の液面レベル測定用位相の差に応じて
   前記第１及び第２の周波数に基づき前記液体中の前記音
   波の波数を算出する液面レベル測定用波数算出手段（４
   ８１、４８２））を備えて、 前記液面レベル測定用波数、前記第１及び第２周波数の
   一方及びこの一方の周波数に対応する前記第１及び第２
   の液面レベル測定用位相の一方に基づき前記液面レベル
   を算出することを特徴とする請求項１に記載の音波によ
   る液体情報測定装置。