JPH01100488A - 超音波距離測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は超音波を利用してｎＪ定対象物までの距離を測
定する超音波距離測定装置に関する。

［従来の技術］ 従来から測定対象物に向けて超音波を送波してから超音
波が測定対象物で反射して戻ってくるまで時間を測定す
ることにより、測定対象物までの距離を測定する超音波
距離測定装置が知られている。このような超音波距離測
定装置においては、超音波送波器から送波され、測定対
象物から反射してきた超音波を超音波受波器で電圧信号
に変換し、この電圧信号を増幅器で所定のレベルまで増
幅した後、予め設定した基準電圧（以下、トリガレベル
という）と比較し、超音波に対応する電圧信号がトリガ
レベルを越えた時点又は超音波に対応する電圧信号がト
リガレベルを越えた直後のゼロクロス点（電圧信号がＯ
Ｖになる点）をもって超音波が到達したものとしていた
。

しかしながら、媒質中を伝搬する超音波は媒質の成分、
媒質の温度、媒質中の挟雑物等によりその減衰量が異な
り、又、温度分布その他の媒質の不均一性により伝搬経
路上で反射、屈折等が行なわれるので、超音波受波器で
受波した超音波のレベルは著しく変動する。特に、媒質
が気体である場合には、液体に比べて大きな影響を受け
る。

第６図は超音波レベルが変動する状況を説明する図であ
る。第６図において、Ａは超音波送波器から送波した超
音波信号（以下、送信波という）Ｂは超音波受波器で受
波した超音波信号（以下、受信波という）、Ｃは受信波
がトリガレベルｖｔｈをよぎった後に、最初のゼロクロ
ス点をよぎったときに出力されるゼロクロスパルスであ
る。なお受信波Ｂは時間軸を拡大して示しである。第６
図に示すように、受信波Ｂ１に対応するゼロクロスパル
スはＣであるが、受信波Ｂ２に対応するゼ０クロスパル
スはＣになり、伝搬時間はｔ２からｔ３に変動したよう
に測定される。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、受信波を安定して捉えるため、従来から受信
波の増幅回路にＡＧＣ（自動利得制御）を施し、受信波
レベルを一定にして、トリガレベルと比較する手段が用
いられていた。

しかし、受信波（又は受信波に対応する電圧信号）の増
幅回路に施されるＡＧＣは、ＡＧＣが施される以前の受
信波レベルによって決定されるものである。従って、受
信波の増幅回路にＡＧＣを施しても、これから受波する
受信波レベルを予測するものではないので、受信波レベ
ルの変動が遅い場合には効果があるが、受信波レベルの
変動が激しい（受信波レベルの変動が速い）場合には何
等の効果がないばかりか、かえって逆効果を招く恐れす
らあった。（少なくとも測定対象物に向けて送信波を送
波する間隔だけ時間がおいているので、この間に受信波
レベルが変動してしまう場合がある。）従って、超音波
の伝搬媒体の温度むらゆらぎ等があると受信波レベルが
変動するので、測定値に大きなアバレ乃至誤差を生じる
ことになる。

本発明は係る問題点を解決するためになされたものであ
り、受信波レベルが変動しても安定かつ高い測定精度で
、距離を測定できる超音波距離１１定装置を提供するこ
とを目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明に係る超音波距離測定装置は、測定対象物までの
距離を測定すべき第１の受信波を受波するよりも所定時
間だけ早く、第１の受信波と略同一波形の第２の受信波
の振幅に比例する大きさの基準信号を出力する基準信号
出力手段と、第１の受信波が基準信号より大きくなった
ときに、受渡信号を出力する比較手段とを備えている。

［作用］ 本発明においては、基準信号出力手段が第２の受信波の
振幅に比例する大きさの基準信号を出力し、比較手段が
第１の受信波が基準信号より大きくなったときに、受波
信号を出力する。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例に係る超音波距離測定装置の
回路ブロック図である。第１図において１は所定周波数
のクロックパルスＣＰを出力するクロックパルス発生回
路、２はクロックパルス発生回路１のクロックパルスＣ
Ｐを適当に分周し、この装置の動作に必要なタイミング
パルスＴを出力するタイミング回路、３はタイミング回
路２から出力される送信指令信号Ａにより、送信信号Ｂ
を出力する送信回路、４は送信信号Ｂを超音波信号に変
換して、変換した超音波信号を測定対象物に向けて送波
する超音波送波器、５及び６は測定対象物で反射された
超音波信号を受波し、電気信号に変換する超音波受波器
である。超音波送波器４、超音波受波器５は測定対象物
に対して等しい距離ｈ１に近接配置されており、超音波
受波器６は超音波送波器４、超音波受波器５から距離ｈ
２だけ離れた位置に近接配置されている。

又、７及び８は超音波受波器５．６が受波した受信波に
対応する電圧信号Ｃ及びＤを出力する受信増幅回路、９
は電圧信号りの最大値Ｄ　　を検＋＋＋ａＸ 出し、保持するピークホールド回路、■０は電圧信号り
の最大値Ｄ　　に一定係数Ｋを乗じた大きさａｘ の電圧信号Ｅ（Ｅ−に−Ｄ　　　）を出力する係数ｌ１
ａＸ 器、１１は電圧信号Ｃを基準電圧Ｅと比較し、電圧信号
Ｃが基準電圧Ｅより大きいときはハイレベル「１」の比
較信号を出力する電圧比較器、１２は電圧信号Ｃを通常
ＯＶに設定されている基準電圧Ｖ　と比較し、電圧信号
Ｃが基準電圧ＶＲをよぎったときハイレベル「１」の比
較信号を出力する電圧比較器、１３は電圧比較器１１か
らハイレベル「１」の比較信号が出力されると、電圧信
号りの略１周期に相当する幅のパルス信号Ｆを出力する
モノステーブルマルチバイブレータ、１４は電圧比較器
１２からハイレベル「１」の比較信号が出力されると、
所定のパルス幅のゼロクロスパルスを出力するモノステ
ーブルマルチバイブレータ、１５はモノステーブルマル
チバイブレーク１３及び１４の出力がともに「１」のと
きにゼロクロスパルスＧを出力するアンドゲート、１６
はセット端子Ｓに送信指令信号Ａが、リセット端子Ｒに
ゼロクロスパルスＧが入力され、出力端子Ｑからハイレ
ベル「１」又はローレベルｒＯＪの信号Ｈを出力するフ
リップフロップ、１７はフリップフロップ１６の出力信
号Ｈがハイレベル「１」の間だけ、クロックパルスＣＰ
を出力するアンドゲート、１８はフリップフロップ１６
の出力信号Ｈがハイレベル「１」である時間に対応する
クロックパルスＣＰのパルス数をカウントするカウンタ
である。

上記のように構成した超音波距離測定装置の動作を第２
図に示したタイミングチャートに基いて説明する。第２
図において記号ＡからＨで示した波形は第１図に示した
回路図の要部における出力波形を示す。

送信回路３はタイミング回路２から送信指令信号Ａが出
力されると（第２図（ａ）参照）、送信信号Ｂを出力す
る（第２図（ｂ）参照）。又、送信指令信号Ａの出力に
より、ピークホールド回路９はリセットされる。さらに
、フリップフロップ１６が送信指令信号Ａの出力により
セットされて、ハイレベル「１」の信号Ｈを出力するの
で、カウンタ１８はクロックパルス発生回路１が出力す
るクロックパルスＣＰのパルス数を計数し始める。

超音波送波器４は送信信号Ｂが入力され盃と、この送信
信号Ｂを超音波信号に変換して、送信波として測定対象
物に向けて送波する。超音波受波器５及び６はそれぞれ
測定対象物で反射された超音波信号を受波し、電圧信号
に変換する。受信増幅回路７及び８は超音波受波器５．
６が出力する電圧信号を増幅し、受信波に対応する大き
さの電圧信号Ｃ及びＤをピークホールド回路９、電圧比
較器１１及び１２に出力する（第２図（ｅ）　、（ｄ）
参照）。ピークホールド回路９は電圧信号りのピーク値
を保持する。係数器１０はピークホールド回路９が保持
する電圧信号りの最大値Ｄ　　に一定休ａＸ 数Ｋを乗じた大きさの電圧信号Ｅ　（Ｅ−Ｋ・Ｄ　　）
を出力する（第２図（ｅ）参照）。

ａＸ 電圧比較器１１は超音波受波器６に到達した超音波信号
に対応する電圧信号りよりも所定時間（ｈ２／音速Ｃ）
だけ遅れて超音波受波器５に到達した超音波信号に対応
する電圧信号Ｃをトリガレベルとしての電圧信号Ｅと比
較しており、電圧信号Ｃが電圧信号Ｅより大きくなると
、ハイレベル「１」の比較信号を出力する。モノステー
ブルマルチバイブレータ１３は電圧比較器１１がハイレ
ベル「１」の比較信号を出力すると、電圧信号りの略１
周期に相当する幅のパルス信号Ｆを出力する（第２図（
ｆ’）参照）。

ところで、受信増幅回路８が出力する電圧信号りは常に
受信増幅回路７が出力する電圧信号Ｃより時間（ｈ２／
音速Ｃ）だけ早く到達する。又、超音波送波器４、超音
波受波器５及び６を近接して設置しているので、超音波
受波器５及び６に対する超音波の伝搬経路はほぼ同じで
あると見做せるので、媒質の温度ムラ、その他の外乱に
より受信信号ＣとＤとはほぼ同様な変動をする。

従って、係数器１０が出力する電圧信号Ｅは受信増幅回
路７が出力、する受信信号Ｃの変動に相応して変動する
ことになる。例えば、電圧信号Ｅを受信増幅回路７が出
力する電圧信号Ｃの１７２の大きさになるように係数器
ＩＯの係数Ｋを設定すると（電圧信号Ｅ−Ｄ　　　／２
）　、電圧信号Ｃがどの１８Ｘ ように変動しても、電圧比較器１１は電圧信号Ｃが電圧
信号りの最大値Ｄ　　の１／２を越えた時点でａｘ ハイレベル「１」の比較信号を出力する。換言すると、
電圧比較器１１は電圧信号Ｃが０から次第に増加してい
き、例えば電圧信号Ｃの第３番目の山で電圧信号Ｅ（電
圧信号りの最大値Ｄ　　の１１２）ａｘ を越えると、電圧信号Ｃ及びＤが相似的に変化する限り
においては、電圧信号Ｃ及びＤの振幅がどのように変化
しても、電圧信号Ｃの第３番目の山でハイレベル「１」
の比較信号を出力することになる。

一方、電圧比較器１２は電圧信号Ｃが基準電圧ＶＲをよ
ぎった時点（本実施例では正値から負値によぎった時点
）に、電圧信号Ｃに対応する受信波を受波した旨を示す
ハイレベル「１」の比較信号を出力する。モノステーブ
ルマルチバイブレータ１４は電圧比較器１２からハイレ
ベル「１」の比較信号が出力されると、電圧信号Ｃの略
１／２周期以下に相当するパルス幅のゼロクロスパルス
を出力する（第２図（ｇ）参照）。アンドゲート１５は
モノステーブルマルチバイブレータ１３及び１４の出力
の論理積をとり、電圧信号Ｃの振幅の大きさに拘らず、
電圧信号Ｃの特定の山（例えば、電圧信号Ｃの第３番目
の山）の直後のゼロクロス点に対応するゼロクロスパル
スＧを出力する。

送信指令信号Ａの出力によりセットされたフリップフロ
ップ１Ｇは、アンドゲート１５のゼロクロスパルスＧに
よりリセットされる。なお、電圧比較器１２は電圧信号
Ｃがゼロクロス点をよぎる度毎にパルス信号を出力する
が、電圧信号Ｃが電圧信号Ｅを越えない限り、電圧比較
器１１がハイレベル「１」の比較信号を出力しないので
、フリップフロップ１６はリセットされない。

カウンタ１８はフリップフロップ１６のリセットにより
、クロックパルスＣＰのパルス数の計数を停止する。従
って、カウンタ１８は超音波の伝搬時間に相当する時間
ｔ１及びトリガ遅延時間ｔ２との和の時間だけ、クロッ
クパルスＣＰのパルス数の計数をすることになる（第２
図（ｈ）参照）。トリガ遅延時間１２は一定に保てるの
で、音速Ｃが既知であれば、カウンタ１８の計数値から
測定対象物までの距離を算出できることになる。

なお、本実施例ではピークホールド回路９は受信増幅回
路８が出力する電圧信号りをそのまま、即ちキャリアの
段階でピークホールドするようにしたが、受信増幅回路
８が出力する電圧信号りを検波した後に、ピークホール
ド回路９に入力しても同様な効果が得られる。

又、電圧比較器１１に入力される電圧信号Ｅが係数器１
０を設けない場合と同じ大きさになるように、受信増幅
回路８の増幅率を設定すれば、係数器１０を設けなくて
もよい。

次に、第３図は本発明の一実施例に係る超音波距離測定
装置の他の実施例の回路ブロック図である。なお、第３
図において第１図と同様な機能を果たす部分については
同一の符号を付し、その説明は省略する。上記実施例で
は超音波受波器を２個設け、受信波を受波する時間差に
基づいて、測定対象物までの距離を算出すべき受信波を
検出していたが、本実施例では超音波受波器５を一個だ
け設け、受信波に対応する電圧信号りをピークホールド
回路９で保持するとともに、電圧信号Ｃ１を遅延回路１
９を介して所定時間だけ遅延させ測定対象物までの距離
を算出すべき受信波に対応する電圧信号Ｃ２を得ている
。即ち、第４図のタイミングチャートに示すように本実
施例における電圧信号りと電圧信号Ｃ２との関係は、上
記実施例における電圧信号りと電圧信号Ｃとの関係に対
応している。本実施例の他の動作は第１図に示した実施
例と全（同様であり、測定対象物までの距離に対応した
計数値が得られる。ただし、第４図から明らかなように
、カウンタ１８の計数値は伝搬時間１１、遅延時間ｔ、
及びトリガ遅延時間ｔ２を合わせた時間におけるクロッ
クパルスＣＰのパルス数となる。

本実施例においては、安定動作する遅延素子を使用し、
かつ遅延時間ｔ、を既知の値に設定し、前述の如く遅延
時間ｔ、を一定に保ち、伝搬時間ｔ１を算出する。

なお、遅延回路１９は通常アナログ遅延素子が用いられ
るが、測定条件によってはＣＯＤ等のサンプリング型の
遅延素子を使うことも可能である。例えば、空中で測定
する場合に測定誤差を１　ｍ＋ｓ以下にしようとすれば
、サンプリングクロックを１６７ＭＨｚ以上で動作させ
れば、十分である。

ｘ１本実施例における係数器１０も第１図の実施例と同
様に受信増幅回路８又は電圧比較器１１にその機能を持
たせることにより、省略できる。

このように、本実施例は受信信号として超音波受波器５
の出力のみを用いているので、変動が全く一致している
受信信号り及び信号Ｃ２を得ることができる上に、超音
波送波器４及び超音波受波器５の取り付は上の制約が軽
減されるという効果がある。

次に、第５図は本発明の一実施例に係る超音波距離測定
装置の他の実施例の回路ブロック図である。なお、第５
図において第１図及び第３図と同様な機能を果たす部分
については同一の符号を付し、その説明は省略する。本
実施例では電気信号を超音波信号に、超音波信号を電気
信号に変換する送受波器２０のみを設け、送受切換回路
２１により超音波の送波及び受波を切り換えている。即
ち、送波時には送信回路３からの送信信号Ｂを送受切換
回路２１を介して送受波器４に出力し、送波時以外の時
間は送受波器２０からの受信波を送受切換回路２１を介
して受信増幅回路７に入力するようにしている。又、受
信増幅回路７が出力する電圧信号はバッファアンプ２２
及び２３を介して遅延回路１９及びピークホールド回路
９にそれぞれ入力される。

なお、本実施例の他の動作は上記実施例と全く同様であ
り、測定対象物までの距離に対応した計数値が得られる
ので、その説明は省略する。

又、本実施例は第３図の実施例の効果に加えて、送受波
器２０が一個で済むという効果がある。

又、第１図に示した実施例と同様に、受信増幅回路７が
出力する電圧信号を検波した後に、ピークホールド回路
９に入力しても同様な効果が得られる。

さらに、本実施例における係数器１０も第１図及び第３
図の実施例と同様に受信増幅回路７又は電圧比較器１１
にその機能を持たせることにより、省略できる。

［発明の効果コ 本発明は以上説明したように、基準信号出力手段により
第２の受信波の振幅に比例する大きさの基準信号を出力
し、第１の受信波とトリガレベルである基準信号との相
対関係を常に一定に保った上で、比較手段により第１の
受信波が基準信号より大きくなったときに受渡信号を出
力するので、受信波レベルの変動の影響を受けずに、安
定かつ正確に測定対象物までの距離を測定することがで
きる超音波距離測定装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る超音波距離測定装置の回
路ブロック図、第２図は上記ブロック図の各部の波形を
示す波形図、第３図及び第５図は本発明の他の実施例に
係る超音波距離測定装置の回路ブロック図、第４図は第
３図に示したブロック図の各部の波形を示す波形図、第
６図は超音波のレベルが変動する状況の説明図である。 １・・・クロックパルス発生回路、２・・・タイミング
回路、３・・・送信回路、４・・・超音波送波器、５．
６・・・超音波受波器、７．８・・・受信増幅回路、９
・・・ピ−クホールド回路、１０・・・係数器、１１．
１２・・・電圧比較器、１３．１４・・・モノステーブ
ルマルチバイブレータ、１５．１７・・・アンドゲート
、１Ｂ・・・フリップフロップ、１８・・・カウンタ、
１９・・・遅延回路、２０・・・送受波器、２１・・・
送受切換回路、２２．２３・・・バッファアンプ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定対象物に向けて送信波を送波してから該測定
   対象物で反射してきた受信波を受波するまでの超音波の
   伝搬時間に基づいて、該測定対象物までの距離を測定す
   る超音波距離測定装置において、前記測定対象物までの
   距離を測定するための第１の受信波の検出よりも所定時
   間だけ早く、該第１の受信波と略同一波形の第２の受信
   波の振幅に比例する大きさの基準信号を出力する基準信
   号出力手段と、前記第１の受信波が前記基準信号より大
   きくなったときに、受波信号を出力する比較手段と、を
   備えたことを特徴とする超音波距離測定装置。
2. （２）基準信号出力手段は、前記第１の受信波を受信す
   る第１の超音波受波器に近い位置であって、該第１の超
   音波受波器よりも前記測定対象物に近い位置に設けられ
   、前記第２の受信波を受信する第２の超音波受波器と、
   該第２の受信波の最大値を検出し、保持するピークホー
   ルド回路とから構成されている特許請求の範囲第１項記
   載の超音波距離測定装置。
3. （３）基準信号出力手段は、前記第１の受信波を所定時
   間遅延させる遅延回路と、該第１の受信波の最大値を検
   出し、保持して、該第１の受信波の最大値を出力するピ
   ークホールド回路とから構成されている特許請求の範囲
   第１項記載の超音波距離測定装置。
4. （４）比較手段は、前記第１の受信波が前記基準信号よ
   り大きくなった後に、該第１の受信波がゼロクロス点を
   よぎったときに、前記受波信号を出力する特許請求の範
   囲第１項、第２項又は第３項のいずれかに記載の超音波
   距離測定装置。