JPH03201019A - 超音波距離計測装置 - 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］ 本発明は超音波距離計測装置、さらに超音波の伝播を利
用する距離計測技術を取り入れた各種応用装置一般に関
するものである。

［従来の技術］ 超音波距離計測の応用装置として考案された装置の一つ
に超音波座標入力装置がある。以後この装置を例にとっ
て本発明についての説明を行なう。

第６図は一般に考案されている超音波座標入力装置の概
観概略図である。１は座標指示具（以後ペンと呼ぶ）で
あり、内部に圧電素子が組み込まれていて先端より所望
の超音波信号を発信する。２ａ、２ｂ、２ｃはセンサで
あり、ペンから発せられた超音波信号を伝播体を３を介
して受信する。３は伝播体で超音波の伝播媒体となるガ
ラス、アルミ他等が用いられる。４は防振材でペン１か
らの直接波以外の反射波がセンサ２ａ〜２ｃに混入しな
いようにする目的で設定されている。以上のよ−うな構
成をとる超音波座標入力装置において、２個以上の複数
の各センサと指示点間の距離より指示点の座標が計算さ
れる。

センサと指示点の距離算出の方法はさまざまなものが考
案されているが、基本的にはペンから発せられた超音波
信号のセンサまでの到達時間によって算出する。群速度
と位相速度が異なる横超音波を用いる場合、受信波形に
対しエンベロープをとって群到達時間を求めて大まかな
距離計算を行ない、さらに精度を求められる場合には適
当な位置の位相を検知して位相到達時間を求め、より細
かい精度を出している。

次に、群到達時間と位相到達時間の２つの時間情報から
ペン・センサ間距離ｒを算出する手順を説明する。まず
、第７図で示すような電圧をペン内の圧電素子に印加し
た場合、センサの受信信号波形は第８図で示すようにな
る。これに対しそのピーク位置を群到達時間ｔ、とじて
検出する場合には、第９図のようにセンサ出力信号に対
して初段増幅器５．全波整流器６．ローパス・フィルタ
７、微分回路８の各回路を通し、微分信号のゼロクロス
をコンパレータ９によって検出し、到達時刻を群到達時
間ｔ８として認識する。

これにより、ｒ＝ｖ、　・ｔ、からｒを算出することが
できるが、エンベロープをもとに時間を検出するという
方法によるため、信号出力の大きさやフィルタ特性の影
響でどうしてもある程度のゆらぎΔｔが発生する。従っ
て、−数的には特定の位相のゼロクロスポイントを検出
して時間を決定する方がよりゆらぎの少ない値を得るこ
とができる。

そこで、群到達時間ｔ　ｇ’−決定直後の位相ゼロクロ
スポイントというように検出ポイントを規定すると、■
、≠■、であり距離ｒと共に群の中の位相がずれるため
、位相到達時間ｔ、として第１０図に示すような階段状
のものが観測される。この段は位相の検出ポイントの移
動を示すもので、各段のつなぎ目は信号の周期Ｔだけ平
行移動したものとなる。■、とＶｐが等しく常に一定の
位相検出ポイントを観測できる場合には、このような階
段はできず直線ａのような位相到達時間１ｐが得られる
。

従って、階段状に得られる１ｐを元の直線ａに変換すれ
ばよい。

Ｄニー１／Ｔ　　＋＝−ｆ つまり、 ｔａｍ　４　　（Ｖｇ／Ｖｐ）　ｔｇ−ｔａｒ　（ｔｃ
＋ｃ　：オフセット値）であるが、群到達時間Ｔ、はゆ
らぎが大きいのでｔｐ＋　＝　（Ｖｇ／Ｖｐ）　ｊｇ−
ｔｏｆ−ｔｐ　　　　（ｎは整数）という性質を利用し
て、 ｊａｎ　”ｔｐ”Ｔ　Ｘ　Ｉｒ＋ｔ　（ｔｐｔ／Ｔ”０
．５）＝ｔ、＋Ｔ　ｘ　ｒｎｔ［（（ｖｇ／ｖｐ）ｔｇ
−ｔｏｙ−ｔｐ）／Ｔ＋ｏ、　ｓｌとする、という手続
きをとればよい。

このｔｐ、を用い、ペン・センサ間距離ｒは次式％式％ ） ） ： ） ： ここで、１．．１．の測定開始時点は、ペンと伝播体と
の密着具合によって各センサで検出される波形のレベル
が変わることを利用して規定している。すなわち、ペン
が伝播体に押しつけられ相互の密着度が増して検出波形
レベルがある基準値より大きくなった時に、入力状態に
なったと判断して１．．１．の測定を開始する。

第１１図に測定開始時点をも考慮に入れた回路の一例を
示す。尚、以下の説明では正論理を例として行うが、こ
れにとられれるものではない。

図中、１０は受信波形の位相状態を検出するための受信
波ゼロクロス・コンパレータ、１１．１２はローパス・
フィルタ７から出力されるエンベロープ出力がある基準
レベル以上の大きさになっている間に“ｈｉｇｈ”出力
を維持する基準レベル・コンパレータである。

第１２図（Ａ）、（Ｂ）に示す第１１図の各回路からの
出力波形により、以下にその動作を説明する。ローパス
・フィルタ７から出力されたエンベロープ波形■は、微
分回路８と基準レベル・コンパレータ１１，１２とに取
り込まれる。

微分回路８に取り込まれたエンベロープ波形は微分波形
となって出力され、ゼロクロス・コンパレータ９に入力
される。ゼロクロス・コンパレータ９は入力された微分
波形の立下がりのゼロクロスを検出し“ｈｉｇｈ”レベ
ルを出力、さらに立上がりのゼロクロスを検出して“４
ｏｗ　　レベルを出力する。これによって得られる出力
が波形■である。

一方、基準レベル・コンパレータ１１は、入力されたエ
ンベロープ波形が基準よりも高いレベルにある間“ｈｉ
ｇｈ”レベルの出力を行う、これによって得られた出力
が波形■である。ｔ、はペン駆動信号の発信からの出力
信号■と■の論理積から得られる出力信号■の立上がり
までの時間をカウントすることにより測定される。すな
わち、ローパス・フィルタ７から出力されたエンベロー
プ波形が基準レベル・コンパレータ１１に設定された基
準レベルよりも大きくならなければｔ。

は出力されないようになっている。

以上の原理はｔ、にも用いられている。但し、ｔ、測定
の場合は、受信波形をゼロクロス・コンパレータ１０に
入力することによって得られた出力信号■と、基準レベ
ル・コンパレータ１２の出力■との論理積から得られる
出力信号■の最初の立下がりを検出してｔ、を規定して
いる。この理由として、ｔ、測定の場合は、基準レベル
・コンパレータの出力信号■が“ｈｉｇｈ”レベルにな
らない場合を除けば、ｔ、用ゼロクロス・コンパレータ
出力信号■の立上がりは、必ず出力信号■が“ｈｉｇｈ
”状態を維持している間に起こるのに対し、１ｐの場合
は、ｔ、用ゼロクロス・コンパレータの出力信号■が“
ｈｉｇｈ”になったのちに出力信号■が立上がる場合も
起り得るため、出力信号■の立上がりでは正常なｔ、を
規定できない場合があるからである。そこで、ｔ、測定
の場合は、出力信号■の立下がりを検出してｔ、を規定
するようにしている。

以上のようにして、ペンがある程度以上の押圧で伝播体
に押しつけられない限り座標入力がされないようになっ
ている。

［発明が解決しようとしている課題］ しかしながら、上記従来例では、ローパス・フィルタの
出力信号のと所定の基準レベルとを比較して得られる基
準レベル・コンパレータの出力信号■と、受信波とゼｂ
クロスとを比較して得られるｔ、用ゼロクロス・コンパ
レータの出力信号■との論理積からｔ９出力信号■を得
て、その最初の立下がりを検出してｔ、を規定している
が、第１２図（Ｃ）のようにローパス・フィルタの出力
信号■のレベルが、基準レベル・コンパレータの基準レ
ベルと同程度になると、基準レベル・コンパレータの出
力信号■のパルス幅が１ｐ用ゼロクロス・コンパレータ
の出力信号■のパルス同期より短くなり、位相情報を含
んだ出力信号■とは無関係な出力信号■の立下がりに起
因する出力信号■の立下がりを検出して１ｐを規定して
しまい、正常な１ｐを検出できないという問題があった
。従って、このような１ｐを用いて距離演算や座標値演
算を行うと、演算結果に大きな誤差を生じてしまうとい
う問題があった。

本発明は、前記従来の欠点を除去し、信号レベルの低下
による距離の誤計測をなくした超音波距離計測装置を提
供する。

［課題を解決するための手段］ この課題を解決するために、本発明の超音波距離計測装
置は、受信した超音波信号の振幅レベルに基づいて超音
波到達時間の測定開始時期を管理する超音波距離測定装
置であって、超音波信号の振幅レベルが所定基準値を越
えたことを検出するレベル検出手段と、該レベル検出手
段の検出に基づいて、受信した超音波信号の１周期より
長い所定幅のパルスを出力するパルス発生手段とを備え
る。

ここで、受信した超音波信号の位相状態に基づいた信号
を形成する信号形成手段を備え、前記パルス発生手段か
らパルス信号が出力されている間前記信号形成手段を有
効とし、超音波の到達時間の検出を行う。

［作用］ かかる構成において、超音波信号の振幅レベルが所定基
準値を越えたことを検出するレベル検出手段と、該レベ
ル検出手段の検出に基づいて、受信した超音波信号の１
周期より長い所定幅のパルスを出力するパルス発生手段
とを備えることにより、超音波信号到達時間の測定開始
時期の管理機能を維持したまま位相情報を含んだ正常な
到達時間を確実に測定できるようにしたものである。

［実施例］ 以下添付図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１Ａ図は本実施例の超音波距離測定装置の構成を示す
ブロック図である。図中、１００はベン１を駆動するペ
ン駆動回路、１０１は第７図に示したようなペン１の駆
動波形を生成する駆動波形生成回路、２００はセンサ２
よりの受信信号からｔｇ及び１ｐを検出するｔ、・ｔ、
検出回路、２０１はｔ５及びｔ、信号に基づいて超音波
の伝播時間を測定するためのカウンタ回路である。

又、３００は駆動波形生成回路１０１の波形生成の制御
及びカウンタ回路２０１の出力からの距離の計算を行う
ＣＰＵ、３０１はＣＰＵ３００の制御プログラムを格納
するＲＯＭ、３０２は補助記憶用のＲＡＭであり、４０
０は計算された距離に基づいて、例えば座標等を出力す
る出力部である。

第１Ｂ図は本実施例の１１１　、検出回路の構成を示す
ブロック図である。従来例と異なるのは基準レベル・コ
ンパレータ１２のあとに設けられた一定幅パルス発生回
路１３で、これは基準レベル・コンパレータ１２からの
出力の立上がり（又は、“ｈｉｇｈ”レベルなど）を検
出して一定時間“ｈｉｇｈ”信号を発生するマルチ・バ
イブレータを含む回路である。この回路において、出力
される”ｈｉｇｈ”信号の発生時間（パルス幅ｔｗ）は
抵抗Ｒと容量Ｃとによって設定され、第２図に示すよう
にゼロクロス・コンパレータ１０の出力パルスの１周期
ｊｐｗより長い値に決められている。これにより、この
出力信号■とｔ、用ゼロクロス・コンパレータの出力信
号■との論理積出力（ｔｐ出力■）の最初の立下がりは
、必ず位相情報を含んだｔ、用ゼロクロス・コンパレー
タの出力信号■に起因するものとなるので、これをｔ９
検出ポイントとすることにより、常に正常な１ｐを検出
できるようになっている。

第３Ａ図に一定幅パルス発生回路１３の具体例を示す。

図の回路は２つの一定幅パルス発生回路を有する例であ
り、一方をｔ８側他方をｔ、側として使い分けることも
できる。ここでは、マルチ・バイブレータを２個内蔵し
たｒＬｓ２２１Ｊなる集積回路を用いた例を示す。まず
、人力ｌから出力１の経路に注目する。１．２番ビンは
トリガ入力で、１番ビンはＧＮＤ、２番ビンは入力１と
なっており、これにより入力ｌの立上がりを検出して、
１３番ビンからパルス信号を発生するようになっている
。この時出力されるパルスのパルス幅は、１４．１５番
ビンに接続された抵抗Ｒ＋及び容量ＣＩで決まり、その
算出のための演算式は次式で表される。

ｔｗ＝（Ｃ１・Ｒ１−立ｎ２）×（１±０．１）　ｔ、
＞３番ビンはリセット端子であり、“ｈｉｇｈ”レベル
にある時に回路を能動状態とするようになっている。す
なわち、入力及び出力は第３Ｂ図のようになる。

また、入力２から出力２までの経路についても同様で、
５番ビンは出力端子、６．７番ビンはタイミング端子、
８番ビンはＧＮＤ、９．１０番ビンは入力端子、１１番
ビンはリセット端子、１６番ビンは電源端子である。尚
、４番、１２番ビンはそれぞれ負論理の出力端子１．２
である。

［他の実施例］ 尚、上記実施例では、ローパス・フィルタ出力が、基準
レベル・コンパレータに設定された基準レベルを越えた
ことを検出して、一定幅パルスを発生する場合について
説明したが、初段増幅器の出力レベルが基準レベルを越
えたことを検出して一定幅パルスを発生してもよい、第
４図にこの場合の検出回路のブロック図を示す、この場
合の各出力信号のタイミング・チャートは第５図のよう
になる。

初段増幅器５の出力信号［相］を基準レベル・コンパレ
ータに直接入力すると■′のようなパルス状の出力を得
る。この信号■′を一定幅パルス発生回路１３に入力す
ると、出力■′の最初の立上がりを検出してｔｗの一定
幅パルスを出力し、その出力が終了すると終了後最初の
出力■′の立上がりを検出して再び一定幅パルスを出力
する。この動作は常に繰り返され出力信号■′を得る。

出力信号■′とｔ、用ゼロクロス・コンパレータの出力
信号■とは論理積演算され、ｔ。

出力信号■′を得る。この最初の立下がりを検出して１
ｐを規定すれば、１．測定の開始時期の管理機能を失う
ことなく、受信波形の位相情報に基づいた正常なｔ、−
を確実に測定することができる。

尚、以上のような一定幅パルスの発生に全波整流回路６
の出力や微分回路８の出力を利用することも考えられ、
本例と同様の効果が得られる。

以上説明したように、センサで受信した超音波信号の大
小により、所望データの測定を行うか否かの切り分は機
能を有する超音波距離測定装置において、上記超音波信
号の振幅レベルがある基準レベルより大きくなった事を
検知して、その超音波信号の１周期より長い幅のパルス
信号を出力するパルス発生回路を設けたことにより、こ
の回路によるパルス出力中に、必ず上記超音波信号の位
相位置を検出できるようになり、超音波信号の振幅レベ
ルを用いた所望データの測定開始時期の管理機能を保持
したまま、正常な時間データを確実に測定できる効果が
得られる。

［発明の効果］ 本発明により、信号レベルの低下による距離の誤計測を
なくした超音波距離計測装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本実施例の超音波距離計測装置の構成を示す
ブロック図、 第１Ｂ図は本実施例の１．−１．検出回路のブロック図
、 第２図は上記回路の各部出力のタイミングチャート、 第３Ａ図は一定幅パルス発生回路の一具体例を示す図、 第３Ｂ図は第３Ａ図の回路の入出力信号例を示す図、 第４図は他の実施例の１１１．検出回路のブロック図、 第５図は上記回路の各出力のタイミングチャート、 第６肉は座標入力装置の概略図、 第９図は超音波信号到達時間を決定する検出回路のブロ
ック図、 第７図はペン駆動信号を示す図、 第８図はセンサ受信信号を示す図、 第１０図は距離算出式の説明図、 第１１図は従来のｔ、・ｔ、計測時期決定回路を説明す
るブロック図、 第１２図（Ａ）〜（Ｃ）は第１１図の回路の動作を説明
する各部出力のタイミングチャートである。 図中、ｌ・・・座標指示具、２・・・センサ、３・・・
伝播体、４・・・防振材、５・・・初段増幅器、６・・
・全波整流回路、７・・・ローパス・フィルタ、８・・
・微分回路、９・・・１．用ゼロクロス・コンパレータ
、１０・・・ｔｌ、用ゼロクロス・コンパレータ、１１
・・・基準レベル・コンパレータ、１２・・・基準レベ
ル・コンパレータ、１３・・・一定幅パルス出力回路で
ある。 第 ５ 図 第 図 第１２図（Ａ） 第１２図ＣＢ） 第１２図（Ｃ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）受信した超音波信号の振幅レベルに基づいて超音
   波到達時間の測定開始時期を管理する超音波距離測定装
   置であつて、 超音波信号の振幅レベルが所定基準値を越えたことを検
   出するレベル検出手段と、 該レベル検出手段の検出に基づいて、受信した超音波信
   号の１周期より長い所定幅のパルスを出力するパルス発
   生手段とを備えることを特徴とする超音波距離計測装置
   。
2. （２）受信した超音波信号の位相状態に基づいた信号を
   形成する信号形成手段を備え、 前記パルス発生手段からパルス信号が出力されている間
   前記信号形成手段を有効とし、超音波の到達時間の検出
   を行うことを特徴とする請求項第１項記載の超音波距離
   計測装置。