JPH044559B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波距離測定装置に係り、とくに
周波数変調法にかかる超音波距離測定装置に関す
る。

〔従来の技術〕

従来より、超音波を用いた距離測定の手法とし
ては、時間差法、周波数変調法等種々のものが知
られている。

この内、周波数変調法にあつては、周波数が一
定掃引期間において時間に対し直線的に且つ連続
して変化する連続変調波としての超音波を連続し
て対象物体等に送波し、これによる反射波を受波
するとともに、送信波と受信波とのビートをとる
という構成を有している。そして、そのビート信
号の周波数が被測定距離に比例するという原理に
基づいて、距離測定が行われている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述した従来技術にあつては、
送、受波器と対象物体とを往復する多重反射波及
び異経路を伝搬する反射波がノイズとして受波信
号に混入し、測定が不安定になるとともに測定精
度が著しく低下するという不都合があつた。この
不都合は、近距離の測定になるほどその度合が顕
著になり、最悪の場合、測定不能な状態になると
いう状況にあつた。

〔発明の目的〕

本発明は、かかる従来技術の有する不都合に鑑
みなされたもので、比較的簡単な構成ながら多重
反射波等の混入を大幅に排除せしめ、これによつ
て測定精度の向上を図ることのできる超音波距離
測定装置に提供することを、その目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明では、所定の周波数変調信号を
出力する送波用電源部と、この送波用電源部に付
勢されて作動し周波数変調された超音波を出力す
る送波器と、周波数変調された超音波にかかる反
射波を受信し電気信号に変換する送波器とを有し
ている。そして、この送波器で受信した信号と送
波用電源部からの出力信号とを混合しビート信号
を出力するビート信号発生部と、このビート信号
発生部の出力に基づいて送波器と反射対象物との
間の距離を算定する計測部とを備え、送波用電源
部が、一周期の内の前半が周波数変調信号を成す
と共に後半が一定周波数を成す形態のバースト状
の周波数変調信号を出力する機能を備えている、
という構成を採つている。これによつて前述した
目的を達成しようとするものである。

〔作用〕

送波用電源部は、周波数が一定掃引期間毎に規
則的に変化する周波数変調信号を断続的且つ周期
的に送波期及びビート信号発生部に出力する。こ
れによつて、送波器は対象物体に向けて周波数変
調された超音波信号を放射する。対象物体に反射
され受波器に戻つてきた反射超音波は、受波器に
おいて対応する電気信号に変換され、これをビー
ト信号発生部に出力する。

そして、ビート信号発生部においては、時間差
を有して出力される送波用電源部と受波器とから
の２つの信号を混合して距離情報を含むビート信
号を発生せしめる。このビート信号に基づいて計
測部では対象物体までの距離を算出する。即ち、
この算出は、ビート信号の周波数が被測定距離に
比例しているということに基づいて行われる。

このように、バースト状の超音波信号の送波時
刻と受波時刻との時間差をビート信号に変換し、
これに基づいて距離測定するとしていることか
ら、多重反射波等の混入の機会が著しく少なくな
り、従つて精度よく測定できる等の利点がある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第２図
に基づいて説明する。

第１図において、符号２は電気信号に対応する
超音波信号に変換する超音波振動子を備えた送波
器を示し、符号４は超音波信号を対応する電気信
号に変換する超音波振動子を備えた受波器を示
す。これら送波器２及び受波器４は、図示の如く
対象物体６から被測定距離ｌを隔て、且つ超音波
信号を送受波可能なように配設されている。

この内、送波器２の入力側には、当該送波器２
からバースト状の超音波信号を発生させるための
構成がなされている。即ち、バースト状の周波数
変調信号（以下、単に「FM信号」という）を出
力するための送波用電源部８と、この送波用電源
部８から出力されるFM信号を増幅して送波器２
に出力する増幅器１０とが連結装備されている。
また、受波器４の出力側には、受信信号を増幅す
るための増幅器１２が装備されている。

更に、上記増幅器１２の出力側には、信号処理
のための装備がなされている。まず、送波用電源
部８の出力側の一部と増幅器１２の出力側とは、
ビート信号を発生させるためのビート信号発生部
１４に至る。このビート信号発生部１４の出力側
には、データ処理を行うための計測部１６及び該
計測部１６で計測された距離データを表示せしめ
る表示器１８が装備されている。

更に、上述の各構成について具体的に説明す
る。

送波用電源部８は、所定周期Ｔの繰返しパルス
P_T（第２図１参照）を出力する繰返しパルス発生
器２０と、この繰返しパルス発生器２０から出力
される繰返しパルスP_Tの立上がりに付勢されて
繰り返し周期Ｔの内の一定掃引期間T₁（T₁＜Ｔ）
においてe₁からe₂まで直線的に変化するランプ電
圧ｅ（第２図２参照）を出力するランプ電圧発生
器２２と、このランプ電圧発生器２２の出力電圧
に付勢され且つ同期して周波数ｆを初期周波数f₁
からf₂まで直線的に変化するとともにT₁時間経過
後は一定周波数f₁の信号を出力するFM信号S₁（第
２図３，ａ，ｂ参照）を出力する周波数変調器２
４とにより構成されている。ランプ電圧発生器２
２及び周波数変調器２４の出力は、T₁′（T₁′＝Ｔ
−T₁）の期間にあつては、各々の初期値e₁及びf₁
を保持するよう設定されている。ここで、周波数
変調器２４は、例えば電圧制御発振器により構成
されている。また、周期Ｔは、送波された超音波
信号が無視し得る程度まで減衰するに充分な時間
としている。

このため、送波用電源部８は、掃引時間T₁に
おいては時間経過と伴に直線的にその周波数を上
昇せしめ、所定期間T₁′においてはそれを初期値
f₁に一定保持せしめ、以後これを周期Ｔで繰り返
すという鋸歯状且つバースト状の断続電圧（第２
図２，３参照）を前記送波器２に出力する機能を
有している。

そこで、送波器２は、増幅器１０を介して入力
したFM送信信号S₁を対応する超音波信号S_Aに順
次変換し、これを対象物体６に向けて放射せしめ
る。この放射された超音波信号S_Aは、対象物体
６によつて反射され反射波としてｔ時間後に受波
器４に至る。この受波器４では、受波された超音
波信号S_Aが再びこれに対応する電気信号に変換
された後、増幅器１４によつて電圧増幅されFM
受信信号S₂（第２図４参照）としてビート信号発
生部１４に出力される。ここで、送信系、受信系
の回路的遅延時間は微少として無視すると、増幅
器１２の出力S₁は、周波数変調器２４の出力S₁に
対し、略ｔ時間遅れている（第２図４参照）。

一方、ビート信号発生部１４は、周波数変調器
２４及び増幅器１２の出力を受けて両者に対する
ビート信号B_S（第２図５参照）を形成する機能を
有し、これは例えば混合器により構成されてい
る。

更に、計測部１６は、ビート信号B_Sの周波数
を計数しこの計数値を出力するカウンタ２６と、
このカウンタ２６による計数値に基づいて距離ｌ
を算出する演算器２８とにより構成されている。
この演算器２８は、具体的には、マイクロプロセ
ツサ等を用いた構成になつている。

次に、上記演算器２８によつて行われる距離算
出の手法を説明する。

いま、伝搬媒質中の超音波信号の伝搬速度をＣ
とすると、送、受波器２，４と対象物体６との間
の距離ｌを伝搬する超音波信号の伝搬時間ｔは、 ｔ＝2l／Ｃ ……(1) となる。

また、ビート信号発生部１４において得られる
ビート信号B_Sの周波数f₃は、掃引期間T₁におい
て、 f₃＝〔（f₂−f₁）／T₁〕・ｔ ＝〔（f₂−f₁）／T₁〕・（2l／Ｃ） ……(2) となる。ここで、f₁、f₂はFM送信信号S₁の周波
数（第２図３，ａ参照）である。

そして、上記第(2)式は、 ｌ＝CT₁f₃／〔２（f₂−f₁）〕 ……(3) となり、ｌはf₃を測定することにより求められ
る。

次に、本実施例の全体的動作を説明する。

前述の如く、送波用電源部８から、一定の掃引
期間T₁の間その周波数ｆがf₁からf₂に直線的に変
化するFM送信信号S₁（第２図３参照）が、所定
周期Ｔ（Ｔ＞T₁）毎に（同図１参照）、断続的に
出力される。そして、FM送信信号S₁に励振され
て送波器２から時間T₁の間、超音波信号S_Aが対
象物体６に向けて放射される。この超音波信号
S_AもFM送信信号S₁に対応してその振動数が時間
経過と伴に直線的に変化するものとなつている。

そして、対象物体６によつて反射された超音波
信号S_Aは略ｔ秒後に送波器４に到達し、再びFM
信号に変換され、増幅器１２で増幅される（同図
４参照）。

この後、ビート信号発生部１６によつて、送波
されたFM送信信号S₁と受波されたFM受信信号
S₂とのビートがとられ、ビート信号B_Sが形成さ
れる。この信号B_Sの周波数f₃は、測定距離ｌに比
例するものとなる（第(2)式参照）。

このビート信号B_Sに対して、計測部１６のカ
ウンタ２６によつて、その周波数f₃が計数され
る。そして、演算器２８は、予め設定されている
既知のデータと上述の周波数f₃の計数値とによ
り、前述の第(3)式によつて距離ｌを計算し、これ
を表示器１８で表示せしめる。

このように本実施例では、バースト型のFM信
号を１回送受する毎に、直ちに距離演算を行う。
その後、次回の測定では前回の多重反射波等が殆
ど残つていないので、従来例の連続送波型の場合
とは異なり、多重反射波等の影響を受ける余地が
極力排除されるという利点がある。また、従来か
ら行われている時間差法では、送、受波器のパル
スに対する立上り特性の緩慢さから、測定精度及
び再現性に問題があつたが、本実施例では周波数
変調法を採用しているので、そのような問題も大
幅に改善されている。

ところで、上記実施例では、超音波信号を対象
物体に反射せしめ対象物体までの距離を求める場
合について説明したが、本発明は、第３図に示す
ように送、受波器２，４を対向させて超音波の送
受を行い、相互間の距離ｌを計測する場合にも応
用可能である。

なお、FM信号は、その周波数が時間経過とと
もに、直線的に低下又は増減する信号としてもよ
い。また、計測部１６では、ビート信号B_Sが発
生する時間幅に基づいて距離演算するとしてもよ
い。

〔発明の効果〕

本発明は以上のように構成され機能するため、
比較的簡単に構成できるほか、距離測定のための
超音波信号の出力がバースト状の変調超音波をな
し、これにより従来例の連続送波型に比べて前述
した如く多重反射波等の影響によるノイズの混入
を大幅に減少せしめることが可能となり、これが
ためとくに近距離測定時において測定精度の著し
い向上を図り得るという従来にない優れた超音波
距離測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図、
第２図１ないし５は各々第１図の各部の動作を示
すタイミングチヤート、第３図は本発明の応用例
を示す説明図である。 ２……送波器、４……受波器、６……対象物
体、８……送波用電源部、１４……ビート信号発
生部、１６……計測部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 所定の周波数変調信号を出力する送波用電源
   部と、この送波用電源部に付勢されて作動し周波
   数変調された超音波を出力する送波器と、前記周
   波数変調された超音波にかかる反射波を受信し電
   気信号に変換する送波器とを有し、 この送波器で受信した信号と前記送波用電源部
   からの出力信号とを混合しビート信号を出力する
   ビート信号発生部と、このビート信号発生部の出
   力に基づいて前記送波器と反射対象物との間の距
   離を算定する計測部とを備え、 前記送波用電源部が、一周期の内の前半が周波
   数変調信号を成すと共に後半が一定周波数を成す
   形態のバースト状の周波数変調信号を出力する機
   能を備えていることを特徴とした超音波距離測定
   装置。