JPH0723908B2 - 超音波距離計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は超音波距離計、さらに詳しくは、超音波を送出
してはその超音波の物体での反射波を受信して送受の時
間差に基づいて物体までの距離を求める超音波距離計に
関するものである。

［背景技術］ 一般にこの種の超音波距離計においては、距離計本体か
ら送出された超音波が物体により反射されたときに、そ
の反射波を検出して物体までの距離を検出するようにし
ているものであり、通常は物体からの反射波が距離計本
体で再反射されることにより多重反射を生じている。こ
うした多重反射による誤動作を避けるため、反射波を受
信する受信可能期間を送波手段から超音波を送出して
後、所定時間幅に設定するとともに、その反射波のレベ
ルが所定レベル以上であるときのみ物体からの正規の反
射波であるとみなすようにした超音波距離計が従来より
提供されている。

しかしながら、距離計本体から物体までの距離が非常に
近い場合には、多重反射における２次以上の反射波のレ
ベルが大きくなり、また受信可能期間内に１次反射波が
受信されずに２次以上の反射波が受信されることがあ
り、誤動作が生じるものである。つまり、時刻t₀におい
て送波手段から超音波パルスが発生し、その後時刻t₁か
ら時刻t₂までが受信可能期間であるとし、時刻t₃におい
て１次反射波が距離計本体に到達したとする。この場合
に、t₀＜t₁＜t₃＜t₂であれば物体までの距離測定が行な
えるが、t₀＜t₃＜t₁＜t₂であれば受信可能期間には１次
反射波が受信されず２次以上の反射波が初めて受信され
ることになり、しかもその反射波のレベルが所定レベル
以上となるから、測定距離が実際の距離の整数倍にな
り、実際の距離が求められないという問題が生じる。

［発明の目的］ 本発明は上述の点に鑑みて為されたものであって、その
主な目的とするところは、測定限界距離を設定して測定
限界距離よりも近い距離では測定を行なわないように
し、測定値の信頼性を高めた超音波距離計を提供するこ
とにある。

［発明の開示］ 本発明においては、間欠的に超音波パルスを送出する送
波手段と、送波手段より送出された超音波の物体からの
反射波を受信する受波手段と、送波手段から超音波パル
スが送出されてからその反射波が受波手段で受信される
までの時間差に基づいて物体までの距離を算出する演算
手段と、演算手段により算出された距離を表示する表示
手段とを備えた超音波距離計において、受波手段は受信
した超音波に対応した受信信号を増幅する増幅回路と、
送波手段より超音波パルスを送出した後に規定時間が経
過してから開始される所定の開放期間に増幅回路の出力
レベルを判定し、開放期間において増幅回路の出力レベ
ルが所定レベル以上になると増幅回路の出力を演算手段
に入力して超音波の送波から受波までの時間差により物
体までの距離を求めさせ、開放期間において増幅回路か
ら上記所定レベル以上の入力がないと開放期間の終了後
に測定不能を報知する出力を発生する判定回路と、超音
波パルスの１次反射波に対応する受信信号が上記所定レ
ベル以上となり且つ２次反射波が上記所定レベル以下と
なるように増幅回路の最小増幅率を設定するとともに判
定回路の開放期間において１次反射波に対する増幅回路
の出力レベルを物体までの距離によらず略一定に保つよ
うな変化率で増幅回路の増幅率を上記最小増幅率から時
間の経過とともに次第に増大させる増幅率制御手段とを
備えた超音波距離計を開示する。

上記構成によれば、開放期間の開始時点では増幅回路の
増幅率が最小になるのであり、この増幅率は、測定限界
の最小距離において受波レベルが比較的高い１次反射波
であれば判定回路を通過し、受波レベルの低い２次以上
の反射波では判定回路を通過できないように設定してあ
る。また、超音波パルスの送波から経過時間が長いほど
遠方での反射波を受波することになり、超音波パルスが
遠方で反射されるほど受波レベルは小さくなるから、判
定回路の開放期間において時間の経過に伴って増幅率を
増大させ、受波レベルにかかわらず１次反射波に対する
判定回路への入力レベルを略一定に保つようにしてい
る。したがって、物体までの距離によらず判定回路では
開放期間中に同じ判定条件で１次反射波と２次以上の反
射波とを識別し、物体までの距離にかかわらず２次以上
の反射波が演算手段に入力されるのを防止することがで
きる。結局、２次以上の反射波による誤った値の測定が
防止されるのである。また、超音波パルスを送波した後
に規定時間が経過してから開放期間を開始し、かつこの
開放期間に１次反射波は通過させるが２次以上の反射波
は通過させないように増幅率を設定していることによっ
て、１次反射波に対する増幅回路の出力レベルが、物体
までの距離にかかわりなく開放期間中では略一定に保た
れるのである。したがって、開放期間で規制される測定
範囲よりも近距離側に物体が存在し、その物体の超音波
に対する反射率が一般的な部材よりも相当に大きいよう
な場合であっても測定範囲外として無視することがで
き、測定範囲内に存在する物体についてのみ確実な距離
測定が行なえるのである。しかも、判定回路では開放期
間中に１次反射波の入力がなければ開放期間の終了後に
測定不能を報知する出力を発生するから、物体が測定範
囲内になければ測定不能であることを報知することがで
きるのである。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１
図に示すように、超音波距離計は基本的には、超音波パ
ルスを間欠的に送出する送波手段１と、送波手段１より
送出する超音波パルスの物体からの反射波を受信する受
波手段２と、送波手段１から超音波パルスが送出されて
からその反射波が受波手段２で受信されるまでの時間差
に基づいて物体までの距離を算出する演算手段３と、演
算手段３により算出された距離を表示する表示手段４と
を備える。

送波手段１は、超音波パルスの送波間隔を設定する第１
の積分回路11および第１の単安定マルチバイブレータ
（以下、単安定マルチと略称する）12と、第１の単安定
マルチ12の出力の立ち上がりをトリガ信号として超音波
パルスのパルス幅に相当するパルスを発生する第２の単
安定マルチ13と、第２の単安定マルチ13からパルスが出
力されている期間に超音波パルスの振動数に等しい周波
数の高周波を出力する発振回路14と、発振回路14の出力
レベルを超音波振動子を駆動できるレベルまで増幅する
ドライバ回路15と、超音波振動子である送受波器５とか
ら構成される。これにより、電源を投入すると第１の積
分回路11が所定の時定数で電源電圧の積分を開始し、第
１の積分回路11の出力レベルが第１の単安定マルチ12の
入力の閾値を超えると、第１の単安定マルチ12から所定
時間幅のパルスが送出される。第１の積分回路11は単安
定マルチ12からパルスが出力されている期間は積分を続
け単安定マルチ12からのパルスが立ち下がったときに、
その立ち下がりによってリセットされるようになってい
る。リセトされた後は再び積分を開始するから、この動
作が続けられ、所定の周期でパルスが発生することにな
る。つまり、第１の積分回路11と第１の単安定マルチ12
とで無安定マルチを構成しているのである。そして、こ
のパルスの発生周期が超音波パルスの送波間隔となるの
であって、このパルスの立ち上がりが第２の単安定マル
チ13のトリガ信号として入力され、第２の単安定マルチ
13から短い時間幅のパルスが出力される。発振回路14は
第２の単安定マルチ13の出力パルスが送出されている期
間にのみ発振出力が得られるようになっており、したが
って、発振回路14の出力として第１の単安定マルチ12の
出力パルスに対応した時間間隔で且つ第２の単安定マル
チ13の出力パルスに対応した時間幅の高周波パルスが得
られるのである。この高周波パルスのレベルをドライバ
回路15を介して超音波振動子の振動レベルまで引き上げ
てから送受波器５に印加することにより、送受波器５か
ら高周波パルスに対応した超音波パルスが送出される。

受波手段２は、送受波器５と、送受波器５により受信さ
れた超音波を増幅する増幅回路21と、増幅回路21の出力
から高周波成分を除いた包絡線成分のみを取り出す検波
回路22と、検波回路22の出力レベルが所定レベル以上で
且つ所定の開放期間内に得られたものであるときに検知
信号を出力する判定回路23と、送波手段１の第１の単安
定マルチ12の出力に基づいて判定回路23の開放期間を設
定するゲート設定回路24と、ゲート設定回路24の出力に
基づいて判定回路23が開放された時刻から積分を開始し
その出力により増幅回路12の増幅率を制御する増幅率制
御手段としての第２の積分回路25と、判定回路23から検
知信号が出力されないときに物体が測定距離範囲内にな
いとして測定不能表示を行なう測定不能表示回路26とに
より構成される。ゲート設定回路24は第１の単安定マル
チ12の出力に基づいて第１の単安定マルチ12の出力の立
ち上がりから所定時間遅れて立ち上がる所定時間幅のパ
ルスを発生する回路であって、ゲート設定回路24からパ
ルスが出力されている期間に判定回路23が開放されるよ
うになっている。つまり、ゲート設定回路24からパルス
が出力されている期間が受信可能期間となり、この期間
に反射波が受信されたときにのみ距離の測定が可能とな
るのである。第１の単安定マルチ12の立ち上がりからゲ
ート設定回路24の出力パルスの立ち上がりまでの遅れ時
間および判定回路23の開放期間の時間幅は測定距離範囲
によって変化するものであるから、測定距離範囲により
それらの測定が行なえるように、ゲート設定回路24には
切換スイッチSWが設けられている。第２の積分回路25は
ゲート設定回路24の出力パルスの立ち上がりから積分を
開始するようになっている。増幅回路21は増幅率が可変
であって、第２の積分回路25の出力レベルが小さいとき
には増幅率が小さく、第２の積分回路25の出力レベルが
大きくなるにしたがって、増幅率が次第に大きくなるよ
うにしてある。つまり、判定回路23が開放されてから時
間が経過するほど増幅率が増大するのであって、これ
は、たとえば増幅回路21のバイアスを第２の積分回路25
の出力で可変となるようにしたり、制御電圧に応じて増
幅率が変化するいわゆる電圧制御型演算増幅器を用いる
ことにより実現されるものである。増幅回路21の最小増
幅率は、１次反射波に対応する受信信号が判定回路23に
設定された閾値レベルを超え且つ２次以上の高次反射波
に対応する受信信号がその閾値レベルを超えない程度に
設定されている。測定不能表示回路26は発光ダイオード
などの表示器を有し、ゲート設定回路24からパルスが出
力されたにもかかわらず判定回路23から検知信号が出力
されないときに、判定回路23の開放期間の終了後に測定
不能表示を行なうようになっている。

判定回路23の出力と第２の単安定マルチ13の出力とは演
算手段３としての演算回路31に入力され、第２の単安定
マルチ13の出力の立ち上がりから判定回路23より出力さ
れる検知信号の立ち上がりまでの時間差が計測されると
ともに、その時間差に基づいて物体までの距離が算出さ
れる。すなわち、外気温を摂氏Th度とすると、音速Vsは
（331＋0.6Th）で表され、超音波パルスが送波手段１よ
り送出されてから、受波手段２で受信されるまでの時間
をTmとすれば、物体までの距離Dsは次式で表される。

Ds＝Vs×（Tm/2）＝（331＋0.6Th）×（Tm/2） 演算回路31では上式の演算を行なって物体までの距離を
求めるのである。外気温についての補正を行なうには、
外気温を測定する温度測定手段を適宜設け、温度測定手
段での測定結果に基づいて上式の演算を行なえばよいも
のである。

演算回路31の出力は表示手段４である表示回路41に入力
され、演算回路31での演算結果が表示されるのである。

以上のように構成された超音波距離計の回路部は第２図
に示すようにスコープ51を備えたハウジング52内に収納
される。ハウジング52の外周面には指向性を高めるため
のホーンを備えた送受波器５、電源スイッチ６、ゲート
設定回路24に接続された切換スイッチSWのつまみ７、距
離表示回路41に接続された表示器42等が露出する。スコ
ープ51の向きは送受波器５の向きと合致するように取り
付けられており、スコープ51で目視した物体に向かって
超音波が送出されるようになっている。つまり、物体ま
での距離を測定するにあたって、スコープ51でその物体
に照準を合わせれば、物体までのおよその距離を知るこ
とができるとともに、その物体に向かって超音波を正確
に放射することができるようになっているのである。こ
の構成により、第３図に示すように、壁53の前に棚54が
配設されており、棚54までの距離を測定しないように場
合において、超音波が壁53に向かって発射され、棚54ま
での距離を測定したにもかかわらず、壁53までの距離が
測定されるという不都合がなくなり目的とする被測定物
で超音波を正しく反射させることができ、距離の測定が
正確に行なえるようになるものである。また、スコープ
51により物体までの距離を大まかに知ることができるか
ら、切換スイッチSWのつまみ７を調節して測定距離範囲
を適宜設定することができるのであり、これによって、
第５図（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すように、超音波パルス
を送波してから受信可能期間の開始までの時間と受信可
能期間の時間幅とを調節することができるのであり、こ
の調節によって不要な反射波を除去することができ、目
的とする物体からの反射波のみを取り出すことが可能と
なるものである。このように、超音波を目的とする物体
で正確に反射させるとともに、所望の反射波のみを抽出
することにより、不要な反射波を除去して正確な距離を
測定することが可能となるものである。

（動作） 以下、第４図に基づいて動作を説明する。なお、第４図
において、S₁〜S₄は第１図中の対応する記号で示した部
分の信号を示す。まず、給電を開始すると、第１の積分
回路11の出力レベルが次第に増加して第１の単安定マル
チ12の入力レベルの閾値レベルを超え、単安定マルチ12
にトリガがかかり、比較的長い時間幅のパルスが出力さ
れる。第１の積分回路11はこのパルスの立ち下がりによ
りリセットされ、出力レベルが再び増加するから、所定
の周期でパルスが送出されることになる。第２の単安定
マルチ13は第１の単安定マルチ12の出力の立ち上がりを
トリガ信号とし、比較的短い時間幅のパルスを出力す
る。つまり、第１の単安定マルチ12から出力されるパル
スの繰り返し周期で第２の単安定マルチ13から短い時間
幅のパルスが出力されることになるのである。このパル
スが出力されている期間に発振回路14から高周波パルス
が出力される。すなわち、第４図（ａ）のように一定周
期で間欠的に高周波パルスが得られるのである。この高
周波パルスはドライバ回路15を介して送受波器５に印加
され、超音波パルスに変換されて放出される。以上のよ
うにして間欠的に発生する超音波パルスが得られるので
ある。

このようにして送波手段１から出力され物体により反射
された超音波は、送受波器５によって受信され、増幅回
路21で増幅され検波回路22で検波された後判定回路23に
入力される。判定回路23には、第４図（ｂ）に示すよう
に、判定回路23の開放期間を設定するパルスがゲート設
定回路24から入力されており、検波回路22の出力レベル
が所定レベル以上で且つそのレベルに達したときがゲー
ト設定回路24からパルスが出力されている受信可能期間
中であれば、そのときに検知信号を出力する。ここでゲ
ート設定回路24から出力されるパルスは、第１の単安定
マルチ12の出力が立ち上がってから所定時間T₁遅延して
立ち上がるものであり、その遅延時間T₁およびパルス幅
T₂は切換スイッチSWによって複数段階に設定されるよう
になっている。これにより、物体までの距離範囲を限定
できるのである。ゲート設定回路24から出力されるパル
スが立ち上がると同時に第４図（ｃ）に示すように、こ
のパルスを積分する第２の積分回路25の出力レベルが増
加し、したがって増幅回路21の増幅率はゲート設定回路
24から出力されるパルスが立ち上がってから時間が経過
するにしたがって次第に増大する。ところが、物体まで
の距離がゲート設定回路24で設定される測定距離限界よ
りも近いときには多重反射が生じるが、一般に１回の反
射により超音波のレベルは急激に減少するから、２次以
上の高次反射波は１次反射波に比較してそのレベルが非
常に小さく、しかも受信可能期間の前半部分では増幅回
路21の増幅率が小さいから、２次以上の高次反射波によ
る検波回路22の出力は判定回路23の閾値レベル以下とな
って、検知信号が出力されないのである。受信可能期間
の前半部分での増幅回路21の増幅率は１次反射波につい
ては判定回路23の設定レベルを超えられる程度に設定さ
れているから、判定回路23で１次反射波は検出可能であ
るが、２次以上の高次反射波は検出されないのであり、
これにより２次以上の高次反射波を物体からの１次反射
波であると確認して誤った値を表示することが防止でき
るのである。また、受信可能期間内に閾値レベル以上の
信号が測定回路23に入力されなければ物体が測定距離限
界外にあるものとして、測定不能表示回路26で測定不能
表示が行なわれるのであり、測定距離限界内にないこと
を認識することができる。

［発明の効果］ 本発明は上述のように、間欠的に超音波を送出する送波
手段と、送波手段より送出された超音波の物体からの反
射波を受信する受波手段と、送波手段から超音波パルス
が送出されてからその反射波が受波手段で受信されるま
での時間差に基づいて物体までの距離を算出する演算手
段と、演算手段により算出された距離を表示する表示手
段とを備えた超音波距離計において、受波手段は受信し
た超音波に対応した受信信号を増幅する増幅回路と、送
波手段より超音波パルスを送出した後に規定時間が経過
してから開始される所定の開放期間に増幅回路の出力レ
ベルを判定し、開放期間において増幅回路の出力レベル
が所定レベル以上になると増幅回路の出力を演算手段に
入力して超音波の送波から受波までの時間差により物体
までの距離を求めさせ、開放期間において増幅回路から
上記所定レベル以上の入力がないと開放期間の終了後に
測定不能を報知する出力を発生する判定回路と、超音波
パルスの１次反射波に対応する受信信号が上記所定レベ
ル以上となり且つ２次反射波が上記所定レベル以下とな
るように増幅回路の最小増幅率を設定するとともに判定
回路の開放期間において１次反射波に対する増幅回路の
出力レベルを物体までの距離によらず略一定に保つよう
な変化率で増幅回路の増幅率を上記最小増幅率から時間
の経過とともに次第に増大させる増幅率制御手段とを備
えるものであり、開放期間の開始時点では増幅回路の増
幅率が最小になり、最小増幅率は測定限界の最小距離に
おいて受波レベルが比較的高い１次反射波であれば判定
回路を通過し、受波レベルの低い２次以上の反射波では
判定回路を通過できないように設定してあるから、１次
反射波のみが判定回路を通過して演算手段に入力されて
距離が求められる。また、超音波パルスの送波からの経
過時間が長いほど遠方での反射波を受波することにな
り、超音波パルスが遠方で反射されるほど受波レベルは
小さくなるのに対して、判定回路の開放期間において時
間の経過に伴って増幅率を増大させることで、受波レベ
ルにかかわらず１次反射波を判定回路にほぼ一定のレベ
ルで入力することができる。したがって、物体までの距
離によらず判定回路では開放期間中に同じ判定条件で１
次反射波と２次以上の反射波とを識別し、物体までの距
離にかかわらず２次以上の反射波が演算手段に入力され
るのを防止することができ、２次以上の反射波による誤
った値が測定されないようにすることができて測定値の
信頼性が向上するというという利点を有する。

また、超音波パルスを送波した後に規定時間が経過して
から開放期間を開始し、かつこの開放期間に１次反射波
は通過させるが２次以上の反射波は通過させないように
増幅率を設定しているから、１次反射波に対する増幅回
路の出力レベルが物体までの距離にかかわりなく開放期
間中では略一定に保たれ、結果的に、開放期間で規制さ
れる測定範囲よりも近距離側に物体が存在し、その物体
の超音波に対する反射率が一般的な部材よりも相当に大
きいような場合であっても測定範囲外として無視するこ
とができ、測定範囲内に存在する物体についてのみ確実
な距離測定が行なえるという効果を奏するのである。

しかも、判定回路では開放期間中に１次反射波の入力が
なければ開放期間の終了後に測定不能を報知する出力を
発生するから、物体が測定範囲内になければ測定不能で
あることを報知することができ、とくに測定範囲内より
も近い距離に物体が存在しているような場合には、測定
範囲外であることを報知することで距離測定が行なわれ
ない原因が故障ではないことを明確にすることができ
て、使用者に不安感を与えることがないという利点を有
するのである。

【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ック図、第２図は
同上の外観斜視図、第３図は同上の一使用例を示す動作
説明図、第４図および第５図は同上の動作説明図であ
る。 １は送波手段、２は受波手段、３は演算手段、４は距離
表示手段、21は増幅回路、23は判定回路、24はゲート設
定回路、25は積分回路、26は測定不能表示回路、31は演
算回路、41は表示回路である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｓ 15/18 9382−5Ｊ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】間欠的に超音波を送出する送波手段と、送
   波手段より送出された超音波の物体からの反射波を受信
   する受波手段と、送波手段から超音波パルスが送出され
   てからその反射波が受波手段で受信されるまでの時間差
   に基づいて物体までの距離を算出する演算手段と、演算
   手段により算出された距離を表示する表示手段とを備え
   た超音波距離計において、受波手段は受信した超音波に
   対応した受信信号を増幅する増幅回路と、送波手段より
   超音波パルスを送出した後に規定時間が経過してから開
   始される所定の開放期間に増幅回路の出力レベルを判定
   し、開放期間において増幅回路の出力レベルが所定レベ
   ル以上になると増幅回路の出力を演算手段に入力して超
   音波の送波から受波までの時間差により物体までの距離
   を求めさせ、開放期間において増幅回路から上記所定レ
   ベル以上の入力がないと開放期間の終了後に測定不能を
   報知する出力を発生する判定回路と、超音波パルスの１
   次反射波に対応する受信信号が上記所定レベル以上とな
   り且つ２次反射波が上記所定レベル以下となるように増
   幅回路の最小増幅率を設定するとともに判定回路の開放
   期間において１次反射波に対する増幅回路の出力レベル
   を物体までの距離によらず略一定に保つような変化率で
   増幅回路の増幅率を上記最小増幅率から時間の経過とと
   もに次第に増大させる増幅率制御手段とを備えることを
   特徴とする超音波距離計。