JPH095429A - 超音波距離計装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高レベルとなった直達波成分を有効に除去す
ることができ、低温下においても使用可能な超音波距離
計装置を提供する。 【構成】 入力信号処理回路５と、増幅器１４を含む受
信増幅回路１０及び検波回路１１が組み込まれた出力信
号処理回路６との間には、受信増幅回路１０の回路ゲイ
ンを低下させることによって検波回路１１の検知入力電
圧Ｓ１及び不感入力電圧Ｓ２を高レベルに設定する回路
ゲイン制御手段１５を設けており、かつ、該回路ゲイン
制御手段１５は、入力パルス信号の低レベルから高レベ
ルへの変化に対応した導通動作を行う第１制御素子１７
と、該第１制御素子１７の導通動作に対応して増幅器１
４のフィードバック抵抗を減少させる第２制御素子１８
と、第１制御素子１７の導通動作に対応して第２制御素
子１８の動作時間を制御する第３制御素子１９，２０と
を具備したものとなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は送信用センサ及び受信用
センサを備えて構成された超音波距離計装置にかかり、
特には、送信用センサから受信用センサへと直接的に伝
搬する直達波成分の影響を抑制するための技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】超音波距離計装置のうちには検知距離範
囲が１２ｍｍ〜３０ｍｍとされたものがあり、この超音
波距離計装置は超音波距離計と信号処理回路とを組み合
わせたものとなっている。そして、この際における超音
波距離計としては、図５で示すように、送信用センサ１
及び受信用センサ２と、これらを一体的に位置決めして
保持する本体部３とを具備し、かつ、検知距離１７ｍｍ
の位置が焦点距離とされたものがあり、送信用センサ１
及び受信用センサ２それぞれの中心軸Ｌ１，Ｌ２同士は
同一の焦点距離上において角度θをもって交差してい
る。なお、この超音波距離計では、送信用及び受信用セ
ンサ１，２から本体部３へと伝搬する振動を小さくする
必要上、これらセンサ１，２のそれぞれを発泡材４、例
えば、密度が０．０７ｇ／ｃｍ³ 程度の発泡ポリエチレ
ンなどからなる発泡材４でもって包み込んで支持した構
造が採用されている。

【０００３】また、信号処理回路は、図６で示すような
入力信号処理回路５及び出力信号処理回路６と、電源回
路図（図示していない）とを備えており、入力信号処理
回路５は送信用センサ１への入力パルス信号を処理する
ものである一方、出力信号処理回路６は受信用センサ２
からの出力信号を処理するものとなっている。そして、
ここでの入力信号処理回路５は、バースト信号ともいわ
れる入力パルス信号が入力端子８ａを通じて入力される
発振回路８と、この発振回路８及び送信用センサ１間に
接続された送信増幅回路９とから構成されており、図７
（ａ）で示すような入力パルス信号、つまり、０〜５Ｖ
の入力パルス信号が入力された発振回路８は入力パルス
信号の高レベル（５Ｖ）保持時間、例えば、２５μｓの
間だけ３８０ＫＨｚの周波数でもって発振することにな
っている。そこで、この発振回路８からの出力信号が入
力した送信増幅回路９から送信用センサ１に対しては図
７（ｂ）で示すような波形の電圧信号が印加されること
になり、このような電圧信号に基づく超音波が発生した
送信用センサ１から被測定物（図示していない）に向か
っては超音波が出力される。

【０００４】一方、信号処理回路における出力信号処理
回路６は、受信増幅回路１０と、検波回路１１と、微分
回路１２と、コンパレータ１３とから構成されており、
一定の回路ゲインを有する受信増幅回路１０に対しては
受信用センサ２が接続され、また、コンパレータ１３の
出力端子１３ａに対しては信号処理を実行するためのマ
イクロ・コンピュータ（図示していない）が接続されて
いる。そこで、送信用センサ１から出力されたうえで被
測定物によって反射された反射波は受信用センサ２に入
力することになり、この受信用センサ２においては図７
（ｃ）で示すような波形を有する電圧信号が発生する一
方、フィルタ機能が付加された受信増幅回路１０では図
７（ｄ）で示すような波形の電圧信号が発生することに
なる。なお、この受信増幅回路１０から出力される電圧
信号の波形を分析すると、送信用センサ１の駆動時に発
生する電磁ノイズ成分Ａと、送信用センサ１を駆動した
際の振動が超音波距離計の本体部３を介したうえで直接
的に伝搬することによって発生した直達波成分Ｂと、被
測定物からの反射波成分Ｃとが混在していることが分か
る。

【０００５】そして、検波回路１１においては、この検
波回路１１が一定値レベル以下の信号を検波しないスラ
イサ機能を備えたものであるため、電圧信号に含まれて
いた低レベルの直達波成分Ｂが除去されることになって
いる。すなわち、この際における検波回路１１は、図８
で示すように、受信増幅回路１０を構成する増幅器１４
のフィードバック抵抗が一定であることに基づく一定値
レベルの検知入力電圧Ｓ１及び不感入力電圧Ｓ２を有し
ており、不感入力電圧Ｓ２以下となる低レベルの信号を
除去するスライサ機能を備えているのである。なお、図
８中の符号Ｂは受信増幅回路１０から出力された電圧信
号中の直達波成分、また、符号Ｃは反射波成分であり、
電磁ノイズ成分Ａについての図示は省略している。そこ
で、この検波回路１１からは図９（ａ）で示すような電
圧信号、つまり、電磁ノイズ成分Ａと反射波成分Ｃとの
みを含んだ波形の電圧信号が微分回路１２に対して出力
されることになる。

【０００６】さらに、この電圧信号は微分回路１２でも
って図９（ｂ）で示すような波形の電圧信号とされたう
えでコンパレータ１３に対して出力されることになり、
このコンパレータ１３からマイクロ・コンピュータに対
しては電圧信号が一定レベル以上となったときにのみ図
９（ｃ）で示すような信号が出力される。その結果、こ
のマイクロ・コンピュータにおいては、入力パルス信号
の入力時から反射波の検知時までに要した時間Ｔｘ及び
音速Ｖと、同一の焦点距離上において交差する送信用セ
ンサ１及び受信用センサ２の中心軸Ｌ１，Ｌ２同士のな
す角度θとを用いたうえで被測定物までの距離Ｌ｛Ｌ＝
１／２・Ｔｘ・Ｖ・cos （θ／２）｝が算出されること
になり、この算出時には、コンパレータ１３から出力さ
れた電圧信号に含まれていた電磁ノイズ成分Ａを識別し
て除去することが行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記従来例
の超音波距離計装置においては、出力信号処理回路６を
構成する検波回路１１が一定値レベルの検知入力電圧Ｓ
１及び不感入力電圧Ｓ２を有し、かつ、この不感入力電
圧Ｓ２以下となる低レベルの信号を除去するスライサ機
能を備えたものであることに基づいて受信増幅回路１０
から出力された電圧信号中の直達波成分Ｂが除去される
結果、この検波回路１１以降においては電磁ノイズ成分
Ａ及び反射波成分Ｃを含んだ信号しか現れないことにな
っている。しかしながら、送信用センサ１及び受信用セ
ンサ２のそれぞれは発泡材４でもって支持されており、
かつ、これらの発泡材４が低温になるほど振動伝搬阻止
特性の劣化するものであるため、低温下にあっては、受
信増幅回路１０から出力された電圧信号中における直達
波成分Ｂのレベルが図８中の破線で示すように高くなる
ことが起こる。

【０００８】そして、直達波成分Ｂのレベルが高くなる
と、一定値レベルに固定された検知入力電圧Ｓ１及び不
感入力電圧Ｓ２を有する検波回路１１では直達波成分Ｂ
を除去することができなくなり、検波回路１１以降にお
いても直達波成分Ｂを含む電圧信号が現れてしまうこと
になる。また、この直達波成分Ｂは入力信号処理回路５
に対して入力パルス信号が入力した直後に発生するもの
であるため、特に、被測定物との距離が１２ｍｍという
ように近接しており、反射時間が６０μｓというように
短い場合には、直達波成分Ｂと反射波成分Ｃとが近接し
て現れることになり、これらの両成分Ｂ，Ｃともが検知
されてしまうことが起こる結果、直達波成分Ｂを含むこ
とに起因する誤動作の発生が避けられないことになって
いた。

【０００９】本発明は、このような不都合に鑑みて創案
されたものであって、高レベルとなった直達波成分をも
有効に除去することができ、低温下においても使用可能
な超音波距離計装置の提供を目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる超音波距
離計装置は、同一の焦点距離上で中心軸同士が交差する
送信用センサ及び受信用センサを保持した超音波距離計
と、前記送信用センサへの入力パルス信号を処理する入
力信号処理回路と、前記受信用センサからの出力信号を
処理する出力信号処理回路とを備えており、かつ、該出
力信号処理回路には増幅器を含む受信増幅回路と検波回
路とが直列接続されたものである。そして、上記目的を
達成するため、本発明における前記入力信号処理回路と
出力信号処理回路との間には、前記受信増幅回路の回路
ゲインを低下させて前記検波回路の検知入力電圧及び不
感入力電圧を高レベルに設定し、一定時間経過後に前記
受信増幅回路の回路ゲインを復帰させて前記検波回路の
検知入力電圧及び不感入力電圧を低レベルに設定する回
路ゲイン制御手段を設けており、かつ、該回路ゲイン制
御手段は、入力パルス信号の低レベルから高レベルへの
変化に対応した導通動作を行う一方、前記入力パルス信
号の高レベルから低レベルへの変化に対応した非導通動
作を行う第１制御素子と、該第１制御素子の導通動作に
対応して前記増幅器のフィードバック抵抗を減少させ、
また、前記第１制御素子の非導通動作に対応して前記増
幅器のフィードバック抵抗を増加させる第２制御素子
と、前記第１制御素子の非導通動作に対応して前記第２
制御素子の動作時間を制御する第３制御素子とを具備し
ている。

【００１１】ところで、この際における第１制御素子は
トランジスタであり、第２制御素子はＪ−ＦＥＴ構造の
トランジスタであるとともに、第３制御素子は抵抗及び
コンデンサを組み合わせたものとなっている。さらにま
た、同一の焦点距離上で交差する送信用センサ及び受信
用センサの中心軸同士は、受信用センサの受信感度が最
大となる角度で交差させられていることが好ましい。

【００１２】

【作用】上記構成によれば、入力パルス信号が低レベル
から高レベルへと変化することによって第１制御素子が
導通動作し、この第１制御素子の導通動作に伴って第２
制御素子が増幅器のフィードバック抵抗を減少させる制
御動作を行う結果、増幅器を含む受信増幅回路の回路ゲ
インは低下することになり、検波回路における検知入力
電圧及び不感入力電圧は高レベルとして設定されること
になる。そこで、受信増幅回路から出力される電圧信号
中の直達波成分が高レベルになったとしても、この直達
波成分が検波回路でもって検知されることは起こらなく
なる結果、検知回路以降において直達波成分の影響が現
れることは抑制される。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１４】図１及び図２は本実施例にかかる超音波距
離計装置の信号処理回路を示す回路図、図３は信号処理
回路の動作状態を示す説明図、図４は検波回路の動作状
態を示す説明図であり、この際における信号処理回路
は、従来例同様の入力信号処理回路５及び出力信号処理
回路６と、電源回路７とを備える他、入力信号処理回路
５と出力信号処理回路６との間に設けられた回路ゲイン
制御回路１５を新たに具備したものとなっている。ま
た、本実施例にかかる超音波距離計は、図５で示した従
来例と基本的に異ならない構成を有している。そこで、
本実施例では、従来例と同一もしくは相当する部品、部
分に同一符号を付したうえでの説明を行うこととし、従
来例と共通する構成及び動作についての説明は省略す
る。

【００１５】本実施例にかかる超音波距離計装置は検知
距離範囲が１２ｍｍ〜３０ｍｍとされたものであり、こ
の超音波距離計装置は、同一の焦点距離（１７ｍｍ）上
で中心軸Ｌ１，Ｌ２同士が角度θをもって交差し、か
つ、ともに発泡材４でもって包み込み支持された一対の
送信用センサ１及び受信用センサ２を保持してなる図５
で示した超音波距離計と、図１及び図２で示すような信
号処理回路、すなわち、送信用センサ１への入力パルス
信号を処理する入力信号処理回路５と、受信用センサ２
からの出力信号を処理する出力信号処理回路６と、電源
回路７とから構成された信号処理回路とを備えている。

【００１６】そして、この信号処理回路を構成する入力
信号処理回路５は、入力パルス信号が入力端子８ａを通
じて入力される発振回路８と、この発振回路８及び送信
用センサ１間に接続された送信増幅回路９とから構成さ
れており、発振回路８の入力端子８ａに対しては、図３
（ａ）及び図７（ａ）で示すような入力パルス信号、つ
まり、低レベルが０Ｖで高レベルが５Ｖとされ、かつ、
高レベル（５Ｖ）保持時間が２５μｓとされた入力パル
ス信号が入力されることになっている。なお、この入力
信号処理回路５の動作は、従来例と同様である。また、
この際における出力信号処理回路６は、増幅器１４を含
む受信増幅回路１０と、この受信増幅回路１０に対して
直列接続された検波回路１１と、微分回路１２と、コン
パレータ１３とから構成されたものであり、受信増幅回
路１０に対しては受信用センサ２が接続される一方、コ
ンパレータ１３の出力端子１３ａに対してはマイクロ・
コンピュータ（図示していない）が接続されている。な
お、この出力信号処理回路６も、従来例同様の動作を行
うことになっている。

【００１７】さらにまた、入力信号処理回路５と出力信
号処理回路６との間には、受信増幅回路１０の回路ゲイ
ンを低下させることによって検波回路１１の検知入力電
圧Ｓ１及び不感入力電圧Ｓ２を高レベルに設定し、か
つ、一定時間経過後に受信増幅回路１０の回路ゲインを
復帰させて検波回路１１の検知入力電圧Ｓ１及び不感入
力電圧Ｓ２を低レベルに設定する回路ゲイン制御手段１
５が設けられている。そして、この回路ゲイン制御手段
１５は、入力パルス信号の低レベル（０Ｖ）から高レベ
ル（５Ｖ）への変化に対応した導通（ＯＮ）動作を行う
一方、入力パルス信号の高レベル（５Ｖ）から低レベル
（０Ｖ）への変化に対応しては非導通（ＯＦＦ）動作を
行う第１制御素子であるところのトランジスタ１７と、
このトランジスタ１７のＯＮ動作に対応して増幅器１４
のフィードバック抵抗を減少させ、また、トランジスタ
１７のＯＦＦ動作に対応して増幅器１４のフィードバッ
ク抵抗を増加させる第２制御素子であるＪ−ＦＥＴ構造
のトランジスタ１８と、トランジスタ１７のＯＦＦ動作
に対応してトランジスタ１８の動作時間を制御する第３
制御素子、つまり、抵抗１９及びコンデンサ２０の組み
合わせとを具備している。

【００１８】そこで、本実施例にかかる信号処理回路に
おいては、送信用センサ１及び入力信号処理回路５と、
受信用センサ２及び出力信号処理回路６との動作が従来
例同様に行われるのと並列して回路ゲイン制御手段１５
の動作が同時的に実行されることになる。すなわち、ま
ず、図３（ａ）で示すように、入力信号処理回路５を構
成する発振回路８の入力端子８ａに対して入力された入
力パルス信号が０Ｖから５Ｖへと変化すると、トランジ
スタ１７がＯＮ動作することになり、かつ、図３（ｂ）
で示すように、トランジスタ１７のＯＮ動作と同時にト
ランジスタ１８のゲート電圧がピンチオフ電圧Ｖｐ以下
にまで低下することに伴うソース・ドレイン間の導通が
起こる結果、増幅器１４のフィードバック抵抗が減少す
ることになる。

【００１９】そして、この増幅器１４のフィードバック
抵抗が減少すると、図３（ｃ）で示すように、受信増幅
回路１０の回路ゲインが低下することになる結果、この
受信増幅回路１０に対して直列接続されていた検波回路
１１の検知入力電圧Ｓ１及び不感入力電圧Ｓ２が、図３
（ｄ）で示すように、高レベルとして設定される。した
がって、受信増幅回路１０から出力された電圧信号中の
直達波成分Ｂが低温下において高レベルとなっていて
も、検波回路１１における不感入力電圧Ｓ２の方がより
高レベルとなっているから、この検波回路１１によって
直達波成分Ｂが検知されることはなくなる。

【００２０】また、図３（ａ）で示すように、高レベル
（５Ｖ）保持時間が経過して入力パルス信号が５Ｖから
０Ｖへと変化すると、トランジスタ１７がＯＦＦ動作す
るため、図３（ｂ）で示すように、トランジスタ１８の
ゲート電圧は抵抗１９及びコンデンサ２０の作用でもっ
て制限されながら徐々に上昇することになり、一定時間
が経過した後においてはピンチオフ電圧Ｖｐ以上に高く
なる。そして、トランジスタ１８のゲート電圧がピンチ
オフ電圧Ｖｐになると、ソース・ドレイン間の導通がな
くなって増幅器１４のフィードバック抵抗が増加するた
め、図３（ｃ）で示すように、受信増幅回路１０の回路
ゲインは元どおりの高レベルにまで復帰することにな
る。その結果、検波回路１１の検知入力電圧Ｓ１及び不
感入力電圧Ｓ２は、図３（ｄ）で示すように、受信増幅
回路１０の回路ゲインが復帰したことによって低レベル
となる。

【００２１】すなわち、この実施例における検波回路１
１では、図４で示すように、入力パルス信号が入力した
直後の検知入力電圧Ｓ１及び不感入力電圧Ｓ２が高レベ
ルとなったうえで一定時間経過後に低レベルとなる構成
を採用しているので、不感入力電圧Ｓ２以下である限り
は直達波成分Ｂが高レベルとなっていても除去されるこ
とになり、検波回路１１以降において直達波成分Ｂが現
れることはなくなる。なお、この検波回路１１の検知入
力電圧Ｓ１及び不感入力電圧Ｓ２が高レベルから低レベ
ルへと切り換わるまでに要する一定時間が、直達波成分
Ｂが現れるよりも遅くなるように設定されていることは
勿論である。

【００２２】また、この際、受信増幅回路１０から出力
された電圧信号中の反射波成分Ｃは検波回路１１におけ
る検知入力電圧Ｓ１よりも高レベルとなるから、検波回
路１１によって確実に検知されたうえで出力される。し
たがって、この検波回路１１からは図９（ａ）で示すよ
うな電圧信号、つまり、従来例同様、電磁ノイズ成分Ａ
と反射波成分Ｃとのみを含んだ波形の電圧信号が微分回
路１２に対して出力されることになり、以降の回路構成
においては従来例通りの処理が引き続いて行われる。

【００２３】ところで、以上説明したような回路ゲイン
制御手段１５を設けることによって電圧増幅回路１０の
回路ゲインを低下させた場合には、この電圧増幅回路１
０から出力される電圧信号中の反射波成分Ｃまでもが検
知され難くなる可能性が生じる。そして、このような不
都合の発生を防止するには、超音波距離計を構成する受
信用センサ２の受信感度を最大としておく必要があり、
本実施例においては図５中で示す角度θ、つまり、同一
の焦点距離（１７ｍｍ）上における送信用センサ１及び
受信用センサ２それぞれの中心軸Ｌ１，Ｌ２同士が交差
する角度θを受信用センサ１の受信感度が最大となる角
度、つまり、４６±３°としている。すなわち、このよ
うな構成とした場合には、送信用センサ１から出力され
たうえで被測定物によって反射された十分な反射波が受
信用センサ２に入力してくることになる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかる超
音波距離計装置によれば、入力パルス信号が低レベルか
ら高レベルへと変化することによって第１制御素子が導
通動作し、かつ、第２制御素子が増幅器のフィードバッ
ク抵抗を減少させる制御動作を行う結果、増幅器を含む
受信増幅回路の回路ゲインは低下することになり、検波
回路における検知入力電圧及び不感入力電圧は高レベル
として設定されることになる。そこで、受信増幅回路か
ら出力される電圧信号中の直達波成分が低温下において
高レベルになったとしても、この直達波成分が検波回路
でもって検知されることは起こらなくなり、検知回路以
降において直達波成分の影響が現れることは抑制され
る。また、この際、直達波成分と反射波成分とが近接し
た状態で現れたとしても、直達波成分が検知されること
は起こらず、誤動作の発生を招くことはないという効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例にかかる超音波距離計装置の信号処理
回路を示す回路図である。

【図２】本実施例にかかる超音波距離計装置の信号処理
回路を示す回路図である。

【図３】信号処理回路の動作状態を示す説明図である。

【図４】検波回路の動作状態を示す説明図である。

【図５】本実施例及び従来例にかかる超音波距離計の構
成を示す断面図である。

【図６】従来例にかかる超音波距離計装置の信号処理回
路を示す回路図である。

【図７】信号処理回路における電圧信号を示す説明図で
ある。

【図８】検波回路の動作状態を示す説明図である。

【図９】信号処理回路における電圧信号を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

５ 入力信号処理回路 ６ 出力信号処理回路 １０ 受信増幅回路 １１ 検波回路 １４ 増幅器 １５ 回路ゲイン制御手段 １７ トランジスタ（第１制御素子） １８ トランジスタ（第２制御素子） １９ 抵抗（第３制御素子） ２０ 抵抗（第３制御素子）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同一の焦点距離上で中心軸同士が交差す
   る送信用センサ及び受信用センサを保持した超音波距離
   計と、前記送信用センサへの入力パルス信号を処理する
   入力信号処理回路と、前記受信用センサからの出力信号
   を処理する出力信号処理回路とを備え、かつ、該出力信
   号処理回路には増幅器を含む受信増幅回路と検波回路と
   が直列接続された構成の超音波距離計装置であって、 前記入力信号処理回路と出力信号処理回路との間には、
   前記受信増幅回路の回路ゲインを低下させて前記検波回
   路の検知入力電圧及び不感入力電圧を高レベルに設定
   し、一定時間経過後に前記受信増幅回路の回路ゲインを
   復帰させて前記検波回路の検知入力電圧及び不感入力電
   圧を低レベルに設定する回路ゲイン制御手段を設けてお
   り、 かつ、該回路ゲイン制御手段は、入力パルス信号の低レ
   ベルから高レベルへの変化に対応した導通動作を行う一
   方、前記入力パルス信号の高レベルから低レベルへの変
   化に対応した非導通動作を行う第１制御素子と、該第１
   制御素子の導通動作に対応して前記増幅器のフィードバ
   ック抵抗を減少させ、また、前記第１制御素子の非導通
   動作に対応して前記増幅器のフィードバック抵抗を増加
   させる第２制御素子と、前記第１制御素子の非導通動作
   に対応して前記第２制御素子の動作時間を制御する第３
   制御素子とを具備したものであることを特徴とする超音
   波距離計装置。
2. 【請求項２】 第１制御素子はトランジスタであり、第
   ２制御素子はＪ−ＦＥＴ構造のトランジスタであるとと
   もに、第３制御素子は抵抗及びコンデンサの組み合わせ
   であることを特徴とする請求項１記載の超音波距離計装
   置。
3. 【請求項３】 送信用センサ及び受信用センサの中心軸
   同士は、受信用センサの受信感度が最大となる角度で交
   差させられていることを特徴とする請求項１記載の超音
   波距離計装置。