JPS6085319A - 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】 （技術分野） この発明は、超音波信号の伝搬と反射および干渉を利用
した超音波位置センサを用いて、２点間の距離を精密に
測定することのできる超音波距離測定装置に関するもの
でおる。

（従来技術） 従来よｐ、超音波の伝搬時間を測定して２点間の距離を
測定した例が数多く報告されてきている。

超音波水中測深器に代表されるような超音波測長では多
くの場合、被測定物自身あるいは被測定物が抱合されて
いる物質を超音波の伝搬媒質として使用し、仁の中を伝
搬する超音波によって測定を行っている。このため、伝
搬媒質により個々に異なる音速に対しての補償、外部雑
音の除去、伝搬減衰によるＳ／Ｎ比劣化に対する対策等
、検討を必要とする点が多い°。しかしながら、圧電毎
ラミクスなどの優れた超音波振動子の開発が進み９周波
数が数〜数十（ＭＨｚ）、伝搬媒質中での波長が数１０
〔μｍ〕といった短波長の超音波が簡単に発生できる今
日、この超音波を利用した精密距離測定。

あるいは、絶対値測長における工業的実用価値性。

非常に高いものであると考えられる。短波長で位相の良
く揃っている超音波の波動的性質を十分活用するために
は、超音波伝搬媒質の状態を安定にし、超音波信号の規
則的な波動性を乱さないようにする必要がある。このた
めには、密閉容器中に充てんした媒質中に超音波を発射
し、かつ検出する手法を用いた超音波計測が適している
と思われる。

（本づト明の要旨） 本発明は位相の良く揃った短波長の超音波を使用し、こ
れを密閉容器中に充てんした液状の超音波伝搬媒質中に
発射して媒質内に設置した超音波反射部材により反射さ
せ、前記超音波振動子したと同一の振動子で受信して、
振動子面から反射部材面までの距離を精密測定しようと
するものである。この反射部材は、前記密閉容器の外部
より磁力、あるいけ直接的な機械力を加えることにより
容易に位置の変化を生じさせることのできるものであっ
て、結果的にはある基準位置からの距離を精密測定でき
るものである。

（本発明の原理） ここで第１図を用いて本発明の考え方を詳しく説明する
。超音波振動子への入力信号として、同図に示した線形
ＦＭ信号１を用いる。このＦＭ信−傍線５周波数ｆ（１
１から周波数ｆ（２）まで周波数範囲Ｂ　（＝　ｆｒｌ
ｌ−ｆ（２１）の間を周期２Ｔで線形に変化する。

次に超音波振動子面と反射部材面との距離をＬとし、こ
れらの面の間を満たす超音波伝搬媒質中の音速をＶとす
る。このとき、前記超音波振動子よシ発射された超音波
が前記反射部材にょシ反射されて元の振動子面に戻って
くるまでの時間をｔとすると、　ｔ　＝　２Ｌ／Ｖとな
る。っまシ前記超音波振動子よシ発射された入力信号１
は、前記反射部材によって反射され゛、その反射信号２
はｔ時間遅れて元の超音波振動子の所へたど：ノ着く。

したがって第１図から明らかなように、線形ＦＭ信号１
の周波数変化方向が変化した時点からｔｅｌｌ！ｉ以後
は二つの線形ＦＭ信号１と２の周波数差Δｆは一定とな
る。このとき、二つの線形ＦＭ信号１と２の周波数差Δ
ｆ、つまシこれら二つの信号のうなり波の周波数Δｆは
次の式で表わされる。

Δｆ＝ｔ−Ｂ／Ｔ＝２・Ｂ−Ｌ／（ｖ＠Ｔ）首い換釆る
と、二つの線形ＦＭ信号１と２のうなり波の周波数Δｆ
は超音波振動子と反射部材との距離りに比例する。した
がってこれら二つの信号のうなり波の周波数Δｆを測定
すれば、超音波振動子から反射部材までの絶対距１９．
　Ｌがめられる。

（構成） 第２図は超音波位置センサ１ｏ　の実施例における構成
図である。密閉構造の容器６に流動性のある超音波伝搬
媒質４を封入する。前記容器の内壁には表面が平滑で厚
み方向に撮動する超音波振動子５が取付けてあり９また
。この振動子の振動面と対向し、かつ平行に超音波を反
射するための超音波反射部材６が設置されている。この
反射部材は感知棒７の先端に取付けられており・前記容
器の外部よシ感知棒を動かすことによりて、前記振動子
との平行関係を保持しつつ距離のみを変化させることが
できる。また前記容器内には、不要反射の超音波を吸収
し、かつ前記反射板および感知棒が移動することによっ
て生ずる容器内の圧力変化を吸収するための気泡を含ん
だ吸音部材８が設置されている。この吸音部材の設置場
所は、前記振動子と反射部材との間を往復伝搬する超音
波を妨げず、かつ前記反射部材と感知棒との移動に支障
の無い場所を選ぶ。前記超音波振動子かし、ｌよ電気信
号を送受するための配線が、検出端子９に接続されてい
る。検出端子９は超音波電気信号入力端子の機能ヶ兼ね
る。

第２図に示した超音波位置センサ１０にあっては。

超音波振動子５の振動面と、それから垂直方向に測定す
べき距撞［を隔てて５反射面６が一体に紹み込まれてい
るものを示しである。しかし、振動面と反射面との相対
的な構成は使用時に組み立てられればよく、要は振動子
の振動面に平行に対向した反射面があり１両面間の垂直
方向の距＃を前記原理に基いて検知できる位置センサが
構成されればよい。

第５図は、超音波位置センサ１０を用いた超音波距離測
定装置の駆動回路の一構成例を示したものである。同図
を用いて本発明の距離沖ｊ定について述べる。まず時間
に対して周波数が直線的に等間隔Ｔで増減金繰り返す線
形ＦＭｉｌ気信号１を発生させる発振器１１について説
明する。周波数を１時間で線形に増加させ１次の１時間
で線形に減少させるために三角波発生回路１２によシ周
期２Ｔの三角波を発生させてＦＭ変調回路１３に出力す
る。一方。

正弦波発振回路１４により超音波振動子５の共振周波数
の連続正弦波信号を前記ＦＭ変調回路１５に入力するこ
とにより、超音波振動子５の共振周波数を中心周波数と
し最大−最小の周波数を超音波振動子５の許容周波数帯
域内におさえた線形ＦＭ＊気信号１が、ＦＭ変調回路１
６より出力される。このように発振器１１そ発生された
１時間に対して周波数が直線的に等時間間隔Ｔで増減を
繰り返す線形ＦＭ電気信号１は、ノ（ツファ回路１５全
通して前記超音波位置センサ１０に入力される。この電
気信号１が超音波位置センサ１０にある前記振動子５に
加え６れると、振動子は超音波伝搬媒質４中に連続的に
超音波を放射し、この超音波は前ｎ己媒質中を進行し超
音波反射部材乙に到達して反射され。

再び前記振動子に戻る。このとき、超音波信号の周波数
が数Ｍ）ＩＺ程度と高ければ、超音波は光の場合と同様
に直進し、かつ反射する。また、超音波伝搬経路が比較
的知かければ（数十α以内）波面の状態も良好で１位相
の良く捕った超音波信号力；。

前記媒質中を往復する。本超音波位置センサでは。

振動子面と反射部材面とが平行状態に保たれており５反
射部材で反射されて戻ってきた超音波の波面と振動子面
とは平行である。よって振動子は。

この超音波の音圧によって圧電現象を生じ、′電圧を発
生する。しかしながら、振動子５には１発振器１１より
の連続正弦波信号が加えられているため。

反射超音波信号による電圧の発生は振！ＩＩＩＪ子の＋
７９部抵抗の変化となり、振動子に流れ込む電流の変化
となって現われる。すなわち、振動子に加えている正弦
波信号と同相の反射超音波信号が振動子に加わると）Ｆ
市２現象によシ発生した交流電圧は振動子に加えている
交流電圧と同相となシ、結果として交流１い、流が流れ
にくくなる。また、この逆に。

反射超音波信号が逆相で振動子に加われは、交流電流は
流れやすくなる。この又流電流はすべて発（ｋｅ器１１
から供給されているものでアシ、バッファ回路１５と振
動子５を共曲に流れるものである。よって、振動子の圧
電机象によってＴｈ、　ＩＡｔ、値が変化すれば、バッ
ファ回路１５の出力端Ｓの１に圧も変化する。以上のこ
とから、超音波位置センサ１ｏ内の反射超音波と振動子
５に供給している超音波信号との位相差により、バッフ
ァ回路１５の出力端′電圧が変化を生ずることがわかる
。したがって、前記反射部材の変化によって位相差も変
化し前記バッファ回路の出力端電圧もそれにともなって
変化する。

−また’　ｎ”　ｆｔ［’、振動子に対するｐｉｔ記反
射部材の距離を直枡測定するために゛２発振器１１から
固足された同波数ではなく１周波数が線形に変化するＦ
Ｍ％ｉ、気信呆を前記振動子に入力し、前記バ、ファ回
路の出力端電圧として振動子と反射部材間の距離りに比
例した周波数Δｆのうなり波信号を発生させる。

このうなり波は検波器１６によシ包Ｍ腓検波され・周波
数Δｆの包絡線検波信号となって検出器１７に入る。こ
の検出器で社包絡紳検波された包絡線検波信号を０例え
ば矩形波に整形しデジタル言１数器で周波数Δｆｉ計数
し、前記導出式より得られた比例系数ｖＴ／（２Ｂ）ｔ
−付加して前記振動子と前記反射部材との距彫金直接１
表示器１８に表示させることができる。

（効果） 以上説り１したように本発明では電気信号を超音波に変
侯して伝搬媒質に超音波を発射し、また。

伝搬媒質から到来する超音波を電気信号に変換する振動
面をもつ超音波振動子を用い、振動子には端子を設けて
電気信号の送受を可能とすることにより該振動面に平行
に対向する反射面と、該振動面との垂直方向の距離ある
いは位置の情報信号が得られる位置センサを構成した。

反射面を外的な駆動１Ｌアクナーエータ等により移動可
能にしておけば、その位（−情報を精密にオンライン計
測できるので１例えばロボットなどの知能轡械の位置情
報を得る手段が実現できる。

さらに９本発明では上記位置センサ全１周波数が直線的
に変化する発振器の電気信号全利用し。

前記振動子の端子に実質的に単方向給電を可能とし１位
置情報信号と発振器の出力とを加算してうなり信号を得
るような回路をおき、そのうなり信号ｋ　Ｆ’Ｊ絡線検
仮してその周波数を計数し、前記距離あるいは位置を測
定可能とした。こうして測定される距離１位置は、超音
波信号の伝播遠回と。

発振器の周波数とによってめられるものであるから、現
今のエレクトロニクス技術がもたらす高第１ｖ度、低価
格の好ましい情報品質がそのまま維持される。とくに、
外部雑音、伝′ｌト減衰によるＳ／′Ｎ比劣化の影皆全
＃１とんど心配しなくてもよいものが実現でき、しかも
広いダイナミックレンジが得られることが冥験で確めら
れた。したがって、有用な制御系のセンサとして実用上
多くの用途が考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は線形ＦＭ信号のグラフ。 第２図は超音波位置センサの構成図。 第３図は本発明の実施例のプロ、り図。 図中の １　は入力される線形ＦＭ信号、 ２　は反射されて戻ってきた線形ＦＭ信号、６　は容器
、 ４　は超音波伝搬媒質、 ５　は超音波振動子、 ６　は超音波反射部材、 ７　は感知棒、 ８　は吸音部材、 ９　は端子、 １０　は超音波位置センサ、 １１　は発振器、 １２　は三角波発生回路、 １３　はＦＭ変調回路、 １４　は正弦波発振回路、 １５　はバッファ回路。 １６　は検波器、 １７　は検出器、 １８　は表示器を示す。 將ｉ′ｆ出願人　安立電気株式会社 代理人　弁理士　小池龍太部 ゛　竿１図 時間 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電気信号を超音波に変換して伝搬媒質に超音波を発射す
   るとともに該伝搬媒質から到来する超音波を電気信号に
   変換する振動面をもつ超音波振動子（５）と、該振動子
   に接続された端子（９）とで構成され、該振動面に平行
   に対向する反射面が該振動面との垂直方向の距離を検知
   するための超音波位置センサ（１ｏ）と：該振動子を励
   振させるたやに時間に対して周波数が直線的に変化する
   電気信号を発生する発振器（１１）と；前記発振器の出
   力を実質的に単方向に通過させて前記センサの端子に入
   力すると共に該端子からの該反射面の該振動子に対する
   位置情報信号を前記発振器の出方と加算し、その結果得
   られるうな９波を出方するバッファ回路（１５）と；該
   パ、ファ回路からのうなり波を包絡線検波することにょ
   シ包絡線検波信号を出力する検波器（１６）と；該包絡
   線検波信号の周波数を計数子ることにより前記反射面の
   該振動子に対する距離を検出する検出器（１７）とから
   なる超音波距離測定装置。