JP2755405B2 - A device that measures the distance to a target using ultrasonic energy - Google Patents

A device that measures the distance to a target using ultrasonic energy

Info

Publication number
JP2755405B2
JP2755405B2 JP63507299A JP50729988A JP2755405B2 JP 2755405 B2 JP2755405 B2 JP 2755405B2 JP 63507299 A JP63507299 A JP 63507299A JP 50729988 A JP50729988 A JP 50729988A JP 2755405 B2 JP2755405 B2 JP 2755405B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
foil
transducer
distance
echo
housing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP63507299A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH03501881A (en
Inventor
ジェイムズ エヌ ニースト
ジェイムズ エム ホサック
ワルター ルコック
Original Assignee
ウルトラソニック アレイズ インコーポレーテッド
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ウルトラソニック アレイズ インコーポレーテッド filed Critical ウルトラソニック アレイズ インコーポレーテッド
Publication of JPH03501881A publication Critical patent/JPH03501881A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP2755405B2 publication Critical patent/JP2755405B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/523Details of pulse systems
    • G01S7/526Receivers
    • G01S7/529Gain of receiver varied automatically during pulse-recurrence period
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/52004Means for monitoring or calibrating
    • G01S7/52006Means for monitoring or calibrating with provision for compensating the effects of temperature
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521Constructional features

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波変換器及び方法に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an ultrasonic transducer and method.

1984年10月12日付EPC同時出願一連番号第84,06228.2
号には超音波装置システム及び方法が記載されている。
この記載超音波変換器は多くの応用において我々には過
度に複雑である。従って、新規な且つ改善された超音波
変換器に対する要求が存在している。
EPC Simultaneous Application Serial Number 84,06228.2 dated October 12, 1984
The article describes an ultrasound system and method.
The described ultrasonic transducer is overly complex to us in many applications. Accordingly, there is a need for new and improved ultrasonic transducers.

概述すれば、本発明の目的は、極めて短い立上り時間
で超音波エネルギを効率的に発生する超音波変換器を提
供することである。
Briefly, it is an object of the present invention to provide an ultrasonic transducer that efficiently generates ultrasonic energy with a very short rise time.

本発明の別の目的は、極めて耐久性があり且つ不利な
環境内において使用可能な上記特質の変換器を提供する
ことである。
It is another object of the present invention to provide a transducer of the above character which is extremely durable and can be used in adverse environments.

本発明の別の目的は、空気中の音の走行速度の変化に
は無関係に、従って温度には無関係に測定を可能ならし
める上記特質の変換器を提供することである。
It is another object of the present invention to provide a transducer of the above character which allows measurements to be made independent of changes in the traveling speed of sound in the air and thus independent of temperature.

本発明の別の目的は、温度には無関係に、また参照表
面からの箔の正確な位置の位置決めには無関係に測定が
可能な上記特質の装置及び方法を提供することである。
It is another object of the present invention to provide an apparatus and method of the above character which can be measured independently of temperature and independently of the precise positioning of the foil from the reference surface.

本発明の付加的な目的及び特色は、添附図面に基く好
ましい実施例の詳細な説明から明白になるであろう。
Additional objects and features of the present invention will become apparent from the detailed description of preferred embodiments thereof, taken in conjunction with the accompanying drawings.

第1図は、本発明を組入れた変換器の側面図であり、 第2図は、第1図に示す変換器の分解図であり、 第3図は、第1図に示す変換器に使用される前ハウジ
ングの別の実施例の斜視図であって、単一の参照バーに
よって担持された2つの分離した参照表面の使用を示
し、 第4図は、更に別の前ハウジングの斜視図であって、
2つの分離した参照表面を担持する2つの分離した参照
バーを示し、 第5図は、更に別の前ハウジングの実施例の斜視図で
あって、互にある角度に配置された2つの参照バーを使
用して2つの参照表面を得る態様を示し、 第6図は、目標距離を評価するタイミング技術を示す
ブロック線図であり、 第7図は、典型的なエコーパルスの波形であってまた
送信パルスの波形でもあり、 第8図は、エコーパルスを処理する回路のブロック線
図であり、 第9図は、超音波エネルギを発生するパルス回路の詳
細を、一部ブロック線図で示す回路図であり、 第10図は、利得補償回路を含む総合パルス発生及びエ
コー受信システムのブロック線図であり、 第11図は、本発明を実施した超音波変換器の変形実施
例の断面図であり、 第12図は、第11図の一部の拡大図であり、 第13図は、第11図の一部の詳細回路図であり、 第14A図及び第14B図は、第12図の部分の側断面図であ
って該部分を形成する処理段階を示し、また第14B図は
本発明の変形実施例のブロック線図をも含み、 第15A図は、本発明の変形実施例の側面線図であり、 第15C図は、第15A図の一部を展開した平面図であり、 第16図は、第11図の概要見取図であって、その用法の
一実施例を示し、 第17図は、第11図の概要見取図であって、その用法の
別の実施例を示す。
FIG. 1 is a side view of a converter incorporating the present invention, FIG. 2 is an exploded view of the converter shown in FIG. 1, and FIG. 3 is used for the converter shown in FIG. FIG. 4 is a perspective view of another embodiment of a front housing, showing the use of two separate reference surfaces carried by a single reference bar; FIG. 4 is a perspective view of yet another front housing; So,
Figure 5 shows two separate reference bars carrying two separate reference surfaces, Figure 5 is a perspective view of yet another front housing embodiment, wherein two reference bars are positioned at an angle to each other; FIG. 6 is a block diagram illustrating a timing technique for estimating a target distance, and FIG. 7 is a block diagram illustrating a typical echo pulse waveform. FIG. 8 is a block diagram of a circuit for processing an echo pulse, and FIG. 9 is a circuit diagram partially showing a pulse circuit for generating ultrasonic energy in detail. FIG. 10 is a block diagram of a total pulse generation and echo receiving system including a gain compensation circuit, and FIG. 11 is a cross-sectional view of a modified example of the ultrasonic transducer embodying the present invention. Yes, Fig. 12 is a part of Fig. 11 13 is an enlarged view, FIG. 13 is a detailed circuit diagram of a part of FIG. 11, and FIGS. 14A and 14B are side sectional views of a part of FIG. FIG. 14B also shows a block diagram of a modified embodiment of the invention, FIG. 14A is a side view of a modified embodiment of the invention, and FIG. FIG. 16 is a schematic plan view of FIG. 11, which is a schematic plan view of FIG. 11, showing an example of the usage thereof, and FIG. 17 is a schematic plan view of FIG. 6 shows another embodiment of the usage.

本発明の超音波変換器及び方法は、超音波エネルギを
使用して対象までの距離を検出するための装置に使用さ
れる。箔を含む変換器は超音波を発生する。変換器は超
音波エネルギを反射してエコーを発生させる表面を有す
る参照をも含む。参照は変換器と対象との間に位置決め
され、変換器から既知の距離にある。装置は超音波エネ
ルギが箔から参照表面まで走行しエコーが参照表面から
戻るまでに要する時間と、超音波エネルギが箔から対象
まで走行しエコーが対象から戻るまでに要する時間との
比を取ることによって目標までの距離を確める手段を含
むので、対象までの距離を超音波エネルギが走行する空
気の温度には無関係に確めることができる。変換器内の
箔の正確な位置には無関係に距離測定を行うために、第
1の参照表面から所定の距離離間して変換器と対象との
間に配置されている第2の参照表面が設けられている。
装置は、第1の参照表面から受けるエコーと第2の参照
表面から受けるエコーとの間の経過時間を確めて変換器
内の箔の正確な位置には無関係な対象までの距離を確め
る手段をも含む。
The ultrasonic transducer and method of the present invention are used in an apparatus for detecting a distance to an object using ultrasonic energy. Transducers containing foil generate ultrasonic waves. The transducer also includes a reference having a surface that reflects the ultrasonic energy and produces an echo. The reference is positioned between the transducer and the object and is at a known distance from the transducer. The device shall take the ratio of the time required for the ultrasonic energy to travel from the foil to the reference surface and return the echo from the reference surface to the time required for the ultrasonic energy to travel from the foil to the target and return the echo from the target. Therefore, the distance to the target can be determined irrespective of the temperature of the air in which the ultrasonic energy travels. In order to make distance measurements independent of the exact position of the foil in the transducer, a second reference surface arranged between the transducer and the object at a predetermined distance from the first reference surface is provided. Is provided.
The apparatus determines the elapsed time between the echo received from the first reference surface and the echo received from the second reference surface to determine the distance to an object independent of the exact location of the foil in the transducer. Means.

第1図及び第2図に示す超音波変換器11に取付け用ス
タッド12及び前ハウジング13を含む。取付け用スタッド
12には、中間円筒形部分16及び端円筒形部分17が設けら
れている。取付け用スタッド12は、アルミニウムのよう
な適当な材料で形成することができる。取付け用スタッ
ド12には、スタッドの長手方向に伸びる円筒形の孔18が
設けられている。孔の端部分17内にある部分には標準型
の雌ねじ19が切ってあるので、取付け用スタッドを普通
の1/2インチ電気導管(図示せず)の片上にねじ込むこ
とができる。中間円筒形部分16には、これも普通の型の
雄ねじが切ってあって、パネル(図示せず)のような装
置上に変換器11の取付けを容易ならしめている。
The ultrasonic transducer 11 shown in FIGS. 1 and 2 includes a mounting stud 12 and a front housing 13. Mounting studs
12 is provided with an intermediate cylindrical part 16 and an end cylindrical part 17. The mounting stud 12 can be formed of a suitable material such as aluminum. The mounting stud 12 is provided with a cylindrical hole 18 extending in the longitudinal direction of the stud. The portion within the bore end portion 17 is threaded with standard female threads 19 so that the mounting stud can be threaded onto a piece of conventional 1/2 inch electrical conduit (not shown). The intermediate cylindrical portion 16 is also threaded with a conventional type of external thread to facilitate mounting of the transducer 11 on a device such as a panel (not shown).

取付け用スタッド12には、半径方向に伸びるフランジ
23の直後に環状の凹み22も設けてある。この凹み22は望
むならば省くことができ、これは単に取付け用スタッド
12を加工する時の工具の逃げとして設けたものである。
後述するように、フランジ23の外径は前ハウジング13の
直後と同一にしてある。また取付け用スタッド12には、
フランジ23の前方に伸びる前円筒形部分24も設けられて
いる。前円筒形部分24にはOリング27を受入れるための
環状の凹み26が設けられている。Oリング27はハウジン
グ13と取付け用スタッド12との間の水密封じを形成す
る。
The mounting stud 12 has a radially extending flange
Immediately after 23, an annular recess 22 is also provided. This recess 22 can be omitted if desired, this is simply a mounting stud
It is provided as a relief for the tool when machining 12.
As described later, the outer diameter of the flange 23 is the same as that immediately after the front housing 13. The mounting studs 12
A front cylindrical portion 24 extending forward of the flange 23 is also provided. The front cylindrical portion 24 is provided with an annular recess 26 for receiving an O-ring 27. O-ring 27 forms a water seal between housing 13 and mounting stud 12.

同軸ケーブル31が変換器11に接続されている。同軸ケ
ーブルは外側円筒形接地32と中心導体33とからなる。外
側導体32はリード36によってろう付けのような適当な手
段でスタッド37に接続されている。スタッド37は、黄銅
のような適当な材料製の接地用円板38によって担持され
ている。接地用円板38は、該円板38内に設けられた孔40
を通って伸び円筒形部分24に設けられているねじ孔41内
にねじ込まれているなべ頭ねじ39によって円筒形部分24
の前面に取付けられている。
A coaxial cable 31 is connected to the converter 11. The coaxial cable comprises an outer cylindrical ground 32 and a central conductor 33. Outer conductor 32 is connected to stud 37 by suitable means such as brazing by leads 36. The stud 37 is carried by a grounding disc 38 of a suitable material such as brass. The grounding disc 38 is provided with a hole 40 provided in the disc 38.
The cylindrical portion 24 is extended by a pan head screw 39 screwed into a threaded hole 41 provided in the cylindrical portion 24.
It is attached to the front of

接地用円板38には中心に配置されている孔42が設けら
れており、この孔を通して同軸ケーブル31の中心導体33
が伸びている。中心導体33はピストン取付け用円板44に
設けられている別の孔43をも通って伸びている。ピスト
ン取付け用円板44は円板状のピストン46を支持する。ピ
ストン46には、中心に配置され後方に伸びてピストン取
付け用円板44内の孔43内に座すスタッド47を設けてあ
る。同軸ケーブル31の中心導体33は、例えば、L字型ラ
グ48のような適当な手段を使用し、はんだ付けのような
適当な手段によってスタッド47に取付けられている。ラ
グ48は、スタッド内にねじ込まれているねじによってス
タッド47に取付けられる。
The grounding disc 38 is provided with a hole 42 arranged at the center, and through this hole, the center conductor 33 of the coaxial cable 31
Is growing. The center conductor 33 also extends through another hole 43 provided in the piston mounting disk 44. The piston mounting disk 44 supports a disk-shaped piston 46. The piston 46 is provided with a stud 47 which is located at the center, extends rearward, and sits in a hole 43 in a piston mounting disk 44. The center conductor 33 of the coaxial cable 31 is attached to the stud 47 by any suitable means, such as, for example, soldering, using any suitable means, such as an L-shaped lug 48. Lugs 48 are attached to studs 47 by screws threaded into the studs.

ピストン46の前側には、変換器11のためのコンデンサ
の一方の板として働らく平坦な円形表面50が設けられて
いる。ピストン取付け用円板44には、その外縁に4つの
みぞ51を設けてあり、これらのみぞはなべ頭ねじ39の頭
を収容するようになっている。またピストン取付け用円
板44には、前ハウジング13を取付け用スタッド12へ取付
けるために使用される4本のなべ頭ねじ53を受入れる4
つの孔52も設けてある。支持環56はピストン取付け用円
板44上に座し、ねじ53を収容するようになっている等間
隔の4つの孔58を有する。支持環56は、どのような適当
な材料で形成することもできる。支持環56は導電性であ
る必要はないが、所望の支持を得るためにアルミニウム
製とした。
The front side of the piston 46 is provided with a flat circular surface 50 which serves as one plate of a capacitor for the converter 11. The piston mounting disk 44 is provided with four grooves 51 on the outer edge thereof, and these grooves accommodate the heads of the pan head screws 39. The piston mounting disk 44 receives four pan head screws 53 used for mounting the front housing 13 to the mounting stud 12.
Two holes 52 are also provided. The support ring 56 sits on the piston mounting disk 44 and has four equally spaced holes 58 adapted to receive screws 53. Support ring 56 can be formed of any suitable material. The support ring 56 need not be conductive, but is made of aluminum to obtain the desired support.

箔61はその外縁が、両面接着テープ(図示せず)のよ
うな適当な手段によって支持環56に取付けられている。
箔61は絶縁材料の層62からなり、絶材料の表面に形成さ
れた導電層63は前方を向いている。絶縁材料の層は、例
えば、適当な厚さのカプトンのフィルム(例えば約0.3
ミル厚の30ゲージカプトン)のような適当な型とするこ
とができる。導電層63は、例えば50乃至500オングスト
ロームのような適当な厚さに絶縁層の前面に蒸着された
金のような適当な材料で形成される。
The foil 61 is attached at its outer edge to the support ring 56 by suitable means such as a double-sided adhesive tape (not shown).
The foil 61 is composed of a layer 62 of an insulating material, and the conductive layer 63 formed on the surface of the insulating material faces forward. The layer of insulating material may be, for example, a Kapton film of appropriate thickness (eg, about 0.3
Any suitable type (such as 30 gauge Kapton of mill thickness) can be used. The conductive layer 63 is formed of a suitable material, such as gold, deposited on the front surface of the insulating layer to a suitable thickness, for example, 50 to 500 Angstroms.

箔61の絶縁層62上に形成された導電層63は、変換器11
のためのコンデンサの第2の板として働らく。
The conductive layer 63 formed on the insulating layer 62 of the foil 61
Serves as the second plate of the capacitor for

上述の種々の部分を組立てるには、先ずピストン46を
接着材のような適当な手段によってピストン取付け用板
44に取付ける。望むなれば、例えばイーストマン910ス
ーパーグルーを使用できる。同様に、ピストン取付け用
円板44は接着材によって接地用円板38に取付けることが
できる。同軸ケーブル31を取付け用スタッド12に通し、
はんだ付けによってラグ48に取付ける。次に接地用円板
38を、ピストン取付け用円板44のみぞを通って伸びるな
べ頭ねじ39を使用して取付け用スタッド12に固定する。
次で箔を両面接着テープによって支持環56に固定し、支
持環56をピストン46上に配置できる。
To assemble the various parts described above, first the piston 46 is attached to the piston mounting plate by suitable means, such as adhesive.
Attach to 44. If desired, an Eastman 910 super glue can be used, for example. Similarly, the piston mounting disc 44 can be attached to the grounding disc 38 by an adhesive. Pass the coaxial cable 31 through the mounting stud 12,
Attach to lug 48 by soldering. Next, the grounding disk
The 38 is secured to the mounting stud 12 using a pan head screw 39 extending through a groove in the piston mounting disk 44.
The foil can then be fixed to the support ring 56 with double-sided adhesive tape, and the support ring 56 can be arranged on the piston 46.

上述した構造から、箔61の外縁の約0.100インチが支
持環56に固定されることが理解されよう。取付け用スタ
ッド12の前円筒形部分24によって担持されている上述の
構造全体は、円筒形ハウジング13内に収容される。ハウ
ジング13には、前円筒形部分24上にはめ合わされてOリ
ング27と共に水密封じを形成する孔66を設けてある。ハ
ウジングには、内側に伸びて箔61の外縁上に位置する環
状リップ67も設けてある。このリップ67に設けてある凹
み68は、凹み68を通って伸びる孔69を貫通するなべ頭ね
じ53の頭を受入れる。ねじ53は箔61の孔64、支持環56の
孔58、ピストン取付け用円板44の孔52、接地用円板38の
孔40をも通って取付け用スタッド12の孔41内にねじ込ま
れる。これによって小形の変換器組立体が形成され、円
筒形ハウジング13の外径は取付け用スタッド12のフラン
ジ23と同一の外側寸法を有している。
From the structure described above, it can be seen that approximately 0.100 inches of the outer edge of the foil 61 is secured to the support ring 56. The entire structure described above, which is carried by the front cylindrical portion 24 of the mounting stud 12, is housed in a cylindrical housing 13. The housing 13 is provided with a hole 66 that fits over the front cylindrical portion 24 and forms a water seal with the O-ring 27. The housing also has an annular lip 67 extending inward and located on the outer edge of the foil 61. A recess 68 provided in the lip 67 receives the head of a pan head screw 53 that passes through a hole 69 extending through the recess 68. The screw 53 is also screwed into the hole 41 of the mounting stud 12 through the hole 64 of the foil 61, the hole 58 of the support ring 56, the hole 52 of the piston mounting disk 44, and the hole 40 of the grounding disk 38. This forms a small transducer assembly wherein the outer diameter of the cylindrical housing 13 has the same outer dimensions as the flange 23 of the mounting stud 12.

ハウジング13は、ハウジングと一体に形成され前にハ
ウジング13から前方に伸びる2本の直立支柱71を有す
る。支柱71は参照バー72を担持する。参照バー72は断面
がほぼ矩形であり、互に平行で且つ箔61の面にほぼ平行
な第1の表面73及び第2の表面74を設けてある。参照バ
ー72は、第1の表面73が箔61から1/2インチ乃至1イン
チ以内にあるように位置ぎめされる。参照バーは断面が
矩形であるように図示してあるが、必ずしも矩形である
必要はない。例えば、望むならば小さい棒或はワイヤの
形状とすることができる。しかし、参照バー或は部材72
は、参照バーが変換器から放出される超音波エネルギを
不当に妨害しないように、厚さが比較的小寸法であるこ
とが望ましい。参照バーは、変換器を正常に使用する場
合に湾曲しないように、強くすべきである。しかし、変
換器が発生して目標に到達する音響を不当に妨害しない
ように、大きくしてはならない。
The housing 13 has two upright posts 71 formed integrally with the housing and extending forward from the housing 13 before. The strut 71 carries a reference bar 72. The reference bar 72 is substantially rectangular in cross section and has a first surface 73 and a second surface 74 that are parallel to each other and substantially parallel to the plane of the foil 61. Reference bar 72 is positioned such that first surface 73 is within 1/2 inch to 1 inch of foil 61. The reference bar is shown as having a rectangular cross section, but need not be. For example, it can be in the form of a small bar or wire if desired. However, the reference bar or member 72
It is desirable that the thickness be relatively small in size so that the reference bar does not unduly interfere with the ultrasonic energy emitted from the transducer. The reference bar should be strong so that it does not bend during normal use of the transducer. However, it must not be so large that it does not unduly interfere with the sound generated by the transducer and reaching the target.

第2図の実施例においては、表面73は平面であり箔61
の面に平行な面内にある。しかし他方の表面74は、該表
面が参照バー72から反射する音響だけを受けることが望
ましいので丸められている。換言すれば、その外側表面
即ち前表面は実質的に凸になっているので、変換器によ
って伝播された音波はこの表面を巻き、この表面によっ
て反射されることはない。
In the embodiment of FIG. 2, the surface 73 is flat and the foil 61
In a plane parallel to the plane. However, the other surface 74 is rounded as it is desirable that the surface receive only the sound reflected from the reference bar 72. In other words, the outer surface or front surface is substantially convex, so that the sound waves transmitted by the transducer wrap around this surface and are not reflected by this surface.

第3図は前ハウジング76の別の実施例を示す。この実
施例でも前ハウジング76は第1の表面79及び第2の表面
81を設けた参照バー78を担持する直立支柱77を有する
が、両参照表面79及び81は平面であり且つ箔61に平行で
あるので参照エコーは両表面79及び81から得られる。
FIG. 3 shows another embodiment of the front housing 76. Also in this embodiment, the front housing 76 has a first surface 79 and a second surface 79.
It has an upright column 77 carrying a reference bar 78 provided with 81, but since both reference surfaces 79 and 81 are plane and parallel to the foil 61, a reference echo is obtained from both surfaces 79 and 81.

第4図は前ハウジング84の更に別の実施例を示す。本
実施例においては直立支柱86は2つの参照バー87及び88
を担持し、これらのバーは互に大よそ整列されているが
一方が他方の上に重ねられており、互に他方から離間さ
れている。参照バー87には箔61と平行な平坦な表面89と
反射を生じないように湾曲している湾曲表面91とが設け
られている。同様に参照バー88には箔61に平行で且つ表
面89にも平行な平坦な表面92を設けてある。また表面83
はエコーを生じないように丸めてある。
FIG. 4 shows yet another embodiment of the front housing 84. In the present embodiment, the upright support 86 has two reference bars 87 and 88.
And these bars are roughly aligned with one another, but one is overlaid on the other and spaced apart from the other. The reference bar 87 is provided with a flat surface 89 parallel to the foil 61 and a curved surface 91 which is curved so as not to cause reflection. Similarly, the reference bar 88 is provided with a flat surface 92 parallel to the foil 61 and also to the surface 89. Also surface 83
Is rounded to avoid echo.

第5図は前ハウジングの更に別の実施例を示す。この
実施例においては前ハウジング96には2対の直立支柱97
及び98を設けてあり、支柱97は1つの参照バー99を担持
し、他方の支柱98は別の参照バー101を担持している。
参照バー99には箔61に平行な平面である表面102を設け
てある。また参照バー99には表面103も設けてあり、こ
の表面はそこからのエコーを禁止するために丸めてあ
る。バー101には箔61に平行な平面104と、エコーを禁止
するように丸めてある表面106を設けてある。この配列
から理解できるように、参照バーは箔61に対して如何な
る角度に配置しても所望の目的を達成することができ
る。表面102及び104は箔から異なる距離に離間させるこ
とが望ましい。またもし望むならば、参照バーは前ハウ
ジングから適当な手法で支持できることも理解された
い。例えば、分離した支柱の代りに単一の組の支柱を用
いて環を支持し、この環の中に参照バーを交又部材とし
て挿入することができる。
FIG. 5 shows yet another embodiment of the front housing. In this embodiment, the front housing 96 has two pairs of upright posts 97.
And 98 are provided, with the strut 97 carrying one reference bar 99 and the other strut 98 carrying another reference bar 101.
The reference bar 99 is provided with a surface 102 which is a plane parallel to the foil 61. The reference bar 99 also has a surface 103, which is rounded to inhibit echoes therefrom. The bar 101 has a flat surface 104 parallel to the foil 61 and a rounded surface 106 to inhibit echoes. As can be seen from this arrangement, the reference bar can be positioned at any angle with respect to the foil 61 to achieve the desired purpose. Desirably, surfaces 102 and 104 are spaced at different distances from the foil. It should also be understood that if desired, the reference bar can be supported in any suitable manner from the front housing. For example, a single set of struts may be used to support the annulus instead of separate struts, into which the reference bar is inserted as a crossover member.

以下に、上述した変換器11の動作及び作用の概要を説
明する。変換器11を、例えば1983年10月15日付出願の一
連番号第532,57号“超音波装置、システム及び方法”に
記載されている型のような適当な型のシステム及び装置
に使用するものとする。変換器11に例えば100乃至500kH
z、好ましくは250kHzの範囲の適当な周波数の電気エネ
ルギを供給すると、変換器はその周波数の超音波エネル
ギを発生する。当業者には周知のように、このようなエ
ネルギを変換器に印加すると、箔61が極めて急速に運動
せしめられ、それが空気を運動せしめて音響エネルギを
伝播させる。
The outline of the operation and operation of the above-described converter 11 will be described below. Using the transducer 11 in a suitable type of system and device, such as the type described in Serial Number 532,57, filed Oct. 15, 1983, "Ultrasonic Devices, Systems and Methods" And For example, 100 to 500 kHz for the converter 11
Upon providing electrical energy at a suitable frequency in the range of z, preferably 250 kHz, the transducer generates ultrasonic energy at that frequency. As is well known to those skilled in the art, when such energy is applied to the transducer, the foil 61 is caused to move very rapidly, which causes the air to move and propagate acoustic energy.

超音波エネルギが変換器から発せられると、それは参
照バー72の表面73に衝突する、参照バー72の表面73は箔
61から既知の距離だけ離れている。システムのこの実施
例においては2つのタイマが使用されている。一方のタ
イマは、音響エネルギが変換器を去ってから参照表面73
からのエコーを受けるまでの時間を決定するために使用
される。他方のタイマは、音響エネルギが変換器を去っ
てから目標からのエコーを受けるまでの時間を計算する
ために使用される。前述のように、参照バー72は変換器
を去る殆んどの音響エネルギを阻止しないような大きさ
であるので、音響エネルギは参照バーと同様に目標にも
到達する。システム内に設けられているコンピュータ
は、表面73からのエコー及び目標からのエコーまでの超
音波エネルギの2つの時間を用いて目標までの正確な距
離を計算する。参照及びこのような計算を使用すること
によって、目標が位置している例えば一般的には空気の
ようなガス中の音の走行速度に対する温度の効果を排除
することができる。参照表面73は箔から既知の距離だけ
離間しているから、2つの時間の比を使用すれば箔から
目標までの精密な距離はコンピュータによって容易に計
算することができる。第2図に示す本発明の実施例にお
いては、表面74は丸められていて音響エネルギはこの表
面を巻いて走行してエコーを発生させ得ないから、表面
74が重大なエコーを発生することはない。しかし、第2
図に示す本発明の実施例に関して箔61の精密な或は正確
な位置を確めることは困難であることが分った。箔は薄
く且つ柔軟であるので、励振された後の箔が必ずしも送
信開始前と同一の位置に正確に戻るとは限らない。換言
すれば、箔はそこから参照バーまで較正の目的で測定を
行うには貧弱な参照点であることが分った。箔の位置定
めに伴うこの困難性は、箔と目標との間に位置ぎめした
2つの固定参照を使用することによって解消できること
を見出した。この場合、考え得る3つのエコーのための
経過時間を計時するためには3つのタイマを準備する必
要がある。このような配列を第3図に示す。第3図にお
いては2つの参照表面、即ち、共に平面で箔61に平行な
表面79及び81が設けられ、これら2つの参照表面79及び
81は既知の距離だけ離間させてある。システム内に使用
されている3つのタイマは音響エネルギが箔を去る時点
に始動し、第1のタイマは表面79からエコーが戻るまで
の時間を測定し、第2のタイマは音響が箔61から走行し
てエコーが第2の表面81から戻るまでに要する時間を測
定し、第3のタイマは音響が箔61から目標まで走行しそ
のエコーが目標から戻るのに要する時間を測定する。参
照表面79及び81が互に他方からどれだけ離間しているか
を知ることによって、精密な箔位置は重要ではなくな
る。システム内のコンピュータは第1のタイマによって
記録された時間を第2のタイマによる時間から差引く。
次でこの差を使用して、サンプル参照を用いて行ったよ
うに目標までの実際の距離を計算する。但し箔と第1及
び第2の参照表面との間の走行時間に対して行われる差
測定を補償するためにある基準化値が使用される。2つ
の参照を使用することによって明白であるように、これ
らの参照が箔から正確にどれ程離間しているかを知る必
要はなく、この理由から測定は箔の位置には比較的関係
なくすることが可能であり、しかも温度には無関係であ
るように行うことができる。別の実施例では内側参照バ
ーのエコーを使用して2つのタイマを始動させる。一方
のタイマは目標用であり、他方のタイマは第2の参照エ
コー用である。このようにすると1組のタイマが排除さ
れる。
When the ultrasonic energy is emitted from the transducer, it strikes the surface 73 of the reference bar 72, which is
A known distance from 61. In this embodiment of the system, two timers are used. One timer measures the reference surface 73 after the acoustic energy has left the transducer.
Used to determine the time to receive an echo from The other timer is used to calculate the time between when the acoustic energy leaves the transducer and when it receives an echo from the target. As mentioned above, the reference bar 72 is sized so as not to block most of the sound energy leaving the transducer, so that the sound energy reaches the target as well as the reference bar. A computer provided in the system uses the two times of the echo energy from the surface 73 and the ultrasound energy from the target to calculate the exact distance to the target. By using a reference and such a calculation, it is possible to eliminate the effect of temperature on the traveling speed of sound in a gas, for example, typically air, where the target is located. Since the reference surface 73 is at a known distance from the foil, the precise distance from the foil to the target can be easily calculated by a computer using the ratio of the two times. In the embodiment of the invention shown in FIG. 2, the surface 74 is rounded and the acoustic energy cannot travel around this surface to produce an echo, so that
74 does not produce significant echo. But the second
It has proven difficult to ascertain the precise or exact position of the foil 61 with respect to the embodiment of the invention shown in the figures. Since the foil is thin and flexible, the foil after excitation does not always return exactly to the same position as before the start of transmission. In other words, the foil was found to be a poor reference point from which to make measurements for calibration purposes to the reference bar. It has been found that this difficulty with foil positioning can be overcome by using two fixed references positioned between the foil and the target. In this case, it is necessary to prepare three timers in order to measure the elapsed time for three possible echoes. Such an arrangement is shown in FIG. In FIG. 3, two reference surfaces are provided, namely surfaces 79 and 81, both plane and parallel to the foil 61, these two reference surfaces 79 and
81 is separated by a known distance. The three timers used in the system start when the acoustic energy leaves the foil, the first timer measures the time until the echo returns from the surface 79, and the second timer measures the time until the sound returns from the foil 61. The third timer measures the time it takes for the echo to return from the second surface 81 as it travels, and the third timer measures the time it takes for the echo to travel from the foil 61 to the target and return from the target. By knowing how far the reference surfaces 79 and 81 are from each other, the precise foil position becomes less important. The computer in the system subtracts the time recorded by the first timer from the time recorded by the second timer.
This difference is then used to calculate the actual distance to the target as was done with the sample reference. However, some scaling value is used to compensate for the difference measurement made for the transit time between the foil and the first and second reference surfaces. It is not necessary to know exactly how far these references are from the foil, as is evident by using two references, and for this reason the measurement should be relatively independent of the foil position And can be done independent of temperature. Another embodiment uses the echo of the inner reference bar to start two timers. One timer is for the target and the other timer is for the second reference echo. This eliminates one set of timers.

第4図及び第5図に示す実施例も同様にして2つの参
照表面を使用している。
The embodiment shown in FIGS. 4 and 5 similarly uses two reference surfaces.

以上の説明から、超音波エネルギを効率的に伝播さ
せ、正確な距離測定を行うことが可能な超音波変換器及
び方法が提供されることが明白であろう。また2つの対
象の距離を比較的精密に且つ実質的に空気の温度には無
関係に確めることを可能ならしめる。更に、参照と音響
エネルギを伝播させる箔との間の間隔を精密に知ること
なく、このような測定を正確に行うことが可能である。
From the foregoing, it should be apparent that there has been provided an ultrasonic transducer and method capable of efficiently propagating ultrasonic energy and providing accurate distance measurements. It also makes it possible to determine the distance between the two objects relatively precisely and substantially independent of the temperature of the air. Furthermore, it is possible to make such measurements accurately without knowing precisely the spacing between the reference and the foil carrying the acoustic energy.

第6図は温度変化には無関係に目標までの距離を計算
する上記技術を示し、目標カウンタ110、第1参照表面
に応答するカウンタ111、及び第2参照表面に応答する
カウンタ112を含む。カウンタ112の出力を破線113で示
すことから明白なように、このカウンタは任意選択であ
るか或はもし1つだけの参照を望むのであれば除くこと
ができる。更に、前述のように、カウンタ始動入力114
は送信された変換器パルス116によって、特にパルスが
その最初の負への立下り即ちデッィプ117を有する場合
にはそれによって駆動される。停止入力118は各カウン
タに持続され、第7図及び第8図に用いて後述するよう
に受信したエコーの正確な位相点に供給される。勿論、
どれが送信されたパルスであるか、どれがそれに続く第
1参照エコーであるか、第2参照エコーであるか、及び
目標エコーであるかを決定するために関連マイクロプロ
セッサ(第10図)が使用される。目標までの距離を計算
するために、ブロック119においてエコーと参照エコー
との比が求められ、第1参照カウンタ111のみが使用さ
れるものとして参照バーまでの既知の距離が乗ぜられ
る。参照バーは既知の距離になければならないから、本
発明による好ましい技術は特定の装置を構成し、この距
離を測定し、そして変換器装置に特定の較正数を割当て
ることである。これは工場変換器較正入力121によって
表わされている。この技術は、参照バーを正確に既知の
距離に配置することを必要としないので、精密な公差で
製造することを排除する。
FIG. 6 illustrates the technique for calculating a distance to a target independent of temperature changes, including a target counter 110, a counter 111 responsive to a first reference surface, and a counter 112 responsive to a second reference surface. As is evident from the output of counter 112 as shown by dashed line 113, this counter is optional or can be omitted if only one reference is desired. Further, as described above, the counter start input 114
Is driven by the transmitted converter pulse 116, particularly if the pulse has its first negative falling or dip 117. The stop input 118 is maintained by each counter and is provided to the exact phase point of the received echo as described below with reference to FIGS. Of course,
The associated microprocessor (FIG. 10) determines which is the transmitted pulse, which is the following first reference echo, the second reference echo, and the target echo. used. To calculate the distance to the target, the ratio of the echo to the reference echo is determined at block 119 and multiplied by the known distance to the reference bar as only the first reference counter 111 is used. Since the reference bar must be at a known distance, the preferred technique according to the present invention is to configure a particular device, measure this distance, and assign a particular calibration number to the transducer device. This is represented by the factory transducer calibration input 121. This technique precludes manufacturing with tight tolerances, as it does not require the reference bar to be placed at a precisely known distance.

最後に、第2参照カウンタ112を使用する変形実施例
によれば、122で示すようにそのカウンタが第1参照カ
ウンタから差引かれ、基準化値が加えられて同じ比が求
められる。
Finally, according to an alternative embodiment using a second reference counter 112, the counter is subtracted from the first reference counter, as indicated at 122, and a scaled value is added to determine the same ratio.

第7図は参照或は目標から受信する典型的なエコー信
号の波形を示す。繰返し可能な且つ正確な情報を得るた
めには、エコーパルス或はエコー信号の正確に同一の位
相位置で停止パルスを供給する必要がある。本発明に使
用される技術では、エコー信号はあるしきい値を正に超
えなければならず、停止信号は次のO交又に発生する。
このしきい値は123に約400mVで示されている。停止は12
4におけるO交又で発生し、そのように表示してある。
第6図に関しての説明では始動信号は最初のディップで
発生し、そのように表示してあることに注目されたい。
始動から停止までの時間巾は4マイクロ秒であるから、
この場合のタイミングは極めて精密である。勿論、第2
のO交又を使用するような他の変形も使用可能である。
FIG. 7 shows the waveform of a typical echo signal received from a reference or target. In order to obtain repeatable and accurate information, it is necessary to supply a stop pulse at the exact same phase position of the echo pulse or echo signal. In the technique used in the present invention, the echo signal must exceed a certain threshold positively, and the stop signal occurs at the next O-crossing.
This threshold is shown at 123 at about 400 mV. 12 stops
Occurs at O-crossing in 4 and is so indicated.
Note that in the description with respect to FIG. 6, the start signal occurs on the first dip and is so indicated.
Since the time span from start to stop is 4 microseconds,
The timing in this case is extremely precise. Of course, the second
Other variations may be used, such as using an O-cross.

何れの場合でも第7図の停止方式を実現するために
は、第8図に示すように大きいヒステリシスを有するコ
ンパレータを使用する。コンパレータのしきい値は400m
Vで示してある(これは任意値である)。大きいヒステ
リシスを使用すると、しきい値に到達した後の最初のO
交又において停止信号が発生するようになる。以上のよ
うに、これは目標カウンタ110、及び参照カウンタ111、
112の両方のための停止信号を発生する。
In any case, in order to realize the stop method shown in FIG. 7, a comparator having a large hysteresis is used as shown in FIG. 400m comparator threshold
Indicated by V (this is an arbitrary value). With large hysteresis, the first O after reaching the threshold
A stop signal is generated at the intersection. As described above, this is the target counter 110, the reference counter 111,
Generate stop signals for both 112.

第7図に示すような形式に予測できる受信信号を得る
ためには、送信されるパルス包絡線が極めて急速な立上
り時間を有する必要がある。これは短い波を作る変換器
表面が突然の超音波運動を有することと同一ではない。
急速な立上り時間を達成するためには、第9図に示すよ
うに誘導性成分を回避した(即ちインダクタレス)パル
ス発生回路を使用する。これは従来使用されて来たパル
ス変成器に対抗するものである。本発明においては、例
えば直流300Vの固定高電圧電源126が抵抗127のみを介し
て変換器31に接続されている。前述のように、変換器は
実効的にコンデンサである。従って動作中コンデンサは
抵抗127を通して充電される。次で目標及び参照バーへ
送信されるパルスを発生させるために、電界効果トラン
ジスタスイッチ128が送信/受信スイッチ33からの制御
パルスによってトリガされる。変換器31のコンデンサに
含まれる全ての蓄積されたエネルギは急速に超音波エネ
ルギに変換される。従ってエコー信号は、第7図に示す
型の正確な解析に適する精密な波形となる。
To obtain a received signal that can be predicted in the form shown in FIG. 7, the transmitted pulse envelope must have a very fast rise time. This is not the same as the transducer surface making the short wave having sudden ultrasonic motion.
To achieve a fast rise time, a pulse generation circuit that avoids inductive components (ie, inductorless) is used, as shown in FIG. This is in opposition to conventionally used pulse transformers. In the present invention, for example, a fixed high-voltage power supply 126 having a DC voltage of 300 V is connected to the converter 31 only through the resistor 127. As mentioned above, the converter is effectively a capacitor. Thus, during operation, the capacitor is charged through resistor 127. The field effect transistor switch 128 is triggered by a control pulse from the transmit / receive switch 33 to generate a pulse that is then transmitted to the target and reference bars. All stored energy contained in the capacitor of the converter 31 is rapidly converted to ultrasonic energy. Thus, the echo signal has a precise waveform suitable for accurate analysis of the type shown in FIG.

しかし、変換器はエコー信号を受信するために(そし
てこの受信された信号はライン129を通して送信/受信
スイッチ33へ送られる)再び充電しなければならず、こ
の充電は参照バーから受信するエコーパルスがマスクさ
れないように極めて急速に(好ましくは100ナノ秒以
下)行われなければならない。インダクタレス回路及び
ダンピング抵抗として働らく抵抗127の使用は上述の動
作を遂行する。実際にリングダウン時間は最小化され
る。
However, the transducer must recharge in order to receive the echo signal (and the received signal is sent to the transmit / receive switch 33 via line 129), and this charge is based on the echo pulse received from the reference bar. Must be done very quickly (preferably less than 100 nanoseconds) so that it is not masked. The use of a resistor 127 acting as an inductorless circuit and a damping resistor performs the operations described above. In practice, ring down time is minimized.

ライン129上の特定受信回路は、直流阻止用コンデン
サ131、電流制限用抵抗132、及び一対のブロッキングダ
イオード133を含む。以上のように、要するに、抵抗127
は充電抵抗として、及び突然の放電の後にリングダウン
振動を静めるためのダンパとして作用するのである。
The specific receiving circuit on the line 129 includes a DC blocking capacitor 131, a current limiting resistor 132, and a pair of blocking diodes 133. As described above, in short, the resistance 127
Acts as a charge resistor and as a damper to mitigate ring-down oscillations after a sudden discharge.

例えば経年変化のために、変換器31の感度は時間的に
変化するかも知れないから、第10図の利得補償回路を設
ける必要がある。要約すれば、第10図はパルスを処理し
て生成し、エコー信号を処理するために必要な電気成分
の総合回路図である。変換器31は電圧制御増巾器134を
含む受信回路に接続され、増巾器134の出力は電圧・デ
ィジタル語変換器136へ印加され、その情報はマイクロ
プロセッサ137によって処理される。マイクロプロセッ
サ137はプロセスの他の相(例えば参照エコーの選択)
の制御に加えて、ディジタル語・電圧変換器138を駆動
して増巾器134の利得を変化させる。最後に、勿論、マ
イクロプロセッサ137を例えば第9図に示すように送信
回路139を制御する。これは送信/受信スイッチ33の一
部であろう。
For example, the sensitivity of the converter 31 may change with time due to aging, so it is necessary to provide the gain compensation circuit shown in FIG. In summary, FIG. 10 is a comprehensive circuit diagram of the electrical components required to process and generate pulses and to process echo signals. The converter 31 is connected to a receiving circuit including a voltage controlled amplifier 134, the output of which is applied to a voltage to digital word converter 136, whose information is processed by a microprocessor 137. Microprocessor 137 is responsible for other phases of the process (eg, selection of reference echo)
In addition to the above control, the digital word / voltage converter 138 is driven to change the gain of the amplifier 134. Finally, of course, the microprocessor 137 controls the transmission circuit 139, for example, as shown in FIG. This will be part of the transmit / receive switch 33.

動作を説明する。先ず変換器31は送信回路139によっ
て点孤され超音波パルスを発生する。次でマイクロプロ
セッサ137は受信回路に一方或は両方の参照及び目標か
らのエコー信号を聴守させる。頭初、ピーク電圧検出器
135がマイクロプロセッサ137によって回路内に挿入さ
れ、参照エコーのピーク電圧が変換器136によってディ
ジタル数に変換される。もしこれがプリセット値より小
さければそれは信号が弱過ぎることを表わし、従って受
信回路/増巾器134の利得がマイクロプロセッサ137によ
って増加せしめられる。即ち実効的にフィードバックプ
ロセスが実現されているのである。次で第6図に図解的
に示したような正常な処理がマイクロプロセッサ137に
よって遂行され、比が求められ、参照までの距離が乗ぜ
られる。以上の如く、対象までの距離を検出する改良さ
れた装置が提供されたのである。送受信器(即ち超音波
情報の送信及び受信の両方を行う)として機能する単一
の変換器を示したが、本発明は分離したユニットの使用
をも含むことを強調すべきである。
The operation will be described. First, the converter 31 is insulated by the transmission circuit 139 and generates an ultrasonic pulse. Microprocessor 137 then causes the receiving circuit to listen for echo signals from one or both reference and targets. Initial, peak voltage detector
135 is inserted into the circuit by the microprocessor 137 and the peak voltage of the reference echo is converted by the converter 136 into a digital number. If this is less than the preset value, it indicates that the signal is too weak, so the gain of the receiver / amplifier 134 is increased by the microprocessor 137. That is, the feedback process is effectively realized. Next, normal processing as schematically illustrated in FIG. 6 is performed by the microprocessor 137, the ratio is obtained, and the distance to the reference is multiplied. As described above, an improved device for detecting a distance to an object has been provided. Although a single transducer has been shown to function as a transceiver (ie, both transmitting and receiving ultrasound information), it should be emphasized that the present invention also includes the use of separate units.

第11図の実施例は、超音波変換器が同軸ケーブル31′
を有する円筒形取付け用スタッド12′、及び脚71′が適
切な参照バーを担持している前円筒形ハウジング13′を
含む点が第1図及び第2図の実施例に類似している。
In the embodiment shown in FIG. 11, the ultrasonic transducer is a coaxial cable 31 '.
1 and 2 in that it includes a cylindrical mounting stud 12 'having a front end and a front cylindrical housing 13' carrying a suitable reference bar.

例えば陽極酸化処理されたアルミニウム製のハウジン
グ13′は取付け用スタッド12′に固定され、ピストン14
0及び関連箔141を含む変換器組立体を収容する。アルミ
ニウム製のピストン140はスタッド部分142を含み、また
上面に凹み144 を有するプラスチック円板143によって大よそ保持され
ている。この詳細は第12図に示されている。
For example, anodized aluminum housing 13 'is fixed to mounting stud 12' and piston 14
Housing the transducer assembly including the zero and the associated foil 141. An aluminum piston 140 includes a stud portion 142 and is generally held by a plastic disk 143 having a recess 144 on the upper surface. This is shown in detail in FIG.

第14A図及び第14B図を寸時参照する。取付け用円板の
表面143aとピストン140の表面140aと同一面になってい
る。これは先ず第14A図に示すようにピストン140を凹部
144内へ接着する。次で破線146で示すようにこの組合せ
を平面削りして第14B図に示す同一図140a、143aを得
る。これは箔141のための良好な表面を提供する。箔141
は後刻表面143aに固定され、表面140aに対して自由に振
動する。特に第12図を参照する。箔はマイラ或はカプト
ン絶縁層147からなり、極めて薄い金の層148が蒸着され
ている。金箔148の中心部分には、シリコンを基とする
プラスチックのような非導電性保護層149が典型的には
蒸着によって存在している。適当な材料はパリレンであ
る。超音波変換器を苛酷な周囲状態内で使用する場合、
この層149は極めて薄い金の層を化学薬品及び研磨材か
ら保護する。これは、例えば金が300Å厚しかないため
に必要なのである。パリレン層は約2μm厚でよい。パ
ラレンがこのように薄いため、箔の表面から伝送される
超音波エネルギのビームの発生には影響しない。
Please refer to FIG. 14A and FIG. 14B. The surface 143a of the mounting disk and the surface 140a of the piston 140 are flush with each other. This is done by first retracting the piston 140 as shown in FIG. 14A.
Glue into 144. Next, this combination is plane-cut as shown by the broken line 146 to obtain the same views 140a and 143a shown in FIG. 14B. This provides a good surface for the foil 141. Foil 141
Is fixed to the surface 143a later and freely vibrates with respect to the surface 140a. With particular reference to FIG. The foil consists of a Mylar or Kapton insulating layer 147, with a very thin layer of gold 148 deposited. In the center of the gold foil 148, a non-conductive protective layer 149, such as a silicon-based plastic, is typically present by evaporation. A suitable material is parylene. When using the ultrasonic transducer in harsh ambient conditions,
This layer 149 protects the very thin gold layer from chemicals and abrasives. This is necessary, for example, because gold is only 300 mm thick. The parylene layer may be about 2 μm thick. The parylene's thinness does not affect the generation of a beam of ultrasonic energy transmitted from the surface of the foil.

最後に、例えば銀塗料の環状の環151が金表面148上に
被膜されており、第11図に示すようにハウジング13′と
のより効果的な導電性接触を与えている。詳述すれば、
この接触は箔の実効的な接地であり、ハウジング13′を
取付け用スタッド12′に保持する保持用ねじ152が存在
することによって実現されているのである。また接触は
ハウジングと取付け用スタッドとの間の界面153におい
ても発生する。以上の如く、取付け用スタッドは本質的
に接地接続であり、端子154で示してあるように同軸ケ
ーブル31′の接地に接続されている。
Finally, an annular ring 151 of, for example, silver paint is coated on the gold surface 148 to provide more effective conductive contact with the housing 13 'as shown in FIG. To elaborate,
This contact is an effective grounding of the foil and is achieved by the presence of retaining screws 152 that hold the housing 13 'to the mounting studs 12'. Contact also occurs at interface 153 between the housing and the mounting stud. As described above, the mounting stud is essentially a ground connection and is connected to the ground of the coaxial cable 31 'as shown by terminal 154.

暫時第13図を参照する。外側ケーブルを154で示すよ
うに接地されている同軸ケーブル31′の内側ケーブル15
6は適切な交番電圧を供給して超音波ビームを発生させ
る。換言すれば、アルミニウム製ピストン140と、接地
されている箔141とによって形成されている実効コンデ
ンサヘライン156を通して適切な電圧を印加しているの
である。ピストン140上に静電圧を累積せしめないよう
に、例えば10MΩのような比較的高抵抗を有する側路漏
洩抵抗157をライン156と接地との間に設けてある。この
抵抗は、第11図に示すように覆い157内に収容されてい
る。中心ケーブル156はピストン140のスタッド142に接
続されている。
Refer to FIG. 13 for a while. Inner cable 15 of coaxial cable 31 'with the outer cable grounded as shown at 154.
6 supplies an appropriate alternating voltage to generate an ultrasonic beam. In other words, an appropriate voltage is applied to the effective capacitor line 156 formed by the aluminum piston 140 and the grounded foil 141. To prevent accumulation of static voltage on the piston 140, a bypass leakage resistance 157 having a relatively high resistance, for example, 10 MΩ, is provided between the line 156 and the ground. This resistor is housed in a cover 157 as shown in FIG. The center cable 156 is connected to the stud 142 of the piston 140.

動作中、勿論箔141は、プラスチック取付け用円板143
のみに固定されているから、ピストン140に対して自由
に振動即ち自由に運動できる。1983年10月15日付特許出
願一連番号第532,576号“超音波装置システム及び方
法”によれば、箔と相互作用するピストン140の表面140
aは超音波エネルギの発生を強めるように処理されてい
る。また勿論、箔141の実質的な部分はハウジング13′
が円筒形であるために露出されており、ほぼ垂直軸161
に沿って超音波ビームを発生することができる。
In operation, of course, the foil 141 is
Because it is fixed only to the piston 140, it can freely vibrate, that is, freely move with respect to the piston 140. According to patent application Ser. No. 532,576 “Ultrasonic system and method” filed Oct. 15, 1983, the surface 140 of a piston 140 interacting with a foil
a has been processed to enhance the generation of ultrasonic energy. Of course, a substantial part of the foil 141 is the housing 13 '
Is exposed because of its cylindrical shape, and the almost vertical axis 161
An ultrasonic beam can be generated along.

変換器の内側、即ち箔141とピストン140との界面は環
境汚染を避けるために密封しなければならないが、これ
は比較的熱い周囲温度の場合に、或は大気圧が低くなっ
た時に静的圧力の蓄積をもたらしかねない。空気を抜く
ために、ピストンの中心線を通してきりもみした孔163
によって、ピストン140のスタッド142内に空気流路162
を設けてある。次で孔163内にねじ164を配置し、再び中
心をきりもみして流路162を設ける。
The inside of the transducer, i.e. the interface between the foil 141 and the piston 140, must be sealed to avoid environmental pollution, which can be static at relatively hot ambient temperatures or when atmospheric pressure is reduced. May result in pressure build-up. Hole 163 cut through the centerline of the piston to release air
As a result, the air flow path 162
Is provided. Next, a screw 164 is arranged in the hole 163, and the flow path 162 is provided again by cutting the center.

第11図に示すように、一実施例においては、この空気
流路には弾力性の袋即ち風船166を取付けてある。風船
はプラスチック管167内の収納されている。管167は継手
168に保持され、継手168はねじ164の端に取付けられて
いる小直径ゴム管169に固定されている。このようにし
て雰囲気の完全な閉じ込めが得られる。
As shown in FIG. 11, in one embodiment, an elastic bag or balloon 166 is attached to the air flow path. The balloon is housed in a plastic tube 167. Tube 167 is a fitting
Retained at 168, the fitting 168 is secured to a small diameter rubber tube 169 mounted at the end of a screw 164. In this way, a complete confinement of the atmosphere is obtained.

変形として、第14B図に示すように、空気流路172を内
部に有する同軸ケーブル171を使用することができる。
これによれば、空気は変換器と、変換器の周囲状態から
離れた電子処理ユニット173との間を自由に通行でき
る。処理ユニット内で空気は周囲空気へ放出でき、或は
変形としてユニット内に弾力性の袋を使用することがで
きる。勿論変換器を駆動するための適切な電気接続をも
含むこの特別な同軸ケーブル171は、商品名“HELI−AX"
として市販されている型であってよい。これは螺旋状に
巻かれた同軸ケーブルである。
As a variant, a coaxial cable 171 having an air passage 172 therein can be used, as shown in FIG. 14B.
According to this, air can freely pass between the converter and the electronic processing unit 173 that is remote from the surrounding state of the converter. In the processing unit the air can be vented to the surrounding air, or alternatively a resilient bag can be used in the unit. This special coaxial cable 171 which, of course, also contains the appropriate electrical connections for driving the transducer, is available under the trade name "HELI-AX"
May be the type commercially available as This is a spirally wound coaxial cable.

第15A図に示すように、変換器を油、水及び鋸屑等の
ような産業汚染から保護するために、ハウジング13′及
び参照バー脚71′上に円錐173の形状の被覆材料が配置
されている。この材料は典型的にはポリエステル布製で
あり、その織り込みは塵を排除するには充分に詰まって
いるが、超音波エネルギを不当に減衰させることなく効
果的な伝送を可能ならしめる。
As shown in FIG.15A, a coating material in the form of a cone 173 is placed on the housing 13 'and reference bar legs 71' to protect the transducer from industrial contamination such as oil, water, sawdust, etc. I have. This material is typically made of polyester cloth, the weave of which is sufficiently packed to eliminate dust, but allows for efficient transmission without unduly attenuating the ultrasonic energy.

第15C図は最初に切断された時の布を示し、線174で折
り曲げてハウジング13′上に配置して布の縁を第15B図
に示すように176及び177において互に焼き付ける即ち融
着させると漏れのない適合が得られる。
FIG. 15C shows the fabric when first cut, folded at line 174 and placed on housing 13 'to bake or fuse the edges of the fabric together at 176 and 177 as shown in FIG. 15B. And a leak-free fit.

第16図に示すように、178で示す被験対象が1/4インチ
程度の直径であるか、或は他の興味を引かない構造に極
めて近い場合には、実効的により小さいビームを使用す
ることが有用である。従って、変換器の箔から所定の距
離に板179を配置し、公称ビーム軸161上に中心を有する
アパーチャ181を設ける。これによってより小さい検知
用ビーム182が得られ、またビームを反射させて変換器
に戻すことができる。同時に板179を軸161に対して鋭角
に角度付けすれば、ビームは183に偏向され不要な反射
が防止される。
As shown in Figure 16, if the test object at 178 is about 1/4 inch in diameter, or very close to other non-interesting structures, an effectively smaller beam should be used. Is useful. Thus, a plate 179 is placed at a predetermined distance from the transducer foil, and an aperture 181 centered on the nominal beam axis 161 is provided. This results in a smaller sensing beam 182, which can be reflected back to the transducer. At the same time, if the plate 179 is angled at an acute angle to the axis 161, the beam is deflected to 183 and unnecessary reflection is prevented.

変形として、板179が軸161に対して垂直であるものと
すれば、距離測定技術を使用することによってこの不要
偏向ビームを反射させて変換器へ戻して除去することが
できる。換言すれば、板179は対象178よりも近いのであ
る 最後に、第17図に示すような極めて小さい対象184
を、比較的高感度で試験する必要がある場合、ハウジン
グ13′から所定の距離に且つビームの軸161上に取付け
た抛物線反射器186を使用して焦点187を結ばせることに
よって、これを達成することができる。これは全体を18
8で示すビームに対して極めて小さい領域である。反射
器186は線形抛物面であっても円形抛物面であってもよ
い。以上の如く、改良された超音波変換器が提供されて
いるのである。
As a variant, if the plate 179 is perpendicular to the axis 161, this unwanted deflection beam can be reflected back to the transducer and removed by using a distance measuring technique. In other words, the plate 179 is closer than the object 178. Finally, the extremely small object 184 as shown in FIG.
This can be accomplished if relatively sensitive testing is required by focusing the focal point 187 using a parabolic reflector 186 mounted at a predetermined distance from the housing 13 'and on the beam axis 161. can do. This is a whole 18
This is an extremely small area for the beam indicated by 8. Reflector 186 may be a linear or circular paraboloid. As described above, an improved ultrasonic transducer is provided.

フロントページの続き (72)発明者 ホサック ジェイムズ エム アメリカ合衆国 ワシントン州 98052 レッドモンド ノースイースト エイ ティフォース ストリート 17117 (72)発明者 ルコック ワルター アメリカ合衆国 ワシントン州 98224 バーリング ピーオーボックス 74 (56)参考文献 特開 昭62−282284(JP,A) 特開 昭61−130885(JP,A) 特開 昭56−147020(JP,A) 実公 昭52−13183(JP,Y2)Continuing on the front page (72) Inventor Hossack James M. USA 98052 Washington State Redmond Northeast AT / Force Street 17117 (72) Inventor Lecoq Walter United States of America 98224 Burling Piobox 74 (56) References JP Sho 62 -282284 (JP, A) JP-A-61-130885 (JP, A) JP-A-56-147020 (JP, A) JP-A-52-13183 (JP, Y2)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】超音波エネルギーを発生する箔を含み、ハ
ウジングに取り付けられた変換器手段と、 超音波エネルギーを反射してエコーを発生させる表面を
有し、ハウジング内に取り付けられ、前記の変換器手段
と対象との間で、前記の変換器手段から既知の距離にあ
る第1の参照表面と、 ハウジングに取り付けられ、前記の第1の参照表面から
所定距離離された第2の参照表面を形成し、そして前記
の変換器手段と前記の対象との間に位置している手段
と、 前記の変換器手段を作動するインダクタンス成分の無い
パルス発生手段をつくるため実効的なキャパシタンスと
して働く前記の箔を利用するようハウジング内で前記の
変換器手段へ接続された電気装置と、 前記の第1と第2の参照表面から受けたエコーと前記の
対象から受けたエコーとの間の経過時間を測定し、前記
の変換器手段の箔の正確な位置と温度に係わりなく前記
の対象までの距離を測定する手段と を備えたことを特徴とする超音波エネルギーを利用して
対象までの距離を測定する装置。
1. A converter comprising a foil for generating ultrasonic energy and having a transducer mounted on the housing, and having a surface for reflecting the ultrasonic energy to generate an echo, mounted in the housing and including the converter. A first reference surface at a known distance from the transducer means between the instrument means and the object; and a second reference surface mounted to the housing and spaced a predetermined distance from the first reference surface. And means located between said converter means and said object; and said acting as effective capacitance to create an inductance-free pulse generating means for operating said converter means. An electrical device connected to the transducer means within the housing to utilize the foil of E .; echoes received from the first and second reference surfaces and echoes received from the object Means for measuring the time elapsed between and the distance to the object irrespective of the exact position and temperature of the foil of the transducer means. A device that measures the distance to the target.
JP63507299A 1988-08-23 1988-08-23 A device that measures the distance to a target using ultrasonic energy Expired - Lifetime JP2755405B2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/US1988/002785 WO1990002346A1 (en) 1988-08-23 1988-08-23 Ultrasonic transducer and method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH03501881A JPH03501881A (en) 1991-04-25
JP2755405B2 true JP2755405B2 (en) 1998-05-20

Family

ID=22208842

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP63507299A Expired - Lifetime JP2755405B2 (en) 1988-08-23 1988-08-23 A device that measures the distance to a target using ultrasonic energy

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP2755405B2 (en)
WO (1) WO1990002346A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101143381B1 (en) * 2009-11-27 2012-05-22 주식회사 나인티시스템 Method of discriminating environmental noise for ultrasonic distance measurement
US20220260712A1 (en) * 2019-06-04 2022-08-18 Tdk Electronics Ag Ultrasonic Transducer and Method for Producing an Ultrasonic Transducer

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2700016B1 (en) * 1992-12-29 1995-02-10 Asulab Sa Ultrasonic measuring device with adjustable gain control.
US6722261B1 (en) * 2002-12-11 2004-04-20 Rosemount Inc. Hydraulic piston position sensor signal processing
JP2006003124A (en) * 2004-06-15 2006-01-05 Nippon Soken Inc Ultrasonic sensor device
JP5705770B2 (en) * 2011-03-28 2015-04-22 トヨタ自動車株式会社 Ultrasonic measurement method and ultrasonic measurement apparatus

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3184969A (en) * 1963-06-10 1965-05-25 Gen Signal Corp Liquid level indication system
US4008455A (en) * 1975-02-24 1977-02-15 Westinghouse Electric Corporation Method of making self-calibrated displacement measurements
US4170765A (en) * 1975-04-17 1979-10-09 Marvtek, Corporation Liquid level sensor
US4210969A (en) * 1978-03-13 1980-07-01 The Stoneleigh Trust Sonic ranging systems to eliminate errors due to variations in the sound velocity in the medium
JPS56147020A (en) * 1980-04-16 1981-11-14 Yokogawa Hokushin Electric Corp Ultrasonic level gage
US4470299A (en) * 1982-01-04 1984-09-11 Fischer & Porter Company Ultrasonic liquid level meter
JPS58189571A (en) * 1982-04-28 1983-11-05 West Electric Co Ltd Ultrasonic range finding device
US4569037A (en) * 1983-02-23 1986-02-04 Blackwelders Apparatus for determining the distance from a predetermined point to a target
US4543649A (en) * 1983-10-17 1985-09-24 Teknar, Inc. System for ultrasonically detecting the relative position of a moveable device
JPS61130885A (en) * 1984-11-30 1986-06-18 Kawasaki Steel Corp Method and apparatus for measuring molten metal level in mold
US4719605A (en) * 1984-12-13 1988-01-12 Honeywell Inc. Self-calibrating ultrasonic range finder
US4769793A (en) * 1985-07-24 1988-09-06 Ultrasonic Arrays, Inc. Dual reference surface transducer
JPS62282284A (en) * 1986-05-30 1987-12-08 Tokyo Keiki Co Ltd Method and apparatus for measuring distance by ultrasonic wave

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101143381B1 (en) * 2009-11-27 2012-05-22 주식회사 나인티시스템 Method of discriminating environmental noise for ultrasonic distance measurement
US20220260712A1 (en) * 2019-06-04 2022-08-18 Tdk Electronics Ag Ultrasonic Transducer and Method for Producing an Ultrasonic Transducer

Also Published As

Publication number Publication date
JPH03501881A (en) 1991-04-25
WO1990002346A1 (en) 1990-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4769793A (en) Dual reference surface transducer
US4910717A (en) Apparatus for measuring distances
CA3050631C (en) Ultrasonic level sensor with reflector
US4678993A (en) Distance measuring device operating with torsional ultrasonic waves detected without mode conversion
Weight et al. Observations of the propagation of very short ultrasonic pulses and their reflection by small targets
US4464738A (en) Sonar distance sensing apparatus
US20190219466A1 (en) System, probe and method for measurement of fastener loading
US4011473A (en) Ultrasonic transducer with improved transient response and method for utilizing transducer to increase accuracy of measurement of an ultrasonic flow meter
WO1999014562A1 (en) Ultrasound sensor for detecting the level of liquids
US3218852A (en) Flowmeters
JP2755405B2 (en) A device that measures the distance to a target using ultrasonic energy
US7486590B2 (en) Ultrasonic sensor comprising an adjustable detection area
GB2032622A (en) Speed of sound compensation for doppler flowmeter
US3418546A (en) Momentum transducer
US4073193A (en) Transducer device
JPH0363512A (en) Apparatus and method for detecting ice
Harris et al. Sensitivity measurements of piezoelectric polymer hydrophones from 0.2–2 MHz using a broadband-pulse technique
JPS6045378B2 (en) Distance measuring device using sound waves
Lee et al. Microcomputer-controlled acoustic rangefinding technique
US4945768A (en) Pressure sensor
US4566334A (en) Ultrasonic detector device
Kikuchi et al. Ultrasonic Power Measurements by Radiation Force Balance Method–Characteristics of a Conical Absorbing Target–
US4486868A (en) Ultrasonic wave conversion apparatus
US3160224A (en) Sound velocity meter
SU1255881A1 (en) Method and apparatus for dynamic calibrating of pressure transducers