JPH022111B2 - - Google Patents

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
の相対的位置変化の変位方向を検知する移動方向
判別装置に関するものである。

（従来技術） 従来より、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、この中を伝搬する超音波によつて測
定を行つている。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。

（発明の目的） しかしながら、圧電セラミツクなどの優れた超
音波振動子の開発が進み、周波数が数〜数十〔Ｍ
Hz〕、伝搬媒質中での波長が数10〔μｍ〕といつた
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変位測定における工業的実用
価値は、非常に高いものであると考えられる。そ
こでこの発明は短波長の超音波を利用した移動方
向判別装置を提供する。

（目的を実現するための手段） 短波長で位相の良く揃つ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、
密閉容器中に充填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。

本発明は位相の良く揃つた短波長の超音波を使
用し、これによつて超音波伝搬媒質中に設置され
た超音波振動子面と反射部材面との間に定在波を
発生させ、この定在波の振幅値情報と位相情報と
から超音波反射部材が超音波振動子に対して変位
したときの移動方向を判別しようとするものであ
る。

（構成） 第１図は本発明の一実施例における超音波位置
センサ１４の構成図である。密閉構造の容器１に
流動性のある超音波伝搬媒質２を封入する。容器
１の内壁には表面が平滑で厚み方向に振動する超
音波振動子３が取付けてあり、また、この超音波
振動子３の振動面（以下、超音波振動子面と言
う）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４が設置されている。この超音
波反射部材４は感知棒５の先端に取付けられてお
り、容器１の外部より感知棒を動かすことによつ
て、超音波振動子３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。また容器１内
には、不要反射の超音波を吸収し、かつ超音波反
射部材４および感知棒５が移動することによつて
生ずる容器１内の圧力変化を吸収するための気泡
を含んだ吸音部材６が設置されている。この吸音
部材６の設置場所は、超音波振動子３と超音波反
射部材４との間を往復伝搬する超音波を妨げず、
かつ超音波反射部材４と感知棒５との移動に支障
の無い場所を選ぶ。超音波振動子３からは電気信
号を送受するための配線が、端子７に接続されて
いる。端子７は超音波電気信号入力端子の機能を
兼ねる。

（作用） 次に、この超音波位置センサ１４のうち、感知
棒５が前後に移動するとき、その移動方向を判別
する機能について述べる。説明を簡単にするため
にまず端子７より超音波振動子３の共振周波数を
もつ正弦波信号を入力し、超音波振動子３より超
音波伝搬媒質２中に連続的に超音波を発射させ
る。この超音波は超音波伝搬媒質２の中を進行し
超音波反射部材４に到達して反射し、再び超音波
振動子３に戻る。このとき超音波振動子面と超音
波反射部材４の面（以下、超音波反射部材面と言
う）との間に生じる定在波の振幅と位相は、超音
波の二分の一波長（λ／２）を周期とするこれら
二平面間の距離ｘに対する周期関数になる。言い
換えると、超音波反射部材面での反射係数をＲ、
超音波伝搬媒質２の中での波長定数をｋ、角周波
数をωとすると、定在波の音圧Ｐは、 Ｐ＝ｐ√１＋²＋22cos（ωt＋φ） tanφ＝−（１−Ｒ／１＋Ｒ）tan kx で与えられる。ただしｐは入射波の強さと超音波
伝搬媒質２の性質とで決まる定数である。ここ
で、ｋ＝2π／λの関係を用いると上式Ｐの振幅
Ａは、 Ａ＝ｐ√１＋²＋2（4） となり、距離ｘが二分の一波長（λ／２）移動す
る毎に最大値を得る。同時に上式Ｐの位相φは、
距離ｘの移動に対し振幅Ａと同じ二分の一波長
（λ／２）の周期で変化し、かつ振幅Ａに対して
位相がπ／２だけ遅れている（零クロス点を見れ
ば明らかなように）。つまり、定在波の音圧Ｐは、
超音波振動子面から超音波反射部材面までの距離
ｘに対して、その振幅Ａを二分の一波長（λ／
２）の周期で変化させ、またその位相φも振幅Ａ
の変化に対しπ／２の位相遅れと共に同じ二分の
一波長の周期で変化する。

さてこれまでの知識をもとに、超音波振動子３
に対する超音波反射部材４の移動方向を判別する
原理を第２図を用いて具体的に説明する。第２図
のａは超音波振動子３に対する超音波反射部材４
の距離ｘに関する位相信号８の変化と振幅値信号
９の変化を表わしたものである。これらの値は最
大値と最小値を１および−１に正規化してある。
これら二つの周期関数の一周期（λ／２）を最低
二分割し、これら二分割以上された二種類の信号
の組合せを複数個作り、これら複数の組の変化し
ていく順序によつて移動の方向を判別しようとす
るものである。第２図に示した実施例では、位相
信号８と振幅値信号９を零交叉検出などで、プラ
スとマイナスを１と０に対応させるような二値信
号１０，１１にそれぞれ変換する。ここで、位相
信号８と振幅値信号９とはπ／２の位相差がある
ために、第２図ｂに示すような四種の組合せ
（１、０）、（１、１）、（０、１）、（０、０）を作
ることができる。これらの組合せが（１、０）→
（１、１）→（０、１）→（０、０）と変化する
か、（０、０）→（０、１）→（１、１）→（１、
０）と変化するかによつて距離ｘの移動方向を判
別することができる。

（実施例） 次に、この原理を用いた移動方向判別装置の一
実施例をブロツク図を使つて説明する。第３図は
本発明の一実施例の構成を示すブロツク図であ
る。超音波振動子３の共振周波数で正弦波を発振
する発振器１２で発生させた連続正弦波信号を、
バツフア回路１３を通して超音波位置センサ１４
に入力する。前記超音波位置センサ１４の内にあ
る超音波振動子３に前記連続正弦波信号が加えら
れると、この超音波振動子３は超音波伝搬媒質２
中に連続的に超音波を発射し、この超音波は超音
波伝搬媒質２中を進行し超音波反射部材４に到達
して反射され、再び超音波振動子３に戻る。超音
波反射部材４の位置は矢印のように前後に移動可
能である。このとき、超音波の周波数が数ＭHz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
的短かければ（数十cm以内）、波面の状態も良好
で、位相の良く揃つた超音波が、超音波伝搬媒質
２中を往復する。本超音波位置センサ１４では、
超音波振動子面と超音波反射部材面とが平行状態
に保たれており、超音波反射部材４で反射されて
戻つてきた超音波の波面と超音波振動子面は平行
である。よつて超音波振動子３は、この超音波の
音圧によつて圧電現象を生じ、電圧を発生する。
しかしながら、超音波振動子３には、発振器１２
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超音波振動子３
の内部抵抗の変化となり、超音波振動子３に流れ
込む電流の変化となつて現われる。すなわち、超
音波振動子３に加えている正弦波信号と同相の反
射超音波信号が超音波振動子３に加わると、圧電
現象により発生した交流電圧は超音波振動子３に
加えられている交流電圧と同相となり、結果とし
て交流電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超音波振動子３に加われ
ば、交流電流は流れやすくなる。この交流電流は
すべて発振器１２から供給されているものであ
り、バツフア回路１３と超音波振動子３を共通に
流れるものである。したがつて、超音波振動子面
と超音波反射部材面との間に生ずる定在波の音圧
による超音波振動子３の圧電現象によつて電流値
が変化すれば、バツフア回路１３の出力端電圧も
変化する。このバツフア回路１３の出力端電圧の
信号と、発振器１２の出力信号との位相差を位相
比較器１５によつて音圧の位相信号８として検出
し、さらに例えば二値化した位相の二値化信号１
０に変換する。同時にこのバツフア回路１３の出
力端電圧の信号は、検波器１６によつて包絡線検
波されて音圧の振幅値信号９としてとり出され、
さらに例えば二値化した振幅の二値化信号１１に
変換される。次に位相比較器１５と検波器１６と
からそれぞれ出力された位相の二値化信号１０と
振幅の二値化信号１１とから、方向検知装置１７
において第２図ｂに示した四種類の組合せ（１、
０）、（１、１）、（０、１）、（０、０）を作り、こ
れら組合せの変化順序により、超音波反射部材４
または感知棒５の移動方向を判別する。第４図に
方向検知装置１７の実施例の回路図を示す。まず
第２図ａで示した振幅の二値化信号１１を入力矩
形波信号の立ち上りで矩形波パルスを出力するワ
ンシヨツト回路１８と、同じ入力矩形波信号の立
ち下り点で矩形波パルスを出力するワンシヨツト
回路１９とに入力する。また第２図ａで示した位
相の二値化信号１０をANDゲート回路２０と２
１に入力する。従つて第２図ａのグラフにおいて
距離ｘの増加と共にｘの値がx₁を越えるとき、振
幅の二値化信号１１が立ち上がり、ワンシヨツト
回路１８から矩形波パルスが出力されANDゲー
ト２０に入る。このとき、位相の二値化信号１０
は値１をとりANDゲート２０を開けているので、
ワンシヨツト回路１８からの出力はANDゲート
２０を通過してアツプダウンカウンタ２２のカウ
ントアツプの入力端子２３に入力され、1/2波長
分が数え上げられる。同様のことが距離ｘがx₃を
左から右へ増加しながら通過するときにも生起
し、さらに1/2波長分が加えられる。逆に、距離
ｘがx₁またはx₃の地点を右から左へ、つまり減少
する方向に移動してこれら２点x₁、x₃を通過する
ときには、振幅の二値化信号１１は立ち下がりワ
ンシヨツト回路１９より矩形波パルスが出力され
ANDゲート２１に入力される。このとき位相の
二値化信号１０は同じく値１をとつている為に
ANDゲート２１は開かれており、ワンシヨツト
回路１９からの出力はANDゲート２１を通過し
てアツプダウンカウンタ２２のカウントダウンの
入力端子２４に入力され、1/2波長分が減ぜられ
る。さらにこれら1/2波長を単位とした計数値は
表示器２５に出力され表示される。また、距離ｘ
がx₂の地点を右左に通過するときにも２つのワン
シヨツト回路１８，１９からそれぞれの場合に応
じて矩形波パルスが出力されるが、このとき位相
の二値化信号１０は値が零となり、２つのAND
ゲート２０，２１は閉じられているのでアツプダ
ウンカウンタで計数されることはない。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明では超音波伝搬媒
質が充填された密閉構造の容器と、電気信号を超
音波に変換して該超音波伝搬媒質中に超音波を発
射し、また、該超音波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
子とを用い、超音波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超音波位
置センサを構成した。反射面を外的な駆動機構、
アクチユエータ等により移動可能にしておけば、
その位置情報を精密にオンライン計測できるの
で、例えばロボツトなどの知能機械の位置情報を
得る手段が実現できる。

さらに、本発明では上記超音波位置センサに超
音波を用いることにより、振幅値情報のみならず
位相情報をも独立に直接測定することができ、移
動方向を容易に判別し、かつ移動量の精度も同時
に向上することが可能になつた。とくに実施例
（第１図）のように、容器１と吸音部材６とを備
えた超音波位置センサの構成をとつて、超音波を
前記超音波位置センサの容器内に閉じ込めること
によつて、外部雑音や伝搬減衰によるＳ／Ｎ比劣
化を防ぐこともできるから、精密な変位測定にお
ける変位方向の簡単な検出手段を与えるものとな
つた。とくに高い精度と同時に、広いダイナミツ
クレンジを得ることができることは特筆に値す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波位置センサの構成図、第２図は
本発明の原理の説明図、第３図は本発明の一実施
例の構成を示すブロツク図、第４図は方向検知装
置の実施例の回路図。 図中の１は容器、２は超音波伝搬媒質、３は超
音波振動子、４は超音波反射部材、５は感知棒、
６は吸音部材、７は端子、８は音圧の位相信号、
９は音圧の振幅値信号、１０は位相の二値化信
号、１１は振幅の二値化信号、１２は発振器、１
３はバツフア回路、１４は超音波位置センサ、１
５は位相比較器、１６は検波器、１７は方向検知
装置、１８と１９はワンシヨツト回路、２０と２
１はANDゲート、２２はアツプダウンカウンタ、
２３は数え上げの入力端子、２４は数え下げの入
力端子、２５は表示器を示す。

【特許請求の範囲】

１ 車輛のコーナ部に設けた複数個の超音波セン
サーにより、車輛のコーナ部周辺に存在する障害
物を検知する車輛周辺監視装置であつて、上記複
数個の超音波センサーを同一函体内に、それぞれ
の検知角が略等間隔になるように配設すると共
に、それぞれの超音波センサーを配列順に順次駆
動したことを特徴とする車輛周辺監視装置。