JPH0237964B2 - Choonpakyorisokuteisochi - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、超音波信号の伝搬と反射及び干渉
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、圧電セラミクスなどの優れた超
音波振動子の開発が進み、周波数が数〜数10〔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距離測定あるいは絶対値測長
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。

（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、これを密閉容器中に充填した液状の超音
波伝搬媒質中に発射して該伝搬媒質内に設置した
超音波反射部材により反射させ、前記超音波を発
射したのと同一の超音波振動子で受信して、超音
波振動子の振動面から反射部材の反射面までの距
離を精密測定しようとするものである。

この際、超音波振動子から発射する超音波は時
間とともに、その周波数が直線的に変化する部分
をもつ、いわゆる線形FM信号の超音波信号を用
い、被測定距離位置にある超音波反射部材から戻
つて来た信号と、超音波振動子を励振する信号
（いずれも電気信号）を加え合わせることにより、
伝搬時間に相当する周波数のずれであるうなりを
発生せしめる。つぎに、そのうなりを包絡線検波
により検出することにより、被測定距離を算出す
る。加算を巧みに行うために、線形FM信号を発
生する超音波信号発生器の出力は、単方向性のバ
ツフア回路（単方向性回路）の出力端子の配線に
よるOR回路を用いて行なうようにする。

この超音波反射部材は、前記密閉容器の外部よ
り磁力、あるいは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
ものであつて、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。

（作用） 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
した時間と共にその周波数が直線的に変化する線
形FM信号１を用いる。

この線形FM信号は、周波数ｆ１から周波数ｆ
２まで周波数範囲Ｂ（＝｜ｆ(1)−ｆ(2)｜）の間を
周期２Ｔで線形に変化する。

次に超音波振動子の振動面と反射部材の反射面
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
超音波振動子より発射された超音波が前記超音波
反射部材により反射されて元の振動面に戻つてく
るまでの時間をｔとすると、ｔ＝2L／ｖとなる。
つまり、前記超音波振動子より発射された入力信
号１は、前記超音波反射部材によつて反射され、
その反射信号２はｔ時間遅れて元の超音波振動子
の所へたどり着く。したがつて、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ｔ時間以後は、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Δf、つまり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） 言い換えると、二つの線形FM信号１と２のう
なり波の周波数Δfは超音波振動子と超音波反射
部材との距離Ｌに比例する。

したがつて、これら二つの信号のうなり波の周
波数Δfを測定すれば、超音波振動子から超音波
反射部材までの絶対距離Ｌが求められる。

（実施例−超音波位置センサ） 第２図は超音波位置センサ１０の実施例におけ
る構成図である。密閉構造の容器３に流動性のあ
る超音波伝搬媒質４を封入する。前記容器３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５が取付けてあり、また、この超音波振動子
５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。
この超音波反射部材６は感知棒７の先端に取付け
られており、前記容器３の外部より感知棒７を動
かすことにより前記超音波反射部材６の反射面は
前記超音波振動子５の振動面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３内には不要反射の超音波を吸
収し、かつ、前記超音波反射部材６及び感知棒７
が移動することにより生ずる容器３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８の設置場所は、前記
超音波振動子５と超音波反射部材６との間を往復
伝搬する超音波を妨げず、かつ、前記超音波反射
部材６と感知棒７との移動に支障のない場所を選
ぶ。前記超音波振動子５からは電気信号を送信す
るための配線が、端子９に接続されている。端子
９は超音波電気信号の入力端子の機能を兼ねる。

第２図に示した超音波位置センサ１０には、超
音波振動子５の振動面と、それから垂直方向に測
定すべき距離を隔てて、超音波反射部材６の反射
面が一体に組み込まれているものを示してある。
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、両面間の垂直方
向の距離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。

（実施例−駆動信号発生及び測定信号処理部） 第３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測定につい
て述べる。まず時間に対して周波数が直線的に等
間隔Ｔで増減を繰り返す線形FM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Ｔ時
間で線形に増加させ、次のＴ時間で線形に減少さ
せるために三角波発生回路１２により周期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１３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信号１がFM変調回路１３より出力
される。このように発振器１１で発生された、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信号１は、バツフア回路１５
を通して前記超音波位置センサ１０に入力され
る。バツフア回路１５は実質的には単方向性をも
つ単方向性回路（例えば、能動素子を用いた増幅
器）１５ａであつて、線形FM信号１を発振器１
１から出力する方向（矢印方向）に伝送するが、
超音波位置センサ１０からの超音波信号（位置情
報信号）を発振器１１へは伝送しない。

この線形FM信号１が超音波位置センサ１０に
ある前記超音波振動子５に加えられると、超音波
振動子５は超音波伝搬媒質４中に連続的に超音波
を放射し、この超音波は前記超音波伝搬媒質４中
を進行し超音波反射部材６に到達して反射され、
再び前記超音波振動子６に戻る。このとき、超音
波信号の周波数が数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
10cm以内）波面の状態も良好で、位相の良く揃つ
た超音波信号が、前記超音波伝搬媒質４中を往復
する。本超音波位置センサ１０では、超音波振動
子５の振動面と超音波反射部材６の反射面とが平
行状態に保たれており、反射面で反射されて戻つ
てきた超音波の波面と振動面とは平行である。よ
つて、超音波振動子５は、この超音波の音圧によ
つて圧電現象を生じ、電圧を生ずる。

しかしながら、超音波振動子５には、発振器１
１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
５の内部抵抗の変化となり、超音波振動子５に流
れ込む電流の変化となつて現われる。すなわち、
振動面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圧電現象により発生し
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振動子
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１１から供給されているも
のであり、バツフア回路１５と超音波振動子５を
共通に流れるものである。よつて、振動子の圧電
現象によつて電流値が変化すれば、バツフア回路
１５の中の単方向性回路１５ａの出力端子Ｓの電
圧も変化する。バツフア回路１５内の単方向性回
路１５ａの出力端子Ｓは送り側の出力端子である
と同時に位置情報信号の受け側の受信端子を兼ね
ているから、送受の信号のOR回路（加算回路）
の機能も果たしている。

以上のことから、超音波位置センサ１０内の反
射超音波と超音波振動子５に供給している超音波
信号との位相差により、バツフア回路１５の出力
端電圧が変化を生ずることがわかる。したがつ
て、前記反射面の位置変化によつて位相差も変化
し前記バツフア回路１５の出力端電圧もそれにと
もなつて変化する。また、前記超音波振動子５に
対する前記超音波反射部材６の距離を直接測定す
るために発振器１１から固定された周波数ではな
く、周波数が線形に変化する線形FM信号を前記
超音波振動子５に入力し、前記バツフア回路１５
の出力端電圧として超音波振動子５と超音波反射
部材６間の距離Ｌ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
により包絡線検波され、周波数Δfの包絡線検波
信号となつて検出器１７に入る。この検出器１７
では包絡線検波された包絡線検波信号を、例えば
矩形波に整形しデジタル計数器で周波数Δfを計
数し、前記導出式より得られた比例係数vT／
（2B）を付加して前記超音波振動子５と前記超音
波反射部材６との距離を直接、表示器１８に表示
させることができる。

なお、この発明では周波数が時間と共に直線的
に変化する超音波電気信号を用いるが、要は発振
器１１の発振する周波数が時間と共に直線的に変
化する部分を備えればよい。この直線部分が持続
する時間は測定レンジを定めるもので、その測定
レンジは反射波がセンサの超音波振動子５の振動
面に戻るまでの時間ｔ＝2L／ｖがＴの範囲にあ
ることを前提として説明した。Ｌが長くなり、Ｔ
の整数を超えることとなる場合は、別途大まかな
校正を必要とするが、上記実施例では特に精密な
距離測定を意図して説明を行つたものである。

因みに、超音波の中心周波数を10MHzとして、
Ｔ＝１ｍｓで増減を繰り返す線形FM信号を使用
し、伝搬媒質をアルコール（音速1140ｍ／ｓ）と
すれば、Ｌ＝vT／２＝0.57（ｍ）となり、密閉容
器内の超音波振動子５の振動面から超音波反射部
材６の反射面までの長さを最大50cmまで大まかな
校正なしにとることができる。

なお、上記実施例では、周期２Ｔで線形に周波
数が繰り返し変化する線形FM信号を使用する例
について説明したが、この発明の基本的な原理
は、直線的に周波数が変化する非繰り返し線形
FM信号にもそのまま適用できる。また、使用す
る線形FM信号の周波数の時間的変化における直
線性の厳格さは測定系の所要精度に応じて適宜、
選択すればよい。

（効果） 以上、説明したように本発明では、電気信号を
超音波に変換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を、周波数が直線
的に変化する発振器の電気信号を利用し、前記振
動子の端子に実質的に単方向給電を可能とし、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、そのうなり信号を包
絡線検波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、位置は、超音波信号
の伝播速度と、発振器の周波数とによつて求めら
れるものであるから、現今のエレクトロニクス技
術がもたらす高精度、低価格の好ましい情報品質
がそのまま維持される。特に、外部雑音、伝播減
衰によるＳ／Ｎ比劣化の影響を殆んど心配しなく
てもよいものが実現でき、しかも広いダイナミツ
クレンジが得られることが実験で確かめられた。

したがつて、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信号のグラフを、第２図は超
音波位置センサの構成図を、第３図は本発明の実
施例のブロツク図をそれぞれ示す。 図において、１と２は線形FM信号、３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はバツフア回
路、１５ａは単方向性回路、１６は検波器、１７
は検出器、１８は表示器をそれぞれ示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超音波伝搬媒質が充填された密閉構造の容器
   １と、電気信号を超音波に変換して該超音波伝搬
   媒質に超音波を発射するとともに該超音波伝搬媒
   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５と、該超音波振動子に接
   続された端子９とで構成され、発射する超音波と
   到来する超音波との関係から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を検
   知するための超音波位置センサ１０と；該超音波
   振動子を励振させるために時間に対して周波数が
   直線的に変化する部分をもつ超音波電気信号を発
   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超音波位置センサの端
   子に入力する単方向性回路１５ａを有し、該反射
   面の該超音波振動子に対する相対的な位置情報を
   含む前記超音波位置センサの端子からの超音波信
   号と前記発振器の出力とを加算してうなり波をそ
   の出力端子Ｓで発生するバツフア回路１５と；該
   バツフア回路の出力端子からのうなり波を包絡線
   検波することにより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す
   ることにより前記反射面の該超音波振動子に対す
   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。