JPH02502123A

JPH02502123A - 距離測定装置

Info

Publication number: JPH02502123A
Application number: JP63506352A
Authority: JP
Inventors: テリー　クリストファー　ジョン　ファイサル
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-08-07
Filing date: 1988-08-01
Publication date: 1990-07-12
Also published as: WO1989001638A1; EP0326600A1; GB8718717D0; US4910717A; GB8818244D0; GB2207757B; GB2207757A

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】

浄書（内容に変更なし）全文訂正明細書１、発明の名称　　距離測定装置２、発明の背景事情この発明は、距離を測定する装置に関する。以下に、測定場所と反射面との間の音波の往復時間を計測して距離を求める方法とその装置について説明する。測定場所と反射面との間をパルス状の音波が往復する時間を計測して距離を求める方法は公知である。この種の測定装置のあるものは、遠隔した表面に超音波エネルギビームを放射する超音波発信器を備え、該発信器から発信され、遠方の表面で反射されて戻ってきた超音波バーストの往復時間を測定し、これを距離に換算する。この技術を通用する場合、測定対象以外の面からの反射波を対象面からの主反射波から容易に排除できないことが問題の一つとなる。すなわち、受信した反射波には９通常、測定対象面以外からの望ましくないエコーが含まれるからである。この問題を軽減する技術の一つとして、超音波エネルギを細いビームに絞り込んで指向性を向上させるように、音波放射ホーンを形成することによって疑似反射面からのエコーを抑制する方法がある。しかしこのような方法は、ビームの絞り効果に依存せざるを得ないため、ホーンのサイズが大となり、実用に適しない。この他、音波の伝播速度が伝播媒体の温度によフて変化することも上記のような測定方法の制約要因となる。従って正確な測定を期すには、媒体の周囲温度による音速の変化を補正しなければならない、空気中の超音波エネルギの伝播速度は、気温２０℃、相対湿度５０％のとぎを基準にして１℃ごとに約０．１８％の割合で変化する。３、発明の要点この発明による距離測定装置は下記を僅える：遠隔場所に超音波エネルギのバーストを指向させるための音響信号発生器、該遠隔場所から反射された音響エネルギのバーストを受信する音響トランスジューサ、該音響トランスジューサに接続され２反射された前記音響エネルギのバーストに比例しかつ時間とともに振幅が変化してこれが包絡線カーブを描く電気信号を生成して該カーブの重心（ｃｅｎｔｒｏｆｄ：包絡線が描く山形の重心）と疑似エコーとを検出する検出器、前記疑似エコー振幅のピーク値を超える識別レベルの信号を生成する識別値信号発生器、前記識別値信号と前記検出器からの信号がインプットされ、かつ該検出器信号によって前記識別値信号を超える包絡線カーブが描かれたときに信号をアウトプットする比較回路、および該比較回路から信号が６カされたとき、前記超音波エネルギのバースト発生の始点からその終点までの経過時間、すなわち前記音響バーストが反射点まで往復した距離を代表する該経通時間を計測するための時限回路。この発明による他の距離測定装置は下記を備える＝（ａ）超音波エネルギのバーストを遠隔場所に指向させるための音響信号発生器、（ｂ）該遠隔場所から反射された音響エネルギのバーストを受信する音響トランスジューサ、（Ｃ）前記トランスジューサから所定レベルの識別値を超えた信号が出力されたときに出力信号を生成するように該トランスジューサに接続した識別値検出回路、（ｄ）時限キャパシター、（ｅ）前記音響トランスジューサからバーストが出力されたときに予め設定された充電率で充電を開始するとともに、前記識別値検出回路から信号が出力されたらこの充電を打ち切ることにより、前記時限キャパシターを測定距離に比例した電位に充電させるように接続した充電回路、（ｆ）一定レートで前記時限キャパシターを放電させるように接続した放電回路、（ｇ）前記キャパシターの放電開始に伴って最初の割り込みを実行させ、該キャパシターが所定レベルまで放電されたときに２回目の割り込みを執行させるように前記放電回路に接続した論理回路、（ｈ）前記の最初と２回目の割り込みの各信号パルスを受領するように接続され、かつ該両パルス間の経通時間を計測してこれを音響エネルギの前記バーストの走行距離に換算するようにプログラムされたマイクロプロセッサ、および（ｉ）前記マイクロプロセッサに接続されて前記の距離測定結果を表示するディスプレイ。この発明による測定の装置と方法に関し、超音波反射パルスの包絡線カーブ図形の重心が出現するまでの時間を正確に測定可能にする装置について説明する。この重心の位置を正確に測定するため、先ず、主パルス包絡線のピーク点の前後に出現する信号レベルに合わせて識別値レベルを設定する。識別値レベルをこのように定めると、主エコーの存在を検出してこれが描く包絡線カーブの重心出現までの時間を計測することが可能になる。主エコーパルスを正確に検出しやすくするため６時変信号によりて駆動される可変減衰器を使用して、指数関数と一次閏数Ｅを組合せた関係の下に２時間とともに総合ゲインを上昇させるようにすると有利である。このような方法によれば、いち早く受信された近い所からの反射信号の方が、これより遅く受信される遠い所からのそれより強く減衰されるようになる。この時変減衰度を注意深く選定することにより。減衰器のアウトプットを狭いレンジの中に納めることも可能であり、遠距離からの反射も近距離からのそれと同様、ダイナミックレンジが狭いリニヤ回路で判定可能となる。減衰された信号を、先ず６校正サイクルに利用して識別値の最適レベルを設定するとよい、識別値レベルは２通常。ピーク値の５０ないし８０％、主として７５％に設定されるが、このレベルに選定すれば、検出対象の主エコーとサイドエコーとを識別することができる。ここに述べるこの発明の優先的実施例においては、伝播速度の変化に関係した超音波エネルギの往復時間を正規化するのに、独特な複式ランプ時限システムが使用される。そしてこのシステムには、超音波バーストが発信されたとき時限キャパシターの充電を開始する充電回路が包含される。そして振幅が識別値レベルを超えた超音波パルスが受信されると、この回路の出力電流が初期値の半分に低減される。また、振幅が所定の識別値レベル以下に低下すると、この時限キャパシター充電回路が遮断され、その結果、キャパシターは、エコーパルスが描く包絡線カーブの立上り始点と立下り終点との中間点までに相当した電荷が充電され、この電荷量が超音波パルスの走行距離を表す。この発明の優先的実施例においては、超音波パルスの走行距離に相当した時限キャパシターの充電量を情報として読み取るための放電回路を設け、該回路の放ｉｔ電流を正確にコントロールしながら時限キャパシターを初期状態にまで放電させる。この状態にまで放電させるのに要した時間が、超音波パルスの往復時間に関係した情報になる。この発明の優先的実施例においては１周囲温度の変化に対して時限システムを急速に補正する手段が設けられる。装置をある環境から他の環境に移動させたとき、、これが周囲温度の急激な変化にさらされることがある。従って、装置の内部温度が外界温度と等しくなるまでは、実際の外部温度を推測しながら装置を動作させるようにする。次にこの発明の優先的実施例を、添付図面を参照して更に詳細に説明する。４、

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による装置の実施例の外観図である。第２図は、Ｎ１図の装置の発信器または受信器の正面図である。第３図と′ｓ４図は、第２図のＡＡおよびＢＢ断面図である。第５図は、主エコーと二つのサイドエコーとが含まれた超音波反射信号の振幅と経過時間との関係を示した図である。Ｎ６図は、超音波エネルギのパルス走行距離を求める装置の第一実施例のブロック回路図である。 ′ｔｈ７図は、第６図の装置の動作シーケンスの流れを示した図である。第８図は、第６図の装置が、３４７図の各ステップを実行中の各部の波形と経通時間との関係を示した図である。第９図は、気温が飛躍的に変化したとき、′ｓ６図の装置の内部と外部の温度ならびに推測周囲温度と、経通時間との関係を示した図である。第１０図は、第６図の装置による超音波エネルギが伝播する大気の温度を推測する技術を示した概要図である。第１１図は、超音波エネルギのパルス走行距離を求める装置の第二実施例のブロック回路図である。Ｔ％１２図は、第１１図の装置の動作シーケンスの流れを示した図である。第１３図は、第１１図の装置が、第１２図の各ステップを実行中の各部の波形と経過時間との関係を示した図である。５、優先的実施例の説明第１図に描かれている距離測定装置は携帯用で、この中に電子回路が収容されるとともに、その表面に超音波発信器１１と超音波受信器１２が装着されている。この発信器１１と受信器１２は、３４２ないし第４図に描かれているように互いに類似した形態を備えている。発信器および受信器の各トランスジューサ１１０それぞれの前面に相似形のビーム形成部１００が設けられているが。これは何れも外コーン１１１と、これと同心の内コーン１１２とで構成され、内コーン１１２にはこれを貫通する同心の孔１１３が設けられている。これらの図から分かるように、外コーン１１１の円錐角は内コーン１１２のそれより鋭く形成されている。内コーン１１２はウェブ１１４でサポートされるが、これらは適当したプラスチックモールドで構成すればよい。このビーム形成部は、外コーン１１１と内コーン１１２との間で、孔１１３による中央間口付の環状の出力開口ないし入力開口１１６として機能する。ビーム形成部をこのように構成することにより、測定対象物以外の反射物からの疑似エコーの作用が最小限に抑制される。短距離では、環状間口１１６によりて広がり内約１０〜３０°で有害な干渉が発生するが、中央の孔１１３から、特に目立った有害な干渉作用なしに著しく強力な信号が発信されることが２発見されている。これの寸法諸元は、パルス状の定在波が発生しないよう、使用する超音波の波長に合わせて選定される。ここで、超音波パルスが１発信器１１から距離測定対象となる遠方の反射体で反射されて受信器１２に戻ってくる模様を検討することにする。第、５図に、超音波エネルギの反射バーストの振幅と時間との関係が示されている。ここでは振幅関数が、第６図の検出器の全波出力からの一連の半波として描かれている。この一連の半波が帯域幅の狭い超音波エネルギのバーストを表し。連続した包絡線カーブを描く、この包絡線カーブには主バーストと低振幅の二つの疑似バーストとが含まれる。この疑似バーストが８通常０発信された超音波エネルギの僅かな部分を反射させた測定対象以外の面からの散乱エネルギを表す。測定対象物の表面からの反射を意味する主バーストの到着時点を求めるには、先ず、この疑似バーストの最大振幅を超える識別値を設定しなければならない、そしてこの識別値を主バーストの最大振幅より低いレベルに設定すれば、主バーストが戻ってきたことを確認することが可能となり、その重心、すなわちカーブの中心線までの時間を正確に求めることが可能となる。この第５図において、主バースト、疑似バーストの何れの振幅絶対値も、当該反射面までの距離によって当然左右されることに留意しなければならない、従って、疑似バーストを無視しながら主バーストを検出してこれを解析するため、信号を距離に関して正規化するとともに、主バーストの最大振幅の５０ないし８０％の間９通常は７５％に識別値レベルを設定することにより、主バーストと疑似バーストとを識別することが可能となる。第５図には、主バーストのパルスが７サイクルの半波で表現されているが、勿論この実施例はこれより多数の半波を処理対象とするものである。３６図に描かれている電子回路では、超音波反射波がすべて正規化された上で主エコーが分析されるとともに、適切に識別値レベルが設定される。一旦、この識別値レベルが設定されると、受信された各エコーをこのレベルと比較することにより、距離を正確に求めることが可能となる。そして主エコーの包絡線は、先ずこの識別値レベルを突破してピークに達したあと、下降に転じて該レベル以下に落ち込む、包絡線と識別値レベルとのこの二つの交点の時間を測定することは可能である。後述するように、この二つの時点から主エコーの重心が求められる。第６図に装置のブロック回路を示すが、これによれば、１群の超音波反射信号からなる主エコーに対する識別値レベルが正確に設定されるとともに、超音波エネルギが装置から発信された時点から主エコーの重心が出現するまでの経過時間が求められる。この図には２組のトランスジューサが描かれているが、その中の発信トランスジューサ１１が、マイクロプロセッサ３３からの信号に応じて超音波エネルギのバーストを発信する。この周波数は、クリスタル３７とマイクロプロセッサ３３によって定まる。この超音波エネルギの発信バーストが遠方の面で反射されてトランスジューサ１２に戻フてくる。そして第５図に描カれているように、戻ってきた反射エネルギには主エコーの他にサイドエコーが含まれ得る。受信トランスジューサ１２の出力が反射エネルギの大きさを代表し、これが前置増幅器１６にインプットされるが、この出力回路には減衰分路１７が接続されている。この減衰分路は、約６０ｄＢの範囲にわたり時変減衰特性を発揮するようにコントロールされる。この時変減衰機能は最大減衰率でスタートされたあと、これが次第に低下されて零に至る。超音波エネルギが空気中を伝播するとき０分散に起因した直線減衰と、雰囲気中への吸収に起因した指数関数的減衰とが発生する。しかしこの二つの作用は、減衰回路１７が直線電圧ランプを直線と指数の複合減衰関数に変換することによフて補償される。この直線減衰部分はゲイン抵抗２０で。また対数減衰部分は減衰抵抗１９で、それぞれ実行されるが、これらの抵抗値を注意深く選定しさえすれば、すべての反射信号を超音波の走行距離に関して正確に正規化させることが可能となる。受信トランスジューサ１２の出力信号は減衰分路１７で正規化されたあと、８力増幅器１８にインプットされるが、この増幅器はクランプ入力端を備え、ここへのクランプ人力によってこの増幅器１８は、第８図に示されているように、超音波バーストが発信されてから所定時間が経過するまで出力が禁止される。このことによって、受信トランスジューサ１２に直接ピックアップされた１発信トランスジューサ１１からのエネルギ散乱部分に対してシステムが応答することが防止される。この増幅器１８は、その出力が信号検出器２６で簡単に全波整流されるようにするため、差動出力タイプとされる。また検出器２６は２個の出力を備え、その一つが識別値自動制御（ＡＴＣ）キャパシター２２充電用であり、他の一つが、主エコーのピーク値をバースト信号に変換する比較器２７への出力用である。そしてこのバースト信号が制御回路３５で分析される。この比較器２７からのバースト出力が、第５図の、主エコー包絡線カーブが識別値レベルと交わる二つの交点間に存在する主エコ一部分に該当する。この出力に基づいて主エコー重心のタイミングを正確に求めることがで診る。第６図の識別値自動制御（ＡＴＣ）キャパシター２２が主エコーの最大振幅を記憶するので、このピーク値の約７５％の識別値レベルが、この後の測定サイクルに備えて正確に設定される。すなわち、この校正サイクルにおいて、ＡＣＴキャパシター２２が主エコーの最大振幅に対応した電圧まで充電され、この電圧が分圧器２８によって比較器２７に必要な識別値レベルに分圧される。この後の測定サイクルでは。この識別値レベルを超えた主エコーパルスが比較器２７で検出される。前記校正サイクルが開始されるとき、制御回路３５からＡＴＣリセット信号がアウトプットされて電源２５がオンされ、ＡＴＣキャパシター２２が信号零に相当した電圧まで放電される。この校正サイクルは、測定スイッチ３８（第１図も参照）を押したとぎ、および測定サイクルで信号検出に失敗したとき、必ず実行される。各校正サイクルに引き続く測定サイクルの間、ならびに比較ｊｐ！Ａ２７で識別値レベルを超える信号が検出されて測定に成功した都度、ｉｔ源２５を短時間だけオンさせることにより。ＡＴＣキャパシター２２を部分放電させたあと、これを反射信号のピークレベルに相当した電圧まで再充電させる。このようにすることにより、各測定サイクルごとにこのＡＴＣキャパシター２２の充ｔ１！圧がリフレッシュされるので、測定ルート沿いの気流の変化も含めたその時々の状況による主エコー振幅の変化を追跡することが可能となる＝主エコーの包絡線カーブが識別値レベルを突破した時点が明らかになれば、バーストの発信を始点とし主エコーの重心の検出を終点とする経過時間を特定可能となる。この発明では、上記経通時間を測定する手段として１時限キャパシター３９．充電回路４０および放電回路４１が設けられる。そして時限キャパシター３９が、精密充電回路４０で生成された電流で充電されるが、この充電回路４０は、可変抵抗４３とダイオード温度センサー４４．４５および４６によってコントロールされる。基本的には、気温を正確に測定して可変抵抗４３を調整することにより、充電電流を正確に設定する方式である。このようにして音速に対する気温の影響が補正されるとともに１時限キャパシター３９の端子電圧が超音波エネルギの走行距離に関係したものとなる。この充電プ、ロセスの開始に先立ち、キャパシター３９には閉ループ・フィードバック回路によって、図中に接頭文字■を付してＶＲＥｒで示されている精密な基準電圧が印加され、これが放電プロセス終了を検出する比較器４８に対する識別値となる。発信トランスジューサ１１から超音波エネルギが発信されるや否や、充電開始を命令するマイクロプロセッサ３３からオン／オフ／スタート信号が制御回路３５にインプットされる。そして約１ミリ秒後にマイクロプロセッサ３３から許容信号“ＥＮＡＢＬＥ”がアウトプットされ、これが主増幅器１８のクランプ入力を解除して、受信信号を検出器２６に伝達させる。充電回路４０は、最初、フルレベルの一定電流でキャパシター３９を充電するが、制御回路３５に識別値レベル突破を告げるバースト信号がインプットされると、それまでの充電電流が半分に切換えられる。従りてバースト信号の始点以降、バースト信号が継続している限り、キャパシター３９はこの半電流で充電され続ける。主エコーパルスの包絡線カーブが識別値レベルとの２番目の交点を通過してバースト信号が消滅すると、キャパシター３９の充電が打ち切られて放電回路４１がオンされ、キャパシター３９に蓄積されていた距離情報の読み取りが開始され以上の説明により９時限キャパシター３９を、先ず、温度補償シたフル電流で充電したあと、これに引暫続く主エコーのピーク期間中はこれの半分の電流で充電することにより。これに距離情報を蓄積させることが理解されるであろう、半分の電流で追加蓄積された電荷量、すなわちキャパシタ一端子電圧の上昇分は、フル電流による主エコーピーク期間充電量の半分に相当する。従って時限キャパシター３９に蓄積された全電荷量が、超音波バースト発信時点から主エコー包絡線カーブの重心までの正規化された経過時間を表すことになる。これが取りも直さずトランスジューサから反射面までの距離を表すものとなる。この情報が、ｎ密放電回路４１によって時限キャパシター３９から読み出される。Ｐｆ密にコントロールされた所定レートでこのキャパシター３９を基準電圧ｖ　＊ｔｒレベルまで放電させるのに要する時間が、これに蓄積されていた距離情報に該当する。放電回路４１の電流は、抵抗４７と基準電圧Ｖ＊ｔｒ４２とによって定まる。また、抵抗５０とダイオード４６とによって充電回路４０の温度依存性に対する基準電圧４９が定まる。第９図と３４１０図の説明に際して後述するように、ダイオード４６がダイオード４４と４５と協同して外気温度を見積もるので、この装置内部と外気との間にどのような温度差が存在しても、これを補償しながら正確に時間を計測可能となる。キャパシター３９の放電期間中、これの端子電圧Ｖ　ＴＩＩＩＩＧが比較器４８によって初期電圧Ｖ　ＩＮＩＴＩＡＬと照合される。そしてキャパシター３９が初期値まで放電された時、この両者の値が等しくなる。制御回路３５が独立した２個のパルスを生成し、これをマイクロプロセッサに送る。この二つのパルスの時間間隔がキャパシター３９の放電時間を表わす、そして放電回路４１がオンされた瞬間に最初の独立パルスがマイクロプロセッサ３３に送られる。マイクロプロセッサ３３には９石英クリスタルによりて正確にコントロールされるクロックが内蔵されており、この最初のパルスと２番目のパルスそれぞれの受信時間の間隔を正確に測定することができる。この２番目のパルスは、ｉｔ電圧　ＴＩＭＩＱとｖｌＮＩＴ１ＡＬトカ等シ＜　ｔｔ　ッｆ’−トｔ！　。ここに送られてくる。従りて、第２図の装置から発信された超音波エネルギがこれに戻ってくるまでの走行距離が、この二つのパルスの時間間隔によって表されることになる。もし校正サイクルが実行中であったり１反射信号が存在しなかフた場合にはｒ　ｖＴｌｂｌｌ＋１が所定の電圧値Ｖ。１ｌｌｃＲＲＡＮＧｔに達したとき、充電が自動的に打ち切られる。このｖ　ｏｖｉ＊＊Ａｓａｃは・第６図の装置の測定限界距離に相当したものである。マイクロプロセッサ３３は、勿論、従来の手法でこの時間間隔を測定距離に換算可能なものである。空気中の音の伝播速度と、その温度依存性は既知であり、また第６図の装置では温度による影響が補償されるので、マイクロプロセッサ３３にこの装置から反射面までの片道距離を算定させ、これを任意の単位でディスプレイさせればよい、すなわちこの結果を、そのまま液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）５５　（第１図も参照）に表示させるか、あるいはこの発明の優先的実施例に見られるように、特注の集積回路によるＬＣＤ駆動回路を介してディスプレイさせればよい。勿論このマイクロプロセッサ３３は距離の算定だけではなく、スイッチ５６（第１図も参照）によってインプットを追加することにより、これの和、差や積、あるいはこれらの組合せも計算可能である。従って２面積や容積も計算してディスプレイできるし、この化１足し算、引き算や単位の換算等を組み合わせ、さまざまな機能も発揮可能なものである。以上、第６図の装置の動作の概要を述べたが１次に、第７図および第８図を参照してこれを更に詳細に説明する。第６図の制御回路３５の詳細は、ここに敢えて述べないが、第７図の測定ステップと第８図の信号波形とを参照すれば、この制御回路３５をどのように構成すればよいかが、自ずから明らかになる。第７図に、′ｆＳ６図の距離測定装置によって実行される各ステップのフローチャートが掲げられている。装置のスイッチ３８をオンすると構成サイクルが開始され１発信トランスジューサ１１がマイクロプロセッサ３３によって生成された１２個の４０ｋＨ，矩形波で駆動されて、これと同一周波数の超音波エネルギのバーストを発信する（ステップ６２）、この１２個のバーストの発信が終わると、バースト発信が実行されたことが告げるオン／オフ／スタートパルスが生成される（ステップ６３）ステップ６４では、制御回路３５がこのオン／オフ／スタートパルスに応答して充電回路４０をオンするとともに、ＡＴＣリセット信号をアウトプットして電源２５をオンさせ、キャパシター２２を基準の零相当電位までリセットする。約１ミリ秒後、増幅器１８は、そのクランプ信号が解除されて出力を開始するとともに、アイドル信号も解除され、減衰器１７が、受信トランスジューサ１２からの信号を所定の最高レベルまで減衰させる。そしてトランスジューサ１２の出力が、前置増幅器１６゜減衰器１７．主増幅器１８および信号検出器２６を経由して検圧器出力信号となり、ＡＴＣキャパシターがこの信号によって主エコーのピーク振幅に対応した電圧レベルまで充電される（図のステップ６５）。以上のステップ６３．６４．６５で′Ｎ６図の装置の校正サイクルが構成されるが、これによってＡＴＣキャパシター２２の端子にその都度、識別値レベルが設定されるので、主エコーをその都度正確に検圧で診るようになる。この校正サイクル期間中、バースト信号は禁止されているので、オーバーレンジ比較器４８によフて充電期間が打ち切られるまで、すべての受信信号が審査されることになる。この校正サイクルならびにこれに関連した放電期間が終了すると、測定サイクルがスタートされる。この測定サイクルは、ＡＴＣキャパシターがリセットされず、またバースト信号も禁止されない点を除けば１校正サイクルに類似したものである０校正サイクルにおいて設定された識別値レベルを利用して主エコーが検出され、その結果とシテのバースト信号が制御回路孕５で審査される。この場合、第８図に示されているように１発信トランスジューサ１１を駆動する１２個の４０ｋＨ，バーストの出力が終わるたびに、オン／オフ／スタートパルスが出力される。第７図のステップ７２で実行される時限キャパシター３９の充電の模様が、第８図にランプ電圧ＴＣＩで示されている。そしてこのランプ電圧ＴＣ１によって減衰器１７がコントロールされ、トランスジューサ１２で受信された信号が所定レベルに減衰される。ステップフロの判定段階では、受信された主エコーに対応した信号の振幅が、キャパシター２２の端子に設定された識別値レベルを超えているか否かが、比較器２７によって判定され、超えていれば、キャパシター３９のフル充電電流が半減される（ステップ７８）。第８図に、このバースト信号期間中、充電電流半減信号が生成されており、これによって時限キャパシター３９がそれまでの半分の電流で充電され続け、それまでの半分のレートで端子電圧が上昇する模様が描かれている。一定時間が経過してこのバースト信号が消滅すると、キャパシター３９の充電も終焉する（ステップ８０）、こうしてキャパシター３９は、超音波エネルギが発信されてから主エコー信号が識別値レベルを上回る時点（′ｔ％−交点）までの期間は一部レートで、またこの時点以降、主エコー信号が識別値レベル以下になる時点（３＠二交点）までは上記の半分のレートで充電されることになる。上記第二交点が検出され（ステップ７９）、かつそれから一定時間が経過すると、放電回路４１による時限キャパシター３９の放電が完了する。このＭ様（ステップ８２）が。第８図にランプ電圧ＴＣ２で描かれており、この放電期間の始点が最初の割り込みパルス（図中のＩＮＴＥＲＲＩ３ＰＴ　ｐｕｌｓｅ）でマークされている。そして電圧Ｖ　？ＩＭＨ１が充電開始前の通に等しくなると（ステップ８３）、２回目の割り込みパルスが現れる（第８図）、従って、この二つのパルスの間隔が。キャパシター３９に蓄積されていた距離情報に相当したものになる。ステップ８１ないし８４が前記割り込み期間に相当し、ステップ９４で上記パルス間隔が空気中の既知の音速を用いて距離に換算され、その結果がディスプレイされてプロセスが完結する１以上、第６図の装置の動作を、各部の波形および各信号が生成されるシーケンスを参照しながら説明して幹たが、兎６図のその他の回路の詳細は敢えて説明の要はないものと思う。第９図に１時限回路の温度依存性を正確に補償すべきテーマに間し、この装置を１例えば冷房された車内から外の暑い環境の中に移動させたときのように９周囲温度が飛躍的に変化した場合の状態が示されている。装置の熱容量と外気に対する熱抵抗との故に１図中の内部温度カーブが示すように。かなりの時間が経通しないと装置の内部温度が外気温度に等しくならない、また前記熱抵抗の大部分が装置の外面と周囲の外気との間に存在するので、装置表面の温度センサーも。図中の表面温度カーブが示すように、これが周囲の気温と等しくなるまでかなりの時間を要する。従って温度補償がなされない限り、装置温度が安定するまで大きな測定誤差が発生することになる。それには第９図に示されているように、装置温度が安定するまで、外気温度を正確に推定して温度補償を実行する必要がある。勿論、この推測温度は、装置の温度が安定したら。より正確な実＋ｆｇ温度に置き換えられなければならない０図中の気温推測カーブは加重引き算で内部温度と表面温度とから導き出される。第１０図に描かれている実装技術は、装置を収容した容器の内部と外部の温度に差がある期間中、外部温度をより正確に推定可能にするためのものである。２個の感温ダイオードＤ１とＤ２は、第６図の装置のダイオード４４と４５とに相当したもので、充電電流のプラス方向の温度補償用である。また、ダイオードＤ３は、３４６図のダイオード４６に相当し、おなじくマイナス方向の補償用である。そして各ダイオードＤＩ、Ｄ２．Ｄ３の温度係数は、何れも１℃当たり０．１８％であるが、装置温度が安定化に向かっている間に外気温度が最も正確に推測可能となるようそれぞれの効果に重みづけがなされている。すなわち、ダイオードＤＩとＤ２は、装置の外面の一部を成す小さな金属板８０と熱的接触関係にある一方、この金属板は断熱材８１を介して装置内部から熱的に絶縁されている。このように構成することにより、容器内部とダイオードＤＩ、Ｄ２との間の熱抵抗が最大になる一方、これらのダイオードと外気との間のそれが最小になる。このように構成して外気温を推測すると、外気を直接測定するより、装置がよりコンパクトになる。次に第１１ないし１３図を参照して、この発明の他の実施例を説明する。第１１図の装置回路では、すべての超音波エコーを効果的に正規化した上で主ローブを検出することにより、識別値レベルが確立される。そして識別値レベルが一旦設定されると、主ローブを一つづつこの識別値レベルで照合することにより、距離が正確に測定される。主ローブは低いレベルから識別値レベルを突破してピークレベルに達したあと、再び識別値レベル以下に低下するが、主ローブが識別値レベルと交わるこの二つの時点を確認することは可能であり、このことから１時限回路の説明に際して後述するように、主ローブの重心出現時点が求められる。第１１図に、この装置のブロック線図が示されているが。これは、超音波反射信号の主ローブ識別値レベルの他、この装置から超音波エネルギが発信されてから主ローブの重心出現までの経通時間も確認可能なものである０図に示されているように、この装置は１発信用２１１と受信用２１２の２組のトランスジューサを備え、ゲート２１４に信号が入力されたら１発信トランスジューサ２１１が、オシレータ２１３からの４０ｋＨ，バーストを発信する。この超音波エネルギバーストが遠方の面で反射されて受信トランスジューサ２１２に戻ってくる。そして第５図に描かれているように、戻ってきたこの反射波には主ローブの他に、２組の副ローブも含まれている。受信トランスジューサ２１２から出力された受信エネルギが増幅器２１６にインプットされるが、この増幅器の入力回路には減衰器２１７が並列接続されている。この減衰器２１７は、約４０ｄＢの範囲にわたる時変減衰特性を発揮するようにプログラムされており、最初は最大であった減衰効果が、指数関数的に次第に低下して最終的には零になる。減衰抵抗２１９とゲイン抵抗２２０の値を適切に選定すれば、減衰特性に所望の指数関数カーブを描かせることが可能となる。この減衰特性は、勿論、大気に対する超音波信号の吸収と散乱とを念頭に置いたものであり、これに直線性と指数関係とを組み合わせると、吸収と散乱とに起因する伝播ロスを最も正確に補正可能となることが知られている。図に示されているように、この減衰器２１フは、予め設定された期間だけランプ電圧によフて駆動される。上記の結果、近くからの反射信号が、遠くからのそれより強く減衰されるので、増幅器２１６の出力が正規化され、これが、主ローブと副ローブとが含まれた実質的に正規化された受信信号となる。 ′ｔＳ１１図のＡＴＣキャパシター２２２は、第５図のそれと同様、識別値レベルを記憶させるためのものであるが、これによって識別値レベルが主ローブのピーク値の約５０ないし８０％に設定される。そして校正期間中、ゲート２２４が開いていて超音波エネルギを受入れ、これによってキャパシター２２２が直接充電される。そして一対の抵抗２２７によって分圧された識別値レベルが、比較器のパーストゲート２２６に印加される。これに引き続く測定モードの期間中。この比較器のパーストゲート２２６には６受信反射波の振幅とキャパシター２２２の電圧の両者が印加され、振幅がキャパシター電圧を超えたら、主ローブが検出されたことになる。この比較器／パーストゲート２２６は、バースト出力とクランプ入力とを持っているが、第１３図に示されているように、この比較器／パーストゲート２２６は、超音波バーストが発信されてからある一定の時間が経通するまで、クランプ入力によって閉じられている。また、この比較器／パーストゲート２２６からのバースト出力によって、第５図のカーブの識別値レベルとの二つの交点間に出現した主ローブ情報が伝達されるので、この二つの交点それぞれの出現時点を確認することができる。前記の校正期間中１図中のＡＴＣリセットがゲート２２５をオン状態にしてキャパシター電圧を既知のレベルに復帰させる。装置のオン／オフスイッチを押すと、これがマイクロプロセッサ２３３で検出されて校正プロセスが実行されるとともに、これが論理回路２３５のオン／オフ／スタート入力にも伝達される。キャパシターのリセットに引き続き、超音波エネルギの最初のバーストが受信され、キャパシター２２２が受信バーストのピークレベルまで充電される。測定スイッチ２３８を閉じるとスタートされる測定モードの期間中、パーストゲート２２６で一度でも識別値レベルの超過が検出されると、許容信号がゲート２２４に対してアウトプットされ、キャパシター２２２がピークレベルまで再充電可能な状態にされる。すなわち１次の測定実行に備えてキャパシター２２２がリフレッシュされることになる。ピーク信号のレベルを観察することによって主ローブと識別値レベルとの交点が判明したら、最初の交点と最後の交点の各時間を特定可能となる。この実施例では、この二つの交点の時間間隔が１時限キャパシター２３９．充電回路２４０および放電回路２４１を用いて測定される。そして充電回路２４０によるｉ密な充電電流によって時限キャパシター２３９が充電されるが、この充電回路２４０には温度補償用コンポーネント２４３，２４４および２４５が設けられている。これは、基本的には外部温度を検出し、ポテンシオメータ２４３の助けをかりて充電電流を精密なレベルに設定させるものである。しかし充電レートの如何によって、超音波エネルギが発信されてから最初の反射波が受信されるまでの経通時間測定結果が左右されるので、この充電電流は可及的正確に維持されなければならない０回路２４０による充電が開始されるまで、キャパシター２３９はｉ密な電圧レベルＶ　ＩＮＩＴＩＡＬに維持されている。発信トランスジューサ２１１が超音波エネルギを発信するとき、論理回路２３５はオン／オフ／スタート信号を受領する。そしてバースト発信の終了時点に出現するスタート信号がデコーダ２３７で解読される。そしてこれに伴い、充電回路２４０によるキャパシター２３９の充電が、一定のフル電流で開始されるが、識別値レベルを超えた最初のバーストが検出されると、充電回路２４０が切換えられて、当初の充電電流が半減される。その結果、主ローブと識別値レベルとの二つの交点に挟まれた期間中、キャパシター２３９は、バーストの片道走行時間内のパルス数を代表する電流レベルで充電されることになる。バーストが弱くなって識別値レベルの２番目の交点が検出されると、キャパシター２３９の充電も終焉し、放電回路２４１がオンされ、キャパシター２３９に蓄積されていた経過時間情報の銹出しが開始される。またこれと共に、ＡＴＣリセットが動作してキャパシター２２２に残されていた僅かな電荷も短時間で除去される（第１２図のステップ２８１）。このようなプロセスで時限キャパシター２３９を充電することにより、超音波エネルギがトランスジューサ２１１から発信されてトランスジューサ２１２に戻ってくるまでの経過時間を代表する時間情報が該キャパシターから得られることは、明らかである。放電回路２４１を利用することにより、この情報がキャパシター２３９から効果的に読み取られる。このキャパシター２３９を、精密にコントロールされた既知の放電率で当初の電位Ｖ　Ｉｌ１丁ＩＡＬまで放電させるのに要する時間が、これに蓄積されていた時間情報を表すことになる。この放電回路２４１にはダイオード２４６とポテンシオメータ　２４７とが併設されているが、これによって放電電流が正確にコントロールされる。後述するように、このダイオード２４６にダイオード２４５が組み合わされて外部温度推定回路が形成されるので、この装置の内部と外部のどのような温度差も適切に補償され、放電時間が正確に測定されるようになる。キャパシター２３９の放電期間中、　Ｖ丁５ｈｓｓｓｏに相当した電圧が論理回路２３５で電圧Ｖ　１８１丁１＾Ｌと比較されるがζこの両者が一致したとき、キャパシター２３９が初期状態まで放電されたことになる。論理回路は、キャパシター２３９の放電期間中、２回割り込みを実行させる。すなわち、放電回路２４１がオンされたときに１回目の割り込み信号がマイクロプロセッサ２３３に送られる。このマイクロプロセッサ２３３にはクロックが内蔵されており、この１回目の割り込み信号から次の割り込み信号が到着するまでの経過時間を正確に測定可能である。この２回目の信号はＶ　ＴＩＭＩＮ＋ｉ−Ｖ　ＩＮ＋７．１になった瞬間に送られてくる。従ってこの経過時間、すなわちキャパシター２３９が放電するのに要した時間が、超音波エネルギが装置から発信されてまたそこに戻ってくるまでの往復時間を代表することになる。そしてマイクロプロセッサ２３３が１通常のプログラムに従って上記経過時間を距離に換算する。音速は既知であり。かつ装置の温度依存性も補償されているので、マイクロプロセッサ２３３は１反射面までの超音波エネルギの片道走行距離を１例えば液晶ディスプレイを介して表示可能である。勿論、このマイクロプロセッサ２３３に、スイッチ２５０．２５１等を追加装備し１周辺の測定あるいは距離の累積測定を実行したと１．これらの測定結果を纒めてディスプレイさせてもよい、引き算スイッチ２５１の他、ここには図示されていないが掛は算スイッチを設けてこれ以外の演算も行わせると便利である。第１１図の装置に関する以上の説明に引き続き、これを第１２図および兎１３図を参照して更に詳細に説明する。第１１図には、論理回路３５の詳細が図示されていないが、これがどのように機能するかを、第１２図の各測定ステップと第１３図の信号波形を参照して説明する。第１２図は、第１１図の装置で距離測定を行なったときの動作の流れをステップで表したフローチャートである。ステップ２６０で、スイッチ２３０を閉じて電源をオンすると、装置が校正モードになる。ステップ２６１の決定段階では、スイッチ２３８を閉じるまで装置は校正モードのままである。この校正モードでは、１２個の４０ｋＨよバーストが発信トランスジューサ２１１から発信される（ステップ２６２）。すると第１３図に描かれているように、１２個のバーストの発信が終了した時点で１発信終了を意味するオン／オフ／スタートパルスが現れる（ステップ２６３）、論理回路２３５がこのパルス信号を受領してＡＴＣリセット信号をアウトプットするが（ステップ２６４）、これによって第１１図のゲート２２５をオン状態にして、キャパシター２２２を基準のｉｔ位まで復帰させることにより、戻ってくる反射波のピークレベルまで再充電可能な状態にする。そして比較器２２６のクランプ信号が解除されるとともに、減衰器２１７のアイドル信号も除去され、受信トランスジューサ２１２からの信号を所定の指数関数で減衰させる態勢が整えられる。トランスジューサ２１２が検出した信号が増幅器２１６で増幅されて図中の検出出力信号となる。この信号でＡＴＣキャパシター２２２がピークレベルまで充電される（ステップ２６５）、キャパシター２２２は、当初、充分低い電位にまで復帰されていたので、受信されたすべての信号が比較器２２６を通過可能であり、また、キャパシター２２２がそのピークレベルまで充電されるまで、ゲート２２４はオン状態のままである。ステップ２６３，２６４および２６５で校正サイクルが構成され、これによって主ローブを正確に検出するための識別値レベルがキャパシター２２２で確立される。この校正サイクルが完結すると（ステップ２６６）、プロセスはプログラム決定段階（ステップ２６１）に戻り、測定ボタン２３８が押されるのを待機する状態になる。これが押されるまで論理回路はアイドル状態にあり（ステップ２６８）、減衰器２１７は、最大減衰状態に維持されている。そこで測定スイッチが押すと（ステップ２６７）、マイクロプロセッサ２３３がデコーダ２３７を介してゲート２１４をオン状態にしてバーストの発信を開始させる（ステップ２６９）、またこれと同時にオン／オフ／スタート信号が解除される（ステップ　２７０））、第１３図に描かれているように、このオン／オフ／スタート信号は、超音波バーストが１２個発信され終わったと鮒アウトプットされる。第１３図に信号レベルＴＣＩで示されているように、ステップ２７２で時限キャパシター２３９の充電が開始され。更に減衰器２１フのランプもステップ２フ３で解除され、トランスジューサ２１２に受信された信号を所定の指数関数特性で減衰させる（ステップ２）３）、すなわち、第１３図に示されているように、クランプ信号とランプ信号はそれぞれ適当した状態にあるので、比較器のパーストゲート２２６も減衰器２１フも共に動作状態になる。ステップ２７６の判定段階では、戻ってきた超音波エネルギの強さを表す信号が比較器のパーストゲート２２６にインプットされ、これが、キャパシター２２２で確立された識別値レベルを超えているか否かが判定される。超えていることが検出されたら、キャパシター２３９のフル充を電流が半減される（ステップ２７Ｂ）、＄１３図に、増幅器２１６からの検出出力信号がアウトプットされた時点でキャパシター２３９の充電電流が半減され、それまでの半分のレートで充電されて電位がゆりくり上昇する模様が示されている。そしてステップ２７９に至りて検出出力信号レベルが識別値レベルまで低下すると、キャパシター２３９の半電流充電が打ち切られる（ステップ２８０）、従ってこのキャパシター２３９には１ｍｍ価値レベル突破での最初の電荷と、この時点から次の識別値レベル交点までの期間の半レート充電電荷との竜計量が蓄積される。識別値レベルの第二の交点が検出されると（ステップ２７９）、時限キャパシター２３９は、放電回路２４１によって放電され（ステップ２８２）、その模様が第１３図のＴｅ３に示されているが、放電開始時点が最初の”ＩＮＴＥＲＲｌｌＰＴ”で、またこの端子電圧が充電開始前の値に等しくなった時点（ステップ２８３）が、２番目の”　ＩＮＴＥＲＲｌｌＰＴ”でそれぞれ図中にマークされている。従ってこの二つのマークの間に蓄えられたキャパシター２３９の電荷量が、超音波の往復時間に相当したものとなる。ステップ２９０から２９２までが割り込み期間であり、この間に時間測定結果が、既知、の関係を利用して距離に換算され、それがステップ２９４でディスプレイされる。第５図岬第７図ｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　校正サイクル第７図６続きゝ（前葉よシ続く）第９図第１０図区手続補正賓（放）平成２年４月２１日特許庁長官　吉　１）文　毅　殿１、事件の表示ＰＣＴ／ＧＢ８８１０Ｏ６３５２、発明の名称距離測定装置３、補正をする者事件との関係　　特許出願人住　所　アメリカ合衆国、ニューヨーク１０５８３、スカルスプール、ホワイト　プレインズ　ロード６７２名　称　ソニン　インコーボレーティド′（化１名）代表者　テリー　クリストファー国　籍　アメリカ合衆国４゜代理人　〒５３０大阪市北区堂島２丁目３番７号平成１年１２月５日（発送日）７、補正の内容（１）願書を別紙「願書」と差替えます。（２）明細書を別紙「全文訂正明細書」と差替えます。（内容に変更なし）（３）別紙の通り「委任状」を提出します。（翻訳文添付）国際調査報告

Claims

【特許請求の範囲】

１．距離測定装置であって、遠隔地に超音波エネルギのバーストを指向させるための音響信号発生器、該遠隔地から反射されてきた音響エネルギを受信するための音響トランスジューサ，該音響トランスジューサに接続され，反射されてきた前記音響エネルギのバーストに比例しかつその時変振幅の包絡線が中心ピーク領域と２箇所の副ローブ領域とを描＜電気信号を出力する検出器、前記副ローブの最大振幅を超える前記中心ピーク領域の振幅値に等しい識別値信号を生成する識別値発生器、前記識別値信号と，前記検出器からの信号とが入力されるように接続され，かつ該検出器の信号が前記識別値信号より大な包絡線を描いたときに信号を出力する比較回路装置、および前記超音波エネルギのバースト発信時点から前記比較回路が信号を出力する時点までの経過時間，すなわち前記音響バーストが反射されて戻ってくるまでの伝播距離に該当する経過時間を計測するように接続される時限回路、を備えた装置。
２．前記時限回路が，時限キャパシター、前記キャパシターに対し，第一レベルと第二レベルとに選定自在な充電電流を供給するための充電回路、および前記充電回路が，前記時限キャパシターを前記経過時間の初期段階においては前記第一レベルの電流で，また前記経過時間の中，前記比較回路装置が信号を出力している間は前記第二レベルの電流でそれぞれ充電可能となるように該充電回路に接続された論理回路、を備えた請求項１記載の装置。
３．前記キャパシターの充電期間中，測定対象距離を代表する該キャパシターの端子間電圧の変化を読み取る手段も備えた請求項２記載の回路。
４．端子間電圧の変化を読み取る前記手段が，該電圧が当初の端子間電圧に等しくなるまで前記キャパシターを既知の放電率で放電させる手段、および該キャパシターが放電し終わるまでの経過時間を計測する手段、を備えた請求項３記載の回路。
５．前記トランスジューサで生成された信号のレベルを変化させるため，前記音響トランスジューサに並列接続した減衰器、および該減衰器の減衰率を時変制御するための第二時限回路、も装備した請求項１記載の回路。
６．前記減衰率が時間とともに減少する請求項５記載の回路。
７．前記減衰率が時間とともに指数関数で変化する請求項５記載の回路。
８．前記経過時間の測定結果に基づいた測定距離をディスプレイさせるデジタルディスプレイ装置も備えた請求項１記載の回路。
９．前記距離測定装置が飛躍的温度変化にさらされたとき，これを補償するために前記放電電流をコントロールする温度補償手段も備えた請求項４記載の回路。
１０．前記温度補償手段が，前記距離測定装置の容器内に配置され，前記放電回路の基準電流電路に直列接続された第一ダイオード回路、および前記容器の外部と熱的に結合されかつ前記充電回路の基準電流電路に直列接続された第二および第三のダイオード回路、を備えた請求項９記載の回路。
１１．距離測定装置であって、（ａ）遠隔地に超音波エネルギのバーストを指向させるための音響信号発生器、（ｂ）前記遠隔地で反射されて戻ってきた音響エネルギを受信しかつ音響エネルギの前記反射バーストの振幅に比例した信号を出力する音響トランスジューサ、（ｃ）予め設定された識別値を超える信号を前記トランスジューサが出力したときに信号を出力させるように該トランスジューサに接続した識別値検出回路、（ｄ）時限キャパシター、（ｅ）前記音響トランスジューサからバーストが出力されたときに充電を開始するとともに，前記識別値検出回路から信号が出力されたらこの充電を打ち切ることにより，前記時限キャパシターを測定距離に比例した電位に充電させるように接続した充電回路、（ｆ）一定の放電率で前記時限キャパシターを放電させるように接続した放電回路、（ｇ）前記キャパシターの放電開始時に最初の割り込みを実行させるとともに，前記キャパシターが当初電位まで放電されたとき２回目の割り込みを実行させるように前記放電回路に接続した論理回路、（ｈ）前記の量初と２回目の割り込みの各信号パルスを受領するように接続され，かつ該両パルス問の経過時間を計測してこれを音響エネルギの前記バーストの走行距離に換算するようにプログラムされたマイクロプロセッサ、および（ｉ）前記マイクロプロセッサに接続されて前記測定距離を表示するディスプレイ、を備えた装置。
１２．前記音響トランスジューサの出力信号の振幅をコントロールさせるため該トランスジューサに接続した減衰器、および前記超音波エネルギのバーストが発生され始めると前記減衰器の減衰率をコントロールする時限回路、も備えた請求項１１記載の装置。
１３．前記減衰器の減衰率が時間とともに指数関数的に変化する請求項１２記載の装置。
１４．前記減衰器の減衰率が時間とともに指数関数的のみならず直線的にも変化する請求項１２記載の装置。