JPH0435717B2

JPH0435717B2 -

Info

Publication number: JPH0435717B2
Application number: JP61126847A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Asada; Yoshio Numayasu; Yukio Yoshida; Taichi Komachi; Ryohei Mogi
Original assignee: Tokimec Inc
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1986-05-31
Filing date: 1986-05-31
Publication date: 1992-06-11
Also published as: JPS62284283A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、超音波距離測定装置に係り、とくに
周波数変調法にかかる超音波距離測定装置に関す
る。

〔従来の技術〕

従来より、超音波を用いた距離測定の手法とし
ては、時間差法，周波数変調法等種々のものが知
られている。

この内、周波数変調法にあつては、周波数が一
定掃引期間において時間に対し直線的に変化する
超音波を連続的に対象物体等に送波し、これによ
る反射波を受波するとともに、送信波と受信波と
のビートをとるという構成を有している。そし
て、そのビート信号の周波数が被測定距離に比例
するという原理に基づいて、距離測定が行われて
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述した従来技術にあつては、
送，受波器と対象物体とを往復する多重反射波及
び異経路を伝搬する反射波がノイズとして受波信
号に混入し、測定が不安定になるとともに測定精
度が著しく低下するという不都合があつた。この
不都合は、近距離の測定になるほどその度合が顕
著になり、最悪の場合、測定不能な状態になると
いう状況にあつた。

〔発明の目的〕

本発明は、かかる従来技術の有する不都合に鑑
みなされたもので、多重反射波等の混入を大幅に
排除せしめるとともに、安定したデータ処理を行
つて測定精度及び信頼性の向上を図ることのでき
る超音波距離測定装置を提供することを、その目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明では、繰り返しパルスの立ち上
がりのタイミングで、一定の掃引時間T₁から成
りバースト状に形成された周波数変調信号を出力
する送波用電源部と、この送波用電源部に付勢さ
れて作動し周波数変調された超音波を出力する送
波器と、周波数変調された超音波にかかる反射波
を受信し電気信号に変換する受波器とを有してい
る。そして、この受波器で受信した信号と送波用
電源部からの出力信号とを混合してビート信号を
出力するビート信号発生部と、このビート信号発
生部の出力に基づいて波送器と反射対象物との間
の距離を算定する計測部とを備えている。更に、
送波用電源部と送波器との間には、バースト状の
周波数変調信号における波形の掃引時間を、送波
用電源部からの出力時の掃引時間T₁より短い掃
引時間T₂に可変設定する掃引時間制御部を設け
る、等の構成を採つている。これによつて前述し
た目的を達成しようとするものである。

〔作用〕

送波用電源部は、周波数が一定掃引期間毎に規
則的に変化する周波数変調信号を断続的且つ周期
的に掃引時間制御部を経て送波器及びビート信号
発生部に出力する。これによつて、送波器は対象
物体に向けて周波数変調された超音波信号を放射
する。対象物体に反射され受波器に戻つてきた反
射超音波は、受波器において対応する電気信号に
変換され、これをビート信号発生部に出力する。

そして、ビート信号発生部においては、時間差
を有して出力される送波用電源部と受波器とから
の２つの信号を混合して距離情報を含むビート信
号を発生せしめる。このビート信号に対しては計
測期間設定部において予め設定したしきい値を越
えたビート信号発生部に対してのみ被測定距離に
対応する計測期間が設定され、計測部ではこの計
測期間の長さを計測して対象物体までの距離を算
出する。即ち、この算出は、ビート信号の周波数
が被測定距離に比例し、計測期間が被測定距離に
反比例しているということに基づいて行われる。

このように、バースト状の超音波信号の送波時
刻と受波時刻との時間差をビート信号に変換し、
これに基づいて距離測定するとしていることか
ら、多重反射波等の著しく少なくなり、従つて精
度よく測定できる等の利点がある。

また、掃引時間制御部が送波用電源部と送波器
との間に介挿されているため、掃引時間制御部は
入力する周波数変調信号に対し、その掃引時間を
減少せしめて、送波器を励振する。このように掃
引時間を小さくすることにより多重反射の影響を
小さくすることができ、また周波数変調信号の掃
引時間を減少したまま、送波用電源から直接に送
波器に出力する場合に比べて、ビート期間が長く
とれるため、計測距離範囲が広くなる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第４図
に基づいて説明する。

第１図において、符号２は電気信号を対応する
超音波信号に変換する超音波振動子を備えた送波
器を示し、符号４は超音波信号を対応する電気信
号に変換する超音波振動子を備えた受波器を示
す。これらの送波器２及び受波器４は、図示の如
く対象物体６から被測定距離ｌを隔て、且つ超音
波信号を送受波可能なように配設されている。

この内、送波器２の入力側には、当該送波器２
からバースト状の超音波信号を発生させるための
構成がなされている。即ち、バースト状の周波数
変調信号（以下、単に「FM信号」という）を出
力するための送波用電源部８と、この送波用電源
部８から出力されるFM信号の内、所定時間だけ
FM信号を通過せしめ掃引時間制御部１０と、こ
の掃引時間制御部１０を通過したFM信号を増幅
して送波器２に出力する増幅器１２とが連結装備
されている。また、受波器４の出力側には、受信
信号を増幅するための増幅器１４が装備されてい
る。

更に、上記増幅器１４の出力側には、信号処理
のための装備がなされている。まず、前記送波用
電源部８の出力側の一部と増幅器１４の出力側と
は、ビート信号を発生させるためのビート信号発
生部１６に至る。このビート信号発生部１６の出
力側には、データ処理を安定して且つ迅速に行う
ための計測期間設定部１８及び計測部２０が装備
されている。この内、計測期間設定部１８は、ビ
ート信号発生部１６によつて形成されたビート信
号に対し、ノイズを極力排除し被測定距離ｌに対
応する計測期間を設定し、この期間に対応した計
測用信号を出力する機能を有している。そして、
計測部２０は入力する計測用信号の時間幅に基づ
いて距離ｌを求め、表示器２２がこれを表示する
ように成つている。

更に、上述の各構成について具体的に説明す
る。

前記送波用電源部８は、所定周期Ｔの繰返しパ
ルスP_T（第２図１参照）を出力する繰返しパルス
発生器２４と、この繰返しパルス発生器２４から
出力される繰返しパルスP_Tの立上がりに付勢さ
れ一定掃引期間T₁（T₁＜Ｔ）においてe₁からe₂に
直線的に変化するランプ電圧ｅ（第２図２参照）
を出力するランプ電圧発生器２６と、このランプ
電圧発生器２６の出力電圧に付勢され且つ同期し
てその周波数ｆを初期周波数f₁からf₂まで直線的
に変化せしめるFM信号S₁（第２図３ａ参照）を
出力する周波数変調器２８とにより構成されてい
る。ランプ電圧発生器２６及び周波数変調器２８
の出力は、T₁′（T₁′＝Ｔ−T₁）の期間にあつて
は、各々の初期値e₁及びf₁を保持するよう設定さ
れている。ここで、周波数変調器２８は、例えば
電圧制御発振器により構成されている。また、周
期Ｔは、送波された超音波信号が無視し得る程度
まで減衰するに充分な時間としている。

このため、送波用電源部８は、掃引時間T₁に
おいては時間経過と伴に直線的にその周波数を上
昇せしめ、所定期間T₁′においてはそれを初期値
に一定保持せしめ、以後これを周期Ｔで繰り返す
という鋸歯状で且つバースト状の断続電圧（第２
図２参照）を出力する機能を有している。

また、前記掃引時間制御部１０は、単安定マル
チバイブレータ３０と、この単安定マルチバイブ
レータ３０の出力に付勢されゲート開閉を行うゲ
ート回路３２とから構成されている。そして、単
安定マルチバイブレータ３０に対しては、前記繰
返しパルス発生器２４から出力される繰返しパル
スP_Tの一部が供給されるように成つている。従
つて、単安定マルチバイブレータ３０は、当該繰
返しパルスP_Tに付勢され掃引時間T₂（T₂＜T₁）
だけ単安定動作をする機能を有し、ゲート回路３
２を一定期間T₂だけ開くようになつている。一
方、このゲート回路３２の入力側は、前記周波数
変調器２８に至るとともに、ゲート回路３２の出
力側は前記増幅器１２に至る。

このため、送波用電源部８の動作に付勢され、
掃引時間制御部１０から増幅器を経てから一定期
間T₂だけFM送信信号S₂が断続的に出力され（第
２図４参照）、送波器２に出力される。そこで、
送波器２は入力したFM送信信号S₂を対応する超
音波信号S_Aに順次変換し、これを対象物体６に
向けて放射せしめる。この放射された超音波信号
S_Aは、対象物体６によつて反射され反射波とし
てｔ時間後に受波器４に至る。この受波器４で
は、受波された超音波信号S_Aが再びこれに対応
する電気信号に変換された後、増幅器１４によつ
て電圧増幅されFM受信信号S₃（第２図５参照）
としてビート信号発生部１６に出力される。ここ
で、送信系，受信系の回路的遅延時間は微少とし
て無視すると、増幅器１４の出力S₃は、周波数変
調器２８の出力S₁に対し、略ｔ時間遅れている
（第２図５参照）。

一方、ビート信号発生部１６は、前記周波数変
調器２８及び増幅器１４の出力を受けて両者に対
するビート信号B₂（第２図６参照）を形成する機
能を有し、これは例えば混合器により構成されて
いる。

更に、前記計測期間設定部１８は、具体的には
第３図の如く構成されている。即ち、ビート信号
B_Sに対する入力側には、ビート信号を比較入力
端に入力する第１，第２のコンパレータ３６，３
８が並設され、この内、第１のコンパレータ３６
の基準入力端にはしきい値電圧e₃〔Ｖ〕が印加さ
れ、第２のコンパレータ３８の基準入力端には０
〔Ｖ〕が印加されている。そして、第２のコンパ
レータ３８の出力側は、第１のRSフリツプフロ
ツプ４０に付勢制御されるゲート回路４２を介し
て、同じく第１のRSフリツプフロツプ４０に付
勢制御される第１，第２のカウンタ４４，４６に
至る。そして、第１のカウンタ４４は、別の第２
のフリツプフロツプ４８に対してセツトパルス
SPを出力し、第２のカウンタ４６は当該第２の
フリツプフロツプ４８に対してリセツトパルス
RPを出力するという構成になつている。更に、
第２のフリツプフロツプ４８の出力が、当該計測
期間設定部１８の計測用信号P_Lになるとともに、
この出力P_Lの一部が前記第１のフリツプフロツ
プ４０に至り、そのリセツト信号となるよう構成
されている。また、第１のフリツプフロツプ４０
のセツト入力端子は、前記第１のコンパレータ３
６の出力端に接続されている。

このため、ビート信号B_S（第４図１参照）は、
第１，第２のコンパレータ３６，３８によつて、
各々しきい値電圧e₃，０〔Ｖ〕で反転するパルス
信号P₁，P₂（第４図２，３参照）に変換される。
この内、最初のパルス信号P₁の立上りタイミン
グに同期して第１のフリツプフロツプ４０がセツ
トされ（第４図４参照）、ゲート回路４２が開き、
パルス信号P₂が第１，第２のカウンタ４４，４
６に出力される。これと並行して、第１，第２の
カウンタ４４，４６は前記第１のフリツプフロツ
プ４０の立上りでクリアされており、各々入力し
てくるパルス信号P₂を計数する。

ところで、第１のカウンタ４４はパルス信号
P₂の内、n1個のパルスを計数したとき、第２の
フリツプフロツプ４８にセツトパルスSPを出力
するようプリセツトされている。また、第２のカ
ウンタ４６は、n2個（n1＜n2）のパルスを計数
したとき、第２のフリツプフロツプ４８にリセツ
トパルスRPを出力するようプリセツトされてい
る。

そして、ここで、例えばn1＝１，n2＝３にプ
リセツトされているとすると、第４図５，６に示
す時点で各々パルスSP，RPが出力される。この
ため、第２のフリツプフロツプ４８の出力は、セ
ツトパルスSPの立上りタイミングに同期して立
上り、リセツトパルスRPの立上りタイミングに
同期して立下るという方形波状の計測用信号P_L
（第４図７参照）になる。一方、前記第１のフリ
ツプフロツプ４０は、次回の動作サイクルのため
に、出力段の第２のフリツプフロツプ４８の立下
りタイミングに同期してリセツトされ（第４図４
参照）、ゲート回路４２が閉じられる。

ところで、上述のようにして得られる計測用信
号P_Lの持続時間の長さT_Lは、ビート信号B_Sの周
波数に反比例し、ビート信号B_Sの周波数は被測
定距離ｌに比例している。従つて、上記T_Lは、
後述するように距離ｌに反比例しており、しかも
距離ｌに１：１に対応した計測期間を表すものと
なつている。

ここで、第１，第２のカウンタ４４，４６のプ
リセツト状態を変更することにより、上述した特
定の計測期間T_Lを適宜可変せしめられることと
なる。

更に、前述の如く得られた計測用信号P_Lは、
計測部２０に出力されるように成つている。この
計測部２０は、計測用信号P_Lをゲート制御信号
として開閉動作するゲート回路５０と、このゲー
ト回路５０の入力側に連結されたクロツクパルス
発生器５２と、当該ゲート回路５０の出力側に連
結されたカウンタ５４及び演算器５６とにより構
成されている。このため、計測用信号P_Lが立ち
上がつている時間T_Lの間（計測期間）は、ゲー
ト回路５０が開となり、クロツクパルスCP′がカ
ウンタ５４に出力される。そして、カウンタ５４
によつてそのパルス数が計数され、その計数値が
演算器５６に出力される。この演算器５６は、具
体的には、マイクロプロセツサ等を用いた構成に
なつている。

次に、上記演算器５６によつて行われる距離算
出の手法を説明する。

いま、伝搬媒質中の超音波信号の伝搬速度をＣ
とすると、送，受波器２，４と対象物体６との間
の距離ｌを伝搬する超音波信号の伝搬時間ｔは、ｔ＝2l／Ｃ ……(1) となる。

また、ビート信号発生部１６において得られる
ビート信号B_Sの周波数f₃は、掃引時間T₁におい
て、ｆ＝〔（f₂−f₁）／T₁〕・ｔ＝〔（f₂−f₁）／T₁〕・（2l／Ｃ） ……(2) となる。ここで、f₁，f₂はFM信号の周波数（第
２図３参照）である。

次に、計測期間設定部１８内の計測期間T_Lを
ビート信号B_Sのｎ周期分とし、クロツクパルス
CPの周波数をf₄とすると、カウンタ５４におい
て計数されるパルス数Ｎは、Ｎ＝（nf₄）／f₃ ＝〔（nf₄T₁）／（f₂−f₁）〕・（Ｃ／2l） ……(3) となる。この第(3)式から、測定距離ｌは、ｌ＝〔（nf₄T₁）／（f₂／f₁）〕・（Ｃ／2N） ……(4) となり、ｌはＮを測定することにより求められ
る。

次に、本実施例の全体的動作を説明する。

前述の如く、送波用電源部８から、一定の掃引
時間T₁の間その周波数ｆがf₁からf₂に直線的に変
化するFM信号S₁（第２図３参照）が、所定周期
Ｔ（Ｔ＞T₁）毎に（同図１参照）、断続的に出力
される。そして、FM信号S₁の内、掃引時間T₂ま
で（T₂＜T₁）のFM信号が掃引時間制御部１０
によつて送波器２に出力される（同図４参照）。
このFM送信信号S₂に励振されて送波器２から期
間T₂の間、超音波信号S_Aが対象物体６に向けて
放射伝搬される。この超音波信号S_AもFM送信信
号S₂に対応してその振動数が時間経過と伴に直線
的に変化するものとなつている。

そして、対象物体６によつて反射された超音波
信号S_Aは略ｔ秒後に送波器４に到達し、再びFM
信号に変換され、増幅器１４で増幅される（同図
５参照）。

この後、ビート信号発生部１６によつて、送波
されたFM信号S₁と受波されたFM受信信号S₃と
のビートがとられ、ビート信号B_Sが形成される。
この信号B_Sの周波数f₃は、測定距離ｌに比例する
ものとなる（第(2)式参照）。

このビート信号B_Sに対して、本実施例では計
測期間設定部１８によつて前述の如く、その特定
周期分の期間を計測期間T_L（同図７参照）として
抽出する。そして、計測部２０によつて、上記計
測期間T_Lに１：１に対応するクロツクパルス
CP′の総数Ｎを計数し、演算器５６は、予め設定
されている既知のデータと上述のパルス計数値Ｎ
とにより、前述の第(4)式によつて距離ｌを計算
し、これを表示器２２で表示せしめる。

上述の動作を具体的数値を用いて検討してみ
る。例えば、いま、距離ｌ＝34〔ｍ〕とし、T₁＝
４〔ms〕、T₂＝３〔ms〕、f₁＝38〔ＫHz〕、f₂＝42〔Ｋ
Hz〕とする。また、クロツク周波数f₄＝１〔Ｍ
Hz〕、空気中の超音波の伝搬速度Ｃ＝340〔ｍ／ｓ〕
（気温15℃）とする。更に、繰返しパルスP_Tの周
期Ｔは、３〔ms〕（＝T₂）の間に送波された超音
波が実質的に減衰するのに要する時間、例えば20
〔ms〕とする。

まず、超音波の伝搬時間ｔは第(1)式からｔ＝２
〔ms〕となる。次に、ビート周波数f₃は第(2)式か
らf₃＝２×10³〔Hz〕となる。このビート信号B_Sは
時刻ｔからT₁までの間に現れ、その時間はT₁−
ｔ＝２〔ms〕となる。従つて、ビートの波数とし
ては４波となる（第２図６の左側のビート信号参
照）。そして、例えば計測期間設定部１８をｎ＝
２に選ぶと、カウンタ５４で得られるパルス数Ｎ
は第(3)式よりＮ＝10³（パルス）となる。逆に、Ｎ
＝10³（パルス）がカウントされた場合には、表示
器２２がｌ＝0.34〔ｍ〕を表示するように演算器
５６をプログラムしておけばよい。

このように本実施例では、バースト型のFM信
号を１回送受する毎に、直ちに距離演算を行つて
しまうので、従来例の連続送波型の場合とは異な
り、多重反射波等に有効に排除し得るという利点
がある。とくに、前述した設例では、超音波信号
を送波してから４〔ms〕以内の距離の計測が終了
する。この場合、第１回目の多重反射波は、２×
ｔ＝２×２＝４〔ms〕後に現れるが、この時点で
は計測が終了しているので、多重反射波が計測に
及ぼす影響は皆無となる。従つて、用途等に合わ
せてT₁，T₂等を適宜設定しておけば、多重反射
波等の影響を略完全に排除することができる。

また、本実施例では、前述の如く、ビート信号
発生部１６で形成されたビート信号B_Sの周波数f₃
を直接カウントせずに、高周波のクロツクパルス
CPに変換し、このパルス数をカウントしている。
このため、早くレスポンスを得ることができ、デ
ータ処理の迅速化を図ることができる。更に、こ
の場合において、計測期間設定部１８によつて、
しきい値e₃を越えたビート信号に対してのみ所定
の計測期間を設定している。すなわち、明瞭に到
達したビート信号のみを対象としていることか
ら、ノイズによる誤設定が減る為、耐ノイズ性が
一段と向上し、強いては測定精度及び信頼度の向
上に著しく寄与するという利点が得られる。

更に、本実施例では、掃引時間制御部１０を設
け、T₁＞T₂に制御しているため、ビート信号B_S
の波数を多くとることができ、これによつて的確
な計測期間T_Lを設定可能となり、これも測定精
度向上に寄与する。同時に、T₁＝T₂とした場合
に比べて距離の計測範囲を広くとることができる
という利点が得られる。

ところで、上記実施例では、超音波信号を対象
物体に反射せしめ対象物体までの距離を求める場
合について説明したが、本発明は、第５図に示す
ように送，受波器２，４を対向させて超音波の送
受を行い、相互の距離ｌを計測する場合にも応用
可能である。この場合には、前述した第(1)式ない
し第(4)式において2lをｌに、又はｌをl/2に置き
換えればよい。

なお、FM信号は、その周波数が時間経過とと
もに、直線的に低下又は増減する信号としてもよ
い。

〔発明の効果〕

本発明は以上のように構成され機能するため、
まず、距離測定のための超音波信号の出力がバー
スト状で必要最小限に抑制されており、これによ
り従来例の連続送波型に比べて多重反射波等の影
響によるノイズの混入を減少せしめ、また、距離
情報を含むビート信号に対しては予めしきい値を
設定した上で測定距離に対応する特定の計測期間
が設定されており、これによりノイズによる誤つ
た計測期間の設定を排除することができ、これが
ため安定したデータ処理を行うことが可能となる
ことから、従来例に比べて著しい測定精度の向上
が図られ、且つ、信頼性の高い優れた超音波距離
測定装置を提供することができる。

また、送波する周波数変調信号の掃引時間を短
くして、より遠距離の計測をも可能にし、広計測
レンジ化を図ることができるという優れた効果が
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図、
第２図１ないし９は各々第１図の各部の動作を示
すタイミングチヤート、第３図は第１図の計測期
間設定部の構成の一例を示すブロツク図、第４図
１ないし７は各々第３図の各部動作を示すタイミ
ングチヤート、第５図は本発明の応用例を示す説
明図である。２……送波器、４……受波器、６……対象物
体、８………送波用電源部、１０……掃引時間制
御部、１６……ビート信号発生部、１８……計測
期間設定部、２０……計測部。

Claims

【特許請求の範囲】１繰り返しパルスの立ち上がりのタイミング
で、一定の掃引時間T₁から成りバースト状に形
成された周波数変調信号を出力する送波用電源部
と、この送波用電源部に付勢されて作動し周波数
変調された超音波を出力する送波器と、前記周波
数変調された超音波にかかる反射波を受信し電気
信号に変換する受波器とを有し、この受波器で受信した信号と前記送波用電源部
からの出力信号とを混合してビート信号を出力す
るビート信号発生部と、このビート信号発生部の
出力に基づいて前記送波器と反射対象物との間の
距離を算定する計測部とを備え、前記送波用電源部と送波器との間に、前記バー
スト状の周波数変調信号における波形の掃引時間
を、前記送波用電源部からの出力時の掃引時間
T₁より短い掃引時間T₂に可変設定する掃引時間
制御部を設けたことを特徴とする超音波距離測定
装置。２繰り返しパルスの立ち上がりのタイミング
で、一定の掃引時間T₁から成りバースト状に形
成された周波数変調信号を出力する送波用電源部
と、この送波用電源部に付勢されて作動し周波数
変調された超音波を出力する送波器と、前記周波
数変調された超音波にかかる反射波を受信し電気
信号に変換する受波器とを有し、この受波器で受信した信号と前記送波用電源部
からの出力信号とを混合してビート信号を出力す
るビート信号発生部と、このビート信号発生部の
出力に基づいて前記送波器と反射対象物との間の
距離を算定する計測部とを備え、前記送波用電源部と送波器との間に、前記バー
スト状の周波数変調信号における波形の掃引時間
を、前記送波用電源部からの出力時の掃引時間
T₁より短い掃引時間T₂に可変設定する掃引時間
制御部を設けると共に、前記ビート信号発生部と計測部との間に、前記
ビート信号発生部の出力が予め定めた所定のしき
い値を越え、且つ予め定めた波数の連続したビー
ト波が検知された場合に、そのビート波の予め定
めた波数の時間帯を計測期間としてこれに対応し
た計測用信号を出力する計測期間設定部を設けた
ことを特徴とする超音波距離測定装置。３前記計測部が、入力されるビート波の時間帯
に対応してクロツクパルスの時間帯を設定すると
共に当該時間帯のクロツクパルス数に基づいて前
記送波器と反射対象物との間の距離を算定する機
能に備えていることを特徴とした特許請求の範囲
第１項または第２項記載の超音波距離測定装置。