JPH0455713A - 変位量検出方法及びその装置 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野コ この発明は、被測定物の変位置を検出する変位置検出方
法及びその装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来、この種の変位置検出方法及びその装置としては１
例えば電波、超音波等を被測定物に向けて発射した時刻
から、その反射波の受信までに要する時間を算出するこ
とによって相対距離、又はその微分値である相対速度等
を検出していた。

［発明が解決しようとする問題点コ しかし、この種の装置の問題点としては１例えば電波方
式にあっては、装置のＲＭが大きく、かつコストが極め
て高い、また反射波を検出する超音波方式にあっては電
波方式に比べ装置の規模も小さく、かつコストも低減さ
れるが、装置が使われる周囲温度、風向等の影響を受は
易く、そのための補償回路が必要になり、コスト高にな
るという問題点があった。

［発明が解決するための手段］ この発明は、上述の諸点に鑑みてなされたので、第１に
は定在波発生手段によって一定周波数の定在波を発生せ
しめ、被測定物が前記定在波発生手段の定在波の伝播方
向に変位した時、その変位置の大きさに比例した数だけ
前記定在波の節又は腹を検出し、該検出した節又は腹の
数に基づいて被測定物の変位置を検出する方法である。

第２には、一定周波数の定在波を発生する定在波発生手
段と、その定在波を受信する受信手段と、該受信手段か
らの出力信号に基づいて、定在波の伝播方向への被測定
物の変位置の大きさに比例した数だけ前記定在波の節又
は腹を検出し、該筋又は腹の数に基づいて前記被測定物
の変位置を検出する変位置検出装置についてである。

〔作用］ 本発明の第１の方法によれば、定在波発生手段によって
一定周波数の定在波を発生せしめると共に、その定在波
の受信手段を設け、被測定物が前記定在波発生手段から
発生される定在波の伝播方向に変位した時、その変位置
の大きさに比例した数だけ前記定在波の節又は腹を検出
し、該節又は腹の数に基づいて被測定物の変位置を簡単
に検出する。

また第２の構成によれば、一定周波数の定在波を発生す
る定在波発生手段と、その定在波を受信する受信手段と
、該受信手段からの出力信号に基づいて、定在波の伝播
方向への被測定物の変位置の大きさに比例した数だけ前
記定在波の節又は腹を検出し、該節又は腹の数に基づい
て前記被測定物の変位置を検出する変位置検出手段とを
備え、簡単な構成で被測定物の変位置を出力する。

［第一実施例］ 第１図及び第２図に基づいて本発明の原理及びその構成
を説明する。

（１）はアルミニウムケースに収納されて市販されてい
る１例えば村田製作所（株）の型番ＭＡ４０Ｂ６（商品
名：空中超音波センサ）等の超音波発信器（定在波発生
手段）で１発振器（２）からの出力信号によって駆動回
路（不図示）を介してｆ、　Ｈｚ、例えば４０にＨｚで
正弦波駆動される。（３）は円筒状ハウジングで、その
後端部には前記超音波発信器（１）が嵌合されて該超音
波発信器を外側から保持している。また前端　は開口さ
れて、超音波発信器（１）から出力される超音波の外部
への伝播通路を形成している。

さらに前記ハウジング（３）の側壁には、超音波発信器
（１）によって発生される定在波のうち、ハウジング（
３）内の所定の位置における定在波の大きさを検出する
ための受信用の孔（３ａ）が穿設されてイル、なお前記
ハウジング（３）の長さは、後述の超音波受信器（４）
のハウジング（３ａ）を取り付けるだけの寸法があ九ば
よい、超音波受信器（４）は。

前記受信用の孔（３ａ）を介して、諌死の位置における
定在波の大きさを検出できるように受信面を諌死（３ａ
）の方向に向けて前記ハウジング（３）の外周面に取り
付けられている。なお、前記超音波受信器（４）も円筒
状ハウジング（３ｂ）内に嵌合保持され。

その前方側は孔（３ａ）を除いて密閉されている。（５
）は前記超音波受信器（４）からの出力信号、即ち前記
孔（３ａ）位置における定在波の大きさを示す超音波受
信器（４）からの出力信号（第２図（■））を入力し、
その信号から発振器（２）の出力信号の周波数ｆ、Ｈｚ
の成分のみを抽出するバンドパスフィルタ、（６）は前
記バンドパスフィルタ（５）からの出力信号を第２図（
ｍ）に示すように、全波整流して出力する余波整流回路
、（７）は全波整流回路（６）からの出力信号を第２図
（ＩＶ）に示すように、所定の時定数で積分して包絡線
検波する第１積分回路、（８）は前記第１積分回路（７
）からの出力信号（第２図（■））から直流成分を除去
し、脈流成分、即ち後述の被測定物（１４）の変位に伴
う信号成分のみを抽出するバイパスフィルタ、（９）は
前記バイパスフィルタ（８）からの出力信号を入力し、
所定の基準値を越えた波形部分についてのみ第２図（Ｖ
）に示すように、矩形波パルスに変換して出力する波形
整形回路、（１０）は前記波形整形回路（９）からの出
力信号を所定の時定数で積分する、換言すれば周波数／
を正変換機能を有する第２積分回路、（１１）は前記第
２積分回路（１０）からの出力信号、即ち前記被測定物
（１４）の変位速度をアナログ表示する第１表示器であ
る。

（１２）は前記波形整形回路（９）からの出力信号（第
２図（■））を単位時間毎に計数するカウンタ、（１３
）は前記カウンタ（１２）からの出力信号、即ち前記被
測定物（１４）の変位速度をデジタル表示する第２表示
器である。なお、第１図に示される定在波は、前記発振
器（２）と同一の周波数ｆ、　Ｈｚを搬送波（第１図に
は図示していないが、第２図（ＩＩ）及び（ｍ）に周波
数の低い定在波の中に周波数の高い信号波形として示し
た）としている。

次に上記構成の作用を第１図及び第２図に基づいて説明
する。

即ち、超音波発信器（１）の前方に被測定物（１４）を
位置せしめると、■被測定物（１４）の位置では、超音
波の伝播は妨げられる、即ち空気の移動が阻止され圧力
が最大となる節目が形成される。

そのような前提にたつと、被測定物（１４）が停止して
いる場合には、被測定物（１４）のところに超音波の節
目が常時形成され、超音波発信器（１）の発信面のとこ
ろでは節目か腹宸の中間の部分かの何れかの部分が形成
される。そして、被測定物（１４）が超音波の伝播方向
に変位すると、超音波発信器（１）の発信面と被測定物
（１４）との間の空間部分では定在波は共鳴状態、反共
鳴状態、又はその途中の状態の何れかを取る。

そこで先ず、被測定物（１４）が超音波発信器（１）の
前方のＢ地点に停止していると、その停止している間、
第１図においては定在波は共鳴状態が維持さ九るので、
ハウジング（３）に設けられている孔（３ａ）位置の部
分では超音波は、ｆ、　Ｈｚの周波数で、かつその振幅
値はその孔（３ａ）位置における定在波の大きさに規定
されて振動するので、前記被測定物（１４）が停止して
いる間は、超音波受信器（４）は周波数がｆ、、Ｈｚで
、かつ最大振幅値が前記孔（３ａ）位置と定在波の波長
との関係で決まる所定の値の正被測定物（１４）が所定
の一定速度でＢ地点からＣ地点に向けて変位すると、そ
の被測定物（１４）の変位に伴って定在波は、その波長
を維持しながら全体的に左方向に平行移動させられるこ
とになる（第１図に示す定在波で考えると）ので、孔（
３ａ）位置における定在波の音圧は被測定物（１４）の
変位に伴うその時々の大きさに比例して周期的に変わる
（定在波の１／２の周期）ので、超音波受信器（４）は
その時々の音圧の大きさを受ける。その結果、７１時間
の間、超音波受信器（４）からは、超音波発信器（１）
と被測定物（１４）との間に発生される定在波が、第１
図　　に示すように被測定物（１４）の変位速度と同一
速度で左方向に押されて行くことにより、前記超音波受
信器（４）の受信面ではその速度に比例した数だけ定在
波の節目（又は腹）が通過していくので、それに相当す
る電気信号が出力される。その電気信号は、バンドパス
フィルタ（５）に供給されると、発振器（２）の発振周
波数と同一の周波数と共に、第１積分回路（７）で包路
線検波され（第２図（ＩＶ）に示す）、さらにバイパス
フィルタ（８）で、第２図（ＩＶ）に示される波形から
直流成分が取り除かれ、脈流成分のみが抽出されて次段
の波形整形回路（９）で、設定された閾値以上の波形部
分が矩形波パルスに変換される（第２図（Ｖ）に示す）
、その後、その矩形波パルスはカウンタ（１０）で単位
時間毎に計数され、図示されない駆動回路を介して第２
表示器（１３）にデジタル表示される。また、波形整形
回路（９）から出力される矩形波パルスは第２積分回路
（１０）に供給され、その第２積分回路（１０）で周波
数／電圧変換され、図示されない駆動回路を介して第１
表示器（１１）にアナログ表示される。

次の１２時間の間では、被測定物（１４）がＴ１時間の
（萼す 間での速度よりも大きな速度で０点に向けて変位すると
、超音波受信器（４）から出力される電気信号（即ち第
２図（Ｉｆ）に示されるように発振器（２）と同一周波
数ｆ、ｌｋの信号の包絡線）の周波数は、その変位速度
に応じて高くなり（即ち周期は短くなる）、その電気信
号はＴ１時間の間で説明した信号処理と同様の信号処理
がなされて、波形整形回路（９）から出力される矩形波
パルスの周波数は丁１時間の間の時よりも被測定物（１
４）の変位速度に比例して高くなり、第１及び第２表示
器（１１）及び（１３）にアナログ及びデジタル表示さ
れる。

さらに、１３時間の間においては、被測定物（１４）は
Ｔ１時間の時と同じ速度に戻り、かつ０点に到達してか
ら邦時間における出発点までＢ点に向けて戻ると、その
間の超音波受信器（４）からの出力される電気信号はＴ
１時間の間と同一になる。その結果、Ｔ１時間の間と同
一に信号処理されて第１及び第２表示器（１１）及び（
１３）にアナログ及びデジタル表示される。

さらに次の１４時間の間において、被測定物（１４）の
変位速度が１２時間の間の時と同一になってＢ点に向か
って変位しながら戻って行くと、その時超音波受信器〔
４）から出力される電気信号は、　７２時間の間の時と
同一になり、その結果その後の信号処理も同一にされて
第１及び第２表示器（１１）及び（１３）にアナログ及
びデジタル表示される。なお、上記の如く被測定物（１
４）がＢ点から０点、または０点からＢ点に向けて変位
する間、超音波発信器（１）と被測定物（１４）との間
に形成される定在波は、被測定物（１４）の所で節目に
なり、かつ超音波発信器（１）の発信面で節目から腹に
、または腹から節目に連続的に切り替わって行く（なお
発信面が節目の時は共鳴状態となり、また腹の時は反共
鳴状態となる）、その結果、被測定物（１４）が定在波
の伝播方向に変位すると、超音波受信器（４）から出力
される電気信号の波形は、発振器（２）からの周波数ｆ
。Ｈｚの発振出力が搬送波となり、その包絡線が定在波
となり、その定在波の周波数が変位速度に比例して変化
する。

なお、定在波の変化し得る最大周波数は、発振器（２）
の発振周波数を越える事はないことは云うまでもない、
また第１図において、定在波が超音波発信器（１）側で
点線表示されているが、こ九は被測定物（１４）がＢ地
点からＣ地点の近くまで変位したときに定在波がどの様
に変化するかを示している。

［第二実施例］ 第３図に基づいてその構成を説明する。第３図は。

第１図における超音波発信器（１）とその超音波受信器
（４）とを−枚の基板（９）に隣接して穿設された貫通
孔に嵌合保持させ、それぞれの発信面及び受信面とを同
一平面上に配置したものである。それによって、ハウジ
ング（３）及び（３ｂ）を用いなくてもよいので、装置
全体の厚みを超音波素子の厚さにまで薄くすることがで
きる効果がある。また、被測定物（１４）が定在波の伝
播方向に変位した場合に、その変位置だけ定在波は被測
定物（１４）によって押されて超音波発振器（１）方向
に平行移動し、超音波発振器（１）の発振面でその音圧
を連続的に変化させるので、その発振面と同一面に形成
さ九、かつ発振面の近傍に超音波受信器（４）の受信面
が位置されると（この位置は、近ければ近い程よい）、
受信面は定在波によって大きく影響されるので。

検出感度を向上できる効果がある。

［第三実施例コ 第４図に基づいて本発明による装置を説明する。

なお、この実施例はタンク内に収納さ九る穀物等の収納
レベルを検出するレベル検出器への応用例についてであ
る。

第４図において、（１６）はタンクの側壁、（１７）は
該タンクに収納される穀物、飼料等の被測定物、（１８
）は第１図で説明したレベル検出器を収納した検８器ユ
ニットで、取付は基台（１９）、電子部品（２０）を搭
載する回路基板（２Ｉ）、回路基板（２１）を覆うため
のケース（２２）等からなる。前記取付は基台（１９）
は、底部に吟部を有する貫通孔が２つ穿設され、かつそ
れらの貫通孔　　の上側貫通孔には超音波発信器（１）
が、また下側貫通孔には超音波受（！！塁（４）が取り
付けられている。なお、前記陵部は超音波発信器（１）
及び超音波受信器（４）の夫々の後部周縁部が当接され
、前記超音波発信器（１）及び超音波受信器（４）の位
置決めをするためのものである。また前記超音波発信器
（１）と超音波受信器（４）とはなるべく、接近して配
設させた方が感度を向上できるのでよい事はいうでもな
い事である。なお前記回路基板（２１）には、前記超音
波発信器（１）、超音波受信器（４）、電子部品（２０
）等が搭載されている。また、回路基板（２１）に搭載
される電子部品は、第１図に示した回路ブロック（５）
〜（１３）の内、バンドパスフィルタ（５）〜第１種分
回路（１０）までのものは同−又はその均等物のもので
構成され、第２積分回路（１０）の後に定在波の受信停
止、即ち一定時間信号が入力されない事をもって受信停
止を判断する回路を接続すればよく、通常時は超音波発
信器（１）の前方に、かつタンク（１６）の底面から立
設せしめられた板（１６ａ）と超音波発信器（１）との
間に定在波を発生せしめ、その定在波を超音波受信器（
４）で検出させ、検出されない時を前記回路で判断する
ようにすればよいことは云うまでもない事である。なお
、前記検出器ユニット（１８）はネジ（２３）によって
タンクの側壁（１６）に取り付けられている。また前記
板（１６ａ）に替えてタンクの対向する側壁面（検出器
ユニット（１８）が取り付けられている面に対向する面
）を利用してもよく、また前記板（１６ａ）をその中央
部から直角に折り曲げ、即ちＬ字状に折り曲げその基部
を前記取り付は基台（１９）に固定して取り付けてもよ
い、なお、前記検出器ユニット（１８）はネジ（２３）
によってタンクの側壁（１６）に取り付けられている。

［第四実施例］ 第５図に基づいてその構成を説明する。第５図において
は第３図に示す超音波発信器（１）と超音波受信器（４
）とをタンク（２４）の頂部に配設せしめ、タンク（２
４）内に収納された被測定物である液体（２５）の液面
位の変化量を検出するためのものである。

即ち、第１図における被測定物（１４）が液面に相当す
るものであるので、信号処理回路も第１図のものと同一
で、バルブ（２６）を開放すると、パイプ（２７）を介
して液体（２５）が排出状態、又は供給状態に切り換え
られ、それに伴って液面位が下方に、又は上方に変化す
るので、その変化量を読み取ることによってタンク（２
４）内の状態変化を知るようにしたものである。

なお、上記各実施例では超音波受信器（４）を用いて被
測定物（１４）の変位を検出していたが、被測定物（１
４）の変位に伴って定在波がその節から腹までの範囲に
亙って発信面で変化することによる超音波発信器（１）
の音響インピーダンスの変化が大きければ、超音波受信
器を用いずに、該音響インピーダンスをブリッジ回路に
組込、検出すればよい事はいうまでもない。

ｃ本発明の効果コ 以上に述べたように、本発明は、定在波発生手段によっ
て一定周波数の定在波を発生せしめると共に、その定在
波の受信手段を設け、被測定物が前記定在波発生手段か
ら発生される定在波の伝播方向に変位した時、その変位
置の大きさに比例した数だけ前記定在波の節又は腹を検
出し、該節又は腹の数に基づいて被測定物の変位置を検
出することを特徴とする変位置検出方法であり、また−
定周波数の定在波を発生する定在波発生手段と、その定
在波を受信する受信手段と、該受信手段からの出力信号
に基づいて、定在波の伝播方向への被測定物の変位置の
大きさに比例した数だけ前記定在波の節又は腹を検出し
、該節又は腹の数に基づいて前記被測定物の変位置を検
出する変位置検出手段とを備えてなることを特徴とする
変位置検出装置であるので、タンク等に収納される細か
な樹脂発泡体等の軽量物から液体、粉体、粒体、携体等
の重量物までの広範囲な各種物体の収納レベル等を非接
触状態で検出することができると云う今までに全くない
新規な検出方法及びその装置を提供できる効果が発揮さ
れることは云うまでもなく、各種物体の変位置を簡単な
原理構成で、かつ安価な装置で検出できると云う今まで
に全くない新規な検出方法及びその装置を提供できる効
果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための説明図。 第２図は第１図を説明するための波形説明図、第３図は
超音波発信器及びその受信器の取り付は配置を第１図の
ものを改良した他の実施例、第４図は第３図に示したも
のをレベルスイッチに応用した例を説明するための説明
図、第５図は第３図に示したものを使用して液面位の変
化量を検出するための装置の説明図である。 １・・・・・・−・超音波発信器　　２・・・・・・・
・・発振器３・・・・・・・・・ハウジング　　４・・
・−・・・・−超音波受信器５・・・・・・・・・バン
ドパスフィルタ６・・・・・・・・・全波整流回路７・
・・・・・・・・第１積分回路　８・・・・・・・・・
バイパスフィルタ９・・・・・・・・・波形整形回路　
　１０・・・・・・・・−第２積分回路１１・・・・・
・・・・第１表示器　　１２・・・・・・・・・カウン
タ１３・・・・・・−・・第２表示器　１４．１７．２
５・・・・・・・・・被測定物１８・・・・・・・・・
検出ユニット　　２４・・・・・・・・・タンク２６・
・・・・・・・・バルブ　　２７・・・・・・・・・パ
イプ第３図 第４図 第５図 手 続 補正書

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）定在波発生手段によつて一定周波数の定在波を発
   生せしめると共に、その定在波の受信手段を設け、被測
   定物が前記定在波発生手段から発生される定在波の伝播
   方向に変位した時、その変位置の大きさに比例した数だ
   け前記定在波の節又は腹を検出し、該節又は腹の数に基
   づいて被測定物の変位置を検出することを特徴とする変
   位置検出方法。
2. （２）一定周波数の定在波を発生する定在波発生手段と
   、その定在波を受信する受信手段と、該受信手段からの
   出力信号に基づいて、定在波の伝播方向への被測定物の
   変位置の大きさに比例した数だけ前記定在波の節又は腹
   を検出し、該節又は腹の数に基づいて前記被測定物の変
   位置を検出する変位置検出手段とを備えてなることを特
   徴とする変位置検出装置。