JPH0488522A - 超音波距離計測装置 - 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 本発明は超音波距離装置、さらに超音波の伝播を利用す
る距離計測技術を取り入れた各種応用装置一般に関する
ものである。

［従来の技術］ 超音波距離計測の応用装置として考案されたものの一つ
に超音波座標人力装置がある。以後この装置を例にとっ
て説明を行う。

第８図は一般に考案されている超音波座標人力装置の概
略図である。１は座標指示具（以後ペンと呼ぶ）であり
、内部に圧電素子が組み込まれていて先端より所望の超
音波信号を発信する発信器である。２ａ、２ｂ、２ｃは
センサであり、ペンから発せられた超音波信号を伝播体
３を介して受信する受信器である。３は伝播体で超音波
の伝播媒体となるガラス、アルミ他等が用いられる。４
は防振材でセンサ２ａ〜２ｃにペン１からの直接波以外
の反射波が混入しないようにする目的で設定されている
。以上のような構成をとる超音波座標入力装置において
、２個以上の複数の各センサと指示点の距離より指示点
の座標が計算される。

センサと指示点の距離算出方法はさまざまなものが考案
されているが、基本的にはペンから発せられた超音波信
号のセンサまでの到達時間によって算出する。群速度と
位相速度とが異なる横超音波を用いる場合、受信波形に
対しエンベロープをとり群到達時間を求めて大まかな距
離計算を行ない、さらに精度を求められる場合には適当
な位置の位相を検知し、位相到達時間を求めてより細か
い精度を出している。

次に、群到達時間と位相到達時間の２つの時間情報から
ペン・センサ間の距離γを算出する手順を説明する。ま
ず、第９図で示すような電圧をペン内の圧電素子に印加
した場合、センサの受信信号波形は第１０図で示すよう
になる。これに対しそのピーク位置を群到達時間ｔ□と
して検出する場合には、第１１図のようにセンサ出力信
号に対して初段増幅器５．全波整流器６．ローパスフィ
ルタ７、微分回路８の各回路を通し、微分信号のゼロク
ロスをコンパレータ９によって検出し、その時刻を群到
達時間ｔ８として認識する。

これにより、γ＝ｖ、・ｔ、からｒ算出することができ
るが、エンベロープをもとに時間を検出するという方法
によるため、信号出力の大きさやフィルタ特性の影響で
どうしてもある程度のゆらぎΔｔが発生する。従って一
般的には、特定の位相ゼロクロス・ポイントを検出して
時間を決定する方がよりゆらぎの少ない値を得ることが
できる。

そこで、群到達時間ｔ、決定直後の位相セロクロスとい
うように検出ポイントを規定すると、■、≠Ｖ、であり
距離γ共に群の中の位相がずれるため、位相到達時間１
ｐとして第１２図に示すような階段状のものが観測され
る。この段は位相の検出ポイントの移動を示すもので各
段のつなぎ目は信号の周期Ｔだけ平行移動したものとな
る。Ｖ、とｖｐが等しく常に一定の位相検出ポイントを
観測できる場合には、この様な階段はできず、直線ａの
ような位相到達時間ｔ、が得られる。

従って、階段状に得られるｔ、を元の直線ａに変換すれ
ばよい。

つまり、 ｔｐａ　４　　（ｖｉ／ｖｐ）　ｊｇ”ｔｏｒ　（ｔｏ
ｆ：オフセット値）であるが、群到達時間ｔ６はゆらぎ
が大きいのでｔｐ＋　＝ｎＴ４（ｖｇ／ｖｐ）　ｉｇ”
１ａｒ−ｔｏ　　（ｎは整数）という性質を利用して、 ｔｐａ　＝ｔｐＸＴ＋Ｉｎｔ（ｔｐ＋／Ｔ”０．５）”
　ｔｐ”ＴＸ　Ｉｎｔ　ｔ＜　（ｖ、／ｖ−ｔｇ−ｔａ
ｒ−ｔｐ）／Ｔ”０．５］とする、という手続きをとれ
ばよい。

このｔ、ａを用いペン・センサ間距離ｒには次式％式％ ｒ　＝Ｖｐ・ｔｐａ　　ｒｅｒ　　（ｒｏｔ：オフセッ
ト値）＝　Ａｔ、＋Ｂ　ｘ　Ｉｎｔ（Ｃｔ、＋Ｄｔ、＋
Ｅ＋０．５）＋ＦＡ：ｖ。

Ｂ：ｖ、　　・Ｔ；λ Ｃ：　（ｖ　、／ｖ　ｐ）　／Ｔ＝ｆ・（ｖ　−／ｖ　
ｐ　）Ｄ　＋　−１／Ｔ＝−ｆ Ｅ　　：　　−ｔａｒ／Ｔ Ｆ　　：　　−ｒｏｔ ここで、ｔｇ、ｔｐ測測定開始時期であるが、これはペ
ンと伝播体との密着具合によって各センサで検出される
波形のレベルが変わることを利用して規定している。す
なわち、ペンが伝播体に押しつけられ相互の密着度が増
して検出波形レベルがある基準値より大きくなった時に
、入力状態と判断して１．．１．の測定を開始する。

第１３図にその回路例を示す。第１３図は最近用いられ
ている１、、１．規定用回路のブロック図である。又、
第１５図（ａ）、（ｂ）には第１３図の回路の各部にお
ける信号を示す。

第１３図において、１ｏは受信波形の位相状態を検出す
るための受信波ゼロクロス・コンパレータ、１１はロー
パス・フィルタ７から出力されるエンベロープ出力があ
る基準レベル以上の大きさになっている間に“ｈｉｇｈ
”出力を維持する基準レベル・コンパレータ、１２は微
分回路８の出力がある基準レベル以上の大きさになって
いる間に“ｈｉｇｈ”出力を維持する基準レベル・コン
パレータである。ローパス・フィルタ７から出力された
エンベロープ波形■は微分回路８と基準レベル・コンパ
レータ１１に取り込まれる。第１微分回路８に取り込ま
れたエンベロープ波形は微分波形となって出力され、基
準レベル・コンパレータ１２と第２微分回路８′とに入
力される。そして第２微分回路８′の出力がゼロクロス
・コンパレータ９に入力される。ゼロクロス・コンパレ
ータ９は入力された微分波形の立ち下がりのゼロクロス
を検出し“ｈｉｇｈ″レベルを出力、さらに立上がりの
ゼロクロスを検出して”ｎｏｖ”レベルを出力する。こ
れによって得られる出力が■である。

一方、基準レベル・コンパレータ１２は、入力された１
次像分エンベロープ波形が基準よりも高いレベルにある
間“ｈｉｇｈ”レベルの出力を行う。これによって得ら
れた出力信号が＠である。ｔ８はペン駆動信号の発信か
ら信号０と■の出力の論理積から得られる出力■の立上
がりまでの時間をカウントして測定される。すなわち、
第１微分回路８から出力された１次像分波形が基準レベ
ル・コンパレータ１２に設定された基準レベルよりも大
きくならなければｔ、は出力されないようになっている
。また０と■の論理積をとることによって、■に表れる
ノイズによるコンパレータ出力を排除し、常に正しいｔ
、測定できるようにしている。

このようにすることによりｔ、の規定ポイントはローパ
ス・フィルタフの出力の最初の変曲点となり、微分回路
１段の場合に比べて反射の影響を受けにくにより前の位
置で規定されるようになっている。すなわち、ペン１か
ら発せられる超音波信号は、直接センサ２に入るものと
、伝播体３上の防振材４で反射してセンサ２に入るもの
とがあり、両者の交路差によって、反射波が直接波に重
なってくる場合がある。この重なり具合は、両者の交路
差が短くなるにつれて反射波が直接波の前のほうに重な
るようになるため、反射波の影響をなるべく受けないよ
う１．．１．を測定するにはｔ、及びｔ２の規定ポイン
トを信号波形のなるべく前のほうでとるのが望ましい。

また、このようにすることにより、伝播体３上の無効領
域（ｔｇ、ｊｐの規定ポイントに反射波が重なり、正し
て１．．１．の測定ができなくなる領域）に対する有効
領域の面積比を大きくとることができる。

以上の原理はｔ、にも用いられている。但し、ｔ、測定
の場合は、受信波形をゼロクロス・コンパレータ１０に
入力することによって得られた出力０と、基準レベル・
コンパレータ１１の出力０との論理積から得られる出力
０の最初の立下がりを検出してｔ、を規定している。

この理由として、ｔ８測実の場合は、基準レベル・コン
パレータの出力が”ｈｉｇｈ”レベルにならない場合を
除けば、ｔ、用ゼロクロス・コンパレータ出力信号■の
立上がりは、必ず出力０がｈｉｇｈ“状態を維持してい
る間に起こるのに対し、ｔ、の場合は、ｔｐ用ゼロクロ
ス・コンパレータ出力信号０が“ｈｉｇｈ”になったの
ちに出力■が立上がる場合も起り得るため、出力信号０
の立上がりでは正常なｔ、を規定できない場合があるか
らである。そこで、ｔ、測定の場合は、出力０の立下が
りを検出してｔ、を規定するようにしている。

［発明が解決しようとしている課題］ しかしながら、以上説明した従来例においては、ペンが
伝播体にある程度以上の押圧で押付けられたことを検知
してその時のｔ、及びｔ、を規定する基準レベル・コン
パレータが、ｔ、用と１ｐ用との２個配置されていたた
め、基板上の部品点数が増えて複雑化するばかりか、コ
ンパレータでの基準レベルも各々の２個に対して設定し
なければならない等の問題があった。

本発明は、前記従来の欠点を除去し、超音波の到達時間
規定用回路の構成を簡潔にし操作性を向上させた超音波
距離計測装置を提供する。

［課題を解決するための手段］ この課題を解決すりために、本発明の超音波距離計測装
置は、超音波の伝播を利用して距離な計測する超音波距
離計測装置であって、所定信号のレベルに基づいて超音
波到達時間の測定を許可する１つの測定許可手段と、該
測定許可手段による許可中の最大レベルを超音波の群到
達時間とする群到達時間計測手段と、前記測定許可手段
による許可中の所定位相を超音波の位相到達時間とする
位相到達時間計測手段とを備える。

［作用］ かかる構成において、１つの測定許可手段により群到達
時間及び位相到達時間の測定を規定するので、従来の機
能は保ったままで回路上の部品点数を削減し、測定許可
手段のレベル設定の手間を減らせるとともに、コストダ
ウンができる。

［実施例コ 以下添付図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１図は本実施例の超音波距離測定装置の構成を示すブ
ロック図である。図中、１００はベン１を駆動するベン
駆動回路、１０１は第９図に示したようなベン１の駆動
波形を生成する駆動波形生成回路、２００はセンサ２よ
りの受信信号からｔ８及び１ｐを規定するｔ、・ｔ、規
定用回路、２０１はｔ、及びｔ、の規定に基づいて超音
波の伝播時間を測定するためのカウンタ回路である。

又、３００は駆動波形生成回路１０１の波形生成の制御
及びカウンタ回路２０１の出力からの距離の計算を行う
ｃｐｕ、３０１はＣＰＵ３００の制御プログラムを格納
するＲＯＭ、３０２は補助記憶用のＲＡＭであり、４０
０は計算された距離に基づいて、信号の飽和状態を報知
すると共に例えば座標等を出力する出力部である。

第２図に本実施例のｔ、・ｔ２規定用回路２００の構成
の一例を示す。図中、２は伝播体３を伝わる超音波振動
を電気信号に変換するセンサ、５はセンサからの信号を
増幅する初段増幅器、６は初段増幅器５の絶対値出力を
形成する全波整流回路で、７のローパス・フィルタでよ
りきれいなエンベロープ出方を得る為のものである。８
はローパス・フィルタ７で得たエンベロープ出力を微分
する微分回路、９は微分回路８の出力のゼロクロスを検
出するためのコンパレータである。ここで得たゼロクロ
ス・ポイントはローパス・フィルタフのエンベロープ出
力の頂点、あるいはセンサ２で検ａした信号波形のピー
ク点を検出したことになり、この点で超音波振動の群到
達時間ｔ６を規定している。１ｏは初段増幅器５で増幅
した信号波形のゼロクロス・ポイントを検出するゼロク
ロス・コンパレータで、ここで得られるゼロクロス・ポ
イントの１つで位相到達時間ｔ、を規定している。

１１はローパス・フィルタフの出力がある基準レベル以
上にあることを検出する基準レベル・コンパレータで、
１４のＡＮＤゲートでｔ、用ゼロクロス・コンパレータ
９の出力と論理積をとることにより、また、１３のＡＮ
Ｄゲートでｔ、用ゼロクロス・コンパレータ１０の出力
と論理積をとることにより、それぞれの出力の有効範囲
を規定し、ノイズによるゼロクロス・ポイントの発生を
無効とし、常に正しいｔ、及びｔ、を規定できるように
してる。

第３図に各部の出力信号の一例を示す。■は初段増幅器
５を通した検出信号波形、■は全波整流回路６の出力波
形、■はローパス・フィルタフの出力波形、■は微分回
路の８カ波形である。

また、■は■の波形を図中の破線をコンパレート・レベ
ルとしたｔ８用ゼロクロス・コンパレータ９に通した出
力、■は■の波形を図中の破線をコンパレート・レベル
としたｔ、用ゼロクロス・コンパレータ１０に通した出
力、■は■の波形を図中の破線を基準とした基準レベル
・コンパレータ１５に通した出力である。ここで、基準
レベル・コンパレータ１５のコンパレート・レベル（基
準レベル）は、ベン１が伝播体３にある程度以上の押圧
で押付けられた時に■の波高値がその基準レベルを越え
るように、また、■の信号にのっているノイズが、その
基準レベルを越えることのないように設定されている。

以上のようにして得られた■、■の信号をＡＮＤゲート
１４に通すことにより、■に見られるようなノイズによ
るコンパレータ出力を無効としたｔ、検出用出力■が得
られ、ベン１から超音波駆動信号が発信されてから、■
のパルス出力の最初の立上りが検出されるまでの時間を
ｔ、と規定すれば、ベン１による正常な座標入力動作が
確認できるとともに、常に正しい群到達時間を測定でき
る。

また、同様に０．■の信号をＡＮＤゲート１３に通すこ
とにより、■上のノイズによるコンパレータ出力を無効
とした１、検出用出力０が得られ、超音波駆動信号が発
信されてから０のパルス出力の最初の立下りが検出され
るまでの時間をｔ、と規定すれば、正常な座標入力動作
が確認できるとともに、常に正しい位相到達時間を測定
できる。

第４図に本実施例のｔ８・ｔ、規定用回路２００の構成
の他側を示す。この実施例の場合は、微分回路８の次段
にもう１つの微分回路８を設けており、これに伴って、
基準レベル・コンパレータ１６を微分回路８の出力に接
続したものである。

第５図に、この場合の各部の出力信号の例を示す。■〜
■及び■の信号は前述の場合と同じである。■′は２回
目の微分回路８′の比カ信号であり、この信号を図中の
破線をコンパレート・レベルとしたｔ、用ゼロクロス・
コンパレータ９に通した出力が■である。また■の波形
を図中の破線を基準とした基準レベル・コンパレータ１
６通して出力カ月６である。ここで、基準レベル・コン
パレータ１６に設定された基準レベルは、ベン１が伝播
体３にある程度以上の押圧で押付けられた時に■の波高
値がその基準レベルを越えることのないように設定され
ている。

以上のようにして得られた■、　１６の出力をＡＮＤゲ
ート１４に通すことにより■の出力が得られ、この立上
りでｔ、を規定することにより、正常な座標入力動作が
確認できるとともに、■出力に表わされているノイズに
よるコンパレータ出力に影響されることのない正しい群
到達時間（ｔ、）を測定することができる。また、同様
に０．１６の出力をＡＮＤゲート１３に通すことにより
＠の出力が得られ、この最初の立下りで１ｐを規定する
ことにより、正常な座標入力動作が確認できるとともに
、■出力に表れているノイズによるコンパレータ出力に
影響されることのない正しい位相到達時間（ｔ、）を測
定することができる。

ところで、微分回路８の次段にさらなる微分回路８′を
追加する理由であるが、これはｔ、の検出ポイントを検
出波形のピーク点よりさらに前にすることにより、防振
材４からの反射振動がｔ８検出点に及ばないよう時間的
余裕を持っためである。このようにすることにより、伝
播体上の無効領域（ｔｇ　、ｔｐの検出ポイントに反射
振動の信号が重なってしまい、正しい１．．１．の測定
が行えなくなってしまう領域）の範囲なせばめ無効領域
に対する有効領域の比率を高め、同じ面積の有効領域位
であっても、必要な伝播体の大きさを小さくすることが
できる。

第６図にさらなる他の実施例を示す、これは初段増幅器
５または、全波整流回路６の出力に基準レベル・コンパ
レータ１７を接続し、基準レベル・コンパレータ１７の
出力には、その出力の立上りを検出して一定幅のパルス
信号を発生する一定幅パルス発生回路１８を接続してそ
の出力をＡＮＤゲート１４及び１３に接続する場合の実
施例である。ここで、一定幅パルス発生回路１８が発生
するパルスのパルス幅は、ｔ、用ゼロクロス・コンパレ
ータ９の出力による正しいｔ。

規定ポイントを検出し得る程度（あるいはそれ以上）に
保たれている。

以下、この実施例を各回路出力の信号を示して説明する
が、ここでは代表して初段増幅器５の出力に一連の基準
レベル・コンパレータ１７、一定幅パルス発生回路１８
を接続した場合について取り上げる（図中、実線で示す
）。

第７図に第６図の各回路の出力信号の例を示す。■〜０
及び■°は前述の実施例の場合と同様の信号である。但
し、今回は、本実施例の効果を明らかにするために各回
路を通過した時の遅延時間も含めて表している。１８は
■の出力を、図中レベルの高いほうの破線のレベルを基
準コンパレート・レベルとして基準レベル・コンパレー
タ１７、続いて一定幅パルス発生回路１８を通した時の
出力を表したものである。ここで、基準レベル・コンパ
レータ１７の基準レベルは、ペン１が伝播体３にある程
度以上の抑圧で押付けられた時に■の波高値がその基準
レベルを越えるように、また、■の波形にのっているノ
イズレベルが、その基準レベルを越えることのないよう
に設定されていることは言うまでもない。

以上のようにして得られた■と１８をＡＮＤゲート１４
に通したことによって得られる出力が［有］である。■
中の破線で示したパルスは前述実施例の方法により得ら
れるｔ６規定用出力である。

どちらの場合もｔ、に関する規定ポイントは不変で両者
とも正しいｔ、測定ができるものである。

続いて０と１８をＡＮＤゲート１３に通して得られる出
力が＠である。また、その下に示した出力は、前述の実
施例の方法により得られるｔ、規定用出力である。両者
を比較すると、本実施例の＠のほうが△ｔだけ前の位相
情報によりｔ、を規定していることがわかる。すなわち
、本実施例のｔ、規定方法によれば、基準レベル・コン
パレータの機能を保持したまま、より反射の影響を受け
にくいｔ、の測定を行うことができるのである。

以上説明したように、ペンによる正しい座標入力動作を
確認し、かつ、ノイズによるｔ３ｔ、の誤検出を排除す
る基準レベル・コンパレータをｔ、検出用、ｔｐ検出用
共用とすることにより、コンパレータに用いるＯＰアン
プを減らすことができ、それに伴って１．．１．検出回
路の簡単化、コスト・ダウン及びコンパレート・レベル
設定の手間を減らせる等の効果がある。

［発明の効果］ 本発明により、超音波の到達時間規定用回路の構成を簡
潔にし操作性を向上させた超音波距離計測装置を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例の超音波距離計測装置の構成を示すブ
ロック図、 第２図は本実施例のｔ、・ｔ９規定用回路の一例を示す
ブロック図 第３図は第２図中の各回路の出力信号を表した図、 第４図は本実施例の１１！−１ｐ規定用回路の他例を示
すブロック図、 第５図は第４図中の各回路の出力信号を表した図、 第６図は本実施例ｔ、・ｔ、規定回路の更に他例を示す
ブロック図、 第７図は第６図中の各回路出力信号を表わした図、 第８図は座標入力装置の概略図、 第９図はペン駆動信号を示す図、 第１０図はセンサ受信信号を示す図、 第１１図は超音波信号到達時間を規定する検出系の概略
図、 第１２図は距離算出方法の説明図、 第１３図は従来のｔ、・ｔ、規定用回路のブロック図、 第１４図（ａ）、（ｂ）は従来のｔ、・ｔ。 規定用回路の出力信号を表した図である。 図中、１・・・座標指示具（ペン）、２・・・センサ、
３・・・伝播体、４・・・防振材、５・・・初段増幅器
、６・・・全波整流回路、７・・・ローパス・フィルタ
、８・・・微分回路、８′・・・第２の微分回路、９・
・・ｔ５規定用ゼロクロス・コンパレータ、１ｏ・・・
ｔ、規定用ゼロクロス・コンパレータ、１５，１６．１
７・・・基準レベル・コンパレータ、１３．１４・・・
ＡＮＤゲート、１８川一定幅パルス発生回路、１００・
・・ペン駆動回路、１０１・・・駆動波形生成回路、２
００・・・ｔ、・ｔ、規定用回路、２０１・・・カウン
タ回路、３００・ＣＰＵ、３０１　・ＲＯＭ、３０２・
・・ＲＡＭ、４００・・・８力部である。 とゴー力 第８図 第９図 第１０図 第１４図（０） 第１４図（ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波の伝播を利用して距離を計測する超音波距
   離計測装置であつて、 所定信号のレベルに基づいて超音波到達時間の測定を許
   可する１つの測定許可手段と、 該測定許可手段による許可中の最大レベルを超音波の群
   到達時間とする群到達時間計測手段と、 前記測定許可手段による許可中の所定位相を超音波の位
   相到達時間とする位相到達時間計測手段とを備えること
   を特徴とする超音波距離計測装置。