JPH05281341A

JPH05281341A - 距離測定方法及びその装置

Info

Publication number: JPH05281341A
Application number: JP4102493A
Authority: JP
Inventors: Isao Iida; 功飯田; Yoshijirou Watanabe; 嘉二郎渡辺; Masakatsu Onozuka; 正克小野塚
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-03-30
Filing date: 1992-03-30
Publication date: 1993-10-29

Abstract

(57)【要約】［目的］新規で、かつ簡単な方法及び装置で空間距離
を測定する。［構成］測定区間に定在波を発生せしめる波動発生手
段と、その発生した定在波の周期に基づいて前記測定区
間の距離を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、波動の伝播の原理を
使用して空間距離を測定する距離測定方法及びその装置
に関するもので、例えば液面位レベル検出装置等に応用
可能なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、２点間の空間距離を電子技術手法
を用いて非接触で測定する方法として一般的なものとし
ては、大きく分けて長距離測定に用いられるレーダ測定
手法（マイクロ波利用）とレーザ測定手法（光利用）と
があり、また短距離測定から長距離測定に用いられるも
のにはレーザ測定手法、さらには短距離測定に用いられ
る超音波測定手法があり、これらはマイクロ波、光を波
動としてではなく、マイクロ波、超音波の場合には電
波、超音波の束とした理論によって、また光の場合には
光の束とした理論によって構築されているものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
構成のもの、即ちレーダ測定手法にあっては、周波数の
非常に高いマイクロ波を、一定時間毎に測定目標に向け
てパルス状に発射し、それが反射して戻ってくるまでの
極めて短い時間を測定するものであるので、その伝播経
路の途中に、例えば網、雨滴等の障害物が介在した場合
には、それを検出したり、また測定目標からの反射が弱
くなって検出できず、測定困難となることが考えられ
る。またひどい埃の中で測定する場合にも、伝播経路の
途中で乱反射されて反射波が弱くなったりして検出され
ないという問題点があった。また、一般に反射波が短時
間で戻ってくるので検出回路素子には、それに耐えうる
応答性の速い高価な素子を選択して用いなくてはなら
ず、それにともないコストも高くなるという問題点があ
った。

【０００６】また、レーザ測定手法にあってもレーダ測
定手法と同様に発射された光が測定目標に反射して戻っ
てくるまでの時間を測定するのでレーダ測定手法と同様
な問題点があり、またレーザ測定手法にあっては高価な
レーザ発振素子及びレーザ受信素子を用いなくてはなら
ないという問題点があった。更に、レーザ測定手法にあ
っては、細いビーム状のレーザ光線を用いるので測定目
標に、例えば境面等の平坦度の高い反射面を形成してお
かないと反射光が散乱してしまい検出に十分な反射光を
得ることができないという問題点があった。

【０００７】また、さらに超音波測定手法にあっては、
その伝播速度が大気の温度、湿度、風力に大きく影響さ
れるので複雑で、かつ高度の補正技術が必要となるとい
う問題点があつた。さらには、これらマイクロ波、超音
波、レーザ光線等を波動として扱う測定理論構成ではな
いため、伝播経路の途中に反射体等の障害物があった場
合には、それによって予想外の方向に反射されてしま
い、受信するには信号としては弱くなってしまい信号処
理が不可能になってしまう問題点が発生する恐れがあっ
た。

【０００８】この発明は、マイクロ波、超音波、遠赤外
線等の伝播の仕方を波動と考えて、伝播空間に多少の障
害物があっても回析現象によってその障害物をくぐり抜
ける現象を利用するものである。即ち、これにより新規
で、測定区間内に多少の障害物があっても測定可能な簡
単な距離測定原理の理論が構成され、またそれに基づい
て回路構成等を簡素化したもので、かつコスト的に安価
で精度よく距離を測定することのできる極めて新規な手
法及びその装置を提供することを目的とする。なお、本
発明で云うところの伝播空間の空間とは、宇宙の真空状
態の空間、地球上の大気空間、液中の液体空間等の物理
的空間すべての空間のことを云うものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明としては、測定区間に周波数の異なる複
数種類の定在波を発生させ、それらの発生させられた定
在波の周期の違いに基づいて測定区間の距離を算出する
距離測定方法である。

【００１０】第２の発明としては、測定区間に周波数の
異なる定在波を発生させる波動発生手段と、該波動発生
手段によって発生させられたそれぞれの定在波の波数
（ここでは、例えば定在波の一周期分の波数を波数１、
二周期分の波数を波数２とするように定義する）の差及
びその定在波の周期の違いに基づいて前記測定区間の距
離を算出する演算手段とを備えてなる距離測定装置であ
る。

【００１１】第３の発明としては、測定面との間に周波
数の異なる定在波を発生させるための波動発生手段と、
該波動発生手段によって発生させられたそれぞれの定在
波の波数の差及びその定在波の周期の違いに基づいて前
記測定区間の距離を算出し、その算出結果に基づいて測
定面のレベルを連続量として算出するレベル演算手段と
を備えてなるレベル測定装置である。

【００１２】

【作用】第１の発明は、測定区間に発生させられた異な
る周波数の定在波の周期の違いに基づいて測定区間の距
離を算出する。

【００１３】第２の発明は、定在波発生手段により測定
区間に異なる周波数の定在波を発生させ、その定在波の
波数の差及びその定在波の周期の違いに基づいて演算手
段によって前記測定区間の距離を算出する。

【００１４】第３の発明は、測定面に向けて位置された
波動発生手段より異なる周波数の定在波を発生させ、そ
の定在波の波数の差及びその定在波の周期の違いに基づ
き、レベル演算手段において前記測定面のレベルを算出
する。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明による実施例を示し、その説
明を詳細にする。まず本発明による測定方法及びその方
法による装置の説明にはいる前に図１及び図２を用いて
定在波について説明をする。１は波動発生手段で、空気
中等の空間に音波、遠赤外線、電波等の波動を発生させ
るもので、具体的にはスピーカ、超音波素子、遠赤外線
発生素子、マイクロ波発振器等のいずれかがその使用目
的（環境）に応じて択一的に選択され、その選択され
た、例えばスピーカから出力される音波を距離Ｌ（＝Ｎ
・Ｔ：Ｎは距離Ｌの間に形成される定在波の腹、叉は節
の数で整数、Ｔは定在波の一周期の値）だけ離れた測定
目標２に向けて発射し、関係式Ｌ＝Ｎ・Ｔが成立すれ
ば、その波動発生手段１であるスピーカと測定目標２と
の間に、前記音波の周期の半分の周期Ｔの定在波３が発
生せしめられることになる。なお、図２では前記波動発
生手段１は正弦波発生器４からの出力信号によって正弦
波駆動されるが、それに限らず図示されない矩形波発生
器を替わりに用いて、その矩形波発生回路から出力され
るパルス信号を供給することによって駆動させてもよ
い。

【００１６】次に、図２に基づいて前記波動発生手段１
の一種類である、出力される音響が所定周波数に設定さ
れたスピーカを測定回路に組み込んだ例について説明す
る。なお、ここでは前記スピーカの駆動コイルの電気イ
ンピーダンスを符号７で示している。その電気インピー
ダンス７は３つの抵抗５、６、８と共に、ブリッジ回路
１００を形成している。

【００１７】このような状況下において、図１に示す測
定目標２を矢印Ｍ方向に向けて（波動発生手段１の一種
類であるスピーカは所定の位置に固定されているものと
する）等速度で移動せしめた場合、測定目標２が、スピ
ーカによって発生させられた波動３の節（叉は腹）に向
かうにつれ波動発生手段１、例えばスピーカの駆動コイ
ルの電気インピーダンス７が変化する（また例えば、超
音波素子にあっても駆動コイルの抵抗分である電気イン
ピーダンス７の値が変化する）ので、その電気インピー
ダンス７の値の変化を図２に示す回路で処理することに
よって測定目標２が波動発生手段１に対して所定距離だ
け移動すると、それを示すパルス１０（図３参照のこ
と）が、例えば波動３の節のところで発生することを図
２に示す回路を用いて説明する。

【００１８】まず、図２の構成を説明すると、４は正弦
波発生回路、５、６及び８は抵抗、７は定在波を発生さ
せるための波動発生手段１のスピーカの駆動コイルの電
気インピーダンスで、抵抗５、６及び８とスピーカの駆
動コイルの電気インピーダンス７によって構成されたブ
リッジ回路１００に前記正弦波発生回路４から所定の周
波数の正弦波信号が供給される。９は前記ブリッジ回路
１００の不平衡状態（前記スピーカと測定目標２との間
に定在波が発生した状態）を検出するためのゼロクロス
検出回路で、不平衡状態を検出するとその検出期間だけ
その出力端子Ａを、例えばローレベル（論理”０”）か
らハイレベル（論理”１”）の状態に切り替える。

【００１９】次に、その作用説明を図１に基づいてす
る。測定目標２をＭ方向、即ち一定周波数で駆動された
波動発生手段１のスピーカに向けて、例えば一定速度で
接近させた場合において、波動発生手段１のスピーカの
駆動コイルの電気インピーダンス７の大きさが、測定目
標２と波動発生手段１との間の距離と波動発生手段１の
駆動周波数との関係に応じて変化し、前記測定目標２の
位置がＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７，Ｌ
８，Ｌ９，Ｌ１０の位置、即ち波動３の節の形成される
位置のそれぞれに達する毎にパルス１０がゼロクロス検
出回路９の出力端子Ａから出力される（図３のパルス１
０を参照）。

【００２０】以上がこの発明を説明するための原理の初
歩的な部分の説明である。次に、図４及び図８に示す定
在波３の波形図に基づいて本発明の距離測定の理論を説
明する。即ち、距離Ｌだけの空間を隔てて位置された波
動発生手段１と測定目標２との間には、図４に示すよう
にある所定の周波数で正弦波駆動された波動発生手段１
によって、一周期がＴ１の２倍の値の正弦波による定在
波３を発生せしめることが可能であり、その時、波動発
生手段１から測定目標２までの距離Ｌは次式で示される
（ただし、Ｎは距離Ｌの間に存在する定在波３の波数の
数で、図４ではＮ＝６、図８ではＮ＝１５と設定でき
る）。

【数１】

【００２１】次に、図８に示すように、前記波動発生手
段１と測定目標２との間の距離Ｌを前記図４の位置関係
状態を維持した状態にして、前記波動発生手段１から前
記図４に示す波形の周波数よりも大きな周波数の波形を
発生させ、その発生させられた正弦波（一周期２×Ｔ
２：Ｔ２＜Ｔ１）に基づく定在波３で、前回よりもｎ周
期分多い（例えば図８においては図４のものに比べて９
周期分多い）定在波３を発生させると、次式が成り立つ
（なお、次式における数値Ｎの値は数１におけるＮの値
と同じである）。

【数２】

【００２２】即ち、上記数１、数２より

【数３】

【００２３】ここで、数３を数１に代入することによっ
て

【数４】

【００２４】上記数４において、数値Ｔ１及びＴ２は前
記波動発生手段１から発生する周波数の逆数の２分の１
の値であり、またｎは波動発生手段１と測定目標２との
間に、定在波３の波の数を何周期分多くするようにした
かで決まるもので、それらの値を数４に代入することに
よって距離Ｌが求められる。

【００２５】即ち、上述した方法は２種類の異なる周波
数の定在波を発生させることにより、今までに全くない
距離測定方法であり、容易に測定区間の距離Ｌを求める
ことができると云う極めて優れた有効、かつ新規な方法
であることが示された。なお、この手法は波動という概
念で測定区間の距離を測定するものであり、そのために
測定区間に埃、水滴等の障害物があっても波動が伝播さ
れる限り測定可能であるという特長を持つ。

【００２６】次に、上記理論に基づく一具体的構成を図
５に示し、その構成を説明する。なお、同図において図
２に示したものと同一構成のもの、叉はそれと均等なも
のには同一符号を付してその説明を省略するものとす
る。１１はバッテリ、１２はスイッチ、１３は周波数制
御回路で、前記スイッチ１２が閉成（オン）されると、
後述の正弦波発生回路１４に階段状の出力電圧（図７に
示すもので、単位時間の経過と共に、出力電圧がステッ
プ状に変化していく。）を供給する。

【００２７】なお、前記階段状に変化する出力信号が、
高い電圧にステップ状に変化するタイミングは、後述の
周波数検出回路１５から供給される出力信号に基づいて
制御されており、該出力信号が供給される毎に、前記周
波数制御回路１３の出力電圧は一ステップずつ電圧が上
昇させられる。１４は正弦波発生回路で、前記周波数制
御回路１３から供給される階段状に変化する出力信号の
電圧値に比例した周波数の正弦波信号を出力する（図７
参照のこと）。

【００２８】１５は周波数検出回路で、前記正弦波発生
回路１４から出力され、ブリッジ回路１００及び後述の
周波数検出回路１６に供給される正弦波信号を入力し
て、その正弦波信号の周波数を読み取り、前記周波数制
御回路１３からの階段状に変化する出力信号の電圧値
を、所定の単位時間毎にステップ状に変化せしめるため
の信号を出力する一方で、前記周波数検出回路１５は、
後述の距離演算回路１８から最初の制御信号が供給され
たとき出力信号の発生を一定時間停止し、その後、前記
停止した直前の出力信号に続く出力信号を再度発生し、
二度目の制御信号が距離演算回路１８から供給されたら
出力信号の発生を停止する。１６は周期検出回路で、前
記正弦波発生回路１４から出力される正弦波信号の周波
数が変化する毎に、その周波数の値からその正弦波信号
によつて形成された定在波３の周期（例えば図４におけ
るＴ１の２倍の値に相当する）を求める（この手法は周
知の事実である）。

【００２９】１７はカウンタ回路で、前記スイッチ１２
からその入出力間の閉成によって発生するリセット信号
が供給されると、それを受けて計数値をリセットして前
記ゼロクロス検出回路９から供給されるパルス信号を計
数する。１８は距離演算回路で、前記カウンタ回路１７
から出力される計数値を入力すると、その入力に同期し
て前記周期検出回路１６から出力される信号を入力し、
前記数４の式を演算してその結果を求め、それを距離Ｌ
を示す信号として出力する。なお、上記ブリッジ回路１
００からの出力波形において、ゼロクロス波形が発生し
ないときは、ゼロクロス検出回路９に替えて最小振幅値
をゼロクロス点として検出する回路に替えることは云う
までもないことである。

【００３０】次に、図５に示す上記構成のものの作用を
図４、図６、図７及び図８を参照しながら説明する。図
５において、スイッチ１２が閉成されると、カウンタ回
路１７及び周波数制御回路１３がリセットされる。リセ
ットされた周波数制御回路１３は、図７に示すような時
間の経過にともなって階段状に増大する電圧を、最も低
い電圧値Ｖ１を初期値として正弦波発生回路１４に供給
する。それによって、その正弦波発生回路１４からは、
周波数制御回路１３から出力される階段状に変化する電
圧値に対応する周波数のうち最も低い周波数ｆ。Ｈｚの
正弦波信号が初期周波数としてブリッジ回路１００に供
給される。

【００３１】その結果、波動発生手段１、例えばスピー
カ、超音波素子等の駆動コイルにその正弦波信号が供給
され、その正弦波信号によって波動発生手段１と測定目
標２との間に定在波３が発生していない場合には（この
とき、ゼロクロス検出回路９は、入力電圧が０または入
力電圧のうちの所定電圧以上に達していないことによっ
て判断する。）、その所定の単位時間後に周波数検出回
路１５が周波数制御回路１３に対して現在の出力電圧Ｖ
１をより高い電圧Ｖ２に変化せしめるための信号を供給
する。その結果、正弦波発生回路１４から出力される正
弦波信号の周波数が１Ｈｚ増大して（ｆ。＋１）Ｈｚに
変化する。

【００３２】また、一方で上記の如く、回路が作動して
いる間、正弦波発生回路１４から出力された周波数ｆ。
Ｈｚの正弦波信号は周期検出回路１６に供給され、その
周期検出回路１６において、その時の周波数信号の逆数
からその周期が、例えば図４を例にとるとＴ１の２倍の
値が求められ、その求められた値の半分の値であるＴ１
が距離演算回路１８に供給される。

【００３３】ブリッジ回路１００は、波動発生手段１と
測定目標２との間に発生する波動の状態に応じた電圧値
を発生し、ここで、例えば正弦波信号の周波数を１Ｈｚ
ずつ連続的に大きくなるように変化せしめると、その波
動発生手段１、例えばスピーカ、超音波素子等の駆動コ
イルの電気インピーダンス７もそれに応じて正弦波状に
変化し、ブリッジ回路１００の出力信号も正弦波状に変
化する。その変化の途中で、定在波３が発生すると、そ
の時点でゼロクロス検出回路９からパルスが１つ出力さ
れ、その１つ目のパルスが出力されたときカウンタ回路
１７の計数値が１にセットされ、その計数値はカウンタ
回路１７から距離演算回路１８に最初の定在波３が発生
したことを示す信号として供給される。

【００３４】即ち、正弦波発生回路１４から出力される
正弦波信号によって、波動発生手段１と測定目標２との
間の距離Ｌの間に定在波３が最初に発生したとして、カ
ウンタ回路１７の計数結果が０から１にカウントアップ
されて、その時の定在波３の周期の半分、例えばＴ１が
距離演算回路１８における演算に用いられる定数Ｔ１の
値として周期検出回路１６から演算回路１８内に入力さ
れ、設定される。なお、この演算の最中であっても、ま
たは前記周期Ｔ１の値の設定が終了すると距離演算回路
１８は、周波数検出回路１５に対して正弦波発生回路１
４から出力される正弦波信号の周波数を、次の高い周波
数の定在波３が発生するまで、即ちカウンタ回路１７の
計数値が再度カウントアップするまで（ｆ。＋２）Ｈ
ｚ、（ｆ。＋３）Ｈｚ、（ｆ。＋４）Ｈｚ、（ｆ。＋
５）Ｈｚ、（ｆ。＋６）Ｈｚの如く順に周波数を上昇さ
せ続ける。

【００３５】即ち、上記の如く、正弦波発生回路１４か
ら出力される周波数を順次上昇させていくと、波動発生
手段１と測定目標２との間に定在波３が再度発生するタ
イミングが到来し、その時カウンタ回路１７は再度カウ
ントアップし、計数値が２になる。このとき、波動発生
手段１に駆動信号として供給されている正弦波信号によ
って発生する定在波３の周期、即ちＴ２が周期検出回路
１６によって検出されて距離演算回路１８に供給されて
数４に基づく距離演算のための２つ目の周期を設定す
る。その結果、距離演算回路１８は、数４の演算を行う
ための値が与えられることになり、演算を実行し、距離
Ｌを算出し、その算出された値を出力する。

【００３６】なお、上記の如く距離演算回路１８は、２
度目に設定される周期Ｔ２に対応する定在波が、最初の
ものから何番目に発生した定在波であるかをカウンタ回
路１７の計数値から判断する構成になっており、例え
ば、２つ目に発生した定在波であればカウンタ回路１７
の計数値は、２だけカウントアップされているので距離
演算回路１８は数値ｎを２より１少ない１として設定す
る。

【００３７】これに対して、２つ目の定在波ではなく、
それ以後に発生するｎ番目（値ｎは２より大きな整数）
に発生した定在波から距離Ｌを求めるようにしてもよ
く、その場合、カウンタ回路１７の計数値より１少ない
値、即ち数値（ｎ−１）が距離演算回路１８における数
４の数値ｎの値として設定され、距離演算回路１８はそ
れらの数値を数４に代入して波動発生手段１と測定目標
２との間の距離Ｌを算出して出力する。

【００３８】なお上記説明の中で、述べた定在波３の発
生の仕方について図１及び図６を参照しながらその説明
を行う。即ち、電源スイッチ（図５のスイッチ１２相
当）を閉成することにより正弦波発生回路（図５の正弦
波発生回路１４相当）からスピーカ、超音波素子等の波
動発生手段１の駆動コイルに、設定されている初期周波
数が供給され、その結果、波動発生手段１と測定目標２
との間にその周波数に応じた波動が発生し、その波動が
空気中を伝播して測定目標２に当たることによって入射
方向に反射することになり、その入射による波動の山及
び谷（腹及び節）と反射による波動の山及び谷とが一致
したとき、定在波が発生することになる。

【００３９】そこで先ず、説明を容易にするために、最
初から定在波３が図６に符号Ａで示されているように発
生し、波動が測定目標２のＺ地点において節を形成して
いるものと仮定する。その状態から波動発生手段１のス
ピーカ等に供給される正弦波信号の周波数を徐々に高め
ていくと、測定目標２の上で反射する波動は、最初の節
から腹の方向に変化し（波動の反射するポイントは、図
６においては上方に向く矢印に従って変化する）、次の
状態が、例えばＸ地点の位置のところにあるものとし、
その点で反射が発生して、そのときの入射波の波動の波
形が図６の符号Ｂで示されているような状態に変化して
いる。

【００４０】さらに、その状態から前記波動発生手段１
に供給される正弦波信号の周波数が上昇させられると、
入射波は、例えば符号Ｃで示される波動状態に変化し
て、測定目標２の反射面での反射点が上方のＹ地点に移
動することになる。また更に、正弦波信号の周波数が上
昇させられることによって、波動の反射のポイントが上
方から下方に向かって変化して、再度、符号Ｂで示され
る波動状態を通過して符号Ｄで示される波動状態に変化
するようになり、その波動の節が測定目標２上のＺ地点
に移動して定在波３が波動発生手段１と測定目標２との
間に符号Ｄで示されるように発生することになる。

【００４１】次に、図５に示した実施例の変形例を図９
に基づいて説明する。なお、図９において図５に示した
構成のものと同一、叉は均等な部分についてはその説明
を省略し、異なる部分についての構成を説明する。即
ち、図５におけるゼロクロス検出回路９及びカウンタ回
路１７が図９においてはなく、その代わり差動増幅回路
１９、波形・周期記憶回路２０及び定在波発生周期検出
回路２１が用いられる。

【００４２】差動増幅回路１９の２つの入力端子は、前
記ブリッジ回路１００の２つの出力端子に接続され、前
記波動発生手段１のスピーカ、超音波素子等の駆動コイ
ルの電気インピーダンス７の変化の状況を検出して、増
幅する。波形・周期記憶回路２０は、スイッチ１２から
リセット信号を受けた時点からの入力信号、即ちブリッ
ジ回路１００からの出力信号を一定周期毎にサンプリン
グ入力することによって、それを時系列的に記憶する。
また、前記時系列的に記憶された前記ブリッジ回路１０
０からの出力信号は、周期検出回路１６から供給される
正弦波信号の周期を示す周期信号と共に組にされて記憶
され、後述の定在波発生周期検出回路２１に周期信号と
共に供給される。

【００４３】定在波発生周期検出回路２１は、前記波形
・周期記憶回路２０に記憶されている差動増幅回路１９
から出力された波形信号から図示されないノイズ除去回
路を用いてノイズを除去し、その除去後の信号を入力
し、その入力信号の例を図１１に示す。また定在波発生
周期検出回路２１は、その入力した信号は計に基づい
て、例えば下側に形成されたピーク点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３
のそれぞれの点を定在波が発生し、波動発生手段１のス
ピーカの電気インピーダンスが最低になったものと判断
して、そのうち例えば隣接する点Ｍ１とＭ２叉は点Ｍ２
とＭ３のいずれかを選択して、その選択されたピーク
点、たとえば点Ｍ１とＭ２とに対応して記憶された周期
Ｔ１，Ｔ２を距離演算回路２２に供給する。なお、図１
１は波動発生手段１のスピーカから発生され波動によっ
てスピーカの電気インピーダンスが時間Ｔ３の間にＲか
ら１０Ｒまで変化することが示されている。

【００４４】距離演算回路２２は、前記定在波発生周期
検出回路２１から供給された２つの周期信号Ｔ１及びＴ
２に基づいて、即ち数４に基づいて波動発生手段１と測
定目標２との間の距離Ｌを算出し、出力する。また、一
方で距離演算回路２２は、２つの周期信号Ｔ１及びＴ２
を入力すると、周波数検出回路１５に対して制御信号の
出力を停止させるための信号を周波数制御回路１５に供
給する。なお、前記周期Ｔ１，Ｔ２の如く隣接する周期
信号ではなく、隣接しない例えば図１１における節Ｍ１
と節Ｍ５とを選択してもよいが、その場合には、その間
にいくつかの周期信号が存在するので、距離演算回路２
２にＭ１とＭ５とがどれだけ離れているのかを示す信号
（数値ｎ）を供給する必要のあることは数４の説明から
容易に理解のされるところである。

【００４５】次に、上記構成のものの作用を説明する。
スイッチ１２が閉成されると周波数制御回路１３を介し
て正弦波発生回路１４から波動発生手段１の一例である
スピーカの駆動コイルに正弦波信号が、設定された初期
周波数から徐々に周波数を１Ｈｚずつ上昇させながら供
給され、周期検出回路１６によってその正弦波信号の周
波数の周期が検出される。また一方でスイッチ１２から
の信号に基づいて波形・周期記憶回路２０の記憶内容が
リセットされ、初期設定される。その後、波形・周期記
憶回路２０に周期検出回路１６からの周期信号と、差動
増幅回路１９を介したブリッジ回路１００からの信号と
を組にされて供給される。

【００４６】その結果、波形・周期記憶回路２０はそれ
らを組にして時系列的に記憶すると共に、その記憶内容
を順次出力する。その出力を入力した、定在波発生周期
検出回路２１によって、波動発生手段１と測定目標２と
の間に定在波が発生していると判断（波形の形状から
か、叉はゼロクロス検出に基づいた判断）した場合に
は、そのときの周期、例えばＴ１，Ｔ２が求められ、距
離演算回路２２は、その検出結果を入力して距離演算回
路２２は周波数検出回路１５に対して出力停止のための
信号を供給すると共に、数４に基づいて距離Ｌを算出し
出力する。

【００４７】次に、上記図５において説明した周波数制
御回路１３についてより具体的な構成を図１０に示し、
その説明をする。即ち、前記周波数制御回路１３は、ス
イッチ１２が閉成されることによって所定周波数のパル
スを出力する発振回路１３１、該発振回路１３１から供
給されるパルスを計数して、例えば８ビット信号を出力
するカウンタ回路１３２、該カウンタ回路１３２から供
給されるデジタル信号をアナログの電圧信号に変換する
Ｄ／Ａ変換回路１３３等から構成されている。また前記
正弦波発生回路１４はＰＬＬ回路素子から構成され、前
記Ｄ／Ａ変換回路１３３から供給されるアナログ電圧信
号に比例した周波数の正弦波信号を出力する。なお、図
１０に示した構成のものは他に示す実施例においても共
通に利用できるものである。

【００４８】上記実施例では、定在波を正弦波、矩形波
等を使用して発生させるような構成としたが、この実施
例ではマイクロ波の周波数領域における白色雑音を使用
して定在波を発生させる構成のものを図１２に示し、そ
の構成を説明するが、マイクロ波の周波数領域の周波数
を使用しなくても、例えば可聴周波数領域の低い周波数
領域の信号成分から構成された白色雑音であっても良い
ことは云うまでもないことである。但し、その場合、波
動発生手段１としてはマイクロ波発生用ガンダイオー
ド、遠赤外発光素子、ラジオ用高周波発生素子、スピー
カ等を必要に応じて、即ち測定環境に応じて適宜選択す
ることが必要があることは云うまでもないことである。

【００４９】図１２において、３０は白色雑音発生回路
で、一方の出力端子からマイクロ波の周波数領域の白色
雑音を、単位時間毎に所定時間連続して断続的に発生す
る。また、他方の出力端子からは白色雑音が発せられる
直前から所定パルス幅のタイミングパルス信号が出力さ
れて、そのタイミングパルス信号が立ち上がった後に所
定時間白色雑音がつづいて発せられる。３１は前記白色
雑音発生回路３０から白色雑音を信号として受けるマイ
クロ波送信器３１１、該送信器３１１から発射されて測
定目標２で反射したマイクロ波を受信するマイクロ波受
信器３１２、前記送信器３１１、受信器３１２間に介装
されて、前記送信器３１１から発射されて測定目標２で
反射せずに直接受信器３１２に回り込むのを防止する回
り込み防止用板材３１３等から構成された波動発生手段
である。

【００５０】３２はゲート回路で、前記白色雑音発生回
路３０から出力されるタイミングパルス信号を入力して
いる間、ゲートを開いてマイクロ波受信器３１２からの
出力を通過させる。３３は第１スペクトル解析回路で、
前記白色雑音発生回路３０から断続的に出力される白色
雑音の周波数スペクトルを求めるためのものである。３
４は第２スペクトル解析回路で、前記マイクロ波受信器
３１２で受信された測定目標２で反射してきたマイクロ
波をゲート回路３２を介して入力し、その周波数スペク
トルを求める。なお、前記第１及び第２スペクトル解
析回路３３及び３４は、前記白色雑音発生回路３０から
出力されるタイミングパルス信号の立ち上がりをリセッ
ト信号として入力し、その後、マイクロ波発信器３１１
から発射されるマイクロ波のスペクトルは第１スペクト
ル解析回路３３で信号処理され、また前記発射されて反
射して受信されたマイクロ波は第２スペクトル解析回路
３４に供給されて信号処理される。

【００５１】３５はスペクトル比較回路で、前記第１及
び第２スペクトル解析回路３３及び３４から供給される
スペクトルを比較して、第１スペクトル解析回路３３で
求められたスペクトルの中にはあり、第２スペクトル解
析回路３４で求められたスペクトルの中にはない複数の
周波数を抽出し、その抽出された複数の周波数の中か
ら、互いに隣接している１組の周波数を出力する。な
お、この隣接している１組の周波数を選択する理由、数
４における数値ｎを１とするためであり、あえて数値ｎ
を１にする必要性はないので、他の数値を選択するとき
はそれに合わせて周波数を選択すれば良い。３６は定在
波発生周期検出回路で、前記スペクトル比較回路３５か
ら供給される１組の周波数のそれぞれの逆数を求めるこ
とによって２つの周期、即ち数４における周期Ｔ１及び
Ｔ２を求める。３７は距離算出回路で、前記定在波発生
周期検出回路３６で求められた１組の周期Ｔ１及びＴ２
を数４に代入することによって距離Ｌを算出し、それを
出力する。

【００５２】即ち、上記構成において白色雑音を用いる
理由は、白色雑音を形成する周波数成分のうち定在波を
発生している他の周波数成分のものは、当然ながらマイ
クロ波受信器３１２の受信素子の位置において該定在波
の節が位置するので、該受信素子の電気インピーダンス
は高くなるものと考えられ、また定在波を発生させない
周波数成分のものは、マイクロ波受信器３１２の受信素
子の位置において節が位置しないので、該受信素子の電
気インピーダンスは前記より低い値とることになるとい
う考えを基にしている。

【００５３】次に、上記実施例で説明してきた本発明の
方法及びその装置を液面計に応用した実施例を図１３に
示し、その構成を説明する。なお、図１３において図５
に示した構成のものと同一のもの、または均等なものに
は同一符号を付してその説明を省略する。４０は液体収
納用大型タンクで、そのタンク内部には液面変化方向に
沿って両端開口の後述の小径のパイプ４１が設けられ、
該パイプ４１の上端開口部は、前記タンク４０の上壁面
に穿設された開口部に取り付けられ、かつそのパイプ４
１の上端開口部を閉塞するように波動発生手段１である
スピーカ１が取り付けられている。また前記パイプ４１
の下端開口部４４は前記タンク４０の底面から所定の微
少間隔を隔てられている。

【００５４】４２は前記パイプ４１の上端開口部の周縁
部に設けられた小径の空気流通用の穴、４３は前記タン
ク４０上壁面の内側に設けられたマイクロホンで、前記
パイプ４１の下端開口部４４の開口端が空気中に露出し
たときに該パイプ４１外にもれ出る音を受音することに
よって液体４５の最低レベルを検出するものである。な
お、上記パイプ４１の大きな機能は、波動発生手段１の
スピーカから発生される音響の伝播経路を制限して、効
率よく長距離間に亘って音響を伝播させるためのもので
ある。また、距離演算回路１８は数４に基づいて液面レ
ベルの値を算出し終わり、その演算結果を出力すると、
しばらく演算を停止して、その一定時間後に再度の液面
レベルの演算のために周波数制御回路１３に制御信号を
おくり、初期状態から再度の制御出力を開始せしめる。
それによって、正弦波発生回路１４の出力状態を初期状
態に戻し、初期状態からスタートさせる。以後、この動
作を所定時間毎に繰り返す。

【００５５】次に、上記構成の作用説明を図１３に基づ
いて行う。即ち、液体４５がタンク４０内に充填されて
いると、その液体４５はパイプ４１の下端開口部４４か
らパイプ４１内に侵入してきて、例えば液面位がレベル
Ａの位置にあると仮定すると、波動発生手段１であるス
ピーカの駆動コイルに正弦波発生回路１４から正弦波信
号が供給され、その正弦波信号の周波数が変化されてあ
る所定の周波数になると、その液面と前記スピーカとの
間に定在波が発生する。その定在波の発生によってスピ
ーカの駆動コイルの電気インピーダンス７の値が、例え
ば最小値になり、そのことがゼロクロス検出回路９によ
って検出される。

【００５６】その後、正弦波発生回路１４から出力され
る正弦波信号の周波数は徐々に大きくされていくので、
再度前記スピーカと液面Ａとの間に定在波が発生し、ゼ
ロクロス検出回路９によって検出される。その検出結果
に基づいて周期検出回路１６から供給されて距離演算回
路１８により読み取られた２つの周期、例えば前記Ｔ
１，Ｔ２によって、距離演算回路１８は前記スピーカと
液面Ａとの間の距離Ｌを算出し、かつその値Ｌをタンク
４０の高さ寸法の値から差し引くことによりレベルＡで
の液面位を算出して出力する。

【００５７】次に、液面位が徐々に低下してレベルＢを
通り過ぎ、最低レベル値であるレベルＣに向かって低下
すると、その変化していく間も所定時間毎に繰り返し前
回と同様の演算が行われ液面位が算出され、その算出結
果が出力される。そして、液面位が最低レベル値である
レベルＣ（またはその近傍レベル）に到達し、パイプ４
１の下端開口部４４がタンク４０の気体中に露出される
と、パイプ４１の下端開口部４４からパイプ４１外に漏
れ出た音響がマイクロホン４３によって検出されるよう
になるのでマイクロホン４３から距離演算回路１８に音
響検出信号が供給される。

【００５８】その結果、距離演算回路１８は液体４５が
最低の液面レベル（またはその近傍レベル）に達成した
ものと判断し、それを警報するための信号を作成し、そ
の信号を距離演算回路１８から図示されない警報手段に
出力せしめ、その警報手段からタンク４０内の液体４５
の残量が最低レベル（またはその近傍の警報レベル）に
到達していることを知らせるための警報を発生せしめ
る。

【００５９】次に、上記図１３において説明した実施例
のパイプ４１の変形例を図１４に基ずいて説明する。即
ち、図１４において図１３に示される構成のものと同一
構成のもの、叉はそれと均等なものについては同一符号
を付してその説明を省略し、異なる部分について説明を
する。

【００６０】図１４において、図１３に示した構成と異
なる部分は、パイプ４６の部分で、図１４のものは図１
３に示したパイプ４１の全周面に亘って、後述の穀物等
の粒体４８が入り込まないような小径の複数の穴４７を
穿設したものである。またそのパイプ４６の下端縁とタ
ンク４０の底面との間隔も、前記穀物等の粒体４８がパ
イプ４６の中に多量に入り込まないような寸法に設定さ
れており、タンク４０内には図１３の場合の液体４５に
対して、発酵材料となる米、大豆等の穀物などの粒体４
８が収納されており、その粒体４８が発酵すると液体４
９が前記パイプ４６の側壁に穿設された穴４７を介して
パイプ４６内ににじみ出るように入ってくる（図１４に
矢印Ａで示す）ので、そのレベルを図１３に示したもの
と同一手法でレベル計測を行い、液体４９がどれだけ発
生したかを検出して、所定発酵レベルＤに到達した場合
に、所定の発酵状態に成ったことを示す信号を距離演算
回路１８から出力する。

【００６１】ただしこの場合、距離演算回路１８は前記
所定の発酵レベルＤを検出するための比較手段を有する
ことは云うまでもないことである。また、図１４にはマ
イクロホンがない。なお、図１３及び図１４に示した実
施例のものには、大型タンクを例にとったもので、従来
は大型のフロート式液面計で測定していたが、この実施
例に示したものを使用することによって液面計が小型に
なるという効果がある。

【００６２】次に、図１３に示した構成のものを４輪駆
動方式の自動車等に用いられる異形状燃料タンクに応用
したものを図１５に示し、その構成を説明する。５０は
図１３における剛性を有するパイプ４１をタンク４０の
壁面形状に合わせて屈曲形成せしめ、そのパイプ４１が
タンク４０の壁面に沿って設置されるようにパイプ５０
を途中途中で折り曲げたものである。そして、そのパイ
プ５０の上端開口部に形成されたフランジ５１には波動
発生手段１のスピーカが、該上端開口部を閉塞するよう
に設置されており、また下端部はタンク４０の底壁面に
接するまでに、即ち最低液面位レベルにまで延設されて
いる。

【００６３】またフランジ５１のタンク４０への取付部
分の周囲のタンク４０の上壁には小径の吸気流通穴５２
が穿設され、かつその穴５２及びスピーカを上方から覆
うように密閉用カバー５３が取り付けられている。なお
上記に述べた穴５２の径はスピーカが駆動させられた場
合、その駆動にともなってタンク４０内の空気及びカバ
ー５３内の空気が互いに流通しないような十分な空気抵
抗が作用するような寸法に設定されている。

【００６４】次に上記図１５に示した構成の改良部分に
ついて図１６を基にして説明する。即ち、図１６におけ
るパイプ５０は、上記図１５に示した実施例では材質を
剛性を有するものにしたが、ゴム等の軟質材のものであ
ってもよく、その場合、外力によってその内径が極度に
変化しないようにパイプ５０の外側に剛性を有する保護
筒５４を設けたものである。それによって、例えば保護
筒５４をタンク４０に前もって取り付けておき、その保
護筒５４内にパイプ５０を設置する場合、そのパイプ５
０が所定の位置に装着されるように案内部材の機能を果
たさせることも可能であり、それによって異形状タンク
（通常一般的に使用されているような円柱状等の形状を
していない形状のタンク）への設置においては、その作
業性を向上させることができるという効果がある。

【００６５】なお上記図１５に示したパイプ５０は、図
１３に示すように垂直ではなく、斜め方向（液面に対し
てパイプ５０の軸方向が鋭角をなす方向）に設置される
ので、波動発生手段１のスピーカからの音響の波動５５
が水平な液面５６に対して入射方向と異なる方向に、即
ち角度Ａで波動５８として反射されるので（図１７参
照）、周波数と距離関係からすると定在波が発生しても
良い状況にあっても、相互に位相が一致せず、即ち節と
節、腹と腹とが一致せず定在波が発生しない恐れがあ
る。これは、前記角度Ａが大きくなればなるほどその可
能性は大きくなると思われる。

【００６６】それに対して、図１８に示すようにパイプ
５０の内径を小さくし、その内径を毛細管現象が発生す
るような状況に設定することによって、液面５６が水平
でなくなり、図示したように凹状になり、反射波５８を
入射波５５方向に戻すような働きをするので、液面５６
に反射した入射波５５の反射方向は、その入射方向に対
する反射方向の角度Ｂが図１７に示したものより小さく
なるので、波動が干渉し合うようになり、相互に位相が
一致し易くなるので、前記条件が成り立つと定在波が発
生し易くなる。

【００６７】次に、本発明における定在波の伝播する媒
体を空間の気体を用いずに、線状や帯状の金属材を用い
て行う方法について図１９、図２０、図２１を参照しな
がら説明をする。先ず、穀物等の質量の大きな粒体６０
を収納するタンク４０の中の残量を検出する方法につい
て図１９を参照しながら説明する。図１９は、タンク４
０の上壁面６１と底壁面６２との間に１本のワイヤ６３
を垂直方向に両端を固定して張設し、前記ワイヤ６３の
上端部に波動発生手段１を設けたものである。

【００６８】図１９における波動発生手段１は図２０に
示されるように電磁ソレノイド６４と、直角に折り曲げ
られ、一端に前記ワイヤ６３の上端部が固定して取り付
けられ、かつ折り曲げ点Ｓに支点が形成されたアマチュ
ア６５とから構成されている。なお、前記アマチュア６
５の他端部は、電磁ソレノイド６４の鉄芯コアに所定時
間周期で発生する電磁力によって吸着される。また、前
記電磁ソレノイド６４には駆動コイル（図示せず）と一
緒に検出コイル（図示せず）が巻かれており、その検出
コイルの出力が図５におけるスピーカ等の電気インピー
ダンス７の変化に相当するものである。

【００６９】その結果、前記の如くアマチュア６５の他
端部が電磁ソレノイド６４によって所定周波数で上下Ｙ
方向に繰り返し吸着されることによってアマチュア６５
の一端部が左右Ｘ方向に振動させられるので、前記ワイ
ヤ６３に振動が発生させられることになる。なお、前記
所定周波数とは、図５等において説明してきた正弦波発
生手段１４から出力される信号の周波数と同一のもので
あり、また回路も図５のものと同一構成にして使用して
いるものである。

【００７０】また、図１９においてはタンク４０内に粒
体６０を収納した場合について説明したが、タンク４０
内収納物が粒体６０の如く質量が大きいものの場合に
は、ワイヤ６３の粒体６０内に埋設される部分と、され
ない部分との境目Ｔの近傍（境目Ｔの位置より若干下の
位置）が、ワイヤ６３の振動に対して強く、その部分が
振動の節になるので、例えば断面形状が円形のものであ
ってもよいが、振動方向に対して偏平な帯状のワイヤで
あれば、更に振動方向に対する抵抗が大きく作用するよ
うになるので、定在波の節が前記境目Ｔに位置するよう
になり、検出精度を向上できる。

【００７１】なお、ワイヤ６３として帯状のものを採用
することによって、収納物に埋設される部分の、振動に
対する流量抵抗が大きくなり、より完全に固定されてい
るものと見なすことができるようになるので、タンク４
０内に収納される収納物を流体に替えても検出できるよ
うになる。

【００７２】次に、振動を伝播させる媒体を、前記ワイ
ヤに替えてスプリングにした場合を例にとって説明す
る。図２１において、波動発生手段１はヨーク７０と駆
動コイル７１とから構成され、その駆動コイル７１が前
記図２０における駆動コイルと同様の正弦波発生回路１
４によって駆動され、かつその駆動コイル７１と一緒に
巻かれた検出コイル（図示せず）によって検出される。
なお、前記検出コイルの出力は図５に示したスピーカの
駆動コイルの電気インピーダンス７の変化に相当する。
スプリング７２は、その一端がタンク６２の底壁面６２
に固定され、また他端が上壁面６１に取り付けられた定
在波発生手段１に取り付けられている。そして、ヨーク
７０に発生する交流電磁吸着力によって、スプリング７
０に振動が伝播される。

【００７３】前記のようにスプリング７２を振動の伝播
の媒体にすることによって、タンク４０内収納物との接
触面積が大きくとれるようになるので、上下振動に対し
てスプリング７２の埋設部の抵抗値を大きくとれ、図１
９におけるときと同様に、スプリング７２の収納物内へ
の埋設部分と、非埋設部分との境目Ｔに振動の節が形成
されるようになり、波動発生手段１と前記境目Ｔとの間
でのみ前記スプリング７２を振動させることができるの
で、その結果、レベル検出が可能になる。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
（１）測定区間に周波数の異なる複数種類の定在波を発
生させ、それらの定在波の周期に基づいて該測定区間の
距離を算出することを特徴とする距離測定方法であるの
で、今までにない新規な測定方法を提案することができ
るという効果が発揮できる。

【００７５】また（２）２点間に周波数の異なる複数種
類の定在波を発生させるための定在波発生手段と、該定
在波発生手段によって発生させられたそれぞれの定在波
の波数の差及びその定在波の周期に基づいて前記２点間
の距離を算出する演算手段とを備えてなることを特徴と
する距離測定装置であるので、簡単な構成で、かつ応用
範囲の広い距離測定装置を提案できるという効果が発揮
できる。

【００７６】さらに（３）測定面との間に周波数の異な
る複数種類の定在波を発生させるための定在波発生手段
と、該定在波発生手段によって発生させられたそれぞれ
の定在波の波数の差及びその定在波の周波数に基づいて
前記２点間の距離を算出し、その算出結果に基づいて測
定面のレベルを算出するレベル演算手段とを備えてなる
ことを特徴とするレベル測定装置であるので、極めて新
規なレベル測定装置を提案することができるという効果
が発揮される。

【００７７】さらに、上記それぞれの発明に共通して云
えることは、伝播空間に多少の障害物が介在していても
回析現象の作用によりその障害物を通過して定在波を形
成できるので、測定が不可能になる確率は従来のものに
比べてはるかに小さくなり、測定装置としての品質を高
められるという極めて大きな効果が発揮される。

【００７８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における定在波を説明すための説明図で
ある。

【図２】図１に示した定在波の検出方法を説明する回路
説明図である。

【図３】図１における測定目標２をＭ方向に一定速度で
変位させたときの図２における出力Ａを示す説明図であ
る。

【図４】図５の作用説明をするための説明図である。

【図５】本発明による一具体例を示す回路ブロック図で
ある。

【図６】波動の周波数を変化させたとき、測定目標２に
おいてその波動の節のできる状況を説明した説明図であ
る。

【図７】図５における周波数制御回路１３からの出力信
号の変化状況、及び正弦波発生回路１４から出力される
出力信号の周波数の変化状況を説明するための説明図で
ある。

【図８】図５の作用説明をするための説明図である。

【図９】本発明による一具体例を示した回路ブロック説
明図である。

【図１０】図９の周波数制御回路１３の回路構成を細分
化した回路ブロックである。

【図１１】図９の波形・周期記憶回路２０及び定在波発
生周期検出回路２１の作動を説明するための説明図であ
る。

【図１２】本発明による一具体例を示すブロック説明図
である。

【図１３】本発明による方法を液面計に応用した一具体
例を示す説明図である。

【図１４】図１３のパイプ４０の変形例を示す説明図で
ある。

【図１５】本発明による方法を異形状燃料タンクに適応
した説明図である。

【図１６】図１５におけるパイプ５０を軟質材で形成し
た場合の説明図である。

【図１７】図１５におけるパイプ５０の内径が大きい場
合の入射波に対する反射波の状況を説明する説明図であ
る。

【図１８】図１７で説明したパイプ５０の内径を小さく
して毛細管現象を利用して定在波の発生状況を改善する
ことを示した図である。

【図１９】本発明を機械的に構成した実施例の説明図で
ある。

【図２０】図１９における波動発生手段１の詳細説明図
である。

【図２１】図１９におけるワイヤ６３をスプリングに替
えた場合の説明図である。

【符号の説明】

１スピーカ（波動発生手段）２測定目標３定在波４正弦波発生器５、６、８抵抗体７駆動コイルの電気インピーダンス９ゼロクロス検出回路１１バッテリ１２スイッチ１３周波数制御回路１４正弦波発生回路１５周波数検出回路１６周期検出回路１７カウンタ回路１８、２２、３７距離演算回路１９差動増幅回路２０波形・周期記憶回路２１、３６定在波発生周期検出回路３０白色雑音発生回路３１マイクロ波発信・受信装置（波動発生手段）３２ゲート回路３３、３４第１及び第２スペクトル解析回路３５スペクトル比較回路４０タンク４１、４６、５０パイプ４３マイクロホン４８、６０収納物５３カバー５４保護用筒５６液面６３ワイヤ６４電磁ソレノイド６５アマチュア７０ヨーク７１駆動コイル７２スプリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小野塚正克埼玉県行田市大字小見545番地３

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定区間に周波数の異なる複数種類の定
在波を発生させ、それらの発生させられた定在波の周期
に基づいて該測定区間の距離を算出することを特徴とす
る距離測定方法。
【請求項２】測定区間に周波数の異なる複数種類の定
在波を発生させるための波動発生手段と、該波動発生手
段によって発生させられたそれぞれの定在波の波数の差
及びそれらの定在波の周期の違いに基づいて前記測定区
間の距離を算出する演算手段とを備えてなることを特徴
とする距離測定装置。
【請求項３】測定面との間に周波数の異なる複数種類
の定在波を発生させるための波動発生手段と、該波動発
生手段によって発生させられたそれぞれの定在波の波数
の差及びその定在波の周期の違いに基づいて前記測定区
間の距離を算出し、その算出結果に基づいて測定面のレ
ベルを算出するレベル演算手段とを備えてなることを特
徴とするレベル測定装置。