JPH0569192B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、連続波動を用いた距離測定装置に関
するものである。

（従来技術とその問題点） 従来、波動を用いた２点間の距離測定装置にお
いて、第１として一方の点よりパルス波を送波
し、他方の点において前記パルス波を受波した時
刻と送波した時刻との間の時間差すなわち波動伝
播時間を測定することにより、送受波器間距離を
求める装置が知られていた。この装置ではパルス
波を検出するため伝播距離が大きくなると受波強
度が低下し、安定な検出が困難となるという欠点
があつた。また、送受波器の立ち上がり特性によ
って波動伝播時間の測定誤差が生じてしまう。波
動伝播時間を高精度に測定するためには複雑な信
号処理により誤差を補正するが、あるいはパルス
波受波時刻の推定を行なうか、立ち上がり特性の
良い特殊な素子を送受波器として用いる必要があ
り、装置の複雑化をまねき、安価に装置を構成す
ることが困難となつてしまうという欠点があつ
た。特殊な素子を用いて距離測定を高精度化した
例として高野らにより昭和57年度精機学会春季大
会学術講演会論文集566ページから567ページに
「超音波による距離測定とロボツトへの応用（第
２報）」と題して述べられている。ここではプラ
スチツクフイルムを用いて超音波送受波素子を構
成しており、立ち上がり特性は改善されているが
駆動電圧として150Vもの電圧が必要であるとい
う問題点があつた。

また、従来の第２の距離測定装置として連続波
動を２点間の一方より送波すると共に他方で受波
し、受波波動の送波波動に対する位相を用いて送
受波器間の距離を求める装置が知られていた。こ
の従来の第２の距離測定装置では連続波動を検出
するため、安定な検出が可能であり、位相差を検
出するため受波強度の影響を受けない。しかしな
がら測定可能な範囲が送波波動の波長以下に直接
制限されるという大きな問題点があつた。

検出する位相差は2πを周期とする周期関数で
あり、2πの位相差に対応する距離が送波波動の
波長であるためである。

さらに従来の第３の距離測定装置として前記第
２の距離測定装置における問題点を解決するため
互いに大きく異なる複数の周波数を持つ波動を順
次送波して送受波器間距離を求めるものがある。
例えば低周波数の送波波動に対する受波波動の位
相によつて概略の送受波器距離をまず求め、次に
高周波数の送波波動に対する受波波動の位相によ
つて高い精度で前記距離を決定する装置について
馬らにより昭和59年度精機学会秋季大会学術講演
会講演論文集421ページから422ページに「超音波
二重位相差方式による座標測定」と題して述べら
れている。ここでは高周波数の波動として第１の
発振回路の出力を送波し、低周波数の波動として
第２の発振回路の出力により前記第１の発振回路
出力を変調して送波している。従つて送波側に変
調回路、受波側に複調回路及び帯域フイルタを必
要とし、回路構成が複雑化してしまうという問題
点が生じていた。この問題点を解決するため前記
低周波数の波動を変調によらず直接送波しようと
すると非常に広帯域の送受波器を用いるか、ある
いは送受波周波数毎に送受波器を用意する必要が
あり、装置を単純安価に構成することが困難であ
るという欠点があつた。

（発明の目的） 本発明の目的は、波動を用いて送波器及び受波
器がおかれた２点間の距離を測定する距離測定装
置において、入手が容易であり低電駆動可能であ
る素子を用い、受波強度の影響を受けずに安定な
検出が可能であり、かつ直接測定可能な範囲が送
波波動の波長に直接制限されずに高精度で距離測
定を行うことができる従来の欠点を除去せしめた
距離測定装置を単純な構成で実現し、安価に提供
することにある。

（発明の構成） 本発明によれば、送波波動を送波する送波器及
び前記送波波動が伝播した受波波動を受ける受波
器がおかれた２点間の距離を測定する距離測定装
置において、２種の異る第一及び第二の周波数か
らなる前記送波波動を前記送波器から交互に送波
させる発振回路と、前記受波器及び前記発振回路
に接続され前記第一及び第二の周波数の送波波動
それぞれに対する前記受波波動の位相である第一
及び第二の検出位相を検出する位相検回路と、前
記位相検出回路に接続され前記第一の検出位相か
ら前記第二の検出位相を差し引いて差を求める減
算回路と、この減算回路で求めた差から前記２点
間の距離を求める演算回路とを含むことを特徴と
する距離測定装置が得られる。

（実施例） 以下に本発明について図面を参照して詳細に説
明する。

第１図は本発明の一実施例のブロツク図で、送
波器２０及び受波器３０がおかれた２点間の距離
ｄを測定する。測定は以下の手順によつて行われ
る。まず、第１に発振回路１０を周波数₁で発振
させ、送波器２０より周波数₁の波動w₁を送波
する。送波された波動は受波器３０によつて
w₁′として検出され、波動w₁とw₁′の位相差を位
相検出器４０により求めて₁とする。第２に、
発振回路１０における発振周波数を₂として第１
のものと同様の処理を行い、位相差₂を求める。
次に演算回路５０によつて₁と₂の差を用いて
前記２点間の距離ｄを次式によつて求める。

ｄ＝Ｃ／2π・_d／₁−₂ 但し_dは、 _d＝₁−₂（₁≧₂のとき） 2π＋₁−₂（₁＜₂のとき） であり、Ｃは波動伝播速度、₁、₂は発振周波
数、₁、₂、_dは測定した位相差である。

第２図は送波される波動w₁とw₂及び、検出さ
れる位相差₁、₂、_dの関係を示したものであ
る。図において２点間の距離ｄを横軸にとり、た
て軸では、₁、₂、_dについては位相差を示し、
w₁，w₂については送波された波動の振幅を示し
ている。波動w₁，w₂の波長をそれぞれλ₁λ₂とし
たとき、送波器２０の位置を示す送波点０と受波
器３０の位置を示す受波点Ｐ間の伝播距離ｄを大
きくするに従つて、受波点Ｐにおける検出位相差
₁又は₂は波長λ₁又はλ₂の周期で０から2πまで
変化する。ところが位相差₁と₂の差_dは₁と₂
の差の周波数をもつ波の波長λ_lの周期で０から2π
まで変化する。従つて位相差₁のみ測定して２
点Ｏ，Ｐ間の距離を求める従来の第２の距離測定
装置では波長λ₁の範囲における距離のみ測定範囲
であつたが、本発明による装置では波長λ_lの範囲
において距離を測定することが可能である。

本実施例の測定原理を次に述べる。

２種の送波波動をそれぞれ w₁＝sin（2π₁ｔ） w₂＝sin（2π₂ｔ） （ただし₁，₂は周波数、ｔは時間を表わす） とおくと、送波点０に位置する送波器２０から距
離ｄにある受波点Ｐにおける受波波動はそれぞれ w₁′＝sin（2π₁ｔ＋₁） w₂′＝sin（2π₂ｔ＋₂） （ただし₁，₂は送波信号と受波信号との位
相差） と表わすことができる。w′₁，w′₂の平均をw′_dと
するとw′_dは次式によつて表わされる。

w′_d＝１／２（w′₁＋w′₂）＝１／２（si
n（2π₁ｔ＋₁）＋sin（2π₂＋₂）） ＝cos（π（₁−₂）ｔ＋₁−₂／
２）・sin（π（₁＋₂）ｔ＋（₁＋₂／２） ここでw′_dの低周波成分のみ取り出して_dとお
くと、 _d＝cos（2π′_lｔ＋′_d） ただし′_l＝₁−₂／２、′_d＝₁−₂／２ と表すことができる。低周波成分_dは前記２種
の受波波動の和の包絡線であり、′_l及び′_dはそ
れぞれ包絡線の周波数及び位相である。本実施例
において位相差₁と₂の差をとることは前記包
絡線の位相を求めることに相当する。

次に、低周波成分_dの波長をλ′_lとおくと、送
波点０と受波点Ｐ間の距離ｄは位相′_dを用いて
次式によつて求まる、 ｄ＝λ′_l・′_d／2π ここで、波長λ_l′は周波数′_l及び伝播速度Ｃと
の間に λ_l′＝Ｃ／′_l なる関係があり、また、 _l′＝₁−₂／２、_d′＝₁−₂／２ である。

以上から前記２点間の距離ｄを₁，₂，₁，
₂，Ｃを用いて以下のように求めることができ
る。

ｄ＝λ′_l・′_d／2π＝Ｃ／_l′・_d′／2π＝Ｃ／
₁−₂・₁−₂／2π ここで、位相差₁及び₂の検出は０から2πの
間で行われるため両者の差_dを _d＝₁−₂（₁≧₂のとき） 2π＋₁−₂（₁＜₂のとき） によつて求めることを考えると、求める距離ｄは ｄ＝Ｃ／2π・_d／₁−₂ によつて得られる。

以下、本発明のより具体的な実施例について、
図面を参照しながら説明する。以下の実施例で
は、一例として超音波を送受波波動として用いる
ものとして説明を進める。

第３図は本発明の第２の実施例を示すブロツク
図であり、₁の発振周波数を持つ発振回路１１
と、₂の発振周波数を持つ発振回路１２が切換ス
イツチ１５に接続される。制御回路６１の信号に
より前記２種の発振回路の出力が切換スイツチ１
５を通して選択され、駆動回路１８により送波器
２０から超音波が送波される。送波された超音波
は受波器３０によつて検出され、増幅回路３５に
よつて一定振幅に増幅された後、送波超音波との
位相差が位相検出器４０によつて検出される。検
出された位相差は、送波超音波の周波数が₁であ
つた場合サンプルホールド回路６２へ₁として
保持され、₂であつた場合にはサンプルホールド
回路６３へ₂として保持される。

送受波器２０，３０間の距離ｄは演算増幅回路
５５により₁と₂の差から前記演算式に従つて
求められる。第３図の実施例はアナログ回路によ
り構成されており、構成が容易である。

第４図は本発明の第３の実施例を示すブロツク
図であり、発振回路１０で方形波を発振する。演
算制御回路５０によつて設定された分周比により
発振回路１０の出力は分周回路１３において分周
され、駆動回路１８を経て送波器２０より超音波
が送波される。受波された超音波の送波超音波に
対する位相差は第１の実施例と同様に検出され、
₁または₂として演算制御回路５０に入力され
る。演算制御回路５０では分周回路１３の分周比
を変えて得た２種の位相差₁及び₂を用いて距
離ｄを求める。第４図の実施例ではデジタル処理
によつてすべての操作を行つている。

第５図は本発明の第４の実施例を示すブロツク
図であり、第４図の実施例における発振回路１０
と分周回路１３の組み合わせをPLL（フエーズロ
ツクトループ（Phase Locked Loop））制御に
よる発振回路１０によつて置き換えたものであ
り、制御はデジタル処理によつて行い、信号はア
ナログ処理によつて扱われる。

本発明の構成によれば、連続波動を検出するた
め送受波器の立ち上がり特性を考慮することが不
要であり、また安定した位相差のみ検出すれば良
いため、高精度な測定を行おうとした場合にも従
来の第１の距離測定装置において必要となるよう
な特殊な素子や複雑な信号処理は不要である。ま
た、従来の第２の距離測定装置において40.0kHz
の超音波を用い、本発明による距離測定装置にお
いて₁＝40.0kHz ₂＝39.9kHzとすることを考え
る。このとき、音速は340ｍ／ｓであり、40kHz
の超音波の波長は約8.5mmである。従つて従来の
第２の距離測定装置においては約8.5mmの範囲に
おいてのみ測定可能であるのに対し、本発明によ
る距離測定装置では₁−₂＝100Hzであり、１cm
以内の距離から3.4ｍの距離まで測定可能である。
また、本発明による距離測定装置において位相差
₁，₂の差の測定に誤差が生じる場合には、位
相差₁，₂の差によつて粗く距離を測定し、さ
らに、２種の位相差₁，₂の一方を用いて従来
の第２の距離測定装置のおける測定法を行うこと
により、さらに精密な距離を広い範囲で得ること
ができる。

上述した本発明の第３及び第４の実施例は、本
発明による測定法と従来の第２の距離測定装置に
おける測定法の両者を併用する距離測定装置とし
て用いることも容易であり、１チツプマイクロプ
ロセツサを用いて安価・小型に構成することが可
能である。

本発明の第１の実施例はアナログ回路のみで構
成されており、構成が容易である。

さらに従来の第３の距離測定装置と比較した場
合、本発明による距離測定装置では実施例から明
らかなように変調回路、復調回路、帯域フイルタ
等が全く不要であり構成を著しく簡単化すること
が可能である。

また、測定に用いる波動として超音波を用いて
説明したが、光、電波等種々の波動を用いても本
発明を適用できる。

（発明の効果） 以上詳細に述べた通り、本発明によれば従来の
欠点を除去せしめ、広範囲を精度良く測定する距
離測定装置を安価かつ小型に構成することが可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示すブ
ロツク図、第２図は本発明の測定原理を示す波形
図、第３図は本発明の第２の実施例を示すブロツ
ク図、第４図は本発明の第３の実施例を示すブロ
ツク図、第５図は本発明の第４の実施例を示すブ
ロツク図である。 図において、１０，１１及び１２は発振回路、
１３は分周回路、１５は切換スイツチ、１８は駆
動回路、２０は送波器、３０は受波器、３５は増
幅回路、４０は位相検出回路、５０は演算制御回
路、５５は演算増幅回路、６１は制御回路、６２
及び６３はサンプルホールド回路である。また
w₁は周波数₁による送波波動、w₂は周波数₂に
よる送波波動、₁はw₁を伝播距離ｄの点で受波
した受波波動の送波波動に対する位相差の変化、
₂は同様にw₂に対する位相差の変化、_dは₁−
₂の変化、Ｏは送波点、Ｐは受波点、λ₁はw₁の
波長、λ₂はw₂の波長、d₁はw₁の節からＰまでの
距離、d₂はw₂の節からＰまでの距離、λ_lは₁−
₂の周波数を持つ波動の波長を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 送波波動を送波する送波器及び前記送波波動
   が伝播した受波波動を受ける受波器がおかれた２
   点間の距離を測定する距離測定装置において、２
   種の異る第一及び第二の周波数からなる前記送波
   波動を前記送波器から交互に送波させる発振回路
   と、前記受波器及び前記発振回路に接続され前記
   第一及び第二の周波数の送波波動それぞれに対す
   る前記受波波動の位相である第一及び第二の検出
   位相を検出する位相検出回路と、前記位相検出回
   路に接続され前記第一の検出位相から前記第二の
   検出位相を差し引いて差を求める減算回路と、こ
   の減算回路で求めた差から前記２点間の距離を求
   める演算回路とを含むことを特徴とする距離測定
   装置。