JPH07325151A

JPH07325151A - 超音波距離測定装置

Info

Publication number: JPH07325151A
Application number: JP6140964A
Authority: JP
Inventors: Naomi Sawada; 直見沢田; Hiromi Ema; 廣美江間
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1994-05-31
Publication date: 1995-12-12

Abstract

(57)【要約】【目的】反射波の振幅のバラツキに起因した誤差を除
去することにより、測定精度を向上させる。【構成】超音波距離測定装置１０は、位相変調点ｘを
含む電気的な送信信号ａを出力する送信回路部１２と、
送信回路部１２から出力された送信信号ａを超音波Ｕに
変換すると共に超音波Ｕの被測定物８４からの反射波を
電気的な受信信号ｂに変換する超音波トランスデューサ
８６と、超音波トランスデューサ８６で変換された受信
信号ｂを入力する受信回路部１４と、送信回路部１２か
ら送信信号ａが出力された時から受信回路部１４で受信
信号ｂの位相変調点ｘが入力された時までの時間ｔを測
定する時間測定部１６と、時間測定部１６で測定された
時間ｔに基づき超音波トランスデューサ８６と被測定物
８４との間の距離Ｄを算出する距離算出部１８とを備え
たものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超音波によって被測
定物までの距離を測定するための超音波距離測定装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は従来の超音波距離測定装置を示す
ブロック図である。以下、この図面に基づき説明する。

【０００３】従来の超音波距離測定装置８０は、電気的
な送信信号ａ１（バースト波）を出力する送信信号発生
回路８２と、送信信号発生回路８２から出力された送信
信号ａ１を超音波Ｕ１に変換すると共に超音波Ｕ１の被
測定物８４からの反射波を電気的な受信信号ｂ１に変換
する超音波トランスデューサ８６と、超音波トランスデ
ューサ８６で変換された受信信号ｂ１を入力する受信信
号増幅回路８８，検波回路９０及びコンパレータ９２
と、送信信号発生回路８２から送信信号ａ１が出力され
た時から受信信号増幅回路８８等で受信信号ｂ１が入力
された時までの時間を測定するタイミング制御回路９４
及び時間測定回路９６と、時間測定回路９６等で測定さ
れた時間ｔ１に基づき超音波トランスデューサ８６と被
測定物８４との間の距離Ｄ１を算出するマイクロコンピ
ュータ９８とを備えたものである。このような技術は、
例えば特開平2-292608号公報に開示されている。

【０００４】図８及び図９は従来の超音波距離測定装置
の動作を示す波形図である。以下、図７乃至図９に基づ
き説明する。

【０００５】タイミング制御回路９４からのタイミング
信号ＴＳで送信信号発生回路８２から送信信号ａ１（図
８（１））が発生する。送信信号ａ１で超音波トランス
デューサ８６が駆動され、超音波トランスデューサ８６
から超音波Ｕ１が出力される。超音波Ｕ１は、空気中を
伝播し、被測定物８４で反射して、再び超音波トランス
デューサ８６に戻ってくる。超音波トランスデューサ８
６に戻ってきた超音波Ｕ１は、受信信号ｂ１（図８
（２））として受信信号増幅回路８８で増幅された後、
検波回路９０から包絡線ｃ１（図８（３））として出力
される。包絡線ｃ１は、コンパレータ９２でコンパレー
トレベルＣＬと比較され、コンパレートレベルＣＬを越
える部分が方形波ｄ１（図８（４））として出力され
る。

【０００６】一方、タイミング制御回路９４は、タイミ
ング信号ＴＳを送信信号発生回路８２へ出力すると同時
に、クロック信号ＣＫを時間測定回路９６へ出力し始め
る。時間測定回路９６は、クロック信号ＣＫを積算し続
け、方形波ｄ１を入力すると、クロック信号ＣＫの積算
に基づく時間ｔ１をマイクロコンピュータ９８へ出力す
る。ここで、時間ｔ１は、超音波Ｕ１が超音波トランス
デューサ８６から被測定物８４までを往復する時間であ
る。したがって、超音波トランスデューサ８６から被測
定物８４までの距離Ｄ１は、音速をｖとすると、Ｄ１＝
（ｔ１×ｖ）／２によって求められる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
超音波距離測定装置では次のような問題があった。

【０００８】超音波トランスデューサ８６の材質である
セラミックスと空気とは、音響インピーダンスが非常に
異なる。そのため、超音波トランスデューサ８６は、空
気中に効率よく超音波を放射するために、その周波数帯
域幅が非常に狭くなっている。例えば、中心周波数400
[kHz]で帯域幅±20[kHz] 前後である。したがって、振
幅一定の送信信号ａ１（波数５〜20程度）で超音波トラ
ンスデューサ８６を励振しても、被測定物８４からの反
射波の立上がり時間が遅くなるので、図８（３）に示す
ような山形の包絡線ｃ１が形成される。

【０００９】一方、被測定物８４からの反射波の振幅
は、被測定物８４の大きさ，材質，形状等によって、そ
の大小にバラツキが生じる。例えば、図９に実線で示す
包絡線ｃ１１は振幅が大きく、図９に一点鎖線で示す包
絡線ｃ１２は振幅が小さい。この例の場合、包絡線１２
は、包絡線ｃ１１に比べて、コンパレートレベルＣＬに
達する時間がΔｔだけ遅れることになる。この遅れ時間
Δｔは、そのまま方形波ｄ１１，ｄ１２の立上がり時間
の差となる結果、測定誤差となる。

【発明の目的】

【００１０】そこで、この発明の目的は、反射波の振幅
のバラツキに起因した誤差を除去することにより、測定
精度を向上させた超音波距離測定装置を提供することに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波距離
測定装置は、上記目的を達成するためになされたもので
あり、図１に示す基本的構成を有するものである。すな
わち、超音波距離測定装置１０は、位相変調点ｘを含む
電気的な送信信号ａを出力する送信回路部１２と、送信
回路部１２から出力された送信信号ａを超音波Ｕに変換
すると共に超音波Ｕの被測定物８４からの反射波を電気
的な受信信号ｂに変換する超音波トランスデューサ８６
と、超音波トランスデューサ８６で変換された受信信号
ｂを入力する受信回路部１４と、送信回路部１２から送
信信号ａが出力された時から受信回路部１４で受信信号
ｂの位相変調点ｘが入力された時までの時間ｔを測定す
る時間測定部１６と、時間測定部１６で測定された時間
ｔに基づき超音波トランスデューサ８６と被測定物８４
との間の距離Ｄを算出する距離算出部１８とを備えたも
のである。

【００１２】

【作用】位相変調点ｘを含む送信信号ａは、送信回路部
１２から出力され、超音波トランスデューサ８６で超音
波Ｕに変換される。超音波Ｕは、被測定物８４で反射し
て再び超音波トランスデューサ８６に戻って受信信号ｂ
に変換されて、受信回路部１４に入力される。位相変調
点ｘは、受信信号ｂにも当然に含まれると共に、受信信
号ｂの振幅の大小の影響も本質的に受けない。

【００１３】時間測定部１６では、送信回路部１２から
送信信号ａが出力された時から、受信回路部１４で受信
信号ｂの位相変調点ｘが入力された時までの時間ｔが測
定される。時間ｔは、超音波Ｕが超音波トランスデュー
サ８６から被測定物８４までを往復する時間であり、受
信信号ｂの振幅の影響を受けない正確な値である。した
がって、超音波トランスデューサ８６から被測定物８４
までの距離Ｄは、音速をｖとするとＤ＝（ｔ×ｖ）／２
として、距離算出部１８で正確に求められる。

【００１４】

【実施例】図２は本発明に係る超音波距離測定装置の一
実施例を示すブロック図である。この実施例では、図１
における各基本的要素が以下のように構成されている。
図１及び図２に基づき説明する。ただし、図７と同一部
分は同一符号を付して重複説明を省略する。

【００１５】送信回路部１２は、位相変調点ｘを含んだ
送信信号ａを発生する時系列信号発生回路２０と、送信
信号ａを増幅する送信信号増幅回路２２とから構成され
ている。

【００１６】受信回路部１４は、受信信号ｂを最初に入
力する受信信号増幅回路８８と、受信信号ｂがコンパレ
ートレベルＣＬを越えている時に検知信号ｂｂを出力す
るレベルコンパレータ２４と、検知信号ｂｂが出力され
るとコンパレート開始信号ＣＳを出力する受信信号検知
回路２６と、コンパレート開始信号ＣＳにより動作し始
めると共に受信信号ｂが「０」よりも上がる時又は下が
る時に立上り・立下り信号ＵＤを出力するゼロクロスコ
ンパレータ２８とから構成されている。

【００１７】時間測定部１６は、タイミング信号ＴＳを
時系列信号発生回路２０へ出力すると同時にクロック信
号ＣＫを出力し始めるタイミング制御回路９４と、クロ
ック信号ＣＫを積算すると共にゼロクロスコンパレータ
２８から出力される立上り・立下り信号ＵＤの時間に基
づき位相変調点ｘを検出する位相変調点検出手段３０
と、マイクロコンピュータ３２の機能の一部とから構成
されている。位相変調点検出手段３０は、クロック信号
ＣＫを積算するカウンタ回路３４と、ゼロクロスコンパ
レータ２８から立上り・立下り信号ＵＤが出力された時
のクロック信号ＣＫの積算値を出力するラッチ回路３６
と、ラッチ回路３６から出力されたクロック信号ＣＫの
積算値をマイクロコンピュータ３２へ出力するＦＩＦＯ
メモリ回路３８とから構成されている。

【００１８】距離算出部１８は、周囲の温度を温度セン
サ４０によって測定する温度測定回路４２と、マイクロ
コンピュータ３２の機能の一部とから構成されている。
また、レベルコンパレータ２４の−入力端子には、マイ
クロコンピュータ３２から出力されるコンパレートレベ
ルＣＬを入力するための、Ｄ／Ａコンバータ４４が接続
されている。

【００１９】図３は超音波距離測定装置１０の動作を示
す波形図である。以下、図１乃至図３に基づき超音波距
離測定装置１０の動作を説明する。

【００２０】タイミング制御回路９４からタイミング信
号ＴＳが出力されると、位相変調点ｘを含んだ送信信号
ａ（図３（１））が時系列信号発生回路２０から発生し
て送信信号増幅回路２２で増幅される。送信信号ａは、
バースト波形を５〜20個繰り返した後に続けて、二倍の
周期の波形を挿入する。すなわち、位相を反転すること
により位相変調点ｘを形成する。さらに続けて、バース
ト波形を５〜20個繰り返す。これらにより、送信信号ａ
が構成される。

【００２１】送信信号ａで超音波トランスデューサ８６
が駆動されると、超音波トランスデューサ８６から超音
波Ｕが出力される。超音波Ｕは、空気中を伝播し、被測
定物８４で反射して、再び超音波トランスデューサ８６
に戻ってくる。超音波トランスデューサ８６に戻ってき
た超音波Ｕは、受信信号ｂ（図３（２））として受信信
号増幅回路８８で増幅される。受信信号ｂは、位相変調
点ｘでくびれた，蝶型の波形となっている。そして、受
信信号ｂは、レベルコンパレータ２４でコンパレートレ
ベルＣＬと比較されると共に、ゼロクロスコンパレータ
２８で「０」レベルと比較される。受信信号ｂがコンパ
レートレベルＣＬを越えると、レベルコンパレータ２４
から検知信号ｂｂが出力される（図３（３）（４））。
コンパレートレベルＣＬは、ノイズ信号には感応せずに
受信信号ｂを安定して検知できるレベルに設定され、受
信信号ｂのピーク値の80％程度である。検知信号ｂｂが
出力されると、受信信号検知回路２６からコンパレート
開始信号ＣＳが出力され（図３（５））、コンパレート
開始信号ＣＳによりゼロクロスコンパレータ２８が動作
し始める。ゼロクロスコンパレータ２８は、受信信号ｂ
が「０」よりも上がる時又は下がる時に立上り・立下り
信号ＵＤを出力する（図３（６））。

【００２２】一方、タイミング制御回路９４は、タイミ
ング信号ＴＳを時系列信号発生回路２０へ出力すると同
時に、クロック信号ＣＫをカウンタ回路３４へ出力し始
める。カウンタ回路３４はクロック信号ＣＫを積算し続
ける。また、ラッチ回路３６に立上り・立下り信号ＵＤ
が入力されると、その都度、クロック信号ＣＫの積算値
がＦＩＦＯメモリ回路３８に蓄積される。クロック信号
ＣＫの積算値に基づく時間ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃，・・・
は、ＦＩＦＯメモリ回路３８からマイクロコンピュータ
３２へ逐次出力される。

【００２３】ここで、図３（６）に示すように、時間ｔ
₁，ｔ₂の差分Δｔ₁₂、時間ｔ₂，ｔ₃の差分Δｔ₂₃、
時間ｔ₃，ｔ₄の差分Δｔ₃₄、・・・を求めてみる。す
ると、差分Δｔ₁₂を除き最も小さい差分Δｔｘと位相変
調点ｘを入力した時とが対応している。したがって、マ
イクロコンピュータ３２は、間隔Δｔ₁₂，間隔Δｔ₂₃，
間隔Δｔ₃₄，・・・を算出して間隔Δｔｘを見いだす。
そして、間隔Δｔｘの立上りと立下りの中間における時
間を、送信回路部１２から送信信号ａが出力された時か
ら受信回路部１４で受信信号ｂの位相変調点ｘが入力さ
れた時までの時間ｔとする。時間ｔは、超音波Ｕが超音
波トランスデューサ８６から被測定物８４までを往復す
る時間である。したがって、超音波トランスデューサ８
６から被測定物８４までの距離Ｄは、音速をｖとすると
Ｄ＝（ｔ×ｖ）／２で与えられる。

【００２４】従来技術では超音波の波長以下の精度の確
保は困難であったが、本実施例では超音波の波長の1/10
0 程度までは安定した測定が可能である。

【００２５】また、音速ｖ[m/sec] は、温度Ｔ〔℃〕の
関数となっており、ｖ＝331.5 ＋0.607 Ｔで与えられ
る。温度Ｔは温度測定回路４２で得られるので、本実施
例によれば、温度の影響をマイクロコンピュータ３２で
補正することにより正確な測定が可能である。

【００２６】次に、時系列信号発生回路の具体的な構成
例を説明する。

【００２７】図４は時系列信号発生回路の第一構成例を
示すブロック図であり、図５は本構成例の動作を示す波
形図である。以下、これらの図面に基づき説明する。

【００２８】時系列信号発生回路２０１は、前述のマイ
クロコンピュータ３２の一部の機能と、分周器５０と、
Ｅ−ＯＲ回路５２と、ＡＮＤ回路５４とから構成されて
いる。マイクロコンピュータ３２はクロック信号Ｓ１を
出力し、分周器５０はクロック信号Ｓ１の周波数を整数
分の一に低減した分周信号Ｓ２を出力する。分周信号Ｓ
２は再びマイクロコンピュータ３２に入力される。マイ
クロコンピュータ３２は、内蔵されているタイマ機能を
用いて、制御信号Ｓ３，Ｓ４を出力する。制御信号Ｓ３
は、分周信号Ｓ２の８番目のパルスＰ₈で立ち上がり、
16番目のパルスＰ₁₆で立ち下がる波形である。制御信号
Ｓ４は、分周信号Ｓ２の１番目のパルスＰ₁で立ち上が
り、16番目のパルスＰ₁₆で立ち下がる波形である。Ｅ−
ＯＲ回路５２は、分周信号Ｓ２と制御信号Ｓ３とを入力
するので、８番目のパルスＰ₈までは分周信号Ｓ２に同
期した信号を出力し、８番目のパルスＰ₈以降は分周信
号Ｓ２に反転した信号を出力する。これにより、８番目
のパルスＰ₈で位相変調点ｘが生ずる。

【００２９】図６は時系列信号発生回路の第二構成例を
示すブロック図である。以下、この図面に基づき説明す
る。

【００３０】時系列信号発生回路２０２は、前述のマイ
クロコンピュータ３２の一部の機能と、シフトレジスタ
６０とから構成されている。シフトレジスタ６０には、
マイクロコンピュータ３２の16ビットのデータバス６２
が接続されている。マイクロコンピュータ３２は、クロ
ック信号Ｓ１０の立ち上がりに同期して、データバス６
２を介して「1010101001010101」というパターンをシフ
トレジスタ６０書き込み、シフトレジスタ６０からこの
パターンを順次出力させる。これにより、位相変調点ｘ
「…00…」を含んだ送信信号ａが発生する

【００３１】

【発明の効果】送信信号に位相変調点を形成すると共に
受信信号の位相変調点に基づき距離を算出することによ
り、受信信号の振幅の大小の影響を排除できるので、受
信信号の振幅のしきい値に基づき距離を算出する従来技
術に比べて、測定精度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波距離測定装置の基本的構成
を示すブロック図である。

【図２】本発明に係る超音波距離測定装置の一実施例を
示すブロック図である。

【図３】図２の超音波距離測定装置の動作を示す波形図
であり、図３（１）乃至図３（６）は各構成要素におけ
る信号波形である。

【図４】図２の超音波距離測定装置における時系列信号
発生回路の第一構成例を示すブロック図である。

【図５】図４は時系列信号発生回路の動作を示す波形図
である。

【図６】図２の超音波距離測定装置における時系列信号
発生回路の第二構成例を示すブロック図である。

【図７】従来の超音波距離測定装置を示すブロック図で
ある。

【図８】図７の超音波距離測定装置の動作を示す波形図
であり、図８（１）乃至図８（４）は各構成要素におけ
る信号波形である。

【図９】図７の超音波距離測定装置の測定誤差を説明す
るための波形図である。

【符号の説明】

１０超音波距離測定装置１２送信回路部１４受信回路部１６時間測定部１８距離算出部２８ゼロクロスコンパレータ３０位相変調点検出手段８４被測定物８６超音波トランスデューサａ送信信号ｂ受信信号ｘ位相変調点Ｕ超音波

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】位相変調点を含む電気的な送信信号を出
力する送信回路部と、この送信回路部から出力された前
記送信信号を超音波に変換すると共にこの超音波の被測
定物からの反射波を電気的な受信信号に変換する超音波
トランスデューサと、この超音波トランスデューサで変
換された前記受信信号を入力する受信回路部と、前記送
信回路部から前記送信信号が出力された時から前記受信
回路部で前記受信信号の位相変調点が入力された時まで
の時間を測定する時間測定部と、この時間測定部で測定
された前記時間に基づき前記超音波トランスデューサと
前記被測定物との間の距離を算出する距離算出部とを備
えたことを特徴とする超音波距離測定装置。
【請求項２】前記受信回路部には前記受信信号を入力
するゼロクロスコンパレータが設けられ、前記時間測定
部には前記ゼロクロスコンパレータの出力信号の変化す
る時間に基づき前記位相変調点を検出する位相変調点検
出手段が設けられたことを特徴とする請求項１記載の超
音波距離測定装置。