JPH08271626A - 超音波測距システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】同期信号伝送用のケーブル線を用いることな
く、超音波の伝送可能距離に対応する比較的長い距離の
測定を正確に行うことのできる超音波測距システムを提
供する。 【構成】距離を測定すべき二箇所にそれぞれ設置される
送信装置３０と受信装置４０を設ける。送信装置３０
に、所定の超音波パルスを送信する超音波送信部３３
と、超音波パルスの送信に同期して光信号を送信する光
信号送信部３２とを備える。受信装置４０に、超音波送
信部３３から送信された超音波パルスを受信する超音波
受信部４２と、光信号を受信する光信号受信部４１と、
光信号の受信時から超音波パルスの受信時までの時間を
計時する計時部４５と、計時部４５での計時時間と超音
波の伝搬速度とに基づき送信装置３０と受信装置４０と
の間の距離を算出する演算回路４６とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、二箇所間の距離を超音
波を用いて非接触で測定するための超音波測距システム
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の超音波測距システムとし
ては、図３に示す反射型のものと、図４に示す透過型の
ものとが存在し、反射型の超音波測距システムは以下の
ようにして距離を測定する。すなわち、コントロール回
路１からの駆動指令信号により周期的に駆動されるパル
ス送信回路２は、予め設定された周波数および波形の駆
動信号を出力して送信用超音波振動子３から超音波パル
スを送信させる。この超音波パルスが離間距離を測定す
べき対象物体４で反射した反射波は受信用超音波振動子
５に受波されて電気信号に変換され、この電気信号が受
信回路６で増幅検波されたのちにコントロール回路１に
入力される。このとき、カウンタ回路７は、コントロー
ル回路１からの指令に基づき超音波パルスの送信時点か
ら受信時点まで基準パルス発生回路８の基準パルス数を
計数する。コントロール回路１は、カウンタ回路７の計
数値に対応する超音波パルスの往復所要時間と超音波の
伝搬速度とに基づき演算して、対象物体４までの距離を
算出する。

【０００３】一方、透過型の超音波測距システムは以下
のようにして距離を測定する。すなわち、距離を測定す
べき二箇所に送信装置１０および受信装置２０を相対向
させて個々に設置する。そして、送信装置１０におい
て、制御部１１は一定の周期でパルス送信回路１２に対
し駆動指令信号を出力し、それと同時に同期信号送信回
路１４に対し同期信号を出力する。パルス送信回路１２
は、予め設定された周波数および波形の駆動信号を出力
して送信用超音波振動子１３から超音波パルスを送信さ
せる。同期信号送信回路１４はケーブル線９を介して受
信装置２０の制御部２４に同期信号を送信する。

【０００４】つぎに、受信装置２０において、制御部２
４は上記同期信号の受信と同時にカウンタ回路２４のセ
ット端子Ｓに対し信号出力する。それにより、カウンタ
回路２５は基準パルス発生回路２７の基準パルスの計数
動作を開始する。つぎに、受信用超音波振動子２１が送
信装置１０からの超音波パルスを受波して電気信号に変
換すると、この電気信号は増幅回路２２で増幅されたの
ちに検波回路２３で検波される。検波回路２３は、検波
により送信装置１０からの所定の超音波パルスを得る
と、カウンタ回路２５に対しリセット端子Ｒへの信号出
力により計数動作を停止させる。演算回路２６は、カウ
ンタ回路２５の計数値に対応する超音波の伝搬に要した
時間と超音波の伝搬速度とに基づいて両装置１０、１１
間の距離を演算し、且つ出力部２８を通じて出力する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３の
反射型の超音波測距システムでは、測定可能距離が送信
用超音波振動子３から送信される超音波の伝送可能距離
の半分以下であるため、数メートル程度の比較的短い距
離の測定にしか利用することができず、適用範囲が狭
い。例えば、車庫内での作業に伴い移動される電車の車
間距離の測定などのように、数十メートルといった比較
的長い距離の測定には利用することができない。

【０００６】一方、透過型の超音波測距システムでは、
超音波の伝送可能距離に対応する比較的長い距離の測定
が可能であるが、送信装置１０と受信装置２０との間に
同期信号を伝送するためのケーブル線９を配線する必要
があるため、設置に手間がかかる上に、このケーブル線
９を配線できない場合には利用できない。例えば特定で
きない遠方から接近してくる物体までの距離測定には利
用できず、電車の追突防止装置や工場内に敷設されたレ
ール上を移動する製品自動搬送車の衝突防止装置などの
ように、移動する物体間の距離測定などには、ケーブル
線９をも同時に移動させる必要があることから、利用す
るのが困難である。

【０００７】そこで本発明は、同期信号伝送用のケーブ
ル線を用いることなく、超音波の伝送可能距離に対応す
る比較的長い距離の測定を正確に行うことのできる超音
波測距システムを提供することを目的とするものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明の超音波測距システムは、距離を測定す
べき二箇所にそれぞれ設置される送信装置と受信装置を
有し、前記送信装置に、所定の超音波パルスを送信する
超音波送信部と、上記超音波パルスの送信に同期して光
信号を送信する光信号送信部とを備え、前記受信装置
に、前記超音波送信部から送信された超音波パルスを受
信する超音波受信部と、前記光信号を受信する光信号受
信部と、光信号の受信時から超音波パルスの受信時まで
の時間を計時する計時部と、この計時部での計時時間と
超音波の伝搬速度とに基づき前記送信装置と受信装置と
の間の距離を算出する演算回路とを備えている。

【０００９】

【作用】送信装置からは、超音波送信部からの超音波パ
ルスと光信号送信部からの光信号とが同時に且つ一定周
期で送信される。受信装置では、超音波受信部で超音波
パルスを受信し、且つ光信号受信部で光信号を受信す
る。ここで、光信号が送信装置から受信装置に到達する
時間は、数十ｍの距離範囲においては無視できる。すな
わち、光信号の送信と受信が時間的にほぼ同時に行われ
るので、この光信号は既存の透過型の超音波測距システ
ムの同期信号と同様に機能することになる。したがっ
て、受信装置における光信号と超音波パルスとを受信す
る時間差が送信装置と受信装置との距離に対応するの
で、この時間差を計時部で計時して、演算部で計時時間
と超音波の伝搬時間とを乗算する演算を行うと、両装置
間の距離が算出される。

【００１０】このように、既存の透過型の超音波測距シ
ステムと同様の計測方式であることから、測定距離は、
超音波の伝送可能距離に対応した比較的長い距離に設定
することができる。また、超音波パルスと同時に送信す
る光信号が従来の同期信号と同様に機能するので、同期
信号伝送用のケーブル線の配線が不要となる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例について図面を
参照しながら詳述する。図１は本発明の一実施例に係る
超音波測距システムを示すブロック構成図である。同図
において、送信装置３０および受信装置４０は、距離を
測定すべき２箇所に相対向させてそれぞれ設置される。
例えば、両装置３０，４０は、固定測定箇所と移動物体
とに、或いは工場内に敷設された搬送用レール上におい
て前後に配車された２台の自動搬送車に、各々相対向さ
せてそれぞれ設置される。

【００１２】送信装置３０は、装置全体を制御する制御
部３１と、制御部３１からの発振指令信号によりレーザ
ー光または赤外光などの光信号を送信する光信号送信部
３２と、制御部３１からの駆動指令信号により光信号に
同期して所定の超音波パルスを送信する超音波送信部３
３とを備えている。また、光信号送信部３２は、予め設
定された周波数で且つ波形の発光駆動信号を出力する発
振ドライブ回路３２ａと、発光駆動信号の供給により発
光して光信号を送信するレーザーダイオードまたは赤外
発光ダイオードのような投光素子３２ｂとにより構成さ
れている。超音波送信部３３は、制御部３１から駆動指
令信号を受けて予め設定された所定の周波数で且つ波形
の駆動信号を出力する駆動回路３３ａと、入力して駆動
信号を送信用超音波振動子３３ｃが発振動作するのに必
要な電圧値に昇圧する送波回路３３ｂと、送波回路３３
ｂから供給された電気発振信号を機械的振動に変換して
超音波パルス発生する送信用超音波振動子３３ｃとによ
り構成されている。

【００１３】一方、受信装置４０は、装置全体を制御す
る制御部４３と、光信号送信部３２から送信された光信
号を受信する光信号受信部４１と、超音波送信部３２か
ら送信された超音波パルスを受信する超音波受信部４２
と、光信号受信部４１の出力信号の通過を所定の同期タ
イミングで許容する同期回路４８と、この同期回路４８
を通じて入力される光信号受信部４１の出力信号を積分
して、所定の信号レベルに達した時点で出力する積分回
路４４と、光信号の受信時から超音波パルスの受信時ま
での時間を計時する計時部４５と、この計時部４５での
計時時間と超音波の伝搬速度とに基づき送信装置３０と
受信装置４０との間の距離を算出する演算回路４６と、
この演算回路４６で算出された距離信号の出力部４７と
を備えている。

【００１４】上記光信号受信部４１は、フォトトランジ
スタまたはフォトダイオードのような受光素子４１ａ
と、この受光素子４１ａから出力される微弱な電気信号
の増幅回路４１ｂと、増幅後の信号を例えばパルス波形
に整形する波形整形回路４１ｃとにより構成されてい
る。また、超音波受信部４２は、超音波パルスを受波し
て電気信号に変換する受信用超音波振動子４２ａと、こ
の超音波振動子４２ａから出力する微弱な電気信号を増
幅する増幅回路４２ｂと、この増幅信号を検波した復調
信号が超音波送信部３３に予め設定された所定の超音波
パルスであるか否かを判別し、所定の超音波パルスの受
信であると判別した時に信号出力する検波判別回路４２
ｃとにより構成されている。計時部４５は、基準パルス
発生回路４５ｂの基準パルスをカウンタ回路４５ａで計
数して計時するようになっている。

【００１５】次に、上記実施例の動作を、図２のタイミ
ングチャートを参照しながら詳述する。送信装置３０に
おいて、制御部３１は、図２（ａ）に示すように、ｔ１
時に起動信号ｓを発振ドライブ回路３２ａに対し出力す
ると、内蔵タイマをクリアしたのちに一定時間Ｔ１の計
時動作を開始し、且つ一定時間Ｔ１を計時する毎にクリ
アして一定時間Ｔ１の計時動作を継続する。起動信号ｓ
を受けた発振ドライブ回路３２ａは、図２（ｂ）に示す
ように、予め設定された時間Ｔ２だけ発振動作を行って
投光素子３２ｂを発光駆動し、起動用光信号Ｅを送信さ
せる。制御部３１は、図２（ａ）に示すように、起動信
号ｓを出力したｔ１時から内蔵タイマが計時した一定時
間Ｔ１の経過毎に発振指令信号および駆動指令信号を発
振ドライブ回路３２ａおよび駆動回路３３ａに対し同一
タイミングで出力する。

【００１６】発振ドライブ回路３２は、図２（ｂ）に示
すように、発振指令信号を受ける毎に起動信号ｓとは異
なる時間Ｔ３だけ発振動作を行って、投光素子３２ｂを
発光駆動して同期用光信号ｓｓを送信させる。一方、駆
動回路３３ａは、駆動指令信号ｄｓを受ける毎に予め設
定された所定の周波数で且つ波形の駆動信号を送波回路
３３ｂに対し出力する。送波回路３３ｂは受けた駆動信
号を送信用超音波振動子３３ｃが発振動作するのに必要
な電圧値に昇圧して超音波振動子３３ｃに供給すると、
超音波振動子３３ｃは、図２（ｃ）に示すように、供給
された電気発振信号を機械的振動に変換して、駆動回路
３３ａに設定された所定の超音波パルス、つまり周期が
一定で所定個数（実施例では２個を例示）のパルス列の
計時用超音波パルスＴＳを発生し、且つ受信装置４０に
向け送信する。

【００１７】受信装置４０において、図２（ｄ）に示す
ように、受光素子４１ａがｔ１時に起動用光信号Ｅを受
光して電気信号に変換する。受光素子４１ａの出力信号
は、増幅回路４１ｂおよび波形整形回路４１ｃで増幅お
よび波形整形されたのちに同期回路４８に入力される。
同期回路４８は、起動用光信号Ｅが入力されるまでは信
号の通過を許容せず、当該信号が入力されたのちには駆
動指令信号ｄｓに対応した一定の同期タイミングで信号
の通過を許容する。

【００１８】次に、図２（ｄ）に示すように、受光素子
４１ａが起動用光信号Ｅを受光したのちのｔ２時に同期
用光信号ｓｓを受光すると、この光信号ｓｓが増幅およ
び波形整形されたのちに同期回路４８を通って積分回路
４４で積分され、積分回路４４は一定の信号レベルに達
した時にカウンタ回路４５ａのセット端子Ｓに対し信号
出力する。それにより、カウンタ回路４５ａは、図２
（ｆ）に示すように、基準パルス発生回路４５ｂの基準
パルスの計数動作を開始する。ここで、光信号が送信装
置３０から受信装置４０に到達するのに要する時間は、
数十ｍの範囲においては無視できる程度に極めて短い。
したがって、光信号送信部３２から同期用光信号ｓｓが
送信されるとほぼ同時に計時部４５が計時動作を開始す
ることになる。

【００１９】図２（ｅ）に示すように、超音波受信部４
２の受信用超音波振動子４２ａが超音波送信部３２から
ｔ２時に送信された超音波パルスをｔ３時に受波して電
気信号に変換すると、この電気信号が増幅回路４２ｂで
増幅されたのちに検波判別回路４２ｃに入力される。検
波判別回路４２ｃでは、検波したパルス信号が超音波送
信部３２に設定された所定のパルス列の超音波パルスで
あるか否かを判別し、所定の超音波パルスを受信したと
判別した時のみカウンタ回路４３ａのリセット端子Ｒに
対し信号出力する。これにより、外乱光の受光などによ
る誤動作を確実に防止できる。

【００２０】いま、超音波受信部４１では、図２（ｅ）
に示すように、超音波送信部３２からの所定の超音波パ
ルスを受信したので、検波判別回路４２ｃからカウンタ
回路４５ａのリセット端子Ｒに対し信号出力する。カウ
ンタ回路４５ａは、図２（ｆ）に示すように検波判別回
路４２ｃからリセット端子Ｒに信号を受けてカウント動
作を停止するととともに、それまでのカウント数に対応
する計時時間Ｔ４を演算回路４６に対し出力する。演算
回路４６では、計時部４５から計時信号Ｔ４を受ける
と、超音波の伝搬速度と計時時間Ｔ４とに基づき送信装
置３０と受信装置４０間の距離を演算する。すなわち、
超音波の伝搬速度をｃとすると、両装置３０，４０間の
距離Ｌは、Ｌ＝ｃ×Ｔ４の式に基づき算出される。この
算出された距離信号は、出力部４６から出力されるとと
もに、制御部４３に入力される。制御部４３は演算結果
による距離信号に基づき増幅回路４１ｂの増幅率をコン
トロールする。

【００２１】以上により距離測定の１サイクルが終了
し、続いて上述と同様の動作を繰り返して両装置３０，
４０間の距離Ｌの測定を継続する。図２には、両装置３
０，４０が近接するよう移動して、図２（ｆ）のよう
に、カウンタ回路４５ａでの計時時間Ｔ４〜Ｔ７が徐々
に短くなっていく状態を示している。

【００２２】

【発明の効果】以上のように本発明の超音波測距システ
ムによれば、送信部から同期用の光信号と計時用の超音
波パルスとを同時に送信するとともに、受信装置におい
て、光信号の受信時から超音波パルスの受信時までの時
間差を計時して、この計時時間と超音波の伝搬時間とに
より両装置間の距離を算出する構成としたので、送信か
ら受信までの時間が無視できる光信号により超音波の伝
搬時間の計時動作の開始タイミングを設定できることか
ら、ケーブル線の配線が不要となり、設置時の省力化を
図れるととともに、特定できない遠方から接近してくる
物体までの距離の測定や、電車の追突防止装置や製品自
動搬送車の衝突防止装置などの移動する物体間の距離測
定などの種々の用途に利用することができる。しかも、
既存の透過型と同じ測距方式であることから、測定距離
を超音波の伝送可能距離に対応した比較的長い距離に設
定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る超音波測距システムを
示すブロック構成図である。

【図２】上記実施例のタイミングチャートで、（ａ）は
第１の超音波送信部からの送信信号、（ｂ）は第１の超
音波受信部の受信信号、（ｃ）は第１の装置の計時部の
計時動作、（ｄ）は第２の超音波送信部からの送信信
号、（ｅ）は第２の超音波受信部の受信信号、（ｆ）は
第２の装置の計時部の計時動作をそれぞれ示す。

【図３】従来の超音波測距システムのブロック構成図で
ある。

【図４】従来の他の超音波測距システムのブロック構成
図である。

【符号の説明】 ３０ 送信装置 ３２ 光信号送信部 ３３ 超音波送信部 ４０ 受信装置 ４１ 光信号受信部 ４２ 超音波受信部 ４５ 計時部 ４６ 演算部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】距離を測定すべき二箇所にそれぞれ設置さ
   れる送信装置と受信装置を有し、 前記送信装置に、 所定の超音波パルスを送信する超音波送信部と、 上記超音波パルスの送信に同期して光信号を送信する光
   信号送信部とを備え、 前記受信装置に、 前記超音波送信部から送信された超音波パルスを受信す
   る超音波受信部と、 前記光信号を受信する光信号受信部と、 光信号の受信時から超音波パルスの受信時までの時間を
   計時する計時部と、 この計時部での計時時間と超音波の伝搬速度とに基づき
   前記送信装置と受信装置との間の距離を算出する演算回
   路とを備えたことを特徴とする超音波測距システム。