JPS62293175A - 超音波測定装置 - 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］ 本発明は、所定振幅の超音波を被検出物体に投射し、当
該超音波の反射到来を検出するよう構成した、超音波ス
イッチや超音波センサなどめ超音波測定装置に関するも
のである。

更に、詳述すれば、本発明は、パルス状の超音波を発信
してその超音波が被検出物体から反射して戻って来るま
での時間を測定することにより、予め設定した距離以内
または領域内の物体の有無判別を行う超音波スイッチや
、その距離を計測する超音波距離センサなどの超音波測
定装置に関するものである。

［従来の技術とその問題点］ 従来から、超音波スイッチまたは超音波センサは、物体
からの反射波を検知して動作するよう構成されている。

第３図は、反射式超音波スイッチにおける超音波の伝播
状態を説明する図である。本図において、１４は超音波
スイッチ、：５は被検出物体、Ｔは発信波、Ｒは反射波
、φは超音波ビーム系、θは指向角である。物体からの
反射波は、本図に示すように、超音波スイッチ１６の面
位置においてビーム径が反射物体面上における超音波ビ
ーム径φの２倍になる。

したがって、第４図に示すように、２個以上の超音波ス
イッチを近接して使用しようとすると、互いに隣の超音
波スイッチの反射波を受け、誤動作をしていまうという
欠点があった。ここで、１６は超音波スイッチＡ、１７
は超音波スイッチＢ、＋８は被検出物体Ａ１１９は被検
出物体Ｂ、ｅはスイッチ１７への反射波、ｆはスイッチ
１６への反射波、θは指向角である。

また、透過式超音波スイッチにおいても超音波ビームは
ある指向角をもって受信側に放射されているため、セン
サ間の距離が長（なる程超音波ビーム径は拡がり、セン
サの大きさを越えると隣接センサにも超音波ビームが入
射してしまうことになる。従って、透過式超音波スイッ
チも、反射式超音波スイッチと同様、近接して配置する
ことができないという欠点がある。

そこで、このような現象を防止するために発信信号の指
向角θを小さくすることは有効であるが、反射物体の反
射面が粗い場合、あるいは反射物体までの反射が遠い場
合などのときには、充分な防止対策となり得ない。

また、相対的に発振周波数の異る超音波スイッチを使用
することも可能であるが、振動子のＱ値が大であるため
、大幅に発振周波数の異る超音波スイッチを人手するこ
とは困難である。

しかも、僅かな周波数の相違を弁別するために高絹度か
つ高安定・高周波の計測器を用意することは実用に適し
ない。

更に、共振周波数が少しずつ異なった振動子を多数用意
することは、量産性を有する超音波スイッチとしてコス
トの上昇および製品管理上における問題の発生を招来し
てしまうという欠点がある。

［発明の目的コ 本発明の目的は、上述の点に鑑み、超音波スイッチ等を
近接して使用した場合にも、相互干渉を生じないよう構
成した超音波測定装置を提供することにある。

［発明の要点］ 本発明では、超音波スイッチあるいは超音波センサに変
調回路を設け、特定の変調周波数でキャリアを変調して
送波するとともに、反射超音波の変調周波数を検出する
回路を受信部に設け、自画の変調信号と同一の信号を受
信したときにのみ出力信号を送出するように構成する。

このことにより、複数個の超音波スイッチ等を近接して
使用する際にも、相互干渉を防止することができる。

［発明の実施例コ 第１図は、本発明を適用した超音波スイッチの一実施例
を示すブロック図である。ここで、１はキャリア周波数
発振回路、２は変調周波数発振回路、３は変調回路、４
は変調周波数切替えスイッチ、５はパルス幅変調回路、
６はパルス信号発生回路、７は電力増幅器、８は送波器
、９は被検出物体、１０は受波器、＋１は増幅回路、１
２は復調回路、１３はコンパレータ、１４はカウンタ、
１５はリセットパルス発生回路、１６はクロック信号発
生回路、１７は一致検出回路、１８は反射時間計測用コ
ンパレータ、１９は反射時間計測回路、２０は出力制御
回路である。

第２図は、第１図の動作を示す波形図であり、２台の超
音波スイッチを接近して使用した場合の状態を表してい
る。すなわち、先に述べた第４図の如く、２台の超音波
スイッチを近接して配置した場合の波形図である。本図
中のＡ−Ｆは、第１図に示した各々の出力信号Ａ−Ｆを
表している。

次に、第１図および第２図を参照して本実施例の動作を
説明する。

いま、２つの超音波スイッチを近接配置した場合を想定
し、一方の超音波スイッチの変調周波数をｆ　ｌ１ｌａ
　、他方の超音波スイッチの変調周波数をｆｍｂに選択
したものとする。

まず、キャリア周波数発振回路１において、使用振動子
の共振周波数に適合した周波数ｆｍを有するキャリア信
号を発振する。次に、変調周波数発振回路２ａまたは２
ｂから送出される変調信号（ｆｏまたはＬｂの周波数を
有する）に基づいて、変調回路３はキャリア信号の変調
を行う。ここで用いる変調方式として、周波数変調（Ｆ
Ｍ変調）あるいは振幅変調（ＡＭ変調）のいずれを用い
ることも可能であるが、対ノイズ性・段差のある反射体
からの反射波などを考慮した場合には、ＦＭ方式が優れ
ている。

反射式超音波スイッチに適合したパルス状の音波を出力
させるため、変調回路３によって変調されたキャリア信
号はパルス幅変調回路５において一定時間だけ継続する
信号列に変換される（第２図示の信号ＡおよびＡ′参照
；第２図ではキャリア周波数と変調周波数の関係を理解
し易くするためＡＭ変調方式を採る）。

パルス変調された信号は電力増幅器７で増幅され、送波
器８から被検出物体９に向って超音波が放射される。

被検出物体９からの反射波は受波器ｌＯにおいて音習・
電気変換される。なお、第１図に示す実施例では送波器
と受波器を別々に示しであるが、１つの振動子を用いて
送受波器を兼ることもできる。

受波器ｌＯにより受波された超音波は増幅器１１に導入
される。このとき、第４図に示したように、近接配置し
た隣の超音波スイッチから送出された超音波の反射波も
受信してしまうことがある。これが相互干渉であり、第
２図に示す信号Ｂはかかる状態を示している。

増幅器１１から出力された信号は、２つの処理系に同時
に導入される。第１の処理系は、反射時間を計測しく回
路１９により行う）、予め設定された距離または領域に
対しどのような位置に被検出物体があるかを計測判別す
る回路である。第２の処理系は、復調回路（検波回路を
含む）１２を介して変調波成分を取り出す回路である。

第２の処理系において復調回路１２に導入された信号は
変調波に復元される（第２図示の信号Ｃ参照）。復調回
路１２から送出された信号はコンパレータ１３において
波形整形かなされ（第２図示の信号り参照）、そのパル
ス数がカウンタ１４で計測される。なお、このカウンタ
１４は、イ言号りがハイレベルを呈している時間を測定
し、これにより変調信号の周波数を検出するよう構成す
ることも可能である。

カウンタ１４により変調周波数が測定されると、その変
調周波数は、送波器８から送出された超音波によるもの
であるか、あるいは、隣接した超音波スイッチの相互干
渉によるものであるかを、一致検出回路１７で判定する
。

そして、第２の処理系で得られた変調周波数が口器の発
した信号によるものであると認識されたときには、次に
詳述するように、出力制御回路２０から距離情報信号Ｇ
が出力される。その後、予め設定された検出距離もしく
は検出領域と比較し、超音波スイッチとしての出力を送
出する（かかる構成については、図示せず）。

なお、第１図に示した実施例では各部の機能を説明する
ために個別のブロックとして表示しであるが、キャリア
周波数発振回路１、変調周波数発振回路２ａおよび２ｂ
、カウンタ１４、−数枚出回路１７、反射時間計測回路
１９などはマイクロコンピュータに首き換えることも可
能である。

次に、本実施例特有の相互干渉防止機能について詳述す
る。

まず、パルス信号発生回路６から信号が送出されると、
反射時間計測回路１９は時間計測を開始する。そして、
コンパレータ１８から送出される第１のパルスα（第２
図参照）の立上りタイミングにて計時情報Ｔを記憶しく
ラップタイム計時）、更に第２のパルスβが生じるまで
計時を継続する。

すなわち、反射時間計測回路１９からは２種類の超音波
伝播時間Ｔｄ　　およびＴρ　が得られる。このうち、
一方の計測時間は目量が送出した超音波によるデータ、
他方の計測時間は相互干渉により得られた偽のデータで
ある。

これら計測時間Ｔ払　　およびＴｒ４　　のうち真のデ
ータを選択するため、−数枚出回路１７から一致信号が
出力されたときにのみ出力制御回路２０のゲートを開き
、真の距離情報信号Ｇを出力する。

次に、上述した変調周波数の許容範囲について説明する
。

いま、振幅変調を行う場合を想定すると、ｅｍ（ｔ）　
＝　（Ｅｃ　ｔ　ｒａ珈”−ｆｍ　）声’ｅｆここで、 εＣ：搬送波の振幅 ω０．搬送波の角周波数 Ｅ、：変調波の振幅 ω０．変調波の角周波数 よって、変調波信号を忠実に伝送するのに必要な帯域幅
は２ｆＩＩｌである。

一方、超音波振動子の共振周波数をｆＣとしたとき、そ
の帯域幅△ｆは、振動子のＱがＱｏとすれば、 ｆＣ △ｆ　＝　− よって、忠実に変調波を送出するには、ｆＣ ｆｌｌｌ＜　− ２Ｑ。

一方、変調周波数の下限は、送波時間（送波パルス幅）
をＴ１とすれば、 よって、振幅変調時のｆｍは また、周波数変調においては、 ここで、 ωＣ：無変調時の搬送角周波数 ωｄ：信号振幅に比例して変化する角周波数ωい：変調
波の角周波数 いま、△ωを最大角周波数偏倚とし、そのときのＱをＱ
ｏとすれば、 であり、周波数スペクトラムを適当に抑えるものとして
ｍｆ−１に設定すれば、 ω、＝ω１となる。

また、ω。＝△ωとすれば、 ｆｃ ｆｆｆｌ＜　− Ｏ よって、振幅変調および周波数変調時において共に満足
する条件は　　　〈ｆ□＜ｆｃ　　であるＴ、　　　　
　　　　　　２　Ｑ。

（このときのｍｆはｍｆ−２）。

［発明の効果］ 以上詳述したとおり、本発明によれば、超音波スイッチ
等のキャリア信号を変調し、受波信号から変調波信号を
抽出し、その周波数をチェックすることにより自己が送
出した超音波であるか否かを判定するよう構成しである
ので、近接配置したことに起因して生じる相互干渉によ
る誤動作を防止することができ°る。

また、本発明によれば、従来のパルス幅チェック方式な
いしパルス数チェック方式が帯有している■振動子の機
械的振動による圧制（振動立上りの遅延、残存振動）に
より、送受波パルス幅を正確に把握し得ないこと、■段
差のある被検出物体面からの反射によるパルス幅の増加
、■コンパレータレベルの変動によりパルス幅の減少、
などの欠点を除去することができる。

更に、本発明では到来した超音波が相互干渉によるもの
であるか否かを判別するために、キャリア周波数の差異
を正確に検出する必要がないので、変調周波数検出用の
廉価な低周波カウンタを用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した超音波スイッチの一実施例を
示すブロック図、 第２図は本実施例の動作を示す波形図、第３図は超音波
スイッチにおける超音波の伝播状態を説明する図、 ｉ４図は２台の超音波スイッチを近接して使用した場合
の反射波の進行について説明する図である。 １・・・キャリア周波数発振回路、 ２・・・変調周波数発振回路、 ３・・・変調回路、 ４・・・変調周波数切替えスイッチ、 ５・・・パルス幅変調回路、 ６・・・パルス信号発生回路、 ７・・・電力増幅器、 ８・・・送波器、 ９・・・被検出物体、 １０・・・受波器、 １１・・・増幅回路、 １２・・・復調回路、 １３・・・コンパレータ、 １４・・・カウンタ、 １５・・・リセットパルス発生回路、 １６・・・クロック信号発生回路、 １７・・・−数構出回路、 １８・・・反射時間計測用コンパレータ、１９・・・反
射時間計測回路、 ２０・・・出力制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）所定振幅の超音波を被検出物体に投射し、当該超音
   波の反射到来を検出する超音波測定装置において、 特定の変調周波数にてキャリア信号を変調する変調手段
   と、 前記変調手段の出力信号を導入して送出用超音波を発生
   する送波手段と、 被検出物体から反射された超音波のキャリア変調周波数
   を検出する検出手段とを備え、 前記送波手段から送出された超音波のみを検出するよう
   にしたことを特徴とする超音波測定装置。 ２）前記特定の変調周波数ｆ＿ｍは、超音波送波時間Ｔ
   ＿ｗとキャリア信号周波数ｆ＿ｃに対し、１／Ｔ＿ｗ＜
   ｆ＿ｍ＜ｆ＿ｃ／（２Ｑ＿０）（Ｑ＿０は超音波振動子
   のＱ値） なる関係に設定するようにしたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の超音波測定装置。