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JPS6117081A - Ultrasonic sensor - Google Patents

Ultrasonic sensor

Info

Publication number
JPS6117081A
JPS6117081A JP13867284A JP13867284A JPS6117081A JP S6117081 A JPS6117081 A JP S6117081A JP 13867284 A JP13867284 A JP 13867284A JP 13867284 A JP13867284 A JP 13867284A JP S6117081 A JPS6117081 A JP S6117081A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
signal
ultrasonic
frequency
output
oscillator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP13867284A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masatsune Kosaka
正恒 香坂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Omron Corp
Original Assignee
Tateisi Electronics Co
Omron Tateisi Electronics Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tateisi Electronics Co, Omron Tateisi Electronics Co filed Critical Tateisi Electronics Co
Priority to JP13867284A priority Critical patent/JPS6117081A/en
Publication of JPS6117081A publication Critical patent/JPS6117081A/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06Systems determining the position data of a target
    • G01S15/08Systems for measuring distance only

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

PURPOSE:To enable the detection of distance to an object with an ultrasonic sensor, by moving an ultrasonic vibrator at a uniform speed in the direction of transmitting or receiving waves to differentiate the transmission frequency from the oscillation frequency equivalently. CONSTITUTION:An FSK modulation cycle setting section 14 corrects the FSK cycle Ta corresponding to a measuring distance to calculate the residual epsilon between the measuring distance and the FSK cycle based on the output of a phase comparator 10 and performs an adjustment to keep the epsilon below a specified value so that the output of a repetitive FSK demodulating section 9 may remain H continuously. By so doing, the distance to an object corresponding to the FSK cycle Ta reduces gradually to the H level. At this point, the position of an object to be detected is obtained by zero method mode and a signal of the distance to the object with an absolute value output signal convertor section 17. If so, the output of the absolute value output signal convertor section 17 gives the distance to the object as it is unless the object moves. An ultrasonic vibrator is moved at a uniform speed in the direction of transmitting and receiving waves to differentiate the transmission frequency from the oscillation frequency equivalently thereby enabling the detection of distance to an object.

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は物体に超音波を送出し、その反射信号が得られ
るまでの時間に基づいて物体までの距離を検出する超音
波センサに関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic sensor that transmits ultrasonic waves to an object and detects the distance to the object based on the time it takes to obtain a reflected signal.

従来技術とその問題点 CW方式の超音波センサの場合には静止物体の検出を一
つの超音波変換素子によって行うことは困難である。超
音波振動子を周期的に駆動するパルス駆動方式によれば
パルス周期により感知応答時間の制約が生じ、センサ近
傍の物体を検出することができず、又受波信号を抽出す
るためのゲート回路が複雑となり自動測定の実現が困難
になるという問題点がある。又反射板として被検知物体
に定周波振動板を設けることによってCW方式により一
つの超音波変換素子による送受波を実現することが可能
であるが、被検知物体を特定し又反射板に対して給電が
必要になるので構造が複雑になり容易に検出することが
できないという問題点がある。更にCW方式により一つ
の送受波振動子によるセンサを実現するための手段とし
て、無線測定分野の計器航法用の電波高度針として広く
知られている技術(吉村・藤森著、啓学出版「レーダ光
学の基礎」参照)を転用して周波数が連続して変化する
FM信号により超音波振動子を駆動し、受渡信号の周波
数成分との差のビート周波数によって伝播時間を知る方
式が考えられる。
Prior art and its problems In the case of a CW type ultrasonic sensor, it is difficult to detect a stationary object using one ultrasonic transducer element. According to the pulse drive method that drives the ultrasonic transducer periodically, the sensing response time is limited by the pulse period, making it impossible to detect objects near the sensor, and requiring a gate circuit to extract the received signal. There is a problem in that the process becomes complicated and automatic measurement becomes difficult. In addition, by providing a constant frequency diaphragm on the object to be detected as a reflector, it is possible to transmit and receive waves using a single ultrasonic transducer element using the CW method. Since power supply is required, the structure becomes complicated and there is a problem in that it cannot be easily detected. Furthermore, as a means to realize a sensor using a single transmitting and receiving oscillator using the CW method, we have developed a technology widely known as a radio wave altitude needle for instrument navigation in the field of wireless measurement (Yoshimura and Fujimori, Keigaku Publishing, ``Radar Optics''). A conceivable method is to drive an ultrasonic transducer with an FM signal whose frequency changes continuously, and to determine the propagation time based on the beat frequency that is the difference from the frequency component of the delivered signal.

しかしながら超音波振動子として広く用いられているの
は共振型の電歪式変換素子であるが、この振動子は広帯
域の信号を変換することができずこのようなFM型の超
音波センサに適用することができないという問題点があ
った。
However, resonant electrostrictive transducers are widely used as ultrasonic transducers, but these transducers cannot convert broadband signals and are not applicable to such FM-type ultrasonic sensors. The problem was that it could not be done.

発明の目的 本拠明はこのような超音波センサの問題点に鑑みてなさ
れたものであって、超音波振動子を送受波方向に等速運
動させることによって等測的に送波周波数を発振周波数
と異ならせ、物体までの距離を検知すること示できる超
音波センサを提供することを目的とする。
The purpose of the invention has been made in view of the problems of ultrasonic sensors as described above.The invention is based on the above-mentioned problem of ultrasonic sensors. An object of the present invention is to provide an ultrasonic sensor that can detect the distance to an object.

発明の構成と効果 本発明は物体に超音波を送出し物体までの距離を検出す
る超音波センサであって、電気信号と超音波とを変換す
る超音波振動子と、一定の周波数の信号を出力子る駆動
信号発生器と、超音波振動子を保持し駆動信号発生器の
出力によって駆動され超音波振動子の送波方向に沿って
等速往復運動を行うアクチュエータと、一定周波数で超
音波振動子を駆動する超音波発振器と、超音波振動子に
得られる被検知物体からの反射信号に基づいて送受波周
波数の差の周波数の信号を抽出する差周波数信号検出手
段と、アクチュエータの往復運動の位相と差周波数信号
検出手段より得られる送受波差信号の位相を比較する位
相差検出手段と、を具備し、位相差検出手段の出力によ
り物体の位置を検出ように構成したことを特徴とするも
のである。
Structure and Effects of the Invention The present invention is an ultrasonic sensor that sends ultrasonic waves to an object and detects the distance to the object. A drive signal generator with an output, an actuator that holds an ultrasonic vibrator and is driven by the output of the drive signal generator to perform constant reciprocating motion along the wave transmission direction of the ultrasonic vibrator, and generates ultrasonic waves at a constant frequency. An ultrasonic oscillator that drives a transducer, a difference frequency signal detection means that extracts a signal of a difference between the transmitting and receiving frequencies based on a reflected signal from a detected object obtained by the ultrasonic transducer, and reciprocating motion of an actuator. and a phase difference detection means for comparing the phase of the transmitted and received wave difference signal obtained by the difference frequency signal detection means, and configured to detect the position of the object by the output of the phase difference detection means. It is something to do.

このよう卒特徴を有する本発明によれば、超音波振動子
自体を等速で送波方向に振動させドツプラー効果によっ
てその周波数を変えるようにしているため、共振型の超
音波振動子を用いて振動子の周波数と異なった周波数の
超音波を送波することができる。そして受波信号のドツ
プラー周波数帯域を容易に抽出することができS/N比
の高い超音波センサを提供することが可能である。又零
位法モードによって物体の絶対位置を検知することが可
能であり、更に物体の位置までの距離に合わせて超音波
振動子を前後に振動させる周期を設定することによって
位相比較回路からの出力を所定値に保つことができ、そ
の位置からの変位を位相差として抽出すれば容易に物体
位置を検出することが可能となる。従ってロボットアー
ム等制御系と一体になって使い易い超音波センサを提供
することが可能となる。
According to the present invention having such characteristics, since the ultrasonic transducer itself is vibrated at a constant velocity in the wave transmission direction and its frequency is changed by the Doppler effect, it is possible to use a resonant ultrasonic transducer. Ultrasonic waves with a frequency different from the frequency of the vibrator can be transmitted. Furthermore, it is possible to easily extract the Doppler frequency band of the received signal and provide an ultrasonic sensor with a high S/N ratio. In addition, it is possible to detect the absolute position of an object using the zero position method mode, and by setting the period for vibrating the ultrasonic transducer back and forth according to the distance to the object position, the output from the phase comparison circuit can be detected. can be maintained at a predetermined value, and the object position can be easily detected by extracting the displacement from that position as a phase difference. Therefore, it is possible to provide an easy-to-use ultrasonic sensor that is integrated with a control system such as a robot arm.

実施例の説明 〔実施例の構成〕 第゛1図は本発明による超音波センサの一実施fj11
を示すブロック図である。本図において超音波発振器1
は一定の周波数foの超音波信号を発振する発振器であ
って、その発振出力は方向性結合器2に与えられる。方
向性結合器2は三捲線変性器又はその機能を有する電子
回路から構成され、超音波信号を超音波振動子3に伝え
ると共番こ、反射波信号を他の出力端に伝える。超音波
振動子3は超音波の送受信を行うものであって、アクチ
ュエータ4によって送波方向の前後に等速に駆動される
Description of the embodiment [Configuration of the embodiment] Fig. 1 shows an embodiment of the ultrasonic sensor according to the present invention fj11.
FIG. In this figure, ultrasonic oscillator 1
is an oscillator that oscillates an ultrasonic signal with a constant frequency fo, and its oscillation output is given to the directional coupler 2. The directional coupler 2 is composed of a three-winding transformer or an electronic circuit having the function thereof, and when it transmits an ultrasonic signal to the ultrasonic transducer 3, it transmits a reflected wave signal to another output end. The ultrasonic transducer 3 transmits and receives ultrasonic waves, and is driven by an actuator 4 at a constant speed back and forth in the wave transmission direction.

このアクチュエータ4は三角波発生部5の三角波駆動信
号によって駆動される。そして超音波振動子3に得られ
た受波信号は方向性結合器2を介して混合器6に与えら
れる。混合B6は非線形回路により形成され送受波周波
数の差の周波数を含む信号を生成するものであって、乗
算器や平衡復調器等が用いられる。混合器6の出力は送
受波周波数の差分の信号を抽出するバンドパスフィルタ
7に与えられ、バンドパスフィルタ7の出力は振幅制限
部8に与えられる。振幅制限部8は所定以上の振幅を有
する入力信号を所定幅に制限することによって風の影響
等に伴うノイズを除去するものであって、その出力はF
SX復調部9に与えられる。FSK復調部9は受波信号
の周波数に応して電位の代わる二値信号を得るものであ
って、その出力は位相比較器10に与えられる。位相比
較器10は送出する超音波信号の周波数変化の位相と受
波した超音波信号の位相とを比較するものであって、そ
の出力を信号変換部11と補正量検出部12及びモード
切換制御部13に与える。信号変換部11は与えられた
位相量に対応して信号を距離信号に変換し、変位量とし
て出力するものである。補正量検出部12は位相差信号
により位相差が0になるための補正量を求めるものであ
って、その出力を周波数可変制御部15に与える。又モ
ード切換制御部13は初期条件の設定、後述・する零位
モードと変位モードとのモード切換制御に関する条件判
定、及び状態遷移後の内部状態保持を行うものである。
This actuator 4 is driven by a triangular wave drive signal from a triangular wave generator 5. The received signal obtained by the ultrasonic transducer 3 is then given to the mixer 6 via the directional coupler 2. The mixing B6 is formed by a nonlinear circuit and generates a signal containing a frequency that is the difference between the transmitting and receiving frequencies, and uses a multiplier, a balanced demodulator, and the like. The output of the mixer 6 is given to a band pass filter 7 which extracts a signal of the difference between the transmitting and receiving frequencies, and the output of the band pass filter 7 is given to an amplitude limiting section 8. The amplitude limiter 8 removes noise caused by the influence of wind, etc. by limiting an input signal having an amplitude greater than a predetermined width to a predetermined width, and its output is F
The signal is given to the SX demodulator 9. The FSK demodulator 9 obtains a binary signal whose potential changes depending on the frequency of the received signal, and its output is given to the phase comparator 10. The phase comparator 10 compares the phase of the frequency change of the transmitted ultrasonic signal with the phase of the received ultrasonic signal, and its output is sent to the signal converter 11, correction amount detector 12, and mode switching control. Section 13. The signal conversion unit 11 converts a signal into a distance signal in accordance with a given phase amount, and outputs the distance signal as a displacement amount. The correction amount detection section 12 determines the correction amount for making the phase difference 0 based on the phase difference signal, and provides its output to the frequency variable control section 15. The mode switching control section 13 also sets initial conditions, determines conditions regarding mode switching control between zero mode and displacement mode, which will be described later, and maintains internal state after state transition.

さて被検知物体との検知距離に対応した周期はFSK変
調周期設定部14によって設定される。手動設定スイッ
チやこの超音波センサと一体になって形成される他の自
動制御系からの信号を受けることによって周期を設定す
るようにしてもよい。そしてこの設定された周期の信号
は周波数可変制御部15に与えられ、アクチュエータ4
を駆動する周波数が決定され、蚕にその出力は可変周波
数発振部16に与えられて駆動周波数の信号が形成され
る。例えば可変周波数発振部1GがV/F変換器の場合
には周波数可変制御部15はその周波数に対応する電圧
を発生するものであり、可変周波数発振部16が計数型
回路のときは計数器の進数コードに変換するものとする
Now, the period corresponding to the detection distance to the detected object is set by the FSK modulation period setting section 14. The cycle may be set by receiving a signal from a manual setting switch or another automatic control system formed integrally with this ultrasonic sensor. Then, this signal with the set period is given to the frequency variable control section 15, and the actuator 4
The frequency for driving the silkworm is determined, and its output is given to the variable frequency oscillator 16 to form a driving frequency signal. For example, when the variable frequency oscillator 1G is a V/F converter, the variable frequency controller 15 generates a voltage corresponding to the frequency, and when the variable frequency oscillator 16 is a counting type circuit, the variable frequency controller 15 generates a voltage corresponding to the frequency. It shall be converted into a hexadecimal code.

そして可変周波数発振部の出力は前述した三角発生部5
に与えられ、三角波信号によってアクチュエータ4が駆
動される。さて可変周波数発振部16の発振出力は位相
比゛較器1o及び絶対値信号出力変換部17にも同時に
与えられている。絶対値変換信号出力部17は周波数の
可変制御が収束した後、絶対値出力信号とデータ有効信
号を出力するものであって、その信号は物体までの距離
に対応したものとなっている。尚18は被検知物体が存
在しない場合又は超音波振動子3を切り離して本超音波
センサの各部の回路の試験を行うために擬似反射波を送
出する試験信号発生器である。
The output of the variable frequency oscillator is the triangular generator 5 mentioned above.
The actuator 4 is driven by the triangular wave signal. Now, the oscillation output of the variable frequency oscillator 16 is also given to the phase comparator 1o and the absolute value signal output converter 17 at the same time. The absolute value conversion signal output section 17 outputs an absolute value output signal and a data valid signal after the variable frequency control has converged, and the signals correspond to the distance to the object. Reference numeral 18 denotes a test signal generator that sends out a pseudo reflected wave when there is no object to be detected or when the ultrasonic transducer 3 is separated to test the circuits of each part of the ultrasonic sensor.

アクチュエータ4は第2図に示すように超音波ビームの
広がり方向を調整するホーン2oとその内部に形成され
たヨーク21を有しており、その中央に永久磁石22が
形成される。そして永久磁石22の外周には円筒状のカ
ップ23が設けられ、更にその外周にコイル24が形成
されており、カップ23に一体にスプリング25が設け
られホーン20の開口部に矢印Aの前後に振動自在に電
磁石部が形成されている。そしてスプリング25の中央
には矢印A方向に超音波信号を送出する超音波振動子3
が保持されている。こうして形成されたアクチュエータ
4を用いればコイル24を所定の信号で駆動することに
よって、コイル24と一体化されたスプリング25を軸
方向に所定間隔だけ振動させることができる。
As shown in FIG. 2, the actuator 4 has a horn 2o for adjusting the spreading direction of the ultrasonic beam and a yoke 21 formed inside the horn 2o, and a permanent magnet 22 is formed at the center thereof. A cylindrical cup 23 is provided on the outer periphery of the permanent magnet 22, and a coil 24 is further formed on the outer periphery of the permanent magnet 22. A spring 25 is provided integrally with the cup 23, and a spring 25 is provided at the opening of the horn 20 in the direction of the arrow A. An electromagnet part is formed to be able to vibrate freely. At the center of the spring 25 is an ultrasonic transducer 3 that sends ultrasonic signals in the direction of arrow A.
is retained. By using the actuator 4 thus formed, by driving the coil 24 with a predetermined signal, the spring 25 integrated with the coil 24 can be vibrated by a predetermined interval in the axial direction.

〔実施例の動作〕[Operation of the embodiment]

次に本実施例の動作について波形図を参照しつつ説明す
る。第3図は第1図のブロック図の各部め波形を示す波
形図である。まずFSK変調処理設定部14に外部より
被検知物体との検知距離に対応した周期が設定されるも
のとする。そうすればその設定信号が周波数可変制御部
15に伝えられ、可変周波数発振部16の発振周波数を
定める。
Next, the operation of this embodiment will be explained with reference to waveform diagrams. FIG. 3 is a waveform diagram showing waveforms of each part of the block diagram of FIG. 1. First, it is assumed that a period corresponding to the detection distance to the detected object is set in the FSK modulation processing setting section 14 from the outside. Then, the setting signal is transmitted to the variable frequency control section 15, and the oscillation frequency of the variable frequency oscillation section 16 is determined.

第3図(a)は可変周波数発振部16の出力を示すもの
であって、その出力は三角波発生部5に与えられ三角波
信号に変換される。そうすれば第2図に示すようにアク
チュエータ4のコイル24が第3図(hlに示す三角波
信号によって駆動され、それに伴ってスプリング25が
アクチュエータ4の軸方向に前後に等速で振動すること
となる。ここで超音波発振器1は前述のように周波数f
Oの電気信号を発振しているが、この信号を超音波に変
換する超音波振動子3自体が前後に振動するため、第3
図fe)に示すように超音波振動子3よりホーン20の
前方に送波される超音波信号はドツプラー効果により周
波数が変動する。即ち第3図(clに示すように超音波
振動子3が矢印入方向に一定の速度Vで変位する場合に
は、ドツプラーシフト周波数をfmとするとfm=V/
c  (c :媒体中の音速)だけ偏移する。従って送
波周波数は矢印A方向に前進する場合にはfo + f
m、後退する場合にはfo −fmとなる。このような
信号を被検知物体に向けて送波すれば被検知物体まで往
復する超音波の伝播時間Td  (=2D/c、D:対
物距離)後に超音波振動子3に第3図(d)に示すよう
に受波信号が得られることとなる。そしてこの受波信号
を同一の超音波振動子3を用いて受波して電気信号に変
換する−ことによって第3図(elに示すように階段状
の受渡信号が得られる。ここで受波信号の周波数は第3
図(C1,(d)の送受波周波数によって互いに相殺さ
れ、図示のように周波数fo+ 2fm、 fo、 f
o −2fmの間を変動する周波数を有する信号となる
。この信号が混合器6に与えられると、周波数fOとf
o + ’2 fm。
FIG. 3(a) shows the output of the variable frequency oscillator 16, which is given to the triangular wave generator 5 and converted into a triangular wave signal. Then, as shown in FIG. 2, the coil 24 of the actuator 4 is driven by the triangular wave signal shown in FIG. Here, the ultrasonic oscillator 1 has a frequency f as described above.
O's electric signal is oscillated, but since the ultrasonic vibrator 3 itself that converts this signal into an ultrasonic wave vibrates back and forth, the third
As shown in FIG. fe), the frequency of the ultrasonic signal transmitted from the ultrasonic transducer 3 to the front of the horn 20 fluctuates due to the Doppler effect. That is, when the ultrasonic transducer 3 is displaced at a constant speed V in the direction of the arrow as shown in FIG. 3 (cl), if the Doppler shift frequency is fm, then fm=V/
c (c: speed of sound in the medium). Therefore, when moving forward in the direction of arrow A, the transmission frequency is fo + f
m, and when retreating, fo - fm. If such a signal is transmitted toward the object to be detected, the ultrasonic wave will travel back and forth to the object after the propagation time Td (=2D/c, D: object distance) and the ultrasonic transducer 3 will receive ) The received signal is obtained as shown in (). Then, by receiving this received signal using the same ultrasonic transducer 3 and converting it into an electric signal, a step-like transfer signal is obtained as shown in FIG. 3 (el). The frequency of the signal is the third
The transmitting and receiving frequencies in Figure (C1, (d) cancel each other out, and as shown in the figure, the frequencies fo+2fm, fo, f
This results in a signal having a frequency that fluctuates between o -2fm. When this signal is given to the mixer 6, the frequencies fO and f
o + '2 fm.

fo  2fmの差の信号が得られ、その出力がバンド
パスフィルタ7及び振幅制限部8′を介してF ’S 
K復調部9に与えられる。従ってFSK復゛調部9より
第3図+riに示すように送受波の周波数が等しい時間
帯に“L”レベルとなり、送受波の周波数が異なる時間
帯に“H”レベルとなる方形波信号が得られることとな
る。位相比較器10は第3図(fl及びfatに示すF
’SK復調部9の出力と可変周波数発振部16の発振出
力との位相を比較しており、その位相差に基づいた出力
を信号変換部11に与える。従って位相差を信号変換部
11によって変換することによって物体の位置出力が得
られる。
A signal with a difference of fo 2fm is obtained, and its output is passed through a bandpass filter 7 and an amplitude limiter 8' to F'S
The signal is given to the K demodulator 9. Therefore, the FSK demodulator 9 generates a square wave signal that goes to "L" level during the time period when the frequencies of the transmitted and received waves are equal, and goes to "H" level during the time period when the frequencies of the transmitted and received waves are different, as shown in FIG. 3+ri. This will be obtained. The phase comparator 10 is connected to the F
'The phases of the output of the SK demodulator 9 and the oscillation output of the variable frequency oscillator 16 are compared, and an output based on the phase difference is provided to the signal converter 11. Therefore, by converting the phase difference by the signal converter 11, the position output of the object can be obtained.

モード切換制御部13によって切換えられるモードのう
ち変位法モードは以上の動作によって物体の所定位置か
らの変位を検知するものであるが、零位法モードでは更
にアクチュエータを駆動する周波数を異ならせることに
よって定位′置までの距離を検出している。即ち位相比
較器10の出力は補正量検出部12に与えられ、第3図
(flに示すFSK復調部9の出力が常に“H”となる
ようにFSK周期Taを変更する。即ちアクチュエータ
4を駆動するFSX周期Taと往復伝播時間Tdが次式
    − Td =nTa  (n=1.2.−−−−)の関係に
ある場合にはドツプラー偏移量4;L2fmと一2fm
の値を遷移する。補正量検出部12の補正によってFS
K周期TaがTdの整数倍となれば位相差はなくなるた
めFSiK復閤部9の出力は常に“H”レベルとなり、
可変周波数発振部16の発振周波数に基づいて物体まで
の距離を得ることができる。尚nが1となるように物体
までの距離−をあらかじめ所定範囲に制限しておくもの
とする。
Among the modes switched by the mode switching control unit 13, the displacement method mode detects the displacement of an object from a predetermined position by the above-described operation, but the zero-position method mode detects the displacement of an object from a predetermined position by further varying the frequency at which the actuator is driven. The distance to the fixed position is detected. That is, the output of the phase comparator 10 is given to the correction amount detection section 12, and the FSK cycle Ta is changed so that the output of the FSK demodulation section 9 shown in FIG. When the driving FSX period Ta and the round trip propagation time Td have the following relationship - Td = nTa (n = 1.2.----), the Doppler deviation amount 4; L2fm and -2fm
Transition the value of. FS due to the correction by the correction amount detection unit 12
If the K period Ta becomes an integral multiple of Td, there will be no phase difference, so the output of the FSiK recovery section 9 will always be at the "H" level.
The distance to the object can be obtained based on the oscillation frequency of the variable frequency oscillator 16. It is assumed that the distance to the object is limited in advance to a predetermined range so that n becomes 1.

そうすれば可変周波数発振部16の出力を絶対値出力信
号変換部17に与えることによって物体までの距離の絶
対値信号を得ることが可能である。
Then, by giving the output of the variable frequency oscillation section 16 to the absolute value output signal converting section 17, it is possible to obtain an absolute value signal of the distance to the object.

〔制御系と連動した実施例の動作〕[Operation of the embodiment in conjunction with the control system]

次に第4図のフローチャートと第5図の物体の移動を示
すタイム・チャートを用いて零位法モードと変位法モー
ドとを一連に制御する場合の動作について説明する。時
刻to以後動作を開始すると、まずこのフローチャート
のステップ30で本システム外の自動制御系等から被検
知物体が定まった位置に存在することを示す定位信号が
与えられるのを待ち受ける。そして時刻t1にFSX変
調周期設定部14にこの信号が与えられれば、ステップ
31に進んでFSK変調周期設定部14は最大検知距離
に対するFSX周期Taの設定を行う。そしてまず零位
法モードにより物体の絶対位置を求める。
Next, using the flowchart of FIG. 4 and the time chart showing the movement of an object in FIG. 5, the operation when controlling the zero position mode and the displacement mode in series will be explained. When the operation starts after time to, first, in step 30 of this flowchart, the system waits for a localization signal indicating that the detected object exists at a fixed position from an automatic control system or the like outside the system. If this signal is given to the FSX modulation cycle setting unit 14 at time t1, the process proceeds to step 31, where the FSK modulation cycle setting unit 14 sets the FSX cycle Ta for the maximum detection distance. First, the absolute position of the object is determined using the zero position method mode.

即ちステップ32において測定距離に対応してFSK周
期Taの修正を行い、ステップ33に進んで位相比較器
10の出力に基づいてその測定距離とFSK周期との残
差εを算出しその残差εがステップ34において所定値
以下となるかどうかをチェックする。これが所定値を越
えている場合にはステップ32に戻って同様の処理を繰
り返し常に送受波周波数が異なるように、即ちFSK復
調部9の出力が連続して“H”レベルとなるように調整
を行う。そうすればFSX周期Taに対応する物体まで
の距離は第5図(a)の破線Nに示すように徐々に低下
する。今時剤t2においてステップ32からステップ3
4のループを脱したものとすると、零位法モードによっ
て被検知物体の位置が得られ第5図(alに示すように
絶対値出力信号変換部17より物体までの距離の信号D
sが得られる。そうすれば物体が移動しなければ絶対値
出力信号変換部17の出力がそのまま物体までの距離と
なる。
That is, in step 32, the FSK period Ta is corrected in accordance with the measured distance, and in step 33, the residual ε between the measured distance and the FSK period is calculated based on the output of the phase comparator 10, and the residual ε is calculated. It is checked in step 34 whether or not the value is less than a predetermined value. If this exceeds the predetermined value, return to step 32 and repeat the same process to adjust so that the transmitting and receiving frequencies are always different, that is, the output of the FSK demodulator 9 is continuously at the "H" level. conduct. Then, the distance to the object corresponding to the FSX period Ta gradually decreases as shown by the broken line N in FIG. 5(a). Step 32 to step 3 in current drug t2
4, the position of the object to be detected is obtained by the zero-order method mode, and as shown in FIG.
s is obtained. Then, if the object does not move, the output of the absolute value output signal converter 17 will directly become the distance to the object.

次に第5図(blに示すように時刻t3に定位信号が停
止すればその後に物体が移動する可能性があるので、ス
テップ35よりステップ36に進んでFSK周期Taの
修正を停止して変位法モートに移る。
Next, if the localization signal stops at time t3 as shown in FIG. Move to law mote.

このモードではまずステップ37においてFSK周期T
aとFSK復調部9から得られる信号の位相比較により
変位を求める。そしてステップ38において変位出力が
あるかどうかをチェックし、変位出力があれば信号変換
部11より比例制御出力信号を自動制御系に転送する。
In this mode, first in step 37 the FSK period T
The displacement is determined by comparing the phases of a and the signal obtained from the FSK demodulator 9. Then, in step 38, it is checked whether there is a displacement output, and if there is a displacement output, the signal converter 11 transfers the proportional control output signal to the automatic control system.

第5図(a)の物体移動に対するタイムチャートにおい
て時刻t4より被検知物体が実線Mで示すように移動し
たものとすると、第3図(f)に示すようにFSK復調
部9の出力は“H”レベルの直流成分ではなく、物体の
移動量に対応してデユーティ比の異なる信号となる。
Assuming that the object to be detected moves as shown by the solid line M from time t4 in the time chart for object movement in FIG. 5(a), the output of the FSK demodulator 9 is " The signal is not an H'' level DC component, but a signal with a different duty ratio depending on the amount of movement of the object.

従って位相比較器10によってその位相差が信号変換部
11に与えられ、信号変換部11によってその位相差に
対応した出力を出すことによって第5図(・)に示すよ
うに物体の変位に追従し゛笑比例制゛御出力を与えるこ
とが可能となる。そして時刻t5からt6の間では物体
が元の位置に戻り変位信号が零となるため信号変換部1
1より変位出力が出されないが、時刻t6以後時刻t7
までは変位出力があるのでステップ39に示すように信
号変換部11より比例制御信号が制御系に与えられこと
となる。
Therefore, the phase difference is given to the signal converter 11 by the phase comparator 10, and the signal converter 11 outputs an output corresponding to the phase difference to follow the displacement of the object as shown in FIG. It becomes possible to provide a proportional control output. Then, between time t5 and t6, the object returns to its original position and the displacement signal becomes zero, so the signal converter 1
1, the displacement output is not output, but after time t6 and time t7
Since there is a displacement output up to this point, a proportional control signal is given to the control system from the signal converter 11 as shown in step 39.

尚、本実施例はアクチュエータとしてスピーカのボイス
コイルに類似した超音波振動子の駆動機構を示したが、
等速で往復運動をするように構成すれば例えばりニアモ
ーフを用いてもよく、又ロボットアームの先端に超音波
振動子を設はロボットアームを等速で駆動させることに
よってロボットアームが対象とする物体までの距離を検
知するようにしてもよい。
In addition, although this example shows a driving mechanism of an ultrasonic vibrator similar to the voice coil of a speaker as an actuator,
For example, a nearmorph may be used as long as it is configured to reciprocate at a constant speed, and an ultrasonic transducer can be installed at the tip of the robot arm to drive the robot arm at a constant speed. The distance to the object may also be detected.

又本実施例による超音波センサの最遠端の前方に反射板
を設け、その位置に対応する周期の設定を試験モードと
して動作させることにより運転中に適宜切換えてセンサ
の調整を行い、更に音速により補正を行うようにするこ
とも考えられる。
In addition, a reflector plate is provided in front of the farthest end of the ultrasonic sensor according to this embodiment, and by operating the cycle setting corresponding to that position as a test mode, the sensor can be adjusted by appropriately switching during operation, and furthermore, the sound velocity can be adjusted. It is also conceivable to perform correction according to the following.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明による超音波センサの一実施例を示すブ
ロック図、第2図はその超音波振動子を振動させるアク
チュエータの構造を示す断面図、第3図は本実施例の各
部の波形を示す波形図、第4図は零位法モードと変位法
モードを続けてこの超音波センサを動作させる際の手順
を示すフローチャート、第5図はその物体の動作とそれ
に対応する信号を示すタイムチャートである。 1−−−−−一超音波発振器  2−−−一方向性結合
器3−−−−−一超音波振動子  4−=−アクチュエ
ータ5−−−−−三角波発生部  6・−−−一−混合
器  7−−−バンドパスフィルタ  8−−−−一振
幅制限部  9−・−FS’に復調部  10−−−−
−−・−位相比較器  11−−−−−一信号変換部 
 12−−−−−−一補正量検出部13・−・−・−・
モード切換制御部  14−−−−−−−F S K変
調周期設定部  15−−−−−−一周波数可変制御部
16・−−−−−一可変周波数発振部  1 、7−一
−−−−−・絶対値出力信号変換部  18・−−−−
−・試験信号発生器特許出願人   立石電機株式会社 代理人 弁理士 岡本宜喜(化1名) 第1図
Fig. 1 is a block diagram showing an embodiment of the ultrasonic sensor according to the present invention, Fig. 2 is a sectional view showing the structure of an actuator that vibrates the ultrasonic transducer, and Fig. 3 is a waveform of each part of this embodiment. 4 is a flowchart showing the procedure for operating this ultrasonic sensor in successive zero position mode and displacement method mode, and 5 is a time chart showing the movement of the object and the corresponding signal. It is a chart. 1------1 ultrasonic oscillator 2-----unidirectional coupler 3------1 ultrasonic vibrator 4--=-actuator 5-----triangle wave generator 6.-----1 -Mixer 7---Band pass filter 8---One amplitude limiter 9-・-FS' and demodulator 10---
--- Phase comparator 11 --- Signal converter
12-----Correction amount detection section 13・-・--・-・
Mode switching control section 14-----FSK modulation period setting section 15-------1 Frequency variable control section 16------1 Variable frequency oscillation section 1, 7-1-- ---・Absolute value output signal conversion section 18・----
-・Test signal generator patent applicant Tateishi Electric Co., Ltd. agent Patent attorney Yoshiki Okamoto (1 person) Figure 1

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)電気信号と超音波とを変換する超音波振動子と、 一定の周波数の信号を出力する駆動信号発生器と、 前記超音波振動子を保持し前記駆動信号発生器の出力に
よって駆動され前記超音波振動子の送波方向に沿って等
速往復運動を行うアクチュエータと、 一定周波数で前記超音波振動子を駆動する超音波発振器
と、 前記超音波振動子に得られる被検知物体からの反射信号
に基づいて送受波周波数の差の周波数の信号を抽出する
差周波数信号検出手段と、 前記アクチュエータの往復運動の位相と前記差周波数信
号検出手段より得られる送受波差信号の位相を比較する
位相差検出手段と、 を具備し、前記位相差検出手段の出力により物体の位置
を検出ように構成したことを特徴とする超音波センサ。
(1) An ultrasonic transducer that converts an electric signal and an ultrasonic wave, a drive signal generator that outputs a signal at a constant frequency, and an ultrasonic transducer that holds the ultrasonic transducer and is driven by the output of the drive signal generator. an actuator that performs uniform reciprocating motion along the transmission direction of the ultrasonic transducer; an ultrasonic oscillator that drives the ultrasonic transducer at a constant frequency; difference frequency signal detection means for extracting a signal of a frequency difference between the transmission and reception frequencies based on the reflected signal; and comparing the phase of the reciprocating motion of the actuator with the phase of the transmission and reception difference signal obtained by the difference frequency signal detection means. An ultrasonic sensor comprising: phase difference detection means, and configured to detect the position of an object based on the output of the phase difference detection means.
(2)前記アクチュエータは、前記駆動信号発生器によ
って駆動されるコイルと、前記コイルに連結されて振動
し前記超音波振動子を保持するスプリングと、を有する
ものであることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の超音波センサ。
(2) The actuator has a coil driven by the drive signal generator, and a spring connected to the coil to vibrate and hold the ultrasonic transducer. The ultrasonic sensor according to item 1.
(3)前記駆動信号発生器は、三角波を発振する発振器
であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の超
音波センサ。
(3) The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the drive signal generator is an oscillator that oscillates a triangular wave.
(4)前記駆動信号発生器は可変周波数発振器であり、 前記位相比較器出力と前記駆動発振器の位相差が常に一
定となるように前記駆動発振器の発振周波数を制御する
位相制御手段を具備することを特徴とする特許請求の範
囲第1項記載の超音波センサ。
(4) The drive signal generator is a variable frequency oscillator, and includes phase control means for controlling the oscillation frequency of the drive oscillator so that the phase difference between the output of the phase comparator and the drive oscillator is always constant. The ultrasonic sensor according to claim 1, characterized in that:
(5)前記駆動信号発生器は可変周波数発振器であり、 前記可変周波数発振器の発振周波数は前記位相比較差検
出手段の位相差が零となるようにあらかじめ定められて
おり、その設定位置から変位する物体の変位量を前記位
相差検出手段によって検知することを特徴とする特許請
求の範囲第1項記載の超音波センサ。
(5) The drive signal generator is a variable frequency oscillator, and the oscillation frequency of the variable frequency oscillator is predetermined so that the phase difference of the phase comparison difference detection means is zero, and the oscillation frequency of the variable frequency oscillator is determined in advance so that the phase difference of the phase comparison difference detection means is zero, and the oscillation frequency of the variable frequency oscillator is set in advance. 2. The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the amount of displacement of an object is detected by the phase difference detection means.
(6)前記駆動信号発生器は、被測定物との距離に相当
する音波伝播時間の2倍を等速往復運動の周期とし、位
相差を零とするよう定めたことを特徴とする特許請求の
範囲第5項記載の超音波センサ。
(6) A patent claim characterized in that the drive signal generator is set so that the period of uniform reciprocating motion is twice the sound wave propagation time corresponding to the distance to the object to be measured, and the phase difference is zero. The ultrasonic sensor according to item 5.
JP13867284A 1984-07-03 1984-07-03 Ultrasonic sensor Pending JPS6117081A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006273378A (en) * 2005-03-29 2006-10-12 Sekisui Plastics Co Ltd Wrapping paper with bag, food packaging method using the same, and prepackaged food

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006273378A (en) * 2005-03-29 2006-10-12 Sekisui Plastics Co Ltd Wrapping paper with bag, food packaging method using the same, and prepackaged food

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