JPH08166439A - 超音波センサを備えた検出装置 - Google Patents
超音波センサを備えた検出装置Info
- Publication number
- JPH08166439A JPH08166439A JP6333911A JP33391194A JPH08166439A JP H08166439 A JPH08166439 A JP H08166439A JP 6333911 A JP6333911 A JP 6333911A JP 33391194 A JP33391194 A JP 33391194A JP H08166439 A JPH08166439 A JP H08166439A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- circuit
- coaxial cable
- ultrasonic element
- drive
- ultrasonic
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- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 発振回路を含むドライブ側の回路に同軸ケー
ブルを介して超音波素子を接続した検出装置において、
同軸ケーブルの長さにかかわらず安定した動作と良好な
検出感度を得る。 【構成】 同軸ケーブルの長さを変えた場合にも、同軸
ケーブルおよび超音波素子を含む負荷側の回路のインピ
ーダンスが一定となる周波数に、ドライブ側の回路の駆
動周波数を設定した。
ブルを介して超音波素子を接続した検出装置において、
同軸ケーブルの長さにかかわらず安定した動作と良好な
検出感度を得る。 【構成】 同軸ケーブルの長さを変えた場合にも、同軸
ケーブルおよび超音波素子を含む負荷側の回路のインピ
ーダンスが一定となる周波数に、ドライブ側の回路の駆
動周波数を設定した。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、たとえば超音波パルス
を対象物に送波し、対象物からの反射波を受波する超音
波センサを備えた検出装置に関するものである。
を対象物に送波し、対象物からの反射波を受波する超音
波センサを備えた検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、超音波センサとしては、圧電
素子などの超音波素子をインパルスまたは定電流を用い
て高周波駆動するようにしたものが知られている。ま
た、超音波素子にインダクタを直列に接続して直列共振
系を構成し、それにより、送受信効率を高めたものも知
られている(たとえば、特開昭61−220591号公
報参照)。
素子などの超音波素子をインパルスまたは定電流を用い
て高周波駆動するようにしたものが知られている。ま
た、超音波素子にインダクタを直列に接続して直列共振
系を構成し、それにより、送受信効率を高めたものも知
られている(たとえば、特開昭61−220591号公
報参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、医療用の超
音波診断装置などでは、超音波素子とドライブ側の回路
とを接続する同軸ケーブルの長さが短く、かつ、一定で
あるのに対し、工場の貯蔵タンクなどの液面レベル計な
どでは、同軸ケーブルの長さが長く、また、工場や現場
の状況により、同軸ケーブルの長さをその都度変える必
要がある。
音波診断装置などでは、超音波素子とドライブ側の回路
とを接続する同軸ケーブルの長さが短く、かつ、一定で
あるのに対し、工場の貯蔵タンクなどの液面レベル計な
どでは、同軸ケーブルの長さが長く、また、工場や現場
の状況により、同軸ケーブルの長さをその都度変える必
要がある。
【0004】ここで、超音波素子を定電流で駆動する場
合、同軸ケーブルが電気的に静電容量となるため、同軸
ケーブルが長くなると、超音波素子に供給される電流が
減少し、振幅が小さくなって検出感度が低下する。
合、同軸ケーブルが電気的に静電容量となるため、同軸
ケーブルが長くなると、超音波素子に供給される電流が
減少し、振幅が小さくなって検出感度が低下する。
【0005】一方、直列共振系で超音波素子を駆動する
場合は、インダクタと超音波素子の電極間静電容量およ
び同軸ケーブルの容量を考慮して、超音波素子の固有振
動数に合致する共振周波数を設定している。しかし、か
かる共振系では、同軸ケーブルの長さが変わることによ
り、回路全体の容量が変化するのに伴い、回路のインピ
ーダンスが大きく変化するので、共振点を外れてしま
い、超音波素子が振動しなくなる。
場合は、インダクタと超音波素子の電極間静電容量およ
び同軸ケーブルの容量を考慮して、超音波素子の固有振
動数に合致する共振周波数を設定している。しかし、か
かる共振系では、同軸ケーブルの長さが変わることによ
り、回路全体の容量が変化するのに伴い、回路のインピ
ーダンスが大きく変化するので、共振点を外れてしま
い、超音波素子が振動しなくなる。
【0006】本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされ
たもので、その目的は、同軸ケーブルを介して超音波素
子とドライブ側の回路を接続した超音波センサを備えた
検出装置において、同軸ケーブルの長さにかかわらず安
定した動作を得ることである。
たもので、その目的は、同軸ケーブルを介して超音波素
子とドライブ側の回路を接続した超音波センサを備えた
検出装置において、同軸ケーブルの長さにかかわらず安
定した動作を得ることである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、同軸ケーブルの長さを変えた場合にも、
同軸ケーブルおよび超音波素子を含む負荷側の回路のイ
ンピーダンスが一定となる周波数に、ドライブ側の回路
の駆動周波数が設定されている。
に、本発明は、同軸ケーブルの長さを変えた場合にも、
同軸ケーブルおよび超音波素子を含む負荷側の回路のイ
ンピーダンスが一定となる周波数に、ドライブ側の回路
の駆動周波数が設定されている。
【0008】
【作用】つぎに、本発明の原理について説明する。図6
は、超音波素子に同軸ケーブルを接続した場合におい
て、同軸ケーブルの長さLaを変化させて、駆動周波数
に対するインピーダンスZの変化を実験により得た値を
示す。ここで、図5に示すように、同軸ケーブル3の容
量C2は、超音波素子1の容量C1と並列に接続される
ことになるから、C成分に対してL成分の割合が増加す
るため、同軸ケーブル3の長さLaを長くすると、負荷
側の回路全体13のインピーダンスZは、図6に示すよ
うに、一般に小さくなる。しかし、本発明者は、特定の
周波数faにおいては、同軸ケーブル3の長さLaを変
えても、インピーダンスZaが変化しないことを発見
し、本発明を完成した。このインピーダンスZaが変化
しない理由は、同軸ケーブル3にも、抵抗R2やインダ
クタL2が直列に入っていると見なすことができるから
であると推測される。
は、超音波素子に同軸ケーブルを接続した場合におい
て、同軸ケーブルの長さLaを変化させて、駆動周波数
に対するインピーダンスZの変化を実験により得た値を
示す。ここで、図5に示すように、同軸ケーブル3の容
量C2は、超音波素子1の容量C1と並列に接続される
ことになるから、C成分に対してL成分の割合が増加す
るため、同軸ケーブル3の長さLaを長くすると、負荷
側の回路全体13のインピーダンスZは、図6に示すよ
うに、一般に小さくなる。しかし、本発明者は、特定の
周波数faにおいては、同軸ケーブル3の長さLaを変
えても、インピーダンスZaが変化しないことを発見
し、本発明を完成した。このインピーダンスZaが変化
しない理由は、同軸ケーブル3にも、抵抗R2やインダ
クタL2が直列に入っていると見なすことができるから
であると推測される。
【0009】本発明では、同軸ケーブル3の長さLaが
変化しても、負荷側の回路のインピーダンスが一定とな
るから、たとえば定電圧駆動することにより、超音波素
子1への供給電流を一定にすることができる。
変化しても、負荷側の回路のインピーダンスが一定とな
るから、たとえば定電圧駆動することにより、超音波素
子1への供給電流を一定にすることができる。
【0010】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面にしたがって説
明する。本実施例では、液面レベル計に適用した場合に
ついて説明する。図1に示すように、食料用液体6の貯
蔵タンク5の外壁面には、2個の超音波素子11 ,12
が取り付けられている。上部の超音波素子11 は液面の
上限レベル位置に、下部の超音波素子12 は液面の下限
レベル位置にそれぞれ取り付けてある。
明する。本実施例では、液面レベル計に適用した場合に
ついて説明する。図1に示すように、食料用液体6の貯
蔵タンク5の外壁面には、2個の超音波素子11 ,12
が取り付けられている。上部の超音波素子11 は液面の
上限レベル位置に、下部の超音波素子12 は液面の下限
レベル位置にそれぞれ取り付けてある。
【0011】図3において、超音波素子1は同軸ケーブ
ル3を介してドライブ側の回路2に接続されている。ド
ライブ側の回路2は、発振回路21およびドライブ回路
22からなる送信系と、受信回路23、検波回路24、
信号処理回路25および出力回路26からなる受信系と
を備えている。発振回路21は、超音波素子1の固有振
動数と同じ周波数の発振信号aをドライブ回路22に出
力する。このドライブ回路22の駆動周波数は、図6の
ように、同軸ケーブル3の長さLaが変化した場合に
も、同軸ケーブル3および超音波素子1を含む負荷側の
回路13(図3)のインピーダンスZが一定Zaとなる
周波数faに設定されている。
ル3を介してドライブ側の回路2に接続されている。ド
ライブ側の回路2は、発振回路21およびドライブ回路
22からなる送信系と、受信回路23、検波回路24、
信号処理回路25および出力回路26からなる受信系と
を備えている。発振回路21は、超音波素子1の固有振
動数と同じ周波数の発振信号aをドライブ回路22に出
力する。このドライブ回路22の駆動周波数は、図6の
ように、同軸ケーブル3の長さLaが変化した場合に
も、同軸ケーブル3および超音波素子1を含む負荷側の
回路13(図3)のインピーダンスZが一定Zaとなる
周波数faに設定されている。
【0012】ドライブ回路22の一例を図4に示す。図
4において、トランスTは1次側に発振信号aを受けて
駆動し、トランスTの2次側に矢印方向に電圧が誘起さ
れた時に、NPN型のトランジスタQ1のベース電圧が
エミッタ電圧よりも高くなることにより、トランジスタ
Q1がオンし、b点に120Vの電圧があらわれる。一
方、トランスTの2次側に反矢印方向に電圧が誘起され
た時に、PNP型のトランジスタQ2のベース電圧がエ
ミッタ電圧よりも低くなることによりトランジスタQ2
がオンし、b点の電位が0Vとなる。以後、同様に両ト
ランジスタQ1,Q2が発振信号aにより交互にオン・
オフされる。すなわち、ドライブ回路22は、図3の超
音波素子1および同軸ケーブル3からなる負荷側の回路
13の定電圧源として作用する。
4において、トランスTは1次側に発振信号aを受けて
駆動し、トランスTの2次側に矢印方向に電圧が誘起さ
れた時に、NPN型のトランジスタQ1のベース電圧が
エミッタ電圧よりも高くなることにより、トランジスタ
Q1がオンし、b点に120Vの電圧があらわれる。一
方、トランスTの2次側に反矢印方向に電圧が誘起され
た時に、PNP型のトランジスタQ2のベース電圧がエ
ミッタ電圧よりも低くなることによりトランジスタQ2
がオンし、b点の電位が0Vとなる。以後、同様に両ト
ランジスタQ1,Q2が発振信号aにより交互にオン・
オフされる。すなわち、ドライブ回路22は、図3の超
音波素子1および同軸ケーブル3からなる負荷側の回路
13の定電圧源として作用する。
【0013】このように、図4の両トランジスタQ1,
Q2のベース−エミッタ間電圧は低電圧である発振信号
aによりトランスTを介して変化し、プッシュプル動作
が行われる。したがって、両トランジスタQ1,Q2を
数MHzの高い周波数に対して遅れを生じることなくス
イッチングすることができる。なお、パワーC−MOS
電界トランジスタQ3,Q4は、120Vの高電圧に迅
速に昇圧し、0Vに迅速に降圧するために設けられてい
る。
Q2のベース−エミッタ間電圧は低電圧である発振信号
aによりトランスTを介して変化し、プッシュプル動作
が行われる。したがって、両トランジスタQ1,Q2を
数MHzの高い周波数に対して遅れを生じることなくス
イッチングすることができる。なお、パワーC−MOS
電界トランジスタQ3,Q4は、120Vの高電圧に迅
速に昇圧し、0Vに迅速に降圧するために設けられてい
る。
【0014】図3において、発振信号aは上記のように
120Vに増幅されたのちに、同軸ケーブル3を通じて
超音波素子1に印加される。これにより、超音波パルス
が発生し、タンク5の内側に向かって送波され、タンク
5の壁面(境界面)で反射した反射パルスが、超音波素
子1により再び電気信号に変換される。この電気信号
は、同軸ケーブル3を通じて受信回路23に入力されて
増幅される。この増幅された受信信号cは検波回路24
で検波信号dとして出力され、信号処理回路25で信号
レベルが判別される。上記信号処理回路25から出力さ
れる判別信号eを受けた出力回路26は、判別信号eに
応じた制御信号fを出力する。
120Vに増幅されたのちに、同軸ケーブル3を通じて
超音波素子1に印加される。これにより、超音波パルス
が発生し、タンク5の内側に向かって送波され、タンク
5の壁面(境界面)で反射した反射パルスが、超音波素
子1により再び電気信号に変換される。この電気信号
は、同軸ケーブル3を通じて受信回路23に入力されて
増幅される。この増幅された受信信号cは検波回路24
で検波信号dとして出力され、信号処理回路25で信号
レベルが判別される。上記信号処理回路25から出力さ
れる判別信号eを受けた出力回路26は、判別信号eに
応じた制御信号fを出力する。
【0015】つぎに、液面レベル計の動作について説明
する。図1の超音波素子11 ,12 の取付よりも液面レ
ベル6aが低い場合は、超音波素子1から出射した超音
波パルスが貯蔵タンク5の内壁面と取付外壁面で交互に
反射し、つまり、D1の範囲で反射を繰り返す。一方、
超音波素子1の取付位置よりも液面レベル6aが高い場
合は、超音波素子1から出射した超音波パルスが貯蔵タ
ンク5の取付外壁面と、反対側の外壁面とで交互に反射
し、つまりD2の範囲で反射を繰り返す。
する。図1の超音波素子11 ,12 の取付よりも液面レ
ベル6aが低い場合は、超音波素子1から出射した超音
波パルスが貯蔵タンク5の内壁面と取付外壁面で交互に
反射し、つまり、D1の範囲で反射を繰り返す。一方、
超音波素子1の取付位置よりも液面レベル6aが高い場
合は、超音波素子1から出射した超音波パルスが貯蔵タ
ンク5の取付外壁面と、反対側の外壁面とで交互に反射
し、つまりD2の範囲で反射を繰り返す。
【0016】そのため、超音波素子11 の取付位置に液
体6が無い場合は、超音波パルスの往復距離が短いこと
から、図2(a)のように、反射パルスが短時間の間に
減衰する。一方、超音波素子12 の取付位置に液体6が
有る場合は、超音波パルスの往復距離が長いことから、
図2(b)のように、反射パルスが減衰するまでに時間
がかかる。したがって、図2に示す送信タイミングt0
から一定時間(タンク形状によって異なるが約4mse
c程度)t1 経過後に設けた計測期間t2 において、検
波信号dをスレッシュホールドレベルと比較することに
よって、超音波素子11 ,12 の取付位置における液体
6の有無を判別することができる。
体6が無い場合は、超音波パルスの往復距離が短いこと
から、図2(a)のように、反射パルスが短時間の間に
減衰する。一方、超音波素子12 の取付位置に液体6が
有る場合は、超音波パルスの往復距離が長いことから、
図2(b)のように、反射パルスが減衰するまでに時間
がかかる。したがって、図2に示す送信タイミングt0
から一定時間(タンク形状によって異なるが約4mse
c程度)t1 経過後に設けた計測期間t2 において、検
波信号dをスレッシュホールドレベルと比較することに
よって、超音波素子11 ,12 の取付位置における液体
6の有無を判別することができる。
【0017】図5は図3の超音波送信系の電気的な等価
回路を示す。図5において、超音波素子1は電圧印加時
に電極間静電容量C1に置換でき、同軸ケーブル3は容
量C2に置換できる。なお、超音波素子1や同軸ケーブ
ル3の内部抵抗はきわめて小さく、回路全体のインピー
ダンスとして見た場合に無視できるので、図示していな
い。超音波素子1の両端の印加電圧は、ドライブ側の回
路2に設定された120Vから同軸ケーブル3の電圧降
下を差し引いた電圧となる。したがって、同軸ケーブル
3の長さを任意に設定しても、超音波素子1の両端の印
加電圧が殆ど変化しないから、超音波素子1に流れる電
流がほぼ一定となり、安定した動作が得られる。また、
同軸ケーブル3の長さを自由に長くすることができる。
回路を示す。図5において、超音波素子1は電圧印加時
に電極間静電容量C1に置換でき、同軸ケーブル3は容
量C2に置換できる。なお、超音波素子1や同軸ケーブ
ル3の内部抵抗はきわめて小さく、回路全体のインピー
ダンスとして見た場合に無視できるので、図示していな
い。超音波素子1の両端の印加電圧は、ドライブ側の回
路2に設定された120Vから同軸ケーブル3の電圧降
下を差し引いた電圧となる。したがって、同軸ケーブル
3の長さを任意に設定しても、超音波素子1の両端の印
加電圧が殆ど変化しないから、超音波素子1に流れる電
流がほぼ一定となり、安定した動作が得られる。また、
同軸ケーブル3の長さを自由に長くすることができる。
【0018】しかし、同軸ケーブル3の長さが変化する
と、同軸ケーブル3には、容量C2の他に、図示しない
抵抗R2やインダクタL2が直列に入っていると見なす
ことができるから、ドライブ回路22を定電圧として
も、一般には、超音波素子1に流れる電流が微妙に変わ
る。これに対し、本発明では、同軸ケーブル3の長さが
変化した場合にも、負荷側の回路13のインピーダンス
Zが一定となる周波数に、ドライブ回路22の駆動周波
数を設定している。したがって、超音波素子1に流れる
電流値が一定になるので、同軸ケーブル3の長さにかか
わらず、送波する音圧レベルをほぼ一定値にすることが
できる。
と、同軸ケーブル3には、容量C2の他に、図示しない
抵抗R2やインダクタL2が直列に入っていると見なす
ことができるから、ドライブ回路22を定電圧として
も、一般には、超音波素子1に流れる電流が微妙に変わ
る。これに対し、本発明では、同軸ケーブル3の長さが
変化した場合にも、負荷側の回路13のインピーダンス
Zが一定となる周波数に、ドライブ回路22の駆動周波
数を設定している。したがって、超音波素子1に流れる
電流値が一定になるので、同軸ケーブル3の長さにかか
わらず、送波する音圧レベルをほぼ一定値にすることが
できる。
【0019】なお、本発明では、図7のように、抵抗R
とインダクタLを設けた共振回路としても、共振周波数
が変化しないので、同じ周波数で超音波素子1を駆動す
ることができるから、本発明の範囲に含まれる。但し、
同軸ケーブル3のL2,R2,C2が変化するのに伴
い、超音波素子1の両端の電圧が変化するので、同軸ケ
ーブル3の長さに限界がある。
とインダクタLを設けた共振回路としても、共振周波数
が変化しないので、同じ周波数で超音波素子1を駆動す
ることができるから、本発明の範囲に含まれる。但し、
同軸ケーブル3のL2,R2,C2が変化するのに伴
い、超音波素子1の両端の電圧が変化するので、同軸ケ
ーブル3の長さに限界がある。
【0020】なお、駆動周波数としては、金属製タンク
の場合は2MHz程度が好ましく、一方、樹脂製タンク
の場合は300KHz程度が好ましい。
の場合は2MHz程度が好ましく、一方、樹脂製タンク
の場合は300KHz程度が好ましい。
【0021】また、超音波素子としては、圧電素子の他
に圧電性高分子などを用いてもよい。
に圧電性高分子などを用いてもよい。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波セ
ンサを備えた検出装置によれば、発振回路を含むドライ
ブ側の回路に同軸ケーブルを介して超音波素子を接続し
たものにおいて、同軸ケーブルの長さを変えても負荷側
の回路のインピーダンスが一定となる周波数に、ドライ
ブ側の回路の駆動周波数を設定したので、同軸ケーブル
の長さにかかわらず安定した動作を得ることができる。
また、同軸ケーブルの浮遊容量が変化した場合にも、超
音波素子の両端の印加電圧がほぼ一定となるようにドラ
イブ側および負荷側の回路を設定すれば、使用現場に応
じて同軸ケーブルの長さを長くすることができる。
ンサを備えた検出装置によれば、発振回路を含むドライ
ブ側の回路に同軸ケーブルを介して超音波素子を接続し
たものにおいて、同軸ケーブルの長さを変えても負荷側
の回路のインピーダンスが一定となる周波数に、ドライ
ブ側の回路の駆動周波数を設定したので、同軸ケーブル
の長さにかかわらず安定した動作を得ることができる。
また、同軸ケーブルの浮遊容量が変化した場合にも、超
音波素子の両端の印加電圧がほぼ一定となるようにドラ
イブ側および負荷側の回路を設定すれば、使用現場に応
じて同軸ケーブルの長さを長くすることができる。
【図1】本発明の一実施例を適用したタンクの縦断面図
である。
である。
【図2】(a),(b)は同液面レベル計の液体の無い
場合と有る場合における受信信号の特性図である。
場合と有る場合における受信信号の特性図である。
【図3】本発明の一実施例にかかる超音波素子を備えた
検出装置のブロック図である。
検出装置のブロック図である。
【図4】同実施例におけるドライブ回路の電気回路図で
ある。
ある。
【図5】同実施例の電気的な等価回路図である。
【図6】同軸ケーブルの長さを変えた場合の周波数に対
するインピーダンスの変化を示す特性図である。
するインピーダンスの変化を示す特性図である。
【図7】本発明を適用し得る他の回路を示す回路図であ
る。
る。
1,11 ,12 :超音波素子 2:ドライブ側の回路 3:同軸ケーブル 13:負荷側の回路 21:発振回路 22:ドライブ回路
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G01N 29/22 501
Claims (3)
- 【請求項1】 発振回路を含むドライブ側の回路に同軸
ケーブルを介して超音波素子を接続した超音波センサを
備えた検出装置において、 上記同軸ケーブルの長さを変えた場合にも、上記同軸ケ
ーブルおよび上記超音波素子を含む負荷側の回路のイン
ピーダンスが一定となる周波数に、上記ドライブ側の回
路の駆動周波数が設定されていることを特徴とする超音
波センサを備えた検出装置。 - 【請求項2】 請求項1において、 上記ドライブ側の回路には、上記発振回路の電圧を増幅
するドライブ回路が設けられている超音波センサを備え
た検出装置。 - 【請求項3】 請求項1もしくは2において、 上記同軸ケーブルの浮遊容量が変化した場合にも上記ド
ライブ側の回路による超音波素子の両端の印加電圧がほ
ぼ一定となるように、上記ドライブ側および負荷側の回
路が設定されている超音波センサを備えた検出装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6333911A JPH08166439A (ja) | 1994-12-15 | 1994-12-15 | 超音波センサを備えた検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6333911A JPH08166439A (ja) | 1994-12-15 | 1994-12-15 | 超音波センサを備えた検出装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08166439A true JPH08166439A (ja) | 1996-06-25 |
Family
ID=18271341
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6333911A Pending JPH08166439A (ja) | 1994-12-15 | 1994-12-15 | 超音波センサを備えた検出装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH08166439A (ja) |
-
1994
- 1994-12-15 JP JP6333911A patent/JPH08166439A/ja active Pending
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