JP2004061120A

JP2004061120A - Ultrasonic distance measuring sensor

Info

Publication number: JP2004061120A
Application number: JP2002215416A
Authority: JP
Inventors: Kunitoshi Nishimura; 西村　国俊; Kiyoshi Hino; 日野　清
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-02-26

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic distance measuring sensor that can increase stability in distance measuring accuracy regardless of a change in temperature and at the same time versatility to an object to be measured. <P>SOLUTION: In the ultrasonic distance measuring sensor 110, a wave reception means 136 for measuring is oppositely arranged on a measuring surface 118 and the wave reception means 136 and a wave transmission means 134 are arranged in series in a distance measuring axis direction of the measuring surface 118 by specific separation distance, and a wave reception means 140 for correction is separated from a reference surface 142 by specific reference distance D<SB>0</SB>for opposite arrangement. The ultrasonic distance measuring sensor 110 comprises: time interval measuring means 128, 130 for measuring a time interval T from the reflection of ultrasonic waves from the wave transmission means 134 on the measuring surface 118 to return to the wave reception means 136 and a time interval T<SB>0</SB>from the reflection of ultrasonic waves from a wave transmission mens 138 on the reference surface 142 to return to the wave reception means 140; and a distance operation means 132 for obtaining distance D = D<SB>0</SB>x T / T<SB>0</SB>from the wave reception means 136 to the measuring surface 118. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波測距センサ、特にその温度依存性及び測定対象に対する汎用性の改善機構、さらにはその検出感度の改善機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業界においては、例えば細穴の底部の高さを測定することがしばしば必要になることがあり、距離の測定（測距）には、光を利用したレーザ干渉法や三角測量法、或いは静電容量変化やインピーダンス変化を距離に換算する電気的な方法がある。
前者の光を利用する方法は、底部が粗面であると光の反射が充分でないため使用できず、また後者の電気的な方法は、底部が非金属の場合は使用できない欠点がある。
【０００３】
この他、距離の測定には、超音波を利用した方法があり、超音波の飛行時間を測定して距離を求めるフライングタイム測定方法が一般的である。
フライングタイム測定方法を利用した超音波測距センサは、超音波送波手段と、超音波受波手段を備える。そして、超音波送波手段よりの超音波は送波され測定面に達し測定面で反射される。その反射波は超音波受波手段により受波される。超音波が超音波送波手段より送波されてから、超音波受波手段に受波されるまでの時間間隔を測定する。得られた時間間隔の値に超音波の音速を掛けることにより、被測定物までの距離を求めることができる。
【０００４】
図１１には一般的な超音波測距センサの概略構成が示されている。
同図に示す超音波測距センサ１０は、超音波スタイラス１２を備え、超音波スタイラス１２は、円錐状のサファイアで構成されており、その広い方の端面を駆動及び検出用圧電材料１４を介して黄銅製の支持体１６に固定し、狭い方の端面を被測定物１８と対向させる。
【０００５】
圧電材料１４の両端に例えば３０ＭＨｚの高周波を瞬間的に印加すると、超音波スタイラス１２の広い方の端面に超音波が発生し、その超音波振動が超音波スタイラス１２の狭い方の端面に向かって伝播していく。広い断面より狭い断面に向かって伝播していくので、超音波振動の振幅は次第に増加し、超音波スタイラス１２の狭い方の端面より外部に超音波２０が飛び出す。外部に飛び出した超音波２０は拡散しながらも、被測定物１８に入射し、その反射波は、再び超音波スタイラス１２の狭い方の端面より超音波スタイラス１２中に入り、圧電材料１４に歪を及ぼし、電圧を発生させる。
【０００６】
そして、超音波２０が超音波スタイラス１２の狭い方の端面より外部に飛び出し、被測定物１８に入射し、その反射波が再び超音波スタイラス１２中に入り込むまでの時間を測定することにより、超音波スタイラス１２の狭い方の端面から被測定物１８までの距離を求めることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のフライングタイム測定方法では、時間×音速より距離を算出するが、温度や湿度によって音速が変化すると、距離が変化してしまい、特に温度変化の影響は深刻であった。
【０００８】
温度の影響を低減する技術として、例えば特開平１１−８３６００号等に開示された方法がある。前記超音波測距センサでは、測定面に対し、超音波送受波手段、超音波受波手段は並列（測定面と平行方向）に、所定の離隔距離をおいて配置されている。そして、超音波送受波手段よりの超音波は測定面に対し略直角の入射角で入射し、その反射波を超音波送受波手段により受波する。また超音波送受波手段よりの超音波は測定面に対し斜めの入射角で入射し、その反射波を超音波受波手段により受波する。
【０００９】
そして、前記超音波送受波手段より得られる超音波の伝播時間と前記超音波受波手段より得られる超音波の伝播時間を比較演算することにより、温度変化に依存しない距離の測定を行っている。
しかしながら、前記従来の超音波測距センサでは、測定面に対し超音波送受波手段、超音波受波手段は並列に、所定の離隔距離をおいて配置されており、この離隔距離（基準距離）を基準に演算を行うが、温度変化に対する基準距離の変化までは考慮されておらず、温度依存性は改善の余地が残されていた。
【００１０】
また前記従来の超音波測距センサでは、汚水処理槽等の液面の高さを測定するためのものであり、被測定物に対し前記送受波手段、受波手段を並列に固定的に配置しているので、細穴等の別の測定対象への適用は事実上困難であり、測定対象に対する汎用性も、改善の余地が残されていた。
さらに、超音波測距センサでは、検出感度を高めることが強く望まれていたものの、従来はこれを解決することのできる適切な技術が存在しなかった。
【００１１】
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その第一の目的は温度変化に関わらず測距精度の安定性を高めると共に、測定対象に対する汎用性の向上を図ることのできる超音波測距センサを提供することにある。また本発明の第二の目的は検出感度を高めることのできる超音波測距センサを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記第一の目的を達成するために本発明にかかる超音波測距センサは、測定対象に超音波を送波する少なくとも一つの送波手段と、前記送波手段より送波され、前記測定対象で反射された超音波を受波する測定用受波手段及び補正用受波手段と、を備えた超音波測距センサであって、
【００１３】
前記測定用受波手段は、前記測定対象である測定面に対向配置され、かつ該測定用受波手段及び送波手段は、該測定面の測距軸方向に所定の離隔距離をおいて直列に配置され、
前記補正用受波手段は、前記測定対象である基準面に対し所定の基準距離Ｄ_０を離隔され対向配置され、
また時間間隔測定手段と、距離演算手段と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
ここで、前記時間間隔測定手段は、前記送波手段よりの超音波が少なくとも前記測定用受波手段に達してから、前記測定面で反射され該測定用受波手段に戻るまでの時間間隔Ｔ、及び前記送波手段よりの超音波が少なくとも前記補正用受波手段に達してから、前記基準面で反射され該補正用受波手段に戻るまでの時間間隔Ｔ_０を測定する。
また前記距離演算手段は、前記基準距離Ｄ_０、及び前記時間間隔測定手段により得られた時間間隔Ｔ，Ｔ_０に基づいて、測定用受波手段から測定面までの距離Ｄ＝Ｄ_０×Ｔ／Ｔ_０を求める。
【００１５】
ここにいう受波手段は、送波手段よりの超音波を該受波手段中を伝播させる構成、該受波手段中を伝播させないで通過させる構成を含めていう。
またここにいう時間間隔とは、例えば送波手段よりの超音波を受波手段中を伝播させる構成では、受波手段が送波手段よりの超音波を受けてから、測定面で反射され再び受波手段に戻るまでの時間間隔をいう。また送波手段よりの超音波を該受波手段中を伝播させないで通過させる構成では、送波手段より超音波が送波されてから、受波手段を通過し測定面で反射され受波手段に戻るまでの時間間隔を含めていう。
【００１６】
なお、本発明においては、温度センサと、基準距離補正手段と、を備え、前記距離演算手段は、前記基準距離Ｄ_０として前記基準距離補正手段により得られた温度補正済み基準距離Ｄ_１を用いて、前記測定用受波手段から測定面までの距離Ｄ＝Ｄ_１×Ｔ／Ｔ_０を求めることが好適である。
ここで、前記温度センサは、前記基準面と補正用受波手段間の媒質の温度情報を得る。
また前記基準距離補正手段は、前記基準距離Ｄ_０を、前記温度センサにより得られた温度情報で温度補正し、温度補正済み基準距離Ｄ_１を得る。
【００１７】
また本発明においては、前記測定面側より順に、前記測定用受波手段、一つの前記送波手段、及び補正用受波手段を測距軸方向に直列に配置する。前記時間間隔測定手段は、前記一つの送波手段よりの超音波が、少なくとも該測定用受波手段に達してから、測定面で反射され該測定用受波手段に戻るまでの時間間隔Ｔ、及び前記一つの送波手段よりの超音波が、少なくとも補正用受波手段に達してから、基準面で反射され該補正用受波手段に戻るまでの時間間隔Ｔ_０を測定することが好適である。
【００１８】
また本発明においては、測定用超音波スタイラスと、補正用超音波スタイラスと、を備える。そして、前記時間間隔測定手段は、前記送波手段よりの超音波が前記測定用超音波スタイラス中を伝播し少なくとも該測定用受波手段に達してから、測定面で反射され該測定用受波手段に戻るまでの時間間隔Ｔ、及び前記送波手段よりの超音波が補正用超音波スタイラス中を伝播し少なくとも前記補正用受波手段に達してから、基準面で反射され該補正用受波手段に戻るまでの時間間隔Ｔ_０を測定することが好適である。
【００１９】
ここで、前記測定用超音波スタイラスは、弾性体よりなり、その測定面側端面に前記測定用受波手段が設けられ、該弾性体の測定面側端面と対向して前記送波手段が設けられ、該測定用受波手段が測定面に対向され配置される。
また前記補正用超音波スタイラスは、弾性体よりなり、その基準面側端面に前記補正用受波手段が設けられ、該弾性体の基準面側端面と対向して前記送波手段が設けられ、該基準面に対し該補正用受波手段が所定の基準距離Ｄ_０をおいて対向配置される。
【００２０】
また前記第二の目的を達成するために本発明にかかる超音波測距センサは、測定用超音波スタイラスの測定面側端面の略中央に、前記送波手段よりの超音波を出射する凹面部を形成し、該凹面部に沿って、測定用超音波スタイラスの測定面側端面に、前記測定用受波手段を設けることが好適である。
また本発明において、前記時間間隔測定手段は、前記送波手段よりの超音波が前記測定用受波手段の背面側に入射してから、該受波手段中を伝播し該測定用受波手段測定面側より出射し測定面で反射され該測定用受波手段測定面側に戻るまでの時間間隔を測定し、メモリと、引算部と、を備えることが好適である。
【００２１】
ここで、前記メモリは、予め前記測定用受波手段から測定面までの距離を十分離隔して得ておいた、該測定用受波手段の出力特性を記憶している。
また前記引算部は、測距時に前記測定用受波手段の出力より、前記メモリに記憶している出力特性を差し引く。
ここにいう出力特性とは、例えば出力波形等をいう。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の好適な一実施形態について説明する。
【００２３】
圧電材料の配置
　図１には本発明の一実施形態にかかる超音波測距センサの概略構成が示されている。なお、本実施形態では、測定対象である深穴の底部（測定面）の深さ（距離）を測定する例について説明する。前記従来技術と対応する部分には符号１００を加えて示し説明を省略する。
同図に示す超音波測距センサ１１０は、測定用超音波スタイラス１１２と、補正用超音波スタイラス１２２と、検出回路１２４，１２６と、時間間隔測定回路（時間間隔測定手段）１２８，１３０と、距離演算回路（距離演算手段）１３２を備える。
【００２４】
前記測定用超音波スタイラス１１２は、例えば金属製、或いはセラミック製の弾性材料等をホーン状（柱状）に構成しており、駆動用圧電材料（測定用送波手段）１３４と、検出用圧電材料（測定用受波手段）１３６を備える。
前記駆動用圧電材料１３４は、前記測定用超音波スタイラス１１２の横断面積が広い上端面に設けられている。検出用圧電材料１３６は、該測定用超音波スタイラス１１２の横断面積が狭い下端面に設けられている。駆動用圧電材料１３４は、被測定物（測定面）１１８に対向配置され、かつ検出用圧電材料１３６及び駆動用圧電材料１３４は、被測定物１１８の深さ（測距軸）方向に所定の離隔距離をおいて直列に配置されている。
【００２５】
前記検出用圧電材料１３６の後段に、検出回路１２４を設け、該検出回路１２４の後段に時間間隔測定回路１２８を設けている。該時間間隔測定回路１２８は距離演算回路１３２に接続されている。
前記補正用超音波スタイラス１２２は、前記測定用超音波スタイラス１１２と同様、例えばホーン状の弾性体（柱体）よりなり、測定用超音波スタイラス１１２と直交する方向に、支持体１１６の側面を介して設けている。
【００２６】
前記補正用超音波スタイラス１２２は、その右端面に駆動用圧電材料（補正用送波手段）１３８を設け、その左端面に検出用圧電材料（補正用受波手段）１４０を設けている。
本実施形態においては、検出用圧電材料１４０は、基準面１４２に対し所定の基準距離Ｄ_０を離隔され対向配置されている。すなわち、本実施形態においては、補正用超音波スタイラス１２２の前面には、基準距離Ｄ_０となるように基準面１４２が取りつけ枠１４４に固定されている。
【００２７】
また検出用圧電材料１４０の後段に、前記検出回路１２４と同様の機能を持つ検出回路１２６を設け、該検出回路１２６の後段に前記時間間隔測定回路１２８と同様の機能を持つ時間間隔測定回路１３０を設けている。該時間間隔測定回路１３０は距離演算回路１３２に接続されている。
そして、前記時間間隔測定回路１２８は、駆動用圧電材料１３４よりの超音波が、検出用圧電材料１３６に達してから、被測定物１１８で反射され、該検出用圧電材料１３６に戻るまでの時間間隔Ｔを測定する。
【００２８】
また前記時間間隔測定回路１３０は、駆動用圧電材料１３８よりの超音波が、検出用圧電材料１４０に達してから、基準面１４２で反射され、該検出用圧電材料１４０に戻るまでの時間間隔Ｔ_０を測定する。
前記演算回路１３２は、前記基準距離Ｄ_０、時間間隔測定回路１２８により得られた時間間隔Ｔ、及び時間間隔測定回路１３０により得られた時間間隔Ｔ_０に基づいて、測定用超音波スタイラス１１２の下端から被測定物１１８までの距離Ｄ＝Ｄ_０×Ｔ／Ｔ_０を求める。
【００２９】
なお、本実施形態において、前記圧電材料１３４，１３６は、測定用超音波スタイラス１１２の各対応端面に、前記圧電材料１３８，１４０は、補正用超音波スタイラス１２２の各対応端面に、それぞれ例えばバルク状の圧電材料の接着により、或いは酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の圧電材料が膜状にＣＶＤ法やスパッタリング法等により形成されている。
【００３０】
超音波スタイラス
　ところで、超音波測距センサでは、種々の測定対象に対する汎用性を向上させることが重要である。
本発明において特徴的なことは、測定対象に対する汎用性を向上させるために、例えば測定対象が深穴の底部の深さであっても対応することができるように、測定用受波手段及び送波手段を、測定面の測距軸方向に所定の離隔距離をおいて直列に配置したことである。
【００３１】
＜測定用超音波スタイラス＞
図２には本実施形態にかかる測定用超音波スタイラス１１２等の構成部材が示されている。
すなわち、同図に示す可搬型、縦長の測定用超音波スタイラス１１２の上端面に駆動用圧電材料１３４を設け、その下端面に検出用圧電材料１３６を設けることにより、深穴１４６の底部である被測定物１１８に対し圧電材料１３４，１３６を直列に配置している。
【００３２】
また駆動用圧電材料１３４の両端に高周波電圧を印加するために、支持体１１６と駆動用圧電材料１３４下側は、それぞれリード線１４８，１５０で駆動回路１５２と接続されている。
また検出用圧電材料１３６よりの信号を、検出用圧電材料１３６の表裏の電位差として外部に取出するために、検出用圧電材料１３６の裏側は裏側用リード線１５４と接続されている。検出用圧電材料１３６の表側は表側用リード線１５６と接続されている。そして、これらのリード線１５４，１５６は検出回路１２４と接続されている。
【００３３】
前記駆動回路１５２は、リード線１４８及び支持体１１６、並びにリード線１５０を介して駆動用圧電材料１３４の両端に高周波電圧をバースト的に印加する（図３（Ａ）駆動波形１９６参照）。これにより駆動用圧電材料１３４は高周波振動を起こし、超音波となって測定用超音波スタイラス１１２中を図中下方に伝播する。
このスタイラス１１２中を伝播する超音波の振動振幅は、スタイラス１１２の断面が狭くなるにしたがって大きくなり、スタイラス１１２下端の検出用圧電材料１３６を貫通し大気中に飛び出し被測定物１１８に達する。この超音波１２０は被測定物１１８で反射され、再び検出用圧電材料１３６に戻る。
【００３４】
前記検出用圧電材料１３６は、超音波により励起され電気的な出力を発生する。　前記検出回路１２４は、検出用圧電材料１３６よりの出力を増幅、検波する（図３（Ｂ）検出波形参照）。
すなわち、前記検出用圧電材料１３６は、超音波の通過波の影響（駆動用圧電材料１３４よりの超音波が検出用圧電材料１３６を通過する時）と反射（超音波１２０が被測定物１１８で反射され検出用圧電材料１３６に戻る時）の影響を受けて、該通過波の影響による山１５８と、該反射波の影響による山１６０を持つ信号１６２（図３（Ｂ）参照）を発生する。
【００３５】
前記駆動用圧材料１３４の駆動波形（図３（Ａ）参照）は、高周波のバースト波形であっても、検出用圧電材料１３６の応答が悪いと、高周波成分が濾波され、滑らかな信号となる。この信号１６２は検出用圧電材料１３６の表裏の電位差としてリード線１５４，１５６で外部に取出され、時間間隔測定回路１２８に導かれる。
前記時間間隔測定回路１２８は、検出回路１２４よりの出力より、駆動用圧電材料１３４よりの超音波が検出用圧電材料１３６の裏側（背面側）に達してから、被測定物１１８で反射され、検出用圧電材料１３６の表側（測定面側）に戻るまでの時間間隔Ｔを測定する。
【００３６】
すなわち、時間間隔測定回路１２８は、この通過波による山１５８と反射波による山１６０との時間間隔Ｔを測定する。
時間間隔Ｔの測定は、信号１６２をある閾値１６４で切断しパルス信号１６６を作り、そのパルス幅を時間測定する。
時間間隔Ｔより、測定超音波スタイラス１１２の下端から被測定物１１８までの距離Ｄを求めることができる。
【００３７】
なお、本実施形態においては、検出用圧電材料１３６の表側（測定面側）は、保護用の金属製あるいはプラスチック等の高分子材料の保護板、あるいは音響インピーダンスの整合を兼ねた保護層１６８で覆われている。
また本実施形態においては、測定用超音波スタイラス１１２の上端面は駆動用圧電材料１３４を介して支持体１１６に固着されている。測定用超音波スタイラス１１２は支持体１１６を介して深穴（測定対象）１４６に対し、所定の位置、姿勢に位置決めされる。
【００３８】
より具体的には支持体１１６の外周壁には突起部１７０が設けられており、深穴１４６に測定用超音波スタイラス１１２を挿入すると、突起部１７０が深穴１４６の周縁の上端部１７２に引っ掛かる。これにより本実施形態においては、特に測距方向に測定用超音波スタイラス１１２をぐらつかせないで、安定して配置することができるので、測定用超音波スタイラス１１２から深穴１４６の底部までの距離Ｄの測距精度の安定性が高められる。
【００３９】
このように超音波測距センサ１１０を構成することにより、つまり可搬型、縦長の測定用超音波スタイラス１１２を用い、被測定物１１８に対し、検出用圧電材料１３６、駆動用圧電材料１３４を直列に配置することにより、たとえ細穴１４６の深さであっても、距離Ｄを容易に求めることができるので、測定対象に対する汎用性が向上される。
【００４０】
補正用超音波スタイラス
　ところで、従来は、時間間隔Ｔと、音速Ｖより、超音波スタイラス１１２の下端から被測定物１１８までの距離Ｄ＝ＶＴ／２を求めていた。
しかしながら、音速Ｖは、測定環境の温度や湿度で変化するため、そのまま用いると、特に温度変化に対して不安定な値となる。このため、超音波測距センサでは、温度依存性を低減することも、非常に重要である。
そこで、本発明において特徴的なことは、温度依存性を低減するために、補正用超音波スタイラスを設け、温度依存性のないパラメータより、距離Ｄを求めるようにしたことである。
【００４１】
このために本実施形態において、図４に示すように補正用超音波スタイラス１２２は、前記測定用超音波スタイラス１１２と基本的に同じ構成であり、測定用超音波スタイラス１１２と直交する方向に、例えばホーン状の弾性体よりなる補正用超音波スタイラス１２２を、支持体１１６の側面を介して設けている。
補正用超音波スタイラス１２２は、その右端面に駆動用圧電材料（補正用送波手段）１３８を設け、その左端面に検出用圧電材料（補正用受波手段）１４０を設けている。
【００４２】
本実施形態においては、検出用圧電材料１４０は、基準面１４２に対し所定の基準距離Ｄ_０を離隔され対向配置されている。すなわち、本実施形態においては、補正用超音波スタイラス１２２の前面には、基準距離Ｄ_０となるように基準面１４２が取りつけ枠１４４に固定されている。
また駆動用圧電材料１３８の両端に高周波電圧を印加するために、支持体１１６と、駆動用圧電材料１３８の左端面には、それぞれリード線１４８，１７０で駆動回路１５２と接続されている。
【００４３】
また検出用圧電材料１４０よりの信号を、検出用圧電材料１４０の表裏の電位差として外部に取出すために、検出用圧電材料１４０の右端面は裏側用リード線１７２と接続され、検出用圧電材料１４０の左端面は表側用リード線１７４と接続されている。これらのリード線１７２，１７４は、前記検出回路１２４と同様の機能を持つ検出回路１２６に接続されている。検出回路１２６は、前記時間間隔測定回路１２８と同様の機能を持つ時間間隔測定回路１３０に接続され、該時間間隔測定回路１３０は距離演算回路１３２に接続されている。
前記時間間隔測定回路１３２は、駆動用圧電材料１３８よりの超音波が、検出用圧電材料１４０に達してから、基準面１４２で反射され、該検出用圧電材料１４０に戻るまでの時間間隔Ｔ_０を測定する。
【００４４】
前記演算回路１３２は、前記基準距離Ｄ_０、時間間隔測定回路１２８により得られた時間間隔Ｔ、及び時間間隔測定回路１３０により得られた時間間隔Ｔ_０に基づいて、測定用超音波スタイラス１１２の下端から被測定物１１８までの距離Ｄ＝Ｄ_０×Ｔ／Ｔ_０を求める。
すなわち、音速をＶとすると、測定用超音波スタイラス１１２の先端から被測定物１１８までの距離Ｄ、補正用超音波スタイラス１２２の先端から基準面１４２までの基準距離Ｄ_０は、それぞれ
Ｄ＝ＶＴ／２　　…（１）
Ｄ_０＝ＶＴ_０／２　　…（２）
と表すことができる。
【００４５】
ここで、超音波スタイラス１１２，１２２の周囲の温度や湿度は同一であり、音速Ｖも同一であるとしている。
前記（１），（２）式より、測定用超音波スタイラス１１２の先端から被測定物１１８までの距離Ｄは、
Ｄ＝Ｄ_０×（Ｔ／Ｔ_０）　　…（３）
と表すことができるので、音速に無関係なパラメータにより、距離Ｄを求めることができる。
ここで、基準距離Ｄ_０も厳密には、温度によって変化するが、その量が無視できる場合には、前記（３）式を用いて距離Ｄを計算することができる。
【００４６】
このように本実施形態においては、超音波スタイラスの一端面に駆動用圧電材料をそれぞれ設け、その他端面に検出用圧電材料をそれぞれ設けている。測定用超音波スタイラス１１２を被測定物１１８に対向させると共に、補正用超音波スタイラス１２２を所定の基準距離Ｄ_０を離隔し基準面に対向させている。そして、距離演算回路１３２により、各超音波スタイラス１１２，１２２よりの超音波の時間間隔Ｔ，Ｔ_０を比較することにより、環境変化、特に温度変化に影響されない距離Ｄの測定を行うことができる。
なお、本実施形態において、補正用超音波スタイラス１２２の先端は、前記測定用超音波スタイラス１１２の保護板あるいは保護層１６８と同様の保護板あるいは保護層１７６により覆われている。
【００４７】
＜基準距離の温度補正＞
前記構成により、温度依存性を大幅に低減することができるが、距離Ｄをさらに厳密に見積もるためには、基準距離Ｄ_０の温度による変化分も考慮しなくてはならない。
すなわち、基準距離Ｄ_０のある基準温度における距離をＤ_００として、基準温度ΔＴだけ、変動した場合の、基準距離は
Ｄ_１＝Ｄ_００（１＋α・ΔＴ）　　…（４）
と表すことができる。ただし、この算出式、つまり前記（４）式は超音波スタイラスや取りつけ枠等が同一の熱膨張係数αである場合に限られ、異質の材料が組み合わされる場合は、もっと複雑な式で見積もる必要がある。
【００４８】
前記基準距離Ｄ_０の温度による変化分も考慮するために本実施形態においては、温度センサ１７８と、基準距離補正回路（基準距離補正手段）１８０を備える。　前記温度センサ１７８は取りつけ枠１４４に設けられ、基準距離補正回路１８０と接続され、前記基準距離補正回路１８０は距離演算回路１３２と接続されている。
前記温度センサ１７８は、補正用超音波スタイラス１２２の先端と基準面１４２間の媒質（空気）の温度をモニタし、基準距離補正回路１８０に出力する。
【００４９】
基準距離補正回路１８０は、前記基準距離Ｄ_０のある基準温度における距離Ｄ_００、温度センサ１７８により得られた温度で温度補正し、温度補正済み基準距離Ｄ_１を得る。
前記距離演算回路１３２は、温度補正の機能も有しており、基準距離Ｄ_０として、前記基準距離補正回路１８０より得られた温度補正済み基準距離Ｄ_１を用いて、測定用超音波スタイラス１１２の先端から被測定物１１８までの距離Ｄ（＝Ｄ_１×Ｔ／Ｔ_０）を求める。
【００５０】
この結果、本実施形態においては、基準距離Ｄ_０の温度変化を補正しているので、これを考慮しないものに比較し、より温度依存性を大幅に低減することができ、測定用超音波スタイラス１１２の先端から被測定物１１８までの距離Ｄをさらに厳密に算出することができる。
【００５１】
高感度化
＜超音波スタイラス＞
ところで、超音波測距センサでは、検出感度を高めることも重要である。
本発明において特徴的なことは、検出感度を高めるために、超音波スタイラスの測定対象側端面の一部にスタイラス軸を中心とした略凹面を形成し、その周辺に受波手段を設けたことである。
このために本実施形態においては、図５に示されるような超音波スタイラスを用いることが特に好適である。なお、同図（Ａ）は外観斜視図、同図（Ｂ）は縦断面図であり、前記実施形態と対応する部分には符号１００を加えて示し説明を省略する。
【００５２】
図５に示す超音波スタイラス２１２は、略円柱状に構成され、その測定対象側端面には、スタイラス径より細い外形の突起部２８２が形成されている。
前記検出用圧電材料２３６は略円環状に構成されている。すなわち同心円状に中心部が抜かれた円板状の検出用圧電材料２３６が、突起部２８２の外周縁に沿って、超音波スタイラス２１２にはめ込まれている。
さらに突起部２８２の下端面には凹面部２８２ａが形成されており、超音波スタイラス２１２より空中に放出される超音波の広がりを少なくしている。
【００５３】
また図６に示されるような超音波スタイラスを用いることも特に好適である。なお、同図（Ａ）は外観斜視図、同図（Ｂ）は縦断面図であり、前記実施形態と対応する部分には符号２００を加えて示し説明を省略する。
すなわち、図６に示すホーン状の超音波スタイラス３１２の測定対象側端面の中央には凹面部３８４が形成され、その周辺の平坦部に円環状の検出用圧電材料３３６が固定されている。
このように超音波スタイラス２１２，３１２の先端を空中に放出される超音波の広がりの少ないものにすることにより、検出感度をより高めることができる。
【００５４】
本実施形態においては、検出感度をより高めるために、図７に示すように前記図６に示した板状の検出用圧電材料３３６は、上下方向より絶縁体３８６，３８８で支持され、凹面部３８４の外周囲に配置されることが特に好適である。
さらに、下側の支持体３８８には被測定物よりの反射波を遮ぎらないように開口部３９０が設けられ、さらに開口部３９０は音響インピーダンスの整合を兼ねた保護板３６８が接着されていることが、検出感度をより高めるために特に好適である。
【００５５】
このように超音波スタイラスを構成することにより、超音波スタイラス先端よりの超音波の発散が少なく、さらに被測定物よりの反射波を遮ぎらないので、検出感度をより高くすることができる。
なお、前記構成では、測定用超音波スタイラスについて説明したが、本発明はこれに限定されるものはなく、補正用超音波スタイラスについも、前記図５〜７に示した構造とすることが特に好適である。
また前記各構成では、圧電材料としてバルク状の板状圧電材料を用いており、例えば超音波セラミックマイクロフォンに用いられるセンサを用いることができる。
【００５６】
＜反射波の影響強調機構＞
前記各構成では、検出用圧電材料よりの検出信号の、駆動用圧電材料よりの超音波の通過波部分と、測定対象よりの反射波部分が明確に分離している例について説明したが、通過波の影響が過渡特性として残り、反射波と重畳して判別できないおそれがある場合には、前記各構成による検出感度を高める効果を充分に発揮することができないことがある。
このために本実施形態においては、図８に示すような信号処理を加えることが特に好適である。なお、前記図１と対応する部分には符号３００を加えて示し説明を省略する。
【００５７】
本発明において特徴的なことは、送波手段よりの超音波が、受波手段の背面側に入射してから、該受波手段中を伝播し該受波手段の測定面側より出射し、測定面で反射され該受波手段の測定面側に戻るまでの時間間隔を測定する際の、通過波の影響が過渡特性として残り、反射波と重畳するのを低減したことである。
このために本実施形態においては、メモリ４９２と、演算回路（引算部）４９４を備える。
ここで、前記メモリ４９２は、駆動回路４５２の後段に接続され、メモリ４９２の後段に演算回路４９４が接続されている。また演算回路４９４は、例えば前記検出回路に含まれており、検出用圧電材料４３６と時間間隔測定回路４２８間に接続されている。
【００５８】
本実施形態においては、駆動回路４５２よりのトリガ信号（図９（Ａ）参照）４９６で動作を開始し、予め検出用圧電材料４３６から被測定物までの距離を十分に離隔して得ておいた、該検出用圧電材料４３６の波形（出力特性、図９（Ｂ））を記憶している。
そして、演算回路４９４は、測距時に検出用圧電材料４３６よりの出力より、前記メモリ４９２に記憶している波形（出力特性）を差し引く。
【００５９】
すなわち、図９（Ｃ）に示す実際の検出用圧電材料４３６の出力波形は、演算回路４９４でメモリ４９２の内容が差し引かれる（図９（Ｄ）参照）。その結果が、ある閾値（２）でスライスされ、パルス化された信号（図９（Ｅ）参照）４９８の立下りタイミングを決めている。
このように被測定物を充分に離隔した状態で、通過波に対する応答を記録しておき、実際の測定においては、この波形を差し引くことにより、反射波の影響を浮きだたせている。このようなパルス化された信号４９８、つまり反射波の影響が強調された検出波形が時間間隔測定回路４２８に入力される。
【００６０】
この結果、本実施形態においては、通過波の影響が過渡特性として残り反射波と重畳するのを大幅に低減しているので、時間間隔測定回路は、通過波と反射波を明確に分離し、時間間隔Ｔをより正確に測定することができる。これにより距離Ｄをより正確に求めることができる。また前記構成による検出感度の向上効果を充分に発揮することができる。
なお、前記構成では、測定用超音波スタイラスの検出用圧電材料の例について説明したが、補正用超音波スタイラスの検出用圧電材料についても、適用することが特に好ましい。
【００６１】
変形例
＜超音波スタイラスの配置＞
本発明では、測定用超音波スタイラスを被測定物に設置するのに、補正用超音波スタイラスが邪魔にならなければ、これらの超音波スタイラスを直角に配置したり、直線的に配置したり、任意の角度に配置してもよいが、測定対象に対する汎用性をより向上させるためには、以下の構成が特に好適である。
すなわち、超音波測距センサでは、特に深い穴の底の高さを測定するためには、全体形状ないし構成を単純化することが非常に重要である。
【００６２】
そこで、本発明において特徴的なことは、２つの超音波スタイラスをスタイラス軸が一致するように同軸上に配置したことである。
このために本実施形態においては、図１０（Ａ）に示すように超音波測距センサを構成している。なお、前記図１と対応する部分には符号４００を加えて示し説明を省略する。
すなわち、同図（Ａ）においては補正用超音波スタイラス５２２を測定用超音波スタイラス５１２と同軸上に、隣接するスタイラスへの超音波の干渉を防ぐための超音波吸収部材６００を介して配置している。
【００６３】
測定用超音波スタイラス５１２は、支持体５１６ａを介して取りつけ枠５４４に設けられている。
補正用超音波スタイラス５２２は、検出用圧電材料５４０の前面から基準面５４２までの距離は、基準距離Ｄ_０となるように、支持体５１６ｂを介して取りつけ枠５４４に設けられている。
この結果、補正用超音波スタイラス５２２を測定用超音波スタイラス５１２と同軸上に配置することにより、直角に組み合わせるよりも、全体形状はシンプルになる。
【００６４】
したがって、特に深い穴の底の高さを測定するのが容易となり、測定対象に対する汎用性をより向上させることができる。
また全体形状ないし構成をより単純化するために、本実施形態においては、図１０（Ｂ）に示すように超音波測距センサを構成することも特に好適である。なお、前記図１と対応する部分には符号５００を加えて示し説明を省略する。
本実施形態においては、図１０（Ｂ）に示すように、さらに駆動用圧電材料（送波手段）７０２を兼用している。
【００６５】
すなわち、測定用超音波スタイラス６１２の駆動用圧電材料と補正用超音波スタイラス６２２の駆動用圧電材料を共通の駆動用圧電材料７０２とし、補正用超音波スタイラス６２２と測定用超音波スタイラス６１２を直線的に配置することも好適である。
補正用超音波スタイラス６２２は、検出用圧電材料６４０の前面から基準面６４２までの距離が、基準距離Ｄ_０となるように取りつけ枠６４４に設置されている。
なお、同図では、駆動用圧電材料７０２を跨ぐようにして、超音波スタイラス６１２，６２２を支持する支持部材７０４が必要であるが、全体構成は単純である。
【００６６】
このように二つの超音波スタイラス６１２，６２２をスタイラス軸を一致させて同軸上に配置し、さらに一つの駆動用圧電材料７０２を兼用することにより、全体形状ないし構成を単純化することができる。これにより特に深い穴の底の高さであっても、距離Ｄを容易に及び確実に測定することができるので、測定対象に対する汎用性がより向上される。
しかも同図（Ａ）に示すホーン型のスタイラスに代えて、同図（Ｂ）に示すように同一断面積を有する柱状のスタイラスを用いることにより、スタイラスの加工がより簡単となる。
【００６７】
＜測定対象＞
なお本実施形態では、深い穴の底の高さを測定する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、任意の場所の距離を測定することができる。しかしながら、深い穴の底の高さを測定する際に、本発明のセンサの効果が、他のセンサに比較し、より顕著に現れるので、本発明は、特に深い穴の底の高さの測定に好適である。
＜検出用圧電材料＞
検出用圧電材料は、前記バルク状の板材ばかりでなく、例えばシリコン等の薄膜に圧電特性または電歪特性を持つ材料を形成したもの、例えば特開平４−３６４４１３号、特開平６−２６８０７号等に記載のものを用いることができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかる超音波測距センサによれば、測定用受波手段及び送波手段は測定面の測距軸方向に所定離隔距離をおいて直列配置され、また時間間隔測定手段により、送波手段よりの超音波が測定面で反射され該測定用受波手段に戻るまでの時間間隔、及び超音波が基準面で反射され該補正用受波手段に戻るまでの時間間隔を測定し、演算手段により基準距離及び各時間間隔に基づいて測定用受波手段から測定面までの距離を求めることとした。
この結果、本発明は、温度変化に関わらず測距精度の安定性を高めることができると共に、測定対象に対する汎用性を向上させることができる。
また本発明においては、温度センサと、基準距離補正手段を備え、演算手段により、基準距離補正手段により得られた温度補正済み基準距離を用いて測定用受波手段から測定面までの距離を求めることにより、温度変化に関わらず測距精度の安定性をより高めることができる。
また本発明においては、測定面側より順に、前記測定用受波手段、一つの前記送波手段及び補正用受波手段を測距軸方向に直列に配置することにより、構成の簡素化が図られるので、測定対象に対する汎用性をより向上させることができる。　また本発明においては、測定用超音波スタイラスと、補正用超音波スタイラスを備えることにより、温度変化に関わらず測距精度の安定性をより高めると共に、測定対象に対する汎用性をより向上させることができる。
また本発明においては、前記測定用超音波スタイラスの測定面側端面の略中央部に凹面を形成し、該凹面部に沿って、該測定面側端面に前記測定用受波手段を設けることにより、検出感度をより高めることができる。
また本発明においては、予め測定用受波手段から測定面までの距離を十分離隔して得ておいた、該測定用受波手段の出力特性を記憶しているメモリと、測距時に測定用受波手段の出力より、前記メモリに記憶している出力特性を差し引く引算部を備えることにより、前記時間間隔をより正確に測定することができるので、前記測距精度をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態にかかる超音波測距センサの概略構成の説明図である。
【図２】本実施形態にかかる超音波測距センサの測定用超音波スタイラスの説明図である。
【図３】図１に示した超音波測距センサの駆動用圧電材料への駆動波形と検出用圧電材料よりの検出波形の説明図である。
【図４】図１に示した超音波測距センサの補正用超音波スタイラスの説明図である。
【図５】本実施形態において好適な超音波スタイラスの説明図である。
【図６】本実施形態において好適な超音波スタイラスの説明図である。
【図７】本実施形態において好適な超音波スタイラスの説明図である。
【図８】本実施形態において好適な反射波の影響強調機構の概略構成の説明図である。
【図９】図８に示した反射波の影響強調機構による通過波の影響低減方法の説明図である。
【図１０】本実施形態において好適な測定用超音波スタイラスと補正用超音波スタイラスの配置の変形例の説明図である。
【図１１】測定用超音波スタイラスの従来例の説明図である。
【符号の説明】
１１０　超音波測距センサ
１１２，２１２，３１２，５１２，６１２　測定用超音波スタイラス
１２２，５２２，６２２　補正用超音波スタイラス
１２８，１３０，４２８　時間間隔測定回路（時間間隔測定手段）
１３２　距離演算回路（距離演算手段）
１３４，２３４，３３４，５３４　駆動用圧電材料（測定用送波手段）
１３６，２３６，３３６，４３６，５３６，６３６　検出用圧電材料（測定用受波手段）
１３８，５３８　駆動用圧電材料（補正用送波手段）
１４０，５４０，６４０　検出用圧電材料（補正用受波手段）
１４２，５４２，６４２　基準面[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic ranging sensor, particularly to a mechanism for improving its temperature dependency and versatility with respect to a measurement target, and further to a mechanism for improving its detection sensitivity.
[0002]
[Prior art]
In the industry, it is often necessary to measure, for example, the height of the bottom of a fine hole. For distance measurement (ranging), laser interferometry using light, triangulation, or static measurement is used. There is an electrical method for converting a change in capacitance or a change in impedance into a distance.
The former method using light cannot be used because the light reflection is not sufficient if the bottom is rough, and the latter method cannot be used when the bottom is nonmetallic.
[0003]
In addition, there is a method using ultrasonic waves for measuring the distance, and a flying time measuring method for measuring the flight time of the ultrasonic waves to obtain the distance is generally used.
An ultrasonic ranging sensor using the flying time measurement method includes an ultrasonic wave transmitting unit and an ultrasonic wave receiving unit. Then, the ultrasonic wave from the ultrasonic wave transmitting means is transmitted, reaches the measurement surface, and is reflected by the measurement surface. The reflected wave is received by the ultrasonic wave receiving means. The time interval between the transmission of the ultrasonic wave by the ultrasonic wave transmitting means and the reception of the ultrasonic wave by the ultrasonic wave receiving means is measured. By multiplying the obtained time interval value by the sound speed of the ultrasonic wave, the distance to the object to be measured can be obtained.
[0004]
FIG. 11 shows a schematic configuration of a general ultrasonic ranging sensor.
The ultrasonic ranging sensor 10 shown in FIG. 1 includes an ultrasonic stylus 12, and the ultrasonic stylus 12 is formed of conical sapphire, and the wider end face thereof is driven by a piezoelectric material 14 for driving and detection. And fixed to a support 16 made of brass so that the narrow end face faces the DUT 18.
[0005]
When a high frequency of, for example, 30 MHz is instantaneously applied to both ends of the piezoelectric material 14, ultrasonic waves are generated on the wide end face of the ultrasonic stylus 12, and the ultrasonic vibration is directed toward the narrow end face of the ultrasonic stylus 12. Propagate. Since the ultrasonic wave propagates toward a narrow cross section rather than a wide cross section, the amplitude of the ultrasonic vibration gradually increases, and the ultrasonic wave 20 jumps out from the narrow end face of the ultrasonic stylus 12. The ultrasonic wave 20 that has spilled out enters the device under test 18 while being diffused, and the reflected wave enters the ultrasonic stylus 12 again from the narrow end face of the ultrasonic stylus 12 and is distorted by the piezoelectric material 14. To generate a voltage.
[0006]
Then, the ultrasonic wave 20 jumps out from the narrow end face of the ultrasonic stylus 12 to the outside, enters the DUT 18, and measures the time until the reflected wave enters the ultrasonic stylus 12 again. The distance from the narrow end face of the acoustic stylus 12 to the measured object 18 can be obtained.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-mentioned conventional flying time measuring method, the distance is calculated from time × sonic speed. However, if the sound speed changes due to temperature or humidity, the distance changes, and the influence of the temperature change is particularly serious.
[0008]
As a technique for reducing the influence of temperature, there is a method disclosed in, for example, JP-A-11-83600. In the ultrasonic distance measuring sensor, the ultrasonic wave transmitting / receiving means and the ultrasonic wave receiving means are arranged in parallel (in a direction parallel to the measurement surface) at a predetermined distance from the measurement surface. Then, the ultrasonic wave from the ultrasonic wave transmitting / receiving means is incident on the measurement surface at a substantially right angle of incidence, and the reflected wave is received by the ultrasonic wave transmitting / receiving means. Ultrasonic waves from the ultrasonic wave transmitting / receiving means enter the measurement surface at an oblique incident angle, and the reflected waves are received by the ultrasonic wave receiving means.
[0009]
Then, by comparing and calculating the propagation time of the ultrasonic wave obtained from the ultrasonic wave transmitting and receiving means and the propagation time of the ultrasonic wave obtained from the ultrasonic wave receiving means, the distance independent of the temperature change is measured. .
However, in the conventional ultrasonic distance measuring sensor, the ultrasonic wave transmitting / receiving means and the ultrasonic wave receiving means are arranged in parallel at a predetermined separation distance from the measurement surface, and this separation distance (reference distance). , The change in the reference distance with respect to the temperature change is not taken into account, and there is room for improvement in the temperature dependency.
[0010]
Further, in the conventional ultrasonic ranging sensor, for measuring the height of the liquid level of a sewage treatment tank or the like, the wave transmitting / receiving means and the wave receiving means are fixedly arranged in parallel with respect to an object to be measured. Therefore, it is practically difficult to apply the method to another measurement target such as a small hole, and there is still room for improvement in the versatility of the measurement target.
Furthermore, in the ultrasonic ranging sensor, although it has been strongly desired to increase the detection sensitivity, there has not been an appropriate technique that can solve this problem.
[0011]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the related art, and a first object of the present invention is to improve stability of ranging accuracy regardless of a temperature change and to improve versatility for a measurement object. An object of the present invention is to provide a sound wave distance measuring sensor. A second object of the present invention is to provide an ultrasonic ranging sensor that can increase the detection sensitivity.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the first object, the ultrasonic ranging sensor according to the present invention has at least one transmitting unit that transmits ultrasonic waves to a measurement target, and is transmitted from the transmission unit, and the measurement target is An ultrasonic ranging sensor including a measuring wave receiving unit and a correcting wave receiving unit for receiving the ultrasonic wave reflected by the ultrasonic wave measuring device,
[0013]
The measuring wave receiving means is arranged to face the measuring surface to be measured, and the measuring wave receiving means and the transmitting means are connected in series at a predetermined distance in a distance measuring axis direction of the measuring surface. Placed in
The correction wave receiving means has a predetermined reference distance D with respect to the reference plane to be measured.₀Are spaced apart and facing each other,
Further, it is characterized by comprising a time interval measuring means and a distance calculating means.
[0014]
Here, the time interval measuring means is a time interval T from when the ultrasonic wave from the transmitting means reaches at least the measuring receiving means to when it is reflected on the measuring surface and returns to the measuring receiving means. And a time interval T from when the ultrasonic wave from the wave transmitting means reaches at least the correcting wave receiving means to when the ultrasonic wave is reflected by the reference plane and returns to the correcting wave receiving means.₀Is measured.
Further, the distance calculating means is configured to calculate the reference distance D₀, And time intervals T, T obtained by the time interval measuring means.₀Based on the distance from the receiving means for measurement to the measurement surface D = D₀× T / T₀Ask for.
[0015]
The term "wave receiving means" as used herein includes a configuration in which ultrasonic waves from the wave transmitting means propagate through the receiving means, and a configuration in which the ultrasonic waves pass through the receiving means without propagating.
In addition, the time interval referred to here is, for example, in a configuration in which the ultrasonic wave from the transmitting means propagates through the receiving means, the receiving means receives the ultrasonic wave from the transmitting means, and is reflected by the measurement surface again. It means the time interval before returning to the wave receiving means. In the configuration in which the ultrasonic wave from the wave transmitting means is passed without propagating through the wave receiving means, the ultrasonic wave is transmitted from the wave transmitting means, then passes through the wave receiving means, is reflected by the measurement surface, and is reflected by the wave receiving means. Including the time interval until returning to.
[0016]
Note that, in the present invention, a temperature sensor and a reference distance correcting means are provided, and the distance calculating means₀As the temperature-corrected reference distance D obtained by the reference distance correction means.₁, The distance D from the measuring wave receiving means to the measuring surface D = D₁× T / T₀Is preferably obtained.
Here, the temperature sensor obtains temperature information of the medium between the reference surface and the correction wave receiving unit.
Further, the reference distance correcting means is configured to control the reference distance D₀Is corrected by the temperature information obtained by the temperature sensor to obtain a temperature-corrected reference distance D.₁Get.
[0017]
In the present invention, the measuring wave receiving means, one of the wave transmitting means, and the correcting wave receiving means are arranged in series in the ranging axis direction in order from the measurement surface side. The time interval measuring means is a time interval T from when the ultrasonic wave from the one transmitting means reaches at least the measuring receiving means, is reflected on the measurement surface and returns to the measuring receiving means, And a time interval T from when the ultrasonic wave from the one transmitting means reaches at least the correction receiving means to when it is reflected by the reference plane and returns to the correction receiving means.₀Is preferably measured.
[0018]
The present invention also includes a measuring ultrasonic stylus and a correcting ultrasonic stylus. The time interval measuring unit is configured to reflect the ultrasonic wave from the transmitting unit through the measuring ultrasonic stylus and at least reach the measuring receiving unit, and then reflect the ultrasonic wave from the measuring surface to the measuring unit. A time interval T until returning to the means, and the ultrasonic wave from the transmitting means propagates through the ultrasonic stylus for correction and reaches at least the receiving means for correction, and is reflected on the reference plane and is received by the receiving means for correction. Time interval T before returning to the means₀Is preferably measured.
[0019]
Here, the ultrasonic stylus for measurement is made of an elastic body, the wave receiving means for measurement is provided on the end face on the measurement surface side, and the wave transmitting means is provided opposite to the end face on the measurement surface side of the elastic body. The measuring wave receiving means is arranged to face the measurement surface.
Further, the correction ultrasonic stylus is made of an elastic body, the correction wave receiving means is provided on a reference surface side end face thereof, and the wave transmitting means is provided opposite to the reference surface side end face of the elastic body, The receiving means for correction has a predetermined reference distance D with respect to the reference plane.₀And are arranged facing each other.
[0020]
In order to achieve the second object, the ultrasonic ranging sensor according to the present invention has a concave portion that emits an ultrasonic wave from the transmitting means substantially at the center of an end surface on the measurement surface side of the ultrasonic stylus for measurement. It is preferable that the measuring wave receiving means is provided on the measuring surface side end surface of the measuring ultrasonic stylus along the concave surface portion.
Further, in the present invention, the time interval measuring means is configured such that, after the ultrasonic wave from the transmitting means is incident on the back side of the measuring receiving means, the ultrasonic wave propagates through the receiving means and the measuring receiving means It is preferable to measure a time interval from when the light is emitted from the measurement surface side, is reflected on the measurement surface, and returns to the measurement wave receiving unit measurement surface side, and includes a memory and a subtraction unit.
[0021]
Here, the memory stores output characteristics of the measuring wave receiving means, which are obtained in advance by separating the distance from the measuring wave receiving means to the measurement surface by a sufficient distance.
In addition, the subtraction unit subtracts the output characteristic stored in the memory from the output of the measuring wave receiving unit at the time of distance measurement.
The output characteristics here refer to, for example, output waveforms and the like.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
Arrangement of piezoelectric material
FIG. 1 shows a schematic configuration of an ultrasonic ranging sensor according to an embodiment of the present invention. In the present embodiment, an example will be described in which the depth (distance) of the bottom (measurement surface) of a deep hole to be measured is measured. Parts corresponding to those of the above-mentioned conventional technology are denoted by reference numeral 100, and description thereof is omitted.
The ultrasonic ranging sensor 110 shown in the figure includes an ultrasonic stylus 112 for measurement, an ultrasonic stylus 122 for correction, detection circuits 124 and 126, time interval measurement circuits (time interval measurement means) 128 and 130, A distance calculation circuit (distance calculation means) 132 is provided.
[0024]
The measuring ultrasonic stylus 112 is made of, for example, a metal or ceramic elastic material in a horn shape (column shape), and includes a driving piezoelectric material (measuring wave transmitting means) 134 and a detecting piezoelectric material. (Measurement wave receiving means) 136.
The driving piezoelectric material 134 is provided on the upper end surface of the ultrasonic stylus 112 for measurement having a large cross-sectional area. The piezoelectric material for detection 136 is provided on the lower end surface of the ultrasonic stylus 112 for measurement having a small cross-sectional area. The driving piezoelectric material 134 is disposed so as to face the DUT (measurement surface) 118, and the detection piezoelectric material 136 and the driving piezoelectric material 134 are arranged in a predetermined direction in the depth (distance measuring axis) of the DUT 118. They are arranged in series with a separation distance.
[0025]
A detection circuit 124 is provided after the piezoelectric material 136 for detection, and a time interval measurement circuit 128 is provided after the detection circuit 124. The time interval measurement circuit 128 is connected to the distance calculation circuit 132.
The correction ultrasonic stylus 122 is made of, for example, a horn-shaped elastic body (column), like the measurement ultrasonic stylus 112, and the side surface of the support 116 is perpendicular to the measurement ultrasonic stylus 112. It is provided through.
[0026]
The correcting ultrasonic stylus 122 has a driving piezoelectric material (correcting wave transmitting means) 138 on its right end face, and a detecting piezoelectric material (correcting receiving means) 140 on its left end face.
In the present embodiment, the detecting piezoelectric material 140 has a predetermined reference distance D with respect to the reference surface 142.₀Are spaced apart from each other. That is, in the present embodiment, the reference distance D is provided on the front surface of the ultrasonic stylus 122 for correction.₀The reference surface 142 is fixed to the mounting frame 144 such that
[0027]
A detection circuit 126 having the same function as the detection circuit 124 is provided at a subsequent stage of the piezoelectric material 140 for detection, and a time interval measurement circuit 130 having the same function as the time interval measurement circuit 128 is provided at a subsequent stage of the detection circuit 126. Is provided. The time interval measurement circuit 130 is connected to a distance calculation circuit 132.
The time interval measurement circuit 128 determines the time from when the ultrasonic wave from the driving piezoelectric material 134 reaches the detection piezoelectric material 136 until it is reflected by the device under test 118 and returns to the detection piezoelectric material 136. Measure the interval T.
[0028]
The time interval measuring circuit 130 determines a time interval T from the time when the ultrasonic wave from the driving piezoelectric material 138 reaches the detection piezoelectric material 140 to the time when the ultrasonic wave is reflected by the reference surface 142 and returns to the detection piezoelectric material 140.₀Is measured.
The arithmetic circuit 132 calculates the reference distance D₀, The time interval T obtained by the time interval measuring circuit 128, and the time interval T obtained by the time interval measuring circuit 130.₀From the lower end of the measuring ultrasonic stylus 112 to the DUT 118 based on₀× T / T₀Ask for.
[0029]
In the present embodiment, the piezoelectric materials 134 and 136 are provided on the corresponding end faces of the ultrasonic stylus 112 for measurement, and the piezoelectric materials 138 and 140 are provided on the corresponding end faces of the ultrasonic stylus 122 for correction. A piezoelectric material such as zinc oxide (ZnO) is formed in a film shape by a bonding method such as a CVD method or a sputtering method.
[0030]
Ultrasonic stylus
By the way, in the ultrasonic ranging sensor, it is important to improve versatility for various measurement targets.
A characteristic of the present invention is that, in order to improve the versatility with respect to the measurement target, for example, even if the measurement target is at the depth of the bottom of the deep hole, the measurement wave receiving means and the transmitting means can be used. The wave means is arranged in series at a predetermined separation distance in the distance measuring axis direction of the measurement surface.
[0031]
<Ultrasonic stylus for measurement>
FIG. 2 shows components such as the ultrasonic stylus 112 for measurement according to the present embodiment.
In other words, the driving piezoelectric material 134 is provided on the upper end surface of the portable, vertically long measuring ultrasonic stylus 112 shown in the same figure, and the detecting piezoelectric material 136 is provided on the lower end surface thereof, thereby forming the bottom of the deep hole 146. Piezoelectric materials 134 and 136 are arranged in series with the device under test 118.
[0032]
In order to apply a high-frequency voltage to both ends of the driving piezoelectric material 134, the support 116 and the lower side of the driving piezoelectric material 134 are connected to the driving circuit 152 by lead wires 148 and 150, respectively.
The back side of the detection piezoelectric material 136 is connected to a back lead wire 154 in order to take out the signal from the detection piezoelectric material 136 to the outside as a potential difference between the front and back of the detection piezoelectric material 136. The front side of the detection piezoelectric material 136 is connected to the front side lead wire 156. These leads 154 and 156 are connected to the detection circuit 124.
[0033]
The driving circuit 152 applies a high-frequency voltage to both ends of the driving piezoelectric material 134 in a burst manner via the lead wire 148, the support 116, and the lead wire 150 (see the drive waveform 196 in FIG. 3A). As a result, the driving piezoelectric material 134 generates high-frequency vibrations, becomes ultrasonic waves, and propagates downward in the measuring ultrasonic stylus 112 in the drawing.
The vibration amplitude of the ultrasonic wave propagating through the stylus 112 increases as the cross section of the stylus 112 becomes narrower, penetrates the piezoelectric material 136 for detection at the lower end of the stylus 112, jumps into the atmosphere, and reaches the device under test 118. The ultrasonic wave 120 is reflected by the measured object 118 and returns to the detecting piezoelectric material 136 again.
[0034]
The detection piezoelectric material 136 is excited by ultrasonic waves to generate an electrical output. The detection circuit 124 amplifies and detects the output from the detection piezoelectric material 136 (see the detection waveform in FIG. 3B).
That is, the detection piezoelectric material 136 is affected by the passing wave of the ultrasonic wave (when the ultrasonic wave from the driving piezoelectric material 134 passes through the detection piezoelectric material 136) and reflected (when the ultrasonic wave 120 is transmitted to the DUT 118). A signal 162 (see FIG. 3B) having a peak 158 due to the passing wave and a peak 160 due to the reflected wave is generated under the influence of the reflected wave (when returning to the detecting piezoelectric material 136). .
[0035]
Even if the driving waveform of the driving pressure material 134 (see FIG. 3A) is a high-frequency burst waveform, if the response of the detecting piezoelectric material 136 is poor, the high-frequency component is filtered and a smooth signal is obtained. . The signal 162 is taken out to the outside via the lead wires 154 and 156 as a potential difference between the front and back of the detection piezoelectric material 136, and is guided to the time interval measurement circuit 128.
The time interval measurement circuit 128 reflects the ultrasonic wave from the driving piezoelectric material 134 from the output from the detection circuit 124 to the back side (back side) of the detection piezoelectric material 136, and then reflects the ultrasonic wave from the DUT 118, A time interval T until the piezoelectric material for detection 136 returns to the front side (measurement surface side) is measured.
[0036]
That is, the time interval measuring circuit 128 measures the time interval T between the peak 158 due to the passing wave and the peak 160 due to the reflected wave.
In the measurement of the time interval T, the signal 162 is cut at a certain threshold value 164 to generate a pulse signal 166, and the pulse width is timed.
From the time interval T, the distance D from the lower end of the measurement ultrasonic stylus 112 to the object to be measured 118 can be obtained.
[0037]
In the present embodiment, the front side (measurement surface side) of the detection piezoelectric material 136 is a protection plate made of a polymer material such as metal or plastic for protection, or a protection layer 168 also serving as acoustic impedance matching. Covered.
In the present embodiment, the upper end surface of the measuring ultrasonic stylus 112 is fixed to the support 116 via the driving piezoelectric material 134. The ultrasonic measuring stylus 112 is positioned at a predetermined position and posture with respect to the deep hole (measurement target) 146 via the support 116.
[0038]
More specifically, a projection 170 is provided on the outer peripheral wall of the support 116, and when the measuring ultrasonic stylus 112 is inserted into the deep hole 146, the projection 170 is attached to the upper end 172 of the peripheral edge of the deep hole 146. Get caught. Accordingly, in the present embodiment, the measuring ultrasonic stylus 112 can be stably arranged without shaking especially in the distance measuring direction, so that the distance from the measuring ultrasonic stylus 112 to the bottom of the deep hole 146 can be increased. The stability of the ranging accuracy of D is improved.
[0039]
By configuring the ultrasonic distance measuring sensor 110 in this manner, that is, using the portable, vertically long measuring ultrasonic stylus 112, the detecting piezoelectric material 136 and the driving piezoelectric material 134 are connected in series to the measured object 118. The distance D can be easily obtained even if the depth is the narrow hole 146, so that the versatility for the measurement object is improved.
[0040]
Ultrasonic stylus for correction
By the way, conventionally, the distance D = VT / 2 from the lower end of the ultrasonic stylus 112 to the measured object 118 has been obtained from the time interval T and the sound velocity V.
However, since the sound velocity V changes depending on the temperature and humidity of the measurement environment, if it is used as it is, it becomes an unstable value especially with respect to a temperature change. For this reason, it is very important to reduce the temperature dependency in the ultrasonic ranging sensor.
Therefore, a characteristic of the present invention is that a correcting ultrasonic stylus is provided to reduce the temperature dependency, and the distance D is obtained from a parameter having no temperature dependency.
[0041]
For this reason, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, the correction ultrasonic stylus 122 has basically the same configuration as the measurement ultrasonic stylus 112, and in a direction orthogonal to the measurement ultrasonic stylus 112, For example, a correction ultrasonic stylus 122 made of a horn-shaped elastic body is provided through the side surface of the support 116.
The ultrasonic ultrasonic stylus for correction 122 is provided with a piezoelectric material for driving (correcting wave transmitting means) 138 on the right end face, and a piezoelectric material for detection (wave receiving means for correction) 140 on the left end face.
[0042]
In the present embodiment, the detecting piezoelectric material 140 has a predetermined reference distance D with respect to the reference surface 142.₀Are spaced apart from each other. That is, in the present embodiment, the reference distance D is provided on the front surface of the ultrasonic stylus 122 for correction.₀The reference surface 142 is fixed to the mounting frame 144 such that
In order to apply a high-frequency voltage to both ends of the driving piezoelectric material 138, the support 116 and the left end face of the driving piezoelectric material 138 are connected to the driving circuit 152 by lead wires 148 and 170, respectively.
[0043]
Further, in order to take out a signal from the detection piezoelectric material 140 to the outside as a potential difference between the front and back of the detection piezoelectric material 140, the right end face of the detection piezoelectric material 140 is connected to a lead wire 172 for the back side, and the detection piezoelectric material 140 is connected. Is connected to the front-side lead wire 174. These leads 172 and 174 are connected to a detection circuit 126 having the same function as the detection circuit 124. The detection circuit 126 is connected to a time interval measurement circuit 130 having the same function as the time interval measurement circuit 128, and the time interval measurement circuit 130 is connected to a distance calculation circuit 132.
The time interval measuring circuit 132 calculates a time interval T from the time when the ultrasonic wave from the driving piezoelectric material 138 reaches the detection piezoelectric material 140 to the time when the ultrasonic wave is reflected by the reference surface 142 and returns to the detection piezoelectric material 140.₀Is measured.
[0044]
The arithmetic circuit 132 calculates the reference distance D₀, The time interval T obtained by the time interval measuring circuit 128, and the time interval T obtained by the time interval measuring circuit 130.₀From the lower end of the measuring ultrasonic stylus 112 to the DUT 118 based on₀× T / T₀Ask for.
That is, assuming that the sound velocity is V, the distance D from the tip of the measuring ultrasonic stylus 112 to the object to be measured 118, and the reference distance D from the tip of the correcting ultrasonic stylus 122 to the reference surface 142.₀Respectively
D = VT / 2 (1)
D₀= VT₀/ 2 ... (2)
It can be expressed as.
[0045]
Here, it is assumed that the temperature and humidity around the ultrasonic styli 112 and 122 are the same, and that the sound velocity V is also the same.
From the above equations (1) and (2), the distance D from the tip of the measuring ultrasonic stylus 112 to the measured object 118 is:
D = D₀× (T / T₀)… (3)
Therefore, the distance D can be obtained from a parameter irrelevant to the speed of sound.
Here, the reference distance D₀Strictly speaking, it varies depending on the temperature, but if the amount is negligible, the distance D can be calculated using the equation (3).
[0046]
As described above, in the present embodiment, the driving piezoelectric material is provided on one end surface of the ultrasonic stylus, and the detection piezoelectric material is provided on the other end surface. The ultrasonic stylus 112 for measurement is opposed to the object 118 to be measured, and the ultrasonic stylus 122 for correction is moved to a predetermined reference distance D.₀Are separated from each other and face the reference plane. Then, the distance calculation circuit 132 causes the time intervals T, T of the ultrasonic waves from the ultrasonic styluses 112, 122 to change.₀Can be measured to measure the distance D that is not affected by environmental changes, especially temperature changes.
In the present embodiment, the tip of the ultrasonic stylus for correction 122 is covered with a protective plate or a protective layer 176 similar to the protective plate or the protective layer 168 of the ultrasonic stylus for measurement 112.
[0047]
<Temperature correction of reference distance>
With the above configuration, the temperature dependency can be greatly reduced. However, in order to more precisely estimate the distance D, the reference distance D₀It is necessary to consider the change due to the temperature.
That is, the reference distance D₀Distance at a reference temperature with₀₀In the case where the reference distance fluctuates by the reference temperature ΔT, the reference distance is
D₁= D₀₀(1 + α · ΔT) (4)
It can be expressed as. However, this calculation formula, that is, the formula (4) is limited to the case where the ultrasonic stylus and the mounting frame have the same coefficient of thermal expansion α, and when different materials are combined, it is necessary to estimate with a more complicated formula. There is.
[0048]
The reference distance D₀In this embodiment, a temperature sensor 178 and a reference distance correction circuit (reference distance correction means) 180 are provided in order to take into account the change due to the temperature. The temperature sensor 178 is provided on the mounting frame 144 and is connected to the reference distance correction circuit 180. The reference distance correction circuit 180 is connected to the distance calculation circuit 132.
The temperature sensor 178 monitors the temperature of the medium (air) between the tip of the correction ultrasonic stylus 122 and the reference surface 142, and outputs the temperature to the reference distance correction circuit 180.
[0049]
The reference distance correction circuit 180 calculates the reference distance D₀Distance D at a reference temperature₀₀, The temperature is corrected by the temperature obtained by the temperature sensor 178, and the temperature-corrected reference distance D₁Get.
The distance calculation circuit 132 also has a temperature correction function, and the reference distance D₀As the temperature-corrected reference distance D obtained from the reference distance correction circuit 180.₁, The distance D (= D) from the tip of the measuring ultrasonic stylus 112 to the object 118 to be measured.₁× T / T₀).
[0050]
As a result, in the present embodiment, the reference distance D₀, The temperature dependency can be greatly reduced as compared with the case where this is not taken into consideration, and the distance D from the tip of the measuring ultrasonic stylus 112 to the DUT 118 can be reduced. It can be calculated more precisely.
[0051]
High sensitivity
<Ultrasonic stylus>
By the way, in the ultrasonic ranging sensor, it is also important to increase the detection sensitivity.
What is characteristic in the present invention is that, in order to increase the detection sensitivity, a substantially concave surface centered on the stylus axis is formed on a part of the end face of the ultrasonic stylus to be measured, and a wave receiving means is provided around the concave surface. It is.
For this reason, in the present embodiment, it is particularly preferable to use an ultrasonic stylus as shown in FIG. FIG. 1A is an external perspective view, and FIG. 1B is a longitudinal sectional view, and portions corresponding to those in the above embodiment are denoted by reference numeral 100, and description thereof is omitted.
[0052]
The ultrasonic stylus 212 shown in FIG. 5 is formed in a substantially columnar shape, and a projection 282 having an outer shape smaller than the stylus diameter is formed on an end surface on the measurement target side.
The detecting piezoelectric material 236 is formed in a substantially annular shape. That is, the detection piezoelectric material 236 in the form of a disc whose center is removed concentrically is fitted into the ultrasonic stylus 212 along the outer peripheral edge of the projection 282.
Further, a concave surface portion 282a is formed on the lower end surface of the projection portion 282 to reduce the spread of ultrasonic waves emitted from the ultrasonic stylus 212 into the air.
[0053]
It is also particularly preferable to use an ultrasonic stylus as shown in FIG. 2A is an external perspective view, and FIG. 1B is a longitudinal sectional view, and portions corresponding to those in the above embodiment are denoted by reference numeral 200, and description thereof is omitted.
That is, a concave portion 384 is formed at the center of the measurement object side end surface of the horn-shaped ultrasonic stylus 312 shown in FIG. 6, and an annular detecting piezoelectric material 336 is fixed to a flat portion around the concave portion.
By setting the tips of the ultrasonic styluses 212 and 312 to have a small spread of the ultrasonic waves emitted into the air, the detection sensitivity can be further improved.
[0054]
In this embodiment, in order to further increase the detection sensitivity, the plate-shaped detection piezoelectric material 336 shown in FIG. 6 is supported by insulators 386 and 388 from above and below as shown in FIG. It is particularly preferred to be arranged around the outside of the 384.
Further, an opening 390 is provided in the lower support body 388 so as not to block a reflected wave from the object to be measured, and the opening 390 is bonded with a protective plate 368 which also serves as acoustic impedance matching. Is particularly suitable for further increasing the detection sensitivity.
[0055]
By configuring the ultrasonic stylus in this manner, the divergence of the ultrasonic wave from the tip of the ultrasonic stylus is small, and the reflected wave from the object to be measured is not blocked, so that the detection sensitivity can be further increased.
In addition, in the said structure, although the ultrasonic stylus for a measurement was demonstrated, this invention is not limited to this and also about the ultrasonic stylus for a correction | amendment, the structure shown in said FIG. It is suitable.
In each of the above-described configurations, a bulk plate-like piezoelectric material is used as the piezoelectric material. For example, a sensor used for an ultrasonic ceramic microphone can be used.
[0056]
<Influence enhancement mechanism of reflected wave>
In each of the above-described configurations, an example in which the detection signal from the detection piezoelectric material, the passing wave portion of the ultrasonic wave from the driving piezoelectric material, and the reflected wave portion from the measurement target are clearly separated has been described. If the influence of the wave remains as a transient characteristic and may not be distinguished by being superimposed on the reflected wave, the effect of increasing the detection sensitivity by each of the above components may not be sufficiently exhibited.
For this reason, in the present embodiment, it is particularly preferable to perform signal processing as shown in FIG. Note that portions corresponding to those in FIG. 1 are denoted by reference numeral 300, and description thereof is omitted.
[0057]
What is characteristic in the present invention is that the ultrasonic wave from the wave transmitting means is incident on the back side of the wave receiving means, propagates through the wave receiving means and is emitted from the measurement surface side of the wave receiving means, The effect of the passing wave when measuring the time interval from the reflection on the measurement surface to the return to the measurement surface side of the wave receiving means remains as a transient characteristic, and the superposition with the reflected wave is reduced.
To this end, the present embodiment includes a memory 492 and an arithmetic circuit (subtraction unit) 494.
Here, the memory 492 is connected to a stage subsequent to the driving circuit 452, and an arithmetic circuit 494 is connected to a stage subsequent to the memory 492. The arithmetic circuit 494 is included in the detection circuit, for example, and is connected between the detection piezoelectric material 436 and the time interval measurement circuit 428.
[0058]
In the present embodiment, the operation is started by a trigger signal 496 (see FIG. 9A) from the drive circuit 452, and the distance from the detection piezoelectric material 436 to the device under test is obtained sufficiently in advance. The stored waveform (output characteristic, FIG. 9B) of the detection piezoelectric material 436 is stored.
Then, the arithmetic circuit 494 subtracts the waveform (output characteristic) stored in the memory 492 from the output from the detecting piezoelectric material 436 at the time of distance measurement.
[0059]
That is, the content of the memory 492 is subtracted from the actual output waveform of the detection piezoelectric material 436 shown in FIG. 9C by the arithmetic circuit 494 (see FIG. 9D). The result is sliced at a certain threshold value (2) and determines the fall timing of a pulsed signal 498 (see FIG. 9E).
In this way, the response to the passing wave is recorded with the object to be measured sufficiently separated, and in an actual measurement, the influence of the reflected wave is raised by subtracting this waveform. Such a pulsed signal 498, that is, a detection waveform in which the influence of the reflected wave is emphasized, is input to the time interval measurement circuit 428.
[0060]
As a result, in the present embodiment, since the influence of the passing wave is greatly reduced as a transient characteristic and superimposed on the remaining reflected wave, the time interval measuring circuit clearly separates the passing wave and the reflected wave, The time interval T can be measured more accurately. Thereby, the distance D can be obtained more accurately. Further, the effect of improving the detection sensitivity by the above configuration can be sufficiently exhibited.
In the above-described configuration, the example of the piezoelectric material for detection of the ultrasonic stylus for measurement has been described. However, it is particularly preferable to apply to the piezoelectric material for detection of the ultrasonic stylus for correction.
[0061]
Modified example
<Disposition of ultrasonic stylus>
In the present invention, to place the ultrasonic stylus for measurement on the object to be measured, if the ultrasonic stylus for correction is not in the way, these ultrasonic styluses are arranged at right angles, or arranged linearly, Although it may be arranged at an arbitrary angle, the following configuration is particularly suitable for further improving versatility with respect to the measurement object.
That is, in the ultrasonic ranging sensor, it is very important to simplify the whole shape or configuration in order to measure the height of the bottom of a deep hole.
[0062]
Therefore, a characteristic of the present invention is that two ultrasonic styli are arranged coaxially so that the stylus axes coincide.
For this reason, in the present embodiment, an ultrasonic ranging sensor is configured as shown in FIG. The parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by reference numeral 400, and description thereof is omitted.
That is, in FIG. 9A, the ultrasonic stylus for correction 522 is arranged coaxially with the ultrasonic stylus for measurement 512 via the ultrasonic absorbing member 600 for preventing the interference of the ultrasonic wave to the adjacent stylus. ing.
[0063]
The ultrasonic stylus for measurement 512 is provided on a mounting frame 544 via a support 516a.
The correction ultrasonic stylus 522 is configured such that the distance from the front surface of the detection piezoelectric material 540 to the reference surface 542 is equal to the reference distance D.₀Is provided on the mounting frame 544 with the support 516b interposed therebetween.
As a result, by arranging the correction ultrasonic stylus 522 coaxially with the measurement ultrasonic stylus 512, the overall shape is simplified as compared with the case where they are combined at right angles.
[0064]
Accordingly, it is particularly easy to measure the height of the bottom of the deep hole, and the versatility for the measurement object can be further improved.
In order to further simplify the overall shape or configuration, in the present embodiment, it is particularly preferable to configure an ultrasonic ranging sensor as shown in FIG. Note that portions corresponding to those in FIG. 1 are denoted by reference numeral 500, and description thereof is omitted.
In the present embodiment, as shown in FIG. 10B, a driving piezoelectric material (wave transmitting means) 702 is also used.
[0065]
That is, the driving piezoelectric material of the measuring ultrasonic stylus 612 and the driving piezoelectric material of the correcting ultrasonic stylus 622 are a common driving piezoelectric material 702, and the correcting ultrasonic stylus 622 and the measuring ultrasonic stylus 612 are linearly connected. It is also preferable to arrange them in a specific manner.
The correction ultrasonic stylus 622 is configured such that the distance from the front surface of the detection piezoelectric material 640 to the reference surface 642 is equal to the reference distance D.₀It is installed in the mounting frame 644 such that
In FIG. 7, a support member 704 that supports the ultrasonic styli 612 and 622 so as to straddle the driving piezoelectric material 702 is required, but the overall configuration is simple.
[0066]
By thus arranging the two ultrasonic styluses 612 and 622 coaxially with the stylus axes coincident, and also using one driving piezoelectric material 702, the overall shape or configuration can be simplified. As a result, the distance D can be measured easily and surely even at the height of the bottom of a particularly deep hole, so that the versatility for the measurement object is further improved.
Moreover, by using a column-shaped stylus having the same cross-sectional area as shown in FIG. 2B instead of the horn-type stylus shown in FIG. 2A, processing of the stylus becomes easier.
[0067]
<Measurement target>
In the present embodiment, an example in which the height of the bottom of a deep hole is measured has been described, but the present invention is not limited to this, and a distance at an arbitrary place can be measured. However, the present invention is particularly useful for measuring the height of the bottom of a deep hole, because the effect of the sensor of the present invention is more pronounced when measuring the height of the bottom of a deep hole compared to other sensors. It is suitable for.
<Piezoelectric material for detection>
The piezoelectric material for detection is not only the bulk plate material but also a material in which a material having a piezoelectric property or an electrostrictive property is formed on a thin film such as silicon, for example, JP-A-4-364413 and JP-A-6-26807. Can be used.
[0068]
【The invention's effect】
As described above, according to the ultrasonic distance measuring sensor of the present invention, the measuring wave receiving means and the wave transmitting means are arranged in series at a predetermined distance in the distance measuring axis direction of the measuring surface, and the time interval measurement is performed. Time interval between the time when the ultrasonic wave from the wave transmitting means is reflected on the measuring surface and returns to the measuring wave receiving device, and the time interval between when the ultrasonic wave is reflected on the reference surface and returns to the correcting wave receiving device. Was measured, and the distance from the measuring wave receiving means to the measurement surface was determined by the calculating means based on the reference distance and each time interval.
As a result, the present invention can improve the stability of the ranging accuracy regardless of the temperature change, and can improve the versatility for the measurement target.
Further, in the present invention, a temperature sensor and a reference distance correcting means are provided, and the calculating means obtains a distance from the measuring wave receiving means to the measurement surface using the temperature corrected reference distance obtained by the reference distance correcting means. Thus, the stability of the distance measurement accuracy can be further improved regardless of the temperature change.
Further, in the present invention, in order from the measurement surface side, the measuring wave receiving means, one of the wave transmitting means and the correcting wave receiving means are arranged in series in the distance measuring axis direction, thereby simplifying the configuration. Therefore, the versatility for the measurement object can be further improved. Further, in the present invention, by providing the ultrasonic stylus for measurement and the ultrasonic stylus for correction, it is possible to further improve the stability of the ranging accuracy regardless of the temperature change and to further improve the versatility for the measurement object. it can.
Further, in the present invention, a concave surface is formed in a substantially central portion of the measurement surface side end surface of the measurement ultrasonic stylus, and along the concave surface portion, the measurement wave receiving means is provided on the measurement surface side end surface. , The detection sensitivity can be further increased.
Further, in the present invention, a memory storing the output characteristics of the measuring wave receiving means, which is obtained in advance by separating the distance from the measuring wave receiving means to the measurement surface sufficiently, and a measuring By providing a subtraction unit for subtracting the output characteristic stored in the memory from the output of the wave receiving unit, the time interval can be measured more accurately, so that the ranging accuracy can be further improved. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a schematic configuration of an ultrasonic ranging sensor according to an embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram of an ultrasonic stylus for measurement of the ultrasonic distance measuring sensor according to the present embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a driving waveform of a driving piezoelectric material of the ultrasonic ranging sensor shown in FIG. 1 and a detection waveform from a detecting piezoelectric material.
FIG. 4 is an explanatory diagram of an ultrasonic stylus for correction of the ultrasonic distance measuring sensor shown in FIG. 1;
FIG. 5 is an explanatory diagram of a preferred ultrasonic stylus in the present embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram of an ultrasonic stylus suitable in the present embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a preferred ultrasonic stylus in the present embodiment.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a reflected wave influence emphasizing mechanism suitable in the present embodiment.
9 is an explanatory diagram of a method of reducing the influence of a passing wave by the reflected wave influence emphasizing mechanism shown in FIG. 8;
FIG. 10 is an explanatory diagram of a modified example of the arrangement of the ultrasonic stylus for measurement and the ultrasonic stylus for correction which are preferable in the present embodiment.
FIG. 11 is an explanatory view of a conventional example of an ultrasonic stylus for measurement.
[Explanation of symbols]
110 ° ultrasonic ranging sensor
112,212,312,512,612 Ultrasonic stylus for measurement
Ultrasonic stylus for 122,522,622 ° correction
128, 130, 428 time interval measurement circuit (time interval measurement means)
132 distance calculation circuit (distance calculation means)
134, 234, 334, 534 ° driving piezoelectric material (measuring wave transmitting means)
136, 236, 336, 436, 536, 636 Piezoelectric material for detection (wave receiving means for measurement)
138,538 driving piezoelectric material (correction wave transmitting means)
140, 540, 640 ° piezoelectric material for detection (wave receiving means for correction)
142,542,642 Reference plane

Claims

At least one transmitting means for transmitting ultrasonic waves to the object to be measured, a measuring wave receiving means for receiving ultrasonic waves transmitted from the wave transmitting means and reflected by the measuring object, and a wave receiving means for correction When,
An ultrasonic ranging sensor having
The measuring wave receiving means is arranged to face the measuring surface to be measured, and the measuring wave receiving means and the transmitting means are connected in series at a predetermined distance in a distance measuring axis direction of the measuring surface. Placed in
The correction wave receiving means is disposed opposite to a reference plane to be measured by a predetermined reference distance D ₀ and is opposed to the reference plane.
Further, a time interval T from when the ultrasonic wave from the wave transmitting means reaches at least the measuring wave receiving means to when the ultrasonic wave is reflected on the measurement surface and returns to the measuring wave receiving means, and an ultrasonic wave from the wave transmitting means. A time interval measuring means for measuring a time interval T ₀ from when the sound wave reaches at least the correction receiving means, until the sound wave is reflected by the reference plane and returns to the correction receiving means,
Distance calculation for obtaining a distance D = D ₀ × T / T ₀ from the measuring wave receiving means to the measurement surface based on the reference distance D ₀ and the time intervals T, T ₀ obtained by the time interval measuring means. Means,
An ultrasonic ranging sensor comprising:

The ultrasonic ranging sensor according to claim 1, wherein a temperature sensor for obtaining temperature information of a medium between the reference surface and the correction wave receiving unit;
A reference distance correction means for correcting the reference distance D ₀ with temperature information obtained by the temperature sensor to obtain a temperature corrected reference distance D ₁ ;
Wherein the distance calculation means uses the temperature corrected reference distance D ₁ obtained by the reference distance correction means as the reference distance D _0, the distance D = D of the measuring surface from the measuring wave reception means _An ultrasonic ranging sensor for determining ₁ × T / T ₀ .

3. The ultrasonic ranging sensor according to claim 1, wherein the measuring wave receiving unit, one of the wave transmitting units, and the correcting wave receiving unit are arranged in series in a ranging axis direction in order from a measurement surface side. 4. And
The time interval measuring means is a time interval T from when the ultrasonic wave from the one transmitting means reaches at least the measuring receiving means, is reflected on the measurement surface and returns to the measuring receiving means, and wherein the ultrasonic wave from the one transmitting means for measuring the time interval T ₀ from reaching at least the correction wave reception means, is reflected by the reference surface to return to the correction reception means Ultrasonic ranging sensor.

The ultrasonic ranging sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the measuring wave receiving means is provided on an end face of the elastic body, and is opposed to an end face of the elastic body on the measuring surface side. The transmitting means is provided, and the measuring ultrasonic stylus is arranged such that the measuring receiving means is opposed to the measuring surface,
The correction wave receiving means is provided on the reference surface side end face of the elastic body, and the wave transmitting means is provided facing the reference surface side end face of the elastic body, and the correction wave receiving means is provided on the reference surface. and correcting ultrasonic stylus wave means are located opposite each other with a predetermined reference distance D _0,
The time interval measuring means, wherein the ultrasonic wave from the wave transmitting means propagates through the ultrasonic measuring stylus and reaches at least the measuring wave receiving means, and is reflected by a measurement surface and reflected by the measuring ultrasonic stylus. The time interval (T) until returning to the wave means, and the ultrasonic wave from the wave transmitting means propagates through the ultrasonic stylus for correction and reaches at least the wave receiving means for correction, and is reflected on the reference plane and reflected by the correction plane. An ultrasonic distance measuring sensor for measuring a time interval (T ₀ ) until returning to the wave receiving means.

The ultrasonic ranging sensor according to claim 4, wherein a concave portion for emitting ultrasonic waves from the wave transmitting means is formed substantially at the center of the measurement surface side end surface of the ultrasonic stylus for measurement,
An ultrasonic ranging sensor, wherein the measuring wave receiving means is provided on an end surface of the measuring ultrasonic stylus on the measurement surface side along the concave surface portion.

The ultrasonic distance measuring sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the time interval measuring unit is configured such that the ultrasonic wave from the transmitting unit is incident on the back side of the measuring receiving unit. Measuring the time interval from the time the light propagates through the wave receiving means, exits from the measurement wave receiving means measurement surface side, is reflected by the measurement surface, and returns to the measurement wave reception means measurement surface side; A distance from the to the measurement surface was obtained at a sufficient distance, a memory storing the output characteristics of the receiving means for measurement,
A subtraction unit for subtracting the output characteristic stored in the memory from the output of the measuring wave receiving unit at the time of ranging,
An ultrasonic ranging sensor comprising: