JP2004125515A

JP2004125515A - Three-dimensional space measuring instrument and method

Info

Publication number: JP2004125515A
Application number: JP2002287775A
Authority: JP
Inventors: Koushi Aketo; 明渡　甲志; Kosaku Kitada; 北田　耕作
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a three-dimensional space measuring device and method highly precisely measuring a distance to an object in a specified direction. <P>SOLUTION: This three-dimensional space measuring instrument is provided with a signal source 31 outputting a reference signal setting a time width of a compressional wave generated from each wave transmission element 11 of a wave transmission device 1, a phase shift circuit 32 having a plurality of phase shift devices 32a for controlling the phase of the compressional wave generated from the wave transmission elements 11 and for inputting the reference signal output from the signal source 31 to the respective phase shift devices 32, and a control part 33 providing a timing signal t1 for generating the reference signal from the signal source 31 to the signal source 31 and providing a phase signal ϕ controlling the phase shift quantity in the respective phase shift devices 32a of the phase shift circuit 32 to the phase shift circuit 32. The arithmetic part 37 calculates the distance to the object A in the direction of a main beam (the specified direction) of the wave transmission device 1 based on the time and the sound velocity from the wave transmission device 1 transmitting the compressional wave till the wave receiving device 2 receiving it. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元空間計測装置および３次元空間計測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、送波装置を構成する複数の超音波発生素子それぞれへ単パルスの入力を与えて超音波を発生させる送信回路を備えた３次元空間計測装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
また、多数個の超音波発生素子を一平面上に配列したアレイ型の送波装置を用いて、各超音波発生素子の送波位相を制御することによってメインビームの方向を制御するようにした３次元空間計測装置が提案されている（例えば、特許文献２）。
【０００４】
また、近年、機械的振動によらずに超音波を発生する超音波発生素子（圧力波発生装置）を二次元状に配置した超音波アレイを送波装置として利用することが提案されている（例えば、特許文献３）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２５８８８９号公報（第４頁−第５頁、図１）
【特許文献２】
特開２００１−３４３３７０号公報（第３頁−第４頁、図１〜図３）
【特許文献３】
特開平１１−３００２７４号公報（第３頁−第５頁、図１、図２、図５）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記各従来構成では、送波装置の超音波発生素子から超音波のバースト波が発生するものであるから、主ローブの他にグレーティングローブやサイドローブが形成されてしまい、特定方向における対象物までの距離を高精度で計測することができないという不具合があった。
【０００７】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、特定方向における対象物までの距離を高精度で計測することができる３次元空間計測装置および３次元空間計測方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、発熱体への通電に伴う発熱体と空気との熱交換により粗密波を発生する複数の送波エレメントが配列された送波装置と、送波装置から送波され対象物で反射された粗密波を受波する受波装置と、送波装置の各送波エレメントへの通電のタイミングを制御することで送波方向を制御する送波方向制御部と、送波装置の各送波エレメントから単パルス的に粗密波が発生するように前記送波方向制御部へ前記タイミングを指示する制御部と、送波装置が粗密波を送波してから受波装置が受波するまでの時間に基づいて送波装置のメインビームの方向における対象物までの距離を求める演算部とを有することを特徴とするものであり、送波装置の各送波エレメントから発生した粗密波の干渉によるグレーティングローブやサイドローブの影響がなく、特定方向における対象物までの距離を高精度で計測することができる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記制御部は、前記送波方向制御部へ前記メインビームの方向が走査されるように前記タイミングを指示し、前記演算部は、前記メインビームの方向毎の前記対象物までの距離を求めるので、前記対象物の３次元形状の計測が可能となる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記制御部は、前記メインビームが同一方向へ間欠的に複数回形成されるように前記タイミングを指示し、前記演算部にて複数回求めた距離の平均値を計測距離として出力するので、計測距離の精度を向上できる。
【００１１】
請求項４の発明は、発熱体への通電に伴う発熱体と空気との熱交換により粗密波を発生する複数の送波エレメントが配列された送波装置の各送波エレメントへ通電するタイミングを制御して単パルス的に粗密波を発生させ、送波装置が粗密波を送波してから対象物で反射されて受波装置が受波するまでの時間に基づいてメインビームの方向における対象物までの距離を求めることを特徴とし、特定方向における対象物までの距離を高精度に計測することができる。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記メインビームの方向が走査されるように前記タイミングを変化させ、前記メインビームの方向毎の前記対象物までの距離を求めるので、前記対象物の３次元形状の計測が可能となる。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項４または請求項５の発明において、前記メインビームが同一方向へ間欠的に複数回形成されるように前記タイミングを変化させ、複数回求めた距離の平均値を計測距離とするので、計測距離の精度を向上できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本実施形態の３次元空間計測装置は、図１に示すように、粗密波を発生する複数の送波エレメント１１（図２および図３参照）が配列された送波装置１と、送波装置１から送波され対象物Ａで反射された粗密波を受波する受波装置２と、所定の信号処理を行う信号処理装置３とを備えている。
【００１５】
信号処理装置３は、各送波エレメント１１から発生させる粗密波の時間幅を設定する基準信号を出力する信号源３１と、送波エレメント１１から発生させる粗密波の位相を制御するための多数の移相器３２ａを有し各位相器３２ａへ信号源３１から出力された基準信号が入力される移相回路３２と、信号源３１から基準信号を発生させるためのタイミング信号ｔ１を信号源３１へ与えるとともに移相回路３２の各移相器３２ａでの位相のシフト量を制御する位相信号φを移相回路３２へ与える制御部３３とを備えている。なお、本実施形態では、上述の移相回路３２が、送波装置１の各送波エレメント１１への通電のタイミングを制御することで送波方向を制御する送波方向制御部を構成し、制御部３３は、送波装置１の各送波エレメント１１から単パルス的に粗密波が発生するように指向性制御部たる移相回路３２へ各送波エレメント１１への通電のタイミングを指示する機能を備えている。
【００１６】
また、信号処理装置３は、受波装置２の出力を増幅する増幅器３４と、増幅器３４の後段に設けられた受波ゲート３５と、受波ゲート３５を通過して入力された増幅器３４の出力を波形整形する波形整形部３６と、制御部３３の出力と波形整形部３６の出力とに基づいて対象物Ａまでの距離とを求めて出力する演算部３７とを備えている。
【００１７】
ここに、受波ゲート３５は、制御部３３からのタイミング信号ｔ１に基づいて粗密波の送波後に検知ゲート期間を設定し、検知ゲート期間にのみ増幅器３４の出力を通過させる。また、波形整形部３６は、あらかじめ設定された基準電圧と受波ゲート３５を通して入力される増幅器３４の出力電圧とを比較して、増幅器３４の出力電圧が基準電圧を上回る期間をＨレベルとする２値信号を受波信号ｔ２として演算部３７に出力する。
【００１８】
ここにおいて、演算部３７には、制御部３３から上述のタイミング信号ｔ１および位相信号φも入力される。演算部３７は、位相信号φに基づいて送波装置１の指向性のメインビームの方向を演算するとともに、送波装置１が粗密波を送波してから受波装置２が受波するまでの時間と音速とに基づいて送波装置１のメインビームの方向（特定方向）における対象物Ａまでの距離を演算し、特定方向と当該特定方向における対象物Ａまでの距離とを合わせて３次元空間計測の結果として出力する。ここに、演算部３７は、対象物Ａまでの距離については上述したタイミング信号ｔ１と受波信号ｔ２との時間差と音速とに基づいて送波装置１から対象物Ａまでの距離を求める演算を行う。要するに、演算部３７は、送信装置１の各送波エレメント１１へ通電するタイミングの時間差と、送波装置１から出力された粗密波が対象物Ａにて反射されて受波装置２にて受波されるまでの時間とに基づいて対象物Ａまでの距離を求めるようになっている。演算部３７による出力結果は例えば図示しない表示装置に表示すればよい。なお、制御部３３と演算部３７とはマイクロコンピュータを含んで構成されている。
【００１９】
ところで、送波装置１は、図２に示すように、シリコン基板１０の一表面側に複数の送波エレメント１１が２次元面内でマトリクス状に配列されている。ここに、各送波エレメント１１は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、シリコン基板１０の一表面側に形成されたポーラスシリコン（多孔質シリコン）からなりシリコン基板１０に比べて熱伝導率が十分に小さな断熱層１１ａと、断熱層１１ａ上に形成された熱伝導率の大きな金属薄膜（例えば、アルミニウム薄膜）からなりシリコン基板１０とは熱絶縁された発熱体１１ｂとで構成されており、発熱体１１ｂへの通電に伴う発熱体１１ｂと空気（媒質）との熱交換により粗密波を発生する。なお、送波エレメント１１は、発熱体１１ｂの平面形状がＭ字状にパターニングされており、図示しない配線を通してＭ字状の発熱体１１ｂの両端間に通電することにより発熱体１１が発熱し、発熱体１１ｂ近傍の空気との間で効率的な熱交換が起こり、空気の膨張・圧縮の結果、粗密波が発生する。
【００２０】
本実施形態における送波装置１においては、シリコン基板１０の上記一表面側の断熱層１１ａの形成予定領域を陽極酸化処理などによって多孔質化することにより各断熱層１１ａを形成することができ、各断熱層１１ａを形成したシリコン基板１０の上記一表面側の全面に上記金属薄膜を堆積して当該金属薄膜をリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングすることによって発熱体１１ａを形成することができるので、いわゆるシリコンプロセスを利用して送波装置１を容易に製造することができる。ここに、シリコン基板１０の代わりに、厚み方向の中間に絶縁膜であるシリコン酸化膜（埋込酸化膜）を有するいわゆるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いてもよい。また、送波装置１では、図２に示すように送波エレメント１１をマトリクス状に配列してあるが、送波エレメントの配列は特に限定するものではなく、例えば、図４に示すように中央の送波エレメント１１を中心とした仮想同心円上に送波エレメント１１を配列するようにしてもよい。
【００２１】
受波装置２を構成するセンサにおける受波エレメントとしては、例えば、図５に示すように、ＳＯＩ基板２０（なお、ＳＯＩ基板２０は、シリコン基板からなる支持基板２０ａとシリコン層２０ｃとの間にシリコン酸化膜２０ｂが介在している）の一表面側に形成したダイアフラム型の受圧部２１に設けた圧電材料層（例えば、ＰＺＴ薄膜、ＺｎＯ薄膜）２２を採用すればよい。ここに、ＳＯＩ基板２０の代わりに、シリコン基板を用いてもよいことは勿論であり、送波装置１の送波エレメント１１と受波装置２の受波エレメントとを同一基板に形成することも可能である。また、受圧部２１に圧電材料層２２を設けずに、受圧部２１の周部に拡散抵抗からなるピエゾ抵抗を形成してピエゾ抵抗を受波エレメントとして採用してもよい。
【００２２】
また、受波エレメントとしては、例えば、図６に示す概略平面図のように、シリコン基板２５をエッチングなどにより加工して形成され矩形枠状の支持部２５ａに片持ちされたカンチレバー型の受圧部２６に形成した拡散抵抗からなるピエゾ抵抗２７を採用してもよいし、ピエゾ抵抗２７を形成する代わりに、上述の圧電材料層２２を受圧部２６に設けてもよい。なお、図６においてシリコン基板２５の代わりにＳＯＩ基板を用いてもよいことは勿論である。要するに、図６の構成を採用した場合にも、送波装置１の送波エレメント１１と受波装置２の受波エレメントとを同一基板に形成することが可能である。
【００２３】
しかして、本実施形態では、送波装置１の各送波エレメント１１から単パルス的に粗密波が発生するように各送波エレメント１１への通電を制御することで送波方向においてグレーティングローブやサイドローブが形成されるのを抑制することができるのである。
【００２４】
ここに、各送波エレメント１１は、周知のように上述の発熱体１１ｂの両端間に適宜周波数の交流電流を流せば超音波を発生することができるものであり、いま仮に、図７に示すように配列された２つの送波エレメント１１，１１から同時に超音波を発生させたとすると、同図中に示すような３つの方向に強い波が進行するが、本実施形態では、図８に示すように各送波エレメント１１から単パルス的に粗密波を発生させるので、グレーティングローブやサイドローブが形成されず、同図中に示すような単一の方向ｂ０のみへ強い波が進行する。なお、図７および図８における一点鎖線は左側の送波エレメント１１で発生させた粗密波の山を示し、破線は右側の送波エレメント１１で発生させた粗密波の山を示し、各図における方向ｂ０は送波装置１におけるシリコン基板１０の法線方向と一致する。
【００２５】
また、各送波エレメント１１で発生させる粗密波の位相差を制御することによって、強い波の進行する単一の方向ｂ０を制御することができ、図９に示すように、シリコン基板１０の法線方向と強い波の進行する方向ｂ０とのなす角度θを制御することができる。なお、図９においても、一点鎖線は図示しない左側の送波エレメント１１で発生させた粗密波の山を示し、破線は図示しない右側の送波エレメント１１で発生させた粗密波の山を示す。
【００２６】
しかして、本実施形態の３次元空間計測装置では、発熱体１１ｂへの通電に伴う発熱体１１ｂと空気との熱交換により粗密波を発生する複数の送波エレメント１１が配列された送波装置１と、送波装置１から送波され対象物Ａで反射された粗密波を受波する受波装置２と、送波装置１の各送波エレメント１１への通電のタイミングを制御することで送波方向を制御する送波方向制御部たる移相回路３２と、送波装置１の各送波エレメント１１から単パルス的に粗密波が発生するように移相回路３２へ上記タイミングを指示する制御部３３と、送波装置１が粗密波を送波してから受波装置２が受波するまでの時間に基づいて送波装置１のメインビームの方向における対象物Ａまでの距離を求める演算部３７とを有するものであり、送波装置１の各送波エレメント１１から発生した粗密波の干渉によるグレーティングローブやサイドローブの影響がなく、特定方向における対象物Ａまでの距離を高精度で計測することができる。
【００２７】
ところで、上述の制御部３３が、移相回路３２へメインビームの方向が走査されるように上記タイミングを指示し（つまり、移相回路３２への位相信号φを逐次変化させ）、演算部３７が、メインビームの方向毎（つまり、互いに異なる特定方向毎）の対象物Ａまでの距離を求めるようにすれば、対象物Ａの３次元形状の計測が可能となる。なお、メインビームの向きを走査するにあたっては、連続的に変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。
【００２８】
ここに、制御部３３が、メインビームが同一方向へ間欠的に複数回形成されるように上記タイミングを指示し、演算部３７にて複数回求めた距離の平均値を計測距離として出力するようにすれば、計測距離の精度を向上できる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１の発明は、発熱体への通電に伴う発熱体と空気との熱交換により粗密波を発生する複数の送波エレメントが配列された送波装置と、送波装置から送波され対象物で反射された粗密波を受波する受波装置と、送波装置の各送波エレメントへの通電のタイミングを制御することで送波方向を制御する送波方向制御部と、送波装置の各送波エレメントから単パルス的に粗密波が発生するように前記送波方向制御部へ前記タイミングを指示する制御部と、送波装置が粗密波を送波してから受波装置が受波するまでの時間に基づいて送波装置のメインビームの方向における対象物までの距離を求める演算部とを有するものであり、送波装置の各送波エレメントから発生した粗密波の干渉によるグレーティングローブやサイドローブの影響がなく、特定方向における対象物までの距離を高精度で計測することができるという効果がある。
【００３０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記制御部は、前記送波方向制御部へ前記メインビームの方向が走査されるように前記タイミングを指示し、前記演算部は、前記メインビームの方向毎の前記対象物までの距離を求めるので、前記対象物の３次元形状の計測が可能となるという効果がある。
【００３１】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記制御部は、前記メインビームが同一方向へ間欠的に複数回形成されるように前記タイミングを指示し、前記演算部にて複数回求めた距離の平均値を計測距離として出力するので、計測距離の精度を向上できるという効果がある。
【００３２】
請求項４の発明は、発熱体への通電に伴う発熱体と空気との熱交換により粗密波を発生する複数の送波エレメントが配列された送波装置の各送波エレメントへ通電するタイミングを制御して単パルス的に粗密波を発生させ、送波装置が粗密波を送波してから対象物で反射されて受波装置が受波するまでの時間に基づいてメインビームの方向における対象物までの距離を求めるので、特定方向における対象物までの距離を高精度に計測することができるという効果がある。
【００３３】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記メインビームの方向が走査されるように前記タイミングを変化させ、前記メインビームの方向毎の前記対象物までの距離を求めるので、前記対象物の３次元形状の計測が可能となるという効果がある。
【００３４】
請求項６の発明は、請求項４または請求項５の発明において、前記メインビームが同一方向へ間欠的に複数回形成されるように前記タイミングを変化させ、複数回求めた距離の平均値を計測距離とするので、計測距離の精度を向上できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態を示す概略構成図である。
【図２】同上における送波装置の概略平面図である。
【図３】同上における送波装置を示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は要部平面図である。
【図４】同上における送波装置の他の構成例を示す概略平面図である。
【図５】同上における受波装置の要部概略断面図である。
【図６】同上に用いる受波装置の要部概略平面図である。
【図７】同上の動作説明図である。
【図８】同上の動作説明図である。
【図９】同上の動作説明図である。
【符号の説明】
１　送波装置
２　受波装置
３　信号処理装置
１０　シリコン基板
１１　送波エレメント
１１ａ　断熱層
１１ｂ　発熱体
３１　信号源
３２　移相回路
３２ａ　移相器
３３　制御部
３４　増幅器
３５　受波ゲート
３６　波形整形部
３７　演算部
Ａ　対象物[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional space measurement device and a three-dimensional space measurement method.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a three-dimensional space measurement apparatus including a transmission circuit that generates an ultrasonic wave by applying a single pulse to each of a plurality of ultrasonic wave generation elements included in a wave transmission device has been proposed (for example, Patent Document 1). ).
[0003]
In addition, the direction of the main beam is controlled by controlling the transmission phase of each ultrasonic generating element by using an array type transmitting apparatus in which a number of ultrasonic generating elements are arranged on one plane. A three-dimensional space measurement device has been proposed (for example, Patent Document 2).
[0004]
In recent years, it has been proposed to use an ultrasonic array having two-dimensionally arranged ultrasonic wave generating elements (pressure wave generators) that generate ultrasonic waves without relying on mechanical vibration as a wave transmitting device ( For example, Patent Document 3).
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-258889 A (pages 4 to 5, FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP-A-2001-343370 (Pages 3-4, FIGS. 1-3)
[Patent Document 3]
JP-A-11-300274 (Pages 3 to 5, FIGS. 1, 2 and 5)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in each of the above-described conventional configurations, since a burst wave of ultrasonic waves is generated from the ultrasonic wave generating element of the transmitting apparatus, grating lobes and side lobes are formed in addition to the main lobe, and the target in a specific direction is formed. There was a problem that the distance to an object could not be measured with high accuracy.
[0007]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a three-dimensional space measurement device and a three-dimensional space measurement method capable of measuring a distance to a target in a specific direction with high accuracy. It is in.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention provides a wave transmitting device in which a plurality of wave transmitting elements that generate compression waves by heat exchange between a heating element and air accompanying energization of the heating element are arranged, A wave receiving device that receives a compression wave transmitted from a wave transmitting device and reflected by an object, and a wave transmitting device that controls a wave transmitting direction by controlling a timing of energizing each transmitting element of the wave transmitting device. A direction control unit, a control unit that instructs the timing to the transmission direction control unit so that a compression wave is generated as a single pulse from each transmission element of the transmission device, and the transmission device transmits the compression wave. And a calculating unit for calculating the distance to the object in the direction of the main beam of the transmitting device based on the time from when the receiving device receives the signal to the receiving device. Gradation due to compression wave interference generated from each transmitting element No effect of lobes and side lobes, it is possible to measure the distance to an object in a specific direction with high precision.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the control unit instructs the transmission direction control unit to perform the timing so that the direction of the main beam is scanned, and the arithmetic unit includes the main unit. Since the distance to the object in each beam direction is obtained, the three-dimensional shape of the object can be measured.
[0010]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the control unit instructs the timing so that the main beam is formed intermittently a plurality of times in the same direction, and instructs the arithmetic unit. Since the average value of the distances obtained a plurality of times is output as the measurement distance, the accuracy of the measurement distance can be improved.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, the timing for energizing each of the transmitting elements of a transmitting apparatus in which a plurality of transmitting elements for generating compression waves by heat exchange between the heating element and air accompanying energization of the heating element is arranged. Controlling the compression wave to generate a compression wave in a single pulse, the target in the direction of the main beam based on the time from when the transmitting device transmits the compression wave to when it is reflected by the object and received by the receiving device It is characterized in that the distance to the object is obtained, and the distance to the target in a specific direction can be measured with high accuracy.
[0012]
According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, the timing is changed so that the direction of the main beam is scanned, and a distance to the object in each direction of the main beam is obtained. The three-dimensional shape of the object can be measured.
[0013]
According to a sixth aspect of the present invention, in the fourth or fifth aspect, the timing is changed so that the main beam is formed intermittently a plurality of times in the same direction, and an average value of the distances obtained a plurality of times is calculated. Since the measurement distance is used, the accuracy of the measurement distance can be improved.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As shown in FIG. 1, the three-dimensional space measuring apparatus according to the present embodiment includes a transmitting device 1 in which a plurality of transmitting elements 11 (see FIGS. 2 and 3) that generate compression waves are arranged, and a transmitting device. The apparatus includes a wave receiving device 2 for receiving a compression wave transmitted from 1 and reflected by an object A, and a signal processing device 3 for performing predetermined signal processing.
[0015]
The signal processing device 3 includes a signal source 31 that outputs a reference signal for setting a time width of the compression wave generated from each of the transmission elements 11, and a number of signals for controlling the phases of the compression waves generated from the transmission element 11. A phase shift circuit 32 having a phase shifter 32a to which the reference signal output from the signal source 31 is input to each phase shifter 32a, and a timing signal t1 for generating a reference signal from the signal source 31 to the signal source 31 And a control unit 33 that supplies a phase signal φ for controlling the amount of phase shift in each phase shifter 32 a of the phase shift circuit 32 to the phase shift circuit 32. In the present embodiment, the above-described phase shift circuit 32 constitutes a transmission direction control unit that controls the transmission direction by controlling the timing of energization to each transmission element 11 of the transmission device 1, The control unit 33 instructs the phase shift circuit 32 serving as the directivity control unit to supply power to each of the transmission elements 11 so that compression waves are generated in a monopulse manner from each of the transmission elements 11 of the transmission device 1. Has functions.
[0016]
Further, the signal processing device 3 includes an amplifier 34 for amplifying the output of the wave receiving device 2, a wave receiving gate 35 provided at a stage subsequent to the amplifier 34, and an output of the amplifier 34 input through the wave receiving gate 35. And a calculation unit 37 that calculates and outputs the distance to the object A based on the output of the control unit 33 and the output of the waveform shaping unit 36.
[0017]
Here, the reception gate 35 sets the detection gate period after transmitting the compression wave based on the timing signal t1 from the control unit 33, and allows the output of the amplifier 34 to pass only during the detection gate period. Further, the waveform shaping section 36 compares a preset reference voltage with the output voltage of the amplifier 34 input through the reception gate 35, and sets a period in which the output voltage of the amplifier 34 exceeds the reference voltage to the H level. The binary signal is output to the calculation unit 37 as the reception signal t2.
[0018]
Here, the above-described timing signal t1 and phase signal φ are also input from the control unit 33 to the arithmetic unit 37. The calculating unit 37 calculates the direction of the directivity main beam of the transmitting device 1 based on the phase signal φ, and from when the transmitting device 1 transmits the compression wave to when the receiving device 2 receives it. The distance to the target A in the direction (specific direction) of the main beam of the wave transmitting device 1 is calculated based on the time and the sound speed of the transmission device 1, and the distance between the specific direction and the target A in the specific direction is added to 3 Output as a result of dimensional space measurement. Here, the calculation unit 37 calculates the distance from the transmitting device 1 to the target A based on the time difference between the timing signal t1 and the reception signal t2 and the sound speed with respect to the distance to the target A. Do. In short, the arithmetic unit 37 determines the time difference between the timings at which the power is applied to the respective transmitting elements 11 of the transmitting device 1 and the compression wave output from the transmitting device 1 is reflected by the object A and received by the receiving device 2. The distance to the target object A is obtained based on the time until the wave. The output result of the calculation unit 37 may be displayed on, for example, a display device (not shown). The control unit 33 and the operation unit 37 include a microcomputer.
[0019]
By the way, as shown in FIG. 2, in the wave transmitting device 1, a plurality of wave transmitting elements 11 are arranged in a matrix in a two-dimensional plane on one surface side of the silicon substrate 10. Here, each transmitting element 11 is made of porous silicon (porous silicon) formed on one surface side of the silicon substrate 10, as shown in FIGS. The silicon substrate 10 is composed of a heat insulating layer 11a having a sufficiently small thermal conductivity and a metal thin film (for example, an aluminum thin film) having a large thermal conductivity formed on the heat insulating layer 11a and being thermally insulated from the silicon substrate 10. The compression wave is generated by the heat exchange between the heating element 11b and air (medium) when the heating element 11b is energized. In the wave transmitting element 11, the heating element 11b is patterned in an M-shape in plan view, and the heating element 11 generates heat by applying a current between both ends of the M-shaped heating element 11b through a wiring (not shown). Efficient heat exchange occurs with the air in the vicinity of the heating element 11b, and compression / expansion of the air results in compression waves.
[0020]
In the wave transmitting device 1 in the present embodiment, each heat insulating layer 11a can be formed by making the region where the heat insulating layer 11a on the one surface side of the silicon substrate 10 is to be formed porous by anodizing treatment or the like, The heating element 11a can be formed by depositing the metal thin film on the entire surface on the one surface side of the silicon substrate 10 on which the heat insulating layers 11a are formed and patterning the metal thin film by a lithography technique and an etching technique. The wave transmitting device 1 can be easily manufactured using a so-called silicon process. Here, instead of the silicon substrate 10, a so-called SOI (Silicon On Insulator) substrate having a silicon oxide film (buried oxide film) as an insulating film in the middle in the thickness direction may be used. Further, in the transmitting apparatus 1, the transmitting elements 11 are arranged in a matrix as shown in FIG. 2, but the arrangement of the transmitting elements is not particularly limited. For example, as shown in FIG. The wave transmitting elements 11 may be arranged on a virtual concentric circle centered on the wave transmitting element 11.
[0021]
As a wave receiving element in a sensor constituting the wave receiving device 2, for example, as shown in FIG. 5, an SOI substrate 20 (the SOI substrate 20 is provided between a support substrate 20a made of a silicon substrate and a silicon layer 20c) A piezoelectric material layer (for example, a PZT thin film or a ZnO thin film) 22 provided on a diaphragm type pressure receiving portion 21 formed on one surface side of the silicon oxide film 20b) may be employed. Here, a silicon substrate may be used instead of the SOI substrate 20, and the wave transmitting element 11 of the wave transmitting device 1 and the wave receiving element of the wave receiving device 2 may be formed on the same substrate. It is possible. Further, the piezoelectric material layer 22 may not be provided on the pressure receiving portion 21, but a piezo resistor composed of a diffusion resistor may be formed around the pressure receiving portion 21, and the piezo resistance may be used as the wave receiving element.
[0022]
As the wave receiving element, for example, as shown in a schematic plan view shown in FIG. 6, a cantilever-type pressure receiving portion formed by processing a silicon substrate 25 by etching or the like and cantilevered by a rectangular frame-shaped support portion 25a. A piezoresistor 27 made of a diffusion resistor formed on the piezoresistor 26 may be employed, or the above-described piezoelectric material layer 22 may be provided on the pressure receiving portion 26 instead of forming the piezoresistor 27. Note that an SOI substrate may be used instead of the silicon substrate 25 in FIG. In short, even when the configuration of FIG. 6 is adopted, the wave transmitting element 11 of the wave transmitting device 1 and the wave receiving element of the wave receiving device 2 can be formed on the same substrate.
[0023]
However, in the present embodiment, the power supply to each of the transmitting elements 11 is controlled such that the compression wave is generated in a monopulse manner from each of the transmitting elements 11 of the transmitting apparatus 1, so that the grating lobe and the The formation of side lobes can be suppressed.
[0024]
Here, as is well known, each transmitting element 11 can generate an ultrasonic wave by passing an alternating current of an appropriate frequency between both ends of the above-described heating element 11b. If ultrasonic waves are simultaneously generated from the two transmitting elements 11 and 11 arranged as described above, strong waves travel in three directions as shown in FIG. As described above, since the compression wave is generated from each of the transmission elements 11 in a monopulse manner, no grating lobe or side lobe is formed, and a strong wave travels only in a single direction b0 as shown in FIG. 7 and 8, the dashed-dotted line indicates the peak of the compression wave generated by the left transmitting element 11, and the broken line indicates the peak of the compression wave generated by the right transmitting element 11. The direction b0 matches the normal direction of the silicon substrate 10 in the wave transmitting device 1.
[0025]
In addition, by controlling the phase difference of the compression wave generated by each transmission element 11, the single direction b0 in which the strong wave travels can be controlled, and as shown in FIG. The angle θ between the line direction and the direction b0 in which the strong wave travels can be controlled. In FIG. 9 as well, the dashed line indicates the peak of the compression wave generated by the left transmitting element 11 (not shown), and the broken line indicates the peak of the compression wave generated by the right transmitting element 11 (not shown).
[0026]
Thus, in the three-dimensional space measuring apparatus of the present embodiment, a transmitting device in which a plurality of transmitting elements 11 that generate compression waves by exchanging heat between the heating element 11b and air when the heating element 11b is energized is arranged. 1, a wave receiving device 2 for receiving the compression wave transmitted from the wave transmitting device 1 and reflected by the object A, and a timing of energizing each of the wave transmitting elements 11 of the wave transmitting device 1 by controlling. The above-mentioned timing is instructed to the phase shift circuit 32 as a transmission direction control unit for controlling the transmission direction, and the phase shift circuit 32 so that the compression wave is generated in a single pulse from each of the transmission elements 11 of the transmission device 1. The control unit 33 obtains the distance to the object A in the main beam direction of the wave transmitting device 1 based on the time from when the wave transmitting device 1 transmits the compression wave to when the wave receiving device 2 receives the wave. And a calculation unit 37. No influence of a grating lobe and side lobe due to interference compressional waves generated from the transmitting element 11, it is possible to measure the distance to the object A in a specific direction with high precision.
[0027]
The control unit 33 instructs the phase shift circuit 32 to perform the above timing so that the direction of the main beam is scanned (that is, sequentially changes the phase signal φ to the phase shift circuit 32), and the arithmetic unit 37 However, if the distance to the target A in each direction of the main beam (that is, each specific direction different from each other) is obtained, the three-dimensional shape of the target A can be measured. When scanning the direction of the main beam, the direction may be changed continuously or stepwise.
[0028]
Here, the control unit 33 instructs the timing so that the main beam is formed intermittently a plurality of times in the same direction, and outputs the average value of the distances obtained by the calculation unit 37 a plurality of times as the measurement distance. By doing so, the accuracy of the measurement distance can be improved.
[0029]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, there is provided a wave transmitting device in which a plurality of wave transmitting elements for generating compression waves are generated by heat exchange between the heat generating element and air accompanying energization of the heat generating element, and an object transmitted from the wave transmitting apparatus. A wave receiving device that receives a compression wave reflected by an object, a wave transmitting direction control unit that controls a wave transmitting direction by controlling timing of energization to each wave transmitting element of the wave transmitting device, and a wave transmitting device. A control unit for instructing the timing to the transmission direction control unit so that the compression wave is generated as a single pulse from each of the transmission elements, and a reception device that receives the compression wave after the transmission device transmits the compression wave. A calculating unit for calculating a distance to an object in the direction of the main beam of the transmitting device based on a time until the wave is transmitted, and a grating due to interference of compression waves generated from each transmitting element of the transmitting device. No robe or side lobe effects There is an effect that it is possible to measure the distance to an object in a specific direction with high precision.
[0030]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the control unit instructs the transmission direction control unit to perform the timing so that the direction of the main beam is scanned, and the arithmetic unit includes the main unit. Since the distance to the object for each beam direction is obtained, the three-dimensional shape of the object can be measured.
[0031]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the control unit instructs the timing so that the main beam is formed intermittently a plurality of times in the same direction, and instructs the arithmetic unit. Since the average value of the distances obtained a plurality of times is output as the measurement distance, the accuracy of the measurement distance can be improved.
[0032]
According to a fourth aspect of the present invention, the timing for energizing each of the transmitting elements of a transmitting apparatus in which a plurality of transmitting elements for generating compression waves by heat exchange between the heating element and air accompanying energization of the heating element is arranged. Controlling the compression wave to generate a compression wave in a single pulse, the target in the direction of the main beam based on the time from when the transmitting device transmits the compression wave to when it is reflected by the object and received by the receiving device Since the distance to the object is obtained, the distance to the target in a specific direction can be measured with high accuracy.
[0033]
According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, the timing is changed so that the direction of the main beam is scanned, and a distance to the object in each direction of the main beam is obtained. There is an effect that the three-dimensional shape of the object can be measured.
[0034]
According to a sixth aspect of the present invention, in the fourth or fifth aspect, the timing is changed so that the main beam is formed intermittently a plurality of times in the same direction, and an average value of the distances obtained a plurality of times is calculated. Since the measurement distance is used, there is an effect that the accuracy of the measurement distance can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment.
FIG. 2 is a schematic plan view of the wave transmitting device in the above.
FIGS. 3A and 3B show the wave transmitting device in the above embodiment, wherein FIG. 3A is a sectional view of a main part, and FIG.
FIG. 4 is a schematic plan view showing another example of the configuration of the above-described wave transmitting device.
FIG. 5 is a schematic sectional view of a main part of the wave receiving device in the above.
FIG. 6 is a schematic plan view of a main part of the wave receiving device used in the above.
FIG. 7 is an operation explanatory view of the above.
FIG. 8 is an operation explanatory view of the above.
FIG. 9 is an operation explanatory view of the above.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 wave transmitting device 2 wave receiving device 3 signal processing device 10 silicon substrate 11 wave transmitting element 11 a heat insulating layer 11 b heating element 31 signal source 32 phase shift circuit 32 a phase shifter 33 control unit 34 amplifier 35 reception gate 36 waveform shaping unit 37 Arithmetic unit A Object

Claims

A wave transmitting device in which a plurality of wave transmitting elements are arranged to generate compression waves by heat exchange between the heating element and air due to energization of the heating element, and a compression wave transmitted from the wave transmitting device and reflected by an object. Receiving device for receiving the signal, a transmitting direction control unit for controlling the transmitting direction by controlling the timing of energizing each transmitting element of the transmitting device, and a single transmitting unit for each transmitting element of the transmitting device. A control unit that instructs the timing to the transmission direction control unit such that a compression wave is generated in a pulsed manner, and a time period from when the transmission device transmits the compression wave to when the reception device receives the compression wave. A calculation unit for calculating a distance to the object in the direction of the main beam of the wave transmitting device.

The control unit instructs the transmission direction control unit to perform the timing so that the direction of the main beam is scanned, and the calculation unit obtains a distance to the object in each direction of the main beam. The three-dimensional space measurement apparatus according to claim 1, wherein:

The control unit instructs the timing such that the main beam is formed intermittently a plurality of times in the same direction, and outputs an average value of the distances obtained by the arithmetic unit a plurality of times as a measured distance. The three-dimensional space measurement apparatus according to claim 1 or 2, wherein

A single pulse is generated by controlling the timing of energizing each transmitting element of a transmitting device in which a plurality of transmitting elements that generate compression waves by heat exchange between the heating element and air accompanying energization of the heating element. To generate a compression wave and determine the distance to the target in the direction of the main beam based on the time from when the transmitting device transmits the compression wave to when it is reflected by the target and received by the receiving device. A three-dimensional space measurement method characterized by the following.

The three-dimensional space measurement method according to claim 4, wherein the timing is changed so that the direction of the main beam is scanned, and a distance to the object in each direction of the main beam is obtained.

6. The measurement distance according to claim 4, wherein the timing is changed so that the main beam is formed intermittently a plurality of times in the same direction, and an average value of the distances obtained a plurality of times is used as a measurement distance. 3D space measurement method.