JP2009075086A - 超音波三次元距離計測装置及び超音波三次元距離計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波受信素子の中心間距離が送信超音波の半波長より大きくても送信超音波を反射した対象物の３次元的位置と３次元的形状を計測することが可能な超音波三次元距離計測装置及び超音波三次元距離計測方法を提供する。
【解決手段】少なくとも２方向に電子的走査を行なうことにより、超音波Ｗ１を反射した物体（対象物Ｔ）の３次元的位置と３次元的形状を計測する超音波三次元距離計測装置において、パルス信号Ｓ２により発振信号Ｓ１をＡＭ変調する変調手段３を備えた。また、受信信号Ｓ４を包絡線検波する包絡線検波手段６と遅延乗算手段８とを備えた。パルス信号Ｓ２のパルス幅をτ（ｓ）、電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての超音波受信素子５の中心間距離のうちの最大値をＬ（ｍ）、超音波Ｗ１の速度をｖ（ｍ／ｓ）とした場合に、τ＜Ｌ／ｖの関係を満たす。電子的走査を行なう全ての方向に沿った隣接する超音波受信素子５の中心間距離の少なくとも１つは、超音波Ｗ１の波長の半分より大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波三次元距離計測装置及び超音波三次元距離計測方法に関する。

従来から、超音波送信素子から送信した超音波が対象物に反射して生成する反射波を超音波受信素子により受信し、得られた受信信号に基づいて対象物までの距離を測る計測技術が知られている。

また、対象物からの反射波を複数の超音波受信素子により受信し、各超音波受信素子で得られた受信信号に対して、所定の処理を行なうことにより反射波の入射角度を検出する技術が知られている（特許文献１参照）。ここで、所定の処理とは、遅延加算において、遅延時間を変化させることである。遅延加算とは、各超音波受信素子で得られた信号に対して、所定の時間を遅延させた後に加算することである。この遅延させる所定の時間のことを遅延時間という。遅延時間は、検出すべき反射波の入射角度と、超音波受信素子の中心間距離より算出されるものである。ここで遅延加算における加算の代わりに乗算を行なう場合もある（以下、この処理を遅延乗算と記す）。この所定の処理により、反射波の走査方向に沿った入射角度の情報を得ることを、以下、「電子的走査」と呼ぶことにする。すなわち、「電子的走査」とは、遅延乗算又は遅延加算において遅延時間を変化させることにより反射波の走査方向に沿った入射角度の情報を得ることを意味する（以下、同じ）。なお、電子的走査の原理から、電子的走査を行なう方向に対して超音波受信素子は少なくとも２つの異なる位置に配列されていなければならない。すなわち、電子的走査を行なう１つの方向を１つの座標軸として考えた場合に、複数の超音波受信素子の位置を示す座標の該座標軸の成分が少なくとも２種類の値をもたなければならない。

電子的走査を一方向に行なえば、一次元的な反射波の入射角度の情報を得ることができる。そのため、互いに異なる方向、例えば互いに直角な方向に電子的走査を行なえば、２次元的な反射波の入射角度の情報を得ることができる。これらの入射角度情報に対象物までの距離情報を加えることにより、超音波を反射した対象物の３次元的位置と３次元的形状を計測できる。
特開２００２−１５６４５１号公報

ところで、電子的走査を行なう全ての方向に沿った隣接する超音波受信素子の中心間距離の少なくとも１つを、送信する超音波の半波長よりも大きくして受信信号の遅延乗算又は遅延加算を行なうと、偏向角を変化させた際の位相変化が大きいため、大きなサイドローブ（不要な指向特性）が現われ、超音波を反射する対象物体の位置と形状の計測ができない。ここで、「隣接する超音波受信素子」とは、電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子のことである。また、「電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子」とは、電子的走査を行なう１つの方向を１つの座標軸として考えた場合に、超音波受信素子の位置を示す座標における該座標軸の成分の大きさの順に超音波受信素子を並べた時に隣り合う関係にあるものをいう（以下、同じ）。また、ここでの「超音波受信素子の中心間距離」とは、電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子の中心間距離のことをいう。「電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子の中心間距離」とは、電子的走査を行なう１つの方向を１つの座標軸として考えた場合に、電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子の位置を示す座標における該座標軸の成分の差をいう（以下、同じ）。

この現象のため、従来の超音波を反射した対象物の３次元的位置と３次元的形状を計測するための装置（以下、超音波三次元距離計測装置と記す）では、電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子の中心間距離を、送信する超音波の半波長以下で配置する制約があった。これにより、超音波三次元距離計測装置の超音波受信素子は一箇所にまとめて配置することになり、配置する場所に制限があった。

前記のように、電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子の中心間距離を狭めるとサイドローブは低減される。しかしながら、この場合は分解能が低減するという問題がある。すなわち、中心間距離を狭くするとサイドローブは小となる一方で分解能が低くなり、中心間距離を広くすると分解能が高くなる一方、サイドローブが大となる。このように、サイドローブと分解能とはトレード・オフの関係にあり、サイドローブを小としつつ分解能を高くすることができなかった。

また、超音波受信素子も単価の安い大きな幅のものが使用できず、コスト削減ができなかった。例えば、送信超音波の周波数が４０ｋＨｚの場合、超音波の速度が３４０ｍ／ｓとすると超音波の半波長は４．２５ｍｍであるので、素子の幅が４．２５ｍｍ以下の超音波受信素子を使用しなければならない。

そこで、本発明は、上記事情に鑑み、超音波受信素子の中心間距離が送信超音波の半波長より大きくても送信超音波を反射した対象物の３次元的位置と３次元的形状を計測することが可能な超音波三次元距離計測装置及び超音波三次元距離計測方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため請求項１の発明は、発振信号に基づいて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波が対象物に反射して生成する反射波を受信すると共に、電子的走査を行なう少なくとも２方向のそれぞれに対して少なくとも２つの異なる位置に配列された複数の超音波受信素子とを備え、前記超音波受信素子で得られた受信信号に基づいて前記対象物の空間形状を計測する超音波三次元距離計測装置において、前記発振信号をパルス信号によりＡＭ変調する変調手段と、前記受信信号を包絡線検波する包絡線検波手段と、前記包絡線検波により得られた検波信号を遅延乗算する遅延乗算手段又は遅延加算する遅延加算手段とを備え、前記パルス信号のパルス幅をτ（ｓ）、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての前記超音波受信素子の中心間距離の最大値をＬ（ｍ）、前記超音波の速度をｖ（ｍ／ｓ）とした場合に、τ＜Ｌ／ｖの関係を満たすと共に、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った隣接する前記超音波受信素子の中心間距離の少なくとも１つを前記超音波の波長の半分より大きくしたことを特徴とする。

ここで、空間形状とは、３次元的位置及び３次元的形状を意味する（以下、同じ）。

電子的走査を行なう方向に沿った超音波受信素子の中心間距離とは、電子的走査を行なう１つの方向を１つの座標軸として考えた場合に、２つの超音波受信素子の位置を示す座標における該座標軸の成分の差を意味する（以下、同じ）。

ここで、隣接する超音波受信素子とは、電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子のことである。

請求項１の発明によれば、前記電子的走査を行なう方向に沿って隣接する前記超音波受信素子の中心間距離が前記超音波の波長の半分より大きいものがある場合でも、サイドローブを抑えることができて、前記超音波を反射した対象物の空間形状を計測することができる。

請求項２の発明は、発振信号に基づいて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波が対象物に反射して生成する反射波を受信すると共に、電子的走査を行なう少なくとも２方向のそれぞれに対して少なくとも２つの異なる位置に配列された複数の超音波受信素子からなる超音波受信素子群とを備え、前記超音波受信素子で得られた受信信号に基づいて前記対象物の空間形状を計測する超音波三次元距離計測装置において、前記発振信号をパルス信号によりＡＭ変調する変調手段と、受信信号を遅延加算する遅延加算手段と、遅延加算により得られた遅延加算信号を包絡線検波する包絡線検波手段と、前記包絡線検波により得られた検波信号を遅延乗算する遅延乗算手段又は遅延加算する遅延加算手段とを備え、前記パルス信号のパルス幅をτ１（ｓ）、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての超音波受信素子群の中心間距離の最大値をＬ１（ｍ）、前記超音波の速度をｖ１（ｍ／ｓ）とした場合に、τ１＜Ｌ１／ｖ１の関係を満たすと共に、各超音波受信素子群に配置される超音波受信素子の中心間距離を前記超音波の波長の半分以下とし、かつ、隣接する前記超音波受信素子群の中心間距離の少なくとも１つを前記超音波の波長の半分より大きくしたことを特徴とする。

請求項２の発明によれば、複数の超音波素子が複数配列された超音波受信素子群を分散させることができる。すなわち、前記電子的走査を行なう方向に沿って隣接する前記超音波受信素子群の中心間距離が前記超音波の波長の半分より大きいものがある場合でも、サイドローブを抑えることができて、前記超音波を反射した対象物の空間形状を計測することができる。

請求項３の発明は、発振信号に基づいて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波が対象物に反射して生成する反射波を受信すると共に、電子的走査を行なう少なくとも２方向のそれぞれに対して少なくとも２つの異なる位置に配列された複数の超音波受信素子とを備え、前記超音波受信素子で得られた受信信号に基づいて前記対象物の空間形状を計測する超音波三次元距離計測方法において、前記発振信号をパルス信号によりＡＭ変調する変調工程と、前記受信信号を包絡線検波する包絡線検波工程と、前記包絡線検波により得られた検波信号を遅延乗算する遅延乗算工程又は遅延加算する遅延加算工程とを備え、前記パルス信号のパルス幅をτ（ｓ）、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての前記超音波受信素子の中心間距離の最大値をＬ（ｍ）、前記超音波の速度をｖ（ｍ／ｓ）とした場合に、τ＜Ｌ／ｖの関係を満たすと共に、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った隣接する前記超音波受信素子の中心間距離の少なくとも１つを前記超音波の波長の半分より大きくしたことを特徴とする。

ここで、隣接する超音波受信素子とは、電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子のことである。

請求項３の発明によれば、前記電子的走査を行なう方向に沿って隣接する前記超音波受信素子の中心間距離が前記超音波の波長の半分より大きいものがある場合でも、サイドローブを抑えることができて、前記超音波を反射した対象物の空間形状を計測することができる。

請求項４の発明は、発振信号に基づいて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波が対象物に反射して生成する反射波を受信すると共に、電子的走査を行なう少なくとも２方向のそれぞれに対して少なくとも２つの異なる位置に配列された複数の超音波受信素子からなる超音波受信素子群とを備え、前記超音波受信素子で得られた受信信号に基づいて前記対象物の空間形状を計測する超音波三次元距離計測装置において、前記発振信号をパルス信号によりＡＭ変調する変調工程と、前記受信信号を超音波受信素子群ごとに遅延加算する遅延加算工程と、前記遅延加算工程により得られた遅延加算信号を包絡線検波する包絡線検波工程と、前記包絡線検波により得られた検波信号を超音波受信素子群間で遅延乗算する遅延乗算工程又は遅延加算する遅延加算工程とを備え、前記パルス信号のパルス幅をτ１（ｓ）、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った前記超音波受信素子が複数配置された超音波受信素子群の中心間距離の最大値をＬ１（ｍ）、前記超音波の速度をｖ１（ｍ／ｓ）とした場合に、τ１＜Ｌ１／ｖ１の関係を満たすと共に、各超音波受信素子群に配置される超音波受信素子の中心間距離を前記超音波の波長の半分以下とし、かつ、隣接する前記超音波受信素子群の中心間距離の少なくとも１つを前記超音波の波長の半分より大きくしたことを特徴とする。

請求項４の発明によれば、前記電子的走査を行なう方向に沿って隣接する前記超音波受信素子群の中心間距離が前記超音波の波長の半分より大きいものがある場合でも、サイドローブを抑えることができて、前記超音波を反射した対象物の空間形状を計測することができる。

本発明によれば、前記電子的走査を行なう方向に対して隣接する超音波受信素子の中心間距離が送信超音波の半波長より大きい場合でも、サイドローブを抑えることができ、送信超音波を反射した対象物の空間形状を計測することができる。そのため、超音波受信素子を分散配置できるため、超音波受信素子の配置の自由度が飛躍的に向上する。これにより、自動車のバンパー、小型移動ロボット、絵画のフレーム等への超音波受信素子の埋め込みが可能になる。また、単価の安い大きな幅の超音波受信素子が使用可能になり、コスト削減ができる。

また、隣接する前記超音波受信素子群の中心間距離が前記超音波の波長の半分より大きいものとすると、サイドローブを抑えることができ、しかも角度分解能の向上を可能とすることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波三次元距離計測装置の基本構成及び信号の流れを模式的に示したものである。この超音波三次元距離計測装置の構成は、超音波送信手段と超音波受信手段に分けられる。

超音波送信手段は、発振信号生成手段１、パルス信号生成手段２、変調手段３及び超音波送信素子４から構成されている。発振信号生成手段１は、送信超音波に相当する周波数、例えば４０ｋＨｚの図２（ａ）に示すような発振信号Ｓ１（電気信号）を生成する。パルス信号生成手段２は、図２（ｂ）に示すようにピークが山型形状であるパルス幅τ（ｓ）のパルス信号Ｓ２（電気信号）を生成する。パルス幅τ（ｓ）は、ピークの半値幅である。即ち、ピークの信号強度の最大値をｈとすると、ピークが立ち上がって信号強度が１／２ｈになる時刻ｔａと、ピークが立ち下がって信号強度が１／２ｈになる時刻ｔｂとの間の時間ｔｂ−ｔａ（ｓ）で定義している。パルス幅τについては後で詳述するが、例えば０．４ｍｓである。

変調手段３は、発振信号Ｓ１をパルス信号Ｓ２によりＡＭ変調する。これにより図２（ｃ）に示すような複数のピークから成るピーク群の包絡線（図中の点線）がパルス信号Ｓ２の形状及びパルス信号Ｓ２を上下に反転させた形状である変調発振信号Ｓ３（電気信号）が生成する。１個の超音波送信素子４が、変調発振信号Ｓ３に基づいて超音波Ｗ１を送信する。

送信された超音波Ｗ１は、送信された範囲に物体（以下、対象物Ｔと記す）が存在すれば、その対象物Ｔに当たり反射する。

超音波三次元距離計測装置の超音波受信手段は、超音波受信素子５、包絡線検波手段６、補正手段７、遅延乗算手段８及び空間形状情報算出手段９から構成される。超音波受信素子５、包絡線検波手段６及び補正手段７はそれぞれが１つずつで１セットになっており、このセットが本実施形態では８セット設置されている。

超音波受信素子５は、超音波Ｗ１が前記の対象物に反射して生成する反射波Ｗ２を受信し、当該反射波Ｗ２に基づき図３（ａ）に示すような変調発振信号Ｓ３に類似した複数のピークから成るピーク群を有する受信信号Ｓ４（電気信号）を生成する。包絡線検波手段６は、図３（ａ）に点線で示した受信信号Ｓ４における信号強度０より上側のピークについて包絡線を検知（以下、包絡線検波と記す）し、その形状を有する図３（ｂ）の示すような山型形状のピークを有する検波信号Ｓ５を生成する。

図３（ａ）の受信信号Ｓ４のピーク群及び図３（ｂ）の検波信号Ｓ５のピークの数は、実際の測定では、対象物Ｔの数や大きさにより変動するが、本実施形態では１つとした。

図３（ｂ）では、検波信号Ｓ５のピークは、パルス信号Ｓ２のピークと同じ形状で、検波信号Ｓ５のパルス幅τ’は、パルス信号Ｓ２のパルス幅τと同じとした。しかし、実際の測定では、検波信号Ｓ５のピーク形状、パルス幅τ’は、パルス信号Ｓ２のピーク形状、パルス幅τに対して、対象物Ｔの距離や方位により変化する。尚、パルス幅τ’（ｓ）の定義は、パルス幅τと同様である。

補正手段７は、検波信号Ｓ５におけるピークの信号強度の最大値を一定にする補正を行ない、補正検波信号Ｓ６を生成する。遅延乗算手段８は８個の補正検波信号Ｓ６に対して遅延乗算処理を行ない、その結果に基づき結果データＤを生成する。空間形状情報算出手段９は結果データＤに基づいて空間形状情報を算出する。

以上が、本発明の実施形態に係る超音波三次元距離計測装置の基本構成であるが、この構成に加えて、目的に応じて次のような構成を加えることができる。例えば、空間形状情報算出手段９の算出した空間形状情報に基づいて、モニター等の画像表示手段に空間形状情報を表示する画像化手段を加えることができる。この場合、画像表示手段に単に数値を表示するだけでなく、対象物の方向を画像表示手段上の位置に対応させ、対象物までの距離を画像表示手段上の濃淡で示す等の方法がある（例えば、特開２００５−４９３０３号公報記載の方法）。また、空間形状情報より特定領域で物体（例えば、侵入者）の存在を判定し、存在の判定結果が「存在有り」の場合に、ブザーなどの報知手段を作動させる判定手段も加えることができる。

前述のパルス信号Ｓ２のパルス幅τ（ｓ）は、τ＜Ｌ／ｖの関係を満たさなければならない。ここで、超音波受信素子５の配置において、電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての超音波受信素子５の中心間距離の最大値をＬ（ｍ）、超音波Ｗ１の速度をｖ（ｍ／ｓ）とする。このパルス幅τの条件は、角度分解能の角度だけ２つの物体が離れている場合に、その２つの物体からの反射波Ｗ２が区別され得るための条件である。尚、電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての超音波受信素子５の中心間距離の最大値が等しい場合は、その値をＬとする。

パルス信号Ｓ２のパルス幅τが、τ＜Ｌ／ｖの関係を満たしていれば、電子的走査の方向に沿って隣接する超音波受信素子５の中心間距離は、超音波Ｗ１の半波長以下でなければならないという規定に制約されない。即ち、電子的走査の方向に沿って隣接する超音波受信素子５の中心間距離を超音波Ｗ１の半波長より大きくすることができる。また、超音波受信素子５の数が同じであっても、電子的走査の方向に沿って隣接する超音波受信素子５の中心間距離を大きくすることにより、Ｌ／ｖの値を大きくすることができる。このため、パルス幅τの範囲が広くなり、パルス幅τ＜Ｌ／ｖの関係を満たすパルス信号Ｓ２を生成することが容易になるという効果が得られる。

パルス幅τの下限値は、対象物Ｔからの反射波Ｗ２を超音波受信素子５で受信が可能な最小値である。これは、超音波受信素子５の受信感度とＳ／Ｎ比、超音波送信素子４の出力、対象物Ｔからの反射波Ｗ２の強度で決まる。

第１実施形態における超音波受信素子５の配置を図４（ａ）に示す。図４（ｂ）〜（ｄ）は第１実施形態における超音波受信素子５の配置の変形例である。図４において横方向をＸ方向、縦方向をＹ方向とする。図４（ａ）〜（ｃ）については、電子的走査はこのＸ方向とＹ方向（互いに直角な方向）に沿って行なうものとする。超音波受信素子５がＸ方向に沿って直線状に配列されてできる列をＸ列Ｌｘ、Ｙ方向に沿って直線状に配列されてできる列をＹ列Ｌｙとする。

図４（ａ）では超音波受信素子５が正方形状の辺々に沿って等間隔に配置されている。Ｘ列Ｌｘが３列、Ｙ列Ｌｙが３列である。両端のＸ列Ｌｘ、両端のＹ列Ｌｙに対して、中央のＸ列Ｌｘ、中央のＹ列Ｌｙにおける隣接する超音波受信素子５の中心間距離は２倍である。しかし、電子的走査を行なうＸ、Ｙ方向に沿った超音波受信素子５の中心間距離の最大値が等しいので、この値が関係式τ＜Ｌ／ｖにおけるＬとなる。

図４（ｂ）では超音波受信素子５が格子状に等間隔に配置されている。Ｘ列Ｌｘが３列、Ｙ列Ｌｙが３列である。電子的走査を行なうＸ、Ｙ方向に沿った超音波受信素子５の中心間距離の最大値が等しいので、この値がＬとなる。図４（ｃ）では超音波受信素子５が十字状に等間隔に配置されている。Ｘ列Ｌｘが１列、Ｙ列Ｌｙが１列である。列の中心の超音波受信素子５は各列共通になっている。電子的走査を行なうＸ、Ｙ方向に沿った超音波受信素子５の中心間距離の最大値が等しいので、この値がＬとなる。

図４（ｄ）では超音波受信素子５が放射状に等間隔に配置されている。詳しくは、５個の超音波受信素子５を等間隔に直線状に配列して成る列が、３列互いに６０度の角度を成して交差しており、列の中心の超音波受信素子５は各列共通になっている。電子的走査はこの列に沿って行なう。互いに異なる三方向の３列で電子的走査を行なうので、互いに異なる二方向の２列で電子的走査を行なう図４（ｃ）の場合より、精度の良い空間形状情報が得られる。電子的走査を行なう互いに異なる三方向に沿った超音波受信素子５の中心間距離の最大値が等しいので、この値がＬとなる。

図４（ａ）及び（ｂ）においてＸ列Ｌｘ、Ｙ列Ｌｙがそれぞれ複数形成されている。このように、電子的走査の方向に複数の列を形成すると、精度の良い空間形状情報が得られると考えられる。図４（ｂ）は、（ａ）よりも素子数が多いため、（ａ）より精度の良い空間形状情報が得られると考えられる。

超音波受信素子５の配列についての別の変形例を図５に示す。図５において横方向をＸ方向、縦方向をＹ方向とする。図５については、電子的走査はこのＸ方向とＹ方向（互いに直角な方向）に沿って行なうものとする。

図５では、７個の超音波受信素子５がランダムに配置されている。詳述すれば、Ｘ方向に沿って隣接する超音波受信素子５について、Ｘ方向に沿って測定した中心間距離ｄｘ１〜ｄｘ６の値は互いに異なる。また、Ｙ方向に沿って隣接する超音波受信素子５について、Ｙ方向に沿って測定した中心間距離ｄｙ１〜ｄｙ６の値も互いに異なる。Ｘ方向に沿った全ての超音波受信素子５の中心間距離の最大値はＬｘであり、Ｙ方向に沿った全ての超音波受信素子５の中心間距離の最大値はＬｙである。ＬｙよりＬｘの方が大きいので、ＬｘがＬとなる。

超音波受信素子５の配列についての別の変形例を図６に示す。図６においては、極座標表示の角度である方位角、極角を使用した電子的走査を行なうものとする（特許文献１段落［００１８］参照）。超音波受信素子５の反射波Ｗ２の受信面を含む平面を基準面とし、原点をＯとする。半直線ＯＸ（極座標軸）に対しての方位角をφ、原点Ｏを通る基準面に対して垂直な軸からの極角をαとする。この場合、電子的走査は、次のように行なう。（１）方位角φを変化させ所定の値に固定する。（２）極角αを変化させて走査する。（３）（１）と（２）を所定回数繰り返す。（２）は、方位角により決定される方向に電子的走査を行なうことと同義であり、（１）と（２）を繰り返すことは、互いに異なる方向に電子的走査を行なうことを意味する。

図６では、４個の超音波受信素子５がランダムに配置されている。電子的走査は、方位角φａ、φｂ、φｃについて行なった場合を示す。この場合、電子的走査を行なう方向は方位角φａ、φｂ、φｃにより決定され、それぞれ直線ＯＡ、ＯＢ、ＯＣに沿った方向である。直線ＯＡ方向に沿って隣接する超音波受信素子５について、直線ＯＡ方向に沿って測定した中心間距離ｄａ１〜ｄａ３の値は互いに異なる。また、直線ＯＢ方向に沿って隣接する超音波受信素子５について、直線ＯＢ方向に沿って測定した中心間距離ｄｂ１〜ｄｂ３の値は互いに異なる。また、直線ＯＣ方向に沿って隣接する超音波受信素子５について、直線ＯＣ方向に沿って測定した中心間距離ｄｃ１〜ｄｃ３の値も互いに異なる。直線ＯＡ方向に沿った全ての超音波受信素子５の中心間距離の最大値はＬａであり、直線ＯＢ方向に沿った全ての超音波受信素子５の中心間距離の最大値はＬｂであり、直線ＯＣ方向に沿った全ての超音波受信素子５の中心間距離の最大値はＬｃである。Ｌａ、Ｌｂ及びＬｃのうちＬａが最も大きいので、ＬａがＬとなる。

超音波送信素子４が配置される場所は、超音波受信素子５の配置されている領域に近いほど良く、更に超音波受信素子５の配置されている領域内である方が良く、更には超音波受信素子５の配置されている領域の中央に近いほど良い。これは、超音波送信素子４から送信された超音波Ｗ１が対象物Ｔに反射して生成する反射波Ｗ２が超音波受信素子５に受信される時の強度が大きくなるからである。

次に、本発明の第１の実施形態に係る超音波三次元距離計測方法を、図７のフローチャートに基づいて説明する。

図７の信号生成工程Ｐ１で、発振信号Ｓ１とパルス信号Ｓ２が生成される。変調工程Ｐ２で、発振信号Ｓ１をパルス信号Ｓ２によりＡＭ変調し、変調発振信号Ｓ３を生成する。超音波送信工程Ｐ３で、変調発振信号Ｓ３に基づき１個の超音波送信素子４から超音波Ｗ１を送信する。

超音波受信工程Ｐ４で、超音波受信素子５は超音波Ｗ１が対象物に反射して生成した反射波Ｗ２を受信し、当該反射波Ｗ２に基づき受信信号Ｓ４を生成する。包絡線検波工程Ｐ５は、受信信号Ｓ４における信号強度０より上側のピークについて包絡線検波し、その形状のピークを有する検波信号Ｓ５を生成する。補正工程Ｐ６は、検波信号Ｓ５におけるピークの強度を一定にする補正を行ない、補正検波信号Ｓ６を生成する。

超音波受信工程Ｐ４、包絡線検波工程Ｐ５及び補正工程Ｐ６の処理は、本実施形態では８個の超音波受信素子５のそれぞれに対して行なわれる。

遅延乗算工程Ｐ７では、８個の補正検波信号Ｓ６に対して遅延乗算処理を行ない、その結果に基づき結果データＤを生成する。空間形状情報算出工程Ｐ８で、結果データＤに基づいて空間形状情報を算出する。

以上が、本発明の第１の実施形態に係る超音波三次元距離計測方法の基本構成であるが、この構成に加えて、目的に応じて次のような構成を加えることができる。例えば、空間形状情報算出手段９の算出した空間形状情報に基づいて、モニター等の画像表示手段に空間形状情報を表示する画像化方法を加えることができる。この場合、画像表示手段に単に数値を表示するだけでなく、対象物の方向を画像表示手段上の位置に対応させ、対象物までの距離を画像表示手段上の濃淡で示す等の方法がある（例えば、特開２００５−４９３０３号公報記載の方法）。また、空間形状情報より特定領域で物体（例えば、侵入者）の存在を判定し、存在の判定結果が「存在有り」の場合に、ブザーなどの報知手段を作動させる判定方法も加えることができる。

上記実施形態では、遅延乗算手段８及び遅延乗算工程Ｐ７で８個の補正検波信号Ｓ６に対して遅延乗算処理を行なっているが、これに限定されない。例えば、遅延乗算手段８の代わりに遅延加算手段で、８個の補正検波信号Ｓ６に対して遅延加算処理を行なってもよい。また、遅延乗算工程Ｐ７の代わりに遅延加算工程で、８個の補正検波信号Ｓ６に対して遅延加算処理を行なってもよい。

上記実施形態では、包絡線検波手段６及び包絡線検波工程Ｐ５では、図３（ａ）に点線で示した受信信号Ｓ４における信号強度０より上側のピークについて包絡線検波したが、包絡線検波の方法はこれに限定されない。例えば、受信信号Ｓ４において信号強度０の下側のピークを上側に反転させ、元の上側のピークと共に包絡線検波を行なっても良い。

上記実施形態では、補正手段７及び補正工程Ｐ６において、検波信号Ｓ５のピークを検出する方法として、次に示す（１）から（４）を行なっている。（１）検波信号Ｓ５における信号強度において最大値を検出する。（２）その最大値の前後で、信号強度が減少から増大に転ずる一対の極小点を検出し、その間の信号を１つのピークとして記憶手段に記憶する。（３）その記憶した部分を除いた検波信号Ｓ５の中で信号強度の最大値を検出する。（４）その後（３）において検出した信号強度の最大値が所定の閾値未満になるまで（２）（３）を繰り返す。この方法により、精度良くピークを検出して記憶手段に記憶することができる。しかし、ピークの検出方法はこれに限定されず、別の方法でもよい。また、精度が不要な場合等は補正手段７及び補正工程Ｐ６を省略してもよい。

上記実施形態において、一回の超音波Ｗ１の送信について、遅延乗算手段８及び遅延乗算工程Ｐ７で８個全ての超音波受信素子５に由来する補正検波信号Ｓ６に対して遅延乗算処理を行なっているが、これに限定されない。例えば、図４（ｄ）の超音波受信素子５の配置を用いた場合、一回の超音波Ｗ１の送信につき、１列分の超音波受信素子５に由来する補正検波信号Ｓ６に対して遅延乗算処理を行ない、三回の超音波Ｗ１の送信で遅延乗算処理を完了するようにしてもよい。

図８は、本発明の効果をシミュレーションにより確かめたものである。このシミュレーションでは、図９（ａ）に示すように、超音波受信素子５の数が７、隣接する超音波受信素子５の中心間距離が０．１（ｍ）の条件で、超音波受信素子５を一列に配置した。このシミュレーションは、図９（ｂ）に示すように、超音波受信素子５の受信面を含む平面Ｆ１に垂直であり、且つ超音波受信素子５の中心を通る平面Ｆ２上のみを対象としたものである。平面Ｆ１に垂直な方向に対して、反射波Ｗ２の入射角度のうち鋭角なものをθ（度）とした。

また、このシミュレーションでは、電子的走査は行なわず、入射角度θ＝２０度の反射波Ｗ２を検出する場合の遅延時間に固定して遅延乗算を行ない、反射波Ｗ２の入射角度θを変化させた。反射波Ｗ２の周波数は４０ｋＨｚとし、図２（ｃ）に示した変調発振信号Ｓ３と同様のピーク形状を有するとした。超音波Ｗ１の周波数を４０ｋＨｚ、超音波Ｗ１の速度ｖ＝３４０ｍ／ｓとした場合、Ｌ／ｖは１．８ｍｓとなり、超音波Ｗ１の半波長は４．２５ｍｍとなる。

図８（ａ）では、比較のため、パルス幅τは無限大とし、包絡線検波は省略した。図８（ｂ）では、本発明に則して、パルス幅τはτ＜Ｌ／ｖの関係を満たす０．４ｍｓとし、包絡線検波を行なった。

比較のための条件の図８（ａ）では、θ＝２０度でのピーク以外に、多数のピークが形成されている。この状態であると、実際の測定においてθ＝２０度の反射波Ｗ２が無い場合でも、他の大きなピークのあるθ、例えばθ＝０度の反射波Ｗ２がある場合に、θ＝２０度の反射波Ｗ２が検出されるという誤った結果となる。これに対して、本発明に則した条件の図８（ｂ）では、θ＝２０度でのみピークが形成されている。この状態であれば、実際の測定においてθ＝２０度の反射波Ｗ２がある場合にのみ、θ＝２０度の反射波Ｗ２が検出される。

尚、図８は、一列の超音波受信素子５に対してシミュレーションを行なったものであるが、直交する二列、例えば、図４（ｃ）のような十字状の列を成す受信素子について行なった場合にも、同様の結果となる。すなわち、ＸＹＺ座標系でＸ、Ｙ軸が入射角度を示し、Ｚ軸が信号強度を示すとすると、図８（ａ）に対応した条件の場合には、多数のピークが形成され、図８（ｂ）に対応した条件の場合には、１つのピークが形成される。従って、図８（ａ）に対応した条件では、反射波Ｗ２の入射角を誤って検出することがあるが、図８（ｂ）に対応した条件では、反射波Ｗ２の入射角の検出を誤ることがない。

次に、第２実施形態における超音波受信素子５の配置を図１０に示す。この場合、１枚の基板１１上に複数（図示例では４つ）の超音波受信素子５を配置したものを１つの超音波受信素子群１０としている。そして、Ｘ列に２つの超音波受信素子群１０を配置し、Ｙ列に２つの超音波受信素子群１０を配置している。すなわち、超音波受信素子群１０が格子状に等間隔に配置されており、Ｘ列Ｌｘ´が２列、Ｙ列Ｌｙ´が２列となっている。電子的走査を行なうＸ、Ｙ方向に沿った超音波受信素子群１０の中心間距離Ｌｘ´、Ｌｙ´が等しいので、この値（Ｌｘ´及びＬｙ´）がＬ１となる。また、超音波受信素子群１０の中央に超音波送信素子４が配置されている。

図１１では、Ｘ方向に沿った超音波受信素子群１０の中心間距離の最大値はＬｘ´であり、Ｙ方向に沿った超音波受信素子群１０の中心間距離の最大値はＬｙ´である。ＬｙよりＬｘの方が大きいので、ＬｘがＬ１となる。

超音波三次元距離計測装置の超音波受信手段は、図１２に示すように、超音波受信素子５、遅延加算手段１２、包絡線検波手段６、補正手段７、遅延乗算手段８及び空間形状情報算出手段９から構成される。超音波受信素子５、包絡線検波手段６及び補正手段７はそれぞれが１つずつで１セットになっており、このセットが本実施形態では１６セット設置されている。

遅延加算手段１２は、超音波受信素子群１０ごとに遅延加算を行ない、遅延加算信号Ｓ７を生成するものである。遅延乗算手段８は、補正検波信号Ｓ９に対して、超音波受信素子群１０間で遅延乗算処理を行ない、その結果に基づき結果データＤを生成するものである。

前記第２の実施形態に係る超音波三次元距離計測方法を、図１３のフローチャートに基づいて説明する。図１３の信号生成工程Ｐ１で、発振信号Ｓ１とパルス信号Ｓ２が生成される。変調工程Ｐ２で、発振信号Ｓ１をパルス信号Ｓ２によりＡＭ変調し、変調発振信号Ｓ３を生成する。超音波送信工程Ｐ３で、変調発振信号Ｓ３に基づき１個の超音波送信素子４から超音波Ｗ１を送信する。

超音波受信工程Ｐ４で、超音波受信素子５は超音波Ｗ１が対象物に反射して生成した反射波Ｗ２を受信し、当該反射波Ｗ２に基づき受信信号Ｓ４を生成する。そして、遅延加算工程Ｐ１０で、超音波受信素子群１０ごとに遅延加算を行なって、遅延加算信号Ｓ７を生成する。その後、包絡線検波工程Ｐ１１は、遅延加算信号Ｓ７における信号強度０より上側のピークについて包絡線検波し、その形状のピークを有する検波信号Ｓ８を生成する。補正工程Ｐ１２は、検波信号Ｓ８におけるピークの強度を一定にする補正を行ない、補正検波信号Ｓ９を生成する。

超音波受信工程Ｐ４、包絡線検波工程Ｐ１１及び補正工程Ｐ１２の処理は、本実施形態では１６個の超音波受信素子５のそれぞれに対して行なわれ、遅延加算工程Ｐ１０の処理は、超音波受信素子群１０ごとに行われる。

遅延乗算工程Ｐ１３では、補正検波信号Ｓ９に対して、超音波受信素子群１０間で遅延乗算処理を行ない、その結果に基づき結果データＤを生成する。空間形状情報算出工程Ｐ１４で、結果データＤに基づいて空間形状情報を算出する。

このように、本発明の第２実施形態に係る超音波三次元距離計測装置でも前記第１実施形態と同様の作用効果を奏する。特に、隣接する前記超音波受信素子群１０の中心間距離が超音波の波長の半分より大きいものとすると、サイドローブを抑えることができ、しかも角度分解能の向上を可能とすることができる。なお、図１０〜図１３の超音波三次元距離計測装置について、図１〜図９の超音波三次元距離計測装置と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。

なお、第２実施形態の超音波三次元距離計測装置において、超音波受信素子群１０同士の間隔は、実施形態のものに限られず種々設定できる。また、１つの超音波受信素子群１０に配置する超音波受信素子５の数は４つに限られず、１つの基板上に複数個あればよい。

図１４に、上記の第１実施形態の超音波三次元距離計測装置を用いた計測実験の様子を模式的に示す。ただし、超音波送信素子４及び超音波受信素子５以外の装置は、省略している。超音波受信素子５は８個使用し、図４（ａ）に示したような正方形状の辺々に沿って隣接する超音波受信素子５の中心間距離が０．１ｍになるように配置した。超音波送信素子４は１個使用し、超音波受信素子５の正方形状の配置における中央に配置した。

超音波送信素子４及び超音波受信素子５の前方に、同じ大きさの３つの風船１〜３を固定配置した。座標系はＸＹＺ座標系で方向は図１０に示した通りである。風船の座標は風船の中心を基準にして風船１が（０，０，１００）、風船２が（−６０，−２５，１００）、風船３が（６０，０，１３０）である（単位：ｃｍ、原点は超音波送信素子４の中心）。各風船の直径は３０ｃｍである。

電子的走査は、Ｘ方向とＹ方向に沿って行なった。超音波受信素子５の配置の正方形における各辺もＸ方向とＹ方向に沿っている。超音波Ｗ１（発振信号Ｓ１）の周波数は４０ｋＨｚである。超音波Ｗ１の速度ｖ＝３４０（ｍ／ｓ）とした場合、Ｌ／ｖは０．６ｍｓとなり、超音波Ｗ１の半波長は４．２５ｍｍとなる。パルス幅τは０．４ｍｓとした。すなわち、パルス幅τはτ＜Ｌ／ｖの関係を満たし、Ｘ、Ｙ方向のそれぞれに沿って隣接する超音波受信素子５の中心間距離（＝０．１、０．２ｍ）は超音波Ｗ１の半波長より大きい。

図１５に８個の超音波受信素子５のそれぞれについて得られた検波信号Ｓ５と補正検波信号Ｓ６を示す。それぞれのグラフにおいて、太い実線が検波信号Ｓ５であり、細い実線が補正検波信号Ｓ６である。なお、比較のため、風船１に対応する検波信号Ｓ５と補正検波信号Ｓ６のピークが同じになるように、検波信号Ｓ５と補正検波信号Ｓ６の全体の信号強度を調整して表示している。

図１５の補正検波信号Ｓ６に基づいて遅延乗算して得られた信号強度をＸＹ座標平面上に濃淡で表したものを図１６に示す。風船１、風船２および風船３の全ての風船に対応する遅延乗算後の信号が表示されている。

このように、本発明によれば、Ｘ方向に沿って隣接する超音波受信素子５の中心間距離（＝０．１、０．２ｍ）、及びＹ方向に沿って隣接する超音波受信素子５の中心間距離（＝０．１、０．２ｍ）が、超音波Ｗ１の半波長（＝４．２５ｍｍ）より大きくても、精度の良い乗算演算結果を得ることが可能である。

上記実施形態及び実施例において、電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子５の中心間距離の全てが超音波Ｗ１の波長の半分より大きい。しかし、これに限定されず、電子的走査を行なう全ての方向に沿った隣接する超音波受信素子５の中心間距離の少なくとも１つが超音波Ｗ１の波長の半分より大きい場合も本発明の適用範囲である。例えば、図５において、Ｘ方向に沿って隣接する超音波受信素子５の中心間距離ｄｘ２のみが超音波Ｗ１の波長の半分より大きく、その他のＸ、Ｙ方向に沿って隣接する超音波受信素子５の中心間距離ｄｘ１、ｄｘ３〜ｄｘ６、ｄｙ１〜ｄｙ６が超音波Ｗ１の波長の半分以下の場合である。

次に、図１７に、上記の第２実施形態の超音波三次元距離計測装置を用いた計測実験の様子を模式的に示す。ただし、超音波送信素子４及び超音波受信素子群１０以外の装置は、省略している。１つの超音波受信素子群１０につき超音波受信素子５は８個使用し、４つの超音波受信素子群１０を、図１０に示したような正方形状の辺々に沿って配設した。また、隣接する超音波受信素子５の中心間距離を０．１ｍとした。超音波送信素子４は１個使用し、超音波受信素子群１０の正方形状の配置における中央に配置した。

超音波送信素子４及び超音波受信素子群１０の前方に、１つの風船及びアルミ板を固定配置した。座標系はＸＹＺ座標系で方向は図１７に示した通りである。風船の座標は（−５０，４０，５０）、アルミ板が（０，０，２００）である（単位：ｃｍ）。風船の直径は４０ｃｍであり、アルミ板は１０ｃｍ×１５ｃｍである。

図１８に４つの超音波受信素子群１０のそれぞれについて得られた包絡線検波後の信号を示す。これにより、アルミ板からの反射信号が大きいが、風船の反射信号も見られる。

図１８のデータから遅延乗算を行った結果を図１９に示す。図１９に示すように、アルミ板からの反射が大きく出ているが、風船からの反射も大きい。図２０に、最終的な３次元測定結果を示す。風船、およびアルミ板に対応する遅延乗算後の信号が表示されている。このように、本発明の第２実施形態の超音波三次元距離計測装置においても、精度の良い乗算演算結果を得ることが可能である。

次に、図２１に、上記の第２実施形態について、超音波受信素子群１０の数Ｎを変化させた場合の指向性の変化を示す。偏向角は０、φ＝０、超音波受信素子群１０同士の間隔は３０ｃｍ、１つの超音波受信素子群１０に配置される超音波受信素子５の数は９個、物体から超音波受信素子群１０までの距離は２ｍとして、図２１（ａ）は、超音波受信素子群１０の数Ｎ＝２、図２１（ｂ）はＮ＝６、図２１（ｃ）はＮ＝１０、図２１（ｄ）はＮ＝２０である。これにより、超音波受信素子群１０の数が増えると指向性は良くなることがわかった。

図２２に、超音波受信素子群１０同士の間隔を変化させた場合の指向性の変化を示す。偏向角は０、φ＝０、超音波受信素子群１０の数は２×２個、１つの超音波受信素子群１０に配置される超音波受信素子５の数は９個、物体から超音波受信素子群１０までの距離は２ｍとして、図２２（ａ）は、超音波受信素子群１０同士の間隔が１０ｃｍ、図２２（ｂ）は３０ｃｍ、図２２（ｃ）は５０ｃｍ、図２２（ｄ）は７０ｃｍ、図２２（ｅ）は９０ｃｍである。これにより、超音波受信素子群１０同士の間隔を広くすると指向性は良くなることがわかった。

図２３に、偏向角を変化させた場合の指向性の変化を示す。φ＝０、超音波受信素子群１０同士の間隔は３０ｃｍ、超音波受信素子群１０の数は２×２個、１つの超音波受信素子群１０に配置される超音波受信素子５の数は９個、物体から超音波受信素子群１０までの距離は２ｍとして、図２３（ａ）は、偏向角が０度、図２３（ｂ）は２０度、図２３（ｃ）は４０度である。これにより、横に行くほど指向性は悪くなることがわかった。

図２４に、物体から超音波受信素子群１０までの距離を変化させた場合の指向性の変化を示す。偏向角は０、φ＝０、超音波受信素子群１０同士の間隔は３０ｃｍ、超音波受信素子群１０の数は２×２個、１つの超音波受信素子群１０に配置される超音波受信素子５の数は９個、として、図２４（ａ）は、物体から超音波受信素子群１０までの距離が１０ｃｍ、図２４（ｂ）は３０ｃｍ、図２４（ｃ）は５０ｃｍ、図２４（ｄ）は７０ｃｍである。これにより、遠くへ行っても指向性の大きな変化が見られないことがわかった。

以上、本発明の実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されること無く、本発明の技術的思想の範囲内であれば、種々の変形が可能である。

本発明の第１実施形態に係る超音波三次元距離計測装置の基本構成及び信号の流れを模式的に示した図である。 本発明の第１実施形態に係る電気信号の時間と信号強度の関係を模式的に示した図で、（ａ）が発振信号Ｓ１、（ｂ）がパルス信号Ｓ２、（ｃ）が変調発振信号Ｓ３についてのものである。 本発明の第１実施形態に係る電気信号の時間と信号強度の関係を模式的に示した図で、（ａ）が受信信号Ｓ４、（ｂ）が検波信号Ｓ５についてのものである。 超音波受信素子の配列の例を模式的に示す図であり、（ａ）が正方形状、（ｂ）が格子状、（ｃ）が十字状、（ｄ）が放射状のものである。 超音波受信素子の配列の例を模式的に示す図であり、ランダムに配列したものでＸ、Ｙ方向に電子的走査を行なう場合のものである。 超音波受信素子の配列の例を模式的に示す図であり、ランダムに配列したもので方位角を使用して電子的走査を行なう場合のものである。 本発明の第１実施形態に係る超音波三次元距離計測方法のフローチャートを示した図である。 超音波三次元距離計測装置の指向性を示す図であり、（ａ）が本発明の条件を満たさない場合、（ｂ）が本発明の条件を満たす場合のシミュレーション結果である。 図８の条件を模式的に示す図であり、（ａ）が超音波受信素子の配置を示す図、（ｂ）が超音波の反射波の入射角を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る超音波三次元距離計測装置の超音波受信素子の配列の例を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る超音波三次元距離計測装置の超音波受信素子の他の配列の例を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る超音波三次元距離計測装置の基本構成及び信号の流れを模式的に示した図である。 本発明の第２実施形態に係る超音波三次元距離計測方法のフローチャートを示した図である。 本発明の第１実施形態に係る超音波三次元距離計測装置を用いた計測実験の様子を模式的に示す図である。 ８個の超音波受信素子についての検波信号Ｓ５と補正検波信号Ｓ６を示す図である。 図１５の補正検波信号Ｓ６を遅延乗算して得られた信号強度をＸＹ座標平面上に濃淡で表した図である。 本発明の第２実施形態に係る超音波三次元距離計測装置を用いた計測実験の様子を模式的に示す図である。 ４個の超音波受信素子群についての検波信号Ｓ８を示す図である。 補正検波信号Ｓ９を遅延乗算して得られた結果を示す図である。 風船及びアルミ板の最終的な３次元測定結果を示す図である。 超音波受信素子群の数Ｎを変化させた場合の指向性の変化を示す図であり、（ａ）はＮ＝２、（ｂ）はＮ＝６、（ｃ）はＮ＝１０、（ｄ）はＮ＝２０である。 超音波受信素子群同士の間隔を変化させた場合の指向性の変化を示す図であり、（ａ）は、超音波受信素子群同士の間隔が１０ｃｍ、（ｂ）は３０ｃｍ、（ｃ）は５０ｃｍ、（ｄ）は７０ｃｍ、（ｅ）は９０ｃｍである。 偏向角を変化させた場合の指向性の変化を示すであり、（ａ）は、偏向角が０度、（ｂ）は２０度、（ｃ）は４０度である。 物体から超音波受信素子群１０までの距離を変化させた場合の指向性の変化を示すであり、（ａ）は、物体から超音波受信素子群までの距離が１０ｃｍ、（ｂ）は３０ｃｍ、（ｃ）は５０ｃｍ、（ｄ）は７０ｃｍである。

符号の説明

１ 発振信号生成手段
２ パルス信号生成手段
３ 変調手段
４ 超音波送信素子
５ 超音波受信素子
６ 包絡線検波手段
７ 補正手段
８ 遅延乗算手段
９ 空間形状情報算出手段
１０ 超音波受信素子群
Ｐ１ 信号生成工程
Ｐ２ 変調工程
Ｐ３ 超音波送信工程
Ｐ４ 超音波受信工程
Ｐ５、Ｐ１１ 包絡線検波工程
Ｐ６、Ｐ１２ 補正工程
Ｐ７、Ｐ１３ 遅延乗算工程
Ｐ８、Ｐ１４ 空間形状情報算出工程
Ｐ１０ 遅延加算工程
Ｓ１ 発振信号
Ｓ２ パルス信号
Ｓ３ 変調発振信号
Ｓ４ 受信信号
Ｓ５、Ｓ８ 検波信号
Ｓ６、Ｓ９ 補正検波信号
Ｓ７ 遅延加算信号
Ｄ 結果データ
Ｗ１ 送信超音波
Ｗ２ 反射波（超音波）
Ｔ 対象物
τ、τ１ パルス幅
Ｌ、Ｌ１ 電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての超音波受信素子の中心間距離の最大値
ｖ、ｖ１ 送信超音波の速度

Claims (4)

1. 発振信号に基づいて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波が対象物に反射して生成する反射波を受信すると共に、電子的走査を行なう少なくとも２方向のそれぞれに対して少なくとも２つの異なる位置に配列された複数の超音波受信素子とを備え、前記超音波受信素子で得られた受信信号に基づいて前記対象物の空間形状を計測する超音波三次元距離計測装置において、
   前記発振信号をパルス信号によりＡＭ変調する変調手段と、前記受信信号を包絡線検波する包絡線検波手段と、前記包絡線検波により得られた検波信号を遅延乗算する遅延乗算手段又は遅延加算する遅延加算手段とを備え、前記パルス信号のパルス幅をτ（ｓ）、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての前記超音波受信素子の中心間距離の最大値をＬ（ｍ）、前記超音波の速度をｖ（ｍ／ｓ）とした場合に、τ＜Ｌ／ｖの関係を満たすと共に、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った隣接する前記超音波受信素子の中心間距離の少なくとも１つを前記超音波の波長の半分より大きくしたことを特徴とする超音波三次元距離計測装置。
2. 発振信号に基づいて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波が対象物に反射して生成する反射波を受信すると共に、電子的走査を行なう少なくとも２方向のそれぞれに対して少なくとも２つの異なる位置に配列された複数の超音波受信素子からなる超音波受信素子群とを備え、前記超音波受信素子で得られた受信信号に基づいて前記対象物の空間形状を計測する超音波三次元距離計測装置において、
   前記発振信号をパルス信号によりＡＭ変調する変調手段と、受信信号を遅延加算する遅延加算手段と、遅延加算により得られた遅延加算信号を包絡線検波する包絡線検波手段と、前記包絡線検波により得られた検波信号を遅延乗算する遅延乗算手段又は遅延加算する遅延加算手段とを備え、前記パルス信号のパルス幅をτ１（ｓ）、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての超音波受信素子群の中心間距離の最大値をＬ１（ｍ）、前記超音波の速度をｖ１（ｍ／ｓ）とした場合に、τ１＜Ｌ１／ｖ１の関係を満たすと共に、各超音波受信素子群に配置される超音波受信素子の中心間距離を前記超音波の波長の半分以下とし、かつ、隣接する前記超音波受信素子群の中心間距離の少なくとも１つを前記超音波の波長の半分より大きくすることを可能としたことを特徴とする超音波三次元距離計測装置。
3. 発振信号に基づいて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波が対象物に反射して生成する反射波を受信すると共に、電子的走査を行なう少なくとも２方向のそれぞれに対して少なくとも２つの異なる位置に配列された複数の超音波受信素子とを備え、前記超音波受信素子で得られた受信信号に基づいて前記対象物の空間形状を計測する超音波三次元距離計測方法において、
   前記発振信号をパルス信号によりＡＭ変調する変調工程と、前記受信信号を包絡線検波する包絡線検波工程と、前記包絡線検波により得られた検波信号を遅延乗算する遅延乗算工程又は遅延加算する遅延加算工程とを備え、前記パルス信号のパルス幅をτ（ｓ）、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての前記超音波受信素子の中心間距離の最大値をＬ（ｍ）、前記超音波の速度をｖ（ｍ／ｓ）とした場合に、τ＜Ｌ／ｖの関係を満たすと共に、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った隣接する前記超音波受信素子の中心間距離の少なくとも１つを前記超音波の波長の半分より大きくしたことを特徴とする超音波三次元距離計測方法。
4. 発振信号に基づいて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波が対象物に反射して生成する反射波を受信すると共に、電子的走査を行なう少なくとも２方向のそれぞれに対して少なくとも２つの異なる位置に配列された複数の超音波受信素子からなる超音波受信素子群とを備え、前記超音波受信素子で得られた受信信号に基づいて前記対象物の空間形状を計測する超音波三次元距離計測方法において、
   前記発振信号をパルス信号によりＡＭ変調する変調工程と、前記受信信号を超音波受信素子群ごとに遅延加算する遅延加算工程と、前記遅延加算工程により得られた遅延加算信号を包絡線検波する包絡線検波工程と、前記包絡線検波により得られた検波信号を超音波受信素子群間で遅延乗算する遅延乗算工程又は遅延加算する遅延加算工程とを備え、前記パルス信号のパルス幅をτ１（ｓ）、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った前記超音波受信素子が複数配置された超音波受信素子群の中心間距離の最大値をＬ１（ｍ）、前記超音波の速度をｖ１（ｍ／ｓ）とした場合に、τ１＜Ｌ１／ｖ１の関係を満たすと共に、各超音波受信素子群に配置される超音波受信素子の中心間距離を前記超音波の波長の半分以下とし、かつ、隣接する前記超音波受信素子群の中心間距離の少なくとも１つを前記超音波の波長の半分より大きくすることを可能としたことを特徴とする超音波三次元距離計測方法。