JP2013195112A - 音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】より精度が高い超音波の伝搬時間を算出することができる音波センサを提供する。
【解決手段】補正値演算部３６は、送信素子１と受信素子２との距離に基づいてそれらの間を伝搬する超音波の伝搬時間の誤差Δｔを演算する。相互相間部３３は、送信信号と受信信号との相関をとることにより送信素子１から受信素子２へ伝搬される音波の伝搬時間ｔを演算する。補正部３７は、伝搬時間ｔを補正する。これにより、より精度が高い音波の伝搬時間が算出される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、音波センサに関し、特に、相互相関法により音波の伝搬時間を演算して各種物理量を計測する音波センサに関するものである。

従来より、音波を送受信して伝搬時間を計測することにより、各種物理量を計測する技術が知られている。例えば、音波の伝搬速度は媒質の密度に依存することから、その音波が通過する空間の平均温度を計測できる（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載された発明においては、伝搬時間は相互相関法により演算される。この相互相関法による伝搬時間の演算は、例えば、音波を送信する送信器とその音波を受信する受信器とを所定の距離離間させて配置し、パルス、連続波、バースト波などの所定の波形を有する送信信号を送信器に入力して音波を送信させ、受信器で受信されたその音波を電気信号に変換した受信信号を生成し、送信信号と受信信号との相関をとることにより行われる。

特開２００２−０５４９９９号公報

しかしながら、相互相関法では、原理上、演算される伝搬時間に必然的に誤差が発生してしまう。すなわち、図６に示すように、符号ａで示す送信信号に基づいて送信器が音波を送信すると、この音波は、伝搬している途中で外部環境の影響などを受けるために、受信器で生成される受信信号は符号ｂで示すように波形が歪んだものとなる。このため、それらの送信信号と受信信号との相関をとっても、これらの信号の波形が一致しないので、符号ｃで示すように誤差が生じてしまう。この誤差は、音波センサを温度センサに適用した場合、１０ｍの計測空間につき約２℃に相当することがあるため、正確な測定を実現するためにも、その誤差を小さくして伝搬時間の演算精度を向上させることが望まれていた。

そこで、本発明は、より精度が高い超音波の伝搬時間を算出することができる音波センサを提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る音波センサは、所定の波形を有する送信信号に基づく音波を送信する送信素子と、この送信素子と第１の距離離間して配置され、送信素子により送信された音波を受信して当該音波の波形を示す受信信号を生成する受信素子と、送信信号および受信信号に基づいて、相互相関法により音波の伝搬時間を演算する演算部と、音波の伝搬距離と、音波の伝搬時間の誤差との関係を記憶した記憶部と、第１の距離と、記憶部に記憶された関係とに基づいて、音波の伝搬時間の誤差を演算する誤差演算部と、演算部により演算された伝搬時間を、誤差演算部により演算された誤差で補正する補正部とを備えることを特徴とするものである。

上記音波センサにおいて、上記関係は、伝搬距離が長くなるほど誤差が小さくなることを特徴とする。

また、上記音波センサにおいて、補正部により補正された伝搬時間に基づいて、送信素子と受信素子との間の空間の温度を演算する温度演算部をさらに備えるようにしてもよい。

また、上記音波センサにおいて、受信素子は、送信素子から離間した第１の受信素子と、送信素子から第１の受信素子よりもさらに第２の距離離間した第２の受信素子とから構成され、第１の演算部は、第１の受信素子による受信信号および第２の受信素子による受信信号に基づいて、相互相関法により音波の伝搬時間を演算し、第２の演算部は、第２の距離と、記憶部に記憶された関係とに基づいて、音波の伝搬時間の誤差を演算するようにしてもよい。

本発明によれば、送信信号と受信信号の相関をとることにより演算される送信素子から受信素子へ伝搬される音波の伝搬時間が、送信素子と受信素子の距離に基づいて補正されるので、より精度が高い音波の伝搬時間を算出することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る温度センサの構成を示すブロック図である。 図２は、伝搬時間の誤差と距離との関係を示すグラフである。 図３は、図１に示す温度センサの動作を示すフローチャートである。 図４は、図１に示す温度センサの動作を示すフローチャートである。 図５は、本発明の実施の形態に係る温度センサの変形例を示すブロック図である。 図６は、相互相関法により発生する誤差を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施の形態では、本発明に係る音波センサを温度センサに適用した場合を例に説明する。

＜温度センサの構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る温度センサは、超音波を送信する送信素子１と、この送信素子１と距離Ｌ離間して対向配置された超音波を受信する受信素子２と、送信素子１および受信素子２と電気的に接続され、これらの間の空間における平均温度を測定する測定装置３とから構成される。

送信素子１は、公知のスピーカから構成され、測定装置３から送信される所定の波形の送信信号を音響電気変換して超音波を出力する。

受信素子２は、公知のマイクロフォンから構成され、受信した超音波を音響電気変換してその超音波の波形を示す受信信号を生成し、測定装置３に送信する。

測定装置３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算装置と、メモリ、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）等の記憶装置と、キーボード、マウス、ポインティングデバイス、ボタン、タッチパネル等の外部から情報の入力を検出する入力装置と、外部との情報の送受を行うＩ／Ｆ（Interface）装置と、ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)や有機ＥＬ(Electro Luminescence)等の表示装置とを備えたコンピュータから構成されている。このような測定装置３は、そのコンピュータにインストールされたプログラムにより上述したようなハードウェア資源が制御されて、ハードウェア装置とソフトウェアが協働することにより、後述する信号出力部３１、信号入力部３２、相互相関部３３、記憶部３４、距離取得部３５、補正値演算部３６、補正部３７、音速演算部３８、温度演算部３９および出力部４０が実現される。

ここで、信号出力部３１は、所定の波形を有する送信信号を送信素子１および相互相関部３３に送信するインターフェース回路である。その送信信号は記憶部３４から取得される。

信号入力部３２は、受信素子２から受信信号を受信し、相互相関部３３に入力するインターフェース回路である。

相互相関部３３は、信号出力部３１から入力された送信信号と信号入力部３２から入力された受信信号に基づいて、送信素子１から受信素子２への超音波の伝搬時間ｔを演算する演算回路である。具体的には、図６に示すように、送信素子１から送信信号に基づく超音波が送信された時刻ｔ１と、送信信号と受信信号との相関をとることにより得られる受信素子２が超音波を受信した時刻ｔ２との差分をとることにより伝搬時間ｔを算出する。ここで、相互相間部３３は、計時機能を有しており、送信信号および受信信号を同期をとりながら受信することにより、時刻ｔ１および時刻ｔ２の算出を実現している。

記憶部３４は、所定の波形を有する送信信号、送信素子１と受信素子２の距離Ｌ、超音波の伝搬時間の誤差とその超音波の伝搬距離との相関関係、送信素子１と受信素子２との間を伝搬する超音波の伝搬時間の誤差などを記憶した記憶回路である。

ここで、超音波の伝搬時間の誤差と、その超音波の伝搬距離との間には、図２に示すように負の相関関係が存在することが実験により確認されている。すなわち、伝搬時間の誤差は、送信素子１と受信素子２の間の距離が長くなるほど小さくなる。そこで、図２の実験結果を直線（符号ｄ）で近似し、下式（１）を生成した。記憶部３４は、超音波の伝搬距離と超音波の伝搬時間の誤差との相関関係として、下式（１）に対応する参照テーブルを記憶している。なお、下式（１）において、Δｔは超音波の伝搬時間の誤差［μｓｅｃ］、Ｌは送信素子１と受信素子２の距離［ｍ］を示している。また、図２において、縦軸は伝搬時間の誤差、横軸は送信素子１と受信素子２との距離を示している。

Δｔ＝−３．８９０６Ｌ＋１３７．１９ ・・・（１）

距離取得部３５は、ユーザの操作入力を検出することにより、送信素子１と受信素子２との距離Ｌに関する情報を取得するインターフェース回路である。取得した距離は、記憶部３４に記憶される。

補正値演算部３６は、記憶部３４に記憶された相関関係および送信素子１と受信素子２の距離Ｌに基づいて、この距離Ｌにおける超音波の伝搬時間の誤差を演算する演算回路である。具体的には、上式（１）に距離Ｌを代入することにより、超音波の伝搬時間の誤差Δｔを演算する。演算した誤差Δｔは、記憶部３４に記憶される。

補正部３７は、相互相関部３３による演算結果を、補正値演算部３６による演算結果で補正する演算回路である。具体的には、下式（２）に基づいて、真の伝搬時間ｔ’を演算する。

ｔ’＝ｔ−Δｔ ・・・（２）

音速演算部３８は、補正部３７による演算結果に基づいて音速Ｃを演算する演算回路である。具体的には、下式（３）に基づいて音速Ｃを演算する。ここで、距離Ｌは記憶部３５から取得される。

Ｃ＝Ｌ／ｔ’ ・・・（３）

温度演算部３９は、音速演算部３８による演算結果に基づいて、送信素子１と受信素子２との間の空間の温度Ｔを演算する演算回路である。具体的には、下式（４）に基づいて温度Ｔを演算する。なお、下式（４）において、Ｍは気体の分子量、κは比熱比、Ｒは気体の状態定数を示している。

Ｔ＝Ｃ²Ｍ／κＲ ・・・（４）

出力部４０は、温度演算部３９による演算結果を出力するインターフェース回路である。この出力部４０から出力された演算結果は、測定装置３の表示画面に表示されたり、通信回線を介して外部に送信されたり、記憶媒体に記憶されたりすることとなる。

本実施の形態に係る温度センサが上述したような構成を採った理由は、以下の通りである。
音波の伝搬時間から音速や空間の温度を計測する技術は、従来から知られている。しかし、送信素子１に入力される送信信号（電気信号）、送信素子１から出力される超音波（波形信号）、および、受信素子１により生成される受信信号（電気信号）は、それぞれ波形や信号レベルが異なったものとなっている。このため、そのような波形や信号レベルの違いを解消して相関演算を実施しないと、超音波の伝搬時間、ひいては音速と温度を正確に求めるための根本的な問題を解決することは困難である。
そこで、本実施の形態では、空間中を伝搬する間の音波の波形と信号レベルが変化すること、および、その変化の程度が送信素子１と受信素子２との距離に関係することに注目し、従来より知られている相互相関法により算出した伝搬時間ｔをその関係に基づいて補正して、真の伝搬時間ｔ’を算出している。これにより、より正確な伝搬時間の算出を実現している。

＜温度センサの動作＞
次に、図３，図４を参照して、本実施の形態に係る温度センサの動作について説明する。

所定の空間の平均温度を測定したいユーザは、その所定の空間を挟むように送信素子１と受信素子２を対向配置させ、このときの送信素子１と受信素子２との距離Ｌを測り、この距離Ｌをキーボード等を介して測定装置３に入力する。これにより、距離取得部３５は、距離Ｌを取得して記憶部３４に記憶させる（ステップＳ１）。

距離Ｌが取得されると、補正値演算部３６は、その距離Ｌと、記憶部３４に記憶された相関関係とに基づいて、超音波の伝搬時間の誤差Δｔを演算する（ステップＳ２）。具体的には、上式（１）に距離Ｌを代入することにより、誤差Δｔを算出する。算出された誤差Δｔは記憶部３４に記憶される。

これにより、記憶部３４には、予め距離Ｌと誤差Δｔとが記憶されることとなる。このような状態とした後、送信素子１と受信素子２との間の空間における平均温度の計測が行われる。

まず、信号出力部３１は、所定の波形を有する送信信号を送信素子１および相互相関部３３に対して出力する。すると、送信素子１は、送信信号に基づいて超音波を送信する。また、受信素子２は、送信素子１から送信された超音波を受信して受信信号を生成し、信号入力部３２を介して相互相間部３３に出力する（ステップＳ１１）。

送信信号および受信信号が入力されると、相互相関部３３は、送信信号に基づく超音波の送信時刻と、送信信号と受信信号の相関をとることにより得られるその超音波の受信時刻とに基づいて、送信素子１と受信素子２との間の超音波の伝搬時間ｔを算出する（ステップＳ１２）。

伝搬時間ｔが演算されると、補正部３７は、記憶部３４に予め記憶された誤差Δｔと、上式（２）とに基づいて真の伝搬時間ｔ’を演算する（ステップＳ１３）。すなわち、補正部３７は、伝搬時間ｔから誤差Δｔ’を引くことにより伝搬時間ｔを補正して真の伝搬時間ｔ’を算出する。

真の伝搬時間ｔ’が演算されると、音速演算部３８は、上式 （３）に基づいて音速Ｃを演算する（ステップＳ１４）。

音速Ｃが演算されると、温度演算部３９は、上式（４）に基づいて送信素子１と受信素子２との間の空間における温度Ｔを演算する（ステップＳ１５）。

温度Ｔが演算されると、出力部４０は、その温度を出力する（ステップＳ１６）。これにより、例えば、測定装置３の表示画面に送信素子１と受信素子２との間の空間における平均温度が表示される。
ここで、上述したステップＳ１１〜Ｓ１６を逐次繰り返すことにより、リアルタイムでの平均温度の測定が可能となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、補正値演算部３６により、送信素子１と受信素子２との距離に基づいてそれらの間を伝搬する超音波の伝搬時間の誤差Δｔを演算し、相互相間部３３により、送信信号と受信信号との相関をとることにより送信素子１から受信素子２へ伝搬される音波の伝搬時間ｔを演算し、補正部３７により、伝搬時間ｔを補正することにより、より精度が高い音波の伝搬時間を算出することができる。

なお、本実施の形態においては、送信素子１への送信信号と、受信素子２からの受信信号とに基づいて、真の伝搬時間ｔ’や温度Ｔを算出する場合を例に説明したが、受信素子をさらにもう１つ設け、２つの受信素子からの受信信号に基づいて温度Ｔを算出するようにしてもよい。
この場合、例えば、図５に示すように、送信素子に近い側の第１の受信素子２ａと、送信素子から遠い側の第２の受信素子２ｂとを設け、これらの距離がＬである場合、相互相関部３３は、第１の受信素子２ａおよび第２の受信素子２ｂの受信信号に基づいて相互相関法により伝搬時間ｔを演算する。また、距離取得部３５は、第１の受信素子２ａと第２の受信素子２ｂとの距離Ｌを取得し、補正値算出部３６は、その距離Ｌに基づいて伝搬時間の誤差Δｔを演算する。このようにしても、より高精度に超音波の伝搬時間を演算することができる。

また、本実施の形態では、温度センサに適用した場合を例に説明したが、相互相関法により音波の伝搬時間を演算する装置であるならば、各種装置に適用することができる。
さらに、本実施の形態では、超音波を送受信する場合を例に説明したが、送受信する音波は超音波に限定されず、送受信する音波の周波数を適宜自由に設定することができることは言うまでもない。

本発明は、例えば温度センサなど、音波の伝搬時間を演算する各種装置に適用することができる。

１…送信素子、２…受信素子、２ａ…第１の受信素子、２ｂ…第２の受信素子、３…測定装置、３１…信号出力部、３２…信号入力部、３３…相互相関部、３４…記憶部、３５…距離取得部、３６…補正値演算部、３７…補正部、３８…音速演算部、３９…温度演算部、４０…出力部。

Claims (4)

1. 所定の波形を有する送信信号に基づいて音波を送信する送信素子と、
   この送信素子と第１の距離離間して配置され、前記送信素子により送信された音波を受信して当該音波の波形を示す受信信号を生成する受信素子と、
   前記送信信号と前記受信信号との相関をとり、前記音波の伝搬時間を演算する伝搬時間演算部と、
   前記第１の距離に基づいて前記音波の伝搬時間の誤差を演算する誤差演算部と、
   前記伝搬時間演算部により演算された前記伝搬時間を、前記誤差演算部により演算された誤差を補正する補正部と
   を備えることを特徴とする音波センサ。
2. 前記誤差演算部は、前記音波の伝搬距離が長くなるほど当該音波の伝搬時間の誤差が小さくなるという特性に基づいて前記誤差を演算する
   ことを特徴とする請求項１記載の音波センサ。
3. 前記補正部により補正された前記伝搬時間に基づいて、前記送信素子と前記受信素子との間の空間の温度を演算する温度演算部
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の音波センサ。
4. 前記受信素子は、前記送信素子から離間した第１の受信素子と、前記送信素子から前記第１の受信素子よりもさらに第２の距離離間した第２の受信素子とから構成され、
   前記伝搬時間演算部は、前記第１の受信素子により生成された受信信号と前記第２の受信素子により生成された受信信号との相関をとり、前記音波の伝搬時間を演算し、
   前記誤差演算部は、前記第２の距離に基づいて前記音波の伝搬時間の誤差を演算する
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の音波センサ。
   

Images