JP2020148705A - 超音波計測装置、及び超音波計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波デバイスにおいてリーク電流が発生すると、バイアス電圧が低下し、測定誤差が発生する。【解決手段】超音波計測装置は、送信信号の入力により超音波を送信し、超音波の受信により受信信号を出力する超音波素子と、前記超音波素子で発生するリーク電流を検出するリーク検出部と、前記超音波素子に印加するバイアス電圧を変更するバイアス電圧変更部と、を備え、前記バイアス電圧変更部は、前記リーク検出部により検出された前記リーク電流に応じて前記バイアス電圧を変更する。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波計測装置、及び超音波計測方法に関する。

従来、圧電素子に駆動信号を入力して振動部を振動させることで超音波を送信したり、振動部の振動を圧電素子により電圧信号に変換することで、超音波の受信を検出したりする超音波デバイスが知られている。
また、このような超音波デバイスを用いて、超音波の送受信処理を実施し、超音波の送信タイミングから超音波の受信タイミングまでの時間に基づいて、対象物までの距離を計測する超音波計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の超音波計測装置では、超音波を受信した際の受信信号の波形データのうち、閾値を超える受信信号のゼロクロス点に基づいて受信タイミングを特定する。

特開平５−３４１９２号公報

しかしながら、超音波デバイスは、水分や圧電素子の絶縁体性劣化などによってリーク電流が上昇する場合がある。リーク電流が上昇すると、超音波デバイスを駆動させる駆動回路から超音波デバイスに入力される電圧が低下し、受信信号も低下する。この場合、超音波計測装置において、閾値以上となる受信信号のゼロクロス点を高精度に検出することが困難となり、測定誤差が発生する。

第一適用例に係る超音波計測装置は、送信信号の入力により超音波を送信し、超音波の受信により受信信号を出力する超音波素子と、前記超音波素子で発生するリーク電流を検出するリーク検出部と、前記超音波素子に印加するバイアス電圧を変更するバイアス電圧変更部と、を備え、前記バイアス電圧変更部は、前記リーク検出部により検出された前記リーク電流に応じて前記バイアス電圧を変更する。

本適用例の超音波計測装置において、前記リーク検出部は、前記超音波素子から出力される前記受信信号に基づいて、前記リーク電流を検出することが好ましい。

本適用例の超音波計測装置において、前記リーク検出部は、前記超音波素子からの距離が基準距離となる基準対象に対して、前記超音波素子から超音波を送信し、前記基準対象に反射された超音波を前記超音波素子で受信するキャリブレーション処理が実施された際に、前記超音波素子から出力される前記受信信号に基づいて、前記リーク電流を検出する。

本適用例の超音波計測装置において、前記バイアス電圧を出力するバイアス電圧源と、前記バイアス電圧源及び前記超音波素子に接続され、抵抗値を変更可能な可変抵抗素子と、を備え、前記バイアス電圧変更部は、前記可変抵抗素子の前記抵抗値を変更することが好ましい。

本適用例の超音波計測装置において、前記可変抵抗素子は、ゲート電圧を変更することで、ソース及びドレイン間の前記抵抗値が変更されるトランジスターであることが好ましい。

第二適用例に係る超音波計測方法は、送信信号の入力により超音波を送信し、超音波の受信により受信信号を出力する超音波素子を備える超音波計測装置における超音波計測方法であって、前記超音波素子からのリーク電流を検出し、前記リーク電流に応じたバイアス電圧を前記超音波素子に印加する。

第一実施形態の搬送装置の概略構成を示す図。 本実施形態の超音波デバイスの概略構成を示す図。 本実施形態の超音波デバイスの構成を示す断面図。 本実施形態の超音波デバイスにおける超音波トランスデューサーの接続例を示す図。 本実施形態における搬送装置の動作を示すフローチャート。 リーク電流と、超音波の送信時に超音波デバイスに入力されるバイアス電圧との関係を示す図。 リーク電流が１．０×１０^−５（Ａ）である場合の、送信信号の波形の一例を示す図。 リーク電流が１．０×１０^−４（Ａ）である場合の、送信信号の波形の一例を示す図。 リーク電流と受信信号の信号強度との関係を示す図。 本実施形態の超音波デバイスから出力される受信信号の信号波形の一例を示す図。 距離計測時の環境温度と、超音波計測装置１０により計測された距離との関係を示す図。 本実施形態の可変抵抗素子に印加されるゲート電圧と、可変抵抗素子及び抵抗素子により構成されるバイアス抵抗の抵抗値を示す図。 変形例２に係る送信回路部のバイアス抵抗を示す図。

［第一実施形態］
以下、第一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の搬送装置１の概略構成を示す図である。
搬送装置１は、例えば、工場の生産ラインに組み込まれる電子機器であり、アーム部２と、アーム部２に設けられた把持部３と、基準対象４と、搬送装置１を制御する制御ユニット５とを備える。

アーム部２は、例えば複数のアームを互いに回動可能に連結した多関節アームにより構成されている。また、アーム部２は、モーター等の駆動源、駆動源の動力により各アームの角度を変更する駆動機構等を備える。駆動機構は、制御ユニット５から入力される制御信号に基づいて駆動され、アーム部２の先端に設けられる把持部３を所定位置に移動させる。

把持部３は、対象物Ｗを把持する把持機構を備える。この把持部３は、制御ユニット５から入力される制御信号に基づいて駆動され、対象物Ｗの把持及び開放を実施する。
また、把持部３には、超音波計測装置１０が設けられている。この超音波計測装置１０は、超音波の送受信を行う超音波デバイス２０を備え、超音波デバイス２０から対象物Ｗ、または基準対象４までの距離を計測する。

基準対象４は、超音波計測装置１０のキャリブレーション処理を実施する際に用いられる。この基準対象４は、図１の破線にて示すように、アーム部２をキャリブレーション位置に移動させた際に、把持部３に設けられた超音波デバイス２０が、基準距離ｄ_０で対向するように配置されている。
なお、基準対象４は、アーム部２をキャリブレーション位置に移動させた際、超音波デバイス２０の超音波の送受信方向に対して直交する基準平面を備えることが好ましい。

制御ユニット５は、例えば、ＣＰＵ等のプロセッサー、メモリーなどの記憶部を備えて構成されており、搬送装置１の各部の動作を制御する。具体的には、制御ユニット５は、アーム部２を駆動させて把持部３を所定位置に移動させる。また、制御ユニット５は、超音波計測装置１０により計測される、対象物Ｗから超音波デバイス２０までの距離に基づいて、把持部３が対象物Ｗに近接するようにアーム部２を駆動させる。そして、制御ユニット５は、把持部３を制御して、対象物Ｗを把持させ、アーム部２を駆動させて、対象物Ｗを所定の搬送先に移動させ、把持部３から対象物Ｗを開放する。

［超音波計測装置１０の構成］
次に、超音波計測装置１０の構成について詳細に説明する。
図２は、本実施形態の超音波計測装置１０の概略構成を示す模式図である。
図２に示すように、超音波計測装置１０は、超音波デバイス２０と、超音波デバイス２０を制御する制御回路３０とを備える。この超音波計測装置１０は、制御回路３０の制御により超音波デバイス２０から測定対象に向かって超音波を送信し、測定対象で反射された超音波を超音波デバイス２０で受信する超音波送受処理を実施する。そして、制御回路３０は、超音波デバイス２０による超音波送受処理の超音波の送信タイミングから、測定対象で反射された超音波の受信タイミングまでの時間に基づいて、超音波デバイス２０から測定対象までの距離を算出する。
以下、超音波計測装置１０の各構成の詳細について説明する。

［超音波デバイス２０の構成］
図３は、超音波デバイス２０の構成例を示す断面図である。
超音波デバイス２０は、測定対象に超音波を送信し、測定対象で反射された超音波を受信する超音波送受処理を実施して、超音波の受信により受信信号を出力する超音波送受信部である。図３に示すように、この超音波デバイス２０は、素子基板２１と、振動板２２と、圧電素子２３と、を備えて構成されている。なお、以降の説明にあたり、超音波デバイス２０から測定対象に向かう超音波の送受信方向をＺ方向とする。

素子基板２１は、振動板２２を支持する基板であり、Ｓｉ等の半導体基板で構成される。素子基板２１には、Ｚ方向に沿って素子基板２１を貫通する複数の開口部２１１が設けられている。

振動板２２は、例えばＳｉＯ_２及びＺｒＯ_２の積層体等より構成され、素子基板２１の−Ｚ側に設けられる。この振動板２２は、開口部２１１を構成する素子基板２１により支持され、開口部２１１の−Ｚ側を閉塞する。振動板２２のうち、Ｚ方向から見た際に各開口部２１１と重なる部分は、振動板２２において、振動により超音波の送受信を行う振動部２２１を構成する。

圧電素子２３は、振動板２２上で、かつ、Ｚ方向から見た際に、各振動部２２１と重なる位置に設けられている。この圧電素子２３は、図３に示すように、振動板２２上に下部電極２３１、圧電膜２３２、及び上部電極２３３が順に積層されることにより構成されている。

このような超音波デバイス２０では、１つの振動部２２１と当該振動部２２１上に配置された圧電素子２３とにより、１つの超音波トランスデューサー２４が構成される。この超音波トランスデューサー２４は、本開示の超音波素子に相当する。
そして、この超音波デバイス２０では、下部電極２３１及び上部電極２３３との間に電圧が印加されると、圧電膜２３２が伸縮して、振動部２２１が開口部２１１の開口幅等に応じた発振周波数で振動する。これにより、振動部２２１から＋Ｚ側に向かって超音波が送信される。
また、超音波デバイス２０では、測定対象で反射された超音波を振動部２２１に入力されると、振動部２２１が入力された超音波の音圧に応じた振幅で振動し、圧電膜２３２の下部電極２３１側と上部電極２３３側との間で電位差が発生する。よって、各圧電素子２３から当該電位差に応じた受信信号が出力される。

図４は、超音波デバイス２０における超音波トランスデューサー２４の接続例を示す図である。
本実施形態では、複数の超音波デバイス２０は、ｎ行ｍ列のマトリクス状に配置されている。そして、各超音波デバイス２０の下部電極２３１は、第一バイパス配線２３１Ａにより互いに結線され、素子基板２１の一部に設けられた第一端子２５１に接続されている。同様に、各超音波デバイス２０の上部電極２３３は、第二バイパス配線２３３Ａにより互いに結線され、素子基板２１の一部に設けられた第二端子２５２に接続されている。これらの第一端子２５１及び第二端子２５２は、それぞれ制御回路３０に接続されている。このような構成では、第一端子２５１と第二端子２５２との間に電圧を印加することで、全ての超音波トランスデューサー２４を同時に駆動させることができる。
なお、図４に示す例は、全ての超音波トランスデューサー２４の下部電極２３１を結線して第一端子２５１に接続する構成例であるが、所定数の超音波トランスデューサー２４を１つのチャンネルとし、各チャンネルに対して、第一端子２５１を設ける構成としてもよい。この場合、全ての第一端子２５１と第二端子２５２との間に同時に駆動信号を入力することで、図４と同様に、全ての超音波トランスデューサー２４を同時に駆動させることができる。また、各第一端子２５１を個別に駆動させることも可能となる。この場合、駆動させるチャンネル数を制御することで送信音圧の調整を行うこともでき、各チャンネルの駆動タイミングを遅延制御することで、超音波の送信方向を制御することもできる。また、複数のチャンネルを、超音波を送信する送信用チャンネルと、超音波を受信する受信用チャンネルとに分けて用いてもよい。

［制御回路３０の構成］
図２に戻り、制御回路３０について説明する。制御回路３０は、上述したように、超音波デバイス２０の第一端子２５１及び第二端子２５２に接続されている。
この制御回路３０は、図２に示すように、スイッチング回路３１、シグナルグラウンド３２、送信回路部３３、受信回路部３４、及びマイコン３５（マイクロコントローラー）を備えている。

スイッチング回路３１は、超音波デバイス２０の第一端子２５１、送信回路部３３、及び受信回路部３４に接続されている。このスイッチング回路３１は、マイコン３５の制御に基づいて、第一端子２５１及び送信回路部３３を接続する送信接続と、第一端子２５１及び受信回路部３４を接続する受信接続とに切り替える。
シグナルグラウンド３２は、第二端子２５２に接続されるグラウンドであり、第二端子２５２を所定の基準電位に維持する。

送信回路部３３は、駆動パルス発生回路３３１、送信駆動回路３３２、バイアス電圧出力部３３３、可変抵抗素子３３４、ゲート電圧出力部３３５、及び抵抗素子３３６等を含む。
駆動パルス発生回路３３１は、マイコン３５により制御され、超音波デバイス２０により超音波送受処理を実施する開始タイミングで、超音波の発振周波数と同じ周波数の所定波数の送信パルスを発生させて送信駆動回路３３２に出力する。
送信駆動回路３３２は、送信パルスの入力タイミングで、第一端子２５１に所定の電圧の駆動信号を出力する。これにより、各超音波トランスデューサー２４が駆動され、超音波デバイス２０から測定対象に向かって超音波が出力される。

バイアス電圧出力部３３３は、所定のバイアス電圧のバイアス信号を出力するバイアス電圧源である。
可変抵抗素子３３４及び抵抗素子３３６は、バイアス電圧を変更する素子である。本実施形態では、可変抵抗素子３３４として、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を用いる。つまり、可変抵抗素子３３４は、ゲート、ソース、及びドレインの各端子を有し、ゲートに入力されるゲート信号の電圧値に応じて、ソース−ドレイン間の抵抗値を変更可能なトランジスターである。

ゲート電圧出力部３３５は、可変抵抗素子３３４のゲートに入力するゲート電圧を出力する。このゲート電圧出力部３３５は、マイコン３５からの指令に基づいて、ゲート電圧を変更して可変抵抗素子３３４に出力する。例えば、ゲート電圧出力部３３５から出力可能なゲート電圧がＭ種用意されており、ゲート電圧出力部３３５は、マイコン３５からの指令にしたがって、Ｍ種のゲート電圧のいずれかに切り替える。
抵抗素子３３６は、所定の抵抗値を有する抵抗である。
本実施形態では、図２に示すように、バイアス電圧出力部３３３から出力されるバイアス信号は、可変抵抗素子３３４及び抵抗素子３３６を介して、超音波デバイス２０に入力される。この際、可変抵抗素子３３４及び抵抗素子３３６の合成抵抗によりバイアス抵抗が構成され、バイアス抵抗の抵抗値により、バイアス信号のバイアス電圧が変化する。つまり、可変抵抗素子３３４の抵抗値が変更されることで、バイアス抵抗の抵抗値が変化し、バイアス電圧が変化する。

受信回路部３４は、受信アンプ３４１、コンパレーター３４２等を含む。
受信アンプ３４１は、超音波デバイス２０において超音波を受信した際に出力される受信信号を、所定のゲインで増幅させる。
コンパレーター３４２は、受信アンプ３４１で増幅された受信信号のうち、信号電圧が所定の閾値以上となる受信信号を検出し、更に、検出した受信信号のゼロクロス点を検出する。そして、コンパレーター３４２は、閾値以上の信号電圧の受信信号のゼロクロス点を検出すると、ゼロクロス検出パルスをマイコン３５に出力する。

マイコン３５は、各種プログラムや各種データが記憶されるメモリー３５１、及びメモリー３５１に記憶されたプログラムに記述された命令セットを実行するプロセッサー３５２を含む。そして、マイコン３５は、メモリー３５１に記憶されたプログラムをプロセッサー３５２により実行することで、送信指令部３５３、リーク検出部３５４、バイアス電圧変更部３５５、受信制御部３５６、及び距離計測部３５７として機能する。

送信指令部３５３は、駆動パルス発生回路３３１に送信パルスの生成指令を出力する。送信パルスの生成指令は、例えば、超音波計測装置１０に接続された外部機器から入力された距離測定要求や、キャリブレーション要求に基づいて出力される。

リーク検出部３５４は、超音波デバイス２０で発生するリーク電流を検出する。
具体的には、リーク検出部３５４は、キャリブレーション要求に基づいて実施されるキャリブレーション処理において、超音波デバイス２０から入力された受信信号に基づいてリーク電流を検出する。なお、リーク電流の検出方法の詳細については後述する。

バイアス電圧変更部３５５は、リーク電流が検出された場合、リーク電流の影響が最小となるように、超音波デバイス２０に入力するバイアス信号のバイアス電圧を変更する。具体的には、ゲート電圧出力部３３５に電圧変更指令を出力し、可変抵抗素子３３４の抵抗値を変化させることで、バイアス電圧を変更する。
なお、バイアス電圧変更部３５５によるバイアス電圧の変更方法の詳細については後述する。

受信制御部３５６は、コンパレーター３４２から入力される複数のゼロクロス検出パルスから、超音波の受信タイミングとするゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する。この受信ゼロクロス点の設定方法としては、特に限定されず、例えば、最初の受信したゼロクロス検出パルス、又は当該最初の受信したゼロクロス検出パルスから数えて所定番目のゼロクロス検出パルスを受信ゼロクロス点としてもよい。また、超音波の送信タイミングから、ゼロクロス点の検出タイミングまでの時間（ＴＯＦデータ）を算出し、複数のＴＯＦデータの差分等に基づいて、受信ゼロクロス点を設定してもよい。

距離計測部３５７は、ＴＯＦデータに基づいて、超音波デバイス２０から測定対象までの距離を算出する。

［超音波計測方法］
次に、超音波計測装置１０による超音波計測方法を含む、搬送装置１の動作について説明する。
図５は、本実施形態における搬送装置１の動作を示すフローチャートである。
本実施形態の搬送装置１は、対象物Ｗの搬送処理において、まず、超音波計測装置１０の初回キャリブレーション処理を実施する。

初回キャリブレーション処理では、搬送装置１の制御ユニット５は、アーム部２を駆動し、超音波デバイス２０が設けられる把持部３をキャリブレーション位置に移動させる（ステップＳ１）。すなわち、超音波デバイス２０と基準対象４との距離が基準距離ｄ_０となるキャリブレーション位置に、超音波デバイス２０を移動させる。

次に、マイコン３５は、基準対象４を測定対象として、基準対象４に対する超音波の送受信処理を実施し、基準ＴＯＦデータＴ_０を取得する（ステップＳ２）。
つまり、マイコン３５の送信指令部３５３は、超音波デバイス２０に送信信号を入力して、超音波を送信させる。また、受信制御部３５６は、コンパレーター３４２から入力されるゼロクロス検出パルスに基づいて受信ゼロクロス点を設定する。なお、本実施形態では、受信制御部３５６は、超音波の送信後に、最初に出力されるゼロクロス検出パルスに対応するゼロクロス点を、受信ゼロクロス点として設定するものとする。
そして、受信制御部３５６は、超音波の送信タイミングから、受信ゼロクロス点の検出タイミングまでのＴＯＦデータを算出して、基準ＴＯＦデータＴ_０としてメモリー３５１に記憶する。

また、受信制御部３５６は、基準ＴＯＦデータＴ_０に基づいて、音速補正を行う（ステップＳ３）。キャリブレーション処理では、超音波デバイス２０から基準対象４までの距離は、所定の基準距離ｄ_０となる。よって、受信制御部３５６は、音速Ｖを、Ｖ＝２ｄ_０／Ｔ_０により算出し、算出された音速Ｖをメモリー３５１に記憶する。

この後、搬送装置１は、対象物Ｗに対する搬送操作を実施する（ステップＳ４）。
この搬送動作では、制御ユニット５は、超音波計測装置１０に、超音波デバイス２０から対象物Ｗまでの距離を計測する距離計測処理を実施させ、計測された距離に基づいて、アーム部２及び把持部３を駆動させて、対象物Ｗの把持及び開放を行って対象物Ｗを搬送する。
超音波計測装置１０による距離計測処理では、キャリブレーション処理と略同様である。つまり、マイコン３５の送信指令部３５３は、対象物Ｗを測定対象として、超音波デバイス２０から対象物Ｗに超音波を送信させる。また、受信制御部３５６は、コンパレーター３４２から入力される複数のゼロクロス検出パルスに基づいて受信ゼロクロス点を設定する。そして、受信制御部３５６は、超音波の送信タイミングから、受信ゼロクロス点の検出タイミングまでのＴＯＦデータＴ_ｄを算出する。この後、距離計測部３５７は、メモリー３５１からキャリブレーション処理で設定した音速Ｖを読み出し、超音波デバイス２０から対象物Ｗまでの距離ｄ_Ｗをｄ_Ｗ＝Ｖ×Ｔ_ｄ／２により算出する。

ステップＳ４の後、制御ユニット５は、キャリブレーション処理を再度実施する。
このキャリブレーション処理は、ステップＳ４の搬送動作が所定回数行われた後に実施されてもよく、搬送動作が所定時間継続された後に実施されてもよい。つまり、本実施形態では、周期的に、キャリブレーション処理を実施する。
具体的には、ステップＳ１と同様に、搬送装置１の制御ユニット５は、アーム部２を駆動し、超音波デバイス２０が設けられる把持部３をキャリブレーション位置に移動させる（ステップＳ５）。また、マイコン３５は、基準対象４を測定対象として、超音波の送受信処理を実施して、キャリブレーションＴＯＦデータＴ_ｎを取得する（ステップＳ６）。

この後、リーク検出部３５４は、超音波デバイス２０でリーク電流が発生しているか否かを判定する（ステップＳ７）。

ここで、リーク電流が発生した際の影響、及びリーク電流の検出方法について説明する。
図６は、リーク電流と、超音波の送信時に超音波デバイス２０に入力されるバイアス電圧との関係を示す図である。図７は、リーク電流が１．０×１０^−５（Ａ）である場合の、送信信号の波形の一例を示す図であり、図８は、リーク電流が１．０×１０^−４（Ａ）である場合の、送信信号の波形の一例を示す図である。図６から図８では、送信回路部３３から１５Ｖのバイアス電圧を超音波デバイス２０に出力した際の、超音波トランスデューサー２４に印加されるバイアス電圧を示している。
超音波デバイス２０では、水分等の影響や、圧電膜２３２の性能劣化によって、リーク電流が発生する場合がある。このようなリーク電流が発生すると、図６に示すように、超音波デバイス２０の超音波トランスデューサー２４に印加されるバイアス電圧は、リーク電流に応じて低下する。具体的には、図６に示すように、リーク電流が１．０×１０^−５（Ａ）以下の場合では、バイアス電圧の変化は見られない。しかしながら、リーク電流が１．０×１０^−５（Ａ）を超えると、超音波トランスデューサー２４に印加されるバイアス電圧は徐々に低下する。つまり、送信回路部３３から超音波デバイス２０に所定のバイアス電圧を入力しても、超音波トランスデューサー２４の圧電膜２３２には、より低いバイアス電圧が印加されることになる。

例えば、図７に示す例は、バイアス電圧が１５（Ｖ）であり、リーク電流が１．０×１０^−５（Ａ）である。超音波デバイス２０には、バイアス電圧と、送信駆動回路３３２から出力される駆動信号が加算された送信信号が入力される。駆動信号のピーク電圧が１８（Ｖ）である周期駆動電圧の場合、図７に示すように、１５（Ｖ）のバイアス電圧を基準にして、ピーク電圧が３３（Ｖ）となる周期駆動電圧の送信信号が超音波トランスデューサー２４の圧電膜２３２に印加される。
これに対して、リーク電流が１．０×１０^−４（Ａ）に増大すると、図８に示すように、バイアス電圧が１０（Ｖ）に低下する。このため、１０（Ｖ）のバイアス電圧を基準にして、ピーク電圧が２８（Ｖ）となる周期駆動電圧の送信信号が超音波トランスデューサー２４の圧電膜２３２に印加される。図７と図８とを比較すると分かるように、リーク電流の増大により、超音波デバイス２０に印加される送信信号のピーク電圧が減少し、超音波デバイス２０から送信される超音波の音圧も低下する。

図９は、リーク電流と受信信号の信号強度との関係を示す図である。
上記のように、超音波デバイス２０から送信される超音波の音圧が低下すると、測定対象に反射されて超音波デバイス２０に入力される超音波の音圧も低下する。よって、図９に示すように、リーク電流が発生した際の受信信号の信号強度、つまり受信信号の信号電圧も低下する。

図１０は、超音波デバイス２０から出力される受信信号の信号波形の一例を示す図である。図１０の上図は、リーク電流が１．０×１０^−５（Ａ）の場合の受信信号の一例であり、下図は、リーク電流が１．０×１０^−４（Ａ）の受信信号の一例である。
本実施形態では、上述したように、信号強度が所定の信号閾値Ｖｔｈを超える最初の受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する。リーク電流が小さい場合は、図１０の上図に示すように、２波目の受信信号のゼロクロス点が受信ゼロクロス点として設定され、ＴＯＦデータＴ_１が得られる。
これに対して、リーク電流が増大すると、図９に示すように、受信信号の電圧値が低下するので、信号閾値Ｖｔｈを超える受信信号の数や位置が変動する。例えば、図１０の下図では、３波目の受信信号のゼロクロス点が受信ゼロクロス点として設定され、ＴＯＦデータＴ_２が得られる。つまり、リーク電流の増加によって１波分の受信信号の周期分だけ、ＴＯＦデータＴ_２がＴＯＦデータＴ_１より長くなり、測定誤差が発生してしまう。

そこで、本実施形態では、ステップＳ７において、リーク検出部３５４は、基準ＴＯＦデータＴ_０と、キャリブレーションＴＯＦデータＴ_ｎとの差が、所定の閾値α以上であるか否かを判定する。この閾値αは、超音波計測装置１０の使用目的等に基づいて適宜設定することができる。
例えば、基準対象４との距離を基準距離ｄ_０に保ち、超音波計測装置１０で距離計測を実施する際の環境温度を変化させた場合の測定結果に基づいて閾値αを設定してもよい。
図１１は、距離計測時の環境温度と、超音波計測装置１０により計測された距離との関係を示す図である。
超音波計測装置１０が設置される環境の温度を変化させると、温度変化によって音速が変動する。このため、超音波計測装置１０の距離計測部３５７により算出される距離も図１１に示すように変動する。例えば、超音波計測装置１０の使用環境が、２６度から３６度である場合、その温度範囲内での測定誤差は、最大で約０．３ｍｍである。つまり、測定距離に対して約１．５％の測定誤差が発生する。ステップＳ７では、この誤算範囲を許容誤差として、閾値αとして設定してもよい。つまり、ステップＳ７において、リーク検出部３５４は、基準ＴＯＦデータＴ_０と、キャリブレーションＴＯＦデータＴ_ｎとの差が、基準ＴＯＦデータＴ_０の１．５％以上であるか否かを判定することで、リーク電流の有無を判定してもよい。

ステップＳ７でリーク電流がないと判断された場合（ＮＯと判定された場合）、ステップＳ４に戻る。つまり、超音波計測装置１０に異常がないため、搬送動作を継続する。
一方、ステップＳ７で、リーク電流があると判定された場合（ＹＥＳと判定された場合）、バイアス電圧変更部３５５は、ゲート電圧を示す変数ｍを初期化してｍ＝１とする（ステップＳ８）。
そして、バイアス電圧変更部３５５は、変数ｍに対応するゲート電圧Ｖ_Ｇｍを、ゲート電圧出力部３３５から、可変抵抗素子３３４のゲートに入力する。これにより、可変抵抗素子３３４のソース−ドレイン間の抵抗値Ｒ_ＤＳが変更され、バイアス抵抗の抵抗値Ｒ_ｂが変更される（ステップＳ９）。

ここで、ステップＳ９について詳細に説明する。
図１２は、可変抵抗素子３３４に印加されるゲート電圧と、可変抵抗素子３３４及び抵抗素子３３６により構成されるバイアス抵抗の抵抗値Ｒ_ｂを示す図である。
本実施形態では、可変抵抗素子３３４として、ｐ型ＭＯＳＦＥＴが用いられており、ゲート電圧を下げると、可変抵抗素子３３４の抵抗値Ｒ_ＤＳも下がる。
抵抗素子３３６の抵抗値をＲ_１とすると、可変抵抗素子３３４及び抵抗素子３３６により構成されるバイアス抵抗の抵抗値Ｒ_ｂは、Ｒ_ｂ＝Ｒ_１×Ｒ_ＤＳ／（Ｒ_１＋Ｒ_ＤＳ）であり、可変抵抗素子３３４の抵抗値Ｒ_ＤＳを低下させることで、バイアス抵抗の抵抗値Ｒ_ｂも低下し、超音波デバイス２０に出力されるバイアス電圧が増大する。

この後、マイコン３５は、基準対象４を測定対象として、基準対象４に対する超音波の送受信処理を実施して、キャリブレーションＴＯＦデータＴ_ｍを取得する。（ステップＳ１０）。
次に、バイアス電圧変更部３５５は、変数ｍに１を加算し（ステップＳ１１）、変数ｍが最大値Ｍ以上となったか否かを判定する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２でＮＯと判定される場合は、ステップＳ９に戻る。つまり、本実施形態では、ゲート電圧出力部３３５から出力可能なゲート電圧がＭパターン用意されており、これらの全てのゲート電圧に対応するキャリブレーション処理が実施されたか否かを判定する。

一方、ステップＳ１２においてＹＥＳと判定される場合、バイアス電圧変更部３５５は、各キャリブレーションＴＯＦデータＴ_ｍに関し、基準ＴＯＦデータＴ_０との差の絶対値（差分データΔｔｍ（ｍ＝１，２，３，…，Ｍ））を算出する（ステップＳ１３）。そして、差分データΔｔｍの最小値ｍｉｎ｛Δｔｍ｝が、閾値α未満であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４では、閾値αとして、ステップＳ７において、リーク電流の発生判定を行った際の閾値αを用いる。
ステップＳ１４でＹＥＳであると判定されると、最小値ｍｉｎ｛Δｔｍ｝が得られた際の変数ｍに対応するゲート電圧Ｖ_Ｇｍを、ゲート電圧出力部３３５から出力する電圧として設定する（ステップＳ１５）。この後、超音波計測装置１０による距離計測、及び搬送装置１の搬送動作を継続する場合は、ステップＳ４に戻る。
また、ステップＳ１４においてＮＯと判定される場合、リーク電流の発生以外の他の故障が超音波計測装置１０に生じている可能性がある。この場合、例えば、図示略の警告灯等に、故障を示すエラー出力を行い、搬送装置１の搬送動作、及び超音波計測装置１０の距離計測処理を終了させる。

［本実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波計測装置１０は、送信信号の入力により超音波を送信し、超音波の受信により受信信号を出力する超音波トランスデューサー２４を含む超音波デバイス２０を備える。また、超音波計測装置１０は、超音波トランスデューサー２４において発生するリーク電流を検出するリーク検出部３５４、及び、超音波トランスデューサー２４に印加するバイアス電圧を変更するバイアス電圧変更部３５５として機能するマイコン３５を備える。そして、バイアス電圧変更部３５５は、リーク検出部３５４により検出されたリーク電流に基づいてバイアス電圧を変更する。

このため、超音波トランスデューサー２４において、リーク電流が多く発生した場合に、バイアス電圧を高くすることで、リーク電流の発生によるバイアス電圧減を補償することができる。これにより、リーク電流が発生した場合でも、受信信号の低下を抑制できる。このため、超音波の受信タイミングである受信ゼロクロス点を適正に設定することができ、測定誤差の発生を抑制できる。

本実施形態では、リーク検出部３５４は、超音波トランスデューサー２４から出力される受信信号に基づいて、リーク電流を検出する。
つまり、リーク検出部３５４は、受信信号に基づいて、キャリブレーションＴＯＦデータＴ_ｎを取得し、基準ＴＯＦデータＴ_０と、キャリブレーションＴＯＦデータＴ_ｎとの差分に基づいて、リーク電流を検出する。これにより、リーク電流を検出するための、電流検出回路を別途用いる必要がなく、距離計測処理を実施するための回路のみにより、リーク電流を検出することができる。

本実施形態の超音波計測装置１０では、リーク検出部３５４は、超音波デバイス２０からの距離が基準距離ｄ_０となる基準対象４に対して、超音波デバイス２０から超音波を送信し、基準対象４に反射された超音波を前記超音波素子で受信するキャリブレーション処理を実施する。そして、このキャリブレーション処理により得られた受信信号に基づくキャリブレーションＴＯＦデータＴ_ｎに基づいてリーク電流を検出する。
このような本実施形態では、測定条件を固定したキャリブレーション処理の測定結果に基づいて、高精度にリーク電流の有無を判定することができる。

本実施形態では、送信回路部３３には、バイアス電圧を出力するバイアス電圧出力部３３３と、可変抵抗素子３３４と、が設けられ、バイアス電圧変更部３５５は可変抵抗素子３３４の抵抗値を変更することで、バイアス電圧を変更する。
このような構成では、バイアス電圧出力部３３３から出力するバイアス信号のバイアス電圧を変更する必要がなく、簡素な構成で、超音波デバイス２０に出力するバイアス電圧を変更することができる。

本実施形態では、可変抵抗素子３３４は、ゲート電圧を変更することで、ソース−ドレイン間の抵抗値を変更するＭＯＳＦＥＴが用いられている。このようなＭＯＳＦＥＴでは、ゲート電圧を変更するだけで、容易に抵抗値を変更することができる。よって、送信回路部３３の簡素化を図れる。

［変形例］
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。

（変形例１）
上記実施形態では、可変抵抗素子３３４として、ｐ型ＭＯＳＦＥＴを用いたが、これに限定されない。たとえば、ゲート電圧を大きくすることで、ソース−ドレイン間の抵抗値が低下するｎ型ＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。

（変形例２）
上記実施形態では、ＭＯＳＦＥＴにより構成された可変抵抗素子３３４に対して、ゲート電圧を変更することで、バイアス抵抗を変更する例を示した。
これに対して、図１３に示す構成としてもよい。図１３は、変形例２に係る送信回路部３３Ａのバイアス抵抗を示す図である。
図１３の送信回路部３３Ａでは、可変抵抗素子３３４Ａと、抵抗素子３３６Ａとを直列に接続したバイアス抵抗素子３３７が、複数並列に接続されている。各バイアス抵抗素子３３７において、抵抗素子３３６Ａの抵抗値は互いに異なる。
このような送信回路部３３Ａでは、ゲート電圧を、複数のバイアス抵抗素子３３７のいずれかの可変抵抗素子３３４Ａに入力する。これにより、ゲート電圧が入力されたバイアス抵抗素子３３７が有効となって、バイアス電圧が変更される。
このような素子では、単純なスイッチング素子によって、ゲート電圧の入力先を変更することができ、異なるゲート電圧を出力するための構成が不要であるので、送信回路部３３Ａの簡素化を図ることができる。

（変形例３）
上記実施形態では、リーク検出部３５４は、受信信号に基づいてキャリブレーションＴＯＦデータＴ_ｎを算出し、基準ＴＯＦデータＴ_０との差が閾値α以上であるか否かを判定した。
これに対して、リーク検出部３５４は、受信信号の信号電圧に基づいて、リーク電流を検出してもよい。つまり、超音波デバイス２０において、リーク電流が発生すると、受信信号のピーク電圧が低下する。よって、リーク検出部３５４は、初回キャリブレーション処理時における受信信号の最大ピーク電圧を基準ピーク電圧Ｖ_０として記憶しておく。そして、リーク検出部３５４は、周期的に実施するキャリブレーション処理において検出される受信信号の最大ピーク電圧Ｖ_ｎと、基準ピーク電圧Ｖ_０とを比較することで、リーク電流を判定してもよい。例えば、最大ピーク電圧Ｖ_ｎが、基準ピーク電圧Ｖ_０の９０％以下である場合に、リーク電流があると判定してもよい。
また、リーク検出部３５４は、信号閾値以上の信号電圧を有する受信信号の数に基づいて、リーク電流の有無を判定してもよい。例えば、リーク検出部３５４は、周期的に実施するキャリブレーション処理において検出されたゼロクロス検出パルスの数が、初回キャリブレーション処理時に検出されたゼロクロス検出パルスの数よりも少ない場合に、リーク電流があると判定してもよい。

（変形例４）
上記実施形態では、リーク電流が検出された場合に、可変抵抗素子３３４に入力するゲート電圧の順次切り替え、複数のバイアス抵抗に対応するキャリブレーションＴＯＦデータＴｍを取得した。
これに対して、リーク検出部３５４は、リーク電流の電流値を検出し、バイアス電圧変更部３５５は、可変抵抗素子３３４の抵抗値を、検出されたリーク電流の電流値に応じた値に設定してもよい。リーク電流の電流値は、例えば、受信信号の信号電圧に基づいて算出することができる。

（変形例５）
上記実施形態では、リーク検出部３５４は、受信信号に基づいてリーク電流の有無やリーク電流の電流値を検出する例を示したが、これに限定されない。例えば、超音波デバイス２０にリーク電流を検出する電流計を設け、電流計の値に基づいてリーク電流を検出してもよい。

１…搬送装置、２…アーム部、３…把持部、４…基準対象、５…制御ユニット、１０…超音波計測装置、２０…超音波デバイス、２１…素子基板、２２…振動板、２３…圧電素子、２４…超音波トランスデューサー、３０…制御回路、３１…スイッチング回路、３２…シグナルグラウンド、３３…送信回路部、３３Ａ…送信回路部、３４…受信回路部、３５…マイコン、２５１…第一端子、２５２…第二端子、３３１…駆動パルス発生回路、３３２…送信駆動回路、３３３…バイアス電圧出力部、３３４，３４４Ａ…可変抵抗素子、３３５…ゲート電圧出力部、３３６，３３６Ａ…抵抗素子、３３７…バイアス抵抗素子、３４１…受信アンプ、３４２…コンパレーター、３５１…メモリー、３５２…プロセッサー、３５３…送信指令部、３５４…リーク検出部、３５５…バイアス電圧変更部、３５６…受信制御部、３５７…距離計測部、Ｗ…対象物、ｄ_０…基準距離。

Claims (6)

1. 送信信号の入力により超音波を送信し、超音波の受信により受信信号を出力する超音波素子と、
   前記超音波素子で発生するリーク電流を検出するリーク検出部と、
   前記超音波素子に印加するバイアス電圧を変更するバイアス電圧変更部と、を備え、
   前記バイアス電圧変更部は、前記リーク検出部により検出された前記リーク電流に応じて前記バイアス電圧を変更する
   ことを特徴とする超音波計測装置。
2. 請求項１に記載の超音波計測装置において、
   前記リーク検出部は、前記超音波素子から出力される前記受信信号に基づいて、前記リーク電流を検出する
   ことを特徴とする超音波計測装置。
3. 請求項２に記載の超音波計測装置において、
   前記リーク検出部は、前記超音波素子からの距離が基準距離となる基準対象に対して、前記超音波素子から超音波を送信し、前記基準対象に反射された超音波を前記超音波素子で受信するキャリブレーション処理が実施された際に、前記超音波素子から出力される前記受信信号に基づいて、前記リーク電流を検出する
   ことを特徴とする超音波計測装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波計測装置において、
   前記バイアス電圧を出力するバイアス電圧源と、
   前記バイアス電圧源及び前記超音波素子に接続され、抵抗値を変更可能な可変抵抗素子と、を備え、
   前記バイアス電圧変更部は、前記可変抵抗素子の前記抵抗値を変更する
   ことを特徴とする超音波計測装置。
5. 請求項４に記載の超音波計測装置において、
   前記可変抵抗素子は、ゲート電圧を変更することで、ソース及びドレイン間の前記抵抗値が変更されるトランジスターである
   ことを特徴とする超音波計測装置。
6. 送信信号の入力により超音波を送信し、超音波の受信により受信信号を出力する超音波素子を備える超音波計測装置における超音波計測方法であって、
   前記超音波素子からのリーク電流を検出し、
   前記リーク電流に応じたバイアス電圧を前記超音波素子に印加する
   ことを特徴とする超音波計測方法。

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