JP3662009B2 - 超音波変位測定装置及び超音波変位測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度に実装された精密機器内において変位制御に使用される超音波変位計測装置及び超音波変位計測方法に関する。例えば、本発明は、高密度磁気記録評価装置の制御系に使用される。
【０００２】
【従来の技術】
超音波を利用して、基準点からある距離だけ離れた位置にある空気中の測定対象物の変位を測定する技術がある。この技術では、対象物に超音波を照射し、その送波時刻と対象物における受波時刻との差に基づいて対象物の変位を測定しており、多くの超音波変位測定装置が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
このような変位測定装置では、超音波の受波を検出するための電圧閾値の決定方法が変位測定精度において重要であり、種々の電圧閾値方法が考案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−１８４８８３号公報
【特許文献２】
特開２００１−１６５７５３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような原理に基づく変位測定装置では、完全な矩形波と見なせる超音波を送波できたとしても、対象物の変位を高精度に測定することは難しい。超音波の空気中における減衰や分散の影響によって、対象物に到達するまでの経路においてその波形が変化し、その波形変化が受波時刻の決定において障害となるからである。この障害を解決する方法として、超音波の受波時刻を検出するために超音波の受波電圧閾値を利用せず、周波数掃引波の超音波を用いる変位測定装置が考案されている。しかし、上記の各変位測定装置では波長よりも小さな変位の検出が困難であるという問題点がある。
【０００５】
これらの問題点を解決する方法として、送波信号と受波信号との位相差に基づく変位測定法が提案されている。しかし、この方法では受波時刻を決定する必要がなく、超音波の波長よりも小さな変位を検出可能となる利点があるものの、測定可能な変位の範囲が超音波の一波長以内に限られるという問題点がある。
【０００６】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、超音波を利用した変位計測において、波長より広い範囲にわたって変化する変位を、波長より十分微小な分解能をもって高精度で計測することができる超音波変位測定装置及び超音波変位測定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波変位測定装置は、送波用素子から超音波を送波して、対象物に接続している受波用素子で該超音波を受波することにより、該対象物の変位を測定する超音波変位測定装置において、異なる周波数の第１信号及び第２信号のいずれかを発振して出力する発振手段と、前記発振手段から出力された前記信号を入力して超音波を送波する送波用素子と、送波された前記超音波を受波して信号を出力する受波用素子と、前記発振手段から出力された前記信号の位相を互いに異なる大きさだけシフトした複数の信号を生成する位相シフト手段と、位相がシフトされた各前記信号と前記受波用素子からの出力信号との位相検波による各出力信号の測定値の誤差が最小になるような各出力信号に基づいて、前記発振手段から出力された前記信号と前記受波用素子から出力された信号との位相差を演算する位相差演算手段と、前記第１信号と前記第２信号のそれぞれに関する、前記発振手段から出力された前記信号と前記受波用素子から出力された信号との前記位相差、前記第１信号と前記第２信号のそれぞれの周波数、及び前記送波用素子と前記受波用素子間での音速に基づいて、前記対象物の変位を演算する変位演算手段とを備えている。
【０００８】
また、本発明の超音波変位測定方法は、送波用素子から超音波を送波して、対象物に接続している受波用素子で該超音波を受波することにより、該対象物の変位を測定する超音波変位測定方法において、異なる周波数の第１信号及び第２信号のいずれかを発振して出力し、発振して出力された前記信号を入力して超音波を送波し、送波された前記超音波を受波して信号を出力し、発振して出力された前記信号の位相を互いに異なる大きさだけシフトした複数の信号を生成し、位相がシフトされた各前記信号と受波して出力された前記信号との位相検波による各出力信号の測定値の誤差が最小になるような各出力信号に基づいて、発振して出力された前記信号と受波して出力された前記信号との位相差を演算し、前記第１信号と前記第２信号のそれぞれに関する、発振して出力された前記信号と受波して出力された前記信号との前記位相差、前記第１信号と前記第２信号のそれぞれの周波数、及び前記超音波の音速に基づいて、前記対象物の変位を演算する。
【０００９】
以上の構成によれば、異なる周波数で得られた位相量の差により変位を計算すると送波信号と受波信号との位相差が２πを越えた場合でも区別することができる。また、対象物の変位量が超音波の１波長を越えた広範な測定可能範囲で対象物の変位量を測定することができる。
【００１０】
さらに、送波信号と受波信号から変位を算出する際に時間差ではなく位相差を用いていることにより、電圧閾値に依存せず、波長以下の分解能で対象物の変位を算出することが可能になる。超音波変位測定装置は、定常状態の信号において、送波信号と受波信号の変位を測定するため、検出精度のよい測定が可能になる。
【００１１】
また、高精度に実装された精密機器内における制御対象の変位を超音波によって測定可能となり、変位測定装置の小型化、低価格化を実現することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る超音波変位測定装置及び超音波変位測定方法を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る超音波変位測定装置のブロック図である。 発振器１１及び発振器１２は、それぞれ周波数ｆ１及び周波数ｆ２の連続正弦波を出力する。例えば、発振器１１及び発振器１２は、図２に示したようにそれぞれ周波数ｆ１＝４０ｋＨｚ、及び周波数ｆ２＝３９ｋＨｚの連続正弦波を出力する。スイッチ１２１は発振器１１及び１２からのいずれかの連続正弦波を送波信号として選択する。スイッチ１２１は図示しない制御部からの命令に基づいて切り替えられる。
増幅器２１は、選択された送波信号を入力し、増幅後の送波信号が超音波送波用素子３１を駆動することができる電圧まで、選択された発振器からの連続正弦波を増幅する。超音波送波用素子３１は、増幅された送波信号を入力し、増幅された電気信号である送波信号を超音波に変換し、変換された超音波を送波する。超音波受波用素子４１は、この送波された超音波を受波して、電気信号である受波信号に変換する。対象物１は、変位を測定する対象であり、超音波受波用素子４１が取り付けられている。増幅器５１は、後段の機器で信号処理可能な程度まで、受波信号を増幅する。
【００１３】
超音波送波用素子３１と超音波受波用素子４１は共振現象を利用して電気信号を超音波に変換する。効率よく超音波を送受波するためには、素子の共振周波数の正弦波を使用するのが最適であると考えられるので、本実施形態では、正弦波が使用される。
【００１４】
位相シフタ６１は、選択された送波信号を入力し、その送波信号の位相を４通りにシフトさせ、送波信号に対して異なる既知の位相差を持つ４種類の信号を出力する。本実施形態では、位相の異なる４種類の信号は、送波信号の位相を０、π／２、π、３π／２だけ進めた信号である。位相の進める度合いは、ここに示した大きさに限定されず、他の位相量も想定される。位相の進める度合いをより一般化した場合の例は後述の位相差演算器８１１の説明で示される。
【００１５】
位相検波器７１、７２、７３、及び７４は、送波信号に対して異なる既知の位相差を持つ４種類の信号それぞれと、増幅された受波信号を分配して入力する。位相検波器７１、７２、７３、及び７４は、それぞれ０、π／２、π、及び３π／２だけ位相を進めた信号と分配入力された受波信号との位相検波を独立に行う。より詳しくは、位相検波器７１、７２、７３、及び７４は、送波信号に対してそれぞれ０、π／２、π、及び３π／２だけ位相を進めた４種類の信号と、受波信号を乗算して、その後にその乗算された信号をローパスフィルタに通過させる。
【００１６】
位相差演算器８１は、位相検波器７１、７２、７３、及び７４から出力された信号に基づいて、送波信号と受波信号の位相差を０から２πの範囲で演算する。より詳しくは、位相差演算器８１は、最小二乗法を使用して、位相検波器７１、７２、７３、及び７４から出力された信号の測定値の誤差が最小となるような、位相検波器７１、７２、７３、及び７４からの出力信号を求める。この出力信号に基づいて、位相差演算器８１は、送波信号と受波信号の位相差を０から２πの範囲で演算する。位相差演算器８１は、最小二乗法により、送波信号及び受波信号の波長より十分微小な分解能で高精度に送波信号と受波信号の位相差を演算することを可能にする。
【００１７】
スイッチ１２２は、スイッチ１２１と連動しており、発振器１１が選択されている場合はメモリ９１を選択し、発振器１２が選択されている場合はメモリ９２を選択する。
メモリ９１及びメモリ９２のうちのスイッチ１２２に選択されたメモリは、位相差演算器８１が演算した送波信号と受波信号の位相差を入力し格納する。この結果、メモリ９１は送波信号の周波数がｆ１である場合の送波信号と受波信号の位相差を格納し、メモリ９２は送波信号の周波数がｆ２である場合の送波信号と受波信号の位相差を格納する。
【００１８】
メモリ９１及びメモリ９２はそれぞれ値を一つだけ格納する。メモリ９１及びメモリ９２に格納されている値は位相差（０°から３６０°（０ラジアンから２πラジアン）の間の値）になる。例えば、メモリ９１には３０°、メモリ９２には１１０°、というような値が格納される。これらの値は、超音波送波用素子３１と超音波受波用素子４１との間の距離と超音波伝搬速度、発振器１１の周波数ｆ１、発振器１２の周波数ｆ２の各設定に依存する。
【００１９】
変位量演算器１０１は、メモリ９１に格納されている送波信号の周波数がｆ１である場合の送波信号と受波信号の位相差と、メモリ９２に格納されている送波信号の周波数がｆ２である場合の送波信号と受波信号の位相差と、温度計１１１によって取得された気温に基づいて、対象物１の変位量を演算によって求める。温度計１１１は、超音波が伝搬する付近の気温を計測し、変位量演算器１０１にその気温を伝達する。変位量演算器１０１は、超音波が伝搬する付近の気温に基づいて超音波の伝搬速度を計算する。
【００２０】
図３は、図１の超音波送波用素子３１から出力される送波信号と、図１の超音波受波用素子４１で受信される受波信号と、対象物が変位した後の受波信号の説明図である。
超音波は、波形の歪が大きく、しかもその歪みは時間的に変化する。受波信号検出のための電圧閾値の決め方で誤差を生じやすく、波長以下の分解能で変位を検出することは難しい。
本実施形態の超音波変位測定装置は、送波信号と受波信号から変位を算出する際に時間差ではなく位相差を用いていることにより、電圧閾値に依存せず、波長以下の分解能で送波信号と受波信号の変位を算出することが可能になる。さらに、本実施形態の超音波変位測定装置は、定常状態の信号において、送波信号と受波信号の変位を測定するため、検出精度のよい測定が可能になる。
【００２１】
図４は、図１の位相シフタ６１及び図１の位相検波器７１、７２、７３、及び７４の動作を示す図である。
本実施形態の超音波変位測定装置は、単に送波信号と受波信号とから位相差を測定するのではなく、位相検波器７１、７２、７３、及び７４において、位相がシフトされた送波信号を参照信号として使用して、最小二乗法により送波信号と受波信号との位相差を測定する。最小二乗法を使用することにより、位相差の測定精度を向上させることができる。
【００２２】
位相検波器７１、７２、７３、及び７４からのそれぞれの出力信号Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、及びＯ４は、図５に示されているように直流の電圧値として出力される。位相差演算器８１は、これら出力信号Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、及びＯ４を基に演算して送波信号と受波信号との位相差を計算する。
【００２３】
図６は、図１の位相差演算器８１で最小二乗法によって位相差を算出する方法の概念図である。ここで図６をはじめとするすべての図面では、例えばφ（Ｌ）をφと省略して記載してある。他の変数もすべて（Ｌ）は省略されている。
本実施形態の例のように位相検波器７１、７２、７３、及び７４によって４種類の出力信号の場合は、後述するように最小二乗法を使用すると、送波信号と受波信号との位相差Φ（Ｌ）は、Φ（Ｌ）＝tan-1(（Ｏ２−Ｏ４）/（Ｏ１−Ｏ３）)＋ｎπ（ｎ＝０、１、２、・・・）となる。位相差演算器８１は、この式に基づいて、送波信号と受波信号との位相差を算出する。
【００２４】
位相差演算器８１の特徴として、送波信号に対して位相を進ませた四種類の信号と受波信号との位相検波の結果から、最小二乗法により送波信号と受波信号との位相差を演算しているため、高分解能かつ高精度に送波信号と受波信号との位相差を決定することができる。
【００２５】
図７は、図１の位相差演算器８１の動作を示すフロー図である。
位相検波器７１、７２、７３、及び７４からの出力信号がそれぞれＯ１、Ｏ２、Ｏ３、及びＯ４として格納される（ステップＳ１）。格納されたＯ１、Ｏ２、Ｏ３、及びＯ４が計算式φ（Ｌ）＝tan-1(（Ｏ２−Ｏ４）/（Ｏ１−Ｏ３）)に代入され、送波信号と受波信号との位相差を算出する位相差が求められる（ステップＳ２）。
tan-1の値域は−π／２からπ／２までであるので、測定可能な変位量は超音波の波長の半波長になる。本実施形態では、測定可能な変位量を増加させるため以下のステップＳ３以降を実行する。
【００２６】
Ｏ１とＯ２のそれぞれの値の正負を検出する（ステップＳ３）。ステップＳ３で検出されたＯ１とＯ２の正負によってφ（Ｌ）に代わる以下に述べる新たな変数φ’（Ｌ）を導入する。Ｏ１、Ｏ２＞０の場合φ’（Ｌ）＝φ（Ｌ）とする（ステップＳ４）。Ｏ１≦０の場合φ’（Ｌ）＝φ（Ｌ）＋πとする（ステップＳ５）。Ｏ１＞０、Ｏ２≦０の場合φ’（Ｌ）＝φ（Ｌ）＋２πとする（ステップＳ６）。計算されたφ’（Ｌ）をスイッチ１２２に出力して、スイッチ１２２が選択しているメモリ９１又はメモリ９２に出力される（ステップＳ７）。
【００２７】
このような演算を行えば、Φ（Ｌ）＝φ’（Ｌ）＋２ｎπ （ｎ＝０、１、２、・・・）となる。この場合、φ’（Ｌ）は０から２πまで変位量の関数として直線的に変化するので、測定可能な変位量は超音波の１波長になる。すなわち、ステップＳ２の計算式で変位量を演算するよりもステップＳ４、Ｓ５、Ｓ６の計算式で変位量を演算する方が、測定可能な変位量が２倍になるので、広範な測定可能範囲で対象物の変位量を測定することができる。
【００２８】
図８は、図１の変位量演算器１０１の動作を示す図である。
変位量演算器１０１は、メモリ９１に格納されている位相量φ１’（Ｌ）とメモリ９２に格納されている位相量φ２’（Ｌ）を入力し、それらの差Δφ’（Ｌ）＝φ１’（Ｌ）−φ２’（Ｌ）を計算する。変位量演算器１０１は、この位相量の差と、メモリ９１及びメモリ９２に格納されている位相量にそれぞれ対応する周波数ｆ１及びｆ２、超音波の伝搬速度により対象物の変位量を求める。
【００２９】
各位相量φ１’（Ｌ）、φ２’（Ｌ）それぞれからでは、送波信号と受波信号との位相差が２πまでしか区別することができないが、異なる周波数で得られた位相量φ１’（Ｌ）、φ２’（Ｌ）の差により変位を計算すると送波信号と受波信号との位相差が２πを越えた場合でも区別することができ、対象物の変位量が超音波の１波長を越えた範囲まで測定することが可能になる。
【００３０】
図９は、図１の変位量演算器１０１の動作を示すフロー図である。
温度計１１１が検出した値が取り込まれる。温度計１１１は超音波が伝搬する付近の気温を検出する。文献値を参照して気温から音速ｖを求める（ステップＳ１１）。メモリ９１及びメモリ９２にそれぞれ格納されている位相量φ１’（Ｌ）、φ２’（Ｌ）を読み取り（ステップＳ１２）、それらの差Δφ’（Ｌ）＝φ１’（Ｌ）−φ２’（Ｌ）を計算する（ステップＳ１３）。Δφ’（Ｌ）の正負を調べ（ステップＳ１４）、正負によってΔφ’（Ｌ）の値を変化させ、測定可能な変位量ΔＬの範囲を拡大させる。ｆ１＞ｆ２の場合、Δφ’（Ｌ）≧０のとき、ψ（Ｌ）＝Δφ’（Ｌ）（ステップＳ１５）、Δφ’（Ｌ）＜０のときψ（Ｌ）＝Δφ’（Ｌ）＋２π（ステップＳ１６）と設定しておけばよい。後述の図１４に関連してψ（Ｌ）の設定理由は説明される。
【００３１】
ステップＳ１１及びステップＳ１２において計測された音速ｖ及び位相差演算器８１の出力φ１’（Ｌ）及びφ２’（Ｌ）が、対象物１が変位していない（すなわち、原点位置での計測）とした場合での数値か否かが判定される（ステップＳ１７）。すなわち、対象物１が変位していないとする対象物１の位置を設定する。換言すれば、ステップＳ１７では、零位調整がされているか否かが判定される。この対象物１が変位していないとした場合でのψ０（Ｌ）を位相差演算器８１内のメモリ（不図示）に格納して、このψ０（Ｌ）に基づいて変位量を測定する。原点位置での計測であると判定された場合はステップＳ１８に進み、一方、原点位置での計測ではないと判定された場合はステップＳ２１に進む。しかし、ステップＳ２１に進む場合は、同一の測定過程で既に原点位置での測定（零位調整）が済んでいる場合である。
【００３２】
原点位置での計測である場合は、ステップＳ１５又はステップＳ１６で計測されたψ（Ｌ）をψ０（Ｌ）として設定し、位相差演算器８１内のメモリに格納する（ステップＳ１８）。このときの変位量ΔＬを零に設定する（ΔＬ＝０）（ステップＳ１９）。
【００３３】
一方、原点位置以外での計測である場合は、ステップＳ１８の零位調整で設定されたψ０（Ｌ）を読み込む（ステップＳ２１）。ステップＳ１５又はステップＳ１６で計測されたψ（Ｌ）とステップＳ２１で読み込まれたψ０（Ｌ）を変位量ΔＬを算出する式
ΔＬ＝（ψ（Ｌ）−ψ０（Ｌ））ｖ／（２π（ｆ１−ｆ２））
に代入しΔＬを算出する（この変位量を算出する式は後の図１４の説明の際に導き出される）（ステップＳ２２）。
【００３４】
ステップＳ１９又はステップＳ２２で算出された変位量ΔＬは、出力される（ステップＳ２０）。出力されたΔＬは図示しない記憶媒体等に格納されたり、プリントアウトされたりする。
【００３５】
以上のようにして、超音波を利用した変位計測において、波長より広い範囲にわたって変化する変位を、波長より十分微小な分解能をもって高精度で計測することが可能となる。例えば、図２に示したｆ１＝４０ｋＨｚ、ｆ２＝３９ｋＨｚ、という周波数を使用した場合、空中での超音波の波長は、空気中の音速を３４０ｍ／ｓとすると約８．７ｍｍとなる。送波信号と受波信号との位相差を１ｄｅｇの分解能で検出できたとすれば、８．７／３６０＝約２５μｍの分解能で変位を検出でき、（２π−０）×３４０／（２π×１０００）＝３４０ｍｍの範囲にわたって変化する変位を計測できることになる。
【００３６】
図１０は、図１の変位量演算器の図９とは異なる動作を示すフロー図である。図９のステップと同一なステップは同一符号を付し、説明は省略する。
図９に示したフローでは、ステップＳ１３でΔφ’（Ｌ）（＝ψ（Ｌ））を計算する際に生じる誤差を少なくするために図１０のステップＳ３１以下が設定される。
【００３７】
ステップＳ１５又はステップＳ１６で設定されたψ（Ｌ）を決定した後、周波数ｆ１及びｆ２で伝搬する超音波の波長をそれぞれ演算する（ステップＳ３１）。すなわち、λ１＝ｖ／ｆ１及びλ２＝ｖ／ｆ２の演算をする。
【００３８】
変位量ΔＬを算出する式を変形する。超音波送波用素子３１と超音波受波用素子４１との距離をＬとすると、
となり、本実施形態では、波長の差λ２−λ１の方がφ１’（Ｌ）−φ２’（Ｌ）よりも誤差が少なくなる。波長の差λ２−λ１の誤差は、周波数の差ｆ１−ｆ２の設定精度と等しく、発振器１１及び１２の周波数設定精度は、位相差演算器８１による位相差演算精度より十分に高くすることが容易に可能となるからである。したがって、上式Ｌ＝（Ｎ＋φ１’（Ｌ）／２π）λ１を使用する方が図９に示した計算式を使用するよりも誤差が少なくなる。ここで［Ｘ］は、Ｘの整数部を示す。ステップＳ３２では、Ｎを計算する。
【００３９】
つぎは、図９のステップＳ１７と同様であり、零位調整がされているか否かが判定される（ステップＳ１７）。原点位置での計測であると判定された場合はステップＳ３３に進み、一方、原点位置での計測ではないと判定された場合はステップＳ３４に進む。しかし、ステップＳ３４に進む場合は、同一の測定過程で既に原点位置での測定（零位調整）が済んでいる場合である。
【００４０】
原点位置での計測である場合は、ステップＳ１２で読み出されたφ１’（Ｌ）をφ０（Ｌ）、ステップＳ３２で計算されたＮをＮ０として設定し、位相差演算器８１内のメモリに格納する（ステップＳ３３）。このときの変位量ΔＬを零に設定する（ΔＬ＝０）（ステップＳ１９）。
【００４１】
一方、原点位置以外での計測である場合は、ステップＳ３３の零位調整で設定されたφ０（Ｌ）及びＮ０を読み込む（ステップＳ３４）。ステップＳ１２で読みだされたφ１’（Ｌ）と、ステップＳ３２で計算されたＮを基にして
ΔＮ＝Ｎ−Ｎ０、Δφ＝φ１’（Ｌ）−φ０（Ｌ）
を算出し（ステップＳ３５）、変位量を算出する式
ΔＬ＝（ΔＮ＋Δφ／２π）λ１
に代入して変位量ΔＬを求める（ステップＳ３６）。
以下のステップは、図９のフローと同様である。
【００４２】
図１１は、図１の超音波変位測定装置を一般化した場合のブロック図である。図１の超音波変位測定装置の装置部分と同一なものは同一符号を付し、説明は省略する。
位相差演算器８１１の構成のみが図１の超音波変位測定装置と異なる。位相差演算器８１１は、２πをＮ（Ｎは２以上の自然数）で等分割した値に１、２、３・・・等を積算した値だけ送波信号の位相をシフトして、それら位相がシフトされた送波信号と増幅器５１で増幅された受波信号とを乗算して、その後にその乗算された信号をローパスフィルタに通過させる。さらに、位相差演算器８１１は、最小二乗法を使用して、位相差演算器８１１に含まれる位相検波器から出力された信号の測定値の誤差が最小となるような、位相検波器からの出力信号を求める。
【００４３】
図１２は、図１１の超音波送波用素子３１から出力される送波信号と、図１１の超音波受波用素子４１で受信される受波信号に関する説明図である。
周波数ｆの連続正弦波である送波信号が超音波送波用素子３１に印加される。送波信号ｓ（ｔ）は、ｓ（ｔ）＝Ａｓsin(２πｆｔ−θｓ)と表示される。図ではサッフィクスにｋが付いているが、ｋは１及び２の数値を取り、それぞれ発振器１１及び発振器１２の各周波数ｆ１及びｆ２に対応する。ｋは、明細書中には特に記載しないが、周波数に依存する変数にはすべてｋがサフィックスとして変数に付いている。
【００４４】
ここで、Ａｓは送波信号の振幅、θｓは固定位相、ｔは時間である。この送波信号により超音波送波用素子３１から伝搬媒質中に放射された超音波は、超音波受波用素子４１で受波されるまで距離Ｌだけ伝搬する。このとき、伝搬時間τは超音波の媒質中の伝搬速度をｖとして、τ＝Ｌ／ｖとなる。したがって、超音波受波用素子４１での受波信号は、ｒ（ｔ）＝Ａｒsin(２πｆ（ｔ−τ）−θｓ)＝Ａｒsin(２πｆｔ−Φ−θｓ)となる。ここで、Ａｒは受波信号の振幅であり、Φは送波信号と受波信号との位相差であり、Φ＝２πｆＬ／ｖと表わされる。
【００４５】
Φを求めるために、本実施形態では、送波信号ｓ（ｔ）との位相差θｉ（０≦θｉ＜２π、ｉ＝０，１，２，…，Ｎ−１）を０から２πの間で等間隔にＮ分割して設定したＮ個の参照信号ｕｉ（ｔ）を用いる。これら参照信号ｕｉ（ｔ）と受波信号ｒ（ｔ）との位相差をそれぞれ求め、最小二乗法を用いて送波信号ｓ（ｔ）と受波信号ｒ（ｔ）の位相差Φを求める。
【００４６】
参照信号ｕｉ（ｔ）は、ｕｉ（ｔ）＝Ａｕsin(２πｆｔ−θｕｉ)とする。ここで、Ａｕは参照信号の振幅、θｕｉは固定位相でありθｕｉ＝θｓ＋θｉである。位相差演算器８１１に含まれている位相検波器は、受波信号ｒ（ｔ）とＮ個の参照記号ｕｉ（ｔ）との乗算をする。すなわち、乗算された信号は、ｒ（ｔ）×ｕｉ（ｔ）＝Ａｒ×Ａｕ｛cos(θｕｉ−θｓ−Φ)−cos(２π（２ｆ）ｔ−θｕｉ−θｓ−Φ)｝／２となる。
【００４７】
さらに位相差演算器８１１内の位相検波器はこの乗算された信号をローパスフィルタを通過させ、周波数２ｆ付近の成分を除去する。すると、ローパスフィルタ通過後の信号Ｏｒ（θｉ）は、Ｏｒ（θｉ）＝Ａｏｒcos(θｉ−Φ)となる。このように、Ｏｒ（θｉ）は、時間に依存しない直流信号となる。ここでＡｏｒ＝Ａｒ×Ａｕ／２である。Ｏｒ（θｉ）を変形すると、０ｒ（θｉ）＝ａ１cosθｉ＋ａ２sinθｉ、ａ１＝ＡｏｒcosΦ、ａ２＝ＡｏｒsinΦである。
【００４８】
位相差演算器８１１が上式中のＯｒ（θｉ）を測定値Ｏ’ｒ（θｉ）として測定するとする。測定値Ｏ’ｒ（θｉ）は、誤差を含んでいるため、Ｏｒ（θｉ）とＯ’ｒ（θｉ）の差が最小になるように、最小二乗法を使用してａ１及びａ２を決定する。
【００４９】
まず、Ｏｒ（θｉ）とＯ’ｒ（θｉ）の分散Ｅは、
【数１】
となる。Ｅをａ１及びａ２で偏微分したそれぞれの式が０に等しいとして、ａ１及びａ２を決定する。すなわち、（ａ１、ａ２）Ｔ＝Ｃ−１Ｏと決定される。ここで、
【数２】
【数３】
である。
【００５０】
本実施形態では、参照信号は送波信号ｓ（ｔ）との位相差θｉ（０≦θｉ＜２π、ｉ＝０，１，２，…，Ｎ−１）を０から２πの間で等間隔にＮ分割して設定したものであるから、θｉ＝２πｉ／Ｎである。このとき、Ｃは、
【数４】
となるので、ａ１及びａ２は、それぞれ
【数５】
となる。したがって、位相差Φ（Ｌ）は、Φ（Ｌ）＝tan-1(ａ２／ａ１)＋πｎ（ｎ＝０，１，２，・・・）となる。tan-1は値域のうちの連続的に変化する範囲を考慮すると、−π／２からπ／２までの範囲で位相差Φ（Ｌ）を求めることができる。その結果、変位量ΔＬの計測範囲は１／２波長以内になる。
【００５１】
ここで、具体例として、図１の位相検波器７１、７２、７３、及び７４からそれぞれ出力される出力信号Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、及びＯ４に基づいて位相差Φ（Ｌ）の計算式を導出する。この場合、Ｎ＝４で参照信号は４種類であり、それぞれの参照信号と送波信号の位相差はθ０＝０、θ１＝π／２、θ２＝π、θ３＝３π／２となる。これらを式５に代入すると、ａ１＝（Ｏ１−Ｏ３）／２、ａ２＝（Ｏ２−Ｏ４）／２となり、その結果Φ（Ｌ）＝tan-1(（Ｏ２−Ｏ４）/（Ｏ１−Ｏ３）)＋πｎとなる。
【００５２】
図１３は、図１１の位相差演算器８１１の演算処理によって計測可能な変位範囲を示す図である。
本実施形態の超音波変位測定装置及び超音波変位測定方法では、tan-1(ａ２／ａ１)が多価関数であることを利用して、変位量ΔＬの計測範囲は１／２波長よりも大きくする。tan-1αは、α＝（２ｎ＋１）π／２（ｎ＝０、１、２、・・・）で非連続な関数となり、連続関数である各区間では−π／２からπ／２まで増加する単調増加関数である。したがって、α＝（２ｎ＋１）π／２のうちのいくつかを何らかの方法で識別することができれば、異なるαで挟まれた連続関数である区間を識別することができ、tan-1αが同一の値であってもそれがどの区間におけるものかによって、異なる値に対応付けることが可能になる。その結果、識別可能なα＝（２ｎ＋１）π／２に挟まれた区間分だけtan-1αが見かけ上、連続関数であるかのように扱うことが可能になる。したがって、計測可能な変位量ΔＬを１／２波長よりも大きくすることが可能になる。
【００５３】
位相差Φ（Ｌ）が０からπ／２までの区間、π／２から３π／２までの区間、３π／２から２πまでの区間を識別するために、例えば図１３の上段に示したＯｒ（０）＝ＡｏｒcosΦ及びＯｒ（π／２）＝ＡｏｒsinΦを参照する。これら信号の代わりにＯｒ（０）とＯｒ（３π／２）、又は、Ｏｒ（π／２）とＯｒ（π）等を参照してもよい。これらの組合せは無数に存在する。
【００５４】
位相差Φ（Ｌ）の違いによる信号Ｏｒ（０）及びＯｒ（π／２）の変化は図１３の上段に示したようになる。したがって、Ｏｒ（０）＞０かつＯｒ（π／２）＞０の場合、Ｏｒ（０）≦０の場合、Ｏｒ（０）＞０かつＯｒ（π／２）≦０の場合に場合分けすることで、位相差Φ（Ｌ）が０からπ／２までの区間、π／２から３π／２までの区間、３π／２から２πまでの区間を識別することができる。それぞれの区間では、φ’（Ｌ）＝tan-1(ａ２／ａ１)、φ’（Ｌ）＝tan-1(ａ２／ａ１)＋π、φ’（Ｌ）＝tan-1(ａ２／ａ１)＋２πが対応する。
【００５５】
また、tan-1(ａ２／ａ１)の送波用素子と受波用素子との間の距離Ｌに対する値のグラフは、図１３の中段のようになる。tan-1(ａ２／ａ１)は１／２波長の間で連続関数になる。位相差演算器８１１に入力される信号Ｏｒ（０）及びＯｒ（π／２）の符号の正負の組合せに依存してtan-1(ａ２／ａ１)を定義し直して、計測可能な変位量ΔＬの範囲を拡大する。すなわち、
というφ’（Ｌ）を導入する。位相変化φ’（Ｌ）は０から２πまで表現可能になる。このφ’（Ｌ）を用いれば、送波信号と受波信号の位相差Φ（Ｌ）はΦ（Ｌ）＝φ’（Ｌ）＋２πｎ（ｎ＝０、１、２，・・・）となり、１波長まで変位計測範囲を拡大することができる。換言すれば、図１３の下段に示されるように、このφ’（Ｌ）は１波長の間で連続関数になるので、このφ’（Ｌ）によれば１波長の距離まで変位量ΔＬを計測することができる。
【００５６】
図１４は、図１１の変位量演算器１０１での演算処理によって計測可能な変位範囲を示す図である。図１４は、図１３に示した拡大された変位計測範囲よりもさらに変位計測範囲を拡大する方法を説明する。
図１４で説明したφ’（Ｌ）を近接する２つの周波数ｆ１及びｆ２（ｆ１＞ｆ２とする）に適用する。周波数ｆ１及びｆ２に対応するφ’（Ｌ）をそれぞれφ１’（Ｌ）及びφ２’（Ｌ）とする。これらφ１’（Ｌ）及びφ２’（Ｌ）はそれぞれ、図１４の上段に示したようなグラフを描く。これらφ１’（Ｌ）とφ２’（Ｌ）との差分Δφ’（Ｌ）を導入する。Δφ’（Ｌ）は図１４の中段に示したような非連続なグラフとなる。ここで、
ψ（Ｌ）＝Δφ’（Ｌ） （Δφ’（Ｌ）≧０）
ψ（Ｌ）＝Δφ’（Ｌ）＋２π （Δφ’（Ｌ）＜０）
となる変数ψ（Ｌ）を定義すると、このψ（Ｌ）は、図１４の下段に示されるように、０から２πまで連続的に直線的に変化する。このψ（Ｌ）を使用すれば、それぞれの周波数ｆ１及びｆ２における送波信号と受波信号の位相差Φ１（Ｌ）及びΦ２（Ｌ）の差分ΔΦ（Ｌ）＝Φ１（Ｌ）−Φ２（Ｌ）は、
ΔΦ（Ｌ）＝ψ（Ｌ）＋２πｍ （ｍ＝０、１、２、・・・）
となる。また、Φ（Ｌ）＝２πｆＬ／ｖであるので、ΔΦ（Ｌ）＝２π（ｆ１−ｆ２）Ｌ／ｖとなり、距離Ｌは、
Ｌ＝（ｍ＋ψ（Ｌ）／２π）ｖ／（ｆ１−ｆ２）
となる。超音波送波用素子３１と超音波受波用素子４１との距離がＬのときのψ（Ｌ）と、上式の整数ｍが変化しない範囲で超音波受波用素子４１がΔＬだけ変位し、距離がＬからＬ＋ΔＬに変化した場合のψ（Ｌ＋ΔＬ）を用いると、変位量ΔＬは、
ΔＬ＝（ψ（Ｌ＋ΔＬ）−ψ（Ｌ））ｖ／２π（ｆ１−ｆ２）
となる。上述したように、ψ（Ｌ）は０から２πまでの値を取るので、変位量ΔＬの計測可能な最大値ΔＬｍａｘはψ（Ｌ＋ΔＬ）−ψ（Ｌ）＝２πのときであるので、
ΔＬｍａｘ＝ｖ／（ｆ１−ｆ２）
となる。この式によれば２つの周波数ｆ１とｆ２の周波数間隔が狭いほどΔＬｍａｘが大きくなるので、上述のφ’（Ｌ）のみによる変位計測よりもより広範に変位量ΔＬを計測することが可能になる。すなわち、２つの周波数ｆ１とｆ２の周波数間隔を十分小さく設定すれば、１波長よりも長い変位計測範囲を確保することができる。
【００５７】
図１５は、図１１の位相差演算器８１１の動作を示すフロー図である。
発振器１１又は発振器１２で生成された所定の周波数の送波信号と、増幅器５１で増幅された受波信号を入力し、それぞれの信号をＡ／Ｄ変換（アナログ−ディジタル変換）して、変換後のディジタル信号波形をメモリ（不図示）に格納する（ステップＳ４１）。送波信号の位相をシフトする度合いを決定する、０から２πの間を分割するための分割数Ｎを読み込む（ステップＳ４２）。この分割数Ｎは、予め設定されていてもよいが、ユーザが任意に設定することができるようになっていてもよい。その際ユーザはキーボード（不図示）等の入力装置を使用して分割数Ｎを入力する。
【００５８】
ｉ＝０、θ＝２π／Ｎ、ａ１＝ａ２＝０と設定する（ステップＳ４３）。ｉが分割数Ｎ以上であるか否かが判定される（ステップＳ４４）。ｉが分割数Ｎ以上である場合はステップＳ５４に進み、一方、ｉが分割数Ｎ未満である場合はステップＳ４５に進む。
ｉが分割数Ｎ未満である場合は、ステップＳ４１でメモリに格納した送波信号の位相をｉ×θだけシフトさせる（ステップＳ４５）。ステップＳ４５で位相がシフトされた送波信号と、メモリに格納されている受波信号を積算する（ステップＳ４６）。ステップＳ４６で積算された信号から、発振器１１及び発振器１２の各周波数ｆ１及びｆ２の、それぞれ２倍の周波数２ｆ１及び２ｆ２を除去するために、例えば２つの発振器１１及び１２のうち周波数の小さい正弦波を発振する発振器１２が発振する周波数ｆ２の１／２の周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタでフィルタリングされる（ステップＳ４７）。このローパスフィルタでは、発振器１１及び発振器１２の各周波数ｆ１及びｆ２の、それぞれ２倍の周波数２ｆ１及び２ｆ２が除去できればよいので、発振器１２が発振する周波数ｆ２の１／２の周波数をカットオフ周波数とする代わりに、発振器１２が発振する周波数ｆ２の１／４の周波数をカットオフ周波数としてもよい。カットオフ周波数は無数に存在する。
【００５９】
ステップＳ４７でフィルタリングされた直流信号の電圧値Ａを求め（ステップＳ４８）、ａ１＋Ａcos(ｉ×θ)を計算し、この値をａ１とする（ステップＳ４９）。ｉが零であるか否か判定し（ステップＳ５０）、ｉが零である場合はステップＳ５１に進み、一方、ｉが零でない場合はステップＳ５２に進む。
【００６０】
ｉが零である場合はａ１をＯ１に設定する（ステップＳ５１）。Ｏ１は後のステップＳ３で使用する。ｉが零でない場合はａ２＋Ａsin(ｉ×θ)を計算し、この値をａ２とする（ステップＳ５２）。
【００６１】
ｉの値に１を加算し、加算後の値を新たにｉとし（ステップＳ５３）、ステップＳ４４に戻る。ｉが分割数Ｎ以上である場合は、ステップＳ４１でメモリに格納した送波信号の位相をπ／２だけシフトさせる（ステップＳ５４）。ステップＳ５４で位相がπ／２だけシフトされた送波信号と、メモリに格納されている受波信号を積算する（ステップＳ５５）。ステップＳ５５で積算された信号から、発振器１１及び発振器１２の各周波数ｆ１及びｆ２の、それぞれ２倍の周波数２ｆ１及び２ｆ２を除去するために、例えば２つの発振器１１及び１２のうち周波数の小さい正弦波を発振する発振器１２が発振する周波数ｆ２の１／２の周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタでフィルタリングされる（ステップＳ５６）。このローパスフィルタでは、発振器１１及び発振器１２の各周波数ｆ１及びｆ２の、それぞれ２倍の周波数２ｆ１及び２ｆ２が除去できればよいので、発振器１２が発振する周波数ｆ２の１／２の周波数をカットオフ周波数とする代わりに、発振器１２が発振する周波数ｆ２の１／４の周波数をカットオフ周波数としてもよい。カットオフ周波数は無数に存在する。
【００６２】
ステップＳ５６でフィルタリングされた直流信号の電圧値をＯ２とする（ステップＳ５７）。ステップＳ４４からステップＳ５３までのループが完了してステップＳ４９及びステップＳ５２で最終的に得られた値ａ１及びａ２を入力し、φ＝tan-1(ａ２／ａ１)を計算する（ステップＳ５８）。
以下のステップは、図７のステップＳ３以下と同様である。
【００６３】
この発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において種々変形して実施することができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、送波信号と受波信号との位相差を近接した二つの周波数において検出し、両者の差を取ることで波長よりも長い変位を検出することができる。
送波信号に対してある特定の位相差を持つ異なる複数の参照信号と受波信号との位相差から最小二乗法により送波信号と受波信号との位相差を高分解能かつ高精度に検出することができる。
波長より広い範囲にわたって変化する変位を、波長より十分微小な分解能で高精度に計測することが可能となる。
【００６５】
高精度に実装された精密機器内における制御対象の変位を超音波によって測定可能となり、変位測定装置の小型化、低価格化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る超音波変位測定装置のブロック図。
【図２】 図１の２つの発振器からそれぞれ出力される信号の時間に対する振幅のグラフ。
【図３】 図１の超音波送波用素子から出力される送波信号と、図１の超音波受波用素子で受信される受波信号と、対象物が変位した後の受波信号の説明図。
【図４】 図１の位相シフタ及び図１の位相検波器の動作を示す図。
【図５】 図１の位相検波器から出力される時間に対する位相検波出力のグラフ。
【図６】 図１の位相差演算器で最小二乗法によって位相差を算出する方法の概念図。
【図７】 図１の位相差演算器の動作を示すフロー図。
【図８】 図１の変位量演算器の動作を示す図。
【図９】 図１の変位量演算器の動作を示すフロー図。
【図１０】 図１の変位量演算器の図９とは異なる動作を示すフロー図。
【図１１】 図１の超音波変位測定装置を一般化した場合のブロック図。
【図１２】 図１１の超音波送波用素子から出力される送波信号と、図１１の超音波受波用素子で受信される受波信号に関する説明図。
【図１３】 図１１の位相差演算器の演算処理によって計測可能な変位範囲を示す図。
【図１４】 図１１の変位量演算器の演算処理によって計測可能な変位範囲を示す図。
【図１５】 図１１の位相差演算器の動作を示すフロー図。
【符号の説明】
１１ 発振器
１２ 発振器
２１ 増幅器
３１ 超音波送波用素子
４１ 超音波受波用素子
５１ 増幅器
６１ 位相シフタ
７１，７２，７３，７４ 位相検波器
８１ 位相差演算器
９１ メモリ
９２ メモリ
１０１ 変位量演算器
１１１ 温度計
１２１ スイッチ
１２２ スイッチ
８１１ 位相差演算器
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度に実装された精密機器内において変位制御に使用される超音波変位計測装置及び超音波変位計測方法に関する。例えば、本発明は、高密度磁気記録評価装置の制御系に使用される。
【０００２】
【従来の技術】
超音波を利用して、基準点からある距離だけ離れた位置にある空気中の測定対象物の変位を測定する技術がある。この技術では、対象物に超音波を照射し、その送波時刻と対象物における受波時刻との差に基づいて対象物の変位を測定しており、多くの超音波変位測定装置が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
このような変位測定装置では、超音波の受波を検出するための電圧閾値の決定方法が変位測定精度において重要であり、種々の電圧閾値方法が考案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−１８４８８３号公報
【特許文献２】
特開２００１−１６５７５３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような原理に基づく変位測定装置では、完全な矩形波と見なせる超音波を送波できたとしても、対象物の変位を高精度に測定することは難しい。超音波の空気中における減衰や分散の影響によって、対象物に到達するまでの経路においてその波形が変化し、その波形変化が受波時刻の決定において障害となるからである。この障害を解決する方法として、超音波の受波時刻を検出するために超音波の受波電圧閾値を利用せず、周波数掃引波の超音波を用いる変位測定装置が考案されている。しかし、上記の各変位測定装置では波長よりも小さな変位の検出が困難であるという問題点がある。
【０００５】
これらの問題点を解決する方法として、送波信号と受波信号との位相差に基づく変位測定法が提案されている。しかし、この方法では受波時刻を決定する必要がなく、超音波の波長よりも小さな変位を検出可能となる利点があるものの、測定可能な変位の範囲が超音波の一波長以内に限られるという問題点がある。
【０００６】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、超音波を利用した変位計測において、波長より広い範囲にわたって変化する変位を、波長より十分微小な分解能をもって高精度で計測することができる超音波変位測定装置及び超音波変位測定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波変位測定装置は、送波用素子から超音波を送波して、対象物に接続している受波用素子で該超音波を受波することにより、該対象物の変位を測定する超音波変位測定装置において、異なる周波数の第１信号及び第２信号のいずれかを発振して出力する発振手段と、前記発振手段から出力された前記信号を入力して超音波を送波する送波用素子と、送波された前記超音波を受波して信号を出力する受波用素子と、前記発振手段から出力された前記信号の位相を互いに異なる大きさだけシフトした複数の信号を生成する位相シフト手段と、位相がシフトされた各前記信号と前記受波用素子からの出力信号との位相検波による各出力信号の測定値の誤差が最小になるような各出力信号に基づいて、前記発振手段から出力された前記信号と前記受波用素子から出力された信号との位相差を演算する位相差演算手段と、前記第１信号と前記第２信号のそれぞれに関する、前記発振手段から出力された前記信号と前記受波用素子から出力された信号との前記位相差、前記第１信号と前記第２信号のそれぞれの周波数、及び前記送波用素子と前記受波用素子間での音速に基づいて、前記対象物の変位を演算する変位演算手段とを備えている。
【０００８】
また、本発明の超音波変位測定方法は、送波用素子から超音波を送波して、対象物に接続している受波用素子で該超音波を受波することにより、該対象物の変位を測定する超音波変位測定方法において、異なる周波数の第１信号及び第２信号のいずれかを発振して出力し、発振して出力された前記信号を入力して超音波を送波し、送波された前記超音波を受波して信号を出力し、発振して出力された前記信号の位相を互いに異なる大きさだけシフトした複数の信号を生成し、位相がシフトされた各前記信号と受波して出力された前記信号との位相検波による各出力信号の測定値の誤差が最小になるような各出力信号に基づいて、発振して出力された前記信号と受波して出力された前記信号との位相差を演算し、前記第１信号と前記第２信号のそれぞれに関する、発振して出力された前記信号と受波して出力された前記信号との前記位相差、前記第１信号と前記第２信号のそれぞれの周波数、及び前記超音波の音速に基づいて、前記対象物の変位を演算する。
【０００９】
以上の構成によれば、異なる周波数で得られた位相量の差により変位を計算すると送波信号と受波信号との位相差が２πを越えた場合でも区別することができる。また、対象物の変位量が超音波の１波長を越えた広範な測定可能範囲で対象物の変位量を測定することができる。
【００１０】
さらに、送波信号と受波信号から変位を算出する際に時間差ではなく位相差を用いていることにより、電圧閾値に依存せず、波長以下の分解能で対象物の変位を算出することが可能になる。超音波変位測定装置は、定常状態の信号において、送波信号と受波信号の変位を測定するため、検出精度のよい測定が可能になる。
【００１１】
また、高精度に実装された精密機器内における制御対象の変位を超音波によって測定可能となり、変位測定装置の小型化、低価格化を実現することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る超音波変位測定装置及び超音波変位測定方法を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る超音波変位測定装置のブロック図である。 発振器１１及び発振器１２は、それぞれ周波数ｆ１及び周波数ｆ２の連続正弦波を出力する。例えば、発振器１１及び発振器１２は、図２に示したようにそれぞれ周波数ｆ１＝４０ｋＨｚ、及び周波数ｆ２＝３９ｋＨｚの連続正弦波を出力する。スイッチ１２１は発振器１１及び１２からのいずれかの連続正弦波を送波信号として選択する。スイッチ１２１は図示しない制御部からの命令に基づいて切り替えられる。
増幅器２１は、選択された送波信号を入力し、増幅後の送波信号が超音波送波用素子３１を駆動することができる電圧まで、選択された発振器からの連続正弦波を増幅する。超音波送波用素子３１は、増幅された送波信号を入力し、増幅された電気信号である送波信号を超音波に変換し、変換された超音波を送波する。超音波受波用素子４１は、この送波された超音波を受波して、電気信号である受波信号に変換する。対象物１は、変位を測定する対象であり、超音波受波用素子４１が取り付けられている。増幅器５１は、後段の機器で信号処理可能な程度まで、受波信号を増幅する。
【００１３】
超音波送波用素子３１と超音波受波用素子４１は共振現象を利用して電気信号を超音波に変換する。効率よく超音波を送受波するためには、素子の共振周波数の正弦波を使用するのが最適であると考えられるので、本実施形態では、正弦波が使用される。
【００１４】
位相シフタ６１は、選択された送波信号を入力し、その送波信号の位相を４通りにシフトさせ、送波信号に対して異なる既知の位相差を持つ４種類の信号を出力する。本実施形態では、位相の異なる４種類の信号は、送波信号の位相を０、π／２、π、３π／２だけ進めた信号である。位相の進める度合いは、ここに示した大きさに限定されず、他の位相量も想定される。位相の進める度合いをより一般化した場合の例は後述の位相差演算器８１１の説明で示される。
【００１５】
位相検波器７１、７２、７３、及び７４は、送波信号に対して異なる既知の位相差を持つ４種類の信号それぞれと、増幅された受波信号を分配して入力する。位相検波器７１、７２、７３、及び７４は、それぞれ０、π／２、π、及び３π／２だけ位相を進めた信号と分配入力された受波信号との位相検波を独立に行う。より詳しくは、位相検波器７１、７２、７３、及び７４は、送波信号に対してそれぞれ０、π／２、π、及び３π／２だけ位相を進めた４種類の信号と、受波信号を乗算して、その後にその乗算された信号をローパスフィルタに通過させる。
【００１６】
位相差演算器８１は、位相検波器７１、７２、７３、及び７４から出力された信号に基づいて、送波信号と受波信号の位相差を０から２πの範囲で演算する。より詳しくは、位相差演算器８１は、最小二乗法を使用して、位相検波器７１、７２、７３、及び７４から出力された信号の測定値の誤差が最小となるような、位相検波器７１、７２、７３、及び７４からの出力信号を求める。この出力信号に基づいて、位相差演算器８１は、送波信号と受波信号の位相差を０から２πの範囲で演算する。位相差演算器８１は、最小二乗法により、送波信号及び受波信号の波長より十分微小な分解能で高精度に送波信号と受波信号の位相差を演算することを可能にする。
【００１７】
スイッチ１２２は、スイッチ１２１と連動しており、発振器１１が選択されている場合はメモリ９１を選択し、発振器１２が選択されている場合はメモリ９２を選択する。
メモリ９１及びメモリ９２のうちのスイッチ１２２に選択されたメモリは、位相差演算器８１が演算した送波信号と受波信号の位相差を入力し格納する。この結果、メモリ９１は送波信号の周波数がｆ１である場合の送波信号と受波信号の位相差を格納し、メモリ９２は送波信号の周波数がｆ２である場合の送波信号と受波信号の位相差を格納する。
【００１８】
メモリ９１及びメモリ９２はそれぞれ値を一つだけ格納する。メモリ９１及びメモリ９２に格納されている値は位相差（０°から３６０°（０ラジアンから２πラジアン）の間の値）になる。例えば、メモリ９１には３０°、メモリ９２には１１０°、というような値が格納される。これらの値は、超音波送波用素子３１と超音波受波用素子４１との間の距離と超音波伝搬速度、発振器１１の周波数ｆ１、発振器１２の周波数ｆ２の各設定に依存する。
【００１９】
変位量演算器１０１は、メモリ９１に格納されている送波信号の周波数がｆ１である場合の送波信号と受波信号の位相差と、メモリ９２に格納されている送波信号の周波数がｆ２である場合の送波信号と受波信号の位相差と、温度計１１１によって取得された気温に基づいて、対象物１の変位量を演算によって求める。温度計１１１は、超音波が伝搬する付近の気温を計測し、変位量演算器１０１にその気温を伝達する。変位量演算器１０１は、超音波が伝搬する付近の気温に基づいて超音波の伝搬速度を計算する。
【００２０】
図３は、図１の超音波送波用素子３１から出力される送波信号と、図１の超音波受波用素子４１で受信される受波信号と、対象物が変位した後の受波信号の説明図である。
超音波は、波形の歪が大きく、しかもその歪みは時間的に変化する。受波信号検出のための電圧閾値の決め方で誤差を生じやすく、波長以下の分解能で変位を検出することは難しい。
本実施形態の超音波変位測定装置は、送波信号と受波信号から変位を算出する際に時間差ではなく位相差を用いていることにより、電圧閾値に依存せず、波長以下の分解能で送波信号と受波信号の変位を算出することが可能になる。さらに、本実施形態の超音波変位測定装置は、定常状態の信号において、送波信号と受波信号の変位を測定するため、検出精度のよい測定が可能になる。
【００２１】
図４は、図１の位相シフタ６１及び図１の位相検波器７１、７２、７３、及び７４の動作を示す図である。
本実施形態の超音波変位測定装置は、単に送波信号と受波信号とから位相差を測定するのではなく、位相検波器７１、７２、７３、及び７４において、位相がシフトされた送波信号を参照信号として使用して、最小二乗法により送波信号と受波信号との位相差を測定する。最小二乗法を使用することにより、位相差の測定精度を向上させることができる。
【００２２】
位相検波器７１、７２、７３、及び７４からのそれぞれの出力信号Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、及びＯ４は、図５に示されているように直流の電圧値として出力される。位相差演算器８１は、これら出力信号Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、及びＯ４を基に演算して送波信号と受波信号との位相差を計算する。
【００２３】
図６は、図１の位相差演算器８１で最小二乗法によって位相差を算出する方法の概念図である。ここで図６をはじめとするすべての図面では、例えばφ（Ｌ）をφと省略して記載してある。他の変数もすべて（Ｌ）は省略されている。
本実施形態の例のように位相検波器７１、７２、７３、及び７４によって４種類の出力信号の場合は、後述するように最小二乗法を使用すると、送波信号と受波信号との位相差Φ（Ｌ）は、Φ（Ｌ）＝tan-1(（Ｏ２−Ｏ４）/（Ｏ１−Ｏ３）)＋ｎπ（ｎ＝０、１、２、・・・）となる。位相差演算器８１は、この式に基づいて、送波信号と受波信号との位相差を算出する。
【００２４】
位相差演算器８１の特徴として、送波信号に対して位相を進ませた四種類の信号と受波信号との位相検波の結果から、最小二乗法により送波信号と受波信号との位相差を演算しているため、高分解能かつ高精度に送波信号と受波信号との位相差を決定することができる。
【００２５】
図７は、図１の位相差演算器８１の動作を示すフロー図である。
位相検波器７１、７２、７３、及び７４からの出力信号がそれぞれＯ１、Ｏ２、Ｏ３、及びＯ４として格納される（ステップＳ１）。格納されたＯ１、Ｏ２、Ｏ３、及びＯ４が計算式φ（Ｌ）＝tan-1(（Ｏ２−Ｏ４）/（Ｏ１−Ｏ３）)に代入され、送波信号と受波信号との位相差を算出する位相差が求められる（ステップＳ２）。
tan-1の値域は−π／２からπ／２までであるので、測定可能な変位量は超音波の波長の半波長になる。本実施形態では、測定可能な変位量を増加させるため以下のステップＳ３以降を実行する。
【００２６】
Ｏ１とＯ２のそれぞれの値の正負を検出する（ステップＳ３）。ステップＳ３で検出されたＯ１とＯ２の正負によってφ（Ｌ）に代わる以下に述べる新たな変数φ’（Ｌ）を導入する。Ｏ１、Ｏ２＞０の場合φ’（Ｌ）＝φ（Ｌ）とする（ステップＳ４）。Ｏ１≦０の場合φ’（Ｌ）＝φ（Ｌ）＋πとする（ステップＳ５）。Ｏ１＞０、Ｏ２≦０の場合φ’（Ｌ）＝φ（Ｌ）＋２πとする（ステップＳ６）。計算されたφ’（Ｌ）をスイッチ１２２に出力して、スイッチ１２２が選択しているメモリ９１又はメモリ９２に出力される（ステップＳ７）。
【００２７】
このような演算を行えば、Φ（Ｌ）＝φ’（Ｌ）＋２ｎπ （ｎ＝０、１、２、・・・）となる。この場合、φ’（Ｌ）は０から２πまで変位量の関数として直線的に変化するので、測定可能な変位量は超音波の１波長になる。すなわち、ステップＳ２の計算式で変位量を演算するよりもステップＳ４、Ｓ５、Ｓ６の計算式で変位量を演算する方が、測定可能な変位量が２倍になるので、広範な測定可能範囲で対象物の変位量を測定することができる。
【００２８】
図８は、図１の変位量演算器１０１の動作を示す図である。
変位量演算器１０１は、メモリ９１に格納されている位相量φ１’（Ｌ）とメモリ９２に格納されている位相量φ２’（Ｌ）を入力し、それらの差Δφ’（Ｌ）＝φ１’（Ｌ）−φ２’（Ｌ）を計算する。変位量演算器１０１は、この位相量の差と、メモリ９１及びメモリ９２に格納されている位相量にそれぞれ対応する周波数ｆ１及びｆ２、超音波の伝搬速度により対象物の変位量を求める。
【００２９】
各位相量φ１’（Ｌ）、φ２’（Ｌ）それぞれからでは、送波信号と受波信号との位相差が２πまでしか区別することができないが、異なる周波数で得られた位相量φ１’（Ｌ）、φ２’（Ｌ）の差により変位を計算すると送波信号と受波信号との位相差が２πを越えた場合でも区別することができ、対象物の変位量が超音波の１波長を越えた範囲まで測定することが可能になる。
【００３０】
図９は、図１の変位量演算器１０１の動作を示すフロー図である。
温度計１１１が検出した値が取り込まれる。温度計１１１は超音波が伝搬する付近の気温を検出する。文献値を参照して気温から音速ｖを求める（ステップＳ１１）。メモリ９１及びメモリ９２にそれぞれ格納されている位相量φ１’（Ｌ）、φ２’（Ｌ）を読み取り（ステップＳ１２）、それらの差Δφ’（Ｌ）＝φ１’（Ｌ）−φ２’（Ｌ）を計算する（ステップＳ１３）。Δφ’（Ｌ）の正負を調べ（ステップＳ１４）、正負によってΔφ’（Ｌ）の値を変化させ、測定可能な変位量ΔＬの範囲を拡大させる。ｆ１＞ｆ２の場合、Δφ’（Ｌ）≧０のとき、ψ（Ｌ）＝Δφ’（Ｌ）（ステップＳ１５）、Δφ’（Ｌ）＜０のときψ（Ｌ）＝Δφ’（Ｌ）＋２π（ステップＳ１６）と設定しておけばよい。後述の図１４に関連してψ（Ｌ）の設定理由は説明される。
【００３１】
ステップＳ１１及びステップＳ１２において計測された音速ｖ及び位相差演算器８１の出力φ１’（Ｌ）及びφ２’（Ｌ）が、対象物１が変位していない（すなわち、原点位置での計測）とした場合での数値か否かが判定される（ステップＳ１７）。すなわち、対象物１が変位していないとする対象物１の位置を設定する。換言すれば、ステップＳ１７では、零位調整がされているか否かが判定される。この対象物１が変位していないとした場合でのψ０（Ｌ）を位相差演算器８１内のメモリ（不図示）に格納して、このψ０（Ｌ）に基づいて変位量を測定する。原点位置での計測であると判定された場合はステップＳ１８に進み、一方、原点位置での計測ではないと判定された場合はステップＳ２１に進む。しかし、ステップＳ２１に進む場合は、同一の測定過程で既に原点位置での測定（零位調整）が済んでいる場合である。
【００３２】
原点位置での計測である場合は、ステップＳ１５又はステップＳ１６で計測されたψ（Ｌ）をψ０（Ｌ）として設定し、位相差演算器８１内のメモリに格納する（ステップＳ１８）。このときの変位量ΔＬを零に設定する（ΔＬ＝０）（ステップＳ１９）。
【００３３】
一方、原点位置以外での計測である場合は、ステップＳ１８の零位調整で設定されたψ０（Ｌ）を読み込む（ステップＳ２１）。ステップＳ１５又はステップＳ１６で計測されたψ（Ｌ）とステップＳ２１で読み込まれたψ０（Ｌ）を変位量ΔＬを算出する式
ΔＬ＝（ψ（Ｌ）−ψ０（Ｌ））ｖ／（２π（ｆ１−ｆ２））
に代入しΔＬを算出する（この変位量を算出する式は後の図１４の説明の際に導き出される）（ステップＳ２２）。
【００３４】
ステップＳ１９又はステップＳ２２で算出された変位量ΔＬは、出力される（ステップＳ２０）。出力されたΔＬは図示しない記憶媒体等に格納されたり、プリントアウトされたりする。
【００３５】
以上のようにして、超音波を利用した変位計測において、波長より広い範囲にわたって変化する変位を、波長より十分微小な分解能をもって高精度で計測することが可能となる。例えば、図２に示したｆ１＝４０ｋＨｚ、ｆ２＝３９ｋＨｚ、という周波数を使用した場合、空中での超音波の波長は、空気中の音速を３４０ｍ／ｓとすると約８．７ｍｍとなる。送波信号と受波信号との位相差を１ｄｅｇの分解能で検出できたとすれば、８．７／３６０＝約２５μｍの分解能で変位を検出でき、（２π−０）×３４０／（２π×１０００）＝３４０ｍｍの範囲にわたって変化する変位を計測できることになる。
【００３６】
図１０は、図１の変位量演算器の図９とは異なる動作を示すフロー図である。図９のステップと同一なステップは同一符号を付し、説明は省略する。
図９に示したフローでは、ステップＳ１３でΔφ’（Ｌ）（＝ψ（Ｌ））を計算する際に生じる誤差を少なくするために図１０のステップＳ３１以下が設定される。
【００３７】
ステップＳ１５又はステップＳ１６で設定されたψ（Ｌ）を決定した後、周波数ｆ１及びｆ２で伝搬する超音波の波長をそれぞれ演算する（ステップＳ３１）。すなわち、λ１＝ｖ／ｆ１及びλ２＝ｖ／ｆ２の演算をする。
【００３８】
変位量ΔＬを算出する式を変形する。超音波送波用素子３１と超音波受波用素子４１との距離をＬとすると、
【００３９】
つぎは、図９のステップＳ１７と同様であり、零位調整がされているか否かが判定される（ステップＳ１７）。原点位置での計測であると判定された場合はステップＳ３３に進み、一方、原点位置での計測ではないと判定された場合はステップＳ３４に進む。しかし、ステップＳ３４に進む場合は、同一の測定過程で既に原点位置での測定（零位調整）が済んでいる場合である。
【００４０】
原点位置での計測である場合は、ステップＳ１２で読み出されたφ１’（Ｌ）をφ０（Ｌ）、ステップＳ３２で計算されたＮをＮ０として設定し、位相差演算器８１内のメモリに格納する（ステップＳ３３）。このときの変位量ΔＬを零に設定する（ΔＬ＝０）（ステップＳ１９）。
【００４１】
一方、原点位置以外での計測である場合は、ステップＳ３３の零位調整で設定されたφ０（Ｌ）及びＮ０を読み込む（ステップＳ３４）。ステップＳ１２で読みだされたφ１’（Ｌ）と、ステップＳ３２で計算されたＮを基にして
ΔＮ＝Ｎ−Ｎ０、Δφ＝φ１’（Ｌ）−φ０（Ｌ）
を算出し（ステップＳ３５）、変位量を算出する式
ΔＬ＝（ΔＮ＋Δφ／２π）λ１
に代入して変位量ΔＬを求める（ステップＳ３６）。
以下のステップは、図９のフローと同様である。
【００４２】
図１１は、図１の超音波変位測定装置を一般化した場合のブロック図である。図１の超音波変位測定装置の装置部分と同一なものは同一符号を付し、説明は省略する。
位相差演算器８１１の構成のみが図１の超音波変位測定装置と異なる。位相差演算器８１１は、２πをＮ（Ｎは２以上の自然数）で等分割した値に１、２、３・・・等を積算した値だけ送波信号の位相をシフトして、それら位相がシフトされた送波信号と増幅器５１で増幅された受波信号とを乗算して、その後にその乗算された信号をローパスフィルタに通過させる。さらに、位相差演算器８１１は、最小二乗法を使用して、位相差演算器８１１に含まれる位相検波器から出力された信号の測定値の誤差が最小となるような、位相検波器からの出力信号を求める。
【００４３】
図１２は、図１１の超音波送波用素子３１から出力される送波信号と、図１１の超音波受波用素子４１で受信される受波信号に関する説明図である。
周波数ｆの連続正弦波である送波信号が超音波送波用素子３１に印加される。送波信号ｓ（ｔ）は、ｓ（ｔ）＝Ａｓsin(２πｆｔ−θｓ)と表示される。図ではサッフィクスにｋが付いているが、ｋは１及び２の数値を取り、それぞれ発振器１１及び発振器１２の各周波数ｆ１及びｆ２に対応する。ｋは、明細書中には特に記載しないが、周波数に依存する変数にはすべてｋがサフィックスとして変数に付いている。
【００４４】
ここで、Ａｓは送波信号の振幅、θｓは固定位相、ｔは時間である。この送波信号により超音波送波用素子３１から伝搬媒質中に放射された超音波は、超音波受波用素子４１で受波されるまで距離Ｌだけ伝搬する。このとき、伝搬時間τは超音波の媒質中の伝搬速度をｖとして、τ＝Ｌ／ｖとなる。したがって、超音波受波用素子４１での受波信号は、ｒ（ｔ）＝Ａｒsin(２πｆ（ｔ−τ）−θｓ)＝Ａｒsin(２πｆｔ−Φ−θｓ)となる。ここで、Ａｒは受波信号の振幅であり、Φは送波信号と受波信号との位相差であり、Φ＝２πｆＬ／ｖと表わされる。
【００４５】
Φを求めるために、本実施形態では、送波信号ｓ（ｔ）との位相差θｉ（０≦θｉ＜２π、ｉ＝０，１，２，…，Ｎ−１）を０から２πの間で等間隔にＮ分割して設定したＮ個の参照信号ｕｉ（ｔ）を用いる。これら参照信号ｕｉ（ｔ）と受波信号ｒ（ｔ）との位相差をそれぞれ求め、最小二乗法を用いて送波信号ｓ（ｔ）と受波信号ｒ（ｔ）の位相差Φを求める。
【００４６】
参照信号ｕｉ（ｔ）は、ｕｉ（ｔ）＝Ａｕsin(２πｆｔ−θｕｉ)とする。ここで、Ａｕは参照信号の振幅、θｕｉは固定位相でありθｕｉ＝θｓ＋θｉである。位相差演算器８１１に含まれている位相検波器は、受波信号ｒ（ｔ）とＮ個の参照記号ｕｉ（ｔ）との乗算をする。すなわち、乗算された信号は、ｒ（ｔ）×ｕｉ（ｔ）＝Ａｒ×Ａｕ｛cos(θｕｉ−θｓ−Φ)−cos(２π（２ｆ）ｔ−θｕｉ−θｓ−Φ)｝／２となる。
【００４７】
さらに位相差演算器８１１内の位相検波器はこの乗算された信号をローパスフィルタを通過させ、周波数２ｆ付近の成分を除去する。すると、ローパスフィルタ通過後の信号Ｏｒ（θｉ）は、Ｏｒ（θｉ）＝Ａｏｒcos(θｉ−Φ)となる。このように、Ｏｒ（θｉ）は、時間に依存しない直流信号となる。ここでＡｏｒ＝Ａｒ×Ａｕ／２である。Ｏｒ（θｉ）を変形すると、０ｒ（θｉ）＝ａ１cosθｉ＋ａ２sinθｉ、ａ１＝ＡｏｒcosΦ、ａ２＝ＡｏｒsinΦである。
【００４８】
位相差演算器８１１が上式中のＯｒ（θｉ）を測定値Ｏ’ｒ（θｉ）として測定するとする。測定値Ｏ’ｒ（θｉ）は、誤差を含んでいるため、Ｏｒ（θｉ）とＯ’ｒ（θｉ）の差が最小になるように、最小二乗法を使用してａ１及びａ２を決定する。
【００４９】
まず、Ｏｒ（θｉ）とＯ’ｒ（θｉ）の分散Ｅは、
【数１】
【数２】
【００５０】
本実施形態では、参照信号は送波信号ｓ（ｔ）との位相差θｉ（０≦θｉ＜２π、ｉ＝０，１，２，…，Ｎ−１）を０から２πの間で等間隔にＮ分割して設定したものであるから、θｉ＝２πｉ／Ｎである。このとき、Ｃは、
【数４】
【数５】
【００５１】
ここで、具体例として、図１の位相検波器７１、７２、７３、及び７４からそれぞれ出力される出力信号Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、及びＯ４に基づいて位相差Φ（Ｌ）の計算式を導出する。この場合、Ｎ＝４で参照信号は４種類であり、それぞれの参照信号と送波信号の位相差はθ０＝０、θ１＝π／２、θ２＝π、θ３＝３π／２となる。これらを式５に代入すると、ａ１＝（Ｏ１−Ｏ３）／２、ａ２＝（Ｏ２−Ｏ４）／２となり、その結果Φ（Ｌ）＝tan-1(（Ｏ２−Ｏ４）/（Ｏ１−Ｏ３）)＋πｎとなる。
【００５２】
図１３は、図１１の位相差演算器８１１の演算処理によって計測可能な変位範囲を示す図である。
本実施形態の超音波変位測定装置及び超音波変位測定方法では、tan-1(ａ２／ａ１)が多価関数であることを利用して、変位量ΔＬの計測範囲は１／２波長よりも大きくする。tan-1αは、α＝（２ｎ＋１）π／２（ｎ＝０、１、２、・・・）で非連続な関数となり、連続関数である各区間では−π／２からπ／２まで増加する単調増加関数である。したがって、α＝（２ｎ＋１）π／２のうちのいくつかを何らかの方法で識別することができれば、異なるαで挟まれた連続関数である区間を識別することができ、tan-1αが同一の値であってもそれがどの区間におけるものかによって、異なる値に対応付けることが可能になる。その結果、識別可能なα＝（２ｎ＋１）π／２に挟まれた区間分だけtan-1αが見かけ上、連続関数であるかのように扱うことが可能になる。したがって、計測可能な変位量ΔＬを１／２波長よりも大きくすることが可能になる。
【００５３】
位相差Φ（Ｌ）が０からπ／２までの区間、π／２から３π／２までの区間、３π／２から２πまでの区間を識別するために、例えば図１３の上段に示したＯｒ（０）＝ＡｏｒcosΦ及びＯｒ（π／２）＝ＡｏｒsinΦを参照する。これら信号の代わりにＯｒ（０）とＯｒ（３π／２）、又は、Ｏｒ（π／２）とＯｒ（π）等を参照してもよい。これらの組合せは無数に存在する。
【００５４】
位相差Φ（Ｌ）の違いによる信号Ｏｒ（０）及びＯｒ（π／２）の変化は図１３の上段に示したようになる。したがって、Ｏｒ（０）＞０かつＯｒ（π／２）＞０の場合、Ｏｒ（０）≦０の場合、Ｏｒ（０）＞０かつＯｒ（π／２）≦０の場合に場合分けすることで、位相差Φ（Ｌ）が０からπ／２までの区間、π／２から３π／２までの区間、３π／２から２πまでの区間を識別することができる。それぞれの区間では、φ’（Ｌ）＝tan-1(ａ２／ａ１)、φ’（Ｌ）＝tan-1(ａ２／ａ１)＋π、φ’（Ｌ）＝tan-1(ａ２／ａ１)＋２πが対応する。
【００５５】
また、tan-1(ａ２／ａ１)の送波用素子と受波用素子との間の距離Ｌに対する値のグラフは、図１３の中段のようになる。tan-1(ａ２／ａ１)は１／２波長の間で連続関数になる。位相差演算器８１１に入力される信号Ｏｒ（０）及びＯｒ（π／２）の符号の正負の組合せに依存してtan-1(ａ２／ａ１)を定義し直して、計測可能な変位量ΔＬの範囲を拡大する。すなわち、
【００５６】
図１４は、図１１の変位量演算器１０１での演算処理によって計測可能な変位範囲を示す図である。図１４は、図１３に示した拡大された変位計測範囲よりもさらに変位計測範囲を拡大する方法を説明する。
図１４で説明したφ’（Ｌ）を近接する２つの周波数ｆ１及びｆ２（ｆ１＞ｆ２とする）に適用する。周波数ｆ１及びｆ２に対応するφ’（Ｌ）をそれぞれφ１’（Ｌ）及びφ２’（Ｌ）とする。これらφ１’（Ｌ）及びφ２’（Ｌ）はそれぞれ、図１４の上段に示したようなグラフを描く。これらφ１’（Ｌ）とφ２’（Ｌ）との差分Δφ’（Ｌ）を導入する。Δφ’（Ｌ）は図１４の中段に示したような非連続なグラフとなる。ここで、
ψ（Ｌ）＝Δφ’（Ｌ） （Δφ’（Ｌ）≧０）
ψ（Ｌ）＝Δφ’（Ｌ）＋２π （Δφ’（Ｌ）＜０）
となる変数ψ（Ｌ）を定義すると、このψ（Ｌ）は、図１４の下段に示されるように、０から２πまで連続的に直線的に変化する。このψ（Ｌ）を使用すれば、それぞれの周波数ｆ１及びｆ２における送波信号と受波信号の位相差Φ１（Ｌ）及びΦ２（Ｌ）の差分ΔΦ（Ｌ）＝Φ１（Ｌ）−Φ２（Ｌ）は、
ΔΦ（Ｌ）＝ψ（Ｌ）＋２πｍ （ｍ＝０、１、２、・・・）
となる。また、Φ（Ｌ）＝２πｆＬ／ｖであるので、ΔΦ（Ｌ）＝２π（ｆ１−ｆ２）Ｌ／ｖとなり、距離Ｌは、
Ｌ＝（ｍ＋ψ（Ｌ）／２π）ｖ／（ｆ１−ｆ２）
となる。超音波送波用素子３１と超音波受波用素子４１との距離がＬのときのψ（Ｌ）と、上式の整数ｍが変化しない範囲で超音波受波用素子４１がΔＬだけ変位し、距離がＬからＬ＋ΔＬに変化した場合のψ（Ｌ＋ΔＬ）を用いると、変位量ΔＬは、
ΔＬ＝（ψ（Ｌ＋ΔＬ）−ψ（Ｌ））ｖ／２π（ｆ１−ｆ２）
となる。上述したように、ψ（Ｌ）は０から２πまでの値を取るので、変位量ΔＬの計測可能な最大値ΔＬｍａｘはψ（Ｌ＋ΔＬ）−ψ（Ｌ）＝２πのときであるので、
ΔＬｍａｘ＝ｖ／（ｆ１−ｆ２）
となる。この式によれば２つの周波数ｆ１とｆ２の周波数間隔が狭いほどΔＬｍａｘが大きくなるので、上述のφ’（Ｌ）のみによる変位計測よりもより広範に変位量ΔＬを計測することが可能になる。すなわち、２つの周波数ｆ１とｆ２の周波数間隔を十分小さく設定すれば、１波長よりも長い変位計測範囲を確保することができる。
【００５７】
図１５は、図１１の位相差演算器８１１の動作を示すフロー図である。
発振器１１又は発振器１２で生成された所定の周波数の送波信号と、増幅器５１で増幅された受波信号を入力し、それぞれの信号をＡ／Ｄ変換（アナログ−ディジタル変換）して、変換後のディジタル信号波形をメモリ（不図示）に格納する（ステップＳ４１）。送波信号の位相をシフトする度合いを決定する、０から２πの間を分割するための分割数Ｎを読み込む（ステップＳ４２）。この分割数Ｎは、予め設定されていてもよいが、ユーザが任意に設定することができるようになっていてもよい。その際ユーザはキーボード（不図示）等の入力装置を使用して分割数Ｎを入力する。
【００５８】
ｉ＝０、θ＝２π／Ｎ、ａ１＝ａ２＝０と設定する（ステップＳ４３）。ｉが分割数Ｎ以上であるか否かが判定される（ステップＳ４４）。ｉが分割数Ｎ以上である場合はステップＳ５４に進み、一方、ｉが分割数Ｎ未満である場合はステップＳ４５に進む。
ｉが分割数Ｎ未満である場合は、ステップＳ４１でメモリに格納した送波信号の位相をｉ×θだけシフトさせる（ステップＳ４５）。ステップＳ４５で位相がシフトされた送波信号と、メモリに格納されている受波信号を積算する（ステップＳ４６）。ステップＳ４６で積算された信号から、発振器１１及び発振器１２の各周波数ｆ１及びｆ２の、それぞれ２倍の周波数２ｆ１及び２ｆ２を除去するために、例えば２つの発振器１１及び１２のうち周波数の小さい正弦波を発振する発振器１２が発振する周波数ｆ２の１／２の周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタでフィルタリングされる（ステップＳ４７）。このローパスフィルタでは、発振器１１及び発振器１２の各周波数ｆ１及びｆ２の、それぞれ２倍の周波数２ｆ１及び２ｆ２が除去できればよいので、発振器１２が発振する周波数ｆ２の１／２の周波数をカットオフ周波数とする代わりに、発振器１２が発振する周波数ｆ２の１／４の周波数をカットオフ周波数としてもよい。カットオフ周波数は無数に存在する。
【００５９】
ステップＳ４７でフィルタリングされた直流信号の電圧値Ａを求め（ステップＳ４８）、ａ１＋Ａcos(ｉ×θ)を計算し、この値をａ１とする（ステップＳ４９）。ｉが零であるか否か判定し（ステップＳ５０）、ｉが零である場合はステップＳ５１に進み、一方、ｉが零でない場合はステップＳ５２に進む。
【００６０】
ｉが零である場合はａ１をＯ１に設定する（ステップＳ５１）。Ｏ１は後のステップＳ３で使用する。ｉが零でない場合はａ２＋Ａsin(ｉ×θ)を計算し、この値をａ２とする（ステップＳ５２）。
【００６１】
ｉの値に１を加算し、加算後の値を新たにｉとし（ステップＳ５３）、ステップＳ４４に戻る。ｉが分割数Ｎ以上である場合は、ステップＳ４１でメモリに格納した送波信号の位相をπ／２だけシフトさせる（ステップＳ５４）。ステップＳ５４で位相がπ／２だけシフトされた送波信号と、メモリに格納されている受波信号を積算する（ステップＳ５５）。ステップＳ５５で積算された信号から、発振器１１及び発振器１２の各周波数ｆ１及びｆ２の、それぞれ２倍の周波数２ｆ１及び２ｆ２を除去するために、例えば２つの発振器１１及び１２のうち周波数の小さい正弦波を発振する発振器１２が発振する周波数ｆ２の１／２の周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタでフィルタリングされる（ステップＳ５６）。このローパスフィルタでは、発振器１１及び発振器１２の各周波数ｆ１及びｆ２の、それぞれ２倍の周波数２ｆ１及び２ｆ２が除去できればよいので、発振器１２が発振する周波数ｆ２の１／２の周波数をカットオフ周波数とする代わりに、発振器１２が発振する周波数ｆ２の１／４の周波数をカットオフ周波数としてもよい。カットオフ周波数は無数に存在する。
【００６２】
ステップＳ５６でフィルタリングされた直流信号の電圧値をＯ２とする（ステップＳ５７）。ステップＳ４４からステップＳ５３までのループが完了してステップＳ４９及びステップＳ５２で最終的に得られた値ａ１及びａ２を入力し、φ＝tan-1(ａ２／ａ１)を計算する（ステップＳ５８）。
以下のステップは、図７のステップＳ３以下と同様である。
【００６３】
この発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において種々変形して実施することができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、送波信号と受波信号との位相差を近接した二つの周波数において検出し、両者の差を取ることで波長よりも長い変位を検出することができる。
送波信号に対してある特定の位相差を持つ異なる複数の参照信号と受波信号との位相差から最小二乗法により送波信号と受波信号との位相差を高分解能かつ高精度に検出することができる。
波長より広い範囲にわたって変化する変位を、波長より十分微小な分解能で高精度に計測することが可能となる。
【００６５】
高精度に実装された精密機器内における制御対象の変位を超音波によって測定可能となり、変位測定装置の小型化、低価格化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る超音波変位測定装置のブロック図。
【図２】 図１の２つの発振器からそれぞれ出力される信号の時間に対する振幅のグラフ。
【図３】 図１の超音波送波用素子から出力される送波信号と、図１の超音波受波用素子で受信される受波信号と、対象物が変位した後の受波信号の説明図。
【図４】 図１の位相シフタ及び図１の位相検波器の動作を示す図。
【図５】 図１の位相検波器から出力される時間に対する位相検波出力のグラフ。
【図６】 図１の位相差演算器で最小二乗法によって位相差を算出する方法の概念図。
【図７】 図１の位相差演算器の動作を示すフロー図。
【図８】 図１の変位量演算器の動作を示す図。
【図９】 図１の変位量演算器の動作を示すフロー図。
【図１０】 図１の変位量演算器の図９とは異なる動作を示すフロー図。
【図１１】 図１の超音波変位測定装置を一般化した場合のブロック図。
【図１２】 図１１の超音波送波用素子から出力される送波信号と、図１１の超音波受波用素子で受信される受波信号に関する説明図。
【図１３】 図１１の位相差演算器の演算処理によって計測可能な変位範囲を示す図。
【図１４】 図１１の変位量演算器の演算処理によって計測可能な変位範囲を示す図。
【図１５】 図１１の位相差演算器の動作を示すフロー図。
【符号の説明】
１１ 発振器
１２ 発振器
２１ 増幅器
３１ 超音波送波用素子
４１ 超音波受波用素子
５１ 増幅器
６１ 位相シフタ
７１，７２，７３，７４ 位相検波器
８１ 位相差演算器
９１ メモリ
９２ メモリ
１０１ 変位量演算器
１１１ 温度計
１２１ スイッチ
１２２ スイッチ
８１１ 位相差演算器
Claims (6)
- 送波用素子から超音波を送波して、対象物に接続している受波用素子で該超音波を受波することにより、該対象物の変位を測定する超音波変位測定装置において、
異なる周波数の第１信号及び第２信号のいずれかを発振して出力する発振手段と、
前記発振手段から出力された前記信号を入力して超音波を送波する送波用素子と、
送波された前記超音波を受波して信号を出力する受波用素子と、
前記発振手段から出力された前記信号の位相を互いに異なる大きさだけシフトした複数の信号を生成する位相シフト手段と、
位相がシフトされた各前記信号と前記受波用素子からの出力信号との位相検波による各出力信号の測定値の誤差が最小になるような各出力信号に基づいて、前記発振手段から出力された前記信号と前記受波用素子から出力された信号との位相差を演算する位相差演算手段と、
前記第１信号と前記第２信号のそれぞれに関する、前記発振手段から出力された前記信号と前記受波用素子から出力された信号との前記位相差、前記第１信号と前記第２信号のそれぞれの周波数、及び前記送波用素子と前記受波用素子間での音速に基づいて、前記対象物の変位を演算する変位演算手段とを具備する超音波変位測定装置。 - 前記位相差演算手段は、
位相がシフトされた各前記信号と前記受波用素子からの出力信号との積を演算する積演算手段と、
積を演算された信号から、前記位相がシフトされた各信号の周波数の２倍の大きさの周波数を有する信号成分を除去する除去手段と、
前記信号成分を除去された信号に基づいて、前記発振手段から出力された前記信号と前記受波用素子からの出力信号との位相差を演算する演算手段とを具備する請求項１に記載の超音波変位測定装置。 - 前記演算手段は、前記信号成分を除去された複数の信号のうちの、前記位相差を変数とした場合にπ／２ラジアン又は３π／２ラジアンだけ位相が相対的にずれている２つの信号の符号の組合せに基づいて、前記発振手段から出力された前記信号と前記受波用素子からの出力信号との前記位相差を演算する請求項２に記載の超音波変位測定装置。
- 前記変位演算手段は、前記位相差計算手段から出力される、前記第１信号及び前記第２信号にそれぞれ対応する位相差間の差を演算する差演算手段と、
計算された位相差間の前記差の符号に基づいて、計算された位相差の前記差に特定の位相量をたしあわせた量を出力する和出力手段と、
該たしあわせた量、前記第１信号と前記第２信号のそれぞれの周波数、及び前記送波用素子と前記受波用素子間での音速に基づいて、前記対象物の変位を演算する演算手段とを具備する請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波変位測定装置。 - 前記和出力手段は、
計算された位相差間の前記差が０以上の場合は、計算された位相差の前記差を出力し、
計算された位相差間の前記差が０未満の場合は、計算された位相差の前記差に２πラジアンをたしあわせた量を出力する請求項４に記載の超音波変位測定装置。 - 送波用素子から超音波を送波して、対象物に接続している受波用素子で該超音波を受波することにより、該対象物の変位を測定する超音波変位測定方法において、
異なる周波数の第１信号及び第２信号のいずれかを発振して出力し、
発振して出力された前記信号を入力して超音波を送波し、
送波された前記超音波を受波して信号を出力し、
発振して出力された前記信号の位相を互いに異なる大きさだけシフトした複数の信号を生成し、
位相がシフトされた各前記信号と受波して出力された前記信号との位相検波による各出力信号の測定値の誤差が最小になるような各出力信号に基づいて、発振して出力された前記信号と受波して出力された前記信号との位相差を演算し、
前記第１信号と前記第２信号のそれぞれに関する、発振して出力された前記信号と受波して出力された前記信号との前記位相差、前記第１信号と前記第２信号のそれぞれの周波数、及び前記超音波の音速に基づいて、前記対象物の変位を演算する超音波変位測定方法。
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