JP6815786B2 - 超音波変位計測装置及び超音波変位計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を用いた高精度位置計測の装置及び方法であり、特に超音波の伝搬時間を利用してデバイス間の相対距離を計測す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。

従来、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知られている。超音波による距離計測は、人が入るには危険な場所での計測や、距離計測を連続的に管理する場合などにも有用であり、空中でも液中でも金属の中でも、音が伝わる環境ならば、距離計測が可能となる。

超音波の送受信には超音波素子を使用する。超音波素子は超音波の送信機でもあり、受信機の役割も果たす。距離計測用の超音波周波数の選定は、周波数が低い（波長が長い）ほど、減衰が小さく、遠くまで届くこと、周波数が高い（波長が短い）ほど、距離分解能が高いこと、より超音波の指向特性と到達距離により決定している。

また、波動による距離計測としては、超音波の他に、光波、電磁波等が利用されているが、超音波による距離計測は、電磁波、光波に比べて伝搬速度が遥かに遅いことから、計測に要する時間軸が長く、処理が容易で精度良く測定できること、波長が短いため分解能が高く、精度良く測定できること、人体への安全性が高く、環境にも優しいこと、比較的安価であること、などの利点がある。

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では、対象物に超音波を照射し、その送信時刻と対象物における受信時刻との差に基づいて対象物の変位を測定するものが知られている。このような変位測定装置では、超音波の受信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となり、受信強度の低下に伴い到達時間の判定に誤差が増加する。さらに、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、その波形変化が受信時刻の決定において障害となる。

そのため、超音波の受信時刻を検出するために超音波の受信電圧閾値を利用せず、周波数掃引波の超音波を用い、送信信号と受信信号との位相差に基づく変位測定法が提案されている。しかしながら、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。

そこで、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持って高精度で計測するため、異なる２つの周波数ｆ1及びｆ2による位相遅延計測を切り替えながら２度行うことで、実質的に「ｆ1−ｆ2」の周波数を使用して位相を計測することが知られ、特許文献１に記載されている。

また、波形発生器から波形受信機へタイミング情報を正確に伝達するため、超音波バーストを送信することが知られているが、超音波バーストは周波数スペクトラムにおいて無限の広がりを持っている。それに対し、実在の波形発生器、波動伝搬媒質及び波形受信機は、不均等な振幅周波数特性及び位相周波数特性を多少なり有している。そのため、矩形の電気信号パルスや矩形の超音波バーストは受信端において変形を受け、タイミング情報を厳密に伝達することが困難である。

特に、超音波変位計測装置で使用している圧電セラミック素子は狭帯域の周波数特性を有するため、受信波形は強い歪みを受ける。また、超音波バーストの前縁のような、信号的に過渡応答特性の強く影響する領域を使用すると、送受信素子の特性のばらつきが計測精度やタイミング情報の伝達精度に影響を与えやすくなる。さらに、波形の包絡線は伝送路の振幅周波数特性及び位相周波数特性の双方の影響を受けるため、これら特性を有する伝送路を利用する場合には、包絡線の形状が変化し易くなり、その結果、タイミング情報の伝達精度が低下する。

この欠点を補い精度を向上するため、位相の一致する点がただ一つ設けられた送信信号として、二つの周波数からなるうなり信号となった超音波バーストを送信し、この位相一致点を受信時刻基準点とする位相一致法と呼ばれる測定手段が知られ、例えば、特許文献２に記載されている。

特開２００４−１９１１４５号公報 特許第４６２１９２４号公報

上記従来技術である位相一致法は、良質なうなりを発生して受信することが重要となる。そのため、特許文献２では、送信機で周波数信号を複数生成し、位相を調整した後、複数の周波数信号を合成している。そして、生成された合成波形を記憶し、Ｄ／Ａ変換してアナログ信号に変換する。さらに、増幅部でアナログ信号を増幅して超音波素子である圧電型セラミック振動体を駆動し、合成された複数の周波数信号を超音波で受信機へ送信している。

したがって、合成波形の生成に複雑な処理が必要でコスト高となるばかりでなく、増幅部はアナログ信号を扱うため、無駄な消費電力を必要とし、歪みの少ない良質なうなりが必要となる。また、超音波素子を駆動するには大振幅、高出力が必要になり、高周波数で駆動するには超音波としては比較的に低周波数の４０ｋＨｚで駆動せざるを得なかった。

また、低周波数の超音波素子は低エネルギで振動を発生できるが、遠方まで伝達すると、そのビーム径は大きくなり、特許文献２に記載のものでは小型のターゲットの位置測定には不向きであった。さらに、小ビーム径を持つ高周波数素子は、駆動させるためにより高いエネルギを必要としており、電気回路的に合成して良質な合成波形としてうなりを発生させることが極めて困難であった。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、受信機での合成波形の生成を簡単にし、コストを抑制すると共に、高周波数で小型のターゲットの距離測定を高精度で行う場合においても、省エネルギで歪みの低減化を図ることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、送信機から受信機へ超音波ビームを送信して、送信から受信までの伝搬時間を求めることより前記送信機と前記受信機間における距離を測定する超音波変位計測装置において、第１周波数で連続波として超音波を送信する第１送信機と、前記第１周波数とは異なる第２周波数で所定時間だけ連続する超音波バースト波を送信する第２送信機と、前記第１送信機及び第２送信機から送信される前記超音波ビームが重なる位置に配置された前記受信機と、前記受信機で得られた信号の位相から受信時刻基準点を求め、前記第２送信機で送信を開始した時刻と前記受信時刻基準点とに基づいて前記第１送信機あるいは前記第２送信機と前記受信機間における距離を求める解析装置と、を備えたものである。

これにより、送信機から送信される超音波ビームが重なる位置に受信機を配置し、受信機で得られた信号の位相から受信時刻基準点を求めるので、合成波形の生成処理がより容易で、高出力、高周波数の超音波を利用することが可能となり、小型のターゲットの距離測定を高精度で行うことができる。

また、上記のものにおいて、前記第１送信機及び第２送信機は、超音波素子をオンオフ信号で駆動するスイッチ回路を備えたことが望ましい。
これにより、駆動回路の消費電力を低減し、高周波数の超音波の送信が可能となる。

さらに、上記のものにおいて、前記第１送信機は前記受信機の中心軸上に前記受信機と正対するように配置され、前記第２送信機は前記中心軸とは所定の角度をなす方向に配置されたことが望ましい。
これにより、第２送信機と受信機間の距離を正確に測定できる。

さらに、上記のものにおいて、前記第２送信機は前記受信機の中心軸上に前記受信機と正対するように配置され、前記第１送信機は前記中心軸とは所定の角度をなす方向に配置されたことが望ましい。
これにより、受信機の中心軸に沿った距離がより正確に測定できる。

さらに、上記のものにおいて、前記第２送信機は複数配置されたことが望ましい。
これにより、より正確で信頼性の高い距離測定が可能となる。

さらに、上記のものにおいて、前記第１送信機及び前記第２送信機は、前記受信機から所定距離だけ隔てた垂直平面上に配置されたことが望ましい。
これにより、受信機から垂直平面までの距離測定がより正確で高い信頼性で可能となる。

さらに、上記のものにおいて、前記解析装置は、前記第２送信機で送信を開始した時刻を決定するトリガ信号によって前記受信機で得られた信号をサンプリングすることが望ましい。
これにより、送信から受信までの伝搬時間の算出がより正確となる。

さらに、上記のものにおいて、前記第１送信機は、前記受信機から所定距離だけ隔てた前記中心軸に対して垂直な垂直平面上に配置され、前記第２送信機は前記垂直平面上で前記中心軸とは所定の角度をなす方向に配置されたことが望ましい。
これにより、受信機から垂直平面までの距離測定がより正確で高い信頼性で可能となる。

さらに、上記のものにおいて、前記第１送信機による超音波ビームサイズは前記第２送信機よりも大きくなったことが望ましい。
これにより、測定軸方向の測定可能エリアを広げると共に、測定軸方向以外による影響を避けることができる。

また、本発明は、第１送信機で第１周波数の連続波となる超音波を送信し、第２送信機で前記第１周波数とは異なる第２周波数で所定時間だけ連続する超音波バースト波を送信し、前記第１送信機及び第２送信機から送信される前記超音波ビームが重なる位置に配置された前記受信機で得られた信号の位相から受信時刻基準点を求め、前記第２送信機で送信を開始した時刻と前記受信時刻基準点とに基づいて前記第１送信機あるいは前記第２送信機と前記受信機間における距離を求めるものである。

本発明によれば、周波数が異なる複数の送信機から送信される超音波ビームが重なる空間位置に受信機を配置し、受信機で得られた信号の位相から受信時刻基準点を求めるので、受信機でのうなり信号の生成を容易にし、コストを抑制すると共に、高周波数で小型のターゲットの距離測定を行う場合においても、高精度で省エネルギなものとすることができる。

本発明の実施形態に係る超音波変位計測装置の基本構成図 他の実施形態に係る超音波変位計測装置の基本構成図 図２の配置とした場合の測定可能エリアを示す図 一実施形態における超音波素子の駆動回路を示すブロック図 一実施形態における全体の信号処理を示すブロック図 一実施形態における送信機の信号処理の詳細を示すブロック図 一実施形態における受信機の信号処理の詳細を示すブロック図 うなり信号と位相一致点の関係を示した説明図 従来技術による超音波による測定原理を示す説明図 従来技術による位相一致法におけるうなり波の合成方法を示す説明図 超音波変位計測装置のビームサイズと送信周波数及び距離の関係を示すグラフ 超音波変位計測装置のエネルギ密度と送信周波数及び距離の関係を示すグラフ 送信周波数を４０ｋＨｚ、３００ｋＨｚとした場合のビームサイズの実測値を示すグラフ 従来技術による超音波バーストを送信した場合の受信波形を記録したグラフ 一実施形態における受信波形を記録したグラフ 他の実施形態における送信機と受信機のレイアウトを示した図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

超音波距離計測は、空中でも液中でも金属の中でも、音が伝わる環境ならば、距離計測が可能となり、測定距離が６０ｍｍから１０ｍと長い。それにより、種々のポジショニングとして、ロボット吸着前の高さ制御、ロボットアームの位置決め、鋼板の位置ずれ検出、工作機械等の位置決め、溶接位置の倣い制御、液晶ガラスの位置決め、太陽電池基板の搬送停止位置測定など幅広く用いられている。

超音波変位計測装置は、送信機により超音波を送信し受信機で受信することにより、対象物の有無や対象物までの距離を検出する。超音波の送信・受信には超音波素子が用いられ、超音波素子は電気エネルギを印加して超音波を発生、又は超音波振動エネルギを電気信号に変換する素子で、通常超音波センサには圧電現象を利用したチタン酸バリウム振動子を用いる。

圧電素子は交流電圧を加えると素子が振動し、固有の周波数を持ち、その周波数と同じ周波数の交流電圧を加えることで効率良く振動する。一般的に４０ｋＨｚのものが多く使用され、長い距離を測定するには低い周波数、短い距離を正確に測るには高い周波数のものが使われている。

図１は、本発明の一実施形態に係る超音波変位計測装置の基本構成図、図２は他の実施形態に係る超音波変位計測装置の基本構成図を示す。

図１、図２に示すように、高周波数（３００ｋＨｚ前後）の超音波素子を３ヶ使用し、そのうち1ヶは受信機１、２ヶは送信機２及び送信機３として使用することができる。送信機２及び送信機３は、互いに異なる周波数の超音波を送信する（例えば送信機２は２９６ｋＨｚ、送信機３は、３０４ｋＨｚ）。送信機２（第２送信機）は所定時間だけ連続する超音波バースト波、即ち、超音波パルスバースト波を送信し、送信機３（第１送信機）は送信機２の超音波バースト波に比べて十分長い時間の連続波として超音波を送信する。

図１に示すように、送信機３（第１送信機）は、受信機１の中心軸上で受信機１と正対するように配置され、送信機２（第２送信機）は中心軸とは所定の角度をなす方向に配置されている。受信機１では、送信機３と送信機２との超音波ビームが重なり、受信機１の位置で空間合成されて受信機１の受信波形となる。また、送信機２及び送信機３は、互いに異なる周波数の超音波を送信するので、受信機１の位置で、つまり送信機２が送信する所定時間だけうなり信号として合成される。連続波を送信する送信機３（第１送信機）は、受信機１の位置に超音波を送信できる位置であれば良く、図２のように、送信機３と送信機２の配置を逆にしても良い。

図１及び図２のいずれの配置においても、超音波パルスバースト波を送信する送信機２（第２送信機）から受信機１までの距離を求める。図１においては、送信機２（第２送信機）と送信機３（第１送信機）との距離は設定時点で既知であり、送信機２（第２送信機）から受信機１までの距離を求め、換算すれば送信機３（第１送信機）から受信機１までの距離を求めることができる。また、受信機１の位置で送信機２（第２送信機）と送信機３（第１送信機）からの超音波ビームが重なり、空間合成されれば良いので、受信機１から動作距離だけ隔てた垂直平面上に複数、３ヶ以上の送信機を立体的に配置しても良い。
図３は、図２のように、送信機２（第２送信機）と送信機３（第１送信機）を配置した場合の測定可能エリアを示す図である。図３の上図は、送信機２（第２送信機）の超音波ビーム５１のサイズが小さい場合、下図は、送信機２（第２送信機）の超音波ビーム５２のサイズが大きい場合であり、送信機３（第１送信機）の超音波ビーム５０のサイズはどちらも同じである。

距離測定においては、送信機２（第２送信機）の超音波ビーム５１と送信機３（第１送信機）の超音波ビーム５０との重なるエリアが測定軸方向での測定可能なエリアとなる。そのため連続波を送信する送信機３（第１送信機）の超音波ビーム５０のサイズを大きくすることで測定軸方向での測定可能エリアを広げることができる。

一方、超音波バースト波を送信する送信機２（第２送信機）の超音波ビーム５１のサイズを超音波ビーム５２のように大きくすると、測定軸以外の方向にも測定可能エリアが広がる。そのため、測定方向に対する誤差となり、上図のように連続波を送信する送信機３（第１送信機）の超音波ビーム５０のサイズを超音波ビーム５１のサイズより大きくして測定可能エリアを広げることが好ましい。

受信機１の位置は、送信機２及び送信機３からの超音波ビームが重なる位置に設置され、送信機２及び送信機３は、互いに異なる周波数の超音波を同期して送信するので、受信機１の位置で、つまり空間的にうなり信号として合成される。送信機２は、空中へ高周波数の超音波を送信するため、超音波素子を高電圧のオンオフ信号、つまり矩形波でパルス的に駆動するスイッチ回路で所定時間だけ連続する超音波パルスバースト波として送信する。送信機３は、超音波素子を矩形波でパルス的に駆動するスイッチ回路で超音波パルスの連続波として送信する。

受信機１で得られた信号は解析装置でサンプリングしてＡ／Ｄ変換され、メモリに記録される。そして、受信波形から位相差が０となる点を検出する位相一致法により受信時刻基準点が求められる。送信機２へ送信を開始するため送信トリガを掛けた時刻と、求められた受信時刻基準点とに基づいて伝搬遅延時間を求め、送信機２から受信機１までの距離を決定する。

図４は、送信機２及び送信機３における超音波素子の駆動回路を示すブロック図であり、ＣＰＵ４は矩形波であるパルス信号を生成する。送信機２は２９６ｋＨｚ、送信機３は、３０４ｋＨｚのパルス信号を生成する。超音波素子６を駆動する回路は、電気的に合成されたうなり信号のようなアナログ信号を扱う訳でないので、駆動回路自体で無駄な消費電力を必要としないオンオフするだけのスイッチ回路５で良い。したがって、超音波素子６を高周波数の３００ｋＨｚ前後まで大振幅、高出力で駆動することが可能となり、歪みも無く、測定精度も距離的にも一桁上げることができる。実際には送信機２及び送信機３はそれぞれ所定時間だけ連続する超音波パルス波と、超音波パルスの連続波とを送出するので、ＣＰＵ４は送信機２及び送信機３へのそれぞれのパルス信号を発生し、スイッチ回路５に与える。

図５は全体の信号処理、図６は、送信機の信号処理の詳細、図７は受信機の信号処理の詳細を示すブロック図であり、図８は、うなり信号と位相一致点の関係を示した説明図である。図５において、送信機２及び送信機３は、図４で示したものと同様であるが、スイッチ回路５で出力したパルス信号をトリガ信号として解析装置９へ伝達している。スイッチ回路５の入力側のＣＰＵ４からスイッチ回路５に至る遅延時間の影響を避けることができる。

図５において、受信機１は、超音波素子７により、送信機２より送出された超音波パルスバースト波と、送信機３より送出された送信機２とは異なる周波数による超音波パルスの連続波と、が合成されたバースト的なうなり信号を受信する。超音波素子７は、帯域外のノイズを除去してシステムの信号対雑音比を向上させるフィルタ８を介して解析装置９へ接続される。

図６において、外部スイッチ１０をオンすることで測定の事前準備が開始され、その信号は、送信機３を制御するＣＰＵ４−１に入力される。ＣＰＵ４−１は矩形波であるパルス信号を生成する。周波数ｆ１（３０４ｋＨｚ）によるパルス信号がスイッチ回路５−１に入力され、超音波素子６−１が駆動される。スイッチ回路５−１では振幅歪みが問題になるようなアナログ信号を増幅する訳でないので、連続波であっても駆動回路自体で無駄な消費電力を必要としないオンオフするだけとなる。

外部スイッチ１１をオンすることで測定を開始し、その信号は、送信機２を制御するＣＰＵ４−２に入力される。ＣＰＵ４−２は矩形波であるパルスバースト信号を生成する。周波数ｆ２（２９６ｋＨｚ）によるパルスバースト信号がスイッチ回路５−２に入力され、超音波素子６−２が所定時間だけ駆動される。

図７において、送信機２により送信された超音波パルスバースト波と、送信機３により送信された連続波である超音波パルス波とは、受信機１の位置で、つまり空間的にうなり信号として合成され、そのうなり信号が超音波素子７で受信される。超音波素子７で受信された信号は、フィルタ８を介して解析装置９へ送られ、帯域外のノイズの除去、増幅等を経て分析される。解析装置９は、位相一致法により受信時刻基準点を求める。そして、送信機２へ送信を開始するため外部スイッチ１１により送信トリガを掛けた時刻と、求められた受信時刻基準点とに基づいて伝搬遅延時間を求め、送信機２から受信機１までの距離を決定する。

図８に示すように、うなり信号は、周波数ｆ１、位相φ１の信号と、周波数ｆ２、位相φ２の信号との合成である。二つの位相は各々の周波数で高速に変化するが、その差では−πからπの間を変化するだけとなる。したがって、うなり信号の１パケット中には位相差が０になる点が必ず一つだけ存在する。

受信機１では、送信機２と送信機３とで送信された信号が合成されるので、合成された信号の位相は−πからπの間を変化するだけとなる。この中に位相一致点は一点存在するので、合成波形から受信時刻基準点として解析装置９で抽出する。これにより、受信時刻基準点の検出を数μｓの精度で検出できる。

図５、図７において、解析装置９では、受信機１での受信信号を送信機２より入力されたトリガ信号を基準にしてサンプリングしてＡ／Ｄ変換し、ＦＦＴ処理を行う。つぎに、送信機２及び送信機３のそれぞれの時刻原点におけるキャリヤの位相を求め、その差より位相一致点を求め、受信時刻基準点とする。受信時刻基準点が検出できれば、トリガを掛けた時刻と受信時刻基準点との差として伝搬遅延時間が分かり、送信機２から受信機１までの距離を決定することができる。

Ａ／Ｄ変換する際のメモリのアドレスは受信時刻に対応するので、伝搬遅延時間は、送信機２にトリガを掛けた時刻のメモリ書き込み番地を解析装置９で記録し、受信信号がサンプリングされた際の記録アドレスにより求めることができる。

伝搬遅延時間には超音波素子の応答時間も含まれるため、実際の距離の測定においては、伝搬遅延時間を距離に換算する必要があり、応答時間等をキャンセルする必要がある。そのため、送信機２、送信機３及び受信機１を所定の距離だけ離して設置し、その距離を基準として相対変位を計測する。通常、送信機と受信機間の距離では無く、受信機又は送信機が移動した変位を測定することが多い。このとき、例えば受信機の位置を基準ゲージに合わせて移動し、送信機と受信機間の距離の変化を校正値とする。また、この校正は基準ゲージに相当するものを変えて数点で測定し、校正値を求めることが良い。また、超音波変位計測装置の測定結果は大気変化の影響を受けるので、解析装置９で気温も記録しておき、距離測定の校正を行うことが望ましい。

送信機２及び送信機３は、同様の構成であり、ＣＰＵ４で生成するクロック信号に同期して超音波の送信が行われる。これにより、測定を多数回繰り返しても、超音波の送信タイミングがずれることが無い。

また、測定に信号の位相を使うため、周囲の反射波によるマルチパスによる測定誤差を受けるが、短時間のバースト波を使っているので解析装置９での信号処理をバーストの継続時間に比べて十分高速に行えば、計測時間をバーストの継続時間に近づけることができる。したがって、マルチパス波と直接波の行路差が測定距離以上あればマルチパスによる影響を避けることができる。

図９は、従来の超音波による位置測定の説明図、図１０は、従来技術である位相一致法におけるうなり波の合成方法を示す説明図であり、図９、１０を参照して本願の特徴を詳細に説明する。

図９において、送信機２０は４０ｋＨｚ程度で超音波バーストを送信する。距離Ｌだけ離れた位置に設置された受信機２１で受信する。送信波形２２は、包絡線が矩形となっているので開始位置は一意的に決まるはずであるが、受信波形２３は受信側素子による減衰、応答特性により変形する。また、フィルタにより周波数選択性を持たせることは、帯域外のノイズを除去し、システムの信号対雑音比を向上させ、測定距離を延長するためには不可欠となる。したがって、図９に示したように、受信波形２３から受信信号の包絡線２４から単純に閾値を設定して受信時刻を得るものでは正確に伝搬時間を決定することが困難となる。

図１０の従来技術は、図９の欠点を解消するもので、３０の周波数ｆ１、３１の周波数ｆ２の波形を合成してｆ１＋ｆ２のうなり信号３２を計算し、メモリ３４に格納する。送信機となる超音波送信機３３ではメモリ３４に格納されたデータをＤ／Ａ変換して振幅と位相が変化するアナログ信号に変換して駆動回路３５（アナログ増幅回路）へ伝達する。駆動回路３５では、超音波素子である圧電型セラミックを駆動するのに必要な電力に変換する。超音波素子３６は、超音波バースト３７を送信する。

合成波形は、測定距離、超音波素子の特性、ターゲットの大きさ等に応じてそれぞれ生成することとなり、その都度、メモリ３４に格納されるデータが必要となる。駆動回路３５は、増幅部はアナログ信号を扱うため、無駄な消費電力を必要とする。また、超音波素子を駆動するには大振幅、高出力が必要になり、高周波数で駆動するには超音波としては比較的に低周波数の４０ｋＨｚで駆動せざるを得なかった。

また、低周波数の超音波素子は低エネルギで振動を発生できるが、遠方まで伝達すると、そのビーム径は大きくなり、４０ｋＨｚ程度の駆動では小型のターゲットの位置測定には不向きであった。さらに、小ビーム径を持つ高周波数素子は、駆動させるためにより高いエネルギを必要としており、３００ｋＨｚ程度の高周波数の信号を電気回路的に合成すること、高出力で歪み無く駆動することは困難であった。

通常、超音波は、測定値が気温により影響を受けるだけでなく、ビームサイズが広がりを持つ傾向がある。これにより、測定ターゲットの面積を大きくせざるを得なく、表面形状、アラサ等により影響される。そこで、超音波は周波数の高さに比例して直進性が増し、ビームサイズを小さくできることを利用することが望ましい。

また、周波数が同じで振動子の寸法が異なった場合、振動子寸法が大きい場合は指向性が鋭くなり、近距離ではビーム幅が大きいが、遠距離で超音波ビームはあまり広がらない。一方、振動子寸法が小さいと指向性が鈍くなり、近距離でビーム幅が小さくなる。

図１１は、超音波変位計測装置のビームサイズと送信周波数及び距離の関係を示し、一点鎖線が４０ｋＨｚ、破線が１００ｋＨｚ、実線が３００ｋＨｚである。一方、図１２は、超音波変位計測装置のエネルギ密度と送信周波数及び距離の関係を示し、出力強度に関連するエネルギ密度は、図に示されるように送信周波数が高いほど減衰する。図１１と同様に一点鎖線が４０ｋＨｚ、破線が１００ｋＨｚ、実線が３００ｋＨｚである。

図１３は、送信周波数を４０ｋＨｚ、３００ｋＨｚとした場合のビームサイズの実測値を示し、図においては、３００ｋＨｚにすれば測定面積に対応した２０ｍｍとすることができる。なお、送信周波数を２００〜４００ｋＨｚとすれば、ビームサイズを１５〜２５ｍｍとすることができる。従来の超音波変位センサのように送信周波数を４０ｋＨｚ、ビームサイズ６０〜８０ｍｍ程度では分解能として１ｍｍ程度であり、送信周波数を２００〜４００ｋＨｚとすれば動作距離５００ｍｍで分解能を０．１ｍｍ程度まで向上させることができる。

図１４は、図９に示した従来の超音波による位置測定における送信機２０から４０ｋＨｚ程度で超音波バーストを送信した場合の実際の受信波形を記録したものを示し、横軸が時間、縦軸が強度である。図９で図示したように受信波形の包絡線は送信波形に対して強度が低下したり、減衰したりして変形している。この波形から単純に閾値を超える時刻から受信時刻を得る方法では正確に伝搬時間を決定することが困難である。

図１５は、一方が連続波、他方が超音波パルスバースト波として送信し、動作距離だけ離れた一点で空間合成した結果である。図１４と比べて、縮尺を考慮すれば包絡線の形状は、ほぼ同様であるが、３００ｋＨｚ程度と高周波数で超音波素子を駆動している。それにも関わらず、低周波数の４０ｋＨｚで電気的に合成し、超音波素子を駆動したものと同様のうなり信号が得られている。このうなり信号の位相を検出すれば受信時刻をより正確に決定できる。また、受信機での合成波形の生成が容易となり、コストを抑制することができる。さらに、高周波数で小型のターゲットの位置測定を高精度で行う場合においても、歪みが低減され、より高精度化を省エネルギで達成することができる。

測定値のばらつきを小さくするためには、図１、２のような場合でも測定回数を繰り返し、測定のエラー、平均値の算出、あるいは測定値の中央値を算出して突出した値を除外することで信頼度を向上できる。また、３ヶ以上の送信機を用いればより信頼度を向上できる。

図１６は、３ヶ以上の送信機を用いた場合の送信機と受信機のレイアウトを示した図である。受信機１で超音波ビームが重なり、空間合成されれば良いので、受信機１から動作距離だけ離れた垂直平面上に複数、図では４ヶの送信機２、３、４１、４２を受信機１に対して立体的に配置している。つまり、受信機１を頂点として送信機２、３、４１、４２は円錐をなすように配置される。

送信機３は、周波数ｆ１の連続波で超音波を送信し、送信機２、４１、４２は、それぞれ周波数ｆ２、ｆ３、ｆ４の超音波パルスバースト波として、互いに異なる周波数で超音波を送信する。送信機２、４１、４２からの超音波ビームは円錐の母線に沿って受信機１へ送信され、送信機３からの超音波ビームは円錐の高さ方向から受信機１へ送信される。

超音波ビームは幅を持っているので、送信機２、４１、４２からの超音波ビームと、送信機３からの連続波と、が重なる範囲がうなり信号を合成できる範囲で測定可能な範囲である測定可能エリアとなる。この円錐の頂角を小さくするように送信機２、４１、４２を配置すれば重なる範囲が円錐の高さ方向、つまり測定軸方向に広がり、測定範囲が大きくなる。

送信機２、４１、４２で同時に超音波ビームを送信した場合は、受信機１で受信された信号をフーリエ変換処理することにより、それぞれの送信機の周波数ごとの信号を得ることができるので、それぞれの送信機ごとの超音波ビームの到着時間を求め、送信機ごとの距離も求めることができる。

実際の測定では、送信機２、４１、４２で同時に超音波ビームを送信する必要は無く、始めに送信機３と送信機２を用いて、受信機１でうなり信号を合成する。合成されたうなり信号により、受信機１と送信機２までの距離を測定する。次に、送信機３と送信機４１により２回目の測定、送信機３と送信機４２により３回目と順次繰り返す。これにより、送信機２、４１、４２から受信機１までの距離を求める。さらに、送信機２、４１、４２により３ヶの距離を測定することで、空間上の一点の位置として送信機３の位置、あるいは円錐の底辺である受信機１から垂直平面まで距離を正確に求めることが可能になる．

また、測定回数を繰り返すことで、平均値の算出、あるいは測定値の中央値を算出して突出した値を除外することなどで信頼度を向上できる。また、測定範囲内に基準ゲージを置いて測定し、校正値とする。送信機２、４１、４２は、３ヶ以上としても良く、同様に順次、送信機３と組み合わせて測定すれば良い。

１、２１ 受信機
２、３、２０、４１、４２ 送信機
２ 第２送信機、３ 第１送信機
４、４−１、４−２ ＣＰＵ
５、５−１、５−２ スイッチ回路
６、６−１、６−２ 超音波素子（送信側）
７ 超音波素子（受信側）
８ フィルタ
９ 解析装置
１０、１１ 外部スイッチ
２２ 送信波形
２３ 受信波形
２４ 包絡線
３０ 周波数ｆ１
３１ 周波数ｆ２
３２ うなり信号
３３ 超音波送信機
３４ メモリ
３５ 駆動回路
３６ 超音波素子
３７ 超音波バースト
５０、５１、５２ 超音波ビーム

Claims (7)

1. 送信機から受信機へ超音波ビームを送信して、送信から受信までの伝搬時間を求めることより前記送信機と前記受信機間における距離を測定する超音波変位計測装置において、
   第１周波数で連続波として超音波を送信する第１送信機と、
   前記第１周波数とは異なる第２周波数で所定時間だけ連続する超音波バースト波を送信する第２送信機と、
   前記第１送信機及び第２送信機から送信される前記超音波ビームが重なる位置に配置された前記受信機と、
   前記受信機で得られた信号の位相から受信時刻基準点を求め、前記第２送信機で送信を開始した時刻と前記受信時刻基準点とに基づいて前記第１送信機あるいは前記第２送信機と前記受信機間における距離を求める解析装置と、
   を備えたことを特徴とする超音波変位計測装置。
2. 前記第１送信機及び第２送信機は、超音波素子をオンオフ信号で駆動するスイッチ回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の超音波変位計測装置。
3. 前記第２送信機は、複数配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波変位計測装置。
4. 前記第１送信機及び前記第２送信機は、前記受信機から所定距離だけ隔てた垂直平面上に配置されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波変位計測装置。
5. 前記解析装置は、前記第２送信機で送信を開始した時刻を決定するトリガ信号によって前記受信機で得られた信号をサンプリングすることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波変位計測装置。
6. 前記第１送信機による超音波ビームサイズは前記第２送信機による超音波ビームサイズよりも大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波変位計測装置。
7. 送信機から受信機へ超音波ビームを送信して、送信から受信までの伝搬時間を求めることより前記送信機と前記受信機間における距離を測定する超音波変位計測方法であって、
   第１送信機で第１周波数の連続波となる超音波を送信し、第２送信機で前記第１周波数とは異なる第２周波数で所定時間だけ連続する超音波バースト波を送信し、前記第１送信機及び第２送信機から送信される前記超音波ビームが重なる位置に配置された前記受信機で得られた信号の位相から受信時刻基準点を求め、前記第２送信機で送信を開始した時刻と前記受信時刻基準点とに基づいて前記第１送信機あるいは前記第２送信機と前記受信機間における距離を求めることを特徴とする超音波変位計測方法。