JP7040766B2 - 超音波距離測定装置及び超音波距離測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波距離測定装置及び超音波距離測定方法に関する。

特許文献１には、超音波センサから対象物へ向け超音波を送信し、対象物によって反射された超音波を再び超音波センサで受信し、受信した信号から遅延時間または位相を計測し、遅延時間または位相の計測値に移動平均処理または加重移動平均処理を施し、その結果に基づいて超音波センサと対象物との距離を求める超音波距離計が開示されている。

特開２００５－２９１８５７号公報

特許文献１に記載の発明のように、受信信号に移動平均処理または加重移動平均処理を施した結果に基づいて距離を求める場合には、一般的には、±０．１ｍｍ程度の精度で距離が測定可能であるといわれている。しかしながら、例えば、半導体基板の表面を撮像して検査を行う場合には、±０．１ｍｍ程度の精度では十分ではなく、更に高い精度で距離を測定することが求められる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高い精度で距離を測定することができる超音波距離測定装置及び超音波距離測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る超音波距離測定装置は、例えば、超音波を対象物へ向けて送信し、かつ、前記対象物で反射された超音波を受信するセンサと、前記センサで受信した超音波の受信波形と、テンプレートとの相関に基づいて、前記センサと前記対象物との距離を測定する信号処理部と、を備え、前記センサは、周期が一定であり、サイクル数が１０～１５サイクル程度の第１サイクル数である矩形波の後、周波数が０となる送信信号を用いて超音波を送信し、前記信号処理部は、所定条件下における前記受信波形である基本波形を立ち上がりから前記第１サイクル数より少ない第２サイクル数分だけ抜き出した第１波形、又は前記第１波形の振幅を所定倍した第２波形を前記テンプレートとして保持するテンプレート保持部を有することを特徴とする。

本発明に係る超音波距離測定装置によれば、周期が一定であり、サイクル数が１０～１５サイクル程度の第１サイクル数である矩形波の後、周波数が０となる送信信号に基づいて超音波を送信し、対象物で反射した超音波を受信する。そして、センサで受信した超音波の受信波形と、基本波形（所定条件下における受信波形）を立ち上がりから第２サイクル数（第２サイクル数＜第１サイクル数）分だけ抜き出した第１波形、又は第１波形の振幅を所定倍にした第２波形であるテンプレートとの相関に基づいて、センサと対象物との距離を測定する。このように、所定条件下における受信波形の一部を予めテンプレートとして保持し、測定対象物で反射して得られた実際の受信波形とテンプレートとを比較することで、高い精度で距離を測定することができる。また、サイクル数が１０～１５サイクル程度の第１サイクル数である矩形波の後、周波数が０とすることで、センサの共振を止め、超音波の送信及び受信を同一のセンサで行いつつ、短い距離（例えば、４０ｍｍ）だけ離れた対象物までに距離を測定することができる。

ここで、前記信号処理部は、前記受信波形と前記テンプレートとを差分し、当該差分の絶対値を加算して相関値を求め、前記相関値が一番小さいときに前記受信波形と前記テンプレートが一致したとして前記受信波形の立ち上がりの時刻を求め、当該時刻に基づいて前記センサと前記対象物との距離を測定してもよい。これにより、受信波形の立ち上がりのタイミングを正確に知ることでき、高い精度で距離を測定することができる。

ここで、前記信号処理部は、前記テンプレートの振幅を調整するテンプレート調整部を有してもよい。これにより、対象物Ｏまでの距離等の条件により受信波形の振幅が変化したとしても、受信波形とテンプレートとの相関を正しく得ることができる。

ここで、前記テンプレート調整部は、前記テンプレートのピーク値と、前記受信波形のピーク値とが一致するように前記テンプレートの振幅を調整してもよい。これにより、受信波形のピーク値、すなわち振幅が変化したとしても、受信波形とテンプレートとの相関を正しく得ることができる。

ここで、前記センサは、前記第１波形の周波数の略２０倍の周波数でサンプリングを行ってもよい。これにより、高い精度（例えばセンサで送受信する超音波の周波数が３００ｋＨｚであり、サンプリング周波数が６ＭＨｚであるすると、超音波の波長の１／２０の半分（片道分）である３０μｍの分解能）で距離を測定することができる。

ここで、前記センサから所定の距離だけ離れて設けられた波長測定用対象物を備え、前記信号処理部は、前記センサから超音波が送信されてから、当該送信された超音波が前記波長測定用対象物で反射されて前記センサで受信されるまでの時間と、前記所定の距離とに基づいて前記センサから送信された超音波の波長を求め、当該求められた波長に基づいて、前記センサと前記対象物との距離を求めてもよい。超音波の波長は温度が変化すると微小に変化するが、センサから送信された超音波の波長を求め、求められた波長に基づいて距離を求めることで、温度変化によらず高い精度で距離を測定することができる。

ここで、前記信号処理部は、前記受信波形において、前記受信波形と前記テンプレートとの相関が最も高い時点の近傍における、前記受信波形と中心線とが一致する点において前記受信波形と前記テンプレートが一致したとして前記センサと前記対象物との距離を測定してもよい。これにより、より高い精度で距離を測定することができる。

ここで、反射板を更に備え、前記センサは、前記対象物に向けて斜めに超音波を送信し、前記反射板は、前記センサから前記反射板との間の超音波の経路と前記反射板から前記センサとの間の超音波の経路とが一致するように、前記センサから送信されて前記対象物で反射された超音波を反射し、前記信号処理部は、前記センサと前記反射板との距離と、前記センサから前記対象物へ送信される超音波の入射角とに基づいて前記センサと前記対象物との距離を求めてもよい。これにより、センサと対象物との距離の測定精度をより高くすることができる。

ここで、筐体を更に備え、前記センサは、枠体を有し、前記枠体には、金属製の重りが設けられ、前記枠体と前記筐体との間には、弾性部材が設けられ、前記弾性部材が前記枠体を挟持してもよい。これにより、センサの振動を収まりやすくし、送信の後すぐに受信を行うことができる。

上記課題を解決するために、本発明に係る超音波距離測定方法は、例えば、周期が一定であり、サイクル数が１０～１５サイクル程度の第１サイクル数である矩形波の後、周波数が０となる送信信号を用いてセンサから超音波を送信し、対象物で反射された超音波を前記センサで受信し、前記センサで受信された超音波の受信波形と、予め保持されたテンプレートと、の相関に基づいて距離を求める超音波距離測定方法であって、所定条件下において、前記送信信号を用いて前記センサから超音波を送信し、前記対象物で反射された超音波を前記センサで受信し、前記センサで受信された超音波の受信波形のうちの反射波形の立ち上がりから前記第１サイクル数より少ない第２サイクル数分だけ抜き出した第１波形、又は前記第１波形の振幅を所定倍した第２波形を前記テンプレートとすることを特徴とする。これにより、高い精度で距離を測定することができる。また、超音波の送信及び受信を同一のセンサで行いつつ、短い距離（例えば、４０ｍｍ）だけ離れた対象物までに距離を測定することができる。

本発明によれば、高い精度で距離を測定することができる。

第１の実施の形態に係る超音波距離測定装置１の概略構成を示すブロック図である。 超音波センサ１０の回路構成の一例を示す図である。 超音波距離測定装置１における受信信号の処理を模式的に示す図である。 基本波形の一例である。 サイクル数が９であるテンプレートＴａの一例である。 サイクル数が４である場合のテンプレートＴｂの一例である。 対象物Ｏまでの距離が１２５ｍｍのときの受信波形と、サイクル数が９であるテンプレートＴａに基づいたテンプレートＴ１ａとを差分し、差分の絶対値を加算した結果である相関値の一例を示す図である。 図７に示す結果の、図７丸印近傍の横軸を拡大した図である。 対象物Ｏまでの距離が１２５ｍｍのときの受信波形と、サイクル数が４であるテンプレートＴｂに基づいたテンプレートＴ１ｂとを差分し、差分の絶対値を加算した結果である相関値の一例を示す図である。 図９に示す結果の、図９丸印近傍の横軸を拡大した図である。 受信波形とテンプレートＴｂに基づいたテンプレートＴ１ｂとの関係を示す図であり、受信波形の立ち上がり部分を拡大表示している。 テンプレート調整入力部２２ｂから入力される倍率を変化させたときにおける、受信波形とテンプレートＴ１の相関値の一例を示す図であり、（Ａ）はテンプレート調整入力部２２ｂから入力される倍率が１より小さい場合の相関値の一例であり、（Ｂ）はテンプレート調整入力部２２ｂから入力される倍率が１の場合の相関値の一例であり、（Ｃ）はテンプレート調整入力部２２ｂから入力される倍率が１より大きい場合の相関値の一例である。 本発明にかかる超音波距離測定装置１を適用したオートフォーカス装置５の一例を示す図である 距離ｈの変化と距離Ｌの変化との関係を模式的に示す図であり、（Ａ）はθが４５度の場合を示し、（Ｂ）はθが０度の場合を示す。 超音波センサ１０の取付構造の一例を模式的に示す図である 第２の実施の形態に係る超音波距離測定装置２の概略構成を示すブロック図である。 受信波形の立ち上がり部分を横方向に拡大して表示した図である。 図１７に示す受信波形のクロスポイントβ’の近傍を拡大した図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明は、超音波を用いて対象物との距離を測定するものである。超音波とは、人間の耳には聞こえない高い周波数、一般的には２０ｋＨｚを超える周波数をもつ可聴域以上の弾性振動波（音波）であるが、２０ｋＨｚ以下の人間に聞こえる音波でも人間の耳で聞くことを目的にしない音も超音波に含まれる。

＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施の形態に係る超音波距離測定装置１の概略構成を示すブロック図である。超音波距離測定装置１は、主として、超音波センサ１０と、超音波センサ駆動部１５と、信号処理部２０と、出力部３０と、を有する。

超音波センサ１０は、電源に電気的に接続されており、電気信号が与えられることにより振動して、超音波を発生する。超音波センサ１０は、センサ（トランスデューサ）１０３（図２参照）を含み、送信信号（後に詳述）に基づいて超音波を対象物Ｏへ向けて送信し、かつ、対象物Ｏで反射された超音波を受信する。本実施の形態では、３００ｋＨｚの周波数を有する超音波を用いる。この周波数の超音波は、指向性が高い点に特徴がある。ただし、超音波距離測定装置１が用いる超音波の周波数はこれに限られない。

超音波センサ１０から発信された超音波は、対象物Ｏで反射されて超音波センサ１０へと到達する（図１二点鎖線参照）。つまり、超音波は、超音波センサ１０と対象物Ｏとの間を往復する（ダブルパス）。超音波センサ１０は、センサ１０３で受信された超音波を電気信号へと変換する。

超音波センサ駆動部１５は、主として、高周波駆動回路１６と、高周波生成ロジック部１７と、を有する。高周波駆動回路１６は、Ｄ／Ａコンバータ１０１ａ（図２参照）を含む。高周波生成ロジック部１７は、周波数が３００ｋＨｚの矩形波でＤ／Ａコンバータを１０～１５サイクル程度振動させてから、ＤＣ（周波数が０）の信号を加えるように、高周波駆動回路１６を駆動する。また、超音波センサ駆動部１５は、スイッチ１８を有し、超音波センサ１０を超音波センサ駆動部１５に接続するか（駆動）、信号処理部２０に接続するか（受信）の切り替えを行う。

図２は、超音波センサ１０及び超音波センサ駆動部１５の回路構成の一例を示す図である。超音波センサ１０は、多数のセンサ１０３（１０３ａ～１０３ｈ）を有する多チャンネルのセンサである。超音波センサ駆動部１５は、主として、高周波駆動回路１０１と、半導体リレー１０２、１０５と、受信回路１０４と、を有する。ここでは、半導体リレー１０２、１０５にフォトＭＯＳリレーを用いる。

高周波駆動回路１０１は、Ｄ／Ａコンバータ１０１ａと、トランス１０１ｂと、アンプ１０１ｃと、を含み、送信信号を生成する。高周波駆動回路１０１は、周波数が３００ｋＨｚの矩形波でＤ／Ａコンバータ１０１ａを１０～１５サイクル程度振動させてから、ＤＣ（周波数が０）の信号を加えて振動を止める。つまり、送信信号は、周期が一定であり、サイクル数が１０～１５サイクル程度の第１サイクル数（例えば本実施の形態では、第１サイクル数を１５サイクルとする）である矩形波の後、周波数が０となる信号である。

アンプ１０１ｃのｄｉｓａｂｌｅ端子をｅｎａｂｌｅ側にすると、Ｄ／Ａコンバータ１０１ａからの送信信号は、トランス１０１ｂを介して半導体リレー１０２に入力される。半導体リレー１０２は、多数のセンサ１０３を、順次駆動、受信するように切り替える。図２では、センサ１０３は８チャンネルであり、８個のセンサ１０３ａ～１０３ｈを有するが、センサ１０３の数（チャンネル数）はこれに限られない。

半導体リレー１０２は、略１ｍｓｅｃ毎に順次センサ１０３を駆動、受信する。例えば、２０チャンネルのセンサを略１ｍｓｅｃ毎に順次駆動、受信すると、略２０ｍｓｅｃ毎にセンサの各チャンネルで距離計測が行われる。

センサ１０３が駆動されると、送信信号に基づいた超音波がセンサ１０３から送信される。本実施の形態では送信信号に矩形波が１５サイクル含まれるため、センサ１０３からは、３００ｋＨｚの周波数を有する超音波が１５サイクル出力される。送信信号は矩形波であるが、センサ１０３から出力される超音波は一瞬で大きくならず、矩形波とはならない。実際にセンサ１０３から出力される超音波の波形は、正弦波のような形状であり、最初は０に近い小さな振幅であり、時間経過と共に徐々に振幅が大きくなる。

３００ｋＨｚの周波数を有する矩形波を１５サイクル（１５クロック分）出力した後で、周波数が０の信号を一定時間（例えば１０クロック分）出力することで、振動するセンサ１０３の揺れを停止させる。したがって、センサ１０３から超音波を送信した後すぐにセンサ１０３で超音波を受信することが可能である。

周波数が０の信号を出力したら、アンプ１０１ｃをｄｉｓａｂｌｅとし、また半導体リレー１０５の光電素子に電流を流して半導体リレー１０５をＯＮして、センサ１０３を発信側から受信側に切り替える（スイッチ１８（図１参照）の切り替えに相当）。

半導体リレー１０５によりセンサ１０３が受信側に切り替えられると、センサ１０３で受信された超音波は受信回路１０４に出力され、受信回路１０４で電気信号が生成される。

受信回路１０４は、所定範囲の周波数（ここでは３００ｋＨｚを含む）のみを通過させるバンドパスフィルタ１０４ａを有する。バンドパスフィルタ１０４ａを通過した信号は、Ａ／Ｄコンバータ１０４ｂを通過して、受信信号として信号処理部２０（図１参照）に出力される。

センサ１０３の駆動中は、半導体リレー１０５をＯＦＦして受信回路１０４に大きな送信信号が入らないようにする。また、バンドパスフィルタ１０４ａの前後には、リミッタ１０４ｃが設けられている。これは、半導体リレー１０５をＯＮするときにはセンサ１０３が３００ｋＨｚで共振しており、これによる大きな信号がアンプやＡ／Ｄコンバータ１０４ｂに入らないようにするためである。リミッタ１０４ｃには、順方向電圧が０．３Ｖ程度と小さいショットキーバリアダイオードを用いる。

図１の説明に戻る。信号処理部２０には、超音波センサ１０から出力された受信信号が入力される。信号処理部２０は、主として、テンプレート保持部２１と、テンプレート調整部２２と、相関算出部２３と、距離算出部２４と、温度補正部２５と、を有する。

テンプレート保持部２１は、テンプレートを保持する。テンプレート調整部２２は、テンプレート保持部２１が保持するテンプレートの振幅を調整する。相関算出部２３は、受信信号と、テンプレート保持部２１が保持するテンプレート又はテンプレート調整部２２により振幅が調整されたテンプレートと、の相関を求める。

図３は、超音波距離測定装置１における受信信号の処理を模式的に示す図である。センサ１０３で受信した超音波は、受信回路１０４で受信信号に変換されて相関算出部２３に入力される。受信回路１０４では、６ＭＨｚのクロック信号を出力し、連続的に受信信号を生成する。６ＭＨｚは、センサ１０３で受信される超音波の周波数３００ｋＨｚの２０倍である。つまり、受信回路１０４では、受信する超音波の１周期の間に２０回受信信号を取得する（２０倍オーバーサンプリング）。受信回路１０４では、連続的に得られた複数の受信信号をつなげて受信波形が生成される。

受信回路１０４で生成された受信波形は、相関算出部２３のシフトレジスタ２３１に入力される。これにより、相関算出部２３は、一定期間の超音波受信による受信波形を取得する。なお、図３では、シフトレジスタ２３１は８０個のＤフリップフロップ２３１－１、２３１－２、２３１－３・・・２３１－８０を有する。８０個は、２０倍オーバーサンプリング（後に詳述）×４サイクル分を意味し、テンプレート保持部２１（後に詳述）に記録されたテンプレートＴの数と一致する。またＡ／Ｄコンバータ１０４ｂが１６ｂｉｔの分解能でアナログ信号をデジタル化する場合には、Ｄフリップフロップ２３１－１～２３１－８０はそれぞれ１６個のＤフリップフロップを含む。

１つのＤフリップフロップ２３１－１～２３１－８０には１クロック分の超音波受信結果（受信レベル）が保持されている。ここで受信レベルとは、１クロック分の受信信号をＡ／Ｄ変換した値である。受信回路１０４のＡ／Ｄコンバータ１０４ｂからシフトレジスタ２３１へ次の受信レベルが入力されると、シフトレジスタ２３１に保持されている受信レベルが右側に順送りされ（例えば、Ｄフリップフロップ２３１－１に保持されている受信レベルはＤフリップフロップ２３１－２に送られ）、受信回路１０４から入力された新しい受信レベルがシフトレジスタ２３１に保持される。このように、シフトレジスタ２３１は、テンプレートＴと同じ長さの受信レベルを保持する。

テンプレート保持部２１にはテンプレートＴが保持されている。テンプレートＴは、８０クロック分のテンプレートレベル情報からなる。テンプレートレベル情報とは、標準的な受信波形（基本波形）の立ち上がり部８０クロック分をＡ／Ｄ変換したときの各クロックの値である。テンプレートレベル情報は、テンプレート保持部２１から相関算出部２３に読み出され、シフトレジスタ２３２に保持される。シフトレジスタ２３２は、シフトレジスタ２３１と同様、８０個のＤフリップフロップ２３２－１～２３２－８０を有し、シフトレジスタ２３２には、８０クロック分のテンプレートレベル情報が保持される。なお、Ｄフリップフロップ２３１－１～２３１－８０がそれぞれ１６個のＤフリップフロップを含む場合には、Ｄフリップフロップ２３２－１～２３２－８０もそれぞれ１６個のＤフリップフロップを含む。

ここで、テンプレートＴについて説明する。テンプレートは、所定条件下における受信波形である基本波形を、立ち上がりから数サイクル（ただし、送信される超音波のサイクル数以下）分だけ抜き出したものである。基本波形は、送信直後のセンサ残響が入った波形（例えば、対象物Ｏまでの距離が４０ｍｍ程度の場合の波形）や、値が小さくＳ／Ｎ比が低い波形（例えば、対象物Ｏまでの距離が１２０ｍｍ程度の場合の波形）でなく、図４に示すようなきれいな波形である。

図４は、基本波形の一例である。ここでは、所定条件を対象物Ｏまでの距離が７５ｍｍであるとして基本波形を取得している。図４の横軸はクロック数（すなわち、時間）である。基本波形は、ピーク値が高い領域Ａと、その後のピーク値が低い領域Ｂとに分けられる。領域Ａは、主に、１５サイクルの矩形波により送信された超音波を受信する期間である。領域Ａの共振周波数は３００ｋＨｚ（送信した超音波の周波数と同じ）であり、領域Ａにおける基本波形の周期は送信信号の矩形波の周期と略同じである。また、領域Ａにおいて、立ち上がりから９サイクル程度で振幅がピークに達する。それに対し、領域Ｂの共振周波数は、センサ１０３に依存し、３００ｋＨｚとはわずかに異なる。つまり、領域Ｂにおける基本波形の周期は送信信号の矩形波の周期とわずかに異なる。

受信波形は、対象物Ｏまでの距離、センサ１０３のばらつき、センサ１０３からのケーブル長などの条件によって変化する。しかしながら、受信波形は、基本波形に対して振幅のみ（高さ方向の幅）が全体的に変化し、対象物Ｏまでの距離変化等による条件変化により波形の特徴は変化しない。例えば、対象物Ｏまでの距離が７５ｍｍより遠くなると、受信波形は、図４に示す基本波形の位置よりも後ろ側にずれ、かつ図４に示す基本波形よりも振幅が全体的に小さくなる。ただし、領域Ａ、Ｂを有すること、領域Ａは３００ｋＨｚの共振周波数を有するが領域Ｂは３００ｋＨｚの共振周波数を有しない（条件によってばらつきが生じる）こと、領域Ａは立ち上がりから９サイクル程度で振幅がピークに達すること、は変化しない。

したがって、本発明では、基本波形の立ち上がり部分（領域Ａの一部）を予めテンプレートとして保持し、実際の受信波形とテンプレートとを比較することで、実際の受信波形の立ち上がり部分、つまり対象物Ｏまでの距離を正確に求めている。

図５、６に、図４に示す受信波形の立ち上がり部分を抜き出したテンプレートＴの例を示す。図５は、サイクル数が９であるテンプレートＴａの一例であり、図６は、サイクル数が４である場合のテンプレートＴｂの一例である。９サイクルは、受信波形が立ち上がりきってピーク値に達するまでのサイクル数であり、４サイクルは、受信波形が立ち上がりきってピーク値に達するまでのサイクル数の約半分のサイクル数である。ただし、予め取得しておいた受信波形の立ち上がりからテンプレートとして抜き出すサイクル数は、送信信号に含まれるサイクル数（ここでは１５サイクル）より少ない数であればよく、４サイクルや９サイクルに限定されない。

なお、テンプレート保持部２１が保持するテンプレートＴは１つであり、テンプレートＴａでもよいしテンプレートＴｂでもよいが、テンプレートＴａ、Ｔｂの両方は保持しない。

図３の説明に戻る。テンプレート調整部２２は、テンプレートＴの振幅を所定倍するものであり、主として、ピークホールド回路２２ａと、ユーザがテンプレートＴの倍率調整に用いるテンプレート調整入力部２２ｂと、を有する。

ピークホールド回路２２ａは、最後のＤフリップフロップ２３１－８０に保持された受信波形のピーク値を保持する。テンプレート調整入力部２２ｂは、“０”から“９”の１０段階で倍率の変更が可能であり、テンプレート調整入力部２２ｂが“５”（“５”は例示である）に設定されたときに倍率が１倍となるように構成されている。

テンプレート調整部２２は、テンプレート調整入力部２２ｂから倍率変更の入力がされなかった（ここでは、テンプレート調整入力部２２ｂが“５”に設定されている）場合には、ピークホールド回路２２ａが保持するピーク値を相関算出部２３に出力する。すなわち、テンプレート調整部２２は、テンプレートＴを得た時のピーク値と、受信信号のピーク値とが一致するようにテンプレートＴの振幅（テンプレートレベル情報の値）を調整する。

また、テンプレート調整部２２は、テンプレート調整入力部２２ｂから倍率変更の入力がされた場合には、ピークホールド回路２２ａが保持するピーク値に、テンプレート調整入力部２２ｂで入力された倍率を掛け合わせて相関算出部２３に出力する。

相関算出部２３では、受信波形とテンプレートＴ（または、テンプレートＴ１）との相関を求める。ここでは、シフトレジスタ２３１の各Ｄフリップフロップ２３１－１～２３１－８０に保持された受信レベルと、シフトレジスタ２３２の各Ｄフリップフロップ２３２－１～２３２－８０に保持されたテンプレートレベル情報にテンプレート調整部２２から入力された倍率を掛け合わせたテンプレートＴ１のレベル情報との相関をそれぞれ求める。テンプレートＴ１は、テンプレートＴの振幅を所定倍したものであり、所定倍が１の場合にはテンプレートＴとテンプレートＴ１とは一致する。

本実施の形態では、受信波形とテンプレートＴ１とを差分し、当該差分の絶対値を加算した結果である相関値を求め、相関値が最も小さい時点で受信波形とテンプレートＴ１とが一致したとする。ただし、受信波形とテンプレートＴ１との差分の絶対値を加算する代わりに、受信波形とテンプレートＴ１との差分を二乗した値を用いて相関値を求めてもよい。

図７は、対象物Ｏまでの距離が１２５ｍｍのときの受信波形と、サイクル数が９であるテンプレートＴａに基づいたテンプレートＴ１ａとを差分し、差分の絶対値を加算した結果である相関値の一例を示す図である。図７の横軸は時間、縦軸は相関値である。相関値が最も小さい位置（図７丸印参照）で受信波形とテンプレートＴ１ａとが一致し、又は最も一致に近いことが分かる。

図８は、図７に示す結果の、図７丸印近傍の横軸を拡大した図である。図８の点は、受信回路１０４で２０倍オーバーサンプリングされたタイミングを示す。相関値が小さい点（図８丸印参照）が３つ並んでおり、このうちの中央の点αにおいて相関値が最も小さい。これにより、点αのタイミングで、受信波形とテンプレートＴ１ａとが一致したことが分かる。

図９は、対象物Ｏまでの距離が１２５ｍｍのときの受信波形と、サイクル数が４であるテンプレートＴｂに基づいたテンプレートＴ１ｂとを差分し、差分の絶対値を加算した結果である相関値の一例を示す図である。図９の横軸は時間、縦軸は相関値である。相関値が最も小さい位置（図９丸印参照）で受信波形とテンプレートＴ１ｂとが一致し、又は最も一致に近いことが分かる。

図１０は、図９に示す結果の、図９丸印近傍の横軸を拡大した図である。図１０の点は、受信回路１０４で２０倍オーバーサンプリングされたタイミングを示す。点βのタイミングで相関値が最も小さく、受信波形とテンプレートＴ１ｂとが一致したことが分かる。

このように、相関算出部２３は、受信信号とテンプレートＴ１とが最も一致するのがいつであるかを算出する。図９に示す例では、点αのタイミングで受信波形の９サイクル目が終ったことを示し、図１０に示す例では、点βのタイミングで受信波形の４サイクル目が終ったことを示す。

図１の説明に戻る。距離算出部２４は、相関算出部２３で算出された結果に基づいて、超音波センサ１０と対象物Ｏとの距離を算出する。図１１は、受信波形と、テンプレートＴｂに基づいたテンプレートＴ１ｂとの関係を示す図であり、受信波形の立ち上がり部分を拡大表示している。

点βのタイミングで受信波形とテンプレートＴ１ｂの最後（４サイクル目）が一致する。点βにテンプレートＴ１ｂの最後が位置するように受信波形とテンプレートＴ１ｂとを重ね、テンプレートＴ１ｂの輪郭線（図１点線参照）が交差する点γを受信波形の立ち上がりとすることで、受信波形の立ち上がりのタイミングが正確に分かる。距離算出部２４は、このようにして求めた受信波形の立ち上がり（点γ）のときに超音波の受信を開始したとして、数式（１）で示すように、立ち上がりの時間をオーバーサンプリング数（ここでは２０）で除算し、送信した超音波（ここでは３００ｋＨｚ）の波長の半分（ダブルパスであるため）である０．５７ｍｍ（＝１．１３ｍｍ／２）を積算することで、超音波センサ１０と対象物Ｏとの距離を算出する。

［数１］
往復距離＝点γのタイミング／２０×０．５７ｍｍ ・・・（１）

ただし、超音波センサ１０と対象物Ｏとの距離等の測定条件のばらつきにより、受信波形とテンプレートＴ１とがうまく一致しない場合がある。受信波形とテンプレートＴ１とがうまく一致しない理由としては、例えば、センサ１０３の共振周波数が３００ｋＨｚから大きくずれていること、センサ１０３までのケーブル長が長く直列抵抗が大きいこと、対象物Ｏまでの距離が４０ｍｍに近く励振時の振動が反射波と干渉していることがある。このような場合には、図３に示すテンプレート調整入力部２２ｂを介して倍率の入力を行って、テンプレートＴ１のチューニングを行う。

図１２は、テンプレート調整入力部２２ｂから入力される倍率を変化させたときにおける、受信波形とテンプレートＴ１の相関値の一例を示す図であり、（Ａ）はテンプレート調整入力部２２ｂから入力される倍率が１より小さい場合（ここでは、テンプレート調整入力部２２ｂの設定が“１”）の相関値の一例であり、（Ｂ）はテンプレート調整入力部２２ｂから入力される倍率が１の場合（ここでは、テンプレート調整入力部２２ｂの設定が“５”）の相関値の一例であり、（Ｃ）はテンプレート調整入力部２２ｂから入力される倍率が１より大きい場合（ここでは、テンプレート調整入力部２２ｂの設定が“９”）の相関値の一例である。

図１２（Ａ）、（Ｃ）に示す場合は、相関値の波形において値の低い点が２つ並んで存在しており、相関値の波形がいわゆる「ダブルボトム」となっている。それに対し、図１２（Ｂ）に示す場合は、相関値の波形において値の低い点が１つだけ存在しており、相関値の波形がいわゆる「シングルボトム」となっている。

このようにテンプレートＴの振幅に掛ける倍率を変化させることで、相関値の波形が変化する。したがって、相関値の波形がいわゆる「ダブルボトム」となっている場合には、テンプレート調整入力部２２ｂを介して入力される倍率を変化させて、相関値の波形をいわゆる「シングルボトム」にする。これにより、相関値が最も小さいとき、すなわち受信波形とテンプレートＴ１とがよく一致し、又は最も一致に近くなるタイミングを求めることができる。

図１の説明に戻る。温度補正部２５は、温度変化による超音波の波長変化を補正する。超音波の波長は、温度が変化すると微小に変化する。高い精度で距離を求めるため、温度補正部２５において、実際に超音波センサ１０で送受信された超音波の波長を求め、距離算出部２４において、温度補正部２５で求めた波長を用いて距離を求める。

例えば、温度補正部２５は、温度を測定する温度計を有し、温度と波長との関係を示す情報に基づいて、温度計で測定した温度における超音波の波長を求めても良い。

また例えば、温度補正部２５は、実際に超音波センサ１０から送信された超音波の波長を算出してもよい。この場合には、複数のセンサ１０３（図２参照）のうちの１つを用いて超音波を送信し、センサ１０３から所定の距離（距離Ｄとする）だけ離れて設けられた波長測定用対象物で反射した超音波を同じセンサ１０３を用いて受信する。相関算出部２３及び距離算出部２４は、センサ１０３から超音波が送信され、波長測定用対象部で反射されてセンサ１０３で受信されるまでの時間ｔを測定し、温度補正部２５は、時間ｔと距離Ｄとに基づいて超音波センサ１０から送信された超音波の波長を求めることができる。相関算出部２３及び距離算出部２４は、温度補正部２５で算出された波長に基づいて対象物Ｏまでの距離を求めることで、より正確に距離の測定が可能となる。

出力部３０は、距離算出部２４で求められた距離を、表示装置等の外部装置に出力する。表示装置は、既に公知の一般的な表示装置であり、出力された距離を表示する。

なお、図１に示す超音波距離測定装置１の構成は、本実施形態の特徴を説明するにあたって主要構成を説明したのであって、例えば一般的な情報処理装置が備える構成を排除するものではない。また、図１に示す機能構成は、超音波距離測定装置１の構成を理解しやすくするために分類したものであり、構成要素の分類の仕方や名称は図１に記載の形態に限定されない。超音波距離測定装置１の構成は、処理内容に応じてさらに多くの構成要素に分類してもよいし、１つの構成要素が複数の構成要素の処理を実行してもよい。

図１３は、本発明にかかる超音波距離測定装置１を含むオートフォーカス装置５の一例を示す図である。オートフォーカス装置５は、超音波距離測定装置の一形態である。

オートフォーカス装置５は、主として、超音波距離測定装置１（超音波センサ１０、信号処理部２０（図１３では図示省略）及び出力部３０（図１３では図示省略））と、反射板５１と、撮像装置５２と、を備える。超音波センサ１０は、対象物Ｏに向けて斜めに超音波を送信し、反射板５１で反射し、かつ対象物Ｏで反射した超音波を受信する。

反射板５１は、超音波センサ１０から反射板５１との間の超音波の経路と、反射板５１から超音波センサ１０との間の超音波の経路とが一致する（図１３の矢印参照）位置に設けられる。

信号処理部２０は、超音波センサ１０と反射板５１との距離と、超音波センサ１０から対象物Ｏへ送信される超音波の入射角θとに基づいて、超音波センサ１０と対象物Ｏとの距離ｈを求める。

出力部３０は、測定された距離ｈを撮像装置５２に出力する。撮像装置５２は距離ｈに基づいて合焦処理を行う。合焦処理は公知であるため説明を省略する。

オートフォーカス装置５では、対象物Ｏに向けて斜めに超音波を送信し、超音波が超音波センサ１０と反射板５１との間を往復する（ダブルパス）ため、超音波センサ１０と反射板５１との距離Ｌが変化したときの距離ｈの変化はＬ／２×ｃｏｓθとなり、距離ｈの変化は距離Ｌの変化に対して大幅に小さい。例えばθが４５度だとすると、距離ＬがΔＬだけ変化したときの距離ｈの変化Δｈは、Δｈ＝ΔＬ／２×１／√２であり、ΔＬはΔｈの略２．８倍（ΔＬ＝２×√２×Δｈ）となる。したがって、距離ｈの測定精度は、距離Ｌの測定精度より高くなる。

図１４は、距離ｈの変化と距離Ｌの変化との関係を模式的に示す図であり、（Ａ）はθが４５度の場合を示し、（Ｂ）はθが０度の場合を示す。表面Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３は、対象物Ｏの表面であり、表面Ｏ１の位置は、超音波センサ１０と対象物Ｏとの距離が距離ｈである場合を示し、表面Ｏ２の位置は、超音波センサ１０と対象物Ｏとの距離が距離ｈ＋Δｈである場合を示し、表面Ｏ３の位置は、超音波センサ１０と対象物Ｏとの距離が距離ｈ＋Δ２ｈである場合を示す。図１４では、超音波の経路を二点鎖線で示す。

図１４（Ａ）では、表面Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３までの距離は、超音波センサ１０と反射板５３との距離から算出する。距離ｈがΔｈだけ変化すると、超音波センサ１０から反射板５３までの距離は、２×√２×Δｈだけ変化する。それに対し、図１４（Ｂ）では、表面Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３までの距離を直接測定するため、超音波センサ１０からの距離ｈがΔｈだけ変化すると、超音波の経路は、２（往復分）×Δｈだけ変化する。したがって、図１４（Ａ）に示す場合は、図１４（Ｂ）に示す場合より√２倍細かく距離を求めることができる。

本実施の形態によれば、所定条件下での実際の受信波形の一部を予めテンプレートＴとして保持し、対象物Ｏで反射した超音波に基づいた受信波形と、テンプレートＴ（テンプレートＴ１）との相関に基づいて距離を求めるため、高い精度で距離を測定することができる。

また、本実施の形態によれば、テンプレートＴの振幅を調整するテンプレート調整部２２を有するため、対象物Ｏまでの距離等の測定条件の変化により受信波形の振幅が変化したとしても、受信波形とテンプレートＴとの相関を正しく得ることができる。したがって、測定条件の変化にかかわらず対象物Ｏまでの距離を精度良く測定することができる。

また、本実施の形態によれば、超音波センサ１０から送受信する超音波の周波数を３００ｋＨｚとし、受信信号のサンプリング周波数を６ＭＨｚとする（３００ｋＨｚの超音波の１周期を２０回サンプリングする）ため、下記の数式（２）で求められるように、３０μｍという高い精度で距離を測定することができる。ここで０．６ｍｍは、３００ｋＨｚの超音波の波長λ＝１．１３ｍｍの半分（ダブルパスであるため）である０．５７ｍｍの近似値である。

［数２］
０．６ｍｍ／２０＝０．０３ｍｍ（＝３０μｍ） ・・・（２）

また、本実施の形態によれば、超音波センサ１０で超音波の送信および受信を行い、超音波が超音波センサ１０と対象物Ｏとの間を往復するダブルパス計測（往復計測）を行うため、超音波の経路における風速の影響を無くし、対象物Ｏまでの距離を精度良く測定することができる。

周波数が３００ｋＨｚの矩形波でＤ／Ａコンバータを１０～１５サイクル程度振動させてからＤＣ（周波数が０）の信号を加えることで、センサ１０３にブレーキをかけてセンサ１０３の揺れを停止させることができる。これにより、センサ１０３から超音波を送信した後、すぐにセンサ１０３で超音波を受信することが可能である。そのため、超音波の送信及び受信を同一のセンサ１０３で行いつつ、短い距離（例えば、４０ｍｍ）の計測を行うことができる。

なお、本実施の形態では、受信される超音波の周波数３００ｋＨｚの２０倍で受信信号を取得するが、受信される超音波の約１０倍以上の周波数で受信信号を取得（オーバーサンプリング）すればよい。ただし、オーバーサンプリング数は整数倍であることが望ましい。

また、本実施の形態では、信号処理部２０がテンプレート調整部２２を備えたが、テンプレート調整部２２は必須ではない。例えば超音波距離測定装置１をオートフォーカス装置５に適用したときには、超音波センサ１０と対象物Ｏとの距離の変化量が微小であり、受信波形のピーク値がほとんど変化しない。したがって、このような場合にはテンプレート調整部２２は不要であり、テンプレート保持部２１は、合焦時の受信波形を用いてテンプレートＴを作成し、これを保持しておけばよい。

また、本実施の形態では、１０～１５サイクル程度の矩形波のあとでＤＣ（周波数が０）の信号を加えることでセンサ１０３の揺れを停止させたが、内部にセンサ１０３を有する超音波センサ１０の取り付けを工夫することで、超音波センサ１０の振動を更に抑えることも可能である。図１５は、超音波センサ１０の取付構造の一例を模式的に示す図である。

超音波センサ１０は、枠体１０ａを有する。筐体１１３と枠体１０ａとの間に弾性部材１１１（例えば、Ｏリング）が設けられ、弾性部材１１１が弾性変形することで筐体１１３の内部に超音波センサ１０が設けられる。言い換えれば、弾性部材１１１により超音波センサ１０が挟持される。弾性部材１１１は、センサ１０３の振動面が設けられた面１０ｂに隣接する側面１０ｃに当接する。

センサ１０３が超音波を送信するときには、空気を振動させるときの反動で、センサ１０３が前後に震え、超音波センサ１０の振動が収まりにくい。超音波センサ１０の振動が収まりやすいように、枠体１０ａに金属製の重りを設ける。ここでは、重りとして、鉛で形成されたシート状の部材である鉛シート１１２を用い、接着剤を塗布した鉛シート１１２を側面１０ｃに巻回する。接着剤としては、弾性を有する接着剤（例えばアクリル変成シリコーン樹脂等の変成シリコーン樹脂系の接着剤）を用いる。これにより、振動エネルギーを効率よく熱に変換することができ、送受信の切り替えが早くなる。したがって、センサ１０３から超音波を送信した後、すぐにセンサ１０３で超音波を受信すること、すなわち短い距離（例えば、４０ｍｍ）の計測が可能となる。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態は、相関値が最も小さいときに受信波形とテンプレートＴ１とが一致し、又は最も一致に近いとして対象物Ｏまでの距離を求めたが、対象物Ｏまでの距離を求める方法はこれに限られない。

本発明の第２の実施の形態は、受信波形と中心線とが一致する点、いわゆるクロスポイントで受信波形とテンプレートＴ１とが一致する、又は最も一致に近くなるとして対象物Ｏまでの距離を求める形態である。以下、第２の実施の形態に係る超音波距離測定装置２について説明する。なお、第１の実施の形態にかかる超音波距離測定装置１と同一の部分については、同一の符号を付し、説明を省略する。

図１６は、第２の実施の形態に係る超音波距離測定装置２の概略構成を示すブロック図である。超音波距離測定装置１は、主として、超音波センサ１０と、信号処理部２０Ａと、出力部３０と、を有する。

信号処理部２０Ａは、主として、テンプレート保持部２１と、テンプレート調整部２２と、相関算出部２３と、距離算出部２４Ａと、温度補正部２５と、を有する。

距離算出部２４Ａは、相関算出部２３で算出された結果に基づいてクロスポイントを求め、クロスポイントに基づいて超音波センサ１０と対象物Ｏとの距離を算出する。図１７は、受信波形の立ち上がり部分を横方向に拡大して表示した図である。

図１７における点βは、図９、１０において相関値が最も小さい点である。点β１は、点βの次のタイミングにおける測定点である。クロスポイントβ’は、点βと点β１との間に位置し、点β（相関値が最も小さい時点）の近傍におけるクロスポイントである。第２の実施の形態では、受信波形と中心線とが一致するクロスポイントβ’で受信波形とテンプレートＴ１の最後とが一致するとする。

図１８は、図１７に示す受信波形のクロスポイントβ’の近傍を拡大した図である。点βとクロスポイントβ’との高さ方向の距離をａとし、点β’と点β１との高さ方向の距離をｂとし、点βとクロスポイントβ’との横方向の距離をａ１とし、点β’と点β１との横方向の距離をｂ１とすると、ａ：ｂ＝ａ１：ｂ１となり、距離ａ１は以下の数式（３）を用いて算出される。ここで３０μｍは、３００ｋＨｚの超音波の波長の半分（ダブルパスであるため）の１／２０（オーバーサンプリング数）であり、６ＭＨｚの超音波の波長の半分に相当する。

［数３］
１／６ＭＨｚ＝３０μｍ×ａ／（ａ＋ｂ） ・・・（３）

距離算出部２４は、クロスポイントβ’のタイミングで受信波形とテンプレートＴ１の最後が一致し、テンプレートＴ１の輪郭線が交差する位置で受信波形が立ち上がるとする。そして、距離算出部２４は、このようにして求めた受信波形が立ち上がる位置で超音波の受信を開始したとして、数式（４）で示すようにして超音波センサ１０と対象物Ｏとの距離を算出する。

［数４］
往復距離＝（点βのタイミング／２０＋距離ａ１）×１．１３ｍｍ ・・・（４）

本実施の形態によれば、クロスポイントに基づいて距離を求めるため、より高い精度で距離を測定することができる。

以上、この発明の実施形態を、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明において、「略」とは、厳密に同一である場合のみでなく、同一性を失わない程度の誤差や変形を含む概念である。例えば、略一致とは、厳密に一致する場合に限られない。また、例えば、単に鉛直、一致等と表現する場合において、厳密に鉛直、一致等の場合のみでなく、略鉛直、略一致等の場合を含むものとする。また、本発明において「近傍」とは、例えばＡの近傍であるときに、Ａの近くであって、Ａを含んでもいても含んでいなくてもよいことを示す概念である。

１、２ ：超音波距離測定装置
５ ：オートフォーカス装置
１０ ：超音波センサ
１０ａ ：枠体
１０ｂ ：面
１０ｃ ：側面
２０、２０Ａ：信号処理部
２１ ：テンプレート保持部
２２ ：テンプレート調整部
２２ａ ：ピークホールド回路
２２ｂ ：テンプレート調整入力部
２３ ：相関算出部
２４、２４Ａ：距離算出部
２５ ：温度補正部
３０ ：出力部
５１ ：反射板
５２ ：撮像装置
１０１ ：高周波駆動回路
１０１ａ ：Ｄ／Ａコンバータ
１０１ｂ ：トランス
１０１ｃ ：アンプ
１０２、１０５：半導体リレー
１０３ ：センサ
１０４ ：受信回路
１０４ａ ：バンドパスフィルタ
１０４ｂ ：Ａ／Ｄコンバータ
１１１ ：弾性部材
１１２ ：鉛シート
１１３ ：筐体
２３１、２３２：シフトレジスタ
２３１－１～２３１－８０、２３２－１～２３２－８０：Ｄフリップフロップ

Claims (10)

1. 超音波を対象物へ向けて送信し、かつ、前記対象物で反射された超音波を受信するセンサと、
   前記センサで受信した超音波の受信波形と、テンプレートとの相関に基づいて、前記センサと前記対象物との距離を測定する信号処理部と、
   を備え、
   前記センサは、周期が一定であり、サイクル数が１０～１５サイクル程度の第１サイクル数である矩形波の後、周波数が０となる送信信号を用いて超音波を送信し、
   前記信号処理部は、所定条件下における前記受信波形である基本波形を立ち上がりから前記第１サイクル数より少ない第２サイクル数分だけ抜き出した第１波形、又は前記第１波形の振幅を所定倍した第２波形を前記テンプレートとして保持するテンプレート保持部を有する
   ことを特徴とする超音波距離測定装置。
2. 前記信号処理部は、前記受信波形と前記テンプレートとを差分し、当該差分の絶対値を加算して相関値を求め、前記相関値が一番小さいときに前記受信波形と前記テンプレートが一致したとして前記受信波形の立ち上がりの時刻を求め、当該時刻に基づいて前記センサと前記対象物との距離を測定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波距離測定装置。
3. 前記信号処理部は、前記テンプレートの振幅を調整するテンプレート調整部を有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波距離測定装置。
4. 前記テンプレート調整部は、前記テンプレートのピーク値と、前記受信波形のピーク値とが一致するように前記テンプレートの振幅を調整する
   ことを特徴とする請求項３に記載の超音波距離測定装置。
5. 前記センサは、前記第１波形の周波数の略２０倍の周波数でサンプリングを行う
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波距離測定装置。
6. 前記センサから所定の距離だけ離れて設けられた波長測定用対象物を備え、
   前記信号処理部は、前記センサから超音波が送信されてから、当該送信された超音波が前記波長測定用対象物で反射されて前記センサで受信されるまでの時間と、前記所定の距離とに基づいて前記センサから送信された超音波の波長を求め、当該求められた波長に基づいて、前記センサと前記対象物との距離を求める
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波距離測定装置。
7. 前記信号処理部は、前記受信波形において、前記受信波形と前記テンプレートとの相関が最も高い時点の近傍における、前記受信波形と中心線とが一致する点において前記受信波形と前記テンプレートが一致したとして前記センサと前記対象物との距離を測定する
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波距離測定装置。
8. 反射板を更に備え、
   前記センサは、前記対象物に向けて斜めに超音波を送信し、
   前記反射板は、前記センサから前記反射板との間の超音波の経路と前記反射板から前記センサとの間の超音波の経路とが一致するように、前記センサから送信されて前記対象物で反射された超音波を反射し、
   前記信号処理部は、前記センサと前記反射板との距離と、前記センサから前記対象物へ送信される超音波の入射角とに基づいて前記センサと前記対象物との距離を求める
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の超音波距離測定装置。
9. 筐体を更に備え、
   前記センサは、枠体を有し、
   前記枠体には、金属製の重りが設けられ、
   前記枠体と前記筐体との間には、弾性部材が設けられ、前記弾性部材が前記枠体を挟持する
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の超音波距離測定装置。
10. 周期が一定であり、サイクル数が１０～１５サイクル程度の第１サイクル数である矩形波の後、周波数が０となる送信信号を用いてセンサから超音波を送信し、
    対象物で反射された超音波を前記センサで受信し、
    前記センサで受信された超音波の受信波形と、予め保持されたテンプレートと、の相関に基づいて距離を求める超音波距離測定方法であって、
    所定条件下において、前記送信信号を用いて前記センサから超音波を送信し、前記対象物で反射された超音波を前記センサで受信し、前記センサで受信された超音波の受信波形のうちの反射波形の立ち上がりから前記第１サイクル数より少ない第２サイクル数分だけ抜き出した第１波形、又は前記第１波形の振幅を所定倍した第２波形を前記テンプレートとする
    ことを特徴とする超音波距離測定方法。

Images