JP7298186B2 - 超音波計測装置、及び超音波計測方法 - Google Patents

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、対象物に向かって超音波の送受信処理を実施して、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）。

このような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。しかしながら、超音波計測装置から対象物までの間の距離が長くなるに従って、超音波受信部で受信される超音波の音圧が低下するため、閾値を超える受信信号の数や位置も変動する。この場合、超音波の受信タイミングとして設定するゼロクロス点が測定毎に変動する場合があり、オフセット誤差が発生してしまう。

そこで、特許文献１に記載の超音波計測装置では、複数回の超音波処理を実施し、各回に対応した波形データを得る。次に、１回目の超音波処理の波形データに対して仮の基準ゼロクロス点を設定し、ｉ回目の超音波処理の波形データの基準ゼロクロス点を、ｉ－１回目の波形データの基準ゼロクロス点に基づいて設定する。この後、各回のｊ番目（ｊ＝０，１，２，…Ｊ）の波における振幅を求め、その平均振幅Ｓ_ｊを算出する。そして、ｊ番目の平均振幅Ｓ_ｊと、ｊ＋１番目の平均振幅Ｓ_ｊ＋１との振幅比Ｒ_ｊが最大となる波のゼロクロス点の２波後のゼロクロス点を受信タイミングとし、超音波計測装置から対象物までの距離を算出する。

特開平５－３４１９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の超音波計測装置では、波形データの各波のピーク値及びボトム値を検出可能な高分解能なＡ／Ｄ変換器が必要となる。また、高分解能なＡ／Ｄ変換機で得られた波形データはデータ容量が大きく、更に、複数回の超音波処理により得られる波形データを記憶部に記憶する必要があるので、大容量の記憶領域が必要となる。このため、超音波計測装置のコストが高く、処理時間も長くなるとの課題があった。

第一適用例に係る超音波計測装置は、対象物に超音波を送信し、前記対象物で反射された前記超音波を受信する超音波送受処理を実施し、前記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と、信号電圧が所定の閾値以上となる前記受信信号に対応したゼロクロス点を複数、検出するゼロクロス検出部と、複数の前記ゼロクロス点に基づいて、前記超音波の受信タイミングとして用いる受信ゼロクロス点を設定する受信設定部と、を備え、前記受信設定部は、前記超音波の送信タイミングから、前記ゼロクロス点が検出されるまでのゼロクロス検出時間と、所定の基準時間との差を、複数の前記ゼロクロス点に関して算出し、複数の前記ゼロクロス点のうち、前記差が最小となる前記ゼロクロス点を、前記受信ゼロクロス点として設定する。

第一適用例の超音波計測装置において、前記受信設定部は、ｉ回目に実施した前記超音波送受処理の前記送信タイミングから、ｉ回目に実施した前記超音波送受処理に基づいて設定された前記受信ゼロクロス点までのゼロクロス検出時間を、ｉ＋１回目に実施する前記超音波送受処理に基づいて前記受信ゼロクロス点を設定する際の前記基準時間として用いることが好ましい。

第二適用例に係る超音波計測装置は、対象物に超音波を送信し、前記対象物で反射された前記超音波を受信する超音波送受処理を実施し、前記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と、信号電圧が所定の閾値以上となる前記受信信号に対応したゼロクロス点を複数、検出するゼロクロス検出部と、複数の前記ゼロクロス点に基づいて、前記超音波の受信タイミングとして用いる受信ゼロクロス点を設定する受信設定部と、を備え、前記受信設定部は、複数の前記ゼロクロス点の検出数をｎとして、ｎ／２番目（ただし、ｎ／２が整数とならない場合は、小数点以下を切り上げる）に検出される前記ゼロクロス点を前記受信ゼロクロス点として設定する。

第三適用例に係る超音波計測方法は、対象物に超音波を送信し、前記対象物で反射された前記超音波を受信する超音波送受処理を実施し、前記超音波の受信に基づいて受信信号を出力する超音波送受信部と、信号電圧が所定の閾値以上となる前記受信信号に対応したゼロクロス点を複数、検出するゼロクロス検出部と、を備えた超音波計測装置における超音波計測方法であって、前記超音波の送信タイミングから、前記ゼロクロス点が検出されるまでのゼロクロス検出時間と、所定の基準時間との差を、複数の前記ゼロクロス点に関して算出し、複数の前記ゼロクロス点のうち、前記差が最小となる前記ゼロクロス点を、前記超音波の受信タイミングとして用いる受信ゼロクロス点として設定する。

第四適用例に係る超音波計測方法は、対象物に超音波を送信し、前記対象物で反射された前記超音波を受信する超音波送受処理を実施し、前記超音波の受信に基づいて受信信号を出力する超音波送受信部と、信号電圧が所定の閾値以上となる前記受信信号に対応したゼロクロス点を複数、検出するゼロクロス検出部と、を備えた超音波計測装置における超音波計測方法であって、複数の前記ゼロクロス点の検出数をｎとして、ｎ／２番目（ただし、ｎ／２が整数とならない場合は、小数点以下を切り上げる）に検出される前記ゼロクロス点を、前記超音波の受信タイミングとして用いる受信ゼロクロス点として設定する。

第一実施形態の超音波計測装置の概略構成を示す模式図。 第一実施形態の超音波デバイスの構成例を示す断面図。 第一実施形態の超音波トランスデューサーの接続例を示す図。 第一実施形態の距離測定処理を示すフローチャート。 第一実施形態の超音波送受処理での送信パルス、受信信号、及びゼロクロス検出パルスのタイミングチャート。 第二実施形態の超音波計測装置の距離測定処理を示すフローチャート。 第二実施形態の超音波送受処理での送信パルス、受信信号、及びゼロクロス検出パルスのタイミングチャート。

［第一実施形態］
以下、第一実施形態の超音波計測装置について説明する。
図１は、第一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。
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から対象物１に向かって超音波を送信し、対象物１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、対象物１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から対象物１までの距離を算出する。
ここで、第一実施形態の超音波計測装置１０は、超音波デバイス２０に対する対象物１の相対位置の変化が微小であることを前提として、超音波デバイス２０から対象物１までの距離を計測する装置である。
以下、このような超音波計測装置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２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、対象物１に超音波を送信し、対象物１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２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から対象物１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２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。
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、対象物１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３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３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３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１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１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、及び送信駆動回路３３２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、所定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。この送信パルスの周波数は、超音波の送信周波数と同じ周波数であり、超音波トランスデューサー２４の共振周波数である。送信パルスの波数は特に限定されず、予め設定された数であればよく、例えば５波に設定される。
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から対象物１に向かって超音波が出力される。

受信回路部３４は、受信アンプ３４１、及びコンパレーター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。つまり、コンパレーター３４２は、ゼロクロス検出部として機能する。そして、コンパレーター３４２は、ゼロクロス点が検出されたタイミングで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、メモリーに３５１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、受信設定部３５４、及び距離計測部３５５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を指令する。送信パルスの生成指令は、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に基づいて行われる。例えば、本実施形態の超音波計測装置１０は、電子機器や産業機器に組み込むことが可能であり、これらの電子機器や産業機器の制御部からの距離測定要求が入力されることで、送信パルスの生成を指令する。なお、超音波計測装置１０に入力操作部を設けてもよく、ユーザーが入力操作部を操作して距離測定要求を入力してもよい。

受信設定部３５４は、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（ゼロクロス検出時間）を算出する。ここで、本実施形態では、受信信号は、振動部２２１の１波分の振動により出力される信号であり、振動部２２１が振動することで、複数の受信信号が出力されるものとする。よって、受信設定部３５４は、各受信信号のゼロクロス点に対応するそれぞれのゼロクロス検出時間を算出する。
また、受信設定部３５４は、算出されたゼロクロス検出時間に基づいて、超音波の受信タイミングとするゼロクロス点（受信ゼロクロス点）を設定する。
なお、この受信ゼロクロス点の設定方法に関する詳細な説明については後述する。

距離計測部３５５は、超音波の送信タイミングから、受信ゼロクロス点までのゼロクロス検出時間に基づいて、超音波デバイス２０から対象物１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距離測定処理について説明する。
上述したように、本実施形態の超音波計測装置１０は、超音波デバイス２０に対する対象物１の相対位置が略一定に維持されており、距離の変動量が送信超音波の波長未満となることを前提として、超音波デバイス２０と対象物１との間の距離を算出する。例えば、対象物１が定位置に配置されており、振動などの外部応力や、経年変化によって生じる、対象物１の微小な位置の変化が送信超音波の波長未満である場合において、本実施形態の超音波計測方法が有効である。或いは、距離計測処理を周期的に実施する場合では、距離計測処理を実施する実施周期が十分に短く、当該実施周期で超音波デバイス２０に対する対象物１の位置変化量が送信超音波の波長未満である場合においても、本実施形態での超音波計測方法が有効である。

図４は、本実施形態の距離測定処理を示すフローチャートである。図５は、本実施形態の超音波送受処理での送信パルス、受信信号、及びゼロクロス検出パルスのタイミングチャートである。
マイコン３５は、例えば外部機器や入力操作部から距離測定要求が入力されることで、スイッチング回路３１の送信接続に切り替える（ステップＳ１）。そして、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し、超音波デバイス２０から対象物１に向かって超音波を送信させる（ステップＳ２）。つまり、駆動パルス発生回路３３１が、生成指令に基づいて送信パルスを生成して送信駆動回路３３２に出力し、送信駆動回路３３２が、送信パルスに基づいて各超音波トランスデューサー２４に電圧を印加する。なお、本実施形態では、駆動パルス発生回路３３１から送信パルスが送信されるタイミングを、送信タイミングとする。
なお、本実施形態では、１回の超音波送受処理において駆動パルス発生回路３３１で生成される送信パルスの波数が５波である例を示す。

次に、マイコン３５は、スイッチング回路３１を受信接続に切り替え（ステップＳ３）、超音波デバイス２０から受信回路部３４を介して入力されるゼロクロス検出パルスを受信する（ステップＳ４）。
具体的には、ステップＳ３により受信接続に切り替えると、超音波デバイス２０で超音波を受信した際に、超音波デバイス２０から出力された受信信号が受信回路部３４に入力される。この受信信号は、受信アンプ３４１により増幅された後、コンパレーター３４２に入力される。コンパレーター３４２は、入力された複数の受信信号のうち、閾値Ｖ_ｔｈ以上の信号電圧の受信信号のゼロクロス点を検出し、ゼロクロス点の検出タイミングでマイコン３５にゼロクロス検出パルスを出力する。図５の例では、最大４個のゼロクロス検出パルスを生成する回路となっている。

ここで、本実施形態における超音波送受処理の受信信号の信号波形について説明する。
本実施形態では、超音波の送信周波数と同じ周波数の５波の送信パルスが駆動パルス発生回路３３１から送信駆動回路３３２に入力される。よって、送信駆動回路３３２は、当該送信周波数の周期駆動電圧を５波分だけ超音波デバイス２０に入力する。このため、振動部２２１は、５波分だけ圧電素子２３の駆動によって振動し、その後、振動部２２１の弾性に応じて減衰振動する。減衰振動時の振動周波数は、超音波トランスデューサー２４の共振周波数であるが、本実施形態では、送信パルスの周波数は、超音波トランスデューサー２４の共振周波数と同じ周波数である。
この場合、圧電素子２３の駆動によって振動部２２１を振動させた際に出力される所定波数分の超音波の音圧は高く、それ以降は、残響成分によって超音波が送信されるものの、その音圧は圧電素子２３の駆動時に比べて小さくなり、かつ、時間と共に徐々に低下する。

一方、超音波トランスデューサー２４で超音波を受信する場合、反射超音波の受信により、振動部２２１が変位し、その後、振動部２２１の弾性に応じて共振振動し、残響成分となる。この残響成分は、超音波トランスデューサー２４の共振周波数に基づいた減衰振動であり、時間と共に徐々に振幅が小さくなる。ここで、本実施形態では、超音波トランスデューサー２４の共振周波数と同じ周波数で５波分の送信パルスを生成するので、５波分の反射超音波が共振周波数と同じ周波数で受信される。よって、２波目の反射超音波は、１波目の反射超音波の残響成分と重なって振動振幅が大きくなる。同様に、３波目の反射超音波は、１波目及び２波目の反射超音波の残響成分と重なる。したがって、図５に示すように、５波分の反射超音波が受信されるまで、受信信号の信号電圧は徐々に大きくなる。また、５波目の反射超音波が受信された後の振動部２２１の振動は、残響成分のみとなり、徐々に振幅が低下する。

ところで、図５の測定ポイントＩ_２での受信波形は、超音波デバイス２０に対する対象物１の相対位置が、測定ポイントＩ_１よりも遠くなる場合の受信波形である。超音波デバイス２０から対象物１までの距離が増大すると、図５に示すように、超音波デバイス２０で反射超音波が受信されるまでの時間も、距離に応じた時間δｔだけ増大する。また、超音波デバイス２０から対象物１までの距離が増大すると、超音波トランスデューサー２４で受信される超音波の音圧は低下する。
このため、コンパレーター３４２で閾値Ｖ_ｔｈ以上となる受信信号を検出する際に、検出される受信信号の数が変動する場合がある。例えば、図５に示す例において、測定ポイントＩ_１では、閾値Ｖ_ｔｈ以上の受信信号が６個検出されるが、測定ポイントＩ_２では、閾値Ｖ_ｔｈ以上の受信信号は４個である。
このような場合に、例えば、最初に検出された閾値Ｖ_ｔｈ以上の受信信号のゼロクロス点を、超音波の受信タイミングである受信ゼロクロス点として設定する場合、測定回によってオフセット誤差が生じる。例えば、図５の例において、測定ポイントＩ_１では、２番目のゼロクロス点が受信ゼロクロス点とされ、測定ポイントＩ_２では、３番目のゼロクロス点が受信ゼロクロス点とされるので、測定ポイントＩ_１と測定ポイントＩ_２とでは、１周期分のオフセット誤差が含まれることになる。
また、最大受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点とすることも考えられるが、必ずしも５番目の受信信号が最大となるわけではなく、測定環境や測定条件によっては、４番目の受信信号が最大となる場合や、６番目の受信信号が最大となる場合もある。よって、この場合でも、オフセット誤差の発生を抑えることは困難である。
そこで、本実施形態では、受信設定部３５４は、以下に示す手順で、受信ゼロクロス点を設定する。

すなわち、マイコン３５の受信設定部３５４は、ステップＳ４によりゼロクロス検出パルスを受信すると、超音波の送信タイミングから、各ゼロクロス点までのゼロクロス検出時間をそれぞれ算出する（ステップＳ５）。
この後、受信設定部３５４は、メモリー３５１に記憶されている基準時間ｔ_ｂと、ステップＳ５で算出された各ゼロクロス点に対応するゼロクロス検出時間との差を算出する（ステップＳ６）。
そして、受信設定部３５４は、複数のゼロクロス点のうち、ステップＳ６で算出された基準時間ｔ_ｂとゼロクロス検出時間との差が最小となるゼロクロス点を、受信ゼロクロス点として設定する（ステップＳ７）。
また、受信設定部３５４は、送信タイミングから受信ゼロクロス点までのゼロクロス検出時間を新たな基準時間ｔ_ｂとしてメモリー３５１に記憶する（ステップＳ８）。

なお、この場合、１回目に実施する超音波送受処理では、基準時間ｔ_ｂが設定されない。よって、１回目に実施する超音波送受処理での受信ゼロクロス点の設定では、受信設定部３５４は、予め設定された所定の基準時間ｔ_ｂを用いて、受信ゼロクロス点を設定してもよい。
この１回目に実施する超音波送受処理に対する基準時間ｔ_ｂの設定では、例えば、超音波計測装置１０の製造時に、対象物１から超音波デバイス２０までの距離を所定の基準距離に設定して超音波送受処理を実施する。そして、特定の受信信号のゼロクロス点に対するゼロクロス検出時間を測定しておき、そのゼロクロス検出時間を基準時間ｔ_ｂとして記録しておく。例えば、図５の例では、対象物１から超音波デバイス２０までの距離を所定の基準距離に設定した際の、４波目の受信信号に対するゼロクロス検出時間ｔ１３を基準時間ｔ_ｂとして設定する。この場合、対象物１から超音波デバイス２０までの距離と基準距離との差が、送信超音波の波長未満であれば、基準時間ｔ_ｂとの差が最小となるゼロクロス検出時間は、４波目の受信信号のゼロクロス検出時間となる。よって、測定ポイントＩ_１では、４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る。

また、測定ポイントＩ_２に対する測定では、測定ポイントＩ_１での受信ゼロクロス点に対応するゼロクロス検出時間ｔ１３が基準時間ｔ_ｂとなる。よって、基準時間ｔ_ｂとの差が最小となるゼロクロス検出時間ｔ２２に対応する、４波目の受信信号のゼロクロス点が、測定ポイントＩ_２での受信ゼロクロス点として設定される。
つまり、本実施形態では、受信設定部３５４は、ｉ（ｉは１以上の整数）回目に実施した超音波送受処理の送信タイミングから、ｉ回目に実施した超音波送受処理に基づいて設定された受信ゼロクロス点までのゼロクロス検出時間を、ｉ＋１回目に実施する超音波送受処理に基づいて受信ゼロクロス点を設定する際の基準時間ｔ_ｂとして用いる。

以上の後、距離計測部３５５は、送信タイミングから受信ゼロクロス点までのゼロクロス検出時間と、音速と、に基づいて、超音波デバイス２０から対象物１までの距離を算出する（ステップＳ９）。

［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、超音波デバイス２０と、制御回路３０とを備える。超音波デバイス２０は、対象物１に対して超音波を送信し、対象物１で反射された反射超音波を受信する超音波送受処理を実施し、超音波の受信により受信信号を出力する。また、制御回路３０は、受信回路部３４及びマイコン３５を備えている。受信回路部３４は、コンパレーター３４２を含み、このコンパレーター３４２は、信号電圧が所定の閾値Ｖ_ｔｈ以上となる受信信号のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部として機能する。また、マイコン３５は、受信設定部３５４として機能し、超音波送受処理により検出された複数のゼロクロス点から、超音波の受信タイミングとして用いる受信ゼロクロス点を設定する。この際、本実施形態では、受信設定部３５４は、各測定回の超音波送受処理に対して、超音波の送信タイミングから複数のゼロクロス点までのゼロクロス検出時間を算出する。そして、メモリー３５１に記憶された基準時間と、各ゼロクロス検出時間との差を算出し、その差が最小となるゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する。

本実施形態では、超音波デバイス２０と対象物１との距離の変動量が送信超音波の波長未満となる場合に、受信信号が得られる時間が大きく変動することがない。このため、上記のように、基準時間との差が最小となるゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定することで、閾値Ｖ_ｔｈ以上となる受信信号の検出数が変動した場合でも、適切な受信ゼロクロス点を設定することができ、オフセット誤差を抑制することができる。
また、本実施形態では、各測定ポイントに対して、複数回の超音波送受処理を実施する必要がないので、受信信号を一時記憶するためのメモリー３５１の記憶容量を少なくでき、受信信号を高分解能で解析する高性能なＡ／Ｄ変換器も不要である。よって、超音波計測装置１０の構成を簡素化できるので、コストを下げることができ、距離計測処理に係る処理時間も短縮することができる。

本実施形態では、受信設定部３５４は、ｉ回目の超音波送受処理において設定された受信ゼロクロス点に対応するゼロクロス検出時間を基準時間ｔ_ｂとして、ｉ＋１回目の超音波受信処理における受信ゼロクロス点を設定する。
基準時間ｔ_ｂとして一定値を用いる場合、対象物１と超音波デバイス２０との距離が、基準距離から徐々に変動する場合に、適切な受信ゼロクロスを設定できない場合がある。例えば、対象物１と超音波デバイス２０との距離の基準距離からの変動量が、送信超音波の波長未満である場合は、一定値である基準時間ｔ_ｂを用いて受信ゼロクロス点を設定することができる。しかしながら、例えば経年変化等によって、対象物１と超音波デバイス２０との距離が徐々に増大し、対象物１と超音波デバイス２０との距離の基準距離からの変動量が送信超音波の波長以上となると、適切な受信ゼロクロス点を設定できない。
これに対して、上記のように、直近の超音波測定処理に基づいて基準時間ｔ_ｂを更新することで、超音波デバイス２０と対象物１との距離が徐々に変動する場合でも、適切な受信ゼロクロス点を設定することができる。

［第二実施形態］
次に、第二実施形態について説明する。
第一実施形態では、対象物１から超音波デバイス２０までの距離の変化量が送信超音波の波長未満であることを前提としているため、対象物１から超音波デバイス２０の距離の変化量が、送信超音波の波長以上である場合、適正に受信ゼロクロス点を設定できない。そこで、第二実施形態において、対象物１から超音波デバイス２０の距離の変化量が送信超音波の波長以上である場合でも、適切な受信ゼロクロス点を設定可能な超音波計測装置について説明する。
なお、以降の説明にあたり、既に説明した事項については、同符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

第二実施形態の超音波計測装置１０は、第一実施形態と同様の構成を有し、図１に示すように、超音波デバイス２０と、制御回路３０とを備えて構成されている。そして、第二実施形態では、マイコン３５の機能構成である受信設定部３５４の処理が、第一実施形態と相違する。よって、以降の説明では、超音波計測装置１０による超音波計測方法について詳細に説明する。

図６は、第二実施形態の超音波計測装置１０の距離測定処理を示すフローチャートである。図７は、第二実施形態の超音波計測装置１０の超音波送受処理での送信パルス、受信信号、及びゼロクロス検出パルスのタイミングチャートである。
図６に示すように、第二実施形態の超音波計測装置１０は、対象物１から超音波デバイス２０までの距離を計測する際、第一実施形態と同様に、ステップＳ１からステップＳ４の超音波送受処理を実施する。
この後、本実施形態では、受信設定部３５４は、閾値Ｖ_ｔｈ以上の受信信号のゼロクロス点の検出数ｎをカウントする（ステップＳ１０）。つまり、受信設定部３５４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の数ｎをカウントする。

この後、受信設定部３５４は、検出されたゼロクロス点のうち、前からｎ／２番目に検出されたゼロクロス点を、受信ゼロクロス点として設定する（ステップＳ１１）。なお、ｎ／２が、整数ではない場合、小数点以下を繰り上げる。つまり、検出数ｎが偶数である場合、受信設定部３５４は、中央２波の受信信号のうち、前よりの受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点とする。検出数ｎが奇数である場合、受信設定部３５４は、中央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。

超音波受信処理において、所定波数Ｋの超音波を送信すると、受信信号の信号電圧は、１波目から徐々に大きくなる。そして、Ｋ番目の反射超音波を受信した後は、振動部２２１の残響振動による受信信号となるので、徐々に信号電圧が低下する。よって、図７に示すように、信号電圧が閾値Ｖ_ｔｈ以上となる複数の受信信号を時系列に沿って観察すると、中央に対して、前半の受信信号の信号電圧と、後半の受信信号の信号電圧とが略対称となる。この傾向は、図７に示すように、対象物１から超音波デバイス２０の距離によらずに観察できる傾向である。したがって、検出された複数の受信信号のうちの中央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ことで、各測定回に対して適切な受信ゼロクロス点を設定できる。

例えば、図７において、測定ポイントＩ_３では、２波目から７波目までの６個の受信信号に対するゼロクロス点が検出される。この場合、ｎ＝６となるので、前から３番目（＝６／２番目）の受信信号、つまり、４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る。
測定ポイントＩ_４では、３波目から５波目までの３個の受信信号に対するゼロクロス点が検出される。この場合、ｎ＝３となるので、前から２番目の受信信号、つまり、４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る。
測定ポイントＩ_５では、４波目から５波目までの２個の受信信号に対するゼロクロス点が検出される。この場合、ｎ＝２となるので、１番目の受信信号、つまり、４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る。
以上のように、いずれの測定ポイントにおいても、４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ることになり、オフセット誤差の発生が抑制される。

以上のステップＳ１１の後、受信設定部３５４は、超音波の送信タイミングから、設定した受信ゼロクロス点までのゼロクロス検出時間を算出する（ステップＳ１２）。
この後、距離計測部３５５は、第一実施形態のステップＳ９と同様、算出された受信ゼロクロス点に対応するゼロクロス検出時間を用いて、対象物１から超音波デバイス２０までの距離を算出する。

［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、第一実施形態と同様、超音波デバイス２０と、マイコン３５を含む制御回路３０とを備える。そして、本実施形態では、マイコン３５は、受信設定部３５４として機能し、この受信設定部３５４は、検出されたゼロクロス点の検出数をｎとして、ｎ／２番目に検出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。
上述したように、複数の受信信号を時系列に沿って見た場合、中央に対して、前半の受信信号の信号電圧と、後半の受信信号の信号電圧とが略対称となる。よって、この中央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ことで、閾値Ｖ_ｔｈ以上となる受信信号の検出数が変動した場合でも、適切な受信ゼロクロス点を設定することができ、オフセット誤差を抑制できる。

また、第一実施形態と同様、本実施形態においても、各測定ポイントに対して、複数回の超音波送受処理を実施する必要がないので、受信信号を一時記憶するためのメモリー３５１の記憶容量を少なくでき、受信信号を高分解能で解析する高性能なＡ／Ｄ変換器も不要である。よって、超音波計測装置１０の構成を簡素化でき、距離計測処理に係る処理時間も短縮することができる。

さらに、本実施形態では、対象物１と超音波デバイス２０との距離が、送信超音波の波長以上となる場合でも、適切なゼロクロス点を設定することができ、超音波計測装置１０の適用分野を広げることができる。

［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。

上記第一実施形態及び第二実施形態として、超音波計測装置１０について説明したが、この超音波計測装置１０は、対象物１までの距離を計測する単体の計測センサーとして用いてもよく、各種電子機器や産業機器などに組み込んで用いてもよい。
例えば、第一実施形態の超音波計測装置１０では、対象物１と超音波デバイス２０との距離がほぼ一定に保たれる機器に適用できる。このような機器としては、インクジェットプリンター等の印刷装置が挙げられる。インクジェットプリンターに第一実施形態の超音波計測装置１０を適用する場合、印刷媒体に対してインクを吐出するインクヘッドが搭載されるキャリッジに、超音波計測装置１０を搭載してもよい。インクジェットプリンターでは、通常、印刷媒体に対して印刷を行う際、印刷精度の低下を抑制するために、キャリッジと印刷媒体との距離を一定距離範囲に保つ必要がある。よって、上記のように、キャリッジに、印刷媒体との距離を計測する超音波計測装置１０を搭載させることで、キャリッジが印刷媒体に対して一定距離範囲に維持されているか否かを検査することができる。

また、第二実施形態の超音波計測装置１０では、対象物１と超音波デバイス２０との距離が大きく変動してもよく、より多くの機器に組み込むことができる。例えば、インクジェットプリンターのインクタンクに、第二実施形態の超音波計測装置１０を設け、インクタンク内の液面の位置を計測してもよい。また、ロボットアーム等の産業機器において、対象物を把持するアームに第二実施形態の超音波計測装置１０を組み込み、アームから対象物までの距離を計測してもよい。

第一実施形態では、受信設定部３５４は、メモリー３５１に基準時間ｔ_ｂを記憶しておき、超音波送受処理が実施されて受信ゼロクロス点が設定される毎に、基準時間ｔ_ｂを更新した。これに対して、基準時間ｔ_ｂとして一定値を用いてもよい。この場合、超音波デバイス２０と対象物１との距離が基準距離となる場合の所定のゼロクロス点に対するゼロクロス検出時間を基準時間ｔ_ｂとする。これにより、超音波デバイス２０と対象物１との距離が、基準距離からどの程度変位したかを算出することができる。

１…対象物、１０…超音波計測装置、２０…超音波デバイス（超音波送受信部）、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、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、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…受信設定部、３５５…距離計測部。

Claims (5)

1. 対象物に超音波を送信し、前記対象物で反射された前記超音波を受信する超音波送受処理を実施し、前記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と、
   信号電圧が所定の閾値以上となる前記受信信号に対応したゼロクロス点を複数、検出するゼロクロス検出部と、
   複数の前記ゼロクロス点に基づいて、前記超音波の受信タイミングとして用いる受信ゼロクロス点を設定する受信設定部と、
   前記超音波の送信タイミングから、前記受信ゼロクロス点までのゼロクロス検出時間に基づいて、前記対象物まで距離を算出する距離計測部と、を備え、
   前記受信設定部は、前記超音波の送信タイミングから、前記ゼロクロス点が検出されるまでのゼロクロス検出時間と、所定の基準時間との差を、複数の前記ゼロクロス点に関して算出し、複数の前記ゼロクロス点のうち、前記差が最小となる前記ゼロクロス点を、前記受信ゼロクロス点として設定する
   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、
   前記受信設定部は、ｉ回目に実施した前記超音波送受処理の前記送信タイミングから、ｉ回目に実施した前記超音波送受処理に基づいて設定された前記受信ゼロクロス点までのゼロクロス検出時間を、ｉ＋１回目に実施する前記超音波送受処理に基づいて前記受信ゼロクロス点を設定する際の前記基準時間として用いる
   ことを特徴とする超音波計測装置。
3. 対象物に超音波を送信し、前記対象物で反射された前記超音波を受信する超音波送受処理を実施し、前記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と、
   信号電圧が所定の閾値以上となる前記受信信号に対応したゼロクロス点を複数、検出するゼロクロス検出部と、
   複数の前記ゼロクロス点に基づいて、前記超音波の受信タイミングとして用いる受信ゼロクロス点を設定する受信設定部と、
   前記超音波の送信タイミングから、前記受信ゼロクロス点までのゼロクロス検出時間に基づいて、前記対象物まで距離を算出する距離計測部と、を備え、
   前記受信設定部は、複数の前記ゼロクロス点の検出数をｎとして、ｎ／２番目（ただし、ｎ／２が整数とならない場合は、小数点以下を切り上げる）に検出される前記ゼロクロス点を前記受信ゼロクロス点として設定する
   ことを特徴とする超音波計測装置。
4. 対象物に超音波を送信し、前記対象物で反射された前記超音波を受信する超音波送受処理を実施し、前記超音波の受信に基づいて受信信号を出力する超音波送受信部と、信号電圧が所定の閾値以上となる前記受信信号に対応したゼロクロス点を複数検出するゼロクロス検出部と、を備えた超音波計測装置における超音波計測方法であって、
   前記超音波の送信タイミングから、前記ゼロクロス点が検出されるまでのゼロクロス検出時間と、所定の基準時間との差を、複数の前記ゼロクロス点に関して算出し、複数の前記ゼロクロス点のうち、前記差が最小となる前記ゼロクロス点を、前記超音波の受信タイミングとして用いる受信ゼロクロス点として設定し、
   記超音波の送信タイミングから前記受信ゼロクロス点までのゼロクロス検出時間に基づいて前記対象物まで距離を算出する
   ことを特徴とする超音波計測方法。
5. 対象物に超音波を送信し、前記対象物で反射された前記超音波を受信する超音波送受処理を実施し、前記超音波の受信に基づいて受信信号を出力する超音波送受信部と、信号電圧が所定の閾値以上となる前記受信信号に対応したゼロクロス点を複数検出するゼロクロス検出部と、を備えた超音波計測装置における超音波計測方法であって、
   複数の前記ゼロクロス点の検出数をｎとして、ｎ／２番目（ただし、ｎ／２が整数とならない場合は、小数点以下を切り上げる）に検出される前記ゼロクロス点を、前記超音波の受信タイミングとして用いる受信ゼロクロス点として設定し、
   記超音波の送信タイミングから前記受信ゼロクロス点までのゼロクロス検出時間に基づいて前記対象物まで距離を算出する
   ことを特徴とする超音波計測方法。

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