JPS5965275A - 超音波距離計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超音波を珀いて立体の隣接する２面によって形
成される交線の位置を検出する超音波距離計測装置に関
するものである。

従来例の構成とその問題点 従来、超音波を用いた距離計測は、超音波信号を送受信
する超音波センサから、水、空気などの超音波伝播媒体
を介して、超音波伝播媒体とは異なる音響インピーダン
スを有する被計測物体の表面に超音波パルスを放射し、
この超音波パルスが同面で反射され再び超音波センサに
戻ってくるまでの往復伝播時間Ｔを計測し、Ｔの値と伝
播媒体内での音速Ｖから超音波センサと被計測物体の超
音波反射面との距離りを、第Ｏ）式の計算式に従って計
測するものである。

Ｌ　＝　Ｔ　−ｖ々　　　　　　　　　・・・・・・・
・（１）このような従来の超音波距離計測装置のブロッ
ク図を第１図に示す。第１図において、１は電気音響変
換を行ない超音波信号を送受信する超音波センサ、２は
水、空気などの超音波伝播媒体、３は超音波伝播媒体２
とは異なる音響インピーダンスを有する被計測物体、４
は送信信号を超音波センサ１に与える送信部であり、波
数が１波〜１０数波程度のトーンバースト波を発生する
。５は超音波センサ１によって受信された反射パルスを
増巾する前置増巾器、６はパルス伝播時間測定のだめに
前もって設定されたスレッショルドレベルと反射パルス
の振巾比較を行なう振巾比較回路、７は基準パルス発生
器１０によって発生された基準パルスのカウントを振巾
比較回路６の出力に同期して停止する信号を発生するス
トップ・ｚルス発生回路、８は送信パルスをスタートさ
せ基準ノζルスのカウントを開始する信号を発生するス
タート・くルス発生回路、９はスターレζルス、ストッ
プ・ζルスニよって基準パルス数をカウントする期６を
設定するゲート回路、１１はゲートが開かれた期間内の
基準パルス数をカウントするカウンタ、１２はカウンタ
１１の出力から超音波・くルス伝播時間Ｔを求め、さら
に第（１）式に従って距離りを計算するだめの演算回路
である。

ここで、距離計測装置の具体的適用例として、例えば溶
接ロボットを用いて第２図に示すような重ね合わされた
板状の金属１３．１４（ワークと呼ぶ）によって形成さ
れる溶接線１５を溶接する場合、溶接トーチ１６を溶接
線１６に溜って精度よく移動させるために、溶接線１５
の位置を検出する必要があるが、従来、非接触形の溶接
線検出センサとしては、渦電流センサ、静電容量形セン
サあるいは撮像管を用いた方式などが行なわれており、
渦電流センサ、静電容量形セ／すはワーク１３．１４の
材質が非磁性体、あるいは非金属の場合は適用できず、
またワーク１３．１４に対し極めて近接して配置するた
め溶接部からのスパーク等の飛来によってセンサが損傷
を受けやすいという欠点があった。また撮像管を用いて
画像処理によって溶接線１５を検出する場合、犬がかり
な画像処理装置を必要とし、処理時間も長いという欠点
を有していた。

また、一般に第３図に示すような被計測物体である立体
１７において四部を形成する隣接する二面１８，１９の
交線２０の位置を超音波センサ全用いて計測する場合、
超音波センサ１または１′をそれぞれ面２１又は面１９
に対向して配置し、面２１又は面１９の方向に音波を放
射する方法が考えられるが、このような方法では、超音
波センサ１と面２１の距離Ｌ１又は超音波センサ１′と
面１９の距離Ｌ２を計測することは可能であるが、直交
しない面１８，１９を有する立体１７のこれらの面によ
って形成される交線２０の音波放射方向に対して垂直な
方向の位置を求めることは出来ず、従ってこの方法では
、例えば第２図に示すような溶接線１５の位置を求める
ことはできない。また超音波センサ１“を第３図のとと
く面１８に対向して配置し、面１８の方向に音波を放射
する方法も考えられるが、超音波センサ１″と面１８と
の距離Ｌ３を求めることは可能であるが、やはり直交し
ない２面の交線２０の超音波センサ１″の音波放射方向
に対して垂直な方向の位置を求めることはできない。さ
らに、これらの方法では、超音波センサ１と１″又は１
′と１″を一組として音波の放射方向が直交するように
超音波センサを２個用いて、直交する２個の各面と超音
波センサとの距離Ｌ１．　Ｌｓ又はＬ２．　Ｌ５の計測
を行なえば、交線２Ｑの位置を決定することは可能であ
るが、例えば超音波センサを１本のロボットアームの先
端に取付けて用いるような場合、超音波センサ１と１″
又は１′と１″のように２個の超音波センサの間隔を離
して保持することは、ロボットアームの自由な動きを妨
げ、また一方の超音波センサ位置に対して複雑な座標変
換を必要とするなど実用的な方法ではないと考えられる
。

発明の目的 本発明は上記欠点に、鑑み、直交ないし略直交する隣接
した２面によって形成される交線の位置を、近接配置さ
れた２個の超音波センサで計測することのできる超音波
距離計測装置を提供することを目的とする。

発明の構成 本発明は上記目的を達成するため、被計測物体の凹状部
または凸状部を構成する隣接した２而によって形成され
る交線部に対向して設置された第１の超音波検知器と、
隣接した２面まだはこれらの而のいずれか一方に隣接し
た他の面に対向し、第１の超音波検知器に近接して設置
された第２の超音波検知器とを用いて、第１の超音波検
知器から交線部までの距離を求めるものである。

以下に本発明の実施例を図面に基いて説明する。

第４図は本発明の超音波距離計測装置の一実施例を示す
計測状態を示す図であって、超音波センサ２２は立体（
被計測物）２３の面２４に対向して配置される。超音波
センサ２２は面２４に垂直な方向に超音波パルスを放射
し、面２４から反射された超音波パルスの缶部時間によ
って超音波センサ２２と面２４の距離Ｌ１を計測するこ
とができる。まだ超音波センサ２２′は、音波放射方向
が面２４と、面２４に隣接して四部を形成する面２５と
の交線２６に対向するように、超音波センサ２２に近接
して配置される。超音波センサ２２′は、交線２６の方
向に超音波パルスを放射し、交線２６の近傍から反射さ
れた超音波パルスの伝播時間によって超音波センサ２２
′と交線２６との距離Ｌ２を計測することができる。な
お立体２３の隣接する二平面２４．２５によって形成さ
れる四部に位置する二平面の交線２６部分からの反射は
、第６図に示すように鏡像の原理によって説明すること
ができる。第５図において２７．２８を立体の直交して
隣接する二平面（第４図２４．２５）とすると、平面”
’７ｅ２Ｂの寸法が超音波センサ２９から放射され超音
波伝播媒体３ｏを伝播する超音波の波長より十分大きく
、また平面２７．２８の表面は上記波長に比べて十分平
滑であるとすると、平面２了、２８を鏡面として超音波
センサ２９の鏡像は、それぞれ２９’、２９”の平面２
７．２８に対して対称な位置に考えることができ、また
平面２７．２８を延長しだ面２７’、２８’を鏡面とし
て像２９’、２９〃の鏡像は２９′〃において一致する
。このとき平面２７，２８の交線３１は、超音波センサ
２９とその鏡像２９′′を結ぶ直線上に位置し、超音波
センサ２９から交線３１に向けて放射された超音波パル
スは、あたかも鏡像２９″から超音波パルスが放射され
たように超音波センサ２９へ超音波パルスが反射される
ので、超音波センサ２９と交線３１との距離りを計測す
ることができる。なお、この時、超音波センサ２９が交
線３１に完全に対向していなくても、反射パルスは交線
３１からのものが最も強くなり、超音波センサ２９と交
線３１との距離りを正確に計測することができる。

面２７．２８が直交しない場合は、像２９′。

２σ′の面２７’、２８’に対する鏡像は第６図におけ
る超音波センサ２９“′のように完全に一致して一つの
像になることはないが、面２７，２８の成す角が直角に
近い場合、あるいは、超音波センサ２９の面２７．２８
からの距離が大きい場合には、像２９’、２９“の面２
了１．２　ＢＬに対する鏡像は像２９″においてほぼ一
致すると見なしてさしつかえない。

第４図に示す実施例において、交線２６の位置を求める
には次のようにして行なうことができる。

第４図において超音波センサ２２の音波放射方向を示す
軸と面２４の交点をＨ１超音波センナ２２′の音波放射
方向を示す軸と交線２６との交点をＣとし、超音波セン
サ２２と同２２′はおのおのの音波放射方向を示す軸が
交叉するように配置し、それらの交点をＰとする。まだ
超音波センサ２２゜２２′の音波放射面をそれぞれＴ、
Ｓとし、上記Ｐ点とＴ、　　Ｓとの距離をそれぞれａ、
　　ｂとすると、先に超音波パルスの伝播時間から求め
た距離Ｌ＋。

Ｌ２を用いて、０点とＨ点の距離ＯＨはｃｎ＝ｆｉ璽丁
７■−了　・・・・・・（２）なる計算式によって算出
できる。なお、音波放射方向を示す軸は交線２６と交わ
る必要はなく、交線２６の近傍で交われば、最大反射波
は交線２６からのものとなり、距離Ｌ２が正確に測定可
能である。

本実施例において超音波センサ２２，２２’は立体２３
の隣接する二つの面２４．２５によって形成される凹部
空間に配置され、それぞれ面２４、交線２６に対向して
いるので、第４図から明らかなように、超音波センナ２
２．２２’の音波放射方向を示す軸Ｐ）（、ＰＣが交叉
して成す角乙ＵＰＨは鋭角をなす。

以上の説明では、簡単のため超音波センサの放射する音
波は線状として説明したが、厳密には放射される音波は
空間的にある拡がシを持ち、超音波センサの音波放射面
積、形状と周波数によって定まる指向性を有している。

第４図において、交線２６からの反射波が、面２４から
の反射波と同等の反射レベルで、面２４に対向して配置
された超音波センサ２２によって受信されるとすると、
スレッショルドレベルを設定した振巾比較回路によって
交線２６からの反射波か、面２４からの反射波かを識別
することが出来ず、距離Ｌ１の計測誤差となる可能性が
あるので、超音波センサ２２の指向性のメインロープの
広がりは交線２６を含まないことが必要である。

本発明の超音波距離計測装置のブロック図を第６図に示
す。第６図において、超音波センサ２２゜２２′のおの
おのに対して第１図に示すシステムを一系７統ずつ保有
する。すなわち、３２．３２’はそれぞれ送信信号を超
音波センサ２２’、２２’に与える送信部であり、波数
が１波〜１０数波程度のトーンバースト波を発生する。

３３．３３’は超音波センサ２２，２２’によって受信
された反射パルス、を増幅する前置増幅器、３４．　３
４’はパルス伝播時間測定のため前もって設定されたス
レッショルドレベルと反射パルスの振幅比較を行なう振
幅比較回路、３５．　３５’は基準パルス発生器３６に
よって発生された基準パルスのカウントを振幅比較回路
３４．３４’の出力に同期゛して停止する信号を発生す
るストップパルス発生回路、３７は送信・々ルスをスタ
ートさせ基準パルスのカウントを開始する信号を発生す
る、送信部３２，３２’に接続されたスタートパルス発
生回路、３８．３８’はスタートパルス、ストノフパル
スニヨっテ基準ハルス数をカウントする期間を設定する
ゲート回路、３９．３９’はゲートが開かれた期間内の
基準パルス数をカウントするカウンタ、４０．４０’は
カウンタ３９，３９’の出力から超音波パルス伝播時間
Ｔを求め、さらに第（１）式に従って距離りを計算する
だめの第１の演算回路、４１は演算回路４０゜４０′に
よって求めだＬ＋、　Ｌ２と前もって与えられたａ、　
　ｂから第し）式に従ってτ１の値を計算する第２の演
算回路である。

以上のように本発明によれば、近接配置された２個の超
音波センサ２２，２２’によって、凹部を形成する隣接
した２面２４，２５の交線２６の位置ＣＨの距離が計測
できるので、距離Ｌ１と距離ＯＨとに基いて、例えばロ
ボットのアームを交線２６まで高精度に近づけることが
できる。

なお、本発明は、第４図に示す而２５と面４２の交線４
３に対向するように超音波センサ２２′を配置すること
によって、上記実施例と同様にして交線４３の位置を検
出することが可能となる、なお、この場合、面２４と面
４２との間の距離を予め設定しておく必要がある。まだ
、この時、交線４３からの反射パルスの強度は最小にな
る。

さらに本発明は第４図に示すような四部を有する多角形
に対して適用できるだけでなく、第７図に図示するよう
に円柱などのような曲面部分を有する立体４４０曲面４
５とそれに隣接する平面４６との交線４了に対しても適
用可能である。すなわち超音波センサ２２，２２’を曲
面４５と平面４６が隣接して形成する凹部空間４８に配
置し、超音波センサ２２は平面４６に対向させ、超音波
センサ２２′は交線４７に対向させて配置することによ
シ、上記実施例と同様な方法によって交線４７の位置を
計測することができる。

発明の詳細 な説明したように本発明によれば、被計測物体の凹状部
まだは凸状部を構成する隣接した２面によって形成され
る交線部に対向して第１の超音波検知器が設置され、隣
接した２面またはこれらの面のいずれか一方の面に隣接
した他の面に対向し、第１の超音波検知器に近接して第
２の超音波検知器を設置し、交線部からの超音波信号の
反射波を利用して第１の超音波検知器から交線部までの
距離を求めるものであるだめ、２個の超音波検知器をロ
ボットアームなどの先端に容易に保持することができ、
アームの自由な動きを妨げることはなく、超音波検知器
の移動に伴なう座標変換も簡単である。また超音波検知
器を用いることにより、従来の撮像管を用いて画像処理
を行ない、交線の位置を検出するものと比較して、計測
に要する処理時間は極めて短時間であり、画像処理演算
装置も不要である。さらに従来の渦電流センサあるいは
静電容量形センサのように測定対象物が金属だけに限定
されず、超音波伝播媒体の音響インピーダンスと異なる
音響インピーダンスの表面を有する材料であれば計測が
可能である。また従来の渦電流センザ、静電容量形セン
サに比較して、超音波検知器を計測すべき物体からより
離れだ位置に設置することができるので、例えば溶接ロ
ボット用センザとして用いる場合、溶接スパーク等によ
って検知器が損傷を受けることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波距離計測装置のブロック図、第２
図は従来のアーク溶接法を示す図、第３図は超音波検知
器を用いた距離検出方法のセンサ配置図、第４図は本発
明の超音波距離計測装置の一実施例を示す斜視図、第５
図は本発明の原理を示す図、第６図は本発明の一実施例
を示すブロック図、第７図は本発明の他の実施例を示す
斜視図である。 １、１’、　１“、２；Ｉ％　２２’ｔ　２９，２９′
、２９’′、２９”’・・・・・・超音波検知器、１７
．　２３．　４４・・・・・・被計測物、１８．１９ｔ
　２１ｔ　　２４９　２１５）４２ｔ　　４５，４６・
・・・・・面、２Ｃ）ｔ　２６７　３１，４７・・・・
・・交線、３２゜３２′・・・・・・送信部、３３ｓ　
　３３’・・・・・・前置増幅器、３４．３４’・・・
・・・振幅比較回路、３５，３６’・・・・・・ストッ
プパルス発生回路、３６・・・・・・基準パルス発生器
、３７・・・・・・スタートパルス発生回路、３８゜３
８′・・・・・・ゲート回路、３９，３９’・・・・・
・カウンタ、４０．４０１・・・・・・第１の演算回路
、４１・・・・・・第２の演算回路。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名−４
′； 第１図 １３ 第６ 第３図 第５図 「 ２Ｑ”’ 「 ３

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）被計測物体の凹状部を構成する隣接した２面によ
   って形成される交線部に対向して設置された第１の超音
   波検知器と、前記隣接した２面のいずれか一方の面に対
   向し、前記第１の超音波検知器に近接して設置された第
   ２の超音波検知器と、前記第１および第２の超音波検知
   器から放射された超音波信号の前記交線部および前記一
   方の面までの伝播時間を計測する手段と、前記第１およ
   び第２の超音波検知器から前記交線部および前記一方の
   面までの距離を前記伝播時間に基いて演算する手段とを
   備えた超音波距離計測装置。
2. （２）ｌＩＩｊ、接した２面が、略直交して口る特許請
   求の範囲第１項記載の超音波距離計測装置。
3. （３）被計測物体の凸状部を構成する隣接した２面によ
   って形成される交線部に対向して設置された第１の超音
   波検知器と、前記隣接した２面のいずれか一方の面に隣
   接した他の面に対向し、前記第１の超音波検知器に近接
   して設置された第２の超音波検知器と、前記第１および
   第２の超音波検知器から放射された超音波信号の前記交
   線部および前記他の面までの伝播時間を計測する手段と
   、前記第１および第２の超音波検知器から前記交線部お
   よび前記他方の面までの距離を前記伝播時間に基いて演
   算する手段とを備えだ超音波距離計測装置。
4. （４）隣接した２面および他の面が、それぞれ隣接した
   面と略直交してなる特許請求の範囲第３項記載の超音波
   距離計測装置っ