JPS6228683A

JPS6228683A - 超音波センサによる距離測定装置

Info

Publication number: JPS6228683A
Application number: JP16881285A
Authority: JP
Inventors: Miyao Oda; 小田　宮雄
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1985-07-31
Filing date: 1985-07-31
Publication date: 1987-02-06

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】〔概　要〕超音波センサによる距離測定装置において、超音波セン
サがアレイ状に配列された超音波センサアレイを用いて
超音波集束ビームを発生させ、この超音波集束ビームを
被測定対象の近傍で周波数ｒｏで周期的に変動させ、被
測定対象からの反射波から得られる周波数ｆｏの基本波
信号より被測定対象までの距離を計測する。これにより
被測定対象までの距離を高精度で計測することが出来る
。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、超音波センサによる距離測定装置、特にアレ
イ状に配列された超音波センサアレイを用いて高精度な
距離測定を可能にした超音波センサによる距離測定装置
に関する。

〔従来の技術〕

超音波を用いて被測定対象までの距離を正確に求めるこ
とは、各種の計測技術分野において従来から種々の工夫
が為されて来た。特に最近のロボットによる形状認識、
奥行き計測や医療用での反射型超音波ＣＴ　（Ｃｏｍｐ
ｕｔｅｒｉｚｅｄ　　Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ　）等にお
いては、超音波による高精度な距離測定が、重要な技術
的課題の一つになっている。

超音波を用いて被測定対象までの距離を測定する従来の
代表的な方式として、■時間差測定方式及び■位相差測
定刃式がある。

■の時間差測定方式は、超音波センサより放射された超
音波パルスの被測定対象から反射された反射超音波パル
スとの時間差より、被測定対象までの距離の測定を行う
。

■の位相差測定方式は、超音波センサより放射された超
音波連続波と被測定対象から反射された反射超音波連続
波との位相差より、被測定対象までの距離の測定を行う
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の超音波による距離測定方式においては、測定精度
に限界があり、高精度の距離測定が困難であるという問
題力（あった。■の時間差測定方式では反射された超音
波パルス波形が劣化する為に、放射された超音波パルス
と反射された超音波パルスの時間差の／１ｔｌＪ定精度
に限界があり、■の位相差測定方式では、高精度の位相
差測定が困難の為、測定精度に眼界があった。特にＳＮ
比の悪い場合には、測定精度が低下するという問題があ
った。

本発明は、従来の時間差や位相差測定方式による距離測
定方式には測定精度に限界があることから、新規な測定
原理に基づき高精度の距離測定を可能にした超音波によ
る距離測定装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

従来の超音波による距離測定方式における前述の問題点
を解決する為に本発明が講じた手段を、第１図を参照し
て説明する。

第１図は本発明の構成をブロック図で示したものである
。

第１図において、１１０は、被測定対象である。

１２０は超音波センサレイ装置で、内部に複数個の超音
波センサ（１２１１　〜１２１ｐ）がアレイ状に配列さ
れた超音波センサアレイ１２２を有し、超音波集束ビー
ムを被測定対象１１０に放射してその反射波を受信し、
各超音波センサ（１２１１〜１２１　ｐ）の受信信号を
出力する。超音波センサアレイ１２２は、−次元又は２
次元配列構成である。

１３０は集束点制御手段で、超音波センサアレイ装置１
２０より放射された超音波集束ビームの集束点Ｃの位置
を、本来の集束点Ｃｏを中心に被測定対象１１０がその
変動範囲に入る様に周波数ｆｏで周期的に変動させる。

１４０は距離測定手段で、超音波センサアレイ装置１２
０より入力された各超音波センサ出力の総和出力Ｓより
周波数ｆｏの基本波信号を検出し、この基本波信号に基
づいて被測定対象１１０までの距離を計測する。

〔作　用〕最初に、本発明の動作原理について説明する。

（動作原理の説明）本発明の距離測定の動作原理を、第２図及び第３図を参
照し、超音波センサアレイ装置１２０の各超音波センサ
アレイ１２２が１次元アレイ配列構成である場合を例に
とって説明する。

第２図に示す様に、超音波センサアレイ１２２を構成す
る超音波センサ１２１１〜１２１ｎは、１次元のη軸上
に配列され、η軸と直交するξ軸上に被測定対象１１０
が存在する。

平面波領域での超音波ビームの放射パターンＵ（η）は
、次式で表わされる。

ここで、Ｘは各超音波センサ１２１１〜１２１ｐの位相
項で、αｉはその振幅、λは波長である。

各超音波センサ１２１１〜１２１ｐの位相Ｘに更に同心
円位相差を与えることにより、ξ軸に集束点Ｃｏを有す
る超音波集束ビームが形成される。

この様にして形成された超音波集束ビームは、一般に主
ビームの周辺にスプリアスを有するが、振幅αｉをチェ
ビシェフ（Ｔｃｈｅｂｙｃｈｅｆｆ）又はバタワース（
Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ　）の多項式で与えれば、これ
らのスプリアスの抑制を近似的に実現することが出来る
。

以上のことは、いずれも従来から良く知られている事項
である。

ここで、各超音波センサ１２１１〜１２１ｐに与える位
相Ｘの値を変化させれば、超音波集束ビームの集束点Ｃ
の位置は、図示の様にＣｏからＣ１位置、Ｃ２位置等に
変動させることが出来る。

いま、各超音波センサ１２１１〜１２１ｐに与える位相
Ｘを制御することにより、集束点Ｃが、Ｃｏを中心に次
式で表わされる様に変動するものとする。

Ｃ＝ａ　　５ｉｎａ）ｏ　ｔ　、　（ＩＪＯ＝２πｆｏ
　　−（２１ここで、ａは最大変動量で、被測定対象１
１０が変動範囲内に入る様に選定される。ｆｏは変動周
波数、ｔは時間である。

このとき、被測定対象１１０からの超音波反射波を受信
した超音波センサアレイ１２２中の各超音波センサ１２
１１〜１２１ｐの総和出力Ｓは、各センサ上の位相差が
無視できるものとすると、第３図（Ａ）に示す様になる
。第３図（Ａ）において、Ｔはセンサ総和特性、即ち集
束点Ｃが被測定対象１１０上にある場合を座標原点Ｏに
とり、それよりξ軸上を集束点Ｃが変動したときの超音
波センサアレイ１２２の出力特性である。

このようなセンサ総和特性Ｔが得られることを第２図を
用いて説明する。

簡単のため、１次元の場合を考える。被測定対象１１０
からのビームの反射によるセンサ総和特性Ｔは、被測定
対象の反射部に２次波源を置いたことと等価である。被
測定対象１１０のビーム反射部の反射特性が一様なもの
とすれば、反射波は波源を頂点とする２等辺３角形状に
広がり、超音波センサに入っていく。被測定対象１１０
の位置とビーム集束点Ｃが一致しない場合には、波源は
線状となり、超音波センサ入力は線状波源各点からの上
記３角形状ビームの総和となる。換言すれば超音波セン
サ入力は波源の線密度に比例することになる。

従って、ビーム集束点Ｃが被測定対象１１０からずれる
とセンサ総和特性Ｔは近似的に第３図（Ａ）に示すよう
に、ξが増大するにつれて、比例的に減少してい（こと
になる。第３図（Ｂ）は、集束点Ｃの位置を変動させた
場合の総和出力Ｓの部分を取出して図示したものである
。センサ総和出力Ｓはセンサ総和特性Ｔの勾配の絶対値
を１とすれば ξＯ８（θ）＝ξｏ　　−ａｓｉｎ　　θ　　　０≦θ≦π
＋５ｉｎ−’　　−ξ０２ξｏ＋ａｓｉｎ　　θ　　　　　　　　π−上５ｉｎ
−’　　□≦θ≦２πで表わされる。ただしθ＝＃Ｏｔ
、ξ０は変動させないときの集束点Ｃｏの位置である。

超音波センサアレイ１２２の総和出力Ｓを前記（２）式
の周波数ｆｏで同期検波を行うと、その基本波信号ｆ　
（ξ）は、第３図（Ｃ）に示す様に、原点０に対し対象
となる。

基本波信号ｆ　（ξ）の特性は、その計算結果だけ示す
と、次式で与えられる。

・・・（３）このｆ　（ξ）は、集束点Ｃが原点Ｏ１即ち被測定対象
１１０よりξだけずれているときの基本波ｆｏの出力レ
ベルを示すものである。従って、このｆ　（ξ）を測定
すると、ａは既知量であるからξを算出することができ
る。

このｆ　（ξ）は、被測定対象１１０の反射形状や材質
等による特性によって異なるので、実際のｆ　（ξ）の
値は被測定対象１１０の反射特性によって変化する。

同様に超音波センサアレイ１２２の総和出力Ｓの２ｆｏ
成分ｇ（２ｆｏ）を求めると、次の（４）式％式％このｇ（２ｆｏ）の実際の値も、ｇ（２ｆｏ）に被測定
対象１１０の反射特性によって変化し、しかもξ＝０の
近傍では平坦な特性をもっている。

従って、総和出力Ｓの２ｆｏの成分ｇ（２ｆ、）を検出
し、これを規格化信号として利用しｆ　（ξ）を正規化
すれば、ｆ　（ξ）における被測定対象１１０の相違に
よる反射特性の依存性を無視することが出来、高精度の
測定が可能となる。正規化は、例えば、ｆ　（ξ）をｇ
（２ｆｏ）で割り算することによって行うことが出来る
。

この規格化されたｆ　（ξ）からξを算出すれば、被測
定対象１１０の反射特性に関係なく、−率に集束点Ｃか
ら被測定対象１１０までの距離ξを正確に求めることが
出来る。

又、集束点Ｃの位置を移動させ、ｆ　（ξ）＝０となる
集束点Ｃの位置から、被測定対象１１０の位置を正確に
求めることが出来る。

本発明は、超音波センサアレイ１２２を用いているので
、各超音波センサの出力が重畳されてＳＮ比の高い超音
波反射波が得られる。更に、超音波センサアレイ１２２
の出力から得られる総和出力Ｓ中から周波数ｆＯの基本
波信号ｆ　（ξ）を検出する際に周波数ｒｏ以外の成分
が雑音成分も含めて除去されるので、雑音の多い状態や
反射波に劣化が生じた場合でも、正確に被測定対象まで
の距離を計測することが出来る。

（作　用）超音波集束ビームを放射する超音波センサアレイ装置１
２０は、集束点制御手段１３０に制御されて、その放射
する超音波集束ビームの集束点Ｃの位置を、本来の集束
点位置Ｃｏを中心に前掲の（２）式に従って周波数ｆｏ
で周期的に変動させる。

変動の振幅ａは、被測定対象１１０がその変動範囲に入
る様に選定される。

放射された超音波集束ビームは、被測定対象１１０で反
射されて再び超音波センサアレイ装置１２０の各超音波
センサ１２１１〜１２１ｐによって受信され、その受信
出力を距離測定手段１４０に加える。

距離測定手段１４０は、超音波センサアレイ装置１−２
０より入力された各超音波センサ出力より周波数ｆｏの
基本波信号を検出し、この基本波信号に基づいて被測定
対象１１０までの距離を計測する。

距離測定手段１４０は、超音波センサアレイ装置１２０
より入力された各超音波センサ出力より周波数ｆｏの基
本波信号を検出し、この基本波成分に基づいて被測定対
象１１０までの距離を計測する。

これにより、前述の様に、良好なＳＮ比でもって正確に
被測定対象１１０までの距離を測定することが出来る。

〔実施例〕

本発明の一実施例を、第４図を参照して説明する。

第４図は、本発明の一実施例の構成をブロック図で示し
たものである。

（構成の説明）第４図において、被測定対象１１０、超音波センサアレ
イ装置１２０、超音波センサ１２１１〜１２１ｐ、超音
波センサアレイ１２２、集束点制御手段１３０、距離測
定手段１４０については、第１図で説明したとおりであ
る。

超音波センサアレイ装置１２０において、１２３は超音
波発生器、１２４は送受切換器である。

１２５は振幅・位相制御器で、各超音波センサ１２１１
〜１２１ｐに送受信される超音波の位相及び振幅を制御
する。位相は、各超音波センサ１２１１〜１２１ｐから
放射される超音波が所定の集束点Ｃｏに集束する様に選
定され、振幅は、超音波集束ビームにスプリアスが生じ
ない様に、例えばＴｃｈｅｂｙｃｈｅｆ　ｆ又はＢｕｔ
ｔｅｒｗｏｒｔｈの多項式の値となる様に選定される。

この振幅・位相調整器１２５は、更に集束点制御手段１
３０によりその位相が制御されて、各超音波センサ１２
１１〜１２１ｐの超音波位相を変化させることにより、
集束点Ｃを、Ｃｏを中心に前掲の（２）式に従って変動
させる。

集束点制御手段１３０は、内部にｓｉｎωａｔなる発振
器を有し、振幅・位相調整器１２５の位相を前記の様に
制御する。

距離測定手段１４０において、１４１は加算器で、超音
波センサアレイ装置１２０から入力された各超音波セン
サ１２１１〜１２１ｐの出力を加算して総和出力Ｓを発
生する。１４２はｆｏ帯域フィルタで、総和出力Ｓから
基本波ｆｏの成分のみを抽出する。１４３は同期検波器
で、基本波ｆＯの成分を同期検波して、前掲の（３）式
で表される基本波信号ｆ　（ξ）を発生する。１４４は
低域フィルタで、基本波信号ｆ　（ξ）以外の不要な高
調波を除去する。１４５は２ｆｏ帯域フイルタで、総和
出力Ｓから２ｆｏ成分即ち規格化信号ｇ　（２ｆｏ）を
取り出す。１４６は正規化器で、基本波信号ｆ　（ξ）
を規格化信号ｇ（２ｆ、）によって正規加する。１４７
は演算器で、正規加されたｆ（ξ）より被測定対象１１
０の距離ξを算出する。

（動作の説明）超音波発生器１２３より発生された超音波は、送受切変
器１２４に加えられる。送受切換器１２４は通常は受信
側に接続されているが、超音波発生器１２３より超音波
が加えられた時のみ自動的に送信側に切換って、超音波
を振幅・位相制御器１２５に加える。

振幅・位相制御１２５では、所定の集束点Ｃ。

に集束し且つスプリアスの抑制された超音波集束ビーム
が発生される様に各超音波センサ１２１１〜１２１ｐに
供給する超音波の位相及び振幅が選定されているので、
超音波センサ１２１１〜１２１ｐから放射された超音波
は、集束点Ｃｏに集束する。

集束点制御手段１３０は、振幅・位相制御手段１３０の
位相を制御することにより、超音波センサアレイ１２２
から放射される超音波集束ビームの集束点Ｃの位置を、
Ｇｏを中心に前掲の（２）式に従って変動させる。

被測定対象１１０より反射された超音波集束ビームは各
超音波センサ１２１１〜１２１ｐに受信され、振幅・位
相制御器１２５、送受切換器１２４を経由して、距離測
定手段１４０の加算器１４１に加えられる。

加算器１４１は、入力された各超音波センサ１２１１〜
１２１ｐの出力を加算して総和出力Ｓを発生する。

総和出力Ｓはｒｏ帯域フィルタに加えられ、基本波ｆｏ
の成分が抽出される。同期検波器１４３は、この基本波
ｆｏの成分を周波数ｆｏで同期検波して、前掲の（３）
式で表される基本波信号ｆ　（ξ）を発生する。低域フ
ィルタ１４４は、基本波信号ｆ（ξ）以外の不要な高調
波を除去する。

一方、２ｆＯ帯域フイルタ１４５は、加算器１４１から
出力された総和出力Ｓより２ｆｏ成分からなる規格化信
号ｇ（２ｆｏ）を抽出して、正規化器１４６に加える。

正規化器１４６は、低域フィルタ１４４より入力された
基本波信号ｆ　（ξ）を２ｆｏ帯域フイルタ１４５から
加えられた規格加信号で除算することにより、基本波信
号ｆ　（ξ）を正規化する。演算器１４７は、この正規
化された基本波信号ｆ　（ξ）より、被測定対象１１０
までの距離ξを算出する。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明の
各構成は、この実施例の各構成に限定されるものではな
い。例えば、同期検波以外の公知の各種の方法によって
基本波信号を検出することが出来る。

〔効　果〕

以上説明した様に、本発明によれば、次の様な諸効果が
得られる。

（イ）新規な測定原理により、高精度の距離測定が可能
である。

（ロ）反射波の波形に劣化や変形が生じても測定精度は
定価しない。

（ハ）充分に高いＳＮ比をもった反射信号が得られ且つ
充分に高い雑音除去能力を持っているので、雑音の多い
状況下でも、正確に距離測定を行うことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図・・・本発明の詳細な説明図、第２図・・・本発明の超音波センサアレイ装置から放射
される超音波集束ビームの説明図、第３図・・・本発明の超音波センサアレイ装置の出力に
基づいて得られる総和比力Ｓ及び基本波信号ｆ　（ξ）の説明図、第４図・・・本発明の一実施例の説明図。第１図、第４図において、１１０・・・被測定対象、１２０・・・超音波センサア
レイ装置、１２１１〜１２１ｐ・・・超音波−［＝７−
ＩＪ−１１２２・・・超音波センサアレイ、１３０・・
・集束点制御手段、１４０・・・距離測定手段。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）超音波センサによる距離測定装置において、（ａ
）複数個の超音波センサ（１２１＿１〜１２１ｐ）がア
レイ状に配列された超音波センサアレイ（１２２）を有
し、超音波集束ビームを被測定対象（１１０）に放射し
てその反射波を受信し、各超音波センサ（１２１＿１〜
１２１ｐ）の受信信号を出力する超音波センサアレイ装
置（１２０）と、（ｂ）超音波センサアレイ装置１２０より放射される超
音波集束ビームの集束点Ｃの位置を、本来の集束点Ｃ＿
０を中心に被測定対象（１１０）がその変動範囲に入る
様に周波数ｆ＿０で周期的に変動させる集束点制御手段
（１３０）と、（ｃ）超音波センサアレイ装置（１２０）より入力され
た各超音波センサの出力の総和出力Ｓより周波数ｆ＿０
の基本波信号を検出し、この基本波信号に基づいて被測
定対象（１１０）までの距離を計測する距離測定手段（
１４０）、を備えたことを特徴とする超音波センサによ
る高精度距離測定装置。
（２）距離測定手段（１４０）において、基本波信号が
正規化されたものであることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の超音波センサによる高精度距離測定装置
。
（３）超音波センサアレイ装置（１２０）が、チェビシ
ェフ（Ｔｃｈｅｂｙｃｈｅｆｆ）又はバタワース（Ｂｕ
ｔｔｅｒｗｏｒｔｈ）特性パターンを持った超音波集束
ビームを放射するものであることを特徴とする特許請求
の範囲第１項又は第２項記載の超音波による高精度距離
測定装置。