JPWO2005106530A1 - 超音波測距装置 - Google Patents

Abstract

共振周波数または共鳴周波数を変化させることのできる送信用超音波振動子１および受信用超音波振動子２と、送信用超音波振動子１を駆動して超音波を送信するために、周波数変調された駆動信号を生成する駆動部１５１と、送信用超音波振動子１の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための制御電圧を生成し、超音波を送信用超音波振動子１から送信する際、制御電圧を送信用超音波振動子に印加する送信用制御電圧生成部１５２と、受信用超音波振動子２の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための制御電圧を生成し、制御電圧を駆動信号の生成から調整可能な遅延時間後に受信用超音波振動子に印加する受信用制御電圧生成部１５３と、受信用超音波振動子で受信した超音波による受信信号の強度を検出する受信部１５４とを備え、送信用超音波振動子１から測定対象物に向けて複数回送信された超音波による反射波を、遅延時間を変化させてそれぞれ受信用超音波振動子２で受信し、受信部において最も強度が大きい受信信号が得られた超音波を受信したときの遅延時間から超音波の伝播時間を求め、伝播時間から測定対象物までの距離を求める超音波測距装置。

Description

本発明は超音波の伝播時間を測定することにより、物体までの距離を求める超音波測距装置に関する。また、本発明は超音波測距装置に用いられる超音波振動子にも関する。

超音波測距装置は、物体に向かって超音波を送信し、物体において反射した超音波を受信することにより、超音波の伝播時間を求め、伝播時間から物体までの距離を算出する。超音波は、気体や液体中を伝播するので、媒体における超音波の伝播速度が分かれば空中や液体中にある物体までの距離を求めることができる。

超音波測距装置では、その測定原理上、物体からの反射波が到達した時間を正しく測定することが重要である。一般に、受信した反射波の強度が所定の検知レベルに達したとき、反射波を検知したと判断し、反射波の到達時刻を定めている。

媒体中を伝播する超音波は減衰するので、受信する反射波の強度も物体までの距離によって変化する。このため、計測する距離に応じて複数の検知レベルを設定し、近距離の計測には高い検知レベルを用い、遠距離の計測には低い検知レベルを用いことにより反射波を正しく検知する技術が知られている。また、複数の検知レベルを一度に設定し、受信した反射波の波形の立ち上がり部分を正確に検知したり、送信する超音波の波形に位相の反転などによるマーキングを施し、マーキングを検出することによって反射波の到達を検知する技術などが知られている。

また、超音波測距装置による計測では、媒体の揺らぎや周囲の雑音などが測定に影響する。このような影響を排除するために、特許文献１は、送信する超音波を周波数変調し、受信した反射波による信号を相関処理することにより超音波の伝播時間を求める超音波測距装置を開示している。図１に示すように、この超音波測距装置では、キャリア信号生成部８および変調信号発生部４４において、バースト波からなるキャリア信号８Ｓおよび周期Ｔの間にバースト波の周波数をｆ０からｆ１まで変化させるための変調信号４４Ｓをそれぞれ生成する。周波数変調部７は、キャリア信号８Ｓを変調信号４４Ｓで周波数変調し、送信アンプ３へ出力する。送信アンプ３は変調信号発生部４４から信号を受け取って、駆動信号３Ｓを送信用超音波振動子３８へ出力する。

駆動信号３Ｓによって送信用超音波振動子３８から送信された超音波は物体１７において反射し、反射波が受信用超音波振動子３９に到達する。受信用超音波振動子３９によって受信された反射波による受信信号は受信アンプ４で増幅され、受信信号４Ｓとなる。周波数復調部４０は受信信号４Ｓを復調する。

相互相関部４１は、変調信号４４Ｓをその信号の生成時刻から所定の時間間隔で順次遅延させ、遅延させた信号と復調した受信波との相互相関関数４１Ｓを求める。相関度合検出部４３は相互相関関数４１Ｓから、最も相関度の高い遅延時間を伝播時間として求める。
特開平７−１０４０６３号公報

特許文献１に開示された装置では、周波数変調された超音波を用いるため、超音波振動子はある程度広い帯域を備えている必要がある。しかし、一般に用いられる超音波振動子は、圧電セラミックの共振現象を利用して超音波を発生させるため、原理上、共振周波数近傍の狭い帯域でしか超音波を発生させることができない。このため、雑音の影響を十分に排除し得るほど広い帯域を用いて超音波の周波数を変調しようとする場合、超音波振動子をその帯域全体で駆動することが困難であった。

周波数帯域の広い超音波振動子も存在するが、そのような超音波振動子は、大きな出力で駆動する必要があり、バッテリーなどで駆動するのが困難である。また、帯域が広くなることにより、逆に受信側の超音波振動子はノイズを拾いやすくなるという問題が発生する。

本発明は、このような従来技術の課題を解決し、簡単な構成により、精度の高い計測が可能な超音波測距装置を提供することを目的とする。

本発明の超音波測距装置は、共振周波数または共鳴周波数を変化させることのできる送信用超音波振動子および受信用超音波振動子と、前記送信用超音波振動子を駆動して超音波を送信するために、周波数変調された駆動信号を生成する駆動部と、前記送信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための制御電圧を生成し、前記超音波を前記送信用超音波振動子から送信する際、前記制御電圧を前記送信用超音波振動子に印加する送信用制御電圧生成部と、前記受信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための制御電圧を生成し、前記制御電圧を前記駆動信号の生成から調整可能な遅延時間後に前記受信用超音波振動子に印加する受信用制御電圧生成部と、前記受信用超音波振動子で受信した超音波による受信信号の強度を検出する受信部とを備え、前記送信用超音波振動子から測定対象物に向けて複数回送信された超音波による反射波を、前記遅延時間を変化させてそれぞれ前記受信用超音波振動子で受信し、前記受信部において最も強度が大きい受信信号が得られた超音波を受信したときの遅延時間から前記超音波の伝播時間を求め、前記伝播時間から前記測定対象物までの距離を求める。

ある好ましい実施形態において、超音波測距装置は、前記駆動部、前記送信用制御電圧生成部および前記受信用制御電圧生成部を所定のタイミングで動作させるためのトリガ信号を生成し、出力するタイミング部をさらに備え、前記受信用制御電圧生成部は、前記トリガを受け取るたびに所定の時間間隔で長さが異なっている遅延時間を生成する遅延部を含む。

ある好ましい実施形態において、超音波測距装置は、前記タイミング部から前記トリガ信号を受け取り、前記トリガ信号を受け取ったときから前記受信用超音波振動子により受信した受信信号が所定のレベルに達したときまでの時間を計測する伝播時間予備計測部をさらに備え、前記受信用制御電圧生成部は、前記予備計測部の計測した時間および前記タイミング部のトリガ信号に基づき、遅延時間を生成する。

ある好ましい実施形態において、前記受信用制御電圧生成部および前記送信用制御電圧生成部は、前記駆動信号の周波数の変調におおよそ一致して、前記受信用超音波振動子および前記送信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数が変化するような制御電圧を生成する。

本発明の超音波測距装置は、共振周波数または共鳴周波数を変化させることのできる送信用超音波振動子および受信用超音波振動子と、前記送信用超音波振動子を駆動し、測定用超音波を送信するための測定用駆動信号であって、所定の時間間隔で生成され、周波数変調された複数の第１駆動信号を含む前記測定用駆動信号を生成する駆動部と、前記送信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための第１制御電圧を生成し、前記超音波を前記送信用超音波振動子から送信する際、前記制御電圧を前記送信用超音波振動子に印加する送信用制御電圧生成部と、前記受信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための前記第１制御電圧を生成し、前記第１制御電圧を、各第１駆動信号の生成から所定の遅延時間後に印加する受信用制御電圧生成部と、前記受信用超音波振動子で受信した超音波による受信信号の強度を検出する受信部とを備え、前記時間間隔および前記遅延時間のうち、一方を一定にし、他方を変化させながら前記第１駆動信号によって前記送信用超音波振動子から測定対象物に向けて送信された超音波による複数の第１反射波をそれぞれ前記受信用超音波振動子で受信し、前記受信部において検出した複数の第１受信信号の強度に基づいて前記第１超音波の伝播時間を求め、前記伝播時間から前記測定対象物までの距離を求める。

ある好ましい実施形態において、前記時間間隔は一定であり、前記遅延時間が変化している。

ある好ましい実施形態において、前記遅延時間は一定であり、前記時間間隔が変化している。

ある好ましい実施形態において、前記受信部は、前記第１受信信号の強度の遅延時間上の重心を求め、前記重心から前記第１超音波の伝播時間を求める。

ある好ましい実施形態において、前記受信用制御電圧生成部および前記送信用制御電圧生成部は、前記第１駆動信号の周波数の変調におおよそ一致して、前記受信用超音波振動子および前記送信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数が変化するよう、前記第１制御電圧を生成する。

ある好ましい実施形態において、前記駆動部は、前記測定用駆動信号が第１周波数から第２周波数へ切り替わる第２駆動信号を前記第１駆動信号の前に含むよう、前記第２駆動信号を生成し、前記受信用制御電圧生成部は、前記第１周波数で前記受信用超音波振動子を共振または共鳴させる第２制御電圧を前記第１制御電圧の前に生成し、前記受信用超音波振動子は、前記第２駆動信号によって前記送信用超音波振動子から測定対象物に向けて送信された第２超音波による第２反射波を受信し、前記受信部は、第２反射波による第２受信信号の強度変化を検出し、検出結果に基づいて、前記遅延時間を設定する。

ある好ましい実施形態において、前記駆動信号は、チャープ波である。

ある好ましい実施形態において、前記駆動信号は、パルス波である。

ある好ましい実施形態において、超音波測距装置は、前記測定対象物の周囲の環境温度を計測する温度計をさらに備え、計測した環境温度に基づいて前記超音波の伝播速度を補正し、補正した伝播速度を用いて前記前記測定対象物までの距離を求める。

ある好ましい実施形態において、前記送信用超音波振動子および受信用超音波振動子のそれぞれは、振動板と、前記振動板に設けられた圧電振動子と、前記制御電圧または第１制御電圧により前記振動板を伸縮させるアクチュエータとを備える。

ある好ましい実施形態において、前記送信用超音波振動子および受信用超音波振動子のそれぞれは、共鳴器と、共鳴器に設けられた圧電振動子と、前記制御電圧または第１制御電圧により前記共鳴器の共鳴周波数を変化させるアクチュエータとを備える。

ある好ましい実施形態において、前記送信用超音波振動子および受信用超音波振動子のそれぞれは、第１音響整合層と、圧電振動子と、前記第１音響整合層および前記圧電振動子との間に設けられた第２音響整合層と、前記制御電圧または第１制御電圧により前記第２音響整合層の厚さを伸縮させるアクチュエータとを備える。

ある好ましい実施形態において、前記第２音響整合層は液体である。

本発明の方位計は、上記いずれかに規定される超音波測距装置を複数備え、前記複数の超音波測距装置により計測した測定対象物までの距離から前記測定対象物の方位を求める。

本発明の流量計は、上記いずれかに規定される超音波測距装置を備え、前記超音波測距装置の送信用超音波振動子および受信用超音波振動子を流体の流路を挟んで対向するように配置し、前記超音波の伝播時間から流体の流速および流量を求める。

本発明の超音波による距離計測方法は、周波数変調された駆動信号を用い、前記駆動信号の周波数の変調におおよそ一致して、共振周波数または共鳴周波数を変化させながら送信用超音波振動子を駆動することにより、測定対象物に向けて超音波を送信するステップと、前記駆動信号の生成から調整可能な遅延時間後に共振周波数または共鳴周波数を変化させながら前記測定対象物から得られる前記超音波による反射波を受信用超音波振動子で受信するステップとを包含し、前記送信ステップおよび前記受信ステップを前記遅延時間を変化させて複数回行い、前記受信用超音波振動子において最も信号強度が大きい超音波を受信したときの前記遅延時間から前記超音波の伝播時間を求め、前記伝播時間から前記測定対象物までの距離を求める。

本発明の超音波による距離計測方法は、所定の時間間隔で生成され、周波数変調された複数の第１駆動信号を用い、前記駆動信号の周波数の変調におおよそ一致して、共振周波数または共鳴周波数を変化させながら送信用超音波振動子を駆動することにより、測定対象物に向けて複数の第１超音波を送信するステップと、前記複数の第１駆動信号の生成からそれぞれ所定遅延時間後に共振周波数または共鳴周波数を変化させながら前記測定対象物から得られる前記第１超音波による第１反射波をそれぞれ受信するステップと、前記、それぞれの第１反射波を受信することにより得られる複数の第１受信信号の強度に基づいて前記第１超音波の伝播時間を求め、前記伝播時間から前記測定対象物までの距離を計算するステップとを包含し、前記送信ステップにおける前記時間間隔および前記受信ステップにおける前記遅延時間のうち、一方は一定であり、他方は変化している。

ある好ましい実施形態において、前記送信ステップにおける前記時間間隔は変化しており、前記受信ステップにおける前記遅延時間は一定である。

ある好ましい実施形態において、前記送信ステップにおける前記時間間隔は一定であり、前記受信ステップにおける前記遅延時間は変化している。

ある好ましい実施形態において、前記計算ステップは、前記第１反射波の受信強度をそれぞれ検出し、前記検出した強度に基づいて前記受信強度の前記遅延時間上の重心を求め、前記重心から前記第１超音波の伝播時間を求める。

ある好ましい実施形態において、超音波による距離計測方法は、前記送信ステップの前に、第１周波数から第２周波数へ切り替わる第２駆動信号を生成し、前記第２駆動信号の周波数変化におおよそ一致して、共振周波数または共鳴周波数を変化させながら送信用超音波振動子を駆動することにより、測定対象物に向けて第２超音波を送信するステップと、前記第１周波数で前記受信用超音波振動子を共振または共鳴するように駆動しながら前記第２超音波による第２反射波を受信するステップとをさらに包含し、第２反射波による第２受信信号の強度の強度変化を検出し、検出結果に基づいて、前記遅延時間を設定する。

本発明によれば、超音波振動子の共振周波数を変化させながら周波数変調された超音波の送受信を行う。このため、超音波振動子を構成する圧電体素子の帯域は狭くても、広い帯域で超音波を送受信することが可能となり、測定環境における雑音や風など環境の揺らぎなどの影響を受けにくく、精度の高い計測を行うことができる。

また、本発明の超音波振動子は、帯域の狭い圧電体素子を用い、アクチュエータにより共振周波数または共鳴周波数を変化させる。このため、小さな電力で圧電体素子を駆動することが可能であり、かつ、従来高い電力で駆動する必要があった広帯域での振動を実現することができる。

［図１］従来の超音波測距装置の構成を示すブロック図である。
［図２Ａ］本発明の超音波測距装置に用いられる超音波振動子の平面図である。
［図２Ｂ］本発明の超音波測距装置に用いられる超音波振動子の断面図である。
［図３Ａ］本発明の超音波測距装置に用いられる他の超音波振動子の平面図である。
［図３Ｂ］本発明の超音波測距装置に用いられる他の超音波振動子の断面図である。
［図４］図３に示す超音波振動子の振動特性を示すグラフである。
［図５］本発明の超音波測距装置に用いられる他の超音波振動子の断面図である。
［図６］図５に示す超音波振動子の振動特性を示すグラフである。
［図７］本発明による超音波測距装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
［図８］図７に示す超音波測距装置の駆動部の各部で生成する信号の波形の一例を示している。
［図９］図７に示す超音波測距装置の伝播時間予備計測部における受信信号の検出を説明する図である。
［図１０Ａ］受信部における受信信号およびその包絡線信号の一例を示す図である。
［図１０Ｂ］図１０Ａの受信信号を検出したときに受信用超音波振動子に印加された制御電圧を示す図である。
［図１１Ａ］受信部における受信信号およびその包絡線信号の他の例を示す図である。
［図１１Ｂ］図１１Ａの受信信号を検出したときに受信用超音波振動子に印加された制御電圧を示す図である。
［図１２］図１０Ａおよび図１１Ａに示す包絡線信号を重ねて示す図である。
［図１３］判定部の構成を示すブロック図である。
［図１４］計測手順を示すフローチャートである。
［図１５］図７の超音波測距装置の各部における信号のタイミングチャートの一例である。
［図１６］図７の超音波測距装置の各部における信号のタイミングチャートの他の例である。
［図１７］図７の超音波測距装置の各部における信号のタイミングチャートの他の例である。
［図１８］図７の超音波測距装置の各部における信号のタイミングチャートの他の例である。
［図１９］本発明の超音波測距装置を用いた方位計を説明する図である。
［図２０］本発明による超音波測距装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
［図２１］図２０の超音波測距装置の各部における信号のタイミングチャートである。
［図２２］図２０の超音波測距装置の送信アンプから出力される信号の波形を示している。
［図２３Ａ］受信用超音波振動子のアクチュエータに印加されるＤＣ制御電圧波形の１つを示している。
［図２３Ｂ］受信用超音波振動子のアクチュエータに印加されるＤＣ制御電圧波形の他の１つを示している。
［図２３Ｃ］受信用超音波振動子のアクチュエータに印加されるＤＣ制御電圧波形の他の１つを示している。
［図２４Ａ］図２０の超音波測距装置の受信部において検出した受信信号およびそのピークホールド信号を示している。
［図２４Ｂ］図２０の超音波測距装置の受信部において検出した受信信号およびその包絡線検波信号を示している。
［図２５］第２Ａ−Ｄコンバータの出力値の分布を示すグラフである。
［図２６］図２０の超音波測距装置の送信アンプから出力される信号の波形の他の例を示している。

符号の説明

１ 送信用超音波振動子
２ 受信用超音波振動子
３ 送信アンプ
４ 受信アンプ
５ ピエゾアンプ
６ ＤＣ制御電圧発生部
７ 周波数変調部
８ キャリア信号生成部
９、１６９ タイミング部
１０ 切替部
１１ ピークホールド部
１２ レベル検知部
１３ 包絡線検波部
１４ 判定部
１５ 距離算出部
１６ 遅延部
１７ 測定対象物
１８ アクチュエータ
４４ 変調信号発生部
１５１、１６１ 駆動部
１５２、１６２ 送信用制御電圧生成部
１５３、１６３ 受信用制御電圧生成部
１５４、１６４ 受信部
１５５ 伝播時間予備計測部
１５６ 計時部

（第１の実施形態）
まず、本発明の超音波測距装置に用いる超音波振動子を説明する。図２Ａおよび図２Ｂは、超音波振動子１０１の上面図および側面図を示している。超音波振動子１０１は、振動板４５と、圧電振動子２０と、アクチュエータ１８と、ケース４６とを備えている。圧電振動子２０は振動板４５に取り付けられ、ケース４６は支持部４６ａにおいて振動板４５の一端を支持している。振動板４５の他端近傍には、支持プレート１９が設けられている。アクチュエータ１８の両端はケース４６および支持プレート１９にそれぞれ固定されている。振動板４５の表面に音響整合層４８を設けてもよい。

圧電振動子２０はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電セラミックスからなり、電圧を印加することにより超音波領域の周波数（おおよそ２０ｋＨｚ以上の周波数）で振動する。超音波測距装置や超音波センサーなどに従来より用いられている種々の超音波振動子を圧電振動子２０として用いることができる。

アクチュエータ１８は、たとえば積層圧電セラミックスによって構成されており、制御電圧として直流電圧を印加すると、印加した電圧の極性および電圧の大きさに応じて矢印で示すように伸長あるいは収縮する。印加した電圧を維持する限り、アクチュエータ１８は同じ長さを維持する。これにより、アクチュエータ１８に固定された支持プレート１９が振動板４５を伸縮させる。

振動板４５に取り付けられた圧電振動子２０は、駆動電圧を印加すると圧電振動子２０の材料ならびに圧電振動子２０および振動板４５の形状で定まる振動モードおよび共振周波数で振動する。本実施形態では、振動板４５の両端近傍に節が生じるような屈曲（たわみ）モードで振動する。アクチュエータ１８に直流電圧を印加すると、振動板４５が伸縮し、この共振周波数が変化する。アクチュエータ１８の変位量に応じて共振周波数は連続的変化する。

本発明の超音波測距装置では、この超音波振動子１０１を送信用超音波振動子および受信用超音波振動子に用い、周波数変調された超音波を送信する際、アクチュエータ１８に電圧を印加しながら圧電振動子２０を駆動することにより、変調周波数の変化にともなって、共振周波数を変化させる。これにより、超音波振動子の帯域を広げることができ、周波数変調した駆動信号を用いて距離の計測を正しく行うことができる。また、アクチュエータ１８に電圧を印加するタイミングを変化させて周波数変調された超音波を受信することにより、受信信号の信号強度の変化を計測する。

超音波振動子１０１では、振動板４５に圧電振動子２０を張り合わせて空気を振動させているが、振動板４５および圧電振動子２０の替わりに、圧電体を２枚張り合わせたバイモルフ型の圧電振動子を用いてもよい。また、本発明の超音波測距装置には超音波振動子１０１のほか、共振周波数あるいは共鳴周波数を変化させて超音波を送受信できる種々の構造の超音波振動子を用いることができる。

図３Ａおよび図３Ｂに示す超音波振動子１０２は、圧電振動子２０と、振動板４５と、音響整合層４８と、アクチュエータ１８と、ケース４６とを備えている。圧電振動子２０、振動板４５および音響整合層４８は振動板４５が圧電素子２０および音響整合層４８に挟まれるように積層されている。アクチュエータ１８は円筒形状を有しており、円筒の一端に音響整合層４８が取り付けられている。また、円筒の他端はケース４６の上面４６ｂに内側から取り付けられ、上面４６ｂには孔４６ｃが設けられている。アクチュエータ１８、音響整合層４８および上面４６ｂによって形成される空間は、共鳴器４６ｄを構成している。

圧電振動子２０に駆動電圧を印加すると拡がり振動モードあるいは厚み振動モードで圧電振動子２０が振動する。これにより、音響整合層４８が振動し、共鳴器４６ｄの寸法によって定まる共鳴周波数で音響整合層４８が振動し、超音波を発生する。

アクチュエータ１８は直流電圧が印加されると矢印で示す方向に伸縮する。このため、共鳴器４６ｄの寸法が変化し、共鳴周波数も変化する。

図４は、アクチュエータ１８の寸法変化に対する共鳴周波数の変化を示している。図４に示すように、アクチュエータ４５の長さが、０．４ｍｍから０．１ｍｍになった場合、共鳴周波数は、およそ１５ｋＨｚ変化する。

また、図５に示す超音波振動子１０３は、ケース４６と、圧電振動子２０と、アクチュエータ１８と、第１音響整合層４８と第２音響整合層４７とを備えている。ケース４６の一側面に第１音響整合層４８は嵌め込まれており、第１音響整合層４８と対向するようにケース４６内に圧電振動子２０が保持されている。第２音響整合層４７は液体からなり、第１音響整合層４８と圧電振動子２０との間を少なくとも満たし、これらに挟まれている。第２音響整合層４７として用いることのできる液体としては、不活性溶液であることが好ましく、フロリナートなどを用いることが好ましい。アクチュエータ１８や圧電振動子２０およびこれらに電圧を印加するための配線に腐食などの悪影響を与えなければ水やアルコールなどを用いてもよい。

アクチュエータ１８は、直流電圧を印加することによって伸縮し、第１音響整合層４８と圧電振動子２０との間隔を変化させる。これにより、第２音響整合層４７の厚さを変化させ、超音波振動子１０３の共振周波数を変化させることができる。

図６は、超音波振動子１０３による共振周波数の変化の一例を示すグラフである。図６に示す超音波振動子１０３は、ＰＺＴからなる圧電振動子２０、ガラスバルーンをエポキシ樹脂で固めた材料からなる第２音響整合層４８およびフロリナートからなる第２音響整合層４７によって構成されている。第２音響整合層４７の厚さを０．４ｍｍから０．１ｍｍに変化させた場合、図６に示すように、共振周波数は４７０ｋＨｚから５００ｋＨｚへ約３０ｋＨｚ変化する。次に本実施形態の超音波測距装置を説明する。図７に示すように、超音波測距装置１５０は、送信用超音波振動子１と、受信用超音波振動子２と、駆動部１５１と、送信用制御電圧生成部１５２と、受信用制御電圧生成部１５３と、受信部１５４と、伝播時間予備計測部１５５とを備える。また、送信用超音波振動子１から超音波を送信するためのタイミングを定めるためのトリガ信号を生成するタイミング部９を備えている。

送信用超音波振動子１および受信用超音波振動子２には、共振周波数または共鳴周波数を変化させることのできる超音波振動子を用いる。たとえば、前述した超音波振動子１０１、１０２、１０３を好適に用いることができる。本実施形態では、超音波振動子１０１を用いる。

駆動部１５１は、送信用超音波振動子１を駆動し超音波を送信するために、周波数変調された駆動信号を生成し、送信用超音波振動子１に生成した駆動信号を印加する。好ましくは、駆動部１５１はキャリア信号生成部８と、変調信号発生部４４と、周波数変調部７と、送信アンプ３とを含む。図８は、駆動部１５１において生成する信号を示している。キャリア信号生成部８は、送信用超音波振動子１を振動させる駆動信号を発生し、変調信号発生部４４は周波数変調を行う変調周波数を生成する。たとえば図８に示すように、キャリア信号生成部８は周波数１５ｋＨｚの矩形波のキャリア信号８（ａ）を生成し、変調信号発生部４４は、信号（ｂ）で示すように周期４００マイクロ秒の間に周波数が１５ｋＨｚから３０ｋＨｚへ変化する変調信号８（ｂ）を生成する。

周波数変調部７は、キャリア信号を変調信号で変調し、周波数変調されたキャリア信号を送信アンプ３へ出力する。送信アンプ３は、受け取った信号を増幅し、図８に示す駆動信号８（ｃ）を送信用超音波振動子１へ出力する。２つの信号のタイミングが一致するよう、キャリア信号生成部８および変調信号発生部４４はタイミング部９から出力されるトリガ信号に基づいて、キャリア信号および変調信号を生成する。

送信用制御電圧生成部１５２は、送信用超音波振動子１の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための制御電圧を生成する。このために、送信用制御電圧生成部１５２は、ＤＣ制御電圧生成部６およびピエゾアンプ５を含む。ＤＣ制御電圧生成部６はタイミング部９からトリガ信号を受け取って、アクチュエータを駆動するためのＤＣ制御電圧を生成する。ピエゾアンプ５は、ＤＣ制御電圧を増幅し、増幅した制御電圧を送信用超音波振動子１のアクチュエータ１８に印加する。

アクチュエータ１８に印加されるＤＣ制御電圧は、駆動信号の周波数の変調におおよそ一致して、送信用超音波振動子１の共振周波数または共鳴周波数が変化するようなプロファイルとなるようあらかじめ定められている。たとえば図８（ｄ）に示すように、駆動信号８（ｄ）が出力されると同時に印加され、変調周波数の変化にともなって電圧が増大し、駆動信号の停止にともなって減少するＤＣ制御電圧がアクチュエータ１８に印加される。アクチュエータ１８にＤＣ制御電圧が印加されることにより、変調周波数の変化にともなって送信用超音波振動子１の共振周波数が変化する。送信用超音波振動子１は、共振周波数を変化させながら駆動信号による超音波を発振する。

送信用超音波振動子１から送信された超音波は測定対象物１７へ向かって進行し、測定対象物において反射する。超音波の反射波は、受信用超音波振動子２へ到達し、受信用超音波振動子２により、電気的信号に変換される。このとき、受信用超音波振動子２は共振周波数を変化させながら反射波を受信する。

受信用制御電圧生成部１５３は、ピエゾアンプ５と、ＤＣ制御電圧生成部６と遅延部１６とを備え、受信用超音波振動子２の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための制御電圧を生成する。ピエゾアンプ５およびＤＣ制御電圧生成部６は送信用制御電圧生成部１５２と同じように構成されている。ただし、ＤＣ制御電圧生成部６は、タイミング部９のトリガ信号に基づいてＤＣ制御電圧を生成するのではなく、遅延部１６から出力信号に基づいてＤＣ制御電圧を生成する。

遅延部１６は、トリガ信号および推定伝播時間情報をタイミング部９および後述する計時部１５６から受け取る。そして、トリガ信号を受け取るたびに、長さがΔｔ異なる遅延時間を生成し、遅延時間経過後にＤＣ制御電圧生成部６へ信号を出力する。超音波測距装置１５０では受信した反射波の強度が所定の検知レベルに達したとき反射波を検知したと判断し、反射波の到達時刻を定める。このため、反射波の推定伝播時間をΔＴ_０とすれば、受信波の微弱なレベルの部分はΔＴ_０より以前に受信用超音波振動子２に到達している。このため、受信信号を検出するタイミングは、ΔＴ_０よりも時間αだけ早いΔＴ_０−αから開始する。２ｎ＋１回（ｎは１以上の整数）トリガ信号が出力されることによって送受信が繰り返され、推定伝播時間がΔＴ_０であるとすれば、生成される遅延時間は、ΔＴ_０−α−ｎΔｔ、ΔＴ_０−α−（ｎ−１）Δｔ、ΔＴ_０−α−（ｎ−２）Δｔ、・・・ΔＴ_０−α−２Δｔ、ΔＴ_０−α−Δｔ、ΔＴ_０−α、ΔＴ_０−α＋Δｔ、・・・・ΔＴ_０−α＋ｎΔｔである。

受信用制御電圧生成部１５３において、遅延部１６がトリガ信号を受け取るたびに、Δｔだけ遅延時間が異なるタイミングでＤＣ制御生成部６がＤＣ制御電圧を生成し、ピエゾアンプ５は生成したＤＣ制御電圧を増幅して受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８に印加する。

受信部１５４は、受信アンプ４と、切替部１０と、包絡線検波部１３、と判定部１４とを備える。受信アンプ４は受信用超音波振動子２によって変換された受信信号を増幅する。切替部１０は、繰り返して受け取る受信信号のうち最初の受信信号のみが伝播時間予備計測部１５５へ出力され、２回目以降の受信信号は包絡線検波部１３へ出力されるように信号の出力先を切り替える。最初の受信信号を受信部１５４が受け取った場合、受信信号は伝播時間予備計測部１５５へ出力される。伝播時間予備計測部１５５は、ピークホールド部１１と、レベル検知部１２と計時部１５６とを含み、受信信号はまずピークホールド部１１へ入力される。図９は、伝播時間予備計測部１５５における各部の信号を示しているピークホールド部１１は最初の受信信号２２のピーク値を保持し、ピーク値信号２５をレベル検知部１２へ出力する。レベル検知部１２は、所定の閾値２６とピーク値信号２５とを比較し、ピーク値信号２５が閾値２６を超えたとき、検知信号２７を出力する。計時部１５６は、タイミング部９のトリガ信号および検知信号２７を受け取り、トリガ信号を受け取ったときから検知信号２７を受け取ったときまでの時間を計測し、計測結果を推定伝播時間ΔＴ_０として受信用制御電圧生成部１５３の遅延部１６へ出力する。

前述したように、遅延部１６は推定伝播時間ΔＴ_０から時間αを引いた時間を中心とする期間において、タイミング部９からトリガ信号を受け取るたびに、長さがΔｔ異なる遅延時間を生成し、遅延時間経過後にＤＣ制御電圧生成部６へ信号を出力する。これにより、送信用超音波振動子１から超音波が送信されるたびに、受信用超音波振動子２は異なるタイミングでＤＣ制御電圧が印加されながら反射波を受信する。

２回目以降の受信信号を受信部１５４が受け取った場合、受信信号は包絡線検波部１３へ入力される。図１０Ａは包絡線検波部１３において生成される受信信号２４の包絡線２８を示している。また、図１０Ｂはその受信信号２４を受信したときにおける受信用制御電圧生成部１５３で生成したＤＣ制御電圧のプロファイル２９を示している。これらの図において、原点はΔＴ_０−αとしている。図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、受信信号は、時刻ΔＴ’から立ち上がっており、反射波が時刻ΔＴ’に到達したことを示している。これに対して、ＤＣ制御電圧は時刻ΔＴ’より進んだΔＴ１’から生成され、アクチュエータ１８に印加されている。

図１１Ａは他の受信信号３２を包絡線検波部１３において検波して得られた包絡線３０を示している。図１１Ｂはその受信信号３２を受信したときにおける受信用制御電圧生成部１５３で生成したＤＣ制御電圧のプロファイル３１を示している。図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、受信信号は、時刻ΔＴ’から立ち上がっており、反射波が時刻ΔＴ’に到達したことを示している。これに対して、ＤＣ制御電圧は時刻ΔＴ’と一致したΔＴ’_２から生成され、アクチュエータ１８に印加されている。

２回目以降、複数回繰り返して行われる超音波の送受信において、送信用超音波振動子１が超音波を送信するタイミングはいずれもタイミング部９におけるトリガ信号の生成に一致している。また、送信用超音波振動子１では、駆動信号の周波数変調に一致したタイミングでアクチュエータ１８にＤＣ制御電圧が印加される。つまり、複数回送信される超音波はトリガ信号を基準として発生し、また、同じ波形を有している。

測定対象物１７が計測中移動しないものと仮定すれば、受信用超音波振動子２に到達する各反射波の到達時刻もトリガ信号を基準として一定であり、波形も等しい。しかし、前述したように、受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８に印加されるＤＣ制御電圧は、トリガ信号に対して所定の時間間隔でシフトして立ち上がるように印加される。受信用超音波振動子２に到達する反射波のタイミングとアクチュエータ１８に印加されるＤＣ制御電圧のタイミングとが最も一致した場合、受信用超音波振動子２の共振周波数は、反射波の周波数変調と一致して変化するため、受信する受信信号の振幅が大きくなる。つまり、包絡線検波部１３において得られる包絡線の積分面積が大きくなる。

図１２は、図１０の包絡線２８と図１１の包絡線３０とを重ねて示した図である。図から明らかなように、包絡線３０の積分面積のほうが大きくなっている。特に、変調によって周波数が高くなっている受信信号の後半ほどその差が顕著になっている。これは、包絡線３０を与える受信信号を受信したときのほうが、受信用超音波振動子２の共振周波数の変化が反射波の周波数の変調と一致していたことを意味している。

判定部１４は、このような判断を行うため、図１３に示すように、積分部３３、Ａ／Ｄ変換部３４および最大値判定部３５を含み、受信信号を包絡線検波するたびに、積分部３３において包絡線を積分し、Ａ／Ｄ変換部３４において得られた積分値をデジタル値に変換する。最大値判定部３５は、遅延部１６から遅延時間と繰り返し回数に関する情報を受け取り、繰り返し回数分積分値が得られたら、これらのデジタル積分値が最大となるときの遅延時間を決定する。これにより、伝播時間を確定し、距離算出部１５へ出力する。積分値が最大となるときの遅延時間から直接伝播時間を確定してもよいし、得られた積分値から補間を行い、最大となる積分値およびその積分値を与える遅延時間を推定してもよい。補間を行わない場合には、遅延時間の間隔が計測の精度となる。

距離算出部１５は、得られた超音波の伝播時間から超音波の速度を用いて測定対象物１７までの距離を算出する。図７に示すように、測定対象物１７の周りの環境温度を温度計３７によって計測し、超音波の速度を環境温度で補正してもよい。空気の音速ｖ（ｍ）は温度ｔ（℃）の関数としてｖ＝３３１．４５＋０．６（ｔ）で近似的に表される。この関係を用いて超音波の伝播速度を補正することにより、より正確な距離を求めることができる。

次に図１４および図１５から図１８を参照して超音波測距装置１５０を用いた距離の測定方法を説明する。

図１４は、超音波測距装置１５０を用いて距離を測定する手順を示すフローチャートである。また、図１５から図１８は、測定中の異なる時刻における、超音波測距装置１５０の送信アンプ３から出力される駆動信号（ａ）、送信用制御電圧生成部１５２から出力されるＤＣ制御電圧信号（ｂ）、受信アンプ４から出力される受信信号（ｃ）、ピークホールド部１１のピーク値信号（ｄ）、包絡線検波部１３の出力信号（ｅ）、受信用制御電圧生成部１５３から出力されるＤＣ制御電圧信号（ｆ）および判定部１４における積分信号（ｇ）のタイミングチャートである。まず、図１５に示すように、送信部１５１において周波数変調された駆動信号（ａ）を生成し、ＤＣ制御電圧信号（ｂ）を用いて送信用超音波振動子１の共振周波数を駆動信号の周波数の変調に一致して変化させながら駆動信号により送信用超音波振動子１を駆動する（ステップ２０１）。

送信用超音波振動子１から送信された超音波は測定対象物１７において反射し、反射波が受信用超音波振動子２に到達する。受信用超音波振動子２は反射波を電気信号に変換し、受信アンプ４が電子信号を増幅することにより受信信号（ｃ）が得られる。受信信号（ｃ）に基づき、伝播時間予備計測部１５５が、推定伝播時間を測定する（ステップ２０２）。具体的には、受信信号（ｃ）のピーク値をホールドすることにより、ピーク値信号（ｄ）を生成する。次に、ピーク値信号（ｄ）を閾値２６とを比較し、ピーク値信号２５が閾値２６を超えたとき、検知信号２７を出力する。検知信号２７が出力された時間を推定伝播時間ΔＴ_０とする。推定伝播時間ΔＴ_０から時間αを引いた時間を中心として所定の期間において、超音波の送受信を行い計測ができるよう、送受信の繰り返し回数および遅延時間の変化量を決定する（ステップ２０３）。

次に、タイミング部９において、ステップ２０３で決定した繰り返し回数分トリガ信号を生成する。各トリガ信号が生成するたびに、送信用超音波振動子１から超音波が送信され、また、所定の遅延時間後から受信用のＤＣ制御電圧が印加された受信用超音波振動子２において反射波を受信する。受信部１５４は得られた受信信号を包絡線検波し、包絡線の積分値を求める（ステップ２０４、２０５）。

図１６、１７および１８は、遅延時間を変化させながら繰り返し測定を行った場合タイミングチャートを示している。ＤＣ制御電圧信号（ｆ）を印加するタイミングによって、包絡線検波部１３の出力信号（ｅ）が変化し、その結果、判定部１４における積分信号（ｇ）が変化する。

繰り返し回数分、積分値（積分信号（ｇ））が得られたら（ステップ２０６、２０７）、判定部１４は最大値および最大値に対応する遅延時間を決定する（ステップ２０８）。距離算出部１５は必要により超音波の伝播速度に温度補正を行い、遅延時間から超音波の伝播時間を求め、測定対象物までの距離を算出する。

本発明によれば、超音波振動子の共振周波数を変化させながら周波数変調された駆動信号を印加し、あるいは、周波数変調された超音波を受信する。このため、超音波振動子を構成する圧電体素子の帯域は狭くても、広い帯域で超音波を送受信することが可能となり、周波数変調された超音波を送受信することが可能となる。したがって、測定環境における雑音や風など環境の揺らぎなどの影響を受けにくく精度の高い計測を行うことができる。

また、本発明で用いる超音波振動子は、帯域の狭い圧電体素子を用いるため、小さな電力で圧電体素子を駆動することが可能であり、電池など電源に用い、小型で携帯性に優れた超音波測距装置を実現することができる。

また、受信波の検出に相関回路を用いないため、受信回路の構成を簡単にすることができ、安価な超音波測距装置を実現することができる。

なお、本実施形態では、超音波測距装置は伝播時間予備計測部を備えていたが、計測する測定対象物までの距離がおおよそ分かっている場合や、計測範囲を制限する場合には、伝播時間予備計測部を省略することも可能である。この場合には、設定した範囲あるいはおおよそ分かっている距離に基づいてあらかじめ遅延部１６が発生させる遅延時間を設定し、推定距離を求めることなく図１４に示すステップ２０４以下の手順で計測を行えばよい。

また、本実施形態では、送信用超音波振動子１および受信用超音波振動子２を用いているが、超音波の送受信を１つの超音波振動子で行ってもよい。この場合には、送受信用超音波振動子と、送信部１５１および送信用制御電圧生成部１５２ならびに受信部１５４および受信用制御電圧生成部１５３との間に切替部を設け送受信のタイミングにあわせこれらのブロックとの接続を切り替えればよい。

また、本実施形態では、所定の周波数を有するキャリア信号を変調信号により変調したチャープ波を駆動部は生成していた。しかし、チャープ波のようにパルス幅およびパルス間隔が変化するパルス波を用いてもよい。

また、本発明で用いる超音波振動子は、帯域の狭い圧電体素子を用いるため、小さな電力で圧電体素子を駆動することが可能であり、電池など電源に用い、小型で携帯性に優れた超音波測距装置を実現することができる。

また、受信波の検出に相関回路を用いないため、受信回路の構成を簡単にすることができ、安価な超音波測距装置を実現することができる。

また、本発明によれば、伝播時間予備計測部を用いておおよその伝播時間をまず求めるため、計測可能な範囲を広くすることができ、また、計測範囲内における距離の計測を短時間で行うことができる。

また、本発明の超音波測距装置を複数用いることによって測定対象物の方位を求めることができる。図１９に示すように超音波測距装置１５０および超音波測距装置１５０’を所定の間隔Ｌ０を隔てて配置し、それぞれの超音波測距装置を用いて測定対象物１７までの距離を計測する。超音波測距装置１５０および超音波測距装置１５０’から測的対象物間での距離がＬ１およびＬ２であるとすると、測定対象物はＬ０離れた２点を中心とし、半径Ｌ１およびＬ２の円が交わる点に位置している。したがって、超音波測距装置１５０および超音波測距装置１５０’からみた測定対象物１７の方向が求められる。超音波測距装置を３つ以上用いて、同様の手順により計測を行えば、３次元空間における測定対象物の方向を求めることもできる。

（第２の実施形態）
以下、本発明による超音波測距装置の第２の実施形態を説明する。図２０に示すように、超音波測距装置１６０は、送信用超音波振動子１と、受信用超音波振動子２と、駆動部１６１と、送信用制御電圧生成部１６２と、受信用制御電圧生成部１６３と、受信部１６４とを備える。また、これら各部の制御のタイミングを調整するためのタイミング部１６９を備える。タイミング部１６９は、全体の基準となるクロック信号を生成する基準クロック生成部６４と、駆動部１６１、送信用制御電圧生成部１６２および受信用制御電圧生成部１６３へトリガ信号を送出するトリガ信号生成部６３と、計時部６５とを含む。

送信用超音波振動子１および受信用超音波振動子２には、第１の実施形態で説明したように、共振周波数または共鳴周波数を変化させることのできる超音波振動子を用いる。具体的には第１の実施形態で説明した超音波振動子１０１、１０２、１０３を好適に用いることができる。本実施形態では、超音波振動子１０１を用いる。

駆動部１６１は、送信用超音波振動子１を駆動し測定用超音波を送信するために、測定用駆動信号を生成し、送信用超音波振動子１に生成した測定用駆動信号を印加する。好ましくは、駆動部１６１は、あらかじめ生成された測定用駆動信号の波形が記憶された波形メモリ６１と、Ｄ−Ａ変換器６２と、送信アンプ３とを含む。波形メモリ６１は、あらかじめ生成された測定用駆動信号をデジタル信号として記憶している。Ｄ−Ａ変換器６２は、デジタルの測定用駆動信号をアナログ信号に変換し、送信アンプ３へ出力する。送信アンプ３は、受け取った信号を増幅し、送信用超音波振動子１へ出力する。波形メモリ６１から、デジタルの測定用駆動信号をＤ−Ａ変換器６２へ送るタイミングは、トリガ信号生成部６３から波形メモリ６１へ出力されるトリガ信号によって決まる。トリガ信号生成部６３は基準クロック生成部６４において生成する基準クロックに基づいて動作する。

図２１に示すように測定用駆動信号２１（ａ）は、駆動信号ｗ１（第２駆動信号）および複数の駆動信号ｗ２（第１駆動信号）を含む。駆動信号ｗ１は、測定用駆動信号による超音波の反射波が受信用超音波振動子２へ到達したことを検出し、駆動信号ｗ２を用いて測定を行う際の基準時刻を発生させる。駆動信号Ｗ１は、周波数が途中で切り替わる正弦波である。より具体的には、駆動信号Ｗ１は、時間ΔＴｈｈの間、周波数ｆ２（第１周波数）を保った後、周波数がｆ２からｆ４に切り替わり、ΔＴｈ２の間周波数ｆ４（第２周波数）を保つ。複数の駆動信号ｗ２は、時間ΔＴｈ３の間、出力される。この間、駆動信号ｗ２の周波数は、ｆ１からｆ４まで線形的に変化する。駆動信号ｗ２の繰り返し周期はΔＴｗであり、２Ｎ＋１回繰り返される。最初の駆動信号ｗ２が出力されるタイミングは、駆動信号Ｗ１の出力開始時から、（ΔＴｈｈ＋ΔＴｗｗ）後である。周波数ｆ１から周波数ｆ４は、ｆ１＜ｆ２＜ｆ３＜ｆ４を満たす。たとえば各周波数は、ｆ１＝２０ｋＨｚ、ｆ２＝４０ｋＨｚ、ｆ３＝６０ｋＨｚ、ｆ４＝８０ｋＨｚである。ΔＴｈ３を８０μｓとすると、周波数が２０ｋＨｚから８０ｋＨｚまで線形にスイープする波形は図２２に示すようになる。

送信用制御電圧生成部１６２は、送信用超音波振動子１の共振周波数または共鳴周波数を変化させるためのＤＣ制御電圧を生成する。このために、送信用制御電圧生成部１６２は、ＤＣ制御電圧生成部６、ＤＣ制御電圧波形メモリ６６およびピエゾアンプ５を含む。ＤＣ制御電圧波形メモリ６６には、測定用駆動信号の周波数におおよそ一致して、送信用超音波振動子１の共振周波数または共鳴周波数が変化するようなプロファイルを有する制御電圧波形が記憶されている。ＤＣ制御電圧生成部６はＤＣ制御電圧波形メモリ６６からデジタルのＤＣ制御電圧波形を読み込み、Ｄ−Ａ変換し、また、ピエゾアンプ５に最適なレンジに変換する。ピエゾアンプ５は、ＤＣ制御電圧を増幅し、増幅した制御電圧を送信用超音波振動子１のアクチュエータ１８に印加する。アクチュエータ１８にＤＣ制御電圧が印加されることにより、送信用超音波振動子１は、共振周波数を変化させながら駆動信号による超音波を発振する。

図２１の信号２１（ｂ）で示すように、駆動信号Ｗ１が出力されている間、ＤＣ制御電圧は、送信用超音波振動子１の共振周波数または共鳴周波数が周波数ｆ２となるようアクチュエータ１８を駆動する値を時間ΔＴｈｈの間保ち、その後、共振周波数または共鳴周波数周波数がｆ４となるようアクチュエータ１８を駆動する値をΔＴｈ２の間保つ。その後、駆動信号ｗ２の周波数変化のタイミングと一致して、送信用超音波振動子１の共振周波数または共鳴周波数がｆ１からｆ４へ変化するようアクチュエータ１８を駆動する値をとる。

駆動部１６１と送信用制御電圧生成部１６２の動作はトリガ信号生成部６３により制御される。具体的には、トリガ信号生成部６３によって生成されるトリガ信号によって、デジタルの測定用駆動信号が波形メモリ６１からＤ−Ａ変換器６２に転送され、送信アンプ３にて増幅された後、送信用超音波振動子１を駆動する。この時、送信波形の周波数が、送信用超音波振動子１の共振周波数と一致するよう、トリガ信号に基づきＤＣ制御電圧波形メモリ６６からＤＣ制御電圧波形のデータが読み出され、ピエゾアンプ５によってアクチュエータ１８にＤＣ制御電圧が印加される。また、トリガ信号生成部６３では、送信開始信号から時間ΔＴｈｈ後に時間を計測するよう計時部６５のカウンタをスタートさせる。

送信用超音波振動子１から送信された超音波は測定対象物１７へ向かって進行し、測定対象物において反射する。その後、超音波の反射波は、受信用超音波振動子２へ到達し、受信用超音波振動子２により、電気的信号に変換される。

受信用制御電圧生成部１６３は、ピエゾアンプ５、ＤＣ制御電圧生成部６、遅延部６７、メモリバンク切替部６９およびＤＣ制御電圧波形メモリバンク６８とを含み、受信用超音波振動子２の共振周波数または共鳴周波数を変化させるためのＤＣ制御電圧を生成する。ピエゾアンプ５およびＤＣ制御電圧生成部６は送信用制御電圧生成部１６２と同じように構成されている。ただし、ＤＣ制御電圧生成部６は、トリガ信号生成部６３のトリガ信号に基づいてＤＣ制御電圧を生成するのではなく、遅延部６７からの出力信号に基づいてＤＣ制御電圧を生成する。ＤＣ制御電圧波形メモリバンク６８は第１から第３Ｄ制御電圧波形を記憶している。これをメモリバンク切替部６９によって切り替える。ＤＣ制御電圧の３種類の波形を図２３Ａから図２３Ｃに示す。

図２３Ａに示すように第１波形は、受信用超音波振動子２の共振周波数が時間ΔＴｈごとにｆ１、ｆ２、ｆ３となるようにアクチュエータ１８を駆動する振幅を有し、ＤＣ制御電圧波形メモリバンク６８のバンク１に記憶されているとする。第１波形は、測定対象物からの反射波が受信用超音波振動子２へ到達したかどうかを判断するために用いられる。図２３Ｂに示すように第２波形は、受信用超音波振動子２の共振周波数がｆ２となるようにアクチュエータ１８を駆動する一定の振幅を有する。この波形はＤＣ制御電圧波形メモリバンク６８のバンク２に記憶されている。第２波形（第２制御電圧）は、駆動信号ｗ１に基づく超音波の反射波において周波数が切り替わるタイミングを検出するために用いられる。図２３Ｃに示すように第３波形は、受信用超音波振動子２の共振周波数がｆ１からｆ４まで時間ΔＴｈ３かけて線形にスイープする。この波形は、ＤＣ制御電圧波形メモリバンク６８のバンク３に記憶されている。第３波形（第１制御電圧）は、正確な超音波の伝播時間を求めるための測定に用いられる。

受信部１６４は、受信アンプ４と、包絡線検波部１３と、コンパレータ３６と、ピークホールド部１１と、第１Ａ−Ｄコンバータ３４と、第２Ａ−Ｄコンバータ３５と、電圧値比較部７０と、基準電圧生成部７１と、タイミング生成部７２と、リセット信号生成部７３と、受信波到達判断処理部７４、データメモリ７５と重心計算部７６とを含む。

前述したように測定用駆動信号には、駆動信号ｗ１および複数の駆動信号ｗ２が含まれる。受信部１６４において駆動信号ｗ１に基づく超音波の反射波を受信した場合、包絡線検波部１３、第１Ａ−Ｄコンバータ３４、電圧値比較部７０および受信波到達判断処理部７４を用いて、測定対象物１７から反射波が到達したことを検出する。また、コンパレータ３６を用いて、駆動動信号ｗ２による正確な超音波の伝播時間を求めるための測定を行う際の基準時刻を発生させる。一方、駆動信号ｗ２に基づく超音波の複数の反射波を受信した場合、ピークホールド部１１、第２Ａ−Ｄコンバータ３５、データメモリ７５および重心計算部７６を用いて正確な超音波の伝播時間を求める。

受信アンプ４は受信用超音波振動子２によって変換された受信信号を増幅する。包絡線検波部１３は、受信信号の包絡線信号を生成し、出力する。ピークホールド部１１は、受信信号の最大振幅をリセット信号が入力されるまで保持する。図２４Ａは、受信信号８１に対するピークホールド部１１の出力信号８２を示している。また、図２４Ｂは、受信信号８１に対する包絡線検波部１３の出力信号８３を示している。

コンパレータ３６は、包絡線検波部１３から包絡線信号を受け取り、基準電圧に対して、包絡線信号が大きい場合にはＨｉｇｈを出力し、その他の場合にはＬｏｗを出力する。基準電圧は、計時部６５のカウンタ値をもとに、基準電圧生成部７１にて生成される。基準電圧は計時部６５のカウンタ値に比例して小さくなるように生成される。

第２Ａ−Ｄコンバータ３５は、ピークホールド部１１の電圧値をデジタル値に変換する。なお、ピークホールド部１１のリセット信号および第２Ａ−Ｄコンバータ３５のクロック信号は、基準クロック生成部６４で生成される基準クロックをもとに、タイミング生成部７２によって生成される。第１Ａ−ＤコンバータＡ３４は、包絡線検波部１３の出力信号をデジタル値に変換する。また、電圧値比較部７０は、第１Ａ−Ｄコンバータ３４の出力信号の変動を検出するため、所定のタイミングで第１Ａ−Ｄコンバータ３４の出力信号の値をその前後の値と比較する。第１Ａ−Ｄコンバータ３４のサンプリングクロックはタイミング生成部７２によって生成される。また、電圧比較部７０における比較のタイミングもタイミング生成部７２から出力されるクロック信号に同期している。

受信波到達判断処理部７４は、電圧値比較部７０の出力に基づき、反射波が到達したかどうかを判断する。データメモリ７５は、第２Ａ−Ｄコンバータ３５の出力を記憶する。重心計算部７６は、データメモリ７５に記憶されたデータも用いて、受信信号強度である第２Ａ−Ｄコンバータ３５の出力値の遅延時間軸上における重心を求める。

次に、図２０および図２１を参照して、超音波測距離装置１６０の動作および距離計測の方法を説明する。前述したように、送信部１６１により測定用駆動信号２１（ａ）を生成し、送信用超音波振動子１から測定用超音波を送信する。このとき、送信用制御電圧生成部１６２で生成する信号２１（ｂ）を用いて送信用超音波振動子１のアクチュエータ１８を駆動し、送信用超音波振動子１共振周波数を変化させる。

図２１の信号２１（ｃ）で示すように、超音波測距離装置１６０が待機状態にあるとき、あるいは計測開始時には、受信用制御電圧生成部１６３の出力はゼロである。このとき、受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８には電圧が印加されず、受信用超音波振動子２の共振周波数はｆ１である。その後、バンク１の波形を出力し、受信用超音波振動子２の共振周波数を時間ΔＴｈごとにｆ１、ｆ２、ｆ３となるように変化させる。さらに、Ａ−ＤコンバータＡ３４にて検波回路の出力電圧をサンプリング時間ΔＴｈごとに計測する。計測するタイミングは、超音波振動子２の共振周波数が変化する直前の値をとるようにする。バンク２の波形を出力するタイミングは、超音波測距離装置１６０によって測定する距離に依存する。超音波測距離装置１６０が近距離の計測を行う場合には、超音波送信と同時あるいは超音波送信の直後にバンク１の波形を出力させてもよい。また、送信用超音波振動子１から送信した超音波が受信用超音波振動子２へ直接到達する可能性がある場合には、バンク１の波形の出力は超音波の送信が完了してから行うことが好ましい。

サンプリング時間ΔＴｈは包絡線検波部１３の時定数およびアクチュエータ１８の応答時間を考慮して、測定に用いる超音波の５波長以上であることが好ましい。たとえば、ｆ２が４０ｋＨｚである場合、ΔＴｈは２５μｓ×５＝２２５μｓであることが好ましい。この場合、第１Ａ−Ｄコンバータ３４のサンプリング周期は８ｋＨｚとなる。また、駆動信号ｗ１において周波数ｆ２を維持する時間ΔＴｈｈはΔＴｈの４倍以上であることが好ましい。また、駆動信号ｗ１は、駆動動信号ｗ２による正確な超音波の伝播時間を求めるための測定を行う際の基準時刻を発生させるため、時間ΔＴｈｈは、ｆ２が４０ｋＨｚの場合には２ｍｓ程度であることが好ましい。

反射波を受信用超音波振動子２が受信することによって、受信アンプ４で受信信号が生成し、包絡線検波部１３で包絡線検波信号が生成する。第１Ａ−Ｄコンバータ３４により包絡線検波信号がデジタル値に変換される。電圧比較部７０は各サンプリング周期において、受信用超音波振動子２の共振周波数が周波数ｆ２になっている時の値と前後の値と比較し、前後の値との比がある基準値以上だった時、障害物１７からの反射波が到達したと判断する。受信用超音波振動子２の共振周波数と反射波の周波数が一致する場合、大きな強度で反射波を受信するからである。この基準値は基準電圧生成部７１の値をもとに決定する。また、判断は受信波到達判断処理７４にて行う。基準電圧値が小さいほど、測定対象物までの距離が長く反射波が減衰していることを意味し、受信信号もそれに応じて減衰している。このため基準値も小さく設定する。

測定対象物１７からの反射波ではなく、白色雑音などである場合には、第１Ａ−Ｄコンバータ３４の電圧値は受信用超音波振動子２の共振周波数に無関係に一定となる。ピンク雑音である場合には、第１Ａ−Ｄコンバータ３４の電圧値は受信用超音波振動子２の共振周波数が低いほど大きくなる。したがって、雑音を計測用の超音波と誤認する可能性が極めて低い。

反射波が到達したと受信波到達判断処理７４が判断したら、大まかな伝搬時間を検出する。検出した時間は正確な伝播時間を求めるための基準時刻となる。受信波到達判断処理７４は、反射波が到達したと判断した場合、メモリバンク切替部６９へ信号を出力し、メモリバンク切替部６９はＤＣ制御電圧波形メモリバンク６８のバンクをバンク２に設定する。これによりバンク２の波形のＤＣ制御電圧が受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８に印加され、受信用超音波振動子２の共振周波数がｆ２に維持される。受信信号の周波数がｆ２からｆ４から切り替わると、周波数の不一致により受信信号の強度が急激に低下し、包絡線検波部１３の出力が低下する。コンパレータ３６は、包絡線検波部１３の出力と基準電圧とを比較し、基準電圧より包絡線検波部の出力が小さくなった場合、出力をＨｉｇｈからＬｏｗへ切り替える。計時部６５はコンパレータ３６の出力が変化した時刻Ｔ１を記憶する。

コンパレータ３６の基準電圧は、反射波の検出の際、第１Ａ−Ｄコンバータ３４が受信波の到達を判断した時における、包絡線検波部１３の出力値より小さい値（例えば−３ｄＢ）とする。実際に検出した反射波の受信強度に基づいてコンパレータ３６の基準電圧を定めることにより伝搬距離や環境によって、受信信号が減衰していても、正確に計測することができる。

時刻Ｔ１を計時部６５内において記憶した後、ピークホールド部１１のリセットを解除する。リセット信号は、リセット信号生成部７３で生成する。また、同時にリセット信号生成部７３からメモリバンク切替部６９に信号を出力しＤＣ制御電圧波形メモリバンク６８のバンクをバンク３に設定する。

図２１の信号２１（ａ）に示すように、駆動信号ｗ２は周期ΔＴｗで繰り返し出力される。したがって、時刻Ｔ１から周期ΔＴｗで反射波が受信用超音波振動子２に到達し、受信信号が検出される。これに対して、受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８を駆動するＤＣ制御電圧は、複数の駆動信号ｗ２による超音波の反射波が到達するタイミングに対してそれぞれ長さがΔｔ異なる遅延時間後に出力される。この遅延時間は第１の実施形態と同様、反射波が到達するタイミングを中心として時間軸上で進んだ方向から遅れた方向に与えられる。駆動信号ｗ２の数が２Ｎ＋１であれば、遅延時間は、−Ｎ×Δｔ、−（Ｎ−１）×Δｔ、−（Ｎ−２）×Δｔ・・・Δｔ、１×Δｔ、２×Δｔ、・・・Ｎ×Δｔとなる。

反射波の到達時間は時刻Ｔ１を基準として、ΔＴｗｗ、ΔＴｗｗ＋ΔＴｗ、ΔＴｗｗ＋２×ΔＴｗ、ΔＴｗｗ＋３×ΔＴｗ・・・・ΔＴｗｗ＋２Ｎ×ΔＴｗである。したがって、受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８を駆動するＤＣ制御電圧の印加するタイミングは、時刻Ｔ１を基準とし、ｍ＝１、２、・・・・２Ｎ＋１として、ΔＴｗｗ−（Ｎ−ｍ）×Δｔ＋ΔＴｗ×（ｍ−１）となる。

図２１の信号２１（ｅ）で示すように、最初の駆動信号ｗ２による超音波の反射を検出する場合、時刻Ｔ１から時間（ΔＴｗｗ−（Ｎ）×Δｔ）後に、ピエゾアンプ５から受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８へＤＣ制御電圧を印加する。その後、時刻Ｔ１から時間（ΔＴｗｗ−（Ｎ−１）×Δｔ＋ΔＴｗ−α）後にピークホールド部１１の出力信号を第２Ａ−Ｄコンバータ３５によって読み取り、データメモリ７５に記憶させる。第２Ａ−Ｄコンバータ３５からの読み取りが完了したらピークホールド部１１をリセットする。

次の駆動信号ｗ２による超音波の反射を検出する場合、時刻Ｔ１から時間（ΔＴｗｗ−（Ｎ−１）×Δｔ＋ΔＴｗ）後に、ピエゾアンプ５から受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８へＤＣ制御電圧を印加する。その後、時刻Ｔ１から時間（ΔＴｗｗ−（Ｎ−２）×Δｔ＋２×ΔＴｗ−α）後にピークホールド部１１の出力信号を第２Ａ−Ｄコンバータ３５によって読み取り、データメモリ７５に記憶させる。第２Ａ−Ｄコンバータ３５からの読み取りが完了したらピークホールド部１１をリセットする。

このように、
１．時刻Ｔ１から時間（ΔＴｗｗ−（Ｎ−（ｍ−１））×Δｔ＋ΔＴｗ×（ｍ−１））後に受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８にＤＣ制御電圧を印加する。
２．時刻Ｔ１から時間（ΔＴｗｗ−（Ｎ−ｍ）×Δｔ＋ΔＴｗ×ｍ−α）後にピークホールド部１１の出力電圧値を第２Ａ−Ｄコンバータ３５にて読み取り、データメモリ７５において記憶する。
３．第２Ａ−Ｄコンバータ３５からの読み取りが完了したらピークホールド部１１をリセットする。
という一連の動作をｍが２Ｎ＋１に達するまで繰り返す。

繰り返しによる計測の終了後、重心計算部７６は、データメモリ７５に記憶された２Ｎ＋１個のデータを読み込み、これらのデータをΔｔ間隔に並べて、第２Ａ−Ｄコンバータ３５の出力値の遅延時間軸上における重心Δｔ_Ｇを求める。各駆動信号ｗ２による超音波の反射波を受信することによって得られる第２Ａ−Ｄコンバータの出力値をＡ_ｍとすれば、重心Δｔ_Ｇは以下の式によって求められる。

Ｎ＝３の場合について図示すると、たとえば、図２５に示すグラフが得られえる。

第２Ａ−Ｄコンバータ３５の出力値は、受信された反射波の周波数変化のタイミングと、受信用超音波振動子２の共振周波数の変化のタイミングが近いほど大きくなり、タイミングが離れているほど小さくなる。したがって、第２Ａ−Ｄコンバータ３５の出力値の遅延時間上の重心Δｔ_Ｇを求めることによって、受信された反射波の周波数変化のタイミングと、受信用超音波振動子２の共振周波数の変化のタイミングが完全に一致していなくても、遅延時間を補間することが可能となる。つまり、求めた遅延時間軸上の重心Δｔ_Ｇにおいて、受信信号強度を示す第２Ａ−Ｄコンバータ３５の出力値が最大となり、重心Δｔ_Ｇは、受信された反射波の周波数変化のタイミングと受信用超音波振動子２の共振周波数の変化のタイミングとが最も一致する遅延時間となる。

Ｎは３以上が望ましい。ΔｔはＮが小さいほど大きくとり、Ｎが大きいほど、Δｔを小さくすることができる。また、第２Ａ−Ｄコンバータ３５のサンプリング周波数はΔＴｗが例えば１００μｓである場合、１０ｋＨｚとなる。また、第２Ａ−Ｄコンバータ３５の分解能は、重心計算の精度に影響するので１０ビット以上であることが好ましい。

求めた受信強度の重心値Δｔ_ＧからＮ×Δｔを引いた値にＴ１を加えた時間が伝搬時間となる。求められた伝搬時間に音速をかけることによって測定対象物１７までの往復の距離が求まり、この値を２で割ることによって測定対象物１７までの距離が求められる。第１の実施形態と同様、好ましくは、温度による補正を行う。

本実施形態の超音波測距装置によれば、第１の実施形態と同様、超音波振動子の共振周波数を変化させながら周波数変調された駆動信号を印加し、あるいは、周波数変調された超音波を受信する。このため、超音波振動子を構成する圧電体素子の帯域は狭くても、広い帯域で超音波を送受信することが可能となり、周波数変調された超音波を送受信することが可能となる。したがって、測定環境における雑音や風など環境の揺らぎなどの影響を受けにくく精度の高い計測を行うことができる。特に、測定対象物からの反射波の検出方法を工夫することによって、伝搬距離や環境によって、受信信号が減衰していても、正確に計測することができる。

なお、本実施形態では、周波数変調した超音波の送信を複数回所定時間間隔で送信し、受信用超音波振動子の共振周波数を変化させるタイミングである、ＤＣ制御電圧を印加するための遅延時間をΔｔごとに変化させていた。つまり、周波数変調した超音波を送信する時間間隔を一定にし、受信用超音波振動子へＤＣ制御電圧を印加するための遅延時間を変化させていた。しかし、これらの時間間隔および遅延時間は、一方が一定であり他方が変化していれば、超音波の正確な伝播時間を求めることができる。したがって、図２６に示すように、周波数変調された駆動信号の時間間隔をΔｔごとずらし、受信用超音波振動子へＤＣ制御電圧を印加するための遅延時間は一定にしても、上述したように超音波の正確な伝播時間を求めることができる。

本実施形態の超音波測距装置においても、所定の周波数を有するキャリア信号を変調信号により変調したチャープ波を駆動部は生成していた。しかし、第１の実施形態と同様、チャープ波のようにパルス幅およびパルス間隔が変化するパルス波を用いてもよい。また、第１の実施形態で説明したように、本実施形態の超音波測距装置を複数用い、測定対象物の方位を求める方位計を実現してもよい。

本発明は、測定対象物までの距離を求める距離計として種々の分野で使用することが可能であり、超音波を用いるため、レーザで距離を求めることが困難な粉体、鏡面体、透明体などの測定対象物までの距離を求めるのに適している。また、前述した特長を備えているので、騒音の大きい環境や、風などにより大気の揺らぎがある場合など、従来の超音波測距装置に対しては適切ではない環境においても本発明の超音波測距装置を用いて正確に距離を計測することがきる。このような特徴は、ロボットの環境センシング装置として、本発明の超音波測距装置を用いるのにも適している。

また、環境の影響を受けにくいため、本発明の超音波測距装置を超音波流量計に好適に用いることができる。この場合には、送信用超音波振動子と受信用超音波振動子との間に形成される超音波の伝播経路が流体の移動方向と直交しないように、送信用超音波振動子と受信用超音波振動子とを計測すべき流体が移動している流路を挟んで対向するように配置する。送信用超音波振動子と受信用超音波振動子との間の距離および流体が静止しているときの超音波の伝播速度はあらかじめ求めておく。送信用超音波振動子から直接受信用超音波振動子へ超音波を送信し、前述した手順により伝播時間を求める。計測した伝播時間は、超音波の伝播経路と流体の移動方向とで定まる流体の移動による影響を受けているので、計測した伝播時間、伝播距離および流体が静止しているときの超音波の伝播速度から流体の移動速度および流量を求めることができる。

本発明の超音波測距装置は、雑音や騒音、周囲の媒体の揺らぎなどの影響を受けにくく、正確に対象物までの距離を計測することができ、種々の用途の距離計測装置に用いることができる。また、ロボットの環境センシング装置、流量計、方位計などにも用いることができる。

また、本発明の超音波振動子は、広い帯域で振動することが求められる種々の超音波装置に好適に用いることができ、小さな電力で駆動することができるので、携帯性に優れた超音波装置に適している。

本発明は超音波の伝播時間を測定することにより、物体までの距離を求める超音波測距装置に関する。また、本発明は超音波測距装置に用いられる超音波振動子にも関する。

超音波測距装置は、物体に向かって超音波を送信し、物体において反射した超音波を受信することにより、超音波の伝播時間を求め、伝播時間から物体までの距離を算出する。超音波は、気体や液体中を伝播するので、媒体における超音波の伝播速度が分かれば空中や液体中にある物体までの距離を求めることができる。

超音波測距装置では、その測定原理上、物体からの反射波が到達した時間を正しく測定することが重要である。一般に、受信した反射波の強度が所定の検知レベルに達したとき、反射波を検知したと判断し、反射波の到達時刻を定めている。

媒体中を伝播する超音波は減衰するので、受信する反射波の強度も物体までの距離によって変化する。このため、計測する距離に応じて複数の検知レベルを設定し、近距離の計測には高い検知レベルを用い、遠距離の計測には低い検知レベルを用いことにより反射波を正しく検知する技術が知られている。また、複数の検知レベルを一度に設定し、受信した反射波の波形の立ち上がり部分を正確に検知したり、送信する超音波の波形に位相の反転などによるマーキングを施し、マーキングを検出することによって反射波の到達を検知する技術などが知られている。

また、超音波測距装置による計測では、媒体の揺らぎや周囲の雑音などが測定に影響する。このような影響を排除するために、特許文献１は、送信する超音波を周波数変調し、受信した反射波による信号を相関処理することにより超音波の伝播時間を求める超音波測距装置を開示している。図１に示すように、この超音波測距装置では、キャリア信号生成部８および変調信号発生部４４において、バースト波からなるキャリア信号８Ｓおよび周期Ｔの間にバースト波の周波数をｆ０からｆ１まで変化させるための変調信号４４Ｓをそれぞれ生成する。周波数変調部７は、キャリア信号８Ｓを変調信号４４Ｓで周波数変調し、送信アンプ３へ出力する。送信アンプ３は変調信号発生部４４から信号を受け取って、駆動信号３Ｓを送信用超音波振動子３８へ出力する。

駆動信号３Ｓによって送信用超音波振動子３８から送信された超音波は物体１７において反射し、反射波が受信用超音波振動子３９に到達する。受信用超音波振動子３９によって受信された反射波による受信信号は受信アンプ４で増幅され、受信信号４Ｓとなる。周波数復調部４０は受信信号４Ｓを復調する。

相互相関部４１は、変調信号４４Ｓをその信号の生成時刻から所定の時間間隔で順次遅延させ、遅延させた信号と復調した受信波との相互相関関数４１Ｓを求める。相関度合検出部４３は相互相関関数４１Ｓから、最も相関度の高い遅延時間を伝播時間として求める。
特開平７−１０４０６３号公報

特許文献１に開示された装置では、周波数変調された超音波を用いるため、超音波振動子はある程度広い帯域を備えている必要がある。しかし、一般に用いられる超音波振動子は、圧電セラミックの共振現象を利用して超音波を発生させるため、原理上、共振周波数近傍の狭い帯域でしか超音波を発生させることができない。このため、雑音の影響を十分に排除し得るほど広い帯域を用いて超音波の周波数を変調しようとする場合、超音波振動子をその帯域全体で駆動することが困難であった。

周波数帯域の広い超音波振動子も存在するが、そのような超音波振動子は、大きな出力で駆動する必要があり、バッテリーなどで駆動するのが困難である。また、帯域が広くなることにより、逆に受信側の超音波振動子はノイズを拾いやすくなるという問題が発生する。

本発明は、このような従来技術の課題を解決し、簡単な構成により、精度の高い計測が可能な超音波測距装置を提供することを目的とする。

本発明の超音波測距装置は、共振周波数または共鳴周波数を変化させることのできる送信用超音波振動子および受信用超音波振動子と、前記送信用超音波振動子を駆動して超音波を送信するために、周波数変調された駆動信号を生成する駆動部と、前記送信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための制御電圧を生成し、前記超音波を前記送信用超音波振動子から送信する際、前記制御電圧を前記送信用超音波振動子に印加する送信用制御電圧生成部と、前記受信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための制御電圧を生成し、前記制御電圧を前記駆動信号の生成から調整可能な遅延時間後に前記受信用超音波振動子に印加する受信用制御電圧生成部と、前記受信用超音波振動子で受信した超音波による受信信号の強度を検出する受信部とを備え、前記送信用超音波振動子から測定対象物に向けて複数回送信された超音波による反射波を、前記遅延時間を変化させてそれぞれ前記受信用超音波振動子で受信し、前記受信部において最も強度が大きい受信信号が得られた超音波を受信したときの遅延時間から前記超音波の伝播時間を求め、前記伝播時間から前記測定対象物までの距離を求める。

ある好ましい実施形態において、超音波測距装置は、前記駆動部、前記送信用制御電圧生成部および前記受信用制御電圧生成部を所定のタイミングで動作させるためのトリガ信号を生成し、出力するタイミング部をさらに備え、前記受信用制御電圧生成部は、前記トリガを受け取るたびに所定の時間間隔で長さが異なっている遅延時間を生成する遅延部を含む。

ある好ましい実施形態において、超音波測距装置は、前記タイミング部から前記トリガ信号を受け取り、前記トリガ信号を受け取ったときから前記受信用超音波振動子により受信した受信信号が所定のレベルに達したときまでの時間を計測する伝播時間予備計測部をさらに備え、前記受信用制御電圧生成部は、前記予備計測部の計測した時間および前記タイミング部のトリガ信号に基づき、遅延時間を生成する。

ある好ましい実施形態において、前記受信用制御電圧生成部および前記送信用制御電圧生成部は、前記駆動信号の周波数の変調におおよそ一致して、前記受信用超音波振動子および前記送信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数が変化するような制御電圧を生成する。

本発明の超音波測距装置は、共振周波数または共鳴周波数を変化させることのできる送信用超音波振動子および受信用超音波振動子と、前記送信用超音波振動子を駆動し、測定用超音波を送信するための測定用駆動信号であって、所定の時間間隔で生成され、周波数変調された複数の第１駆動信号を含む前記測定用駆動信号を生成する駆動部と、前記送信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための第１制御電圧を生成し、前記超音波を前記送信用超音波振動子から送信する際、前記制御電圧を前記送信用超音波振動子に印加する送信用制御電圧生成部と、前記受信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための前記第１制御電圧を生成し、前記第１制御電圧を、各第１駆動信号の生成から所定の遅延時間後に印加する受信用制御電圧生成部と、前記受信用超音波振動子で受信した超音波による受信信号の強度を検出する受信部とを備え、前記時間間隔および前記遅延時間のうち、一方を一定にし、他方を変化させながら前記第１駆動信号によって前記送信用超音波振動子から測定対象物に向けて送信された超音波による複数の第１反射波をそれぞれ前記受信用超音波振動子で受信し、前記受信部において検出した複数の第１受信信号の強度に基づいて前記第１超音波の伝播時間を求め、前記伝播時間から前記測定対象物までの距離を求める。

ある好ましい実施形態において、前記時間間隔は一定であり、前記遅延時間が変化している。

ある好ましい実施形態において、前記遅延時間は一定であり、前記時間間隔が変化している。

ある好ましい実施形態において、前記受信部は、前記第１受信信号の強度の遅延時間上の重心を求め、前記重心から前記第１超音波の伝播時間を求める。

ある好ましい実施形態において、前記受信用制御電圧生成部および前記送信用制御電圧生成部は、前記第１駆動信号の周波数の変調におおよそ一致して、前記受信用超音波振動子および前記送信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数が変化するよう、前記第１制御電圧を生成する。

ある好ましい実施形態において、前記駆動部は、前記測定用駆動信号が第１周波数から第２周波数へ切り替わる第２駆動信号を前記第１駆動信号の前に含むよう、前記第２駆動信号を生成し、前記受信用制御電圧生成部は、前記第１周波数で前記受信用超音波振動子を共振または共鳴させる第２制御電圧を前記第１制御電圧の前に生成し、前記受信用超音波振動子は、前記第２駆動信号によって前記送信用超音波振動子から測定対象物に向けて送信された第２超音波による第２反射波を受信し、前記受信部は、第２反射波による第２受信信号の強度変化を検出し、検出結果に基づいて、前記遅延時間を設定する。

ある好ましい実施形態において、前記駆動信号は、チャープ波である。

ある好ましい実施形態において、前記駆動信号は、パルス波である。

ある好ましい実施形態において、超音波測距装置は、前記測定対象物の周囲の環境温度を計測する温度計をさらに備え、計測した環境温度に基づいて前記超音波の伝播速度を補正し、補正した伝播速度を用いて前記前記測定対象物までの距離を求める。

ある好ましい実施形態において、前記送信用超音波振動子および受信用超音波振動子のそれぞれは、振動板と、前記振動板に設けられた圧電振動子と、前記制御電圧または第１制御電圧により前記振動板を伸縮させるアクチュエータとを備える。

ある好ましい実施形態において、前記送信用超音波振動子および受信用超音波振動子のそれぞれは、共鳴器と、共鳴器に設けられた圧電振動子と、前記制御電圧または第１制御電圧により前記共鳴器の共鳴周波数を変化させるアクチュエータとを備える。

ある好ましい実施形態において、前記送信用超音波振動子および受信用超音波振動子のそれぞれは、第１音響整合層と、圧電振動子と、前記第１音響整合層および前記圧電振動子との間に設けられた第２音響整合層と、前記制御電圧または第１制御電圧により前記第２音響整合層の厚さを伸縮させるアクチュエータとを備える。

ある好ましい実施形態において、前記第２音響整合層は液体である。

本発明の方位計は、上記いずれかに規定される超音波測距装置を複数備え、前記複数の超音波測距装置により計測した測定対象物までの距離から前記測定対象物の方位を求める。

本発明の流量計は、上記いずれかに規定される超音波測距装置を備え、前記超音波測距装置の送信用超音波振動子および受信用超音波振動子を流体の流路を挟んで対向するように配置し、前記超音波の伝播時間から流体の流速および流量を求める。

本発明の超音波による距離計測方法は、周波数変調された駆動信号を用い、前記駆動信号の周波数の変調におおよそ一致して、共振周波数または共鳴周波数を変化させながら送信用超音波振動子を駆動することにより、測定対象物に向けて超音波を送信するステップと、前記駆動信号の生成から調整可能な遅延時間後に共振周波数または共鳴周波数を変化させながら前記測定対象物から得られる前記超音波による反射波を受信用超音波振動子で受信するステップとを包含し、前記送信ステップおよび前記受信ステップを前記遅延時間を変化させて複数回行い、前記受信用超音波振動子において最も信号強度が大きい超音波を受信したときの前記遅延時間から前記超音波の伝播時間を求め、前記伝播時間から前記測定対象物までの距離を求める。

本発明の超音波による距離計測方法は、所定の時間間隔で生成され、周波数変調された複数の第１駆動信号を用い、前記駆動信号の周波数の変調におおよそ一致して、共振周波数または共鳴周波数を変化させながら送信用超音波振動子を駆動することにより、測定対象物に向けて複数の第１超音波を送信するステップと、前記複数の第１駆動信号の生成からそれぞれ所定遅延時間後に共振周波数または共鳴周波数を変化させながら前記測定対象物から得られる前記第１超音波による第１反射波をそれぞれ受信するステップと、前記、それぞれの第１反射波を受信することにより得られる複数の第１受信信号の強度に基づいて前記第１超音波の伝播時間を求め、前記伝播時間から前記測定対象物までの距離を計算するステップとを包含し、前記送信ステップにおける前記時間間隔および前記受信ステップにおける前記遅延時間のうち、一方は一定であり、他方は変化している。

ある好ましい実施形態において、前記送信ステップにおける前記時間間隔は変化しており、前記受信ステップにおける前記遅延時間は一定である。

ある好ましい実施形態において、前記送信ステップにおける前記時間間隔は一定であり、前記受信ステップにおける前記遅延時間は変化している。

ある好ましい実施形態において、前記計算ステップは、前記第１反射波の受信強度をそれぞれ検出し、前記検出した強度に基づいて前記受信強度の前記遅延時間上の重心を求め、前記重心から前記第１超音波の伝播時間を求める。

ある好ましい実施形態において、超音波による距離計測方法は、前記送信ステップの前に、第１周波数から第２周波数へ切り替わる第２駆動信号を生成し、前記第２駆動信号の周波数変化におおよそ一致して、共振周波数または共鳴周波数を変化させながら送信用超音波振動子を駆動することにより、測定対象物に向けて第２超音波を送信するステップと、前記第１周波数で前記受信用超音波振動子を共振または共鳴するように駆動しながら前記第２超音波による第２反射波を受信するステップとをさらに包含し、第２反射波による第２受信信号の強度の強度変化を検出し、検出結果に基づいて、前記遅延時間を設定する。

本発明によれば、超音波振動子の共振周波数を変化させながら周波数変調された超音波の送受信を行う。このため、超音波振動子を構成する圧電体素子の帯域は狭くても、広い帯域で超音波を送受信することが可能となり、測定環境における雑音や風など環境の揺らぎなどの影響を受けにくく、精度の高い計測を行うことができる。

また、本発明の超音波振動子は、帯域の狭い圧電体素子を用い、アクチュエータにより共振周波数または共鳴周波数を変化させる。このため、小さな電力で圧電体素子を駆動することが可能であり、かつ、従来高い電力で駆動する必要があった広帯域での振動を実現することができる。

（第１の実施形態）
まず、本発明の超音波測距装置に用いる超音波振動子を説明する。図２Ａおよび図２Ｂは、超音波振動子１０１の上面図および側面図を示している。超音波振動子１０１は、振動板４５と、圧電振動子２０と、アクチュエータ１８と、ケース４６とを備えている。圧電振動子２０は振動板４５に取り付けられ、ケース４６は支持部４６ａにおいて振動板４５の一端を支持している。振動板４５の他端近傍には、支持プレート１９が設けられている。アクチュエータ１８の両端はケース４６および支持プレート１９にそれぞれ固定されている。振動板４５の表面に音響整合層４８を設けてもよい。

圧電振動子２０はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電セラミックスからなり、電圧を印加することにより超音波領域の周波数（おおよそ２０ｋＨｚ以上の周波数）で振動する。超音波測距装置や超音波センサーなどに従来より用いられている種々の超音波振動子を圧電振動子２０として用いることができる。

アクチュエータ１８は、たとえば積層圧電セラミックスによって構成されており、制御電圧として直流電圧を印加すると、印加した電圧の極性および電圧の大きさに応じて矢印で示すように伸長あるいは収縮する。印加した電圧を維持する限り、アクチュエータ１８は同じ長さを維持する。これにより、アクチュエータ１８に固定された支持プレート１９が振動板４５を伸縮させる。

振動板４５に取り付けられた圧電振動子２０は、駆動電圧を印加すると圧電振動子２０の材料ならびに圧電振動子２０および振動板４５の形状で定まる振動モードおよび共振周波数で振動する。本実施形態では、振動板４５の両端近傍に節が生じるような屈曲（たわみ）モードで振動する。アクチュエータ１８に直流電圧を印加すると、振動板４５が伸縮し、この共振周波数が変化する。アクチュエータ１８の変位量に応じて共振周波数は連続的変化する。

本発明の超音波測距装置では、この超音波振動子１０１を送信用超音波振動子および受信用超音波振動子に用い、周波数変調された超音波を送信する際、アクチュエータ１８に電圧を印加しながら圧電振動子２０を駆動することにより、変調周波数の変化にともなって、共振周波数を変化させる。これにより、超音波振動子の帯域を広げることができ、周波数変調した駆動信号を用いて距離の計測を正しく行うことができる。また、アクチュエータ１８に電圧を印加するタイミングを変化させて周波数変調された超音波を受信することにより、受信信号の信号強度の変化を計測する。

超音波振動子１０１では、振動板４５に圧電振動子２０を張り合わせて空気を振動させているが、振動板４５および圧電振動子２０の替わりに、圧電体を２枚張り合わせたバイモルフ型の圧電振動子を用いてもよい。また、本発明の超音波測距装置には超音波振動子１０１のほか、共振周波数あるいは共鳴周波数を変化させて超音波を送受信できる種々の構造の超音波振動子を用いることができる。

図３Ａおよび図３Ｂに示す超音波振動子１０２は、圧電振動子２０と、振動板４５と、音響整合層４８と、アクチュエータ１８と、ケース４６とを備えている。圧電振動子２０、振動板４５および音響整合層４８は振動板４５が圧電素子２０および音響整合層４８に挟まれるように積層されている。アクチュエータ１８は円筒形状を有しており、円筒の一端に音響整合層４８が取り付けられている。また、円筒の他端はケース４６の上面４６ｂに内側から取り付けられ、上面４６ｂには孔４６ｃが設けられている。アクチュエータ１８、音響整合層４８および上面４６ｂによって形成される空間は、共鳴器４６ｄを構成している。

圧電振動子２０に駆動電圧を印加すると拡がり振動モードあるいは厚み振動モードで圧電振動子２０が振動する。これにより、音響整合層４８が振動し、共鳴器４６ｄの寸法によって定まる共鳴周波数で音響整合層４８が振動し、超音波を発生する。

アクチュエータ１８は直流電圧が印加されると矢印で示す方向に伸縮する。このため、共鳴器４６ｄの寸法が変化し、共鳴周波数も変化する。

図４は、アクチュエータ１８の寸法変化に対する共鳴周波数の変化を示している。図４に示すように、アクチュエータ１８の長さが、０．４ｍｍから０．１ｍｍになった場合、共鳴周波数は、およそ１５ｋＨｚ変化する。

また、図５に示す超音波振動子１０３は、ケース４６と、圧電振動子２０と、アクチュエータ１８と、第１音響整合層４８と第２音響整合層４７とを備えている。ケース４６の一側面に第１音響整合層４８は嵌め込まれており、第１音響整合層４８と対向するようにケース４６内に圧電振動子２０が保持されている。第２音響整合層４７は液体からなり、第１音響整合層４８と圧電振動子２０との間を少なくとも満たし、これらに挟まれている。第２音響整合層４７として用いることのできる液体としては、不活性溶液であることが好ましく、フロリナートなどを用いることが好ましい。アクチュエータ１８や圧電振動子２０およびこれらに電圧を印加するための配線に腐食などの悪影響を与えなければ水やアルコールなどを用いてもよい。

アクチュエータ１８は、直流電圧を印加することによって伸縮し、第１音響整合層４８と圧電振動子２０との間隔を変化させる。これにより、第２音響整合層４７の厚さを変化させ、超音波振動子１０３の共振周波数を変化させることができる。

図６は、超音波振動子１０３による共振周波数の変化の一例を示すグラフである。図６に示す超音波振動子１０３は、ＰＺＴからなる圧電振動子２０、ガラスバルーンをエポキシ樹脂で固めた材料からなる第１音響整合層４８およびフロリナートからなる第２音響整合層４７によって構成されている。第２音響整合層４７の厚さを０．４ｍｍから０．１ｍｍに変化させた場合、図６に示すように、共振周波数は４７０ｋＨｚから５００ｋＨｚへ約３０ｋＨｚ変化する。

次に本実施形態の超音波測距装置を説明する。図７に示すように、超音波測距装置１５０は、送信用超音波振動子１と、受信用超音波振動子２と、駆動部１５１と、送信用制御電圧生成部１５２と、受信用制御電圧生成部１５３と、受信部１５４と、伝播時間予備計測部１５５とを備える。また、送信用超音波振動子１から超音波を送信するためのタイミングを定めるためのトリガ信号を生成するタイミング部９を備えている。

送信用超音波振動子１および受信用超音波振動子２には、共振周波数または共鳴周波数を変化させることのできる超音波振動子を用いる。たとえば、前述した超音波振動子１０１、１０２、１０３を好適に用いることができる。本実施形態では、超音波振動子１０１を用いる。

駆動部１５１は、送信用超音波振動子１を駆動し超音波を送信するために、周波数変調された駆動信号を生成し、送信用超音波振動子１に生成した駆動信号を印加する。好ましくは、駆動部１５１はキャリア信号生成部８と、変調信号発生部４４と、周波数変調部７と、送信アンプ３とを含む。図８は、駆動部１５１において生成する信号を示している。キャリア信号生成部８は、送信用超音波振動子１を振動させる駆動信号を発生し、変調信号発生部４４は周波数変調を行う変調周波数を生成する。たとえば図８に示すように、キャリア信号生成部８は周波数１５ｋＨｚの矩形波のキャリア信号８（ａ）を生成し、変調信号発生部４４は、信号（ｂ）で示すように周期４００マイクロ秒の間に周波数が１５ｋＨｚから３０ｋＨｚへ変化する変調信号８（ｂ）を生成する。

周波数変調部７は、キャリア信号を変調信号で変調し、周波数変調されたキャリア信号を送信アンプ３へ出力する。送信アンプ３は、受け取った信号を増幅し、図８に示す駆動信号８（ｃ）を送信用超音波振動子１へ出力する。２つの信号のタイミングが一致するよう、キャリア信号生成部８および変調信号発生部４４はタイミング部９から出力されるトリガ信号に基づいて、キャリア信号および変調信号を生成する。

送信用制御電圧生成部１５２は、送信用超音波振動子１の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための制御電圧を生成する。このために、送信用制御電圧生成部１５２は、ＤＣ制御電圧生成部６およびピエゾアンプ５を含む。ＤＣ制御電圧生成部６はタイミング部９からトリガ信号を受け取って、アクチュエータを駆動するためのＤＣ制御電圧を生成する。ピエゾアンプ５は、ＤＣ制御電圧を増幅し、増幅した制御電圧を送信用超音波振動子１のアクチュエータ１８に印加する。

アクチュエータ１８に印加されるＤＣ制御電圧は、駆動信号の周波数の変調におおよそ一致して、送信用超音波振動子１の共振周波数または共鳴周波数が変化するようなプロファイルとなるようあらかじめ定められている。たとえば図８に示すように、駆動信号８（ｄ）が出力されると同時に印加され、変調周波数の変化にともなって電圧が増大し、駆動信号の停止にともなって減少するＤＣ制御電圧がアクチュエータ１８に印加される。アクチュエータ１８にＤＣ制御電圧が印加されることにより、変調周波数の変化にともなって送信用超音波振動子１の共振周波数が変化する。送信用超音波振動子１は、共振周波数を変化させながら駆動信号による超音波を発振する。

送信用超音波振動子１から送信された超音波は測定対象物１７へ向かって進行し、測定対象物において反射する。超音波の反射波は、受信用超音波振動子２へ到達し、受信用超音波振動子２により、電気的信号に変換される。このとき、受信用超音波振動子２は共振周波数を変化させながら反射波を受信する。

受信用制御電圧生成部１５３は、ピエゾアンプ５と、ＤＣ制御電圧生成部６と遅延部１６とを備え、受信用超音波振動子２の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための制御電圧を生成する。ピエゾアンプ５およびＤＣ制御電圧生成部６は送信用制御電圧生成部１５２と同じように構成されている。ただし、ＤＣ制御電圧生成部６は、タイミング部９のトリガ信号に基づいてＤＣ制御電圧を生成するのではなく、遅延部１６から出力信号に基づいてＤＣ制御電圧を生成する。

遅延部１６は、トリガ信号および推定伝播時間情報をタイミング部９および後述する計時部１５６から受け取る。そして、トリガ信号を受け取るたびに、長さがΔｔ異なる遅延時間を生成し、遅延時間経過後にＤＣ制御電圧生成部６へ信号を出力する。超音波測距装置１５０では受信した反射波の強度が所定の検知レベルに達したとき反射波を検知したと判断し、反射波の到達時刻を定める。このため、反射波の推定伝播時間をΔＴ₀とすれば、受信波の微弱なレベルの部分はΔＴ₀より以前に受信用超音波振動子２に到達している。このため、受信信号を検出するタイミングは、ΔＴ₀よりも時間αだけ早いΔＴ₀−αから開始する。２ｎ+１回（ｎは１以上の整数）トリガ信号が出力されることによって送受信が繰り返され、推定伝播時間がΔＴ₀であるとすれば、生成される遅延時間は、ΔＴ₀−α−ｎΔｔ、ΔＴ₀−α−（ｎ−１）Δｔ、ΔＴ₀−α−（ｎ−２）Δｔ、・・・ΔＴ₀−α−２Δｔ、ΔＴ₀−α−Δｔ、ΔＴ₀−α、ΔＴ₀−α＋Δｔ、・・・・ΔＴ₀−α＋ｎΔｔである。

受信用制御電圧生成部１５３において、遅延部１６がトリガ信号を受け取るたびに、Δｔだけ遅延時間が異なるタイミングでＤＣ制御電圧生成部６がＤＣ制御電圧を生成し、ピエゾアンプ５は生成したＤＣ制御電圧を増幅して受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８に印加する。

受信部１５４は、受信アンプ４と、切替部１０と、包絡線検波部１３と、判定部１４とを備える。受信アンプ４は受信用超音波振動子２によって変換された受信信号を増幅する。切替部１０は、繰り返して受け取る受信信号のうち最初の受信信号のみが伝播時間予備計測部１５５へ出力され、２回目以降の受信信号は包絡線検波部１３へ出力されるように信号の出力先を切り替える。 最初の受信信号を受信部１５４が受け取った場合、受信信号は伝播時間予備計測部１５５へ出力される。伝播時間予備計測部１５５は、ピークホールド部１１と、レベル検知部１２と計時部１５６とを含み、受信信号はまずピークホールド部１１へ入力される。図９は、伝播時間予備計測部１５５における各部の信号を示しているピークホールド部１１は最初の受信信号２２のピーク値を保持し、ピーク値信号２５をレベル検知部１２へ出力する。レベル検知部１２は、所定の閾値２６とピーク値信号２５とを比較し、ピーク値信号２５が閾値２６を超えたとき、検知信号２７を出力する。計時部１５６は、タイミング部９のトリガ信号および検知信号２７を受け取り、トリガ信号を受け取ったときから検知信号２７を受け取ったときまでの時間を計測し、計測結果を推定伝播時間ΔＴ₀として受信用制御電圧生成部１５３の遅延部１６へ出力する。

前述したように、遅延部１６は推定伝播時間ΔＴ₀から時間αを引いた時間を中心とする期間において、タイミング部９からトリガ信号を受け取るたびに、長さがΔｔ異なる遅延時間を生成し、遅延時間経過後にＤＣ制御電圧生成部６へ信号を出力する。これにより、送信用超音波振動子１から超音波が送信されるたびに、受信用超音波振動子２は異なるタイミングでＤＣ制御電圧が印加されながら反射波を受信する。

２回目以降の受信信号を受信部１５４が受け取った場合、受信信号は包絡線検波部１３へ入力される。図１０Ａは包絡線検波部１３において生成される受信信号２４の包絡線２８を示している。また、図１０Ｂはその受信信号２４を受信したときにおける受信用制御電圧生成部１５３で生成したＤＣ制御電圧のプロファイル２９を示している。これらの図において、原点はΔＴ₀−αとしている。図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、受信信号は、時刻ΔＴ'から立ち上がっており、反射波が時刻ΔＴ'に到達したことを示している。これに対して、ＤＣ制御電圧は時刻ΔＴ'より進んだΔＴ'１から生成され、アクチュエータ１８に印加されている。

図１１Ａは他の受信信号３２を包絡線検波部１３において検波して得られた包絡線３０を示している。図１１Ｂはその受信信号３２を受信したときにおける受信用制御電圧生成部１５３で生成したＤＣ制御電圧のプロファイル３１を示している。図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、受信信号は、時刻ΔＴ'から立ち上がっており、反射波が時刻ΔＴ'に到達したことを示している。これに対して、ＤＣ制御電圧は時刻ΔＴ'と一致したΔＴ'₂から生成され、アクチュエータ１８に印加されている。

２回目以降、複数回繰り返して行われる超音波の送受信において、送信用超音波振動子１が超音波を送信するタイミングはいずれもタイミング部９におけるトリガ信号の生成に一致している。また、送信用超音波振動子１では、駆動信号の周波数変調に一致したタイミングでアクチュエータ１８にＤＣ制御電圧が印加される。つまり、複数回送信される超音波はトリガ信号を基準として発生し、また、同じ波形を有している。

測定対象物１７が計測中移動しないものと仮定すれば、受信用超音波振動子２に到達する各反射波の到達時刻もトリガ信号を基準として一定であり、波形も等しい。しかし、前述したように、受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８に印加されるＤＣ制御電圧は、トリガ信号に対して所定の時間間隔でシフトして立ち上がるように印加される。受信用超音波振動子２に到達する反射波のタイミングとアクチュエータ１８に印加されるＤＣ制御電圧のタイミングとが最も一致した場合、受信用超音波振動子２の共振周波数は、反射波の周波数変調と一致して変化するため、受信する受信信号の振幅が大きくなる。つまり、包絡線検波部１３において得られる包絡線の積分面積が大きくなる。

図１２は、図１０Ａの包絡線２８と図１１Ａの包絡線３０とを重ねて示した図である。図から明らかなように、包絡線３０の積分面積のほうが大きくなっている。特に、変調によって周波数が高くなっている受信信号の後半ほどその差が顕著になっている。これは、包絡線３０を与える受信信号を受信したときのほうが、受信用超音波振動子２の共振周波数の変化が反射波の周波数の変調と一致していたことを意味している。

判定部１４は、このような判断を行うため、図１３に示すように、積分部３３、Ａ／Ｄ変換部３４および最大値判定部３５を含み、受信信号を包絡線検波するたびに、積分部３３において包絡線を積分し、Ａ／Ｄ変換部３４において得られた積分値をデジタル値に変換する。最大値判定部３５は、遅延部１６から遅延時間と繰り返し回数に関する情報を受け取り、繰り返し回数分積分値が得られたら、これらのデジタル積分値が最大となるときの遅延時間を決定する。これにより、伝播時間を確定し、距離算出部１５へ出力する。積分値が最大となるときの遅延時間から直接伝播時間を確定してもよいし、得られた積分値から補間を行い、最大となる積分値およびその積分値を与える遅延時間を推定してもよい。補間を行わない場合には、遅延時間の間隔が計測の精度となる。

距離算出部１５は、得られた超音波の伝播時間から超音波の速度を用いて測定対象物１７までの距離を算出する。図７に示すように、測定対象物１７の周りの環境温度を温度計３７によって計測し、超音波の速度を環境温度で補正してもよい。空気の音速ｖ（ｍ）は温度ｔ（℃）の関数としてｖ＝３３１．４５＋０．６（ｔ）で近似的に表される。この関係を用いて超音波の伝播速度を補正することにより、より正確な距離を求めることができる。

次に図１４および図１５から図１８を参照して超音波測距装置１５０を用いた距離の測定方法を説明する。

図１４は、超音波測距装置１５０を用いて距離を測定する手順を示すフローチャートである。また、図１５から図１８は、測定中の異なる時刻における、超音波測距装置１５０の送信アンプ３から出力される駆動信号（ａ）、送信用制御電圧生成部１５２から出力されるＤＣ制御電圧信号（ｂ）、受信アンプ４から出力される受信信号（ｃ）、ピークホールド部１１のピーク値信号（ｄ）、包絡線検波部１３の出力信号（ｅ）、受信用制御電圧生成部１５３から出力されるＤＣ制御電圧信号（ｆ）および判定部１４における積分信号（ｇ）のタイミングチャートである。 まず、図１５に示すように、送信部１５１において周波数変調された駆動信号（ａ）を生成し、ＤＣ制御電圧信号（ｂ）を用いて送信用超音波振動子１の共振周波数を駆動信号の周波数の変調に一致して変化させながら駆動信号により送信用超音波振動子１を駆動する（ステップ２０１）。

送信用超音波振動子１から送信された超音波は測定対象物１７において反射し、反射波が受信用超音波振動子２に到達する。受信用超音波振動子２は反射波を電気信号に変換し、受信アンプ４が電子信号を増幅することにより受信信号（ｃ）が得られる。受信信号（ｃ）に基づき、伝播時間予備計測部１５５が、推定伝播時間を測定する（ステップ２０２）。具体的には、受信信号（ｃ）のピーク値をホールドすることにより、ピーク値信号（ｄ）を生成する。次に、ピーク値信号（ｄ）を閾値２６とを比較し、ピーク値信号２５が閾値２６を超えたとき、検知信号２７を出力する。検知信号２７が出力された時間を推定伝播時間ΔＴ₀とする。推定伝播時間ΔＴ₀から時間αを引いた時間を中心として所定の期間において、超音波の送受信を行い計測ができるよう、送受信の繰り返し回数および遅延時間の変化量を決定する（ステップ２０３）。

次に、タイミング部９において、ステップ２０３で決定した繰り返し回数分トリガ信号を生成する。各トリガ信号が生成するたびに、送信用超音波振動子１から超音波が送信され、また、所定の遅延時間後から受信用のＤＣ制御電圧が印加された受信用超音波振動子２において反射波を受信する。受信部１５４は得られた受信信号を包絡線検波し、包絡線の積分値を求める（ステップ２０４、２０５）。

図１６、１７および１８は、遅延時間を変化させながら繰り返し測定を行った場合のタイミングチャートを示している。ＤＣ制御電圧信号（ｆ）を印加するタイミングによって、包絡線検波部１３の出力信号（ｅ）が変化し、その結果、判定部１４における積分信号（ｇ）が変化する。

繰り返し回数分、積分値（積分信号（ｇ））が得られたら（ステップ２０５、２０６）、判定部１４は最大値および最大値に対応する遅延時間を決定する（ステップ２０７）。距離算出部１５は必要により超音波の伝播速度に温度補正を行い、遅延時間から超音波の伝播時間を求め、測定対象物までの距離を算出する。

本発明によれば、超音波振動子の共振周波数を変化させながら周波数変調された駆動信号を印加し、あるいは、周波数変調された超音波を受信する。このため、超音波振動子を構成する圧電体素子の帯域は狭くても、広い帯域で超音波を送受信することが可能となり、周波数変調された超音波を送受信することが可能となる。したがって、測定環境における雑音や風など環境の揺らぎなどの影響を受けにくく精度の高い計測を行うことができる。

また、本発明で用いる超音波振動子は、帯域の狭い圧電体素子を用いるため、小さな電力で圧電体素子を駆動することが可能であり、電池などを電源に用い、小型で携帯性に優れた超音波測距装置を実現することができる。

また、受信波の検出に相関回路を用いないため、受信回路の構成を簡単にすることができ、安価な超音波測距装置を実現することができる。

なお、本実施形態では、超音波測距装置は伝播時間予備計測部を備えていたが、計測する測定対象物までの距離がおおよそ分かっている場合や、計測範囲を制限する場合には、伝播時間予備計測部を省略することも可能である。この場合には、設定した範囲あるいはおおよそ分かっている距離に基づいてあらかじめ遅延部１６が発生させる遅延時間を設定し、推定距離を求めることなく図１４に示すステップ２０４以下の手順で計測を行えばよい。

また、本実施形態では、送信用超音波振動子１および受信用超音波振動子２を用いているが、超音波の送受信を１つの超音波振動子で行ってもよい。この場合には、送受信用超音波振動子と、送信部１５１および送信用制御電圧生成部１５２ならびに受信部１５４および受信用制御電圧生成部１５３との間に切替部を設け送受信のタイミングにあわせこれらのブロックとの接続を切り替えればよい。

また、本実施形態では、所定の周波数を有するキャリア信号を変調信号により変調したチャープ波を駆動部は生成していた。しかし、チャープ波のようにパルス幅およびパルス間隔が変化するパルス波を用いてもよい。

また、本発明で用いる超音波振動子は、帯域の狭い圧電体素子を用いるため、小さな電力で圧電体素子を駆動することが可能であり、電池などを電源に用い、小型で携帯性に優れた超音波測距装置を実現することができる。

また、受信波の検出に相関回路を用いないため、受信回路の構成を簡単にすることができ、安価な超音波測距装置を実現することができる。

また、本発明によれば、伝播時間予備計測部を用いておおよその伝播時間をまず求めるため、計測可能な範囲を広くすることができ、また、計測範囲内における距離の計測を短時間で行うことができる。

また、本発明の超音波測距装置を複数用いることによって測定対象物の方位を求めることができる。図１９に示すように超音波測距装置１５０および超音波測距装置１５０'を所定の間隔Ｌ０を隔てて配置し、それぞれの超音波測距装置を用いて測定対象物１７までの距離を計測する。超音波測距装置１５０および超音波測距装置１５０'から測的対象物間での距離がＬ１およびＬ２であるとすると、測定対象物はＬ０離れた２点を中心とし、半径Ｌ１およびＬ２の円が交わる点に位置している。したがって、超音波測距装置１５０および超音波測距装置１５０'からみた測定対象物１７の方向が求められる。超音波測距装置を３つ以上用いて、同様の手順により計測を行えば、３次元空間における測定対象物の方向を求めることもできる。

（第２の実施形態）
以下、本発明による超音波測距装置の第２の実施形態を説明する。図２０に示すように、超音波測距装置１６０は、送信用超音波振動子１と、受信用超音波振動子２と、駆動部１６１と、送信用制御電圧生成部１６２と、受信用制御電圧生成部１６３と、受信部１６４とを備える。また、これら各部の制御のタイミングを調整するためのタイミング部１６９を備える。タイミング部１６９は、全体の基準となるクロック信号を生成する基準クロック生成部６４と、駆動部１６１、送信用制御電圧生成部１６２および受信用制御電圧生成部１６３へトリガ信号を送出するトリガ信号生成部６３と、計時部６５とを含む。

送信用超音波振動子１および受信用超音波振動子２には、第１の実施形態で説明したように、共振周波数または共鳴周波数を変化させることのできる超音波振動子を用いる。具体的には第１の実施形態で説明した超音波振動子１０１、１０２、１０３を好適に用いることができる。本実施形態では、超音波振動子１０１を用いる。

駆動部１６１は、送信用超音波振動子１を駆動し測定用超音波を送信するために、測定用駆動信号を生成し、送信用超音波振動子１に生成した測定用駆動信号を印加する。好ましくは、駆動部１６１は、あらかじめ生成された測定用駆動信号の波形が記憶された波形メモリ６１と、Ｄ−Ａ変換器６２と、送信アンプ３とを含む。波形メモリ６１は、あらかじめ生成された測定用駆動信号をデジタル信号として記憶している。Ｄ−Ａ変換器６２は、デジタルの測定用駆動信号をアナログ信号に変換し、送信アンプ３へ出力する。送信アンプ３は、受け取った信号を増幅し、送信用超音波振動子１へ出力する。波形メモリ６１から、デジタルの測定用駆動信号をＤ−Ａ変換器６２へ送るタイミングは、トリガ信号生成部６３から波形メモリ６１へ出力されるトリガ信号によって決まる。トリガ信号生成部６３は基準クロック生成部６４において生成する基準クロックに基づいて動作する。

図２１に示すように測定用駆動信号２１（ａ）は、駆動信号ｗ１（第２駆動信号）および複数の駆動信号ｗ２（第１駆動信号）を含む。駆動信号ｗ１は、測定用駆動信号による超音波の反射波が受信用超音波振動子２へ到達したことを検出し、駆動信号ｗ２を用いて測定を行う際の基準時刻を発生させる。駆動信号Ｗ２は、周波数が途中で切り替わる正弦波である。より具体的には、駆動信号Ｗ２は、時間ΔＴｈｈの間、周波数ｆ２（第１周波数）を保った後、周波数がｆ２からｆ４に切り替わり、ΔＴｈ２の間周波数ｆ４（第２周波数）を保つ。複数の駆動信号ｗ２は、時間ΔＴｈ３の間、出力される。この間、駆動信号ｗ２の周波数は、ｆ１からｆ４まで線形的に変化する。駆動信号ｗ２の繰り返し周期はΔＴｗであり、２Ｎ＋１回繰り返される。最初の駆動信号ｗ２が出力されるタイミングは、駆動信号Ｗ１の出力開始時から、（ΔＴｈｈ＋ΔＴｗｗ）後である。周波数ｆ１から周波数ｆ４は、ｆ１＜ｆ２＜ｆ３＜ｆ４を満たす。たとえば各周波数は、ｆ１＝２０ｋＨｚ、ｆ２＝４０ｋＨｚ、ｆ３＝６０ｋＨｚ、ｆ４＝８０ｋＨｚである。ΔＴｈ３を８０μｓとすると、周波数が２０ｋＨｚから８０ｋＨｚまで線形にスイープする波形は図２２に示すようになる。

送信用制御電圧生成部１６２は、送信用超音波振動子１の共振周波数または共鳴周波数を変化させるためのＤＣ制御電圧を生成する。このために、送信用制御電圧生成部１６２は、ＤＣ制御電圧生成部６、ＤＣ制御電圧波形メモリ６６およびピエゾアンプ５を含む。ＤＣ制御電圧波形メモリ６６には、測定用駆動信号の周波数におおよそ一致して、送信用超音波振動子１の共振周波数または共鳴周波数が変化するようなプロファイルを有する制御電圧波形が記憶されている。ＤＣ制御電圧生成部６はＤＣ制御電圧波形メモリ６６からデジタルのＤＣ制御電圧波形を読み込み、Ｄ−Ａ変換し、また、ピエゾアンプ５に最適なレンジに変換する。ピエゾアンプ５は、ＤＣ制御電圧を増幅し、増幅した制御電圧を送信用超音波振動子１のアクチュエータ１８に印加する。アクチュエータ１８にＤＣ制御電圧が印加されることにより、送信用超音波振動子１は、共振周波数を変化させながら駆動信号による超音波を発振する。

図２１の信号２１（ｂ）で示すように、駆動信号Ｗ１が出力されている間、ＤＣ制御電圧は、送信用超音波振動子１の共振周波数または共鳴周波数が周波数ｆ２となるようアクチュエータ１８を駆動する値を時間ΔＴｈｈの間保ち、その後、共振周波数または共鳴周波数周波数がｆ４となるようアクチュエータ１８を駆動する値をΔＴｈ２の間保つ。その後、駆動信号ｗ２の周波数変化のタイミングと一致して、送信用超音波振動子１の共振周波数または共鳴周波数がｆ１からｆ４へ変化するようアクチュエータ１８を駆動する値をとる。

駆動部１６１と送信用制御電圧生成部１６２の動作はトリガ信号生成部６３により制御される。具体的には、トリガ信号生成部６３によって生成されるトリガ信号によって、デジタルの測定用駆動信号が波形メモリ６１からＤ−Ａ変換器６２に転送され、送信アンプ３にて増幅された後、送信用超音波振動子１を駆動する。この時、送信波形の周波数が、送信用超音波振動子１の共振周波数と一致するよう、トリガ信号に基づきＤＣ制御電圧波形メモリ６６からＤＣ制御電圧波形のデータが読み出され、ピエゾアンプ５によってアクチュエータ１８にＤＣ制御電圧が印加される。また、トリガ信号生成部６３では、送信開始信号から時間ΔＴｈｈ後に時間を計測するよう計時部６５のカウンタをスタートさせる。

送信用超音波振動子１から送信された超音波は測定対象物１７へ向かって進行し、測定対象物において反射する。その後、超音波の反射波は、受信用超音波振動子２へ到達し、受信用超音波振動子２により、電気的信号に変換される。

受信用制御電圧生成部１６３は、ピエゾアンプ５、ＤＣ制御電圧生成部６、遅延部６７、メモリバンク切替部６９およびＤＣ制御電圧波形メモリバンク６８とを含み、受信用超音波振動子２の共振周波数または共鳴周波数を変化させるためのＤＣ制御電圧を生成する。ピエゾアンプ５およびＤＣ制御電圧生成部６は送信用制御電圧生成部１６２と同じように構成されている。ただし、ＤＣ制御電圧生成部６は、トリガ信号生成部６３のトリガ信号に基づいてＤＣ制御電圧を生成するのではなく、遅延部６７からの出力信号に基づいてＤＣ制御電圧を生成する。ＤＣ制御電圧波形メモリバンク６８は第１から第３ＤＣ制御電圧波形を記憶している。これをメモリバンク切替部６９によって切り替える。ＤＣ制御電圧の３種類の波形を図２３Ａから図２３Ｃに示す。

図２３Ａに示すように第１波形は、受信用超音波振動子２の共振周波数が時間ΔＴｈごとにｆ１、ｆ２、ｆ３となるようにアクチュエータ１８を駆動する振幅を有し、ＤＣ制御電圧波形メモリバンク６８のバンク１に記憶されているとする。第１波形は、測定対象物からの反射波が受信用超音波振動子２へ到達したかどうかを判断するために用いられる。図２３Ｂに示すように第２波形は、受信用超音波振動子２の共振周波数がｆ２となるようにアクチュエータ１８を駆動する一定の振幅を有する。この波形はＤＣ制御電圧波形メモリバンク６８のバンク２に記憶されている。第２波形（第２制御電圧）は、駆動信号ｗ１に基づく超音波の反射波において周波数が切り替わるタイミングを検出するために用いられる。図２３Ｃに示すように第３波形は、受信用超音波振動子２の共振周波数がｆ１からｆ４まで時間ΔＴｈ３かけて線形にスイープする。この波形は、ＤＣ制御電圧波形メモリバンク６８のバンク３に記憶されている。第３波形（第１制御電圧）は、正確な超音波の伝播時間を求めるための測定に用いられる。

受信部１６４は、受信アンプ４と、包絡線検波部１３と、コンパレータ３６と、ピークホールド部１１と、第１Ａ−Ｄコンバータ３４と、第２Ａ−Ｄコンバータ３５と、電圧値比較部７０と、基準電圧生成部７１と、タイミング生成部７２と、リセット信号生成部７３と、受信波到達判断処理部７４、データメモリ７５と重心計算部７６とを含む。

前述したように測定用駆動信号には、駆動信号ｗ１および複数の駆動信号ｗ２が含まれる。受信部１６４において駆動信号ｗ１に基づく超音波の反射波を受信した場合、包絡線検波部１３、第１Ａ−Ｄコンバータ３４、電圧値比較部７０および受信波到達判断処理部７４を用いて、測定対象物１７から反射波が到達したことを検出する。また、コンパレータ３６を用いて、駆動信号ｗ２による正確な超音波の伝播時間を求めるための測定を行う際の基準時刻を発生させる。一方、駆動信号ｗ２に基づく超音波の複数の反射波を受信した場合、ピークホールド部１１、第２Ａ−Ｄコンバータ３５、データメモリ７５および重心計算部７６を用いて正確な超音波の伝播時間を求める。

受信アンプ４は受信用超音波振動子２によって変換された受信信号を増幅する。包絡線検波部１３は、受信信号の包絡線信号を生成し、出力する。ピークホールド部１１は、受信信号の最大振幅をリセット信号が入力されるまで保持する。図２４Ａは、受信信号８１に対するピークホールド部１１の出力信号８２を示している。また、図２４Ｂは、受信信号８１に対する包絡線検波部１３の出力信号８３を示している。

コンパレータ３６は、包絡線検波部１３から包絡線信号を受け取り、基準電圧に対して、包絡線信号が大きい場合にはＨｉｇｈを出力し、その他の場合にはＬｏｗを出力する。基準電圧は、計時部６５のカウンタ値をもとに、基準電圧生成部７１にて生成される。基準電圧は計時部６５のカウンタ値に比例して小さくなるように生成される。

第２Ａ−Ｄコンバータ３５は、ピークホールド部１１の電圧値をデジタル値に変換する。なお、ピークホールド部１１のリセット信号および第２Ａ−Ｄコンバータ３５のクロック信号は、基準クロック生成部６４で生成される基準クロックをもとに、タイミング生成部７２によって生成される。第１Ａ−Ｄコンバータ３４は、包絡線検波部１３の出力信号をデジタル値に変換する。また、電圧値比較部７０は、第１Ａ−Ｄコンバータ３４の出力信号の変動を検出するため、所定のタイミングで第１Ａ−Ｄコンバータ３４の出力信号の値をその前後の値と比較する。第１Ａ−Ｄコンバータ３４のサンプリングクロックはタイミング生成部７２によって生成される。また、電圧比較部７０における比較のタイミングもタイミング生成部７２から出力されるクロック信号に同期している。

受信波到達判断処理部７４は、電圧値比較部７０の出力に基づき、反射波が到達したかどうかを判断する。データメモリ７５は、第２Ａ−Ｄコンバータ３５の出力を記憶する。重心計算部７６は、データメモリ７５に記憶されたデータも用いて、受信信号強度である第２Ａ−Ｄコンバータ３５の出力値の遅延時間軸上における重心を求める。

次に、図２０および図２１を参照して、超音波測距離装置１６０の動作および距離計測の方法を説明する。前述したように、送信部１６１により測定用駆動信号２１（ａ）を生成し、送信用超音波振動子１から測定用超音波を送信する。このとき、送信用制御電圧生成部１６２で生成する信号２１（ｂ）を用いて送信用超音波振動子１のアクチュエータ１８を駆動し、送信用超音波振動子１共振周波数を変化させる。

図２１の信号２１（ｃ）で示すように、超音波測距離装置１６０が待機状態にあるとき、あるいは計測開始時には、受信用制御電圧生成部１６３の出力はゼロである。このとき、受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８には電圧が印加されず、受信用超音波振動子２の共振周波数はｆ１である。その後、バンク１の波形を出力し、受信用超音波振動子２の共振周波数を時間ΔＴｈごとにｆ１、ｆ２、ｆ３となるように変化させる。さらに、Ａ−Ｄコンバータ３４にて検波回路の出力電圧をサンプリング時間ΔＴｈごとに計測する。計測するタイミングは、超音波振動子２の共振周波数が変化する直前の値をとるようにする。バンク２の波形を出力するタイミングは、超音波測距離装置１６０によって測定する距離に依存する。超音波測距離装置１６０が近距離の計測を行う場合には、超音波送信と同時あるいは超音波送信の直後にバンク１の波形を出力させてもよい。また、送信用超音波振動子１から送信した超音波が受信用超音波振動子２へ直接到達する可能性がある場合には、バンク１の波形の出力は超音波の送信が完了してから行うことが好ましい。

サンプリング時間ΔＴｈは包絡線検波部１３の時定数およびアクチュエータ１８の応答時間を考慮して、測定に用いる超音波の５波長以上であることが好ましい。たとえば、ｆ２が４０ｋＨｚである場合、ΔＴｈは２５μｓ×５＝２２５μｓであることが好ましい。この場合、第１Ａ−Ｄコンバータ３４のサンプリング周期は８ｋＨｚとなる。また、駆動信号ｗ１において周波数ｆ２を維持する時間ΔＴｈｈはΔＴｈの４倍以上であることが好ましい。また、駆動信号ｗ１は、駆動信号ｗ２による正確な超音波の伝播時間を求めるための測定を行う際の基準時刻を発生させるため、時間ΔＴｈｈは、ｆ２が４０ｋＨｚの場合には２ｍｓ程度であることが好ましい。

反射波を受信用超音波振動子２が受信することによって、受信アンプ４で受信信号が生成し、包絡線検波部１３で包絡線検波信号が生成する。第１Ａ−Ｄコンバータ３４により包絡線検波信号がデジタル値に変換される。電圧比較部７０は各サンプリング周期において、受信用超音波振動子２の共振周波数が周波数ｆ２になっている時の値と前後の値と比較し、前後の値との比がある基準値以上だった時、障害物１７からの反射波が到達したと判断する。受信用超音波振動子２の共振周波数と反射波の周波数が一致する場合、大きな強度で反射波を受信するからである。この基準値は基準電圧生成部７１の値をもとに決定する。また、判断は受信波到達判断処理７４にて行う。基準電圧値が小さいほど、測定対象物までの距離が長く反射波が減衰していることを意味し、受信信号もそれに応じて減衰している。このため基準値も小さく設定する。

測定対象物１７からの反射波ではなく、白色雑音などである場合には、第１Ａ−Ｄコンバータ３４の電圧値は受信用超音波振動子２の共振周波数に無関係に一定となる。ピンク雑音である場合には、第１Ａ−Ｄコンバータ３４の電圧値は受信用超音波振動子２の共振周波数が低いほど大きくなる。したがって、雑音を計測用の超音波と誤認する可能性が極めて低い。

反射波が到達したと受信波到達判断処理７４が判断したら、大まかな伝搬時間を検出する。検出した時間は正確な伝播時間を求めるための基準時刻となる。受信波到達判断処理７４は、反射波が到達したと判断した場合、メモリバンク切替部６９へ信号を出力し、メモリバンク切替部６９はＤＣ制御電圧波形メモリバンク６８のバンクをバンク２に設定する。これによりバンク２の波形のＤＣ制御電圧が受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８に印加され、受信用超音波振動子２の共振周波数がｆ２に維持される。受信信号の周波数がｆ２からｆ４から切り替わると、周波数の不一致により受信信号の強度が急激に低下し、包絡線検波部１３の出力が低下する。コンパレータ３６は、包絡線検波部１３の出力と基準電圧とを比較し、基準電圧より包絡線検波部の出力が小さくなった場合、出力をＨｉｇｈからＬｏｗへ切り替える。計時部６５はコンパレータ３６の出力が変化した時刻Ｔ１を記憶する。

コンパレータ３６の基準電圧は、反射波の検出の際、第１Ａ−Ｄコンバータ３４が受信波の到達を判断した時における、包絡線検波部１３の出力値より小さい値（例えば−３ｄＢ）とする。実際に検出した反射波の受信強度に基づいてコンパレータ３６の基準電圧を定めることにより伝搬距離や環境によって、受信信号が減衰していても、正確に計測することができる。

時刻Ｔ１を計時部６５内において記憶した後、ピークホールド部１１のリセットを解除する。リセット信号は、リセット信号生成部７３で生成する。また、同時にリセット信号生成部７３からメモリバンク切替部６９に信号を出力しＤＣ制御電圧波形メモリバンク６８のバンクをバンク３に設定する。

図２１の信号２１（ａ）に示すように、駆動信号ｗ２は周期ΔＴｗで繰り返し出力される。したがって、時刻Ｔ１から周期ΔＴｗで反射波が受信用超音波振動子２に到達し、受信信号が検出される。これに対して、受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８を駆動するＤＣ制御電圧は、複数の駆動信号ｗ２による超音波の反射波が到達するタイミングに対してそれぞれ長さがΔｔ異なる遅延時間後に出力される。この遅延時間は第１の実施形態と同様、反射波が到達するタイミングを中心として時間軸上で進んだ方向から遅れた方向に与えられる。駆動信号ｗ２の数が２Ｎ＋１であれば、遅延時間は、−Ｎ×Δｔ、−（Ｎ−１）×Δｔ、−（Ｎ−２）×Δｔ・・・Δｔ、１×Δｔ、２×Δｔ、・・・Ｎ×Δｔとなる。

反射波の到達時間は時刻Ｔ１を基準として、ΔＴｗｗ、ΔＴｗｗ＋ΔＴｗ、ΔＴｗｗ＋２×ΔＴｗ、ΔＴｗｗ＋３×ΔＴｗ・・・・ΔＴｗｗ＋２Ｎ×ΔＴｗである。したがって、受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８を駆動するＤＣ制御電圧の印加するタイミングは、時刻Ｔ１を基準とし、ｍ＝１、２、・・・・２Ｎ＋１として、ΔＴｗｗ−（Ｎ−ｍ）×Δｔ＋ΔＴｗ×（ｍ−１）となる。

図２１の信号２１（ｅ）で示すように、最初の駆動信号ｗ２による超音波の反射を検出する場合、時刻Ｔ１から時間（ΔＴｗｗ−（Ｎ）×Δｔ）後に、ピエゾアンプ５から受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８へＤＣ制御電圧を印加する。その後、時刻Ｔ１から時間（ΔＴｗｗ−（Ｎ−１）×Δｔ＋ΔＴｗ−α）後にピークホールド部１１の出力信号を第２Ａ−Ｄコンバータ３５によって読み取り、データメモリ７５に記憶させる。第２Ａ−Ｄコンバータ３５からの読み取りが完了したらピークホールド部１１をリセットする。

次の駆動信号ｗ２による超音波の反射を検出する場合、時刻Ｔ１から時間（ΔＴｗｗ−（Ｎ−１）×Δｔ＋ΔＴｗ）後に、ピエゾアンプ５から受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８へＤＣ制御電圧を印加する。その後、時刻Ｔ１から時間（ΔＴｗｗ−（Ｎ−２）×Δｔ＋２×ΔＴｗ−α）後にピークホールド部１１の出力信号を第２Ａ−Ｄコンバータ３５によって読み取り、データメモリ７５に記憶させる。第２Ａ−Ｄコンバータ３５からの読み取りが完了したらピークホールド部１１をリセットする。

このように、
１．時刻Ｔ１から時間（ΔＴｗｗ−（Ｎ−（ｍ−１））×Δｔ＋ΔＴｗ×（ｍ−１））後に受信用超音波振動子２のアクチュエータ１８にＤＣ制御電圧を印加する。
２．時刻Ｔ１から時間（ΔＴｗｗ−（Ｎ−ｍ）×Δｔ＋ΔＴｗ×ｍ−α）後にピークホールド部１１の出力電圧値を第２Ａ−Ｄコンバータ３５にて読み取り、データメモリ７５において記憶する。
３．第２Ａ−Ｄコンバータ３５からの読み取りが完了したらピークホールド部１１をリセットする。
という一連の動作をｍが２Ｎ＋１に達するまで繰り返す。

繰り返しによる計測の終了後、重心計算部７６は、データメモリ７５に記憶された２Ｎ＋１個のデータを読み込み、これらのデータをΔｔ間隔に並べて、第２Ａ−Ｄコンバータ３５の出力値の遅延時間軸上における重心Δｔ_Gを求める。各駆動信号ｗ２による超音波の反射波を受信することによって得られる第２Ａ−Ｄコンバータの出力値をＡ_mとすれば、重心Δｔ_Gは以下の式によって求められる。

Ｎ＝３の場合について図示すると、たとえば、図２５に示すグラフが得られる。

第２Ａ−Ｄコンバータ３５の出力値は、受信された反射波の周波数変化のタイミングと、受信用超音波振動子２の共振周波数の変化のタイミングが近いほど大きくなり、タイミングが離れているほど小さくなる。したがって、第２Ａ−Ｄコンバータ３５の出力値の遅延時間上の重心Δｔ_Gを求めることによって、受信された反射波の周波数変化のタイミングと、受信用超音波振動子２の共振周波数の変化のタイミングが完全に一致していなくても、遅延時間を補間することが可能となる。つまり、求めた遅延時間軸上の重心Δｔ_Gにおいて、受信信号強度を示す第２Ａ−Ｄコンバータ３５の出力値が最大となり、重心Δｔ_Gは、受信された反射波の周波数変化のタイミングと受信用超音波振動子２の共振周波数の変化のタイミングとが最も一致する遅延時間となる。

Ｎは３以上が望ましい。ΔｔはＮが小さいほど大きくとり、Ｎが大きいほど、Δｔを小さくすることができる。また、第２Ａ−Ｄコンバータ３５のサンプリング周波数はΔＴｗが例えば１００μｓである場合、１０ｋＨｚとなる。また、第２Ａ−Ｄコンバータ３５の分解能は、重心計算の精度に影響するので１０ビット以上であることが好ましい。

求めた受信強度の重心値Δｔ_GからＮ×Δｔを引いた値にＴ１を加えた時間が伝搬時間となる。求められた伝搬時間に音速をかけることによって測定対象物１７までの往復の距離が求まり、この値を２で割ることによって測定対象物１７までの距離が求められる。第１の実施形態と同様、好ましくは、温度による補正を行う。

本実施形態の超音波測距装置によれば、第１の実施形態と同様、超音波振動子の共振周波数を変化させながら周波数変調された駆動信号を印加し、あるいは、周波数変調された超音波を受信する。このため、超音波振動子を構成する圧電体素子の帯域は狭くても、広い帯域で超音波を送受信することが可能となり、周波数変調された超音波を送受信することが可能となる。したがって、測定環境における雑音や風など環境の揺らぎなどの影響を受けにくく精度の高い計測を行うことができる。特に、測定対象物からの反射波の検出方法を工夫することによって、伝搬距離や環境によって、受信信号が減衰していても、正確に計測することができる。

なお、本実施形態では、周波数変調した超音波の送信を複数回所定時間間隔で送信し、受信用超音波振動子の共振周波数を変化させるタイミングである、ＤＣ制御電圧を印加するための遅延時間をΔｔごとに変化させていた。つまり、周波数変調した超音波を送信する時間間隔を一定にし、受信用超音波振動子へＤＣ制御電圧を印加するための遅延時間を変化させていた。しかし、これらの時間間隔および遅延時間は、一方が一定であり他方が変化していれば、超音波の正確な伝播時間を求めることができる。したがって、図２６に示すように、周波数変調された駆動信号の時間間隔をΔｔごとずらし、受信用超音波振動子へＤＣ制御電圧を印加するための遅延時間は一定にしても、上述したように超音波の正確な伝播時間を求めることができる。

本実施形態の超音波測距装置においても、所定の周波数を有するキャリア信号を変調信号により変調したチャープ波を駆動部は生成していた。しかし、第１の実施形態と同様、チャープ波のようにパルス幅およびパルス間隔が変化するパルス波を用いてもよい。また、第１の実施形態で説明したように、本実施形態の超音波測距装置を複数用い、測定対象物の方位を求める方位計を実現してもよい。

本発明は、測定対象物までの距離を求める距離計として種々の分野で使用することが可能であり、超音波を用いるため、レーザで距離を求めることが困難な粉体、鏡面体、透明体などの測定対象物までの距離を求めるのに適している。また、前述した特長を備えているので、騒音の大きい環境や、風などにより大気の揺らぎがある場合など、従来の超音波測距装置に対しては適切ではない環境においても本発明の超音波測距装置を用いて正確に距離を計測することがきる。このような特徴は、ロボットの環境センシング装置として、本発明の超音波測距装置を用いるのにも適している。

また、環境の影響を受けにくいため、本発明の超音波測距装置を超音波流量計に好適に用いることができる。この場合には、送信用超音波振動子と受信用超音波振動子との間に形成される超音波の伝播経路が流体の移動方向と直交しないように、送信用超音波振動子と受信用超音波振動子とを計測すべき流体が移動している流路を挟んで対向するように配置する。送信用超音波振動子と受信用超音波振動子との間の距離および流体が静止しているときの超音波の伝播速度はあらかじめ求めておく。送信用超音波振動子から直接受信用超音波振動子へ超音波を送信し、前述した手順により伝播時間を求める。計測した伝播時間は、超音波の伝播経路と流体の移動方向とで定まる流体の移動による影響を受けているので、計測した伝播時間、伝播距離および流体が静止しているときの超音波の伝播速度から流体の移動速度および流量を求めることができる。

本発明の超音波測距装置は、雑音や騒音、周囲の媒体の揺らぎなどの影響を受けにくく、正確に対象物までの距離を計測することができ、種々の用途の距離計測装置に用いることができる。また、ロボットの環境センシング装置、流量計、方位計などにも用いることができる。

また、本発明の超音波振動子は、広い帯域で振動することが求められる種々の超音波装置に好適に用いることができ、小さな電力で駆動することができるので、携帯性に優れた超音波装置に適している。

従来の超音波測距装置の構成を示すブロック図である。 本発明の超音波測距装置に用いられる超音波振動子の平面図である。 本発明の超音波測距装置に用いられる超音波振動子の断面図である。 本発明の超音波測距装置に用いられる他の超音波振動子の平面図である。 本発明の超音波測距装置に用いられる他の超音波振動子の断面図である。 図３に示す超音波振動子の振動特性を示すグラフである。 本発明の超音波測距装置に用いられる他の超音波振動子の断面図である。 図５に示す超音波振動子の振動特性を示すグラフである。 本発明による超音波測距装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。 図７に示す超音波測距装置の駆動部の各部で生成する信号の波形の一例を示している。 図７に示す超音波測距装置の伝播時間予備計測部における受信信号の検出を説明する図である。 受信部における受信信号およびその包絡線信号の一例を示す図である。 図１０Ａの受信信号を検出したときに受信用超音波振動子に印加された制御電圧を示す図である。 受信部における受信信号およびその包絡線信号の他の例を示す図である。 図１１Ａの受信信号を検出したときに受信用超音波振動子に印加された制御電圧を示す図である。 図１０Ａおよび図１１Ａに示す包絡線信号を重ねて示す図である。 判定部の構成を示すブロック図である。 計測手順を示すフローチャートである。 図７の超音波測距装置の各部における信号のタイミングチャートの一例である。 図７の超音波測距装置の各部における信号のタイミングチャートの他の例である。 図７の超音波測距装置の各部における信号のタイミングチャートの他の例である。 図７の超音波測距装置の各部における信号のタイミングチャートの他の例である。 本発明の超音波測距装置を用いた方位計を説明する図である。 本発明による超音波測距装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。 図２０の超音波測距装置の各部における信号のタイミングチャートである。 図２０の超音波測距装置の送信アンプから出力される信号の波形を示している。 受信用超音波振動子のアクチュエータに印加されるＤＣ制御電圧波形の１つを示している。 受信用超音波振動子のアクチュエータに印加されるＤＣ制御電圧波形の他の１つを示している。 受信用超音波振動子のアクチュエータに印加されるＤＣ制御電圧波形の他の１つを示している。 図２０の超音波測距装置の受信部において検出した受信信号およびそのピークホールド信号を示している。 図２０の超音波測距装置の受信部において検出した受信信号およびその包絡線検波信号を示している。 第２Ａ−Ｄコンバータの出力値の分布を示すグラフである。 図２０の超音波測距装置の送信アンプから出力される信号の波形の他の例を示している。

符号の説明

１ 送信用超音波振動子
２ 受信用超音波振動子
３ 送信アンプ
４ 受信アンプ
５ ピエゾアンプ
６ ＤＣ制御電圧発生部
７ 周波数変調部
８ キャリア信号生成部
９、１６９ タイミング部
１０ 切替部
１１ ピークホールド部
１２ レベル検知部
１３ 包絡線検波部
１４ 判定部
１５ 距離算出部
１６ 遅延部
１７ 測定対象物
１８ アクチュエータ
４４ 変調信号発生部
１５１、１６１ 駆動部
１５２、１６２ 送信用制御電圧生成部
１５３、１６３ 受信用制御電圧生成部
１５４、１６４ 受信部
１５５ 伝播時間予備計測部
１５６ 計時部

Claims (25)

1. 共振周波数または共鳴周波数を変化させることのできる送信用超音波振動子および受信用超音波振動子と、
   前記送信用超音波振動子を駆動して超音波を送信するために、周波数変調された駆動信号を生成する駆動部と、
   前記送信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための制御電圧を生成し、前記超音波を前記送信用超音波振動子から送信する際、前記制御電圧を前記送信用超音波振動子に印加する送信用制御電圧生成部と、
   前記受信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための制御電圧を生成し、前記制御電圧を前記駆動信号の生成から調整可能な遅延時間後に前記受信用超音波振動子に印加する受信用制御電圧生成部と、
   前記受信用超音波振動子で受信した超音波による受信信号の強度を検出する受信部と、
   を備え、
   前記送信用超音波振動子から測定対象物に向けて複数回送信された超音波による反射波を、前記遅延時間を変化させてそれぞれ前記受信用超音波振動子で受信し、前記受信部において最も強度が大きい受信信号が得られた超音波を受信したときの遅延時間から前記超音波の伝播時間を求め、前記伝播時間から前記測定対象物までの距離を求める超音波測距装置。
2. 前記駆動部、前記送信用制御電圧生成部および前記受信用制御電圧生成部を所定のタイミングで動作させるためのトリガ信号を生成し、出力するタイミング部をさらに備え、
   前記受信用制御電圧生成部は、前記トリガを受け取るたびに所定の時間間隔で長さが異なっている遅延時間を生成する遅延部を含む請求項１に記載の超音波測距装置。
3. 前記タイミング部から前記トリガ信号を受け取り、前記トリガ信号を受け取ったときから前記受信用超音波振動子により受信した受信信号が所定のレベルに達したときまでの時間を計測する伝播時間予備計測部をさらに備え、
   前記受信用制御電圧生成部は、前記予備計測部の計測した時間および前記タイミング部のトリガ信号に基づき、遅延時間を生成する請求項２に記載の超音波測距装置。
4. 前記受信用制御電圧生成部および前記送信用制御電圧生成部は、前記駆動信号の周波数の変調におおよそ一致して、前記受信用超音波振動子および前記送信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数が変化するような制御電圧を生成する請求項１から３のいずれかに記載の超音波測距装置。
5. 共振周波数または共鳴周波数を変化させることのできる送信用超音波振動子および受信用超音波振動子と、
   前記送信用超音波振動子を駆動し、測定用超音波を送信するための測定用駆動信号であって、所定の時間間隔で生成され、周波数変調された複数の第１駆動信号を含む前記測定用駆動信号を生成する駆動部と、
   前記送信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための第１制御電圧を生成し、前記超音波を前記送信用超音波振動子から送信する際、前記制御電圧を前記送信用超音波振動子に印加する送信用制御電圧生成部と、
   前記受信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数を変化させるための前記第１制御電圧を生成し、前記第１制御電圧を、各第１駆動信号の生成から所定の遅延時間後に印加する受信用制御電圧生成部と、
   前記受信用超音波振動子で受信した超音波による受信信号の強度を検出する受信部と、
   を備え、
   前記時間間隔および前記遅延時間のうち、一方を一定にし、他方を変化させながら前記第１駆動信号によって前記送信用超音波振動子から測定対象物に向けて送信された超音波による複数の第１反射波をそれぞれ前記受信用超音波振動子で受信し、前記受信部において検出した複数の第１受信信号の強度に基づいて前記第１超音波の伝播時間を求め、前記伝播時間から前記測定対象物までの距離を求める超音波測距装置。
6. 前記時間間隔は一定であり、前記遅延時間が変化している請求項５に記載の超音波測距装置。
7. 前記遅延時間は一定であり、前記時間間隔が変化している請求項５に記載の超音波測距装置。
8. 前記受信部は、前記第１受信信号の強度の遅延時間上の重心を求め、前記重心から前記第１超音波の伝播時間を求める請求項６に記載の超音波測距装置。
9. 前記受信用制御電圧生成部および前記送信用制御電圧生成部は、前記第１駆動信号の周波数の変調におおよそ一致して、前記受信用超音波振動子および前記送信用超音波振動子の共振周波数または共鳴周波数が変化するよう、前記第１制御電圧を生成する請求項８に記載の超音波測距装置。
10. 前記駆動部は、前記測定用駆動信号が第１周波数から第２周波数へ切り替わる第２駆動信号を前記第１駆動信号の前に含むよう、前記第２駆動信号を生成し、
    前記受信用制御電圧生成部は、前記第１周波数で前記受信用超音波振動子を共振または共鳴させる第２制御電圧を前記第１制御電圧の前に生成し、
    前記受信用超音波振動子は、前記第２駆動信号によって前記送信用超音波振動子から測定対象物に向けて送信された第２超音波による第２反射波を受信し、
    前記受信部は、第２反射波による第２受信信号の強度変化を検出し、検出結果に基づいて、前記遅延時間を設定する請求項９に記載の前記超音波測距装置。
11. 前記駆動信号は、チャープ波である請求項１から１０のいずれかに記載の超音波測距装置。
12. 前記駆動信号は、パルス波である請求項１から１０のいずれかに記載の超音波測距装置。
13. 前記測定対象物の周囲の環境温度を計測する温度計をさらに備え、計測した環境温度に基づいて前記超音波の伝播速度を補正し、補正した伝播速度を用いて前記前記測定対象物までの距離を求める請求項１から１２のいずれかに記載の超音波測距装置。
14. 前記送信用超音波振動子および受信用超音波振動子のそれぞれは、振動板と、前記振動板に設けられた圧電振動子と、前記制御電圧または第１制御電圧により前記振動板を伸縮させるアクチュエータとを備えた請求項１から１２のいずれかに記載の超音波測距装置。
15. 前記送信用超音波振動子および受信用超音波振動子のそれぞれは、共鳴器と、共鳴器に設けられた圧電振動子と、前記制御電圧または第１制御電圧により前記共鳴器の共鳴周波数を変化させるアクチュエータとを備えた請求項１から１２のいずれかに記載の超音波測距装置。
16. 前記送信用超音波振動子および受信用超音波振動子のそれぞれは、第１音響整合層と、圧電振動子と、前記第１音響整合層および前記圧電振動子との間に設けられた第２音響整合層と、前記制御電圧または第１制御電圧により前記第２音響整合層の厚さを伸縮させるアクチュエータとを備えた請求項１から１２のいずれかに記載の超音波測距装置。
17. 前記第２音響整合層は液体である請求項１６に記載の超音波測距装置。
18. 請求項１から１７のいずれかに規定される超音波測距装置を複数備え、前記複数の超音波測距装置により計測した測定対象物までの距離から前記測定対象物の方位を求める方位計。
19. 請求項１から１７のいずれかに規定される超音波測距装置を備え、前記超音波測距装置の送信用超音波振動子および受信用超音波振動子を流体の流路を挟んで対向するように配置し、前記超音波の伝播時間から流体の流速および流量を求める流量計。
20. 周波数変調された駆動信号を用い、前記駆動信号の周波数の変調におおよそ一致して、共振周波数または共鳴周波数を変化させながら送信用超音波振動子を駆動することにより、測定対象物に向けて超音波を送信するステップと、
    前記駆動信号の生成から調整可能な遅延時間後に共振周波数または共鳴周波数を変化させながら前記測定対象物から得られる前記超音波による反射波を受信用超音波振動子で受信するステップと、
    を包含し、
    前記送信ステップおよび前記受信ステップを前記遅延時間を変化させて複数回行い、前記受信用超音波振動子において最も信号強度が大きい超音波を受信したときの前記遅延時間から前記超音波の伝播時間を求め、前記伝播時間から前記測定対象物までの距離を求める超音波による距離計測方法。
21. 所定の時間間隔で生成され、周波数変調された複数の第１駆動信号を用い、前記駆動信号の周波数の変調におおよそ一致して、共振周波数または共鳴周波数を変化させながら送信用超音波振動子を駆動することにより、測定対象物に向けて複数の第１超音波を送信するステップと、
    前記複数の第１駆動信号の生成からそれぞれ所定遅延時間後に共振周波数または共鳴周波数を変化させながら前記測定対象物から得られる前記第１超音波による第１反射波をそれぞれ受信するステップと、
    前記、それぞれの第１反射波を受信することにより得られる複数の第１受信信号の強度に基づいて前記第１超音波の伝播時間を求め、前記伝播時間から前記測定対象物までの距離を計算するステップと、
    を包含し、前記送信ステップにおける前記時間間隔および前記受信ステップにおける前記遅延時間のうち、一方は一定であり、他方は変化している超音波による距離計測方法。
22. 前記送信ステップにおける前記時間間隔は変化しており、前記受信ステップにおける前記遅延時間は一定である請求項２１に記載の超音波による距離計測方法。
23. 前記送信ステップにおける前記時間間隔は一定であり、前記受信ステップにおける前記遅延時間は変化している請求項２１に記載の超音波による距離計測方法
24. 前記計算ステップは、前記第１反射波の受信強度をそれぞれ検出し、前記検出した強度に基づいて前記受信強度の前記遅延時間上の重心を求め、前記重心から前記第１超音波の伝播時間を求める請求項２３に記載の距離計測方法。
25. 前記送信ステップの前に、
    第１周波数から第２周波数へ切り替わる第２駆動信号を生成し、前記第２駆動信号の周波数変化におおよそ一致して、共振周波数または共鳴周波数を変化させながら送信用超音波振動子を駆動することにより、測定対象物に向けて第２超音波を送信するステップと、
    前記第１周波数で前記受信用超音波振動子を共振または共鳴するように駆動しながら前記第２超音波による第２反射波を受信するステップと、
    をさらに包含し、第２反射波による第２受信信号の強度の強度変化を検出し、検出結果に基づいて、前記遅延時間を設定する請求項２４に記載の距離計測方法。

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