TW201942591A - 超音波測距裝置及超音波測距方法 - Google Patents

Abstract

本發明可以較高之精度測定距離。
基於週期一定、循環數為10～15個循環左右之第1循環數之矩形波之後頻率成為0之傳送訊號傳送超音波，並接收由對象物反射之超音波。並且，基於由感測器接收之超音波之接收波形、與既定條件下之相當於上述接收波形之基本波形自上升起選取少於第1循環數之第2循環數之量而成之第1波形、或第1波形之振幅進行既定倍調整而成之第2波形之模板之關聯，測定感測器與對象物之距離。

Description

超音波測距裝置及超音波測距方法

本發明係關於一種超音波測距裝置及超音波測距方法。

專利文獻1中揭示有一種超音波距離計，其係自超音波感測器向對象物傳送超音波，並再次由超音波感測器接收由對象物反射之超音波，根據所接收之訊號計測延遲時間或相位，對延遲時間或相位之計測值實施移動平均處理或加權移動平均處理，並基於其結果求出超音波感測器與對象物之距離。
[現有技術文獻]
[專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2005-291857號公報

[發明所欲解決之問題]

如專利文獻1所記載之發明般，於基於對接收訊號實施移動平均處理或加權移動平均處理而得之結果求距離之情形時，通常認為可以±0.1 mm左右之精度測定距離。然而，例如於拍攝半導體基板之表面進行檢查之情形時，±0.1 mm左右之精度並不足夠，要求以更高之精度測定距離。

本發明係鑒於此種情況而完成，其目的在於提供一種可以較高之精度測定距離之超音波測距裝置及超音波測距方法。
[解決問題之手段]

為了解決上述課題，本發明之超音波測距裝置之特徵在於例如具備：感測器，其向對象物傳送超音波，且接收由上述對象物反射之超音波；及訊號處理部，其基於由上述感測器接收之超音波之接收波形與模板之關聯，測定上述感測器與上述對象物之距離，上述感測器使用週期一定、循環數為10～15個循環左右之第1循環數之矩形波之後頻率成為0之傳送訊號傳送超音波，上述訊號處理部具有模板保持部，所述模板保持部將既定條件下之相當於上述接收波形之基本波形自上升起選取少於上述第1循環數之第2循環數之量而成之第1波形、或將上述第1波形之振幅進行既定倍調整而成之第2波形作為上述模板而保持。

根據本發明之超音波測距裝置，基於週期一定、循環數為10～15個循環左右之第1循環數之矩形波之後頻率成為0之傳送訊號傳送超音波，並接收由對象物反射之超音波。並且基於由感測器接收之超音波之接收波形、與將基本波形（既定條件下之接收波形）自上升起選取第2循環數（第2循環數＜第1循環數）之量而成之第1波形、或將第1波形之振幅進行既定倍調整而成之第2波形之模板之關聯，測定感測器與對象物之距離。如此，藉由預先將既定條件下之接收波形之一部分作為模板而保持，將由測定對象物反射而得之實際之接收波形與模板加以比較，可以較高之精度測定距離。又，藉由循環數為10～15個循環左右之第1循環數之矩形波之後設頻率為0，可一面停止感測器之共振，由同一感測器進行超音波之傳送及接收，一面測定至相隔較短距離（例如，40 mm）之對象物之距離。

此處，亦可為上述訊號處理部對上述接收波形與上述模板求差量，將該差量之絕對值相加求出關聯值，設為上述關聯值最小時上述接收波形與上述模板一致，求出上述接收波形之上升之時刻，基於該時刻測定上述感測器與上述對象物之距離。藉此，可準確地獲知接收波形之上升之時間點，而可以較高之精度測定距離。

此處，上述訊號處理部亦可具有調整上述模板之振幅之模板調整部。藉此，即便接收波形之振幅根據至對象物O之距離等條件而變化，亦可正確地獲得接收波形與模板之關聯。

此處，上述模板調整部亦可以上述模板之峰值與上述接收波形之峰值一致之方式調整上述模板之振幅。藉此，即便接收波形之峰值、即振幅變化，亦可正確地獲得接收波形與模板之關聯。

此處，上述感測器亦可以上述第1波形之頻率之大致20倍之頻率進行取樣。藉此，可以較高之精度（例如若由感測器傳送接收之超音波之頻率為300 kHz，取樣頻率為6 MHz，則為超音波波長之1/20之一半（單程量）的30 μm之解析度）測定距離。

此處，亦可具備與上述感測器相隔既定之距離設置之波長測定用對象物，上述訊號處理部基於自上述感測器傳送超音波起至該傳送之超音波被上述波長測定用對象物反射並由上述感測器接收為止之時間、與上述既定之距離求出自上述感測器傳送之超音波之波長，並基於求出之該波長求出上述感測器與上述對象物之距離。雖然若溫度變化則超音波之波長會微小地變化，但藉由求出由感測器傳送之超音波之波長，並基於所求出之波長求出距離，可與溫度變化無關地以較高之精度測定距離。

此處，上述訊號處理部亦可設為於上述接收波形中，於上述接收波形與上述模板之關聯最高之時點附近之上述接收波形與中心線一致之點，上述接收波形與上述模板一致而測定上述感測器與上述對象物之距離。藉此，可以更高之精度測定距離。

此處，亦可進而具備反射板，上述感測器朝向上述對象物傾斜地傳送超音波，上述反射板以自上述感測器至上述反射板之間之超音波之路徑和自上述反射板至上述感測器之間之超音波之路徑一致之方式，將自上述感測器傳送且由上述對象物反射之超音波進行反射，上述訊號處理部基於上述感測器與上述反射板之距離和自上述感測器向上述對象物傳送之超音波之入射角求出上述感測器與上述對象物之距離。藉此，可進一步提高感測器與對象物之距離之測定精度。

此處，亦可進而具備殼體，上述感測器具有框體，於上述框體設置金屬製之砝碼，於上述框體與上述殼體之間設置彈性構件，上述彈性構件夾持上述框體。藉此，可使感測器之振動容易平復，而於傳送後立即進行接收。

為了解決上述課題，本發明之超音波測距方法係例如使用週期一定、循環數為10～15個循環左右之第1循環數之矩形波之後頻率成為0之傳送訊號，自感測器傳送超音波，藉由上述感測器接收由對象物反射之超音波，基於由上述感測器接收之超音波之接收波形與預先保持之模板之關聯求出距離，其特徵在於：於既定條件下使用上述傳送訊號自上述感測器傳送超音波，藉由上述感測器接收由上述對象物反射之超音波，將自於上述感測器接收之超音波之接收波形中之反射波形之上升起選取少於上述第1循環數之第2循環數之量而成之第1波形、或將上述第1波形之振幅進行既定倍調整而成之第2波形作為上述模板。藉此，可以較高之精度測定距離。又，可藉由同一感測器進行超音波之傳送及接收，並且測定至相隔較短距離（例如，40 mm）之對象物之距離。
[發明之效果]

根據本發明，可以較高之精度測定距離。

以下，參照圖式對本發明之實施形態進行詳細說明。本發明係使用超音波測定與對象物之距離。所謂超音波係具有人耳無法聽到之較高之頻率、通常為超過20 kHz之頻率之可聽範圍以上的彈性振動波（音波），但20 kHz以下之人類可聽到之音波中目的並非使人耳聽到之聲音亦包含於超音波中。

＜第1實施形態＞
圖1係表示第1實施形態之超音波測距裝置1之概略構成的方塊圖。超音波測距裝置1主要具有超音波感測器10、超音波感測器驅動部15、訊號處理部20、及輸出部30。

超音波感測器10係電性連接於電源，藉由向其提供電氣訊號而振動，產生超音波。超音波感測器10包含感測器（傳感器）103（參照圖2），基於傳送訊號（下文詳細說明）向對象物O傳送超音波，且接收由對象物O反射之超音波。於本實施形態中，使用具有300 kHz之頻率之超音波。該頻率之超音波具有指向性較高之特徵。但超音波測距裝置1所使用之超音波之頻率並不限於此。

自超音波感測器10發送之超音波被對象物O所反射而到達超音波感測器10（參照圖1二點鍊線）。即，超音波於超音波感測器10與對象物O之間往復（雙程）。超音波感測器10將由感測器103接收之超音波轉換為電氣訊號。

超音波感測器驅動部15主要具有高頻驅動電路16、及高頻產生邏輯部17。高頻驅動電路16包含D/A轉換器101a（參照圖2）。高頻產生邏輯部17以藉由頻率為300 kHz之矩形波使D/A轉換器振動10～15個循環左右後施加DC（頻率為0）之訊號之方式驅動高頻驅動電路16。又，超音波感測器驅動部15具有開關18，進行將超音波感測器10連接於超音波感測器驅動部15（驅動）、或將其連接於訊號處理部20（接收）之切換。

圖2係表示超音波感測器10及超音波感測器驅動部15之電路構成之一例的圖。超音波感測器10係具有多個感測器103（103a～103h）之多通道感測器。超音波感測器驅動部15主要具有高頻驅動電路101、半導體繼電器102、105、及接收電路104。此處，半導體繼電器102、105使用光MOS繼電器。

高頻驅動電路101包含D/A轉換器101a、變壓器101b、及放大器101c，其產生傳送訊號。高頻驅動電路101藉由頻率為300 kHz之矩形波使D/A轉換器101a振動10～15個循環左右後施加DC（頻率為0）之訊號而停止振動。即，傳送訊號係週期一定、循環數為10～15個循環左右之第1循環數（例如於本實施形態中將第1循環數設為15個循環）之矩形波之後頻率成為0之訊號。

若將放大器101c之disable端子設為enable側，則來自D/A轉換器101a之傳送訊號經由變壓器101b而被輸入至半導體繼電器102。半導體繼電器102以依序驅動多個感測器103進行接收之方式進行切換。於圖2中，感測器103係8個通道，具有8個感測器103a～103h，但感測器103之數量（通道數）並不限於此。

半導體繼電器102每隔大致1 msec依序驅動感測器103進行接收。例如，若將20個通道之感測器每隔大致1 msec依序驅動進行接收，則每隔大致20 msec藉由感測器之各通道進行距離計測。

若驅動感測器103，則基於傳送訊號之超音波自感測器103傳送。於本實施形態中，傳送訊號包含15個循環之矩形波，因此自感測器103輸出15個循環之具有300 kHz之頻率之超音波。雖然傳送訊號為矩形波，但自感測器103輸出之超音波不會一瞬間變大，不會成為矩形波。實際上自感測器103輸出之超音波之波形係如正弦波之形狀，最初為接近0之較小之振幅，隨著時間經過振幅逐漸變大。

藉由將具有300 kHz之頻率之矩形波輸出15個循環（15時脈量）後，將頻率為0之訊號輸出一定時間（例如10時脈量），而使振動之感測器103之搖動停止。因此，可自感測器103傳送超音波後立即由感測器103接收超音波。

輸入頻率為0之訊號後，將放大器101c設為disable，並且於半導體繼電器105之光電元件中流動電流而接通（ON）半導體繼電器105，將感測器103自發送側切換為接收側（相當於開關18（參照圖1）之切換）。

若藉由半導體繼電器105將感測器103切換為接收側，則由感測器103接收之超音波被輸出至接收電路104，而於接收電路104產生電氣訊號。

接收電路104具有僅使既定範圍之頻率（此處包括300 kHz）通過之帶通濾波器104a。通過帶通濾波器104a之訊號通過A/D轉換器104b，作為接收訊號被輸出至訊號處理部20（參照圖1）。

感測器103之驅動過程中斷開（OFF）半導體繼電器105以避免較大之傳送訊號進入接收電路104。又，於帶通濾波器104a之前後設置有限制器104c。其係為了避免於接通（ON）半導體繼電器105時感測器103以300 kHz共振而由此產生之較大之訊號進入放大器或A/D轉換器104b。限制器104c使用順向電壓小至0.3 V左右之肖特基二極體。

返回至圖1之說明。對訊號處理部20輸入自超音波感測器10輸出之接收訊號。訊號處理部20主要具有模板保持部21、模板調整部22、關聯算出部23、距離算出部24、及溫度修正部25。

模板保持部21保持模板。模板調整部22對模板保持部21所保持之模板之振幅進行調整。關聯算出部23求出接收訊號與模板保持部21所保持之模板或由模板調整部22調整振幅之模板之關聯。

圖3係示意性地表示超音波測距裝置1中之接收訊號之處理之圖。由感測器103接收之超音波被接收電路104轉換為接收訊號而被輸入至關聯算出部23。接收電路104輸出6 MHz之時脈訊號而連續地產生接收訊號。6 MHz係由感測器103接收之超音波之頻率300 kHz之20倍。即，於接收電路104中，於所接收之超音波之1個週期之間獲得20次接收訊號（20倍過取樣）。於接收電路104中，將連續獲得之多個接收訊號連接而產生接收波形。

由接收電路104產生之接收波形被輸入至關聯算出部23之移位暫存器231中。藉此，關聯算出部23獲得由一定期間之超音波接收形成之接收波形。再者，於圖3中，移位暫存器231具有80個D正反器231-1、231-2、231-3……231-80。80個意指20倍過取樣（下文詳細說明）×4個循環量，與由模板保持部21（下文詳細說明）所記錄之模板T之數量一致。又，於A/D轉換器104b以16 bit之解析度將類比訊號數位化之情形時，D正反器231-1～231-80分別包括16個D正反器。

1個D正反器231-1～231-80保持有1時脈量之超音波接收結果（接收位準）。此處所謂接收位準係將1時脈量之接收訊號進行A/D轉換而得之值。若自接收電路104之A/D轉換器104b向移位暫存器231輸入下一接收位準，則由移位暫存器231保持之接收位準被順進給至右側（例如，由D正反器231-1保持之接收位準被進給至D正反器231-2），自接收電路104輸入之新接收位準由移位暫存器231保持。如此，移位暫存器231保持與模板T相同長度之接收位準。

於模板保持部21保持有模板T。模板T由80時脈量之模板位準資訊構成。所謂模板位準資訊係將標準之接收波形（基本波形）之上升部之80時脈量進行A/D轉換時之各時脈之值。模板位準資訊自模板保持部21由關聯算出部23讀取出，並被保持於移位暫存器232。移位暫存器232與移位暫存器231同樣地具有80個D正反器232-1～232-80，由移位暫存器232保持80時脈量之模板位準資訊。再者，於D正反器231-1～231-80分別包括16個D正反器之情形時，D正反器232-1～232-80亦分別包括16個D正反器。

此處，對模板T進行說明。模板係將既定條件下之相當於上述接收波形之基本波形自上升起選取數個循環（但為所傳送之超音波之循環數以下）量而成。基本波形並非含有剛傳送後之感測器混響之波形（例如，至對象物O之距離為40 mm左右之情形時之波形）、值較小且S/N比較低之波形（例如，至對象物O之距離為120 mm左右之情形時之波形），而是如圖4所示之整齊之波形。

圖4係基本波形之一例。此處係將既定條件設為至對象物O之距離為75 mm而獲得基本波形。圖4之橫軸為時脈數（即時間）。基本波形被分為峰值較高之區域A與其後之峰值較低之區域B。區域A主要為接收由15個循環之矩形波傳送之超音波之期間。區域A之共振頻率為300 kHz（與所傳送之超音波之頻率相同），區域A中之基本波形之週期與傳送訊號之矩形波之週期大致相同。又，於區域A中，自上升起9個循環左右振幅達到波峰。與此相對，區域B之共振頻率取決於感測器103，與300 kHz略有不同。即，區域B中之基本波形之週期與傳送訊號之矩形波之週期略有不同。

接收波形根據至對象物O之距離、感測器103之偏差、來自感測器103之電纜長度等條件而變化。然而，接收波形相對於基本波形，僅振幅（高度方向之寬度）整體地變化，波形之特徵不因至對象物O之距離變化等引起之條件變化而變化。例如，若至對象物O之距離遠於75 mm，則接收波形向較圖4所示之基本波形之位置更後側偏離，且與圖4所示之基本波形相比，振幅整體變小。但具有區域A、B、區域A具有300 kHz之共振頻率但區域B不具有300 kHz之共振頻率（根據條件而產生偏差）、及區域A自上升起9個循環左右振幅達到波峰不變化。

因此，於本發明中，藉由預先將基本波形之上升部分（區域A之一部分）作為模板而保持，並將實際之接收波形與模板加以比較，而準確地求出實際之接收波形之上升部分、即至對象物O之距離。

圖5、6表示選取圖4所示之接收波形之上升部分而成之模板T之例。圖5係循環數為9之模板Ta之一例，圖6係循環數為4之情形時之模板Tb之一例。9個循環係接收波形結束上升達到峰值為止之循環數，4個循環係接收波形結束上升達到峰值為止之循環數之約一半之循環數。但預先獲得之自接收波形之上升起作為模板而選取之循環數只要為少於傳送訊號所含之循環數（此處為15個循環）之數即可，並不限定於4個循環或9個循環。

再者，模板保持部21所保持之模板T為1個，可為模板Ta，亦可為模板Tb，但並不保持模板Ta、Tb之兩者。

返回至圖3之說明。模板調整部22係將模板T之振幅進行既定倍調整，主要具有波峰保持電路22a、及供使用者用於模板T之倍率調整之模板調整輸入部22b。

波峰保持電路22a保持由最後之D正反器231-80所保持之接收波形之峰值。模板調整輸入部22b可以“0”至“9”之10級變更倍率，以將模板調整輸入部22b設定為“5”（“5”為例示）時倍率成為1倍之方式構成。

模板調整部22於未自模板調整輸入部22b輸入倍率變更（此處係將模板調整輸入部22b設定為“5”）之情形時，將波峰保持電路22a所保持之峰值輸出至關聯算出部23。即，模板調整部22以獲得模板T時之峰值與接收訊號之峰值一致之方式調整模板T之振幅（模板位準資訊之值）。

又，模板調整部22於自模板調整輸入部22b輸入倍率變更之情形時，將波峰保持電路22a所保持之峰值乘以由模板調整輸入部22b輸入之倍率而輸出至關聯算出部23。

於關聯算出部23求出接收波形與模板T（或模板T1）之關聯。此處分別求出由移位暫存器231之各D正反器231-1～231-80所保持之接收位準與將由移位暫存器232之各D正反器232-1～232-80所保持之模板位準資訊乘以自模板調整部22輸入之倍率而得之模板T1之位準資訊之關聯。模板T1係將模板T之振幅進行既定倍調整而成者，於既定倍數為1之情形時，模板T與模板T1一致。

於本實施形態中，對接收波形與模板T1求差量，求出作為將該差量之絕對值相加而得之結果之關聯值，設為於關聯值最小之時點接收波形與模板T1一致。但亦可不將接收波形與模板T1之差量之絕對值相加，而是使用將接收波形與模板T1之差量平方而得之值求出關聯值。

圖7係表示作為對至對象物O之距離為125 mm時之接收波形與基於循環數為9之模板Ta之模板T1a求差量，並將差量之絕對值相加而得之結果的關聯值之一例之圖。圖7之橫軸為時間，縱軸為關聯值。可知於關聯值最小之位置（參照圖7圓形）接收波形與模板T1a一致或最接近一致。

圖8係將圖7所示之結果之圖7圓形附近之橫軸放大之圖。圖8之點表示藉由接收電路104進行20倍過取樣之時間點。關聯值較小之點（參照圖8圓形）排列有3個，其中於中央之點α處關聯值最小。由此可知，於點α之時間點接收波形與模板T1a一致。

圖9係表示作為對至對象物O之距離為125 mm時之接收波形與循環數為4之模板Tb之模板T1b求差量，並將差量之絕對值相加而得之結果的關聯值之一例之圖。圖9之橫軸為時間，縱軸為關聯值。可知於關聯值最小之位置（參照圖9圓形）接收波形與模板T1b一致或最接近一致。

圖10係將圖9所示之結果之圖9圓形附近之橫軸放大之圖。圖10之點表示藉由接收電路104進行20倍過取樣之時間點。可知於點β之時間點關聯值最小，接收波形與模板T1b一致。

由此，關聯算出部23算出接收訊號與模板T1何時最一致。於圖8所示之例中，表示於點α之時間點接收波形之第9個循環結束，於圖10所示之例中，表示於點β之時間點接收波形之第4個循環結束。

返回至圖1之說明。距離算出部24基於由關聯算出部23算出之結果，算出超音波感測器10與對象物O之距離。圖11係表示接收波形與基於模板Tb之模板T1b之關係的圖，將接收波形之上升部分放大表示。

於點β之時間點接收波形與模板T1b之最後（第4個循環）一致。以模板T1b之最後位於點β之方式將接收波形與模板T1b重疊，將模板T1b之輪廓線（參照圖11虛線）交叉之點γ作為接收波形之上升，藉此準確地理解接收波形之上升之時間點。距離算出部24於以上述方式求出之接收波形之上升（點γ）時開始超音波之接收，如數式（1）所示，以上升之時間除以過取樣數（此處為20），對所傳送之超音波（此處為300 kHz）之波長之一半（由於為雙程）即0.57 mm（＝1.13 mm/2）進行累計，藉此算出超音波感測器10與對象物O之距離。

[數式1]
往復距離＝點γ之時間點/20×0.57 mm…（1）

但由於超音波感測器10與對象物O之距離等測定條件之偏差，存在接收波形與模板T1未順利一致之情形。作為接收波形與模板T1未順利一致之理由，例如有：感測器103之共振頻率自300 kHz大幅偏離；距感測器103之電纜長度較長而串聯電阻較大；至對象物O之距離接近40 mm而激勵時之振動與反射波發生干擾。於此種情形時，經由圖3所示之模板調整輸入部22b進行倍率之輸入，而進行模板T1之調整。

圖12係表示改變自模板調整輸入部22b輸入之倍率時之接收波形與模板T1之關聯值的一例之圖，（A）係自模板調整輸入部22b輸入之倍率小於1之情形（此處模板調整輸入部22b之設定為“1”）時之關聯值之一例，（B）係自模板調整輸入部22b輸入之倍率為1之情形（此處模板調整輸入部22b之設定為“5”）時之關聯值之一例，（C）係自模板調整輸入部22b輸入之倍率大於1之情形（此處模板調整輸入部22b之設定為“9”）時之關聯值之一例。

於圖12（A）、（C）所示之情形時，於關聯值之波形中值較低之點排列存在2個，關聯值之波形成為所謂之「雙底」。與此相對，於圖12（B）所示之情形時，於關聯值之波形中值較低之點僅存在1個，關聯值之波形成為所謂之「單底」。

如上所述，藉由改變對模板T之振幅施加之倍率，關聯值之波形發生變化。因此，於關聯值之波形成為所謂之「雙底」之情形時，改變經由模板調整輸入部22b輸入之倍率，而使關聯值之波形成為所謂之「單底」。藉此，可求出關聯值最小時，即接收波形與模板T1充分一致或最接近一致之時間點。

返回至圖1之說明。溫度修正部25對由溫度變化引起之超音波之波長變化進行修正。若溫度變化，則超音波之波長微小地變化。為了以較高之精度求出距離，於溫度修正部25中求出實際由超音波感測器10傳送接收之超音波之波長，於距離算出部24中使用由溫度修正部25求出之波長求出距離。

例如，溫度修正部25亦可具有測定溫度之溫度計，基於表示溫度與波長之關係之資訊，而求出由溫度計測得之溫度下之超音波之波長。

又，例如，溫度修正部25亦可算出實際由超音波感測器10傳送之超音波之波長。於該情形時，使用多個感測器103（參照圖2）中之1個傳送超音波，使用相同之感測器103接收由與感測器103以既定之距離（設為距離D）相隔設置之波長測定用對象物反射之超音波。關聯算出部23及距離算出部24對自感測器103傳送超音波、且由波長測定用對象部反射並由感測器103接收為止之時間t進行測定，溫度修正部25可基於時間t與距離D求出自超音波感測器10傳送之超音波之波長。關聯算出部23及距離算出部24基於由溫度修正部25算出之波長求出至對象物O之距離，藉此可更準確地測定距離。

輸出部30將由距離算出部24求出之距離輸出至顯示裝置等外部裝置。顯示裝置係已公知之通常之顯示裝置，顯示所輸出之距離。

再者，圖1所示之超音波測距裝置1之構成係於對本實施形態之特徵進行說明時對主要構成進行說明，並不排除例如通常之資訊處理裝置所具備之構成。又，圖1所示之功能構成係為了使超音波測距裝置1之構成容易理解而分類，構成要素之分類方法或名稱並不限定於圖1所記載之形態。超音波測距裝置1之構成可根據處理內容進一步分成多個構成要素，亦可為1個構成要素實行多個構成要素之處理。

圖13係表示包含本發明之超音波測距裝置1之自動對焦裝置5之一例的圖。自動對焦裝置5係超音波測距裝置之一形態。

自動對焦裝置5主要具備超音波測距裝置1（超音波感測器10、訊號處理部20（圖13中省略圖示）及輸出部30（圖13中省略圖示））、反射板51、及拍攝裝置52。超音波感測器10朝向對象物O傾斜地傳送超音波，並接收由反射板51反射、且由對象物O反射之超音波。

反射板51係設置於自超音波感測器10起與反射板51之間之超音波之路徑和自反射板51起與超音波感測器10之間之超音波之路徑一致（參照圖13之箭頭）之位置。

訊號處理部20基於超音波感測器10與反射板51之距離和自超音波感測器10向對象物O傳送之超音波之入射角θ，求出超音波感測器10與對象物O之距離h。

輸出部30將所測得之距離h輸出至拍攝裝置52。拍攝裝置52基於距離h進行聚焦處理。聚焦處理為公知，因此省略說明。

於自動對焦裝置5中，朝向對象物O傾斜地傳送超音波，超音波於超音波感測器10與反射板51之間往復（雙程），因此超音波感測器10與反射板51之距離L發生變化時之距離h之變化成為L/2×cosθ，距離h之變化大幅地小於距離L之變化。例如若設θ為45度，則距離L變化ΔL時距離h之變化Δh為Δh＝ΔL/2×1/√2，ΔL成為Δh之大致2.8倍（ΔL＝2×√2×Δh）。因此，距離h之測定精度變得高於距離L之測定精度。

圖14係示意性地表示距離h之變化與距離L之變化之關係之圖，（A）表示θ為45度之情形，（B）表示θ為0度之情形。表面O1、O2、O3係對象物O之表面，表面O1之位置表示超音波感測器10與對象物O之距離為距離h之情形，表面O2之位置表示超音波感測器10與對象物O之距離為距離h＋Δh之情形，表面O3之位置表示超音波感測器10與對象物O之距離為距離h＋Δ2h之情形。於圖14中以二點鍊線表示超音波之路徑。

於圖14（A）中，至表面O1、O2、O3之距離自根據超音波感測器10與反射板53之距離算出。若距離h變化Δh，則超音波感測器10至反射板53之距離變化2×√2×Δh。與此相對，於圖14（B）中，由於直接測定至表面O1、O2、O3之距離，故而若距超音波感測器10之距離h變化Δh，則超音波之路徑變化2（往復量）×Δh。因此，圖14（A）所示之情形與圖14（B）所示之情形相比可更精細√2倍地求出距離。

根據本實施形態，預先以既定條件下之實際之接收波形之一部分作為模板T而保持，基於根據由對象物O反射之超音波獲得之接收波形與模板T（模板T1）之關聯求出距離，因此可以較高之精度測定距離。

又，根據本實施形態，由於具有調整模板T之振幅之模板調整部22，故而即便接收波形之振幅因至對象物O之距離等測定條件之變化而變化，亦可正確地獲得接收波形與模板T之關聯。因此，可與測定條件之變化無關地精度良好地測定至對象物O之距離。

又，根據本實施形態，由於將自超音波感測器10傳送接收之超音波之頻率設為300 kHz，將接收訊號之取樣頻率設為6 MHz（對300 kHz之超音波之1週期取樣20次），故而可如藉由下述之數式（2）求出般，以30 μm之較高之精度測定距離。此處，0.6 mm係300 kHz之超音波之波長λ＝1.13 mm之一半（由於為雙程）即0.57 mm之近似值。

[數式2]
0.6 mm/20＝0.03 mm（＝30 μm）…（2）

又，根據本實施形態，由於藉由超音波感測器10進行超音波之傳送及接收，進行超音波於超音波感測器10與對象物O之間往復之雙程計測（往復計測），故而可消除超音波之路徑中之風速之影響，而可精度良好地測定至對象物O之距離。

藉由使D/A轉換器以頻率為300 kHz之矩形波振動10～15個循環左右後施加DC（頻率為0）之訊號，可對感測器103施加制動而使感測器103之搖動停止。藉此，可於自感測器103傳送超音波後立即藉由感測器103接收超音波。因此，可藉由同一感測器103進行超音波之傳送及接收，並且進行較短之距離（例如，40 mm）之計測。

再者，於本實施形態中，以所接收之超音波頻率300 kHz之20倍獲得接收訊號，但只要以所接收之超音波之約10倍以上之頻率獲得接收訊號（過取樣）即可。但過取樣數較理想為整數倍。

又，於本實施形態中，訊號處理部20具備模板調整部22，但模板調整部22並非必需。例如於將超音波測距裝置1應用於自動對焦裝置5時，超音波感測器10與對象物O之距離之變化量微小，接收波形之峰值幾乎未變化。因此，於此種情形時不需要模板調整部22，模板保持部21只要使用聚焦時之接收波形製作模板T並將其保持即可。

又，於本實施形態中，藉由在10～15個循環左右之矩形波後施加DC（頻率為0）之訊號而使感測器103之搖動停止，但藉由對內部具有感測器103之超音波感測器10之安裝下功夫，亦可進一步抑制超音波感測器10之振動。圖15係示意性地表示超音波感測器10之安裝構造之一例的圖。

超音波感測器10具有框體10a。於殼體113與框體10a之間設置彈性構件111（例如，O環），藉由彈性構件111彈性變形而於殼體113之內部設置超音波感測器10。換言之，藉由彈性構件111夾持超音波感測器10。彈性構件111抵接於與設置有感測器103之振動面之面10b鄰接之側面10c。

於感測器103傳送超音波時，使空氣振動時之反作用導致感測器103前後震動，超音波感測器10之振動不易平復。於框體10a設置金屬製之砝碼以使超音波感測器10之振動容易平復。此處，作為砝碼，使用作為由鉛形成之片狀構件之鉛片112，將塗佈有接著劑之鉛片112回捲至側面10c。作為接著劑，使用具有彈性之接著劑（例如丙烯酸變性矽樹脂等變性矽樹脂系之接著劑）。藉此，可將振動能量效率良好地轉換為熱，傳送接收之切換加快。因此，可於自感測器103傳送超音波後立即藉由感測器103接收超音波，即可實現較短距離（例如，40 mm）之計測。

＜第2實施形態＞
本發明之第1實施形態係設為關聯值最小時接收波形與模板T1一致或最接近一致而求出至對象物O之距離，但求出至對象物O之距離之方法並不限於此。

本發明之第2實施形態係設為於接收波形與中心線一致之點、所謂之交叉點接收波形與模板T1一致或最接近一致而求出至對象物O之距離之形態。以下，對第2實施形態之超音波測距裝置2進行說明。再者，對與第1實施形態之超音波測距裝置1相同之部分標註相同之符號並省略說明。

圖16係表示第2實施形態之超音波測距裝置2之概略構成的方塊圖。超音波測距裝置1主要具有超音波感測器10、訊號處理部20A、及輸出部30。

訊號處理部20A主要具有模板保持部21、模板調整部22、關聯算出部23、距離算出部24A、及溫度修正部25。

距離算出部24A基於由關聯算出部23算出之結果求出交叉點，並基於交叉點算出超音波感測器10與對象物O之距離。圖17係將接收波形之上升部分沿橫向放大表示之圖。

圖17中之點β係圖9、10中關聯值最小之點。點β1係點β後之時間點中之測定點。交叉點β'位於點β與點β1之間，為點β（關聯值最小之時點）附近之交叉點。於第2實施形態中，設為於接收波形與中心線一致之交叉點β'處接收波形與模板T1之最後一致。

圖18係將圖17所示之接收波形之交叉點β'之附近放大之圖。若將點β與交叉點β'之高度方向之距離設為a，將點β'與點β1之高度方向之距離設為b，將點β與交叉點β'之橫向之距離設為a1，將點β'與點β1之橫向之距離設為b1，則a：b＝a1：b1，距離a1係使用以下之數式（3）算出。此處，30 μm係300 kHz之超音波波長之一半（由於為雙程）之1/20（過取樣數），相當於6 MHz之超音波之波長之一半。

[數式3]
1/6 MHz＝30 μm×a/（a＋b）…（3）

距離算出部24係設為於交叉點β'之時間點接收波形與模板T1之最後一致，於模板T1之輪廓線交叉之位置接收波形上升。並且，距離算出部24於以上述方式求出之接收波形上升之位置開始超音波之接收，如數式（4）所示般算出超音波感測器10與對象物O之距離。

[數式4]
往復距離＝（點β之時間點/20＋距離a1）×1.13 mm…（4）

根據本實施形態，由於基於交叉點求出距離，故而可以更高之精度測定距離。

以上，已參照圖式對該發明之實施形態進行了詳細說明，但具體之構成並不限於該實施形態，亦包括不脫離該發明之主旨之範圍之設計變更等。

於本發明中，所謂「大致」係不僅包括嚴格地相同之情形而且包括未喪失同一性之程度之誤差或變形的概念。例如，所謂大致一致並不限於嚴格地一致之情形。又，例如於僅表述為豎直、一致等之情形時，係不僅包括嚴格地豎直、一致等之情形，而包括大致豎直、大致一致等之情形。又，於本發明中，所謂「附近」，例如於為A之附近時，係表示A之近處且可包括A亦可不包括A之概念。

1、2‧‧‧超音波測距裝置

5‧‧‧自動對焦裝置

10‧‧‧超音波感測器

10a‧‧‧框體

10b‧‧‧面

10c‧‧‧側面

20、20A‧‧‧訊號處理部

21‧‧‧模板保持部

22‧‧‧模板調整部

22a‧‧‧波峰保持電路

22b‧‧‧模板調整輸入部

23‧‧‧關聯算出部

24、24A‧‧‧距離算出部

25‧‧‧溫度修正部

30‧‧‧輸出部

51‧‧‧反射板

52‧‧‧拍攝裝置

101‧‧‧高頻驅動電路

101a‧‧‧D/A轉換器

101b‧‧‧變壓器

101c‧‧‧放大器

102、105‧‧‧半導體繼電器

103‧‧‧感測器

104‧‧‧接收電路

104a‧‧‧帶通濾波器

104b‧‧‧A/D轉換器

111‧‧‧彈性構件

112‧‧‧鉛片

113‧‧‧殼體

231、232‧‧‧移位暫存器

231-1～231-80、232-1～232-80‧‧‧D正反器

圖1係表示第1實施形態之超音波測距裝置1之概略構成的方塊圖。

圖2係表示超音波感測器10之電路構成之一例的圖。

圖3係示意性地表示超音波測距裝置1中之接收訊號之處理的圖。

圖4係基本波形之一例。

圖5係循環數為9之模板Ta之一例。

圖6係循環數為4之情形時之模板Tb之一例。

圖7係表示為對至對象物O之距離為125 mm時之接收波形與基於循環數為9之模板Ta之模板T1a求差量，並將差量之絕對值相加而得之結果之關聯值之一例之圖。

圖8係將圖7所示之結果之圖7圓形附近之橫軸放大之圖。

圖9係表示為對至對象物O之距離為125 mm時之接收波形與基於循環數為4之模板Tb之模板T1b求差量，並將差量之絕對值相加而得之結果之關聯值之一例之圖。

圖10係將圖9所示之結果之圖9圓形附近之橫軸放大之圖。

圖11係表示接收波形與基於模板Tb之模板T1b之關係的圖，將接收波形之上升部分放大表示。

圖12係表示改變自模板調整輸入部22b輸入之倍率時之接收波形與模板T1之關聯值的一例之圖，（A）係自模板調整輸入部22b輸入之倍率小於1之情形時之關聯值之一例，（B）係自模板調整輸入部22b輸入之倍率為1之情形時之關聯值之一例，（C）係自模板調整輸入部22b輸入之倍率大於1之情形時之關聯值之一例。

圖13係表示應用本發明之超音波測距裝置1之自動對焦裝置5之一例的圖。

圖14係示意性地表示距離h之變化與距離L之變化之關係之圖，（A）表示θ為45度之情形，（B）表示θ為0度之情形。

圖15係示意性地表示超音波感測器10之安裝構造之一例的圖。

圖16係表示第2實施形態之超音波測距裝置2之概略構成的方塊圖。

圖17係將接收波形之上升部分沿橫向放大表示之圖。

圖18係將圖17所示之接收波形之交叉點β'之附近放大之圖。

Claims (10)

1. 一種超音波測距裝置，其特徵在於：其具備 感測器，其向對象物傳送超音波，且接收由上述對象物反射之超音波；及 訊號處理部，其基於由上述感測器接收之超音波之接收波形與模板之關聯，測定上述感測器與上述對象物之距離，且 上述感測器使用週期一定、循環數為10～15個循環左右之第1循環數之矩形波之後，頻率成為0之傳送訊號傳送超音波， 上述訊號處理部具有模板保持部，所述模板保持部將既定條件下之相當於上述接收波形之基本波形自上升起選取少於上述第1循環數之第2循環數之量而成之第1波形、或將上述第1波形之振幅進行既定倍調整而成之第2波形作為上述模板而保持。
2. 如請求項1所述之超音波測距裝置，其中 上述訊號處理部對上述接收波形與上述模板求差量，將該差量之絕對值相加求出關聯值，設為上述關聯值最小時上述接收波形與上述模板一致，求出上述接收波形之上升之時刻，基於該時刻測定上述感測器與上述對象物之距離。
3. 如請求項1或2所述之超音波測距裝置，其中 上述訊號處理部具有調整上述模板之振幅之模板調整部。
4. 如請求項3所述之超音波測距裝置，其中 上述模板調整部以上述模板之峰值與上述接收波形之峰值一致之方式調整上述模板之振幅。
5. 如請求項1至4中任一項所述之超音波測距裝置，其中 上述感測器以上述第1波形之頻率之大致20倍之頻率進行取樣。
6. 如請求項1至5中任一項所述之超音波測距裝置，其 具備與上述感測器相隔既定之距離設置之波長測定用對象物，且 上述訊號處理部基於自上述感測器傳送超音波起至該傳送之超音波被上述波長測定用對象物反射並由上述感測器接收為止之時間、與上述既定之距離，求出自上述感測器傳送之超音波之波長，並基於求出之該波長求出上述感測器與上述對象物之距離。
7. 如請求項1至6中任一項所述之超音波測距裝置，其中 上述訊號處理部設為於上述接收波形中，於上述接收波形與上述模板之關聯在最高之時點附近之上述接收波形與中心線一致之點，上述接收波形與上述模板一致而測定上述感測器與上述對象物之距離。
8. 如請求項1至7中任一項所述之超音波測距裝置，其 進而具備反射板，且 上述感測器朝向上述對象物傾斜地傳送超音波， 上述反射板以自上述感測器至上述反射板之間之超音波之路徑和自上述反射板至上述感測器之間之超音波之路徑一致之方式，將自上述感測器傳送且由上述對象物反射之超音波進行反射， 上述訊號處理部基於上述感測器與上述反射板之距離和自上述感測器向上述對象物傳送之超音波之入射角求出上述感測器與上述對象物之距離。
9. 如請求項1至8中任一項所述之超音波測距裝置，其 進而具備殼體，且 上述感測器具有框體， 於上述框體設置金屬製之砝碼， 於上述框體與上述殼體之間設置彈性構件，上述彈性構件夾持上述框體。
10. 一種超音波測距方法，其 使用週期一定、循環數為10～15個循環左右之第1循環數之矩形波之後頻率成為0之傳送訊號，自感測器傳送超音波， 藉由上述感測器接收由對象物反射之超音波， 基於由上述感測器接收之超音波之接收波形與預先保持之模板之關聯求出距離，其特徵在於： 於既定條件下使用上述傳送訊號自上述感測器傳送超音波，藉由上述感測器接收由上述對象物反射之超音波，將自於上述感測器接收之超音波之接收波形中之反射波形之上升起選取少於上述第1循環數之第2循環數之量而成之第1波形、或將上述第1波形之振幅進行既定倍調整而成之第2波形作為上述模板。