WO2015137424A1

WO2015137424A1 - 超音波距離測定装置および超音波距離測定方法

Info

Publication number: WO2015137424A1
Application number: PCT/JP2015/057231
Authority: WO
Inventors: 将之本田; 孝間野
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2015-09-17

Abstract

　超音波トランスデューサ（５２ａ，５２ｂ）は、周波数が時間とともに変化する駆動信号によって駆動された超音波を受信する。演算部（５５）は、受信した超音波と、駆動信号との相互相関関数を計算する。演算部（５５）は、相互相関関数における駆動信号に対する受信した超音波の時間ずらし量の開始点を、受信した超音波が所定値を超えた時点よりも所定時間前とし、時間ずらし量を順次増加させて相互相関関数の計算を実行し、相互相関関数の最大値が算出されたことが判明した場合に、相互相関関数の演算を終了する。ここで、駆動開始から所定時間後の駆動信号の周波数において、超音波トランスデューサの出力が最大となる。

Description

超音波距離測定装置および超音波距離測定方法

　本発明は、超音波距離測定装置および超音波距離測定方法に関する。

　超音波の送信点から受信点までの距離を計測する超音波距離計において、超音波を受信した時刻の検出精度を上げるための技術が知られている。

　たとえば、特許文献１に記載の超音波距離計は、受信した超音波と参照波との相関関数を求めることによって、雑音に影響されない受信時刻を検出する。

特開平３－２７７９８７号公報

　しかしながら、上述の相関関数の計算量が膨大なため、計算時間が長くなるという問題がある。

　本発明の目的は、相関関数の計算量を低減することができる超音波距離測定装置および超音波距離測定方法を提供することである。

　本発明の超音波距離測定装置は、周波数が時間とともに変化する駆動信号によって駆動された超音波を受信する超音波トランスデューサと、受信した超音波と、駆動信号との相互相関を求める演算部とを備え、演算部は、相互相関における駆動信号に対する受信した超音波の時間ずらし量の開始点を、受信した超音波が所定値を超えた時点よりも所定時間前とし、時間ずらし量を順次増加させて相互相関を求め、相互相関の最大値が算出されたことが判明した場合に、相互相関の演算を終了する。

　好ましくは、超音波トランスデューサの駆動開始から所定時間後の駆動信号までの周波数において、超音波トランスデューサの出力電圧が最大となる。

　好ましくは、前記演算部は、求められた複数の相互相関の値の包絡線を求めて、前記包絡線の立ち上り曲線上の２点を結ぶ直線がゼロレベルと交差するゼロクロス点に一定値を加えた時間に基づいて、前記超音波が超音波発生装置から送信されてから前記超音波トランスデューサで受信されるまでの伝送時間として算出する、請求項１または２記載の超音波距離測定装置。

　本発明の超音波距離測定方法は、超音波トランスデューサが、周波数が時間とともに変化する駆動信号によって駆動された超音波を受信するステップと、受信した超音波が所定値を超えた時点を検出するステップと、検出した時点よりも所定時間前を、駆動信号に対する受信した超音波の時間ずらし量の開始点とするステップとを備える。

　本発明によれば、相関関数の計算量を低減することができる。

本願発明の第１の実施の形態に係る超音波発生装置の構成を表わす図である。アップチャープ信号の例を表わす図である。超音波距離測定装置の構成を表わす図である。受信した超音波の包絡波形を表わす図である。受信した超音波の波形を表わす図である。図５の超音波の波形に対して駆動信号との相互相関を求めた波形を表わす図である。図６の相互相関波形に基づいて平滑化した包絡線と、ゼロクロス点の例を表わす図である。超音波発生装置および超音波距離測定装置の配置例を表わす図である。第１の実施の形態に係る超音波距離測定方法の動作手順を表わすフローチャートである。第１の実施の形態に係る超音波発生装置に含まれる第１の超音波トランスデューサの斜視図である。超音波発生装置に含まれる第１の超音波トランスデューサの断面図である。第１の超音波トランスデューサに含まれる超音波発生素子の分解斜視図である。

　従来の超音波トランスデューサは、Ｑ値が高いため、パルス圧縮法を用いた測定性能の向上は難しかったが、本実施の形態では、Ｑ値が低い超音波トランスデューサを用いることによって、パルス圧縮法を用いて測定性能を向上させることができる。パルス圧縮法は、チャープ信号などの駆動信号を送信し、受信後、駆動信号と受信信号との相互相関関数を計算することによって、距離分解能とＳ／Ｎ比を向上させる手法である。

　以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
　図１は、超音波発生装置２０の構成を表わす図である。超音波発生装置２０は、駆動信号発生装置２２と、第１の超音波トランスデューサ２１ａと、第２の超音波トランスデューサ２１ｂとを備える。

　駆動信号発生装置２２は、駆動信号を生成する。本実施の形態では、駆動信号として、たとえばアップチャープ信号を用いる。

　図２は、アップチャープ信号の例を表わす図である。アップチャープ信号の周波数は、例えば３２～４５ＫＨｚである。アップチャープ信号の周波数は、超音波トランスデューサの共振周波数を含む。超音波トランスデューサの共振周波数は、例えば３９ＫＨｚであり、反共振周波数は例えば４１ＫＨｚである。アップチャープ信号は、時間とともに、周波数が線形増加する信号である。

　第１の超音波トランスデューサ２１ａおよび第２の超音波トランスデューサ２１ｂは、互いに異なるタイミングで、駆動信号に従って、超音波を送信する。第１の超音波トランスデューサ２１ａおよび第２の超音波トランスデューサ２１ｂの構成は、例えば同一であり、異なる位置に配置される。第１の超音波トランスデューサ２１ａおよび第２の超音波トランスデューサ２１ｂは、広い帯域の超音波信号を出力する。

　図３は、超音波距離測定装置７０の構成を表わす図である。超音波距離測定装置７０は、第１の超音波トランスデューサ５２ａと、第２の超音波トランスデューサ５２ｂと、差動増幅回路５３と、Ａ／Ｄ変換器５４と、受信波形記憶部６５と、演算部５５と、駆動信号記憶部６６とを備える。

　演算部５５は、相互相関関数計算部５７と、包絡線生成部５８と、移動平均部５９と、伝送時間算出部６０と、距離および位置計算部６１とを含む。

　第１の超音波トランスデューサ５２ａおよび第２の超音波トランスデューサ５２ｂは、それぞれ独立して動作し、超音波発生装置２０から出力された超音波を受信する。第１の超音波トランスデューサ５２ａおよび第２の超音波トランスデューサ５２ｂの構成は、例えば同一であり、異なる位置に配置される。

　差動増幅回路５３は、第１の超音波トランスデューサ５２ａおよび第２の超音波トランスデューサ５２ｂからの出力の差分を一定係数で増幅する。

　Ａ／Ｄ変換器５４は、差動増幅回路５３から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して、演算部５５に供給する。受信波形記憶部６５は、Ａ／Ｄ変換器５４から出力される受信波形を記憶する。駆動信号記憶部６６は、駆動信号発生装置２２から出力される駆動信号の波形を記憶する。

　相互相関関数計算部５７は、駆動信号記憶部６６から駆動信号を読み出し、Ａ／Ｄ変換器５４から超音波信号を受ける。相互相関関数計算部５７は、式（１）に従って、複数のｊについて、駆動信号ｘと受信した超音波信号ｙとの相互相関関数を計算する。

　ただし、ｊは、受信した超音波信号ｙの駆動信号ｘに対する時間ずらし量を表わす。

　（相互相関関数の範囲）
　次に、相互相関関数計算部５７における相互相関値を計算する時間ずらし量ｊの範囲について説明する。

　図４は、受信した超音波の包絡波形を表わす図である。
　受信した超音波の信号レベルは、時点ｔｘで最も高くなる。受信した超音波の信号レベルの最も高い点は、チャープ信号に含まれる超音波トランスデューサの共振周波数によってもたらされるものである。チャープ信号の共振周波数は、図２に示すように、駆動開始からΔｔ１の時点の駆動信号の周波数であり、例えば３９ＫＨｚである。なお、Δｔ１が、本願発明の所定時間に相当する。

　実際には、受信した超音波には、超音波発生装置２０から超音波距離測定装置７０へ直接届く直接波以外に、何らかの物体によって反射されてから届く反射波が含まれている。直接波と反射波を含む超音波が受信された場合においては、受信した超音波における最も高い点が、直接波の最大値となるわけではない。このような場合には、受信した超音波の信号レベルが最大となる時点は、直接波だけ受信した場合の信号レベルが最大となる時点よりも遅くなる。

　したがって、本実施の形態では、閾値ＴＨ１を設け、閾値ＴＨ１を最初に超えるタイミングｔ０を特定する。ｔ０＜ｔｘである。ｔ０－Δｔ１を相互相関関数の時間ずらし量ｊの開始点に設定する。閾値ＴＨ１は、受信した超音波に直接波だけ含まれている場合に、相互相関値のノイズフロアよりも大きく、受信した超音波の信号のレベルの最大値以下の値に設定される。例えば、本実施の形態における閾値ＴＨ１は、ノイズの分布の標準偏差Σの３倍の値に設定される。なお、閾値ＴＨ１が、本願発明の所定値に相当する。

　図５は、受信した超音波の波形を表わす図である。この波形には、直接波と反射波が含まれている。横軸は時間であり、縦軸は出力電圧である。図６は、図５の超音波の波形に対して駆動信号との相互相関を求めた波形を表わす図である。横軸は時間であり、縦軸は相互相関値である。

　以下に相互相関値の計算の手順を説明する。まず、受信した超音波の信号レベルが閾値ＴＨ１を最初に超えるタイミングｔ０が特定される。ｓ＝ｔ０－ｔ１が式（１）の相互相関関数の時間ずらし量ｊの開始点に設定される。時間ずらし量ｊを１ずつ増加させながら、相互相関の最大値を算出する。

　図６の例では、ｊ＝ｓから相互相関値が計算される場合に、現在の値（例えばｊ＝ｎ）が、所定値ＴＨ２以上であって、ｊ＝ｎ－１での相互相関値より小さく、かつ一波長前のピーク値より小さいと、ｊ＝ｎ－１での相互相関値が相互相関関数の最大値であるとみなされて、相互相関値の計算が終了する。なお、所定値ＴＨ２は、相互相関値のノイズフロアよりも大きく、受信した超音波の信号のレベルの最大値以下の値に設定される。

　再び、図３を参照して、包絡線生成部５８は、ヒルベルト変換を用いて、相互相関関数（つまり、算出された複数の相互相関の値）の包絡線を構成する包絡線データを算出する。

　移動平均部５９は、包絡線データの移動平均を計算して、包絡線データを平滑化する。
　図７は、図６の相互相関波形に基づいて平滑化した包絡線と、例えば第１の超音波トランスデューサによる受信信号処理によって求められるゼロクロス点Ｔｚａの例を表わす図である。ゼロクロス点Ｔｚａは、包絡線の相互相関値が最大値となる点が二次関数の頂点となるように近似曲線を描いた場合において、近似曲線とｔ軸との負側の交点（近似曲線が相互相関値のゼロレベルと交差する点が複数ある場合に負側に位置する交点）と定義する。

　第２の超音波トランスデューサによる受信信号処理によって求められるゼロクロス点Ｔｚｂも、ゼロクロス点Ｔｚａと同様にして定義される。

　伝送時間算出部６０は、超音波発生装置２０の第１の超音波トランスデューサ２１ａから超音波が出力される場合にゼロクロス点Ｔｚａを検出する。そして、ゼロクロス点Ｔｚａに一定値Ｔｄを加えることで、超音波が超音波発生装置２０の第１の超音波トランスデューサ２１ａから送信されてから超音波距離測定装置７０の第１の超音波トランスデューサ５２ａで受信されるまでの伝送時間を算出する。なお、伝送時間算出部６０は、超音波発生装置２０の第２の超音波トランスデューサ２１ｂから超音波が出力される場合にも、第１の超音波トランスデューサ２１ａから超音波が出力される場合と同様に伝送時間を算出する。

　伝送時間算出部６０は、超音波発生装置２０の第１の超音波トランスデューサ２１ａから超音波が出力される場合にゼロクロス点Ｔｚｂを検出する。そして、ゼロクロス点Ｔｚｂに一定値Ｔｄを加えることで、超音波が超音波発生装置２０の第１の超音波トランスデューサ２１ａから送信されてから超音波距離測定装置７０の第２の超音波トランスデューサ５２ｂで受信されるまでの伝送時間を算出する。なお、伝送時間算出部６０は、超音波発生装置２０の第２の超音波トランスデューサ２１ｂから超音波が出力される場合にも、第１の超音波トランスデューサ２１ａから超音波が出力される場合と同様に伝送時間を算出する。

　なお、一定値Ｔｄは、本願発明者が、実験により見出した値である。詳述すると、本願発明者は、複数個の超音波発生装置の試作品、複数個の超音波距離測定装置の試作品を用意して、複数種類の試作品の組み合わせについて、それらの位置関係を変化させた。そして、ゼロクロス点Ｔｚと、直接波の相互相関関数が最大となるタイミングとの時間（Ｔｄ）を実測した。その結果、Ｔｄは試作品の組み合わせおよび位置関係によらずに、ほぼ一定値となることを見出した。

　距離および位置計算部６１は、超音波発生装置２０の第１の超音波トランスデューサ２１ａから超音波が出力される場合には、伝送時間（Ｔｚａ＋Ｔｄ）と音速ＶＳとを乗算することによって、超音波発生装置２０の第１の超音波トランスデューサ２１ａと超音波距離測定装置７０の第１の超音波トランスデューサ５２ａとの距離ｄａを求める。距離および位置計算部６１は、超音波発生装置２０の第２の超音波トランスデューサ２１ｂから超音波が出力される場合には、伝送時間Ｔｚａと音速ＶＳとを乗算することによって、超音波発生装置２０の第２の超音波トランスデューサ２１ｂと超音波距離測定装置７０の第１の超音波トランスデューサ５２ａとの距離ｄａを求める。

　距離および位置計算部６１は、超音波発生装置２０の第１の超音波トランスデューサ２１ａから超音波が出力される場合には、伝送時間Ｔｚｂと音速ＶＳとを乗算することによって、超音波発生装置２０の第１の超音波トランスデューサ２１ａと超音波距離測定装置７０の第２の超音波トランスデューサ５２ｂとの距離ｄｂを求める。距離および位置計算部６１は、超音波発生装置２０の第２の超音波トランスデューサ２１ｂから超音波が出力される場合にも、第１の超音波トランスデューサ２１ａから超音波が出力される場合と同様に距離ｄｂを求める。

　距離および位置計算部６１は、距離ｄａと距離ｄｂを用いて、三辺測量によって、超音波発生装置２０に対する超音波距離測定装置７０の相対位置を特定する。

　図８は、超音波発生装置２０および超音波距離測定装置７０の配置例を表わす図である。

　図８に示すように、超音波発生装置２０に含まれる第１の超音波トランスデューサ２１ａと第２の超音波トランスデューサ２１ｂは、超音波発生装置２０の前面に設置される。

　同様に、超音波距離測定装置７０に含まれる第１の超音波トランスデューサ５２ａと第２の超音波トランスデューサ５２ｂは、超音波距離測定装置７０の前面に設置される。

　第１の超音波トランスデューサ２１ａから超音波を送信する場合には、第１の超音波トランスデューサ２１ａと超音波距離測定装置７０の第１の超音波トランスデューサ５２ａまでの距離ｄａと、第１の超音波トランスデューサ２１ａと超音波距離測定装置７０の第２の超音波トランスデューサ５２ｂまでの距離ｄｂとが測定可能となる。

　超音波発生装置２０の第１の超音波トランスデューサ２１ａの位置を原点とする。超音波距離測定装置７０の前面と、超音波発生装置２０の第１の超音波トランスデューサ２１ａと超音波距離測定装置７０の第２の超音波トランスデューサ５２ｂとを結ぶ直線とがなす角度αとする。距離および位置計算部６１は、角度αを以下の式（２）によって算出する。

　ただし、ｄ０は、第１の超音波トランスデューサ５２ａと第２の超音波トランスデューサ５２ｂとの間の距離である。

　距離および位置計算部６１は、距離ｄａと、距離ｄｂと、角度αによって、超音波発生装置２０に対する超音波距離測定装置７０の相対位置を特定する。

　（動作手順）
　図９は、超音波距離測定方法の動作手順を表わすフローチャートである。このフローチャートは、超音波発生装置２０の第１の超音波トランスデューサ２１ａから超音波が出力される場合の超音波距離測定装置７０の動作手順を表わすが、超音波発生装置２０の第２の超音波トランスデューサ２１ｂから超音波が出力される場合も、同様の手順で超音波距離測定装置７０は、動作する。

　ステップＳ１０１において、第１の超音波トランスデューサ５２ａは、超音波を受信する。受信された超音波は、差動増幅回路５３によって増幅処理され、Ａ／Ｄ変換器５４によってデジタル信号に変換されて、相互相関関数計算部５７に送られる。

　ステップＳ１０２において、相互相関関数計算部５７は、送られてきた超音波の信号レベルが閾値ＴＨ１を最初に超えるタイミングｔ０を特定する。

　ステップＳ１０３において、相互相関関数計算部５７は、相互相関計算の開始点をｊ＝ｔ０－Δｔ１（＝ｓ）に設定する。

　ステップＳ１０４において、相互相関関数計算部５７は、式（１）に従って、駆動信号ｘ（ｉ）と、受信した超音波信号ｙ（ｉ＋ｊ）の相互相関値を計算する。

　ステップＳ１０５において、相互相関関数の最大値がまだ算出されていない場合には、処理がステップＳ１０６に進み、相互相関関数の最大値が算出された場合には、処理がステップＳ１０７に進む。相関関数の最大値の算出法を以下に示す。現在の値（例えばｊ＝ｎ）が、所定値ＴＨ２以上であって、ｊ＝ｎ－１での相互相関値より小さく、かつ一波長前のピーク値より小さいと、ｊ＝ｎ－１での相互相関値が相互相関関数の最大であるとみなされて、相互相関の最大値が算出されたとされる。

　ステップＳ１０６において、相互相関関数の時間ずらし量ｊが１だけインクリメントされて、処理がステップＳ１０４に戻る。

　ステップＳ１０７において、相互相関関数計算部５７は、相互相関計算を終了する。
　ステップＳ１０８において、包絡線生成部５８は、ヒルベルト変換を用いて、相互相関関数の包絡線を構成する包絡線データを算出する。

　ステップＳ１０９において、移動平均部５９は、包絡線データの移動平均を計算して、包絡線データを平滑化する。

　ステップＳ１１０において、伝送時間算出部６０は、平滑化された包絡線データに基づいてゼロクロス点Ｔｚａを算出する。

　ステップＳ１１１において、距離および位置計算部６１は、超音波発生装置２０の第１の超音波トランスデューサ２１ａと超音波距離測定装置７０の第１の超音波トランスデューサ５２ａとの距離ｄａを、ステップＳ１１０で算出されたゼロクロス点Ｔｚａに一定値Ｔｄを加えて算出した伝送時間と、音速ＶＳとの積によって計算する。

　ステップＳ１１２において、第２の超音波トランスデューサ５２ｂは、超音波を受信する。受信された超音波は、差動増幅回路５３によって増幅処理され、Ａ／Ｄ変換器５４によってデジタル信号に変換されて、相互相関関数計算部５７に送られる。

　ステップＳ１１３において、相互相関関数計算部５７は、送られてきた超音波の信号レベルが閾値ＴＨ１を最初に超えるタイミングｔ０を特定する。

　ステップＳ１１４において、相互相関関数計算部５７は、相互相関計算の開始点をｊ＝ｔ０－Δｔ１（＝ｓ）に設定する。

　ステップＳ１１５において、相互相関関数計算部５７は、式（１）に従って、駆動信号ｘ（ｉ）と、受信した超音波信号ｙ（ｉ＋ｊ）の相互相関値を計算する。

　ステップＳ１１６において、相互相関関数の最大値がまだ算出されていない場合には、処理がステップＳ１１７に進み、相互相関関数の最大値が算出された場合には、処理がステップＳ１１８に進む。

　ステップＳ１１７において、相互相関関数の時間ずらし量ｊが１だけインクリメントされて、処理がステップＳ１１５に戻る。

　ステップＳ１１８において、相互相関関数計算部５７は、相互相関計算を終了する。
　ステップＳ１１９において、包絡線生成部５８は、ヒルベルト変換を用いて、相互相関関数の包絡線を構成する包絡線データを算出する。

　ステップＳ１２０において、移動平均部５９は、包絡線データの移動平均を計算して、包絡線データを平滑化する。

　ステップＳ１２１において、伝送時間算出部６０は、平滑化された包絡線データに基づいてゼロクロス点Ｔｚｂを算出する。

　ステップＳ１２２において、距離および位置計算部６１は、超音波発生装置２０の第１の超音波トランスデューサ２１ａと超音波距離測定装置７０の第２の超音波トランスデューサ５２ｂとの距離ｄｂを、ステップＳ１２１で算出されたゼロクロス点Ｔｚｂに一定値Ｔｄを加えて算出した伝送時間と、音速ＶＳとの積によって計算する。

　ステップＳ１２３において、距離および位置計算部６１は、超音波距離測定装置７０の前面と、超音波発生装置２０の第１の超音波トランスデューサ２１ａと超音波距離測定装置７０の第２の超音波トランスデューサ５２ｂとを結ぶ直線とがなす角度αを算出する。距離および位置計算部６１は、距離ｄａと、距離ｄｂと、角度αによって、超音波発生装置２０に対する超音波距離測定装置７０の相対位置を特定する。

　（超音波トランスデューサの構造）
　次に、超音波発生装置２０に含まれる第１の超音波トランスデューサ２１ａおよび第２の超音波トランスデューサ２１ｂと、超音波距離測定装置７０に含まれる第１の超音波トランスデューサ５２ａおよび第２の超音波トランスデューサ５２ｂの構造について説明する。

　図１０および図１１は、超音波発生装置２０に含まれる第１の超音波トランスデューサ２１ａの構造の例を示す図である。超音波発生装置２０に含まれる第２の超音波トランスデューサ２１ｂの構造も、図１０および図１１に示すものと同様である。

　ただし、図１０は斜視図、図１１は図１０の鎖線Ｘ－Ｘ部分を示す断面図である。また、図１２は、第１の超音波トランスデューサ２１ａに含まれる超音波発生素子１の分解斜視図である。

　超音波発生素子１は、枠体２と、第１のバイモルフ型圧電振動子３と、第２のバイモルフ型圧電振動子４とを備える。枠体２は、中央部に貫通孔２ａが形成されている。そして、枠体２の下側の主面には、第１のバイモルフ型圧電振動子３が接着剤５ａにより接合され、枠体２の上側の主面には、第２のバイモルフ型圧電振動子４が接着剤５ｂにより接合されている。すなわち、枠体２の貫通孔２ａは、第１のバイモルフ型圧電振動子３と、第２のバイモルフ型圧電振動子４とで塞がれた構造となっている。超音波発生素子１は、たとえば、３２０μｍ程度の厚みからなる。

　枠体２は、たとえば、セラミックスからなり、厚みは２００μｍ程度である。貫通孔２ａの直径は、たとえば、２．４ｍｍ程度である。なお、貫通孔２ａに代えて、枠体２の中央部分に溝を形成するようにしても良い。すなわち、枠体２は、閉じた環状の構造体には限られず、一部において開いた環状の構造体であっても良い。

　第１のバイモルフ型圧電振動子３は、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などからなる矩形で平板状の圧電セラミックス３ａを備える。そして、圧電セラミックス３ａの内部には、内部電極３ｂが形成され、圧電セラミックス３ａの両主面には、それぞれ、外部電極３ｃ，３ｄが形成されている。内部電極３ｂ、外部電極３ｃ，３ｄは、たとえば、Ａｇ、Ｐｄからなる励振電極である。内部電極３ｂは、圧電セラミックス３ａの隣り合う２つの角部に引出されている。一方、外部電極３ｃ，３ｄは、内部電極３ｂが引出されていない、圧電セラミックス３ａの隣り合う２つの角部にそれぞれ引出されている。第１のバイモルフ型圧電振動子３の厚みは、たとえば、６０μｍ程度である。

　第２のバイモルフ型圧電振動子４も、第１のバイモルフ型圧電振動子３と同様に、たとえば、ＰＺＴなどからなる矩形で平板状の圧電セラミックス４ａを備え、圧電セラミックス４ａの内部には、内部電極４ｂが形成され、圧電セラミックス４ａの両主面には、それぞれ、外部電極４ｃ，４ｄが形成されている。内部電極４ｂ、外部電極４ｃ，４ｄも、たとえば、Ａｇ、Ｐｄからなる励振電極である。そして、内部電極４ｂは、圧電セラミックス４ａの隣り合う２つの角部に引出されている。外部電極４ｃ，４ｄは、内部電極４ｂが引出されていない、圧電セラミックス４ａの隣り合う２つの角部にそれぞれ引出されている。第２のバイモルフ型圧電振動子４の厚みも、たとえば、６０μｍ程度である。

　第１のバイモルフ型圧電振動子３の圧電セラミックス３ａ、および、第２のバイモルフ型圧電振動子４の圧電セラミックス４ａは、それぞれ、内部において分極されている。なお、圧電セラミックス３ａにおいて、外部電極３ｃと内部電極３ｂとの間と、内部電極３ｂと外部電極３ｄとの間とは、分極方向が同じである。同様に、圧電セラミックス４ａにおいて、外部電極４ｃと内部電極４ｂとの間と、内部電極４ｂと外部電極４ｄとの間とは、分極方向が同じである。一方、圧電セラミックス３ａの外部電極３ｃと内部電極３ｂとの間、および内部電極３ｂと外部電極３ｄとの間と、圧電セラミックス４ａの外部電極４ｃと内部電極４ｂとの間、および内部電極４ｂと外部電極４ｄとの間とは、分極方向が逆である。

　そして、超音波発生素子１の４つの角部には、それぞれ、引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが形成されている。隣り合う２つの引出電極６ａ，６ｂは、いずれも、それぞれ、圧電セラミックス３ａの内部電極３ｂ、および、圧電セラミックス４ａの内部電極４ｂと電気的に接続されている。一方、残りの隣合う２つの引出電極６ｃ，６ｄは、いずれも、それぞれ、圧電セラミックス３ａの外部電極３ｃ，３ｄ、および、圧電セラミックス４ａの外部電極４ｃ，４ｄと電気的に接続されている。引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは、たとえば、Ａｇからなる。

　第１の超音波トランスデューサ２１ａは、さらに、基板７と蓋部材８とからなる筺体を備える。

　基板７は、たとえば、ガラスエポキシからなり、矩形で、平板状である。基板７の上側の主面には、複数のランド電極（図示せず）が形成されている。そして、それらのランド電極に、超音波発生素子１の引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを導電性接着剤９によりそれぞれ接合することにより、基板７に超音波発生素子１が搭載されている。基板７と超音波発生素子１（第１のバイモルフ型圧電振動子３）とにより構成される隙間は、第１の音響経路Ｓ１を形成し、第１のバイモルフ型圧電振動子３から放出された超音波を圧縮し、超音波発生素子１の下側の主面に沿った方向に超音波が伝搬するのに寄与する。すなわち、基板７は、音響経路部材である。基板７と超音波発生素子１とにより構成される隙間（第１の音響経路Ｓ１）の長さは、３０μｍ以上に設定され、特に、第１のバイモルフ型圧電振動子３から放出された超音波の音波位相をそろえ、音圧を高めるためには、１００～２００μｍに設定される。なお、超音波発生素子１は、４つの角部で、導電性接着剤９により基板７に接合されるため、超音波発生素子１から放出された超音波の伝搬を阻害しない。

　蓋部材８は、たとえば、洋白からなり、超音波発生素子１を収容するための開口８ａが形成され、さらに天板部分に、矩形の音響放出口８ｂが形成されている。音響放出口８ｂの個数は任意であるが、本実施形態においては、４個の音響放出口８ｂが形成されている。蓋部材８は、開口８ａに超音波発生素子１を収容したうえで、開口８ａの周縁が、たとえば接着剤（図示せず）により、基板７の上側の主面に接合されている。蓋部材８と超音波発生素子１（第２のバイモルフ型圧電振動子４）とにより構成される隙間は、第１の音響経路Ｓ１を形成し、第２のバイモルフ型圧電振動子４から放出された超音波を圧縮し、超音波発生素子１の上側の主面に沿った方向に超音波が伝搬するのに寄与する。すなわち、蓋部材８は、音響経路部材である。蓋部材８と超音波発生素子１とにより構成される隙間（第１の音響経路Ｓ１）の長さは、３０μｍ以上に設定され、特に、第２のバイモルフ型圧電振動子４から放出された超音波の音波位相をそろえ、音圧を高めるためには、１００～２００μｍに設定される。

　第１の超音波トランスデューサ２１ａは、超音波発生素子１の外周面と、基板７と蓋部材８とからなる筺体の内周面とにより構成される隙間により、第２の音響経路Ｓ２が形成されている。なお、第２の音響経路Ｓ２の一部が、第１のバイモルフ型圧電振動子３の振動の腹の近傍、および、第２のバイモルフ型圧電振動子４の振動の腹の近傍において、上述の第１の音響経路Ｓ１を構成する。第１の音響経路Ｓ１は、上述のとおり、第１のバイモルフ型圧電振動子３、または、第２のバイモルフ型圧電振動子４から放出された超音波を圧縮し、超音波発生素子１の主面に沿った方向に超音波が伝搬するのに寄与する。

　かかる構造からなる第１の超音波トランスデューサ２１ａは、たとえば、次の方法で製造される。

　まず、第１のバイモルフ型圧電振動子３、および、第２のバイモルフ型圧電振動子４を作製する。具体的には、所定の形状からなる複数枚の圧電セラミックグリーンシートを準備し、それらの表面に、内部電極３ｂ，４ｂ、外部電極３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄを形成するための、導電性ペーストを所定の形状に印刷する。次に、所定の圧電セラミックグリーンシートどうしを積層し、加圧したうえ、所定のプロファイルで焼成して、内部電極３ｂ、外部電極３ｃ，３ｄの形成された第１のバイモルフ型圧電振動子３、および、内部電極４ｂ、外部電極４ｃ，４ｄの形成された第２のバイモルフ型圧電振動子４を得る。なお、外部電極３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄは、積層した圧電セラミックグリーンシートを焼成した後に、印刷またはスパッタなどによって形成されてもよい。

　次に、予め所定の形状に作製された枠体２を準備し、枠体２の両主面に、第１のバイモルフ型圧電振動子３と第２のバイモルフ型圧電振動子４とを、接着剤５ａ，５ｂを用いてそれぞれ接合し、超音波発生素子１を得る。

　次に、超音波発生素子１の４つの角部に、たとえば、スパッタリングなどの技術を用いて、引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを形成する。

　次に、予め所定の形状に作製された基板７と蓋部材８とを準備し、導電性接着剤９を用いて、基板７に超音波発生素子１を搭載したうえ、接着剤（図示せず）を用いて、基板７の上側の主面に蓋部材８を接合し、第１の超音波トランスデューサ２１ａを完成させる。

　引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを通じて、駆動信号発生装置２２から出力された駆動信号が与えられる。超音波発生素子１は、駆動開始（つまり、アップチャープ信号の出力開始）からΔｔ１時間後の駆動信号の周波数ｆ１に共振し、超音波の出力電圧が最大となる。

　超音波距離測定装置７０に含まれる第１の超音波トランスデューサ５２ａおよび第２の超音波トランスデューサ５２ｂの構造は、図１０～図１２に示すものと同様である。

　ただし、超音波距離測定装置７０の第１の超音波トランスデューサ５２ａおよび第２の超音波トランスデューサ５２ｂでは、引き出し電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを通じて、受信した超音波のレベルを表わす信号が出力される。超音波距離測定装置７０の第１の超音波トランスデューサ５２ａおよび第２の超音波トランスデューサ５２ｂに含まれる超音波発生素子１は、受信した超音波の周波数ｆ１に共振し、出力電圧が最大となる。

　（変形例）
　本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、たとえば以下のような変形例も含まれる。

　（１）駆動信号
　本発明の実施形態では、駆動信号としてアップチャープ信号を例にして説明したが、これに限定されるものではない。たとえば、ダウンチャープ信号を駆動信号として用いることとしてもよい。また、周波数が時間とともに変化するのであれば、Ｍ系列のような信号であってもよい。波形は、矩形波でも正弦波でもよい。これらの信号の場合でも、本発明の実施の形態と同様に、超音波距離測定装置に含まれる超音波トランスデューサの出力電圧が最大となる周波数がｆの場合に、駆動開始から駆動信号の周波数がｆとなる時点までを所定時間Δｔ１に設定すればよい。

　（２）Δｔ１
　本発明の実施形態では、超音波距離測定装置に含まれる超音波トランスデューサと、超音波発生装置に含まれる超音波トランスデューサは、同じ特性を有し、いずれもｆ１が共振周波数であったが、これに限定されるものではない。たとえば、超音波距離測定装置に含まれる超音波トランスデューサの共振周波数がｆｘで、超音波発生装置に含まれる超音波トランスデューサの共振周波数がｆｙで、その結果、超音波距離測定装置の超音波トランスデューサの出力電圧が最大となるのが周波数ｆｚ（たとえば、ｆｘとｆｙの中点）の場合には、駆動開始から駆動信号の周波数がｆｚとなる時点までを所定時間Δｔ１に設定すればよい。

　（３）差動増幅回路、Ａ／Ｄ変換器、演算部
　本発明の実施形態では、１組の差動増幅回路、Ａ／Ｄ変換器、演算部で、２つの超音波トランスデューサの受信した超音波の処理を行なったが、超音波トランスデューサごとに、差動増幅回路、Ａ／Ｄ変換器、演算部を設けることとしてもよい。

　（４）超音波トランスデューサ
　本発明の実施形態で用いられる超音波トランスデューサは、上述の構造に限定されるものではない。超音波トランスデューサは、一般的な超音波トランスデューサであってもよい。ただし鋭い相互相関波形を得るためには、Ｑ値が低く、共振が鈍いものであると好ましい。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１　超音波発生素子、２　枠体、３　第１のバイモルフ型圧電振動子、４　第２のバイモルフ型圧電振動子、３ｂ，４ｂ　内部電極、３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄ　外部電極、５ａ，５ｂ　接着剤、７　基板、８　蓋部材、８ａ　開口、８ｂ　音響放出口、９　導電性接着剤、Ｓ１　第１の音響経路、Ｓ２　第２の音響経路、２０　超音波発生装置、２１ａ，５２ａ　第１の超音波トランスデューサ、２２　駆動信号発生装置、２１ｂ，５２ｂ　第２の超音波トランスデューサ、５３　差動増幅回路、５４　Ａ／Ｄ変換器、５５　演算部、５７　相互相関関数計算部、５８　包絡線生成部、５９　移動平均部、６０　伝送時間算出部、６１　距離および位置計算部、６６　駆動信号記憶部、７０　超音波距離測定装置。

Claims

　周波数が時間とともに変化する駆動信号によって駆動された超音波を受信する超音波トランスデューサと、
　前記受信した超音波と、前記駆動信号との相互相関を求める演算部とを備え、
　前記演算部は、前記相互相関における前記駆動信号に対する前記受信した超音波の時間ずらし量の開始点を、前記受信した超音波が所定値を超えた時点よりも所定時間前とし、前記時間ずらし量を順次増加させて前記相互相関を求め、前記相互相関の最大値が算出されたことが判明した場合に、前記相互相関の演算を終了する、超音波距離測定装置。
　前記超音波トランスデューサの駆動開始から前記所定時間後の前記駆動信号までの周波数において、前記超音波トランスデューサの出力電圧が最大となる、請求項１記載の超音波距離測定装置。
　前記演算部は、前記求められた複数の相互相関の値の包絡線を求めて、前記包絡線の立ち上り曲線上の２点を結ぶ直線がゼロレベルと交差するゼロクロス点に一定値を加えた時間に基づいて、前記超音波が超音波発生装置から送信されてから前記超音波トランスデューサで受信されるまでの伝送時間として算出する、請求項１または２記載の超音波距離測定装置。
　超音波トランスデューサ周波数が時間とともに変化する駆動信号によって駆動された超音波を受信するステップと、
　前記受信した超音波が所定値を超えた時点を検出するステップと、
　前記検出した時点よりも所定時間前を、前記駆動信号に対する前記受信した超音波の時間ずらし量の開始点とするステップと、
　前記開始点から前記時間ずらし量を順次増加させて、前記受信した超音波と、前記駆動信号との相互相関を求めるステップと、
　前記相互相関の最大値が求められたことが判明した場合に、前記相互相関の演算を終了するステップとを備える、超音波距離測定方法。