WO2015137425A1

WO2015137425A1 - 超音波距離測定装置および超音波距離測定方法

Info

Publication number: WO2015137425A1
Application number: PCT/JP2015/057232
Authority: WO
Inventors: 孝間野; 将之本田
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。相互相関関数計算部（５７）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。包絡線生成部（５８）は、相互相関関数の包絡線を求める。正規化部（６２）は、包絡線を正規化する。伝送時間算出部（６０）は、正規化された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を検出し、ゼロクロス点に所定時間加えた時間に基づいて、超音波が超音波発生装置から送信されてから超音波トランスデューサ（５２ａ，５２ｂ）で受信されるまでの伝送時間を算出する。

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。

　従来から、超音波の送信点から受信点までの距離を計測する装置において、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（特開２００９－２３６７７５号公報）に記載の装置では、受信波の包絡線のピークを検出し、ピークへ向かう包絡線の所定の単位時間当たりの変化量が増加を続ける変化量増加期間における最大の変化量を傾きとして近似直線を取得し、近似直線Ｌの電圧値が所定の基準電圧となる時刻を反射波の受信時刻として取得する。

特開２００９－２３６７７５号公報

　しかしながら、特許文献１のような装置では、受信波の大きさによって包絡線の所定の単位時間当たりの変化量の傾きが変わることから、取得された受信時刻は変動が大きくなるという問題がある。その結果、超音波による距離測定の精度が十分でないという問題がある。

　本発明の目的は、従来よりも測定精度の高い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相互相関計算部と、相互相関計算部によって求められた複数の相互相関の値の包絡線を求める包絡線生成部と、包絡線を正規化する正規化部と、正規化された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を検出し、ゼロクロス点に所定時間を加えた時間に基づいて、超音波が超音波発生装置から送信されてから超音波トランスデューサで受信されるまでの伝送時間を算出する伝送時間算出部とを備える。

　好ましくは、駆動信号は、チャープ信号である。
　好ましくは、伝送時間算出部は、ゼロクロス点に所定時間を加えた時間を伝送時間として算出する。

　好ましくは、伝送時間算出部は、ゼロクロス点に所定時間加えた時間での正規化された包絡線上の値を求め、求めた包絡線上の値が最大となるように包絡線を再度正規化する。伝送時間算出部は、再度正規化された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修正ゼロクロス点を検出し、修正ゼロクロス点に所定時間加えた時間を伝送時間として算出する。

　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、受信した超音波と、駆動信号との相互相関を求めるステップと、求められた複数の相互相関の値の包絡線を求めるステップと、包絡線を正規化するステップと、正規化された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を検出し、ゼロクロス点に所定時間を加えた時間に基づいて、超音波が超音波発生装置から送信されてから超音波トランスデューサで受信されるまでの伝送時間を算出するステップと、伝送時間に基づいて、超音波発生装置と、超音波トランスデューサとの距離を算出するステップとを備える。

　本発明によれば、従来よりも測定精度の高い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。直接波からなる超音波の波形を表わす図である。図４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。直接波と反射波を含む超音波の波形を表わす図である。図６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５および図７の拡大図である。直接波からなる超音波についての相互相関関数と、直接波と反射波を含む超音波の相互相関関数との包絡線を表わす図である。直接波からなる超音波の相互相関関数の包絡線表わす図である。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。第２の実施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。図１６におけるステップＳ２０１に相当する伝送時間Ｔｐａの修正処理の手順を表わすフローチャートである。伝送時間Ｔｐａの修正処理を説明するために、図９における直接波と反射波を含む超音波の相互相関波形の包絡線に対してＳ１０６からＳ１０８の検波点を示す図である。伝送時間Ｔｐａの修正処理を説明するために、図９における直接波と反射波を含む超音波の相互相関波形の包絡線に対してＳ３０１からＳ３０５の検波点を示す図である。図１６におけるステップＳ２０３に相当する伝送時間Ｔｐｂの修正処理の手順を表わすフローチャートである。

　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５６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、正規化部６２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５６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５６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。なお、相互相関関数計算部５７が、本願発明の相互相関計算部に相当する。

　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。

　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。つまり、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。

　正規化部６２は、包絡線データの最低値が「０」、最大値が「１」となるように正規化する。

　ここで、相互相関関数によって、超音波の伝送時間を算出する際の問題について説明する。

　図４は、直接波からなる超音波の波形を表わす図である。横軸は時間であり、縦軸は出力電圧である。図５は、図４の超音波の波形に対して相互相関を行っ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。

　受信した超音波に反射波が含まれていない場合には、相互相関関数が最大となるタイミングを検出することによって、超音波が、超音波発生装置から送信されてから超音波距離測定装置に届くまでの伝送時間を求めることができる。

　しかしながら、相互相関値が最大となる付近の値は、測定ばらつきによるゆらぎが発生しやすいため、相互相関値が最大となるタイミングを正しく検出できないという問題がある。

　図６は、直接波と反射波からなる超音波の波形を表わす図である。横軸は時間であり、縦軸は出力電圧である。図７は、図６の超音波の波形に対して駆動信号との相互相関演算を行っ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。図８は、図５および図７の拡大図である。

　相互相関関数の値がゆらぎやすいことに加えて、図８に示すように、受信した超音波に反射波が含まれていると、相互相関関数の最大値は、反射波がない場合の超音波（つまり、直接波）の相互相関関数の最大値と異なる。直接波の相互相関関数の最大値のタイミングによって超音波発生装置から送信されてから超音波距離測定装置に届くまでの伝送時間を求めることができるが、反射波を含む超音波の相互相関関数の最大値を検出しても、このような伝送時間を求めることができないという問題がある。

　図９は、直接波からなる（つまり、反射波を含まない）超音波についての相互相関関数と、反射波を含む超音波の相互相関関数とを表わす図である。横軸は時間であり、縦軸は相互相関値である。図９では、包絡線の最低値が「０」、最大値が「１」となるように正規化されている。

　本願発明者は、反射波を含まない超音波についての相互相関関数の包絡線（以下、包絡線Ａ）と、反射波を含む超音波についての相互相関関数の包絡線（以下、包絡線Ｂ）とは、最大となるタイミングが相違するが、次のような特徴を発見した。

　（ａ）包絡線Ｂの立ち上り部分は、包絡線Ａの立ち上り部分と、類似している。つまり、包絡線Ｂの立ち上り部分は、反射波の影響が少ないといえる。

　したがって、受信した超音波の相互相関関数の包絡線の立ち上り部分を用いて、直接波の相互相関関数が最大となるタイミングを特定する。

　図１０は、直接波からなる超音波の相互相関関数の包絡線の値が０以上の部分を表わす図である。横軸は時間であり、縦軸は相互相関値である。包絡線上の２点Ｐ１、Ｐ２から立ち上り部分を近似する直線を求め、直線とｔ軸との交点（直線が相互相関値のゼロレベルと交差するゼロクロス点）をＴｚとした場合に、本願発明者は、次のような特徴を発見した。

　（ｂ）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は、一定値Ｔｄだけ相違する。

　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て実験を行なったところ、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。なお、一定値Ｔｄが、本願発明の「所定時間」に相当する。

　したがって、受信した超音波についての相互相関関数の包絡線上の２点Ｐ１、Ｐ２から近似直線を求めて、近似直線のゼロクロス点Ｔｚを求め、ゼロクロス点ＴｚにＴｄを加えた値Ｔｐを求めることによって、受信した超音波が直接波からなる場合、および受信した超音波が直接波と反射波からなる場合のいずれでもあっても、超音波の伝送時間を求めることができる。

　ここで、２点Ｐ１、Ｐ２は、あまりに低い値であると、立ち上り部分に含まれなくなるという問題があり、あまりに高い値であると、超音波に反射波が含まれている場合に、直接波での立ち上り部分とずれてしまうという問題がある。そこで、本実施の形態では、テストによって望ましい結果が得られた、Ｐ１＝０．２、Ｐ２＝０．３を用いることにしたが、これに限定するものではなく、Ｐ１とＰ２の値は、０より大きく、０．３以下の値であれば、テスト結果に基づいて、適宜設定することができる。

　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は、第１の超音波トランスデューサ５２ａで受信した超音波に基づく、正規化された相互相関関数の包絡線データから、正規化された包絡線の立ち上り部分で値がｙ１（＝０．２）となる点Ｐ１ａと、正規化された包絡線の立ち上り部分で値がｙ２（＝０．３）となる点Ｐ２ａとを結ぶ直線を求める。伝送時間算出部６０は、Ｐ１ａとＰ２ａを結ぶ直線上で値が零（０）となるゼロクロス点Ｔｚａを検出する。伝送時間算出部６０は、ゼロクロス点Ｔｚａに所定の値Ｔｄを加えた値Ｔｐａを、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として算出する。

　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は、第２の超音波トランスデューサ５２ｂで受信した超音波に基づく、正規化された相互相関関数の包絡線データから、正規化された包絡線の立ち上り部分で値がｙ１（＝０．２）となる点Ｐ１ｂと、正規化された包絡線の立ち上り部分で値がｙ２（＝０．３）となる点Ｐ２ｂとを結ぶ直線を求める。伝送時間算出部６０は、Ｐ１ｂとＰ２ｂを結ぶ直線上で値が零（０）となるゼロクロス点Ｔｚｂを検出する。伝送時間算出部６０は、ゼロクロス点Ｔｚｂに所定の値Ｔｄを加えた値Ｔｐｂを、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として算出する。

　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は、第１の超音波トランスデューサ５２ａで受信した超音波に基づく、正規化された相互相関関数の包絡線データから、正規化された包絡線の立ち上り部分で値がｙ１（＝０．２）となる点Ｐ１ａと、正規化された包絡線の立ち上り部分で値がｙ２（＝０．３）となる点Ｐ２ａとを結ぶ直線を求める。伝送時間算出部６０は、Ｐ１ａとＰ２ａを結ぶ直線上で値が零（０）となるゼロクロス点Ｔｚａを検出する。伝送時間算出部６０は、ゼロクロス点Ｔｚａに所定の値Ｔｄを加えた値Ｔｐａを、超音波が超音波発生装置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として算出する。

　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は、第２の超音波トランスデューサ５２ｂで受信した超音波に基づく、正規化された相互相関関数の包絡線データから、正規化された包絡線の立ち上り部分で値がｙ１（＝０．２）となる点Ｐ１ｂと、正規化された包絡線の立ち上り部分で値がｙ２（＝０．３）となる点Ｐ２ｂとを結ぶ直線を求める。伝送時間算出部６０は、Ｐ１ｂとＰ２ｂを結ぶ直線上で値が零（０）となるゼロクロス点Ｔｚｂを検出する。伝送時間算出部６０は、ゼロクロス点Ｔｚｂに所定の値Ｔｄを加えた値Ｔｐｂを、超音波が超音波発生装置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として算出する。

　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Ｔｚａと超音波の速度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５２ｂから超音波が出力される場合には、伝送時間Ｔｚａと超音波の速度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５２ｂ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と超音波の速度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は、伝送時間Ｔｚｂと超音波の速度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、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１１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１１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１２は、第１の実施形態の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、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）の相互相関関数を計算する。

　ステップＳ１０３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Ｓ１０４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Ｓ１０５において、正規化部６２は、包絡線データを正規化する。すなわち、包絡線データの最低値が「０」、最大値が「１」となるように包絡線データを正規化する。

　ステップＳ１０６において、伝送時間算出部６０は、正規化された相互相関関数の包絡線データから、正規化された包絡線の立ち上り部分を検出する。伝送時間算出部６０は、正規化された包絡線の立ち上り部分で値がｙ１（＝０．２）となる点Ｐ１ａと、正規化された包絡線の立ち上り部分で値がｙ２（＝０．３）となる点Ｐ２ａとを結ぶ直線を求める。なお、ここではｙ１＝０．２、ｙ２＝０．３としているが、これに限定するものではなく、ｙ１とｙ２の値は適宜設定することができる。

　ステップＳ１０７において、伝送時間算出部６０は、Ｐ１ａとＰ２ａを結ぶ直線とｔ軸との交点（直線が相互相関値のゼロレベルと交差する点）となるゼロクロス点Ｔｚａを検出する。

　ステップＳ１０８において、伝送時間算出部６０は、ゼロクロス点Ｔｚａに所定の値Ｔｄを加えた値Ｔｐａを、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として算出する。

　ステップＳ１０９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Ｓ１０８で算出された伝送時間Ｔｐａと、超音波の速度ＶＳとの積によって計算する。

　ステップＳ１１０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Ｓ１１１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）の相互相関関数を計算する。

　ステップＳ１１２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Ｓ１１３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Ｓ１１４において、正規化部６２は、包絡線データを正規化する。すなわち、包絡線データの最低値が「０」、最大値が「１」となるように包絡線データを正規化する。

　ステップＳ１１５において、伝送時間算出部６０は、正規化された相互相関関数の包絡線データから、正規化された包絡線の立ち上り部分を検出する。伝送時間算出部６０は、正規化された包絡線の立ち上り部分で値がｙ１（＝０．２）となる点Ｐ１ｂと、正規化された包絡線の立ち上り部分で値がｙ２（＝０．３）となる点Ｐ２ｂとを結ぶ直線を求める。

　ステップＳ１１６において、伝送時間算出部６０は、Ｐ１ｂとＰ２ｂを結ぶ直線とｔ軸との交点となるゼロクロス点Ｔｚｂを検出する。

　ステップＳ１１７において、伝送時間算出部６０は、ゼロクロス点Ｔｚｂに所定の値Ｔｄを加えた値Ｔｐｂを、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より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として算出する。

　ステップＳ１１８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Ｓ１１７で算出された伝送時間Ｔｐｂと、超音波の速度ＶＳとの積によって計算する。

　ステップＳ１１９において、距離および位置計算部６１は、式（２）に従って、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１３および図１４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１３および図１４に示すものと同様である。

　ただし、図１３は斜視図、図１４は図１３の鎖線Ｘ－Ｘ部分を示す断面図である。また、図１５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、残りの隣り合う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１３～図１５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。

　以上のように、本実施の形態によれば、受信した超音波と駆動信号との相互相関関数の包絡線の立ち上り部分の近似直線のゼロクロス点と、予め実験によって求めた一定時間Ｔｄとの加算によって、超音波の伝送時間を算出するので、従来よりも、高い測定精度で、超音波によって距離を測定することができる。

　［第２の実施形態］
　第１の実施の形態では、正規化された包絡線上の２点Ｐ１、Ｐ２とを結ぶ直線を求めて、その直線とｔ軸との交点であるゼロクロス点を求めた。そして、２点Ｐ１、Ｐ２の値として、実験において望ましい結果が得られた値である０．２、０．３を用いることにした。

　ここで、Ｐ１＝０．２、Ｐ２＝０．３は、受信した超音波に直接波のみが含まれている場合において、望ましい値として設定されたものである。受信した超音波に、強いレベルの反射波が含まれている場合には、正規化された包絡線において、直接波が寄与する部分のレベルは小さくなり、Ｐ１＝０．２、Ｐ２＝０．３として求められたゼロクロス点および伝送時間は、正しい値とならない。

　このような問題を解決するために、本実施の形態は、正規化された包絡線において、Ｐ１＝０．２、Ｐ２＝０．３としてゼロクロス点を求め、求めたゼロクロス点に基づいて、包絡線を再度正規化する。そして、再度正規化された包絡線において、Ｐ１′＝０．２、Ｐ２′＝０．３として修正されたゼロクロス点（以下、修正ゼロクロス点）を求める。

　図１６は、第２の実施形態の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、同様の手順を用いる。

　図１６のフローチャートが、図１２のフローチャートと相違する点は、ステップＳ１０８の後に、ステップＳ２０１において、伝送時間Ｔｐａの修正処理が行なわれることと、ステップＳ１０９の代わりにステップＳ２０２の処理が行なわれることである。

　さらに、相違する点は、ステップＳ１１７の後にステップＳ２０３において、伝送時間Ｔｐｂの修正処理が行なわれることと、ステップＳ１１８の代わりにステップＳ２０４の処理が行なわれることである。

　図１７は、ステップＳ２０１の伝送時間Ｔｐａの修正処理の手順を表わすフローチャートである。図１８および図１９は、伝送時間Ｔｐａの修正処理を説明するための図である。

　ステップＳ３０１において、正規化部６２は、図１８に示すように、伝送時間Ｔｐａでの正規化された包絡線上の値ＥＶａ（Ｔｐａ）を特定する。

　ステップＳ３０２において、正規化部６２は、図１９に示すように、ＥＶａ（Ｔｐａ）の値が「１」となるように、正規化された包絡線ＥＶａ（ｔ）（ｔ＝０～Ｔｐａ）を再度正規化する。

　ステップＳ３０３において、伝送時間算出部６０は、再度正規化された相互相関関数の包絡線データから、再度正規化された包絡線ＥＶａ′の立ち上り部分を検出する。伝送時間算出部６０は、図１９に示すように、再度正規化された包絡線ＥＶａ′の立ち上り部分で値がｙ１（＝０．２）となる点Ｐ１ａ′と、再度正規化された包絡線ＥＶａ′の立ち上り部分で値がｙ２（＝０．３）となる点Ｐ２ａ′とを結ぶ直線を求める。

　ステップＳ３０４において、伝送時間算出部６０は、図１９に示すように、Ｐ１ａ′とＰ２ａ′を結ぶ直線とｔ軸との交点となる修正ゼロクロス点Ｔｚａ′を検出する。

　ステップＳ３０５において、伝送時間算出部６０は、図１９に示すように、修正ゼロクロス点Ｔｚａ′に所定の値Ｔｄを加えた値Ｔｐａ′を、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修正された伝送時間として算出する。

　図１６のステップＳ２０２では、修正された伝送時間Ｔｐａ′を用いて、伝送時間ｄａが算出される。すなわち、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Ｓ２０１で算出された修正された伝送時間Ｔｐａ′と、超音波の速度ＶＳとの積によって計算する。

　図２０は、ステップＳ２０３の伝送時間Ｔｐｂの修正処理の手順を表わすフローチャートである。

　ステップＳ４０１において、正規化部６２は、伝送時間Ｔｐｂでの正規化された包絡線上の値ＥＶｂ（Ｔｐｂ）を特定する。

　ステップＳ４０２において、正規化部６２は、ＥＶｂ（Ｔｐｂ）の値が「１」となるように、正規化された包絡線ＥＶｂ（ｔ）（ｔ＝０～Ｔｐｂ）を再度正規化する。

　ステップＳ４０３において、伝送時間算出部６０は、再度正規化された相互相関関数の包絡線データから、再度正規化された包絡線ＥＶｂ′の立ち上り部分を検出する。伝送時間算出部６０は、再度正規化された包絡線ＥＶｂ′の立ち上り部分で値がｙ１（＝０．２）となる点Ｐ１ｂ′と、再度正規化された包絡線ＥＶｂ′の立ち上り部分で値がｙ２（＝０．３）となる点Ｐ２ｂ′とを結ぶ直線を求める。

　ステップＳ４０４において、伝送時間算出部６０は、Ｐ１ｂ′とＰ２ｂ′を結ぶ直線とｔ軸との交点となる修正ゼロクロス点Ｔｚｂ′を検出する。

　ステップＳ３０５において、伝送時間算出部６０は、修正ゼロクロス点Ｔｚｂ′に所定の値Ｔｄを加えた値Ｔｐｂ′を、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修正された伝送時間として算出する。

　図１６のステップＳ２０４では、修正された伝送時間Ｔｐｂ′を用いて、伝送時間ｄｂが算出される。すなわち、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５２ａとの距離ｄｂを、ステップＳ２０３で算出された修正された伝送時間Ｔｐｂ′と、超音波の速度ＶＳとの積によって計算する。

　以上のように、本実施の形態によれば、受信した超音波に含まれる反射波の強度が高くても、包絡線を再正規化することによって超音波の伝送時間を算出するので、従来よりも、高い測定精度で、超音波によって距離を測定することができる。

　（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。

　（２）差動増幅回路、Ａ／Ｄ変換器、演算部
　本発明の実施の形態では、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。

　（３）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、６２　正規化部、５６　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相互相関計算部と、
　前記相互相関計算部によって求められた複数の相互相関の値の包絡線を求める包絡線生成部と、
　前記包絡線を正規化する正規化部と、
　正規化された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を検出し、前記ゼロクロス点に所定時間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を算出する伝送時間算出部とを備えた、超音波距離測定装置。
　前記駆動信号は、チャープ信号である、請求項１記載の超音波距離測定装置。
　前記伝送時間算出部は、前記ゼロクロス点に前記所定時間を加えた時間を前記伝送時間として算出する、請求項１記載の超音波距離測定装置。
　前記伝送時間算出部は、前記ゼロクロス点に前記所定時間を加えた時間での前記正規化された包絡線上の値を求め、求めた前記包絡線上の値が最大となるように前記包絡線を再度正規化し、
　前記伝送時間算出部は、再度正規化された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修正ゼロクロス点を検出し、前記修正ゼロクロス点に前記所定時間を加えた時間を前記伝送時間として算出する、請求項１記載の超音波距離測定装置。
　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、
　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、
　前記求められた複数の相互相関の値の包絡線を求めるステップと、
　前記包絡線を正規化するステップと、
　正規化された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を検出し、前記ゼロクロス点に所定時間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を算出するステップと、
　前記伝送時間に基づいて、前記超音波発生装置と、前記超音波トランスデューサとの距離を算出するステップとを備えた、超音波距離測定方法。