(57)【要約】【課題】超音波計測装置で適正なゼロクロス点を設定するために、高分解能なＡ／Ｄ変換器や大容量の記憶領域が必要であり、コストが高くなり、処理時間も長くなる。【解決手段】超音波計測装置は、送信パルスに基づいて対象物に超音波を送信し、前記対象物で反射された前記超音波を受信する超音波送受処理を実施し、前記超音波の受信により受信信号を出力する超音波送受信部と、信号電圧が所定の閾値以上となる前記受信信号のゼロクロス点を複数、検出するゼロクロス検出部と、複数の前記ゼロクロス点に基づいて、前記超音波の受信タイミングとして用いる受信ゼロクロス点を設定する受信設定部と、を備え、前記受信設定部は、複数の前記ゼロクロス点の検出タイミングの時間差に基づいて、前記受信ゼロクロス点を設定する。【選択図】図１
2020134481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信パルスに基づいて対象物に超音波を送信し、前記対象物で反射された前記超音波を受信する超音波送受処理を実施し、前記超音波の受信により受信信号を出力する超音波送受信部と、
信号電圧が所定の閾値以上となる前記受信信号のゼロクロス点を複数、検出するゼロクロス検出部と、
複数の前記ゼロクロス点に基づいて、前記超音波の受信タイミングとして用いる受信ゼロクロス点を設定する受信設定部と、を備え、
前記受信設定部は、複数の前記ゼロクロス点の検出タイミングの時間差に基づいて、前記受信ゼロクロス点を設定する
ことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波計測装置において、
前記送信パルスを生成する第一パルス生成部を備え、
前記第一パルス生成部は、前記超音波の発振周波数とは異なる周波数の所定波数の前記送信パルスを生成し、
前記受信設定部は、時系列に沿って連続する２つの前記ゼロクロス点の間の前記検出タイミングの前記時間差を複数、算出し、時系列に沿った複数の前記時間差のうち、所定の設定範囲となる前記時間差に基づいた前記ゼロクロス点を、前記受信ゼロクロス点として設定する
ことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波計測装置において、
前記超音波の発振周波数と同じ周波数の前記送信パルスを生成する第二パルス生成部を備え、
前記第二パルス生成部は、第一波数の前記送信パルスを生成し、１波の前記送信パルスに相当する空時間の経過後に、第二波数の前記送信パルスを生成し、
前記受信設定部は、時系列に沿って連続する２つの前記ゼロクロス点の間の前記検出タイミングの前記時間差を複数、算出し、時系列に沿った前記時間差が前記超音波の周期に基づく所定値以上となる前記ゼロクロス点を、前記受信ゼロクロス点として設定する
ことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項４】
請求項３に記載の超音波計測装置において、
前記第二パルス生成部は、前記受信設定部で時系列に沿った前記時間差が前記所定値以上となる前記ゼロクロス点が検出されない場合に前記空時間を、１波の前記送信パルスに相当する時間だけ増大させる
ことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波計測装置において、
前記受信設定部は、ｍ＋１回の前記超音波送受処理によって前記空時間がｍ波の前記送信パルスに相当する時間だけ増大された際、時系列に沿った前記時間差が前記所定値以上となる前記ゼロクロス点よりｍ個前の前記受信信号の前記ゼロクロス点を、前記受信ゼロクロス点として設定する
ことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項６】
請求項１に記載の超音波計測装置において、
前記送信パルスを生成する第三パルス生成部を備え、
前記第三パルス生成部は、前記超音波の発振周波数と同じ周波数の第三波数の前記送信パルス、前記発振周波数よりも高い周波数の第四波数の前記送信パルス、前記発振周波数と同じ周波数の第五波数の前記送信パルスを順に生成し、
前記受信設定部は、時系列に沿って連続する２つの前記ゼロクロス点の間の前記検出タイミングの前記時間差を複数、算出し、時系列に沿った前記時間差が前記超音波の周期に基づく所定値以上となる前記ゼロクロス点を、前記受信ゼロクロス点として設定する
ことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項７】
送信パルスに基づいて対象物に超音波を送信し、前記対象物で反射された前記超音波を受信する超音波送受処理を実施し、前記超音波の受信により受信信号を出力する超音波送受信部と、信号電圧が所定の閾値以上となる複数の前記受信信号に対応したゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部と、を備えた超音波計測装置における超音波計測方法であって、
前記超音波送受処理により得られる複数の前記ゼロクロス点の検出タイミングの時間差に基づいて、前記超音波の受信タイミングとして用いる受信ゼロクロス点を設定する
ことを特徴とする超音波計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波計測装置、及び超音波計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、対象物に向かって超音波の送受信処理を実施して、超音波の送信タイミングから超音波の受信タイミングまでの時間に基づいて、対象物までの距離を計測する超音波計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような超音波計測装置では、超音波を受信した際の受信信号の波形データのうち、閾値を超える受信信号のゼロクロス点に基づいて受信タイミングを特定する。しかしながら、超音波計測装置から対象物までの間の距離が長くなるに従って、超音波受信部で受信される超音波の音圧が低下するため、閾値を超える受信信号の数や位置も変動する。この場合、超音波の受信タイミングとして設定するゼロクロス点が測定毎に変動する場合があり、オフセット誤差が発生してしまう。例えば、１回目の測定では、１番目に出力される受信信号のゼロクロス点が受信タイミングとして設定され、２回目の測定では、２番目に出力される受信信号のゼロクロス点が受信タイミングとして設定されると、１波分の受信信号のずれがオフセット誤差となり、測定精度が低下する。
【０００４】
そこで、特許文献１に記載の超音波計測装置では、複数回の超音波処理を実施し、各回に対応した波形データを得る。次に、１回目の超音波処理の波形データに対して仮の基準ゼロクロス点を設定し、ｉ回目の超音波処理の波形データの基準ゼロクロス点を、ｉ−１回目の波形データの基準ゼロクロス点に基づいて設定する。この後、各回のｊ番目（ｊ=０，１，２，…Ｊ）の波における振幅を求め、その平均振幅Ｓｊを算出する。そして、ｊ番目の平均振幅Ｓｊと、ｊ＋１番目の平均振幅Ｓｊ＋１との振幅比Ｒｊが最大となる波のゼロクロス点の２波後のゼロクロス点を受信タイミングとし、超音波計測装置から対象物までの距離を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３４１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の超音波計測装置では、波形データの各波のピーク値及びボトム値を検出可能な高分解能なＡ／Ｄ変換器が必要となる。また、高分解能なＡ／Ｄ変換機で得られた波形データはデータ容量が大きく、更に、複数回の超音波処理により得られる波形データを記憶部に記憶する必要があるので、大容量の記憶領域が必要となる。このため、超音波計測装置のコストが高く、処理時間も長くなるとの課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第一適用例に係る超音波計測装置は、送信パルスに基づいて対象物に超音波を送信し、前記対象物で反射された前記超音波を受信する超音波送受処理を実施し、前記超音波の受信により受信信号を出力する超音波送受信部と、信号電圧が所定の閾値以上となる前記受信信号のゼロクロス点を複数、検出するゼロクロス検出部と、複数の前記ゼロクロス点に基づいて、前記超音波の受信タイミングとして用いる受信ゼロクロス点を設定する受信設定部と、を備え、前記受信設定部は、複数の前記ゼロクロス点の検出タイミングの時間差に基づいて、前記受信ゼロクロス点を設定する。
【０００８】
第一適用例の超音波計測装置において、前記送信パルスを生成する第一パルス生成部を備え、前記第一パルス生成部は、前記超音波の発振周波数とは異なる周波数の所定波数の前記送信パルスを生成し、前記受信設定部は、時系列に沿って連続する２つの前記ゼロクロス点の間の前記検出タイミングの前記時間差を複数、算出し、時系列に沿った複数の前記時間差のうち、所定の設定範囲となる前記時間差に基づいた前記ゼロクロス点を、前記受信ゼロクロス点として設定することが好ましい。
【０００９】
第一適用例の超音波計測装置において、前記超音波の発振周波数と同じ周波数の前記送信パルスを生成する第二パルス生成部を備え、前記第二パルス生成部は、第一波数の前記送信パルスを生成し、１波の前記送信パルスに相当する空時間の経過後に、第二波数の前記送信パルスを生成し、前記受信設定部は、時系列に沿って連続する２つの前記ゼロクロス点の間の前記検出タイミングの前記時間差を複数、算出し、時系列に沿った前記時間差が前記超音波の周期に基づく所定値以上となる前記ゼロクロス点を、前記受信ゼロクロス点として設定してもよい。
【００１０】
第一適用例の超音波計測装置において、前記第二パルス生成部は、前記受信設定部で時系列に沿った前記時間差が前記所定値以上となる前記ゼロクロス点が検出されない場合に前記空時間を、１波の前記送信パルスに相当する時間だけ増大させることが好ましい。
【００１１】
第一適用例の超音波計測装置において、前記受信設定部は、ｍ＋１回の前記超音波送受処理によって前記空時間がｍ波の前記送信パルスに相当する時間だけ増大された際、時系列に沿った前記時間差が前記所定値以上となる前記ゼロクロス点よりｍ個前の前記受信信号の前記ゼロクロス点を、前記受信ゼロクロス点として設定することが好ましい。
【００１２】
第一適用例の超音波計測装置において、前記送信パルスを生成する第三パルス生成部を備え、前記第三パルス生成部は、前記超音波の発振周波数と同じ周波数の第三波数の前記送信パルス、前記発振周波数よりも高い周波数の第四波数の前記送信パルス、前記発振周波数と同じ周波数の第五波数の前記送信パルスを順に生成し、前記受信設定部は、時系列に沿って連続する２つの前記ゼロクロス点の間の前記検出タイミングの前記時間差を複数、算出し、時系列に沿った前記時間差が前記超音波の周期に基づく所定値以上となる前記ゼロクロス点を、前記受信ゼロクロス点として設定してもよい。
【００１３】
第二適用例に係る超音波計測方法は、送信パルスに基づいて対象物に超音波を送信し、前記対象物で反射された前記超音波を受信する超音波送受処理を実施し、前記超音波の受信により受信信号を出力する超音波送受信部と、信号電圧が所定の閾値以上となる複数の前記受信信号に対応したゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部と、を備えた超音波計測装置における超音波計測方法であって、前記超音波送受処理により得られる複数の前記ゼロクロス点の検出タイミングの時間差に基づいて、前記超音波の受信タイミングとして用いる受信ゼロクロス点を設定する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第一実施形態の超音波計測装置の概略構成を示す模式図。
【図２】第一実施形態の超音波デバイスの構成例を示す断面図。
【図３】第一実施形態の超音波トランスデューサーの接続例を示す図。
【図４】第一実施形態の距離測定処理を示すフローチャート。
【図５】第一実施形態の超音波送受処理での送信パルス、受信信号、及びゼロクロス検出パルスのタイミングチャート。
【図６】第二実施形態の超音波計測装置の概略構成を示す図。
【図７】第二実施形態の距離測定処理を示すフローチャート。
【図８】第二実施形態の超音波送受処理での送信パルス、受信信号、及びゼロクロス検出パルスのタイミングチャート。
【図９】第二実施形態の超音波送受処理での送信パルス、受信信号、及びゼロクロス検出パルスのタイミングチャート。
【図１０】第三実施形態の超音波計測装置の概略構成を示す図。
【図１１】第三実施形態の距離測定処理を示すフローチャート。
【図１２】第三実施形態の超音波送受処理での送信パルス、受信信号、及びゼロクロス検出パルスのタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［第一実施形態］
以下、第一実施形態の超音波計測装置について説明する。
図１は、第一実施形態の超音波計測装置１０の概略構成を示す模式図である。
超音波計測装置１０は、超音波デバイス２０と、超音波デバイス２０を制御する制御回路３０とを備える。この超音波計測装置１０は、制御回路３０の制御により超音波デバイス２０から対象物１に向かって超音波を送信し、対象物１で反射された超音波を超音波デバイス２０で受信する超音波送受処理を実施する。そして、制御回路３０は、超音波デバイス２０による超音波送受処理の超音波の送信タイミングから、対象物１で反射された超音波の受信タイミングまでの時間に基づいて、超音波デバイス２０から対象物１までの距離を算出する。
以下、このような超音波計測装置１０の各構成の詳細について説明する。
【００１６】
［超音波デバイス２０の構成］
図２は、超音波デバイス２０の構成例を示す断面図である。
超音波デバイス２０は、対象物１に超音波を送信し、対象物１で反射された超音波を受信する超音波送受処理を実施して、超音波の受信により受信信号を出力する超音波送受信部である。図２に示すように、この超音波デバイス２０は、素子基板２１と、振動板２２と、圧電素子２３と、を備えて構成されている。なお、以降の説明にあたり、超音波デバイス２０から対象物１に向かう超音波の送受信方向をＺ方向とする。
【００１７】
素子基板２１は、振動板２２を支持する基板であり、Ｓｉ等の半導体基板で構成される。素子基板２１には、Ｚ方向に沿って素子基板２１を貫通する複数の開口部２１１が設けられている。
【００１８】
振動板２２は、例えばＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体等より構成され、素子基板２１の−Ｚ側に設けられる。この振動板２２は、開口部２１１を構成する素子基板２１により支持され、開口部２１１の−Ｚ側を閉塞する。振動板２２のうち、Ｚ方向から見た際に各開口部２１１と重なる部分は、振動板２２において、振動により超音波の送受信を行う振動部２２１を構成する。
【００１９】
圧電素子２３は、振動板２２上で、かつ、Ｚ方向から見た際に、各振動部２２１と重なる位置に設けられている。この圧電素子２３は、図２に示すように、振動板２２上に下部電極２３１、圧電膜２３２、及び上部電極２３３が順に積層されることにより構成されている。
【００２０】
このような超音波デバイス２０では、１つの振動部２２１と当該振動部２２１上に配置された圧電素子２３とにより、１つの超音波トランスデューサー２４が構成される。
そして、この超音波デバイス２０では、下部電極２３１及び上部電極２３３との間に電圧が印加されると、圧電膜２３２が伸縮して、振動部２２１が開口部２１１の開口幅等に応じた発振周波数で振動する。これにより、振動部２２１から＋Ｚ側に向かって超音波が送信される。
また、超音波デバイス２０では、対象物１で反射された超音波を振動部２２１に入力されると、振動部２２１が入力された超音波の音圧に応じた振幅で振動し、圧電膜２３２の下部電極２３１側と上部電極２３３側との間で電位差が発生する。よって、各圧電素子２３から当該電位差に応じた受信信号が出力される。
【００２１】
図３は、超音波デバイス２０における超音波トランスデューサー２４の接続例を示す図である。
本実施形態では、複数の超音波デバイス２０は、ｎ行ｍ列のマトリクス状に配置されている。そして、各超音波デバイス２０の下部電極２３１は、第一バイパス配線２３１Ａにより互いに結線され、素子基板２１の一部に設けられた第一端子２５１に接続されている。同様に、各超音波デバイス２０の上部電極２３３は、第二バイパス配線２３３Ａにより互いに結線され、素子基板２１の一部に設けられた第二端子２５２に接続されている。これらの第一端子２５１及び第二端子２５２は、それぞれ制御回路３０に接続されている。このような構成では、第一端子２５１と第二端子２５２との間に電圧を印加することで、全ての超音波トランスデューサー２４を同時に駆動させることができる。
なお、図３に示す例は、全ての超音波トランスデューサー２４の下部電極２３１を結線して第一端子２５１に接続する構成例であるが、所定数の超音波トランスデューサー２４を１つのチャンネルとし、各チャンネルに対して、第一端子２５１を設ける構成としてもよい。この場合、全ての第一端子２５１と第二端子２５２との間に同時に駆動信号を入力することで、図３と同様に、全ての超音波トランスデューサー２４を同時に駆動させることができる。また、各第一端子２５１を個別に駆動させることも可能となる。この場合、駆動させるチャンネル数を制御することで送信音圧の調整を行うこともでき、各チャンネルの駆動タイミングを遅延制御することで、超音波の送信方向を制御することもできる。また、複数のチャンネルを、超音波を送信する送信用チャンネルと、超音波を受信する受信用チャンネルとに分けて用いてもよい。
【００２２】
［制御回路３０の構成］
図１に戻り、制御回路３０について説明する。制御回路３０は、上述したように、超音波デバイス２０の第一端子２５１及び第二端子２５２に接続されている。
この制御回路３０は、図１に示すように、スイッチング回路３１、シグナルグラウンド３２、送信回路部３３、受信回路部３４、及びマイコン３５（マイクロコントローラー）を備えている。
【００２３】
スイッチング回路３１は、超音波デバイス２０の第一端子２５１、送信回路部３３、及び受信回路部３４に接続されている。このスイッチング回路３１は、マイコン３５の制御に基づいて、第一端子２５１及び送信回路部３３を接続する送信接続と、第一端子２５１及び受信回路部３４を接続する受信接続とに切り替える。
シグナルグラウンド３２は、第二端子２５２に接続されるグラウンドであり、第二端子２５２を所定の基準電位に維持する。
【００２４】
送信回路部３３は、駆動パルス発生回路３３１、及び送信駆動回路３３２等を含む。
駆動パルス発生回路３３１は、マイコン３５により制御され、超音波デバイス２０により超音波送受処理を実施する開始タイミングで、所定周波数の所定波数の送信パルスを発生させて送信駆動回路３３２に出力する。
ここで、本実施形態の駆動パルス発生回路３３１は、第一パルス生成部に相当し、超音波デバイス２０から送信される超音波の発振周波数とは異なるパルス周波数の送信パルスを生成する。送信パルスの波数は特に限定されず、予め設定された数であればよく、例えば５波に設定される。
送信駆動回路３３２は、送信パルスの入力タイミングで、第一端子２５１に所定の電圧の駆動信号を出力する。これにより、各超音波トランスデューサー２４が駆動され、超音波デバイス２０から対象物１に向かって超音波が出力される。
【００２５】
受信回路部３４は、受信アンプ３４１、及びコンパレーター３４２等を含む。
受信アンプ３４１は、超音波デバイス２０において超音波を受信した際に出力される受信信号を、所定のゲインで増幅させる。
コンパレーター３４２は、受信アンプ３４１で増幅された受信信号のうち、信号電圧が所定の閾値以上となる受信信号を検出し、更に、検出した受信信号のゼロクロス点を検出する。つまり、コンパレーター３４２は、ゼロクロス検出部として機能する。そして、コンパレーター３４２は、ゼロクロス点が検出されたタイミングでゼロクロス検出パルスをマイコン３５に出力する。
【００２６】
マイコン３５は、各種プログラムや各種データが記憶されるメモリー３５１、及びメモリー３５１に記憶されたプログラムに記述された命令セットを実行するプロセッサー３５２を含む。そして、マイコン３５は、メモリーに３５１に記憶されたプログラムをプロセッサー３５２により実行することで、送信指令部３５３、受信設定部３５４、及び距離計測部３５５として機能する。
【００２７】
送信指令部３５３は、駆動パルス発生回路３３１に送信パルスの生成指令を出力する。送信パルスの生成指令は、超音波計測装置１０に接続された外部機器から入力された距離測定要求に基づいて行われる。例えば、本実施形態の超音波計測装置１０は、電子機器や産業機器に組み込むことが可能であり、これらの電子機器や産業機器の制御部からの距離測定要求が入力されることで、送信パルスの生成を指令する。なお、超音波計測装置１０に入力操作部を設けてもよく、ユーザーが入力操作部を操作して距離測定要求を入力してもよい。
【００２８】
受信設定部３５４は、超音波の送信タイミングから、ゼロクロス点の検出タイミングまでの時間（ゼロクロス検出時間）を算出する。ここで、本実施形態では、受信信号は、振動部２２１の１波分の振動により出力される信号であり、振動部２２１が振動することで、複数の受信信号が出力されるものとする。よって、受信設定部３５４は、各受信信号のゼロクロス点に対応するそれぞれのゼロクロス検出時間を算出する。
また、受信設定部３５４は、算出されたゼロクロス検出時間に基づいて、超音波の受信タイミングとするゼロクロス点（受信ゼロクロス点）を設定する。
なお、この受信ゼロクロス点の設定方法に関する詳細な説明については後述する。
【００２９】
距離計測部３５５は、超音波の送信タイミングから、受信ゼロクロス点に対応した受信タイミングまでのゼロクロス検出時間に基づいて、超音波デバイス２０から対象物１までの距離を算出する。
【００３０】
［超音波計測方法］
次に、超音波計測装置１０による超音波計測方法を含む距離測定処理について説明する。
図４は、本実施形態の距離測定処理を示すフローチャートである。図５は、本実施形態の超音波送受処理での送信パルス、受信信号、及びゼロクロス検出パルスのタイミングチャートである。なお、本実施形態で述べる超音波送受処理とは、所定波数分の超音波を送信し、その反射波を受信する処理である。本実施形態では、対象物１と超音波デバイス２０との距離を計測するために、１回の超音波送受処理を実施すればよい。
マイコン３５は、例えば外部機器や入力操作部から距離測定要求が入力されることで、スイッチング回路３１を送信接続に切り替える（ステップＳ１）。そして、送信指令部３５３は、駆動パルス発生回路３３１に、送信パルスの生成指令を出力し、超音波デバイス２０から対象物１に向かって超音波を送信させる（ステップＳ２）。つまり、駆動パルス発生回路３３１は、生成指令に基づいて、超音波の発振周波数とは異なるパルス周波数の所定波数の送信パルスを生成して、送信駆動回路３３２に出力する。これにより、送信駆動回路３３２は、送信パルスのパルス周波数と同じ周波数の周期駆動電圧を各超音波トランスデューサー２４に印加する。ここで、本実施形態では、パルス周波数は、超音波の発振周波数よりも高い周波数である例を示す。つまり、送信パルスは、超音波の周期よりも短い周期で出力される。
なお、図５では、パルス周波数が、超音波の発振周波数の１．２５倍であり、送信パルスの周期が、超音波の周期の０．８倍となる例であり、１回の超音波送受処理において駆動パルス発生回路３３１で生成される送信パルスの波数が５波である例を示す。
また、本実施形態では、駆動パルス発生回路３３１から送信パルスが送信されるタイミングを、送信タイミングとする。
【００３１】
次に、マイコン３５は、スイッチング回路３１を受信接続に切り替え（ステップＳ３）、超音波デバイス２０から受信回路部３４を介して入力されるゼロクロス検出パルスを受信する（ステップＳ４）。
具体的には、ステップＳ３により受信接続に切り替えると、超音波デバイス２０で超音波を受信した際に、超音波デバイス２０から出力された受信信号が受信回路部３４に入力される。この受信信号は、受信アンプ３４１により増幅された後、コンパレーター３４２に入力される。コンパレーター３４２は、入力された複数の受信信号のうち、閾値Ｖｔｈ以上の信号電圧の受信信号のゼロクロス点を検出し、ゼロクロス点の検出タイミングでマイコン３５にゼロクロス検出パルスを出力する。
【００３２】
ここで、本実施形態における超音波送受処理の受信信号の信号波形を図５に基づいて説明する。
本実施形態では、超音波の発振周波数の１．２５倍のパルス周波数の送信パルスが５波分だけ駆動パルス発生回路３３１から送信駆動回路３３２に入力される。よって、送信駆動回路３３２は、当該パルス周波数の周期駆動電圧を５波分だけ超音波デバイス２０に入力する。本実施形態では、超音波の発振周波数をｆとすると、超音波デバイス２０から対象物１に向かって、５波分の超音波が、１．２５ｆのパルス周波数で送信される。よって、超音波の発振周波数に対応する周期をＴとする場合、超音波の送信周期は０．８Ｔとなる。つまり、１波分の超音波が送信される前に次の超音波が送信される。
また、５波分の超音波が送信された後は、振動部２２１は、自身の弾性に応じて減衰振動する。減衰振動時の振動部２２１の振動周波数は、超音波トランスデューサー２４の共振周波数、つまり超音波の発振周波数ｆとなる。よって、減衰信号時の振動部２２１の振動周期はＴとなる。
圧電素子２３の駆動によって振動部２２１を振動させた際に出力される５波分の超音波の音圧は高く、それ以降は、残響成分によって超音波が送信されるものの、その音圧は圧電素子２３の駆動時に比べて小さくなり、かつ、時間と共に徐々に低下する。
【００３３】
一方、超音波トランスデューサー２４で超音波を受信する場合、反射超音波の受信により、振動部２２１が変位し、その後、振動部２２１の弾性に応じて共振振動し、残響成分となる。本実施形態では、対象物１により反射された最初の５波分の反射超音波は、パルス周波数（１．２５ｆ）に応じた周期（０．８Ｔ）で受信される。また、５波の反射超音波を受信した後は、振動部２２１の減衰振動による残響成分の受信信号が出力される。この残響成分の受信信号は、超音波の発振周波数（ｆ）に応じた周期（Ｔ）で出力される。
【００３４】
ここで、コンパレーター３４２から出力されるゼロクロス検出パルスの波数をＮとし、信号電圧が閾値Ｖｔｈを超えたｎ番目の受信信号に対応するゼロクロス検出時間ｔｎとする（変数ｎは、１からＮまでの整数）。また、時系列に沿った２つのゼロクロス点の時間差、つまり、ｎ番目に検出されるゼロクロス点のゼロクロス検出時間ｔｎと、ｎ＋１番目に検出されるゼロクロス点のゼロクロス検出時間ｔｎ＋１の時間差をΔｔｎとする。
よって、図５の例では、ｎがｎ＝１からｎ＝３までの間では、時間差Δｔｎは、０．８Ｔとなる。一方、ｎ＝４以降では、時間差Δｔｎは、Ｔとなる。時系列に沿った時間差Δｔｎに注目した際に、Δｔｎが最初にＴに変化した際のゼロクロス検出時間ｔｎに対応するゼロクロス点は、対象物１によって最後に反射された超音波が超音波デバイス２０で受信された際に出力された受信信号のゼロクロス点を意味する。
本実施形態では、受信設定部３５４は、この対象物１で最後に反射された超音波に対応する受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する。
【００３５】
すなわち、本実施形態では、マイコン３５の受信設定部３５４は、ステップＳ４によりゼロクロス検出パルスを受信すると、超音波の送信タイミングから、各ゼロクロス点までのゼロクロス検出時間ｔｎをそれぞれ算出する（ステップＳ５）。
【００３６】
この後、受信設定部３５４は、変数ｎを初期化してｎ＝１とし（ステップＳ６）、時系列に沿って連続する２つのゼロクロス検出時間の時間差Δｔｎ（＝ｔｎ＋１−ｔｎ）が、所定の設定範囲内となったか否かを判定する（ステップＳ７）。なお、この設定範囲は、超音波の周期Ｔに対して、所定のマージンαを持たせたＴ±αの範囲であり、例えば、α≦０．５Ｔの範囲から任意に設定することができる。
ステップＳ７でＮｏと判定される場合、受信設定部３５４は、変数ｎに１を加算して（ステップＳ８）、ステップＳ７に戻る。
ステップＳ７でＹｅｓと判定された場合、受信設定部３５４は、変数ｎに対応するｎ番目に受信した受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する（ステップＳ９）。つまり、受信設定部３５４は、時系列に沿った時間差Δｔｎを観察した際に、０．８ＴからＴに最初に切り替わるゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する。
【００３７】
以上の後、距離計測部３５５は、送信タイミングから受信ゼロクロス点までのゼロクロス検出時間と、音速と、に基づいて、超音波デバイス２０から対象物１までの距離を算出する（ステップＳ１０）。
【００３８】
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波計測装置１０は、超音波デバイス２０と、制御回路３０とを備える。超音波デバイス２０は、送信パルスに基づいて対象物１に対して超音波を送信し、対象物１で反射された反射超音波を受信する超音波送受処理を実施し、超音波の受信により受信信号を出力する。また、制御回路３０は、受信回路部３４及びマイコン３５を備えている。受信回路部３４は、コンパレーター３４２を含み、このコンパレーター３４２は、信号電圧が所定の閾値Ｖｔｈ以上となる受信信号のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部として機能する。また、マイコン３５は、受信設定部３５４として機能し、超音波送受処理により検出された複数のゼロクロス点から、超音波の受信タイミングとして用いる受信ゼロクロス点を設定する。この際、本実施形態では、受信設定部３５４は、１回の超音波送受処理により得られる複数のゼロクロス点の検出タイミングの時間差、つまり、ゼロクロス検出時間の時間差Δｔｎに基づいて、受信ゼロクロス点を設定する。
【００３９】
この場合、受信信号を高分解能で解析する高性能なＡ／Ｄ変換器が不要となる。また、対象物１と超音波デバイス２０との距離を測定毎に複数回の超音波送受処理を実施する必要がないので、大容量の記憶容量を有するメモリー３５１が不要となる。よって、本実施形態では、超音波計測装置１０の構成を簡素化でき、距離計測処理に係る処理時間も短縮することができる。
【００４０】
本実施形態では、駆動パルス発生回路３３１は、超音波の発振周波数とは異なるパルス周波数で、所定波数の送信パルスを生成する。そして、受信設定部３５４は、時系列に沿って連続する２つのゼロクロス点の検出タイミングの時間差Δｔｎをそれぞれ算出し、時系列に沿った時間差Δｔｎが最初に超音波の周期に基づいた所定の設定範囲（Ｔ±α）となるゼロクロス検出時間ｔｎに対応したゼロクロス点を、受信ゼロクロス点として設定する。
この場合、超音波デバイス２０から対象物１に向かって送信された所定波数の超音波のうち、最後の超音波を受信した際に出力される受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定することができる。これにより、測定毎にゼロクロス点の位置が変動することがなく、オフセット誤差が発生する不都合を抑制した精度の高い距離計測を行うことができる。
【００４１】
［第二実施形態］
次に、第二実施形態について説明する。
上記第一実施形態では、超音波の発振周波数とは異なるパルス周波数の送信パルスに基づいて超音波デバイス２０から超音波を送信させた。これに対して、第二実施形態では、超音波の発振周波数と同じパルス周波数を用いて、受信ゼロクロス点を設定する点で、上記第一実施形態と相違している。
なお、以降の説明にあたり、既に説明した事項については、同符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【００４２】
［超音波計測装置１０Ａの構成］
図６は、第二実施形態の超音波計測装置１０Ａの概略構成を示す図である。
第二実施形態の超音波計測装置１０Ａは、図６に示すように、第一実施形態と略同様の構成を有し、超音波デバイス２０と、制御回路３０Ａとを備えて構成されている。そして、第二実施形態の制御回路３０Ａでは、送信回路部３３Ａに駆動パルス発生回路３３１Ａが設けられている。
この駆動パルス発生回路３３１Ａは、第二パルス生成部に相当し、超音波の発振周波数と同じパルス周波数の送信パルスを生成する。なお、超音波の発振周波数とは、超音波トランスデューサー２４の共振周波数である。より具体的には、駆動パルス発生回路３３１Ａは、第一波数の送信パルスを生成し、所定波数分の送信パルスに相当する空時間の経過後に、第二波数の送信パルスを送信して、送信駆動回路３３２に出力する。
【００４３】
また、本実施形態では、マイコン３５の機能構成である送信指令部３５３Ａは、第一実施形態と同様に、駆動パルス発生回路３３１Ａに送信パルスのパルス生成指令を出力する。
この際、送信指令部３５３Ａは、空時間の長さを指令する空時間情報を含むパルス生成指令を駆動パルス発生回路３３１Ａに出力する。これにより、駆動パルス発生回路３３１Ａは、空時間の長さを変更して送信パルスを送信することができる。
なお、送信指令部３５３Ａは、パルス生成指令として、駆動パルス発生回路３３１Ａで生成する送信パルスの第一波数及び第二波数の値を変更する旨の波数変更指令を含ませてもよい。
【００４４】
さらに、マイコン３５の機能構成である受信設定部３５４Ａは、第一実施形態と同様に、超音波の送信タイミングから、ゼロクロス点の検出タイミングまでのゼロクロス検出時間を算出し、算出されたゼロクロス検出時間の時間差に基づいて、受信ゼロクロス点を設定する。受信設定部３５４Ａの詳細な動作の説明については、後述する。
その他の構成に関しては、第一実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。
【００４５】
［超音波計測方法］
次に、本実施形態の超音波計測装置１０Ａの超音波計測方法について説明する。
図７は、本実施形態の超音波計測装置１０Ａの距離測定処理を示すフローチャートである。図８及び図９は、本実施形態の超音波計測装置１０Ａの超音波送受処理での送信パルス、受信信号、及びゼロクロス検出パルスのタイミングチャートである。
【００４６】
図７に示すように、超音波計測装置１０Ａは、対象物１から超音波デバイス２０までの距離を計測する際、まず、空時間の延長回数に係る変数ｍを初期化し、ｍ＝０を設定する（ステップＳ２１）。
この後、第一実施形態と同様に、ステップＳ１の処理を実施し、マイコン３５は、スイッチング回路３１を送信接続に切り替える。
【００４７】
この後、送信指令部３５３Ａは、駆動パルス発生回路３３１Ａに送信パルスの生成指令を出力し、超音波デバイス２０から対象物１に向かって超音波を送信させる（ステップＳ２２）。
このステップＳ２２では、送信指令部３５３Ａは、超音波の周期をＴとして、（ｍ＋１）Ｔの空時間を設定する旨の空時間情報を含むパルス生成指令を駆動パルス発生回路３３１Ａに出力する。
したがって、駆動パルス発生回路３３１Ａは、超音波の発振周波数と同じパルス周波数の第一波数の送信パルスを生成した後、（ｍ＋１）波分の送信パルスに相当する空時間の経過後、超音波の発振周波数と同じパルス周波数の第二波数の送信パルスを生成する。これにより、超音波デバイス２０から、第一波数の超音波が送信された後、超音波の未送信期間を挟み、第二波数の超音波が送信される。初回の超音波送受処理では、空時間は、超音波の周期Ｔである。
なお、本実施形態の説明において、最初に送信される第一波数の超音波を先行波と称し、空時間の後に送信される第二波数の超音波を後追波と称す。ここでは、図８に示すように、第一波数を４波、第二波数を２波とした例を用いて説明する。
【００４８】
ステップＳ２２の後、マイコン３５は、ステップＳ３を実施して、スイッチング回路３１を受信接続に切り替え、ステップＳ４により、超音波デバイス２０から受信回路部３４を介して入力されるゼロクロス検出パルスを受信する。また、受信設定部３５４Ａは、ステップＳ５を実施して、各ゼロクロス点に対応するゼロクロス検出時間ｔｎをそれぞれ算出する。
【００４９】
ここで、本実施形態における超音波送受処理の受信信号の信号波形について説明する。
本実施形態では、まず、対象物１に反射された４波分の先行波が超音波デバイス２０で受信された後、２波分の後追波が受信されるまでの間、振動部２２１は、超音波トランスデューサー２４の共振周波数、つまり超音波の発振周波数で減衰振動する。
図８に示すタイミングチャートは、ｍ＝０の場合の一例である。この場合、先行波に対応した４波の受信信号が出力された後、振動部２２１の振動が減衰することで、５波目の受信信号が出力されるため、５波目の受信信号の信号電圧は減少する。そして、後追波の受信により出力される６波目及び７波目の受信信号では、再び信号電圧が増大する。
【００５０】
この際、減衰振動により出力される受信信号の信号電圧が閾値Ｖｔｈを下回れば、受信信号のゼロクロス点が検出されない。
図８の例では、４波の先行波の受信により、４波の受信信号が出力され、このうち、３波目の受信信号についてｎ＝１のゼロクロス点、４波目の受信信号についてｎ＝２のゼロクロス点として検出される。よって、ｎ＝１のゼロクロス点に対応するゼロクロス検出時間ｔ１、ｎ＝２のゼロクロス点に対応するゼロクロス検出時間ｔ２が算出される。また、５波目の受信信号は、振動部２２１の減衰振動による受信信号であり、信号電圧が閾値Ｖｔｈを下回るので、ゼロクロス点が検出されない。その後、２波の後追波の受信により、閾値Ｖｔｈ以上の信号電圧の６波目の受信信号、及び７波目の受信信号が出力され、ｎ＝３のゼロクロス点に対応するゼロクロス検出時間ｔ３、ｎ＝４のゼロクロス点に対応するゼロクロス検出時間ｔ４が算出される。
したがって、時系列に沿って連続する２つのゼロクロス検出時間ｔｎの時間差Δｔｎ（ｔｎ＋１−ｔｎ）に着目すると、超音波の周期をＴとして、Δｔ１＝Ｔ、Δｔ２＝２Ｔ、Δｔ３＝Ｔとなる。Δｔｎが２Ｔに変化した際のゼロクロス検出時間ｔｎに対応するゼロクロス点は、先行波のうち対象物１で最後に反射された超音波が超音波デバイス２０で受信された際に出力された受信信号のゼロクロス点を意味する。
本実施形態では、受信設定部３５４Ａは、先行波のうち対象物１で最後に反射された超音波に対応する受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する。
【００５１】
しかしながら、本実施形態では、先行波と後追波との間で出力される受信信号の信号電圧が、閾値Ｖｔｈ以上となる場合がある。この場合、時間差Δｔｎが所定値以上となるゼロクロス点が検出されない。
このような場合、図９に示すように、空時間を増やして、再測定を実施する。図９は、ｍ＝０の場合に、時間差Δｔｎが所定値以上となるゼロクロス点が検出されず、ｍ＝１として、再測定を実施した際のタイミングチャートの例である。
図９に示すように、空時間を２Ｔとすることで、先行波に対応する受信信号と、後追波に対応する受信信号との間に、２波分の減衰振動に基づく受信信号が出力される。これにより、６波目の受信信号、つまり、減衰振動に基づく２波目の受信信号が閾値Ｖｔｈを下回ると、ｎ＝４のゼロクロス点に対応するゼロクロス検出時間ｔ４と、ｎ＝５のゼロクロス点に対応するゼロクロス検出時間ｔ５との時間差Δｔ４が、所定値以上となる。
ただし、この場合、時間差Δｔｎが所定値以上となるゼロクロス検出時間ｔｎに対応するゼロクロス点を、受信ゼロクロス点とすると、空時間によって、受信ゼロクロス点が変動し、オフセット誤差が発生する。よって、空時間をｍ×Ｔだけ増大させた場合、受信設定部３５４Ａは、ｎ−ｍ番目のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する。
【００５２】
このため、本実施形態では、マイコン３５の受信設定部３５４Ａは、ステップＳ６により、変数ｎを初期化してｎ＝１とした後、時系列に沿って連続する２つのゼロクロス検出時間の時間差Δｔｎ（＝ｔｎ＋１−ｔｎ）が所定値以上となったか否かを判定する（ステップＳ２３）。この所定値は、超音波の周期Ｔに基づいて設定される値であり、例えば、周期Ｔの２倍よりも所定のマージンβだけ小さい値（２Ｔ−β）を用いることができる。
【００５３】
ステップＳ２３においてＮｏと判定される場合、ステップＳ８により変数ｎに１を加算し、変数ｎが最大値Ｎとなったか否かを判定する（ステップＳ２４）。最大値Ｎは、コンパレーター３４２から出力されるゼロクロス検出パルスの総数、つまり、検出されたゼロクロス点の総数である。
ステップＳ２４でＮｏと判定される場合は、ステップＳ２３に戻る。
一方、ステップＳ２４でＹｅｓと判定される場合は、時間差Δｔｎが所定値以上となるゼロクロス点が検出されない場合であり、空時間に対応して出力される受信信号が閾値Ｖｔｈ以上となることを意味する。この場合、送信指令部３５３Ａは、変数ｍに１を加算し（ステップＳ２５）、ステップＳ１に戻る。つまり、空時間を超音波の１周期分だけ増大させて、超音波送受処理を再度実施する。
【００５４】
そして、ステップＳ２３でＹｅｓと判定される場合、つまり、時間差Δｔｎが所定値以上となるゼロクロス点が検出された場合、受信設定部３５４Ａは、変数ｎに対応するｎ番目のゼロクロス点より、ｍ個前のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する（ステップＳ２６）。
例えば、ｍ＝０の場合では、図８に示すように、Δｔｎが所定値以上となるｎ＝２のゼロクロス点、つまり、４波目の受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する。また、ｍ＝１の場合は、図９に示すように、Δｔｎが所定値以上となるｎ＝４のゼロクロス点から１つ前のｎ＝３のゼロクロス点、つまり、４波目の受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する。
【００５５】
以上の後、ステップＳ１０により、距離計測部３５５は、送信タイミングから受信ゼロクロス点までのゼロクロス検出時間と、音速と、に基づいて、超音波デバイス２０から対象物１までの距離を算出する。
【００５６】
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波計測装置１０Ａは、第一実施形態と同様、超音波デバイス２０と、制御回路３０Ａとを備える。そして、本実施形態の制御回路３０Ａの送信回路部３３Ａは、駆動パルス発生回路３３１Ａを有し、この駆動パルス発生回路３３１Ａは、第一波数の送信パルスを生成し、１波の送信パルスに相当する空時間の経過後に、第二波数の送信パルスを生成する。また、マイコン３５の受信設定部３５４Ａは、時系列に沿って連続する２つのゼロクロス点の時間差Δｔｎ（＝ｔｎ＋１−ｔｎ）をそれぞれ算出し、時間差Δｔｎが超音波の周期Ｔに基づく所定値以上となる最初のゼロクロス点を、受信ゼロクロス点として設定する。
【００５７】
この場合、対象物１で反射された先行波に含まれる最後の超音波を受信した際の受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定することができる。これにより、測定毎にゼロクロス点の位置が変動することがなく、オフセット誤差が発生する不都合を抑制した精度の高い距離計測を行うことができる。
また、第一実施形態と同様に、受信信号を高分解能で解析する高性能なＡ／Ｄ変換器や、大容量のメモリー３５１が不要であり、超音波計測装置１０Ａの構成を簡素化でき、距離計測処理に係る処理時間も短縮することができる。
【００５８】
また、本実施形態では、駆動パルス発生回路３３１から出力される送信パルスのパルス周波数は、超音波の発振周波数と同じ周波数である。よって、超音波デバイス２０で超音波を受信した際の受信信号の波形が安定し、測定精度の向上を図れる。
【００５９】
本実施形態では、時間差Δｔｎが所定値以上となるゼロクロス点が検出されなかった場合、送信指令部３５３Ａは、駆動パルス発生回路３３１Ａに空時間を１周期分増大させるパルス生成指令を出力する。つまり、駆動パルス発生回路３３１Ａは、第一波数の送信パルスの送信後の空時間を１周期分増大させる。
これにより、先行波に対応する受信信号と、後追波に対応する受信信号との間で出力される、振動部２２１の減衰振動に応じた受信信号の信号電圧が低下する。よって、先行波の最後の超音波を受信した際に出力される受信信号のゼロクロス点を精度よく検出することが可能となる。
【００６０】
さらに、本実施形態では、駆動パルス発生回路３３１Ａにより、ｍ波の前記送信パルスに相当する時間だけ空時間を増大させた場合、つまり、空時間が（ｍ＋１）Ｔである場合に、受信設定部３５４Ａは、時系列に沿った時間差Δｔｎが所定値以上となる最初のゼロクロス点よりｍ個前の受信信号のゼロクロス点を、受信ゼロクロス点として設定する。
先行波の受信から後追波の受信までの間の受信信号は減衰振動に応じて検出される信号であるため、空時間の時間を１波分（１周期）ずつ増大させると、受信信号が閾値未満となるタイミングは後ろにずれ込む。よって、ｍ＋１回において、閾値以上となる時間差Δｔｎが検出された際に、ｎ−ｍ番目の受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点とすることで、オフセット誤差の発生を抑制できる。
【００６１】
［第三実施形態］
次に、第三実施形態について説明する。
上記第二実施形態では、先行波の超音波の送信の後、空時間の経過後に、後追波の超音波を送信した。これに対して、第三実施形態では、先行波と後追波との間に、超音波の発振周波数よりも高いパルス周波数の送信パルスを送信する点で、第二実施形態と相違している。
【００６２】
［超音波計測装置１０Ｂの構成］
図１０は、第三実施形態の超音波計測装置１０Ｂの概略構成を示す図である。
本実施形態の超音波計測装置１０Ｂは、図１０に示すように、第一実施形態と略同様の構成を有し、超音波デバイス２０と、制御回路３０Ｂとを備えて構成されている。そして、第三実施形態の制御回路３０Ｂでは、送信回路部３３Ｂに駆動パルス発生回路３３１Ｂが設けられている。
この駆動パルス発生回路３３１Ｂは、第三パルス生成部に相当し、超音波の発振周波数と同じ第一パルス周波数で、第三波数の送信パルスを生成した後、発振周波数よりも高い第二パルス周波数で、第四波数の送信パルスを生成し、その後、第一パルス周波数で第五波数の送信パルスを生成して、送信駆動回路３３２に出力する。
本実施形態では、最初に送信される第三波数の超音波を先行波、次に送信される第四波数の超音波を中間波、中間波の次に送信される第五波数の超音波を後追波と称する。
【００６３】
また、本実施形態では、マイコン３５の機能構成である送信指令部３５３Ｂは、駆動パルス発生回路３３１Ｂに送信パルスのパルス生成指令を出力する。この際、送信指令部３５３Ｂは、パルス生成指令として、駆動パルス発生回路３３１Ｂで生成する送信パルスの第三波数、第四波数、及び第五波数の値を変更する旨の波数変更指令を含ませてもよい。
【００６４】
さらに、マイコン３５の機能構成である受信設定部３５４Ｂは、第一実施形態と同様に、超音波の送信タイミングから、ゼロクロス点の検出タイミングまでのゼロクロス検出時間を算出し、算出されたゼロクロス検出時間の時間差に基づいて、受信ゼロクロス点を設定する。受信設定部３５４Ｂの詳細な動作の説明については、後述する。
その他の構成に関しては、第一実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。
【００６５】
［超音波計測方法］
次に、本実施形態の超音波計測装置１０Ｂの超音波計測方法について説明する。
図１１は、本実施形態の超音波計測装置１０Ｂの距離測定処理を示すフローチャートである。図１２は、本実施形態の超音波計測装置１０Ｂの超音波送受処理での送信パルス、受信信号、及びゼロクロス検出パルスのタイミングチャートである。
【００６６】
図１１に示すように、超音波計測装置１０Ｂでは、第一実施形態と同様に、ステップＳ１の処理を実施し、マイコン３５は、スイッチング回路３１を送信接続に切り替える。
この後、送信指令部３５３Ｂは、駆動パルス発生回路３３１Ｂに送信パルスの生成指令を出力し、超音波デバイス２０から対象物１に向かって超音波を送信させる（ステップＳ３１）。
このステップＳ３１では、送信指令部３５３Ｂは、先行波の周波数及び波数、中間波の周波数及び波数、後追波の周波数及び波数を指示するパルス生成指令を駆動パルス発生回路３３１Ｂに出力する。
これにより、駆動パルス発生回路３３１Ｂは、第三波数の第一パルス周波数の送信パルス、第四波数の第二パルス周波数の送信パルス、第五波数の第一パルス周波数の送信パルスを順に超音波デバイス２０に出力する。
ここで、上述したように、第一パルス周波数は、超音波の発振周波数と同じ周波数ｆである。また、第二パルス周波数を超音波の発振周波数のｋ倍とする場合、第四波数は、ｋ波となる。つまり、中間波が発振される時間は、超音波の周期Ｔと同一となる。本実施形態では、第二パルス周波数は２ｆであり、時間Ｔの間に２波の送信パルスが送信される。
なお、第三波数及び第五波数は任意の値が設定され、例えば本実施形態では、第三波数は４波、第五波数は２波である。
【００６７】
ステップＳ３１の後、マイコン３５は、ステップＳ３を実施して、スイッチング回路３１を受信接続に切り替え、ステップＳ４により、超音波デバイス２０から受信回路部３４を介して入力されるゼロクロス検出パルスを受信する。また、受信設定部３５４Ａは、ステップＳ５を実施して、各ゼロクロス点に対応するゼロクロス検出時間ｔｎをそれぞれ算出する。
【００６８】
ここで、本実施形態における超音波送受処理の受信信号の信号波形について説明する。
超音波トランスデューサー２４は、駆動電圧として、当該超音波トランスデューサー２４の共振周波数と同じ周波数ｆの周期駆動電圧が入力されることで、振動部２２１が共振振動して超音波を出力する。一方、中間波のように、共振周波数よりも高い周波数の周期駆動電圧が入力されると、振動部２２１は共振せず、超音波の出力音圧が小さくなる。
さらに、本実施形態では、Ｔ／２周期で反射超音波が超音波デバイス２０に入力されるので、対象物１で反射された中間波を受信した際に、振動部２２１の共振がさらに阻害され、振動部２２１の振動振幅は小さくなる。このため、図１２に示すように、本実施形態では、対象物１で反射された中間波を受信した際に出力される受信信号の信号電圧は、対象物１で反射された先行波や後追波を受信した場合に比べて低下する。
【００６９】
図１２に示す例では、対象物１を反射した４波の先行波の受信により、４波の受信信号が出力され、このうち、３波目の受信信号、４波目の受信信号が閾値Ｖｔｈ以上となる。また、対象物１を反射した中間波により、５波目及び６波目の受信信号が得られるが、いずれも、信号電圧は閾値Ｖｔｈ未満となる。そして、対象物１を反射した２波の後追波の受信により、７波目及び８波目の受信信号が得られ、いずれも信号電圧が閾値Ｖｔｈ以上となる。したがって、先行波により、ｎ＝１のゼロクロス点に対応するゼロクロス検出時間ｔ１、ｎ＝２のゼロクロス点に対応するゼロクロス検出時間ｔ２が算出される。また、後追波の受信により、ｎ＝３のゼロクロス点のゼロクロス検出時間ｔ３、及び、ｎ＝４のゼロクロス点のゼロクロス検出時間ｔ４が算出される。
【００７０】
このため、時系列に沿って連続する２つのゼロクロス検出時間ｔｎの時間差Δｔｎ（ｔｎ＋１−ｔｎ）は、超音波の周期をＴとして、Δｔ１＝Ｔ、Δｔ２＝２Ｔ、Δｔ３＝Ｔとなる。Δｔｎが２Ｔに変化した際のゼロクロス検出時間ｔｎに対応するゼロクロス点は、先行波のうち対象物１で最後の反射された超音波が超音波デバイス２０で受信された際に出力された受信信号のゼロクロス点を意味する。
本実施形態では、第二実施形態と同様に、受信設定部３５４Ｂは、先行波のうち対象物１で最後に反射された超音波に対応する受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する。
【００７１】
すなわち、本実施形態では、マイコン３５の受信設定部３５４Ｂは、ステップＳ６により、変数ｎを初期化してｎ＝１とした後、時系列に沿って連続する２つのゼロクロス検出時間の時間差Δｔｎが所定値以上となったか否かを判定する（ステップＳ３２）。この所定値は、超音波の周期Ｔに基づいて設定される値であり、例えば、第二実施形態と同様に、周期Ｔの２倍よりも所定のマージンβだけ小さい値（２Ｔ−β）を用いることができる。
【００７２】
ステップＳ３２においてＮｏと判定される場合、受信設定部３５４Ｂは、ステップＳ８の処理により変数ｎに１を加算し、ステップＳ３２に戻る。
ステップＳ３２でＹｅｓと判定された場合、受信設定部３５４Ｂは、変数ｎに対応するｎ番目に検出したゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する（ステップＳ３３）。
【００７３】
以上の後、ステップＳ１０により、距離計測部３５５は、送信タイミングから受信ゼロクロス点までのゼロクロス検出時間と、音速と、に基づいて、超音波デバイス２０から対象物１までの距離を算出する。
【００７４】
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の超音波計測装置１０Ｂは、第一実施形態と同様、超音波デバイス２０と、制御回路３０Ｂとを備える。そして、本実施形態の制御回路３０Ｂの送信回路部３３Ｂは、駆動パルス発生回路３３１Ｂを有し、この駆動パルス発生回路３３１Ｂは、超音波の発振周波数と同じ第一パルス周波数で第三波数の送信パルスを生成した後、発振周波数よりも高い第二パルス周波数で第四波数の送信パルスを生成し、その後、第一パルス周波数で第五波数の送信パルスを生成する。また、マイコン３５の受信設定部３５４Ｂは、時系列に沿って連続する２つのゼロクロス点の時間差Δｔｎ（＝ｔｎ＋１−ｔｎ）をそれぞれ算出し、時間差Δｔｎが超音波の周期Ｔに基づく所定値以上となる最初のゼロクロス点を、受信ゼロクロス点として設定する。
これにより、第二実施形態と同様に、対象物１で反射された先行波の最後の超音波を受信した際に出力される受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定することができる。このため、測定毎にゼロクロス点の位置が変動することがなく、オフセット誤差が発生する不都合を抑制した精度の高い距離計測を行うことができる。
また、第一実施形態と同様に、受信信号を高分解能で解析する高性能なＡ／Ｄ変換器や、大容量のメモリー３５１が不要であり、超音波計測装置１０Ｂの構成を簡素化でき、距離計測処理に係る処理時間も短縮することができる。
【００７５】
［変形例］
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
【００７６】
第一実施形態において、駆動パルス発生回路３３１は、超音波の発振周波数よりも高いパルス周波数の送信パルスを出力したが、発振周波数よりも低いパルス周波数の送信パルスを出力してもよい。この場合でも、対象物１からの反射超音波の受信に基づいた受信信号が送信パルスの周期に応じて検出され、残響成分による受信信号が超音波の発振周期で検出される。よって、超音波デバイス２０から対象物１に向かって送信された所定波数の超音波のうち、最後の超音波を受信した際に出力される受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定することができる。
【００７７】
第一実施形態において、送信パルスの送信波数を５波としているが、これに限定されない。つまり、送信パルスのパルス周波数に応じた周期の受信信号が２つ以上検出されればよい。例えば、各超音波に対する受信信号の信号電圧が十分に大きく、１波目の受信信号から信号電圧が閾値を超えるような場合、送信回路部３３は、２波の送信パルスを生成して、超音波デバイス２０から２波分の超音波を出力してもよい。
また、第二実施形態における第一波数、第三実施形態における第三波数においても同様であり、送信パルスの波数は４波に限定されない。例えば、１波目の受信信号から信号電圧が閾値を超えるような場合、送信回路部３３は、２波の送信パルスを生成してもよい。
さらに、第二実施形態の第二波数、第三実施形態の第五波数に関しても、送信パルスの波数は特に限定されない。例えば、十分な大きさの信号電圧が得られるのであれば、１波の送信パルスのみでもよい。
【００７８】
第三実施形態において、駆動パルス発生回路３３１Ｂは、中間波として、超音波の発振周波数の２倍である第二パルス周波数の送信パルスを２波分生成する例を示したが、これに限定されない。超音波トランスデューサー２４の共振周波数よりも高く、振動部２２１の共振振動を阻害する周波数であれば、いかなる周波数であってもよい。
【００７９】
また、第三実施形態においても、第二実施形態と同様に、時間差Δｔｎが所定値以上となるゼロクロス点が検出されなかった場合に、中間波に対する送信パルスの波数を増大させ、受信信号の信号電圧をさらに低下させるようにしてもよい。この場合、第二実施形態と同様、増大させた第四波数の数と、第二パルス周波数とに基づいて、ゼロクロス点の検出位置を前に移動させることが好ましい。
【００８０】
具体的には、第二パルス周波数が、超音波の発振周波数のｋ倍である場合、第二パルス周波数の送信パルスの第四波数の初期値はｋ波となる。時間差Δｔｎが所定値以上となるゼロクロス点が検出されなかった場合に、送信指令部３５３Ｂは、駆動パルス発生回路３３１Ｂから出力される中間波の第四波数をｋ個増大させる。これにより、先行波の送信後から、後追波の送信前までの間の時間が、超音波の周期Ｔだけ増大する。よって、再測定を実施した回数がｍである場合、第四波数はｋ（ｍ＋１）に増大されることになり、先行波の送信後から後追波の送信前までの間の時間は、（ｍ＋１）Ｔとなる。この場合、受信設定部３５４Ｂは、第二実施形態と同様に、閾値以上となる時間差Δｔｎを検出すると、ｎ−ｍ番目のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する。これにより、受信ゼロクロス点の位置を、先行波の最後の超音波を受信したタイミングに揃えることができ、オフセット誤差の発生を抑制できる。
【００８１】
第一実施形態では、受信設定部３５４は、対象物１で最後に反射された超音波に対応する受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定した。このため、受信設定部３５４は、時系列に沿った複数の時間差Δｔｎのうち、時間差Δｔｎが最初に所定範囲となるゼロクロス検出時間ｔｎに対応するゼロクロス点を受信ゼロクロス点とした。
これに対し、例えば、対象物１で最後からｘ番目に反射された超音波に対応する受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する場合では、時間差Δｔｎが最初に所定範囲となるゼロクロス点からｘ個前のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定してもよい。または、残響成分のｙ個目の受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定してもよく、この場合では、時間差Δｔｎが最初に所定範囲となるゼロクロス点からｙ個後のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定してもよい。
つまり、受信設定部３５４は、時系列に沿った複数の時間差のうち、所定の設定範囲となる時間差に基づいたゼロクロス点を、受信ゼロクロス点として設定してもよく、時系列に沿った複数の時間差のうち、所定の設定範囲となる時間差に基づいたゼロクロス点を基準として、受信ゼロクロス点を設定してもよい。
【００８２】
なお、第二実施形態及び第三実施形態においても同様である。時系列に沿った複数の時間差Δｔｎのうち、最初に所定値以上となるゼロクロス点を、受信ゼロクロス点としているが、これに限定されない。例えば、時間差Δｔｎが最初に所定値以上となるゼロクロス点からｘ個前のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定してもよい。
また、時間差Δｔｎが所定値以上となるゼロクロス点が検出された後、時間差Δｔｎが再び所定値未満となるゼロクロス点が検出された際のゼロクロス点を受信ゼロクロス点としてもよい。或いは、時間差Δｔｎが所定値以上となるゼロクロス点が検出された後、時間差Δｔｎが再び所定値未満となるゼロクロス点からｙ個後のゼロクロス点を受信ゼロクロス点としてもよい。つまり、受信設定部３５４Ａ，３５４Ｂは、時系列に沿った時間差が超音波の周期に基づく所定値以上となるゼロクロス点を、受信ゼロクロス点として設定してもよく、時間差が所定値以上となるゼロクロス点を基準として、受信ゼロクロス点を設定してもよい。
【００８３】
上記各実施形態で説明した超音波計測装置１０，１０Ａ，１０Ｂは、対象物１までの距離を計測する単体の計測センサーとして用いてもよく、各種電子機器や産業機器などに組み込んで用いてもよい。
例えば、インクジェットプリンター等の印刷装置に、超音波計測装置１０，１０Ａ，１０Ｂを組み込んでもよい。この場合、印刷媒体に対してインクを吐出するインクヘッドが搭載されるキャリッジに、超音波計測装置１０，１０Ａ，１０Ｂを搭載し、キャリッジと印刷媒体との間の距離を測定してもよい。あるいは、インクタンクに、超音波計測装置１０，１０Ａ，１０Ｂを設け、インクタンク内の液面の位置を計測してもよい。
また、ロボットアーム等の産業機器において、対象物を把持するアームに超音波計測装置１０，１０Ａ，１０Ｂを組み込み、アームから対象物までの距離を計測してもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１…対象物、１０，１０Ａ，１０Ｂ…超音波計測装置、２０…超音波デバイス（超音波送受部）、３０，３０Ａ，３０Ｂ…制御回路、３１…スイッチング回路、３２…シグナルグラウンド、３３，３３Ａ，３３Ｂ…送信回路部、３４…受信回路部、３５…マイコン、２５１…第一端子、２５２…第二端子、３３１…駆動パルス発生回路（第一パルス生成部）、３３１Ａ…駆動パルス発生回路（第二パルス生成部）、３３１Ｂ…駆動パルス発生回路（第三パルス生成部）、３３２…送信駆動回路、３４１…受信アンプ、３４２…コンパレーター（ゼロクロス検出部）、３５１…メモリー、３５２…プロセッサー、３５３，３５３Ａ，３５３Ｂ…送信指令部、３５４，３５４Ａ，３５４Ｂ…受信設定部、３５５…距離計測部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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