(57)【要約】【課題】回路の規模をできるだけ抑えつつ、透明な対象物を検出する。【解決手段】超音波送信部ＵＴが、対象物に向けて超音波を送信する。直線状に配列された超音波受信部ＵＲ１〜ＵＲ３が、対象物からの反射波をそれぞれ受信する。加算部１１は、超音波受信部ＵＲ１〜ＵＲ３の出力信号毎に異なり、かつ超音波受信部の配列に沿って第１の電圧分布を有するように重み付け値を与えて加算する。加算部１２は、超音波受信部ＵＲ１〜ＵＲ３の出力信号毎に異なり、かつ超音波受信部の配列に沿って第２の電圧分布を有するように重み付け値を与えて加算する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に向けて超音波を送信する送信部と、
直線状に配列されており、前記対象物からの反射波をそれぞれ受信する複数の受信部と、
前記複数の受信部の出力信号が入力され、前記複数の受信部の出力信号毎に異なり、かつ前記複数の受信部の配列に沿って第１の電圧分布を有するように予め定められた重み付け値を与えて加算する第１の加算部と、
前記複数の受信部の出力信号が入力され、前記複数の受信部の出力信号毎に異なり、かつ前記複数の受信部の配列に沿って第２の電圧分布を有するように予め定められた重み付け値を与えて加算する第２の加算部と、
を備える、超音波近接覚センサ装置。
【請求項２】
前記第１の加算部の加算結果と前記第２の加算部の加算結果との差を、前記第１の加算部の加算結果と前記第２の加算部の加算結果との和で除した値を計算する計算部をさらに備え、前記計算部が計算した値により、前記複数の受信部のうち、どの受信部から出力信号が出力されているかを特定する、請求項１に記載の超音波近接覚センサ装置。
【請求項３】
前記計算部が計算した値の変化に基づき、前記対象物の形状を推定する、請求項２に記載の超音波近接覚センサ装置。
【請求項４】
前記複数の受信部のいずれかから出力信号が出力されていることを示す総電圧値の立ち上がりタイミング及び前記総電圧値の立ち下がりタイミングを検出する検出部と、
前記総電圧値の立ち上がりタイミングから、前記総電圧値の立ち下がりタイミングまで、前記位置出力値を順次サンプルホールドするサンプルホールド部と、
を更に備え、
前記サンプルホールド部の出力値の変化に基づき、前記対象物の形状を推定する、請求項３に記載の超音波近接覚センサ装置。
【請求項５】
前記検出部は、前記総電圧値が、予め定められた閾値を超えたタイミングを、前記総電圧値の立ち上がりタイミングとして検出する、請求項４に記載の超音波近接覚センサ装置。
【請求項６】
前記送信部が超音波の送信を開始した送信タイミングから、前記総電圧値の立ち上がりタイミングまでの時間を計測する時間計測部を更に備え、
前記対象物から該対象物に最も近い受信部までの距離である最近傍点距離を求める請求項４又は５に記載の超音波近接覚センサ装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の加算部は、
前記複数の受信部それぞれに対応して設けられ対応する受信部の出力信号が印加され、かつ前記重み付け値に基づく抵抗値を有する複数の抵抗素子と、
前記複数の抵抗素子と共に加算回路を構成する演算増幅器と、
をそれぞれ備える、請求項１から６のいずれか一つに記載の超音波近接覚センサ装置。
【請求項８】
前記複数の受信部それぞれに対応して設けられておりかつ該受信部の出力信号について整流を行う整流回路と、前記整流回路によって整流された信号について包絡線検波を行う包絡線検波回路と、
を更に備え、
前記第１の加算部は、前記包絡線検波回路によって包絡線検波を行った信号に、前記複数の受信部の出力信号毎に異なり、かつ前記複数の受信部の配列に沿って第１の電圧分布を有するように予め定められた重み付け値を与えて加算し、
前記第２の加算部は、前記包絡線検波回路によって包絡線検波を行った信号に、前記複数の受信部の出力信号毎に異なり、かつ前記複数の受信部の配列に沿って第２の電圧分布を有するように予め定められた重み付け値を与えて加算する、請求項１から７のいずれか一つに記載の超音波近接覚センサ装置。
【請求項９】
前記複数の受信部は、等間隔で、直線状に配列されている、請求項１から８のいずれか一つに記載の超音波近接覚センサ装置。
【請求項１０】
送信部が、対象物に向けて超音波を送信する工程と、
直線状に配列された複数の受信部が、前記対象物からの反射波をそれぞれ受信する工程と、
第１の加算部が、前記複数の受信部の出力信号毎に異なり、かつ前記複数の受信部の配列に沿って第１の電圧分布を有するように予め定められた重み付け値を与えて加算する前記複数の受信部それぞれの出力信号に重み付けをして加算する工程と、
第２の加算部が、前記複数の受信部の出力信号毎に異なり、かつ前記複数の受信部の配列に沿って第２の電圧分布を有するように予め定められた重み付け値を与えて加算する前記複数の受信部それぞれの出力信号に重み付けをして加算する工程と、
計算部が、前記第１の加算部の加算結果と前記第２の加算部の加算結果との差を、前記第１の加算部の加算結果と前記第２の加算部の加算結果との和で除した値を計算する工程と、
前記計算部が計算した値により、前記複数の受信部のうち、どの受信部から出力信号が出力されているかを特定し、前記対象物の形状を推定する工程と、
を含む、対象物検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波近接覚センサ装置、対象物検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近接覚センサによって対象物の中心位置を検出する技術が非特許文献１に記載されている。非特許文献１では、Ｘ軸方向に５個、Ｙ軸方向に５個、合計２５個のフォトセンサを平面状に並べたものを利用する。そして、赤外線を対象物に当て、反射した赤外線の量で各フォトセンサに流れる電流量が変わることを利用し、フォトセンサに対象物が近づくことで発生する電流分布の中心位置を求める。電流分布の中心位置を求めるには、電流分布のｘ成分の１次モーメント、ｙ成分の１次モーメントをそれぞれ求め、フォトセンサに流れる電流の総和で除する。
【０００３】
ところで、複数の超音波センサを利用する技術として、センサの数を増やした場合でもユーザへの注意負担を抑制する技術が特許文献１に記載されている。特許文献１では、複数の超音波センサそれぞれについて、障害物までの距離を個別に計測し、障害物の位置する方向を音声報知する。
【０００４】
また、超音波センサの出力に対する演算を簡単に行う技術が特許文献２に記載されている。特許文献２では、超音波センサの出力をＡ／Ｄ変換部によってデジタル信号に変換し、デジタル変換された信号に基づいて距離の判定を行っている。
【０００５】
さらに、複数の超音波センサによる受信信号を足し合わせて感度を高める技術が特許文献３に記載されている。特許文献３では、複数の超音波センサによる受信信号をそれぞれ半波又は全波整流した後、各包絡線信号を加算して受信信号としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−０３２３５２号公報
【特許文献２】特開２０１０−０３８５５１号公報
【特許文献３】特開平０７−１４６３５５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】下条誠、天本晴之：“２次元状に配置した近接覚センサによる対象物の中心位置検出方式”，第２４回日本ロボット学会学術講演会’０６公演論文集，１Ｃ２４，２００６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１に記載の技術によると、光センサを用いるため、ガラス等の透明な対象物を検出できなかったり、絶対距離を算出できなかったりする問題がある。また、非特許文献１に記載の技術によると、対象物までの距離を反射光の強度によって算出するので、対象の表面性状又は外乱光に影響を受けるため、絶対距離を得ることはできないという問題がある。
【０００９】
特許文献１に記載の技術によると、複数の超音波センサを用いて個別に計測を行うため、超音波センサの数が多い場合、配線の数が多くなり、回路の規模が大きくなったり、コストの上昇を招いたりするという問題がある。
【００１０】
また、特許文献２に記載の技術によると、超音波センサの数だけＡ／Ｄ変換部が必要になるので、超音波センサの数が多い場合、回路の規模が大きくなったり、コストの上昇を招いたりするという問題がある。
【００１１】
特許文献３に記載の技術は、超音波センサの感度を向上させることができるにすぎない。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は回路の規模をできるだけ抑えつつ、透明な対象物を検出することのできる超音波近接覚センサ装置、対象物検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のある形態による超音波近接覚センサ装置は、対象物に向けて超音波を送信する送信部と、直線状に配列されており、前記対象物からの反射波をそれぞれ受信する複数の受信部と、前記複数の受信部の出力信号が入力され、前記複数の受信部の出力信号毎に異なり、かつ前記複数の受信部の配列に沿って第１の電圧分布を有するように予め定められた重み付け値を与えて加算する第１の加算部と、前記複数の受信部の出力信号が入力され、前記複数の受信部の出力信号毎に異なり、かつ前記複数の受信部の配列に沿って第２の電圧分布を有するように予め定められた重み付け値を与えて加算する第２の加算部と、を備える。
上記構成によれば、超音波を用いた近接覚センサ装置を実現でき、回路の規模をできるだけ抑えつつ、透明な対象物を検出できる。
【００１４】
また、前記第１の加算部の加算結果と前記第２の加算部の加算結果との差を、前記第１の加算部の加算結果と前記第２の加算部の加算結果との和で除した値を計算する計算部をさらに備え、前記計算部が計算した値により、前記複数の受信部のうち、どの受信部から出力信号が出力されているかを特定することが望ましい。
上記構成によれば、複数の超音波受信部のうち、どの超音波受信部から出力信号が出力されているかを特定できる。
【００１５】
前記計算部が計算した値の変化に基づき、前記対象物の形状を推定するようにしてもよい。
上記構成によれば、計算部が計算した値の時間の経過に伴う変化に基づいて、対象物の形状を推定することができる。
【００１６】
また、前記複数の受信部のいずれかから出力信号が出力されていることを示す総電圧値の立ち上がりタイミング及び前記総電圧値の立ち下がりタイミングを検出する検出部と、前記総電圧値の立ち上がりタイミングから、前記総電圧値の立ち下がりタイミングまで、前記位置出力値を順次サンプルホールドするサンプルホールド部と、を更に備え、前記サンプルホールド部の出力値の変化に基づき、前記対象物の形状を推定することが望ましい。
上記構成によれば、サンプルホールド部の出力値の時間の経過に伴う変化に基づいて、対象物の形状を推定することができる。
【００１７】
前記検出部は、前記総電圧値が、予め定められた閾値を超えたタイミングを、前記総電圧値の立ち上がりタイミングとして検出するようにしてもよい。
上記構成によれば、総電圧値の立ち上がりタイミングを検出でき、サンプルホールド部の出力値の時間の経過に伴う変化に基づいて、対象物の形状を推定することができる。
【００１８】
また、前記送信部が超音波の送信を開始した送信タイミングから、前記総電圧値の立ち上がりタイミングまでの時間を計測する時間計測部を更に備え、前記対象物から該対象物に最も近い受信部までの距離である最近傍点距離を求めることが望ましい。
上記構成によれば、上記最近傍点距離を求めることができる。
【００１９】
前記第１及び第２の加算部は、前記複数の受信部それぞれに対応して設けられ対応する受信部の出力信号が印加され、かつ前記重み付け値に基づく抵抗値を有する複数の抵抗素子と、前記複数の抵抗素子と共に加算回路を構成する演算増幅器と、をそれぞれ備えるようにしてもよい。
上記構成によれば、回路の規模をできるだけ抑えつつ、透明な対象物を検出できる近接覚センサ装置を実現できる。
【００２０】
前記複数の受信部それぞれに対応して設けられておりかつ該受信部の出力信号について整流を行う整流回路と、前記整流回路によって整流された信号について包絡線検波を行う包絡線検波回路と、を更に備え、前記第１の加算部は、前記包絡線検波回路によって包絡線検波を行った信号に、前記複数の受信部の出力信号毎に異なり、かつ前記複数の受信部の配列に沿って第１の電圧分布を有するように予め定められた重み付け値を与えて加算し、前記第２の加算部は、前記包絡線検波回路によって包絡線検波を行った信号に、前記複数の受信部の出力信号毎に異なり、かつ前記複数の受信部の配列に沿って第２の電圧分布を有するように予め定められた重み付け値を与えて加算するようにしてもよい。
上記構成によれば、整流及び包絡線検波を行った信号を処理対象にするため、位置出力値及び総電圧値の計算を行う際の信頼性が損なわれない。
【００２１】
また、前記複数の受信部は、等間隔で、直線状に配列されていることが望ましい。
上記構成によれば、対象物の形状を適切に推定することができる。
【００２２】
本発明のある形態による対象物検出方法は、送信部が、対象物に向けて超音波を送信する工程と、直線状に配列された複数の受信部が、前記対象物からの反射波をそれぞれ受信する工程と、第１の加算部が、前記複数の受信部の出力信号毎に異なり、かつ前記複数の受信部の配列に沿って第１の電圧分布を有するように予め定められた重み付け値を与えて加算する前記複数の受信部それぞれの出力信号に重み付けをして加算する工程と、第２の加算部が、前記複数の受信部の出力信号毎に異なり、かつ前記複数の受信部の配列に沿って第２の電圧分布を有するように予め定められた重み付け値を与えて加算する前記複数の受信部それぞれの出力信号に重み付けをして加算する工程と、計算部が、前記第１の加算部の加算結果と前記第２の加算部の加算結果との差を、前記第１の加算部の加算結果と前記第２の加算部の加算結果との和で除した値を計算する工程と、前記計算部が計算した値により、前記複数の受信部のうち、どの受信部から出力信号が出力されているかを特定し、前記対象物の形状を推定する工程とを含む。
上記構成により、複数の超音波受信部のうち、どの超音波受信部から出力信号が出力されているかを特定できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、回路の規模をできるだけ抑えつつ、透明な対象物を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本実施の形態による超音波近接覚センサ装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】図２は、半波整流回路及び包絡線検波回路の構成例を示す図である。
【図３】図３は、超音波受信部の出力信号の波形の例を示す図である。
【図４】図４は、半波整流回路による半波整流後の波形の例を示す図である。
【図５】図５は、包絡線検波回路による包絡線検波後の波形の例を示す図である。
【図６】図６は、加算部の構成例を示す図である。
【図７】図７は、３個の超音波受信部を用いた超音波近接覚センサ装置の動作例を示す図である。
【図８】図８は、総電圧値及び位置出力値の変化の例を示す図である。
【図９】図９は、各超音波受信部の出力信号の包絡線検波後の波形例を示す図である。
【図１０】図１０は、加算部による加算結果の例を示す図である。
【図１１】図１１は、位置出力値及び総電圧値の変化の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明にかかる超音波近接覚センサ装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２６】
（超音波近接覚センサ装置の構成）
図１は本実施の形態による超音波近接覚センサ装置の構成例を示すブロック図である。図１において、超音波近接覚センサ装置１００は、超音波送信部ＵＴと、ｎ個の超音波受信部ＵＲｎ（ｎは２以上の整数、以下同じ）と、アナログ計算回路１と、送信タイミング信号出力部１０と、最近傍点距離計算部１４と、最近傍点位置計算部１５と、を備えている。
【００２７】
超音波送信部ＵＴは、図示されていない対象物に向けて超音波を送信する。超音波送信部ＵＴは、例えば、単発のパルスやバースト波による超音波を所定周期で繰り返し送信する。
【００２８】
ｎ個の超音波受信部ＵＲｎは、図示されていない対象物からの反射波をそれぞれ受信する。アナログ計算回路１は、複数の超音波受信部ＵＲｎによる出力信号に基づいて、位置出力値Ｘｃ及び総電圧値Ｖallを計算する。位置出力値Ｘｃは、例えば、超音波信号の周期の整数倍の時間毎の総和の形で計算される。超音波受信部ＵＲｎからの出力信号は、後述するように半波整流されるため、正電圧を出力する状態と何も出力しない状態とが繰り返される。各超音波受信部ＵＲｎからの出力信号すべてで２つの状態が等しい割合で足し合わせることにより、正しい位置出力値Ｘｃを求めることができる。
【００２９】
総電圧値Ｖallは、超音波近接覚センサ装置全体を１つの検出素子とみなした場合の出力信号全体の電圧値である。したがって、総電圧値Ｖallを参照することにより、複数の超音波受信部のいずれかから出力信号が出力されていることが分かる。
【００３０】
なお、ｎ個の超音波受信部ＵＲｎとアナログ計算回路１とを併せて１つの検出素子とみなすこともできる。
【００３１】
送信タイミング信号出力部１０は、超音波信号を送信するタイミング（送信する時刻）を指示する送信タイミング信号１０ａを超音波送信部ＵＴへ出力する。また、送信タイミング信号出力部１０は、送信タイミング信号１０ｂを最近傍点距離計算部１４へ出力する。
【００３２】
最近傍点距離計算部１４は、検出部１４１と、時間計測部１４２とを備えている。
検出部１４１は、アナログ計算回路１から出力される総電圧値Ｖallと予め定められた閾値とを比較するコンパレータなどによって構成されている。検出部１４１は、総電圧値Ｖallが予め定められた閾値を超えたとき、検出信号１４１ａ及び１４１ｂを出力する。つまり、検出部１４１は、総電圧値Ｖallが予め定められた閾値を超えたタイミングを、総電圧値Ｖallの立ち上がりタイミングとして検出する。また、検出部１４１は、総電圧値Ｖallが予め定められた閾値より低下したタイミングを、総電圧値Ｖallの立ち下がりタイミングとして検出する。
【００３３】
時間計測部１４２は、送信タイミング信号１０ｂ及び検出信号１４１ａを入力とし、送信タイミング信号１０ｂが入力されたタイミング（すなわち、超音波送信部ＵＴによる超音波信号の送信タイミング）から、検出信号１４１ａが入力されたタイミング（すなわち、総電圧値Ｖallの立ち上がりタイミング）までの時間を計測する。つまり、時間計測部１４２は、超音波送信部ＵＴが超音波を送信した時刻から、超音波受信部ＵＲ１，ＵＲ２，…，ＵＲｎのいずれかが超音波を受信した時刻までの時間を計測する。
【００３４】
また、時間計測部１４２は、計測によって得られた時間に基づいて、対象物から、その対象物に最も近い超音波受信部までの距離である最近傍点距離を算出する。具体的には、計測によって得られた時間に音速を乗じれば、超音波近接覚センサ装置の超音波受信部のうち、対象物に最も近い超音波受信部からその対象物までの往復の距離を算出でき、往復の距離を２で除することにより、片道の距離すなわち最近傍点距離を算出する。
【００３５】
最近傍点位置計算部１５は、サンプルホールド部１５１と、記憶部１５２とを備えている。
サンプルホールド部１５１は、検出信号１４１ｂの立ち上がりタイミングから、アナログ計算回路１から出力される位置出力値Ｘｃのサンプルホールドを開始する。サンプルホールド部１５１は、位置出力値Ｘｃのサンプルホールドを予め設定された周期で順次行う。サンプルホールド部１５１は、総電圧値Ｖallが立ち下がるタイミングまでサンプルホールドを継続して行う。
【００３６】
記憶部１５２は、サンプルホールド部１５１によってサンプルホールドされる位置出力値を順次記憶する。したがって、記憶部１５２に記憶されている位置出力値を参照することによって、対象物の形状を推定することができる。
【００３７】
（アナログ計算回路の構成例）
図１に示すように、アナログ計算回路１は、ｎ個の超音波受信部ＵＲｎそれぞれに対応して設けられた半波整流回路ＨＷＲｎと、包絡線検波回路ＥＤｎと、加算部１１及び加算部１２と、計算部１３とを備えている。なお、Ａ／Ｄ変換部を設けたり多数の配線を設けたりする必要はなく、回路規模が増大することを抑えることができる。
【００３８】
図２は、半波整流回路及び包絡線検波回路の構成例を示す図である。
【００３９】
半波整流回路ＨＷＲｉ（ｉ＝１，２，３，…，ｎ、以下同様）は、例えば、図２に示すように、演算増幅器ＯＰと、抵抗Ｓ１と、帰還抵抗Ｓ２と、ダイオードＤ１及びＤ２とを備えている。半波整流回路ＨＷＲｉによって整流を行うことにより、超音波を受信した超音波受信部ＵＲｉから出力される交流信号を足し合わせることができる。また、整流を行うことにより、正電圧のみの信号として計算処理を行うことができる。
【００４０】
抵抗Ｓ１は、超音波受信部ＵＲｉと演算増幅器ＯＰの入力端子との間に接続されている。ダイオードＤ１は、アノードが演算増幅器ＯＰの入力端子に接続されかつカソードが演算増幅器ＯＰの出力端子に接続されている。ダイオードＤ２は、カソードが帰還抵抗Ｓ２に接続されかつアノードが演算増幅器ＯＰの出力端子に接続されている。
【００４１】
また、包絡線検波回路ＥＤｉは、例えば、図２に示すように、グランドレベルとの間に接続されたキャパシタＣED及び抵抗ＲEDを備えている。包絡線検波回路ＥＤ１では、キャパシタＣEDの容量値及び抵抗ＲEDの抵抗値によって定まる時定数が適切に設定されており、包絡線検波を実現することができるものとする。半波整流回路ＨＷＲｉによる半波整流だけでなく、包絡線検波を行うことにより、総電圧値Ｖall又は位置出力値Ｘcを計算する上で、信頼性が損なわれない。
【００４２】
図３は、超音波受信部の出力信号の波形の例を示す図である。図４は、半波整流回路による半波整流後の波形の例を示す図である。図５は、包絡線検波回路による包絡線検波後の波形の例を示す図である。
【００４３】
超音波受信部ＵＲ１の出力信号は、例えば、図３に示すように、正側（＋側）及び負側（−側）に振幅を有している。図３に示す出力信号について、半波整流回路ＨＷＲ１によって半波整流を行うと、図４に示すように、負側（−側）の振幅が無くなり、正側（＋側）の振幅を有する半波整流信号になる。
【００４４】
図４に示す半波整流信号について、包絡線検波回路ＥＤ１によって包絡線検波を行うと、図５に示すように、半波整流信号についての包絡線信号が得られる。
【００４５】
他の超音波受信部ＵＲｎ（ｎ＝２，３）の出力信号についても、同様に、半波整流回路ＨＷＲｎ（ｎ＝２，３）及び包絡線検波回路ＥＤｎ（ｎ＝２，３）において、半波整流及び包絡線検波を行うことによって、包絡線信号が得られる。
【００４６】
各超音波受信部ＵＲｎの出力信号に対応する包絡線信号は、加算部１１及び加算部１２において加算される。
【００４７】
（加算部の構成例）
図６は、加算部１１及び加算部１２の構成例を示す図である。図６に示すように、加算部１１及び加算部１２は、複数の抵抗素子の両端の電圧をそれぞれ加算する。図６を参照すると、配置されたｎ個の超音波受信部ＵＲ１〜ＵＲｎから出力される出力信号に対応する包絡線信号の電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，…，Ｖｎに対応して、ｎ個の抵抗素子ｒａ１，ｒａ２，ｒａ３，…，ｒａｎ及びｎ個の抵抗素子ｒｂ１，ｒｂ２，ｒｂ３，…，ｒｂｎが設けられている。そして、ｉ番目（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）の超音波受信部ＵＲｉには、並列に接続された２つの抵抗素子ｒａｉ，ｒｂｉが対応して設けられている。抵抗素子ｒａｉの一端は超音波受信部ＵＲｉに接続されている。抵抗素子ｒｂｉの一端は超音波受信部ＵＲｉに接続されている。
【００４８】
また、抵抗素子ｒａ１，ｒａ２，ｒａ３，…，ｒａｎに対応して演算増幅器ＯＰａが設けられている。抵抗素子ｒｂ１，ｒｂ２，ｒｂ３，…，ｒｂｎに対応して演算増幅器ＯＰｂが設けられている。
【００４９】
抵抗素子ｒａ１，ｒａ２，ｒａ３，…，ｒａｎの他端は１つにまとめられて演算増幅器ＯＰａの反転入力端子に接続されている。演算増幅器ＯＰａの非反転入力端子はグランドレベルに接続されている。演算増幅器ＯＰａには、その出力端子と反転入力端子との間に帰還抵抗として抵抗素子Ｒａが接続されている。したがって、並列に接続された２つの抵抗素子ｒａｉ，ｒｂｉのうち、全ての抵抗素子ｒａｉは、演算増幅器ＯＰａ及び抵抗素子Ｒａと共に、加算回路として機能する加算部１１を構成する。なお、各抵抗素子の抵抗値は後述する重み付け値に基づく値であり、既知とする。
【００５０】
また、抵抗素子ｒｂ１，ｒｂ２，ｒｂ３，…，ｒｂｎの他端は１つにまとめられて演算増幅器ＯＰｂの反転入力端子に接続されている。演算増幅器ＯＰｂの非反転入力端子はグランドレベルに接続されている。演算増幅器ＯＰｂには、その出力端子と反転入力端子との間に帰還抵抗として抵抗素子Ｒｂが接続されている。したがって、並列に接続された２つの抵抗素子ｒａｉ，ｒｂｉのうち、全ての抵抗素子ｒｂｉは、演算増幅器ＯＰｂ及び抵抗素子Ｒｂと共に、加算回路として機能する加算部１２を構成する。なお、各抵抗素子の抵抗値は後述する重み付け値に基づく値であり、既知とする。
【００５１】
次に、図６に示す加算部１１及び加算部１２の動作について説明する。
包絡線信号の電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，…，Ｖｎは、対応する抵抗素子ｒａ１，ｒａ２，ｒａ３，…，ｒａｎの各一端に印加される。上記のように、全ての抵抗素子ｒａｉは、演算増幅器ＯＰａ及び抵抗素子Ｒａと共に加算部１１を構成するため、加算部１１の出力端子には互いに抵抗値が異なる抵抗素子ｒａｉによって重み付けされた電圧Ｖsaが加算結果として出力される。
【００５２】
同様に、包絡線信号の電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，…，Ｖｎは、対応する抵抗素子ｒｂ１，ｒｂ２，ｒｂ３，…，ｒｂｎの各一端に印加される。上記のように、全ての抵抗素子ｒｂｉは、演算増幅器ＯＰｂ及び抵抗素子Ｒｂと共に加算部１２を構成するため、加算部１２の出力端子には互いに抵抗値が異なる抵抗素子ｒｂｉによって重み付けされた電圧Ｖsbが加算結果として出力される。
【００５３】
複数の抵抗素子によって超音波受信部の出力信号に付与する重み付けは、例えば、次のように行う。すなわち、加算部１１は、超音波受信部それぞれの出力信号に重み付け値が順に下降するように予め定められた重み付けをして加算する。一方、加算部１２は、超音波受信部それぞれの出力信号に重み付け値が加算部１１とは逆に順に上昇するように予め定められた重み付けをして加算する。このとき、加算部１１による加算結果と加算部１２による加算結果とを足し合わせた場合に、重み付け値が均等になるように重み付けを与える。したがって、加算部１１は、複数の超音波受信部の出力信号が入力され、複数の超音波受信部の出力信号毎に異なり、かつ複数の超音波受信部の配列に沿って電圧分布を有するように予め定められた重み付け値を与えて加算する。また、加算部１２は、複数の超音波受信部の出力信号が入力され、複数の超音波受信部の出力信号毎に異なり、かつ複数の超音波受信部の配列に沿って他の電圧分布を有するように予め定められた重み付け値を与えて加算する。
【００５４】
加算部１１の出力端子電圧Ｖsa、加算部１２の出力端子電圧Ｖsbは、式（１）及び式（２）で表すことができる。
【数１】
2014228278.tif 000003
【００５５】
式（１）及び式（２）は、それぞれ、１次式であり、各超音波受信部ＵＲ１〜ＵＲｎの出力に、互いに異なる重みを付けて加算した電圧分布の１次モーメントになっている。
【００５６】
ここで、例えば、超音波受信部ＵＲ１〜ＵＲｎがある軸上（例えば、Ｘ軸上）に等間隔で並んでいるとき、出力端子電圧Ｖsa，Ｖsbを用いて、Ｘ軸方向の位置出力値Ｘcを式（３）のように定義する。
【数２】
2014228278.tif 000004
【００５７】
つまり、式（３）は、加算部１１の加算結果と加算部１２の加算結果との差を、加算部１１の加算結果と加算部１２の加算結果との和で除した値であり、抵抗値の比が次の式（４）である場合に、位置出力値Ｘcは中心を０としたＸ軸方向の位置として、負の所定の値から正の所定の値まで出力する。
Ｒａ／ｒａｉ＝Ｒｂ／ｒｂｎ+１-ｉ＝ｃｉ（ｃｉは定数）  …（４）
【００５８】
（動作例）
図７は、３個の超音波受信部を用いた超音波近接覚センサ装置の動作例を示す図である。例えば、図７のように、３個の超音波センサである超音波受信部ＵＲ１，ＵＲ２，ＵＲ３を等間隔で直線状に配列しておき、段差のついた対象物２００を向かい合わせて置いた場合を考える。この場合、超音波受信部ＵＲ１，ＵＲ２，ＵＲ３への超音波の到達タイミングは以下のようになる。すなわち、最も近い（最も距離の短い）反射面２０１から超音波が到達し、次に近い（２番目に距離の短い）反射面２０２から超音波が到達し、最後に最も遠い（最も距離の長い）反射面２０３から超音波が到達する。超音波受信部ＵＲ１，ＵＲ２，ＵＲ３それぞれによる出力信号の振幅は、図７に示すように、超音波受信部ＵＲ１による出力信号の電圧値Ｖ０１が最も大きく、次に超音波受信部ＵＲ２による出力信号の電圧値Ｖ０２、超音波受信部ＵＲ３による出力信号の電圧値Ｖ０３の順となる。つまり、図７に示すように、各超音波受信部ＵＲ１，ＵＲ２，ＵＲ３により、周期と振動数とは同じで、対象物の距離によって振幅と出力タイミングとが互いに異なる出力信号が得られる。
【００５９】
超音波受信部ＵＲ１，ＵＲ２，ＵＲ３それぞれによる出力信号は、上述したように、アナログ計算回路１に入力され、Ｘ軸方向の位置出力値Ｘcが得られる。本例の場合、位置出力値Ｘcは最も近い（最も距離の短い）反射面２０１から超音波が到達した際に「−１」になり、次に近い（２番目に距離の短い）反射面２０２から超音波が到達し始めると同時に緩やかに「０」に向けて変化し始める。そして、最も遠い（最も距離の長い）反射面２０３から超音波が到達し始めると緩やかに「１」に向けて変化し、最後の超音波が途絶えると同時に「０」へと戻る。このように、超音波近接覚センサ装置から出力される電圧分布の１次モーメントを逐次計測することにより、超音波近接覚センサ装置からの距離ごとの位置出力値Ｘcを求めることができる。位置出力値Ｘcによって、どの超音波受信部から出力信号が出力されているか特定することができ、対象物の形状を推定できる。つまり、位置出力値Ｘcが時間の経過に伴って変化するので、その変化に基づいて対象物の形状を推定することができる。
【００６０】
一方、超音波近接覚センサ装置から得られる電圧分布の１次モーメントの式（１），式（２）と、抵抗値の設定を式（４）のごとく設定することで、式（５）によって総電圧値Ｖallを求めることができる。
【数３】
2014228278.tif 000005
【００６１】
なお、式（５）において、ｃは抵抗値設定による回路の重み付けによって決まる定数である。ここで、ｃ＝１の場合について説明する。まず、総電圧値Ｖall＝Ｖ１＋Ｖ２＋…＋Ｖｎである。式（４）にしたがって抵抗値を設定すると、式（１），式（２）は例えば、
Ｖsa＝１×Ｖ１  ＋         ２×Ｖ２  ＋  …  ＋ｎ×Ｖｎ
Ｖsb＝ｎ×Ｖ１  ＋ （ｎ−１）×Ｖ２  ＋  …  ＋１×Ｖｎ
となる。したがって、
Ｖsa＋Ｖsb＝（ｎ＋１）×（Ｖ１＋Ｖ２＋…＋Ｖｎ）＝（ｎ＋１）×Ｖall
である。つまり、
総電圧値Ｖall＝（Ｖsa＋Ｖsb）／（ｎ＋１）
となる。
【００６２】
図７に示す総電圧値Ｖallは、複数の超音波受信部のいずれかから出力信号が出力されていることを示す値であるため、超音波近接覚センサ装置全体の反応量を表している。総電圧値Ｖallを取得することにより、超音波近接覚センサ装置が反応し始めたタイミング及び反応し終えたタイミングなどを計測することができる。つまり、超音波近接覚センサ装置を構成する複数の超音波受信部のうち、いずれかの超音波受信部が最初に超音波を受信したタイミング及びすべての超音波受信部が超音波を受信し終えたタイミングを計測することができる。
【００６３】
図８は、総電圧値及び位置出力値の変化の例を示す図である。
図８に示すように、位置出力値Ｘcは、最初にＸc＝０であり、時間の経過と共に、Ｘc＝−１、さらにＸc＝１と変化し、その後Ｘc＝０に戻っている。したがって、このような位置出力値Ｘcの変化に基づき、対象物の形状概略を推定することができる。本例では、総電圧値Ｖallの立ち上がりタイミングと立ち下がりタイミングとを参照することにより、変化する位置出力値Ｘcのうち、形状の推定に必要な部分を抽出することができる。
【００６４】
総電圧値Ｖallは、最初に０［Ｖ］であり、破線Ｈ１のタイミングで０［Ｖ］から立ち上がって増加してゆき、破線Ｈ２のタイミングで０［Ｖ］に戻っている。このように、総電圧値Ｖallは、最も近い反射面２０１から超音波が戻ってくると同時に総電圧値Ｖallは大きくなる。このため、閾値を予め設けて比較回路などで総電圧値Ｖallと比較し、総電圧値Ｖallが閾値を超えたことをトリガにして超音波の受信タイミングとし、超音波の送信タイミングからの超音波飛行時間を計測することで、超音波近接覚センサ装置から対象物の最近傍までの距離を計測できる。
【００６５】
さらに、その受信タイミングで位置出力値Ｘcの値を読み込むことによって、最近傍点が存在する横方向の位置を特定できる。位置出力値Ｘcと各超音波受信部ＵＲｉ間の距離及び超音波受信部ＵＲｉの個数から、最近傍点の横方向位置を得ることができる。本例では図８に示すように、破線Ｈ１のタイミングで位置出力値Ｘc＝−１であるため、超音波受信部ＵＲ１の設置位置に対応する反射面２０１が対象物２００の最近傍点であると特定することができる。
【００６６】
このように、超音波近接覚センサ装置では、対象物の最近傍の位置及びそこまでの距離を同時に把握することができる。また、総電圧値Ｖallの立ち上がりタイミングから立ち下がりタイミングまでの間、サンプルホールド動作を行って位置出力値Ｘcを記憶部１５２に順次記憶し、位置出力値Ｘcの変化（すなわち時間の経過に伴う変化）を追うことにより、対象物の形状概略を推定することもできる。
【００６７】
（波形の例）
ここで、総電圧値Ｖallのより具体的な波形の例について説明する。
【００６８】
図６の各抵抗素子の抵抗値を次のように設定した。すなわち、抵抗素子Ｒａ＝１０［ｋΩ］、抵抗素子Ｒｂ＝１０［ｋΩ］、抵抗素子ｒａ１＝１００［Ω］、抵抗素子ｒａ２＝９０［Ω］、抵抗素子ｒａ３＝８０［Ω］、抵抗素子ｒｂ１＝８０［Ω］、抵抗素子ｒｂ２＝９０［Ω］、抵抗素子ｒｂ３＝１００［Ω］に設定した。この設定によれば、複数の超音波受信部それぞれの出力信号に重み付け値が順に下降するように予め定められた重み付けをして加算部１１において加算すると共に、複数の超音波受信部それぞれの出力信号に重み付け値が加算部１１とは逆に順に上昇するように予め定められた重み付けをして加算部１２において加算することになる。このように抵抗値を設定した加算部１１及び１２を用い、図７に示す対象物について総電圧値Ｖallの算出を行った。その結果、包絡線信号の電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、図９に示すように、電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の順に立ち上がる波形になる。図９は、各超音波受信部の出力信号の包絡線検波後の波形例を示す図である。図９において、電圧Ｖ１は実線で、電圧Ｖ２は破線で、電圧Ｖ３は一点鎖線で、それぞれ示している。
【００６９】
このとき、振幅は、対応する超音波受信部が近いほど大きくなる。本例では、図９に示すように、電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の順に振幅が大きい。
【００７０】
図９に示す包絡線信号の電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に基づいて、加算部１１の出力端子電圧Ｖsa、加算部１２の出力端子電圧Ｖsbをそれぞれ式（１）及び式（２）によって計算した結果を、図１０に示す。図１０は、加算部による加算結果の例を示す図である。加算部１１の出力端子電圧Ｖsaが図１０に示す実線、加算部１２の出力端子電圧Ｖsbが図１０に示す破線、のようになる。
【００７１】
さらに、式（３）及び式（５）によって、位置出力値Ｘc及び総電圧値Ｖallを計算すると、図１１のようになる。図１１は、位置出力値及び総電圧値の変化の例を示す図である。図１１において、位置出力値Ｘcが図中に示す実線、総電圧値Ｖallが図中に示す破線、のようになる。
【００７２】
（変形例）
上記は超音波近接覚センサ装置の超音波受信部を直線状に（例えばＸ軸方向に）配列して設けた１次元配列の場合について説明したが、ネット状に配列し、２次元配列（例えばＸ軸方向に直線状に配列し、かつ、Ｙ軸方向に直線状に配列する）に拡張した場合でも、総電圧値及び位置出力値を得ることができることは明らかである。すなわち、上記の総電圧値Ｖall及び位置出力値Ｘcの組が、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の２つになり、Ｘ軸方向について総電圧値Ｖｘall及び位置出力値Ｘc、Ｙ軸方向について総電圧値Ｖｙall及び位置出力値Ｙcを算出できることは明らかである。超音波受信部をＸ軸方向及びＹ軸方向に２次元配列することにより、例えば、接近する物体の方向を検出することができる。
【００７３】
（応用例）
以上説明した超音波近接覚センサ装置は、超音波送信部及び超音波受信部を用いることによって、絶対距離の計測を実現し、透明な対象物についての計測を実現できる。このため、上記の超音波近接覚センサ装置は、移動ロボットの障害物検出に用いることができる。また、上記の超音波近接覚センサ装置は、リハビリテーション機器又は車椅子に取り付けて、物体が接近した場合に警告を行う、といった用途に利用することもできる。
【符号の説明】
【００７４】
１  アナログ計算回路
１０  送信タイミング信号出力部
１１，１２  加算部
１３  計算部
１４  最近傍点距離計算部
１５  最近傍点位置計算部
１００  超音波近接覚センサ装置
１４１  検出部
１４２  時間計測部
１５１  サンプルホールド部
１５２  記憶部
２００  対象物
２０１，２０２，２０３  反射面
ＣED  キャパシタ
Ｄ１，Ｄ２  ダイオード
ＥＤ１〜ＥＤｎ  包絡線検波回路
ＨＷＲ１〜ＨＷＲｎ  半波整流回路
ＯＰ，ＯＰａ，ＯＰｂ  演算増幅器
Ｒａ，ｒａ１〜ｒａｎ，Ｒｂ，ｒｂ１〜ｒｂｎ  抵抗素子
ＲED  抵抗
ＵＲ１〜ＵＲｎ  超音波受信部
ＵＴ  超音波送信部
【図１】
2014228278.tif 000006
【図２】
2014228278.tif 000007
【図３】
2014228278.tif 000008
【図４】
2014228278.tif 000009
【図５】
2014228278.tif 000010
【図６】
2014228278.tif 000011
【図７】
2014228278.tif 000012
【図８】
2014228278.tif 000013
【図９】
2014228278.tif 000014
【図１０】
2014228278.tif 000015
【図１１】
2014228278.tif 000016