(57)【要約】【課題】本発明は、電源をオンにしてから直ちに、正しい測定値が得られる距離測定装置を提供する。【解決手段】距離測定装置１０は、対象物１１までの距離Ｌを測定し、測定値を電圧Ｖ１として出力する超音波センサ２０と、超音波センサ２０の１次遅れを補正するための電圧Ｖ２を出力する補正回路３０と、超音波センサ２０からの電圧Ｖ１及び補正回路３０からの電圧Ｖ２が供給され、補正値Ｃを算出して、合成電圧を出力するマイコン４０とを備える。【選択図】図１
2011237275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コールドスタート時に１次遅れを有し、対象物までの距離を測定し、測定値を出力する超音波センサと、
上記超音波センサの１次遅れを補正するためのステップ応答における過渡値を出力する補正手段と、
上記超音波センサからの測定値と、上記補正手段からの過渡値とから補正値を算出し、該測定値に該補正値を加算して、補正測定値を出力する演算手段とを備える距離測定装置。
【請求項２】
上記補正手段は、
一端が接地されたコンデンサと、
上記コンデンサに対する充電回路とを備え、
上記充電回路は、当該距離測定装置の電源のオンに同期して、上記コンデンサを充電することを特徴する請求項１記載の距離測定装置。
【請求項３】
上記補正手段は、
上記コンデンサに対する放電回路を更に備え、
上記放電回路は、当該距離測定装置の電源のオフに同期して、上記コンデンサを放電することを特徴する請求項２記載の距離測定装置。
【請求項４】
上記補正手段は、演算増幅器を更に備え、
上記コンデンサは、上記演算増幅器の入力端子とアース間に接続されていることを特徴とする請求項２又は３記載の距離測定装置。
【請求項５】
上記充電回路は、電源と上記コンデンサとの間に接続された抵抗からなり、上記放電回路は、上記コンデンサとアースとの間に接続された抵抗からなることを特徴する請求項３記載の距離測定装置。
【請求項６】
上記補正手段は、上記ステップ応答における過渡値を予め記憶したルックアップテーブルからなることを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
【請求項７】
測定環境の温度を測定する温度センサを更に備え、
上記超音波センサの測定値を、上記温度センサからの測定温度によって補償することを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
【請求項８】
上記超音波センサからの測定値をＶ１とし、上記補正手段からの過渡値をＶ２とし、上記補正値をＣとし、係数をＡとして、上記演算手段は、
Ｃ＝（（Ｖ１／２０４８）＋０．５）×（５１２−Ｖ２）／Ａ
により、該補正値Ｃを算出することを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離測定装置に関し、特に、超音波センサを用いた距離測定装置に関する。また、本発明は、超音波センサの補正回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波センサは、送波器から超音波を対象物に向け発信し、その反射波を受波器で受信し、発信から受信までに要した時間と音速により、超音波センサから対象物までの距離を計測あるいは測定する装置である。ところで、空気中の音速Ｃｖは、現在の気温をｔ℃とすると、
Ｃｖ＝３３１．４５ｍ／ｓ＋０．６０７ｍ／ｓ×ｔ℃・・・（１）
で表される。したがって、超音波センサは、長時間の電源オフから電源をオンにする所謂コールドスタート時には、超音波センサが十分に冷えた状態（コールド状態）から、超音波センサ自体及びその測定環境の温度が上昇して安定し、正しい測定値が得られるまでに、時間がかかっていた。例えば、本発明の一実施の形態で用いた超音波センサでは、所謂エージングに約１５分もかかっていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、電源をオンにしてから直ちに、正しい測定値が得られる距離測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る距離測定装置は、コールドスタート時に１次遅れを有し、対象物までの距離を測定し、測定値を出力する超音波センサと、超音波センサの１次遅れを補正するためのステップ応答における過渡値を出力する補正手段と、超音波センサからの測定値と、補正手段からの過渡値とから補正値を算出し、測定値に補正値を加算して、補正測定値を出力する演算手段とを備える。
【０００５】
本発明の一実施の形態として、補正手段は、一端が接地されたコンデンサと、コンデンサに対する充電回路及び放電回路とを備える。そして、充電回路は、電源とコンデンサとの間に接続された抵抗からなり、この距離測定装置の電源のオンに同期して、コンデンサを充電する。また、放電回路は、コンデンサとアースとの間に接続された抵抗からなり、この距離測定装置の電源のオフに同期して、コンデンサを放電する。更に、補正手段は、演算増幅器を備える。そして、超音波センサからの測定値をＶ１とし、補正手段からの過渡値をＶ２とし、係数をＡとして、演算手段は、補正値Ｃを、Ｃ＝（（Ｖ１／２０４８）＋０．５）×（５１２−Ｖ２）／Ａにより算出する
【０００６】
本発明の他の実施の形態として、補正手段は、ステップ応答における過渡値を予め記憶したルックアップテーブルからなる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る距離測定装置では、コールドスタート時に１次遅れを有する超音波センサは、対象物までの距離を測定し、測定値を出力し、補正手段は、超音波センサの１次遅れを補正するためのステップ応答における過渡値を出力する。演算手段は、超音波センサからの測定値と、補正手段からの過渡値とから補正値を算出し、測定値に補正値を加算して、補正測定値を出力することにより、電源をオンにしてから直ちに、正しい測定値が得られ、すなわち、この距離測定装置を、電源をオンにしてから直ちに使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明を適用した距離測定装置の具体的な構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施の形態で用いた超音波センサの距離に対する出力電圧特性を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施の形態で用いた超音波センサのコールドスタート特性を示すグラフである。
【図４】本発明を適用した距離測定装置における演算を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態で用いた超音波センサのコールドスタート時の実測値を示すグラフである。
【図６】本発明を適用した距離測定装置のコールドスタート時における補正回路の出力電圧Ｖ２を示すグラフである。
【図７】本発明を適用した距離測定装置の電源オフ時における補正回路の出力電圧を、コールドスタート時の出力電圧と共に示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る超音波センサを用いた距離測定装置の一実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明を適用した距離測定装置の具体的な構成を示すブロック図である。
【００１０】
例えば図１に示すように、距離測定装置１０は、対象物１１までの距離Ｌを計測あるいは測定し、測定値をアナログの電圧Ｖ１として出力する超音波センサ２０と、超音波センサ２０の１次遅れを補正するためのアナログの電圧Ｖ２を出力する補正回路３０と、超音波センサ２０からの電圧Ｖ１及び補正回路３０からの電圧Ｖ２が供給され、補正値Ｃを算出して、合成電圧を出力するマイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）４０とを備える。
【００１１】
超音波センサは、その用途に応じて様々な種類のものがあり、距離測定装置１０で用いられる超音波センサ２０は、例えば、送波器及び受波器として圧電セラミックを用いたものである。そして、超音波センサ２０は、空気を媒体として、超音波の発信から受信までに要した時間と音速により、距離Ｌに応じたアナログの電圧Ｖ１を出力する。具体的には、超音波センサ２０は、例えば図２に示すように、最大検出距離Ｌｍａｘ及び最小検出距離Ｌｍｉｎ（すなわち不感帯）を調整することができ、不感帯が１００ｍｍである。そして、超音波センサ２０は、所謂エージングの後には、最小検出距離Ｌｍｉｎ〜最大検出距離Ｌｍａｘの範囲内で、距離Ｌに比例した電圧Ｖ１を出力する。
【００１２】
一方、長時間の電源オフから電源をオンにする所謂コールドスタート時には、超音波センサ２０は、例えば図３に示すように、測定距離Ｌに対する正常な電圧を出力するまでに約１５分かかる。図３のコールドスタート特性は、対象物までの距離Ｌを固定して測定した出力電圧Ｖ１を示している。このように、本発明の一実施の形態で用いた超音波センサ２０は、例えば１次遅れを有し、その出力電圧Ｖ１は、所謂ＣＲ回路のステップ応答に近似することができ、所定の初期電圧Ｖｉから開始し、定常状態に向かって単調に増加する。したがって、この超音波センサ２０を用いた距離測定装置１０では、コールドスタート時の測定誤差を補正するために、図４に示すように、超音波センサ２０の出力電圧Ｖ１に、後述する補正回路３０で発生したＣＲ回路のステップ応答における過渡応答の値（以下、過渡値という。）を有する電圧Ｖ２を合成する。実際には、後述する定常状態の値（以下、定常値という。）から過渡値を減算し、この減算結果に係数を乗算して、出力電圧Ｖ１に加算する。なお、超音波センサの種類によって、初期電圧Ｖｉ及びステップ応答の時定数（Ｔ＝ＲＣ）は異なることは、言うまでもない。
【００１３】
超音波センサ２０の出力電圧（アナログ電圧）Ｖ１は、マイコン４０に供給される。マイコン４０は、少なくとも２つのアナログ／デジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器という。）、少なくとも１つのＤ／Ａ変換器、メモリ等を内蔵しており、超音波センサ２０からの電圧Ｖ１をデジタル信号に変換する。ここで、マイコン４０に内蔵されたＡ／Ｄ変換器によって変換された後のコールドスタート特性の実測値を、距離Ｌを変えて測定した結果を図５に示す。この図５に示すように、約１５分経過した後の定常状態の値（定常値）が１０００となる長い距離Ｌｌにおいては、電源をオンしたときの初期値が９７４であり、約７〜８分経過したときの過渡値が９８７であった。一方、約１５分経過した後の定常値が１２４となる短い距離Ｌｓにおいては、電源をオンしたときの初期値が１１１であり、約７〜８分経過したときの過渡値が１１８であった。
【００１４】
このように、コールドスタートの場合、長い距離Ｌｌにおいては、電源オン時の測定誤差が２６（＝１０００−９７４）であり、約７〜８分経過後の測定誤差が１３（１０００−９８７）でる。一方、短い距離Ｌｓでは電源オン時の測定誤差が１３（＝１２４−１１１）であり、約７〜８分経過後の測定誤差が６（１２４−１１８）である。更に、距離Ｌを様々に変化させて、測定誤差を測定した結果、電源を投入してから同じ経過時間においては、測定誤差は、測定距離Ｌ、すなわち超音波センサ２０の出力電圧Ｖ１の１次関数で表されることが分かった。
【００１５】
そこで、本発明を適用した距離測定装置１０では、以下に示す式（２）により、補正値Ｃを求め、
Ｃ＝（（Ｖ１／２０４８）＋０．５）×（５１２−Ｖ２）／Ａ・・・（２）
この補正値Ｃを、測定された電圧Ｖ１に加算する。ここで、超音波センサ２０からの電圧Ｖ１は、例えば０〜１０２４（Ａ／Ｄ変換後）であり、補正回路３０からの電圧Ｖ２は、例えば０〜５１２であり、係数Ａは、例えば２０である。したがって、（（Ｖ１／２０４８）＋０．５）は、上述した１次関数に対応した項であり、（５１２−Ｖ２）／Ａは、上述した定常値から過渡値を減算し、係数を乗算した項に対応するものである。
【００１６】
次に、補正回路３０の具体的な構成について説明する。補正回路３０は、図１に示すように、第１の端子が接地されたコンデンサ３１と、電源とコンデンサ３１の第２の端子間に挿入され、第１のダイオード３２と直列に接続された第１の抵抗３３と、コンデンサ３１の第２の端子とアース間に挿入され、第２のダイオード３４と直列に接続された第２の抵抗３５と、コンデンサ３１の第２の端子が非反転端子に接続された演算増幅器３６とを備える。また、演算増幅器３６の反転端子には、その出力が供給され、全負帰還がかかっている。
【００１７】
そして、距離測定装置１０の電源がオンにされると、コンデンサ３１（その容量をＣとする）には、電源から第１のダイオード３２を介して、第１の抵抗３３（その抵抗値をＲ１とする）により電荷の充電が開始され、演算増幅器３６は、時定数がＣＲ１のステップ応答電圧、例えば図６に示すように、初期値が０（Ａ／Ｄ変換後）であり、定常値が５１２であり、それらの間の過渡応答が、指数関数的に増加する電圧Ｖ２を出力する。一方、電源をオンにしてから十分な時間、すなわち、コールドスタートが完了し、超音波センサ２０及びその測定環境の温度が上昇して安定し、正しい測定電圧Ｖ１が得られる状態において、電源をオフにすると、コンデンサ３１の充電電荷は、第２のダイオード３４を介して、第２の抵抗３５（その抵抗値をＲ２とする）により放電され、演算増幅器３６は、時定数がＣＲ２のステップ応答電圧、例えば図７に示すように、初期値が５１２であり、定常値が０であり、それらの間の過渡応答が、指数関数的に減少する電圧Ｖ２を出力する。そして、補正回路３０は、以上のようにして発生した電圧Ｖ２をマイコン４０に出力する。なお、補正回路３０は、上述した構成に限定されるものではなく、本発明の他の実施の形態として、例えばマイコン４０のＡ／Ｄ変換器の入力インピーダンスが十分に高い場合には、演算増幅器３６は設けなくてもよい。
【００１８】
マイコン４０は、その内部又は外部にＲＯＭを備え、ＲＯＭには、上述の式（２）に示す演算を実行するためのプログラムが記憶されている。そして、マイコン４０は、超音波センサ２０からの電圧Ｖ１と、補正回路３０からの電圧Ｖ２とを、それぞれ内蔵のＡ／Ｄ変換によってデジタル信号に変換した後、式（２）に示す演算を行い、補正値Ｃを生成する。そして、マイコン４０は、この補正値Ｃを電圧Ｖ１に加算した後、内蔵のＤ／Ａ変換器によって、アナログ信号に変換し、補正後のアナログ電圧（以下、補正電圧という。）Ｖ１として出力する。
【００１９】
このように、本発明を適用した距離測定装置１０では、超音波センサ２０のコールドスタート特性に合わせて、補正値Ｃを算出することができ、例えば下記表１に示すように、長い距離Ｌｌの場合、補正電圧Ｖ１として、電源オン時に９９８．４（＝９７４（補正前Ｖ１）＋２４．４（補正値Ｃ））を出力し、約７〜８分経過後に９９９．６（＝９８７＋１２．６）を出力し、約１５分経過した後の定常状態において１０００．６（＝１０００＋０．６）を出力することができる。また、短い距離Ｌｓの場合、補正電圧Ｖ１として、電源オン時に１２４．９（＝１１１＋１３．９）を出力し、約７〜８分経過後に１２５．１（＝１１８＋７．１）を出力し、約１５分経過した後の定常状態において１２４．３（＝１２４＋０．３）を出力することができる。換言すると、距離測定装置１０では、長い距離Ｌｌにおいても、短い距離Ｌｓにおいても、更にはそれらの間の距離においても、電源をオンにしてから後の全ての時間において、すなわちコールドスタートの直後から、定常状態に近い補正電圧Ｖ１を出力することができる。
【００２０】
【表１】
2011237275.tif 000003
【００２１】
また、上述したように、補正回路３０に、第２のダイオード３４と第２の抵抗３５からなる放電回路を設けることにより、例えば、電源をオフにしてから、５分後又は１０分後に再び電源をオンにした場合、すなわち、超音波センサ２０が完全に冷え切る前に電源をオンにした場合、補正回路３０は、コンデンサ３１が完全に放電されていない状態から、再び充電を開始する。この結果、補正回路３０は、電源をオフにしていた時間に対応した、すなわちオフにしていた時間分放電され、そこから充電が開始されたときの電圧Ｖ２を出力することができる。換言すると、この距離測定装置１０では、コールドスタートのみだけではなく、例えば電源を短い時間にオフしてから（例えば１５分以内に）電源を再びオンにしたり、コールドスタートを短い時間中断して、再び開始したときにも、定常状態に近い補正電圧Ｖ１を出力することができる。
【００２２】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他の実施の形態として、マイコン４０は、アナログの電圧Ｖ２に代えてあるいは追加して、デジタルの電圧Ｖ２を他の装置に出力し、又は表示器に出力して表示するようにしてもよい。
【００２３】
また、例えば測定台１２の上に置いた板状の製品の枚数を計測する本発明の更なる他の実施の形態では、マイコン４０に製品１枚の厚さｔを予め記憶あるいは登録しておくとともに、図１に示す対象物１１が測定台１２上にない状態における測定台１２までの距離Ｌ０を測定し、その値も登録しておく。そして、対象物１１として、ある個数の製品を積み重ねて測定台１２の上に置き、その最上段の表面までの距離Ｌｘを測定し、マイコン４０によって、製品の個数Ｘを、下記式（３）によって、算出するようにしてもよい。
Ｘ＝（Ｌ０−Ｌｘ）／ｔ・・・（３）
【００２４】
また、本発明の更なる他の実施の形態において、測定台１２の近傍の温度を温度センサで測定して、マイコン４０に取り込み、測定環境の温度の変化に基づく音速を、上述した式（１）によって求め、測定精度を高めるようにしてもよい。
【００２５】
また、本発明の他の実施の形態として、超音波センサ２０からのアナログ電圧Ｖ１及び補正回路３０からのアナログ電圧Ｖ２をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器は、上述した実施の形態ではマイコン４０に内蔵されているものとしたが、独立したディスクリートのＡ／Ｄ変換器としてもよい。あるいは、超音波センサ２０内に組み込むようにしてもよい。
【００２６】
また、上述の実施の形態では、式（２）の演算をマイコン４０を用いて行っているが、所謂ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）で行ってもよい。更には、デジタル信号に変換することなく、演算増幅器等のアナログ回路を用いて行ってよい。
【００２７】
さらにまた、補正回路３０の代わりに、ステップ応答における過渡値、すなわち電圧Ｖ２の時間経過に基づく値を、所謂ルックアップテーブルとしてマイコン４０のＲＯＭ内に予め記憶しておき、このルックアップテーブルから、コールドスタート開始からの経過時間をエントリとして、電圧Ｖ２の値を読み出してもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１０  距離測定装置、２０  超音波センサ、３０  補正回路、４０  マイクロコンピュータ
【図１】
2011237275.tif 000004
【図２】
2011237275.tif 000005
【図３】
2011237275.tif 000006
【図４】
2011237275.tif 000007
【図５】
2011237275.tif 000008
【図６】
2011237275.tif 000009
【図７】
2011237275.tif 000010