(57)【要約】【課題】本発明の目的は、温度変化に関わらず測距精度の安定性を高めると共に測定対象に対する汎用性の向上を図ることのできる超音波測距センサを提供することにある。【解決手段】測定用受波手段１３６は測定面１１８に対向配置され且つ該受波手段１３６及び送波手段１３４は該測定面１１８の測距軸方向に所定離隔距離をおいて直列配置され、補正用受波手段１４０は基準面１４２に対し所定基準距離Ｄ０を離隔され対向配置され、送波手段１３４よりの超音波が測定面１１８で反射され該受波手段１３６に戻るまでの時間間隔Ｔ及び送波手段１３８よりの超音波が基準面１４２で反射され該受波手段１４０に戻るまでの時間間隔Ｔ０を測定する時間間隔測定手段１２８，１３０と、該受波手段１３６から測定面１１８までの距離Ｄ＝Ｄ０×Ｔ／Ｔ０を求める距離演算手段１３２と、を備えたことを特徴とする超音波測距センサ１１０。【選択図】　　　図１
2004061120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象に超音波を送波する少なくとも一つの送波手段と、前記送波手段より送波され、前記測定対象で反射された超音波を受波する測定用受波手段及び補正用受波手段と、
を備えた超音波測距センサであって、
前記測定用受波手段は、前記測定対象である測定面に対向配置され、かつ該測定用受波手段及び送波手段は、該測定面の測距軸方向に所定の離隔距離をおいて直列に配置され、
前記補正用受波手段は、前記測定対象である基準面に対し所定の基準距離Ｄ０を離隔され対向配置され、
また前記送波手段よりの超音波が少なくとも前記測定用受波手段に達してから、前記測定面で反射され該測定用受波手段に戻るまでの時間間隔Ｔ、及び前記送波手段よりの超音波が少なくとも前記補正用受波手段に達してから、前記基準面で反射され該補正用受波手段に戻るまでの時間間隔Ｔ０を測定する時間間隔測定手段と、
前記基準距離Ｄ０及び前記時間間隔測定手段により得られた時間間隔Ｔ，Ｔ０に基づいて、前記測定用受波手段から測定面までの距離Ｄ＝Ｄ０×Ｔ／Ｔ０を求める距離演算手段と、
を備えたことを特徴とする超音波測距センサ。
【請求項２】
請求項１記載の超音波測距センサにおいて、前記基準面と補正用受波手段間の媒質の温度情報を得る温度センサと、
前記基準距離Ｄ０を、前記温度センサにより得られた温度情報で温度補正し、温度補正済み基準距離Ｄ１を得る基準距離補正手段と、
を備え、前記距離演算手段は、前記基準距離Ｄ０として前記基準距離補正手段により得られた温度補正済み基準距離Ｄ１を用いて、前記測定用受波手段から測定面までの距離Ｄ＝Ｄ１×Ｔ／Ｔ０を求めることを特徴とする超音波測距センサ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の超音波測距センサにおいて、測定面側より順に、前記測定用受波手段、一つの前記送波手段、及び前記補正用受波手段を測距軸方向に直列に配置し、
前記時間間隔測定手段は、前記一つの送波手段よりの超音波が少なくとも前記測定用受波手段に達してから、測定面で反射され該測定用受波手段に戻るまでの時間間隔Ｔ、及び前記一つの送波手段よりの超音波が少なくとも前記補正用受波手段に達してから、基準面で反射され該補正用受波手段に戻るまでの時間間隔Ｔ０を測定することを特徴とする超音波測距センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の超音波測距センサにおいて、弾性体よりなり、その測定面側端面に前記測定用受波手段が設けられ、該弾性体の測定面側端面と対向して前記送波手段が設けられ、該測定用受波手段が測定面に対向され配置される測定用超音波スタイラスと、
弾性体よりなり、その基準面側端面に前記補正用受波手段が設けられ、該弾性体の基準面側端面と対向して前記送波手段が設けられ、該基準面に対し該補正用受波手段が所定の基準距離Ｄ０をおいて対向配置される補正用超音波スタイラスと、
を備え、前記時間間隔測定手段は、前記送波手段よりの超音波が前記測定用超音波スタイラス中を伝播し少なくとも該測定用受波手段に達してから、測定面で反射され該測定用受波手段に戻るまでの時間間隔（Ｔ）、及び前記送波手段よりの超音波が補正用超音波スタイラス中を伝播し少なくとも前記補正用受波手段に達してから、基準面で反射され該補正用受波手段に戻るまでの時間間隔（Ｔ０）を測定することを特徴とする超音波測距センサ。
【請求項５】
請求項４記載の超音波測距センサにおいて、前記測定用超音波スタイラスの測定面側端面の略中央に、前記送波手段よりの超音波を出射する凹面部を形成し、
前記凹面部に沿って、前記測定用超音波スタイラスの測定面側端面に、前記測定用受波手段を設けたことを特徴とする超音波測距センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の超音波測距センサにおいて、前記時間間隔測定手段は、前記送波手段よりの超音波が前記測定用受波手段の背面側に入射してから、該受波手段中を伝播し該測定用受波手段測定面側より出射し測定面で反射され該測定用受波手段測定面側に戻るまでの時間間隔を測定し、　予め前記測定用受波手段から測定面までの距離を十分離隔して得ておいた、該測定用受波手段の出力特性を記憶しているメモリと、
測距時に前記測定用受波手段の出力より、前記メモリに記憶している出力特性を差し引く引算部と、
を備えたことを特徴とする超音波測距センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波測距センサ、特にその温度依存性及び測定対象に対する汎用性の改善機構、さらにはその検出感度の改善機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業界においては、例えば細穴の底部の高さを測定することがしばしば必要になることがあり、距離の測定（測距）には、光を利用したレーザ干渉法や三角測量法、或いは静電容量変化やインピーダンス変化を距離に換算する電気的な方法がある。
前者の光を利用する方法は、底部が粗面であると光の反射が充分でないため使用できず、また後者の電気的な方法は、底部が非金属の場合は使用できない欠点がある。
【０００３】
この他、距離の測定には、超音波を利用した方法があり、超音波の飛行時間を測定して距離を求めるフライングタイム測定方法が一般的である。
フライングタイム測定方法を利用した超音波測距センサは、超音波送波手段と、超音波受波手段を備える。そして、超音波送波手段よりの超音波は送波され測定面に達し測定面で反射される。その反射波は超音波受波手段により受波される。超音波が超音波送波手段より送波されてから、超音波受波手段に受波されるまでの時間間隔を測定する。得られた時間間隔の値に超音波の音速を掛けることにより、被測定物までの距離を求めることができる。
【０００４】
図１１には一般的な超音波測距センサの概略構成が示されている。
同図に示す超音波測距センサ１０は、超音波スタイラス１２を備え、超音波スタイラス１２は、円錐状のサファイアで構成されており、その広い方の端面を駆動及び検出用圧電材料１４を介して黄銅製の支持体１６に固定し、狭い方の端面を被測定物１８と対向させる。
【０００５】
圧電材料１４の両端に例えば３０ＭＨｚの高周波を瞬間的に印加すると、超音波スタイラス１２の広い方の端面に超音波が発生し、その超音波振動が超音波スタイラス１２の狭い方の端面に向かって伝播していく。広い断面より狭い断面に向かって伝播していくので、超音波振動の振幅は次第に増加し、超音波スタイラス１２の狭い方の端面より外部に超音波２０が飛び出す。外部に飛び出した超音波２０は拡散しながらも、被測定物１８に入射し、その反射波は、再び超音波スタイラス１２の狭い方の端面より超音波スタイラス１２中に入り、圧電材料１４に歪を及ぼし、電圧を発生させる。
【０００６】
そして、超音波２０が超音波スタイラス１２の狭い方の端面より外部に飛び出し、被測定物１８に入射し、その反射波が再び超音波スタイラス１２中に入り込むまでの時間を測定することにより、超音波スタイラス１２の狭い方の端面から被測定物１８までの距離を求めることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のフライングタイム測定方法では、時間×音速より距離を算出するが、温度や湿度によって音速が変化すると、距離が変化してしまい、特に温度変化の影響は深刻であった。
【０００８】
温度の影響を低減する技術として、例えば特開平１１−８３６００号等に開示された方法がある。前記超音波測距センサでは、測定面に対し、超音波送受波手段、超音波受波手段は並列（測定面と平行方向）に、所定の離隔距離をおいて配置されている。そして、超音波送受波手段よりの超音波は測定面に対し略直角の入射角で入射し、その反射波を超音波送受波手段により受波する。また超音波送受波手段よりの超音波は測定面に対し斜めの入射角で入射し、その反射波を超音波受波手段により受波する。
【０００９】
そして、前記超音波送受波手段より得られる超音波の伝播時間と前記超音波受波手段より得られる超音波の伝播時間を比較演算することにより、温度変化に依存しない距離の測定を行っている。
しかしながら、前記従来の超音波測距センサでは、測定面に対し超音波送受波手段、超音波受波手段は並列に、所定の離隔距離をおいて配置されており、この離隔距離（基準距離）を基準に演算を行うが、温度変化に対する基準距離の変化までは考慮されておらず、温度依存性は改善の余地が残されていた。
【００１０】
また前記従来の超音波測距センサでは、汚水処理槽等の液面の高さを測定するためのものであり、被測定物に対し前記送受波手段、受波手段を並列に固定的に配置しているので、細穴等の別の測定対象への適用は事実上困難であり、測定対象に対する汎用性も、改善の余地が残されていた。
さらに、超音波測距センサでは、検出感度を高めることが強く望まれていたものの、従来はこれを解決することのできる適切な技術が存在しなかった。
【００１１】
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その第一の目的は温度変化に関わらず測距精度の安定性を高めると共に、測定対象に対する汎用性の向上を図ることのできる超音波測距センサを提供することにある。また本発明の第二の目的は検出感度を高めることのできる超音波測距センサを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記第一の目的を達成するために本発明にかかる超音波測距センサは、測定対象に超音波を送波する少なくとも一つの送波手段と、前記送波手段より送波され、前記測定対象で反射された超音波を受波する測定用受波手段及び補正用受波手段と、を備えた超音波測距センサであって、
【００１３】
前記測定用受波手段は、前記測定対象である測定面に対向配置され、かつ該測定用受波手段及び送波手段は、該測定面の測距軸方向に所定の離隔距離をおいて直列に配置され、
前記補正用受波手段は、前記測定対象である基準面に対し所定の基準距離Ｄ０を離隔され対向配置され、
また時間間隔測定手段と、距離演算手段と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
ここで、前記時間間隔測定手段は、前記送波手段よりの超音波が少なくとも前記測定用受波手段に達してから、前記測定面で反射され該測定用受波手段に戻るまでの時間間隔Ｔ、及び前記送波手段よりの超音波が少なくとも前記補正用受波手段に達してから、前記基準面で反射され該補正用受波手段に戻るまでの時間間隔Ｔ０を測定する。
また前記距離演算手段は、前記基準距離Ｄ０、及び前記時間間隔測定手段により得られた時間間隔Ｔ，Ｔ０に基づいて、測定用受波手段から測定面までの距離Ｄ＝Ｄ０×Ｔ／Ｔ０を求める。
【００１５】
ここにいう受波手段は、送波手段よりの超音波を該受波手段中を伝播させる構成、該受波手段中を伝播させないで通過させる構成を含めていう。
またここにいう時間間隔とは、例えば送波手段よりの超音波を受波手段中を伝播させる構成では、受波手段が送波手段よりの超音波を受けてから、測定面で反射され再び受波手段に戻るまでの時間間隔をいう。また送波手段よりの超音波を該受波手段中を伝播させないで通過させる構成では、送波手段より超音波が送波されてから、受波手段を通過し測定面で反射され受波手段に戻るまでの時間間隔を含めていう。
【００１６】
なお、本発明においては、温度センサと、基準距離補正手段と、を備え、前記距離演算手段は、前記基準距離Ｄ０として前記基準距離補正手段により得られた温度補正済み基準距離Ｄ１を用いて、前記測定用受波手段から測定面までの距離Ｄ＝Ｄ１×Ｔ／Ｔ０を求めることが好適である。
ここで、前記温度センサは、前記基準面と補正用受波手段間の媒質の温度情報を得る。
また前記基準距離補正手段は、前記基準距離Ｄ０を、前記温度センサにより得られた温度情報で温度補正し、温度補正済み基準距離Ｄ１を得る。
【００１７】
また本発明においては、前記測定面側より順に、前記測定用受波手段、一つの前記送波手段、及び補正用受波手段を測距軸方向に直列に配置する。前記時間間隔測定手段は、前記一つの送波手段よりの超音波が、少なくとも該測定用受波手段に達してから、測定面で反射され該測定用受波手段に戻るまでの時間間隔Ｔ、及び前記一つの送波手段よりの超音波が、少なくとも補正用受波手段に達してから、基準面で反射され該補正用受波手段に戻るまでの時間間隔Ｔ０を測定することが好適である。
【００１８】
また本発明においては、測定用超音波スタイラスと、補正用超音波スタイラスと、を備える。そして、前記時間間隔測定手段は、前記送波手段よりの超音波が前記測定用超音波スタイラス中を伝播し少なくとも該測定用受波手段に達してから、測定面で反射され該測定用受波手段に戻るまでの時間間隔Ｔ、及び前記送波手段よりの超音波が補正用超音波スタイラス中を伝播し少なくとも前記補正用受波手段に達してから、基準面で反射され該補正用受波手段に戻るまでの時間間隔Ｔ０を測定することが好適である。
【００１９】
ここで、前記測定用超音波スタイラスは、弾性体よりなり、その測定面側端面に前記測定用受波手段が設けられ、該弾性体の測定面側端面と対向して前記送波手段が設けられ、該測定用受波手段が測定面に対向され配置される。
また前記補正用超音波スタイラスは、弾性体よりなり、その基準面側端面に前記補正用受波手段が設けられ、該弾性体の基準面側端面と対向して前記送波手段が設けられ、該基準面に対し該補正用受波手段が所定の基準距離Ｄ０をおいて対向配置される。
【００２０】
また前記第二の目的を達成するために本発明にかかる超音波測距センサは、測定用超音波スタイラスの測定面側端面の略中央に、前記送波手段よりの超音波を出射する凹面部を形成し、該凹面部に沿って、測定用超音波スタイラスの測定面側端面に、前記測定用受波手段を設けることが好適である。
また本発明において、前記時間間隔測定手段は、前記送波手段よりの超音波が前記測定用受波手段の背面側に入射してから、該受波手段中を伝播し該測定用受波手段測定面側より出射し測定面で反射され該測定用受波手段測定面側に戻るまでの時間間隔を測定し、メモリと、引算部と、を備えることが好適である。
【００２１】
ここで、前記メモリは、予め前記測定用受波手段から測定面までの距離を十分離隔して得ておいた、該測定用受波手段の出力特性を記憶している。
また前記引算部は、測距時に前記測定用受波手段の出力より、前記メモリに記憶している出力特性を差し引く。
ここにいう出力特性とは、例えば出力波形等をいう。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の好適な一実施形態について説明する。
【００２３】
圧電材料の配置
　図１には本発明の一実施形態にかかる超音波測距センサの概略構成が示されている。なお、本実施形態では、測定対象である深穴の底部（測定面）の深さ（距離）を測定する例について説明する。前記従来技術と対応する部分には符号１００を加えて示し説明を省略する。
同図に示す超音波測距センサ１１０は、測定用超音波スタイラス１１２と、補正用超音波スタイラス１２２と、検出回路１２４，１２６と、時間間隔測定回路（時間間隔測定手段）１２８，１３０と、距離演算回路（距離演算手段）１３２を備える。
【００２４】
前記測定用超音波スタイラス１１２は、例えば金属製、或いはセラミック製の弾性材料等をホーン状（柱状）に構成しており、駆動用圧電材料（測定用送波手段）１３４と、検出用圧電材料（測定用受波手段）１３６を備える。
前記駆動用圧電材料１３４は、前記測定用超音波スタイラス１１２の横断面積が広い上端面に設けられている。検出用圧電材料１３６は、該測定用超音波スタイラス１１２の横断面積が狭い下端面に設けられている。駆動用圧電材料１３４は、被測定物（測定面）１１８に対向配置され、かつ検出用圧電材料１３６及び駆動用圧電材料１３４は、被測定物１１８の深さ（測距軸）方向に所定の離隔距離をおいて直列に配置されている。
【００２５】
前記検出用圧電材料１３６の後段に、検出回路１２４を設け、該検出回路１２４の後段に時間間隔測定回路１２８を設けている。該時間間隔測定回路１２８は距離演算回路１３２に接続されている。
前記補正用超音波スタイラス１２２は、前記測定用超音波スタイラス１１２と同様、例えばホーン状の弾性体（柱体）よりなり、測定用超音波スタイラス１１２と直交する方向に、支持体１１６の側面を介して設けている。
【００２６】
前記補正用超音波スタイラス１２２は、その右端面に駆動用圧電材料（補正用送波手段）１３８を設け、その左端面に検出用圧電材料（補正用受波手段）１４０を設けている。
本実施形態においては、検出用圧電材料１４０は、基準面１４２に対し所定の基準距離Ｄ０を離隔され対向配置されている。すなわち、本実施形態においては、補正用超音波スタイラス１２２の前面には、基準距離Ｄ０となるように基準面１４２が取りつけ枠１４４に固定されている。
【００２７】
また検出用圧電材料１４０の後段に、前記検出回路１２４と同様の機能を持つ検出回路１２６を設け、該検出回路１２６の後段に前記時間間隔測定回路１２８と同様の機能を持つ時間間隔測定回路１３０を設けている。該時間間隔測定回路１３０は距離演算回路１３２に接続されている。
そして、前記時間間隔測定回路１２８は、駆動用圧電材料１３４よりの超音波が、検出用圧電材料１３６に達してから、被測定物１１８で反射され、該検出用圧電材料１３６に戻るまでの時間間隔Ｔを測定する。
【００２８】
また前記時間間隔測定回路１３０は、駆動用圧電材料１３８よりの超音波が、検出用圧電材料１４０に達してから、基準面１４２で反射され、該検出用圧電材料１４０に戻るまでの時間間隔Ｔ０を測定する。
前記演算回路１３２は、前記基準距離Ｄ０、時間間隔測定回路１２８により得られた時間間隔Ｔ、及び時間間隔測定回路１３０により得られた時間間隔Ｔ０に基づいて、測定用超音波スタイラス１１２の下端から被測定物１１８までの距離Ｄ＝Ｄ０×Ｔ／Ｔ０を求める。
【００２９】
なお、本実施形態において、前記圧電材料１３４，１３６は、測定用超音波スタイラス１１２の各対応端面に、前記圧電材料１３８，１４０は、補正用超音波スタイラス１２２の各対応端面に、それぞれ例えばバルク状の圧電材料の接着により、或いは酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の圧電材料が膜状にＣＶＤ法やスパッタリング法等により形成されている。
【００３０】
超音波スタイラス
　ところで、超音波測距センサでは、種々の測定対象に対する汎用性を向上させることが重要である。
本発明において特徴的なことは、測定対象に対する汎用性を向上させるために、例えば測定対象が深穴の底部の深さであっても対応することができるように、測定用受波手段及び送波手段を、測定面の測距軸方向に所定の離隔距離をおいて直列に配置したことである。
【００３１】
＜測定用超音波スタイラス＞
図２には本実施形態にかかる測定用超音波スタイラス１１２等の構成部材が示されている。
すなわち、同図に示す可搬型、縦長の測定用超音波スタイラス１１２の上端面に駆動用圧電材料１３４を設け、その下端面に検出用圧電材料１３６を設けることにより、深穴１４６の底部である被測定物１１８に対し圧電材料１３４，１３６を直列に配置している。
【００３２】
また駆動用圧電材料１３４の両端に高周波電圧を印加するために、支持体１１６と駆動用圧電材料１３４下側は、それぞれリード線１４８，１５０で駆動回路１５２と接続されている。
また検出用圧電材料１３６よりの信号を、検出用圧電材料１３６の表裏の電位差として外部に取出するために、検出用圧電材料１３６の裏側は裏側用リード線１５４と接続されている。検出用圧電材料１３６の表側は表側用リード線１５６と接続されている。そして、これらのリード線１５４，１５６は検出回路１２４と接続されている。
【００３３】
前記駆動回路１５２は、リード線１４８及び支持体１１６、並びにリード線１５０を介して駆動用圧電材料１３４の両端に高周波電圧をバースト的に印加する（図３（Ａ）駆動波形１９６参照）。これにより駆動用圧電材料１３４は高周波振動を起こし、超音波となって測定用超音波スタイラス１１２中を図中下方に伝播する。
このスタイラス１１２中を伝播する超音波の振動振幅は、スタイラス１１２の断面が狭くなるにしたがって大きくなり、スタイラス１１２下端の検出用圧電材料１３６を貫通し大気中に飛び出し被測定物１１８に達する。この超音波１２０は被測定物１１８で反射され、再び検出用圧電材料１３６に戻る。
【００３４】
前記検出用圧電材料１３６は、超音波により励起され電気的な出力を発生する。　前記検出回路１２４は、検出用圧電材料１３６よりの出力を増幅、検波する（図３（Ｂ）検出波形参照）。
すなわち、前記検出用圧電材料１３６は、超音波の通過波の影響（駆動用圧電材料１３４よりの超音波が検出用圧電材料１３６を通過する時）と反射（超音波１２０が被測定物１１８で反射され検出用圧電材料１３６に戻る時）の影響を受けて、該通過波の影響による山１５８と、該反射波の影響による山１６０を持つ信号１６２（図３（Ｂ）参照）を発生する。
【００３５】
前記駆動用圧材料１３４の駆動波形（図３（Ａ）参照）は、高周波のバースト波形であっても、検出用圧電材料１３６の応答が悪いと、高周波成分が濾波され、滑らかな信号となる。この信号１６２は検出用圧電材料１３６の表裏の電位差としてリード線１５４，１５６で外部に取出され、時間間隔測定回路１２８に導かれる。
前記時間間隔測定回路１２８は、検出回路１２４よりの出力より、駆動用圧電材料１３４よりの超音波が検出用圧電材料１３６の裏側（背面側）に達してから、被測定物１１８で反射され、検出用圧電材料１３６の表側（測定面側）に戻るまでの時間間隔Ｔを測定する。
【００３６】
すなわち、時間間隔測定回路１２８は、この通過波による山１５８と反射波による山１６０との時間間隔Ｔを測定する。
時間間隔Ｔの測定は、信号１６２をある閾値１６４で切断しパルス信号１６６を作り、そのパルス幅を時間測定する。
時間間隔Ｔより、測定超音波スタイラス１１２の下端から被測定物１１８までの距離Ｄを求めることができる。
【００３７】
なお、本実施形態においては、検出用圧電材料１３６の表側（測定面側）は、保護用の金属製あるいはプラスチック等の高分子材料の保護板、あるいは音響インピーダンスの整合を兼ねた保護層１６８で覆われている。
また本実施形態においては、測定用超音波スタイラス１１２の上端面は駆動用圧電材料１３４を介して支持体１１６に固着されている。測定用超音波スタイラス１１２は支持体１１６を介して深穴（測定対象）１４６に対し、所定の位置、姿勢に位置決めされる。
【００３８】
より具体的には支持体１１６の外周壁には突起部１７０が設けられており、深穴１４６に測定用超音波スタイラス１１２を挿入すると、突起部１７０が深穴１４６の周縁の上端部１７２に引っ掛かる。これにより本実施形態においては、特に測距方向に測定用超音波スタイラス１１２をぐらつかせないで、安定して配置することができるので、測定用超音波スタイラス１１２から深穴１４６の底部までの距離Ｄの測距精度の安定性が高められる。
【００３９】
このように超音波測距センサ１１０を構成することにより、つまり可搬型、縦長の測定用超音波スタイラス１１２を用い、被測定物１１８に対し、検出用圧電材料１３６、駆動用圧電材料１３４を直列に配置することにより、たとえ細穴１４６の深さであっても、距離Ｄを容易に求めることができるので、測定対象に対する汎用性が向上される。
【００４０】
補正用超音波スタイラス
　ところで、従来は、時間間隔Ｔと、音速Ｖより、超音波スタイラス１１２の下端から被測定物１１８までの距離Ｄ＝ＶＴ／２を求めていた。
しかしながら、音速Ｖは、測定環境の温度や湿度で変化するため、そのまま用いると、特に温度変化に対して不安定な値となる。このため、超音波測距センサでは、温度依存性を低減することも、非常に重要である。
そこで、本発明において特徴的なことは、温度依存性を低減するために、補正用超音波スタイラスを設け、温度依存性のないパラメータより、距離Ｄを求めるようにしたことである。
【００４１】
このために本実施形態において、図４に示すように補正用超音波スタイラス１２２は、前記測定用超音波スタイラス１１２と基本的に同じ構成であり、測定用超音波スタイラス１１２と直交する方向に、例えばホーン状の弾性体よりなる補正用超音波スタイラス１２２を、支持体１１６の側面を介して設けている。
補正用超音波スタイラス１２２は、その右端面に駆動用圧電材料（補正用送波手段）１３８を設け、その左端面に検出用圧電材料（補正用受波手段）１４０を設けている。
【００４２】
本実施形態においては、検出用圧電材料１４０は、基準面１４２に対し所定の基準距離Ｄ０を離隔され対向配置されている。すなわち、本実施形態においては、補正用超音波スタイラス１２２の前面には、基準距離Ｄ０となるように基準面１４２が取りつけ枠１４４に固定されている。
また駆動用圧電材料１３８の両端に高周波電圧を印加するために、支持体１１６と、駆動用圧電材料１３８の左端面には、それぞれリード線１４８，１７０で駆動回路１５２と接続されている。
【００４３】
また検出用圧電材料１４０よりの信号を、検出用圧電材料１４０の表裏の電位差として外部に取出すために、検出用圧電材料１４０の右端面は裏側用リード線１７２と接続され、検出用圧電材料１４０の左端面は表側用リード線１７４と接続されている。これらのリード線１７２，１７４は、前記検出回路１２４と同様の機能を持つ検出回路１２６に接続されている。検出回路１２６は、前記時間間隔測定回路１２８と同様の機能を持つ時間間隔測定回路１３０に接続され、該時間間隔測定回路１３０は距離演算回路１３２に接続されている。
前記時間間隔測定回路１３２は、駆動用圧電材料１３８よりの超音波が、検出用圧電材料１４０に達してから、基準面１４２で反射され、該検出用圧電材料１４０に戻るまでの時間間隔Ｔ０を測定する。
【００４４】
前記演算回路１３２は、前記基準距離Ｄ０、時間間隔測定回路１２８により得られた時間間隔Ｔ、及び時間間隔測定回路１３０により得られた時間間隔Ｔ０に基づいて、測定用超音波スタイラス１１２の下端から被測定物１１８までの距離Ｄ＝Ｄ０×Ｔ／Ｔ０を求める。
すなわち、音速をＶとすると、測定用超音波スタイラス１１２の先端から被測定物１１８までの距離Ｄ、補正用超音波スタイラス１２２の先端から基準面１４２までの基準距離Ｄ０は、それぞれ
Ｄ＝ＶＴ／２　　…（１）
Ｄ０＝ＶＴ０／２　　…（２）
と表すことができる。
【００４５】
ここで、超音波スタイラス１１２，１２２の周囲の温度や湿度は同一であり、音速Ｖも同一であるとしている。
前記（１），（２）式より、測定用超音波スタイラス１１２の先端から被測定物１１８までの距離Ｄは、
Ｄ＝Ｄ０×（Ｔ／Ｔ０）　　…（３）
と表すことができるので、音速に無関係なパラメータにより、距離Ｄを求めることができる。
ここで、基準距離Ｄ０も厳密には、温度によって変化するが、その量が無視できる場合には、前記（３）式を用いて距離Ｄを計算することができる。
【００４６】
このように本実施形態においては、超音波スタイラスの一端面に駆動用圧電材料をそれぞれ設け、その他端面に検出用圧電材料をそれぞれ設けている。測定用超音波スタイラス１１２を被測定物１１８に対向させると共に、補正用超音波スタイラス１２２を所定の基準距離Ｄ０を離隔し基準面に対向させている。そして、距離演算回路１３２により、各超音波スタイラス１１２，１２２よりの超音波の時間間隔Ｔ，Ｔ０を比較することにより、環境変化、特に温度変化に影響されない距離Ｄの測定を行うことができる。
なお、本実施形態において、補正用超音波スタイラス１２２の先端は、前記測定用超音波スタイラス１１２の保護板あるいは保護層１６８と同様の保護板あるいは保護層１７６により覆われている。
【００４７】
＜基準距離の温度補正＞
前記構成により、温度依存性を大幅に低減することができるが、距離Ｄをさらに厳密に見積もるためには、基準距離Ｄ０の温度による変化分も考慮しなくてはならない。
すなわち、基準距離Ｄ０のある基準温度における距離をＤ００として、基準温度ΔＴだけ、変動した場合の、基準距離は
Ｄ１＝Ｄ００（１＋α・ΔＴ）　　…（４）
と表すことができる。ただし、この算出式、つまり前記（４）式は超音波スタイラスや取りつけ枠等が同一の熱膨張係数αである場合に限られ、異質の材料が組み合わされる場合は、もっと複雑な式で見積もる必要がある。
【００４８】
前記基準距離Ｄ０の温度による変化分も考慮するために本実施形態においては、温度センサ１７８と、基準距離補正回路（基準距離補正手段）１８０を備える。　前記温度センサ１７８は取りつけ枠１４４に設けられ、基準距離補正回路１８０と接続され、前記基準距離補正回路１８０は距離演算回路１３２と接続されている。
前記温度センサ１７８は、補正用超音波スタイラス１２２の先端と基準面１４２間の媒質（空気）の温度をモニタし、基準距離補正回路１８０に出力する。
【００４９】
基準距離補正回路１８０は、前記基準距離Ｄ０のある基準温度における距離Ｄ００、温度センサ１７８により得られた温度で温度補正し、温度補正済み基準距離Ｄ１を得る。
前記距離演算回路１３２は、温度補正の機能も有しており、基準距離Ｄ０として、前記基準距離補正回路１８０より得られた温度補正済み基準距離Ｄ１を用いて、測定用超音波スタイラス１１２の先端から被測定物１１８までの距離Ｄ（＝Ｄ１×Ｔ／Ｔ０）を求める。
【００５０】
この結果、本実施形態においては、基準距離Ｄ０の温度変化を補正しているので、これを考慮しないものに比較し、より温度依存性を大幅に低減することができ、測定用超音波スタイラス１１２の先端から被測定物１１８までの距離Ｄをさらに厳密に算出することができる。
【００５１】
高感度化
＜超音波スタイラス＞
ところで、超音波測距センサでは、検出感度を高めることも重要である。
本発明において特徴的なことは、検出感度を高めるために、超音波スタイラスの測定対象側端面の一部にスタイラス軸を中心とした略凹面を形成し、その周辺に受波手段を設けたことである。
このために本実施形態においては、図５に示されるような超音波スタイラスを用いることが特に好適である。なお、同図（Ａ）は外観斜視図、同図（Ｂ）は縦断面図であり、前記実施形態と対応する部分には符号１００を加えて示し説明を省略する。
【００５２】
図５に示す超音波スタイラス２１２は、略円柱状に構成され、その測定対象側端面には、スタイラス径より細い外形の突起部２８２が形成されている。
前記検出用圧電材料２３６は略円環状に構成されている。すなわち同心円状に中心部が抜かれた円板状の検出用圧電材料２３６が、突起部２８２の外周縁に沿って、超音波スタイラス２１２にはめ込まれている。
さらに突起部２８２の下端面には凹面部２８２ａが形成されており、超音波スタイラス２１２より空中に放出される超音波の広がりを少なくしている。
【００５３】
また図６に示されるような超音波スタイラスを用いることも特に好適である。なお、同図（Ａ）は外観斜視図、同図（Ｂ）は縦断面図であり、前記実施形態と対応する部分には符号２００を加えて示し説明を省略する。
すなわち、図６に示すホーン状の超音波スタイラス３１２の測定対象側端面の中央には凹面部３８４が形成され、その周辺の平坦部に円環状の検出用圧電材料３３６が固定されている。
このように超音波スタイラス２１２，３１２の先端を空中に放出される超音波の広がりの少ないものにすることにより、検出感度をより高めることができる。
【００５４】
本実施形態においては、検出感度をより高めるために、図７に示すように前記図６に示した板状の検出用圧電材料３３６は、上下方向より絶縁体３８６，３８８で支持され、凹面部３８４の外周囲に配置されることが特に好適である。
さらに、下側の支持体３８８には被測定物よりの反射波を遮ぎらないように開口部３９０が設けられ、さらに開口部３９０は音響インピーダンスの整合を兼ねた保護板３６８が接着されていることが、検出感度をより高めるために特に好適である。
【００５５】
このように超音波スタイラスを構成することにより、超音波スタイラス先端よりの超音波の発散が少なく、さらに被測定物よりの反射波を遮ぎらないので、検出感度をより高くすることができる。
なお、前記構成では、測定用超音波スタイラスについて説明したが、本発明はこれに限定されるものはなく、補正用超音波スタイラスについも、前記図５〜７に示した構造とすることが特に好適である。
また前記各構成では、圧電材料としてバルク状の板状圧電材料を用いており、例えば超音波セラミックマイクロフォンに用いられるセンサを用いることができる。
【００５６】
＜反射波の影響強調機構＞
前記各構成では、検出用圧電材料よりの検出信号の、駆動用圧電材料よりの超音波の通過波部分と、測定対象よりの反射波部分が明確に分離している例について説明したが、通過波の影響が過渡特性として残り、反射波と重畳して判別できないおそれがある場合には、前記各構成による検出感度を高める効果を充分に発揮することができないことがある。
このために本実施形態においては、図８に示すような信号処理を加えることが特に好適である。なお、前記図１と対応する部分には符号３００を加えて示し説明を省略する。
【００５７】
本発明において特徴的なことは、送波手段よりの超音波が、受波手段の背面側に入射してから、該受波手段中を伝播し該受波手段の測定面側より出射し、測定面で反射され該受波手段の測定面側に戻るまでの時間間隔を測定する際の、通過波の影響が過渡特性として残り、反射波と重畳するのを低減したことである。
このために本実施形態においては、メモリ４９２と、演算回路（引算部）４９４を備える。
ここで、前記メモリ４９２は、駆動回路４５２の後段に接続され、メモリ４９２の後段に演算回路４９４が接続されている。また演算回路４９４は、例えば前記検出回路に含まれており、検出用圧電材料４３６と時間間隔測定回路４２８間に接続されている。
【００５８】
本実施形態においては、駆動回路４５２よりのトリガ信号（図９（Ａ）参照）４９６で動作を開始し、予め検出用圧電材料４３６から被測定物までの距離を十分に離隔して得ておいた、該検出用圧電材料４３６の波形（出力特性、図９（Ｂ））を記憶している。
そして、演算回路４９４は、測距時に検出用圧電材料４３６よりの出力より、前記メモリ４９２に記憶している波形（出力特性）を差し引く。
【００５９】
すなわち、図９（Ｃ）に示す実際の検出用圧電材料４３６の出力波形は、演算回路４９４でメモリ４９２の内容が差し引かれる（図９（Ｄ）参照）。その結果が、ある閾値（２）でスライスされ、パルス化された信号（図９（Ｅ）参照）４９８の立下りタイミングを決めている。
このように被測定物を充分に離隔した状態で、通過波に対する応答を記録しておき、実際の測定においては、この波形を差し引くことにより、反射波の影響を浮きだたせている。このようなパルス化された信号４９８、つまり反射波の影響が強調された検出波形が時間間隔測定回路４２８に入力される。
【００６０】
この結果、本実施形態においては、通過波の影響が過渡特性として残り反射波と重畳するのを大幅に低減しているので、時間間隔測定回路は、通過波と反射波を明確に分離し、時間間隔Ｔをより正確に測定することができる。これにより距離Ｄをより正確に求めることができる。また前記構成による検出感度の向上効果を充分に発揮することができる。
なお、前記構成では、測定用超音波スタイラスの検出用圧電材料の例について説明したが、補正用超音波スタイラスの検出用圧電材料についても、適用することが特に好ましい。
【００６１】
変形例
＜超音波スタイラスの配置＞
本発明では、測定用超音波スタイラスを被測定物に設置するのに、補正用超音波スタイラスが邪魔にならなければ、これらの超音波スタイラスを直角に配置したり、直線的に配置したり、任意の角度に配置してもよいが、測定対象に対する汎用性をより向上させるためには、以下の構成が特に好適である。
すなわち、超音波測距センサでは、特に深い穴の底の高さを測定するためには、全体形状ないし構成を単純化することが非常に重要である。
【００６２】
そこで、本発明において特徴的なことは、２つの超音波スタイラスをスタイラス軸が一致するように同軸上に配置したことである。
このために本実施形態においては、図１０（Ａ）に示すように超音波測距センサを構成している。なお、前記図１と対応する部分には符号４００を加えて示し説明を省略する。
すなわち、同図（Ａ）においては補正用超音波スタイラス５２２を測定用超音波スタイラス５１２と同軸上に、隣接するスタイラスへの超音波の干渉を防ぐための超音波吸収部材６００を介して配置している。
【００６３】
測定用超音波スタイラス５１２は、支持体５１６ａを介して取りつけ枠５４４に設けられている。
補正用超音波スタイラス５２２は、検出用圧電材料５４０の前面から基準面５４２までの距離は、基準距離Ｄ０となるように、支持体５１６ｂを介して取りつけ枠５４４に設けられている。
この結果、補正用超音波スタイラス５２２を測定用超音波スタイラス５１２と同軸上に配置することにより、直角に組み合わせるよりも、全体形状はシンプルになる。
【００６４】
したがって、特に深い穴の底の高さを測定するのが容易となり、測定対象に対する汎用性をより向上させることができる。
また全体形状ないし構成をより単純化するために、本実施形態においては、図１０（Ｂ）に示すように超音波測距センサを構成することも特に好適である。なお、前記図１と対応する部分には符号５００を加えて示し説明を省略する。
本実施形態においては、図１０（Ｂ）に示すように、さらに駆動用圧電材料（送波手段）７０２を兼用している。
【００６５】
すなわち、測定用超音波スタイラス６１２の駆動用圧電材料と補正用超音波スタイラス６２２の駆動用圧電材料を共通の駆動用圧電材料７０２とし、補正用超音波スタイラス６２２と測定用超音波スタイラス６１２を直線的に配置することも好適である。
補正用超音波スタイラス６２２は、検出用圧電材料６４０の前面から基準面６４２までの距離が、基準距離Ｄ０となるように取りつけ枠６４４に設置されている。
なお、同図では、駆動用圧電材料７０２を跨ぐようにして、超音波スタイラス６１２，６２２を支持する支持部材７０４が必要であるが、全体構成は単純である。
【００６６】
このように二つの超音波スタイラス６１２，６２２をスタイラス軸を一致させて同軸上に配置し、さらに一つの駆動用圧電材料７０２を兼用することにより、全体形状ないし構成を単純化することができる。これにより特に深い穴の底の高さであっても、距離Ｄを容易に及び確実に測定することができるので、測定対象に対する汎用性がより向上される。
しかも同図（Ａ）に示すホーン型のスタイラスに代えて、同図（Ｂ）に示すように同一断面積を有する柱状のスタイラスを用いることにより、スタイラスの加工がより簡単となる。
【００６７】
＜測定対象＞
なお本実施形態では、深い穴の底の高さを測定する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、任意の場所の距離を測定することができる。しかしながら、深い穴の底の高さを測定する際に、本発明のセンサの効果が、他のセンサに比較し、より顕著に現れるので、本発明は、特に深い穴の底の高さの測定に好適である。
＜検出用圧電材料＞
検出用圧電材料は、前記バルク状の板材ばかりでなく、例えばシリコン等の薄膜に圧電特性または電歪特性を持つ材料を形成したもの、例えば特開平４−３６４４１３号、特開平６−２６８０７号等に記載のものを用いることができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかる超音波測距センサによれば、測定用受波手段及び送波手段は測定面の測距軸方向に所定離隔距離をおいて直列配置され、また時間間隔測定手段により、送波手段よりの超音波が測定面で反射され該測定用受波手段に戻るまでの時間間隔、及び超音波が基準面で反射され該補正用受波手段に戻るまでの時間間隔を測定し、演算手段により基準距離及び各時間間隔に基づいて測定用受波手段から測定面までの距離を求めることとした。
この結果、本発明は、温度変化に関わらず測距精度の安定性を高めることができると共に、測定対象に対する汎用性を向上させることができる。
また本発明においては、温度センサと、基準距離補正手段を備え、演算手段により、基準距離補正手段により得られた温度補正済み基準距離を用いて測定用受波手段から測定面までの距離を求めることにより、温度変化に関わらず測距精度の安定性をより高めることができる。
また本発明においては、測定面側より順に、前記測定用受波手段、一つの前記送波手段及び補正用受波手段を測距軸方向に直列に配置することにより、構成の簡素化が図られるので、測定対象に対する汎用性をより向上させることができる。　また本発明においては、測定用超音波スタイラスと、補正用超音波スタイラスを備えることにより、温度変化に関わらず測距精度の安定性をより高めると共に、測定対象に対する汎用性をより向上させることができる。
また本発明においては、前記測定用超音波スタイラスの測定面側端面の略中央部に凹面を形成し、該凹面部に沿って、該測定面側端面に前記測定用受波手段を設けることにより、検出感度をより高めることができる。
また本発明においては、予め測定用受波手段から測定面までの距離を十分離隔して得ておいた、該測定用受波手段の出力特性を記憶しているメモリと、測距時に測定用受波手段の出力より、前記メモリに記憶している出力特性を差し引く引算部を備えることにより、前記時間間隔をより正確に測定することができるので、前記測距精度をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態にかかる超音波測距センサの概略構成の説明図である。
【図２】本実施形態にかかる超音波測距センサの測定用超音波スタイラスの説明図である。
【図３】図１に示した超音波測距センサの駆動用圧電材料への駆動波形と検出用圧電材料よりの検出波形の説明図である。
【図４】図１に示した超音波測距センサの補正用超音波スタイラスの説明図である。
【図５】本実施形態において好適な超音波スタイラスの説明図である。
【図６】本実施形態において好適な超音波スタイラスの説明図である。
【図７】本実施形態において好適な超音波スタイラスの説明図である。
【図８】本実施形態において好適な反射波の影響強調機構の概略構成の説明図である。
【図９】図８に示した反射波の影響強調機構による通過波の影響低減方法の説明図である。
【図１０】本実施形態において好適な測定用超音波スタイラスと補正用超音波スタイラスの配置の変形例の説明図である。
【図１１】測定用超音波スタイラスの従来例の説明図である。
【符号の説明】
１１０　超音波測距センサ
１１２，２１２，３１２，５１２，６１２　測定用超音波スタイラス
１２２，５２２，６２２　補正用超音波スタイラス
１２８，１３０，４２８　時間間隔測定回路（時間間隔測定手段）
１３２　距離演算回路（距離演算手段）
１３４，２３４，３３４，５３４　駆動用圧電材料（測定用送波手段）
１３６，２３６，３３６，４３６，５３６，６３６　検出用圧電材料（測定用受波手段）
１３８，５３８　駆動用圧電材料（補正用送波手段）
１４０，５４０，６４０　検出用圧電材料（補正用受波手段）
１４２，５４２，６４２　基準面
【図１】
2004061120.tif 000003
【図２】
2004061120.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004061120.tif 000006
【図５】
2004061120.tif 000007
【図６】
2004061120.tif 000008
【図７】
2004061120.tif 000009
【図８】
2004061120.tif 000010
【図９】
2004061120.tif 000011
【図１０】
2004061120.tif 000012
【図１１】
2004061120.tif 000013