(57)【要約】【課題】特定方向における対象物までの距離を高精度で計測することができる３次元空間計測装置および３次元空間計測方法を提供する。【解決手段】送波装置１の各送波エレメント１１から発生させる粗密波の時間幅を設定する基準信号を出力する信号源３１と、送波エレメント１１から発生させる粗密波の位相を制御するための多数の移相器３２ａを有し各位相器３２ａへ信号源３１から出力された基準信号が入力される移相回路３２と、信号源３１から基準信号を発生させるためのタイミング信号ｔ１を信号源３１へ与えるとともに移相回路３２の各移相器３２ａでの位相のシフト量を制御する位相信号φを移相回路３２へ与える制御部３３とを備える。演算部３７は、送波装置１が粗密波を送波してから受波装置２が受波するまでの時間と音速とに基づいて送波装置１のメインビームの方向（特定方向）における対象物Ａまでの距離を演算する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体への通電に伴う発熱体と空気との熱交換により粗密波を発生する複数の送波エレメントが配列された送波装置と、送波装置から送波され対象物で反射された粗密波を受波する受波装置と、送波装置の各送波エレメントへの通電のタイミングを制御することで送波方向を制御する送波方向制御部と、送波装置の各送波エレメントから単パルス的に粗密波が発生するように前記送波方向制御部へ前記タイミングを指示する制御部と、送波装置が粗密波を送波してから受波装置が受波するまでの時間に基づいて送波装置のメインビームの方向における対象物までの距離を求める演算部とを有することを特徴とする３次元空間計測装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記送波方向制御部へ前記メインビームの方向が走査されるように前記タイミングを指示し、前記演算部は、前記メインビームの方向毎の前記対象物までの距離を求めることを特徴とする請求項１記載の３次元空間計測装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記メインビームが同一方向へ間欠的に複数回形成されるように前記タイミングを指示し、前記演算部にて複数回求めた距離の平均値を計測距離として出力することを特徴とする請求項１または請求項２記載の３次元空間計測装置。
【請求項４】
発熱体への通電に伴う発熱体と空気との熱交換により粗密波を発生する複数の送波エレメントが配列された送波装置の各送波エレメントへ通電するタイミングを制御して単パルス的に粗密波を発生させ、送波装置が粗密波を送波してから対象物で反射されて受波装置が受波するまでの時間に基づいてメインビームの方向における対象物までの距離を求めることを特徴とする３次元空間計測方法。
【請求項５】
前記メインビームの方向が走査されるように前記タイミングを変化させ、前記メインビームの方向毎の前記対象物までの距離を求めることを特徴とする請求項４記載の３次元空間計測方法。
【請求項６】
前記メインビームが同一方向へ間欠的に複数回形成されるように前記タイミングを変化させ、複数回求めた距離の平均値を計測距離とすることを特徴とする請求項４または請求項５記載の３次元空間計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元空間計測装置および３次元空間計測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、送波装置を構成する複数の超音波発生素子それぞれへ単パルスの入力を与えて超音波を発生させる送信回路を備えた３次元空間計測装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
また、多数個の超音波発生素子を一平面上に配列したアレイ型の送波装置を用いて、各超音波発生素子の送波位相を制御することによってメインビームの方向を制御するようにした３次元空間計測装置が提案されている（例えば、特許文献２）。
【０００４】
また、近年、機械的振動によらずに超音波を発生する超音波発生素子（圧力波発生装置）を二次元状に配置した超音波アレイを送波装置として利用することが提案されている（例えば、特許文献３）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２５８８８９号公報（第４頁−第５頁、図１）
【特許文献２】
特開２００１−３４３３７０号公報（第３頁−第４頁、図１〜図３）
【特許文献３】
特開平１１−３００２７４号公報（第３頁−第５頁、図１、図２、図５）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記各従来構成では、送波装置の超音波発生素子から超音波のバースト波が発生するものであるから、主ローブの他にグレーティングローブやサイドローブが形成されてしまい、特定方向における対象物までの距離を高精度で計測することができないという不具合があった。
【０００７】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、特定方向における対象物までの距離を高精度で計測することができる３次元空間計測装置および３次元空間計測方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、発熱体への通電に伴う発熱体と空気との熱交換により粗密波を発生する複数の送波エレメントが配列された送波装置と、送波装置から送波され対象物で反射された粗密波を受波する受波装置と、送波装置の各送波エレメントへの通電のタイミングを制御することで送波方向を制御する送波方向制御部と、送波装置の各送波エレメントから単パルス的に粗密波が発生するように前記送波方向制御部へ前記タイミングを指示する制御部と、送波装置が粗密波を送波してから受波装置が受波するまでの時間に基づいて送波装置のメインビームの方向における対象物までの距離を求める演算部とを有することを特徴とするものであり、送波装置の各送波エレメントから発生した粗密波の干渉によるグレーティングローブやサイドローブの影響がなく、特定方向における対象物までの距離を高精度で計測することができる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記制御部は、前記送波方向制御部へ前記メインビームの方向が走査されるように前記タイミングを指示し、前記演算部は、前記メインビームの方向毎の前記対象物までの距離を求めるので、前記対象物の３次元形状の計測が可能となる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記制御部は、前記メインビームが同一方向へ間欠的に複数回形成されるように前記タイミングを指示し、前記演算部にて複数回求めた距離の平均値を計測距離として出力するので、計測距離の精度を向上できる。
【００１１】
請求項４の発明は、発熱体への通電に伴う発熱体と空気との熱交換により粗密波を発生する複数の送波エレメントが配列された送波装置の各送波エレメントへ通電するタイミングを制御して単パルス的に粗密波を発生させ、送波装置が粗密波を送波してから対象物で反射されて受波装置が受波するまでの時間に基づいてメインビームの方向における対象物までの距離を求めることを特徴とし、特定方向における対象物までの距離を高精度に計測することができる。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記メインビームの方向が走査されるように前記タイミングを変化させ、前記メインビームの方向毎の前記対象物までの距離を求めるので、前記対象物の３次元形状の計測が可能となる。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項４または請求項５の発明において、前記メインビームが同一方向へ間欠的に複数回形成されるように前記タイミングを変化させ、複数回求めた距離の平均値を計測距離とするので、計測距離の精度を向上できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本実施形態の３次元空間計測装置は、図１に示すように、粗密波を発生する複数の送波エレメント１１（図２および図３参照）が配列された送波装置１と、送波装置１から送波され対象物Ａで反射された粗密波を受波する受波装置２と、所定の信号処理を行う信号処理装置３とを備えている。
【００１５】
信号処理装置３は、各送波エレメント１１から発生させる粗密波の時間幅を設定する基準信号を出力する信号源３１と、送波エレメント１１から発生させる粗密波の位相を制御するための多数の移相器３２ａを有し各位相器３２ａへ信号源３１から出力された基準信号が入力される移相回路３２と、信号源３１から基準信号を発生させるためのタイミング信号ｔ１を信号源３１へ与えるとともに移相回路３２の各移相器３２ａでの位相のシフト量を制御する位相信号φを移相回路３２へ与える制御部３３とを備えている。なお、本実施形態では、上述の移相回路３２が、送波装置１の各送波エレメント１１への通電のタイミングを制御することで送波方向を制御する送波方向制御部を構成し、制御部３３は、送波装置１の各送波エレメント１１から単パルス的に粗密波が発生するように指向性制御部たる移相回路３２へ各送波エレメント１１への通電のタイミングを指示する機能を備えている。
【００１６】
また、信号処理装置３は、受波装置２の出力を増幅する増幅器３４と、増幅器３４の後段に設けられた受波ゲート３５と、受波ゲート３５を通過して入力された増幅器３４の出力を波形整形する波形整形部３６と、制御部３３の出力と波形整形部３６の出力とに基づいて対象物Ａまでの距離とを求めて出力する演算部３７とを備えている。
【００１７】
ここに、受波ゲート３５は、制御部３３からのタイミング信号ｔ１に基づいて粗密波の送波後に検知ゲート期間を設定し、検知ゲート期間にのみ増幅器３４の出力を通過させる。また、波形整形部３６は、あらかじめ設定された基準電圧と受波ゲート３５を通して入力される増幅器３４の出力電圧とを比較して、増幅器３４の出力電圧が基準電圧を上回る期間をＨレベルとする２値信号を受波信号ｔ２として演算部３７に出力する。
【００１８】
ここにおいて、演算部３７には、制御部３３から上述のタイミング信号ｔ１および位相信号φも入力される。演算部３７は、位相信号φに基づいて送波装置１の指向性のメインビームの方向を演算するとともに、送波装置１が粗密波を送波してから受波装置２が受波するまでの時間と音速とに基づいて送波装置１のメインビームの方向（特定方向）における対象物Ａまでの距離を演算し、特定方向と当該特定方向における対象物Ａまでの距離とを合わせて３次元空間計測の結果として出力する。ここに、演算部３７は、対象物Ａまでの距離については上述したタイミング信号ｔ１と受波信号ｔ２との時間差と音速とに基づいて送波装置１から対象物Ａまでの距離を求める演算を行う。要するに、演算部３７は、送信装置１の各送波エレメント１１へ通電するタイミングの時間差と、送波装置１から出力された粗密波が対象物Ａにて反射されて受波装置２にて受波されるまでの時間とに基づいて対象物Ａまでの距離を求めるようになっている。演算部３７による出力結果は例えば図示しない表示装置に表示すればよい。なお、制御部３３と演算部３７とはマイクロコンピュータを含んで構成されている。
【００１９】
ところで、送波装置１は、図２に示すように、シリコン基板１０の一表面側に複数の送波エレメント１１が２次元面内でマトリクス状に配列されている。ここに、各送波エレメント１１は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、シリコン基板１０の一表面側に形成されたポーラスシリコン（多孔質シリコン）からなりシリコン基板１０に比べて熱伝導率が十分に小さな断熱層１１ａと、断熱層１１ａ上に形成された熱伝導率の大きな金属薄膜（例えば、アルミニウム薄膜）からなりシリコン基板１０とは熱絶縁された発熱体１１ｂとで構成されており、発熱体１１ｂへの通電に伴う発熱体１１ｂと空気（媒質）との熱交換により粗密波を発生する。なお、送波エレメント１１は、発熱体１１ｂの平面形状がＭ字状にパターニングされており、図示しない配線を通してＭ字状の発熱体１１ｂの両端間に通電することにより発熱体１１が発熱し、発熱体１１ｂ近傍の空気との間で効率的な熱交換が起こり、空気の膨張・圧縮の結果、粗密波が発生する。
【００２０】
本実施形態における送波装置１においては、シリコン基板１０の上記一表面側の断熱層１１ａの形成予定領域を陽極酸化処理などによって多孔質化することにより各断熱層１１ａを形成することができ、各断熱層１１ａを形成したシリコン基板１０の上記一表面側の全面に上記金属薄膜を堆積して当該金属薄膜をリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングすることによって発熱体１１ａを形成することができるので、いわゆるシリコンプロセスを利用して送波装置１を容易に製造することができる。ここに、シリコン基板１０の代わりに、厚み方向の中間に絶縁膜であるシリコン酸化膜（埋込酸化膜）を有するいわゆるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いてもよい。また、送波装置１では、図２に示すように送波エレメント１１をマトリクス状に配列してあるが、送波エレメントの配列は特に限定するものではなく、例えば、図４に示すように中央の送波エレメント１１を中心とした仮想同心円上に送波エレメント１１を配列するようにしてもよい。
【００２１】
受波装置２を構成するセンサにおける受波エレメントとしては、例えば、図５に示すように、ＳＯＩ基板２０（なお、ＳＯＩ基板２０は、シリコン基板からなる支持基板２０ａとシリコン層２０ｃとの間にシリコン酸化膜２０ｂが介在している）の一表面側に形成したダイアフラム型の受圧部２１に設けた圧電材料層（例えば、ＰＺＴ薄膜、ＺｎＯ薄膜）２２を採用すればよい。ここに、ＳＯＩ基板２０の代わりに、シリコン基板を用いてもよいことは勿論であり、送波装置１の送波エレメント１１と受波装置２の受波エレメントとを同一基板に形成することも可能である。また、受圧部２１に圧電材料層２２を設けずに、受圧部２１の周部に拡散抵抗からなるピエゾ抵抗を形成してピエゾ抵抗を受波エレメントとして採用してもよい。
【００２２】
また、受波エレメントとしては、例えば、図６に示す概略平面図のように、シリコン基板２５をエッチングなどにより加工して形成され矩形枠状の支持部２５ａに片持ちされたカンチレバー型の受圧部２６に形成した拡散抵抗からなるピエゾ抵抗２７を採用してもよいし、ピエゾ抵抗２７を形成する代わりに、上述の圧電材料層２２を受圧部２６に設けてもよい。なお、図６においてシリコン基板２５の代わりにＳＯＩ基板を用いてもよいことは勿論である。要するに、図６の構成を採用した場合にも、送波装置１の送波エレメント１１と受波装置２の受波エレメントとを同一基板に形成することが可能である。
【００２３】
しかして、本実施形態では、送波装置１の各送波エレメント１１から単パルス的に粗密波が発生するように各送波エレメント１１への通電を制御することで送波方向においてグレーティングローブやサイドローブが形成されるのを抑制することができるのである。
【００２４】
ここに、各送波エレメント１１は、周知のように上述の発熱体１１ｂの両端間に適宜周波数の交流電流を流せば超音波を発生することができるものであり、いま仮に、図７に示すように配列された２つの送波エレメント１１，１１から同時に超音波を発生させたとすると、同図中に示すような３つの方向に強い波が進行するが、本実施形態では、図８に示すように各送波エレメント１１から単パルス的に粗密波を発生させるので、グレーティングローブやサイドローブが形成されず、同図中に示すような単一の方向ｂ０のみへ強い波が進行する。なお、図７および図８における一点鎖線は左側の送波エレメント１１で発生させた粗密波の山を示し、破線は右側の送波エレメント１１で発生させた粗密波の山を示し、各図における方向ｂ０は送波装置１におけるシリコン基板１０の法線方向と一致する。
【００２５】
また、各送波エレメント１１で発生させる粗密波の位相差を制御することによって、強い波の進行する単一の方向ｂ０を制御することができ、図９に示すように、シリコン基板１０の法線方向と強い波の進行する方向ｂ０とのなす角度θを制御することができる。なお、図９においても、一点鎖線は図示しない左側の送波エレメント１１で発生させた粗密波の山を示し、破線は図示しない右側の送波エレメント１１で発生させた粗密波の山を示す。
【００２６】
しかして、本実施形態の３次元空間計測装置では、発熱体１１ｂへの通電に伴う発熱体１１ｂと空気との熱交換により粗密波を発生する複数の送波エレメント１１が配列された送波装置１と、送波装置１から送波され対象物Ａで反射された粗密波を受波する受波装置２と、送波装置１の各送波エレメント１１への通電のタイミングを制御することで送波方向を制御する送波方向制御部たる移相回路３２と、送波装置１の各送波エレメント１１から単パルス的に粗密波が発生するように移相回路３２へ上記タイミングを指示する制御部３３と、送波装置１が粗密波を送波してから受波装置２が受波するまでの時間に基づいて送波装置１のメインビームの方向における対象物Ａまでの距離を求める演算部３７とを有するものであり、送波装置１の各送波エレメント１１から発生した粗密波の干渉によるグレーティングローブやサイドローブの影響がなく、特定方向における対象物Ａまでの距離を高精度で計測することができる。
【００２７】
ところで、上述の制御部３３が、移相回路３２へメインビームの方向が走査されるように上記タイミングを指示し（つまり、移相回路３２への位相信号φを逐次変化させ）、演算部３７が、メインビームの方向毎（つまり、互いに異なる特定方向毎）の対象物Ａまでの距離を求めるようにすれば、対象物Ａの３次元形状の計測が可能となる。なお、メインビームの向きを走査するにあたっては、連続的に変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。
【００２８】
ここに、制御部３３が、メインビームが同一方向へ間欠的に複数回形成されるように上記タイミングを指示し、演算部３７にて複数回求めた距離の平均値を計測距離として出力するようにすれば、計測距離の精度を向上できる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１の発明は、発熱体への通電に伴う発熱体と空気との熱交換により粗密波を発生する複数の送波エレメントが配列された送波装置と、送波装置から送波され対象物で反射された粗密波を受波する受波装置と、送波装置の各送波エレメントへの通電のタイミングを制御することで送波方向を制御する送波方向制御部と、送波装置の各送波エレメントから単パルス的に粗密波が発生するように前記送波方向制御部へ前記タイミングを指示する制御部と、送波装置が粗密波を送波してから受波装置が受波するまでの時間に基づいて送波装置のメインビームの方向における対象物までの距離を求める演算部とを有するものであり、送波装置の各送波エレメントから発生した粗密波の干渉によるグレーティングローブやサイドローブの影響がなく、特定方向における対象物までの距離を高精度で計測することができるという効果がある。
【００３０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記制御部は、前記送波方向制御部へ前記メインビームの方向が走査されるように前記タイミングを指示し、前記演算部は、前記メインビームの方向毎の前記対象物までの距離を求めるので、前記対象物の３次元形状の計測が可能となるという効果がある。
【００３１】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記制御部は、前記メインビームが同一方向へ間欠的に複数回形成されるように前記タイミングを指示し、前記演算部にて複数回求めた距離の平均値を計測距離として出力するので、計測距離の精度を向上できるという効果がある。
【００３２】
請求項４の発明は、発熱体への通電に伴う発熱体と空気との熱交換により粗密波を発生する複数の送波エレメントが配列された送波装置の各送波エレメントへ通電するタイミングを制御して単パルス的に粗密波を発生させ、送波装置が粗密波を送波してから対象物で反射されて受波装置が受波するまでの時間に基づいてメインビームの方向における対象物までの距離を求めるので、特定方向における対象物までの距離を高精度に計測することができるという効果がある。
【００３３】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記メインビームの方向が走査されるように前記タイミングを変化させ、前記メインビームの方向毎の前記対象物までの距離を求めるので、前記対象物の３次元形状の計測が可能となるという効果がある。
【００３４】
請求項６の発明は、請求項４または請求項５の発明において、前記メインビームが同一方向へ間欠的に複数回形成されるように前記タイミングを変化させ、複数回求めた距離の平均値を計測距離とするので、計測距離の精度を向上できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態を示す概略構成図である。
【図２】同上における送波装置の概略平面図である。
【図３】同上における送波装置を示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は要部平面図である。
【図４】同上における送波装置の他の構成例を示す概略平面図である。
【図５】同上における受波装置の要部概略断面図である。
【図６】同上に用いる受波装置の要部概略平面図である。
【図７】同上の動作説明図である。
【図８】同上の動作説明図である。
【図９】同上の動作説明図である。
【符号の説明】
１　送波装置
２　受波装置
３　信号処理装置
１０　シリコン基板
１１　送波エレメント
１１ａ　断熱層
１１ｂ　発熱体
３１　信号源
３２　移相回路
３２ａ　移相器
３３　制御部
３４　増幅器
３５　受波ゲート
３６　波形整形部
３７　演算部
Ａ　対象物
【図１】
2004125515.tif 000003
【図２】
2004125515.tif 000004
【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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