(57)【要約】【課題】  少数の超音波トランスデューサを用いるだけで空間分解能の高い位置計測を行うこと。【解決手段】  超音波トランスデューサ１、２と、時系列的に複数の周波数のバースト信号を生成し、超音波トランスデューサ１、２に供給する信号発生部３と、超音波トランスデューサ１、２から出力され、目標物からの反射波を受信する超音波受信部４と、受信した超音波の反射波を周波数成分毎に分離するバンドパスフィルタ部５−１〜５−ｎと、該分離された周波数成分毎に超音波の送信時点から受信時点までの時間を検出するカウンタ部６−１〜６−ｎと、カウンタ部６−１〜６−ｎの検出出力に基づいて目標物が存在する空間領域及び目標物までの距離を算出し、目標物の位置を決定する統合計測部１０とを有する。【選択図】    図１
2005077141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波トランスデューサから超音波を発振し、目標物からの反射波を計測することにより目標物の位置を計測する位置計測方法において、
広周波数帯域にわたって、超音波を発振することができる超音波トランスデューサを用い、該超音波トランスデューサの発振周波数と、該発振周波数のときに前記超音波トランスデューサの音波放射面の法線方向である超音波放射軸を中心とする超音波の放射領域となる空間領域を予め対応付けておき、
前記超音波トランスデューサから出力される超音波の発振周波数を時系列的かつ段階的に変更して出力し、前記超音波の出力時点から前記目標物からの反射波の受信時点までの時間を受信した周波数成分毎に求め、受信した反射波の周波数及び前記時間に基づいて前記目標物の位置を決定することを特徴とする位置計測方法。
【請求項２】
前記超音波トランスデューサから出力される超音波の発振周波数を最初は低くし、時系列的かつ段階的に高くするように変更することを特徴とする請求項１に記載の位置計測方法。
【請求項３】
目標物に対して超音波を放射する広い周波数帯域にわたって超音波を発振することができる超音波トランスデューサと、
時系列的に複数の周波数のバースト信号を生成し、前記超音波トランスデューサに供給する信号発生部と、
前記超音波トランスデューサから出力され、前記目標物で反射した超音波の反射波を受信する超音波受信部と、
前記超音波受信部により受信された超音波の反射波を周波数成分毎に分離し、該分離された周波数成分毎に超音波の送信時点から受信時点までの時間を検出する信号検出部と、
前記信号検出部の検出出力に基づいて前記目標物が存在する空間領域及び前記目標物までの距離を算出し、前記目標物の位置を決定する統合計測部と、
を有することを特徴とする位置計測装置。
【請求項４】
前記信号発生部は、前記超音波トランスデューサの発振周波数を最初は低くし、時系列的に、かつ段階的に高くなるバースト波を生成して前記超音波トランスデューサに供給し、
前記統合計測部は、超音波トランスデューサの発振周波数と、該発振周波数のときに前記超音波トランスデューサの音波放射面の法線方向である超音波放射軸を中心とする超音波の放射領域となる空間領域とを予め対応付けたテーブルを記憶する記憶手段を有し、
前記信号検出部の検出出力から得られた超音波受信部が受信した超音波の反射波の周波数から前記テーブルを参照して目標物が存在する空間領域を同定し、超音波の送信時点から受信時点までの時間から前記目標物までの距離を算出することを特徴とする請求項３に記載の位置計測装置。
【請求項５】
前記統合計測部は、
前記超音波の反射波の周波数成分毎に対応付けて前記受信した超音波の送信時点から受信時点までの時間が記憶される第１の記憶部と、
超音波トランスデューサの発振周波数と、該発振周波数のときに前記超音波トランスデューサの音波放射面の法線方向である超音波放射軸を中心とする超音波の放射領域となる空間領域とを予め対応付けたテーブル及び前記目標物までの距離演算に必要な演算データが格納されている第２の記憶部と、
前記第２の記憶部に格納されたテーブルを参照し、前記第１の記憶部に記憶された前記受信した反射波の周波数から前記目標物が存在する空間領域を同定し、かつ前記受信した超音波の送信時点から受信時点までの時間に基づいて前記目標物までの距離を算出し、前記目標物の位置を決定する演算処理部と、
を有することを特徴とする請求項３または４のいずれかに記載の位置計測装置。
【請求項６】
さらに、前記空間領域のうちの特定領域に所定の周波数の超音波を放射する第２の超音波トランスデューサを有し、
前記統合計測部は、前記目標物の存在する空間領域を同定する際に前記第２の超音波トランスデューサから放射された超音波の前記目標物からの反射波の検出信号の有無を判定基準とすることを特徴とする請求項３乃至５いずれかに記載の位置計測装置。
【請求項７】
前記信号検出部は、
前記超音波受信部により受信された超音波の反射波を周波数成分毎に分離する信号分離手段と、
前記信号分離手段により分離された周波数成分毎の反射波となる超音波の送信時点から受信時点までの時間を計測する複数のカウンタ部と、
を有することを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の位置計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波トランスデューサから超音波を発振し、目標物(障害物)からの反射波を計測することによって、目標物の位置(目標物までの方向及び距離)を計測する位置計測方法及び装置に関する。
広帯域の超音波トランスデューサを使用して、少数のトランスデューサで空間分解能の高い位置計測を行うことの可能な超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波トランスデューサを用い、超音波を目標物に向けて送信してから目標物からの反射波を検出するまでの時間を計測することによって、目標物までの距離を計測する技術は、一般的によく知られている。簡便な構成で無侵襲計測、非破壊計測ができ、また光学的計測では対応できないような媒質、条件に対しても計測が可能なことから、幅広く利用されている。
【０００３】
超音波での距離計測では一般に、送信器(トランスミッタ)と受信器(レシーバ)の組を用いるが、一組で一つの距離情報しか得られないため、そのままでは障害物の有無しか分からず、障害物の具体的な位置は分からない。つまり、距離方向に対する横方向の空間分解能が非常に低い。
【０００４】
このような問題を解決する手法として、超音波トランスデューサを複数用いてアレイ状に配列し、横方向空間分解能の高い計測を行う手法が多数提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【特許文献１】特開平５−２７３３３４号公報
【特許文献２】特開平７−８４０３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来例では、横方向の空間分解能を向上させるためには、多数の超音波トランスデューサを用いる必要があるため、小型化が困難であり、またコストも高くなるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、少数の超音波トランスデューサを用いるだけで空間分解能の高い位置計測を行うことができる位置計測方法及び位置計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、超音波トランスデューサから超音波を発振し、目標物からの反射波を計測することにより目標物の位置を計測する位置計測方法において、広周波数帯域にわたって、超音波を発振することができる超音波トランスデューサを用い、該超音波トランスデューサの発振周波数と、該発振周波数のときに前記超音波トランスデューサの音波放射面の法線方向である超音波放射軸を中心とする超音波の放射領域となる空間領域を予め対応付けておき、前記超音波トランスデューサから出力される超音波の発振周波数を時系列的かつ段階的に変更して出力し、前記超音波の出力時点から前記目標物からの反射波の受信時点までの時間を受信した周波数成分毎に求め、受信した反射波の周波数及び前記時間に基づいて前記目標物の位置を決定することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の位置計測方法において、前記超音波トランスデューサから出力される超音波の発振周波数を最初は低くし、時系列的かつ段階的に高くするように変更することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、目標物に対して超音波を放射する広い周波数帯域にわたって超音波を発振することができる超音波トランスデューサと、時系列的に複数の周波数のバースト信号を生成し、前記超音波トランスデューサに供給する信号発生部と、前記超音波トランスデューサから出力され、前記目標物で反射した超音波の反射波を受信する超音波受信部と、前記超音波受信部により受信された超音波の反射波を周波数成分毎に分離し、該分離された周波数成分毎に超音波の送信時点から受信時点までの時間を検出する信号検出部と、前記信号検出部の検出出力に基づいて前記目標物が存在する空間領域及び前記目標物までの距離を算出し、前記目標物の位置を決定する統合計測部とを有することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の位置計測装置において、前記信号発生部は、前記超音波トランスデューサの発振周波数を最初は低くし、時系列的に、かつ段階的に高くなるバースト波を生成して前記超音波トランスデューサに供給し、前記統合計測部は、超音波トランスデューサの発振周波数と、該発振周波数のときに前記超音波トランスデューサの音波放射面の法線方向である超音波放射軸を中心とする超音波の放射領域となる空間領域とを予め対応付けたテーブルを記憶する記憶手段を有し、前記信号検出部の検出出力から得られた超音波受信部が受信した超音波の反射波の周波数から前記テーブルを参照して目標物が存在する空間領域を同定し、超音波の送信時点から受信時点までの時間から前記目標物までの距離を算出することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明は、請求項３または４のいずれかに記載の位置計測装置において、前記統合計測部は、前記超音波の反射波の周波数成分毎に対応付けて前記受信した超音波の送信時点から受信時点までの時間が記憶される第１の記憶部と、超音波トランスデューサの発振周波数と、該発振周波数のときに前記超音波トランスデューサの音波放射面の法線方向である超音波放射軸を中心とする超音波の放射領域となる空間領域とを予め対応付けたテーブル及び前記目標物までの距離演算に必要な演算データが格納されている第２の記憶部と、前記第２の記憶部に格納されたテーブルを参照し、前記第１の記憶部に記憶された前記受信した反射波の周波数から前記目標物が存在する空間領域を同定し、かつ前記受信した超音波の送信時点から受信時点までの時間に基づいて前記目標物までの距離を算出し、前記目標物の位置を決定する演算処理部とを有することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明は、請求項３乃至５のいずれかに記載の位置計測装置において、さらに、前記空間領域のうちの特定領域に所定の周波数の超音波を放射する第２の超音波トランスデューサを有し、前記統合計測部は、前記目標物の存在する空間領域を同定する際に前記第２の超音波トランスデューサから放射された超音波の前記目標物からの反射波の検出信号の有無を判定基準とすることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項７に記載の発明は、請求項３乃至６のいずれかに記載の位置計測装置において、前記信号検出部は、前記超音波受信部により受信された超音波の反射波を周波数成分毎に分離する信号分離手段と、前記信号分離手段により分離された周波数成分毎の反射波となる超音波の送信時点から受信時点までの時間を計測する複数のカウンタ部と、
を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、超音波トランスデューサから出力される超音波が、周波数に応じて超音波の指向特性(指向角度)が異なることを利用し、超音波トランスデューサの発振周波数による空間コード化（空間を分割し、それぞれに識別符号をつける）を行うこと、すなわち超音波トランスデューサから出力される超音波の発振周波数と、超音波の放射領域となる空間領域とを対応づけることができる。よって、広周波数帯域発振型の、少数の超音波トランスデューサ用いることにより、空間分解能の高い位置計測を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１に本発明の実施形態に係る位置計測装置の構成を示す。同図において、本発明の実施形態に係る位置計測装置は、第１の超音波トランスデューサ１（ＴＳ１）と、第２の超音波トランスデューサ２（ＴＳ２）と、信号発生部３と、超音波受信部４（ＲＳ）と、バンドパスフィルタ部５−１（ＢＰＦ−Ａ）〜５−ｎ（ＢＰＦ−Ｓ）と、カウンタ部６−１（Ａ）〜６−ｎ（Ｓ）と、統合計測部１０とを有している。
【００１６】
第１の超音波トランスデューサ１（ＴＳ１）は、目標物に対して超音波を放射する広い周波数帯域にわたって超音波を発振する機能を有している。第１の超音波トランスデューサ１は、複数の周波数のバースト波を生成し、出力する。このために、第１の超音波トランスデューサ１には、広周波数帯域発振型の超音波トランスデューサを用いる。第１の超音波トランスデューサ１には、例えば、静電型の超音波トランスデューサを用いる。
【００１７】
第１の超音波トランスデューサ１の具体的構成を図２に示す。図２に示す静電型の超音波トランスデューサ１は、振動体として３〜１０μｍ程度の厚さのＰＥＴ（ポリエチレンテレフクレート樹脂）等の誘電体３１（絶縁体）を用いている。誘電体３１に対しては、アルミ等の金属箔として形成される上電極３２がその上面部に蒸着等の処理によって一体形成されるとともに、真鍮で形成された下電極３３が誘電体３１の下面部に接触するように設けられている。この下電極３３は、リード４２が接続されるとともに、ベークライト等からなるベース板３５に固定されている。
【００１８】
また、上電極３２は、リード４３が接続されており、このリード４３は直流バイアス電源４０に接続されている。この直流バイアス電源４０により上電極３２には５０〜１５０Ｖ程度の上電極吸着用の直流バイアス電圧が常時、印加され上電極３２が下電極３３側に吸着されるようになっている。４１は交流信号源（本実施形態では、信号発生部３の出力）である。誘電体３１および上電極３２ならびにベース板３５は、メタルリング３６、３７、および３８、ならびにメッシュ３９とともに、ケース３０によってかしめられている。
【００１９】
下電極３３の誘電体３１側の面には不均一な形状を有する数十〜数百μｍ程度の微小な溝が複数形成されている。この微小な溝は、下電極３３と誘電体３１との間の空隙となるので、上電極３２および下電極３３間の静電容量の分布が微小に変化する。このランダムな微小な溝は、下電極３３の表面を手作業でヤスリで荒らすことで形成されている。静電方式の超音波トランスデューサでは、このようにして空隙の大きさや深さの異なる無数のコンデンサを形成することによって、超音波トランスデューサ１の周波数特性が図３において曲線Ｑ１に示すように広帯域となっている。
【００２０】
上記構成の超音波トランスデューサ１では、上電極３２に直流バイアス電圧が印加された状態で上電極３１と下電極３３との間に交流信号電圧（信号発生部３出力）が印加されるようになっている。因みに、図３に曲線Ｑ２で示すように共振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、中心周波数（圧電セラミックの共振周波数）が例えば、４０kHzであり、最大音圧となる中心周波数に対して±５kHzの周波数において最大音圧に対して−３０dＢである。これに対して、上記構成の広帯域発振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、４０kHzから１００kHz付近まで平坦で、１００kHzで最大音圧に比して±６dＢ程度である。
【００２１】
第２の超音波トランスデューサ２（ＴＳ２）は、単一の周波数の超音波を生成し、出力する。したがって、第２の超音波トランスデューサ２（ＴＳ２）は、第１の超音波トランスデューサ１のように、広周波数帯域発振型の超音波トランスデューサである必要はなく、圧電型の狭周波数帯域発振型の超音波トランスデューサを用いてもよい。
第２の超音波トランスデューサ２（ＴＳ２）は、後述するように、第１の超音波トランスデューサ１の音波放射面の法線方向である超音波放射軸を中心とする超音波の放射領域となる空間領域のうちの特定領域に単一の周波数の超音波を放射する機能を有している。
【００２２】
信号発生部３は、第１の超音波トランスデューサ１（ＴＳ１）、第２の超音波トランスデューサ２（ＴＳ２）を駆動するためのバースト信号を、それぞれ生成し、第１の超音波トランスデューサ１（ＴＳ１）、第２の超音波トランスデューサ２（ＴＳ２）に供給する。
信号発生部３は、第１の超音波トランスデューサ１（ＴＳ１）へは、時系列的に段階的に周波数が変化するバースト信号を生成し、供給する。
【００２３】
また、信号発生部３は、第２の超音波トランスデューサ２（ＴＳ２）へは、単一の周波数のバースト信号を生成し、供給する。
さらに、信号発生部３は、各バースト信号出力と同期して、カウンタ部６−１〜６−ｎ内の各カウンタのカウントアップを開始させるトリガ゛信号（ｔｒｇ−Ａ，ｔｒｇ−Ｂ，…，ｔｒｇ−Ｓ）をそれぞれ出力する。また、信号発生部３は、第１、第２の超音波トランスデューサ１、２に出力するバースト信号の出力タイミング及び、バースト信号の出力期間を示す時間情報である計測時間情報を統合計測部１０に対して出力する。この計測時間情報は、統合計測部１０において、信号処理に必要となる時間情報である。
【００２４】
超音波受信部（ＲＳ）４は、超音波トランスデューサ１、２から出力され、目標物で反射した超音波の反射波を受信する機能を有している。超音波受信部（ＲＳ）４は、本実施形態では、第１の超音波トランスデューサ１で用いた静電型超音波トランスデューサを用い、直流バイアスを印加した状態で、両電極間に生じる電圧変動を検出することにより、広周波数帯域の超音波信号（反射波）を電気信号に変換する超音波受信部（ＲＳ）４を構成することができる。
【００２５】
バンドパスフィルタ部５−１（ＢＰＦ−Ａ）〜５−ｎ（ＢＰＦ−Ｓ）は、超音波受信部（ＲＳ）４により受信した超音波の反射波を周波数毎に分離する機能を有している。ここで、バンドパスフィルタ部の具体的構成例を図４に示す。バンドパスフィルタ部５−１〜５−ｎはバンドパスフィルタの通過帯域がそれぞれ、異なるだけで、構成は同一であるので、図４ではバンドパスフィルタ部５−１について示し、他のバンドパスフィルタ部５−２〜５−ｎの構成については説明を省略する。なお、バンドパスフィルタ部５−１（ＢＰＦ−Ａ）〜５−ｎ（ＢＰＦ−Ｓ）内の各バンドパスフィルタの通過帯域はそれぞれ異なり、通過帯域が互いにオーバーラップしないようなフィルタ周波数特性とする。(各フィルタの通過帯域は、信号発生部３で生成する各バースト波周波数を通過帯域幅の中心周波数とし、それ以外のバースト波周波数成分を遮断するようなフィルタ特性とする。)
【００２６】
図４において、バンドパスフィルタ部５−１（ＢＰＦ−Ａ）は、特定の周波数帯域の信号を通過させるバンドパスフィルタ５０Ａと、入力された信号がベースラインと交差する時点でパルス信号ｄｅｔＡを出力する零クロス検出回路５１Ａと、零クロス検出回路５１Ａから出力されるパルス信号ｄｅｔＡを所定数（バンドパスフィルタ５０Ａを通過した信号の数波長分に相当する。）、計数した時点でパルス信号ｄｅｔＡ０を出力するカウンタ５２Ａとを有している。
【００２７】
また、カウンタ部６−１（Ａ）〜６−ｎ（Ｓ）は、バンドパスフィルタ部５−１（ＢＰＦ−Ａ）〜５−ｎ（ＢＰＦ−Ｓ）により分離された周波数成分毎の反射波となる超音波の送信時点から受信時点までの時間を計測する機能を有する。
カウンタ部６−１（Ａ）〜６−ｎ（Ｓ）内の各カウンタは、信号発生部３から出力される各トリガ信号(ｔｒｇ−Ａ，ｔｒｇ−Ｂ，…，ｔｒｇ−Ｓ)に同期してそれぞれ計数値がリセットされてカウントアップが開始され、各バンドパスフィルタ部５−１（ＢＰＦ−Ａ）〜５−ｎ（ＢＰＦ−Ｓ）から出力される反射波検出信号（ｄｅｔＡ，ｄｅｔＢ，…，ｄｅｔＳ）に同期してカウントアップが終了する。
【００２８】
ここで、カウンタ部の具体的構成を図５に示す。カウンタ部６−１（Ａ）〜６−ｎ（Ｓ）は、同一構成であるので、カウンタ部６−１の構成についてのみ説明し、他のカウンタ部については説明を省略する。図５において、カウンタ部６−１は、カウンタ６０Ａと、レジスタ６１Ａと、スイッチ６２Ａと、カウンタ出力切換部６３Ａと、フリップフロップ６４Ａとを有している。
カウンタ６０Ａは、信号発生部３より出力されるトリガ゛信号ｔｒｇ−Ａによりカウントアップを開始し、バンドパスフィルタ部５−１のカウンタ５２Ａから出力されるパルス信号ｄｅｔＡ０を受けてカウントアップを停止する。
【００２９】
レジスタ６１Ａは、バンドバスフィルタ部５−１におけるバンドパスフィルタ５０Ａで該バンドパスフィルタ５０Ａの通過帯域である反射波検出信号の入力が開始された時点で零クロス検出回路５１Ａから出力されるパルス信号ｄｅｔＡによりカウンタ６０Ａの計数出力を保持する。フリップフロップ６４Ａは、反射波検出信号の入力が開始された時点で零クロス検出回路５１Ａから出力されるパルス信号ｄｅｔＡによりセット状態となり、その状態を保持する。
【００３０】
スイッチ６２Ａは、通常はカウンタ６０Ａ側（接点ａ側）に切り換えられており、カウンタ出力切換部６３Ａから出力される制御信号によりレジスタ６１Ａ側（接点ｂ側）に切り換えるスイッチである。
カウンタ出力切換部６３Ａは、バンドバスフィルタ部５−１のカウンタ５２Ａから出力されるパルス信号ｄｅｔＡ０を受けてスイッチ６２Ａを接点ａから接点ｂに切り換え、レジスタ６１Ａの出力をカウンタ部６−１の出力ｃｎｔ−Ａとして出力するように制御する。バンドパスフィルタ部５−１（ＢＰＦ−Ａ）〜５−ｎ（ＢＰＦ−Ｓ）及びカウンタ部６−１（Ａ）〜６−ｎ（Ｓ）は本発明の信号検出部に相当する。
【００３１】
統合計測部１０はカウンタ部６−１（Ａ）〜６−ｎ（Ｓ）の出力ｃｎｔ−Ａ〜ｃｎｔ−Ｓに基づいて前記目標物が存在する空間領域及び前記目標物までの距離を算出し、前記目標物の位置を決定する。
ところで、口径Ｄの円板状の振動子（超音波トランスデューサ）から発生される超音波ビームの指向角θは、超音波の波長をλとすると、次式で与えられる。
θ＝sin−１（ａλ／Ｄ）              （１）
【００３２】
ここで、ａは定数である。また、図７に、超音波トランスデューサの口径Ｄをパラメータとした場合の、駆動周波数と指向角との関連を示す。(数値は一例であって、その値に特別な意味はない。)
上式（１）及び図７より、超音波トランスデューサの発振周波数が高くなるにつれて超音波トランスデューサから出力される超音波はより鋭い指向性を有する(指向角が小さくなる)ようになることが分かる。
【００３３】
上述したように、第１の超音波トランスデューサ１（ＴＳ１）は、信号発生部３から出力されるバースト信号により時系列的に段階的に発振周波数を変えながら駆動される。ここでは、例えば表１に示すように発振周波数を変えて駆動するとする。このとき、各駆動周波数における超音波の到達領域を、表１のように関連づける。すなわち、第１の超音波トランスデューサ１（ＴＳ１）の発振周波数は、時刻ｔa1〜ｔa2、ｔb1〜ｔb2、ｔc1〜ｔc2、ｔd1〜ｔd2、ｔe1〜ｔe2の各時間帯では、それぞれ、３０、３７、４８、７０、１４０(kHz)となるように、時系列的に変更され、そのときの超音波の到達領域（空間領域）は、図８におけるＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの各領域となる。
【００３４】
【表１】
2005077141.tif 000003
【００３５】
一方、第２の超音波トランスデューサ２（ＴＳ２）は、本実施形態では、例えば、発振周波数６０kHz一定(数値は一例)で常時駆動する。あるいは、時刻ｔa1〜ｔe2の間で、任意の時間だけ駆動してもかまわない。なお、第２の超音波トランスデューサ２（ＴＳ２）における超音波到達範囲が第１の超音波トランスデューサ１（ＴＳ１）の中心軸（超音波放射軸）より右側(もしくは左側)の領域（図８に示す例では、右側の領域Ｓ）のみをカバーするように、第２の超音波トランスデューサ２（ＴＳ２）の中心軸は第１の超音波トランスデューサ１（ＴＳ１）の中心軸に対して傾けて配置するようにする(図８)。
【００３６】
以上を基に、超音波の到達範囲（空間領域）を模式的に表すと、図８のようになる(平面図)。このとき、物体（目標物）が存在する空間上の位置を識別するための空間コードと、超音波受信部４（ＲＳ）で検出される物体による反射波の周波数との関係を図１１及び表２に示す。表２は、図１１に示した物体が存在する領域と超音波受信部４（ＲＳ）で検出される反射波の周波数との関係を示し、表中、「１」は該当する周波数の反射波が検出された状態を、「０」は、該当する周波数の反射波が検出されない状態を、それぞれ示している。
【００３７】
また、物体からの反射波のうち第２の超音波トランスデューサ２（ＴＳ２）から放射された超音波の反射波（周波数６０kHz）が超音波受信部４（ＲＳ）で検出されたか否か（「１」か「０」か）を示すデータは、物体が図１１において、どの空間領域に存在するかを同定する際に、領域１，２のうちいずれ属するかを判定するための判定規準として必要となる。
【００３８】
【表２】
2005077141.tif 000004
【００３９】
表２に示したように、例えば、物体Obj1が領域Ｂ1の位置に存在すれば、３０kHzと３７kHzの反射波が検出される。
また、Obj2が領域D2の位置に存在する場合は、３０kHz、３７kHz、４８kHz、７０kHzと、６０kHzの信号が検出される。
このように、検出された反射波の周波数成分から、物体（目標物）の存在する空間領域を把握することが可能になる。
同時に、目標物に対して超音波のバースト波を送信してからその反射波が検出されるまでの時間を計測することによって、目標物までの距離を把握することが可能になり、目標物の２次元空間中の位置を検出することが可能になる。
【００４０】
次に、統合計測部１０の具体的構成を図６に示す。同図において、統合計測部１０は、演算処理部１００と、第１の記憶部１０１と、第２の記憶部１０２と、カウンタ部６−１〜６−ｎの計数出力であるｃｎｔ−Ａ〜ｃｎｔ−Ｓを選択的に取り込むマルチプレクサ（ＭＰＸ）１０３と、書込み／読出し制御部１０４と、バッファメモリ１０５と、表示部１０６とを有している。
【００４１】
書込み／読出し制御部１０４は演算処理部１００の制御下にカウンタ部６−１〜６−ｎの計数出力を超音波受信部４により受信される反射波の周波数に対応付けて第１の記憶部１０１に書き込み、また、演算処理部１００の読出し指示により前記計数データを読み出すように制御する。
【００４２】
第１の記憶部１０１には、カウンタ部６−１〜６−ｎの計数出力ｃｎｔ−Ａ〜ｃｎｔ−Ｓ、すなわち、超音波の反射波の周波数成分毎に対応付けて超音波受信部４が受信した超音波の目標物への送信時点から超音波受信部４による反射波の受信時点までの時間に相当するデータが記憶される。
【００４３】
また、第２の記憶部１０２は、超音波トランスデューサ１、２の発振周波数と、該発振周波数のときに前記超音波トランスデューサの音波放射面の法線方向である超音波放射軸を中心とする超音波の放射領域となる空間領域とを予め対応付けた表２に相当するテーブル及び目標物までの距離演算に必要な演算データ（例えば、超音波の速度データ等）が格納されている。
演算処理部１００は、第２の記憶部１０２に格納されたテーブルを参照し、第１の記憶部１０１に記憶された超音波受信部４が受信した反射波の周波数から目標物が存在する空間領域を同定し、かつ前記受信した超音波の送信時点から受信時点までの時間に基づいて上記目標物までの距離を算出し、上記目標物の位置を決定する。
【００４４】
上記構成からなる位置計測装置の動作を図９及び図１０のタイミングチャートを参照して説明する。上記構成において、信号発生部３より第１の超音波トランスデューサ１（ＴＳ１）、第２の超音波トランスデューサ２（ＴＳ２）に発生すべき超音波の周波数に対応するバースト信号（電気信号）が供給され、第１の超音波トランスデューサ１（ＴＳ１）より時刻ｔa1〜ｔa2、ｔb1〜ｔb2、ｔc1〜ｔc2、ｔd1〜ｔd2、ｔe1〜ｔe2の各時間帯において、表１に示した発振周波数のバースト波（超音波）が目標物に対して放射される。このとき、既述したようなタイミングで第２の超音波トランスデューサ２（ＴＳ２）からも一定周波数（６０kHｚ）のバースト波（超音波）が放射される。
【００４５】
信号発生部３は、各バースト信号出力と同期して、カウンタ部６−１〜６−ｎ内の各カウンタのカウントアップを開始させるトリガ゛信号（ｔｒｇ−Ａ，ｔｒｇ−Ｂ，…，ｔｒｇ−Ｓ）をそれぞれ出力する。また、信号発生部３は、第１、第２の超音波トランスデューサ１、２に出力するバースト波の出力タイミング及び、バースト信号の出力期間を示す時間情報である計測時間情報を統合計測部１０に対して出力する。
目標物からの超音波の反射波が超音波受信部４（ＲＳ）により受信され、電気信号に変換される。この受信信号（反射波）は、バンドパスフィルタ部５−１（ＢＰＦ−Ａ）〜５−ｎ（ＢＰＦ−Ｓ）に入力される（図１０（Ａ））。
【００４６】
各バンドパスフィルタ部では、所定の通過帯域の信号を検出する。例えば、バンドパスフィルタ部５−１（ＢＰＦ−Ａ）では、バンドバスフィルタ５０Ａが通過帯域となる反射波に相当する信号を通過させ、零クロス検出回路５１Ａに出力する。零クロス検出回路５１Ａは、入力された信号がベースラインと交差する時点でパルス信号ｄｅｔＡをカウンタ部６−１のフリップフロップ６４Ａに出力する（図１０（Ｂ））。この結果、カウンタ部６−１では、フリップフロップ６４Ａがセット状態となり、カウンタ６０Ａの計数出力がレジスタ６１Ａに保持される（図１０（Ｅ））。この時点ｔiでは、カウンタ６０Ａは計数動作を継続している。
【００４７】
カウンタ５２Ａは、零クロス検出回路５１Ａから出力されるパルス信号ｄｅｔＡの数を計数し、バンドパスフィルタ５０Ａを通過する信号の数波長分に相当する計数値に達した時点ｔ(i＋1)でパルス信号ｄｅｔＡ０をカウンタ部６−１のカウンタ６０Ａ及びカウンタ出力切換部６３Ａに出力する（図１０（Ｃ））。この結果、この時点でカウンタ６０Ａのカウントアップは停止し（図１０（Ｄ））、スイッチ６２Ａはカウンタ出力切換部６３Ａからの制御信号により接点ａから接点ｂ側に切り換えられ、カウンタ部６−１の出力は、レジスタ６１Ａに保持された計数値がｃｎｔ−Ａとして出力される。
【００４８】
ここでは、バンドパスフィルタ部及びカウンタ部の動作をバンドパスフィルタ部５−１（ＢＰＦ−Ａ），カウンタ部についてのみ説明したが、他のバンドパスフィルタ部５−２（ＢＰＦ−Ｂ）〜５−ｎ（ＢＰＦ−Ｓ）及びカウンタ部６−２（Ｂ）〜６−ｎ（Ｓ）についても同様であるので、説明を省略する。なお、図９のタイミングチャートでは、バンドパスフィルタ部５−１（ＢＰＦ−Ａ）〜５−ｎ（ＢＰＦ−Ｓ）内のカウンタから出力されるパルス信号ｄｅｔＡ０，ｄｅｔＢ０，ｄｅｔＣ０，…の出力タイミングが各バンドパスフィルタ部において信号の入力開始時点になっているが、これは、説明の便宜上であり、実際のタイミングは、図１０に示す通りである。
【００４９】
このようにして、カウンタ部６−２（Ａ）〜６−ｎ（Ｓ）からの計数出力ｃｎｔ−Ａ〜ｃｎｔ−Ｓが統合計測部１０に入力される。統合計測部１０では、計数出力ｃｎｔ−Ａ〜ｃｎｔ−Ｓがマルチプレクサ（ＭＰＸ）１０３を介して書込み／読出し制御部１０４に入力され、書込み／読出し制御部１０４は演算処理部１００の制御下に第１の記憶部１０１に計数出力ｃｎｔ−Ａ〜ｃｎｔ−Ｓを反射波の周波数に対応付けて書き込む。
また、演算処理部１００は、信号発生部３より入力されたバースト信号の出力タイミング及び出力期間を含む時間情報を受け取り、この出力期間を考慮したタイミングで目標物の位置する空間領域の同定及び、目標物までの距離を演算する。
【００５０】
すなわち、演算処理部１００は、第１の記憶部に記憶されている、超音波受信部４（ＲＳ）により受信された反射波に該当する超音波の送信時点から反射波の受信時点までの時間データである計数出力ｃｎｔ−Ａ〜ｃｎｔ−Ｓを読み出し、内蔵するメモリに格納するとともに、第２の記憶部１０２に格納されているテーブルを参照して、超音波受信部４により受信された反射波の周波数から、目標物が位置する空間領域を同定する。次いで、第２の記憶部１０２に記憶されている超音波の音速等の演算用データを読み出し、この演算用データ及び前記メモリに格納された計数出力に基づいて目標物までの距離を算出する。そして、求めた距離及び既に同定された空間領域から目標物の位置を決定する。
【００５１】
さらに、演算処理部１００は、決定した目標物の位置データをバッファメモリ１０５に出力する。この結果、表示部１０６にバッファメモリに記憶保持された位置データが表示される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態に係る位置計測装置の構成を示すブロック図。
【図２】図１に示した本発明の実施形態に係る位置計測装置における超音波トランスデューサの具体的構成を示す図。
【図３】図２に示した超音波トランスデューサの周波数特性を示す特性図。
【図４】図１に示した本発明の実施形態に係る位置計測装置におけるバンドパスフィルタ部の具体的構成を示すブロック図。
【図５】図１に示した本発明の実施形態に係る位置計測装置におけるカウンタ部の具体的構成を示すブロック図。
【図６】図１に示した本発明の実施形態に係る位置計測装置における統合計測部の具体的構成を示すブロック図。
【図７】超音波トランスデューサの口径をパラメータとした場合の駆動周波数と指向角との関係を示す特性図。
【図８】図１に示した本発明の実施形態に係る位置計測装置における超音波トランスデューサの発振周波数毎の超音波到達範囲を示す説明図。
【図９】図１に示した本発明の実施形態に係る位置計測装置の各部の動作を示すタイミングチャート。
【図１０】図１に示した本発明の実施形態に係る位置計測装置の一部の動作を示すタイミングチャート。
【図１１】超音波トランスデューサの発振周波数に応じて変化する超音波の放射範囲を複数の領域に区分して識別符号を付した状態を示す説明図。
【符号の説明】
【００５３】
１（ＴＳ１）…第１の超音波トランスデューサ、２（ＴＳ２）…第２の超音波トランスデューサ、３…信号発生部、４（ＲＳ）…超音波受信部、５−１〜５−ｎ…バンドパスフィルタ部、６−１〜６−ｎ…カウンタ部、１０…統合計測部
【図１】
2005077141.tif 000005
【図２】
2005077141.tif 000006
【図３】
2005077141.tif 000007
【図４】
2005077141.tif 000008
【図５】
2005077141.tif 000009
【図６】
2005077141.tif 000010
【図７】
2005077141.tif 000011
【図８】
2005077141.tif 000012
【図９】
2005077141.tif 000013
【図１０】
2005077141.tif 000014
【図１１】
2005077141.tif 000015