(57)【要約】【課題】超音波が伝搬する媒質に流動が生じても傾きを精度良く検出する。【解決手段】送信用超音波センサ１、受信用超音波センサ２ａ，２ｂを直線状に配置すると共に、受信用超音波センサ２ａ，２ｂが隣り合うように配置し、送信用超音波センサ１は超音波を送信し、受信用超音波センサ２ａ，２ｂは反射面３で反射された超音波４ａ，４ｂを受信する。受信用超音波センサ２ａ，２ｂの受信タイミングの時間差を求めて反射面３の傾きを計測する。【選択図】        図１
2005003446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送信する送信用超音波センサと、
上記送信用超音波センサから送信され反射面で反射した超音波を受信する第１及び第２の受信用超音波センサとを備えた超音波計測器において、
上記送信用超音波センサ、上記第１及び第２の受信用超音波センサを直線状に配置すると共に、上記第１及び第２の受信用超音波センサが隣り合うように配置することを特徴とする超音波計測器。
【請求項２】
超音波を送信する送信用超音波センサと、
上記送信用超音波センサから送信され反射面で反射した超音波を受信すると共に、上記送信用超音波センサが超音波を送信する同時刻に超音波を送信する送信受信兼用超音波センサと、
上記送信受信兼用超音波センサから送信され反射面で反射した超音波を受信する受信用超音波センサとを備えた超音波計測器において、
上記送信用超音波センサ、上記送信受信兼用超音波センサ及び上記受信用超音波センサを直線状に配置すると共に、上記送信受信兼用超音波センサが上記送信用超音波センサ及び上記受信用超音波センサと隣り合うように配置することを特徴とする超音波計測器。
【請求項３】
超音波を送信する送信用超音波センサと、
上記送信用超音波センサから送信され反射面で反射した超音波を受信して第１の受信信号を出力する第１の受信用超音波センサと、
上記送信用超音波センサから送信され反射面で反射した超音波を受信して第２の受信信号を出力する第２の受信用超音波センサと、
上記第１及び第２の受信信号の受信タイミングの時間差を求めて上記反射面の傾きを計測する信号処理部とを備えた超音波計測器において、
上記送信用超音波センサ、上記第１及び第２の受信用超音波センサを直線状に配置すると共に、上記第１及び第２の受信用超音波センサが隣り合うように配置することを特徴とする超音波計測器。
【請求項４】
超音波を送信する送信用超音波センサと、
上記送信用超音波センサから送信され反射面で反射した超音波を受信して第１の受信信号を出力すると共に、上記送信用超音波センサが超音波を送信する同時刻に超音波を送信する送信受信兼用超音波センサと、
上記送信受信兼用超音波センサから送信され反射面で反射した超音波を受信して第２の受信信号を出力する受信用超音波センサと、
上記第１及び第２の受信信号の受信タイミングの時間差を求めて上記反射面の傾きを計測する信号処理部とを備えた超音波計測器において、
上記送信用超音波センサ、上記送信受信兼用超音波センサ及び上記受信用超音波センサを直線状に配置すると共に、上記送信受信兼用超音波センサが上記送信用超音波センサ及び上記受信用超音波センサと隣り合うように配置することを特徴とする超音波計測器。
【請求項５】
信号処理部は、第１及び第２の受信信号の相互相関関数を演算して、上記第１及び第２の受信信号の受信タイミングの時間差を求めることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の超音波計測器。
【請求項６】
信号処理部は、第１及び第２の受信信号と基準となる参照信号との位相差を検出し、検出された各位相差の差を検出して、上記第１及び第２の受信信号の受信タイミングの時間差を求めることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の超音波計測器。
【請求項７】
信号処理部は、第１及び第２の受信信号と基準となる参照信号との相互相関関数をそれぞれ演算して、上記第１及び第２の受信信号の受信タイミングの時間差を求めることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の超音波計測器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は超音波を送信して反射面の傾きを検出する超音波計測器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１４は例えば特許文献１に開示された従来の超音波計測器の構成を示す図である。図１４において、液体１０を蓄える容器１１の底面に、送信用超音波センサ１とその両側に受信用超音波センサ２ａ及び受信用超音波センサ２ｂが設置され、受信用超音波センサ２ａ，２ｂは送信用超音波センサ１から互いに距離Ｌを隔てて直線上に配置されている。送信用超音波センサ１から超音波Ａ，Ｂが液面に向けて送信され、液面で反射した超音波Ａ，Ｂを２個の受信用超音波センサ２ａ，２ｂが受信している。
【０００３】
この超音波計測器において、液体１０の液面が傾くと、送信用超音波センサ１から送信された超音波Ａが受信用超音波センサ２ａへ到達する経路長と、送信用超音波センサ１から送信された超音波Ｂが受信用超音波センサ２ｂへ到達する経路長に差が生じ、その経路長の差により２個の受信用超音波センサ２ａ，２ｂが超音波Ａ，Ｂを受信する受信タイミングに差が生じ、その時間差を検出することにより、反射面である液面の傾きを検出している。
【０００４】
しかしながら、従来の超音波計測器では、超音波Ａ，Ｂが伝搬する媒質、すなわち、液体１０に流動が生じた場合には、伝搬する超音波Ａ，Ｂが流動の影響を受ける。特に、図１４の矢印Ｃに示すように、３個の送信用超音波センサ１、受信用超音波センサ２ａ，２ｂを結ぶ直線に対して、液体１０が平行に流動した場合には、この流動は、受信用超音波センサ２ａに到達する超音波Ａと受信用超音波センサ２ｂに到達する超音波Ｂに対して、逆方向に作用するために、受信用超音波センサ２ａ，２ｂまでの到達時間が変化する。
【０００５】
従って、送信用超音波センサ１から送信された超音波Ａが受信用超音波センサ２ａまで到達する経路長と、送信用超音波センサ１から送信された超音波Ｂが受信用超音波センサ２ｂまで到達する経路長が実効的に変化するため、検出する液面の傾きの精度には問題がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平４−１５１５０８号（第３頁、左上段）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波計測器は以上のように構成されているので、超音波Ａ，Ｂが伝搬する媒質に流動が生じた場合に、反射面の傾きを精度良く検出することができないという課題があった。
【０００８】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、超音波が伝搬する媒質に流動が生じた場合でも、反射面の傾きを精度良く検出することができる超音波計測器を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る超音波計測器は、超音波を送信する送信用超音波センサと、上記送信用超音波センサから送信され反射面で反射した超音波を受信する第１及び第２の受信用超音波センサとを備えたものにおいて、上記送信用超音波センサ、上記第１及び第２の受信用超音波センサを直線状に配置すると共に、上記第１及び第２の受信用超音波センサが隣り合うように配置するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による超音波計測器の構成を示す図である。図１において、送信用超音波センサ１は超音波４ａ，４ｂを送信し、受信用超音波センサ２ａは送信用超音波センサ１から送信され反射面３で反射した超音波４ａを受信し、受信用超音波センサ２ｂは送信用超音波センサ１から送信され反射面３で反射した超音波４ｂを受信する。
【００１１】
この超音波計測器は、送信用超音波センサ１、受信用超音波センサ２ａ、受信用超音波センサ２ｂと、ここでは図示していないが、送信用超音波センサ１から超音波を送信させるための送信部、受信用超音波センサ２ａ，２ｂからの受信信号を処理して反射面３の傾きを演算する信号処理部から構成されている。
【００１２】
送信用超音波センサ１、受信用超音波センサ２ａ及び受信用超音波センサ２ｂは、送信用超音波センサ１、受信用超音波センサ２ａ、受信用センサ２ｂの順に直線上に配置されるか、又は受信用超音波センサ２ａ、受信用超音波センサ２ｂ、送信用超音波センサ１の順に直線上に配置されている。
【００１３】
すなわち、受信用超音波センサ２ａ及び受信用超音波センサ２ｂは隣り合うように配置されているので、図１の矢印Ｃに示すように、３個の超音波センサを結ぶ直線に対して液体等の媒質が平行に流動した場合でも、この流動は、受信用超音波センサ２ａに到達する超音波４ａと、受信用超音波センサ２ｂに到達する超音波４ｂに対して、同方向に作用するため、流動による受信用超音波センサ２ａ，２ｂまでの超音波４ａ，４ｂの到達時間への影響は同じとなる。なお、受信用超音波センサ２ａ，２ｂは、上記順序が入れ替わっても効果は同じである。
【００１４】
なお、図１において、送信用超音波センサ１、受信用超音波センサ２ａ，２ｂは、空気、ガス、若しくはその他の気体中、又は水、油、若しくはその他の液体中に配置されている。
【００１５】
また、超音波は人間の耳に聞こえない程度に高い周波数の音波や弾性波を示す言葉として一般的に使用されているが、この発明では、周波数は特に規定しないものとする。すなわち、この発明における「超音波」という文言には、人間の耳で聞こえる周波数の上限よりも高い周波数の音波や弾性波に限らず、この上限よりも低い周波数の音波や弾性波も含めた波という意味を含んでおり、人間の耳で聞こえる周波数の下限よりも低い周波数の音波や弾性波という意味も含むものとする。
【００１６】
次に動作について説明する。
ここでは、例えば、送信用超音波センサ１、受信用超音波センサ２ａ，２ｂは空気中に配置されているものとする。電源に電気的に接続された送信用超音波センサ１は、電気信号が与えられることにより振動して、超音波４ａ，４ｂを発生する。そして、送信用超音波センサ１から送信された超音波４ａは反射面３で反射して受信用超音波センサ２ａで受信され、送信用超音波センサ１から送信された超音波４ｂは反射面３で反射して受信用センサ２ｂで受信され、それぞれ再び電気信号へと変換される。
【００１７】
なお、この反射面３とは、金属、アスファルト、木若しくはその他の固体、又は水、油、若しくはその他の液体等により形成されており超音波を反射するものである。
【００１８】
図２はこの発明の実施の形態１による超音波計測器における超音波の経路長を説明する図である。送信用超音波センサ１と受信用超音波センサ２ａ間の距離をＬ、送信用超音波センサ１と受信用超音波センサ２ｂ間の距離を２Ｌとし、反射面３が角度θだけ傾斜しているものとする。なお、点線で示す反射面３は傾斜がない場合の反射面を示す。
【００１９】
送信用超音波センサ１から送信された超音波４ａが反射面３で反射して受信用超音波センサ２ａへ到達する経路長をＴａ、送信用超音波センサ１から送信された超音波４ｂが反射面３で反射して受信用超音波センサ２ｂへ到達する経路長をＴｂとする。送信用超音波センサ１から角度θだけ傾斜した反射面３に対して下ろした垂線の長さをＤとし、さらにこの垂線を反射面３からＤだけ延長した点をｄとし、送信用超音波センサ１から傾斜していないときの反射面３までの距離（送信用超音波センサ１から傾斜していないときの反射面３に対して垂直に下ろした線の長さ）をＤ０  とする。
【００２０】
超音波４ａが送信用超音波センサ１から受信用超音波センサ２ａへ到達する経路長Ｔａは点ｄと受信用超音波センサ２ａ間の距離と等しく、超音波４ｂが送信用超音波センサ１から受信用超音波センサ２ｂへ到達する経路長Ｔｂは点ｄと受信用超音波センサ２ｂ間の距離と等しい。
【００２１】
従って、点ｄから送信用超音波センサ１が配置される平面へ垂線を下ろした点をｅとし、ｅｄ間の距離をｈ、点ｅと送信用超音波センサ１までの距離をｌとすると、距離ｈ、ｌは次の式（１）及び式（２）のように表すことができる。
ｈ＝２Ｄｃｏｓθ                                              （１）
ｌ＝２Ｄｓｉｎθ                                              （２）
【００２２】
よって、超音波４ａが送信用超音波センサ１から受信用超音波センサ２ａへ到達する経路長Ｔａは、次の式（３）で得られる。
Ｔａ＝√（（Ｌ＋２Ｄｓｉｎθ）２  ＋（２Ｄｃｏｓθ）２  ）          （３）
同様にして、超音波４ｂが送信用超音波センサ１から受信用超音波センサ２ｂへ到達する経路長Ｔｂは、次の式（４）で得られる。
Ｔｂ＝√（（２Ｌ＋２Ｄｓｉｎθ）２  ＋（２Ｄｃｏｓθ）２  ）        （４）
【００２３】
ゆえに、超音波４ａ，４ｂの既知の伝搬速度をｖとすると、送信用超音波センサ１から送信された超音波４ａ，４ｂが受信用超音波センサ２ａ，２ｂに到達する受信タイミングの時間差Δｔは、次の式（５）で得られる。
Δｔ＝（Ｔｂ−Ｔａ）／ｖ                                      （５）
【００２４】
また、送信用超音波センサ１から傾斜していないときの反射面３までの既知の値である距離Ｄ０  と、送信用超音波センサ１から傾斜しているときの反射面３までの距離Ｄとの間には、次の式（６）の関係がある。
Ｄ＝Ｄ０  ｃｏｓθ                                                （６）
【００２５】
図１に図示されていない信号処理部は、受信用超音波センサ２ａ，２ｂに到達する受信タイミングの時間差Δｔを求めて、上記式（３）から式（６）に、既知の値である距離Ｌ、距離２Ｌ、距離Ｄ０  、超音波４ａ，４ｂの伝搬速度ｖを使用して反射面３の傾きの角度θを演算する。
【００２６】
このように、超音波４ａ，４ｂが伝搬する媒質が送信用超音波センサ１と受信用超音波センサ２ａ，２ｂを結ぶ直線に対して、垂直方向に流動している場合でも又は平行に流動している場合でも、この媒質の流動は、受信用超音波センサ２ａ又は受信用超音波センサ２ｂに到達する超音波４ａ，４ｂへ同じ量だけ影響する。従って、この媒質の流動によって、送信用超音波センサ１から、受信用超音波センサ２ａと受信用超音波センサ２ｂへの到達時間の差に変化は生じない。よって、反射面３の傾きを精度良く計測することができる。
【００２７】
以上のように、この実施の形態１によれば、送信用超音波センサ１、受信用超音波センサ２ａ、受信用超音波センサ２ｂを、受信用超音波センサ２ａ，２ｂが隣り合うように直線上に配置することにより、超音波４ａ，４ｂを伝搬させる媒質が、送信用超音波センサ１と受信用超音波センサ２ａ，２ｂを結ぶ直線に対して、垂直方向に流動している場合でも又は平行に流動している場合でも、受信する超音波４ａ，４ｂが流動の影響を受けず、受信用超音波センサ２ａ，２ｂまでへの到達時間の差に変化が生じないため、反射面３の傾きを精度良く計測することができるという効果が得られる。
【００２８】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２による超音波計測器の構成を示す図である。図３において、送信用超音波センサ１は超音波４ａを送信し、送信受信兼用超音波センサ５は、送信用超音波センサ１から送信され反射面３で反射した超音波４ａを受信すると共に、送信用超音波センサ１が超音波４ａを送信する同時刻に超音波４ｂを送信する。受信用超音波センサ２ｂは、送信受信兼用超音波センサ５から送信され反射面３で反射した超音波４ｂを受信する。
【００２９】
この超音波計測器は、送信用超音波センサ１、送信受信兼用超音波センサ５及び受信用超音波センサ２と、ここでは図示していないが、送信用超音波センサ１及び送信受信兼用超音波センサ５から超音波を送信させるための送信部、送信受信兼用超音波センサ５及び受信用超音波センサ２からの受信信号を処理して傾きを演算する信号処理部から構成されている。
【００３０】
送信用超音波センサ１、送信受信兼用超音波センサ５及び受信用超音波センサ２は、送信用超音波センサ１、送信受信兼用超音波センサ５、受信用超音波センサ２の順に直線上に配置されている。
【００３１】
すなわち、送信受信兼用超音波センサ５は送信用超音波センサ１及び受信用超音波センサ２に隣り合うよう配置されているので、図３の矢印Ｃに示すように、３個の超音波センサを結ぶ直線に対して液体等の媒質が平行に流動した場合でも、この流動は、送信受信兼用超音波センサ５に到達する超音波４ａと、受信用超音波センサ２に到達する超音波４ｂに対して、同方向に作用するため、流動による送信受信兼用超音波センサ５、受信用超音波センサ２までの超音波４ａ，４ｂの到達時間への影響は同じとなる。
【００３２】
次に動作について説明する。
ここでは、例えば、送信用超音波センサ１、送信受信兼用超音波センサ５及び受信用超音波センサ２は空気中に配置されているものとする。電源に電気的に接続された送信用超音波センサ１は、電気信号が与えられることにより振動して超音波４ａを発生する。
【００３３】
送信用超音波センサ１より送信された超音波４ａは空気中を伝搬し反射面３で反射する。反射した超音波４ａは送信受信兼用超音波センサ５で受信されて再び電気信号へと変換される。
【００３４】
同様に、送信用超音波センサ１が超音波４ａを送信する同時刻に、送信受信兼用超音波センサ５より送信された超音波４ｂは空気中を伝搬し反射面３で反射する。反射した超音波４ｂは受信用超音波センサ２で受信されて再び電気信号へと変換される。
【００３５】
図４はこの発明の実施の形態２による超音波計測器における超音波の経路長を説明する図である。送信用超音波センサ１と送信受信兼用超音波センサ５間の距離、及び送信受信兼用超音波センサ５と受信用超音波センサ２間の距離をＬとし、反射面３が角度θだけ傾斜しているものとする。なお、点線で示す反射面３は傾斜がない場合の反射面を示す。
【００３６】
送信用超音波センサ１から送信された超音波４ａが反射面３で反射し送信受信兼用超音波センサ５へ到達する経路長をＴａ、送信受信兼用超音波センサ５から送信された超音波４ｂが反射面３で反射し受信用超音波センサ２へ到達する経路長をＴｂとする。
【００３７】
送信用超音波センサ１から角度θだけ傾斜した反射面３に対して下ろした垂線の長さをＤ１  とし、さらに反射面３からこの垂線をＤ１  だけ延長した点をｄ１  とする。超音波４ａが送信用超音波センサ１から送信受信兼用超音波センサ５へ到達する経路長Ｔａは点ｄ１  と送信受信兼用超音波センサ５間の距離と等しい。
【００３８】
従って、点ｄ１  から送信用超音波センサ１が配置される平面へと垂線を下ろした点をｅ１  とし、点ｅ１  と点ｄ１  間の距離をｈ１  、点ｅ１  と送信用超音波センサ１までの距離をｌ１  とすると、距離ｈ１  ，ｌ１  は次の式（７）及び式（８）のように表すことができる。
ｈ１  ＝２Ｄ１  ｃｏｓθ                                            （７）
ｌ１  ＝２Ｄ１  ｓｉｎθ                                            （８）
【００３９】
よって、超音波４ａが送信用超音波センサ１から受信用超音波センサ２ａへ到達する経路長Ｔａは、次の式（９）で表すことができる。
Ｔａ＝√（（Ｌ＋２Ｄ１  ｓｉｎθ）２  ＋（２Ｄ１  ｃｏｓθ）２  ）    （９）
【００４０】
同様にして、送信受信兼用超音波センサ５から角度θだけ傾斜した反射面３に対して下ろした垂線の長さをＤ２  とし、さらに反射面３からこの垂線をＤ２  だけ延長した点をｄ２  とし、点ｄ２  から送信受信兼用超音波センサ５が配置される平面へと垂線を下ろした点をｅ２  とし、点ｅ２  と点ｄ２  間の距離をｈ２  、点ｅ２  と送信受信兼用超音波センサ５までの距離をｌ２  とすると、距離ｈ２  ，ｌ２  は次の式（１０）及び式（１１）のように表すことができる。
ｈ２  ＝２Ｄ２  ｃｏｓθ                                          （１０）
ｌ２  ＝２Ｄ２  ｓｉｎθ                                          （１１）
【００４１】
よって、超音波４ｂが送信受信兼用超音波センサ５から受信用超音波センサ２へ到達する経路長Ｔｂは、次の式（１２）で表すことができる。
Ｔｂ＝√（（Ｌ＋２Ｄ２  ｓｉｎθ）２  ＋（２Ｄ２  ｃｏｓθ）２  ）  （１２）
と表すことができる。
【００４２】
ゆえに、超音波４ａ，４ｂの既知の伝搬速度をｖとすると、送信用超音波センサ１から送信された超音波４ａが送信受信兼用超音波センサ５に到達する受信タイミングと送信受信兼用超音波センサ５から送信された超音波４ｂが受信用超音波センサ２に到達する受信タイミングの時間差Δｔは、次の式（１３）となる。
Δｔ＝（Ｔｂ−Ｔａ）／ｖ                                    （１３）
【００４３】
また、送信用超音波センサ１から傾斜していないときの反射面３までの既知の値である距離（送信用超音波センサ１から傾斜していないときの反射面３に対して垂直に下ろした線の長さ）Ｄ０  と、送信用超音波センサ１から傾斜しているときの反射面３までの距離Ｄ１  との間には、次の式（１４）の関係がある。
Ｄ１  ＝Ｄ０  ｃｏｓθ                                            （１４）
【００４４】
同様に、送信受信兼用超音波センサ５から傾斜していないときの反射面３までの垂線を延長して傾斜しているときの反射面までの距離（Ｄ０  ＋ｋ）と、送信受信兼用超音波センサ５から傾斜しているときの反射面３までの距離Ｄ２    との間には、次の式（１５）の関係がある。ここで、距離ｋは送信受信兼用超音波センサ５からの垂線上で傾斜していないときの反射面３から傾斜しているときの反射面３までの距離を示す。
Ｄ２  ＝（Ｄ０  ＋ｋ）ｃｏｓθ                                    （１５）
【００４５】
さらに、送信用超音波センサ１と送信受信兼用超音波センサ５間の距離Ｌと、距離ｋとの間には、次の式（１６）の関係がある。
ｋ＝Ｌｔａｎθ                                              （１６）
【００４６】
図３に図示されていない信号処理部は、送信受信兼用超音波センサ５、受信用超音波センサ２に到達する受信タイミングの時間差Δｔを求めて、上記式（９）、式（１２）から式（１６）に、既知の値である距離Ｌ、距離Ｄ０  、超音波４ａ，４ｂの伝搬速度ｖを使用して反射面３の傾きの角度θを演算する。
【００４７】
このように、超音波４ａ，４ｂが伝搬する媒質が、送信用超音波センサ１、送信受信兼用超音波センサ５及び受信用超音波センサ２とを結ぶ直線に対して、垂直方向に流動している場合でも又は水平方向に流動している場合でも、この媒質の流動は、送信受信兼用超音波センサ５又は受信用超音波センサ２に到達する超音波４ａ，４ｂへ同じ量だけ影響する。従って、この媒質の流動によって、送信用超音波センサ１から送信受信兼用超音波センサ５への到達時間と、送信受信兼用超音波センサ５から受信用超音波センサ２への到達時間の差に変化は生じない。よって、反射面３の傾きを精度良く計測することができる。
【００４８】
以上のように、この実施の形態２によれば、送信用超音波センサ１、送信受信兼用超音波センサ５、受信用超音波センサ２を、送信受信兼用超音波センサ５が送信用超音波センサ１及び受信用超音波センサ２に隣り合うように直線上に配置することにより、超音波４ａ，４ｂを伝搬させる媒質が、送信用超音波センサ１、送信受信兼用超音波センサ５、受信用超音波センサ２を結ぶ直線に対して、垂直方向に流動している場合でも又は平行に流動している場合でも、受信する超音波が流動の影響を受けず、送信受信兼用超音波センサ５及び受信用超音波センサ２までの到達時間の差に変化しないため、反射面３の傾きを精度良く計測することができるという効果が得られる。
【００４９】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３による超音波計測器の信号処理部の構成を示すブロック図である。図５において、信号処理部６は、受信用超音波センサ２ａからの受信信号を入力する受信部６１ａと、受信用超音波センサ２ｂからの受信信号を入力する受信部６１ｂと、受信部６１ａからの信号と、受信部６１ｂからの信号との相関をとる相関処理部６２を含んでいる。
【００５０】
図６は受信用超音波センサ２ａ，２ｂからの受信信号を模式的に示す図であり、図６（ａ）は受信用超音波センサ２ａからの受信信号７ａを示し、図６（ｂ）は受信用超音波センサ２ｂからの受信信号７ｂを示している。図６に示すように、受信信号７ｂは受信信号７ａに対して時間的に遅れて受信されている。
【００５１】
図７は相関処理部６２により図６（ａ）の受信信号７ａと図６（ｂ）の受信信号７ｂとの相互相関関数を演算した結果を模式的に示す図である。図７において、包絡線８が相互相関関数演算結果であり、包絡線８がピークになる原点からの時間が受信信号７ａと受信信号７ｂとの受信タイミングの時間差Δｔを示している。
【００５２】
相互相関関数の演算は、例えば１つの信号Ｅに対して位相（時間の関数）が遅れた又は進んだ信号Ｆが、信号Ｅと一致するように、信号Ｆの位相を変化させていき、一致の度合いを時間の関数として求めるものであり、両者が全く一致したときに包絡線がピークとなる。従って、包絡線がピークとなる時間を得ることにより、両者の位相差、すなわち、受信タイミングの時間差Δｔを求めることができる。なお、相互相関関数の演算は信号処理でよく知られており、例えば、「信号解析入門」越川常治著（近代科学社１９９２年刊）のｐｐ５２−ｐｐ５８に記載されている。
【００５３】
次に動作について説明する。
図１において、送信用超音波センサ１より送信された超音波４ａ，４ｂは空気中を伝搬し、反射面３へと到達して反射する。反射した超音波４ａ，４ｂは受信用超音波センサ２ａ，２ｂで受信される。受信用超音波センサ２ａ，２ｂからの図６に示す受信信号７ａ，７ｂは、図５の信号処理部６の受信部６１ａ，６１ｂで増幅されてＡ／Ｄ変換された後、相関処理部６２に入力される。相関処理部６２は、受信用超音波センサ２ａからの受信信号７ａと、受信用超音波センサ２ｂからの受信信号７ｂとの相互相関関数を演算する。この相互相関関数の演算には、ランダムな外乱成分を低減するための積分処理が含まれている。
【００５４】
この相互相関関数は包絡線検波されて図７に示すような包絡線８となる。包絡線８がピークになる原点からの時間により、受信用超音波センサ２ａと受信用超音波センサ２ｂとの受信タイミングの時間差Δｔが得られる。
【００５５】
信号処理部６は、得られた受信タイミングの時間差Δｔと、上記式（３）から式（６）を使用して反射面３の傾きθを演算する。
【００５６】
この信号処理部６により相互相関関数の演算後の信号は積分されているので、ランダムな外乱成分が低減されており、受信タイミングの時間差Δｔを精度良く求めることができ、反射面３の傾きの角度θを精度良く演算することができる。
【００５７】
この実施の形態３では、実施の形態１に示す受信用超音波センサ２ａ及び受信用超音波センサ２ｂからの受信信号を使用して反射面３の傾きの角度θを演算しているが、実施の形態２に示す送信受信兼用超音波センサ５及び受信用超音波センサ２からの受信信号を使用して、上記式（９）、式（１２）から式（１６）を使用して反射面３の傾きの角度θを演算するようにしても良い。
【００５８】
以上のように、この実施の形態３によれば、受信用超音波センサ２ａからの受信信号と、受信用超音波センサ２ｂからの受信信号との相互相関関数を演算することにより、ランダムな外乱成分が低減され、２つの受信信号の受信タイミングの時間差Δｔを精度良く求めることができ、反射面３の傾きを精度良く計測することができるという効果が得られる。
【００５９】
実施の形態４．
図８はこの発明の実施の形態４による超音波計測器の信号処理部の構成を示すブロックである。図８において、信号処理部６は、受信用超音波センサ２ａからの受信信号を入力する受信部６１ｃと、受信用超音波センサ２ｂからの受信信号を入力する受信部６１ｄと、受信部６１ｃ，６１ｄからの信号をそれぞれ位相検波し、任意の周波数の基準となる参照信号９との位相差をそれぞれ検出し、検出した２つの位相差の差を検出する位相検波器６３と、高周波成分を除去するフィルタ６４を含んでいる。
【００６０】
図９は受信用超音波センサ２ａ，２ｂからの受信信号と参照信号９を模式的に示す図である。図９において、７ａは受信用超音波センサ２ａからの受信信号を示し、７ｂは受信用超音波センサ２ｂからの受信信号を示し、９は基準となる参照信号を示している。
【００６１】
次に動作について説明する。
図１において、送信用超音波センサ１より送信された超音波４ａ，４ｂは、反射面３で反射し、受信用超音波センサ２ａ，２ｂで受信される。受信用超音波センサ２ａ，２ｂからの受信信号は、図８に示す受信部６１ｃ，６１ｄでそれぞれ増幅される。
【００６２】
位相検波器６３は、受信部６１ｃ，６１ｄからの信号をそれぞれ位相検波して、図９に示すように、受信用超音波センサ２ａからの受信信号と参照信号９との位相差φａと、受信用超音波センサ２ｂからの受信信号と参照信号９との位相差φｂを検出する。この２つの位相差φａ，φｂは安定した任意の周波数の基準となる参照信号９と受信信号の差であるため、不要な周波数成分が低減され、ランダムな外乱成分が少ないものとなっている。
【００６３】
さらに、位相検波器６３は、２つの位相差φａと位相差φｂから２つの位相差の差Δφを検出して出力する。図１０は２つの位相差φａ，φｂの差Δφの絶対値を模式的に示す図である。図１０に示すように、２つの位相差の差Δφは電圧として取り出すことができる。
【００６４】
位相検波器６３から出力された２つの位相差の差Δφは、図１０に示すように電圧として取り出すことができるので、比較的簡単なアナログ回路、例えばローパスフィルタ又はバンドパスフィルタにより構成されたフィルタ６４により高周波成分が除去されてランダムな外乱成分が低減される。
【００６５】
図９に示す２つの位相差φａ，φｂは受信用超音波センサ２ａ，２ｂと反射面３間の距離が変化すると共に変化する。例えば、超音波の周波数が２０ｋＨｚとすると波長は約１７ｍｍとなり、受信用超音波センサ２ａと反射面３の距離と、受信用超音波センサ２ｂと反射面３の距離の差が１ｍｍとすると、位相差φａと位相差φｂの差Δφは約２１°となる。
【００６６】
信号処理部６は、フィルタ６４により高周波成分が除去されて外乱成分が低減された２つの位相差の差Δφより、受信用超音波センサ２ａ，２ｂからの受信信号の受信タイミングの時間差Δｔを求め、上記式（３）から式（６）を使用して反射面３の傾きの角度θを演算する。
【００６７】
この実施の形態４では、実施の形態１に示す受信用超音波センサ２ａ及び受信用超音波センサ２ｂからの受信信号を使用して反射面３の傾きの角度θを演算しているが、実施の形態２に示す送信受信兼用超音波センサ５及び受信用超音波センサ２からの受信信号を使用し、上記式（９）、式（１２）から式（１６）を使用して反射面３の傾きの角度θを演算するようにしても良い。
【００６８】
以上のように、この実施の形態４によれば、受信用超音波センサ２ａからの受信信号と安定した参照信号９との位相差φａと、受信用超音波センサ２ｂからの受信信号と安定した参照信号９との位相差φｂを検出し、さらに、２つの位相差の差Δφを検出することにより、ランダムな外乱成分が低減され、受信用超音波センサ２ａ，２ｂまで到達する受信タイミングの時間差Δｔを精度良く求めることができ、反射面３の傾きを精度良く計測することができるという効果が得られる。
【００６９】
実施の形態５．
図１１はこの発明の実施の形態５による超音波計測器の信号処理部の構成を示すブロック図である。図１１において、信号処理部６は、受信用超音波センサ２ａからの受信信号を入力する受信部６１ａと、受信用超音波センサ２ｂからの受信信号を入力する受信部６１ｂと、受信部６１ａからの信号と任意の周波数の基準となる参照信号９との相互相関関数を演算すると共に、受信部６１ｂからの信号と参照信号９との相互相関関数を演算する相関処理部６２を含んでいる。
【００７０】
図１２は受信用超音波センサ２ａ，２ｂからの受信信号と参照信号とを模式的に示す図であり、図１２（ａ）は受信用超音波センサ２ａからの受信信号７ａと参照信号９とを示し、図１２（ｂ）は受信用超音波センサ２ｂからの受信信号７ｂと参照信号９とを示している。
【００７１】
図１３は相関処理部６２による相互相関関数演算結果の包絡線を示す図であり、包絡線８ａが受信用超音波センサ２ａからの受信信号７ａと参照信号９との相互相関関数演算結果であり、包絡線８ｂが受信用超音波センサ２ｂからの受信信号７ｂと参照信号９との相互相関関数演算結果を示している。
【００７２】
次に動作について説明する。
図１において、送信用超音波センサ１より送信された超音波４ａ，４ｂは、反射面３で反射し、受信用超音波センサ２ａ，２ｂで受信される。受信用超音波センサ２ａ，２ｂからの受信信号は、受信部６１ａ，６１ｂで増幅され、Ａ／Ｄ変換された後、相関処理部６２で参照信号９との相互相関関数がそれぞれ演算される。これらの相互相関関数は包絡線検波されて図１３に示すようになる。この相互相関関数の演算には、ランダムな外乱成分を低減するための積分処理が含まれている。
【００７３】
図１３において、受信用超音波センサ２ａからの受信信号７ａと参照信号９との相互相関関数がピークになる時間ｔａと、受信用超音波センサ２ｂからの受信信号７ｂと参照信号９との相互相関関数がピークになる時間ｔｂの差を求めれば、受信用超音波センサ２ａと受信用超音波センサ２ｂでの受信タイミングの時間差Δｔが得られる。
【００７４】
信号処理部６は、得られた受信タイミングの時間差Δｔと、上記式（３）から式（６）を使用して反射面３の傾きの角度θを演算する。
【００７５】
この信号処理部６により、受信用超音波センサ２ａ，２ｂからの受信信号７ａ，７ｂは安定した任意の周波数の基準となる参照信号９と相関演算され、相互相関関数の演算後の信号は積分されているので、演算結果には外乱成分が低減されており、受信タイミングの時間差Δｔを精度良く求めることができ、反射面３の傾きの角度θを精度良く演算することができる。
【００７６】
この実施の形態５では、実施の形態１に示す受信用超音波センサ２ａ及び受信用超音波センサ２ｂからの受信信号を使用して反射面３の傾きの角度θを演算しているが、実施の形態２に示す送信受信兼用超音波センサ５及び受信用超音波センサ２からの受信信号を使用し、上記式（９）、式（１２）から式（１６）を使用して反射面３の傾きの角度θを演算するようにしても良い。
【００７７】
以上のように、この実施の形態５によれば、受信用超音波センサ２ａ，２ｂからの受信信号と安定した参照信号９との相互相関関数をそれぞれ演算することにより、ランダムな外乱成分が低減され、受信用超音波センサ２ａ，２ｂの受信信号の受信タイミングの時間差Δｔを精度良く求めることができ、反射面３の傾きを精度良く計測することができるという効果が得られる。
【００７８】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、送信用超音波センサと、第１及び第２の受信用超音波センサとを備え、送信用超音波センサ、第１及び第２の受信用超音波センサを直線状に配置すると共に、第１及び第２の受信用超音波センサが隣り合うように配置することにより、超音波が伝搬する媒質に流動が生じた場合でも、反射面の傾きを精度良く検出することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による超音波計測器の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１による超音波計測器における超音波の経路長を説明する図である。
【図３】この発明の実施の形態２による超音波計測器の構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２による超音波計測器における超音波の経路長を説明する図である。
【図５】この発明の実施の形態３による超音波計測器の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態３による超音波計測器の受信用超音波センサからの受信信号を模式的に示す図である。
【図７】この発明の実施の形態３による超音波計測器における相関処理部の相互相関関数の演算結果を模式的に示す図である。
【図８】この発明の実施の形態４による超音波計測器の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態４よる超音波計測器の受信用超音波センサからの受信信号と参照信号を模式的に示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態４による超音波計測器の信号処理部における２つの位相差の差の絶対値を模式的に示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態５による超音波計測器の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図１２】この発明の実施の形態５による超音波計測器の受信用超音波センサからの受信信号と参照信号とを模式的に示す図である。
【図１３】この発明の実施の形態５による超音波計測器における相関処理部の相互相関関数の演算結果を模式的に示す図である。
【図１４】従来の超音波計測器の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  送信用超音波センサ、２ａ，２ｂ  受信用超音波センサ、３  反射面、４ａ，４ｂ  超音波、５  送信受信兼用超音波センサ、６  信号処理部、７ａ，７ｂ  受信信号、８，８ａ，８ｂ  包絡線、９  参照信号、６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ  受信部、６２  相関処理部、６３  位相検波器、６４  フィルタ。
【図１】
2005003446.tif 000003
【図２】
2005003446.tif 000004
【図３】
2005003446.tif 000005
【図４】
2005003446.tif 000006
【図５】
2005003446.tif 000007
【図６】
2005003446.tif 000008
【図７】
2005003446.tif 000009
【図８】
2005003446.tif 000010
【図９】
2005003446.tif 000011
【図１０】
2005003446.tif 000012
【図１１】
2005003446.tif 000013
【図１２】
2005003446.tif 000014
【図１３】
2005003446.tif 000015
【図１４】
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