(57)【要約】      （修正有）【課題】空気中の物体に向かって超音波パルスを生成し、それから反射されるエコーパルスを探知することによって、超音波パルスの伝達時間に基づいて物体の距離を測定する超音波距離測定装置及び方法を提供する。【解決手段】空気中で物体までの距離を測定する超音波距離測定方法は、周波数がｆ１である第１の一次発生波及び周波数がｆ２である第２の一次発生波をそれぞれ発生させるステップと、前記第１の一次発生波及び前記第２の一次発生波を空気中で同じ方向に送出することによって、空気の非線形的特性によりｆ１とｆ２の差に該当する周波数ｆｄを有する二次超音波が発生してパルス状に物体に放射されるステップと、前記二次超音波の伝播時間に基づいて前記物体までの距離を測定するステップとを含む。【選択図】      図４
2005351897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気中で物体までの距離を測定する超音波距離測定方法であって、
【数１】
2005351897.tif 000019
前記二次超音波の伝播時間に基づいて前記物体までの距離を測定するステップとを含むことを特徴とする超音波距離測定方法。
【請求項２】
【数２】
2005351897.tif 000020
【請求項３】
【数３】
2005351897.tif 000021
【請求項４】
空気中で物体までの距離を測定する超音波距離測定装置であって、
複数の制御信号を生成する制御器と、
前記制御器からの前記制御信号のうちの一つによりそれぞれ第１パルス信号及び第２パルス信号を同時に発生させる第１パルス発生器及び第２パルス発生器と、
前記第１パルス信号及び前記第２パルス信号を重複させることによって変調パルス信号を生成する変調器と、
前記変調されたパルス信号を増幅して増幅されたパルス信号を生成する第１増幅器と、
前記増幅されたパルス信号を機械的エネルギーに変換することによって超音波パルスを空気中に送出し、前記物体から反射されたエコーパルスを受信して、前記エコーパルスを電気的受信信号に変換させる可逆性超音波トランスデューサと、
前記電気的受信信号を増幅して増幅された受信信号を生成する第２増幅器と、
前記増幅されたパルス信号を前記可逆性超音波トランスデューサに伝達し、前記電気的受信信号を前記第２増幅器に伝達する高速スイッチと、
前記増幅された受信信号の低周波成分を選択的に通過させる帯域フィルタと、
前記変調パルス信号の入力時間と、前記帯域フィルタを通過した前記増幅された受信信号の入力時間とにより前記物体までの距離を計算する距離計算器とを含むことを特徴とする超音波距離測定装置。
【請求項５】
前記変調器と前記第１増幅器との間に位置しているＤ/Ａ変換器及び前記第２増幅器と前記帯域フィルタとの間に位置しているＡ/Ｄ変換器を更に含むことを特徴とする請求項４に記載の超音波距離測定装置。
【請求項６】
前記超音波パルスは、指数関数的に減少する形態またはガウス分布形態の包絡線を有することを特徴とする請求項４に記載の超音波距離測定装置。
【請求項７】
【数４】
2005351897.tif 000022
【請求項８】
【数５】
2005351897.tif 000023
【請求項９】
空気中で物体までの距離を測定する超音波距離測定装置であって、
複数の制御信号を生成する制御器と、
前記制御器からの前記制御信号のうちの一つによりそれぞれ第１パルス信号及び第２パルス信号を同時に発生させる第１パルス発生器及び第２パルス発生器と、
前記第１パルス信号及び前記第２パルス信号を重複させることによって変調パルス信号を生成する変調器と、
前記変調されたパルス信号を増幅して増幅されたパルス信号を生成する第１増幅器と、
前記増幅されたパルス信号を機械的エネルギーに変換することによって空気中に超音波パルスを送出する超音波アクチュエータと、
前記物体から反射されたエコーパルスを受信して、前記エコーパルスを電気的受信信号に変換させる超音波センサと、
前記電気的受信信号を増幅して増幅された受信信号を生成する第２増幅器と、
前記増幅された受信信号の低周波成分を選択的に通過させる帯域フィルタと、
前記変調パルス信号の入力時間と、前記帯域フィルタを通過した前記増幅された受信信号の入力時間とにより前記物体までの距離を計算する距離計算器とを含むことを特徴とする超音波距離測定装置。
【請求項１０】
前記変調器と前記第１増幅器との間に位置しているＤ/Ａ変換器及び前記第２増幅器と前記帯域フィルタとの間に位置しているＡ/Ｄ変換器を更に含むことを特徴とする請求項９記載の超音波距離測定装置。
【請求項１１】
前記超音波パルスは、指数関数的に減少する形態またはガウス分布形態の包絡線を有することを特徴とする請求項９に記載の超音波距離測定装置。
【請求項１２】
【数６】
2005351897.tif 000024
【請求項１３】
【数７】
2005351897.tif 000025
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波距離測定装置及びその方法に関し、更に詳しくは、空気中の物体に向かって超音波パルスを生成し、それから反射されるエコーパルスを探知することによって、超音波パルスの伝達時間に基づいて物体の距離を測定する超音波距離測定装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、空気中の超音波を用いて物体の距離を測定する幾つかの方法が知られている。超音波を用いた距離測定方法の代表例としては、パルスエコー測定法、位相差測定法、周波数変調測定法、コリレーション測定法などが挙げられる。パルスエコー測定法はこれらの方法の中で最も簡単な方法で、移動型ロボットやスマートな交通システムの距離測定センサなど、多様な分野において長期間用いられてきた方法である。
【０００３】
【数８】
2005351897.tif 000003
パルス信号として２０〜１００ｋＨｚの超音波を用いる最も大きな理由の一つは、パルス信号の直進性を実現するためであり、通常、半径がａであるピストン状の超音波発生器が周波数ｆで調和振動（harmonic oscillation）を行う時、近距離音場では超音波ビームがほぼ平面波状に伝播されるが、遠距離場では回折によって円錐状に進行距離に比例して広がることにある。したがって、超音波が超音波発生器から遠く伝播するほど超音波ビームの幅は広くなり、これによって超音波ビームの最外側面と中心の伝播方向との間に指向角(θ)が形成されることになるが、指向角(θ)は下記の数式１のような関係を有する(Ｌ．Ｋｉｎｓｌｅｒ、Ａ．Ｆｒｅｙ、Ａ．Ｃｏｐｐｅｎｓ、ａｎｄ Ｊ．Ｓａｎｄｅｒｓ、Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ、４ｔｈ ｅｄｉｔｉｏｎ、Ｗｉｌｅｙ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９８２参照)。
【０００４】
【数９】
2005351897.tif 000004
ここで、ｃは超音波の伝播速度、ｆは超音波の周波数、ａは超音波発生器のピストンの半径である。すなわち、超音波の指向角(θ)は周波数(ｆ)とピストンの半径(ａ)に反比例する。
指向角(θ)が小さくなると、その分、超音波パルスのビーム幅が小さくなり、空間分解能を向上させることができるため、一般的にビーム幅を縮小することが好ましい。
【０００５】
数式１と前記の関係によると、超音波の周波数ｆを増加させることによってビーム幅を縮小することができる。しかし、超音波のビーム幅を縮小するために超音波の駆動周波数(ｆ)を大きくすれば、空気中での超音波の減衰効果は周波数(ｆ)の二乗に比例して大きくなるため、結局、測定距離がその分、減少するという問題がある。
【０００６】
また、ビーム幅を縮小するために、ピストンの半径(ａ)を増加させる方法もあるが、これも、超音波帯域で機械的にピストンモードを得るのが困難であるという限界と、センサの大きさがピストンの半径に比例して大きくなるという問題が存在する。このような理由から、通常、用いられるセンサは１５ｍｍ以下の半径ａを有し、４０ｋＨｚ周波数帯域の超音波を用いて距離を測定している。
【０００７】
【数１０】
2005351897.tif 000005
例えば、１２ｍｍの半径を有して４０ｋＨｚの周波数を用いる通常のセンサにおいて、ＨＰＢＷは、約２０の値を有するものと知られている。このとき、センサから５ｍの距離において超音波のビーム幅は１ｍ以上となる。ビーム幅が他の要素、例えばパルスの長さなどにより若干影響を受けてはいるが、このような場合に上記の方向特性を有するセンサは、センサから５ｍの距離で１ｍの空間分解能を有するといわれる。
【０００８】
上述したように、従来の超音波距離測定方法は、超音波パルスの発生時に直接その周波数の電気的な信号を入力して発生させるため、ビーム幅を縮小するのに限界があり、距離測定時に空間分解能が低下するという問題点がある。
また、従来の超音波距離センサにおける他の問題点は、超音波の中心成分が伝播する中心の進行方向以外の方向で形成されるサイドローブであって、このようなビームが形成される場合、メインパルスのエコーが伝達される前にサイドローブで発生した周辺パルスが他の物体に当たって反射されることによって不測のエコーが伝達されて誤検出される恐れがあり、よって、クロストークが発生して正確な距離測定が困難となる。したがって、超音波センサが適用される技術分野では、サイドローブを抑制するのが重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水中低周波数能動ソナー(ＳＯＮＡＲ:ＳＯｕｎｄ ＮＡｖｉｇａｔｉｏｎ Ｒａｎｇｉｎｇ)システムで用いられていたパラメトリックアレイを用いて空気中に超音波パルスを発生させ、このパルスが伝播する間に形成される差音パルスを用いて物体までの距離を測定する空気中のパラメトリックアレイを用いた超音波距離測定装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
【数１１】
2005351897.tif 000006
また、上記目的を達成するための本発明の他の様態によれば、空気中で物体までの距離を測定する超音波距離測定装置であって、複数の制御信号を生成する制御器と、前記制御器からの前記制御信号のうちの一つによりそれぞれ第１パルス信号及び第２パルス信号を同時に発生させる第１パルス発生器及び第２パルス発生器と、前記第１パルス信号及び前記第２パルス信号を重複させることによって変調パルス信号を生成する変調器と、前記変調されたパルス信号を増幅して増幅されたパルス信号を生成する第１増幅器と、前記増幅されたパルス信号を機械的エネルギーに変換することによって超音波パルスを空気中に送出し、前記物体から反射されるエコーパルスを受信して、前記エコーパルスを電気的受信信号に変換させる可逆性超音波トランスデューサと、前記電気的受信信号を増幅して増幅された受信信号を生成する第２増幅器と、前記増幅されたパルス信号を前記可逆性超音波トランスデューサに伝達し、前記電気的受信信号を前記第２増幅器に伝達する高速スイッチと、前記増幅された受信信号の低周波成分を選択的に通過させる帯域フィルタと、前記変調パルス信号の入力時間と前記帯域フィルタを通過した前記増幅された受信信号の入力時間とにより前記物体までの距離を計算する距離計算器とを含むことを特徴とする。
更に、上記目的を達成するための本発明のもう一つの他の様態によれば、空気中で物体までの距離を測定する超音波距離測定装置であって、複数の制御信号を生成する制御器と、前記制御器からの前記制御信号のうちの一つによりそれぞれ第１パルス信号及び第２パルス信号を同時に発生させる第１パルス発生器及び第２パルス発生器と、前記第１パルス信号及び前記第２パルス信号を重複させることによって変調パルス信号を生成する変調器と、前記変調されたパルス信号を増幅して増幅されたパルス信号を生成する第１増幅器と、前記増幅されたパルス信号を機械的エネルギーに変換することによって空気中に超音波パルスを送出する超音波アクチュエータと、前記物体から反射されたエコーパルスを受信して、前記エコーパルスを電気的受信信号に変換させる超音波センサと、前記電気的受信信号を増幅して増幅された受信信号を生成する第２増幅器と、前記増幅された受信信号の低周波成分を選択的に通過させる帯域フィルタと、前記変調パルス信号の入力時間と前記帯域フィルタを通過した前記増幅さた受信信号の入力時間とにより前記物体までの距離を計算する距離計算器とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、以下のような効果が得られる。第１に、従来の超音波距離測定方法に比べてビーム幅を画期的に縮小することができ、これによって距離測定において空間上の平面分解能を大きく向上させることができる。第２に、従来の超音波距離測定方法に比べてサイドローブが大きく低減されるため、距離測定において発生するクロストークを除去して正確な測定値を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ本発明の好適な実施の形態について説明する。
パラメトリックアレイを用いた差音波の発生技術は、水中低周波数能動ソナーシステムに適用されてきた。Ｂ．Ｋ．Ｎｏｖｉｋｏｖ、Ｏ．Ｖ．Ｒｕｄｅｎｋｏ及びＶ．I．Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏの「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃｓ」、(Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９８７)によれば、パラメトリックアレイを用いた技術は、小規模の高周波トランスデューサを用いて高方向性の低周波を発生させることができるという利点から広く応用されている。
【００１３】
【数１２】
2005351897.tif 000007
【００１４】
【数１３】
2005351897.tif 000008
このような現象を図式化したのが図１Ｃであり、ここで、非線形現象がよく現れる近接音場の周囲を差音波の仮想音源と称する。図１Ｂを参照すると、超音波発生器からの一定の距離で進行波の周波数成分が示されている。差音波は超音波発生器から最初に送出された発生波に比べて音圧レベル(Ｓｏｕｎｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｌｅｖｅｌ:ＳＰＬ)が高い。パラメトリックアレイを用いた方法において、高いＳＰＬを有する高周波が生成されて媒質中で伝播される時、差音波を効果的に発生させるように非線形現象が用いられる。
【００１５】
水中では、トランスデューサが媒質とインピーダンス整合が取れて放射効果が大きく、媒質の高い非線形性のため、差音波の生成効率も高い。ウェスターベルト(Ｗｅｓｔｅｒｖｅｌｔ)モデルによれば、２つの高周波に対して発生する差音波の発生効率であるＫに対して下記の数式２が成立する(Ｋ．Ｎａｕｇｏｌｎｙｋｈ、Ｌ．Ｏｓｔｒｏｖｓｋｙ、Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｗａｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｉｎ ａｃｏｕｓｔｉｃｓ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９９８参照)。
【００１６】
【数１４】
2005351897.tif 000009
波数の差、すなわち差音周波数を表す。良好な差音波発生効率を有するためには、一次発生波のＳＰＬが高い必要があり、また超音波発生器の半径が大きい必要があり、２つの一次発生波の周波数の差が大きい必要がある。
しかし、水中とは違って、空気中の非線形性は極めて小さく、通常の超音波発生器と空気とのインピーダンス整合がよく取れていないため、空気中のパラメトリックアレイは実質的に不可能なものと認識されてきた。
【００１７】
しかし、１９７０年代にブラックストック(Ｂｌａｃｋｓｔｏｃｋ)により、空気中においても、このようなパラメトリックアレイを用いた差音波の発生が可能であるということは実験的に証明されており（Ｍａｒｙ Ｂｅｔｈ Ｂｅｎｎｅｔｔ ａｎｄ Ｄａｖｉｄ Ｔ．Ｂｌａｃｋｓｔｏｃｋ、「Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ａｒｒａｙ ｉｎ ａｉｒ」、Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｖｏｌ．５７(３)、ｐｐ．５６２-５６８、１９７５参照）、その後、この技術は空気中で方向性を有する可聴音を発生させる方向性ラウドスピーカに関して活発な開発が進められてきた。
【００１８】
しかし、パラメトリックアレイを用いた方法は、空気中で超音波距離測定に適用されることがなかった。本発明では、以上のような空気中でパラメトリックアレイを用いて超音波を発生させた後、伝播中に形成される差音波を用いてパルスエコー測定法により物体までの距離を測定する装置及び方法が設けられる。以下に、詳述する。
【００１９】
空気中で測定可能な距離を拡張するためには、差音波の反射波がセンサにより効率的に検知されなければならないため、差音波のＳＰＬを高くする必要がある。このため、２つの超音波発生器が導入されて、周波数の差及び出力電力が十分に大きく、ＳＰＬの高い差音波を発生させることができる２つの一次発生波を生成し、生成された２つの一次発生波は空気中に送出される前に電気的に変調される。この場合、サイドローブは距離測定用の差音波により抑制される。
【００２０】
一般に、パラメトリックアレイは近距離音場で主に非線形現象が起こる場合及び遠距離音場で非線形現象が起こる場合、または両区間に亘って適切に非線形現象が発生する場合があるが、近距離音場でのみ主に発生する場合、差音の方向性は、下記の数式３のような関係を有する(Ｂ．Ｋ．Ｎｏｖｉｋｏｖ、Ｏ．Ｖ．Ｒｕｄｅｎｋｏ、ａｎｄ Ｖ．Ｉ．Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ、Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ、Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９８７参照)。
【００２１】
【数１５】
2005351897.tif 000010
上記の数式から分かるように、同じ差音周波数に対して一次発生波の周波数が大きくなるほど、減衰効果により近距離音場での差音波の方向性が低下する。
一方、長距離音場で主に非線形現象が発生する場合、差音の方向性は、以下の数式４のような関係を有する。
【００２２】
【数１６】
2005351897.tif 000011
上記の数式から分かるように、長距離音場で主に非線形現象が発生する場合の差音の方向性は、２つの一次発生波の方向性の乗算の形態に発生するため、超音波発生器により直接発生させる場合よりも大きくなり、これによってビーム幅は狭くなる。実質的に二次発生波である差音周波数の大きさが固定している場合、一次発生波の周波数が大きくなるに従い、低い周波数帯域では数式４の方向性関係にあり、高い周波数帯域では数式３の方向性関係にある。
【００２３】
【数１７】
2005351897.tif 000012
規化された値を示したものである(Ｂ．Ｋ．Ｎｏｖｉｋｏｖ、Ｏ．Ｖ．Ｒｕｄｅｎｋｏ、ａｎｄ Ｖ．Ｉ．Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ、Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ、Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９８７参照)。図２から分かるように、二次発生波のビーム幅を最小化する一次発生波の周波数帯域を決定することができ、またこの周波数帯域で最も効率的な非線形現象が起こるということが確認できる。理論的に、ガウス圧力分布を仮定すると、二次発生波のビーム幅が最小となる一次発生波の周波数帯域は、下記の数式５のように与えられる。
【００２４】
【数１８】
2005351897.tif 000013
つの一次発生波の周波数の差である。また、二次発生波のビーム幅が最小となる一次発生波のビーム幅は、下記の数式６のように与えられる。
【００２５】
【数１９】
2005351897.tif 000014
また、パラメトリックアレイを用いると、直接、従来の超音波発生器を用いる場合に比較して、送出された超音波のサイドローブが顕著に減少するため、サイドローブにより発生し得るクロストークを大幅に低減できる。これは、図３Ａ〜図３Ｄに示す、ウェスターベルトモデルを適用したシミュレーションの結果を通じて確認することができる。図３Ａ乃至図３Ｃは、パラメトリックアレイを用いた場合の一次発生波及び二次発生波の方向性パターンを表すグラフで、図３Ａ及び図３Ｂは、一次発生波の方向性パターンを、図３Ｃは二次発生波である差音波の方向性パターンを示す。一方、図３Ｄは、差音波と同じ周波数を有する超音波を従来の超音波発生器により直接発生させた場合の方向性パターンを示す。ここで、図３Ｃと図３Ｄとを比較してみれば、前述したようにサイドローブの抑制効果を確認することができる。
【００２６】
一方、パラメトリックアレイの差音波の発生効率は、上記の数式２から分かるように、２つの一次発生波の周波数の差の自乗に比例して大きくなる。従来の水中ソナーシステムでは、一般に周波数の差が非常に小さい低音周波数を用いるため、その分、発生効率が低下するが、本発明では、差音波の周波数を好ましくは２０〜６０ｋＨｚの帯域から選択できるため、空気中においても高い発生効率を得ることができる。
【００２７】
ここで、好ましい差音周波数の範囲として２０〜６０ｋＨｚを用いる理由は、若し２０ｋＨｚ未満を用いる場合には、一般的な可聴周波数帯域となるため、多くの外部音響ノイズと重複されて距離測定にクロストークが発生し易くなるという問題点が生じ、また６０ｋＨｚを超える場合には、その自体の減衰効果が大きくなるため、距離測定範囲がその分、減少するという問題が生じるからである。
【００２８】
以下、図４及び図５を参照して、本発明による超音波距離測定装置の２通りの実施の形態について説明する。図４は、広い周波数の応答特性を有する超音波トランスデューサ１５を超音波アクチュエータ及び超音波センサの両方として用いる場合であり、図５は超音波アクチュエータと超音波センサをそれぞれ別途に用意する場合である。
【００２９】
図４の超音波距離測定装置は、コントローラ１０、第１パルス発生器１１ａ、第２パルス発生器１１ｂ、変調器１２、第１増幅器１３、高速スイッチ１４、可逆性超音波トランスデューサ１５、第２増幅器１６、帯域フィルタ１７、距離計算器１８を含む。
コントローラ１０は、プログラムまたは外部の入力信号(図示せず)などにより複数、例えば３つの制御信号を発生させる。発生した制御信号のうちの一つは距離計算器１８を初期化して測定準備状態にする。他の制御信号は高速スイッチ１４を初期化し、更に他の制御信号は第１パルス発生器
【００３０】
【数２０】
2005351897.tif 000015
増幅器１３に送られた信号は、増幅器１３で可逆性超音波トランスデューサ１５の入力範囲に合わせて適切に増幅された後、高速スイッチ１４に入力され、再び高速スイッチ１４を経由して可逆性超音波トランスデューサ１５に送られる。このとき、高速スイッチ１４は信号を可逆性超音波トランスデューサ１５に送った後、受信モードに切り換えられてそのゲートを受信信号増幅器１６側に開放する。
【００３１】
次いで、可逆性超音波トランスデューサ１５は、入力された電気的信号を機械的エネルギーに変換して高ＳＰＬの２つの一次超音波を含む超音波パルスを空気中に発生させる。超音波トランスデューサ１５の直径は、例えば１５ｍｍ乃至５０ｍｍである。送出された一次発生波は、好ましくは２０ｋＨｚ乃至６０ｋＨｚの差音周波数を有する二次発生波を空気中に生成させ、共に伝播しながら物体に反射されてエコーパルスとして跳ねかえってくる。跳ねかえってきたエコーパルス信号には、元の信号以外に相対的に低周波である信号も入っていることになる。跳ねかえってきたエコーパルス信号は、可逆性超音波トランスデューサ１５で検出されるが、その過程を示しているのが図６Ａである。可逆性超音波トランスデューサ１５で検出されたエコーパルス信号は電気的信号に変換された後、高速スイッチ１４を介して第２増幅器１６に送られる。第２増幅器１６では入力された電気的信号を距離計算器１８で処理可能な程度に増幅し、増幅された電気的信号は帯域フィルタ１７に送られて整流された後、純粋な差音周波数の成分のみが距離計算器１８に送られる。
【００３２】
【数２１】
2005351897.tif 000016
他の実施の形態である図５の超音波距離測定装置は、コントローラ２０、第１パルス発生器２１ａ、第２パルス発生器２１ｂ、変調器２２、第１増幅器２３、超音波アクチュエータ２４、超音波センサ２５、第２増幅器２６、帯域フィルタ２７、距離計算器２８を含む。図５の超音波距離測定装置は、図４の超音波距離測定装置から高速スイッチが省けられ、可逆性超音波トランスデューサの代りに超音波アクチュエータと超音波センサが備えられた構成を有し、高い効率で超音波パルスを発生させることができ、且つ、良好な感度で超音波エコーを検出することができるという利点を有する。
【００３３】
その作用は、図４の場合と類似し、概略に説明すると、下記の通りである。図５において、コントローラ２０はプログラムまたは外部の入力信号(図示せず)などにより２つの制御信号を発生させる。その制御信号の一つは距離計算器２８を初期化して測定準備状態にし、他の一つは２つのパル
【００３４】
【数２２】
2005351897.tif 000017
増幅器２３では入力された信号を電気的に増幅し、増幅された信号は超音波アクチュエータ２４に入力される。また、超音波アクチュエータ２４は、２つの一次超音波を含む超音波パルスを空気中に送出する。
送出された一次発生波は、好ましくは約２０ｋＨｚ乃至６０ｋＨｚの差音周波数を有する二次発生波を空気中に発生させ、共に伝播してから物体に当たった後、反射されてエコーパルス信号として跳ねかえってくる。跳ねかえってきたエコーパルス信号は超音波センサ２５で検出され、その過程を示しているのが図６Ｂである。超音波センサ２５で検出された信号は、第２増幅器２６で距離計算器２８の入力範囲に合わせて増幅された後、帯域フィルタ２７で整流されて純粋な差音周波数の成分のみが距離計算器２８に入力される。
【００３５】
【数２３】
2005351897.tif 000018
以上の２通りの実施の形態において、コントローラ１０、２０と距離計算器１８、２８は一つのプロセッサとして実現でき、コントローラ１０、２０、距離計算器１８、２８、第１パルス発生器１１ａ、２１ａ、第２パルス発生器１１ｂ、２１ｂ、変調器１２、２２、帯域フィルタ１７、２７が一つのプロセッサとして実現できる。後者の場合、変調器１２、２２と増幅器１３、２３との間にはＤ/Ａコンバータが、帯域フィルタ１７、２７と第２増幅器１６、２６との間にはＡ/Ｄコンバータが、それぞれ更に備えられる。
【００３６】
一方、空気中に大きな出力の差音波が発生するように空気中に高周波の一次発生波を効果的に発生させるために、ｐＭＵＴ(ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ)、ｃＭＵＴ(ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ-ｔｙｐｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ)、圧電フィルムであるＰＶＤＦ(Ｐｏｌｙ ＶｉｎｙｌｉＤｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ)を用いる超音波トランスデューサ、または静電気型の超音波トランスデューサなどが用いられることができる。
【００３７】
以上の内容は本発明の好ましい実施の形態を例示したものに過ぎないもので、本発明は、請求範囲に開示された本発明の範疇内で多様に変更及び修正可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１Ａ〜図１Ｃからなり、パラメトリックアレイで差音が発生する物理的現象を示す図面であって、特に図１Ａは超音波発生器で発生した２つの一次超音波(以下、一次発生波と称する)のスペクトルを示す図、図１Ｂは超音波発生器からの一定の距離で二次超音波、すなわち差音波及び２つの一次発生波のスペクトルを示す図、図１Ｃは空間上で差音波が発生することを示す模式図である。
【図２】二次超音波(以下、二次発生波と称する)のビーム幅と一次発生波の駆動周波数との間の関係を表現することによって差音波のビーム幅が最も小さく発生する領域を示すグラフである。
【図３】図３Ａ〜図３Ｄからなり、シミュレーションの結果を示すグラフであって、特に図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ第１の一次発生波及び第２の一次発生波の方向性パターンを示し、図３Ｃは差周波数を有する二次発生波の方向性パターンを、図３Ｄは差周波数に該当する周波数を有する超音波を従来の超音波発生器に直接送出した場合の方向性パターンを示す。
【図４】本発明の一実施の形態により超音波トランスデューサを用いる場合の超音波距離測定装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の他の実施の形態により超音波アクチュエータ及び超音波センサを用いる場合の超音波距離測定装置の構成を示すブロック図である。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂからなり、本発明による超音波距離測定装置の原理を示す図であって、特に図６Ａは可逆性超音波トランスデューサを用いる場合の図、図６Ｂは超音波アクチュエータ及び超音波センサを用いる場合の図である。
【図１】
2005351897.tif 000026
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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