(57)【要約】測定スライド４が外側から取り付けられた中空形材２、中空形材に取り付けられた内側スライド６、内側スライドが中空形材に沿った測定スライドの移動に追従するように測定スライドと内側スライドとを連結させる磁石組立体、内側スライド位置を測定する測定ユニット、及び、内側スライド位置に従って測定ユニットが確定した長さの表示器を有し、測定ユニットが音源８、受音器８及びこれらに接続された制御分析ユニット１０を有し、制御分析ユニットは、音源８を励起して音信号を送信させ、受音器８の出力信号を分析し、内側スライド６で反射した音信号から伝播時間を求め、伝播時間から内側スライド位置を算出するように構成され、中空形材に沿って存在する既知の点又は反射音信号の反射位置まで既知の距離にある点において反射した音信号を、出力信号のさらなる反射音信号として捕捉し、基準測定値として伝播時間を内側スライド位置の算出に組み込む。
2016502666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定スライド（４）と、
前記測定スライドが長さを測定する対象物に接触できるように、前記測定スライドが外側から変位可能に取り付けられた中空形材（２）であるリニアガイドと、
前記中空形材の内側に変位可能に取り付けられた内側スライド（６）と、
前記内側スライドが前記中空形材に沿った前記測定スライドの移動に追従するように、前記測定スライドと前記内側スライドとを磁気的に連結させる磁石組立体（５，７）と、
前記中空形材に沿った前記内側スライドの位置を測定する測定ユニットと、
前記中空形材の外側において視認可能な表示器であって、前記内側スライドの測定された位置に従って前記測定ユニットが確定した前記長さを表示する表示器と
を有する長さ測定装置において、
前記測定ユニットが、音源（８；２０）、受音器（８；２２）及びこれらに接続された制御・分析ユニット（１０）を有し、
前記制御・分析ユニットが、前記音源（８；２０）を励起して音信号を送信させ、前記受音器（８；２２）の出力信号を分析し、前記内側スライド（６）で反射した第一音信号の伝播時間を求め、該伝播時間から前記中空形材に沿った前記内側スライドの位置を算出するように構成されており、
前記制御・分析ユニット（１０）が、さらに、前記中空形材に沿って存在する既知の点又は前記第一反射音信号の反射位置まで既知の距離にある点において反射した音信号を、前記受音器（８；２２）の出力信号においてさらなる反射音信号として捕捉し、基準測定の値として、その伝播時間を前記内側スライドの位置の算出に組み込むように構成されている
ことを特徴とする長さ測定装置。
【請求項２】
前記音源（８；２０）及び前記受音器（８；２２）が、前記中空形材（２）の端部領域に配設され、
前記制御・分析ユニット（１０）が、前記内側スライド（６）の前記音源に対向する下壁領域で反射した音信号の伝播時間を求めるように構成され、
前記内側スライドが、軸方向に沿った通路開口（１６）を有する環状構造を有し、
前記制御・分析ユニット（１０）が、前記通路開口の前記音源（８；２０）とは反対側の端部で反射し、前記受音器（８；２２）に戻った音信号を、さらなる反射音信号として登録するように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の長さ測定装置。
【請求項３】
前記音源（８；２０）が、前記中空形材（２）の端部領域に配設され、
前記制御・分析ユニット（１０）が、前記内側スライドの前記音源に対向する下壁領域で反射した音信号の伝播時間を求めるように構成され、
前記内側スライド（６）が、軸方向に沿った通路開口（１６）を有する環状構造を有し、
前記中空形材（２）の前記音源とは反対側の端部が、端壁（１２）によって閉塞され、
前記制御・分析ユニットが、前記音源（８；２０）から送信され、前記内側スライド（６）の通路開口（１６）を通過し、前記中空形材の反対側の閉塞端部における前記端壁（１２）で反射し、前記受音器（８；２２）に戻った音信号を、さらなる反射信号として登録するように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の長さ測定装置。
【請求項４】
音信号を反射させる不連続体が、前記中空形材内の所定の位置に配設され、
前記制御・分析ユニットが、前記不連続体で反射した音信号を、前記受音器の出力信号においてさらなる反射信号として捕捉し、基準測定の値として、その伝播時間を前記内側スライドの位置の算出に組み込むように構成されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の長さ測定装置。
【請求項５】
前記中空形材（２）が完全に閉塞しており、前記中空形材（２）の内部が、周囲の環境から隔離されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の長さ測定装置。
【請求項６】
前記制御・分析ユニットが、ＴＯＦ（ｔｉｍｅ  ｏｆ  ｆｌｉｇｈｔ）法を用いて前記距離を求める処理を行うように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の長さ測定装置。
【請求項７】
前記制御・分析ユニット（１０）が、位相跳躍、振幅跳躍又は周波数跳躍などの特徴的信号特性を重畳した周期的励起信号を用いて前記音源を励起し、該励起信号に対する、前記受音器が記録した反射信号の相関を求めることによって伝播時間を算出するように構成されており、具体的には、相互相関関数を算出し、該相互相関関数の極大値における伝播時間を求めるように構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の長さ測定装置。
【請求項８】
前記磁石組立体（５，７）が、少なくとも一つの永久磁石を前記測定スライド（４）に有し、一つの永久磁石を前記内側スライド（６）に有し、
前記二つの永久磁石が、それぞれの反対極同士が対向するように互いに対して配向されるように配設されている
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の長さ測定装置。
【請求項９】
前記内側スライド（６）及び前記測定スライド（４）のそれぞれに、四つの永久磁石が配設され、
前記測定スライド及び前記内側スライドのそれぞれの四つの永久磁石が対をなし、それぞれの反対極同士が対向するように互いに対して配向されている
ことを特徴とする請求項８に記載の長さ測定装置。
【請求項１０】
前記磁石組立体が、一つの永久磁石を前記測定スライド及び前記内側スライドのいずれか一方に有し、
前記測定スライド及び前記内側スライドの他方が、強磁性材料又は常磁性材料を含む
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の長さ測定装置。
【請求項１１】
前記音信号の周波数が前記制御・分析ユニット（１０）によって予め定められて、前記中空形材（２）の内径が前記音信号の波長の半分よりも小さくなるように、前記中空形材（２）の内径が選択されかつ前記音源及び前記制御・分析ユニットが構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の長さ測定装置。
【請求項１２】
前記音源が超音波源であり、
前記受音器が超音波受信器であり、
好適には、超音波源及び超音波受信器が送受信器としての一体型の超音波トランスデューサによって構成されている
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の長さ測定装置。
【請求項１３】
前記音源が、音響信号を生成するスピーカ（２０）を有し、
前記受音器が、音響信号を記録するマイク（２２）を有する
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の長さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定スライドと、測定スライドが長さを測定する対象物に接触できるように、測定スライドが外側から変位可能に取り付けられた中空形材であるリニアガイドと、中空形材の内側に変位可能に取り付けられた内側スライドと、内側スライドが中空形材に沿った測定スライドの移動に追従するように、測定スライドと内側スライドとを磁気的に連結させる磁石組立体と、中空形材に沿った内側スライドの位置を測定する測定ユニットと、中空形材の外側において視認可能な表示器であって、内側スライドの測定された位置に従って測定ユニットが確定した長さを表示する表示器とを有する長さ測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、具体的には、人の身長を測定するための長さ測定装置に関する。このような長さ測定装置は身長計とも呼ばれている。一般的に、このような長さ測定装置は、測定スライド（ヘッドスライド）用の垂直リニアガイドとして構成される測定ロッドを有する。この測定ロッドは、垂直にした状態で壁に設置されるか、又は台に締結される。身長を測定するには、被測定者を測定ロッドの前まで移動させ、その後、ヘッドスライドを被測定者の頭部に接触するまで測定ロッドに沿って押し下げる。測定ロッド上には、目盛線を有する測定スケールが設けられている。一方、測定スライドには読取ユニットが設けられており、測定スライドが測定ロッドに沿って変位すると、読取ユニットがその分の目盛りを登録して、測定スライドの位置の漸次的な変化を検知する。各目盛線において、目盛線の高さの絶対値を符号化することも可能である。これにより、読取ユニットを用いてヘッドスライドの高さを求め、それを測定スライド上の表示器に表示することができる。
【０００３】
別のタイプの身長測定用長さ測定装置として、屈曲部分を有するものがある。この屈曲部分は、身長測定を行う人によって保持される。屈曲部分は、一本の脚部が被測定者の頭部に接触した状態で保持される。この頭部に接触している脚部から第二脚部が垂直に突出しており、屈曲部分は、この第二脚部が床に向かって垂直に延出するように保持される。第二脚部には、超音波トランスデューサを有する距離測定ユニットが設けられている。この距離測定ユニットは、床で反射して超音波トランスデューサに戻る送信超音波信号の伝播時間から、被測定者の頭部に接触している第一脚部の床からの高さ、すなわち身長を求めて表示する。このタイプの長さ測定装置は、測定を行う人が屈曲部分を正しい向きで保持しないと、第二脚部が床に対して正確に垂直にならず、誤測定が生じるという欠点がある。また、変化する環境条件（例えば、空気中の埃や他の汚染物質）や床に置かれた物品によって、誤測定が生じるという欠点もある。
【０００４】
さらに別のタイプの長さ測定装置として、被測定者が乗る台と、被測定者の上方に垂直に固定懸架された水平支持部とを有するものがある。この支持部には、超音波の伝播時間に基づいて距離を測定する距離測定ユニットが取り付けられている。この距離測定ユニットは、台に立つ被測定者の頭部に向けられている。被測定者はキャップをかぶって、頭頂部で超音波が確実に良好に反射されるようする。被測定者の頭頂部から、被測定者の上方に水平に固定設置された距離測定ユニットまでの距離に基づいて、距離測定ユニットの懸架された高さと、頭頂部までの測定された距離との差から、被測定者の身長を導出することができる。しかし、この長さ測定装置でも、環境条件の変化や、超音波トランスデューサから被測定者の頭頂部までの距離を非密閉空間で測定することによる干渉・影響によって、誤測定の可能性がある。
【０００５】
請求項１におけるプリアンブルの特徴を有する長さ測定装置が、ＷＯ９８／１７９７４Ａ１で知られている。この長さ測定装置は、身長測定用の長さ測定装置としては構成されておらず、測定スライドの位置を追跡するように構成されている。この長さ測定装置は、中空ハウジングであるリニアガイドを有しており、このハウジングに測定スライドが外側から変位可能に取り付けられている。ハウジングの内部には、内側スライドが変位可能に取り付けられている。測定スライドと内側スライドとは、磁石組立体によって磁気的に連結されており、内側スライドが測定スライドのガイドに沿った移動に追従する。内側スライドは、内側スライドの位置に比例した電圧信号を生成するために、リニアポテンショメータに摺動接触している。ポテンショメータの信号から、リニアガイドに沿った内側スライドの位置、すなわち内側スライドに連結された測定スライドの位置が導出される。ハウジングの内部における内側スライドの位置を測定することによって、特定の干渉要因、例えば煙や埃などはハウジングの内部まで侵入することがないため、そのような干渉要因が測定精度に及ぼす影響が軽減される。ポテンショメータは摺動接点を有しており、この摺動接点は摩擦により時間とともに摩耗する。これに対応するためには、高品質な材料を使用しなくてはならないが、勿論それによって製造コストが増加する。しかし、このような条件でも、摩耗は測定精度の低下につながる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、環境条件の変化に左右されない高い測定精度を実現するように長さ測定装置を構成すること、具体的には、長さ測定の較正用の基準測定を行えるように長さ測定装置を構成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、請求項１の特徴を有する長さ測定装置が用いられる。従属請求項には、本発明の有利な実施形態が記載されている。
【０００８】
本発明によれば、測定ユニットは、中空形材の内部に音源及び受音器を有し、また、これらに接続された制御・分析ユニットを有する。この制御・分析ユニットは、音源を励起して音信号を送信させ、受音器の出力信号を分析し、内側スライドで反射した音信号の伝播時間を求め、この伝播時間からリニアガイドに沿った内側スライドの位置を算出するように構成されている。中空形材及び／又は内側スライドは、別の既知の点においてさらなる反射信号が生じるように構成されている。制御・分析ユニットは、さらに、このさらなる反射信号を捕捉し、基準測定の値として、その伝播時間を内側スライドの位置の算出に組み込むように構成されている。
【０００９】
したがって、中空形材の内部で行う測定は空気中の埃などの外気における環境条件から実質的に遮断されているため、このような環境条件の変化に左右されずに、内側測定スライドの位置に基づいて測定スライドの位置が得ることが可能になる。さらに、上述のさらなる反射信号の測定、及びこのさらなる反射信号の反射点の既知の位置又は内側スライドで反射した第一信号の反射位置までの既知の距離から、内側スライドの位置計算の較正を行うことができる。これにより、周囲温度や周囲湿度などの環境条件の変化にも対応することができる。
【００１０】
勿論、内側スライドの位置を求める度に基準測定を行う必要はない。較正を更新する際に基準測定を行う程度の頻度で十分である。
【００１１】
有利な実施形態として、音源は、中空形材の一端に配設されている。さらに、内側スライドは、通路開口を有する環状構造を有している。このような構造の場合、音信号は、まず環状スライドの下壁領域で反射する。通路開口の音源とは反対側の上縁でも音波が反射して受音器に戻るため、この縁部はさらなる反射点となる。内側スライドの通路開口の既知の軸方向長さを用いることで、これら二つの反射信号の伝播時間測定の差から、長さ計算の絶対較正を行うことができる。上述の内側スライドの通路開口の上縁において生成されるさらなる反射信号を増幅するために、例えば通路開口の開口部に突出する突起を上縁に設けて、内側スライドの通路開口を通過する超音波信号の一部を、この突起で反射させることが可能である。
【００１２】
上述のさらなる反射位置までの距離（この場合、内側スライドの軸方向長さ）は既知である。このため、二つの反射信号、すなわち第一反射音信号とさらなる反射音信号との間のおおよその間隔（周囲温度や周囲湿度の変化によるばらつきを除いたもの）は既知であるため、制御・分析ユニットは、第一反射音信号を検知した後、特定の時間窓においてさらなる反射音信号を探すことができる。
【００１３】
さらなる有利な実施形態として、内側スライドは、同様に通路開口を有する環状構造を有する。制御・分析ユニットは、内側スライドで反射した音信号を検知し、その伝播時間を求めるように構成されている。また、中空形材の音源とは反対側の端部は壁で閉塞されている。制御・分析ユニットは、さらに、内側スライドの通路開口を通過し中空形材の反対側の端部における壁で反射した音信号を検知し、この音信号の伝播時間及び中空形材の既知の長さから、内側スライドの位置計算の伝播時間測定に基づく較正を導出するように構成されている。
【００１４】
好適な実施形態として、音信号を反射させる不連続体（反射点）を中空形材の内壁の所定位置に配設することもできる。この反射音信号は、さらなる反射音信号として検出でき、このさらなる反射音信号から、中空形材に沿った既知の反射点のさらなる伝播時間が求められる。
【００１５】
好適な実施形態として、長さ測定装置の中空形材は完全に閉塞しており、中空形材の内部が外気における環境条件から遮断されている。このため、この環境条件の変化が、中空形材の内部で行われる測定に影響を及ぼすことがない。
【００１６】
制御・分析ユニットは、ＴＯＦ（ｔｉｍｅ  ｏｆ  ｆｌｉｇｈｔ）法を用いて、上述の距離を求める処理を行うように構成されていることが好ましい。このような方法は、従来技術において既知であり、例として以下の文献が挙げられる：Ｓ．Ｓ．Ｈｕａｎｇら、「Ａ  ｈｉｇｈ  ａｃｃｕｒａｃｙ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｄｉｓｔａｎｃｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｓｙｓｔｅｍ  ｕｓｉｎｇ  ｂｉｎａｒｙ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｈｉｆｔ−ｋｅｙｅｄ  ｓｉｇｎａｌ  ａｎｄ  ｐｈａｓｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ」、『Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ』、第７３巻第１０号，２００２年１０月、ｐ．３６７１−３６７７、Ｒ，Ｑｕｅｉｒｏｓら、「Ａ  ｎｅｗ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｒａｎｇｉｎｇ  ｉｎ  ａｉｒ」、『ＸＶＩＩＩ  Ｉｍｅｋｏ  Ｗｏｒｌｄ  Ｃｏｎｇｒｅｓｓ、Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  ａ  Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ』、２００６年９月１７日−２２日、リオデジャネイロ、ブラジル、及びＭ．Ｍ．Ｓａａｄら、「Ｒｏｂｕｓｔ  Ｈｉｇｈ−Ａｃｃｕｒａｃｙ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｒａｎｇｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍ」、『ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ』、第６０巻第１０号、２０１１年１０月、ｐ．３３３４−３３４１。
【００１７】
ＴＯＦ法を用いるために、位相跳躍、振幅跳躍又は周波数跳躍などの特徴的信号特性を重畳した周期的励起信号で音源を励起し、この励起信号に対する、受音器が記録した反射信号の相関を求めることによって伝播時間を算出するように制御・分析ユニットを構成することも可能である。具体的には、上述の信号間の相互相関関数を算出し、この相互相関関数の極大値において伝播時間を求めることが可能である。
【００１８】
好適な実施形態として、磁石組立体が、少なくとも一つの永久磁石を測定スライドに有し、一つの永久磁石を内側スライドに有し、二つの永久磁石が、それぞれの反対極同士が対向するように互いに対して配向されるように配設されている。内側スライド及び測定スライドのそれぞれに、四つの永久磁石が配設され、測定スライド及び内側スライドのそれぞれの四つの永久磁石が対をなし、それぞれの反対極同士が対向するように互いに対して配向されていることが好ましい。或いは、磁石組立体が、一つの永久磁石を測定スライド及び内側スライドのいずれか一方に有し、測定スライド及び内側スライドの他方が、強磁性材料又は常磁性材料を含み、測定スライドと内側スライドとが磁気的に連結される。
【００１９】
内側スライドの外径寸法は、中空形材の内形寸法に対応しており、内側スライドは、中空形材の内部に遊びを有さずかつ摺動可能に支持されることが好ましい。同様に、測定スライドの内形寸法は、中空形材の外形寸法に対応しており、測定スライドは、中空形材の外側に遊びを有さずかつ摺動可能に取り付けられる。
【００２０】
中空形材の内径が音信号の音波の波長の半分よりも小さくなるように、中空形材の内径を選択しかつ音源及び制御・分析ユニットを構成することが好ましい。これにより、音が中空形材内を確実に平面波として伝播する。より短い波長の場合、音は他のモードでも伝播することが可能になる。すなわち、音は壁に反射して、より長い距離を進むことになる。
【００２１】
これらのモードは、音速がより遅く、平面波の信号に対して時間的にわずかにずれた状態で重なるという効果がある。基本的に、高時間分解能を得るために、周波数は可能な限り高くなるように選択されるべきである。上述の条件は、音響波長（ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｓｏｕｎｄ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ）を有する音信号を用いる場合に、特に良好に適用される（以下、音響信号とは、人間の耳の可聴域内の音の波長を有する信号を指す）。
【００２２】
好適な実施形態として、音源は超音波源であり、受音器は超音波受信器である。具体的に、この場合は、超音波源及び超音波受信器を、送受信器としての一体型の超音波トランスデューサで構成することができる。
【００２３】
別の実施形態として、音源が、音響信号を生成するスピーカを有し、受音器が、音響信号を記録するマイクを有することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
以下、図面を参照して、例としての実施形態に基づき本発明を説明する。図面は以下の通りである。
【図１】図１は、長さ測定装置の概略図を示す。
【図２】図２は、長さ測定装置の測定スライド周辺の部品の分解図である。
【図３】図３は、内側スライド及び測定スライド周辺における長さ測定装置の断面図であって、摺動部品自体は示さず、それらに配設された永久磁石のみを示した断面図を示す。
【図４】図４は、長さ測定装置の長手方向に沿った概略断面図を示す。
【図５】図５は、超音波信号の送信時における、超音波トランスデューサの励起及びリンギングを示す。
【図６】図６は、超音波信号を送信するための超音波トランスデューサの励起中、及びこれに続く反射信号の記録中における超音波トランスデューサのデジタイズされた信号を時間に沿って示す。
【図７】図７は、記録した反射信号に対する励起信号の相互相関関数を時間の推移に沿って示す。
【図８】図８は、長さ測定装置の別の実施形態の概略断面図を示す。
【図９】図９は、スピーカが音響信号を生成するための励起信号の一例を示す。
【図１０】図１０は、内側スライドの第一位置においてマイクが記録した反射音信号に対する送信音響信号の相互相関関数を示す。
【図１１】図１１は、内側スライドの第二位置においてマイクが記録した反射音信号に対する送信音響信号の相互相関関数を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、例えば壁に締結可能な長さ測定装置の側面図を示す。この長さ測定装置は、リニアガイドとしての中空形材２を有する。中空形材２には、ヘッドプレート３を支持する測定スライド４が、外側から変位可能に取り付けられている。測定スライド４は、ヘッドプレート３が上方から被測定者の頭部に載るまで下げられる。
【００２６】
一例としての本実施形態において円形の環状断面を有する中空形材２の内部には、内側スライド６が変位可能に取り付けられている。内側スライド６も円形の環状断面を有し、内側スライド６は中央通路開口１６を有する。内側スライド６の外形寸法は、中空形材２の内形寸法に対応しており、内側スライド６は、中空形材２の内部に遊びを有さずかつ摺動可能に支持される。同様に、測定スライド４の内形寸法は、中空形材２の外形寸法に対応しており、測定スライド４は、中空形材２の外周に遊びを有さずかつ摺動可能に取り付けられる。
【００２７】
図３は、測定スライド及び内側スライド周辺における中空形材２の断面図を示している。この図では、測定スライド及び内側スライド自体は示さず、内側スライド及び測定スライド内に設けられた複数の永久磁石から構成される磁石組立体のみを示している。内側スライド６内には、四つの永久磁石７が外周に沿って分布した状態で設けられている。この四つの永久磁石は、外周に沿って９０°間隔で互いから離隔して分布している。同様に、測定スライド４内にも、四つの永久磁石５が設けられており、同様に９０°間隔で測定スライドの外周に沿って分布した状態で配設されている。ここでは、測定スライド４及び内側スライド６の対向する永久磁石５及び７の反対極同士が互いに対して配向されるように、各永久磁石が配設されている。図示した一例としての実施形態では、内側スライドの永久磁石７の一方の磁極、本例ではＮ極が外側に配向され、同様に永久磁石５の同じ磁極、ここではＮ極が外側に配向されるように配設して、それぞれの反対極同士が向き合うように永久磁石５及び７の各対を対向配置させることで、上述の配置が実現される。これにより、測定スライド４と内側スライド６とが互いに磁気的に連結される。したがって、内側スライド６は、中空形材２に沿った測定スライド４の移動に追従する。図２では、永久磁石５及び７のそれぞれのうちの一つの永久磁石のみが示されている。
【００２８】
勿論理論的には、上述の各摺動部品に設けられる永久磁石の数を、四つよりも多くする又は少なくすることが可能であり、例えば、測定スライド４及び内側スライド６のそれぞれに、永久磁石を一つだけ設けることが可能である。さらに、全体として一つの永久磁石を内側スライド６及び測定スライド４の一方に設け、他方の摺動部品には別途磁石を設けずに強磁性材料又は常磁性材料を含ませて、内側スライド６と測定スライド４との間で磁力を発生させることも可能である。この磁石組立体の磁石は、好ましくは永久磁石であるが、理論的には電磁石を用いることも可能である。
【００２９】
図４は、長さ測定装置の動作の態様を説明するための長さ測定装置の概略断面図である。中空形材２の内部における中空形材の一端、本例では下端には、超音波トランスデューサ８が配設されている。このトランスデューサは制御・分析ユニット１０に接続されている。制御・分析ユニット１０は、有利には中空形材２の内部に配設可能だが、簡略化して図示するために図４に示したように、中空形材の外側にも配設可能である。制御・分析ユニット１０は、超音波トランスデューサ８の励起信号を生成し、超音波トランスデューサ８は、これに対して超音波信号を送信し、この超音波信号は中空形材２内を上方に伝播する。内側スライド６は、このスライドの下端面によって円形の環状に形成された下壁領域を有する。送信された上述の超音波信号の一部は、この下壁領域で反射し、超音波トランスデューサ８に戻る。超音波トランスデューサ８から超音波信号が送信されてから、内側スライド６の下壁領域で反射した信号が捕捉されるまでの伝播時間を測定することで、超音波トランスデューサ８と内側スライド６の下壁領域との間の距離を算出することができる。この伝播時間の算出の詳細については後述する。
【００３０】
超音波トランスデューサ８から送信された超音波信号の一部は、内側スライド６内の中央通路開口１６を通過後、中空形材内をさらに伝播する。図示した一例としての実施形態において、中空形材の反対側は壁１２によって閉塞されている。上述の超音波信号の一部は、内側スライド６を通過後、最終的に壁１２で反射し、内側スライドの通路開口１６を再び通過し、超音波トランスデューサ８に戻る。この超音波信号の一部に対しても、伝播時間を求めることができる。超音波トランスデューサ８から中空形材の壁１２までの絶対距離は既知であるため、上述の距離を求める処理の較正を伝播時間測定に基づいて行うことができる。
【００３１】
理論的には、別の反射信号を用いて、このような較正を行うことも可能である。例えば、超音波信号の一部は、通路開口１６の上端においても反射する。中空形材の長手方向における内側スライド６の既知の軸方向長さ、及び内側スライド６の下壁領域で反射した超音波信号の伝播時間と内側スライドの通路開口１６の上端で反射した超音波信号の伝播時間との差から、上述の距離を求める処理の伝播時間に基づく較正を行うことができる。通路開口１６の上縁における反射を増幅させるために、内方突出した壁領域をこの上縁に設けることも可能である。これによって、内方に配向した肩部が通路開口１６の上端に設けられる。通常、このほかに、不連続体を中空形材の内部に設けることも可能である。この不連続体は、超音波トランスデューサ８から送信された超音波信号を反射させる。中空形材に沿って存在する不連続体の既知の位置及び該位置における反射信号の伝播時間から、上述の距離を求める処理の伝播時間測定に基づく較正を行うことも可能である。
【００３２】
図５は、超音波トランスデューサ８の励起の振幅、及びこれに続く超音波トランスデューサのリンギング（脈動後（ｐｏｓｔ−ｐｕｌｓｅ）の振動）の振幅を時間に沿って示している。制御・分析ユニット１０は、２５μｓ（１／４０ｋＨｚ）の持続時間を有する五つのパルスを用いて超音波トランスデューサ８を励起し、その後、１８０°の位相跳躍、そして同一パルス長の五つのパルスが続く。１８０°の位相跳躍は、パルス列における第五及び第六パルス間の延長した間隔において示されている。図に示すように、その後、超音波トランスデューサのリンギングが一定時間続く。
【００３３】
距離を算出するために、送信超音波信号の特徴点が用いられる。この特徴点は、反射信号にも確認できる特徴点でなくてはならない。例えば、位相跳躍、振幅跳躍、又は周波数跳躍を、このような特徴点とすることができる。超音波トランスデューサから超音波信号の送信後に記録した信号を、超音波周波数よりも高いサンプリングレート、例えば、ｆs＝５００ｋＨｚで、サンプリング及びデジタイズする。記録した反射信号のサンプリング点が送信信号の特徴点が回収された点である場合、これから伝播時間を算出できる。反射信号における特徴点が回収されたサンプリング点の番号（送信信号におけるこの特徴点が現れるサンプリング点から数えた番号）がＮSとして特定される場合、これから以下の式で反射点の距離Ｌが求められる。
【数１】
2016502666.tif 000003
【００３４】
ここで、ＮSは、反射信号において特徴点が現れたサンプリング点の番号であり、送信信号の特徴点のサンプリング点から数えた番号、Ｃlは音速、ｆsはサンプリング周波数であり、例えば、ｆs＝５００ｋＨｚである。
【００３５】
このような測定の場合、サンプリング周波数によって理論分解能が決まり、ｆs＝５００ｋＨｚの場合、以下の結果となる。
【数２】
2016502666.tif 000004
【００３６】
人の身長を求めるための長さ測定においては、このような精度でも許容される。
【００３７】
送信信号の特徴点を反射信号において見つけるために、例えば、相互相関関数を算出することができる。サンプリング及びデジタイズされた信号の場合、離散系の相互相関関数は以下のように表現できる。
【数３】
2016502666.tif 000005
【００３８】
Ｓは超音波トランスデューサが受信したデジタイズされた信号、Ｗは送信信号に対応するデジタイズされた関数、Ｍは窓長に対応する所定のサンプリング点の数である。相互相関関数Ｆは、送信信号を特徴付ける関数の変化が反射信号においても同じように生じ、送信信号の特徴点が反射信号の特徴点と一致している場合に最大となる。
【００３９】
図６は、図５に図示したような励起後の超音波トランスデューサの出力を時間に沿って示している。超音波トランスデューサの励起及びリンギング後およそ６ｍｓまで、反射は記録されていない。およそ６ｍｓから１０ｍｓまでの間は、超音波トランスデューサの出力振幅は、第一の反射によって増加している。図７は、送信信号と反射信号との間の相互相関関数を時間の推移に沿って示している。この相互相関関数は、およそ６．２ｍｓにおいて極大値に達する。この相互相関関数の極大値を用いて、反射の伝播時間が求められる。
【００４０】
ここで、この反射は、内側スライドの下壁領域で生じている。同様に、例えば、中空形材の上端におけるさらなる反射を記録し、相互相関関数を同様に求めることで、このさらなる反射の伝播時間を求めることができる。超音波トランスデューサからさらなる反射の点までの距離又は第一の反射までの距離が既知であるため、このような基準測定によって、伝播時間の関数としての距離測定の絶対較正を行うことができる。
【００４１】
図８は、長さ測定装置の別の実施形態の概略断面図を示している。ここでは、図を簡略化するため、中空形材の外側の測定スライドは示していない。中空形材内部の下端には、音響信号を生成可能なスピーカ２０が位置している。本願において音響信号は、可聴域内の音の波長を有する信号と理解される。
【００４２】
制御・分析ユニットによって励起されることによってスピーカ２０が生成する音響信号は、短音波パルスを呈し、実際には短い「パチパチ」といった音である。音波の測定スライドの下端までの伝播時間、及びスピーカから端壁そしてマイクに戻るまでの伝播時間を、反響を用いて確定してもよい。この反響は、内側スライドの下端領域や、例えば中空形材の端壁での反射によって生じるものである。これによって、中空形材の長手方向軸に沿った内側スライドの位置を、較正用の基準測定を行いながら導出してもよい。
【００４３】
制御・分析ユニット（図を簡略化するため示していない）は、スピーカ２０を作動して短パルスの音響信号を送信させるように構成されている。このパルスは、中空形材の内部を伝播し、マイク２２によって捕捉される。パルスは、さらに伝播し、内側スライド６の下縁に入射して、音響信号の一部が反射する。このパルスの反射成分は、反対方向に進みマイク２２に入射する。本例でも内側スライド６は通路１６を有し、この通路１６を介して、音響信号のパルスの一部は内側スライド６内を通過ことができる。その後、この成分は、中空形材２の端壁１２に入射し反射するまで中空形材２内をさらに伝播する。その一部は、再び内側スライド６の通路１６を通過し、最終的にマイク２２に達する。マイク２２と端壁１２との間の距離は一定であり既知である。そのため、端壁１２で反射した信号の伝播時間を測定することにより、距離測定の絶対較正が可能である。
【００４４】
一例としての本実施形態において、内側スライド６内の通路１６は、通路１６のスピーカ２０とは反対側の端部において可能な限り小さな音が反射するように設計されている。これは、損失を抑え、端壁１２において最大反射を得るためである。しかし、別の実施形態として、一例としての第一実施形態のように通路１６を設計して、通路１６のスピーカ２０とは反対側の端部において第二の反射が生じさせることも可能である。したがって、いずれの場合も、内側スライド６で反射した音波の二重信号が捕捉され、この二重信号の信号同士の間隔を内側スライド６の既知の軸方向長さに関連付けることができ、上述の距離を求める処理の絶対較正を行うことができる。
【００４５】
図９は、スピーカの励起信号の一例を時間に沿って示している。この信号は、スピーカが連続的に始動そして再び停止するように選択される。すなわち、図示した正負の半波は、正弦曲線ではなく、正の半波の始点及び負の半波の終点における傾きがゼロになるように変更される。スピーカを開始時に急に始動させたり、終了時に急に停止させたりすると高調波が励起され、望ましくない。図９における信号のパルス持続時間は０．３７５ｍｓである。
【００４６】
本例では、励起信号とマイクを用いて記録した信号との間の相互相関関数が求められる。この結果、図１０及び図１１に示すような相互相関関数が得られる。図１０の場合、内側スライドはマイクに比較的近い位置に位置している。この状態では、スピーカ２０とマイク２２との間の距離を反映する第一極大値３０が相互相関関数に現れる。相互相関関数の第二極大値３２は、内側スライドの下壁領域で反射した第一音信号に対応している。図示した例では、スライドはマイクに比較的近い位置に位置しているため、内側スライド６で反射した第一音信号は、比較的短い遅延時間の後にマイクに入射する。相互相関関数の第三極大値３４は、中空形材の端壁１２で反射した音響信号に対応しており、スピーカ２０から端壁１２そしてマイク２２へ戻るまでの伝播時間となる。
【００４７】
図１１は、図１０に対応する相互相関関数を示している。図１１の場合、内側スライドは、マイク２２からより離れた位置に位置しており、相互相関関数の第二極大値３２までの時間遅延もその分大きい。
【００４８】
相互相関関数の第一極大値３０における直接信号と、第二極大値３２に対応する第一反響との間の伝播時間Ｔmeasが相互相関関数から確定し、これは内側スライド６の下壁領域での音響信号の反射によるものである。また、相互相関関数の第一極大値３０における直接信号と、端壁１２の反響との間の伝播時間Ｔrefが確定し、これは相互相関関数の第三極大値３４に対応するものである。距離に関しては、以下の式が適用される。
【数４】
2016502666.tif 000006
ここで、Ｃは音速、Ｄmeasはマイクと内側スライドとの間の距離、Ｄrefはマイクと端壁１２との間の距離である。
【００４９】
したがって、以下の式から対象の距離が求められる。
【数５】
2016502666.tif 000007
【符号の説明】
【００５０】
２  中空形材
３  ヘッドプレート
４  測定スライド
５  測定スライド内の永久磁石
６  内側スライド
７  内側スライド内の永久磁石
８  超音波トランスデューサ
１０  制御・分析ユニット
１２  端壁
２０  スピーカ
２２  マイク
３０  音響信号
３２  内側スライドにおける反射信号
３４  端壁における反射信号
【図１】
2016502666.tif 000008
【図２】
2016502666.tif 000009
【図３】
2016502666.tif 000010
【図４】
2016502666.tif 000011
【図５】
2016502666.tif 000012
【図６】
2016502666.tif 000013
【図７】
2016502666.tif 000014
【図８】
2016502666.tif 000015
【図９】
2016502666.tif 000016
【図１０】
2016502666.tif 000017
【図１１】
2016502666.tif 000018
【国際調査報告】
2016502666.tif 000019
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