JPH0339610A - 情報処理装置及びその情報処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は超音波距離計測装置、あるいは超音波の伝播を
利用する距離計測技術を取り入れた各種応用装置一般に
関するものである。

［従来の技術］ 超音波距離計測の応用装置として考案されたものの一つ
に超音波座標入力装置がある。以下、この装置を例にと
って本発明の説明を行う。

第８図は一般に考案されている超音波座標入力装置の概
略図である。１は座標指示具（以後ペンと呼ぶ）であり
、内部に圧電素子が組み込まれており、先端より所望の
超音波信号を発信する発振具である。２ａ〜２Ｃはセン
サであり、ペンから発せられた超音波信号を伝播体を介
して受信する受信具である。３は伝播体で、超音波の伝
播媒体となり、ガラス、アルミ板等が用いられる。４は
防振材で、センサ２ａ〜２Ｃにペン１からの波以外の反
射波等が混入しないようにする目的で設定されている０
以上のような構成をとる超音波座標入力装置において、
２個以上の複数の各センサと指示点の距離より指示点の
座標が計算される。

センサと指示点の距離算出方法はさまざまなものが考案
されているが、基本的にはペンから発せられた超音波信
号のセンサへの到達時間によって算出する０群速度と位
相速度とが異なる横波超音波を用いる場合は、受信波形
に対しエンベロープをとって群到達時間を求めて大まか
な距離計測等を行い、さらに精度を求められる場合には
、適当な位置の位相を検知して位相到達時間を求め、よ
り細かい精度を出している。

次に、群到達時間と位相到達時間との２つの時間情報か
らペンとセンサ間距離ｒを算出する手順を説明する。ま
ず、第９図で示すような電圧をペン内の圧電素子に印加
した場合、センサの受信信号は第１０図で示すようにな
る。これに対してそのピーク位置を群到達時間ｔ３とし
て検出する場合、第１１図に示すようにセンサ出力信号
に対して初段増幅器５．全波整流器６．ローパスフィル
タ７、微分回路８の各回路を通してから、微分信号のゼ
ロクロスをコンパレータ９によって検出し、その時刻を
群到達時間ｔｇとじて認識する。

これにより、群速度をυ、とすれば、 ｒ＝υ、・ｔｇ でｒ算出する事ができるが、エンベロープをもとに時間
を検出するという方法によるため、信号出力の大きさや
フィルタ特性の影響で、どうしてもある程度のゆらぎΔ
ｔが発生する。一般には、特定の位相ゼロクロスポイン
トを検出して時間を決定する方が、よりゆらぎの少ない
値を得ることができる。

そこで、群到達時間１．決定直後の位相ゼロクロスとい
うように検出ポイントを規定すると、υ、≠υ、である
がために距離ｒと共に群の中の位相がずれるため、位相
到達時間ｔｇとして第１２図に示すような段階状のもの
が観測される。この段は位相の検出ポイントの移動を示
すもので、各段のつなぎ目は信号の周期Ｔだけ平行移動
したものとなる。υ、とυ、が等しく常に一定の位相検
出ポイントを観測できる場合には、このような段階はで
きず直線ａのような位相到達時間ｔｇが得られる。

従って、段階状に得らえる位相到達時間ｔｇを元の直線
ａに変換すればよい。

つまり、 ｔｐ＠４（υ、／υｐ）ｔｘ　　ｔ６ｔ（ｔ　ｏｒ　：
オフセット値） であるが、群到達時間ｔｇはゆらぎが大きいので、 ｔｇ、＝ｎＴ４（υｇ／Ｖｐ）　　ｔヨ　　ｔｏｅ　　
ｔｐ（ｎは整数） という性質を利用して、 ｔ　ｐａ”　ｔ　ｐ　　＋　Ｔ　Ｘ　Ｉｎｔ（ｔ　ｐｔ
／Ｔ　＋　Ｏ。

５） ＝ｔｌ　　＋ＴＸＩｎｔ［（（υ、／ｖｐ　　）　　ｔ
ｇｔｏｒ　　ｔｏ　　）／Ｔ＋０．　５］としてｔｐを
求め、 結局ｒを次式より計算する。

で与えらえる。

ｒ＝Ｖｐ”ｔｐａ−ｒａｒ　Ｃｒｏｔ：オフセット値）
＝Ａｔｇ＋ＢＸＩｎｔ（Ｃｔｇ＋Ｄｔｇ＋Ｅ＋０．５）
　　＋Ｆ Ａ　：　υｐ Ｂ　：　υ、　・　Ｔ＝λ Ｃ：　（υｆ／υ、）／Ｔ＝ｆ（υ、／υ、）Ｄ　　：
　−１／Ｔ＝−ｆ Ｅ　　：　　−ｔｇｒ／Ｔ Ｆ：　　−ｒｏｔ ［発明が解決しようとしている課題］ しかしながら、以上のような方法でペンとセンサ間距離
ｒを精度よく算出するには、正確な計算定数（Ａ、Ｂ、
Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ）を用いることが当然大前提となる。と
ころが、このような計算定数は超音波の伝播を利用する
という方式の性質上、個々の製品の各種の物理定数、調
整具合等の影響で微妙な変動が起こることが必至であり
、このために安定した座標精度を確保した製品を大量生
産することは事実上困難となっている。

本発明は、前記従来の欠点を除去し、個々の製品の各種
の物理定数、調整具合等の影響による微妙な変動に関わ
りなく、正確に距離を計測する超音波距離計測装置を提
供する。

［発明が解決しようとしている手段］ この課題を解決するために、本発明の超音波距離計測装
置は、群速度と位相速度とが異なる超音波を発振源より
発射した後に超音波センサによりこれを受信して、その
到達時間を基に発振源とセンサ間の距離を算出する超音
波距離計測装置であって、 距離の算出に先立って、予め定められた麹振源の操作に
基づいて、距離算出の補正を行う補正手段を備えること
を特徴と、する。

ここで、補正手段は、予め定められた位置での群到達時
間ｔ１及び位相到達時間ｔｇを所定の演算式に代入して
、発振源とセンサ間の距離の算出に用いる計算パラメー
タの群速度υ、１位相速度υｐ、周波数ｆを求めること
を特徴とする。

又、補正手段は、任意の連続的な複数位置で観測される
群到達時間ｔ５及び位相到達時間ｔｐによる所定の統計
計算によって、計算パラメータの群速度υ、１位相速度
υｐ、周波数ｆを求めることを特徴とする。

又、補正手段は、予め定められた適当な位置での群到達
時間ｔｇ及び位相到達時間ｔｇを所定の演算式に代入し
て計算パラメータの位相速度υｐ求め、任意の連続的な
複数位置で得られる群到達時間ｔｇ及び位相到達時間ｔ
ｇによる所定の統計計算によって計算パラメータの群速
度υ、を求めることを特徴とする。

又、補正手段は、予め定められた適当な位置での群到達
時間ｔ６及び位相到達時間ｔｇを基に初期設定された計
算パラメータの群速度υｇ、位相速度υｐ、周波数ｆを
用いてセンサの取り付け位置を計算して、正規の位置か
らのズレ量を算出し、通常動作時における距離計算にお
ける補正量を新たに設定して較正することを特徴とする
。

［作用］ かかる構成において、予め定められた適当な位置もしく
は任意の連続的な複数位置で観測される群到達時間ｔｇ
ｎ位梱到達時間ｔｇを基に、計算定数を新たに設定して
較正できるようにし、個々の製品ごとに個別に最適な計
算定数を設定・較正できるようにしたものである。

［実施例］ 以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明
する。

く第１実施例〉 第１図は本発明の第１実施例における較正用指示ポイン
ト及び超音波座標入力装置の構成例を示す図である。必
中、１は振動ペン、２はセンサ、３は振動板、４は防振
材であり、振動ペンはペン制御部ｌＯによりその制御を
され、センサ制御部２０には第１１図に示す各回路が含
まれていても良い。ｌＯＯは演算制御用のＣＰＵ。

１０１は制御プログラムを格納するＲＯＭ。

１０２は補助記憶用ＲＡＭで、例えば本例の定数Ａ、Ｂ
、Ｃ，Ｄ、Ｅを記憶す６．１０３は入力座標を表示画面
等に出力する出力部である。

前述したようにペンとセンサ間距離ｒは、ｒ＝Ａｔｇ　
＋ＢＩｎｔ（Ｃｔｇ＋Ｄｔｇ＋Ｅ＋０．５）＋Ｆで求め
られるが、本式の第２項は（）　内　を整数化する項で
あり、整数化によって整数値がずれてしまう程の物理定
数の変動が起きない限りは、予め決めた点における整数
値ｎに変動はないはずである。したがって、例えばＰ２
．Ｐ３゜Ｐ４の３点での（ｔｇ、ｔｐ）がわかれば、既
知のｎ　”、、　ｎ　”、　ｎ　”に対しＣｔｇ”＋Ｄ
　ｔｇ”＋　Ｅ　＝　ｎ　”Ｃｔｇ”＋　Ｄ　ｔｇ”＋
　Ｅ　＝　ｎ　ｐ３Ｃｔｇ”＋　Ｄ　ｔｇ”＋　Ｅ　＝
　ｎ　”より、Ｃ，Ｄ、Ｅを求めることが可能となる。

また、ｒに関しても同様に既知のｎ　ｐ２　　ｎ　ｐ３
１１１１’、　　ｔｐ２．　　ｒ　ｐｓ、　　ｒ９４に
対しＡ　ｔｇ”＋　Ｂ　ｎ　”＋　Ｆ　＝　ｒ　”Ａ　
ｔｇ”＋　Ｂ　ｎ　”＋　Ｆ　＝　ｒ　ｐ３Ａ　ｔｇ”
＋　Ｂ　ｎ　”十Ｆ　＝　ｒ　”より、 Ａ。

Ｂ。

Ｆを求めることが可能となる。

本実施例を行う上で注意することは、言うまでもなく各
較正用指示ポイントとｒ、ｎとが正確に対応しているこ
とである。そのため、較正用指示ポイントの場所は第３
図で示すような位相到達時間ｔｇ対ｒの関係のうちで段
差が生じる近辺からずらした場所に設定する必要がある
。尚、位相到達時間ｔｇの段差は、おおむね λ ν　ｇ ν　ｇ　−ν　ｐ ごとに発生する。

例として、λ＝３ｍｍ　、　　ｖ、　＝２３５０ｍ／ｓ
　、　　ｔｌ、　＝１３５０ｍ／ｓとすれば、約７ｍｍ
ごとに位相到達時間ｔｇの段差が生じることになるので
、その近辺をうまくはずしてポイントを設定する。

以上の動作を実現するためのシステムの流れを第２図の
フローチャートに示す、まず、何らかのスイッチ動作に
よりシステムを較正モードにする。その後、ステップＳ
２で３点を入力して、ステップＳ２．Ｓ３で計算パラメ
ータを算出し、ステップＳ４で定数の切り替えを行う、
なお、定数の切り替えは、バックアップされるＲＡＭ上
での書き変えや、何らかの手段でマイコンが読み込み可
能なデイツプ・スイッチ等の設定切り替えなとの手段を
とればよい。

く第２実施例〉 次に本発明の第２実施例について説明する。

ｒ算出式の中で　Ｉｎｔｎ数が正しい値を出していれば
絶対精度を出すものはＡ、Ｂ、Ｆである。

ところで、Ａ、Ｂ、Ｆは位相速度υ、及び周波数ｆに関
与するパラメータであり、これらはｒと位相到達時間ｔ
ｇとの関係より求められるが、一般に位相ゼロクロス検
出により位相到達時間ｔｇを求めると、第３図で示すよ
うにｒと位相到達時間ｔｇの関係においては各階段ごと
に直線性がよく、またそれぞれの傾きυ、もほぼ一致す
る。また、階段ごとの切れ目が示すＴ（＝１／ｆ）も全
体にほぼ一様である。したがって、これらＡ、Ｂ、Ｆは
前記第１実施例で述べたような方法で決定しても、おお
むね真値に近い値が得られ実用上問題ない。

しかしながら、Ｉｎｔ関数内のＣ，Ｄ、Ｅは群速度υ、
に関与するパラメータであり、一般にｒ対群到達時１間
ｔｇの関係が第３図で示すように観測される以上、前記
第１実施例のようにこのうちの数点をとることによりＣ
，Ｄ、Ｅを決定することは大変危険である。つまり、第
３図のようにｒ対群到達時間ｔｇの関係が得られるとき
、例えば図中のような２点よりυ、を決定することが全
く無意味であることに対応する。そこで、一般にＣ，Ｄ
、Ｅを決定するには、前記方法に加え何らかの統計処理
をすることが必要となる。

そこで、本実施例においては次にような手段をとる。ま
ず、伝播体上の任意の場所で入力ペンにより第４図で示
すような任意の曲線を適当な速度で描き、（ｔｇ、ｔ９
）を連続入力する。すると、第５図で示すような（ｔｇ
、ｔｐ）対ｒの関係図が得られる。これに対し、開始点
Ａにおける整数値の初期値ｎを適当に決め（例えばＯ）
、その後ペンがセンサから遠ざかる方向で位相到達時間
ｔｇの段差が生じた場合は＋１、近づく方向では−１を
して各段差ごとに整数値ｎを対応させる。その結果、第
６図で示すようなデータ群ができる。これをもとにして
独立変数を群到達時間ｔｇ１位相到達時間ｔ９．従属変
数をｎとしたｎ＝＝ｃｔｇ＋Ｄｔｇ　十Ｅ’ （Ｅ’＝ＩＥＩ−Ｉｎｔ　　（ｌＥＩ＋ｏ、５）ｎ＋ｎ
ｔ） なる関係式による多重回帰を行い、最適定数Ｃ１Ｄ、Ｅ
を統計的に決定する。

く第３実施例〉 以上説明した実施例のいわば逆の適用例として、センサ
位置のずれ量検出をあげることができる。前記第１．第
２実施例は、適当な位置を指示したときの（ｔｇ、ｔｔ
）をもとに距離計算の際の定数であるυｇ＋　　ｅ＋　
ｆを逆算し、ＲＡＭυ バックアップなりデイツプ・スイッチなりの手段により
較正を行うというものであった。ところが、υｇ．　い
、ｆは伝播体の厚みのばらつき。

υ 超音波発信ペンの周波数特性の影響に大きく依存してお
り、個別の製品ごとに一度設定を行えばその後は安定し
ていると考えられ、逆に使用により経時変化が出やすい
のはセンサ位置である。

特に、製品自体が静的な安定した環境になく、頻繁に衝
撃を与えられるような場合にはなおさらである。従って
、適当な位置を指示したときの（ｔｇ、ｔｐ）をもとに
初期設定されたυｇ、υ２．ｆを用いてセンサ位置を逆
算し、その結果を距離計算式にフィードバックする方法
をとることにより、センサ位置のずれ補正を行うことが
できる。

以下、第７図を使って説明する。まず、何らかのスイッ
チ動作によりシステムの動作モードを較正モードにする
と、ステップＳ７５からステップＳ７６に進む、ここで
、絶対座標Ｘ軸上のＰ、、Ｐｌ点をポイントする。その
際のＰｌとセンサＳ２間＋Ｐ２とセンサＳ２間の距離を
、予め初期設定されたυＭ＊　　ｌ＋　ｆを用いて、υ ステップＳ７７で取り込んだ（ｔｇ１１ｋ　、　ｔｇ９
１）。

（ｔ　、ｐ２　、　　ｔ　、ｐｌ）をもとにステップＳ
７８で計算し、その結果をもとにセンサＳ２の絶対座標
のＸ成分を算出する。同様に絶対座標ｙ軸上のＰａ、Ｐ
？点をポイントし、その際の（ｔｇＰａｔ　ｐＰａ）、
　　（ｔ　、Ｐ？　、　　ｔ　ｐＰ？）をもとに、セン
サＳ２の絶対座標のｙ成分を算出する。このようにして
、全てのセンサの絶対座標を求め、本来あるべき位置か
らのずれ量を読みとり、ステップＳ７９でこの結果を通
常の動作モードにおける座標計算式にフィードバックす
る。

通常モードでは、ステップＳ７２でペンとセンサ間距離
算出、ステップＳ７３で指示座標算出の後、ステップＳ
７４でステップＳ７９で設定されたセンサずれ補正量に
よる補正を行う。

［発明の効果］ 本発明による、個々の製品の各種の物理定数。

調整具合等の影響による微妙な変動に関わりなく、正確
に距離を計測する超音波距離計測装置を提供できる。

すなわち、予め定められた適当な位置もしくは任意の連
続的な複数位置で観測される群到達時間ｔｇ９位相到達
時間１ｐを基に、係数定数を新たに設定して較正できる
ようなシステム構成をとることにより、個々の製品ごと
に個別に最適な計算定数を設定・較正できるようになり
、製品を構成する各部材の物理定数のバラツキ、取り付
け具合のバラツキまた経時変化などによる最適計算定数
の変動を工場出荷時のみならず、サービスマン。

ユーザらが市場で較正を行うことで簡便に吸収すること
が可能となり、安定した精度を確保した超音波距離計測
の応用製品が実用化する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例較正用指示ポイント及び超音波座標入
力装置の構成を示す図、 第２図は第１実施例における処理手順を示すフローチャ
ート図、 第３図は距離ｒと群到達時間ｔｇ、位相到達時間１ｐと
の関係を示す図、 第４図は第２実施例における較正用入力例を示す図、 第５図は第２実施例におけろデー′夕番号と群到達時間
ｔｇ１位相到達時間ｔｇの関係例を示す図、 第６図は第２実施例における較正用データ群を示す図、 第７図は第３実施例における処理手順を示すフローチャ
ート、 第８図は座標入力装置の概略図、 第９図は指示用ペンの駆動電圧を示す図、第１Ｏ図はセ
ンサ出力波形を示す図、 第１１図は信号処理回路の構成例を示す図、第１２図は
距離計算を説明する図である。 図中、１・・・座標指示具、２．２ａ〜２Ｃ・・・セン
サ、３・・・伝播体、４・・・防振材、５・・・初段増
幅器、６・・・全波整流器、７・・・ローパスフィルタ
、８・・・微分回路、９・・・コンパレータ、１０・・
・ペン制御部、２０・・・センサ制御部、１００・・・
ＣＰＵ、１０１・・・ＲＯＭ、１０２・・・ＲＡＭ、１
０３・・・出力部である。 ９ 第６図 Ｃ 第８図 ｐ 第７図 第９図 第１０図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）群速度と位相速度とが異なる超音波を発振源より
   発射した後に超音波センサによりこれを受信して、その
   到達時間を基に発振源とセンサ間の距離を算出する超音
   波距離計測装置であつて、 距離の算出に先立つて、予め定められた発振源の操作に
   基づいて、距離算出の補正を行う補正手段を備えること
   を特徴とする超音波距離計測装置。
2. （２）補正手段は、予め定められた位置での群到達時間
   ｔ＿ｇ及び位相到達時間ｔ＿ｐを所定の演算式に代入し
   て、発振源とセンサ間の距離の算出に用いる計算パラメ
   ータの群速度υ＿ｇ、位相速度υ＿ｐ、周波数ｆを求め
   ることを特徴とする請求項１記載の超音波距離計算装置
   。
3. （３）補正手段は、任意の連続的な複数位置で観測され
   る群到達時間ｔ＿ｇ及び位相到達時間ｔ＿ｐによる所定
   の統計計算によつて、計算パラメータの群速度υ＿ｇ、
   位相速度υ＿ｐ、周波数ｆを求めることを特徴とする請
   求項１記載の超音波距離計測装置。
4. （４）補正手段は、予め定められた適当な位置での群到
   達時間ｔ＿ｇ及び位相到達時間ｔ＿ｐを所定の演算式に
   代入して計算パラメータの位相速度υ＿ｐ求め、任意の
   連続的な複数位置で得られる群到達時間ｔ＿ｇ及び位相
   到達時間ｔ＿ｐによる所定の統計計算によつて計算パラ
   メータの群速度υ＿ｇを求めることを特徴とする請求項
   １記載の超音波距離計測装置。
5. （５）補正手段は、予め定められた適当な位置での群到
   達時間ｔ＿ｇ及び位相到達時間ｔ＿ｐを基に初期設定さ
   れた計算パラメータの群速度υ＿ｇ、位相速度υ＿ｐ、
   周波数ｆを用いてセンサの取り付け位置を計算して、正
   規の位置からのズレ量を算出し、通常動作時における距
   離計算における補正量を新たに設定して較正することを
   特徴とする請求項１記載の超音波距離計測装置。