JPH0425508B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超音波を用いて立体の隣接する２面に
よつて形成される交線の位置を検出する超音波距
離計測装置に関するものである。

従来例の構成とその問題点 従来、超音波を用いた距離計測は、超音波信号
を送受信する超音波センサから、水、空気などの
超音波伝播媒体を介して、超音波伝播媒体とは異
なる音響インピーダンスを有する被計測物体の表
面に超音波パルスを放射し、この超音波パルスが
同面で反射され、再び超音波センサに戻つてくる
までの往復伝播時間Ｔを計測し、Ｔの値と伝播媒
体内での音速ｖから超音波センサと被計測物体の
超音波反射面との距離Ｌを、第１式の計算式に従
つて計測するものである。

Ｌ＝Ｔ・ｖ／２ ……(1) このような従来の超音波距離計測装置のブロツ
ク図を第１図に示す。第１図において、１は電気
音響変換を行ない超音波信号を送受信する超音波
センサ、２は水、空気などの超音波伝播媒体、３
は超音波伝播媒体２とは異なる音響インピーダン
スを有する被計測物体、４は送信信号を超音波セ
ンサ１に与える送信部であり、波数が１波〜10数
波程度のトーンバースト波を発生する。５は超音
波センサ１によつて受信された反射パルスを増幅
する前置増幅器、６はパルス伝播時間測定のため
に前もつて設定されたスレツシヨルドレベルと反
射パルスの振幅比較を行なう振幅比較回路、７は
基準パルス発生器１０によつて発生された基準パ
ルスのカウントを振幅比較回路６の出力に同期し
て停止する信号を発生するストツプパルス発生回
路、８は送信パルスをスタートさせ基準パルスの
カウントを開始する信号を発生するスタートパル
ス発生回路、９はスタートパルス、ストツプパル
スによつて基準パルス数をカウントする期間を設
定するゲート回路、１１はゲートが開かれた期間
内の基準パルス数をカウントするカウンタ、１２
はカウンタ１１の出力から超音波パルス伝播時間
Ｔを求め、さらに第(1)式に従つて距離Ｌを計算す
るための演算回路である。

ここで、距離計測装置の具体的適用例として、
例えば溶接ロボツトを用いて、第２図に示すよう
な重ね合わされた板状の金属１３，１４（これら
を一体としてワークと呼ぶ）によつて形成される
溶接線１５に沿つて金属１３，１４を溶接する場
合、溶接トーチ１６を溶接線１５に沿つて精度よ
く移動させるために、溶接線１５の位置を検出す
る必要があるが、従来超音波センサ以外の非接触
形溶接線検出センサとして、渦電流センサ、静電
容量形センサあるいは撮像装置などを用いた検出
方式が行なわれていた。しかし渦電流センサ、静
電容量形センサはそれぞれワークの材質が非磁性
体あるいは非金属の場合には適用できず、またワ
ークに対して極めて近接して配置されるため溶接
部からのスパツタ等の飛来によつてセンサが損傷
を受けやすいという欠点があつた。また撮像装置
を用いて画像処理によつて溶接線を検出する場
合、大がかりな画像処理装置を必要とし装置が高
価なものとなり処理時間も長いという欠点を有し
ていた。

ところで、１個の超音波センサを用いて、第３
図に示すような被計測物である立体１７において
直角ないしはほぼ直角に隣接して凹部を形成する
二面１８，１９の交線２０の位置を検出すること
も考えられる。この場合、超音波センサ１を交線
２０に対向して配置し、超音波センサ１の中心軸
２２が交線２０と交叉するときは超音波センサ１
から交線２０に向けて超音波パルスを放射し、交
線２０によつて反射されたのち超音波センサ１に
受信される超音波パルスの伝播時間を計測するこ
とによつて超音波センサ１と交線２０の距離Ｌを
求めることが出来、超音波センサ１の中心軸２１
が交線２０と交叉する交点をＰとすると、交点Ｐ
の位置を一義的に決定することは可能である。

その原理を第４図を用いて説明する。この原理
は鏡像の原理によつて説明でき、第４図におい
て、１８，１９を立体の直交して隣接する二平面
とすると平面１８，１９の寸法が超音波センサ１
から放射され超音波伝播媒体２１を伝播する超音
波の波長より十分大きく、また平面１８，１９の
表面は上記波長に比べて十分に平滑であり、さら
に超音波センサ１の指向性が十分に狭いとする
と、平面１８，１９を鏡面として超音波センサ１
の鏡像はそれぞれ１′，１″の位置に考えることが
でき、また平面１８，１９を延長した面１８′，
１９′を鏡面として、像１′，１″の鏡像は像１
において一致する。このとき平面１８，１９の交
線２０は超音波センサ１とその鏡像１を結ぶ直
線と交叉し、超音波センサ１から交線２０に向け
て放射された超音波パルスは、あたかも鏡像１
から超音波パルスが放射されたように超音波セン
サ１へ反射されるので、超音波パルスの伝播時間
によつて超音波センサ１と交線２０との距離Ｌを
計測することができる。面１８，１９が直交しな
い場合は像１′，１″の面１８′，１９′に対する鏡
像は第４図における像１のように完全に一致し
て一つの像になることはないが、面１８，１９の
成す角が直角に近い場合、あるいは超音波センサ
１の面１８，１９からの距離が大きい場合には、
像１′，１″の面１８′，１９′に対する鏡像は像１
においてほぼ一致すると見なしてさしつかえな
い。

すなわち、第３図に示すごとく面１８に平行な
軸をｘ軸とする直交座標系を設定し、中心軸２２
と面１８のなす角をθ₀、超音波センサ１の音源中
心Ｓの座標をＳ（x₀、y₀、z₀）とし、交点Ｐのｙ
座標はＳ点のｙ座標に等しいとすれば（Ｐ点、Ｓ
点はｙ軸に垂直な同一面内にあるとする）、Ｐ点
のｘ座標、ｚ座標はＳ点の座標、角度θ₀および超
音波伝播時間により求められる距離＝Ｌの値
を用いて、 ｛ｘ＝x₀−Lcosθ₀ ｚ＝z₀−Lsinθ₀ ……(2) で与えられ、Ｐ点の位置を一義的に決定すること
ができる。

ところが、第３図におけるＰ点、Ｓ点に含んで
ｙ軸に垂直な断面を考えたとき、第５図に示すよ
うに、超音波センサ１の中心軸２２が隣接する二
つの面１８，１９又は１８′，１９′によつて形成
される交線２０又は２０′と交わらない場合は、
交線２０又は２０′上にあつて超音波センサ１の
音源中心Ｓと等距離Ｌにある点は、第５図に示す
ように、中心軸２２に対称なＰ，P′の二点が考え
られるが、Ｐ，P′点からの反射パルスは伝播時間
が等しいため、超音波センサ１の受信信号から異
なる交線上にあるＰ，P′点の識別をすることはで
きず、従つて交線２０の位置を一義的に決定する
ことはできない。

発明の目的 本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされ
たもので、被計測物の材質に依存することなく、
検知器も損傷を受けず、大がかりな装置を必要と
せず安価で交線検出に要する処理時間が短く、さ
らに検知器の中心軸が、被計測物を構成する２面
の交線と交わらなくてもこの交線の位置を一義的
に決定することのできる超音波距離計測装置を提
供することを目的とする。

発明の構成 本発明は上記目的を達成するため、被計測物体
の略直交をなす隣接した２面により形成される交
線を横切り、かつ前記各面のそれぞれと垂直をな
さない状態を保ちながら超音波検知器を移動さ
せ、移動前後での受信信号の比較を行ない、移動
中の受信信号の極大値を求めて、この極大値の位
置を２面の交点としてそのときの距離を求めるよ
うにしたものである。

実施例の説明 以下に本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

第６図は本発明の原理を説明するための図であ
つて、第６図に示すように、超音波センサ１の中
心軸２２が、直交ないしほぼ直交して隣接する２
面１８，１９の交線２０と交わらない場合、前述
の鏡像の原理によつて説明されるように超音波セ
ンサ１から送信され、面１８，１９の交線２０の
近傍で反射され再び超音波センサ１によつて受信
される超音波パルスはあたかも鏡像１から放射
されたごとく超音波センサ１に到達するが、超音
波センサ１の中心軸２２を含み面１８，１９に垂
直な平面と交線２０との交点をＣとすると、超音
波センサ１の音源中心Ｓと交点Ｃを結ぶ直線が超
音波センサ１の中心軸２２と成す角をαとしたと
き、鏡像１の音源中心Ｓと交点Ｃを結ぶ直線
が鏡像１の中心軸２２と成す角も同様にαと
なるため、第４図に示したような超音波センサ１
の中心軸２２と鏡像１の中心軸２２が交線２
０を通つて一致する場合とは異なり、超音波セン
サ１の有する狭い指向性のため角度αの値によつ
て、超音波センサ１の受信する反射レベルは変化
する。

超音波センサ１はメインローブにおいて中心軸
２２上で最大感度を有し、中心軸２２から離れる
に従つて感度が単調減少するような狭い指向性を
もつものとすると、第６図において面１８，１９
の形成する凹部空間に配置された超音波センサ１
が、中心軸２２に直交ないしはほぼ直交する矢印
２３で示される方向に移動するとき、超音波セン
サ１の受信する超音波パルスの反射レベルは、第
７図に示すごとく中心軸２２が交線２０と一致し
たとき（P₀で示す）、角度αが０となり極大値を
有し、その前後では急激に低下することが第６図
より説明される。また実測によつても、第７図で
示される結果の正しいことが確認された。

第８図は本発明の超音波距離計測装置の一実施
例を示す構成図である。第８図において４〜１１
は第１図と全く同様である。２４は、アーム移動
信号発生器２５によつて発生される信号に応じて
超音波センサ１を移動するための超音波センサ保
持アーム、２６は超音波センサ１によつて受信さ
れ、前置増幅器５で増幅された反射信号の最大振
幅を検出し、その値を保持するピークホールド回
路、２７はピークホールド回路２６によつて検出
された反射信号の最大値をＡ／Ｄ変換器２８でデ
シタル信号に変換したのち記憶するメモリであ
る。被計測物体１７の隣接する二つの面１８，１
９によつて形成された凹部空間に配置された超音
波センサ１によつて発生された超音波パルスは、
二つの面１８，１９の交線部２０から反射され超
音波センサ１によつて受信されることによつて、
第１図又は第２図で示したと同様の方法で、カウ
ンタ１１により基準パルス発生器１０によつて発
生された基準パルスのカウントを行なうと共に、
反射パルスのピーク値をピークホールド回路２６
によつてホールドする。次にアーム移動信号発生
器２５によつて発生される移動信号によつて、超
音波センサ１はそれの中心軸２２に垂直ないしは
ほぼ垂直な方向でかつ被計測物体１７の隣接する
二面１８，１９の交線２０を横切る方向２３で、
かつ交線２０に近づく方向に移動し、停止する。
移動後の位置において送信部４から次の送信パル
スを発生し、送信パルスの発生に同期してピーク
ホールド回路２６によつて検出されＡ／Ｄ変換器
２８によつてデジタル信号に変換されたデータが
メモリ２７へ移され、また超音波パルスの伝播時
間に対応したカウンタ１１の出力がメモリ２９へ
移される。さらに移動後の位置において発射され
た超音波パルスが交線部２０から反射され、ピー
クホールド回路によつて反射パルスのピーク値が
検出され、Ａ／Ｄ変換器２８によつてＡ／Ｄ変換
されたのち、比較回路３０によつて先にメモリ２
７に記憶された超音波センサ１の移動前の位置に
おける反射波のピーク値との比較を行い、メモリ
２７から読出された移動前の位置における値が移
動後の位置における値より小さければ、更に移動
パルス発生回路２５によつて移動パルスを発生
し、アーム２４の移動を行なうと共に、カウンタ
１１によつて計測された移動前の位置における超
音波パルスの伝播時間に対応したパルス数を記憶
しているメモリ２９の内容をクリアする。逆に移
動前の位置におけるピーク値が移動後の位置にお
けるピーク値よりも大きいか又は等しいときは、
移動前の位置においてセンサ１の中心軸２２が交
線２０と交叉したか又はほぼ交叉したものと考え
られる。従つてこの時のメモリ２９の値を演算回
路１２へ移し、第１式に従つて交線２０と超音波
センサ１の音源中心Ｓとの距離を一義的に求める
ことができる。

本発明の他の実施例の要部構成図を第９図に示
す。

センサ１の音源中心Ｓから面１８に下した垂線
をSHとし、線SHとセンサ１の中心軸２２のなす
角が₀となるように設定されたセンサ１は、音
源中心Ｓを中心として交線２０を見込む範囲で矢
印３１で示すような首振り回転運動を行なうと、
センサ１から放射された面１８又は面１９で反射
され再びセンサ１で受信される超音波反射波レベ
ルは、第１０図のごとくセンサ１が初期位置から
角度だけ回転し中心軸２２が交線２０と交わつ
た点Ｐで最大となる。このときＰ点のｘ座標、ｚ
座標は、Ｓ点の座標、角度₀、および超音波
伝播時間により求められる距離SP＝Ｌの値を用
いて ｘ＝x₀−Lsin（₀−） ｚ＝z₀−Lcos（₀−） で与えられＰ点の位置を決定することができる。

ところで、本発明は第３図に示すような凹部を
有する多角形に対して適用できるだけでなく、第
１１図に図示するように円柱などのような曲面部
分を有する立体の曲面３２とそれに隣接する平面
３３との交線３４に対しても適用可能である。す
なわち超音波センサ１を曲面３２と平面３３が隣
接して形成する凹部空間に配置し、超音波センサ
１をその中心軸２２に対し垂直又はほぼ垂直な方
向２３に移動することにより、同様な方法によつ
て交線の位置を計測することができるものであ
る。

さらに本発明は第８図において、被計測物体１
７の隣接する二つの面１９，３５によつて形成さ
れる凸部に位置する交線３６の検出に対しても同
様に適用できるものである。即ち凸部に位置する
交線３６を見込む位置に配置された超音波センサ
は、第８図又は第９図に示すような移動又は回転
を行なうとき、超音波反射レベルは前述したよう
な凹部に位置する交線２０を見込むように超音波
センサが配置された場合と同様の傾向を示すの
で、全く同様の方法によつて交線の位置を検出す
ることが可能である。

発明の効果 以上説明したように本発明によれば、被計測物
体の略直交をなす隣接した２面により形成される
交線を横切り、かつ前記各面のそれぞれと垂直を
なさない状態を保ちながら超音波探知器を移動さ
せ、移動前後での受信信号の比較を行ない、移動
中の受信信号の極大値を求めて、この極大値の位
置を２面の交点としてそのときの距離を求めるよ
うにしたものであるため、単一の超音波検知器を
用いて被計測物体の隣接する２面の交線の位置を
検出することが出来るので、従来の撮像装置を用
いて画像処理を行なつて交線の位置を検出する方
法と比べて、計測に要する処理時間は極めて短時
間であり、また画像処理装置も不要となるので安
価に構成できる。さらに、従来の渦電流センサあ
るいは静電容量形センサのように被計測物体が金
属だけに限定されず、超音波伝播媒体の音響イン
ピーダンスと異なる音響インピーダンスの表面を
有する材料であれば計測が可能である。また、従
来の渦電流センサ、静電容量形センサと比較し
て、超音波検知器は計測すべき物体から、より離
れた位置に配置することができるので、例えば溶
接ロボツト用センサとして用いる場合、溶接スパ
ツタ等によつて検知器が損傷を受けることがな
い。さらにまた、超音波検知器を移動させるた
め、超音波検知器の中心軸が交線と交わる位置を
検出することができ、超音波検知器と被計測物体
との距離を高精度に求めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波距離計測装置を示すブロ
ツク図、第２図は従来のアーク溶接法を示す図、
第３図は超音波検知器を用いた距離計測装置の構
成図、第４図，第５図は同装置の説明図、第６図
は鏡像の原理を用いた本発明の原理説明図、第７
図は上記原理説明図における反射レベルの変化を
示す図、第８図は本発明の超音波距離計測装置の
一実施例を示す構成図、第９図は本発明の他の実
施例を示す要部構成図、第１０図は同実施例にお
ける反射レベルを示す図、第１１図は本発明の更
に他の実施例を示す要部構成図である。 １……超音波検知器、４……送信部、５……前
置増幅器、６……振幅比較回路、７……ストツプ
パルス発生回路、８……スタートパルス発生回
路、９……ゲート回路、１０……基準パルス発生
器、１１……カウンタ、１２……演算回路、１７
……被計測物体、１８，１９，３２，３３，３５
……隣接する面、２０，３４，３６……交線、２
２……中心軸、２４……アーム、２５……アーム
移動信号発生器、２６……ピークホールド回路、
２８……Ａ／Ｄ変換器、２７，２９……メモリ、
３０……比較回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波信号の送受信を行なう超音波検知器
   と、前記超音波検知器の中心軸が、被計測物体の
   隣接した略垂直をなす２面により形成される交線
   を横切り、かつ前記各面のそれぞれと垂直をなさ
   ない状態に保持しながら前記超音波検知器を移動
   させる移動手段と、被計測物体からの反射波を受
   信する受信部と、移動前後の受信信号を比較する
   比較回路と、受信信号より前記超音波検知器から
   前記被計測物体までの前記超音波信号の伝播時間
   を計測する手段と、前記比較回路で検出した移動
   に伴う前記超音波検知器での受信信号の極大値を
   交点として記憶する手段と、前記極大値での移動
   位置および伝播時間を記憶する手段と、前記超音
   波検知器から前記被計測物体までの距離を前記伝
   播時間に基づいて演算する手段とをを備えた超音
   波距離計測装置。 ２ 移動手段が超音波検知器の中心軸と略直角な
   方向へ前記超音波検知器を移動させる特許請求の
   範囲第１項記載の超音波距離計測装置。 ３ 移動手段が超音波検知器の音源中心を中心と
   して前記超音波検知器を回動させる特許請求の範
   囲第１項記載の超音波距離計測装置。