JPH11118910A - 超音波トランスデューサの位相配列を電気的に制御する方法およびその装置 - Google Patents

超音波トランスデューサの位相配列を電気的に制御する方法およびその装置

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JPH11118910A
JPH11118910A JP10234335A JP23433598A JPH11118910A JP H11118910 A JPH11118910 A JP H11118910A JP 10234335 A JP10234335 A JP 10234335A JP 23433598 A JP23433598 A JP 23433598A JP H11118910 A JPH11118910 A JP H11118910A
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ultrasonic transducer
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Pierre Bonnefoy
ボヌフォア ピエール
Franck Harroy
アロワ フランク
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IMRA Europe SAS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 単純な超音波トランスデューサ位相配列体と
電子制御回路から容易に構成される超音波走査装置にお
いて、より早い処理時間を達成する。 【解決手段】 超音波トランスデューサ（１）の位相配
列を発信器（５２）および受信器（５４）として用い、
該位相配列を電気的に制御して検知区域を超音波走査す
るものである。ここで、複数の超音波ローブを発生さ
せ、それぞれが監視範囲内の複数のそれぞれの角度区域
を、ローブ間の角度距離を一定に保ったまま漸次走査す
るので、監視範囲をすばやく走査できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、監視範囲を走査す
るために超音波トランスデューサの位相配列を電気的に
制御する方法およびその装置に関するもので、超音波ト
ランスデューサは音響発信ローブ群を形成する発信器と
して、あるいは被検知物体からの反射エコー信号を受信
する受信器として用いられる。また、超音波トランスデ
ューサが適切な電気走査信号によって励起された時、少
なくとも２つの音響発信ローブが監視範囲内に形成され
るように超音波トランスデューサは配列されている。
【０００２】
【従来の技術】ロボット工学の分野において、ある環境
区域を走査するために超音波トランスデューサが用いら
れることは周知であり、特に超音波トランスデューサの
位相配列がロボット誘導のために使われる。図１は位相
配列された周知の超音波トランスデューサの一例であ
る。超音波トランスデューサは線Ｘ1、Ｘ2、Ｘ3上に６
腕の星状に配列され、全てＹ方向に向けて超音波を発信
する。図１の例では、一次元配列をなす、水平線Ｘ1上
にある３つのトランスデューサ１ａ、１ｂ、１ｃが超音
波発信器として用いられ、周囲のいくつかのトランスデ
ューサが反射エコー信号をとらえるための受信器として
用いられる。超音波トランスデューサは典型的には円形
状のものが使用され、本質的に発信超音波の波長λに対
応する間隔を持って隔てられている。隣り合う超音波ト
ランスデューサの間隔やそれらの出力が全体の大きさに
依存するため、波長λ／２の間隔がよく用いられる。
【０００３】このような配列では、その区域が図２に代
表される音響ローブパターン、これは図１の面（Ｙ、Ｘ
1）において励起された超音波トランスデューサ配列の
空間的な音響エネルギー分布を表わすパターンで表わさ
れる発信器配列の音響フィールドは、異なる位相で電気
的に励起された３つの発信器からの超音波振動の重ねあ
わせによって与えられる。
【０００４】このような配列は３種類の超音波ビーム
（以後、ローブと呼ぶ）を生成する。即ち、一つの主ロ
ーブ２、超音波１波長分のずれによる２つの干渉ローブ
４、４'（以後、干渉ローブと呼ぶ）と配列口径におけ
る回折による複数の小さな二次ローブ（以後、回折ロー
ブと呼ぶ）３、３'、５、５'である。図２において、主
ローブ２は発信平面Ｐ２を、干渉ローブ４、４'は発信
平面Ｐ４、Ｐ４'を、また回折ローブ３、３'、５、５'
は発信平面Ｐ３、Ｐ３'、Ｐ５、Ｐ５'をそれぞれ画定す
る。干渉ローブおよび回折ローブの発信平面は、すべて
発信平面Ｐ２について対象であり、軸Ｚにおいて交差す
る。
【０００５】干渉ローブは干渉エコー信号を形成する大
きな振幅を発生することができる。超音波トランスデュ
ーサ位相配列体の幾何形状を変えることで、これら干渉
ローブを制御することができる。線形配列の超音波トラ
ンスデューサ位相配列体では、異なる超音波ローブの指
向性が、励起される超音波トランスデューサの数、周波
数（波長）、超音波トランスデューサの半径（角度幅）
および各超音波トランスデューサに供給される励起信号
の重み付けに依存する。超音波ローブ間の角度は超音波
トランスデューサ間の距離に依存する。
【０００６】図２は平面（Ｘ1、Ｙ）における、図１の
線形配列とされた超音波トランスデューサ位相配列体の
超音波トランスデューサ１ａ、１ｂ、１ｃによって生成
された超音波ローブ群の二次元像である。ここで、主ロ
ーブ２の発信平面Ｐ２はＸ1 軸に対して垂直であり、干
渉ローブ４、４'および回折ローブ３、３'、５、５'は
主ローブ２について対称となっている。これは、超音波
トランスデューサ位相配列体が対称的に配列されてお
り、かつ３つの超音波トランスデューサが同位相で超音
波を発信するためである。しかし、Ｘ1軸上にある３つ
の超音波トランスデューサの各々にそれぞれ異なる位相
で励起信号を供給すれば、主ローブ２を平面Ｘ1、Ｙ上
において異なる方位に向けて発信させることができる。
この場合、主ローブ２の発信平面Ｐ２、干渉ローブ４、
４'の発信平面Ｐ４、Ｐ'４および回折ローブ３、３'、
５、５'の発信平面Ｐ３、Ｐ'３、Ｐ５、Ｐ'５は図２の
Ｆ、Ｆ'に示すように軸Ｚを交点として位置する。な
お、発信平面Ｐ４、Ｐ'４および発信平面Ｐ３、Ｐ'３、
Ｐ５、Ｐ'５は発信平面Ｐ２について対称となる。超音
波トランスデューサ１ａ、１ｂ、１ｃの各々に供給され
る励起信号の位相差は、所望の方位に伝播する最大の超
音波場のエネルギーを得るために、個々の超音波トラン
スデューサから発信される超音波の伝播進路の差に対応
していなければならない。このとき、超音波トランスデ
ューサ１ａ、１ｂ、１ｃは所望の方位において、超音波
の波動を指向させるため位相制御できるよう配置されて
いる。
【０００７】同時にローブの空間的なエネルギー分布が
変化する。即ち、図２の矢印ＦまたはＦ'のような走査
による主ローブの転回に対して、主ローブの一方に位置
する干渉ローブが縮小し、他方の干渉ローブが増大し、
それに伴い主ローブ自体も縮小していく。従って、主ロ
ーブは干渉ローブとなり、反対側の干渉ローブが音響エ
ネルギーの最も大きい主ローブとなる。発信器に与えら
れる複数の励起信号間において連続的な位相変化が起こ
る連続的な超音波発信によって、０度から実用的には±
９０度の認識区域を走査できる。
【０００８】主ローブの反射エコー信号の計測に際し、
一つ以上の大きな反射エコー信号の存在を確認すること
で、走査区域内での物体の位置、形状ならびに分布が認
識される。こういった一次元の超音波トランスデューサ
位相配列は特開平５−２３５７号公報に開示されてい
る。上記の理由から、従来技術においてはメインローブ
をいかに大きくし、余分な干渉エコー信号を形成する干
渉ローブ及び回折ローブをいかに小さくするかというこ
とに主眼がおかれている。一例として図３に示す超音波
ローブがよく用いられる。この超音波ローブは一つの主
ローブ６といくつかの非常に小さな回折ローブ７、７'
を含むが、シャノンの定理に従い干渉ローブは見られな
い。この種の超音波ローブ群は図１に示すＸ1軸上にあ
る互いにλ／２だけ離れた７つの超音波トランスデュー
サを電気的に励起して得られる。
【０００９】二次元の超音波トランスデューサ配列は、
その電気的走査方法も含めて "Ultrasonic imaging sys
tem for robotics using an electronic scanning meth
od", S. Kuroda et al, Robotica (1984), volume 2, p
ages 47-53に開示がある。一次元あるいは二次元配列と
された超音波トランスデューサ位相配列体のいずれにお
いても、逐一超音波走査する方法では非常に数多い回数
の超音波発振が必要となる。空気中の音速は低く、全走
査範囲を走査し且つその反射エコー信号を解析するのに
要する時間は、ロボット工学の分野にこの超音波走査方
法を適用するためには長すぎるものであった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】そこで、単純な超音波
トランスデューサ位相配列体と電子制御回路から容易に
構成される超音波走査装置において、より早い処理時間
を達成することを、その技術的課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記した技術的課題を解
決するために講じた本発明の第１の技術的手段は、超音
波発信器または超音波受信器として用いられ、適切な電
気操作信号によって励起された時に少なくとも２種類の
超音波ローブ群を監視範囲内に発生させる超音波トラン
スデューサを備え、監視範囲を走査するために該超音波
トランスデューサの位相配列体を電気的に制御する方法
において、角度範囲を走査するために、本質的に類似の
強度をもつ複数の超音波ローブ（８、９、９'；１１、
１２、１２'、１３、１３'；１４、１５、１５'、１
６、１６'、１７、１７'）を前記超音波トランスデュー
サの位相配列体から発信して、該超音波ローブ間の相対
角度距離（２Δθｏ）が該方位変化に際しても一定にし
たまま、該超音波ローブの発信方位を漸次変化させるス
テップと、各々の超音波ローブによって、２つの超音波
ローブ間の角度距離（２Δθ）の大きさに応じた前記監
視範囲の異なる角度範囲（Ｓ１、Ｓ２；Ｓ１−Ｓ５：Ｓ
１−Ｓ７）を走査するために前記角度範囲を制御するス
テップに基づいて超音波トランスデューサの位相配列を
電気的に制御したことである。
【００１２】上記した技術的課題を解決するために講じ
た本発明の第２の技術的手段は、第１の技術的手段に加
えて、前記超音波トランスデューサ位相配列体の超音波
受信器として用いられる２つの異なる超音波トランスデ
ューサによって受信された２つの個々の反射エコー信号
の受信時間を比較する相関処理ステップと、該受信時間
の差と超音波の発信方位に応じた反射位置の方位（θ
１）と距離を決定するステップを更に実行するようにし
たことである。
【００１３】上記した技術的課題を解決するために講じ
た本発明の第３の技術的手段は、第１の技術的手段に加
えて、特定の前記角度範囲内において検知方位にある反
射エコー信号が検知された後、少なくとも一つの前記角
度範囲において検知方位に向けて連続的な超音波発信を
行なうために、前記超音波トランスデューサの位相配列
体を単一の超音波ローブを発生するように制御する二次
超音波走査ステップを更に実行するようにしたことであ
る。
【００１４】上記した技術的課題を解決するために講じ
た本発明の第４の技術的手段は、第３の技術的手段に加
えて、前記単一の超音波ローブを６腕星状配列とされた
超音波位相配列体から形成したことである。
【００１５】上記した技術的課題を解決するために講じ
た本発明の第５の技術的手段は、第１の技術的手段に加
えて、超音波発信器として用いられる単一の超音波トラ
ンスデューサから単一の超音波が発信された後、超音波
発信器として用いられる複数の超音波トランスデューサ
によって受信された反射エコー信号を加算する受信方位
解析ステップを更に実行し、加算された最大反射エコー
信号に対応する被検知物体の方位と距離を特定するため
に、各反射エコー信号は仮想角度に対応して時間差で変
化したものとしたことである。
【００１６】上記した技術的課題を解決するために講じ
た本発明の第６の技術的手段は、第１乃至第５の手段に
おいて、電子制御装置によって制御される超音波位相配
列体を備え、前記超音波トランスデューサは本質的に類
似の振幅をもつ複数の超音波ローブを発生ようにしたこ
とである。
【００１７】上記した技術的課題を解決するために講じ
た本発明の第７の技術的手段は、第６の技術的手段に加
えて、前記電子制御装置が、監視範囲において２つの超
音波ローブ間の角度に応じた前記角度範囲を走査する各
々の超音波ローブのために、超音波発信器として用いら
れる各超音波トランスデューサに供給される励起信号の
位相を制御するようにしたことである。
【００１８】上記した技術的課題を解決するために講じ
た本発明の第８の技術的手段は、第６または７の技術的
手段に加えて、前記電子制御回路が第２の技術的手段の
相関処理ステップを実行する手段を含むようにしたこと
である。
【００１９】上記した技術的課題を解決するために講じ
た本発明の第９の技術的手段は、第６または７の技術的
手段に加えて、前記電子制御回路が第３の技術的手段の
二次超音波走査ステップを実行する手段を含むようにし
たことである。
【００２０】上記した技術的課題を解決するために講じ
た本発明の第１０の技術的手段は、第６または７の技術
的手段に加えて、前記電子制御回路が第５の技術的手段
の受信方位解析ステップを実行する手段を含むようにし
たことである。
【００２１】上記した技術的課題を解決するために講じ
た本発明の第１１の技術的手段は、第６乃至１０の技術
的手段に加えて、前記超音波トランスデューサ位相配列
体を超音波トランスデューサを直線（Ｘ1）状に配列し
たことである。
【００２２】上記した技術的課題を解決するために講じ
た本発明の第１２の技術的手段は、第６乃至１０の技術
的手段に加えて、前記超音波トランスデューサ位相配列
体を超音波トランスデューサを星（Ｘ1、Ｘ2、Ｘ3）状
に配列したことである。
【００２３】上記した技術的課題を解決するために講じ
た本発明の第１３の技術的手段は、第１２の技術的手段
に加えて、前記星（Ｘ1、Ｘ2、Ｘ3）状の超音波トラン
スデューサ位相配列体を６腕星状配列体としたことであ
る。
【００２４】上記した技術的課題を解決するために講じ
た本発明の第１４の技術的手段は、第６乃至１０の技術
的手段に加えて、前記超音波トランスデューサ配列体を
互い違いの列に配列し、且つ少なくとも２つの直線状に
配列された超音波トランスデューサの組み合わせから構
成したことである。
【００２５】上記した技術的課題を解決するために講じ
た本発明の第１５の技術的手段は、第６乃至１４の技術
的手段に加えて、前記超音波トランスデューサ配列体を
曲面上に配置したことである。
【００２６】上記第１の技術的手段によれば超音波トラ
ンスデューサの位相配列体が本質的に類似の振幅をもつ
複数の超音波ローブを、その隣り合うローブ間の相対角
度距離を一定に保ったまま、方位を漸次変化させて発信
し、各超音波ローブに対応する監視範囲内の複数の角度
範囲が適宜制御されながら超音波走査される。
【００２７】上記第２の技術的手段によれば、被検知物
体からの反射エコー信号が２つの異なる超音波トランス
デューサによって受信され、個々の信号として受信さ
れ、その受信時間を比較することで、時間差と超音波の
発信方位に応じた被検知物体の方位と距離が決定され
る。
【００２８】上記第３の技術的手段によれば、超音波ト
ランスデューサの位相配列体を制御することで単一の超
音波ローブを発生して二次超音波操作を実行し、被検知
物体の方位と距離が決定される。
【００２９】上記第５の技術的手段によれば、複数の超
音波トランスデューサによって反射エコー信号を受信し
て、それを加算することで受信方位解析を行ない、各反
射エコー信号は仮想角度に対応して時間差で変化したも
のとすることで、加算された最大反射エコー信号に対応
する被検知物体の方位と距離が特定される。
【００３０】
【発明の実施の形態】以下、本発明に従った方法の実施
例を説明する。図１１に示すように、本発明実施例は主
に、ＤＳＰコントローラ５１、超音波トランスデューサ
からなる超音波発信器５２、ＤＳＰコントローラの励起
信号に基づいて発信器５２を励起駆動するドライバー５
３、超音波トランスデューサからなる超音波受信器５
４、受信器５４の受信信号（反射エコー信号）を増幅
し、またＡＤ変換する増幅器・ＡＤコンバーター５５お
よびＤＳＰコントローラとの間で受信信号など各種信号
をやりとりし且つ各種信号を記憶するメモリー５６から
構成されている。ここで、ＤＳＰコントローラ５１、ド
ライバー５３、増幅器・ＡＤコンバーター５５およびメ
モリー５６が電子制御装置を構成する。超音波発信器５
２と超音波受信器５４は同一のあるいは別々の超音波ト
ランスデューから構成されうる。
【００３１】本発明の第１実施例にしたがった電気的走
査制御回路によって超音波トランスデューサ配列体を制
御する事で、図４に示すような異なる超音波ローブが得
られる。超音波トランスデューサ配列体は主ローブ８と
その大きさが主ローブ８とほぼ同じ２つの干渉ローブ
９、９'を形成するように構成されている。干渉ローブ
９、９'は主ローブ８とは干渉しない。小さな回折ロー
ブ１０、１０'も勿論形成されるが、無視できる程度の
ものである。軸Ｘ1に沿って配置された各超音波トラン
スデューサに同位相を持ち、本質的に類似の電圧（強
度）をもつ励起信号によって励起すると主ローブ８は、
軸Ｘ1に対し垂直に発信され、この垂直軸Ｙを参照軸０
度とし２つの干渉ローブ９,９'が３０度と３３０度の位
置に現れる。以上のような複数の超音波ローブを得るた
めに、例えば周波数が４０ｋＨｚ、励起される超音波ト
ランスデューサの数が４、単一の超音波トランスデュー
サの半径が４．５ｍｍ、そして隣り合う超音波トランス
デューサの間隔が１．７ｍｍといった条件が用いられ、
各超音波ローブの角度幅は、３ｄＢ減衰領域において約
±８度となる。
【００３２】超音波走査範囲は３つの同角度の範囲Ｓ
１，Ｓ２，Ｓ３に分けることができ、各角度範囲は２つ
の隣接軸Ａ１２、Ａ１３によってそれぞれの範囲が定め
られる。各隣接軸Ａ１２、Ａ１３は主ローブ８と２つの
隣り合う干渉ローブ９、９’の間の中央にそれぞれ位置
する軸である。本発明第１実施例では、各角度範囲Ｓ
１、Ｓ２、Ｓ３が２Δθｏが６０度となるように設定さ
れている。
【００３３】電気的走査制御回路は各超音波トランスデ
ューサに±Δθが±３０度となる超音波操作を実行する
ための位相信号を出力する。つまり、各角度範囲Ｓ１、
Ｓ２、Ｓ３において、３つの超音波ローブ８、９、９’
がそれぞれ±３０度の超音波走査を同時に行なう。従っ
て、１８０度の角度範囲において本発明実施例に基づく
超音波走査時間を、従来の主ローブだけによるものに比
べて３分の１に短縮することができる。本発明実施例
は、上記第１実施例のように３つの超音波ローブによっ
て３つの角度範囲を走査するものに限定されるものでは
なく、少なくとも２つのまたはそれ以上の数の超音波ロ
ーブによって、同数の角度範囲を超音波操作することが
できる。
【００３４】図５に示す本発明第２実施例において、超
音波ローブは１つの主ローブ１１と４つの対称的な干渉
ローブ１２、１２’、１３、１３’からなり、それぞれ
約３０度の角度幅をもつ５つの角度範囲Ｓ１、Ｓ２、Ｓ
３、Ｓ４、Ｓ５を画定する。この超音波ローブは、互い
に２．５λ離れて線上に配置された７つの超音波トラン
スデューサを発信器として励起する事で形成される。こ
れら超音波トランスデューサは、５つの超音波ローブ１
１、１２、１２’、１３、１３’のそれぞれが約±１５
度の角度範囲に相当する角度範囲Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ
４、Ｓ５のうちのひとつを超音波走査するように電気的
に制御される。
【００３５】図６は本発明第３実施例を示し、主ローブ
１４と６つの干渉ローブ１５、１５’、１６、１６’、
１７、１７’からなる７つの超音波ローブを形成し、夫
々対応する角度範囲Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ
６、Ｓ７において超音波走査する。この超音波ローブ
は、互いに３．７５λ離れて線上に配置された７つの超
音波トランスデューサを発信器として励起する事で形成
される。
【００３６】図７は被検知物体１８を、図４に示した本
発明第１実施例の超音波ローブによって、特に角度範囲
Ｓ１内の角度θ１において主ローブ８によって検知した
状態を示す。しかし、１回の超音波発信は各角度範囲Ｓ
１、Ｓ２、Ｓ３において同時に行なわれているので、被
検知物体による反射エコー信号はどの各角度範囲におい
ても同じ角度位置に対応して存在していると考えられ
る。従って、検知された被検知物体が位置する角度範囲
を特定する解析を行なう必要がある。
【００３７】反射エコー信号は電気的に、対応する各角
度範囲において各超音波ローブの走査に反応した超音波
反射エコーを分離するために、相関処理ステップまたは
経過時間差ステップによって処理される。図８のａに示
すように、本発明実施例の電気的超音波操作方法を実行
するために用いられる超音波トランスデューサ位相配列
体の少なくとも２つの超音波トランスデューサが、受信
器Ｒ1、Ｒ2として用いられ、これら受信器Ｒ1、Ｒ2は好
ましくは軸Ｘ1に沿った発信器の線状配列の周りに位置
している超音波トランスデューサであることが良い。異
なる２つの受信器Ｒ1、Ｒ2において同じ反射エコー信号
を受信した差異に生じる時間遅延ΔｔＲ1、Ｒ2は角度方
向と走査範囲において検知された被検知物体の距離を正
確に表わす。反射エコー信号の受信方向（角度方向）を
求めるためにΔｔＲ1、Ｒ2が用いられΔｔＲ1、Ｒ2＝ｄ
/ｖによりｄが求められる。ここでｄは受信器Ｒ1、Ｒ2
の超音波反射エコー信号の受信時間差によって生じた距
離差であり、ｖは伝播速度である。時間差ΔｔＲ1、Ｒ2
（ｄ/ｖ）は、反射エコー受信信号の信号立ち上がり傾
斜を内挿補間法を用いて、または図８のｂに示すように
閾値Ｓｏを用いて直接計測される。図８のｂは経過時間
について反射エコー信号の振幅ＳR1、ＳR2を表わす。
【００３８】検知された被検知物体が位置する角度範囲
を特定する解析を行なう他の方法は、二次超音波走査ス
テップを実行するものである。ここでは図９のａ、ｂに
示すように２つの超音波ローブＬ１、Ｌ２を用いる。図
９のａに示すように、方位θ１にある被検知物体１８の
反射エコー信号は、２つの超音波ローブＬ１、Ｌ２に夫
々対応して角度θ１またはθ２にあるものとして検知さ
れる。ここで方位θ１は−３０度以上＋３０度以下の範
囲にあるものとする。そして二次超音波走査として、方
位θ１について単一の超音波ローブＬ１’を発信する。
この結果、反射エコーの有無に応じて、被検知物体の実
際の方位が特定される。角度範囲の数に応じて二次超音
波走査の回数が適宜繰り返される。
【００３９】一例として、超音波の発射平面についてこ
の単一の超音波ローブを発信するためには、図１に示す
ような６腕星状配列の超音波トランスデューサ位相配列
体のすべての超音波トランスデューサを超音波発信器と
して用いればよい。このとき干渉ローブは他方向へと発
信されかつ小さくなる。
【００４０】検知された被検知物体が位置する角度範囲
を特定する解析を行なう更に他の方法は、受信方位解析
ステップを実行することによるものである。超音波発信
の際に用いられる音響ローブ成形の為の超音波トランス
デューサの位相制御方法が、反射エコー信号の受信方位
解析にも適用する事ができる。図１０のａに示すよう
に、単一の超音波トランスデューサが発信した単一の超
音波について、受信器として用いられる異なる超音波ト
ランスデューサ、例えば受信器Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3 、Ｒ4にお
いて、被検知物体１８の反射エコー受信信号はそれぞれ
異なる時間に到達する。図１０のｂは、横軸に時間を取
り、各超音波トランスデューサにおいて受信された反射
エコー時間差信号の大きさＳR1、ＳR2、ＳR3、ＳR4の各
値を示す。この受信方位解析方法では、各角度について
反射エコー信号の値を得るためにメモリーされた反射エ
コー信号の時間差を合計する。各超音波発信について、
遅延時間Δｉに夫々対応する開口角度θｉが、異なる仮
想角度や受信指向性のために電気的に算出される。各角
度θｉにおける受信信号電圧Ａ（θｉ）を算出できるよ
う超音波走査を行なう。受信信号電圧Ａ（θｉ）は次式
で求められる。
【００４１】Ａ（θｉ）＝ＳR1（ｔ）＋ＳR2（ｔ＋Δ
ｉ）＋ＳR3（ｔ＋２．Δｉ）＋ＳR 4（ｔ＋３．Δｉ）
【００４２】そして、各角度θｉについてＡ（θｉ）の
最大値を確認し、物体との目標角度αが求められる。つ
まり、各々の遅延時間を加算することで超音波受信器か
ら見た被検知物体の絶対方位が正確に表わされる。この
受信方位解析方法は単一回の超音波走査のあとに、ある
いは前記した二次超音波走査ステップの後に実行するこ
とができる。
【００４３】上記してきたように、超音波トランスデュ
ーサ位相配列体の配列形態は一次元や二次元形態の例を
取ることができる。しかし、二次元形態は少なくとも２
直線状に配列された超音波トランスデューサの組み合わ
せであることができ、これは好ましくはハニカム構造の
ような互い違いの列に配列されたものである。好ましく
は、超音波トランスデューサの配列形態は、奇数個の超
音波トランスデューサからなること、あるいは受信器と
して用いられる超音波トランスデューサは直線上のまた
は節上の各々一端にあるトランスデューサであることが
よい。また、一次元配列形態または二次元配列形態の超
音波トランスデューサは、三次元形態を取るために曲面
上に配置することができる。
【００４４】本発明の実施例は、固体中においても、水
中のような液体中においても、あるいは空気のような気
体中においても実施できる。全超音波操作範囲の超音波
走査時間は反射エコー信号の解析時間も同様、大きく短
縮できる。超音波トランスデューサ位相配列体の要求解
像度および分解能に応じて超音波走査時間は２分の１、
３分の１またはそれ以上に短縮できる。本発明実施例
は、超音波走査のためにほんの数個の超音波トランスデ
ューサが用いられるだけで良く、市場に容易に導入でき
る。本発明実施例にしたがった超音波走査装置は、従っ
て、低コストと小型化を満足するものである。
【００４５】本発明の実施例は広く適用可能である。例
えば、バックソナー、自動車両駐車あるいは衝突防止と
いった自動車分野に、自動部品配送、自動包装、組み立
てライン上の部品の遠隔操作あるいは清掃ロボットのよ
うな一般産業分野に、自動床清掃といった家庭分野に
も、また目が不自由な人のための案内や老人の移動検知
といった公共福祉分野にも適用できる。
【００４６】請求項１に記載の発明によれば、複数の超
音波ローブが監視範囲内の複数の角度範囲を、ローブ間
の角度距離を一定に保ったまま漸次走査するので、監視
範囲をすばやく走査できる。
【００４７】請求項２に記載の発明によれば、単一の反
射エコーについて受信器として用いられる２つの超音波
トランスデューサが受信した信号を相関処理すること
で、被検知物体の位置を正確に特定できる。
【００４８】請求項３に記載の発明によれば、単一の超
音波ローブによる二次超音波走査によって、被検知物体
の位置を正確に特定できる。
【００４９】請求項５に記載の発明によれば、単一の反
射エコーについて受信器として用いられる複数の超音波
トランスデューサが受信した信号をそれぞれ受信方位解
析し、それぞれの結果を逐一数学的に加算するので被検
知物体の位置を正確に特定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】監視範囲を走査するための公知の超音波トラン
スデューサ位相配列体の正面図。
【図２】図１の３つの直線上に並んだ超音波トランスデ
ューサを発信器として用いた際に形成された超音波ロー
ブの空間的なエネルギー分布を表す図。
【図３】従来の超音波走査において一般に用いられる超
音波ローブの空間的なエネルギー分布を表す図。
【図４】本発明第１実施例に基づく超音波ローブの空間
的なエネルギー分布を表す図。
【図５】本発明第２実施例に基づく超音波ローブの空間
的なエネルギー分布を表す図。
【図６】本発明第３実施例に基づく超音波ローブの空間
的なエネルギー分布を表す図。
【図７】図４に示す超音波ローブ群によって監視範囲を
走査し、特定角度内の被検知物体を検知する様子を表わ
す図。
【図８】図７に示した被検知物体によって得られた反射
エコー信号を相関処理する様子を表わす図であって、ａ
は、受信器Ｒ1、Ｒ2、と被検知物体との関係を示し、ｂ
は、経過時間と反射エコー信号の振幅を示す図である。
【図９】ａとｂは、図７に示した被検知物体によって得
られた反射エコー信号に基づいて二次超音波発信する様
子を表わす図。
【図１０】図７に示した被検知物体によって得られた反
射エコー信号に基づいて受信方位解析を行なう様子を表
わす図であって、ａは、被検知物体の反射エコー受信信
号がそれぞれ異なる時間に到達することを示し、ｂは、
受信された反射エコー時間差信号の大きさを示す。
【図１１】本発明実施例に適用されるシステムの構成図
である。
【符号の説明】
１ 超音波トランスデューサの位相配列 ８、９、９'；１１、１２、１２'、１３、１３'；１
４、１５、１５'、１６、１６'、１７、１７' 超音波
ローブ

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超音波発信器または超音波受信器として
    用いられ、適切な電気操作信号によって励起された時に
    少なくとも２種類の超音波ローブ群を監視範囲内に発生
    させる超音波トランスデューサを備え、監視範囲を走査
    するために該超音波トランスデューサの位相配列体を電
    気的に制御する方法において、角度範囲を走査するため
    に、本質的に類似の強度をもつ複数の超音波ローブ
    （８、９、９'；１１、１２、１２'、１３、１３'；１
    ４、１５、１５'、１６、１６'、１７、１７'）を前記
    超音波トランスデューサの位相配列体から発信して、該
    超音波ローブ間の相対角度距離（２Δθｏ）が該方位変
    化に際しても一定にしたまま、該超音波ローブの発信方
    位を漸次変化させるステップと、 各々の超音波ローブによって、２つの超音波ローブ間の
    角度距離（２Δθ）の大きさに応じた前記監視範囲の異
    なる角度範囲（Ｓ１、Ｓ２；Ｓ１−Ｓ５：Ｓ１−Ｓ７）
    を走査するために前記角度範囲を制御するステップとか
    らなることを特徴とする超音波トランスデューサの位相
    配列を電気的に制御する方法。
  2. 【請求項２】 前記超音波トランスデューサ位相配列体
    の超音波受信器として用いられる２つの異なる超音波ト
    ランスデューサによって受信された２つの個々の反射エ
    コー信号の受信時間を比較する相関処理ステップと、 該受信時間の差と超音波の発信方位に応じた反射位置の
    方位（θ１）と距離を決定するステップを更に含むこと
    を特徴とする請求項１の超音波トランスデューサの位相
    配列を電気的に制御する方法。
  3. 【請求項３】 特定の前記角度範囲内において検知方位
    にある反射エコー信号が検知された後、少なくとも一つ
    の前記角度範囲において検知方位に向けて連続的な超音
    波発信を行なうために、前記超音波トランスデューサの
    位相配列体を単一の超音波ローブを発生するように制御
    する二次超音波走査ステップを更に含むことを特徴とす
    る請求項１の超音波トランスデューサの位相配列を電気
    的に制御する方法。
  4. 【請求項４】 前記単一の超音波ローブは、６腕星状配
    列とされた超音波位相配列体から形成されたものである
    ことを特徴とする請求項３の超音波トランスデューサの
    位相配列を電気的に制御する方法。
  5. 【請求項５】 超音波発信器として用いられる単一の超
    音波トランスデューサから単一の超音波が発信された
    後、超音波発信器として用いられる複数の超音波トラン
    スデューサによって受信された反射エコー信号を加算す
    る受信方位解析ステップを更に含み、加算された最大反
    射エコー信号に対応する被検知物体の方位と距離を特定
    するために、各反射エコー信号は仮想角度に対応して時
    間差で変化したものであることを特徴とする請求項１の
    超音波トランスデューサの位相配列を電気的に制御する
    方法。
  6. 【請求項６】 電子制御装置によって制御される超音波
    位相配列体を備え、請求項１乃至５のいずれかの方法を
    実行するための超音波トランスデューサの位相配列を電
    気的に制御する装置において、前記超音波トランスデュ
    ーサは本質的に類似の強度をもつ複数の超音波ローブを
    発生することを特徴とする超音波トランスデューサの位
    相配列を電気的に制御する装置。
  7. 【請求項７】 前記電子制御装置は、監視範囲において
    ２つの超音波ローブ間の角度に応じた前記角度範囲を走
    査する各々の超音波ローブのために、超音波発信器とし
    て用いられる各超音波トランスデューサに供給される励
    起信号の位相を制御することを特徴とする請求項６の超
    音波トランスデューサの位相配列を電気的に制御する装
    置。
  8. 【請求項８】 前記電子制御回路は請求項２に記載の相
    関処理ステップを実行する手段を含むことを特徴とする
    請求項６または７の超音波走査装置。
  9. 【請求項９】 前記電子制御回路は請求項３に記載の二
    次超音波走査ステップを実行する手段を含むことを特徴
    とする請求項６または７の超音波走査装置。
  10. 【請求項１０】 前記電子制御回路は請求項５に記載の
    受信方位解析ステップを実行する手段を含むことを特徴
    とする請求項６または７の超音波走査装置。
  11. 【請求項１１】 前記超音波トランスデューサ位相配列
    体は超音波トランスデューサを直線（Ｘ1）状に配列し
    たものであることを特徴とする請求項６乃至１０のいず
    れかの超音波走査装置。
  12. 【請求項１２】 前記超音波トランスデューサ位相配列
    体は超音波トランスデューサを星（Ｘ1、Ｘ2、Ｘ3）状
    に配列したものであることを特徴とする請求項６乃至１
    ０のいずれかの超音波走査装置。
  13. 【請求項１３】 前記星（Ｘ1、Ｘ2、Ｘ3）状の超音波
    トランスデューサ位相配列体は６腕星状配列体であるこ
    とを特徴とする請求項１２の超音波走査装置。
  14. 【請求項１４】 前記超音波トランスデューサ配列体は
    互い違いの列に配列され、且つ少なくとも２つの直線状
    に配列された超音波トランスデューサの組み合わせから
    なることを特徴とする請求項６乃至１０のいずれかの超
    音波走査装置。
  15. 【請求項１５】 前記超音波トランスデューサ配列体は
    曲面上に配置されていることを特徴とする請求項６乃至
    １４のいずれかの超音波走査装置。
JP10234335A 1997-08-21 1998-08-20 超音波トランスデューサの位相配列を電気的に制御する方法およびその装置 Pending JPH11118910A (ja)

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EP97114415.9 1997-08-21
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