JPS5965276A - 超音波距離計測装置 - 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 本発明は超音波を用いて立体の隣接する２面によって形
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ヌを放射し、
この超音波パルヌが同面で反射され、再び超音波センサ
に戻っ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かも超音波センサと被計測物体の
超音波反射面との距離りを、第１式の計算式に従って計
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ック図
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によっ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だめに前も
って設定されたヌレッショ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／Ｉ／７．発
生器１０によって発生された基準パルスのカラン１−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
るヌトノプパルス発生回路、８は送信パルスをヌタート
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［ＥＪ　Ｋ　、９はスタートパルヌ、
ストッフパルヌによっ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１−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）式に従って距離りを計算するだめの演算
回路である。

ここで、距離計測装置の具体的適用例として、例えは溶
接ロボットを用いて、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）によって形成される溶接線１５に沼って金属１３
．１４を溶接する場合、溶接トーチ１６を溶接線１５に
泊っ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
されるだめ溶接部からのヌパソク等の飛来によってセン
サが損傷を受けやすいという欠点があった。また撮像装
置を用いて画像処理によっ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１γ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２ｏに対向して配置し、超音波
センサ１の中心軸２１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によっ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／ｖ７．の伝播時間を計測することに
よって超音波センサ１と交線２０の距離りを求めること
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
原理によって説明でき、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がら放射され超音波伝播媒体２
１を伝播する超音波の波長より十分大きく、また平面１
８．１９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、まだ平面
１８．１９を延長した而１’８’、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１’８．１９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″から超音波パルヌ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
よって超音波センサ１と交線２０との距ｇｔＥＬ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図に示すととく而１８に平行な軸をＸ軸
とする直交座標系を設定し、中心軸２１と面１８のなす
角をθ。、超音波センサ１の音源中心ｓの座標を”’　
（，２：０＋　　ｙ（１＋　　ｚＯ）とし、交点Ｐのｙ
座標は８点のｙ座標に等しいとすれば（Ｐ点、８点はｙ
軸に垂直な同一面内にあるとする）、Ｐ点の１座標、２
座標は８点の座標、角度θ。および超音波伝播時間によ
り求められる距ｇＩＳＰ＝Ｌの１直を用いて、 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、８点を含んで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が隣接する二つの而１８，１９又は
１８’、１９’によって形成される交線２０又は２０′
と交わらない場合は、交線２０又は２０′上にあって超
音波センサ１の音源中心Ｓと等距離りにある点は、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、従って交線２０の位１眉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、被計測物体の隣接し
た２面によシ形成される交線を中心軸が横切るように超
音波検知器を移動させ、移動に伴なう超音波検知器での
受信信号の極大値を検出し、この時の超音波検知器から
被計測物体までの超音波信号の伝播時間を計測し、この
伝播時間に基いて両者間の距離を演算するものである。

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図は本発明の詳細な説明するだめの図であって、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２
０と交わらない場合、前述の鏡像の原理によって説明さ
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によっ
て受信される超音波パルヌはあたかも鏡像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２
２と成す角をαとしだとき、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２
２“′が交線２Ｑを通っ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だめ角度αの値によ
って、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から離れるに従って感度が
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ヌの反射レベルは、
第７図に示すごとく中心軸２２が交線２０と一致したと
き（Ｐｏで示す）、角度αが０となυ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
。寸だ実測によっても、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によっ
て発生される信号に応じて超音波センサ１を移動するだ
めの超音波センサ保持アーム、２６は超音波センサ１に
よって受信され、前置増幅器６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によって検出された
反射信号の最大値をＡ変換器２８でデジタル信号に変換
したのち記憶するメモリである。

被計測物体１７の隣接する二つの而１８．１９によって
形成された四部空間に配置された超音波センサ１によっ
て発生された超音波パルスは、二つの而１８．１９の交
線部２０から反射され超音波図又は第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
によって発生された基糸パルスのカラン１−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
によってホールドする。次にアーム移動信号発生器２５
によって発生される移動信号によって、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２
０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１−゛回路２６によって検出され偽変換器２
８によってデシクル信号に変換されたデータがメモリ２
了へ移され、−１：／ζζ超音波パルスス伝播時間に対
応したカウンタ１１の出力かメモリ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って反
射パルヌのピーク値が検出され、袖変換器２８によって
’／ｎ変換されたのち、比較回路３０によって先にメモ
リ２７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ない、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
おける値よシ小さければ、更に移動パルス発生回路２５
によっ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によっ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ヌ数
を記憶しているメモリ２９の内容をクリアする。逆に移
動前の位置におシ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。従ってこの
時のメモリ２９の値を演算回路１２へ移し、第１式に従
って交線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。

センサーの音源中心Ｓから而１８に下した垂線をＳＨと
し、線ＳＨとセンサーの中心軸２２のなす角がψ。とな
るように設定されたセンサーは、音源中心Ｓを中心とし
て交線２Ｑ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、センサーから放射され而１８又は
而１９で反射され再びセンサーで受信される超音波反射
波レベルは、第１０図のごとくセンサーが初期位置から
角度ψだけ回転し中心軸２２が交線２０と交わった点Ｐ
で最大となる。このときＰ点のＩ座標、２座標は、８点
の座標、角度ψ。、ψおよび超音波伝播時間により求め
られる距離５ｐ＝Ｌの値を用いてｘ＝ｘｏ−Ｌｓｉｎ　
（ψ〇−ψ） （ ｚ　＝　Ｚ（１−Ｌｃｏｓ　（ψＱ−ψ）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図に示すような四部を有する多
角形にネ１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に苅して
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四部空間に配置し、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、同様な方法によって交
線の位置を目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１７の隣接
する二つの面１９．３５によっ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２ｏ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
同様の方法によって交線の位置を検出することが可能で
ある。

発明の詳細 な説明したように本発明によれば、被計測物体の隣接し
た２面により形成される交線を中心軸が横切るように超
音波検知器を移動させ、移動に伴なう超音波検知器での
受信信号の極大値を検出し、この時の超音波検知器から
被計測物体までの超音波信号の伝播時間を計測し、この
伝播時間に基いて両者間の距離を演算するものであるた
め、単一の超音波検知器を用いて波計４１１物体の隣接
する２面の交線の位置を検出することか出来るので、従
来の撮像装髄を用いて画像処理を行なって交線の位１１
′イ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、寸だ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利料であれば計
測が可能である。まだ、従来の渦電流センザ、静電容量
形センサと比１咬して、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
えば溶接ロボット用センザとして用いる場合、溶接スパ
ッタ等によっ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だめ、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ック図、
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・・・・・・前着増幅器、６・・・・・・振幅比較回
路、７・・・・・・ストノプパルヌ発生回路、８・・・
・・・スタートパルス発生回路、９・・・・・グー１−
回路、１０・・・・・・基準パルス発生器、１１・・・
・・・カウンタ、１２・・・・・・演算回路、１了・・
・・・被計測物体、１８１　１９．３２，３３．３５・
・・・・隣接する面、２０，３４．３６・・・・・・交
線、２２・・・・・・中心軸、２４・・・・アーム、２
５・・・・・アーム移動信号発生器、２６・・・・・・
ピークホールド回路、２７・・・・・・”九変換器、２
８．２９・・・・・メモリ、３０・・・・比１咬回路。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第　
１ｒｌＡ 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 移動距離 ＼ ３θ 第９　＠ 第１０図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波信号の送受信を行なう超音波検知器と、被
   計測物体の隣接した２面により形成される交線を中心軸
   が横切るように前記超音波検知器を移動させる移動手段
   と、移動に伴なう前記超音波検知器での受信信号の極大
   値を検出する手段と、前記極大値検出時の前記超音波検
   出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、前記超音波検出器から前記被計測
   物体までの距離を前記伝播時間に基いて演算する手段と
   を備えた超音波距離計測装置。
2. （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. （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
   載の超音波圧Ｉｌｌ計測装置。
4. （４）極大値を検出する手段が、移動前における超音波
   検知器での受信信号の最大値と、移動後における前記超
   音波検知器での前記受信信号の最大値とを比較する手段
   とからなる特許請求の範囲第１項記載の超音波距離計測
   装置。