JP2020148705A - 超音波計測装置、及び超音波計測方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】超音波デバイスにおいてリーク電流が発生すると、バイアス電圧が低下し、測定誤差が発生する。【解決手段】超音波計測装置は、送信信号の入力により超音波を送信し、超音波の受信により受信信号を出力する超音波素子と、前記超音波素子で発生するリーク電流を検出するリーク検出部と、前記超音波素子に印加するバイアス電圧を変更するバイアス電圧変更部と、を備え、前記バイアス電圧変更部は、前記リーク検出部により検出された前記リーク電流に応じて前記バイアス電圧を変更する。【選択図】図2
Description
本発明は、超音波計測装置、及び超音波計測方法に関する。
従来、圧電素子に駆動信号を入力して振動部を振動させることで超音波を送信したり、振動部の振動を圧電素子により電圧信号に変換することで、超音波の受信を検出したりする超音波デバイスが知られている。
また、このような超音波デバイスを用いて、超音波の送受信処理を実施し、超音波の送信タイミングから超音波の受信タイミングまでの時間に基づいて、対象物までの距離を計測する超音波計測装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1の超音波計測装置では、超音波を受信した際の受信信号の波形データのうち、閾値を超える受信信号のゼロクロス点に基づいて受信タイミングを特定する。
また、このような超音波デバイスを用いて、超音波の送受信処理を実施し、超音波の送信タイミングから超音波の受信タイミングまでの時間に基づいて、対象物までの距離を計測する超音波計測装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1の超音波計測装置では、超音波を受信した際の受信信号の波形データのうち、閾値を超える受信信号のゼロクロス点に基づいて受信タイミングを特定する。
しかしながら、超音波デバイスは、水分や圧電素子の絶縁体性劣化などによってリーク電流が上昇する場合がある。リーク電流が上昇すると、超音波デバイスを駆動させる駆動回路から超音波デバイスに入力される電圧が低下し、受信信号も低下する。この場合、超音波計測装置において、閾値以上となる受信信号のゼロクロス点を高精度に検出することが困難となり、測定誤差が発生する。
第一適用例に係る超音波計測装置は、送信信号の入力により超音波を送信し、超音波の受信により受信信号を出力する超音波素子と、前記超音波素子で発生するリーク電流を検出するリーク検出部と、前記超音波素子に印加するバイアス電圧を変更するバイアス電圧変更部と、を備え、前記バイアス電圧変更部は、前記リーク検出部により検出された前記リーク電流に応じて前記バイアス電圧を変更する。
本適用例の超音波計測装置において、前記リーク検出部は、前記超音波素子から出力される前記受信信号に基づいて、前記リーク電流を検出することが好ましい。
本適用例の超音波計測装置において、前記リーク検出部は、前記超音波素子からの距離が基準距離となる基準対象に対して、前記超音波素子から超音波を送信し、前記基準対象に反射された超音波を前記超音波素子で受信するキャリブレーション処理が実施された際に、前記超音波素子から出力される前記受信信号に基づいて、前記リーク電流を検出する。
本適用例の超音波計測装置において、前記バイアス電圧を出力するバイアス電圧源と、前記バイアス電圧源及び前記超音波素子に接続され、抵抗値を変更可能な可変抵抗素子と、を備え、前記バイアス電圧変更部は、前記可変抵抗素子の前記抵抗値を変更することが好ましい。
本適用例の超音波計測装置において、前記可変抵抗素子は、ゲート電圧を変更することで、ソース及びドレイン間の前記抵抗値が変更されるトランジスターであることが好ましい。
第二適用例に係る超音波計測方法は、送信信号の入力により超音波を送信し、超音波の受信により受信信号を出力する超音波素子を備える超音波計測装置における超音波計測方法であって、前記超音波素子からのリーク電流を検出し、前記リーク電流に応じたバイアス電圧を前記超音波素子に印加する。
[第一実施形態]
以下、第一実施形態について説明する。
図1は、本実施形態の搬送装置1の概略構成を示す図である。
搬送装置1は、例えば、工場の生産ラインに組み込まれる電子機器であり、アーム部2と、アーム部2に設けられた把持部3と、基準対象4と、搬送装置1を制御する制御ユニット5とを備える。
以下、第一実施形態について説明する。
図1は、本実施形態の搬送装置1の概略構成を示す図である。
搬送装置1は、例えば、工場の生産ラインに組み込まれる電子機器であり、アーム部2と、アーム部2に設けられた把持部3と、基準対象4と、搬送装置1を制御する制御ユニット5とを備える。
アーム部2は、例えば複数のアームを互いに回動可能に連結した多関節アームにより構成されている。また、アーム部2は、モーター等の駆動源、駆動源の動力により各アームの角度を変更する駆動機構等を備える。駆動機構は、制御ユニット5から入力される制御信号に基づいて駆動され、アーム部2の先端に設けられる把持部3を所定位置に移動させる。
把持部3は、対象物Wを把持する把持機構を備える。この把持部3は、制御ユニット5から入力される制御信号に基づいて駆動され、対象物Wの把持及び開放を実施する。
また、把持部3には、超音波計測装置10が設けられている。この超音波計測装置10は、超音波の送受信を行う超音波デバイス20を備え、超音波デバイス20から対象物W、または基準対象4までの距離を計測する。
また、把持部3には、超音波計測装置10が設けられている。この超音波計測装置10は、超音波の送受信を行う超音波デバイス20を備え、超音波デバイス20から対象物W、または基準対象4までの距離を計測する。
基準対象4は、超音波計測装置10のキャリブレーション処理を実施する際に用いられる。この基準対象4は、図1の破線にて示すように、アーム部2をキャリブレーション位置に移動させた際に、把持部3に設けられた超音波デバイス20が、基準距離d0で対向するように配置されている。
なお、基準対象4は、アーム部2をキャリブレーション位置に移動させた際、超音波デバイス20の超音波の送受信方向に対して直交する基準平面を備えることが好ましい。
なお、基準対象4は、アーム部2をキャリブレーション位置に移動させた際、超音波デバイス20の超音波の送受信方向に対して直交する基準平面を備えることが好ましい。
制御ユニット5は、例えば、CPU等のプロセッサー、メモリーなどの記憶部を備えて構成されており、搬送装置1の各部の動作を制御する。具体的には、制御ユニット5は、アーム部2を駆動させて把持部3を所定位置に移動させる。また、制御ユニット5は、超音波計測装置10により計測される、対象物Wから超音波デバイス20までの距離に基づいて、把持部3が対象物Wに近接するようにアーム部2を駆動させる。そして、制御ユニット5は、把持部3を制御して、対象物Wを把持させ、アーム部2を駆動させて、対象物Wを所定の搬送先に移動させ、把持部3から対象物Wを開放する。
[超音波計測装置10の構成]
次に、超音波計測装置10の構成について詳細に説明する。
図2は、本実施形態の超音波計測装置10の概略構成を示す模式図である。
図2に示すように、超音波計測装置10は、超音波デバイス20と、超音波デバイス20を制御する制御回路30とを備える。この超音波計測装置10は、制御回路30の制御により超音波デバイス20から測定対象に向かって超音波を送信し、測定対象で反射された超音波を超音波デバイス20で受信する超音波送受処理を実施する。そして、制御回路30は、超音波デバイス20による超音波送受処理の超音波の送信タイミングから、測定対象で反射された超音波の受信タイミングまでの時間に基づいて、超音波デバイス20から測定対象までの距離を算出する。
以下、超音波計測装置10の各構成の詳細について説明する。
次に、超音波計測装置10の構成について詳細に説明する。
図2は、本実施形態の超音波計測装置10の概略構成を示す模式図である。
図2に示すように、超音波計測装置10は、超音波デバイス20と、超音波デバイス20を制御する制御回路30とを備える。この超音波計測装置10は、制御回路30の制御により超音波デバイス20から測定対象に向かって超音波を送信し、測定対象で反射された超音波を超音波デバイス20で受信する超音波送受処理を実施する。そして、制御回路30は、超音波デバイス20による超音波送受処理の超音波の送信タイミングから、測定対象で反射された超音波の受信タイミングまでの時間に基づいて、超音波デバイス20から測定対象までの距離を算出する。
以下、超音波計測装置10の各構成の詳細について説明する。
[超音波デバイス20の構成]
図3は、超音波デバイス20の構成例を示す断面図である。
超音波デバイス20は、測定対象に超音波を送信し、測定対象で反射された超音波を受信する超音波送受処理を実施して、超音波の受信により受信信号を出力する超音波送受信部である。図3に示すように、この超音波デバイス20は、素子基板21と、振動板22と、圧電素子23と、を備えて構成されている。なお、以降の説明にあたり、超音波デバイス20から測定対象に向かう超音波の送受信方向をZ方向とする。
図3は、超音波デバイス20の構成例を示す断面図である。
超音波デバイス20は、測定対象に超音波を送信し、測定対象で反射された超音波を受信する超音波送受処理を実施して、超音波の受信により受信信号を出力する超音波送受信部である。図3に示すように、この超音波デバイス20は、素子基板21と、振動板22と、圧電素子23と、を備えて構成されている。なお、以降の説明にあたり、超音波デバイス20から測定対象に向かう超音波の送受信方向をZ方向とする。
素子基板21は、振動板22を支持する基板であり、Si等の半導体基板で構成される。素子基板21には、Z方向に沿って素子基板21を貫通する複数の開口部211が設けられている。
振動板22は、例えばSiO2及びZrO2の積層体等より構成され、素子基板21の−Z側に設けられる。この振動板22は、開口部211を構成する素子基板21により支持され、開口部211の−Z側を閉塞する。振動板22のうち、Z方向から見た際に各開口部211と重なる部分は、振動板22において、振動により超音波の送受信を行う振動部221を構成する。
圧電素子23は、振動板22上で、かつ、Z方向から見た際に、各振動部221と重なる位置に設けられている。この圧電素子23は、図3に示すように、振動板22上に下部電極231、圧電膜232、及び上部電極233が順に積層されることにより構成されている。
このような超音波デバイス20では、1つの振動部221と当該振動部221上に配置された圧電素子23とにより、1つの超音波トランスデューサー24が構成される。この超音波トランスデューサー24は、本開示の超音波素子に相当する。
そして、この超音波デバイス20では、下部電極231及び上部電極233との間に電圧が印加されると、圧電膜232が伸縮して、振動部221が開口部211の開口幅等に応じた発振周波数で振動する。これにより、振動部221から+Z側に向かって超音波が送信される。
また、超音波デバイス20では、測定対象で反射された超音波を振動部221に入力されると、振動部221が入力された超音波の音圧に応じた振幅で振動し、圧電膜232の下部電極231側と上部電極233側との間で電位差が発生する。よって、各圧電素子23から当該電位差に応じた受信信号が出力される。
そして、この超音波デバイス20では、下部電極231及び上部電極233との間に電圧が印加されると、圧電膜232が伸縮して、振動部221が開口部211の開口幅等に応じた発振周波数で振動する。これにより、振動部221から+Z側に向かって超音波が送信される。
また、超音波デバイス20では、測定対象で反射された超音波を振動部221に入力されると、振動部221が入力された超音波の音圧に応じた振幅で振動し、圧電膜232の下部電極231側と上部電極233側との間で電位差が発生する。よって、各圧電素子23から当該電位差に応じた受信信号が出力される。
図4は、超音波デバイス20における超音波トランスデューサー24の接続例を示す図である。
本実施形態では、複数の超音波デバイス20は、n行m列のマトリクス状に配置されている。そして、各超音波デバイス20の下部電極231は、第一バイパス配線231Aにより互いに結線され、素子基板21の一部に設けられた第一端子251に接続されている。同様に、各超音波デバイス20の上部電極233は、第二バイパス配線233Aにより互いに結線され、素子基板21の一部に設けられた第二端子252に接続されている。これらの第一端子251及び第二端子252は、それぞれ制御回路30に接続されている。このような構成では、第一端子251と第二端子252との間に電圧を印加することで、全ての超音波トランスデューサー24を同時に駆動させることができる。
なお、図4に示す例は、全ての超音波トランスデューサー24の下部電極231を結線して第一端子251に接続する構成例であるが、所定数の超音波トランスデューサー24を1つのチャンネルとし、各チャンネルに対して、第一端子251を設ける構成としてもよい。この場合、全ての第一端子251と第二端子252との間に同時に駆動信号を入力することで、図4と同様に、全ての超音波トランスデューサー24を同時に駆動させることができる。また、各第一端子251を個別に駆動させることも可能となる。この場合、駆動させるチャンネル数を制御することで送信音圧の調整を行うこともでき、各チャンネルの駆動タイミングを遅延制御することで、超音波の送信方向を制御することもできる。また、複数のチャンネルを、超音波を送信する送信用チャンネルと、超音波を受信する受信用チャンネルとに分けて用いてもよい。
本実施形態では、複数の超音波デバイス20は、n行m列のマトリクス状に配置されている。そして、各超音波デバイス20の下部電極231は、第一バイパス配線231Aにより互いに結線され、素子基板21の一部に設けられた第一端子251に接続されている。同様に、各超音波デバイス20の上部電極233は、第二バイパス配線233Aにより互いに結線され、素子基板21の一部に設けられた第二端子252に接続されている。これらの第一端子251及び第二端子252は、それぞれ制御回路30に接続されている。このような構成では、第一端子251と第二端子252との間に電圧を印加することで、全ての超音波トランスデューサー24を同時に駆動させることができる。
なお、図4に示す例は、全ての超音波トランスデューサー24の下部電極231を結線して第一端子251に接続する構成例であるが、所定数の超音波トランスデューサー24を1つのチャンネルとし、各チャンネルに対して、第一端子251を設ける構成としてもよい。この場合、全ての第一端子251と第二端子252との間に同時に駆動信号を入力することで、図4と同様に、全ての超音波トランスデューサー24を同時に駆動させることができる。また、各第一端子251を個別に駆動させることも可能となる。この場合、駆動させるチャンネル数を制御することで送信音圧の調整を行うこともでき、各チャンネルの駆動タイミングを遅延制御することで、超音波の送信方向を制御することもできる。また、複数のチャンネルを、超音波を送信する送信用チャンネルと、超音波を受信する受信用チャンネルとに分けて用いてもよい。
[制御回路30の構成]
図2に戻り、制御回路30について説明する。制御回路30は、上述したように、超音波デバイス20の第一端子251及び第二端子252に接続されている。
この制御回路30は、図2に示すように、スイッチング回路31、シグナルグラウンド32、送信回路部33、受信回路部34、及びマイコン35(マイクロコントローラー)を備えている。
図2に戻り、制御回路30について説明する。制御回路30は、上述したように、超音波デバイス20の第一端子251及び第二端子252に接続されている。
この制御回路30は、図2に示すように、スイッチング回路31、シグナルグラウンド32、送信回路部33、受信回路部34、及びマイコン35(マイクロコントローラー)を備えている。
スイッチング回路31は、超音波デバイス20の第一端子251、送信回路部33、及び受信回路部34に接続されている。このスイッチング回路31は、マイコン35の制御に基づいて、第一端子251及び送信回路部33を接続する送信接続と、第一端子251及び受信回路部34を接続する受信接続とに切り替える。
シグナルグラウンド32は、第二端子252に接続されるグラウンドであり、第二端子252を所定の基準電位に維持する。
シグナルグラウンド32は、第二端子252に接続されるグラウンドであり、第二端子252を所定の基準電位に維持する。
送信回路部33は、駆動パルス発生回路331、送信駆動回路332、バイアス電圧出力部333、可変抵抗素子334、ゲート電圧出力部335、及び抵抗素子336等を含む。
駆動パルス発生回路331は、マイコン35により制御され、超音波デバイス20により超音波送受処理を実施する開始タイミングで、超音波の発振周波数と同じ周波数の所定波数の送信パルスを発生させて送信駆動回路332に出力する。
送信駆動回路332は、送信パルスの入力タイミングで、第一端子251に所定の電圧の駆動信号を出力する。これにより、各超音波トランスデューサー24が駆動され、超音波デバイス20から測定対象に向かって超音波が出力される。
駆動パルス発生回路331は、マイコン35により制御され、超音波デバイス20により超音波送受処理を実施する開始タイミングで、超音波の発振周波数と同じ周波数の所定波数の送信パルスを発生させて送信駆動回路332に出力する。
送信駆動回路332は、送信パルスの入力タイミングで、第一端子251に所定の電圧の駆動信号を出力する。これにより、各超音波トランスデューサー24が駆動され、超音波デバイス20から測定対象に向かって超音波が出力される。
バイアス電圧出力部333は、所定のバイアス電圧のバイアス信号を出力するバイアス電圧源である。
可変抵抗素子334及び抵抗素子336は、バイアス電圧を変更する素子である。本実施形態では、可変抵抗素子334として、p型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を用いる。つまり、可変抵抗素子334は、ゲート、ソース、及びドレインの各端子を有し、ゲートに入力されるゲート信号の電圧値に応じて、ソース−ドレイン間の抵抗値を変更可能なトランジスターである。
可変抵抗素子334及び抵抗素子336は、バイアス電圧を変更する素子である。本実施形態では、可変抵抗素子334として、p型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を用いる。つまり、可変抵抗素子334は、ゲート、ソース、及びドレインの各端子を有し、ゲートに入力されるゲート信号の電圧値に応じて、ソース−ドレイン間の抵抗値を変更可能なトランジスターである。
ゲート電圧出力部335は、可変抵抗素子334のゲートに入力するゲート電圧を出力する。このゲート電圧出力部335は、マイコン35からの指令に基づいて、ゲート電圧を変更して可変抵抗素子334に出力する。例えば、ゲート電圧出力部335から出力可能なゲート電圧がM種用意されており、ゲート電圧出力部335は、マイコン35からの指令にしたがって、M種のゲート電圧のいずれかに切り替える。
抵抗素子336は、所定の抵抗値を有する抵抗である。
本実施形態では、図2に示すように、バイアス電圧出力部333から出力されるバイアス信号は、可変抵抗素子334及び抵抗素子336を介して、超音波デバイス20に入力される。この際、可変抵抗素子334及び抵抗素子336の合成抵抗によりバイアス抵抗が構成され、バイアス抵抗の抵抗値により、バイアス信号のバイアス電圧が変化する。つまり、可変抵抗素子334の抵抗値が変更されることで、バイアス抵抗の抵抗値が変化し、バイアス電圧が変化する。
抵抗素子336は、所定の抵抗値を有する抵抗である。
本実施形態では、図2に示すように、バイアス電圧出力部333から出力されるバイアス信号は、可変抵抗素子334及び抵抗素子336を介して、超音波デバイス20に入力される。この際、可変抵抗素子334及び抵抗素子336の合成抵抗によりバイアス抵抗が構成され、バイアス抵抗の抵抗値により、バイアス信号のバイアス電圧が変化する。つまり、可変抵抗素子334の抵抗値が変更されることで、バイアス抵抗の抵抗値が変化し、バイアス電圧が変化する。
受信回路部34は、受信アンプ341、コンパレーター342等を含む。
受信アンプ341は、超音波デバイス20において超音波を受信した際に出力される受信信号を、所定のゲインで増幅させる。
コンパレーター342は、受信アンプ341で増幅された受信信号のうち、信号電圧が所定の閾値以上となる受信信号を検出し、更に、検出した受信信号のゼロクロス点を検出する。そして、コンパレーター342は、閾値以上の信号電圧の受信信号のゼロクロス点を検出すると、ゼロクロス検出パルスをマイコン35に出力する。
受信アンプ341は、超音波デバイス20において超音波を受信した際に出力される受信信号を、所定のゲインで増幅させる。
コンパレーター342は、受信アンプ341で増幅された受信信号のうち、信号電圧が所定の閾値以上となる受信信号を検出し、更に、検出した受信信号のゼロクロス点を検出する。そして、コンパレーター342は、閾値以上の信号電圧の受信信号のゼロクロス点を検出すると、ゼロクロス検出パルスをマイコン35に出力する。
マイコン35は、各種プログラムや各種データが記憶されるメモリー351、及びメモリー351に記憶されたプログラムに記述された命令セットを実行するプロセッサー352を含む。そして、マイコン35は、メモリー351に記憶されたプログラムをプロセッサー352により実行することで、送信指令部353、リーク検出部354、バイアス電圧変更部355、受信制御部356、及び距離計測部357として機能する。
送信指令部353は、駆動パルス発生回路331に送信パルスの生成指令を出力する。送信パルスの生成指令は、例えば、超音波計測装置10に接続された外部機器から入力された距離測定要求や、キャリブレーション要求に基づいて出力される。
リーク検出部354は、超音波デバイス20で発生するリーク電流を検出する。
具体的には、リーク検出部354は、キャリブレーション要求に基づいて実施されるキャリブレーション処理において、超音波デバイス20から入力された受信信号に基づいてリーク電流を検出する。なお、リーク電流の検出方法の詳細については後述する。
具体的には、リーク検出部354は、キャリブレーション要求に基づいて実施されるキャリブレーション処理において、超音波デバイス20から入力された受信信号に基づいてリーク電流を検出する。なお、リーク電流の検出方法の詳細については後述する。
バイアス電圧変更部355は、リーク電流が検出された場合、リーク電流の影響が最小となるように、超音波デバイス20に入力するバイアス信号のバイアス電圧を変更する。具体的には、ゲート電圧出力部335に電圧変更指令を出力し、可変抵抗素子334の抵抗値を変化させることで、バイアス電圧を変更する。
なお、バイアス電圧変更部355によるバイアス電圧の変更方法の詳細については後述する。
なお、バイアス電圧変更部355によるバイアス電圧の変更方法の詳細については後述する。
受信制御部356は、コンパレーター342から入力される複数のゼロクロス検出パルスから、超音波の受信タイミングとするゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する。この受信ゼロクロス点の設定方法としては、特に限定されず、例えば、最初の受信したゼロクロス検出パルス、又は当該最初の受信したゼロクロス検出パルスから数えて所定番目のゼロクロス検出パルスを受信ゼロクロス点としてもよい。また、超音波の送信タイミングから、ゼロクロス点の検出タイミングまでの時間(TOFデータ)を算出し、複数のTOFデータの差分等に基づいて、受信ゼロクロス点を設定してもよい。
距離計測部357は、TOFデータに基づいて、超音波デバイス20から測定対象までの距離を算出する。
[超音波計測方法]
次に、超音波計測装置10による超音波計測方法を含む、搬送装置1の動作について説明する。
図5は、本実施形態における搬送装置1の動作を示すフローチャートである。
本実施形態の搬送装置1は、対象物Wの搬送処理において、まず、超音波計測装置10の初回キャリブレーション処理を実施する。
次に、超音波計測装置10による超音波計測方法を含む、搬送装置1の動作について説明する。
図5は、本実施形態における搬送装置1の動作を示すフローチャートである。
本実施形態の搬送装置1は、対象物Wの搬送処理において、まず、超音波計測装置10の初回キャリブレーション処理を実施する。
初回キャリブレーション処理では、搬送装置1の制御ユニット5は、アーム部2を駆動し、超音波デバイス20が設けられる把持部3をキャリブレーション位置に移動させる(ステップS1)。すなわち、超音波デバイス20と基準対象4との距離が基準距離d0となるキャリブレーション位置に、超音波デバイス20を移動させる。
次に、マイコン35は、基準対象4を測定対象として、基準対象4に対する超音波の送受信処理を実施し、基準TOFデータT0を取得する(ステップS2)。
つまり、マイコン35の送信指令部353は、超音波デバイス20に送信信号を入力して、超音波を送信させる。また、受信制御部356は、コンパレーター342から入力されるゼロクロス検出パルスに基づいて受信ゼロクロス点を設定する。なお、本実施形態では、受信制御部356は、超音波の送信後に、最初に出力されるゼロクロス検出パルスに対応するゼロクロス点を、受信ゼロクロス点として設定するものとする。
そして、受信制御部356は、超音波の送信タイミングから、受信ゼロクロス点の検出タイミングまでのTOFデータを算出して、基準TOFデータT0としてメモリー351に記憶する。
つまり、マイコン35の送信指令部353は、超音波デバイス20に送信信号を入力して、超音波を送信させる。また、受信制御部356は、コンパレーター342から入力されるゼロクロス検出パルスに基づいて受信ゼロクロス点を設定する。なお、本実施形態では、受信制御部356は、超音波の送信後に、最初に出力されるゼロクロス検出パルスに対応するゼロクロス点を、受信ゼロクロス点として設定するものとする。
そして、受信制御部356は、超音波の送信タイミングから、受信ゼロクロス点の検出タイミングまでのTOFデータを算出して、基準TOFデータT0としてメモリー351に記憶する。
また、受信制御部356は、基準TOFデータT0に基づいて、音速補正を行う(ステップS3)。キャリブレーション処理では、超音波デバイス20から基準対象4までの距離は、所定の基準距離d0となる。よって、受信制御部356は、音速Vを、V=2d0/T0により算出し、算出された音速Vをメモリー351に記憶する。
この後、搬送装置1は、対象物Wに対する搬送操作を実施する(ステップS4)。
この搬送動作では、制御ユニット5は、超音波計測装置10に、超音波デバイス20から対象物Wまでの距離を計測する距離計測処理を実施させ、計測された距離に基づいて、アーム部2及び把持部3を駆動させて、対象物Wの把持及び開放を行って対象物Wを搬送する。
超音波計測装置10による距離計測処理では、キャリブレーション処理と略同様である。つまり、マイコン35の送信指令部353は、対象物Wを測定対象として、超音波デバイス20から対象物Wに超音波を送信させる。また、受信制御部356は、コンパレーター342から入力される複数のゼロクロス検出パルスに基づいて受信ゼロクロス点を設定する。そして、受信制御部356は、超音波の送信タイミングから、受信ゼロクロス点の検出タイミングまでのTOFデータTdを算出する。この後、距離計測部357は、メモリー351からキャリブレーション処理で設定した音速Vを読み出し、超音波デバイス20から対象物Wまでの距離dWをdW=V×Td/2により算出する。
この搬送動作では、制御ユニット5は、超音波計測装置10に、超音波デバイス20から対象物Wまでの距離を計測する距離計測処理を実施させ、計測された距離に基づいて、アーム部2及び把持部3を駆動させて、対象物Wの把持及び開放を行って対象物Wを搬送する。
超音波計測装置10による距離計測処理では、キャリブレーション処理と略同様である。つまり、マイコン35の送信指令部353は、対象物Wを測定対象として、超音波デバイス20から対象物Wに超音波を送信させる。また、受信制御部356は、コンパレーター342から入力される複数のゼロクロス検出パルスに基づいて受信ゼロクロス点を設定する。そして、受信制御部356は、超音波の送信タイミングから、受信ゼロクロス点の検出タイミングまでのTOFデータTdを算出する。この後、距離計測部357は、メモリー351からキャリブレーション処理で設定した音速Vを読み出し、超音波デバイス20から対象物Wまでの距離dWをdW=V×Td/2により算出する。
ステップS4の後、制御ユニット5は、キャリブレーション処理を再度実施する。
このキャリブレーション処理は、ステップS4の搬送動作が所定回数行われた後に実施されてもよく、搬送動作が所定時間継続された後に実施されてもよい。つまり、本実施形態では、周期的に、キャリブレーション処理を実施する。
具体的には、ステップS1と同様に、搬送装置1の制御ユニット5は、アーム部2を駆動し、超音波デバイス20が設けられる把持部3をキャリブレーション位置に移動させる(ステップS5)。また、マイコン35は、基準対象4を測定対象として、超音波の送受信処理を実施して、キャリブレーションTOFデータTnを取得する(ステップS6)。
このキャリブレーション処理は、ステップS4の搬送動作が所定回数行われた後に実施されてもよく、搬送動作が所定時間継続された後に実施されてもよい。つまり、本実施形態では、周期的に、キャリブレーション処理を実施する。
具体的には、ステップS1と同様に、搬送装置1の制御ユニット5は、アーム部2を駆動し、超音波デバイス20が設けられる把持部3をキャリブレーション位置に移動させる(ステップS5)。また、マイコン35は、基準対象4を測定対象として、超音波の送受信処理を実施して、キャリブレーションTOFデータTnを取得する(ステップS6)。
この後、リーク検出部354は、超音波デバイス20でリーク電流が発生しているか否かを判定する(ステップS7)。
ここで、リーク電流が発生した際の影響、及びリーク電流の検出方法について説明する。
図6は、リーク電流と、超音波の送信時に超音波デバイス20に入力されるバイアス電圧との関係を示す図である。図7は、リーク電流が1.0×10−5(A)である場合の、送信信号の波形の一例を示す図であり、図8は、リーク電流が1.0×10−4(A)である場合の、送信信号の波形の一例を示す図である。図6から図8では、送信回路部33から15Vのバイアス電圧を超音波デバイス20に出力した際の、超音波トランスデューサー24に印加されるバイアス電圧を示している。
超音波デバイス20では、水分等の影響や、圧電膜232の性能劣化によって、リーク電流が発生する場合がある。このようなリーク電流が発生すると、図6に示すように、超音波デバイス20の超音波トランスデューサー24に印加されるバイアス電圧は、リーク電流に応じて低下する。具体的には、図6に示すように、リーク電流が1.0×10−5(A)以下の場合では、バイアス電圧の変化は見られない。しかしながら、リーク電流が1.0×10−5(A)を超えると、超音波トランスデューサー24に印加されるバイアス電圧は徐々に低下する。つまり、送信回路部33から超音波デバイス20に所定のバイアス電圧を入力しても、超音波トランスデューサー24の圧電膜232には、より低いバイアス電圧が印加されることになる。
図6は、リーク電流と、超音波の送信時に超音波デバイス20に入力されるバイアス電圧との関係を示す図である。図7は、リーク電流が1.0×10−5(A)である場合の、送信信号の波形の一例を示す図であり、図8は、リーク電流が1.0×10−4(A)である場合の、送信信号の波形の一例を示す図である。図6から図8では、送信回路部33から15Vのバイアス電圧を超音波デバイス20に出力した際の、超音波トランスデューサー24に印加されるバイアス電圧を示している。
超音波デバイス20では、水分等の影響や、圧電膜232の性能劣化によって、リーク電流が発生する場合がある。このようなリーク電流が発生すると、図6に示すように、超音波デバイス20の超音波トランスデューサー24に印加されるバイアス電圧は、リーク電流に応じて低下する。具体的には、図6に示すように、リーク電流が1.0×10−5(A)以下の場合では、バイアス電圧の変化は見られない。しかしながら、リーク電流が1.0×10−5(A)を超えると、超音波トランスデューサー24に印加されるバイアス電圧は徐々に低下する。つまり、送信回路部33から超音波デバイス20に所定のバイアス電圧を入力しても、超音波トランスデューサー24の圧電膜232には、より低いバイアス電圧が印加されることになる。
例えば、図7に示す例は、バイアス電圧が15(V)であり、リーク電流が1.0×10−5(A)である。超音波デバイス20には、バイアス電圧と、送信駆動回路332から出力される駆動信号が加算された送信信号が入力される。駆動信号のピーク電圧が18(V)である周期駆動電圧の場合、図7に示すように、15(V)のバイアス電圧を基準にして、ピーク電圧が33(V)となる周期駆動電圧の送信信号が超音波トランスデューサー24の圧電膜232に印加される。
これに対して、リーク電流が1.0×10−4(A)に増大すると、図8に示すように、バイアス電圧が10(V)に低下する。このため、10(V)のバイアス電圧を基準にして、ピーク電圧が28(V)となる周期駆動電圧の送信信号が超音波トランスデューサー24の圧電膜232に印加される。図7と図8とを比較すると分かるように、リーク電流の増大により、超音波デバイス20に印加される送信信号のピーク電圧が減少し、超音波デバイス20から送信される超音波の音圧も低下する。
これに対して、リーク電流が1.0×10−4(A)に増大すると、図8に示すように、バイアス電圧が10(V)に低下する。このため、10(V)のバイアス電圧を基準にして、ピーク電圧が28(V)となる周期駆動電圧の送信信号が超音波トランスデューサー24の圧電膜232に印加される。図7と図8とを比較すると分かるように、リーク電流の増大により、超音波デバイス20に印加される送信信号のピーク電圧が減少し、超音波デバイス20から送信される超音波の音圧も低下する。
図9は、リーク電流と受信信号の信号強度との関係を示す図である。
上記のように、超音波デバイス20から送信される超音波の音圧が低下すると、測定対象に反射されて超音波デバイス20に入力される超音波の音圧も低下する。よって、図9に示すように、リーク電流が発生した際の受信信号の信号強度、つまり受信信号の信号電圧も低下する。
上記のように、超音波デバイス20から送信される超音波の音圧が低下すると、測定対象に反射されて超音波デバイス20に入力される超音波の音圧も低下する。よって、図9に示すように、リーク電流が発生した際の受信信号の信号強度、つまり受信信号の信号電圧も低下する。
図10は、超音波デバイス20から出力される受信信号の信号波形の一例を示す図である。図10の上図は、リーク電流が1.0×10−5(A)の場合の受信信号の一例であり、下図は、リーク電流が1.0×10−4(A)の受信信号の一例である。
本実施形態では、上述したように、信号強度が所定の信号閾値Vthを超える最初の受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する。リーク電流が小さい場合は、図10の上図に示すように、2波目の受信信号のゼロクロス点が受信ゼロクロス点として設定され、TOFデータT1が得られる。
これに対して、リーク電流が増大すると、図9に示すように、受信信号の電圧値が低下するので、信号閾値Vthを超える受信信号の数や位置が変動する。例えば、図10の下図では、3波目の受信信号のゼロクロス点が受信ゼロクロス点として設定され、TOFデータT2が得られる。つまり、リーク電流の増加によって1波分の受信信号の周期分だけ、TOFデータT2がTOFデータT1より長くなり、測定誤差が発生してしまう。
本実施形態では、上述したように、信号強度が所定の信号閾値Vthを超える最初の受信信号のゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定する。リーク電流が小さい場合は、図10の上図に示すように、2波目の受信信号のゼロクロス点が受信ゼロクロス点として設定され、TOFデータT1が得られる。
これに対して、リーク電流が増大すると、図9に示すように、受信信号の電圧値が低下するので、信号閾値Vthを超える受信信号の数や位置が変動する。例えば、図10の下図では、3波目の受信信号のゼロクロス点が受信ゼロクロス点として設定され、TOFデータT2が得られる。つまり、リーク電流の増加によって1波分の受信信号の周期分だけ、TOFデータT2がTOFデータT1より長くなり、測定誤差が発生してしまう。
そこで、本実施形態では、ステップS7において、リーク検出部354は、基準TOFデータT0と、キャリブレーションTOFデータTnとの差が、所定の閾値α以上であるか否かを判定する。この閾値αは、超音波計測装置10の使用目的等に基づいて適宜設定することができる。
例えば、基準対象4との距離を基準距離d0に保ち、超音波計測装置10で距離計測を実施する際の環境温度を変化させた場合の測定結果に基づいて閾値αを設定してもよい。
図11は、距離計測時の環境温度と、超音波計測装置10により計測された距離との関係を示す図である。
超音波計測装置10が設置される環境の温度を変化させると、温度変化によって音速が変動する。このため、超音波計測装置10の距離計測部357により算出される距離も図11に示すように変動する。例えば、超音波計測装置10の使用環境が、26度から36度である場合、その温度範囲内での測定誤差は、最大で約0.3mmである。つまり、測定距離に対して約1.5%の測定誤差が発生する。ステップS7では、この誤算範囲を許容誤差として、閾値αとして設定してもよい。つまり、ステップS7において、リーク検出部354は、基準TOFデータT0と、キャリブレーションTOFデータTnとの差が、基準TOFデータT0の1.5%以上であるか否かを判定することで、リーク電流の有無を判定してもよい。
例えば、基準対象4との距離を基準距離d0に保ち、超音波計測装置10で距離計測を実施する際の環境温度を変化させた場合の測定結果に基づいて閾値αを設定してもよい。
図11は、距離計測時の環境温度と、超音波計測装置10により計測された距離との関係を示す図である。
超音波計測装置10が設置される環境の温度を変化させると、温度変化によって音速が変動する。このため、超音波計測装置10の距離計測部357により算出される距離も図11に示すように変動する。例えば、超音波計測装置10の使用環境が、26度から36度である場合、その温度範囲内での測定誤差は、最大で約0.3mmである。つまり、測定距離に対して約1.5%の測定誤差が発生する。ステップS7では、この誤算範囲を許容誤差として、閾値αとして設定してもよい。つまり、ステップS7において、リーク検出部354は、基準TOFデータT0と、キャリブレーションTOFデータTnとの差が、基準TOFデータT0の1.5%以上であるか否かを判定することで、リーク電流の有無を判定してもよい。
ステップS7でリーク電流がないと判断された場合(NOと判定された場合)、ステップS4に戻る。つまり、超音波計測装置10に異常がないため、搬送動作を継続する。
一方、ステップS7で、リーク電流があると判定された場合(YESと判定された場合)、バイアス電圧変更部355は、ゲート電圧を示す変数mを初期化してm=1とする(ステップS8)。
そして、バイアス電圧変更部355は、変数mに対応するゲート電圧VGmを、ゲート電圧出力部335から、可変抵抗素子334のゲートに入力する。これにより、可変抵抗素子334のソース−ドレイン間の抵抗値RDSが変更され、バイアス抵抗の抵抗値Rbが変更される(ステップS9)。
一方、ステップS7で、リーク電流があると判定された場合(YESと判定された場合)、バイアス電圧変更部355は、ゲート電圧を示す変数mを初期化してm=1とする(ステップS8)。
そして、バイアス電圧変更部355は、変数mに対応するゲート電圧VGmを、ゲート電圧出力部335から、可変抵抗素子334のゲートに入力する。これにより、可変抵抗素子334のソース−ドレイン間の抵抗値RDSが変更され、バイアス抵抗の抵抗値Rbが変更される(ステップS9)。
ここで、ステップS9について詳細に説明する。
図12は、可変抵抗素子334に印加されるゲート電圧と、可変抵抗素子334及び抵抗素子336により構成されるバイアス抵抗の抵抗値Rbを示す図である。
本実施形態では、可変抵抗素子334として、p型MOSFETが用いられており、ゲート電圧を下げると、可変抵抗素子334の抵抗値RDSも下がる。
抵抗素子336の抵抗値をR1とすると、可変抵抗素子334及び抵抗素子336により構成されるバイアス抵抗の抵抗値Rbは、Rb=R1×RDS/(R1+RDS)であり、可変抵抗素子334の抵抗値RDSを低下させることで、バイアス抵抗の抵抗値Rbも低下し、超音波デバイス20に出力されるバイアス電圧が増大する。
図12は、可変抵抗素子334に印加されるゲート電圧と、可変抵抗素子334及び抵抗素子336により構成されるバイアス抵抗の抵抗値Rbを示す図である。
本実施形態では、可変抵抗素子334として、p型MOSFETが用いられており、ゲート電圧を下げると、可変抵抗素子334の抵抗値RDSも下がる。
抵抗素子336の抵抗値をR1とすると、可変抵抗素子334及び抵抗素子336により構成されるバイアス抵抗の抵抗値Rbは、Rb=R1×RDS/(R1+RDS)であり、可変抵抗素子334の抵抗値RDSを低下させることで、バイアス抵抗の抵抗値Rbも低下し、超音波デバイス20に出力されるバイアス電圧が増大する。
この後、マイコン35は、基準対象4を測定対象として、基準対象4に対する超音波の送受信処理を実施して、キャリブレーションTOFデータTmを取得する。(ステップS10)。
次に、バイアス電圧変更部355は、変数mに1を加算し(ステップS11)、変数mが最大値M以上となったか否かを判定する(ステップS12)。ステップS12でNOと判定される場合は、ステップS9に戻る。つまり、本実施形態では、ゲート電圧出力部335から出力可能なゲート電圧がMパターン用意されており、これらの全てのゲート電圧に対応するキャリブレーション処理が実施されたか否かを判定する。
次に、バイアス電圧変更部355は、変数mに1を加算し(ステップS11)、変数mが最大値M以上となったか否かを判定する(ステップS12)。ステップS12でNOと判定される場合は、ステップS9に戻る。つまり、本実施形態では、ゲート電圧出力部335から出力可能なゲート電圧がMパターン用意されており、これらの全てのゲート電圧に対応するキャリブレーション処理が実施されたか否かを判定する。
一方、ステップS12においてYESと判定される場合、バイアス電圧変更部355は、各キャリブレーションTOFデータTmに関し、基準TOFデータT0との差の絶対値(差分データΔtm(m=1,2,3,…,M))を算出する(ステップS13)。そして、差分データΔtmの最小値min{Δtm}が、閾値α未満であるか否かを判定する(ステップS14)。ステップS14では、閾値αとして、ステップS7において、リーク電流の発生判定を行った際の閾値αを用いる。
ステップS14でYESであると判定されると、最小値min{Δtm}が得られた際の変数mに対応するゲート電圧VGmを、ゲート電圧出力部335から出力する電圧として設定する(ステップS15)。この後、超音波計測装置10による距離計測、及び搬送装置1の搬送動作を継続する場合は、ステップS4に戻る。
また、ステップS14においてNOと判定される場合、リーク電流の発生以外の他の故障が超音波計測装置10に生じている可能性がある。この場合、例えば、図示略の警告灯等に、故障を示すエラー出力を行い、搬送装置1の搬送動作、及び超音波計測装置10の距離計測処理を終了させる。
ステップS14でYESであると判定されると、最小値min{Δtm}が得られた際の変数mに対応するゲート電圧VGmを、ゲート電圧出力部335から出力する電圧として設定する(ステップS15)。この後、超音波計測装置10による距離計測、及び搬送装置1の搬送動作を継続する場合は、ステップS4に戻る。
また、ステップS14においてNOと判定される場合、リーク電流の発生以外の他の故障が超音波計測装置10に生じている可能性がある。この場合、例えば、図示略の警告灯等に、故障を示すエラー出力を行い、搬送装置1の搬送動作、及び超音波計測装置10の距離計測処理を終了させる。
[本実施形態の作用効果]
本実施形態の超音波計測装置10は、送信信号の入力により超音波を送信し、超音波の受信により受信信号を出力する超音波トランスデューサー24を含む超音波デバイス20を備える。また、超音波計測装置10は、超音波トランスデューサー24において発生するリーク電流を検出するリーク検出部354、及び、超音波トランスデューサー24に印加するバイアス電圧を変更するバイアス電圧変更部355として機能するマイコン35を備える。そして、バイアス電圧変更部355は、リーク検出部354により検出されたリーク電流に基づいてバイアス電圧を変更する。
本実施形態の超音波計測装置10は、送信信号の入力により超音波を送信し、超音波の受信により受信信号を出力する超音波トランスデューサー24を含む超音波デバイス20を備える。また、超音波計測装置10は、超音波トランスデューサー24において発生するリーク電流を検出するリーク検出部354、及び、超音波トランスデューサー24に印加するバイアス電圧を変更するバイアス電圧変更部355として機能するマイコン35を備える。そして、バイアス電圧変更部355は、リーク検出部354により検出されたリーク電流に基づいてバイアス電圧を変更する。
このため、超音波トランスデューサー24において、リーク電流が多く発生した場合に、バイアス電圧を高くすることで、リーク電流の発生によるバイアス電圧減を補償することができる。これにより、リーク電流が発生した場合でも、受信信号の低下を抑制できる。このため、超音波の受信タイミングである受信ゼロクロス点を適正に設定することができ、測定誤差の発生を抑制できる。
本実施形態では、リーク検出部354は、超音波トランスデューサー24から出力される受信信号に基づいて、リーク電流を検出する。
つまり、リーク検出部354は、受信信号に基づいて、キャリブレーションTOFデータTnを取得し、基準TOFデータT0と、キャリブレーションTOFデータTnとの差分に基づいて、リーク電流を検出する。これにより、リーク電流を検出するための、電流検出回路を別途用いる必要がなく、距離計測処理を実施するための回路のみにより、リーク電流を検出することができる。
つまり、リーク検出部354は、受信信号に基づいて、キャリブレーションTOFデータTnを取得し、基準TOFデータT0と、キャリブレーションTOFデータTnとの差分に基づいて、リーク電流を検出する。これにより、リーク電流を検出するための、電流検出回路を別途用いる必要がなく、距離計測処理を実施するための回路のみにより、リーク電流を検出することができる。
本実施形態の超音波計測装置10では、リーク検出部354は、超音波デバイス20からの距離が基準距離d0となる基準対象4に対して、超音波デバイス20から超音波を送信し、基準対象4に反射された超音波を前記超音波素子で受信するキャリブレーション処理を実施する。そして、このキャリブレーション処理により得られた受信信号に基づくキャリブレーションTOFデータTnに基づいてリーク電流を検出する。
このような本実施形態では、測定条件を固定したキャリブレーション処理の測定結果に基づいて、高精度にリーク電流の有無を判定することができる。
このような本実施形態では、測定条件を固定したキャリブレーション処理の測定結果に基づいて、高精度にリーク電流の有無を判定することができる。
本実施形態では、送信回路部33には、バイアス電圧を出力するバイアス電圧出力部333と、可変抵抗素子334と、が設けられ、バイアス電圧変更部355は可変抵抗素子334の抵抗値を変更することで、バイアス電圧を変更する。
このような構成では、バイアス電圧出力部333から出力するバイアス信号のバイアス電圧を変更する必要がなく、簡素な構成で、超音波デバイス20に出力するバイアス電圧を変更することができる。
このような構成では、バイアス電圧出力部333から出力するバイアス信号のバイアス電圧を変更する必要がなく、簡素な構成で、超音波デバイス20に出力するバイアス電圧を変更することができる。
本実施形態では、可変抵抗素子334は、ゲート電圧を変更することで、ソース−ドレイン間の抵抗値を変更するMOSFETが用いられている。このようなMOSFETでは、ゲート電圧を変更するだけで、容易に抵抗値を変更することができる。よって、送信回路部33の簡素化を図れる。
[変形例]
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
(変形例1)
上記実施形態では、可変抵抗素子334として、p型MOSFETを用いたが、これに限定されない。たとえば、ゲート電圧を大きくすることで、ソース−ドレイン間の抵抗値が低下するn型MOSFETを用いてもよい。
上記実施形態では、可変抵抗素子334として、p型MOSFETを用いたが、これに限定されない。たとえば、ゲート電圧を大きくすることで、ソース−ドレイン間の抵抗値が低下するn型MOSFETを用いてもよい。
(変形例2)
上記実施形態では、MOSFETにより構成された可変抵抗素子334に対して、ゲート電圧を変更することで、バイアス抵抗を変更する例を示した。
これに対して、図13に示す構成としてもよい。図13は、変形例2に係る送信回路部33Aのバイアス抵抗を示す図である。
図13の送信回路部33Aでは、可変抵抗素子334Aと、抵抗素子336Aとを直列に接続したバイアス抵抗素子337が、複数並列に接続されている。各バイアス抵抗素子337において、抵抗素子336Aの抵抗値は互いに異なる。
このような送信回路部33Aでは、ゲート電圧を、複数のバイアス抵抗素子337のいずれかの可変抵抗素子334Aに入力する。これにより、ゲート電圧が入力されたバイアス抵抗素子337が有効となって、バイアス電圧が変更される。
このような素子では、単純なスイッチング素子によって、ゲート電圧の入力先を変更することができ、異なるゲート電圧を出力するための構成が不要であるので、送信回路部33Aの簡素化を図ることができる。
上記実施形態では、MOSFETにより構成された可変抵抗素子334に対して、ゲート電圧を変更することで、バイアス抵抗を変更する例を示した。
これに対して、図13に示す構成としてもよい。図13は、変形例2に係る送信回路部33Aのバイアス抵抗を示す図である。
図13の送信回路部33Aでは、可変抵抗素子334Aと、抵抗素子336Aとを直列に接続したバイアス抵抗素子337が、複数並列に接続されている。各バイアス抵抗素子337において、抵抗素子336Aの抵抗値は互いに異なる。
このような送信回路部33Aでは、ゲート電圧を、複数のバイアス抵抗素子337のいずれかの可変抵抗素子334Aに入力する。これにより、ゲート電圧が入力されたバイアス抵抗素子337が有効となって、バイアス電圧が変更される。
このような素子では、単純なスイッチング素子によって、ゲート電圧の入力先を変更することができ、異なるゲート電圧を出力するための構成が不要であるので、送信回路部33Aの簡素化を図ることができる。
(変形例3)
上記実施形態では、リーク検出部354は、受信信号に基づいてキャリブレーションTOFデータTnを算出し、基準TOFデータT0との差が閾値α以上であるか否かを判定した。
これに対して、リーク検出部354は、受信信号の信号電圧に基づいて、リーク電流を検出してもよい。つまり、超音波デバイス20において、リーク電流が発生すると、受信信号のピーク電圧が低下する。よって、リーク検出部354は、初回キャリブレーション処理時における受信信号の最大ピーク電圧を基準ピーク電圧V0として記憶しておく。そして、リーク検出部354は、周期的に実施するキャリブレーション処理において検出される受信信号の最大ピーク電圧Vnと、基準ピーク電圧V0とを比較することで、リーク電流を判定してもよい。例えば、最大ピーク電圧Vnが、基準ピーク電圧V0の90%以下である場合に、リーク電流があると判定してもよい。
また、リーク検出部354は、信号閾値以上の信号電圧を有する受信信号の数に基づいて、リーク電流の有無を判定してもよい。例えば、リーク検出部354は、周期的に実施するキャリブレーション処理において検出されたゼロクロス検出パルスの数が、初回キャリブレーション処理時に検出されたゼロクロス検出パルスの数よりも少ない場合に、リーク電流があると判定してもよい。
上記実施形態では、リーク検出部354は、受信信号に基づいてキャリブレーションTOFデータTnを算出し、基準TOFデータT0との差が閾値α以上であるか否かを判定した。
これに対して、リーク検出部354は、受信信号の信号電圧に基づいて、リーク電流を検出してもよい。つまり、超音波デバイス20において、リーク電流が発生すると、受信信号のピーク電圧が低下する。よって、リーク検出部354は、初回キャリブレーション処理時における受信信号の最大ピーク電圧を基準ピーク電圧V0として記憶しておく。そして、リーク検出部354は、周期的に実施するキャリブレーション処理において検出される受信信号の最大ピーク電圧Vnと、基準ピーク電圧V0とを比較することで、リーク電流を判定してもよい。例えば、最大ピーク電圧Vnが、基準ピーク電圧V0の90%以下である場合に、リーク電流があると判定してもよい。
また、リーク検出部354は、信号閾値以上の信号電圧を有する受信信号の数に基づいて、リーク電流の有無を判定してもよい。例えば、リーク検出部354は、周期的に実施するキャリブレーション処理において検出されたゼロクロス検出パルスの数が、初回キャリブレーション処理時に検出されたゼロクロス検出パルスの数よりも少ない場合に、リーク電流があると判定してもよい。
(変形例4)
上記実施形態では、リーク電流が検出された場合に、可変抵抗素子334に入力するゲート電圧の順次切り替え、複数のバイアス抵抗に対応するキャリブレーションTOFデータTmを取得した。
これに対して、リーク検出部354は、リーク電流の電流値を検出し、バイアス電圧変更部355は、可変抵抗素子334の抵抗値を、検出されたリーク電流の電流値に応じた値に設定してもよい。リーク電流の電流値は、例えば、受信信号の信号電圧に基づいて算出することができる。
上記実施形態では、リーク電流が検出された場合に、可変抵抗素子334に入力するゲート電圧の順次切り替え、複数のバイアス抵抗に対応するキャリブレーションTOFデータTmを取得した。
これに対して、リーク検出部354は、リーク電流の電流値を検出し、バイアス電圧変更部355は、可変抵抗素子334の抵抗値を、検出されたリーク電流の電流値に応じた値に設定してもよい。リーク電流の電流値は、例えば、受信信号の信号電圧に基づいて算出することができる。
(変形例5)
上記実施形態では、リーク検出部354は、受信信号に基づいてリーク電流の有無やリーク電流の電流値を検出する例を示したが、これに限定されない。例えば、超音波デバイス20にリーク電流を検出する電流計を設け、電流計の値に基づいてリーク電流を検出してもよい。
上記実施形態では、リーク検出部354は、受信信号に基づいてリーク電流の有無やリーク電流の電流値を検出する例を示したが、これに限定されない。例えば、超音波デバイス20にリーク電流を検出する電流計を設け、電流計の値に基づいてリーク電流を検出してもよい。
1…搬送装置、2…アーム部、3…把持部、4…基準対象、5…制御ユニット、10…超音波計測装置、20…超音波デバイス、21…素子基板、22…振動板、23…圧電素子、24…超音波トランスデューサー、30…制御回路、31…スイッチング回路、32…シグナルグラウンド、33…送信回路部、33A…送信回路部、34…受信回路部、35…マイコン、251…第一端子、252…第二端子、331…駆動パルス発生回路、332…送信駆動回路、333…バイアス電圧出力部、334,344A…可変抵抗素子、335…ゲート電圧出力部、336,336A…抵抗素子、337…バイアス抵抗素子、341…受信アンプ、342…コンパレーター、351…メモリー、352…プロセッサー、353…送信指令部、354…リーク検出部、355…バイアス電圧変更部、356…受信制御部、357…距離計測部、W…対象物、d0…基準距離。
Claims (6)
- 送信信号の入力により超音波を送信し、超音波の受信により受信信号を出力する超音波素子と、
前記超音波素子で発生するリーク電流を検出するリーク検出部と、
前記超音波素子に印加するバイアス電圧を変更するバイアス電圧変更部と、を備え、
前記バイアス電圧変更部は、前記リーク検出部により検出された前記リーク電流に応じて前記バイアス電圧を変更する
ことを特徴とする超音波計測装置。 - 請求項1に記載の超音波計測装置において、
前記リーク検出部は、前記超音波素子から出力される前記受信信号に基づいて、前記リーク電流を検出する
ことを特徴とする超音波計測装置。 - 請求項2に記載の超音波計測装置において、
前記リーク検出部は、前記超音波素子からの距離が基準距離となる基準対象に対して、前記超音波素子から超音波を送信し、前記基準対象に反射された超音波を前記超音波素子で受信するキャリブレーション処理が実施された際に、前記超音波素子から出力される前記受信信号に基づいて、前記リーク電流を検出する
ことを特徴とする超音波計測装置。 - 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の超音波計測装置において、
前記バイアス電圧を出力するバイアス電圧源と、
前記バイアス電圧源及び前記超音波素子に接続され、抵抗値を変更可能な可変抵抗素子と、を備え、
前記バイアス電圧変更部は、前記可変抵抗素子の前記抵抗値を変更する
ことを特徴とする超音波計測装置。 - 請求項4に記載の超音波計測装置において、
前記可変抵抗素子は、ゲート電圧を変更することで、ソース及びドレイン間の前記抵抗値が変更されるトランジスターである
ことを特徴とする超音波計測装置。 - 送信信号の入力により超音波を送信し、超音波の受信により受信信号を出力する超音波素子を備える超音波計測装置における超音波計測方法であって、
前記超音波素子からのリーク電流を検出し、
前記リーク電流に応じたバイアス電圧を前記超音波素子に印加する
ことを特徴とする超音波計測方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019048178A JP2020148705A (ja) | 2019-03-15 | 2019-03-15 | 超音波計測装置、及び超音波計測方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2019048178A JP2020148705A (ja) | 2019-03-15 | 2019-03-15 | 超音波計測装置、及び超音波計測方法 |
Publications (1)
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JP2020148705A true JP2020148705A (ja) | 2020-09-17 |
Family
ID=72430513
Family Applications (1)
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JP2019048178A Pending JP2020148705A (ja) | 2019-03-15 | 2019-03-15 | 超音波計測装置、及び超音波計測方法 |
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Country | Link |
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-
2019
- 2019-03-15 JP JP2019048178A patent/JP2020148705A/ja active Pending
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