特許 7548447 変位検知装置及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-02

(45)【発行日】2024-09-10

(54)【発明の名称】変位検知装置及び方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 15/32 20060101AFI20240903BHJP

   A61B 5/11 20060101ALI20240903BHJP

【ＦＩ】

G01S15/32

A61B5/11 100

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023546758

(86)(22)【出願日】2022-03-11

(86)【国際出願番号】 JP2022010878

(87)【国際公開番号】W WO2023037613

(87)【国際公開日】2023-03-16

【審査請求日】2023-10-02

(31)【優先権主張番号】P 2021147107

(32)【優先日】2021-09-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100132241

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 博史

(74)【代理人】

【識別番号】100135703

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 英隆

(74)【代理人】

【識別番号】100199314

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 寛

(74)【代理人】

【識別番号】100227927

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 拓

(72)【発明者】

【氏名】渡部 佑真

(72)【発明者】

【氏名】浅田 隆昭

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 晋一

【審査官】梶田 真也

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１０４８０８１７０（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開昭５４－０８３７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１９１１４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１６６６６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】KANAI, Hiroshi, et al.，Transcutaneous Measurement and Spectrum Analysis of Heart Wall Vibrations，IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control，米国，IEEE，1996年09月，Vol. 43, No. 5，pp. 791-810，DOI: 10.1109/58.535480

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ １／７２ － １／８２

Ｇ０１Ｓ ３／８０ － ３／８６

Ｇ０１Ｓ ５／１８ － ７／６４

Ｇ０１Ｓ １３／００ － １７／９５

Ａ６１Ｂ ５／１１

Ａ６１Ｂ ８／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

物体に、チャープ波を送信する送波器と、
前記物体からの反射波を受信して、受信結果を示す受信信号を生成する受波器と、
前記送波器による前記チャープ波の送信を制御して、前記受波器から前記受信信号を取得する制御部と、を備え、
前記制御部は、
第１の測定期間において、前記送波器に前記チャープ波を送信するように第１の送信信号を出力して、応答する第１の受信信号を取得し、
前記第１の送信信号と前記第１の受信信号とに基づき、前記第１の送信信号と前記第１の受信信号との間の相関において規定される位相を示す第１の位相情報を抽出し、
前記第１の測定期間の後の第２の測定期間において、前記送波器に前記チャープ波を送信するように第２の送信信号を出力して、応答する第２の受信信号を取得し、
前記第２の送信信号と前記第２の受信信号とに基づき、前記第２の送信信号と前記第２の受信信号との間の相関において規定される位相を示す第２の位相情報を抽出し、
前記第１の位相情報と前記第２の位相情報との間の差分に応じて、前記第１及び第２の測定期間における前記物体の変位を検知する
変位検知装置。

【請求項2】

前記制御部は、
前記第１の送信信号と前記第１の受信信号とに基づき、前記第１の送信信号と前記第１の受信信号との間の相関において規定される振幅及び位相を含む第１の解析信号を生成して、前記第１の解析信号から前記第１の位相情報を抽出し、
前記第２の送信信号と前記第２の受信信号とに基づき、前記第２の送信信号と前記第２の受信信号との間の相関において規定される振幅及び位相を含む第２の解析信号を生成して、前記第２の解析信号から前記第２の位相情報を抽出する
請求項１に記載の変位検知装置。

【請求項3】

前記制御部は、
前記第１の解析信号の振幅と前記第２の解析信号の振幅との少なくとも一方の振幅が最大となるタイミングを検出し、
検出したタイミングを基準として、前記第１の位相情報と前記第２の位相情報との間の差分を算出する
請求項２に記載の変位検知装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記第１の位相情報と前記第２の位相情報との間の差分と、前記基準のタイミングにおける前記位相の勾配とに基づいて、前記物体の変位を示す変位量を測定する
請求項３に記載の変位検知装置。

【請求項5】

前記制御部は、前記第１の解析信号の包絡線と前記第２の解析信号の包絡線との少なくとも一方の包絡線を演算して、演算した包絡線に基づき前記振幅が最大となるタイミングを検出する
請求項２から４のいずれか１項に記載の変位検知装置。

【請求項6】

前記制御部は、
前記第１の送信信号と前記第１の受信信号とに基づき、前記第１の送信信号と前記第１の受信信号との相互相関関数を複素化するように演算して、前記第１の解析信号を生成し、
前記第２の送信信号と前記第２の受信信号とに基づき、前記第２の送信信号と前記第２の受信信号との相互相関関数を複素化するように演算して、前記第２の解析信号を生成する
請求項２から５のいずれか１項に記載の変位検知装置。

【請求項7】

前記送波器は、前記チャープ波として複数の周波数を有する音波を送信するサーモホンを含む
請求項１から６のいずれか１項に記載の変位検知装置。

【請求項8】

前記各送信信号は、リニア周波数チャープにより前記チャープ波を前記送波器に送信させる
請求項１から７のいずれか１項に記載の変位検知装置。

【請求項9】

チャープ波を物体に送信する送波器を制御して、前記物体からの反射波を受信する受波器から受信結果を示す受信信号を取得する制御部が、
第１の測定期間において、前記送波器に前記チャープ波を送信するように第１の送信信号を出力して、応答する第１の受信信号を取得し、
前記第１の送信信号と前記第１の受信信号とに基づき、前記第１の送信信号と前記第１の受信信号との間の相関において規定される位相を示す第１の位相情報を抽出し、
前記第１の測定期間の後の第２の測定期間において、前記送波器に前記チャープ波を送信するように第２の送信信号を出力して、応答する第２の受信信号を取得し、
前記第２の送信信号と前記第２の受信信号とに基づき、前記第２の送信信号と前記第２の受信信号との間の相関において規定される位相を示す第２の位相情報を抽出し、
前記第１の位相情報と前記第２の位相情報との間の差分に応じて、前記第１及び第２の測定期間における前記物体の変位を検知する
変位検知方法。

【請求項10】

請求項９に記載の変位検知方法を前記制御部に実行させるためのプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、広帯域超音波等の送受信に基づき物体の微小な変位を検知する変位検知装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

非特許文献１は、超音波診断において心臓壁の微小振動による微小変位を経皮測定する方法を開示している。非特許文献１の方法は、胸部表面の超音波トランスデューサにより少なくとも２回、超音波高周波信号を送信して、心臓壁で反射した受信信号を受信する。位相差トラッキング法を用いる当該方法は、２回分の各受信信号を直交復調して得られた複素信号の位相差を計算し、受信信号の位相変化から、受信信号の遅延時間の変化を推定する。これにより、非特許文献１の方法は、超音波トランスデューサと接触した体表面における微小変位の検知を図っている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】H. Kanai, M. Sato, Y. Koiwa and N. Chubachi, "Transcutaneous measurement and spectrum analysis of heart wall vibrations," in IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 43, no. 5, pp. 791-810, Sept. 1996, doi: 10.1109/58.535480.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の目的は、物体の微小な変位を精度良く検知することができる変位検知装置及び方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明に係る変位検知装置は、送波器と、受波器と、制御部とを備える。送波器は、物体に、複数の周波数を有する変調波を送信する。受波器は、物体からの反射波を受信して、受信結果を示す受信信号を生成する。制御部は、送波器による変調波の送信を制御して、受波器から受信信号を取得する。制御部は、第１の測定期間において、送波器に変調波を送信するように第１の送信信号を出力して、応答する第１の受信信号を取得する。制御部は、第１の送信信号と第１の受信信号とに基づき、第１の送信信号と第１の受信信号との間の相関において規定される位相を示す第１の位相情報を抽出する。制御部は、第１の測定期間の後の第２の測定期間において、送波器に変調波を送信するように第２の送信信号を出力して、応答する第２の受信信号を取得する。制御部は、第２の送信信号と第２の受信信号とに基づき、第２の送信信号と第２の受信信号との間の相関において規定される位相を示す第２の位相情報を抽出する。制御部は、第１の位相情報と第２の位相情報との間の差分に応じて、第１及び第２の測定期間における物体の変位を検知する。

【0006】

本発明は、方法及びコンピュータプログラム、並びにこれらの組み合わせによっても、実現可能である。

【発明の効果】

【0007】

本発明に係る変位検知装置及び方法によると、物体の微小な変位を精度良く検知することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態１における変位検知装置の概要を説明するための図

【図2】変位検知装置の構成を示すブロック図

【図3】変位検知装置における制御部の機能的構成を示すブロック図

【図4】変位検知装置における解析信号を説明するためのグラフ

【図5】図４の解析信号の包絡線及び位相曲線を例示するグラフ

【図6】変位検知装置の動作を例示するフローチャート

【図7】変位検知装置における送信信号及び受信信号を例示する図

【図8】変位検知装置の動作を説明するための図

【図9】変位検知装置における解析信号の位相抽出処理を例示するフローチャート

【図10】解析信号の位相抽出処理を説明するための図

【図11】変位検知装置におけるフレーム間の変位算出処理を例示するフローチャート

【図12】フレーム間の変位算出処理を説明するための図

【図13】変位検知装置を用いた心拍計測を説明するための図

【図14】変位検知装置における測定フレームレートと定位精度の関係を示す図

【図15】変位検知装置における受信信号のＳＮＲと定位精度の関係を示す図

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付の図面を参照して本発明に係る変位検知装置の実施の形態を説明する。

【0010】

（実施形態１）
実施形態１では、熱励起型の音波発生デバイスであるサーモホンを用いて構成される変位検知装置の一例を説明する。

【0011】

１．構成
１－１．概要
実施形態１に係る変位検知装置の概要を、図１を用いて説明する。

【0012】

図１は、本実施形態の変位検知装置１の概要を説明するための図である。本実施形態の変位検知装置１は、サーモホンを用いた音波の送受信により、物体３までの距離等の情報を検知する装置である。

【0013】

変位検知装置１は、例えば医療用途において、患者の心拍または呼吸を測定するために利用可能である。この場合の検知対象の物体３は、例えば患者の体表面を含む。また、変位検知装置１は、医療用途に限らず種々の用途に適用可能である。例えば、車載用途において自動車の運転者または乗員等が、変位検知装置１の検知対象であってもよい。また、検知対象の物体３は人物等の生体に限らず、物品等であってもよい。変位検知装置１は、例えば工業用途において容器の検品等に適用されてもよく、容器表面にラベルが貼付けされた部分までの微小な距離の変化を測定するために利用されてもよい。

【0014】

変位検知装置１では、このような微小な距離等の情報の検知において、周波数が時間的に変化するチャープ波が物体３に送信され、チャープ波が物体３で反射された反射波、即ちエコーが受信される。変位検知装置１では、サーモホンを用いることで、チャープ波のような広帯域の周波数特性を有する音波の発生が可能である。

【0015】

本実施形態の変位検知装置１は、上記のような音波の送受信を繰り返して、物体３までの距離の変化、すなわち物体３の変位を検知する。以下、変位検知装置１の構成の詳細を説明する。

【0016】

１－２．装置構成
本実施形態の変位検知装置１の構成を、図１及び図２を用いて説明する。図２は、変位検知装置１の構成を示すブロック図である。

【0017】

本実施形態の変位検知装置１は、例えば図２に示すように、送波器１０と、受波器１１と、制御部１３と、記憶部１４とを備える。送波器１０と受波器１１とは、例えば図１に示すように、変位検知装置１において物体３と対向する側面に、互いに近接して配置される。送波器１０及び受波器１１は、例えば各種信号線を介して制御部１３と通信可能に接続される。

【0018】

本実施形態の送波器１０は、サーモホンを音源として含んで構成される。送波器１０は、例えば２０ｋＨｚ以上の周波数を有する超音波を発生させる。送波器１０は、サーモホンにより、例えば２０ｋＨｚから１００ｋＨｚ程度までのような広帯域において周波数を変調させたチャープ波を発生可能である。本実施形態の送波器１０は、例えば時間とともに周波数が線形に変化するリニア周波数チャープによるチャープ波を発生させる。また、送波器１０は、サーモホンを用いることで小型かつ軽量に構成可能である。

【0019】

送波器１０は、サーモホンを駆動する駆動回路などを含んでもよい。送波器１０は、例えば制御部１３から入力された送信信号に基づいて、駆動回路によりサーモホンを駆動することで、音波を発生させる。送波器１０の駆動回路により、発生させる音波の周波数帯域、周波数を変化させる期間を示すチャープ長、強度、信号長、及び指向性等が設定されてもよい。送波器１０は、必ずしも超音波に限らず、種々の周波数帯の音波を発生させてもよい。送波器１０は、特に指向性を持たない各種の無指向性音源であってもよく、可変又は固定の指向性音源であってもよい。

【0020】

送波器１０は、空気を加熱して音波を発生させるサーモホンの構成として、例えば発熱体と、断熱層と、基板と、電極とを備える。発熱体及び断熱層は、基板上に積層される。発熱体は、抵抗体で構成され、電極を介して駆動回路からの電流を流すことで発熱する。発熱体は、空気に接触する放音面を形成するように設けられ、放音面の周囲の空気を温度変化により膨張又は収縮させる。これにより、放音面の近傍から空気の圧力即ち音波が発生する。断熱層は、発熱体と基板との間に設けられ、発熱体から放音面とは反対側への熱伝導を抑制する。基板は、発熱体から伝動した熱を放熱する。

【0021】

受波器１１は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）マイクロホン等のマイクロホンで構成される。受波器１１は、物体３からのエコーを受信して、受信結果を示す受信信号を生成する。受波器１１と送波器１０との間隔は、例えば想定される検知時の変位検知装置１から物体３までの距離を考慮して、予め設定される。受波器１１は、ＭＥＭＳマイクロホンに限らず、例えば送波器１０から送信される広帯域の超音波を受信可能な周波数特性を有する他のマイクロホンで構成されてもよい。例えば受波器１１には、コンデンサマイクロホンが用いられてもよい。受波器１１は、無指向性であってもよいし、種々の指向性を適宜、有してもよい。

【0022】

制御部１３は、変位検知装置１の全体動作を制御する。制御部１３は、例えばマイクロコンピュータで構成され、ソフトウェアと協働して所定の機能を実現する。制御部１３は、記憶部１４に格納されたデータ及びプログラムを読み出して種々の演算処理を行い、各種の機能を実現する。制御部１３は、例えば送波器１０にチャープ波を発生させるための送信信号を生成して、送波器１０に出力する。制御部１３は、例えば生成した送信信号を記憶部１４に保持する。制御部１３の詳細については後述する。

【0023】

なお、制御部１３は、所定の機能を実現するように設計された専用の電子回路や再構成可能な電子回路などのハードウェア回路であってもよい。制御部１３は、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の種々の半導体集積回路で構成されてもよい。また、制御部１３は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ及びデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータを含んで構成されてもよく、各種信号にＡ／Ｄ変換またはＤ／Ａ変換を適用してもよい。

【0024】

記憶部１４は、制御部１３の機能を実現するために必要なプログラム及びデータを記憶する記憶媒体であり、例えばフラッシュメモリで構成される。例えば記憶部１４は、制御部１３により生成された送信信号を記憶する。

【0025】

１－３．制御部について
本実施形態の変位検知装置１における制御部１３の詳細を、図３を用いて説明する。

【0026】

図３は、制御部１３の機能的構成を示すブロック図である。制御部１３は、例えば機能部として、図３に示すように、ＦＦＴ部１３１ａ，１３１ｂ、クロススペクトル演算部１３２、ヒルベルト変換部１３３、ＩＦＦＴ部１３４ａ，１３４ｂ、及び解析処理部１３５を含む。各機能部１３１～１３５は、それぞれ高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、クロススペクトル演算、ヒルベルト変換、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）、及び後述する解析処理の各機能をそれぞれ実現する。

【0027】

制御部１３は、例えば記憶部１４から送信信号Ｓｄ、及び受波器１１から受信信号Ｓｒを入力して、各機能部１３１～１３５による信号処理を行う。各機能部１３１～１３５は、例えば後述するような所定の測定フレームレート（例えば、３０フレーム／秒）で周期的に動作可能である。

【0028】

各機能部１３１～１３５のうち、ＦＦＴ部１３１からＩＦＦＴ部１３４までによる一連の処理は、フレーム毎の送信信号Ｓｄと受信信号Ｓｒとに基づく解析信号を生成するために行われる。解析信号は、送信信号Ｓｄと受信信号Ｓｒとの相互相関関数により構成される複素信号であり、変位検知装置１における変位の検知に用いられる。相互相関関数は、２つの信号Ｓｄ，Ｓｒ間の相関を時間領域において示す。

【0029】

ＦＦＴ部１３１ａは、制御部１３に入力された送信信号Ｓｄにおいて、高速フーリエ変換を演算し、時間領域から周波数領域に変換した変換結果をクロススペクトル演算部１３２に出力する。ＦＦＴ部１３１ｂは、制御部１３に入力された受信信号Ｓｒにおいて、送信信号Ｓｄと同様に高速フーリエ変換を演算し、変換結果をクロススペクトル演算部１３２に出力する。

【0030】

クロススペクトル演算部１３２は、ＦＦＴ部１３１による各信号Ｓｄ，Ｓｒのフーリエ変換の結果からクロススペクトルを演算して、ヒルベルト変換部１３３及びＩＦＦＴ部１３４ｂに出力する。クロススペクトルは、送信信号Ｓｄと受信信号Ｓｒとの相互相関関数のフーリエ変換に対応し、クロススペクトルにフーリエ逆変換を適用することで、相互相関関数が得られる。

【0031】

ヒルベルト変換部１３３は、クロススペクトル演算部１３２によるクロススペクトルのヒルベルト変換を演算して、クロススペクトルの各周波数成分をπ／２ずつシフトした変換結果をＩＦＦＴ部１３４ａに出力する。

【0032】

ＩＦＦＴ部１３４ａは、ヒルベルト変換が適用されたクロススペクトルにおいて、逆高速フーリエ変換を演算して、周波数領域から時間領域に変換した変換結果を解析処理部１３５に出力する。ＩＦＦＴ部１３４ｂは、クロススペクトル演算部１３２によるクロススペクトルにおいて、逆高速フーリエ変換を演算して、変換結果を解析処理部１３５に出力する。

【0033】

以上の演算処理により、ＩＦＦＴ部１３４ｂによる変換結果として、送受信信号Ｓｄ，Ｓｒ間の相互相関関数を示す信号Ｉが出力され、ＩＦＦＴ部１３４ａによる変換結果として、信号Ｉと直交関係にある信号Ｑが出力される。

【0034】

解析処理部１３５は、各信号Ｉ，Ｑをそれぞれ実数部及び虚数部として有する解析信号を生成し、解析信号に関する処理を行う。このように送信信号Ｓｄと受信信号Ｓｄとに基づいて生成された解析信号は、複素領域における解析関数を示す。以下では、上記各信号Ｉ，Ｑをそれぞれ解析信号の同相成分Ｉ及び直交成分Ｑという。

【0035】

以上のような制御部１３の各種機能は、例えば記憶部１４に格納されたプログラムにより実現されてもよく、各種機能の一部または全部がハードウェア回路により実現されてもよい。また、制御部１３において、相互相関関数は、フーリエ変換後にクロススペクトルを演算後に逆フーリエ変換を行う処理に代えて、例えば送受信信号Ｓｄ，Ｓｒから直接に積和演算処理により計算されてもよい。例えば制御部１３は、積和演算を行うＦＰＧＡ等の回路を備えてもよい。また、制御部１３における解析信号の生成は、ヒルベルト変換に限らず、例えば直交検波の機能により実現されてもよい。

【0036】

２．動作
以上のように構成される変位検知装置１の動作について、以下説明する。

【0037】

２－１．動作の概要
本実施形態の変位検知装置１において物体３の変位を検知する動作の概要について、図１、図４及び図５を用いて説明する。

【0038】

本実施形態の変位検知装置１は、例えば図１に示すように、送波器１０から１回のチャープ波を物体３に送信して、当該チャープ波のエコーを受波器１１で受信する動作を１フレームの測定動作として、各フレームの測定動作を順次実行する。変位検知装置１において、制御部１３は、測定フレーム毎に、送信信号と受信信号との相関を解析するように解析信号を生成する。

【0039】

図４は、変位検知装置１における解析信号ｚ（ｔ）を説明するためのグラフである。図４では、１フレーム分の解析信号ｚ（ｔ）を例示する。解析信号ｚ（ｔ）は、送信信号と受信信号との相互相関関数を示す同相成分Ｉ（ｔ）を実部として含み、対応する直交成分Ｑ（ｔ）を虚部として含むことで複素化され、複素数の値域を有する。

【0040】

変位検知装置１は、例えば解析信号ｚ（ｔ）の包絡線Ｅ（ｔ）＝｜ｚ（ｔ）｜を求めて、ピーク時刻ｔ_０を検出する。ピーク時刻ｔ_０は、１フレームの解析信号ｚ（ｔ）において振幅｜ｚ（ｔ）｜が最大となるタイミングであり、当該フレームのチャープ波の送受信において物体３による反射時に対応するタイミングと考えられる。

【0041】

ここで、解析信号ｚ（ｔ）の包絡線Ｅ（ｔ）のみの解析による変位量の測定手法が、従来提案されている。この測定手法は、フレーム毎に包絡線Ｅ（ｔ）のピーク時刻を検出して、連続２フレームの各ピーク時刻を互いに比較することで変位量を測定する。しかしながら、この測定手法では、包絡線Ｅ（ｔ）からピーク時刻を検出するための分解能が変位量の測定限界となったり、包絡線Ｅ（ｔ）における雑音が影響したりして、微小な変位を精度良く検知し難い事態が考えられる。

【0042】

そこで、本実施形態の変位検知装置１は、相互相関関数を複素化した解析信号ｚ（ｔ）において、包絡線Ｅ（ｔ）には含まれない情報である位相∠ｚ（ｔ）を解析する。図５（ａ）は、図４の解析信号ｚ（ｔ）の包絡線Ｅ（ｔ）を例示する。図５（ｂ）は、図４の解析信号ｚ（ｔ）の位相曲線θ（ｔ）を例示する。

【0043】

位相曲線θ（ｔ）は、解析信号ｚ（ｔ）における複素数の値域において規定される位相∠ｚ（ｔ）と、時刻ｔとの対応関係を示す。図５（ｂ）に例示する位相曲線θ（ｔ）は、図５（ａ）の包絡線Ｅ（ｔ）における振動に連動した鋸状のグラフ形状において、急峻な勾配を有している。位相曲線θ（ｔ）の勾配は、解析信号ｚ（ｔ）における時刻ｔ毎の周波数（即ち瞬時周波数）で規定される。

【0044】

フレーム毎の解析信号ｚ（ｔ）の位相曲線θ（ｔ）において、当該フレームのピーク時刻ｔ_０における位相∠ｚ（ｔ_０）は、理論的にはゼロ値であり、実装上の各種雑音に応じたオフセット値を有すると考えられる。また、位相曲線θ（ｔ）において、包絡線Ｅ（ｔ）のピーク時刻ｔ_０近傍では比較的、線形性が高いと理論上考えられる。

【0045】

本実施形態の変位検知装置１は、例えば、連続する２フレーム間で一方のフレームにおけるピーク時刻ｔ_０を基準として２フレーム間の位相差を算出して、位相差からの換算により物体３の変位量を測定する。これにより、例えば上述した分解能よりも微小な範囲まで高精度に物体３の変位を検知できる。例えば、こうした位相差からの換算では、位相曲線θ（ｔ）の勾配の急峻さに応じて微小な変位量を算出可能である。

【0046】

２－２．動作の詳細
本実施形態の変位検知装置１の動作の詳細について、図３～図１２を用いて説明する。

【0047】

図６は、変位検知装置１の動作を例示するフローチャートである。図７は、変位検知装置１における送信信号Ｓｄ及び受信信号Ｓｒを例示する図である。図８は、変位検知装置１の動作を説明するための図である。図６のフローチャートに示す各処理は、変位検知装置１の制御部１３によって、例えば２フレーム毎といった所定の周期で繰り返し実行される。

【0048】

図７（ａ）は、送波器１０からのチャープ波を発生させる送信信号Ｓｄを例示する。図７（ｂ）は、図７（ａ）に応答する受波器１１の受信信号Ｓｒを例示する。図８（ａ）は、１フレーム目及び２フレーム目の各解析信号ｚ（ｔ）の包絡線Ｅ１，Ｅ２を例示する。図８（ｂ）は、１フレーム目及び２フレーム目の各解析信号ｚ（ｔ）の位相曲線θ１，θ２を例示する。図８では、１フレーム目の包絡線Ｅ１及び位相曲線θ１において、解析信号ｚ（ｔ）のサンプリング点のうちピーク時刻ｔ_０近傍の５点を図示している。サンプリング点は、離散信号として生成される解析信号ｚ（ｔ）における各時刻ｔ_ｉの信号値ｚ（ｔ_ｉ）を示す。

【0049】

図６のフローチャートにおいて、まず、変位検知装置１の制御部１３は、送信信号Ｓｄを送波器１０に出力して、送信信号Ｓｄに基づくチャープ波を送信するように送波器１０を制御する（Ｓ１）。図７（ａ）の送信信号Ｓｄによれば、送波器１０から、チャープ長Ｔｃにわたり周波数が時間的に変化するチャープ波が送信される。チャープ長Ｔｃは、フレーム間の時間間隔より短い期間に設定される。

【0050】

本実施形態の変位検知装置１は、送信信号Ｓｄとして、パルス間隔変調によるチャープ信号を用いる。パルス間隔変調は、図７（ａ）に例示するように、連続するパルス同士の間隔を時間的に変化させる。本実施形態においてサーモホンで構成される送波器１０では、各パルスがオン状態である期間において、駆動回路による電力の消費が大きい。パルス間隔変調によれば、送波器１０における消費電力を抑制することができる。

【0051】

図７（ａ）の例では、送信信号Ｓｄは、周波数が時間的に減少するダウンチャープ信号であるが、周波数が時間的に増加するアップチャープ信号であってもよい。こうしたチャープ波によれば、例えば非特許文献１のように高周波の単一周波数による超音波を用いるよりも、空気中を伝搬する際の減衰を抑制して、精度良く変位の検知を行うことができる。

【0052】

図６に戻り、チャープ波の送信後（Ｓ１）、制御部１３は、受波器１１から１フレーム目の受信結果を示す受信信号Ｓｒを取得する（Ｓ２）。１フレーム目の受信結果は、ステップＳ１で送信されたチャープ波に応答するエコーを示す。図７（ｂ）では、図７（ａ）の連続パルスの立ち上がりから、チャープ波の送信時からエコーの受信時までの時間差、即ちチャープ波の伝搬期間に応じて遅れた受信信号Ｓｒが受信されている。

【0053】

次に、制御部１３は、１フレーム目の送信信号Ｓｄ及び受信信号Ｓｒに基づいて、信号Ｓｄ，Ｓｒ間の相互相関関数を演算することで解析信号ｚ（ｔ）を生成し、解析信号ｚ（ｔ）において位相情報を抽出する処理を行う（Ｓ３）。こうした解析信号の位相抽出処理（Ｓ３）において、制御部１３は、例えば記憶部１４に保持された送信信号Ｓｄ、及びステップＳ２で取得した受信信号Ｓｒに基づき、図３の各機能部１３１～１３５として、解析信号ｚ（ｔ）の生成及び処理を行う。

【0054】

信号Ｓｄ，Ｓｒ間の相互相関関数ｃ（τ）は、次式で表される。

【数1】

ここで、Ｔは１フレーム分の周期、τは遅延時間である。相互相関関数ｃ（τ）は、２つの信号Ｓｄ，Ｓｒが遅延時間τを有するときの相関を示す。

【0055】

制御部１３は、例えば図３のＦＦＴ部１３１、クロススペクトル演算部１３２及びＩＦＦＴ部１３４ｂとして機能して、信号Ｓｄ，Ｓｒ間のクロススペクトルから逆フーリエ変換を演算することで、相互相関関数ｃ（τ）を示す同相成分Ｉ（ｔ）を出力する。また、制御部１３は、ＦＦＴ部１３１、クロススペクトル演算部１３２、ヒルベルト変換部１３３及びＩＦＦＴ部１３４ａとして機能して、クロススペクトルのヒルベルト変換から逆フーリエ変換を演算することで、相互相関関数ｃ（τ）のヒルベルト変換を示す直交成分Ｑ（ｔ）を出力する。これにより、各成分Ｉ（ｔ），Ｑ（ｔ）から解析信号ｚ（ｔ）＝Ｉ（ｔ）＋ｊＱ（ｔ）が得られる（ｊは虚数単位）。

【0056】

解析信号の位相抽出処理（Ｓ３）では、制御部１３は、解析信号ｚ（ｔ）の包絡線Ｅ（ｔ）からピーク時刻ｔ_０を検出し、位相∠ｚ（ｔ）からピーク時刻ｔ_０の位相∠ｚ（ｔ_０）を含む位相情報を抽出する。図８（ａ），（ｂ）は、図５（ａ），（ｂ）に対応して、ピーク時刻ｔ_０付近を拡大して示す。図８（ａ）の例では、１フレーム目の包絡線Ｅ１においてピーク時刻ｔ_０が検出されている。図８（ｂ）に示す１フレーム目の位相曲線θ１上の位相∠ｚ（ｔ）からは、ピーク時刻ｔ_０を基準として位相情報が抽出される。解析信号の位相抽出処理（Ｓ３）の詳細は後述する。

【0057】

続いて、制御部１３は、ステップＳ１，Ｓ２と同様に、２回目のチャープ波の送受信を行い、２フレーム目の送信信号Ｓｄに応じた受信信号Ｓｒを受信する（Ｓ４，Ｓ５）。

【0058】

制御部１３は、１フレーム目の位相情報と、２フレーム目の送受信信号Ｓｄ，Ｓｒから生成した解析信号ｚ（ｔ）の位相情報とを用いて、２フレーム間の位相情報の差分に応じて物体３の変位量Δｘを算出する処理を行う（Ｓ６）。こうしたフレーム間の変位算出処理（Ｓ６）において、制御部１３は、例えば図３に示す各機能部１３１～１３５として２フレーム目の解析信号ｚ（ｔ）を生成し、２フレーム目の位相情報を抽出する。

【0059】

フレーム間の変位算出処理（Ｓ６）において、制御部１３は、例えば図３の解析処理部１３５として機能して、各フレームの位相情報の差分を演算する。まず、制御部１３は、図８（ｂ）に示す２フレーム目の位相曲線θ２上の位相∠ｚ（ｔ）から、例えば１フレーム目のピーク時刻ｔ_０を基準として、２フレーム目の位相情報を抽出する。次に、制御部１３は、各フレームの位相情報の差分により、ピーク時刻ｔ_０におけるフレーム間の位相差Δφを演算する。制御部１３は、このようなピーク位相差Δφからの換算により、フレーム間の変位量Δｘを算出する。

【0060】

フレーム間の変位量Δｘは、次式（１）のように表される。

【数2】

ここで、ｃは音速、πは円周率、ｆｃは解析信号ｚ（ｔ）の中心周波数である。ｆｃは、本実施形態におけるフレーム間の変位算出処理（Ｓ６）では、１フレーム目の解析信号ｚ（ｔ）から決定され、ピーク時刻ｔ_０における位相∠ｚ（ｔ_０）の勾配（即ち瞬時周波数）として算出される。フレーム間の変位算出処理（Ｓ６）の詳細は後述する。

【0061】

以上の処理によると、変位検知装置１は、１回目のチャープ波の送受信（Ｓ１，Ｓ２）による解析信号ｚ（ｔ）の位相情報を抽出し（Ｓ３）、２回目の送受信（Ｓ４，Ｓ５）による解析信号ｚ（ｔ）とのピーク位相差Δφから換算した変位量Δｘを算出する（Ｓ６）。これにより、例えば受信信号Ｓｒの空気中における減衰及びノイズの重畳などに起因する検知誤差を低減でき、物体３と非接触の状態においても物体３の微小な変位を精度良く検知することができる。さらに、このような変位検知装置１によれば、物体３と非接触の状態において検知が可能であるため、微小な変位を検知し易くすることができる。

【0062】

変位の検知においては、従来から、解析信号ｚ（ｔ）のピーク時刻の変化に基づき物体３までの距離を推定することを２回分行って、各回の距離の差分を変位量Δｘとして算出する方法が知られている。こうしたピーク時刻から距離を推定する方法では、微小な変位の検知において、ピーク時刻の変化が、例えば図８（ａ）に示すような解析信号ｚ（ｔ）のサンプリング点の時間間隔、即ちサンプリングレートよりも小さい場合に、変位を検知することが困難である。これに対して、本実施形態の変位検知装置１によれば、このような場合であっても、チャープ波の送受信により得られたピーク位相差Δφから変位量Δｘに換算して、微小な変位を精度良く検知することができる。

【0063】

さらに、上記の距離を推定する従来法では、気流等による音波の伝搬期間が変動すると推定精度の低下を招く。これに対して、本実施形態の変位検知装置１では、距離の推定によらず、フレーム間といった短期間の変位量Δｘを直接算出する。これにより、例えば気流等による伝搬期間への影響を抑制できる観点からも、精度良く変位の検知を行うことができる。

【0064】

上記のフレーム間の変位算出処理（Ｓ６）では、２フレーム目の解析信号ｚ（ｔ）については位相情報のみを用いる例を説明した。これに代えて、変位検知装置１は、例えば２フレーム目の解析信号ｚ（ｔ）においてもピーク時刻を検出して、１フレーム目のピーク時刻ｔ_０とともに変位量Δｘの算出に用いてもよく、次の実行周期における解析信号の位相抽出処理（Ｓ３）に用いてもよい。また、フレーム間の変位算出処理（Ｓ６）において、２フレーム目のピーク時刻を基準にピーク位相差が算出されてもよい。変位検知装置１は、例えば１フレーム目に代えて、２フレーム目の解析信号ｚ（ｔ）においてピーク時刻を検出してもよい。

【0065】

また、上記の図６の処理は、２フレーム毎の周期で実行される例を説明したが、上記の例とは別の周期で実行されてもよい。例えば図６の処理は、１フレーム毎に実行されてもよく、２回目のチャープ波の送受信（Ｓ４，Ｓ５）における送受信信号Ｓｄ，Ｓｒを保持しておき、次の実行周期では保持された各信号Ｓｄ，Ｓｒに基づいて解析信号の位相抽出処理（Ｓ３）から開始されてもよい。

【0066】

２－２－１．解析信号の位相抽出処理
図６のステップＳ３における解析信号の位相抽出処理の詳細を、図９及び図１０を用いて説明する。

【0067】

図９は、本実施形態の変位検知装置１における解析信号の位相抽出処理（Ｓ３）を例示するフローチャートである。図１０は、解析信号の位相抽出処理（Ｓ３）を説明するための図である。図１０（ａ），（ｂ）は、それぞれピーク時刻ｔ_０近傍の時間範囲における解析信号ｚ（ｔ）の振幅│ｚ（ｔ）│及び位相∠ｚ（ｔ）を示す。

【0068】

図９のフローチャートに示す処理は、例えば図６のステップＳ１，Ｓ２における１フレーム目の送信信号Ｓｄ及び受信信号Ｓｒが保持された状態で開始される。

【0069】

まず、変位検知装置１の制御部１３は、送信信号Ｓｄ及び受信信号Ｓｒによる解析信号ｚ（ｔ）の振幅│ｚ（ｔ）│においてピーク時刻ｔ_０を検出する（Ｓ１１）。制御部１３は、例えば図３に示すＦＦＴ部１３１～ＩＦＦＴ部１３４として、送信信号Ｓｄ及び受信信号Ｓｒから同相成分Ｉと直交成分Ｑとを算出する。制御部１３は、例えば図３の解析処理部１３５として、同相成分Ｉと直交成分Ｑとの２乗和の平方根により、包絡線Ｅ（ｔ）＝│ｚ（ｔ）│を算出する。制御部１３は、包絡線Ｅ（ｔ）に基づき、振幅│ｚ（ｔ）│が最大となる時刻をピーク時刻ｔ_０＝ａｒｇｍａｘ│ｚ（ｔ）│として検出する。

【0070】

次に、制御部１３は、ピーク時刻ｔ_０の近傍における解析信号ｚ（ｔ）のサンプリング点を所定数（例えば５点）特定して、各サンプリング点の位相∠ｚ（ｔ）を位相情報として抽出する（Ｓ１２）。図１０（ａ）の例では、ピーク時刻ｔ_０を中心に、前後２つずつのサンプリング時刻ｔ_－２，ｔ_－１，ｔ_１及びｔ_２における解析信号の５点がサンプリング点として特定される。図１０（ｂ）では、図１０（ａ）で特定された各サンプリング点の位相∠ｚ（ｔ）として、各サンプリング時刻ｔ_－２～ｔ_２における解析信号ｚ（ｔ）の位相φ_－２，φ_－１，φ_０，φ_１及びφ_２が抽出される。

【0071】

時刻ｔ_ｉにおける解析信号の位相φ_ｉ＝∠ｚ（ｔ_ｉ）は、時刻ｔ_ｉの同相成分Ｉ（ｔ_ｉ）及び直交成分Ｑ（ｔ_ｉ）により次式のように表される。
∠ｚ（ｔ_ｉ）＝ａｒｃｔａｎ（Ｑ（ｔ_ｉ）／Ｉ（ｔ_ｉ））

【0072】

制御部１３は、例えば記憶部１４に、ピーク時刻ｔ_０近傍のサンプリング時刻ｔ_－２～ｔ_２、及び抽出したサンプリング点の位相φ_－２～φ_２を保持する。

【0073】

制御部１３は、例えば最小二乗法により、抽出したサンプリング点の位相φ_－２～φ_２に対する回帰直線の傾き即ち回帰係数を、解析信号ｚ（ｔ）の中心周波数に対応する瞬時周波数ｆｃとして算出する（Ｓ１３）。図１０（ｂ）の例では、瞬時周波数ｆｃとして、位相φ_－２～φ_２に対する回帰直線Ｌ１の傾きが算出される。

【0074】

制御部１３は、例えば算出した瞬時周波数ｆｃを記憶部１４に保持して、解析信号の位相抽出処理（Ｓ３）を終了する。その後、図６のステップＳ４へ進む。

【0075】

以上の解析信号の位相抽出処理（Ｓ３）によると、解析信号ｚ（ｔ）の振幅│ｚ（ｔ）│におけるピーク時刻ｔ_０を検出後（Ｓ１１）、ピーク時刻ｔ_０近傍のサンプリング点の位相φ_－２～φ_２が抽出される（Ｓ１２）。そして、抽出した各サンプリング点の位相への回帰直線Ｌ１から、解析信号ｚ（ｔ）の瞬時周波数ｆｃが算出される（Ｓ１３）。これにより、解析信号ｚ（ｔ）において、複数のサンプリング点の位相φ_－２～φ_２を用いることで、精度良く瞬時周波数ｆｃを算出して、フレーム間の変位算出処理（Ｓ６）を行うことができる。

【0076】

上記の解析信号の位相抽出処理（Ｓ３）では、ピーク近傍における５点のサンプリング点を特定して、位相∠ｚ（ｔ）の抽出に用いる例を説明した。ピーク近傍のサンプリング点は、５点に限らず、例えばピーク時刻ｔ_０と、ピーク時刻ｔ_０の前後１つずつのサンプリング時刻との３点が用いられてもよい。

【0077】

２－２－２．フレーム間の変位算出処理
図６のステップＳ６におけるフレーム間の変位算出処理の詳細を、図１１及び図１２を用いて説明する。

【0078】

図１１は、本実施形態の変位検知装置１におけるフレーム間の変位算出処理（Ｓ６）を例示するフローチャートである。図１２は、フレーム間の変位算出処理（Ｓ６）を説明するための図である。図１２は、１フレーム目及び２フレーム目の各解析信号ｚ（ｔ）の位相曲線θ１，θ２を示す。

【0079】

図１１のフローチャートに示す各処理は、例えば図６のステップＳ３～Ｓ５で得られた１フレーム目の解析信号ｚ（ｔ）の位相φ_－２～φ_２及びピーク近傍のサンプリング時刻ｔ_－２～ｔ_２、及び２フレーム目の送受信信号Ｓｄ，Ｓｒを保持した状態で開始される。

【0080】

まず、制御部１３は、２フレーム目の送受信信号Ｓｄ，Ｓｒによる解析信号ｚ（ｔ）において、例えば１フレーム目のピーク時刻ｔ_０近傍の各サンプリング時刻ｔ_－２～ｔ_２における位相を、２フレーム目の位相情報として算出する（Ｓ２１）。制御部１３は、例えば解析信号の位相抽出処理（Ｓ３）における１フレーム目の解析信号ｚ（ｔ）の生成と同様に、２フレーム目の解析信号ｚ（ｔ）を生成する。図１２の例では、生成された２フレーム目の解析信号ｚ（ｔ）において、位相曲線θ２上の位相∠ｚ（ｔ）のうちの各サンプリング時刻ｔ_－２～ｔ_２の位相ψ_－２，ψ_－１，ψ_０，ψ_１及びψ_２が算出される。

【0081】

次に、制御部１３は、各サンプリング時刻ｔ_－２～ｔ_２におけるフレーム間の位相差を算出する（Ｓ２２）。図１２では、サンプリング時刻ｔ_－２～ｔ_２毎に、１フレーム目の位相φ_－２～φ_２と２フレーム目の位相ψ_－２～ψ_２との差分が、それぞれ位相差Δφ_－２，Δφ_－１，Δφ_０，Δφ_１及びΔφ_２として算出される。

【0082】

制御部１３は、各サンプリング時刻ｔ_－２～ｔ_２における１フレーム目と２フレーム目との位相差Δφ_－２～Δφ_２の平均を、フレーム間のピーク位相差Δφとして算出する（Ｓ２３）。

【0083】

制御部１３は、ピーク位相差Δφから、例えば１フレーム目の瞬時周波数ｆｃを用いて、上述した式（１）に示す換算によりフレーム間の変位量Δｘを算出する（Ｓ２４）。

【0084】

以上のフレーム間の変位算出処理（Ｓ６）によると、１フレーム目のピーク近傍のサンプリング時刻ｔ_－２～ｔ_２における２フレーム目との位相差Δφ_－２～Δφ_２から、ピーク位相差Δφが算出され（Ｓ２１～Ｓ２３）、ピーク位相差Δφに応じてフレーム間の変位量Δｘが算出される（Ｓ２４）。これにより、複数のサンプリング点の位相差Δφ_－２～Δφ_２を用いてピーク位相差Δφを推定して、ピーク位相差Δφに基づき精度良く変位を検知することができる。

【0085】

上記のフレーム間の変位算出処理（Ｓ６）では、ピーク位相差Δφとして各サンプリング時刻ｔ_－２～ｔ_２の位相差Δφ_－２～Δφ_２の平均を用いる例を説明した。ピーク位相差Δφは上記の例に限らず、例えば１フレーム目のピーク時刻ｔ_０におけるフレーム間の位相差Δφ_０が用いられてもよい。また、例えば解析信号の位相抽出処理（Ｓ３）のステップＳ１１と同様の処理により、２フレーム目の解析信号ｚ（ｔ）についてもピーク時刻を検出し、２フレーム目のピーク時刻の近傍における位相差も加えた平均により、ピーク位相差Δφが算出されてもよい。ピーク位相差Δφは、図１０（Ｂ）に例示する１フレーム目の回帰直線Ｌ１、及び２フレーム目の位相∠ｚ（ｔ）について回帰直線Ｌ１と同様に演算可能な回帰直線を示す関数から算出されてもよい。

【0086】

上記のステップＳ２４では、１フレーム目の瞬時周波数ｆｃを用いて変位量Δｘを算出する例を説明した。ステップＳ２４では、１フレーム目の瞬時周波数ｆｃに限らず、例えば解析信号の位相抽出処理（Ｓ３）のステップＳ１１～Ｓ１３と同様の処理により、２フレーム目の解析信号ｚ（ｔ）の位相∠ｚ（ｔ）から瞬時周波数が算出され、変位量Δｘの算出に用いられてもよい。また、１フレーム目の瞬時周波数ｆｃ及び２フレーム目の瞬時周波数の平均が変位量Δｘの算出に用いられてもよい。

【0087】

３．まとめ
以上のように、本実施形態の変位検知装置１は、送波器１０と、受波器１１と、制御部１３とを備える。送波器１０は、物体３に、複数の周波数を有する変調波の一例としてチャープ波を送信する。受波器１１は、物体３からの反射波（即ち、エコー）を受信して、受信結果を示す受信信号Ｓｒを生成する。制御部１３は、送波器１０によるチャープ波の送信を制御して、受波器から受信信号Ｓｒを取得する。制御部１３は、第１の測定期間の一例である１フレーム目において、送波器１０にチャープ波を送信するように第１の送信信号Ｓｄを出力して（Ｓ１）、応答する第１の受信信号Ｓｒを取得する（Ｓ２）。制御部１３は、第１の送信信号Ｓｄと第１の受信信号Ｓｒとに基づき、第１の送信信号Ｓｄと第１の受信信号Ｓｒとの間の相関において規定される位相を示す第１の位相情報を抽出する（Ｓ３）。制御部１３は、第１の測定期間の後の第２の測定期間の一例である２フレーム目において、送波器１０にチャープ波を送信するように第２の送信信号Ｓｄを出力して（Ｓ４）、応答する第２の受信信号Ｓｒを取得する（Ｓ５）。制御部１３は、第２の送信信号Ｓｄと第２の受信信号Ｓｒとに基づき、第２の送信信号Ｓｄと第２の受信信号Ｓｒとの間の相関において規定される位相を示す第２の位相情報を抽出する（Ｓ６）。制御部１３は、第１の位相情報と第２の位相情報との間の差分に応じて、第１及び第２の測定期間の一例として１フレーム目と２フレーム目のフレーム間における物体の変位を検知する（Ｓ６）。

【0088】

以上の変位検知装置１によると、第１の位相情報と第２の位相情報の差分に応じて、第１及び第２の測定期間における物体３の変位を検知することで、例えば図５（ｂ）に示すような位相の勾配の急峻さに応じて微小な変位を精度良く検知することができる。

【0089】

本実施形態において、制御部１３は、第１の送信信号Ｓｄと第１の受信信号Ｓｒとに基づき、第１の送信信号Ｓｄと第１の受信信号Ｓｒとの間の相関において規定される振幅│ｚ（ｔ）│及び位相∠ｚ（ｔ）を含む第１の解析信号ｚ（ｔ）を生成して、第１の解析信号ｚ（ｔ）から第１の位相情報の一例として１フレーム目の位相φ_－２～φ_２を抽出する（Ｓ３，Ｓ１１～１２）。制御部１３は、第２の送信信号Ｓｄと第２の受信信号Ｓｒとに基づき、第２の送信信号Ｓｄと第２の受信信号Ｓｒとの間の相関において規定される振幅│ｚ（ｔ）│及び位相∠ｚ（ｔ）を含む第２の解析信号ｚ（ｔ）を生成して、第２の解析信号ｚ（ｔ）から第２の位相情報の一例として２フレーム目の位相ψ_－２～ψ_２を抽出する（Ｓ６，Ｓ２１）。これにより、解析信号ｚ（ｔ）において振幅│ｚ（ｔ）│とは別に位相∠ｚ（ｔ）を解析して、位相情報を抽出することができる。

【0090】

本実施形態において、制御部１３は、第１の解析信号の振幅と第２の解析信号の振幅との少なくとも一方の振幅が最大となるタイミングの一例として、１フレーム目の解析信号ｚ（ｔ）の振幅｜ｚ（ｔ）｜が最大となるピーク時刻ｔ_０を検出し（Ｓ３，Ｓ１１）、検出したタイミングを基準として、第１の位相情報と第２の位相情報との間の差分の一例であるピーク位相差Δφを算出する（Ｓ６，Ｓ２１～Ｓ２４）。これにより、当該フレームのチャープ波の送受信において物体３による反射時に対応するタイミングを基準として、ピーク位相差Δφを算出することができる。

【0091】

本実施形態において、制御部１３は、第１の位相情報と第２の位相情報との間の差分の一例であるピーク位相差Δφと、ピーク時刻ｔ_０（基準のタイミングの一例）における位相∠ｚ（ｔ）の勾配の一例である瞬時周波数ｆｃとに基づいて、物体３の変位を示す変位量Δｘを測定する（Ｓ６，Ｓ２４）。これにより、瞬時周波数ｆｃを用いて、ピーク位相差Δφから変位量Δｘに換算することができる。

【0092】

本実施形態において、制御部１３は、第１の解析信号の包絡線と第２の解析信号の包絡線との少なくとも一方の包絡線の一例として、１フレーム目の解析信号ｚ（ｔ）の包絡線Ｅ（ｔ）を演算して、演算した包絡線Ｅ（ｔ）に基づき振幅｜ｚ（ｔ）｜が最大となるタイミングの一例であるピーク時刻ｔ_０を検出する（Ｓ１１）。これにより、同相成分Ｉと直交成分Ｑとの両成分から得られる包絡線Ｅ（ｔ）において、ピーク時刻ｔ_０を精度良く検出することができる。

【0093】

本実施形態において、制御部１３は、第１の送信信号Ｓｄと第１の受信信号Ｓｒとに基づき、第１の送信信号Ｓｄと第１の受信信号Ｓｒとの相互相関関数を複素化するように演算して、第１の解析信号ｚ（ｔ）を生成し（Ｓ３）、第２の送信信号Ｓｄと第２の受信信号Ｓｒとに基づき、第２の送信信号Ｓｄと第２の受信信号Ｓｒとの相互相関関数を複素化するように演算して、第２の解析信号ｚ（ｔ）を生成する（Ｓ６）。これにより、送信信号Ｓｄと受信信号Ｓｒとの相関を時間領域において示す相互相関関数から、複素化された解析信号ｚ（ｔ）の複素数の値域において規定される位相∠ｚ（ｔ）を演算することができる。

【0094】

本実施形態において、各送信信号Ｓｄは、リニア周波数チャープにより変調波を送波器１０に送信させる（Ｓ１，Ｓ４）。これにより、例えば異なる周波数から得られる情報を用いて、精度良く変位を検知することができる。

【0095】

本実施形態において、送波器１０は、変調波として複数の周波数を有する音波の一例であるチャープ波を送信するサーモホンを含む。これにより、送波器１０は、例えば２０ｋＨｚ～１００ｋＨｚ程度の広帯域超音波によるチャープ波を送信することができる。

【0096】

本実施形態における変位検知方法は、複数の周波数を有するチャープ波（変調波の一例）を物体３に送信する送波器１０を制御して、物体３からの反射波を受信する受波器１１から受信結果を示す受信信号を取得する制御部１３により実行される。制御部１３は、第１の測定期間の一例である１フレーム目において、送波器１０にチャープ波を送信するように第１の送信信号Ｓｄを出力して（Ｓ１）、応答する第１の受信信号Ｓｒを取得する（Ｓ２）。制御部１３は、第１の送信信号Ｓｄと第１の受信信号Ｓｒとに基づき、第１の送信信号Ｓｄと第１の受信信号Ｓｒとの間の相関において規定される位相を示す第１の位相情報を抽出する（Ｓ３）。制御部１３は、第１の測定期間の後の第２の測定期間の一例である２フレーム目において、送波器１０にチャープ波を送信するように第２の送信信号Ｓｄを出力して（Ｓ４）、応答する第２の受信信号Ｓｒを取得する（Ｓ５）。制御部１３は、第２の送信信号Ｓｄと第２の受信信号Ｓｒとに基づき、第２の送信信号Ｓｄと第２の受信信号Ｓｒとの間の相関において規定される位相を示す第２の位相情報を抽出する（Ｓ６）。制御部１３は、第１の位相情報と第２の位相情報との間の差分の一例であるピーク位相差Δφに応じて、第１及び第２の測定期間における物体の変位を検知する（Ｓ６）。

【0097】

本実施形態において、以上のような変位検知方法を制御部１３に実行させるためのプログラムが提供される。以上の変位検知方法及びプログラムによると、物体３の微小な変位を精度良く検知することができる。

【0098】

（実施例）
以上の実施形態１に関する実施例について、図１３～図１５を用いて説明する。

【0099】

図１３は、本実施形態の変位検知装置１を用いた心拍計測を説明するための図である。図１３（ａ）は、変位検知装置１を用いた心拍計測システムの構成例を示す。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の心拍計測システムによる計測結果を示す。図１４及び図１５は、変位検知装置１の動作についてのシミュレーション結果を示す。

【0100】

図１３（ａ）に例示する心拍計測システム２は、変位検知装置１により、例えば着衣の被験者３０において心拍による体表面の微小な変位を検知することで、被験者３０の心拍を非接触状態で計測するために用いられる。図１３（ａ）の心拍計測システム２においては、変位検知装置１による計測とともに、参照用の心電計４によっても被験者３０の心拍が計測される。

【0101】

図１３（ｂ）は、変位検知装置１により検知されたフレーム間の変位Ｒ１と、心電計４により計測された心拍波形Ｒ０とを示す。図１３（ｂ）の横軸は時間（秒単位）、左側の縦軸は変位（ミリメートル単位）、右側の縦軸は心拍波形の電圧（ボルト単位）を示す。図１３（ｂ）では、心拍波形Ｒ０と同期して時間的に変化する変位Ｒ１が検知されている。このように、本実施形態の変位検知装置１によると、心拍による体動のような微小な変位を精度良く検知できることが確認された。

【0102】

図１３に示すような心拍計測において好ましい測定条件を特定するため、変位検知装置１の動作について以下のシミュレーションを行った。

【0103】

（１）測定フレームレートと定位精度の関係について
図１４は、変位検知装置１における測定フレームレートと定位（変位検知）精度の関係についてのシミュレーション結果を示す。図１４では、図７（ａ）に示すような送信信号Ｓｄのチャープ長Ｔｃを１０ミリ秒、周波数帯域を８０ｋＨｚ～２０ｋＨｚとして、測定フレームレートの変化に伴う定位精度の変化を数値シミュレーションした。本実施例では、定位精度は、測定条件を変えずに所定回数、測定を繰り返したときの測定値のばらつきを示し、３σ（測定値の標準偏差の３倍）を用いた。

【0104】

例えば、心拍計測において２０μｍ（即ち、０．０２ｍｍ）程度の定位精度が望ましい場合、図１４に示す関係では、３０フレーム／秒（ｆｐｓ）以上の測定フレームレートを用いればよいことがわかる。また、当該測定フレームレートでは、１フレームの期間は約３３ミリ秒であることから、変位検知装置１から検知対象の物体３までの距離が５０ｃｍであれば、音波の伝搬期間（約３ミリ秒）を考慮した最大チャープ長は３０ミリ秒である。最大チャープ長は、１フレームの送信信号Ｓｄに用い得るチャープ長Ｔｃの上限を示す。

【0105】

（２）受信信号のＳＮＲと定位精度の関係について
図１５は、変位検知装置１における受信信号のＳＮＲと定位精度の関係についてのシミュレーション結果を示す。図１５では、送信信号Ｓｄのチャープ長Ｔｃを３０ミリ秒、周波数帯域を１００ｋＨｚ～２０ｋＨｚとして、受信信号のＳＮＲの変化に伴う定位精度の変化を数値シミュレーションした。

【0106】

例えば、心拍計測において２０μｍ程度の定位精度が望ましい場合、図１５に示す関係では、ＳＮＲを０デシベル（ｄＢ）以上にすればよいことがわかる。受信信号のＳＮＲは、例えば送波器１０の駆動回路を駆動する駆動電圧により、測定環境に応じて設定可能である。

【0107】

（他の実施形態）
以上のように、本発明の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら本発明は、これに限らず、他の実施の形態にも適用可能である。以下、他の実施の形態を例示する。

【0108】

実施形態１では、送波器１０がサーモホンで構成される例を説明した。送波器１０は、サーモホンに限らず、例えばリボン型ツイータ等で構成されてもよい。また、送波器１０は、圧電振動子を用いた超音波トランスデューサ等であってもよい。

【0109】

実施形態１では、送波器１０がリニア周波数チャープによるチャープ波を発生させる例を説明した。本実施形態では、送波器１０は、例えば時間とともに周期が線形に変化するリニア周期チャープによるチャープ波を発生させてもよい。また、送波器１０は、例えばＭ系列符号またはＧｏｌｄ符号などの拡散符号を用いた広帯域変調波を発生させてもよい。

【0110】

実施形態１では、変位検知装置１における送信信号Ｓｄとして、パルス間隔変調によるチャープ信号を用いる例を説明した。本実施形態では、変位検知装置１は、送信信号Ｓｄをパルス間隔変調に限らず、例えば連続パルスにおける各パルスの時間幅を時間的に変化させるパルス幅変調により生成してもよい。

【0111】

実施形態１では、送波器１０が音波を発生させる例を説明した。本実施形態の変位検知装置１では、必ずしも音波に限らず、例えば電磁波を発生させる送波器１０を用いてもよい。この場合であっても、時間的に周波数が変化する広帯域の電磁波を送受信して得られる信号を用いて、解析信号の位相差を解析することにより、物体の微小な変位の検知を精度良く実現可能である。

【0112】

実施形態１では、変位検知装置１が、送波器１０及び受波器１１をそれぞれ１つ備える例を説明した。本実施形態では、変位検知装置１が、送波器及び受波器の一方または両方を複数備えてもよい。

【0113】

以上の他の実施形態では実施形態１と共通の事項についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明した。各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。

【産業上の利用可能性】

【0114】

本発明は、変位検知装置、方法及びプログラムに適用可能であり、特に物体の微小な変位の検知に適用可能である。

【符号の説明】

【0115】

１ 変位検知装置
１０ 送波器
１１ 受波器
１３ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】