CN1842694A - 超声波放射收发传感器、位置检测装置以及除湿器 - Google Patents

超声波放射收发传感器、位置检测装置以及除湿器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超声波放射收发传感器和位置检测装置以及除湿器，能够用简单的构成有效地以非接触方式近距离地检测箱体内的水位量等计测对象。为此，本发明的超声波放射收发传感器(2)具备：具有开口的外壳(21)；以及两端被固定于设置在外壳内的边缘部固定部(22)，具有一个以上的半圆弧状的凸面(20a)、由自振引起的收敛时间短的振动膜(20)，其中，通过向振动膜(20)的两面外加交流电压来进行伸缩动作以放射与凸面的半径尺寸相当的超声波，一接受超声波就使振动膜(20)发生交流电压，故被反射的超声波就不会掩埋在通过振动膜(20)的振动所发送的超声波中，从而能够用简单的构成、容易且低成本地以非接触方式计测非常近距离的计测对象。

Description

超声波放射收发传感器、 位置检测装置以及除湿器
技术领域
本发明涉及使用了超声波的超声波放射接收发送传感器和位置检测装置以及除湿器，尤其涉及以非接触方式近距离地检测箱体内的水位等计测对象用的技术。
背景技术
以往的箱体水量测定装置是一种通过以下的方法来测定箱体内的水位位置的装置(例如，参考专利文献1)：把反射镜设置在放射超声波的超声波振子的前面，先把从超声波振子放射出的超声波信号放射到上述反射镜，并通过反射镜使之间接地放射到反射镜下面的箱体内的水面，且再次通过反射镜反射在水面进行了反射的超声波信号，使之返回到超声波振子以使超声波振子振动，由此来计测超声波信号从放射到返回的时间。
专利文献1：日本专利公开特开2001-59765号公报(第1页，图1)
发明内容
不过，以往的箱体水量测定装置存在以下问题：放射用于测定水量的超声波的超声波振子发生由电气-机械系的高Q特性而决定的固有振动频率的超声波信号，由于自振时间(自励振动)较长故超声波放射后的自励振动不立即收敛，当从超声波振子放射出去的超声波信号由水面反射回来时，由于返回振动而引起的信号会埋没在自励振动之中，故不能高精度地检测出反射信号。
另外，即使是通过用反射镜产生若干时间差以使得在自励振动收敛后检测出反射波，但由于放射到空气中的音波存在声音衰减，所以在设置了反射镜的情况下，超声波信号从放射(发送信号)到返回(接收信号)的距离就变长，因此，还存在由于声音衰减引起的超声波信号的恶化和超声波信号受到外来的噪声等的影响等的问题。
进而，在水面倾斜等情况下，还存在以下问题：由于超声波在水面进行漫反射，故超声波信号不返回到反射镜，不能进行准确的水位量测定。
本发明的目的就是解决这样的问题，提供一种超声波放射收发传感器和位置检测装置以及除湿器，能够用简单的构成有效地以非接触方式近距离地检测箱体内的水位量等计测对象。
涉及本发明的超声波放射收发传感器，备有：具有开口的外壳；以及两端被固定于设置在外壳内的边缘部固定部件，具有一个以上的半圆弧状的凸面或者凹面、由自振引起的收敛时间短的振动膜。其中，通过向上述振动膜的两面外加交流电压者或者脉冲状的电压来进行伸缩动作以放射与上述凸面或者凹面的半径尺寸相当的超声波，一旦接受超声波就使该振动膜发生交流电压或者脉冲状的电压。
根据涉及本发明的超声波放射收发传感器，由于两端被固定于设置在具有开口的外壳内的边缘部固定部件，并且，具有一个以上的半圆弧状的凸面或者凹面、由自振引起的收敛时间短的振动膜，通过向其两面外加交流电压者或者脉冲状的电压来进行伸缩动作以放射与上述凸面或者凹面的半径尺寸相当的超声波，一旦接受超声波就使该振动膜发生交流电压或者脉冲状的电压。所以被反射的超声波就不会埋没在通过振动膜的振动而发送的超声波中，从而能够用简单的构成、容易且低成本地以非接触方式计测非常近距离的计测对象。
附图说明
图1是应用了涉及本发明实施方式1的位置检测装置的除湿器的前侧截面图。
图2是应用了同一位置检测装置的除湿器的水箱的放大截面图。
图3是表示同一位置检测装置的电路构成的框图。
图4是表示同一位置检测装置的超声波放射收发传感器的构成的平面图。
图5是表示同一位置检测装置的超声波放射收发传感器的构成的截面图。
图6是表示同一位置检测装置的超声波放射收发传感器的发送和接收波形例子的波形图。
图7是分别表示本发明的位置检测装置的超声波放射收发传感器与过去的箱体水量测定装置的超声波振子的发送和接收波形的比较波形图。
图8是应用了涉及本发明实施方式2的位置检测装置的除湿器的前侧截面图。
图9是表示同一位置检测装置的超声波放射收发传感器的构成的截面图。
图10是表示使同一位置检测装置的超声波放射收发传感器转动后的状态的截面图。
图11是表示应用了涉及本发明实施方式3的同一位置检测装置的构造体的截面图。
具体实施方式
实施方式1
图1是应用了涉及本发明实施方式1的位置检测装置的除湿器的前侧截面图，图2是应用了同一位置检测装置的除湿器的水箱的放大截面图，图3是表示同一位置检测装置的电路构成的框图，图4是表示同一位置检测装置的超声波放射收发传感器的构成的平面图，图5是表示同一位置检测装置的超声波放射收发传感器的构成的截面图，图6是表示同一位置检测装置的超声波放射收发传感器的发送和接收波形例子的波形图，图7是分别表示本发明的位置检测装置的超声波放射收发传感器与过去的箱体水量测定装置的超声波振子的发送和接收波形的比较波形图。
在图1～图2中，搭载了位置检测装置1的除湿器10，在主体上部备有热交换器11、在主体下部备有水箱12。
此除湿器10，用热交换器11吸收空气中的水分，所吸收到的水分经过排水部13被汇集到水箱12内。能够通过把水箱12从除湿器10的主体拔出把积存在水箱12中的水分倒到外部。
在承接水箱12的除湿器10的下面14上，形成有从前侧延伸到后侧的凸部15，在水箱12的下面形成有从前侧延伸到后侧的凹部16。
使除湿器10的下面14的凸部15上方与水箱12的凹部16相配合，通过把水箱12从除湿器10的下面14的前侧滑动到后侧，使水箱12常被安装在确定的位置上。
17是水箱12内的底面，18是积留在水箱12中的任意量的水的水面，18A是最上面的水面。
位置检测装置1，如图3所示那样由进行超声波发送接收的超声波放射收发传感器2，和电连接到超声波放射收发传感器2、用于进行位置检测的电路部3构成。
位置检测装置1的超声波放射收发传感器2，通过用设置在一端侧被开口的外壳21内部的靠近底部的边缘固定部22夹持固定在大致中央处、具有半径R的圆弧的一个凸面30a在前后方向上延伸而成型形成的振动膜20的两端，将振动膜20可以振动地配置在外壳21内而构成。
在振动膜20的里面和外壳21的底面的空间中，插入了用于吸收超声波的例如由氨基甲酸乙酯等形成的吸声材料23。此吸声材料23是用于吸收被放射到振动膜20的内面侧的超声波信号，以除去无用的信号成分的材料。
振动膜20是由高分子系的压电材料、例如聚偏氟乙稀(PVDF)形成，通过把交流电压外加到PVDF的振动膜20的两面，使振动膜20进行伸缩动作，从振动膜20的凸面30a放射与半径R的圆弧形状相当的超声波。
半径R需要是通过由(1)式定义的公式来求得的半径。
R＝λ/2   (1)
λ＝C/f
其中，λ＝波长、C＝音速、f＝振荡频率(超声波的频率)
位置检测装置1的电路部3，由以下部分构成：把产生的矩形波的脉冲状的波形的交流电压外加到超声波放射收发传感器2的两面的发送电路部30；由超声波放射收发传感器2接收并从超声波变换后的交流电压来计测其波峰值和、超声波放射收发传感器2接收经过反射后的超声波的时间的接收电路部31；根据接收电路部31计测出的波峰值和超声波接收的时间以及发送电路部30输出用于发生超声波的交流电压的时间，运算并求出从超声波放射收发传感器2到水面的距离的运算处理电路部32。
其次，就检测应用了本发明的实施方式1的位置检测装置的除湿器中的水箱的水位时的动作进行说明。
一旦通过电路部3的发送电路部30把所产生的20kHz以上的矩形波的脉冲状的波形的交流电压外加到被设置在水箱12的上部的位置检测装置的超声波放射收发传感器2的具有基于由上述(1)式所求出的半径R而形成的凸面20a的振动膜20上，就从振动膜20放射超声波。
然后，在从振动膜20放射出超声波后，一旦发送电路部30停止向振动膜20外加交流电压，来自振动膜20的超声波的放射就立即被停止。
从超声波放射收发传感器2的振动膜20放射出的超声波在水箱12内的水面等反射后返回到振动膜20，强制性地使振动膜20振动。在强制性地被振动的振动膜20的两面发生从超声波变换后的交流电压，该交流电压由接收电路部31进行接收。接收电路部31计测交流电压的波峰值和超声波接收的时间。
运算处理电路部32，是根据接收电路部31计测出的交流电压的波峰值以及接收的时间和发送电路部30输出用于发生超声波的交流电压的时间，也就是所谓的超声波从发送到接收的时间，来计算并求出从超声波放射收发传感器2到作为计测例子的水面的距离的部件。
由于构成本发明的实施方式1的超声波放射收发传感器2的振动膜20的压电材料即PVDF不具有固有的振动频率，故即便从发送电路部30向振动膜20外加交流电压以使振动膜20振动，一旦使交流电压的外加停止，振动膜20的振动就立刻衰减，因此，就可以实现检测由于接收超声波的振动的准备。
另外，可以基于接收电路部31计测的交流电压的波峰值来计算并求出从超声波放射收发传感器2到计测例子的水面的距离是因为如下的原理：如果从超声波放射收发传感器2到水面的距离近，则由于超声波从超声波放射收发传感器2发送、在水面被反射后接收时的超声波的衰减量小，故接收时的超声波的波峰值就大，但是由于从超声波放射收发传感器2到水面的距离越远，超声波的衰减量就逐渐越大，因此，接收时的超声波的波峰值也逐渐变小，所以，通过计测其波峰值就可以借助于计算而求出从超声波放射收发传感器2到水面的距离。
从而，在运算处理电路部32中虽然可以根据接收电路部31计测的交流电压的波峰值或者所谓的超声波从发送到接收的时间来分别计算并求出从超声波放射收发传感器2到计测例子的水面的距离。但是，根据交流电压的波峰值和所谓的超声波从发送到接收的时间这两者来求出从超声波放射收发传感器2到水面的距离，这样就能够精度更高地求出到水面的距离。
在此实施方式1中，如图2所示，从位置检测装置1的超声波放射收发传感器2放射出的超声波，大体可以计测4个计测面。
首先，是水箱12从除湿器10的主体被拆掉的情况。
这时，来自超声波放射收发传感器2的超声波，就放射到比水箱12还靠下面的除湿器10的下面14。
接收到在除湿器10的下面14所反射的超声波的超声波放射收发传感器2的波形，从发送波形S起以需要的合理时间的时间差A而变成如图6所示的接收波形A。
通过这个接收波形A的计测，就可以确认水箱12的有无，可以作为解决除湿器10在没有水箱12的状态下运行，水溢出到室内等的问题的安全装置来应用。
其次，是水箱12被安装在除湿器10的主体中，但是水箱12内没有水分的情况。
这时，从超声波放射收发传感器2放射出的超声波，在水箱12内的底面17进行反射后，被超声波放射收发传感器2接收的波形成为接收波形B。这个接收波形B基本上为接收波形A的时间差B以后的波形。通过这个接收波形B的计测，就可以检测水箱12为空的状态。
进而，是水箱12被安装在除湿器10的主体中，通过排水部13对水箱12内供给水分，并且水分积留而成为任意量的水面18的情况。
这时，从超声波放射收发传感器2放射出的超声波，在水箱12内的任意量的水面18进行反射后，被超声波放射收发传感器2接收的波形成为接收波形C。这个接收波形C基本上为接收波形B的时间差C以后的波形。通过这个接收波形C的计测，就可以检测水箱12中的任意量的水面18的水位。
最后，是积留在水箱12中的水成为最大容量位置的最上水面18A的情况。
这时，从超声波放射收发传感器2放射出的超声波，在水箱12内的最上水面18A进行反射后，被超声波放射收发传感器2接收的波形成为接收波形D。这个接收波形D基本上为接收波形C的时间差D以后的波形。通过这个接收波形D的计测，就可以检测水箱12中的最上水面18A的水位。
这时，所谓的超声波从发送到接收的时间是0.5秒，根据这个结果，即使非常近的距离0.5cm程度的近距离也可以以非接触的方式进行检测。
在图7中示出根据本发明的在超声波放射收发传感器2中所用的振动膜20发送和接收的波形例子与利用以往的超声波振子的发送和接收的波形例子的比较。
在本发明的超声波放射收发传感器2中所用的利用高分子系的压电材料的振动膜20，由于是柔软的材料故不具有固有的振动频率。因此，即使用于使振动膜20振动的脉冲状的交流电压被外加到振动膜20上使振动膜20振动，振动的衰减也可以非常快地进行衰减。
与此相比，以往的超声波振子具有固有的振动频率，具有一旦振动起来，其振动就一直持续下去的特性。
因此，若比较对相同水箱12的最上水面18A的水位进行计测时的发送波形和接收波形，就可以知道，在根据本发明的超声波放射收发传感器2中由于振动膜20的振动快速衰减，所以在某时间T后，就可以测定在最上水面18A进行了反射的超声波的接收波形。
但是，在使用了以往的超声波振子的情况下，由于发送波形怎么也不衰减，故接收波形被埋没在发送波形中，不能进行接收信号的计测，结果就不能计测直到接收之前的计测时间。
因此，在以往的超声波振子中就不能进行近距离的计测，但是使用涉及本发明的超声波放射收发传感器2，近距离的计测就可容易地进行。
实施方式2
图8是应用了涉及本发明实施方式2的位置检测装置的除湿器的前侧截面图。图9是表示同一位置检测装置的超声波放射收发传感器的构成的截面图。图10是表示使同一位置检测装置的超声波放射收发传感器转动后的状态的截面图。
此实施方式2与被应用在被设置于不平坦的地面50上的除湿器中的位置检测装置的超声波放射收发传感器2的构成相关。
由于从超声波放射收发传感器2放射的超声波，在其性质上音波是以直线方式进行传播，故超声波放射收发传感器2的振动膜20的面与反射面(水面)平行就可以接受超声波理想的反射。
但是，与除湿器10的设置有关，地面50未必一定平坦。
在地面50不平时，如图8所示，由于作为反射面的水面18与超声波放射收发传感器2不是平行的位置关系，所以在从超声波放射收发传感器2发送的超声波被发送到与超声波放射收发传感器2不平行的水面18时，经过反射的超声波就在水箱12内不平衡地进行传播，而发生反射到超声波放射收发传感器2的振动膜20上的超声波不能准确地进入的情况。
因此，在超声波放射收发传感器2的外壳21的外壳底面24上，设置具有轴孔45a的凸部体45，并把旋转轴46插入此凸部体45的轴孔45a中，将旋转轴46的两端固定在除湿器10的主体上。这样，使超声波放射收发传感器2的外壳21相对于除湿器10的主体转动的转动部件，由具有轴孔45a的凸部体45，和被插入到该轴孔45a中、两端被固定在主体上的旋转轴46构成。
通过这样做，超声波放射收发传感器2可以振子状地以旋转轴36为中心进行转动。
从而，在除湿器10被设置于不平坦的地面50上时，即使除湿器10斜向倾斜，通过在与其倾斜上抬的方向相反的方向上使超声波放射收发传感器2，例如像图10所示以倾斜角A相应可动，与作为反射面的水面18平行这样使其倾斜，就能够可靠地进行位置检测。
另外，如果除湿器10的倾斜与上述相反，则通过使超声波放射收发传感器2，例如像图10所示以倾斜角B相应可动，与作为反射面的水面18平行这样使其倾斜，就能够可靠地进行位置检测。
实施方式3
图11是表示应用了涉及本发明实施方式3的同一位置检测装置的构造体的截面图。
在上述的实施方式中出示了把位置检测装置1设置在除湿器10中以检测除湿器10的水箱内的水量的情况。但是，此实施方式与除湿器10不同是把位置检测装置1设置在作为想要检测位置关系的构造体、例如自动门的出入口以检测进出自动门的出入口的人。
此实施方式3是把位置检测装置1的超声波放射收发传感器2设置在自动门的出入口60。
在自动门的出入口60的中间61，进行超声波放射收发传感器2的超声波的发送接收，当来自处于超声波放射收发传感器2的相对位置的一面的超声波的反射存在的情况下，判断为在自动门的出入口60没有人62的出入。
但是，当在自动门的出入口60的中间61有人进入的情况下，超声波放射收发传感器2的超声波的放射被人62挡住，因此不能接收来自处于超声波放射收发传感器2的相对位置的一面的反射的超声波，所以可以进行出入自动门的出入口60的人的检测。
以上是把位置检测装置1的超声波放射收发传感器2设置在自动门的出入口60的情况。但是，由于超声波放射收发传感器2对例如0.5cm程度的近距离也可以以非接触的方式进行检测，所以通过设置在具有比自动门还小的间隙的构造体中，还可以检测侵入到具有任意间隙的构造体中的人的“手”。
虽然上述的实施方式就在位置检测装置1的超声波放射收发传感器2的振动膜20上形成了一个凸面20a的情况进行了记载。但是，即便以波状形状地形成一个以上的凸面20a，也能够通过发送、接收来自各凸面20a的超声波而发挥同样的效果。
进而，虽然就使振动膜20的形状形成为凸面20a的情况进行了记载。但是，不言而喻即便形成为凹面也能够具有同等的效果。
产业上的可利用性
此外，本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内可以进行各种变更。
另外，虽然上述的实施方式示出把本发明的位置检测装置应用在除湿器和自动门等的例子，但是并不限定于这些，还可以应用于例如洗衣机的洗衣槽内的水位量检测或风扇加热器的油箱的油量检测等，进一步还可应用于检测侵入到恒定放射超声波的场所的物体的进入等。
进而，可以把本发明的位置检测装置作为家电制品的工作用开关来进行应用扩展。
附图标记说明
1：位置检测装置；2：超声波放射收发传感器；3：电路部；10：除湿器；12：水箱；18：水面；20：振动膜；20a：凸面；21：外壳；22：边缘固定部；23：吸声材料：30：发送电路部；31：接收电路部；32：运算处理电路部。

Claims (8)

1.一种超声波放射收发传感器，其特征在于具备：
具有开口的外壳；以及
两端被固定于设置在外壳内的边缘部固定部，具有一个或多个半圆弧状的凸面或者凹面、由自振引起的收敛时间短的振动膜，
其中，通过向上述振动膜的两面外加交流电压来进行伸缩动作以放射与上述凸面或者凹面的半径尺寸相对应的超声波，一接受超声波就使该振动膜发生交流电压或者脉冲状的电压。
2.按照权利要求1所述的超声波放射收发传感器，其特征在于：
上述振动膜用高分子系的压电材料形成。
3.按照权利要求1或2所述的超声波放射收发传感器，其特征在于：
在设超声波振荡频率为f、空气中的音速为C、波长为λ的情况下，上述振动膜的凸面或者凹面的半径R具有R＝λ/2、λ＝C/f的关系。
4.按照权利要求1～3中任意一项所述的超声波放射收发传感器，其特征在于：
在上述外壳的底面与上述振动膜之间配置有吸声材料，该吸声材料用于吸收放射到该振动膜的外壳底面侧的无用超声波。
5.按照权利要求1～3中任意一项所述的超声波放射收发传感器，其特征在于：
上述外壳具有转动部件，该转动部件能够在将该外壳安装于规定位置时使该外壳相对于该规定位置进行转动。
6.一种位置检测装置，具备：
上述权利要求1～5中任意一项所述的超声波放射收发传感器；
对该超声波放射收发传感器外加交流电压或者脉冲状的电压的发送电路部；
接收该超声波放射收发传感器接受超声波后经过变换的交流电压或者脉冲状的电压，并计测该交流电压或者脉冲状的电压的波峰值的接收电路部；以及
根据接收电路部所计测的波峰值来计算从上述超声波放射收发传感器到反射该超声波放射收发传感器所放射的超声波的部件之距离的运算处理电路部。
7.一种位置检测装置，具备：
上述权利要求1～5中任意一项所述的超声波放射收发传感器；
对该超声波放射收发传感器外加交流电压或者脉冲状的电压的发送电路部；
接收该超声波放射收发传感器接受超声波后经过变换的交流电压或者脉冲状的电压，并计测接收到该交流电压的时间的接收电路部；以及
基于上述发送电路部对该超声波放射收发传感器外加了交流电压或者脉冲状的电压的时间和上述接收电路部接收到该交流电压或者脉冲状的电压的时间、来计算从上述超声波放射收发传感器到反射该超声波放射收发传感器所放射的超声波的部件之距离的运算处理电路部。
8.一种除湿器，其特征在于具有：
在上部设置了上述权利要求6或7中任意一项所述的位置检测装置的水箱。
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