JP2000105115A - 超音波式物体検知装置及び超音波式貯氷検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波センサの出力を増大して物体検知能力
を高めること。 【解決手段】 超音波式物体検知装置の超音波センサユ
ニット１０は、円筒形のハウジング１１、超音波センサ
１２、円錐ホーン１３、及び保護カバー１４等を備えて
いる。超音波センサ１２は、そのケーシング１２ｃの超
音波発信端面１２ｄが円筒形のハウジング１１の開放面
１１ｂから円錐ホーン１３側に突出しないように配置さ
れる。また、保護カバー１４は所定幅のスリットを複数
有するものであり、ケーシング１２ｃの超音波発信端面
１２ｄから超音波の半波長λ／２の整数倍の距離に配置
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波を発信する
とともに同超音波の反射波を受信する超音波センサを備
えた超音波式物体検知装置及び超音波式貯氷検知装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、超音波センサを備えた超音波
式物体検知装置は、例えば自動製氷装置の貯氷量を検出
するために使用されている。かかる自動製氷装置は、超
音波式物体検知装置を貯氷庫の上部に配設し、製氷装置
により製造され貯氷庫内に貯えられた氷片が所定の位置
（高さ）に存在するか否かを超音波式物体検知装置によ
って検知することで所定の貯氷量となったか否かを検出
し、貯氷量が所定量以上となったことが検出されたとき
に製氷装置の動作を停止するよう構成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来
は、超音波センサの固定位置や出力を増大するために取
付けらえる円錐ホーンの広がり角度（円錐の頂角の半
分）等が装置毎に経験的に決められていたため、装置に
よっては超音波センサの出力が不足して超音波式物体検
知装置が十分に能力を発揮できないという問題があっ
た。また、上記自動製氷装置などにおいては、超音波セ
ンサに水滴等が付着して同センサが正常に動作できなく
なるという問題も生じていた。従って、本発明の目的
は、超音波センサの構成部品等の配置や形状、取付け方
法等を適切にすることにより、物体（氷片）を確実に検
知し得る超音波式物体検知装置及び超音波式貯氷検知装
置を提供することにある。

【０００４】

【発明の概要】本発明の特徴は、円筒形のハウジング内
に保持されたケーシング内に超音波を発信・受信するセ
ンサ部を収容してなる超音波センサと、円筒形のハウジ
ングの端部から一定の角度をもって拡径する円錐ホーン
とを備えた超音波式物体検知装置において、超音波セン
サのケーシングの端面が円筒形のハウジングの端部より
も円錐ホーン側に突出しないように超音波センサを配設
したことにある。

【０００５】図１は、図２に示した円筒形ハウジング１
１に対する超音波センサ１２の相対位置を変更した各場
合における超音波センサ１２の受信出力の時間的変化の
様子を示している。より具体的には、図１（Ａ）は超音
波センサ１２のケーシング１２ｃの端面（超音波発信端
面）１２ｄを円筒形ハウジング１１の端部（ハウジング
１１の開放面）１１ｂよりも円錐ホーン１３側に突出さ
せた場合、図１（Ｂ）は超音波センサ１２の端面１２ｄ
を円筒形のハウジング１１の端部１１ｂと一致させた場
合、及び図１（Ｃ）は端面１２ｄをハウジング１１内に
配置した場合、即ち端面１２ｄがハウジング１１の端部
１１ｂよりも円錐ホーン１３の反対側となるように配置
した場合（ここでは、端面１２ｄと端部１１ｂとの距離
Ｌを６ｍｍとした場合）における、超音波センサ１２の
受信出力を示している。何れの場合にあっても、時刻ｔ
０に到るまで発信されていた超音波の反射波が時刻ｔ１
から時刻ｔ２の間に受信されているが、受信出力の大き
さは図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）の場合の方が、図１
（Ａ）の場合よりも明らかに大きくなっていることが判
る。このように、超音波センサのケーシングの端面１２
ｄが円筒形のハウジングの端部１１ｂよりも円錐ホーン
１３側に突出しないように超音センサを配設することに
よって、出力特性の優れた超音波式物体検知装置が得ら
れる。

【０００６】なお、前記円錐ホーン１３の頂角の半分
（図２において角度θにて表される円錐ホーンの中心軸
に対する壁面の角度）を３０度とし、且つ同円錐ホーン
の軸方向長さ（図２において距離Ｈで表される）を１０
ｍｍとすると、超音波センサの取付けスペースが小さ
く、且つ高出力が必要とされる場合に好適である。

【０００７】本発明の他の特徴は、所定間隔にて平行配
置された複数のスリットを有する保護カバーを前記円錐
ホーンの大径側開口面に対向して配置したことにある。
従来より使用されている保護カバーは、小径の穴が多数
設けられているものであったため、水分などが多い使用
環境下においては同穴に水膜ができてしまい、超音波の
通過を妨害することがあった。これに対し、本特徴に係
る保護カバーはスリット状であるために水膜ができ難い
ので、超音波センサの機能を正常に維持することができ
る。

【０００８】本発明の他の特徴は、超音波センサ１２の
ケーシングの端面１２ｄと保護カバー１４との距離（図
２において距離Ｄで表される）が、発信される超音波の
半波長の整数倍付近となるように前記保護カバー１４を
配設したことにある。この特徴によれば、保護カバーに
よって出力を増大することができる。

【０００９】即ち、図２に示した距離Ｄを変化させなが
ら超音波センサの出力変化を調べる実験を行ったとこ
ろ、同距離Ｄが超音波の半波長の整数倍付近となる位置
において前記出力が増大する（極大値を有する）ことが
判明した。この実験結果を表１に示した。上記特徴によ
り出力が増大するのは、超音波の節部分に保護カバーの
柱状部（図３における１４ｂ）が配置され、超音波の定
在波が共鳴により増幅されるからであると推測される。

【００１０】

【表１】 本発明の他の特徴は、超音波を発信・受信するセンサ部
をケーシング内に収容した超音波センサを貯氷庫の上方
に配設し、超音波の発信タイミングと反射波の受信タイ
ミングとの関係に基づいて貯氷庫内に所定量の氷が貯え
られたことを検知する貯氷検知装置において、超音波発
信方向が略水平方向となるように超音波センサを配置す
るとともに、超音波センサから発信された超音波が貯氷
庫内の氷片に向うように同超音波の進行方向を変更する
反射体を備えたことにある。

【００１１】貯氷庫内の貯氷量を検知する超音波センサ
には、貯氷庫内の水分や氷片の飛沫等により水滴が付着
しやすい。このとき、超音波センサの超音波発信方向が
貯氷庫に貯えられた氷片の方向（鉛直下方）に向けて取
付けられていると、図７に示したように超音波センサ７
０に付着した水滴７１が超音波センサの下面中央部（超
音波発信面）に集り、同水滴７１が成長した状態にて落
下しないことが多い。係る状況においては、超音波セン
サ７０が超音波を正常に発信又は受信することができな
いので、結果として貯氷量を誤検出するおそれがある。

【００１２】これに対し、上記他の特徴によれば、超音
波センサの超音波発信方向が略水平方向とされているの
で、仮に水滴が超音波センサ（ケーシング）に付着して
も同超音波センサ（ケーシング）から落下しやすい。こ
のため、超音波センサに付着した水滴が大きくなること
が回避されて水滴が超音波の発信や受信を阻害しないの
で、信頼性の高い貯氷量検知が可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の第１実施形態について図
面を参酌しつつ説明すると、図２は本発明に係る超音波
式物体検知装置の超音波センサユニット１０の概略断面
を示していて、同超音波センサユニット１０は、円筒形
のハウジング１１、超音波センサ１２、円錐ホーン１
３、及び保護カバー１４等を備えている。

【００１４】超音波センサ１２は、円筒状の基部１２ａ
と断面が台形である円錐状の先端部１２ｂとからなるケ
ーシング１２ｃを有し、このケーシング１２ｃ内に４０
ｋＨｚの超音波を発信する超音波発信機とこの超音波の
物体による反射波を受信するための超音波受信機（何れ
も図示省略）とからなるセンサ部を備えていて、シリコ
ンゴム１５を介して開放面１１ｂを有する円筒形のハウ
ジング１１内にケーシング１２ｃが保持されることによ
り同ハウジング１１内に収容されている。また、超音波
センサ１２は物体検知回路（図示省略）を内蔵してい
て、同物体検知回路は超音波の発信から同超音波の物体
による反射波の受信までの時間を計測するとともに、計
測した時間が所定の範囲内にあるときに「同超音波セン
サ１２から所定の距離だけ隔てた位置に検知すべき物体
があることを示す信号」を出力するように構成されてい
る。

【００１５】円錐ホーン１３は、一端面が円筒形のハウ
ジング１１の開放面１１ｂと同径の円形開放面（小径側
開放面）１３ａとなっていて同開放面１３ａにて円筒形
のハウジング１１と連接され、同開放面１３ａの中心を
通り開放面１３ａに垂直な軸（中心軸）に対して所定の
角度θを維持しつつ拡径し、且つ他端面も開放された大
径側開放面１３ｂとなっている出力増大のためのホーン
である。

【００１６】図３に平面図が示された保護カバー１４
は、幅Ｗ（スリット幅Ｗ）のスリットを距離Ｓ（スリッ
ト間距離Ｓ＝スリットの中心線間の距離）の間隔にて複
数個だけ平行に形成した円形板であって、円錐ホーン１
３の大径側開放面１３ｂを覆うように取付けられてい
る。また、図３に示したスリット終端部間の径φｓは、
円錐ホーン１３の大径側開放面１３ｂの直径より大きく
なるように形成されている。

【００１７】ここで、以下の説明に使用する各値を図２
を参酌しつつ定義すると、距離Ｌは、超音波センサ１２
が超音波を発信する端面１２ｄとハウジング１１の開放
面１１ｂ（円錐ホーン１３の小径側開放面１３ａ）との
距離であり、センサ取付位置Ｌとも称する。距離Ｈは、
円錐ホーン１３の小径側開放面１３ａと大径側開放面１
３ｂとの距離であり、円錐ホーン１３の長さＨとも称す
る。距離Ｋは、円錐ホーン１３の大径側開放面１３ｂと
保護カバー１４との距離である。距離Ｄは、上記端面１
２ｄと保護カバー１４との距離である。また、角度θ
は、上記した角度であって、円錐ホーン１３の頂角の半
分に相当する角度であり、円錐ホーンの角度θとも称す
る。なお、距離Ｌは図２中左方向を正方向として表し、
他の距離Ｈ，Ｋ及びＤは右方向を正方向として表す。

【００１８】次に、上記超音波センサユニット１０を用
い、距離Ｌ，Ｈ及びＫ（Ｄ）、角度θ、保護カバー１４
のスリット幅Ｗ，スリット間距離Ｓ等を変更した場合の
超音波センサ１２の受信出力（以下、単に「出力」とい
う。）の変化を調べ、これらの適値を得るための実験を
行ったので、その実験結果について説明する。なお、超
音波センサ１２から所定距離だけ隔てた位置に物体を置
いて実験を行った。

【００１９】先ず、図１は種々の距離Ｌに対する出力の
時間的変化の様子を示している。より具体的には、図１
（Ａ）は、上記距離Ｌを−６ｍｍに設定して図２に示し
た超音波センサ１２のケーシング１２ｃの端面１２ｄを
円筒形のハウジング１１の開放面１１ｂよりも円錐ホー
ン１３側に突出させた場合の出力を示している。図１
（Ｂ）は、距離Ｌを０ｍｍとして端面１２ｄを開放面１
１ｂと一致させた場合の出力を示している。図１（Ｃ）
は、距離Ｌを６ｍｍとして端面１２ｄを円筒形のハウジ
ング１１内に配置した場合の出力を示している。

【００２０】図１の何れの場合にあっても、時刻ｔ０に
到るまで発信されていた超音波の反射波が主として時刻
ｔ１から時刻ｔ２の間に受信されているが、出力の大き
さは図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）の場合の方が、図１
（Ａ）の場合よりも明らかに大きくなった。他にも距離
Ｌを種々の値として実験したが、距離Ｌを“０”を含む
正の値とすると距離Ｌを負の値とした場合に比べて超音
波センサ１２の出力が大きくなることが判った。即ち、
端面１２ｄをハウジング１１の端部（開放面１１ｂ）よ
りも円錐ホーン１３側に突出させないようにすると、高
出力が得られることが判明した。これは、円筒形のハウ
ジング１１の内部において共振現象が発生するためと推
測される。

【００２１】次に、上記円錐ホーン１３について角度θ
が４５°，３０°及び１５°、長さＨが５ｍｍと１０ｍ
ｍの計６種類を準備し、距離Ｌを０ｍｍ又は２ｍｍとし
た場合の出力の増大割合を実験により調べた。この結果
を表２に示す。

【００２２】

【表２】 表２から、円錐ホーン１３の角度θを３０°とし、且つ
同円錐ホーン１３の長さＨを１０ｍｍとすると、距離Ｌ
を０ｍｍとしても出力比が１００％上昇することが判明
した。また、角度θが１５°の場合は殆ど増幅効果が見
られなかった。以上より、超音波センサユニット１０に
おいては、円錐ホーン１３の角度θを３０°から４５°
の範囲とすると好適であり、特に角度θを３０°として
長さＨを１０ｍｍとすれば、距離Ｌが０ｍｍでも出力比
が１００％増大するので、超音波センサユニット１０の
径方向及び軸方向の取付けスペースが角度θ＝４５°の
場合よりも小さくて済み、且つ高出力の超音波センサユ
ニット１０が得られるという結論を得た。

【００２３】次に、円錐ホーン１３について角度θが４
５°と３０°であり、長さが５ｍｍと１０ｍｍの計４種
類を、保護カバー１４についてスリット幅Ｗが共に１．
５ｍｍでありスリット間距離Ｓが３ｍｍのもの（以下
「スリット１」と言う。）及び５ｍｍのもの（以下「ス
リット２」という。）の計２種類を準備し、距離Ｌを２
ｍｍとした場合と０ｍｍとした場合について、それぞれ
出力が極大値をとる距離Ｋを実験により調査した。この
結果を表３に示す。

【００２４】

【表３】 表３から、スリットの種類（保護カバー１４の種類）と
距離Ｋは無関係であることがわかる。そこで、上記の結
果について、出力が増大したときの距離Ｋを保護カバー
１４と超音波センサ１２の端面１２ｄとの距離Ｄに書き
直してみたものが表１である。なお、距離ＤはＤ＝Ｌ＋
Ｈ＋Ｋにより求められる。

【００２５】上記表１，表３から、円錐ホーン１３の形
状及び保護カバー１４の種類に拘らず、出力は距離Ｄの
一定間隔毎（約４．５ｍｍ毎）に大きくなっていること
が判明した。この間隔は、２０℃のときの４０ＫＨｚの
超音波の波長λ（８．６ｍｍ）の半分（λ／２＝４．３
ｍｍ）とほぼ一致している。これから、保護カバー１４
を、超音波センサ１２の端面１２ｄから超音波の半波長
λ／２の整数倍の距離だけ離れた位置（図４中にＡ，Ｂ
及びＣにて示した位置）付近に配置すると大きな出力が
得られるという結論を得た。この理由は、超音波の節部
分に保護カバー１４のスリット１４ａを形成するために
残されている柱状部１４ｂが配置され、超音波の定在波
が増幅されるからであると推測される。なお、増幅作用
が観測されたのは距離Ｄが波長の２倍（２λ）となるま
でであったので、実質的には距離Ｄを２λ以内の値とす
ることが必要である。

【００２６】以上をまとめると、以下のようになる。 （１）端面１２ｄをハウジング１１の端部（開放面１１
ｂ）よりも円錐ホーン１３側に突出させないようにする
と、出力が増大する。 （２）円錐ホーン１３の角度θを３０°から４５°の範
囲内とし、特に、角度θを３０°、長さＨを１０ｍｍと
すると、コンパクト且つ高出力の超音波センサユニット
１０が得られる。 （３）保護カバー１４を、超音波センサ１２の端面１２
ｄから超音波の半波長λ／２の整数倍の距離だけ離れた
位置に配置すると、出力が増大する。

【００２７】次に、本発明の第２実施形態について図５
及び図６を参酌しつつ説明すると、第２実施形態は超音
波センサユニット２０を自動製氷装置３０に装着し、同
自動製氷装置３０が有する貯氷庫３１の貯氷量を検知す
る超音波式の貯氷検知装置であって、超音波センサユニ
ット２０の取付け方法に工夫を施したものである。

【００２８】自動製氷装置３０は、超音波センサユニッ
ト２０が所定量以上の貯氷量があることを検知したとき
に、その製氷動作を停止するように構成されている。具
体的には、自動製氷装置３０は、冷凍装置を含み制御回
路（図示省略）からの制御信号に応じて氷片を製造する
製氷筒３２と、同製氷筒３２の上部に連結されたダクト
３３と、同ダクト３３から排出される氷片を貯氷庫３１
に導くためにダクト３３に水平方向に連結され且つ垂直
下方に折曲して貯氷庫３１の上部に連結されたシュート
３４とを備えている。

【００２９】超音波センサユニット２０は、貯氷庫３１
の鉛直上方であってシュート３４の上部壁面３４ａ上に
固定されている。より詳細には、図６に拡大した概略断
面を示したように、超音波センサユニット２０は、上部
壁面３４ａに固定されたハウジング２１内にシリコンゴ
ム２２を介して第１実施形態の超音波センサ１２と同一
構造を有する超音波センサ２３を保持している。ハウジ
ング２１は、超音波センサ２３が超音波を水平方向（図
５及び図６において左方）に発信するように固定されて
いる。このため、超音波センサ２３の端面（超音波発信
側の端面）２３ａは、鉛直方向（上下方向）に沿うよう
になっている。

【００３０】超音波センサ２３の端面２３ａに対向した
部位には、鉛直方向（又は水平方向）に対し略４５°だ
け傾斜され、超音波センサ２３からの超音波を反射して
超音波の進行方向を鉛直下方に変更するためのステンレ
ス又は樹脂等からなる反射板２４が配置されている。

【００３１】以上のように構成した超音波センサユニッ
ト２０を備えた自動製氷機３０の作動について説明する
と、同自動製氷機３０は製氷筒３２によって氷片を製造
し、ダクト３３及びシュート３４を介して氷片を貯氷庫
３１内に貯える。一方、超音波センサ２３は所定の時間
間隔にて超音波を水平方向に発信する。この超音波は反
射板２４によって反射されて鉛直下方に向い、貯氷庫３
１内の氷片により反射され、再び反射板２４によって反
射されて超音波センサ２３に戻る。超音波センサ２３
は、この反射波を受信するとともに超音波を発信してか
ら反射波を受信するまでの時間を計測し、計測した時間
が所定時間以内であれば、貯氷庫３１内の貯氷量が所定
量以上になったとみなして製氷筒の制御回路にその旨の
信号を送出する。これにより、制御回路は製氷筒３２に
製氷動作を停止する命令を送出し、製氷動作が停止され
る。

【００３２】超音波センサ２３は、その後も貯氷量の検
知を継続し、超音波の発信から受信までの時間が所定時
間よりも長くなると貯氷量が減少したとみなして制御回
路にその旨の信号を送出する。これにより、制御回路は
製氷筒３２に製氷動作を開始する命令を送出し、製氷筒
３２による製氷動作が再開される。

【００３３】以上説明したように、上記第２実施形態の
自動製氷装置３０においては、超音波センサ２３の超音
波発信端面２３ａが鉛直上下方向に沿っている。このた
め、水滴が超音波発信端面２３ａに付着しても端面２３
ａの下端から容易に落下し、超音波発信端面２３ａにて
大きな水滴とならない。従って、超音波センサ２３の超
音波の発信及び受信が水滴により阻害されることがな
く、同超音波センサ２３が確実に作動する。

【００３４】また、超音波センサ２３の超音波発信端面
２３ａは貯氷庫３１及びシュート３４内に露出していな
いので、超音波発信端面２３ａを含み超音波センサ２３
に氷の飛沫等が付着する可能性も低減されている。従っ
て、超音波センサ２３が一層確実に機能を発揮し得るも
のとなっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】 超音波センサの端面と円筒形のハウジングの
端部との距離を変化させた場合の超音波センサの出力を
示す図である。

【図２】 本発明の第１実施形態の概略断面図である。

【図３】 図２に示した保護カバーの平面図である。

【図４】 図２に示した超音波センサが発信する超音波
の様子を示した図である。

【図５】 本発明の第２実施形態の概略断面図である。

【図６】 図５に示した超音波センサユニットの周辺拡
大図である。

【図７】 従来の超音波センサの取付け状態を示す図で
ある。

【符号の説明】

１０…超音波センサユニット、１１…円筒形ハウジン
グ、１１ｂ…開放面、１２…超音波センサ、１２ｃ…ケ
ーシング、１２ｄ…端面（超音波発信端面）、１３…円
錐ホーン、１４…保護カバー。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円筒形のハウジングと、前記ハウジング内
   に保持されたケーシング内に超音波を発信するとともに
   同超音波の反射波を受信するセンサ部を収容してなる超
   音波センサと、前記円筒形のハウジングの端部から一定
   の角度をもって拡径する円錐ホーンとを備えた超音波式
   物体検知装置において、前記超音波センサの前記ケーシ
   ングの端面が前記円筒形のハウジングの端部よりも前記
   円錐ホーン側に突出しないように前記超音波センサを配
   設したことを特徴とする超音波式物体検知装置。
2. 【請求項２】前記円錐ホーンの頂角の半分を３０度と
   し、且つ同円錐ホーンの軸方向の長さを１０ｍｍとした
   請求項１に記載の超音波式物体検知装置。
3. 【請求項３】所定間隔にて平行配置された複数のスリッ
   トを有する保護カバーを前記円錐ホーンの大径側開口面
   に対向して配置したことを特徴とする請求項１又は請求
   項２に記載の超音波式物体検知装置。
4. 【請求項４】前記超音波センサの前記ケーシングの端面
   と前記保護カバーとの距離が、前記超音波の半波長の整
   数倍付近となるように前記保護カバーを配設したことを
   特徴とする請求項３に記載の超音波式物体検知装置。
5. 【請求項５】超音波を発信するとともに同超音波の反射
   波を受信するセンサ部をケーシング内に収容した超音波
   センサを貯氷庫の上方に配設し、前記超音波センサから
   発信される超音波の発信タイミングと前記超音波センサ
   による前記反射波の受信タイミングとの関係に基づいて
   前記貯氷庫内に所定量の氷が貯えられたことを検知する
   貯氷検知装置において、 前記超音波センサの超音波発信方向が略水平方向となる
   ように前記超音波センサを配置するとともに、 前記超音波センサから発信された超音波が前記貯氷庫内
   に貯えられた氷片に向うように同超音波の進行方向を変
   更する反射体を備えたことを特徴とする貯氷検知装置。