JP2006292634A - 超音波センサ及びこれを用いた対象物の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークまでの距離情報以外に超音波の受信量を利用して、より高度な検出を可能にした超音波センサを提供する。
【解決手段】超音波センサは、超音波を発生させて対象物に照射し、対象物で反射、散乱若しくは減衰された超音波を受信し、その受信量を検出可能な超音波送受信部と、受信量に対する所定の受信量閾値を設定するための閾値設定部と、超音波送受信部で受信された受信量と、閾値設定部で設定された受信量閾値との大小を比較し、これにより対象物の種別を検出する判定部とを備える。この構成によって対象物の材質や形状といった種別を超音波の受信量に基づいて識別することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、対象物の有無や距離・変位を検出、測定可能な超音波センサ及びこれを用いた対象物の検出方法に関する。

従来より、光電センサや近接スイッチなど種々のセンサが開発されている。これらのセンサ類は、光波や音波などを使用して対象物（ワーク）の有無を検出し、これに応じたＯＮ／ＯＦＦ出力が可能で、ＦＡなどの幅広い用途で用いられている。光電センサ等のセンサは、一般にワークの有無を検出することが主目的であるため、変位や距離を検出することはできない。一方で、レーザ光変位センサ、静電容量型変位センサ、渦電流型変位センサ等のように距離や変位の測定を可能にしたタイプのセンサも開発されている。距離の測定が可能なセンサは、ワークの姿勢や向きの判定など、より高度な制御が可能である。

例えば、測距媒体として超音波を使用する超音波センサは、図１に示すようにセンサヘッド部１０内部に備えられた超音波送信器からワークＷに向けて超音波を照射し（図１（ａ））、反射された超音波を超音波受信器で受信すると共に受信までの所要時間を測定し（図１（ｂ））、この時間と超音波の進行速度に基づいてセンサヘッド部１０とワークＷとの距離を検出できる。また予め閾値を設定しておき、測定値が閾値を超える場合にセンサの出力をＯＮさせるスイッチング動作を行うことも可能である。

超音波センサからワークＷまでの距離を求めるには、超音波送信器に内蔵された圧電振動素子を駆動源として振動板を振動させることにより、超音波パルス信号を間欠的に送信し、ワークＷからの反射波を振動板を介して圧電振動素子で受信する。このような反射型の超音波センサでは、送信側の超音波センサが送信した超音波がワークＷにあたって反射し受信側の超音波センサが受信するまでの時間を計測し、この時間に超音波の速度を乗じ、更に２で割ることで超音波センサからワークＷまでの距離が演算できる（特許文献１参照）。
特開２００４−２８６４９号公報

このような超音波センサは、光センサなどに比べて、環境の影響を受けにくく安定した検出ができる利点がある。またワークがどのような形状であっても安定してワークまでの距離を検出できる。しかしながら、従来の超音波センサはあくまでもワークまでの距離を測定するに過ぎず、ワーク自体の特性、例えばワークの形状や種別等の判定をすることはできなかった。

本発明は、このような観点に基づいてなされたものである。本発明の主な目的は、ワークまでの距離情報以外に超音波の受信量を利用して、より高度な検出を可能にした超音波センサ及びこれを用いた対象物の検出方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る超音波センサは、超音波を発生させて対象物に照射し、対象物で反射、散乱若しくは減衰された超音波を受信し、その受信量を検出可能な超音波送受信部と、受信量に対する所定の受信量閾値を設定するための閾値設定部と、超音波送受信部で受信された受信量と、閾値設定部で設定された受信量閾値との大小を比較し、これにより対象物の種別を検出する判定部とを備える。この構成によって対象物の材質や形状といった種別を超音波の受信量に基づいて識別することが可能となる。

また本発明の第２の側面に係る超音波センサはさらに、超音波送受信部で超音波を照射したタイミングから、反射波を検出したタイミングまでの時間を測定し、この時間と超音波の進行速度に基づいて、超音波送受信部の超音波照射面から対象物までの距離を演算可能な距離演算部を備え、判定部が、超音波送受信部で受信された受信量と、距離演算部で演算された対象物までの距離に基づいて、対象物の種別を検出する。この構成によって、距離と受信量を併用して対象物を検出でき、超音波の反射量や透過量が対象物の材質によって異なることに起因する誤検出を回避し、安定した検出が可能となる。

さらに本発明の第３の側面に係る超音波センサは、閾値設定部が、超音波送受信部で受信された受信量に対する所定の受信量閾値、及び距離演算部で演算された対象物までの距離に対する距離閾値を範囲で規定し、受信量及び距離が共に、閾値設定部で規定された所定の範囲内にあるとき、該対象物が検出目標であると判定する。この構成によって、距離と受信量を併用して対象物を検出でき、より高度で正確な検出が可能となる。

さらにまた本発明の第４の側面に係る超音波センサはさらに、超音波送受信部で検出された受信量を、所定の補正基準値に基づいて補正受信量に補正するための受信量変換部を備え、判定部が、受信量変換部で変換された補正受信量に基づいて対象物の種別を判定するよう構成されている。受信量は超音波センサと対象物との距離に応じて変化するため、補正基準値に基づいて受信量を補正することにより距離による変動分を排除でき、距離によらず同一の受信量を持つ対象物を正確に検出できる。

さらにまた本発明の第５の側面に係る超音波センサは、所定の補正基準値が、検出目標とする対象物と超音波送受信部との距離の２乗である。超音波の受信量は、距離の２乗に従って減衰すると考えられるので、距離と受信量との相関関係から、距離による受信量の変動を補正することができ、距離によらず対象物の種別に応じた正確な検出が可能となる。

さらにまた本発明の第６の側面に係る超音波センサは、超音波送受信部が、受信量として超音波の振幅を検出可能に構成している。この構成により、受信波の振幅の大小を検出でき、これに基づいてより高度な検出が可能となる。

さらにまた本発明の第７の側面に係る超音波センサはさらに、距離演算部で演算された距離又は受信量変換部で変換された補正受信量の少なくともいずれかを、閾値設定部で設定された距離閾値と比較して、所定のＯＮ／ＯＦＦの動作パターンにて出力可能な出力部を備える。この構成により、超音波センサで測定された距離または補正受信量に基づきセンサのＯＮ／ＯＦＦを制御することが可能となる。

さらにまた本発明の第８の側面に係る超音波センサは、超音波を発生させて対象物に照射し、対象物で反射された超音波の反射波を検出可能な超音波送受信部と、超音波送受信部で超音波を照射したタイミングから、反射波を検出したタイミングまでの時間を測定し、この時間と超音波の進行速度に基づいて、超音波送受信部の超音波照射面から対象物までの距離を演算可能な距離演算部とを備える超音波センサであって、超音波送受信部が、超音波の反射波の受信量を検出可能であり、該受信量及び距離演算部で演算された対象物までの距離に基づいて、対象物の種別を判定可能に構成している。この構成によって超音波の反射波の受信量のレベルに基づいて対象物表面の反射率等を推測でき、対象物の材質を区別するなど高度な検出が可能である。

さらにまた本発明の第９の側面に係る検出方法は、超音波センサを用いて対象物に超音波を照射し、対象物を検出する検出方法であって、超音波送受信部で超音波を発生させて対象物に照射し、対象物で反射、散乱若しくは減衰された超音波を受信し、その受信量を検出する工程と、超音波送受信部で超音波を照射したタイミングから、反射波を検出したタイミングまでの時間を測定し、この時間と超音波の進行速度に基づいて、超音波送受信部の超音波照射面から対象物までの距離を距離演算部で演算する工程と、判定部が、超音波送受信部で受信された受信量と、距離演算部で演算された対象物までの距離に基づいて、対象物を検出する工程とを有する。これにより、距離と受信量を併用して対象物を検出でき、超音波の反射量や透過量が対象物の材質によって異なることに起因する誤検出を回避し、安定した検出が可能となる。

さらにまた本発明の第１０の側面に係る検出方法は、対象物の種別を検出する工程が、超音波送受信部で検出された受信量を、所定の補正基準値に基づいて補正受信量に補正する工程と、補正受信量と、予め設定された受信量閾値とを比較して、対象物の種別を判定する工程とを有する。受信量は超音波センサと対象物との距離に応じて変化するため、補正基準値に基づいて受信量を補正することにより距離による変動分を排除でき、距離によらず同一の受信量を持つ対象物を正確に検出できる。

本発明の超音波センサ及びこれを用いた対象物の検出方法によれば、対象物の種別を判定することができる。それは、本発明が対象物の形状や表面状態によって超音波の反射量が異なることを利用し、超音波の受信量を測定して、これを検出に用いているからである。また超音波は距離によって減衰するため、距離情報と対象物種別とを同時に取得すれば、対象物が所定の位置にあるかどうか、または位置が変わっても同一対象物かどうかの判定も可能となる。このように対象物の有無を検出してスイッチング可能な超音波センサに止まらず、対象物の形状や姿勢判定、複数種類の峻別といったより高度な検出が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための超音波センサ及びこれを用いた対象物の検出方法を例示するものであって、本発明は超音波センサ及びこれを用いた対象物の検出方法を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

本発明の実施例において使用される超音波センサとこれに接続される操作、制御、表示、その他の処理等のためのコンピュータ、プリンタ、外部記憶装置その他の周辺機器との接続は、例えばＩＥＥＥ１３９４、ＲＳ−２３２ｘやＲＳ−４２２、ＵＳＢ等のシリアル接続、パラレル接続、あるいは１０ＢＡＳＥ−Ｔ、１００ＢＡＳＥ−ＴＸ、１０００ＢＡＳＥ−Ｔ等のネットワークを介して電気的、あるいは磁気的、光学的に接続して通信を行う。接続は有線を使った物理的な接続に限られず、ＩＥＥＥ８０２．１ｘ、ＯＦＤＭ方式等の無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の電波、赤外線、光通信等を利用した無線接続等でもよい。さらにデータの交換や設定の保存等を行うための記録媒体には、メモリカードや磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が利用できる。なお本明細書において超音波センサとは、超音波センサのみならず、これにコンピュータ、外部記憶装置等の周辺機器を組み合わせた超音波センサシステムも含む意味で使用する。
（実施の形態１）

以下、本発明の実施の形態１に係る超音波センサとして、測距手段に反射型の超音波センサを使用した例について、図２のブロック図に基づいて説明する。なお、本明細書において超音波の受信量とは、受信される信号の振幅や受信波の総和などを意味する。また本明細書において超音波センサとは、その名称に拘わらず測距媒体として超音波の他、ミリ波、マイクロ波等、検出対象に照射されることで受信波の振幅の減衰や増幅、周波数や位相の変化など、検出可能な何らかのパラメータを変化させる媒体を含む意味で使用する。さらに、反射型の超音波センサに限らず、超音波の送信用ヘッドと受信用ヘッドを離間させて、この間に対象物を挟み、超音波の透過波を検出する透過型の超音波センサにも利用できる。
（センサヘッド部１０）

超音波センサ１００は、図２に示すように超音波をワークＷに照射するセンサヘッド部１０と、センサヘッド部１０を制御するコントローラ部２０とを備える。センサヘッド部１０は超音波送受信部を備えており、具体的には測距媒体として超音波をワークＷに照射するための送信部及びワークＷで反射された超音波を受信するための受信部として、送受信素子１３を備えている。図２に示す超音波センサ１００では、送受信素子１３として一の超音波振動子を送信と受信に兼用している。この例では、一の振動子を送信と受信を時分割して交互に使用する。この構成によってセンサヘッド部を小型化し、省スペース化を図ることができる。ただ、送信素子として送波用超音波振動子、受信素子として受波用超音波振動子を個別に用意してもよい。さらに、センサヘッド部自体を、送信用ヘッド、受信用ヘッドとしてそれぞれ個別に設ける構成とすることもできる。このように請求項における超音波送受信部とは、送受信器を一のセンサヘッド部で兼用する態様と、送信用、受信用に個別に設ける態様とを含む。加えて、センサヘッド部とコントローラ部とは、ケーブル部等により電気的に接続されているが、コントローラ部に送信用、受信用のいずれか若しくは両方のセンサヘッド部を一体に構成することも可能である。

送受信素子は、これを駆動して超音波を発生、送信するための送信回路１４、およびワークＷで反射され送受信素子で受信された超音波の信号を電気信号に変換する受信回路１５とを接続している。また受信回路１５は、反射波の受信量を検出可能としている。この例では受信量として、図４に示すように、受信する反射波の振幅Ａを測定する。
（コントローラ部２０）

さらにコントローラ部２０は、ゼロシフト信号やバンク切替信号等を入力し、制御部２４に出力する入力部２２、送信回路１４で送受信素子１３を駆動して送信した超音波の反射波を送受信素子１３で受信し、受信回路１５を介して受信量として検出する制御部２４、ユーザが受信量閾値の設定他各種の設定を行うための設定部２６、およびＯＮ／ＯＦＦ信号などの出力信号を外部に出力するための出力部２８を備える。制御部２４は、受信量を設定部２６で設定された所定の受信量閾値と比較して、対象物の種別を検出する判定部５０の機能を備えている。また出力部２８は、判定部５０の判定結果に基づいてＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する。例えばＯＮ時に一定電圧を出力し、ＯＦＦ時に出力を０とするデジタル出力とする。以下の例では、出力部２８は出力端子として出力１，出力２の独立した２系統を備えると共に、用途に応じて機能を選択可能な入出力端子を備えている。

設定部２６は閾値設定部として機能し、ユーザは検出目標とする対象物に応じて設定部２６から受光量閾値を設定する。受光量閾値の設定は位置の数値を指定するほか、範囲で指定することもできる。設定された受光量閾値を超える場合、下回る場合、所定の範囲内にある場合、ない場合など、任意の条件で出力部のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。

超音波センサの外観の一例を、図３の斜視図に示す。この図に示す超音波センサ１００Ｂは、センサヘッド部１０とコントローラ部２０とがケーブル部１６により電気的に接続されている。コントローラ部２０は、正面に表示部３０と設定部２６を設けている。表示部３０は、設定部２６の設定内容の確認や測定された距離を表示するための部材である。図３の例では、表示部３０は第１表示領域３２と第２表示領域３４を備えており、各々７セグメント表示が採用される。表示領域を複数設けることで、第１表示領域３２に測定値、第２表示領域３４に閾値を各々表示させるなど一画面で各値を確認でき、一目で現在の状態をユーザに表示できる判りやすいインターフェースを実現できる。第１表示領域３２の左側には出力表示部３６を備える。出力表示部３６は出力部２８の出力状態を表示する。図３の例では、出力１（ＯＵＴ１），出力２（ＯＵＴ２）それぞれの出力表示部３６として、ＬＥＤインジケータを備える。また第２表示領域３４の左側にはチャンネルインジケータ３８、右側にはサブインジケータ３９を備える。チャンネルインジケータ３８は、例えば第２表示領域３４に２つの閾値に相当するチャンネル１，２のいずれが表示されているかを示す。またサブインジケータ３９は警告表示灯として機能する。

さらにこの実施の形態では、受信回路で受信量を検出する構成のため、受信量の絶対値が低いことを検出して警告信号を発することもできる。例えば信号が極端に弱く、安定して検出動作を継続することが困難であることをユーザに報知するインジケータを設けてもよい。
（設定部２６）

設定部２６は、閾値や基準値あるいは基準位置、正負方向など各種の設定をユーザが行うための入力部材である。図３に示す設定部２６は入力部材として、表示値の表示を行う表示モードと設定を行う設定モードとを切替可能なモード切替部２７と、設定値を指定する増減部４２と、および指定を決定するための決定部４４を備えている。ここではモード切替部２７としてモードボタン、増減部４２として上下ボタン、決定部４４としてセットボタンを備えている。入力部材にはボタンやスイッチ、ダイヤル、キーボード、タッチパネル、マウス、スライドパッド等が利用できる。なおこれらの表示部や設定部のレイアウトやデザインは一例であり、適宜変更できることは言うまでもない。例えば表示部と設定部をタッチパネル式で一体としたり、設定部をリモコンやコンソール等別体に構成してもよい。また表示部は液晶表示とすることもできる。

なお本明細書において設定部での設定とは、ユーザが自分で所望の設定値を入力する他、予め用意された推奨値を自動的に設定、あるいは他の設定項目などから演算して自動的に設定するような、超音波センサ側で設定する場合も含む意味で使用する。
（受信量に基づくワークの検出動作）

この超音波センサは、超音波の受信量を検出し、これに基づいてワークの種別を検出している。従来の超音波センサでは、図１に示すように、超音波パルスをワークＷに送波し、ワークＷで反射された反射パルスを受波して、受波した反射パルスを電気信号に変換し、この電気信号をフィルタを介して復調し、復調した復調信号に基づいて反射パルスが戻ってくるまでの時間を知ることでワークＷまでの距離Ｘを測定していた。この超音波センサでは、図１（ｂ）に示すように超音波の受信の際は反射波の有無のみを検出しており、その受信信号レベルを取得していない。このため、検出距離ＸはワークＷの種別や形状にかかわらず同一である。この様子を図５に基づいて説明する。図５（ａ）〜（ｃ）は、ワークの種類によって超音波の反射波の受信量が異なる様子を示しており、図５（ａ）はガラスのように反射率の大きいワークＷ_１、図５（ｂ）は表面に凹凸があり反射率の低いワークＷ２、図５（ｃ）はゴムのような反射率が中間のワークＷ３を例示している。これらの超音波反射波の振幅はそれぞれ大、小、中となるが、従来の超音波センサでは反射波の振幅の大小を検出していないため、これらのワークが同一の距離Ｘに置かれている場合は同一の検出結果となり、ワークの種別を判定することはできなかった。

これに対して本発明の実施の形態１に係る超音波センサは、図４及び図６に示すように超音波の受信量を検出している。図６も図５と同様に受信波の受信量が異なるワークを使用しており、各ワークについて受信量として超音波反射波の振幅を測定している。図６（ａ）〜（ｃ）に示す各ワークＷ_１、Ｗ_２、Ｗ_３は、図５と同じ材質を使用しており、反射波の振幅Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３がそれぞれ異なる。したがって振幅を検出して比較することで、同じ距離Ｘに配置されている異なるワークを検出あるいは識別することが可能となる。

上記の実施の形態１では、距離を測定せず受信量のみを取得する構成を説明した。一方この構成では反射波の振幅のみで検出しているため、図７に示すように反射率の異なるワークが異なる距離Ｘ_１、Ｘ_２に配置されている場合に誤検出を生じるおそれがある。一般に超音波は距離が離れるほど空気などの媒質中で減衰する傾向にある。その減衰量は距離の２乗に比例すると考えられる。したがって、ワークの材質や種類のみならず、ワークまでの距離によっても受信量が変化してしまうため、図７（ａ）に示すように反射率の高いワークＷが遠距離Ｘ_１に配置されている場合と、図７（ｂ）に示すように反射率の低いワークＷ２が近距離Ｘ_２に配置されている場合とで受信量Ａが同等になった状態を区別できなくなる。そこで、受信量のみならず距離情報も併用することで、より信頼性の高い安定したワーク検出が可能となる。
（実施の形態２）

次に、本発明の実施の形態２として、受信量と共に距離検出も行う例を図８〜図１０に基づいて説明する。図８は、実施の形態２に係る超音波センサ２００のブロック図を示している。図８において、上述した図２の超音波センサ１００と同一の部材については同一符号を付し、詳細説明を省略する。この図に示す超音波センサ２００は、制御部２４が距離演算部５２を備えており、超音波を検出する時間に基づいて距離を検出することができる。距離を検出するための機構は、既存の方式を適宜利用できる。この例では、送信素子として超音波振動子を使用している。超音波振動子は、交流電圧を印加するとその周波数で振動する特性を有する。この振動で空気を震わせて超音波を発生する。一方で超音波振動子は、振動が加わると電圧を発生するという逆の特性を備えている。超音波センサは送信回路１４で発生させた交流電圧を超音波振動子に印加する。超音波振動子はセンサヘッド部１０からワークＷに向かって超音波を照射する。超音波は短時間照射した後、送信を停止する。超音波の送信を停止している間に、送信した超音波が反射されて到達するのを待つ待機状態となる。一方、制御部２４は入力部２２から受けた超音波の送信タイミングから、受信回路１５で受信するまでのタイミングをカウンタなどによりカウントして計時する。超音波の反射波によって超音波振動子が振動すると、図１（ｂ）に示すように電圧が発生し、受信回路１５にて検出される。距離演算部５２で超音波の送信から受信までの時間ｔを計測し、超音波の進行速度すなわち音速を乗算してセンサヘッド部１０からワークＷまでの距離Ｘを距離演算部５２で演算する。距離演算部５２で演算された距離の測定値は、コントローラ部２０に設けられた表示部３０にて表示される。

この図に示す超音波センサは、距離演算部５２で距離を検出すると共に、図９に示すように超音波の反射波の受信レベルも取得している。上述の通り、対象物の材質や形状に応じて、超音波の反射波の受信量が変化することを利用して、対象物の検出を行う。同時に、距離演算部５２で距離も測定することにより、図１０に示すように受信量の減衰が対象物の距離によるものかどうかを判断できるので、検出結果の妥当性を確認できる。すなわち、超音波の反射波の振幅Ａが同じであったとしても、距離演算部５２で演算された検出距離が異なる場合は、判定部５０は検出結果が異なるものであると判定する。このように、検出すべき結果の判定を、受信量と距離のＡＮＤ出力とし、いずれも正当であると判断される場合にのみ検出目標であると判定することで、より信頼度の高い正確な検出が可能となる。受信量と距離の判定は、閾値として受信量閾値と距離閾値を予め設定部２６で設定しておき、設定された各閾値と検出値とを判定部５０で比較して、判定結果を出力する。各閾値は、一定値で指定するほか、範囲で設定することもでき、検出値が閾値として設定された範囲内にある場合にＯＮあるいはＯＦＦさせるよう動作させてもよい。このように判定のための検出する情報を増やして判定結果を裏付けることで、安定した検出が可能となる。
（実施の形態３）

一方で、実施の形態２に係る超音波センサは、図１１に示すようにワークＷが同じ場合でワークＷまでの距離Ｘ_１、Ｘ_２が異なる場合、受信量Ａ_１、Ａ_２も距離Ｘ_１、Ｘ_２も異なるため、ワークＷが同じであっても異なるワークであると認識するおそれがある。次に、この問題を解消する超音波センサを実施の形態３として、図１２及び図１３に基づいて説明する。図１２は超音波センサ３００のブロック図を示し、図１３は反射波の振幅を受信量変換部５４が基準距離で補正する様子を示している。図１２のブロック図に示す超音波センサ３００は、図２、図８等とほぼ同様の構成としており、同一の部材については詳細説明を省略する。この超音波センサ３００も距離演算部５２を備えているので、図９等と同様に受信量を検出すると共に、距離演算部５２で距離を演算する。さらにこの超音波センサ３００の制御部２４は、受信量変換部５４を備えており、超音波送受信部で検出された受信量を、受信量変換部５４が所定の補正基準値に基づいて補正受信量に補正する。具体的には、超音波の振幅が距離の２乗に比例して減衰する性質に鑑みて、所定の補正基準値に基づいて受信量を補正する。ここでは補正基準値として、検出すべきワークＷ_１と超音波センサのセンサヘッド部１０との距離Ｘ_１の基準距離に利用する。距離演算部５２で基準距離Ｘ_１を測定し、基準距離Ｘ_１の２乗Ｘ_１ ^２を補正基準値として受信量を乗算する。この結果、図１３にそれぞれ示すように、受信量の振幅Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４が、基準距離における振幅Ａ_１’、Ａ_２’、Ａ_３’、Ａ_４’に変換されるので、距離による振幅の変動を除外して、反射波の振幅を対比することができる。図１３の例では、検出目標を図１３（ａ）のワークＷ_１とすると、同一のワークＷ_１である図１３（ｄ）の振幅Ａ４については基準距離Ｘ_１で補正された結果、補正後の振幅Ａ_４’が図１３（ａ）の振幅Ａ_１’とほぼ等しくなり、同一のワークとして検出できる。一方で図１３（ｂ）、（ｄ）のワークＷ_２、Ｗ_３については、振幅Ａ_２、Ａ_３を補正した結果それぞれＡ_２’、Ａ_３’となって、Ａ_１’と異なるため、ワークの種別を区別できる。これにより、基準距離に換算した受信量にて判定を行うことができ、距離によらず同一の受信量を持つワークを検出できる。このように、超音波の受信量のみならず、ワークまでの距離も併せて検出し、かつ距離を所定の基準距離に変換することで、同一のワークが異なる距離にある場合でも正確にワークの種別判定が可能となる。
（利用例）

以上のようなワークの種別を検出可能な超音波センサを利用すれば、ワークの種別や真贋判定、表裏判別、姿勢、加工の有無などの判定を行うことができる。例えばワークの表面に凹凸を有するものと平坦なものとでは、超音波の反射率が異なるため受信量も異なる。このような検出例について、図１４〜図１７に基づいて説明する。

図１４は、表裏判別の例を示している。この図に示すワークＷは、表面と裏面とで形状や材質等、反射率に影響を与える要素が異なっている。このため、各ワークＷについて超音波の反射波の振幅を比較することにより、表面か裏面かを判定できる。例えば振幅の閾値を設定し、表面が上向きの場合にＯＮ、裏面の場合にＯＦＦとなるように設定することにより、図１４（ａ）、（ｂ）、（ｄ）を表面、（ｃ）を裏面と判定できる。

また図１５は、異種判別の例を示している。この図に示すワークは、各々受信量が異なるため、振幅の閾値を設定するなどして図１５（ａ）のワークＷ_１と図１５（ｃ）のワークＷ_２とを区別できる。

さらに図１６は、ワークへの加工判別として、穿孔の有無を判定する例を示している。この例では、図１６（ｃ）の断面図に示すような段差部分に穿孔し、図１６（ａ）のような形状としたワークＷ_１を検出目標としている。超音波センサは比較的感度や精度が粗いため、単なる距離検出では穿孔の深さなどによっては判定が困難なことがある。このような場合において、図１６（ｃ）に示す穿孔の無いワークＷ２では超音波の反射率が異なることを利用し、受光量に基づいて穿孔の有無を精度よく判定できるようになる。

さらにまた図１７では、超音波センサの距離分解能以下のワーク検出を行う例を示している。一般に超音波センサの距離分解能以下の薄いワークは、ワークを配置している背景Ｂと同じ材質であれば検出できないが、背景Ｂと材質が異なるワークや、表面形状が異なるワークなど、受光量に差がある場合は、上述の方法により受光量に基づいてワークの有無を検出できる。例えば、超音波の反射率が使用されるワークＷ_１〜Ｗ_４と背景Ｂとで異なるように、背景Ｂの材質や表面形状を変更することで、ワークの検出が可能となる。このように、距離検出によれば測定不可能なワークであっても、受光量を利用することで検出可能とすることができる。

本発明の超音波センサ及びこれを用いた対象物の検出方法は、所定距離だけ離れた検出位置に検出対象物が存在するかどうかを検出するため等に利用することができる。

センサでワークまでの距離を測定する様子を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る超音波センサを構成するセンサヘッド部とコントローラ部を示すブロック図である。 超音波センサの外観を示す斜視図である。 センサで受信量に基づいてワークを検出する様子を示す説明図である。 ワークの種別に拘わらずワークまでの距離を測定する様子を示す説明図である。 ワークの種別を検出する様子を示す説明図である。 反射率の異なるワークが異なる距離に配置されている場合にワークの種別を検出しようとする様子を示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係る超音波センサを示すブロック図である。 センサで受信量及び計時タイミングに基づいてワークを検出する様子を示す説明図である。 異なる距離にある異なるワークの種別を検出する様子を示す説明図である。 同一のワークが異なる距離にある場合にワークを検出しようとする例を示す説明図である。 本発明の実施の形態３に係る超音波センサを示すブロック図である。 異なる距離にある異なるワークの種別を検出するために、反射波の振幅を受信量変換部が基準距離で補正する様子を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る超音波センサでワークの表裏判定を行う例を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る超音波センサでワークの異種判定を行う例を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る超音波センサでワークの加工有無判定を行う例を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る超音波センサで距離分解能以下のワークの検出を行う例を示す説明図である。

符号の説明

１００、１００Ｂ、２００、３００…超音波センサ
１０…センサヘッド部
１３…送受信素子
１４…送信回路
１５…受信回路
１６…ケーブル部
２０…コントローラ部
２２…入力部
２４…制御部
２６…設定部
２７…モード切替部
２８…出力部
３０…表示部
３２…第１表示領域
３４…第２表示領域
３６…出力表示部
３８…チャンネルインジケータ
３９…サブインジケータ
４２…増減部
４４…決定部
５０…判定部
５２…距離演算部
５４…受信量変換部
Ｗ、Ｗ_１、Ｗ_２、Ｗ_３、Ｗ_４…ワーク
Ｂ…背景
Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４…受信量の振幅
Ａ_１’、Ａ_２’、Ａ_３’、Ａ_４’…変換後の振幅
Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３、Ｘ_４…センサとワークとの距離

Claims (10)

1. 超音波を発生させて対象物に照射し、対象物で反射、散乱若しくは減衰された超音波を受信し、その受信量を検出可能な超音波送受信部と、
   受信量に対する所定の受信量閾値を設定するための閾値設定部と、
   前記超音波送受信部で受信された受信量と、前記閾値設定部で設定された受信量閾値との大小を比較し、これにより対象物の種別を検出する判定部と、
   を備えることを特徴とする超音波センサ。
2. 請求項１に記載の超音波センサであって、さらに、
   前記超音波送受信部で超音波を照射したタイミングから、反射波を検出したタイミングまでの時間を測定し、この時間と超音波の進行速度に基づいて、前記超音波送受信部の超音波照射面から対象物までの距離を演算可能な距離演算部を備え、
   前記判定部が、前記超音波送受信部で受信された受信量と、前記距離演算部で演算された対象物までの距離に基づいて、対象物の種別を検出することを特徴とする超音波センサ。
3. 請求項１または２に記載の超音波センサであって、
   前記閾値設定部が、前記超音波送受信部で受信された受信量に対する所定の受信量閾値、及び前記距離演算部で演算された対象物までの距離に対する距離閾値を範囲で規定し、
   受信量及び距離が共に、前記閾値設定部で規定された所定の範囲内にあるとき、該対象物が検出目標であると判定することを特徴とする超音波センサ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の超音波センサであって、さらに、
   前記超音波送受信部で検出された受信量を、所定の補正基準値に基づいて補正受信量に補正するための受信量変換部を備え、
   前記判定部が、前記受信量変換部で変換された補正受信量に基づいて対象物の種別を判定するよう構成されてなることを特徴とする超音波センサ。
5. 請求項４に記載の超音波センサであって、
   前記所定の補正基準値が、検出目標とする対象物と前記超音波送受信部との距離の２乗であることを特徴とする超音波センサ。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の超音波センサであって、
   前記超音波送受信部は、受信量として超音波の振幅を検出可能に構成してなることを特徴とする超音波センサ。
7. 請求項４から６のいずれかに記載の超音波センサであって、さらに、
   前記距離演算部で演算された距離又は前記受信量変換部で変換された補正受信量の少なくともいずれかを、前記閾値設定部で設定された距離閾値と比較して、所定のＯＮ／ＯＦＦの動作パターンにて出力可能な出力部を備えることを特徴とする超音波センサ。
8. 超音波を発生させて対象物に照射し、対象物で反射された超音波の反射波を検出可能な超音波送受信部と、
   前記超音波送受信部で超音波を照射したタイミングから、反射波を検出したタイミングまでの時間を測定し、この時間と超音波の進行速度に基づいて、前記超音波送受信部の超音波照射面から対象物までの距離を演算可能な距離演算部と、
   を備える超音波センサであって、
   前記超音波送受信部が、超音波の反射波の受信量を検出可能であり、該受信量及び前記距離演算部で演算された対象物までの距離に基づいて、対象物の種別を判定可能に構成してなることを特徴とする超音波センサ。
9. 超音波センサを用いて対象物に超音波を照射し、対象物を検出する検出方法であって、
   超音波送受信部で超音波を発生させて対象物に照射し、対象物で反射、散乱若しくは減衰された超音波を受信し、その受信量を検出する工程と、
   前記超音波送受信部で超音波を照射したタイミングから、反射波を検出したタイミングまでの時間を測定し、この時間と超音波の進行速度に基づいて、前記超音波送受信部の超音波照射面から対象物までの距離を距離演算部で演算する工程と、
   前記判定部が、前記超音波送受信部で受信された受信量と、前記距離演算部で演算された対象物までの距離に基づいて、対象物を検出する工程と、
   を有することを特徴とする検出方法。
10. 請求項９に記載の検出方法であって、対象物の種別を検出する工程が、
    前記超音波送受信部で検出された受信量を、所定の補正基準値に基づいて補正受信量に補正する工程と、
    補正受信量と、予め設定された受信量閾値とを比較して、対象物の種別を判定する工程と、
    を有することを特徴とする検出方法。

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