JP2012093172A - ショーケースのドレン水検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波を用いて、超音波を出して、対象物にぶつけて、戻ってくる時間で対象物までの距離測定する場合、限られた設置条件の中で、その距離を比較的長く確保でき、その結果として発信部分の残響影響を排除できることで、正確に測定でき、測定精度をアップできるショーケースのドレン水検知装置を提供する。
【解決手段】ドレン受け４の上方に設置し、ドレン水の水面に対して放射した超音波センサー９の発信部分からの反射信号の直接反射波を受信部分に入力してドレン水の水面から前記センサーまでの反射時間から距離を算出するショーケースのドレン水検知装置において、超音波センサーの発信部分として超音波発信素子１６と受信部分としての超音波受信素子１７はこれらを分離し、制御用の基板１４の部分を挟んで取り付けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ショーケースのドレン水検知装置に関するものである。

スーパーマーケットなどの店舗に設置されるオープンタイプの冷凍冷蔵ショーケースで移動が容易なように圧縮機が組み込まれているショーケースでは、移動性が損なわれないようドレン水もショーケース内に設置したドレンパンやドレンタンクなどのドレン水受けに貯留している。

そして、ドレン水の満水を検知する方法として、超音波センサーを水位センサーとして使用し、この水位センサーと水面との距離を測定することで水位を計測する方法があり、ドレン水受けの上方に水位センサーを設置し、ここから水面に向けて発信した超音波が水面に反射して戻り受信されるまでの時間を計測して水位センサーと水面との距離、すなわち水位を計測するものである。（例えば特許文献１、２、３参照）
特開２００１−５９７６５号公報 特開２００７−３３３２８１号公報 特開２００８−１８０５３２号公報

図６に示すようにショーケース本体の下部に形成される機械室３内に凝縮器２や圧縮機（図示せず）などにより構成される冷凍装置を配設し、ショーケース本体の背面側に設置した冷却器で冷却した冷気で商品収納庫１内に収納した商品を冷却するもので、冷気は循環される。図中５は凝縮器冷却用のファン、６はドレン水を蒸発させるための蒸発板、７はショーケースコントローラ、８はドレン水の満水を報知する満水警報ランプを示す。

図７に示すように、ドレン水受け４の上方に水位センサー９を設置し、ここから水面に向けて発信した超音波が水面に反射して戻り受信されるまでの時間を計測して水位センサー９と水面との距離、すなわち水位を計測する。

水位センサー９の超音波発信素子兼受信素子１０にはＰＺＴ素子が使用され、ケース本体１５内に、超音波発信素子兼受信素子１０と制御用の基板１４とを収めたユニットとして形成される。

水位センサー９は、図８、図９に示すように、水位センサー９である超音波発信素子兼受信素子１０の水位センサー音波発振部（図示せず）を制御するパルス発振部である送信回路部１１から発信されたパルス信号が水面で反射されて受信回路部１２に戻るまでの時間を計測し、この時間をもとに演算処理回路部１３で水位センサー９と水面との距離、すなわち水位を算出するもので、受信回路部１２は前記ショーケースコントローラ７に接続される。

下記特許文献４はこの超音波発信素子兼受信素子１０の一例を示すもので、図１０に示すように、超音波を送受信することによって非接触で対象物までの距離を測定するもので、センサ本体部１１０と、センサ本体部１１０を収容する筐体１２０から構成されている。
特開２００８−１５１６６７号公報

このセンサ本体部１１０は、支持部１１１と、台座１１２と、ＰＺＴ振動子１１３と、共振板１１４と、コーン部１１５とが順に積層されて構成されている。

支持部１１１は、筐体１２０内部に形成されているセンサ装着部１２２に装着され、センサ本体部１１０を支持するものである。台座１１２は、支持部１１１に取り付けられており、ＰＺＴ振動子１１３を固定するためのものである。

ＰＺＴ振動子１１３は、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子であり、正電極端子部１１７及び負電極端子部１１８を介してパルス電圧が加えられ、発振するようになっている。つまり、ＰＺＴ振動子１１３は、パルス電圧が印加されることによって、所定の周波数範囲（一般的に４０ｋＨｚ前後）の音波（超音波）を発振する機能を有しているのである。

正電極端子部１１７及び負電極端子部１１８が、支持部１１１及び台座１１２を貫通し、ＰＺＴ振動子１１３に接続される 共振板１１４は、ＰＺＴ振動子１１３に取り付けられており、ＰＺＴ振動子１１３の発振によって発信信号を作り出す。コーン部１１５は、対象物からの反射信号を受信し、増幅する。

筐体１２０の上面側の開口図である音響通路開口部１２１からセンサ装着部１２２までの間の空間は、音響通路１２３として機能する。

このように、超音波発信素子兼受信素子１０を用いて、超音波を出して、対象物にぶつけて、戻ってくる時間で対象物までの距離を測定する距離測定する場合、その距離が短いと、超音波発信部で発信を止めた後に発生する残響が無くならないうちに、反射音が戻ってくる。

よって、超音波を使用する場合は、目安として５０ｃｍ以下の検知は無理となっていた。

前記図７はこれを説明するもので、ドレン水受け４はドレン水受けの深さ４０ｍｍ程度で、ドレン水は満水で約３Ｌである。超音波発信素子兼受信素子１０からの超音波は直下方向であり、ドレン水受け４との上下間隔は、ドレン水がドレン水受け４から溢れてしまう距離が７０ｃｍ程度であるとして、超音波発信素子兼受信素子１０とドレン水までの距離は、通常約溢れる位置より１０ｍｍ程度下でドレン水満水警報を出すものとしている。

前記残響対策として、残響を早く止める工夫も開発も行われてきたが、実用上として残響時間を安定させることが難しいのが現状である。

よって、発信部分と受信部分を別々にすることを行うことを検討したが、受信部は反射音を拾うために感度を極力あげたいため、隣に残響部分の発信部があると、その振動を拾ってしまい、近接での振動防止は非常に困難であった。

また、反射音も対象物の状態（波など）で、反射方向がゆれると、特に超音波は指向性が高いため、音圧がばらつき易くなる。凝縮器の冷却用のファンから発生する空冷用の風や、圧縮機の振動により、ドレン水受け４内のドレン水の水面には波が常時発生している。このため、波の角度によっては超音波の反射方向が変換され超音波センサの受信回路部に信号が戻らない場合があり、距離測定が不能な状態が発生する。

本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、超音波を用いて、超音波を出して、対象物にぶつけて、戻ってくる時間で対象物までの距離測定する場合、限られた設置条件の中で、その距離を比較的長く確保でき、その結果として発信部分の残響影響を排除できることで、正確に測定でき、測定精度をアップできるショーケースのドレン水検知装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、請求項１記載の本発明は、ドレン受けの上方に設置し、ドレン水の水面に対して放射した超音波センサーの発信部分からの反射信号の直接反射波を受信部分に入力してドレン水の水面から前記センサーまでの反射時間から距離を算出するショーケースのドレン水検知装置において、超音波センサーの発信部分と受信部分はこれらを分離して超音波発信素子と超音波受信素子とし、これら超音波発信素子と超音波受信素子とを制御用の基板部分を挟んで取り付けたことを要旨とするものである。

請求項１記載の本発明によれば、超音波センサーは発信部分と、受信部分を独立させ、それを司るコントローラを挟む形状に置くことで、超音波発信素子と超音波受信素子との間を広げることができ、その間が振動の減衰を促し、受信素子に取ってのノイズ低減効果を発揮して、音の干渉防止を促すことができる。また、超音波発信素子と超音波受信素子との間を広げたその箇所にコントローラを納めることができるので、全体として場所を取らずにコンパクトに設置できる。

請求項２記載の本発明は、超音波発信素子と超音波受信素子とを固定する基板を固定する外郭部分は、超音波の出力周波数に対して、減衰特性のある材料で構成したことを要旨とするものである。

請求項２記載の本発明によれば、硬質ゴムもしくはシリコンゴム等のような材料を工夫することで効果を拡大させることができる。

請求項３記載の本発明は、センサーの発信部分と受信部分の取り付け角度は、ドレン水の水面に対してコーン部の角度、もしくは３０度以下となるように設定することを要旨とするものである。

請求項３記載の本発明によれば、発信部分から超音波を出して、対象物にぶつけて、受信部分に戻ってくる時間で対象物までの距離を測定する場合、発信部分と受信部分の取り付け角度は重要であり、ドレン水の水面に対してコーン部の角度、もしくは３０度以下となるように設定することで計測するのに十分な距離を確保できる。なお、水面は絶えずゆらいでおり、実際上３０度以上とすると反対側の戻りが著しく悪くなる。

請求項４記載の本発明は、受信部回路で応答用として測定する電圧は、返信までの時間によって、閾値を変化させることを要旨とするものである。

請求項４記載の本発明によれば、超音波を用いて、超音波を出して、対象物にぶつけて、戻ってくる時間で対象物までの距離測定する場合、測定距離を延ばすためには、減衰してしまう分を考慮して、受信部回路で応答用として測定する電圧をその分増加させることで、この減衰分をカバーできる。

請求項５記載の本発明は、閾値を決定する電圧値を設けて、その受信までの時間より、次の受信電圧を決定することを要旨とするものである。

請求項５記載の本発明によれば、水面までの距離が近くても、遠くても到達したとする電圧の閾値を時間経過で変えることで、超音波発振開始からの時間を一定にできる。

請求項６記載の本発明は、受信部回路の電圧上昇から、起点を判定することを要旨とするものである。

請求項６記載の本発明によれば、反射波と定める音圧を、反射名での時間と音圧の上昇速度により、ピーク値を推論することで、検知距離精度を向上させることができる。

以上述べたように本発明のショーケースのドレン水検知装置は、距離を検知する場合、発信部分の残響影響を排除できることで、短距離の測定を可能とし、且つ、対象の状態（波など）に係わらす、精度を高く検知することが可能となるものである。

以下、図面について本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明のショーケースのドレン水検知装置の１実施形態を示す正面図で、前記従来例を示す図７と同一構成要素には同一参照番号を付したもので、ドレン水受け４の上方に水位センサー９を設置し、ここから水面に向けて発信した超音波が水面に反射して戻り受信されるまでの時間を計測して水位センサー９と水面との距離、すなわち水位を計測するものである。

水位センサー９は、超音波センサーの発信部分としての超音波発信素子１６と受信部分としての超音波受信素子１７とに分離し、制御用の基板部分１４を挟んで取り付けた。なお、超音波発信素子１６と超音波受信素子１７は前記図１０に示す超音波発信素子兼受信素子１０の２個を使用し、そのうちの１つを超音波発信素子１６として、他の１つを超音波受信素子１７として用いてもよい。これらの詳細説明は図９で述べた通りであり、省略する。

超音波発信素子１６と超音波受信素子１７の取り付け角度は、ドレン水受け４のドレン水の水面に対してコーン部の角度をドレン水の水面に対しての超音波の反射角度が３０度以下となるように設定する。この３０度の角度は一例として図１に示すようにドレン水の水面からの鉛直線に対して超音波発信素子１６からの超音波のドレン水の水面に対する入射角が１５度以下であるようなものである。

図２に示すように制御用の基板１４の部分が構成する制御部２０の出力側に超音波発信回路１８を介して超音波発信素子１６が接続され、入力側に超音波受信回路１９を介して超音波受信素子１７が接続される。図中２１は外部出力用のコネクタである。

前記超音波発信素子１６や超音波受信素子１７は制御用の基板部分１４とともにケース本体１５内に収められてユニットとして形成される。

前記のように超音波発信素子１６と超音波受信素子１７とを併存させた場合の問題点として、超音波発信素子１６の発振振動が超音波受信素子１７に伝わることで、超音波受信素子にとってのノイズの元となる。よって、振動伝達を遮断することが必要である。そこで、超音波発信素子１６や超音波受信素子１７と制御用の基板１４部分と固定する外郭部分は、出力周波数に対して、減衰特性のある材料２２、たとえば、硬質ゴムもしくはシリコンゴム等のような弾性体で構成する。

なお、ショーケースの全体構成は前記図６について説明した通りであり、ショーケース本体の下部に形成される機械室３内に凝縮器２や圧縮機（図示せず）などにより構成される冷凍装置を配設し、ショーケース本体の背面側に設置した冷却器で冷却した冷気で商品収納庫１内に収納した商品を冷却するもので、冷気は循環される。

水位センサー９を使用してドレン水と水位センサー９との距離を測定するには、基本構成としては、超音波発信素子１６からドレン水受け４内のドレン水の水面に向って発信された超音波が、水面で反射して超音波受信素子１７に戻ったとき、超音波受信回路１９を介して発信されてから受信されるまでの時間が制御部２０に入力され、制御部２０ではこの時間をもとにして距離データを算出し、外部出力用のコネクタ２１に出力する。

このように、受信波は距離データに変換されるものであるが、この場合、まず、超音波発信素子１６からの周波数４０ｋＨｚ、１０サイクル＝２５０ｍｓｅｃでの超音波の発信開始後、受信電圧が０．１Ｖまで一旦下がってから、距離測定のためのピーク電圧検出を開始する。

受信電圧が０．１Ｖまで下がった時点は、発信波の残響に受信波が重なっていたとしても、その影響がなくなった時点であり、これにより発信波の残響がなくなってからピーク電圧の検出、受信波検出を開始できる。

ピーク電圧検出開始後、０．５ｍｓｅｃの経過後、ピーク電圧が０．１Ｖ以上になれば、反射した受信波が検出されたことであり、この受信波の応答時間を検出し、時間と距離との相関関係に基づいて距離を算出し、この距離データをコネクタ２１から出力する。

なお、水面は、環境要因、特に風や、振動により波が発生し易い。その為、反射波は散乱されることで、反射波が四方に分散したり、干渉によったりして音圧が下がる現象が発生する。よって、近距離でも音圧が低い場合（制御回路内の電圧が低い）があり、一定時間に反射波を捉えられない場合は、あえて時間と音圧の関係を修正する。すなわち、超音波受信回路１９で応答用として測定する電圧は、返信までの時間によって、閾値を変化させる必要がある。図４はその様子を説明したものである。

その理由は１．超音波の発振は機械振動なので、電気によって振動する力を加えても、最大振幅になるまでタイムラグがある。（徐々に振動が大きくなる。）２．近距離の測定では、反射波の発振起点を正しく読まないと、誤差がでる。３．超音波の経路が長くなる程、振動は減衰する。などである。

よって、発振の起点は１Ｖよりほぼ０Ｖなので、ある程度振幅が出た反射波を読まざるを得ない。但し、前記３．により、距離が長い程、振幅は小さくなる。よって、一意の値を反射到達時間とすると前記２．より距離誤差を生じる。その為、受信時間で閾値をかえる必要があるからである。

このようにすることで、制御回路の司令塔であるマイコンの性能が高くできる。Ａ/Ｄ変換サンプリング速度が速い場合）波形に対して微小な時間で電圧を観察していくことで電圧上昇を測定することができる。

そこから最高電圧（maxV）例えばその電圧の半分までの時間を反射時間とすることで、反射波到達とする時間を安定できるので、外乱に対して検知精度の高い測定が出来る。他にも、電圧の上昇を算出して起点を判定する方法などがある。

どの電圧で反射波到達時間とするかで、到達までの時間に影響Ｈが発生し、その分が測定影響となり、誤差として、分子を時間差からの誤差距離、分母を測定距離とすると、短距離測定ほど、分母が小さくなるので、誤差は大きくなる。そのため、距離と反射し戻った音の音圧の関係は、遠方ほど小さくなるので、逆に、出力音圧が一定であれば、反射波のピーク音圧の推定ができる。

面までの距離は、応答時間と同一であるため、応答時間として待つ時間の時間のカウンタ経過ごとに、検出する音圧の閾値を下げていくことで、測定する電圧の違いによる、距離測定の誤差を吸収できる。

その結果、図３に示すように、水面までの距離が近くても、遠くても到達したとする電圧の閾値を時間経過で変えることで、超音波発振開始からの時間を一定にできる。

水面は、環境要因、特に風や、振動により波が発生し易い。その為、反射波は散乱されることで、反射波が四方に分散したり、干渉によったりして音圧が下がる現象が発生する。よって、近距離でも音圧が低い場合（制御回路内の電圧が低い）があり、一定時間に反射波を捉えられない場合は、時間と音圧の関係を修正する。この場合、閾値を下げているので距離検知としては近いほうにシフトする。よって、製品としてはドレン水の漏れを防ぐことが目的なので安全の方向になる。

超音波の授受については、実際に空中に発振される音波は加振期、発振期、残
響期の３段階があり、音圧はいきなりピークに達する訳ではない。

また、超音波受信回路１９の電圧上昇から、その起点を判定する。

ドレン水受け４と水位センサー９の距離が近い場合と遠い場合と、ドレン水受け４内のドレン水に波がある場合、特に、波がある場合は、補正を施すものとする。

前記のように、反射波の音圧は、距離に反比例するとしたが、実際は、反射面である水面の波の状態によって、数％から数１０％程度違う方向で反射してしまうので、反射波の音圧は距離によって一意に定まらない。さらに、温度によって至達時間も異なる。

その為、図５に示すように、反射波の音圧をサンプリングしておくことで、安定域を求める。１例として、Aは安定域、例えば６３％の値となった時間を戻りまでの時間とする方法であり、Bは、複数点（図では安定域の２０％と８０％からその中間を戻り時間としている。

本発明のショーケースのドレン水検知装置の１実施形態を示す正面図である。 本発明のショーケースのドレン水検知装置の１実施形態を示すブロック図である。 水面までの距離と電圧の閾値の時間の関係を示すグラフである。 応答用として測定する電圧は、返信までの時間によって閾値を変化させることの説明図である。 ドレン水受け内のドレン水に波がある場合の補正を示すグラフである。 ドレン水検知装置を有するショーケースの斜視図である。 水位センサーとドレン水受けの関係を示す正面図である。 ドレン水検知装置のブロック回路図である。 ドレン水検知装置の受信波形図である。 ドレン水検知装置で使用する超音波発信素子兼受信素子の一例を示す縦断側面図である。

１ 商品収納庫 ２ 凝縮器
３ 機械室 ４ ドレン水受け
５ ファン ６ 蒸発板
７ ショーケースコントローラ ８ 満水警報ランプ
９ 水位センサー １０ 超音波発信素子兼受信素子
１１ 送信回路部 １２ 受信回路部
１３ 演算処理回路部 １４ 制御用の基板
１５ ケース本体 １６ 超音波発信素子
１７ 超音波受信素子 １８ 超音波発信回路
１９ 超音波受信回路 ２０ 制御部
２１ 外部出力用のコネクタ
２２ 減衰特性のある材料

Claims (6)

1. ドレン受けの上方に設置し、ドレン水の水面に対して放射した超音波センサーの発信部分からの反射信号の直接反射波を受信部分に入力してドレン水の水面から前記センサーまでの反射時間から距離を算出するショーケースのドレン水検知装置において、
   超音波センサーの発信部分と受信部分はこれらを分離して超音波発信素子と超音波受信素子とし、これら超音波発信素子と超音波受信素子とを制御用の基板部分を挟んで取り付けたことを特徴とするショーケースのドレン水検知装置。
2. 超音波発信素子と超音波受信素子の取り付け角度は、ドレン水の水面に対しての超音波の反射角度が３０度以下となるように設定する請求項１記載のショーケースのドレン水検知装置。
3. 超音波発信素子と超音波受信素子とを固定する基板を固定する外郭部分は、超音波の出力周波数に対して、減衰特性のある材料で構成した請求項１または請求項２記載のショーケースのドレン水検知装置。
4. 受信部回路で応答用として測定する電圧は、返信までの時間によって、閾値を変化させる請求項１ないし請求項３記載のショーケースのドレン水検知装置。
5. 閾値を決定する電圧値を設けて、その受信までの時間より、次の受信電圧を決定する請求項１ないし請求項４記載のショーケースのドレン水検知装置。
6. 受信部回路の電圧上昇から、起点を判定する請求項１ないし請求項５記載のショーケースのドレン水検知装置。

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