JP2016065836A - 超音波検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反射型の超音波センサでの検知結果が、超音波送信面に付着物が存在しない状態で検知された結果である場合に、そのことを保証することが可能な超音波検知装置を提供する。【解決手段】本発明に係る超音波検知装置１は、超音波を送信する送信部及びその超音波を受信する第１受信部を有する反射型の超音波センサ１１と、上記送信部における超音波送信面の近傍に診断用超音波センサ１３と、備える。診断用超音波センサ１３は、上記超音波送信面から送信された超音波を受信する第２受信部を有し、上記第２受信部での受信結果に基づき上記超音波送信面に付着した付着物Ｄの有無を検知する。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、超音波センサを備えた超音波検知装置に関する。

従来から、距離測定や障害物検知などのために超音波センサが利用されている。しかし、超音波センサは、超音波の送信面や受信面（兼用の場合もある）に埃やゴミなどの付着物が溜まると、距離測定や障害物検知が不能になる。特に、屋外用の超音波センサは、送信面や受信面に泥や雪などの吸音体が付着する場合もある。

また、超音波センサの診断を行う技術も様々提案されている。特許文献１には、超音波センサを備えた移動ロボットにおいて、超音波センサの送信部から送信された超音波の残響を受信部で受信し、その残響のレベルが設定値以下の場合に、送信部又は受信部が異常であると判定する技術が開示されている。この技術により、移動ロボット本体を使用しない間に超音波センサにゴミが溜まり、それによって超音波センサの送信部又は受信部が誤動作していることを判定できる。

特許文献２には、車両用障害物検知装置において、周囲環境温度が低くないと判定された場合に、残響振動の継続時間が超音波振動子の故障状態を表すか否かを判定し、周囲環境温度が低いと判定された場合に、残響振動の継続時間が振動面の凍結状態を表すか否かを判定する技術が開示されている。

特許文献３には、障害物センサとしての超音波センサを移動体の複数個所に設け、これら障害物センサの信号の送受信により移動体の周辺に存在する障害物を検知するシステムが開示されている。このシステムでは、各障害物センサを複数組に分けて組毎に異なるタイミングで動作させると共に、各障害物センサのそれぞれについて、送信部から送信され、受信部に直接廻り込む超音波信号の検出有無を判断し、検出有の障害物センサを正常として認識し、検出無しの障害物センサを異常として認識するようにしている。

特許文献４には、プローブから被検体に超音波を送り、プローブが戻りのエコー信号を受信して被検体を診断する超音波診断装置において、プローブ等のハードウェア要素の休止中に送受信テストによる自己診断を行い、ハードウェア要素の故障や異常を検出する技術が開示されている。

特開平７−３２７８９５号公報 特開２００２−７１８０５号公報 特開２０１０−２１０４１２号公報 特開２０１０−１９３９５８号公報

上述のように、超音波センサは、超音波の送信面や受信面に付着物があると距離測定や障害物検知が不可能になる。そのため、超音波センサは、衝突検知用途などの安全確認用のセンサとして使用する場合には、その検知結果の信頼性が欠如してしまうことになる。

より具体的に説明すると、超音波センサでは、超音波を発振してから返ってくるまでの時間と音速から距離を求めることができる。そして、障害物検知用の超音波センサでは、超音波が返ってきた場合にはその超音波センサで検知できる範囲内に障害物が存在し、超音波が返ってこなかった場合にはその範囲内に障害物が存在しないと判定する。

従って、このような超音波センサでは、送信面上の付着物（堆積物）により結果的に超音波が発振されなかった場合や返ってきた超音波が付着物に吸収されてしまった場合にも、超音波が返ってきていないことが分かるだけであるため、障害物無しと判定することになる。このような判定は、特に送信面や受信面に泥や雪などの吸音体が付着している場合に生じ得る。そして、このような判定を行ってしまい、その判定結果を元に例えば移動ロボットなどが移動をしてしまうと、障害物との衝突の危険が生じることになる。

しかしながら、特許文献１〜４に記載の超音波センサでは、異常（故障）の検知をその超音波センサの受信部が行っているため、検知結果の信頼性を向上させることができるとは言えない。特に、例えば移動ロボットや自動車などの移動体に設けた超音波センサは、走行前に付着していなかった吸音体が走行中に付着してしまった場合を考慮すると、その検知結果が信頼できるものとは言えず、安全確認用のセンサとして信頼性に欠けることになる。

本発明は、上述のような実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、反射型の超音波センサでの検知結果が、超音波送信面に付着物が存在しない状態で検知された結果である場合に、そのことを保証することが可能な超音波検知装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、超音波を送信する送信部及び該超音波を受信する第１受信部を有する反射型の超音波センサを備えた超音波検知装置であって、前記送信部における超音波送信面の近傍に診断用超音波センサを、さらに備え、前記診断用超音波センサは、前記超音波送信面から送信された超音波を受信する第２受信部を有し、該第２受信部での受信結果に基づき前記超音波送信面に付着した付着物の有無を検知することを特徴としたものである。

本発明の第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記診断用超音波センサは、前記超音波送信面から送信された超音波を受信する受信面が前記超音波送信面に対してほぼ垂直になるように配設されていることを特徴としたものである。

本発明の第３の技術手段は、第１又は第２の技術手段において、前記第１受信部の超音波受信面は、前記超音波送信面と共通の面であることを特徴としたものである。

本発明の第４の技術手段は、第１〜第３のいずれか１の技術手段において、前記超音波センサに取り付けられたホーンをさらに備え、前記診断用超音波センサの受信面は、前記ホーンに取り付けられていることを特徴としたものである。

本発明の第５の技術手段は、第１〜第３のいずれか１の技術手段において、前記超音波センサに取り付けられたホーンと、該ホーンの内周面又は外周面を周回し、前記超音波送信面からの超音波の振動を前記診断用超音波センサの受信面に伝達させる振動伝達体と、をさらに備えたことを特徴としたものである。

本発明の第６の技術手段は、第１〜第３のいずれか１の技術手段において、前記超音波センサに取り付けられたホーンをさらに備え、該ホーンは内周面の一部に窪みを有し、前記診断用超音波センサは、前記診断用超音波センサの受信面が前記窪みに位置し前記内周面側を向くように取り付けられていることを特徴としたものである。

本発明に係る超音波検知装置によれば、反射型の超音波センサでの検知結果が、超音波送信面に付着物が存在しない状態で検知された結果である場合に、そのことを保証することができる。

本発明の第１の実施形態に係る超音波検知装置の一構成例を示す概略図である。 図１Ａの超音波検知装置の送信面に付着物が付着した様子を示す図である。 図１Ａの超音波検知装置の一構成例を示すブロック図である。 図２Ａの超音波検知装置の回路構成例を示す図である。 図２Ｂの超音波検知装置における正常動作時の処理例を説明するための図である。 図２Ｂの超音波検知装置における異常動作時の処理例を説明するための図である。 図１Ａの超音波検知装置の他の構成例を示すブロック図である。 図４Ａの超音波検知装置の回路構成例を示す図である。 図４Ｂの超音波検知装置における正常動作時の処理例を説明するための図である。 図４Ｂの超音波検知装置における異常動作時の処理例を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波検知装置の一構成例を示す概略図である。 図６Ａの超音波検知装置の送信面に付着物が付着した様子を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る超音波検知装置の一構成例を示す概略断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る超音波検知装置における処理例を説明するための図である。 本発明の第５の実施形態に係る超音波検知装置における処理例を説明するための図である。 本発明に関連する第６の実施形態に係る超音波検知装置の一構成例を示すブロック図である。 図１０Ａの超音波検知装置の回路構成例を示す図である。 図１０Ｂの超音波検知装置における正常動作時の処理例を説明するための図である。 図１０Ｂの超音波検知装置における異常動作時の処理例を説明するための図である。

本発明に係る超音波検知装置は、距離測定や障害物検知などに使用する反射型の超音波センサにおける超音波送信面の近傍に、別途、診断用超音波センサを設けたものである。以下、本発明の様々な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る超音波検知装置の一構成例を示す概略図で、図１Ｂは、その送信面（振動面）に付着物が付着した様子を示す図である。

図１Ａで例示するように、本実施形態に係る超音波検知装置１は超音波センサ１１を備える。なお、図１Ａでは超音波が発信された様子を模式的に示している。この超音波センサ１１は、超音波を送信する送信部と、その超音波（反射波も含む）を受信する受信部（以下、第１受信部と呼ぶ）とを有する反射型の超音波センサである。

そして、超音波検知装置１は、その主たる特徴として、上記送信部における超音波送信面（発振素子の表面）の近傍に診断用超音波センサ（以下、単に診断センサと言う）１３を備えている。診断センサ１３は、上記超音波送信面から送信された超音波（反射波も含む）を受信する受信部（以下、第２受信部と呼ぶ）を有する。

このように、診断センサ１３は、超音波センサ１１とは別系統のセンサであり、メインとなる超音波センサ１１からの超音波による振動を検知するもの、つまり超音波センサ１１の発振をモニタリングして超音波センサ１１を診断するものである。よって、診断センサ１３は受信専用センサである。

そして、診断センサ１３は、上記第２受信部での受信結果に基づき、図１Ｂで例示したような上記超音波送信面に付着した付着物（堆積物）Ｄの有無を検知する。

超音波センサ１１から超音波を送信し、診断センサ１３でその超音波の振動が検知できれば、正常動作とする。一方で、超音波センサ１１から超音波を送信したにも拘わらず、診断センサ１３でその超音波の振動を検知できなければ、超音波送信面に付着物が溜まっている場合も含め、超音波が正常に発信されなかった（つまり異常動作であった）と見做せばよい。なお、この受信結果や検知処理の具体例については、図３Ａ，図３Ｂを参照しながら後述する。

そして、超音波検知装置１では、正常動作の場合には、超音波センサ１１の第１受信部での測定値を採用し、異常動作の場合には、この時の測定値を破棄すればよい。破棄する際にはエラー情報等を外部に報知することが好ましい。

また、診断センサ１３は、超音波センサ１１による検知の障害とならない位置に設けられている必要がある。図１Ａ，図１Ｂで例示する超音波検知装置１は、超音波センサ１１に取り付けられたホーン１２を備え、診断センサ１３の受信面がホーン１２に取り付けられている。

ホーン１２は、集音性、指向性を向上させ、検知距離を上げるための部材であり、その形状や材質は集音性や指向性が向上できるものであればよく、例えばアルミ合金、チタン合金、ダイス鋼などの素材が用いられる。また、ホーン１２は、振動エネルギーを効率良く伝達させるために、送信する超音波の半波長を基本単位とするようなサイズに形成しておくことが好ましい。

また、診断センサ１３は、特にホーン１２の内周面（表面）に設けられていることで感度が良くなるため好ましいと言えるが、ホーン１２の外周面に設けてあっても、或いはホーン１２の内部に埋め込んであってもよい。但し、本実施形態は、ホーン１２を備えない形態、例えば四角柱状の凹部の底に超音波センサ１１を設け、その凹部の側壁部に診断センサ１３を設けることなどが挙げられる。

以上、本実施形態に係る超音波検知装置１によれば、超音波センサ１１で送信された超音波を、別途設けた診断センサ１３で診断するため、反射型の超音波センサ１１での検知結果が、超音波送信面に付着物が存在しない状態で検知された結果である場合に、そのことを保証することができる。

つまり、この超音波検知装置１では、超音波センサ１１とその診断のために設けた診断センサ１３とを並列で動作させているため、超音波センサ１１が正常に動作した結果得られたデータである場合、そのことを保証することができる。無論、付着物が存在した場合には異常動作となるため、診断センサ１３により超音波センサ１１の異常動作を検知することができる。

また、診断センサ１３は、図１Ａ，図１Ｂで例示したように、超音波送信面から送信された超音波を受信する受信面が超音波送信面に対してほぼ垂直になるように配設されていることが好ましい。

例えば、超音波センサ１１が上向きで設置されていて付着物が溜まった場合には超音波センサ１１からの超音波は診断センサ１３で検出できなくなる。しかし、診断センサ１３は超音波センサ１１の発振方向にほぼ垂直に取り付けられているため、上記付着物が構造的に溜まらない。このため、診断センサ１３に付着物があるのではなく、超音波センサ１１が付着物などにより発振不能となっていることを確実に検知することができる。

このように、診断センサ１３をその受信面が上記超音波送信面に対してほぼ垂直に配設することで、超音波センサ１１に溜まるような埃やゴミや雪や泥などの付着物が溜まり難く、診断センサ１３を診断用として有効に機能させることができる。

但し、診断センサ１３は、超音波送信面に対して角度を付けるように受信面が設けられているだけでも（超音波の送信の邪魔になる位置には設けない）、超音波送信面に溜まるような付着物が溜まり難いと言える。

次に、図２Ａ〜図３Ｂを参照しながら、超音波検知装置１の具体的な構成例について説明する。図２Ａは、図１Ａの超音波検知装置の一構成例を示すブロック図で、図２Ｂは、その回路構成例を示す図である。また、図３Ａ、図３Ｂはそれぞれ、図２Ｂの超音波検知装置における正常動作時、異常動作時の処理例を説明するための図である。

図２Ａで例示する超音波センサは、超音波送信面と超音波受信面とを共通化して構成されたセンサであり、超音波送受信用のセンサ素子（圧電体等）である送受信部１１ａを有する。つまり、このセンサ素子は、発振用素子と受信用素子とを共通化した素子である。

送受信部１１ａは、アンプ・コンパレータ１４に接続されており、アンプ・コンパレータ１４には、超音波検知装置１の制御部の例としてＭＰＵ（Micro Processing Unit）１０が接続されている。つまり、図１Ａ等の超音波センサ１１は、図２Ａの例では上記送信部及び上記第１受信部の一例である、送受信部１１ａ及びアンプ・コンパレータ１４を有すると共に、ＭＰＵ１０を有する。

図２Ｂで例示するように、アンプ・コンパレータ１４は、送信時に用いるアンプ１４ｅを有する。ＭＰＵ１０は、例えば４０ｋＨｚ（周期２５μｓ）近辺の矩形パルスの信号を生成し、その信号（送信信号）をアンプ１４ｅに出力し、アンプ１４ｅはその送信信号を増幅させて送受信部１１ａに出力する。これにより、送受信部１１ａでは、センサ素子が振動し、図３Ａの信号Ｔｘのような超音波が空気中に出力される。

また、アンプ・コンパレータ１４は、受信時に用いるアンプ１４ａ、整流回路１４ｂ、コンパレータ１４ｃ、及びコンパレータ基準電圧の格納部１４ｄを有する。なお、格納部１４ｄはメモリであってもよいが、無論、抵抗などだけで構成してもよい。

送受信部１１ａは、図３Ａの信号Ｒｘのような超音波の反射波の信号を受信し（センサ素子の振動を感知し）アンプ１４ａに出力する。なお、送信信号Ｔｘの送信時には、受信処理は行わないようになっており、そのため反射波だけを受信することになる。アンプ１４ａは、それを増幅させ、図３Ａの信号Ａｏｕｔのような信号にし、整流回路１４ｂに出力する。整流回路１４ｂは、その信号を直流信号の振幅に変換し、コンパレータ１４ｃに出力する。

コンパレータ１４ｃは、図３Ａの信号Ｃｉｎのような整流回路１４ｂからの入力信号と格納部１４ｄに格納されたコンパレータ基準電圧Ｔｈとを比較し、このコンパレータ基準電圧Ｔｈ以上の振動であった場合、障害物が検知されたとしてデジタルのＨｉｇｈ信号をＭＰＵ１０に出力する。ＭＰＵ１０には、図３Ａに示すようなパルスの信号Ｃｏｕｔが入力される。なお、Ｔｈは付着物が存在しないときの信号レベルに基づき決めておく。

また、ＭＰＵ１０は、超音波を送信してから反射波が返ってくるまでの時間を計測し、対象物までの距離を算出することができる。対象までの距離は、「音速」×「発振から受信までにかかった時間」で求められる。超音波センサ１１が単に障害物検知用ではなく、距離測定用の場合には、ＭＰＵ１０でこのような処理を追加しておけばよい。

一方で、コンパレータ１４ｃは、比較によりＴｈ未満の振動であった場合、障害物等の物体が検知されなかったとしてデジタルのＬｏｗ信号をＭＰＵ１０に出力する。

また、図１Ａ等で示した診断センサ１３は、図２Ａの例では受信部１３ａ及びアンプ・コンパレータ１５を有する（これらが第２受信部の例に相当）と共に、ＭＰＵ１０を有する。受信部１３ａは超音波受信用のセンサ素子である。アンプ・コンパレータ１５は、アンプ・コンパレータ１４と同様の構成、つまりアンプ１５ａ、整流回路１５ｂ、コンパレータ１５ｃ、及びコンパレータ基準電圧の格納部１５ｄを有する。ＭＰＵ１０はコンパレータ１４ｃからの入力とコンパレータ１５ｃからの入力との双方に対して処理を行う。

図３Ａ，図３Ｂの例では、超音波信号Ｔｘに対し、受信部１３ａが信号Ｒｘｄ１を受信すると共に、超音波信号Ｔｘの反射波として信号Ｒｘｄ２も受信する。信号Ｒｘｄ１，Ｒｘｄ２のそれぞれに対し、アンプ１５ａの出力はＡｄｏｕｔ１，Ａｄｏｕｔ２、コンパレータ１５ｃの入力はＣｄｉｎ１，Ｃｄｉｎ２、コンパレータ１５ｃの出力（ＭＰＵ１０への入力）はＣｄｏｕｔ１，Ｃｄｏｕｔ２となる。

図３Ａでは、付着物がなく且つ物体があった場合の例を挙げており、そのため、Ｃｄｏｕｔ，Ｃｄｏｕｔ１，Ｃｄｏｕｔ２のいずれもＨｉｇｈとなっている。つまり、コンパレータ１５ｃは、コンパレータ基準電圧Ｔｈ以上の振動であった場合、送受信部１１ａからの超音波が正常に検知されたとして、デジタルのＨｉｇｈ信号をＭＰＵ１０に出力し、コンパレータ１４ｃも信号ＣｉｎがＴｈ以上であった場合、同じくＨｉｇｈ信号をＭＰＵ１０に出力する。なお、ＭＰＵ１０は、コンパレータ１５ｃからの出力により超音波が検知できたことが分かれば済むため、この出力を用いた距離の算出は不要である。

一方で、コンパレータ１５ｃは、比較によりＴｈ未満の振動であった場合、超音波が検知されなかったとしてデジタルのＬｏｗの信号をＭＰＵ１０に出力する。

次に、図３Ｂを参照しながら、超音波センサ１１の超音波送信面（この例では超音波受信面と共通）に付着物があり且つ測定対象の物体があった場合の信号の例を説明する。この場合、送受信部１１ａでは図３Ａと比較して振幅の小さな信号Ｒｘを受信することになり、これにより、アンプ１４ａの出力、コンパレータ１４ｃへの入力も小さくなり、コンパレータ基準電圧Ｔｈを超えず、コンパレータ１４ｃの出力信号ＣｏｕｔはＬｏｗとなる。但し、出力信号ＣｏｕｔがＬｏｗとなるだけでは付着物があるのか、測定対象の物体や障害物がないだけなのかは分からない。

しかし、付着物がある場合、診断センサ１３側では、受信部１３ａが図３Ａと比較して振幅の小さな信号Ｒｘｄ１，Ｒｘｄ２を受信することになり、これにより、アンプ１５ａの出力、コンパレータ１５ｃへの入力も小さくなり、コンパレータ基準電圧Ｔｈを超えず、コンパレータ１５ｃの出力信号Ｃｄｏｕｔ１，Ｃｄｏｕｔ２はＬｏｗとなる。一方で、付着物がない場合には、物体が無くて出力信号ＣｏｕｔがＬｏｗとなった場合でも、出力信号Ｃｄｏｕｔ１，Ｃｄｏｕｔは常にＨｉｇｈとなる。

以上のように、ＭＰＵ１０は、超音波センサ１１の超音波送信面に付着物が無い場合（正常動作時）にＨｉｇｈのＣｄｏｕｔ１，Ｃｄｏｕｔ２を得ること、つまり超音波センサ１１から超音波が送信されている間、診断センサ１３でも超音波センサ１１と同じような超音波を観測することができ、そのときの送受信部１１ａでの受信結果が付着物無しで受信したものであることを保証することができる。一方で、超音波発振期間にＣｄｏｕｔ１，Ｃｄｏｕｔ２がＬｏｗであれば、正常に超音波が発振されなかったと判定される。

また、図２Ｂでは、第２受信部が第１受信部と同じ構造の例（同じ、センサ素子及びアンプ・コンパレータをもつ例）を挙げた。これにより、第２受信部が、超音波センサ１１からの超音波を第１受信部と同じ状態で超音波を検知することができる。但し、異なる構造を採用してもよい。

また、図２Ａ〜図３Ｂの例では、発振用素子と受信用素子を共通の素子とした例（第１受信部の超音波受信面は送信部の超音波送信面と共通の面である例）を挙げたが、これらの素子は２個に分けて用意してもよい。つまり、図１Ａ，図１Ｂで例示した超音波センサ１１は、送信部と受信部（第１受信部）とが別々の素子で構成されていてもよい。

このような構成例について説明する。図４Ａは図１Ａの超音波検知装置の他の構成例を示すブロック図で、図４Ｂはその回路構成例を示す図である。図５Ａ、図５Ｂはそれぞれ、図４Ｂの超音波検知装置における正常動作時、異常動作時の処理例を説明するための図である。

図４Ａ，図４Ｂで例示する構成例について、図２Ａ，図２Ｂの構成例と比較して説明する。本構成例の超音波検知装置４は、送受信部１１ａの代わりに送信部４１ａ及び受信部４１ｂを有すると共に、アンプ１４ｅに相当するアンプ４４ａと、アンプ・コンパレータ１４のアンプ１４ｅを除いた部分に相当するアンプ・コンパレータ４４ｂと、ＭＰＵ１０に対応するＭＰＵ４０と、を有する。なお、アンプ・コンパレータ４４ｂにおける符号４４ｂａ，４４ｂｂ，４４ｂｃ，４４ｂｄはそれぞれ図２Ｂの符号１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄと同じ構成である。

本構成例における超音波センサ１１では、図５Ａ，図５Ｂに示すように、送信部４１ａで送信された超音波信号Ｔｘに対し、受信部４１ｂが信号Ｒｘ１を受信すると共に、超音波信号Ｔｘの反射波として信号Ｒｘ２も受信する。信号Ｒｄ１，Ｒｄ２のそれぞれに対し、アンプ４４ｂａの出力はＡｏｕｔ１，Ａｏｕｔ２、コンパレータ４４ｂｃの入力はＣｉｎ１，Ｃｉｎ２、コンパレータ４４ｂｃの出力（ＭＰＵ４０への入力）はＣｏｕｔ１，Ｃｏｕｔ２となる。

また、診断センサ１３については本構成例でも図２Ａ，図２Ｂの構成例と同じであり、その信号例も図５Ａ，図５Ｂに示すように図３Ａ，図３Ｂと同じである。

図２Ａ，図２Ｂの構成例のように、送受信兼用素子を採用すると、素子数が減らせるのでコストダウンできるが、発振してから、反射波検出待ち状態になるまで間隔を空けなければ、素子自体の振動を反射波と誤検知してしまうデメリットを持つ。つまり、送受信兼用素子を採用すると、短い距離を測るのには向かなくなり、不感帯を延長することになるというデメリットを有する。一方で、図４Ａ，図４Ｂの構成例のように、素子を２個に分けると、コストは上がるが、このようなデメリットを無くすことができる。

（第２の実施形態）
図６Ａは、本発明の第２の実施形態に係る超音波検知装置の一構成例を示す概略図で、図６Ｂは、その送信面に付着物が付着した様子を示す図である。以下、主に第１の実施形態との相違点のみについて説明するが、その他は同様である。

図６Ａに示すように本実施形態に係る超音波検知装置６は、上述のホーン１２を備えると共に、ホーン１２の内周面又は外周面（図６Ａの例では外周面）を周回し、超音波送信面からの超音波の振動を診断センサ１３の受信面に伝達させる振動伝達体６０を備える。振動伝達体６０の材質は問わず、圧電体素子等の上記受信面に振動の伝達が可能であればよい。

振動伝達体６０をホーン１２の外周面に設ける場合、その配設位置においてホーン１２を薄く形成しておけばよく、内周面に設ける場合、超音波の集音性や指向性の向上の邪魔にならないようにホーン１２の表面に埋め込むように形成しておくことが好ましい。また、ホーン１２の内部に埋め込むこともできる。また、図６Ａでは、振動伝達体６０を超音波センサ１１の超音波送信面に水平になるように帯状に設けた例を挙げているが、これに限ったものではない。

本実施形態によれば、図６Ｂで例示するように、ホーン１２に振動伝達体６０を配置しておくことで、ホーン１２のどの向きに吸音体等の付着物が堆積しても検知できる。

また、振動伝達体６０を設けた構成では、設けない構成に比べて受信レベルが下がる可能性がある。よって、本実施形態では、予め付着物が無い状態での受信波形の振幅を記録し、これを初期状態振幅としておき、設置後の診断時に、初期状態振幅と現状の振幅を比較し、現状が小さくなっていれば付着物有りと判定することが好ましい。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係る超音波検知装置の一構成例を示す概略断面図である。以下、主に第１の実施形態との相違点のみについて説明するが、その他は同様である。

図７で例示するように、本実施形態に係る超音波検知装置７は、上述のホーン１２を備え、ホーン１２の内周面の一部に窪み７１を有する。側壁７０は窪み７１により生じた側壁である。そして、診断センサ１３は、診断センサ１３の受信面が窪み７１に位置し内周面側を向くように取り付けられている。例えば超音波センサ１１を上向きに設置する場合は、窪み７１を図示したように、センサ発振方向に対して垂直方向に設置するなどしておく。

診断センサ１３の受信面を窪み７１に設けることで、超音波送信の邪魔にならないだけでなく、その受信面に付着物が堆積し難くなるため、診断の信頼性が高くなる。

（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態に係る超音波検知装置における処理例を説明するための図である。以下、主に第１の実施形態との相違点のみについて説明するが、その他は同様であり、第２，第３の実施形態との併用も可能である。

診断センサ１３は超音波送信面の近傍に配置されるので、そこからの超音波をそのまま受信でき、その受信信号の振幅が反射波による受信信号より大きくなる。そこで、本実施形態では、診断センサ１３の第２受信部において超音波センサ１１の送信部から送信された超音波を検知するための閾値Ｔｈｂを、超音波センサ１１の第１受信部において送信部から送信された超音波を検知するための閾値Ｔｈａより高くしている。

ここで、Ｔｈａ，Ｔｈｂは付着物が存在しないときの信号レベルに基づき決めておく。閾値Ｔｈａは正常動作時の反射波を検知できるような値となっている。本実施形態は、図２Ａのように送受信兼用素子を用いた場合に特に有効であり、図８では、図３Ｂに対応した異常動作時の信号例を挙げている。但し、超音波送信面からの直接の超音波をその受信タイミングから除外することはできるため、本実施形態は、図４Ａのように別々の素子を用いた場合にも適用することはできる。

図８で例示するように、付着物等による異常動作時には、超音波センサ１１のコンパレータ１４ｃの出力信号ＣｏｕｔはＬｏｗとなる。但し、出力信号ＣｏｕｔがＬｏｗとなるだけでは正常動作時において測定対象の物体や障害物がない可能性もある。

しかし、付着物等がない場合、診断センサ１３側では、閾値Ｔｈｂを閾値Ｔｈａより高く設定してあるため、直接受信した信号Ｒｘｄ１、反射波を受信した信号Ｒｘｄ２のうち、後者による出力信号Ｃｄｏｕｔ２がＬｏｗとなるものの、前者によるコンパレータ１５ｃの出力信号Ｃｄｏｕｔ１がＨｉｇｈの信号となる。一方で、付着物等があり異常動作した場合、出力信号Ｃｄｏｕｔ１もＬｏｗとなる。つまり、本実施形態では、出力信号ＣｏｕｔがＬｏｗの場合でも、出力信号Ｃｄｏｕｔ１がＬｏｗ／Ｈｉｇｈのいずれであるかで明示的に付着物の有／無を検知することができる。

そして、図示しないが、物体が存在しない場合ではＣｏｕｔがＬｏｗとなり、付着物等により異常動作している場合にＣｄｏｕｔ１，Ｃｄｏｕｔ２がＬｏｗとなり、正常動作している場合にＣｄｏｕｔ１がＨｉｇｈ、Ｃｄｏｕｔ２がＬｏｗとなる。

このように、本実施形態では、反射波の検出閾値Ｔｈａよりも診断センサ１３での検出閾値Ｔｈｂを高くしておくことで、出力信号ＣｏｕｔがＨｉｇｈ、Ｌｏｗのいずれの場合でも、出力信号Ｃｄｏｕｔ１がＬｏｗ／Ｈｉｇｈのいずれであるかで明示的に付着物の有／無を検知することができるため、付着物が存在した時に検出し易くなる。なお、本実施形態では、閾値を比較しているため、基本的に第２受信部は第１受信部と同じ構造をもつことを前提としている。同じ構造をもたない場合にはその構造の違いを考慮して閾値を決めればよく、また、第３の実施形態と併用する場合には振動伝達体６０での振動のロス分も考慮して閾値を決めればよい。

（第５の実施形態）
図９は、本発明の第５の実施形態に係る超音波検知装置における処理例を説明するための図で、図３Ｂに対応した異常動作時の信号例を示す図である。以下、主に第４の実施形態との相違点のみについて説明するが、その他は同様であり、第２，第３の実施形態との併用も可能である。

本実施形態では、第４の実施形態と同様の理由から、診断センサ１３の第２受信部において超音波センサ１１の送信部から送信された超音波を検知するための閾値Ｔｈｂ１を、上述の閾値Ｔｈａより高くすると共に、閾値Ｔｈｂ１に加えて閾値Ｔｈｂ２を設けている。閾値Ｔｈｂ２は基本的に閾値Ｔｈａと同じ値とする。いずれの閾値も付着物が存在しないときの信号レベルに基づき決めておく。閾値Ｔｈａは正常時の反射波によって検知できる値である。

図９で例示するように、付着物等による異常動作時には、図８の場合と同様に、超音波センサ１１のコンパレータ１４ｃの出力信号ＣｏｕｔはＬｏｗとなる。このとき、診断センサ１３側では、閾値Ｔｈａと同じ閾値Ｔｈｂ２により、反射波を受信した信号Ｒｘｄ２による出力信号Ｃｄｏｕｔ２がＬｏｗとなるが、閾値Ｔｈａより高い閾値Ｔｈｂ１により、直接受信した信号Ｒｘｄ１によるコンパレータ１５ｃの出力信号Ｃｄｏｕｔ１がＨｉｇｈとなる。一方で、付着物等がある場合（異常動作時）には、出力信号Ｃｄｏｕｔ１もＬｏｗとなる。つまり、本実施形態では、出力信号ＣｏｕｔがＬｏｗの場合でも、出力信号Ｃｄｏｕｔ１がＬｏｗ／Ｈｉｇｈのいずれであるかで明示的に付着物の有／無を検知することができる。

そして、図示しないが、物体が存在しない場合ではＣｏｕｔがＬｏｗとなり、付着物等により異常動作している場合にＣｄｏｕｔ１，Ｃｄｏｕｔ２がＬｏｗとなり、正常動作している場合にＣｄｏｕｔ１がＨｉｇｈ、Ｃｄｏｕｔ２がＬｏｗとなる。

このように、本実施形態では、診断用に２つの閾値を用いることで、出力信号ＣｏｕｔがＨｉｇｈ、Ｌｏｗのいずれの場合でも、出力信号Ｃｄｏｕｔ１がＬｏｗ／Ｈｉｇｈのいずれであるかで明示的に付着物の有／無を検知することができるため、付着物が存在した時にさらに検出し易くなる。なお、本実施形態でも、閾値を比較しているため、基本的に第２受信部は第１受信部と同じ構造をもつことを前提としている。しかし、例えば閾値Ｔｈｂ２は閾値Ｔｈａと全く同じでなくてもよい。同じ構造をもたない場合にはその構造の違いを考慮して閾値を決めればよく、また、第３の実施形態と併用する場合には振動伝達体６０での振動のロス分も考慮して閾値を決めればよい。

特に閾値Ｔｈｂ２が閾値Ｔｈａと異なる場合（例えば同じ構造を採用してもＴｈｂ２＜Ｔｈａの場合）には、出力信号ＣｏｕｔがＬｏｗの場合において、出力信号Ｃｄｏｕｔ１，Ｃｄｏｕｔ２がＨｉｇｈとなることも多々起こり得る。この場合には、診断センサ１３において反射波からも付着物がないことが検知でき、直接の超音波からの検知とのダブルチェックが可能となる。

また、別の処理例として、閾値Ｔｈｂ２が閾値Ｔｈａと同じか否かに拘わらず、反射波による出力信号ＣｏｕｔがＬｏｗになった場合に、診断センサ１３において閾値Ｔｈｂ１，Ｔｈｂ２に関するＣｄｏｕｔ１，Ｃｄｏｕｔ２の一方のみがＬｏｗとなっていれば、付着物が存在することが確定できないと判定し、単にユーザに注意を喚起するだけにしてもよい。そのような処理を採用した構成では、Ｃｏｕｔ，Ｃｄｏｕｔ１，Ｃｄｏｕｔ２がいずれもＬｏｗとなった場合、測定値の破棄やエラー情報等の報知を行えばよい。

（第６の実施形態）
第５の実施形態で説明した２つの閾値を用いる方法は、超音波センサ１１の第１受信部と診断センサ１３の第２受信部とを兼用した場合にも適用でき、コストを下げる効果を奏する。このような構成例を第６の実施形態として説明する。

図１０Ａは、本実施形態に係る超音波検知装置の一構成例を示すブロック図で、図１Ａの超音波検知装置の他の構成例を示すブロック図でもあり、図１０Ｂは、その回路構成例を示す図である。図１１Ａ、図１１Ｂはそれぞれ、図１０Ｂの超音波検知装置における正常動作時、異常動作時の処理例を説明するための図である。以下、主に第１，第５の実施形態との相違点のみについて説明するが、その他は同様である。

図１０Ａ，図１０Ｂで例示する超音波検知装置１００について、図４Ａ，図４Ｂの超音波検知装置４の構成例と比較して説明する。超音波検知装置１００は、ＭＰＵ４０、送信部４１ａ、アンプ４４ａにそれぞれ対応するＭＰＵ１１０、送信部１１１ａ、アンプ１１４ａを有すると共に、受信部４１ｂと受信部１３ａとを兼ねた受信部１１１ｂと、アンプ・コンパレータ４４ｂ，１５の双方を兼ねたアンプ・コンパレータ１１４ｂを有する。アンプ・コンパレータ１１４ｂにおける符号１１４ｂａ，１１４ｂｂ，１１４ｂｃはそれぞれ図４Ｂの符号４４ｂａ（１５ａ），４４ｂｂ（１５ｂ），４４ｂｃ（１５ｃ）と同じ構成である。

アンプ・コンパレータ１１４ｂは、閾値Ｔｈ１用と閾値Ｔｈ２用に２つのコンパレータ基準閾値の格納部１１４ｂｄ，１１４ｂｅを有する。閾値Ｔｈ２は上述した閾値Ｔｈａ及び閾値Ｔｈｂ２に対応し、閾値Ｔｈ１は上述した閾値Ｔｈｂ１に対応するものである。いずれの閾値も付着物が存在しないときの信号レベルに基づき決めておく。

そして、検知できる物体がある場合の波形例を図１１Ａ，図１１Ｂで示すように、超音波検知装置１００は、送信部１１１ａで送信された超音波信号Ｔｘに対し、受信部１１１ｂが信号Ｒｘ１を受信すると共に、超音波信号Ｔｘの反射波として信号Ｒｘ２も受信する。信号Ｒｄ１，Ｒｄ２のそれぞれに対し、アンプ１１４ｂａの出力はＡｏｕｔ１，Ａｏｕｔ２、コンパレータ１１４ｂｃの入力はＣｄｉｎ，Ｃｉｎ、コンパレータ１１４ｂｃの出力（ＭＰＵ１１０への入力）はＣｄｏｕｔ，Ｃｏｕｔとなる。

物体が存在する場合で且つ正常動作している場合には、図１１Ａに示すように、反射波を閾値Ｔｈ２で検知した場合の反射波信号であるＣｏｕｔがＨｉｇｈとなり、距離計測や障害物検知が可能となると共に、超音波送信面から出射された超音波信号Ｔｘを直接受信して閾値Ｔｈ１で検出した場合の自己診断信号であるＣｄｏｕｔもＨｉｇｈとなる。

一方で、物体が存在する場合で且つ付着物等により異常動作している場合には、図１１Ｂに示すように、反射波信号であるＣｏｕｔがＬｏｗとなり、距離計測や障害物検知できていないだけでなく、自己診断信号であるＣｄｏｕｔも超音波信号Ｔｘ自体が弱いためにＬｏｗとなる。

そして、図示しないが、物体が存在しない場合ではＣｏｕｔがＬｏｗとなり、付着物等により異常動作している場合にＣｄｏｕｔもＬｏｗとなり、正常動作している場合にＣｄｏｕｔはＨｉｇｈとなる。

このように、本実施形態では診断用に２つの閾値を用いることで、出力信号ＣｏｕｔがＨｉｇｈ、Ｌｏｗのいずれの場合でも、出力信号ＣｄｏｕｔがＬｏｗ／Ｈｉｇｈのいずれであるかで明示的に付着物の有／無を検知することができため、付着物が存在した時にさらに検出し易くなる。

ここで、受信部１１１ｂの配置について説明する。上述のように、超音波検知装置１００は、超音波信号Ｔｘを直接信号Ｒｘ１として受信する必要があり、且つ診断センサを別途設けておらず、且つ信号Ｒｘ１用の閾値Ｔｈ１を設けている。よって、本実施形態において、送信部１１１ａと受信部１１１ｂは別々の素子で構成されている。

そして、送信部１１１ａの超音波送信面と受信部１１１ｂの超音波受信面とは、近接していることが距離測定などには好適であるが、離間していてもよい。よって、それぞれ図１Ａ等における超音波センサ１１、診断センサ１３のような位置に配設してもよい。また、本実施形態でも、第２，第３の実施形態のような振動伝達体や窪みへの設置などの応用例が適用できる。

１…超音波検知装置、１１…超音波センサ、１２…ホーン、１３…診断用超音波センサ（診断センサ）、Ｄ…付着物。

Claims (6)

1. 超音波を送信する送信部及び該超音波を受信する第１受信部を有する反射型の超音波センサを備えた超音波検知装置であって、
   前記送信部における超音波送信面の近傍に診断用超音波センサを、さらに備え、
   前記診断用超音波センサは、前記超音波送信面から送信された超音波を受信する第２受信部を有し、該第２受信部での受信結果に基づき前記超音波送信面に付着した付着物の有無を検知することを特徴とする超音波検知装置。
2. 前記診断用超音波センサは、前記超音波送信面から送信された超音波を受信する受信面が前記超音波送信面に対してほぼ垂直になるように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波検知装置。
3. 前記第１受信部の超音波受信面は、前記超音波送信面と共通の面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波検知装置。
4. 前記超音波センサに取り付けられたホーンをさらに備え、
   前記診断用超音波センサの受信面は、前記ホーンに取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波検知装置。
5. 前記超音波センサに取り付けられたホーンと、
   該ホーンの内周面又は外周面を周回し、前記超音波送信面からの超音波の振動を前記診断用超音波センサの受信面に伝達させる振動伝達体と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波検知装置。
6. 前記超音波センサに取り付けられたホーンをさらに備え、
   該ホーンは内周面の一部に窪みを有し、
   前記診断用超音波センサは、前記診断用超音波センサの受信面が前記窪みに位置し前記内周面側を向くように取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波検知装置。
   

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