JP2727331B2 - 超音波物体検知装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、一定の定められた経路を移動する物体、例
えばスウイング方式自動扉等から他の物体、例えば侵入
者、を検知する超音波物体検知装置に関する。

（従来の技術） 侵入検出器とかドアの起動のために各種の物体検出装
置が提案され実施されている。

自動扉の物体検知装置として、静体検知方式を用いた
ものが広く用いられており、安全性に対して優れた方式
とされている。

前記静体検知方式で実用化された自動扉の物体検知装
置としてゴムマット形、光電形および超音波形スイッチ
などがある。

ある種類の自動扉、例えばスウイング式自動扉におい
ては、自動扉とその回りの物体，侵入者を含む，との相
対位置関係が自動扉の位置により変わる。

そのために、この種の自動扉に関連する超音波物体検
知装置では、扉の起動用のための物体検出機能と、起動
後における安全を図るための物体検出機能が要求され
る。

そして静体方式で利用された多くの検知スイッチはス
ウイング式の自動扉にも利用されている。

例えば、現在スウイング式自動扉に利用された静体検
知方式の光電スイッチは扉の開閉作動の途中および全開
状態にも検知機能を発揮させることができるから、これ
等を適宜組み合せることにより、安全性の高いシステム
を形成することができる。

しかし、光電スイッチは本来透視または反射の有無の
検知から利用されその感度を利用して、ある面積をもつ
特定の領域内（検知エリア）の物体の存否を検出するの
には向いていない。

なぜならば検出感度は距離だけではなく、検知物体の
材質、色等や反射効率の影響を受けるからである。

（発明が解決しようとする課題） 検知センサが移動する場合の問題をスウイング式自動
扉を例にして説明する。

スウイング式自動扉では、自動扉が作動しているとき
に扉が開き側の検知エリア内に通過する。

また、スウイング式扉に検知センサを取りつけると、
絶対的な検知エリアが自動扉の位置により変化する。

この問題の解決方法として、扉が開いている時に開き
側の検知動作を一時的に停止するか、検知エリアの範囲
縮小という方法が考えられる。

しかし、一時停止や検知範囲の縮小という方法を用い
た場合はやはり検知できない領域が存在し、安全性の観
点から問題がある。この問題をスウイング式の自動扉に
ついて考える。

例えば扉マットあるいはレーダ検知器を使用する場
合、通常に扉が開閉を作動しているときに開き側の検知
動作をオフとする。

そこで扉が開閉途中に人が開き側の領域に入れば、扉
とぶつかる可能性があり、老人、幼児、視力障害者など
に対して危険性がある。

扉上に取付けた光反射方式検知器は検知エリアが扉位
置により移動し、同時に開閉途中に扉の方向および人の
誘導装置の検知を防止するために検知エリア範囲を縮小
することが考えられる。

この方式の検知器は物体によって光の反射量が異なる
変化量を持っているから検知エリアを正確に決めること
ができないことという欠点がある。

扉が開閉作動の時に完全な安全センサの機能を持つと
は言えないこととなる。

本発明の目的は、前述したスウイング式自動扉のよう
な、特定の移動経路をもつ移動体に検出センサを取付
け、その移動体の移動または停止を制御する場合の前記
問題を解決することができる超音波物体検知装置を提供
することにある。

本発明のさらに他の具体的な目的は、スウイング式自
動扉が開閉途中および全開、全開的状態によって、すな
ち扉位置によって適当な検知エリアを設定し、起動用機
能だけではなく安全用機能も増加することができる超音
波物体検出装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 前記目的を達成するために、本発明による超音波物体
検出装置は、スウイング式扉から物体を検出し前記扉の
開放を制御するための超音波物体検知装置において、前
記スウイング式扉の面に水平方向に配置された複数の超
音波送受波素子と、前記超音波送受波素子の動作タイミ
ングを規定する素子制御手段と、前記各超音波送受波素
子により放射される超音波エリアの幅の合成と反射波の
受信時間の限界を設定することにより同一方向検知エリ
アを設定する検知エリア設定手段と、前記扉の位置の情
報を検出して位置に対応して前記反射波の検出限界時間
を変更して前記扉の位置に対応する検知エリアを設定す
る検知エリア変更手段と、前記受波素子の出力を処理し
て物体を検出する検出手段と、前記検出手段の出力に基
づいて前記扉の開閉を制御する手段から構成されてい
る。

（実施例） 以下図面等を参照して、本発明による超音波物体検出
装置を詳しく説明する。

第１図は本発明による超音波物体検知装置の検知エリ
アと超音波振動子の基本的な配列の関係を説明するため
の略図である。

移動体に対して超音波振動子１を３個一定の間隔を保
って配置してある。

この実施例では超音波振動子１として一つの素子で超
音波の送波および受波を行うことができる、良く知られ
ている素子を用いることにする。

図において６は一つの超音波振動子１の超音波エリア
が形成する有効検知範囲（領域内の物体に相当の超音波
エネルギーが供給でき、通常の検知が可能な範囲）を示
す。

図においてｌは、超音波振動子１の設置間隔、Wdは超
音波振動子１から距離ｄの超音波エリア６の横幅、Waは
構成される検知エリアの横幅を示す。本発明ではこのよ
うに複数の超音波振動子１を用いて移動体の前面に一定
領域の物体検知エリアを形成できる。

第２図は超音波で検知物体までの距離測定の原理を説
明するための略図である。

送受信回路５により駆動される超音波振動子１の前方
距離ｄに物体２が存在する例について説明する。超音波
伝送の性質によってある周波数と一定のパルス数を送信
して検知物より超音波の反射時間を測定することにより
超音波振動子から検知物体までの距離を測ることができ
る。

すなわち、超音波振動子から一定距離までの空間の監
視は、反射波形または反射パターンの中の送信時間を基
準点とし、一定反射時間範囲内の各状態を監視すること
により可能である。

送受信回路５で駆動される超音波振動子１からの超音
波は検知物体２に当り反射されて、超音波振動子１によ
り検出される。

図において、３は送信波形、４は検知物体からの反射
波形を示す。

超音波振動子１から検知物体２までの距離ｄは次の式
により求められる。

ｄ＝（1/2）・（超音波の速度・走行時間） 超音波の速度:334m/sec（25℃） 走行時間 :2dの走行時間 すなわち2.0mの距離とすれば、 2.0m×２÷（334m/sec）＝12.0ms の走行時間が必要となる。

第３図は超音波振動子とエリアの関係を示す平面図で
ある。

超音波振動子１は個々にその前方に検出可能な領域を
形成する。

７は超音波エリアの最小有効範囲、８は超音波エリア
の最大有効範囲を示している。

第４図は、超音波振動子とエリアの広がりと設定した
有効検知エリアの関係を示す平面図である。

超音波エリア10の内部に有効検知エリア９を設定でき
る。

検知エリアの大きさの垂直方向距離は前記時間の要素
として与えられる。

次に検知エリアの大きさの水平要素は超音波振動子１
の指向性と複数個振動子を一定間隔で水平方向に設置
し、構成された複数個検知エリアの組合せで決める。

各振動子を一定間隔ｌで配置し、検知したい距離範囲
をｄとし、１つの超音波エリアが距離ｄのときの検知エ
リアの横幅をWeとし、かつ各振動子のバラツキ条件を無
視すれば検知エリアの水平方向の長さWaは Wa＝（Ｎ−１）×ｌ＋２×（We/2） ＝（Ｎ−１）×ｌ＋We と得られる。但しＮは超音波振動子の個数である。現実
には、環境要因による影響、例えば温度，風などより超
音波エリアの検知エリアは第３図に示すように、超音波
振動子１の最小検知エリア７と最大検知エリア８が発生
する。

囲い検知エリア範囲の中に不感帯の形成を無くする為
に複数超音波の設定間隔距離ｌを求める方法は、各振動
子の最小検知エリアを基準とし、各部のエリアを一定の
範囲内に重畳することである。同時に扉位置によるエリ
アを調製する時に最大検知エリアを基準とし、誤動作を
無くする範囲内に設定する。

次に第５図から第７図を参照して、検知エリアの設定
と物体の検出の基本原理を説明する。

第５図は、超音波の送受信装置の基本的な回路のブロ
ック図である。

超音波周波数作成駆動手段100と観測サイクル作成手
段101により２個の送受信兼用超音波振動子11,12を駆動
する。

観測サイクル作成手段101は、超音波送波振動子の動
作タイミングを規定する素子制御手段を形成している。

２個の送受信兼用超音波振動子11,12からの信号は増
幅器102で増幅され、比較器103で比較器基準電圧作成手
段104の出力と比較される。

Ａ点では反射波形の出力が得られ、Ｂ点には反射パル
スの出力が得られる。

第６図は超音波エリアと有効な超音波検知エリアを示
す。

第６図の状況で第５図の回路で観測したときの第５図
のＡ点とＢ点の出力を第７図を参照して説明する。

超音波振動子11,12により有効な超音波検知エリア13,
14が形成され、物体15,16,17のうち、物体15,16の検出
パルスが得られる。

第７図は第６図に示した位置関係での発振および反射
波形を示す波形図である。

超音波振動子11,12の発振より、波形18,19により物体
15,16,17からの反射波20,21,22が得られる。

しかし検知エリアの外からの反射波22は検出されな
い。

反射波形20,21は別に有効反射時間Td₁,Td₂の範囲内に
なっているから検知と判断されるが、反射波形22はTd₂
の有効反射時間以外になるので無効とする。

次に、第８図から第12図を参照して本発明による超音
波物体検出装置をスウイング式扉に適用する実施例につ
いて詳しく説明する。

第８図は、本発明による装置の自動扉の位置検出装置
の実施例を示す平面図である。

自動扉23は軸により回転可能に設けられ、駆動装置
（モータ）24,同じく駆動装置の回転軸25,扉のリンクレ
バー26を介して伝達され力により回動させられる。

駆動装置（モータ）24には複数の受光装置28・・28が
所定の間隔で配置されており、駆動装置の回転軸25に設
けられて、一体に移動する発光装置27と共同してスウイ
ング式扉の開き角度位置の検出手段を形成している。

検出手段の出力信号は信号エンコーダ29に入力されて
出力される。

第９図は、本発明による超音波物体検知装置をスウイ
ング式自動扉に適用したときの設置環境例を示す斜視図
である。

自動扉30の表裏の面には前述した複数の超音波振動子
からなる超音波式物体検知器35,36（図示されていない
裏面の超音波式物体検知器）が設けられている。31,32
は人の誘導装置である。

第10図は第９図に示した設置例の平面配置図である。

自動扉30の表裏には前記検知器35,36が設けられ、扉
の駆動装置37で点線の示すように回動させられる。31,3
2,33,34は、人の誘導装置である。

第11図は前記設置例における検知エリアを示す側面
図、第12図は前記設置例における検知エリアを示す平面
図である。

50,51,52,53,54,55は超音波振動子であり、42,43,44,
45,46,47はそれぞれにより形成される検知エリアであ
る。扉が開閉動作を行うときに、すなわち、回転駆動装
置の回転動作する時に各回転位置による発光素子からの
信号をある受信素子で受信し、受信状況をエンコーダに
入力して処理して出力にする。

これより扉の全閉、全開および途中位置が求められ
る。

第13図は、本発明による超音波物体検知装置の回路の
実施例を示すブロック図である。

53,54,55はアプローチ側の超音波振動子であり、50,5
1,52は開き側の超音波振動子である。60は送受信兼用の
振動子駆動回路および受信マルチプレクッス回路であ
る。

超音波振動子50,51,52,53,54,55は、送信用駆動回路
および受信用マルチプレクッス回路60を介して駆動さ
れ、検出波を増幅器84に接続する。

81は外部より同期信号形成手段で作成した信号によっ
て図16の70と71のような超音波発射のタイミングであ
る。

第13図の80,81,82,94,60は超音波の送信部を形成して
いる。

物体より超音波反射信号はマルチプレクッス回路60を
介して増幅器84で信号を増幅し、比較電圧基準86と比較
して、比較器85を論理レベルで出力し、反射パターン87
を作成し、次に扉位置検出回路88より信号による有効監
視範囲を設定し、87の反射パターンと89の有効範囲を90
の異常認識手段で処理する。最後に超音波振動子50,51,
52（アプローチ側）の検出結果を論理OR方式で出力
（１）として出力とする。超音波振動子53,54,55の検出
結果も論理計算OR方式で出力（２）に出力する。

自動扉のコントローラは出力（１）（すなわち図の9
1）、および出力（２）（すなわち図の93）の信号より
開閉動作を行うこととする。

第14図は本発明による超音波物体検知装置の回路の実
施例を示すブロック図である。

53,54,55はアプローチ側の超音波振動子であり、50,5
1,52は開き側の超音波振動子である。60は送受信兼用の
振動子駆動回路および受信マルチプレクッス回路であ
る。

超音波振動子50,51,52,53,54,55は、送信用駆動回路
および受信用マルチプレクッス回路60を介して駆動さ
れ、検出波を増幅器141に接続する。

増幅器141の出力は比較器142に接続されている。

温度検出回路143により、環境の温度のデータを取り
込んで中央処理装置（CPU）145に入力する。

中央処理装置（CPU）145はこのデータにより最適周波
数のものを利用する。

扉位置検出回路146により扉の位置の情報が取り込ま
れる。

中央処理装置（CPU）145はこれらに基づいて送信タイ
ミング等々の定められたプログラム（第18図参照）を実
行する。

第15図は、各超音波振動子の送信タイミングを示す波
形図である。

図において72の示す波形は、アプローチ側の超音波振
動子の送信タイミングを示し、73の示す波形は、扉開き
側の各超音波振動子の送信タイミングを示している。

（50）〜（55）は各超音波振動子の発射位置と波形を
示す。

発射時間の間隔は50msecである。

第16図は超音波反射同期タインミングを示す波形図で
ある。

70は同期信号、71は超音波の発射タイミングを示す。

第17図は感度補償に関する温度，周波数対感度特性を
示すグラフである。

超音波振動子の感度は温度に依存して変わる。この実
施例では、温度検出回路143で環境の温度のデータを取
り込む。

第18図は本発明による超音波物体検知装置の実施例の
中央処理装置（マイクロプロセッサ）の動作を説明する
ための流れ図である。

アプローチ側の超音波振動子50,51,52と開き側の53,5
4,55など６つのセンサで検知エリアを囲っている。

受信信号は帯域制限の増幅器およびレベル比較器を処
理して論理信号でマイコンへ入力し、同時に超音波干渉
を防止するための同期回路および扉位置検出器の出力も
マイコンへ入力することとする。

マイコンは各条件と信号を処理し、物体より異常を検
出し、扉アプローチ側と開き側の検出結果を別にリレー
出力（１），出力（２）として扉のコントローラ部へ出
力する。

次はマイコンの動作内容を第18図の基本フローを参照
して説明する。

最初に電源投入によりマイコンの動作は開始する。手
順94は検知エリアの設定である。

扉全閉状態の標準検知エリアの大きさは、外部スイッ
チで選択することができる。扉の両方側（アプローチ側
および開き側）の検知エリアが格別に設定できる。各検
知エリアは2³＝８種類の寸法を選ぶことができる。

手順95はエリアの変数を計算することである。検知エ
リアの大きさを決める後には扉位置によるエリアの大き
さと各超音波振動子の有効監視範囲の変数を計算し、例
えば、各超音波センサエリアが第２図、第３図のような
基本データを先にマイコンのメモリに入れて、手順94で
選択したエリアの寸法より安全範囲内の条件による各扉
開閉位置対検知エリアのパラメータ（すなわち第７図の
td₁,td₂など有効反射時間の値）、かつ超音波振動子のO
N/OFFなどデータを設定することである。

手順96は扉位置の測定という項目である。

第８図のような扉位置検出器を用いて扉位置の検出を
行い、第19図のように全閉，開と全開など基本的３つの
位置を検出することが重要である。手順97は扉位置によ
る適当なエリアを設定することである。

上に述べた扉位置検出信号によって扉位置が全閉する
場合は第20図のような囲いエリア形状とし、途中位置の
場合は第21図のようなエリアとし、扉が全開の場合は第
22図のようなエリアとする。第19図の中に開位置と，全
開位置の間になる時は開き側の検知機能をOFF状態とす
る。

理由は壁または人の誘導装置物よりの反射より誤動作
をするから、検知しないこととして誤動作を防止でき
る。

手順98の処理内容は超音波の反射，反射信号の受信，
反射パターンの作成，および異常を認識する機能であ
る。

第16図の70のような同期信号を検出して第13図の温度
検出器の出力によって発振周波数を決める。

次に各超音波センサの発射シーケンスによって一定周
期に超音波を発射する。

次は、第14図の60の受信用マルチプレックス回路を設
定し反射信号を受信し、反射パターンを作成し、手段97
で設定した検知範囲内に反射パターンの異常なところを
検出し、アプローチ側の異常であれば出力（１）に出力
し、開き側の異常であれば出力（２）に出力する。

第19図は前述したスウイング式扉の全閉，開全開位置
を説明するための平面図である。

検知エリアはこの角度位置θの情報に基づいて変化さ
せられる。

第20図は本発明による装置の実施例のスウイング式扉
が全閉位置にあるときの検知エリアの平面図であり、表
裏に均等な検知エリアが形成されている。

第21図は本発明による装置の実施例のスウイング式扉
が半開の状態にあるときの検知エリアの平面図である。

アプローチ側と開き側の検知エリアが次第に変化させ
られて行く状態が示されている。

第22図は本発明による装置の実施例のスウイング式扉
が全開位置にあるときの検知エリアの平面図である。

（発明の効果） 以上詳しく説明したように、本発明は自動扉用物体検
出装置に好適に利用できる。

そして複数個の送受兼用超音波振動子を用いて構成さ
れた可調整検出エリア、超音波のパルス反射検知方式、
自動扉位置の検出装置などとして扉位置によって扉が閉
状態のとき、起動用検知エリアを設定し、扉が開閉途中
および全開状態のときに安全用検知エリアを設定でき
る。

エリア構成要素の超音波振動子の数を増加し、および
指向性も鋭いのを使用すれば検知エリアの可調整の分解
能も高めることができる。

本発明の効果は、ある種類の自動扉，例えばスウイン
グ式の自動など、扉位置による部分検知機能を損失する
こと、安全性も低くなることを改善することである。

すなわち扉が全閉のときに起動用検知器の機能を満足
し、扉が開閉途中、および全開のときに安全用物体検知
器の機能を満たすことが特徴となる。

安全性を大切な課題とする自動扉用物体検知器に対し
て本発明は、他種類の自動用物体検知器よりもっと安全
性および実用性を持つという利点を持つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による超音波物体検知装置の検知エリ
アと超音波振動子の配列の関係を説明するための略図で
ある。 第２図は、超音波で検知物体までの距離測定の原理を説
明するための略図である。 第３図は、超音波振動子とエリアの関係を示す平面図で
ある。 第４図は、超音波振動子とエリアの広がりと設定した有
効検知エリアの関係を示す平面図である。 第５図は、超音波の送受信装置の基本的な回路のブロッ
ク図である。 第６図は、超音波エリアと有効な超音波検知エリアの説
明図である。 第７図は、第６図に示した位置関係での発振および反射
波形を示す波形図である。 第８図は、本発明による装置の自動扉の位置検出装置の
実施例を示す平面図である。 第９図は、本発明による超音波物体検知装置をスウイン
グ式自動扉に適用したときの設置環境例を示す斜視図で
ある。 第10図は、第９図に示した設置例の平面配置図である。 第11図は、前記設置例における検知エリアを示す側面図
である。 第12図は、前記設置例における検知エリアを示す平面図
である。 第13図は、本発明による超音波物体検知装置の回路の実
施例を示すブロック図である。 第14図は、本発明による超音波物体検知装置の回路のさ
らに他の実施例を示すブロック図である。 第15図は、各超音波振動子の送信タイミングを示す波形
図である。 第16図は、超音波反射同期タイミングを示す波形図であ
る。 第17図は、感度補償に関する温度、周波数対感度特性を
示すグラフである。 第18図は、本発明による超音波物体検知装置の実施例の
中央処理装置（マイクロプロセッサ）の動作を説明する
ための流れ図である。 第19図は、スウイング式扉の全閉，開，全開位置を説明
するための平面図である。 第20図は、本発明による装置の実施例のスウイング式扉
が全閉位置にあるときの検知エリアの平面図である。 第21図は、本発明による装置の実施例のスウイング式扉
が半開の状態にあるときの検知エリアの平面図である。 第22図は、本発明による装置の実施例のスウイング式扉
が全開位置にあるときの検知エリアの平面図である。 １……超音波振動子 ２……検知物体 ７……超音波エリアの最小有効範囲 ８……超音波エリアの最大有効範囲 ９……設定した有効検知エリア 10……超音波有効検知エリア 11,12……超音波振動子 13,14……有効な超音波検知エリア 15,16,17……物体 18,19……超音波振動子11,12の発振波形 20,21,22……物体15,16,17の超音波の反射波形 23……自動扉 24……駆動装置（モータ） 25……駆動装置の回転軸 26……扉のリンクレバー 27……発光装置 28……受光装置 29……信号エンコーダ 30……自動扉 31,32,33,34……人の誘導装置 35,36……本検知器 37……超音波式物体検知器 40,41,42,43,44,45,46,47……検知エリア 50,51,52,53,54,55……超音波振動子 60……送信用駆動回路および受信用マルチプレッス回路 72……アプローチ側の超音波振動子の送信タイミング 73……扉開き側の各超音波振動子の送信タイミング 70……同期信号 71……超音波の発射 80……観測サイクル作成手段 81……外部同期形成手段 82……周波数発振手段 84……増幅器 85……電圧比較器 86……比較基準電圧発生手段 87……発射パターン形成手段 88……扉位置検出手段 89……有効パターン範囲設定手段 90……異常認識手段 91,92……出力手段 93……制御対象スウイング式扉 142……比較器 143……温度検出回路 145……中央処理装置（CPU） 146……扉位置検出回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−64558（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−187487（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−213272（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−124482（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−32386（ＪＰ，Ａ) 特表 昭63−501315（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スウイング式扉から物体を検出し前記扉の
   開放を制御するための超音波物体検知装置において、 前記スウイング式扉の面に水平方向に配置された複数の
   超音波送受波素子と、 前記超音波送受波素子の動作タイミングを規定する素子
   制御手段と、 前記各超音波送受波素子により放射される超音波エリア
   の幅の合成と反射波の受信時間の限界を設定することに
   より同一方向検知エリアを設定する検知エリア設定手段
   と、 前記扉の位置の情報を検出して位置に対応して前記反射
   波の検出限界時間を変更して前記扉の位置に対応する検
   知エリアを設定する検知エリア変更手段と、 前記受波素子の出力を処理して物体を検出する検出手段
   と、 前記検出手段の出力に基づいて前記扉の開閉を制御する
   手段から構成した超音波物体検知装置。