JP4598747B2 - 測距センサ及びそれを備えた設備機器 - Google Patents

Description

本発明は、超音波の送受信によって非接触で対象物までの距離を測定する測距センサ及びそれを備えた設備機器に関するものである。

従来から圧電素子であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を利用した非接触の測距センサ（超音波センサ）が知られている。このような測距センサは、ＰＺＴ振動子にパルス信号を加えることでＰＺＴ振動子を発振させ、発信信号を空中に放射し、対象物からの反射信号（受信信号）を受信し、発信信号の送信時刻と受信信号の受信時刻との時間差を利用することで、対象物との距離を測定するようになっている。また、このような測距センサは、ＰＺＴ振動子とＰＺＴ振動子に固着して共振させる共振金属板（アルミや鋼板等）の１次共振を利用することを基本としていた。

そのようなものとして、ＰＺＴ振動子を発振させることによって発生する信号を空中に放射する送信部と、空中に放射された信号が対象物で反射した反射信号を受信する受信部とを同じ位置に配置するとともに、反射鏡を用いて送信部から反射面（水面）までの距離を伸ばすことで、反射波が受信部に到達するまでに送信部からの信号波を十分減衰させるようにした技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。なお、ＰＺＴ振動子の共振周波数は４０ｋＨｚ程度であり、超音波領域の周波数を放射（発振）するようになっている。

特開２００１−５９７６５号公報（第６ページ、第３図）

上記の測距センサでは、ＰＺＴ振動子の筐体（ケース）への装着については、特段制約を設けていなかった。したがって、ＰＺＴ振動子で隔てられ、ＰＺＴ振動子から発信される信号方向に形成される２つの容積空間が連通してしまうということがあった。つまり、１つの大きな容積空間となり、ＰＺＴ振動子を挟み、信号を送受信する側の反対側の空間の圧力変動が筐体内の容積空間全てに影響を与えることになっていたのである。このような状況の下で信号の送受信を行なうと、それらの信号特性に悪影響を与え、送信信号及び受信信号のレベルが安定しないという問題があった。この問題は、更に品質的な不良原因にもなっていた。

本発明は、以上のような問題を解決するためになされたもので、発信信号及び受信信号のレベルを安定させて、対象物までの距離を正確に測定できるようにした測距センサ及びそれを備えた設備機器を提供するものである。

本発明に係る測距センサは、内壁面の一部に段差を設けてセンサ装着部が形成された中空状の筐体と、前記センサ装着部に外周部が嵌め込まれて支持される支持部と、前記支持部に取り付けられる台座と、前記台座に取り付けられ、圧電素子で構成された振動子と、前記振動子の前記台座と反対側に取り付けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波である発信信号を対象物に向けて発射する共振板と、前記共振板の前記振動子側とは反対側に取り付けられ、前記対象物で反射された反射信号を受信し、増幅するコーン部と、を備え、前記センサ装着部に前記支持部が嵌め込まれることによって、前記筐体内に、前記発信信号及び前記反射信号を送受信するための音響通路と、前記音響通路と遮断されることで前記音響通路内での圧力変動を防止する空間容積部と、を形成していることを特徴とする。

本発明に係る測距センサは、筐体内に形成される音響通路と空間容積部とを支持部によって遮断し、互いを連通させないようにしたので、空間容積部での圧力変動を音響通路に伝播させないようにできる。したがって、音響通路では、発信信号（送信信号）及び反射信号（受信信号）のレベルが安定し、対象物までの距離を正確に測定することが可能になる。また、本発明に係る設備機器は、このような効果を有する測距センサを備えているので、同様の効果を有している。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る測距センサ１００を説明するための説明図である。図２は、筐体２０の断面構成を示す縦断面図である。図１及び図２に基づいて、測距センサ１００の構成について説明する。また、図１（ａ）が測距センサ１００の断面構成を示す縦断面図を、図１（ｂ）が測距センサ１００を上から見た状態を示す平面図をそれぞれ示している。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

この測距センサ１００は、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ある。図１（ａ）に示すように、測距センサ１００は、センサ本体部１０と、センサ本体部１０を収容する筐体２０から構成されている。このセンサ本体部１０は、支持部１１と、台座１２と、ＰＺＴ振動子１３と、共振板１４と、コーン部１５とが順に積層されて構成されている。支持部１１は、筐体２０内部に形成されているセンサ装着部２２に装着され、センサ本体部１０を支持するものである。台座１２は、支持部１１に取り付けられており、ＰＺＴ振動子１３を固定するためのものである。

ＰＺＴ振動子１３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１７及び負電極端子部１８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１３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。なお、図１では、正電極端子部１７及び負電極端子部１８が、支持部１１及び台座１２を貫通し、ＰＺＴ振動子１３に接続されるようになっている場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、支持部１１及び台座１２を貫通しなくてもＰＺＴ振動子１３に接続されていればよい。

共振板１４は、ＰＺＴ振動子１３に取り付けられており、ＰＺＴ振動子１３の発振によって発信信号を作り出す機能を有している。この発信信号は、円形状に形成されている共振板１４の中心部に対応する「腹」、周縁部に対応する「節」を有した形状となっている。コーン部１５は、対象物からの反射信号を受信し、増幅する機能を有している。このコーン部１５の縦断面形状は略等脚台形状となっており、共振板１４側が短辺を構成している。

筐体２０は、中空になっており、上面及び底面を開口することで円筒状に構成されている（図１（ｂ））。そして、筐体２０の内部に形成されている空間にセンサ本体部１０を収容するようになっている。つまり、センサ本体部１０は、筐体２０の底面側の開口部であるセンサ挿入部２５から筐体２０内部に挿入され、センサ装着部２２に支持部１１が嵌り込むことで支持されるようになっているのである。センサ挿入部２５は、センサ本体部１０を挿入後に閉塞され、センサ挿入部２５とセンサ装着部２２との間に空間容積部２６を形成するようになっている。つまり、空間容積部２６は、支持部１１によって音響通路２２と遮断されて形成されているのである。センサ挿入部２５が閉塞されると、空間容積部２６は密閉空間となり、一定の圧力を有することになる。

一方、筐体２０の上面側の開口図である音響通路開口部２１からセンサ装着部２２までの間の空間は、音響通路２３として機能するようになっている。この音響通路２３は、徐々に縮径されるようにして形成されている。具体的には、筐体２０の外壁の肉厚を、センサ装着部２２から、音響通路開口部２１に向かって所定の距離まではほぼ同じ厚さにし、音響通路開口部２１に近づくにつれ徐々に薄くなるように構成する。このようにすることによって、音響通路２３がホーン部として機能するようにしているのである。また、音響通路２３は、対象物で反射された反射信号をコーン部１５に導くための通路としても機能している。

また、音響通路２３の端部には、センサ装着部２２が形成されている。このセンサ装着部２２は、筐体２０の内壁に段差を設け、支持部１１を装着できる大きさに形成されている。この実施の形態１では、音響通路２３を徐々に縮径形成してホーン部として機能するようにした場合を例に説明したが、これに限定するものではない。たとえば、筐体２０を単純な円筒状に形成してもよい。つまり、筐体２０は、センサ本体部１０が内部に収容できればよいのである。

ここで、音響通路２３と空間容積部２６とが連通してしまうと、空間容積部２６での圧力変動が音響通路２３にも伝播してしまうことになり、共振板１４から発信される送信信号（発信信号）及びコーン部１５で受信する受信信号（反射信号）のレベルが安定しないことになってしまう。音響通路２３及び空間容積部２６は、一定の容積を有しており、この容積によって圧力が決定するために、送信信号及び受信信号の信号レベルを安定するには、互いが確実に遮断され、完全に独立していることが要求される。すなわち、共振板１４及びコーン部１５には、常に一定の空気負荷がかかっており、この状況の下で所定の動作が行なえるようになっているため、音響通路２３内で想定していない圧力変動が発生すると共振板１４及びコーン部１５が所定の動作を実行できないことになってしまうのである。

空間容積部２６からの圧力変動が音響通路２３に伝播すると、共振板１４及びコーン部１５の変位量に影響を与えることになり、その影響が電荷（Ｑ）にも波及する。そうすると、静電容量値の変動が、機械的な変動（コンプライアンス変動）となり、結果的に共振板１４及びコーン部１５が振動しているときの音響特性を示す尖鋭度（Ｑ）に影響を与えることになってしまうのである（図３参照）。

そこで、実施の形態１に係る測距センサ１００では、支持部１１によって、空間容積部２６と音響通路２３と遮断し、空間容積部２６の圧力変動を音響通路２３に伝播しないようにしているのである。また、測距センサ１００は、音響通路２３と空間容積部２６とを確実に遮断し、互いが完全に独立するように支持部１１の下側にシール材３０を設けているのである。このシール材３０は、センサ本体部１０が筐体２０内に装着された際に、音響通路２３と空間容積部２６とを遮断できる材料であればよく、特に材料を限定するものではない。たとえば、シール材３０には、エポキシ樹脂やシリコンゴム等の接着剤を使用するとよい。

なお、実施の形態１では、シール材３０を支持部１１の下側に設けて音響通路２３と空間容積部２６とを遮断している場合を例に示しているが、これに限定するものではない。たとえば、センサ本体部１０の挿入前のセンサ装着部２２にシール材３０を塗布してから、センサ本体部１０を装着するようにしてもよい。また、実施の形態１では、シール材３０を支持部１１の下側全面に設けている場合を例に示しているが、音響通路２３と空間容積部２６とが連通してしまう位置だけに設けてもよい。

音響通路２３と空間容積部２６とを遮断し、完全に独立させれば、音響通路２３内の音響通路開口部２１からセンサ装着部２２までの空気圧が常に一定となり、共振板１４には空気負荷がかかっている状態にできる。そして、共振板１４が振動すると、音響通路２３内の空気を筐体２０の外部に押し出すことになる。また、この空気は、共振板１４で発生する音波の粗密波と一致して、音響通路２３内の空気を一挙に音響通路開口部２１から集中放射することになる。つまり、空間容積部２６の圧力変動の影響を常に受けないようにすることができるのである。さらに、音響通路２３の長さを１次振動モード波の波長と一致するように構成すれば、音響通路２３の共鳴周波数とも一致させることができ、音響通路開口部２１から安定した大きな音響レベルを有する音波を放射することができる。

図３は、共振板１４及びコーン部１５が振動しているときの音響特性を表すグラフである。図３に基づいて、共振板１４及びコーン部１５が振動しているときの音響特性について説明する。この図３では、横軸が周波数（Ｈｚ）を、縦軸が尖鋭度（Ｑ）をそれぞれ示している。また、実線Ａが測距センサ１００の尖鋭度曲線を、波線Ｂが音響通路と空間容積部とを遮断としていない測距センサの尖鋭度曲線をそれぞれ示している。

尖鋭度（Ｑ）は、共振板１４及びコーン部１５の共振の状態を表す音響特性の傾向を示すものであり、確実な共振現象が発生しているときは、急峻なピークを有する傾向を示すが、共振板１４及びコーン部１５が何らかの影響（圧力変動の影響）を受け、共振現象が乱れると、緩やかなピークを有する傾向を示す。つまり、音響通路２３と空間容積部２６とが互いに遮断され、完全に独立した測距センサ２００では実線Ａに示すような傾向の音響特性を有するが、音響通路と空間容積部とが互いに遮断されていない測距センサでは波線Ｂに示すような傾向の音響特性を有することになる。

したがって、波線Ｂに示すような傾向の音響特性では、共振板１４から送信信号を確実に送信できないことになり、受信信号を受信したコーン部１５の振動が阻害されて受信時における振動が働かず、受信信号が劣化してしまうことになる。すなわち、送信信号及び受信信号の信号レベルが安定せず、測距センサの品質的な不良原因となってしまうのである。そこで、この測距センサ１００では、共振板１４及びコーン部１５が常に安定した動作を実行できるように、センサ装着部２２にシール材３０を設けて、音響通路２３と空間容積部２６とを確実に遮断し、完全に独立させるようにしているのである。

図４は、測距センサ１００の信号処理の概要を説明するための説明図である。図４に基づいて、測距センサ１００の信号処理について説明する。まず、送信回路部（パルス発振部）４０からパルス電圧を周期的に繰り返し発信させ、正電極端子部１７及び負電極端子部１８を介してＰＺＴ振動子１３に加える（図４で示す矢印Ａ）。そうすると、ＰＺＴ振動子１３は、所定の周波数範囲の音波を発振する。ＰＺＴ振動子１３の発振によって共振板１４が発信信号（送信信号）を対象物に向けて放射する。

発振信号が対象物で反射した反射信号（受信信号）は、コーン部１５で受信される。この受信信号は、コーン部１５で増幅され、受信回路部４１に入力される（図４で示す矢印Ｂ）。この受信回路部４１は、受信信号をフィルタにかけてノイズを取り、更に増幅を行った上で、波高値、入射時間を計測する。受信回路部４１で計測された値は、演算処理回路部４２に送られる（図４で示す矢印Ｃ）。そして、演算処理回路部４２は、送信時間と入射時間から対象物までの距離を算出する。なお、演算処理回路部４２は、送信回路部４１に周期的にパルス電圧を発信させるようになっている（図４で示す矢印Ｄ）。

図５は、発振信号の波形（送信波形）及び反射信号の波形（受信波形）を説明するための説明図である。図５に基づいて、送信波形及び受信波形について図４を参照しながら説明する。なお、図５には、実施の形態１に係る測距センサ１００の送信波形及び受信波形（図５（ｂ））の他に、ＰＺＴ振動子１３に加えられるパルスの波形（図５（ａ））と、シール材３０を設けていない測距センサの送信波形及び受信波形（図５（ｃ））とを併せて示している。また、この図５では、横軸は時間を示している。なお、図５では、送信信号及び受信信号の残留振動が効率よく抑制されている場合を例に示している。

送信回路部４０から発信されたパルス電圧Ｓ１がＰＺＴ振動子１３に加えられると、ＰＺＴ振動子１３が発振して、共振板１４から送信信号Ｓ２が対象物に向けて放射される。このとき、音響通路２３と空間容積部２６とは互いに遮断された状態となっているために、空間容積部２６での圧力変動が音響通路２３に伝播することはない。したがって、送信信号Ｓ２のレベルは、図５（ｂ）に示すように常に安定した波形を有することになる。一方、音響通路２３と空間容積部２６とが互いに遮断していない状態では、送信信号Ｓ２’のレベルは、図５（ｃ）に示すように不安定な波形を有することになる。なお、共振板１４の振動を強制的に抑制すれば、残留成分が抑制され、より安定した発振信号Ｓ２を作り出すことができる。

発振信号Ｓ２は、対象物で反射し反射信号Ｓ３となってＴ時間経過にコーン部１５で受信される。ここでも、音響通路２３と空間容積部２６とは互いに遮断した状態となっているために、空間容積部２６で発生する圧力変動によってコーン部１５の振動が阻害されずに、受信した受信信号を確実に増幅することができることになる。一方、音響通路２３と空間容積部２６とが互いに遮断していない状態では、受信信号Ｓ３’のレベルは、図５（ｃ）に示すように不安定な波形を有することになる。なお、コーン部１５の振動を強制的に抑制すれば、残留成分が抑制され、より安定した受信信号Ｓ３を作り出すことができる。そして、演算処理回路部４２は、発振信号Ｓ２が放射されてから反射信号Ｓ３を受信するまでに要した時間Ｔにより対象物までの距離を測定する。

以上より、測距センサ１００は、シール材３０を設けることにより、音響通路２３と空間容積部２６とを確実に遮断し、空間容積部２６での圧力変動を音響通路２３に伝播しないようにしている。すなわち、シール材３０によって音響通路２３と空間容積部２６とを確実に遮断し、共振板１４及びコーン部１５が常に一定の圧力の下で、所定の動作ができるようになっているのである。したがって、送信信号及び受信信号のレベルが安定し、対象物をより効果的に測定することができる。

実施の形態２．
図６は、測距センサ１００が搭載されたショーケース５０の全体構成を示す概略構成図である。図６に基づいて、測距センサ１００をショーケース５０に適用した場合について説明する。このショーケース５０は、コンビニエンスストアや、スーパーマーケット等の店舗に設置され、食品や飲料等を載置するものである。図６に示すように、ショーケース５０は、熱交換器５１と、この熱交換器５１から発生するドレン水５５を集めて下方に流下するドレン管５２と、このドレン管５２から流下したドレン水５５を貯留するドレンタンク５３とで構成されている。

そして、測距センサ１００は、ドレンタンク５３の上面の開口部の上方に取り付けられるようになっている。また、測距センサ１００は、筐体２０の音響通路開口部２１がドレンタンク５３内の水面を向くように配置されている。なお、波線は測距センサ１００から送信された超音波（発信信号）と水面で反射された反射波（反射信号）を示している。すなわち、測距センサ１００は、ドレンタンク５３内に貯留されるドレン水５５の水位を検出するための水位検出装置として機能しているのである。

この場合、対象物がドレンタンク５３内に貯留されるドレン水５５の水面であり、測距センサ１００から水面までの距離、つまり水位を検出するようになっている。測距センサ１００は、対象物までの距離を効率よく測定することができるので、このような形態で利用することができるのである。なお、ショーケース５０に１つの測距センサ１００を搭載した場合を例に説明したが、これに限定するものではなく、複数個の測距センサ１００を搭載してもよい。

この実施の形態２では、測距センサ１００をショーケース５０に搭載した場合を例に説明したが、これに限定するものではなく、空気調和装置等の設備機器内に搭載してもよい。つまり、対象物との距離の検出を目的とする設備機器であれば搭載することができるのである。たとえば、掃除機の本体や吸込口体に測距センサ１００を搭載して掃除する室内にある障害物までの距離を検出するようにしたり、自動車のバンパーに測距センサ１００を搭載して壁やガードレールまでの距離を検出したりすることも可能である。

各実施の形態では、ＰＺＴ振動子１３を例として説明したが、これに限定するものではない。たとえば、セラミック型の圧電素子や高分子型の圧電素子等の圧電素子であってもよい。また、実施の形態１に係る筐体２０が円筒状に構成されている場合を例に説明したが、これに限定するものではない。たとえば、筐体２０を角柱状に構成し、音響通路３３を円柱状にくり抜くようにしてもよい。また、この場合には、支持部１１も筐体２０のセンサ装着部２２の形状に応じた形状とするとよい。

実施の形態１に係る測距センサを説明するための説明図である。 筐体の断面構成を示す縦断面図である。 共振板及びコーン部が振動しているときの音響特性を表すグラフである。 測距センサの信号処理の概要を説明するための説明図である。 送信波形及び受信波形を説明するための説明図である。 測距センサが搭載されたショーケースの全体構成を示す概略構成図である。

符号の説明

１０ センサ本体部、１１ 支持部、１２ 台座、１３ ＰＺＴ振動子、１４ 共振板、１５ コーン部、１７ 正電極端子部、１８ 負電極端子部、２０ 筐体、２１ 音響通路開口部、２２ センサ装着部、２３ 音響通路、２５ センサ挿入部、２６ 空間容積部、３０ シール材、４０ 送信回路部、４１ 受信回路部、４２ 演算処理回路部、５０ ショーケース、５１ 熱交換器、５２ ドレン管、５３ ドレンタンク、５５ ドレン水、１００ 測距センサ。

Claims (7)

1. 内壁面の一部に段差を設けてセンサ装着部が形成された中空状の筐体と、
   前記センサ装着部に外周部が嵌め込まれて支持される支持部と、
   前記支持部に取り付けられる台座と、
   前記台座に取り付けられ、圧電素子で構成された振動子と、
   前記振動子の前記台座と反対側に取り付けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波である発信信号を対象物に向けて発射する共振板と、
   前記共振板の前記振動子側とは反対側に取り付けられ、前記対象物で反射された反射信号を受信し、増幅するコーン部と、を備え、
   前記センサ装着部に前記支持部が嵌め込まれることによって、
   前記筐体内に、
   前記発信信号及び前記反射信号を送受信するための音響通路と、前記音響通路と遮断されることで前記音響通路内での圧力変動を防止する空間容積部と、を形成している
   ことを特徴とする測距センサ。
2. 前記音響通路と前記空間容積部との間であって前記支持部の前記空間容積部側に、エポキシ樹脂またはシリコンゴムからなるシール材を設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の測距センサ。
3. 前記センサ装着部にエポキシ樹脂またはシリコンゴムからなるシール材を設けた
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の測距センサ。
4. 前記音響通路を前記コーン部に向かって徐々に縮径させた
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の測距センサ。
5. 前記空間容積部を密閉空間とした
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の測距センサ。
6. 前記振動子が、ＰＺＴからなる圧電素子で構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の測距センサ。
7. 前記請求項１〜６のいずれかに記載の測距センサを備えた
   ことを特徴とする設備機器。

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