JP5119496B2

JP5119496B2 - 超音波エッジセンサ

Info

Publication number: JP5119496B2
Application number: JP2008316722A
Authority: JP
Inventors: 和巳本荘; 常弘富田
Original assignee: 竹中電子工業株式会社
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2028-12-12
Also published as: JP2010139410A

Description

本発明は、超音波素子からなる一対の投音部と受音部との間にある検出対象物のエッジ位置を検出するためのエッジセンサに関する。

エッジセンサは従来から様々な分野で使用されている。例えば、図８に示すように、巻回されていたフィルム状部材１０を引き出して所定の方向に搬送するような工程では、フィルム状部材１０のエッジ部分にエッジセンサのセンサ部２を配置し、これにより搬送中のフィルム状部材１０の蛇行量をモニターし、エッジセンサが蛇行量を出力するようになっている。そして、このセンサ出力を蛇行制御部が読み取り、フィルム状部材１０の蛇行制御を行っている。

上記エッジセンサは、光を用いてフィルム状部材１０（以下、検出対象物１０とする）のエッジ位置を検出する方式や超音波を用いて検出する方式のものが知られており、このうち光式のエッジセンサには検出対象物１０が透光性を有する場合に安定的にエッジ位置を検出できないという問題がある。この点、超音波式のエッジセンサは、検出対象物１０の色や透明／不透明の影響を全く受けないので、上記問題がなく、使い勝手が良い。

図９は、超音波エッジセンサのセンサ部２とフィルム状部材との位置関係を模式的に表した図である。エッジセンサのセンサ部２は例えばコの字状を有し、その先端部分に一対の投音部３と受音部４とが対向して配置されている。投音部３に外部からの信号が入力されると、投音部３から受音部４に向かって所定周波数の超音波パルスが出力される。そして、投音部３からの超音波パルスを受音した受音部４は、受音量に応じた受音信号を出力する。

図９（Ａ）に示すように、受音部４が受音し得る受音量は、投音部３と受音部４との間にある検出対象物１０（図８のフィルム状部材１０に相当）のエッジ位置Ｘによって変化する。具体的には、エッジ位置Ｘが深くなると、それにしたがって投音部３から出力された超音波パルスの多くが遮断されるので、受音部４における受音量は減少する。

エッジ位置Ｘと、受音信号を検波等して最終的に得られる出力信号とは比例しており、図１０に示すように、エッジ位置ＸがＸ₂にあって超音波パルスが全く遮断されない場合は、出力信号としてＶ_max［Ｖ］が出力される。エッジ位置ＸがＸ₁にあって超音波パルスの全てが遮断される場合は、０［Ｖ］が出力される。また、エッジ位置ＸがＸ₁とＸ₂の中央（＝０［ｍｍ］）にある場合は、出力信号としてＶ₀（＝Ｖ_max／２）［Ｖ］が出力される。

すなわち、エッジセンサによれば、検出対象物１０のエッジ位置Ｘに比例した電圧信号が得られ、エッジ位置Ｘが所定位置からずれているか否かを出力信号の電圧の多寡で判定することができる。

しかしながら、図９（Ｂ）に示すように、受音部４には、投音部３から直接到来する超音波パルスの他、多重反射した後の超音波パルスも到来するので、エッジ位置Ｘに比例した出力信号が得られず、高精度にエッジ位置Ｘを検出できない場合があった。多重反射した後の超音波パルスとは、例えば、検出対象物１０の表面１０ａで反射され、投音部３で反射された後に受音部４に到達する超音波パルスのことをいう。

そこで、特許文献１に記載のエッジセンサでは、投音部３から直接到来する超音波パルスと多重反射した後の超音波パルスとを時間軸で分離し、多重反射した後の超音波パルスが到来する前の受音信号のみを用いて出力信号を生成するようにしている。そして、これにより、エッジ位置Ｘの検出精度が悪化するのを防いでいる。
特公平６−１０５１７２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のエッジセンサでは、３つ目から５つ目までの超音波パルスに対応した受音信号を使用して出力信号の生成することが予め決まっている。したがって、このエッジセンサでは、多重反射した後の超音波パルスが比較的早く受音部４に到達する場合、例えば、投音部３と受音部４との間の距離が狭い場合や、センサ有効範囲が広い場合に、多重反射の影響を完全に除去することができず、エッジ位置の検出精度が悪化するおそれがあった。

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、多重反射の影響を確実に除去することにより、高精度に検出対象物のエッジ位置を検出することができるエッジセンサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るエッジセンサは、複数の超音波パルスを一定の周波数で出力する投音部と、前記投音部からの前記超音波パルスを受音して該超音波パルスの受音量に応じた受音信号を出力する受音部と、前記受音信号を検波して得た検波信号を出力する検波部と、前記検波信号を所定のタイミングで保持し、出力信号として出力するサンプル・ホールド部とを備え、前記投音部と前記受音部との間にある検出対象物によって前記投音部が受音し得る前記超音波パルスの受音量が減少すると、それに応じて前記出力信号が減少するよう構成したエッジセンサであって、前記検波信号の保持を、前記複数の超音波パルスのうちの最初の超音波パルスが出力されてから、

（ただし、ｄ：投音部と受音部の間の距離、ｄ_e：センサ有効範囲、ｖ：音の伝播速度）で計算される時間Ｔ_{dh min}を含む前記検波信号の一定領域が経過する前に行うことを特徴とする。

この構成によれば、多重反射の影響を受けることなく、高精度に検出対象物のエッジ位置を検出することができる。

また、上記エッジセンサは、前記検波信号の保持を、前記複数の超音波パルスのうちの最初の超音波パルスが出力されてから、

（ただし、ｄ：投音部と受音部の間の距離、ｖ：音の伝播速度、f：超音波パルスの周波数）で計算される時間Ｔ_waitが経過した後に行うことが好ましい。

また、上記エッジセンサは、前記センサ有効範囲ｄ_eを可能な限り狭く設定し、前記時間Ｔ_{dh min}を長くするのが好ましい。

一般に、超音波素子からなる投音部は、十分な音量の超音波パルスが出力できるようになるまでに、ある程度の時間を要することが知られている。これらの構成によれば、比較的音量の大きくなった後の超音波パルスを用いることになるので、Ｓ／Ｎ比が高く、より高精度にエッジ位置を検出することができる。

本発明によれば、多重反射の影響を確実に除去することにより、高精度に検出対象物のエッジ位置を検出することができるエッジセンサを提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係るエッジセンサの好ましい実施形態について説明する。

図１は、本発明に係るエッジセンサのセンサ部２と検出対象物１０との位置関係を示す図である。センサ部２はコの字状を有し、その先端部分に一対の投音部３と受音部４とが対向して配置されている。また、投音部３から出力された超音波パルスは、検出対象物１０のエッジ位置に応じて一部または全部が遮断され、受音部４における受音量が変化するようになっている。これらの点については、従来のエッジセンサと同様である。なお、センサ部２はコの字状に限定されず、投音部３と受音部４とが対向して配置されていれば、他のどのような形状であっても構わない。

図１において、ｄは投音部３と受音部４との間の距離（以下、「投受音部間距離」という）、ｄ_eはセンサ有効範囲、ｄ_wは投音部３と検出対象物１０との間の距離（以下、「検出対象物間距離」という）である。なお、図１のように、検出対象物１０がセンサ中心線よりも投音部３側にある場合は検出対象物１０の表面１０ａと投音部３との間の距離が検出対象物間距離ｄ_wとなるが、検出対象物１０が受音部４側にある場合は検出対象物１０の裏面１０ｂと受音部４との間の距離が検出対象物間距離ｄ_wとなる。また、センサ有効範囲ｄ_eとは、多重反射の影響を受けることなくエッジ位置を検出することができる、検出対象物１０のセンサ中心線からの許容ずれ量として定義されるものである。

図２に、本発明に係るエッジセンサ１のブロック図を示す。エッジセンサ１は、制御部５から投音パルス信号が入力されると、それに応じて一定の周波数で複数の超音波パルスを出力する投音部３と、投音部３からの超音波パルスを受音して、その受音量に応じた受音信号を出力する受音部４と、受音信号を検波して得た検波信号を出力する検波部６と、制御部５からのサンプリング指令信号に応じて検波信号をサンプル・ホールドし、出力信号として出力するサンプル・ホールド部７とを備える。各信号がどのようなものであるかは、後で図面を参照しながら詳細に説明する。

図２に示すように、検波部６は、出力端とＧＮＤとの間に接続された抵抗Ｒ及び第１コンデンサＣ₁を有し、第１コンデンサＣ₁には検波信号に応じた量の電荷が蓄積される。また、抵抗Ｒは、第１コンデンサＣ₁の電荷を緩やかに放電する。

サンプル・ホールド部７は、制御部５が出力したサンプリング指令信号によって開閉するスイッチＳＷと、スイッチＳＷの出力端とＧＮＤとの間に接続された第２コンデンサＣ₂とからなる。サンプリング指令信号がＨレベルになってスイッチＳＷが開くと、第１コンデンサＣ₁の電荷が第２コンデンサＣ₂に移動し、出力信号が出力される。つまり、本発明に係るエッジセンサ１では、制御部５の制御下において、任意のタイミングで検波信号をサンプル・ホールドし、出力信号を出力することができる。

本発明に係るエッジセンサ１において、制御部５は、以下の計算式に基づいてサンプル・ホールドを行うタイミングを決定する。
すなわち、投音部３から出力された超音波パルスが受音部４に到達する時間Ｔ_dは、

で表される。ここで、ｖは音の伝播速度（＝３４７［ｍ／ｓ］）である。
また、検出対象物１０で多重反射された後の超音波パルスが受音部４に到達する時間Ｔ_dhは、

で表される。

多重反射された後の超音波パルスが最も早く受音部４に到達する、すなわち時間Ｔ_dhが最小になるのは、上記（２）式において、検出対象物間距離ｄ_wが最小になる場合である。つまり、検出対象物１０がセンサ有効範囲ｄ_e内で最大限ずれた場合に、時間Ｔ_dhは最小になる。

この場合の検出対象物間距離ｄ_wは、投受音部間距離ｄ及びセンサ有効範囲ｄ_eを用いて次式で表すことができる。

そして、時間Ｔ_dhの最小値である時間Ｔ_{dh min}は、上記（３）式を（２）式に代入して、

で表すことができる。

つまり、投音部３が最初の超音波パルスを出力してから時間Ｔ_{dh min}が経過すると、受音部４に多重反射した後の超音波パルスが到達するために、検出対象物１０のエッジ位置を高精度に検出できない可能性がある。したがって、本発明に係るエッジセンサ１では、時間Ｔ_{dh min}を含む検波信号の一定領域が経過する前にサンプル・ホールドが終了するように、制御部５がサンプル・ホールド部７にサンプリング指令信号を出力する。これにより、多重反射の影響を確実に除去し、高精度に検出対象物のエッジ位置を検出することができる。

続いて、図３及び図４を参照して、本発明に係るエッジセンサの実施例１について説明する。図３に示すように、本実施例において、投受音部間距離ｄは３０［ｍｍ］、センサ有効範囲ｄ_eは５［ｍｍ］である。また、制御部５から投音部３に出力される投音パルス信号の周波数ｆは４０［ｋＨｚ］とした。

上記条件において、投音部３から出力された最初の超音波パルスが受音部４に到達するまでの時間Ｔ_dは、上記（１）式より、

となる。
また、多重反射された後の超音波パルスが最も早く受音部４に到達するまでの時間Ｔ_dhは、上記（４）式より、

となる。
すなわち、本実施例では、最初の超音波パルスが出力されてから１４４［μｓ］が経過する前の受音信号に対応した検波信号をサンプル・ホールドしなければならない。

図４は、本実施例に係るエッジセンサの動作を示すタイミングチャートである。波形Ａは、制御部５から投音部３に出力される投音パルス信号である。本実施例では、（１）〜（３）の３つの投音パルス信号が２５［μｓ］周期で出力される。波形Ｂは、超音波パルスを受音した受音部４が出力する受音信号である。受音信号は、最初の超音波パルス（１）が出力されてから８６．５［μｓ］後に変動を開始する。波形Ｃは、検波部６が受音信号を検波することによって得られた検波信号である。受音信号と同様に、検波信号も最初の超音波パルス（１）が出力されてから８６．５［μｓ］後に変動を開始する。

波形Ｄは、制御部５によって生成されるサンプリング指令信号である。前記の通り、本実施例では、１４４［μｓ］が経過する前の受音信号に対応した検波信号をサンプル・ホールドする必要があるので、サンプリング指令信号は、Ｔ_sampよりも前にＨレベルになり、Ｔ_sampになるとＬレベルになる。すなわち、本発明に係るエッジセンサでは、時間Ｔ_{dh min}を含む検波信号の一定領域が経過する前にサンプル・ホールドが行われる。

なお、サンプル・ホールドは前倒しで行うこともできる。しかしながら、図４に示すように、超音波素子の特性上、超音波パルス（１）では十分な振幅の受音信号が得られない。したがって、Ｓ／Ｎ比を向上させるという観点から、サンプル・ホールドは、（４）式で計算される時間Ｔ_{dh min}が経過する直前に行うのが好ましい。また、図４に示すように、波形（Ｃ）の検波信号は波形（Ｂ）の受音信号に合わせて変動するので、サンプル・ホールドは、１４４［μｓ］が経過する直前の、検波信号の一定領域を狙って行うのが好ましい。

波形Ｅは、検波信号をサンプル・ホールドして得た出力信号である。サンプリング指令信号がＨレベルになると、出力信号は検波信号に等しい電圧値となる。図４に示すように、本実施例では、３つめの超音波パルス（３）に対応した検波信号がサンプル・ホールドされるので、超音波パルス（３）の受音量に応じた電圧の出力信号が出力される。

図５は、１４４［μｓ］を含む検波信号の一定領域が経過する前にサンプル・ホールドを行った実施例１の場合、及び１４４［μｓ］を大幅に超えた後（２１９［μｓ］）にサンプル・ホールドを行った場合の出力信号を比較したグラフである。グラフの横軸は、エッジ位置Ｘ（図９参照）を固定した状態での、検出対象物１０の投音部３側または受音部４側へのずれ量である。

この図から明らかなように、２１９［μｓ］を含む検波信号の一定領域でサンプル・ホールドを行った場合は、検出対象物１０を投音部３側または受音部４側に僅かにずらすだけで、多重反射の影響で出力信号が大きく変動する。これに対し、実施例１の場合、出力信号は、センサ有効範囲である±５［ｍｍ］の範囲において、ほぼフラットな特性を有している。つまり、本発明によれば、多重反射の影響を確実に除去し、検出対象物のエッジ位置を高精度に検出することができる。

続いて、図６及び図７を参照して、本発明に係るエッジセンサの実施例２について説明する。図６に示すように、本実施例において、投受音部間距離ｄは３０［ｍｍ］、センサ有効範囲ｄ_eは８［ｍｍ］、投音パルス信号の周波数ｆは４０［ｋＨｚ］である。すなわち、実施例２の各条件のうち、センサ有効範囲ｄ_eを８［ｍｍ］とした以外の他の条件は実施例１と同様である。

となる。
また、多重反射された後の超音波パルスが最も早く受音部４に到達するまでの時間Ｔ_{dh min}は、上記（４）式より、

となる。
すなわち、本実施例では、最初の超音波パルスが出力されてから１２７［μｓ］が経過する前の受音信号に対応した検波信号をサンプル・ホールドしなければならない。

さらに本実施例では、次式を用いて待機時間Ｔ_waitを計算し、この待機時間Ｔ_waitが経過した後にサンプル・ホールドを行う。つまり、本実施例では、待機時間Ｔ_waitが経過した後、時間Ｔ_{dh min}を含む検波時間の一定領域が経過する前にサンプル・ホールドを行う。

これにより、比較的振幅が大きい受音信号のみを用いてエッジ位置の検出が行われるので、Ｓ／Ｎ比が向上し、より高精度にエッジ位置を検出することができる。

図７は、本実施例に係るエッジセンサの動作を示すタイミングチャートである。前記の通り、本実施例では、１２７［μｓ］が経過する前の受音信号に対応した検波信号をサンプル・ホールドする必要があるので、サンプリング指令信号はＴ_sampよりも前にＨレベルになり、Ｔ_sampになるとＬレベルになる。つまり、本実施例では、２つめの超音波パルス（２）に対応した検波信号がサンプル・ホールドされ、超音波パルス（２）の受音量に応じた電圧の出力信号が出力される。

結局、本実施例に係るエッジセンサでは、実施例１に係るエッジセンサよりもセンサ有効範囲ｄ_eを広げた（５［ｍｍ］→８［ｍｍ］）ので、多重反射された後の超音波パルスが受音部４に到達する時間が早まる可能性がある。しかしながら、本実施例に係るエッジセンサは、（４）式の計算結果に基づいて１２７［μｓ］を含む検波信号の一定領域でサンプル・ホールドを行うので、多重反射の影響を受けることなく、エッジ位置を測定することができる。

また、図８に示すような状態で使用されるエッジセンサに本発明を適用すれば、フィルム状部材（検出対象物）１０が上下に大きくばたつくような場合でも、予めそのばたつき量を予測してセンサ有効範囲を広めに設定し、（４）式を用いて計算した時間Ｔ_{dh min}までの間に検波信号をサンプル・ホールドすることにより、多重反射の影響を受けることなく、高精度にエッジ位置を検出することができる。一方、フィルム状部材１０のばたつき量が小さく、センサ有効範囲を狭く設定できる場合は、（４）式を用いて計算した時間Ｔ_{dh min}が長くなる。したがって、この場合は、比較的振幅が大きい受音信号を用いてエッジ位置の検出を行うことができるので、Ｓ／Ｎ比が向上し、高精度にエッジ位置を検出することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明は上記構成に限定されるものではない。
例えば、投音パルス信号のパルス数は、投受音部間距離ｄが長く、最初の投音パルス信号（１）に対応した超音波パルスが受音部４に到達するまでの時間が長い場合は、４つ以上の投音パルス信号が出力されるようにしてもよい。
また、図２に示した検波部６及びサンプル・ホールド部７の回路構成は例示であり、他の公知の回路構成を適用することができる。

本発明に係るエッジセンサのセンサ部と検出対象物との位置関係を示す断面図である。本発明に係るエッジセンサのブロック図である。実施例１に係るエッジセンサのセンサ部と検出対象物との位置関係を示す断面図である。実施例１に係るエッジセンサの動作を示すタイミングチャートである。エッジセンサの出力信号と、検出対象物の投音部側または受音部側へのずれ量との関係を示すグラフである。実施例２に係るエッジセンサのセンサ部と検出対象物との位置関係を示す断面図である。実施例２に係るエッジセンサの動作を示すタイミングチャートである。エッジセンサの使用状態の一例を示す図である。エッジセンサの動作原理を示す図であって、（Ａ）は投音部から直接到来する超音波パルスのみを抜き出した図、（Ｂ）は多重反射された後の超音波パルスのみを抜き出した図である。エッジセンサの出力信号とエッジ位置の関係を示すグラフである。

符号の説明

１エッジセンサ
２センサ部
３投音部
４受音部
５制御部
６検波部
７サンプル・ホールド部
１０検出対象物（フィルム状部材）

Claims

複数の超音波パルスを一定の周波数で出力する投音部と、前記投音部からの前記超音波パルスを受音して該超音波パルスの受音量に応じた受音信号を出力する受音部と、前記受音信号を検波して得た検波信号を出力する検波部と、前記検波信号を所定のタイミングで保持し、出力信号として出力するサンプル・ホールド部とを備え、前記投音部と前記受音部との間にある検出対象物によって前記投音部が受音し得る前記超音波パルスの受音量が減少すると、それに応じて前記出力信号が減少するよう構成したエッジセンサであって、
前記検波信号の保持を、前記複数の超音波パルスのうちの最初の超音波パルスが出力されてから、

（ただし、ｄ：投音部と受音部との間の距離、ｄ_e：センサ有効範囲、ｖ：音の伝播速度）
で計算される時間Ｔ_{dh min}を含む前記検波信号の一定領域が経過する前に行うことを特徴とするエッジセンサ。
前記検波信号の保持を、前記複数の超音波パルスのうちの最初の超音波パルスが出力されてから、

（ただし、ｄ：投音部と受音部の間の距離、ｖ：音の伝播速度、f：超音波パルスの周波数）
で計算される時間Ｔ _waitが経過した後に行うことを特徴とする請求項１に記載のエッジセンサ。
前記センサ有効範囲ｄ_eを可能な限り狭く設定し、前記時間Ｔ_{dh min}を長くしたことを特徴とする請求項１に記載のエッジセンサ。