JP5889712B2

JP5889712B2 - 超音波センサ

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Publication number: JP5889712B2
Application number: JP2012114148A
Authority: JP
Inventors: 晋相澤
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2032-05-18
Also published as: JP2013242172A

Description

本発明は、圧電素子を利用する超音波センサに関する。

従来、超音波センサに付着する雪・泥等の付着物を検出する機能を備えた車載の超音波障害物検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この超音波障害物検出装置は、車両の周囲に向けて超音波を発し、車両の周囲に存在する物体で反射したその超音波の反射波を受ける複数の超音波センサを含む。また、この超音波障害物検出装置は、１つの超音波センサが発した超音波を別の超音波センサが直接波として受けられるようにそれら複数の超音波センサのそれぞれを配置する。そして、この超音波障害物検出装置は、その直接波を受ける超音波センサの受信波形に基づいてその直接波を受ける超音波センサに付着する付着物の有無を判定する。

特開２００２−１３１４２８号公報

しかしながら、特許文献１の超音波障害物検出装置は、１つの超音波センサが発した超音波を別の超音波センサが直接波として受けられるようにそれら複数の超音波センサのそれぞれを配置する必要がある。そのため、複数の超音波センサのそれぞれの出射範囲を広い範囲にわたって重複させる必要があり、超音波センサの効率的な利用を妨げる結果となる。

上述の点に鑑み、本発明は、超音波センサの配置に自由度を確保しつつセンサ素子の表面の汚れをより効率的に検出可能な超音波センサを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係る超音波センサは、焦電効果及び圧電効果を示すセンサ素子と、前記センサ素子を照らす光源と、前記センサ素子及び前記光源を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記光源からの光を受ける前記センサ素子の焦電効果による電位差に基づいて前記センサ素子の汚れを検出する。

上述の手段により、本発明は、超音波センサの配置に自由度を確保しつつセンサ素子の表面の汚れをより効率的に検出可能な超音波センサを提供することができる。

本発明の実施例に係る超音波センサの構成例を示す概略図である。センサユニットの例を示す上面図である。図２の一点鎖線を含む平面を矢印ＩＩＩの方向から見た断面図である。３つのセンサユニットで構成されるセンサアセンブリの例を示す上面図である。ショベルに対するセンサアセンブリの取り付け例を示す図である。物体検出処理の流れを示すフローチャートである。第１汚れ検出処理の流れを示すフローチャートである。センサ素子の表面の状態を示す図である。第２汚れ検出処理の流れを示すフローチャートである。センサ素子配列の表面の状態を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、本発明の実施例に係る超音波センサ１００の構成例を示す概略図である。超音波センサ１００は、主に、制御装置１、センサ素子２、センサ駆動回路３Ｔ、電圧計３Ｒ、光源４、汚れ除去装置５、及び出力装置６を含む。

超音波センサ１００は、例えば、ＴＯＦ（Time Of Flight）法により、センサ素子２から出た超音波が物体で反射してセンサ素子２に戻るまでの超音波の飛行時間と超音波の速度からその物体までの距離を算出して出力する。

また、超音波センサ１００は、光軸４からの光によって照らされたセンサ素子２が焦電効果によって発生させる電位差に基づいてセンサ素子２の汚れを検出する。

制御装置１は、超音波センサ１００の動作を制御するための装置である。制御装置１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を備えたコンピュータであり、物体検出部１０及び汚れ検出部１１のそれぞれの機能要素に対応するプログラムをＲＯＭから読み出してＲＡＭに展開し、各機能要素に対応する処理をＣＰＵに実行させる。

センサ素子２は、焦電効果及び圧電効果を示す物質で形成される素子である。焦電効果及び圧電効果を示す物質は、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等を含む。

センサ素子２は、望ましくは、逆圧電効果を利用して超音波を出す送波用素子、及び、圧電効果を利用して超音波を受ける受波用素子を兼ねる。すなわち、センサ素子２は、送波用素子としても受波用素子としても機能する。但し、センサ素子２は、原則的に送波用素子として機能するよう用意される素子であってもよく、原則的に受波用素子として機能するよう用意される素子であってもよい。

センサ駆動回路３Ｔは、送波用素子に電圧を印加して逆圧電効果による振動を発生させ、その振動に応じた超音波を出射させるための装置である。本実施例では、センサ駆動回路３Ｔは、制御装置１が出力する制御信号に応じて、送波用素子及び受波用素子を兼ねるセンサ素子２に電圧を印加し、センサ素子２で超音波を出射させる。

電圧計３Ｒは、センサ素子が出力する電圧を測定する装置である。具体的には、電圧計３Ｒは、超音波による振動を受けた受波用素子が圧電効果により発生させる電位差を検出する。また、電圧計３Ｒは、光源４からの光を受けた送波用素子又は受波用素子が焦電効果により発生させる電位差を検出する。本実施例では、電圧計３Ｒは、送波用素子及び受波用素子を兼ねるセンサ素子２が圧電効果により発生させる電位差を検出する。また、電圧計３Ｒは、光源４からの光を受けたセンサ素子２が焦電効果により発生させる電位差を検出する。

送波用素子と受波用素子とが独立している場合、電圧計３Ｒは、受波用素子ばかりでなく送波用素子からもその電位差を検出できるように構成され得る。具体的には、電圧計３Ｒは、送波用素子に接続される電圧計と、受波用素子に接続された電圧計とを別々に有していてもよい。

光源４は、センサ素子２の温度を変化させるための加熱手段の一例であり、例えば、赤外線を発する赤外線ＬＥＤ、赤外線ランプ等である。また、光源４は、赤外線を含む光を発するＬＥＤ、ランプ等であってもよい。

汚れ除去装置５は、センサ素子２の汚れを除去するための装置であり、例えば、センサ素子２の表面に空気を吹き付けるブロワ、センサ素子２の表面に水を吹き付けるスプレー等である。汚れ除去装置５は、例えば、制御装置１からの制御信号に応じてセンサ素子２の汚れを除去する。

出力装置６は、各種情報を出力するための装置であり、例えば、液晶ディスプレイ、ＬＥＤ、スピーカ、ブザー等である。具体的には、出力装置６は、制御装置１からの制御信号に応じて各種情報を表示したり、音声出力したりする。

次に、制御装置１が有する各種機能要素について説明する。

物体検出部１０は、超音波センサ１００の出射範囲内に存在する物体を検出するための機能要素である。具体的には、物体検出部１０は、ＴＯＦ法により、センサ素子２から出た超音波が物体で反射してセンサ素子２に戻るまでの超音波の飛行時間と超音波の速度からその物体までの距離を算出する。

より具体的には、物体検出部１０は、センサ素子２から超音波を出射させるべくセンサ駆動回路３Ｔに対して制御信号を出力し、その出力時刻を記憶する。

その後、物体検出部１０は、電圧計３Ｒの出力を監視しながら、センサ素子２における電圧の変化を検出し、その検出時刻を記憶する。

その後、物体検出部１０は、出力時刻から検出時刻までの経過時間を超音波の飛行時間とし、その飛行時間に超音波の速度を乗算して、物体までの距離を算出する。なお、超音波の速度は、予め記憶された値であり、温度等の周囲環境に応じて自動的に調整されてもよい。

なお、物体検出部１０は、出力時刻からの経過時間が所定時間に達する前にセンサ素子２における電圧の変化を検出しない場合には、距離の算出等のその後の処理を省略してもよい。超音波センサ１００との距離が所定値未満となっている物体が存在しないと判断できるためである。

また、物体検出部１０は、超音波センサ１００との距離が所定値未満となっている物体を検出した場合に、出力装置６に対して制御信号を出力し、その物体に関する情報を画像情報として表示したり、音声情報として音声出力したりする。

汚れ検出部１１は、センサ素子２の汚れを検出するための機能要素である。具体的には、汚れ検出部１１は、光軸４からの光によって照らされたセンサ素子２が焦電効果によって発生させる電位差に基づいてセンサ素子２の汚れを検出する。

より具体的には、汚れ検出部１１は、光軸４を発光させるべく光軸４に対して制御信号を出力する。その後、汚れ検出部１１は、電圧計３Ｒの出力を監視しながら、センサ素子２における電圧の変化を検出し、その電圧変化の大きさを所定の閾値と比較する。なお、所定の閾値は、汚れのないセンサ素子２を光軸４からの光で照らしたときにセンサ素子２の焦電効果によって生じる電位差に相当する値であり、予め記憶されている。

その後、汚れ検出部１１は、電圧変化の大きさが閾値未満の場合に、センサ素子２の表面に付着物が存在すると判定する。センサ素子２の表面に付着物が存在する場合、付着物が存在するセンサ素子２の表面上の領域に光軸４からの光が到達せず、付着物が存在しない場合に比べ、センサ素子２の焦電効果によって生じる電位差が小さくなるためである。なお、この場合、センサ素子２は、超音波を適切に出射することができない状態、又は、超音波を適切に受けることができない状態（以下、「性能低下状態」とする。）にある。

一方、汚れ検出部１１は、電圧変化の大きさが閾値以上の場合には、センサ素子２の表面に付着物が存在しないと判定する。センサ素子２の表面全体に光軸４からの光が到達しているものと推定できるからである。

また、汚れ検出部１１は、センサ素子２の表面に付着物が存在すると判定した場合に、出力装置６に対して制御信号を出力し、付着物が存在する旨を画像情報として表示したり、音声情報として音声出力したりしてもよい。

また、汚れ検出部１１は、センサ素子２の表面に付着物が存在すると判定した場合に、汚れ除去装置５に対して制御信号を出力し、その付着物をセンサ素子２の表面から取り除くようにしてもよい。

以上の構成により、超音波センサ１００は、出射範囲内に存在する物体を検出し、且つ、センサ素子２の汚れを検出することができる。

なお、センサ素子２、センサ駆動回路３Ｔ、電圧計３Ｒ、光源４、及び汚れ除去装置５は、センサユニット５０を構成する。図１では、制御装置１は、１つのセンサユニット５０を制御するが、複数のセンサユニット５０を制御することもできる。

図２は、センサユニット５０の例を示す上面図であり、図中の点線は、透過部分を示す。また、図３は、図２の一点鎖線を含む平面を矢印ＩＩＩの方向から見た断面図である。

本実施例では、センサユニット５０は、矩形穴ＯＰ１を有する基板ＢＰと、矩形穴ＯＰ１を塞ぐように基板ＢＰ上に配置される薄膜型センサ素子２を含む。すなわち、薄膜型センサ素子２は、センサ駆動回路３Ｔが印加する電圧に応じて容易に振動できるように、外縁部が基板ＢＰに支持され、且つ、中央部が浮いた状態となるように配置される。

また、センサユニット５０は、センサ素子２が出射する超音波が外部に出て行けるように開口ＯＰ２を形成しながら、センサ素子２の周りを取り囲むように配置される枠部２０ａ〜２０ｄを有する。このように、センサ素子２は、図３に示すように、出射する超音波が指向角θを有するように配置される。

また、センサユニット５０は、図２の点線で示すように、枠部２０ａの内側に汚れ除去装置５を備える。なお、汚れ除去装置５の個数は、２つ以上であってもよい。

また、センサユニット５０は、枠部２０ａ〜２０ｄのそれぞれに取り付けられる４つの光源４ａ〜４ｄを備える。４つの光源４ａ〜４ｄのそれぞれは、図３の点線で示すように、センサ素子２の上面全体を照らすように赤外線を照射する。なお、光源４の個数は、１つ〜３つの何れであってもよく、５つ以上であってもよい。また、図２に示すように、４つの光源４ａ〜４ｄは何れも、上面視で、センサ素子２の外側に配置される。センサ素子２が出射する超音波が外部に出て行く妨げとならないようにするためである。しかしながら、光源４は、センサ素子２が出射する超音波が外部に出て行く妨げにならない限りにおいて、上面視でセンサ素子２と重なるように配置されてもよい。センサユニット５０のさらなるコンパクト化を図るためである。また、センサ素子２が出射する超音波は、回折により、センサ素子２を迂回できるためである。

また、本実施例では、図３に示すように、センサ素子２は、主に、上部電極２１、下部電極２２、焦電・圧電体膜２３で構成される。上部電極２１は、光源４からの赤外線が焦電・圧電体膜２３に到達するように、例えば、小型電極、透明電極、又はメッシュ電極等で構成される。

図４は、３つのセンサユニット５０ａ〜５０ｃで構成されるセンサアセンブリ６０の例を示す上面図である。３つのセンサユニット５０ａ〜５０ｃのそれぞれに搭載されるセンサ素子２は、破線で示すように、上面視で６０度の指向角を有する。その結果、３つのセンサユニット５０ａ〜５０ｃを搭載するセンサアセンブリ６０は、上面視で１８０度の範囲に超音波を出射することができる。

制御装置１は、センサアセンブリ６０に搭載される３つのセンサユニット５０ａ〜５０ｃのそれぞれに含まれるセンサ駆動回路３Ｔに対して制御信号を出力する。その結果、３つのセンサユニット５０ａ〜５０ｃのそれぞれに含まれるセンサ素子２は超音波を出射し、３つのセンサユニット５０ａ〜５０ｃのそれぞれに含まれるセンサ素子２はその反射波を受けて圧電効果による電位差を発生させる。制御装置１は、３つのセンサユニット５０ａ〜５０ｃのそれぞれに含まれる電圧計３Ｒによりその電位差を検出することによって物体を検出する。

また、制御装置１は、３つのセンサユニット５０ａ〜５０ｃのそれぞれに含まれる光源４に対して制御信号を出力する。その結果、３つのセンサユニット５０ａ〜５０ｃのそれぞれに含まれる光源４は赤外線を発し、３つのセンサユニット５０ａ〜５０ｃのそれぞれに含まれるセンサ素子２はその赤外線を受けて焦電効果による電位差を発生させる。制御装置１は、３つのセンサユニット５０ａ〜５０ｃのそれぞれに含まれる電圧計３Ｒによりその電位差を検出することによってセンサ素子２の汚れを検出する。

図５は、建設機械としてのショベルに対するセンサアセンブリ６０の取り付け例を示す図であり、図５（Ａ）は、ショベルの上面図を示し、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の矢印ＶＢで示す方向から見たショベルの部分側面図を示す。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）で示すように、ショベルは、上部旋回体の左側面にセンサアセンブリ６０Ｌを備え、右側面にセンサアセンブリ６０Ｒを備え、後面にセンサアセンブリ６０Ｂを備える。なお、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）の破線は、センサアセンブリ６０Ｌ、６０Ｒ、６０Ｂのそれぞれによる超音波の出射範囲を示す。本実施例では、センサアセンブリ６０Ｌ、６０Ｒ、６０Ｂのそれぞれによる超音波の水平方向の出射範囲は、図５（Ａ）で示すように、１８０度である。また、１８０度の出射範囲は、６０度の出射範囲を有するセンサユニットを３つ組み合わせることによって実現される。なお、センサアセンブリ６０Ｌ、６０Ｒ、６０Ｂのそれぞれの垂直方向の監視範囲は、例えば、図５（Ｂ）で示すように、３０度である。

次に、図６を参照しながら、超音波センサ１００が物体を検出する処理（以下、「物体検出処理」とする。）について説明する。なお、図６は、物体検出処理の流れを示すフローチャートである。また、超音波センサ１００は、所定周期で繰り返しこの物体検出処理を実行する。なお、超音波センサ１００は、図５に示すショベルに搭載され、センサアセンブリ６０Ｌ、６０Ｒ、６０Ｂのそれぞれにおける３つのセンサユニット５０ａ〜５０ｃのそれぞれ、すなわち、９つのセンサユニットのそれぞれに対して、同時に或いは所定の順番でこの物体検出処理を実行する。

最初に、超音波センサ１００の制御装置１は、物体検出部１０により、センサ駆動回路３Ｔに対して制御信号を出力し、対応するセンサ素子２から超音波を出射させる（ステップＳ１）。また、物体検出部１０は、制御信号を出力した出力時刻を記憶する。

その後、物体検出部１０は、電圧計３Ｒの出力に基づいて、対応するセンサ素子２による超音波の反射波の受信、すなわち、対応するセンサ素子２の圧電効果による電圧の変化が発生するのを監視する（ステップＳ２）。

出力時刻からの経過時間が所定時間に達するまでに反射波を受信した場合（ステップＳ２のＹＥＳ）、物体検出部１０は、反射波を発生させた物体までの距離を算出する。そして、物体検出部１０は、出力装置６に対して制御信号を出力し、物体に関する情報をショベルの操作者に通知する（ステップＳ３）。

具体的には、物体検出部１０は、電圧計３Ｒの出力に基づいて、センサ素子２における電圧の変化を検出し、その検出時刻を記憶する。そして、物体検出部１０は、出力時刻から検出時刻までの経過時間を超音波の飛行時間とし、その飛行時間に超音波の速度を乗算して、物体までの距離を算出する。

一方、出力時刻からの経過時間が所定時間に達するまでに反射波を受信しない場合（ステップＳ２のＮＯ）、物体検出部１０は、今回の物体検出処理を直ちに終了させる。比較的遠い位置に存在する物体までの距離の算出を省略することによって制御装置１の処理負荷を低減させるためである。

このようにして、超音波センサ１００は、監視範囲内に存在する物体を迅速且つ効率的に検出することができる。

次に、図７及び図８を参照しながら、超音波センサ１００がセンサ素子２の汚れを検出する処理（以下、「第１汚れ検出処理」とする。）について説明する。なお、図７は、第１汚れ検出処理の流れを示すフローチャートであり、超音波センサ１００は、定期的に第１汚れ検出処理を実行する。なお、超音波センサ１００は、図５に示すショベルに搭載され、センサアセンブリ６０Ｌ、６０Ｒ、６０Ｂのそれぞれにおける３つのセンサユニット５０ａ〜５０ｃのそれぞれ、すなわち、９つのセンサユニットのそれぞれに対して、同時に或いは所定の順番でこの第１汚れ検出処理を実行する。

図８は、センサ素子２の表面の状態を示す図であり、図８（Ａ）は、汚れの付着していない状態を示し、図８（Ｂ）は、汚れＣＴが付着した状態を示し、図８（Ｃ）は、汚れ除去装置５によって汚れＣＴが除去された状態を示す。

最初に、超音波センサ１００の制御装置１は、汚れ検出部１１により、光源４に対して制御信号を出力し、対応するセンサ素子２に赤外線を照射する（ステップＳ１１）。また、汚れ検出部１１は、制御信号を出力した時刻を発光時刻として記憶する。

その後、汚れ検出部１１は、電圧計３Ｒの出力に基づいて、対応するセンサ素子２の焦電効果による電圧の変化が発生するのを監視する（ステップＳ１２）。

発光時刻からの経過時間が所定時間に達するまでに検出した電圧の変化が閾値より小さい場合（ステップＳ１２のＹＥＳ）、汚れ検出部１１は、対応するセンサ素子２の表面に付着物が存在すると判定する。

この場合、汚れ検出部１１は、出力装置６に対して制御信号を出力し、対応するセンサ素子２が図８（Ｂ）に示すような性能低下状態にあることをショベルの操作者に通知する（ステップＳ１３）。また、汚れ検出部１１は、対応する汚れ除去装置５に対して制御信号を出力し、対応するセンサ素子２の表面にある付着物を除去する（ステップＳ１４）。対応するセンサ素子２が図８（Ｃ）に示すような通常の状態に復帰できるようにするためである。なお、図８（Ｃ）の点線は、汚れ除去装置５によって除去された汚れＣＴが存在していた場所を示す。

一方、発光時刻からの経過時間が所定時間に達するまでに検出した電圧の変化が閾値以上の場合（ステップＳ１２のＮＯ）、汚れ検出部１１は、対応するセンサ素子２の表面に付着物が存在しないと判定する。

この場合、汚れ検出部１１は、汚れ除去装置５及び出力装置６の何れに対しても制御信号を出力することなく、今回の第１汚れ検出処理を直ちに終了させる。対応するセンサ素子２が図８（Ａ）に示すような通常の状態にあると判断できるためである。

このようにして、超音波センサ１００は、センサ素子２に付着した汚れを迅速且つ効率的に検出することができる。

以上の構成により、超音波センサ１００は、センサ素子２の汚れを自動的に検出するため、屋外等、センサ素子２に汚れが付着し易い環境での使用に対する信頼性を高めることができる。

また、超音波センサ１００は、センサ素子２の近くに配置された光源４が発する光によって照らされたセンサ素子２の焦電効果を利用するため、外乱光の影響を受けることなく、センサ素子２の汚れを安定的に検出することができる。

また、超音波センサ１００は、センサ素子２が出射する超音波ではなく、光源４が発する光を利用して汚れを検出するため、大気環境による影響を受けにくく、センサ素子２の汚れをより安定的に検出することができる。また、小型で安価なＬＥＤを用いることによる小型化、低コスト化が可能である。

また、超音波センサ１００におけるセンサユニットのそれぞれは、ユニット化されているため、他のセンサユニットとは独立して自己完結的にセンサ素子２の汚れを検出することができる。そのため、各センサユニットは、他のセンサユニットの配置に左右されることなく配置され得る。

次に、図９及び図１０を参照しながら、超音波センサ１００がセンサ素子の汚れを検出する別の処理（以下、「第２汚れ検出処理」とする。）について説明する。なお、図９は、第２汚れ検出処理の流れを示すフローチャートであり、超音波センサ１００は、定期的にこの第２汚れ検出処理を実行する。

また、本実施例における超音波センサ１００は、１つのセンサ素子２の代わりに、２５個のセンサ素子で構成されるセンサ素子配列２Ｍを用いる点で、上述の実施例と相違する。なお、物体検出処理については、物体を検出するセンサ素子の数が異なる以外は同じである。

図１０は、センサ素子配列２Ｍの表面の状態を示す図であり、図１０（Ａ）は、汚れの付着していない状態を示し、図１０（Ｂ）は、汚れＣＴが付着した状態を示す。また、図１０（Ｃ）は、汚れ検出部１１によってセンサ素子配列２Ｍを構成する一部のセンサ素子（黒色で示すセンサ素子）の動きが停止された状態を示す。また、図１０（Ａ）の数字は、２５個のセンサ素子のそれぞれの識別番号（通し番号）を示す。なお、図１０（Ｂ）及び図１０（Ｃ）は、図の明瞭化のため、センサ素子の通し番号の表示を省略する。

また、超音波センサ１００は、図５に示すショベルに搭載され、センサアセンブリ６０Ｌ、６０Ｒ、６０Ｂのそれぞれにおける３つのセンサユニット５０ａ〜５０ｃのそれぞれに含まれるセンサ素子配列２Ｍ、すなわち、９つのセンサ素子配列２Ｍのそれぞれに対して、同時に或いは所定の順番でこの第２汚れ検出処理を実行する。

最初に、超音波センサ１００の制御装置１は、センサ素子配列２Ｍにおけるセンサ素子の通し番号ｎを１に初期化する（ステップＳ２１）。

その後、制御装置１は、汚れ検出部１１により、光源４に対して制御信号を出力し、対応するセンサ素子配列２Ｍ（２５個のセンサ素子）に赤外線を照射する（ステップＳ２２）。また、汚れ検出部１１は、制御信号を出力した時刻を発光時刻として記憶する。

その後、汚れ検出部１１は、センサ素子配列２Ｍにおける各センサ素子のそれぞれに対応する電圧計３Ｒの出力に基づいて、センサ素子配列２Ｍにおける各センサ素子の焦電効果による電圧の変化が発生するのを監視する。

その後、汚れ検出部１１は、センサ素子配列２Ｍにおけるｎ番目のセンサ素子に関し、発光時刻からの経過時間が所定時間に達するまでに検出した電圧の変化が閾値より小さいか否かを判断する（ステップＳ２３）。

電圧の変化が閾値より小さいと判断した場合（ステップＳ２３のＹＥＳ）、汚れ検出部１１は、ｎ番目のセンサ素子の表面に付着物が存在すると判定する。

この場合、汚れ検出部１１は、ｎ番目のセンサ素子の動きを停止させる（ステップＳ２４）。なお、「センサ素子の動きを停止させる」とは、そのセンサ素子に対するセンサ駆動回路３Ｔによる電圧の印加を停止させること、そのセンサ素子に接続される電圧計３Ｒによる電圧の取得を停止させること、又は、そのセンサ素子に接続される電圧計３Ｒの出力を利用しないことを意味する。

一方、電圧の変化が閾値以上であると判断した場合（ステップＳ２３のＮＯ）、汚れ検出部１１は、ｎ番目のセンサ素子の表面に付着物が存在しないと判定する。この場合、汚れ検出部１１は、ｎ番目のセンサ素子の動きを停止させることなく、次のステップＳ２５を実行する。

その後、汚れ検出部１１は、次のセンサ素子に対しても同様の処理を行うため、通し番号ｎをインクリメントする（ステップＳ２５）。

その後、汚れ検出部１１は、通し番号ｎがセンサ素子配列２Ｍにおけるセンサ素子の総数を上回ったか否か、すなわち、全てのセンサ素子に対して汚れの有無を判定したか否かを判断する（ステップＳ２６）。

通し番号ｎがセンサ素子の総数を上回っていない、すなわち、未だ全てのセンサ素子に対して汚れの有無を判定していないと判断した場合（ステップＳ２６のＮＯ）、汚れ検出部１１は、ステップＳ２３〜ステップＳ２６までの処理を再び実行する。そして、汚れ検出部１１は、通し番号ｎがセンサ素子の総数を上回るまで、すなわち、全てのセンサ素子に対して汚れの有無を判定するまで、ステップＳ２３〜ステップＳ２６の処理を繰り返す。

一方、通し番号ｎがセンサ素子の総数を上回った、すなわち、全てのセンサ素子に対して汚れの有無を判定したと判断した場合（ステップＳ２６のＹＥＳ）、汚れ検出部１１は、今回の第２汚れ検出処理を終了させる。

なお、汚れ検出部１１は、少なくとも１つのセンサ素子の表面に付着物が存在すると判定した場合には、出力装置６に対して制御信号を出力し、対応するセンサ素子配列２Ｍが図１０（Ｂ）に示すような状態にあることをショベルの操作者に通知してもよい。

また、汚れ検出部１１は、少なくとも１つのセンサ素子の表面に付着物が存在すると判定した場合には、対応する汚れ除去装置５に対して制御信号を出力し、対応するセンサ素子配列２Ｍの表面にある付着物を除去してもよい。

このようにして、超音波センサ１００は、図１０（Ｃ）に示すように、その表面に付着物が存在すると判定されたセンサ素子（黒色で示す、通し番号１３〜１５、１７〜２０、２３、及び２４のセンサ素子）の動きを停止させる。その上で、超音波センサ１００は、その表面に付着物が存在しないと判定されたセンサ素子（白色で示す、通し番号１〜１２、１６、２１、２２、及び２５のセンサ素子）を利用した物体検出処理を継続する。

以上の構成により、超音波センサ１００は、センサ素子配列２Ｍを構成するセンサ素子の一部又は全体の性能低下状態を早期に検知することができる。また、センサ素子配列２Ｍを構成するセンサ素子の一部が性能低下状態になったとしても、正常に機能する他のセンサ素子を利用して物体検出処理を継続することができる。その結果、超音波センサ１００は、汚れに対する高い耐性、及び、継続動作性を実現できる。

また、第２汚れ検出処理において、超音波センサ１００は、センサ素子配列２Ｍにおける各センサ素子の汚れの検出を順番に実行するが、複数のセンサ素子又は全てのセンサ素子の汚れの検出を同時に実行してもよい。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例では、センサ素子は、送波用素子の機能及び受波用素子の機能を兼ねるように構成される。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、別の実施例に係る超音波センサは、送波用素子と受波用素子とを別々に備え、送波用素子に赤外線を照射して送波用素子の汚れを検出するようにしてもよい。或いは、超音波センサは、受波用素子に赤外線を照射して受波用素子の汚れを検出するようにしてもよく、送波用素子及び受波用素子の双方に赤外線を照射して送波用素子及び受波用素子の双方の汚れを検出するようにしてもよい。

１・・・制御装置２・・・センサ素子２Ｍ・・・センサ素子配列３Ｔ・・・センサ駆動回路３Ｒ・・・電圧計４、４ａ〜４ｄ・・・光源５・・・汚れ除去装置６・・・出力装置１０・・・物体検出部１１・・・汚れ検出部２０ａ〜２０ｄ・・・枠部２１・・・上部電極２２・・・下部電極２３・・・焦電・圧電体膜５０、５０ａ〜５０ｃ・・・センサユニット６０、６０Ｌ、６０Ｒ、６０Ｂ・・・センサアセンブリ１００・・・超音波センサＢＰ・・・基板ＣＴ・・・汚れＯＰ１、ＯＰ２・・・開口

Claims

焦電効果及び圧電効果を示すセンサ素子を備え、該センサ素子の圧電効果及び逆圧電効果を利用して該センサ素子が出射する超音波の出射範囲内に存在する物体を検出する超音波センサであって、
前記センサ素子を照らす光源と、
前記センサ素子及び前記光源を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記光源からの光を受ける前記センサ素子の焦電効果による電位差に基づいて前記センサ素子の汚れを検出する、
超音波センサ。
前記センサ素子は、逆圧電効果を利用して超音波を出す送波用素子、及び、圧電効果を利用して超音波を受ける受波用素子の少なくとも一方を含む、
請求項１に記載の超音波センサ。
前記センサ素子は、逆圧電効果を利用して超音波を出す送波用素子、及び、圧電効果を利用して超音波を受ける受波用素子を兼ねる、
請求項１又は２に記載の超音波センサ。
前記センサ素子は、隣接して配置される複数のセンサ素子の配列で構成され、
前記制御装置は、前記複数のセンサ素子のうち、汚れが検出されたセンサ素子の動きを停止させる、
請求項１乃至３の何れか一項に記載の超音波センサ。
前記センサ素子の汚れを除去する汚れ除去装置を備え、
前記制御装置は、前記センサ素子の汚れを検出した場合に、前記汚れ除去装置を作動させる、
請求項１乃至４の何れか一項に記載の超音波センサ。