JP7043345B2 - 音波によって対象物の位置を監視する装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文による音波によって対象物の位置を監視する装置に関し、請求項１６による方法に関する。

セキュリティ自動化の分野において、非接触形式で監視する必要があるドアの位置、またはその他の可動部分の位置は、磁気または無線経路スイッチによって監視されることが多い。光学システムを用いてもよい。

音波に基づくシステム、具体的には、超音波技術を用いるシステムは、幅広い適用範囲で有効に用いられている。距離計測、位置決め装置、診察用装置、または溶接線走査設備に幅広い帯域が用いられている。

本発明は、より具体的には、指紋を走査および識別する分野、または金属加工産業において溶接線を検出する分野に関する。

本発明の目的は、したがって、対象物の場所または位置を音波によって監視するための装置を提供することである。本装置は、強力な電磁気干渉のある環境であっても、または埃っぽく汚れた産業環境であっても確実に動作する。別の目的は、費用対効果の高い方法で製造可能な装置を提示することである。

本発明によれば、前述の目的は請求項１および請求項１６の特徴によって実現される。有利な実施形態を従属請求項で画定する。

本発明は、センサ部分を用いて対象物の位置および音波発信器からの距離を音波によって監視する装置に関する。センサ部分は対象物から離れて配置される。本装置は、
－少なくとも１つの音波発信器と、
－少なくとも１つの音波受信器と、
－計算ユニットであって、少なくとも１つの音波発信器および少なくとも１つの音波受信器に接続して、少なくとも１つの音波発信器および少なくとも１つの音波受信器を制御し、音波発信器が対象物の方向に発信する音波の反響に基づいて、センサ部分と対象物との間の距離を判定するように適合される計算ユニットとを含む。

本発明によれば、装置は、センサ部分から離間し、対象物上に配置されてもよい識別反射器に３次元のパターンが設けられことを特徴とする。
－センサ部分は複数の音波受信器および音波発信器の配列を有し、識別反射器を識別し、センサ部分と識別反射器との間の距離を測定するために、異なる音波発信器／音波受信器の組み合わせ間の複数の反響を評価することを特徴とする。

本発明の装置は、識別反射器を用いることによって、干渉影響が排除されるため、間違った計測を事実上回避することができるという顕著な有利点を有する。識別反射器は、個々のキーのように動作する。識別パターンが認識されると、測定結果は有効である。具体的にはｍ個の数の音波発信器およびｎ個の数の音波受信器を用いる事例では、ｍ×ｎの組み合わせの音波発信器／受信器の対が画定され、ｍ×ｎの測定値が得られる。異なる音波発信器／受信器の対の反響は、異なる期間の後に、移動経路にしたがって音波受信器によって音波の起動後に記録される。この情報から、識別反射器のパターンが計算上再構築されてもよく、計算ユニットに記憶されたパターンと比較されてもよい。記録された偏差が一定の閾値以下である場合、識別反射器と監視装置の間には何の対象物もない。

複数の音波受信器および音波発信器からなる配列は、本発明の範囲内で、１つの音波発信器と複数の音波受信器、または１つの音波受信器と複数の音波発信器を備えていてもよい。ただし、配列は、複数の音波受信器と、さらに多い数の音波発信器から形成される。音波発信器の数は、具体的には音波受信器の数の２倍から２０倍となる。ただし、別の実施形態によれば、音波発信器の数および音波受信器は少なくとも５０であり、好ましくは１００を超え、特に好ましくは２００を超え、音波発信器の音波受信器に対する割合は、３０：１から１：３０の間であり、好ましくは１０：１から１：１０の間であり、最も好ましくは５：１から１：５の間である。

識別反射器は、有利には、３次元のパターンまたはレリーフを有する。３次元のパターンを有する識別反射器は、費用効果の高い方法で製造され、間違った計測を防ぐことができる。識別反射器は、好ましくは異なる３次元のパターンをそれぞれ備えるため、３Ｄプリンタによる製造が特に好ましい。

計算ユニットは、異なる組み合わせの音波発信器／音波受信器の対を時系列で起動し、対応する反響を評価するように適合される。異なる音波発信器／音波受信器の対の反響は異なる瞬間に記録されるため、識別反射器のパターンは再構築されてもよい。

３次元のパターンは、有利には、異なる断面および／または高さを有し、互いに離間する複数の個別の幾何学的形体を備える。このようなパターンは、音波発信器および／または音波受信器の配列を識別パターンと組み合わせて用いる場合、非常に確実に認識されてもよい。

有利には、幾何学的形体は支持部、または地面の上に配置され、好ましくは少なくとも２つ、３つ、またはそれ以上の平行六面体形状の本体を備える。これらの平行六面体形は互いに離間して配置される。ただし、幾何学的形体の数は、好ましくは少なくとも４つであり、好ましくは６以上である。

１または複数の音波発信器および１または複数の音波受信器は、好ましくは、画定された構成にしたがって、互いに対して配置される。音波発信器および音波受信器は、有利には行列にしたがって配置され、その中心に音波発信器は配置され、音波受信器は発信器周囲に集められる。ただし、反対の構成も可能であり、音波受信器が中心に配置され、音波発信器が音波発信器の回りに配置される。音波発信器および音波受信器は、好ましくは、共通の回路基板上に配置される。

計算ユニットは好ましくは、異なる組み合わせの発信器／受信器の対を時間的にずれた方法で起動するように適合される。

好ましい実施形態によれば、音波発信器／音波受信器の組み合わせの可能性がある数は、それぞれ５より大きく、好ましくは８より大きく、特に好ましくは１２より大きい。音波発信器／音波受信器の組み合わせの数が増えるほど、監視装置の分解能が高くなる。

基本的に、音波受信器および音波発信器は、実質的に同一の平面または異なる平面内に配置されてもよい。異なる平面内に配置される場合は、たとえば、音波受信器は、識別反射器の方向に見て音波発信器の裏側に配置されてもよい。

有利には、センサ部分と対象物との間の距離は、０．５ｍｍと１００ｍの間、好ましくは１ｍｍと５０ｍの間、さらに特に好ましくは１０ｍｍと１０ｍとの間である。このように、監視装置の種類と大きさによって、短距離から長距離まで監視されてもよい。

識別反射器は、有利には、防音、防水の筐体内に取り付けられる。これは、産業環境内で用いられるため、有利である。

監視対象の対象物は、具体的にはドア、保護カバー、可動セキュリティフェンス、自動運転／遠隔制御対象物などの可動部分である。

好ましい実施形態では、計算ユニットは、単意に反射された音波を一定の発信器に関連付けるため、時系列に音波発信器を起動するように適合される。本装置は、したがって、識別反射器によって反射される音波が記録されるときにのみ、次の発信器が起動されるように動作する。ただし、第１の発信器の反射された音波が記録される前に、次の第2の発信器がすでに起動されていることも十分考えられる。ただし、識別反射器の最小距離のため、記録した音波がその前の発信器からまだ発信されていることを確認しなければならない。

本発明の目的は、また、対象物の配向または位置を音波によって監視する方法を提供することである。本方法では、音波発信器は音波を発信し、音波受信器は対象物によって反射される音波を検出して、たとえば、反響に基づいて、対象物の存在または不存在を類推し、および／またはセンサ部分と対象物との間の距離を計測する。

本発明の方法は、識別反射器が、監視対象の対象物上に配置されることを特徴とする。本方法は、以下を備える。
－識別反射器を識別し、音波発信器と識別反射器との間の距離を測定するために、異なる発信器／受信器の対の間の複数の反響を評価することを特徴とする。本方法は、一方では、反射器が複数の可能性のある組み合わせからなるという有利点を有し、他方では、識別反射器は正確に決定した反響パターンを反射するため、正確に識別できるという有利点を有する。

本方法のさらに有利な点は、無線経路検出または光学システムとは反対に、本方法は、たとえば、溶接ロボットによって、または外部光源からの影響の場合など強力な電磁気干渉のある場所でも問題なく動作可能な点である。本方法は、電磁気放射および外部光の影響を受けないからである。音透過性、防水および防塵筐体のために、一方では、一定の汚染度まで動作し、他方では、閉鎖面を容易に洗浄できるため、本方法はまた、埃っぽくおよび非常に汚染された産業環境で使用してもよい。

本方法の好ましい実施形態では、識別反射器は２つ以上の個別の幾何学的形体を有する３次元のパターンを有する。これは、干渉および騒音が基本的に排除できるため、有利である。

音波発信器および音波受信器は、有利には、互いに対して画定した構成で配置され、異なる音波発信器／音波受信器の組み合わせの反響は記憶される。このようにして、識別反射器を特定可能なだめ、有利である。

音波発信器が圧電気効果によって動作することも考えられる。また音波発信器が超音波を受発信することも考えられる。本事例では、各音波発信器は、調整可能な移送器によって、単一のラジエータのための信号をわずかに遅延させることによってこのように制御される。音波ビームを重ねることによって、放射方向が電気的に配向される加音信号が形成される。１行ごとの走査によって、３次元の画像がこのように計算されてもよい。

本発明の代表的な実施形態をここで、さらに詳細に以下の図を参照して説明する。

対象物の位置をセンサ部分および識別反射器で監視する装置を用いる本発明の代表的な実施形態を概略的に示す。 制御部分、音波受信器の配列および単一の音波発信器を用いる図１のセンサ部分の第１の代表的な実施形態を概略的に示す。 制御部分、音波発信器の配列および単一の音波受信器を用いる図１のセンサ部分の第１の代表的な実施形態を概略的に示す。 筐体を省いた図１の３つの音波受信器および３７の音波発信器の円形の配列を備える第３の代表的な実施形態を概略的に示す。 １つの音波受信器および３６の音波発信器の六角形の配列を備える第４の代表的な実施形態を概略的に示す。 それぞれ同数の音波受信器および音波発信器の配列を備える第５の代表的な実施形態を概略的に示し、音波発信器および音波受信器はそれぞれ、平面および互い違いに連続して配置される。 図１の識別反射器の代表的な実施形態を筐体を省いて概略的に示す。 図７の識別反射器を、分かりやすくするために部分的に筐体を切断して示す。 位相配列技術を説明するために、４つの音波発信器が１行ごとに構成され、１つの簡潔な識別反射器が発信器配列から離間して設けられる本発明の説明的な例を示す。 図９の実施例の音波の最短経路を示す。 識別反射器に反射される反響に基づいた、本発明の評価方法を例示的に示す。 １つの発信部および２つの音波受信器を用いて、両開きのドアを監視する本発明の装置を示す。

図１は、対象物の場所または位置を音波によって監視するための本発明の装置１１の実施例を概略的に示す。装置１１は、計算ユニット１３と、音波発信器１７および音波受信器１９の配列１５とを備える。計算ユニット１３は個々の音波発信器１７および音波受信器１９に接続し、個々の音波発信器１７および音波受信器１９を選択的に制御し、音波受信器１９によって録音される信号を評価してもよい。計算ユニット１３は出力部２１を備え、出力部２１を通じて、警告などの信号を出力してもよい。本発明の装置１１はまた、識別反射器２３を備える。識別反射器２３は、センサ部分１３から離間し、かつ好ましくは監視対象の対象物２５上に配置される（図７参照）。操作中に、音波発信器１７は音波２７を発信する。音波２７は部分的に識別反射器２３によって反射され、音波受信器１９によって記録される。

音波２７の移動時間に基づき、所与の媒体と対応する時間分解能を用いて、発信器１７と識別反射器２５との間の距離を正確に算出することができる。センサ部分２３と識別反射器２３との間の距離が変化する場合、出力部２１から信号が出力されてもよい。

図２から６に例示的に示すように、音波発信器と音波受信器との割合、および互いの幾何学的配置は異なっていてもよい。ただし、本発明の装置の分解能が高く、かつ正確であるほど、使用する音波発信器および音波受信器の数は増加する。

図２の実施例は、単一の音波発信器１７のみと、複数の音波受信器１９が用いられることを特徴とする。本実施例で図示する音波発信器１７および音波受信器１９は、行列にしたがって配置され、唯一の発信器１７が５×５行列配列の中心に配置される。

図３の代表的な実施形態は、単一の音波受信器１９および複数の音波発信器１７が配置される点で、図２の実施形態とは異なる。受信器１９は配列の中心にあり、音波発信器１７は受信器１９の周囲に集められる。

図４の実施例では、音波発信器１７および音波受信器１９は中心の音波発信器Ｓ２０の回りの３つの円上に配置される。真ん中の円上の３つの音波受信器Ｒ１からＲ３は想像上の正三角形の頂点を形成する。複数の音波発信器は円形に構成される。

図５の実施例では、音波発信器Ｓ１からＳ３７は六角形に配置され、六角形の中心に音波受信器Ｒ１は配置される。

図６の実施例では、使用する音波発信器の数および使用する音波受信器の数は同じである。音波発信器Ｓ１からＳ２７は第１の場所２７に配置され、音波受信器Ｒ１からＲ２７は、音波発信器の後ろの第２の場所２９に配置される。ただし、音波発信器と音波受信器が、同一の場所に交互に隣接して配置されることも考えられる。

図７では、識別反射器２３を詳細に図示する。識別反射器２３は支持部３１を有する。支持部３１上には、複数の幾何学的本体または形体３３は、互いに離間して配置される。少なくとも個々の幾何学的形体３３は、異なる高さおよび好ましくは異なる断面を有する。図示する好ましい実施例では、幾何学的形体は平行六面体であり、支持部３１上に配置される。識別反射器２３は、筐体３５を備えていてもよい。筐体３５は、少なくとも部分的に音波を通す（図８）。これによって、本発明の装置を、洗浄する必要がある汚染された環境または設置場所でも用いることができる。

図９は、測定概念の説明として、４つの音波発信器Ｕ１からＵ４の配列および、音波発信器から離間される１つの識別反射器２３を示す。識別反射器２３は、平坦な反射器部分３７と、反射器部分の左側に配置される平行六面体３９によって形成される。平行六面体３９は、反射器部分３７を超えて、音波発信器Ｕ１からＵ４の方向に突出する。音波発信器Ｕ１からＵ４は、期間ｔ_seq後に時系列に起動され、音波４０を発信する。図１０に示すように、ｄ１は発信器Ｕ１と平行六面体の前方正面４１との間の最短距離であり、ｄ２は発信器Ｕ２と平行六面体の前方正面４１との間の最短距離であり、ｄ３またはｄ４は、発信器Ｕ３およびＵ４と反射器部分３７との間のそれぞれの最短距離である。

当業者は、異なる音波発信器と音波受信器の異なる対の間で、時間的に連続した対応する反響計測を多く用いることで、識別反射器の空間的構造が決定されてもよく、それによって、一定の反射器部分に対する固有の関連が可能となると認識するであろう。可能性のある別の干渉音に関して画定するために、音波を追加して調節することも考案される。

図１１では簡潔な実施例を示す。単一の発信器から発信される音波の経路は、反射器部分のどの形体３３が音波２７を反射したかによって、互いに異なる。このように、音波発信器１７までの距離は、位置座標（Ｘ１、Ｙ１）を有する１番の形体からは５ｃｍであり、位置座標（Ｘ２、Ｙ１）を有する２番の形体からは４ｃｍであり、位置座標（Ｘ１、Ｙ２）を有する３番の形体からは３ｃｍであり、位置座標（Ｘ２、Ｙ２）有する４番の形体からは２ｃｍである。以下の表１に、音波発信器１７と識別反射器２３との間の様々な距離を要約する。

反対に、右上部に示す識別反射器２３ａまでの距離は、以下の通りである。

右下部に示す識別反射器２３ｂまでの対応距離は以下の通りである。

測定距離は、右側に図示する中心の識別反射器２３のみに対応し、識別反射器２３のパターンは計算ユニットのメモリに記憶されるので、識別反射器２３は、単意で識別可能である。

図１２は、本発明の装置を、対象物２５を監視するために用いる方法を示す。本事例では、対象物２５は、旋回軸４５ａ、４５ｂの回りを回転してもよい２つのとびら４３ａ、４３ｂからなる両開きのドアである。本事例では、センサ部分１１は、２つの音波受信器２３と共に、両開きのドアの２つのとびら４３ａ、４３ｂのための監視装置を形成する。とびらの開放位置は図１２の破線で示す。

本発明の方法は、図２から図６に示す音波発信器および音波受信器のいずれの配列で実装してもよい。音波発信器と音波受信器の数およびその互いの距離は、一定の識別反射器およびセンサ部分と識別反射器との間の距離と組み合わせて、識別反射器の単意の識別のために必要な分解能を得るために十分であることにのみ留意されたい。

結論として、複数の異なる音波発信器／音波受信器の組み合わせの反響に基づいて、３次元の識別反射器は再構築される。

１１ 装置
１３ センサ部分
１５ 音波発信器／音波受信器の配列
１７ 音波発信器
１９ 音波受信器
２１ 出力
２３ 識別反射器
２５ 監視対象の対象物
２７ 第１の位置
２９ 第２の位置
３１ 支持
３３ 形体
３５ 識別反射器の筐体
３７ 平坦な反射器部分
３９ 平行六面体
４０ 音波
４１ 平行六面体３９の前方正面
４３ａ、４３ｂ とびら
４５ａ、４５ｂ 旋回軸

Claims (26)

1. 音波によって、センサ部分を用いて対象物の位置および音波発信器からの距離を監視するための装置であって、前記センサ部分は、
   －少なくとも１つの音波発信器及び少なくとも２つの音波受信器、あるいは、少なくとも２つの音波発信器及び少なくとも１つの音波受信器と、
   －計算ユニットであって、少なくとも１つの音波発信器および少なくとも１つの音波受信器に接続して、前記少なくとも１つの音波発信器および前記少なくとも１つの音波受信器を制御し、前記音波発信器が前記対象物の方向に発信する音波の反響に基づいて、前記センサ部分と前記対象物との間の前記距離を判定するように適合される計算ユニットと、
   を備え、前記装置は、
   －前記対象物上に配置される識別反射器には３次元のパターンが設けられ、
   －前記センサ部分は複数の音波受信器および音波発信器の配列を有し、前記識別反射器を識別し、前記センサ部分と前記識別反射器との間の前記距離を測定するために、異なる音波発信器／音波受信器の組み合わせ間の複数の反響を評価することを特徴とする、装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記計算ユニットは、異なる組み合わせの音波発信器／音波受信器の対を時系列で起動し、前記対応する反響を評価することを特徴とする、装置。
3. 請求項１または２に記載の装置であって、前記３次元のパターンは、異なる断面および／または高さを有し、互いに離間する複数の個別の幾何学的形体を備えることを特徴とする、装置。
4. 請求項３に記載の装置であって、前記幾何学的形体は支持部の上に配置されることを特徴とする、装置。
5. 請求項３または４に記載の装置であって、前記幾何学的形体は、２つ、３つ、またはそれ以上の本体を備えることを特徴とする、装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の装置であって、前記１または複数の音波発信器および前記１または複数の音波受信器は、画定された構成にしたがって、互いに対して配置されることを特徴とする、装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の装置であって、前記１または複数の音波発信器および前記１または複数の音波受信器は回路基板上に配置されることを特徴とする、装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の装置であって、前記計算ユニットは、異なる組み合わせの発信器／受信器の対を時間的にずれた方法で起動することを特徴とする、装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の装置であって、前記音波発信器／音波受信器の組み合わせの可能性がある数は、それぞれ５より大きく、好ましくは１０より大きく、特に好ましくは２０より大きいことを特徴とする、装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれかに記載の装置であって、前記音波受信器および前記音波発信器は、実質的に同一の平面内に配置されることを特徴とする、装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれかに記載の装置であって、前記音波受信器および前記音波発信器は、異なる平面に配置されることを特徴とする、装置。
12. 請求項１から請求項１１のいずれかに記載の装置であって、前記センサ部分と前記対象物との間の前記距離は、０．５ｍｍと１００ｍの間、好ましくは１ｍｍと５０ｍの間、特に好ましくは１０ｍｍと１０ｍとの間であることを特徴とする、装置。
13. 請求項１から請求項１２のいずれかに記載の装置であって、前記識別反射器は音透過性であり、防水の筐体内に取り付けられることを特徴とする、装置。
14. 請求項１から請求項１３のいずれかに記載の装置であって、前記対象物は、ドア、保護カバー、可動セキュリティフェンス、自動運転／遠隔制御対象物、または同等物などの類似する可動部分であることを特徴とする、装置。
15. 請求項１から請求項１４のいずれかに記載の装置であって、前記計算ユニットは、位相偏位した時系列で前記音波発信器を起動するように適合されることを特徴とする、装置。
16. 対象物の場所を音波によって監視するための方法であって、音波発信器は音波を発信し、音波受信器は前記対象物によって反射される前記音波を検出し、少なくともセンサ部分と前記対象物との間の距離を反響に基づいて測定する方法であって、前記センサ部分は、少なくとも１つの前記音波発信器と少なくとも２つの前記音波受信器を備えるか、または、少なくとも２つの前記音波発信器と少なくとも１つの前記音波受信器を備え、
    －識別反射器は、監視対象の前記対象物上に配置され、
    －前記識別反射器を識別し、前記音波発信器と前記識別反射器との間の前記距離を測定するために、異なる発信器／受信器の対の間の複数の反響を評価することを特徴とする、方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、前記識別反射器として、２つ以上の個別の幾何学的形体を有する３次元のパターンを使用することを特徴とする、方法。
18. 請求項１６または請求項１７に記載の方法であって、前記音波発信器および／または前記音波受信器は、互いに対して画定した構成で配置され、異なる音波発信器／音波受信器の組み合わせの反響は記憶されることを特徴とする、方法。
19. 請求項１６から請求項１８のいずれかに記載の方法であって、異なる音波発信器／音波受信器の組み合わせの前記反響は時系列に評価されることを特徴とする、方法。
20. 請求項１９に記載の方法であって、前記複数の異なる音波発信器／音波受信器の組み合わせの反響に基づいて、前記３次元の識別反射器のパターンを再構築することを特徴とする、装置。
21. 請求項１９または請求項２０に記載の方法であって、前記識別反射器の前記再構築されたパターンは１または複数の記憶された参照パターンと比較されることを特徴とする、方法。
22. 請求項１９から請求項２１のいずれかに記載の方法であって、前記識別反射器の前記再構築されたパターンと前記１または複数の記憶された参照パターンの差が検出される場合、警告が起動されるか、または前記センサ部分の出力が切り替えられることを特徴とする、方法。
23. 請求項１６から請求項２２のいずれかに記載の方法であって、雑音抑圧を実施するために、前記発信された音波は追加の信号で調節されることを特徴とする、方法。
24. 請求項１６から請求項２３のいずれかに記載の方法であって、識別反射器が明白に検出される場合、空の素材平積み引き出しの検出または安全な（規格化した）技術製造手順内での自動素材供給の自動素材供給の識別などの手順が検証／実施される、方法。
25. 前記識別反射器と前記センサとの間にある「保護区域」内の対象または人物を検出するために、請求項１から請求項１３のいずれかに記載の前記装置の使用。
26. 自動操作技術設備を保護するためにセーフティドアのドア接触スイッチとして、請求項１から請求項１５のいずれかに記載の前記装置の使用。

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