JP7081143B2

JP7081143B2 - 超音波装置、及び超音波測定方法

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Publication number: JP7081143B2
Application number: JP2017250709A
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Inventors: 亮基渡邊; 摂内清瀬
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Filing date: 2017-12-27
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Description

本発明は、超音波装置、及び超音波測定方法に関する。

従来、超音波を用いて対象物のエッジ（外縁）を検出する超音波装置（エッジ検出センサー）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１は、シートに画像を形成するプリンターであり、このプリンターには、シートのエッジを検出するエッジセンサーが設けられている。このエッジセンサーは、超音波を発信する発信器と、超音波を受信する受信器と、発信器及び受信器を相互に接続する支持部材とを備える。この発信器と受信器とは、シートの搬送経路を挟んで配置され、発信器が所定の検出領域に対して超音波を発信し、受信器が検出領域を通過した超音波を受信する。これにより、搬送経路上のシートの位置がずれると、受信器で受信される超音波の信号値が変動するので、シート位置が適正か否かを判定することができる。

特開２０１０－１３９４１０号公報

しかしながら、上記のようなエッジセンサーでは、発信器から超音波を送信すると、超音波は、対象物と受信器との間、対象物と発信器との間、及び、発信器と受信器との間で多重反射された超音波も受信器で受信される。また多重反射される回数も一様ではなく、例えば、対象物と発信器との間で多重反射された後に発信器と受信器との間で多重反射される超音波も存在する。このような場合、受信器から出力される信号強度のみに基づいて対象物の位置を検出することは困難となる。

本発明は、高精度に対象物の位置を検出可能な超音波装置、及び超音波測定方法を提供することを目的とする。

本発明の一適用例に係る超音波装置は、対象物に対して所定間隔で超音波を送信し、前記対象物で反射された超音波を受信することで受信信号を出力する超音波送受部と、所定期間内の前記受信信号を積分した積分信号を出力する信号積分部と、前記積分信号の信号強度と所定の基準値との大小関係から、前記対象物の位置を検出する位置検出部と、を備えることを特徴とする。

本適用例では、超音波送受部から所定間隔で超音波を送信して、対象物で反射された超音波を受信する。この際、超音波は、超音波送受部と対象物との間で多重反射するので、初回に反射された超音波（１次反射成分）を受信した後、順次多重反射された超音波が受信される。したがって、１次反射成分の超音波受信時に受信信号が出力された後、各多重反射成分の超音波が受信されたタイミングで順に受信信号が出力される。
ここで、本適用例では、所定期間におけるこれらの受信信号を積分した積分信号を出力し、その積分信号の信号強度と基準値とを比較して、大小関係から対象物の位置を検出する。この場合、対象物が超音波の送受信エリアから離れる方向にずれた場合、対象物で反射される超音波が少なくなるので、積分信号の信号強度が小さくなり、逆に対象物が超音波の送受信エリアに入り込むようにずれた場合は、積分信号の信号強度が大きくなる。ここで、従来のように、受信信号のみによって対象物の位置を検出する場合、多重反射が起こる位置が変動すると受信信号の信号強度も変化し、精度の高い位置検出ができない。これに対して、本適用例では、所定期間における受信信号を積分した積分信号を用いる。この場合、対象物の位置が変化しなければ、積分信号の信号強度は一定値となり、高精度に対象物の位置を検出することが可能となる。

本適用例の超音波装置において、前記対象物と前記超音波送受部との間で多重反射した多重反射超音波による受信信号を特定する多重特定部を備え、前記信号積分部は、超音波を送信した後、第一次数の多重反射超音波が前記超音波送受部で受信されるまでの間に出力された前記受信信号を積分することが好ましい。
本適用例では、信号積分部は、第一次数（ｎ次）までの多重反射超音波が受信されるまでの受信信号、つまり、１次からのｎ次の受信信号を受信した積分信号を出力する。このように、積分する受信信号の次数を固定することで、対象物の位置が変化しない場合の積分信号の信号強度が安定し、精度の高い位置検出が可能となる。

本適用例の超音波装置において、前記対象物に対して単一パルスの前記超音波を送信した際に、前記多重反射超音波の前記受信信号の信号強度が第一閾値以上となる最大次数を、前記第一次数として設定する次数設定部を備えることが好ましい。

本適用例では、第一閾値以上の受信信号が得られる多重反射成分の次数を第一次数として設定する。この場合、第一次数以降の多重反射成分は、例えばゲイン調整やローパスフィルター等を用いて除去することができ、簡素な構成で、１次からｎ次までの受信信号が得られる。

本適用例の超音波装置において、前記超音波送受部により送信される前記超音波の間隔は、前記超音波送受部から前記超音波を送信してから、２次多重反射超音波の前記受信信号が受信されるまでの時間よりも短いことが好ましい。
本適用例では、超音波の出力間隔が、超音波を送信してから２次多重超音波の受信信号が受信されるまでの間の時間以下となる。これにより、対象物の位置が変動していない場合に、積分信号の信号強度が同一又は略同一の強度となり、対象物の位置が移動した際に、好適に位置ずれを検出することができる。

本適用例の超音波装置において、前記基準値は、前記対象物が、前記超音波送受部により前記超音波が送信される送信範囲の１／２を覆って配置される際の前記積分信号の信号強度であることが好ましい。
本適用例では、基準値は、超音波の送信範囲の１／２を覆う配置位置に対象物が配置されている際の積分信号の信号強度とする。この場合、対象物が送信範囲から離れた際に検出可能な対象物の位置の検出範囲と、対象物が送信範囲内にさらに入り込んだ際に検出可能な対象物の位置の検出範囲とを同じにできる。

本発明の一適用例に係る超音波測定方法は、対象物に対して送信し、前記対象物で反射された超音波を受信することで受信信号を出力する超音波送受部を備えた超音波装置による、前記対象物の位置を検出する超音波測定方法であって、前記超音波送受部から対象物に対して所定間隔で超音波を送信し、所定期間内の前記受信信号を積分した積分信号を出力し、前記積分信号の信号強度と所定の基準値との大小関係から、前記対象物の位置を検出することを特徴とする。
本適用例では、上記適用例と同様に、所定期間における受信信号を積分した積分信号を用いるので、対象物の位置が変化しなければ、積分信号の信号強度は一定値となり、高精度に対象物の位置を検出することが可能となる。

本実施形態のプリンターの外観の構成例を示す斜視図。本実施形態のプリンターの概略構成を示すブロック図。本実施形態のエッジ検出センサーの配置位置を示す図。本実施形態のエッジ検出センサーの概略構成を示すブロック図。本実施形態の超音波送受部の概略構成を示す断面図。本実施形態の超音波測定方法におけるキャリブレーション処理のフローチャート。図６のステップＳ１における超音波の送受信結果の一例を示す図。超音波を送信周期Ｔ_Ｏで送信した際の、超音波送信タイミング毎の超音波を単独で超音波送受部で受信した際の受信信号の波形の一例を示す図。積分信号の信号強度の変化の一例を示す図。メディアが＋Ｘ側にΔｘだけ移動した際の、検出孔に対するメディアの位置を示す図。メディアが－Ｘ側にΔｘだけ移動した際の、検出孔に対するメディアの位置を示す図。メディアが図１０の位置に移動した際に送信された超音波による受信信号の波形を示す図。メディアが図１１の位置に移動した際に送信された超音波による受信信号の波形を示す図。エッジ検出センサーの他の例を示す概略図。

以下、本発明に係る一実施形態について、説明する。
本実施形態では、本発明の超音波装置としてのエッジ検出センサーが組み込まれた電子機器であるプリンターについて説明する。

［プリンターの概略構成］
図１は、本実施形態のプリンター１０の外観の構成例を示す斜視図である。図２は、本実施形態のプリンター１０の概略構成を示すブロック図である。
図１に示すように、プリンター１０は、供給ユニット１１と、搬送ユニット１２と、キャリッジ１３と、キャリッジ移動ユニット１４と、制御ユニット１５（図２参照）と、を備えている。
このプリンター１０は、例えばパーソナルコンピューター等の外部機器３０から入力された印刷データに基づいて、各ユニット１１，１２，１４及びキャリッジ１３を制御し、メディアＭ上に画像を印刷する。この際、プリンター１０は、メディアＭ（対象物）の所望位置に画像を形成するために、搬送ユニット１２に設けられたエッジ検出センサー２０によってメディアＭの縁（エッジ部Ｍ１）の位置を検出する。そして、エッジ検出センサー２０によってメディアＭのエッジ部Ｍ１が基準位置からずれていると判定されると、制御ユニット１５は、例えば、ユーザーにメディアＭの位置を補正するよう警告を発する。
以下、プリンター１０の各構成について具体的に説明する。

供給ユニット１１は、画像形成対象となるメディアＭを、画像形成位置に供給するユニットである。この供給ユニット１１は、例えばメディアＭが巻装されたロール体１１１（図１参照）、ロール駆動モーター（図示略）、及びロール駆動輪列（図示略）等を備える。そして、制御ユニット１５からの指令に基づいて、ロール駆動モーターが回転駆動されることで、ロール駆動輪列を介してロール体１１１が回転し、ロール体１１１に巻装された紙面が副走査方向（Ｙ方向）における下流側（＋Ｙ側）に供給される。
なお、本実施形態では、ロール体１１１に巻装された紙面を供給する例を示すがこれに限定されない。例えば、トレイ等に積載された紙面等のメディアＭをローラー等によって例えば１枚ずつ供給する等、如何なる供給方法によってメディアＭが供給されてもよい。

搬送ユニット１２は、供給ユニット１１から供給されたメディアＭを、Ｙ方向に沿って搬送する。この搬送ユニット１２は、例えば、搬送ローラー１２１と、搬送ローラー１２１とメディアＭを挟んで配置され、搬送ローラー１２１に従動する従動ローラー（図示略）と、プラテン１２２と、を含んで構成されている。
搬送ローラー１２１は、図示略の搬送モーターが制御ユニット１５の制御により駆動されることで回転され、従動ローラーとの間にメディアＭを挟み込んだ状態で、メディアＭをＹ方向に沿って搬送する。

また、搬送ローラー１２１のＹ方向の下流側（＋Ｙ側）には、キャリッジ１３に対向するプラテン１２２（載置台）が設けられている。そして、本実施形態では、このプラテン１２２にエッジ検出センサー２０が設けられている。
なお、エッジ検出センサー２０の詳細な説明については、後述する。

キャリッジ１３は、メディアＭに対してインクを吐出して画像を印刷する印刷部１６を搭載する。
印刷部１６は、制御ユニット１５からの指令信号に基づいて、メディアＭと対向する部分に、インクを個別にメディアＭ上に吐出して、メディアＭ上に画像を形成する印刷処理（メディアＭに対する画像形成処理）を行う。

キャリッジ移動ユニット１４は、制御ユニット１５からの指令に基づいて、キャリッジ１３をＸ方向に沿って往復移動させる。
このキャリッジ移動ユニット１４は、例えば、図１に示すように、キャリッジガイド軸１４１と、キャリッジモーター１４２と、タイミングベルト１４３と、を含んで構成されている。
キャリッジガイド軸１４１は、Ｘ方向に沿って配置され、両端部がプリンター１０の例えば筐体に固定されている。キャリッジモーター１４２は、タイミングベルト１４３を駆動させる。タイミングベルト１４３は、キャリッジガイド軸１４１と略平行に支持され、キャリッジ１３の一部が固定されている。そして、制御ユニット１５の指令に基づいてキャリッジモーター１４２が駆動されると、タイミングベルト１４３が正逆走行され、タイミングベルト１４３に固定されたキャリッジ１３がキャリッジガイド軸１４１にガイドされて往復移動する。

制御ユニット１５は、図２に示すように、Ｉ／Ｆ１５１と、ユニット制御回路１５２と、メモリー１５３と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１５４と、を含んで構成されている。
Ｉ／Ｆ１５１は、外部機器３０から入力される印刷データをＣＰＵ１５４に入力する。
ユニット制御回路１５２は、供給ユニット１１、搬送ユニット１２、キャリッジ移動ユニット１４、印刷部１６、及びエッジ検出センサー２０のそれぞれを制御する制御回路を備えており、ＣＰＵ１５４からの指令信号に基づいて、各ユニットの動作を制御する。なお、各ユニットの制御回路が、制御ユニット１５とは別体に設けられ、制御ユニット１５に接続されていてもよい。

メモリー１５３は、プリンター１０の動作を制御する各種プログラムや各種データを記憶している。各種データとしては、例えば、印刷データとして含まれる色データに対する各インクの吐出量を記憶した印刷プロファイルデータ等が挙げられる。
ＣＰＵ１５４は、メモリー１５３に記憶された各種プログラムを読み出し実行することで、供給ユニット１１、搬送ユニット１２、及びキャリッジ移動ユニット１４の駆動制御、印刷部１６の印刷制御を行う。
また、ＣＰＵ１５４は、エッジ検出センサー２０によって、メディアＭの位置ずれが検出された場合、メディアＭの位置ずれを報知するエラーメッセージを、例えば外部機器３０（ディスプレイ）に出力して表示させたり、音声による警告音を発したりして、ユーザーに警告する。

［エッジ検出センサー２０の構成］
図３は、本実施形態におけるエッジ検出センサーの配置位置を示す図である。
図３に示すように、プラテン１２２には、メディアＭの－Ｘ側端部のＹ方向に沿う縁（エッジ部Ｍ１）に対向する位置に、検出孔１２２Ａが設けられており、当該検出孔１２２Ａに本発明の超音波装置であるエッジ検出センサー２０が設けられている。なお、本実施形態では、検出孔１２２Ａ及びエッジ検出センサー２０がメディアＭの－Ｘ側端部のエッジ部Ｍ１に対向する位置に設けられる例を示すが、メディアＭの＋Ｘ側端部にエッジ部に対向する位置に設けられていてもよく、メディアＭの±Ｘ側端部の双方に設けられていてもよい。

図４は、エッジ検出センサー２０の概略構成を示すブロック図である。図５は、超音波送受部２１の概略構成を示す断面図である。
本実施形態のエッジ検出センサー２０は、図４に示すように、超音波送受部２１と、送受切替部２２と、送信回路部２３と、受信回路部２４と、マイコン２５と、を備える。

超音波送受部２１は、検出孔１２２Ａから－Ｚ側に向かって超音波を送信し、メディアＭにより反射された超音波を受信する。
この超音波送受部２１は、例えば図５に示すように、素子基板２１１と、圧電素子２１２と、を備えて構成されている。

素子基板２１１は、図５に示すように、基板本体部２１１Ａと、基板本体部２１１Ａの一面側（例えば＋Ｚ側）に設けられる振動膜２１１Ｂと、を備える。
基板本体部２１１Ａは、振動膜２１１Ｂを支持する基板であり、例えばＳｉ等の半導体基板で構成される。基板本体部２１１Ａには、Ｚ方向に沿って基板本体部２１１Ａを貫通する開口部２１１Ａ１が設けられている。

振動膜２１１Ｂは、例えばＳｉＯ_２や、ＳｉＯ_２及びＺｒＯ_２の積層体等より構成され、基板本体部２１１Ａの＋Ｚ側に設けられる。この振動膜２１１Ｂは、開口部２１１Ａ１を構成する隔壁２１１Ａ２により支持され、開口部２１１Ａ１の＋Ｚ側を閉塞する。振動膜２１１Ｂのうち、Ｚ方向から見た際に開口部２１１Ａ１と重なる部分は、振動部２１１Ｂ１を構成する。

圧電素子２１２は、振動膜２１１Ｂの一面（例えば＋Ｚ側の面）で、かつ、Ｚ方向から見た際に各振動部２１１Ｂ１（各開口部２１１Ａ１）と重なる位置に設けられている。この圧電素子２１２は、図５に示すように、振動膜２１１Ｂ上に第一電極２１２Ａ、圧電膜２１２Ｂ、及び第二電極２１２Ｃが順に積層されることにより構成されている。

ここで、１つの振動部２１１Ｂ１と、当該振動部２１１Ｂ１上に設けられた圧電素子２１２とにより、１つの超音波トランスデューサーＴｒが構成される。
図示は省略するが、このような超音波トランスデューサーＴｒが、例えば２次元アレイ構造に配置されることで、超音波送受部２１が構成されている。
この超音波送受部２１は、各超音波トランスデューサーＴｒの第一電極２１２Ａ及び第二電極２１２Ｃ間に所定周波数のパルス波電圧が印加することで、圧電膜２１２Ｂが伸縮し、圧電素子２１２が設けられた振動部２１１Ｂ１が、開口部２１１Ａ１の開口幅等に応じた周波数で振動して、振動部２１１Ｂ１の－Ｚ側（検出孔１２２Ａ側）から超音波が送信される。本実施形態では、超音波送受部２１によって超音波が送信される送信範囲は、ＸＹ平面における検出孔１２２Ａ内の範囲となる。
また、メディアＭで反射された超音波が検出孔１２２Ａ側から開口部２１１Ａ１を通り超音波トランスデューサーＴｒに入力されると、振動部２１１Ｂ１が振動し、圧電膜２１２Ｂの上下で電位差が発生する。これにより、当該電位差に応じた受信信号が出力され、当該受信信号を検出することで、超音波の受信が検出される。

送受切替部２２は、超音波送受部２１の各超音波トランスデューサーＴｒ、送信回路部２３、及び受信回路部２４に接続される。この送受切替部２２は、スイッチング回路により構成されており、各超音波トランスデューサーＴｒと送信回路部２３とを接続する送信接続、及び、各超音波トランスデューサーＴｒと受信回路部２４とを接続する受信接続を切り替える。

送信回路部２３は、送受切替部２２及びマイコン２５に接続され、送受切替部２２が送信接続に切り替えられた際に、マイコン２５の制御に基づいて、各超音波トランスデューサーＴｒに駆動信号を出力し、超音波送受部２１から超音波を送信させる。

受信回路部２４は、送受切替部２２及びマイコン２５に接続され、送受切替部２２が受信接続に切り替えられた際に、各超音波トランスデューサーＴｒから受信信号が入力される。
この受信回路部２４は、ノイズカットフィルター２４１、可変ゲインアンプ２４２、信号積分部２４３、積分信号サンプリング部２４４、及び受信信号サンプリング部２４５等を備えて構成される。
ノイズカットフィルター２４１は、受信信号に含まれるノイズを除去するフィルターであり、例えば、高周波成分を除去するローパスフィルター等を用いることができる。また、ノイズカットフィルター２４１が、所定の信号強度以下の信号をカットする低電圧カット機能を備えてもよい。
可変ゲインアンプ２４２は、マイコン２５の制御によってゲインを変更可能なアンプである。可変ゲインアンプ２４２から出力された受信信号は、信号積分部２４３及びマイコン２５に入力される。
信号積分部２４３は、所定時間（所定期間）毎の受信信号を積分した積分信号を出力する。
積分信号サンプリング部２４４は、積分信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングする。受信信号サンプリング部２４５は、可変ゲインアンプ２４２から出力された受信信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングする。

マイコン２５（マイクロコントローラー）は、エッジ検出センサー２０の動作を制御する。また、マイコン２５は、内部メモリーに記録されたプログラムを読み込み実行することで、パラメーター設定部２５１、次数設定部２５２、多重特定部２５３、位置検出部２５４等として機能する。

パラメーター設定部２５１は、エッジ検出センサー２０によるメディアＭのエッジ検出処理（本測定）に用いる基準値等を設定する（キャリブレーション処理の実施）。
次数設定部２５２は、キャリブレーションを実施した際の受信信号に基づいて、信号積分部２４３で積分する受信信号の次数（第一次数）を設定する。つまり、信号積分部２４３では、超音波の送信タイミングから第一次数の多重反射超音波による受信信号が受信されるまでの所定期間を積分時間τとして、受信信号を積分する。本実施形態では、次数設定部２５２は、受信信号の信号強度が第一閾値以上となる受信信号の最大次数Ｎを、第一次数として設定する。
多重特定部２５３は、キャリブレーション処理を実施した際の受信信号に基づいて、多重反射超音波を受信した際の受信信号を特定し、その受信周期を算出する。
位置検出部２５４は、キャリブレーション処理を実施した後のエッジ検出処理の積分信号の信号強度に基づいて、メディアＭの位置を検出、つまり、メディアＭの基準位置からのずれを検出する。

［超音波測定方法］
次に、上述したようなプリンター１０におけるエッジ検出センサー２０の超音波測定方法について説明する。
図６は、本実施形態の超音波測定方法のフローチャートである。
本実施形態では、メディアＭの位置検出を実施する前処理として、エッジ検出センサー２０のキャリブレーション処理を実施する。
このキャリブレーション処理は、メディアＭを搬送させ、図３に示すように、メディアＭのＹ方向に沿うエッジ部Ｍ１が、検出孔１２２ＡのＸ方向における中心に位置するように、メディアＭの位置（基準位置）をセットする。つまり、メディアＭが基準位置に配置されることで、超音波送受部２１によって超音波が送信される送信範囲の１／２の範囲、つまり検出孔１２２Ａの半分がメディアＭに覆われることになる。

キャリブレーション処理では、マイコン２５は、先ず、送受切替部２２、送信回路部２３、及び受信回路部２４を制御して、超音波の送受信処理を実施する（ステップＳ１）。
このステップＳ１では、パラメーター設定部２５１は、単一パルスの駆動電圧を超音波送受部２１に入力し、各超音波トランスデューサーＴｒから単一パルスの超音波を送信させる。
図７は、ステップＳ１における超音波の送受信結果の一例を示す図であり、時間に対する受信信号の信号強度を示している。
ステップＳ１により、可変ゲインアンプ２４２からの受信信号が、受信信号サンプリング部２４５でサンプリングされてマイコン２５に入力される。
ここで、超音波送受部２１から超音波を送信すると、超音波の送信タイミングからの経過時間ｔがｔ＝ｔ_１となる受信タイミングで、メディアＭで最初に反射された１次反射超音波が超音波送受部２１で受信され、１次受信信号が出力される。また、超音波は、超音波送受部２１とメディアＭとの間で多重反射され、この多重反射成分が超音波送受部２１で受信された際にも受信信号が受信される。ここで、メディアＭにｎ回反射された超音波をｎ次多重反射超音波とし、その際の受信信号をｎ次受信信号とすると、ｎ次受信信号の受信タイミングは、超音波送信から１次受信信号の受信タイミングまでの時間ｔ_１の整数倍となる（ｔ_ｎ＝ｎｔ_１）。また、超音波送受部２１とメディアＭとの距離をｄとし、音速をｃとすると、ｔ_ｎ＝２ｎｄ／ｃとなる。

この後、多重特定部２５３は、ステップＳ１で受信した図７に示すような受信信号に基づいて、多重反射超音波を受信した際の受信信号を特定する（ステップＳ２）。受信信号のピーク位置は、例えば、サンプリングした信号値を微分し、微分値が「０」となり、且つ受信信号の信号強度が所定の第二閾値以上となる受信信号の受信タイミングを検出すればよい。また、多重反射超音波によるｎ次受信信号は、１次受信信号が受信される時間ｔ_１の整数倍のタイミングで受信される。したがって、上述したように求めたピーク位置のうち、送信タイミングから受信タイミングまでの時間ｔがｔ_１の整数倍で増大する各受信信号を特定して、多重反射超音波を受信した際の受信信号とする。

次に、次数設定部２５２は、ステップＳ１で受信した受信信号に基づいて、信号積分部２４３で積分する受信信号の次数を設定する（ステップＳ３）。このステップＳ３では、次数設定部２５２は、図７に示すような受信信号において、信号強度が第一閾値以上となる最大次数Ｎの受信信号を特定して第一次数とする。つまり、Ｎ次受信信号の信号強度が第一閾値以上で、Ｎ＋１次以降の受信信号の信号強度が第一閾値未満となる最大次数Ｎを本発明の第一次数として設定する。
また、次数設定部２５２は、Ｎ＋１次以降の受信信号が受信されないように、可変ゲインアンプ２４２のゲインを調整する。例えば、Ｎ＋１次以降の受信信号の信号強度が所定の第三閾値以下となるようにゲインを下げる。これにより、Ｎ＋１次以降の受信信号による信号強度が微小な値となり、当該受信信号が他の受信信号に重畳した際の信号強度の増大が抑制される。

また、パラメーター設定部２５１は、ステップＳ１により得られた受信信号に基づいて、超音波の送信タイミング（送信周期Ｔ_Ｏ）、及び積分時間τを設定する（ステップＳ４）。
ここで、パラメーター設定部２５１は、積分信号サンプリング部２４４のサンプリング周期の２倍以上であり、かつ、２次多重反射超音波が超音波送受部２１に受信される時間ｔ_２を最大時間として、超音波の送信周期Ｔ_Ｏを設定することが好ましい。すなわち、超音波の送信周期Ｔ_Ｏをｔ_２よりも大きい値にすると、積分信号が一定値に収束しない。これに対して、超音波の送信周期Ｔ_Ｏをｔ_２以下の周期にすることで、積分信号の信号強度を一定値に安定させることができる。

また、パラメーター設定部２５１は、信号積分部２４３により受信信号を積分する積分時間τを設定する。具体的には、積分時間τとして、τ＝２Ｎｄ／ｃを設定する。すなわち、超音波送受部２１から超音波が送信されてから、Ｎ次の多重反射超音波が超音波送受部２１で受信されるまでの時間ｔ_ｎを積分時間τとする。

以上の後、マイコン２５は、設定したパラメーターに基づいて、超音波送受部２１による超音波の送受信を行う（ステップＳ５）。このステップＳ５では、マイコン２５は、超音波送受部２１から、ステップＳ４で設定した送信周期Ｔ_Ｏで超音波を送信する。

図８は、超音波を送信周期Ｔ_Ｏで送信した際の、超音波送信タイミング毎の超音波を単独で超音波送受部２１で受信した際の受信信号の波形の一例である。この図８では、受信信号に含まれる超音波送信タイミング毎の信号成分を示しており、実際には、これらの信号成分を加算した信号が出力される。
図８に示すように、超音波を送信周期Ｔ_Ｏで送信すると、各超音波送信タイミングで送信された超音波の１次受信信号からＮ次受信信号が重なり合う。

図９は、積分信号の信号強度の変化の一例を示す図である。
信号積分部２４３により積分時間τの間に出力される受信信号を積分すると、その積分信号の信号強度は、図９に示すように、変動する。
図９において、ステップＳ５を開始したタイミングをｔ＝０とする。信号積分部２４３は、積分時間τ＝２Ｎｄ／ｃの間に出力される受信信号を積分するので、経過時間ｔがｔ＝ｔ_ａ（＝２Ｎｄ／ｃ）となるタイミングから積分信号が出力される。経過時間ｔがｔ＝ｔａからｔ＝ｔｂの期間は、送信周期Ｔ_Ｏで送信される超音波の２次受信信号が順次加算されるため積分値が増大する。経過時間ｔがｔ＝ｔｂからｔ＝ｔｃの期間は、送信周期Ｔ_Ｏで送信される各超音波による１次受信信号と２次受信信号とを積分した一定値となる。経過時間ｔがｔ＝ｔｃからｔ＝ｔｄの期間は、送信周期Ｔ_Ｏで送信される各超音波による３次受信信号が加算されるため積分値が増大する。以降、経過時間とともに、積分信号の信号強度は、増大と一定値の維持とを繰り返す。そして、積分信号の信号強度が、Ｎ回目に一定値となった際（ｔ＝０からｔ＝ｔａまでの間の、信号強度が一定値「０」となる部分を含む）に、基準信号強度ａとなる。図９に示すように、基準信号強度ａが得られるタイミングは、経過時間ｔがｔ＝４Ｎｄ／ｃとなるタイミング以降である。なお、図９に示す例は、Ｎ＝５とした例である。

ステップＳ５の後、パラメーター設定部２５１は、信号積分部２４３から出力される積分信号の信号強度が、Ｎ回目に一定値になった際の、積分信号の信号強度（基準信号強度ａ）を測定する（ステップＳ６）。
なお、このステップＳ６において、多重反射超音波を受信する受信タイミングｔ_ｎを検出し、ステップＳ２で特定した受信信号の受信タイミングと比較して一致するか否かを判定してもよい。ここで、一致しないと判定された場合は、ステップＳ１に戻って、再度キャリブレーション処理をやり直す。

この後、マイコン２５は、引き続きエッジ検出処理を実施する。
つまり、マイコン２５は、制御ユニット１５に、エッジ検出センサー２０において、キャリブレーション処理が完了してエッジ検出処理の準備が完了した旨の印刷許可信号を出力する（ステップＳ７）。
これにより、制御ユニット１５は、供給ユニット１１、搬送ユニット１２、キャリッジ移動ユニット１４、及び印刷部１６を制御し、メディアＭをＹ方向に搬送するとともに印刷部１６による印刷を開始する（ステップＳ８）。

そして、位置検出部２５４は、信号積分部２４３から出力される積分信号の信号強度ｂを監視し、信号強度ｂが変動したか否かを判定する（ステップＳ９）。
図１０は、メディアＭが＋Ｘ側にΔｘだけ移動した際の、検出孔１２２Ａに対するメディアＭの位置を示す図であり、図１１は、メディアＭが－Ｘ側にΔｘだけ移動した際の、検出孔１２２Ａに対するメディアＭの位置を示す図である。また、図１２は、メディアＭが図１０の位置に移動した際に送信された超音波による受信信号の波形であり、図１３は、メディアＭが図１１の位置に移動した際に送信された超音波による受信信号の波形である。

図１０に示すように、メディアＭが＋Ｘ側に移動すると、検出孔１２２Ａと重なるメディアＭの面積（超音波の送信範囲と重なるメディアＭの面積）が小さくなる。このため、メディアＭで反射される超音波が減少し、図１２に示すように、受信信号の信号強度が低下する。この場合、図９に示す線Ｂ１に示すように、積分信号の信号強度ｂも低下し、ｂ＜ａとなる。
一方、図１１に示すように、メディアＭが－Ｘ側に移動すると、検出孔１２２Ａと重なるメディアＭの面積（超音波の送信範囲と重なるメディアＭの面積）が大きくなる。このため、メディアＭで反射される超音波が増大し、図１３に示すように、受信信号の信号強度が増大する。この場合、図９に示す線Ｂ２に示すように、積分信号の信号強度ｂも増大し、ｂ＞ａとなる。
したがって、ステップＳ９では、位置検出部２５４は、積分信号の信号強度ｂを、基準信号強度ａと比較して、その大小関係から、所定値以上変化したか否かを判定する。この際、位置検出部２５４は、さらに、信号強度ｂが基準信号強度ａに対して増大したか減少したかを判定することが好ましい。

ステップＳ９において、Ｙｅｓと判定された場合、エッジ検出センサー２０は、制御ユニット１５に警告信号を出力する（ステップＳ１０）。これにより、制御ユニット１５は、供給ユニット１１、搬送ユニット１２、キャリッジ移動ユニット１４、及び印刷部１６を制御して、印刷処理を中断させ、メディアＭの位置ずれを知らせるアラームを出力する。例えば、プリンター１０に接続されたディスプレイに位置ずれを知らせるエラーメッセージを表示させたり、プリンター１０に設けられた警告灯（図示略）を点灯させたり、音声等を出力したりする。なお、本実施形態では、信号強度の増減方向によって、メディアＭが＋Ｘ側に移動したか、－Ｘ側に移動したかを判定でき、信号強度の増減量に基づいて、その移動量も検出できる。したがって、エラーメッセージとして、メディアＭの移動方向と移動量とを併せて報知してもよい。
一方、ステップＳ９においてＮｏと判定された場合、マイコン２５は、制御ユニット１５から印刷処理の終了を知らせる信号を受信したか否かを判定し（ステップＳ１１）、ステップＳ１１において、Ｙｅｓと判定されると、超音波の送信を停止させてエッジ検出処理を終了する。ステップＳ１１でＮｏと判定された場合は、ステップＳ９に戻り、例えば、印刷処理が終了するまで、エッジ検出センサー２０によるエッジ検出処理を継続する。

［本実施形態の作用効果］
本実施形態の係るエッジ検出センサー２０（超音波装置）は、メディアＭ（対象物）に対して送信周期Ｔ_Ｏ（所定間隔）で超音波を送信し、メディアＭ等で反射された超音波を受信することで受信信号を出力する超音波送受部２１を備える。また、エッジ検出センサー２０のマイコン２５は、積分時間τ（所定期間）内の受信信号を積分した積分信号を出力する信号積分部２４３と、その積分信号の信号強度ｂと基準信号強度ａ（所定の基準値）との大小関係から、メディアＭの位置を検出する位置検出部２５４と、して機能する。

このような積分信号は、メディアＭの位置が変化しなければ、信号強度は一定値となる。したがって、本実施形態のエッジ検出センサー２０では、受信信号の信号強度のみを用いてメディアＭの位置を検出する場合に比べて、高精度なメディアＭの位置検出ができる。

また、受信信号のみを用いてメディアＭの位置を検出する構成でも、超音波の送信タイミングをずらして、多重反射超音波の受信タイミングと重ならないようにすることで対応することもできる。しかしながら、この場合、超音波の送信タイミングを多重反射超音波による受信信号の信号強度が検出されなくなるタイミング以降に設定する必要がある。よって、超音波の送信制御が煩雑になり、さらに、超音波を連続的に送信することができなくなる。連続的に送られてくるメディアＭに対して、超音波の送信タイミングを遅らせると、メディアＭのエッジ検出が行われる測定位置が、（メディアＭの搬送速度）×（超音波の送信周期）だけＹ方向に離れてしまい、高精細な位置検出ができない。或いは、超音波の送受信によるエッジ検出処理と、メディアＭの搬送を交互に行う必要があり、エッジ検出処理のみならず、プリンター１０による印刷処理の処理速度も低下してしまう。
これに対して、本実施形態では、超音波の送信タイミングを、多重反射超音波の受信タイミングからずらす必要がないので、超音波の送信タイミングの制御も容易となる。また、超音波を短周期で送信することができるので、連続的に搬送されるメディアＭに対して高精細な位置検出が可能となる。さらに、メディアＭの搬送と同時にエッジ検出センサー２０によるエッジ検出処理が可能なので、エッジ検出処理及び印刷処理の処理速度も高速にできる。

本実施形態のエッジ検出センサー２０では、メディアＭと超音波送受部２１との間で多重反射した多重反射超音波による受信信号を特定する多重特定部２５３を備える。そして、信号積分部２４３は、超音波を送信した後、最大次数Ｎの多重反射超音波が超音波送受部２１で受信されるまでの間（積分時間τ）で出力された受信信号を積分する。
具体的には、次数設定部２５２は、Ｎ次受信信号が第一閾値以上となり、Ｎ＋１次受信信号が第一閾値未満となる、最大次数Ｎを検出し、Ｎ＋１次受信信号の信号強度が第二閾値以下となるように、可変ゲインアンプ２４２のゲインを調整する。
これにより、信号積分部２４３は、最大次数Ｎまでの多重反射超音波が受信されるまで、つまり、１次からのＮ次の受信信号を受信した積分信号を出力する。このように、積分する受信信号の次数を固定することで、メディアＭの位置が変動していない場合の積分信号に、Ｎ＋１次以降の受信信号が重畳されないため、信号強度ｂが一定値となり、メディアＭの位置の検出精度を向上できる。

また、受信回路部２４には、ノイズカットフィルター２４１が含まれ、上述した可変ゲインアンプ２４２によるゲイン調整と、ノイズカットフィルター２４１とにより、近距離ノイズやスパークノイズ等のノイズ成分を除去することができる。このため、メディアＭの位置が変動していない場合の積分信号の信号強度ｂの変動が効果的に抑制され、メディアＭの位置の検出精度を向上できる。

本実施形態のエッジ検出センサー２０では、メディアＭに対して単一パルスの超音波を送信した際に、多重反射超音波の受信による受信信号の信号強度が第一閾値以上となる最大次数Ｎを検出して、第一次数として設定する次数設定部２５２を備える。
この場合、Ｎ＋１次以降の多重反射超音波による受信信号の信号強度は、第一閾値未満となる小さい信号となり、可変ゲインアンプ２４２でのゲイン調整により容易に除去することができる。

本実施形態のエッジ検出センサー２０では、超音波送受部２１により送信される超音波の送信周期Ｔ_Ｏ（間隔）は、超音波送受部２１から超音波を送信してから、２次多重反射超音波の受信信号（２次受信信号）が受信されるまでの時間ｔ_２よりも短い。
超音波の送信周期Ｔ_Ｏ（間隔）を、２次受信信号の受信タイミングより後にすると、メディアＭの位置が変動していない場合の積分信号の信号強度ｂが周期変動し、基準信号強度ａ（基準値）も周期変動してしまう。これに対して、上記のように、送信周期Ｔ_ＯをＴ_Ｏ≦ｔ_２とすることで、超音波の送信タイミングからの経過時間ｔがｔ＝４Ｎｄ／ｃとなるタイミング以降で、積分信号の信号強度が一定値になる。よって、位置検出部２５４は、基準信号強度ａと、信号積分部２４３から出力される積分信号の信号強度ｂとを比較するだけの簡易な処理で、メディアＭの位置を精度よく検出することができる。

本実施形態では、メディアＭが検出孔１２２Ａの半分を覆う位置、つまり、超音波が送信される送信範囲の１／２を覆う位置を基準位置とし、メディアＭが基準位置にある際の積分信号の信号強度を基準信号強度ａとして設定する。
これにより、メディアＭが＋Ｘ側へ移動する際にエッジ検出センサー２０により検出可能な検出範囲と、メディアＭが－Ｘ側へ移動する際にエッジ検出センサー２０により検出可能な検出範囲と、を同一とすることができる。

［変形例］
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

例えば、上記実施形態では、超音波の送信及び受信の双方を行う超音波トランスデューサーＴｒを用い、送受切替部２２により送信接続と受信接続とを切り替えることで、超音波の送受信処理を実施した。これに対して、超音波送受部２１が、超音波送信用の超音波トランスデューサーＴｒと、超音波受信用の超音波トランスデューサーＴｒとを備える構成としてもよい。この場合、超音波の送受信を切り替える際に発生するスパークノイズを抑制することが可能となる。

また、上記実施形態では、対象物（メディアＭ）に対して一方側（＋Ｚ側）に超音波送受部を配置する例を示したが、これに限らない。例えば、超音波送受部２１として、超音波を送信する送信部と、超音波を受信する受信部とを別体とし、送信部と受信部とで対象物を挟み込む構成としてもよい。
図１４は、エッジ検出センサーの他の例を示す概略図である。
図１４に示すように、本例のエッジ検出センサー２０Ａ（超音波装置）は、超音波送受部は、超音波を送信する送信部２１Ａと、超音波を受信する受信部２１Ｂとにより構成されている。送信部２１Ａは、メディアＭ（対象物）の一方側（例えば－Ｚ側）に配置され、受信部２１Ｂは、メディアＭの他方側（例えば＋Ｚ側）に配置されており、送信部２１Ａと受信部２１Ｂとの間にメディアＭが配置される。

このようなエッジ検出センサー２０Ａでは、受信部２１Ｂで受信される超音波は、送信部２１Ａと受信部２１Ｂとの間で多重反射する第一超音波成分、送信部２１ＡとメディアＭとの間で多重反射する第二超音波成分、受信部２１ＢとメディアＭとの間で多重反射する第三超音波成分を含む。
この場合、第一超音波成分は、送信部２１Ａから受信部２１Ｂまでの距離をｄ_ａｂ、多重反射の回数をｎ_ａｂ回として、超音波の送信タイミングからの経過時間がｔ＝ｔ_ａｂ＝（ｄ_ａｂ＋２ｄ_ａｂ×ｎ_ａｂ）／ｃとなるタイミングで受信部２１Ｂで受信されて受信信号が出力される。第二超音波成分は、送信部２１ＡからメディアＭまでの距離をｄ_ａＭ、多重反射の回数をｎ_ａＭ回として、超音波の送信タイミングからの経過時間がｔ＝ｔ_ａＭ＝（ｄ_ａｂ＋２ｄ_ａＭ×ｎ_ａＭ）／ｃとなるタイミングで受信部２１Ｂで受信されて受信信号が出力される。第三超音波成分は、メディアＭから受信部２１Ｂまでの距離をｄ_ｂＭ、多重反射の回数をｎ_ｂＭ回として、超音波の送信タイミングからの経過時間がｔ＝ｔ_ｂＭ＝（ｄ_ａｂ＋２ｄ_ｂＭ×ｎ_ｂＭ）／ｃとなるタイミングで受信部２１Ｂで受信されて受信信号が出力される。

また、多重反射する位置が変わる超音波成分も含まれる。例えば、送信部２１Ａと受信部２１Ｂとの間で多重反射された後、送信部２１ＡとメディアＭとの間や、メディアＭと受信部２１Ｂとの間で多重反射する超音波成分等も含まれる。この場合、多重反射の回数ｎ_ａｂ，ｎ_ａＭ，ｎ_ｂＭも変動し、受信タイミングや受信信号の信号強度も変化する。つまり、これらの組合せの数だけ、異なる受信タイミングで受信信号が出力されることになる。
ここで、多重反射による受信タイミングの位置は、起こりうる多重反射の組合せから導き出すことは可能である。しかしながら、多重反射による受信信号を特定できても、その信号強度のみによって、メディアＭの位置を検出することは困難である。
これに対して、上記実施形態と同様に、メディアＭが基準位置に位置する際の積分信号の信号強度を基準信号強度ａとして、積分信号の変動を監視することで、高精度なメディアＭの位置検出が可能となる。つまり、積分時間τの間で出力される受信信号を積分した積分信号は、上記のような多重反射成分の影響を受けにくく、メディアＭの位置が移動していない場合は一定値又は略一定値となる。したがって、積分信号の信号強度を監視し、積分信号の信号強度が変化したか否かを判定することで、容易且つ精度よくメディアＭの位置ずれを検出することが可能となる。

上記実施形態では、受信信号の信号強度が第一閾値以上となる最大次数Ｎを検出して、超音波の送信タイミングからＮ次受信信号が得られるまでの時間ｔ_ｎを積分時間τとしたが、これに限られない。つまり、超音波の送信タイミングから、予め設定された第一次数ｎ_Ｃの受信信号が得られるまでの時間を積分時間τとしてもよい。この場合、第一次数ｎＣの受信信号の信号強度が第一閾値未満であってもよい。この場合、積分時間τが長くなるが、検出精度を向上させることが可能となる。或いは、ｎ_Ｃ＋１次の受信信号が第一閾値以上となっていてもよい。

上記実施形態において、超音波送受部２１により送信される超音波の送信周期Ｔ_Ｏを、超音波の送信タイミングから、２次多重反射超音波による受信信号の受信タイミングまでの時間ｔ_２としたが、これに限定されない。例えば、超音波の送信周期Ｔ_Ｏ（間隔）を、２次受信信号の受信タイミングより後にしてもよい。この場合、基準信号強度ａ、及びメディアＭの位置が変動していない場合の積分信号の信号強度ｂが、周期的に変動する。よって、位置検出部は、超音波の送信タイミングからの経過時間ｔに応じて周期変動する信号強度ｂが、周期変動する基準信号強度ａと同一であるかを判定することで、メディアＭの位置を検出する。

上記実施形態において、メディアＭのエッジが検出孔１２２Ａの中心に位置し、メディアＭが、検出孔１２２Ａの半分、つまり超音波の送信範囲の１／２を覆う位置にある際の積分信号の信号値を基準信号強度ａとしたが、これに限定されない。
例えば、メディアＭの－Ｘ側の端部がガイド等によって保持され、＋Ｘ側にしか移動しない場合、メディアＭが検出孔１２２Ａを覆う位置を基準位置として、基準値（基準信号強度）を設定してもよい。また、メディアＭが－Ｘ側にしか移動しない場合、メディアＭの－Ｘ側端部を検出孔１２２Ａの＋Ｘ側に合わせ、メディアＭが検出孔１２２Ａと重ならない位置にある場合を基準位置としてもよい。つまり、メディアＭが移動した場合（ずれた場合）の移動量に応じて、基準位置を設定し、これに対応した基準受信信号（基準値）を設定すればよい。

上記実施形態では、エッジ検出センサー２０により、プリンター１０において、Ｙ方向に搬送されるメディアＭの－Ｘ側のエッジ部Ｍ１を検出する例を示したが、これに限定されない。本発明の超音波装置及び超音波測定方法は、対象物の移動や位置を検出する様々な用途に用いることができる。例えば、工場等の製造装置において、加工品を所定位置に移動させて加工させる際に、加工品が所定位置に移動されたか否かを判定する超音波装置等として用いることができる。

その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等に適宜変更できる。

１０…プリンター（電子機器）、１２…搬送ユニット、１５…制御ユニット、２０，２０Ａ…エッジ検出センサー、２１…超音波送受部、２１Ａ…送信部、２１Ｂ…受信部、２２…送受切替部、２３…送信回路部、２４…受信回路部、２５…マイコン、１２２…プラテン、１２２Ａ…検出孔、２１１…素子基板、２１１Ａ…基板本体部、２１１Ａ１…開口部、２１１Ａ２…隔壁、２１１Ｂ…振動膜、２１１Ｂ１…振動部、２１２…圧電素子、２１２Ａ…第一電極、２１２Ｂ…圧電膜、２１２Ｃ…第二電極、２４１…ノイズカットフィルター、２４２…可変ゲインアンプ、２４３…信号積分部、２４４…積分信号サンプリング部、２４５…受信信号サンプリング部、２５１…パラメーター設定部、２５２…次数設定部、２５３…多重特定部、２５４…位置検出部、Ｍ…メディア、Ｍ１…エッジ部、ａ…基準信号強度、ｂ…信号強度。

Claims

対象物に対して所定間隔で超音波を送信し、前記対象物で反射された超音波を受信することで受信信号を出力する超音波送受部と、
前記対象物と前記超音波送受部との間で多重反射した多重反射超音波による受信信号を特定する多重特定部と、
超音波を送信した後、第一次数の多重反射超音波が前記超音波送受部で受信されるまでの間に出力された前記受信信号を積分した積分信号を出力する信号積分部と、
前記積分信号の信号強度と所定の基準値との大小関係から、前記対象物の位置を検出する位置検出部と、
を備えることを特徴とする超音波装置。
請求項１に記載の超音波装置において、
前記対象物に対して単一パルスの前記超音波を送信した際に、前記多重反射超音波の前記受信信号の信号強度が第一閾値以上となる最大次数を、前記第一次数として設定する次数設定部を備える
ことを特徴とする超音波装置。
請求項１または請求項２に記載の超音波装置において、
前記超音波送受部により送信される前記超音波の間隔は、前記超音波送受部から前記超音波を送信してから、２次多重反射超音波の前記受信信号が受信されるまでの時間よりも短い
ことを特徴とする超音波装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波装置において、
前記基準値は、前記対象物が、前記超音波送受部により前記超音波が送信される送信範囲の１／２を覆って配置される際の前記積分信号の信号強度である
ことを特徴とする超音波装置。
対象物に対して送信し、前記対象物で反射された超音波を受信することで受信信号を出力する超音波送受部を備えた超音波装置による、前記対象物の位置を検出する超音波測定方法であって、
前記超音波送受部から前記対象物に対して所定間隔で超音波を送信し、
前記対象物と前記超音波送受部との間で多重反射した多重反射超音波による受信信号を特定し、
超音波を送信した後、第一次数の多重反射超音波が前記超音波送受部で受信されるまでの間に出力された前記受信信号を積分した積分信号を出力し、
前記積分信号の信号強度と所定の基準値との大小関係から、前記対象物の位置を検出する
ことを特徴とする超音波測定方法。