JPH0533984Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 考案の要約 クロス・ビーム型超音波スイツチにおいて、角
板状音響レンズを別個に設けられた超音波送波子
と受波子にそれぞれ設け、それらの収束方向が直
交するように配置し、簡易なやり方で検出領域の
微小化を図つた。

考案の背景 技術分野 この考案は、超音波を用いて所定の近距離範囲
内にある物体の有無を検出する超音波スイツチに
関する。

従来技術とその問題点 従来の超音波スイツチの一例が第５図に示され
ている。これはパルス・エコー方式の超音波スイ
ツチである。この超音波スイツチの測定原理を第
６図に示すタイム・チヤートを参照して説明す
る。タイミング・パルス発生回路２１からは一定
周期でトリガ・パルスＡが発生する。このトリ
ガ・パルスＡは超音波発生回路２２に与えられる
ので、この回路２２からはパルス状の超音波送波
信号が出力され、電力増幅回路２３を経て超音波
送受波子２４が駆動される。物体Ojからの反射
波は送受波子２４によつて受波され、この超音波
受波信号Ｃは増幅回路２５に入力する。

この超音波スイツチは超音波送受波子２４の前
方の比較的近い距離範囲に検出領域をもつてい
る。この検出領域内からの反射波のみを抽出する
ために、トリガ・パルスＡに基づいてゲート信号
Ｂがゲート信号発生回路２８で生成され、増幅回
路２５に与えられる。増幅回路２５はゲート信号
ＢがＨレベルである場合にのみ受波信号Ｃを増幅
し、その増幅出力は判定回路２６に送られる。判
定回路２６は入力する受波信号Ｃが所定のスレシ
ホールド・レベルを超えているかどうかを判定
し、出力回路２７を動作させる。これにより出力
信号（検知信号）Ｄが得られる。

このような超音波スイツチは次のような問題点
を内包している。

単一の超音波送受波子２４が用いられているた
めに、すなわち送波子と受波子とが兼用されてい
るために、物体が至近距離にある場合には送波信
号印加後、超音波送受波子の残響が十分に減衰し
ないうちに反射波が戻つてきてしまい、送波信号
と受波信号が分離できない、すなわち、物体Oj
が至近距離にある場合には、第７図に示すよう
に、破線で示す物体からの反射信号が実線で示す
送波パルスの残響信号に重なるため、送波信号と
受波信号とを分離することができず、至近距離に
おける物体検知ができない。

送波超音波が形成する音場が遠方まで伸びてい
るため、音場内に背景物が存在する場合にはその
影響を受けやすいという問題もある。たとえば、
第８図に示すように送受波子２４から検出領域ま
での距離の２倍離れた領域内に壁Ｑがある場合に
は、第９図に示すように第１周期目のトリガ・パ
ルスＡ１によつて送波された超音波は壁Ｑに当つ
て反射波として戻つてくるが、この反射波は第１
周期目のゲート信号Ｂ１内には観測されないが、
第２周期目のゲート信号Ｂ２内に検知される。し
たがつて、検出領域内に物体が存在しないにもか
かわらず検出信号Ｄが出力される。この問題を避
けるためには、あらかじめ検出領域を広く設定し
ておけばよいが、そうすると応答時間が必要以上
に長くなつてしまう。

さらに検出領域の設定を時間ゲート回路を用い
て行なつているため、回路が複雑で、小型化、低
コスト化が困難である。

このような問題点を解決するために出願人は送
波子と受波子とを独立に設け、それぞれの音軸が
検知領域において相互に交差（クロス）するよう
に送、受波子を内側に角度をつけて配置したクロ
ス・ビーム型超音波検出装置（超音波近接スイツ
チを含む）を提案した（同一出願人、同一代理人
による昭和62年７月８日付の特許願「超音波検出
装置」など）。

考案の概要 考案の目的 この考案は、新規なクロス・ビーム型超音波ス
イツチにおいて検出領域の一層の微小化を図るこ
とを目的とする。

考案の構成と効果 この考案による超音波スイツチは、超音波送波
子と超音波受波子とを別個に備え、送、受波子の
音軸が所定距離のところで交差するように送、受
波子を配置し、送、受波子のそれぞれに一方向に
のみ収束作用をもつ角板状音響レンズ手段を設け
るとともに、これらの収束方向が互いに直交する
ように配置したことを特徴とする。

角板状音響レンズ手段は凹面をもつ音響整合層
で構成することができ、この場合に音響整合層は
超音波振動子（送、受波子）の前面に配置され
る。また、角板状音響レンズ手段を凹面をもつ超
音波送波子または超音波受波子で構成することも
できる。

この考案によると、音響レンズ手段を設けて送
波子と受波子の超音波を収束させ、しかもクロ
ス・ビーム方式により送波子と受波子の超音波の
収束方向を直交させているので、送波子の超音波
の収束方向と受波子の超音波の収束方向が直交
し、これら超音波のクロス領域の微小化を図るこ
とができる。

また、これにより、物体の検出領域を比較的狭
い範囲に制限することができ、遠方にある背景物
等の影響を受けない、応答を速くすることができ
る、比較的近距離に検出領域を設定できる等の効
果がある上に、微小物体の検出が可能となるとい
う効果を奏する。

さらに、音響レンズ手段は角板状すなわち正方
形を含む方形状であるから、これを音響整合層で
実現するにせよ、超音波振動子で実現するにせよ
容易に製造でき、加工性、量産性に富むという効
果を奏する。

実施例の説明 第１図は超音波検出装置のセンサ部分の断面を
示している。第２図はセンサ部を斜視的に示すも
のである。

超音波センサ１は超音波送波子２と超音波受波
子３とを別個に備えている。これらはPZTなど
の圧電セラミクスで構成されている。超音波送波
子２と超音波受波子３はそれぞれの音軸が、セン
サ１前方の至近距離において交差するように特定
の角度をもつて斜めに配置されかつ樹脂ケース６
内に実装されている。すなわち、樹脂ケース６に
あけられた孔内に送波子２および受波子３がきつ
く挿入され、これらの前後に、空間と音響的に整
合をとるための音響整合層４ａ，４ｂおよび振動
子のＱ値を下げ残響を少なくするためのダンパ５
がそれぞれ設けられている。このように送、受波
子２，３を樹脂に埋設することによりセンサ１へ
の取付等の取扱いが容易となる。樹脂ケース６は
センサ１に固定されている。この実施例では音響
整合層４ａ，４ｂが音響レンズ手段を構成してい
る。音響整合層にはたとえばシリコン・ゴムや気
泡をもつエポキシ樹脂などを使用することができ
る。

樹脂ケース６には、超音波減衰率の大きな材料
が選択され、かつ超音波送波子２と超音波受波子
３との間の位置において樹脂ケース６には破線で
示すようにスリツト７が形成されることが好まし
い。これによつて超音波送波子２から超音波受波
子３への直接波の混入が防止される。すなわち、
送波子２にたとえ残響が存在しても、受波子３に
直接に伝わるこの残響信号を十分小さくでき、こ
の残響から受波信号を分離することが可能であ
る。したがつて至近距離計測が可能となる。

超音波送波子（振動子）２、受波子（振動子）
３、これらの前面に設けられた音響レンズ手段と
しての音響整合層４ａ，４ｂの配置および超音波
ビームの収束の様子が第４図に示されている。送
波用振動子２と受波用振動子３がＹ軸方向に並べ
られるとともに、それぞれの音軸がＺ軸上の所定
の点Ｐで交差するように、上述したように内側に
角度をつけて配置されている。音響レンズ４ａ，
４ｂは、それぞれの焦点が交差点Ｐに一致するよ
うにつくられかつ配置される。レンズ４ａはＹ軸
方向に超音波を収束するものであり、Ｙ軸方向に
そつて凹状に湾曲した表面をもつている。レンズ
４ｂはＸ軸方向に超音波を収束するものであり、
Ｘ軸方向にそつて凹状に湾曲した表面をもつてい
る。このような配置により、送波子２と受波子３
がつくる超音波ビームのクロス領域Ｒ（斜線で示
す）はＸ，Ｙ方向ともに微小化されたものとな
る。このクロス領域Ｒが近接スイツチの検出領域
である。

上記の実施例では、超音波ビームの収束手段と
して音響整合層が用いられているが、角板状超音
波振動子そのものを一方向に凹面湾曲加工し、音
響レンズとしてもよい。この場合には凹面上にそ
つて凹面状音響整合層が設けられる。

いずれにしても、角板状凹面超音波振動子は、
あらかじめ長めに加工された材料から切断してと
り出せばよく、円板状凹面振動子よりも量産性が
よい。

第３図はこの超音波スイツチの電気的構成を示
している。発振回路１１から出力される超音波の
連続波またはバースト状パルス波は電力増幅回路
１２で増幅され、送波子２を駆動する。物体から
の反射波は受波子３によつて電気信号に変換さ
れ、増幅回路１３で増幅され、判定回路１４に与
えられる。受波信号は判定回路１４においてその
振幅が所定のスレシホールド・レベルを超えてい
るかどうかが判定される。この判定結果は出力回
路１５においてオン／オフ（Ｈ／Ｌレベル）のス
イツチング信号に変換され出力される。

このように受波信号が所定のスレシホールド・
レベルを超えているかどうかによつて物体の有無
を判別できるので、従来例のように時間ゲートが
不要となり回路構成が簡素化される。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波スイツチのセンサの構成を示す
断面図、第２図は同センサの外観を示す斜視図、
第３図は超音波スイツチの電気的構成を示すブロ
ツク図、第４図は超音波の収束の様子を示す説明
図である。第５図は従来例を示すブロツク図、第
６図はその出力信号波形を示す波形図、第７図は
残響による問題点を説明するための波形図、第８
図は背後にある壁により生ずる問題点を説明する
ための配置図、第９図はその波形図である。 １……超音波センサ、２……超音波送波子、３
……超音波受波子、４ａ，４ｂ……音響整合層。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 超音波送波子と超音波受波子とを別個に備
   え、 送、受波子の音軸が所定距離のところで交差
   するように送、受波子を配置し、 送、受波子のそれぞれに一方向にのみ収束作
   用をもつ角板状音響レンズ手段を設けるととも
   に、これらの収束方向が互いに直交するように
   配置した超音波スイツチ。 (2) 角板状音響レンズ手段が凹面をもつ音響整合
   層である、実用新案登録請求の範囲第(1)項に記
   載の超音波スイツチ。 (3) 角板状音響レンズ手段が凹面をもつ超音波送
   波子および超音波受波子である、実用新案登録
   請求の範囲第(1)項に記載の超音波スイツチ。 (4) 超音波送、受波子が樹脂ケースに収められ、
   かつ送、受波子の間の位置において樹脂ケース
   にスリツトが形成されている、実用新案登録請
   求の範囲第(1)項に記載の超音波スイツチ。