JPH0921631A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 ホーン部の配設方向に沿う方向の超音波を良
好に受信する。 【解決手段】 超音波の送受信を行う超音波振動子１
と、この超音波振動子１を保持する保持部２と、この保
持部２を介して超音波振動子１の超音波の送受信側に装
備した管状のコーン部３とを有し、コーン部３を複数の
超音波伝播通路５により構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波センサに係
り、超音波距離測定装置の利用に好適な超音波センサに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来例を図９及び図１０に示す。図９
は、従来の超音波センサ５０を示している。これによる
と、この超音波センサ５０は、超音波の送受信を行う超
音波振動子５１と、この超音波振動子５１を保持する保
持部５２と、超音波振動子５１の超音波の送受信側に一
端を対向させた管状のコーン部５３とを備えている。

【０００３】このコーン部５３は、内部を超音波の伝搬
通路とする一様な径の円筒状部材であり、その一端を超
音波振動子５１に対向させ、他端を開口状態にしてい
る。符号５３Ａは開口端である。

【０００４】図１０は、従来の超音波センサ５０を装備
した超音波距離測定装置６０である。この超音波距離測
定装置６０は、電気的な送信信号ａを出力する発振器６
１と、この送信信号ａを周期的な波形を有する信号ｂに
変換し出力するドライブ回路６２と、信号ｂを超音波ｃ
に変換してを発生させると共に，被測定物Ｋからの反射
波ｄを受けて電気的な受信信号ｅを出力する超音波セン
サ５０と、この受信信号ｅを入力する受信回路６３と、
ドライブ回路６２から信号ｂが出力された時から受信回
路６３で受信信号ｅが入力された時までの時間ｔを測定
し出力する時間計測回路６４とを備えている。

【０００５】被測定物は、試験管等の有底の容器７０に
入った液体の液面Ｗであり、容器７０は、超音波センサ
５０のコーン部５３の開口端５３Ａ側にその開口端７１
を対向させた状態で図示しない保持部材に保持されてい
る。そして、超音波振動子５１からこの液体の液面Ｗま
での距離の測定が行われる。

【０００６】上記従来例の動作を説明すると、発振器６
１から発生した送信信号ａがドライブ回路６２を介して
所定間隔を有する波形の信号ｂとして超音波センサ５０
及び受信回路６３に伝達される。

【０００７】超音波センサ５０では、信号ｂを受けて超
音波振動子５１から超音波ｃが送信される。この超音波
ｃはコーン部５３の内部空間を通って容器７０内部の液
体の液面Ｗに向かって伝播し、この液面Ｗに反射し反射
波ｄとなって超音波振動子５１に戻ってくる。

【０００８】超音波振動子５１では、反射波ｄを受けて
受信信号ｅを受信回路６３に出力する。一方、時間計測
回路６４では、前述した信号ｂの入力から受信子信号ｅ
が受信回路６３に入力されるまでの時間ｔを測定し出力
する。この時間ｔは、受信回路６３から図示しない上位
装置等に出力され、時間ｔに基づいて超音波振動子５１
から被測定物までの距離が換算される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ここで、超音波による
距離測定においては、図１０に示した超音波ｃ及び反射
波ｄのように超音波振動子５１と液面Ｗとの間を最短距
離で往復することが望ましい。

【００１０】しかしながら、実際上は、図１１に示すよ
うに超音波振動子から発生した超音波はコーン部５３の
開口端５３Ａから一定の角度で広がって伝播し、超音波
の一部は容器７０内の液面Ｗに到達する前に容器の開口
端７１及び容器の内壁面に衝突し反射され、複雑な多数
方向に伝播する状態となる。また、液面Ｗに反射した反
射波も同様にして、容器７０の開口端７１から一定の角
度で広がって伝播し、これがコーン部５３内に衝突して
複雑な多数方向に伝播する。

【００１１】このため、これらの複雑方向に伝播する超
音波が最短距離で往復する超音波の受信に影響を及ぼ
し、超音波距離測定装置による正確な距離の測定の妨げ
となる不都合が生じていた。

【００１２】

【発明の目的】この発明の目的は、係る従来例の有する
不都合を改善し、特に、複雑な多数方向の超音波の受信
を排除し，コーン部の配設方向に沿う方向の超音波を良
好に受信する超音波センサを提供することを、その目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明の場
合は、超音波の受信を行う超音波振動子と、この超音波
振動子を保持する保持部と、この保持部を介して超音波
振動子の超音波の送受信側に装備した管状のコーン部と
を有する超音波センサにおいて、コーン部を複数の超音
波伝播通路により構成する手法を採っている。

【００１４】請求項２記載の発明の場合には、請求項１
記載の本発明と同様の構成に加えて、コーン部が，円筒
状部材からなり、この円筒状部材の内側に当該円筒状部
材の内側を超音波の伝播方向に沿って仕切る仕切板を設
ける構成を採っている。

【００１５】請求項３記載の発明の場合には、請求項１
記載の本発明と同様の構成に加えて、コーン部が，複数
の細管部材を束ねて構成する手法を採っている。

【００１６】請求項４記載の発明の場合には、請求項
１，２又は３記載の本発明と同様の構成に加えて、コー
ン部の内，当該コーン部全体の長さのほぼ３分の２の長
さを複数の超音波伝播通路とし，残るほぼ３分の１を一
本の管状に形成すると共に、複数の超音波伝播通路を超
音波振動子と反対側端部に配設するという構成を採って
いる。

【００１７】上記構成の動作を説明すると、まず、コー
ン部は複数の超音波伝播通路により構成されており、こ
れら複数の超音波伝播通路の各開口端側はその面積が，
コーン部全体の断面積に比べて超音波伝播通路の個数分
に分割された面積となっている。

【００１８】超音波振動子から発生した超音波は、コー
ン部内の各導通領域内を介して開口端から、一定の角度
で広がりながら伝播する。

【００１９】一方、外部からの超音波を受けた場合に
は、上述のように分割された各超音波伝播通路の開口端
からは、当該超音波伝播通路に沿った中心部分の超音波
のみが受信される。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１乃至図
８に基づいて説明する。

【００２１】図１は本発明の実施の形態である超音波セ
ンサ１０を示し、図１（Ａ）は斜視図であり，図１
（Ｂ）は図１（Ａ）の超音波センサ１０の軸方向に沿っ
た断面図である。

【００２２】この超音波センサ１０は、超音波の送受信
を行う超音波振動子１と、この超音波振動子１を保持す
る保持部２と、超音波振動子１の超音波の送受信側に一
端を対向させた管状のコーン部３とを備えている。

【００２３】そして、コーン部３が，円筒状部材からな
り、このコーン部３の内側に当該円筒状部材の内側を超
音波の伝播方向に沿って仕切る仕切板４を備えている。

【００２４】保持部２は超音波振動子１の超音波の振動
を妨げない手法を用いて保持している。この保持部２は
併設されたコーン部３よりやや大きな円筒状に形成され
ている。

【００２５】コーン部３は、内部を超音波が伝播する一
様な径の円筒状部材であり、一端を超音波振動子１の送
受信面１Ａに対向させ、他端を開口状態にしている。符
号３Ａは開口端である。

【００２６】仕切板４は、コーン部３の軸方向に沿って
このコーン部３の内側を四分割する板部材であり、コー
ン部３の軸に垂直な断面における形状が十字形となって
いる。そして、この仕切板４のコーン部３の軸方向にお
ける長さが、当該コーン部３の長さのほぼ３分の２に設
定されている。また、この仕切板４はコーン部３の内部
において開口端３Ａ側に配設されている。この仕切板４
により四分割されたコーン部３の内部がそれぞれこのコ
ーン部３の軸方向に沿った四つの超音波伝播通路５とな
る。

【００２７】この超音波振動子１０を装備した超音波距
離測定装置２０を図２に示す。この超音波距離測定装置
２０に備えられた超音波センサ１０の超音波振動子１
は、圧電振動子を備えたいわゆる超音波トランスデュー
サと呼ばれるものであり、電気的な送信信号を受けて受
信面１Ａから超音波を発生させ，逆に超音波を受信面１
Ａに受けると電気的な受信信号を生じる性質を有してい
る。

【００２８】図２は、上述の超音波センサ１０を装備し
た超音波距離測定装置２０である。この超音波距離測定
装置２０は、超音波センサ１０を除き，従来例で示した
超音波距離測定装置６０と同様の構成となっている。

【００２９】すなわち、電気的な送信信号ａを出力する
発振器６１と、この送信信号ａを周期的な波形を有する
信号ｂに変換し出力するドライブ回路６２と、信号ｂを
超音波ｃに変換してを発生させると共に，被測定物から
の反射波ｄを受けて電気的な受信信号ｅを出力する超音
波センサ１０と、この受信信号ｅを入力する受信回路６
３と、ドライブ回路６２から信号ｂが出力された時から
受信回路６３で受信信号ｅが入力された時までの時間ｔ
を測定し出力する時間計測回路６４とを備えている。

【００３０】被測定物は、試験管等の有底の容器７０に
入った液体の液面Ｗであり、容器７０は、超音波センサ
１０のコーン部３の開口端３Ａ側にその開口端７１を対
向させた状態で図示しない保持部材に保持されている。
そして、超音波振動子１からこの液体Ｗの液面までの距
離の測定が行われる。

【００３１】以下、この超音波距離測定装置２０の動作
を図２及び図３に基づいて説明する。

【００３２】発振器６１から送信信号ａが発生する。送
信信号ａは、ドライブ回路６２により所定間隔を有する
波形の信号ｂに変換される。このとき、信号ｂは超音波
センサ１０と受信回路６３とに入力される。

【００３３】超音波センサ１０に入力された信号ｂは、
超音波振動子１により超音波に変換されて発信される。
超音波は、超音波振動子１からコーン部３内の各超音波
伝播通路５内を介して開口端３Ａから一定の角度をもっ
て広がりながら空中に伝播する。

【００３４】このうち開口端３Ａから図２における鉛直
下方に伝播する超音波ｃは液面に到達して反射波とな
る。この反射波は、容器７０の開口端７１で再び一定の
角度で広がりながら空中に伝播を行う。

【００３５】このとき、コーン部３は、四つの超音波伝
播通路５により構成されているために，コーン部３の開
口端３Ａは四分割された状態となっている。このため、
これら広がる反射波の内、超音波伝播通路５に沿った方
向の特に中心部に伝播する反射波ｄのみが、開口端３Ａ
から各超音波伝播通路５の内部に伝播され、超音波振動
子に到達する（図３）。

【００３６】一方、容器７０の開口端７１及び内部に衝
突して複雑な方向に伝播する超音波は、開口端３Ａから
この超音波伝播通路５に伝搬されない。

【００３７】超音波振動子１では、反射波ｄを受けて受
信信号ｅを出力する。この受信信号ｅは受信回路６３に
入力される。このとき、時間計測回路で６４は、前述し
たドライブ回路６２から出力された信号ｂが受信回路６
３に入力された時から受信信号ｅが受信回路６３に入力
されるまでの時間ｔを測定する。この時間ｔは、受信回
路６３から図示しない上位装置等に出力され、時間ｔに
基づいて超音波振動子１から液面Ｗまでの距離が換算さ
れる。

【００３８】上述のように、超音波センサ１０を装備し
た超音波距離測定装置２０は、受信の際に、複数の方向
に広がる超音波及び、容器の各部に反射される超音波
が、コーン部３の開口端３Ａから伝播せず、超音波振動
子１と液面Ｗとの間を最短距離で往復する超音波のみが
伝搬するために、よりこれらの距離を正確に測定するこ
とが可能となる。

【００３９】図４に本実施の形態の他の例を示す。この
超音波センサ３０は、コーン部３３の形状のみが超音波
センサ１０と異なっており、他の構成は同様である。

【００４０】すなわち、コーン部３３は、前述のコーン
部３とほぼ同径の円筒状部材３３Ａと、この円筒状部材
３３Ａより径の小さい三本の細管部材３４とにより構成
されている。円筒状部材３３Ａは、一端が超音波振動子
１に対向状態にあり、他端には三本の細管部材３４が嵌
挿されている。

【００４１】この細管部材３４は三本が束ねられた状態
で一端部が円筒状部材３３Ａに嵌挿されている。そし
て、この円筒状部材３３Ａの内部に設けられた当該円筒
状部材３３Ａを途中で塞いだ状態にある内部壁３３Ｂ
に，各細管部材３４はその管の内部を超音波振動子１側
に導通させた状態で、円筒状部材３３Ａに固定されてい
る。

【００４２】各細管部材３４はその軸方向の長さが、コ
ーン部３３の全体的な長さのほぼ３分の２に設定されて
いる。そして、この各細管部材３４の内側が超音波伝播
通路３５となる構成となっている。

【００４３】超音波センサ３０は、上記の構成により、
前述した超音波センサ１０とほぼ同様の効果を得ること
ができる。ここで、超音波センサ３０では、細管部材３
４の本数を３本に設定したが、より多くても良い。ま
た、他の細管部材として、断面形状が三角形，四角形，
六角形等の多角形形状であるものを使用しても良い。こ
れらにより断面円形の細管部材３４とほぼ同様の効果を
得ることができる。

【００４４】図５にさらに他の例を示す。この超音波セ
ンサ４０は、コーン部４３の形状のみが超音波センサ１
０と異なっており、他の構成は同様である。

【００４５】すなわち、コーン部４３は、円筒状部材４
４と、この円筒状部材４４の内側に配設されるより径の
小さい円筒状部材４５とから構成される。円筒状部材４
５は、円筒状部材４４の軸方向長さのほぼ３分の２の長
さに設定されており、固定部材４６によりこれらの円筒
状部材４４，４５が同軸となるよう且つ円筒状部材４５
が超音波振動子１の反対側端部に位置するように固定さ
れている。

【００４６】これにより、コーン部４３内において、円
筒状部材４５の内側空間と、円筒状部材４４と円筒状部
材４５との間の空間とにそれぞれ超音波伝播通路４７，
４８が形成される。

【００４７】超音波センサ４０は、上記の構成により、
前述した超音波センサ１０とほぼ同様の効果を得ること
ができる。ここで、超音波センサ４０では、円筒状部材
を二つに設定したが、より多くの円筒状部材を同様に配
置しても良い。

【００４８】ここで、他の超音波距離測定装置の例とし
て超音波センサを二つ装備した超音波距離測定装置１０
０を図６に示す。この超音波距離測定装置１００は、電
気的な送信信号ａを出力する発振器６１と、この送信信
号ａを周期的な波形を有する信号ｂに変換し出力するド
ライブ回路６２と、信号ｂを超音波ｃに変換して発生さ
せる送信専用の超音波センサ１０Ａと、被測定物からの
反射波ｄを受けて電気的な受信信号ｅを出力する受信専
用の超音波センサ１０Ｂと、この受信信号ｅを入力する
受信回路６３と、ドライブ回路６２から信号ｂが出力さ
れた時から受信回路６３で受信信号ｅが入力された時ま
での時間ｔを測定し出力する時間計測回路６４とを備え
ている。

【００４９】この超音波距離測定装置１００の場合に
は、超音波の送信側と受信側とにそれぞれ独立して超音
波センサを設けているために、送信側には、送信のみが
可能な構造の超音波センサを使用し、受信側には受信の
みが可能な構造の超音波センサを使用することができ
る。

【００５０】ここで、図６に示した他の超音波距離測定
装置１００のように両方の超音波センサ１０Ａ，１０Ｂ
の両方にコーン部を設けなくとも良い。即ち、超音波セ
ンサ１０Ａと超音波センサ１０Ｂとのどちらか一方の超
音波センサのみに仕切り板を内側に有するコーン部を設
ける構成としても良い。

【００５１】超音波センサの指向性を示す試験を図７及
び図８に基づいて説明する。本試験は、超音波センサ１
０と超音波センサ５０とをそれぞれ装備する超音波距離
測定装置２０，６０により距離の測定を行った。ここ
で、使用する超音波センサ５０は、図８で示されたコー
ン部５３の内側に仕切り板を設けていない超音波センサ
である。

【００５２】この試験では、超音波センサ１０のコーン
部３の寸法を、直径８［ｍｍ］，長さを３５［ｍｍ］と
し、また、超音波センサ５０のコーン部５３の直径を８
［ｍｍ］，長さを５８［ｍｍ］とした。

【００５３】そして、各コーン部３，５３の開口端３
Ａ，５３Ａから容器７０の開口端７１までの間隔（以
下、これをギャップとする）を１［ｍｍ］ずつ離間させ
た場合において、容器７０内の液体を１００［μｌ］ず
つ増加させて、超音波振動子１，５１の受信面１Ａ，５
１Ａから液面Ｗまでの距離をそれぞれ測定した。この試
験結果を図７及び図８に示す。

【００５４】図７は超音波センサ５０による測定結果で
あり、図８は超音波センサ１０による測定結果である。
これによると、超音波センサ５０ではギャップが２［ｍ
ｍ］までは測定が可能であったが，３［ｍｍ］以上とす
ると測定不能となった。これに対して、超音波センサ１
０ではギャップが４［ｍｍ］となるまで測定が可能であ
った。すなわち、コーン部を複数の超音波伝播通路によ
り構成することにより従来の超音波センサと比較してギ
ャップを大きく設定することが可能であることを示して
いる。

【００５５】また、本試験では、容器７０内の液体を一
定量ずつ増加させて測定を行っているため、超音波振動
子と液面との間の距離は一定の割合で変化するが、超音
波距離測定装置６０による測定結果では、図７に示され
るＨの範囲で測定数値のばらつきが生じており、これに
対して超音波距離測定装置２０による測定結果は図８に
示されるように、測定数値の変化がほぼ直線状となって
いる。これにより、超音波センサ１０を装備した超音波
距離測定装置２０による測定は、実際の距離変化に近い
結果を示している。

【００５６】さらに、前述したように本試験では，超音
波センサ１０のコーン部３が，超音波センサ５０のコー
ン部５３よりも短いものを使用しているが、コーン部３
が短い状態でなお、超音波センサ１０は、超音波センサ
５０よりも良好に測定が行われている。これにより、本
発明の超音波センサは、そのコーン部をより短いものを
使用することを可能とすることが分かる。

【００５７】また、他の試験により、コーン部の仕切板
の長さをコーン部全体の長さのほぼ３分の２に設定する
ことにより複雑な多数方向の超音波の受信を排除し，コ
ーン部の配設方向に沿う方向の超音波を受信する効果が
確認されている。しかし、これはコーン部の形状及び寸
法により変更しても良い。

【００５８】また、さらに他の試験により超音波伝播通
路の数が３〜４にした場合が良好であることが判明して
おり、本実施の形態ではこの結果に従い，十字の仕切板
によりコーン部の内部に４つの超音波伝播通路を備える
構成としたが、この個数は、より多くするか、或いはよ
り少なくしても良い。

【００５９】以上のように、本実施の形態では、コーン
部に仕切り板を設け、コーン部を複数の超音波伝播通路
から構成することにより、複雑な多数方向の超音波の受
信を排除し，コーン部の配設方向に沿う方向の超音波を
良好に受信する。

【００６０】ここで、本実施の形態中では、超音波セン
サを装備した超音波距離測定装置を容器内に入っている
液面までの距離の測定に用いる場合を例にして説明した
が、他の対象物に対する距離を測定する場合に使用して
も良い。例えば、自立走行ロボット等の走行時に障害物
までの距離を測定する場合に使用される超音波距離測定
装置として、この自立走行ロボットに搭載しても良い。

【００６１】

【発明の効果】本発明は、コーン部を複数の超音波伝播
通路により構成しており、これにより、複雑な多数方向
の超音波の受信を排除し，コーン部の配設方向に沿う方
向の超音波を良好に受信することが可能となった。

【００６２】また、上記の構成により従来の指向性を保
持した状態でコーン部の超音波伝播方向の長さを短く形
成することが可能となる。これにより、超音波センサを
小型化することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波センサを示す図であり、図
１（Ａ）は斜視図であり、図１（Ｂ）は超音波の伝播方
向に沿った図１（Ａ）の断面図である。

【図２】図１に開示した超音波センサを装備した超音波
距離測定装置の概略構成を示すブロック図である。

【図３】図２の超音波距離測定装置の動作を示す説明図
である。

【図４】図１に開示した超音波センサの他の例を示す斜
視図である。

【図５】図１に開示した超音波センサのさらに他の例を
示す斜視図である。

【図６】図１に開示した超音波センサによる他の測定方
法を示す説明図である。

【図７】従来の超音波センサを装備した超音波距離測定
装置による測定試験の結果を示す線図ある。

【図８】本発明に係る超音波センサを装備した超音波距
離測定装置による測定試験の結果を示す線図ある。

【図９】従来の超音波センサを示す図であり、図９
（Ａ）は斜視図であり、図９（Ｂ）は超音波の伝播方向
に沿った図９（Ａ）の断面図である。

【図１０】従来の超音波センサを装備した超音波距離測
定装置の概略構成を示すブロック図である。

【図１１】従来の超音波センサを装備した超音波距離測
定装置の測定の際に生じる干渉の原因となる超音波を示
す説明図である。

【符号の説明】

１ 超音波振動子 ２ 保持部 ３ コーン部 ４ 仕切板 ５ 超音波伝播通路 １０ 超音波センサ ３４ 細管部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大村 俊哉 神奈川県横浜市都筑区桜並木２番１号 ス ズキ株式会社技術研究所内 (72)発明者 菊地 富士子 神奈川県横浜市都筑区桜並木２番１号 ス ズキ株式会社技術研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波の送受信を行う超音波振動子と、
   この超音波振動子を保持する保持部と、この保持部を介
   して前記超音波振動子の超音波の送受信側に装備した管
   状のコーン部とを有する超音波センサにおいて、 前記コーン部を複数の超音波伝播通路により構成したこ
   とを特徴とする超音波センサ。
2. 【請求項２】 前記コーン部が，円筒状部材からなり、
   この円筒状部材の内側に当該円筒状部材の内側を前記超
   音波の伝播方向に沿って仕切る仕切板を設けたことを特
   徴とする請求項１記載の超音波センサ。
3. 【請求項３】 前記コーン部が，複数の細管部材を束ね
   てなることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
4. 【請求項４】 前記コーン部の内，当該コーン部全体の
   長さのほぼ３分の２の長さを複数の超音波伝播通路と
   し，残るほぼ３分の１を一本の管状に形成すると共に、
   前記複数の超音波伝播通路を超音波振動子と反対側端部
   に配設したことを特徴とする請求項１，２又は３記載の
   超音波センサ。