測距センサ及びそれを備えた設備機器
【課題】発信信号及び受信信号の１次振動モード波を部分的かつ強制的に抑制し、受信信号を確実に受信、増幅し、近接距離にある対象物までの距離を正確に測定できるようにした測距センサを提供する。
【解決手段】測距センサ１０は、支持部１１と、支持部１１に取り付けられた台座１２と、台座１２に取り付けられたＰＺＴ振動子１３と、ＰＺＴ振動子１３に取り付けられ、ＰＺＴ振動子１３の振動と共振することで共振波である発信信号を対象物に向けて発射する共振板１４と、ＰＺＴ振動子１３と反対側に取り付けられ、対象物で反射された反射信号を受信し、増幅するコーン部１５と、送信信号及び反射信号の１次振動モード波を部分的かつ強制的に抑制するダンピング材１６を設けたことを特徴とする。
【解決手段】測距センサ１０は、支持部１１と、支持部１１に取り付けられた台座１２と、台座１２に取り付けられたＰＺＴ振動子１３と、ＰＺＴ振動子１３に取り付けられ、ＰＺＴ振動子１３の振動と共振することで共振波である発信信号を対象物に向けて発射する共振板１４と、ＰＺＴ振動子１３と反対側に取り付けられ、対象物で反射された反射信号を受信し、増幅するコーン部１５と、送信信号及び反射信号の１次振動モード波を部分的かつ強制的に抑制するダンピング材１６を設けたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の送受信によって非接触で対象物までの距離を測定する測距センサ及びそれを備えた設備機器に関し、特に近距離を確実に測定することのできる測距センサ及び設備機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から圧電素子であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を利用した非接触の測距センサ（超音波センサ）が知られている。このような測距センサは、ＰＺＴ振動子にパルス信号を加えることでＰＺＴ振動子を発振させ、発信信号を空中に放射し、対象物からの反射信号（受信信号）を受信し、発信信号の送信時刻と受信信号の受信時刻との時間差を利用することで、対象物との距離を測定するようになっている。また、このような測距センサは、ＰＺＴ振動子とＰＺＴ振動子に固着して共振させる共振金属板（アルミや鋼板等）の１次共振を利用することを基本としていた。
【０００３】
そのようなものとして、ＰＺＴ振動子を発振させることによって発生する信号を空中に放射する送信部と、空中に放射された信号が対象物で反射した反射信号を受信する受信部とを同じ位置に配置するとともに、反射鏡を用いて送信部から反射面（水面）までの距離を伸ばすことで、反射波が受信部に到達するまでに送信部からの信号波を十分減衰させるようにした技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。なお、ＰＺＴ振動子の共振周波数は４０ｋＨｚ程度であり、超音波領域の周波数を放射（発振）するようになっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−５９７６５号公報（第５ページ、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の測距センサでは、ＰＺＴ振動子の共振周波数における鋭度が鋭く、その結果としてＰＺＴ振動子の振動の減衰が遅れてしまう。したがって、ＰＺＴ振動子から発信される発信信号の残留成分がかなり長い間（数十μ〜数百μ秒間）続くため、受信信号が受信部に到達するときにおいても発信信号の残留成分（いわゆる、尾引き）が送信部から放射され、この残留成分がマスクとなってしまい、対象物までの距離が検出不可能になるという問題があった。この問題は、対象物との距離が近い、つまり近接距離の場合において特に顕著であった。
【０００６】
特許文献１に開示された水位検出装置では、反射鏡を利用し、送信部から対象物（水面）までの距離を伸ばすようにして、近接距離においても対象物との距離を測定できるようにしていた。しかしながら、受信信号が正確かつ確実に受信部に入射するように反射鏡を設置しなければならず、それに伴い反射鏡の角度調整に高い精度が要求されることになり、多くの手間、費用及び時間を要しなければならないという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題を解決するためになされたもので、発信信号及び受信信号の１次振動モード波を部分的かつ強制的に抑制し、受信信号を確実に受信、増幅し、近接距離にある対象物までの距離を正確に測定できるようにした測距センサ及びそれを備えた設備機器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る測距センサは、圧電素子で構成された振動子と、前記振動子の前記台座と反対側に取り付けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波である発信信号を対象物に向けて発射する共振板と、前記共振板の前記振動子側とは反対側に取り付けられ、前記対象物で反射された反射信号を受信し、増幅するコーン部と、前記発信信号及び前記反射信号の１次振動モード波を部分的かつ強制的に抑制するダンピング材とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る測距センサは、圧電素子で構成された振動子と、前記振動子の前記台座と反対側に取り付けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波である発信信号を対象物に向けて発射する共振板と、前記共振板の前記振動子側とは反対側に取り付けられ、前記対象物で反射された反射信号を受信し、増幅するコーン部と、前記コーン部の分割振動を抑制するダンピング材とを備え、前記ダンピング材を、前記コーン部の周縁であって前記コーン部の振動モードのモード分布に対応した位置に設けたことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る測距センサは、圧電素子で構成された振動子と、前記振動子の前記台座と反対側に取り付けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波である発信信号を対象物に向けて発射する共振板と、前記共振板の前記振動子側とは反対側に取り付けられ、前記対象物で反射された反射信号を受信し、増幅するコーン部と、前記コーン部の前記共振板側とは反対側の周縁全体に設けられ、前記コーン部の振動を抑制するダンピング材とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る測距センサは、上記のダンピング材を組み合わせて設けたことを特徴とする。さらに、本発明に係る設備機器は、上記の測距センサを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る測距センサは、発信信号及び反射信号の１次振動モード波を部分的かつ強制的に抑制するダンピング材を設けたので、発信信号（送信信号）及び反射信号（受信信号）双方の残留成分を早期に減衰させることができる。したがって、送信信号及び受信信号の打ち合わせを効果的に抑制することができるとともに、発振信号と反射信号との区別を容易にし、反射信号の受信及び増幅を確実に実行でき、近接位置にある対象物をより効果的に測定することができる。
【００１３】
本発明に係る測距センサは、ダンピング材を、コーン部の周縁であってコーン部の振動モードのモード分布に対応した位置に設けたので、コーン部で発生する分割振動をより効果的に抑制できる。すなわち、コーン部の機能である反射信号の受信及び増幅を確実、安定的に実行できる。したがって、反射信号を確実に電気信号に変換でき、近接位置にある対象物をより正確に測定することができる。
【００１４】
本発明に係る測距センサは、コーン部の振動を抑制するためのダンピング材をコーン部の共振板側とは反対側の周縁全体に設けたので、分割振動によるモード分布を予め測定しなくて済み、それに要していた手間を軽減することができる。また、コーン部全体の振動をより効果的に抑制できるので、コーン部の機能である反射信号の受信及び増幅を確実、安定的に実行できる。
【００１５】
また、本発明に係る測距センサは、上記のダンピング材を組み合わせて設けたので、各ダンピング材を設けたことによる効果を全部有することになる。さらに、本発明に係る設備機器は、上記の測距センサを備えているので、各測距センサの効果を全部有することになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る測距センサ１０の概略構成を示す概略構成図である。図１に基づいて、測距センサ１０の構成について説明する。この測距センサ１０は、超音波を送受信することによって非接触で対象物までの距離を測定するものである。また、図１（ａ）が測距センサ１０の縦断面図を、図１（ｂ）が測距センサ１０の平面図をそれぞれ示している。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、測距センサ１０は、支持部１１と、台座１２と、ＰＺＴ振動子１３と、共振板１４と、コーン部１５とが順に積層されて構成されている。支持部１１は、測距センサ１０が収容される設備機器の筐体等に測距センサ１０を取り付けるためのものである。この支持部１１は、図１（ｂ）に示すように上から見ると円形状となっている。台座１２は、支持部１１に取り付けられており、ＰＺＴ振動子１３を固定するためのものである。
【００１８】
ＰＺＴ振動子１３は、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子であり、正電極端子部１７及び負電極端子部１８を介してパルス電圧が加えられ、発振するようになっている。つまり、ＰＺＴ振動子１３は、円形状で構成されており、パルス電圧が印加されることによって、所定の周波数範囲（一般的に４０ｋＨｚ前後）の音波（超音波）を発振する機能を有しているのである。なお、図１では、正電極端子部１７及び負電極端子部１８が、支持部１１及び台座１２を貫通し、ＰＺＴ振動子１３に接続されるようになっている場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、支持部１１及び台座１２を貫通しなくてもＰＺＴ振動子１３に接続されていればよい。
【００１９】
共振板１４は、ＰＺＴ振動子１３に取り付けられており、ＰＺＴ振動子１３の発振によって発信信号を作り出す機能を有している。この発信信号は、図１（ｂ）に示すように円形状に形成されている共振板１４の中心部に対応する「腹」、周縁部に対応する「節」を有した形状となっている。また、共振板１４には、ダンピング材１６が設けられている。このダンピング材１６は、共振板１４から発信される共振波である発信信号の１次振動モード波を部分的かつ強制的に抑制する機能を有している。すなわち、ダンピング材１６を設けることによって、共振板１４の振動を吸収し、発信信号の１次振動モード波の振幅を減少させ、発振信号の残留成分を抑制することが可能になっている。
【００２０】
コーン部１５は、対象物からの反射信号を受信し、増幅する機能を有している。このコーン部１５の縦断面形状は略等脚台形状となっており、共振板１４側が短辺を構成している。また、コーン部１５は、ダンピング材１６によって支持されるようになっている。こうすることによって、コーン部１５の振動もダンピング材１６によって吸収することが可能になっている。つまり、ダンピング材１６は、コーン部１５で受信される反射信号の１次振動モード波も部分的かつ強制的に抑制する機能を有している。
【００２１】
更に言えば、ダンピング材１６により、共振板１４及びコーン部１５の双方の振動を吸収し、発信信号及び反射信号の１次振動モード波を部分的かつ強制的に抑制でき、それに伴って１次振動モード波の震幅を減少させ、発信信号及び反射信号の残留成分を抑制することが可能になっている。このダンピング材１６は、コーン部１５の共振板１４側（図下側）の周縁と共振板１４との間に形成される空間に配置され、共振板１４及びコーン部１５に接触し、発信信号及び反射信号の１次振動モード波を抑制するようになっている。
【００２２】
図１（ｂ）に示すように、ダンピング材１６は、円環状で構成されている。こうすることによって、発振信号の主要な１次振動モード波の残留成分（いわゆる尾の部分）の発生を効率的に抑制することができるからである。つまり、ダンピング材１６を円環状で構成すれば、１次振動モード波の「中腹部」を抑えるのに最適だからである。また、ダンピング材１６を構成する材料を特に限定するものではなく、共振板１４及びコーン部１５に接触し、双方の振動を抑制できる材料で構成するとよい。たとえば、接着性のあるエポキシ樹脂やシリコンゴム等のような弾性体でダンピング材１６を構成するとよい。
【００２３】
図２は、測距センサ１０の信号処理の概要を説明するための説明図である。図２に基づいて、測距センサ１０の信号処理について説明する。まず、送信回路部（パルス発振部）２０からパルス電圧を周期的に繰り返し発信させ、正電極端子部１７及び負電極端子部１８を介してＰＺＴ振動子１３に加える（図２で示す矢印Ａ）。そうすると、ＰＺＴ振動子１３は、所定の周波数範囲の音波を発振する。ＰＺＴ振動子１３の発振によって共振板１４が発信信号（送信信号）を対象物に向けて放射する。
【００２４】
発振信号が対象物で反射した反射信号（受信信号）は、コーン部１５で受信される。この受信信号は、コーン部１５で増幅され、受信回路部２１に入力される（図２で示す矢印Ｂ）。この受信回路部２１は、受信信号をフィルタをかけてノイズを取り、更に増幅を行った上で、波高値、入射時間を計測する。受信回路部２１で計測された値は、演算処理回路部２２に送られる（図２で示す矢印Ｃ）。そして、演算処理回路部２２は、送信時間と入射時間から対象物までの距離を算出する。なお、演算処理回路部２２は、送信回路部２１に周期的にパルス電圧を発信させるようになっている（図２で示す矢印Ｄ）。
【００２５】
図３は、発振信号の波形（送信波形）及び反射信号の波形（受信波形）を説明するための説明図である。図３に基づいて、送信波形及び受信波形について図２を参照しながら説明する。なお、図３には、実施の形態１に係る測距センサ１０の送信波形及び受信波形（図３（ｂ））の他に、ＰＺＴ振動子１３に加えられるパルスの波形（図３（ａ））と、ダンピング材１６を設けていない場合の送信波形及び受信波形（図３（ｃ））とを併せて示している。また、この図３では、横軸は時間を示している。
【００２６】
送信回路部２０から発信されたパルス電圧Ｓ１がＰＺＴ振動子１３に加えられると、ＰＺＴ振動子１３が発振して、共振板１４から送信信号Ｓ２が対象物に向けて放射される。なお、共振板１４は、ダンピング材１６によって強制的に振動が抑制されており、作り出される発振信号Ｓ２も残留成分の抑制されたものとなっている。すなわち、図３に示すように、ダンピング材１６を設けていない場合の発振信号Ｓ２’の波形は、時間の経過とともに振幅は小さくなるものの尾の部分が残留成分となってしまうが、測距センサ１０ではダンピング材１６を設けているので、残留成分を効率的に抑制することができるのである。
【００２７】
発振信号Ｓ２は、対象物で反射し反射信号Ｓ３となってＴ時間経過にコーン部１５で受信される。また、コーン部１５もダンピング材１６によって強制的に振動が抑制されているので、反射信号Ｓ３も残留成分の抑制されたものとなっている。また、コーン部１５は、ダンピング材１６によって、上下方向にのみ振動するようになっており、反射信号Ｓ３を確実に増幅できるようになっている。そして、演算処理回路部２２は、発振信号Ｓ２が放射されてから反射信号Ｓ３を受信するまでに要した時間Ｔにより対象物までの距離を測定する。
【００２８】
なお、ダンピング材１６を設けていない場合には、共振板１４から残留成分の抑制されていない発振信号Ｓ２’が放射されることになる。そのために、反射信号Ｓ３’を受信した時点においても発振信号Ｓ２’が十分に減衰されておらず、その残留成分に反射信号Ｓ３’が混在してしまい、反射信号Ｓ３’が特定できなかった。また、反射信号Ｓ３’も減衰されておらず、発振信号Ｓ２’と反射信号Ｓ３’との区別もできなかった。したがって、近接位置にある対象物を測定することが困難であった。
【００２９】
そこで、測距センサ１０は、ダンピング材１６を設けることにより、共振板１４及びコーン部１５の振動を強制的に抑制するようにしている。すなわち、ダンピング材１６によって発振信号Ｓ２及び反射信号Ｓ３双方の残留成分を効果的に抑制し、発振信号Ｓ２と反射信号Ｓ３との区別を容易にし、反射信号Ｓ３の受信及び増幅を確実に実行できるようにしているのである。したがって、測距センサ１０は、近接位置にある対象物をより効果的に測定することができる。
【００３０】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る測距センサ１０ａの概略構成を示す概略構成図である。図４に基づいて、測距センサ１０ａの構成について説明する。この測距センサ１０ａは、超音波を送受信することによって非接触で対象物までの距離を測定するものである。また、図４（ａ）が測距センサ１０ａの縦断面図を、図４（ｂ）が測距センサ１０ａの平面図をそれぞれ示している。なお、実施の形態２では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
【００３１】
この測距センサ１０ａは、ダンピング材１６ａの構成が測距センサ１０のダンピング材１６の構成と異なっている点で測距センサ１０と相違している。つまり、測距センサ１０ａのダンピング材１６ａは、円環状ではなく、コーン部１５の共振板１４側とは反対側（図上側）の周縁端部の複数位置でコーン部１５を支持し、各位置で共振板１４に接触するようなブリッジ構造を特徴としている。ここでは、ダンピング材１６ａが４箇所でコーン部１５を支持している場合を例に示している（図４（ｂ））。
【００３２】
コーン部１５は、上述したように反射信号を受信し、その反射信号を増幅する機能を有するため、コーン部１５が分割振動してしまう場合が生じる。コーン部１５が分割振動すると、コーン部１５に位相差が生じる（図４（ｂ）の＋、−）。この位相差によって、反射信号の打ち消し現象が発生し、反射信号を確実に増幅することができなくなってしまう（つまり、反射信号が劣化してしまう）。そこで、振動モードのモード分布を予め測定し、分割振動の位相が変化する位置（つまり、振動モードの「節」となる位置）にダンピング材１６ａを設けるようにしている。
【００３３】
図４（ｂ）に示すように、コーン部１５は、上から見ると円形状となっており、コーン部１５での振動が４分割している場合の位相の変化を＋、−で表している。また、波線で振動モードの「節」を表している。この測距センサ１０ａは、コーン部１５の分割振動によって位相が変化する位置、つまり振動モードの「節」となるコーン部１５の４箇所にダンピング材１６ａを設けて、コーン部１５が分割振動してしまうことを防止しているのである。
【００３４】
特に、２分割や４分割等の偶数の分割振動がコーン部１５で発生した場合に、反射信号の打ち消し現象が発生し、反射信号を確実に増幅することができなくなってしまう。したがって、偶数分割してしまう振動モードのモード分布から、コーン部１５の位相が変化する複数位置にダンピング材１６ａを設けるのが望ましい（図４（ｂ）では４箇所）。なお、３分割等の奇数分割の場合には、打ち消し現象が発生しない。また、ダンピング材１６ａを４箇所に設ける場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、コーン部１５の位相が変化する偶数箇所にダンピング材１６ａを設ければよい。
【００３５】
実施の形態２に係る測距センサ１０ａは、ブリッジ構造のダンピング材１６ａをコーン部１５の共振板１４側とは反対側の周縁端部で分割振動の位相が変化する複数位置に設けることにより、コーン部１５の分割振動を強制的に抑制するようにしている。すなわち、ダンピング材１６ａによって、反射信号Ｓ３の受信及び増幅を確実、安定的に実行できるようにしているのである（図３参照）。したがって、測距センサ１０ａは、近接位置にある対象物をより正確に測定することができる。
【００３６】
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る測距センサ１０ｂの概略構成を示す概略構成図である。図５に基づいて、測距センサ１０ｂの構成について説明する。この測距センサ１０ｂは、超音波を送受信することによって非接触で対象物までの距離を測定するものである。また、図５（ａ）が測距センサ１０ｂの縦断面図を、図５（ｂ）が測距センサ１０ｂの平面図をそれぞれ示している。なお、実施の形態３では実施の形態１及び実施の形態２との相違点を中心に説明し、実施の形態１及び実施の形態２と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
【００３７】
この測距センサ１０ｂは、ダンピング材１６ｂの構成が測距センサ１０のダンピング材１６や測距センサ１０ａのダンピング材１６ａの構成と異なっている点で測距センサ１０及び測距センサ１０ａと相違している。この測距センサ１０ｂのダンピング材１６ｂは、コーン部１５の共振板１４側とは反対側（図上側）の周縁端部を一周するような円環状で構成されていることを特徴としている（図５（ｂ））。すなわち、ダンピング材１６ｂは、コーン部１５の上端周縁部（エッジ部分）のみに接触するように構成されているのである。
【００３８】
コーン部１５は、特に共振板１４側とは反対側の周縁部分で分割振動が発生し易い。コーン部１５の周縁端部が分割振動してしまうと、反射信号を確実に増幅することができなくなってしまう（つまり、反射信号が劣化してしまう）。そこで、測距センサ１０ｂは、コーン部１５の共振板１４側とは反対側の周縁端部の全体にダンピング材１６ｂを設けるようにしている。実施の形態２に係る測距センサ１０ａのダンピング材１６ａは、分割振動のモード分布の測定結果に基づいて設置箇所を決定していたが、実施の形態３に係る測距センサ１０ｂのダンピング材１６ａは、コーン部１５の周縁全体に設置するために分割振動のモード分布を測定しなくてもよい。
【００３９】
したがって、コーン部１５で発生する分割振動の振動モードを予め測定する手間を省くことがでるとともに、コーン部１５で発生する分割振動を更に効果的に抑制することができる。なお、ダンピング材１６ｂは、ダンピング材１６及びダンピング材１６ａのように共振板１４には接触していない。ただし、コーン部１５の周縁全体にダンピング材１６ｂを一周分設けるので、このダンピング材１６ｂの重さによって共振板１４からの発信信号を抑制することができる。
【００４０】
実施の形態３に係る測距センサ１０ｂは、ダンピング材１６ｂをコーン部１５の共振板１４側とは反対側の周縁全体に設けることにより、コーン部１５の振動を強制的に抑制するようにしている。したがって、コーン部１５の振動モードのモード分布を予め測定しなくて済み、それに要していた手間を軽減することができる。すなわち、ダンピング材１６ｂによって、反射信号Ｓ３の受信及び増幅を確実に実行できるようにしているのである（図３参照）。したがって、測距センサ１０ｂは、近接位置にある対象物をより正確に測定することができる。
【００４１】
実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る測距センサ１０ｃの概略構成を示す概略構成図である。図６に基づいて、測距センサ１０ｃの構成について説明する。この測距センサ１０ｃは、超音波を送受信することによって非接触で対象物までの距離を測定するものである。また、図６（ａ）が測距センサ１０ｃの縦断面図を、図６（ｂ）が測距センサ１０ｃの平面図をそれぞれ示している。なお、実施の形態４では実施の形態１〜実施の形態３との相違点を中心に説明し、実施の形態１〜実施の形態３と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
【００４２】
この測距センサ１０ｃは、実施の形態１に係る測距センサ１０のダンピング材１６、実施の形態３に係る測距センサ１０ｂのダンピング材１６ｂの二つを適用して構成されていることを特徴としている。つまり、ダンピング材１６が共振板１４とコーン部１５との双方の振動を強制的に抑制し、ダンピング材１６ｂがコーン部１５の分割振動を効果的に抑制するようになっているのである。したがって、測距センサ１０ｃは、実施の形態１に係る測距センサ１０及び実施の形態３に係る測距センサ１０ｂの有する効果を全部有している。
【００４３】
実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る測距センサ１０ｄの概略構成を示す概略構成図である。図７に基づいて、測距センサ１０ｄの構成について説明する。この測距センサ１０ｄは、超音波を送受信することによって非接触で対象物までの距離を測定するものである。また、図７（ａ）が測距センサ１０ｄの縦断面図を、図７（ｂ）が測距センサ１０ｄの平面図をそれぞれ示している。なお、実施の形態５では実施の形態１〜実施の形態４との相違点を中心に説明し、実施の形態１〜実施の形態４と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
【００４４】
この測距センサ１０ｄは、実施の形態１に係る測距センサ１０のダンピング材１６、実施の形態２に係る測距センサ１０ａのダンピング材１６ａの二つを適用して構成されていることを特徴としている。つまり、ダンピング材１６が共振板１４からの発信信号及びコーン部１５で受信する反射信号の双方の１次振動モード波を部分的かつ強制的に抑制し、ダンピング材１６ａがコーン部１５の分割振動を効果的に抑制するようになっているのである。したがって、測距センサ１０ｄは、実施の形態１に係る測距センサ１０及び実施の形態２に係る測距センサ１０ａの有する効果を全部有している。
【００４５】
実施の形態６.
図８は、測距センサ１０にホーン部３０を装着した状態を説明するための説明図である。図８に基づいて、ホーン部３０が装着された測距センサ１０について説明する。また、図８（ａ）が測距センサ１０にホーン部３０が装着された状態の縦断面を示す縦断面図を、図８（ｂ）が測距センサ１０にホーン部３０が装着され上から見た状態を示す平面図をそれぞれ示している。なお、ここでは、測距センサ１０にホーン部３０が装着されている場合を例に説明するが、これに限定するものではなく、測距センサ１０ａ〜測距センサ１０ｄのいずれかにホーン部３０を装着してもよい。
【００４６】
ホーン部３０は、円筒状に構成されており（図８（ｂ））、上下を開口することで内部に音響通路３３を形成するようになっている。この音響通路３３は、徐々に縮径されるようにして形成されている。具体的には、ホーン部３０の外壁の肉厚を、測距センサ１０が設置される側（図８（ｂ）下側）に開口形成されているセンサ装着部３２から、測距センサ１０が設置される側とは反対側（図８（ａ）上側）に開口形成されている音響通路開口部３１に向かって所定の距離まではほぼ同じ厚さにし、音響通路開口部３１に近づくにつれ徐々に薄くなるように構成する。
【００４７】
音響通路３３内の音響通路開口部３１からセンサ装着部３２までの空気圧は一定であり、共振板１４には空気負荷がかかっている状態になっている。そして、共振板１４が振動すると、音響通路３３内の空気をホーン部３０の外部に押し出すことになる。また、この空気は、共振板１４で発生する音波の粗密波と一致して、音響通路３３内の空気を一挙に音響通路開口部３１から集中放射することになる。さらに、音響通路３３の長さを１次振動モード波の波長と一致するように構成すれば、音響通路３３の共鳴周波数とも一致させることができ、音響通路開口部３１から大きな音響レベルを有する音波を放射することができる。なお、音響通路３３は、対象物で反射された反射信号をコーン部１５に導くための通路としての機能も果たす。
【００４８】
そして、測距センサ１０の支持部１１にホーン部３０のセンサ装着部３２が組み合わされて、測距センサ１０にホーン部３０が装着されるようになっている。つまり、測距センサ１０の支持部１１でホーン部３０のセンサ装着部３２を塞ぎ、音響通路３３内の空気を測距センサ１０側に漏れないようして測距センサ１０にホーン部３０が装着されているのである。なお、測距センサ１０とホーン部３０との密着性を向上させるために、支持部１１とセンサ装着部３２との接合面にエポキシ樹脂等の接着剤を使用するとよい。
【００４９】
以上のように、測距センサ１０にホーン部３０を装着することによって、対象物に向けて放射する音波（発信信号）の音響レベルを大きくすることができる。したがって、反射信号Ｓ３の受信及び増幅を確実に実行可能できるとともに、発信信号Ｓ２の音響レベルを大きくすることができるので、測距センサ１０の感度を更に向上させることができる。したがって、測距センサ１０は、近接位置にある対象物をより効果的に測定することができる。
【００５０】
なお、測距センサ１０ａ〜測距センサ１０ｄのいずれかにホーン部３０を装着しても同様に、各測距センサの感度を更に向上させることができる。また、ホーン部３０の音響通路３３が徐々に縮径されるようにして形成されている場合を例に説明したが、これに限定するものではない。たとえば、ホーン部３０の音響通路３３を徐々に縮径せず、音響通路開口部３１からセンサ装着部３２までの通路断面積が同一となるようにしてホーン部３０を構成してもよい。
【００５１】
実施の形態７．
図９は、測距センサ１０が搭載されたショーケース５０の全体構成を示す概略構成図である。図９に基づいて、測距センサ１０をショーケース５０に適用した場合について説明する。このショーケース５０は、コンビニエンスストアや、スーパーマーケット等の店舗に設置され、食品や飲料等を載置するものである。なお、ここでは、測距センサ１０がショーケース５０に搭載されている場合を例に説明するが、これに限定するものではなく、測距センサ１０ａ〜測距センサ１０ｄのいずれをショーケース５０に搭載してもよい。
【００５２】
図９に示すように、ショーケース５０は、熱交換器５１と、この熱交換器５１から発生するドレン水５５を集めて下方に流下するドレン管５２と、このドレン管５２から流下したドレン水５５を貯留するドレンタンク５３とで構成されている。そして、測距センサ１０は、ホーン部３０が装着され、ドレンタンク５３の上面の開口部の上方に取り付けられるようになっている。また、測距センサ１０は、測距センサ１０に装着されたホーン部３０の音響通路開口部３１がドレンタンク５３内の水面を向くように配置されている。なお、波線は測距センサ１０から送信された超音波（発信信号）と水面で反射された反射波（反射信号）を示している。
【００５３】
すなわち、測距センサ１０は、ドレンタンク５３内に貯留されるドレン水５５の水位を検出するための水位検出装置として機能しているのである。この場合、対象物がドレンタンク５３内に貯留されるドレン水５５の水面であり、測距センサ１０から水面までの距離、つまり水位を検出するようになっている。測距センサ１０は、上述したように近接距離を測定することができるので、このような形態で利用することができるのである。なお、ショーケース５０に１つの測距センサ１０を搭載した場合を例に説明したが、これに限定するものではなく、複数個の測距センサ１０を搭載してもよい。また、測距センサ１０〜測距センサ１０ｄのいずれかを組み合わせて搭載してもよい。
【００５４】
この実施の形態７では、測距センサ１０をショーケース５０に搭載した場合を例に説明したが、これに限定するものではなく、空気調和装置等の設備機器に搭載してもよい。つまり、近接距離の検出を目的とする設備機器であれば搭載することができるのである。たとえば、掃除機の本体や吸込口体に測距センサ１０を搭載して掃除する室内にある障害物までの距離を検出するようにしたり、自動車のバンパーに測距センサ１０を搭載して壁やガードレールまでの距離を検出したりすることも可能である。なお、測距センサ１０ａ〜測距センサ１０ｄのいずれかを搭載してもよい。また、ホーン部３０を装着しない状態で測距センサのみを搭載してもよい。
【００５５】
各実施の形態では、ＰＺＴ振動子１３を例として説明したが、これに限定するものではない。たとえば、セラミック型の圧電素子や高分子型の圧電素子等の圧電素子であってもよい。また、実施の形態６に係るホーン部３０が円筒状に構成されている場合を例に説明したが、これに限定するものではない。たとえば、ホーン部３０を角柱状に構成し、音響通路３３を円柱状にくり抜くようにしてもよい。また、この場合には、支持部１１もホーン部３０の形状に応じた形状とするとよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】実施の形態１に係る測距センサの概略構成を示す概略構成図である。
【図２】測距センサの信号処理の概要を説明するための説明図である。
【図３】送信波形及び受信波形を説明するための説明図である。
【図４】実施の形態２に係る測距センサの概略構成を示す概略構成図である。
【図５】実施の形態３に係る測距センサの概略構成を示す概略構成図である。
【図６】実施の形態４に係る測距センサの概略構成を示す概略構成図である。
【図７】実施の形態５に係る測距センサの概略構成を示す概略構成図である。
【図８】測距センサにホーン部を装着した状態を説明するための説明図である。
【図９】測距センサが搭載されたショーケースの全体構成を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 測距センサ、１０ａ 測距センサ、１０ｂ 測距センサ、１０ｃ 測距センサ、１０ｄ 測距センサ、１１ 支持部、１２ 台座、１３ ＰＺＴ振動子、１４ 共振板、１５ コーン部、１６ ダンピング材、１６ａ ダンピング材、１６ｂ ダンピング材、１７ 正電極端子部、１８ 負電極端子部、２０ 送信回路部、２１ 受信回路部、２２ 演算処理回路部、３０ ホーン部、３１ 音響通路開口部、３２ センサ装着部、３３ 音響通路、５０ ショーケース、５１ 熱交換器、５２ ドレン管、５３ ドレンタンク、５５ ドレン水。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の送受信によって非接触で対象物までの距離を測定する測距センサ及びそれを備えた設備機器に関し、特に近距離を確実に測定することのできる測距センサ及び設備機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から圧電素子であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を利用した非接触の測距センサ（超音波センサ）が知られている。このような測距センサは、ＰＺＴ振動子にパルス信号を加えることでＰＺＴ振動子を発振させ、発信信号を空中に放射し、対象物からの反射信号（受信信号）を受信し、発信信号の送信時刻と受信信号の受信時刻との時間差を利用することで、対象物との距離を測定するようになっている。また、このような測距センサは、ＰＺＴ振動子とＰＺＴ振動子に固着して共振させる共振金属板（アルミや鋼板等）の１次共振を利用することを基本としていた。
【０００３】
そのようなものとして、ＰＺＴ振動子を発振させることによって発生する信号を空中に放射する送信部と、空中に放射された信号が対象物で反射した反射信号を受信する受信部とを同じ位置に配置するとともに、反射鏡を用いて送信部から反射面（水面）までの距離を伸ばすことで、反射波が受信部に到達するまでに送信部からの信号波を十分減衰させるようにした技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。なお、ＰＺＴ振動子の共振周波数は４０ｋＨｚ程度であり、超音波領域の周波数を放射（発振）するようになっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−５９７６５号公報（第５ページ、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の測距センサでは、ＰＺＴ振動子の共振周波数における鋭度が鋭く、その結果としてＰＺＴ振動子の振動の減衰が遅れてしまう。したがって、ＰＺＴ振動子から発信される発信信号の残留成分がかなり長い間（数十μ〜数百μ秒間）続くため、受信信号が受信部に到達するときにおいても発信信号の残留成分（いわゆる、尾引き）が送信部から放射され、この残留成分がマスクとなってしまい、対象物までの距離が検出不可能になるという問題があった。この問題は、対象物との距離が近い、つまり近接距離の場合において特に顕著であった。
【０００６】
特許文献１に開示された水位検出装置では、反射鏡を利用し、送信部から対象物（水面）までの距離を伸ばすようにして、近接距離においても対象物との距離を測定できるようにしていた。しかしながら、受信信号が正確かつ確実に受信部に入射するように反射鏡を設置しなければならず、それに伴い反射鏡の角度調整に高い精度が要求されることになり、多くの手間、費用及び時間を要しなければならないという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題を解決するためになされたもので、発信信号及び受信信号の１次振動モード波を部分的かつ強制的に抑制し、受信信号を確実に受信、増幅し、近接距離にある対象物までの距離を正確に測定できるようにした測距センサ及びそれを備えた設備機器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る測距センサは、圧電素子で構成された振動子と、前記振動子の前記台座と反対側に取り付けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波である発信信号を対象物に向けて発射する共振板と、前記共振板の前記振動子側とは反対側に取り付けられ、前記対象物で反射された反射信号を受信し、増幅するコーン部と、前記発信信号及び前記反射信号の１次振動モード波を部分的かつ強制的に抑制するダンピング材とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る測距センサは、圧電素子で構成された振動子と、前記振動子の前記台座と反対側に取り付けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波である発信信号を対象物に向けて発射する共振板と、前記共振板の前記振動子側とは反対側に取り付けられ、前記対象物で反射された反射信号を受信し、増幅するコーン部と、前記コーン部の分割振動を抑制するダンピング材とを備え、前記ダンピング材を、前記コーン部の周縁であって前記コーン部の振動モードのモード分布に対応した位置に設けたことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る測距センサは、圧電素子で構成された振動子と、前記振動子の前記台座と反対側に取り付けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波である発信信号を対象物に向けて発射する共振板と、前記共振板の前記振動子側とは反対側に取り付けられ、前記対象物で反射された反射信号を受信し、増幅するコーン部と、前記コーン部の前記共振板側とは反対側の周縁全体に設けられ、前記コーン部の振動を抑制するダンピング材とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る測距センサは、上記のダンピング材を組み合わせて設けたことを特徴とする。さらに、本発明に係る設備機器は、上記の測距センサを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る測距センサは、発信信号及び反射信号の１次振動モード波を部分的かつ強制的に抑制するダンピング材を設けたので、発信信号（送信信号）及び反射信号（受信信号）双方の残留成分を早期に減衰させることができる。したがって、送信信号及び受信信号の打ち合わせを効果的に抑制することができるとともに、発振信号と反射信号との区別を容易にし、反射信号の受信及び増幅を確実に実行でき、近接位置にある対象物をより効果的に測定することができる。
【００１３】
本発明に係る測距センサは、ダンピング材を、コーン部の周縁であってコーン部の振動モードのモード分布に対応した位置に設けたので、コーン部で発生する分割振動をより効果的に抑制できる。すなわち、コーン部の機能である反射信号の受信及び増幅を確実、安定的に実行できる。したがって、反射信号を確実に電気信号に変換でき、近接位置にある対象物をより正確に測定することができる。
【００１４】
本発明に係る測距センサは、コーン部の振動を抑制するためのダンピング材をコーン部の共振板側とは反対側の周縁全体に設けたので、分割振動によるモード分布を予め測定しなくて済み、それに要していた手間を軽減することができる。また、コーン部全体の振動をより効果的に抑制できるので、コーン部の機能である反射信号の受信及び増幅を確実、安定的に実行できる。
【００１５】
また、本発明に係る測距センサは、上記のダンピング材を組み合わせて設けたので、各ダンピング材を設けたことによる効果を全部有することになる。さらに、本発明に係る設備機器は、上記の測距センサを備えているので、各測距センサの効果を全部有することになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る測距センサ１０の概略構成を示す概略構成図である。図１に基づいて、測距センサ１０の構成について説明する。この測距センサ１０は、超音波を送受信することによって非接触で対象物までの距離を測定するものである。また、図１（ａ）が測距センサ１０の縦断面図を、図１（ｂ）が測距センサ１０の平面図をそれぞれ示している。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、測距センサ１０は、支持部１１と、台座１２と、ＰＺＴ振動子１３と、共振板１４と、コーン部１５とが順に積層されて構成されている。支持部１１は、測距センサ１０が収容される設備機器の筐体等に測距センサ１０を取り付けるためのものである。この支持部１１は、図１（ｂ）に示すように上から見ると円形状となっている。台座１２は、支持部１１に取り付けられており、ＰＺＴ振動子１３を固定するためのものである。
【００１８】
ＰＺＴ振動子１３は、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子であり、正電極端子部１７及び負電極端子部１８を介してパルス電圧が加えられ、発振するようになっている。つまり、ＰＺＴ振動子１３は、円形状で構成されており、パルス電圧が印加されることによって、所定の周波数範囲（一般的に４０ｋＨｚ前後）の音波（超音波）を発振する機能を有しているのである。なお、図１では、正電極端子部１７及び負電極端子部１８が、支持部１１及び台座１２を貫通し、ＰＺＴ振動子１３に接続されるようになっている場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、支持部１１及び台座１２を貫通しなくてもＰＺＴ振動子１３に接続されていればよい。
【００１９】
共振板１４は、ＰＺＴ振動子１３に取り付けられており、ＰＺＴ振動子１３の発振によって発信信号を作り出す機能を有している。この発信信号は、図１（ｂ）に示すように円形状に形成されている共振板１４の中心部に対応する「腹」、周縁部に対応する「節」を有した形状となっている。また、共振板１４には、ダンピング材１６が設けられている。このダンピング材１６は、共振板１４から発信される共振波である発信信号の１次振動モード波を部分的かつ強制的に抑制する機能を有している。すなわち、ダンピング材１６を設けることによって、共振板１４の振動を吸収し、発信信号の１次振動モード波の振幅を減少させ、発振信号の残留成分を抑制することが可能になっている。
【００２０】
コーン部１５は、対象物からの反射信号を受信し、増幅する機能を有している。このコーン部１５の縦断面形状は略等脚台形状となっており、共振板１４側が短辺を構成している。また、コーン部１５は、ダンピング材１６によって支持されるようになっている。こうすることによって、コーン部１５の振動もダンピング材１６によって吸収することが可能になっている。つまり、ダンピング材１６は、コーン部１５で受信される反射信号の１次振動モード波も部分的かつ強制的に抑制する機能を有している。
【００２１】
更に言えば、ダンピング材１６により、共振板１４及びコーン部１５の双方の振動を吸収し、発信信号及び反射信号の１次振動モード波を部分的かつ強制的に抑制でき、それに伴って１次振動モード波の震幅を減少させ、発信信号及び反射信号の残留成分を抑制することが可能になっている。このダンピング材１６は、コーン部１５の共振板１４側（図下側）の周縁と共振板１４との間に形成される空間に配置され、共振板１４及びコーン部１５に接触し、発信信号及び反射信号の１次振動モード波を抑制するようになっている。
【００２２】
図１（ｂ）に示すように、ダンピング材１６は、円環状で構成されている。こうすることによって、発振信号の主要な１次振動モード波の残留成分（いわゆる尾の部分）の発生を効率的に抑制することができるからである。つまり、ダンピング材１６を円環状で構成すれば、１次振動モード波の「中腹部」を抑えるのに最適だからである。また、ダンピング材１６を構成する材料を特に限定するものではなく、共振板１４及びコーン部１５に接触し、双方の振動を抑制できる材料で構成するとよい。たとえば、接着性のあるエポキシ樹脂やシリコンゴム等のような弾性体でダンピング材１６を構成するとよい。
【００２３】
図２は、測距センサ１０の信号処理の概要を説明するための説明図である。図２に基づいて、測距センサ１０の信号処理について説明する。まず、送信回路部（パルス発振部）２０からパルス電圧を周期的に繰り返し発信させ、正電極端子部１７及び負電極端子部１８を介してＰＺＴ振動子１３に加える（図２で示す矢印Ａ）。そうすると、ＰＺＴ振動子１３は、所定の周波数範囲の音波を発振する。ＰＺＴ振動子１３の発振によって共振板１４が発信信号（送信信号）を対象物に向けて放射する。
【００２４】
発振信号が対象物で反射した反射信号（受信信号）は、コーン部１５で受信される。この受信信号は、コーン部１５で増幅され、受信回路部２１に入力される（図２で示す矢印Ｂ）。この受信回路部２１は、受信信号をフィルタをかけてノイズを取り、更に増幅を行った上で、波高値、入射時間を計測する。受信回路部２１で計測された値は、演算処理回路部２２に送られる（図２で示す矢印Ｃ）。そして、演算処理回路部２２は、送信時間と入射時間から対象物までの距離を算出する。なお、演算処理回路部２２は、送信回路部２１に周期的にパルス電圧を発信させるようになっている（図２で示す矢印Ｄ）。
【００２５】
図３は、発振信号の波形（送信波形）及び反射信号の波形（受信波形）を説明するための説明図である。図３に基づいて、送信波形及び受信波形について図２を参照しながら説明する。なお、図３には、実施の形態１に係る測距センサ１０の送信波形及び受信波形（図３（ｂ））の他に、ＰＺＴ振動子１３に加えられるパルスの波形（図３（ａ））と、ダンピング材１６を設けていない場合の送信波形及び受信波形（図３（ｃ））とを併せて示している。また、この図３では、横軸は時間を示している。
【００２６】
送信回路部２０から発信されたパルス電圧Ｓ１がＰＺＴ振動子１３に加えられると、ＰＺＴ振動子１３が発振して、共振板１４から送信信号Ｓ２が対象物に向けて放射される。なお、共振板１４は、ダンピング材１６によって強制的に振動が抑制されており、作り出される発振信号Ｓ２も残留成分の抑制されたものとなっている。すなわち、図３に示すように、ダンピング材１６を設けていない場合の発振信号Ｓ２’の波形は、時間の経過とともに振幅は小さくなるものの尾の部分が残留成分となってしまうが、測距センサ１０ではダンピング材１６を設けているので、残留成分を効率的に抑制することができるのである。
【００２７】
発振信号Ｓ２は、対象物で反射し反射信号Ｓ３となってＴ時間経過にコーン部１５で受信される。また、コーン部１５もダンピング材１６によって強制的に振動が抑制されているので、反射信号Ｓ３も残留成分の抑制されたものとなっている。また、コーン部１５は、ダンピング材１６によって、上下方向にのみ振動するようになっており、反射信号Ｓ３を確実に増幅できるようになっている。そして、演算処理回路部２２は、発振信号Ｓ２が放射されてから反射信号Ｓ３を受信するまでに要した時間Ｔにより対象物までの距離を測定する。
【００２８】
なお、ダンピング材１６を設けていない場合には、共振板１４から残留成分の抑制されていない発振信号Ｓ２’が放射されることになる。そのために、反射信号Ｓ３’を受信した時点においても発振信号Ｓ２’が十分に減衰されておらず、その残留成分に反射信号Ｓ３’が混在してしまい、反射信号Ｓ３’が特定できなかった。また、反射信号Ｓ３’も減衰されておらず、発振信号Ｓ２’と反射信号Ｓ３’との区別もできなかった。したがって、近接位置にある対象物を測定することが困難であった。
【００２９】
そこで、測距センサ１０は、ダンピング材１６を設けることにより、共振板１４及びコーン部１５の振動を強制的に抑制するようにしている。すなわち、ダンピング材１６によって発振信号Ｓ２及び反射信号Ｓ３双方の残留成分を効果的に抑制し、発振信号Ｓ２と反射信号Ｓ３との区別を容易にし、反射信号Ｓ３の受信及び増幅を確実に実行できるようにしているのである。したがって、測距センサ１０は、近接位置にある対象物をより効果的に測定することができる。
【００３０】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る測距センサ１０ａの概略構成を示す概略構成図である。図４に基づいて、測距センサ１０ａの構成について説明する。この測距センサ１０ａは、超音波を送受信することによって非接触で対象物までの距離を測定するものである。また、図４（ａ）が測距センサ１０ａの縦断面図を、図４（ｂ）が測距センサ１０ａの平面図をそれぞれ示している。なお、実施の形態２では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
【００３１】
この測距センサ１０ａは、ダンピング材１６ａの構成が測距センサ１０のダンピング材１６の構成と異なっている点で測距センサ１０と相違している。つまり、測距センサ１０ａのダンピング材１６ａは、円環状ではなく、コーン部１５の共振板１４側とは反対側（図上側）の周縁端部の複数位置でコーン部１５を支持し、各位置で共振板１４に接触するようなブリッジ構造を特徴としている。ここでは、ダンピング材１６ａが４箇所でコーン部１５を支持している場合を例に示している（図４（ｂ））。
【００３２】
コーン部１５は、上述したように反射信号を受信し、その反射信号を増幅する機能を有するため、コーン部１５が分割振動してしまう場合が生じる。コーン部１５が分割振動すると、コーン部１５に位相差が生じる（図４（ｂ）の＋、−）。この位相差によって、反射信号の打ち消し現象が発生し、反射信号を確実に増幅することができなくなってしまう（つまり、反射信号が劣化してしまう）。そこで、振動モードのモード分布を予め測定し、分割振動の位相が変化する位置（つまり、振動モードの「節」となる位置）にダンピング材１６ａを設けるようにしている。
【００３３】
図４（ｂ）に示すように、コーン部１５は、上から見ると円形状となっており、コーン部１５での振動が４分割している場合の位相の変化を＋、−で表している。また、波線で振動モードの「節」を表している。この測距センサ１０ａは、コーン部１５の分割振動によって位相が変化する位置、つまり振動モードの「節」となるコーン部１５の４箇所にダンピング材１６ａを設けて、コーン部１５が分割振動してしまうことを防止しているのである。
【００３４】
特に、２分割や４分割等の偶数の分割振動がコーン部１５で発生した場合に、反射信号の打ち消し現象が発生し、反射信号を確実に増幅することができなくなってしまう。したがって、偶数分割してしまう振動モードのモード分布から、コーン部１５の位相が変化する複数位置にダンピング材１６ａを設けるのが望ましい（図４（ｂ）では４箇所）。なお、３分割等の奇数分割の場合には、打ち消し現象が発生しない。また、ダンピング材１６ａを４箇所に設ける場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、コーン部１５の位相が変化する偶数箇所にダンピング材１６ａを設ければよい。
【００３５】
実施の形態２に係る測距センサ１０ａは、ブリッジ構造のダンピング材１６ａをコーン部１５の共振板１４側とは反対側の周縁端部で分割振動の位相が変化する複数位置に設けることにより、コーン部１５の分割振動を強制的に抑制するようにしている。すなわち、ダンピング材１６ａによって、反射信号Ｓ３の受信及び増幅を確実、安定的に実行できるようにしているのである（図３参照）。したがって、測距センサ１０ａは、近接位置にある対象物をより正確に測定することができる。
【００３６】
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る測距センサ１０ｂの概略構成を示す概略構成図である。図５に基づいて、測距センサ１０ｂの構成について説明する。この測距センサ１０ｂは、超音波を送受信することによって非接触で対象物までの距離を測定するものである。また、図５（ａ）が測距センサ１０ｂの縦断面図を、図５（ｂ）が測距センサ１０ｂの平面図をそれぞれ示している。なお、実施の形態３では実施の形態１及び実施の形態２との相違点を中心に説明し、実施の形態１及び実施の形態２と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
【００３７】
この測距センサ１０ｂは、ダンピング材１６ｂの構成が測距センサ１０のダンピング材１６や測距センサ１０ａのダンピング材１６ａの構成と異なっている点で測距センサ１０及び測距センサ１０ａと相違している。この測距センサ１０ｂのダンピング材１６ｂは、コーン部１５の共振板１４側とは反対側（図上側）の周縁端部を一周するような円環状で構成されていることを特徴としている（図５（ｂ））。すなわち、ダンピング材１６ｂは、コーン部１５の上端周縁部（エッジ部分）のみに接触するように構成されているのである。
【００３８】
コーン部１５は、特に共振板１４側とは反対側の周縁部分で分割振動が発生し易い。コーン部１５の周縁端部が分割振動してしまうと、反射信号を確実に増幅することができなくなってしまう（つまり、反射信号が劣化してしまう）。そこで、測距センサ１０ｂは、コーン部１５の共振板１４側とは反対側の周縁端部の全体にダンピング材１６ｂを設けるようにしている。実施の形態２に係る測距センサ１０ａのダンピング材１６ａは、分割振動のモード分布の測定結果に基づいて設置箇所を決定していたが、実施の形態３に係る測距センサ１０ｂのダンピング材１６ａは、コーン部１５の周縁全体に設置するために分割振動のモード分布を測定しなくてもよい。
【００３９】
したがって、コーン部１５で発生する分割振動の振動モードを予め測定する手間を省くことがでるとともに、コーン部１５で発生する分割振動を更に効果的に抑制することができる。なお、ダンピング材１６ｂは、ダンピング材１６及びダンピング材１６ａのように共振板１４には接触していない。ただし、コーン部１５の周縁全体にダンピング材１６ｂを一周分設けるので、このダンピング材１６ｂの重さによって共振板１４からの発信信号を抑制することができる。
【００４０】
実施の形態３に係る測距センサ１０ｂは、ダンピング材１６ｂをコーン部１５の共振板１４側とは反対側の周縁全体に設けることにより、コーン部１５の振動を強制的に抑制するようにしている。したがって、コーン部１５の振動モードのモード分布を予め測定しなくて済み、それに要していた手間を軽減することができる。すなわち、ダンピング材１６ｂによって、反射信号Ｓ３の受信及び増幅を確実に実行できるようにしているのである（図３参照）。したがって、測距センサ１０ｂは、近接位置にある対象物をより正確に測定することができる。
【００４１】
実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る測距センサ１０ｃの概略構成を示す概略構成図である。図６に基づいて、測距センサ１０ｃの構成について説明する。この測距センサ１０ｃは、超音波を送受信することによって非接触で対象物までの距離を測定するものである。また、図６（ａ）が測距センサ１０ｃの縦断面図を、図６（ｂ）が測距センサ１０ｃの平面図をそれぞれ示している。なお、実施の形態４では実施の形態１〜実施の形態３との相違点を中心に説明し、実施の形態１〜実施の形態３と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
【００４２】
この測距センサ１０ｃは、実施の形態１に係る測距センサ１０のダンピング材１６、実施の形態３に係る測距センサ１０ｂのダンピング材１６ｂの二つを適用して構成されていることを特徴としている。つまり、ダンピング材１６が共振板１４とコーン部１５との双方の振動を強制的に抑制し、ダンピング材１６ｂがコーン部１５の分割振動を効果的に抑制するようになっているのである。したがって、測距センサ１０ｃは、実施の形態１に係る測距センサ１０及び実施の形態３に係る測距センサ１０ｂの有する効果を全部有している。
【００４３】
実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る測距センサ１０ｄの概略構成を示す概略構成図である。図７に基づいて、測距センサ１０ｄの構成について説明する。この測距センサ１０ｄは、超音波を送受信することによって非接触で対象物までの距離を測定するものである。また、図７（ａ）が測距センサ１０ｄの縦断面図を、図７（ｂ）が測距センサ１０ｄの平面図をそれぞれ示している。なお、実施の形態５では実施の形態１〜実施の形態４との相違点を中心に説明し、実施の形態１〜実施の形態４と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
【００４４】
この測距センサ１０ｄは、実施の形態１に係る測距センサ１０のダンピング材１６、実施の形態２に係る測距センサ１０ａのダンピング材１６ａの二つを適用して構成されていることを特徴としている。つまり、ダンピング材１６が共振板１４からの発信信号及びコーン部１５で受信する反射信号の双方の１次振動モード波を部分的かつ強制的に抑制し、ダンピング材１６ａがコーン部１５の分割振動を効果的に抑制するようになっているのである。したがって、測距センサ１０ｄは、実施の形態１に係る測距センサ１０及び実施の形態２に係る測距センサ１０ａの有する効果を全部有している。
【００４５】
実施の形態６.
図８は、測距センサ１０にホーン部３０を装着した状態を説明するための説明図である。図８に基づいて、ホーン部３０が装着された測距センサ１０について説明する。また、図８（ａ）が測距センサ１０にホーン部３０が装着された状態の縦断面を示す縦断面図を、図８（ｂ）が測距センサ１０にホーン部３０が装着され上から見た状態を示す平面図をそれぞれ示している。なお、ここでは、測距センサ１０にホーン部３０が装着されている場合を例に説明するが、これに限定するものではなく、測距センサ１０ａ〜測距センサ１０ｄのいずれかにホーン部３０を装着してもよい。
【００４６】
ホーン部３０は、円筒状に構成されており（図８（ｂ））、上下を開口することで内部に音響通路３３を形成するようになっている。この音響通路３３は、徐々に縮径されるようにして形成されている。具体的には、ホーン部３０の外壁の肉厚を、測距センサ１０が設置される側（図８（ｂ）下側）に開口形成されているセンサ装着部３２から、測距センサ１０が設置される側とは反対側（図８（ａ）上側）に開口形成されている音響通路開口部３１に向かって所定の距離まではほぼ同じ厚さにし、音響通路開口部３１に近づくにつれ徐々に薄くなるように構成する。
【００４７】
音響通路３３内の音響通路開口部３１からセンサ装着部３２までの空気圧は一定であり、共振板１４には空気負荷がかかっている状態になっている。そして、共振板１４が振動すると、音響通路３３内の空気をホーン部３０の外部に押し出すことになる。また、この空気は、共振板１４で発生する音波の粗密波と一致して、音響通路３３内の空気を一挙に音響通路開口部３１から集中放射することになる。さらに、音響通路３３の長さを１次振動モード波の波長と一致するように構成すれば、音響通路３３の共鳴周波数とも一致させることができ、音響通路開口部３１から大きな音響レベルを有する音波を放射することができる。なお、音響通路３３は、対象物で反射された反射信号をコーン部１５に導くための通路としての機能も果たす。
【００４８】
そして、測距センサ１０の支持部１１にホーン部３０のセンサ装着部３２が組み合わされて、測距センサ１０にホーン部３０が装着されるようになっている。つまり、測距センサ１０の支持部１１でホーン部３０のセンサ装着部３２を塞ぎ、音響通路３３内の空気を測距センサ１０側に漏れないようして測距センサ１０にホーン部３０が装着されているのである。なお、測距センサ１０とホーン部３０との密着性を向上させるために、支持部１１とセンサ装着部３２との接合面にエポキシ樹脂等の接着剤を使用するとよい。
【００４９】
以上のように、測距センサ１０にホーン部３０を装着することによって、対象物に向けて放射する音波（発信信号）の音響レベルを大きくすることができる。したがって、反射信号Ｓ３の受信及び増幅を確実に実行可能できるとともに、発信信号Ｓ２の音響レベルを大きくすることができるので、測距センサ１０の感度を更に向上させることができる。したがって、測距センサ１０は、近接位置にある対象物をより効果的に測定することができる。
【００５０】
なお、測距センサ１０ａ〜測距センサ１０ｄのいずれかにホーン部３０を装着しても同様に、各測距センサの感度を更に向上させることができる。また、ホーン部３０の音響通路３３が徐々に縮径されるようにして形成されている場合を例に説明したが、これに限定するものではない。たとえば、ホーン部３０の音響通路３３を徐々に縮径せず、音響通路開口部３１からセンサ装着部３２までの通路断面積が同一となるようにしてホーン部３０を構成してもよい。
【００５１】
実施の形態７．
図９は、測距センサ１０が搭載されたショーケース５０の全体構成を示す概略構成図である。図９に基づいて、測距センサ１０をショーケース５０に適用した場合について説明する。このショーケース５０は、コンビニエンスストアや、スーパーマーケット等の店舗に設置され、食品や飲料等を載置するものである。なお、ここでは、測距センサ１０がショーケース５０に搭載されている場合を例に説明するが、これに限定するものではなく、測距センサ１０ａ〜測距センサ１０ｄのいずれをショーケース５０に搭載してもよい。
【００５２】
図９に示すように、ショーケース５０は、熱交換器５１と、この熱交換器５１から発生するドレン水５５を集めて下方に流下するドレン管５２と、このドレン管５２から流下したドレン水５５を貯留するドレンタンク５３とで構成されている。そして、測距センサ１０は、ホーン部３０が装着され、ドレンタンク５３の上面の開口部の上方に取り付けられるようになっている。また、測距センサ１０は、測距センサ１０に装着されたホーン部３０の音響通路開口部３１がドレンタンク５３内の水面を向くように配置されている。なお、波線は測距センサ１０から送信された超音波（発信信号）と水面で反射された反射波（反射信号）を示している。
【００５３】
すなわち、測距センサ１０は、ドレンタンク５３内に貯留されるドレン水５５の水位を検出するための水位検出装置として機能しているのである。この場合、対象物がドレンタンク５３内に貯留されるドレン水５５の水面であり、測距センサ１０から水面までの距離、つまり水位を検出するようになっている。測距センサ１０は、上述したように近接距離を測定することができるので、このような形態で利用することができるのである。なお、ショーケース５０に１つの測距センサ１０を搭載した場合を例に説明したが、これに限定するものではなく、複数個の測距センサ１０を搭載してもよい。また、測距センサ１０〜測距センサ１０ｄのいずれかを組み合わせて搭載してもよい。
【００５４】
この実施の形態７では、測距センサ１０をショーケース５０に搭載した場合を例に説明したが、これに限定するものではなく、空気調和装置等の設備機器に搭載してもよい。つまり、近接距離の検出を目的とする設備機器であれば搭載することができるのである。たとえば、掃除機の本体や吸込口体に測距センサ１０を搭載して掃除する室内にある障害物までの距離を検出するようにしたり、自動車のバンパーに測距センサ１０を搭載して壁やガードレールまでの距離を検出したりすることも可能である。なお、測距センサ１０ａ〜測距センサ１０ｄのいずれかを搭載してもよい。また、ホーン部３０を装着しない状態で測距センサのみを搭載してもよい。
【００５５】
各実施の形態では、ＰＺＴ振動子１３を例として説明したが、これに限定するものではない。たとえば、セラミック型の圧電素子や高分子型の圧電素子等の圧電素子であってもよい。また、実施の形態６に係るホーン部３０が円筒状に構成されている場合を例に説明したが、これに限定するものではない。たとえば、ホーン部３０を角柱状に構成し、音響通路３３を円柱状にくり抜くようにしてもよい。また、この場合には、支持部１１もホーン部３０の形状に応じた形状とするとよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】実施の形態１に係る測距センサの概略構成を示す概略構成図である。
【図２】測距センサの信号処理の概要を説明するための説明図である。
【図３】送信波形及び受信波形を説明するための説明図である。
【図４】実施の形態２に係る測距センサの概略構成を示す概略構成図である。
【図５】実施の形態３に係る測距センサの概略構成を示す概略構成図である。
【図６】実施の形態４に係る測距センサの概略構成を示す概略構成図である。
【図７】実施の形態５に係る測距センサの概略構成を示す概略構成図である。
【図８】測距センサにホーン部を装着した状態を説明するための説明図である。
【図９】測距センサが搭載されたショーケースの全体構成を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 測距センサ、１０ａ 測距センサ、１０ｂ 測距センサ、１０ｃ 測距センサ、１０ｄ 測距センサ、１１ 支持部、１２ 台座、１３ ＰＺＴ振動子、１４ 共振板、１５ コーン部、１６ ダンピング材、１６ａ ダンピング材、１６ｂ ダンピング材、１７ 正電極端子部、１８ 負電極端子部、２０ 送信回路部、２１ 受信回路部、２２ 演算処理回路部、３０ ホーン部、３１ 音響通路開口部、３２ センサ装着部、３３ 音響通路、５０ ショーケース、５１ 熱交換器、５２ ドレン管、５３ ドレンタンク、５５ ドレン水。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子で構成された振動子と、
前記振動子の前記台座と反対側に取り付けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波である発信信号を対象物に向けて発射する共振板と、
前記共振板の前記振動子側とは反対側に取り付けられ、前記対象物で反射された反射信号を受信し、増幅するコーン部と、
前記発信信号及び前記反射信号の１次振動モード波を部分的かつ強制的に抑制するダンピング材とを備えた
ことを特徴とする測距センサ。
【請求項２】
前記ダンピング材を円環状で構成し、
前記ダンピング材を、前記コーン部の前記共振板側の周縁と前記共振板との間に形成される空間に設けて前記共振板及び前記コーン部の双方に接触させた
ことを特徴とする請求項１に記載の測距センサ。
【請求項３】
圧電素子で構成された振動子と、
前記振動子の前記台座と反対側に取り付けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波である発信信号を対象物に向けて発射する共振板と、
前記共振板の前記振動子側とは反対側に取り付けられ、前記対象物で反射された反射信号を受信し、増幅するコーン部と、
前記コーン部の分割振動を抑制するダンピング材とを備え、
前記ダンピング材を、
前記コーン部の周縁であって前記コーン部の振動モードのモード分布に対応した位置に設けた
ことを特徴とする測距センサ。
【請求項４】
前記ダンピング材を前記コーン部の周縁と前記共振板とを接触させるブリッジ構造とした
ことを特徴とする請求項３に記載の測距センサ。
【請求項５】
前記ダンピング材を、
前記コーン部が偶数分割した際における振動モードのモード分布に対応した位置に偶数個設けた
ことを特徴とする請求項３または４に記載の測距センサ。
【請求項６】
圧電素子で構成された振動子と、
前記振動子の前記台座と反対側に取り付けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波である発信信号を対象物に向けて発射する共振板と、
前記共振板の前記振動子側とは反対側に取り付けられ、前記対象物で反射された反射信号を受信し、増幅するコーン部と、
前記コーン部の前記共振板側とは反対側の周縁全体に設けられ、前記コーン部の振動を抑制するダンピング材とを備えた
ことを特徴とする測距センサ。
【請求項７】
前記請求項１に記載の前記ダンピング材と、前記請求項３に記載のダンピング材との双方を設けた
ことを特徴とする測距センサ。
【請求項８】
前記請求項１に記載の前記ダンピング材と、前記請求項６に記載のダンピング材との双方を設けた
ことを特徴とする測距センサ。
【請求項９】
前記ダンピング材を弾性体で構成した
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の測距センサ。
【請求項１０】
前記弾性体がエポキシ樹脂またはシリコンゴムである
ことを特徴とする請求項９に記載の測距センサ。
【請求項１１】
前記振動子が、ＰＺＴからなる圧電素子で構成されている
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の測距センサ。
【請求項１２】
前記請求項１〜１１のいずれかに記載の測距センサを備えた
ことを特徴とする設備機器。
【請求項１】
圧電素子で構成された振動子と、
前記振動子の前記台座と反対側に取り付けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波である発信信号を対象物に向けて発射する共振板と、
前記共振板の前記振動子側とは反対側に取り付けられ、前記対象物で反射された反射信号を受信し、増幅するコーン部と、
前記発信信号及び前記反射信号の１次振動モード波を部分的かつ強制的に抑制するダンピング材とを備えた
ことを特徴とする測距センサ。
【請求項２】
前記ダンピング材を円環状で構成し、
前記ダンピング材を、前記コーン部の前記共振板側の周縁と前記共振板との間に形成される空間に設けて前記共振板及び前記コーン部の双方に接触させた
ことを特徴とする請求項１に記載の測距センサ。
【請求項３】
圧電素子で構成された振動子と、
前記振動子の前記台座と反対側に取り付けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波である発信信号を対象物に向けて発射する共振板と、
前記共振板の前記振動子側とは反対側に取り付けられ、前記対象物で反射された反射信号を受信し、増幅するコーン部と、
前記コーン部の分割振動を抑制するダンピング材とを備え、
前記ダンピング材を、
前記コーン部の周縁であって前記コーン部の振動モードのモード分布に対応した位置に設けた
ことを特徴とする測距センサ。
【請求項４】
前記ダンピング材を前記コーン部の周縁と前記共振板とを接触させるブリッジ構造とした
ことを特徴とする請求項３に記載の測距センサ。
【請求項５】
前記ダンピング材を、
前記コーン部が偶数分割した際における振動モードのモード分布に対応した位置に偶数個設けた
ことを特徴とする請求項３または４に記載の測距センサ。
【請求項６】
圧電素子で構成された振動子と、
前記振動子の前記台座と反対側に取り付けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波である発信信号を対象物に向けて発射する共振板と、
前記共振板の前記振動子側とは反対側に取り付けられ、前記対象物で反射された反射信号を受信し、増幅するコーン部と、
前記コーン部の前記共振板側とは反対側の周縁全体に設けられ、前記コーン部の振動を抑制するダンピング材とを備えた
ことを特徴とする測距センサ。
【請求項７】
前記請求項１に記載の前記ダンピング材と、前記請求項３に記載のダンピング材との双方を設けた
ことを特徴とする測距センサ。
【請求項８】
前記請求項１に記載の前記ダンピング材と、前記請求項６に記載のダンピング材との双方を設けた
ことを特徴とする測距センサ。
【請求項９】
前記ダンピング材を弾性体で構成した
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の測距センサ。
【請求項１０】
前記弾性体がエポキシ樹脂またはシリコンゴムである
ことを特徴とする請求項９に記載の測距センサ。
【請求項１１】
前記振動子が、ＰＺＴからなる圧電素子で構成されている
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の測距センサ。
【請求項１２】
前記請求項１〜１１のいずれかに記載の測距センサを備えた
ことを特徴とする設備機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１５１６６６（Ｐ２００８−１５１６６６Ａ）
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４０４５４（Ｐ２００６−３４０４５４）
【出願日】平成１８年１２月１８日（２００６．１２．１８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（０００００４４２２）日本建鐵株式会社 (152)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１８日（２００６．１２．１８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（０００００４４２２）日本建鐵株式会社 (152)
【Ｆターム（参考）】
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