超音波送受放射センサ及び位置検出装置並びに除湿器
【課題】 簡単な構成で効果的にタンク内の水位量等の計測対象を非接触で近距離で検出できることを目的とする。
【解決手段】 本発明の超音波送受放射センサ２は、開口を有するケーシング２１と、ケーシング内に設けられたエッジ部固定部２２に両端が固定され、一つ以上の半円弧状の凸面２０ａを有する自己振動による収束時間が早い振動膜２０とを備え、振動膜２０の両面への交流電圧の印加により伸縮動作を行って凸面の半径寸法に相当する超音波を放射し、超音波を受けると振動膜２０に交流電圧を発生させるようにしたので、振動膜２０の振動により送信された超音波に反射された超音波が埋もれることがなく、非接触で非常に近距離の計測対象を簡単な構成で、容易且つ低コストで計測することができる。
【解決手段】 本発明の超音波送受放射センサ２は、開口を有するケーシング２１と、ケーシング内に設けられたエッジ部固定部２２に両端が固定され、一つ以上の半円弧状の凸面２０ａを有する自己振動による収束時間が早い振動膜２０とを備え、振動膜２０の両面への交流電圧の印加により伸縮動作を行って凸面の半径寸法に相当する超音波を放射し、超音波を受けると振動膜２０に交流電圧を発生させるようにしたので、振動膜２０の振動により送信された超音波に反射された超音波が埋もれることがなく、非接触で非常に近距離の計測対象を簡単な構成で、容易且つ低コストで計測することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いた超音波送受放射センサ及び位置検出装置並びに除湿器に係り、特に、タンク内の水位等の計測対象を非接触で近距離で検出するためのものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のタンク水量測定装置は、超音波を放射する超音波振動子の前面に反射鏡を設置し、超音波振動子から放射した超音波信号を前記反射鏡に一度放射して、反射鏡で反射鏡下面のタンク内の水面に間接放射させ、且つ水面で反射した超音波信号を再び反射鏡で反射させて超音波振動子に帰還させて超音波振動子を振動させることで、超音波信号の放射から帰還するまでの時間を計測することにより、タンク内の水位位置を測定するものであった（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−５９７６５号公報（第１頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来のタンク水量測定装置は、水量測定するために用いていた超音波を放射する超音波振動子が電気−機械系の高いＱ特性で定まる固有振動数の超音波信号を発生するものであり、自己振動時間（自励振動）が長いために超音波放射後の自励振動が直ちに収束せずに、超音波振動子から放射した超音波信号が水面で反射してきた場合に、自励振動の中に帰還振動による信号が埋もれてしまうため、反射信号を精度良く検出することができないという問題があった。
【０００４】
また、反射鏡で若干時間差を作ることで自励振動が収束した後に反射波を検出するようにしたとしても、空気中に放射された音波は音響減衰するために、反射鏡を設置した場合には超音波信号の放射（送信信号）から帰還距離（受信信号）が長くなるために、音響減衰による超音波信号の劣化や超音波信号が外来ノイズ等の影響を受ける等の問題もあった。
更に、水面が斜めになった場合等には、水面で超音波が乱反射するために、反射鏡に超音波信号が戻らず、正確な水位量の測定ができなくなるという問題もあった。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決し、簡単な構成で効果的にタンク内の水位量等の計測対象を非接触で近距離で検出できる超音波送受放射センサ及び位置検出装置並びに除湿器の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る超音波送受放射センサは、開口を有するケーシングと、ケーシング内に設けられたエッジ部固定部に両端が固定され、一つ以上の半円弧状の凸面又は凹面を有する自己振動による収束時間が早い振動膜とを備え、前記振動膜の両面への交流電圧又はパルス状の電圧の印加により伸縮動作を行って前記凸面又は凹面の半径寸法に相当する超音波を放射し、超音波を受けると該振動膜に交流電圧又はパルス状の電圧を発生させるようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る超音波送受放射センサによれば、開口を有するケーシング内に設けられたエッジ部固定部に両端が固定され、一つ以上の半円弧状の凸面又は凹面を有する自己振動による収束時間が早い振動膜は、その両面への交流電圧又はパルス状の電圧の印加により伸縮動作を行って前記凸面又は凹面の半径寸法に相当する超音波を放射し、超音波を受けると該振動膜に交流電圧又はパルス状の電圧を発生させるようにしたので、振動膜の振動により送信された超音波に反射された超音波が埋もれることがなく、非接触で非常に近距離の計測対象を簡単な構成で、容易且つ低コストで計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る位置検出装置を適用した除湿器の前側断面図、図２は同位置検出装置を適用した除湿器の水タンクの拡大断面図、図３は同位置検出装置の回路構成を示すブロック図、図４は同位置検出装置の超音波送受放射センサの構成を示す平面図、図５は同位置検出装置の超音波送受放射センサの構成を示す断面図、図６は同位置検出装置の超音波送受放射センサの送信及び受信波形例を示す波形図、図７は本発明の位置検出装置の超音波送受放射センサと従来のタンク水量測定装置の超音波振動子の送信及び受信波形をそれぞれ示す比較波形図である。
【０００９】
図１〜図２において、位置検知装置１を搭載した除湿機１０は、本体上部に熱交換器１１を、本体下部に水タンク１２を備えている。
この除湿機１０は、熱交換器１１で空気中の水分を吸収し、吸収された水分はドレン部１３を伝わって、水タンク１２内に集められる。水タンク１２を除湿機１０の本体から引き抜くことで水タンク１２に溜まった水分は外部に捨てることができる。
水タンク１２を受け止める除湿機１０の下面１４には前側から後側に延びる凸部１５が形成されており、水タンク１２の下面には前側から後側に延びる凹部１６が形成されている。
【００１０】
除湿機１０の下面１４の凸部１５上を水タンク１２の凹部１６と係合させ、水タンク１２を除湿機１０の下面１４の前側から後側にスライドさせることにより、水タンク１２は常に決まった位置に装着される。
１７は水タンク１２内の底面、１８は水タンク１２に溜まった任意量の水の水面、１８Ａは最上水面である。
【００１１】
位置検出装置１は、図３に示すように、超音波の送受信を行う超音波送受放射センサ２と、超音波送受放射センサ２に電気的に接続され、位置検出を行うための回路部３とで構成されている。
位置検知装置１の超音波送受放射センサ２は、略中央に半径Ｒの円弧を持つ一つの凸面３０ａが前後方向に延びるよう成型してなる振動膜２０の両端を、一端側が開口されたケーシング２１内の底部寄りに設けたエッジ固定部２２で挟着固定することにより、ケーシング２１内に振動可能に振動膜２０が配設されて構成されている。
【００１２】
振動膜２０の裏面とケーシング２１の底面との空間には、超音波を吸音するための例えばウレタン等で形成された吸音材２３が挿入されている。この吸音材２３は振動膜２０の裏面側に放射された超音波信号を吸音し、不要な信号成分を除去するためのものである。
振動膜２０は高分子系の圧電材料である例えばポリフッ化ビニリデン（略称：ＰＶＤＦ）で形成されており、ＰＶＤＦの振動膜２０の両面に交流電圧を印加することにより、振動膜２０が伸縮動作を行い、振動膜２０の凸面３０ａから半径Ｒの円弧形状に相当する超音波を放射する。
【００１３】
半径Ｒは式（１）で定義することで求まる半径を要する。
Ｒ＝λ／２ （１）
λ＝Ｃ／ｆ
λ＝波長、Ｃ＝音速、ｆ＝発振周波数（超音波の周波数）
【００１４】
位置検知装置１の回路部３は、超音波送受放射センサ２の両面に創生した矩形波のパルス状の波形である交流電圧を印加する送信回路部３０と、超音波送受放射センサ２が受信して超音波から変換した交流電圧からその波高値と、超音波送受放射センサ２が反射した超音波を受信する時間とを計測する受信回路部３１と、受信回路部３１が計測した波高値と超音波の受信した時間及び送信回路部３０の超音波を発生させるための交流電圧を出力した時間とに基づいて超音波送受放射センサ２から水面までの距離を演算して求める演算処理回路部３２とで構成されている。
【００１５】
次に、本発明の実施の形態１の位置検出装置を適用した除湿器における水タンクの水位を検出する場合の動作について説明する。
水タンク１２の上部に設置された位置検出装置の超音波送受放射センサ２の上記式（１）で求めた半径Ｒに基づいて形成した凸面２０ａを有する振動膜２０に、回路部３の送信回路部３０で創生した２０ｋＨｚ以上の矩形波のパルス状の波形の交流電圧を印加すると、振動膜２０から超音波を放射する。
そして、振動膜２０から超音波を放射した後に送信回路部３０が交流電圧を振動膜３０に印加することを停止すると、振動膜２０からの超音波の放射が直ちに停止される。
【００１６】
超音波送受放射センサ２の振動膜２０から放射した超音波は水タンク１２内の水面等で反射して振動膜２０に帰還して、振動膜２０を強制的に振動させる。強制的に振勤された振動膜３０の両面には超音波から変換した交流電圧が発生し、その交流電圧は受信回路部３１で受信される。受信回路部３１では、交流電圧の波高値と超音波の受信した時間を計測する。
演算処理回路部４２では、受信回路部３１が計測した交流電圧の波高値及び受信した時間と送信回路部３０の超音波を発生させるための交流電圧を出力した時間、即ちいわゆる超音波の送信から受信までの時間とから超音波受放射センサ２から計測例である水面までの距離を計算して求めるというものである。
【００１７】
本発明の実施の形態１の超音波送受放射センサ２の振動膜２０を構成する圧電材料であるＰＶＤＦは固有の振動周波数を持たないので、送信回路部３０から交流電圧を振動膜２０に印加して振動膜２０を振動させても、交流電圧の印加を停止させると振動膜２０の振動が直ぐに減衰するので、超音波を受信するための振動を検出する準備ができる。
【００１８】
また、受信回路部３１が計測した交流電圧の波高値に基づいて超音波受放射センサ２から計測例である水面までの距離を計算して求めることができるのは、超音波受放射センサ２から水面までの距離が近ければ、超音波受放射センサ２から超音波が送信され、水面で反射されて受信するときの超音波の減衰量が小さいため、受信するときの超音波の波高値が大きいが、超音波受放射センサ２から水面までの距離が遠くなればなる程、超音波の減衰量が次第に大きくなるため、受信するときの超音波の波高値も次第に小さくなるので、その波高値を計測することによって超音波受放射センサ２から水面までの距離を計算によって求めることができるためである。
【００１９】
従って、演算処理回路部４２では、受信回路部３１が計測した交流電圧の波高値又はいわゆる超音波の送信から受信までの時間から超音波受放射センサ２から計測例である水面までの距離をそれぞれ計算して求めることができるが、交流電圧の波高値といわゆる超音波の送信から受信までの時間の両方で超音波受放射センサ２から水面までの距離を求めるようにした方がより精度を高く水面までの距離を求めることができる。
【００２０】
この実施の形態１では、図２に示すように、位置検出装置１の超音波送受放射センサ２から放射した超音波は、大きくは４つの計測面を計測することができる。
まず、水タンク１２が除湿機１０の本体から取り外された場合である。
この場合は、超音波送受放射センサ２からの超音波が、水タンク１２よりも下面である除湿機１０の下面１４に放射することになる。
除湿機１０の下面１４で反射した超音波を受信した超音波送受放射センサ２の波形は、送信波形Ｓから最も時間を要した時間差Ａで、図６に示す受信波形Ａとなる。
この受信波形Ａの計測により、水タンク１２の有無が確認でき、水タンク１２が無い状態で除湿機１０が運転されて、水が室内に溢れる等の問題を解決する安全装置として適用することができる。
【００２１】
次に、水タンク１２が除湿機１０の本体に取り付けられているが、水タンク１２内の水分が空の場合である。
この場合は超音波送受放射センサ２から放射した超音波が、水タンク１２内の底面２０で反射して、超音波送受放射センサ２に受信される波形は受信波形Ｂとなる。この受信波形Ｂは基本的に、受信波形Ａの時間差Ｂ後のものとなる。この受信波形Ｂの計測により、水タンク１２が空の状態を検知することができる。
【００２２】
さらに、水タンク１２が除湿機１０の本体に取り付けられ、水タンク１２内にドレイン部１３より水分が供給されて水分が溜まり任意量の水面１８となった場合である。
この場合は、超音波送受放射センサ２から放射した超音波が、水タンク１２内の任意量の水面１８で反射して、超音波送受放射センサ２に受信される波形は受信波形Ｃとなる。この受信波形Ｃは基本的に受信波形Ｂの時間差Ｃ後のものとなる。この受信波形Ｃの計測により、水タンク１２における任意量の水面１８の水位を検出することができる。
【００２３】
最後に、水タンク１２に溜まった水が最大容量位置の最上水面１８Ａとなった場合である。
この場合は、超音波送受放射センサ２から放射した超音波が、水タンク１２内の最上水面１８Ａで反射して、超音波送受放射センサ２に受信される波形は受信波形Ｄとなる。この受信波形Ｄは基本的に受信波形Ｃの時間差Ｄ後のものとなる。この受信波形Ｄの計測により、水タンク１２における最上水面１８Ａの水位を検出することができる。
この場合、いわゆる超音波の送信から受信までの時間は０．５秒であり、この結果から、非常に近距離０．５ｃｍ程度の近距離も非接触で検出可能である。
【００２４】
本発明による超音波送受放射センサ２に用いた振動膜２０の送信及び受信の波形例と、従来の超音波振動子による送信及び受信の波形例の比較を図７に示す。
本発明の超音波送受放射センサ２に用いた高分子系の圧電材料による振動膜２０は柔らかい材料のために固有の振動周波数を持たないので、振動膜２０を振動させるためのパルス状の交流電圧が振動膜２０に印加されて振動膜２０が振動しても、振動の減衰は非常に速く減衰することができる。
【００２５】
これに対して、従来の超音波振動子は固有の振動周波数を持っており、一度振動した場合、その振動が何時までも継続する特性を有している。
そこで、同じ水タンク１２の最上水面２１Ａにおける水位を計測した場合の送信波形と受信波形を比較すると、本発明による超音波送受放射センサ２では振動膜２０の振動が速く減衰するので、或る時間Ｔ後に、最上水面２１Ａで反射した超音波の受信波形を測定することができる。
【００２６】
しかし、従来の超音波振動子を用いた場合は、送信波形がなかなか減衰しないために、受信波形が送信波形に埋もれてしまうために、受信信号の計測ができず、結果的に受信までの計測時間を計測することができない。
よって、従来の超音波振動子では、近距離の計測を行うことができなかったが、本発明による超音波送受放射センサ２では、近距離の計測が容易に可能となった。
【００２７】
実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２に係る位置検出装置を適用した除湿器の前側断面図、図９は同位置検出装置の超音波送受放射センサの構成を示す断面図、図１０は同位置検出装置の超音波送受放射センサを回動させた状態を示す断面図である。
この実施の形態２は平らでない床面５０に設置される除湿器に適用される位置検出装置の超音波送受放射センサ２の構成に関するものである。
【００２８】
超音波送受放射センサ２から放射する超音波は、その性質上、直線的に音波が伝播するため、超音波送受放射センサ２の振動膜２０の面と反射面（水面）が平行であることが、超音波の望ましい反射を受けることができる。
ところが、除湿機１０の設置に関して、床面５０が必ずしも平らであるとは限らない。
床面５０が平らでない場合、図８に示すように、反射面である水面２１と超音波送受放射センサ２とは並行な位置関係にならないので、超音波送受放射センサ２から送信した超音波は、超音波送受放射センサ２と並行でない水面２１に送信された場合、反射した超音波が不均衡に水タンク１２内に伝播することに成り、超音波送受放射センサ２の振動膜２０に反射した超音波が的確に入らない場合が発生する。
【００２９】
そこで、超音波送受放射センサ２のケーシング２１のケーシング底面２４に、軸孔４５ａを有する凸部体４５を設け、この凸部体４５の軸孔４５ａに回転軸４６を挿入し、回転軸４６の両端を除湿器１０の本体に固定している。このように除湿器１０の本体に対して超音波送受放射センサ２のケーシング２１を回動させる回動部材は、軸孔４５ａを有する凸部体４５と、その軸孔４５ａに挿入され、本体に両端が固定される回転軸４６とで構成される。
このようにすることで、回転軸３６を中心として、超音波送受放射センサ２が振り子状に可動とすることができる。
【００３０】
従って、平らでない床面５０に除湿器１０が設置された場合に、除湿器１０が斜めに傾斜したとしても、その傾斜で持ち上がった方向とは逆の方向に超音波送受放射センサ２を例えば、図１０に示すように傾斜角Ａだけ可動させ、反射面である水面２１と並行するように傾斜させることにより、確実に位置検知を行うことができる。
また、除湿器１０の傾斜が前述とは逆であれば、超音波送受放射センサ２を例えば、図１０に示すように傾斜角Ｂだけ可動させ、反射面である水面２１と並行するように傾斜させることにより、確実に位置検知を行うことができる。
【００３１】
実施の形態３．
図１１は本発明の実施の形態３に係る同位置検出装置を適用した構造体を示す断面図である。
上述した実施の形態では、位置検出装置１を除湿機１０に設け、除湿機１０の水タンク内の水量を検知する場合について示したが、この実施の形態は、除湿機１０とは異なり、位置検出装置１を位置関係を検知したい構造体である例えば自動ドアの出入口に設け、自動ドアの出入口を出入りする人を検知するようにしたものである。
【００３２】
この実施の形態３は、自動ドアの出入口６０に位置検出装置１の超音波送受放射センサ２を設置するようにしたものである。
自動ドアの出入口６０の間６１で、超音波送受放射センサ２の超音波の送受信が行われ、超音波送受放射センサ２の相対位置にある面からの超音波の反射がある場合には、自動ドアの出入口６０に人６２の出入りが無いと判断する。
【００３３】
しかし、自動ドアの出入口６０の間６１に人が入った場合は、超音波送受放射センサ２の超音波の放射が人６２によって遮られるために、超音波送受放射センサ２の相対位置にある面からの反射する超音波を受信することができないため、自動ドアの出入口６０を出入りする人の検知を行うことができる。
【００３４】
以上は、自動ドアの出入口６０に位置検出装置１の超音波送受放射センサ２を設置するようにしたものであるが、超音波送受放射センサ２は例えば０．５ｃｍ程度の近距離も非接触で検出可能であるので、自動ドアよりも小さい隙間を有する構造体に設置することにより、任意の隙間を有する構造体に侵入した人の「手」を検知することもできる。
【００３５】
上記実施の形態では、位置検出装置１の超音波送受放射センサ２の振動膜２０に１つの凸面２０ａを形成した場合について記載したが、一つ以上の凸面２０ａを波形に形成しても、各凸面２０ａからの超音波を送信、受信することにより同様の効果を発揮することができる。
さらに、振動膜２０の形状を凸面２０ａに形成した場合について記載したが、凹面に形成しても同等の効果を有することができることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内において、各種の変更が可能である。
また、上記実施の形態では、本発明の位置検出装置を除湿機や自動ドア等に適用する例を示したが、これらに限定されることなく、例えば、洗濯機の洗濯槽内の水位量検知やファンヒータの油タンクの油量検知など、更には超音波を一定放射している場所に侵入してきた物体の進入を検知などに適用可能である。
さらに、本発明の位置検出装置を家電製品の動作用スイッチとして応用展開することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る位置検出装置を適用した除湿器の前側断面図。
【図２】同位置検出装置を適用した除湿器の水タンクの拡大断面図。
【図３】同位置検出装置の回路構成を示すブロック図。
【図４】同位置検出装置の超音波送受放射センサの構成を示す平面図。
【図５】同位置検出装置の超音波送受放射センサの構成を示す断面図。
【図６】同位置検出装置の超音波送受放射センサの送信及び受信波形例を示す波形図。
【図７】本発明の位置検出装置の超音波送受放射センサと従来のタンク水量測定装置の超音波振動子の送信及び受信波形をそれぞれ示す比較波形図。
【図８】本発明の実施の形態２に係る位置検出装置を適用した除湿器の前側断面図。
【図９】同位置検出装置の超音波送受放射センサの構成を示す断面図。
【図１０】同位置検出装置の超音波送受放射センサを回動させた状態を示す断面図。
【図１１】本発明の実施の形態３に係る同位置検出装置を適用した構造体を示す断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１ 位置検出装置、２ 超音波送受放射センサ、３ 回路部、１０ 除湿器、１２ 水タンク、１８ 水面、２０ 振動膜、２０ａ 凸面、２１ ケーシング、２２ エッジ固定部、２３ 吸音材、３０ 送信回路部、３１ 受信回路部、３２ 演算処理回路部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いた超音波送受放射センサ及び位置検出装置並びに除湿器に係り、特に、タンク内の水位等の計測対象を非接触で近距離で検出するためのものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のタンク水量測定装置は、超音波を放射する超音波振動子の前面に反射鏡を設置し、超音波振動子から放射した超音波信号を前記反射鏡に一度放射して、反射鏡で反射鏡下面のタンク内の水面に間接放射させ、且つ水面で反射した超音波信号を再び反射鏡で反射させて超音波振動子に帰還させて超音波振動子を振動させることで、超音波信号の放射から帰還するまでの時間を計測することにより、タンク内の水位位置を測定するものであった（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−５９７６５号公報（第１頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来のタンク水量測定装置は、水量測定するために用いていた超音波を放射する超音波振動子が電気−機械系の高いＱ特性で定まる固有振動数の超音波信号を発生するものであり、自己振動時間（自励振動）が長いために超音波放射後の自励振動が直ちに収束せずに、超音波振動子から放射した超音波信号が水面で反射してきた場合に、自励振動の中に帰還振動による信号が埋もれてしまうため、反射信号を精度良く検出することができないという問題があった。
【０００４】
また、反射鏡で若干時間差を作ることで自励振動が収束した後に反射波を検出するようにしたとしても、空気中に放射された音波は音響減衰するために、反射鏡を設置した場合には超音波信号の放射（送信信号）から帰還距離（受信信号）が長くなるために、音響減衰による超音波信号の劣化や超音波信号が外来ノイズ等の影響を受ける等の問題もあった。
更に、水面が斜めになった場合等には、水面で超音波が乱反射するために、反射鏡に超音波信号が戻らず、正確な水位量の測定ができなくなるという問題もあった。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決し、簡単な構成で効果的にタンク内の水位量等の計測対象を非接触で近距離で検出できる超音波送受放射センサ及び位置検出装置並びに除湿器の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る超音波送受放射センサは、開口を有するケーシングと、ケーシング内に設けられたエッジ部固定部に両端が固定され、一つ以上の半円弧状の凸面又は凹面を有する自己振動による収束時間が早い振動膜とを備え、前記振動膜の両面への交流電圧又はパルス状の電圧の印加により伸縮動作を行って前記凸面又は凹面の半径寸法に相当する超音波を放射し、超音波を受けると該振動膜に交流電圧又はパルス状の電圧を発生させるようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る超音波送受放射センサによれば、開口を有するケーシング内に設けられたエッジ部固定部に両端が固定され、一つ以上の半円弧状の凸面又は凹面を有する自己振動による収束時間が早い振動膜は、その両面への交流電圧又はパルス状の電圧の印加により伸縮動作を行って前記凸面又は凹面の半径寸法に相当する超音波を放射し、超音波を受けると該振動膜に交流電圧又はパルス状の電圧を発生させるようにしたので、振動膜の振動により送信された超音波に反射された超音波が埋もれることがなく、非接触で非常に近距離の計測対象を簡単な構成で、容易且つ低コストで計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る位置検出装置を適用した除湿器の前側断面図、図２は同位置検出装置を適用した除湿器の水タンクの拡大断面図、図３は同位置検出装置の回路構成を示すブロック図、図４は同位置検出装置の超音波送受放射センサの構成を示す平面図、図５は同位置検出装置の超音波送受放射センサの構成を示す断面図、図６は同位置検出装置の超音波送受放射センサの送信及び受信波形例を示す波形図、図７は本発明の位置検出装置の超音波送受放射センサと従来のタンク水量測定装置の超音波振動子の送信及び受信波形をそれぞれ示す比較波形図である。
【０００９】
図１〜図２において、位置検知装置１を搭載した除湿機１０は、本体上部に熱交換器１１を、本体下部に水タンク１２を備えている。
この除湿機１０は、熱交換器１１で空気中の水分を吸収し、吸収された水分はドレン部１３を伝わって、水タンク１２内に集められる。水タンク１２を除湿機１０の本体から引き抜くことで水タンク１２に溜まった水分は外部に捨てることができる。
水タンク１２を受け止める除湿機１０の下面１４には前側から後側に延びる凸部１５が形成されており、水タンク１２の下面には前側から後側に延びる凹部１６が形成されている。
【００１０】
除湿機１０の下面１４の凸部１５上を水タンク１２の凹部１６と係合させ、水タンク１２を除湿機１０の下面１４の前側から後側にスライドさせることにより、水タンク１２は常に決まった位置に装着される。
１７は水タンク１２内の底面、１８は水タンク１２に溜まった任意量の水の水面、１８Ａは最上水面である。
【００１１】
位置検出装置１は、図３に示すように、超音波の送受信を行う超音波送受放射センサ２と、超音波送受放射センサ２に電気的に接続され、位置検出を行うための回路部３とで構成されている。
位置検知装置１の超音波送受放射センサ２は、略中央に半径Ｒの円弧を持つ一つの凸面３０ａが前後方向に延びるよう成型してなる振動膜２０の両端を、一端側が開口されたケーシング２１内の底部寄りに設けたエッジ固定部２２で挟着固定することにより、ケーシング２１内に振動可能に振動膜２０が配設されて構成されている。
【００１２】
振動膜２０の裏面とケーシング２１の底面との空間には、超音波を吸音するための例えばウレタン等で形成された吸音材２３が挿入されている。この吸音材２３は振動膜２０の裏面側に放射された超音波信号を吸音し、不要な信号成分を除去するためのものである。
振動膜２０は高分子系の圧電材料である例えばポリフッ化ビニリデン（略称：ＰＶＤＦ）で形成されており、ＰＶＤＦの振動膜２０の両面に交流電圧を印加することにより、振動膜２０が伸縮動作を行い、振動膜２０の凸面３０ａから半径Ｒの円弧形状に相当する超音波を放射する。
【００１３】
半径Ｒは式（１）で定義することで求まる半径を要する。
Ｒ＝λ／２ （１）
λ＝Ｃ／ｆ
λ＝波長、Ｃ＝音速、ｆ＝発振周波数（超音波の周波数）
【００１４】
位置検知装置１の回路部３は、超音波送受放射センサ２の両面に創生した矩形波のパルス状の波形である交流電圧を印加する送信回路部３０と、超音波送受放射センサ２が受信して超音波から変換した交流電圧からその波高値と、超音波送受放射センサ２が反射した超音波を受信する時間とを計測する受信回路部３１と、受信回路部３１が計測した波高値と超音波の受信した時間及び送信回路部３０の超音波を発生させるための交流電圧を出力した時間とに基づいて超音波送受放射センサ２から水面までの距離を演算して求める演算処理回路部３２とで構成されている。
【００１５】
次に、本発明の実施の形態１の位置検出装置を適用した除湿器における水タンクの水位を検出する場合の動作について説明する。
水タンク１２の上部に設置された位置検出装置の超音波送受放射センサ２の上記式（１）で求めた半径Ｒに基づいて形成した凸面２０ａを有する振動膜２０に、回路部３の送信回路部３０で創生した２０ｋＨｚ以上の矩形波のパルス状の波形の交流電圧を印加すると、振動膜２０から超音波を放射する。
そして、振動膜２０から超音波を放射した後に送信回路部３０が交流電圧を振動膜３０に印加することを停止すると、振動膜２０からの超音波の放射が直ちに停止される。
【００１６】
超音波送受放射センサ２の振動膜２０から放射した超音波は水タンク１２内の水面等で反射して振動膜２０に帰還して、振動膜２０を強制的に振動させる。強制的に振勤された振動膜３０の両面には超音波から変換した交流電圧が発生し、その交流電圧は受信回路部３１で受信される。受信回路部３１では、交流電圧の波高値と超音波の受信した時間を計測する。
演算処理回路部４２では、受信回路部３１が計測した交流電圧の波高値及び受信した時間と送信回路部３０の超音波を発生させるための交流電圧を出力した時間、即ちいわゆる超音波の送信から受信までの時間とから超音波受放射センサ２から計測例である水面までの距離を計算して求めるというものである。
【００１７】
本発明の実施の形態１の超音波送受放射センサ２の振動膜２０を構成する圧電材料であるＰＶＤＦは固有の振動周波数を持たないので、送信回路部３０から交流電圧を振動膜２０に印加して振動膜２０を振動させても、交流電圧の印加を停止させると振動膜２０の振動が直ぐに減衰するので、超音波を受信するための振動を検出する準備ができる。
【００１８】
また、受信回路部３１が計測した交流電圧の波高値に基づいて超音波受放射センサ２から計測例である水面までの距離を計算して求めることができるのは、超音波受放射センサ２から水面までの距離が近ければ、超音波受放射センサ２から超音波が送信され、水面で反射されて受信するときの超音波の減衰量が小さいため、受信するときの超音波の波高値が大きいが、超音波受放射センサ２から水面までの距離が遠くなればなる程、超音波の減衰量が次第に大きくなるため、受信するときの超音波の波高値も次第に小さくなるので、その波高値を計測することによって超音波受放射センサ２から水面までの距離を計算によって求めることができるためである。
【００１９】
従って、演算処理回路部４２では、受信回路部３１が計測した交流電圧の波高値又はいわゆる超音波の送信から受信までの時間から超音波受放射センサ２から計測例である水面までの距離をそれぞれ計算して求めることができるが、交流電圧の波高値といわゆる超音波の送信から受信までの時間の両方で超音波受放射センサ２から水面までの距離を求めるようにした方がより精度を高く水面までの距離を求めることができる。
【００２０】
この実施の形態１では、図２に示すように、位置検出装置１の超音波送受放射センサ２から放射した超音波は、大きくは４つの計測面を計測することができる。
まず、水タンク１２が除湿機１０の本体から取り外された場合である。
この場合は、超音波送受放射センサ２からの超音波が、水タンク１２よりも下面である除湿機１０の下面１４に放射することになる。
除湿機１０の下面１４で反射した超音波を受信した超音波送受放射センサ２の波形は、送信波形Ｓから最も時間を要した時間差Ａで、図６に示す受信波形Ａとなる。
この受信波形Ａの計測により、水タンク１２の有無が確認でき、水タンク１２が無い状態で除湿機１０が運転されて、水が室内に溢れる等の問題を解決する安全装置として適用することができる。
【００２１】
次に、水タンク１２が除湿機１０の本体に取り付けられているが、水タンク１２内の水分が空の場合である。
この場合は超音波送受放射センサ２から放射した超音波が、水タンク１２内の底面２０で反射して、超音波送受放射センサ２に受信される波形は受信波形Ｂとなる。この受信波形Ｂは基本的に、受信波形Ａの時間差Ｂ後のものとなる。この受信波形Ｂの計測により、水タンク１２が空の状態を検知することができる。
【００２２】
さらに、水タンク１２が除湿機１０の本体に取り付けられ、水タンク１２内にドレイン部１３より水分が供給されて水分が溜まり任意量の水面１８となった場合である。
この場合は、超音波送受放射センサ２から放射した超音波が、水タンク１２内の任意量の水面１８で反射して、超音波送受放射センサ２に受信される波形は受信波形Ｃとなる。この受信波形Ｃは基本的に受信波形Ｂの時間差Ｃ後のものとなる。この受信波形Ｃの計測により、水タンク１２における任意量の水面１８の水位を検出することができる。
【００２３】
最後に、水タンク１２に溜まった水が最大容量位置の最上水面１８Ａとなった場合である。
この場合は、超音波送受放射センサ２から放射した超音波が、水タンク１２内の最上水面１８Ａで反射して、超音波送受放射センサ２に受信される波形は受信波形Ｄとなる。この受信波形Ｄは基本的に受信波形Ｃの時間差Ｄ後のものとなる。この受信波形Ｄの計測により、水タンク１２における最上水面１８Ａの水位を検出することができる。
この場合、いわゆる超音波の送信から受信までの時間は０．５秒であり、この結果から、非常に近距離０．５ｃｍ程度の近距離も非接触で検出可能である。
【００２４】
本発明による超音波送受放射センサ２に用いた振動膜２０の送信及び受信の波形例と、従来の超音波振動子による送信及び受信の波形例の比較を図７に示す。
本発明の超音波送受放射センサ２に用いた高分子系の圧電材料による振動膜２０は柔らかい材料のために固有の振動周波数を持たないので、振動膜２０を振動させるためのパルス状の交流電圧が振動膜２０に印加されて振動膜２０が振動しても、振動の減衰は非常に速く減衰することができる。
【００２５】
これに対して、従来の超音波振動子は固有の振動周波数を持っており、一度振動した場合、その振動が何時までも継続する特性を有している。
そこで、同じ水タンク１２の最上水面２１Ａにおける水位を計測した場合の送信波形と受信波形を比較すると、本発明による超音波送受放射センサ２では振動膜２０の振動が速く減衰するので、或る時間Ｔ後に、最上水面２１Ａで反射した超音波の受信波形を測定することができる。
【００２６】
しかし、従来の超音波振動子を用いた場合は、送信波形がなかなか減衰しないために、受信波形が送信波形に埋もれてしまうために、受信信号の計測ができず、結果的に受信までの計測時間を計測することができない。
よって、従来の超音波振動子では、近距離の計測を行うことができなかったが、本発明による超音波送受放射センサ２では、近距離の計測が容易に可能となった。
【００２７】
実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２に係る位置検出装置を適用した除湿器の前側断面図、図９は同位置検出装置の超音波送受放射センサの構成を示す断面図、図１０は同位置検出装置の超音波送受放射センサを回動させた状態を示す断面図である。
この実施の形態２は平らでない床面５０に設置される除湿器に適用される位置検出装置の超音波送受放射センサ２の構成に関するものである。
【００２８】
超音波送受放射センサ２から放射する超音波は、その性質上、直線的に音波が伝播するため、超音波送受放射センサ２の振動膜２０の面と反射面（水面）が平行であることが、超音波の望ましい反射を受けることができる。
ところが、除湿機１０の設置に関して、床面５０が必ずしも平らであるとは限らない。
床面５０が平らでない場合、図８に示すように、反射面である水面２１と超音波送受放射センサ２とは並行な位置関係にならないので、超音波送受放射センサ２から送信した超音波は、超音波送受放射センサ２と並行でない水面２１に送信された場合、反射した超音波が不均衡に水タンク１２内に伝播することに成り、超音波送受放射センサ２の振動膜２０に反射した超音波が的確に入らない場合が発生する。
【００２９】
そこで、超音波送受放射センサ２のケーシング２１のケーシング底面２４に、軸孔４５ａを有する凸部体４５を設け、この凸部体４５の軸孔４５ａに回転軸４６を挿入し、回転軸４６の両端を除湿器１０の本体に固定している。このように除湿器１０の本体に対して超音波送受放射センサ２のケーシング２１を回動させる回動部材は、軸孔４５ａを有する凸部体４５と、その軸孔４５ａに挿入され、本体に両端が固定される回転軸４６とで構成される。
このようにすることで、回転軸３６を中心として、超音波送受放射センサ２が振り子状に可動とすることができる。
【００３０】
従って、平らでない床面５０に除湿器１０が設置された場合に、除湿器１０が斜めに傾斜したとしても、その傾斜で持ち上がった方向とは逆の方向に超音波送受放射センサ２を例えば、図１０に示すように傾斜角Ａだけ可動させ、反射面である水面２１と並行するように傾斜させることにより、確実に位置検知を行うことができる。
また、除湿器１０の傾斜が前述とは逆であれば、超音波送受放射センサ２を例えば、図１０に示すように傾斜角Ｂだけ可動させ、反射面である水面２１と並行するように傾斜させることにより、確実に位置検知を行うことができる。
【００３１】
実施の形態３．
図１１は本発明の実施の形態３に係る同位置検出装置を適用した構造体を示す断面図である。
上述した実施の形態では、位置検出装置１を除湿機１０に設け、除湿機１０の水タンク内の水量を検知する場合について示したが、この実施の形態は、除湿機１０とは異なり、位置検出装置１を位置関係を検知したい構造体である例えば自動ドアの出入口に設け、自動ドアの出入口を出入りする人を検知するようにしたものである。
【００３２】
この実施の形態３は、自動ドアの出入口６０に位置検出装置１の超音波送受放射センサ２を設置するようにしたものである。
自動ドアの出入口６０の間６１で、超音波送受放射センサ２の超音波の送受信が行われ、超音波送受放射センサ２の相対位置にある面からの超音波の反射がある場合には、自動ドアの出入口６０に人６２の出入りが無いと判断する。
【００３３】
しかし、自動ドアの出入口６０の間６１に人が入った場合は、超音波送受放射センサ２の超音波の放射が人６２によって遮られるために、超音波送受放射センサ２の相対位置にある面からの反射する超音波を受信することができないため、自動ドアの出入口６０を出入りする人の検知を行うことができる。
【００３４】
以上は、自動ドアの出入口６０に位置検出装置１の超音波送受放射センサ２を設置するようにしたものであるが、超音波送受放射センサ２は例えば０．５ｃｍ程度の近距離も非接触で検出可能であるので、自動ドアよりも小さい隙間を有する構造体に設置することにより、任意の隙間を有する構造体に侵入した人の「手」を検知することもできる。
【００３５】
上記実施の形態では、位置検出装置１の超音波送受放射センサ２の振動膜２０に１つの凸面２０ａを形成した場合について記載したが、一つ以上の凸面２０ａを波形に形成しても、各凸面２０ａからの超音波を送信、受信することにより同様の効果を発揮することができる。
さらに、振動膜２０の形状を凸面２０ａに形成した場合について記載したが、凹面に形成しても同等の効果を有することができることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内において、各種の変更が可能である。
また、上記実施の形態では、本発明の位置検出装置を除湿機や自動ドア等に適用する例を示したが、これらに限定されることなく、例えば、洗濯機の洗濯槽内の水位量検知やファンヒータの油タンクの油量検知など、更には超音波を一定放射している場所に侵入してきた物体の進入を検知などに適用可能である。
さらに、本発明の位置検出装置を家電製品の動作用スイッチとして応用展開することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る位置検出装置を適用した除湿器の前側断面図。
【図２】同位置検出装置を適用した除湿器の水タンクの拡大断面図。
【図３】同位置検出装置の回路構成を示すブロック図。
【図４】同位置検出装置の超音波送受放射センサの構成を示す平面図。
【図５】同位置検出装置の超音波送受放射センサの構成を示す断面図。
【図６】同位置検出装置の超音波送受放射センサの送信及び受信波形例を示す波形図。
【図７】本発明の位置検出装置の超音波送受放射センサと従来のタンク水量測定装置の超音波振動子の送信及び受信波形をそれぞれ示す比較波形図。
【図８】本発明の実施の形態２に係る位置検出装置を適用した除湿器の前側断面図。
【図９】同位置検出装置の超音波送受放射センサの構成を示す断面図。
【図１０】同位置検出装置の超音波送受放射センサを回動させた状態を示す断面図。
【図１１】本発明の実施の形態３に係る同位置検出装置を適用した構造体を示す断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１ 位置検出装置、２ 超音波送受放射センサ、３ 回路部、１０ 除湿器、１２ 水タンク、１８ 水面、２０ 振動膜、２０ａ 凸面、２１ ケーシング、２２ エッジ固定部、２３ 吸音材、３０ 送信回路部、３１ 受信回路部、３２ 演算処理回路部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口を有するケーシングと、
ケーシング内に設けられたエッジ部固定部に両端が固定され、一つ以上の半円弧状の凸面又は凹面を有する自己振動による収束時間が早い振動膜とを備え、
前記振動膜の両面への交流電圧の印加により伸縮動作を行って前記凸面又は凹面の半径寸法に相当する超音波を放射し、超音波を受けると該振動膜に交流電圧又はパルス状の電圧を発生させることを特徴とする超音波送受放射センサ。
【請求項２】
前記振動膜は高分子系の圧電材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波送受放射センサ。
【請求項３】
前記振動膜の凸面又は凹面の半径Ｒは、超音波発振周波数ｆ、空気中の音速Ｃ、波長をλとした場合、
Ｒ＝λ／２、λ＝Ｃ／ｆの関係を有することを特徴とする請求項１又は２記載の超音波送受放射センサ。
【請求項４】
前記ケーシングの底面と前記振動膜との間に該振動膜のケーシング底面側に放射した不要な超音波を吸音するための吸音材を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波送受放射センサ。
【請求項５】
前記ケーシングは該ケーシングを所定の箇所に取り付けたときに該所定の箇所に対して該ケーシングを回動させることができる回動部材を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波送受放射センサ。
【請求項６】
前記請求項１〜５のいずれか記載の超音波送受放射センサと、該超音波送受放射センサに交流電圧又はパルス状の電圧を印加する送信回路と、
該超音波送受放射センサが超音波を受けて変換した交流電圧又はパルス状の電圧を受信し、該交流電圧又はパルス状の電圧の波高値を計測する受信回路部と、
受信回路部が計測した波高値から前記超音波送受放射センサから該超音波送受放射センサが放射した超音波を反射する部材までの距離を演算する演算処理回路部と、
を備えてなる位置検出装置。
【請求項７】
前記請求項１〜５のいずれか記載の超音波送受放射センサと、該超音波送受放射センサに交流電圧又はパルス状の電圧を印加する送信回路と、
該超音波送受放射センサが超音波を受けて変換した交流電圧又はパルス状の電圧を受信し、該交流電圧を受信した時間を計測する受信回路部と、
前記送信回路部が該超音波送受放射センサに交流電圧又はパルス状の電圧を印加した時間と前記受信回路部が該交流電圧又はパルス状の電圧を受信した時間とに基づいて前記超音波送受放射センサから該超音波送受放射センサが放射した超音波を反射する部材までの距離を演算する演算処理回路部と、
を備えてなる位置検出装置。
【請求項８】
前記請求項６又は７のいずれか記載の位置検出装置が上部に設置された水タンクを有することを特徴とする除湿器。
【請求項１】
開口を有するケーシングと、
ケーシング内に設けられたエッジ部固定部に両端が固定され、一つ以上の半円弧状の凸面又は凹面を有する自己振動による収束時間が早い振動膜とを備え、
前記振動膜の両面への交流電圧の印加により伸縮動作を行って前記凸面又は凹面の半径寸法に相当する超音波を放射し、超音波を受けると該振動膜に交流電圧又はパルス状の電圧を発生させることを特徴とする超音波送受放射センサ。
【請求項２】
前記振動膜は高分子系の圧電材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波送受放射センサ。
【請求項３】
前記振動膜の凸面又は凹面の半径Ｒは、超音波発振周波数ｆ、空気中の音速Ｃ、波長をλとした場合、
Ｒ＝λ／２、λ＝Ｃ／ｆの関係を有することを特徴とする請求項１又は２記載の超音波送受放射センサ。
【請求項４】
前記ケーシングの底面と前記振動膜との間に該振動膜のケーシング底面側に放射した不要な超音波を吸音するための吸音材を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波送受放射センサ。
【請求項５】
前記ケーシングは該ケーシングを所定の箇所に取り付けたときに該所定の箇所に対して該ケーシングを回動させることができる回動部材を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波送受放射センサ。
【請求項６】
前記請求項１〜５のいずれか記載の超音波送受放射センサと、該超音波送受放射センサに交流電圧又はパルス状の電圧を印加する送信回路と、
該超音波送受放射センサが超音波を受けて変換した交流電圧又はパルス状の電圧を受信し、該交流電圧又はパルス状の電圧の波高値を計測する受信回路部と、
受信回路部が計測した波高値から前記超音波送受放射センサから該超音波送受放射センサが放射した超音波を反射する部材までの距離を演算する演算処理回路部と、
を備えてなる位置検出装置。
【請求項７】
前記請求項１〜５のいずれか記載の超音波送受放射センサと、該超音波送受放射センサに交流電圧又はパルス状の電圧を印加する送信回路と、
該超音波送受放射センサが超音波を受けて変換した交流電圧又はパルス状の電圧を受信し、該交流電圧を受信した時間を計測する受信回路部と、
前記送信回路部が該超音波送受放射センサに交流電圧又はパルス状の電圧を印加した時間と前記受信回路部が該交流電圧又はパルス状の電圧を受信した時間とに基づいて前記超音波送受放射センサから該超音波送受放射センサが放射した超音波を反射する部材までの距離を演算する演算処理回路部と、
を備えてなる位置検出装置。
【請求項８】
前記請求項６又は７のいずれか記載の位置検出装置が上部に設置された水タンクを有することを特徴とする除湿器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−４７０８７（Ｐ２００６−４７０８７Ａ）
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２２７８３３（Ｐ２００４−２２７８３３）
【出願日】平成１６年８月４日（２００４．８．４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月４日（２００４．８．４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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