測距センサの評価方法
【課題】振動子のインピーダンス特性を測定した上で、共振周波数及び反共振周波数のそれぞれに特徴的な特性を測定することによって、測距センサの良／不良の判定を高精度に実行できる測距センサの性能評価方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る測距センサ１０の性能評価方法は、少なくとも、ＰＺＴ振動子１３のインピーダンス特性、共振板１４が送信信号を作り出す際のＰＺＴ振動子１３の尖鋭度特性及びコーン部１５で増幅した受信信号が伝達された際のＰＺＴ振動子１３の電気抵抗分特性の３つの特性を測定することで行なう。
【解決手段】本発明に係る測距センサ１０の性能評価方法は、少なくとも、ＰＺＴ振動子１３のインピーダンス特性、共振板１４が送信信号を作り出す際のＰＺＴ振動子１３の尖鋭度特性及びコーン部１５で増幅した受信信号が伝達された際のＰＺＴ振動子１３の電気抵抗分特性の３つの特性を測定することで行なう。
【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の性能評価方法に関し、特に近接距離を確実に測定することのできる測距センサの性能評価方法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、送信信号（発信信号）を空中に放射し、対象物からの受信信号（反射信号）を受信し、送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受信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】
また、測距センサの性能は、定電圧回路法によって評価することができる。この定電圧回路法は、ＰＺＴ振動子の発振により共振し、受信信号を受信により反共振する共振金属板のインピーダンス特性を測定し、共振金属板の共振周波数及び反共振周波数が所定の範囲内にあるかどうかを測定するものである。そして、共振周波数が所定の範囲内であるかどうかで測距センサの性能を評価するようにするのが一般的である。したがって、インピーダンス特性に基づいて、共振金属板の共振周波数が所定の範囲内にある測距センサであれば合格品として扱われるようになっている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−５９７６５号公報（第５ページ、第２図）
【非特許文献１】「超音波噴霧」（第１０９−１１０ページ 定電圧回路法）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の測距センサでは、ＰＺＴ振動子の共振周波数における尖鋭度（Ｑファクタ）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。つまり、ＰＺＴ振動子から発信される送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送信信号の残留成分（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、対象物までの正確な距離の測定が困難になってしまうという問題があった。この問題は、１次共振の振動を強制的に抑制することで解決することができる。
【０００７】
このような測距センサは、ＰＺＴ振動子の反共振周波数のバラツキが大きくなるために、共振周波数が所定の範囲内にあったとしても、反共振周波数が所定の範囲内にあるとは限らないことがある。つまり、定電圧回路法によって合格品と評価された測距センサの中には、正常に動作しない不良品が多く含まれてしまうという可能性が高くなっていたのである。したがって、ＰＺＴ振動子の共振周波数及び反共振周波数が所定の範囲内にあるかどうかを測定した上で、共振周波数及び反共振周波数のそれぞれに特徴的な特性を測定し、性能を評価することが望ましいのである。
【０００８】
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、振動子のインピーダンス特性を測定した上で、共振周波数及び反共振周波数のそれぞれに特徴的な特性を測定することによって、測距センサの良／不良の判定を高精度に実行できる測距センサの性能評価方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る測距センサの評価方法は、圧電素子で構成された振動子と、前記振動子に取り付けられ、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測距センサの評価方法であって、少なくとも、前記振動子のインピーダンス特性、前記共振板が送信信号を作り出す際の前記振動子の尖鋭度特性及び前記コーン部で増幅した受信信号が伝達された際の前記振動子の電気抵抗分特性の３つの特性を測定することで前記測距センサを評価することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る測距センサの性能評価方法は、少なくとも、振動子のインピーダンス特性、共振板が送信信号を作り出す際の振動子の尖鋭度特性及びコーン部で増幅した受信信号が伝達された際の振動子の電気抵抗分特性の３つの特性を測定することで測距センサを評価するので、測距センサの良／不良の判定を高精度に実行できるとともに、測距センサの品質を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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に係る性能評価方法で性能評価する測距センサ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１つのデバイスで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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。また、超音波による振動を電気信号に変換する機能も有している。したがって、ＰＺＴ振動子１３の動作状態を、図４に示すようなＰＺＴ振動子１３のインピーダンス特性で表すことができる。
【００１４】
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（振動）と共振することによって共振波である送信信号（発信信号）を作り出す機能を有している。また、共振板１４は、コーン部１５で増幅された受信信号によっても共振するようになっている。つまり、共振板１４は、送信信号を作り出すときに振動し、受信信号を受信したときにも振動するようになっているのである。
【００１５】
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送信信号の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、送信信号の１次振動モード波の振幅を減少させ、送信信号の残留成分を抑制することが可能になっている。
【００１６】
コーン部１５は、対象物からの受信信号（反射信号）を受信し、増幅する機能を有している。コーン部１５が受信信号を増幅した際の振動が共振板１４に伝達されるようになっている。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で受信される受信信号の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。
【００１７】
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、送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でき、それに伴って１次振動モード波の震幅を減少させ、送信信号及び受信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、送信信号及び受信信号の１次振動モード波を抑制するようになっている。
【００１８】
この測距センサ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の振動を部分的かつ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によって送信信号及び受信信号双方の残留成分を効果的に抑制し、送信信号と受信信号との区別を容易にし、受信信号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。
【００１９】
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、送信信号の主要な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。
【００２０】
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が送信信号を対象物に向けて放射する。
【００２１】
送信信号が対象物で反射した受信信号は、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、共振板１４及びＰＺＴ振動子１３を経て受信回路部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）。
【００２２】
図３は、送信信号の波形（送信波形）及び受信信号の波形（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。
【００２３】
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、作り出される送信信号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送信信号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。
【００２４】
送信信号Ｓ２は、対象物で反射し受信信号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、受信信号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、受信信号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、送信信号Ｓ２が放射されてから受信信号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。
【００２５】
ここで、実施の形態１の特徴事項である測距センサ１０の性能評価方法について説明する。測距センサ１０は、ＰＺＴ振動子１３の発信によって共振板１４が送信信号を作り、受信信号をコーン部１５で受信し、それを共振板１４を介してＰＺＴ振動子１３に伝達することで電気信号に変更される送受を一体的に行なうものである。したがって、ＰＺＴ振動子１３の送受のトータル的なインピーダンス特性を測定した上で、送信側の共振周波数及び受信側の反共振周波数のそれぞれに特徴的な特性を測定することによって、測距センサ１０の良／不良の判定を高精度に実行し、測距センサ１０の品質を高めるようになっているのである。以下、各特性について説明する。
【００２６】
図４は、ＰＺＴ振動子１３のインピーダンス（Ｚ）特性を表すグラフである。図４に基づいて、ＰＺＴ振動子１３の送受におけるトータル的なインピーダンス特性について説明する。この図４では、横軸が周波数（Ｈｚ）を、縦軸がインピーダンス（Ω）をそれぞれ示している。また、図４で示すＦ１がＰＺＴ振動子１３における共振周波数を、Ｆ２がＰＺＴ振動子１３における反共振周波数をそれぞれ示している。さらに、図４には、インピーダンス特性を測定した５種類の測距センサ１０の測定値を示している。
【００２７】
測定値Ｃ１は、基準となる測距センサ１０の測定値を示している。測定値Ｃ２は、良判定とされる場合の測距センサ１０の測定値を示している。測定値Ｃ３〜測定値Ｃ５は、不良判定とされる場合の測距センサ１０の測定値を示している。この図４に示すように、５つの測距センサ１０の測定値（測定値Ｃ１〜測定値Ｃ５）は、共振周波数域におけるインピーダンスのバラツキが小さいが、反共振周波数域におけるインピーダンスのバラツキが大きいことがわかる。つまり、送信側の共振周波数及びインピーダンスが良判定の範囲内にあったとしても、受信側の反共振周波数及びインピーダンスが良判定の範囲内にないことがあるのである。
【００２８】
まず、正常動作する測距センサ１０のインピーダンス特性を基準値（モデル値）として測定する（測定値Ｃ１）。その後、完成した測距センサ１０におけるＰＺＴ振動子１３のインピーダンス特性を測定し、その測定値（測定値Ｃ２〜測定値Ｃ５）を測定値Ｃ１と比較することで測距センサ１０の良／不良を判定する（詳細は図５で説明する）。ここでは、測定値Ｃ２のみが良判定とされ、測定値Ｃ３〜測定値Ｃ５が不良判定とされる場合を例に示している。このとき、測定値Ｃ１との不一致度によって原因を予測することが可能となっている。
【００２９】
特に、測定値Ｃ２〜Ｃ５の反共振周波数及びインピーダンスを測定値Ｃ１の反共振周波数及びインピーダンスと比較することで、おおよその不良判定の原因が予測できる。それは、反共振周波数及びインピーダンスを比較することで、受信信号を受信するコーン部１５に何らかの原因があるものと考えられるからである。たとえば、測定値Ｃ３の反共振周波数及びインピーダンスは、測定値Ｃ１の反共振周波数及びインピーダンスよりも大きく上回っているためにコーン部１５の振動を抑制するダンピング材１６の設置不良、つまりコーン部１５の振動が抑制できないことが原因であると考えられる。
【００３０】
また、測定値Ｃ４の反共振周波数は、測定値Ｃ１の反共振周波数より右側にずれているためにコーン部１５を抑制するダンピング材１６の設置場所や設置量に偏りがあり、コーン部１５の振動を均等に抑制できていないことが原因であると考えられる。さらに、測定値Ｃ５の反共振周波数及びインピーダンスは、測定値Ｃ１の反共振周波数及びインピーダンスよりも大きく下回っているためにコーン部１５を抑制するダンピング材１６の設置量の過多、つまりコーン部１５の振動を強固に抑制してしまっていることが原因であると考えられる。
【００３１】
以上のように、共振板１４の送受のトータル的なインピーダンス特性、特に送信側の共振周波数及びインピーダンスに基づいて測距センサ１０の性能を評価したとしても、受信側の反共振周波数及びインピーダンスに大きなバラツキが生じ、結果的に測距センサ１０の性能評価の精度が低下してしまう。そこで、この実施の形態１では、以下に説明するように、送受のトータル的なインピーダンス特性の他に、共振周波数及び反共振周波数のそれぞれに特徴的な特性（図６及び図７参照）を測定することによって、測距センサ１０の性能評価の精度及び品質の向上を図るようにしているのである。
【００３２】
図５は、ＰＺＴ振動子１３のインピーダンス（Ｚ）特性を表すグラフである。図５に基づいて、測距センサ１０の性能評価方法の第１の評価である送受のトータル的なインピーダンス特性の測定について説明する。この図５では、横軸が周波数（Ｈｚ）を、縦軸がインピーダンス（Ω）をそれぞれ示している。また、図５で示すＦ１がＰＺＴ振動子１３における共振周波数を、Ｆ２がＰＺＴ振動子１３における反共振周波数をそれぞれ示している。さらに、図５には、図４と同様にインピーダンス特性を測定した５種類の測距センサ１０の測定値を示している。
【００３３】
測距センサ１０の性能評価方法は、ＰＺＴ振動子１３の送受のトータル的なインピーダンス特性を測定することから開始する。まず、正常動作する測距センサ１０におけるＰＺＴ振動子１３のインピーダンス特性を基準値として測定する（測定値Ｃ１）。そして、この測定値Ｃ１に基づいて、正常動作が可能な許容範囲を決定する。つまり、測定値Ｃ１を良品モデルの測定値として、共振周波数域における許容範囲Ｈ１及び送信側インピーダンスにおける許容範囲Ｌ１と、反共振周波数域における許容範囲Ｈ２及び受信側インピーダンスにおける許容範囲Ｌ２とを決定するのである。
【００３４】
その後、完成した測距センサ１０におけるＰＺＴ振動子１３のインピーダンス特性を測定し、その測定値（測定値Ｃ２〜Ｃ５）を測定値Ｃ１と比較する。つまり、測定値Ｃ２〜Ｃ５の共振周波数及び送信側インピーダンスがそれぞれ許容範囲Ｈ１及び許容範囲Ｌ１内にあるかどうか、及び、測定値Ｃ２〜Ｃ５の反共振周波数及び受信側インピーダンスがそれぞれ許容範囲Ｈ２及び許容範囲Ｌ２内にあるかどうかを判定するのである。したがって、許容範囲内にない測定値Ｃ３〜Ｃ５を示す測距センサ１０は、不良品として扱われることになる。そして、たとえば測定値Ｃ２を示す測距センサ１０のように、各許容範囲内に全てあるものが第２の評価に移行する。
【００３５】
図６は、送信側の共振周波数に特徴的な尖鋭度（Ｑ）特性を表すグラフである。図６に基づいて、測距センサ１０の性能評価方法の第２の評価である送信側の尖鋭度特性の測定について説明する。この図６では、横軸が周波数（Ｈｚ）を、縦軸が尖鋭度（Ｑ）をそれぞれ示している。また、図６には、尖鋭度特性を測定した３種類の測距センサ１０の測定値を示している。測定値Ｑ１は、基準となる測距センサ１０の測定値を示している。測定値Ｑ２及びＱ３は、不良判定とされる場合の測距センサ１０のそれぞれの測定値を示している。
【００３６】
測距センサ１０の性能評価方法の第２の評価は、共振板１４が送信信号を作り出す際のＰＺＴ振動子１３の発振における尖鋭度を測定することである。尖鋭度は、ＰＺＴ振動子１３の発振による共振板１４の共振の状態を表す音響特性の傾向を示すものであり、確実な共振現象が発生しているときは、急峻なピークを有する傾向を示すが、共振板１４が何らかの影響（たとえば、ダンピング材１６の設置位置や設置量の影響）を受け、共振現象が乱れると、緩やかなピークや過度な急峻ピークを有する傾向を示す。
【００３７】
たとえば、測定値Ｑ２の尖鋭度のように、過度な急峻ピークを有する傾向を示す場合には、共振板１４の振動を抑制するダンピング材１６の設置不良、つまり共振板１４の振動が抑制できないことが原因であると考えられる。また、測定値Ｑ３の尖鋭度のように、緩やかなピークを有する傾向を示す場合には、共振板１４の振動を抑制するダンピング材１６の設置量の過多、つまり共振板１４の振動を強固に抑制してしまっていることが原因であると考えられる。
【００３８】
まず、正常動作する測距センサ１０の尖鋭度特性を基準値（モデル値）として測定する（測定値Ｑ１）。そして、この測定値Ｑ１に基づいて、正常動作が可能な許容範囲を決定する。つまり、測定値Ｑ１を良品モデルの測定値として、尖鋭度における許容範囲ＱＬを決定するのである。その後、第１の評価の評価基準を満たした測距センサ１０の尖鋭度特性を測定し、その測定値（測定値Ｑ２及びＱ３）を測定値Ｑ１と比較することで、測定値Ｑ２及びＱ３の尖鋭度が許容範囲ＱＬ内にあるかどうかを判定する。したがって、測定値Ｑ２及びＱ３を示す測距センサ１０は、不良品として扱われることになる。その結果、第２の評価の評価基準を満たしたものが第３の評価に移行する。
【００３９】
図７は、受信側の反共振周波数に特徴的な電気抵抗分（Ｒ）特性を表すグラフである。図７に基づいて、測距センサ１０の性能評価方法の第３の評価である受信側の電気抵抗分特性の測定について説明する。この図７では、横軸が周波数（Ｈｚ）を、縦軸が電気抵抗分（Ω）をそれぞれ示している。また、図７には、電気抵抗分特性を測定した５種類の測距センサ１０の測定値を示している。測定値Ｒ１は、基準となる測距センサ１０の測定値を示している。測定値Ｒ２は、良判定とされる場合の測距センサ１０の測定値を示している。測定値Ｒ３〜Ｒ５は、不良判定とされる場合の測距センサ１０の測定値を示している。
【００４０】
測距センサ１０の性能評価方法の第３の評価は、コーン部１５が受信、増幅した受信信号が伝達された際のＰＺＴ振動子１３の電気抵抗分を測定することである。まず、正常動作する測距センサ１０の電気抵抗分特性を基準値（モデル値）として測定する（測定値Ｒ１）。そして、この測定値Ｒ１に基づいて、正常動作が可能な許容範囲を決定する。つまり、電気抵抗分における許容範囲ＲＬを決定するのである。その後、第２の評価の評価基準を満たした測距センサ１０の電気抵抗分特性を測定し、その測定値（測定値Ｒ２〜Ｒ５）を測定値Ｒ１と比較することで、測定値Ｒ２〜Ｒ５の電気抵抗分が許容範囲ＲＬにあるかどうかを判定する。したがって、測定値Ｒ３〜Ｒ５を示す測距センサ１０は、不良品として扱われることになる。その結果、測定値Ｒ２を示す測距センサ１０のみが良品、つまり合格品として扱われることになる。
【００４１】
たとえば、測定値Ｒ３の電気抵抗分は、測定値Ｒ１の電気抵抗分より大きく上回っているためにコーン部１５の振動を抑制するダンピング材１６の設置不良、つまりコーン部１５の振動が抑制できないことが原因であると考えられる。また、測定値Ｒ４の電気抵抗分は、許容範囲ＲＬ内にあるものの測定値Ｒ１の電気抵抗分より左側にずれているためにコーン部１５を抑制するダンピング材１６の設置場所や設置量に偏りがあり、コーン部１５の振動を均等に抑制できていないことが原因であると考えられる。さらに、測定値Ｒ５の電気抵抗分は、測定値Ｒ１の電気抵抗分より大きく下回っているためにコーン部１５を抑制するダンピング材１６の設置量の過多、つまりコーン部１５の振動を強固に抑制してしまっていることが原因であると考えられる。
【００４２】
以上のように、測距センサ１０の性能を評価するので、良／不良の判定を高精度に実行することができる。つまり、測距センサ１０の性能を３つの評価、ＰＺＴ振動子１３における送受のトータル的なインピーダンス特性（第１の評価）、共振周波数に特徴的な尖鋭度特性（第２の評価）及び反共振周波数に特徴的な電気抵抗分特性（第３の評価）で評価するので、高品質を確保した測距センサ１０を提供することが可能となる。また、各許容範囲を狭く設定すれば、更に測距センサ１０の品質を高くすることができる。さらに、測距センサ１０は、高品質を保有しているので、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。
【００４３】
なお、実施の形態１に係る性能評価方法で説明した各許容範囲は、測距センサ１０の基準値（測定値Ｃ１、Ｑ１及びＲ１）に基づいて決定すればよく、特に限定するものではない。たとえば、測距センサ１０の大きさや使用目的、設置場所、測定対象物等の諸条件に基づいて計測された実測値に基づいて各許容範囲を決定するとよい。また、測距センサ１０に円筒状に構成されたホーン部を装着して使用するようにしてもよい（図８参照）。測距センサ１０にホーン部を装着すれば、対象物に向けて放射する送信信号の音響レベルを大きくすることができるとともに、対象物で反射された受信信号をコーン部１５に確実に導くことができる。
【００４４】
実施の形態２．
図８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８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。この測距センサ１０は、実施の形態１に係る性能評価方法によって高い品質を有していることが実証されたものである。
【００４５】
図８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の開口部がドレンタンク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（送信信号）と水面で反射された反射波（受信信号）を示している。
【００４６】
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。また、測距センサ１０は、高品質を保有しているために、確実に対象物までの距離を測定することができる。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。
【００４７】
この実施の形態２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。また、ホーン部３０を装着しない状態で測距センサ１０のみを搭載してもよい。
【００４８】
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２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、内部空間である音響通路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】
【００４９】
【図１】実施の形態１に係る性能評価方法で性能評価す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】ＰＺＴ振動子のインピーダンス（Ｚ）特性を表すグラフである。
【図５】ＰＺＴ振動子のインピーダンス（Ｚ）特性を表すグラフである。
【図６】送信側の共振周波数に特徴的な尖鋭度（Ｑ）特性を表すグラフである。
【図７】受信側の反共振周波数に特徴的な電気抵抗分（Ｒ）特性を表すグラフである。
【図８】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】
【００５０】
１０ 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、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、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の性能評価方法に関し、特に近接距離を確実に測定することのできる測距センサの性能評価方法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、送信信号（発信信号）を空中に放射し、対象物からの受信信号（反射信号）を受信し、送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受信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】
また、測距センサの性能は、定電圧回路法によって評価することができる。この定電圧回路法は、ＰＺＴ振動子の発振により共振し、受信信号を受信により反共振する共振金属板のインピーダンス特性を測定し、共振金属板の共振周波数及び反共振周波数が所定の範囲内にあるかどうかを測定するものである。そして、共振周波数が所定の範囲内であるかどうかで測距センサの性能を評価するようにするのが一般的である。したがって、インピーダンス特性に基づいて、共振金属板の共振周波数が所定の範囲内にある測距センサであれば合格品として扱われるようになっている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−５９７６５号公報（第５ページ、第２図）
【非特許文献１】「超音波噴霧」（第１０９−１１０ページ 定電圧回路法）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の測距センサでは、ＰＺＴ振動子の共振周波数における尖鋭度（Ｑファクタ）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。つまり、ＰＺＴ振動子から発信される送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送信信号の残留成分（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、対象物までの正確な距離の測定が困難になってしまうという問題があった。この問題は、１次共振の振動を強制的に抑制することで解決することができる。
【０００７】
このような測距センサは、ＰＺＴ振動子の反共振周波数のバラツキが大きくなるために、共振周波数が所定の範囲内にあったとしても、反共振周波数が所定の範囲内にあるとは限らないことがある。つまり、定電圧回路法によって合格品と評価された測距センサの中には、正常に動作しない不良品が多く含まれてしまうという可能性が高くなっていたのである。したがって、ＰＺＴ振動子の共振周波数及び反共振周波数が所定の範囲内にあるかどうかを測定した上で、共振周波数及び反共振周波数のそれぞれに特徴的な特性を測定し、性能を評価することが望ましいのである。
【０００８】
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、振動子のインピーダンス特性を測定した上で、共振周波数及び反共振周波数のそれぞれに特徴的な特性を測定することによって、測距センサの良／不良の判定を高精度に実行できる測距センサの性能評価方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る測距センサの評価方法は、圧電素子で構成された振動子と、前記振動子に取り付けられ、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測距センサの評価方法であって、少なくとも、前記振動子のインピーダンス特性、前記共振板が送信信号を作り出す際の前記振動子の尖鋭度特性及び前記コーン部で増幅した受信信号が伝達された際の前記振動子の電気抵抗分特性の３つの特性を測定することで前記測距センサを評価することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る測距センサの性能評価方法は、少なくとも、振動子のインピーダンス特性、共振板が送信信号を作り出す際の振動子の尖鋭度特性及びコーン部で増幅した受信信号が伝達された際の振動子の電気抵抗分特性の３つの特性を測定することで測距センサを評価するので、測距センサの良／不良の判定を高精度に実行できるとともに、測距センサの品質を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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に係る性能評価方法で性能評価する測距センサ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１つのデバイスで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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。また、超音波による振動を電気信号に変換する機能も有している。したがって、ＰＺＴ振動子１３の動作状態を、図４に示すようなＰＺＴ振動子１３のインピーダンス特性で表すことができる。
【００１４】
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（振動）と共振することによって共振波である送信信号（発信信号）を作り出す機能を有している。また、共振板１４は、コーン部１５で増幅された受信信号によっても共振するようになっている。つまり、共振板１４は、送信信号を作り出すときに振動し、受信信号を受信したときにも振動するようになっているのである。
【００１５】
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送信信号の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、送信信号の１次振動モード波の振幅を減少させ、送信信号の残留成分を抑制することが可能になっている。
【００１６】
コーン部１５は、対象物からの受信信号（反射信号）を受信し、増幅する機能を有している。コーン部１５が受信信号を増幅した際の振動が共振板１４に伝達されるようになっている。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で受信される受信信号の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。
【００１７】
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、送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でき、それに伴って１次振動モード波の震幅を減少させ、送信信号及び受信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、送信信号及び受信信号の１次振動モード波を抑制するようになっている。
【００１８】
この測距センサ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の振動を部分的かつ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によって送信信号及び受信信号双方の残留成分を効果的に抑制し、送信信号と受信信号との区別を容易にし、受信信号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。
【００１９】
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、送信信号の主要な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。
【００２０】
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が送信信号を対象物に向けて放射する。
【００２１】
送信信号が対象物で反射した受信信号は、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、共振板１４及びＰＺＴ振動子１３を経て受信回路部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）。
【００２２】
図３は、送信信号の波形（送信波形）及び受信信号の波形（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。
【００２３】
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、作り出される送信信号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送信信号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。
【００２４】
送信信号Ｓ２は、対象物で反射し受信信号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、受信信号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、受信信号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、送信信号Ｓ２が放射されてから受信信号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。
【００２５】
ここで、実施の形態１の特徴事項である測距センサ１０の性能評価方法について説明する。測距センサ１０は、ＰＺＴ振動子１３の発信によって共振板１４が送信信号を作り、受信信号をコーン部１５で受信し、それを共振板１４を介してＰＺＴ振動子１３に伝達することで電気信号に変更される送受を一体的に行なうものである。したがって、ＰＺＴ振動子１３の送受のトータル的なインピーダンス特性を測定した上で、送信側の共振周波数及び受信側の反共振周波数のそれぞれに特徴的な特性を測定することによって、測距センサ１０の良／不良の判定を高精度に実行し、測距センサ１０の品質を高めるようになっているのである。以下、各特性について説明する。
【００２６】
図４は、ＰＺＴ振動子１３のインピーダンス（Ｚ）特性を表すグラフである。図４に基づいて、ＰＺＴ振動子１３の送受におけるトータル的なインピーダンス特性について説明する。この図４では、横軸が周波数（Ｈｚ）を、縦軸がインピーダンス（Ω）をそれぞれ示している。また、図４で示すＦ１がＰＺＴ振動子１３における共振周波数を、Ｆ２がＰＺＴ振動子１３における反共振周波数をそれぞれ示している。さらに、図４には、インピーダンス特性を測定した５種類の測距センサ１０の測定値を示している。
【００２７】
測定値Ｃ１は、基準となる測距センサ１０の測定値を示している。測定値Ｃ２は、良判定とされる場合の測距センサ１０の測定値を示している。測定値Ｃ３〜測定値Ｃ５は、不良判定とされる場合の測距センサ１０の測定値を示している。この図４に示すように、５つの測距センサ１０の測定値（測定値Ｃ１〜測定値Ｃ５）は、共振周波数域におけるインピーダンスのバラツキが小さいが、反共振周波数域におけるインピーダンスのバラツキが大きいことがわかる。つまり、送信側の共振周波数及びインピーダンスが良判定の範囲内にあったとしても、受信側の反共振周波数及びインピーダンスが良判定の範囲内にないことがあるのである。
【００２８】
まず、正常動作する測距センサ１０のインピーダンス特性を基準値（モデル値）として測定する（測定値Ｃ１）。その後、完成した測距センサ１０におけるＰＺＴ振動子１３のインピーダンス特性を測定し、その測定値（測定値Ｃ２〜測定値Ｃ５）を測定値Ｃ１と比較することで測距センサ１０の良／不良を判定する（詳細は図５で説明する）。ここでは、測定値Ｃ２のみが良判定とされ、測定値Ｃ３〜測定値Ｃ５が不良判定とされる場合を例に示している。このとき、測定値Ｃ１との不一致度によって原因を予測することが可能となっている。
【００２９】
特に、測定値Ｃ２〜Ｃ５の反共振周波数及びインピーダンスを測定値Ｃ１の反共振周波数及びインピーダンスと比較することで、おおよその不良判定の原因が予測できる。それは、反共振周波数及びインピーダンスを比較することで、受信信号を受信するコーン部１５に何らかの原因があるものと考えられるからである。たとえば、測定値Ｃ３の反共振周波数及びインピーダンスは、測定値Ｃ１の反共振周波数及びインピーダンスよりも大きく上回っているためにコーン部１５の振動を抑制するダンピング材１６の設置不良、つまりコーン部１５の振動が抑制できないことが原因であると考えられる。
【００３０】
また、測定値Ｃ４の反共振周波数は、測定値Ｃ１の反共振周波数より右側にずれているためにコーン部１５を抑制するダンピング材１６の設置場所や設置量に偏りがあり、コーン部１５の振動を均等に抑制できていないことが原因であると考えられる。さらに、測定値Ｃ５の反共振周波数及びインピーダンスは、測定値Ｃ１の反共振周波数及びインピーダンスよりも大きく下回っているためにコーン部１５を抑制するダンピング材１６の設置量の過多、つまりコーン部１５の振動を強固に抑制してしまっていることが原因であると考えられる。
【００３１】
以上のように、共振板１４の送受のトータル的なインピーダンス特性、特に送信側の共振周波数及びインピーダンスに基づいて測距センサ１０の性能を評価したとしても、受信側の反共振周波数及びインピーダンスに大きなバラツキが生じ、結果的に測距センサ１０の性能評価の精度が低下してしまう。そこで、この実施の形態１では、以下に説明するように、送受のトータル的なインピーダンス特性の他に、共振周波数及び反共振周波数のそれぞれに特徴的な特性（図６及び図７参照）を測定することによって、測距センサ１０の性能評価の精度及び品質の向上を図るようにしているのである。
【００３２】
図５は、ＰＺＴ振動子１３のインピーダンス（Ｚ）特性を表すグラフである。図５に基づいて、測距センサ１０の性能評価方法の第１の評価である送受のトータル的なインピーダンス特性の測定について説明する。この図５では、横軸が周波数（Ｈｚ）を、縦軸がインピーダンス（Ω）をそれぞれ示している。また、図５で示すＦ１がＰＺＴ振動子１３における共振周波数を、Ｆ２がＰＺＴ振動子１３における反共振周波数をそれぞれ示している。さらに、図５には、図４と同様にインピーダンス特性を測定した５種類の測距センサ１０の測定値を示している。
【００３３】
測距センサ１０の性能評価方法は、ＰＺＴ振動子１３の送受のトータル的なインピーダンス特性を測定することから開始する。まず、正常動作する測距センサ１０におけるＰＺＴ振動子１３のインピーダンス特性を基準値として測定する（測定値Ｃ１）。そして、この測定値Ｃ１に基づいて、正常動作が可能な許容範囲を決定する。つまり、測定値Ｃ１を良品モデルの測定値として、共振周波数域における許容範囲Ｈ１及び送信側インピーダンスにおける許容範囲Ｌ１と、反共振周波数域における許容範囲Ｈ２及び受信側インピーダンスにおける許容範囲Ｌ２とを決定するのである。
【００３４】
その後、完成した測距センサ１０におけるＰＺＴ振動子１３のインピーダンス特性を測定し、その測定値（測定値Ｃ２〜Ｃ５）を測定値Ｃ１と比較する。つまり、測定値Ｃ２〜Ｃ５の共振周波数及び送信側インピーダンスがそれぞれ許容範囲Ｈ１及び許容範囲Ｌ１内にあるかどうか、及び、測定値Ｃ２〜Ｃ５の反共振周波数及び受信側インピーダンスがそれぞれ許容範囲Ｈ２及び許容範囲Ｌ２内にあるかどうかを判定するのである。したがって、許容範囲内にない測定値Ｃ３〜Ｃ５を示す測距センサ１０は、不良品として扱われることになる。そして、たとえば測定値Ｃ２を示す測距センサ１０のように、各許容範囲内に全てあるものが第２の評価に移行する。
【００３５】
図６は、送信側の共振周波数に特徴的な尖鋭度（Ｑ）特性を表すグラフである。図６に基づいて、測距センサ１０の性能評価方法の第２の評価である送信側の尖鋭度特性の測定について説明する。この図６では、横軸が周波数（Ｈｚ）を、縦軸が尖鋭度（Ｑ）をそれぞれ示している。また、図６には、尖鋭度特性を測定した３種類の測距センサ１０の測定値を示している。測定値Ｑ１は、基準となる測距センサ１０の測定値を示している。測定値Ｑ２及びＱ３は、不良判定とされる場合の測距センサ１０のそれぞれの測定値を示している。
【００３６】
測距センサ１０の性能評価方法の第２の評価は、共振板１４が送信信号を作り出す際のＰＺＴ振動子１３の発振における尖鋭度を測定することである。尖鋭度は、ＰＺＴ振動子１３の発振による共振板１４の共振の状態を表す音響特性の傾向を示すものであり、確実な共振現象が発生しているときは、急峻なピークを有する傾向を示すが、共振板１４が何らかの影響（たとえば、ダンピング材１６の設置位置や設置量の影響）を受け、共振現象が乱れると、緩やかなピークや過度な急峻ピークを有する傾向を示す。
【００３７】
たとえば、測定値Ｑ２の尖鋭度のように、過度な急峻ピークを有する傾向を示す場合には、共振板１４の振動を抑制するダンピング材１６の設置不良、つまり共振板１４の振動が抑制できないことが原因であると考えられる。また、測定値Ｑ３の尖鋭度のように、緩やかなピークを有する傾向を示す場合には、共振板１４の振動を抑制するダンピング材１６の設置量の過多、つまり共振板１４の振動を強固に抑制してしまっていることが原因であると考えられる。
【００３８】
まず、正常動作する測距センサ１０の尖鋭度特性を基準値（モデル値）として測定する（測定値Ｑ１）。そして、この測定値Ｑ１に基づいて、正常動作が可能な許容範囲を決定する。つまり、測定値Ｑ１を良品モデルの測定値として、尖鋭度における許容範囲ＱＬを決定するのである。その後、第１の評価の評価基準を満たした測距センサ１０の尖鋭度特性を測定し、その測定値（測定値Ｑ２及びＱ３）を測定値Ｑ１と比較することで、測定値Ｑ２及びＱ３の尖鋭度が許容範囲ＱＬ内にあるかどうかを判定する。したがって、測定値Ｑ２及びＱ３を示す測距センサ１０は、不良品として扱われることになる。その結果、第２の評価の評価基準を満たしたものが第３の評価に移行する。
【００３９】
図７は、受信側の反共振周波数に特徴的な電気抵抗分（Ｒ）特性を表すグラフである。図７に基づいて、測距センサ１０の性能評価方法の第３の評価である受信側の電気抵抗分特性の測定について説明する。この図７では、横軸が周波数（Ｈｚ）を、縦軸が電気抵抗分（Ω）をそれぞれ示している。また、図７には、電気抵抗分特性を測定した５種類の測距センサ１０の測定値を示している。測定値Ｒ１は、基準となる測距センサ１０の測定値を示している。測定値Ｒ２は、良判定とされる場合の測距センサ１０の測定値を示している。測定値Ｒ３〜Ｒ５は、不良判定とされる場合の測距センサ１０の測定値を示している。
【００４０】
測距センサ１０の性能評価方法の第３の評価は、コーン部１５が受信、増幅した受信信号が伝達された際のＰＺＴ振動子１３の電気抵抗分を測定することである。まず、正常動作する測距センサ１０の電気抵抗分特性を基準値（モデル値）として測定する（測定値Ｒ１）。そして、この測定値Ｒ１に基づいて、正常動作が可能な許容範囲を決定する。つまり、電気抵抗分における許容範囲ＲＬを決定するのである。その後、第２の評価の評価基準を満たした測距センサ１０の電気抵抗分特性を測定し、その測定値（測定値Ｒ２〜Ｒ５）を測定値Ｒ１と比較することで、測定値Ｒ２〜Ｒ５の電気抵抗分が許容範囲ＲＬにあるかどうかを判定する。したがって、測定値Ｒ３〜Ｒ５を示す測距センサ１０は、不良品として扱われることになる。その結果、測定値Ｒ２を示す測距センサ１０のみが良品、つまり合格品として扱われることになる。
【００４１】
たとえば、測定値Ｒ３の電気抵抗分は、測定値Ｒ１の電気抵抗分より大きく上回っているためにコーン部１５の振動を抑制するダンピング材１６の設置不良、つまりコーン部１５の振動が抑制できないことが原因であると考えられる。また、測定値Ｒ４の電気抵抗分は、許容範囲ＲＬ内にあるものの測定値Ｒ１の電気抵抗分より左側にずれているためにコーン部１５を抑制するダンピング材１６の設置場所や設置量に偏りがあり、コーン部１５の振動を均等に抑制できていないことが原因であると考えられる。さらに、測定値Ｒ５の電気抵抗分は、測定値Ｒ１の電気抵抗分より大きく下回っているためにコーン部１５を抑制するダンピング材１６の設置量の過多、つまりコーン部１５の振動を強固に抑制してしまっていることが原因であると考えられる。
【００４２】
以上のように、測距センサ１０の性能を評価するので、良／不良の判定を高精度に実行することができる。つまり、測距センサ１０の性能を３つの評価、ＰＺＴ振動子１３における送受のトータル的なインピーダンス特性（第１の評価）、共振周波数に特徴的な尖鋭度特性（第２の評価）及び反共振周波数に特徴的な電気抵抗分特性（第３の評価）で評価するので、高品質を確保した測距センサ１０を提供することが可能となる。また、各許容範囲を狭く設定すれば、更に測距センサ１０の品質を高くすることができる。さらに、測距センサ１０は、高品質を保有しているので、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。
【００４３】
なお、実施の形態１に係る性能評価方法で説明した各許容範囲は、測距センサ１０の基準値（測定値Ｃ１、Ｑ１及びＲ１）に基づいて決定すればよく、特に限定するものではない。たとえば、測距センサ１０の大きさや使用目的、設置場所、測定対象物等の諸条件に基づいて計測された実測値に基づいて各許容範囲を決定するとよい。また、測距センサ１０に円筒状に構成されたホーン部を装着して使用するようにしてもよい（図８参照）。測距センサ１０にホーン部を装着すれば、対象物に向けて放射する送信信号の音響レベルを大きくすることができるとともに、対象物で反射された受信信号をコーン部１５に確実に導くことができる。
【００４４】
実施の形態２．
図８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８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。この測距センサ１０は、実施の形態１に係る性能評価方法によって高い品質を有していることが実証されたものである。
【００４５】
図８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の開口部がドレンタンク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（送信信号）と水面で反射された反射波（受信信号）を示している。
【００４６】
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。また、測距センサ１０は、高品質を保有しているために、確実に対象物までの距離を測定することができる。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。
【００４７】
この実施の形態２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。また、ホーン部３０を装着しない状態で測距センサ１０のみを搭載してもよい。
【００４８】
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２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、内部空間である音響通路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】
【００４９】
【図１】実施の形態１に係る性能評価方法で性能評価す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】ＰＺＴ振動子のインピーダンス（Ｚ）特性を表すグラフである。
【図５】ＰＺＴ振動子のインピーダンス（Ｚ）特性を表すグラフである。
【図６】送信側の共振周波数に特徴的な尖鋭度（Ｑ）特性を表すグラフである。
【図７】受信側の反共振周波数に特徴的な電気抵抗分（Ｒ）特性を表すグラフである。
【図８】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】
【００５０】
１０ 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、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、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測距センサの評価方法であって、
少なくとも、前記振動子のインピーダンス特性、前記共振板が送信信号を作り出す際の前記振動子の尖鋭度特性及び前記コーン部で増幅した受信信号が伝達された際の前記振動子の電気抵抗分特性の３つの特性を測定することで前記測距センサを評価する
ことを特徴とする測距センサの評価方法。
【請求項２】
前記インピーダンス特性、前記尖鋭度特性及び前記電気抵抗分特性を、予め測定したある基準値と比較することで前記測距センサを評価する
ことを特徴とする請求項１に記載の測距センサの評価方法。
【請求項３】
前記インピーダンス特性を基準値となるインピーダンス特性と比較する第１の評価、前記尖鋭度特性を基準値となる尖鋭度特性と比較する第２の評価、前記電気抵抗分特性を基準値となる電気抵抗分特性と比較する第３の評価の順に測距センサを評価する
ことを特徴とする請求項２に記載の測距センサの評価方法。
【請求項４】
前記基準値に所定の許容範囲を設定しておき、
前記インピーダンス特性、前記尖鋭度特性及び前記電気抵抗分特性が前記基準値の許容範囲内にあるかどうかで前記測距センサを評価する
ことを特徴とする請求項３に記載の測距センサの評価方法。
【請求項５】
前記第１の評価の評価基準を満たしたときに、前記第２の評価に移行し、
前記第２の評価を評価基準を満たしたときに、前記第３の評価に移行することで前記測距センサを評価する
ことを特徴とする請求項４に記載の測距センサの評価方法。
【請求項１】
圧電素子で構成された振動子と、
前記振動子に取り付けられ、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測距センサの評価方法であって、
少なくとも、前記振動子のインピーダンス特性、前記共振板が送信信号を作り出す際の前記振動子の尖鋭度特性及び前記コーン部で増幅した受信信号が伝達された際の前記振動子の電気抵抗分特性の３つの特性を測定することで前記測距センサを評価する
ことを特徴とする測距センサの評価方法。
【請求項２】
前記インピーダンス特性、前記尖鋭度特性及び前記電気抵抗分特性を、予め測定したある基準値と比較することで前記測距センサを評価する
ことを特徴とする請求項１に記載の測距センサの評価方法。
【請求項３】
前記インピーダンス特性を基準値となるインピーダンス特性と比較する第１の評価、前記尖鋭度特性を基準値となる尖鋭度特性と比較する第２の評価、前記電気抵抗分特性を基準値となる電気抵抗分特性と比較する第３の評価の順に測距センサを評価する
ことを特徴とする請求項２に記載の測距センサの評価方法。
【請求項４】
前記基準値に所定の許容範囲を設定しておき、
前記インピーダンス特性、前記尖鋭度特性及び前記電気抵抗分特性が前記基準値の許容範囲内にあるかどうかで前記測距センサを評価する
ことを特徴とする請求項３に記載の測距センサの評価方法。
【請求項５】
前記第１の評価の評価基準を満たしたときに、前記第２の評価に移行し、
前記第２の評価を評価基準を満たしたときに、前記第３の評価に移行することで前記測距センサを評価する
ことを特徴とする請求項４に記載の測距センサの評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−１７０３０６（Ｐ２００８−１７０３０６Ａ）
【公開日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４３００（Ｐ２００７−４３００）
【出願日】平成１９年１月１２日（２００７．１．１２）
【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)
【公開日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月１２日（２００７．１．１２）
【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)
[ Back to top ]