(57)【要約】【課題】  音波を用いた簡易な構成で、被検体の位置を非接触で測定する近接センサを提供する。【解決手段】  振動板１２１と固定極１２２とが対向配置されてなる音波放出部１２と、振動板に音圧信号を加える信号発生部１１と、振動板から伝播した音圧信号の音圧を検出する検出部１３と、検出部が検出した音圧に基づいて音圧測定値を算出し、音波放出部に対向する位置における被検体１００の有無を判定する信号処理部１４と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板と固定極とが対向配置されてなる音波放出部と、
前記振動板に音圧信号を加える信号発生部と、
前記振動板から伝播した前記音圧信号の音圧を検出する検出部と、
前記検出部が検出した前記音圧に基づいて音圧測定値を算出し、前記音波放出部に対向する位置における被検体の有無を判定する信号処理部と、
を備える近接センサ。
【請求項２】
前記信号処理部は、前記音圧測定値に基づいて前記音波放出部から前記被検体までの距離を算出する請求項１記載の近接センサ。
【請求項３】
前記振動板の前記被検体と対向する面と反対の面を内壁の一部として空気を密閉してなる空気室をさらに有し、
前記検出部は、前記空気室内に配置された請求項１又は２記載の近接センサ
【請求項４】
前記検出部は、特定の周波数における音圧レベルを検出し、
前記信号処理部は、検出した音圧レベルを前記音圧測定値として算出する請求項１乃至３のいずれかに記載の近接センサ。
【請求項５】
前記検出部は、複数の周波数における音圧レベルを検出し、
前記信号処理部は、前記音圧レベルの下に凸のピーク値を前記音圧測定値として算出する請求項１乃至３のいずれかに記載の近接センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液面計や工場などにおける部品のカウンタとして、被検体の位置を測定可能な近接センサが知られている。ここで、被検体の位置とは、液面計においてはタンク内の液体の液面の位置である。また、工場のカウンタにおいては、ベルトコンベアなどの上の対象物（部品や製品等）の配置されている位置である。ベルトコンベアなどによって対象物が近接センサの前を通過することで、近接センサが対象物の個数をカウントする。
【０００３】
液面計や工場のカウンタにおいては、被検体に接触することなく被検体の位置を測定する必要がある。また、複雑な構成のセンサは、メンテナンスの点で煩雑である。
【０００４】
従来の近接センサは、例えば光や超音波を被検体に照射することにより非接触で被検体の位置を測定するものが知られている。しかし、被検体の種類によっては光や超音波を照射すると被検体に影響を及ぼすものがある。また、光や超音波を使用できない測定環境においては、従来の近接センサを用いることができなかった。
【０００５】
そこで、簡易な構成で被検体の位置を非接触で測定可能な近接センサが必要とされている。
【０００６】
これまでにも、例えば、導管と液境界との間の接触を測定する液境界レベル検知用音響インピーダンスシステムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
しかしながら、特許文献１のシステムは、導管を液面に接触させて液面を計測するシステムであり、被検体に非接触で測定可能な構成については開示されていなかった。
【０００８】
また、注液パイプに取り付けられたスピーカー音源とタンク内の残響音を検出するマイクロホンによってタンク内液量を求めるタンクの液量検出装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
さらに、音響・電気変換器の出力信号を用いて管部と被測定内容積部における共振周波数に基づいて被測定内容積部の測定が行われる内容積測定装置が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【００１０】
しかしながら、特許文献２の液量検出装置は、注液パイプを備えた容器に液体を貯留する必要がある。また、注液パイプの形状を精密に成形しないと正確な液量が検出できず、簡易な構成ではなかった。また、特許文献３の内容積測定装置においても、管部を精密に成形する必要があり、簡易な構成とはいえなかった。
【００１１】
さらにまた、液体内に音波を発して音波が発せられてから受け取られるまでの時間に基づいて自動車のタンク内の燃料のレベルを測定する圧電式液体測定装置が開示されている（例えば、特許文献４参照）。
【００１２】
しかしながら、特許文献４の圧電式液体測定装置は、被検体が音波を透過する液体に限られているため、音波を透過しない被検体に対しては使用することができなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】実公平６−３３３７９号公報
【特許文献２】特開平８−３２７４２９号公報
【特許文献３】特開平２−５２９６９号公報
【特許文献４】特表２０００−５１５９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、音波を用いた簡易な構成で、被検体の位置を非接触で測定可能な近接センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明にかかる近接センサは、振動板と固定極とが対向配置されてなる音波放出部と、前記振動板に音圧信号を加える信号発生部と、前記振動板から伝播した前記音圧信号の音圧を検出する検出部と、前記検出部が検出した前記音圧に基づいて音圧測定値を算出し、前記音波放出部に対向する位置における被検体の有無を判定する信号処理部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、音波を用いた簡易な構成で、被検体の位置を非接触で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明にかかる近接センサの実施の形態を示す縦断面図である。
【図２】上記近接センサが備える振動板により振動する空気を説明する模式図である。
【図３】上記近接センサの検知範囲に被検体が存在するときの上記空気の状態を説明する模式図である。
【図４】上記近接センサの機能ブロック図である。
【図５】上記近接センサの検出部が計測した周波数と音圧レベルの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明にかかる近接センサの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
●近接センサ（１）●
【００２０】
図１に示すように、近接センサ１は、音波放出部１２、空気室３１、側壁４、バッフル板５および検出部１３を備える。
【００２１】
音波放出部１２は、振動板１２１、固定極１２２および固定極１２３により構成されている。固定極１２２および固定極１２３は、振動板１２１を挟むように両面に配置されている。振動板１２１および固定極１２２は、隙間を開けて対向配置されている。また、振動板１２１および固定極１２３は、隙間を開けて対向配置されている。
【００２２】
また、振動板１２１、固定極１２２および固定極１２３の対向面の片方はエレクトレット処理されていて、コンデンサスピーカと同じ構成になっている。音波放出部１２は、図４に示す信号発生部１１から振動板１２１と固定極１２２および固定極１２３との間に加えられる音圧信号を振動に変換する。
【００２３】
また、音波放出部１２は、成極電圧を印加するタイプのコンデンサスピーカと同じ構成であってもよい。
【００２４】
音波放出部１２は、振動板１２１、固定極１２２および固定極１２３により、固定極１２２に隣接して構成されている空気室３１の空気と、振動板１２１の近傍の外側の空気３２を振動させる。
【００２５】
なお、本実施の形態では振動板１２１の両面に固定極１２２および固定極１２３が配置される構成としたが、固定極１２２および固定極１２３は、いずれか一方であってもよい。
【００２６】
空気室３１は、音波放出部１２のうち固定極１２２側の面を内側として構成される密閉された空間が望ましい。空気室３１は、固定極１２２、側壁４およびバッフル板５により略円筒形に構成されている。すなわち、固定極１２２およびバッフル板５は、空気室３１の底面を構成する。また、側壁４は、空気室３１の側面を構成する。
【００２７】
空気室３１は、振動板１２１と固定極１２２のうち一方の面を内壁の一部として、空気を密閉して構成されている。すなわち、空気室３１は、振動板１２１側の面を内壁の一部として構成されている。空気室３１は、後述する音圧を測定するために密閉された空間が望ましい。しかし、空気室３１は密閉されていなくとも同様の効果を有する。密閉された空気室３１に後述する検出部１３が配置されることで、検出部１３が外部の雑音を検出しなくなるため、測定精度が向上する。
【００２８】
検出部１３は、振動板１２１から空気室３１に伝播した音圧を検出する素子である。検出部１３は、バッフル板５の中央に固定されている。検出部１３は、空気室３１の内部に突出して設けられている。検出部１３は、例えばマイクロホンである。
【００２９】
近接センサ１は、振動板１２１を挟んで検出部１３の反対側にある被検体１００を検知することができる。
【００３０】
ここで、近接センサ１による被検体１００の検知範囲について説明する。近接センサ１の音響質量は、音波放出部１２の近傍に被検体１００があることにより変化する。したがって、検出部１３が測定する音圧は、音波放出部１２の近傍における被検体１００の有無により異なる。
【００３１】
すなわち、近接センサ１の検知範囲は、被検体１００により音響質量が変化する範囲である。言い換えれば、振動板１２１と同じ振動をする空気が存在する範囲である。
【００３２】
図２に示す、振動板１２１により振動する空気３２の質量、すなわち付加質量Ｍａは、以下の式１で表される。
【００３３】
（式１）
Ｍａ≒16/3×ρ×ｒ3    ｒ：振動板１２１の有効半径、ρ：空気の密度
ρ≒1.2 kg/m3
【００３４】
式１から、振動板１２１の有効半径ｒの約１．７倍の範囲の空気３２が、振動板１２１の振動が伝播する空気である。なお、振動板１２１は端部が固定された状態で振動するため、中央部の振幅が最大になる。したがって、振動板１２１による振動は、振動板１２１の中央部に対向する位置で、最も遠くまで伝播する。
【００３５】
図３に示すように、近接センサ１の検知範囲に被検体１００が存在すると、振動板１２１により振動する空気３２は、被検体１００が存在しないときに比べて振動板１２１の半径方向に拡がる。言い換えれば、検出部１３により測定される音圧は、空気３２が振動板１２１の半径方向に拡がることにより変化する。その結果、被検体１００と音波放出部１２が空気室を等価的に作ることで、空気３２が音響的に容量成分を持った状態になる。
【００３６】
したがって、検出部１３に測定される音圧は、空気３２の範囲に被検体１００が存在すると変化する。すなわち、振動板１２１に対向する位置であって、最大で振動板１２１の有効半径ｒの約１．７倍の範囲に被検体１００が存在するとき、空気３２の容量成分により、振動板１２１の動きが阻害される。その結果、検出部１３に測定される音圧が変化する。
【００３７】
次に、図４に示す近接センサ１の機能ブロック図について説明する。
【００３８】
図４に示すように、近接センサ１は、信号発生部１１、音波放出部１２、検出部１３および信号処理部１４を備える。
【００３９】
信号発生部１１は、音波放出部１２の振動板１２１に所定の電圧で一定の周波数の音圧信号を与える。ここで、所定の電圧は、例えば実効値１００Ｖである。また、一定の周波数は、例えば１．４ｋＨｚである。
【００４０】
信号発生部１１が音波放出部１２に与える音圧信号の周波数は、複数の周波数が混合した信号であってもよい。
【００４１】
音波放出部１２は、コンデンサスピーカと同様に構成されている振動板１２１および固定極１２２により、上記音圧信号に対応した音波を発生し、空気室３１の空気を振動させる。
【００４２】
検出部１３は、振動板１２１から空気室３１に伝播した音圧のうち、一定の周波数における音圧を測定する。一定の周波数は、例えば１．４ｋＨｚである。ここでの音圧は、例えばｄＢ単位で示される音圧レベルである。
【００４３】
信号処理部１４は、検出部１３が測定した音圧に基づいて、音圧測定値を算出し、振動板１２１に対向して配置された被検体１００の有無や音波放出部と被検体１００との距離を判定する。
【００４４】
●検出部１３が計測する音圧の周波数と音圧レベルの関係
【００４５】
図５は、検出部１３が計測した周波数と音圧レベルの関係を示すグラフである。説明のため、ここでは信号発生部１１が発生する信号の周波数を変化させたときの周波数応答を示している。図５に示すグラフは、横軸が音波放出部から放出された音波の周波数を、縦軸が検出部１３によって検出された音圧レベルを示す。なお、図５のグラフにおける被検体１００は、板材を使用した。
【００４６】
線２００は、周波数が１．４ｋＨｚの位置を示す。また、折れ線２０１は、被検体１００が音波放出部１２の近傍に配置されていないときの音圧レベルを示す。折れ線２０２は、音波放出部１２と被検体１００の距離が４０ｍｍのときの音圧レベルを示す。折れ線２０３は音波放出部１２と被検体１００の距離が２０ｍｍ、折れ線２０４は１０ｍｍのときの音圧レベルをそれぞれ示す。
【００４７】
折れ線２００〜２０４は、ともに１．４ｋＨｚ付近で下に凸のピークを持つ。すなわち、１．４ｋＨｚ付近で音圧レベルが急に下降する。また、折れ線２００〜２０４が有するピークにおける音圧レベルは、それぞれ異なる。したがって、検出部１３が１．４ｋＨｚにおける音圧レベルを検出することにより、信号処理部１４は被検体１００が音波放出部１２の近傍に有るか否かを算出し、判定することができる。
【００４８】
なお、周波数と音圧レベルの関係を示すグラフにおける周波数は、被検体の材質などの種類により異なる。したがって、検出部１３が測定する音圧測定値の周波数は、計測する被検体の周波数−音圧レベル特性により適宜選択してもよい。
【００４９】
また、信号処理部１４は、複数の周波数における音圧レベルを算出して、音圧レベルのピーク値を探索するように構成してもよい。このとき、信号発生部１１が音波放出部１２に加える音圧信号は、複数の周波数が混合した信号にするとよい。信号処理部１４は、音圧レベルのピーク値を音圧測定値として算出する。さらに、信号処理部１４は、音圧レベルのピーク値から求めた音圧測定値に基づいて被検体１００の有無を判定する。
【００５０】
信号処理部１３が複数の周波数における音圧レベルからピークの最も高い周波数の音圧測定値を算出することにより、周波数−音圧レベル特性の異なる被検体を測定する際にも設定を調整することなく測定可能である。
【００５１】
信号処理部１４は、音圧レベルと、音波放出部１２と被検体１００の距離と、の関係を音圧−距離テーブルとして予め記憶しておいてもよい。音圧−距離テーブルは、例えば、図５の折れ線２００〜２０４の１．４ｋＨｚのような周波数応答に特徴のある点における音圧と前記距離の相関関係をテーブル化したものである。
【００５２】
信号処理部１４は、音圧−距離テーブルを参照することにより、検出部１３が算出した音圧測定値を音波放出部１２と被検体１００の距離に変換することができる。すなわち、信号処理部１４は、音圧測定値に基づいて音波放出部１２から被検体１００までの距離を算出することができる。
【００５３】
以上説明した実施の形態によれば、検出部１３が特定の周波数における音圧レベルを測定することにより、振動板１２１に対向して配置された被検体の有無を判定することができる。すなわち、音波を用いた簡易な構成で、被検体の位置を非接触で測定することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１      近接センサ
１１    信号発生部
１２    音波放出部
１３    検出部
１４    信号処理部
３１    空気室
１００  被検体
１２１  振動板
１２２  固定極
【図４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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