JPS58198779A - 超音波センサ−装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波センサー装置ｉこ関する。

例えば、溶接ロボットにおいてトーチをある平面上で移
動しながら溶接を行なう場合、トーチはその平面に対し
て一定の角度を保つ必要があり、従来の溶接ロボットで
は、これをあらかじめティーチングしている。

しかしながら、今後の溶接ロボットにおいては、視覚を
有して溶接線を探知しながら溶接を行なう機能を有する
ことが望まれるので、そのためには溶接される鋼板と溶
接ロボットめトーチとの距離、トーチの角度とを同時に
検出するセンサーが必要となってくる。

本発明はこのような事情に鑑みて提案されたもので、対
象面に対して距離と角度とを同時に検出する超音波セン
サー装置を提供することを目的とし、超音波を対象面に
向って発射す名発射部と上記対象面より反射する超音波
を受信する受信部とを軸対称に対設してなるセンサーヘ
ッドと、上記センサーヘッドを上記軸の周りに一定速度
で回転する手段と、上記受信部により受信される反射波
の大きさの変動を分析し上記センサーヘッドと上記対象
面との距離および角度を去れぞれ出力する位置演算回路
とを具えたことを特徴とする。

本発明の一実施例を図面について説明すると、第１図は
その回路構成を示すブロック線図、第２図は第１図の修
正信号発生器を示す部分拡大図、第３図は第２図の極値
検出器を示す部分拡大図、第４図は第１図の超音波発射
器の特性図。

第５図はセンサーヘッドが対象面に対し垂直でかつ所定
の距離にある場合を示す側面図、第６図は第５図におい
て距離が変化した場合を示す側面図、第７図は第６図に
おける反射波の強度を示す線図、第８図および第９図は
それぞれセンサーヘッドが対象面ｌこ対し所定の距離に
おいて傾いている場合を示す説明図、第１０図および第
１１図はそれぞれセンサーヘッドが対象面に対し傾くと
−もに距離が変化した場合を示す説明図、第１２図は第
５図における反射波の強度を示す線図、第１３図は第６
図における反射波の強度を示す線図、第１４図は第８図
および第９図における反射波の強度を示す線図、第１５
図は第１０図および第１１図における反射波の強度を示
す線図である。

”）　　　　まず、第１図において、ｌはセンサーヘッ
ド２の中心軸でセンサーヘッド２は中心軸１の周りに一
定の回転数で回転し得る構造になっている。Ｓは第４図
に示す特・性を有する超音波の発射部でフェライト振動
子を内蔵し一定周波ω０の超音波を対象面７に向かって
発射する。４は対象面７より反射する超音波の受信部で
フェライト振動子を内蔵し受信された超音波はここで電
気信号に変換される。５は発射部３から発射された超音
波の進行経路、６は発射部３から発射され対象面７で反
射され受信部４に入射する反射波の経路、１８は超音波
センｆ−ｚツド２を軸方向に摺動可能かつ紙面に垂直な
軸線の周りに回動可能に支持する架台、１９は対象面７
と超音波センサーヘッド２の中心軸１がなす角度ヲ９０
０に修正するためにセンサーヘッド２を紙面内で回動す
るモータ、２０．２１は信号発生器２６からの信号を発
射部３へ相互誘導作用を利用して伝達するコイル、２２
．２３は受信部４からの信号をセンサー駆動装置の増幅
器２７へ相互誘導作用を利用して伝達するコイル、２４
はセンサーヘッド２の中心軸１に一定の回転数を与える
モータ、２５はセンサーヘッド２と対象面７との距離を
修正するためにセンサーヘッド２を軸方向に摺動するモ
ータ、２６は超音波の発射部３ヘコイル：１１，２０を
介して周波数ω。の正弦波信号を送信する信号発生器、
２１は受信部４からの信号をコイル１１２．２３を介し
て受信し、これを増幅する増幅器（ＡＭＰ）、２８は増
幅器２７の出力信号の中から受信部４から来る信号で周
波数ω。のものを通過させる狭帯域フィルタ、２９はフ
ィルタ２８からの信号を検波し、直流成分を取り出す検
波器、３１は検波器２９から信号によりセンサーヘッド
２とる 対象面１の関係位置を修正力１号として距離修正信号ｅ
と角度修正信号ｆをそれぞれ出力する修正信号発生器、
３２は修正信号発生器３１からの角度修正信号ｆにより
センサーヘッド２と対象面７との角度を修正する角度修
正用モータ１９の駆動信号を出力するＤ／Ａ変換器、３
３は同様にセンサーヘッド２と対象面２との距離を修正
信号発生器３１からの距離修正信号・により修正する距
離修正用モータ２５の駆動信号を出力するＤ／Ａ変換器
である。

次に、修正信号発生器３１の構成を説明すると、第２図
において、３４は検波器２９の出力信号を一定の時間（
サンプリングタイム）計測しこのサンプリングタイムで
起きた検波器出力の最大値ａ、最小値すを検出する極値
検出器、３５は最大値ａと最小値すの加算を行ないＣ＝
ａ　＋　ｂを出力する加算器％３６はａとｂの減算を行
ないｄ＝ａ−ｂを出力する減算器、３７はｅ　＝＝　ａ
　＋　ｂが計測された直前のサンプリングタイムにおけ
るｃ’−ａ’＋　ｂ’とＣとの差ｅ　ｘ　ｅ　−ｃ’を
出力する減算器で、ｅ　−ｃ’＝＝　ｏならばセンサー
ヘッド２と対象面７との距離が適切であることを意味し
、ｅ　−ｅ’＞　ｏ又はｅ　−’ｅ’　（ｏならばか計
測された直前のサンプリングタイムにおけるｄ′＝ＩＬ
ｌ−ｂ′とｄとの差ｆ　＝　ｄ　−ｄ’を出力する減算
器で、ｄ　−ｄ’＝　ｏならばセンサーヘッド２と対象
面７のなす角度が適切つまり９０°をなしていることを
意味しｄ　−ｄ’＞　ｏ又はｄ　−ｄ’＜　。

ならばその大きさと正負に応じてセンサーヘッド２と対
象面７のなす角度を修正する信号を出力する。

さらに、極値検出器３４の構成を説明すると、第３図に
詔いて、３９は検波器２９の出力信号をデジタル信号に
変換するＡ／Ｄ変換器、４０はＡ／Ｄ変換器３９の出力
信号の一定時間間隔内での最大値を検出するための最大
値レジスタで、この最大値レジスタ４０の内容はタイミ
ングパルス発生器４６から一定時間間隔で出力するリセ
ットパルスが入力したときには零になる。

４１は比較器で、最大値レジスタ４０とＡ／Ｄ変換器３
９の出力信号を比較し最大値レジスタ４０の内容がＡ／
Ｄ変換器３９の値よりも小さいときは、Ａ／Ｄ変換器３
９の信号を信号選択ゲート４２へ入力すると同一に最大
値レジスタ４０の内容をＡ　／　Ｄ変換器３９の内容に
変換する。４３は比較器で、最小値レジスタ４４とＡ／
Ｄ変換器１９の出力差を検出し、差が負又は零のときは
、最小値レジスタ４４の内容をＡ／Ｄ変換器３９の内容
に変更し信号選択ゲート４５の出力をＡ／Ｄ変換器３９
の内容に変更し、また上記出力差が正であれば最小値レ
ジスタ４４の出力を信号選択ゲート４５の出力とする。

４４は最小値レジスタ、４５は信号選択ゲートで、最大
値検出の場合と同様にタイミングパルス発生器４６から
出力するリセットパルスと次のリセットパルスが出力す
る時間間隔内での変換器３９の出力の最小値を出力する
。４６はタイミングパルス発生器で、一定時間間隔ごと
に最大値レジスタ４０、最小値レジスタ４４の内容を零
にするパルス信号を出力し、このタイミングパルスによ
りＡ　／　Ｄ変換器３９の出力変動を一定時間で計測し
たときに現われるＡ　／　Ｄ変換器３９の出力の最大値
と最小値の計測が行われ、次の一定時、間で再びＡ／Ｄ
変換器３９の最大値と最小値が計測し直される。このタ
イミングパルスはセンサーヘッド２を回転するモータ２
４の回転数をｆｏ　　回／秒とすると２ｆｏ回／秒で発
生する。

このよう他装置において、実施例の具体的作用効果の説
明に先立ってまず、本発明装置の原理を第５図〜第７図
に基いて説明する。

まず、センサーヘッド２が対象面１に対して垂直でかつ
適正な距離ｌにあるときは超音波の入射波および反射波
は第５図に示す経路５および６のようになるが、センサ
ーヘッド２の位置が離れ過ぎてｅ＋Δｇとなると、反射
波は経路８になり、近づき過ぎてｌ−Δｇとなると、反
射波は経路９を進み、従って受信部４では反射波の受信
強度が、第７図に示すよう変化し、センサーヘッド２が
距離ｇにあるときに比べて小さくなる。

そこで、受信波の強度が最大となる点Ｐを検出してセン
サーヘッド２が常に受信波の強度がＰとなるように位置
制御を行なう。

次に、センサーヘッド２と対象面７との関係位置が第５
図の状態から第８図、第９図に示すように傾いたとする
と、発射部３から発射された超音波は第８図では経路１
０．第９図では経路１１に沿ってそれぞれ反射されるの
で受信部４では検出されなくなる。

また、対象面７が傾き、しかも距離が適正でない場合は
、第１Ｏ図の反射経路５０，５２、第１１図の反射経路
５４．５６に沿って超音波がそれぞれ進行するので、こ
の場合も受信部４で超音波は受信されない。

そこで、本発明においては、発射部３から発射される超
音波の空間的な強度分布特性が第４図に示すような回転
楕円体状になるものを用いる。ここで原点Ｏから回転楕
円体表面までの距離γは角度θで示す方向の超音波の強
度を示す。

つまり、発射部３の面に対して垂直な方向には最大の発
射波の強度を与え発射部３の面に対して垂直でない方向
には、その角度θが大きくなるに従って発射波の強度が
小さくなり、θ＝９０°ではこの強度が零となる。

このような特性を有する超音波の発射部３を用いること
によりセンサーヘッド２と対象面７との関係位置が適正
でない場合でも発射部３から発射された超音波は、鎖線
で示すように、第８図においては経路１２、第９図にお
いて経路１３、第１０図においては経路６１，５３、第
１１図においては経路ｓｓ、ｓｒに沿ってそれぞれ進行
するので、反射波は受信部４に受信されることになるの
である。

以上は説明の便宜上、センサーヘッド２は回転しない場
合であったが、本発明では、センサーヘッド２を回転軸
１の周りに回転するようになされている。

そうすると、まずセンサーヘッド２と対象面１が、第５
図に示すように、適正な関係位置にあるときは、発射部
３から発射され対象面７で反射され受信部４で受信され
る超音波の強度ｒとセンサーヘッド２の回転角度θとの
関係は、第１２図に示すように半径γ↑、１の円になり
、γ・）　　　はθによらず一定となる。

また、センサーヘッド２と対象面１との関係位置か、第
６図に示すように、対象面７に垂直な方向にずれている
場合は、受信部４で受信される超音波の強度γとセンサ
ーヘッド２の回転角度θとの関係は、第１３図の実線で
示すように、半径γ１の円となり、この場合はγが最大
となる方向にセンサーヘッド２の位置を移動することに
よりセンサーヘッド２と対象面７との関係を適正なもの
とする。

次にＪ８図、第９図に示すように、センサーヘッド２と
対象面７とが垂直でない場合は、ｒ。

θの関係は第１４図の実線に示すように落花生歴の細線
となり、θ＝０°（第８図）およびθ＝１８０°（第９
図）ではγは最大になり、θ＝９０゜およびθ＝２７０
°ではγは最小になる。

従って、このようにθが９０°ごとに最大値、最小値を
とるときは、最大値と最小値の差が小さくなる方向にセ
ンサーヘッド２の対象面７に対する角度を修正すること
によりセンサーヘラ１ ド２と対象面７を垂直とするとともに、ｒが最大となる
方向に距離Ｅを修正することによりセンサーヘッド２と
対象面７との関係位置を適正なものとする。

さらに、センサーヘッド２と対象面７の関係位置が第１
０図、第１１図に示すような場合は、第１５図に示すよ
うに、第１４図の場合よりも小さな類似形の図形となる
ので、関係位置の修正は第１４図の場合と同様にこれを
行なうことになる。

次に、以上述べた原理に基づく本実施例の作用効果を述
べる。

まず、信号発生器２６の出力する一定周波数ω。の正弦
波信号はコイル２１．２０を介して超音波発射部３に伝
達され、発射部３から超音波が対象面７に発射され、対
象面７で反射された超音波はセンサーヘッド２と対象面
７の関係位置に応じて第５図〜第１１図に示す経路によ
って受信部４で受信される。

その際、センサーヘッド２は中心軸１で一定回転数ｆ０
回／秒で回転しているので、受信部４で受信される超音
波の強度γは、センサーへ・ンド２の回転角度θに応じ
て第１２図〜第１５図で示すように変化し、このγの変
化はセンサーヘッド２が一定回転数ｆ０回／秒で回転し
ているために、第１４図、第１５図で示すようなγの最
大値、最小値は２１０回／秒で発生する。

このγの変化を超音波（周波数ω。）を搬送波として受
信部４で電気信号に変換し、コイル２２．２３を介して
増幅器２７で増幅し、増幅器２７の出力をフィルタ２８
に入力して超音波ω０　の成分のみを選択し、フィルタ
２８からの出力を検波器２９で検波すると、受信部４で
受信される超音波の強度γに比例した出力が得られる。

次に、検波器２９の出力は１／２ｆａ秒の周期で最大値
と最小値が修正信号発生器３１の極値検出器３４に入力
するので、第３図に示す回路によってｌ／２ｆ０秒間の
入力の最大値ａと最小値すを求める・ことができる。

次の周期ｌ／　２　ｆ　ｏ秒間にも同様にセンサーヘッ
ド２と対象面７との関係位置の情報が樽られる。最大値
ａと最小値すは第２図に示す修正信号発生器３１の回路
によって周期１／２ｆ、秒毎にその周期の情報とその直
前の周波の情報の比較を行なってセンサーヘッド２と対
象面７との関係位置を修正する信号ｅ、ｆを出力するこ
とができる。

修正信号発生器３１では、一定周期１　／　２　／　。

秒内で最大値ａと最小値すを検知し、ｃ　＝　ａ　＋　
ｂは、さきに本装置の原理で述べたようにａ、ｂがγに
比例しているためＣが大きい程センサーヘッド２と対象
面７とが距離に関して適正関係位置に近づいていること
を意味する。

ある１周期のＣと後続する１周期の；　（ｅ　′＝、／
＋ｂ′）を比較し、Ｃが大きくなる方向へセンサーヘッ
ド２の距離修正信号ｅを出力し、一方最大値ａと最小値
すの差ｄ　＝　ａ　−ｂは、ａ、ｂがｒに比例している
ために、センサーヘッド２が対象面１に対して適正な角
度つまり９０°であれば、ａ　＝　ｂとなりｄ　＝Ｏと
なる。

またｄ　＝　ａ　−ｂζ０のときはセンサーヘッド２の
中心軸１が、対象面７に対して垂直でないことを意味し
、ｄが大きい程対象面７とセンサーヘッド２の中心軸１
のなす角が大きく、センサーヘッド２と対象面７が適正
な角度から離れていることを意味する。

距離修正信号６は、超音波センサー駆動装置の始動時は
ｅ０＝ｃｏのある値にセットし、角度修正信号ｆ０　　
も同様に／、　＝　ｄｏのある値にセットする。

このようにセットしたのち、センサー駆動装置を起動す
ると、第１図に示すモータ１９゜２５が一定方向に回動
し、ｅ　６　＝　ｄ　６　）　ｏの場合は、センサーヘ
ッド２が対象面２に接近する信号に対応し、ｊ’ｏ＝ｄ
ｏ＞Ｏの場合は、モータ１９を左又は右回転の一方に対
応する。

そこで最初のｌ／２ｆ０秒間で’１ｓｂｌが計測され、
＠１：：ｅｌ−０６、ム＝＝ｄ、−ｄ（１が修正信号発
生器３１内で算出割れる。そして、ｅ、の信号を　　　
□Ｄ／Ａ変換器３３に、ｆ、の信号をＤ／Ａ変換器３２
に極値発生器３４内のタイミングパルス発生器４６のリ
セットパルスを利用して最初周期１／２ｆｏ秒の終了時
で入力する。

Ｄ／Ａ変換器３３．３２は一定時間τ秒（τ〈ｌ／２ｆ
０）の間出力し、モータ１９，２５を回動する。従って
Ｄ／Ａ変換器３３．３２はτ秒だけ出力を持続するよう
にタイマーがセットされている。

この最初のＣ８，ｆ、がＤ／Ａ変換器３３．３２に入力
した直後には、極値検出器３４内のタイミングパルス発
生器４６のリセットパルスを利用して、比較器３７のｃ
ｏをＣ１に、比較器Ｓ８のｄｏをｄ、に置換する。

こうして、以上述べた作用を操り返すことによりセンサ
ー駆動装置はセンサーヘッド２と対象面７との関係位置
を適正とするように動作し続ける。

このような装置によれば、超音波を反射し得る任意の対
象面に対してセンサーヘッド２が一定距離と垂直な位置
関係を保つことができるので、 （１）任意の平面に対して一定距離、一定角度で作業を
行なう例えば塗装ロボット、溶接ロボット等のセンサー
として利用することができる。

（２）　　センサーヘッドが平面に対して、適正な関係
位置を保つように移動するとき、その移動量から平面位
置、角度を検出することができる。

要するζ２本発明によれば、超音波を対象面に向って発
射する発射部と上記対象面より反射する超音波を受信す
る受信部とを軸対称に対設してなるセンサーヘッドと、
上記センサーヘッドを上記軸の周りに一定速度で回転す
る手段と、上記受信部により受信される反射波の大きさ
の変動を分析し上記センサーヘッドと上記対象面との距
離および角度をそれぞれ出力する位置演算回路とを具え
たεとにより、対象物体面に対する関係位置および角度
をそれぞれ出力する超音波センサー装置を得るから、本
発明は産業上極めて有益なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回路構成を示すブロック線
図、第２図は第１図の修正信号発生器を示す部分拡大図
、第３図は第２図の極値検出器を示す部分拡大図、第４
図は第１図の超音波発射器の特性図、第５図はセンサー
ヘッドが対象面に対して垂直でかつ所定の距離にある場
合を示す側面図、第６図は第５図において距離が変化し
た場合を示す側面図、第７図は第６図における反射波の
強度を示す線図、第８図および第９図はそれぞれセンサ
ーヘッドが対象面に対し所定の距離において傾いている
場合を示す説明図、第ｉｏ図および第１１図はそれぞれ
センサーヘッドが対象面に対し傾くと一シに距離が変化
した場合を示す説明図、第１２図は第５図における反射
波の強度を示す線図、第１３図は第６図における反射波
の強度を示す線図、第５、　　　１４図は第８図および
第９図１・における反射波の強度を示す線図、第１５図
は第１０図および第１１図に右ける反射波の強度を示す
線図である。 ９ １・・・中心軸、２・・・センサーヘッド、３・・・発
射部、４・・・受信部、５・・・経路、６・・・経路、
７・・・対象面、１８・−拳架台、１９・・・モータ、
２０．２１…コイル、２２，２３…コイル、２４…モー
タ、２５・・・モータ、２６・・・信号発生器、２７・
・・増幅器、２８・・・フィルタ、２９・・・検波器、
３１・・・修正信号発生器、３２・・・Ｄ／Ａ変換器、
３３・・・Ｄ　／　Ａ変換器、３４・・・極値検出器、
３５・・・加算器、３６・・・減算器、３７・・・減算
器、３８・・・減算器、３９・・・Ａ／Ｄ変換器、４ｏ
・・・最大値レジスタ、４１・・・比較器、４２・・・
信号選択ゲート、４３・・・比較器、４４・・・最小値
レジスタ、４５・・・信号選択ゲート、４６・・・タイ
ミングパルス発生器。 出願人復代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦１′ニー ０ 第８図 １ 第１０図 第９図 第ｎ　ＩＩ 第１２図 第１４図 第１３図 第１５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超音波を対象面に向って発射する発射部と上記対象面よ
   り反射する超音刻授信する受信部とを軸対称に対設して
   なるセンサーヘッドと、上記センサーヘッドを上記軸の
   周りに一定速度で回転する手段と、上記受信部により受
   信される反射波の大きさの変動を分析し上記センサーヘ
   ッドと上記対象面との距離および角度をそれぞれ出力す
   る位置演算回路とを具えたことを特徴とする超音波セン
   サー装置。