JP2003248051A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 残響による誤動作を起こすことなく、近距離
にある障害物も正確に検出できる超音波センサを提供す
ることを目的とする。 【解決手段】 フィルタ特性の中心周波数が外部からの
制御信号によって変化するように構成された帯域フィル
タ１４を備え、送信部１２から送信信号を送信させ、マ
スク期間においては、増幅回路１３からの受信信号によ
る帯域フィルタ１４での電気的な共振による残響が発生
しないように帯域フィルタ１４の中心周波数を変化させ
る。そして、マスク期間経過後に帯域フィルタ１４から
受信信号を受けて障害物の検出を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波を利用した
超音波センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、自動車において、後方の障害物
との間の距離を超音波を利用して検出し、その距離情報
を表示部や警報器を通じて報知するようにしたバックソ
ナーや、自動車のコーナー部からの所定距離以内の障害
物を超音波を利用して検出し、その距離および位置情報
を報知するようにしたコーナーソナーのような超音波セ
ンサが提供されている。

【０００３】このような超音波センサは、一般に１個の
マイクロフォンが送受信を兼用し、マイクロフォンから
超音波を送信し、障害物から反射した超音波（反射波）
をマイクロフォンで受信する。そして、超音波を送信し
てから反射波を受信するまでの時間から障害物までの距
離が算出される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、マイクロフォン
で超音波を送信した場合、マイクロフォンは機械的な振
動を行う為、送信を停止しても暫くの間振動が止まらな
い。これを残響と呼んでいる。このため、従来は、超音
波の送信開始前から受信開始前までの一定時間（マスク
期間）が経過した後に障害物の検出を始めていた。とこ
ろが、超音波信号を送信してから反射波を受信するまで
の時間が短い場合、すなわち近距離に障害物がある場合
において、マスク期間を長く設定すると、障害物を検出
することができなかった。また、マスク期間を短く設定
すると、反射波と残響との区別ができないため、障害物
を誤検出する場合があった。

【０００５】本発明は上記問題に鑑みたもので、残響に
よる誤動作を起こすことなく、近距離にある障害物も正
確に検出できる超音波センサを提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、受信手段（１３）に接
続され受信手段（１３）からの受信信号をフィルタ特性
に従って通過させるものであって、フィルタ特性の中心
周波数が外部からの制御信号によって変化するように構
成された帯域フィルタ（１４）を備え、送信手段（１
２）から送信信号を送信させ、マスク期間経過後に帯域
フィルタ（１４）から受信信号を受けて障害物の検出を
行うものであって、マスク期間においては、受信手段
（１３）からの受信信号による帯域フィルタ（１４）で
の電気的な共振による残響が発生しないように帯域フィ
ルタ（１４）の中心周波数を変化させる制御信号を帯域
フィルタ（１４）に出力するようにしたことを特徴とし
ている。

【０００７】このように、マスク期間において、帯域フ
ィルタ（１４）の中心周波数を変化させ、受信手段（１
３）からの受信信号による帯域フィルタ（１４）での電
気的な共振による残響を抑制することで、残響時間が短
くなるので、近距離にある障害物でも正確に検出でき
る。

【０００８】また、請求項２に記載の発明では、受信手
段（１３）に接続され受信手段（１３）からの受信信号
をフィルタ特性に従って通過させる帯域フィルタ（１
４’）と、受信手段（１３）と帯域フィルタ（１４’）
と間に設けられたスイッチング手段（１８）を備え、送
信手段（１２）から送信信号を送信させ、マスク期間経
過後に帯域フィルタ（１４’）から受信信号を受けて障
害物の検出を行うものであって、マスク期間において
は、受信手段と帯域フィルタ（１４’）への接続を遮断
するようにスイッチング手段（１８）を制御するように
したことを特徴としている。

【０００９】このように、マスク期間においては、受信
手段（１３）と帯域フィルタ（１４’）の接続を遮断す
るようにスイッチング手段（１８）を制御することで、
受信手段（１３）からの受信信号が帯域フィルタ（１
４’）に入力されないので、電気的な共振による残響が
発生しない。そのため、残響時間が短くなるので、近距
離にある障害物でも正確に検出できる。

【００１０】この場合、請求項３に記載の発明のよう
に、受信手段（１３）とスイッチング手段（１８）を介
して接続されるアッテネータ（１７）を設け、マスク期
間において、受信手段と帯域フィルタ（１４’）への接
続をアッテネータ（１７）への接続に切り替えるように
することもできる。

【００１１】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。

【００１２】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明の
一実施形態を適用した実施形態を説明する。図１に、本
実施形態における超音波センサの構成図を示す。この超
音波センサは、例えば、自動車に装着されるものであっ
て、バックソナーやコーナーソナーとして使用される。
また、本実施形態では、１個のマイクロフォンが送受信
を兼用し、障害物の検出を行うようになっている。

【００１３】図１において、超音波センサは、マイクロ
フォン１１、送信部１２、増幅回路１３、帯域フィルタ
１４、制御部１５および表示出力回路１６から構成さ
れ、送信部１２は、発振回路１２ａと昇圧回路１２ｂを
有しており、制御部１５は、制御回路１５ａ、波形整形
回路１５ｂおよび判定回路１５ｃを有している。なお、
マイクロフォン１１、発振回路１２ａ、昇圧回路１２
ｂ、増幅回路１３および帯域フィルタ１４は、車両のバ
ンパに埋め込まれ、他の部材１５ａ、１５ｂ、１５ｃお
よび１６は車室内に配置されている。

【００１４】上記した構成において、送信時には、制御
回路１５ａからの指示で発振回路１２ａから昇圧回路１
２ｂに対して所定の周波数信号を送信すると、昇圧回路
１２ｂは入力された周波数信号を昇圧してマイクロフォ
ン１１に送出する。そして、マイクロフォン１１は、送
信パワーの大きな超音波信号を車両の周囲に向かって送
信する。

【００１５】また、受信時には、障害物から反射した超
音波はマイクロフォン１１で受信され、受信信号は増幅
回路１３で増幅され、帯域フィルタ１４によって受信信
号に含まれる雑音（反射波の周波数以外の周波数成分）
が除去され、波形整形回路１５ｂで波形整形される。こ
の信号のレベルは判定回路１５ｃによって判定され、障
害物の有無の検出が行われる。そして、障害物があると
判定された場合は、制御回路１５ａによって、超音波を
送信してから反射波を受信するまでの時間から障害物ま
での距離が算出され、算出した距離が所定範囲内であれ
ば、距離に応じた出力が表示出力装置１６に送られ、障
害物の存在や距離が表示される。なお、帯域フィルタ１
４は、信号と雑音の比（Ｓ／Ｎ比）を改善するために用
いられている。

【００１６】このように、制御回路１５ａは、超音波の
送信と受信を切り替えて、障害物の有無の検出や障害物
との距離の算出を行っている。しかし、このような方法
では、マイクロフォン１１で超音波を送信したときに発
生する残響のため、超音波を送信してから反射波を受信
する時間が短い場合、すなわち、近距離に障害物がある
場合には、反射波を正確に検出できなかった。

【００１７】ところで、残響は、マイクロフォン１１の
機械的な振動により発生し、それが帯域フィルタ１４に
入力されると、電気的な共振による残響により残響時間
が長くなるという特性がある。

【００１８】そこで、本実施形態では、帯域フィルタ１
４として制御回路１５ａからの制御信号によって中心周
波数を可変させるものを用い、送信時と受信時でその中
心周波数を可変させ、電気的な共振による残響を除去し
ている。

【００１９】図２に、帯域フィルタ１４の周波数特性を
示す。なお、検出時のフィルタ特性の中心周波数は、超
音波の送信信号周波数と同じ約４０ｋＨｚとなってお
り、送信時のフィルタ特性の中心周波数は約９０ｋＨｚ
である。また、残響の周波数は約４０ｋＨｚであるが、
超音波の送信信号周波数とは必ずしも一致しない。

【００２０】帯域フィルタ１４は、制御回路１５ａから
の制御信号によって、超音波の送信開始前から受信開始
前までのマスク期間中、中心周波数が約９０ｋＨｚのフ
ィルタ特性に設定される。このことにより、約４０ｋＨ
ｚの反射波および残響は除去される。また、マスク期間
終了時は、受信時のフィルタ特性に設定され、反射波の
みが通過される。

【００２１】図３に、帯域フィルタ１４の具体的な回路
例を示す。帯域フィルタ１４は、オペアンプ１４ａ、ア
ナログスイッチ１４ｂ、抵抗１４０〜１４６およびコン
デンサ１４７〜１４９とから構成されている。入力端子
Ａは、抵抗１４０およびコンデンサ１４７を介してオペ
アンプ１４ａの反転入力端子（−）に接続されている。
そして、抵抗１４０とコンデンサ１４７の接続点は、コ
ンデンサ１４８を介してオペアンプ１４ａの出力端子Ｂ
に接続されるとともに、抵抗１４１および抵抗１４１と
並列接続された抵抗１４２とアナログスイッチ１４ｂを
介して接地されている。また、オペアンプ１４ａの非反
転入力端子（＋）は、抵抗１４４を介して電源ＶＣＣに
接続されるとともに並列接続された抵抗１４５とコンデ
ンサ１４９を介して接地されている。また、アナログス
イッチ１４ｂに入力される制御信号は抵抗１４３により
プルダウンされている。

【００２２】このような帯域フィルタ１４では、抵抗１
４１と抵抗１４２からなる抵抗値により、中心周波数が
大きく変化する。制御回路１５ａからの制御信号によ
り、アナログスイッチ１４ｂはオン、オフ設定され、ア
ナログスイッチ１４ｂがオフのとき、抵抗１４１の抵抗
値により、図２における受信時のフィルタの特性とな
る。また、アナログスイッチ１４ｂがオンされると、抵
抗１４１に抵抗１４２が並列に付加され、送信時のフィ
ルタ特性となる。

【００２３】図４（ａ）に、発振回路１２ａの送信波形
を示し、図４（ｂ）に、帯域フィルタ１４の中心周波数
を約４０ｋＨｚに固定した場合における帯域フィルタ１
４の出力波形を示す。また、図４（ｃ）に、制御回路１
５ａから帯域フィルタ１４への制御信号のタイミングチ
ャートを示し、図４（ｄ）に、帯域フィルタ１４の中心
周波数をマスク期間において約９０ｋＨｚに変化させた
場合における帯域フィルタ１４の出力波形を示す。

【００２４】発振回路１２ａから昇圧回路１２ｂへの送
信波形は、図４（ａ）に示すような波形となる。また超
音波の送受信とも、帯域フィルタ１４の中心周波数を受
信時のフィルタ特性にした場合の帯域フィルタ１４の出
力波形は、図４（ｂ）に示すような波形となる。図４
（ｂ）に示す残響波形には、機械的な振動と電気的な共
振による残響が含まれている。そのため、受信信号に含
まれる残響と反射波とが重なり合い、反射波を正確に検
出できない。ところが、図４（ｃ）のように、超音波送
信前から受信開始前までのマスク期間中に、帯域フィル
タ１４の中心周波数を送信時のフィルタ特性に設定する
と、増幅回路１３からの受信信号は除去され、帯域フィ
ルタ１４での電気的な共振による残響が抑えられる。そ
して、マスク期間終了時には、受信時のフィルタ特性に
設定して反射波を受信する。そして、図４（ｄ）に示し
た残響波形のように、機械的な振動による残響のみとな
り、受信信号の残響時間が短くなるので、近距離にある
障害物も正確に検出できる。

【００２５】（第２実施形態）次に、第２の実施形態
を、上記第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
図５に、本実施形態における超音波センサの構成図を示
す。なお、上記した第１の実施形態と同一部分には、同
一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について
のみ説明する。

【００２６】第２実施形態の構成は基本的に第１実施形
態と同様であるが、帯域フィルタ１４’の中心周波数は
信号周波数と同じ約４０ｋＨｚで固定となっており、帯
域フィルタ１４’と並列にアッテネータ１７を備え、増
幅回路１３の出力をスイッチング回路１８によって帯域
フィルタ１４’とアッテネータ１７とで切り替えるよう
にした点が異なっている。

【００２７】この実施形態では、マスク期間において、
制御回路１５ａは増幅回路１３の出力をアッテネータ１
７側に切り替えるための制御信号を切替回路１８に出力
する。これにより、増幅回路１３の出力はアッテネータ
１８側に切り替えられ、増幅回路１３からの受信信号が
帯域フィルタ１４’に入力されないので、電気的な共振
による残響が発生しない。そして、マスク期間終了時
に、制御回路１５ａは増幅回路１３の出力を帯域フィル
タ１４’側に切り替えるための制御信号をスイッチング
回路１８に出力する。これにより、増幅回路１３の出力
は帯域フィルタ１４’側に切り替えられる。その結果、
図４（ｄ）に示すように、機械的な振動による残響のみ
となり、受信信号の残響時間が短くなるので、近距離に
ある障害物を正確に検出することができる。

【００２８】なお、マスク期間中において、増幅回路１
３からの出力を、アッテネータ１７を介し、波形整形回
路１５ｂ、判定回路１５ｃに入力することにより、制御
回路１５ａで残響時間を測定することができ、その残響
時間によりマイクロフォン１１の断線等を検出すること
ができる。

【００２９】（その他の実施形態）上記した第２実施形
態においては、マスク期間中に、増幅回路１３の出力を
アッテネータ１７に接続しているが、アッテネータ１７
を用いずに増幅回路１３の出力を波形整形回路１５ｂに
直接入力するようにしてもよい。この場合においても、
マスク期間中に超音波の送信時に受信信号が帯域フィル
タ１４’に入力されないので、電気的な共振による残響
が発生せず、受信信号の残響時間が短くなるので、近距
離にある障害物を正確に検出することができる。

【００３０】また、マスク期間中において増幅回路１３
の出力を波形整形回路１５ｂに入力するような構成とせ
ず、増幅回路１３の出力側を未接続状態とする構成とし
てもよい。この場合も、マスク期間中に超音波の送信時
に受信信号が帯域フィルタ１４’に入力されないので、
電気的な共振による残響は発生せず、受信信号の残響時
間が短くなって、近距離にある障害物を正確に検出する
ことができる。

【００３１】本発明の実施にあたり、上記超音波センサ
は、自動車で用いられる超音波センサに限ることなく、
各種の産業分野で採用される各種センサで用いられる超
音波センサとして使用されてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態における超音波センサの構成図で
ある。

【図２】第１実施形態における帯域フィルタ１４の周波
数特性を示す図である。

【図３】第１実施形態における帯域フィルタ１４の具体
的な回路例を示す図である。

【図４】第１、第２実施形態におけるタイミングチャー
トである。

【図５】第２の実施形態における超音波センサの構成図
である。

【符号の説明】

１１・・・マイクロフォン、１２・・・送信部、１２ａ・・・発
振回路、１２ｂ・・・昇圧回路、１３・・・増幅回路、１４、
１４’・・・帯域フィルタ、１４ａ・・・オペアンプ、１５・・
・制御部、１５ａ・・・制御回路、１５ｂ・・・波形整形回
路、１５ｃ・・・判定回路、１６・・・表示出力回路、１７・・
・アッテネータ、１８・・・スイッチング回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5D019 AA07 5J083 AA02 AB13 AC05 AC12 AC16 AC18 AC29 AD04 AE01 AF05 BA01 BE30 BE55 CA01 CA10

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波を送信し、障害物から反射されて
   きた反射波を受信するマイクロフォン（１１）と、 前記マイクロフォン（１１）へ送信信号を送信する送信
   手段（１２）と、 前記マイクロフォン（１１）からの信号を受信する受信
   手段（１３）と、 前記受信手段（１３）に接続され前記受信手段（１３）
   からの受信信号をフィルタ特性に従って通過させるもの
   であって、前記フィルタ特性の中心周波数が外部からの
   制御信号によって変化するように構成された帯域フィル
   タ（１４）と、 前記送信手段（１２）から前記送信信号を送信させ、マ
   スク期間経過後に前記帯域フィルタ（１４）から受信信
   号を受けて障害物の検出を行うものであって、前記マス
   ク期間においては、前記受信手段（１３）からの受信信
   号による前記帯域フィルタ（１４）での電気的な共振に
   よる残響が発生しないように前記帯域フィルタ（１４）
   の前記中心周波数を変化させる前記制御信号を前記帯域
   フィルタ（１４）に出力する制御手段（１５）と、を備
   えたことを特徴とする超音波センサ。
2. 【請求項２】 超音波を送信し、障害物から反射されて
   きた反射波を受信するマイクロフォン（１１）と、 前記マイクロフォン（１１）へ送信信号を送信する送信
   手段（１２）と、 前記マイクロフォン（１１）からの信号を受信する受信
   手段（１３）と、 前記受信手段（１３）に接続され前記受信手段（１３）
   からの受信信号をフィルタ特性に従って通過させる帯域
   フィルタ（１４’）と、 前記受信手段（１３）と前記帯域フィルタ（１４’）と
   間に設けられたスイッチング手段（１８）と、 前記送信手段（１２）から前記送信信号を送信させ、マ
   スク期間経過後に前記帯域フィルタ（１４’）から受信
   信号を受けて障害物の検出を行うものであって、前記マ
   スク期間においては、前記受信手段と前記帯域フィルタ
   （１４’）への接続を遮断するように前記スイッチング
   手段（１８）を制御する制御手段（１５）と、を備えた
   ことを特徴とする超音波センサ。
3. 【請求項３】 前記受信手段（１３）と前記スイッチン
   グ手段（１８）を介して接続されるアッテネータ（１
   ７）を備え、 前記制御手段（１５）は、前記マスク期間において、前
   記受信手段（１３）を前記アッテネータ（１７）に接続
   するように前記スイッチング手段（１８）を制御するこ
   とを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ。