JP2548600B2

JP2548600B2 - 超音波送受器

Info

Publication number: JP2548600B2
Application number: JP63055774A
Authority: JP
Inventors: 修清水
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 1988-03-09
Filing date: 1988-03-09
Publication date: 1996-10-30
Anticipated expiration: 2011-10-30
Also published as: JPH01229903A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、通過する物体の形状を検出するため、１
個の超音波ヘッドを２周波で交互駆動する超音波送受器
に関する。

［解決しようとする技術課題］超音波ヘッドより物体の移動面に超音波パルスを一定
周期で発射し、移動面又はそこを通過する物体からの反
射波を受けるまでの時間を計測し、物体までの距離を等
価的に得ることを高速度で繰返すことにより、通過する
物体の外形をサンプリング計測し、得られたデータを標
準データと比較して物体の種類を判別する装置において
は、サンプリング数が多いほど、実際の物体の外形に近
いデータが得られる。

ところで、超音波ヘッドを駆動して超音波パルスを送
出した後、移動面又は物体からの反射波を受けるまでは
次の超音波パルスを送出することはできない（そうしな
いと、次の超音波パルスの送出後に受信した反射パルス
は、次の超音波パルスの反射波なのか、前の超音波パル
スの反射波なのかを識別できず、物体までの距離を計測
できない。）ので、一周波で超音波ヘッドを駆動する場
合はサンプリング速度が遅くなるため、物体の大きさ又
は移動速度によっては、通過する物体の種類判別に必要
な量のサンプリングデータが得られない場合がある問題
があった。

この点に鑑み、この発明者は、先の特許出願明細書
（特願昭62−134728号）において、第４図に示すよう
に、１個の超音波送受器Ａを送信器11と受信アンプ12と
送信制御及びデータ処理を行う演算制御装置14を含む感
知ユニットＢ側より与える２周波で交互に駆動し、一の
周波で駆動中に、他の周波の多重反射波受信による誤動
作を防止する手段13を前記感知ユニットに付加して、高
速度で移動する物体に対しても、種類判別に充分な数の
サンプリングデータが得られるようにした超音波式移動
物体感知装置を提案した。

このような超音波式移動物体感知装置は、超音波ヘッ
ドと感知ユニットを格別に量産し、任意の一つずつを組
合わせて使用する。しかしながら、超音波ヘッドの振動
子の共振特性は、第５図に３個の超音波ヘッドH₁〜H₃の
例について示すように、個々の振動子によりバラツキが
あり、超音波ヘッドを駆動させようとする所定の２周波
f₁,f₂における送受波感度積が一定でない。従って、共
振特性にバラツキのある超音波ヘッドを、その感知レベ
ルについて何等の調整もせずに使用する場合は、組合わ
た状態における感知ユニット側において、各周波におけ
る超音波ヘッドの感知レベルに対して感知出力が得られ
るように受信アンプの利得調整を行う必要があることと
なり、組合わせ後の利得調整作業は非常に繁雑であり、
また、超音波ヘッド及び感知ユニット間の互換性に欠け
るので、実際に製品化しようとする場合に、大きな問題
である。

この発明は、上記の点に鑑み、共振特性を有する一つ
の超音波ヘッドを、接近した異なる２周波f₁,f₂で交互
駆動する超音波送受器において、各周波による駆動の際
の感知レベルを感知ユニットの感知レベルと合致させる
べく容易に調整できるようにして、超音波送受器の互換
性をもたせて、任意の感知ユニットとの組合わせ使用が
でき、かつ、組合わせ後の利得調整作業を不要化しよう
とするものである。

［課題を解決するための手段］この発明による超音波送受器は、上記課題を解決する
ため、第一に、共振特性を有し、感知ユニットの送信手段よ
り与えられる共振帯域内の異なる２周波f₁,f₂で一定周
期ごとに交互に駆動されて超音波パルスを発射する１個
の超音波ヘッドを有する。この超音波ヘッドの前記２周
波f₁,f₂に対する感度積は、上記のように個々の超音波
ヘッドにより異なる。

第二に、前記超音波ヘッドに接続され、f₁の送受波感
度積に対応して所定受信レベルＴ（dB）が得られるよう
に調整された第１増幅器と、前記超音波ヘッドに接続さ
れ、f₂の送受波感度積に対応して所定受信レベルＴ（d
B）が得られるように調整された第２増幅器を備えてい
る。各増幅器の利得調整には、超音波ヘッドに並列接続
された可変抵抗器が使用される。

第三に、前記感知ユニットの送信手段が周波f₁を送出
することに伴って前記第１増幅器の出力を受信波形とし
て前記感知ユニットに返送させ、前記送信手段が周波f₂
を送出することに伴って前記第２増幅器の出力を受信波
形として前記感知ユニットに返送させる切替え手段を有
している。

［作用］超音波ヘッドの共振子は、感知ユニットの送信手段よ
り与えられる所定周波f₁とf₂で所定周期をもって交互に
駆動される。

超音波ヘッドは、物体移動面に向けてf₁とf₂の超音波
パルスを発射し、その移動面又はそこを通過する物体か
らの反射波を受け、電気信号に変換して出力する。

超音波ヘッドの受信出力はf₁の送受波感度積用に調整
された第１増幅器と、f₂の送受波感度積要に調整された
第２増幅器とに与えられる。

切替え手段は、送信手段が周波f₁を送出することに伴
って、第１増幅器の増幅された出力を受信波形として感
知ユニットに与え、また、送信手段が周波f₂を送出する
ことに伴って、第２増幅器の増幅された出力を受信波形
として感知ユニットに与える。

従って、各増幅器は２周波f₁,f₂のいずれに対しても
感知ユニットの感知レベルと等しい感知レベルに増幅し
て調整した受信波形を感知ユニットに出力する。

［この発明の実施例］次に、この発明を図面に基いて説明する。

この発明による超音波送受器AAは、第１図に示すよう
に、共振特性を有する一つの超音波ヘッド１を使用す
る。この超音波送受器AAは第４図に示すように、端子
t₁,t₂及び伝送ケーブルＣを介して感知ユニットＢに接
続され、その感知ユニットの送信器11がマイクロプロセ
ッサで構成されている演算制御装置14の送信制御部より
一定周期Ｔで送信指令信号af₁,af₂を与えられて、前記
超音波ヘッド１の共振帯域内の所定の２周波f₁,f₂の駆
動信号を一定時間ずつ送受分離ダイオードD₁を介して超
音波ヘッド１に与えて、一定時間ずつ交互駆動される。

この発明に係る超音波送受器AAを道路面上に設置して
車種判別に利用する場合の具体例について説明すると、
第３図（イ）に示すように、前記周期Ｔは35msec度に設
定され、送信器11より超音波ヘッド１に与える駆動信号
の周波数f₁,f₂は、超音波ヘッド１の第５図に示すよう
な送受感度の周波数特性を考慮して、f₁＝25.0kHz、f₂
＝27.0kHzであり、駆動時間は例えば２〜3msecであり、
印加電圧は約60Vp−ｐである。

この発明においては、第１図に示すように、前記超音
波ヘッドに二つの可変抵抗器2a,2bが並列に接続され、
各可変抵抗器の可動接点に増幅回路3a、3bが接続され、
各増幅回路の出力側にそれぞれアナログスイッチ4a,4b
が接続されて、各アナログスイッチが所定条件により導
通されたときに、当該増幅回路3a,3bの増幅された出力
が感知ユニットＢの受信アンプ12に与えられるように構
成されている。

前記超音波ヘッド１は、共振子とホーンとからなる
が、共振子は一般的に第２図に示すような送受波感度積
の周波数特性を有し、近接した異なる周波数f₁,f₂で駆
動した場合の感度積は、それぞれLa（dB）,Lb（dB）で
あり、感知ユニットＢの感知スレッショルドレベル（以
下、単に感知レベルという）Ｔ（dB）に対してそれぞれ
aT,bTの差がある。上述したように、この設定された感
知レベルＴ（dB）に対する差は、個々の振動子よっても
バラツキがあるので、これを調整しなければならない。

この発明では、超音波ヘッド１に可変抵抗器2a,2bを
介して増幅回路3a,3bを接続しているので、可変抵抗器
の抵抗値を適宜調整することにより、２周波f₁,f₂に対
して超音波ヘッドと感知ユニットＢのそれぞれの感知レ
ベルが一定になるように、増幅度を容易に調整すること
が可能とされている。

前記アナログスイッチ4aは、感知ユニット側が２周波
のうち周波f₁を送出した場合に一定時間導通され、前記
アナログスイッチ4bは、感知ユニットの送信器11が２周
波f₁,f₂のうち周波f₂を送出した場合に一定時間導通さ
れて、その間に限り各増幅回路3a,3bの増幅された出力
を、感知ユニット側に与えるものである。

このようなアナログスイッチ4a,4bの切替え制御は、
送信制御部が送信器11に与える送信駆動信号af₁,af₂に
基いて所定時間幅の導通制御信号を形成し、その導通制
御信号を対応するアナログスイッチ4a,4bに与えてこれ
らを導通させるようにすることもできる。しかし、この
方法による場合は、超音波送受器が交通情報収集のため
に道路上に設けられ、感知ユニットが交通管制センター
などに備えられた、長距離間をケーブルで接続されるよ
うな場合に、超音波送受信用ケーブルのほかに導通制御
信号伝送用ケーブルが余分に必要となる難点がある。

このような難点を排除するため、発射される超音波の
周波に対応する第１増幅器3aと第２増幅器3bの切替え
を、次のような手段で行うことが望ましい。

すなわち、第１図右上に示すように、感知ユニットＢ
の演算制御装置14の送信制御部から、送信器11に送信駆
動信号af₁,af₂を異なる時間幅をもって、例えばaf₁を2m
sec、af₂を3msec与えて、送信器11よりバーストパルス
幅を変えて送信して、波数をそれぞれ一例として50発、
81発とする。

そして、この発明に係る超音波送受器AAには、感知ユ
ニット側より与えられるf₁,f₂の電気信号を整流する整
流回路５を設け、その整流出力でリセット信号を出力す
るリセット回路６を備えるとともに、リセット回路のリ
セット信号によりリセットされた後に、感知ユニット側
より与えられる波数を計数し、計数値が所定値、例えば
65発以上になったときに出力するカウンタ７と、前記リ
セット回路のリセット信号によりリセットされ、カウン
タ７の出力によりセットされるフリップフロップからな
る記憶回路８と、前記リセット回路の非リセット信号
と、記憶回路のリセット出力を２入力として与えられる
第１アンドゲート9aと、前記リセット回路の非リセット
信号と記憶回路のセット出力を２入力として与えられる
第２アンドゲート9aとを備え、第１アンドゲートの出力
を前記第１アナログスイッチ4aに導通信号として与え、
また、第２アンドゲートの出力を前記第２アナログスイ
ッチ4bに導通信号として与えるように構成してある。

カウンタ７は、感知ユニットＢより送出された波数が
65発以上あるか否かにより、今超音波ヘッド１から発射
された超音波パルスがf₁かf₂かを判定し、f₂ならば、記
憶回路８をセットする。記憶回路８はリセット回路６の
定周期で出力するリセット信号によりリセットされ、そ
の状態を記憶する。

従って、感知ユニットよりf₁（50発）を受信した時は
カウンタ７は出力しないので、記憶回路８はリセット状
態のままにある。

また、この発明の好ましい実施例では、感知ユニット
と超音波送受器との間の距離が長い場合に、その間に超
音波送受器の電源ケーブルを増設する繁雑さとコストア
ップを避けるため、前記整流回路５に平滑回路10を接続
し、その平滑回路により、上記3a,3b、4a,4b、６〜9a,9
bの超音波送受器の各回路に必要な電源を得ている。

なお、各回路はローパワー・オペアンプ及びＣ−MOS
を使用することにより、極力低消費電力設計がなされて
いる。また、他の部品は、チップ部品を使用して、超小
型に設計されている。

続いて、第１図の構成を有する超音波送受器AAを感知
ユニットＢに接続して使用する時の動作を、第３図を用
いて説明する。

感知ユニットからは周期Ｔ（35msec）毎に、f₁（25kH
z）を2msec、f₂（27kHz）を3msecとバーストパルス幅を
変えて、交互に送信してくる。

カウンタ７は受信する波数が65発以上あるか否かによ
り、今送信されてきた駆動波数がf₁かf₂かを判定する。
f₁ならば、記憶回路８をセットしないので、リセット回
路６のリセット信号によりリセットされたままの記憶回
路のリセット出力とリセット回路の出力を維持する非リ
セット信号とがAND条件を充足するため、第１アンドゲ
ート9aが出力して第１アナログスイッチ4aを導通させ
る。また、駆動波数がf₂ならば、記憶回路８がリセット
され、そのリセット出力とリセット回路の非リセット信
号とがAND条件を充足するので第２アンドゲート9bが出
力して第２アナログスイッチ4bを導通させる。

こうして、第１アナログスイッチ4aはf₁を受信したと
きに導通されるから、超音波ヘッド１が移動面又はそこ
を通過する物体からの反射波を受けたときの出力は、第
１増幅回路3aで所定レベルまで増幅された波形となって
感知ユニットＢ側に送られる。

また、第２アナログスイッチ4bはf₂を受信したときに
導通されるから、超音波ヘッド１が移動面又はそこを通
過する物体からの反射波を受けたときの出力は、第２増
幅回路3bで所定レベルまで増幅された波形となって感知
ユニットＢ側に送られる。

両アナログスイッチ4a,4bは、感知ユニット側からの
送信波形受信中はリセット回路６からのリセット信号に
よりともにOFFとなり、各増幅回路3a,3bから分離され
る。

前記感知ユニットＢには、上述したように、先の特許
出願明細書において開示した超音波式移動物体感知装置
の場合と同様に、一つの超音波ヘッドを２周波で駆動す
る場合に、一の周波で駆動中に他の周波の多重反射波に
よる誤動作を防止するための手段13が設けられている
が、次に、これについて第６図以下の図面に基づいて概
説する。

この発明に係る超音波送受器AAから返送されてくる反
射波受信出力は、ケーブルＣを介して、感知ユニット側
に設けられた受信アンプ12により所要のレベルに増幅さ
れた後、混合器15に入力される。

この混合器15では、受信アンプ12からの受信出力f₁,f
₂を、第７図（ニ）に示すように、局部発振周波数f
₀（一例として20kHz）で混合受信する。受信出力がf₁,f
₂である場合の混合器の出力周波数f₁″,f₂″は、それぞ
れ5kHz,7kHzである。混合器14の出力は後段のそれぞれf
₁″,f₂″を中心周波数とする二つの帯域フィルタ16a,16
bに与えられる。

帯域フィルタ16a,16bにはそれぞれ比較器17a,17bが接
続され、各比較器は混合器出力を標準値と比較して、混
合器出力が所定レベル以上であるときはその旨の信号を
マイクロコンピュータで構成され、データ処理、送信制
御その他を行う演算制御装置14に出力する。

各比較器17a,17bの出力に対して、演算制御装置14
は、第７図（ロ）及び（ハ）に示すように、それぞれGf
₁,Gf₂の受信ゲートタイミングを設定している。

こうして、混合器13からはf₁が発射される場合の受信
ゲートタイミングGf₁には、車両よりの１回目反射波f
f″_１（5kHz）と、前周期における２回目反射波sf₂″
（7kHz）が出力される。また、f₂が発射される場合の受
信ゲートタイミングGf₂には、物体よりの１回目反射波f
f₂″（7kHz）と、前周期における２回目反射波sf₁″（5
kHz）が出力される。

前記帯域フィルタ16a,16bは、前記混合器15の超音波
ヘッド１よりf₁が発射された周期には、その１回目反射
波による出力ff₁″のみを有効とし、他周波の２回目反
射波による出力sf₂″を除去し、また、超音波ヘッド１
よりf₂が発射された周期には、同様にして、その１回目
反射波による出力ff₂″のみを有効とするように混合器
出力を分散するものである。

一つの超音波ヘッドを使用して２周波で駆動する場合
は、混合器出力に、例えば、第８図（イ）に示すよう
に、f₁が発射された周期にはf₂の２回目反射波sf₂″
が、また、同図（ロ）に示すように、f₂が発射された周
期にはf₁の２回目反射波sf₁″が混在する。このように
一つの超音波ヘッドを使用して２周波で駆動する場合
は、他周波の２回目反射波の受信出力が混合器出力に混
在するので、これを帯域フィルタ16a,16bで良く分離す
る必要がある。

前記帯域フィルタ16a,16bに、5kHz,7kHzにおいて20dB
の最大出力となるような通常の特性を有するものを使用
して、２回目反射波を受信したときの出力レベルを減衰
している。

これにより、例えば、第９図に示すように、f₃の超音
波ヘッド前方4mの反射板による二重反射波Asf₃のレベル
は、１回目反射波Aff₃のレベルの十分の一であり、5m前
方の直径200mm塩化ビニルポールの反射波Bff₃をレベル
に比べて六分の一である。

従って、第７図に示すように、5m前方の塩化ビニルポ
ールの反射波Bff₃″のレベル20Vを20dBの余裕を定めて
感知スレッショルドレベルを2Vに設定したとすると、車
両などの物体よりの２回目反射波sf₃″のレベルは4Vと
なり、誤動作するが、帯域フィルタ16a,16bにより混合
器出力レベルを例えば4Vが0.4Vになるように減衰するか
ら、２回目反射波の受信出力を帯域フィルタに通せば、
２回目反射波を除去することができる。従って、一つの
超音波ヘッド１を使用して、２周波で駆動する場合で
も、他周波の２回目反射波が混合器出力に混在しても、
これを帯域フィルタ16a,16bで良く分離して除去するこ
とができる。

上記のような特性の帯域フィルタはLCフィルタで容易
に実現可能である。

なお、第７図のチャート（イ）に示すように、送信時
間Tsを5msecとして送信する場合は、混合器出力5kHz
（周期0.2msec）では、25波の波数が得られるので、パ
ルスレーダ駆動しても車種判別のために得られるサンプ
リングデータは十分である。

［この発明の効果］上述のように、この発明によれば、超音波ヘッドに接
続され、f₁の送受波感度積に対応して所定受信レベルが
得られるように調整された第１増幅器と、超音波ヘッド
に接続され、f₂の送受波感度積に対応して所定受信レベ
ルが得られるように調整された第２増幅器と、感知ユニ
ットの送信手段が周波f₁を送出することに伴って前記第
１増幅器の出力を受信波形として前記感知ユニットに返
送させ、前記送信手段が周波f₂を送出することに伴って
前記第２増幅器の出力を受信波形として前記感知ユニッ
トに返送させる切替え手段とを備えたので、各超音波送
受器は、それぞれ独立して所定受信レベルに合致するよ
うに、かつ、個々の感知ユニットに組合わせることな
く、容易にレベル調整することができ、従って、各超音
波送受器の間に互換性が備わるので、超音波式移動物体
感知装置の設置が容易迅速にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の回路図、第２図は超音波送
受器の感知レベル調整の必要性を説明するグラフ、第３
図は第１図の回路の動作を説明するタイムチャートであ
る。第４図は２周波で一つの超音波ヘッドを駆動する超音波
式移動物体感知装置の構成を示すブロック図、第５図は
超音波ヘッドの振動子の共振特性を説明するグラフであ
る。第６図は超音波物体感知装置の感知ユニットの構成の詳
細を示すブロック図、第７図は一つの超音波ヘッドの２
周波駆動のおける送信タイミング、受信ゲート、混合器
出力の時間的関係を示すタイムチャート、第８図は混合
器出力のスペクトラムを示すグラフ、第９図は帯域フィ
ルタの必要特性を説明するグラフ、第10図は反射板によ
る超音波の反射波の受信レベルを示すグラフ、第11図は
感知レベルと２回目の反射レベルの必要減衰度を説明す
るグラフである。 AA……超音波送受器、Ｂ……感知ユニット、１……超音波ヘッド、 2a,2b……可変抵抗器、 3a,3b……増幅回路、 4a,4b……アナログスイッチ、 9a,9b……アンドゲート。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（イ）共振特性を有し、感知ユニットの送
信手段より与えられる共振帯域内の異なる２周波f₁,f₂
で一定周期ごとに交互に駆動されて超音波パルスを発射
する１個の超音波ヘッドと、（ロ）前記超音波ヘッドに接続され、f₁の送受波感度積
に対応して所定受信レベルＴ（dB）が得られるように調
整された第１増幅器と、（ハ）前記超音波ヘッドに接続され、f₂の送受波感度積
に対応して所定受信レベルＴ（dB）が得られるように調
整された第２増幅器と、（ニ）前記感知ユニットの送信手段が周波f₁を送出する
ことに伴って前記第１増幅器の出力を受信波形として前
記感知ユニットに返送させ、前記送信手段が周波f₂を送
出することに伴って前記第２増幅器の出力を受信波形と
して前記感知ユニットに返送させる切替え手段と、を備えたことを特徴とする超音波送受器。
【請求項２】切替え手段は感知ユニットの送信手段がf₁
を送出した旨の信号により導通される第１スイッチと、
感知ユニットの送信手段がf₂を送出した旨の信号により
導通される第２スイッチからなること、を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の超音波送受
器。
【請求項３】切替え手段は、感知ユニットの送信手段よ
りその周波f₁,f₂により異なる所定数ずつ与えられる超
音波ヘッド駆動信号を整流する整流回路と、その整流出
力に基いてリセット信号を出力するリセット回路と、前
記リセット信号の入力に基いて前記感知ユニットの送信
手段より与えられる超音波ヘッド駆動信号を計数し、所
定数以上の場合に出力するカウンタと、前記リセット信
号によりリセットされ、前記カウンタの出力によりセッ
トされる記憶回路と、前記リセット回路の非リセット信
号と前記記憶回路のリセット出力を２入力とする第１ア
ンドゲートと、前記リセット回路の非リセット信号と前
記記憶回路のセット出力を２入力とする第２アンドゲー
トと、第１増幅器の入力側又は出力側に設けられ、前記
第１アンドゲートの出力により導通されて第１増幅器の
出力を感知ユニット側に与える第１アナログスイッチ
と、第２増幅器の入力側又は出力側に設けられ、前記第
２アンドゲートの出力により導通されて第２増幅器の出
力を感知ユニット側に与える第２アナログスイッチとか
らなること、を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の超音波送受
器。
【請求項４】感知ユニットの送信手段より与えられる超
音波ヘッド駆動信号を整流する整流回路と、その整流出
力を平滑する平滑回路を備え、その平滑回路の出力を電
源とすること、を特徴とする特許請求の範囲第１項又は第３項に記載の
超音波送受器。