JP3156169B2 - 超音波センサ及びこれを用いた超音波制御スイッチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波を監視空間に発
射し、監視空間内の物体からの反射波を検出することに
より、監視空間内の人間などの物体の存在及び移動の有
無を検知する超音波センサ及びこれを用いた超音波制御
スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の超音波センサは、超音波振動子
を使用して所定の周波数の超音波を監視空間に送波し、
物体及び人間からの反射波を超音波振動子により受波す
ることにより、物体及び人間の移動あるいは存在を検知
するようになっている。すなわち、このような超音波セ
ンサでは、物体の存在を検知するには、超音波振動子か
ら送波されたパルス列の超音波の物体からの反射波を受
波して監視空間内の物体及び人間の存在を検知し、物体
及び人間の移動を検知するには、反射波に含まれるドッ
プラー信号に基づいて物体及び人間の移動を検知するよ
うにしている。

【０００３】この検知においては、最初に存在検知方式
によって、監視空間内の物体及び人間の存在を検知し、
ついで、移動検知方式によって監視空間内の物体及び人
間の移動を検知するようにし、上記の存在検知方式が再
び行われ、この存在検知方式と移動検知方式を、例えば
５秒間の所定時間毎に繰り返し行うようにしている。図
９は、この種の超音波センサの基本構成を示すものであ
る。

【０００４】次に、この図９を参照しつつ、まず超音波
センサの存在検知方式について説明する。発波器ａから
送波回路ｂを経て超音波振動子ｃからパルス列として送
波されたトーンバースト波は、監視空間内の物体により
反射され、その反射波が再び超音波振動子ｃで受波さ
れ、その受波信号は送波別切替回路ｄを経て存在検知方
式制御系の増幅回路ｍにより増幅され、検波回路ｎによ
り検波される。この検波波形は検知判断処理部ｉに入力
され、この検知判断処理部ｉによって、照明灯などの負
荷（図示略）をオン、オフして制御する。

【０００５】次に、タイマー回路ｊにより所定時間後に
以下に説明する移動検知方式に切換を行う。タイマー回
路ｊは、存在検知方式による動作時間が所定時間に達す
ると、移動検知方式に変更すべく送波方式決定回路ｋに
信号を送る。送波方式決定回路ｋは発振器ａから発振さ
れた信号を送波回路ｂを経て超音波振動子ｃでトーンバ
ースト波に変更する命令信号を送るとともに、送波別切
替回路ｄに送波切換が行われたことを示す信号を送る。
超音波振動子ｃからパルス列として送波されたトーンバ
ースト波は、監視空間内の物体により反射され、その反
射波が再び超音波振動子ｃで受波され、その受波信号は
送波別切替回路ｄを経て移動検知方式制御系の増幅回路
ｅにより増幅される。この信号は、ミキサーｆにより送
波信号とミキンシングされ、反射波に含まれる周波数偏
移を示すドップラー信号は、検波回路ｇにより検波され
た後、増幅回路ｈにより増幅され、検知判断処理部ｉに
入力され、この検知判断処理部ｉによって負荷を制御す
る。

【０００６】このような存在検知及び移動検知の可能な
超音波センサＡの動作を、図１０に基づいて説明する。
図１０（ａ）に示す状態で、まず存在検知方式で人間Ｍ
を検知し、その後、図１０（ｂ）に示す状態で、室内Ｔ
からの退出を検出可能な移動検知方式に切り換えて、こ
の移動検知方式で人間Ｍの移動を検知する。

【０００７】ここに、このような存在検知方式では、実
際の監視空間には対象となる人間Ｍ以外にも障害物Ｓ
〔図１２（ａ）参照〕があるため、人間Ｍと障害物Ｓと
を区別できるように存在検知方式のパルス波の反射パタ
ーンを順次比較していくという方法を採用して人間Ｍを
検知している。すなわち、図１１に示すように、人間Ｍ
が監視空間に入る前の室内Ｔ（この例ではトイレ）の障
害物Ｓからの反射パターンを記憶しておき、図１２に示
すように、監視空間内に人間Ｍが入ってきた後の反射パ
ターンを比較し、監視空間内に人間Ｍがいることを判断
し負荷をオンにする。そして、図１３に示すように、監
視空間内から人間Ｍが退室したときには、反射パターン
は初期の状態に戻るため、人間Ｍがいないと判断でき、
負荷をオフにする。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来におい
ては、図１４〜図１６に示すように監視空間内に人間Ｍ
が入る前からある障害物Ｓの反射パターンと人間Ｍから
の反射パターンが区別できる状態にあるもの〔図１５
（ａ）における人間ＭのＸの状態〕では、監視空間内に
人間Ｍが存在すると判断するが、人間Ｍが前屈みになる
ことで〔図１５（ａ）における人間ＭのＹの状態〕、セ
ンサＴから人間Ｍまでの距離とセンサＴから障害物Ｓま
での距離が等しくなり、人間Ｍからの反射波と障害物Ｓ
からの反射波とが重なった反射パターン（図１６参照）
になった場合、監視空間内には人間Ｍは存在しないと判
断してしまい、そのために人間Ｍがいるにもかかわらず
負荷がオフになってしまうという問題があった。

【０００９】本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされ
たものであって、障害物のある監視空間内にいる人間な
どの物体からの反射波が障害物からの反射波と重なって
しまった場合にも、人間などの物体の存在を検知するこ
とができる超音波センサ及びこれを用いた超音波制御ス
イッチを提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために提案されるものであって、請求項１の超音
波センサは、発振器から出力される送波信号により駆動
されて監視空間に超音波を送波する送波器と、上記監視
空間に存在する物体からの反射波を受波する受波器と、
上記送波器からパルス列の超音波を送波して受波器によ
り物体からの反射波を受波し、その反射パターンを基準
の反射パターンと比較して、監視空間内の物体の存在を
検知する存在検知方式と、上記送波器からパルス列の超
音波を送波して受波器により物体からの反射波を受波
し、上記物体が移動したときにドップラー効果によって
受波信号に生じる周波数偏移成分（ドップラー信号）を
検出して侵入物体の移動を検知する移動検知方式とを一
定時間毎に交互に切り換える検知方式切換手段とを備え
た超音波センサにおいて、上記存在検知方式の実行中に
おいて、物体の存在が検知されなくなったときには、そ
の直前に実行された移動検知方式におけるドップラー信
号の大小を判別し、ドップラー信号が所定レベルより大
きい場合には、物体は上記監視空間より退出したと判定
する一方、ドップラー信号が所定レベルより小さい場合
には、一定の確認時間を設けて、その確認時間の間に実
行された移動検知方式によってドップラー信号の有無を
判別する確認処理の実行を指令し、ドップラー信号がな
い場合には、物体は上記監視空間より退出したと判定す
るが、上記確認時間内にドップラー信号を検知したとき
には、ドップラー信号が検知されなくなるまで上記確認
処理の実行を繰り返し指令する退出判定手段を備えたも
のである。

【００１１】請求項２の超音波制御スイッチは、請求項
１に記載された超音波センサに、オフディレータイマー
と、負荷をオン、オフするスイッチ手段とを備えた構成
とされ、上記検知方式切換手段によって、存在検知方式
が実行されている最中に監視空間内の物体の存在が検知
されることによって物体の監視空間への侵入が検知され
たときには、上記スイッチ手段によって負荷をオンにす
る一方、上記退出判定手段によって、物体が監視空間か
ら退出したと判定したときには、上記オフディレータイ
マーを駆動し、そのオフディレータイマーがタイムアッ
プするまでに、上記検知方式切換手段によって切換実行
される移動検知方式においてドップラー信号が検出され
なくなったときに、上記スイッチ手段によって負荷をオ
フに切換える動作をなすようにしたものである。

【００１２】

【作用】請求項１の超音波センサによれば、存在検知方
式と移動検知方式とが一定時間毎に交互に行われる。こ
こに、存在検知方式では、送波器からパルス列の超音波
を送波して受波器により物体を受波し、その反射パター
ンを基準の反射パターンと比較して、監視空間内の物体
の存在を検知し、移動検知方式では、送波器からパルス
列の超音波を送波して受波器により物体を受波し、物体
が移動したときにドップラー効果によって受波信号に生
じる周波数偏移成分（ドップラー信号）を検出して侵入
物体の移動を検知する。

【００１３】このような本発明では、存在検知方式の実
行中、物体からの反射波がなくなり、物体の存在が検知
されなくなったときに、その直前に実行された移動検知
方式におけるドップラー信号の大小が判別され、その直
前のドップラー信号が所定レベルより大きい場合には、
物体は監視空間より退出したと判定するが、ドップラー
信号が指定レベルより小さい場合には、監視空間におい
て、物体からの反射波と障害物からの反射波が重なって
いて物体がまだ監視空間に存在していると判断し、その
後一定の確認時間を設けて、その確認時間の間に実行さ
れた移動検知方式によってドップラー信号の有無を判別
する確認処理を実行し、このような確認処理は、ドップ
ラー信号がなくなるまで実行され、ドップラー信号がな
くなれば物体は監視空間より物体は退出したと判定す
る。

【００１４】したがって、障害物のある監視空間内にい
る物体からの反射波が障害物からの反射波に重なってい
た場合にも、退出とすぐに判別することがない。請求項
２の超音波制御スイッチによれば、検知方式切換手段に
よって、存在検知方式が実行されている最中に、監視空
間内の物体の存在が検知されることによって物体の監視
空間への侵入が検知されたときには、スイッチ手段によ
って、照明灯などの負荷がオンされる。

【００１５】一方、退出判定手段によって、物体が監視
空間から退出したと判定したときには、オフディレータ
イマーが駆動され、そのオフディレータイマーがタイム
アップするまでに、検知方式切換手段によって実行され
る移動検知方式において、ドップラー信号が検出されな
いときに初めて、スイッチ手段によって、照明灯などの
負荷をオフに切換る。

【００１６】一方、オフディレータイマーがタイムアッ
プするまでに、検知方式切換手段によって実行される移
動検知方式においてドップラー信号が検出された場合に
は、請求項１の確認処理が繰り返し実行され、上記確認
処理の実行において、ドップラー信号が検知されなくな
ったときに初めて、スイッチ手段によって、照明灯など
の負荷をオフに切換る。

【００１７】これにより、物体が監視空間に存在してい
るにもかかわらず、スイッチ手段によって照明灯などの
負荷がオフされることがなく、物体が監視空間から退出
したときにのみスイッチ手段によって照明灯などの負荷
がオフされる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明に係る超音波センサ及びこれを
用いた超音波制御スイッチの実施例について、図面を参
照しつつ説明する。図１は、本発明の一実施例の基本構
成を示すブロック図である。超音波送波器１側には、発
振器２と送波回路３が設けられ、発振器２から発振され
た送波信号は、送波回路３を経て超音波送波器１より監
視空間に送波するように構成されている。

【００１９】超音波受波器４側には、存在検知処理部２
３（図２参照）の各回路と、移動検知処理部２２（図２
参照）の各回路とが設けられ、これらの回路が退出判定
手段５に接続されている。即ち、存在検知処理部２３に
は、増幅回路１０と検波回路１１とが設けられ、移動検
知処理部２２には、増幅回路６と、前記送波回路３から
送られてくる送波信号と超音波受波器４から増幅回路を
介して送られてくる受波信号とをミキシングするミキサ
ー７と、検波回路８と、増幅回路９とが設けられてい
る。

【００２０】また、タイマー回路１２により一定時間毎
に、存在検知処理部２３の回路と移動検知処理部２２の
回路とに切り換える検知方式切換手段１３が設けられ、
この検知方式切換手段１３によって、超音波受波器４で
受波された受波信号を、送波別切換回路１４を介して、
上記存在検知処理部２３の回路と上記移動検知処理部２
２の回路とに切り換えて送波するように構成されてい
る。

【００２１】本発明では、上記のように構成された超音
波センサーＴＳにおいて、存在検知方式の実行中におい
て、物体の存在が検知されなくなったときには、その直
前に実行された移動検知方式におけるドップラー信号の
大小を判別し、ドップラー信号が所定レベルより大きい
場合には、物体は上記監視空間より退出したと判定す
る。一方、ドップラー信号が所定レベルより小さい場合
には、一定の確認時間を設けて、その間に実行された移
動検知方式によってドップラー信号の有無を判別する確
認処理を実行し、ドップラー信号がない場合には、物体
は上記監視空間より退出したと判定するが、上記確認時
間内に、ドップラー信号を検知したときには、ドップラ
ー信号が検知されなくなるまで上記確認処理の実行を繰
り返し行うように構成されている。超音波センサＴＳ
は、送受波器一体型でも同様の信号処理が可能である。

【００２２】更に、図２に示すように、超音波制御スイ
ッチＡＳは、上記超音波センサＴＳと、オフディレータ
イマー１５と、照明灯などの負荷１６をオン、オフする
スイッチ手段１７とを備えた構成とされ、検知方式切換
手段１３によって、存在検知方式が実行されている最中
に物体の監視空間への侵入が検知されたときには、上記
スイッチ手段１７によって負荷をオンにする。退出判定
手段５によって、物体が監視空間から退出したと判定し
たときには、オフディレータイマー１５を駆動し、その
オフディレータイマー１５の設定時間がタイムアップす
るまでに、上記検知方式切換手段によって切換実行され
る移動検知方式においてドップラー信号が検出されない
ときに、スイッチ手段１７によって負荷１６をオフに切
換える動作をなすように構成している。

【００２３】尚、図２において、符号２１は送波制御回
路、符号２４は検知方式切換回路を示している。次に、
上記のように構成された本実施例の超音波センサＴＳの
動作について説明する。超音波センサＴＳの電源がオン
されると初期リセットが実行される。この初期リセット
では、監視空間内に人間Ｍが入る以前の反射パターンで
ある初期パルスパターンＰＳ１〔図１１（ｂ）参照〕が
メモリに記憶される。次に、存在検知処理部２３と移動
検知処理部２２の作動を一定時間毎に切り換えるための
タイマー回路１２のタイマーが起動される。

【００２４】タイマーが起動されると、例えば存在検知
方式が５秒間行われ、５秒後に一端タイマーがリセット
され、引き続いてタイマーが起動されて、移動検知方式
が５秒間行われ、例えば５秒後に一端タイマーがリセッ
トされる。この動作は繰り返し行われる（図３のフロー
チャートのステップ１０１〜１１２参照）。存在検知方
式においては、人間Ｍが監視空間内に入ったときの反射
パターンであるパルスパターンＰＳ２〔図１２（ｂ）参
照〕を取り込んで、初期のパルスパターンＰＳ１とこの
パルスパターンＰＳ２とを比較する。次にパルスパター
ンの変化の有無が判別され、変化があった場合には、人
間Ｍが監視空間内に入ったと判断されて、照明灯などの
負荷１６がオンされる（図４のフローチャートのステッ
プ２０１〜２０４参照）。

【００２５】次に、移動検知方式では、ドップラー信号
Ｄの有無を判別する。この方式では、人間Ｍが移動した
ときに生じるドップラー信号Ｄの時間の長さが判別され
る。即ち、人間Ｍが移動したときに生じるドップラー信
号Ｄの時間の長さＤｔが予め設定された閾値の時間Ｄｏ
を越えている場合には（図７参照）、退出判定手段５に
よって監視空間から人間Ｍが大きく移動し退出したと判
定された後、後述するオフレディ−処理が行われるが、
ドップラー信号Ｄの時間の長さＤｔが閾値の時間Ｄｏよ
り小さい場合には（図８参照）、一定の確認時間を設定
するタイマーが起動され、この確認時間の間におけるド
ップラー信号Ｄの有無が判別される。

【００２６】この一定の確認時間内に、ドップラー信号
Ｄがあった場合には、一端タイマーがリセットされた
後、再びタイマーが起動され、上記ドップラー信号Ｄの
有無が判別され、再び、ドップラー信号Ｄがあった場合
には、同じ一定の確認時間が設定され同様の動作が行わ
れ、ドップラー信号Ｄがある間は、この動作が繰り返さ
れる。

【００２７】一方、ドップラー信号Ｄが無く、上記一定
の確認時間が経過した場合には、タイマーがリセットさ
れてから、退出判定手段５によって監視空間から人間Ｍ
が退出したと判定された後、更にオフディレー処理が行
われる（図５のフローチャートのステップ３０１〜３１
０参照）。以上、超音波センサＴＳの基本的動作を示す
が、次いで、超音波制御スイッチＡＳの基本的動作を示
す。

【００２８】この超音波制御スイッチＡＳの基本的動作
では、上記退出判定手段５によって人間Ｍが退出したと
判定した後、オフレディータイマー１５が起動され、こ
の時間内に、移動検知方式によって、ドップラー信号Ｄ
の有無が判別される。ドップラー信号Ｄがあった場合に
は、再び上記の一定の確認時間が設定されて上記同様の
動作が繰り返される。一方、オフディレー時間内にドッ
プラー信号Ｄがない場合には、オフレディータイマー１
５がリセットされ、スイッチ手段１７によって、負荷１
６がオフされる。

【００２９】負荷１６がオフされると、再び初期リセッ
トに戻り、超音波センサＴＳの電源がオフされるまで上
記動作が繰り返し実行される（図６のフローチャートの
ステップ４０１〜４０５参照）。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の超音波
センサでは、移動検知方式におけるドップラー信号の大
小を判別することによって、監視空間における物体の有
無を判定するようにし、ドップラー信号が所定レベルよ
り大きい場合に、物体は監視空間より退出したと判定す
るようにしたので、監視空間からの物体の退出を正確に
判定することができる。

【００３１】しかも、物体が監視空間にある障害物と重
なって検知されたときにも、一定の確認時間を設けて、
ドップラー信号の有無を判別することによって、監視空
間における物体の有無を判定するようにしたので、障害
物のある監視空間における物体の存在の有無を正確に検
知することができる。請求項２の超音波制御スイッチで
は、退出判定手段によって、物体が監視空間から退出し
たと判定したときには、オフディレータイマーを駆動
し、その設定時間内にドップラー信号が検出されなくな
ったときに、スイッチ手段で照明灯などの負荷をオフす
るようになっているので、物体が監視空間に存在すると
きに負荷をオフすることがなく、物体が監視空間から確
実に退出したときにのみ、負荷をオフすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波センサの一実施例の基本構成を
示すブロック図である。

【図２】本発明の超音波制御スイッチの一実施例の基本
構成を示すブロック図である。

【図３】本発明の超音波センサにおける存在検知方式と
移動検知方式の実行手順を説明するフローチャートであ
る。

【図４】存在検知方式による基本動作を説明するフロー
チャートである。

【図５】移動検知方式による基本動作を説明するフロー
チャートである。

【図６】本発明の超音波制御スイッチによる監視空間に
おける物体の検知と、この検知に基づく負荷のオン、オ
フ制御を示すフローチャートである。

【図７】監視空間から物体が退出したときのドップラー
信号の波形を示す説明図である。

【図８】監視空間で物体が小さく移動したときのドップ
ラー信号の波形を示す説明図である。

【図９】従来の超音波センサの基本構成を示すブロック
図である。

【図１０】監視空間における物体（人間）の存在検知及
び移動検知を示す説明図であって、（ａ）は監視空間に
物体（人間）が存在する状態を示し、（ｂ）は監視空間
より物体（人間）が退出したときの状態を示すものであ
る。

【図１１】監視空間における超音波センサによる初期パ
ルスパターン記憶時の検知状態を示す説明図であって、
（ａ）は監視空間の状態を示し、（ｂ）は記憶されたパ
ルスパターンを示すものである。

【図１２】監視空間に物体（人間）が入ったときの超音
波センサによる検知状態の説明図であって、（ａ）は監
視空間の状態を示し、（ｂ）はそのときのパルスパター
ンを示すものである。

【図１３】監視空間から物体（人間）が退出した時の超
音波センサによる検知状態の説明図であって、（ａ）は
監視空間の状態を示し、（ｂ）はそのときのパルスパタ
ーンを示すものである。

【図１４】初期パルスパターンを示す説明図である。

【図１５】監視空間における物体（人間）の動作を超音
波センサで検知するときの説明図であって、（ａ）は監
視空間における人間の小さな動作を示し、（ｂ）は物体
（人間）が障害物と離れた状態（Ｘの状態）のときのパ
ルスパターンを示すものである。

【図１６】物体（人間）が障害物と重なった状態（Ｙの
状態）のときのパルスパターンを示す説明図である。

【符号の説明】

ＴＳ 超音波センサ ＡＳ 超音波制御スイッチ Ｄ ドップラー信号 １ 超音波送波器 ４ 超音波受波器 ５ 退出判定手段 １３ 検知方式切換手段 １５ オフディレータイマー １６ 負荷 １７ スイッチ手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−223884（ＪＰ，Ａ) 特許2953182（ＪＰ，Ｂ２) 特許2953181（ＪＰ，Ｂ２) 特許2807120（ＪＰ，Ｂ２) 特許2774186（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01S 7/52 - 7/64 G01S 15/00 - 15/96

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発振器から出力される送波信号により駆動
   されて監視空間に超音波を送波する送波器と、 上記監視空間に存在する物体からの反射波を受波する受
   波器と、 上記送波器からパルス列の超音波を送波して受波器によ
   り物体からの反射波を受波し、その反射パターンを基準
   の反射パターンと比較して、監視空間内の物体の存在を
   検知する存在検知方式と、上記送波器からパルス列の超
   音波を送波して受波器により物体からの反射波を受波
   し、上記物体が移動したときにドップラー効果によって
   受波信号に生じるドップラー信号を検出して侵入物体の
   移動を検知する移動検知方式とを一定時間毎に交互に切
   り換える検知方式切換手段とを備えた超音波センサにお
   いて、 上記存在検知方式の実行中において、物体の存在が検知
   されなくなったときには、その直前に実行された移動検
   知方式におけるドップラー信号の大小を判別し、ドップ
   ラー信号が所定レベルより大きい場合には、物体は上記
   監視空間より退出したと判定する一方、ドップラー信号
   が所定レベルより小さい場合には、一定の確認時間を設
   けて、その確認時間の間に実行された移動検知方式によ
   ってドップラー信号の有無を判別する確認処理の実行を
   指令し、ドップラー信号がない場合には、物体は上記監
   視空間より退出したと判定するが、上記確認時間内にド
   ップラー信号を検知したときには、ドップラー信号が検
   知されなくなるまで上記確認処理の実行を繰り返し指令
   する退出判定手段を備えたことを特徴とする超音波セン
   サ。
2. 【請求項２】請求項１に記載された超音波センサに、オ
   フディレータイマーと、負荷をオン、オフするスイッチ
   手段とを備えた構成とされ、 上記検知方式切換手段によって、存在検知方式が実行さ
   れている最中に物体の監視空間への侵入が検知されたと
   きには、上記スイッチ手段によって負荷をオンにする一
   方、 上記退出判定手段によって、物体が監視空間から退出し
   たと判定したときには、上記オフディレータイマーを駆
   動し、そのオフディレータイマーがタイムアップするま
   でに、上記検知方式切換手段によって切換実行される移
   動検知方式においてドップラー信号が検出されなくなっ
   たときに、上記スイッチ手段によって負荷をオフに切換
   える動作をなすことを特徴とする超音波制御スイッチ。