JPH0219785A - 超音波センサ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、一定の監視域に侵入した物体が一定時間以上
静止していることを検出することで、その物体の存在を
認知する超音波センサに関し、特に駐車場の駐車スペー
スに車が駐車しているか否かを検出する場合に有効であ
る。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕一般に
超音波センサは、移動する物体がその監視域に侵入した
か否かを反射波の有無をもって検知し、センサの出力を
ＯＮ　−ＯＦＦするものであったので、侵入した物体が
監視域内で静止したままの場合や、付近に歩行者等が存
在したときに誤動作することが多かった。また、超音波
は風や温度の影響を受けやすく、屋外では信頼性が低い
として限られた条件下でしか使用されなかった。

一方、静止物体か移動物体かを問わず、監視域に物体が
入れば検出するセンサとして赤外線センサがあるが、送
波器と受波器間をさえぎる物体は全て検知してしまうの
で、静止物体か移動物体かの判別は困難であり、しかも
水滴や汚れによって影響を受けやすいので、やはり静止
物体の検出には不適当であった。

さらに、静止物体の検出とはいえ、例えば駐車場の駐車
スペースにおいては車の存在のみを検出し、周囲の歩行
者や、立ち止まっている人の存在は検出しないというよ
うな、特定の種別のみの検出を行う超音波センサは従来
では発明されていない。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、屋内・屋外
を問わず検出域での静止物体の存在を検出するもので、
さらに静止物体の性質に応じて特定種別の物体の存在の
みを検出することができる超音波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〕

本発明は上記課題を解決するために、一定周期で一群の
超音波を断続的に送波する送波手段と、超音波を受波・
増幅する手段と、この増幅信号を整流後、一定レベル以
上の検波信号要素を取り出すレベルスライス回路と、送
波器と受渡器との距離によって予め定められ、直接波の
検出タイミングでＯＮする直接波ゲート信号と、予め想
定した距離内での物体からの反射波のみの検出タイミン
グでＯＮする反射波ゲート信号と、上記検波信号要素と
２つのゲート信号とをアンドゲートに入力し、直接波と
反射波とのそれぞれ別個のデジタル信号をとりだす手段
とから成る反射波・直接波検出回路と、上記送波から反
射波の受渡までの時間差を測定する演算手段と、前回の
測定値を基準値とし、その後の測定値が前回の測定値の
予め設定した誤差許容値内に入ればその回数を累積的に
カウントする手段と、連続して所定のカウントに至れば
静止物体存在信号を出力し、その後誤差許容値内の測定
値が入力されている間は上記累積カウントをリセット側
に保持し、誤差許容値を外れた測定値が入力されれば上
記カウントを累積し、連続して所定のカウントに至れば
静止物体存在信号を叶Ｆする手段と、それぞれの所定の
カウントに至るまでに測定値が上記誤差許容値から外れ
た場合は累積カウントをリセットして上記基準値から再
度測定する手段とから成る制御回路とを備えた構成を採
用した。

また、上記直接波のデジタル信号が検出できない等、所
定の一定周期から外れた場合には、故障信号を出力する
という手段も採用した。

〔作　　　用〕

送波手段では一定の周期で超音波を断続的に送波してお
り、受波・増幅手段には廻り込んだ直接波が微少のデイ
レイをもって同一周期で入力され、かつ監視域に物体が
存在する場合にはその反射波が入力される。この両入力
は１本の信号として処理されるが、アンドゲートにおい
てそれぞれ直接波と反射波の検出タイミングのゲート信
号によって直接波デジタル信号と反射波デジタル信号に
分離される。

上記デジタル信号のうち反射波デジタル信号が制御回路
に入力されれば、送波時刻と反射波の受渡時刻との時間
差をデジタル処理、あるいはアナログ処理によって物体
までの距離に比例する値を演算し、測定値が前回の測定
値を基準値とする与えられた許容誤差内にあれば累積カ
ウントを進行させ、所定のカウントに至れば静止物体が
存在するものとして静止物体存在信号を出力する。反対
に、測定値が前回の測定値の誤差を外れた場合には累積
カウント数をゼロにリセットし、初めから測定をやりな
おすものである。何れの場合にも、今回の測定値を次回
の測定に対する基準値として扱う。

また、−旦静止物体の存在が認められ、静止物体存在信
号が出力された状態で、累積カウンタのリセットとカウ
ントの再入力に入力される信号をスイッチ回路を通じて
入れ替えることにより、累積カウンタがカウントする内
容がこれまでの記述と逆転する。即ち、物体が引き続き
静止している場合には、上下限比較器の出力のアンド関
係が成立するが、比較タイミング信号はスイッチ回路を
通して累積カウンタのリセット入力に入力されるため、
累積カウンタの内容はゼロとなる。この状態で一時的に
物体が動いたり、周囲に他の移動物体が存在したりする
ことで、上述の許容誤差を越える測定値が得られた場合
には上下限比較器の出力アンドは成立せず、比較タイミ
ング信号は累積カウンタのカウント入力に入力され、カ
ウンタはその積算を進行することになる。このように、
所定のカウントに至れば静止物体存在信号はＯＦＦにな
るが、所定のカウントに達する前に再び物体が静止した
と認められる状態になったときは、累積カウンタはリセ
ットされ、ゼロに戻る。

上述の累積カウンタの動作を要約すると、先ず所定のカ
ウントに達するまで、物体が連続して静止状態であると
認められた場合には静止物体存在信号は出力され、その
前に一度でも物体が動いていると認められた場合には累
積カウンタはリセットされ、その内容はゼロとなり、再
び最初から所定回数の連続静止の測定の待機状態となる
。反対に、−旦静止物体が存在することが認識された後
は、ごく短時間程度物体が動いたり、他の物体によるノ
イズ等によってそのように認識されても、静止物体存在
信号は変化せず、物体が連続的に移動している、または
連続的にその存在が認められない状態に至って始めて累
積カウンタが所定カウントに至り、これに伴って静止物
体存在信号がＯＦＦとなる。

一方、直接波デジタル信号は送波手段からアンドゲート
までの回路が正常に機能している限りは確実に出力され
るが、この信号を監視することによって機器の故障等を
検出できるという作用を奏する。

施　例〕 以下、本発明の実施例を図面に従って詳述すると、第１
図は超音波センサの反射波・直接波検出回路を示し、１
は一定周期で一群の超音波を断続的に作り出す送波部（
たとえば２５０＋＋＋ｓ間隔で１ｍｓ送波）、２はこれ
を外部に送り出す送波器で、両者によって送波手段を構
成する。送波器２から送り出された超音波は、受渡器３
に入力されるが、この場合、送波器２から直接廻り込ん
で入力される直接波、及び監視域に物体４が存在する場
合にのみ入力される反射波の両方共が受渡器３に入力さ
れ、一つの入力信号を形成する。この入力信号は極めて
低レベルなので、増幅器５により増幅する。増幅後の信
号はフィルター６を通した後、検波回路７によって検波
し、一定レベル以上を抽出するレベルスライス回路８を
通し、直接波・反射波のみの検波信号要素を取り出す、
このようにしてスライスレベル以下のノイズ成分は除去
され、必要な信号成分のみ出力される。

なお、フィルター６は必ずしも必要でなく、ノイズが少
ない場所に超音波センサを設置する場合には省略しても
よい。

一方、直接波と反射波とは時間的にずれがあるので、こ
の点に着目してアンドゲート９・１０により別個に取り
出すことができる。即ち、送波器２と受波器３とは予め
定められた間隔で設けられているので、音速を基準に送
波から受渡のデイレイ時間が計算できるが、このタイミ
ングでＯＮするように直接波ゲート信号１１を作る。ま
た、反射波は監視域での物体の位置によって受渡に要す
る時間が異なるが、所定の監視域（たとえば１〜３ｍ）
の最短距離及び最長距離における要反射時間をカバーで
きるタイミングでＯＮするように反射波ゲート信号１２
を作る。この直接波ゲート信号１１及び反射波ゲート信
号１２をそれぞれアンドゲート９・１０に入力し、検波
信号要素を並列にアンドゲート９・１０に入力すれば、
直接波受信信号と反射波受信信号とを別個に取り出すこ
とができる。１３は送波部１による送波タイミング信号
である。

第２図は超音波の送波から受信信号に至るまでの波形の
変化で、それぞれ送波タイミング１４、送波波形１５、
受波波形１６、直接波波形１７、反射波波形１８、検波
出力１９、レベルスライス回路の判定レベル２０、レベ
ルスライス回路出力２１直接波ゲート信号２２、反射波
ゲート信号２３、直接波受信タイミング２４、反射波受
信タイミング２５を示す。

上記信号のうち、直接波受信信号は、回路が正常に機能
している限り反射波の存在如何にかかわらず一定周期で
出力されるものであるから、この信号を検出することに
よって正常に機能していることが確認され、反対に何ら
かの理由で信号が検出されない等、一定周期で出力され
なかった場合には故障信号を出力することによって、送
波部１からアンドゲート９までの回路の異常を確認する
ことができる。

今ここで、絶対的な静止物体を検出しようとする場合に
は、理論的には反射波受信信号は送波周期と全く一致し
た周期で出力されるのであるから、両者のタイミングを
比較することで十分である。

しかし超音波は風の影響や外気温の変化によって反射波
が受波されるまでの時間が一定でなく、さらに静止物体
といえども完全に静止状態を保持するものではなく、外
部からの影響でゆらぎを生ずるのが常である。従って、
何らかの許容誤差を考慮する必要がある。さらに、たと
えば駐車中の車と、立ち止まっている人とではゆらぎの
大きさが異なる。

本発明者はこの点に鑑み、ある一定のゆらぎを許容範囲
内としてとらえ、静止物体の識別をするために、次のよ
うな制御回路を用いた。

先ず、第３図はデジタル回路を用いて制御を行う場合の
ブロック図を示し、送波タイミング信号１４と超音波セ
ンサの監視域に物体が侵入した場合に出力される反射波
受信タイミング信号２５により動作を開始するものであ
る。図中、２６は別に供給される基準クロックをカウン
トすることによって送波から受波までの時間を測定する
時間間隔カウンタである。次にＡブロックは、カウンタ
２６の現在の計数値と前回の計数値とを比較して、予め
設定された誤差許容値内に新しい計数値が位置している
か否かを判定する回路で、２７はラッチ回路、２８・２
９はそれぞれ所定の誤差の上限・下限、即ち誤差許容値
を算出するための加算器、３０・３１はカウント値と誤
差許容値の上限・下限とをそれぞれ比較する比較器、３
２はカウント値が基準値の誤差許容値内で静止判定出力
信号を出力するアンドゲートである。

尚、３３は制御タイミング発生回路で、−回毎の測定タ
イミングに一致してカウンタ２６をリセットし、ラッチ
回路２７にランチのタイミング信号を送り、さらに後述
の静止判定出力信号を累積する際のタイミング信号を出
力する。

次に、Ｂブロックは、−回毎の静止判定出力信号を累積
し、静止物体存在信号を出力する回路で、３４は排他的
オアゲート、３５は静止判定出力信号の累積カウンタ、
３６は累積カウンタ３５をカウントさせ、あるいはリセ
ットさせるための切替スイッチで、３７の切替スイッチ
と連動する。３８は出力フリップフロップである。

上記制御回路の動作を説明すると、前回の測定での時間
差が時間間隔カウンタ２６でＮカウントであった場合、
この測定値Ｎが次の測定のための基準値として先ずＡブ
ロックのラッチ回路２７に記憶される。次に、予め設定
した許容誤差Δを加算器２８・２９で加減算し、Ｎ＋Δ
、Ｎ−Δをそれぞれ比較器３０・３１に入力する。続い
て２回目の時間差信号が時間間隔カウンタ２６で演算さ
れてＮＩカウントされると、そのカウント値は比較器３
０・３１に入力される。比較器３０・３１において予め
演算された許容誤差内にあると判定された場合にはアン
ドゲート３２がＯＮするのである。また、時間間隔カウ
ンタ２６は制御タイミング発生回路３３からの信号によ
ってリセットされ、ラッチ回路２７もラッチタイミング
信号によって制御され、以前にメモリされていたＮはク
リアされ、ラッチ回路にはＮ１が代入され、・これを基
準値、として次回以降の測定を次々と連続して実行する
。

続いて、Ｂブロックにおける静止物体存在信号の出力制
御について説明すると、Ａブロックの最終段であるアン
ドゲート３２がらの出力信号は排他的オアゲート３４に
入力され、これが切替スイッチ３６に入力される。排他
的オアゲート３４の他方入力には静止物体存在信号の出
力端が入力されている。

また、切替スイッチ３６には制御タイミング発生回路３
３から比較タイミング信号が入力され、このタイミング
で排他的オアゲート３４がら切替スイッチ３６が第３図
の実線で示す状態になっている場合にのみ累積カウンタ
３５を積算するようにしている。

このようにして比較のタイミングにおいてアンドゲート
３２から論理１の信号が出力されている場合に限り累積
力ウーンタ３５はそのカウントを積算し、所定の回数ｎ
に達したときに、出力フリップフロップ３８をセントし
、静止物体存在信号が出力されるのである。

ところが、累積カウンタ３５がｎ−１回以内のときに次
の時間間隔カウンタ２６の計数値が直前の計数値の誤差
許容値内に入らなかった場合にはアンドゲート３２は論
理０を出力し、比較タイミング信号が切替スイッチ３６
に入力されるが、この場合には切替スイッチ３６はリセ
ット側に接続されているため、累積カウンタ３５がゼロ
にリセットされるのである。

一方、累積カウンタ３５が所定の回数ｎに達して出力フ
リップフロップ３８がセントされ、出力がＯＮしている
場合にはこの出力がフィードバックされて排他的オアゲ
ート３４に入力され、これによって排他的オアゲートが
インバータの機能をする。即ち、引き続き物体が静止し
ておりアンドゲート３２から論理１の信号が出力されて
いる場合には排他的オアゲート３４の出力は論理０とな
り、切替スイッチ３６は累積カウンタ３５のリセット側
に接続されているため、累積カウンタ３５はリセット状
態を維持する。

ところが他方、静止物体が実際に移動して監視域から出
た場合にはＡブロックでは検出する信号が存在しないの
でアンドゲート３２からの出力が論理Ｏとなり、排他的
オアゲート３４は論理ｌの信号を出力するので、制御タ
イミング発生回路３３からの比較タイミング信号によっ
て累積カウンタ３５が静止物体が存在しないことを検出
するための積算を開始し、ｎ回に至ると出力フリップフ
ロップ３８をリセットし、それまで出力されていた静止
物体存在信号をＯＦＦにするのである。この場合にも累
積カウンタ３５が（Ｎ−１）カウントに達する以前に再
び物体が静止したと認められた場合には累積カウンタ３
５はリセットされる。したがって、−旦静止物体が存在
するという判断を下した後は、少々の物体のゆらぎが発
生しても、また実際に短時間物体が移動しても累積カウ
ンタ３５はリセット状態に戻され、ゆらぎとしてこれを
無視することができるのである。

第４図にデジタル回路を用いた場合のタイミングチャー
トを示す。

なお、排他的オアゲート３４は、アンドゲートとナント
ゲートを組み合わせる等、他の構成を用いることもある
。要は、−旦出力フリップフロップ３８からの信号が論
理ｌになった場合には他方の入力信号に対してインバー
タの機能をする回路であれば十分である。

次に、上記デジタル回路のうち、時間間隔カウンタ２６
およびＡブロックにアナログ回路を用いて制御を行う場
合のプロン・り図を第５図に示すと、３９は送波タイミ
ングと反射波受信タイ゛ミングとによって後段を制御す
るためのタイミング発生回路、４０は定電流電源、４１
は送波から反射波受信までの時間のみＯＮする充電スイ
ッチ、４２は定電流で充電されるコンデンサ、４３は放
電スイッチ、４４は高い入力インピーダンスをもつバッ
ファ増幅回路、４５は増幅された電圧を一定時間保持し
、出力するサンプルホールド回路、４６・４７はサンプ
ルホールド回路４５からの出力に対し、設定誤差の上限
・下限電圧を設定し、次の電圧値がその範囲内にあるか
否かを判断するための比較器、４８は上記設定誤差内の
とき番こＯＮするアンドゲートであり、前述のデジタル
回路におけるＢブロックにＯＮ信号を出力する。

上記アナログ回路の動作を説明すると、先ず超音波セン
サの監視域に物体が侵入する。と反射波受傷信号が出力
されるが、タイミング発生回路３９に送波タイミングと
反射波受信タイミングが入力される。この回路からのタ
イミング信号により、送波と反射波受信との時間間隔だ
けスイッチング素子等で構成された充電スイッチ４１；
ｌ’）（ＯＮＬ、コンデンサ４２に充電される。充電は
定電流で行われるため、コンデンサ４２の両端の電圧は
時間と完全に比例して直線的に上昇する。これをバッフ
ァ増幅器４４で増幅した電圧■はサンプルホールド回路
４５に入力され且つ記憶され、比較器４６・４７に出力
される。比較器４６・４７では予め設定した誤差Δ％の
それぞれ上限・下限値が比較電圧（１００＋Δ）Ｖ／１
００、（１００−Δ）Ｖ／１００として各々入力される
。即ち、たとえば設定誤差を５％とすれば、上限比較器
の入力は増幅器の増幅率を１．０５とし、下限比較器の
入力には抵抗によってＲｚ／（Ｒ，＋Ｒｚ）　＝０．９
５となるように定める。ここで、上記実施例では各測定
値に対する割合として％で許容誤差を与えたが、代わり
に絶対値として比較値を与えることも容易である。

続いて２回目のタイミング信号によってタイミング発生
回路からの出力に従い、事前に放電スイッチ４３によっ
てコンデンサを放電して待機状態となっていたものが、
再度送波と反射波受信との時間間隔分だけ充電されて電
圧Ｖ、がバッファ増幅器４４より出力されると、比較器
４６・４７に入力され、誤差許容値内であればアンドゲ
ート４８が０ＩＩＩＬ、デジタル回路におけるＢブロッ
クと同様の処理によって累積カウントが積算される。ま
た、この後、次の測定の準備としてサンプルホールド回
路４５には当初の電圧Ｖに代えてＶ、がホールドされ、
コンデンサ４２は放電スイッチ４３により放電されるが
、このサンプリングとホールドおよび放電の制御はタイ
ミング発生回路３９からの信号によって行っている。そ
の後、デジタル回路の場合と同様、累積カウンタが０回
カウントすれば始めて静止物体存在信号を出力する。ｎ
−１回以内で設定誤差を外れた場合にもカウントをリセ
ットし、初期状態まで復帰させる構成（図示せず）もデ
ジタル回路において説明したと同様である。

なお、誤差の設定及び検出時間は、検出しようとする対
象に応じて任意に行うことができる。たとえば、センサ
の方向に対して１ｃｍのゆらぎを生じている物体を静止
物体として扱う場合にはその範囲に相当する誤差を設定
してやれば人体を検出することはない（人が意識的に静
止しようとしても必然的にそれ以上の動きが生じるので
検出対象から外れてしまうことになる）。従って駐車場
等では駐車中の車のみ検出できるので、駐車スペースの
在・不在をエラーなしに検出できる。また累積カウント
ｎを大きくすればする程正確な検出が可能であるが、静
止物体が認識されるまで時間が長くなる。従ってｎの大
きさは超音波センサの設置場所、検出対象の性格に応じ
て適切な値を定める必要がある。また、静止物体存在信
号が出力されるためのｎの値と、この信号がＯＦＦにな
るときの値とは、一致させる必要はなく、異なる値とし
て設定することも自由である。

〔発明の効果〕

本発明の超音波センサは、送波から受波までの時間差を
検出してこれと次の時間差を比較し、連続して設定誤差
に入る測定が所定回数カウントされた場合に始めて静止
物体検出信号を出力し、それ以外の場合には最初から演
算するようにしたので、物体の静止を確実に検出できる
ばかりでな（、誤差の設定値を調整することにより微動
する物体をも静止物体として扱い、さらに物体の性格に
応じて適切な誤差を設定することにより物体の識別をも
可能とした。

また、所定の幅をもたせて誤差を設定することにより風
等で物体がゆらぐ場合にも静止物体として検出すること
ができるので、従来の超音波センサでは不適当であった
屋外においても誤動作な（使用することができた。

さらに、所定のカウントを任意に設定することができる
ので、この回数を多くすることによりきめ細かい検出が
できるようになった。

さらにまた、別個に直接波のみを取り出し、これを検出
するようにしているので、この信号が出力されない場合
や周期が一定でない場合には送波部からアンドゲートの
間に何らかの故障が生じた４゜ という確認ができ、日常の整備においても労力の削減が
可能となる等、従来では解消できなかった課題を一気に
解決できる超音波センサを提供することができた。特に
、非常に多数のセンサを使用する駐車場等では、誤動作
を生じないようにするため、また故障の診断を容易にす
るために有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波センサの反射波・直接波検出回
路の一実施例を示すブロック図、第２図は超音波の波形
変化を示すグラフ、第３図はデジタル制御の一実施例を
示すブロック図、第４図はそのタイミングチャート、第
５図はアナログ制御の一実施例を示すブロック図である
。 尚、図中２・・・送波器、３・・・受波器、８・・・レ
ベルスライス回路、９・１０・・・アンドゲート、１１
・・・直接波ゲート信号、１２・・・反射波ゲート信号
。 以　　　上 特許出願人　　　武　内　　博　雅 代理人　弁理士　小　原　和　夫　外１名二二二１１ク
イミンツ 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一定周期で一群の超音波を連続的に送波する送波手
   段と、超音波を受波・増幅する手段と、この増幅信号を
   検波後、一定レベル以上の検波信号要素を取り出すレベ
   ルスライス回路８と、送波器２と受波器３との距離によ
   って予め定められ、直接波の検出タイミングでＯＮする
   直接波ゲート信号１１と、予め想定した距離内での物体
   からの反射波のみを検出するタイミングでＯＮする反射
   波ゲート信号１２と、上記検波信号要素と２つのゲート
   信号とをアンドゲート９・１０に入力し、直接波と反射
   波とのそれぞれ別個のデジタル信号をとりだす手段とか
   ら成る反射波・直接波検出回路と、 上記送波から反射波の受波までの時間差を測定する演算
   手段と、前回の測定値を基準値とし、その後の測定値が
   前回の測定値の予め設定した誤差許容値内に入ればその
   回数を累積的にカウントする手段と、連続して所定のカ
   ウントに至れば静止物体存在信号を出力し、その後誤差
   許容値内の測定値が入力されている間は上記累積カウン
   トをリセット側に保持し、誤差許容値を外れた測定値が
   入力されれば上記カウントを累積し、連続して所定のカ
   ウントに至れば上記静止物体存在信号をＯＦＦする手段
   と、上記それぞれの所定のカウントに至るまでに測定値
   が上記誤差許容値から外れ、あるいは許容値内である場
   合は累積カウントをリセットして上記基準値から再度測
   定する手段とから成る制御回路とを備えたことを特徴と
   する超音波センサ。 ２、直接波のデジタル信号が受波されず、または所定の
   一定周期から外れた場合に故障信号を出力する請求項１
   記載の超音波センサ。