JPH0389189A - 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〉 この発明は、周波数変調を施した超音波を送受して対象
物までの距離などを測定する超音波センサに関連し、殊
にこの発明は、送波子と受波子とを独立して設けた構造
の超音波センサに関する。

〈従来の技術〉 超音波センサは、超音波を用いて物体までの距離や物体
の有無などを検出するもので、この種センサとして、先
般、ＦＭ−ＣＷ法によるものが提案された。

このＦＭ−ＣＷ法による超音波センサは、周波数が連続
的に変化する超音波の送波信号を生成して対象物へ送波
すると共に、対象物で反射した超音波を受波して、送波
信号と受波信号との周波数差で定義されるビート周波数
ｆｃを求めて、対象物までの距離などを検出するもので
ある。

このビート周波数ｆｃは、超音波の伝播距離を２Ｒ１周
波数変調の繰返し周波数をｆ、、、超音波の伝播速度を
Ｖ、周波数変調の周波数変位幅をΔｆとすると、つぎの
０式で与えられる。

ｆｃ＝　（４Ｒｆ、Δｆ）／ｖ　　・−・■ここでｆｌ
ｅ＋　Δｆ、ｖは既知であるから、ビート周波数ｆｅを
測定することにより、超音波の伝播距離２Ｒが計算でき
、従って対象物までの距離を検出できる。

第３図はこのＦＭ−ＣＷ法による従来の超音波センサの
具体例を示し、また第４図および第５図はこの従来例の
タイムチャートである。なおこのタイムチャートでは横
軸の時間ｔに対して縦軸には電圧Ｖまたは周波数Ｆがと
っである。

図示例の超音波センサは、超音波を対象物１へ送波する
ための送波子２と、対象物１での反射波を受波するため
の受波子３とを備え、これら送波子２および受波子３を
、第６図に示すように、ホルダ４上に独立させかつ内方
へ傾けて配備しである。送波子２および受波子３は超音
波振動子であってそれぞれ指向角α、βを有し、図中、
菱形で示す領域Ｓが検出可能領域となっている。

第３図に戻って、送波子２には信号生成部５が接続され
て駆動され、また受波子３には検出回路部６を接続して
受波信号すが取り込まれる。

信号生成部５は、周波数変調を施した超音波の連続波を
生成する部分であり、基準クロック生成回路７．変換回
路８．駆動回路９などを含んでいる。

基準クロック生成回路７は水晶振動子のような発振源を
含み、その発振出力を適当に分周してクロック信号ＣＫ
や後記するゲート信号ｇを生成する。変換回路８はクロ
ック信号ＣＫを入力して三角波電圧信号に変換するミラ
ー積分器や、三角波電圧信号を周波数に変換するＶ／Ｆ
変換回路を含むもので、その出力として振幅が一定であ
りかつ周波数が連続的に変換する超音波送波信号ａ（第
４図（１）中、実線で示す）を得る。駆動回路９はこの
送波信号ａにより送波子２を一定周期で駆動するもので
、送波子２が発する超音波は対象物１で反射して受波子
３で受波される。

この場合に超音波の空気中での伝播速度をＶとし、送波
子２から対象物ｌを経て受波子３へ至る径路の距離を２
Ｒとすると、その伝播時間ΔＴはつぎの■式で与えられ
る。

ΔＴヨ２　Ｒ／　ｖ　　・・・・■ 従って送波信号ａに対して受波信号ｂ（第４図（１）中
、破線で示す）は伝播時間ΔＴだけ遅延することになる
。なお、第４図（２）は送波信号ａの拡大図、また第４
図（３）は受波信号すの信号波形図であって、この受波
信号すには後記するクロストーク成分ｄがのっている。

つぎに検出回路部６は、送波子２より送出される送波信
号ａと受波子３で受波される受波信号すとの周波数差に
基づき対象物ｌまでの距離を検出するためのもので、前
記基準クロック生成回路７に加えて、増幅回路１０．周
波数差検出回路１１．ローパスフィルタ１２．カウンタ
１３、Ｄ／Ａ変換器１４．増幅器１５により構成されて
いる。

前記周波数差検出回路７として例えば乗算器が用いられ
、送波信号ａと受波信号すとを入力して乗算することに
より、両信号ａ、ｂの周波数ｒ、、ｒｂの差の信号と和
の信号とを得る。

ローパスフィルタ１２は差の周波数成分のみを距離情報
として通過させてビート周波数信号Ｃ（第５図（１）に
示す）を得る。なおこのビート周波数信号Ｃの周波数（
ビート周波数ｆｃ）はつぎの■式で与えられる。

ｒｃ−＋　ｒ−ｒｂ　　ｌ　　”■ カウンタ１３はビート周波数信号Ｃの繰り返し回数を一
定時間Ｔだけ計数するためのもので、基準クロック発生
回路７からカウンタ１３へ計数時間を規定するためのゲ
ート信号ｇ（第５図（２）に示す）が与えられる。Ｄ／
Ａ変換器１４はカウンタ１３による計数データをアナロ
グ量に変換するもので、このアナログ信号が増幅器１５
を経て出力として取り出される。

〈発明が解決しようとする問題点〉 上記構成の超音波センサにおいて、送波子２が送波信号
により駆動されると、この送信動作における送波子２の
機械的振動がホルダ４を介して受波子３へ伝達される。

この送波子２とホルダ４との共振である機械的振動（こ
れを「クロストーク」という）は、第４図（３）および
第５図（１）に示すように、クロストーク成分ｄとして
受波信号すやビート周波数信号Ｃに混在する。

このクロストーク成分ｄは機械的振動に起因するため、
周波数が低く一定周波数の定在波とはならず、ビート周
波数信号Ｃに含まれた形態でローパスフィルタ１２を通
過してカウンタ１３に入力される。

このクロストーク成分ｄのため、ビート周波数信号Ｃの
振幅が部分的に小さくなり、その波高値がカウンタ１３
のスレショルドレベルＴ１１を下回るという事態が発生
する。このためカウンタ１３による計数ミスが発生し、
正確な距Ｍ−ａ定が困難となる。

この発明は、上記問題に着目してなされたもので、前記
の機械的振動に起因する信号成分を除去することにより
、正確な距離測定が可能な超音波センサを提供すること
を目的とする。

く問題点を解決するための手段〉 この発明にかかる超音波センサは、受波信号と送波信号
との周波数差に基づき対象物までの距離などを検出する
ための検出回路部に、送波子から受波子へ伝達される機
械的振動に起因する信号成分を除去するための回路を設
けたものである。

く作用〉 機械的振動に起因する信号成分が受波信号に混在しても
、その信号成分は検出回路部中の所定の回路で除去され
るので、正確な距離測定が可能である。

〈実施例〉 第１図は、この発明の一実施例にかかる超音波センサの
全体構成を示すもので、送波子２゜受波子３．信号生成
部５．検出回路部６より構成されている。

送波子２および受波子３の構成や配置は、第６図に示し
た従来例と同様であり、また信号生成部５の回路構成も
、第３図に示した従来例と同様であって、ここでは対応
する構成に同一の符号を付することでその説明を省略す
る。

また検出回路部６は、第３図に示す従来例と同様の回路
構成を含む他、周波数差検出回路１１とローパスフィル
タ１２との間にバイパスフィルタ１６が設けられている
。

このバイパスフィルタ１６は、受波信号すに混在した第
４図（３）に示すようなりロストーク戒分ｄを減衰させ
て除去するための回路であって、その結果、第２図（１
）に示すような、クロストーク成分ｄが除去されたビー
ト周波数信号Ｃを得ている。

いま例えばビート周波数ｒｃが、第６図に示す近距離地
点で２０ｋＨｚ　、遠距離地点で５０ｋＨｚとなるよう
な送波信号ａが生成されて超音波が送波子２より送波さ
れると、受波子３により得られる受波信号すには、送波
子２とホルダ４との間の機械的振動に起因するクロスト
ーク成分ｄが混在し、その信号波形は第４図（３）に示
すようなものとなる。

この受波信号すと送波信号ａとが検出回路部６の周波数
差検出回路１１へ入力されると、距離情報として必要な
両信号ａ、ｂの周波数の差の信号の他に、和の信号とク
ロストーク成分ｄが周波数差検出回路１１より出力され
る。

そこで距離情報として必要な２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの
差の信号のみを通過させるために、カットオフ周波数が
５０ｋＨｚのローパスフィルタ１２と、カットオフ周波
数が２０ｋＨｚのバイパスフィルタ１６とを用いて検出
回路部６を構成すると、クロストーク成分ｄが除かれた
ビート周波数信号Ｃ（第２図（１）に示す）を得ること
ができる。

このビート周波数信号Ｃはその振幅がほぼ一定であるの
で、波高値がカウンタ１３のスレショルドレベルＴＨを
下回るという事態が発生しない。従ってこのビート周波
数信号Ｃの繰り返し回数をゲート信号ｇ（第２図（２）
に示す）で規定される計数時間Ｔにつき計数するとき、
従来例のような計数ミスが発生せず、正確な計数データ
を得ることができる。

また上記のローパスフィルタ１２とバイパスフィルタ１
６との組み合わせで一種のバンドパスフィルタが構成さ
れるので、耐電磁ノイズ性に優れた超音波センサを得る
ことができる。

〈発明の効果〉 この発明は上記の如く、受波信号と送波信号との周波数
差に基づき対象物までの距離などを検出するための検出
回路部に、送波子から受波子へ伝達される機械的振動に
起因する信号成分を除去するための回路を設けたから、
たとえ受波信号に機械的振動に起因する信号成分が混在
しても、その信号成分は検出回路部中で除去されるため
、正確な距離測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例にかかる超音波センサの全
体構成を示すブロック図、第２図はビート周波数信号お
よびゲート信号の波形を示す説明図、第３図は従来の超
音波センサの全体構成を示すブロック図、第４図は第３
図の従来例におけるタイムチャート、第５図は従来例に
おけるビート周波数信号およびゲート信号の波形を示す
説明図、第６図は超音波センサの構成を示す側面図であ
る。 ２・・・・送波子　　　　３・・・・受波子５・・・・
信号生成部 ６・・・・検出回路部 １６・・・・バイパスフィルタ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 周波数変調を施した超音波の連続波を生成する信号生成
   部と、超音波を対象物へ送波する送波子と、対象物での
   反射波を受波する受波子と、受波信号と送波信号との周
   波数差に基づき対象物までの距離などを検出する検出回
   路部とを備えた超音波センサにおいて、 前記検出回路部には、送波子から受波子へ伝達される機
   械的振動に起因する信号成分を除去するための回路が設
   けられて成る超音波センサ。