JPH06100651B2

JPH06100651B2 - 超音波スイツチ

Info

Publication number: JPH06100651B2
Application number: JP61207455A
Authority: JP
Inventors: 博司島本; 秀幸須崎; 幸雄山口; 淳川野
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1986-09-02
Filing date: 1986-09-02
Publication date: 1994-12-12
Anticipated expiration: 2009-12-12
Also published as: EP0258874A3; EP0258874A2; JPS6361976A; US5008862A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野この発明は、超音波スイッチ、特に送・受波に同一の超
音波振動子を用いる一素子反射型の超音波スイッチに関
する。

（ロ）従来の技術一素子反射型の超音波スイッチは、送波ゲート信号と呼
ばれる送波タイミング信号を周期的に送波回路に入力
し、この送波ゲート信号が入力される間、超音波発振器
を動作させ、この発振出力により超音波振動子を駆動さ
せて超音波を発射させ、検出物体等より反射して戻って
くる超音波で超音波振動子が再び振動するのを増幅し、
受波信号として信号処理している。この種の超音波スイ
ッチでは、残響が存在するため、残響内に第１回目の反
射波が戻る近距離に検出物体があると、残響から受波パ
ルスを識別できず、物体を検出することが出来ない。そ
こで、残響が存在する時間内に第１回目の反射波が戻っ
て来る程度の近距離の物体を検出するのに、従来は、第
２回目以降の反射波、つまり多重反射波の受波間隔を検
知する方法や、第２回目の反射波を検知するようにして
いた。

（ハ）発明が解決しようとする問題点上記従来の多重反射による受波間隔を検知するものは、
例えば残響ａが検出距離にして10cmとし、物体よりの第
１回目の反射波が12cmで戻る場合と、第１回目の反射波
が6cmで戻る場合を想定し〔第５図（Ａ）（Ｂ）参
照〕、第５図（Ａ）の12cmで得られる第１回目の受波信
号b₁と第５図（Ｂ）の12cmで得られる第２回目の受波信
号b₂との区別がつかないが、第５図（Ａ）の第２回目の
受波信号b₂と第５図（Ｂ）の第３回目の受波信号b₃まで
見ると、その受波信号の間隔より区別できるものであ
る。しかし、この区別をなすために、20cmの遠距離の物
体を検知するには、40cmの距離に相当する期間に亘り検
知ゲートを開けておかねばならない。これではノイズを
拾いやすいし、時間もかかるという問題がある。

また、第２回目の反射波を検知するものでは、例えば第
６図（Ａ）と（Ｂ）に示すように、受波信号b₁,b₂が検
出距離16cmの反射波か、物体の距離が8cmである第２の
反射であるかの区別がつかず、銘板の表示が困難とな
る。

また、第６図（Ａ）で、検知ゲートを例えば10〜15cmと
すれば、検知可能距離は10〜15cm及び５〜7.5cm（第２
の反射波を使用）となり、7.5〜10cmの間が検知不可能
となり、検出距離が不連続となる問題がある。

この発明は、上記に鑑み、近距離から遠距離までの検出
を、比較的短期間のゲート開で、ノイズに強い、それで
いて検出距離を連続的に可変とできる超音波スイッチを
提供することを目的としている。

（ニ）問題点を解決するための手段及び作用この発明の超音波スイッチは、超音波振動子と、この超
音波振動子を所定の期間駆動する送波回路と、超音波振
動子で受波される信号を増幅する増幅回路を含む受波回
路と、前記超音波振動子の残響中に第１回目の反射波が
受波される程度の近距離検出の場合に、第２回目の反射
波によるパルス信号を受けてゲート出力する第１のゲー
ト手段と、同第３回目の反射波によるパルス信号を受け
てゲート出力する第２のゲート手段と、前記超音波振動
子の残響後に第１回目の反射波が受波される程度の遠距
離検出の場合に、第１回目の反射波によるパルス信号を
受けてゲート出力する第３のゲート手段と、検出距離に
応じて前記各ゲート手段のゲート期間を設定する設定器
とから構成されている。

この超音波スイッチでは、物体の検出距離に応じた各ゲ
ート手段のゲート期間が設定器で設定される。そして、
検出距離が第１回目の反射波が残響内に戻る程度の近距
離では、第２回目、第３回目の反射波によるパルス信号
が第１ゲート手段、第２ゲート手段より出力され、検出
出力が出される。また、検出距離が第１回目の反射波が
残響終了後に戻る程度の遠距離の場合には、第１回目の
反射波によるパルス信号が第３のゲート手段より出力さ
れ、検出出力が出される。

（ホ）実施例以下、実施例により、この発明をさらに詳細に説明す
る。

第１図は、この発明の一実施例を示す超音波スイッチの
回路ブロック図である。

この超音波スイッチは、送波回路１と、この送波回路１
によって駆動される超音波振動子２と、反射波を受波す
る受波回路３と、この受波回路３の出力を残響期間に相
当する一定期間だけ抑圧する抑圧ゲート回路４と、受波
回路３の出力を受けて、検出のための信号処理を行う信
号処理回路５、物体の検知距離に応じて信号処理回路５
に含まれるゲート回路のゲート期間を設定する設定器６
とから構成されている。

送波回路１は、一定期間で一定幅の送波ゲート信号を出
力する送波ゲート回路11、この送波ゲート信号がオンの
間のみ動作するキャリア発振回路12、このキャリア発振
回路12よりの信号により、超音波振動子２を駆動する送
波ドライブ回路13とから構成されている。

受波回路３は、超音波振動子２よりの振動信号を受けて
増幅する増幅回路31、増幅回路31の出力を検波してパル
ス成分を出力する検波回路32及びこの検波回路32の出力
パルスを波形整形する波形整形回路33とから構成されて
いる。

抑圧ゲート回路４は、送波ゲート回路11よりの送波ゲー
ト信号を受けて立上り、残響が存在する期間ハイとなる
抑圧ゲート信号を出力するようになっており、この抑圧
ゲート信号により、増幅回路31に禁止がかかる。

次に、信号処理回路５の接続構成について説明する。

遠距離ゲート回路51及び近距離ゲート回路52の入力は、
送波ゲート回路11より送波ゲート信号ａが加えられるよ
うになっている。遠距離ゲート回路51及び近距離ゲート
回路52は、送波ゲート信号ａの立上りで立上り、この実
施例では5cmと15cmで立上るゲート信号ｃ、ｄ（第２図
ｃ、ｄ参照）を出力する。このゲート信号ｃ、ｄと、上
記送波ゲート信号ａ、抑圧ゲート信号ｂは、ゲート期間
が固定である。

遠距離ゲート回路51の出力端は、ゲート発生器I53の入
力端に接続され、近距離ゲート回路52の出力端は、ゲー
ト発生器III55の入力端に接続されている。また、ゲー
ト発生器II54の入力端に抑圧ゲート回路４の出力が加え
られるようになっている。さらに、各ゲート発生器53、
54、55には、設定器６より設定信号が入力されるように
なっている。

ゲート発生器53は、遠距離ゲート回路51の出力信号ｃの
立下りで立上り、設定器６で設定される検出距離ｎで立
下る受波ゲート信号Ieを出力する。ゲート発生器54で
は、抑圧ゲート回路４の出力信号ｂの立下りで立上り、
設定器６で設定される検出距離をｎとすると、2nで立下
る受波ゲート信号IIfを出力する。また、ゲート発生器5
5は、近距離ゲート回路52の出力信号ｄの立下りで立上
り、設定器６で設定される検出距離をｎとすると、3nで
立下る受波ゲート信号IIIgを出力する。従って、受波ゲ
ート信号Ie、受波ゲート信号IIf、受波ゲート信号IIIg
は、それぞれ5cm、10cm、15cmで立上るが、立下り点は
ｎ、2n、3n（ただしそれそれ20cm、20cm、30cm以下）と
なり、立下り点は検出距離により可変である。

波形整形回路33の出力はフリップフロップ56、57、58の
cp入力端に接続されている。また、ゲート発生器53の出
力端はフリップフロップ56のＤ入力端に接続され、ゲー
ト発生器54の出力端がフリップフロップ56のＤ入力端に
接続され、ゲート発生器55の出力端がアンドゲート60の
入力の一端に接続されるとともに、インバータ64を介し
て、フリップフロップ59のcp入力端に接続されている。

フリップフロップ56のＱ出力端は、アンドゲート60の入
力の他端に接続され、このアンドゲート60の出力端がフ
リップフロップ58のＤ入力端に接続されている。フリッ
プフロップ58のＱ出力端は、オアゲート61の入力の一端
に接続され、出力端が禁止ゲート62の一端に接続され
ている。また、この禁止ゲート62の禁止入力端には、フ
リップフロップ56の出力端が接続されている。さら
に、禁止ゲート62の出力端は、アンドゲート63の入力の
一端に接続され、このアンドゲート63の入力の他端に
は、フリップフロップ57のＱ出力端が接続されている。
そして、アンドゲート63の出力端はオアゲート61の入力
の他端に接続され、オアゲート61の出力端は、フリップ
フロップ59のＤ入力端に接続されている。

次に、上記実施例超音波スイッチの検出動作を説明す
る。以下の説明では、検出距離を8cm、15cm、20cmに設
定する場合を例に上げる。

＜検出距離設定8cm＞この場合、送波ゲート信号ａ、抑圧ゲート信号ｂ、遠距
離ゲート信号ｃ、近距離ゲート信号ｄは、それぞれ固定
であり、第２図ａ、ｂ、ｃ、ｄに示す通りである。ま
た、設定器６による検出距離8cmの設定で、受波ゲート
信号Ieは５〜8cm、受波ゲート信号IIfは10〜16cm、受波
ゲート信号IIIgは15〜24cmで、それぞれハイとなる。

今、検出物体までの距離を7cmとすると、第１回目の反
射波が戻る時点が、受波ゲート信号Ieのハイとなる期間
であるが、この期間は抑圧ゲートがハイの期間なので増
幅回路31に禁止がかかっており、従って波形整形回路33
にパルス信号が出力され、フリップフロップ57のＱ出力
端はローのままである。

第２回目の反射波が戻る14cmの時点（第２図ｉ参照）で
は、受波ゲート信号IIfがハイであり、従ってフリップ
フロップ56がセットされ、Ｑ出力端はハイとなる（第２
図ｊ）。そして、受波ゲート信号IIIgがハイとなる15cm
の時点で、アンドゲート60の両入力はハイとなり、その
出力がハイとなる（第２図ｋ）。このアンドゲート60の
ハイは、受波ゲート信号IIIgがローIIに落ちる24cm時点
まで続く。

第３回目の反射波が戻る21cmの時点（第２図ｉ）では、
アンドゲート60のハイ出力により、フリップフロップ58
がセットされ、Ｑ出力端がハイとなる（第２図ｌ）。ア
ンドゲート62の出力は、フリップフロップ56がセットさ
れてからフリップフロップ58がセットされるまでハイ
（第２図ｍ）であるが、受波ゲート信号IIIgがローにな
る24cm時点ではローに落ちており、この時点ではフリッ
プフロップ58のＱ出力端のハイがオアゲート61を介し
て、フリップフロップ59のcp入力端に受波ゲート信号II
Igの反射信号が加えられ、フリップフロップ59がセット
され、Ｑ出力端よりハイの信号、つまり検出信号ｏを出
力する。

＜検出距離設定15cm＞この場合も、ゲート信号ａ、ｂ、ｃ、ｄは第３図に示す
通り固定であり、第２図に示すものと全く変わりはな
い。設定器６による検出距離が15cmの設定なので、受波
ゲート信号Ieは５〜15cm、受波ゲート信号IIfは10〜20c
m、受波ゲート信号IIIgは15〜30cmで、それぞれハイと
なる。

今、検出体までの距離を14cmとすると、第１回目の反射
波が戻る時点が受波ゲート信号Ie及び受波ゲート信号II
fのハイとなる期間であり、かつ抑圧ゲートがハイであ
る期間を経過しているので、その反射波によるパルス信
号は波形整形回路33より出力され、フリップフロップ5
6、57のcp入力端に加えられる（第３図ｉ）。これによ
り、フリップフロップ56、57がセットされ、それぞれＱ
出力端がハイとなる。また、受波ゲート信号IIIgがハイ
となる15cmの時点でアンドゲート60の両入力はハイとな
り、その出力がハイとなる（第３図ｋ）。このアンドゲ
ート60のハイは、受波ゲート信号IIIgがローに落ちる30
cm時点まで続く。

第２回目の反射波が戻る28cmの時点（第３図ｉ）では、
アンドゲート60のハイ出力によりフリップフロップ58が
セットされ、そのＱ出力端がハイとなる（第３図ｌ）。
受波ゲート信号IIIgがローに落ちる30cmの時点で、フリ
ップフロップ58のＱ出力端のハイ信号が、オアゲート61
を通してフリップフロップ59に読込まれ、そのＱ出力端
よりやはり検出信号ｏが出力される。

＜検出距離設定20cm＞この場合も、ゲート信号ａ、ｂ、ｃ、ｄは第４図に示す
通り固定である。しかし、設定器６による検出距離が20
cmの設定なので、受波ゲート信号Ieは５〜20cm、受波ゲ
ート信号IIfは10〜20cm、受波ゲート信号IIIgは15〜30c
mで、それぞれハイとなる。

今、検出体までの距離を10cmとすると、第１回目の反射
波が戻る時点は、各受波ゲート信号がいずれもハイの状
態であり、かつ抑圧ゲートがハイである期間を経過して
いる。そのため、反射波によるパルス信号は波形整形回
路33より出力され、フリップフロップ56、57のcp入力端
に加えられる（第４図ｉ）。これにより、フリップフロ
ップ56、57がセットされ、それぞれＱ出力端がハイとな
る（第４図ｊ、ｐ）。

アンドゲート60の両入力は、19cm時点でハイとなり、こ
の時点より受波ゲート信号IIIgがローに落ちるので、そ
の出力がハイを保持する（第４図ｌ）。しかし、この間
に受波信号がフリップフロップ58のcp入力端に加えられ
ないので、フリップフロップ58のＱ出力端はローのまま
である（第４図ｌ）。

一方、第１回目の反射波が入力される19cm時点で、フリ
ップフロップ56のＱ出力端がローとなると、フリップフ
ロップ56のＱ出力端がハイであるため、禁止ゲート62の
出力がハイとなり（第４図）、そのため、アンドゲート
63の出力もハイとなる。そして、このハイ信号がオアゲ
ート61を通してフリップフロップ59のＤ入力端に加えら
れる。そしてこのハイ信号が、受波ゲート信号IIIgがロ
ーに落ちる時点の30cmの時点で、フリップフロップ59に
読込まれ、そのＱ出力端より検出信号ｏが出力される
（第４図ｏ）。

（ヘ）発明の効果この発明によれば、近距離検出と遠距離検出が可能であ
り、しかも近距離検出の場合のみ多重反射を使うので、
受波レベルを大きくとれ、ノイズに強いものを得ること
ができる。また、ゲートを開く期間が受波間隔測定方式
より短いので、ノイズの影響を受けにくいという利点が
ある。また、設定器により検出距離を設定することによ
り、検出距離を連続的に変えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を示す超音波スイッチの
回路ブロック図、第２図は、同超音波スイッチにおいて
検出距離設定を8cmとした場合の動作を説明する波形タ
イムチャート、第３図は、同超音波スイッチにおいて検
出距離設定を15cmとした場合の動作を説明する波形タイ
ムチャート、第４図は、同超音波スイッチにおいて検出
距離設定を20cmとした場合の動作を説明する波形タイム
チャート、第５図及び第６図は、従来の超音波スイッチ
の問題点を説明するための波形タイムチャートである。 1:送波回路、2:超音波振動子、 3:受波回路、6:設定器、 53・54・55:ゲート発生器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波振動子と、この超音波振動子を所定
の期間駆動する送波回路と、超音波振動子で受波される
信号を増幅する増幅回路を含む受波回路と、前記超音波
振動子の残響中に第１回目の反射波が受波される程度の
近距離検出の場合に、第２回目の反射波によるパルス信
号を受けてゲート出力する第１のゲート手段と、同第３
回目の反射波によるパルス信号を受けてゲート出力する
第２のゲート手段と、前記超音波振動子の残響終了後に
第１回目の反射波が受波される程度の遠距離検出の場合
に、第１回目の反射波によるパルス信号を受けてゲート
出力する第３のゲート手段と、検出距離に応じて前記各
ゲート手段のゲート期間を設定する設定器とを備え、前
記第１のゲート手段及び第２のゲート手段の出力により
近距離物体の検出を、前記第３のゲート手段の出力によ
り遠距離物体の検出を行うようにした超音波スイッチ。