JPH06230119A

JPH06230119A - 二周波形超音波感知器

Info

Publication number: JPH06230119A
Application number: JP1445093A
Authority: JP
Inventors: Shintaro Kimura; 信太郎木村
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1993-02-01
Filing date: 1993-02-01
Publication date: 1994-08-19

Abstract

(57)【要約】【目的】１個の超音波振動子を用いて２種類の周波数
の超音波を送受波する二周波形超音波感知器を提供す
る。【構成】１個のセラミック系振動子で形成される超音
波送受器１と、超音波送受器１をセラミック系振動子の
直列共振周波数と並列共振周波数とで交互に駆動する駆
動部２，３と、超音波送受器１からの受波信号を受け直
列共振周波数の信号のみを通過させる直列共振帯域フィ
ルタ６，９と、並列共振周波数の信号のみを通過させる
並列共振帯域フィルタ７，９と、各帯域フィルタの出力
を受け当該送波周期における周波数に対応する成分のみ
を出力するゲート部８と、ゲート部８の出力に基づいて
検知対象物体の有無を検出する感知処理部１０を備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電歪形超音波振動子
または圧電形超音波振動子を用いて超音波の送波と受波
とを行い、車両、人間、物体などを検出する超音波感知
器に関し、特に、１個の超音波振動子によって２種類の
超音波を一定周期で交互に送波して、不要反射波の影響
を除去する二周波形超音波感知器に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波感知器は、超音波送受器を介して
周期的に超音波を発射して、反射波の受波タイミングと
受波レベルとに基づいて、検知対象物体の有無を検出し
ようとする装置である。この超音波感知器は、検知対象
物体からの反射波（対象反射波）、及び路面や壁面から
の反射波（背景反射波）以外の反射波（不要反射波）が
受波されない理想的な環境下では正常に動作をするが、
不要反射波が受波される環境下では、現実には存在しな
い検知対象物を誤検知してしまうことがある。

【０００３】例えば、トンネル内、室内、高架道路の下
などでは、天井や壁面で幾度も反射した超音波パルスが
次の送波周期内の不要反射波（音響ノイズ）として受波
されることがあり、対象反射波と不要反射波の受信時間
帯に重複部分があると、一般の超音波感知器では検知対
象物を誤検知してしまうことがあり、感知器として正常
に機能しないことになる。

【０００４】かかる不要反射波の問題は、従来より指摘
されており、その解決策の一つとして、例えば、２種類
の超音波を交互に発射し、当該送波周期に発射された周
波数と同一周波数の反射波のみを有効なものと扱う二周
波形超音波感知器が提案されている。そして、この二周
波形超音波感知器では、動電形送受器（スピーカ）や、
２種類のセラミック振動子を一体化した送受器を用いる
のが一般的である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た二周波形超音波感知器には、それぞれ下記の欠点があ
るので十分な実用性を有しているとは言えなかった。動
電形送受器を用いる感知器の場合には、動電形送受器に
強力な磁石を使用している為に、ボイスコイル可動部に
浮遊鉄粉が吸着して音が出なくなるという障害が発生し
やすく、また、装置全体が重くなってしまうという欠点
があった。

【０００６】また、セラミック系振動子を一体化した送
受器の場合には、２種類のセラミック振動子の感度や温
度特性が不一致又はばらつく為に、高性能のものが得ら
れず、長期安定性の面にも欠けるという欠点があった。
この発明は、これらの問題点に着目してなされたもので
あって、１個の超音波振動子を用いて２種類の周波数の
超音波を送受波する二周波形超音波感知器を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用】

〔請求項１に係る二周波形超音波感知器〕上記の目的を
達成する為、請求項１に係る二周波形超音波感知器は、
１個のセラミック系振動子を用いて形成される超音波
送受器と、この超音波送受器を、前記セラミック系振
動子の直列共振周波数と並列共振周波数とで交互に駆動
する駆動部と、前記超音波送受器からの受波信号を受
け、前記直列共振周波数の信号のみを通過させる第１の
帯域通過フィルタと、前記超音波送受器からの受波信
号を受け、前記並列共振周波数の信号のみを通過させる
第２の帯域通過フィルタと、この第１と第２の通過フ
ィルタの出力を受け、当該送波周期における周波数に対
応する成分のみを出力する選択部と、この選択部の出
力に基づいて検知対象物体の有無を検出する検出部とを
特徴的に備えている。

【０００８】セラミック系振動子の直列共振周波数と並
列共振周波数は、互いに接近しているので、第１と第２
の帯域通過フィルタは、その特性の急峻なものでなけれ
ばならない。そこで、例えば、デジタルフィルタによっ
てこれを実現させる。すると、第１の通過帯域フィルタ
からは直列共振周波数の信号のみが出力され、第２の通
過帯域フィルタからは並列共振周波数の信号のみが出力
される。

【０００９】一方、駆動部は、直列共振周波数と並列共
振周波数とで、交互に超音波送受器を駆動しているの
で、当該送波周期に受波されるべき受波の周波数を特定
することができる。そこで、選択部は、第１の通過帯域
フィルタと第２の通過帯域フィルタの出力のうち、適宜
な一方のみを選択することによって、当該送波周期以前
の送波に基づく反射波を除去する。

【００１０】このように、この発明によれば、選択部は
対象反射波と背景反射波のみを出力するので、不要反射
波による誤検知が生じることはない。〔請求項１に係る二周波形超音波感知器〕請求項２に係
る二周波形超音波感知器は、前記駆動部は、前記セラ
ミック系振動子の動作状態を計測して、この動作状態に
対応した周波数で前記超音波送受波器を駆動し、前記第
１と第２の帯域通過フィルタは、前記駆動部による
駆動周波数に基づいて帯域周波数を自動変更することを
特徴としている。

【００１１】セラミック系振動子は、温度などの影響を
受けて特性が変化し得る。しかし、請求項２の発明で
は、駆動部、及び第１と第２の帯域通過フィルタが、当
該振動子の動作状態に基づいて動作するのでより性能が
優れている。

【００１２】

【実施例】以下、実施例に基づいて、この発明を更に詳
細に説明する。図１は、この発明の一実施例である二周
波形超音波感知器のブロック図を図示したものである。
この装置は、セラミック系振動子１個で形成される超音
波送受器１と、このセラミック系振動子の直列または並
列共振周波数を一定周期で発生する二周波発生部２と、
この出力を受けて超音波送受器１を駆動する超音波送波
部３と、超音波送受器１での受波信号を所定レベルまで
増幅する超音波受波部４と、受波信号のキャリアの大き
さが感知レベルを越えた場合に波形整形してデジタル波
（キャリアパルス列）に変換する波形整形部５と、直列
共振周波数付近のデジタル波のみを通過させる直列共振
帯域フィルタ６と、並列共振周波数付近のデジタル波の
みを通過させる並列共振帯域フィルタ７と、共振帯域フ
ィルタ６，７の各出力のうち当該動作周期に対応した周
波数の出力のみを選択するなどの動作をするゲート部８
と、共振帯域フィルタ６，７の帯域周波数を自動設定す
るフィルタ制御部９と、ゲート部８からのデジタル波を
取り込み、受波タイミング及びその継続時間に基づいて
検知対象の有無を判定する感知処理部１０とで構成され
ている。

【００１３】〔超音波送受器１について〕超音波送受器
１に内蔵されている超音波振動子は、間欠的な電気入力
を受けると超音波パルスを発射し、反射波を受けると微
小振動を生じて微小電圧を発生する素子である。そし
て、この超音波振動子は、高い周波数選択特性（Ｑ特
性）を持っているので、電極に引加される電気入力が無
くなっても直ぐには振動が止まらず徐々に振動が弱ま
る。これを残響波と称するが、以下、その周波数を残響
周波数Ｆ_Zで示すことにする。

【００１４】超音波振動子の等価回路を示すと図２の通
りであり、直列共振周波数Ｆ_s、並列共振周波数Ｆ_pは
（式１）、（式２）の通りである。Ｆ_s＝１／（２πＳＱＲ（ＬＣ）） ……（式１）Ｆ_P＝１／（２πＳＱＲ（ＬＣ’））……（式２）但し、Ｃ’＝Ｃ₀Ｃ／（Ｃ₀＋Ｃ）であり、ＳＱＲはル
ートを意味する。

【００１５】ここで、残響周波数Ｆ_Zは並列共振周波数
Ｆ_pとほぼ同じであり、直列共振周波数Ｆ_sと並列共振
周波数Ｆ_Pの差分ΔＦ_SPは非常に接近している。そし
て、この差分ΔＦ_SPは、超音波振動子の形状寸法と材質
が同じであれば殆ど一定しておりバラツキが非常に小さ
く、また、残響周波数Ｆ_Zは、超音波振動子を駆動する
周波数が異なっても変化しないという性質がある。

【００１６】従って、残響周波数Ｆ_Zを計測すれば並列
共振周波数Ｆ_pを知ることができ（Ｆ_Z≒Ｆ_p）、ま
た、差分ΔＦ_SPがほぼ固定値であることから、直列共振
周波数Ｆ_Sを知ることも可能となる。〔二周波発生部２について〕二周波発生部２はこの原理
を利用したものであり、残響周波数Ｆ_zの計測結果に基
づいて、演算処理によって直列および並列共振周波数を
求め、一定周期（例えば６０ｍＳ）毎にこの２つの周波
数Ｆ_S，Ｆ_Pの出力を交互に発生する。以下、二周波発
生部２の動作内容を更に詳述する。

【００１７】二周波発生部２は、送波時間が終了し過渡
時間を過ぎて残響周波数が安定した時点から残響波のキ
ャリアの「Ｍ波分の時間ｔ_Mt」を計測する。そして、こ
の時間ｔ_Mtをメモリに記憶すると共に、（式３）に基づ
いて移動累積値_tＴ_MNを更新する。_tＴ_MN＝Σｔ_M(t-n)
……（式３）なお、Σは、ｎ＝０からｎ＝Ｎ−１まで
のＮ個分のデータの移動累積計算を意味する。

【００１８】そして、算出した移動累積値_tＴ_MNを用い
て、移動平均残響周波数_tＦ_Zを（式４）から求める。
_tＦ_Z＝Ｍ・Ｎ／_tＴ_MN ……（式４）以上の計算が終われば（式５）、（式６）に基づいて、
次の周期に出力すべき並列共振周波数_tＦ_Pと直列共振
周波数_tＦ_Sとを算出する。_t Ｆ_P≒_tＦ_Z ……（式５）_t Ｆ_S＝_tＦ_P−ΔＦ_SP ……（式６）そして、今周期の送波周波数_t-1Ｆ_xが直列共振周波数
_t-1Ｆ_Sであれば、次周期には並列共振周波数_tＦ
_Pを、逆に今周期の送波周波数_t-1Ｆ_xが並列共振周波
数_t-1Ｆ_Pであれば次周期には直列共振周波数_t-1Ｆ_S
を出力する。

【００１９】〔フィルタモジュール６，７について〕フ
ィルタモジュールは、直列共振帯域フィルタ６と並列共
振帯域フィルタ７とで構成されており、各フィルタ６，
７は、フィルタ制御部９からのゲート信号（ストローブ
信号）とトリガ信号とによって制御されている。具体的
に説明すると、フィルタ制御部９は、ゲート信号がＬレ
ベルである状態で４個のトリガ信号を出力するので、フ
ィルタ６，７は、トリガ信号に応じて４個の８ビットデ
ータ（Ｎ_PH，Ｎ_PL，Ｎ_SH，Ｎ_SL）を、順次にデータバス
より取り込んで帯域フィルタ６，７のプリセット値とす
る。なお、Ｎ_PHとＮ_PLは並列共振帯域フィルタ７の高域
設定値と低域設定値であり、Ｎ_SHとＮ_SLは直列帯域フィ
ルタ６の高域設定値と低域設定値であり、Ｎ_PH＜Ｎ_PL＜
Ｎ_SH＜Ｎ_SLの関係にある。

【００２０】このプリセット動作は各送波周期ごとに行
われるので、各フィルタの通過帯域は自動的に更新され
ることになり、超音波振動子の周波数変動やバラツキに
追従した安定な特性のフィルタが実現されることにな
る。なお、各フィルタ６，７のフィルタ信号ＢＰＯ１，
ＢＰＯ２は、波形処理部５から入力されるデジタル波ｆ
_inの周波数が通過帯域内にある場合にはＨレベルとな
り、通過帯域外および入力無しの場合にはＬレベルとな
るが、詳細な回路動作は後述する。

【００２１】〔ゲート部８について〕図３はゲート部８
の回路例を図示したものであり、図４はゲート部８の各
部の動作波形を図示したものである。図３に示す如く、
ゲート部８は、直列共振帯域フィルタ６からのフィルタ
信号ＢＰＯ１と、並列共振帯域フィルタ７からのフィル
タ信号ＢＰＯ２と、波形整形部５からのキャリア信号Ｃ
Ｒと、同期信号ＳＹＮとを受けて、受波キャリア出力と
残響波キャリア出力とを出力する。尚、ここで、受波キ
ャリア出力は、当該周期の送波周波数に等しい周波数の
キャリア信号であり、感知処理部１０に供給される。ま
た、残響キャリア信号は、残響周波数Ｆ_Zのキャリア信
号であり、二周波発生部１とフィルタ制御部９にフィー
ドバックされる。

【００２２】以下、回路動作を具体的に説明すると、同
期信号ＳＹＮは、フリップフロップＦＦ_Aで１／２分周
されて周波数選択信号ＦＳ，ＦＳバーとなる。この周波
数選択信号ＦＳは二周波発生部１（ここでは図示せず）
に供給されており、二周波発生部１は、周波数選択信号
ＦＳがＨレベルのときは並列共振周波数Ｆ_Pを、周波数
選択信号ＦＳがＬレベルのときは直列共振周波数Ｆ_Sを
送波する。一方、同期信号ＳＹＮは論理否定されてモノ
マルチバイブレータＦＦ_Bに供給されているので、モノ
マルチバイブレータＦＦ_Bは、同期信号ＳＹＮの立ち下
がりでトリガされてタイミングパルスＴ₁を出力する。
また、モノマルチバイブレータＦＦ_Cは、タイミングパ
ルスＴ₁の立ち下がりでトリガされて感知ゲート信号Ｇ
ＡＴＥを出力する。

【００２３】このようにして形成された感知ゲート信号
ＧＡＴＥは、キャリア信号ＣＲ、周波数選択信号ＦＳ，
ＦＳバー、フィルタ信号ＢＰＯ１，ＢＰＯ２と共にＡＮ
ＤゲートＧ₁，Ｇ₂に供給されているので、ＡＮＤゲー
トＧ₁からは並列共振周波数Ｆ_Pに等しいＦ_Pキャリア
のみが、ＡＮＤゲートＧ₂からは直列共振周波数Ｆ_Sに
等しいＦ_Sキャリアのみが出力される。このＦ_Pキャリ
アとＦ_Sキャリアは、ＯＲゲートＧ₃を介して出力され
るので、受波キャリア出力は、図４に示す如く、正常な
車両反射波によるキャリア信号となる。

【００２４】また、キャリア信号ＣＲは、同期信号ＳＹ
ＮとタイミングパルスＴ１と共にＡＮＤゲートＧ₄に供
給されることによって、残響波キャリアのみが抽出され
ることになる。〔フィルタ制御部９について〕フィルタ制御部９は、こ
のようにして抽出された残響波キャリア（周波数を_tＦ
_Zとする）を受けて並列共振周波数_tＦ_P（≒_tＦ_Z）
と、直列共振周波数_tＦ_S（＝_tＦ_P−ΔＦ_SP）とを算
出し、（式７）〜（式１０）に基づいて帯域フィルタ
６，７の低域阻止周波数Ｆ_SL，Ｆ_PLと高域阻止周波数Ｆ
_SH，Ｆ_PHとを自動生成する。

【００２５】Ｆ_SL＝_tＦ_S−α ……（式７）Ｆ_SH＝_tＦ_S＋β ……（式８）Ｆ_PL＝_tＦ_P−γ ……（式９）Ｆ_PH＝_tＦ_P＋δ ……（式１０）なお、Ｆ_SL〜Ｆ_SHは、直列共振帯域フィルタ６の通過周
波数帯域を、Ｆ_PL〜Ｆ_PHは、並列共振帯域フィルタ７の
通過周波数帯域を意味している。

【００２６】次に、得られた４種類の周波数に基づい
て、（式１１）〜（式１４）から、フィルタモジュール
に与えるプリセット値を算出する。Ｎ_SL＝〔ＣＬＯＣＫ／Ｆ_SL〕−１ ……（式１１）Ｎ_SH＝〔ＣＬＯＣＫ／Ｆ_SH〕−１ ……（式１２）Ｎ_PL＝〔ＣＬＯＣＫ／Ｆ_PL〕−１ ……（式１３）Ｎ_PH＝〔ＣＬＯＣＫ／Ｆ_PH〕−１ ……（式１４）ここで、〔〕記号は小数点以下を四捨五入することを示
す。また、−１するのは、後述するように、プリセット
カウンタがプリセット動作をした後の最初の１クロック
ではカウント動作しないことに基づくものである。

【００２７】なお、送波に同期してトリガ信号やゲート
信号（ストローブ信号）などを発生し、これらの信号に
同期してデータバスを介して４種類の８ビットデータＮ
_SL，Ｎ_SH，Ｎ_PL，Ｎ_PHを帯域通過フィルタ６，７にプリ
セットするのは、前述した通りである。〔感知処理部１０について〕感知処理部１０は、ゲート
部８からの受波キャリアを取り込み、ｍ個の受波キャリ
アをカウントし、その計測時間が所定の範囲内であれ
ば、安定した反射波が受波されたものと判断して感知信
号を出力する。一方、ｍ個の受波キャリア計測時間が所
定の範囲外であれば前周期の出力状態を保持する。ま
た、感知状態になった後、保持カウンタにて受波キャリ
アの無い周期数をカウントしｎ周期連続した時点で感知
信号を復旧させる。ｎ周期をカウントするまでに受波キ
ャリアが入力された場合は、カウンタ内容がリセットさ
れ感知信号は保持される。

【００２８】〔フィルタモジュール６，７の詳細につい
て〕図５は、並列共振帯域フィルタ７の回路図を図示し
たものである。尚、直列共振帯域フィルタ６も、通過帯
域が異なることを除けば、図５の回路と同じであるので
図示を省略している。図５に示す並列共振帯域フィルタ
７（デジタルフィルタ）は、例えば７４ＨＣ７４である
フリップフロップＦＦ₁〜ＦＦ₆と、例えば７４ＨＣ４
０１０３であるカウンタＣＴ₁，ＣＴ₂とで構成されて
いる。そして、波形整形部５の出力であるデジタル波ｆ
_inと、６ＭＨｚのクロックパルスＣＫとを受け、フリッ
プフロップＦＦ₂のＱ，Ｑバー出力端子からフィルタ信
号（Ｈ，Ｈバー）を出力している。

【００２９】以下、図５の回路図を説明すると、デジタ
ル波ｆ_inは、フリップフロップＦＦ ₁のディレイ入力端
子Ｄ（以下、Ｄ端子という）と、フリップフロップＦＦ
₅のリセット端子Ｒ（以下、Ｒ端子という）に供給され
ている。また、クロックパルスＣＫは、フリップフロッ
プＦＦ₁，ＦＦ₄，ＦＦ₅のトリガ入力端子Ｔ（以下、
Ｔ端子という）と、カウンタＣＴ₁，ＣＴ₂のクロック
端子ＣＫ（以下、ＣＫ端子という）とに供給されてい
る。

【００３０】フリップフロップＦＦ₁のセット入力端子
Ｓ（以下、Ｓ端子という）には５Ｖが、Ｒ端子にはフリ
ップフロップＦＦ₅のＱバー出力（以下、信号（Ｃ）と
いう）が供給されている。フリップフロップＦＦ₂のＤ
端子にはフリップフロップＦＦ₃のＱ出力（信号（Ｅ）
という）が、またＴ端子にはフリップフロップＦＦ₁の
Ｑ出力（信号（Ａ）という）が供給されている。また、
Ｓ端子には５Ｖが、Ｒ端子にはフリップフロップＦＦ₆
のＱバー出力（信号（Ｇ）という）が供給されている。

【００３１】フリップフロップＦＦ₃のＳ端子には、カ
ウンタＣＴ₁のＺＯ出力（信号（Ｄ）という）が、Ｒ端
子にはフリップフロップＦＦ₄のＱバー出力（信号
（Ｂ）という）が供給されている。フリップフロップＦ
Ｆ₄のＤ端子には、信号（Ａ）が、Ｓ端子には５Ｖが、
Ｒ端子には信号（Ｃ）が、それぞれ供給されている。

【００３２】フリップフロップＦＦ₅のＤ端子にはフリ
ップフロップＦＦ₄のＱ出力が、Ｓ端子には自らのＱバ
ー出力である信号（Ｃ）が供給されている。フリップフ
ロップＦＦ₆のＲ端子には信号（Ｂ）が、Ｓ端子にはカ
ウンタＣＴ ₂のＺＯ出力（信号（Ｆ）という）が供給さ
れている。カウンタＣＴ₁，ＣＴ₂のＳＰ端子には、フ
リップフロップＱバー出力が供給されており、ＳＰ端子
がＬレベルになると、Ｊ₀〜Ｊ₇端子に供給されている
データがプリセットされる。なお、このプリセットデー
タは、ＣＫ端子へのクロックパルスＣＫに同期してカウ
ントダウンされ、カウントダウンが完了すると、カウン
タＣＴ₁，ＣＴ₂のＺＯ端子にＬレベルの信号を出力す
る。また、カウンタＣＴ₁，ＣＴ₂のＣＥ端子にはフリ
ップフロップＦＦ₆のＱ出力が供給されており、フリッ
プフロップＦＦ₆のＱ出力がＨレベル（つまり信号
（Ｇ）がＬレベル）のときはカウントダウンの動作が進
まない。

【００３３】カウンタＣＴ₁，ＣＴ₂のＪ₀〜Ｊ₇端子
には、データ設定器ＤＳＷ１，ＤＳＷ２の動作状態に応
じたデータが供給されており、データ設定器ＤＳＷ１，
ＤＳＷ２の動作状態は、フィルタ制御部９からの指令に
よって決定できるようになっている。つまり、超音波振
動子の並列共振周波数は、周囲温度などによって変化し
得るので、当該素子の動作周波数に対応した適切な通過
周波数帯域を設定しているのである。なお、図５では、
データ設定器ＤＳＷ１，ＤＳＷ２をハードウェア的に表
示しているが、実際にはソフトウェア的な処理によって
プリセット値が設定されるのは前述した通りである。

【００３４】また、以降の説明では、カウンタＣＴ₁に
はデータＮ_H（＝２３０）をプリセットし、カウンタＣ
Ｔ₂にはデータＮ_L（＝２３８）をプリセットするとし
て説明する。このプリセット値を周波数に換算すると、
クロックパルスＣＫの周波数が６ＭＨｚであることか
ら、下限周波数ｆ_minは６０００／（Ｎ_L＋１）＝２
５．１ＫＨｚ、上限周波数ｆ_maxは６０００／（Ｎ_H＋
１）＝２５．９７ＫＨｚである。

【００３５】図６〜図８は、図５の回路動作を説明する
為のタイミングチャートである。それぞれ、ｆ_in＜ｆ
_minの場合（図６）、ｆ_min≦ｆ_in≦ｆ_maxの場合（図
７）、ｆ_max＜ｆ_inの場合（図８）を示しており、図６
と図８は不要反射波を受波した状態を、また図７が正常
な反射波を受波した状態を示している。尚、ここでは並
列共振帯域フィルタ６を説明しているので、デジタル波
ｆ_inが２５．１ＫＨｚ〜２５．９７ＫＨｚの範囲内の周
波数であれば、それが正常な反射波ということになる。
また、図６〜図８において、（Ａ）はフリップフロップ
ＦＦ₁のＱ出力、（Ｂ）はフリップフロップＦＦ₄のＱ
バー出力、（Ｃ）はフリップフロップＦＦ₅のＱバー出
力、（Ｄ）はカウンタＣＴ₁のＺＯ出力、（Ｅ）はフリ
ップフロップＦＦ₃のＱ出力、（Ｆ）はカウンタＣＴ₂
のＺＯ出力、（Ｇ）はフリップフロップＦＦ₆のＱバー
出力、（Ｈ）はフリップフロップＦＦ₂のＱ出力、ｆ
_outはフィルタ信号（Ｈ）とデジタル波ｆ_inのＡＮＤ出
力（フィルタ出力）を示している。

【００３６】また、図９、図１０は、図６〜図８のタイ
ミングチャートを説明するためのフローチャートであ
る。以下、図９、図１０を参照しつつ、図６〜図８に示
す回路動作を説明する。〔図６に示すｆ_in＜ｆ_minの場合〕この場合には、デジ
タル波ｆ_inの周期が、下限周波数ｆ_minに対する周期
（カウンタへの設定値に換算すると２３８）より大きい
ので次の動作をする。

【００３７】先ず、入力デジタル波ｆ_inがＨレベルか否
かが判定され（ステップＳＴ１）、入力デジタル波ｆ_in
が立ち上がると、信号（Ｃ）がＨレベルかＬレベルかが
問題になる（ステップＳＴ２）。ここで、信号（Ｃ）が
ＬレベルであるとフリップフロップＦＦ₁はリセット状
態となるが、図６の場合には、信号（Ｃ）がＨレベルで
あるので、クロックパルスＣＫの立ち上がりに同期し
て、信号（Ａ）がＨレベルに立ち上がる（ステップＳＴ
３）。

【００３８】この時、信号（Ｅ）がＨレベルか否か（ス
テップＳＴ４）、また、信号（Ｇ）がＬレベルか否か
（ステップＳＴ５）が問題になるが、図６の場合には信
号（Ｇ）がＬレベルであるので、フリップフロップＦＦ
₂はリセット状態であり、従ってフィルタ信号（Ｈ）が
立ち上がることはない（図６の注１参照）。信号（Ａ）
が立ち上がると、カウンタＣＴ₁，ＣＴ₂のＳＰ端子へ
の入力がＬレベルとなるので、１クロック経過後（ステ
ップＳＴ８）、次のクロックパルスＣＫの立ち上がりに
同期して、カウンタＣＴ₁，ＣＴ₂にはプリセットデー
タ（２３０と２３８）がプリセットされる（ステップＳ
Ｔ１０，ＳＴ１１）。

【００３９】信号（Ａ）は、フリップフロップＦＦ₄の
Ｄ端子にも供給されているので、信号（Ｂ）は、上記の
クロックパルスＣＫに同期してＬレベルに変化する（ス
テップＳＴ９）。この信号（Ｂ）は、フリップフロップ
ＦＦ₃，ＦＦ₆のＲ端子に供給されているので、信号
（Ｂ）の立ち下がりに同期して、信号（Ｅ）が立ち下が
り（ステップＳＴ１２）、信号（Ｇ）が立ち上がる（ス
テップＳＴ１３）。尚、この動作の結果、カウンタＣＴ
₁，ＣＴ₂のＣＥ端子がＬレベルになるので、カウンタ
ＣＴ ₁及びＣＴ₂は、カウントダウンの動作可能な状態
になる。

【００４０】前述したステップＳＴ９の処理により、フ
リップフロップＦＦ₄のＱ出力はＨレベルになっている
ので、更に１クロック経過すると（図１０のステップＳ
Ｔ１４）、信号（Ｃ）はＬレベルになる（ステップＳＴ
１５）。この信号（Ｃ）は、フリップフロップＦＦ₁，
ＦＦ₄のＲ端子に供給されているので、フリップフロッ
プＦＦ₁，ＦＦ₄はリセットされ、信号（Ａ）は立ち下
がり（ステップＳＴ１６）、信号（Ｂ）は立ち上がるこ
とになる（ステップＳＴ１７）。

【００４１】その後、更に１クロック経過すると（ステ
ップＳＴ１８）、処理は図９のステップＳＴ１に戻る
が、信号（Ｃ）がＬレベルであることから（フリップフ
ロップＦＦ₅はセット状態に維持される）、信号（Ａ）
が立ち上がることはなく、処理はステップＳＴ２０に移
行する。この時、信号（Ｇ）はＨレベルであるので、カ
ウンタＣＴ₁，ＣＴ₂のＣＥ端子はＬレベルであり、カ
ウンタＣＴ₁，ＣＴ₂はカウントダウンされる（図１０
のステップＳＴ２１，ＳＴ２２）。そして、カウントダ
ウンが完了するまでは、信号（Ｄ）と信号（Ｆ）がＨレ
ベルであるので（ステップＳＴ２３，ＳＴ２４）、１ク
ロック経過するごとに（ステップＳＴ２８）、図９のス
テップＳＴ１の処理に戻る。

【００４２】その後、デジタル波ｆ_inはＬレベルに立ち
下がるので、ステップＳＴ１の後、フリップフロップＦ
Ｆ₅がリセットされて、信号（Ｃ）がＨレベルになる
（ステップＳＴ１９）。時間の経過と共に、カウンタＣ
Ｔ₁，ＣＴ₂のカウトダウンの動作が進むが（図１０の
ステップＳＴ２１，ＳＴ２２）、先ずカウンタＣＴ
₁（設定値が２３０）のＺＯ端子の出力たる信号（Ｄ）
がＬレベルに変化する（ステップＳＴ２３）。この信号
（Ｄ）は、フリップフロップＦＦ₃のＳ端子に供給され
ているので、信号（Ｄ）の立ち下がりに対応して、信号
（Ｅ）が立ち上がる（ステップＳＴ２５）。

【００４３】更に時間が経過すると、今度は、カウンタ
ＣＴ₂（設定値が２３８）のＺＯ端子の出力たる信号
（Ｆ）がＬレベルに変化する（ステップＳＴ２４）。こ
の信号（Ｆ）は、フリップフロップＦＦ₆のＳ端子に供
給されているので、信号（Ｆ）の立ち下がりに対応し
て、信号（Ｇ）が立ち下がる（ステップＳＴ２６）。
尚、信号（Ｇ）は、フリップフロップＦＦ₂のＲ端子に
供給されているので、フィルタ信号（Ｈ）はＬレベルの
ままで変化しない（ステップＳＴ２７）。

【００４４】その後、デジタル波ｆ_inが立ち上がると
（ステップＳＴ１）、ステップＳＴ９の処理によって信
号（Ｂ）は立ち下がり、これに対応して、信号（Ｅ）は
立ち下がり（ステップＳＴ１２）、信号（Ｇ）は立ち上
がる（ステップＳＴ１３）。尚、信号（Ａ）が立ち上が
るタイミングにおいて、信号（Ｇ）がＬレベルであるの
で（ステップＳＴ５）、フィルタ信号（Ｇ）が立ち上が
ることはない（図６の注１参照）。また、信号（Ｇ）が
Ｌレベルの時には、フリップフロップＦＦ₆のＱ出力が
Ｈレベルであり、カウンタＣＴ₁，ＣＴ₂が動作するこ
とは無くカウント値が保持される。

【００４５】このように、デジタル波ｆ_inの周波数が、
並列共振帯域フィルタの下限周波数ｆ_minより低い場合
には、フィルタ信号（Ｈ）が常にＬレベルであり、した
がってフィルタ出力ｆ_outが出力されることはない。〔図７に示すｆ_min≦ｆ_in≦ｆ_maxの場合〕この場合に
は、デジタル波ｆ_inの周期が、下限周波数ｆ_minに対す
る周期（カウンタへの設定値に換算すると２３８）より
小さく、上限周波数ｆ_maxに対する周期（カウンタへの
設定値に換算すると２３０）より大きい。

【００４６】従って、カウンタＣＴ₁は、図６の場合と
同様に動作して、信号（Ｄ）を立ち下げ、信号（Ｅ）は
これに合わせて立ち上がる（図１０のステップＳＴ２
５、及び図７参照）。一方、カウンタＣＴ₂のＺＯ出力
（Ｆ）は、デジタル波ｆ_inの周期が下限周波数ｆ_minに
対する周期より小さいことから、立ち下がることはな
い。つまり、カウンタＣＴ₂のカウントダウンが完了す
る以前に、信号（Ａ）が立ち上がることになる（ステッ
プＳＴ３）。

【００４７】信号（Ａ）が立ち上がると、信号（Ｅ）が
Ｈレベルであり、信号（Ｇ）がＨレベルであることから
（ステップＳＴ４，ＳＴ５）、フィルタ信号（Ｈ）も立
ち上がる（ステップＳＴ６）。尚、信号（Ｅ）は、信号
（Ｂ）の立ち下がりに対応して立ち下がるが（ステップ
ＳＴ１２）、フィルタ信号（Ｈ）は、信号（Ａ）が立ち
上がらない限り変化しないので、Ｈレベルに維持され
る。

【００４８】このように、デジタル波ｆ_inの周波数が、
並列共振帯域フィルタの下限周波数ｆ_minと上限周波数
ｆ_maxの間の値である場合には、フィルタ信号（Ｈ）が
Ｈレベルとなって通過域として機能し、フィルタ出力ｆ
_outはデジタル波ｆ_inと一致する。尚、ｆ_in＜ｆ_minか
らｆ_min≦ｆ_in≦ｆ_maxに移行した直後の１サイクル
（図７の注２参照）は、信号（Ａ）がＨレベルの時に信
号（Ｇ）がＬレベルであり、フリップフロップＦＦ₂が
リセット状態ゆえに、フィルタ信号（Ｈ）が出力されな
い。

【００４９】〔図８に示すｆ_max＜ｆ_inの場合〕この場
合には、デジタル波ｆ_inの周期が、上限周波数ｆ_maxに
対する周期（カウンタへの設定値に換算すると２３０）
より小さいので、カウンタＣＴ₁，ＣＴ ₂ともカウント
ダウンを完了することがなく、信号（Ｄ），信号（Ｆ）
とも立ち下がることはない（ステップＳＴ２３，ＳＴ２
４参照）。つまり、カウントダウンを完了する以前にフ
リップフロップＦＦ₁のＱバー出力によって設定値（２
３０と２３８）をプリセットされるので（ステップＳＴ
１０，ＳＴ１１）、信号（Ｄ）はＨレベルのままである
（図８の注３参照）。

【００５０】なお、ｆ_min≦ｆ_in≦ｆ_maxの状態からｆ
_max＜ｆ_inの状態に以降した場合を考えると（図８の注
４参照）、フリップフロップＦＦ₂は、信号（Ａ）の立
ち上がりで、Ｌレベルである信号（Ｅ）を記憶するの
で、このタイミングでフィルタ信号（Ｈ）が立ち下がる
（ステップＳＴ７）。また、ｆ_min≦ｆ_in≦ｆ_maxの状
態の後、デジタル波ｆ_inが存在しない場合もあるが（図
８の注５参照）、この場合には、カウンタＣＴ₂のカウ
ントダウンの完了で、信号（Ｇ）が立ち下がり、これに
よってフリップフロップＦＦ₂がリセットされて、フィ
ルタ信号（Ｈ）が立ち下がる。

【００５１】〔その他、分周比について〕前述の通り、
カウンタＣＴ₁，ＣＴ₂は、デジタル波ｆ_inが立ち上が
った後の、１個目のクロックパルスＣＫ₁の立ち上がり
でＳＰ端子がＬレベルとなり、２個目クロックパルスＣ
Ｋ₂の立ち上がりで設定値Ｎ_H，Ｎ_Lがプリセットされ
る。そして、３個目のクロックパルスＣＫ₃の立ち上が
りで、信号（Ｃ）によってフリップフロップＦＦ₁がリ
セットされ、ＳＰ端子がＨレベルに復旧する。つまり、
信号（Ａ）がＨレベルになってから３クロック以降のク
ロックパルスの立ち上がりで、カウンタＣＴ₁，ＣＴ₂
のカウントダウンが開始されるので、実効分周値は、設
定値Ｎ_H，Ｎ_Lより１クロック分大きいＮ_H＋１とＮ_L
＋１になる。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明に係る二
周波形超音波感知器は、超音波送受器、駆動部、第１と
第２の帯域通過フィルタ、選択部、及び検出部を特徴的
に備えているので下記の効果を奏する。（１）同じ超音波振動子を用いて２種類の超音波の送受
を行うので、感度と温度特性が一致することになり、従
って、安定した性能の感知器が得られる。

【００５３】（２）直列共振周波数と並列共振周波数を
交互に発射するので、当該送波周期以前の発射波に基づ
く反射波を確実に除去することができ、トンネル内、屋
内、高架道路の下など、乱反射や多重反射による不要反
射波の大きい環境下でも使用することができる。（３）超音波送受器の性能は、発射された超音波が横方
向に広がらずに直進し、正面方向からの反射波だけを受
波する度合いが高い程優れており、これを指向性と呼ぶ
性能で評価している。

【００５４】この超音波送受器の指向性は、その構造寸
法と周波数によって変化し、同じ寸法でも２つの周波数
が１０％以上異なると指向性が大きく変化することが知
られている。ところが、近接した２種類の周波数をフィ
ルタで分離することは一般に困難であるので、従来の２
周波方式の感知器では１０〜２０％も異なる周波数を使
用せざるを得ず、その為、それぞれの指向性が異なって
送受器としての性能が劣っていた。

【００５５】しかし、本発明では急峻な特性を有する第
１と第２の帯域通過フィルタを備えている為に、同じ超
音波振動子の直列共振周波数と並列共振周波数（周波数
差が３〜４％程度）とを利用することが可能になり、指
向性が殆ど変化しないので性能の安定した感知器を実現
している。（４）本発明を不要反射波の大きい環境下でも使用でき
ることは上述の通りであるが、不要反射波の受波されな
い理想的な環境（つまり、従来の超音波感知器の設置さ
れるような環境）で用いる場合には、設置環境に付随し
た背景反射波の受波タイミングに同期させて送波するこ
とによって、従来装置の半分近くまで超音波発射周期を
短くすることができる。このことは、検知対象をサンプ
リングする機会が２倍に増加することを意味し、その
為、動きの早い検知対象に対する検知性能も向上するこ
とになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である二周波形超音波感知
器のブロック図を図示したものである。

【図２】超音波振動子の等価回路と特性図を図示したも
のである。

【図３】ゲート回路の回路図を図示したものである。

【図４】ゲート回路各部の動作状態を示すタイムチャー
トである。

【図５】帯域フィルタ部の回路図を図示したものであ
る。

【図６】図５の回路の回路動作を示すタイムチャートの
一部である。

【図７】図５の回路の回路動作を示すタイムチャートの
別の一部である。

【図８】図５の回路の回路動作を示すタイムチャートの
更に別の一部である。

【図９】図５の回路の回路動作を示すフローチャートの
一部である。

【図１０】図５の回路の回路動作を示すフローチャート
の別の一部である。

【符号の説明】

１超音波送受器２二周波発生部（駆動部）３超音波送波部４超音波受波部５波形整形部６直列共振帯域フィルタ（第１の帯域通過フィル
タ）７並列共振帯域フィルタ（第２の帯域通過フィル
タ）８ゲート部（選択部）９フィルタ制御部１０感知処理部（検出部）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１個のセラミック系振動子を用いて形成さ
れる超音波送受器と、この超音波送受器を、前記セラミック系振動子の直列共
振周波数と並列共振周波数とで交互に駆動する駆動部
と、前記超音波送受器からの受波信号を受け、前記直列共振
周波数の信号のみを通過させる第１の帯域通過フィルタ
と、前記超音波送受器からの受波信号を受け、前記並列共振
周波数の信号のみを通過させる第２の帯域通過フィルタ
と、この第１と第２の通過フィルタの出力を受け、当該送波
周期における周波数に対応する成分のみを出力する選択
部と、この選択部の出力に基づいて検知対象物体の有無を検出
する検出部と、を備えることを特徴とする二周波形超音波感知器。
【請求項２】前記駆動部は、前記セラミック系振動子の
動作状態を計測して、この動作状態に対応した周波数で
前記超音波送受器を駆動し、前記第１と第２の帯域通過
フィルタは、前記駆動部による駆動周波数に基づいて帯
域周波数を自動変更することを特徴とする請求項１に記
載の二周波形超音波感知器。