JPH07146355A - 超音波受信器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数の超音波受信器を用いて超音波を受信す
る時、各超音波受信器の出力をそのまま足し合わせる
と、各超音波受信器の出力の位相ずれのために、互いに
相殺しあい、受信感度の向上が図れない。複数個の超音
波受信器を用いて受信器の個数分の感度向上をはかる。 【構成】 超音波を受信する圧電セラミックと振動板か
らなる複数個の超音波受信器と、複数個の各々の超音波
受信器の出力を整流しその包絡線信号を出力するする複
数個の整流回路と前記整流回路の各出力を加算する加算
回路を備え、前記各包絡線信号を加算して受信信号とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の超音波受信器を
用いて高感度の超音波受信器を構成する超音波受信器の
処理回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波を利用した距離センサーや
移動体に取り付けて移動体の周辺との距離を検出するセ
ンサーや走行路面の凹凸を検知する超音波検知器を用い
た各種計測器が商品化されている。超音波を用いて距離
を計測する場合、バースト状の超音波を測距対象に発射
し、その対象からの反射波を受信してその伝播時間を計
測して距離を計測する方法が一般的である。この超音波
を受信する際に受信感度を上げるたり検知エリアを変更
するために、複数の超音波受信器を並列に接続して、受
信感度の向上を図るのが一般的である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】圧電セラミックと金属
板からなる振動板にその振動板の共振周波数付近の超音
波を受信する超音波受信器において、超音波受信感度は
前記振動板の共振周波数で最大となり、共振周波数の前
後で大きく変化する。そのとき受信波の位相も同様に大
きく変化する。また、このような超音波受信器を複数個
使用する場合、各々の超音波受信器の共振周波数にばら
つきがある。また温度によって、共振周波数が変化す
る。そのため、各超音波受信器が同一の超音波を受信し
た場合、その複数個の出力の振幅と位相は受信感度のば
らつきのために各々異なる。その各々の出力を経入れる
に接続してそのまま足し合わせると、各信号の位相の違
いのため、各信号が互いに相殺しあい、出力信号の振幅
が各信号の振幅の足し算とならない。その結果、複数の
超音波受信器の出力を並列接続しても複数個用いたわり
には受信感度が向上しないという欠点を有していた。

【０００４】

【課題を解決するための手段】

(1)超音波を受信する圧電セラミックと振動板からなる
複数個の超音波受信器と、複数個の各々の超音波受信器
の出力を半波整流しその包絡線信号を出力する複数個の
半波整流回路と、前記半波整流回路の各出力を加算する
加算回路を備え、前記各包絡線信号を加算して受信信号
とする。 (2)超音波を受信する圧電セラミックと振動板からなる
複数個の超音波受信器と、複数個の各々の超音波受信器
の出力を全波整流しその包絡線信号を出力する複数個の
全波整流回路と前記全波整流回路の各出力を加算する加
算回路を備え、前記各包絡線信号を加算して受信信号と
する。

【０００５】

【作用】本発明の上記した構成による作用は、以下のよ
うになる。

【０００６】超音波パルスを送波し、物体からの反射波
を受信して、物体の存在または、その物体までの距離を
検知する超音波検知器が数多く商品化されているが、そ
の超音波受信器は圧電セラミックと振動板からなる超音
波セラミックセンサを用いてその共振周波数近傍の超音
波を検知する方法が一般的である。その際、振動板の周
辺温度が変化すると、振動板の共振周波数とアドミタン
スカーブが変化し、受信感度が周辺温度によって変化す
る。また、受信超音波と出力信号の位相特性はこの共振
周波数周辺で大きく変化する。複数個の超音波セラミッ
クセンサを用いる場合、各々の共振周波数を同一にする
ことは難しく、異なることが一般的である。各々の超音
波セラミックセンサが同一の超音波を受信しても各超音
波セラミックセンサの共振周波数が異なるため、各々の
出力の位相は大きく異なる。そのため、各超音波セラミ
ックセンサの出力信号を並列に接続して加算しても、位
相特性が異なるため、足し合わせた信号の振幅は超音波
セラミックセンサの出力信号が互いに相殺しあい、複数
個の信号の和は振幅の和とならない。従って、複数個の
超音波セラミックセンサを用いても、受信感度が向上し
ないという問題が生じる。 (1)複数個の各々の超音波受信器の出力を半波整流し、
その包絡線、つまりその振幅を求めその各々の振幅に比
例した信号を加算することにより、複数個の超音波受信
器が位相特性が異なっても、受信感度を増加させること
ができる。 (2)複数個の各々の超音波受信器の出力を全波整流し、
その包絡線、つまりその振幅を求めその各々の振幅に比
例した信号を加算することにより、複数個の超音波受信
器が位相特性が異なっても、受信感度を増加させること
ができる。この時、超音波受信器の感度は半波整流に比
べて高くできる。 以上のように、複数個の超音波セラミックセンサの各々
の振幅に比例した包絡線信号を得て、その包絡線信号を
加算することにより、全体の受信感度は各超音波セラミ
ックセンサの受信感度を足し合わせることができ、高感
度の受信器を構成できる。

【０００７】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の詳細について実施例ととも
に説明する。

【０００８】図１は本発明の一実施例の構成を示す。１
−１は超音波受信器、２−１は負荷抵抗、３−１は入力
アンプ、４−１は半波整流回路、５は加算回路である。
同様に、１−ｎはｎ番目の超音波受信器、２−ｎはｎ番
目の負荷抵抗、３−ｎはｎ番目の入力アンプ、４−ｎは
ｎ番目の半波整流回路である。ｎは複数個の超音波受信
器の個数である。Ａ１は超音波受信器１が受けた受信出
力、Ｂ１はその受信出力Ａ１を半波整流した検波信号、
同様に、Ａｎはｎ番目の超音波受信器が受けた受信出
力、Ｂｎはその受信出力Ａｎを半波整流した信号でＡｎ
の包絡線信号である。Ｃは加算器４でＢ１〜Ｂｎの各包
絡線信号を加算した信号である。図３は従来の超音波受
信器を並列に接続した場合の図である。Ｐ１〜Ｐｎは各
超音波受信器の受信波形、ＱはＰ１〜Ｐｎの受信波形を
加算した信号である。

【０００９】図４はバースト状の超音波を図１示す本発
明の受信器で受信したときのＡ１〜Ａｎ、Ｂ１〜Ｂｎ、
Ｃの波形の説明図である。同様に図５は図３に示す従来
の受信器で同じバースト状の超音波を受信した時の波形
である。図６は複数個の超音波受信器の受信感度特性の
ばらつきを示す受信感度特性図である。図面を簡単にす
るためｎ＝２として図示している。

【００１０】図４〜図６用いて受信動作を説明する。図
６は超音波受信器の受信感度特性図である。図６にに示
すようにセラミックの超音波受信器の感度の大きさは共
振周波数で最大となり、その位相特性は共振周波数の前
後で９０゜〜−９０゜に大きく変動する。この特性は超
音波受信器によって少しずつ異なる。複数個の超音波受
信器の感度特性を全く一致させることは一般的には困難
である。図６に示す２つの曲線は２この超音波受信器の
感度特性のばらつきを例示したもので、受信器１の共振
周波数をｆ１、受信器２の共振周波数をｆ２、実際に受
信する超音波の周波数をｆとしそのときの出力の位相を
それぞれθ１、θ２とする。理想的にはする受信する超
音波の周波数をｆがｆ１，ｆ２と一致することが望まし
いが、一般的には多少のずれが生じる。この時、図１に
示す本発明の出力信号Ａ１とＡ２の位相関係は波形の振
幅が一定となった定常状態で△θ（＝θ１−θ２）だけ
のずれが生じる。このような位相特性での受信波形を図
４に示す。このＡ１、Ａ２を各々半波整流回路１、２で
検波することによりＡ１、Ａ２の包絡線に相当する包絡
線波形Ｂ１、Ｂ２を得る。このＢ１，Ｂ２を加算するこ
とにより加算出力Ｃを得る。加算出力Ｃの振幅は受信器
１の受信出力Ａ１と受信器２の受信出力Ａ２の各包絡線
の和となっている。

【００１１】一方、従来例の受信波形を図５で示す。Ｐ
1、Ｐ２はＡ１、Ａ２と同様に△θだけ位相のずれが生
じている。この２つの信号を加算すると、加算信号のＱ
の振幅はＰ１、Ｐ２の振幅を足したものよりも小さくな
ってしまう。なおこの従来例では各超音波受信器の出力
をオペアンプによりインピーダンス変換して電圧を加算
する方式を説明しているが、オペアンプのなく直接複数
個の受信器を接続した場合は各受信器の出力電流が加算
され、各電流の位相のずれにより相殺されて、加算され
た信号の振幅が各受信信号の振幅の和より小さくなって
しまい複数の超音波受信器を用いても受信感度の向上が
図れない。

【００１２】このことを簡単に説明するため振幅が一定
となった定常状態において数式で説明すると、位相のず
れを△θ、Ｐ１、Ｐ２の振幅の大きさを各々Ｖ１、Ｖ
２、受信する超音波をｆとして、

【００１３】

【数１】

【００１４】とすると

【００１５】

【数２】

【００１６】

【数３】

【００１７】が成立する。Ｑの振幅は（数３）を時間の
関数とみてその最大値と見なせる。△θが零でない時、
Ｑの最大値ＱMAXは（数４）が成立する。（数４）の等
号は△θが零の時のみ成立するが、一般には位相のずれ
のために互いに相殺しあって２個の受信器出力の包絡線
の和より小さくなる。

【００１８】

【数４】

【００１９】一方、本発明において、位相のずれを△
θ、Ａ１、Ａ２の振幅の大きさを各々Ｖ１、Ｖ２、受信
する超音波をｆとして、

【００２０】

【数５】

【００２１】

【数６】

【００２２】が成立する。Ｂ１、Ｂ２はＡ１、Ａ２の半
波整流しその包絡線を示すから、Ｖ１、Ｖ２と等しく、
その加算信号ＣはＶ１とＶ２の和に等しく

【００２３】

【数７】

【００２４】が成立する。従って加算信号Ｃの最大値は
Ｖ１とＶ２の和となり、位相のずれによる相殺は起こら
ず、最大値がそのまま加算される。このことは定常波を
受信した時だけでなくバースト波を受信した場合にも同
様のことが言え、受信波の位相情報はなくなるが、振幅
の受信感度を大きくすることができる。

【００２５】（実施例２）図２は本発明の第２の実施例
の構成を示す。

【００２６】１−１は超音波受信器、２−１は負荷抵
抗、３−１は入力アンプ、６−１は全波整流回路、７−
１は差動増幅器、４は加算回路である。同様に、１−ｎ
はｎ番目の超音波受信器、２−ｎはｎ番目の負荷抵抗、
３−ｎはｎ番目の入力アンプ、６−ｎはｎ番目の全波整
流回路、７−ｎはｎ番目の差動増幅器である。ｎは複数
個の超音波受信器の個数である。Ａ１は超音波受信器１
が受けた受信出力、Ｂ１はその受信出力Ａ１を全波整流
した包絡線信号、同様に、Ａｎは超音波受信器１−ｎが
受けた受信出力、Ｂｎはその受信出力Ａｎを全波整流し
た包絡線信号である。Ｃは加算器４でＢ１〜Ｂｎの各検
波信号を加算した信号である。６−１〜６−ｎの全波整
流回路ではダイオ−ドブリッジを構成して、受信信号Ａ
１〜Ａｎを各々整流し、差動増幅器を用いて振幅を検波
する。そのｎ個の信号を加算器４で加算する。動作は基
本的に第一の発明と同様であるが、全波整流しているた
め、ｎ個の超音波受信器からなる受信器の振幅感度は第
一の発明より大きくできる。

【００２７】なお、上記２つの例ではダイオードを用い
て、半波または全波整流回路を構成したが、ソフトウエ
アでも実現が可能である。例えば、Ａ／Ｄコンバータと
ＤＳＰとを用いてソフト的に検波またはピークホールド
を構成して実現することも可能である。

【００２８】またダイオードは１素子として図示した
が、オペアンプとダイオードと抵抗を用いて理想的な特
性を示す理想ダイオードにより整流回路を構成すること
もできる。

【００２９】

【発明の効果】このように本発明によれば、複数個の各
々の超音波受信器の出力を半波あるいは全波整流してそ
の振幅を検知しその各々の包絡線を加算することによっ
て、各超音波受信器の信号の位相のずれによる相殺を防
ぎ、複数個の受信器を並列に接続した場合に比べて高い
受信感度の超音波受信器を構成することができる。

【００３０】このように複数個のセンサを受信感度が加
算されることにより、複数個の受信器を任意の形状に並
べて、全体の指向特性を所望の形状に構成する異が簡単
にできる。その結果、超音波を受信器として利用したす
る距離センサー等の応用分野において、計測の信頼性、
安定性を向上させることができ、その実用的効果は大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成図

【図２】本発明の第２の実施例の構成図

【図３】本発明の従来の実施例の構成図

【図４】本発明の第１の実施例の各波形の説明図

【図５】本発明の従来の実施例の各波形の説明図

【図６】本発明に用いた超音波受信器の受信感度特性図

【符号の説明】

１−１〜１−ｎ 超音波受信器 ２−１〜１−ｎ 負荷抵抗 ３−１〜３−ｎ 入力アンプ ４−１〜４−ｎ 半波整流回路 ５ 加算回路 ６−１〜６−ｎ 全波整流回路 ７−１〜７−ｎ 差動増幅器 Ａ１〜Ａｎ 各受信器の出力波形 Ｂ１〜Ｂｎ 各受信器の整流波形 Ｃ 各受信器の整流波形の加算波形 Ｐ１〜Ｐｎ 各受信器の出力波形 Ｑ 各受信器の出力波形の加算波形

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波を受信する圧電セラミックと振動板
   からなる複数個の超音波受信器と、複数個の各々の超音
   波受信器の出力を半波整流しその包絡線信号を出力する
   複数個の半波整流回路と、前記半波整流回路の各出力を
   加算する加算回路を備え、前記各包絡線信号を加算して
   受信信号とすることを特徴とする超音波受信器。
2. 【請求項２】超音波を受信する圧電セラミックと振動板
   からなる複数個の超音波受信器と、複数個の各々の超音
   波受信器の出力を全波整流しその包絡線信号を出力する
   複数個の全波整流回路と前記全波整流回路の各出力を加
   算する加算回路を備え、前記各包絡線信号を加算して受
   信信号とすることを特徴とする超音波受信器。