JPS6123984A - 超音波送受信装置 - 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、超音波を利用して目標物体までの距離の測定
を行なう超音波測距装置や物体の有無の検知を行なう超
音波物体検知装置等において使用される超音波送受信装
置に関し、特に超音波送受信器として単一の圧電型セラ
ミノクセンザ（以下圧電センサと記す）を使用した超音
波送受信装置に関するものである。

作を利用した物体検知装置が種々実用化されてきており
、中には約３０口という近距離ｉで目標物体の検知を行
なえる装置も出現している。

かかる装置は、超音波送受信器として静電型センサを使
用しており、その機械的Ｑの低さを有効に利用、即ち、
上記如くの近距離であっても送信信号の供給を停止した
俊速やかに超音波送受信器の振動動作が減衰してゆくと
いう送信動作における立下がり特性を急峻にできる利点
を十分に生かしているわけである。

一方、上記静電型センナと共に超音波送受信器として認
識されているものに圧電セ／すがあるが、この圧電セン
サは、静電型センサに比して高感度安価、湿度特性が良
好という種々の長所を有しているものの、その機械的Ｑ
が・高いことから送信動作における立下がり特性が極め
て悪く、信号増幅部に接続するといわゆる尾引き現象を
生じ、前述した約３０　ｃｍ前後の近距離からの反射波
による受信信号を識別することが極めて困難であり、近
距離での物体検知動作は行なえない間頂点を有している
ことが知られている。

かかる点についてさらに説明すると、前述したように圧
電センサは通常機械的Ｑが高く、従って一度電気エネル
ギーにそ振動させられると、その電気エネルギーを取除
いても、（−１与されたエネルギーを放出してしまうま
で継続して振動動作を行なうことになる。

すなわち、圧電センサは機械的Ｑが高いという素子固有
の特性から、送信信号の供給を停止した後も振動動作を
継続することになり、この結果、その送信動作における
立下がり特性は急峻な特性とはならなかったわけである
。

一方、前述した如くの超音波を利用した装置は、目標物
体からの反射波を受信したか否かを検出する動作を行な
わなければその機能を達成することができない装置であ
る。

従；で、送信動作における立下がり特性が急峻でなく送
信動作終了後も振動動作が行なわれると、先の約５ｏｔ
ｙｎの近距離に目標物体がある場合には超音波を送信し
てから反射波が帰ってぐる迄の時間が極短時間となるこ
とから、上記振動動作が上記極短時間内に終了しない場
合が生じ、よって単一の圧電センサにより超音波の送受
信を行なう場合、上記送信動作終了後の素子固有の振動
動作と反射波の受信による振動動作とを区別できなくな
る。

この結果、先にも述べたように、単一の圧電センサを利
用した超音波送受信装置にあっては、約１ｆｉより近い
極近距離にある目標物体に対しての測距動作等は行なえ
ないという認識が一般的となっていたわけである。

尚、以上述べた如くの関係を図面を用いて簡単に説明し
てみると以下の如くとなる。

第１図は、従来周知の単一圧電センサを用いた超音波送
受信装置の略電気回路図であり、送信回路１、圧電セ／
す２、第１．第２の結合コンデ／す４，５、逆・）Ｌ列
接続された第１．第２のダイオード６、了およびアンプ
８からなる増幅部３を示している。

第２図は、第１図における構成あるいは任意地点におけ
る信号波形図を示し、もちろんかかる波形図自身も周知
である。

第１図において、送信回路１により第２図（イ）に示し
た如くの送信信号が形成され、超音波を送信するべく圧
電センサ２に供給されると、圧電センサ２の入出力端の
ａ点には第２図（ロ）に示した如くの信号が現われる。

即ち、ａ点には第２図（イ）の送信信号の供給が終了し
た後も圧電センサ２の振動動作が継続されていることを
示す逆並列接続されたダイオード６゜７の導通電圧未満
のピー、り値を有する交流信号が生じることになる。

一方、圧電センサ２より送信された超音波は、例えば十
分に離れた距離にある目標物体にて反射されることによ
り再び圧電センサ２にて受信され、従って、上記ａ点に
は更に第２図（ロ）中にＸで示した受信信号が現われる
ことになる。

上記ａ点の信号は、第１．第２の結合コンデンサ４，５
を介して増幅部３のアンプ８に供給され、この結果増幅
部３は図中のｂ点に第２図（ハ）に示した如くの受信信
号Ｘ１を含む信号を出力することになり、以下、かかる
増幅部３の受信信号ｘ１の発生時点の検知にて距離情報
等を得ることになるわけである。

さて、上記増幅部３の第２図（ハ）に示した出力波形の
うち通信時の波形をみてみると、第２図（イ）に示した
送信信号の供給が停止された時点ｔ１以降も、前述した
圧電センサ２の素子固有の振動動作に基づく交流信号が
時点ｔ２捷での期間継続して存在している。

このため、例えば、上記時点ｔ１からｔ２までの間に受
信信号の増幅波形が破線ｘ２で示しだ如くに発生するよ
うな場合を考えてみると、その波形Ｘ２は上記時点ｔ１
からｔ２までの［開の圧電センサ２の素子固有の振動動
作による信号中に金型れてしまい受信信号として区別す
ることはできず当然のことながらその発生時点を検知す
ることはできないことになる。

即ち、Ｌ記時点ｔ　から１２までの間に反射波の帰一〕
でくる距離にある目標物体は、単一の圧電センサを使用
した従来の超音波送受信装置にあっては、前述したよう
に検知できなかったわけである。

ところで、上記如くの問題点を考慮した圧電センサとし
て、近年、圧電センサにおける振動動作を機械的に抑制
する、即ち圧電センサを構成する圧電素子やアルミ振動
板をシリコンゴム等で押さえることにより、いわゆるＱ
ダンプを施したセニ／すが種々提案されている。

しかしながら、上記Ｑダンプ方式も、前述した如くの約
３０σ前後の近距離における受信信号の検出を行なおう
とすると極めて抑制力の強いＱダンプが必要であり、大
幅に感度が低下してしまう問題点を有している。換言す
ると感度をある程度に保ちつつ尾引き現象を十分に抑制
することは難しく、一方、近距離における物体検知を行
なうべく感度の低下を無視すると、今度は遠距離側の目
標物体からの反射波を受信信号として出力できなくなる
問題点を生じることになるわけである。

発明の目的 本発明の目的は、圧電センサから見た回路インピーダン
スを送信信号の供給開始後の任意時点より供給停止後の
任意時点捷で低下させ九圧電センサに貯えられていたエ
ネルギーを急速に放出せしめ、素子固有の特性による送
信動作における立ち下がり特性を大きく改善できた超音
波送受信装置を提供することである。

発明の構成 本発明による超音波送受信装置は、単一の圧電センサと
、この圧電センサに送信信号を供給する送信回路と、上
記圧電センサと並列接続され動作することにより圧電セ
ンサから見た回路インピーダンスを低下させるインピー
ダンス可変手段およびこのインピーダンス可変手段の動
作時；■を制御する動作制御手段とからなるインピーダ
ンス制御手段と、上記圧電センサの両端に現われる信号
を増幅する信号増幅部とから構成される。

実施例の説明 第３図は本発明による超音波送受信装置の一実施例を示
す輸気回路図であり、図中、第１図と同図番のものは同
一機能部材を示している。

第３図中、９は光導電体１１からなるインピーダンス可
変手段１１と、光源１３およびこの光源１３の点灯回路
１４からなり、光源１３の点灯状態を制御することによ
ってインピーダンス可変手段１０の動作即ち光導電体１
１の抵抗値を可変せしめて圧電センサ２から見た回路イ
ンピーダンスを低下せしめる動作を制御する動作制御手
段１２とからなるインピーダンス制御手段を示している
。

以下、上記如くのインピーダンス制御手段９を有する本
発明による超音波送受信装置の一実施例の動作について
、第４図に図示しだ上記実施例における任意点の信号波
形図を参照して説明する。

送信回路１は、第２図に示した従来装置と同様に、超音
波を送信する場合、第４図（イ）に時点ｔ０からｔｌ　
において示した如くの送信信号を発生し、圧電センサ２
に供給する。

従って、圧電センサ２は超音波の送信を開始し、その入
出力端であるａ点には、上記時点ｔ。−１１において第
４図（ロ）に示しだ如くの信号波形が現われることにな
る。

尚、上記如くの時点ｔ０〜ｔ１間においてはまだ動作制
御手段１２の光源１３が点灯されていないため、インピ
ーダンス可変手段１ｏである光導電体１１は、その抵抗
値が極めて大きく、即ち、電気的に開放されている状態
とみなすことができ、従って、上記時点ｔ。−ｔｌ　に
おける動作は、第１図に示した従来装置と全く同一とな
る。

しかしながら、第３図に示した本発明による超音波送受
信装置の一実施例においては、上記如くの送信信号の任
意期間の供給が行なわれだ送信動作が終了した時点、即
ち時点ｔ１において、第４図（ハ）に示した如くの瞬間
的に立ち主かり４渉に下降する鋸歯状パルス電圧信号が
点灯回路１４より光源１３に供給されるようになされて
いる。

従うて、光源１３は、まず時点ｔ１　　にて点灯し、以
後その発光強度が低下してゆく如くの特性の点灯状態を
形成することになる。

一方、上記光源１３よりの光は光導電体１１に供給され
ることは前述したとうりであり、従ってそれ寸では無限
大とみなせていた光導電体１１の抵抗値が、時点ｔ１に
おいてまず急激に下降することになる。

ところで、光導電体１１の抵抗値は受光する光の強度に
応答することは周知であり、従って、上記時点ｔ１以後
光導電体１１の抵抗値は光源１３の発光強度が徐々に低
下してゆくことから、徐々に高くなってゆくことにある
。即ち、その抵抗値の変動特性は第４図に）に示す如く
となるわけである。

ここで、上述した光導電体１１の抵抗値の変動状態につ
いてみてみると、即ちインピーダンス可変手段１１の動
作状態について考えてみると、圧電センサ２から見た回
路インピーダンスがまず急激に低下し、以後後々に回復
してゆくということに他ならない。

即ち、圧電センサ２から児た回路インピーダンスの特性
は、第４図に）に示した光導電体１１の抵抗値変動特性
と同一特性となるわけである。

さて、ここで、冒頭に述べた従来装置において問題とな
っていた圧電センサ２の尾引き現象について考えてみる
と、送信動作中に貯えられたエネルギーが圧電センサ２
を介して放出されることによりａ点に微小ではあるもの
の交流信号波形を生じていた現象であることはいうまで
もない。

ところ艇、本発明による超音波送受信装置においては、
前述した如くに送信動作終了に連動して圧電センサ２か
ら見た回路インピーダンスが低下せしめられることにな
る。従って本発明においては従来尾引き現象を引き起こ
していた送信動作中圧電センサ２に貯えられたエネルギ
ーが、インピーダンス可変手段１ｏの抵抗値の低下した
光導電体１１を介して、急速に放出されることになる。

即ち、従来、圧電セ／す２を介して放出されていたエネ
ルギーが、本発明においてはインピーダンスＩＩＪ′変
−Ｌ段１ｏを介して放出されることになるわけであり、
詳しく述べるまでもなく圧電センサ２の振動動作は、送
信信号の供給停止時点ｔ１以降、急速に減衰し、その振
動により現われる尾引き現象も、第４図（ロ）の時点ｔ
１　以降に示す如く、急速に零レベルに収れんすること
になる。

換言すれば、送信動作における立下がり特性が従来装置
に比して大きく改善されることになるわけである。

従って、増幅部３のｂ点の信号も第４図（ホ）に示した
ように、送信動作終了後従来装置よりはるかに短かい時
間で零レベルとなり、この結果、本発明による超音波送
受信装置においては、従来装置では検知できなかった例
えば第２図ｐ−を中に破線Ｘ２で示した如くの受信信号
も、第４図（ホ）中に実線Ｘ２′で示したように確実に
検知できることになる。

尚、上記した時点ｔ１以後のイン−ビーダンス可変手段
１０の動作における回路インピーダンスの低下は、あ捷
り長く低下させたままであると、受信信号をも放出して
しまうことになる。

従って、図示した実施例においては、インピーダンス可
変手段１０の動作を制御する動作制御手段１２における
光源１３０発光強度が点灯回路１４の出力する第４図（
ハ）の如くの電圧信号によって徐々に弱くなるべく設定
し、適宜の時間後には回路インピーダンスは、はぼ元の
状態となるよう構成しているわけである。

また、詳しく述べるまでもないが、本発明における上述
したインピーダンス制御手段９による回路インピーダン
スの低下により放出できるエネルギーは、圧電センサ２
を構成する圧電素子および振動板等のうちの圧電素子に
貯えられた刊疹ルギーが大部分であシ、例えば振動板に
貯えられたエネルギーは、上記した動作により従来装置
よりは小さくなるものの、ともすれば逆に圧電素子を振
動させてしまう現象を生せしめる恐れがあり、本発明に
よる超音波送受信装置は、冒頭に述べた機械的に振動動
作を抑制するいわゆるＱダンプ方式と併用されることが
、より好ましい送信動作特性を得られることになること
も明らかである。

第５図は本発明による超音波送受信装置の他の実施例を
示す電気回路図であり、第１図と同図番のものは同一機
能部材を示し、図中１５は瞬時にｉ’ｌち−１−かり徐
々に下降する直流電流を発生してダイオード６に供給し
、図中のＣ点に約０．６〜０．８Ｖから下降する１育流
電圧を発生させる外部電源装置を示している。

第５図からも明らかではあるが、かかる実施例は、第３
図に示した実施例におけるインピーダンス可変手段１０
を形成する光導電体１１の機能を、増幅部３の一部を形
成している逆並列接続されたダイオード６．７の一方の
ダイオード６にて達成し、かつ動作制御手段１２として
外部電源装置１５を有したものであり、いうまでもなく
先の実施例より簡単な構成となっている。

さて、以下、第５図に示した実施例の動作について説明
する。

まず、送信回路１の動作については従来装置等と全く同
一であり、例えばｔ。−ｔｌ　　において超音波を送信
する場合、第６図（イ）に示した如くの送信信号を発生
する。

従って、圧電センサ２の入出力端であるａ点には、第６
図（ロ）の時点ｔ０〜ｔ１に示す如くの信号が現われる
ことになる。

次に、禾実施例においては、上記した送信信号の供給停
止時点ｔ１　以後、外部電源装置１５より第６図（ハ）
に示した始〈の直流電流が出力されることになる。

従って、上記時点ｔ１以後、ダイオード６は導通し、図
中のＣ点の電位が先にも述べたように約ｏ、ｓ　Ｖ　−
ｏ、ａ　Ｖの直流電位に設定された後、上記直流電流の
下降にともない徐々に下降してゆくことになり、かかる
状態は圧電センサ２から見た回路インピーダンスが大幅
に低下したことに他ならない。

一方、従来装置において問題となっていた尾引・き現象
は、先にも述べたように送信動作中に圧電センサ２に貯
えられたエネルギーの圧電セ／す２を介しての放出によ
り図中のａ点に逆並列ダイオード６．７の導通電位未満
の微小交流信号が発生していた現象であった。

即ち、従来装置の場合、ダイオード６．７のいずれのダ
イオードも導通していないため、圧電セ／す２に貯えら
れたエネルギーによる上記ダイオードの導通レベル未満
の交流信号が第２図（ロ）の時点ｔ１以ｌ希の如く長時
間現出しでいたわけである。

しかしながら、第５図に示しだ実施例にあっては、外部
電源装置１６により時点ｔ１　においてダイオード６が
導通状態になされるだめ、上述した微小交流信号は、ダ
イオード６を介して電流として流れることに、即ち、図
中のＣ点の直流電位に重畳した状態でダイオード６にて
消費されることになる。

換言すれば、圧電センサ２に貯えられでいたエネルギー
がノ°イオード６の導通によって圧電センサ２から見た
回路インピーダンスが大きく低下したことにより、上記
ダイオード６を介して放出されることになるわけである
。

従って、前述した実施例と同様の効果、即ち、送信動作
における立下がり特性を大きく改善できることになるわ
けである。

尚、送信信号の供給停止後の圧電センサ２の入出力端で
ある８点の信号波形は、第６図（ｏ）に示した如くとな
ることはいう捷でもなく先の実施例同様、急速に零レベ
ルに収れんすることになる。

また、ダイオード６の導通による回路インピーダンスの
変動特性および増幅部３のＤ点に現われる信号特性は、
図示はしないが、夫々、第３図の実施例で説明した第４
図に）の光導電体の抵抗端の変化特性と相似の特性、第
４図（ハ）の増幅部３のｂ点の信号特性と同一特性とな
ることはいうまでもない。

発明の効果 本発明による超音波送受信装置は、送信動作終了から任
意期間が経過するまで、送信動作中に圧電センサに貯え
られるエネルギーを放出するべく圧電センサから見た回
路インピーダンスを低下せしめるインピーダンス制御手
段を備えていることから、送信動作終了後の圧電センサ
の素子固有の特性による振動動作を急速に減衰せしめる
ことができる作用を期待てき、かかる作用によって、従
来、中−の圧電センサにおいては検出不可能であ−２た
極近距げｆの目標物体からの反射波の受信による受信信
号を確実に検出することができる効果を有することにな
る。

このため、例えば測距装置に適用した場合、従来はとう
しても無理であ〜た約２０ｃｍの極近距離を測距できる
ことになる実用的効果を期待できることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来より周知の単一の圧電センサを使用した超
音波送受信装置の電気回路図、第２図は第１図の従来例
における任意点の信号波形図、第３図は本発明による超
音波送受信装置の一実施例を示す電気回路図、第４図は
第３図の実施例における任意点の信号波形図、第５図は
本発明による超音波送受信装置の他の実施例を示す電気
回路図、第６図は第５図の実施例における任意点の信号
波形図を夫々示している。 １　・・・・送信回路、２・・・・圧電型セラミックセ
ンサ、３・・・・・・増幅ｔ＠’ｓ、９・・・・・・イ
ンピーダンス制御手段、１０・・・・インピーダンス可
変手段、１１・・・・光導電体、１２・・・・・動作制
御手段、１３・・光源、１４・　・・点灯回路。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 第３図 第４図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波送受信器である単一の圧電型セラミックセ
   ンサと、前記圧電型セラミックセンサに送信周波数の交
   流信号を送信信号として供給する送信回路と、前記圧電
   型セラミックセンサと並列接続され動作することにより
   前記圧電型セラミックセンサから見た回路インピーダン
   スを低下せしめるインピーダンス低下手段および該イン
   ピーダンス低下手段を前記送信信号の供給開始後の任意
   時点より供給停止後の任意時点までの任意期間動作状態
   となす動作制御手段とからなるインピーダンス制御手段
   と、前記圧電型セラミックセンサの両端に現われる信号
   を増幅する増幅部とを備えてなる超音波送受信装置。
2. （２）インピーダンス可変手段は、圧電型セラミックセ
   ンサに並列接続された光導電体からなり、動作制御手段
   は、発光光を前記光導電体に供給する光源と、送信信号
   の供給停止と連動して前記光源に前記発光光強度を強か
   ら弱に変化せしめる鋸歯状パルス電圧を供給する点灯回
   路とからなる特許請求の範囲第１項に記載の超音波送受
   信装置。
3. （３）増幅部は、圧電型セラミックセンサの両端に接続
   される第１の結合コンデンサと一対の逆並列接続された
   保護用ダイオードとからなる直列体と、前記第１の結合
   コンデンサと前記保護用ダイオードとの接続点に一端が
   接続される第２の結合コンデンサと、前記第２の結合コ
   ンデンサの他端と接続されるアンプとからなり、インピ
   ーダンス制御手段は、出力端が前記接続点に接続され送
   信信号の供給停止と連動して前記保護用ダイオードの１
   つを導通せしめる瞬時に十分な導通レベルに達し以後徐
   々に非導通レベルに達する鋸歯状パルス信号を発生する
   外部電源装置からなる動作制御手段を備え、前記一対の
   保護用ダイオードの１つをインピーダンス可変手段とし
   て使用する特許請求の範囲第１項に記載の超音波送受信
   装置。