JPS61288185A

JPS61288185A - 超音波センサ

Info

Publication number: JPS61288185A
Application number: JP60130631A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Inoue; 義高井上
Original assignee: Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1985-06-14
Filing date: 1985-06-14
Publication date: 1986-12-18

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】（発明の分野）本発明は、超音波振動子から送波した超音波を物体に反
射させ、この反射波を検出することにより、例えば、物
体の存在や物体までの距離を測定したりする場合に用い
られる超音波センサであって、超音波振動子として送受
波兼用型のものを採用した超音波センサに係り、特には
、超音波振動子の残響現象を短時間のうちに抑圧して至
近距離からの反射波をも確実に捕捉するための技術に関
する。

（発明の概要）本発明は、超音波送波用発振回路から送波ゲートを介し
て超音波振動子に出力した後、超音波送波用発振回路か
らの発振出力を位相反転した出力を減衰して超音波振動
子に出力するように構成することにより、回路構成を簡
単化しながら、残響現象を効果的に抑圧できるようにす
るものである。

（従来技術とその問題点）超音波振動子の一般的特性として、第５図に示すように
期間Ｔｓにわたる超音波Ａ、の送波後において、超音波
振動子が期間Ｔａにわたり残響現象を生る。超音波振動
子として送受波兼用型のものを使用する場合には、対象
物体が至近距離にあって残響期間Ｔａ内に、反射波Ａ、
が超音波振動子に入射したとすると、反射波Ａ、と残響
振動Ａ。

とが同時に存在するため、反射波Ａ、の検出が不能にな
る。

このような残響現象による悪影響を防止するために、従
来、超音波振動子や振動子保持部を機械的に制動するよ
うに構成したものが提案されている。しかし、この場合
、超音波の送波中においても、機械的に制動するため、
電気音響変換効率が悪く、また最適制動が困難であり、
さらに経年変化によって制動効率が変化するなどの欠点
があった。

これに対し、電気的に残響現象を抑圧するように構成し
たものもある。その−例を第６図に示す。

この超音波センサは、本出願人の出願に係るものである
（実願昭５８−０４９９５１号：昭和５８年４月４日出
願）。

第６図において、２１は超音波送波用発振回路、２２は
送波ゲート、２３は超音波振動子、２４は第１タイミン
グ制御回路、２５は残響入力ゲート、２６は残響周波数
発振回路、２７は第２タイミング制御回路、２８は抑圧
波振幅制御回路、２９は残響レベル検出回路、３０は抑
圧波送波ゲートである。

次に、この従来例の動作を第７図に基づいて説明する。

■　第１タイミング制御回路２４からゲート開信号が送
波ゲート２２に入力されると、超音波送波用発振回路２
１の発振出力が送波ゲート２２を介して測距系および超
音波振動子２３に送出され、超音波振動子２３から超音
波が送波される。この超音波が物体に当たって反射され
、反射波として超音波振動子２３に受波され、測距系に
送出される。測距系では、送波ゲート２２がらの出力信
号と、超音波振動子２３による受信信号との時間差に基
づいて、物体までの距離を測定する。

■　一方、第１タイミング制御ｎ回路２４からのゲート
開信号が終了して、送波ゲート２２の出力がなくなった
後においても、超音波振動子２３の残響現象により、超
音波振動子２３が残響信号を出力する。この残響信号は
、残響入力ゲート２５および残響レベル検出回路２９に
入力される。この残響信号は減衰振動波形をもつ。

第１タイミング制御回路２４は、送波ゲート２２へのゲ
ート開信号の出力の終了後、残響入力ゲート２５に対し
てゲート開信号を残響信号の最初の１．５周期に相当す
る期間ＴＩにわたって出力する。

このゲート開信号によって残響入力ゲート２５が残響信
号を入力して残響周波数発振回路２６に出力する。

残響周波数発振回路２６は、残響入力ゲート２５を通過
する残響信号の周波数を目標値として、この周波数に発
振周波数が一致するように構成されている。従って、残
響周波数発振回路２６の出力の周波数は、期間Ｔ、の終
了までに残響信号の周波数と一致するとともに、残響信
号と逆相の出力信号を第２タイミング制御回路２７およ
び抑圧波振幅制御回路２８に出力する。

第２タイミング制御回路２７は、残響周波数発振回路２
６の出力のゼロ・クロスタイミングを検出し、その出力
の１周期分の期間Ｔ２に相当するパルス幅のパルス信号
を残響レベル検出回路２９に出力する。その結果、残響
レベル検出回路２９は、期間Ｔ、において、残響信号の
レベルを測定し、そのレベルに対応した大きさのレベル
検出信号を抑圧波振幅制御回路２８に出力する。

抑圧波振幅制御回路２８は、レベル検出信号に応じて、
残響周波数発振回路２６からの入力信号のレベルを例え
ば１／２に制御して、抑圧波送波ゲート３０に出力する
。

一方、第２タイミング制御回路２７から抑圧波送波ゲー
ト３０に対して、期間Ｔ２に続く１周期分の期間Ｔ、に
わたりゲート開信号が出力される。

この期間Ｔ、において、抑圧波送波ゲート３０が抑圧波
振幅制御回路２８から例えば１／２に減衰された発振出
力を超音波振動子２３に印加する。

この抑圧波送波ゲート３０から出力される信号の周波数
は、残響信号の周波数と一致し、かつ位相が逆相となっ
ている。即ち、両信号が互いに打ち消し合うことになり
、残響信号が抑圧され、大きく減衰する。

以上のＴ＋　、Ｔｔ　、Ｔｓの各期間の動作が繰り返さ
れ、その都度、残響信号のレベルが抑圧されるため、そ
のレベルは急速に減衰することになる。

そして、残響レベル検出回路２９で検出した残響信号の
レベルが微小な所定レベルよりも低下すると、抑圧波振
幅制御回路２８の動作が停止し、抑圧波送波ゲート３０
からの出力も停止する。

即ち、この従来の超音波センサは、残響信号のレベルに
応答して、超音波振動子に逆相で抑圧波を印加して超音
波振動子の残響現象を抑圧するものである。

しかしながら、このような構成を有する従来例には、全
体の回路構成が非常に複雑化しているという問題点があ
る。

（発明の目的）本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであっ
て、回路構成を簡単化しながら、残響現象を効果的に抑
圧できるようにすることを目的とする。

（発明の構成と効果）本発明は、このような目的を達成するために、次のよう
な構成をとる。

即ち、本発明の超音波センサは、超音波送波用発振回路
と、この超音波送波用発振回路の後段に接続された送波
ゲートと、この送波ゲートの後段に接続された送受波兼
用型の超音波振動子と、前記超音波送波用発振回路から
の発振出力の位相反転回路と残響抑圧送波ゲートとの直
列回路と、この直列回路の出力を減衰して前記超音波振
動子に出力する減衰回路と、前記送波ゲートにゲート開
信号を出力した後、前記残響抑圧送波ゲートにゲート開
信号を出力する動作を周期的に繰り返すタイミング制御
回路とを備えたものである。

この構成による作用は、次の通りである。

（ｉ）タイミング制御回路から送波ゲートに対してゲー
ト開信号が出力されると、超音波送波用発振回路の発振
出力が送波ゲートを介して超音波振動子に入力され、超
音波振動子が超音波を送波する。送波ゲートに対するゲ
ート開信号の出力が終了した後、超音波振動子は残響現
象を生じる。

（ｉｉ）タイミング制御回路は、送波ゲートに対するゲ
ート開信号の出力が終了した後において、残響抑圧送波
ゲートに対してゲート開信号を出力する。

位相反転回路は、超音波送波用発振回路からの発振出力
の位相を反転して逆相とする。減衰回路は、位相反転回
路と残響抑圧送波ゲートとからなる直列回路の出力を減
衰する。

従って、タイミング制御回路から残響抑圧送波ゲートに
ゲート開信号が入力されると、超音波送波用発振回路の
発振出力を逆相とし、かつ減衰した信号が超音波振動子
に印加される。その結果、超音波振動子の残響現象が抑
圧され、至近距離からの反射波をも検出することができ
る。

（ｉｉｉ　）以上のように残響現象を抑圧するのに、残
響信号のレベルに応答して残響現象を抑圧するのではな
く、位相反転回路、残響抑圧送波ゲート。

減衰回路といった簡単な回路を採用して残響現象を抑圧
しているため、全体の回路構成が従来例に比べて簡略化
される。

以上のことから、本発明によれば、従来例に比べて、回
路構成を簡単化しながら、残響現象を効果的に抑圧する
ことができるという効果が発揮される。

（実施例の説明）以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図は本発明の第１実施例に係る超音波センサのブロ
ック図である。

第１図において、１は超音波送波用発振回路、２は超音
波送波用発振回路１の次段の送波ゲート、３は位相反転
回路、４は残響抑圧送波ゲート、５は位相反転回路３と
残響抑圧送波ゲート４とからなる直列回路であり、この
直列回路５は、送波ゲ−ト２に対して並列に接続されて
いる。

６は電圧制御型の可変増幅回路、７は充放電回路、８は
充放電時定数設定部であり、これら可変増幅回路６．充
放電回路７および充放電時定数設定部８が、発明の構成
にいう減衰回路９の一例を構成している。

減衰回路９における可変増幅回路６の入力端子は、送波
ゲート２と直列回路５における残響抑圧送波ゲート４と
の接続点に接続されている。また、可変増幅回路６の出
力端子は、送受波兼用型の超音波振動子１０に接続され
ている。

可変増幅回路６と超音波振動子１０との接続点と超音波
送波用発振回路１の制御端子とが残響帰還ゲート１１を
介して接続されている。また、可変増幅回路６と超音波
振動子１０との接続点に受渡ゲート１２を介して受渡検
出回路１３が接続されている。

１４は、第２図に示すタイミングで、残響帰還ゲート１
１．送波ゲート２．残響抑圧送波ゲート４および受波ゲ
ート１２に対して、それぞれゲート開信号ＴＩ、Ｔ２．
Ｔ３．Ｔ５を出力するとともに、充放電回路７に対して
駆動信号Ｔ４を出力するタイミング制御回路である。

第２図において、ｔｏは送波周期、ｔｌは充放電回路７
における充電飽和時間、ｔ２は送波中時間、ｔ３は残響
引き込み時間、ｔ４は充放電回路７における放電時間、
即ち、残響抑圧時間、ｔ。

は充放電回路７の充電時間である。

超音波送波用発振回路１は、超音波振動子１０の残響引
き込み時間ｔ、においては、残響帰還ゲート１１からの
残響信号に基づいて残響周波数ｆ２で発振し、それ以外
の時間においては、残響周波数ｆ２よりも低い一定の送
波周波数ｒ１で発振するように構成されている。

充放電回路７は、タイミング制御回路１４からの駆動信
号Ｔ４によって充電を開始し、その駆動信号Ｔ４の消滅
によって放電を開始するように構成されている。充放電
時定数設定部８は、その充電が充電飽和時間ｔ、で飽和
して、一定の充電電圧に達し、また、その放電が放電時
間ｔ９の間に完了するように、その充放電時定数を設定
するためのものである。

可変増幅回路６は、充放電回路７の充電電圧に対応して
増幅率を可変するものであり、その増幅率は、充電飽和
時間ｔ１の経過後、一定になるとともに、充放電回路７
の放電に伴って漸次的に減少する。

従って、このような可変増幅回路６．充放電回路７およ
び充放電時定数設定部８からなる部分を、残響現象抑圧
についての減衰回路と呼ぶことができる。即ち、減衰回
路９は、残響抑圧送波ゲート４に対するゲート開信号Ｔ
３の出力時点からその減衰率を漸次的に増加するもので
あると言える。

次に、この第１実施例の動作を第２図および第３図のタ
イムチャートに基づいて説明する。第３図は、第２図の
一部分と、第１図の各点Ａ−Ｅの電圧波形とを示したも
のである。

■　第２図の（Ｄ）のように時刻Ｐ、において、タイミ
ング制御回路１４から充放電回路７に駆動信号Ｔ４が入
力されると、充放電回路７の充電が開始され、充電飽和
時間ｔ１の間に充放電回路７の充電が飽和して、その充
電電圧（第１図のＤ点の電圧）が第３図の（Ｇ）のよう
に一定電圧に達する。従って、可変増幅回路６の増幅率
も一定となる。

■　第２図の（Ｂ）のように充電飽和時間ｔ。

が経過した時刻Ｐ２において、タイミング制御回路１４
から送波ゲート２に対してゲート開信号Ｔ２が出力され
る。その結果、超音波送波用発振回路１からの送波周波
数１１の発振出力（第１図のＡ点の電圧）が第３図の（
Ｄ）に示す波形の状態で出力される。この発振出力が送
波ゲート２を介して超音波振動子１０に印加される。第
１図のＥ点の電圧は、第３図の（Ｈ）に示すように送波
周波数ｆ、でレベルが一定の波形となる。そして、超音
波振動子１０から送波周波数ｆ１の超音波が送波される
。

また、第１図のＢ点の電圧は、第３図の（Ｅ）のように
位相反転回路３によってＡ点の電圧を反転した波形とな
る。

■　第２図の（８）および（Ａ）に示すように送波中時
間ｔ２が経過した時刻Ｐ３において、送波ゲート２に対
するゲート開信号Ｔ２の出力が停止されると同時に、残
響帰還ゲート１１に対するゲート開信号Ｔ１が残響引き
込み時間ｔ、にわたって出力される。

ゲート開信号Ｔ２の停止の結果、超音波振動子ＪＯに対
する超音波送波用発振回路１からの発振出力がなくなり
、超音波振動子１０は残響現象によって残響周波数ｆ！
の振動を生じる。

この残響信号が残響帰還ゲート１１を介して超音波送波
用発振回路１に入力され、超音波送波用発振回路１は時
刻Ｐ、から残響周波数ｆ、の発振出力を出力する。

この発振出力は、送波ゲート２が閉じているため、超音
波振動子１０には入力されない、従って、点Ｅの電圧は
、第３図の（Ｈ）のように残響信号のみに基づいたもの
となり、残響引き込み時間ｔ。

の間、次第に減衰する。

■　第２図の（Ａ）、　　（Ｃ）および（Ｄ）のように
残響引き込み時間ｔ、が経過した時刻Ｐ４において、タ
イミング制御回路１４から残９帰還ゲ−）１１に対する
ゲート開信号Ｔ１の出力、および、充放電回路７に対す
る駆動信号Ｔ４の出力が停止されるとともに、残響抑圧
送波ゲート４に対してゲート開信号Ｔ３が出力される。

この結果、超音波送波用発振回路１の発振出力であるＡ
点の電圧は、第３図の（Ｄ）のように送波周波数ｆ、の
状態に戻る。この発振出力が位相反転回路３によって１
８０度位相を反転されてＢ点の電圧波形は第３図の（Ｅ
）のようになる。この反転出力が残響抑圧送波ゲート４
を通るので、０点の電圧は第３図の（Ｆ）に示すような
波形となり、可変増幅回路６に入力される。

一方、駆動信号Ｔ４の停止によって、第３図の（Ｇ）の
ように充放電回路７の放電が開始され、その充電電圧で
あるＤ点の電圧が漸次的に低下していり、・従、゛て、
可変増幅回路６の増幅率も漸次的に減少する。換言する
と、減衰回路９の減衰率が漸次的に増加していく。

以上の結果、可変増幅回路６からの出力は、残響信号と
は逆相で、かつ、レベルが漸次的に減少する出力となる
。従って、Ｅ点の電圧は第３図の（Ｈ）に示すように急
速に減少し、残響現象を効果的に抑圧する。

■　第２図の（Ｃ）および第３図の（Ｂ）のように放電
時間ｔ４が経過した時刻Ｐ、において、残響抑圧送波ゲ
ート４に対するゲート開信号Ｔ３の出力が停止される。

そして、第２図の（Ｅ）のようにタイミング制御回路１
４から受波ゲート１２に対してゲート開信号Ｔ５が出力
される。この時刻Ｐ、においては、第３図の（Ｈ）のよ
うに残響現象は殆どなくなっている。

従って、受波検出回路１３は、超音波振動子１０が受波
した反射波信号を、残響信号による誤検出のない状態で
正確に検出し得る状態となる。

次に、第２実施例を第４図に基づいて説明する。

第４図はブロック図である。

これらの図において、第１実施例に係る第１図に示した
符号と同一の符号は、本実施例においても、その符号が
示す部品１部分等と同様のものを指す。

また、特記しない限り、接続関係についても本実施例と
第１実施例とは同様の構成を存している。

本実施例において、第１実施例と異なっている構成は、
次の通りである。

即ち、送波ゲート２と超音波振動子１０との間に通常の
増幅回路６′を介挿するとともに、減衰回路９の可変増
幅回路６を位相反転回路３．残響抑圧送波ゲート４と直
列回路を構成するように接続し、可変増幅回路６の出力
端子を増幅回路６′と超音波振動子１０との接続点に接
続しである。

その他の構成は第１実施例と同様であるので、説明を省
略する。また、この第２実施例の動作は、第１実施例の
動作と実質的に同一であるので、説明を省略する。

本発明は、次のような構成のものも実施例として含む。

（１）第１図あるいは第４図の超音波センサにおいて、
位相反転回路３と残響抑圧送波ゲート４との接続の前後
関係を逆転したもの。

（ＩＩ）第４図の超音波センサにおいて、減衰回路９の
可変増幅回路６をＢ点あるいはＦ点に介挿したもの。

（ＩＩＩ）第１実施例あるいは第２実施例の超音波セン
サにおいて、残響帰還ゲート１１を省略したもの。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の第１実施例に係り、第１
図は超音波センサのブロック図、第２図および第３図は
タイムチャート、第４図は第２実施例に係る超音波セン
サのブロック図、第５図ないし第７図は従来例に係り、
第５図は超音波の波形図、第６図は超音波センサのブロ
ック図、第７図は残響抑圧を示す波形図である。ｌ・・・超音波送波用発振回路２・・・送波ゲート３・・・位相反転回路４・・・残響抑圧送波ゲート５・・・直列回路９・・・減衰回路１０・・・超音波振動子１４・・・タイミング制御回路

Claims

【特許請求の範囲】

（１）超音波送波用発振回路と、この超音波送波用発振回路の後段に接続された送波ゲー
トと、この送波ゲートの後段に接続された送受波兼用型の超音
波振動子と、前記超音波送波用発振回路からの発振出力の位相反転回
路と残響抑圧送波ゲートとの直列回路と、この直列回路
の出力を減衰して前記超音波振動子に出力する減衰回路
と、前記送波ゲートにゲート開信号を出力した後、前記残響
抑圧送波ゲートにゲート開信号を出力する動作を周期的
に繰り返すタイミング制御回路とを備えた超音波センサ
。
（２）前記減衰回路が、前記残響抑圧送波ゲートに対す
るゲート開信号の出力時点からその減衰率を漸次的に増
加するように構成されている特許請求の範囲第（１）項
記載の超音波センサ。