JP2660544B2 - 超音波距離センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、単一の超音波送受信体により超音波を送
受信し反射波の到達時間を計時することにより近接距離
を検出する超音波距離センサの改良に関する。

〔従来の技術〕

近時、車両に搭載し、車高距離や車両と周辺障害物と
の距離等を計測する各種超音波距離センサが開発されて
いる。

前記車高距離を計測する超音波距離センサ、（以下単
に「路面センサ」という。）は、車両の床下に取付けら
れると共に車両床部と路面との距離を計測するために開
発されたセンサであり、車両の走行中に於ける路面と車
体間の距離を時系列的に計測するセンサである。そして
該路面センサの出力信号はサスペンションの硬さ及び車
高を制御するサスペンション制御装置へ接続され、例え
ば路面の凹凸により路面と車体間の距離が大きく変化す
る場合はサスペンションを硬く若しくは車高を高く制御
し、一方平坦な路面により距離が比較的変化しない場合
はサスペンションを柔らかく若しくは車高を低く制御す
るために用いられる。

又車両の周辺物体又は歩行者等との距離を計測する超
音波距離センサ（以下単に「障害物センサ」という。）
は、車両のバンパ近傍や車両の側方に取付けられ車両の
車庫入れ時や右左折時等に於いて車両に相対的に接近す
る障害物及び歩行者等を検知し、車室内に設けられた表
示部に距離を表示する手段や接触防止の為に警報音又は
ボイスウォーニング音を発生する装置にいわゆる警報セ
ンサとして使用される。

これらの超音波距離センサは送信部（センダ）と受信
部（レシーバ）とが一対で構成されたものが一般的であ
るが、例えば、特開昭50−129252号公報に開示されるよ
うに単一の超音波送受信体で構成するほうが価格面及び
小型軽量化，部品点数の削減の面で有利であるといえ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら単一の超音波送受信体を車両に搭載し超
音波距離センサとして採用する場合、次の様な問題点を
解決する必要があった。

例えば、路面センサは約20〜30〔cm〕程度の車高距離
を計測する必要がある。当該近接距離間で超音波を送受
信する場合、超音波送信タイミングから路面での反射波
を受信するタイミングまでに要する時間は常温で約1.2
〜1.8〔mSec〕である。ところが、超音波送受信体は超
音波を送信した後しばらくの間、例えば第７図の時間t0
例えば、約20〔mSec〕の間、残響音を発しており、受信
信号ｒが残響信号ｓ中に埋没してしまい、反射波の到達
時間を検知することが困難であった。この問題点は障害
物センサに於いても同様である。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は前述した残響音た発生することによる問題
点に対処すべく発案されたものであり、単一の超音波送
受信体により超音波を送受信し反射波の到達時間を計時
することにより近接距離を検出する超音波距離センサに
於いて、超音波の送信タイミングに同期したワンショッ
トパルス信号を入力するとともに、該ワンショットパル
ス信号の立ち上がり部分を時定数を前記超音波送受信体
における励振開始から振動が安定するまでの応答時間よ
り大きく設定したコンデンサ及び抵抗で積分する充電回
路と、該ワンショットパルス信号の立ち下がり部分をコ
ンデンサ及び抵抗で微分する放電回路とを有し、該充電
回路及び放電回路で形成した微積分信号を出力する残響
信号抑圧回路を前記超音波受信体の出力段に接続したこ
とを特徴とする超音波距離センサを提供する。

〔作用〕 前記単一の超音波送受信体は、制御回路からのタイミ
ング信号によって時系列的に超音波を発信し、又その反
射波を送信する。そして、残響信号抑圧回路は前記タイ
ミング信号に同期して微積分信号を出力し、前記超音波
送受信体が出力する信号中の残響信号成分を抑圧する。

而して、当該超音波距離センサでは、前記残響信号抑
圧回路の作用によって受信信号の中に混在した残響信号
成分を排除し、反射波の受信信号を適確に検知すること
ができる。

〔実 施 例〕

第１図〜第５図は、この発明の好適な実施例を示した
図面であり、第１図は超音波送受信体をケースに取付け
た断面図、第２図は第１図に示すものを分解した立体
図、第３図は第１図に示すものを分解した上面図、第４
図は第１図に示す超音波送受信体を含む回路側を示した
電気回路図、第５図は第４図の各部の電気特性図であ
る。

図面に於いて、１は超音波送受信体、２は第１弾性部
材、３は第２弾性部材、４はケース、５はカバー、６は
タッピンネジ、７はリード線である。

前記超音波送受信体１は、圧電素子（図示せず）を内
設した振動体であり他励振によって例えば、約30〔K H
z〕の超音波を発生する。

第１弾性部材２は、ゴム等を円筒状に成形したもので
あり、ケース４の開口部41に位置する個所に第１ビート
21を有し、反対位置に第２ビート22を有している。

第２弾性部材３は、前記第１弾性部材２と同一の材料
を円盤状に成形したものであり、内周縁に第１ビート31
を外周縁に第２ビート32を有している。

ケース４及びカバー５は、プラスチック若しくはダイ
キャスト等の成形品であり、ケース４は第１弾性部材２
の外径寸法d1に比べてやや小径の内径寸法d2の収納部42
を有している。

ここで前記各構成の組付順序を説明すると、先ず超音
波送受信体１に第１弾性部材２を装着し、次にこの組合
せ品をケース４に嵌装する。このとき第１弾性部材２の
外径寸法d1は第２ビート22の張出し寸法分だけケース４
の内径寸法d2により大きい外径寸法に形成されている。
そのため、前記組合せ品はケース４内に圧入して装着さ
れることとなる。

次に、第２弾性部材３を前記超音波送受信体１の上に
載置し、更にカバー５を被せ、タッピンネジ６でカバー
５をケース４に締付け固定する。このタッピンネジ６の
締付けによって第１弾性部材の第１ビード21がケース４
に圧接される。

しかして上述のように超音波送受信体１は第１弾性部
材２及び第２弾性部材３によってケース４に圧入固定さ
れ、残響音が減衰される。

次に、第４図に示す回路図について構成及び作動を説
明する。

第４図に於いて、10は制御回路、11は保護回路、12は
発振回路、13は出力回路、14はハイパスフィルタ、15は
増幅回路、16は検波回路、17は波形整形回路及び18は残
響信号抑圧回路である。

制御回路10は、トランジスタ101、抵抗102,103及びイ
ンバータ104によって構成されており、前記トランジス
タ101のベースはマイクロコンピュータ（図示せず）等
の回路に接続されている。該制御回路10はマイクロコン
ピュータのプログラム等に従って、第５図Ａに示すごと
く時間幅t1〔mSec〕例えばt1＝0.3〔mSec〕のタイミン
グパルス信号をt2〔mSec〕例えばt2＝20〔mSec〕毎に後
段の保護回路11へ出力する回路である。

保護回路11は、タイマ回路111とAND回路112とで構成
されたゲート回路であり、AND回路112の一方の入力部11
2aは制御回路10に接続され、他方の入力部112bはタイマ
回路111を介して制御回路10に接続されている。

前記タイマ回路111は、例えばワンショットマルチバ
イブレータで構成された回路であり、第５図Ｂの特性に
示すごとく前段の制御回路10からタイミングパルス信号
が入力される毎に時間幅t3〔mSec〕例えばt3＝１〔mSe
c〕のワンショットパルス信号を後段のAND回路112へ出
力する回路である。

AND回路112は２つの入力が共に“1"レベル信号である
とき“1"レベル信号を出力する。すなわち、AND回路112
は第５図Ａ及びＢに示すような信号が入力されるとき、
時間幅の短い方の信号を選択し第５図Ｃに示すような信
号として出力することと成る。

したがって、制御回路10の内部配線の故障等によって
第５図Ａに示す信号が“1"レベルの状態を保持しても第
５図Ｃに示す信号はタイマ回路111が出力するワンショ
ットパルス信号に規制され時間幅t3〔mSec〕のパルス信
号と成り、出力回路13がオン作動の状態を継続すること
が防止され、出力トランジスタ133等の焼損が防止され
る。

発振回路12は、発振部121とアンド回路122とで構成さ
れたゲート回路であり、AND回路122の一方の入力部122a
は前記保護回路11に接続され、他方の入力部122bは発振
部121に接続されている。そしてAND回路122は、第５図
Ｄに示すごとく前段の保護回路11を介してタイミングパ
ルス信号が入力される間に例えば、30〔KHz〕の発寝振
信号を後段の出力回路13に導出する。

出力回路13は、抵抗131,132、出力トランジスタ133及
び出力トランス134で構成され、詳しくは出力トランジ
スタ133はダーリントン接続されたトランジスタで構成
され、出力トランス134は１次側すなわち出力トランジ
スタ133に接続された側の印加電圧を昇圧し、２次側に
出力するよう１次側と２次側の巻数比が設定されてい
る。

ハイパスフィルタ14は、コンデンサ141,142及びダイ
オード143,144で構成された回路であり、超音波送受信
体１及び増幅回路15間に接続されている。

増幅回路15は、差動増幅器151、抵抗152,153,154,155
及びコンデンサ156で構成された回路であり、前記差動
増幅器151の出力部は後段の残響信号抑圧回路18に説続
されている。前記抵抗154,155及びコンデンサ156は差動
増幅器151の非反転入力部に対して所定のバイアス電圧
を入力するための回路構成であり、該バイアス電圧は更
に後段の検波回路16及び波形整形回路17に対して共通に
付与されている。

検波回路16は、差動増幅器161、トランジスタ162、ダ
イオード163、抵抗164、165及びコンデンサ166で構成さ
れた回路であり、前記トランジスタ162のコレクタは後
段の波形整形回路17に接続されている。

波形整形回路17は、差動増幅器171、トランジスタ17
2、抵抗173〜177で構成された回路である。

残響信号抑圧回路18は、トランジスタ181、抵抗182,1
83,184、コンデンサ185及びダイオード186で構成された
回路である。

抵抗182は増幅回路15と検波回路16を結ぶ信号線路中
に介接され、該抵抗182の出力側にはトランジスタ181の
コレクタが接続され、該トランジスタ181のエミッタは
接地され、該トランジスタ181のベースは抵抗184及びダ
イオード185を介して保護回路11に於けるタイマ回路111
の出力部に接続され、該トランジスタ181のベース・エ
ミッタ間には抵抗183及びコンデンサ105が並列接続され
ている。

尚、トランジスタ181のエミッタは抵抗を介して接地
してもよい。

また残響信号抑圧回路18のコンデンサ185及び抵抗184
は、前記タイマ回路111から入力したワンショットパル
ス信号の立ち上がり部分を積分する充電回路を構成する
が、該コンデンサ185及び抵抗184によって得られる積分
信号の時定数は、前記超音波送受信体１における励振開
始から振動が安定するまでの応答時間より大きく設定し
ている。

そのため、超音波送受信体１が励振開始した直後にお
いて、短時間だけ残響信号抑圧回路18による抑圧機能が
働かず、第４図のＧ部には例えば第５図Ｇに示すように
時間T1の直後に短時間だけ振動波形が現れ、第５図Ｉに
示す第１の立下がり信号d1が得られることとなる。この
第１の立下がり信号d1は、超音波送受信体１が正常に振
動しない場合には得られないものであり、該第１の立下
がり信号d1の有無によって超音波送受信体１が故障状態
であるか否かを検出することができる。

次に、上記各回路構成からなる当該実施例の作動を第
５図に示す特性図とともに説明する。

第５図に於いて、第５図Ａ〜第５図Ｅ及び第５図Ｇ〜
第５図Ｉは第４図のＡ〜Ｅ部及びＧ〜Ｉ部の電圧〔Ｖ〕
波形を示し、第５図Ｆは第４図の残響信号抑圧回路18の
トランジスタ181のコレクタ電流〔Ｖ〕波形を示してい
る。又、第５図ＧのVb1〔Ｖ〕は差動増幅器151の非反転
入力部の電位、すなわち増幅回路15の抵抗154及び155の
分圧電圧にほぼ相当する電圧レベルである。

又、第５図ＨのVb2〔Ｖ〕は差動増幅器171の非反転入
力部の電位であり増幅回路15の抵抗154及び抵抗155と波
形整形回路17の抵抗173〜175との合成抵抗によって得ら
れた分圧電圧に相当するスレッシュホールド電圧レベル
である。

先ず第５図に示す時間T1〔mSec〕に於いて第４図のＡ
部が高電位に反転するとタイマ回路111が作動しＢ部に
高電位を出力する。

その結果Ｃ部には時間T2〔mSec〕まで高電位が出力さ
れ、Ｄ部には例えば約30〔KHZ〕の発振信号が出力さ
れ、超音波送受信体１は出力回路13によって励振され
る。

超音波送受信体１は前記励振によって超音波を発射
し、被検知対象物からの反射波を受信する。当該受信信
号はハイパスフィルタ14を介して増幅回路15の差動増幅
器151の反転入力部に入力される。

これによって第４図のＥ部には時間T1〔mSec〕に発信
信号Ｓが、又時間T4〔mSec〕に受信信号Ｒが出力され
る。

一方、残響信号抑圧回路18はタイマ回路111の出力電
位に応じて作動される。

すなわち時間T1〔mSec〕及びT3〔mSec〕に於いて、タ
イマ回路111の出力が高電位及び低電位に反転される
と、残響信号抑圧回路18のコンデンサ185は充電及び放
電作用し、その充放電電位に応じてトランジスタ181の
コレクタには第５図Ｆに示すごとく積分波形状の信号電
流が通電される。

そのため第４図のＥ部に出力された第５図Ｅに示した
信号はトランジスタ181のコレクタ電流に応じて第５図
Ｇに示すように減衰され、第４図のＧ部に出力される。

上記第４図のＧ部に出力された信号は検波回路16によ
って第５図Ｈに示すごとく検波され第４図のＨ部に出力
される。

上記第４図のＨ部に出力された信号は波形整形回路17
によって第５図Ｉに示すごとく波形整形され第４図のＩ
部に出力される。すなわち、前記第４図のＨ部の信号電
位が差動増幅器171の非反転入力部に入力されたスレッ
シュホールド電圧Vb2〔Ｖ〕の値以上であれば第４図の
Ｉ部に低電圧を出力し、又、スレッシュホールド電圧Vb
2〔Ｖ〕の値以下であれば高電圧を出力する。

而して、第５図のＩに示すように上記第４図のＩ部に
出力された第１の立下がりd1から第２の立下がりd2まで
の時間t4〔mSec〕を計測することにより超音波送受信体
１から路面等の被検知対象物までの距離を測定できる。

尚、当該発明は車両に搭載し車高距離や車両と周辺障
害物との距離のように近接距離を計測する場合に適した
技術があるが、その応用範囲は広く例えば、自動ドアや
工場に於ける自動化ライン及びロボット等にも使用する
ことができる。

又、液面計等にも使用することが可能である。

〔発明の効果〕

この発明は、単一の超音波送受信体により超音波を送
受信し反射波の到達時間を計時することにより近接距離
を検出する超音波距離センサに於いて、超音波の送信タ
イミングに同期したワンショットパルス信号を入力する
とともに、該ワンショットパルス信号の立ち上がり部分
を時定数を前記超音波送受信体における励振開始から振
動が安定するまでの応答時間より大きく設定したコンデ
ンサ及び抵抗で積分する充電回路と、該ワンショットパ
ルス信号の立ち下がり部分をコンデンサ及び抵抗で微分
する放電回路とを有し、該充電回路及び放電回路で形成
した微積分信号を出力する残響信号抑圧回路を前記超音
波送受信体の出力段に接続したことを特徴とする超音波
距離センサであるので、近接距離を計測する場合に残響
信号の影響を確実に排除することができるのみならず、
前記残響信号抑圧回路のコンデンサ及び抵抗によって得
られる積分信号の時定数を超音波送受信体における励振
開始から振動が安定するまでの応答時間より大きく設定
することで、超音波送受信体が励振開始した直後におい
て、短時間だけ残響信号抑圧回路による抑圧機能が働か
ずに短時間だけ振動波形が現れることと成り、それによ
り得られた第１の立下がり信号の有無によって超音波送
受信体が故障状態であるか否かを検出することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は、この発明の好適な実施例を示した図
面であり、第１図は超音波送受信体をケースに取付けた
断面図である。 第２図は、第１図に示すものを分解した立体図である。 第３図は、第１図に示すものを分解した上面図である。 第４図は、第１図に示す超音波送受信体を含む電気回路
図である。 第５図は、第４図の各部の電気特性図である。 第６図及び第７図は、従来の技術における電気特性図で
ある。 １……超音波送受信体、２……第１弾性部材、３……第
２弾性部材、４……ケース、５……カバー、21……第１
弾性部材の第１ビード、22……第１弾性部材の第２ビー
ド、31……第２弾性部材の第１ビート、32……第２弾性
部材の第２ビート、10……制御回路、11……保護回路、
12……発振回路、13……出力回路、14……ハイパスフィ
ルタ、15……増幅回路、16……検波回路、17……波形整
形回路、18……残響信号抑圧回路、181……トランジス
タ、182,183,184……抵抗、185……コンデンサ、186…
…ダイオード。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単一の超音波送受信体（１）により超音波
   を送受信し反射波の到達時間を計時することにより近接
   距離を検出する超音波距離センサに於いて、 超音波の送信タイミングに同期したワンショットパルス
   信号を入力するとともに、該ワンショットパルス信号の
   立ち上がり部分を時定数を前記超音波送受信体（１）に
   おける励振開始から振動が安定するまでの応答時間より
   大きく設定したコンデンサ（185）及び抵抗（184）で積
   分する充電回路と、該ワンショットパルス信号の立ち下
   がり部分をコンデンサ（185）及び抵抗（183）で微分す
   る放電回路とを有し、該充電回路及び放電回路で形成し
   た微積分信号を出力する残響信号抑圧回路（18）を前記
   超音波送受信体（１）の出力段に接続したことを特徴と
   する超音波距離センサ。