JP2760079B2

JP2760079B2 - 超音波センサ

Info

Publication number: JP2760079B2
Application number: JP1226600A
Authority: JP
Inventors: 幸雄山口
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1989-08-31
Filing date: 1989-08-31
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: JPH0389189A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞この発明は、周波数変調を施した超音波を送受して対
象物までの距離などを測定する超音波センサに関連し、
事にこの発明は、送波子と受波子とを独立して設けた構
造の超音波センサに関する。

＜従来の技術＞超音波センサは、超音波を用いて物体までの距離や物
体の有無などを検出するもので、この種センサとして、
先般、FM−CW法によるものが提案された。

このFM−CW法による超音波センサは、周波数が連続的
に変化する超音波の送波信号を生成して対象物へ送波す
ると共に、対象物で反射した超音波を受波して、送波信
号と受波信号との周波数差で定義されるビート周波数f_c
を求めて、対象物までの距離などを検出するものであ
る。

このビート周波数f_cは、超音波の伝播距離を2R、周波
数変調の繰返し周波数をf_m、超音波の伝播速度をｖ、周
波数変調の周波数変位幅をΔｆとすると、つぎの式で
与えられる。

f_c＝（4Rf_mΔｆ）/v ‥‥ ここでf_m,Δf,vは既知であるから、ビート周波数f_cを
測定することにより、超音波の伝播距離2Rが計算でき、
従って対象物までの距離を検出できる。

第３図はこのFM−CW法による従来の超音波センサの具
体例を示し、また第４図および第５図はこの従来例のタ
イムチャートである。なおこのタイムチャートでは横軸
の時間ｔに対して縦軸には電圧Ｖまたは周波数Ｆがとっ
てある。

図示例の超音波センサは、超音波を対象物１へ送波す
るための送波子２と、対象物１での反射波を受波するた
めの受波子３とを備え、これら送波子２および受波子３
を、第６図に示すように、ホルダ４上に独立させかつ内
方へ傾けて配備してある。送波子２および受波子３は超
音波振動子であってそれぞれ指向角α，βを有し、図
中、菱形で示す領域Ｓが検出可能領域となっている。

第３図に戻って、送波子２には信号生成部５が接続さ
れて駆動され、また受波子３には検出回路部６を接続し
て受波信号ｂが取り込まれる。

信号生成部５は、周波数変調を施した超音波の連続波
を生成する部分であり、基準クロック生成回路7,変換回
路8,駆動回路９などを含んでいる。

基準クロック生成回路７は水晶振動子のような発振源
を含み、その発振出力を適当に分周してクロック信号CK
や後記するゲート信号ｇを生成する。変換回路８はクロ
ックCKを入力して三角波電圧信号に変換するミラー集積
器や、三角波電圧信号を周波数に変換するV/F変換回路
を含むもので、その出力として振幅が一定でありかつ周
波数が連続的に変化する超音波波信号ａ（第４図（１）
中、実線で示す）を得る。駆動回路９はこの送波信号ａ
による送波子２を一定周期で駆動するもので、送波子２
が発する超音波は対象物１で反射して受波子３で受波さ
れる。

この場合に超音波の空気中での伝播速度をｖとし、送
波子２から対象物１を経て受波子３へ至る径路の距離を
2Rとすると、その伝播時間ΔＴはつぎの式で与えられ
る。

ΔＴ＝2R/v ‥‥ 従って送波信号ａに対して受波信号ｂ（第４図（１）
中、破線で示す）は伝播時間ΔＴだけ遅延することにな
る。なお、第４図（２）は送波信号ａの拡大図、また第
４図（３）は受波信号ｂの信号波形図であって、この受
波信号ｂには後記するクロストーク成分ｄがのってい
る。

つぎに検出回路部６は、送波子２より送出される送波
信号ａと受波子３で受波される受波信号ｂとの周波数差
に基づき対象物１までの距離を検出するためのもので、
前記基準クロック生成回路７に加えて、増幅回路10,周
波数差検出回路11,ローパスフィルタ12,カウンタ13,D/A
変換器14,増幅器15により構成されている。

前記周波数差検出回路11として例えば乗算器が用いら
れ、送波信号ａと受波信号ｂとを入力して乗算すること
により、両信号a,bの周波数f_a,f_bの差の信号と和の信号
とを得る。ローパスフィルタ12は差の周波数成分のみを
距離情報として通過させてビート周波数信号ｃ（第５図
（１）に示す）を得る。なおこのビート周波数信号ｃの
周波数（ビート周波数f_c）はつぎの式で与えられる。

f_c＝|f_a−f_b| ‥‥ カウンタ13はビート周波数信号ｃの繰り返し回数を一
定時間Ｔだけ計数するためのもので、基準クロック発生
回路７からカウンタ13へ計数時間を規定するためのゲー
ト信号ｇ（第５図（２）に示す）が与えられる。D/A変
換器14はカウンタ13による計数データをアナログ量に変
換するもので、このアナログ信号が増幅器15を経て出力
として取り出される。

＜発明が解決しようとする問題点＞上記構成の超音波センサにおいて、送波子２が送波信
号により駆動されると、この送信動作における送波子２
の機械的振動がホルダ４を介して受波子３へ伝達され
る。この送波子２とホルダ４との共振である機械的振動
（これを「クロストーク」という）は、第４図（３）お
よび第５図（１）に示すように、クロストーク成分ｄと
して受波信号ｂやビート周波数信号ｃに混在する。この
クロストーク成分ｄは機械的振動に起因するため、周波
数が低く一定周波数の定在波とはならず、ビート周波数
信号ｃに含まれた形態でローパスフィルタ12を通過して
カウンタ13に入力される。

このクロストーク成分ｄのため、ビート周波数信号ｃ
の振幅が部分的に小さくなり、その波高値がカウンタ13
のスレショルドレベルTHを下回るという事態が発生す
る。このためカウンタ13による計数ミスが発生し、正確
な距離測定が困難となる。

この発明は、上記問題に着目してなされたもので、前
記の機械的振動に起因する信号成分を除去することによ
り、正確な距離測定が可能な超音波センサを提供するこ
とを目的とする。

＜問題点を解決するための手段＞この発明にかかる超音波センサは、受波信号と送波信
号との周波数差に基づき対象物までの距離などを検出す
るための検出回路部に、受波信号に混在する送波子の機
械的振動に起因する信号成分を除去する第１のフィルタ
回路と、送波信号と受波信号との周波数差の成分のみを
通過させる第２のフィルタ回路とを具備させたものであ
る。

＜作用＞送波子の機械的振動に起因する信号成分が受波信号に
混在しても、検出回路部中の第１のフィルタにより、前
記機械的振動に起因する信号成分が除去されるととも
に、第２のフィルタ回路により送波信号と受波信号との
周波数差の成分のみが取り出されるので、正確な距離測
定が可能である。

＜実施例＞第１図は、この発明の一実施例にかかる超音波センサ
の全体構成を示すもので、送波子2,受波子3,信号生成部
5,検出回路部６より構成されている。

送波子２および受波子３の構成や配置は、第６図に示
した従来例と同様であり、また信号生成部５の回路構成
も、第３図に示した従来例と同様であって、ここでは対
応する構成に同一の符号を付することでその説明を省略
する。

また検出回路部６は、第３図に示す従来例と同様の回
路構成を含む他、周波数差検出回路11とローパスフィル
タ12との間にハイパスフィルタ16が設けられている。

このハイパスフィルタ16は、受波信号ｂに混在した第
４図（３）に示すようなクロストーク成分ｄを減衰させ
て除去するための回路であって、その結果、第２図
（１）に示すような、クロストーク成分ｄが除去された
ビート周波数信号ｃを得ている。

いま例えばビート周波数f_cが、第６図に示す近距離地
点で20kHz、遠距離地点で50kHzとなるような送波信号ａ
が生成されて超音波が送波子２より送波されると、受波
子３により得られる受波信号ｂには、送波子２とホルダ
４との間の機械的振動に起因するクロストーク成分ｄが
混在し、その信号波形は第４図（３）に示すようなもの
となる。

この受波信号ｂと送波信号ａとが検出回路部６の周波
数差検出回路11へ入力されると、距離情報として必要な
両信号a,bの周波数の差の信号の他に、和の信号とクロ
ストーク成分ｄが周波数差検出回路11より出力される。

そこで距離情報として必要な20kHz〜50kHzの差の信号
のみを通過させるために、カットオフ周波数が50kHzの
ローパスフィルタ12と、カットオフ周波数が20kHzのハ
イパスフィルタ16とを用いて検出回路部６を構成する
と、クロストーク成分ｄが除かれたビート周波数信号ｃ
（第２図（１）に示す）を得ることができる。

このビート周波数信号ｃはその振幅がほぼ一定である
ので、波高値がカウンタ13のスレショルドレベルTHを下
回るという事態が発生しない。従ってこのビート周波数
信号ｃの繰り返し回数をゲート信号ｇ（第２図（２）に
示す）で規定される計数時間Ｔにつき計数するとき、従
来例のような計数ミスが発生せず、正確な計数データを
得ることができる。

また上記のローパスフィルタ12とハイパスフィルタ16
との組み合わせで一種のバンドパスフィルタが構成され
るので、耐電磁ノイズ性に優れた超音波センサを得るこ
とができる。

＜発明の効果＞この発明は上記の如く、受波信号と送波信号との周波
数差に基づき対象物までの距離などを検出するための検
出回路部に、受波信号に混在する送波子の機械的振動に
起因する信号成分を除去する第１のフィルタ回路と、送
波信号と受波信号との周波数差の成分のみを通過させる
第２のフィルタ回路とを具備させたから、たとえ受波信
号に送波子の機械的振動に起因する信号成分が混在して
も、その信号成分は検出回路部中で除去されるため、正
確な距離測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例にかかる超音波センサの全
体構成を示すブロック図、第２図はビート周波数信号お
よびゲート信号の波形を示す説明図、第３図は従来の超
音波センサの全体構成を示すブロック図、第４図は第３
図の従来例におけるタイムチャート、第５図は従来例に
おけるビート周波数信号およびゲート信号の波形を示す
説明図、第６図は超音波センサの構成を示す側面図であ
る。２……送波子、３……受波子５……信号生成部、６……検出回路部 16……ハイパスフィルタ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】周波数変調を施した超音波の連続波を生成
する信号生成部と、超音波を対象物に連続的に送波する
送波子と、前記超音波に対する対象物からの反射波を連
続的に受波する受波子と、受波信号と送波信号との周波
数差に基づき対象物までの距離などを検出する検出回路
部とを備えた超音波センサにおいて、前記検出回路部は、受波信号に混在する送波子の機械的振動に起因する信号
成分を除去する第１のフィルタ回路と、送波信号と受波信号との周波数差の成分のみを通過させ
る第２のフィルタ回路とを具備して成る超音波センサ。