JPH0432994B2 - - Google Patents

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ツク（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。

従来例の構成とその問題点 近年、カメラ等の測距装置等、超音波の送受信
動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30cmという近距離まで目標物
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つても送信
信号の供給を停止した後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、上記静電型センサ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ンサがある
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30cm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問題点を有し
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、従つて
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、付与されたエネル
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
とはならなかつたわけである。

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。

従つて、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30cm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つてくる迄の
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、よつて
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つては、約
１ｍ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
つていたわけである。

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、圧電センサ２、第１、第２の結合コンデン
サ４，５、逆並列接続された第１、第２のダイオ
ード６，７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な任意地
点におけ信号波形図を示し、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ク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、従つて、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
形のうち逆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ま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で示した如くに
発生するような場合を考えてみると、その波形
X₂上記時点t₁からt₂までの間の圧電センサ２の素
子固有の振動動作による信号中に含まれてしまい
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、上記時点t₁からt₂までの間に反射波の帰
つて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つて
は、前述したように検知できなかつたわけであ
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ダンプを施したセン
サ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30cm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停止時点から供給停
止後の任意時点まで低下させ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期間を制御す
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
施例を示す電気回路図であり、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１０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つてインピーダンス可変手
段１０の動作即ち光導電体１１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図に図示した上記実施例に
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t₁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。

従つて、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t₀〜
t₁において第４図ロに示した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１０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
つて、上記時点t₀〜t₁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た送信動
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上がり徐々に下降
する鋸歯状パネル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。

従つて、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、従つて
それま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、従つて、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
高くなつてゆくことになる。即ち、その抵抗値の
変動特性は第４図ニ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１０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、以後徐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から見た回路インピーダン
スの特性は、第４図ニに示した光導電体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
問題となつていた圧電センサ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。

ところが、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
せしめられていることになる。従つて本発明にお
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が貯えられたエネルギーが、イ
ンピーダンス可変手段１０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、圧電センサ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
ンス可変手段１０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の振導動作は、送信信号の供給停止時点t₁以
降、急速に減衰し、その振導により現われる尾引
き現象も、第４図ロの時点t₁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。

従つて、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によりはる
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つた例えば第２図ハ中に破線
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以後をインピーダンス可変
手段１０の動作における回路インピーダンスの低
下は、あま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。

従つて、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１３の発光強度が点灯回路１
４の出力する第４図ハの如くの電圧信号によつて
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、ほ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エネルギ
ーが大部分であり、例れ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
動させてしまう現像を生ぜしめる恐れがあり、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
立ち上が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
から下降する直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を形成する光動電体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つている。

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t₀〜t₁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。

従つて、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、本実施例においては、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図ハに示した如くの直流電流が出力されること
になる。

従つて、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
0.6V〜0.8V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つていた尾引
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ンサ２
を介してそ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
生していた現像であつた。

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
ンサ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以降の如く長時間現出していたわけである。

しかしながら、第５図に示した実施例にあつて
は、外部電源装置１５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ため、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に貯えられていたエ
ネルギーがダイオード６の導通によつて圧電セン
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。

従つて、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ａ点の信号波形は、第６図ロに示し
た如くとなることはいうま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
実施例では説明した第４図ニの光導電体の抵抗値
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
できる作用を期待でき、かかる作用によつて、従
来、単一の圧電センサにおいては検出不可能であ
つた極近距離の目標物体からの放射波の受信によ
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
来はどうしても無理であつた約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……圧電型セラミツクセン
サ、３……増幅部、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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波送受信器である単一の圧電型セラミツ
   クセンサと、前記圧電型セラミツクセンサに送信
   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、前記圧電型セラミツクセンサと並列接続
   されるインピーダンス低下手段および前記インピ
   ーダンス低下手段の動作時期を前記送信信号の供
   給状態に連動して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、前記圧電型セラミ
   ツクセンサの両端に現れる信号を増幅する増幅部
   とを備えてなり、前記インピーダンス低下手段
   は、動作することにより自身の電気的特性を変化
   させて前記圧電型セラミツクセンサから見た回路
   インピーダンスを低下せしめ、前記動作制御手段
   は、前記送信信号の供給停止に連動して前記イン
   ピーダンス低下手段の動作を開始させ、前記送信
   信号の供給停止後の適宜時点において前記インピ
   ーダンス低下手段の動作を停止させる超音波送受
   信装置。 ２ インピーダンス制御手段は、圧電型セラミツ
   クセンサに並列接続された光導電体からなるイン
   ピーダンス低下手段と、発光光を前記光導電体に
   供給する光源および前記発光光の強度を強から弱
   に変化せしめる鋸歯状パルス電圧を送信信号の供
   給停止と連動して前記光源に供給する点灯回路と
   からなる動作制御手段とによつて制御される特許
   請求の範囲第１項に記載の超音波送受信装置。 ３ 増幅部は、圧電型セラミツクセンサの両端に
   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、前記接続点に接続される出力端を有
   すると共に前記出力端から、送信信号の供給停止
   と連動して瞬時に前記保護用ダイオードの１つを
   導通させる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、出力することにより前記保護用ダイオードの
   １つを導通せしめ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。