JPH0514962U - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 反射波を直接波と区別して正確に受信する。 【構成】 超音波送信素子２から超音波を送信したとき
に、超音波受信素子３に直接波として伝搬する既知の超
音波の波形をメモリ２２から読み出し、これと超音波受
信素子３が実際に受信した超音波の受信波形をコンパレ
ータ１３にて波形比較することにより、反射波が確認さ
れるまでの時間から反射波の反射地点までの距離を計測
し、直接波の妨害に関係なく反射波を正確に捕え、これ
により短い距離から長い距離まで超音波の到達範囲内の
あらゆる距離を正確に計測する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、反射波を直接波とは区別し、正確な距離測定を可能にした超音波 センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】

図３に示す超音波センサ１は、車両の後方確認やロボットの位置決めに用いる 非接触型の距離センサである。この超音波センサは、超音波送信素子２から前方 に送信した超音波が物体表面で反射して超音波受信素子３にて受信されるまでの 時間から、超音波の伝搬速度を用いた演算により物体までの距離を計測する構成 とされている。距離計測にさいしては、まず、例えば４０ｋＨｚ程度で発振する 発振回路４が接続された送信回路５に対し、ＣＰＵ６から図４（Ａ）に示すトリ ガパルスを供給する。トリガパルスを受けた送信回路５は、図４（Ｂ）に示した ように、一定時間にわたって４０ｋＨｚで発振する送信波を超音波送信素子２に 送り込む。これにより、超音波送信素子２から前方に超音波が送信される。ＣＰ Ｕ６からのトリガパルスは、一対のナンドゲート回路７ａをたすき掛け接続した ＲＳフリップフロップ回路７のセット入力端子にも送り込まれる。その結果、図 ４（Ｅ）に示したように、ＲＳフリップフロップ回路７が一旦セットされ、それ と同時に次段の３入力１出力型のアンドゲート回路８の一入力としてハイレベル のＱ出力が送り込まれる。

【０００３】 ただし、アンドゲート回路８は、後述する一定のマスク期間中は図４（Ｆ）に 示すＣＰＵ６のマスク出力により強制的にゲートを閉じた状態とされるため、マ スク期間Ｔｍが経過したあと、クロック発生回路９が発生するクロックパルスを カウンタ１０のクロック入力端子に送り込む。

【０００４】 一方、超音波受信素子３が受信する超音波は、超音波送信素子２からの直接波 に物体からの反射波が重畳した波形を有しており、帯域濾波回路１１により雑音 成分を除去され、増幅回路１２にて増幅されたのち、例えば図４（Ｃ）に示す波 形としてコンパレータ１３の非反転入力端子に送り込まれる。ただし、ここでは 直接波に対して反射波が位相的に遅れて受信される場合を例示してある。コンパ レータ１３は、反転入力端子の入力波形の振幅が非反転入力端子に設定された基 準振幅Ｅｒを越えたときにロウレベルの信号を出力する。そして、このコンパレ ータ１３のロウレベルの出力は、ＲＳフリップフロップ回路７のリセット入力端 子に送り込まれ、その結果ＲＳフリップフロップ回路７のＱ出力はロウレベルに 切り替わる。その結果、アンドゲート回路８は図４（Ｇ）に示したように、ゲー トを閉じ、カウンタ１０に対するクロックパルスの供給は停止する。

【０００５】 マスク期間Ｔｍが経過し、なおかつＲＳフリップフロップ回路７のＱ出力がハ イレベルを示す期間において、ＣＰＵ６は、図４（Ｈ）に示すカウンタ１０の計 数出力を監視しており、このときのカウンタ１０の計数値にクロック周期を乗じ て得られる時間Ｔｃに前記マスク期間Ｔｍを加算し、得られた時間Ｔｃ＋Ｔｍす なわち超音波が超音波送信素子２と超音波受信素子３の間を往復するのに要した 時間に、超音波の速度を乗算して得られる値を１／２倍し、超音波を反射する物 体までの距離を割り出す。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

超音波センサ１に限らず、一般に、超音波送信素子２と超音波受信素子３の間 に距離を空けすぎた場合、物体までの距離と超音波の往復距離の間の誤差が大と なって計測誤差が増えるため、超音波送信素子２と超音波受信素子３を近接配置 することが、計測精度を確保する上での前提条件とされる。しかし、超音波送信 素子２と超音波受信素子３を近接配置すればするほど、一方でまた超音波送信素 子２から超音波受信素子３に直接伝搬する直接波が反射波の受信により多くの悪 影響を及ぼすため、直接波を反射波であると錯覚しないよう工夫する必要が生ず る。このため、既に触れたように、上記の超音波センサ１にあっては、超音波を 送信してからあらかじめ定めたマスク期間Ｔｍが経過するまでは、ＣＰＵ６から アンドゲート回路８に対しロウレベルのマスク出力を送り込み、アンドゲート回 路８のゲートを強制的に閉じることで、反射波を無視するようにしていた。

【０００７】 従って、上記従来の超音波センサ１は、超音波を送信してから少なくともマス ク期間Ｔｍ中は実質的に超音波の受信波形を強制的にマスクしてしまうことにな り、このマスク期間Ｔｍ中に反射波が戻ってくるほどの短い距離、すなわち超音 波送信素子２と超音波受信素子３の間隔と同程度しか離れておらず、直接波と反 射波が重なり合ってしまうような短い距離にある物体については、まったく距離 計測できないといった課題を抱えていた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

この考案は、上記課題を解決したものであり、超音波を送信する超音波送信素 子と、前記超音波の直接波と反射波を受信する超音波受信素子と、前記直接波の 波形を記憶させたメモリと、前記超音波送信素子が前記超音波を送信したときに 、前記メモリから直接波の波形を読み出し、前記超音波受信素子の受信波形と波 形比較し、反射波が確認されるまでの時間から反射波の反射地点までの距離を計 測する演算手段を具備することを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】

この考案は、超音波送信素子から超音波を送信したときに、超音波受信素子に 直接波として伝搬する既知の超音波の波形をメモリから読み出し、これと超音波 受信素子が実際に受信した超音波の受信波形を波形比較することで、反射波が確 認されるまでの時間から反射波の反射地点までの距離を計測し、超音波送信素子 と超音波受信素子の間隔と同程度のごく短い距離を計測範囲に取り込む。

【００１０】

【実施例】

以下、この考案の実施例について、図１，２を参照して説明する。図１は、こ の考案の超音波センサの一実施例を示す回路構成図、図２は、図１に示した回路 各部の信号波形図である。

【００１１】 図１に示す超音波センサ２１は、超音波送信素子２から直接波として超音波受 信素子３に直接伝搬する超音波の波形、すなわち直接波の波形を記憶させたメモ リ２２を有しており、超音波送信素子２から超音波を送信したときにメモリ２２ から直接波の波形を読み出し、超音波受信素子３が実際に受信した超音波の受信 波形と波形比較し、反射波が確認されるまでの時間から反射波の反射地点までの 距離を計測する構成としたものである。従って、マスク期間Ｔｍやマスク出力な どは一切必要がなく、このためアンドゲート回路２３としては、マスク出力を受 け入れるための入力端子をもたない２入力１出力型を用いることができる。なお 、超音波受信素子３に直接伝搬する超音波の波形は、使用する超音波送信素子２ と超音波受信素子３の仕様と互いの配置或は取り付け構造等が決まった段階で、 実験等を通じて正確に把握することができ、実際の使用条件と同じ条件下で観測 した波形を、ＡＤ変換器（図示せず）を用いてディジタルデータに変換し、メモ リ２２に格納することができる。２４は、メモリ２２に格納された波形データを 読み出すのに必要なアドレスカウンタであり、発振回路２５の出力を計数して読 み出しアドレスを生成する。

【００１２】 距離計測にさいし、ＣＰＵ６が送信回路５に対し図２（Ａ）に示すトリガパル スを供給すると、このトリガパルスはＲＳフリップフロップ回路７のセット入力 端子とアドレスカウンタ２４に送り込まれる。その結果、図２（Ｆ）に示したよ うに、ＲＳフリップフロップ回路は直ちにセットされ、次段のアンドゲート回路 ２３の一方の入力端子に対してハイレベルのＱ出力が送り込まれる。これにより 、アンドゲート回路２３の他方の入力端子に接続されたクロック発生回路９の出 力クロックがカウンタ１０のクロック入力端子に送り込まれ、カウンタ１０は計 数を開始する。

【００１３】 また、カウンタ１０の計数動作と並行して、アドレスカウンタ２４からはメモ リ２２に対して読み出しアドレスが送り込まれ、読み出しアドレスに対応する番 地に格納された超音波の直接波の波形が、例えば８ビットのディジタルデータと して読み出される。読み出された直接波の波形データは、ＡＤ変換器２６におい てアナログ信号に変換され、図２（Ｄ）に示す波形として、コンパレータ１３の 非反転入力端子に送り込まれる。従って、コンパレータ１３の非反転入力端子に 与えられる基準振幅は、従来のようにＥｒに固定されるのではなく、時間ととも に変化することになる。

【００１４】 一方、超音波受信素子３が受信した超音波は、帯域濾波回路１１及び増幅回路 １２を経由してコンパレータ１３の反転入力端子に送り込まれる。そして、コン パレータ１３は、図２（Ｅ）に示したように、反転入力端子の入力波形の振幅が 非反転入力端子の直接波の振幅を越えたときにロウレベルの信号を出力する。こ のため、図２（Ｃ）に示したように、直接波と反射波が重なりあって受信された 場合でも、直接波自体はコンパレータ１２の非反転入力端子に与えられるメモリ ２２の出力によって相殺されてしまい、直接波に重畳して受信された反射波や或 は直接波から遅れて受信される反射波だけが、コンパレータ１２における振幅比 較により選別される。従って、超音波送信素子２と超音波受信素子３の間の間隔 と同程度のごく短い距離にある物体を計測する場合でも、直接波による影響を考 えずに済み、メモリ２２が記憶する直接波の波形を受信波形が凌駕した時点で、 図２（Ｅ）に示したように、コンパレータ１２がロウレベル信号を出力し、ＲＳ フリップフロップ回路７をリセットする。その結果、ＲＳフリップフロップ回路 ７のロウレベルのＱ出力によりアンドゲート回路２３がゲートを閉じ、カウンタ １０に対するクロック供給は停止する。

【００１５】 ＣＰＵ６は、ＲＳフリップフロップ回路７のＱ出力がハイレベルをとる期間中 、カウンタ１０の計数出力を監視しており、カウンタ１０の計数出力にクロック 周期を乗じて得られる時間、すなわち超音波が超音波送信素子２と超音波受信素 子３の間を往復するのに要した時間に、超音波の速度を乗算して得られる値を１ ／２倍し、超音波を反射する物体までの距離を割り出すことができる。従って、 例えばクロック発生回路９が発生するクロックの周波数が１７ｋＨｚで、超音波 の速度を３４０ｍ／ｓとした場合、カウンタ１０からＣＰＵ６に出力された計数 値が「１」であれば、物体までの距離は１ｃｍであると計測される。

【００１６】 このように、超音波センサ２１によれば、超音波送信素子２から超音波を送信 したときに、超音波受信素子３に直接波として伝搬する既知の超音波の波形をメ モリ２２から読み出し、これと超音波受信素子３が実際に受信した超音波の受信 波形を波形比較することにより、反射波が確認されるまでの時間から反射波の反 射地点までの距離を計測することができる。また、超音波送信素子２から超音波 を送信した直後に超音波受信素子３に対して直接波が入来しても、メモリ２２に 記憶させておいた直接波の波形をもとに、反射波と直接波の分離判別が可能であ り、従って従来のように直接波による妨害期間中は受信波形をマスクしてしまう といった消極的な手法や、或は直接波を避けるために計測精度の低下を覚悟で超 音波送信素子２と超音波受信素子３の間隔を空けるといった構造上の手直しによ らず、超音波送信素子２と超音波受信素子３を近接配置して計測精度を確保した 上で、直接波による妨害に関係なく反射波を正確に捕え、これにより短い距離か ら長い距離まで超音波の到達範囲内であらゆる距離を正確に計測することができ る。

【００１７】 なお、上記実施例では、メモリ２２に格納しておいた直接波の受信波形と実際 の受信波形とをコンパレータ１２において振幅比較し、直接波の受信波形を実際 の受信波形が凌駕した時点をもって超音波の受信時点と判断する構成としたが、 コンパレータ１２の代わりに例えば信号相関検出回路（図示せず）を用い、直接 波の波形と実際の受信波形とが一定の相関をもたないことを確認した時点をもっ て直接波の受信時点と判断することも可能である。また、実施例に示した超音波 センサ２１を、例えば自ら進路を判断して部屋を清掃する自動掃除ロボット等に 適用し、走行路の確認手段とすることもできる。こうした自動掃除ロボットは、 部屋の壁からの距離を一定に保ったまま直進走行できるかどうかが、掃除能力を 左右する。特に、実際の清掃では壁からの距離が２ｃｍといった超近距離の距離 計測が要求され、それだけ直接波による妨害対策が重要になる。従って、直接波 の妨害を排除した超音波センサ２１は、まさしくこの種の用途に適しており、超 音波センサ２１を例えばロボット本体の側面から内側に引っ込ませた状態で組み 付け、壁面からできるだけ離すことで、１ｃｍ内外の距離を十分な精度をもって 計測することもできる。

【００１８】

【考案の効果】

以上説明したように、この考案は、超音波送信素子から超音波を送信したとき に、超音波受信素子に直接波として伝搬する既知の超音波の波形をメモリから読 み出し、これと超音波受信素子が実際に受信した超音波の受信波形を波形比較す ることにより、反射波が確認されるまでの時間から反射波の反射地点までの距離 を計測することができ、超音波送信素子から超音波を送信した直後に超音波受信 素子に対して直接波が入来しても、メモリに記憶させておいた直接波の波形をも とに、反射波と直接波の分離判別が可能であり、従って従来のように直接波によ る妨害期間中は受信波形をマスクしてしまうといった消極的な手法や、或は直接 波を避けるために計測精度の低下を覚悟で超音波送信素子と超音波受信素子の間 隔を空けるといった構造上の手直しによらず、超音波送信素子と超音波受信素子 を近接配置して計測精度を確保した上で、直接波の妨害に関係なく反射波を正確 に捕え、これにより短い距離から長い距離まで超音波の到達範囲内のあらゆる距 離を正確に計測することができる等の優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案の超音波センサの一実施例を示す回路
構成図である。

【図２】図１に示した回路各部の信号波形図である。

【図３】従来の超音波センサの一例を示す回路構成図で
ある。

【図４】図３に示した回路各部の信号波形図である。

【符号の説明】

２ 超音波送信素子 ３ 超音波受信素子 ６ 演算手段（ＣＰＵ） ７ 演算手段（ＲＳフリップフロップ回路） ９ 演算手段（クロック発生回路） １０ 演算手段（カウンタ） １３ 演算手段（コンパレータ） ２１ 超音波センサ ２２ メモリ ２３ 演算手段（アンドゲート回路）

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波を送信する超音波送信素子と、前
   記超音波の直接波と反射波を受信する超音波受信素子
   と、前記直接波の波形を記憶させたメモリと、 前記超音波送信素子が前記超音波を送信したときに、前
   記メモリから直接波の波形を読み出し、前記超音波受信
   素子の受信波形と波形比較し、反射波が確認されるまで
   の時間から反射波の反射地点までの距離を計測する演算
   手段を具備することを特徴とする超音波センサ。