JPH09178836A - 超音波スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】雰囲気温度の変化に影響されることなく検出信
号のみを確実に検出でき、かつ被検出物体の検出領域が
広い超音波スイッチを提供する。 【解決手段】送波器１から被検出物体３０にパルス状の
超音波Ｓを発射し、被検出物体からの反射音波を受波器
２で受信して電気信号に変換し、増幅，検波した電気信
号を電圧比較回路７でそのしきい値電圧Ｖ_THと比較し、
被検出物体からの反射音波Ｓ_B の受信信号を送波器，受
波器間の直接回り込み音波Ｓ_A の受信信号と弁別して検
出する超音波スイッチにおいて、超音波の発射期間中ほ
ぼ一定電圧を保持し，その後時間の経過とともに減衰す
るしきい値電圧Ｖ_THを発生するしきい値発生回路８と、
このしきい値発生回路の発生電圧を周囲温度の変化に対
応して補正したしきい値電圧に変換して電圧比較回路に
向けて出力する感温制御回路９とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、反射式の超音波
スイッチ、ことに送波器，受波器間の直接回り込み波の
受信信号が近接物体からの受信信号の検出に及ぼす影響
を排除する機能を備えた超音波スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は反射式の超音波スイッチにおける
超音波の伝播状態を模式化して示す図であり、送波器１
から被検出物体３０に向けてパルス状に発射された超音
波Ｓは、被検出物体３０の表面で反射されて受波器２に
到達する検出音波Ｓ_B の他に、被検出物体３０の背後に
ある壁や床などの背後物体３１の表面で反射して受波器
２に到達する背後反射音波Ｓ_C 、および隣接配置された
送波器１から受波器２に例えばホーンなどを介して直接
伝播する僅かな回り込み音波Ｓ_A が受波器２に到達し、
それぞれパルス状の電気信号に変換される。

【０００３】図６は受波器で電気信号に変換された電気
信号の到達時間およびその振幅を示す波形図であり、超
音波の伝播時間が伝播距離と材質に依存することから、
検出される電気信号は回り込み音波Ｓ_A に対応する回り
込み信号Ａ，検出音波Ｓ_B に対応する物体検出信号Ｂ
（以下検出信号Ｂと略称する），背後反射音波Ｓ_C に対
応する背後反射信号Ｃの順でそれぞれパルス状に検出さ
れる。したがって、検出信号Ｂのみを検出してスイッチ
を動作させるためには、回り込み信号Ａおよび背後反射
信号Ｃの存在が障害となる。このため、回り込み信号Ａ
が検出される可能性のある時間帯Ｔ_D と、背後反射信号
Ｃが検出される可能性がある時間帯Ｔ_G は検出信号Ｂの
検出が困難な不検出領域となり、検出信号Ｂの検出が可
能な時間帯が２つの不検出領域に挟まれたＴ_S 期間に限
定されることになる。即ち、検出可能な被検出物体の表
面と受波器との間の距離が狭くなり、例えば検出可能な
被検出物体の大きさなどに制約が生ずるという問題が発
生する。

【０００４】このような問題を解決するために、回り込
み信号Ａの振幅が検出信号Ｂの振幅に比べて一般的に小
さいことを利用し、受波器の後段に設けた信号処理回路
で回り込み信号を除去する対策を施すとともに、信号処
理回路に背後反射信号Ｃの通過を阻止するゲート回路を
設けた超音波スイッチが知られている（例えば、実公昭
５５−５０８９９号公報）。

【０００５】図７は従来の超音波スイッチにおける電気
信号の処理状況を示す波形図である。図において、
（イ）は受波器１で電気信号に変換され、増幅回路，検
波回路を通過した包絡線パルス波形を示しており、不検
出領域Ｔ_D に回り込み信号Ａに近接して振幅が回り込み
信号Ａより大きい検出信号Ｂ₁ が検出され、かつ不検出
領域Ｔ_G に背後反射信号Ｃが検出されている。なお、図
には検出領域Ｔ_S に第２の検出信号Ｂ₂ が検出された場
合を併せて示してある。従来例では、Ｔ_D 時間内に検出
された検波回路出力ＡおよびＢ₁ を（ロ）のように一定
レベル減衰する減衰回路と、不検出領域Ｔ_G でオフとな
り背後反射信号Ｃの通過を阻止するゲート回路とが設け
られ、しきい値Ｖ_THなる電圧比較回路の入力信号は
（ニ）に示すように、背後反射信号Ｃが排除されるとと
もに、回り込み信号Ａはしきい値Ｖ_TH以下に低減され
る。したがって、電圧比較回路はしきい値Ｖ_THを越える
検出信号Ｂ₁、または検出領域Ｔ_S 内に発生して減衰回
路およびゲート回路の影響を受けないＢ₂ に対応する高
レベルの出力信号Ｂ₁₀またはＢ₂₀を出力することにな
り、これを後段に設けた計数回路で計数してその再現性
を確認した後、出力回路からスイッチの動作指令が出さ
れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来例では、回り込み
信号Ａに近接して振幅が回り込み信号Ａより大きい検出
信号Ｂの検出が可能になり、従来の不検出領域Ｔ_D が短
縮された分検出領域Ｔ_Sを拡張できる利点が得られる。
ところが、空気中を伝播する超音波の減衰量および伝播
速度には温度依存性があり、雰囲気温度が低下すると減
衰量が減るとともに伝播速度が遅くなる。このため、図
６および図７に破線で示すように受波器で変換された電
気信号Ａ，Ｂ，Ｃなどの振幅が温度の低下に伴って大き
くなるとともに、その検出時刻が後側にずれる傾向を示
す。その結果、従来例のように電圧比較回路のしきい値
Ｖ_THが一定値に固定された超音波スイッチでは、雰囲気
温度の低下に伴って回り込み信号Ａの振幅がしきい値Ｖ
_TH越えてしまい、回り込み信号Ａを検出信号Ｂと誤判断
してスイッチが誤動作してしまうという事態の発生が予
想され、このような事態を回避するためにしきい値Ｖ_TH
を高めに設定しておけば、雰囲気温度の上昇時に検出信
号Ｂの振幅がしきい値Ｖ_TH以下に低下し、被検出物体の
近接を見逃してしまうという事態の発生も予想される。

【０００７】超音波スイッチが使用される雰囲気温度
は、気温の日変化，季節変化や、その使用場所が温暖地
か寒冷地かによっても大幅に変化すると考える必要があ
り、このような気温の変化の影響を受けずに被検出物体
の近接を確実に検知できる超音波スイッチの開発が望ま
れている。この発明の課題は、雰囲気温度の変化に影響
されることなく検出信号のみを確実に検出でき、かつ被
検出物体の検出領域が広い超音波スイッチを提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、請求項１記載の発明は、送波器から被検出物体に
パルス状の超音波を発射し、被検出物体からの反射波を
受波器で受信して電気信号に変換し、増幅，検波した電
気信号を電圧比較回路でそのしきい値電圧と比較し、前
記被検出物体からの受信信号を前記送波器，受波器間の
直接回り込み波の受信信号と弁別して検出する超音波ス
イッチにおいて、前記パルス状の超音波の発射期間中少
なくともほぼ一定電圧を保持し，その後時間の経過とと
もに減衰する電圧を発生するしきい値発生回路と、この
しきい値発生回路の発生電圧を周囲温度に対応して補正
したしきい値電圧に変換し前記電圧比較回路に向けて出
力する感温制御回路とを備える。

【０００９】ここで、請求項２に記載の発明は、請求項
１に記載の超音波スイッチにおいて、しきい値発生回路
が超音波発射期間を規制する送信ゲート信号を受けてオ
ンとなり充電抵抗を介して電圧比較回路のしきい値入力
端に制御電源電圧を供給するトランジスタスイッチと、
前記しきい値入力端と接地端との間に接続されたコンデ
ンサおよび放電抵抗の並列回路と、この放電抵抗に制御
電源電圧を分圧して供給する分圧抵抗とを備えるよう構
成すると良い。

【００１０】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
または請求項２に記載の超音波スイッチにおいて、感温
制御回路が放電抵抗にその放電電流の通流方向を順方向
として直列接続されたダイオードとすると良い。さら
に、請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２
に記載の超音波スイッチにおいて、感温制御回路が放電
抵抗に並列接続された負性抵抗素子とすると良い。

【００１１】請求項１記載の発明では、しきい値発生回
路がパルス状の超音波の発射期間中少なくともほぼ一定
電圧を保持し，その後時間の経過とともに減衰する電圧
を電圧比較回路のしきい値として発生することにより、
回り込み信号，検出信号の順の時系列で検出される電気
信号に対して、電圧比較回路のしきい値が前者に対して
高く，後者に対して低い電圧値を示すので、もともと振
幅の小さい回り込み信号を排除し、振幅の大きい検出信
号の検出を容易にする電圧比較回路の弁別作用が強化さ
れる。また、感温制御回路がしきい値発生回路の発生電
圧を周囲温度に対応して補正したしきい値電圧に変換す
るので、温度変化に伴う回り込み信号，検出信号の振幅
の変化にしきい値電圧が追従変化することになり、電圧
比較回路の信号の弁別作用が雰囲気温度に影響されるこ
となく一定に保持され、回り込み信号の排除精度と検出
信号の検出精度が安定して保持される。

【００１２】ここで、請求項２に記載の発明ではしきい
値発生回路が、超音波を発射している期間を規制する送
信ゲート信号を受けてトランジスタスイッチがオンし、
電圧比較回路のしきい値入力端に接続されたコンデンサ
と放電抵抗の並列回路に充電抵抗と放電抵抗で分圧され
た制御電源電圧を供給し、この分圧した電圧にコンデン
サが充電され、電圧比較回路に一定のしきい値電圧を供
給する。次いで、送信ゲート信号が高レベルに変化する
とトランジスタスイッチがオフし、コンデンサの充電電
荷を放電抵抗を介して放電するので、しきい値電圧は一
定の時定数で低下する。したがって、電圧比較回路には
超音波の発射期間中少なくともほぼ一定電圧を保持し，
その後時間の経過とともに減衰する電圧がしきい値電圧
として供給される。

【００１３】また、請求項３に記載の発明では、しきい
値発生回路の放電抵抗にその放電電流の通流方向を順方
向として直列接続されたダイオードを感温制御回路とし
て付加したことにより、ダイオードの順方向電圧が雰囲
気温度の変化に対して負の変化（負性抵抗特性）を示す
ことを利用し、温度変化に伴う回り込み信号，検出信号
の振幅の変化にしきい値電圧を追従変化させることが可
能になり、電圧比較回路における回り込み信号，検出信
号の弁別作用が雰囲気温度に影響されることなく一定に
保持される。

【００１４】さらに、請求項４に記載の発明では、しき
い値発生回路の放電抵抗に感温制御回路としての負性抵
抗素子を並列接続したことにより、請求項３におけると
同様な作用が得られる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下この発明を実施例に基づいて
説明する。なお、従来例と同じ参照符号を付けた部材は
従来例のそれと同じ機能をもつので、その説明を省略す
る。図１はこの発明の一実施例を示す超音波スイッチの
要部を示すブロック図、図２は図１に示す実施例におけ
る要部の動作を示すタイムチャートであり、両図を参照
しつつ超音波スイッチの構成および動作を説明する。図
において、送波器１は、ゲート発生回路３が発する一定
時間高レベルとなる送波ゲート信号３_S を送波素子駆動
回路４が受け、送波ゲート信号３_S の高レベル期間中一
定周波数で振動する駆動電圧４Ｓを送波器１に供給する
ことにより超音波Ｓを図示しない被検出物体３０（図５
参照）に向けて発射する。

【００１６】受波器２で受信した被検出物体３０表面か
らの反射音波Ｓ_B,背後反射音波Ｓ_C,および回り込み音波
Ｓ_A などの受信音波は、これに対応した電気信号に変換
され、増幅回路５で増幅、検波回路６で包絡線パルスか
らなる検波出力６_E として電圧比較回路７に入力され
る。ここで、しきい値発生回路８は送波ゲート信号３_S
が高レベルにある期間少なくともほぼ一定電圧を保持
し，その後時間の経過とともに減衰する電圧を発生する
しきい値Ｖ_THを電圧比較回路７に向けて出力する回路で
あり、電圧比較回路７は、このしきい値発生回路８の発
生電圧Ｖ_THを周囲温度に対応して補正したしきい値電圧
（図２に破線で示す）に変換し、電圧比較回路に向けて
出力する感温制御回路９を備える。

【００１７】また、電圧比較回路７の出力側には、従来
例において電圧比較回路の前段に設けられていたと同様
に、送波ゲート信号３_S の立ち上がりを捕らえて低レベ
ルとなり，不検出領域Ｔ_G で高レベルとなる遅延信号１
１_S を発する、例えばモノステーブルマルチバイブレー
タからなる遅延回路１１と、その遅延信号１１_S により
動作してＴ_G 期間オフ状態となり、この期間に発生する
背後反射信号Ｃの通過を阻止するゲート回路１２とが設
けられ、さらにその出力側には計数回路１３および出力
回路１４が設けられ、参照符号５から１４で示す複数の
回路により、受波器２で変換された電気信号の処理回路
が構成される。

【００１８】実施例になる超音波スイッチにおいて、い
ま、設定温度（例えば２０°Ｃ）で、図２に実線の包絡
線パルスで示すように、検波信号６_E として、送波ゲー
ト信号３_S に一部重なりを有する回り込み信号Ａ、この
回り込み信号Ａに波頭部分が一部重なった検出信号Ｂ、
および不検出領域Ｔ_G で背後反射信号Ｃが検出されたと
仮定する。このとき、しきい値発生回路８の出力しきい
値電圧Ｖ_THが送波ゲート信号３_S の高レベル期間中、回
り込み信号Ａの波高値を越えるレベルに設定されていれ
ば、電圧比較回路７の出力信号７Ｅは低レベルとなり、
回り込み信号Ａは電圧比較回路７で排除される。また、
回り込み信号Ａより波高値が高い検出信号Ｂはしきい値
電圧Ｖ_THが減衰過程に入ることもあって電圧比較回路７
がこれを検知して高レベル信号Ｂ_S を出力する。さら
に、不検出領域Ｔ_G では、しきい値電圧Ｖ_THが低いレベ
ルに減衰しているため、背後反射信号Ｃを受けた電圧比
較回路７が高レベルの信号Ｂ_G を出力する。しかし、こ
の信号Ｇ_G はゲート回路１２で通過が阻止され、したが
って、計数回路１３には、検出信号Ｂ_S に対応する高レ
ベルの信号Ｂ_S のみが入力される。そこで、計数回路１
３がこの高レベルの信号Ｂ_S を複数回計数してその再現
性を確認した後、出力回路１４が出力信号を発すること
により、図示しないスイッチが駆動される。

【００１９】一方、超音波スイッチの雰囲気温度が前述
の設定温度以下に低下すると、その温度差に応じて検波
信号６_E の波高値が図に破線で示すように高くなる。こ
のとき、感温制御回路９が雰囲気温度の低下を感知して
しきい値発生回路８の出力しきい値電圧Ｖ_THを図に破線
で示すレベルにまで上昇させるので、電圧比較回路７の
検波信号６_E に対する判定レベルは雰囲気温度の変化に
影響されることなく一定に保持され、したがって、検出
信号Ｂ_S のみを確実に検出できるとともに、被検出物体
の検出可能領域Ｔ_S を回り込み信号Ａの上限側近くまで
拡張できる利点が得られる。

【００２０】図３は図１に示す実施例のしきい値発生回
路８および感温制御回路部９の接続図であり、図２のタ
イムチャートを参照しつつその構成および動作を説明す
る。図において、送波ゲート信号３_S は、しきい値発生
回路８のインバータ回路２１で反転され、抵抗２２を介
してトランジスタスイッチとしてのｐｎｐトランジスタ
２３のベースに印加される。したがって、ｐｎｐトラン
ジスタ２３は送波ゲート信号３_S が高レベルにある期間
中オン状態となり、充電抵抗２４を介して電圧比較回路
７のしきい値入力端と接地端との間に接続されたコンデ
ンサ２５を充電する。コンデンサ２５には並列に放電抵
抗２６および感温制御回路９としてのダイオード１９の
直列回路が接続されており、ｐｎｐトランジスタ２３の
オン期間中コンデンサ２５は、制御電源電圧Ｖ_CCを充電
抵抗２４と放電抵抗２６およびダイオード１９の直列抵
抗とで分圧した一定電圧に充電され、この電圧が電圧比
較回路７にしきい値電圧Ｖ_THとして印加される。

【００２１】次いで、送波ゲート信号３_S が低レベルに
変化すると、ｐｎｐトランジスタ２３がオフし、コンデ
ンサ２５の充電電荷が放電抵抗２６およびダイオード１
９を介して放電するので、しきい値電圧Ｖ_THは一定の時
定数で減衰し、最終的には分圧抵抗２７と放電抵抗２６
およびダイオード１９の直列抵抗とで分圧された電圧に
まで低下することになり、電圧比較回路７には、超音波
の発射期間中少なくともほぼ一定電圧を保持し，その後
時間の経過とともに減衰するしきい値電圧Ｖ_THが供給さ
れる。なお、pnp トランジスタ２３の入力側にマルチバ
イブレータを付加すれば、そのオン時間を任意に選択で
きるので、回り込み信号Ａに対応した不検出期間Ｔ_D の
調整が可能になる。

【００２２】また、ダイオード１９の順方向電圧は雰囲
気温度の変化に逆比例して変化するので、電圧比較回路
７のしきい値電圧Ｖ_THは周囲温度の変化に対応して補正
され、検波信号６_E としきい値電圧Ｖ_THとの大きさの比
を温度変化に係わりなく一定に保持する感温制御機能が
得られる。図４はこの発明の異なる実施例を示すしきい
値発生回路および感温制御回路部分の接続図であり、こ
の実施例が図３に示す実施例と異なるところは、感温度
制御回路２９としてサーミスタなどの負性抵抗素子を用
い、しきい値発生回路８のコンデンサ２５または放電抵
抗２６に並列接続するよう構成した点にあり、前述の実
施例におけると同様な作用，効果が得られる。

【００２３】

【発明の効果】この発明の超音波スイッチは前述のよう
に、しきい値発生回路がパルス状の超音波の発射期間中
一定電圧を保持し，その後時間の経過とともに減衰する
しきい値電圧を発生し、感温制御回路がこのしきい値電
圧を周囲温度に対応して補正して電圧比較回路に向けて
出力するよう構成した。その結果、回り込み信号および
これに近接した検出信号に対して、従来同じレベルであ
った電圧比較回路のしきい値電圧が、回り込み信号に対
して高く，検出信号に対して低い変化電圧となり、検出
信号が回り込み信号に比べてその波高値が高いことを利
用して検出信号を検出する弁別機能を高め、よって被検
出物体の表面からの反射音波の検出可能エリアを拡張し
た超音波スイッチを提供することができる。

【００２４】また、感温制御回路が雰囲気温度による回
り込み信号および検出信号の波高値の変化に追従してし
きい値電圧を補正するので、雰囲気温度の変化に影響さ
れることなく電圧比較回路の波高値弁別機能を一定に保
つことが可能となり、雰囲気温度が大幅に異なる使用場
所においても検出信号，即ち被検出物体表面からの反射
音波のみを確実に検出してスイッチが動作する信頼性の
高い超音波スイッチを提供することができる。

【００２５】感温制御回路として、しきい値発生回路の
放電回路部分にダイオードまたは負性抵抗素子を接続す
るよう構成すれば、簡素な構成の感温制御回路によりし
きい値電圧を補正し、検出信号の検出に及ぼす雰囲気温
度の影響を排除できる利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す超音波スイッチの要
部を示すブロック図

【図２】図１に示す実施例における要部の動作を示すタ
イムチャート

【図３】図１に示す実施例のしきい値発生回路および感
温制御回路部の構成を示す接続図

【図４】この発明の異なる実施例を示すしきい値発生回
路および感温制御回路部分の接続図

【図５】反射式の超音波スイッチにおける超音波の伝播
状態を模式化して示す図

【図６】受波器で電気信号に変換された電気信号の到達
時間およびその振幅を示す波形図

【図７】従来の超音波スイッチにおける電気信号の処理
状況を示す波形図

【符号の説明】

１ 送波器 ２ 受波器 ３ 送波ゲート発生回路 ４ 送波素子駆動回路 ５ 増幅回路 ６ 検波回路 ７ 電圧比較回路 ８ しきい値発生回路 ９ 感温制御回路 １１ 遅延回路 １２ ゲート回路 １３ 計数回路 １４ 出力回路 １９ 感温制御回路（ダイオード） ２３ トランジスタスイッチ ２４ 充電抵抗 ２５ コンデンサ ２６ 放電抵抗 ２７ 分圧抵抗 ２９ 感温制御回路（負性抵抗素子） ３０ 被検出物体 ３１ 背後物体 Ｓ_A 回り込み音波 Ｓ_B 検出音波（被検出物体表面からの反射音波） Ｓ_C 背後物体からの反射音波 Ａ 回り込み信号 Ｂ （物体）検出信号 Ｃ 背後反射信号 ３_S 送波ゲート信号 ４_S 駆動電圧 ６_E 検波出力 Ｖ_TH しきい値電圧 Ｂ_S 電圧比較回路の出力高レベル信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０３Ｋ 17/945

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】送波器から被検出物体にパルス状の超音波
   を発射し、被検出物体からの反射波を受波器で受信して
   電気信号に変換し、増幅，検波した電気信号を電圧比較
   回路でそのしきい値電圧と比較し、前記被検出物体から
   の受信信号を前記送波器，受波器間の直接回り込み波の
   受信信号と弁別して検出する超音波スイッチにおいて、
   前記パルス状の超音波の発射期間中少なくともほぼ一定
   電圧を保持し，その後時間の経過とともに減衰する電圧
   を発生するしきい値発生回路と、このしきい値発生回路
   の発生電圧を周囲温度に対応して補正したしきい値電圧
   に変換し前記電圧比較回路に向けて出力する感温制御回
   路とを備えたことを特徴とする超音波スイッチ。
2. 【請求項２】請求項１に記載の超音波スイッチにおい
   て、しきい値発生回路が超音波発射期間を規制する送信
   ゲート信号を受けてオンとなり充電抵抗を介して電圧比
   較回路のしきい値入力端に制御電源電圧を供給するトラ
   ンジスタスイッチと、前記しきい値入力端と接地端との
   間に接続されたコンデンサおよび放電抵抗の並列回路
   と、この放電抵抗に制御電源電圧を分圧して供給する分
   圧抵抗とを備えたことを特徴とする超音波スイッチ。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２に記載の超音波ス
   イッチにおいて、感温制御回路が放電抵抗にその放電電
   流の通流方向を順方向として直列接続されたダイオード
   であることを特徴とする超音波スイッチ。
4. 【請求項４】請求項１または請求項２に記載の超音波ス
   イッチにおいて、感温制御回路が放電抵抗に並列接続さ
   れた負性抵抗素子であることを特徴とする超音波スイッ
   チ。