JPH0682155B2 - 超音波センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、一定の監視域に侵入した物体が一定時間以上
静止していることを検出することで、その物体の存在を
認知する超音波センサに関し、特に駐車場の駐車スペー
スに車が駐車しているか否かを検出する場合に有効であ
る。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕

一般に超音波センサは、移動する物体がその監視域に侵
入したか否かを反射波の有無をもって検知し、センサの
出力をON・OFFするものであったので、侵入した物体が
監視域内で静止したままの場合や、付近に歩行者等が存
在したときに誤動作することが多かった。また、超音波
は風や温度の影響を受けやすく、屋外では信頼性が低い
として限られた条件下でしか使用されなかった。

一方、静止物体か移動物体かを問わず、監視域に物体が
入れば検出するセンサとして赤外線センサがあるが、送
波器と受波器間をさえぎる物体は全て検知してしまうの
で、静止物体か移動物体かの判別は困難であり、しかも
水滴や汚れによって影響を受けやすいので、やはり静止
物体の検出には不適当であった。

さらに、静止物体の検出とはいえ、例えば駐車場の駐車
スペースにおいては車の存在のみを検出し、周囲の歩行
者や、立ち止まっている人の存在は検出しないというよ
うな、特定の種別のみの検出を行う超音波センサは従来
では発明されていない。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、屋内・屋外
を問わず検出域での静止物体の存在を検出するもので、
さらに静止物体の性質に応じて特定種別の物体の存在の
みを検出することができる超音波センサを提供すること
を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記課題を解決するために、一定周期で一群の
超音波を断続的に送波する送波手段と、超音波を受波・
増幅する手段と、この増幅信号を整流後、一定レベル以
上の検波信号要素を取り出すレベルスライス回路と、送
波器と受波器との距離によって予め定められ、直接波の
検出タイミングでONする直接波ゲート信号と、予め想定
した距離内での物体からの反射波のみの検出タイミング
でONする反射波ゲート信号と、上記検波信号要素を２つ
のゲート信号とをアンドゲートに入力し、直接波と反射
波とのそれぞれ別個のデジタル信号をとりだす手段とか
ら成る反射波・直接波検出回路と、上記送波から反射波
の受波までの時間差を測定する演算手段と、前回の測定
値を基準値とし、その後の測定値が前回の測定値の予め
設定した誤差許容値内に入ればその回数を累積的にカウ
ントする手段と、連続して所定のカウントに至れば静止
物体存在信号を出力し、その後誤差許容値内の測定値が
入力されている間は上記累積カウントをリセット側に保
持し、誤差許容値を外れた測定値が入力されれば上記カ
ウントを累積し、連続して所定のカウントに至れば静止
物体存在信号をOFFする手段と、それぞれの所定のカウ
ントに至るまでに測定値が上記誤差許容値から外れた場
合は累積カウントをリセットして上記基準値から再度測
定する手段とから成る制御回路とを備えた構成を採用し
た。

また、上記直接波のデジタル信号が検出できない等、所
定の一定周期から外れた場合には、故障信号を出力する
という手段も採用した。

〔作用〕

送波手段では一定の周期で超音波を断続的に送波してお
り、受波・増幅手段には廻り込んだ直接波が微少のディ
レイをもって同一周期で入力され、かつ監視域に物体が
存在する場合にはその反射波が入力される。この両入力
は１本の信号として処理されるが、アンドゲートにおい
てそれぞれ直接波と反射波の検出タイミングのゲート信
号によって直接波デジタル信号と反射波デジタル信号に
分離される。

上記デジタル信号のうち反射波デジタル信号が制御回路
に入力されれば、送波時刻と反射波の受波時刻との時間
差をデジタル処理、あるいはアナログ処理によって物体
までの距離に比例する値を演算し、測定値が前回の測定
値を基準値とする与えられた許容誤差内にあれば累積カ
ウントを進行させ、所定のカウントに至れば静止物体が
存在するものとして静止物体存在信号を出力する。反対
に測定値が前回の測定値の誤差を外れた場合には累積カ
ウント数をゼロにリセットし、初めから測定をやりなお
すものである。何れの場合にも、今回の測定値を次回の
測定に対する基準値として扱う。

また、一旦静止物体の存在が認められ、静止物体存在信
号が出力された状態で、累積カウンタのリセットとカウ
ントの両入力に入力される信号をスイッチ回路を通じて
入れ替えることにより、累積カウンタがカウントする内
容がこれまでの記述と逆転する。即ち、物体が引き続き
静止している場合には、上下限比較器の出力のアンド関
係が成立するが、比較タイミング信号はスイッチ回路を
通して累積カウンタのリセット入力に入力されるため、
累積カウンタの内容はゼロとなる。この状態で一時的に
物体が動いたり、周囲に他の移動物体が存在したりする
ことで、上述の許容誤差を越える測定値が得られた場合
には上下限比較器の出力アンドは成立せず、比較タイミ
ング信号は累積カウンタのカウント入力に入力され、カ
ウンタはその積算を進行することになる。このように、
所定のカウントに至れば静止物体存在信号はOFFになる
が、所定のカウントに達する前に再び物体が静止したと
認められる状態になったときは、累積カウンタはリセッ
トされ、ゼロに戻る。

上述の累積カウンタの動作を要約すると、先ず所定のカ
ウントに達するまで、物体が連続して静止状態であると
認められた場合には静止物体存在信号は出力され、その
前に一度でも物体が動いていると認められた場合には累
積カウンタはリセットされ、その内容はゼロとなり、再
び最初から所定回数の連続静止の測定の待機状態とな
る。反対に、一旦静止物体が存在することが認識された
後は、ごく短時間程度物体が動いたり、他の物体による
ノイズ等によってそのように認識されても、静止物体存
在信号は変化せず、物体が連続的に移動している、また
は連続的にその存在が認められない状態に至って始めて
累積カウンタが所定カウントに至り、これに伴って静止
物体存在信号がOFFとなる。

一方、直接波デジタル信号は送波手段からアンドゲート
までの回路が正常に機能している限りは確実に出力され
るが、この信号を監視することによって機器の故障を検
出できるという作用を奏する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に従って詳述すると、第１
図は超音波センサの反射波・直接波検出回路を示し、１
は一定周期で一群の超音波を断続的に作り出す送波部
（たとえば250ms間隔で1ms送波）、２はこれを外部に送
り出す送波器で、両者によって送波手段を構成する。送
波器２から送り出された超音波は、受波器３に入力され
るが、この場合、送波器２から直接廻り込んで入力され
る直接波、及び監視域に物体４が存在する場合にのみ入
力される反射波の両方共が受波器３に入力され、一つの
入力信号を形成する。この入力信号は極めて低レベルな
ので、増幅器５により増幅する。増幅後の信号はフィル
ター６を通した後、検波回路７によって検波し、一定レ
ベル以上を抽出するレベルスライス回路８を通し、直接
波・反射波のみの検波信号要素を取り出す。このように
してスライスレベル以下のノイズ成分は除去され、必要
な信号成分のみ出力される。

なお、フィルター６は必ずしも必要でなく、ノイズが少
ない場所に超音波センサを設置する場合には省略しても
よい。

一方、直接波と反射波とは時間的にずれがあるので、こ
の点に着目してアンドゲート９・10により別個に取り出
すことができる。即ち、送波器２と受波器３とは予め定
められた間隔で設けられているので、音速を基準に送波
から受波のディレイ時間が計算できるが、このタイミン
グでONするように直接波ゲート信号11を作る。また、反
射波は監視域での物体の位置によって受波に要する時間
が異なるが、所定の監視域（たとえば１〜3m）の最短距
離及び最長距離における要反射時間をカバーできるタイ
ミングでONするように反射波ゲート信号12を作る。この
直接波ゲート信号11及び反射波ゲート信号12をそれぞれ
アンドゲート９・10に入力し、検波信号要素を並列にア
ンドゲート９・10に入力すれば、直接波受信信号と反射
波受信信号とを別個に取り出すことができる。13は送波
部１による送波タイミング信号である。

第２図は超音波の送波から受信信号に至るまでの波形の
変化で、それぞれ送波タイミング14、送波波形15、受波
波形16、直接波波形17、反射波波形18、検波出力19、レ
ベルスライス回路の判定レベル20、レベルスライス回路
出力21、直接波ゲート信号22、反射波ゲート信号23、直
接波受信タイミング24、反射波受信タイミング25を示
す。

上記信号のうち、直接波受信信号は、回路が正常に機能
している限り反射波の存在如何にかかわらず一定周期で
出力されるものであるから、この信号を検出することに
よって正常に機能していることが確認され、反対に何ら
かの理由で信号が検出されない等、一定周期で出力され
なかった場合には故障信号を出力することによって、送
波部１からアンドゲート９までの回路の異常を確認する
ことができる。

今ここで、絶対的な静止物体を検出しようとする場合に
は、理論的には反射波受信信号は送波周期と全く一致し
た周期で出力されるのであるから、両者のタイミングを
比較することで十分である。しかし超音波は風の影響や
外気温の変化によって反射波が受波されるまでの時間が
一定でなく、さらに静止物体といえども完全に静止状態
を保持するものではなく、外部からの影響でゆらぎを生
ずるのが常である。従って、何らかの許容誤差を考慮す
る必要がある。さらに、たとえば駐車中の車と、立ち止
まっている人とではゆらぎの大きさが異なる。

本発明者はこの点に鑑み、ある一定のゆらぎを許容範囲
内としてとらえ、静止物体の識別をするために、次のよ
うな制御回路を用いた。

先ず、第３図はデジタル回路を用いて制御を行う場合の
ブロック図を示し、送波タイミング信号14と超音波セン
サの監視域に物体が侵入した場合に出力される反射波受
信タイミング信号25により動作を開始するものである。
図中、26は別に供給される基準クロックをカウントする
ことによって送波から受波までの時間を測定する時間間
隔カウンタである。次にＡブロックは、カウンタ26の現
在の計数値と前回の計数値とを比較して、予め設定され
た誤差許容値内に新しい計数値が位置しているか否かを
判定する回路で、27はラッチ回路、28・29はそれぞれ所
定の誤差の上限・下限、即ち誤差許容値を算出するため
の加算器、30・31はカウント値と誤差許容値の上限・下
限とをそれぞれ比較する比較器、32はカウント値が基準
値の誤差許容値内で静止判定出力信号を出力するアンド
ゲートである。

尚、33は制御タイミング発生回路で、一回毎の測定タイ
ミングに一致してカウンタ26をリセットし、ラッチ回路
27にラッチのタイミング信号を送り、さらに後述の静止
判定出力信号を累積する際のタイミング信号を出力す
る。

次に、Ｂブロックは、一回毎の静止判定出力信号を累積
し、静止物体存在信号を出力する回路で、34は排他的オ
アゲート、35は静止判定出力信号の累積カウンタ、36は
累積カウンタ35をカウントさせ、あるいはリセットさせ
るための切替スイッチで、37の切替スイッチと連動す
る。38は出力フリップフロップである。

上記制御回路の動作を説明すると、前記の測定での時間
差が時間間隔カウンタ26でＮカウントであった場合、こ
の測定値Ｎが次の測定のための基準値として先ずＡブロ
ックのラッチ回路27に記憶される。次に、予め設定した
許容誤差Δを加算器28・29で加減算し、Ｎ＋Δ、Ｎ−Δ
をそれぞれ比較器30・31に入力する。続いて２回目の時
間差信号が時間間隔カウンタ26で演算されN₁カウントさ
れると、そのカウント値は比較器30・31に入力される。
比較器30・31において予め演算された許容誤差内にある
と判定された場合にはアンドゲート32がONするのであ
る。また、時間間隔カウント26は制御タイミング発生回
路33からの信号によってリセットされ、ラッチ回路27も
ラッチタイミング信号にって制御され、以前にメモリさ
れていたＮはクリアされ、ラッチ回路にはN₁が代入さ
れ、これを基準値として次回以降の測定を次々に連続し
て実行する。

続いて、Ｂブロックにおける静止物体存在信号の出力制
御について説明すると、Ａブロックの最終段であるアン
ドゲート32からの出力信号は排他的オアゲート34に入力
され、これが切替スイッチ36に入力される。排他的オア
ゲート34の他方入力には静止物体存在信号の出力端が入
力されている。また、切替スイッチ36には制御タイミン
グ発生回路33から比較タイミング信号が入力され、この
タイミングで排他的オアゲート34から切替スイッチ36が
第３図の実線で示す状態になっている場合にのみ累積カ
ウンタ35を積算するようにしている。このようにして比
較のタイミングにおいてアンドゲート32から論理１の信
号が出力されている場合に限り累積カウンタ35はカウン
トを積算し、所定の回数ｎに達したときに、出力フリッ
プフロップ38をセットし、静止物体存在信号が出力され
るのである。

ところが、累積カウンタ35がｎ−１回以内のときに次の
時間間隔カウンタ26の計数値が直前の計数値の誤差許容
値内に入らなかった場合にはアンドゲート32は論理０を
出力し、比較タイミング信号が切替スイッチ36に入力さ
れるが、この場合には切替スイッチ36はリセット側に接
続されているため、累積カウンタ35がゼロにリセットさ
れるのである。

一方、累積カウンタ35が所定の回数ｎに達して出力フリ
ップフロップ38がセットされ、出力がONしている場合に
はこの出力がフィードバックされて排他的オアゲート34
に入力され、これによって排他的オアゲートがインバー
タの機能をする。即ち、引き続き物体が静止しておりア
ンドゲート32から論理１の信号が出力されている場合に
は排他的オアゲート34の出力は論理０となり、切替スイ
ッチ36は累積カウンタのリセット側に接続されているた
め、累積カウンタ35はリセット状態を維持する。

ところが他方、静止物体が実際に移動して監視域から出
た場合にはＡブロックでは検出する信号が存在しないの
でアンドゲート32からの出力が論理０となり、排他的オ
アゲート34は論理１の信号を出力するので、制御タイミ
ング発生回路33からの比較タイミング信号によって累積
カウンタ35が静止物体が存在しないことを検出するため
の積算を開始し、ｎ回に至ると出力フリップフロップ38
にリセットし、それまで出力されていた静止物体存在信
号をOFFにするのである。この場合にも累積カウンタ35
が（Ｎ−１）カウントに達する以前に再び物体が静止し
たと認められた場合には累積カウンタ35はリセットされ
る。したがって、一旦静止物体が存在するという判断を
下した後は、少々の物体のゆらぎが発生しても、また実
際に短時間物体が移動しても累積カウンタ35はリセット
状態に戻され、ゆらぎとしてこれを無視することができ
るのである。

第４図にデジタル回路を用いた場合のタイミングチャー
トを示す。

なお、排他的オアゲート34は、アンドゲートとナンドゲ
ートを組み合わせる等、他の構成を用いることもある。
要は、一旦出力フリップフロップ38からの信号が論理１
になった場合には他方の入力信号に対してインバータの
機能をする回路であれば十分である。

次に、上記デジタル回路のうち、時間間隔カウンタ26お
よびＡブロックにアナログ回路を用いて制御を行う場合
のブロック図を第５図に示すと、39は送波タイミングと
反射波受信タイミングとによって後段を制御するための
タイミング発生回路、40は定電流電源、41は送波から反
射波受信までの時間のみONする充電スイッチ、42は定電
流で充電されるコンデンサ、43は放電スイッチ、44は高
い入力インピーダンスをもつバッファ増幅回路、45は増
幅された電圧を一定時間保持し、出力するサンプルホー
ルド回路、46・47はサンプルホールド回路45からの出力
に対し、設定誤差の上限・下限電圧を設定し、次の電圧
値がその範囲内にあるか否かを判断するための比較器、
48は上記設定誤差内のときにONするアンドゲートであ
り、前述のデジタル回路におけるＢブロックにON信号を
出力する。

上記アナログ回路の動作を説明すると、先ず超音波セン
サの監視域に物体が侵入すると反射波受信信号が出力さ
れると、タイミング発生回路39に送波タイミングと反射
波受信タイミングが入力される。この回路からのタイミ
ング信号により、送波と反射波受信との時間間隔だけス
イッチング素子等で構成された充電スイッチ41がONし、
コンデンサ42に充電される。充電は定電流で行われるた
め、コンデンサ42の両端の電圧は時間と完全に比例して
直線的に上昇する。これをバッファ増幅器44で増幅した
電圧Ｖはサンプルホールド回路45に入力され且つ記憶さ
れ、比較器46・47に出力される。比較器46・47で予め設
定した誤差Δ％のそれぞれ上限・下限値が比較電圧（10
0×Δ）V/100、（100−Δ）V/100として各々入力され
る。即ち、たとえば設定誤差を５％とすれば、上限比較
器の入力は増幅器の増幅率を1.05とし、下限比較器の入
力には抵抗によってR₂／（R₁+R₂）＝0.95となるように
定める。ここで、上記実施例では各測定値に対する割合
として％で許容誤差を与えたが、代わりに絶対値として
比較値を与えることも容易である。続いて２回目のタイ
ミング信号によってタイミング発生回路からの出力に従
い、事前に放電スイッチ43によってコンデンサを放電し
て待機状態となっていたものが、再度送波と反射波受信
との時間間隔分だけ充電されて電圧V_aがバッファ増幅器
44より出力されると、比較器46・47に入力され、誤差許
容値内であればアンドゲート48がONし、デジタル回路に
おけるＢブロックと同様の処理によって累積カウントが
積算される。また、この後、次の測定の準備としてサン
プルホールド回路45には当初の電圧Ｖに代えてV_aがホー
ルドされ、コンデンサ42は放電スイッチ43により放電さ
れるが、このサンプリングとホールドおよび放電の制御
はタイミング発生回路39からの信号によって行ってい
る。その後、デジタル回路の場合と同様、累積カウンタ
がｎ回カウントすれば始めて静止物体存在信号を出力す
る。ｎ−１回以内で設定誤差を外れた場合にもカウント
をリセットし、初期状態まで復帰させる構成（図示せ
ず）もデジタル回路において説明したと同様である。

なお、誤差の設定及び検出時間は、検出しようとする対
象に応じて任意に行うことができる。たとえば、センサ
の方向に対して1cmのゆらぎを生じている物体を静止物
体として扱う場合にはその範囲に相当する誤差を設定し
てやれば人体を検出することはない（人が意識的に静止
しようとしても必然的にそれ以上の動きが生じるので検
出対象から外れてしまうことになる）。従って駐車場等
では駐車中の車のみ検出できるので、駐車スペースの存
・不在をエラーなしに検出できる。また累積カウントｎ
を大きくすればする程正確な検出が可能であるが、静止
物体が認識されるまで時間が長くなる。従ってｎの大き
さは超音波センサの設置場所、検出対象の性格に応じて
適切な値を定める必要がある。また、静止物体存在信号
が出力されるためのｎの値と、この信号がOFFになると
きの値とは、一致させる必要はなく、異なる値として設
定することも自由である。

〔発明の効果〕

本発明の超音波センサは、送波から受波までの時間差を
検出してこれと次の時間差を比較し、連続して設定誤差
に入る測定が所定回数カウントされた場合に始めて静止
物体検出信号を出力し、それ以外の場合には最初から演
算するようにしたので、物体の静止を確実に検出できる
ばかりでなく、誤差の設定値を調整することにより微動
する物体をも静止物体として扱い、さらに物体の性格に
応じて適切な誤差を設定することにより物体の識別をも
可能とした。

また、所定の幅をもたせて誤差を設定することにより風
等で物体がゆらぐ場合にも静止物体として検出すること
ができるので、従来の超音波センサでは不適当であった
屋外においても誤動作なく使用することができた。

さらに、所定のカウントを任意に設定することができる
ので、この回数を多くすることによりきめ細かい検出が
できるようになった。

さらにまた、別個に直接波のみを取り出し、これを検出
するようにしているので、この信号が出力されない場合
や周期が一定でない場合には送波部からアンドゲートの
間に何らかの故障が生じたという確認ができ、日常の整
備においても労力の削減が可能となる等、従来では解消
できなかった課題を一気に解決できる超音波センサを提
供することができた。特に、非常に多数のセンサを使用
する駐車場等では、誤動作を生じないようにするため、
また故障の診断を容易にするために有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波センサの反射波・直接波検出回
路の一実施例を示すブロック図、第２図は超音波の波形
変化を示すグラフ、第３図はデジタル制御の一実施例を
示すブロック図、第４図はそのタイミングチャート、第
５図はアナログ制御の一実施例を示すブロック図であ
る。 尚、図中２…送波器、３…受波器、８…レベルスライス
回路、９・10…アンドゲート、11…直接波ゲート信号、
12…反射波ゲート信号。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一定周期で一群の超音波を連続的に送波す
   る送波手段と、超音波を受波・増幅する手段と、この増
   幅信号を検波後、一定レベル以上の検波信号要素を取り
   出すレベルスライス回路８と、送波器２と受波器３との
   距離によって予め定められ、直接波の検出タイミングで
   ONする直接波ゲート信号11と、予め想定した距離内での
   物体からの反射波のみを検出するタイミングでONする反
   射波ゲート信号12と、上記検波信号要素を２つのアンド
   ゲート９・10に並列に入力すると共に、上記直接波ゲー
   ト信号を一方のアンドゲート９に、上記反射波ゲート信
   号を他方のアンドゲート10に入力し、直接波と反射波と
   のそれぞれ別個のデジタル信号をとりだす手段とから成
   る反射波・直接波検出回路と、 上記送波から反射波の受波までの時間差を測定する演算
   手段と、前回の測定値を基準値とし、その後の測定値が
   前回の測定値の予め設定した誤差許容値内に入ればその
   回数を累積的にカウントする手段と、連続して所定のカ
   ウントに至れば静止物体存在信号を出力し、その後誤差
   許容値内の測定値が入力されている間は上記累積カウン
   トをリセット側に保持する一方、誤差許容値を外れた測
   定値が入力されれば改めてカウントを累積し、連続して
   所定のカウントに至れば上記静止物体存在信号をOFFす
   る手段と、上記それぞれの所定のカウントに至るまでに
   測定値が上記誤差許容値から外れ、あるいは許容値内で
   ある場合は累積カウントをリセットして上記基準値から
   再度測定する手段とから成る制御回路とを備えたことを
   特徴とする超音波センサ。
2. 【請求項２】直接波のデジタル信号が受波されず、また
   は所定の一定周期から外れた場合に故障信号を出力する
   請求項１記載の超音波センサ。