JP4178637B2 - 超音波センサの送受波回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波パルス波が検知対象物から反射して戻ってくることを利用して検知対象物を検出する超音波センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、送波回路から送波されたパルス信号を超音波振動子を介して超音波に変換し、超音波信号が検知対象物によって反射され、再び超音波振動子で電気信号に変換されたものを受波回路で増幅・検波し、検知対象物までの距離を検出する超音波センサ装置がある。このような従来の超音波センサ装置を図４及び図５を用いて説明する。図４は超音波センサ装置のブロック図であり、図５は超音波センサ装置の受波波形および検波波形である。
【０００３】
図４に示すように従来の超音波センサ装置１は、送波部２と受波部３と超音波振動子４と制御部５と表示部６とを備える。送波部２は、所定周波数の超音波パルス波を、検知領域へ簡潔的に放射するものである。
【０００４】
送波部２は、周期発振回路２０と、送波ゲート回路２１と、駆動回路２２とを備える。周期発振回路２０は、超音波パルス波を放射するタイミングを設定するための、同期パルスを生成して出力する。送波ゲート回路２１は、超音波パルス波のパルス幅を設定する。駆動回路２２は、送波ゲート回路２１の出力する超音波パルス波を、超音波振動子４を駆動できるレベルに電力増幅して、超音波振動子４へ出力する。超音波振動子４は、駆動回路２２の出力に基づいて振動して、検知領域へ図６（ａ）に示すような所定周波数（通常は４０ＫＨｚ程度）で所定時間幅の超音波パルス波を放出する。
【０００５】
超音波振動子４は、検知対象物から反射してもどってくる超音波パルス波を受波するとともに、この受波するパルス波の音圧変化を電圧変化に逐次変換して、増幅器３０へ出力する。増幅器３０は、超音波振動子４の出力する超音波周波数の電圧信号を増幅して、図５（ａ）に示すような出力電圧を検波回路３１へ出力する。
【０００６】
検波回路３１は、超音波振動子４の受波する音圧レベルに比例した電圧信号を得るために、増幅器３０の出力する超音波周波数の電圧信号の山部分をつなぐ包絡線を得るように構成され、波形形成回路３２へ出力する。
【０００７】
波形形成回路３２は、予め定められたしきい値（Ｖｔｈ）としての基準電圧と検波回路３１からの出力電圧とを比較してしきい値電圧を上回る出力電圧のみを出力するように構成され、図５（ｂ）に示すような出力電圧を制御部５へ出力する。制御部５は、マイコンを含んで構成されており、超音波センサ装置１全体の制御を司っている。表示部６は、制御部５の表示に基づいて、超音波センサ装置１から障害物までの距離を表示する。
【０００８】
さらに、超音波センサ装置の送受波回路について詳細に説明する。図６に示すように、従来の超音波センサの送受波回路は超音波振動子２を含んで送波回路１と付加抵抗３と受波回路４と可変コイル５とを備える。送波回路１は所定周波数の超音波を、検知領域へ間欠的に送波させるものである。受波回路４は、超音波振動子が受波した反射波を増幅・検波する。受波波形には、図５（ａ）に示すように超音波振動子駆動後の残響波形と、検知対象物からの反射波形が現れる。
【０００９】
ここで、超音波センサの極近傍に位置する検知対象物を検知するためには、残響波の持続時間Ｔを十分短くする必要があり、一般に超音波センサにおいては、送波回路と受波回路との間にとりつけた可変コイル５と、超音波振動子のもつ静電容量とで並列共振回路を構成し、可変コイル５のインダクタンスを調整することにより、超音波振動子と並列共振回路との同調をとり、残響波の持続時間を最小にしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に可変コイルは体積が大きく、上述のような超音波送受波回路の小型化においては、この可変コイルの大きさが問題となる。また、小型化により送受波回路を高密度実装した場合、可変コイルの漏れ磁束によるノイズの影響が問題となる。
【００１１】
さらに、超音波送受波回路においては、超音波振動子の共振周波数が周囲温度によって変化した場合、上述の並列共振回路と超音波振動子との同調がとれなくなる。その結果、超音波振動子の残響の持続時間が長くなり、超音波センサ近傍にある障害物の検知が不可能になる。
【００１２】
本発明は、この点を鑑みてなされたものであり、アクティブフィルタを用いることよりその第1の目的とするところは、小型化、ＩＣ化を可能となる優れた超音波センサの送受波回路を提供することであり、第２の目的とするところは漏れ磁束の影響もなく且つ温度特性の安定した優れた超音波センサの送受波回路を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１は所定の周波数のパルス信号を間欠的に送波する送波回路と、該パルス信号を印加することで空中へ超音波を放射させ且つ反射物体からの反射波を受波する超音波振動子と、受波した反射信号を増幅する受波回路とからなるパルス式超音波センサの送受波回路において、超音波振動子と並列に演算増幅器、固定抵抗、可変抵抗及びコンデンサから構成されるフィルタ回路を付加したことを特徴とするものである。さらに、請求項２は請求項１記載の超音波センサの送受波回路において、前記フィルタ回路は２個の演算増幅器を有することを特徴とするものである。さらに、請求項３は請求項１又は２記載の超音波センサの送受波回路において、前記フィルタ回路への入力電流の時間変化が前記フィルタ回路への入力電圧に比例することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４は請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超音波センサの送受波回路において、前記フィルタ回路に使用する抵抗として抵抗値が温度に依存する感温型の抵抗を用いることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超音波センサの送受波回路の第１の実施の形態を図１に、参考形態を図２に、第２の実施の形態を図３に基づいて、夫々詳細に説明する。
【００１７】
［第１の実施の形態］図１は超音波振動子と並列にフィルタ回路であるアクティブフィルタを付加した図である。図１に示すように、超音波振動子２と並列に接続されたアクティブフィルタ７は２つの演算増幅器７ａ、７ｂと固定抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ４と可変抵抗Ｒ３とコンデンサＣ１とから構成される。
【００１８】
ここで、超音波振動子２の端子間電圧をＶとすると抵抗Ｒ１を流れる電流ｉとの関係は、Ｖ＝Ｃ１・(Ｒ１・Ｒ２・Ｒ４／Ｒ３)・ｄｉ／ｄｔで表され、アクティブフィルタ７がインダクタンスＬ＝Ｃ１・（Ｒ１・Ｒ２・Ｒ４ /Ｒ３）のコイルと等価であることを示す。ここで、Ｖ＝Ｃ１・(Ｒ１・Ｒ２・Ｒ４／Ｒ３)・ｄｉ／ｄｔの関係式を詳しく説明すると下記に示すようになる。
【００１９】
【数１】

【００２０】
図１では、可変抵抗Ｒ３により等価インダクタンスＬを変化させることで、アクティブフィルタ７と超音波振動子２の静電容量とから構成される並列共振回路の共振周波数を超音波振動子２の共振周波数と同調させている。
【００２１】
上述したようにアクティブフィルタが抵抗、コンデンサ、トランジスタ及び演算増幅器等のアクティブ素子から構成され、またアクティブフィルタの等価インダクタンスの調節を可変抵抗によって行うため、送受波回路の小型化及びＩＣ化が可能である。また、可変コイルとは異なり漏れ磁束の影響も考えなくてよい。
【００２２】
［参考形態］図２は、アクティブフィルタ７を超音波振動子２と送波回路１との間に直列に付加した図である。なお、本参考形態の超音波センサの送受波回路の基本構成は、前述した第１の実施の形態とよく似ており、同じ部分については同一の番号を付してその詳細な説明を省略する。
【００２３】
送波後には、アクティブフィルタ７の送波回路１側の端子がグランドに落ちる。即ち送波回路から送られる送波パルスは、０Ｖを基準にしているので送波終了後は、アクティブフィルタ７の送波回路１側の端子の電位が０Ｖになる。従がって受波時には、実質上前述した第１の実施の形態の回路構成と同じくアクティブフィルタ７は、超音波振動子と並列に付加された状態となり、同一の作用を有する。
【００２４】
［第２の実施の形態］図３は、アクティブフィルタを構成する抵抗の一つをとして抵抗値が、温度に依存する感温型の抵抗とした図である。なお、本実施の形態の超音波センサの送受波回路の基本構成は、第１の実施の形態とよく似ており、同じ部分については同一の番号を付してその詳細な説明を省略する。
【００２５】
一般に、超音波振動子２の静電容量の温度特性によって、超音波振動子２の静電容量とコイル等価アクティブフィルタとで構成される並列共振回路の共振周波数が温度特性を持つ。抵抗Ｒ４が周囲温度によって変化するため、アクティブフィルタ７の等価インダクタンスＬが変化する。そこで、アクティブフィルタ７に感温型の抵抗を用いることで、等価インダクタンスＬに温度特性をもたせ、これによって超音波振動子の静電容量の温度特性による共振周波数の温度特性をキャンセルする。
【００２６】
なお、感温型の抵抗とは、感温抵抗やサーミスタのように、特定の温度特性を有する抵抗のことを指す。ここでは、サーミスタに抵抗（温度特性の無い通常の抵抗）を直・並列に接続することで、所望の温度勾配を得る。
【００２７】
上述したように感温型の抵抗を用いることで、アクティブフィルタと超音波振動子の静電容量とで構成される並列共振回路の共振周波数の温度係数と、超音波振動子の共振周波数の温度係数とを一致させれば、並列共振回路の共振周波数を超音波振動子の共振周波数の温度特性に追従させて自動的に変化させることができる。その結果、周囲温度が変化しても、自動的に残響波の持続時間が最短にすることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１乃至請求項３記載の発明によれば、送受波回路の小型化及びＩＣ化が可能であり、且つ漏れ磁束の影響も考える必要がなく、安定した検知が行えると言う効果を奏する。
【００２９】
請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３記載の発明の効果に加え更に、フィルタ回路を含む並列共振回路の共振周波数を超音波振動子の共振周波数の温度特性に追従して自動的に変化させるので、周囲の温度が変化しても、自動的に残響波の持続時間を最小にすることができ、超音波センサ近傍の障害物検知を温度に対して安定に行えると言う効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の超音波センサの送受波回路の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る参考形態の超音波センサの送受波回路の構成を示す図である。
【図３】本発明に係る第２の実施の形態の超音波センサの送受波回路の構成を示す図である。
【図４】従来の超音波センサ装置のブロック図である。
【図５】従来の超音波センサの受波波形および検波波形である。
【図６】従来の超音波センサの送受波回路の構成である。
【符号の説明】
１ 超音波振動子
２ 付加抵抗
３ 送波回路
４ 受波回路
７ アクティブフィルタ（フィルタ回路）
７ａ 演算増幅器
７ｂ 演算増幅器
Ｒ１ 固定抵抗
Ｒ２ 固定抵抗
Ｒ４ 固定抵抗
Ｒ３ 可変抵抗

Claims (4)

1. 所定の周波数のパルス信号を間欠的に送波する送波回路と、前記パルス信号を印加することで空中へ超音波を放射させ、且つ反射物体からの反射波を受波する超音波振動子と、受波した反射信号を増幅する受波回路と、から成るパルス式超音波センサの送受波回路において、前記超音波振動子と並列に演算増幅器、固定抵抗、可変抵抗及びコンデンサから構成されるフィルタ回路を付加したことを特徴とする超音波センサの送受波回路。
2. 前記フィルタ回路は２個の演算増幅器を有することを特徴とする請求項１記載の超音波センサの送受波回路。
3. 前記フィルタ回路への入力電流の時間変化が前記フィルタ回路への入力電圧に比例することを特徴とする請求項１又は２記載の超音波センサの送受波回路。
4. 前記フィルタ回路に用いる抵抗は、抵抗値が温度に依存する感温型の抵抗であることを特徴とした請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超音波センサの送受波回路。

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