JP2000304850A - 超音波センサの送波回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 部品点数を大幅に増加させることなく超音波
の送波のエネルギーを大きくし、もって超音波センサの
Ｓ／Ｎ比を従来より向上させる。 【解決手段】 送波回路２は、高周波信号により超音波
振動子１を駆動して超音波を送波する。スイッチング回
路４は、直流電源である電源回路１０から供給された直
流電力をトランジスタよりなるスイッチング素子Ｑ１で
スイッチングすることによって上記高周波信号を生成
し、超音波振動子１とコイルＬ１との並列回路に与え
る。その結果、スイッチング素子Ｑ１のスイッチングに
よりコイルＬ１に発生する起電力によって、超音波振動
子１への印加電圧は、電源回路１０の出力電圧Ｖと負電
圧−Ｖａとの間で振動する波形となり、絶対値としては
出力電圧Ｖよりも大きい電圧が印加されることになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波センサの送
波回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、超音波振動子から超音波を送
波し、物体からの反射波を上記超音波振動子で受波し、
送波した超音波と受波した反射波との間の時間差に基づ
いて、超音波振動子から物体までの距離を検出する超音
波センサが知られている。

【０００３】この種の超音波センサには、例えば図６に
示すような構成を有するものがある。この超音波センサ
は、超音波を送受波する超音波振動子１と、超音波振動
子１を駆動して超音波を送波させる送波回路２’と、超
音波振動子１で受波された超音波に基づいて受波信号
（後述する）を生成する受波回路３と備えている。

【０００４】送波回路２’は、所定周波数（通常は４０
ＫＨｚ程度）で所定時間幅のパルス状の高周波信号（以
下、高周波パルス信号という）を間欠的に出力すること
により、超音波振動子１から超音波パルス波を送波させ
る。つまり、高周波パルス信号を出力するタイミングを
設定するための同期パルスが周期発振回路２ａで生成さ
れ、高周波パルス信号の時間幅を設定する送波ゲート回
路２ｂにより同期パルスのタイミングで間欠的に出力さ
れる高周波パルス信号が生成されて、この高周波パルス
信号が増幅回路２ｃで超音波振動子１を駆動することが
できるレベルまで電力増幅されることにより、超音波振
動子１が駆動される。

【０００５】超音波振動子１は、上述した高周波パルス
信号に基づいて振動することにより超音波パルス波を送
波し、物体からの反射波を含む超音波を受波するととも
に、この受波した超音波の音圧変化を電圧変化に変換し
た信号を受波回路３に出力する。

【０００６】受波回路３では、超音波振動子１から出力
された信号を増幅器３ａで増幅した後、検波回路３ｂに
入力する。検波回路３ｂは、超音波振動子１が受波した
超音波の音圧レベルに比例した電圧信号を得るために、
増幅器３ａの出力電圧の包絡線を抽出し、この電圧を波
形整形回路３ｃに出力する。波形整形回路３ｃは、あら
かじめ設定された基準電圧と検波回路３ｂの出力電圧と
を比較して、検波回路３ｂの出力電圧が基準電圧を上回
る期間をＨレベルとする２値信号を受波信号として制御
部２０に出力する。

【０００７】上述した構成によって、増幅器３ａの出力
信号は、例えば図７（ａ）に示すような波形となり、超
音波振動子１を駆動している駆動時間Ｔ１は高周波パル
ス信号の回り込みによる信号が出力される。また、超音
波振動子１から超音波が送波された後にも残響振動によ
る信号が持続時間Ｔ２だけ出力される。このような駆動
時間Ｔ１および持続時間Ｔ２を除く時間において、物体
からの反射波が受波可能になり、物体からの反射波を受
波したときには反射波形Ｂ１が得られる。

【０００８】このような増幅器３ａの出力信号を検波し
波形整形することによって、図７（ｂ）に示すように、
駆動波形と残響波形とに基づく入射信号Ｆと、反射波形
Ｂ１に基づく反射信号Ｂとを含む受波信号が制御部２０
に入力される。

【０００９】制御部２０は、マイコンを含んで構成され
ており、超音波センサ全体を制御するとともに、上述し
た同期パルスと反射信号Ｂとの間の時間差に基づいて超
音波振動子１から物体までの距離を求め、この距離を表
示部２１に表示させる。

【００１０】ところで、物体からの反射波に対応する信
号レベルとその他の音響ノイズや電気的ノイズに起因す
るノイズレベルとの比（Ｓ／Ｎ比）が大きいほど、検知
可能な空間領域を広く設定することができる。近距離側
について検知可能な空間領域を広げるには、残響振動の
持続時間Ｔ２を減少させることが要求される。つまり、
残響振動の持続時間Ｔ２が長くなると、残響振動の影響
により超音波振動子１の極近傍に位置する物体を検出す
ることができなくなる。そこで、図８（ａ）に示すよう
に、超音波振動子１と並列に可変コイルであるコイルＬ
１’を接続することが考えられる。コイルＬ１’のイン
ダクタンスを調節すれば、超音波振動子１の電極間容量
とコイルＬ１’とにより構成される並列共振回路の共振
周波数を残響振動の周波数に一致させることができる。
この条件に設定すると、残響振動の持続時間Ｔ２を短く
することができ、結果的に超音波振動子１の極近傍に位
置する物体の検出が可能になる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】一方、遠距離側につい
て検知可能な空間領域を広げるには、上述した超音波セ
ンサでは、超音波の送波および受波を効率よく行うこと
が必要である。つまり、送波のエネルギーを大きくし、
受波の感度を高めることが考えられる。しかしながら、
このような構成は一般に部品点数の大幅な増加をもたら
し、大型化・高価格化の要因になる。

【００１２】本発明は上記事由に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、部品点数を大幅に増加させることな
く超音波の送波のエネルギーを大きくし、もってＳ／Ｎ
比を従来より向上させる超音波センサの送波回路を提供
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、高周
波信号により超音波振動子を駆動して超音波を送波する
とともに、物体からの反射波を受波し、送波した超音波
と受波した反射波との関係によって上記物体を検出する
超音波センサに用いられ、上記超音波振動子を含む振動
子回路と第１のコイルとの並列回路と、直流電源と上記
並列回路との間に挿入されスイッチングにより上記高周
波信号を生成するスイッチング回路とを備えるものであ
る。この構成によれば、直流電源からの直流電圧をスイ
ッチング回路により断続させて超音波振動子を含む振動
子回路と第１のコイルとの並列回路に印加するから、ス
イッチング回路のスイッチングにより第１のコイルに生
じる起電力を利用して超音波振動子の両端に印加される
電圧の振幅を直流電源の電圧よりも大きくすることがで
きるので、超音波振動子からの超音波の送波のエネルギ
ーを高めることができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることがで
きる。

【００１４】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、上記振動子回路を上記超音波振動子と第２のコイル
との直列回路としたものである。この構成によれば、超
音波振動子の電極間容量と第２のコイルとにより直列共
振回路が構成され、この直列共振回路に共振電流を流す
ことによって超音波振動子の両端電圧を一層大きくする
ことができ、超音波振動子からの超音波の送波の効率を
高めることができる。

【００１５】請求項３の発明は、高周波信号により超音
波振動子を駆動して超音波を送波するとともに、物体か
らの反射波を受波し、送波した超音波と受波した反射波
との関係によって上記物体を検出する超音波センサに用
いられ、上記超音波振動子と並列接続され中間端子を設
けたコイルと、このコイルの一端と中間端子との間の巻
線と直流電源との間に挿入されスイッチングにより上記
高周波信号を生成するスイッチング回路とを備えるもの
である。この構成によれば、直流電源からの直流電圧を
スイッチング回路により断続させて上記コイルの一端と
中間端子との間の一方の巻線に印加するから、スイッチ
ング回路のスイッチングにより上記一方の巻線に生じる
起電力を利用して超音波振動子の両端に印加される電圧
の振幅を直流電源の電圧よりも大きくすることができる
ので、超音波振動子からの超音波の送波のエネルギーを
高めることができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができ
る。また、上記コイルの他端と中間端子との間の他方の
巻線は超音波振動子と直列接続されるので、超音波振動
子の電極間容量と上記他方の巻線とにより直列共振回路
が構成され、この直列共振回路に共振電流を流すことに
よって超音波振動子の両端電圧を一層大きくすることが
でき、超音波振動子からの超音波の送波の効率を高める
ことができる。しかも、中間端子を設けたコイルを用い
ることにより、２つのコイルを別々に設ける必要がな
く、送波回路の小型化と低コスト化とを図ることができ
る。

【００１６】請求項４の発明は、請求項３の発明におい
て、上記コイルの上記中間端子と上記一端との間のイン
ダクタンスを可変とするように巻線内に出し入れ可能に
挿入されたコアを上記コイルに設けたものである。この
構成によれば、コアを出し入れすることにより上記コイ
ルの一端と中間端子との間のインダクタンスを変化させ
ることができ、超音波振動子の電極間容量と上記コイル
とにより構成される並列共振回路の共振周波数を変化さ
せることができるので、超音波振動子の残響振動の振幅
を小さくするように共振周波数を設定することが可能に
なり、残響振動の持続時間を短くすることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１８】（実施形態１）本実施形態の送波回路２
は、図１（ａ）に示すように、振動子回路としての超音
波振動子１と並列接続されたコイルＬ１と、直流電源で
ある電源回路１０とコイルＬ１との間に挿入され電源回
路１０から供給された直流電力をスイッチングすること
により高周波パルス信号を生成するスイッチング回路４
とを備え、この高周波パルス信号を超音波振動子１とコ
イルＬ１との並列回路に与えることにより超音波振動子
１から超音波を間欠的に送波させるものである。

【００１９】スイッチング回路４は、トランジスタより
なるスイッチング素子Ｑ１と、スイッチング素子Ｑ１を
スイッチングさせるための信号を生成する発振回路５と
により構成される。受波回路３の構成は従来例と同様で
ある。

【００２０】上述した構成によって、スイッチング回路
４からの高周波パルス信号が超音波振動子１とコイルＬ
１との並列回路に与えられる。この高周波パルス信号は
電源回路１０からの直流電圧を断続させたものになる。

【００２１】しかして、スイッチング素子Ｑ１がオンし
ているときには、超音波振動子１の両端に電源回路１０
の出力電圧Ｖが印加され、コイルＬ１に電流ｉが流れ込
む。その後、スイッチング素子Ｑ１がオフすると、コイ
ルＬ１に電流ｉを流し続ける向きに起電力が発生し、こ
れによって超音波振動子１には出力電圧Ｖに対して逆極
性である負電圧−Ｖａが印加される。この負電圧−Ｖａ
の大きさは、スイッチング素子Ｑ１がオンしているとき
にコイルＬ１に流れていた電流ｉとコイルＬ１のインダ
クタンスとによって決まる。その結果、超音波振動子１
への印加電圧は、図１（ｂ）に示すように出力電圧Ｖと
負電圧−Ｖａとの間で振動する波形となり、絶対値とし
ては出力電圧Ｖよりも大きい電圧が印加されることにな
る。

【００２２】上述したように、本実施形態では、電源回
路１０からの直流電圧をスイッチング回路４で断続させ
て超音波振動子１とコイルＬ１との並列回路に与えるか
ら、超音波振動子１への印加電圧の振幅を電源回路１０
の出力電圧Ｖよりも大きくすることができるので、超音
波振動子１から送波される超音波のエネルギーを従来構
成より大きくすることが可能になり、超音波振動子１か
らの超音波の送波を効率よく行い超音波センサのＳ／Ｎ
比を向上させることができる。

【００２３】また、コイルＬ１には可変コイルを用いて
おり、コイルＬ１のインダクタンスを調節すれば、超音
波振動子１の電極間容量とコイルＬ１とにより構成され
る並列共振回路の共振周波数を超音波振動子１の残響振
動の周波数と一致させることができ、そのとき、図１
（ｂ）に示す残響振動の持続時間Ｔ２を最小にすること
ができる。

【００２４】（実施形態２）本実施形態は、図２（ａ）
に示すように、超音波振動子１と直列にコイルＬ２を接
続し、超音波振動子１とコイルＬ２との直列回路と並列
にコイルＬ１を接続したものであり、他の構成は実施形
態１と同様である。

【００２５】本実施形態では、超音波振動子１の電極間
容量とコイルＬ２とにより直列共振回路が構成され、こ
の直列共振回路の共振作用によって、超音波振動子１の
両端電圧は図２（ｂ）に示すような波形となり、図１
（ｂ）に示した実施形態１の波形よりも振幅を大きくす
ることができる。また、上記直列共振回路の共振周波数
とスイッチング素子Ｑ１のスイッチング周波数とを一致
させたときには、超音波振動子１の両端電圧の振幅が最
大になる。

【００２６】上述したように、本実施形態では、超音波
振動子１とコイルＬ２との直列回路にコイルＬ１を並列
接続することにより、実施形態１よりも超音波振動子１
の両端電圧を大きくすることができ、超音波振動子１か
らの超音波の送波の効率を高めることができる。

【００２７】（実施形態３）本実施形態は、図３に示す
ように、中間端子ＴＭを設けたコイルＬ３ａを超音波振
動子１と並列接続し、中間端子ＴＭにスイッチング素子
Ｑ１のエミッタを接続したものである。コイルＬ３ａの
接地された一端と中間端子ＴＭとの間の一方の巻線をコ
イルＬ１ａとし、他方の巻線をコイルＬ２ａとすると、
コイルＬ１ａの両端にはスイッチング回路４により生成
された高周波パルス信号が与えられ、コイルＬ２ａは超
音波振動子１と直列接続される。他の構成は実施形態１
と同様である。

【００２８】このような構成によって、コイルＬ１ａ，
Ｌ２ａは上述した各実施形態で説明したコイルＬ１，Ｌ
２と同様の接続状態となるので、上述した各実施形態と
同様に、超音波振動子１への印加電圧の振幅を大きくし
て超音波振動子１からの超音波の送波を効率よく行い超
音波センサのＳ／Ｎ比を向上させることができる。

【００２９】しかも、中間端子ＴＭを設けたコイルＬ３
ａを用いることにより、コイルＬ１ａ，Ｌ２ａを別々の
コイルとして設ける必要がなく、送波回路２の小型化と
低コスト化とを図ることができる。

【００３０】（実施形態４）本実施形態は、図４に示す
ように、実施形態３と同様に中間端子ＴＭを設けたコイ
ルＬ３ｂを超音波振動子１と並列接続し、中間端子ＴＭ
にスイッチング素子Ｑ１のエミッタを接続したものであ
る。ただし、接地側のコイルＬ１ｂは可変コイルとして
ある。

【００３１】コイルＬ３ｂは、図５（ａ）に示すよう
に、一端部に鍔部６ａを有するコア６をコイルＬ３ｂの
巻線内に出し入れ可能に挿入した構成を有する。したが
って、図５（ｂ）に示すように、コア６を図に矢印Ａで
示す向きに引き上げると、コア６の下端部とコイルＬ１
ｂの下端部との間に空隙Ｗが生じてコイルＬ１ｂのイン
ダクタンスが変化する。つまり、コイルＬ１ｂはコア６
を出し入れすることによりインダクタンスが変化する可
変コイル（図５（ｃ）参照）となる。他の構成は実施形
態１と同様である。

【００３２】本実施形態では、実施形態３と同様に中間
端子ＴＭを設けたコイルＬ３ｂを用いることにより、送
波回路２の小型化と低コスト化とを図ることができる。
しかも、コア６を出し入れすることによりコイルＬ１ｂ
のインダクタンスを調節すれば、超音波振動子１の電極
間容量とコイルＬ３ｂとにより構成される並列共振回路
の共振周波数を超音波振動子１の残響振動の周波数と一
致させることができ、残響振動の持続時間を最小にする
ことができる。

【００３３】

【発明の効果】請求項１の発明は、高周波信号により超
音波振動子を駆動して超音波を送波するとともに、物体
からの反射波を受波し、送波した超音波と受波した反射
波との関係によって上記物体を検出する超音波センサに
用いられ、上記超音波振動子を含む振動子回路と第１の
コイルとの並列回路と、直流電源と上記並列回路との間
に挿入されスイッチングにより上記高周波信号を生成す
るスイッチング回路とを備えるものであり、直流電源か
らの直流電圧をスイッチング回路により断続させて超音
波振動子を含む振動子回路と第１のコイルとの並列回路
に印加するから、スイッチング回路のスイッチングによ
り第１のコイルに生じる起電力を利用して超音波振動子
の両端に印加される電圧の振幅を直流電源の電圧よりも
大きくすることができるので、超音波振動子からの超音
波の送波のエネルギーを高めることができ、Ｓ／Ｎ比を
向上させることができるという効果がある。

【００３４】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、上記振動子回路を上記超音波振動子と第２のコイル
との直列回路としたものであり、超音波振動子の電極間
容量と第２のコイルとにより直列共振回路が構成され、
この直列共振回路に共振電流を流すことによって超音波
振動子の両端電圧を一層大きくすることができ、超音波
振動子からの超音波の送波の効率を高めることができる
という効果がある。

【００３５】請求項３の発明は、高周波信号により超音
波振動子を駆動して超音波を送波するとともに、物体か
らの反射波を受波し、送波した超音波と受波した反射波
との関係によって上記物体を検出する超音波センサに用
いられ、上記超音波振動子と並列接続され中間端子を設
けたコイルと、このコイルの一端と中間端子との間の巻
線と直流電源との間に挿入されスイッチングにより上記
高周波信号を生成するスイッチング回路とを備えるもの
であり、直流電源からの直流電圧をスイッチング回路に
より断続させて上記コイルの一端と中間端子との間の一
方の巻線に印加するから、スイッチング回路のスイッチ
ングにより上記一方の巻線に生じる起電力を利用して超
音波振動子の両端に印加される電圧の振幅を直流電源の
電圧よりも大きくすることができるので、超音波振動子
からの超音波の送波のエネルギーを高めることができ、
Ｓ／Ｎ比を向上させることができるという効果がある。
また、上記コイルの他端と中間端子との間の他方の巻線
は超音波振動子と直列接続されるので、超音波振動子の
電極間容量と上記他方の巻線とにより直列共振回路が構
成され、この直列共振回路に共振電流を流すことによっ
て超音波振動子の両端電圧を一層大きくすることがで
き、超音波振動子からの超音波の送波の効率を高めるこ
とができるという効果がある。しかも、中間端子を設け
たコイルを用いることにより、２つのコイルを別々に設
ける必要がなく、送波回路の小型化と低コスト化とを図
ることができるという利点がある。

【００３６】請求項４の発明は、請求項３の発明におい
て、上記コイルの上記中間端子と上記一端との間のイン
ダクタンスを可変とするように巻線内に出し入れ可能に
挿入されたコアを上記コイルに設けたものであり、コア
を出し入れすることにより上記コイルの一端と中間端子
との間のインダクタンスを変化させることができ、超音
波振動子の電極間容量と上記コイルとにより構成される
並列共振回路の共振周波数を変化させることができるの
で、超音波振動子の残響振動の振幅を小さくするように
共振周波数を設定することが可能になり、残響振動の持
続時間を短くすることができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の実施形態１のブロック図であ
り、（ｂ）は同上における超音波振動子の両端電圧の波
形図である。

【図２】（ａ）は本発明の実施形態２のブロック図であ
り、（ｂ）は同上における超音波振動子の両端電圧の波
形図である。

【図３】本発明の実施形態３のブロック図である。

【図４】本発明の実施形態４のブロック図である。

【図５】同上に用いるコイルを示し、（ａ）はコアを終
端まで挿入したときの正面図であり、（ｂ）はコアを引
き上げたときの正面図であり、（ｃ）は回路図である。

【図６】従来例のブロック図である。

【図７】同上の受波回路の動作波形図である。

【図８】（ａ）は同上の要部ブロック図であり、（ｂ）
は同上の送波回路の出力波形図である。

【符号の説明】

１ 超音波振動子 ２ 送波回路 ４ スイッチング回路 ６ コア １０ 電源回路 Ｌ１，Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ コイル Ｌ２，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ コイル Ｌ３ａ，Ｌ３ｂ コイル ＴＭ 中間端子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波信号により超音波振動子を駆動し
   て超音波を送波するとともに、物体からの反射波を受波
   し、送波した超音波と受波した反射波との関係によって
   上記物体を検出する超音波センサに用いられ、上記超音
   波振動子を含む振動子回路と第１のコイルとの並列回路
   と、直流電源と上記並列回路との間に挿入されスイッチ
   ングにより上記高周波信号を生成するスイッチング回路
   とを備えることを特徴とする超音波センサの送波回路。
2. 【請求項２】 上記振動子回路は上記超音波振動子と第
   ２のコイルとの直列回路であることを特徴とする請求項
   １記載の超音波センサの送波回路。
3. 【請求項３】 高周波信号により超音波振動子を駆動し
   て超音波を送波するとともに、物体からの反射波を受波
   し、送波した超音波と受波した反射波との関係によって
   上記物体を検出する超音波センサに用いられ、上記超音
   波振動子と並列接続され中間端子を設けたコイルと、こ
   のコイルの一端と中間端子との間の巻線と直流電源との
   間に挿入されスイッチングにより上記高周波信号を生成
   するスイッチング回路とを備えることを特徴とする超音
   波センサの送波回路。
4. 【請求項４】 上記コイルの上記中間端子と上記一端と
   の間のインダクタンスを可変とするように巻線内に出し
   入れ可能に挿入されたコアを上記コイルに設けたことを
   特徴とする請求項３記載の超音波センサの送波回路。