JP2005308694A

JP2005308694A - 超音波距離センサ

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Publication number: JP2005308694A
Application number: JP2004129844A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Yamada; 昌啓山田
Original assignee: Kawasaki Precision Machinery Ltd
Current assignee: Kawasaki Precision Machinery Ltd
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2005-11-04
Anticipated expiration: 2024-04-26
Also published as: JP3955039B2

Abstract

【課題】簡単な構成で、応答性に優れた超音波距離センサを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の超音波距離センサは、超音波信号を用いて、対象物までの距離を検出し、距離に応じた距離検出信号を出力する超音波距離センサであって、対象物に対して、正弦波状にレベルが変位する超音波信号を、射出波として、射出する送信素子と、射出波が対象物に当たって、反射して戻ってくる超音波信号を、反射波として、受信する受信素子と、射出波の波長を調整して射出波と反射波との位相を同期させると共に、射出波の波長を特定する駆動信号を出力する、ＰＬＬ回路と、駆動信号に基づいて対象物までの距離を表す距離検出信号を求め、求めた距離検出信号を出力する出力回路とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物までの距離を検出し、距離に応じた信号を出力する距離センサに関し、特に、超音波信号を使用して対象物までの距離を検出する超音波距離センサに関する。

従来より、超音波信号を使用して対象物までの距離を検出し、距離に応じた距離検出信号を出力する、種々の超音波距離センサが提案されている。ここで、対象物までの距離とは、超音波信号を射出する装置（素子）から対象物までの距離を意味する。例えば、以下の特許文献１には、いわゆるパルス式の超音波距離センサが開示されている。パルス式の超音波距離センサは、超音波振動子からパルス信号を射出し、当該パルス信号が対象物に当たって、反射して戻ってくるまでに要する時間を計測し、計測した時間に基づいて距離を表す距離検出信号を出力するセンサである。
特開平５−１１０４８号公報

また、その他の超音波距離センサとして、周波数変調方式の超音波距離センサが知られている。周波数変調方式の超音波距離センサは、対象物に向けて周波数変調を行った超音波信号を射出し、戻ってくる信号の周波数偏移に基づいて距離を求め、距離を表す距離検出信号を出力するセンサである。

パルス式の超音波距離センサでは、対象物に対して射出したパルス信号が対象物に当たって、反射して戻ってくるまでの間、次のパルス信号の射出を行うことができないので、細かい時間間隔で対象物までの距離を検出することが困難であった。これは、反射して戻ってくるパルス信号を待たないで、次のパルス信号を射出すると、反射波が、どのタイミングで射出したパルス信号のものであるのかが、解らなくなるからである。

例えば、いわゆる手ぶれ防止機能を搭載しているディジタルカメラが知られている。手ぶれ防止機能とは、光学系の軸を、外部から与えられる振動の向きと反対の向きに高速で移動させることにより、被写体に対する光軸のぶれを補償する機能である。上述するように、パルス式の超音波距離センサは、対象物までの距離を細かい時間間隔で検出することが難しいセンサであるので、上記手ぶれ防止機能を実現する回路に用いるのに適していない。

一方、周波数変調方式の超音波距離センサは、対象物に対し正弦波状に連続して値の変化する超音波信号を用いるため、対象物までの距離を時間的に連続して検出することができ、即ち、応答性に優れており、上記の用途には向くが、構成が複雑で高価であるという欠点を持つ。

本発明は、簡単な構成で、かつ、応答性に優れた、超音波距離センサを提供することを目的とする。

本発明の第１の超音波距離センサは、超音波信号を用いて、対象物までの距離を検出し、距離に応じた距離検出信号を出力する超音波距離センサであって、対象物に対して、正弦波状にレベルが変位する超音波信号を、射出波として、射出する送信素子と、射出波が対象物に当たって、反射して戻ってくる超音波信号を、反射波として、受信する受信素子と、射出波の波長を調整して射出波と反射波との位相を同期させると共に、射出波の波長を特定する駆動信号を出力する、ＰＬＬ回路と、駆動信号に基づいて対象物までの距離を表す距離検出信号を求め、求めた距離検出信号を出力する出力回路とを備えることを特徴とする。

本発明の第２の超音波距離センサは、本発明の第１の超音波距離センサにおいて、上記ＰＬＬ回路は、更に、射出波と反射波との位相状態を表す状態信号を出力するようになっており、上記出力回路は、状態信号に基づいて射出波と反射波との位相が同期したことを検出する合焦検出回路と、駆動信号に基づいて対象物までの距離に応じた距離検出信号を求める演算器と、合焦検出回路による位相の同期検出時に、演算器により求められた距離検出信号を出力する出力スイッチとで構成されていることを特徴とする。

本発明の第３の超音波距離センサは、本発明の第１又は第２の超音波距離センサにおいて、上記ＰＬＬ回路は、射出波と反射波との、振幅０の位置の位相を同期させるようになっており、状態信号として、射出波と反射波との、振幅０の位置の位相状態を表す信号を出力するようになっていることを特徴とする。

本発明の第４の超音波距離センサは、本発明の第１乃至第３の何れかの超音波距離センサにおいて、上記ＰＬＬ回路は、対象物までの距離が射出波の予め決めたｎ／２波長に等しい場合に、射出波と反射波との位相を同期させるようになっていることを特徴とする。

本発明の第５の超音波距離センサは、本発明の第４の超音波距離センサにおいて、上記ｎ／２波長が、１／２波長であることを特徴とする。

本発明の第１の超音波距離センサは、正弦波状にレベルが変化する超音波信号を、射出波として用いることにより、時間的に連続して距離の検出を行うことができる。このため、断続的にしか距離検出を行うことのできないパルス式の超音波距離センサに比べて応答性に優れ、時間的に高速な距離検出が求められる回路に適用することができる。また、本発明の第１の超音波距離センサは、変調した超音波信号を使用しない簡単な構成を採用するため、周波数変調方式の超音波距離センサに比べ、製造コストの面でも有利である。更に、本発明の第１の超音波距離センサは、射出波と反射波が同期した点を検出して距離の検出を行うため、射出波と反射波が同期する点以外の箇所にノイズが載った場合でも、距離を正確に測定することができる。

本発明の第２の超音波距離センサは、本発明の第１の超音波距離センサにおいて、射出波と反射波との位相が同期したときの距離検出信号だけを出力することができる。

本発明の第３の超音波距離センサは、本発明の第１又は第２の超音波距離センサにおいて、射出波と反射波との、振幅０の位置が一致したときに、位相が同期したと判断する構成を採用するため、射出波と反射波との、振幅が０以外の箇所にノイズが載った場合でも正確な距離検出を行うことができる。

本発明の第４の超音波距離センサは、本発明の第１乃至第３の何れかの超音波距離センサが備える送信素子から対象物までの距離が、予め決めた射出波のｎ／２波長に等しい場合に、射出波の位相と反射波との、位相とが同期するように射出波の波長を行うＰＬＬ回路を用いる。これにより、送信素子が射出できる射出波の波長が短く、対象物まで、例えば、３／２波長分の距離だけ離れている場合にも、正確に距離測定を行うことができる。

本発明の第５の超音波距離センサでは、本発明の第４の超音波距離センサの内、特に、送信素子から対象物までの距離が、射出波の１／２波長に等しい場合に、射出波の位相と反射波との位相とが同期するように射出波の波長の調節を行うＰＬＬ回路を採用する。当該ＰＬＬ回路を用いる超音波距離センサが、対象物の瞬動に追随して測定可能な範囲は、上記対象物の移動量が１／２波長の範囲内である。このため、本発明の第５の超音波距離センサでは、対象物が移動した場合に測定可能な範囲（対象物までの距離の変化量）を、最大に設定することができる。

（１）実施の形態
以下、添付の図面を参照しつつ、実施の形態にかかる超音波距離センサ１００の構成及び動作について説明する。
(1-1)全体構成
図１は、超音波距離センサ１００の構成を示す図である。超音波距離センサ１００は、正弦波状に出力レベルが変化する超音波信号を使用して、当該超音波距離センサ１００から対象物である光学系ユニット２０までの距離（請求項１に記載の対象物までの距離に相当する）を、非接触な状態で検出し、当該測定距離に比例した電位の距離検出信号Ｄを出力する。以下、当該距離のことを測定距離という。当該距離検出信号Ｄは、例えば、光学系ユニット２０のぶれによる位置移動を修正するアクチュエータ１６の駆動信号に使用される。

超音波距離センサ１００は、送受信器１、ＰＬＬ回路１０、及び、出力回路１１で構成される。以下、これらの回路の構成について順に説明する。

(1-2)送受信器
送受信器１は、光学系ユニット２０に対して超音波信号（以下、射出波という）を射出し、当該射出波が光学系ユニット２０に当たり、反射して戻ってくる超音波信号（以下、反射波という）の受信を行う。

送受信器１は、送信素子１ａと受信素子１ｂとで構成される。送信素子１ａは、正弦波状に電位レベルの変化する信号の入力に応じて、当該送信素子１ａから、対象物である光学系ユニット２０に向けて、正弦波状に出力レベルの変化する射出波を射出する。

一方、受信素子１ｂは、射出波が光学系ユニット２０に当たり、当該光学系ユニット２０から反射されて戻ってくる反射波を受信し、受信した反射波の出力レベルに応じて正弦波状に電位レベルの変化する電気信号を、ＰＬＬ回路１０に出力する。

光学系ユニット２０が振動していない（外部の振動によりぶれていない）場合、送受信器１から光学系ユニット２０までの距離を表す測定距離は、基準とする射出波のｎ／２波長、好ましくは、１／２波長に等しい距離に設定する。例えば、測定距離が４．５ｍｍの場合、基準とする射出波の波長をλ＝９ｍｍに設定する。なお、上記波長は、超音波信号の波長を意味するため、当該超音波信号の周波数は、音速を波長で割り算することで求められる。

送信素子１ａが射出できる射出波の波長が短く、例えば、光学系ユニット２０までの距離が、基準とする射出波の３／２波長分の距離である場合には、超音波信号の搬送路長（射出波及び反射波の通る通路の長さのことをいう）を、基準とする射出波の３／２波長に設定することにより、距離測定を行うことができる。

超音波距離センサ１００が光学系ユニット２０の瞬動に追随して距離を正確に測定可能な範囲は、後に詳しく説明するＰＬＬ回路１０が正常に動作する範囲内、即ち、射出波の１／２波長分の距離の範囲内である。例えば、光学系ユニット２０がぶれていない場合における測定距離を、射出波の３／２波長分の距離に設定した場合、超音波距離センサ１００は、光学系ユニット２０が１／２波長分の範囲内で瞬動した場合にのみ、当該光学系ユニット２０の瞬動に追随して距離の測定を行うことができる。

他方、ＰＬＬ回路１０が位相の調整、即ち、射出波の波長の調整を終了する前に、光学系ユニット２０が、射出していた射出波の１／２波長以上の距離を瞬動した場合、超音波距離センサ１００は、正確な距離の測定を行うことができない。即ち、超音波信号の搬送路長（射出波及び反射波の通る通路の長さのことをいう）を、射出波の１／２波長に設定することで、対象物である光学系ユニット２０の瞬動に追随して正確に距離の測定を行うことができる範囲を最大にすることができる。

後述するように、超音波距離センサ１００では、射出波と反射波との、振幅０の位置が一致した時に、射出波と反射波が同期したと判断する構成を採用する。当該構成を採用することにより、射出波と反射波との、振幅０の位置以外の箇所にノイズが載っても、正確に距離を測定することができる。

例えば、送受信器１の受信素子１ｂと、ＰＬＬ回路の増幅器２との間に、一定時間信号を遅延させる遅延回路（図示せず）を設けることにより、ＰＬＬ回路１０における位相同期検出のタイミングを調整することができる。当該構成を採用することにより、送受信器１よりある一定の距離、例えば、数ｍｍだけ、射出波の射出方向に離れた位置を規準（以下、基準位置という）として、射出波及び反射波との、位相同期の検出を行うことができる。即ち、送受信器１の超音波射出位置からではなく、上記基準位置から対象物までの距離を正確に測定することができる。なお、超音波信号の速度は一定であるため、上記一定の距離は、上記遅延回路による信号の遅延時間により特定される。

(1-3)ＰＬＬ回路
ＰＬＬ回路１０は、射出波と反射波との、それぞれの振幅が０の位置で、位相が一致するように、射出波の波長を調節すると共に、射出波の波長を特定する駆動信号Ｖ２（請求項１に記載の駆動信号に相当する）と、射出波と反射波との位相状態を表すＰＤＯ信号（請求項２に記載の状態信号に相当する）とを出力する。駆動信号Ｖ２及びＰＤＯ信号の生成については、後に説明する。以下、ＰＬＬ回路１０の構成及び動作について説明する。

電圧制御発振器７は、入力される駆動信号Ｖ２の電位レベルに応じた波長の正弦波信号Ｓを出力する。正弦波信号Ｓは、増幅器８で増幅された後に、送受信器１の送信素子１ａに入力される。正弦波信号Ｓは、Ａ／Ｄ変換回路９にも入力される。Ａ／Ｄ変換回路９は、入力された正弦波信号Ｓを、所定のしきい値電圧を基準にしてパルス信号（以下、Ｖ（主ＰＬＬ）信号という）に変換して位相比較回路４に出力する。

増幅器２は、送受信器１の受信素子１ｂより出力される正弦波状の電気信号を増幅した後に、Ａ／Ｄ変換回路３に出力する。Ａ／Ｄ変換回路３は、入力される正弦波状の電気信号を、上記Ａ／Ｄ変換回路９と同じ条件（しきい値）で、パルス信号（以下、Ｒ（副ＰＬＬ）信号という）に変換して位相比較回路４に出力する。

位相比較回路４は、Ｒ（副ＰＬＬ）信号の立ち下がりタイミングからみて、Ｖ（主ＰＬＬ）信号の立ち下がりタイミングが遅延している場合、即ち、測定距離が、射出波の１／２波長よりも長い場合、Ｌｏｗレベル（負の電位レベル）のＰＤＯ信号を出力する。位相比較回路４は、Ｒ（副ＰＬＬ）信号の立下りタイミングと、Ｖ（主ＰＬＬ）信号の立ち下がりタイミングが、同期している場合、及び、Ｒ（副ＰＬＬ）信号の立下りタイミングからみて、Ｖ（主ＰＬＬ）信号の立下りタイミングが１／２波長分の時間以上遅れている場合、即ち、測定距離が、射出波の１／２波長の長さよりも短いと判断される場合には、ＨｉｇｈレベルのＰＤＯ信号（正の電位レベル）を出力する。位相比較回路４の出力する上記ＰＤＯ信号は、ＰＬＬ回路１０内に設けられている積分回路５と、ＰＬＬ回路１０の後段に設けられている出力回路１１とに入力される。

(1-4)ＰＬＬ回路の主要回路の詳細な説明
(1-4-1)位相比較回路と積分回路
以下、図２及び図３を参照しつつ位相比較回路４及び積分回路５の詳細な説明を行った後、図４を参照しつつ電圧制御発振器７の詳細な説明を行う。

図２は、位相比較回路４及び積分回路５の構成を示す図である。位相比較回路４は、ＲＳフリップフロップ４ａ、ＡＮＤゲート４ｄ、及び、加算器４ｅで構成される。

まず、ＲＳフリップフロップ４ａの構成について簡単に説明する。ＡＮＤゲート４ｄの一方の信号入力端子には、Ｒ（副ＰＬＬ）信号の反転信号が入力され、残りの信号入力端子には、Ｖ（主ＰＬＬ）信号が入力される。

ＲＳフリップフロップ４ａは、２個の２入力ＮＡＮＤゲート４ｂ，４ｃで構成される。ＮＡＮＤゲート４ｂの一方の信号入力端子には、Ｒ（副ＰＬＬ）信号が入力され、ＮＡＮＤゲート４ｃの一方の信号入力端子には、ＡＮＤゲート４ｄの出力端子から出力される信号が入力されている。ＮＡＮＤゲート４ｂ及び４ｃの各出力端子は、ＮＡＮＤゲート４ｃ及び４ｂの互いの残りの信号入力端子に接続されている。ＮＡＮＤゲート４ｂの信号出力端子より出力される信号Ｄは、Ｈｉｇｈレベルが０ｖ、Ｌｏｗレベルが−５ｖの信号である。加算器４ｅは、当該信号Ｄに２．５ｖの基準電位Ｖｒｅｆを加算した信号を、ＰＤＯ信号として出力する。即ち、加算器４ｅより出力されるＰＤＯ信号は、Ｈｉｇｈレベルが２．５ｖ、Ｌｏｗレベルが−２．５ｖの信号である。

図３（ａ）〜（ｃ）は、位相比較回路４に入力されるＲ（副ＰＬＬ）信号とＶ（主ＰＬＬ）信号、並びに、当該位相比較回路４から出力されるＰＤＯ信号の波形を示すタイムチャートである。図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、位相比較回路４は、Ｒ（副ＰＬＬ）信号が立ち下がってから、Ｖ（主ＰＬＬ）信号が立ち下がるまでの間に、ＬｏｗレベルのＰＤＯ信号（負の電位レベル）を出力する。また、図３（ｃ）に示すように、位相比較回路４は、Ｖ（主ＰＬＬ）信号の立ち下がりタイミングが、Ｒ（副ＰＬＬ）信号の立ち下りタイミングから１／２波長分の時間以上遅れている場合には、逆に、Ｒ（副ＰＬＬ）信号の位相が進んでいると判断し、即ち、測定距離が射出波の１／２波長よりも短いと判断し、ＰＤＯ信号の電位レベルを、Ｌｏｗレベルに切換えることなくＨｉｇｈレベル（正の電位レベル）の状態に維持する。

位相比較回路４の後段に設けられている積分回路５は、コンデンサ５ａで構成される周知の積分回路である。積分回路５は、Ｌｏｗレベル（負の電位レベル）のＰＤＯ信号の積分値を求め、求めた積分値に応じた駆動信号Ｖ２（正の電位レベル）を出力する。一方、積分回路５は、Ｈｉｇｈレベル（正の電位レベル）のＰＤＯ信号の入力に応じて駆動信号Ｖ２の値を増加させる。

なお、上述した位相比較器４及び積分回路５の代わりに、Ｒ（副ＰＬＬ）信号が立ち下がってから、Ｖ（主ＰＬＬ）信号が立ち下がるまでの間に、ＬｏｗレベルのＰＤＯ信号（負の電位レベル）を出力し、逆にＶ（主ＰＬＬ）信号が立ち下がってから、Ｒ（副ＰＬＬ）信号が立ち下がるまでの間に、ＨｉｇｈレベルのＰＤＯ信号（正の電位レベル）を出力し、Ｒ（副ＰＬＬ）信号及びＶ（主ＰＬＬ）信号の立ち下がりタイミングが一致している場合には、中間電位のＰＤＯ信号を出力して、後段に接続する積分回路に蓄積する電荷量を調整する、いわゆるチャージポンプタイプの位相比較器（図示せず）を用いても良い。チャージポンプタイプの位相比較器は、例えば、ナショナル・セミコンダクタ社製の型名ＬＭＸ２３２６ＴＭに用いられている。なお、当該ＬＭＸ２３２６ＴＭの回路の構成については、市川裕一／青木勝共著による「ＧＨｚ時代の高周波回路設計」，ＣＱ出版社，２００３年２月１０日発行のｐ３１１〜３１２、図９−９に説明されている。

(1-4-2)電圧制御発振器
図４は、電圧制御発振器７の構成を示す図である。電圧制御発振器７は、いわゆるコルピッツ型発振回路であり、入力される駆動信号Ｖ２の電位レベルに応じた波長の正弦波信号Ｓを出力する。即ち、射出波の波長は、積分回路５の出力する駆動信号Ｖ２の電位レベルにより特定される。

図４に示すコルピッツ型発振回路は、周知であり、以下に簡単にその構成及び機能について説明する。積分回路５より出力される駆動信号Ｖ２が変動すると、点線で囲んで示す共振回路Ｃ１の共振周波数が変化する。共振回路Ｃ１は、コンデンサ７ａ，ダイオード７ｂ、コイル７ｃで構成される。点線で囲んで示す発振回路Ｃ２は、当該共振回路Ｃ１により設定された共振周波数に応じた周波数の信号を出力する。なお、参考のため、図中には、当該回路を構成する抵抗やコンデンサなどの回路素子の抵抗値や容量の具体的な値を、例示しておく。

上記構成の電圧制御発振器７の出力特性を調べると、駆動信号Ｖ２の増加に対して出力信号Ｓの周波数（音速／波長）は、比例して直線状に増加するものではないことが解る。そこで、例えば、電圧制御発振器７に駆動信号Ｖ２を入力する前に、割り算器又は乗算器を用いて当該駆動信号Ｖ２の増加に対して出力信号Ｓの周波数が直線状に増加するように、駆動信号Ｖ２の値を補正するのが好ましい。

(1-5)出力回路
再び、図１を参照しつつ出力回路１１について説明する。上述するように、ＰＬＬ回路１０の積分回路５は、射出波の波長に応じた電位レベルの駆動信号Ｖ２を出力する。出力回路１１では、光学系ユニット２０が振動していない（振動によりぶれていない）場合であって、射出波と反射波との位相が、射出波の１／２波長の長さで同期した場合の駆動信号Ｖ２の値を基準駆動電位Ｖ２_ｒｅｆとし、射出波と反射波との位相が同期した場合の駆動信号Ｖ２の値を、上記基準駆動電位Ｖ２_ｒｅｆの値により割り算した値を、距離検出信号Ｄとして出力する。距離検出信号Ｄの値は、光学系ユニット２０が振動していない（振動によりぶれていない）場合であって、射出波と反射波との位相が、射出波の１／２波長の長さで同期した場合に、特定の電位、例えば、１．０Ｖに設定される。

例えば、光学系ユニット２０が振動していない状態の測定距離を、１ｍｍ、１ｃｍ、１ｍ等の単位長さに設定した場合の基準駆動電位Ｖ２_ｒｅｆを求めておき、求めた値を用いて距離検出信号Ｄを特定すれば、距離検出信号Ｄに、使用した単位長さの単位を付するだけで、実際の距離を求めることができる。

出力回路１１は、増幅器１２、合焦検出回路１３、演算器１４、及び、スイッチ１５で構成されている。増幅器１２は、積分回路５の出力する駆動信号Ｖ２を増幅して出力する。合焦検出回路１３は、位相比較回路４より出力されているＰＤＯ信号がＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベル、又は、ＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り換った時に、一定時間だけＬｏｗレベルの信号を出力して、スイッチ１５をオンに切り換える。演算器１４は、いわゆる割り算器であり、増幅器１２により増幅した駆動信号Ｖ２を、上記基準駆動電位Ｖ２_ｒｅｆの値により割り算した値に相当する電位の信号（上記の例では、１．０Ｖを中心として上下する電位の信号）を、スイッチ１５に出力する。スイッチ１５は、合焦検出回路１３によりオンに切換えられている間、演算器１４より出力される信号を、距離検出信号Ｄとして出力する。スイッチ１５は、次にオンに切り換えられるまでの間、直前に入力されていた出力の値を維持するタイプのものを採用する。このようなスイッチとしては、増幅後の駆動信号Ｖ２を、ディジタル信号に変換するＡ/Ｄ変換回路と、変換後のディジタルデータを保持するレジスタであって、その出力を距離検出信号Ｄとして出力するレジスタとを備える回路において、レジスタのラッチ信号の入力端子に合焦検出回路１３の出力を入力する回路が考えられる。

図５は、合焦検出回路１３の構成を示す図である。合焦検出回路１３は、ＥＸＯＲゲート１３ａと、複数のインバータを直列に接続してなる遅延回路１３ｂとで構成される。ＥＸＯＲゲート１３ａの一方の信号入力端子には、位相比較回路４の出力するＰＤＯ信号がそのままの状態で入力される。一方、ＥＸＯＲゲート１３ａの残りの信号入力端子には、遅延回路１３ｂにより一定時間だけ遅延されたＰＤＯ信号が入力される。当該構成を採用することで、位相比較回路４より出力されているＰＤＯ信号がＨＩｇｈレベルからＬｏｗレベル、又は、ＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り換った時に、一定時間だけＬｏｗレベルの信号が出力される。

なお、上記割り算を実行する演算器１４を用いる代わりに、例えば、図６に示すアナログ増幅回路３０を用いて、積分回路５より出力される駆動信号Ｖ２の傾きを調整し、更に、所定のオフセット電位を加算する構成を採用しても良い。

なお、距離検出信号Ｄを利用して動作するアクチュエータ１６等の信号処理速度に対して、ＰＬＬ回路１０内で上述した位相比較回路４、積分回路５、及び、電圧制御発振器７で実行される位相同期処理に要する時間が無視できる程度の場合には、出力回路１１に合焦検出回路１３及び出力スイッチ１５を設けずに、演算器１４において求められる距離検出信号Ｄを連続して出力する構成を採用することも考えられる。

(1-6)ＰＬＬ回路により実行される位相同期処理の説明
図７（ａ）〜図７（ｃ）は、上述したＰＬＬ回路１０により実行される位相同期処理の内容を解りやすく説明するための図である。測定距離が、射出波の１／２波長の長さよりも短い（光学系ユニット２０までの位置が近い）場合、一致する場合、長い（光学系ユニット２０までの位置が遠い）場合の３つの場合における反射波の様子を示す図である。

図７（ａ）に示すように、測定距離が、射出波の１／２波長の長さよりも短い場合、即ち図示するように、反射波の振幅が０になる位置が送受信器１より更にｐｈ１分の位相が進んだ位置にある場合、位相比較回路４は、ＨｉｇｈレベルのＰＤＯ信号を出力する。これにより、積分回路５より出力される駆動信号Ｖ２の電位レベルが上がり、電圧制御発振器７から出力される射出波の波長が短くなる。

電圧制御発振器７から出力される射出波の波長が短く成り、図７（ａ）の状態から、図７（ｂ）に示すように、測定距離が、射出波の１／２波長の長さと等しくなるまでの間、位相比較回路４は、ＨｉｇｈレベルのＰＤＯ信号を出力し続ける。

図７（ｃ）に示すように、測定距離が、射出波の１／２波長よりも長い場合、即ち、図示するように、反射波の振幅が０になる位置が送受信器１よりもｐｈ２分だけ位相が手前の位置にある場合、位相比較回路４は、ＬｏｗレベルのＰＤＯ信号を出力する。これにより、積分回路５から出力される駆動信号Ｖ２の電位レベルが下がり、結果として、電圧制御発振器７から出力される射出波の波長が長くなる。

以上に説明するように、ＰＬＬ回路１０は、射出波の１／２波長の長さが、測定距離に等しくなった場合に射出波と反射波との、振幅が０の位置が一致するように、射出波の波長を調整する。ＰＬＬ回路１０による当該位相同期処理の完了に伴い、出力回路１１は、測定距離に応じた電位の距離検出信号Ｄを出力する。

(1-7)まとめ
以上に説明したように、超音波距離センサ１００では、射出波として、正弦波状に変化する超音波信号を用いることにより、測定距離を、リアルタイムで検出することができる。このため、超音波距離センサ１００は、従来技術の欄で説明したパルス式の超音波距離センサに比べて、時間的に高速な距離測定の要求される回路への用途にも向いている。

また、超音波距離センサ１００は、従来技術の欄で説明した周波数変調方式の超音波距離センサとは異なり、超音波信号を周波数変調してから射出する回路や、受信した被変調超音波信号を復調する回路が不要であり、当該周波数変調方式の超音波距離センサに比べて簡単な構成となるため、低コストで製造することができるという利点を有する。

実施の形態にかかる超音波距離センサと、当該センサを用いる光学系ユニット及びアクチュエータを示す図である。位相比較回路の構成を示す図である。位相比較回路への入出力信号のタイムチャートである。電圧制御発振器の構成を示す図である。合焦検出回路の構成を示す図である。アナログ増幅器の構成を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、送受信器と光学系ユニット間との距離が、それぞれ異なる場合における、射出波、反射波、及び、ＰＤＯ信号の状態を示すタイムチャートである。

符号の説明

１送受信器、２，８，１２増幅器、３，９Ａ／Ｄ変換回路、４位相比較回路、５積分回路、７電圧制御発振器、１０ＰＬＬ回路、１１出力回路、１３合焦検出回路、１４演算器、１５出力スイッチ、３０アナログ増幅器、１００超音波距離センサ。

Claims

超音波信号を用いて、対象物までの距離を検出し、距離に応じた距離検出信号を出力する超音波距離センサであって、
対象物に対して、正弦波状にレベルが変位する超音波信号を、射出波として、射出する送信素子と、
射出波が対象物に当たって、反射して戻ってくる超音波信号を、反射波として、受信する受信素子と、
射出波の波長を調整して射出波と反射波との位相を同期させると共に、射出波の波長を特定する駆動信号を出力する、ＰＬＬ回路と、
駆動信号に基づいて対象物までの距離を表す距離検出信号を求め、求めた距離検出信号を出力する出力回路とを備えることを特徴とする超音波距離センサ。
上記ＰＬＬ回路は、更に、射出波と反射波との位相状態を表す状態信号を出力するようになっており、
上記出力回路は、状態信号に基づいて射出波と反射波との位相が同期したことを検出する合焦検出回路と、駆動信号に基づいて対象物までの距離に応じた距離検出信号を求める演算器と、合焦検出回路による位相の同期検出時に、演算器により求められた距離検出信号を出力する出力スイッチとで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波距離センサ。
上記ＰＬＬ回路は、射出波と反射波との、振幅０の位置の位相を同期させるようになっており、状態信号として、射出波と反射波との、振幅０の位置の位相状態を表す信号を出力するようになっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波距離センサ。
上記ＰＬＬ回路は、対象物までの距離が射出波の予め決めたｎ／２波長に等しい場合に、射出波と反射波との位相を同期させるようになっていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の超音波距離センサ。
上記ｎ／２波長が、１／２波長であることを特徴とする請求項４に記載の超音波距離センサ。