JP2008151537A - Object detection circuit and ultrasonic sensor device - Google Patents
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Description
本発明は、所定の周波数を有する検知信号を対象物に送信する送信手段と、前記対象物により反射された反射信号を受信する受信手段とを有する物体検知回路と、そのような物体検知回路を有する超音波センサ装置とに関する。 The present invention provides an object detection circuit having a transmission means for transmitting a detection signal having a predetermined frequency to an object, a reception means for receiving a reflected signal reflected by the object, and such an object detection circuit. And an ultrasonic sensor device.
超音波センサ装置は、例えば40kHz又は200kHzなどの所定の周波数を有する超音波を送信し、物体から反射された反射波を受信することにより、物体の有無や、物体からの距離を検出する。超音波センサ装置は、物体から受信された反射波により電気信号を発生する。この信号の電圧レベルは、超音波センサ装置と物体との間の距離dにより変化し、例えば、実験的にポリ塩化ビニル製のパイプを検知対象とした場合には、d=300mmで2〜3mV、d=2,000mmで20μVである。物体の有無や、物体からの距離を検出するためには、この電気信号をCPU(中央演算処理装置)などの処理装置で扱えるようなレベルにまで増幅する必要がある。例えば、電気信号が20μVである場合に、この信号を1Vまで増幅させるためには、約94dBの利得を有する増幅回路を用いれば良い。しかし、単純な増幅回路では、所望の信号のみならず雑音をも増幅してしまい、結果としてS/N(信号対雑音比)が悪化する場合がある。 The ultrasonic sensor device detects the presence or absence of an object and the distance from the object by transmitting an ultrasonic wave having a predetermined frequency such as 40 kHz or 200 kHz and receiving a reflected wave reflected from the object. The ultrasonic sensor device generates an electric signal by a reflected wave received from an object. The voltage level of this signal varies depending on the distance d between the ultrasonic sensor device and the object. For example, when a pipe made of polyvinyl chloride is experimentally detected, d = 300 mm and 2 to 3 mV. , D = 2,000 mm and 20 μV. In order to detect the presence or absence of an object and the distance from the object, it is necessary to amplify this electric signal to a level that can be handled by a processing device such as a CPU (Central Processing Unit). For example, when the electrical signal is 20 μV, an amplifier circuit having a gain of about 94 dB may be used to amplify this signal to 1 V. However, a simple amplifier circuit amplifies not only a desired signal but also noise, and as a result, the S / N (signal-to-noise ratio) may deteriorate.
また、近年、超音波センサ装置は自動車用バックソナーとして多く用いられている。自動車用バックソナーとして用いられる場合には、超音波センサ装置は、近接d=300mmから遠方d=2,500mmといった広範囲に亘って上述したような物体の検知を行うことから、超音波センサ装置で発生する電気信号の電圧レベルも広範囲に亘って変化しうる。一般に、自動車用バックソナーとして用いられる超音波センサ装置の電源電圧は8〜12Vであり、前出のような高利得な増幅回路を用いると、近接d=300mmの場合には出力が飽和して、増幅回路の入出力特性は線形ではなくなる。 In recent years, ultrasonic sensor devices are often used as back sonar for automobiles. When used as a back sonar for an automobile, the ultrasonic sensor device detects the object as described above over a wide range from the proximity d = 300 mm to the distance d = 2,500 mm. The voltage level of the generated electrical signal can also vary over a wide range. In general, the power supply voltage of an ultrasonic sensor device used as a back sonar for an automobile is 8 to 12 V. If a high gain amplifier circuit as described above is used, the output is saturated when the proximity d = 300 mm. The input / output characteristics of the amplifier circuit are not linear.
例えば、特開2001−221851号公報(特許文献1)には、雑音に対して反射波の識別が容易で、更には近接距離の計測範囲も拡大可能の超音波センサ装置が開示されている。
しかし、特許文献1に開示された発明は、たとえ雑音が混入したとしてもどの反射波も雑音に埋もれることなく容易に識別可能とするが、超音波センサ装置と対象物との距離が近接する場合に超音波センサ装置で発生した電気信号を増幅するとその出力信号が飽和するという上記問題は解決されないままである。
However, although the invention disclosed in
本発明は、このような問題を解消するためになされたものであり、対象物からの距離によらず、線形な検知信号を供給することが可能な物体検知回路及びそのような物体検知回路を有する超音波センサ装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve such a problem. An object detection circuit capable of supplying a linear detection signal regardless of a distance from an object, and such an object detection circuit are provided. It is an object of the present invention to provide an ultrasonic sensor device.
上記目的を達成するために、本発明の物体検知回路は、所定の周波数を有する検知信号を対象物に送信する送信手段と、前記対象物により反射された反射信号を受信する受信手段とを有する物体検知回路であって、前記受信手段により受信された反射信号のレベルを該レベルに応じて自動的に調整する自動レベル調整手段を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an object detection circuit of the present invention includes a transmission unit that transmits a detection signal having a predetermined frequency to an object, and a reception unit that receives a reflected signal reflected by the object. The object detection circuit includes an automatic level adjustment unit that automatically adjusts the level of the reflected signal received by the reception unit in accordance with the level.
これにより、対象物からの距離によらず、線形な検知信号を供給することが可能な物体検知回路を提供することができる。 Thereby, the object detection circuit which can supply a linear detection signal irrespective of the distance from a target object can be provided.
上記目的を達成するために、本発明の物体検知回路は、所定の周波数を有する検知信号を対象物に送信する送信手段と、前記対象物により反射された反射信号を受信する受信手段とを有する物体検知回路であって、電界効果トランジスタを有し、前記受信手段により受信された前記反射信号のレベルを増幅する信号増幅手段と、該信号増幅手段により増幅された前記反射信号のレベルを検出し、該レベルを前記信号増幅手段により増幅される前の信号又は増幅された後の信号に重畳する自動レベル調整手段とを有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an object detection circuit of the present invention includes a transmission unit that transmits a detection signal having a predetermined frequency to an object, and a reception unit that receives a reflected signal reflected by the object. An object detection circuit, comprising a field effect transistor, for amplifying the level of the reflected signal received by the receiving means, and detecting the level of the reflected signal amplified by the signal amplifying means And an automatic level adjusting means for superimposing the level on the signal before or after being amplified by the signal amplifying means.
これにより、対象物からの距離によらず、線形な検知信号を供給すると同時に、入力インピーダンスの高い電界効果トランジスタを用いることにより信号のロスを低減し、S/Nを改善することが可能な物体検知回路を提供することができる。 Thus, an object that can supply a linear detection signal regardless of the distance from the object and at the same time reduce the signal loss and improve the S / N by using a field effect transistor having a high input impedance. A sensing circuit can be provided.
望ましくは、本発明の物体検知回路は、前記信号増幅手段の後段に配置され、前記信号増幅手段により増幅された前記反射信号を所定の周波数範囲のみを通すようフィルタ処理する、増幅機能を有する複数のフィルタ手段を更に有することができる。前記自動レベル調整手段は、前記複数のフィルタの間又は最後のいずれかにおける信号のレベルに応じたレベルを検出し、該レベルを前記信号増幅手段の入力端子又は前記複数のフィルタ手段の入力端子へ供給する。 Desirably, the object detection circuit of the present invention has a plurality of amplification functions which are arranged at a subsequent stage of the signal amplification unit and filter the reflected signal amplified by the signal amplification unit so as to pass only a predetermined frequency range. The filter means can be further provided. The automatic level adjusting means detects a level corresponding to a signal level between the last and the last of the plurality of filters, and supplies the level to an input terminal of the signal amplifying means or an input terminal of the plurality of filter means. Supply.
これにより、所定の周波数を有する必要な信号成分のみを取りだして増幅することができるので、更にS/Nを改善することができる。 As a result, only a necessary signal component having a predetermined frequency can be extracted and amplified, so that the S / N can be further improved.
更に望ましくは、本発明の物体検知回路は、前記複数のフィルタ手段から出力された信号をデジタル又はアナログで出力することを可能とする外部接続手段を更に有することができる。 More preferably, the object detection circuit of the present invention can further include external connection means that can output signals output from the plurality of filter means in a digital or analog manner.
これにより、物体検知回路が接続される外部アプリケーションに適した形式で検知信号を出力することができる。 Thereby, a detection signal can be output in a format suitable for an external application to which the object detection circuit is connected.
また、上記目的を達成するために、本発明は、上述のような物体検知回路を有する超音波センサ装置を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides an ultrasonic sensor device having the object detection circuit as described above.
本発明の物体検知回路及び超音波センサ装置によれば、対象物からの距離によらず、線形な検知信号を供給することが可能となる。 According to the object detection circuit and the ultrasonic sensor device of the present invention, it is possible to supply a linear detection signal regardless of the distance from the object.
図1は、本発明に従う物体検知回路の構成例を表すブロック図である。図1の物体検知回路10は、物体の有無及び/又は物体からの距離を検出するための回路であって、送受信手段110と、信号増幅手段120と、直列に配置された複数のフィルタ手段1301,...,130n(nは自然数。)と、自動レベル調整手段140と、外部接続手段150とを有する。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of an object detection circuit according to the present invention. The
送受信手段110は、例えば超音波などの所定の周波数を有する信号aを対象物に送信し、対象物により反射された反射信号bを受信するための手段である。送受信手段110は、所定の周波数を有する信号aを対象物に送信する送信手段と、対象物により反射された反射信号bを受信する受信手段とに分けられても良い。
The transmission / reception means 110 is a means for transmitting a signal a having a predetermined frequency, such as an ultrasonic wave, to the object and receiving a reflected signal b reflected by the object. The transmission /
信号増幅手段120は、送受信手段110により受信された反射信号bを増幅するための手段である。複数のフィルタ手段1301,...,130nは、信号増幅手段120により増幅された反射信号cを所定の周波数のみを通すようフィルタ処理し、フィルタ処理により取り出された必要な信号成分のみを更に増幅するための手段である。
The
自動レベル調整手段140は、外部接続手段150へ供給される信号、即ち、最終段のフィルタ手段130nより出力された信号dが飽和しないように、この信号dに応じたレベル調整信号eを信号増幅手段120に入力される反射信号bに重畳するための手段である。従って、信号増幅手段120は、自動レベル調整手段140により供給されたレベル調整信号eを重畳された反射信号bを増幅する。
Automatic level adjustment means 140, the signal supplied to the external connecting means 150, i.e., such that the filter means 130 the signal d output from the n of the last stage is not saturated, the signal level adjustment signal e corresponding to the signal d This is a means for superimposing on the reflected signal b inputted to the amplifying
外部接続手段150は、物体検知回路10に接続される外部アプリケーションに応じた信号形式で検知信号を出力するための手段である。例えば、外部接続手段150は、外部アプリケーションがデジタル信号を要求する場合には、フィルタ手段130nより出力された信号dをデジタル信号に変換して出力し、一方、外部アプリケーションがアナログ信号を要求する場合には、フィルタ手段130nより出力された信号dをアナログ信号のまま出力する。
The
自動レベル調整手段140は、複数のフィルタ手段1301,...,130nの間の信号に応じてレベル調整信号eを生成しても良い。例えば、フィルタ手段130i(i=1,2,...,n)から130nまでのゲイン特性が固定されている場合には、130(i−1)より出力された信号に応じて、外部接続手段150へ供給される信号を飽和させないようなレベル調整信号eを生成することが可能である。また、自動レベル調整手段140は、レベル調整信号eを最初のフィルタ手段1301の入力へ供給しても良い。この場合に、レベル調整信号eは、信号増幅手段120により増幅された反射信号cに重畳される。 The automatic level adjusting means 140 includes a plurality of filter means 130 1 ,. . . , 130 n may be used to generate the level adjustment signal e. For example, when the gain characteristics from the filter means 130 i (i = 1, 2,..., N) to 130 n are fixed, according to the signal output from 130 (i−1) , It is possible to generate a level adjustment signal e that does not saturate the signal supplied to the external connection means 150. The automatic level adjustment means 140 may be supplied to level adjustment signal e to the first filter means 130 1 inputs. In this case, the level adjustment signal e is superimposed on the reflected signal c amplified by the signal amplification means 120.
以下、本発明の物体検知回路について具体的に説明する。 The object detection circuit of the present invention will be specifically described below.
[構成]
図2は、本実施例に従う超音波センサ装置の一例を表す回路図である。図2の超音波センサ装置20は、超音波センサを用いた物体検知回路であって、送受信回路210と、信号増幅回路220と、第1のフィルタ回路2301と、第2のフィルタ回路2302と、自動レベル調整回路240と、外部接続回路250とを有する。
[Constitution]
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an example of the ultrasonic sensor device according to the present embodiment. Ultrasonic sensor device of FIG. 2 20 is a object detection circuit using an ultrasonic sensor, a
送受信回路210は、所定の周波数を有する超音波を対象物に送信し、対象物により反射された反射波を受信するための回路であって、送受信兼用型の圧電素子から成る超音波センサS1と、変圧器T1と、npnトランジスタQ1とを有する。変圧器T1の一次巻線の一方の端子は電源電圧VDへ接続され、他方の端子はトランジスタQ1のコレクタ端子へ接続されている。トランジスタQ1のエミッタ端子は接地へ接続され、ベース端子は制御回路(図示せず。)へ接続されている。超音波センサS1は、変圧器T1の二次巻線に並列に接続されており、一方の端子を信号増幅回路220の入力端子へ、他方の端子を接地へ接続されている。
The transmission /
制御回路によりトランジスタQ1のベース端子へ制御信号が印加されると、トランジスタQ1は導通して、変圧器T1の一次巻線に電流が流れる。これにより、変圧器T1の二次側では、二次巻線のインダクタンスと超音波センサS1の静電容量とから成る共振回路が共振して、超音波センサS1は超音波を発する。一方、超音波センサS1から発せられた超音波が物体に反射されると、同じく二次巻線のインダクタンスと超音波センサS1の静電容量とから成る共振回路が共振することにより、超音波センサS1はその反射波を電気信号に変換する。 When a control signal is applied to the base terminal of the transistor Q1 by the control circuit, the transistor Q1 becomes conductive and current flows through the primary winding of the transformer T1. Thereby, on the secondary side of the transformer T1, the resonance circuit composed of the inductance of the secondary winding and the electrostatic capacitance of the ultrasonic sensor S1 resonates, and the ultrasonic sensor S1 emits ultrasonic waves. On the other hand, when the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic sensor S1 is reflected by the object, the resonance circuit composed of the inductance of the secondary winding and the electrostatic capacitance of the ultrasonic sensor S1 resonates, so that the ultrasonic sensor S1 converts the reflected wave into an electric signal.
送受信回路210の各構成部品の定数は、変圧器T1と超音波センサS1とから成る共振回路の共振周波数が、用いられる超音波センサS1の公称周波数に等しくなるように設定される。これにより、超音波センサS1は、その送信及び受信の最大感度の動作周波数付近で使用されるので、受信信号付近の帯域の信号のみを取り出すことが可能となり、S/Nが改善される。
The constant of each component of the transmission /
信号増幅回路220は、送受信回路210、即ち、超音波センサS1から出力された電気信号を増幅するための回路であって、n形電界効果トランジスタ(FET)Q2と、第1、第2、第3及び第4の抵抗RD、RS、RG1、RG2とを有する。FETQ2のゲート端子は、送受信回路210の超音波センサS1の一方の端子へ接続されており、超音波センサS1から出力される電気信号を供給される。FETQ2のドレイン端子は、第1の抵抗RDを介して電圧源VDへ接続され、ソース端子は第2の抵抗RSを介して接地へ接続されている。第3の抵抗RG1は、FETQ2のドレイン端子とゲート端子との間に接続され、第4の抵抗RG2は、FETQ2のゲート端子と接地との間に接続されている。図2から明らかなように、本実施例において、信号増幅回路220は、FETによるソース共通増幅回路を構成する。信号増幅回路220は、また、その出力信号の直流成分を遮断するために直列コンデンサCDを出力段に設けられている。
The
FETは、高抵抗の信号源に対して入力インピーダンスが高いという特性を有する。従って、超音波センサの等価インピーダンスは、例えば、公称周波数が40kHzの超音波センサでは2kΩと、一般的に高いインピーダンスを有するので、FETを用いることにより信号のロスを低減し、S/Nを改善することができる。 The FET has a characteristic that the input impedance is high with respect to a high-resistance signal source. Therefore, the equivalent impedance of an ultrasonic sensor is typically 2 kΩ, for example, an ultrasonic sensor with a nominal frequency of 40 kHz. Therefore, using an FET reduces signal loss and improves S / N. can do.
第1のフィルタ回路2301及び第2のフィルタ回路2302は、超音波センサS1の駆動周波数付近の帯域の信号を取り出すために、信号増幅回路220により増幅された信号を所定の周波数の信号成分のみを通すようフィルタ処理し、フィルタ処理により取り出された必要な信号成分のみを更に増幅するための回路である。
First filter circuit 230 1 and the second filter circuit 230 2, in order to take out the band of the signal near the drive frequency of the ultrasonic sensor S1, a predetermined signal component of the frequency the amplified signal by the
第1のフィルタ回路2301は、低域通過フィルタ(LPF)非反転増幅回路であって、第1の演算増幅器OP1と、第5及び第6の抵抗R31、R32と、第1及び第2のコンデンサC31、C32とを有する。第5の抵抗R31の一方の端子は、演算増幅器OP1の反転端子へ接続され、他方の端子は第1のコンデンサC31の一方の端子へ接続されている。第1のコンデンサC31の他方の端子は接地へ接続されている。第6の抵抗R32及び第2のコンデンサC32は、並列に配置されており、夫々、一方の端子を演算増幅器OP1の反転端子へ、他方の端子を演算増幅器OP1の出力端子へ接続されている。演算増幅器OP1の非反転端子は、信号増幅回路220のFETQ2のドレインへ直列コンデンサCDを介して接続されている。第1のフィルタ回路2301の各構成部品の定数は、前段の信号増幅回路220よりも高い利得を有するよう設定される。
The first filter circuit 230 1 is a low-pass filter (LPF) non-inverting amplifier circuit, a first operational amplifier OP1, a resistor R31, R32 of the fifth and sixth, the first and second Capacitors C31 and C32. One terminal of the fifth resistor R31 is connected to the inverting terminal of the operational amplifier OP1, and the other terminal is connected to one terminal of the first capacitor C31. The other terminal of the first capacitor C31 is connected to ground. The sixth resistor R32 and the second capacitor C32 are arranged in parallel, and one terminal is connected to the inverting terminal of the operational amplifier OP1 and the other terminal is connected to the output terminal of the operational amplifier OP1. The non-inverting terminal of the operational amplifier OP1 is connected via a series capacitor C D to the drain of the FETQ2 the
第2のフィルタ回路2302は、帯域通過フィルタ(BPF)非反転増幅回路であって、第2の演算増幅器OP2と、第7及び第8の抵抗R33、R34と、第3及び第4のコンデンサC33、C34とを有する。第3及び第4のコンデンサC33、C34は直列に配置されている。第7の抵抗R33は、直列に配置されたコンデンサC33、C34に並列に配置され、一方の端子を演算増幅器OP2の反転端子へ、他方の端子を演算増幅器OP2の出力端子へ接続されている。第8の抵抗R34の一方の端子は、直列に配置された第3及び第4のコンデンサC33、C34の間に接続され、他方の端子は接地へ接続されている。演算増幅器OP2の非反転端子は、コンデンサを介して第1のフィルタ回路2301の第1の演算増幅器OP1の出力端子へ接続されている。第2のフィルタ回路2301の各構成部品の定数は、超音波センサ装置全体で必要とされる利得に基づいて設定される。 Second filter circuit 230 2, a bandpass filter (BPF) non-inverting amplifier circuit, a second operational amplifier OP2, a resistor R33, R34 of the seventh and eighth, third and fourth capacitor C33 and C34. The third and fourth capacitors C33 and C34 are arranged in series. The seventh resistor R33 is arranged in parallel with the capacitors C33 and C34 arranged in series, and one terminal is connected to the inverting terminal of the operational amplifier OP2, and the other terminal is connected to the output terminal of the operational amplifier OP2. One terminal of the eighth resistor R34 is connected between the third and fourth capacitors C33 and C34 arranged in series, and the other terminal is connected to the ground. The non-inverting terminal of the operational amplifier OP2 is connected to the output terminal of the first operational amplifier OP1 of the first filter circuit 230 1 through a capacitor. Constant of the second of each component of the filter circuit 230 1 is set based on the gain required for the entire ultrasonic sensor system.
自動レベル調整回路240は、外部接続回路250へ供給される信号、即ち、第2のフィルタ回路2302より出力された信号が飽和しないように、この信号に応じたレベル調整信号を信号増幅回路220に入力される超音波センサからの信号に重畳するための回路であって、第1及び第2のダイオードD41、D42と、第5及び第6のコンデンサC41、C42と、第9及び第10の抵抗R41、R42とを有する。第5のコンデンサC41の一方の端子は、第2のフィルタ回路2302の出力端子へ接続され、他方の端子は第9の抵抗R41を介して第1のダイオードD41のカソードへ接続されている。第1のダイオードD41のカソードは、更に、第2のダイオードD42のアノードへ接続され、第2のダイオードD42のカソードは接地へ接続されている。第1のダイオードD41のアノードは、第10の抵抗R42を介して信号増幅回路220のFETQ2のゲート端子へ接続されている。第6のコンデンサC42は、第1のダイオードD41のアノードと接地との間に接続されている。
Automatic
図2から明らかなように、本実施例において、自動レベル調整回路240は検波回路を構成しており、入力信号のレベルに応じた直流電圧を出力する。従って、この直流電圧は、超音波センサからの信号に重畳されるよう、信号増幅回路220のFETQ2のゲート端子に印加される。
As is apparent from FIG. 2, in this embodiment, the automatic
外部接続回路250は、超音波センサ装置20に接続される外部アプリケーションに応じた信号形式で検知信号を出力するための回路であって、本実施例では、第2のフィルタ回路2302より出力された信号をデジタル信号に変換して出力するようコンパレータを構成する。即ち、外部接続回路250は、第2のフィルタ回路2302より出力された信号を基準電圧と比較し、その比較結果をHigh/Lowの2値の電圧により出力する。外部接続回路250は、第3の演算増幅器OP3と、第11、第12及び第13の抵抗R51、R52、R53とを有する。演算増幅器OP3の反転入力は、第2のフィルタ回路2302の出力端子に接続され、非反転入力は、第11の抵抗R51を介して電源電圧VDへ、且つ直列に接続された第12及び第13の抵抗R52、R53を介して接地へ接続されている。従って、電源電圧VDは、第11の抵抗R51と第12及び第13の抵抗R52、R53とにより分圧され、演算増幅器OP3の非反転入力には、基準電圧Vref=VD×(R52+R53)/(R51+R52+R53)が印加される。
図2に示されるように、本実施例の超音波センサ装置20は、送信信号制限回路260と、検波/平滑回路270とを更に有しても良い。送信信号制限回路260は、送受信回路210の出力段と信号増幅回路220の入力段との間に配置され、送受信回路210から超音波信号が送信される場合に信号増幅回路220の入力段に回り込む信号を制限するための回路である。検波/平滑回路270は、第2のフィルタ回路2302と外部接続回路250との間に配置され、第2のフィルタ回路2302より出力される信号を検波するための回路である。
As shown in FIG. 2, the ultrasonic sensor device 20 of this embodiment may further include a transmission
[動作]
次に、図2の超音波センサ装置20の動作を説明する。
[Operation]
Next, the operation of the ultrasonic sensor device 20 of FIG. 2 will be described.
送受信回路210は、制御回路から出力された制御信号に応答して、例えば40kHzといった所定の周波数を有する超音波を対象物に送信するよう、変圧器T1の二次巻線のインダクタンスと超音波センサS1の静電容量から成る共振回路を40kHzの共振周波数で共振させる。これにより、超音波センサS1は40kHzの超音波を発射する。
In response to the control signal output from the control circuit, the transmission /
超音波センサS1より発射された超音波が物体に反射されて、この反射波を超音波センサS1が受けると、変圧器T1の二次巻線のインダクタンスと超音波センサS1の静電容量とから成る共振回路が40kHzの共振周波数で共振し、反射波に応じた電気信号を発生させる。 When the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic sensor S1 is reflected on an object and the reflected wave is received by the ultrasonic sensor S1, the inductance of the secondary winding of the transformer T1 and the capacitance of the ultrasonic sensor S1 are used. The resonant circuit is resonated at a resonant frequency of 40 kHz and generates an electrical signal corresponding to the reflected wave.
送受信回路210で発生した電気信号は、信号増幅回路220へ送られる。信号増幅回路220は、電気信号を増幅させる。信号増幅回路220で増幅された電気信号は、第1のフィルタ回路2301に入力されて、所定の周波数の信号成分のみが取り出されるようフィルタ処理され、フィルタ処理により取り出された必要な信号成分のみを更に増幅される。次に、電気信号は、第2のフィルタ回路2302へ入力されて、所定の周波数の信号成分のみが取り出されるよう更にフィルタ処理され、フィルタ処理により取り出された必要な信号成分のみを更に増幅される。
The electric signal generated in the transmission /
このように増幅及びフィルタ処理をなされた電気信号は、次に自動レベル調整回路240に入力される。自動レベル調整回路240は、先に述べたようにダイオードから成る検波回路であって、本実施例では、入力された電気信号を検波して、そのレベルに応じた負の直流電圧をレベル調整信号として出力する。自動レベル調整回路240から出力されたレベル調整信号は、信号増幅回路220のFETQ2のゲート端子に印加される。レベル調整信号はFETQ2のゲートバイアス電圧に相当し、この電圧のレベルに応じて信号増幅回路240の増幅利得は変化する。これにより、第2のフィルタ回路2302から出力される信号は、飽和しないようなレベルに調整される。
The electric signal thus amplified and filtered is then input to the automatic
次に、第2のフィルタ回路2302から出力される信号は、検波/平滑回路270へ入力される。この検波/平滑回路270は、本実施例では、入力される信号のレベルに応じて正の直流電圧を出力するよう構成されている。
Then, the signal output from the second filter circuit 230 2 is input to the detection /
外部接続回路250は、検波/平滑回路270から出力された正の直流電圧のレベルを基準電圧のレベルと比較して、その比較結果をHigh/Lowの2値の電圧で出力することにより、超音波センサS1が受信した反射波に対応するデジタル信号を外部アプリケーションへ出力する。
The
[構成]
図3は、本実施例に従う超音波センサ装置の一例を表す回路図である。図3の超音波センサ装置30は、超音波センサを用いた物体検知回路であって、送信回路3101と、受信回路3102と、信号増幅回路320と、第1のフィルタ回路3301と、第2のフィルタ回路3302と、自動レベル調整回路340と、外部接続回路350とを有する。
[Constitution]
FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an example of the ultrasonic sensor device according to the present embodiment. Ultrasonic sensor device 30 of FIG. 3 is a object detection circuit using an ultrasonic sensor, a transmission circuit 310 1, a receiving circuit 310 2, a
送信回路3101は、所定の周波数を有する超音波を対象物に送信するための回路であって、送信用の第1の超音波センサS11と、第1の変圧器T11と、npnトランジスタQ11とを有する。変圧器T11の一次巻線の一方の端子は電源電圧VDへ接続され、他方の端子はトランジスタQ11のコレクタ端子へ接続されている。トランジスタQ11のエミッタ端子は接地へ接続され、ベース端子は制御回路(図示せず。)へ接続されている。超音波センサS11は、変圧器T11の二次巻線に並列に接続されており、一方の端子を接地へ接続されている。
制御回路によりトランジスタQ11のベース端子へ制御信号が印加されると、トランジスタQ11は導通して、変圧器T11の一次巻線に電流が流れる。これにより、変圧器T11の二次側では、二次巻線のインダクタンスと超音波センサS11の静電容量とから成る共振回路が共振して、超音波センサS11は超音波を発する。 When a control signal is applied to the base terminal of the transistor Q11 by the control circuit, the transistor Q11 becomes conductive and current flows through the primary winding of the transformer T11. Thereby, on the secondary side of the transformer T11, the resonance circuit composed of the inductance of the secondary winding and the capacitance of the ultrasonic sensor S11 resonates, and the ultrasonic sensor S11 emits ultrasonic waves.
受信回路3102は、送信回路3101から送信された超音波が対象物により反射される場合に、その反射波を受信するための回路であって、受信用の第2の超音波センサS12と、第2の変圧器T12とを有する。変圧器T12の一次巻線は開放されており、変圧器T12の二次巻線は、その一方の端子を抵抗を介して超音波センサS12の一方の端子へ接続され、他方の端子を接地へ接続されている。超音波センサS12の他方の端子は接地へ接続されている。
Receiving
送信回路3101の第1の超音波センサS11から発せられた超音波が物体に反射されて、受信回路3102の第2の超音波センサS12がその反射波を受信すると、超音波センサS12の静電容量と変圧器T12の二次巻線のインダクタンスとから成る共振回路が共振することにより、超音波センサS12はその反射波を電気信号に変換する。
Ultrasound emitted from the first ultrasonic sensor S11 in the
送信回路3101及び受信回路3102の各構成部品の定数は、夫々の変圧器と超音波センサとから成る共振回路の共振周波数が、用いられる夫々の超音波センサの公称周波数に等しくなるように設定される。これにより、いずれの超音波センサも、その送信及び受信の最大感度の動作周波数付近で使用されるので、受信信号付近の帯域の信号のみを取り出すことが可能となり、S/Nが改善される。
The constants of the components of the transmitting
また、送信及び受信を1個の素子で行う兼用型では、送信時の直列共振周波数と受信時の並列共振周波数とのほぼ中間の周波数で動作させて、送信周波数と受信周波数とを両立させるので、実際には送信も受信も最大感度の動作周波数で使用されない。従って、送信用及び受信用の夫々のセンサを具える装置は、送受兼用型のセンサを用いる装置に比べて感度が良い。一方で、送受兼用型のセンサを用いた方が装置を小型化できる。 In addition, in the combined type in which transmission and reception are performed by one element, the transmission frequency and the reception frequency are made compatible by operating at a frequency approximately halfway between the series resonance frequency at the time of transmission and the parallel resonance frequency at the time of reception. In fact, neither transmission nor reception is used at the highest sensitivity operating frequency. Therefore, a device including both transmission and reception sensors has higher sensitivity than a device using a transmission / reception sensor. On the other hand, the size of the apparatus can be reduced by using a transmission / reception sensor.
信号増幅回路320は、受信回路3102から出力された電気信号を増幅するための回路であって、n形電界効果トランジスタ(FET)Q21と、第1、第2、第3及び第4の抵抗RD、RS、RG1、RG2とを有する。第3の抵抗RG1及び第4の抵抗RG2は直列に配置され、第3の抵抗RG1の一方の端子は、受信回路3102の超音波センサS12へ接続され、第4の抵抗RG2の一方の端子は接地へ接続されている。FETQ21のゲート端子は、可変抵抗である第3の抵抗RG1の可動端子へ接続されており、超音波センサS12から出力される電気信号を第3の抵抗RG1を介して供給される。FETQ21のドレイン端子は、第1の抵抗RDを介して電圧源VDへ接続され、ソース端子は第2の抵抗RSを介して接地へ接続されている。図3から明らかなように、本実施例において、信号増幅回路320は、FETによるソース共通増幅回路を構成する。信号増幅回路320は、また、その出力信号の直流成分を遮断するために直列コンデンサCDを出力段に設けられている。
図3に示されるように、本実施例の超音波センサ装置30は、更に、信号増幅回路320と第1のフィルタ回路3301との間にバッファ回路360を設けられても良い。バッファ回路360は、信号増幅回路320により増幅された信号をバッファするための回路であって、本実施例ではエミッタフォロワにより構成されている。
As shown in FIG. 3, the ultrasonic sensor system 30 of the present embodiment may further be provided a
第1のフィルタ回路3301及び第2のフィルタ回路3302は、受信用超音波センサS12の駆動周波数付近の帯域の信号を取り出すために、信号増幅回路320により増幅された信号を所定の周波数の信号成分のみを通すようフィルタ処理し、フィルタ処理により取り出された必要な信号成分のみを更に増幅するための回路である。
第1のフィルタ回路3301は、広帯域BPF反転増幅回路であって、第1の演算増幅器OP31と、第5及び第6の抵抗R331、R332と、第1及び第2のコンデンサC331、C332とを有する。第5の抵抗R331の一方の端子は、演算増幅器OP31の反転端子へ接続され、他方の端子は第1のコンデンサC331の一方の端子へ接続されている。第1のコンデンサC331の他方の端子はバッファ回路360の出力端子へ接続されている。第6の抵抗R332及び第2のコンデンサC332は、並列に配置されており、夫々、一方の端子を演算増幅器OP31の反転端子へ、他方の端子を演算増幅器OP31の出力端子へ接続されている。演算増幅器OP31の非反転端子は、所定の基準電圧を印加されている。第1のフィルタ回路3301の各構成部品の定数は、前段の信号増幅回路320よりも高い利得を有するよう設定される。
The
第2のフィルタ回路3302は、狭帯域BPF非反転増幅回路であって、第2の演算増幅器OP32と、第7、第8及び第9の抵抗R333、R334、R335と、第3、第4及び第5のコンデンサC333、C334、C335とを有する。第3及び第4のコンデンサC333、C334は直列に配置されている。第7の抵抗R333は、直列に配置されたコンデンサC333、C334に並列に配置され、一方の端子を演算増幅器OP32の反転端子へ、他方の端子を演算増幅器OP32の出力端子へ接続されている。第8の抵抗R334の一方の端子は、直列に配置された第3及び第4のコンデンサC333、C334の間に接続され、他方の端子は接地へ接続されている。演算増幅器OP32の反転端子は、更に、第9の抵抗R335の一方の端子へ接続されている。第9の抵抗R335の他方の端子は第4のコンデンサの一方の端子へ接続され、第4のコンデンサの他方の端子は接地へ接続されている。演算増幅器OP32の非反転端子は、コンデンサを介して第1のフィルタ回路3301の第1の演算増幅器OP31の出力端子へ接続されている。第2のフィルタ回路3301の各構成部品の定数は、超音波センサ装置全体で必要とされる利得に基づいて設定される。
Second filter circuit 330 2, a narrow band BPF non-inverting amplifier circuit, a second operational amplifier OP32, the seventh, the resistance of the eighth and 9 R333, R334, and R335, third, fourth And fifth capacitors C333, C334, and C335. The third and fourth capacitors C333 and C334 are arranged in series. The seventh resistor R333 is arranged in parallel with the capacitors C333 and C334 arranged in series, and one terminal is connected to the inverting terminal of the operational amplifier OP32 and the other terminal is connected to the output terminal of the operational amplifier OP32. One terminal of the eighth resistor R334 is connected between the third and fourth capacitors C333 and C334 arranged in series, and the other terminal is connected to the ground. The inverting terminal of the operational amplifier OP32 is further connected to one terminal of the ninth resistor R335. The other terminal of the ninth resistor R335 is connected to one terminal of the fourth capacitor, and the other terminal of the fourth capacitor is connected to the ground. The non-inverting terminal of the operational amplifier OP32 is connected to the output terminal of the first operational amplifier OP31 of the
自動レベル調整回路340は、外部接続回路350へ供給される信号、即ち、第2のフィルタ回路3302より出力された信号が飽和しないように、この信号に応じたレベル調整信号を信号増幅回路320に入力される超音波センサからの信号に重畳するための回路であって、第1及び第2のダイオードD341、D342と、第6及び第7のコンデンサC341、C342と、第10及び第11の抵抗R341、R342とを有する。第6のコンデンサC341の一方の端子は、第2のフィルタ回路3302の出力端子へ接続され、他方の端子は第10の抵抗R341を介して第1のダイオードD341のカソードへ接続されている。第1のダイオードD341のカソードは、更に、第2のダイオードD342のアノードへ接続され、第2のダイオードD342のカソードは接地へ接続されている。第1のダイオードD341のアノードは、第11の抵抗R342を介して信号増幅回路320のFETQ21のゲート端子へ接続されている。第7のコンデンサC342は、第1のダイオードD341のアノードと接地との間に接続されている。
Automatic
図3から明らかなように、本実施例の自動レベル調整回路340は、図2に示された自動レベル調整回路240と同じ構成を有する検波回路である。
As is apparent from FIG. 3, the automatic
外部接続回路350は、超音波センサ装置30に接続される外部アプリケーションに応じた信号形式で検知信号を出力するための回路であって、本実施例では、第2のフィルタ回路3302より出力された信号をアナログ信号のまま出力する。本実施例の外部接続回路350は、エミッタフォロワにより構成されたバッファ回路である。また、外部接続回路350は、更に、必要に応じて、信号のレベルを調整するよう構成されても良い。
[動作]
次に、図3の超音波センサ装置30の動作を説明する。
[Operation]
Next, the operation of the ultrasonic sensor device 30 of FIG. 3 will be described.
送信回路3101は、制御回路から出力された制御信号に応答して、例えば40kHzといった所定の周波数を有する超音波を対象物に送信するよう、第1の変圧器T11の二次巻線のインダクタンスと第1の超音波センサS11の静電容量から成る共振回路を40kHzの共振周波数で共振させる。これにより、第1の超音波センサS11は40kHzの超音波を発射する。
第1の超音波センサS11より発射された超音波が物体に反射されて、この反射波を受信回路3102の第2の超音波センサS12が受けると、第2の変圧器T12の二次巻線のインダクタンスと第2の超音波センサS12の静電容量とから成る共振回路が40kHzの共振周波数で共振し、反射波に応じた電気信号を発生させる。
The ultrasonic wave emitted from the first ultrasonic sensor S11, is reflected by the object, when the reflected wave is the second ultrasonic sensor S12 in the
受信回路3102で発生した電気信号は、信号増幅回路320へ送られる。信号増幅回路320は、電気信号を増幅させる。信号増幅回路320で増幅された電気信号は、バッファ回路360を介して第1のフィルタ回路3301に入力されて、所定の周波数の信号成分のみが取り出されるようフィルタ処理され、フィルタ処理により取り出された必要な信号成分のみを更に増幅される。次に、電気信号は、第2のフィルタ回路3302へ入力されて、所定の周波数の信号成分のみが取り出されるようフィルタ処理され、フィルタ処理により取り出された必要な信号成分のみを更に増幅される。
Electric signal generated by the receiving
このように増幅及びフィルタ処理をなされた電気信号は、次に自動レベル調整回路340に入力される。自動レベル調整回路340は、先に述べたようにダイオードから成る検波回路であって、本実施例では、入力された電気信号を検波して、そのレベルに応じた負の直流電圧をレベル調整信号として出力する。自動レベル調整回路340から出力されたレベル調整信号は、信号増幅回路320のFETQ21のゲート端子に印加される。レベル調整信号はFETQ21のゲートバイアス電圧に相当し、この電圧のレベルに応じて信号増幅回路340の増幅利得は変化する。これにより、第2のフィルタ回路3302から出力される信号は、飽和しないようなレベルに調整される。
The electric signal thus amplified and filtered is then input to the automatic
次に、第2のフィルタ回路3302から出力される信号は、外部接続回路350に入力される。外部接続回路350は、入力された信号をバッファして外部アプリケーションへ出力する。
Then, the signal output from the
このように、本発明に従う物体検知回路は、自動レベル調整手段を設けることにより、広範囲で変化する入力電圧に対して、線形な検知信号を出力することが可能となる。また、信号増幅手段としてFETを用いることによりS/Nの更なる改善が可能となる。従って、外部のアプリケーションによらず、安定したセンサ出力処理を実現することができる。 As described above, the object detection circuit according to the present invention can output a linear detection signal with respect to an input voltage changing in a wide range by providing the automatic level adjustment means. Further, the S / N can be further improved by using the FET as the signal amplifying means. Therefore, stable sensor output processing can be realized regardless of an external application.
[変形例]
以上、発明を実施するための最良の形態について説明を行ったが、本発明は、この最良の形態で述べた実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を損なわない範囲で変更することが可能である。
[Modification]
Although the best mode for carrying out the invention has been described above, the present invention is not limited to the embodiment described in the best mode. Modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、上記実施例で、自動調整回路は、2つのフィルタ回路のうち後段である第2のフィルタ回路の出力信号に基づいてレベル調整信号を発生させたが、第2のフィルタ回路のゲイン特性が固定である場合には、第1のフィルタ回路の出力信号に基づいてレベル調整信号を発生させても良い。また、自動調整回路から出力されたレベル調整信号は信号増幅回路の入力端子へ入力されたが、第1のフィルタ回路の入力端子へ入力されて良い。 For example, in the above embodiment, the automatic adjustment circuit generates the level adjustment signal based on the output signal of the second filter circuit that is the latter stage of the two filter circuits, but the gain characteristic of the second filter circuit is If it is fixed, the level adjustment signal may be generated based on the output signal of the first filter circuit. In addition, the level adjustment signal output from the automatic adjustment circuit is input to the input terminal of the signal amplifier circuit, but may be input to the input terminal of the first filter circuit.
更に、物体検知回路は、図2及び図3で示された回路構成に限らず、他の回路構成を有しても良く、超音波センサ装置以外のセンサ回路に適用することも可能である。 Furthermore, the object detection circuit is not limited to the circuit configurations shown in FIGS. 2 and 3, and may have other circuit configurations, and can be applied to sensor circuits other than the ultrasonic sensor device.
10 物体検知回路
20,30 超音波センサ装置
110,210 送受信手段/回路
120,220,320 信号増幅手段/回路
130,230,330 フィルタ手段/回路
140,240,340 自動レベル調整手段/回路
150,250,350 外部接続手段/回路
3101 送信回路
3102 受信回路
Q2,Q21 FET
10 Object detection circuit 20, 30
Claims (5)
前記受信手段により受信された反射信号のレベルを該レベルに応じて自動的に調整する自動レベル調整手段を有することを特徴とする物体検知回路。 An object detection circuit having a transmission means for transmitting a detection signal having a predetermined frequency to an object and a reception means for receiving a reflected signal reflected by the object,
An object detection circuit comprising automatic level adjustment means for automatically adjusting the level of the reflected signal received by the reception means in accordance with the level.
電界効果トランジスタを有し、前記受信手段により受信された前記反射信号のレベルを増幅する信号増幅手段と、
該信号増幅手段により増幅された前記反射信号のレベルを検出し、該レベルを前記信号増幅手段により増幅される前の信号又は増幅された後の信号に重畳する自動レベル調整手段とを有することを特徴とする物体検知回路。 An object detection circuit having a transmission means for transmitting a detection signal having a predetermined frequency to an object and a reception means for receiving a reflected signal reflected by the object,
A signal amplifying means having a field effect transistor for amplifying the level of the reflected signal received by the receiving means;
Automatic level adjusting means for detecting the level of the reflected signal amplified by the signal amplifying means and superimposing the level on the signal before or after being amplified by the signal amplifying means. Characteristic object detection circuit.
前記自動レベル調整手段は、前記複数のフィルタの間又は最後のいずれかにおける信号のレベルに応じたレベルを検出し、該レベルを前記信号増幅手段の入力端子又は前記複数のフィルタ手段の入力端子へ供給することを特徴とする請求項2記載の物体検知回路。 A plurality of filter means having an amplifying function, which is disposed after the signal amplifying means and filters the reflected signal amplified by the signal amplifying means so as to pass only in a predetermined frequency range;
The automatic level adjusting means detects a level corresponding to a signal level between the last and the last of the plurality of filters, and supplies the level to an input terminal of the signal amplifying means or an input terminal of the plurality of filter means. The object detection circuit according to claim 2, wherein the object detection circuit is supplied.
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JP2022514337A (en) * | 2018-12-19 | 2022-02-10 | ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング | Non-linear reception filters for vehicle object recognition sensors, especially ultrasonic sensors |
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2006
- 2006-12-14 JP JP2006337322A patent/JP2008151537A/en active Pending
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JP2022514337A (en) * | 2018-12-19 | 2022-02-10 | ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング | Non-linear reception filters for vehicle object recognition sensors, especially ultrasonic sensors |
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