JPH07325146A - 超音波センサの受信処理回路と駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 駆動信号と受信信号の時間差を正確に検出で
きる超音波センサの受信処理回路を提供すること 【構成】 超音波センサ５０は駆動信号が入力されてい
る間、超音波を送信する送信部と、送信部が送信した超
音波の反射波を受信し、受信信号として出力する受信部
とを有する。受信処理回路１０は、受信部から送られた
受信信号を増幅し、増幅信号として出力する増幅部７４
を有する。また増幅信号と、送信部を駆動するための駆
動信号を分岐した分岐信号もしくは駆動信号に同期した
同期信号とが入力され、増幅信号と駆動信号との時間差
を検出するための検出部７６を有する。さらに受信処理
回路１０には、同期信号が入力され、同期信号が入力さ
れている間、受信部と増幅部７４との間の回路を開放す
るスイッチ部１４が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波センサの受信処
理回路とその駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波センサの受信処理回路と駆
動回路、および制御装置について図３を用いて説明す
る。まず、５０は超音波センサであり、後述する駆動回
路から駆動信号が入力されている間、超音波を送信する
送信部（不図示）と、送信部が送信した超音波の物体５
２からの反射波を受信し、受信信号として出力する受信
部（不図示）とを有する。本例の超音波センサ５０は一
つの入出力端子から駆動信号が入力され、また受信信号
を出力するものである。

【０００３】５４は駆動回路であり、駆動信号を発生さ
せる機能を有する。さらに詳細に駆動回路５４の構成要
素について説明する。５６は駆動回路５４の一部を構成
する正弦波発生部であり、超音波のキャリア信号となる
正弦波を出力する。５８はスイッチ部であり、正弦波発
生部５６と後述する駆動部との間の回路を開閉する機能
を有する。スイッチ部５８は後述するゲート制御部から
出力されるトリガ信号が入力されている間のみ回路を閉
成し、正弦波を後述する駆動部へ伝える。なお、以下、
「回路を閉成する」とは電気的に回路を接続状態とする
ことを言い、また「回路を開放する」とは電気的に回路
を断絶状態とすることを言う。６０はスイッチ部５８の
開閉を制御するゲート制御部である。ゲート制御部６０
からはスイッチ部５８を制御するためのトリガ信号が出
力される。６２は駆動部であり、スイッチ部５８を介し
て入力された正弦波を電力増幅して後述するトランスを
駆動する。６４はトランスであり、駆動部６２から入力
された正弦波を超音波センサ５０の駆動条件に合わせて
昇圧し、交流信号である駆動信号を生成する。この駆動
信号は超音波センサ５０の入出力端子に印加される。

【０００４】６６は受信処理回路であり、超音波センサ
５０の入出力端子に駆動回路５４から印加される駆動信
号または駆動信号と同期するトリガ信号と、超音波セン
サ５０が反射波を受けて入出力端子に出力する受信信号
との時間差を検出する機能を有する。通常は、トリガ信
号と受信信号との時間差を検出する。さらに詳細に受信
処理回路６６の構成要素について説明する。６８はダイ
オードクリップ回路であり、超音波センサ５０の入出力
端子に印加される電圧振幅の大きな駆動信号を一定電圧
以内（振幅が約１ボルト）にクリップし、クリップ信号
として出力するためのものである。なお、電圧振幅が約
１０ボルト程度に達する駆動信号はクリップされるが、
振幅が約数１０ミリボルト程度の受信信号はクリップは
されず、そのままの電圧振幅でダイオードクリップ回路
６８から出力される。これにより、受信信号に対しては
ノイズ信号となる駆動信号の電圧振幅を電圧振幅の小さ
な受信信号の電圧振幅に近づけることができ、後段に配
された後述する増幅部への信号のＳ／Ｎ比を改善するこ
とができる。なお、７０はダイオードクリップ回路６８
の入力インピーダンスを調整するため、超音波センサ５
０の入出力端子とダイオードクリップ回路６８との間に
直列に配された抵抗である。７２は低域通過型フィルタ
である。クリップ信号に含まれる高周波ノイズ成分を除
去する機能を有する。

【０００５】増幅部７４は、ダイオードクリップ回路６
８から出力され、駆動信号成分と受信信号成分とを含む
クリップ信号を、後述する検出部が処理可能な電圧振幅
レベルまで増幅する。検出部７６では、ゲート制御部６
０から入力されるトリガ信号と、クリップ信号に含まれ
る受信信号との時間差を検出する。時間差とは通常、ト
リガ信号の入力開始時間と受信信号の入力開始時間との
間の時間差を言うが、トリガ信号の入力終了時間と受信
信号の入力終了時間との間の時間差でも良い。この検出
した時間差と超音波の伝播速度とから、超音波センサ５
０と物体５２との距離が演算できる。なお、超音波セン
サ５０の制御装置７８とは、超音波センサ５０と、受信
処理回路６６と、駆動回路５４とを有するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の超音波センサの受信処理回路、駆動回路には次のよ
うな課題がある。まず、受信処理回路６６においては、
ダイオードクリップ回路６８を使用して増幅部７４に入
力される信号のＳ／Ｎ比を改善してはいるが、依然とし
てクリップ信号に含まれる駆動信号成分の電圧振幅と受
信信号成分の電圧振幅との間には約１０倍程度の差があ
るため、十分良好なＳ／Ｎ比が得られているわけではな
い。従って、増幅部７４における電圧増幅のゲインは、
増幅部７４の飽和を考慮すると電圧振幅の大きな駆動信
号成分により決定されてしまい、検出部７６で必要とな
る受信信号成分を十分な電圧レベルまで増幅することが
できず、このため検出部において正確な時間差が検出で
きないという課題がある。また、駆動回路においては、
トランスを駆動するために正弦波の電力増幅を行う増幅
部が設けられているため消費電力が多くなる。また、ト
ランスを使用するために駆動回路の小型化が行えないと
いう課題がある。従って、本発明は上記課題を解決すべ
くなされ、その目的とするところは、駆動信号と受信信
号の時間差を正確に検出できる超音波センサの受信処理
回路と、消費電力が少なくまた小型化も容易な超音波セ
ンサの駆動回路を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため次の構成を備える。すなわち、本発明に係る超
音波センサの受信処理回路は、駆動信号が入力されてい
る間、超音波を送信する送信部と、該送信部が送信した
超音波の反射波を受信し、受信信号として出力する受信
部とを具備する超音波センサに接続され、前記受信部か
ら送られた前記受信信号を増幅し、増幅信号として出力
するための増幅部と、該増幅信号と、前記送信部を駆動
するための駆動信号を分岐した分岐信号もしくは該駆動
信号に同期した同期信号とが入力され、増幅信号と駆動
信号との時間差を検出するための検出部とを具備する超
音波センサの受信処理回路において、前記駆動信号もし
くは前記同期信号が入力され、駆動信号もしくは同期信
号が入力されている間、前記受信部と前記増幅部との間
の回路を開放するスイッチ部が設けられていることを特
徴とする。

【０００８】また、前記スイッチ部は、前記受信部と前
記増幅部との間に設けられ、受信部と増幅部との間の回
路を開閉するための第１のスイッチ手段と、該第１のス
イッチ手段と前記増幅部との間と、グランドとの間の回
路を開閉するための第２のスイッチ手段とから成り、前
記第１のスイッチ手段は、前記駆動信号もしくは前記同
期信号が入力されている間、回路を開放し、前記第２の
スイッチ手段は、前記駆動信号もしくは前記同期信号が
入力されている間、回路を閉成する構成とすれば、超音
波センサに駆動信号が入力されている間は簡単な構成で
確実に受信部と増幅部との間の回路を開放でき、且つそ
の開放時の増幅部の入力をグランドレベルに保持できる
ので、増幅部への信号のＳ／Ｎ比を一層向上させること
ができる。

【０００９】また、本発明に係る超音波センサの駆動回
路は、駆動信号が入力されている間、超音波を送信する
送信部と、該送信部が送信した超音波の反射波を受信
し、受信信号として出力する受信部とを具備する超音波
センサに接続され、前記駆動信号を出力する超音波セン
サの駆動回路において、トリガ信号が入力されている
間、互いに位相が反転した第１の制御信号と第２の制御
信号を出力する駆動信号発生部と、プラス電源とマイナ
ス電源との間へ直列に接続された第３のスイッチ手段お
よび第４のスイッチ手段とを具備し、前記第３のスイッ
チ手段は前記第１の制御信号により回路を開閉し、前記
第４のスイッチ手段は前記第２の制御信号により回路を
開閉することにより、第３のスイッチ手段と第４のスイ
ッチ手段の接続点に前記駆動信号となる交流信号を発生
することを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明に係る超音波センサの受信処理回路は、
駆動信号または駆動信号に同期した同期信号が入力され
ている間、スイッチ部により、超音波センサの受信部と
受信処理回路内の増幅部との間の回路が開放されるた
め、駆動信号が増幅部に入力することを防止できる。ま
た、駆動信号と時間差をもって超音波センサの受信部か
ら出力される受信信号は増幅部に入力可能である。

【００１１】また、本発明に係る超音波センサの駆動回
路は、トリガ信号が入力されている間、互いに位相が反
転した第１の制御信号と第２の制御信号を出力する駆動
信号発生部と、プラス電源とマイナス電源との間へ直列
に接続された第３のスイッチ手段および第４のスイッチ
手段とを具備し、第３のスイッチ手段は第１の制御信号
により回路を開閉し、第４のスイッチ手段は第２の制御
信号により回路を開閉することにより、第３のスイッチ
手段と第４のスイッチ手段の接続点に駆動信号となる交
流信号を発生することができ、スイッチング動作による
信号発生が可能である。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基
づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る超音波セン
サの受信処理回路と駆動回路とからなる超音波センサの
制御装置の構成を示すブロック図である。図２は、図１
のタイミングチャートである。

【００１３】まず、受信処理回路１０と駆動回路１２の
構成を説明する。なお、従来例の構成と同一の構成に関
しては同じ符号を付し、説明は省略する。５０は従来と
同一の構成を有する超音波センサである。本例の超音波
センサ５０は一つの入出力端子から駆動信号ｅが入力さ
れ、また受信信号ｆを出力するものであり、このため後
述する受信処理回路１０と接続される超音波センサ５０
の入出力端子には駆動信号ｅと受信信号ｆとが、超音波
センサ５０と物体５２との距離に比例した時間差をもっ
て発生することになる（図２の入出力端子電圧波形を参
照）。

【００１４】受信処理回路１０の従来と異なる構成は、
駆動回路１２から出力される駆動信号ｅもしくは駆動信
号ｅに同期したトリガ信号ｂが入力され、駆動信号ｅも
しくはトリガ信号ｂが入力されている間、超音波センサ
５０の受信部とフィルタ７２との間の回路を開放するス
イッチ部１４が設けられている点である。本実施例で
は、一例としてスイッチ部１４にはトリガ信号ｂが入力
される。なお、「同期する」とは回路を構成するＩＣの
信号伝播遅延時間を無視すれば、同一タイミングで変化
することを言う。さらに詳細には、スイッチ部１４は、
受信部とフィルタ７２との間に設けられ、受信部とフィ
ルタ７２との間の回路を開閉するための第１のスイッチ
手段１６と、第１のスイッチ手段１６とフィルタ７２と
の間と、グランドとの間の回路を開閉するための第２の
スイッチ手段１８とから成る。第１のスイッチ手段１６
と第２のスイッチ手段１８には、高速なスイッチング動
作を行える半導体スイッチ素子が好適であり、トランジ
スタやＦＥＴ、またアナログスイッチ等が一般に使用さ
れる。またスイッチ素子には、オン抵抗のなるべく小さ
いものを選定し、信号の減衰を抑制することが望まし
い。

【００１５】２０はゲート制御部であり、入力されたト
リガ信号ｂのタイミングに基づいて、第１のスイッチ手
段１６および第２のスイッチ手段１８による回路の開
放、閉成を制御するためのものである。詳細には、第１
のスイッチ手段１６にはゲート制御部２０によりトリガ
信号ｂと逆相の信号ｇが出力され、トリガ信号ｂが入力
されている間は超音波センサ５０と増幅部７４（本実施
例では増幅部７４の前段にフィルタ７２が配されている
ためフィルタ７２）との間の回路を開放し、駆動信号ｅ
の増幅部７４への入力を阻止する。また、第２のスイッ
チ手段１８にはゲート制御部２０によりトリガ信号ｂと
同相の信号ｈが出力され、トリガ信号ｂが入力されてい
る間は増幅部７４の入力電圧レベルを強制的にグランド
電位とし、駆動信号等が発生するノイズの増幅部７４へ
の入力を防止する。なお、その他フィルタ７２、増幅部
７４、検出部７６は従来と同様である。

【００１６】続いて、駆動信号ｅを発生する駆動回路１
２の構成について説明する。２２は駆動回路１２の一部
を構成するパルス発生部であり、超音波センサ５０の共
振周波数に一致した周波数を有する矩形波であるパルス
信号ａと、パルス信号ａより周波数が低く、且つ一定の
デューティー・ファクタをもった同期信号としてのトリ
ガ信号ｂを発生する。駆動回路１２は通常、水晶発振器
等の基準信号発生器とＴＴＬ等のＩＣにより構成された
論理回路で形成される。駆動回路１２は、パルス信号ａ
とトリガ信号ｂの各信号の立ち上がりおよび／または立
ち下がりが同期して変化するように、パルス信号ａとト
リガ信号ｂを出力する。

【００１７】２４は駆動信号発生部であり、トリガ信号
ｂが入力されている間、互いに位相が反転した第１の制
御信号ｃと第２の制御信号ｄを出力する機能を有する。
一例として本実施例では、第１の制御信号ｃおよび第２
の制御信号ｄは入力されるパルス信号ａと同一周波数で
あり、第１の制御信号ｃはパルス信号ａと同相に、また
第２の制御信号ｄはパルス信号ａと逆相になっている
が、互いに位相が反転した信号であればいずれの信号が
パルス信号ａに対して同相、逆相となっていてもかまわ
ない。

【００１８】２６は第３のスイッチ手段であり、また２
８は第４のスイッチ手段である。第３のスイッチ手段２
６と第４のスイッチ手段２８はプラス電源（Ｖｃｃ）と
マイナス電源（−Ｖｅｅ）との間へ直列に接続され、第
３のスイッチ手段２６は第１の制御信号ｃによりスイッ
チング動作を行って回路を開閉し、第４のスイッチ手段
２８は第２の制御信号ｄにより回路を開閉する。これに
より、第３のスイッチ手段２６と第４のスイッチ手段２
８の接続点Ｘに駆動信号ｅとなる交流信号を発生させる
ことができる。また、第３のスイッチ手段２６や第４の
スイッチ手段２８は、スイッチング速度を考慮すると半
導体スイッチ素子が好適であり、トランジスタやＦＥＴ
やサイリスタ、またアナログスイッチ等が一般に使用さ
れる。また、第３のスイッチ手段２６や第４のスイッチ
手段２８に半導体スイッチ素子を使用する場合にはオン
抵抗の小さいものを選び、飽和領域で作動させることに
より、スイッチ素子での電力ロスを従来に比べて少なく
することができる。なお、図２に示すように各信号は正
論理を扱っているが、もちろん負論理であっても当然良
い。

【００１９】次に、駆動回路１２と受信処理回路１０と
から成る超音波センサの制御装置３０の動作について図
２を用いて説明する。パルス発生部２２では、パルス信
号ａとトリガ信号ｂを出力し、これらの信号は駆動信号
発生部２４に入力される。駆動信号発生部２４では、ト
リガ信号ｂが入力されている間、パルス信号ａと同一周
波数を有し、互いに位相が反転した第１の制御信号ｃと
第２の制御信号ｄとを出力する。第３のスイッチ手段２
６と第４のスイッチ手段２８は、それぞれ第１の制御信
号ｃと第２の制御信号ｄが入力された際にスイッチング
動作を行い、これにより接続点Ｘには駆動信号ｅとなる
交流信号が発生する。この駆動信号ｅの電圧振幅は第３
のスイッチ手段２６と第４のスイッチ手段２８とが飽和
状態でスイッチングを行っているために、略（Ｖｃｃ＋
Ｖｅｅ）となる。なお、接続点Ｘに駆動信号ｅが発生し
ている間は、ゲート制御部２０から第１のスイッチ手段
１６へトリガ信号ｂと逆相の信号ｇが出力されて第１の
スイッチ手段１６が開放状態にあり、さらに第２のスイ
ッチ手段１８へはトリガ信号ｂと同相の信号ｈが出力さ
れて閉成状態となりフィルタ７２の入力は強制的にグラ
ンド電位となっている。このため、フィルタ７２の後段
にある増幅部７４や検出部７６への駆動信号ｅの入力を
抑止することができる。

【００２０】超音波センサ５０は駆動信号ｅが入出力端
子に入力されると、その送信部から駆動信号ｅに同期し
た超音波を送信し、続いて超音波の物体５２からの反射
波を受信部で受信して受信信号ｆを同じく入出力端子へ
出力する。なお、トリガ信号ｂのパルス幅ｔ１は、超音
波センサ５０での超音波の送信（トリガ信号ｂの入力）
からその反射波の受信までの時間ｔ２に比べて十分短く
なるように予め設定されており、送信波と反射波とが重
なることはない。また、超音波センサ５０が反射波を受
信して、受信信号ｆを出力する際には、ゲート制御部２
０から第１のスイッチ手段１６へトリガ信号ｂと逆相の
信号ｇが出力されて第１のスイッチ手段１６が閉成状態
にあり、さらに第２のスイッチ手段１８へはトリガ信号
ｂと同相の信号ｈが出力されて第２のスイッチ手段１８
は開放状態にあるので、第１のスイッチ手段１６を経由
して受信信号ｆはフィルタ７２へ入力される。上記スイ
ッチ部１４の動作により、フィルタ７２には受信信号ｆ
の成分のみで構成される信号ｉが入力される。

【００２１】低域通過型に形成されたフィルタ７２にお
いてノイズとなる高周波成分を除去された信号ｉは、増
幅部７４において検出部７６が処理可能な電圧振幅レベ
ルまで増幅される。検出部７６では、トリガ信号ｂの入
力タイミングと受信信号ｆの入力タイミングとの時間差
ｔ２を検出し、この時間差ｔ２と超音波の伝達速度とか
ら超音波センサ５０と物体５２との距離を演算する。

【００２２】以上、本発明の好適な実施例について種々
述べてきたが、本発明は上述する実施例に限定されるも
のではなく、スイッチ部１４には第１のスイッチ手段１
６のみを設け、第２のスイッチ手段１８に代えて終端抵
抗を配する構成としても良い。また、第３のスイッチ手
段２６と第４のスイッチ手段２８を使用してその接続点
Ｘに駆動信号を生成する構成に代えて、スイッチ手段を
４つ使用してフルブリッジ型に構成して超音波センサ５
０を駆動する構成としても良い等、発明の精神を逸脱し
ない範囲で多くの改変を施し得るのはもちろんである。

【００２３】

【発明の効果】本発明に係る超音波センサの受信処理回
路を用いると、駆動信号または駆動信号に同期した同期
信号が入力されている間、スイッチ部により、超音波セ
ンサの受信部と受信処理回路内の増幅部との間の回路が
開放されるため、駆動信号の増幅部への入力を防止で
き、増幅部では受信信号のみを増幅することが可能とな
り良好なＳ／Ｎ比が得られ、検出部での時間差の検出精
度が向上する。また、本発明に係る超音波センサの駆動
回路を用いると、トリガ信号が入力されている間、互い
に位相が反転した第１の制御信号と第２の制御信号を出
力する駆動信号発生部と、プラス電源とマイナス電源と
の間へ直列に接続された第３のスイッチ手段および第４
のスイッチ手段とを具備し、第３のスイッチ手段は第１
の制御信号により回路を開閉し、第４のスイッチ手段は
第２の制御信号により回路を開閉することにより、第３
のスイッチ手段と第４のスイッチ手段の接続点に駆動信
号となる交流信号をスイッチング動作により発生させる
ことができ、従来例のように増幅回路を用いて信号を増
幅する必要がなくなるので、消費電力を低減することが
可能となるという著効を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波センサの受信処理回路と駆
動回路とからなる超音波センサの制御装置の構成を示す
ブロック図である。

【図２】図１のタイミングチャートである。

【図３】従来の超音波センサの受信処理回路と駆動回路
とからなる超音波センサの制御装置の一例の構成を示す
ブロック図である。

【符号の説明】

１０ 受信処理回路 １２ 駆動回路 １４ スイッチ部 １６ 第１のスイッチ手段 １８ 第２のスイッチ手段 ５０ 超音波センサ ７４ 増幅部 ７６ 検出部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動信号が入力されている間、超音波を
   送信する送信部と、該送信部が送信した超音波の反射波
   を受信し、受信信号として出力する受信部とを具備する
   超音波センサに接続され、 前記受信部から送られた前記受信信号を増幅し、増幅信
   号として出力するための増幅部と、 該増幅信号と、前記送信部を駆動するための駆動信号を
   分岐した分岐信号もしくは該駆動信号に同期した同期信
   号とが入力され、増幅信号と駆動信号との時間差を検出
   するための検出部とを具備する超音波センサの受信処理
   回路において、 前記駆動信号もしくは前記同期信号が入力され、駆動信
   号もしくは同期信号が入力されている間、前記受信部と
   前記増幅部との間の回路を開放するスイッチ部が設けら
   れていることを特徴とする超音波センサの受信処理回
   路。
2. 【請求項２】 前記スイッチ部は、 前記受信部と前記増幅部との間に設けられ、受信部と増
   幅部との間の回路を開閉するための第１のスイッチ手段
   と、 該第１のスイッチ手段と前記増幅部との間と、グランド
   との間の回路を開閉するための第２のスイッチ手段とか
   ら成り、 前記第１のスイッチ手段は、前記駆動信号もしくは前記
   同期信号が入力されている間、回路を開放し、 前記第２のスイッチ手段は、前記駆動信号もしくは前記
   同期信号が入力されている間、回路を閉成することを特
   徴とする請求項１記載の超音波センサの受信処理回路。
3. 【請求項３】 駆動信号が入力されている間、超音波を
   送信する送信部と、該送信部が送信した超音波の反射波
   を受信し、受信信号として出力する受信部とを具備する
   超音波センサに接続され、 前記駆動信号を出力する超音波センサの駆動回路におい
   て、 トリガ信号が入力されている間、互いに位相が反転した
   第１の制御信号と第２の制御信号を出力する駆動信号発
   生部と、 プラス電源とマイナス電源との間へ直列に接続された第
   ３のスイッチ手段および第４のスイッチ手段とを具備
   し、 前記第３のスイッチ手段は前記第１の制御信号により回
   路を開閉し、前記第４のスイッチ手段は前記第２の制御
   信号により回路を開閉することにより、第３のスイッチ
   手段と第４のスイッチ手段の接続点に前記駆動信号とな
   る交流信号を発生することを特徴とする超音波センサの
   駆動回路。
4. 【請求項４】 請求項１または２記載の受信処理回路
   と、 請求項３記載の駆動回路とを具備することを特徴とする
   超音波センサの制御装置。