JPH09243734A

JPH09243734A - 超音波センサ

Info

Publication number: JPH09243734A
Application number: JP5596296A
Authority: JP
Inventors: Masatake Uno; 真武宇野; Yuji Nakagawa; 裕司中川; Toshimasa Takagi; 俊昌高木; Hideki Kawahara; 英喜河原; Goro Oda; 悟朗小田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1996-03-13
Filing date: 1996-03-13
Publication date: 1997-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】反射率の低い物体からの反射波であっても安定
して検出することができ、外来ノイズに対する特性を低
下させることのない超音波センサを安価に提供すること
を目的とする。【解決手段】超音波を送波するとともに、その反射波を
受波する超音波振動子１０と、所定電圧レベルの制御信
号が入力される入力端子Ｐａ、Ｐｂと、この制御信号を
超音波振動子に印加する送波回路２と、超音波振動子の
出力に基づいて、反射波を検知する超音波検知回路３１
とを備えた超音波センサ１ａであって、超音波の送波時
に、送波回路２が、位相差を有する同一周波数のパルス
信号を出力し、これらのパルス信号が超音波振動子１０
の両端に入力される構成とされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波センサに係
り、更に詳しくは、所定電圧レベルの制御信号により超
音波振動子を駆動し、送波した超音波の反射波を検知す
る超音波センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波センサの一構成例を図４に
示す。この超音波センサ１ｃは、送受波兼用の超音波振
動子１０を備え、同一の超音波振動子１０が超音波の送
波及び受波を行うものである。送波回路２が上記超音波
振動子１０に電圧を印加すると、超音波振動子１０は所
定周波数の超音波を送波する。送波された超音波は、障
害物があれば反射されて、その一部が超音波振動子１０
により受波される。そして、送波回路２が超音波振動子
１０に電圧を印加していない時に、超音波検知回路３１
が超音波振動子１０から出力され、受波増幅回路３０で
増幅された受波信号を検知判断して、反射波の有無を判
別する。

【０００３】送波回路２の出力波形は、振幅レベル及び
周期が一定のパルス信号であり、送波時において、送信
回路２からこの様なパルス信号が出力され、超音波振動
子１０に断続的に一定の電圧レベルが印加される。この
様な超音波センサ１ｃは独自の電源を備えていないた
め、入出力ポート４を介して送波回路２へ入力される制
御信号の電圧レベルが、比較的低い電圧レベル、例え
ば、マイコンの出力信号レベル（５Ｖ）であったなら
ば、この電圧をそのまま超音波振動子１０へ印加した場
合には、送波された超音波のエネルギーが低くなってし
まう場合も生ずる。この様な場合には、障害物で反射し
た反射波のエネルギーも低くなって、受波信号も小さく
なり、受話回路において反射波の有無を判断することが
困難となる。特に、超音波の反射率が低い物体の場合に
は、反射波のエネルギーレベルがより低下して、反射波
の有無を判断することがより困難となる。

【０００４】この様な問題を解決する方法として、受波
増幅回路３０の利得を増大させて、受波信号をより大き
な信号に増幅し、この信号に基づいて、超音波検知回路
３１が反射波の有無を判断することが考えられる。しか
しながら、この様な方法を採用すれば、受波信号のＳ／
Ｎ比が悪化して、外来ノイズにより誤動作し易くなり、
反射波の検知判断の精度、信頼性が低下することにな
る。

【０００５】他の解決方法としては、送波回路２にトラ
ンス（変圧手段）を備え、超音波振動子１０に印加する
電圧レベルを高めて、超音波振動子１０から出る超音波
の送波レベルを高くすることが考えられる。この様な超
音波センサの一構成例を図５に示す。この超音波センサ
１ｄの送波回路２は、共振コイル２０及びトランス２１
が直列に接続されて構成され、入力された制御信号は、
トランス２１により昇圧された後に、超音波振動子１０
に印加される。

【０００６】この様な超音波センサ１ｄは、超音波振動
子１０が十分に高い送波レベルの超音波を送出できるた
め、信号レベルが大きく、Ｓ／Ｎ比も高い受波信号が得
られる。従って、超音波センサに独自の電源を備えなく
ても、反射波の検知判断の精度、信頼性を向上させるこ
とができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、トランス
は、電子部品の中では比較的高価な部品であるため、図
５に示した従来の超音波センサは、高価になるという問
題があった。また、トランスは、ノイズが混入しやすい
という特性を有しているため、超音波振動子の印加電圧
にノイズが混入し、誤動作の原因となるという問題もあ
る。

【０００８】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、反射率の低い物体からの反射波であっても安定し
て検出することができる超音波センサを提供することを
目的とする。また、外来ノイズに対する特性を低下させ
ることのない超音波センサを安価に提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載した本発
明による超音波センサは、超音波を送波するとともに、
その反射波を受波する超音波振動子と、所定電圧レベル
の制御信号が入力される入力端子と、この制御信号を超
音波振動子に印加する送波回路と、超音波振動子の出力
に基づいて、反射波を検知する超音波検知回路とを備え
た超音波センサであって、超音波の送波時に、上記送波
回路が、位相差を有する同一周波数のパルス信号を出力
し、これらのパルス信号が超音波振動子の両端に入力さ
れる構成とされる。

【００１０】請求項２に記載した本発明による超音波セ
ンサは、請求項１に記載の本発明による超音波センサで
あって、制御信号を入力する複数の入力端子を備え、こ
れらの入力端子には位相差を有する同一周波数のパルス
信号が入力され、送波回路が、上記入力端子間の電圧を
超音波振動子の両端に印加する構成とされる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明による超音波センサの一構
成例を図１に示す。この超音波センサ１ａは、送受波兼
用型の超音波振動子１０と、これに並列に接続された負
荷抵抗１１と、超音波振動子１０に電圧を印加する送波
回路２と、超音波振動子から出力される受波信号を増幅
する受波増幅回路３０と、受波信号に基づいて、反射波
の有無を検知判断する超音波検知回路３１と、制御信号
を入力し、検知信号を出力する入出力ポート４とを備え
て構成される。

【００１２】超音波振動子１０の両端子には、送波回路
２の出力端子及び受波増幅回路３０の入力端子がともに
接続されて構成され、送波時には、送波回路２により超
音波振動子１０に電圧が印加され、電圧が印加されない
受波時には、超音波検知回路３１が、受波増幅回路３０
の出力信号に基づいて、反射波の有無を判断する。送波
回路２は、トランスを備えることなく、共振コイル２０
のみで構成されている。この共振コイル２０は、送波回
路２の入力側から見れば、超音波振動子１０と直列に接
続されおり、受波増幅回路３０からみれば、超音波振動
子１０と並列に接続されているコイルである。

【００１３】従って、この共振コイル２０は、送波時に
は超音波振動子１０とともに直列共振回路を構成する一
方、受波時には超音波振動子１０とともに並列共振回路
を構成するコイルであり、共振周波数をｆｏとすれば、
共振コイル２０のインダクタンスＬは、

【００１４】

【数１】となる。なお、上式中のＣは超音波振動子の静電容量を
表している。入出力ポート４は、マイコン等の入出力ポ
ートへ接続される入力端子及び出力端子により構成され
る。マイコン等から出力された制御信号は、入出力ポー
ト４の入力端子を介して、送波回路２へ入力される。そ
して、送波回路２が超音波振動子１０に電圧を印加し
て、超音波が送波され、さらに、その反射波が受波され
れば、超音波検知回路３１が検知信号を出力する。この
検知信号は、入出力ポート４の出力端子を介してマイコ
ンへ出力される。

【００１５】送波回路２の入力信号及び出力信号の一例
を図２に示す。図中の（ａ）、（ｂ）は、それぞれ入力
端子Ｐａ、Ｐｂから送波回路２へ入力される制御信号Ｓ
ａ、Ｓｂを示したタイミングチャートであり、図中の
（ｃ）は、送波回路２により超音波振動子１０に印加さ
れる電圧レベルＶ１０を示したタイミングチャートであ
る。

【００１６】制御信号Ｓａ及び制御信号Ｓｂは、ともに
マイコンから超音波センサ１ａへ入力される同一周期の
パルス信号であり、いずれも振幅は５Ｖ（ボルト）であ
る。制御信号Ｓｂは、制御信号Ｓａよりも半波長分だけ
位相が遅れている信号である。超音波振動子１０には、
これらの制御信号Ｓａ、Ｓｂの電位差が印加されること
になるため、最大１０Ｖ（ボルト）の電圧が印加され
る。この様子を以下に説明する。

【００１７】まず、制御信号Ｓａ、Ｓｂの電位が、とも
にが接地レベル、即ち、０Ｖの状態から制御信号Ｓａの
電位のみが５Ｖに変化し、次に０Ｖに戻る。このとき、
制御信号Ｓａの電位は５Ｖだけ低下するが、同時に、制
御信号Ｓｂの電位は５Ｖだけ上昇する。制御信号Ｓａ
は、超音波振動子の＋端子に接続され、制御信号Ｓｂ
は、超音波振動子の−端子に接続されているため、超音
波振動子１０に印加される電圧Ｖ１０は、１０Ｖだけ低
下することになる。

【００１８】同様にして、制御信号Ｓａの電位が５Ｖだ
け上昇すれば、同時に、制御信号Ｓｂが５Ｖだけ低下す
るため、超音波振動子１０に印加されている電圧Ｖ１０
は１０Ｖ上昇することになる。従って、制御信号Ｓａ、
Ｓｂは、振幅が５Ｖのパルス波であるが、超音波振動子
１０には、振幅が１０Ｖのパルス波Ｖ１０が印加されて
おり、印加電圧が２倍になっていることがわかる。

【００１９】この超音波センサの受波時の様子を図３に
示す。受波時には、入力端子Ｐａ、Ｐｂには、マイコン
から接地レベルの信号が入力されるため、送波時には直
列共振回路として機能していたのと同一の共振コイル２
０が、受波時には超音波振動子と並列に接続されて、並
列共振回路として機能し、従来の超音波センサと同様の
受波回路系を形成しており、同様の検知判断が可能であ
ることがわかる。

【００２０】

【発明の効果】請求項１に記載した本発明による超音波
センサは、送波回路が、超音波振動子の両端に位相のず
れを有した同一周波数のパルス信号を入力することによ
り、超音波振動子にこれらのパルス信号の振幅よりも大
きな電圧レベルを印加することができる。

【００２１】このため、送波回路に昇圧用のトランスが
不要となり、従来の超音波センサに比べて、部品点数の
減少による製造コストの削減を図ることができる。ま
た、ノイズの混入しやすいトランスを備えていないた
め、耐ノイズ性能が向上し、障害物の検知判断の精度、
信頼性が低下することがない。従って、反射率の低い物
体からの反射波であっても安定して検出することができ
る超音波センサを安価に提供することができる。

【００２２】請求項２に記載した本発明による超音波セ
ンサは、複数の入力端子に位相差を有する同一周波数の
パルス信号が入力され、送波回路は、この入力端子間の
電圧を超音波振動子に印加する。この様なパルス信号
は、マイコン等を備えたシステムであれば、部品の追加
することなく、ソフトウエア制御により容易に生成する
ことができる。

【００２３】従って、送波回路を簡単な回路として構成
することができ、超音波センサを安価に提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波センサの一構成例を示した
図である。

【図２】送波回路の入力信号及び出力信号の一例を示し
たタイミングチャートである。

【図３】受波時における超音波センサの様子を示した図
である。

【図４】従来の超音波センサの概略構成を示した図であ
る。

【図５】従来の超音波センサの一構成例を示した図であ
る。

【符号の説明】

１０・・・超音波振動子２・・・送波回路３１・・・超音波検知回路Ｐａ、Ｐｂ・・・入力端子Ｓａ、Ｓｂ・・・制御信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者河原英喜大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者小田悟朗大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波を送波するとともに、その反射波を
受波する超音波振動子と、所定電圧レベルの制御信号が
入力される入力端子と、この制御信号を超音波振動子に
印加する送波回路と、超音波振動子の出力に基づいて、
反射波を検知する超音波検知回路とを備えた超音波セン
サにおいて、超音波の送波時に、上記送波回路が、位相差を有する同
一周波数のパルス信号を出力し、これらのパルス信号が
超音波振動子の両端に入力されることを特徴とする超音
波センサ。
【請求項２】請求項１に記載の本発明による超音波セン
サが、制御信号を入力する複数の入力端子を備え、これ
らの入力端子には位相差を有する同一周波数のパルス信
号が入力され、上記送波回路が、上記入力端子間の電圧を超音波振動子
の両端に印加することを特徴とする超音波センサ。