(57)【要約】【課題】信号線に重畳するノイズを低減することができるようにした超音波式距離検出装置を提供する。【解決手段】超音波センサ１は、液面検出装置２から２本の信号線３ａ、３ｂを介して接続される。駆動回路５から駆動信号を出力する際に、インピーダンス整合回路６を介して出力する。これにより、信号線３ａ、３ｂには、送受信信号が相補的なレベルの信号として流れる。受信回路９では、送受信信号を差動増幅回路１０により増幅することで、同相のノイズ信号をカットして増幅信号Ｖｓを得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波センサ（１）から対象物に超音波を照射し、前記対象物で反射した超音波信号を受信して前記対象物までの距離を検出する超音波式距離検出装置であって、
前記超音波センサに２本の信号線（３ａ、３ｂ）を介して駆動信号を与える駆動回路（５）と、
前記駆動回路から前記２本の信号線に至る信号経路に設けられたインピーダンス整合回路（６）と、
前記超音波センサが検出するセンサ信号を前記２本の信号線を介して受信し、前記２本の信号線に重畳した同相のノイズを打ち消した状態で前記センサ信号を取り込む受信回路（９）と、
前記駆動信号および前記センサ信号から距離を検出する検出回路（８）と
を備えた超音波式距離検出装置。
【請求項２】
前記インピーダンス整合回路は、トランス（６ａ）を有する請求項１に記載の超音波式距離検出装置。
【請求項３】
前記受信回路は、前記２本の信号線を入力信号とする差動増幅回路（１０）を備える請求項１または２に記載の超音波式距離検出装置。
【請求項４】
前記２本の信号線に接続されるコモンモードノイズフィルタ（７、２１）を備えた請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波式距離検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波式距離検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波式距離検出装置として、例えば超音波式液面検出装置がある。このものは、ピエゾ効果を利用した超音波センサを液中に配置し、液面に向けて超音波を出力してその反射波を同じく超音波センサにより受信して距離を検出するように構成されている。液面検出装置では、液面までの距離を求めることで、内部に貯蔵されている液の量を検出するものである。
【０００３】
この場合、超音波センサにより検出する反射波の信号が微弱であるので、超音波センサからの信号を受信する回路までの配線にノイズが重畳されて正確な距離を検出することが難しくなるという課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−３７２２１３号公報
【特許文献２】特開２００５−１４２７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、信号線に重畳するノイズを低減して信号を受信できるようにして精度良く距離を検出することができるようにした超音波式距離検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の超音波式距離検出装置は、超音波センサ（１）から対象物に超音波を照射し、前記対象物で反射した超音波信号を受信して前記対象物までの距離を検出する超音波式距離検出装置であって、前記超音波センサに２本の信号線（３ａ、３ｂ）を介して駆動信号を与える駆動回路（５）と、前記駆動回路から前記２本の信号線に至る信号経路に設けられたインピーダンス整合回路（６）と、前記超音波センサが検出するセンサ信号を前記２本の信号線を介して受信し、前記２本の信号線に重畳した同相のノイズを打ち消した状態で前記センサ信号を取り込む受信回路（９）と、前記駆動信号および前記センサ信号から距離を検出する検出回路（８）とを備えている。
【０００７】
上記構成を採用することにより、駆動回路からインピーダンス整合回路を介して２本の信号線に送信信号を出力するので、２本の信号線での送受信信号は相補的なレベルの信号となる。そして、２本の信号線に同相のノイズ信号が重畳された場合には、受信回路において同相のノイズを打ち消した状態で取り込むことができるようになる。この結果、送信信号および受信信号を取り込んで両者の時間差に基づいて正確に距離を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態を示す電気的構成図
【図２】タイムチャート
【図３】第２実施形態を示す電気的構成図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図１および図２を参照して説明する。
この実施形態では、超音波センサ１を用いた超音波式距離検出装置として、例えば自動車の燃料タンクに設けられる液面検出装置２を例にとって説明する。燃料タンク内の燃料の液面位置を検出する構成としては、燃料タンク内の底面部から燃料の液面に向けて超音波センサ１により超音波を出力し、その反射波を超音波センサ１で検出するものである。
【００１０】
図１において、超音波センサ１は、例えばピエゾ効果を有するＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を円盤状にして積層したセンサ素子１ａが内蔵されるもので、両端子間に駆動信号を印加して超音波を出力する。また、超音波センサ１は、液面で反射した超音波により受信信号を発生する。超音波センサ１は、液面検出装置２との間で、２本の信号線３ａ、３ｂを介して駆動信号および受信信号の授受を行う。なお、２本の信号線３ａ、３ｂは、ツイスト線あるいは２線シールド線を用いることができる。
【００１１】
送信回路４は、駆動回路５およびインピーダンス整合回路６を備える。直流電源ＶＤとグランドとの間にインピーダンス整合回路６および駆動回路５を直列に接続した構成である。駆動回路５は、半導体スイッチング素子や他のスイッチング素子などのスイッチ５ａを備えている。インピーダンス整合回路６は、パルストランス６ａおよびダイオード６ｂを備えている。パルストランス６ａの一次側コイルにはダイオード６ａが接続されている。パルストランス６ａの二次側は、入出力端子Ａ、Ｂを介して２本の信号線３ａ、３ｂにそれぞれ接続されている。
【００１２】
２本の信号線３ａ、３ｂには、コモンモードノイズフィルタとしてＹコンデンサ７が接続されている。Ｙコンデンサ７は、２個のコンデンサ７ａ、７ｂの一端をそれぞれ信号線３ａ、３ｂに接続し、他端をグランドに接続したものである。Ｙコンデンサ７は、２本の信号線３ａ、３ｂに重畳したコモンモードノイズを低減させる。
【００１３】
制御回路８は、ロジック回路もしくはマイコンなどにより構成されるもので、駆動回路５のスイッチ５ａをオンオフ駆動するための駆動信号Ｓｄを出力する。また、制御回路８は、後述するように、検出回路としての機能も備えている。
【００１４】
受信回路９は、差動増幅回路１０、検波回路１１および比較回路１２を備えている。差動増幅回路１０は、差動アンプ１０ａを中心として構成される。差動アンプ１０ａの反転入力端子は抵抗１０ｂを介して入出力端子Ａに接続され、非反転入力端子は抵抗１０ｃを介して入出力端子Ｂに接続される。差動アンプ１０ａの非反転入力端子は抵抗１０ｄを介してグランドに接続される。差動アンプ１０ａの反転入力端子と出力端子との間には抵抗１０ｅが接続される。
【００１５】
差動増幅回路１０は、反転入力端子と非反転入力端子との間に入力される信号の差分を増幅して増幅信号Ｖｓとして出力するもので、２本の信号線３ａ、３ｂに同相で重畳したノイズ成分などはここで遮断される。
【００１６】
検波回路１１は、差動増幅回路１０からの増幅信号Ｖｓを入力すると、これを包絡線検波により検波して検波信号Ｖｘとして出力する。比較回路１２は、検波回路１１からの検波信号Ｖｘを入力すると、閾値電圧Ｖｔｈと比較して比較出力Ｓｘとして制御回路８に出力する。この場合、比較回路１２は、検波信号Ｖｘが閾値電圧Ｖｔｈを超えるときにハイレベルの信号として比較出力Ｓｘを生成する。
【００１７】
次に、図２も参照して、上記構成の作用について説明する。図２（ａ）は、制御回路８から出力される駆動信号Ｓｄを示している。制御回路８から、時刻ｔ０で駆動信号Ｓｄが出力されると、駆動回路５のスイッチ５ａがオン駆動される。これにより、スイッチ５ａのオン期間においてインピーダンス整合回路６を介して２本の信号線３ａ、３ｂ間に送信信号ＳＬａ、ＳＬｂとして出力される。送信信号ＳＬａ、ＳＬｂは、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、信号線３ａ、３ｂ間に相補的な信号として出力される。
【００１８】
この送信信号ＳＬａ、ＳＬｂは、超音波センサ１においてセンサ素子１ａにより超音波として対象物に向けて出力される。一方、送信信号ＳＬａ、ＳＬｂは受信回路９にも入力される。受信回路９においては、差動増幅回路１０で送信信号ＳＬａ、ＳＬｂの差分に相当する信号として増幅され、図２（ｄ）に示すように、増幅信号Ｖｓが出力される。
【００１９】
検波回路１１においては、差動増幅回路１０から入力される増幅信号Ｖｓを包絡線検波して、図２（ｅ）に示すように、正半波の検波信号Ｖｘとして出力される。比較回路１２においては、図２（ｆ）に示すように、検波回路１１から入力される検波信号Ｖｘのレベルが閾値電圧Ｖｔｈを超えるとハイレベルとなる比較出力Ｓｘとして出力される。
【００２０】
図２（ｆ）では、比較回路１２は、比較出力Ｓｘを、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間がハイレベルとなる信号として制御回路８に出力する。制御回路８は、比較回路１２から入力される比較出力Ｓｘの立ち上がりタイミングｔ０を基準として受信信号に対応する比較出力Ｓｘが入力するまでの時間を検出する。
【００２１】
上記した送信信号ＳＬａ、ＳＬｂによって超音波センサ１から出力された超音波が対象物である液面で反射すると再び超音波センサ１に戻り、図２（ｂ）に示すように、電気信号に変換されて受信信号ＳＬａ、ＳＬｂとなって２本の信号線３ａ、３ｂに出力される。
【００２２】
この受信信号ＳＬａ、ＳＬｂは、同じく受信回路９に入力され、上記と同様にして差動増幅回路１０で増幅信号Ｖｓに変換され、検波回路１１および比較回路１２を通じて比較出力Ｓｘとして得ることができる。この場合、受信信号による比較出力Ｓｘは、図２（ｆ）に示すように、時刻ｔ２で立ち上がり、時刻ｔ３で立ち下がる信号として制御回路８に入力される。
【００２３】
制御回路８においては、送信信号および受信信号による比較出力Ｓｘの立ち上がりタイミングｔ０とｔ２との間の経過時間Ｔ（＝ｔ２−ｔ０）によって、超音波が超音波センサ１から出射されて燃料の液面で反射して戻るまでの時間が求まるので、これによって液面までの距離を検出することができ、液面の位置に対応した燃料の残量を検出することができる。
【００２４】
このような検出動作において、２本の信号線３ａ、３ｂに外部からノイズ信号Ｓｎが重畳されることがある。この場合、超音波センサ１からの受信信号ＳＬａ、ＳＬｂのレベルに対してノイズ信号のレベルが同程度もしくは大きい場合には、受信信号ＳＬａ、ＳＬｂがノイズ信号Ｓｎと区別が難しくなり、誤検出になってしまう恐れがある。
【００２５】
これに対して、この実施形態においては、インピーダンス整合回路６を介して送信信号ＳＬａ、ＳＬｂを送信しているので、２本の信号線３ａ、３ｂにより伝達する信号のレベルが相補的な変化をする信号となる。同様にして、受信信号のＳＬａ、ＳＬｂのレベルも相補的な変化をする信号となるので、受信回路９においては、差動増幅回路１０により両受信信号の差分が２倍のレベルの増幅信号Ｖｓとして取得することができる。
【００２６】
一方、２本の信号線３ａ、３ｂに重畳するノイズ信号Ｓｎのレベルもほぼ同じレベルとなるが、ノイズ信号Ｓｎは同等に外部から重畳することで同相の信号となる。このため、同相のノイズ信号Ｓｎは、Ｙコンデンサ７で減衰されるとともに、受信回路９の差動増幅回路１０において差分を取ることでキャンセルされる。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、前述同様にして駆動信号Ｓｄが時刻ｔ４で出力された場合で説明する。駆動信号Ｓｄによって送信回路４から２本の信号線３ａ、３ｂに、図２（ｂ）、（ｃ）に示すような送信信号ＳＬａ、ＳＬｂが出力される。この後、受信信号ＳＬａ、ＳＬｂが戻る前の時刻ｔ６で、図２（ｂ）、（ｃ）に示しているように、信号線３ａ、３ｂに、ノイズ信号Ｓｎが重畳された場合を想定する。
【００２８】
この場合には、ノイズ信号Ｓｎが一般的には同相で信号線３ａ、３ｂに重畳するので、このノイズ信号Ｓｎは、受信回路９の差動増幅回路１０において差分を取ることでキャンセルされるので、増幅信号Ｖｓとしてはノイズ信号Ｓｎが重畳されていない信号として取り出すことができる。この結果、比較出力Ｓｘとしては、ノイズ信号Ｓｎが除去され、受信信号ＳＬａ、ＳＬｂに対応するハイレベルの信号を時刻ｔ８で検出することができるようになる。
【００２９】
このような第１実施形態によれば、次の効果を得ることができる。すなわち、第１実施形態では、駆動回路５の出力信号を、インピーダンス整合回路６を介して２本の信号線３ａ、３ｂに出力するとともに、受信回路９では差動増幅回路１０により差動増幅して検出する構成とした。これにより、同相のノイズ信号Ｓｎが信号線３ａ、３ｂに重畳した場合でも、これを取り除いて受信信号に基づいて液面までの距離を正確に検出することができるようになる。
【００３０】
また、第１実施形態では、Ｙコンデンサ７を２本の信号線３ａ、３ｂ間に接続する構成としているので、これによってもノイズ信号Ｓｎを減衰させることができる。なお、原理的には差動増幅回路１０で同相のノイズ信号Ｓｎをカットすることができるが、回路定数のずれ等でノイズ信号Ｓｎのレベルが揃わない場合があるため、実用上に置いてはＹコンデンサ７が有効な構成として機能する。
【００３１】
換言すれば、回路定数のズレがない場合で、差動増幅回路１０でノイズ信号Ｓｎを十分にキャンセルできる場合には、Ｙコンデンサ７を省略した構成とすることもできる。
【００３２】
さらに、２本の信号線３ａ、３ｂとして、ツイスト線を用いたり、２線シールド線を用いた場合には、外部からのノイズ信号Ｓｎが重畳し難くなるので、さらにノイズ低減効果を高めることができる。
【００３３】
（第２実施形態）
図３は第２実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、第１実施形態の構成に加えて、コモンモードノイズフィルタを追加して設ける構成としている。すなわち、図３に示すように、液面検出装置２０として、インピーダンス整合回路６と端子Ａ、Ｂとの間に、コモンモードチョークコイル２１を介在させる構成としている。
【００３４】
これにより、Ｙコンデンサ７とともにコモンモードチョークコイル２１によっても２本の信号線３ａ、３ｂに重畳するノイズ信号Ｓｎを低減する効果が高まり、より正確に検出動作を実施することができるようになる。
したがって、第２実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、ノイズ低減効果をさらに高めることができるようになる。
【００３５】
なお、上記第２実施形態では、コモンモードノイズフィルタとして、Ｙコンデンサ７およびコモンモードチョークコイル２１をともに設ける構成としているが、Ｙコンデンサ７を設けず、コモンモードチョークコイル２１だけを設ける構成としても良い。
【００３６】
（他の実施形態）
なお、本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。
【００３７】
上記実施形態では、液面検出装置に適用した場合を示したが、燃料などの液中での検出だけでなく、空気中での超音波の送受信による距離検出装置に適用することもできる。
インピーダンス整合回路は、トランスを用いるものに限らず、他のインピーダンス整合回路を用いることもできる。
【００３８】
上記実施形態では、受信回路での同相のノイズ信号Ｓｎのカット手段として差動増幅回路１０を設ける構成としたが、他の回路を設けて同相のノイズ信号をカットすることも可能である。また、上記実施形態で示した差動増幅回路１０については、この構成に限らず、差動増幅の機能を備えたものであれば適宜の回路構成を採用することができる。
【００３９】
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
【符号の説明】
【００４０】
図面中、１は超音波センサ、２、２０は液面検出装置、３ａ、３ｂは信号線、４は送信回路、５は駆動回路、６はインピーダンス整合回路、７はＹコンデンサ（コモンモードノイズフィルタ）、８は制御回路（検出回路）、９は受信回路、１０は差動増幅回路、１１は検波回路、１２は比較回路、２１はコモンモードチョークコイル（コモンモードノイズフィルタ）である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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