(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波信号により超音波振動子を駆動して超音波を送波するとともに、物体からの反射波を受波し、送波した超音波と受波した反射波との関係によって上記物体を検出する超音波センサに用いられ、上記超音波振動子と並列接続され中間端子を設けたコイルと、このコイルの一端と中間端子との間の巻線と直流電源との間に挿入されスイッチングにより上記高周波信号を生成するスイッチング回路とを備え、上記コイルの上記中間端子と上記一端との間のインダクタンスを可変とするように巻線内に出し入れ可能に挿入されたコアを上記コイルに設けたことを特徴とする超音波センサの送波回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波センサの送波回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超音波振動子から超音波を送波し、物体からの反射波を上記超音波振動子で受波し、送波した超音波と受波した反射波との間の時間差に基づいて、超音波振動子から物体までの距離を検出する超音波センサが知られている。
【０００３】
この種の超音波センサには、例えば図６に示すような構成を有するものがある。この超音波センサは、超音波を送受波する超音波振動子１と、超音波振動子１を駆動して超音波を送波させる送波回路２’と、超音波振動子１で受波された超音波に基づいて受波信号（後述する）を生成する受波回路３と備えている。
【０００４】
送波回路２’は、所定周波数（通常は４０ＫＨｚ程度）で所定時間幅のパルス状の高周波信号（以下、高周波パルス信号という）を間欠的に出力することにより、超音波振動子１から超音波パルス波を送波させる。つまり、高周波パルス信号を出力するタイミングを設定するための同期パルスが周期発振回路２ａで生成され、高周波パルス信号の時間幅を設定する送波ゲート回路２ｂにより同期パルスのタイミングで間欠的に出力される高周波パルス信号が生成されて、この高周波パルス信号が増幅回路２ｃで超音波振動子１を駆動することができるレベルまで電力増幅されることにより、超音波振動子１が駆動される。
【０００５】
超音波振動子１は、上述した高周波パルス信号に基づいて振動することにより超音波パルス波を送波し、物体からの反射波を含む超音波を受波するとともに、この受波した超音波の音圧変化を電圧変化に変換した信号を受波回路３に出力する。
【０００６】
受波回路３では、超音波振動子１から出力された信号を増幅器３ａで増幅した後、検波回路３ｂに入力する。検波回路３ｂは、超音波振動子１が受波した超音波の音圧レベルに比例した電圧信号を得るために、増幅器３ａの出力電圧の包絡線を抽出し、この電圧を波形整形回路３ｃに出力する。波形整形回路３ｃは、あらかじめ設定された基準電圧と検波回路３ｂの出力電圧とを比較して、検波回路３ｂの出力電圧が基準電圧を上回る期間をＨレベルとする２値信号を受波信号として制御部２０に出力する。
【０００７】
上述した構成によって、増幅器３ａの出力信号は、例えば図７（ａ）に示すような波形となり、超音波振動子１を駆動している駆動時間Ｔ１は高周波パルス信号の回り込みによる信号が出力される。また、超音波振動子１から超音波が送波された後にも残響振動による信号が持続時間Ｔ２だけ出力される。このような駆動時間Ｔ１および持続時間Ｔ２を除く時間において、物体からの反射波が受波可能になり、物体からの反射波を受波したときには反射波形Ｂ１が得られる。
【０００８】
このような増幅器３ａの出力信号を検波し波形整形することによって、図７（ｂ）に示すように、駆動波形と残響波形とに基づく入射信号Ｆと、反射波形Ｂ１に基づく反射信号Ｂとを含む受波信号が制御部２０に入力される。
【０００９】
制御部２０は、マイコンを含んで構成されており、超音波センサ全体を制御するとともに、上述した同期パルスと反射信号Ｂとの間の時間差に基づいて超音波振動子１から物体までの距離を求め、この距離を表示部２１に表示させる。
【００１０】
ところで、物体からの反射波に対応する信号レベルとその他の音響ノイズや電気的ノイズに起因するノイズレベルとの比（Ｓ／Ｎ比）が大きいほど、検知可能な空間領域を広く設定することができる。近距離側について検知可能な空間領域を広げるには、残響振動の持続時間Ｔ２を減少させることが要求される。つまり、残響振動の持続時間Ｔ２が長くなると、残響振動の影響により超音波振動子１の極近傍に位置する物体を検出することができなくなる。そこで、図８（ａ）に示すように、超音波振動子１と並列に可変コイルであるコイルＬ１’を接続することが考えられる。コイルＬ１’のインダクタンスを調節すれば、超音波振動子１の電極間容量とコイルＬ１’とにより構成される並列共振回路の共振周波数を残響振動の周波数に一致させることができる。この条件に設定すると、残響振動の持続時間Ｔ２を短くすることができ、結果的に超音波振動子１の極近傍に位置する物体の検出が可能になる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
一方、遠距離側について検知可能な空間領域を広げるには、上述した超音波センサでは、超音波の送波および受波を効率よく行うことが必要である。つまり、送波のエネルギーを大きくし、受波の感度を高めることが考えられる。しかしながら、このような構成は一般に部品点数の大幅な増加をもたらし、大型化・高価格化の要因になる。
【００１２】
本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、部品点数を大幅に増加させることなく超音波の送波のエネルギーを大きくし、もってＳ／Ｎ比を従来より向上させる超音波センサの送波回路を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、高周波信号により超音波振動子を駆動して超音波を送波するとともに、物体からの反射波を受波し、送波した超音波と受波した反射波との関係によって上記物体を検出する超音波センサに用いられ、上記超音波振動子と並列接続され中間端子を設けたコイルと、このコイルの一端と中間端子との間の巻線と直流電源との間に挿入されスイッチングにより上記高周波信号を生成するスイッチング回路とを備え、上記コイルの上記中間端子と上記一端との間のインダクタンスを可変とするように巻線内に出し入れ可能に挿入されたコアを上記コイルに設けたものである。この構成によれば、直流電源からの直流電圧をスイッチング回路により断続させて上記コイルの一端と中間端子との間の一方の巻線に印加するから、スイッチング回路のスイッチングにより上記一方の巻線に生じる起電力を利用して超音波振動子の両端に印加される電圧の振幅を直流電源の電圧よりも大きくすることができるので、超音波振動子からの超音波の送波のエネルギーを高めることができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。また、上記コイルの他端と中間端子との間の他方の巻線は超音波振動子と直列接続されるので、超音波振動子の電極間容量と上記他方の巻線とにより直列共振回路が構成され、この直列共振回路に共振電流を流すことによって超音波振動子の両端電圧を一層大きくすることができ、超音波振動子からの超音波の送波の効率を高めることができる。しかも、中間端子を設けたコイルを用いることにより、２つのコイルを別々に設ける必要がなく、送波回路の小型化と低コスト化とを図ることができる。さらにまた、コアを出し入れすることにより上記コイルの一端と中間端子との間のインダクタンスを変化させることができ、超音波振動子の電極間容量と上記コイルとにより構成される並列共振回路の共振周波数を変化させることができるので、超音波振動子の残響振動の振幅を小さくするように共振周波数を設定することが可能になり、残響振動の持続時間を短くすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
（参考例１）
本参考例の送波回路２は、図１（ａ）に示すように、振動子回路としての超音波振動子１と並列接続されたコイルＬ１と、直流電源である電源回路１０とコイルＬ１との間に挿入され電源回路１０から供給された直流電力をスイッチングすることにより高周波パルス信号を生成するスイッチング回路４とを備え、この高周波パルス信号を超音波振動子１とコイルＬ１との並列回路に与えることにより超音波振動子１から超音波を間欠的に送波させるものである。
【００１９】
スイッチング回路４は、トランジスタよりなるスイッチング素子Ｑ１と、スイッチング素子Ｑ１をスイッチングさせるための信号を生成する発振回路５とにより構成される。受波回路３の構成は従来例と同様である。
【００２０】
上述した構成によって、スイッチング回路４からの高周波パルス信号が超音波振動子１とコイルＬ１との並列回路に与えられる。この高周波パルス信号は電源回路１０からの直流電圧を断続させたものになる。
【００２１】
しかして、スイッチング素子Ｑ１がオンしているときには、超音波振動子１の両端に電源回路１０の出力電圧Ｖが印加され、コイルＬ１に電流ｉが流れ込む。その後、スイッチング素子Ｑ１がオフすると、コイルＬ１に電流ｉを流し続ける向きに起電力が発生し、これによって超音波振動子１には出力電圧Ｖに対して逆極性である負電圧−Ｖａが印加される。この負電圧−Ｖａの大きさは、スイッチング素子Ｑ１がオンしているときにコイルＬ１に流れていた電流ｉとコイルＬ１のインダクタンスとによって決まる。その結果、超音波振動子１への印加電圧は、図１（ｂ）に示すように出力電圧Ｖと負電圧−Ｖａとの間で振動する波形となり、絶対値としては出力電圧Ｖよりも大きい電圧が印加されることになる。
【００２２】
上述したように、本参考例では、電源回路１０からの直流電圧をスイッチング回路４で断続させて超音波振動子１とコイルＬ１との並列回路に与えるから、超音波振動子１への印加電圧の振幅を電源回路１０の出力電圧Ｖよりも大きくすることができるので、超音波振動子１から送波される超音波のエネルギーを従来構成より大きくすることが可能になり、超音波振動子１からの超音波の送波を効率よく行い超音波センサのＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００２３】
また、コイルＬ１には可変コイルを用いており、コイルＬ１のインダクタンスを調節すれば、超音波振動子１の電極間容量とコイルＬ１とにより構成される並列共振回路の共振周波数を超音波振動子１の残響振動の周波数と一致させることができ、そのとき、図１（ｂ）に示す残響振動の持続時間Ｔ２を最小にすることができる。
【００２４】
（参考例２）
本参考例は、図２（ａ）に示すように、超音波振動子１と直列にコイルＬ２を接続し、超音波振動子１とコイルＬ２との直列回路と並列にコイルＬ１を接続したものであり、他の構成は参考例１と同様である。
【００２５】
本参考例では、超音波振動子１の電極間容量とコイルＬ２とにより直列共振回路が構成され、この直列共振回路の共振作用によって、超音波振動子１の両端電圧は図２（ｂ）に示すような波形となり、図１（ｂ）に示した参考例１の波形よりも振幅を大きくすることができる。また、上記直列共振回路の共振周波数とスイッチング素子Ｑ１のスイッチング周波数とを一致させたときには、超音波振動子１の両端電圧の振幅が最大になる。
【００２６】
上述したように、本参考例では、超音波振動子１とコイルＬ２との直列回路にコイルＬ１を並列接続することにより、参考例１よりも超音波振動子１の両端電圧を大きくすることができ、超音波振動子１からの超音波の送波の効率を高めることができる。
【００２７】
（参考例３）
本参考例は、図３に示すように、中間端子ＴＭを設けたコイルＬ３ａを超音波振動子１と並列接続し、中間端子ＴＭにスイッチング素子Ｑ１のエミッタを接続したものである。コイルＬ３ａの接地された一端と中間端子ＴＭとの間の一方の巻線をコイルＬ１ａとし、他方の巻線をコイルＬ２ａとすると、コイルＬ１ａの両端にはスイッチング回路４により生成された高周波パルス信号が与えられ、コイルＬ２ａは超音波振動子１と直列接続される。他の構成は参考例１と同様である。
【００２８】
このような構成によって、コイルＬ１ａ，Ｌ２ａは上述した各参考例で説明したコイルＬ１，Ｌ２と同様の接続状態となるので、上述した各参考例と同様に、超音波振動子１への印加電圧の振幅を大きくして超音波振動子１からの超音波の送波を効率よく行い超音波センサのＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００２９】
しかも、中間端子ＴＭを設けたコイルＬ３ａを用いることにより、コイルＬ１ａ，Ｌ２ａを別々のコイルとして設ける必要がなく、送波回路２の小型化と低コスト化とを図ることができる。
【００３０】
（実施形態１）
本実施形態は、図４に示すように、参考例３と同様に中間端子ＴＭを設けたコイルＬ３ｂを超音波振動子１と並列接続し、中間端子ＴＭにスイッチング素子Ｑ１のエミッタを接続したものである。ただし、接地側のコイルＬ１ｂは可変コイルとしてある。
【００３１】
コイルＬ３ｂは、図５（ａ）に示すように、一端部に鍔部６ａを有するコア６をコイルＬ３ｂの巻線内に出し入れ可能に挿入した構成を有する。したがって、図５（ｂ）に示すように、コア６を図に矢印Ａで示す向きに引き上げると、コア６の下端部とコイルＬ１ｂの下端部との間に空隙Ｗが生じてコイルＬ１ｂのインダクタンスが変化する。つまり、コイルＬ１ｂはコア６を出し入れすることによりインダクタンスが変化する可変コイル（図５（ｃ）参照）となる。他の構成は参考例１と同様である。
【００３２】
本実施形態では、参考例３と同様に中間端子ＴＭを設けたコイルＬ３ｂを用いることにより、送波回路２の小型化と低コスト化とを図ることができる。しかも、コア６を出し入れすることによりコイルＬ１ｂのインダクタンスを調節すれば、超音波振動子１の電極間容量とコイルＬ３ｂとにより構成される並列共振回路の共振周波数を超音波振動子１の残響振動の周波数と一致させることができ、残響振動の持続時間を最小にすることができる。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１の発明は、高周波信号により超音波振動子を駆動して超音波を送波するとともに、物体からの反射波を受波し、送波した超音波と受波した反射波との関係によって上記物体を検出する超音波センサに用いられ、上記超音波振動子と並列接続され中間端子を設けたコイルと、このコイルの一端と中間端子との間の巻線と直流電源との間に挿入されスイッチングにより上記高周波信号を生成するスイッチング回路とを備え、上記コイルの上記中間端子と上記一端との間のインダクタンスを可変とするように巻線内に出し入れ可能に挿入されたコアを上記コイルに設けたものであり、直流電源からの直流電圧をスイッチング回路により断続させて上記コイルの一端と中間端子との間の一方の巻線に印加するから、スイッチング回路のスイッチングにより上記一方の巻線に生じる起電力を利用して超音波振動子の両端に印加される電圧の振幅を直流電源の電圧よりも大きくすることができるので、超音波振動子からの超音波の送波のエネルギーを高めることができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができるという効果がある。また、上記コイルの他端と中間端子との間の他方の巻線は超音波振動子と直列接続されるので、超音波振動子の電極間容量と上記他方の巻線とにより直列共振回路が構成され、この直列共振回路に共振電流を流すことによって超音波振動子の両端電圧を一層大きくすることができ、超音波振動子からの超音波の送波の効率を高めることができるという効果がある。しかも、中間端子を設けたコイルを用いることにより、２つのコイルを別々に設ける必要がなく、送波回路の小型化と低コスト化とを図ることができるという利点がある。
【００３６】
さらにまた、コアを出し入れすることにより上記コイルの一端と中間端子との間のインダクタンスを変化させることができ、超音波振動子の電極間容量と上記コイルとにより構成される並列共振回路の共振周波数を変化させることができるので、超音波振動子の残響振動の振幅を小さくするように共振周波数を設定することが可能になり、残響振動の持続時間を短くすることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は本発明の参考例１のブロック図であり、（ｂ）は同上における超音波振動子の両端電圧の波形図である。
【図２】  （ａ）は本発明の参考例２のブロック図であり、（ｂ）は同上における超音波振動子の両端電圧の波形図である。
【図３】  本発明の参考例３のブロック図である。
【図４】  本発明の実施形態１のブロック図である。
【図５】  同上に用いるコイルを示し、（ａ）はコアを終端まで挿入したときの正面図であり、（ｂ）はコアを引き上げたときの正面図であり、（ｃ）は回路図である。
【図６】  従来例のブロック図である。
【図７】  同上の受波回路の動作波形図である。
【図８】  （ａ）は同上の要部ブロック図であり、（ｂ）は同上の送波回路の出力波形図である。
【符号の説明】
１  超音波振動子
２  送波回路
４  スイッチング回路
６  コア
１０  電源回路
Ｌ１，Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ  コイル
Ｌ２，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ  コイル
Ｌ３ａ，Ｌ３ｂ  コイル
ＴＭ  中間端子
【図１】
0004151154.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004151154.tif 000008
【図８】
0004151154.tif 000009