JP2020091286A - 不感帯が低減された飛行時間測定値を判定する距離検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】超音波素子が駆動信号に応答したとき、または超音波素子のリングダウン中に、反射された音波を検出することが可能な距離検出システムを提供する。【解決手段】距離検出システム１５０が、少なくとも１つの超音波素子１５６を有する超音波トランスデューサ１５４と、超音波トランスデューサから検出信号１７２を受信するように構成された受信器１７０とを含む。検出信号は、超音波トランスデューサの反響を表す反響成分および界面から反射された音波を表す反射成分を含む。受信器は、検出信号の反響成分に対して反転された駆動打消し信号１７４を受信するように構成されている。受信器は、検出信号の反響成分が駆動打消し信号によって低減された検出信号に基づいて飛行時間測定値を判定するように構成されている。【選択図】図２

Description

本主題は、一般に、トランスデューサを使用して界面とトランスデューサとの間の距離を判定する距離検出システムに関する。

対象と検出可能な境界との間の距離を検出するセンサを有する機械がますます多く設計されている。たとえば、車両は、近接センサを使用して車両の経路内に障害物が存在するかどうかを判定し、障害物が識別されたときは操作者に警告する。これらの近接センサはまた、衝突回避などにおいて車両を自動的に制御するために使用することもできる。１つの種類の近接センサは、超音波トランスデューサを含む。超音波トランスデューサは、指定の駆動信号に応答して音波を生成する。これらの音波は、断続的なパルスであっても連続送信であってもよい。これらの音波は、インピーダンスの不整合が存在する境界で反射される。たとえば、これらの音波は、気液界面、気固界面、または気液界面によって反射することができる。反射された音波は、超音波トランスデューサによって検出される。
これらの音波が超音波トランスデューサから出て戻ってくるまでの持続時間が、「飛行時間」（ＴＯＦ）と呼ばれることがある。ＴＯＦ値は、音波が進む距離、および超音波トランスデューサと境界との間の距離を計算するために使用される。

超音波トランスデューサは、１つまたは複数の超音波素子（たとえば、圧電素子）を使用して、音波（本明細書で「パルス波」と呼ぶ）を送信し、反射された音波（本明細書で「反射波」または「エコー」と呼ぶ）を検出することができる。いくつかの超音波トランスデューサでは、同じ超音波素子が異なるモードで動作して、パルス波を送信し、かつ反射波を検出（または受信）することができる。上記の超音波トランスデューサは、特定の距離範囲を正確に推定することができるが、より短い距離の検出は難しいことがある。たとえば、パルス波が超音波素子から１５ミリメートル未満しか離れていない界面によって反射されたときの距離計算は困難なことがある。

より具体的には、超音波素子が駆動信号に応答しているときは、駆動信号が終了した後でも、距離の計算は困難なことがある。駆動信号は、トランスデューサを励起する電気信号である。駆動信号に応答しているとき、超音波素子によって引き起こされる振動が、音波を生成する。駆動信号が終了した後でも、超音波素子は引き続き振動し、それによって音波を引き起こし、それらの音波がセンサによって検出される。この現象を「リンギング」または「リングダウン」と呼ぶ。したがって、反射波が超音波トランスデューサに到達する前に、超音波素子自体からの振動が検出されることがある。振動によって引き起こされる信号は、何らかの反射波を受信したかどうかを判定することを困難にする。

この問題に対処するために、超音波トランスデューサは、典型的に、距離を計算する際に検出可能な音波に依拠しない時間窓（「不感帯」と呼ぶ）を有する。たとえば、超音波トランスデューサは、駆動信号が終了してから５．０ミリ秒後たってはじめて、検出された音波を考慮することができる。この窓を低減させるには、広範なトランスデューサ／回路設計の変更および相当な追加コストが必要になる可能性がある。リングダウン期間を低減させることができた場合でも、駆動信号中に検出可能な音波が考慮されない時間が依然として存在する。したがって、超音波素子から特定の短い距離にある境界は検出されないことがある。

解決すべき問題は、超音波素子が駆動信号に応答したとき、または超音波素子のリングダウン中に、反射された音波を検出することが可能な距離検出システムを提供することである。

この問題は、駆動信号を提供するように構成された信号発生器と、少なくとも１つの超音波素子を有する超音波トランスデューサとを含む距離検出システムによって解決される。超音波トランスデューサは、駆動信号に応答して音波パルスを送信するように構成される。パルスは、界面の方へ誘導される。超音波トランスデューサは、反射された音波を検出するように構成される。距離検出システムはまた、超音波トランスデューサからの検出信号を受信するように構成された受信器を含む。検出信号は、超音波トランスデューサの反響を表す反響成分および界面から反射された音波を表す反射成分を含む。受信器は、検出信号の反響成分に対して反転された駆動打消し信号を受信するように構成され、受信器は、検出信号の反響成分が駆動打消し信号によって低減された検出信号に基づいて飛行時間測定値を判定するように構成されている。

本発明について、添付の図面を参照して例として説明する。

一実施形態によって形成された距離検出システムを示す図である。 図１の距離検出システムに類似または同一とすることができる一実施形態によって形成された距離検出システムの概略図である。 一実施形態によって形成された方法を示す流れ図である。 反転駆動信号で動作する第１の超音波素子および第２の超音波素子を有する一実施形態によって形成された距離検出システムの概略図である。 駆動成分および反響成分を含む検出信号を示すグラフである。 一実施形態による駆動成分および反響成分を抑制した後の検出信号を示すグラフである。 液面が９ミリメートル（ｍｍ）であるときの抑制された駆動成分および反射成分を有する検出信号を示すグラフである。 液面が２．５ｍｍであるときの抑制された駆動成分および反射成分を有する検出信号を示すグラフである。 ２．４〜３．６ＭＨｚの周波数範囲内の非反転駆動信号、反転駆動信号によって低減された非反転駆動信号、および反射成分に対するピークトゥピーク電圧を示すグラフである。 反転駆動信号で動作する超音波素子およびダミー超音波素子を有する一実施形態によって形成された距離検出システムの概略図である。 反転駆動信号で動作する変位された第１の超音波素子および第２の超音波素子を有する一実施形態によって形成された距離検出システムの概略図である。 逆の極性を有し、反転駆動信号で動作する第１の超音波素子および第２の超音波素子を有する一実施形態によって形成された距離検出システムの概略図である。 超音波素子および反転駆動信号を提供する等価共振回路を有する一実施形態によって形成された距離検出システムの概略図である。 図１３の距離検出システムとともに使用することができる等価共振回路の回路図である。 図１３の距離検出システムとともに使用することができる等価共振回路の回路図である。 １つまたは複数の実施形態によって使用することができる圧電性超音波素子の概略断面図である。 １つまたは複数の実施形態によって使用することができる容量性微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）素子の概略断面図である。 １つまたは複数の実施形態によって使用することができる圧電性微細加工超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）素子の概略断面図である。

本明細書に記載の実施形態は、距離検出システム、超音波センサ、およびそれらの動作方法を含む。超音波センサは、気液界面または気固界面などの界面の方へ音波を誘導するトランスデューサを含む。これらの音波は、反転されてトランスデューサの方へ戻ってくる。トランスデューサは、反射された音波を検出して電気信号を電子回路へ通信し、電子回路はこの電気信号を処理する。電子回路は、この電気信号を使用して、飛行時間（ＴＯＦ）測定値などの有用な情報を判定する。ＴＯＦ測定値は、音波パルスが送信されたときと、反射された音波が検出されたときとの間の時間間隔を表す。ＴＯＦ測定値を使用することで、超音波トランスデューサと界面との間の距離などの指定のパラメータを判定することができる。
本明細書に記載の実施形態は、１つの対象と別の対象との間（たとえば、車両と障害物との間）の距離を判定するために使用することができ、あるいは流体レベル（たとえば、タンク内）の監視および／または液体の種類もしくは品質の識別のために使用することができる。

図１は、一実施形態によって形成された距離検出システム１００を示す。距離検出システム１００は、制御モジュール１０２と、超音波センサ１０４と、超音波センサ１０４および制御モジュール１０２を通信結合する通信ケーブル１１０とを含む。したがって、図示の実施形態では、センサ１０４およびモジュール１０２は互いに有線接続されている。しかし他の実施形態では、センサ１０４およびモジュール１０２は、無線規格（たとえば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標））を介して通信結合することもできる。

センサ１０４は、少なくとも１つの超音波素子１０５を有する超音波トランスデューサ１０６を含む。いくつかの実施形態では、超音波素子は別個の結晶である。複数の超音波素子を有する実施形態は、指定のアレイトランスデューサを形成するように構成することができる。たとえば、これらの超音波素子は、方形の形状とすることができ、指定のアレイ（たとえば、線形または１次元のアレイ）を形成するように位置することができる。超音波素子は、正方形の形状とすることができ、指定のアレイ（たとえば、２次元のアレイ）を形成するように位置することができる。超音波素子は、環状のアレイを形成するように同心円状に位置決めされたリングの形状とすることができる。任意選択で、実施形態は、同時に送信および受信することができる。
たとえば、アレイの１つまたは複数の超音波素子が送信器として動作しながら、アレイの１つまたは複数の超音波素子が受信器として動作することができる。

上記に対する別法または追加としてとして、単一の結晶を、個別の区画を含むように製造（たとえば、ダイスアンドフィル、微細加工）することができる。これらの個別の区画は、個別の超音波素子として機能することができる。したがって、単一の結晶を、アレイトランスデューサを提供するように製造することができる。例には、１次元のアレイ、２次元のアレイ、および環状のアレイを含むことができる。任意選択で、実施形態は、同時に送信および受信することができる。たとえば、アレイの１つまたは複数の超音波素子が送信器として動作しながら、アレイの１つまたは複数の超音波素子が受信器として動作することができる。

制御モジュール１０２は、駆動信号をセンサ１０４へ提供するように構成される。たとえば、制御モジュール１０２は、電気駆動信号を生成する回路を含むことができ、この電気駆動信号が超音波トランスデューサ１０６へ通信される。駆動信号は、超音波素子１０５を振動させ、音波パルスを生成させる。駆動信号は、様々な形態および周波数範囲を有することができる。たとえば、駆動信号は、正弦波または正方形のパルス（たとえば、ユニポーラ、マルチレベルユニポーラ、バイポーラ）を含むことができる。この駆動信号を反転させて、本明細書に記載する駆動打消し信号を作成することができる。

音波は、界面（たとえば、液体と気体との間の境界）によって反射され、これらの音波の一部分が、反射されて超音波素子１０５の方へ戻ってくる。反射された音波は、超音波素子１０５を振動させ、それによって電気信号を生成し、この電気信号が制御モジュール１０２へ通信される。駆動信号が印加されると、超音波素子１０５の振動は電気信号に寄与し、制御モジュール１０２へ通信される。駆動信号が終了した後も、超音波素子１０５は引き続き振動することがあり、これらの振動もまた、制御モジュール１０２へ通信される電気信号に寄与する。

したがって、制御モジュール１０２によって受信される検出信号は、駆動成分、反響成分、および反射成分を含む。駆動成分は主に、超音波素子１０５が駆動信号によって作動されたときに超音波素子１０５の振動によって引き起こされる。反響成分は主に、駆動信号が超音波素子１０５を作動することを止めた後に超音波素子１０５の振動によって引き起こされる。

また、センサ１０４は、取付け具１０８およびセンサハウジング１１６を含むことができることが示されている。取付け具１０８は、トランスデューサ１０６を位置決めする容器または他の装置（図示せず）に結合するように構成される。センサハウジング１１６は、トランスデューサ１０６に結合してトランスデューサ１０６を支持する。図示の実施形態では、センサハウジング１１６は細長く、最終用途に基づいて任意の所望の長さを有することができる。通信ケーブル１１０は、反対側の端部にコネクタ１１８を有することができ、コネクタ１１８は、制御モジュール１０２の嵌合コネクタ１１９に機械的および電気的に結合するように構成される。

制御モジュール１０２は、検出信号を処理して反響成分をオフセットまたは抑制し、偽の反射エコーを除去する電子回路１１２を含む。いくつかの応用例では、検出信号は、音波が通過する１つ（または複数）の媒体の温度の影響を受けることがある。この目的で、制御モジュール１０２および／または超音波センサ１０４は、周囲環境（たとえば、液体および／または空気）の温度を判定する１つまたは複数の温度センサを含むことができる。電子回路１１２は、ＴＯＦ測定値を判定するときに温度を補償することができる。

図示の実施形態では、電子回路１１２は、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）モジュール１１４およびプロセッサ１１３を含む。ＡＦＥモジュール１１４は、超音波トランスデューサ１０６を駆動し、検出信号を、ＴＯＦ測定の開始（ＳＴＡＲＴ）および終了（ＳＴＯＰ）を表すデジタル信号に変換するように構成される。ＡＦＥモジュール１１４またはプロセッサ１１３は、検出信号を処理して反響成分を抑制することができる。プロセッサ１１３は、ＡＦＥモジュール１１４を制御し、スタート信号とストップ信号との間の時間差を測定し、ＴＯＦ測定値を処理して液面値にすることができる。次いで、制御モジュール１０２のディスプレイ１２０または別の形態の通信（たとえば、スマートフォンの応用例）を介して、この液面値をユーザへ通信することができる。

図１で、電子回路１１２は、別個のハードウェア構成要素（ＡＦＥモジュール１１３およびプロセッサ１１４）として示されている。しかし、電子回路１１２は、単一のデバイスに一体化することができ、または３つ以上の電子構成要素を有することができることを理解されたい。さらに、ＡＦＥモジュール１１３またはプロセッサ１１４によって実行される本明細書に記載の機能および／または動作は、他の構成要素または追加の電子構成要素によって共用および／または実行することもできる。

図１には示されていないが、電子回路１１２は、とりわけ、駆動信号を生成する信号発生器、駆動信号を反転させる反転回路、加算回路、および受信器を含むことができる。いくつかの実施形態では、電子回路１１２は、超音波トランスデューサ１０６の動作モードを変化させるスイッチング回路、整合回路、および共振回路を含むことができる。

実施形態は、距離を計算する際に検出可能な音波に依拠しない期間（「不感帯」と呼ぶ）を低減させることができる。この期間は事実上、確実な測定を行うことができない超音波トランスデューサからの距離であると解釈される。例として、実施形態は、２５ｍｍ〜２．５ｍｍの液面の応用例において、この不感帯を低減させることができる。しかし、不感帯のサイズは、様々な超音波デバイスの性能に影響を与えることがある。したがって、実施形態は、様々な超音波デバイスおよび超音波の応用例を改善することができる。

逆に、実施形態は、より大きい振幅および／またはより大きいサイクル数で超音波トランスデューサを駆動することを可能にし、それによってより大きいエネルギー伝達を生成することができる。いくつかの応用例では、より大きいエネルギー伝達は侵入深さを改善することができる。たとえば、実施形態は、軍用空中距離センサに適したものとすることができる。

距離検出システム（たとえば、液面監視システム）に加えて、実施形態は、感光性物質の光学密度を測定するデンシトメトリーシステムで利用することができることが企図される。実施形態は、設置面積のより小さいデンシトメトリーシステムを可能にすることができる。

図２は、距離検出システム１００（図１）に類似または同一とすることができる一実施形態によって形成された距離検出システム１５０の概略図である。たとえば、距離検出システム１５０は、超音波素子１５６を有する超音波トランスデューサ１５４を含む。距離検出システム１５０はまた、信号発生器１５１および信号反転回路１５２を含み、信号反転回路１５２は、信号反転器（信号インバータ）と呼ぶこともできる。信号発生器１５１は、超音波素子１５６を誘発するための駆動信号を提供するように構成される。超音波素子１５６は、駆動信号に応答して音波パルス１６０を生成する。

図２に示すように、駆動信号１６２は、信号反転回路１５２を介して送信される。信号反転回路１５２は、反響成分を事実上低減させまたは打ち消すために使用することができる反転駆動信号を提供するように構成される。たとえば、信号反転回路１５２は、駆動信号を反転させ、反転駆動信号が非反転駆動信号に対して１８０°位相シフトされるように構成することができる。いくつかの実施形態では、信号反転回路１５２は、駆動信号を事実上反転させる駆動トランスフォーマを含むことができる。信号反転回路１５２は、非反転駆動信号１６２を超音波素子１５６に提供し、反転駆動信号１６３を抑制モジュール１６４に提供するように構成される。他の実施形態では、信号反転回路１５２は、非反転駆動信号１６２を抑制モジュール１６４に提供し、反転駆動信号１６３を超音波素子１５６に提供する。
特定の実施形態では、信号反転回路１５２は、センタータップインダクタを含むことができる。そのような実施形態は、より低い周波数（たとえば、１メガヘルツ未満）に特に適したものとすることができる。

上述したように、超音波素子１５６は、反転されていない検出信号１７２を受信器１７０へ通信する。検出信号１７２は、駆動成分、反響成分、および反射成分を含む。

抑制モジュール１６４は、駆動打消し信号１７４を生成し、駆動打消し信号を受信器１７０へ通信するように構成された素子である。本明細書に記載するように、「抑制モジュール」という用語は、共振回路、別の能動超音波素子、またはダミー超音波素子を含むことができる。たとえば、抑制モジュール１６４は、反転駆動信号１６３によって駆動される超音波素子１８１とすることができる。抑制モジュール１６４は、反転駆動信号１６３によって駆動される超音波素子１８２とすることができ、超音波素子１８２は、超音波素子１５６の極性とは逆の極性を有する。抑制モジュール１６４は、非反転駆動信号１６２によって駆動される超音波素子１８２とすることができ、超音波素子１８２は、超音波素子１５６の極性とは逆の極性を有する。
抑制モジュール１６４は、非反転駆動信号１６３によって駆動される超音波素子１８３とすることができ、超音波素子１８３は、超音波素子１５６の極性と同じ極性を有するが、超音波素子１８３は、超音波素子１５６および超音波素子１８３が平面にならないようにずらされる。したがって、超音波素子１８３のパルスは、超音波素子１５６からのパルス１６０に対して位相がずれている。抑制モジュール１６４は、非反転駆動信号１６３によって駆動されるダミー超音波素子１８４とすることができるが、ダミー超音波素子１８４は、超音波素子１８４からのパルスを事実上阻止する吸収体１８６を有する。いくつかの実施形態では、抑制モジュール１６４は、駆動打消し信号を提供するように構成された共振回路１８４とすることができる。共振回路１８４は、駆動信号または反転駆動信号に応答することができる。

任意選択で、抑制モジュールの１つまたは複数は、反転駆動信号１６３に応答して、駆動打消し信号１７４を受信器１７０へ提供することができる。

駆動打消し信号は、検出信号の駆動成分および／または反響成分をオフセットまたは抑制するために使用される。駆動成分および／または反響成分が抑制されたとき、反射成分をより容易に識別することができる。特定の実施形態では、反射成分は、リングダウン中に識別することができ、または超音波素子が駆動信号に応答したときに識別することができる。

図２で、駆動打消し信号は、反転検出信号と呼ばれる。他の実施形態では、駆動打消し信号は、共振回路によって生成される合成信号である。したがって、「駆動打消し信号」という用語は、反転検出信号および共振回路によって生成される合成信号の両方を含む。

受信器１７０は、超音波トランスデューサ１５４、より具体的には超音波素子１５６からの検出信号１７２を受信するように構成される。検出信号は、超音波素子１５６の反響を表す反響成分および界面から反射された音波を表す反射成分を含む。受信器１７０は、検出信号の反響成分に対して反転された駆動打消し信号１７４を受信するように構成される。受信器１７０は、反響成分が駆動打消し信号１７４によってオフセットされた検出信号１７２に基づいてＴＯＦ測定値を判定するように構成される。

図３は、一実施形態によって形成された方法２００を示す流れ図である。方法２００について、距離検出システム１５０（図２）を参照して説明する。方法２００はまた、距離検出システム４００（図１０）、５００（図１１）、６００（図１２）、および７００（図１３）などの１つまたは複数の他の実施形態によって実行することができる。方法２００は、２０２で、超音波素子１５６を作動または励起するように構成された駆動信号１６２を生成するステップを含み、その結果、音波パルス１６０が超音波素子１５６から放出され、界面（図２には図示せず）の方へ誘導される。駆動信号１６２は、電気信号の形態とすることができる。音波パルスは、一連の音波（または音波サイクル）を含むことができる。

音波パルス１６０は、指定の周波数を有する。たとえば、指定の周波数は、５００Ｈｚ〜２０ＭＨｚとすることができる。特定の実施形態では、指定の周波数は、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚである。パルス１６０はまた、サイクル数を有する。たとえば、パルス１６０は、３サイクル以上（たとえば、１０サイクル以上）を含むことができる。２０４で、駆動信号１６２が反転され、したがって反転駆動信号１６３は、駆動信号１６２に対して位相が約１８０°ずれている。２０５で、駆動信号１６２が超音波素子１５６へ通信され、２０７で、反転駆動信号１６３が抑制モジュール１６４へ通信される。

２０６で、パルス１６０が超音波素子１５６から送信される。超音波素子１５６で検出信号１７２が生成され、受信器１７０へ通信される。２１０で、検出信号は受信器１７０によって受信される。検出信号は、駆動成分、反響成分、および反射成分を含むことができる。界面が不感帯の外側にある実施形態の場合、反射成分は反響成分および駆動成分とは別個である。しかし、界面が超音波素子１５６に十分に近い場合、反射成分は反響成分、および場合により駆動成分と重複することがある。

いくつかの実施形態では、駆動信号１６２が超音波素子１５６へ提供されるとき、反転駆動信号１６３もまた抑制モジュール１６４へ提供される。２１２で、反転駆動信号１６３は抑制モジュール１６４を作動させる。２１４で、駆動打消し信号１７４が抑制モジュール１６４によって生成される。駆動打消し信号１７４は、反転駆動信号１６３の関数である。２１６で、駆動打消し信号１７４が受信器１７０によって受信される。

駆動打消し信号１７４は、検出信号１７２に対して位相がほぼずれている。実際には、界面、超音波素子、および重力に対する液面の状態および特徴が理想的でない可能性が高いため、駆動打消し信号１７４の位相が完全にずれる見込みはない。したがって、駆動打消し信号１７４は、検出信号１７２に対して実質上位相がずれている。２１８で、駆動打消し信号１７４を使用して、駆動成分および反響成分を低減させることができる。

２２０で、ＴＯＦ測定値を判定することができる。ＴＯＦ測定値は、指定の開始点と指定の停止点との間の差である。開始点は、超音波トランスデューサからのパルス送信に相関し、停止点は、超音波トランスデューサによるエコー検出に相関する。ＴＯＦ測定値は、指定のパラメータを判定するために使用することができる。たとえば、ＴＯＦ測定値は、流体の識別情報、濃度、または距離（たとえば、流体レベル）を示すことができる。２２２で、ＴＯＦ測定値および指定の媒体を通る既知の音速を使用して、距離を判定することができる。いくつかの実施形態では、パラメータは、プログラムされたアルゴリズムを使用して計算される。他の実施形態では、パラメータは、たとえば、ＴＯＦ測定値がパラメータの値に相関するルックアップテーブル（ＬＵＴ）を使用して識別することができる。

戻り矢印２２４によって示すように、方法２００は、連続して、指定の間隔で、または同様の形で繰り返すことができる。たとえば、液面を１０秒ごとに複数回計算することができる。

図４および図１０〜図１４は、異なる距離検出システムを示す。いずれの場合も、実施形態は、駆動打消し信号を利用して不感帯のサイズを低減させることができる。図４は、一実施形態によって形成された距離検出システム３００の概略図である。距離検出システム３００は、異なる駆動信号で動作する第１の超音波素子３０２および第２の超音波素子３０４を有する超音波トランスデューサ３０１を含む（超音波トランスデューサの第１の超音波素子３０２および第２の超音波素子３０４）。距離検出システム３００は、距離検出システム１００（図１）の素子に類似または同一の素子を含む。たとえば、距離検出システム３００は、信号発生器３１２および信号インバータ３１４を含む。距離検出システム３００はまた、スイッチング回路３１６、整合回路３１８、および受信器３２０を含む。

図示のように、駆動信号３２４が信号インバータ３１４へ通信される。駆動信号３２４を反転させて反転駆動信号３２６を提供した後、駆動信号３２４および反転駆動信号３２６が、それぞれの超音波素子３０２、３０４へ通信される。

超音波素子３０２、３０４はそれぞれ、容器３１５の材料層によって覆われた面を有する。超音波素子３０２、３０４は、界面３３０の方へパルスを放出する。パルスの音波は、反射されて超音波素子３０２、３０４の方へ戻り、超音波素子３０２、３０４はこの反射成分を検出する。特に、それぞれの超音波素子３０２、３０４によって検出される反射成分は、実質上位相がずれている。次いで検出信号および駆動打消し信号は、整合回路へ通信され、次いで受信器３２０へ通信される。

概して、２つの超音波素子が逆の位相で駆動されるとき、それぞれの超音波素子によって検出される信号は打ち消されると考えられる。しかし、パルスの波長λが小さく、２つのトランスデューサの離隔距離が波長λより十分に大きいとき、打消しは容器の角度設定が非常に正確でなければ行うことができない。２つの超音波素子間の距離は小さく、臨界角度は３ＭＨｚで０．５５度であった。この条件は満足させるのが非常に困難であり、受信信号は打ち消されない。液体表面がわずかでも不安定であり、容器の設定が理想的でない場合、打消しはなかったかのようになる。

図５は、駆動成分３２２および反響成分３２４を含む検出信号（ｍＶ／μｓ）を示すグラフである。図示のように、駆動成分３２２は１マイクロ秒で始まり、５マイクロ秒まで継続する。駆動信号が終了した後、超音波素子は引き続き振動し、それによって検出可能な信号を生成する。この検出可能な信号は徐々に減少し、反響成分３２４を形成する。図６は、一実施形態によって駆動成分３２２および反響成分３２４を抑制した後の検出信号を示すグラフである。図示のように、駆動成分および反響成分は大幅に低減されている。

図７および図８は、液体が比較的高い（図７に９ｍｍで示す）ときおよび液体が比較的低い（２．５ｍｍ）ときに獲得することができる検出信号を示す。図７および図８のパルスに対するサイクル数は２１サイクルであり、動作周波数は３ＭＨｚである。図８に示すように、実施形態は、駆動信号が超音波素子に印加されたときおよびリングダウン中に反射成分を検出することが可能である。

図９は、非反転駆動信号、反転駆動信号と組み合わせた非反転駆動信号、および反射成分に対する周波数範囲（２．４〜３．６ＭＨｚ）におけるピークトゥピーク電圧（ｍＶｐｐ）を示すグラフである。２．９ＭＨｚ〜３．４ＭＨｚの周波数の場合、反射成分に対するｍＶｐｐは、反転駆動信号によって低減された非反転駆動信号より大きい。

図１０は、一実施形態によって形成された距離検出システム４００の概略図である。距離検出システム４００は、距離検出システム１００（図１）の素子に類似または同一の素子を含む。たとえば、距離検出システム４００は、信号発生器４１２および信号インバータ４１４を含む。距離検出システム４００はまた、スイッチング回路４１６、整合回路４１８、および受信器４２０を含む。

距離検出システム４００はまた、超音波素子４０２およびダミー超音波素子４０４を有する超音波トランスデューサ４０１を含む。これら２つを区別するために、超音波素子４０２（図４）を「能動超音波素子」と呼ぶことができ、またはダミー超音波素子４０４を「ダミー素子」と呼ぶことができる。超音波素子３０４とは異なり、ダミー超音波素子４０４は、反射成分の検出および通信を行わない。代わりに、ダミー超音波素子４０４は、駆動信号によって引き起こされる振動および後の反響に応答して、電気信号を生成する。

図示の実施形態では、超音波素子４０２およびダミー超音波素子４０４は、位相がずれた駆動信号によって駆動される。超音波素子４０２は、音波パルスを送信し、音波パルスから反射成分を検出するように構成される。しかしダミー超音波素子４０４は、パルスを媒体内へ送信できないように位置決めされ、したがって反射成分をダミー超音波素子４０４によって検出することができない。たとえば、超音波トランスデューサ４０１は、ダミー超音波素子４０４によって生成される音波を吸収する吸収体４１５を含むことができる。それにもかかわらず、ダミー超音波素子４０４は反転駆動信号によって駆動され、それによってダミー超音波素子４０４を振動させる。ダミー超音波素子４０４は、ダミー超音波素子４０４の振動に応答して電気信号を生成する。

したがって、超音波素子４０２のみが界面の方へパルスを放出する。パルスの音波は、反射されて超音波素子４０２の方へ戻り、超音波素子４０２はこの反射成分を検出する。この反射成分は、ダミー超音波素子の反射成分に対して位相がずれていない。なぜなら、ダミー超音波素子からの反射成分は存在しないからである。それにもかかわらず、ダミー超音波素子４０４は、反転駆動成分および反転反響成分を含む反転検出信号を受信器４２０へ提供する。したがって、ダミー超音波素子４０４は、超音波素子４０２からの検出信号の反射成分を低減させることなく駆動成分および反響成分を低減させるために使用される反転検出信号を提供する。

図１１は、一実施形態によって形成された距離検出システム５００の概略図である。距離検出システム５００は、第１の超音波素子５０２および第２の超音波素子５０４を有する。第１の超音波素子５０２および第２の超音波素子５０４は、これらの超音波素子のうちの一方が、他方の超音波素子より２分の１波長前に位置決めされるように、互いに対して変位される。第１の超音波素子５０２および第２の超音波素子５０４は、非反転駆動信号および反転駆動信号によって駆動されるように構成される。距離検出システム５００は、距離検出システム５００の素子に類似または同一の素子を有することができる。

図１１に示すように、第１の超音波素子５０２および第２の超音波素子５０４は、互いに対してずれている。したがって、第１の超音波素子５０２および第２の超音波素子５０４で検出される反射成分が打ち消されない。より具体的には、超音波素子５０４は、超音波素子５０２より２分の１波長前に位置決めされ、したがって前軸では反射成分が打ち消されない。それにもかかわらず、反転駆動信号の駆動成分および反響成分は、非反転駆動信号の駆動成分および反響成分に対して位相がずれている。したがって、反転駆動信号の駆動成分および反響成分は、非反転駆動信号の駆動成分および反響成分を低減させるために使用される。しかし反射成分は位相がずれていない。

図１２は、逆の極性（＋／−および−／＋によって示す）を有する第１の超音波素子６０２および第２の超音波素子６０４を有する一実施形態によって形成された距離検出システム６００の概略図である。第１の超音波素子６０２および第２の超音波素子６０２、６０４は、それぞれ非反転駆動信号および反転駆動信号によって駆動される。距離検出システム６００は、第１の超音波素子６０２および第２の超音波素子６０４を有する超音波トランスデューサ６０１を含む。第１の超音波素子６０２および第２の超音波素子６０４は逆の極性を有するため、位相がずれた駆動信号により、第１の超音波素子６０２および第２の超音波素子６０４が同相になる。
それにもかかわらず、駆動成分および反響成分に対して第１の超音波素子６０２および第２の超音波素子６０４によって提供される検出信号は位相がずれており、これを使用して駆動成分および反響成分を低減させることができる。

図１３は、一実施形態によって形成された距離検出システム７００の概略図である。距離検出システム７００は、超音波素子７０２および等価共振回路７０４を有する超音波トランスデューサ７０１を含む。距離検出システム７００はまた、距離検出システム１００（図１）の素子に類似または同一の素子を含むことができる。たとえば、距離検出システム７００は、信号発生器７１２および信号インバータ７１４を含む。距離検出システム７００はまた、スイッチング回路７１６、整合回路７１８、および受信器７２０を含む。

図示のように、駆動信号７２４が信号インバータ７１４へ通信される。反転駆動信号７２６を生成した後、駆動信号７２４および反転駆動信号７２６は、それぞれ超音波素子７０２および等価共振回路７０４へ通信される。上記の実施形態と同様に、超音波素子７０２は、駆動成分、反響成分、および反射成分を含む検出信号を提供するように構成される。等価共振回路７０４は、反転駆動信号７２６を受信し、反転検出信号を生成するように構成され、反転検出信号は、駆動成分および反響成分を低減させるために使用される。

図１４Ａおよび図１４Ｂは、距離検出システム７００（図１３）とともに使用することができるそれぞれ等価共振回路７４２、７４４の回路図である。共振回路７４２は、超音波素子の前後に空気が存在する純粋な圧電性共振等価回路である。低周波数ｆ＜＜ｆ_０で、測定される静電容量はＣ≒Ｃｓ＋Ｃｐであり、高周波数ｆ＞＞ｆ_０で、測定される静電容量はＣ≒Ｃｓである。共鳴ｆ_０で、測定される抵抗はＲ≒Ｒｓである。前後の材料がプラスチック／水および吸収体であるとき、他の抵抗が加わる可能性もある。

図１５〜図１７は、本明細書に記載する超音波素子を単独で形成することができ、または本明細書に記載する超音波素子の一部を形成することができる素子を示す。より具体的には、図１５は、１つまたは複数の実施形態によって使用することができる圧電性超音波素子７６０の概略断面図である。素子７６０は、高伝導性の電極層７６４、７６６間に挟まれた圧電材料７６２を含み、電極層７６４、７６６は、たとえば金または白金から構成することができる。電極層７６６は、バッキング層７６８によって支持される。電極層７６４、７６６は、それぞれ導体７７０、７７２に電気的に結合される。

図１６は、１つまたは複数の実施形態によって使用することができる容量性微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）素子７７４の概略断面図である。図示のように、ＣＭＵＴ素子７７４は、キャビティ７７８を覆うように配置された金属化懸架膜７７６（たとえば、窒化ケイ素（Ｓｉ_ｘＮ_ｙ））を含む。ＣＭＵＴ素子７７４はまた、剛性基板７８０を含む。２つの電極７８２、７８４間にＤＣ電圧が印加されたとき、膜７７６は撓み、静電力によって基板の方へ引き付けられる。膜７７６の剛性によって引き起こされる機械的回復力は、この引力に耐える。したがって、ＡＣ電圧入力による膜７７６の振動から超音波を生成することができる。

図１７は、１つまたは複数の実施形態によって使用することができる圧電性微細加工超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）素子７８４の概略断面図である。ＰＭＵＴ素子７８４は、電極層７８８、７９０間に挟まれた膜７８６を含む。膜７８６の圧電作用から生成される横方向の歪みによって、ＰＭＵＴ素子７８４内の膜７８６の撓みが引き起こされる。膜７８６は、少なくとも１つの圧電層７９２および受動弾性層７９４を含む。動作の際、ＰＭＵＴの共振周波数は、圧電層７９２の厚さに直接依存しない。代わりに、屈曲モードの共振周波数が、膜の形状、寸法、境界状態、真性応力、および機械的剛性に密接に関係する。

Claims (15)

1. 距離検出システム（１５０）であって、
   前記距離検出システム（１５０）は、
   - 駆動信号（１６２）を提供するように構成された信号発生器（１５１）と、
   - 少なくとも１つの超音波素子（１０５）を有する超音波トランスデューサ（１０６）であって、前記駆動信号（１６２）に応答して音波パルス（１６０）を送信するように構成され、前記音波パルス（１６０）が界面（３３０）の方へ誘導され、反射された音波を検出するように構成された超音波トランスデューサと、
   - 前記超音波トランスデューサからの検出信号（１７２）を受信するように構成された受信器（１７０）であって、前記検出信号が、前記超音波トランスデューサの反響を表す反響成分および前記界面から反射された音波を表す反射成分を含む、受信器と、を備え、
   前記受信器は、前記検出信号の前記反響成分に対して反転された駆動打消し信号（１７４）を受信するように構成され、
   前記受信器は、前記検出信号の前記反響成分が前記駆動打消し信号によって低減された前記検出信号に基づいて飛行時間測定値を判定するように構成されている、
   距離検出システム（１５０）。
2. 前記駆動信号に基づいて反転駆動信号を生成するように構成された信号インバータ（１５２）をさらに備え、
   前記駆動打消し信号は、前記反転駆動信号が与えられた抑制モジュール（１６４）によって生成される、
   請求項１に記載の距離検出システム（１５０）。
3. 前記受信器（１７０）は、前記音波パルスが前記界面の方へ送信されるときに前記検出信号を受信し、前記音波パルスが送信されたときに受信した前記反射成分の前記飛行時間測定値を判定するように構成されている、
   請求項１に記載の距離検出システム（１５０）。
4. 送信モードと受信モードとの間を切り換えるように構成されたスイッチング回路（３１６）をさらに備え、
   前記検出信号は前記受信モード中に受信され、前記受信モードは不感帯なく生じる、
   請求項１に記載の距離検出システム（１５０）。
5. 前記超音波トランスデューサ（３０１）は、第１の超音波素子（３０２）を含み、
   前記音波パルスは第１のパルスであり、前記検出信号は第１の検出信号であり、
   前記距離検出システムは、
   - 第２の音波パルスを前記界面の方へ誘導する第２の超音波素子（３０４）をさらに備え、
   前記第２の音波パルスは、反転駆動信号を受信したことに応答して送信され、
   前記受信器は、前記第２の超音波素子から第２の検出信号を受信するように構成され、前記第２の検出信号は前記駆動打消し信号を含む、
   請求項１に記載の距離検出システム（１５０）。
6. 前記超音波トランスデューサは、第１の超音波素子（６０２）を含み、
   前記音波パルスは第１のパルスであり、前記検出信号は第１の検出信号であり、
   前記距離検出システムは、
   - 前記駆動信号に応答して第２の音波パルスを前記界面の方へ誘導する第２の超音波素子（６０４）をさらに備え、
   前記第１の超音波素子および前記第２の超音波素子は逆の極性を有し、
   前記受信器は、前記超音波トランスデューサから第２の検出信号を受信するように構成され、前記第２の検出信号は前記駆動打消し信号を含む、
   請求項１に記載の距離検出システム（１５０）。
7. 前記超音波トランスデューサは、第１の超音波素子を含み、前記音波パルスは第１のパルスであり、前記検出信号は第１の検出信号であり、
   前記距離検出システムは、
   - 前記界面の方へ第２の音波パルスを誘導する第２の超音波素子（６０４）をさらに備え、
   前記信号発生器（１５１）は、前記第２の超音波素子へ反転駆動信号を提供するように構成され、前記第１の超音波素子および前記第２の超音波素子は逆の極性を有し、
   前記超音波トランスデューサから第２の検出信号を受信し、前記第２の検出信号は前記駆動打消し信号を含む、
   請求項１に記載の距離検出システム（１５０）。
8. 前記検出信号は第１の検出信号であり、
   前記距離検出システムは、
   - 前記信号発生器（１５１）から反転駆動信号を受信するように構成されたダミー超音波素子（４０４）をさらに備え、
   前記受信器は、前記ダミー超音波トランスデューサから第２の検出信号を受信するように構成され、前記第２の検出信号は前記駆動打消し信号を含む、
   請求項１に記載の距離検出システム（１５０）。
9. 前記駆動打消し信号を提供するように構成された共振回路（７０４）をさらに備える、
   請求項１に記載の距離検出システム（１５０）。
10. 前記少なくとも１つの超音波素子の共振周波数が、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚであり、前記音波パルス内のサイクル数が、少なくとも３サイクルを含む、
    請求項１に記載の距離検出システム（１５０）。
11. - 駆動信号（１６２）を超音波トランスデューサ（１０６）へ提供して音波パルス（１６０）を界面（３３０）の方へ送信するステップと、
    - 前記超音波トランスデューサから検出信号（１７２）を受信するステップであって、前記検出信号が、前記超音波トランスデューサの反響を表す反響成分および前記界面からの反射された音波を表す反射成分を含む、受信するステップと、
    - 前記検出信号の前記反響成分に対して反転された駆動打消し信号（１７４）を受信するステップと、
    - 前記反響成分が前記駆動打消し信号によって低減された前記検出信号に基づいて飛行時間測定値を判定するステップと、
    を含む方法。
12. 前記駆動信号を反転させて反転駆動信号を形成するステップをさらに含み、
    前記駆動打消し信号は、前記反転駆動信号が与えられた抑制モジュール（１６４）によって生成される、
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記検出信号を受信するステップは、前記音波パルスが前記界面の方へ送信されるときに前記反射成分を受信し、前記音波パルスが送信されたときに受信した前記反射成分の前記飛行時間測定値を判定することを含む、
    請求項１１に記載の方法。
14. - 送信モードと受信モードとの間を切り換えるステップをさらに含み、
    前記検出信号は前記受信モード中に受信され、前記受信モードは不感帯なく生じる、
    請求項１１に記載の方法。
15. 前記超音波トランスデューサは第１の超音波素子を含み、前記音波パルスは第１のパルスであり、前記検出信号は第１の検出信号であり、
    前記方法は、
    - 反転駆動信号を第２の超音波素子へ提供して第２の音波パルスを前記界面の方へ誘導するステップと、
    - 前記超音波トランスデューサから第２の検出信号を受信するステップとをさらに含み、前記第２の検出信号は前記駆動打消し信号を含む、
    請求項１１に記載の方法。

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