CN110249238A - 超声波装置 - Google Patents

超声波装置 Download PDF

Info

Publication number
CN110249238A
CN110249238A CN201880008155.6A CN201880008155A CN110249238A CN 110249238 A CN110249238 A CN 110249238A CN 201880008155 A CN201880008155 A CN 201880008155A CN 110249238 A CN110249238 A CN 110249238A
Authority
CN
China
Prior art keywords
circuit
electrode
ultrasonic transducer
amplitude
ultrasonic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201880008155.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110249238B (zh
Inventor
中尾元保
渡边恒介
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
Publication of CN110249238A publication Critical patent/CN110249238A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110249238B publication Critical patent/CN110249238B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207—Driving circuits
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207—Driving circuits
    • B06B1/0215—Driving circuits for generating pulses, e.g. bursts of oscillations, envelopes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0688—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF
    • B06B1/0692—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF with a continuous electrode on one side and a plurality of electrodes on the other side
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/04—Systems determining presence of a target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06—Systems determining the position data of a target
    • G01S15/08—Systems for measuring distance only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/52004—Means for monitoring or calibrating
    • G01S7/52006—Means for monitoring or calibrating with provision for compensating the effects of temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/523—Details of pulse systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/534—Details of non-pulse systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0648—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element of rectangular shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
    • B06B2201/40—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups with testing, calibrating, safety devices, built-in protection, construction details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521—Constructional features

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

超声波装置(100)具备发送电路(110)、超声波换能器(120)、接收电路(140)以及电容测定电路(150)。超声波换能器是具有发送用电极(121)、接收用电极(122)及共用电极(123)的三端子型的超声波换能器。发送电路向发送用电极输出驱动信号并从超声波换能器发送超声波。接收电路接收来自接收用电极的接收信号。电容测定电路与接收用电极电连接，对超声波换能器的静电电容进行测定。

Description

超声波装置
技术领域
本发明涉及超声波装置，更具体而言，涉及用于测定独立设置有发送用电极与接收用电极的三端子型的超声波换能器的静电电容的技术。
背景技术
如下的超声波装置被用于实用，该超声波装置通过从超声波换能器发送超声波并利用超声波换能器接收由被检测物反射后的反射波，从而测定与被检测物之间的距离等。
超声波的速度由于周围温度而受到影响，因此，在准确地测定与被检测物之间的距离的情况下，需要进行温度补偿。
日本特开昭61-270685号公报(专利文献1)公开了一种超声波传感器，该超声波传感器利用超声波振子的静电电容与温度的相关性，测定超声波振子的静电电容并进行温度补偿。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭61-270685号公报
专利文献2：日本特开2012-217012号公报
发明内容
发明要解决的课题
上述的专利文献1所公开的超声波传感器(超声波换能器)是使用了用于发送超声波的发送用振子(发送用电极)和用于接收反射波的接收用振子(接收用电极)成为共用的所谓的二端子型的超声波换能器的结构。在这样的二端子型的超声波换能器中测定静电电容时，为了排除收发电路的电容成分的影响，需要利用开关对收发电路与静电电容的测定电路进行切换。
通常，在超声波换能器中，有时为了将超声波发送至远处而采用将发送信号的电压升压的方法。因此，如专利文献1那样，在利用开关来切换收发电路和电容测定电路的结构中，该开关的耐压规格由电压相对高的发送电路的电压决定。这样，所使用的开关的尺寸变大，部件成本也会增加。
本发明是为了解决这样的课题而完成的，其目的在于，在超声波装置中，在降低制造成本的同时，提高超声波换能器的静电电容的测定精度。
用于解决课题的手段
本发明的超声波装置具备超声波换能器、发送电路、接收电路以及电容测定电路。超声波换能器是具有共用电极、发送用电极以及与发送用电极独立的接收用电极的三端子型的超声波换能器。发送电路向发送用电极输出驱动信号并从超声波换能器发送超声波。接收电路接收来自接收用电极的接收信号。电容测定电路与接收用电极电连接，对超声波换能器的静电电容进行测定。
优选的是，超声波装置还具备接收切换部，该接收切换部构成为将接收用电极与接收电路及电容测定电路中的任一方连接。
优选的是，超声波装置还具备接地切换部，该接地切换部构成为在利用电容测定电路测定静电电容时，将发送用电极接地。
优选的是，电容测定电路包括：交流信号生成电路、连接在交流信号生成电路与接收用电极之间的基准电容、振幅测定电路以及电容算出电路。交流信号生成电路生成具有与超声波换能器的谐振频率不同的频率的基准振幅的交流信号。振幅测定电路测定基准电容与接收用电极之间的振幅。电容算出电路基于由振幅测定电路测定出的振幅和基准振幅，算出超声波换能器的静电电容。
优选的是，电容测定电路还包括切换装置，该切换装置构成为切换第一状态和第二状态，该第一状态是将交流信号生成电路与振幅测定电路不经由基准电容而连接的状态，该第二状态是将交流信号生成电路与振幅测定电路经由基准电容而连接的状态。电容算出电路基于在第一状态下由振幅测定电路测定出的振幅和在第二状态下由振幅测定电路测定出的振幅，来测定超声波换能器的静电电容。
优选的是，切换装置包括第一切换部～第三切换部。第一切换部切换交流信号生成电路与基准电容之间的导通与非导通。第二切换部切换接收用电极与振幅测定电路之间的导通与非导通。第三切换部的一端连接到交流信号生成电路与第一切换部之间的第一节点，并且另一端连接到振幅测定电路与第二切换部之间的第二节点。第三切换部切换第一节点与第二节点之间的导通与非导通。在第一状态下，第一切换部及第二切换部为非导通状态，并且第三切换部为导通状态。在第二状态下，第一切换部及第二切换部为导通状态，并且第三切换部为非导通状态。
优选的是，超声波装置还具备温度推断电路，该温度推断电路构成为根据算出的超声波换能器的静电电容和预先决定的静电电容及温度的相关性，来推断超声波换能器的温度。
发明效果
根据本发明的超声波装置，采用独立设置了发送用电极和接收用电极的三端子型的超声波换能器，在该接收用电极连接用于测定静电电容的电路来测定超声波换能器的静电电容。由此，能够降低超声波换能器的静电电容测定中的发送电路的阻抗的影响。另外，通过在接收用电极连接电容测定电路，与连接于发送侧的情况相比，能够降低用于测定静电电容的电路的耐电压。因此，能够在降低制造成本的同时提高超声波换能器的静电电容的测定精度。
附图说明
图1是示出实施方式1的超声波装置的整体结构的框图。
图2是示出超声波换能器的温度与静电电容之间的关系的图表。
图3是示出图1中的发送电路的第一例的图。
图4是示出图1中的发送电路的第二例的图。
图5是示出图1中的电容测定电路的详细结构的图。
图6是用于说明电容算出电路中的超声波换能器的静电电容的算出方法的图。
图7是示出超声波装置的其他变形例的图。
图8是示出电容测定电路的其他变形例的图。
图9是图8的变形例中的静电电容的算出处理的流程图。
图10是示出本实施方式2的超声波装置的整体结构的框图。
图11是示出图10中的发送电路的一例的图。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式详细进行说明。需要说明的是，针对图中的相同或相当部分，标注相同的标记并不再重复其说明。
[实施方式1]
图1是示出本实施方式1的超声波装置100的整体结构的框图。参照图1，超声波装置100具备发送电路110、超声波换能器120、放大器130、接收电路140、电容测定电路150以及温度推断电路160。
发送电路110是用于通过驱动超声波换能器120而从超声波换能器120发送超声波的电路。发送电路110包括存储器112、控制电路114以及信号生成电路116。控制电路114读出存放于存储器112的数据，将适于超声波换能器120的驱动的控制信号DRV向信号生成电路116输出。信号生成电路116基于从控制电路114输出的控制信号DRV，从直流电压生成交流电压(超声波脉冲：发送信号)。信号生成电路116根据需要将生成的交流电压放大并向超声波换能器120供给。对于信号生成电路116的详细结构，后面进行叙述。
超声波换能器120是包括发送用电极121(端子TX)、接收用电极122(端子RX)、共用电极123(端子COM)以及压电体124的所谓的三端子型的超声波换能器。发送用电极121及共用电极123与发送电路110的信号生成电路116连接。接收用电极122与电容测定电路150连接，并且经由放大器130而与接收电路140连接。
压电体124包括用于发送超声波的发送用区域124A和用于接收超声波的反射波的接收用区域124B。发送用电极121配置为将压电体124的发送用区域124A夹在中间而与共用电极123对置，且与发送用区域124A电连接。接收用电极122配置为夹着压电体124的接收用区域124B而与共用电极123对置，且与接收用区域124B电连接。共用电极123与发送用区域124A及接收用区域124B电连接。
发送用电极121接受来自信号生成电路116的发送信号。压电体124的发送用区域124A通过该发送信号而与超声波换能器的框体一起振动，由此，朝向空气中等发送超声波(送波)。
接收用电极122接收(受波)由物体将从发送用电极121发送的超声波反射后的反射波并进行振动。压电体124的接收用区域124B将发送用电极121的振动转换成电信号，并将该电信号作为接收信号向放大器130及电容测定电路150输出。
放大器130例如是包括电阻和运算放大器(均未图示)而构成的反相放大电路，将来自发送用电极121的接收信号放大并向接收电路140输出。
接收电路140接受由放大器130放大后的接收信号。接收电路140对该接收信号的电压值进行检测，并将该检测值RCV向控制电路114输出。
电容测定电路150如后述那样对超声波换能器120的静电电容CSNS进行测定。将测定出的静电电容CsNs向温度推断电路160输出。
温度推断电路160基于由电容测定电路150测定出的静电电容CSNS，根据例如图2所示的预先通过实验等决定的温度与静电电容的关系，来推断超声波换能器120的温度Temp。将推断出的温度Temp向控制电路114输出。需要说明的是，在图1中，温度推断电路160记载为与控制电路114独立的电路，但也可以构成为温度推断电路160的功能包含在控制电路114中。
控制电路114基于来自接收电路140的检测值RCV，来掌握与物体的有无、物体的移动及到物体的距离相关的信息。另外，控制电路114基于在温度推断电路160中测定出的超声波换能器120的温度Temp，来执行检测距离的修正、控制信号DRV的调整这样的温度补偿控制。超声波装置100例如能够作为搭载于车等的超声波传感器来使用。
这样，通过基于超声波换能器120的静电电容来推断超声波换能器120的温度，无需另外设置温度检测用的温度传感器。另一方面，由于影响到超声波换能器120的推断温度的精度，因此，需要高精度地测定超声波换能器120的静电电容，使得适当地进行温度补偿控制。
对此，在本实施方式中，作为超声波换能器，采用了上述那样的发送用电极121与接收用电极122被分离的三端子型的超声波换能器120，构成为在接收用电极122设置电容测定电路150。通过采用这样的结构，在超声波换能器120的静电电容CSNS的测定中，能够降低发送电路110的阻抗的影响，因此，能够提高超声波换能器120的静电电容的测定精度。
需要说明的是，也能够将电容测定电路150与发送用电极121连接，来降低接收侧的电路的阻抗的影响。然而，在发送电路110中，为了将发送信号尽可能地传递至远方，有时采用将发送信号的电压升压的方法。在该情况下，需要使构成电容测定电路150的元件的耐压电平成为与发送电路110的电压电平匹配的高耐压。因此，从电路尺寸及成本降低的观点出发，更优选将电容测定电路150与接收用电极122连接。
图3是用于说明图1的发送电路110的详细结构的图。参照图3，信号生成电路116构成为包括正电源Vtx+及负电源Vtx-、和开关元件(切换部)SW1、SW2。开关元件SW1、SW2串联连接在正电源Vtx+与负电源Vtx-之间，形成所谓的半桥电路。开关元件SW1与开关元件SW2之间的连接节点连接到超声波换能器120的发送用电极121(TX)。开关元件SW1、SW2由来自控制电路114的控制信号DRV控制，从直流的正电源Vtx+和负电源Vtx-生成用于驱动超声波换能器120的交流电压(发送信号)。具体而言，通过将开关元件SW1设为导通状态并将开关元件SW2设为非导通状态，能够向超声波换能器120输出正脉冲。反之，通过将开关元件SW1设为非导通状态并将开关元件SW2设为导通状态，能够向超声波换能器120输出负脉冲。
超声波换能器120的共用电极123(COM)在发送电路110中与接地电位GND连接。
图4是示出图1的发送电路的其他例的图。在图4的发送电路110A中，与图3的不同之处在于，信号生成电路116A形成了全桥电路。
参照图4，信号生成电路116A包括直流电源Vtx和开关元件(切换部)SW3～SW6。开关元件SW3、SW4串联连接在直流电源Vtx与接地电位GND之间。另外，开关元件SW5、SW6也串联连接在直流电源Vtx与接地电位GND之间。这样，开关元件SW3～SW6形成全桥电路。
在开关元件SW3与开关元件SW4之间的连接节点连接超声波换能器120的发送用电极121(TX)。在开关元件SW5与开关元件SW6之间的连接节点连接超声波换能器120的共用电极123(COM)。
开关元件SW3～SW6由来自控制电路114的控制信号DRV控制，从直流电源Vtx生成用于驱动超声波换能器120的交流电压(发送信号)。具体而言，通过将开关元件SW3、SW6设为导通状态并将开关元件SW4、SW5设为非导通状态，能够向超声波换能器120输出正脉冲。反之，通过将开关元件SW3、SW6设为非导通状态并将开关元件SW4、SW5设为导通状态，能够向超声波换能器120输出负脉冲。
接着，使用图5及图6，对图1的电容测定电路150电容测定方法详细进行说明。
参照图5，电容测定电路150包括具有已知电容的基准电容CREF、交流信号生成电路151、交流振幅测定电路152以及电容算出电路153。
交流信号生成电路151经由基准电容CREF而与接收用电极122连接。交流信号生成电路151输出具有预先决定的振幅VAC的交流电压信号。
交流振幅测定电路152与接收用电极122连接，对接收用电极122中的交流信号的电压振幅进行测定。将测定出的电压振幅VMEAS向电容算出电路153输出。
电容算出电路153根据未图示的存储部所存储的上述的基准电容CREF及交流电压振幅VAC和由交流振幅测定电路152测定出的电压振幅VMEAS来算出超声波换能器120的静电电容CSNS。将算出的静电电容CSNS向温度推断电路160输出。
图6是用于说明在电容算出电路153中执行的超声波换能器120的静电电容CSNS的详细算出方法的图。如图6所示，在测定超声波换能器120的静电电容CSNS时，基准电容CREF和超声波换能器120的静电电容CSNS成为串联在交流电源(交流信号生成电路151)与接地电位GND之间的电路。因此，在由交流振幅测定电路152测定的电压振幅VMEAS和从交流信号生成电路151输出的交流电压振幅VAC之间，以下的式(1)的关系成立。
[式1]
通过对该式(1)进行变形，能够使用基准电容CREF、交流电压振幅VAC及测定的电压振幅VMEAS，如式(2)那样算出超声波换能器120的静电电容CSNS。
[式2]
需要说明的是，如上述那样在电容测定电路150中测定超声波换能器120的静电电容CSNS的情况下，在等效电路中，如图6的虚线所示，超声波换能器120的谐振电路的阻抗Zs能够表现为相对于应测定的静电电容CSNS并联连接的电路。此时，在阻抗Zs高的情况下，几乎不存在对由交流振幅测定电路152测定的电压振幅VMEAS的影响。然而，当阻抗Zs变低时，无法忽略对电压振幅VMEAS的影响，因此，算出的静电电容CSNS的测定精度可能下降。当所施加的信号的频率接近于谐振电路的谐振频率时，超声波换能器120的谐振电路的阻抗Zs下降。因此，为了防止静电电容CSNS的测定精度的下降，需要将从交流信号生成电路151输出的交流电压信号的频率设为与超声波换能器120的谐振频率不同的值，设为使超声波换能器120的谐振电路的阻抗Zs变高这样的频率。作为一例，在超声波换能器120的谐振频率为50kHz的情况下，设计为使从交流信号生成电路151输出的交流电压信号的频率成为例如10kHz。
另外，通过将放大器130的阻抗相较于静电电容CSNS的阻抗设计为足够大，能够无需设置测定超声波换能器120的静电电容CSNS时的切换用的要素，因此，能够降低部件成本。
如以上那样，通过使用三端子型的超声波换能器，在该接收用电极连接电容测定电路来测定超声波换能器的静电电容CSNS，从而能够降低发送电路的阻抗的影响，提高静电电容CSNS的测定精度。由此，能够提高超声波换能器的温度的推断精度，适当地进行温度补偿。
(变形例1)
在图1所示的超声波装置100中，在放大器130的阻抗相较于静电电容CSNS的阻抗设计为足够大的情况下，在电容测定电路150中测定超声波换能器120的静电电容CSNS时，即便在放大器130与电容测定电路150电连接的状态下，也几乎不存在放大器130对静电电容CSNS造成的影响。然而，在无法充分地提高放大器130的阻抗这样的情况下，由于放大器130的阻抗的影响，可能导致超声波换能器120的静电电容CSNS的测定精度下降。
因此，在该变形例的超声波装置100A中，与图1的超声波装置100相比，采用了追加了接收切换部SW10的结构，该接收切换部SW10选择性地切换放大器130及接收电路140与电容测定电路150而与接收用电极122连接。需要说明的是，在图7中，不再重复与图1重复的要素的说明。
图7是示出实施方式1的超声波装置的变形例的图。参照图7，接收切换部SW10具有输入端子和第一输出端子及第二输出端子。在输入端子连接有接收用电极122，在第一输出端子连接有放大器130。另外，在第二输出端子连接有电容测定电路150。
接收切换部SW10在基于由接收用电极122接受的反射波来检测物体的存在或距离的情况下，将输入端子与第一输出端子连接。另一方面，在测定超声波换能器120的静电电容CSNS的情况下，接收切换部SW10将输入端子与第二输出端子连接。由此，在测定超声波换能器120的静电电容CSNS时，能够将放大器130及接收电路140从电容测定电路150电分离，因此，能够排除放大器130的阻抗的影响。其结果是，能够进一步提高超声波换能器120的静电电容CSNS的测定精度。
需要说明的是，由于接收切换部SW10与接收用电极122连接，因此，与日本特开昭61-270685号公报(专利文献1)中的电容测定时的切换用的开关相比，能够降低其耐电压。因此，能够降低部件成本。
(变形例2)
接着，使用图8及图9，对超声波装置100中的电容测定电路的变形例进行说明。
如图6所说明的那样，在电容测定电路150中，算出由交流信号生成电路151生成的交流信号的电压振幅VAC作为基准。因此，超声波换能器120的静电电容CSNS的测定精度取决于由交流信号生成电路151生成的交流信号的电压振幅VAC的精度。另一方面，交流信号的电压振幅VAC可能根据交流信号生成电路151的温度特性、特性偏差而变动，因此，通过这些变动会影响到静电电容CSNS的测定精度。
因此，在变形例2的电容测定电路150A中，在测定超声波换能器120的静电电容CSNS时，首先，测定并校正由交流信号生成电路151生成的交流信号的电压振幅VAC，之后通过图6所说明的方法来测定静电电容CSNS。通过进行这样的校正，能够排除交流信号的电压振幅VAC的特性变动的影响，因此，能够进一步提高超声波换能器120的静电电容CSNS的测定精度。
图8是变形例2的电容测定电路150A的框图。在图8中构成为除了实施方式1的图5所示的电容测定电路150的结构之外，还追加了由切换部(开关元件)SW11～SW13形成的切换装置和交流振幅存储部154。需要说明的是，在图8中，不再重复与图5重复的要素的说明。
参照图8，第一切换部即开关元件SW11连接在基准电容CREF与交流信号生成电路151之间，用于切换基准电容CREF与交流信号生成电路151之间的导通与非导通。第二切换部即开关元件SW12连接在接收用电极122(RX)与交流振幅测定电路152之间，用于切换接收用电极122(RX)与交流振幅测定电路152之间的导通与非导通。
第三切换部即开关元件SW13的一端连接到开关元件SW11与交流信号生成电路151之间的连接节点(第一节点)。开关元件SW13的另一端连接到开关元件SW12与交流振幅测定电路152之间的连接节点(第二节点)。开关元件SW13切换第一节点与第二节点之间的导通与非导通。开关元件SW11～SW13例如由发送电路110的控制电路114控制。
在测定超声波换能器120的静电电容CSNS时，首先，将开关元件SW11、SW12切换成非导通状态，并且将开关元件SW13切换成导通状态(第一状态)。在该第一状态下，利用交流振幅测定电路152来测定电压振幅，由此，测定从交流信号生成电路151输出的交流信号的基准振幅电压VAC。即，交流振幅测定电路152不经由基准电容CREF而测定来自交流信号生成电路151的交流信号的电压振幅。交流振幅测定电路152将测定出的电压振幅VAC的检测值存储于交流振幅存储部154。
之后，将开关元件SW11、SW12切换成导通状态，并且将开关元件SW13切换成非导通状态(第二状态)。由此，交流振幅测定电路152测定经由基准电容CREF的来自交流信号生成电路151的交流信号的电压振幅。该状态与图5所示的电路是同样的，因此，交流振幅测定电路152测定由基准电容CREF和超声波换能器120的静电电容CSNS决定的电压振幅VMFAS。
电容算出电路153基于交流振幅存储部154所存储的在第一状态下测定的基准振幅电压VAC、在第二状态下测定的电压振幅VMEAS、以及基准电容CREF，根据上述的式(2)来算出超声波换能器120的静电电容CSNS。
图9是用于说明在图8中说明的超声波换能器120的静电电容CSNS的详细算出处理的流程图。需要说明的是，在本变形例2中，以如下情况为例进行说明：图9的流程图在控制电路114中被执行，各电路按照来自控制电路114的控制信号而动作，但各电路也可以自主动作，还可以由未图示的其他控制装置执行。
参照图9，控制电路114在成为测定超声波换能器120的静电电容CSNS的定时之际，在步骤(以下将步骤略称为S。)100中，将电容测定电路150A中的开关元件SW11、SW12切换成非导通状态(关)，并且将开关元件SW13切换成导通状态(开)，成为第一状态。然后，控制电路114在S110中，在该状态下，从交流信号生成电路151输出交流信号，并且利用交流振幅测定电路152来测定此时的振幅电压。然后，控制电路114将测定出的振幅电压作为基准振幅电压VAC而存储于交流振幅存储部154。
之后，控制电路114在S120中，将开关元件SW11、SW12切换成导通状态(开)，并且将开关元件SW13切换成非导通状态(关)，成为第二状态。然后，控制电路114在S130中，从交流信号生成电路151输出交流信号，利用交流振幅测定电路152来测定该第二状态下的电压振幅VMEAS。
控制电路114在S140中，基于在S130中测定出的电压振幅VMEAS、在S110中存储的基准振幅电压VAC、以及基准电容CREF，利用电容算出电路153来算出静电电容CSNS。
通过按照以上那样的处理来进行控制，能够排除由交流信号生成电路151生成的交流信号的电压振幅VAC的特性变动所造成的影响，因此，能够进一步提高超声波换能器120的静电电容CSNS的测定精度。
需要说明的是，变形例2的结构也可以与变形例1的结构组合。
[实施方式2]
在如实施方式1那样使用了三端子型的超声波换能器的情况下，能够在某种程度上降低发送电路110的阻抗的影响，但当发送电路110的阻抗变动时，静电电容测定值也可能变动。
对此，在实施方式2中，对如下结构进行说明：在接收侧的电容测定电路150中测定超声波换能器的静电电容时，通过将发送用电极121接地，来固定发送电路110的阻抗，实现静电电容测定的稳定化。
图10是实施方式2的超声波装置100#的整体框图。在图10中，实施方式1的图1中的发送电路110被置换成发送电路110#。在发送电路110#中，除了图1中的发送电路110的结构之外，还设置有能够切换发送用电极121与接地电位GND之间的导通与非导通的接地切换部(开关元件)SW7。开关元件SW7在电容测定电路150中进行超声波换能器的静电电容的测定时成为导通状态，将发送用电极121与接地电位GND连接。
图11是与实施方式1的图3对应的图，示出信号生成电路116形成为半桥电路的情况下的发送电路110#。在发送电路110#中，开关元件SW7的一端与开关元件SW1和开关元件SW2之间的连接节点(即，发送用电极121)电连接，另一端与接地电位GND连接。开关元件SW7由控制电路114驱动，在电容测定电路150中进行超声波换能器的静电电容的测定时设为导通状态。
由此，TX-COM间的阻抗被短路且固定，因此，能够排除因发送电路的阻抗的变动对电容测定值造成的影响。
需要说明的是，虽然未图示，但在信号生成电路116由全桥电路形成的情况下，即便不设置开关元件SW7，也能够与图11同样地排除发送侧的电路的阻抗的影响。更具体而言，在图4中，通过将开关元件SW4设为导通状态，能够使TX-COM间短路，因此，无需新设置开关元件SW7。
如以上那样，通过使用三端子型的超声波换能器，在该接收用电极连接检测电路来测定超声波换能器的静电电容，并且在静电电容的测定时将发送用电极接地，从而能够排除发送电路的阻抗的影响。由此，能够进一步提高静电电容的测定精度。其结果是，能够适当地进行超声波换能器的温度补偿。
需要说明的是，实施方式2针对实施方式1的变形例也能够适用。
此次公开的实施方式在所有方面是例示，应该认为不是限制性的内容。本发明的范围由权利要求书示出而非上述的说明，包括与权利要求书同等的含义及范围内的所有变更。
附图标记说明：
100、100A、100#超声波装置；110、110A、110#发送电路；112存储器；114控制电路；116、116A信号生成电路；120超声波换能器；121发送用电极；122接收用电极；123共用电极；124压电体；124A发送用区域；124B接收用区域；130放大器；140接收电路；150、150A电容测定电路；151交流信号生成电路；152交流振幅测定电路；153电容算出电路；154交流振幅存储部；160温度推断电路；COM、RX、TX端子；CREF基准电容；SW1～SW7、SW11～SW13开关元件；SW10接收切换部；Vtx、Vtx+、Vtx-电源；Zs阻抗。

Claims (7)

1.一种超声波装置，具备：
三端子型的超声波换能器，其具有共用电极、发送用电极以及与所述发送用电极独立的接收用电极；
发送电路，其构成为向所述发送用电极输出驱动信号并从所述超声波换能器发送超声波；
接收电路，其构成为接收来自所述接收用电极的接收信号；以及
电容测定电路，其与所述接收用电极电连接，对所述超声波换能器的静电电容进行测定。
2.根据权利要求1所述的超声波装置，其中，
所述超声波装置还具备接收切换部，该接收切换部构成为将所述接收用电极与所述接收电路及所述电容测定电路中的任一方连接。
3.根据权利要求1或2所述的超声波装置，其中，
所述超声波装置还具备接地切换部，该接地切换部构成为在利用所述电容测定电路测定静电电容时，将所述发送用电极接地。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的超声波装置，其中，
所述电容测定电路包括：
交流信号生成电路，其构成为生成具有与所述超声波换能器的谐振频率不同的频率的基准振幅的交流信号；
基准电容，其连接在所述交流信号生成电路与所述接收用电极之间；
振幅测定电路，其构成为测定所述基准电容与所述接收用电极之间的振幅；以及
电容算出电路，其构成为基于由所述振幅测定电路测定出的振幅和所述基准振幅，来算出所述超声波换能器的静电电容。
5.根据权利要求4所述的超声波装置，其中，
所述电容测定电路还包括切换装置，该切换装置构成为切换第一状态和第二状态，该第一状态是将所述交流信号生成电路与所述振幅测定电路不经由所述基准电容而连接的状态，该第二状态是将所述交流信号生成电路与所述振幅测定电路经由所述基准电容而连接的状态，
所述电容算出电路构成为基于在所述第一状态下由所述振幅测定电路测定出的振幅和在所述第二状态下由所述振幅测定电路测定出的振幅，来测定所述超声波换能器的静电电容。
6.根据权利要求5所述的超声波装置，其中，
所述切换装置包括：
第一切换部，其构成为切换所述交流信号生成电路与所述基准电容之间的导通与非导通；
第二切换部，其构成为切换所述接收用电极与所述振幅测定电路之间的导通与非导通；以及
第三切换部，其一端连接到所述交流信号生成电路与所述第一切换部之间的第一节点，并且另一端连接到所述振幅测定电路与所述第二切换部之间的第二节点，构成为切换所述第一节点与所述第二节点之间的导通与非导通，
在所述第一状态下，所述第一切换部及所述第二切换部为非导通状态，并且所述第三切换部为导通状态，
在所述第二状态下，所述第一切换部及所述第二切换部为导通状态，并且所述第三切换部为非导通状态。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的超声波装置，其中，
所述超声波装置还具备温度推断电路，该温度推断电路构成为根据算出的所述超声波换能器的静电电容和预先决定的静电电容及温度的相关性，来推断所述超声波换能器的温度。
CN201880008155.6A 2017-01-25 2018-01-10 超声波装置 Active CN110249238B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017011458 2017-01-25
JP2017-011458 2017-01-25
PCT/JP2018/000271 WO2018139194A1 (ja) 2017-01-25 2018-01-10 超音波装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110249238A true CN110249238A (zh) 2019-09-17
CN110249238B CN110249238B (zh) 2023-02-17

Family

ID=62978334

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880008155.6A Active CN110249238B (zh) 2017-01-25 2018-01-10 超声波装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11833543B2 (zh)
EP (1) EP3575826B1 (zh)
JP (1) JP6773136B2 (zh)
CN (1) CN110249238B (zh)
WO (1) WO2018139194A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112754605A (zh) * 2019-11-05 2021-05-07 重庆迈科唯医疗科技有限公司 超声刀主机、超声刀系统及超声刀系统换能器阻抗的自动调节方法
TWI820590B (zh) * 2021-04-30 2023-11-01 日商阿爾卑斯阿爾派股份有限公司 鄰近檢測裝置

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020137601A1 (ja) * 2018-12-26 2020-07-02 ソニー株式会社 超音波装置
US20230062377A1 (en) * 2021-09-01 2023-03-02 Infineon Technologies Ag Robust touch sensing via ultra-sonic sensors
JP2023084335A (ja) * 2021-12-07 2023-06-19 株式会社Soken 超音波センサおよび物体検知装置

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61270685A (ja) * 1985-05-25 1986-11-29 Omron Tateisi Electronics Co 超音波スイツチ
JPH11150959A (ja) * 1997-11-19 1999-06-02 Nikon Corp 圧電振動子の駆動方法及びその装置
CN1709588A (zh) * 2004-06-18 2005-12-21 精工爱普生株式会社 超声波换能器、超声波扬声器及超声波换能器驱动控制方法
CN1751662A (zh) * 2004-09-22 2006-03-29 株式会社东芝 超声波诊断装置
CN1972530A (zh) * 2005-11-25 2007-05-30 精工爱普生株式会社 静电型换能器、超声波扬声器、电容性负荷的驱动电路
CN1976544A (zh) * 2005-11-29 2007-06-06 精工爱普生株式会社 电容性负载的驱动电路、静电型换能器、超声波扬声器
JP2012049789A (ja) * 2010-08-26 2012-03-08 Murata Mfg Co Ltd 圧電デバイス
CN102596045A (zh) * 2009-11-10 2012-07-18 株式会社日立医疗器械 超声波诊断装置
CN103703794A (zh) * 2011-08-03 2014-04-02 株式会社村田制作所 超声波换能器
WO2016167003A1 (ja) * 2015-04-13 2016-10-20 株式会社村田製作所 超音波センサ、および、その制御方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3538964C2 (de) * 1985-11-02 1993-10-07 Swf Auto Electric Gmbh Einrichtung zur Abstandsmessung, insbesondere für Kraftfahrzeuge
JP3258111B2 (ja) * 1992-02-12 2002-02-18 株式会社東芝 超音波送受信素子、超音波プローブおよび超音波治療装置用送波器
EP0706835B1 (en) * 1994-10-10 1999-01-20 Endress + Hauser GmbH + Co. Method of operating an ultrasonic piezoelectric transducer and circuit arrangement for performing the method
JPH1054872A (ja) 1996-08-08 1998-02-24 Tokico Ltd 超音波距離計
US6314380B1 (en) * 1999-06-03 2001-11-06 Robert Bosch Corporation Corp Of Delaware Ultrasound transducer temperature compensation methods, apparatus and programs
WO2008139869A1 (ja) * 2007-05-10 2008-11-20 Konica Minolta Medical & Graphic, Inc. 超音波送受信素子、超音波探触子および超音波診断装置
JP2009050334A (ja) 2007-08-24 2009-03-12 Ge Medical Systems Global Technology Co Llc 超音波診断装置、超音波探触子、温度算出方法及び信号処理方法
US9157898B1 (en) * 2010-03-22 2015-10-13 Lutron Electronics Co., Inc. Ultrasonic receiving circuit
JP2012217012A (ja) 2011-03-31 2012-11-08 Nec Casio Mobile Communications Ltd 電子機器
US8854056B1 (en) * 2012-09-13 2014-10-07 Cypress Semiconductor Corporation Capacitance sensing devices and methods
JP6243084B2 (ja) * 2015-03-12 2017-12-06 株式会社日立製作所 超音波探触子及び超音波探触子の調整方法並びに超音波診断装置

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61270685A (ja) * 1985-05-25 1986-11-29 Omron Tateisi Electronics Co 超音波スイツチ
JPH11150959A (ja) * 1997-11-19 1999-06-02 Nikon Corp 圧電振動子の駆動方法及びその装置
CN1709588A (zh) * 2004-06-18 2005-12-21 精工爱普生株式会社 超声波换能器、超声波扬声器及超声波换能器驱动控制方法
CN1751662A (zh) * 2004-09-22 2006-03-29 株式会社东芝 超声波诊断装置
CN1972530A (zh) * 2005-11-25 2007-05-30 精工爱普生株式会社 静电型换能器、超声波扬声器、电容性负荷的驱动电路
CN1976544A (zh) * 2005-11-29 2007-06-06 精工爱普生株式会社 电容性负载的驱动电路、静电型换能器、超声波扬声器
CN102596045A (zh) * 2009-11-10 2012-07-18 株式会社日立医疗器械 超声波诊断装置
JP2012049789A (ja) * 2010-08-26 2012-03-08 Murata Mfg Co Ltd 圧電デバイス
CN103703794A (zh) * 2011-08-03 2014-04-02 株式会社村田制作所 超声波换能器
WO2016167003A1 (ja) * 2015-04-13 2016-10-20 株式会社村田製作所 超音波センサ、および、その制御方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112754605A (zh) * 2019-11-05 2021-05-07 重庆迈科唯医疗科技有限公司 超声刀主机、超声刀系统及超声刀系统换能器阻抗的自动调节方法
TWI820590B (zh) * 2021-04-30 2023-11-01 日商阿爾卑斯阿爾派股份有限公司 鄰近檢測裝置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018139194A1 (ja) 2018-08-02
EP3575826A1 (en) 2019-12-04
JPWO2018139194A1 (ja) 2019-11-07
US20190337016A1 (en) 2019-11-07
JP6773136B2 (ja) 2020-10-21
EP3575826B1 (en) 2021-08-11
CN110249238B (zh) 2023-02-17
US11833543B2 (en) 2023-12-05
EP3575826A4 (en) 2020-11-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110249238A (zh) 超声波装置
US8823394B2 (en) Apparatus for capacitively measuring changes
US8587329B2 (en) Circuit arrangement for determination of a measuring capacitance
CN110214453A (zh) 超声波装置
US7456731B2 (en) Capacitive-type physical quantity sensor
GB2621480A (en) Circuitry for estimating displacement of a piezoelectric transducer
US20170373686A1 (en) Capacitive sensor
WO2006130828A2 (en) System and method for sensing capacitance change of a capacitive sensor
CN110226333A (zh) 超声波装置
EP2896945A1 (en) Pressure transducer with capacitively coupled source electrode
CN100586744C (zh) 轮胎压力检测装置
CN1330945C (zh) 射频测介式料位传感器
CN102458693B (zh) 机电变换器和用于检测机电变换器的灵敏度变化的方法
JP2013250169A (ja) 超音波センサ
JPH06343200A (ja) 超音波送信器
CN211293084U (zh) 一种采用反向电场补偿技术的静电场检测装置
JP2003156524A (ja) 電位固定装置および電位固定方法
JPH11103496A (ja) 超音波センサ
CN220670704U (zh) 一种低能耗的振动传感器
SU1538055A1 (ru) Емкостной компенсационный уровнемер
US11525704B2 (en) Sensor device with capacitive sensor
CN201476872U (zh) 一体化振动变送器
EP1555535A1 (en) Potential fixing device, potential fixing method, and capacitance mearuing instrument
CN104485929A (zh) 接收信号灵敏的驱动电路
KR100254350B1 (ko) 피에조필름 초음파센서의 온도보상장치

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant