JP2007033196A - Ultrasonic sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To transmit and receive ultrasonic wave with a single piezoelectric vibrator by using a two-terminal type piezoelectric vibrator as it is which is designed to use individual vibrators for transmission and reception, without using a boosting transformer. <P>SOLUTION: The ultrasonic sensor 51 of this invention comprises: a series capacitance (Cs) 6 connected in series with the ultrasonic sensor for elevating the resonance frequency fr of the ultrasonic sensor; and a parallel capacitance (Cp) 11 connected in parallel with the ultrasonic sensor for lowering the antiresonant frequency fa of the ultrasonic sensor. By driving the ultrasonic sensor in the state where only the series capacitance Cs is added, ultrasonic wave is transmitted in the air for a certain time with a transmission timing, and the ultrasonic wave 60 reflected from an object 61 is received the a state where only the parallel capacitance Cp is added with the next reception timing. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、空中に超音波を送波し、対象とする物体(target)から反射した超音波を測定することにより、対象物の有無や対象物までの距離を検出する超音波式物体検出装置などに用いられる超音波センサに関し、特に1個の圧電振動子で超音波の送受を行うとともに、低い駆動電圧での超音波の送波が可能な送受兼用の超音波センサに関する。   The present invention relates to an ultrasonic object detection apparatus that detects the presence or absence of a target object and the distance to the target object by measuring the ultrasonic wave reflected from the target object (target) by transmitting an ultrasonic wave in the air. In particular, the present invention relates to a transmission / reception ultrasonic sensor capable of transmitting and receiving ultrasonic waves with one piezoelectric vibrator and transmitting ultrasonic waves with a low driving voltage.

空中での超音波の送受波に用いられる超音波センサは、一般的に圧電振動子を用いて構成されている(以下、「超音波センサ」を「超音波センサ用圧電振動子」単体を示す場合と、「超音波センサ用圧電振動子」とその駆動回路を含めたものを示す場合とがある)。   An ultrasonic sensor used for transmission / reception of ultrasonic waves in the air is generally configured using a piezoelectric vibrator (hereinafter, “ultrasonic sensor” is simply referred to as “piezoelectric vibrator for ultrasonic sensor”). And a case including a “piezoelectric vibrator for an ultrasonic sensor” and a drive circuit thereof).

図7は、2端子型圧電振動子の構造を示す斜視図である。図7において、2端子型圧電振動子70は、圧電板72を備えていて、圧電板72の一方の面には電極71に接続された端子75が設けられ、他方の面には電極73に金属板74を介して接続された端子76が設けられている。圧電板72は、これら電極71、73を用いて厚さ方向に分極され、この圧電板72と金属板74とによりバイモルフあるいはユニモルフ圧電振動子が構成されている。図7に示されるように圧電振動子の中で、2つの端子75、76を有するものは2端子型圧電振動子と呼ばれる。   FIG. 7 is a perspective view showing the structure of a two-terminal piezoelectric vibrator. In FIG. 7, the two-terminal piezoelectric vibrator 70 includes a piezoelectric plate 72, a terminal 75 connected to the electrode 71 is provided on one surface of the piezoelectric plate 72, and an electrode 73 is provided on the other surface. A terminal 76 connected via a metal plate 74 is provided. The piezoelectric plate 72 is polarized in the thickness direction using these electrodes 71 and 73, and the piezoelectric plate 72 and the metal plate 74 constitute a bimorph or unimorph piezoelectric vibrator. As shown in FIG. 7, a piezoelectric vibrator having two terminals 75 and 76 is called a two-terminal piezoelectric vibrator.

図8は、2端子型の圧電振動子の電気的等価回路である。図8において、2端子型圧電振動子の等価回路81は、端子86間に、82で示すインダクタL、83で示す静電容量C及び84で示す抵抗Rからなる直列回路が接続されると共に、振動子固有の制動容量として85で示す静電容量Cdが並列に接続された電気的等価回路で表される。   FIG. 8 is an electrical equivalent circuit of a two-terminal piezoelectric vibrator. In FIG. 8, an equivalent circuit 81 of a two-terminal piezoelectric vibrator is connected between terminals 86 with a series circuit including an inductor L indicated by 82, a capacitance C indicated by 83, and a resistor R indicated by 84, It is represented by an electrical equivalent circuit in which an electrostatic capacity Cd indicated by 85 is connected in parallel as a braking capacity unique to the vibrator.

図9は、2端子型の圧電振動子の入力インピーダンスの周波数特性例である。図9において、91で示す共振周波数fr[Hz] で入力インピーダンスは極小値Zr[Ω]になり、92で示す反共振周波数fa[Hz]で入力インピーダンスは極大値Za[Ω]になる。
ここで、共振周波数frおよび反共振周波数faは、図8の等価回路定数L、C及びCdを用いて、それぞれ数1式及び数2式で与えられる。
FIG. 9 is an example of frequency characteristics of input impedance of a two-terminal type piezoelectric vibrator. In FIG. 9, the resonant frequency fr [Hz] indicated by 91 The input impedance becomes the minimum value Zr [Ω], and the input impedance becomes the maximum value Za [Ω] at the antiresonance frequency fa [Hz] indicated by 92.
Here, the resonance frequency fr and the antiresonance frequency fa are given by Equation 1 and Equation 2, respectively, using the equivalent circuit constants L, C, and Cd of FIG.

Figure 2007033196
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Figure 2007033196
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このような圧電振動子を用いて空中に超音波を送波したり、空中を伝播した超音波を受波したりして対象物の有無や対象物までの距離を検出する超音波センサにおいては、送波の場合、低い駆動電圧で振動子を励振することが可能な共振周波数frで駆動し、インピーダンスの高い反共振周波数faで受波するのが一般的である。これは、低い電圧にもかかわらず効率よく超音波を送波するとともに、受信感度を高くするためである。   In an ultrasonic sensor that detects the presence or absence of an object and the distance to the object by transmitting an ultrasonic wave into the air using such a piezoelectric vibrator or receiving an ultrasonic wave that has propagated through the air, In the case of wave transmission, it is common to drive at a resonance frequency fr that can excite the vibrator with a low drive voltage and to receive at an anti-resonance frequency fa with high impedance. This is because the ultrasonic wave is efficiently transmitted despite the low voltage and the reception sensitivity is increased.

図10、図11は、従来の超音波センサである超音波式物体検出装置の構成原理を示す説明図である。
図10において、送波器側の超音波センサ101と受波器側に別の超音波センサ102を用いる場合を示している。送波器側の超音波センサ101には送波駆動回路103が接続され、受波器側の超音波センサ102には受波駆動回路106が接続される。送波駆動回路103では、電源104から抵抗105を介して送波器側の超音波センサ101に送波駆動電圧が供給され、送波器側の超音波センサ101から物体109に超音波が送波される。
10 and 11 are explanatory diagrams showing the configuration principle of an ultrasonic object detection device which is a conventional ultrasonic sensor.
FIG. 10 shows a case where the ultrasonic sensor 101 on the transmitter side and another ultrasonic sensor 102 on the receiver side are used. A transmission drive circuit 103 is connected to the ultrasonic sensor 101 on the transmitter side, and a reception drive circuit 106 is connected to the ultrasonic sensor 102 on the receiver side. In the transmission drive circuit 103, a transmission drive voltage is supplied from the power supply 104 to the ultrasonic sensor 101 on the transmitter side via the resistor 105, and ultrasonic waves are transmitted from the ultrasonic sensor 101 on the transmitter side to the object 109. Waved.

受波駆動回路106では、受波器側の超音波センサ102で物体109からの超音波の反射波が受信され、受波の電圧が抵抗108に対する電圧降下分として出力端子107から出力される。図10に示した構成では、送波に使用する超音波センサ101の共振周波数frと受波に使用する超音波センサ102の反共振周波数faを等しくした2個の超音波センサを用いる必要がある。   In the reception drive circuit 106, the ultrasonic wave reflected from the object 109 is received by the ultrasonic sensor 102 on the receiver side, and the received voltage is output from the output terminal 107 as a voltage drop with respect to the resistor 108. In the configuration shown in FIG. 10, it is necessary to use two ultrasonic sensors in which the resonance frequency fr of the ultrasonic sensor 101 used for transmission and the anti-resonance frequency fa of the ultrasonic sensor 102 used for reception are equal. .

図11は1個の超音波センサ111を送波側と受波側の兼用とした場合の構成原理図である。
図11において、送波時に、駆動回路112の電源113から抵抗114を介してトランス115に1次電圧が供給される。そしてトランス115で昇圧された2次電圧が超音波センサ111に送波駆動電圧として供給され、超音波センサ111から物体118に超音波が送波される。受波時には、超音波センサ111で物体118からの超音波の反射波が受波され、受波の電圧が出力端子117から出力される。
FIG. 11 is a configuration principle diagram when one ultrasonic sensor 111 is used for both the transmission side and the reception side.
In FIG. 11, the primary voltage is supplied to the transformer 115 via the resistor 114 from the power source 113 of the drive circuit 112 during wave transmission. The secondary voltage boosted by the transformer 115 is supplied to the ultrasonic sensor 111 as a transmission drive voltage, and ultrasonic waves are transmitted from the ultrasonic sensor 111 to the object 118. At the time of wave reception, an ultrasonic wave reflected from the object 118 is received by the ultrasonic sensor 111, and the received voltage is output from the output terminal 117.

図11に示した構成では、1個の超音波センサ111の反共振周波数faで所定の時間だけ超音波を送波し、次のタイミングで同じ超音波センサ111を受波器として使用する方式が採られているが、送波時には駆動回路112により入力インピーダンスが高い反共振周波数で超音波センサ111の圧電振動子を駆動するため、高い駆動電圧が必要となり、昇圧用のトランス115を必要とする。   In the configuration shown in FIG. 11, an ultrasonic wave is transmitted for a predetermined time at the anti-resonance frequency fa of one ultrasonic sensor 111, and the same ultrasonic sensor 111 is used as a receiver at the next timing. However, at the time of wave transmission, the drive circuit 112 drives the piezoelectric vibrator of the ultrasonic sensor 111 at an anti-resonance frequency with a high input impedance, so a high drive voltage is required, and a step-up transformer 115 is required. .

図11中の116で示すダイオード回路Dは、送波時に駆動回路112から超音波センサ111に大きな駆動電圧が印加されたときは、導通により低インピーダンスとして作用し、受波時に超音波センサ101に反射した超音波により微小電圧が誘起されたときは、非導通により高いインピーダンスとして作用するインピーダンス変化回路である。この第オート回路Dは、ダイオードの非線形性を利用した微小電圧の検出に良く使用される技術である。   The diode circuit D indicated by 116 in FIG. 11 acts as a low impedance due to conduction when a large drive voltage is applied from the drive circuit 112 to the ultrasonic sensor 111 during transmission, and acts on the ultrasonic sensor 101 during reception. When a minute voltage is induced by the reflected ultrasonic wave, the impedance change circuit acts as a high impedance due to non-conduction. The first auto circuit D is a technique often used for detecting a minute voltage using the nonlinearity of a diode.

これら、図10及び図11に示した構成の欠点を除去し、昇圧用のトランスを必要としないで、しかも1個の超音波センサでの超音波の送受を可能とする超音波センサの技術が特許文献1に開示されている。
図12は、特許文献1に開示されている超音波センサ用の対称3端子型圧電振動子の構造を示す斜視図であり、図13はその超音波センサの動作原理を説明するための電気的等価回路を示す図である。
There is an ultrasonic sensor technique that eliminates the disadvantages of the configurations shown in FIGS. 10 and 11, does not require a step-up transformer, and enables transmission / reception of ultrasonic waves with a single ultrasonic sensor. It is disclosed in Patent Document 1.
FIG. 12 is a perspective view showing the structure of a symmetrical three-terminal piezoelectric vibrator for an ultrasonic sensor disclosed in Patent Document 1, and FIG. 13 is an electrical diagram for explaining the operating principle of the ultrasonic sensor. It is a figure which shows an equivalent circuit.

図12において、超音波センサに用いられる対称3端子型圧電振動子119は、両面に電極121、122、124が形成され、厚さ方向に分極された圧電板123が、これとほぼ同じ外形寸法の金属板125に接合されている。表面の電極121、122は電極ギャップ120により、電極121と電極122に二等分され、圧電板123の金属板125との接合面側の電極124は金属板125と機械的および電気的に接合され共通端子127となっている。また、表面の分割された電極121、122にそれぞれ、入力端子126及び出力端子122を設けている。   In FIG. 12, a symmetrical three-terminal piezoelectric vibrator 119 used for an ultrasonic sensor has electrodes 121, 122, and 124 formed on both surfaces, and a piezoelectric plate 123 polarized in the thickness direction has substantially the same outer dimensions. The metal plate 125 is joined. The electrodes 121 and 122 on the surface are divided into two equal parts by the electrode gap 120 into the electrode 121 and the electrode 122, and the electrode 124 on the bonding surface side of the piezoelectric plate 123 with the metal plate 125 is mechanically and electrically bonded to the metal plate 125. Common terminal 127. An input terminal 126 and an output terminal 122 are provided on the electrodes 121 and 122 whose surfaces are divided.

図12に示す圧電振動子119は、共通端子127と入力端子126及び出力端子128を有するため対称3端子型圧電振動子と呼ばれ、その電気的等価回路131は、図13に示すように、入力端子対137−138と出力端子対139−140の両端子対間に直列に接続された132で示すインダクタンスL、133で示す静電容量C及び134で示す抵抗Rと、前記入力端子対137−138及び出力端子対139−140それぞれに並列に接続されたほぼ等しい制動容量である135で示す静電容量Cd及び136で示すCd’により表される。   The piezoelectric vibrator 119 shown in FIG. 12 is called a symmetric three-terminal piezoelectric vibrator because it has a common terminal 127, an input terminal 126, and an output terminal 128, and its electrical equivalent circuit 131 is shown in FIG. An inductance L indicated by 132 and a capacitance C indicated by 133 and a resistance R indicated by 134 connected in series between both terminal pairs of the input terminal pair 137-138 and the output terminal pair 139-140, and the input terminal pair 137. -138 and the output terminal pair 139-140 are represented by electrostatic capacity Cd indicated by 135 and Cd 'indicated by 136, which are substantially equal braking capacities connected in parallel, respectively.

図13に示す等価回路で表される対称3端子型圧電振動子131においては、出力端子対139−140を開放したときの共振周波数と、出力端子対139−140を短絡したときの反共振周波数が等しくなるため、出力端子対139−140を開放したときの共振周波数frで所定の時間だけ超音波センサを駆動して空中に超音波を送波するとともに、次のタイミングで出力端子対139−140を短絡して対象物から反射した超音波を受波するように構成されている。   In the symmetric three-terminal piezoelectric vibrator 131 represented by the equivalent circuit shown in FIG. 13, the resonance frequency when the output terminal pair 139-140 is opened and the anti-resonance frequency when the output terminal pair 139-140 is short-circuited. Therefore, the ultrasonic sensor is driven for a predetermined time at the resonance frequency fr when the output terminal pair 139-140 is opened to transmit ultrasonic waves into the air, and at the next timing, the output terminal pair 139- 140 is short-circuited to receive the ultrasonic wave reflected from the object.

特開平9−166659号公報(図2,図4)JP-A-9-166659 (FIGS. 2 and 4)

しかしながら、図12及び図13に示した対称3端子型圧電振動子131を用いる従来の超音波センサは、図11に示すような昇圧トランス115を使用しないで、超音波の送受波が可能であるが、図12及び図13に示すように、予め圧電振動子119を対称3端子構造に設計しておく必要があった。つまり、圧電振動子119の駆動電極の一方を二等分して、3端子構成にしておく必要があった。
従って、送波と受波に別の圧電振動子を用いるように設計された2端子型圧電振動子をそのまま使用することは不可能である。
However, the conventional ultrasonic sensor using the symmetrical three-terminal piezoelectric vibrator 131 shown in FIGS. 12 and 13 can transmit and receive ultrasonic waves without using the step-up transformer 115 as shown in FIG. However, as shown in FIGS. 12 and 13, it is necessary to design the piezoelectric vibrator 119 in a symmetrical three-terminal structure in advance. That is, one of the drive electrodes of the piezoelectric vibrator 119 needs to be divided into two equal parts to have a three-terminal configuration.
Therefore, it is impossible to directly use a two-terminal piezoelectric vibrator designed to use different piezoelectric vibrators for transmission and reception.

本発明は、送波用と受波用に別の圧電振動子を用いるように設計された2端子型圧電振動子をそのまま使用することが可能で、しかも1個の圧電振動子で、昇圧トランスを使用しないで、超音波の送受が可能な超音波センサを提供することを目的としている。   In the present invention, a two-terminal piezoelectric vibrator designed to use different piezoelectric vibrators for transmitting and receiving waves can be used as it is, and a single step-up piezoelectric vibrator can be used. An object of the present invention is to provide an ultrasonic sensor capable of transmitting and receiving ultrasonic waves without using a sensor.

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の超音波センサは、インダクタンスL、第1の静電容量(C)および抵抗Rからなる直列回路に第2の静電容量(Cd)が並列に接続された電気的等価回路で表される2端子型圧電振動子を用いた超音波センサにおいて、前記超音波センサの共振周波数frを上昇させるために前記超音波センサに直列に接続される第3の静電容量(直列容量Cs)と、前記超音波センサの反共振周波数faを低下させるために前記超音波センサに並列に接続される第4の静電容量(並列容量Cp)とを備え、これら直列容量Csと並列容量Cpのうち、直列容量Csのみを付加した状態で超音波センサを駆動して一定時間だけ超音波を空中に送波タイミングで送波するとともに、次の受波タイミングで並列容量Cpのみを付加した状態で対象物から反射した超音波を受波するものである。   In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, the ultrasonic sensor of the present invention includes a second capacitance (in a series circuit including an inductance L, a first capacitance (C), and a resistor R). In an ultrasonic sensor using a two-terminal piezoelectric vibrator represented by an electrically equivalent circuit in which Cd) are connected in parallel, in order to increase the resonance frequency fr of the ultrasonic sensor, the ultrasonic sensor is connected in series. A third capacitance (series capacitance Cs) to be connected and a fourth capacitance (parallel capacitance Cp) connected in parallel to the ultrasonic sensor in order to lower the anti-resonance frequency fa of the ultrasonic sensor. ), The ultrasonic sensor is driven with only the series capacitance Cs out of the series capacitance Cs and the parallel capacitance Cp, and the ultrasonic wave is transmitted to the air at a transmission timing for a predetermined time. Reception timing Is to receives ultrasonic waves reflected from the object while adding only parallel capacitance Cp.

また、本発明の超音波センサは、上述において、前記超音波センサに対する直列容量Csの直列接続又は並列容量Cpの並列接続を同時に切り替える切替部と、この切替部の切り替えを制御する制御部とを備えるものである。
また、本発明の超音波センサは、上述において、制御部により制御される切替部の切り替えタイミングは超音波の送波又は受波状態に応じて任意に調整可能にするものである。
The ultrasonic sensor according to the present invention includes a switching unit that simultaneously switches the series connection of the series capacitor Cs or the parallel connection of the parallel capacitor Cp to the ultrasonic sensor, and a control unit that controls switching of the switching unit. It is to be prepared.
In the ultrasonic sensor according to the present invention, the switching timing of the switching unit controlled by the control unit can be arbitrarily adjusted according to the ultrasonic wave transmission or reception state.

本発明によれば、送波と受波に別の圧電振動子を用いるように設計された2端子型圧電振動子の両方をそのまま使用することが可能で、しかも1個の圧電振動子で、昇圧トランスを使用しないで、超音波の送受が可能な超音波センサを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to use both of the two-terminal piezoelectric vibrators designed to use different piezoelectric vibrators for transmission and reception, and with one piezoelectric vibrator, An ultrasonic sensor capable of transmitting and receiving ultrasonic waves without using a step-up transformer can be provided.

従って、同一仕様の超音波センサに対して、性能、寸法、コストなど、用途に合わせて、送受別タイプの構成にするか、送受兼用タイプの構成にするかの自由度が広がり、結果として、同一仕様の超音波センサの生産量を増やすことが可能となり、量産効果によるコストの削減も可能になる。   Therefore, for an ultrasonic sensor of the same specification, the degree of freedom of whether it is configured as a separate type of transmission / reception type or according to the application, such as performance, dimensions, cost, etc. expands, and as a result, It is possible to increase the production volume of ultrasonic sensors of the same specification, and it is possible to reduce the cost due to the mass production effect.

以下に、本発明の実施の形態について、適宜、図面を参照しながらその詳細を説明する。
図8に示した2端子型圧電振動子の電気的等価回路81と同様の2端子型圧電振動子の電気的等価回路1を用いて、2端子型圧電振動子1の共振周波数frと反共振周波数faを制御する方法について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
The resonance frequency fr and anti-resonance of the two-terminal piezoelectric vibrator 1 using the two-terminal piezoelectric vibrator electric equivalent circuit 1 similar to the two-terminal piezoelectric vibrator electric equivalent circuit 81 shown in FIG. A method for controlling the frequency fa will be described.

図1は、2端子型圧電振動子に直列に直列静電容量Csを接続した場合の等価回路図であり、図2は、2端子型圧電振動子に並列に並列静電容量Cpを接続した場合の等価回路図である。
図1において、2端子型圧電振動子の等価回路1は、端子7間に、2で示すインダクタL、3で示す静電容量C及び4で示す抵抗Rからなる直列回路が接続されると共に、振動子固有の制動容量として5で示す静電容量Cdが並列に接続された電気的等価回路で表される。
また、この2端子型圧電振動子の等価回路1の端子7と端子8の一方の端子間には、6で示す静電容量Csが直列に接続され、端子7と端子8の他方の端子は共通接続されている。
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram in the case where a series capacitance Cs is connected in series to a two-terminal piezoelectric vibrator, and FIG. 2 is a parallel capacitance Cp connected in parallel to the two-terminal piezoelectric vibrator. It is an equivalent circuit diagram in the case.
In FIG. 1, an equivalent circuit 1 of a two-terminal piezoelectric vibrator is connected between a terminal 7 and a series circuit including an inductor L indicated by 2, a capacitance C indicated by 3, and a resistor R indicated by 4, This is represented by an electrical equivalent circuit in which an electrostatic capacity Cd indicated by 5 is connected in parallel as a braking capacity unique to the vibrator.
In addition, an electrostatic capacity Cs indicated by 6 is connected in series between one of the terminals 7 and 8 of the equivalent circuit 1 of the two-terminal piezoelectric vibrator, and the other of the terminals 7 and 8 is Commonly connected.

一方、図2に示すように、この2端子型圧電振動子の等価回路1の端子7間に、11で示す並列容量Cpを並列に接続する回路も考えられる。ここで、図1に示す直列静電容量Cs及び図2に示す並列容量Cpは静電容量を可変することができる構成である。   On the other hand, as shown in FIG. 2, a circuit in which a parallel capacitor Cp indicated by 11 is connected in parallel between terminals 7 of the equivalent circuit 1 of the two-terminal piezoelectric vibrator is also conceivable. Here, the series capacitance Cs shown in FIG. 1 and the parallel capacitance Cp shown in FIG. 2 have a configuration in which the capacitance can be varied.

一般に、共振周波数frは2端子型圧電振動子1などの2端子インピーダンス素子の入力インピーダンスが極小になる周波数で与えられ、反共振周波数faは2端子型圧電振動子1などの2端子インピーダンス素子の入力インピーダンスが極大になる周波数で与えられることが知られている。従って、図1及び図2の等価回路を用いて、入力インピーダンスの周波数特性を計算することにより、それぞれ、2端子型圧電振動子1に直列静電容量Csを付加した場合、及び2端子型圧電振動子1に並列静電容量Cpを付加した場合の共振周波数fr’及び反共振周波数fa’を計算により求めることができる。   In general, the resonance frequency fr is given by a frequency at which the input impedance of the two-terminal impedance element such as the two-terminal piezoelectric vibrator 1 is minimized, and the anti-resonance frequency fa is the frequency of the two-terminal impedance element such as the two-terminal piezoelectric vibrator 1. It is known that the input impedance is given at a frequency that maximizes. Accordingly, by calculating the frequency characteristics of the input impedance using the equivalent circuits of FIGS. 1 and 2, the series capacitance Cs is added to the two-terminal piezoelectric vibrator 1, and the two-terminal piezoelectric is obtained. The resonance frequency fr ′ and the anti-resonance frequency fa ′ when the parallel capacitance Cp is added to the vibrator 1 can be obtained by calculation.

表1は、計算に用いた2端子型圧電振動子を用いた超音波センサの共振周波数fr、反共振周波数fa及びその電気的等価回路定数を示している。表1に示すように、共振周波数frは40.0「kHz」、反共振周波数faは41.0「kHz」であり、電気的等価回路定数のLは317[mH]、Cは50[pF]、Rは265[Ω]、Cdは1000[pF]である。   Table 1 shows the resonance frequency fr, the anti-resonance frequency fa, and the electrical equivalent circuit constants of the ultrasonic sensor using the two-terminal piezoelectric vibrator used for the calculation. As shown in Table 1, the resonance frequency fr is 40.0 “kHz”, the anti-resonance frequency fa is 41.0 “kHz”, the electrical equivalent circuit constant L is 317 [mH], and C is 50 [pF]. ], R is 265 [Ω], and Cd is 1000 [pF].

Figure 2007033196
Figure 2007033196

図3は、直列静電容量Csを変化させて計算した入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。
図3は、図1における超音波センサの電気的等価回路定数として表1に示した等価回路定数を用い、6で示す直列静電容量Csを変化させて計算した入力インピーダンスの周波数特性を示しており、32で示す共振周波数fr及び31で示す反共振周波数faの変化する様子を知ることができる図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating the frequency characteristics of the input impedance calculated by changing the series capacitance Cs.
FIG. 3 shows the frequency characteristics of the input impedance calculated by changing the series capacitance Cs shown in 6 using the equivalent circuit constant shown in Table 1 as the electrical equivalent circuit constant of the ultrasonic sensor in FIG. FIG. 6 is a diagram showing how the resonance frequency fr indicated by 32 and the anti-resonance frequency fa indicated by 31 change.

図3から、直列静電容量Csの値が1[F]、5000[pF]、3000[pF]、1000[pF]、500[pF]、200[pF]の順に小さくなると、共振周波数frが40.0「kHz」、40.1「kHz」、40.25「kHz」、40.5「kHz」、40.7「kHz」、40.8「kHz」の順に上昇するが、このとき、反共振周波数faは41.0「kHz」からほとんど変化していないことがわかる。   From FIG. 3, when the value of the series capacitance Cs decreases in the order of 1 [F], 5000 [pF], 3000 [pF], 1000 [pF], 500 [pF], and 200 [pF], the resonance frequency fr becomes smaller. 40.0 "kHz", 40.1 "kHz", 40.25 "kHz", 40.5 "kHz", 40.7 "kHz", 40.8 "kHz" in this order, It can be seen that the anti-resonance frequency fa has hardly changed from 41.0 “kHz”.

図3の縦軸はインピーダンスの絶対値を示しており、共振周波数frが40.0「kHz」、40.1「kHz」、40.25「kHz」、40.5「kHz」、40.7「kHz」、40.8「kHz」の順に上昇するに従い、共振時のインピーダンスが400[Ω]、500[Ω]、700[Ω]、1000[Ω]、3000[Ω]、9000[Ω]の順に大きくなっている。なお、反共振周波数faのインピーダンスは80000[Ω]からほとんど変化していないことがわかる。   The vertical axis in FIG. 3 indicates the absolute value of the impedance, and the resonance frequency fr is 40.0 “kHz”, 40.1 “kHz”, 40.25 “kHz”, 40.5 “kHz”, 40.7 As the frequency increases in the order of “kHz” and 40.8 “kHz”, the impedance at resonance is 400 [Ω], 500 [Ω], 700 [Ω], 1000 [Ω], 3000 [Ω], and 9000 [Ω]. It becomes larger in order. In addition, it turns out that the impedance of the antiresonance frequency fa has hardly changed from 80000 [Ω].

図4は、並列静電容量Cpを変化させて計算した入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。
図4は、図2における超音波センサの電気的等価回路定数として表1に示した等価回路定数を用い、並列静電容量Cpを変化させて計算した入力インピーダンスの周波数特性を示しており、共振周波数および反共振周波数の変化する様子を知ることができる図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating the frequency characteristics of the input impedance calculated by changing the parallel capacitance Cp.
FIG. 4 shows the frequency characteristics of the input impedance calculated by changing the parallel capacitance Cp using the equivalent circuit constant shown in Table 1 as the electrical equivalent circuit constant of the ultrasonic sensor in FIG. It is a figure which can know a mode that a frequency and an antiresonance frequency change.

図4から、並列静電容量Cpの値が1000[pF]、1200[pF]、1500[pF]、2000[pF]、3000[pF]、5000[pF]の順に大きくなると、反共振周波数faが41.0「kHz」、40.8「kHz」、40.7「kHz」、40.5「kHz」、40.7「kHz」、40.25「kHz」の順に低下するが、このとき、共振周波数frは、40.0「kHz」からほとんど変化していないことがわかる。   From FIG. 4, when the value of the parallel capacitance Cp increases in the order of 1000 [pF], 1200 [pF], 1500 [pF], 2000 [pF], 3000 [pF], and 5000 [pF], the anti-resonance frequency fa Decreases in the order of 41.0 "kHz", 40.8 "kHz", 40.7 "kHz", 40.5 "kHz", 40.7 "kHz", 40.25 "kHz". It can be seen that the resonance frequency fr has hardly changed from 40.0 “kHz”.

また、図4からわかるように、反共振周波数faが41.0「kHz」、40.8「kHz」、40.7「kHz」、40.5「kHz」、40.7「kHz」、40.25「kHz」の順に低下するに従い、反共振時のインピーダンスが80000[Ω]、70000[Ω]、50000[Ω]、20000[Ω]、8000[Ω]、4000[Ω]の順に小さくなっている。なお、共振周波数frのインピーダンスは300[Ω]からほとんど変化していないことがわかる。   Further, as can be seen from FIG. 4, the anti-resonance frequency fa is 41.0 “kHz”, 40.8 “kHz”, 40.7 “kHz”, 40.5 “kHz”, 40.7 “kHz”, 40 The impedance at the time of anti-resonance decreases in the order of 80000 [Ω], 70000 [Ω], 50000 [Ω], 20000 [Ω], 8000 [Ω], and 4000 [Ω] as the frequency decreases in the order of .25 “kHz”. ing. It can be seen that the impedance of the resonance frequency fr has hardly changed from 300 [Ω].

以上のように、図3からわかるように、直列静電容量Csを図1に示した2端子型圧電振動子1に付加することにより共振周波数frを元の値より上昇させるように変化させることができる。そして、図4からわかるように、並列静電容量Cpを図1に示した2端子型圧電振動子1に付加して合成容量を大きくすることにより反共振周波数faを元の値より低下させるように変化させることができる。   As described above, as can be seen from FIG. 3, the resonance frequency fr is changed to be higher than the original value by adding the series capacitance Cs to the two-terminal piezoelectric vibrator 1 shown in FIG. Can do. Then, as can be seen from FIG. 4, the antiresonance frequency fa is lowered from the original value by adding the parallel capacitance Cp to the two-terminal piezoelectric vibrator 1 shown in FIG. Can be changed.

2端子型圧電振動子1において、共振周波数frと反共振周波数faの差の周波数を△fとしたとき、△f/frの値は、この圧電振動子の電気−機械変換効率の大きさを示しており、図3の32で示す共振周波数frの上昇変化手段及び図4の41で示す反共振周波数faの低下変化手段により共振周波数frを上昇させたり、反共振周波数faを低下させたりする場合にも、圧電振動子としての特性をできるだけ良くするために、△f/frの値をできるだけ大きく保つことが重要である。   In the two-terminal piezoelectric vibrator 1, when the difference frequency between the resonance frequency fr and the antiresonance frequency fa is Δf, the value of Δf / fr is the magnitude of the electromechanical conversion efficiency of the piezoelectric vibrator. 3, the resonance frequency fr is increased or decreased by the resonance frequency fr increasing and changing means indicated by 32 in FIG. 3 and the anti-resonance frequency fa decreasing and changing means indicated by 41 in FIG. 4. Even in this case, in order to improve the characteristics as a piezoelectric vibrator as much as possible, it is important to keep the value of Δf / fr as large as possible.

つまり、図3及び図4より、△f/frの値を最も大きくするためには、調整後の共振周波数fr’及びfa’の値を以下の数3式に示すように共振周波数frと反共振周波数faの平均値にするのがよいことがわかる。   That is, from FIG. 3 and FIG. 4, in order to maximize the value of Δf / fr, the adjusted resonance frequencies fr ′ and fa ′ are opposite to the resonance frequency fr as shown in the following equation (3). It can be seen that the average value of the resonance frequency fa is good.

Figure 2007033196
Figure 2007033196

そこで、△f/frの値を最も大きくするために最適な直列静電容量Cs及び並列静電容量Cpの値を求める手順を以下に示す。この直列静電容量Cs及び並列静電容量Cpの最適値の設定は、図1に示した2端子型圧電振動子1に対して予め行っておく必要がある。この設定は、各2端子型圧電振動子1に固有のものであるため、各2端子型圧電振動子1毎に行う必要がある。   Therefore, the procedure for obtaining the optimum values of the series capacitance Cs and the parallel capacitance Cp in order to maximize the value of Δf / fr is shown below. The optimum values of the series capacitance Cs and the parallel capacitance Cp need to be set in advance for the two-terminal piezoelectric vibrator 1 shown in FIG. Since this setting is unique to each two-terminal piezoelectric vibrator 1, it is necessary to perform this setting for each two-terminal piezoelectric vibrator 1.

なお、表1に示した共振周波数fr、反共振周波数fa及びその電気的等価回路定数が共通の2端子型圧電振動子1に対しては、同様の設定が可能となる。この設定は、例えば、設計時、製造時、調整時などに行うことができる。   The same setting is possible for the two-terminal piezoelectric vibrator 1 having the common resonance frequency fr, anti-resonance frequency fa, and electrical equivalent circuit constant shown in Table 1. This setting can be performed, for example, at the time of designing, manufacturing, and adjustment.

まず、手順1として、インピーダンスアナライザ等により、2端子圧電振動子1の電気的等価回路定数、L,C,R,Cdを求める。このとき、共振周波数fr,反共振周波数faも同時に求められる。   First, as procedure 1, the electrical equivalent circuit constants L, C, R, and Cd of the two-terminal piezoelectric vibrator 1 are obtained using an impedance analyzer or the like. At this time, the resonance frequency fr and the anti-resonance frequency fa are also obtained at the same time.

次に、手順2として、調整後の共振周波数fr’(=調整後の反共振周波数fa’)を数3式により求める。そして、手順3として、図1の回路に手順1で求めた定数を代入し、直列静電容量Csの容量を変えて入力インピーダンスの周波数特性を計算し、入力インピーダンスが極小となる周波数が調整後の共振周波数fr’に等しくなるときの直列静電容量Csの値を求める。   Next, as the procedure 2, the adjusted resonance frequency fr ′ (= the adjusted anti-resonance frequency fa ′) is obtained by the equation (3). Then, as step 3, the constant obtained in step 1 is substituted into the circuit of FIG. 1, the frequency characteristic of the input impedance is calculated by changing the capacitance of the series capacitance Cs, and the frequency at which the input impedance is minimized is adjusted. The value of the series capacitance Cs when it becomes equal to the resonance frequency fr ′ is obtained.

最後に、手順4として、図2の回路に手順1で求めた定数を代入し、並列静電容量Cpの容量を変えて入力インピーダンスの周波数特性を計算し、入力インピーダンスが極大となる周波数が調整後の反共振周波数fa’に等しくなるときの並列静電容量Cpの値を求める。
このようにして容量が設定された直列静電容量Cs及び並列静電容量Cpを図1に示した2端子型圧電振動子1に直列接続又は並列接続されるようにして超音波センサを構成する。
Finally, as step 4, the constant obtained in step 1 is substituted into the circuit of FIG. 2, the frequency characteristics of the input impedance are calculated by changing the capacitance of the parallel capacitance Cp, and the frequency at which the input impedance becomes maximum is adjusted. The value of the parallel capacitance Cp when it becomes equal to the later anti-resonance frequency fa ′ is obtained.
The ultrasonic sensor is configured such that the series capacitance Cs and the parallel capacitance Cp with the capacitance set in this way are connected in series or in parallel to the two-terminal piezoelectric vibrator 1 shown in FIG. .

図5は、本発明の実施の形態による超音波センサの構成例を示す回路図である。
図5において、送波側と受波側を兼用とした1個の超音波センサ51と、送波時及び受波時における超音波センサ51の駆動回路52とを有して構成される。超音波センサ51は、図1に示した2端子型圧電振動子1と同様の構成のものである。
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration example of the ultrasonic sensor according to the embodiment of the present invention.
In FIG. 5, it has one ultrasonic sensor 51 that serves both as the transmission side and the reception side, and a drive circuit 52 for the ultrasonic sensor 51 at the time of transmission and reception. The ultrasonic sensor 51 has the same configuration as the two-terminal piezoelectric vibrator 1 shown in FIG.

駆動回路52は、超音波センサ51に56で示す電源の内部抵抗Roを介して駆動電圧を供給する電源55と、超音波センサ51に対して選択的に直列接続される6で示す直列静電容量Csと、超音波センサ51に対して選択的に並列接続される11で示す並列静電容量Cpと、超音波センサ51に対して直列静電容量Csを直列接続又は短絡を切り替えるための53で示すスイッチSW1と、超音波センサ51に対して並列静電容量Cpを並列接続又は開放を切り替えるための54で示すスイッチSW2とを有して構成される。   The drive circuit 52 includes a power supply 55 that supplies a drive voltage to the ultrasonic sensor 51 via an internal resistance Ro of the power supply indicated by 56, and a series electrostatic capacitance indicated by 6 that is selectively connected in series to the ultrasonic sensor 51. A capacitance Cs, a parallel capacitance Cp indicated by 11 that is selectively connected in parallel to the ultrasonic sensor 51, and a series capacitance Cs for the ultrasonic sensor 51 are switched between a series connection or a short circuit 53. And a switch SW2 indicated by 54 for switching the parallel capacitance Cp to parallel connection or release with respect to the ultrasonic sensor 51.

また、駆動回路52は、スイッチSW1とスイッチSW2の切り替えを制御する切替制御部57と、2個のダイオードを互いに逆向きに接続して印加電圧によりインピーダンスが変化する58で示すダイオード回路Dと、出力端子59とを有して構成される。   In addition, the drive circuit 52 includes a switching control unit 57 that controls switching between the switch SW1 and the switch SW2, a diode circuit D indicated by 58 in which two diodes are connected in opposite directions, and impedance changes according to an applied voltage, And an output terminal 59.

図5において、送波時には駆動回路52では、切替制御部54からの切替制御信号に基づいてスイッチSW1とスイッチSW2とを共にオフにして開放状態に切り替えを制御する。これにより、超音波センサ51に対して直列静電容量Csが直列接続されると共に超音波センサ51に対して並列静電容量Cpの並列接続が開放される状態となる。   In FIG. 5, at the time of wave transmission, the drive circuit 52 controls the switching to the open state by turning off both the switches SW1 and SW2 based on the switching control signal from the switching control unit. As a result, the series capacitance Cs is connected in series to the ultrasonic sensor 51 and the parallel connection of the parallel capacitance Cp is opened to the ultrasonic sensor 51.

これにより、直列静電容量Csを超音波センサ51に対して直列接続することにより図3に示した共振周波数frを元の値より上昇させるように変化させた調整後の共振周波数fr’で超音波60の送波をすることができる。
このとき、電源55から抵抗56を介して超音波センサ51に送波駆動電圧が供給され、超音波センサ51から調整後の共振周波数fr’で物体59に超音波60が送波される。
As a result, the series capacitance Cs is connected in series to the ultrasonic sensor 51 so that the resonance frequency fr shown in FIG. 3 is changed to be higher than the original value. The sound wave 60 can be transmitted.
At this time, a transmission drive voltage is supplied from the power supply 55 to the ultrasonic sensor 51 via the resistor 56, and the ultrasonic wave 60 is transmitted from the ultrasonic sensor 51 to the object 59 at the adjusted resonance frequency fr ′.

また、受波時には駆動回路52では、切替制御部57からの切替制御信号に基づいてスイッチSW1とスイッチSW2とを共にオンにして短絡状態に切り替えを制御する。これにより、超音波センサ51に対して直列静電容量Csの直列接続が短絡されると共に超音波センサ51に対して並列静電容量Cpが並列接続される状態となる。   At the time of wave reception, the drive circuit 52 controls both of the switches SW1 and SW2 to be turned on based on a switching control signal from the switching control unit 57 to switch to a short circuit state. As a result, the series connection of the series capacitance Cs is short-circuited to the ultrasonic sensor 51 and the parallel capacitance Cp is connected to the ultrasonic sensor 51 in parallel.

これにより、並列静電容量Cpを超音波センサ51に対して並列接続して合成容量を大きくすることにより図4に示した反共振周波数faを元の値より低下させるように変化させた調整後の反共振周波数fa’で超音波60の受波をすることができる。
このとき、超音波センサ51で調整後の反共振周波数fa’で物体61からの超音波60の反射波が受波され、受波の電圧が出力端子59から出力される。
Accordingly, the parallel capacitance Cp is connected in parallel to the ultrasonic sensor 51 to increase the combined capacitance, thereby adjusting the antiresonance frequency fa shown in FIG. 4 to be lower than the original value. The ultrasonic wave 60 can be received at the anti-resonance frequency fa ′.
At this time, the reflected wave of the ultrasonic wave 60 from the object 61 is received at the anti-resonance frequency fa ′ adjusted by the ultrasonic sensor 51, and the received wave voltage is output from the output terminal 59.

なお、58で示すダイオード回路Dは、送波時に駆動回路52から超音波センサ51に調整後の共振周波数fr’で超音波60を送波するための大きな駆動電圧が印加されたときは、導通により低インピーダンスとして作用し、受波時に超音波センサ51に調整後の反共振周波数fa’で反射した超音波60により微小電圧が誘起されたときは、非導通により高いインピーダンスとして作用することにより微小電圧の検出を良好にする。   Note that the diode circuit D indicated by 58 is conductive when a large drive voltage for transmitting the ultrasonic wave 60 at the adjusted resonance frequency fr ′ is applied from the drive circuit 52 to the ultrasonic sensor 51 during transmission. When a minute voltage is induced by the ultrasonic wave 60 reflected by the adjusted anti-resonance frequency fa ′ in the ultrasonic sensor 51 at the time of reception, it acts as a high impedance due to non-conduction. Improve voltage detection.

図6は、本発明の超音波センサの動作を説明するためのタイムチャートであり、図6AはスイッチSW1とスイッチSW2の切替状態、図6Bは受波時の検出信号制御、図6Cは送波時の駆動電圧、図6Dは検出信号制御無しの検出信号1、図6Eは検出信号制御有りの検出信号2である。以下、図6を用いて本発明の超音波センサの動作を説明する。   FIG. 6 is a time chart for explaining the operation of the ultrasonic sensor of the present invention. FIG. 6A shows the switching state of the switch SW1 and the switch SW2, FIG. 6B shows detection signal control during reception, and FIG. 6D is a detection signal 1 without detection signal control, and FIG. 6E is a detection signal 2 with detection signal control. Hereinafter, the operation of the ultrasonic sensor of the present invention will be described with reference to FIG.

まず、超音波の送波時の動作例を説明する。
送波時において、時刻t1で、駆動回路52の切替制御部57からの切替制御信号に基づいて図6Aに示すスイッチSW1及びスイッチSW2の切替状態を開放(OFF)する。これにより、直列静電容量Csが超音波センサ51に直列に接続され、並列静電容量Cpは開放の状態となる。
First, an operation example at the time of ultrasonic transmission will be described.
At the time of transmission, at time t1, based on a switching control signal from the switching control unit 57 of the drive circuit 52, the switching state of the switches SW1 and SW2 shown in FIG. 6A is opened (OFF). As a result, the series capacitance Cs is connected in series to the ultrasonic sensor 51, and the parallel capacitance Cp is opened.

この状態で駆動回路52の電源55から数3式で与えられる調整後の共振周波数fr’の図6Cで示す送波駆動電圧のACパルスを超音波センサ51に印加する。調整後の共振周波数fr’は、直列静電容量Csを超音波センサ51に直列に付加したときの超音波センサの共振周波数なので、図3に示した32で示す共振周波数frを元の値より上昇させるように変化させた調整後の共振周波数fr’の適正な送波駆動電圧で効率の良い励振が可能となる。   In this state, an AC pulse of the transmission drive voltage shown in FIG. 6C having the adjusted resonance frequency fr ′ given by the equation (3) from the power supply 55 of the drive circuit 52 is applied to the ultrasonic sensor 51. The adjusted resonance frequency fr ′ is the resonance frequency of the ultrasonic sensor when the series capacitance Cs is added in series to the ultrasonic sensor 51. Therefore, the resonance frequency fr indicated by 32 shown in FIG. Efficient excitation can be performed with an appropriate transmission drive voltage of the adjusted resonance frequency fr ′ that is changed so as to increase.

次に、超音波の受波時の動作例を説明する。
超音波の送波が完了した時刻t2で、駆動回路52の切替制御部54からの切替制御信号に基づいて図6Aに示すスイッチSW1及びスイッチSW2を短絡(ON)する。これにより、直列静電容量Csが短絡されると共に、並列静電容量Cpが超音波センサ51に並列に付加される状態となる。
Next, an operation example when receiving ultrasonic waves will be described.
At time t2 when the transmission of the ultrasonic wave is completed, the switches SW1 and SW2 shown in FIG. 6A are short-circuited (ON) based on the switching control signal from the switching control unit 54 of the drive circuit 52. As a result, the series capacitance Cs is short-circuited, and the parallel capacitance Cp is added in parallel to the ultrasonic sensor 51.

この状態で物体59に反射した超音波60の到来を待つ。このとき、調整後の反共振周波数fa’(=fr’)は、並列静電容量Cpを超音波センサ51に並列に付加したときの超音波センサの反共振周波数なので、図4に示した41で示す反共振周波数faを元の値より低下させるように変化させた調整後の反共振周波数fa’で超音波センサ51は(数3式に基づいて最大の受波感度を示すので)、感度の良い受波が可能となる。   In this state, the arrival of the ultrasonic wave 60 reflected on the object 59 is awaited. At this time, the adjusted anti-resonance frequency fa ′ (= fr ′) is the anti-resonance frequency of the ultrasonic sensor when the parallel capacitance Cp is added in parallel to the ultrasonic sensor 51, and therefore 41 shown in FIG. The ultrasonic sensor 51 has the sensitivity of the anti-resonance frequency fa ′ adjusted so that the anti-resonance frequency fa shown in FIG. Can be received well.

ここで、図6Dに示す検出信号制御無しの検出信号1では、時刻t2以降も、図6Cで示す送波駆動電圧の影響によるノイズおよび残響振動によるノイズが検出される。次に、直接物体に当たって反射した超音波による主信号が検出され、さらに送れて、背後にある物体に当たって反射した超音波による信号が検出される。このため、図6Bで示す検出信号制御パルスを時刻t2から時間Tdだけ遅れた時刻t3で立ち上がり、時刻t4で立ち下がるようにすることにより、ターゲットの物体から反射した超音波による主信号のみを検出することができる。   Here, in the detection signal 1 without detection signal control shown in FIG. 6D, noise due to the influence of the transmission drive voltage shown in FIG. 6C and noise due to reverberation vibration are detected after time t2. Next, the main signal by the ultrasonic wave directly reflected on the object is detected and further transmitted, and the signal by the ultrasonic wave reflected by the object behind is detected. Therefore, the detection signal control pulse shown in FIG. 6B rises at time t3 delayed by time Td from time t2 and falls at time t4, thereby detecting only the main signal from the ultrasonic wave reflected from the target object. can do.

なお、図6Bに示す受波時の検出信号制御、図6Dに示す検出信号制御無しの検出信号1及び図6Eに示す検出信号制御有りの検出信号2は、出力端子59(58)の後段に設けられる図示しない、信号制御回路内で制御され検出される信号である。   The detection signal control at the time of reception shown in FIG. 6B, the detection signal 1 without detection signal control shown in FIG. 6D, and the detection signal 2 with detection signal control shown in FIG. 6E are provided at the subsequent stage of the output terminal 59 (58). The signal is controlled and detected in a signal control circuit (not shown) provided.

時刻t2で送波が完了した後、図6Bで示す検出信号制御パルスの立ち上がりまでの時間Tdは、図6Dに示す検出信号制御無しの検出信号1に含まれる、送波時の超音波センサ51の残響による出力電圧が十分に減衰し、受波信号にノイズとして影響を与えない時間に可変して設定するようにすればよい。その結果、図6Eに示す検出信号制御有りの検出信号2に示すように、必要とする受波信号を検出することができる。   The time Td from the completion of the transmission at time t2 to the rise of the detection signal control pulse shown in FIG. 6B is included in the detection signal 1 without detection signal control shown in FIG. The output voltage due to the reverberation of the signal is sufficiently attenuated and may be set variably at a time that does not affect the received signal as noise. As a result, as shown in the detection signal 2 with detection signal control shown in FIG. 6E, the necessary received signal can be detected.

また、図6Aに示す、ACパルスの幅Tpは、送波する超音波の周波数で何サイクルをパルス幅Tpの中に含めるかによって決まり、サイクルの数は、検出する物体の距離の範囲により決められる。つまり、パルス幅Tpを広げて、その中のサイクル数を増やすと、送波される超音波のエネルギーが増加し、受波信号電圧も上昇し、所定のサイクル数でほぼ飽和する。サイクル数を増やすとACパルス幅Tpが大きくなり、短距離の検出が困難になる。通常、サイクル数は10サイクルから20サイクルに設定されるが、短距離の検出の場合には超音波の減衰が小さいので、数サイクルから5サイクルが適している。   The width Tp of the AC pulse shown in FIG. 6A is determined by how many cycles are included in the pulse width Tp at the frequency of the ultrasonic wave to be transmitted, and the number of cycles is determined by the range of the distance of the object to be detected. It is done. That is, when the pulse width Tp is increased and the number of cycles in the pulse width Tp is increased, the energy of the transmitted ultrasonic waves increases, the received signal voltage also rises, and is almost saturated at a predetermined number of cycles. Increasing the number of cycles increases the AC pulse width Tp, making it difficult to detect short distances. Usually, the cycle number is set from 10 cycles to 20 cycles. However, in the case of detection at a short distance, the attenuation of ultrasonic waves is small, and therefore, several cycles to 5 cycles are suitable.

また、図6に示した、超音波を送波する周期Tは、検出する距離範囲や検出する物体の移動速度などに応じて任意に設定できる。なお、上述した本実施の形態では、スイッチSW1とスイッチSW2とが同時にオン、オフし切り替えられる例のみを示したが、かならずしも同時切り替えに限らず、送波状態と受波状態との間の移行動作に影響のない範囲で多少の余裕期間を含むようにしてもよい。   Further, the period T for transmitting the ultrasonic waves shown in FIG. 6 can be arbitrarily set according to the distance range to be detected, the moving speed of the object to be detected, and the like. In the above-described embodiment, only the example in which the switch SW1 and the switch SW2 are turned on and off at the same time is shown. However, the switch is not limited to the simultaneous switching, and the transition between the transmission state and the reception state is not necessarily performed. Some marginal period may be included in a range that does not affect the operation.

上述した本発明の実施の形態に限らず、本発明の範囲内であれば、適宜、その構成を変更しうることはいうまでもない。   Needless to say, the configuration of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the configuration can be changed as appropriate within the scope of the present invention.

2端子型圧電振動子に直列に直列静電容量Csを接続した場合の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit at the time of connecting the serial electrostatic capacitance Cs in series with a 2 terminal type piezoelectric vibrator. 2端子型圧電振動子に並列に並列静電容量Cpを接続した場合の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit at the time of connecting parallel electrostatic capacitance Cp in parallel with a 2 terminal type piezoelectric vibrator. 直列静電容量Csに対する入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the input impedance with respect to the series electrostatic capacitance Cs. 並列静電容量Cpに対する入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the input impedance with respect to the parallel electrostatic capacitance Cp. 本発明の実施の形態による超音波センサの構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram showing an example of composition of an ultrasonic sensor by an embodiment of the invention. 本発明の超音波センサの動作を説明するためのタイムチャートであり、図6AはスイッチSW1とスイッチSW2の切替状態、図6Bは受波時の検出信号制御、図6Cは送波時の駆動電圧、図6Dは検出信号制御無しの検出信号1、図6Eは検出信号制御有りの検出信号2である。6A and 6B are time charts for explaining the operation of the ultrasonic sensor of the present invention, in which FIG. 6A shows the switching state of the switches SW1 and SW2, FIG. 6B shows detection signal control during reception, and FIG. 6C shows drive voltage during transmission. 6D shows a detection signal 1 without detection signal control, and FIG. 6E shows a detection signal 2 with detection signal control. 2端子型圧電振動子の構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a two-terminal type piezoelectric vibrator. 2端子型圧電振動子の電気的等価回路を示す図である。It is a figure which shows the electrical equivalent circuit of a two-terminal type piezoelectric vibrator. 2端子型圧電振動子の入力インピーダンスの周波数特性例を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic example of the input impedance of a two-terminal type piezoelectric vibrator. 従来の超音波センサの回路を示す図である。It is a figure which shows the circuit of the conventional ultrasonic sensor. 他の従来の超音波センサの回路を示す図である。It is a figure which shows the circuit of the other conventional ultrasonic sensor. 対称3端子型圧電振動子の構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a symmetrical 3 terminal type piezoelectric vibrator. 対称3端子型圧電振動子の電気的等価回路を示す図である。It is a figure which shows the electrical equivalent circuit of a symmetrical 3 terminal type piezoelectric vibrator.

符号の説明Explanation of symbols

6…直列静電容量Cs、11…並列静電容量Cp、51…超音波センサ、52…駆動回路、53…スイッチSW1、54…スイッチSW2、55…電源、56…電源の内部抵抗、57…切替制御部、58…ダイオード回路D、59…出力端子、60…超音波、61…物体 6 ... Series capacitance Cs, 11 ... Parallel capacitance Cp, 51 ... Ultrasonic sensor, 52 ... Drive circuit, 53 ... Switch SW1, 54 ... Switch SW2, 55 ... Power source, 56 ... Internal resistance of power source, 57 ... Switching control unit, 58 ... diode circuit D, 59 ... output terminal, 60 ... ultrasonic wave, 61 ... object

Claims (3)

インダクタンス、第1の静電容量および抵抗からなる直列回路に第2の静電容量が並列に接続された電気的等価回路で表される2端子型圧電振動子を用いた超音波センサにおいて、
前記超音波センサの共振周波数を上昇させるために前記超音波センサに直列に接続される第3の静電容量と、
前記超音波センサの反共振周波数を低下させるために前記超音波センサに並列に接続される第4の静電容量と、
を備え、
前記第3の静電容量と前記第4の静電容量のうち、前記第3の静電容量のみを付加した状態で前記超音波センサを駆動して一定時間だけ超音波を空中に送波タイミングで送波するとともに、次の受波タイミングで前記第4の静電容量のみを付加した状態で対象物から反射した超音波を受波することを特徴とする超音波センサ。
In an ultrasonic sensor using a two-terminal piezoelectric vibrator represented by an electrical equivalent circuit in which a second capacitance is connected in parallel to a series circuit including an inductance, a first capacitance, and a resistor,
A third capacitance connected in series with the ultrasonic sensor to increase the resonant frequency of the ultrasonic sensor;
A fourth capacitance connected in parallel to the ultrasonic sensor to reduce the anti-resonance frequency of the ultrasonic sensor;
With
Among the third capacitance and the fourth capacitance, the ultrasonic sensor is driven in a state where only the third capacitance is added, and the ultrasonic wave is transmitted to the air for a certain time. The ultrasonic sensor receives the ultrasonic wave reflected from the object in a state where only the fourth capacitance is added at the next reception timing.
前記超音波センサに対する第3の静電容量の直列接続又は前記第4の静電容量の並列接続を同時に切り替える切替部と、
前記切替部の切り替えを制御する制御部と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の超音波センサ。
A switching unit that simultaneously switches the third capacitance in series connection with the ultrasonic sensor or the fourth capacitance in parallel connection;
A control unit for controlling switching of the switching unit;
The ultrasonic sensor according to claim 1, further comprising:
前記制御部により制御される前記切替部の切り替えタイミングは、超音波の送波又は受波状態に応じて任意に調整可能にすることを特徴とする請求項2に記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to claim 2, wherein the switching timing of the switching unit controlled by the control unit can be arbitrarily adjusted according to an ultrasonic transmission or reception state.
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