JP2013195211A - 超音波センサ及びその校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波素子の共振周波数の変動を補償し得る駆動周波数を設定し、煩雑な作業や機器のコストアップが不要な利便性の高い校正を実現可能な超音波センサを提供する。
【解決手段】本発明の超音波センサは筺体に収容され、超音波素子（１２）と、超音波素子に送信信号を供給する送信手段（２０、３１）と、超音波素子から供給される受信信号を検出する受信手段（２１、２２、２３、２４、２５、３２）と、距離算出手段（３２）と、校正制御手段（３３）と備えている。校正制御手段は、送信手段の駆動周波数の校正時に、超音波素子の共振周波数の変化範囲として想定される複数個の駆動周波数のうち、筺体からの反射波に対応する受信信号の強度を最大化する駆動周波数を送信手段に対して選択的に設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波を用いて測定対象物までの距離を検出する超音波センサ及びその校正方法に関するものである。

従来から、超音波素子から出力された超音波の反射波を受波し、その受信信号によって測定対象物までの距離を検出するように構成された超音波センサが用いられている。この種の超音波センサにおいて、例えば圧電素子等の超音波素子は固有の共振周波数で発振することにより超音波を送波するので、十分な検出感度を得るには、共振周波数に適合する最適な周波数で送信回路を駆動し、その送信信号を超音波素子に供給する必要がある。しかし、一般に超音波センサは、長期間の使用による経年変化や周囲の温度変動、あるいは製造時のロットによる特性バラツキ等に起因して、共振周波数の変動・バラツキが生じる結果、超音波センサの検出精度の劣化を招く恐れがある。よって、これらの要因による検出精度の劣化を防止するため、必要に応じて超音波センサの校正を実施し、共振周波数の変化を補償するように送信回路の最適な駆動周波数を設定することが望ましい。従来の超音波センサにおいて、その共振周波数に適合する駆動周波数を設定するための様々な手法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。かかる手法により、超音波センサにおいて最適な駆動周波数を設定すれば、上述の要因による共振周波数の変動・バラツキを補償することができ、良好な検出精度で測定対象物までの距離を検出することができる。

特開２００６−３１２４号公報 特開２００９−２６７５１０号公報

例えば、超音波センサにおける駆動周波数を設定する具体的な手法として、駆動周波数を変化させつつ超音波を順次送波し、反射体からの反射波に対応する受信信号の受信レベルが最大値あるいは所定値以上となったときに共振周波数にほぼ合致すると判断し、それを送信回路に対する駆動周波数として設定することができる。しかし、かかる手法においては、駆動周波数の設定に用いる反射体を所定の距離に配置する必要がある。例えば、製品出荷時や製品の初期設置時に校正を行う場合は問題にならないとしても、実働中の超音波センサの校正を行うには、専用の反射板やその代用となる物体を設置する作業が必要となる。また、超音波センサを含むセットとして、予め校正用の反射板を標準的に用意しておくことも可能である。しかし、この場合は、機器の増加によるコストアップが問題となるし、実際に反射板を設置できる環境がなかったり、あるいは利便性が低下するなどの不利益も想定される。以上のように、従来の超音波センサにおいては、所望のタイミングで校正を行い、簡易かつ的確に送信回路の駆動周波数を設定して共振周波数の変化を補償し得る手法は提案されていなかった。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、超音波センサの校正時に超音波素子の共振周波数の変化を補償し得る駆動周波数を確実に設定でき、煩雑な作業や機器のコストアップを回避しつつ、利便性の高い校正を実現可能な超音波センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の超音波センサは、筺体に収容された超音波センサであって、送信信号を超音波に変換して送波するとともに前記超音波の反射波を受波して受信信号に変換する超音波素子と、所定の駆動周波数で駆動される前記送信信号を生成して前記超音波素子に供給する送信手段と、測定対象物の検出範囲に応じて予め設定された第１の時間範囲内において、前記超音波素子から供給される前記受信信号の有無を検出する受信手段と、前記送信信号を生成してから前記受信信号を検出するまでの時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出手段と、前記駆動周波数の校正時に、前記超音波素子の共振周波数の想定される変化範囲内から選択された複数個の駆動周波数のうち、前記筺体からの反射波に対応する前記受信信号の強度を最大化する駆動周波数を決定し、前記送信手段に対して前記決定された駆動周波数を設定する校正制御手段を備えて構成される。

本発明の超音波センサによれば、送信手段の駆動周波数を校正する際、複数個の駆動周波数のうち、筺体からの反射波に対応する受信信号の強度を最大化するものを送信手段の駆動周波数として設定したので、校正後の通常の測定時には、共振周波数の変化を補償するように駆動周波数を最適化し、超音波センサの良好な検出精度を保つことができる。この場合、筐体からの反射波を利用して上記校正を実施することができるので、専用の反射板等を設ける必要がなく、煩雑な作業や機器の増加によるコストアップを回避し、利便性の高い校正を実現することができる。

前記超音波素子は、送受一体型の構造に加えて、送波用超音波素子と受波用超音波素子とに分離された分離型の構造であってもよい。この場合、駆動周波数の校正時には、筐体からの反射波に加えて、送波用超音波素子から受波用超音波素子への直達波に対応する受信信号の強度を最大化するものを駆動周波数として設定してもよい。このような直達波は、筺体からの反射波と同様、超音波センサから近距離の範囲を伝送するため、上記と同様の手法で駆動周波数を最適化でき、かつ同様の効果を享受することができる。

前記受信手段は、前記筺体からの反射波又は前記直達波の受信範囲に応じて予め設定された第２の時間範囲内における受信信号の強度のピークを検出するピーク検出回路を含めて構成してもよい。この場合、複数個の駆動周波数に対応する複数のピークのうち最大のピークが得られる駆動周波数を送信手段の駆動周波数として設定する必要がある。

前記校正制御手段は、通常の測定時に測定対象物までの距離を算出する際、筺体からの反射波が受波される時間範囲内における受信信号をマスキングすることが望ましい。すなわち、測定対象物までの距離は、送信信号を生成してから受信信号を検出するまでの時間に基づいて算出するので、通常の測定時には、測定対象物に比べて超音波素子からの距離が短い筐体の影響を除去して、測定対象物までの距離を確実に計測することができる。

前記筺体には、その反射波を増強するためのフランジ部を設けてもよい。例えば、筐体の超音波素子が取り付けられた側に、ある程度の面積を有する平板状のフランジ部を設けることができる。

本発明の超音波センサにおいて、前記駆動周波数の校正は所望のタイミングで行うことができる。この場合、予め設定されたタイミングで校正を行ってもよいが、他の手段を利用して校正のタイミングを制御してもよい。例えば、超音波センサに、外部との間で無線通信を行う無線通信手段を設け、この無線通信手段を介して受信した校正指令に応じて駆動周波数の校正を行うことができる。また例えば、超音波センサに温度センサを設け、この温度センサにより検知された温度変化に応じて駆動周波数の校正を行うことができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の超音波センサの校正方法は、筺体に収容された超音波センサの校正方法であって、所定の周波数範囲内の複数個の駆動周波数のそれぞれで駆動される送信信号を超音波素子により超音波に変換して送波するステップと、前記超音波の反射波を前記超音波素子により受波して受信信号に変換し、前記筺体からの反射波に対応する前記受信信号が存在する所定の時間範囲内で前記受信信号の強度を検出するステップと、前記複数個の駆動周波数のうち、前記受信信号の強度が最大となる駆動周波数を決定し、通常の測定時に前記送信信号に対し前記決定された駆動周波数を設定するステップとを含むことを特徴としている。

本発明の超音波センサの校正方法においても、上述したように、送受一体型の超音波素子だけではなく、送受分離型の送波用超音波素子と受波用超音波素子を設ける場合に適用可能である。また、前記受信手段が前記ピーク検出回路を含む構成にも適用可能である。さらに、前記駆動周波数の設定は、予め設定されたタイミングで実行される場合に加え、校正指令に基づいて判別したタイミングで実行される場合であっても適用可能である。

本発明によれば、超音波センサにおいて、送信手段の駆動周波数を校正する際、共振周波数の変化範囲内の複数個の駆動周波数のうち、筺体からの反射波あるいは直達波に対応する受信信号の強度を最大化する駆動周波数を送信手段に対して設定するようにしたので、超音波素子の共振周波数が経年変化や温度変動等によって変化したとしても、それを確実に補償することができるとともに、煩雑な作業や機器のコストアップを回避しつつ利便性の高い校正を実施可能となる。

第１実施形態の超音波センサの基本概念を示す図である。 第１実施形態の超音波センサの内部構成を示すブロック図である。 第１実施形態の超音波センサの動作波形の一例を示す図である。 第１実施形態の超音波センサにおける距離測定原理を説明する図である。 第１実施形態の超音波センサを校正する際の駆動周波数の設定処理を示すフローチャートである。 図５のフローチャートに基づいて駆動周波数が決定される状況の具体例を説明する図である。 第２実施形態の超音波センサの基本概念を示す図である。 第２実施形態の超音波センサの内部構成を示すブロック図である。 第３実施形態の超音波センサの基本概念を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。以下では、本発明を具体化した超音波センサの３つの実施形態について説明する。

［第１実施形態］
第１実施形態では、送受一体型の超音波素子を具備する超音波センサに対して本発明を適用する場合を説明する。図１は、第１実施形態の超音波センサ１０の基本概念を示している。また、図２は、図１の超音波センサ１０の内部構成をブロック図により示している。図１に示すように、第１実施形態の超音波センサ１０は、筐体１１と、筐体１１の一端に取り付けられた超音波素子１２とを具備している。筐体１１は、樹脂等を用いて略直方体状に形成される。筐体１１の内部には後述の内部回路やケーブルが収容されるとともに、外壁の貫通部に超音波素子１２が挿入され、超音波素子１２のセンサ面が外部に向いて露出する状態になっている。

超音波素子１２は、送波用超音波素子と受波用超音波素子とが一体化された素子であり、例えば、圧電素子によって構成される。圧電素子は、所定の機械振動周波数（共振周波数）の駆動信号を印加したとき、振動子の屈曲振動に基づく超音波を放射する。図１に示すように、超音波素子１２からは、送信信号に対応する超音波がセンサ面の方向に送波され、それが超音波センサ１０から距離Ｄａを隔てた測定対象物１３によって反射され、その反射波Ｗａが再び超音波素子１２によって受波される。超音波センサ１０は、測定対象物１３からの反射波Ｗａを超音波素子１２を介して受信信号に変換し、それにより距離Ｄａを算出するが、詳細については後述する。一般に、空気中を伝搬する超音波のエネルギーは距離Ｄａが長くなるほど減衰するので、測定対象物１３の検出可能な距離Ｄａには制約がある。ただし、後述するように、超音波素子１２を共振周波数で駆動して超音波を送波することにより、そのエネルギー及び到達距離を最大化することができる。

一方、図１に示すように、超音波センサ１０においては、超音波素子１２から送波された超音波が自己の筐体１１によっても反射される。よって、超音波素子１２には、測定対象物１３からの反射波Ｗａに加えて、筐体１１からの反射波Ｗｂが受波される。この反射波Ｗｂは、測定対象物１３までの距離Ｄａに比べて筐体１１までの距離が十分に短いことから、後述するように反射波Ｗｂを受波する時間の違いに応じて区別でき、通常の測定時には妨げとはならない。しかし、第１実施形態では、超音波センサ１０の校正時に、筐体１１からの反射波Ｗｂを積極的に利用して、駆動周波数を設定する点に特徴がある。第１実施形態の具体的な校正方法については、後述する。

次に、第１実施形態の超音波センサ１０の内部構成の具体例について説明する。図２に示すように、第１実施形態の超音波センサ１０は、図１で説明した超音波素子１２と、送信増幅回路２０と、受信増幅回路２１と、検波回路２２と、積分回路２３と、コンパレータ２４と、ピーク検出回路２５と、信号処理部３０とにより構成される。また、信号処理部３０には、駆動周波数設定部３１と、受信処理部３２と、感度ピーク算出部３３とが含まれる。このうち、送信増幅回路２０及び駆動周波数設定部３１は送信手段とて機能し、受信増幅回路２１、検波回路２２、積分回路２３、コンパレータ２４は受信手段の要部として機能する。また、超音波センサ１０の通常の測定時には、信号処理部３０のうちの受信処理部３２が受信手段の一部及び距離算出手段としてそれぞれ機能する。また、超音波センサ１０の校正時には、ピーク検出回路２５及び感度ピーク算出部３３が校正制御手段の要部としても機能する。

以上の構成において、上述したように超音波素子１２は送受一体型であるため、１対の端子電極が送信増幅回路２０と受信増幅回路２１の両方に接続されている。送信増幅回路２０は、後述の動作に基づき駆動周波数設定部３１によって設定された駆動周波数のクロック信号を受け、それを増幅して所定の電圧振幅を有する送信信号を出力する。送信増幅回路２０は、例えば、十分な電圧振幅を得られるようにトランス等を含んで構成される。一方、受信増幅回路２１は、超音波素子１２で受波された反射波Ｗａ、Ｗｂに対応する微弱な受信信号を十分なレベルまで増幅する。受信増幅回路２１における増幅率は、後段の検波回路２２の動作に十分な値であって、反射波Ｗａ、Ｗｂによる受信信号が飽和しない程度の値に設定される。

また、検波回路２２は、受信増幅回路２１により増幅された受信信号を包絡線検波して高周波成分を除去し、受信信号の振幅変化に追随する検波信号を生成する。積分回路２３は、検波回路２２で得られた検波信号を所定の時定数で平滑化してノイズ成分を除去する。コンパレータ２４は、積分回路２３の出力信号と検出境界値とを比較して２値化し、検出信号を生成して受信処理部３２に供給する。一方、ピーク検出回路２５は、受信増幅回路２１により増幅された受信信号のピークレベルを検出し、所定の時間範囲においてピークレベルを保持する。

信号処理部３０は、超音波センサ１０全体の動作を制御する制御手段として機能し、例えば、１チップのＭＣＵ（Micro Controller Unit）等を用いることができる。信号処理部３０には、例えば、処理に必要なデータやプログラムを記憶するメモリや、時間経過の基準となる内部タイマーが含まれる。信号処理部３０において、上述の駆動周波数設定部３１、受信処理部３２、感度ピーク算出部３３のそれぞれの動作は、メモリに記憶されるプログラムに基づいて実行される。駆動周波数設定部３１は、複数の駆動周波数のうち校正時に決定された所定の駆動周波数によってクロック信号の周期を設定し、それを送信増幅回路２０に供給する。感度ピーク算出部３３は、後述の校正時に、ピーク検出回路２５により検出された受信信号のピークレベルを最大化する駆動周波数又は所定の受信レベル以上となる駆動周波数を判別し、それを上述の駆動周波数として決定する。

図３は、図２の超音波センサ１０の動作波形の一例を示している。図３においては、超音波素子１２から超音波を送波した際、受信系の回路群に伝送される受信信号のうち、受信増幅回路２１の出力側の波形（上段）と、積分回路２３の出力側の波形（下段）を表している。いずれの波形（上段及び下段）においても、超音波素子１２から超音波を送波するタイミングを起点（０μｓ）とした時間を横軸に示すとともに、それぞれの信号の電圧レベルを縦軸に示している。

図３に示すように、時間０の近傍において両方の各波形（上段及び下段）に受信信号が現れるが、これは一体型の超音波素子１２に供給された送信信号が受信系の回路に回り込むためである。なお、実際には、一定のレベルかつ一定のパルス幅で送信信号が駆動されるが、受信増幅回路２１の出力側では波形に歪みが生じている。また、検波回路２２による包絡線検波後の検波信号を受ける積分回路２３は、その波形（下段）に受信信号が存在しないときのレベルに対し、受信信号が存在するときには低下方向にレベルが変化している。つまり、積分回路２３の波形（下段）のレベルが電圧０に近傍にあるとき、後段のコンパレータ２４により受信信号の存在が検知される。

その後、約４００μｓの時間が経過したとき、受信増幅回路２１の波形（上段）に受信信号が現れる。これは、図１に示すように自己の筐体１１からの反射波Ｗｂによる受信信号である。ここで、受信増幅回路２１の波形（上段）に反射波Ｗｂによる受信信号が存在する部分を含む時間範囲Ｔｂ（第２の時間範囲）を付記している。後述の校正動作の際には、この時間範囲Ｔｂ内に現れる受信信号に着目すればよい。なお、図３には示していないが、通常の測定時には、測定対象物１３の検出範囲をカバー可能な時間範囲（第１の時間範囲）内の受信信号を処理する必要がある。第１の時間範囲は特に制約されないが、一例として０〜５０００μｓに設定することができる。

本実施形態においては、通常の測定時において筐体１１からの反射波Ｗｂは本来不要であり、測定対象物１３の誤検出を防止すべく、時間範囲Ｔｂの受信信号を無視する必要がある。そのため、信号処理部３０により、受信信号に基づくコンパレータ２４の検出信号のうち時間範囲Ｔｂ内の部分をマスキングする処理が行われる。一方、後述の校正時には、時間範囲Ｔｂにおけるマスキングは解除される。なお、実際には、積分回路２３の波形（下段）のうち時間範囲Ｔｂ内でも受信信号に対応するレベル変化が生じるが、通常の測定時に上述のマスキングがされることを明確にするため、非表示としたものである。

さらに、約２５００〜３０００μｓの時間範囲に、いずれの波形（上段及び下段）にも受信信号が現れる。これは、図１に示すように超音波センサ１０から距離Ｄａに置かれた測定対象物１３からの反射波Ｗａによる受信信号である。そして、積分回路２３からコンパレータ２４を介して検出信号が信号処理部３０に送られ、受信処理部３２により測定対象物１３までの距離Ｄａが算出される。ここで、図４を用いて、受信処理部３２による距離測定原理を説明する。図４において、送信系ではタイミングｔｓで送信信号のパルスが発生し、受信系ではタイミングｔｒで受信信号のパルスが発生している。よって、受信処理部３２は、送受のタイミングｔｓ、ｔｒ間に経過する時間ＴＲを信号処理部３０の内部タイマーに基づき判別することにより、時間ＴＲに比例する上述の距離Ｄａを容易に算出することができる。

なお、図３の各波形（上段及び下段）には限られず、測定対象物１３までの距離Ｄａはある程度の受信信号のレベルを確保可能な範囲内であって、時間範囲Ｔｂに相当する距離より遠方であればよい。また、超音波センサ１０において、測定対象物１３までの距離Ｄａを直接求める代わりに、所定の距離範囲内における測定対象物１３の有無を検知してもよい。

次に、第１実施形態の超音波センサ１０の校正時の制御について説明する。図５は、図２の超音波センサ１０の校正時における駆動周波数の設定処理を示すフローチャートである。図５の設定処理は、例えば、超音波センサ１０の出荷時や起動時などに実施する場合のほか、超音波センサ１０の使用状態に応じて定期的に実施してもよい。図５に示す処理が開始されると、信号処理部３０により、予め設定された複数個の駆動周波数のうちのｎ番目（例えば、ｎ＝１〜Ｎ：Ｎは２以上の整数）の駆動周波数Ｆｎを選択し、駆動周波数設定部３１に対して設定する（ステップＳ１０）。複数個の駆動周波数は、超音波素子１２の共振周波数の変化を考慮し、想定される共振周波数の変化範囲内から予め選択される。

ステップＳ１０に続いて、駆動周波数設定部３１から駆動周波数Ｆｎに対応するクロック信号が送信増幅回路２０に供給され、送信増幅回路２０から駆動周波数Ｆｎの送信信号が超音波素子１２に供給される（ステップＳ１１）。その結果、図１に示すように、超音波素子１２が駆動周波数Ｆｎで発振して超音波を送波し、超音波センサ１０の筐体１１に反射した後、その反射波Ｗｂが超音波素子１２に受波される。そして、図３の時間範囲Ｔｂ内において、超音波素子１２から受信増幅回路２１を経て増幅された受信信号がピーク検出回路２５に送られる。ピーク検出回路２５では、時間範囲Ｔｂ内のピークレベルを保持し、得られたピーク電圧Ｖｎが感度ピーク算出部３３によってモニタされる（ステップＳ１２）。

このとき、ｎ＝１であるときのピーク電圧Ｖ１は最初に得られる値であり、そのまま保持されるが、ｎ≧２であるときは、今回のピーク電圧Ｖｎと前回のピーク電圧Ｖｎ−１との比較が行われる（ステップＳ１３）。すなわち、Ｎ個の駆動周波数に予め順番を定め（例えば周波数の低い順）、ｎ番目の駆動周波数Ｆｎに対応するピーク電圧Ｖｎと、ｎ−１番目の駆動周波数Ｆｎ−１に対応するピーク電圧Ｖｎ−１が比較される。ステップＳ１３の比較の結果、今回のピーク電圧Ｖｎが前回のピーク電圧Ｖｎ−１より高い場合は（ステップＳ１３：ＮＯ）、再びステップＳ１０に戻り、ｎ＋１に対応する次の駆動周波数Ｆｎ＋１についてステップＳ１０〜Ｓ１３の処理を同様に繰り返す。一方、ステップＳ１３の比較の結果、今回のピーク電圧Ｖｎが前回のピーク電圧Ｖｎ−１以下になった場合は（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、前回の駆動周波数Ｆｎ−１を、通常の測定時に設定すべき駆動周波数として決定し（ステップＳ１４）、図５の処理を完了する。なお、図５には示されないが、ステップＳ１３で全てＮＯ判断になるときは、ｎ＝Ｎに対応する最後の駆動周波数ＦＮを、通常の測定時に設定すべき駆動周波数として決定して、処理を完了する。

ここで、図６を参照して、図５のフローチャートに基づいて駆動周波数が決定される状況の具体例を説明する。図６では、Ｎ個の駆動周波数として、Ｎ＝５としたときの５個の駆動周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５が予め設定されるものとする。そして、横軸に示す一定間隔の５個の駆動周波数Ｆ１〜Ｆ５に関してステップＳ１０〜Ｓ１３を実行し、それぞれピーク検出回路２５によって得られたピーク電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５を縦軸に示している。図６に示すように、中央の駆動周波数Ｆ３に対応するピーク電圧Ｖ３が最大であり、ｎ＝４のときにステップＳ１３でＶ３≧Ｖ４がＹＥＳの判断となるため、ステップＳ１４では駆動周波数Ｆ３に決定されることがわかる。超音波素子１２の周波数特性は、図６に示すように、共振周波数をピークとして高域側と低域側で減少するのが一般的であるため、ステップＳ１３の比較によって判断したピークは超音波センサ１０の検出感度のピークにも合致する。

超音波センサ１０の校正時に、図５のフローチャートに基づいて決定された駆動周波数は、それ以降、通常の測定時に駆動周波数設定部３１に対して設定されることになる。よって、第１実施形態の超音波センサ１０において、超音波素子１２の共振周波数が経年変化や温度変動等によって変化する場合であっても、それを校正時に有効に補償することができ、受信信号の十分な受信レベルを確保して検出感度を高めることができる。特に、第１実施形態の校正制御によれば、筐体１１の反射波Ｗｂを利用して送信信号の駆動周波数を設定するので、専用の反射板やその他の物体を設置することが不要となり、利便性の高い校正を実現可能となる。

第１実施形態の超音波センサ１０において、駆動周波数の校正を実施するタイミングに関しては多様な変形例がある。例えば、超音波センサ１０に温度センサを設け、温度センサによって温度をモニタし、一定以上の温度変化量が検知されたとき、駆動周波数の校正を実施してもよい。この場合、超音波素子１２の共振周波数の温度特性を考慮し、校正を実施する際の温度条件を定めることが望ましい。

また例えば、超音波センサ１０の使用者が超音波センサ１０を直接操作する場合に限らず、遠隔操作によって超音波センサ１０に対して駆動周波数の校正を実施してもよい。この場合、超音波センサ１０に無線通信手段を搭載し、外部の無線ノードから校正指令を無線通信によって送信し、この校正指令を超音波センサ１０の無線通信手段が受信したときに駆動周波数の校正を実施してもよい。なお、超音波センサ１０の無線通信手段は、通常の測定時に測定対象物１３の距離の測定データ等を外部の無線ノードに送信してもよい。

［第２実施形態］
第２実施形態では、送受が分離された分離型の超音波素子を具備する超音波センサ１０に対して本発明を適用する場合を説明する。図７は、第２実施形態の超音波センサ１０の基本概念を示している。また、図８は、図７の超音波センサ１０の内部構成をブロック図により示している。図７において、第１実施形態の超音波センサ１０との違いは、図１の送受一体型の超音波素子１２に代え、送波用超音波素子１２ａと受波用超音波素子１２ｂとを筐体１１に取り付けた点である。図７において、筐体１１及び測定対象物１３については図１と同様である。また、送波用超音波素子１２ａ及び受波用超音波素子１２ｂは、第１実施形態と同様、例えば、それぞれ圧電素子によって構成される。送波用超音波素子１２ａ及び受波用超音波素子１２ｂの各センサ面は同方向を向き、送信信号に対応する超音波が送波用超音波素子１２ａから送波され、測定対象物１３によって反射された反射波Ｗａが受波用超音波素子１２ｂによって受波される。

一方、図７においては、図１とは異なり、送波用超音波素子１２ａから送波され受波用超音波素子１２ｂによって受波される直達波Ｗｃが存在する。第２実施形態においては、超音波センサ１０の近傍では、筐体１１からの反射波も存在するが、上述の直達波Ｗｃの強度が支配的である。この直達波Ｗｃについても測定対象物１３までの距離Ｄａに比べて距離が十分に短い。よって、第２実施形態では、第１実施形態の反射波Ｗｂと同様の観点から、超音波センサ１０の校正時に直達波Ｗｃを積極的に利用して、駆動周波数を設定する点に特徴がある。

次に図８は、第２実施形態の超音波センサ１０の内部構成の具体例を示している。図８に示すように、第２実施形態の超音波センサ１０は、第１実施形態の図２とほぼ共通であり、図７で説明したように、送波用超音波素子１２ａと受波用超音波素子１２ｂがそれぞれ設けられている点のみが異なる。送波用超音波素子１２ａは、１対の端子電極が送信増幅回路２０のみに接続され、受波用超音波素子１２ｂは、１対の端子電極が受信増幅回路２１のみに接続される。その他の構成要素については、図２と同様であるため、説明を省略する。

また、第２実施形態において、図８の超音波センサ１０の動作波形及び校正時の制御については、第１実施形態の図３〜図６と基本的に共通であるため、その説明を省略する。例えば、図３の時間範囲Ｔｂにおける波形（上段及び下段）の筐体１１からの反射波Ｗｂに対応する受信信号は、直達波Ｗｃに対応する受信信号に置き換えて考えればよい。なお、第２実施形態では、送波用超音波素子１２ａと受波用超音波素子１２ｂが分離されているため、図３の波形（上段）の時間０の近傍における送信系から受信系への回り込みを抑制することができる。以上のように、第２実施形態の超音波センサ１０においても、第１実施形態の場合と同様の効果を享受することができる。また、第１実施形態において説明したように、超音波センサ１０に温度センサや無線通信手段を設ける変形例は第２実施形態においても同様に適用可能である。

［第３実施形態］
第３実施形態では、第１及び第２実施形態の筐体１１の構造を変更した超音波センサ１０に対して本発明を適用する場合を説明する。図９は、第３実施形態の超音波センサ１０の基本概念を示している。図９（Ａ）では、第１実施形態の超音波センサ１０をベースとし、その筐体１１の超音波素子１２が取り付けられた側の上端に、筐体１１に接合された平板状のフランジ部１１ａが設けられている。よって、超音波素子１２から送波された超音波はフランジ部１１ａによって反射され、フランジ部１１ａからの反射波Ｗｄが超音波素子１２によって受波される。このようなフランジ部１１ａを筐体１１に設けることにより、筐体１１にフランジ部１１ａの面積が付加される分だけ反射波Ｗｄが増強されるので、より確実に駆動周波数の設定処理を行うことができる。

一方、図９（Ｂ）では、第２実施形態の超音波センサ１０をベースとし、その筐体１１の送波用超音波素子１２ａ及び受波用超音波素子１２ｂが取り付けられた側の上端に、図９（Ａ）と同形状のフランジ部１１ａが設けられている。よって、送波用超音波素子１２ａから送波された超音波はフランジ部１１ａによって反射され、フランジ部１１ａからの反射波Ｗｅが受波用超音波素子１２ｂによって受波される。この場合の効果は図９（Ａ）の場合と同様であるが、図９（Ｂ）では、第２実施形態で説明した直達波Ｗｃ（図７）も存在するので、直達波Ｗｃと反射波Ｗｅの両方を考慮して駆動周波数の設定処理を行う必要がある。

以上のように、第３実施形態の超音波センサ１０においても、第１及び第２実施形態の場合と同様の基本的な効果を享受できるとともに、反射波Ｗｄ、Ｗｅを増強して駆動周波数の設定処理の確実性を高める効果が付加される。なお、第３実施形態においても、超音波センサ１０に温度センサや無線通信手段を設ける変形例を、第１及び第２実施形態と同様に適用可能である。

以上、３つの実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、図２及び図８に示す超音波センサ１０の内部構成は一例であって、多様な回路構成によって同様の機能を実現することができる。また、図５に示すフローチャートについても、超音波センサ１０の校正時に駆動周波数を設定するための多様な手順を想定することができる。その他の点についても上記各実施形態により本発明の内容が限定されるものではなく、本発明の作用効果を得られる限り、上記各実施形態に開示した内容には限定されることなく適宜に変更可能である。

１０…超音波センサ
１１…筐体
１２…超音波素子
１２ａ…送波用超音波素子
１２ｂ…受波用超音波素子
１３…測定対象物
２０…送信増幅回路
２１…受信増幅回路
２２…検波回路
２３…積分回路
２４…コンパレータ
２５…ピーク検出回路
３０…信号処理部
３１…駆動周波数設定部
３２…受信処理部
３３…感度ピーク算出部

Claims (12)

1. 筺体に収容された超音波センサであって、
   送信信号を超音波に変換して送波するとともに前記超音波の反射波を受波して受信信号に変換する超音波素子と、
   所定の駆動周波数で駆動される前記送信信号を生成して前記超音波素子に供給する送信手段と、
   測定対象物の検出範囲に応じて予め設定された第１の時間範囲内において、前記超音波素子から供給される前記受信信号の有無を検出する受信手段と、
   前記送信信号を生成してから前記受信信号を検出するまでの時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出手段と、
   前記駆動周波数の校正時に、前記超音波素子の共振周波数の想定される変化範囲内から選択された複数個の駆動周波数のうち、前記筺体からの反射波に対応する前記受信信号の強度を最大化する駆動周波数を決定し、前記送信手段に対して前記決定された駆動周波数を設定する校正制御手段と、
   を備えたことを特徴とする超音波センサ。
2. 筺体に収容された超音波センサであって、
   送信信号を超音波に変換して送波する送波用超音波素子と、
   超音波を受波して受信信号に変換する受波用超音波素子と、
   所定の駆動周波数で駆動される前記送信信号を生成して前記送波用超音波素子に供給する送信手段と、
   測定対象物の検出範囲に応じて予め設定された第１の時間範囲内において、前記超音波素子から供給される前記受信信号の有無を検出する受信手段と、
   前記送信信号を生成してから前記受信信号を検出するまでの時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出手段と、
   前記駆動周波数の校正時に、前記送波用超音波素子の共振周波数の想定される変化範囲内から選択された複数個の駆動周波数のうち、前記筺体からの反射波又は前記送波用超音波素子から前記受波用超音波素子への直達波に対応する前記受信信号の強度を最大化する駆動周波数を決定し、前記送信手段に対して前記決定された駆動周波数を設定する校正制御手段と、
   を備えたことを特徴とする超音波センサ。
3. 前記受信手段は、前記筺体からの反射波又は前記直達波の受信範囲に応じて予め設定された第２の時間範囲内における前記受信信号の強度のピークを検出するピーク検出回路を含み、
   前記校正制御手段は、前記駆動周波数の校正時に、前記複数個の駆動周波数に対応する複数のピークのうち最大のピークが得られる駆動周波数を前記送信手段の駆動周波数として設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波センサ。
4. 前記校正制御手段は、通常の測定時に前記測定対象物までの距離を算出する際、前記第２の時間範囲内における前記受信信号をマスキングすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波センサ。
5. 前記筺体には、前記筺体からの反射波を増強するためのフランジ部が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波センサ。
6. 外部との間で無線通信を行う無線通信手段を更に備え、
   前記校正制御手段は、前記無線通信手段を介して受信した校正指令に応じて前記駆動周波数の校正を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波センサ。
7. 温度センサを更に備え、
   前記校正制御手段は、前記温度センサにより検知された温度変化に応じて前記駆動周波数の校正を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波センサ。
8. 筺体に収容された超音波センサの校正方法であって、
   所定の周波数範囲内の複数個の駆動周波数のそれぞれで駆動される送信信号を超音波素子により超音波に変換して送波するステップと、
   前記超音波の反射波を前記超音波素子により受波して受信信号に変換し、前記筺体からの反射波に対応する前記受信信号が存在する所定の時間範囲内で前記受信信号の強度を検出するステップと、
   前記複数個の駆動周波数のうち、前記受信信号の強度が最大となる駆動周波数を決定し、通常の測定時に前記送信信号に対し前記決定された駆動周波数を設定するステップと、
   を含むことを特徴とする超音波センサの校正方法。
9. 筺体に収容された超音波センサの校正方法であって、
   所定の周波数範囲内の複数個の駆動周波数のそれぞれで駆動される送信信号を送波用超音波素子により超音波に変換して送波するステップと、
   前記超音波の反射波を受波用超音波素子により受波して受信信号に変換し、前記筺体からの反射波に対応する前記受信信号、又は前記送波用超音波素子から前記受波用超音波素子への直達波に対応する前記受信信号が存在する所定の時間範囲内で前記受信信号の強度を検出するステップと、
   前記複数個の駆動周波数のうち、前記受信信号の強度が最大となる駆動周波数を決定し、通常の測定時に前記送信信号に対し前記決定された駆動周波数を設定するステップと、
   を含むことを特徴とする超音波センサの校正方法。
10. 前記駆動周波数を設定する際、前記所定の時間範囲内における前記受信信号の強度のピークを検出し、前記複数個の駆動周波数のうち、前記ピークが最大となる駆動周波数を前記送信手段に対して設定することを特徴とする請求項８又は９に記載の超音波センサの校正方法。
11. 前記駆動周波数の設定は、予め設定されたタイミングで実行されることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の超音波センサの校正方法。
12. 前記駆動周波数の設定は、校正指令に基づいて判別したタイミングで実行されることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の超音波センサの校正方法。