JP2015121502A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】超音波センサにおいて、反射波に起因する受信信号を残響電圧と区別できるようにして、近距離性能を向上させる。
【解決手段】送波駆動部が、駆動信号１１の送信中に、駆動信号１１の位相を、送信開始時の駆動信号１１とは異なる位相に変調して、位相検出部が、受信信号の位相の変化を検出するようにした。これにより、位相検出部が、受信信号の位相の変化を検出したとき（ｔ_６）には、その受信信号は、反射波に起因する受信信号１４を含むということになる。このため、本超音波センサによれば、超音波センサ（の送受信器）近傍の検知対象物からの反射波を受波したときのように、残響電圧１３が残っている間に、検知対象物からの反射波に起因する受信信号１４を受信した場合でも、距離計測部が、位相検出部による検出結果に基づいて、検知対象物からの反射波の受波を検知することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波の送波と受波に共用する振動子を有し、送波した超音波に対する、検知対象物からの反射波に応じた受信信号に基づいて、検知対象物までの距離を計算する超音波センサに関する。

従来より、超音波の送波と受波に共用する（圧電セラミック等で形成された）振動子を有し、マイクロフォンとスピーカとを同一の筐体に組み込んだ、一体型の送受信器を有する送受信兼用超音波センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の超音波センサでは、駆動信号に基づく振動子の振動を、振動子の共振を利用して増幅して、超音波領域のバースト波を送波した後、検知対象物からの反射波を振動子で受波することにより生じる振動子の振動を、振動子の共振を利用して増幅する。そして、この共振により増幅された振動子の振動に応じた受信信号を増幅器で増幅した後、増幅後の受信信号を検波して、検波後の受信信号の振幅値が、所定の閾値より大きいか否かを検出することにより、反射波の受波を検知する。具体的に言うと、検波後の受信信号の振幅値が、所定の閾値より大きいか否かをコンパレータにより判定する。この結果、図７に示されるように、検知ゲートを開いた後に、コンパレータが、受信信号の振幅値が所定の閾値より大きくなったと判定したとき（コンパレータからの出力信号がハイになったとき）に、検知対象物からの反射波を受波したと判定する。そして、送波の開始時にコンパレータからの出力信号がハイになった時ｔ_１０１と、検知ゲートを開いた後にコンパレータからの出力信号がハイになった時ｔ_１０２との間の時間（時間計測期間）Ｔ_１０１を求め、この時間Ｔ_１０１に基づき検知対象物までの距離を求める。

特開昭６４−４４８７６号公報

ところが、上記の送受信兼用超音波センサは、送波時に、振動子の共振を利用して、振動子の振動を増幅しているため、送波が終了（振動子への駆動信号の印加が終了）しても、直ぐに振動子（振動板）の振動を止めることができない。このため、振動子への駆動信号の印加が終了して、強制振動が終了しても、図７に示されるように、送受信器の端子（電極）間には、自由振動に起因する残響電圧が発生する。この残響電圧があると、近距離にある検知対象物からの反射波に起因する受信信号が、残響電圧に埋もれてしまうので、反射波を検出できないことがある。従って、近距離にある検知対象物からの反射波を検出するには、残響電圧が十分収束した後に、検知ゲートを開く必要がある。ここで、残響電圧が収束するまでの時間には、ある程度マージンを持たせる必要があるため、検知ゲートを開く時間を、残響電圧が収束するであろうと予測される時間から、さらに遅らせる必要がある。このため、近距離性能（送受信器からの距離が短い対象物の検知能力）が、悪化する。すなわち、従来のこの種の超音波センサでは、ある程度遠方にある対象物しか検知することができなかった。

そこで、上記特許文献１に記載の発明は、駆動信号により振動子を駆動した直後に、駆動信号と逆位相の信号を振動子に印加することにより、残響（電圧）を短時間に収束させて、送受信兼用超音波センサの近傍の対象物の検知を可能にすることを図っている。しかしながら、振動子（振動板）の個体差や劣化により、残響電圧の収束に要する時間には、ある程度の幅がある（一定ではない）。この残響電圧の収束に要する時間の幅を考慮して、（超音波の送波から）検知ゲートを開くまでの時間を大幅に遅らせた場合には、特許文献１の発明でも、送受信兼用超音波センサ近傍の対象物の検知を行うことができない。従って、特許文献１の発明のような、残響電圧の収束を早めることにより近距離性能（送受信器からの距離が短い対象物の検知能力）を高める方式では、近距離性能の改善効果に限界がある。

本発明は、上記課題を解決するものであり、残響電圧が残っている間に、検知対象物からの反射波を受波した場合でも、受波した反射波に起因する受信信号を残響電圧と区別できるようにして、近距離性能を向上させることが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、超音波の送波と受波に共用する振動子を有し、超音波の送波と、送波した超音波に対する、検知対象物からの反射波の受波とを行って、受波した反射波に応じた受信信号を出力する送受信器と、前記送受信器における振動子を駆動するための駆動信号を送信し、送信中に、駆動信号の位相を、送信開始時の駆動信号とは異なる位相に変調する送波駆動部と、前記送受信器から出力された受信信号を増幅する増幅部と、前記増幅部による増幅後の受信信号を検波して、検波後の受信信号の振幅値が、所定の閾値より大きいか否かを検出する振幅検出部と、前記増幅部による増幅後の受信信号の位相の変化を検出する位相検出部と、前記振幅検出部による検出結果と、前記位相検出部による検出結果とに基づいて、前記検知対象物までの距離を計算する距離計測部とを備える。ここで、「信号の位相」とは、周期信号における、基準となる信号に対する角度のずれの量を意味する。

この超音波センサにおいて、前記送波駆動部は、２位相偏移変調した駆動信号を送信することが好ましい。

この超音波センサにおいて、前記送波駆動部により送信される駆動信号は、送波の元になる駆動信号のパターンとして、少なくとも、第１の位相の状態の駆動信号と第２の位相の状態の駆動信号とを有し、前記送波駆動部による駆動信号の送信期間は、前記第１の位相の状態の駆動信号の送信期間と前記第２の位相の状態の駆動信号の送信期間との間の遷移状態の期間として、前記第１の位相と逆位相の駆動信号を送信する期間を含むことが好ましい。

この超音波センサにおいて、前記検知対象物が所定の距離内に存在するときに使用する近距離モードと、前記検知対象物が所定の距離外に存在するときに使用する遠距離モードとを切り替えるモード切替部を備え、前記近距離モードでは、前記送波駆動部は、駆動信号の送信中に、駆動信号の位相を、送信開始時の駆動信号とは異なる位相に変調し、前記距離計測部は、前記振幅検出部による検出結果と、前記位相検出部による検出結果とに基づいて、前記検知対象物までの距離を計算し、前記遠距離モードでは、前記送波駆動部は、駆動信号の送信中に、駆動信号の位相を、送信開始時の駆動信号と異なる位相に変調せず、前記距離計測部は、前記振幅検出部による検出結果に基づいて、前記検知対象物までの距離を計算することが好ましい。

この超音波センサにおいて、前記位相検出部は、前記増幅部による増幅後の受信信号の位相角を求めて、この位相角と所定時間前に求めた位相角との差分量の絶対値が、所定の値を超えたときに、受信信号の位相が変化したと判定することが好ましい。

本発明の超音波センサによれば、送波駆動部が、駆動信号の送信中に、駆動信号の位相を、送信開始時の駆動信号とは異なる位相に変調して、位相検出部が、増幅部による増幅後の受信信号の位相の変化を検出するようにした。ここで、振動子の自由振動に起因する残響電圧（残響信号）は、周波数及び（信号の）位相が一定である。従って、位相検出部が、受信信号の位相の変化を検出したときには、その受信信号は、反射波に起因する受信信号を含むということになる。このため、本超音波センサによれば、超音波センサ近傍の検知対象物からの反射波を受波したときのように、残響電圧が残っている間に、検知対象物からの反射波に起因する受信信号を受信した場合でも、距離計測部が、位相検出部による検出結果に基づいて、検知対象物からの反射波の受波を検知することができる。これにより、近距離性能（送受信器からの距離が短い対象物の検知能力）を向上させることができるので、近距離の（送受信器からの距離が短い）検知対象物までの距離を正確に求めることができる。また、距離計測部は、振幅検出部による検出結果に基づいて、位相検出部による検出結果から、振幅（値）の小さいノイズ成分を除去することができるので、検知対象物までの距離を正確に求めることができる。

本発明の第１の実施形態に係る超音波センサのブロック構成図。 同超音波センサによる距離の計測時の動作を説明するためのタイミングチャート。 同超音波センサの詳細なブロック構成図。 図３中のＢＰＳＫ復調部のブロック構成図。 同超音波センサの変形例を説明するためのタイミングチャート。 本発明の第２の実施形態に係る超音波センサのブロック構成図。 従来の超音波センサによる距離の計測時の動作を説明するためのタイミングチャート。

以下、本発明を具体化した実施形態による超音波センサについて、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による超音波センサの機能ブロック構成を示す。超音波センサ１は、送波駆動部２と、昇圧トランス３と、振動子を有する送受信器４と、増幅部５と、振幅検出部６と、位相検出部７と、距離計測部８とを備えている。送波駆動部２は、送受信器４における振動子を駆動するための駆動信号を送信し、送信中に、駆動信号の位相を、送信開始時の駆動信号とは異なる位相に変調する。具体的に言うと、送波駆動部２は、２位相偏移変調（ＢＰＳＫ（ｂｉｎａｒｙ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ））変調）した駆動信号を送信する。昇圧トランス３は、１次コイル３ａと２次コイル３ｂとを有しており、送波駆動部２から送られた駆動信号電圧を昇圧して、送受信器４に出力する。上記の振幅検出部６、位相検出部７、及び距離計測部８は、マイコン（マイクロコンピュータ）９により構成されている。

送受信器４は、超音波の送波と受波に共用する（圧電セラミック等で形成された）振動子を有し、超音波の送波と、送波した超音波に対する、検知対象物からの反射波の受波とを行って、受波した反射波に応じた受信信号を出力する。すなわち、送受信器４は、一つの振動子でマイクロフォンとスピーカの機能を有する送受信兼用超音波トランスデューサである。送受信器４は、駆動信号に基づく振動子の振動を、振動子の共振を利用して増幅して、超音波の送波をした後、この送波に対する検知対象物からの反射波を振動子で受波することにより生じる振動子の振動を、振動子の共振を利用して増幅する。

上記の増幅部５は、送受信器４から出力された受信信号（電圧）を増幅する。振幅検出部６は、増幅部５による増幅後の受信信号を検波して、検波後の受信信号の振幅値を検出する。より具体的に言うと、振幅検出部６は、増幅部５による増幅後の受信信号を検波して、検波後の受信信号の振幅値が、所定の閾値より大きいか否かを検出する。位相検出部７は、増幅部５による増幅後の受信信号の位相の変化を検出する。本実施形態では、送波駆動部２は、２位相偏移変調した駆動信号を送信するので、位相検出部７は、増幅部５による増幅後の受信信号について、送信開始時の駆動信号の位相から、この駆動信号の位相と１８０度異なる位相（逆位相）への変化を検出する。距離計測部８は、振幅検出部６による検出結果と、位相検出部７による検出結果とに基づいて、検知対象物までの距離を計算する。

次に、図２を参照して、本超音波センサ１に採用されている、近距離性能を向上させるための工夫について説明する。図中の位相検出出力は、位相検出部７からの出力を示し、振幅検出出力は、振幅検出部６からの出力を示す。送波駆動部２は、駆動信号１１の送信中に、駆動信号１１の位相を、送信開始時の位相（第１の位相）から、この位相と１８０度異なる位相（第２の位相）に変化させる。言い換えると、送波駆動部２により送信される駆動信号１１は、送波の元になる駆動信号１１のパターンとして、第１の位相の状態の駆動信号１１と第２の位相の状態の駆動信号１１とを有している。図２では、駆動信号１１の送信開始時ｔ_１から位相変化時ｔ_２までの期間Ｔ_１が、第１の位相の駆動信号１１の送信期間であり、駆動信号１１の位相変化時ｔ_２から駆動信号の送信終了時ｔ_３までの期間Ｔ_２が、第２の位相の駆動信号１１の送信期間である。ただし、送波駆動部２からの駆動信号１１に基づいて実際に送波される超音波が第１の位相である期間は、図中の期間Ｔ_３であり、実際に送波される超音波が第２の位相である期間は、図中の期間Ｔ_４である。図中の信号１２は、送波時の駆動電圧により生じた送受信器４の端子間電圧である。また、検知対象物からの反射波に起因する受信信号１４が第１の位相である期間は、図中の受信信号１４の（受信）開始時ｔ_５から、受信信号１４の位相変化時ｔ_６までの期間Ｔ_５である。

ここで、図中の送受信器端子間電圧に現れる電圧信号のうち、残響電圧（残響信号）１３は、周波数及び（信号の）位相が一定である。従って、位相検出部７が、送受信器端子間電圧に現れる電圧信号（受信信号）の位相の第１の位相から第２の位相への変化を検出したときには、その電圧信号（受信信号）は、検知対象物からの反射波に基づく受信信号１４を含むということになる。このため、本超音波センサ１によれば、超音波センサ１（の送受信器４）近傍の検知対象物からの反射波を受波したときのように、残響電圧１３が残っている間に、検知対象物からの反射波に起因する受信信号１４を受信した場合でも、位相検出部７が、受信信号１４の位相の第１の位相から第２の位相への変化を検出することで、残響電圧１３が残っている期間中の（反射波の受波に基づく）受信信号１４を検出することができる。これにより、距離計測部８が、位相検出部７による上記の検出結果に基づいて、送受信器４近傍の検知対象物からの反射波の受波を検知することができる。

次に、本超音波センサ１における検知対象物までの距離の計測方法について説明する。距離の計測を開始すると、超音波センサ１の送波駆動部２は、送受信器４の振動子を駆動するための駆動信号１１の送信を開始する。このとき（図２中のｔ_１のとき）、距離計測部８は、送波駆動部２から駆動信号１１の送信の開始の通知を受信して、マイコン９内部のタイマーにスタート信号を出力する。これにより、タイマーが、距離計測のための時間の計測（カウント）を開始する。次に、送波駆動部２は、上記の駆動信号１１の送信中に、駆動信号１１の位相を、送信開始時の位相（第１の位相）から、この位相と１８０度異なる位相（第２の位相）に変化させる。この送波駆動部２からの駆動信号１１は、昇圧トランス３により増幅されて送受信器４に送られ、送受信器４の振動子を駆動する。これにより、送受信器４が、上記の駆動信号１１に応じた超音波の送波を行う。そして、送受信器４は、検知対象物からの反射波を受波すると、受波した反射波に応じた受信信号１４を出力する。送受信器４により受信された受信信号１４は、増幅部５により増幅された後、検波されて、振幅検出部６及び位相検出部７に送られる。

位相検出部７は、検波後の受信信号１４の位相の（第１の位相から第２の位相への）変化を検出して、この位相の変化を検出したときに、出力をハイにする。また、振幅検出部６は、上記の検波後の受信信号１４の振幅が所定の閾値よりも大きいときに、出力をハイにする。距離計測部８は、検知ゲートを開いた後に、振幅検出部６からの出力がハイのときに、位相検出部７による位相の変化の検出結果が有効であると判断する。具体的には、距離計測部８は、検知ゲートを開いた後に、振幅検出部６からの出力がハイである期間中に、最初に位相検出部７からの出力（位相検出出力）がハイになった時ｔ_６に、受信信号１４の位相が変化したと判断して、タイマーにストップ信号を出力する。そして、距離計測部８は、タイマーのカウンタ値に基づいて、スタート信号の出力時（駆動信号１１の送信開始時）ｔ_１から、ストップ信号の出力時ｔ_６までの期間（時間計測期間）Ｔ_７の時間を求める。なお、上記のように、振幅検出部６からの出力がハイのとき（受信信号１４の振幅が所定の閾値より大きいとき）の、位相検出部７による位相の変化の検出結果のみを有効にした理由は、位相検出部７による検出対象から、振幅の小さなノイズ成分を除くためである。

検知対象物までの距離の算出に用いる時間は、駆動信号１１の送信開始時ｔ_１から、受信信号１４の受信開始時ｔ_５までの期間の時間であるべきだが、上記の期間Ｔ_７には、受信信号１４の受信開始時ｔ_５から位相変化時ｔ_６までの期間Ｔ_５の時間が余分に含まれている。ここで、上記の受信信号１４の受信開始時ｔ_５から位相変化時ｔ_６までの期間Ｔ_５の時間は、第１の位相の駆動信号１１の送信期間Ｔ_１の時間と大差がない。このため、距離計測部８は、期間Ｔ_７の時間から、（期間Ｔ_５の時間の代わりに）期間Ｔ_１の時間を減算して、この減算結果の時間に音速を乗じて、検知対象物までの距離を算出する。また、上記の期間Ｔ_５の時間が、送波される超音波が第１の位相である期間（期間Ｔ_３）と実質的に等しいことを利用して、上記の端子間電圧における、送波に起因する信号１２の位相変化時ｔ_４から、検知対象物からの反射波に起因する受信信号１４の位相変化時ｔ_６までの期間Ｔ_６の時間に、音速を乗じて、検知対象物までの距離を算出してもよい。なお、図中の破線のパルス１５は、送波時に、振動子の振動が、駆動信号１１印加時の強制振動から、駆動信号１１の印加終了後の自由振動に移行するときに、信号１２の位相が（逆位相に）反転することにより生じる、位相検出部７からのハイの出力を示す。

次に、図３を参照して、本超音波センサ１のより詳細な機能ブロック構成の例を示す。図３において、図１と同じ部材には、同じ番号を付して、その説明を省略する。図３中のＬＮＡ（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）２１は、図１中の増幅部５に相当する。図３に示される例では、ＬＮＡ２１の後段に、ＡＤ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ）コンバータ２２と、ＢＰＦ（Ｂａｎｄ−ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）２３と、直交検波部２４とが、設けられている。直交検波部２４は、乗算器２５、２６と、ＬＰＦ（Ｌｏｗ−ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）２７、２８とを有している。

上記の構成によれば、ＬＮＡ２１から出力された、増幅後の（低ノイズの）受信信号が、ＡＤコンバータ２２によりディジタル信号に変換されて、ＢＰＦ２３に入力される。ＢＰＦ２３は、ＡＤコンバータ２２より入力されたディジタル信号の形式の受信信号から、送波した超音波信号の周波数の周辺領域の周波数を有する受信信号を抽出して、直交検波部２４に出力する。直交検波部２４内の乗算器２５と乗算器２６とは、それぞれ、相互に直交する（９０度の位相差を持った）２つの信号（例えば、ｓｉｎωｔとｃｏｓωｔ）を、ＢＰＦ２３から出力された受信信号に乗算する。例えば、乗算器２５は、ＢＰＦ２３から出力された受信信号にｓｉｎωｔを乗算することにより、ｓｉｎωｔの信号を受信信号に混合する。また、乗算器２６は、ＢＰＦ２３から出力された受信信号にｃｏｓωｔを乗算することにより、ｃｏｓωｔの信号を受信信号に混合する。ここで、上記の相互に直交する２つの信号（例えば、ｓｉｎωｔとｃｏｓωｔ）は、送受信器４による送波の搬送波と周波数が同じ信号である。乗算器２５、乗算器２６から出力された信号は、それぞれ、ＬＰＦ２７、２８により高周波成分を除去されて、Ｉ成分と、Ｑ成分となって、ＢＰＳＫ復調部２９と振幅検出部６に入力される。

振幅検出部６は、既知の方法により、Ｉ成分とＱ成分から、直交検波部２４による検波後の受信信号の振幅値を検出する。振幅検出部６は、例えば、Ｉ成分とＱ成分のそれぞれを二乗した値を足し合わせた値の平方根を計算することにより、直交検波部２４による検波後の受信信号の振幅値を検出する。また、ＢＰＳＫ復調部２９は、既知の方法により、Ｉ成分とＱ成分から、直交検波部２４による検波後の受信信号の位相の変化（上記第１の位相から第２の位相への変化）を検出する。ＢＰＳＫ復調部２９は、例えば、Ｑ成分とＩ成分との比のアークタンジェントを計算することにより、直交検波部２４による検波後の受信信号の位相の変化を検出する。ＢＰＳＫ復調部２９は、図１中の位相検出部７に相当する。距離計測部８は、振幅検出部６による受信信号の振幅値の検出結果と、ＢＰＳＫ復調部２９による受信信号の位相の変化の検出結果とに基づいて、検知対象物までの距離を計算する。

次に、図４を参照して、上記ＢＰＳＫ復調部２９の具体的な構成の例について説明する。この例では、ＢＰＳＫ変調（２位相偏移変調）された受信信号の復調に、位相角の差分を使用する。すなわち、図に示されるＢＰＳＫ復調部２９は、ＤＢＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｂｉｎａｒｙ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ（差動２位相偏移変調））復調方式を採用している。このＢＰＳＫ復調部２９は、位相角算出回路３１と、遅延器３２と、減算器３３と、コンパレータ３４と、絶対値出力回路３５とを備えている。

位相角算出回路３１は、上記の直交検波後のＩ成分とＱ成分との比のアークタンジェントを計算することにより、図３中の直交検波部２４による検波後の受信信号の位相角θを算出する。減算器３３は、位相角算出回路３１から送られた、検波後の受信信号の位相角θから、遅延器３２に保持されている、直近に算出された位相角θ^−１を減算して、これらの位相角の差分量（θ−θ^−１）を求め、この差分量を絶対値出力回路３５に送る。絶対値出力回路３５は、減算器３３から送られた位相角の差分量（θ−θ^−１）の絶対値｜θ−θ^−１｜を求め、この差分量の絶対値をコンパレータ３４に送る。コンパレータ３４は、この差分量の絶対値｜θ−θ^−１｜を所定の閾値と比較して、この差分量の絶対値が閾値を超えた場合に、図３中の距離計測部８にストップ信号を出力する。すなわち、このＢＰＳＫ復調部２９では、受信信号の現在の位相角θと直近に求めた位相角θ^−１との差分量の絶対値が、所定の値（閾値）を超えたときに、受信信号の位相が変化した（位相が反転した）と判定して、距離計測部８にストップ信号を出力する。距離計測部８は、このストップ信号を受け取ると、タイマーをストップさせ、その時点のタイマーのカウンタ値に基づいて、検知対象物までの距離を算出する。なお、遅延器３２に保持する位相角θ^−１として、所定時間前（例えば、図２中の受信信号１４が第１の位相である期間Ｔ_５における、信号の振幅と位相が安定している時点）に求めた位相角を用いてもよい。

上記のような方式を採用したことにより、このＢＰＳＫ復調部２９では、簡易に、ＢＰＳＫ変調された受信信号の復調（受信信号の位相反転（位相変化）の検出）を行うことができる。ここで、残響電圧（残響信号）は、位相の変化がない（位相が一定である）ので、上記のように、受信信号の位相角の絶対値を気にせず、位相角の（閾値以上の）変化があったか否かに基づいて、検知対象物からの反射波に基づく受信信号における位相反転（位相変化）を検出することができる。従って、上記のような簡易な受信信号のＢＰＳＫ復調方法（位相反転検出方法）を採用することができる。

上記のように、第１の実施形態の超音波センサ１によれば、送波駆動部２が、駆動信号の送信中に、駆動信号の位相を、送信開始時の駆動信号の位相とは異なる位相に変調して、位相検出部７が、増幅部５による増幅後の受信信号の位相の変化を検出するようにした。ここで、振動子の自由振動に起因する残響電圧（残響信号）は、周波数及び（信号の）位相が一定である。従って、位相検出部７が、受信信号の位相の変化を検出したときには、その受信信号は、反射波に起因する受信信号を含むということになる。このため、本超音波センサ１によれば、超音波センサ近傍の検知対象物からの反射波を受波したときのように、残響電圧が残っている間に、検知対象物からの反射波に起因する受信信号を受信した場合でも、距離計測部８が、位相検出部７による検出結果に基づいて、検知対象物からの反射波の受波を検知することができる。これにより、近距離性能（送受信器４からの距離が短い対象物の検知能力）を向上させることができるので、近距離の（送受信器４からの距離が短い）検知対象物までの距離を正確に求めることができる。また、距離計測部８は、振幅検出部６による検出結果に基づいて、検波後の受信信号から、振幅（値）の小さいノイズ成分を除去することができるので、検知対象物までの距離をさらに正確に求めることができる。

次に、図５を参照して、本実施形態の超音波センサ１の変形例について説明する。上記のように、本実施形態の超音波センサ１は、送受信器４の振動子の共振を利用して、超音波の送波を行っている。このため、送受信器４は、駆動信号自体（の周波数や位相）を急激に（瞬時に）変化させることはできても、駆動信号に基づく実際の送波（の周波数や位相）を急激に変化させることはできない。このため、本実施形態の超音波センサ１は、ＢＰＳＫ変調波を送波するときに、位相が反転する（第２の位相の状態になる）のに、時間がかかる。そこで、本変形例では、図５中の第１の位相の状態（以下、第１位相状態という）の駆動信号の送信期間Ｔ_１１と第２の位相の状態（以下、第２位相状態という）の駆動信号の送信期間Ｔ_１３との間に、遷移状態の期間Ｔ_１２として、第１の位相と１８０度位相が異なる（逆位相の）駆動信号を送信する期間を設けた。これにより、遷移状態の期間Ｔ_１２に振動子に印加される、第１の位相と１８０度位相が異なる（逆位相の）駆動信号によって、この遷移状態の期間Ｔ_１２中に、第１位相状態の駆動信号に起因する振動子の残響を略収束させることができる。

そして、この振動子の残響が略収束した状態において、送波駆動部２が、第１位相状態の駆動信号の送信期間Ｔ_１１と実質的に同じ長さの期間Ｔ_１３だけ、第２位相状態の駆動信号を送信することで、第１位相状態の送波の安定ポイントにおける振幅と、第２位相状態の送波の安定ポイントにおける振幅とを略等しくすることができる。従って、図５中の第２位相状態の受信信号の安定ポイントにおける振幅Ａ_２を、第１位相状態の受信信号の安定ポイントにおける振幅Ａ_１と略等しくすることができる。これにより、位相検出部７による安定した位相検出（位相変化の検出）を行うことが可能になる。ここで、第１位相状態の送波の安定ポイントとは、実際の送波における位相角が０度になっているところを意味し、第２位相状態の送波の安定ポイントとは、実際の送波における位相角が１８０度になっているところを意味する。

図５中における期間Ｔ_１４は、受信信号における、第１位相状態から第２位相状態への遷移状態の期間を表す。この期間Ｔ_１４の間には、（受波及び）受信信号の位相も振幅も安定していないので、位相検出部７からの出力と振幅検出部６からの出力の両方が同時にハイになることはない。従って、この期間Ｔ_１４の間に、距離計測部８が、図２中の受信信号１４の位相が変化したと判断して、タイマーにストップ信号を出力することはない。なお、図５では、説明の都合上、遷移状態の期間Ｔ_１４における受信信号振幅の変化を誇張して模式的に表しており、期間Ｔ_１４における受信信号振幅がゼロになることは、実際にはない。

次に、図６を参照して、本発明の第２の実施形態による超音波センサ１について説明する。第２の実施形態の超音波センサ１は、ＢＰＳＫモード（請求項における近距離モード）と遠距離モードとを切り替えるモード切替部４１を備えている点が、第１の実施形態の超音波センサ１と異なっている。本実施形態における他の回路構成については、基本的に、上記第１の実施形態と同様であるので、同じ番号を付して、その説明を省略する。

ＢＰＳＫモードは、第１の実施形態と同様に、ＢＰＳＫ変調した駆動信号を送信し、受信信号の位相の変化の検出結果と、受信信号の振幅値の検出結果に基づいて、検知対象物までの距離を計算するモードである。ＢＰＳＫモードでは、送波駆動部２は、駆動信号の送信中に、駆動信号の位相を、送信開始時の駆動信号とは１８０度異なる位相に変調し、距離計測部８は、振幅検出部６の検出結果と、位相検出部７の検出結果とに基づいて、検知対象物までの距離を計算する。これに対して、遠距離モードは、従来と同様、超音波領域のバースト波を送波した後、受信信号の振幅値の検出結果に基づいて、検知対象物までの距離を計算するモードである。遠距離モードでは、送波駆動部２は、駆動信号の送信中に、駆動信号の位相を、送信開始時の駆動信号と異なる位相に変調せず、距離計測部８は、振幅検出部６による検出結果に基づいて、検知対象物までの距離を計算する。この遠距離モードでは、検波後の受信信号の振幅値が、所定の閾値より大きいか否かを、振幅検出部６内部のコンパレータにより判定して、コンパレータが、受信信号の振幅値が所定の閾値より大きくなったと判定したときに、検知対象物からの反射波を受波したと判定する。

上記のＢＰＳＫモードは、検知対象物が、超音波センサ１（の送受信器４）から所定の距離内（近距離）に存在するときに使用され、遠距離モードは、検知対象物が、超音波センサ１（の送受信器４）から所定の距離外（遠距離）に存在するときに使用される。ＢＰＳＫモードは、例えば、検知対象物が、超音波センサ１（の送受信器４）から、２０ｃｍ〜６０ｃｍの距離内に存在するときに使用される。また、遠距離モードは、例えば、検知対象物が、超音波センサ１（の送受信器４）から、６０ｃｍ〜１．５ｍの距離内に存在するときに使用される。

上記のＢＰＳＫモードでは、上記の第１位相状態と第２位相状態の２つの状態が必要であるため、送波用の駆動信号のパルス幅が固定と考えると、従来の超音波センサと比べて、駆動信号のパルス数を多くすることが難しい。しかも、上記のように、ＢＰＳＫモードに採用されている、第１の実施形態と同様な距離測定方法は、従来の超音波センサよりも近距離性能を向上させるためのものなので、なおさら、駆動信号のパルス数を多くすることが難しい。このため、第１位相状態及び第２位相状態の送波を、多くのパルス数の駆動信号を用いて行えないので、これらの送波を大きな振幅で行うことが難しい。従って、ＢＰＳＫモードでは、遠距離の検出性能の向上には、限界がある。

本実施形態の超音波センサ１では、モード切替部４１を設けて、このモード切替部４１により、近距離検出用のＢＰＳＫモードと遠距離モードとを切り替えることができるようにした。これにより、検知対象物が、超音波センサ１から所定の距離外に存在するときには、遠距離モードに切り替えて、遠距離モードで検知対象物までの距離を計算することができる。遠距離モードは、上記のように、検知対象物が、超音波センサ１から所定の距離外（遠距離）に存在するときに使用されるモードであるので、近距離検出用のＢＰＳＫモードと比べて、駆動信号のパルス数を多くすることが容易である。しかも、遠距離モードでは、１つの位相状態の駆動信号のみを送信すればよいので、２つの位相状態の駆動信号を送信する必要のあるＢＰＳＫモードと比べて、駆動信号のパルス数を多くすることができる。このように、本実施形態の超音波センサ１は、遠距離モードでは、ＢＰＳＫモードと比べて、駆動信号のパルス数を多くすることが容易なので、大きな振幅の送波を行うことができる。これにより、第１の実施形態の超音波センサ１と比べて、遠距離検出性能をより向上させることができる。

また、本実施形態の超音波センサ１は、検知対象物が、超音波センサ１から所定の距離内（近距離）に存在するときには、ＢＰＳＫモードに切り替えて、ＢＰＳＫモードで検知対象物までの距離を計算することができる。これにより、第１の実施形態の超音波センサ１と同様に、近距離性能を向上させることができるので、近距離の検知対象物までの距離を正確に求めることができる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上記の各実施形態では、送波駆動部２が、２位相偏移変調した駆動信号を送信する場合（送波駆動部２が、２種類の位相の駆動信号を送信する場合）について説明したが、送波駆動部が、送信する位相の種類は、２つに限られない。例えば、送波駆動部が、４位相偏移変調した駆動信号を送信するようにしてもよい。また、上記第１の実施形態では、振幅検出部６、位相検出部７、及び距離計測部８を、一つのマイコン９により構成したが、これらの回路を複数の（マイコン等の）プロセッサやＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）で構成してもよい。

１ 超音波センサ
２ 送波駆動部
４ 送受信器
５ 増幅部
６ 振幅検出部
７ 位相検出部
８ 距離計測部
４１ モード切替部
Ｔ_１２ 遷移状態の期間

Claims (5)

1. 超音波の送波と受波に共用する振動子を有し、超音波の送波と、送波した超音波に対する、検知対象物からの反射波の受波とを行って、受波した反射波に応じた受信信号を出力する送受信器と、
   前記送受信器における振動子を駆動するための駆動信号を送信し、送信中に、駆動信号の位相を、送信開始時の駆動信号とは異なる位相に変調する送波駆動部と、
   前記送受信器から出力された受信信号を増幅する増幅部と、
   前記増幅部による増幅後の受信信号を検波して、検波後の受信信号の振幅値が、所定の閾値より大きいか否かを検出する振幅検出部と、
   前記増幅部による増幅後の受信信号の位相の変化を検出する位相検出部と、
   前記振幅検出部による検出結果と、前記位相検出部による検出結果とに基づいて、前記検知対象物までの距離を計算する距離計測部とを備える超音波センサ。
2. 前記送波駆動部は、２位相偏移変調した駆動信号を送信することを特徴とする請求項1に記載の超音波センサ。
3. 前記送波駆動部により送信される駆動信号は、送波の元になる駆動信号のパターンとして、少なくとも、第１の位相の状態の駆動信号と第２の位相の状態の駆動信号とを有し、
   前記送波駆動部による駆動信号の送信期間は、前記第１の位相の状態の駆動信号の送信期間と前記第２の位相の状態の駆動信号の送信期間との間の遷移状態の期間として、前記第１の位相と逆位相の駆動信号を送信する期間を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波センサ。
4. 前記検知対象物が所定の距離内に存在するときに使用する近距離モードと、前記検知対象物が所定の距離外に存在するときに使用する遠距離モードとを切り替えるモード切替部を備え、
   前記近距離モードでは、
   前記送波駆動部は、駆動信号の送信中に、駆動信号の位相を、送信開始時の駆動信号とは異なる位相に変調し、
   前記距離計測部は、前記振幅検出部による検出結果と、前記位相検出部による検出結果とに基づいて、前記検知対象物までの距離を計算し、
   前記遠距離モードでは、
   前記送波駆動部は、駆動信号の送信中に、駆動信号の位相を、送信開始時の駆動信号と異なる位相に変調せず、
   前記距離計測部は、前記振幅検出部による検出結果に基づいて、前記検知対象物までの距離を計算することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の超音波センサ。
5. 前記位相検出部は、前記増幅部による増幅後の受信信号の位相角を求めて、この位相角と所定時間前に求めた位相角との差分量の絶対値が、所定の値を超えたときに、受信信号の位相が変化したと判定することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の超音波センサ。

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