JP2015190817A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】超音波センサにおいて、簡単、かつ確実に、残響（電圧）の収束を早めて、近距離性能を向上させることができる超音波検知装置を提供する。【解決手段】送波駆動部による振動子への逆位相パルス信号１２の印加後に、送波用駆動パルス信号１１と逆位相の信号であって、残響電圧モニタから出力された残響電圧の値と比例して電圧値が変化する信号である、アナログ逆位相信号１３を振動子に印加するようにした。これにより、残響電圧モニタから出力された実際の測定時の残響（電圧）の波形に応じた残響抑制をすることができるので、振動子の個体差や温度条件の変化に係らず、簡単、かつ確実に、残響（電圧）の収束を早めることができる。【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、対象物までの距離等を検知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及び２参照）。この種の超音波センサでは、駆動信号に基づく振動子（圧電素子）の振動を、振動板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（振動板）で受波することにより生じる振動子の振動を、振動板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。そして、送波の開始時と反射波の受波時との時間差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 特開２０１２−１８１１４９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、振動板の共振を利用して、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。

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、特許文献１の発明では、２周期程度の逆位相信号を振動子に印加しているだけなので（特許文献１の第４図（ｂ）参照）、残響抑制の効果が十分ではない。また、特許文献１の発明では、振動子（圧電素子）の個体差（特に、容量等の素子定数）や、振動子の容量の温度特性を考慮せずに、逆位相信号を印加しているので、振動子の個体差や温度条件の変化に起因して、残響抑制の効果が変わってしまう。

これに対して、特許文献２の発明では、振動子の個体差や温度条件の変化に対応することは可能であるが、駆動回路及び振動子の素子定数と、周辺温度と、制振パルスのパルス幅ｔｗと、（制振パルスの印加タイミングとしての）送信パルスの印加終了時点からの遅延時間ｔｄとを、所定の間隔で変化させたときの残響時間を予め測定し、これらの素子定数、周辺温度、パルス幅ｔｗ、遅延時間ｔｄ、及び残響時間を関連付けて、ｔｄ−ｔｗマップに記憶しておく必要がある。このため、このｔｄ−ｔｗマップに必要なメモリの容量が大きくなるし、残響抑制に必要な手間が大きくなる。つまり、特許文献２の発明では、実際の測定時の残響の波形に応じた残響抑制をしていないので、残響抑制に必要な手間が大きくなる。

本発明は、上記課題を解決するものであり、簡単、かつ確実に、残響（電圧）の収束を早めることができるようにして、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、前記振動子を駆動して送波するための送波用駆動パルス信号を前記振動子に印加した後、前記送波用駆動パルス信号と逆位相のパルス信号である逆位相パルス信号を、前記振動子に印加する送波駆動部と、前記送受信器の端子間電圧における残響電圧を出力する残響電圧出力部と、前記送波駆動部による前記振動子への前記逆位相パルス信号の印加後に、前記送波用駆動パルス信号と逆位相の信号であって、前記残響電圧出力部から出力された残響電圧の値と比例して電圧値が変化する信号である、比例逆位相信号を前記振動子に印加する比例逆位相信号印加部とを備える。

この超音波センサにおいて、前記比例逆位相信号印加部は、前記残響電圧出力部から出力された前記残響電圧の信号の各周期におけるピーク電圧値とボトム電圧値の平均値に相当する点をゼロ点として、これらのゼロ点を結んで生成したゼロ点波形と前記残響電圧の波形とがクロスするタイミングに基づいて、前記比例逆位相信号の波形のエッジタイミングを決定し、前記ピーク電圧値又は前記ボトム電圧値に基づいて、前記比例逆位相信号の電圧値を決定することが好ましい。

この超音波センサにおいて、前記比例逆位相信号印加部は、前記残響電圧出力部から出力された前記残響電圧の信号の各周期におけるピーク電圧値とボトム電圧値との差分の電圧値を求めて、ハイのときの電圧値が前記差分の電圧値の半分よりも小さな比例逆位相信号を、前記振動子に印加することが好ましい。

この超音波センサにおいて、装置のキャリブレーション時に、前記比例逆位相信号印加部による前記比例逆位相信号の印加タイミングをずらしながら、各印加タイミングを採用した場合における、残響電圧の収束に要する時間を計測する処理を繰り返し、これらの印加タイミングのうち、前記残響電圧が最も早く収束する印加タイミングを、キャリブレーション終了後における、前記比例逆位相信号の印加タイミングにする、印加タイミング決定処理を実行する印加タイミング決定手段をさらに備えることが好ましい。

この超音波センサにおいて、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をさらに備え、前記印加タイミング決定手段は、前記残響電圧出力部から出力された残響電圧の波形の各周期におけるピーク点の包絡線と、前記増幅部から出力された残響電圧の波形の各周期におけるピーク点の包絡線との両方が、所定の期間、単調減少していることを確認した後、又は、前記残響電圧出力部から出力された残響電圧の波形の各周期におけるボトム点の包絡線と、前記増幅部から出力された残響電圧の波形の各周期におけるボトム点の包絡線との両方が、所定の期間、単調増加していることを確認した後に、前記印加タイミング決定処理を実行することが好ましい。

本発明の超音波センサによれば、送波駆動部による振動子への逆位相パルス信号の印加後に、さらに、比例逆位相信号を振動子に印加して、残響（電圧）を抑制するようにした。この比例逆位相信号は、送波用駆動パルス信号と逆位相の信号であって、残響電圧出力部から出力された残響電圧の値と比例して電圧値が変化する信号である。従って、上記のように、比例逆位相信号を振動子に印加することにより、実際の測定時の残響（電圧）の波形に応じた残響抑制をすることができる。これにより、予め、素子定数、周辺温度、パルス幅、及び遅延時間を、所定の間隔で変化させたときの残響時間を測定しておく必要のある特許文献２の発明と比べて、簡単に、残響（電圧）の収束を早めることができる。また、本発明の超音波センサによれば、上記のように、逆位相パルス信号の印加後に、さらに、比例逆位相信号を印加するので、２周期程度の逆位相（パルス）信号を振動子に印加するだけの特許文献１の発明と異なり、十分に残響（電圧）を抑制することができる。さらに、本発明の超音波センサによれば、上記のように、残響電圧出力部から出力された実際の測定時の残響（電圧）の波形に応じた残響抑制をすることができるので、特許文献１の発明と異なり、振動子の個体差や温度条件の変化に係らず、確実に、残響（電圧）の収束を早めることができる。本発明の超音波センサによれば、これらの効果により、近距離性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る超音波センサのブロック構成図。 同超音波センサにおける残響（電圧）を早期収束させる仕組みを説明するためのタイミングチャート。 （ａ）は、残響電圧モニタからの出力信号に基づいて、ピーク電圧値、ボトム電圧値、ゼロ点波形、及びゼロクロス点を求める方法の説明図、（ｂ）は、（ａ）で求めたピーク電圧値、ボトム電圧値、及びゼロクロス点に基づいて、アナログ逆位相信号を生成する方法の説明図。 図１中のアナログ逆位相印加部の一部のブロック構成図。 同超音波センサに採用されている、送受信器の振動面における振動を主モードに維持するための工夫を説明するための断面図。 同超音波センサにおける、アナログ逆位相信号の印加タイミング決定処理の実行条件の説明図。 従来の超音波センサにおける距離の計測時に生じる残響電圧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、距離計測部７と、残響電圧モニタ８（請求項における残響電圧出力部）と、アナログ逆位相印加部９（請求項における比例逆位相信号印加部）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して送波するための送波用駆動パルス信号を振動子に印加した後、送波用駆動パルス信号と逆位相のパルス信号である逆位相パルス信号（図２参照）を、振動子に印加する。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。

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、振動板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、振動板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。距離計測部７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。残響電圧モニタ８は、アッテネータ（減衰器）を有しており、送受信器４の端子間電圧における残響電圧を、波形を崩すことなく、減衰させて、減衰後の残響電圧をアナログ逆位相印加部９に出力する。残響電圧モニタ８内のアッテネータは、送波時、及び送波直後の残響電圧が残っている状態において、最大で１００Ｖ前後にもなる送受信器４の端子間電圧を、マイコンに入力可能な５Ｖ以下の電圧に減衰させるために設けられている。

アナログ逆位相印加部９は、送波駆動部２による振動子への逆位相パルス信号の印加後に、送波用駆動パルス信号と逆位相の信号であって、残響電圧モニタ８から出力された残響電圧の値と比例して電圧値が変化する信号である、アナログ逆位相信号（比例逆位相信号）を振動子に印加する。ここで、アナログ逆位相信号とは、デジタル信号のように、ハイの時の電圧値が一定のパルス信号ではなく、あたかもアナログ信号のように、ハイの時の電圧値を変化させたパルス信号（図２中の１３参照）のことを意味する。図１では、アナログ逆位相印加部９は、昇圧トランス３の２次コイル３ｂ側に接続されているが、１次コイル３ａ側に接続してもよい。制御部１０は、超音波センサ１内の装置各部の制御を行う。また、制御部１０は、請求項における印加タイミング決定手段としての処理も行う。上記の振幅検出部６、距離計測部７、及び制御部１０は、マイコン（マイクロコンピュータ）により構成されている。また、アナログ逆位相印加部９の少なくとも一部も、マイコンにより構成されている。

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、残響（電圧）を早期に収束させるための工夫について説明する。本超音波センサ１では、送波駆動部２が、送波用駆動パルス信号１１の振動子への印加直後（送波直後）に、送波用駆動パルス信号と逆位相のパルス信号である逆位相パルス信号１２を、所定回数、振動子に印加する。そして、図に示されるように、逆位相パルス信号１２の印加後、所定の待ち時間ｗｔだけ待ってから、さらに、アナログ逆位相印加部９が、残響電圧モニタ８から出力された残響電圧の値と比例して電圧値が変化するアナログ逆位相信号１３を振動子に印加する。これにより、残響（電圧）を効果的に抑制することができる。ここで、上記の待ち時間ｗｔは、後述するキャリブレーション処理により求められた、残響電圧の波形が最も安定すると予想される所定の時間である。

上記のように、本超音波センサ１によれば、送波駆動部２による振動子への逆位相パルス信号１２の印加後に、さらに、アナログ逆位相印加部９によりアナログ逆位相信号１３を振動子に印加して、残響（電圧）を抑制するようにした。このアナログ逆位相信号１３は、送波用駆動パルス信号１１と逆位相の信号であって、残響電圧モニタ８から出力された残響電圧の値と比例して電圧値が変化する信号である。従って、上記のように、アナログ逆位相信号１３を振動子に印加することにより、実際の測定時の残響（電圧）の波形に応じた残響抑制をすることができる。従って、予め、素子定数、周辺温度、パルス幅、及び遅延時間を、所定の間隔で変化させたときの残響時間を測定しておく必要のある特許文献２の発明と比べて、簡単に、残響（電圧）の収束を早めることができる。また、本超音波センサ１によれば、上記のように、逆位相パルス信号１２の印加後に、さらに、アナログ逆位相信号１３を印加するので、２周期程度の逆位相（パルス）信号を振動子に印加するだけの特許文献１の発明と異なり、十分に残響（電圧）を抑制することができる。さらに、本超音波センサ１によれば、上記のように、残響電圧モニタ８から出力された実際の測定時の残響（電圧）の波形に応じた残響抑制をすることができるので、特許文献１の発明と異なり、振動子の個体差や温度条件の変化に係らず、確実に、残響（電圧）の収束を早めることができる。本超音波センサ１によれば、これらの効果により、近距離性能を向上させることができる。

次に、図３（ａ）（ｂ）を参照して、上記のアナログ逆位相信号１３の生成方法の例について説明する。図３（ａ）中の２１の符号で示される破線は、残響電圧２５の信号の各周期におけるピーク電圧値を示し、２２の符号で示される破線は、残響電圧２５の信号の各周期におけるボトム電圧値を示す。本超音波センサ１では、アナログ逆位相印加部９が、残響電圧モニタ８から出力された、残響電圧２５の信号の周期毎に、レジスタ（図４参照）に格納されたピーク電圧値とボトム電圧値とを更新する。次に、アナログ逆位相印加部９は、レジスタに格納されたピーク電圧値とボトム電圧値のいずれかが更新される度に、ピーク電圧値とボトム電圧値の平均値に相当する点を求めて、ゼロ点２３（図３（ａ）中の白丸）とする。このゼロ点には、図３（ａ）のようにヒステリシスを持たせてもよい。すなわち残響電圧モニタ８の出力信号の波形の立上り直後（ボトム電圧値の更新直後）のゼロ点の値は平均値＋αに、立下り直後（ピーク電圧値の更新直後）のゼロ点の値は平均値―αに設定する。αは任意の値である。そして、アナログ逆位相印加部９は、これらのゼロ点２３を結んで生成したゼロ点波形２４と残響電圧２５の波形との交点であるゼロクロス点２６（図３（ａ）中の黒丸）を求める。このゼロクロス点２６に対応するタイミングが、請求項における「ゼロ点波形と前記残響電圧の波形とがクロスするタイミング」である。なお、図３（ａ）では、残響電圧２５の上昇時と下降時の両方におけるゼロクロス点２６を示しているが、残響電圧２５の上昇時におけるゼロクロス点のみを求めてもよい。

アナログ逆位相印加部９は、図３（ｂ）に示すように、上記のゼロクロス点２６（に対応するタイミング）に基づいて、アナログ逆位相信号１３（請求項における比例逆位相信号）の波形のエッジタイミングを決定する。すなわち、アナログ逆位相印加部９は、ゼロ点波形２４と残響電圧２５の波形とがクロスするタイミングに基づいて、アナログ逆位相信号１３の波形のエッジタイミングを決定する。また、図３（ｂ）に示すように、レジスタに格納されたピーク電圧値又はボトム電圧値に基づき、アナログ逆位相信号１３の（ハイの時の）電圧値を決定する。すなわち、アナログ逆位相印加部９は、上記のゼロクロス点２６（に対応するタイミング）と、レジスタに格納されたピーク電圧値又はボトム電圧値に基づいて、アナログ逆位相信号１３の波形を生成する。

次に、上記アナログ逆位相印加部９により行われる、残響電圧２５の信号の各周期におけるピーク電圧値とボトム電圧値のホールド処理について説明する。アナログ逆位相印加部９は、上記のゼロクロス点２６のタイミング（ゼロ点波形２４と残響電圧２５の波形とがクロスしたタイミング）で、レジスタに格納（ホールド）されたピーク電圧値とボトム電圧値の更新許可を行う。そして、このタイミング以降で、ピーク電圧値とボトム電圧値を検出すると、レジスタに格納されたピーク電圧値とボトム電圧値を、検出したピーク電圧値とボトム電圧値とで更新（上書き）して、これらのピーク電圧値とボトム電圧値の更新を不許可にする。そして、アナログ逆位相印加部９は、次のゼロクロス点２６を検出すると、レジスタに格納されたピーク電圧値とボトム電圧値の更新を、再度許可する。アナログ逆位相印加部９は、上記のような処理を繰り返すことにより、残響電圧２５の信号の各周期におけるピーク電圧値とボトム電圧値とをホールドする。

なお、上記のように、残響電圧２５の信号の各周期において、レジスタに格納されたピーク電圧値とボトム電圧値の更新を、一時的に不許可状態にする理由は、残響電圧２５の波形が崩れた場合のような例外的なケースに対応するためである。従って、上記のように、レジスタに格納されたピーク電圧値とボトム電圧値の更新を、一時的に不許可にすることは、望ましいが、必ずしも必要ではない。なお、アナログ逆位相印加部９による上記のピーク電圧値とボトム電圧値の検出は、一般的な極大値・極小値を探す方法等により行われる。残響電圧モニタ８の出力信号の立上り、立下りの検出も、一般的なゼロ点との差分による符号変化を検出する方法等により行われる。

次に、上記のアナログ逆位相信号１３の生成方法の利点について述べる。一般的に、残響電圧の信号の各周期におけるピーク電圧値やボトム電圧値は、経時的に変化するので、これらのピーク電圧値とボトム電圧値の平均値に相当するゼロ点も、経時的に変化する。また、残響電圧モニタ８のアナログ信号処理によりゼロ点が変化する。これに対して、上記のアナログ逆位相信号１３の生成方法では、残響電圧２５の信号の周期毎にゼロ点２３を求めて、直近のゼロ点２３に基づき、ゼロクロス点２６を求めるようにしたので、その時点の残響電圧２５の信号の波形に応じた、正確なゼロ点２３とゼロクロス点２６を検出できる。従って、このゼロクロス点２６（に対応するタイミング）に基づいて、アナログ逆位相信号１３の波形のエッジタイミングを決定することにより、このエッジタイミングを残響電圧２５の信号の波形に応じた正確なものにすることができる。また、上記のように、レジスタに格納された直近のピーク電圧値又はボトム電圧値に基づき、アナログ逆位相信号１３の各周期における（ハイの時の）電圧値を決定することにより、これらの電圧値を、残響電圧２５の値に応じたものにすることができる。

従って、上記のアナログ逆位相信号１３の波形のエッジタイミングの決定方法、及び上記のアナログ逆位相信号１３の各周期における電圧値の決定方法を採用することにより、残響電圧２５の信号の波形に応じたアナログ逆位相信号１３を生成することができる。これにより、残響電圧２５の信号の波形に応じたアナログ逆位相信号１３を振動子に印加することができるので、簡単、確実、かつ効果的に、残響（電圧）の収束を早めることができる。

次に、図４を参照して、上記の図３（ａ）（ｂ）に示されるアナログ逆位相信号１３の生成方法を実現するためのアナログ逆位相印加部９の構成の一例について説明する。図に示されるアナログ逆位相印加部９は、残響電圧２５の上昇時と下降時の両方におけるゼロクロス点２６を求める回路ではなく、残響電圧２５の上昇時におけるゼロクロス点のみを求める回路である。なお、図４は、アナログ逆位相印加部９を構成する各回路のうち、残響電圧２５の信号の各周期におけるピーク電圧値とボトム電圧値の検出・ホールドに関わる回路と、ゼロ点２３及びゼロクロス点２６の検出に関わる回路のみを示す。アナログ逆位相印加部９（のうちの図４に示す部分）は、ＡＤ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ）コンバータ３１、ピーク・ボトム検出回路３２、レジスタ３３、ゼロ点生成回路３４、コンパレータ３５、及びゼロクロスタイミング抽出回路３６を備えている。

ＡＤコンバータ３１は、残響電圧モニタ８から入力された、アナログ信号形式の残響電圧の信号を受け取って、デジタル信号形式の残響電圧の信号に変換する。ピーク・ボトム検出回路３２は、ＡＤコンバータ３１から出力されたデジタル信号形式の残響電圧の信号の各周期におけるピーク電圧値とボトム電圧値を検出して、レジスタ３３に格納されたピーク電圧値とボトム電圧値を、検出したピーク電圧値とボトム電圧値に書き変える。ゼロ点生成回路３４は、レジスタ３３に格納されたピーク電圧値とボトム電圧値の平均値に相当する点（ゼロ点）を計算して、コンパレータ３５の反転入力端子に入力する。

コンパレータ３５は、非反転入力端子にＡＤコンバータ３１から入力された（その時点における）残響電圧が、反転入力端子に入力されたゼロ点（の電圧値）よりも高くなると、その時点が、ゼロ点波形と残響電圧の波形とがクロスするタイミングであると判断して、ゼロクロスタイミング抽出回路３６にハイの信号を出力する。ゼロクロスタイミング抽出回路３６は、コンパレータ３５からハイの信号が入力されると、ゼロクロス点を検出したと判断して、レジスタ３３（に格納されたピーク電圧値とボトム電圧値）の更新許可を与えるためのイネーブル信号を、ピーク・ボトム検出回路３２に出力する。ゼロクロスタイミング抽出回路３６により検出（抽出）されたゼロクロス点の情報は、上記のアナログ逆位相信号１３の波形のエッジタイミングの決定に用いられる。

次に、図５を参照して、本超音波センサ１に採用されている、送受信器４の振動面における振動を主モードに維持するための工夫について説明する。図５に示される送受信器４は、いわゆる防滴型超音波センサの送受信器であり、圧電素子（振動子）４１が、アルミニウム製の板で形成された筐体４２で囲まれていて、外から水等が入って来ない構造になっている。図５における天板（振動面）４３は、振動していない時の天板を表し、図５中の４４の符号で示される破線は、天板４３が主モードで振動している様子を示す。

本超音波センサ１では、送受信器４の振動面における振動の状態を極端に変えないようにするために、残響電圧モニタ８から出力された、残響電圧の信号の各周期におけるピーク電圧値とボトム電圧値との差分の電圧値を求めて、ハイのときの電圧値が上記の差分の電圧値の半分よりも小さなアナログ逆位相信号を、圧電素子（振動子）４１に印加する。より具体的に言うと、直近に求めたピーク電圧値とボトム電圧値との差分の電圧値の半分よりも、アナログ逆位相信号の各パルスのハイの電圧値が低い状態を維持しながら、アナログ逆位相信号を、圧電素子４１に印加する。これにより、アナログ逆位相信号の圧電素子４１への印加時に、送受信器４の振動面（天板４３）における振動の波形を崩れにくくすることができるので、振動面における振動のモードを、主モード（一次モード）に維持することができる。これに対して、上記のピーク電圧値とボトム電圧値との差分の電圧値の半分に等しい値の電圧を、圧電素子４１に印加すると、それ自体による残響の抑制効果は大きいが、送受信器４の振動面における振動のモードを、主モードに維持することが難しくなってしまう。そして、一般に、送受信器の振動面が主モード以外で振動している場合には、圧電素子を用いて残響を抑制することはできない。

上記の点について、詳述する。一般に、超音波センサでは、圧電素子に駆動電圧を印加することにより、圧電素子を振動させて、振動面を動かす。この振動面（振動板）には、その構造で決まる固有周波数の共振がある。一般に、超音波センサでは、送波時に、圧電素子を主モードで（振動板の固有周波数（固有振動数）で）振動させることにより、振動面（振動板）を主モードで振動させる。ここで、図５中の符号４４で示されるように、振動面（天板）が主モードで振動している場合には、圧電素子４１を用いて振動面（天板４３）に振動（の方向）と逆方向の力（図５の例では、下向きの力）を発生させることにより、振動面の振動（残響）を抑制することが可能である。しかしながら、振動面（天板４３）が主モード以外で振動している場合には、圧電素子４１を用いて残響を抑制することはできない。例えば、振動面（天板４３）が２次モードで動作している場合には、圧電素子４１を用いて天板４３のどちらの方向に力を加えても、残響を抑制することはできない。

本超音波センサ１では、上記の理由から、残響電圧の信号の各周期におけるピーク電圧値とボトム電圧値との差分の電圧値（直近に求めたピーク電圧値とボトム電圧値との差分の電圧値）の半分よりも、圧電素子４１に印加するアナログ逆位相信号の各パルスのハイの電圧値を低くすることにより、送受信器４の振動面における振動のモードを、主モードに維持している。これにより、圧電素子４１を用いて振動面（天板４３）に振動（の方向）と逆方向の力を加えることで、振動面の振動（残響）を確実に抑制することができる。

また、図５に示されるように、超音波センサ１が、いわゆる防滴型超音波センサである場合には、アルミニウム製の天板４３の共振が中々収まらないので、残響電圧の収束に要する時間も長くなる。従って、本超音波センサ１に採用されている、残響（電圧）を早期に収束させるための工夫は、超音波センサ１が、図５に示されるような防滴型超音波センサである場合に、より大きな効果を発揮する。

次に、上記図２を参照して、本超音波センサ１のキャリブレーション時に実行されるアナログ逆位相信号１３の印加タイミングの決定処理（待ち時間ｗｔの決定処理）について説明する。本超音波センサ１では、図３（ａ）（ｂ）に示す方法で生成されたアナログ逆位相信号１３を、（塊として）振動子に印加するタイミングを決めるために、以下の処理を行う。すなわち、本超音波センサ１の制御部１０は、キャリブレーション時に、アナログ逆位相信号１３の印加タイミングを、所定時間ずつずらしながら、各印加タイミングを採用した場合における、残響電圧の収束に要する時間を計測する処理を繰り返す。言い換えると、待ち時間ｗｔの長さを、所定時間ずつ変更しながら、各待ち時間ｗｔを採用した場合における、残響電圧の収束に要する時間を計測する処理を繰り返す。なお、この時の残響電圧の収束に要する時間の計測は、増幅部５による増幅後の残響電圧の信号に基づいて求めることが望ましい。そして、制御部１０は、上記の試行の結果、残響電圧が最も早く収束する印加タイミングを、最適な印加タイミングとみなして、この印加タイミングを、キャリブレーション終了後における、アナログ逆位相信号１３の印加タイミングにする（残響電圧が最も早く収束する待ち時間ｗｔを、キャリブレーション終了後の待ち時間ｗｔとする）。

上記のように、アナログ逆位相信号１３の印加タイミングを、事前のキャリブレーションにおける試行で決定する理由は、以下の通りである。すなわち、送受信器４の振動面の振動と、送受信器４の端子間電圧における残響電圧との位相の関係は、（振動子の容量を含む）送受信器４周辺の回路定数（特に、容量成分やコイル成分（インダクタンス成分）の大きさ）に依存する。このため、残響電圧の波形の情報だけから、振動面の振動の逆位相を求めることはできないので、アナログ逆位相信号１３の最適な印加タイミングを、実際の計測前に、キャリブレーションにおいて試行錯誤で求めておく必要があるのである。

制御部１０は、図６に示されるように、残響電圧モニタ８から出力された残響電圧２５の波形の各周期におけるピーク点の包絡線５１と、増幅部５から出力された残響電圧５２の波形の各周期におけるピーク点の包絡線５３との両方が、所定の期間、単調減少していることを確認した後に（単調減少している場合に限り）、上記のアナログ逆位相信号１３の印加タイミング決定処理を実行する。例えば、残響電圧モニタ８及び増幅部５からの出力信号の振幅値が、送波後、最初に所定の電圧値間に入った期間を、これらの出力信号の減衰モニタ期間として、これらの減衰モニタ期間における出力信号が、共に単調減少していることを確認する。

制御部１０は、上記のように、残響電圧モニタ８からの残響電圧２５の波形の包絡線５１と、増幅部５からの残響電圧５２の波形の包絡線５３が、共に単調減少していることを確認することで、送受信器４の近隣に、（上記の印加タイミング決定処理の支障になる）反射物がないことを確認することができる。より詳細に説明すると、残響電圧モニタ８からの残響電圧２５は、増幅されていないため、この残響電圧２５の波形の各周期におけるピーク点の包絡線５１を調べることで、至近距離に反射物がないことを確認することができる。また、増幅部５からの残響電圧５２は、増幅されているため、この残響電圧５２の波形の各周期におけるピーク点の包絡線５３を調べることで、上記の至近距離と比べて少し離れた位置に、反射物がないことを確認することができる。

上記の確認処理の結果、残響電圧モニタ８からの残響電圧２５の波形の包絡線５１と、増幅部５からの残響電圧５２の波形の包絡線５３が、共に単調減少しているときは、制御部１０は、上記のアナログ逆位相信号１３の印加タイミング決定処理を実行する。これに対して、これらの包絡線５１及び包絡線５３のいずれかが、単調減少していないときは、制御部１０は、上記の印加タイミング決定処理の支障になる反射物が存在すると判断して、印加タイミング決定処理を行わない。上記のように、残響電圧モニタ８からの残響電圧２５の波形だけではなく、増幅部５からの残響電圧５２の波形を用いて、印加タイミング決定処理を実行するか否かを決定する理由は、印加タイミング決定処理における、残響電圧の収束に要する時間の計測に使用するのは、増幅部５による増幅後の残響電圧の信号だからである。

なお、上記の印加タイミング決定処理を実行するか否かの判断を、ピーク点の包絡線５１、５３の傾きではなく、ボトム点の包絡線の傾きに基づいて行ってもよい。より詳細に言うと、制御部１０は、残響電圧モニタ８から出力された残響電圧２５の波形の各周期におけるボトム点の包絡線と、増幅部５から出力された残響電圧５２の波形の各周期におけるボトム点の包絡線との両方が、所定の期間、単調増加していることを確認した後に（単調増加している場合に限り）、上記のアナログ逆位相信号１３の印加タイミング決定処理を実行してもよい。このようにしても、上記と同様に、送受信器４の近隣に、（上記の印加タイミング決定処理の支障になる）反射物がないことを確認することができる。

また、上記の例では、ピーク点の包絡線が、所定の期間、単調減少していることを確認した後、又はボトム点の包絡線が、所定の期間、単調増加していることを確認した後に、印加タイミング決定処理を実行するようにした。けれども、理想的には、ピーク点の包絡線が、所定の期間、指数的に減少していることを確認した後、又はボトム点の包絡線が、所定の期間、指数的に増加していることを確認した後に、印加タイミング決定処理を実行することが望ましい。

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、上記の実施形態では、超音波センサ１が、防滴型超音波センサである場合の例について説明したが、本発明が適用可能な超音波センサは、防滴型超音波センサに限られず、超音波の送波と受波に共用する振動子を有するタイプの超音波センサであればよい。また、上記実施形態では、振動子への逆位相パルス信号の印加後に、送波用駆動パルス信号と逆位相の信号であって、残響電圧モニタ８から出力された残響電圧の値と比例して電圧値が変化するアナログ逆位相信号を振動子に印加するようにした。けれども、アナログ逆位相信号のように、残響電圧の値と比例してハイの時の電圧値を変化させたパルス信号ではなく、（ハイの時の電圧値が一定であって、）残響電圧の値と比例してパルス幅を変化させたパルス信号を振動子に印加して、残響振動を抑制してもよい。さらにまた、上記実施形態では、振幅検出部６、距離計測部７、制御部１０、及びアナログ逆位相印加部９の少なくとも一部を、一つのマイコンにより構成したが、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
８ 残響電圧モニタ（残響電圧出力部）
９ アナログ逆位相印加部（比例逆位相信号印加部）
１１ 送波用駆動パルス信号
１２ 逆位相パルス信号
１３ アナログ逆位相信号（比例逆位相信号）
２１ ピーク電圧値
２２ ボトム電圧値
２３ ゼロ点
２４ ゼロ点波形
２６ ゼロクロス点
４１ 圧電素子（振動子）
５１ （ピーク点の）包絡線
５３ （ピーク点の）包絡線

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、
   前記振動子を駆動して送波するための送波用駆動パルス信号を前記振動子に印加した後、前記送波用駆動パルス信号と逆位相のパルス信号である逆位相パルス信号を、前記振動子に印加する送波駆動部と、
   前記送受信器の端子間電圧における残響電圧を出力する残響電圧出力部と、
   前記送波駆動部による前記振動子への前記逆位相パルス信号の印加後に、前記送波用駆動パルス信号と逆位相の信号であって、前記残響電圧出力部から出力された残響電圧の値と比例して電圧値が変化する信号である、比例逆位相信号を前記振動子に印加する比例逆位相信号印加部とを備える超音波センサ。
2. 前記比例逆位相信号印加部は、前記残響電圧出力部から出力された前記残響電圧の信号の各周期におけるピーク電圧値とボトム電圧値の平均値に相当する点をゼロ点として、これらのゼロ点を結んで生成したゼロ点波形と前記残響電圧の波形とがクロスするタイミングに基づいて、前記比例逆位相信号の波形のエッジタイミングを決定し、前記ピーク電圧値又は前記ボトム電圧値に基づいて、前記比例逆位相信号の電圧値を決定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. 前記比例逆位相信号印加部は、前記残響電圧出力部から出力された前記残響電圧の信号の各周期におけるピーク電圧値とボトム電圧値との差分の電圧値を求めて、ハイのときの電圧値が前記差分の電圧値の半分よりも小さな比例逆位相信号を、前記振動子に印加する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. 装置のキャリブレーション時に、前記比例逆位相信号印加部による前記比例逆位相信号の印加タイミングをずらしながら、各印加タイミングを採用した場合における、残響電圧の収束に要する時間を計測する処理を繰り返し、これらの印加タイミングのうち、前記残響電圧が最も早く収束する印加タイミングを、キャリブレーション終了後における、前記比例逆位相信号の印加タイミングにする、印加タイミング決定処理を実行する印加タイミング決定手段をさらに備えた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. 前記送受信器から出力された受信信号を増幅する増幅部をさらに備え、
   前記印加タイミング決定手段は、前記残響電圧出力部から出力された残響電圧の波形の各周期におけるピーク点の包絡線と、前記増幅部から出力された残響電圧の波形の各周期におけるピーク点の包絡線との両方が、所定の期間、単調減少していることを確認した後、又は、前記残響電圧出力部から出力された残響電圧の波形の各周期におけるボトム点の包絡線と、前記増幅部から出力された残響電圧の波形の各周期におけるボトム点の包絡線との両方が、所定の期間、単調増加していることを確認した後に、前記印加タイミング決定処理を実行することを特徴とする請求項４に記載の超音波センサ。

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