JP3769701B2 - 超音波センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、簡易な構成で待機電力消費を改善した超音波センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波送信器から発信された超音波信号を受信し、電気的な起動回路として動作する超音波センサは、電子機器のリモコンや近接スイッチなど、多くの目的に利用されている。
【０００３】
図５に、従来の超音波センサの構成を示す。この超音波センサは、圧電素子４に外部から応力を加えると圧電素子４の両面に形成された電極５，６間に電荷を発生する圧電効果を利用したものであり、基本構造は圧電素子４に薄い金属板７を貼り合わせた「ユニモルフ」と言われている構造の振動子８と、電極５，６から引き出されたリード線９，１０と、増幅回路２と、コンパレータ３とから構成されている。
【０００４】
この振動子８に空中から超音波の波動が加わると、振動子８が屈曲振動を生じ、超音波の周波数と振動子８の機械的共振周波数とを一致させた時に最も効率的に電極５，６間に電圧が発生する。この発生電圧は非常に微小であり、例えば、市販されている超音波センサ（受信感度：−６０ｄＢ、０ｄＢ＝１Ｖ／μbarと仮定）の場合、１μbarの音圧の超音波を受信した場合に両電極５，６間に接続した３．９ＫΩの負荷抵抗に誘起される電圧は１ｍＶrmsにしかならない。そのため、この発生電圧を増幅回路２で電圧増幅し、さらに、雑音電圧による誤作動を防止するためにコンパレータ３で所定のしきい値電圧と比較して、しきい値電圧以上であれば超音波の波動の入力があったとみなし、出力端子１１，１２から所定の起動電圧を出力する動作を行なっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の超音波センサでは、圧電効果を利用して超音波の波動エネルギーを電気エネルギーに変換しているため、発生電圧が非常に微小であり、これを電圧増幅する増幅回路が必要となっていた。また、雑音電圧による誤動作を防ぐために所定のしきい値電圧と比較するためのコンパレータが必要になっていた。さらには、超音波を常時受信できるようにこれらを常時動作状態にしておく必要があり、電力消費が大きいという問題点を有していた。
【０００６】
本発明の目的は、圧電効果による微小な発生電圧を増幅する増幅回路や雑音電圧による誤動作を防ぐコンパレータを必要とせず、簡易な構成で待機電力消費を改善できる超音波センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる発明は、入射する特定の超音波の周波数と同じ機械的共振周波数を有する振動子と、該振動子の振動方向の少なくとも片面に形成された第１の電極と、該第１の電極に対向して配置された第２の電極と、前記第１の電極が接続される第１の出力端子と、前記第２の電極が接続される第２の出力端子とを具備し、前記超音波の入射により前記振動子に屈曲振動を生じさせて前記第１の電極と前記第２の電極を接触・離反させ、前記第１の電極と前記第２の電極間が前記超音波と同じ周波数で周期的に電気開閉されるようにしたことを特徴とする超音波センサとした。
【０００８】
請求項２にかかる発明は、請求項１にかかる発明において、前記第１の電極と前記第１の出力端子の間、又は前記第２の電極と前記第２の出力端子の間のいずれかに直流電源を直列挿入したことを特徴とする超音波センサとした。
【０００９】
請求項３にかかる発明は、請求項２にかかる発明において、前記第１の出力端子と前記第２の出力端子の間に蓄電回路を並列挿入したことを特徴とする超音波センサとした。
【００１０】
請求項４にかかる発明は、請求項３にかかる発明において、前記第１の出力端子と前記第２の出力端子の間にリセット回路を並列挿入したことを特徴とする超音波センサとした。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波センサは、圧電効果を利用して超音波の波動エネルギーを電気エネルギーに変換するのではなく、超音波の周波数と同じ機械的共振周波数を有する振動子を用いて超音波の波動エネルギーを振動エネルギーに変換し、電気的に分離された第１，第２の電極を接触・離反させることを最も主要な特徴とする。従来技術とは超音波の波動エネルギーの変換方法が異なるため、従来の超音波センサにおいて必要であった微小な発生電圧を増幅する増幅回路や雑音電圧による誤作動を防止するコンパレータを使用せずに、簡易な構成で待機電力消費を改善した超音波センサを提供することができる。
【００１２】
［第１の実施形態］
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面と対応して詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の超音波センサの構成を示す図であって、請求項１にかかる発明に対応する。超音波センサは、センサに入射する超音波の周波数と同じ機械的共振周波数を有する振動子１３と、振動子１３の振動方向の片面に形成された（両面に形成されていてもよい。）第１の電極１４と、待機時に第１の電極１４に離間対向するよう配置された第２の電極１５と、電極１４，１５から出力端子１６、１７へ引き出されるリード線１８，１９とから構成されている。ここで、振動子１３としては、例えば円形振動子を用いてもよいし、音叉形振動子を用いてもよい。
【００１３】
この振動子１３に空中から振動子１３の機械的共振周波数と同じ周波数の超音波の波動が加わると、振動子１３が屈曲振動を生じて第１の電極１４と第２の電極１５が接触・離反し、出力端子１６，１７が超音波と同じ周波数で周期的に電気開閉される。このため、図１の超音波センサは、超音波の入射により電気開閉する簡易な構成で待機電力消費を改善した超音波センサとして機能する。
【００１４】
［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施の形態の超音波センサの構成を示す図であって、請求項２にかかる発明に対応する。図２の超音波センサは、図１で示した超音波センサのリード線１９と出力端子１７間に直列に電池などの直流電源２０を挿入した構成である。振動子１３に空中から振動子１３の機械的共振周波数と同じ周波数の超音波の波動が加わると、振動子１３が屈曲振動を生じて第１の電極１４と第２の電極１５が接触・離反し、出力端子２１，２２から超音波と同じ周波数成分を有する交流電圧が出力される。このため、図１の超音波センサと比較して図２の超音波センサでは、直流電源２０から供給される電圧を出力端子２１，２２で得ることができ、超音波センサの次段に接続される機能回路へ交流（パルス）電圧を供給できる超音波センサとして機能する。
【００１５】
［第３の実施形態］
図３は、本発明の第３の実施の形態の超音波センサの構成を示す図であって、請求項３にかかる発明に対応する。図３の超音波センサは、図２で示した超音波センサの出力端子２１、２２に対して並列にキャパシタなどの平滑・保持作用のある蓄電回路２３を挿入した構成である。振動子１３に空中から振動子１３の機械的共振周波数と同じ周波数の超音波の波動が加わると、振動子１３が屈曲振動を生じて第１の電極１４と第２の電極１５が接触・離反し、超音波と同じ周波数成分を有する交流電圧が蓄電回路２３によって平滑されて出力端子２４，２５から出力される。図２の超音波センサと比較して図３の超音波センサでは、直流電源２０から供給される電圧を出力端子２４，２５で得ることができ、超音波センサの次段に接続される機能回路へ平滑電圧を供給できる超音波センサとして機能する。
【００１６】
［第４の実施形態］
図４は、本発明の第４の実施の形態の超音波センサの構成を示す図であって、請求項４にかかる発明に対応する。図４の超音波センサは、図３で示した超音波センサの出力端子２４，２５に対して並列にリセット回路２６を挿入した構成である。振動子１３に空中から振動子１３の機械的共振周波数と同じ周波数の超音波の波動が加わると、振動子１３が屈曲振動を生じて第１の電極１４と第２の電極１５が接触・離反し、超音波と同じ周波数成分を有する交流電圧が蓄電回路２３によって平滑されて出力端子２７，２８から出力される。図３の超音波センサと比較して図４の超音波センサでは、超音波の入力が終了した後に、リセット回路２６によって蓄電回路２３の両端を強制的に短絡して蓄電回路２３に蓄えられていた電荷を強制的に開放することにより、超音波の再入力が可能な状態にすばやくリセットさせることができる。
【００１７】
［変形例］
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、この実施の形態を基本として構成および／または動作の変更、さらには機能の拡張により実現できる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の超音波センサは、圧電効果を利用して超音波の波動エネルギーを電気エネルギーに変換するのではなく、超音波の周波数と同じ機械的共振周波数を有する振動子を用いて超音波の波動エネルギーを振動エネルギーに変換し、電気的に分離された二つの電極を接触・離反させる超音波センサである。従来技術とは超音波の波動エネルギーの変換方法が異なるため、従来の超音波センサにおいて必要であった微小な発生電圧を増幅する増幅回路や雑音電圧による誤作動を防止するコンパレータを使用せずに、簡易な構成で待機電力消費を改善した超音波センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態の超音波センサの構成を示す図である。
【図２】 本発明の第２の実施の形態の超音波センサの構成を示す図である。
【図３】 本発明の第３の実施の形態の超音波センサの構成を示す図である。
【図４】 本発明の第４の実施の形態の超音波センサの構成を示す図である。
【図５】 従来の超音波センサの構成を示す図である。
【符号の説明】
２：増幅回路、３：コンパレータ、４：圧電素子、５，６：電極、７：金属板、８：振動子、９，１０：リード線、１１，１２：出力端子
１３：振動子、１４：第１の電極、１５：第２の電極、１６，１７：出力端子、１８，１９：リード線、２０：直流電源、２１，２２：出力端子、２３：蓄電回路、２４，２５：出力端子、２６：リセット回路、２７，２８：出力端子
【発明の属する技術分野】
本発明は、簡易な構成で待機電力消費を改善した超音波センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波送信器から発信された超音波信号を受信し、電気的な起動回路として動作する超音波センサは、電子機器のリモコンや近接スイッチなど、多くの目的に利用されている。
【０００３】
図５に、従来の超音波センサの構成を示す。この超音波センサは、圧電素子４に外部から応力を加えると圧電素子４の両面に形成された電極５，６間に電荷を発生する圧電効果を利用したものであり、基本構造は圧電素子４に薄い金属板７を貼り合わせた「ユニモルフ」と言われている構造の振動子８と、電極５，６から引き出されたリード線９，１０と、増幅回路２と、コンパレータ３とから構成されている。
【０００４】
この振動子８に空中から超音波の波動が加わると、振動子８が屈曲振動を生じ、超音波の周波数と振動子８の機械的共振周波数とを一致させた時に最も効率的に電極５，６間に電圧が発生する。この発生電圧は非常に微小であり、例えば、市販されている超音波センサ（受信感度：−６０ｄＢ、０ｄＢ＝１Ｖ／μbarと仮定）の場合、１μbarの音圧の超音波を受信した場合に両電極５，６間に接続した３．９ＫΩの負荷抵抗に誘起される電圧は１ｍＶrmsにしかならない。そのため、この発生電圧を増幅回路２で電圧増幅し、さらに、雑音電圧による誤作動を防止するためにコンパレータ３で所定のしきい値電圧と比較して、しきい値電圧以上であれば超音波の波動の入力があったとみなし、出力端子１１，１２から所定の起動電圧を出力する動作を行なっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の超音波センサでは、圧電効果を利用して超音波の波動エネルギーを電気エネルギーに変換しているため、発生電圧が非常に微小であり、これを電圧増幅する増幅回路が必要となっていた。また、雑音電圧による誤動作を防ぐために所定のしきい値電圧と比較するためのコンパレータが必要になっていた。さらには、超音波を常時受信できるようにこれらを常時動作状態にしておく必要があり、電力消費が大きいという問題点を有していた。
【０００６】
本発明の目的は、圧電効果による微小な発生電圧を増幅する増幅回路や雑音電圧による誤動作を防ぐコンパレータを必要とせず、簡易な構成で待機電力消費を改善できる超音波センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる発明は、入射する特定の超音波の周波数と同じ機械的共振周波数を有する振動子と、該振動子の振動方向の少なくとも片面に形成された第１の電極と、該第１の電極に対向して配置された第２の電極と、前記第１の電極が接続される第１の出力端子と、前記第２の電極が接続される第２の出力端子とを具備し、前記超音波の入射により前記振動子に屈曲振動を生じさせて前記第１の電極と前記第２の電極を接触・離反させ、前記第１の電極と前記第２の電極間が前記超音波と同じ周波数で周期的に電気開閉されるようにしたことを特徴とする超音波センサとした。
【０００８】
請求項２にかかる発明は、請求項１にかかる発明において、前記第１の電極と前記第１の出力端子の間、又は前記第２の電極と前記第２の出力端子の間のいずれかに直流電源を直列挿入したことを特徴とする超音波センサとした。
【０００９】
請求項３にかかる発明は、請求項２にかかる発明において、前記第１の出力端子と前記第２の出力端子の間に蓄電回路を並列挿入したことを特徴とする超音波センサとした。
【００１０】
請求項４にかかる発明は、請求項３にかかる発明において、前記第１の出力端子と前記第２の出力端子の間にリセット回路を並列挿入したことを特徴とする超音波センサとした。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波センサは、圧電効果を利用して超音波の波動エネルギーを電気エネルギーに変換するのではなく、超音波の周波数と同じ機械的共振周波数を有する振動子を用いて超音波の波動エネルギーを振動エネルギーに変換し、電気的に分離された第１，第２の電極を接触・離反させることを最も主要な特徴とする。従来技術とは超音波の波動エネルギーの変換方法が異なるため、従来の超音波センサにおいて必要であった微小な発生電圧を増幅する増幅回路や雑音電圧による誤作動を防止するコンパレータを使用せずに、簡易な構成で待機電力消費を改善した超音波センサを提供することができる。
【００１２】
［第１の実施形態］
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面と対応して詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の超音波センサの構成を示す図であって、請求項１にかかる発明に対応する。超音波センサは、センサに入射する超音波の周波数と同じ機械的共振周波数を有する振動子１３と、振動子１３の振動方向の片面に形成された（両面に形成されていてもよい。）第１の電極１４と、待機時に第１の電極１４に離間対向するよう配置された第２の電極１５と、電極１４，１５から出力端子１６、１７へ引き出されるリード線１８，１９とから構成されている。ここで、振動子１３としては、例えば円形振動子を用いてもよいし、音叉形振動子を用いてもよい。
【００１３】
この振動子１３に空中から振動子１３の機械的共振周波数と同じ周波数の超音波の波動が加わると、振動子１３が屈曲振動を生じて第１の電極１４と第２の電極１５が接触・離反し、出力端子１６，１７が超音波と同じ周波数で周期的に電気開閉される。このため、図１の超音波センサは、超音波の入射により電気開閉する簡易な構成で待機電力消費を改善した超音波センサとして機能する。
【００１４】
［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施の形態の超音波センサの構成を示す図であって、請求項２にかかる発明に対応する。図２の超音波センサは、図１で示した超音波センサのリード線１９と出力端子１７間に直列に電池などの直流電源２０を挿入した構成である。振動子１３に空中から振動子１３の機械的共振周波数と同じ周波数の超音波の波動が加わると、振動子１３が屈曲振動を生じて第１の電極１４と第２の電極１５が接触・離反し、出力端子２１，２２から超音波と同じ周波数成分を有する交流電圧が出力される。このため、図１の超音波センサと比較して図２の超音波センサでは、直流電源２０から供給される電圧を出力端子２１，２２で得ることができ、超音波センサの次段に接続される機能回路へ交流（パルス）電圧を供給できる超音波センサとして機能する。
【００１５】
［第３の実施形態］
図３は、本発明の第３の実施の形態の超音波センサの構成を示す図であって、請求項３にかかる発明に対応する。図３の超音波センサは、図２で示した超音波センサの出力端子２１、２２に対して並列にキャパシタなどの平滑・保持作用のある蓄電回路２３を挿入した構成である。振動子１３に空中から振動子１３の機械的共振周波数と同じ周波数の超音波の波動が加わると、振動子１３が屈曲振動を生じて第１の電極１４と第２の電極１５が接触・離反し、超音波と同じ周波数成分を有する交流電圧が蓄電回路２３によって平滑されて出力端子２４，２５から出力される。図２の超音波センサと比較して図３の超音波センサでは、直流電源２０から供給される電圧を出力端子２４，２５で得ることができ、超音波センサの次段に接続される機能回路へ平滑電圧を供給できる超音波センサとして機能する。
【００１６】
［第４の実施形態］
図４は、本発明の第４の実施の形態の超音波センサの構成を示す図であって、請求項４にかかる発明に対応する。図４の超音波センサは、図３で示した超音波センサの出力端子２４，２５に対して並列にリセット回路２６を挿入した構成である。振動子１３に空中から振動子１３の機械的共振周波数と同じ周波数の超音波の波動が加わると、振動子１３が屈曲振動を生じて第１の電極１４と第２の電極１５が接触・離反し、超音波と同じ周波数成分を有する交流電圧が蓄電回路２３によって平滑されて出力端子２７，２８から出力される。図３の超音波センサと比較して図４の超音波センサでは、超音波の入力が終了した後に、リセット回路２６によって蓄電回路２３の両端を強制的に短絡して蓄電回路２３に蓄えられていた電荷を強制的に開放することにより、超音波の再入力が可能な状態にすばやくリセットさせることができる。
【００１７】
［変形例］
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、この実施の形態を基本として構成および／または動作の変更、さらには機能の拡張により実現できる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の超音波センサは、圧電効果を利用して超音波の波動エネルギーを電気エネルギーに変換するのではなく、超音波の周波数と同じ機械的共振周波数を有する振動子を用いて超音波の波動エネルギーを振動エネルギーに変換し、電気的に分離された二つの電極を接触・離反させる超音波センサである。従来技術とは超音波の波動エネルギーの変換方法が異なるため、従来の超音波センサにおいて必要であった微小な発生電圧を増幅する増幅回路や雑音電圧による誤作動を防止するコンパレータを使用せずに、簡易な構成で待機電力消費を改善した超音波センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態の超音波センサの構成を示す図である。
【図２】 本発明の第２の実施の形態の超音波センサの構成を示す図である。
【図３】 本発明の第３の実施の形態の超音波センサの構成を示す図である。
【図４】 本発明の第４の実施の形態の超音波センサの構成を示す図である。
【図５】 従来の超音波センサの構成を示す図である。
【符号の説明】
２：増幅回路、３：コンパレータ、４：圧電素子、５，６：電極、７：金属板、８：振動子、９，１０：リード線、１１，１２：出力端子
１３：振動子、１４：第１の電極、１５：第２の電極、１６，１７：出力端子、１８，１９：リード線、２０：直流電源、２１，２２：出力端子、２３：蓄電回路、２４，２５：出力端子、２６：リセット回路、２７，２８：出力端子
Claims (4)
- 入射する特定の超音波の周波数と同じ機械的共振周波数を有する振動子と、該振動子の振動方向の少なくとも片面に形成された第１の電極と、該第１の電極に対向して配置された第２の電極と、前記第１の電極が接続される第１の出力端子と、前記第２の電極が接続される第２の出力端子とを具備し、
前記超音波の入射により前記振動子に屈曲振動を生じさせて前記第１の電極と前記第２の電極を接触・離反させ、前記第１の電極と前記第２の電極間が前記超音波と同じ周波数で周期的に電気開閉されるようにしたことを特徴とする超音波センサ。 - 請求項１記載の超音波センサにおいて、
前記第１の電極と前記第１の出力端子の間、又は前記第２の電極と前記第２の出力端子の間のいずれかに直流電源を直列挿入したことを特徴とする超音波センサ。 - 請求項２記載の超音波センサにおいて、
前記第１の出力端子と前記第２の出力端子の間に蓄電回路を並列挿入したことを特徴とする超音波センサ。 - 請求項３記載の超音波センサにおいて、
前記第１の出力端子と前記第２の出力端子の間にリセット回路を並列挿入したことを特徴とする超音波センサ。
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