JP4728728B2 - 超音波センサ - Google Patents

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開平９−１６６６５９号公報（図２，図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。

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。

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の静電容量および抵抗からなる直列回路と、直列回路に並列に接続される第２の静電容量と、を有し、電気的等価回路で表される２端子型圧電振動子と、２端子型圧電振動子に直列に接続される第３の静電容量と、２端子型圧電振動子に並列に接続される第４の静電容量と、２端子型圧電振動子に対する第３の静電容量の直列接続又は第４の静電容量の並列接続を切り替える切替部と、切替部の切り替えを制御する制御部と、を備え、切替部によって直列接続又は並列接続が切り替えられる第３の静電容量と第４の静電容量のうち、第３の静電容量のみに接続した状態で２端子型圧電振動子を駆動して一定時間だけ超音波を送波し、第４の静電容量のみに接続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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 ２端子型圧電振動子の構造を示す斜視図である。 ２端子型圧電振動子の電気的等価回路を示す図である。 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。 従来の超音波センサの回路を示す図である。 他の従来の超音波センサの回路を示す図である。 対称３端子型圧電振動子の構造を示す斜視図である。 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。

符号の説明

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

Claims (3)

1. 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と、前記直列回路に並列に接続される第２の静電容量と、を有し、電気的等価回路で表される２端子型圧電振動子と、
   前記２端子型圧電振動子に直列に接続される第３の静電容量と、
   前記２端子型圧電振動子に並列に接続される第４の静電容量と、
   前記２端子型圧電振動子に対する前記第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、
   前記切替部によって直列接続又は並列接続が切り替えられる前記第３の静電容量と前記第４の静電容量のうち、前記第３の静電容量のみに接続した状態で前記２端子型圧電振動子を駆動して一定時間だけ超音波を送波し、前記第４の静電容量のみに接続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。
2. 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１に記載の超音波センサ。
3. 前記２端子型圧電振動子に前記第３の静電容量のみを付加した状態における前記２端子型圧電振動子と前記第３の静電容量からなる回路の共振周波数と、
   前記２端子型圧電振動子に前記第４の静電容量のみを付加した状態における前記２端子型圧電振動子と前記第４の静電容量からなる回路の反共振周波数と、がほぼ同じであ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。

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