JPH0454800A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、物体の有無、物体までの距離測定等に用いら
れる超音波センサに関し、特に超音波発生用の振動子と
して圧電素子を用いた超音波センサに関するものである
。

（従来の技術） 超音波センサに用いられる振動子は超音波を発生するセ
ラミックス製の圧電素子と超音波を効率良く気体もしく
は液体中へ伝達するための整合層とから成立っており、
この種の振動子を用いた超音波センサに於ては、ＦＭ−
ＣＷ式、パルスエコー式のいずれの方式のものも、送波
用の圧電素子により超音波を送波し、前記送波用の圧電
素子よりの超音波を受波用の圧電素子により受波するよ
う構成されている。

（発明が解決しようとする課題） チタン酸バリウム等のセラミックス製の圧電素子は、周
波数選択性を有しているが、しかし周波数特性に対し温
度の影響を受は易い。このためセンサの使用温度範囲が
大きく設定されると、周波数ドリフトが大きくなり、セ
ンサ自体の感度が大幅に低下するという不具合が生じる
。

このため従来は使用温度範囲を狭くするか、或いは受信
回路の増幅度を大きくし、周波数ドリフトによる感度低
下を抑制することが行われているが、しかしこれは耐ノ
イズ性に劣るという問題点がある。

本発明は、従来の超音波センサに於ける上述の如き問題
点に着目してなされたものであり、使用温度範囲が広く
且つ耐ノイズ性が高く、しかも測定距離の長距離化に関
しても改善された超音波センサを提供することを目的と
している。

（課題を解決するための手段） 上述の如き目的は、本発明によれば、送波用の圧電素子
により超音波を送波し、前記送波用の圧電素子よりの超
音波を受波用の圧電素子により受波するよう構成された
超音波センサに於て、前記送波用の圧電素子或は前記受
波用の圧電素子の近傍に配置された温度検出手段と、前
記温度検出手段により検出された温度に基て前記送波用
の圧電素子を駆動する周波数を補正する補正手段とを有
していることを特徴とする超音波センサによって達成さ
れる。

（作用） 上述の如き構成によれば、温度検出手段により検出され
る温度に基いて送波用の圧電素子を駆動する周波数が補
正されることによって送波用の圧電素子の周波数ドリフ
トに対して温度補償がなされる。

（実施例） 以下に添付の図を参照して本発明を実施例について詳細
に説明する。

第１図はＦＭ−ＣＷ式の超音波センサの基本的構成を示
している。この超音波センサは、基準クロック発生回路
１にて発生したクロックパルスＣＫを変換回路３にて周
波数変調し、これを駆動回路５に与えて送波用の圧電素
子（送信振動子）７を駆動し、これにより発生した超音
波を反射体Ｗへ向けて送波するようになっている。そし
て前記反射体Ｗにて反射した超音波を受波用の圧電素子
９にて受波してこれを、即ち受信波を増幅回路１１にて
増幅し、周波数差検出回路１３によって送信波と受信波
との周波数差を取出し、この周波数差に関する信号をミ
スカウント防止のためのフィルタ１５を介してカウンタ
１７に与え、カウンタ１７にて波数を計数し、これをＤ
／Ａ変換器１９にてＡ／Ｄ変換して増幅器２１に与える
ようになっている。

第２図は本発明による超音波センサの具体的実施例をそ
の要部について示す電気回路図である。

第２図に示された電気回路図は第１図に於ける変換回路
３、駆動回路５及び圧電素子７の部分に相当するもので
あり、第３図（１）に示されている如きクロックパルス
ＣＫをバッファアンプ２３を介して与えられるミラー積
分回路２５を有している。

ミラー積分回路２５は、ＯＰアンプ２７と抵抗２８とコ
ンデンサ３０とにより構成され、第３図（２）に示され
ている如く、クロックパルスＣＫをプラス入力端子に与
えられるバイアス電位を中心とした三角波に変換するよ
うになっている。

ミラー積分回路２５が発生する三角波はＶ／Ｆ変換ＩＣ
２９の入力端子に与えられるようになっている。Ｖ／Ｆ
変換ＩＣ２９は入力端子に与えられる三角波を、第３図
（３）に示されている如く、周波数変調してこれを駆動
回路５に与えるようになっている。

駆動回路５は、相補接続された二つのトランジスタ３１
．３３と二つの抵抗３５．３７とにより構成され、Ｖ／
Ｆ変換ＩＣ２９よりの周波数変調信号に基いて送波用の
圧電素子７を駆動するようになっている。

ＯＰアンプ２７のプラス入力端子に与えるバイアス電位
は三つの抵抗３９．４１．４３と一つのＮＴＣサーミス
タ４５との合成抵抗により定められるようになっている
。ＮＴＣサーミスタ４５は、負の温度係数をもって連続
的に電気抵抗を変化する感温素子であり、温度上昇に応
じて電気抵抗を低減する特性を有している。

従って、ＯＰアンプ２７のバイアス電位はＮＴＣサーミ
スタ４５の感知温度に応じて変化するようになり、これ
によってミラー積分回路２５に於ける三角波の中心が温
度に応じて変化するようになる。ＮＴＣザーミスタ４５
は送波用の圧電素子７或いは受波用の圧電素子９の近傍
に設けられてこれらの使用温度に感応するようになって
いることから、ミラー積分回路２５が出力する三角波の
レベルが、更にはこれに基（Ｖ／Ｆ変換Ｉ　Ｃ２９に於
ける周波数変調が圧電素子７の温度変化による周波数ド
リフトに追従するようになり、温度補償がなされる。

第４図はセラミックスにより構成された圧電素子７の感
度−周波数特性を示しており、使用温度の変化によって
周波数がドリフトすることを示している。

従来の超音波センサに於ては、第４図に示されている如
き周波数ドリフトに対してミラー積分回路２５に於ける
バイアス電位が固定されているため、常温では高い感度
が得られても高温或いは低温状態では感度が低くなり、
使用温度によりＳ／Ｎ比が大きく変化して耐ノイズ性に
劣ったものになり、また測定可能距離も限られたものに
なるが、上述の如く本発明による超音波センサに於ては
、ミラー積分回路２５に於けるバイアス電位がＮＴＣサ
ーミスタ４５によって使用温度に応じて変化することに
より、この超音波センサは、広い使用温度域に亘ってＳ
／Ｎ比の変化がなく且つ感度の高い状態にて使用され得
るようになり、耐ノイス性に優れ、しかも測定可能距離
も長くなる。

第５図はパルスエコー式の超音波センサの基本的構成を
示している。パルスエコー式の超音波センサに於ては、
発振部５１にて送波用の圧電素子５５の送信周波数に応
じて発振を行い、これを基準クロック発生回路５３より
のタロツクパルスＣＫに基いて駆動部５５にてバースト
状のパルスに変換し、これによって送波用の圧電素子５
７を駆動し、これより超音波を反射体Ｗへ向けて送波す
るようになっている。そして反射体Ｗより反射してきた
圧電素子５７よりの超音波を受波用の圧電素子５９によ
って受波し、これを即ち受信波を増幅部６１にて増幅し
、増幅後の信号を判別部６３に与えて所定の判別を行い
、次に論理処理部６５にて論理処理を施し、表示部６７
及び出力部６９へ出力するようになっている。

第６図は本発明に於ける超音波センサをパルスエコー式
の超音波センサに適用した実、施例を要部について示し
ている。第６図に示された電気回路図は第５図に示され
た超音波センサの発振部５１と駆動部５５と送波用の圧
電素子５７の部分に相当している。発振部５１はＶ／Ｆ
変換ＩＣ７１を有しており、これは入力端子に与えられ
る入力電圧に応じた周波数にて第７図（２）に示されて
いる如く、発振した信号波をバッファアンプ７３へ出力
するようになっている。

バッファアンプ７３にはスイッチング用のトランジスタ
７５が接続されており、トランジスタ７５はゲートに第
７図（１）に示されている如きクロックパルスＣＫを与
えられてスイッチングを行うようになっている。

これによりバッファアンプ７３は、第７図（３）にて示
されている如きバースト状の周波数信号を出力するよう
になっている。

駆動回路５５は、上述の実施例と同様に、相補接続され
た二つのトランジスタ７７．７９と二つの抵抗８１．８
３とを含み、上述のバースト状の周波数信号によって送
波用の圧電素子５７を駆動するようになっている。

Ｖ／Ｆ変換ＩＣ７１の入力端子に与えられる入力電圧は
三つの抵抗８５．８７．８９と一つのＮＴＣサーミスタ
５１との合成抵抗とにより決まり、これにより、この入
力電圧はＮＴＣサーミスタ８１の感知温度に応じて変化
するようになる。ＮＴＣサーミスタ８１は送波用の圧電
素子５７或いは受波用の圧電素子５９の近傍に設けられ
ている。

このことからＶ／Ｆ変換ＩＣ７１が発生する周波数信号
の発振周波数はＮＴＣサーミスタ８１の感知温度、換言
すれば圧電素子５７の使用温度に応じて変化するように
なり、これによって上述の実施例と同様の温度補償が行
われるようになる。

従って、この実施例に於ても温度にょるＳ／Ｎ比の変動
がなく、且つ感度の高い状態にてセンサが使用され得る
ようになる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかな如く、本発明による超音波セン
サに於ては、温度検出手段により検出される温度に基い
て送波用の圧電素子を駆動する周波数が補正されること
によって送波用の圧電素子の周波数ドリフトに対して温
度補償がなされ、広い使用温度域に亘ってＳ／Ｎ比の変
動がなく且つ感度の高い状態にて使用され得るようにな
り、これにより適正使用温度域の拡大、耐ノイズ性の向
上、測定可能距離の増大が図られるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＦＭ−ＣＷ式の超音波センサの基本的構成を示
すブロック線図、第２図は本発明による超音波センサを
ＦＭ−ＣＷ式の超音波センサに適用した場合の具体的実
施例をその要部について示す電気回路図、第３図は第２
図に示された超音波センサに於ける各部の信号波形を示
すタイムチャート、第４図はセラミックス製の一般的な
圧電素子に於ける感度−周波数特性を示すグラフ、第５
図はパルスエコー式の超音波センサの基本的構成を示す
ブロック線図、第６図は本発明による超音波センサをパ
ルスエコー式の超音波センサに適用した場合の具体的実
施例をその要部について示す電気回路図、第７図は第６
図に示された本発明による超音波センサに於ける各部の
信号波形を示すタイムチャートである。 ７・・・送波用の圧電素子 ９・・・受波用の圧電素子 ２５・・・ミラー積分回路 ２９・Ｖ／Ｆ変換ＩＣ ４５・・・ＮＴＣサーミスタ ５７・・・送波用の圧電素子 ５９・・・受波用の圧電素子 ７１・・・Ｖ／Ｆ変換ＩＣ ８１・・・ＮＴＣサーミスタ 特許出願人　　オムロン株式会社 代　　理　　人　　　弁理士　和田成則第 第 １喜１ 図 周波数（Ｋ　ＨＺ　） 第 １ヌ１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．送波用の圧電素子により超音波を送波し、前記送波
   用の圧電素子よりの超音波を受波用の圧電素子により受
   波するよう構成された超音波センサに於て、 前記送波用の圧電素子或は前記受波用の圧電素子の近傍
   に配置された温度検出手段と、 前記温度検出手段により検出された温度に基て前記送波
   用の圧電素子を駆動する周波数を補正する補正手段と、 を有していることを特徴とする超音波センサ。