JPH10325867A

JPH10325867A - 超音波センサ

Info

Publication number: JPH10325867A
Application number: JP13548997A
Authority: JP
Inventors: Junichi Toyoda; 準一豊田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-05-26
Filing date: 1997-05-26
Publication date: 1998-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】高感度の超音波センサを提供する。【解決手段】抵抗３０と抵抗３２との比をＮとしたと
き、オペアンプ２０の非反転入力端子２４から見た増幅
率はＮ＋１となる。したがって、圧電振動子１６の両端
に発生した電圧はＮ＋１倍された後、コンデンサ２６を
通じて圧電振動子１６に正帰還される。その結果、上記
制動容量３６を通じて流れるロス電流に相当する電流が
コンデンサ２６を通じて給され、実質的に制動容量３６
が打ち消されて制動容量３６が削除されたのと同じ状態
となる。そのため、制動容量３６による電流ロスが解消
されて、超音波センサ１４の出力電圧、すなわち、圧電
振動子１６の端子４４の電圧が上昇し、超音波センサ１
４の感度が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電振動子により
構成された超音波センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、超音波を利用した測距装置は、
超音波の伝播時間により距離を測定するものであり、遠
隔的に距離を測定できることから広く用いられている。
この種の測距装置によって２点間の距離を測定する場合
には、一方の点に超音波の送信装置を設置し、もう一方
の点には圧電振動子を含む超音波センサにより構成され
た超音波の受信装置を設置する。そして、送信装置から
送信された超音波が、受信装置により受信されるまで時
間を測定し、その測定結果と、超音波の伝播速度とにも
とづいて上記２点間の距離を算出する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、測定すべき
距離が長くなると空中での超音波の減衰が大きくなるた
め、上記測距装置では、長距離の測定を可能とすべく受
信装置側において圧電振動子の出力信号を高利得アンプ
により増幅している。しかし、アンプのＳＮ比の制限か
ら、測定可能な距離、すなわち最大検出距離には限界が
あり、一般には、開放型超音波センサの場合で、最大検
出距離は１０ｍ程度、防滴型超音波センサでは３ｍ程度
となっている。そこで本発明の目的は、高感度の超音波
センサを提供し、例えば測距装置に応用して、その最大
検出距離の延長を可能することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を達成
するため、圧電振動子を含み、前記圧電振動子により超
音波を受信して前記超音波を表す電気信号を出力する超
音波センサにおいて、前記圧電振動子に接続されて前記
圧電振動子の制動容量を打ち消す負性容量回路を備えた
ことを特徴とする。したがって、本発明の超音波センサ
では、圧電振動子の制動容量は負性容量回路により打ち
消されるので、実質的に圧電振動子の制動容量を解消す
ることができ、圧電振動子で生成された電荷が制動容量
を通じて放電することに伴うロスを解消して超音波セン
サの感度を高めることが可能となる。

【０００５】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を実施例
にもとづき図面を参照して説明する。図１は本発明によ
る超音波センサの一例を備えた測距装置の要部を示す回
路図である。この測距装置２は、送信装置４と、受信装
置６とを含み、送信装置４および受信装置６は共に圧電
振動子により構成されている。なお、測距装置２は、こ
れらの構成要素以外にも、送信装置４が超音波を送信し
てから受信装置６がその超音波を受信するまでの時間を
測定する回路なども備えているが、本発明には直接関係
しないため、それらの構成要素は図では省略した。

【０００６】送信装置４は、発振回路８と圧電振動子１
０とを備え、発振回路８は例えば２０Ｖｐｐの交流電圧
を圧電振動子１０に印加する。これにより圧電振動子１
０は駆動され、受信装置６に向けて超音波１２を送信す
る。受信装置６は、超音波センサ１４を含み、超音波セ
ンサ１４は圧電振動子１６と、圧電振動子１６に接続さ
れた負性容量回路１８とを備えている。負性容量回路１
８は、オペアンプ２０を含み、その出力端子２２と非反
転入力端子２４との間にはコンデンサ２６が接続されて
いる。また、オペアンプ２０の出力端子２２と反転入力
端子２８との間には抵抗３０が接続され、反転入力端子
２８とグランド（基準電位点）との間には抵抗３２が接
続されている。さらに、オペアンプ２０の非反転入力端
子２４とグランドとの間には抵抗３４が接続されてい
る。このような負性容量回路１８に対し、圧電振動子１
６は、オペアンプ２０の非反転入力端子２４とグランド
との間に接続されている。

【０００７】図２は圧電振動子１６の等価回路である。
この図に示したように、圧電振動子１６の等価回路は、
並列に接続された制動容量３６を含み、そして、コイル
３８、コンデンサ４０、ならびに抵抗４２の直列回路が
直列に接続された構成となっている。制動容量３６は、
主に圧電振動子１６を構成する圧電素子に対向装着され
た電極間の静電容量として形成されるものであり、圧電
振動子１６に超音波１２が入射して圧電振動子１６で発
生した電荷は、一部が制動容量３６を通じて放電するた
め、ロスとなる。

【０００８】しかし、超音波センサ１４では、このロス
が次のようにして解消される。すなわち、抵抗３０と抵
抗３２との比をＮとしたとき、オペアンプ２０の非反転
入力端子２４から見た増幅率はＮ＋１となる。したがっ
て、圧電振動子１６の両端に発生した電圧はＮ＋１倍さ
れた後、コンデンサ２６を通じて圧電振動子１６に正帰
還される。その結果、上記制動容量３６を通じて流れる
ロス電流に相当する電流がコンデンサ２６を通じて供給
され、実質的に制動容量３６が打ち消されて制動容量３
６が削除されたのと同じ状態となる。そのため、制動容
量３６による電流ロスが解消されて、超音波センサ１４
の出力電圧、すなわち、圧電振動子１６の端子４４の電
圧が上昇し、超音波センサ１４の感度が向上する。

【０００９】この効果を確認するため実験を行った。実
験では、圧電振動子１０と圧電振動子１６との間の距離
を０．５ｍとし、圧電振動子１０には２０Ｖｐｐの電圧
を印加した。また、実験に用いた圧電振動子１６では、
その等価回路の各要素の値はそれぞれ次のようなもので
あった。すなわち、制動容量３６は２．１ｎＦ、コイル
３８は１５０ｍＨ、コンデンサ４０は１１０ｐＦ、抵抗
４２は４００Ωであった。

【００１０】図３は、実施例の実験結果を示すグラフで
ある。図中、横軸は周波数を表し、縦軸は超音波センサ
１４の出力電圧を表している。そして、黒丸が超音波セ
ンサ１４の出力電圧の測定結果を示し、白丸は負性容量
回路１８を圧電振動子１６に接続しなかった場合（従
来）の出力電圧の測定結果を示している。本実施例の超
音波センサ１４では、周波数が４０．３ＫＨｚ付近で出
力電圧が最大となり、その値は約７３ｍＶｐｐとなって
いる。一方、負性容量回路１８を接続しなかった場合
は、出力は４０．０ＫＨｚ付近で最大となり、その値は
４３ｍＶｐｐ程度となっている。この結果より、本実施
例では感度が２倍近くに向上していることがわかる。

【００１１】また、圧電振動子１０、１６間の距離を長
くした場合の実験も行った。図４は、圧電振動子１０、
１６間の距離を長くした場合の配置図である。この図に
示すように、壁４６から８ｍ離れた位置に圧電振動子１
０および圧電振動子１６を並設し、圧電振動子１０から
超音波１２を壁４６に向けて送信し、その反射波を圧電
振動子１６により受信した。なお、圧電振動子１０に印
加する電圧は振幅を６０Ｖｐｐ、周波数は４０．４ＫＨ
ｚとした。図５の（Ａ）は実施例の実験結果を示すグラ
フ、（Ｂ）は負性容量回路１８を接続しなかった場合の
結果を示すグラフである。各グラフの横軸は時間を表
し、縦軸は電圧を表している。また、各グラフの上段は
圧電振動子１０に印加した電圧の波形を示し、下段は超
音波センサ１４の出力電圧（圧電振動子１６の端子４４
の電圧）を示している。図５の（Ａ）、（Ｂ）の下段の
グラフを比較して分るように、本実施例では超音波セン
サ１４の出力電圧が大きくなっており、感度が向上して
いる。また、図５の（Ａ）の下段のグラフにおいて、信
号成分（正弦波）に重畳するノイズのレベルに対して信
号振幅は十分に大きく、信号成分を確実に検出すること
ができる。

【００１２】なお、本実施例で示した負性容量回路１８
はあくまでも一例であり、負性容量回路としては、制動
容量を通じて流れるロス電流を補うものであればどのよ
うな回路構成のものであってもよく、したがって本実施
例に限定されることなく種々のものを用いることができ
る。また、ここでは本発明の超音波センサを測距装置に
応用した場合を例に説明したが、本発明の超音波センサ
はいうまでもなく測距装置以外の様々な装置に適用して
その効果を発揮させることができる。

【００１３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、圧電振動
子を含み、圧電振動子により超音波を受信して超音波を
表す電気信号を出力する超音波センサにおいて、圧電振
動子に接続されて圧電振動子の制動容量を打ち消す負性
容量回路を備えた構成とした。したがって、本発明の超
音波センサでは、圧電振動子の制動容量は負性容量回路
により打ち消されるので、実質的に圧電振動子の制動容
量を解消することができ、圧電振動子で生成された電荷
が制動容量を通じて放電することに伴うロスを解消して
超音波センサの感度を高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波センサの一例を備えた測距
装置の要部を示す回路図である。

【図２】圧電振動子の等価回路である。

【図３】実施例の実験結果を示すグラフである。

【図４】圧電振動子間の距離を長くした場合の配置図で
ある。

【図５】（Ａ）は実施例の実験結果を示すグラフ、
（Ｂ）は負性容量回路１８を接続しなかった場合の結果
を示すグラフである。

【符号の説明】

２……測距装置、４……送信装置、６……受信装置、８
……発振回路、１０……圧電振動子、１２……超音波、
１４……超音波センサ、１６……圧電振動子、１８……
負性容量回路、２０……オペアンプ、２６、４０……コ
ンデンサ、３０、３２、３４、４２……抵抗、３６……
制動容量、３８……コイル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電振動子を含み、前記圧電振動子によ
り超音波を受信して前記超音波を表す電気信号を出力す
る超音波センサにおいて、前記圧電振動子に接続されて前記圧電振動子の制動容量
を打ち消す負性容量回路を備えた、ことを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】前記負性容量回路はオペアンプと、前記
オペアンプの正帰還回路を構成するコンデンサとを含ん
で構成されていることを特徴とする請求項１記載の超音
波センサ。
【請求項３】前記コンデンサは、前記オペアンプの出
力端子と非反転入力端子との間に接続され、前記負性容量回路はさらに、前記オペアンプの出力端子
と反転入力端子との間に接続された第１の抵抗と、前記
反転入力端子と基準電位点との間に接続された第２の抵
抗とを含み、前記圧電振動子は前記オペアンプの前記非反転入力端子
と前記基準電位点との間に接続されていることを特徴と
する請求項２記載の超音波センサ。
【請求項４】超音波の伝播時間により距離を測定する
装置を構成することを特徴とする請求項１記載の超音波
センサ。