JPWO2014002739A1 - 超音波送信器、及び、超音波センサ装置 - Google Patents

Abstract

残響抑制信号を生成して印加するための新たなハードウェアを備えることなく、残響を低減することが可能な超音波送信器を提供する。
超音波送信器（１０）は、第１電極（１１１）及び第２電極（１１２）が接続された圧電セラミック（１１０）と、複数のパルス信号からなる第１のパルス信号群（１３１）を生成して間欠的に第１電極（１１１）に出力するとともに、該第１のパルス信号群（１３１）に対して位相を反転し、かつ、周波数を異ならせた第２のパルス信号群（１３２）を生成して間欠的に第２電極（１１２）に出力するパルス信号発生部（１２０）とを備える。パルス信号発生部（１２０）は、第１のパルス信号群（１３１）の位相と、第２のパルス信号群（１３２）の位相とが逆位相となる領域が徐々に小さくなるように、第１のパルス信号群（１３１）と第２のパルス信号群（１３２）の周波数を異ならせるとともに、位相を調節する。

Description

本発明は、超音波送信器、及び、該超音波送信器を備える超音波センサ装置に関する。

従来から、超音波を間欠的に送信し、周辺に存在する物体に反射して戻ってきた反射波を受信することにより、物体の有無や距離などを検知する超音波センサ装置が知られている。超音波センサ装置では、圧電素子等の振動子に、その共振周波数に近い電気信号をパルス的に印加して、該振動子を超音波振動させることにより超音波を送出する。ここで、振動子は機械的に振動するため、電気信号（パルス信号）の印加を停止した後も超音波振動が持続する現象、すなわち残響が生じる。超音波センサ装置では、この残響が長く続くと、物体、特に近距離にある物体の検知ができなくなる。

このような問題を解決するために、特許文献１には、駆動信号入力が遮断された圧電セラミック振動板の残響振動出力を速やかに減衰でき、受信側でのＳ／Ｎ比を向上できる超音波出力装置が開示されている。この超音波出力装置は、圧電セラミック振動板の第一主表面上にて駆動電圧の入力側となる第一主電極と絶縁分離した形で部分電極を設け、第一主電極及び部分電極の一方を検出側電極、他方を入力側電極として、測定駆動信号の主電極対への入力遮断後に、検出側電極に現れる残響振動信号を位相反転し、これを圧電セラミック振動板に残留する残響振動を低減するための残響抑制信号として入力側電極に帰還入力する。そのため、この超音波出力装置によれば、残響振動信号そのものの逆相振動入力により該残響振動をアクティブにキャンセルできる。その結果、残響振動を速やかにかつ効率的に減衰でき、受信側でのＳ／Ｎ比を向上することができる。

特開２００９−４９１６号公報

しかしながら、上述した超音波出力装置では、残響抑制信号を生成して印加するためのハードウェア（構成）、すなわち、検出側電極や残響抑制信号を生成する電子回路、及び配線等のハードウェアを新たに備える必要があり、構造が複雑になる。また、そのため、開発工数や製造工数等が増大し、コストも上昇する。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、残響抑制信号を生成して印加するための新たなハードウェアを備えることなく、残響を低減することが可能な超音波送信器及び超音波センサ装置を提供することを目的とする。

本発明に係る超音波送信器は、圧電素子と、圧電素子に接続された第１電極及び第２電極と、第１電極及び第２電極に接続され、複数のパルス信号からなる第１のパルス信号群を生成して間欠的に第１電極に出力するとともに、該第１のパルス信号群に対して位相を反転し、かつ、周波数を異ならせた第２のパルス信号群を生成して間欠的に第２電極に出力するパルス信号発生手段とを備え、該パルス信号発生手段が、第１のパルス信号群の位相と、第２のパルス信号群の位相とが逆位相となる領域が徐々に小さくなるように、第１のパルス信号群と第２のパルス信号群の周波数を異ならせるとともに、位相を調節することを特徴とする。

本発明に係る超音波送信器によれば、第１のパルス信号群の位相と、第２のパルス信号群の位相とが逆位相となる領域が、両パルス信号群の先頭から後尾に行くにしたがって徐々に減少するように、第１のパルス信号群と第２のパルス信号群それぞれの周波数及び位相が調節される。ここで、逆位相領域では、圧電素子の圧電効果（起振力）が増大され、該圧電素子が大きく振動する。よって、該逆位相領域が徐々に小さくなると、圧電素子の圧電効果（起振力）も徐々に小さくなる。そのため、その後、パルス信号の印加が中断されたときに、圧電素子の振動が速やかに減少して収束する。すなわち残響が速やかに減少して収束する。このように、本発明に係る超音波送信器によれば、圧電素子に印加する第１及び第２のパルス信号群の周波数と位相を調節することのみにより、残響を低減することができる。すなわち、残響抑制信号を生成して印加するための新たなハードウェアを備えることなく、残響を低減することが可能となる。

本発明に係る超音波送信器では、パルス信号発生手段が、第１のパルス信号群に含まれる先頭のパルス信号の立上がりタイミングと、第２のパルス信号群に含まれる先頭のパルス信号の立下りタイミングとを同期させて出力することが好ましい。

このようにすれば、第１，第２のパルス信号群の印加が開始されたときには圧電素子の圧電効果（起振力）を増大させて、超音波の音圧を増大し、かつ、第１，第２のパルス信号群の印加が中断されたときには速やかに残響を減少させることが可能となる。

本発明に係る超音波センサ装置は、上記いずれかの超音波送信器と、該超音波送信器により送信され、物体に反射して戻ってくる反射波を受信する超音波受信器とを備えることを特徴とする。

本発明に係る超音波センサ装置によれば、上記いずれかの超音波送信器を備えているため、上述したように、超音波を送信する際の圧電素子の残響が低減される。よって、超音波受信器側で受信される直達波に含まれる残響成分が低減されるため、超音波を送信した後、短時間で反射波が戻ってきたとしても、該反射波を検出することができ、より近距離に存在する物体を検知することが可能となる。

本発明によれば、残響抑制信号を生成して印加するための新たなハードウェアを備えることなく、圧電素子の残響を低減することが可能となる。

実施形態に係る超音波送信器、及び、該超音波送信器を備えた超音波センサ装置の構成を示すブロック図である。 実施形態に係る超音波送信器の圧電素子に印加される第１のパルス信号群及び第２のパルス信号群の一例を示す図である。 互いに周波数が異なるパルス信号群を印加した場合、及び、周波数が同一のパルス信号群を印加した場合の受信波（直達波）の波形を示す図である。 比較例に係る、周波数が同一で位相が互いに反転したパルス信号を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

まず、図１を用いて、実施形態に係る超音波送信器１０、及び、該超音波送信器１０を備えた超音波センサ装置１の構成について説明する。図１は、超音波送信器１０、及び、該超音波送信器１０を備えた超音波センサ装置１の構成を示すブロック図である。

超音波センサ装置１は、超音波を送信するとともに、物体に反射して戻ってくる反射波を受信し、受信された反射波の伝搬時間に基づいて、物体の有無、及び該物体との距離を検出する反射型の超音波センサ装置である。超音波センサ装置１は、超音波を間欠的に送信する超音波送信器１０と、超音波（反射波）を受信する超音波受信器２０とを備えている。

超音波送信器１０は、圧電セラミック１１０と、圧電セラミック１１０に接続された第１電極１１１、第２電極１１２と、第１電極１１１、第２電極１１２に接続されたパルス信号発生部１２０とを備えている。

圧電セラミック１１０は、第１電極１１１と第２電極１１２との間に電圧（パルス信号）が印加されたときに、その電圧に応じた機械的な変位が生じる圧電現象を利用して超音波を発生する素子（圧電素子）である。圧電セラミック１１０としては、例えば、チタン酸バリウム等が好適に用いられる。なお、本実施形態では、圧電セラミック１１０として、共振周波数が６０ｋＨｚのものを用いた。

パルス信号発生部１２０は、主として、発振器１２１、カウンタ１２２、及び、ＡＮＤゲート１２３、並びにＮＡＮＤゲート１２４を有して構成されている。発振器１２１には、例えば、ＣＭＯＳゲート回路を利用した発振器などが好適に用いられる。発振器１２１によって生成され、出力された原振クロック信号（パルス信号）は、カウンタ１２２によって分周され、ＡＮＤゲート１２３、ＮＡＮＤゲート１２４それぞれを介して出力される。すなわち、パルス信号発生部１２０は、請求の範囲に記載のパルス信号発生手段として機能する。

ＡＮＤゲート１２３の出力端子は、圧電セラミック１１０の第１電極１１１に接続されており、ＮＡＮＤゲート１２４の出力端子は、圧電セラミック１１０の第２電極１１２に接続されている。パルス信号発生部１２０は、複数（本実施形態では４つ）のパルス信号からなる第１のパルス信号群１３１を生成して間欠的に（例えば、数十ｍｓｅｃ．毎に）ＡＮＤゲート１２３から第１電極１１１に出力する。また、パルス信号発生部１２０は、上記第１のパルス信号群１３１に対して位相を反転し、かつ、周波数を異ならせた第２のパルス信号群１３２を生成して間欠的に（例えば、数十ｍｓｅｃ．毎に）ＮＡＮＤゲート１２４から第２電極１１２に出力する。

ここで、パルス信号発生部１２０によって生成されて出力される第１のパルス信号群１３１及び第２のパルス信号群１３２の一例を図２に示す。図２に示されるように、パルス信号発生部１２０は、第１電極１１１に出力される第１のパルス信号群１３１の位相と、第２電極１１２に出力される第２のパルス信号群１３２の位相とが逆位相となる領域が徐々に小さくなるように、第１のパルス信号群１３１と第２のパルス信号群１３２の周波数を異ならせるとともに、位相を調節する。

より具体的には、パルス信号発生部１２０は、第１のパルス信号群１３１に含まれる先頭のパルス信号の立上がりタイミング（立上りエッジ）と、第２のパルス信号群１３２に含まれる先頭のパルス信号の立下りタイミング（立下りエッジ）とを同期させて出力する。

また、本実施形態では、第１のパルス信号群１３１の周波数を３５．９ｋＨｚに設定し、第２のパルス信号群１３２の周波数を３２．８ｋＨｚに設定した。

このようにして、図２に示される第１のパルス信号群１３１及び第２のパルス信号群１３２が、第１電極１１１と第２電極１１２に印加されることにより、圧電セラミック１１０から超音波信号が送信される。

なお、パルス信号発生部１２０の構成は、上述した構成には限られない。例えば、上述した構成では、１台のカウンタ１２２を用いて２チャンネルの出力を行ったが、２台のカウンタを用いる構成としてもよい。また、例えば、カウンタ１２２、ＡＮＤゲート１２３、ＮＡＮＤゲート１２４に代えて、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等を用いて回路を構築してもよい。さらに、パルス信号発生部１２０に代えて、例えば、ファンクションジェネレータ（ＦＧ）を用いてパルス信号（第１のパルス信号群１３１、第２のパルス信号群１３２）を生成してもよい。

一方、超音波受信器２０は、超音波送信器１０から送信され、物体に反射されて戻ってくる反射波、及び、超音波送信器１０から直接到達する超音波（直達波）を受信する。超音波受信器２０は、圧電セラミック２１０及び受信回路部２２０等を有して構成されている。

圧電セラミック２１０は、上述した圧電セラミック１１０と同様に、例えば、チタン酸バリウム等から形成され、超音波振動エネルギーを電気信号に変換して出力する素子（圧電素子）である。なお、圧電セラミック２１０は、受信回路部２２０に接続されており、該圧電セラミック２１０により生成された電気信号は、受信回路部２２０に出力される。

受信回路部２２０は、増幅器２２１等を有している。増幅器２２１は、例えばオペアンプ等を用いた増幅回路によって構成されており、圧電セラミック２１０から入力され、フィルタによってノイズが除去された電気信号（超音波信号）を増幅する。増幅された電気信号は、出力端子２２２から出力される。なお、出力端子２２２から出力された電気信号は、例えば、信号処理装置（図示省略）において、反射波の信号が検出されるとともに、超音波の伝搬時間が測定され、その結果に基づいて、物体の有無及び該物体との距離が検出される。ここで、これらの信号処理には、公知の構成（方法）を利用することができるため、ここでは詳細な説明を省略する。

上述した構成を有することにより、超音波送信器１０によれば、第１のパルス信号群１３１の位相と、第２のパルス信号群１３２の位相とが逆位相となる領域が、図２に示されるように、両パルス群の先頭から後尾に行くにしたがって徐々に減少する。ここで、上記逆位相領域では、圧電セラミック１１０の圧電効果（起振力）が増大され、該圧電セラミック１１０が大きく振動する。よって、該逆位相領域が徐々に小さくなると、圧電セラミック１１０の圧電効果（起振力）も徐々に小さくなる。そのため、その後、パルス信号の印加が中断されたときに、圧電セラミック１１０の振動が速やかに減少して収束する。すなわち残響が速やかに減少して収束する。

また、超音波送信器１０によれば、第１のパルス信号群１３１に含まれる先頭のパルス信号の立上がりエッジと、第２のパルス信号群１３２に含まれる先頭のパルス信号の立下りエッジとが同期されて出力されるため、第１，第２のパルス信号群１３１，１３２の印加が開始されたときには圧電セラミック１１０の圧電効果（起振力）が増大されて、超音波の音圧が増大し、かつ、第１，第２のパルス信号群１３１，１３２の印加が中断されたときには速やかに残響が減少する。

特に、超音波送信器１０によれば、第１のパルス信号群１３１の周波数が３５．９ｋＨｚに設定され、第２のパルス信号群１３２の周波数が３２．８ｋＨｚに設定されているため、第１のパルス信号群１３１及び第２のパルス信号群１３２それぞれによって引き起こされる圧電セラミック１１０の振動波形が、該第１，第２のパルス信号群１３１，１３２の後尾領域で、振動を互いに打ち消し合う方向にずれ、重ね合わせの原理により、圧電セラミック１１０の振動振幅がより低減される。

また、超音波センサ装置１によれば、超音波送信器１１０を備えているため、上述したように、超音波を送信する際の圧電セラミック１１０の残響が低減される。よって、超音波受信器２０側で受信される直達波に含まれる残響成分が低減される。

ここで、図２に示したように、第１のパルス信号群１３１の位相と、第２のパルス信号群１３２の位相とが逆位相となる領域が徐々に小さくなるように、第１のパルス信号群１３１と第２のパルス信号群１３２の周波数を異ならせるとともに、位相を調節したことの効果を確認するために、上述したように双方のパルス信号群の周波数を異ならせた場合（本実施形態）と、双方のパルス信号群の周波数を同一（３５．９ｋＨｚ）とした場合（比較例）それぞれについて、超音波受信器２０で受信された直達波に含まれる残響を測定した。そこで、図３，４を参照しつつ、印加するパルス信号群の周波数を異ならせることによる残響の低減効果について説明する。

図３は、互いに周波数が異なる第１，第２のパルス信号群１３１，１３２を印加した場合、及び、周波数が同一のパルス信号群を印加した場合それぞれの受信波（直達波）の波形を示す図である。なお、図３の横軸は時間（ｍｓｅｃ．）であり、縦軸は電圧（Ｖ）である。より詳細には、図３の上段は、図４に示されるパルス信号群、すなわち、互いの周波数が同一で位相が反転されたパルス信号群（比較例）を圧電セラミック１１０に印加した場合の受信波（直達波）の波形を示す。なお、一方のパルス信号群を構成する先頭のパルス信号の立上りエッジと、他方のパルス信号群を構成する先頭のパルス信号の立下りエッジとは同期させた。

一方、図３の下段は、図２に示した本実施形態に係る第１，第２のパルス信号群１３１，１３２、すなわち、互いに周波数が異なる第１，第２のパルス信号群１３１，１３２を圧電セラミック１１０に印加した場合の受信波（直達波）の波形を示す。

図３の下段に示されるように、互いに周波数が異なる第１，第２のパルス信号群１３１，１３２を圧電セラミック１１０に印加した場合、すなわち、本実施形態に係る超音波送信器１０によれば、図３の上段に示されるように、周波数が同一のパルス信号群を印加した場合（比較例）と比べて、残響の振幅が小さくなり、かつ、残響時間が短縮されることが確認された。

以上、詳細に説明したように、本実施形態に係る超音波送信器１０によれば、第１のパルス信号群１３１の位相と、第２のパルス信号群１３２の位相とが逆位相となる領域が、両パルス信号群の先頭から後尾に行くにしたがって徐々に減少するように、第１のパルス信号群１３１と第２のパルス信号群１３２それぞれの周波数及び位相が調節される。そのため、その後、第１，第２のパルス信号群１３１，１３２の印加が中断されたときに、圧電セラミック１１０の振動が速やかに減少して収束する。すなわち残響が速やかに減少して収束する。このように、超音波送信器１０によれば、圧電セラミック１１０に印加する第１及び第２のパルス信号群１３１，１３２の周波数と位相を調節することのみにより、残響を低減することができる。すなわち、残響抑制信号を生成して印加するための新たなハードウェアを追加することなく、よりシンプルな構成で、圧電セラミック１１０の残響を低減することが可能となる。その結果、超音波センサ装置１（超音波送信器１０）の開発工数や製造工数等を低減でき、コストを低減することができる。また、従来品に対してアドオン（後付け）で適用することが可能となる。

また、本実施形態に係る超音波送信器１０では、第１のパルス信号群１３１に含まれる先頭のパルス信号の立上がりエッジと、第２のパルス信号群１３２に含まれる先頭のパルス信号の立下りエッジとが同期されて出力される。そのため、第１，第２のパルス信号群１３１，１３２の印加が開始されたときには圧電セラミック１１０の圧電効果（起振力）を増大させて、超音波の音圧を増大し、かつ、第１，第２のパルス信号群１３１，１３２の印加が中断されたときには速やかに残響を減少させることが可能となる。

特に、本実施形態に係る超音波送信器１０では、第１のパルス信号群１３１の周波数が３５．９ｋＨｚに設定され、第２のパルス信号群１３２の周波数が３２．８ｋＨｚに設定される。そのため、第１のパルス信号群１３１及び第２のパルス信号群１３２それぞれによって引き起こされる圧電セラミック１１０の振動波形が、該第１，第２のパルス信号群１３１，１３２の後尾領域で、振動を互いに打ち消し合う方向にずれ、重ね合わせの原理により、圧電セラミック１１０の振動振幅がより低減される。その結果、残響をより効果的に低減することが可能となる。

本実施形態に係る超音波センサ装置１によれば、上記超音波送信器１０を備えているため、上述したように、超音波を送信する際の圧電セラミック１１０の残響が低減される。よって、超音波受信器２０側で受信される直達波に含まれる残響成分が低減されるため、超音波を送信した後、短時間で反射波が戻ってきたとしても、該反射波を検出することができ、より近距離に存在する物体を検知することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、第１のパルス信号群１３１の周波数を３５．９ｋＨｚに設定し、第２のパルス信号群１３２の周波数を３２．８ｋＨｚに設定したが、該第１のパルス信号群１３１及び第２のパルス信号群１３２それぞれの周波数は、上記実施形態には限られない。

また、上記実施形態では、超音波送信器１０と超音波受信器２０とを別体で構成したが、１つの圧電セラミック（圧電素子）で構成してもよい。

また、上記実施形態では、反射型の超音波センサ装置１に適用した場合を例にして説明したが、本発明は、例えば、透過型の超音波センサ装置にも適用することができる。

また、上記実施形態では、第１のパルス信号群１３１を第１電極１１１に印加し、第２のパルス信号群１３２を第２電極１１２に印加したが、それぞれ逆の電極に印加する構成としてもよい。

１ 超音波センサ装置
１０ 超音波送信器
２０ 超音波受信器
１１０ 圧電セラミック
１１１ 第１電極
１１２ 第２電極
１２０ パルス信号発生部
１２１ 発振器
１２２ カウンタ
１２３ ＡＮＤゲート
１２４ ＮＡＮＤゲート
１３１ 第１のパルス信号群
１３２ 第２のパルス信号群
２１０ 圧電セラミック
２２０ 受信回路部
２２１ 増幅器
２２２ 出力端子

本発明に係る超音波送信器は、圧電素子と、圧電素子に接続された第１電極及び第２電極と、第１電極及び第２電極に接続され、複数のパルス信号からなる第１のパルス信号群を生成して間欠的に第１電極に出力するとともに、該第１のパルス信号群に対して位相を反転し、かつ、周波数を異ならせた第２のパルス信号群を生成して間欠的に第２電極に出力するパルス信号発生手段とを備え、該パルス信号発生手段が、第１のパルス信号群の位相と、第２のパルス信号群の位相とが逆位相となる領域が、両パルス信号群の先頭から後尾に行くにしたがって徐々に小さくなるように、第１のパルス信号群と第２のパルス信号群の周波数を異ならせるとともに、位相を調節することを特徴とする。

Claims (3)

1. 圧電素子と、
   前記圧電素子に接続された第１電極及び第２電極と、
   前記第１電極及び前記第２電極に接続され、複数のパルス信号からなる第１のパルス信号群を生成して間欠的に前記第１電極に出力するとともに、該第１のパルス信号群に対して位相を反転し、かつ、周波数を異ならせた第２のパルス信号群を生成して間欠的に前記第２電極に出力するパルス信号発生手段と、を備え、
   前記パルス信号発生手段は、前記第１のパルス信号群の位相と、前記第２のパルス信号群の位相とが逆位相となる領域が徐々に小さくなるように、前記第１のパルス信号群と前記第２のパルス信号群の周波数を異ならせるとともに、位相を調節することを特徴とする超音波送信器。
2. 前記パルス信号発生手段は、前記第１のパルス信号群に含まれる先頭のパルス信号の立上がりタイミングと、前記第２のパルス信号群に含まれる先頭のパルス信号の立下りタイミングとを同期させて出力することを特徴とする請求項１に記載の超音波送信器。
3. 請求項１又は２に記載の超音波送信器と、
   前記超音波送信器により送信され、物体に反射して戻ってくる反射波を受信する超音波受信器と、を備えることを特徴とする超音波センサ装置。
   

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