KR20170103908A - 초음파 센서 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

종래보다도 간소한 회로 구성으로 잔향 진동을 억제할 수 있는 초음파 센서를 제공한다. 초음파 센서(100)는 초음파의 송신용 영역(50A)과 초음파의 반사파의 수신용 영역(50B)을 포함하는 평판상의 압전체(50)와, 송신용 영역(50A)과 수신용 영역(50B)에 마련되어 있는 공통 전극(30)과, 송신용 영역(50A)에 마련되어 있는 송신용 전극(10)과, 수신용 영역(50B)에 마련되어 있는 수신용 전극(20)과, 송신용 전극(10) 및 수신용 전극(20)에 전기적으로 접속되어 있는 반도체 소자(107)와, 송신용 전극(10) 및 수신용 전극(20)에 전기적으로 접속되고, 경로(109)를 도통 상태와 비도통 상태 사이에서 전환하는 반도체 소자(107)를 포함한다. 반도체 소자(107)는 교류 전압의 인가의 정지 후에 경로(109)를 도통 상태로 함으로써, 초음파의 잔향 진동에 따라서 수신용 영역(50B)으로부터 출력되는 잔향 신호를 송신용 전극(10)에 피드백한다.

Description

초음파 센서 및 그 제어방법
본 개시는 압전 소자를 포함한 초음파 센서에 관한 것으로, 보다 특정적으로는 초음파 센서의 제어에 관한 것이다.
압전 소자를 포함하는 초음파 센서가 알려져 있다. 초음파 센서는 압전 소자에 교류 전압을 인가함으로써 해당 압전 소자를 진동시켜 초음파를 발신한다. 초음파 센서는 물체에 반사된 초음파를 수신한 것에 기초하여 물체를 검출한다.
초음파의 발신 후에는 초음파 센서에 진동이 남는다. 초음파 센서는 이 진동(이하, "잔향(殘響) 진동"이라고도 함)을 반사파로서 오검출하는 경우가 있다. 최근에 잔향 진동을 억제하기 위한 기술이 개발되고 있다. 예를 들면, 일본 공개특허공보 2009-4916호(특허문헌 1)는 잔향 진동을 억제할 수 있는 초음파 출력장치를 개시하고 있다.
일본 공개특허공보 2009-4916호
특허문헌 1에 개시되는 초음파 출력장치는 잔향 진동을 검출하는 검출 부분과, 초음파의 송수신을 실시하는 송수 부분으로 구성된다. 해당 초음파 출력장치는 검출 부분에서 검출된 잔향 진동에 따라서 잔향 진동을 억제하기 위한 신호를 생성한다. 그 후, 해당 초음파 출력장치는 생성된 신호를 송수 부분에 귀환함으로써 잔향 진동을 억제한다. 해당 초음파 출력장치에 있어서는 잔향 진동을 검출하기 위한 검출 부분이 부가적으로 마련되어 있기 때문에, 잔향 진동을 억제하기 위한 신호를 송수 부분에 귀환하기 위한 회로 구성이 필요하게 된다. 그 결과, 회로 구성이 복잡해진다.
본 개시는 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 어느 국면에서의 목적은 종래보다도 간소한 회로 구성으로 잔향 진동을 억제할 수 있는 초음파 센서를 제공하는 것이다. 다른 국면에서의 목적은 종래보다도 간소한 회로 구성으로 잔향 진동을 억제할 수 있는 초음파 센서의 제어방법을 제공하는 것이다.
어느 국면을 따르면, 초음파 센서는 압전 소자를 포함한다. 압전 소자는 교류 전압이 인가됨으로써 초음파를 발신하기 위한 송신용 영역과 초음파의 반사파를 수신하기 위한 수신용 영역을 포함하는 평판상의 압전체와, 송신용 영역 및 수신용 영역에 마련되어 있는 공통 전극과, 송신용 영역을 사이에 끼고 공통 전극에 대향하도록 배치되며 송신용 영역에 마련되어 있는 송신용 전극과, 수신용 영역을 사이에 끼고 공통 전극에 대향하도록 배치되며 수신용 영역에 마련되어 있는 수신용 전극을 포함한다. 초음파 센서는 송신용 전극 및 수신용 전극에 전기적으로 접속되어 있고, 송신용 전극과 수신용 전극 사이의 전기적인 경로를 도통(導通) 상태와 비도통 상태 사이에서 전환하는 반도체 소자를 포함한다. 바람직하게는, 반도체 소자는 교류 전압의 인가의 정지 후에 경로를 도통 상태로 함으로써, 초음파의 잔향 진동에 따라서 수신용 영역으로부터 출력되는 잔향 신호를 송신용 전극에 피드백한다.
바람직하게는, 반도체 소자는 잔향 신호를 송신용 전극에 피드백한 후에 경로를 도통 상태에서 비도통 상태로 전환한다.
바람직하게는, 초음파 센서는 경로에 있어서 반도체 소자와 직렬로 접속되어 있는 증폭기를 더 포함한다. 증폭기는 잔향 신호를 증폭하고, 증폭 후의 잔향 신호를 송신용 전극에 출력한다.
바람직하게는, 초음파 센서는 전류를 전압으로 변환하는 I/V 변환 회로를 더 포함한다. I/V 변환 회로는 경로 상에 마련되어 있다.
바람직하게는, I/V 변환 회로는 초음파 센서가 이상 발진하는 원인이 되는 주파수 대역의 신호를 필터링한다.
바람직하게는, I/V 변환 회로는 오피 앰프(operational amplifier)와 콘덴서를 포함한다. 오피 앰프의 반전 입력 단자는 수신용 전극에 전기적으로 접속되어 있다. 오피 앰프의 출력 단자는 증폭기에 전기적으로 접속되어 있다. 콘덴서는 반전 입력 단자와 출력 단자에 전기적으로 접속되어 있다.
바람직하게는, 초음파 센서는 I/V 변환 회로에 전기적으로 접속되어 있는 수신 회로를 더 포함한다.
바람직하게는, 초음파 센서는 검지 거리가 서로 다른 복수의 동작모드를 가진다. 복수의 동작모드의 각각에는 검지 거리에 따라서 압전 소자의 제어 조건이 미리 대응되어 있다. 초음파 센서는 복수의 동작모드를 순서대로 전환하고, 현재의 동작모드에 따른 제어 조건으로 압전 소자를 제어한다.
바람직하게는, 초음파 센서는 제1 동작모드와, 제1 동작모드보다도 검지 거리가 긴 제2 동작모드를 가진다. 초음파 센서는 제1 동작모드에 있어서 잔향 신호를 송신용 전극에 피드백하는 처리를 실행하고, 제2 동작모드에 있어서 잔향 신호를 송신용 전극에 피드백하는 처리를 실행하지 않는다.
바람직하게는, 초음파 센서는 경로 상에 마련되어 있는 승압 트랜스를 더 포함한다.
다른 국면을 따르면, 초음파 센서의 제어방법이 제공된다. 초음파 센서는 압전 소자를 포함한다. 압전 소자는 교류 전압이 인가됨으로써 초음파를 발신하기 위한 송신용 영역과, 초음파의 반사파를 수신하기 위한 수신용 영역을 포함하는 평판상의 압전체와, 송신용 영역 및 수신용 영역에 마련되어 있는 공통 전극과, 송신용 영역을 사이에 끼고 공통 전극에 대향하도록 배치되며 송신용 영역에 마련되어 있는 송신용 전극과, 수신용 영역을 사이에 끼고 공통 전극에 대향하도록 배치되며 수신용 영역에 마련되어 있는 수신용 전극을 포함한다. 초음파 센서는 송신용 전극 및 수신용 전극에 전기적으로 접속되어 있고, 송신용 전극과 수신용 전극 사이의 전기적인 경로를 도통 상태와 비도통 상태 사이에서 전환하는 반도체 소자를 더 포함한다. 제어방법은 경로를 비도통 상태로 하는 스텝과, 경로를 비도통 상태로 한 후에 송신용 영역에 교류 전압을 인가하는 스텝과, 교류 전압의 인가의 정지 후에 경로를 도통 상태로 함으로써, 초음파의 잔향 진동에 따라서 수신용 영역으로부터 출력되는 잔향 신호를 송신용 전극에 피드백하는 스텝을 포함한다.
어느 국면에 있어서, 종래보다도 간소한 회로 구성으로 잔향 진동을 억제할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 국면 및 이점은 첨부한 도면과 관련하여 이해되는 본 발명에 관한 다음의 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 초음파 센서의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 제1 실시형태에 따른 초음파 센서의 동작예를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 3은 제1 실시형태에 따른 초음파 센서가 실행하는 처리의 일부를 나타내는 플로우 차트이다.
도 4는 제1 실시형태에 따른 초음파 센서가 잔향 진동을 억제하지 않은 경우에서의 각 신호를 나타내는 도면이다.
도 5는 제1 실시형태에 따른 초음파 센서가 잔향 진동을 억제한 경우에서의 각 신호를 나타내는 도면이다.
도 6은 비교예에 따른 초음파 센서의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은 반도체 소자의 전환에 의해 발생하는 노이즈 신호를 나타내는 도면이다.
도 8은 비교예에 따른 초음파 센서의 각 신호를 나타내는 도면이다.
도 9는 제1 실시형태에 따른 압전 소자를 나타내는 평면도이다.
도 10은 제1 실시형태에 따른 압전 소자를 나타내는 사시도(斜視圖)이다.
도 11은 제1 실시형태에 따른 압전 소자 및 그 내부구조를 나타내는 사시도이다.
도 12는 제1 실시형태에 따른 압전 소자에 포함되는 송신용 전극과, 수신용 전극과, 공통 전극을 나타내는 사시도이다.
도 13은 도 9 중의 XIII-XIII선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 14는 도 9 중의 XIV-XIV선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 15는 도 9 중의 XV-XV선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 16은 제2 실시형태에 따른 초음파 센서의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 17은 제3 실시형태에 따른 초음파 센서의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 18은 제3 실시형태에 따른 초음파 센서에 발생하는 기생 용량을 나타내는 도면이다.
도 19는 제4 실시형태에 따른 초음파 센서의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 20은 비교예에 따른 초음파 센서의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 21은 이상 발진이 발생하고 있는 경우의 시뮬레이션 결과와, 이상 발진이 발생하고 있지 않은 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 22는 잔향 진동의 억제시에 초음파 센서에 흐르는 신호의 주파수와, 해당 신호에 대한 초음파 센서의 게인(gain)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 23은 제4 실시형태에 따른 초음파 센서 및 비교예에 따른 초음파 센서에서의 온도에 대한 잔향 시간의 차이를 나타내는 도면이다.
도 24는 제5 실시형태에 따른 초음파 센서의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 25는 제6 실시형태에 따른 초음파 센서의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 26은 제7 실시형태에 따른 초음파 센서가 실행하는 처리의 일부를 나타내는 플로우 차트이다.
도 27은 제7 실시형태에서의 제어 정보의 내용을 나타내는 도면이다.
도 28은 제8 실시형태에 따른 초음파 센서가 실행하는 처리의 일부를 나타내는 플로우 차트이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 각 실시형태에 대해서 설명한다. 이하의 설명에서는, 동일한 부품 및 구성 요소에는 동일한 부호를 첨부하고 있다. 그들의 명칭 및 기능도 동일하다. 따라서, 이들에 관한 상세한 설명은 반복하지 않는다. 또한, 이하에서 설명하는 각 실시형태 또는 변형예는 적절히 선택적으로 조합되어도 된다.
<제1 실시형태>
[초음파 센서(100)의 회로 구성]
도 1을 참조하여 제1 실시형태에 따른 초음파 센서(100)에 대해서 설명한다. 도 1은 초음파 센서(100)의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
초음파 센서(100)는 예를 들면, 차량, 스마트폰 등에 탑재된다. 초음파 센서(100)는 초음파를 발신하고 나서 반사파를 수신할 때까지의 시간에 따라서 자신으로부터 물체까지의 거리를 계측한다. 혹은 초음파 센서(100)는 반사파를 수신한 것에 기초하여 물체가 존재하고 있는 것을 검출한다.
도 1에 도시하는 바와 같이 초음파 센서(100)는 제어 회로(101)와, 메모리(102), 신호 생성 회로(104), 전원(105), 반도체 소자(107), 증폭기(108), 수신 회로(110), 압전 소자(200)를 포함한다.
제어 회로(101)는 예를 들면, 마이크로 컴퓨터이다. 반도체 소자(107)는 예를 들면, 트랜지스터이다. 제어 회로(101)는 반도체 소자(107)를 구동하여 송신용 전극(10)과 수신용 전극(20) 사이의 전기적인 경로(109)를 도통 상태와 비도통 상태 사이에서 전환한다. 또한, 제어 회로(101)는 메모리(102)에 저장되어 있는 데이터를 읽어 내어, 초음파 센서(100)의 구동에 적합한 제어 신호를 신호 생성 회로(104)에 출력한다. 전원(105)은 예를 들면 12V의 직류 전압을 신호 생성 회로(104)에 출력한다. 신호 생성 회로(104)는 제어 회로(101)로부터 출력된 제어 신호에 기초하여 직류 전압으로부터 교류 전압을 생성한다. 교류 전압은 필요에 따라서 증폭 회로(도시하지 않음)에 의해 승압된 상태로 압전 소자(200)에 공급된다.
압전 소자(200)는 송신용 전극(10)과, 수신용 전극(20), 공통 전극(30), 압전체(50)를 포함한다. 압전 소자(200)는 예를 들면, 평판상이다. 송신용 전극(10)에는 단자(DRV)가 마련되어 있다. 수신용 전극(20)에는 단자(REC)가 마련되어 있다. 공통 전극(30)에는 단자(COM)가 마련되어 있다. 압전 소자(200)는 단자(DRV), 단자(REC) 및 단자(COM)로 이루어지는 3단자 구조를 가지고 있다. 단자(COM)는 접지되어 있는데, 반드시 접지될 필요는 없다.
압전체(50)는 초음파를 발신하기 위한 송신용 영역(50A)과, 초음파의 반사파를 수신하기 위한 수신용 영역(50B)을 포함한다. 송신용 전극(10)은 송신용 영역(50A)을 사이에 끼고 공통 전극(30)에 대향하도록 배치되어 있으며, 송신용 영역(50A)에 전기적으로 접속되어 있다. 수신용 전극(20)은 수신용 영역(50B)을 사이에 끼고 공통 전극(30)에 대향하도록 배치되어 있으며, 수신용 영역(50B)에 전기적으로 접속되어 있다. 공통 전극(30)은 송신용 영역(50A) 및 수신용 영역(50B)에 전기적으로 접속되어 있다.
증폭기(108)는 수신용 전극(20)과 반도체 소자(107)에 직렬로 접속되어 있다. 일례로서, 증폭기(108)는 저항과 오피 앰프로 구성되는 반전 증폭 회로이다.
수신 회로(110)는 반사파를 받아서 수신용 영역(50B)에 있어서 발생한 수파(受波) 신호를 전압값으로서 검출하고, 해당 전압값을 제어 회로(101)에 출력한다.
한편, 도 1에는 3단자 구조의 초음파 센서(100)가 나타나 있지만, 초음파 센서(100)는 4개 이상의 단자로 이루어지는 구조를 가져도 된다. 이 경우, 예를 들면, 송신용 전극(10) 및 수신용 전극(20)과는 다른 전극이, 압전체(50)를 사이에 끼고 공통 전극(30)에 대향하도록 배치되는 형태 등이 있다. 해당 전극은 압전체(50)에 전기적으로 접속된다.
[초음파 센서(100)의 동작]
도 2를 참조하여, 본 실시형태에 따른 초음파 센서(100)의 동작에 대해서 설명한다. 도 2는 초음파 센서(100)의 동작예를 개략적으로 나타내는 개념도이다. 설명을 알기 쉽게 하기 위해서, 도 2에 있어서는 도 1에 나타나는 제어 회로(101), 메모리(102), 전원(105) 및 수신 회로(110)를 나타내지 않고 있다.
도 2에 도시하는 바와 같이 본 실시형태에 따른 초음파 센서(100)는 초음파를 발신하는 스텝(A)과, 초음파의 발신에 의해 발생하는 잔향 진동을 억제하는 스텝(B)과, 초음파의 반사파를 수신하는 스텝(C)을 순서대로 실행한다. 이하에서는 스텝(A)~(C)에 대해서 순서대로 설명한다.
스텝(A)에 있어서, 제어 회로(101)는 반도체 소자(107)를 구동하여 경로(109)를 비도통 상태로 한다. 그 후, 제어 회로(101)가 신호 생성 회로(104)에 제어 명령을 출력함으로써, 신호 생성 회로(104)는 압전 소자(200)의 송신용 영역(50A)에 교류 전압을 인가한다. 바람직하게는 교류 전압의 주기는 압전 소자(200)의 송신용 영역(50A)의 공진 주파수와 동일하다. 송신용 영역(50A)은 교류 전압이 인가됨으로써 역압전 효과에 의한 진동을 개시하고, 공기 중 등을 향하여 초음파를 발신한다.
스텝(B)에 있어서, 제어 회로(101)는 초음파의 발신을 개시하고 나서 미리 정해진 시간(예를 들면, 수 마이크로 초~수 밀리 초)이 경과한 후에 송신용 영역(50A)에 대한 교류 전압의 인가를 정지한다. 이때, 송신용 영역(50A)의 진동은 곧바로는 가라앉지 않는다. 즉, 교류 전압의 인가가 정지된 후에 있어서도, 송신용 영역(50A)은 잠시동안 진동한다. 이 진동(즉, 잔향 진동)은 수신용 영역(50B)에 영향을 주고, 수신용 영역(50B)은 송신용 영역(50A)과 공진한다.
제어 회로(101)는 교류 전압의 인가의 정지 후에 경로(109)를 비도통 상태에서 도통 상태로 전환한다. 이로 인해, 송신용 전극(10), 송신용 영역(50A), 공통 전극(30), 수신용 영역(50B), 수신용 전극(20) 및 경로(109)의 순으로 구성되는 폐회로가 형성된다. 상술한 바와 같이, 송신용 영역(50A)과 수신용 영역(50B)은 잔향 진동에 의해 진동한다. 잔향 진동이 상쇄되도록 적절한 위상의 신호가 주어짐으로써 송신용 영역(50A) 및 수신용 영역(50B)의 잔향 진동이 억제된다. 예를 들면, 본 실시형태에서는 경로(109) 상에 있어서 잔향 진동의 진동 속도에 대하여 180도 위상이 어긋난 전압이 송신 단자에 피드백됨으로써 잔향 진동이 단시간에 억제된다. 즉, 잔향 진동에 따라서 수신용 영역(50B)으로부터 출력되는 잔향 신호가 전압으로서 송신용 전극(10)에 피드백됨으로써 압전 소자(200)의 잔향 진동이 억제된다.
바람직하게는, 증폭기(108)는 수신용 영역(50B)으로부터 출력되는 잔향 신호를 증폭하고, 증폭 후의 잔향 신호를 송신용 전극(10)에 출력한다. 잔향 신호의 증폭율은 설계시에 미리 정해져 있어도 되고, 송신용 영역(50A)에 인가되는 교류 전압의 크기에 따라서 바껴도 된다.
스텝(C)에 있어서, 제어 회로(101)는 잔향 신호를 송신용 전극(10)에 피드백한 후에 경로(109)를 도통 상태에서 비도통 상태로 전환한다. 이로 인해, 수신용 영역(50B)은 물체에 반사된 초음파를 수신할 수 있다. 그 결과, 초음파 센서(100)는 반사파를 정확하게 검출할 수 있다. 수신용 영역(50B)은 초음파를 수신함으로써 진동하고, 압전효과에 의한 신호를 전압값으로서 제어 회로(101)에 출력한다.
[초음파 센서(100)의 제어 구조]
도 3을 참조하여 초음파 센서(100)의 제어 구조에 대해서 설명한다. 도 3은 초음파 센서(100)가 실행하는 처리의 일부를 나타내는 플로우 차트이다. 도 3의 처리는 초음파 센서(100)의 제어 회로(101)(도 1 참조)가 프로그램을 실행함으로써 실현된다. 다른 국면에 있어서, 처리의 일부 또는 전부가, CPU(Central Processing Unit), 그 밖의 하드웨어에 의해 실행되어도 된다.
스텝 S10에 있어서, 제어 회로(101)는 반도체 소자(107)(도 2 참조)를 구동하여 경로(109)(도 2 참조)를 비도통 상태로 한다.
스텝 S12에 있어서, 제어 회로(101)는 압전 소자(200)의 송신용 영역(50A)에 교류 전압을 인가하고, 송신용 영역(50A)으로부터 초음파를 발신시킨다.
스텝 S20에 있어서, 제어 회로(101)는 송신용 영역(50A)에 교류 전압을 인가하고 나서 미리 정해진 시간(예를 들면, 수 마이크로 초~수 밀리 초)이 경과했는지 여부를 판단한다. 제어 회로(101)는 송신용 영역(50A)에 교류 전압을 인가하고 나서 미리 정해진 시간이 경과했다고 판단한 경우(스텝 S20에 있어서 YES), 제어를 스텝 S22로 전환한다. 그렇지 않은 경우에는(스텝 S20에 있어서 NO), 제어 회로(101)는 스텝 S20의 처리를 다시 실행한다.
스텝 S22에 있어서, 제어 회로(101)는 송신용 영역(50A)에 대한 교류 전압의 인가를 정지한다.
스텝 S24에 있어서, 제어 회로(101)는 반도체 소자(107)를 구동하여, 경로(109)를 비도통 상태에서 도통 상태로 전환한다. 이로 인해, 잔향 진동에 따라서 출력되는 잔향 신호가 수신용 영역에서 송신용 전극에 피드백된다. 그 결과, 초음파 센서(100)의 잔향 진동이 억제된다.
스텝 S30에 있어서, 제어 회로(101)는 경로(109)를 도통 상태로 하고 나서 미리 정해진 시간(예를 들면, 수 마이크로 초~수 밀리 초)이 경과했는지 여부를 판단한다. 제어 회로(101)는 경로(109)를 도통 상태로 하고 나서 미리 정해진 시간이 경과했다고 판단한 경우(스텝 S30에 있어서 YES), 제어를 스텝 S32로 전환한다. 그렇지 않은 경우에는(스텝 S30에 있어서 NO), 제어 회로(101)는 스텝 S30의 처리를 다시 실행한다.
스텝 S32에 있어서, 제어 회로(101)는 반도체 소자(107)를 구동하여, 경로(109)를 도통 상태에서 비도통 상태로 전환한다.
스텝 S34에 있어서, 제어 회로(101)는 발신한 초음파의 반사파를 수신하고, 해당 반사파를 전압값으로서 수신 회로(110)(도 1 참조)에 출력한다.
[비교 결과 1]
도 4 및 도 5를 참조하여, 잔향 진동을 억제한 경우에서의 초음파 센서(100)의 출력과, 잔향 진동을 억제하지 않은 경우에서의 초음파 센서(100)의 출력을 비교한다. 도 4는 잔향 진동을 억제하지 않은 경우에서의 초음파 센서(100)의 출력 파형을 나타내는 도면이다. 도 5는 잔향 진동을 억제한 경우에서의 초음파 센서(100)의 출력 파형을 나타내는 도면이다.
도 4의 그래프(A)에는 제어 회로(101)(도 1 참조)가 신호 생성 회로(104)(도 1 참조)에 출력하는 제어 신호가 나타나 있다. 신호 생성 회로(104)는 제어 신호를 받으면, 압전 소자(200)의 송신용 영역(50A)(도 1 참조)에 교류 전압을 인가한다.
보다 구체적으로는 시각 T1에서 시각 T2까지의 사이, 제어 회로(101)는 신호 생성 회로(104)(도 1 참조)에 대하여 제어 신호를 출력한다. 이로 인해, 신호 생성 회로(104)는 송신용 영역(50A)에 교류 전압을 인가한다. 시각 T2 이후에 있어서, 제어 회로(101)는 신호 생성 회로(104)에 대한 제어 신호의 출력을 정지한다. 이로 인해, 신호 생성 회로(104)는 압전 소자(200)의 송신용 영역(50A)에 교류 전압을 인가하는 것을 정지한다.
도 4의 그래프(B)에는 제어 회로(101)가 반도체 소자(107)(도 1 참조)에 출력하는 제어 신호가 나타나 있다. 도 4의 그래프(B)에 도시하는 바와 같이 제어 회로(101)는 제어를 개시하고 나서 종료할 때까지의 사이, 반도체 소자(107)에 제어 신호를 출력하지 않는다. 즉, 잔향 신호의 경로(109)(도 1 참조)는 비도통 상태로 유지되고, 잔향 신호는 송신용 영역(50A)에 피드백되지 않는다.
도 4의 그래프(C)에는 초음파 센서(100)의 출력 파형이 나타나 있다. 도 4의 제어예에 있어서는 잔향 신호가 피드백되지 않기 때문에, 압전 소자(200)는 교류 전압의 인가를 정지한 시각 T2 이후에 있어서도 진동하고 있다. 시각 T4에 수신된 반사파는 잔향 진동에 묻혀있다(점선 301 참조). 그렇기 때문에, 초음파 센서(100)는 반사파를 검출할 수 없다.
도 5의 그래프(A)에는 제어 회로(101)가 신호 생성 회로(104)에 출력하는 제어 신호가 나타나 있다. 도 5의 그래프(A)는 도 4의 그래프(A)와 동일하기 때문에 그 설명에 대해서는 반복하지 않는다.
도 5의 그래프(B)에는 제어 회로(101)가 반도체 소자(107)에 출력하는 제어 신호가 나타나 있다. 보다 구체적으로는, 제어 회로(101)는 제어를 개시하고 나서 시각 T2까지는 경로(109)를 비도통 상태로 한다. 시각 T2에서 시각 T3까지의 사이, 제어 회로(101)는 반도체 소자(107)를 구동하여 경로(109)를 도통 상태로 한다. 즉, 초음파 센서(100)는 수신용 영역(50B)으로부터 출력되는 잔향 신호를 송신용 영역(50A)에 피드백한다. 시각 T3 이후에 있어서, 제어 회로(101)는 경로(109)를 비도통 상태로 한다.
도 5의 그래프(C)에는 잔향 진동을 억제한 경우에서의 초음파 센서(100)의 출력 파형이 나타나 있다. 시각 T2에서 시각 T3까지의 사이, 잔향 신호가 송신용 영역(50A)에 피드백됨으로써 잔향 진동이 억제되고 있다(점선 303 참조). 이로 인해, 초음파 센서(100)는 시각 T4에 수신한 반사파를 검출할 수 있다.
이와 같이, 잔향 진동이 억제됨으로써, 초음파 센서(100)는 잔향 진동이 자연히 가라앉는 것을 기다리지 않고 반사파를 검출할 수 있다. 그 결과, 초음파 센서(100)는 보다 가까이 존재하고 있는 물체를 검출할 수 있고, 물체의 검출 정밀도나 거리계측 정밀도를 향상시킬 수 있다.
[비교 결과 2]
도 6을 참조하여 제1 실시형태에 따른 초음파 센서(100)와, 비교예에 따른 초음파 센서(100X)를 비교한다. 도 6은 비교예에 따른 초음파 센서(100X)의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
(초음파 센서(100X)의 회로 구성)
우선, 비교예에 따른 초음파 센서(100X)의 회로 구성에 대해서 설명한다. 도 6에 도시하는 바와 같이 초음파 센서(100X)는 신호 생성 회로(104)와, 반도체 소자(120, 122), 증폭기(121A~121C, 123A~123C), 압전 소자(200X)를 포함한다.
압전 소자(200X)는 송수용 전극(10X)과, 모니터용 전극(20X), 공통 전극(30X), 압전체(50X)를 포함한다. 송수용 전극(10X)에는 단자(DRV)가 마련되어 있다. 모니터용 전극(20X)에는 단자(MON)가 마련되어 있다. 공통 전극(30X)에는 단자(COM)가 마련되어 있다.
신호 생성 회로(104)는 단자(DRV)와 단자(COM)에 접속되어 있다. 증폭기(121A~121C)는 단자(MON)와 반도체 소자(120) 사이에 직렬로 접속되어 있다. 반도체 소자(120)는 증폭기(121C)와 단자(DRV)에 접속되어 있다. 반도체 소자(122)는 단자(DRV)에 접속되어 있고, 반도체 소자(120)와 병렬로 접속되어 있다. 증폭기(123A~123C)는 반도체 소자(122)에 직렬로 접속되어 있다.
(초음파 센서(100X)의 동작)
계속해서 도 6을 참조하여 비교예에 따른 초음파 센서(100X)의 동작에 대해서 설명한다. 초음파 센서(100X)는, 초음파의 발신시에는 신호 생성 회로(104)에 대하여 제어 신호를 출력함으로써 단자(DRV)와 단자(COM) 사이에 교류 전압을 인가한다. 이때, 초음파 센서(100X)는 반도체 소자(120)를 구동하여 경로(126)를 비도통 상태로 함과 함께, 반도체 소자(122)를 구동하여 경로(127)를 비도통 상태로 한다.
다음으로, 초음파 센서(100X)는 교류 전압의 인가를 정지함과 함께 경로(126)를 비도통 상태에서 도통 상태로 전환한다. 이로 인해, 압전 소자(200X)의 잔향 진동에 따른 잔향 신호가 증폭기(121A~121C)에 증폭된 뒤에, 송수용 전극(10X)에 피드백된다. 그 결과, 잔향 진동이 억제된다.
그 후, 초음파 센서(100X)는 경로(126)를 도통 상태에서 비도통 상태로 전환함과 함께 경로(127)를 비도통 상태에서 도통 상태로 전환한다. 초음파 센서(100X)는 초음파의 반사파를 수신하면 반사파에 따라서 발생하는 신호를 증폭기(123A~123C)로 증폭한 뒤에 수신 회로에 출력한다.
(초음파 센서(100)의 이점 1)
이상과 같이, 비교예에 따른 초음파 센서(100X)에 있어서는 잔향 진동을 검출하기 위한 모니터용 전극(20X)이, 초음파의 송수신을 실시하기 위한 송수용 전극(10X)과 별개로 구성되어 있다. 그렇기 때문에, 잔향 신호를 피드백하기 위한 회로 구성과, 반사파를 수신하기 위한 회로 구성의 양쪽이 필요하게 된다. 보다 구체적으로는, 잔향 신호를 피드백하기 위한 회로 구성으로서는 반도체 소자(120) 및 증폭기(121A~121C) 등이 필요하다. 반사파를 수신하기 위한 회로 구성으로서는 반도체 소자(122) 및 증폭기(123A~123C) 등이 필요하다. 즉, 초음파 센서(100X)는 2개의 반도체 소자(120, 122)와, 6개의 증폭기(121A~121C, 123A~123C)가 필요하게 된다.
이에 비하여, 제1 실시형태에 따른 초음파 센서(100)에 있어서는 잔향 진동을 검출하기 위한 전극과, 초음파를 수신하기 위한 전극이 1개의 수신용 전극(20)으로서 마련되어 있다. 그렇기 때문에, 초음파 센서(100)는 잔향 진동을 검출하는 스텝과 반사파를 수신하는 스텝에서 회로 소자를 공용할 수 있다. 보다 구체적으로는, 초음파 센서(100)는 잔향 진동의 검출과 반사파의 수신의 양쪽을 동일한 반도체 소자(107)와 동일한 증폭기(108)로 실현할 수 있다. 마찬가지로, 후술하는 제4 실시형태에 따른 초음파 센서(100C)는 잔향 진동의 검출과 반사파의 수신의 양쪽을 동일한 반도체 소자(107)와 동일한 증폭기(증폭기(108), 오피 앰프(141), 버퍼 회로(113))로 실현할 수 있다.
이렇게, 초음파 센서(100)는 초음파 센서(100X)보다도 간소한 회로 구성으로 잔향 진동의 억제를 실현할 수 있다. 초음파 센서(100)의 회로 구성이 간소화됨으로써 초음파 센서(100)의 소형화가 실현된다.
(초음파 센서(100)의 이점 2)
도 7 및 도 8을 참조하여 제1 실시형태에 따른 초음파 센서(100)의 이점에 대해서 더 설명한다. 도 7은 반도체 소자의 전환에 의해 발생하는 노이즈 신호를 나타내는 도면이다. 도 8은 비교예에 따른 초음파 센서(100X)(도 6 참조)의 출력 파형을 나타내는 도면이다.
도 6에 있어서 설명한 바와 같이, 초음파 센서(100X)는 잔향 진동을 억제할 때에는 반도체 소자(120)를 구동하여 경로(126)를 도통 상태로 함과 함께, 반도체 소자(122)를 구동하여 경로(127)를 비도통 상태로 한다. 초음파 센서(100X)는 반사파를 수신할 때에는 반도체 소자(120)를 구동하여 경로(126)를 비도통 상태로 함과 함께, 반도체 소자(122)를 구동하여 경로(127)를 도통 상태로 한다.
이러한 반도체 소자(120, 122)의 전환에 의해 노이즈 신호가 발생한다. 이 노이즈 신호는 이전위(異電位)간의 회로 접속, 반도체 소자의 클럭 피드 쓰루(clock feed through), 반도체 소자의 전하 주입(charge injection) 등에 기인한다. 도 7을 참조하여 이러한 노이즈 신호가 발생하는 원인에 대해서 더욱 상세하게 설명한다.
도 7의 회로예(A)에는 PMOS(Positive-channel Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터로서의 반도체 소자(M1)와, NMOS(Negative-channel Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터로서의 반도체 소자(M2)가 나타나 있다. 반도체 소자(M1)에는 기생 용량(C1, C2)이 발생하고 있다. 반도체 소자(M2)에는 기생 용량(C3, C4)이 발생하고 있다.
도 7의 그래프(B)에는 위치 P1에서의 제어 신호의 파형이 나타나 있다. 해당 제어 신호는 제어 회로(CLK)에 의해 출력된다. 제어 신호는 소자(INV)에 의해 반전된 뒤에 반도체 소자(M1)에 출력됨과 함께, 반전되지 않고 반도체 소자(M2)에 출력된다. 그래프(B)의 예에서는 시각 T11, T12에 있어서, 반도체 소자(M1, M2)가 구동되고 있다.
도 7의 그래프(C)에는 위치 P2에서의 전압의 변화가 나타나 있다. 도 7의 그래프(D)에는 위치 P3에서의 전압의 변화가 나타나 있다. 그래프(C), (D)에 나타나는 바와 같이 반도체 소자(M1, M2)를 구동한 시각(T11, T12)에 있어서, 기생 용량(C1~C4)에 기인하는 이른바 전위의 링잉(ringing)이 발생하고 있다(점선 303 참조). 또한, 제어 회로(CLK)에 의한 노이즈 신호가, 기생 용량(C1~C4)을 통과하여 신호 라인(A-Z)에 유입되고 있다(점선 305 참조).
반도체 소자의 전환에 의해 발생하는 노이즈 신호는 비교예에 따른 초음파 센서(100X)에 있어서도 발생한다. 도 8의 그래프(A)에는 초음파 센서(100X)가 신호 생성 회로(104)(도 6 참조)에 출력하는 제어 신호가 나타나 있다. 도 8의 그래프(B)에는 초음파 센서(100X)가 반도체 소자(120)에 출력하는 제어 신호가 나타나 있다. 도 8의 그래프(C)에는 초음파 센서(100X)의 출력 파형이 나타나 있다.
도 8의 그래프(C)에 나타나는 바와 같이 반도체 소자(120)를 구동한 시각(T2, T3)에 있어서 전위의 링잉이 노이즈 신호로서 발생하고 있다(점선 307, 309 참조). 일반적으로, 대상물로부터의 반사파에 의해 발생하는 수신 신호의 강도는 상당히 약하기 때문에 수신 회로에서 게인을 수 천~수 만배로 한다. 그렇기 때문에, 노이즈 신호 자체가 약한 경우여도 노이즈 신호는 수 천~수 만배로 증폭되어버린다. 증폭된 노이즈 신호는 수신 회로(110)에 흘러서 출력 파형으로 나타난다.
이에 비하여, 제1 실시형태에 따른 초음파 센서(100)는 도 1에 도시하는 바와 같이 수신 회로(110)를 위해서 반도체 소자를 필요로 하지 않는다. 이로 인해, 반도체 소자의 전환에 의해 발생하는 노이즈 신호가 수신 회로(110)에 있어서 발생하지 않기 때문에 상기와 같은 문제가 발생하지 않는다.
[압전 소자(200)의 구조]
도 9~도 15를 참조하여 초음파 센서(100)에 포함되는 압전 소자(200)의 구조에 대해서 설명한다. 도 9는 압전 소자(200)를 나타내는 평면도이다. 도 10은 압전 소자(200)를 나타내는 사시도이다. 도 11은 압전 소자(200) 및 그 내부구조를 나타내는 사시도이다. 도 12는 압전 소자(200)에 포함되는 송신용 전극(10)과, 수신용 전극(20), 공통 전극(30)을 나타내는 사시도이다. 도 13은 도 9 중의 XIII-XIII선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도이다. 도 14는 도 9 중의 XIV-XIV선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도이다. 도 15는 도 9 중의 XV-XV선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도이다.
적층형의 초음파 센서에 있어서는 압전 소자의 적층수가 많으면 많을수록 초음파의 송신시의 음압(音壓)이 오르지만, 반사파의 수신시의 감도가 떨어진다. 그 반대로, 압전 소자의 적층수가 적으면 적을수록 초음파의 송신시의 음압이 떨어지지만, 반사파의 수신시의 감도가 오른다. 이 점에 착안하여 초음파 센서(100)는 송신용 영역(50A)에서의 압전자의 적층수가, 수신용 영역(50B)에서의 압전자의 적층수보다도 많아지도록 구성된다.
한편, 도 9~도 15에 있어서는 설명상의 편의를 위해서 화살표(X, Y, Z)를 나타내고 있다. 화살표(X, Y, Z)는 서로 직교하고 있다. 이하, 압전 소자(200)의 각 구성에 대해서 화살표(X, Y, Z)를 참조하면서 설명하는 경우가 있는데, 각 구성의 배치 관계(직교 및 평행에 관한 특징)는 반드시 화살표(X, Y, Z)로 나타내는 배치 관계에 한정되는 것은 아니다.
(압전 소자(200))
도 9~도 15에 도시하는 바와 같이 압전 소자(200)는 송신용 전극(10)과, 수신용 전극(20), 공통 전극(30), 압전체(50)를 포함한다. 압전체(50)의 외형형상은 대략 직방체이며(도 10, 도 11 참조), 압전체(50)는 상부면(51), 측면(52~55) 및 하부면(56)을 가지고 있다.
상부면(51)은 압전체(50) 중 화살표(Z) 방향의 측에 위치하는 표면이며, 하부면(56)은 압전체(50) 중 화살표(Z) 방향과는 반대 방향 측에 위치하는 표면이다. 측면(52, 54)은 압전체(50) 중 화살표(X) 방향에 대하여 직교하는 표면이며, 서로 대향하는 위치 관계를 가지고 있다. 측면(53, 55)은 압전체(50) 중 화살표(Y) 방향에 대하여 직교하는 표면이며, 서로 대향하는 위치 관계를 가지고 있다.
(송신용 전극(10))
송신용 전극(10)은 측벽부(11), 상면부(12) 및 중간부(13, 14)를 포함한다(도 12 참조). 측벽부(11), 상면부(12) 및 중간부(13, 14)는 모두 판상의 형상을 가지고 있다. 측벽부(11)는 압전체(50)의 측면(52)(도 10 참조)에 대향하며 측면(52)에 접하도록 배치된다. 측벽부(11)는 압전체(50)의 측면(52)의 전부를 덮는 표면형상을 가지고 있다(도 9, 도 14, 도 15 참조).
상면부(12)는 측벽부(11)의 화살표(Z) 방향 측(및 화살표(Y)와는 반대 방향 측)의 단부(端部)에 이어져 형성되며 압전체(50)의 상부면(51) 상에 배치된다. 화살표(Y) 방향에서의 치수를 "폭"이라고 하면, 상면부(12)는 측벽부(11)보다도 폭이 좁다. 상면부(12)의 화살표(Y)와는 반대 방향의 단부는 압전체(50)의 측면(53)과 동일한 높이의 관계를 가지고 있다. 상면부(12)에는 단자(DRV)가 마련되어 있다. 단자(DRV)에는 배선(도시하지 않음)이 접속된다.
상면부(12) 및 중간부(13, 14)는 평행한 위치 관계를 가지고, 중간부(13, 14)는 상면부(12)보다도 화살표(Z)과는 반대 방향의 측에 위치한다. 중간부(13)는 상면부(12)와 중간부(14) 사이에 위치한다. 중간부(13)와 중간부(14)는 간격을 두고 대향하고 있다. 중간부(13, 14)는 송신용 전극(10) 중 압전체(50)의 내부에 배치되는 부위이며, 압전 소자(200)가 완성된 상태에서는 이들은 시인(視認)되지 않는다(도 10 참조). 상세한 것은 후술되지만, 중간부(13)와 중간부(14) 사이에는 공통 전극(30)의 중간부(33)가 배치된다(도 13~도 15 등 참조).
중간부(13, 14)의 안쪽에는 원형형상을 가지는 중공부(Hollow portions)(13H, 14H)(도 12)가 각각 마련된다. 중공부(13H, 14H)의 크기(외경)는 수신용 전극(20)의 원반부(21)의 크기(외경)보다도 크다. 중공부(13H, 14H)의 위치는 수신용 전극(20)의 원반부(21)의 위치에 대응하고 있다. 중공부(13H, 14H)는, 수신용 전극(20)의 원반부(21)를 화살표(Z)와는 반대 방향에 투영한 경우에 원반부(21)의 투영상에 겹치지 않는 위치에 배치되어 있다(도 13, 도 15 참조).
중간부(13, 14)의 안쪽에는 컷아웃부(13T, 14T)도 각각 마련된다. 컷아웃부(13T, 14T)는 중공부(13H, 14H)가 위치하고 있는 측으로부터 압전체(50)의 측면(52)이 위치하고 있는 측을 향하여(화살표(X)와는 반대 방향을 향하여) 길어지도록 배치된다. 컷아웃부(13T, 14T)의 위치는 수신용 전극(20)의 연장부(22)의 위치에 대응하고 있다. 도 12 및 도 14에 도시하는 바와 같이 중간부(13, 14)의 화살표(X)와는 반대 방향에서의 단부는 측벽부(11)에 접속하고 있다. 한편, 중간부(13, 14)의 화살표(X) 방향에서의 단부는 공통 전극(30)의 측벽부(31)에 접속하고 있지 않고, 측벽부(31)로부터 멀어져있다.
(수신용 전극(20))
수신용 전극(20)은 원반부(21) 및 연장부(22)를 포함하고, 전체적으로 판상의 형상을 가지고 있다(도 12 참조). 연장부(22)는 외형이 직사각형상이며, 원반부(21)의 바깥 가장자리에서 바깥을 향하여 연장되는 형상을 가진다. 연장부(22)에는 단자(REC)가 마련되어 있다. 단자(REC)에는 배선(도시하지 않음)이 접속된다.
수신용 전극(20)은 원반부(21)가 압전체(50)의 상부면(51)의 중앙에 위치하도록 상부면(51) 상에 배치된다. 연장부(22)는 원반부(21)가 위치하고 있는 측으로부터 압전체(50)의 측면(52)이 위치하고 있는 측을 향하여(화살표(X)와는 반대 방향을 향하여) 연장되도록 배치된다.
(공통 전극(30))
공통 전극(30)은 측벽부(31), 상면부(32), 중간부(33) 및 하면부(34)를 포함한다(도 12 참조). 측벽부(31), 상면부(32), 중간부(33) 및 하면부(34)는 모두 판상의 형상을 가지고 있다. 측벽부(31)는 압전체(50)의 측면(54)(도 10)에 대향하며 측면(54)에 접하도록 배치된다. 측벽부(31)는 압전체(50)의 측면(54)의 전부를 덮는 표면형상을 가지고 있다(도 9, 도 14, 도 15 참조). 하면부(34)는 압전체(50)의 하부면(56)에 대향하며 하부면(56)에 접하도록 배치된다. 하면부(34)는 압전체(50)의 하부면(56)의 전부를 덮는 표면형상을 가지고 있다.
상면부(32)는 측벽부(31)의 화살표(Z) 방향 측의 단부에 이어져 형성되며 압전체(50)의 상부면(51) 상에 배치된다. 화살표(Y) 방향에서의 치수를 "폭"이라고 하면, 상면부(32)의 폭은 압전체(50)의 상부면(51)의 폭과 동일하다. 상면부(32)의 화살표(Y)에서의 양 단부는 압전체(50)의 측면(53, 55)과 각각 동일한 높이의 관계를 가지고 있다. 상면부(32)에는 단자(COM)가 마련되어 있다. 단자(COM)에는 배선(도시하지 않음)이 접속된다.
상면부(32), 중간부(33) 및 하면부(34)는 평행한 위치 관계를 가지고, 중간부(33) 및 하면부(34)는 상면부(32)보다도 화살표(Z)와는 반대 방향 측에 위치한다. 중간부(33)는 상면부(32)과 하면부(34) 사이에 위치한다. 중간부(33)는 공통 전극(30) 중 압전체(50)의 내부에 배치되는 부위이며, 압전 소자(200)가 완성된 상태에서는 중간부(33)는 시인되지 않는다(도 10 참조).
상면부(32) 및 중간부(33)의 안쪽에는 원형형상을 가지는 중공부(32H, 33H)(도 12 참조)가 각각 마련된다. 중공부(32H, 33H)의 크기(외경)는 수신용 전극(20)의 원반부(21)의 크기(외경)보다도 크다. 중공부(32H, 33H)의 위치는 수신용 전극(20)의 원반부(21)의 위치에 대응하고 있다. 중공부(32H)의 안쪽에 수신용 전극(20)의 원반부(21)가 배치된다(도 10 참조). 중공부(33H)는, 수신용 전극(20)의 원반부(21)을 화살표(Z)와는 반대 방향에 투영한 경우에 원반부(21)의 투영상에 겹치지 않는 위치에 배치되어 있다(도 13, 도 15 참조).
상면부(32) 및 중간부(33)의 안쪽에는 컷아웃부(32T, 33T)도 각각 마련된다. 컷아웃부(32T, 33T)는 중공부(32H, 33H)가 위치하고 있는 측으로부터 압전체(50)의 측면(52)이 위치하고 있는 측을 향하여(화살표(X)와는 반대 방향을 향하여) 연장되도록 배치된다. 컷아웃부(32T, 33T)의 위치는 수신용 전극(20)의 연장부(22)의 위치에 대응하고 있다. 컷아웃부(32T)의 안쪽에 수신용 전극(20)의 연장부(22)가 배치된다(도 10 참조). 상면부(32) 중 화살표(Y)와는 반대 방향에서의 부분에는 후퇴부(32F)가 마련된다. 후퇴부(32F)는 송신용 전극(10)의 상면부(12)의 배치를 허용하기 위한 부위이다.
도 12 및 도 14에 도시하는 바와 같이 상면부(32), 중간부(33) 및 하면부(34)의 화살표(X) 방향에서의 단부는 측벽부(31)에 접속하고 있다. 한편, 상면부(32), 중간부(33) 및 하면부(34)의 화살표(X)와는 반대 방향에서의 단부는 송신용 전극(10)의 측벽부(11)에 접속하고 있지 않고, 측벽부(11)로부터 멀어져있다.
(송신용 영역(50A) 및 수신용 영역(50B))
도 13~도 15에 도시하는 바와 같이 압전체(50)의 내부에는 송신용 영역(50A) 및 수신용 영역(50B)이 형성된다. 송신용 영역(50A)은 압전체층(A1~A4)으로 이루어지는 4층 구조를 가지고 있다. 도 13~도 15 중의 백색 화살표는 각 압전체층의 분극방향을 나타내고 있다.
압전체층(A1~A4)은 스트립 형상을 가지는 얇은 부분의 압전 세라믹으로 이루어지는 4층의 압전체층 사이에, 송신용 전극(10)의 중간부(13), 공통 전극(30)의 중간부(33) 및 송신용 전극(10)의 중간부(14)를 개재시켜서 이들을 적층하여 일체로 소성함으로써 제작된다. 압전체층(A1~A4)은 송신용 전극(10) 및 공통 전극(30)에 의해 전기적으로 병렬로 접속된다.
수신용 영역(50B)은 압전체층(B1)의 1층 구조를 가지고 있다. 압전체층(B1)은 스트립 형상을 가지는 얇은 부분의 압전 세라믹으로 이루어지는 4층의 압전체층 사이에, 전극을 개재시키지 않고 이들을 적층하여 일체로 소성함으로써 제작된다.
공통 전극(30)의 하면부(34)는 송신용 영역(50A) 및 수신용 영역(50B)의 쌍방으로 이르러 넓어지는 형상을 가지고 있다. 송신용 전극(10)의 상면부(12)는 압전체층(A1~A4)을 포함하는 송신용 영역(50A)을 사이에 끼고 공통 전극(30)의 하면부(34)에 대향하고 있다. 수신용 전극(20)의 원반부(21)는 압전체층(B1)을 포함하는 수신용 영역(50B)을 사이에 끼고 공통 전극(30)의 하면부(34)에 대향하고 있다. 즉, 압전체(50) 중 송신용 전극(10)의 상면부(12)와 공통 전극(30)의 하면부(34) 사이에 위치하는 영역이 송신용 영역(50A)으로서 기능하고, 수신용 전극(20)의 원반부(21)와 공통 전극(30)의 하면부(34) 사이에 위치하는 영역이 수신용 영역(50B)으로서 기능한다. 도 13 및 도 15에 도시하는 바와 같이 본 실시형태에 있어서는 송신용 영역(50A)과 수신용 영역(50B)은 X-Y면 방향에 있어서 서로 이웃이 하는 위치에 형성되어 있다.
[요약]
이상과 같이 하여, 본 실시형태에 따른 초음파 센서(100)는 교류 전압의 인가의 정지 후에, 송신용 전극(10) 및 수신용 전극(20)에 전기적으로 접속되어 있는 반도체 소자(107)를 구동하여, 송신용 전극(10) 및 수신용 전극(20) 사이의 경로(109)를 도통 상태로 한다. 이로 인해, 초음파 센서(100)는 초음파의 발신 후에 발생하는 잔향 진동에 따라서 수신용 영역(50B)으로부터 출력되는 잔향 신호를 송신용 전극(10)에 피드백한다.
물체가 초음파 센서(100)에 가까울수록 초음파를 발신하고부터 반사파를 수신할 때까지의 시간이 짧아진다. 초음파 센서(100)는 잔향 진동이 가라앉는 것을 기다리지 않고 반사파를 검출할 수 있으므로, 물체가 가까이 존재하고 있는 경우여도 물체로부터의 반사파를 검출할 수 있다.
또한, 제1 실시형태에 따른 초음파 센서(100)에 있어서는 잔향 진동을 검출하기 위한 전극과, 초음파를 수신하기 위한 전극이 1개의 수신용 전극(20)으로서 마련되어 있다. 그렇기 때문에, 초음파 센서(100)는 잔향 진동을 검출하기 위한 검출 회로와, 반사파를 수신하기 위한 수신 회로에서 회로 소자를 공용할 수 있다. 이로 인해, 초음파 센서(100)의 회로 구성이 간소화되어, 초음파 센서(100)의 소형화가 실현된다.
특히, 본 실시형태에 있어서는 수신 회로(110)를 위해서 반도체 소자를 마련할 필요가 없다. 그렇기 때문에, 초음파 센서(100)에 있어서는 반도체 소자의 전환에 의해 발생하는 노이즈 신호를 억제할 수 있다. 결과로서, 초음파 센서(100)는 S/N (Signal/Noise)비를 억제할 수 있다.
한편, 상술한 실시형태에서는 반도체 소자(107)가 제어 회로(101)에 의해 구동되는 트랜지스터로서 구성되어 있는 예를 게시했지만, 반도체 소자(107)는 트랜지스터에 한정되지 않는다. 예를 들면, 반도체 소자(107)는 후술하는 도 24에 도시하는 바와 같이 다이오드로 구성되어도 된다. 이 경우, 잔향 신호는 다이오드를 구동하는 역치 전압(예를 들면, 순방향 전압)보다도 높아져서, 초음파의 반사파에 따른 출력 신호는 해당 역치 전압보다도 낮아진다. 그렇기 때문에, 잔향 진동을 억제하는 스텝에서는 잔향 신호가 전압으로서 송신용 전극(10)에 피드백되지만, 초음파의 반사파를 수신하는 스텝에서는 출력 신호가 송신용 전극(10)에 피드백되지 않는다. 따라서, 이 경우에도 제1 실시형태에 따른 초음파 센서(100)와 동일한 효과가 얻어진다.
<제2 실시형태>
[초음파 센서(100A)]
도 16을 참조하여 제2 실시형태에 따른 초음파 센서(100A)에 대해서 설명한다. 도 16은 초음파 센서(100A)의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
초음파 센서(100A)는 위상 조정기(111)를 더 포함하는 점에서 제1 실시형태에 따른 초음파 센서(100)와 다르다. 위상 조정기(111) 이외의 구성에 대해서는 상술한 대로이므로 설명을 반복하지 않는다.
도 16에 도시하는 바와 같이 초음파 센서(100A)는 신호 생성 회로(104)와, 반도체 소자(107), 증폭기(108), 수신 회로(110), 위상 조정기(111), 압전 소자(200)를 포함한다. 위상 조정기(111)는 경로(109)에 있어서 반도체 소자(107)와 증폭기(108)에 전기적으로 접속되어 있다.
잔향 신호는 회로 특성이나 주위의 환경(예를 들면, 온도) 등에 따라서 의도하고 있는 것보다 벗어나는 경우가 있다.
위상 조정기(111)는 잔향 진동이 가장 잘 억제될 수 있도록 수신용 영역(50B)으로부터의 잔향 신호의 위상을 조정하고, 조정 후의 잔향 신호를 송신용 전극(10)에 피드백한다. 위상 조정기(111)에 의해 시프트되는 위상의 크기는 설계시에 미리 정해져 있어도 되고, 주위의 환경(예를 들면, 온도 등)이나 회로 특성 등에 따라서 바꿀 수 있어도 된다.
[요약]
이상과 같이 하여, 제2 실시형태에 따른 초음파 센서(100A)는 위상을 조정한 상태로 잔향 신호를 송신용 전극(10)에 피드백한다. 이로 인해, 초음파 센서(100A)는 보다 확실하게 잔향 진동을 억제할 수 있다.
<제3 실시형태>
[초음파 센서(100B)]
도 17을 참조하여 제3 실시형태에 따른 초음파 센서(100B)에 대해서 설명한다. 도 17은 초음파 센서(100B)의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
초음파 센서(100B)는 버퍼 회로(113)를 더 포함하는 점에서 제2 실시형태에 따른 초음파 센서(100A)와 다르다. 버퍼 회로(113) 이외의 구성에 대해서는 상술한 대로이므로 설명을 반복하지 않는다.
도 17에 도시하는 바와 같이 초음파 센서(100B)는 신호 생성 회로(104)와, 반도체 소자(107), 증폭기(108), 수신 회로(110), 위상 조정기(111), 버퍼 회로(113), 압전 소자(200)를 포함한다. 버퍼 회로(113)는 경로(109)에 있어서 위상 조정기(111)와 반도체 소자(107)에 전기적으로 접속되어 있다.
버퍼 회로(113)가 마련됨으로써, 초음파 센서(100B)는 송신용 전극(10)으로부터 경로(109)를 통해서 수신 회로(110)에 노이즈 신호가 유입되는 것을 막는다. 이로 인해, 수신 회로(110)에서의 SN비를 낮출 수 있다.
[요약]
이상과 같이 하여, 제3 실시형태에 따른 초음파 센서(100B)에 있어서는 버퍼 회로(113)에 의해, 잔향 진동을 저감하기 위해서 마련되어 있는 경로(109)와, 초음파를 수신하기 위해서 마련되어 있는 경로(114)가 보다 확실하게 전기적으로 분리된다. 이로 인해, 초음파 센서(100B)는 노이즈 신호가 수신 회로(110)에 유입되는 것을 막을 수 있다.
<제4 실시형태>
[새로운 지견]
도 18을 참조하여 제3 실시형태에 따른 초음파 센서(100B)에 있어서 신규로 발견된 지견에 대해서 설명한다. 도 18은 초음파 센서(100B)에 발생하는 기생 용량을 나타내는 도면이다.
발명자들은 송신용 전극(10)과 수신용 전극(20) 사이에 기생 용량(115)이 발생하는 것을 새롭게 발견했다. 발명자들이 아는 한, 송신용 전극(10)과 수신용 전극(20) 사이에 기생 용량(115)이 발생하는 것을 제시하는 선행기술문헌은 존재하지 않는다. 이것이 지금까지 발견되지 않았던 이유로는, 송신용 전극(10), 수신용 전극(20) 및 공통 전극(30)으로 이루어지는 3단자 구조의 초음파 센서 자체가 신규임을 생각할 수 있다.
송신용 영역(50A)으로부터 출력되는 잔향 신호나, 수신용 영역(50B)으로부터 피드백되는 잔향 신호는 기생 용량(115)을 통과하여 경로(109)로 유입되어 버리는 경우가 있다. 그 결과, 압전 소자(200)가 이상 발진할 가능성이 있다. 제4 실시형태에 따른 초음파 센서(100C)는 이하에서 설명하는 바와 같이 이러한 이상 발진을 막을 수 있다.
[초음파 센서(100C)]
도 19를 참조하여 제4 실시형태에 따른 초음파 센서(100C)에 대해서 설명한다. 도 19는 초음파 센서(100C)의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
초음파 센서(100C)는 I/V 변환 회로로서의 필터 회로(140) 및 보호 회로(160)를 더 포함하는 점에서 제3 실시형태에 따른 초음파 센서(100B)와 다르다. 필터 회로(140) 및 보호 회로(160) 이외의 구성에 대해서는 상술한 대로이므로 설명을 반복하지 않는다.
(필터 회로(140))
도 19에 도시하는 바와 같이 초음파 센서(100C)는 신호 생성 회로(104)와, 반도체 소자(107), 증폭기(108), 수신 회로(110), 위상 조정기(111), 버퍼 회로(113), 필터 회로(140), 보호 회로(160)를 포함한다.
필터 회로(140)는 초음파 센서(100C)가 이상 발진하는 원인이 되는 주파수 대역의 신호를 필터링한다. 필터 회로(140)는 경로(109) 상에 마련되어 있다. 이로 인해, 필터 회로(140)는 기생 용량(115)으로부터 경로(109)에 유입되는 노이즈 신호를 필터링할 수 있고, 초음파 센서(100C)가 이상 발진하는 것이 방지될 수 있다.
도 19의 예에서는, 필터 회로(140)는 오피 앰프(141)와, 저항(143)과, 콘덴서(145)로 이루어지는 I/V 변환 회로로서 구성되어 있다. 한편, 필터 회로(140)는 전류를 전압으로 변환함으로써 특정 주파수를 커트하는 기능을 가지는 것이면 된다. 예를 들면, 오피 앰프(141) 대신에 차지 앰프(charge amplifier)가 이용되어도 된다.
오피 앰프(141)의 반전 입력 단자는 수신용 전극(20)(단자(REC))에 전기적으로 접속되어 있다. 오피 앰프(141)의 비반전 입력 단자는 접지되어 있다. 오피 앰프(141)의 출력 단자는 증폭기(108)에 전기적으로 접속되어 있다.
저항(143)은 오피 앰프(141)의 반전 입력 단자와 오피 앰프(141)의 출력 단자에 전기적으로 접속되어 있다. 콘덴서(145)는 오피 앰프(141)의 반전 입력 단자와 오피 앰프(141)의 출력 단자에 전기적으로 접속되어 있다. 오피 앰프(141)와, 저항(143)과, 콘덴서(145)는 서로 병렬로 접속되어 있다.
이렇게 구성됨으로써, 필터 회로(140)는 기생 용량(115)과 콘덴서(145)의 용량의 비로 결정되는 로우 패스 필터(low pass filter)로서 기능한다. 해당 비는 예를 들면, 기생 용량(115)을 콘덴서(145)의 용량으로 나눈 값으로서 나타낸다. 바람직하게는, 콘덴서(145)의 용량은 기생 용량(115)보다도 크다. 이로 인해, 필터 회로(140)는 이상 발진하는 주파수 대역의 신호 성분에 대한 게인 응답을 내릴 수 있고, 초음파 센서(100C)를 안정적으로 동작시킬 수 있다.
한편, 도 19의 예에서는 필터 회로(140)가 로우 패스 필터로서 기능하는 I/V 변환 회로로 나타나 있지만, 필터 회로(140)는 I/V 변환 회로에 한정되지 않는다. 예를 들면, 필터 회로(140)는 밴드 패스 필터여도 되고, 차지 앰프 회로여도 된다. 밴드 패스 필터는 압전 소자(200)의 공진 주파수를 포함하는 주파수 대역을 통과하도록 구성된다. 즉, 밴드 패스 필터는 압전 소자(200)의 공진 주파수 이외의 주파수 대역의 신호를 커트하도록 구성된다.
도 20을 참조하여 초음파 센서가 이상 발진할 가능성이 있는 회로예(A), (B)에 대해서 설명한다. 도 20은 비교예에 따른 초음파 센서(100Y, 100Z)의 각각의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 20의 회로예(A)에 도시하는 바와 같이 초음파 센서(100Y)는 필터 회로(140)(도 19 참조) 대신에, 전압 폴로워 회로(170)를 포함한다. 전압 폴로워 회로(170)는 오피 앰프(171)를 포함한다. 초음파 센서(100Y)의 기생 용량(115)에 노이즈 신호가 흐른 경우, 해당 노이즈 신호는 오피 앰프(171)의 반전 입력 단자에 직접 흐른다. 이 노이즈 신호가 원인이 되어 초음파 센서(100Y)는 이상 발진할 가능성이 있다.
도 20의 회로예(B)에 도시하는 바와 같이 초음파 센서(100Z)는 필터 회로(140)(도 19 참조) 대신에 반전 증폭 회로(180)를 포함한다. 반전 증폭 회로(180)는 콘덴서(181)와, 오피 앰프(183)와, 저항(184, 185)을 포함한다. 초음파 센서(100Z)의 기생 용량(115)에 노이즈 신호가 흐른 경우, 해당 노이즈 신호는 오피 앰프(183)의 반전 입력 단자에 직접 흐른다. 이 노이즈 신호가 원인이 되어 초음파 센서(100Z)는 이상 발진할 가능성이 있다.
(보호 회로(160))
도 19를 다시 참조하여 보호 회로(160)에 대해서 설명한다. 초음파 센서(100C)의 공진 특성에 의해 오피 앰프(141)에는 전원전압 이상의 전압이 인가되는 경우가 있다. 보호 회로(160)는 이러한 과잉한 전압이 오피 앰프(141)에 인가되는 것을 방지한다.
보호 회로(160)는 다이오드(161, 163)를 포함한다. 다이오드(161)의 캐소드는 경로(109)에 접속되어 있다. 다이오드(161)의 애노드는 접지되어 있다. 다이오드(163)의 캐소드는 접지되어 있다. 다이오드(163)의 애노드는 경로(109)에 접속되어 있다. 한편, 보호 회로(160)는 초음파 센서(100C)에 반드시 마련될 필요는 없다.
[시뮬레이션 결과 1]
도 19를 계속해서 참조하면서 도 21을 참조하여, 제4 실시형태에 따른 초음파 센서(100C)를 이용한 시뮬레이션 결과에 대해서 설명한다. 도 21은 이상 발진이 발생하고 있는 경우의 시뮬레이션 결과와, 이상 발진이 발생하고 있지 않은 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
보다 구체적으로는, 도 21의 그래프(A1), (B1)에는 초음파 센서(100C)가 신호 생성 회로(104)에 출력하는 제어 신호가 나타나 있다. 도 21의 그래프(A2), (B2)에는 초음파 센서(100C)가 반도체 소자(107)에 출력하는 제어 신호가 나타나 있다.
도 21의 그래프(A3)에는 기생 용량(115)을 50pF(picoFarad)라고 가정하고, 콘덴서(145)의 용량을 10pF라고 가정한 경우에서의 초음파 센서(100C)의 출력 파형이 나타나 있다. 그래프(A3)에 나타내는 바와 같이 잔향 진동이 억제되고 있는 시각 T2에서 시각 T3까지의 사이에, 기생 용량(115)을 통과한 노이즈 신호가 출력 파형으로서 나타나 있다(점선 311 참조). 초음파 센서(100C)는 이 노이즈 신호에 기인하여, 시각 T3 이후에 있어서 이상 발진하고 있다. 그렇기 때문에, 초음파 센서(100C)는 시각 T4에 수신된 반사파를 검출할 수 없다(점선 313 참조).
도 21의 그래프(B3)에는 기생 용량(115)을 50pF라고 가정하고, 콘덴서(145)의 용량을 100pF라고 가정한 경우에서의 초음파 센서(100C)의 출력 파형이 나타나 있다. 그래프(B3)에 나타내는 바와 같이 잔향 진동을 억제하고 있는 시각 T2에서 시각 T3까지의 사이에, 기생 용량(115)으로부터의 노이즈 신호가 출력 파형으로서 나타나 있지 않다(점선 311 참조). 그렇기 때문에, 초음파 센서(100C)는 시각 T3 이후에 있어서 이상 발진하지 않고, 시각 T4에 수신된 반사파를 검출할 수 있다.
[시뮬레이션 결과 2]
도 19를 다시 참조하면서 도 22를 참조하여, 제4 실시형태에 따른 초음파 센서(100C)을 이용한 것 이외의 시뮬레이션 결과에 대해서 설명한다. 도 22는 잔향 진동의 억제시에 초음파 센서(100C)에 흐르는 신호의 주파수와, 해당 신호에 대한 초음파 센서(100C)의 게인의 관계(이하, "오픈 루프 특성"이라고도 함)를 나타내는 도면이다.
도 22의 그래프(A)에는 필터 회로(140)를 마련하지 않는 경우에 있어서, 기생 용량(115)을 0.1pF, 1pF, 10pF, 100pF로 했을 때의 오픈 루프 특성이 나타나 있다. 필터 회로(140)가 마련되어 있지 않은 경우, 공진 주파수 이외의 주파수 대역에 있어서 게인이 0dB 이상이 된다(점선 321 참조). 이 주파수 대역의 신호는 이상 발진의 원인이 된다.
도 22의 그래프(B)에는 필터 회로(140)를 마련한 경우에 있어서, 기생 용량(115)을 0.1pF, 1pF, 10pF, 100pF로 했을 때의 오픈 루프 특성이 나타나 있다. 그래프(B)의 예에서는, 필터 회로(140)의 콘덴서(145)의 용량은 100pF로 한다. 그래프(B)에 있어서는 공진 주파수 이외의 주파수 대역에서의 신호의 게인이 필터 회로(140)에 의해 억제되어 있다.
[요약]
이상과 같이 하여, 초음파 센서(100C)는 이상 발진하는 원인이 되는 주파수 대역의 신호를 필터링하는 필터 회로(140)를 포함한다. 이로 인해, 초음파 센서(100C)는 이상 발진을 방지할 수 있다.
[실험 결과 1]
도 23을 참조하여 제4 실시형태에 따른 초음파 센서(100C)의 이점에 대해서 더욱 설명한다. 도 23은 제4 실시형태에 따른 초음파 센서(100C) 및 비교예에 따른 초음파 센서(100Z)에서의 온도에 대한 잔향 시간의 차이를 나타내는 도면이다.
도 23에 나타나는 실험 결과로부터, 제4 실시형태에 따른 초음파 센서(100C) 쪽이 비교예에 따른 초음파 센서(100Z)보다도 온도에 대한 잔향 시간의 편차가 적은 것을 알 수 있다. 이러한 결과로 된 이유는 I/V 변환 회로의 입력이 이상적으로는 버츄얼 쇼트(virtual short)의 상태가 되므로, 초음파 센서의 제동 용량의 영향을 받지 않고 초음파 센서의 진동 속도에 따른 신호를 추출할 수 있어서 제동 용량의 온도 특성에 의한 영향을 받기 어렵기 때문이라고 생각된다.
<제5 실시형태>
[초음파 센서(100D)]
도 24를 참조하여 제5 실시형태에 따른 초음파 센서(100D)에 대해서 설명한다. 도 24는 초음파 센서(100D)의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
제1 실시형태에 따른 초음파 센서(100)에 있어서는 반도체 소자(107)가 트랜지스터로서 구성되어 있었다. 이에 비하여, 제5 실시형태에 따른 초음파 센서(100D)에 있어서는 반도체 소자(107)가 다이오드(191, 192)로서 구성된다. 반도체 소자(107) 이외의 구성에 대해서는 상술한 대로이므로 설명을 반복하지 않는다.
다이오드(191, 192)는 경로(109) 상에 마련되어 있고, 서로 병렬로 접속되어 있다. 다이오드(191)의 캐소드는 증폭기(108)에 접속되어 있다. 다이오드(191)의 애노드는 단자(DRV)에 접속되어 있다. 다이오드(192)의 캐소드는 단자(DRV)에 접속되어 있다. 다이오드(192)의 애노드는 증폭기(108)에 접속되어 있다.
[요약]
이상과 같이, 제5 실시형태에 따른 초음파 센서(100D)에 있어서는 반도체 소자(107)가 다이오드(191, 192)로서 구성된다. 잔향 신호는 다이오드(191, 192)를 구동하는 역치 전압(예를 들면, 순방향 전압)보다도 높아져서, 초음파의 반사파에 따른 출력 신호는 해당 역치 전압보다도 낮아진다. 그렇기 때문에, 잔향 진동을 억제하는 스텝에서는 잔향 신호가 전압으로서 송신용 전극(10)에 피드백되지만, 초음파의 반사파를 수신하는 스텝에서는 출력 신호가 송신용 전극(10)에 피드백되지 않는다. 따라서, 이 경우에도 제1 실시형태에 따른 초음파 센서(100)와 동일한 효과가 얻어진다.
<제6 실시형태>
[초음파 센서(100E)]
도 25를 참조하여 제6 실시형태에 따른 초음파 센서(100E)에 대해서 설명한다. 도 25는 초음파 센서(100E)의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
제6 실시형태에 따른 초음파 센서(100E)에 있어서는 제1 실시형태에 따른 초음파 센서(100)에서의 송신용 전극(10)과 수신용 전극(20)을 접속하는 전기적인 경로(109)에 승압 트랜스(106)가 더 마련된다. 보다 구체적으로는, 승압 트랜스(106)는 송신용 전극(10)의 단자(DRV) 측의 위치, 즉 송신용 전극(10)의 전단(前段)에 접속되어 있다. 승압 트랜스(106) 이외의 구성에 대해서는 상술한 대로이므로 설명을 반복하지 않는다.
승압 트랜스(106)는 1차 코일과 ２차 코일을 포함한다. 승압 트랜스(106)의 1차 코일은 신호 생성 회로(104) 및 반도체 소자(107)에 접속되어 있다. 승압 트랜스(106)의 ２차 코일은 단자(DRV)에 접속되어 있다. 1차 코일 측의 전압과 ２차 코일 측의 전압의 비는 예를 들면 1:10이다. 이상과 같이 구성됨으로써, 잔향 신호는 수신용 전극(20)으로부터 송신 단자에 피드백될 때에 승압 트랜스(106)에 의해 증폭된다. 그 결과, 잔향 신호가 매우 작아도 잔향 진동이 억제된다.
<제7 실시형태>
[개요]
제7 실시형태에 따른 초음파 센서(100F)의 개요를 설명한다. 제7 실시형태에 따른 초음파 센서(100F)는 검지 거리가 서로 다른 복수의 동작모드를 가지는 점에서, 제1 실시형태에 따른 초음파 센서(100A)와는 다르다. 초음파 센서(100F)는 검지 거리가 서로 다른 복수의 동작모드를 순서대로 전환하고, 현재의 동작모드에 따른 제어 조건으로 압전 소자(200)(도 1 참조)를 제어한다. 이로 인해, 검지가능한 거리의 범위가 넓어진다. 또한, 초음파 센서(100F)는 모든 장소에 있는 물체를 검지할 수 있게 된다. 한편, 초음파 센서(100F)는 적어도 2개의 동작모드를 가지면 된다.
제7 실시형태에 따른 초음파 센서(100F)의 하드웨어 구성 등은 제1 실시형태에 따른 초음파 센서(100)와 동일하므로, 이하에서는 그들의 설명에 대해서는 반복하지 않는다.
[초음파 센서(100F)의 제어 구조]
도 26 및 도 27을 참조하여 제7 실시형태에 따른 초음파 센서(100F)에 대해서 설명한다. 도 26은 제7 실시형태에 따른 초음파 센서(100F)가 실행하는 처리의 일부를 나타내는 플로우 차트이다. 도 26의 처리는 초음파 센서(100F)를 제어하기 위한 제어 회로(101)(도 1 참조)가 프로그램을 실행함으로써 실현된다. 다른 국면에 있어서, 처리의 일부 또는 전부가, CPU, 그 밖의 하드웨어에 의해 실행되어도 된다.
스텝 S2에 있어서, 제어 회로(101)는 도 27에 나타내는 제어 정보(124)를 읽어 들인다. 도 27은 제어 정보(124)의 내용을 나타내는 도면이다. 제어 정보(124)는 예를 들면, 제어 회로(101)의 기억 영역 등에 미리 저장되어 있다. 도 27에 도시하는 바와 같이 초음파 센서(100F)의 동작모드의 각각에는 초음파 센서(100F)의 검지 거리에 따라서 압전 소자(200)(도 1 참조)의 제어 조건이 대응되어 있다.
스텝 S4에 있어서, 제어 회로(101)는 초음파 센서(100F)의 현재의 동작모드에 대응하는 제어 조건을 제어 정보(124)로부터 취득한다.
스텝 S10에 있어서, 제어 회로(101)는 반도체 소자(107)(도 2 참조)를 구동하여 경로(109)(도 2 참조)를 비도통 상태로 한다.
스텝 S12A에 있어서, 제어 회로(101)는 스텝 S4에서 취득된 제어 조건에 기초하여 압전 소자(200)(도 1 참조)의 송신용 영역(50A)에 교류 전압을 인가한다. 보다 구체적으로는, 스텝 S4에서 취득된 제어 조건에는 압전 소자(200)의 구동 전압과, 압전 소자(200)의 구동 주파수가 규정되어 있고, 제어 회로(101)는 해당 구동 전압 및 해당 구동 주파수로 압전 소자(200)를 구동한다. 이로 인해, 압전 소자(200)의 송신용 영역(50A)으로부터 초음파가 발생된다.
스텝 S20에 있어서, 제어 회로(101)는 송신용 영역(50A)에 교류 전압을 인가하고 나서 미리 정해진 시간(예를 들면, 수 마이크로 초~수 밀리 초)이 경과했는지 여부를 판단한다. 제어 회로(101)는 송신용 영역(50A)에 교류 전압을 인가하고 나서 미리 정해진 시간이 경과했다고 판단한 경우(스텝 S20에 있어서 YES), 제어를 스텝 S22로 전환한다. 그렇지 않은 경우에는(스텝 S20에 있어서 NO), 제어 회로(101)는 스텝 S20의 처리를 다시 실행한다.
스텝 S22에 있어서, 제어 회로(101)는 압전 소자(200)의 송신용 영역(50A)에 대한 교류 전압의 인가를 정지한다.
스텝 S23에 있어서, 제어 회로(101)는 스텝 S4에서 취득된 제어 조건에 기초하여 잔향 진동을 억제할지 여부를 판단한다. 보다 구체적으로는, 스텝 S4에서 취득된 제어 조건에는 잔향 진동을 억제하는 것을 유효하게 할지 여부를 나타내는 억제 모드가 규정되어 있다. 스텝 S4에서 취득된 제어 조건에 규정되어 있는 억제 모드가 ON일 경우에는, 제어 회로(101)는 잔향 진동을 억제한다고 판단한다. 스텝 S4에서 취득된 제어 조건에 억제 모드가 OFF일 경우에는, 제어 회로(101)는 잔향 진동을 억제하지 않는다고 판단한다. 제어 회로(101)는 잔향 진동을 억제한다고 판단한 경우(스텝 S23에 있어서 YES), 제어를 스텝 S24로 전환한다. 그렇지 않은 경우에는(스텝 S23에 있어서 NO), 제어 회로(101)는 제어를 스텝 S34A로 전환한다.
스텝 S24에 있어서, 제어 회로(101)는 반도체 소자(107)를 구동하여 경로(109)를 비도통 상태에서 도통 상태로 전환한다. 이로 인해, 잔향 진동에 따라서 출력되는 잔향 신호가 압전 소자(200)의 수신용 영역(50B)(도 2 참조)으로부터 송신용 전극(10)(도 2 참조)에 피드백된다. 그 결과, 초음파 센서(100F)의 잔향 진동이 억제된다.
스텝 S30A에 있어서, 제어 회로(101)는 경로(109)를 도통 상태로 하고 나서 소정 시간이 경과했는지 여부를 판단한다. 해당 소정 시간은 스텝 S4에서 취득된 제어 조건에 규정되어 있다. 즉, 제어 회로(101)는 스텝 S4에서 취득된 제어 조건에 규정되어 있는 시간만큼 경로(109)를 도통 상태로 한다. 제어 회로(101)는 경로(109)를 도통 상태로 하고 나서 소정 시간이 경과했다고 판단한 경우(스텝 S30A에 있어서 YES), 제어를 스텝 S32로 전환한다. 그렇지 않은 경우에는(스텝 S30A에 있어서 NO), 제어 회로(101)는 스텝 S30A의 처리를 다시 실행한다.
스텝 S32에 있어서, 제어 회로(101)는 반도체 소자(107)를 구동하여 경로(109)를 도통 상태에서 비도통 상태로 전환한다.
스텝 S34A에 있어서, 제어 회로(101)는 스텝 S4에서 취득된 제어 조건에 기초하여 압전 소자(200)의 수신용 영역(50B)을 제어한다. 스텝 S4에서 취득된 제어 조건에는 초음파를 발신하고 나서 반사파를 수신할 때까지의 대기 시간과, 해당 반사파를 받아서 출력되는 수신 신호의 게인이 규정되어 있다. 제어 회로(101)는 초음파를 발신하고 나서 해당 대기 시간이 경과할 때까지의 사이에 수신한 반사파를, 해당 게인에 따른 전압값으로서 수신 회로(110)(도 1 참조)에 출력한다. 제어 회로(101)는 초음파를 발신하고 나서 해당 대기 시간이 경과한 것에 기초하여 제어를 스텝 S40로 전환한다.
스텝 S40에 있어서, 제어 회로(101)는 초음파 센서(100F)의 모든 동작모드에 대하여 본 실시형태에 따른 제어 처리가 실행되었는지 여부를 판단한다. 제어 회로(101)는 초음파 센서(100F)의 모든 동작모드에 대하여 본 실시형태에 따른 제어 처리가 실행되었다고 판단한 경우(스텝 S40에 있어서 YES), 본 실시형태에 따른 제어 처리를 종료한다. 그렇지 않은 경우에는(스텝 S40에 있어서 NO), 제어 회로(101)는 제어를 스텝 S50로 전환한다.
스텝 S50에 있어서, 제어 회로(101)는 초음파 센서(100F)의 동작모드를 현재의 동작모드에서 다른 동작모드로 전환한다. 스텝 S40, S50의 처리에 의해, 도 26에 나타내는 처리는 초음파 센서(100F)의 동작모드의 수만큼 반복된다.
[요약]
이상과 같이 하여, 초음파 센서(100F)는 검지 거리가 서로 다른 복수의 동작모드를 순서대로 전환하고, 현재의 동작모드에 따른 제어 조건으로 압전 소자(200)를 제어한다. 이로 인해, 검지 가능한 거리의 범위가 넓어진다. 또한, 초음파 센서(100F)는 모든 장소에 있는 물체를 검지할 수 있게 된다.
<제8 실시형태>
[개요]
제8 실시형태에 따른 초음파 센서(100G)의 개요를 설명한다. 제8 실시형태에 따른 초음파 센서(100G)는 적어도 근거리를 검지하기 위한 동작모드(제1 동작모드)(이하, "근거리 모드"라고도 함)와, 원거리를 검지하기 위한 동작모드(제2 동작모드)(이하, "원거리 모드"라고도 함)를 가지는 점에서, 제7 실시형태에 따른 초음파 센서(100F)와는 다르다.
검지 대상의 물체가 초음파 센서(100G)로부터 멀어져 있는 경우에는 잔향 진동은 자연히 가라앉는다. 그렇기 때문에, 검지 대상의 물체가 초음파 센서(100G)로부터 멀어져 있는 경우에는 잔향 진동이 억제될 필요가 없다. 이 점에 착안하여 초음파 센서(100G)는 동작모드가 원거리 모드인 경우에 잔향 신호를 억제하는 처리를 실행하지 않는다. 즉, 이 경우에는 잔향 신호를 억제하는 처리가 정지된다. 이로 인해, 초음파 센서(100G)의 소비 전력이 억제된다.
한편, 하드웨어 구성 등의 그 밖의 점에 대해서는 상술한 대로이므로, 그들의 설명을 반복하지 않는다.
[초음파 센서(100G)의 제어 구조]
도 28을 참조하여 제8 실시형태에 따른 초음파 센서(100G)에 대해서 설명한다. 도 28은 제8 실시형태에 따른 초음파 센서(100G)가 실행하는 처리의 일부를 나타내는 플로우 차트이다. 도 28의 처리는 초음파 센서(100G)를 제어하기 위한 제어 회로(101)(도 1 참조)가 프로그램을 실행함으로써 실현된다. 다른 국면에 있어서, 처리의 일부 또는 전부가 CPU, 그 밖의 하드웨어에 의해 실행되어도 된다.
한편, 스텝 S23A 이외의 처리는 도 3에서 설명한 대로이므로, 이하에서는 그들의 설명에 대해서는 반복하지 않는다.
스텝 S23A에 있어서, 제어 회로(101)는 초음파 센서(100G)의 동작모드가 근거리 모드인지 여부를 판단한다. 초음파 센서(100G)의 동작모드는 예를 들면 유저에 의해 임의로 설정된다. 제어 회로(101)는 초음파 센서(100G)의 동작모드가 근거리 모드라고 판단한 경우(스텝 S23A에 있어서 YES), 제어를 스텝 S24로 전환한다. 그렇지 않은 경우에는(스텝 S23A에 있어서 NO), 제어 회로(101)는 제어를 스텝 S34로 전환한다.
스텝 S23A의 처리에 의해, 초음파 센서(100G)의 동작모드가 근거리 모드인 경우에는, 제어 회로(101)는 잔향 진동을 억제하기 위한 스텝 S24~S32의 처리를 실행한다. 즉, 이 경우에는, 제어 회로(101)는 잔향 신호를 압전 소자(200)(도 1 참조)의 송신용 전극(10)에 피드백하는 처리를 실행한다. 초음파 센서(100G)의 동작모드가 원거리 모드인 경우에는, 제어 회로(101)는 잔향 진동을 억제하기 위한 스텝 S24~S32의 처리를 실행하지 않는다. 즉, 이 경우에는, 제어 회로(101)는 잔향 신호를 압전 소자(200)의 송신용 전극(10)에 피드백하는 처리가 정지된다.
[요약]
이상과 같이 하여, 본 실시형태에 따른 초음파 센서(100G)는, 동작모드가 원거리 모드인 경우에는 잔향 진동을 억제하기 위한 처리를 실행하지 않는다. 이로 인해, 초음파 센서(100G)의 소비 전력이 억제된다.
이상, 본 발명에 기초한 각 실시형태에 대해서 설명했지만, 상기한 개시내용은 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니다. 본 발명의 기술적 범위는 청구범위에 의해 제시되고, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
10: 송신용 전극
10X: 송수용 전극
11, 31: 측벽부
12, 32: 상면부,
13, 14, 33: 중간부
13H, 14H, 32H, 33H: 중공부
13T, 14T, 32T, 33T: 부
20: 수신용 전극
20X: 모니터용 전극
21: 원반부
22: 연장부
30, 30X: 공통 전극
32F: 후퇴부
34: 하면부
50, 50X: 압전체
50A: 송신용 영역
50B: 수신용 영역
51: 상부면
52~55: 측면
56: 하부면
100, 100A~100C, 100X~100Z: 초음파 센서
101, CLK: 제어 회로
102: 메모리
104: 신호 생성 회로
105: 전원
106: 승압 트랜스
107, 120, 122, M1: 반도체 소자
108, 121A~121C, 123A~123C: 증폭기
109, 114, 126, 127: 경로
110: 수신 회로
111: 위상 조정기
113: 버퍼 회로
115, C1~C4: 기생 용량
124: 제어 정보
140: 필터 회로
141, 171, 183: 오피 앰프
143, 184, 185: 저항
145, 181: 콘덴서
160: 보호 회로
161, 163, 191, 192: 다이오드
170: 전압 폴로워 회로
180: 회로
200, 200X: 압전 소자
301, 303, 305, 307, 309, 311, 313, 321: 점선

Claims (13)

  1. 압전 소자를 포함하고,
    상기 압전 소자는,
    교류 전압이 인가됨으로써 초음파를 발신하기 위한 송신용 영역과, 상기 초음파의 반사파를 수신하기 위한 수신용 영역을 포함하는 평판상의 압전체와,
    상기 송신용 영역 및 상기 수신용 영역에 마련되어 있는 공통 전극과,
    상기 송신용 영역을 사이에 끼고 상기 공통 전극에 대향하도록 배치되며, 상기 송신용 영역에 마련되어 있는 송신용 전극과,
    상기 수신용 영역을 사이에 끼고 상기 공통 전극에 대향하도록 배치되며, 상기 수신용 영역에 마련되어 있는 수신용 전극을 포함하고,
    상기 송신용 전극 및 상기 수신용 전극에 전기적으로 접속되어 있고, 상기 송신용 전극과 상기 수신용 전극 사이의 전기적인 경로를 도통(導通) 상태와 비도통 상태 사이에서 전환하는 반도체 소자를 포함하고,
    상기 반도체 소자는 상기 교류 전압의 인가의 정지 후에 상기 경로를 도통 상태로 함으로써, 상기 초음파의 잔향(殘響) 진동에 따라서 상기 수신용 영역으로부터 출력되는 잔향 신호를 상기 송신용 전극에 피드백하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 상기 잔향 신호를 상기 송신용 전극에 피드백한 후에, 상기 경로를 도통 상태에서 비도통 상태로 전환하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 초음파 센서는 상기 경로에 있어서 상기 반도체 소자와 직렬로 접속되어 있는 증폭기를 더 포함하고,
    상기 증폭기는 상기 잔향 신호를 증폭하고, 증폭 후의 잔향 신호를 상기 송신용 전극에 출력하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 초음파 센서는 전류를 전압으로 변환하는 I/V 변환 회로를 더 포함하고,
    상기 I/V 변환 회로는 상기 경로 상에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 I/V 변환 회로는 상기 초음파 센서가 이상 발진하는 원인이 되는 주파수 대역의 신호를 필터링하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 I/V 변환 회로는,
    오피 앰프(operational amplifier)와,
    콘덴서를 포함하고,
    상기 오피 앰프의 반전 입력 단자는 상기 수신용 전극에 전기적으로 접속되어 있고,
    상기 오피 앰프의 출력 단자는 상기 증폭기에 전기적으로 접속되어 있고,
    상기 콘덴서는 상기 반전 입력 단자와 상기 출력 단자에 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 센서는 상기 I/V 변환 회로에 전기적으로 접속되어 있는 수신 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 센서는 상기 경로 상에 마련되어 있는 승압 트랜스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 센서는 검지 거리가 서로 다른 복수의 동작모드를 가지고,
    상기 복수의 동작모드의 각각에는 상기 검지 거리에 따라서 상기 압전 소자의 제어 조건이 미리 대응되어 있고,
    상기 초음파 센서는 상기 복수의 동작모드를 순서대로 전환하고, 현재의 동작모드에 따른 제어 조건으로 상기 압전 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 센서는,
    제1 동작모드와,
    상기 제1 동작모드보다도 검지 거리가 긴 제2 동작모드를 가지고,
    상기 초음파 센서는,
    상기 제1 동작모드에 있어서, 상기 잔향 신호를 상기 송신용 전극에 피드백하는 처리를 실행하고,
    상기 제2 동작모드에 있어서, 상기 잔향 신호를 상기 송신용 전극에 피드백하는 처리를 실행하지 않는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  11. 초음파 센서의 제어방법으로서,
    상기 초음파 센서는 압전 소자를 포함하고,
    상기 압전 소자는,
    교류 전압이 인가됨으로써 초음파를 발신하기 위한 송신용 영역과, 상기 초음파의 반사파를 수신하기 위한 수신용 영역을 포함하는 평판상의 압전체와,
    상기 송신용 영역 및 상기 수신용 영역에 마련되어 있는 공통 전극과,
    상기 송신용 영역을 사이에 끼고 상기 공통 전극에 대향하도록 배치되며, 상기 송신용 영역에 마련되어 있는 송신용 전극과,
    상기 수신용 영역을 사이에 끼고 상기 공통 전극에 대향하도록 배치되며, 상기 수신용 영역에 마련되어 있는 수신용 전극을 포함하고,
    상기 초음파 센서는 상기 송신용 전극 및 상기 수신용 전극에 전기적으로 접속되어 있고, 상기 송신용 전극과 상기 수신용 전극 사이의 전기적인 경로를 도통 상태와 비도통 상태 사이에서 전환하는 반도체 소자를 더 포함하고,
    상기 제어방법은,
    상기 경로를 비도통 상태로 하는 스텝과,
    상기 경로를 비도통 상태로 한 후에 상기 송신용 영역에 교류 전압을 인가하는 스텝과,
    상기 교류 전압의 인가의 정지 후에 상기 경로를 도통 상태로 함으로써, 상기 초음파의 잔향 진동에 따라서 상기 수신용 영역으로부터 출력되는 잔향 신호를 상기 송신용 전극에 피드백하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 초음파 센서는 검지 거리가 서로 다른 복수의 동작모드를 가지고,
    상기 복수의 동작모드의 각각에는 상기 검지 거리에 따라서 상기 압전 소자의 제어 조건이 미리 대응되어 있고,
    상기 제어방법은 상기 복수의 동작모드를 순서대로 전환하고, 현재의 동작모드에 따른 제어 조건으로 상기 압전 소자를 제어하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 초음파 센서는,
    제1 동작모드와,
    상기 제1 동작모드보다도 검지 거리가 긴 제2 동작모드를 가지고,
    상기 제어방법은,
    상기 제1 동작모드에 있어서, 상기 잔향 신호를 상기 송신용 전극에 피드백하는 처리를 실행하는 스텝과,
    상기 제2 동작모드에 있어서, 상기 잔향 신호를 상기 송신용 전극에 피드백하는 처리를 정지하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
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