WO2021084836A1 - 超音波装置 - Google Patents

Abstract

超音波装置（１００）は、圧電素子（１２０）と、駆動回路（１１６）と、受信回路（１４０）と、制御回路（１１４）とを備え、超音波を用いて物体を検出する。駆動回路（１１６）は、圧電素子（１２０）を駆動する駆動信号を出力する。受信回路（１４０）は、圧電素子（１２０）から出力された受信信号が入力され、受信信号と駆動信号に基づく参照信号との相互関係係数を演算する演算回路（１４１）を含む。制御回路（１１４）は、演算回路（１４１）によって演算された相互相関係数に基づいて物体を検出する。駆動信号の周波数は一定である。参照信号は駆動信号の周波数を含む信号である。

Description

超音波装置

　本開示は超音波装置に関し、より特定的には、超音波装置の検出性能を向上させるための技術に関する。

　圧電素子（超音波トランスデューサ）から超音波を送信し、物体（被検出物）で反射した超音波の反射波を圧電素子によって受信することで、被検出物との距離などを測定する超音波装置が実用に供されている。超音波装置は、圧電素子に交流電圧の駆動信号を入力することで圧電素子が所定の周波数で振動することによって、圧電素子から超音波を送信する。また、超音波装置は、圧電素子への駆動信号の入力を停止した状態で受信した反射波による振動を圧電素子によって電気信号に変換することによって、被検出物からの反射波を検出する。

　超音波装置が被検出物からの反射波を検出する際には、基本的には圧電素子が停止した状態であることが必要とされる。しかしながら、圧電素子への駆動信号の入力が停止されても、圧電素子はすぐには停止することはできず、しばらくの間は圧電素子が振動している状態が継続される（以下、「残響振動」とも称する）。そのため、残響振動が十分に減衰する前に被検出物からの反射波が到来した場合には、当該残響振動によって反射波が正しく検出できない場合が生じ得る。

　このような残響振動の影響を低減する技術が、たとえば、国際公開第２０１５／１３７４２４号（特許文献１）、特開２００９－４９１６号公報（特許文献２）、国際公開第２０１６／１６７００３号（特許文献３）に開示されている。

　国際公開第２０１５／１３７４２４号（特許文献１）においては、周波数が時間とともに変化する駆動信号を圧電素子に入力することで圧電素子から超音波を送信し、駆動信号と受信した反射波との相関関係を求めることによって残響信号の影響を低減する構成が開示されている。

　特開２００９－４９１６号公報（特許文献２）においては、圧電素子の入力側電極への駆動信号の入力を停止した後、検出側電極に現れる残響振動信号の位相を反転させた信号を入力側電極に入力することによって、残響振動をキャンセルする構成が開示されている。

　国際公開第２０１６／１６７００３号（特許文献３）においては、超音波を送信する送信用電極と、反射波を受信する受信用電極とが分離された、いわゆる３端子型の圧電素子を備えた超音波装置において、駆動信号の入力を停止した後、所定の期間だけ送信用電極と受信用電極とを導通状態として、残響振動に応じて受信用電極に生じる残響信号を送信用電極にフィードバックすることによって、残響信号の影響を低減する構成が開示されている。

国際公開第２０１５／１３７４２４号 特開２００９－４９１６号公報 国際公開第２０１６／１６７００３号

　超音波装置においては検出可能距離の範囲を拡大することが望まれている。このうち、近距離側の検出可能距離の範囲については、被検出物からの反射波が短時間で到来するため、上述したような残響振動の影響がより大きくなる。

　一般的に、残響振動には、駆動信号に起因する振動成分（以下、「主振動成分」とも称する。）と、高調波等のスプリアスに起因する振動成分（以下、「スプリアス成分」とも称する。）とが含まれている。受信信号における残響振動の影響を低減するためには、主振動成分に加えてスプリアス成分も低減することが必要となる。

　しかしながら、上述した特許文献においては、スプリアス成分の低減については十分に考慮されておらず、近距離の被検出物に対する検出性能の向上については改善の余地がある。

　本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、超音波装置において、近距離の被検出物に対する検出性能を向上させることである。

　本開示に従う超音波装置は、圧電素子と、駆動回路と、受信回路と、制御回路とを備え、超音波を用いて物体を検出する。駆動回路は、圧電素子を駆動する駆動信号を出力する。受信回路は、圧電素子から出力された受信信号が入力され、受信信号と駆動信号に基づく参照信号との相互関係係数を演算する演算回路を含む。制御回路は、演算回路によって演算された相互相関係数に基づいて物体を検出する。駆動信号の周波数は一定である。参照信号は駆動信号の周波数を含む信号である。

　本開示に従う超音波装置によれば、駆動信号に基づく参照信号と受信信号との相互相関係数に基づいて被検出物の有無が検出される。相互相関係数を用いることにより、駆動信号の入力の停止後の圧電素子のスプリアスに起因して生じる残響振動の影響を排除できる。これにより、超音波装置において、近距離の被検出物に対する検出性能を向上させることができる。

実施の形態１に係る超音波装置の全体構成を示すブロック図である。 図１における受信回路の詳細を示すブロック図である。 実施の形態１に係る超音波装置の動作例を概略的に示す図である。 実施の形態１に係る超音波装置において実行される処理を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る超音波装置においてスプリアス成分が除去される原理を概念的に説明するための図である。 実施の形態１に係る超音波装置における受信波形の一例を示す図である。 参照波形の変形例を示す図である。 実施の形態２に係る超音波装置の全体構成を示すブロック図である。

　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

　［実施の形態１］
　（超音波装置の全体構成）
　図１は、本実施の形態１に係る超音波装置１００の全体構成を示すブロック図である。図１を参照して、超音波装置１００は、電源１０５と、送信回路１１０と、圧電素子１２０と、増幅器１３０，１６０と、受信回路１４０と、位相調整回路１５０と、スイッチＳＷ１とを備える。

　送信回路１１０は、圧電素子１２０を駆動することによって、圧電素子１２０から超音波を送信するための回路である。送信回路１１０は、メモリ１１２と、制御回路１１４と、信号生成回路１１６とを含む。制御回路１１４は、メモリ１１２に格納されているデータを読み出して、圧電素子１２０の駆動に適した制御信号ＣＴＬ１を信号生成回路１１６に出力する。

　信号生成回路１１６は、電源１０５から直流電圧が印加される。信号生成回路１１６は、制御回路１１４から出力された制御信号ＣＴＬ１に基づいて、電源１０５から印加された直流電圧から一定の周波数を有する交流電圧を生成する。信号生成回路１１６は、交流電圧を必要に応じて増幅し、圧電素子１２０に印加する。信号生成回路１１６で生成された交流電圧は超音波パルスであり、圧電素子１２０を駆動する駆動信号ＤＲＶである。信号生成回路１１６は、本開示の「駆動回路」に対応する。

　圧電素子１２０は、送信用電極１２１（端子ＴＸ）と、受信用電極１２２（端子ＲＸ）と、接地電位に接続された共通電極１２３（端子ＣＯＭ）と、圧電体１２４とを含む、いわゆる３端子型の超音波トランスデューサである。送信用電極１２１および共通電極１２３は、送信回路１１０の信号生成回路１１６に接続される。受信用電極１２２は、増幅器１３０を介して受信回路１４０および位相調整回路１５０に接続される。

　圧電体１２４は、超音波を送信するための送信用領域１２４１と、超音波の反射波を受信するための受信用領域１２４２とを含む。送信用電極１２１は、圧電体１２４の送信用領域１２４１を間に挟んで共通電極１２３に対向するように配置されており、送信用領域１２４１に電気的に接続されている。受信用電極１２２は、圧電体１２４の受信用領域１２４２を挟んで共通電極１２３に対向するように配置されており、受信用領域１２４２に電気的に接続されている。共通電極１２３は、送信用領域１２４１および受信用領域１２４２に電気的に接続されている。

　送信用電極１２１には、信号生成回路１１６から出力された駆動信号ＤＲＶが入力される。圧電体１２４の送信用領域１２４１は当該駆動信号ＤＲＶによって振動し、圧電素子１２０は送信用電極１２１から超音波を送信（送波）する。

　圧電素子１２０は、送信用電極１２１から送信された超音波が物体（被検出物）によって反射された反射波を受信（受波）する。圧電体１２４の受信用領域１２４２は反射波によって振動し、振動を電気信号に変換し、当該電気信号は受信用電極１２２から増幅器１３０へ出力される。

　増幅器１３０は、たとえば抵抗とオペアンプ（いずれも図示せず）とを含んで構成される反転増幅回路であり、受信用電極１２２から出力された信号を増幅して、受信信号ＲＣＶとして受信回路１４０および位相調整回路１５０へ出力する。

　受信回路１４０には、増幅器１３０から出力された受信信号ＲＣＶが入力される。また、受信回路１４０には、制御信号ＣＴＬ１（すなわち、駆動信号ＤＲＶ）に基づいて制御回路１１４で生成された参照信号ＲＥＦが入力される。受信回路１４０は、受信信号ＲＣＶと参照信号ＲＥＦとの相互相関信号ＣＯＲを演算し、演算された相互相関信号ＣＯＲを制御回路１１４へ出力する。受信回路１４０の詳細については、図２を用いて後述するが、受信回路１４０における処理によって残響振動におけるスプリアス成分が除去される。

　位相調整回路１５０は、増幅器１６０およびスイッチＳＷ１を介して送信用電極１２１に接続される。位相調整回路１５０は、受信信号ＲＣＶの位相を反転させる。増幅器１６０は、位相調整回路１５０において位相反転された受信信号ＲＣＶを増幅し、スイッチＳＷ１を介して送信用電極１２１へ出力する。

　スイッチＳＷ１は、制御回路１１４から出力された制御信号ＣＴＬ２によって制御され、導通状態と非導通状態とを切換える。スイッチＳＷ１の動作については、図３において詳述するが、概略的には、信号生成回路１１６から送信用電極１２１への駆動信号ＤＲＶの出力が停止されてから所定の期間だけ導通状態とされ、これにより圧電素子１２０の残響振動の主振動成分が除去される。位相調整回路１５０、増幅器１６０およびスイッチＳＷ１によって、アクティブダンピング回路１７０が形成される。なお、実施の形態１における「アクティブダンピング回路１７０」は、本開示における「帰還回路」に対応する。

　すなわち、受信回路１４０から出力される相互相関信号ＣＯＲにおいては、残響振動における主振動成分およびスプリアス成分の双方の影響が除去されることになる。制御回路１１４には、受信回路１４０から出力された相互相関信号ＣＯＲが入力され、信号生成回路１１６から送信用電極１２１への駆動信号ＤＲＶの出力が停止された後における相互相関信号ＣＯＲの振幅から反射波を検出し、圧電素子１２０が超音波を送信してから反射波を受信するまでの時間に基づいて、被検出物の有無および被検出物までの距離を検出する。

　（受信回路の説明）
　図２は、受信回路１４０の詳細を示すブロック図である。図２を参照して、受信回路１４０は、バンドパスフィルタＢＰＦと、パルス圧縮フィルタ１４１と、Ａ／Ｄ変換回路１４２と、エンベロープ回路１４３とを含む。

　バンドパスフィルタＢＰＦは、増幅器１３０から出力された受信信号ＲＣＶをが入力され、受信信号ＲＣＶに含まれるノイズなどのような所定の周波数帯域幅以外の不要な信号を減衰させる。ここで、所定の周波数帯域幅は、圧電素子１２０の送信用電極１２１に印加される交流電圧の周波数を中心周波数とした所定の範囲に設定される。バンドパスフィルタＢＰＦを通過した信号は、パルス圧縮フィルタ１４１に出力される。

　パルス圧縮フィルタ１４１には、バンドパスフィルタＢＰＦから出力された信号と、制御回路１１４から出力された参照信号ＲＥＦとが入力される。ここで、参照信号ＲＥＦは、送信用電極１２１に印加される交流電圧の周波数（すなわち圧電素子１２０から送信される超音波の周波数）を有する正弦波パルス信号である。

　パルス圧縮フィルタ１４１は、「マッチドフィルタ」とも称され、入力信号（ここでは、受信信号ＲＣＶ）に、駆動信号ＤＲＶ（ここでは、参照信号ＲＥＦ）の共役をとって時間反転を施した信号を畳み込むことによって、入力信号と駆動信号ＤＲＶとの間の相互相関関数を演算する。言い換えれば、パルス圧縮フィルタ１４１は、受信信号ＲＣＶに含まれる信号の中から、圧電素子１２０から送信された超音波パルス（駆動信号ＤＲＶ）と相関の高い信号のみを抽出する機能を有するフィルタである。

　パルス圧縮フィルタ１４１によってフィルタリングされた信号は、Ａ／Ｄ変換回路１４２によってデジタル信号に変換される。さらに、エンベロープ回路１４３によってデジタル変換された信号の振幅のエンベロープ処理が実行されて、包絡線が検出される。このような処理が施されることによって、受信信号ＲＣＶと参照信号ＲＥＦとの相互相関係数を示す相互相関信号ＣＯＲが生成される。

　相互相関信号ＣＯＲにおいては、参照信号ＲＥＦ（すなわち、送信された超音波パルス）との相関が高い信号の振幅が大きくなる。ここで、残響振動におけるスプリアス成分は、主に、圧電素子１２０の構造上の固有振動に起因する振動成分であり、一般的には駆動信号ＤＲＶによる主振動成分の周波数とは異なっている。そのため、受信信号ＲＣＶに含まれる残響振動のスプリアス成分と駆動信号ＤＲＶとの相関は低くなり、相互相関信号ＣＯＲにおいては、残響振動のスプリアス成分の影響が除去されることになる。

　なお、本実施の形態１における「パルス圧縮フィルタ１４１」は、本開示における「演算回路」に対応する。

　（アクティブダンピング回路の説明）
　次に、図３を用いて、超音波装置１００における超音波の送信とアクティブダンピング回路１７０による残響振動の主振動成分の抑制の動作例について説明する。なお、図３においては、説明を容易にするために、信号生成回路１１６の部分が交流電圧源として記載されている。また、電源１０５、メモリ１１２、制御回路１１４および受信回路１４０については省略されている。

　図３に示されるように、超音波装置１００は、超音波を送信するステップ（Ａ）と、超音波の送信によって生じる残響振動の主振動成分を抑制するステップ（Ｂ）と、超音波の反射波を受信するステップ（Ｃ）とを順に実行する。

　ステップ（Ａ）において、制御回路１１４は、制御信号ＣＴＬ２によってスイッチＳＷ１を非導通とした状態で、信号生成回路１１６に制御信号ＣＴＬ１を出力して、圧電素子１２０の送信用電極１２１に交流電圧（駆動信号ＤＲＶ）を印加する。好ましくは、印加される交流電圧の周波数は、圧電体１２４の送信用領域１２４１の共振周波数と等しい。送信用領域１２４１は、交流電圧が印加されることによって逆圧電効果による振動を開始し、超音波を送信する。

　ステップ（Ｂ）においては、制御回路１１４は、超音波の送信を開始してから予め定められた時間（たとえば、数マイクロ秒～数ミリ秒）が経過した後に、圧電素子１２０への交流電圧の印加を停止する。このとき、圧電体１２４の送信用領域１２４１の振動はすぐには停止せず、しばらくの間は振動状態が継続する。この振動（すなわち、残響振動）は、圧電体１２４の受信用領域１２４２に影響し、受信用領域１２４２は送信用領域１２４１と共振する。これによって、受信用電極１２２からは残響振動に伴う信号が出力される。

　制御回路１１４は、交流電圧の印加を停止した後に、スイッチＳＷ１を導通状態に切換える。これによって、受信用電極１２２、増幅器１３０、位相調整回路１５０、増幅器１６０、スイッチＳＷ１、および送信用電極１２１で構成される閉回路が形成される。共振によって受信用領域１２４２に生じた信号は、残響振動が打ち消されるように、位相調整回路１５０および増幅器１６０によって、位相および振幅が調整される。具体的には、アクティブダンピング回路１７０から送信用電極１２１に印加される信号は、残響振動に対して位相が１８０°ずれ、かつ、残響信号と振幅が等しくなるように調整される。このように残響振動に対して逆位相の信号を送信用電極１２１にフィードバックすることによって、残響振動が相殺されて短時間で減衰される。すなわち、残響振動に応じて受信用領域１２４２から出力される残響信号が送信用電極１２１にフィードバックされることによって圧電素子１２０の残響振動が抑制される。

　残響信号を送信用電極１２１にフィードバックして残響振動が減衰されると、ステップ（Ｃ）において、制御回路１１４は、スイッチＳＷ１を再び非導通状態に切換える。これによって、圧電素子１２０は、被検出物によって反射された超音波を受信することが可能となる。受信用領域１２４２は、受信した超音波の反射波によって振動し、圧電効果によって生じた電気信号は受信用電極１２２から受信回路１４０へ出力される。

　このように、超音波装置１００では、超音波の送信に従ってスイッチＳＷ１を動作させることによって、アクティブダンピング回路１７０を用いて残響振動に含まれる主振動成分を抑制することが可能となる。

　（超音波装置の制御構造）
　次に、図４を用いて、超音波装置１００の制御構造について説明する。図４は、超音波装置１００において実行される処理を示すフローチャートである。

　図４を参照して、ステップ（以下、「ステップ」をＳと略す。）Ｓ１０において、制御回路１１４はスイッチＳＷ１を非導通状態（ＯＦＦ）にする。そして、制御回路１１４は、Ｓ２０にて、信号生成回路１１６に対して制御信号ＣＴＬ１を出力し、圧電素子１２０の送信用電極１２１に交流電圧（駆動信号ＤＲＶ）を印加する。これによって、圧電素子１２０の送信用領域１２４１から超音波が送信される。

　制御回路１１４は、Ｓ３０にて、超音波の送信開始から所定時間（たとえば、数マイクロ秒～数ミリ秒）が経過したか否かを判定する。所定時間が経過していない場合（Ｓ３０にてＮＯ）は、処理がＳ３０に戻されて、制御回路１１４は超音波の送信を継続する。

　所定時間が経過した場合（Ｓ３０にてＹＥＳ）は、処理がＳ４０に進められ、制御回路１１４は、圧電素子１２０への交流電圧の印加を停止することによって、圧電素子１２０からの超音波の送信を停止する。

　その後、制御回路１１４は、Ｓ５０にて、スイッチＳＷ１を導通状態（ＯＮ）に切換える。これによって、残響振動によって受信用領域１２４２から出力される残響信号が、送信用電極１２１にフィードバックされる。これによって、残響振動における主振動成分が短時間で減衰する。

　制御回路１１４は、Ｓ６０において、スイッチＳＷ１を導通状態に切換えてから所定時間（たとえば、数マイクロ秒～数ミリ秒）が経過したか否かを判定する。Ｓ６０における所定時間は、アクティブダンピング回路１７０によって残響振動における主振動成分が十分に減衰することができる時間に設定される。

　所定時間が経過していない場合（Ｓ６０にてＮＯ）は、処理がＳ６０に戻されて、制御回路１１４は所定時間が経過するのを待つ。所定時間が経過した場合（Ｓ６０にてＹＥＳ）は、処理がＳ７０に進められ、制御回路１１４はスイッチＳＷ１を再び非導通状態（ＯＦＦ）に切換える。これにより、圧電素子１２０は、被検出物からの超音波の反射波の受信が可能な状態となる。

　そして、Ｓ８０にて、圧電素子１２０によって被検出物からの反射波が受信され、圧電体１２４の受信用領域１２４２は反射波によって振動し、圧電効果により電気信号に変換されて受信用電極１２２から出力される。

　その後、Ｓ９０にて、受信回路１４０は、受信用電極１２２からの受信信号ＲＣＶにフィルタ処理を施して、受信信号ＲＣＶと参照信号ＲＥＦとの相互相関係数を演算する。この演算により、受信信号ＲＣＶに含まれる残響振動のスプリアス成分が除去される。

　制御回路１１４は、Ｓ１００にて、受信回路１４０からの相互相関信号ＣＯＲに基づいて、物体の有無および／または物体との距離を検出する。

　以上のような処理に従って制御が行なわれることによって、残響振動の主振動成分およびスプリアス成分が受信信号から排除されるので、被検出物が超音波装置から近距離にある場合であっても、適切に検出することが可能となる。

　図５は、超音波装置１００において、受信回路１４０において残響振動のスプリアス成分が除去される原理を概念的に説明するための図である。図５においては、上段から、圧電素子からの送信波形（Ａ）、スプリアス成分がない場合の受信波形（Ｂ）、スプリアス成分がある場合の受信波形（Ｃ）、および、受信波形と送信波形との相互相関波形（Ｄ）が示されている。なお、図５の受信波形（Ｂ），（Ｃ）においては、説明を容易にするために、アクティブダンピング回路１７０による主振動成分の除去を行なっていない場合の波形が示されている。

　図５を参照して、時刻ｔ０～時刻ｔ１の間、圧電素子１２０に駆動信号ＤＲＶが入力されて超音波が送信される。この期間においては、圧電素子１２０の送信用領域１２４１は送信波形と同じ周波数で振動し、それに伴って受信用領域１２４２も同じ周波数で共振する。したがって、受信波形においても送信波形と同様の波形が検出される。また、受信波形と送信波形との相関は高く、受信波形と同じ周波数の相互相関波形が検出される。

　時刻ｔ１において超音波の送信が停止されても、圧電体１２４の送信用領域１２４１は、しばらくの間は送信波形に対応した周波数で振動する。すなわち、残響振動の主振動成分によって振動が継続される。

　主振動成分による残響振動は徐々に減衰し、時刻ｔ２以降は振幅が小さくなる。残響振動にスプリアス成分が含まれていない場合（あるいは、スプリアス成分がすでに減衰している場合）には、主振動成分による残響振動の減衰後であれば、反射波と残響信号とが混ざり合うことがなく、時刻ｔ３～時刻ｔ４において反射波を検出することができる（受信波形（Ｂ））。

　残響振動におけるスプリアス成分は、主に、圧電素子１２０の構造上の固有振動に起因する振動成分を含んでいる。そのため、信号生成回路１１６から入力される駆動信号ＤＲＶに起因する主振動成分より長い時間継続する場合がある。また、超音波装置１００の長期間の使用により、たとえば圧電体１２４と電極との接着度が低下するなどの経年劣化が生じている場合にも、残響振動におけるスプリアス成分が長い時間継続する場合がある。

　このような場合、受信波形（Ｃ）のように、時刻ｔ２において残響振動の主振動成分が減衰しても、スプリアス成分による振動が引き続き受信波形に現れる。このスプリアス成分による振動が時刻ｔ４まで継続した場合には、受信波形において反射波と残響振動とが混ざり合うため、反射波が適切に検出できなくなる。

　この場合であっても、スプリアス成分による振動の周波数は、通常は送信波形の周波数とは異なっているため、時刻ｔ２～時刻ｔ４の間において送信波形と受信波形のスプリアス成分との相関は低くなる。したがって、相互相関波形（Ｄ）においては、スプリアス成分の振動波形が除去される。

　一方で、被検出物からの反射波については、送信した超音波（送信波形）に起因するものであるため、その周波数は送信波形とほぼ同程度となる。したがって、受信波形における反射波の成分については送信波形との相関が高くなるので、相互相関波形（Ｄ）においては、反射波による成分が現れる。したがって、受信回路１４０において受信信号ＲＣＶと参照信号ＲＥＦとの相互相関を演算することによって、残響振動におけるスプリアス成分の影響を除去することができる。

　なお、仮に、図５の時刻ｔ１～時刻ｔ２の間において、アクティブダンピング回路１７０を動作させて残響振動の主振動成分についても除去した場合には、受信波形（Ｂ），（Ｃ）において、時刻ｔ１～時刻ｔ２の間の主振動成分による振動波形が低減され、結果として相互相関波形（Ｄ）における時刻ｔ１～時刻ｔ２の間の振幅も小さくなる。したがって、反射波の検出をより正確に行なうことが可能となる。

　図６は、本実施の形態１の超音波装置１００における受信波形の一例を示す図である。図６においては、上段から、圧電素子１２０に印加される駆動信号ＤＲＶ、受信回路１４０で用いられる参照信号ＲＥＦ、受信用領域１２４２から出力される受信信号ＲＣＶ、および、受信信号ＲＣＶと参照信号ＲＥＦとの相互相関信号ＣＯＲの波形が示されている。図６においても、アクティブダンピング回路１７０による主振動成分の除去を行なっていない場合の波形が示されている。なお、参照信号ＲＥＦとしては、駆動信号ＤＲＶと同じ周波数成分を有する正弦波が用いられている。

　図６においては、時刻ｔ１０～時刻ｔ１１の間、圧電素子１２０に駆動信号ＤＲＶが入力されて超音波が送信されており、時刻ｔ１２までは主振動成分による振動が継続し、時刻ｔ１４までスプリアス成分の振動が継続している。また、被検出物からの反射波は、時刻ｔ１３～時刻１５の間に受信用領域１２４２において検出されている。

　受信信号ＲＣＶの波形に示されるように、時刻ｔ１３～時刻ｔ１４の間においては、残響振動のスプリアス成分と反射波とが混ざり合っているため、反射波を正しく判別することができない。しかしながら、相互相関信号ＣＯＲにおいては、時刻ｔ１２～時刻ｔ１４の間のスプリアス成分の影響が除去されているため、時刻ｔ１３～時刻ｔ１４の間における反射波を適切に抽出できている。

　なお、アクティブダンピング回路１７０を動作させた場合には、受信信号ＲＣＶにおける主振動成分は除去されるが、その場合には、時刻ｔ１１～時刻ｔ１２においても、スプリアス成分の影響が表面化することになる。しかしながら、この場合であっても、受信回路１４０のフィルタ処理による相互相関信号ＣＯＲを用いることによって、残響振動のスプリアス成分の影響を排除できる。したがって、被検出物からの反射波を適切に検出することが可能となり、近距離の検出性能を向上させることができる。

　なお、上記の実施の形態１においては、参照信号ＲＥＦとして、駆動信号ＤＲＶと同じ周波数を有する正弦波を用いる場合を例として説明したが、参照信号ＲＥＦは、駆動信号ＤＲＶと同じ周波数を含んでいれば正弦波以外の波形であっても構わない。たとえば、図７に示されるように、駆動信号ＤＲＶと同じ周波数を含む矩形波（Ａ）であってもよいし、三角波（Ｂ）、あるいは、のこぎり波（Ｃ）であってもよい。すなわち、参照信号ＲＥＦは、正弦波の周波数成分を含む波形の信号であればよい。

　［実施の形態２］
　実施の形態１においては、圧電素子が３端子型の超音波トランスデューサである例について説明したが、本開示の特徴は、圧電素子が２端子型の超音波トランスデューサである構成にも適用可能である。

　図８は、実施の形態２に従う超音波装置１００Ａの全体構成を示すブロック図である。超音波装置１００Ａにおいては、超音波装置１００Ａの圧電素子１２０が圧電素子１２０Ａに置き換えられるとともに、位相調整回路１５０、増幅器１６０およびスイッチＳＷ１からなるアクティブダンピング回路１７０が削除された構成となっている。超音波装置１００Ａにおいて、超音波装置１００と重複する要素の説明は繰り返さない。

　圧電素子１２０Ａは、送受信用電極１２１Ａと、接地電位に接続された接地電極１２３Ａと、圧電体１２４Ａとを含む。すなわち、圧電素子１２０Ａは、２端子型の超音波トランスデューサである。圧電素子１２０Ａは、送信用電極および受信用電極が一体となっているため、実施の形態１におけるアクティブダンピング回路１７０が削除されている。

　超音波装置１００Ａにおいても、受信回路１４０にはパルス圧縮フィルタ１４１が含まれており、参照信号ＲＥＦと受信信号ＲＣＶとの相互相関係数に基づいて、物体の検出が行なわれる。これにより、圧電素子が２端子型の超音波トランスデューサの場合にも、圧電素子１２０Ａの残響振動のスプリアス成分の影響を除去することができるので、近距離の被検出物に対する検出性能を向上させることが可能となる。

　今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１００，１００Ａ　超音波装置、１０５　電源、１１０　送信回路、１１２　メモリ、１１４　制御回路、１１６　信号生成回路、１２０，１２０Ａ　圧電素子、１２１　送信用電極、１２１Ａ　送受信用電極、１２２　受信用電極、１２３　共通電極、１２３Ａ　接地電極、１２４，１２４Ａ　圧電体、１３０，１６０　増幅器、１４０　受信回路、１４１　パルス圧縮フィルタ、１４２　Ａ／Ｄ変換回路、１４３　エンベロープ回路、１５０　位相調整回路、１７０　アクティブダンピング回路、１２４１　送信用領域、１２４２　受信用領域、ＢＰＦ　バンドパスフィルタ、ＣＯＭ，ＲＸ，ＴＸ　端子、ＳＷ１　スイッチ。

Claims (6)

1. 　圧電素子と、
   　前記圧電素子を駆動する駆動信号を出力する駆動回路と、
   　前記圧電素子から出力された受信信号が入力され、前記受信信号と前記駆動信号に基づく参照信号との相互関係係数を演算する演算回路を含む受信回路と、
   　前記演算回路によって演算された相互相関係数に基づいて物体を検出する制御回路とを備え、
   　前記駆動信号の周波数は一定であり、
   　前記参照信号は前記駆動信号の周波数を含む信号である、超音波装置。
2. 　前記参照信号は、正弦波の周波数成分を含む波形の信号である、請求項１に記載の超音波装置。
3. 　前記参照信号は、正弦波、矩形波、三角波、または、のこぎり波のいずれかの波形の信号である、請求項２に記載の超音波装置。
4. 　前記圧電素子は、
   　　共通電極と、
   　　前記駆動信号が入力される送信用電極と、
   　　前記受信信号を出力する受信用電極とを含み、
   　前記超音波装置は、前記受信信号を前記送信用電極に帰還させる帰還回路をさらに備える、請求項１～３のいずれか１項に記載の超音波装置。
5. 　前記帰還回路は、前記制御回路からの制御信号に従って、前記送信用電極と前記受信用電極との間の電気的接続を切換えるスイッチを含み、
   　前記スイッチは、前記圧電素子への前記駆動信号の印加の停止後、所定時間が経過するまで導通状態とされ、前記所定時間経過後に非導通状態とされる、請求項４に記載の超音波装置。
6. 　前記帰還回路は、前記受信信号の位相を調整する位相調整回路をさらに含む、請求項４または５に記載の超音波装置。

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