JP2013195211A - 超音波センサ及びその校正方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】超音波素子の共振周波数の変動を補償し得る駆動周波数を設定し、煩雑な作業や機器のコストアップが不要な利便性の高い校正を実現可能な超音波センサを提供する。
【解決手段】本発明の超音波センサは筺体に収容され、超音波素子(12)と、超音波素子に送信信号を供給する送信手段(20、31)と、超音波素子から供給される受信信号を検出する受信手段(21、22、23、24、25、32)と、距離算出手段(32)と、校正制御手段(33)と備えている。校正制御手段は、送信手段の駆動周波数の校正時に、超音波素子の共振周波数の変化範囲として想定される複数個の駆動周波数のうち、筺体からの反射波に対応する受信信号の強度を最大化する駆動周波数を送信手段に対して選択的に設定する。
【選択図】図2
【解決手段】本発明の超音波センサは筺体に収容され、超音波素子(12)と、超音波素子に送信信号を供給する送信手段(20、31)と、超音波素子から供給される受信信号を検出する受信手段(21、22、23、24、25、32)と、距離算出手段(32)と、校正制御手段(33)と備えている。校正制御手段は、送信手段の駆動周波数の校正時に、超音波素子の共振周波数の変化範囲として想定される複数個の駆動周波数のうち、筺体からの反射波に対応する受信信号の強度を最大化する駆動周波数を送信手段に対して選択的に設定する。
【選択図】図2
Description
本発明は、超音波を用いて測定対象物までの距離を検出する超音波センサ及びその校正方法に関するものである。
従来から、超音波素子から出力された超音波の反射波を受波し、その受信信号によって測定対象物までの距離を検出するように構成された超音波センサが用いられている。この種の超音波センサにおいて、例えば圧電素子等の超音波素子は固有の共振周波数で発振することにより超音波を送波するので、十分な検出感度を得るには、共振周波数に適合する最適な周波数で送信回路を駆動し、その送信信号を超音波素子に供給する必要がある。しかし、一般に超音波センサは、長期間の使用による経年変化や周囲の温度変動、あるいは製造時のロットによる特性バラツキ等に起因して、共振周波数の変動・バラツキが生じる結果、超音波センサの検出精度の劣化を招く恐れがある。よって、これらの要因による検出精度の劣化を防止するため、必要に応じて超音波センサの校正を実施し、共振周波数の変化を補償するように送信回路の最適な駆動周波数を設定することが望ましい。従来の超音波センサにおいて、その共振周波数に適合する駆動周波数を設定するための様々な手法が提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。かかる手法により、超音波センサにおいて最適な駆動周波数を設定すれば、上述の要因による共振周波数の変動・バラツキを補償することができ、良好な検出精度で測定対象物までの距離を検出することができる。
例えば、超音波センサにおける駆動周波数を設定する具体的な手法として、駆動周波数を変化させつつ超音波を順次送波し、反射体からの反射波に対応する受信信号の受信レベルが最大値あるいは所定値以上となったときに共振周波数にほぼ合致すると判断し、それを送信回路に対する駆動周波数として設定することができる。しかし、かかる手法においては、駆動周波数の設定に用いる反射体を所定の距離に配置する必要がある。例えば、製品出荷時や製品の初期設置時に校正を行う場合は問題にならないとしても、実働中の超音波センサの校正を行うには、専用の反射板やその代用となる物体を設置する作業が必要となる。また、超音波センサを含むセットとして、予め校正用の反射板を標準的に用意しておくことも可能である。しかし、この場合は、機器の増加によるコストアップが問題となるし、実際に反射板を設置できる環境がなかったり、あるいは利便性が低下するなどの不利益も想定される。以上のように、従来の超音波センサにおいては、所望のタイミングで校正を行い、簡易かつ的確に送信回路の駆動周波数を設定して共振周波数の変化を補償し得る手法は提案されていなかった。
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、超音波センサの校正時に超音波素子の共振周波数の変化を補償し得る駆動周波数を確実に設定でき、煩雑な作業や機器のコストアップを回避しつつ、利便性の高い校正を実現可能な超音波センサを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の超音波センサは、筺体に収容された超音波センサであって、送信信号を超音波に変換して送波するとともに前記超音波の反射波を受波して受信信号に変換する超音波素子と、所定の駆動周波数で駆動される前記送信信号を生成して前記超音波素子に供給する送信手段と、測定対象物の検出範囲に応じて予め設定された第1の時間範囲内において、前記超音波素子から供給される前記受信信号の有無を検出する受信手段と、前記送信信号を生成してから前記受信信号を検出するまでの時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出手段と、前記駆動周波数の校正時に、前記超音波素子の共振周波数の想定される変化範囲内から選択された複数個の駆動周波数のうち、前記筺体からの反射波に対応する前記受信信号の強度を最大化する駆動周波数を決定し、前記送信手段に対して前記決定された駆動周波数を設定する校正制御手段を備えて構成される。
本発明の超音波センサによれば、送信手段の駆動周波数を校正する際、複数個の駆動周波数のうち、筺体からの反射波に対応する受信信号の強度を最大化するものを送信手段の駆動周波数として設定したので、校正後の通常の測定時には、共振周波数の変化を補償するように駆動周波数を最適化し、超音波センサの良好な検出精度を保つことができる。この場合、筐体からの反射波を利用して上記校正を実施することができるので、専用の反射板等を設ける必要がなく、煩雑な作業や機器の増加によるコストアップを回避し、利便性の高い校正を実現することができる。
前記超音波素子は、送受一体型の構造に加えて、送波用超音波素子と受波用超音波素子とに分離された分離型の構造であってもよい。この場合、駆動周波数の校正時には、筐体からの反射波に加えて、送波用超音波素子から受波用超音波素子への直達波に対応する受信信号の強度を最大化するものを駆動周波数として設定してもよい。このような直達波は、筺体からの反射波と同様、超音波センサから近距離の範囲を伝送するため、上記と同様の手法で駆動周波数を最適化でき、かつ同様の効果を享受することができる。
前記受信手段は、前記筺体からの反射波又は前記直達波の受信範囲に応じて予め設定された第2の時間範囲内における受信信号の強度のピークを検出するピーク検出回路を含めて構成してもよい。この場合、複数個の駆動周波数に対応する複数のピークのうち最大のピークが得られる駆動周波数を送信手段の駆動周波数として設定する必要がある。
前記校正制御手段は、通常の測定時に測定対象物までの距離を算出する際、筺体からの反射波が受波される時間範囲内における受信信号をマスキングすることが望ましい。すなわち、測定対象物までの距離は、送信信号を生成してから受信信号を検出するまでの時間に基づいて算出するので、通常の測定時には、測定対象物に比べて超音波素子からの距離が短い筐体の影響を除去して、測定対象物までの距離を確実に計測することができる。
前記筺体には、その反射波を増強するためのフランジ部を設けてもよい。例えば、筐体の超音波素子が取り付けられた側に、ある程度の面積を有する平板状のフランジ部を設けることができる。
本発明の超音波センサにおいて、前記駆動周波数の校正は所望のタイミングで行うことができる。この場合、予め設定されたタイミングで校正を行ってもよいが、他の手段を利用して校正のタイミングを制御してもよい。例えば、超音波センサに、外部との間で無線通信を行う無線通信手段を設け、この無線通信手段を介して受信した校正指令に応じて駆動周波数の校正を行うことができる。また例えば、超音波センサに温度センサを設け、この温度センサにより検知された温度変化に応じて駆動周波数の校正を行うことができる。
また、上記課題を解決するために、本発明の超音波センサの校正方法は、筺体に収容された超音波センサの校正方法であって、所定の周波数範囲内の複数個の駆動周波数のそれぞれで駆動される送信信号を超音波素子により超音波に変換して送波するステップと、前記超音波の反射波を前記超音波素子により受波して受信信号に変換し、前記筺体からの反射波に対応する前記受信信号が存在する所定の時間範囲内で前記受信信号の強度を検出するステップと、前記複数個の駆動周波数のうち、前記受信信号の強度が最大となる駆動周波数を決定し、通常の測定時に前記送信信号に対し前記決定された駆動周波数を設定するステップとを含むことを特徴としている。
本発明の超音波センサの校正方法においても、上述したように、送受一体型の超音波素子だけではなく、送受分離型の送波用超音波素子と受波用超音波素子を設ける場合に適用可能である。また、前記受信手段が前記ピーク検出回路を含む構成にも適用可能である。さらに、前記駆動周波数の設定は、予め設定されたタイミングで実行される場合に加え、校正指令に基づいて判別したタイミングで実行される場合であっても適用可能である。
本発明によれば、超音波センサにおいて、送信手段の駆動周波数を校正する際、共振周波数の変化範囲内の複数個の駆動周波数のうち、筺体からの反射波あるいは直達波に対応する受信信号の強度を最大化する駆動周波数を送信手段に対して設定するようにしたので、超音波素子の共振周波数が経年変化や温度変動等によって変化したとしても、それを確実に補償することができるとともに、煩雑な作業や機器のコストアップを回避しつつ利便性の高い校正を実施可能となる。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。以下では、本発明を具体化した超音波センサの3つの実施形態について説明する。
[第1実施形態]
第1実施形態では、送受一体型の超音波素子を具備する超音波センサに対して本発明を適用する場合を説明する。図1は、第1実施形態の超音波センサ10の基本概念を示している。また、図2は、図1の超音波センサ10の内部構成をブロック図により示している。図1に示すように、第1実施形態の超音波センサ10は、筐体11と、筐体11の一端に取り付けられた超音波素子12とを具備している。筐体11は、樹脂等を用いて略直方体状に形成される。筐体11の内部には後述の内部回路やケーブルが収容されるとともに、外壁の貫通部に超音波素子12が挿入され、超音波素子12のセンサ面が外部に向いて露出する状態になっている。
第1実施形態では、送受一体型の超音波素子を具備する超音波センサに対して本発明を適用する場合を説明する。図1は、第1実施形態の超音波センサ10の基本概念を示している。また、図2は、図1の超音波センサ10の内部構成をブロック図により示している。図1に示すように、第1実施形態の超音波センサ10は、筐体11と、筐体11の一端に取り付けられた超音波素子12とを具備している。筐体11は、樹脂等を用いて略直方体状に形成される。筐体11の内部には後述の内部回路やケーブルが収容されるとともに、外壁の貫通部に超音波素子12が挿入され、超音波素子12のセンサ面が外部に向いて露出する状態になっている。
超音波素子12は、送波用超音波素子と受波用超音波素子とが一体化された素子であり、例えば、圧電素子によって構成される。圧電素子は、所定の機械振動周波数(共振周波数)の駆動信号を印加したとき、振動子の屈曲振動に基づく超音波を放射する。図1に示すように、超音波素子12からは、送信信号に対応する超音波がセンサ面の方向に送波され、それが超音波センサ10から距離Daを隔てた測定対象物13によって反射され、その反射波Waが再び超音波素子12によって受波される。超音波センサ10は、測定対象物13からの反射波Waを超音波素子12を介して受信信号に変換し、それにより距離Daを算出するが、詳細については後述する。一般に、空気中を伝搬する超音波のエネルギーは距離Daが長くなるほど減衰するので、測定対象物13の検出可能な距離Daには制約がある。ただし、後述するように、超音波素子12を共振周波数で駆動して超音波を送波することにより、そのエネルギー及び到達距離を最大化することができる。
一方、図1に示すように、超音波センサ10においては、超音波素子12から送波された超音波が自己の筐体11によっても反射される。よって、超音波素子12には、測定対象物13からの反射波Waに加えて、筐体11からの反射波Wbが受波される。この反射波Wbは、測定対象物13までの距離Daに比べて筐体11までの距離が十分に短いことから、後述するように反射波Wbを受波する時間の違いに応じて区別でき、通常の測定時には妨げとはならない。しかし、第1実施形態では、超音波センサ10の校正時に、筐体11からの反射波Wbを積極的に利用して、駆動周波数を設定する点に特徴がある。第1実施形態の具体的な校正方法については、後述する。
次に、第1実施形態の超音波センサ10の内部構成の具体例について説明する。図2に示すように、第1実施形態の超音波センサ10は、図1で説明した超音波素子12と、送信増幅回路20と、受信増幅回路21と、検波回路22と、積分回路23と、コンパレータ24と、ピーク検出回路25と、信号処理部30とにより構成される。また、信号処理部30には、駆動周波数設定部31と、受信処理部32と、感度ピーク算出部33とが含まれる。このうち、送信増幅回路20及び駆動周波数設定部31は送信手段とて機能し、受信増幅回路21、検波回路22、積分回路23、コンパレータ24は受信手段の要部として機能する。また、超音波センサ10の通常の測定時には、信号処理部30のうちの受信処理部32が受信手段の一部及び距離算出手段としてそれぞれ機能する。また、超音波センサ10の校正時には、ピーク検出回路25及び感度ピーク算出部33が校正制御手段の要部としても機能する。
以上の構成において、上述したように超音波素子12は送受一体型であるため、1対の端子電極が送信増幅回路20と受信増幅回路21の両方に接続されている。送信増幅回路20は、後述の動作に基づき駆動周波数設定部31によって設定された駆動周波数のクロック信号を受け、それを増幅して所定の電圧振幅を有する送信信号を出力する。送信増幅回路20は、例えば、十分な電圧振幅を得られるようにトランス等を含んで構成される。一方、受信増幅回路21は、超音波素子12で受波された反射波Wa、Wbに対応する微弱な受信信号を十分なレベルまで増幅する。受信増幅回路21における増幅率は、後段の検波回路22の動作に十分な値であって、反射波Wa、Wbによる受信信号が飽和しない程度の値に設定される。
また、検波回路22は、受信増幅回路21により増幅された受信信号を包絡線検波して高周波成分を除去し、受信信号の振幅変化に追随する検波信号を生成する。積分回路23は、検波回路22で得られた検波信号を所定の時定数で平滑化してノイズ成分を除去する。コンパレータ24は、積分回路23の出力信号と検出境界値とを比較して2値化し、検出信号を生成して受信処理部32に供給する。一方、ピーク検出回路25は、受信増幅回路21により増幅された受信信号のピークレベルを検出し、所定の時間範囲においてピークレベルを保持する。
信号処理部30は、超音波センサ10全体の動作を制御する制御手段として機能し、例えば、1チップのMCU(Micro Controller Unit)等を用いることができる。信号処理部30には、例えば、処理に必要なデータやプログラムを記憶するメモリや、時間経過の基準となる内部タイマーが含まれる。信号処理部30において、上述の駆動周波数設定部31、受信処理部32、感度ピーク算出部33のそれぞれの動作は、メモリに記憶されるプログラムに基づいて実行される。駆動周波数設定部31は、複数の駆動周波数のうち校正時に決定された所定の駆動周波数によってクロック信号の周期を設定し、それを送信増幅回路20に供給する。感度ピーク算出部33は、後述の校正時に、ピーク検出回路25により検出された受信信号のピークレベルを最大化する駆動周波数又は所定の受信レベル以上となる駆動周波数を判別し、それを上述の駆動周波数として決定する。
図3は、図2の超音波センサ10の動作波形の一例を示している。図3においては、超音波素子12から超音波を送波した際、受信系の回路群に伝送される受信信号のうち、受信増幅回路21の出力側の波形(上段)と、積分回路23の出力側の波形(下段)を表している。いずれの波形(上段及び下段)においても、超音波素子12から超音波を送波するタイミングを起点(0μs)とした時間を横軸に示すとともに、それぞれの信号の電圧レベルを縦軸に示している。
図3に示すように、時間0の近傍において両方の各波形(上段及び下段)に受信信号が現れるが、これは一体型の超音波素子12に供給された送信信号が受信系の回路に回り込むためである。なお、実際には、一定のレベルかつ一定のパルス幅で送信信号が駆動されるが、受信増幅回路21の出力側では波形に歪みが生じている。また、検波回路22による包絡線検波後の検波信号を受ける積分回路23は、その波形(下段)に受信信号が存在しないときのレベルに対し、受信信号が存在するときには低下方向にレベルが変化している。つまり、積分回路23の波形(下段)のレベルが電圧0に近傍にあるとき、後段のコンパレータ24により受信信号の存在が検知される。
その後、約400μsの時間が経過したとき、受信増幅回路21の波形(上段)に受信信号が現れる。これは、図1に示すように自己の筐体11からの反射波Wbによる受信信号である。ここで、受信増幅回路21の波形(上段)に反射波Wbによる受信信号が存在する部分を含む時間範囲Tb(第2の時間範囲)を付記している。後述の校正動作の際には、この時間範囲Tb内に現れる受信信号に着目すればよい。なお、図3には示していないが、通常の測定時には、測定対象物13の検出範囲をカバー可能な時間範囲(第1の時間範囲)内の受信信号を処理する必要がある。第1の時間範囲は特に制約されないが、一例として0〜5000μsに設定することができる。
本実施形態においては、通常の測定時において筐体11からの反射波Wbは本来不要であり、測定対象物13の誤検出を防止すべく、時間範囲Tbの受信信号を無視する必要がある。そのため、信号処理部30により、受信信号に基づくコンパレータ24の検出信号のうち時間範囲Tb内の部分をマスキングする処理が行われる。一方、後述の校正時には、時間範囲Tbにおけるマスキングは解除される。なお、実際には、積分回路23の波形(下段)のうち時間範囲Tb内でも受信信号に対応するレベル変化が生じるが、通常の測定時に上述のマスキングがされることを明確にするため、非表示としたものである。
さらに、約2500〜3000μsの時間範囲に、いずれの波形(上段及び下段)にも受信信号が現れる。これは、図1に示すように超音波センサ10から距離Daに置かれた測定対象物13からの反射波Waによる受信信号である。そして、積分回路23からコンパレータ24を介して検出信号が信号処理部30に送られ、受信処理部32により測定対象物13までの距離Daが算出される。ここで、図4を用いて、受信処理部32による距離測定原理を説明する。図4において、送信系ではタイミングtsで送信信号のパルスが発生し、受信系ではタイミングtrで受信信号のパルスが発生している。よって、受信処理部32は、送受のタイミングts、tr間に経過する時間TRを信号処理部30の内部タイマーに基づき判別することにより、時間TRに比例する上述の距離Daを容易に算出することができる。
なお、図3の各波形(上段及び下段)には限られず、測定対象物13までの距離Daはある程度の受信信号のレベルを確保可能な範囲内であって、時間範囲Tbに相当する距離より遠方であればよい。また、超音波センサ10において、測定対象物13までの距離Daを直接求める代わりに、所定の距離範囲内における測定対象物13の有無を検知してもよい。
次に、第1実施形態の超音波センサ10の校正時の制御について説明する。図5は、図2の超音波センサ10の校正時における駆動周波数の設定処理を示すフローチャートである。図5の設定処理は、例えば、超音波センサ10の出荷時や起動時などに実施する場合のほか、超音波センサ10の使用状態に応じて定期的に実施してもよい。図5に示す処理が開始されると、信号処理部30により、予め設定された複数個の駆動周波数のうちのn番目(例えば、n=1〜N:Nは2以上の整数)の駆動周波数Fnを選択し、駆動周波数設定部31に対して設定する(ステップS10)。複数個の駆動周波数は、超音波素子12の共振周波数の変化を考慮し、想定される共振周波数の変化範囲内から予め選択される。
ステップS10に続いて、駆動周波数設定部31から駆動周波数Fnに対応するクロック信号が送信増幅回路20に供給され、送信増幅回路20から駆動周波数Fnの送信信号が超音波素子12に供給される(ステップS11)。その結果、図1に示すように、超音波素子12が駆動周波数Fnで発振して超音波を送波し、超音波センサ10の筐体11に反射した後、その反射波Wbが超音波素子12に受波される。そして、図3の時間範囲Tb内において、超音波素子12から受信増幅回路21を経て増幅された受信信号がピーク検出回路25に送られる。ピーク検出回路25では、時間範囲Tb内のピークレベルを保持し、得られたピーク電圧Vnが感度ピーク算出部33によってモニタされる(ステップS12)。
このとき、n=1であるときのピーク電圧V1は最初に得られる値であり、そのまま保持されるが、n≧2であるときは、今回のピーク電圧Vnと前回のピーク電圧Vn−1との比較が行われる(ステップS13)。すなわち、N個の駆動周波数に予め順番を定め(例えば周波数の低い順)、n番目の駆動周波数Fnに対応するピーク電圧Vnと、n−1番目の駆動周波数Fn−1に対応するピーク電圧Vn−1が比較される。ステップS13の比較の結果、今回のピーク電圧Vnが前回のピーク電圧Vn−1より高い場合は(ステップS13:NO)、再びステップS10に戻り、n+1に対応する次の駆動周波数Fn+1についてステップS10〜S13の処理を同様に繰り返す。一方、ステップS13の比較の結果、今回のピーク電圧Vnが前回のピーク電圧Vn−1以下になった場合は(ステップS13:YES)、前回の駆動周波数Fn−1を、通常の測定時に設定すべき駆動周波数として決定し(ステップS14)、図5の処理を完了する。なお、図5には示されないが、ステップS13で全てNO判断になるときは、n=Nに対応する最後の駆動周波数FNを、通常の測定時に設定すべき駆動周波数として決定して、処理を完了する。
ここで、図6を参照して、図5のフローチャートに基づいて駆動周波数が決定される状況の具体例を説明する。図6では、N個の駆動周波数として、N=5としたときの5個の駆動周波数F1、F2、F3、F4、F5が予め設定されるものとする。そして、横軸に示す一定間隔の5個の駆動周波数F1〜F5に関してステップS10〜S13を実行し、それぞれピーク検出回路25によって得られたピーク電圧V1、V2、V3、V4、V5を縦軸に示している。図6に示すように、中央の駆動周波数F3に対応するピーク電圧V3が最大であり、n=4のときにステップS13でV3≧V4がYESの判断となるため、ステップS14では駆動周波数F3に決定されることがわかる。超音波素子12の周波数特性は、図6に示すように、共振周波数をピークとして高域側と低域側で減少するのが一般的であるため、ステップS13の比較によって判断したピークは超音波センサ10の検出感度のピークにも合致する。
超音波センサ10の校正時に、図5のフローチャートに基づいて決定された駆動周波数は、それ以降、通常の測定時に駆動周波数設定部31に対して設定されることになる。よって、第1実施形態の超音波センサ10において、超音波素子12の共振周波数が経年変化や温度変動等によって変化する場合であっても、それを校正時に有効に補償することができ、受信信号の十分な受信レベルを確保して検出感度を高めることができる。特に、第1実施形態の校正制御によれば、筐体11の反射波Wbを利用して送信信号の駆動周波数を設定するので、専用の反射板やその他の物体を設置することが不要となり、利便性の高い校正を実現可能となる。
第1実施形態の超音波センサ10において、駆動周波数の校正を実施するタイミングに関しては多様な変形例がある。例えば、超音波センサ10に温度センサを設け、温度センサによって温度をモニタし、一定以上の温度変化量が検知されたとき、駆動周波数の校正を実施してもよい。この場合、超音波素子12の共振周波数の温度特性を考慮し、校正を実施する際の温度条件を定めることが望ましい。
また例えば、超音波センサ10の使用者が超音波センサ10を直接操作する場合に限らず、遠隔操作によって超音波センサ10に対して駆動周波数の校正を実施してもよい。この場合、超音波センサ10に無線通信手段を搭載し、外部の無線ノードから校正指令を無線通信によって送信し、この校正指令を超音波センサ10の無線通信手段が受信したときに駆動周波数の校正を実施してもよい。なお、超音波センサ10の無線通信手段は、通常の測定時に測定対象物13の距離の測定データ等を外部の無線ノードに送信してもよい。
[第2実施形態]
第2実施形態では、送受が分離された分離型の超音波素子を具備する超音波センサ10に対して本発明を適用する場合を説明する。図7は、第2実施形態の超音波センサ10の基本概念を示している。また、図8は、図7の超音波センサ10の内部構成をブロック図により示している。図7において、第1実施形態の超音波センサ10との違いは、図1の送受一体型の超音波素子12に代え、送波用超音波素子12aと受波用超音波素子12bとを筐体11に取り付けた点である。図7において、筐体11及び測定対象物13については図1と同様である。また、送波用超音波素子12a及び受波用超音波素子12bは、第1実施形態と同様、例えば、それぞれ圧電素子によって構成される。送波用超音波素子12a及び受波用超音波素子12bの各センサ面は同方向を向き、送信信号に対応する超音波が送波用超音波素子12aから送波され、測定対象物13によって反射された反射波Waが受波用超音波素子12bによって受波される。
第2実施形態では、送受が分離された分離型の超音波素子を具備する超音波センサ10に対して本発明を適用する場合を説明する。図7は、第2実施形態の超音波センサ10の基本概念を示している。また、図8は、図7の超音波センサ10の内部構成をブロック図により示している。図7において、第1実施形態の超音波センサ10との違いは、図1の送受一体型の超音波素子12に代え、送波用超音波素子12aと受波用超音波素子12bとを筐体11に取り付けた点である。図7において、筐体11及び測定対象物13については図1と同様である。また、送波用超音波素子12a及び受波用超音波素子12bは、第1実施形態と同様、例えば、それぞれ圧電素子によって構成される。送波用超音波素子12a及び受波用超音波素子12bの各センサ面は同方向を向き、送信信号に対応する超音波が送波用超音波素子12aから送波され、測定対象物13によって反射された反射波Waが受波用超音波素子12bによって受波される。
一方、図7においては、図1とは異なり、送波用超音波素子12aから送波され受波用超音波素子12bによって受波される直達波Wcが存在する。第2実施形態においては、超音波センサ10の近傍では、筐体11からの反射波も存在するが、上述の直達波Wcの強度が支配的である。この直達波Wcについても測定対象物13までの距離Daに比べて距離が十分に短い。よって、第2実施形態では、第1実施形態の反射波Wbと同様の観点から、超音波センサ10の校正時に直達波Wcを積極的に利用して、駆動周波数を設定する点に特徴がある。
次に図8は、第2実施形態の超音波センサ10の内部構成の具体例を示している。図8に示すように、第2実施形態の超音波センサ10は、第1実施形態の図2とほぼ共通であり、図7で説明したように、送波用超音波素子12aと受波用超音波素子12bがそれぞれ設けられている点のみが異なる。送波用超音波素子12aは、1対の端子電極が送信増幅回路20のみに接続され、受波用超音波素子12bは、1対の端子電極が受信増幅回路21のみに接続される。その他の構成要素については、図2と同様であるため、説明を省略する。
また、第2実施形態において、図8の超音波センサ10の動作波形及び校正時の制御については、第1実施形態の図3〜図6と基本的に共通であるため、その説明を省略する。例えば、図3の時間範囲Tbにおける波形(上段及び下段)の筐体11からの反射波Wbに対応する受信信号は、直達波Wcに対応する受信信号に置き換えて考えればよい。なお、第2実施形態では、送波用超音波素子12aと受波用超音波素子12bが分離されているため、図3の波形(上段)の時間0の近傍における送信系から受信系への回り込みを抑制することができる。以上のように、第2実施形態の超音波センサ10においても、第1実施形態の場合と同様の効果を享受することができる。また、第1実施形態において説明したように、超音波センサ10に温度センサや無線通信手段を設ける変形例は第2実施形態においても同様に適用可能である。
[第3実施形態]
第3実施形態では、第1及び第2実施形態の筐体11の構造を変更した超音波センサ10に対して本発明を適用する場合を説明する。図9は、第3実施形態の超音波センサ10の基本概念を示している。図9(A)では、第1実施形態の超音波センサ10をベースとし、その筐体11の超音波素子12が取り付けられた側の上端に、筐体11に接合された平板状のフランジ部11aが設けられている。よって、超音波素子12から送波された超音波はフランジ部11aによって反射され、フランジ部11aからの反射波Wdが超音波素子12によって受波される。このようなフランジ部11aを筐体11に設けることにより、筐体11にフランジ部11aの面積が付加される分だけ反射波Wdが増強されるので、より確実に駆動周波数の設定処理を行うことができる。
第3実施形態では、第1及び第2実施形態の筐体11の構造を変更した超音波センサ10に対して本発明を適用する場合を説明する。図9は、第3実施形態の超音波センサ10の基本概念を示している。図9(A)では、第1実施形態の超音波センサ10をベースとし、その筐体11の超音波素子12が取り付けられた側の上端に、筐体11に接合された平板状のフランジ部11aが設けられている。よって、超音波素子12から送波された超音波はフランジ部11aによって反射され、フランジ部11aからの反射波Wdが超音波素子12によって受波される。このようなフランジ部11aを筐体11に設けることにより、筐体11にフランジ部11aの面積が付加される分だけ反射波Wdが増強されるので、より確実に駆動周波数の設定処理を行うことができる。
一方、図9(B)では、第2実施形態の超音波センサ10をベースとし、その筐体11の送波用超音波素子12a及び受波用超音波素子12bが取り付けられた側の上端に、図9(A)と同形状のフランジ部11aが設けられている。よって、送波用超音波素子12aから送波された超音波はフランジ部11aによって反射され、フランジ部11aからの反射波Weが受波用超音波素子12bによって受波される。この場合の効果は図9(A)の場合と同様であるが、図9(B)では、第2実施形態で説明した直達波Wc(図7)も存在するので、直達波Wcと反射波Weの両方を考慮して駆動周波数の設定処理を行う必要がある。
以上のように、第3実施形態の超音波センサ10においても、第1及び第2実施形態の場合と同様の基本的な効果を享受できるとともに、反射波Wd、Weを増強して駆動周波数の設定処理の確実性を高める効果が付加される。なお、第3実施形態においても、超音波センサ10に温度センサや無線通信手段を設ける変形例を、第1及び第2実施形態と同様に適用可能である。
以上、3つの実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、図2及び図8に示す超音波センサ10の内部構成は一例であって、多様な回路構成によって同様の機能を実現することができる。また、図5に示すフローチャートについても、超音波センサ10の校正時に駆動周波数を設定するための多様な手順を想定することができる。その他の点についても上記各実施形態により本発明の内容が限定されるものではなく、本発明の作用効果を得られる限り、上記各実施形態に開示した内容には限定されることなく適宜に変更可能である。
10…超音波センサ
11…筐体
12…超音波素子
12a…送波用超音波素子
12b…受波用超音波素子
13…測定対象物
20…送信増幅回路
21…受信増幅回路
22…検波回路
23…積分回路
24…コンパレータ
25…ピーク検出回路
30…信号処理部
31…駆動周波数設定部
32…受信処理部
33…感度ピーク算出部
11…筐体
12…超音波素子
12a…送波用超音波素子
12b…受波用超音波素子
13…測定対象物
20…送信増幅回路
21…受信増幅回路
22…検波回路
23…積分回路
24…コンパレータ
25…ピーク検出回路
30…信号処理部
31…駆動周波数設定部
32…受信処理部
33…感度ピーク算出部
Claims (12)
- 筺体に収容された超音波センサであって、
送信信号を超音波に変換して送波するとともに前記超音波の反射波を受波して受信信号に変換する超音波素子と、
所定の駆動周波数で駆動される前記送信信号を生成して前記超音波素子に供給する送信手段と、
測定対象物の検出範囲に応じて予め設定された第1の時間範囲内において、前記超音波素子から供給される前記受信信号の有無を検出する受信手段と、
前記送信信号を生成してから前記受信信号を検出するまでの時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出手段と、
前記駆動周波数の校正時に、前記超音波素子の共振周波数の想定される変化範囲内から選択された複数個の駆動周波数のうち、前記筺体からの反射波に対応する前記受信信号の強度を最大化する駆動周波数を決定し、前記送信手段に対して前記決定された駆動周波数を設定する校正制御手段と、
を備えたことを特徴とする超音波センサ。 - 筺体に収容された超音波センサであって、
送信信号を超音波に変換して送波する送波用超音波素子と、
超音波を受波して受信信号に変換する受波用超音波素子と、
所定の駆動周波数で駆動される前記送信信号を生成して前記送波用超音波素子に供給する送信手段と、
測定対象物の検出範囲に応じて予め設定された第1の時間範囲内において、前記超音波素子から供給される前記受信信号の有無を検出する受信手段と、
前記送信信号を生成してから前記受信信号を検出するまでの時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出手段と、
前記駆動周波数の校正時に、前記送波用超音波素子の共振周波数の想定される変化範囲内から選択された複数個の駆動周波数のうち、前記筺体からの反射波又は前記送波用超音波素子から前記受波用超音波素子への直達波に対応する前記受信信号の強度を最大化する駆動周波数を決定し、前記送信手段に対して前記決定された駆動周波数を設定する校正制御手段と、
を備えたことを特徴とする超音波センサ。 - 前記受信手段は、前記筺体からの反射波又は前記直達波の受信範囲に応じて予め設定された第2の時間範囲内における前記受信信号の強度のピークを検出するピーク検出回路を含み、
前記校正制御手段は、前記駆動周波数の校正時に、前記複数個の駆動周波数に対応する複数のピークのうち最大のピークが得られる駆動周波数を前記送信手段の駆動周波数として設定することを特徴とする請求項1又は2に記載の超音波センサ。 - 前記校正制御手段は、通常の測定時に前記測定対象物までの距離を算出する際、前記第2の時間範囲内における前記受信信号をマスキングすることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の超音波センサ。
- 前記筺体には、前記筺体からの反射波を増強するためのフランジ部が設けられていることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の超音波センサ。
- 外部との間で無線通信を行う無線通信手段を更に備え、
前記校正制御手段は、前記無線通信手段を介して受信した校正指令に応じて前記駆動周波数の校正を行うことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の超音波センサ。 - 温度センサを更に備え、
前記校正制御手段は、前記温度センサにより検知された温度変化に応じて前記駆動周波数の校正を行うことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の超音波センサ。 - 筺体に収容された超音波センサの校正方法であって、
所定の周波数範囲内の複数個の駆動周波数のそれぞれで駆動される送信信号を超音波素子により超音波に変換して送波するステップと、
前記超音波の反射波を前記超音波素子により受波して受信信号に変換し、前記筺体からの反射波に対応する前記受信信号が存在する所定の時間範囲内で前記受信信号の強度を検出するステップと、
前記複数個の駆動周波数のうち、前記受信信号の強度が最大となる駆動周波数を決定し、通常の測定時に前記送信信号に対し前記決定された駆動周波数を設定するステップと、
を含むことを特徴とする超音波センサの校正方法。 - 筺体に収容された超音波センサの校正方法であって、
所定の周波数範囲内の複数個の駆動周波数のそれぞれで駆動される送信信号を送波用超音波素子により超音波に変換して送波するステップと、
前記超音波の反射波を受波用超音波素子により受波して受信信号に変換し、前記筺体からの反射波に対応する前記受信信号、又は前記送波用超音波素子から前記受波用超音波素子への直達波に対応する前記受信信号が存在する所定の時間範囲内で前記受信信号の強度を検出するステップと、
前記複数個の駆動周波数のうち、前記受信信号の強度が最大となる駆動周波数を決定し、通常の測定時に前記送信信号に対し前記決定された駆動周波数を設定するステップと、
を含むことを特徴とする超音波センサの校正方法。 - 前記駆動周波数を設定する際、前記所定の時間範囲内における前記受信信号の強度のピークを検出し、前記複数個の駆動周波数のうち、前記ピークが最大となる駆動周波数を前記送信手段に対して設定することを特徴とする請求項8又は9に記載の超音波センサの校正方法。
- 前記駆動周波数の設定は、予め設定されたタイミングで実行されることを特徴とする請求項8から10のいずれか一項に記載の超音波センサの校正方法。
- 前記駆動周波数の設定は、校正指令に基づいて判別したタイミングで実行されることを特徴とする請求項8から10のいずれか一項に記載の超音波センサの校正方法。
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-
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- 2012-03-19 JP JP2012062266A patent/JP2013195211A/ja active Pending
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