JP2013221755A - Ultrasonic sensor and calibration method therefor - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to an ultrasonic sensor that detects a distance to a measurement object using ultrasonic waves and a calibration method thereof.
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。 2. Description of the Related Art Conventionally, an ultrasonic sensor configured to receive a reflected wave of an ultrasonic wave output from an ultrasonic element and detect a distance to a measurement object based on the received signal has been used. In this type of ultrasonic sensor, for example, an ultrasonic element such as a piezoelectric element transmits an ultrasonic wave by oscillating at a specific resonance frequency. Therefore, in order to obtain sufficient detection sensitivity, an optimum value that matches the resonance frequency is used. It is necessary to drive the transmission circuit with the frequency and supply the transmission signal to the ultrasonic element. However, in general, an ultrasonic sensor is detected by the ultrasonic sensor as a result of fluctuations and fluctuations in the resonance frequency due to changes over time, ambient temperature fluctuations, and characteristic fluctuations due to lots during manufacturing. There is a risk of degrading accuracy. Therefore, in order to prevent deterioration in detection accuracy due to these factors, it is desirable to calibrate the ultrasonic sensor as necessary and to set the optimum driving frequency of the transmission circuit so as to compensate for the change in the resonance frequency. . In conventional ultrasonic sensors, various methods for setting a driving frequency that matches the resonance frequency have been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2). By setting the optimum drive frequency in the ultrasonic sensor by this method, it is possible to compensate for fluctuations and variations in the resonance frequency due to the above-described factors, and to detect the distance to the measurement object with good detection accuracy. it can.
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、例えば、専用の反射板等の校正対象物を超音波センサから所定の距離に配置し、駆動周波数を変化させつつ超音波を順次送波し、校正対象物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。一般に、超音波センサの受信回路は、測定対象物の反射波による微弱な受信信号を後段の回路を動作させる上で十分なレベルまで増幅するための受信増幅回路を備え、受信増幅回路に対して大きな増幅率が設定されている。しかし、例えば、測定対象物に比べると、専用の反射板等の校正対象物は超音波センサから近い距離に設置されるのが通常である。そのため、超音波が空気中を伝搬する際の損失が小さくなり、通常の測定時よりも校正時の受信信号のレベルが増大するため、受信増幅回路によって増幅された受信信号が飽和する恐れがある。その結果、校正時に駆動周波数を変化させたとき、超音波素子の周波数特性を適切に反映した受信信号のレベル変動が検出できなくなり、適切な駆動周波数の設定に支障を来すことが問題となる。 As a specific method for setting the drive frequency in the ultrasonic sensor, for example, a calibration object such as a dedicated reflector is arranged at a predetermined distance from the ultrasonic sensor, and ultrasonic waves are sequentially transmitted while changing the drive frequency. Then, when the reception level of the reception signal corresponding to the reflected wave from the calibration object becomes a maximum value or a predetermined value or more, it is determined that it substantially matches the resonance frequency, and it can be set as the drive frequency for the transmission circuit. it can. In general, the reception circuit of an ultrasonic sensor includes a reception amplification circuit for amplifying a weak reception signal due to a reflected wave of a measurement object to a level sufficient to operate a subsequent circuit. A large amplification factor is set. However, for example, compared with a measurement object, a calibration object such as a dedicated reflector is usually installed at a closer distance from the ultrasonic sensor. Therefore, the loss when ultrasonic waves propagate in the air is reduced, and the level of the received signal at the time of calibration is higher than that at the time of normal measurement, so that the received signal amplified by the reception amplifier circuit may be saturated. . As a result, when the drive frequency is changed during calibration, it becomes impossible to detect the level fluctuation of the received signal that appropriately reflects the frequency characteristics of the ultrasonic element, which hinders the setting of an appropriate drive frequency. .
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、校正対象物の距離に依存して受信信号が飽和することを回避し、超音波素子の共振周波数の変化を適切に補償し得る駆動周波数を確実に設定可能な超音波センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve these problems, and avoids saturation of the received signal depending on the distance of the calibration object during calibration of the ultrasonic sensor, and reduces the resonance frequency of the ultrasonic element. An object of the present invention is to provide an ultrasonic sensor capable of reliably setting a driving frequency capable of appropriately compensating for a change.
上記課題を解決するために、本発明の超音波センサは、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周波数のうち、前記測定対象物より近距離に位置する校正対象物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て構成され、前記受信手段は、予め設定された複数個の増幅率を選択的に設定可能な受信増幅回路を含み、前記校正制御手段は、前記複数個の増幅率のうち、前記校正対象物からの反射波に対応する受信信号が非飽和となる範囲内の増幅率を判別し、当該判別された増幅率を前記受信増幅回路に設定した状態で前記駆動周波数を決定することを特徴としている。 In order to solve the above-described problem, an ultrasonic sensor of the present invention includes an ultrasonic element that converts a transmission signal into an ultrasonic wave, transmits the ultrasonic wave, receives a reflected wave of the ultrasonic wave, and converts the ultrasonic wave into a reception signal; Transmission means for generating the transmission signal driven at a predetermined drive frequency and supplying the transmission signal to the ultrasonic element, and the ultrasonic wave within a first time range preset according to the detection range of the measurement object Receiving means for detecting the presence or absence of the received signal supplied from an element; and distance calculating means for calculating a distance to the measurement object based on a time from generation of the transmission signal to detection of the received signal And a reflection from a calibration object located at a short distance from the measurement object among a plurality of frequencies selected from an assumed change range of a resonance frequency of the ultrasonic element during the calibration of the driving frequency. Corresponding to the wave And a calibration control unit configured to determine a driving frequency for maximizing the intensity of the received signal and to set the determined driving frequency for the transmitting unit, wherein the receiving unit includes a plurality of preset values. A reception amplifying circuit capable of selectively setting the number of amplification factors, wherein the calibration control means has a non-saturated reception signal corresponding to a reflected wave from the calibration object among the plurality of amplification factors. An amplification factor within a range is determined, and the drive frequency is determined in a state where the determined amplification factor is set in the reception amplifier circuit.
本発明の超音波センサによれば、送信手段の駆動周波数の校正時に、複数個の駆動周波数の中から最適な駆動周波数を選択的に設定する際、受信手段に含まれる受信増幅回路に対して複数個の増幅率の中から受信信号が非飽和となるものを選択的に設定する。よって、駆動周波数の校正時に、近距離に位置する校正対象物からの反射波に対応する受信信号の飽和に起因して受信信号のレベル変動が検出できなくなる事態を防止し、超音波素子の共振周波数に適合する駆動周波数を確実に設定して高精度な校正を実現することができる。 According to the ultrasonic sensor of the present invention, when the optimum driving frequency is selectively set from among a plurality of driving frequencies during calibration of the driving frequency of the transmitting means, the receiving amplifying circuit included in the receiving means is used. Of the plurality of amplification factors, one in which the received signal is not saturated is selectively set. Therefore, when the drive frequency is calibrated, the situation where the fluctuation of the received signal level cannot be detected due to the saturation of the received signal corresponding to the reflected wave from the calibration object located at a short distance is prevented, and the resonance of the ultrasonic element is prevented. A high-accuracy calibration can be realized by reliably setting a driving frequency that matches the frequency.
前記超音波素子は、送受一体型の構造であってもよいが、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。送受一体型の場合は、校正対象物の反射波を用いて駆動周波数の校正を行うが、分離型の構造の場合は、校正対象物の反射波に加えて、送波用超音波素子から受波用超音波素子への直達波を用いて駆動周波数の校正を行うことができる。また、特に校正対象物の反射波を用いて駆動周波数の校正を行う場合、超音波センサの筐体からの反射波を用いて駆動周波数の校正を行うことができる。筐体からの反射波及び直達波はいずれも超音波センサから近距離の範囲を伝送するために受信信号が飽和しやすく、本発明の適用によって受信信号を非飽和にすることで大きな効果を得ることができる。 The ultrasonic element may have a transmission / reception integrated type structure, but may also have a separation type structure separated into a transmission ultrasonic element and a reception ultrasonic element. In the case of the transmission / reception integrated type, the drive frequency is calibrated using the reflected wave of the calibration object. However, in the case of the separation type structure, in addition to the reflected wave of the calibration object, it is received from the ultrasonic wave transmitting element. The drive frequency can be calibrated using a direct wave to the ultrasonic wave element. In particular, when the drive frequency is calibrated using the reflected wave of the calibration object, the drive frequency can be calibrated using the reflected wave from the casing of the ultrasonic sensor. Both the reflected wave and the direct wave from the casing are easily saturated because they transmit a short distance from the ultrasonic sensor. By applying the present invention, the received signal is desaturated to obtain a great effect. be able to.
前記複数個の増幅率は、受信増幅回路の多様な構成に基づいて設定することができる。例えば、受信増幅回路の利得を可変することにより複数個の増幅率を設定してもよい。また例えば、受信増幅回路の出力段に接続された可変減衰器の減衰率を可変することにより複数個の増幅率を設定してもよい。この場合、受信増幅回路に多段の可変利得型増幅器を設けてもよく、さらに固定利得型増幅器と可変利得型増幅器又は可変減衰器が混在する構成でもよい。 The plurality of amplification factors can be set based on various configurations of the reception amplifier circuit. For example, a plurality of amplification factors may be set by varying the gain of the reception amplifier circuit. Further, for example, a plurality of amplification factors may be set by varying the attenuation factor of the variable attenuator connected to the output stage of the reception amplifier circuit. In this case, a multistage variable gain amplifier may be provided in the reception amplifier circuit, and a configuration in which a fixed gain amplifier and a variable gain amplifier or variable attenuator are mixed may be used.
前記受信手段は、前記筐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。 The receiving means includes a peak detection circuit that detects a peak of the intensity of the received signal within a second time range set in advance according to the reception range of the reflected wave from the casing or the direct wave. May be. In this case, it is necessary to set the driving frequency at which the maximum peak is obtained among the plurality of peaks corresponding to the plurality of driving frequencies as the driving frequency of the transmission means.
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、前述の第２の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校正対象物等の影響を除去して、測定対象物までの距離を確実に計測することができる。 The calibration control means desirably masks the received signal within the second time range described above when calculating the distance to the measurement object during normal measurement. In other words, since the distance to the measurement object is calculated based on the time from when the transmission signal is generated until the reception signal is detected, during normal measurement, the distance from the ultrasonic element is larger than that of the measurement object. It is possible to reliably measure the distance to the measurement object by removing the influence of the short calibration object or the like.
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、所定の周波数範囲内の複数個の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、測定対象物より近距離に位置する校正対象物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、予め設定された複数個の増幅率のそれぞれで増幅される前記受信信号が非飽和となる範囲内の増幅率を判別し、前記複数個の駆動周波数のうち、前記判別された増幅率で増幅される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。 In order to solve the above-described problem, the ultrasonic sensor calibration method of the present invention converts a transmission signal driven at each of a plurality of frequencies within a predetermined frequency range into ultrasonic waves by an ultrasonic element. A step of transmitting, and the reflected wave of the ultrasonic wave is received by the ultrasonic element and converted into a received signal, and the received signal corresponding to the reflected wave from a calibration object located at a short distance from the measurement object Detecting the intensity of the received signal within a predetermined time range in which a signal exists, and determining an amplification factor within a range in which the received signal amplified by each of a plurality of preset amplification factors is not saturated And determining a driving frequency that maximizes the intensity of the received signal amplified at the determined amplification factor among the plurality of driving frequencies, and determining the driving for the transmission signal during normal measurement. Set frequency It is characterized in that it comprises the steps that.
前記駆動周波数を設定するステップは多様な手順で実行することができる。例えば、複数個の周波数のうち所定の周波数を設定した状態で、複数個の増幅率のうち受信信号の強度が規定電圧より低い増幅率を判別し、複数個の周波数のそれぞれに対し判別された増幅率を設定したときの受信信号の強度が最大となる周波数を駆動周波数として決定してもよい。また例えば、複数個の増幅率のそれぞれを設定したとき、複数個の周波数のそれぞれに対応する受信信号の強度が異なる場合を非飽和となる増幅率として判別し、判別された増幅率に対応する受信信号の強度が最大となる周波数を駆動周波数として決定してもよい。 The step of setting the driving frequency can be performed by various procedures. For example, in a state where a predetermined frequency is set among a plurality of frequencies, an amplification factor in which the intensity of the received signal is lower than a specified voltage among the plurality of amplification factors is determined, and each of the plurality of frequencies is determined. The frequency that maximizes the intensity of the received signal when the amplification factor is set may be determined as the drive frequency. Also, for example, when each of a plurality of amplification factors is set, a case where the intensity of the received signal corresponding to each of the plurality of frequencies is different is determined as a non-saturated amplification factor and corresponds to the determined amplification factor. The frequency at which the intensity of the received signal is maximum may be determined as the driving frequency.
本発明の超音波センサの校正方法においては、駆動周波数の校正を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、校正指令に基づいて判別したタイミングで校正を行ってもよい。 In the ultrasonic sensor calibration method of the present invention, the drive frequency can be calibrated at a desired timing. In this case, calibration may be performed at a preset timing, or calibration may be performed at a timing determined based on a calibration command.
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、受信増幅回路の複数個の増幅率のうち、校正対象物からの反射波に対応する受信信号が非飽和となる増幅率を選択的に設定した状態で、共振周波数の変化範囲内の複数個の駆動周波数のうち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、超音波センサから近距離に配置される校正対象物を用いたとしても、その受信信号が飽和することを確実に防止し、超音波素子の校正時に超音波素子の共振周波数の変化を適切に補償し得る駆動周波数の設定が可能となる。 According to the present invention, in the ultrasonic sensor, when calibrating the drive frequency of the transmission means, the reception signal corresponding to the reflected wave from the calibration object is non-saturated among the plurality of amplification factors of the reception amplification circuit. With the amplification factor selectively set, among the plurality of drive frequencies within the change range of the resonance frequency, the drive frequency for maximizing the intensity of the received signal is set for the transmission means. Even if a calibration object placed at a short distance from the sensor is used, it is possible to reliably prevent the received signal from saturating and appropriately compensate for changes in the resonance frequency of the ultrasonic element during calibration of the ultrasonic element. The drive frequency can be set.
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４つの実施形態について説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Below, four embodiment of the ultrasonic sensor which actualized this invention is described.
［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。
[First Embodiment]
In the first embodiment, a case will be described in which the present invention is applied to an ultrasonic sensor including a transmission / reception integrated ultrasonic element. FIG. 1 shows the basic concept of the ultrasonic sensor 10 of the first embodiment. FIG. 2 is a block diagram showing the internal configuration of the ultrasonic sensor 10 of FIG. As shown in FIG. 1, the ultrasonic sensor 10 of the first embodiment includes a casing 11 and an ultrasonic element 12 attached to one end of the casing 11. The casing 11 is formed in a substantially rectangular parallelepiped shape using a resin or the like. An internal circuit and a cable, which will be described later, are accommodated in the housing 11, and the ultrasonic element 12 is inserted into the penetrating portion of the outer wall, so that the sensor surface of the ultrasonic element 12 is exposed to the outside. Yes.
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。 The ultrasonic element 12 is an element in which a transmitting ultrasonic element and a receiving ultrasonic element are integrated, and is constituted by, for example, a piezoelectric element. The piezoelectric element emits an ultrasonic wave based on the bending vibration of the vibrator when a drive signal having a predetermined mechanical vibration frequency (resonance frequency) is applied. As shown in FIG. 1, an ultrasonic wave corresponding to a transmission signal is transmitted from the ultrasonic element 12 in the direction of the sensor surface, and is reflected by the measurement object 13 separated from the ultrasonic sensor 10 by a distance Da. The reflected wave Wa is received by the ultrasonic element 12 again. The ultrasonic sensor 10 converts the reflected wave Wa from the measurement object 13 into a reception signal via the ultrasonic element 12 and thereby calculates the distance Da, which will be described in detail later. In general, since the energy of ultrasonic waves propagating in the air is attenuated as the distance Da increases, the detectable distance Da of the measurement target 13 is limited. However, as will be described later, by driving the ultrasonic element 12 at the resonance frequency and transmitting the ultrasonic wave, the energy and the reach distance can be maximized.
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。第１実施形態では、超音波センサ１０の校正時に、校正対象物としての筐体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している。 On the other hand, as shown in FIG. 1, in the ultrasonic sensor 10, the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic element 12 is also reflected by its own casing 11. Therefore, the ultrasonic element 12 receives the reflected wave Wb from the casing 11 in addition to the reflected wave Wa from the measurement object 13. This reflected wave Wb can be distinguished according to the difference in time for receiving the reflected wave Wb, as will be described later, because the distance to the housing 11 is sufficiently shorter than the distance Da to the measurement object 13. It will not interfere with normal measurement. In the first embodiment, when the ultrasonic sensor 10 is calibrated, the drive frequency is set by actively using the reflected wave Wb from the casing 11 as the calibration object.
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は送信手段として機能し、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。 Next, a specific example of the internal configuration of the ultrasonic sensor 10 of the first embodiment will be described. As shown in FIG. 2, the ultrasonic sensor 10 of the first embodiment includes the ultrasonic element 12, the transmission amplification circuit 20, the reception amplification circuit 21, the detection circuit 22, and the integration circuit 23 described in FIG. , The comparator 24, the peak detection circuit 25, and the signal processing unit 30. The signal processing unit 30 includes a drive frequency setting unit 31, a reception processing unit 32, and a sensitivity peak calculation unit 33. Among these, the transmission amplifier circuit 20 and the drive frequency setting unit 31 function as a transmission unit, and the reception amplification circuit 21, the detection circuit 22, the integration circuit 23, and the comparator 24 function as a main part of the reception unit. During normal measurement of the ultrasonic sensor 10, the reception processing unit 32 of the signal processing unit 30 functions as a part of the reception unit and the distance calculation unit. Further, when the ultrasonic sensor 10 is calibrated, the peak detection circuit 25 and the sensitivity peak calculation unit 33 also function as a main part of the calibration control means.
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後段の回路を動作させる上で十分なレベルまで増幅する。受信増幅回路２１に対しては、予め設定された複数個の増幅率のうち、超音波センサ１０の校正時に決定された最適な増幅率を選択的に設定可能となっている。なお、超音波センサ１０の校正時における受信増幅回路２１の増幅率の具体的な設定方法については後述する。 In the above configuration, since the ultrasonic element 12 is a transmission / reception integrated type as described above, a pair of terminal electrodes are connected to both the transmission amplification circuit 20 and the reception amplification circuit 21. The transmission amplifier circuit 20 receives a clock signal having a driving frequency set by the driving frequency setting unit 31 based on the operation described later, amplifies the clock signal, and outputs a transmission signal having a predetermined voltage amplitude. The transmission amplifier circuit 20 includes, for example, a transformer so that a sufficient voltage amplitude can be obtained. On the other hand, the reception amplification circuit 21 amplifies a weak reception signal corresponding to the reflected waves Wa and Wb received by the ultrasonic element 12 to a level sufficient for operating the subsequent circuit. Among the plurality of preset amplification factors, an optimum amplification factor determined at the time of calibration of the ultrasonic sensor 10 can be selectively set for the reception amplification circuit 21. A specific method for setting the amplification factor of the reception amplification circuit 21 when the ultrasonic sensor 10 is calibrated will be described later.
ここで、図３は、増幅率を選択的に設定可能な受信増幅回路２１の２つの構成例を示している。図３（Ａ）は、受信増幅回路２１の第１の構成例を示している。第１の構成例は、例えば、入力ノードＮｉと出力ノードＮｏとの間に、可変利得型の２段の増幅器４０、４１を縦続接続した構成を有する。図３（Ａ）において、信号処理部３０から供給される制御信号に基づいて増幅器４０、４１のそれぞれの利得Ｇ０、Ｇ１を個別に制御することができる。受信増幅回路２１の全体の増幅率は、これらの利得Ｇ０、Ｇ１の積Ｇ０・Ｇ１に比例して変化する。第１の構成例において、利得Ｇ０、Ｇ１の設定範囲としては、例えば１〜５０倍程度の範囲内で可変に設定することができる。 Here, FIG. 3 shows two configuration examples of the reception amplifier circuit 21 capable of selectively setting the amplification factor. FIG. 3A shows a first configuration example of the reception amplifier circuit 21. The first configuration example has, for example, a configuration in which variable gain type two-stage amplifiers 40 and 41 are cascade-connected between an input node Ni and an output node No. In FIG. 3A, the gains G0 and G1 of the amplifiers 40 and 41 can be individually controlled based on the control signal supplied from the signal processing unit 30. The overall amplification factor of the reception amplifier circuit 21 changes in proportion to the product G0 · G1 of these gains G0 and G1. In the first configuration example, the gain G0 and G1 can be set variably within a range of about 1 to 50 times, for example.
また、図３（Ｂ）は、受信増幅回路２１の第２の構成例を示している。第２の構成例は、例えば、入力ノードＮｉと出力ノードＮｏとの間に、固定利得型の２段の増幅器５０、５１と、その後段の可変型の減衰器５２とを縦続接続した構成を有する。図３（Ｂ）において、増幅器５０、５１のそれぞれの利得Ｇ０、Ｇ１は固定値であるが、信号処理部３０から供給される制御信号に基づいて減衰器５２の減衰率ＡＴＴを制御することができる。受信増幅回路２１の全体の増幅率は、減衰器５２の減衰率ＡＴＴに比例して変化する。第２の構成例において、固定の利得Ｇ０、Ｇ１を例えば５０倍に設定し、減衰率ＡＴＴを例えば１／２５００〜１倍程度の範囲内で可変に設定することができる。 FIG. 3B shows a second configuration example of the reception amplifier circuit 21. In the second configuration example, for example, a fixed gain type two-stage amplifier 50, 51 and a subsequent stage variable attenuator 52 are cascade-connected between the input node Ni and the output node No. Have. In FIG. 3B, the gains G0 and G1 of the amplifiers 50 and 51 are fixed values, but the attenuation rate ATT of the attenuator 52 can be controlled based on the control signal supplied from the signal processing unit 30. it can. The overall amplification factor of the reception amplifier circuit 21 changes in proportion to the attenuation factor ATT of the attenuator 52. In the second configuration example, the fixed gains G0 and G1 can be set to 50 times, for example, and the attenuation factor ATT can be set to be variably within a range of about 1/2500 to 1 time, for example.
なお、図３に示す第１及び第２の構成例は、いずれも一例であって、受信増幅回路２１の構成には多様なバリエーションがある。例えば、図３（Ａ）の第１の構成例では、可変利得型の増幅器の段数は２段に限られず、１段又は３段以上であってもよい。また例えば、図３（Ｂ）の第２の構成例では、２段以上の減衰器を設けてもよい。さらに、例えば、第１及び第２の構成例を組み合わせて、可変利得型の増幅器と可変型の減衰器を混在させて受信増幅回路２１を構成してもよい。 Note that the first and second configuration examples shown in FIG. 3 are only examples, and there are various variations in the configuration of the reception amplifier circuit 21. For example, in the first configuration example in FIG. 3A, the number of stages of the variable gain amplifier is not limited to two, and may be one or three or more. For example, in the second configuration example of FIG. 3B, two or more attenuators may be provided. Further, for example, the reception amplification circuit 21 may be configured by combining a variable gain type amplifier and a variable type attenuator by combining the first and second configuration examples.
図２に戻って、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。 Returning to FIG. 2, the detection circuit 22 detects the reception signal amplified by the reception amplification circuit 21 by envelope detection to remove a high-frequency component, and generates a detection signal that follows the amplitude change of the reception signal. The integration circuit 23 smoothes the detection signal obtained by the detection circuit 22 with a predetermined time constant to remove noise components. The comparator 24 compares the output signal of the integration circuit 23 with the detection boundary value, binarizes it, generates a detection signal, and supplies the detection signal to the reception processing unit 32. On the other hand, the peak detection circuit 25 detects the peak level of the reception signal amplified by the reception amplification circuit 21 and holds the peak level in a predetermined time range.
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、複数個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。 The signal processing unit 30 functions as a control unit that controls the operation of the entire ultrasonic sensor 10, and can use, for example, a one-chip MCU (Micro Controller Unit). The signal processing unit 30 includes, for example, a memory that stores data and programs necessary for processing, and an internal timer that serves as a reference for the passage of time. In the signal processing unit 30, the operations of the drive frequency setting unit 31, the reception processing unit 32, and the sensitivity peak calculation unit 33 are executed based on a program stored in the memory. The drive frequency setting unit 31 sets the cycle of the clock signal according to a predetermined drive frequency determined during calibration among the plurality of drive frequencies, and supplies it to the transmission amplifier circuit 20. The sensitivity peak calculation unit 33 determines a drive frequency that maximizes the peak level of the reception signal detected by the peak detection circuit 25 or a drive frequency that is equal to or higher than a predetermined reception level at the time of calibration, which will be described later. Determine as frequency.
図４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４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。 FIG. 4 shows an example of operation waveforms of the ultrasonic sensor 10 of FIG. In FIG. 4, among the reception signals transmitted to the circuit group of the reception system when ultrasonic waves are transmitted from the ultrasonic element 12, the waveform (upper stage) on the output side of the reception amplification circuit 21 and the integration circuit 23. The waveform on the output side (lower) is shown. In any waveform (upper and lower stages), the horizontal axis indicates the time from the timing of transmitting an ultrasonic wave from the ultrasonic element 12 (0 μs), and the vertical axis indicates the voltage level of each signal. Yes.
図４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の近傍にあるとき、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。 As shown in FIG. 4, reception signals appear in both waveforms (upper and lower stages) near time 0. This is because the transmission signal supplied to the integrated ultrasonic element 12 wraps around the circuit of the reception system. Because. Actually, the transmission signal is driven at a constant level and a constant pulse width, but the waveform is distorted on the output side of the reception amplifier circuit 21. Further, the integration circuit 23 that receives the detection signal after the envelope detection by the detection circuit 22 changes its level in a decreasing direction when the reception signal exists, compared to the level when the reception signal does not exist in the waveform (lower stage). ing. That is, when the level of the waveform (lower stage) of the integrating circuit 23 is in the vicinity of the voltage 0, the presence of the received signal is detected by the subsequent comparator 24.
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４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。 Thereafter, when a time of about 400 μs has elapsed, a reception signal appears in the waveform (upper stage) of the reception amplifier circuit 21. This is a received signal by a reflected wave Wb from its own casing 11 as shown in FIG. Here, a time range Tb (second time range) including a portion where the reception signal of the reflected wave Wb exists is added to the waveform (upper stage) of the reception amplifier circuit 21. In the later-described calibration operation, attention should be paid to the received signal that appears in the time range Tb. Although not shown in FIG. 4, during normal measurement, it is necessary to process a received signal within a time range (first time range) that can cover the detection range of the measurement object 13. The first time range is not particularly limited, but can be set to 0 to 5000 μs as an example.
なお、筐体１１からの反射波Ｗｂによる受信信号を増強するために、筐体１１の一端に比較的面積の広いフランジ部を設けてもよい。こにより、超音波の反射波Ｗｂを生じる部分の面積が増加するので、その受信信号を増強することができる。 Note that a flange portion having a relatively large area may be provided at one end of the housing 11 in order to enhance a reception signal by the reflected wave Wb from the housing 11. As a result, the area of the portion where the reflected wave Wb of the ultrasonic wave is generated increases, so that the received signal can be enhanced.
第１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。 In the first embodiment, the reflected wave Wb from the housing 11 is originally unnecessary during normal measurement, and it is necessary to ignore the received signal in the time range Tb in order to prevent erroneous detection of the measurement target 13. . Therefore, the signal processing unit 30 performs a process of masking a portion within the time range Tb in the detection signal of the comparator 24 based on the received signal. On the other hand, at the time of calibration described later, masking in the time range Tb is canceled. In practice, a level change corresponding to the received signal occurs within the time range Tb in the waveform (lower stage) of the integrating circuit 23. However, in order to clarify that the above-described masking is performed during normal measurement, It is a display.
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５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５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。 Furthermore, a received signal appears in any waveform (upper and lower stages) in a time range of about 2500 to 3000 μs. This is a received signal by the reflected wave Wa from the measuring object 13 placed at a distance Da from the ultrasonic sensor 10 as shown in FIG. Then, the detection signal is sent from the integration circuit 23 to the signal processing unit 30 via the comparator 24, and the distance Da to the measurement object 13 is calculated by the reception processing unit 32. Here, the principle of distance measurement by the reception processing unit 32 will be described with reference to FIG. In FIG. 5, a transmission signal pulse is generated at timing ts in the transmission system, and a reception signal pulse is generated at timing tr in the reception system. Therefore, the reception processing unit 32 can easily calculate the above-described distance Da proportional to the time TR by determining the time TR that passes between the transmission and reception timings ts and tr based on the internal timer of the signal processing unit 30. Can do.
なお、図４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。 4 is not limited to the respective waveforms (upper and lower stages), and the distance Da to the measurement object 13 is within a range in which a certain level of the received signal can be secured, and from the distance corresponding to the time range Tb. It may be far away. Moreover, in the ultrasonic sensor 10, instead of directly obtaining the distance Da to the measurement object 13, the presence or absence of the measurement object 13 within a predetermined distance range may be detected.
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６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６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６に示す処理においては、予め設定された複数個の駆動周波数のうち、超音波素子１２の共振周波数に適合する駆動周波数を設定するのに先立って、受信増幅回路２１の予め設定された複数個の増幅率のうち、筐体１１からの反射波Ｗｂに対応する受信信号が非飽和となる増幅率を設定する点が特徴である。受信処理部３２においては、例えば、超音波素子１２の共振周波数の想定される共振周波数の変化範囲内から選択されたＮ個の駆動周波数と、受信信号の想定される強度及び受信回路の動作上の制約に応じて選択されたＭ個の増幅率とが予め設定されているものとする（Ｎ、Ｍは２以上の整数）。 Next, control at the time of calibration of the ultrasonic sensor 10 of the first embodiment will be described. FIG. 6 is a flowchart showing a drive frequency setting process at the time of calibration of the ultrasonic sensor 10 of FIG. The setting process of FIG. 6 may be performed periodically according to the usage state of the ultrasonic sensor 10, for example, when the ultrasonic sensor 10 is shipped or activated. In the process shown in FIG. 6, prior to setting a drive frequency that matches the resonance frequency of the ultrasonic element 12 among a plurality of preset drive frequencies, a plurality of preset drive frequencies of the reception amplifier circuit 21 are set. Among the individual amplification factors, the feature is that the amplification factor at which the received signal corresponding to the reflected wave Wb from the casing 11 is not saturated is set. In the reception processing unit 32, for example, N drive frequencies selected from the assumed resonance frequency change range of the ultrasonic element 12, the assumed strength of the received signal, and the operation of the receiving circuit It is assumed that M amplification factors selected according to the constraints are preset (N and M are integers of 2 or more).
図６の処理が開始されると、信号処理部３０により、上述のＮ個の駆動周波数のうちの所定の駆動周波数Ｆａ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）。この所定の駆動周波数Ｆａは、これ以降の処理で増幅率を設定する基準となるので、Ｎ個の駆動周波数に対応する変化範囲内の概ね中央付近の値を選択することが望ましい。例えば、出荷時の超音波素子１２の共振周波数１００ｋＨｚに対し、３つの駆動周波数９０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、１１０ｋＨｚを設定したときは、その中央のＦａ＝１００ｋＨｚに設定することが望ましい。 When the processing of FIG. 6 is started, the signal processing unit 30 selects a predetermined driving frequency Fa from the N driving frequencies described above and sets it in the driving frequency setting unit 31 (step S10). Since this predetermined drive frequency Fa serves as a reference for setting the amplification factor in the subsequent processing, it is desirable to select a value approximately in the middle of the change range corresponding to the N drive frequencies. For example, when three drive frequencies of 90 kHz, 100 kHz, and 110 kHz are set with respect to the resonance frequency of 100 kHz of the ultrasonic element 12 at the time of shipment, it is desirable to set Fa = 100 kHz at the center.
次いで、信号処理部３０により、上述のＭ個の増幅率のうちのｍ番目（ｍ＝１〜Ｍ）の増幅率Ａｍを選択し、受信増幅回路２１に対して設定する（ステップＳ１１）。Ｍ個の増幅率は、受信増幅回路２１に入力される受信信号のレベルが広い範囲であることを考慮し、例えば、２５００倍、２５０倍、２５倍、１倍のように広い範囲の増幅率に設定される。ここで、例えば、ｍ＝１を初期値として、最大の増幅率Ａ１から最小の増幅率ＡＭまで順番に低下させるように制御すればよい。 Next, the m-th (m = 1 to M) amplification factor Am among the M amplification factors described above is selected by the signal processing unit 30 and set for the reception amplification circuit 21 (step S11). Considering that the level of the reception signal input to the reception amplification circuit 21 is in a wide range, the M amplification factors are wide, for example, 2500 times, 250 times, 25 times, 1 time, etc. Set to Here, for example, m = 1 may be set as an initial value, and control may be performed so as to sequentially decrease from the maximum amplification factor A1 to the minimum amplification factor AM.
ステップＳ１０に続いて、駆動周波数設定部３１から、ステップＳ１０で設定された駆動周波数Ｆａ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Ｆａの送信信号が超音波素子１２に供給される（ステップＳ１２）。その結果、図１に示すように、超音波素子１２が駆動周波数Ｆａ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４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Ｖａ（ｍ）が感度ピーク算出部３３によってモニタされる（ステップＳ１３）。ここで、ピーク電圧Ｖａ（ｍ）の表記は、駆動周波数Ｆａ及び増幅率Ａｍの設定時に得られたピーク電圧の意味である。 Subsequent to step S10, a clock signal corresponding to the drive frequency Fa set in step S10 is supplied from the drive frequency setting unit 31 to the transmission amplifier circuit 20, and the transmission signal of the drive frequency Fa is transmitted from the transmission amplifier circuit 20 to the ultrasonic wave. It is supplied to the element 12 (step S12). As a result, as shown in FIG. 1, after the ultrasonic element 12 oscillates at the driving frequency Fa to transmit an ultrasonic wave and is reflected by the casing 11 of the ultrasonic sensor 10, the reflected wave Wb is converted into the ultrasonic element. 12 is received. Then, within the time range Tb in FIG. 4, the reception signal amplified from the ultrasonic element 12 via the reception amplification circuit 21 is sent to the peak detection circuit 25. In the peak detection circuit 25, the peak level within the time range Tb is held, and the obtained peak voltage Va (m) is monitored by the sensitivity peak calculation unit 33 (step S13). Here, the notation of the peak voltage Va (m) means the peak voltage obtained when setting the drive frequency Fa and the amplification factor Am.
次いで、ステップＳ１３で得られたピーク電圧Ｖａ（ｍ）と、予め設定された規定電圧Ｖｘとの比較が行われる（ステップＳ１４）。この規定電圧Ｖｘは、受信増幅回路２１における受信信号の飽和レベルに対して所定のマージンだけ低い電圧値に設定される。例えば、受信増幅回路２１を＋３Ｖで駆動したときは概ね＋３Ｖの近傍で受信信号が飽和するが、このときＶｘ＝＋２Ｖに設定することで、飽和レベルに対するマージンを約１Ｖ（３Ｖ−２Ｖ）確保することができる。ステップＳ１３の比較の結果、上述のピーク電圧Ｖａ（ｍ）が規定電圧Ｖｘより高い場合は（ステップＳ１４：ＮＯ）、再びステップＳ１１に戻り、ｍ＋１に対応する次の増幅率Ａｍ＋１についてステップＳ１１〜Ｓ１４の処理を同様に繰り返す。つまり、ステップＳ１４でＮＯ判断となる間は、規定電圧Ｖｘに比べてピーク電圧Ｖａ（ｍ）が高いため、受信増幅回路２１が飽和した状態、あるいは飽和レベルのマージンが不十分な状態と判断できる。 Next, the peak voltage Va (m) obtained in step S13 is compared with a preset specified voltage Vx (step S14). The specified voltage Vx is set to a voltage value lower than the saturation level of the reception signal in the reception amplifier circuit 21 by a predetermined margin. For example, when the reception amplifier circuit 21 is driven at + 3V, the reception signal is saturated in the vicinity of + 3V. At this time, by setting Vx = + 2V, a margin for the saturation level is secured about 1V (3V-2V). be able to. As a result of the comparison in step S13, when the peak voltage Va (m) is higher than the specified voltage Vx (step S14: NO), the process returns to step S11 again, and steps S11 to S14 are performed for the next amplification factor Am + 1 corresponding to m + 1. The above process is repeated in the same manner. That is, while the NO determination is made in step S14, the peak voltage Va (m) is higher than the specified voltage Vx, so that it can be determined that the reception amplifier circuit 21 is saturated or the saturation level margin is insufficient. .
一方、ステップＳ１４の比較の結果、上述のピーク電圧Ｖａ（ｍ）が規定電圧Ｖｘ以下である場合は（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、この時点の増幅率Ａｍが受信増幅回路２１に設定された状態で、それ以降の駆動周波数の設定処理（ステップＳ１５〜Ｓ１９）に移行する。すなわち、この時点の増幅率Ａｍ及び駆動周波数Ｆａに対応する受信信号は飽和レベルより所定のマージンだけ低いレベルになっている。 On the other hand, if the peak voltage Va (m) is equal to or lower than the specified voltage Vx as a result of the comparison in step S14 (step S14: YES), the amplification factor Am at this time is set in the reception amplification circuit 21. Then, the process proceeds to subsequent drive frequency setting processing (steps S15 to S19). That is, the reception signal corresponding to the amplification factor Am and the driving frequency Fa at this time is at a level lower than the saturation level by a predetermined margin.
ここで、図７を参照して、受信増幅回路２１における受信信号に関し、非飽和状態と飽和状態のそれぞれの波形の相違について説明する。図７の上段は、図４に示す時間範囲Ｔｂ及びその近傍における受信増幅回路２１の出力側の波形を示しており、受信増幅回路２１が非飽和状態になっている。これに対し、図７の下段は、図７の上段と同様の受信信号に対し、受信増幅回路２１が飽和状態になっている。図７の上段は、例えば、ステップＳ１５の状態に対応し、図７の下段は、例えば、ステップＳ１４でＮＯ判断がなされてステップＳ１１に戻るときの状態に対応する。図７の下段の例では、受信増幅回路２１の増幅率が相対的に大きくなり過ぎ、受信信号のピークが飽和レベルとなる４Ｖに達するため、信号レベルの変化を検出できなくなって適正な校正に支障を来す。従って、第１実施形態では、駆動周波数の設定に先立って、ステップＳ１０〜Ｓ１４の処理により受信信号が飽和レベルにならないような制御を行うものである。 Here, with reference to FIG. 7, the difference in waveform between the non-saturated state and the saturated state regarding the reception signal in the reception amplifier circuit 21 will be described. 7 shows the waveform on the output side of the reception amplifier circuit 21 in the time range Tb shown in FIG. 4 and the vicinity thereof, and the reception amplifier circuit 21 is in a non-saturated state. On the other hand, in the lower part of FIG. 7, the reception amplifier circuit 21 is saturated with respect to the reception signal similar to the upper part of FIG. The upper part of FIG. 7 corresponds to, for example, the state of step S15, and the lower part of FIG. 7 corresponds to, for example, the state when NO is determined in step S14 and the process returns to step S11. In the lower example of FIG. 7, the amplification factor of the reception amplifier circuit 21 becomes relatively large, and the peak of the reception signal reaches 4 V, which is a saturation level. Cause trouble. Therefore, in the first embodiment, prior to setting the drive frequency, control is performed so that the received signal does not reach a saturation level by the processing in steps S10 to S14.
次に、図６に示すように、信号処理部３０により、上述のＮ個の駆動周波数のうちのｎ番目（ｎ＝１〜Ｎ）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Ｓ１５）。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Ｓ１６）。その結果、ステップＳ１２、Ｓ１３と同様に、筐体１１の反射波Ｗｂが超音波素子１２に受波された後、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（ｍ）が感度ピーク算出部３３によってモニタされる（ステップＳ１７）。上述したように、ピーク電圧Ｖｎ（ｍ）の表記は、駆動周波数Ｆｎ及び増幅率Ａｍの設定時に得られたピーク電圧の意味である。 Next, as shown in FIG. 6, the signal processing unit 30 selects the n-th (n = 1 to N) driving frequency Fn among the N driving frequencies described above, and the driving frequency setting unit 31 (Step S15). Subsequently, a clock signal corresponding to the drive frequency Fn is supplied from the drive frequency setting unit 31 to the transmission amplifier circuit 20, and a transmission signal of the drive frequency Fn is supplied from the transmission amplifier circuit 20 to the ultrasonic element 12 (step S16). . As a result, similarly to steps S12 and S13, after the reflected wave Wb of the casing 11 is received by the ultrasonic element 12, the received signal amplified from the ultrasonic element 12 via the reception amplifier circuit 21 is a peak detection circuit. 25. In the peak detection circuit 25, the peak level in the time range Tb is held, and the obtained peak voltage Vn (m) is monitored by the sensitivity peak calculation unit 33 (step S17). As described above, the notation of the peak voltage Vn (m) means the peak voltage obtained when setting the drive frequency Fn and the amplification factor Am.
このとき、ｎ＝１であるときのピーク電圧Ｖ１（ｍ）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（ｍ）と前回のピーク電圧Ｖｎ−１（ｍ）との比較が行われる（ステップＳ１８）。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（ｍ）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（ｍ）が比較される。ステップＳ１８の比較の結果、今回のピーク電圧Ｖｎ（ｍ）が前回のピーク電圧Ｖｎ−１（ｍ）より高い場合は（ステップＳ１８：ＮＯ）、再びステップＳ１５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Ｓ１５〜Ｓ１８の処理を同様に繰り返す。一方、ステップＳ１８の比較の結果、今回のピーク電圧Ｖｎ（ｍ）が前回のピーク電圧Ｖｎ−１（ｍ）以下になった場合は（ステップＳ１８：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Ｓ１９）、図６の処理を完了する。 At this time, the peak voltage V1 (m) when n = 1 is a value obtained first and is maintained as it is, but when n ≧ 2, the current peak voltage Vn (m) and the previous peak voltage Vn (m) Comparison with the peak voltage Vn-1 (m) is performed (step S18). That is, the order is determined in advance for N driving frequencies (for example, in order of decreasing frequency), and corresponds to the peak voltage Vn (m) corresponding to the nth driving frequency Fn and the (n−1) th driving frequency Fn−1. The peak voltage Vn-1 (m) is compared. If the current peak voltage Vn (m) is higher than the previous peak voltage Vn−1 (m) as a result of the comparison in step S18 (step S18: NO), the process returns to step S15 again, and the next drive corresponding to n + 1. The processes in steps S15 to S18 are repeated in the same manner for the frequency Fn + 1. On the other hand, if the current peak voltage Vn (m) is equal to or lower than the previous peak voltage Vn-1 (m) as a result of the comparison in step S18 (step S18: YES), the previous drive frequency Fn-1 is set to The drive frequency to be set at the time of normal measurement is determined (step S19), and the process of FIG. 6 is completed.
超音波素子１２の周波数特性は、共振周波数をピークとして高域側と低域側で減少することが一般的である。よって、ステップＳ１８の比較によって決定された駆動周波数は超音波センサ１０の検出感度のピークにも合致する。ただし、共振周波数が一律に増減する場合として、例えば、ステップＳ１８で最初からＹＥＳ判断になるときはｎ＝１に対応する最初の駆動周波数Ｆ１に決定され、ステップＳ１８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に決定される In general, the frequency characteristics of the ultrasonic element 12 decrease at a high frequency side and a low frequency side with a resonance frequency as a peak. Therefore, the drive frequency determined by the comparison in step S18 also matches the detection sensitivity peak of the ultrasonic sensor 10. However, when the resonance frequency is increased or decreased uniformly, for example, when YES determination is made from the beginning in step S18, the first drive frequency F1 corresponding to n = 1 is determined, and when all NO determinations are made in step S18. determined to be the last drive frequency FN corresponding to n = N
超音波センサ１０の校正時に、図６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。また、仮に受信増幅回路２１が飽和状態のままでステップＳ１５〜Ｓ１９の処理を行う場合は、超音波素子１２の共振周波数に適合しない駆動周波数が設定される恐れがある。よって、第１実施形態においては、ステップＳ１０〜Ｓ１４を実行することにより、受信増幅回路２１を確実に非飽和状態として、超音波素子１２の周波数特性を適切に反映した駆動周波数を決定することが可能となる。 The driving frequency determined based on the flowchart of FIG. 6 at the time of calibration of the ultrasonic sensor 10 is thereafter set to the driving frequency setting unit 31 during normal measurement. Therefore, in the ultrasonic sensor 10 of the first embodiment, even when the resonance frequency of the ultrasonic element 12 changes due to secular change, temperature fluctuation or the like, it can be effectively compensated at the time of calibration, and the received signal Therefore, it is possible to increase the detection sensitivity by securing a sufficient reception level. In particular, according to the calibration control of the first embodiment, since the drive frequency of the transmission signal is set using the reflected wave Wb of the housing 11, it is not necessary to install a dedicated reflector or other object, A highly convenient calibration can be realized. In addition, if the processing of steps S15 to S19 is performed while the reception amplifier circuit 21 is in a saturated state, a drive frequency that does not match the resonance frequency of the ultrasonic element 12 may be set. Therefore, in the first embodiment, by executing steps S10 to S14, it is possible to reliably set the reception amplifier circuit 21 to the non-saturated state and to determine a drive frequency that appropriately reflects the frequency characteristics of the ultrasonic element 12. It becomes possible.
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。 In the ultrasonic sensor 10 according to the first embodiment, there are various modifications with respect to the timing at which the drive frequency is calibrated. For example, a temperature sensor may be provided in the ultrasonic sensor 10, the temperature may be monitored by the temperature sensor, and the drive frequency may be calibrated when a certain amount of temperature change is detected. In this case, it is desirable to determine the temperature condition for performing calibration in consideration of the temperature characteristic of the resonance frequency of the ultrasonic element 12.
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。 For example, the user of the ultrasonic sensor 10 is not limited to the direct operation of the ultrasonic sensor 10, and the drive frequency may be calibrated for the ultrasonic sensor 10 by remote operation. In this case, a wireless communication unit is mounted on the ultrasonic sensor 10, a calibration command is transmitted from an external wireless node by wireless communication, and the calibration of the drive frequency is received when the calibration command is received by the wireless communication unit of the ultrasonic sensor 10. May be implemented. Note that the wireless communication unit of the ultrasonic sensor 10 may transmit measurement data of the distance of the measurement target 13 to an external wireless node during normal measurement.
［第２実施形態］
第２実施形態では、第１実施形態と同じ構造の超音波センサに関し、第１実施形態とは異なる方法で校正時の制御を行う場合を説明する。従って、第１実施形態において説明した図１〜図５、図７の内容については、第２実施形態でも共通であるため説明を省略する。
[Second Embodiment]
In the second embodiment, an ultrasonic sensor having the same structure as that of the first embodiment will be described in the case where control at the time of calibration is performed by a method different from that of the first embodiment. Accordingly, the contents of FIGS. 1 to 5 and FIG. 7 described in the first embodiment are the same in the second embodiment, and thus the description thereof is omitted.
図８は、第２実施形態における超音波センサ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８に示す処理において、Ｍ個の増幅率（Ｍは２以上の整数）がそれぞれ予め設定されている点は第１実施形態と同様である。一方、駆動周波数については、説明の便宜上、３つの駆動周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３が予め設定される場合を想定する。３つの駆動周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３は、出荷時の超音波素子１２の共振周波数１００ｋＨｚに対し、例えば、Ｆ１＝９０ｋＨｚ、Ｆ２＝１００ｋＨｚ、Ｆ３＝１１０ｋＨｚとして設定される。 FIG. 8 is a flowchart showing a drive frequency setting process at the time of calibration of the ultrasonic sensor 10 according to the second embodiment. In the processing shown in FIG. 8, M amplification factors (M is an integer of 2 or more) are set in advance, as in the first embodiment. On the other hand, for the driving frequency, it is assumed that three driving frequencies F1, F2, and F3 are set in advance for convenience of explanation. The three drive frequencies F1, F2, and F3 are set, for example, as F1 = 90 kHz, F2 = 100 kHz, and F3 = 110 kHz with respect to the resonance frequency 100 kHz of the ultrasonic element 12 at the time of shipment.
図８の処理が開始されると、信号処理部３０により、上述のＭ個の増幅率のうちのｍ番目（ｍ＝１〜Ｍ）の増幅率Ａｍを選択し、受信増幅回路２１に対して設定する（ステップＳ２０）。次いで、信号処理部３０により、３つの駆動周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３のうち最小の駆動周波数Ｆ１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Ｓ２１）。続いて、駆動周波数設定部３１から駆動周波数Ｆ１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Ｆ１の送信信号が超音波素子１２に供給される（ステップＳ２２）。その結果、図６のステップＳ１２、Ｓ１３と同様に、筐体１１の反射波Ｗｂが超音波素子１２に受波された後、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Ｖ１（ｍ）が感度ピーク算出部３３によってモニタされる（ステップＳ２３）。 When the processing of FIG. 8 is started, the signal processing unit 30 selects the m-th (m = 1 to M) amplification factor Am from among the M amplification factors described above, and the reception amplification circuit 21 Set (step S20). Next, the signal processing unit 30 selects the minimum driving frequency F1 among the three driving frequencies F1, F2, and F3, and sets it in the driving frequency setting unit 31 (step S21). Subsequently, a clock signal corresponding to the drive frequency F1 is supplied from the drive frequency setting unit 31 to the transmission amplifier circuit 20, and a transmission signal of the drive frequency F1 is supplied from the transmission amplifier circuit 20 to the ultrasonic element 12 (step S22). . As a result, similarly to steps S12 and S13 of FIG. 6, after the reflected wave Wb of the housing 11 is received by the ultrasonic element 12, the received signal amplified from the ultrasonic element 12 via the reception amplification circuit 21 is received. It is sent to the peak detection circuit 25. In the peak detection circuit 25, the peak level in the time range Tb is held, and the obtained peak voltage V1 (m) is monitored by the sensitivity peak calculation unit 33 (step S23).
次に、信号処理部３０により、３つの駆動周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３のうち中央の駆動周波数Ｆ２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Ｓ２４）。続いて、ステップＳ２２、Ｓ２３と同様の制御により、駆動周波数Ｆ２の送信信号が超音波素子１２に供給されるとともに（ステップＳ２５）、ピーク検出回路２５で得られたピーク電圧Ｖ２（ｍ）が感度ピーク算出部３３によってモニタされる（ステップＳ２６）。次いで、信号処理部３０により、３つの駆動周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３のうち最大の駆動周波数Ｆ２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Ｓ２７）。続いて、ステップＳ２２、Ｓ２３と同様の制御により、駆動周波数Ｆ３の送信信号が超音波素子１２に供給されるとともに（ステップＳ２８）、ピーク検出回路２５で得られたピーク電圧Ｖ３（ｍ）が感度ピーク算出部３３によってモニタされる（ステップＳ２９）。 Next, the signal processing unit 30 selects the central driving frequency F2 among the three driving frequencies F1, F2, and F3, and sets it in the driving frequency setting unit 31 (step S24). Subsequently, the transmission signal having the drive frequency F2 is supplied to the ultrasonic element 12 by the same control as in steps S22 and S23 (step S25), and the peak voltage V2 (m) obtained by the peak detection circuit 25 is the sensitivity. Monitored by the peak calculator 33 (step S26). Next, the signal processing unit 30 selects the maximum driving frequency F2 among the three driving frequencies F1, F2, and F3, and sets it in the driving frequency setting unit 31 (step S27). Subsequently, the transmission signal having the drive frequency F3 is supplied to the ultrasonic element 12 by the same control as in steps S22 and S23 (step S28), and the peak voltage V3 (m) obtained by the peak detection circuit 25 is the sensitivity. Monitored by the peak calculator 33 (step S29).
以上のステップＳ２１〜Ｓ２９により、３つのピーク電圧Ｖ１（ｍ）、Ｖ２（ｍ）、Ｖ３（ｍ）が得られることになる。そして、感度ピーク算出部３３により、各ピーク電圧Ｖ１（ｍ）、Ｖ２（ｍ）、Ｖ３（ｍ）が互いに異なる電圧値であるか否かが判別される（ステップＳ３０）。その結果、各ピーク電圧Ｖ１（ｍ）、Ｖ２（ｍ）、Ｖ３（ｍ）が同じ電圧値である場合は（ステップＳ３０：ＮＯ）、再びステップＳ２０に戻り、ｍ＋１に対応する次の増幅率Ａｍ＋１についてステップＳ２０〜Ｓ３０の処理を同様に繰り返す。つまり、ステップＳ３０でＮＯ判断となる間は、受信増幅回路２１が飽和した状態にある結果、各ピーク電圧Ｖ１（ｍ）、Ｖ２（ｍ）、Ｖ３（ｍ）が同じ電圧値になると判断できる。 Through the above steps S21 to S29, three peak voltages V1 (m), V2 (m), and V3 (m) are obtained. Then, the sensitivity peak calculator 33 determines whether or not the peak voltages V1 (m), V2 (m), and V3 (m) are different from each other (step S30). As a result, when the peak voltages V1 (m), V2 (m), and V3 (m) have the same voltage value (step S30: NO), the process returns to step S20 again, and the next amplification factor Am + 1 corresponding to m + 1 The processes in steps S20 to S30 are repeated in the same manner. That is, as long as the NO determination is made in step S30, it can be determined that the peak voltage V1 (m), V2 (m), and V3 (m) have the same voltage value as a result of the reception amplifier circuit 21 being saturated.
一方、ステップＳ３０の判別の結果、各ピーク電圧Ｖ１（ｍ）、Ｖ２（ｍ）、Ｖ３（ｍ）が互いに異なる電圧値である場合は（ステップＳ３０：ＹＥＳ）、各ピーク電圧Ｖ１（ｍ）、Ｖ２（ｍ）、Ｖ３（ｍ）のうちの最大値に対応する駆動周波数Ｆｉ（ｉ＝１〜３のいずれか）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Ｓ３１）、図８の処理を完了する。 On the other hand, when the peak voltages V1 (m), V2 (m), and V3 (m) are different from each other as a result of the determination in step S30 (step S30: YES), each peak voltage V1 (m), A drive frequency Fi (any one of i = 1 to 3) corresponding to the maximum value of V2 (m) and V3 (m) is determined as a drive frequency to be set during normal measurement (step S31). Step 8 is completed.
なお、図８の例では、信号処理部３０により、３つの駆動周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３を選択的に設定する場合を説明したが、予め設定される駆動周波数の個数は３つに限られない。例えば、５つの駆動周波数を選択的に設定してもよいし、さらに異なる個数の駆動周波数を選択的に設定してもよい。 In the example of FIG. 8, the case where the signal processing unit 30 selectively sets the three drive frequencies F1, F2, and F3 has been described. However, the number of drive frequencies that are set in advance is not limited to three. . For example, five drive frequencies may be selectively set, or a different number of drive frequencies may be selectively set.
上述の第２実施形態の方法に基づき、超音波センサ１０の校正を行う場合であっても、基本的に第１実施形態と同様の効果を得ることができる。ただし、図８に示す設定処理は、複数個の増幅率と複数個の駆動周波数のそれぞれの組合せについてピーク検出回路２５のピーク電圧をモニタする必要があるので、全体的にステップ数が増加するが、その分だけ、きめ細かい判断が可能となる。 Even when the ultrasonic sensor 10 is calibrated based on the method of the second embodiment, basically the same effect as that of the first embodiment can be obtained. However, since the setting process shown in FIG. 8 needs to monitor the peak voltage of the peak detection circuit 25 for each combination of a plurality of amplification factors and a plurality of drive frequencies, the number of steps increases as a whole. Therefore, it is possible to make detailed judgments accordingly.
［第３実施形態］
第３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。また、図１０は、図９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９において、第１実施形態（第２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９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。
[Third Embodiment]
In the third embodiment, a case will be described in which the present invention is applied to an ultrasonic sensor 10 including a separate ultrasonic element in which transmission and reception are separated. FIG. 9 shows the basic concept of the ultrasonic sensor 10 of the third embodiment. FIG. 10 is a block diagram showing the internal configuration of the ultrasonic sensor 10 of FIG. 9, the difference from the ultrasonic sensor 10 of the first embodiment (second embodiment) is that instead of the transmission / reception integrated ultrasonic element 12 of FIG. 1, a transmission ultrasonic element 12a and a reception ultrasonic wave are used. The sound wave element 12 b is attached to the housing 11. In FIG. 9, the casing 11 and the measurement object 13 are the same as those in FIG. In addition, the transmitting ultrasonic element 12a and the receiving ultrasonic element 12b are each configured by a piezoelectric element, for example, as in the first embodiment. The sensor surfaces of the transmitting ultrasonic element 12a and the receiving ultrasonic element 12b are directed in the same direction, and an ultrasonic wave corresponding to the transmission signal is transmitted from the transmitting ultrasonic element 12a. The reflected wave Wa reflected is received by the receiving ultrasonic element 12b.
一方、図９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３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３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。 On the other hand, in FIG. 9, unlike FIG. 1, there is a direct wave Wc transmitted from the transmitting ultrasonic element 12a and received by the receiving ultrasonic element 12b. In the third embodiment, there is a reflected wave from the casing 11 in the vicinity of the ultrasonic sensor 10, but the intensity of the direct wave Wc described above is dominant. This direct wave Wc is also sufficiently short in distance compared to the distance Da to the measurement object 13. Therefore, the third embodiment is characterized in that the driving frequency is set by actively using the direct wave Wc when the ultrasonic sensor 10 is calibrated from the same viewpoint as the reflected wave Wb of the first embodiment. .
次に図１０は、第３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１０に示すように、第３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９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。 Next, FIG. 10 shows a specific example of the internal configuration of the ultrasonic sensor 10 of the third embodiment. As shown in FIG. 10, the ultrasonic sensor 10 of the third embodiment is substantially the same as that of FIG. 2 of the first embodiment, and as described with reference to FIG. The only difference is that the ultrasonic elements 12b are provided. The transmitting ultrasonic element 12 a has a pair of terminal electrodes connected only to the transmission amplification circuit 20, and the receiving ultrasonic element 12 b has a pair of terminal electrodes connected only to the reception amplification circuit 21. Other components are the same as those in FIG.
また、第３実施形態において、図１０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及び第２実施形態の図３〜図８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４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３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４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３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３実施形態に対しても同様に適用可能である。 In the third embodiment, the operation waveform of the ultrasonic sensor 10 in FIG. 10 and the control at the time of calibration are basically the same as those in FIGS. 3 to 8 in the first and second embodiments. Is omitted. For example, the received signal corresponding to the reflected wave Wb from the casing 11 having the waveform (upper and lower) in the time range Tb in FIG. 4 may be replaced with the received signal corresponding to the direct wave Wc. In the third embodiment, since the transmitting ultrasonic element 12a and the receiving ultrasonic element 12b are separated from each other, the transmission system to the receiving system in the vicinity of time 0 in the waveform (upper stage) of FIG. The wraparound can be suppressed. As described above, also in the ultrasonic sensor 10 of the third embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be enjoyed. Further, as described in the first embodiment, the modification in which the ultrasonic sensor 10 is provided with a temperature sensor or wireless communication means can be similarly applied to the third embodiment.
［第４実施形態］
第４実施形態では、第１〜第３実施形態において、駆動周波数の校正時に用いる校正用反射板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１１は、第４実施形態の超音波センサ１０の基本概念を示している。図１１において、図１の超音波センサ１０との違いは、図１の超音波センサ１０から距離Ｄｘを隔てた位置に校正用反射板１４（校正対象物）を取り付け可能な点である。図１１の例では、超音波センサ１０の一端に取り付けられた取り付け部材１４ａにより校正用反射板１４が取り付けられているので、距離Ｄｘを正確に保つことができる。この距離Ｄｘは、測定対象物までの距離Ｄａ（図１）より短いので、校正用反射板１４の反射波に対応する受信信号Ｗｘを受信するまでの時間は相対的に短く、かつ受信レベルは相対的に大きい。よって、受信増幅回路２１において受信信号が飽和しやすく、図６又は図８の処理を適用し、校正時に受信信号を非飽和とすることにより十分な効果を得ることができる。なお、第４実施形態において、第１及び第２実施形態の図２〜図８を用いて説明した内容は基本的に共通であるため、その説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
In the fourth embodiment, a case will be described in which the present invention is applied to the ultrasonic sensor 10 including the calibration reflector used in calibration of the drive frequency in the first to third embodiments. FIG. 11 shows the basic concept of the ultrasonic sensor 10 of the fourth embodiment. 11, the difference from the ultrasonic sensor 10 of FIG. 1 is that the calibration reflector 14 (calibration target object) can be attached at a position separated from the ultrasonic sensor 10 of FIG. 1 by a distance Dx. In the example of FIG. 11, the calibration reflector 14 is attached by the attachment member 14a attached to one end of the ultrasonic sensor 10, so that the distance Dx can be accurately maintained. Since this distance Dx is shorter than the distance Da (FIG. 1) to the measurement object, the time until the reception signal Wx corresponding to the reflected wave of the calibration reflector 14 is received is relatively short, and the reception level is Relatively large. Therefore, the reception signal is likely to be saturated in the reception amplifier circuit 21, and a sufficient effect can be obtained by applying the processing of FIG. 6 or 8 and desaturating the reception signal during calibration. In the fourth embodiment, the contents described with reference to FIGS. 2 to 8 of the first and second embodiments are basically the same, and the description thereof is omitted.
以上、４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１０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６及び図８に示すフローチャートについても、超音波センサ１０の校正を実行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。 Although the contents of the present invention have been specifically described based on the four embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. . For example, the internal configuration of the ultrasonic sensor 10 shown in FIGS. 2 and 10 is an example, and similar functions can be realized by various circuit configurations. In addition, various procedures for executing calibration of the ultrasonic sensor 10 can also be assumed for the flowcharts shown in FIGS. 6 and 8. Regarding the other points, the contents of the present invention are not limited by the above-described embodiments, and as long as the effects of the present invention can be obtained, the contents disclosed in the above-described embodiments are not limited to the contents and are appropriately changed. Is possible.
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
１４…校正用反射板
１４ａ…取り付け部材
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
４０、４１、５０、５１…増幅器
５２…減衰器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Ultrasonic sensor 11 ... Housing | casing 12 ... Ultrasonic element 12a ... Transmitting ultrasonic element 12b ... Received ultrasonic element 13 ... Measurement object 14 ... Calibration reflector 14a ... Mounting member 20 ... Transmission amplification circuit DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 ... Reception amplifier circuit 22 ... Detection circuit 23 ... Integration circuit 24 ... Comparator 25 ... Peak detection circuit 30 ... Signal processing part 31 ... Drive frequency setting part 32 ... Reception processing part 33 ... Sensitivity peak calculation part 40, 41, 50, 51 ... Amplifier 52 ... Attenuator
Claims (13)
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周波数のうち、前記測定対象物より近距離に位置する校正対象物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、
前記受信手段は、予め設定された複数個の増幅率を選択的に設定可能な受信増幅回路を含み、
前記校正制御手段は、前記複数個の増幅率のうち、前記校正対象物からの反射波に対応する受信信号が非飽和となる範囲内の増幅率を判別し、当該判別された増幅率を前記受信増幅回路に設定した状態で前記駆動周波数を決定することを特徴とする超音波センサ。 An ultrasonic element that converts a transmission signal into an ultrasonic wave and transmits the ultrasonic wave and receives a reflected wave of the ultrasonic wave and converts it into a reception signal;
Transmission means for generating the transmission signal driven at a predetermined driving frequency and supplying the transmission signal to the ultrasonic element;
Receiving means for detecting the presence or absence of the reception signal supplied from the ultrasonic element within a first time range set in advance according to the detection range of the measurement object;
Distance calculating means for calculating a distance to the measurement object based on a time from generation of the transmission signal to detection of the reception signal;
At the time of calibration of the drive frequency, out of a plurality of frequencies selected from an assumed change range of the resonance frequency of the ultrasonic element, reflected waves from a calibration object located at a short distance from the measurement object Calibration control means for determining a driving frequency that maximizes the intensity of the corresponding received signal, and setting the determined driving frequency for the transmission means;
With
The reception means includes a reception amplification circuit capable of selectively setting a plurality of preset amplification factors,
The calibration control unit determines an amplification factor within a range in which a reception signal corresponding to a reflected wave from the calibration target is non-saturated among the plurality of amplification factors, and determines the determined amplification factor An ultrasonic sensor, wherein the drive frequency is determined in a state set in a reception amplifier circuit.
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、前記受波用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周波数のうち、前記測定対象物より近距離に位置する校正対象物からの反射波、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、
前記受信手段は、予め設定された複数個の増幅率を選択的に設定可能な受信増幅回路を含み、
前記校正制御手段は、前記複数個の増幅率のうち、前記校正対象物からの反射波又は前記直達波に対応する受信信号が非飽和となる範囲内の増幅率を判別し、当該判別された増幅率を前記受信増幅回路に設定した状態で前記駆動周波数を決定することを特徴とする超音波センサ。 An ultrasonic element for transmission that converts a transmission signal into an ultrasonic wave and transmits the ultrasonic wave;
A receiving ultrasonic element that receives ultrasonic waves and converts them into received signals;
Transmitting means for generating the transmission signal driven at a predetermined driving frequency and supplying the transmission signal to the ultrasonic wave element for transmission;
Receiving means for detecting the presence or absence of the received signal supplied from the receiving ultrasonic element within a first time range set in advance according to the detection range of the measurement object;
Distance calculating means for calculating a distance to the measurement object based on a time from generation of the transmission signal to detection of the reception signal;
At the time of calibration of the drive frequency, out of a plurality of frequencies selected from the assumed change range of the resonance frequency of the ultrasonic wave transmitting element, from a calibration object located at a short distance from the measurement object A driving frequency that maximizes the intensity of the received signal corresponding to a reflected wave or a direct wave from the transmitting ultrasonic element to the receiving ultrasonic element is determined, and is determined for the transmitting unit. Calibration control means for setting the drive frequency,
With
The reception means includes a reception amplification circuit capable of selectively setting a plurality of preset amplification factors,
The calibration control means determines an amplification factor within a range in which a reception signal corresponding to a reflected wave from the calibration object or the direct wave is non-saturated among the plurality of amplification factors, and the determination is made. The ultrasonic sensor, wherein the drive frequency is determined in a state where an amplification factor is set in the reception amplification circuit.
前記制御手段は、前記駆動周波数の校正時に、前記複数個の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から５のいずれか一項に記載の超音波センサ。 The reception means includes a peak detection circuit for detecting a peak of the intensity of the reception signal within a second time range set in advance according to a reception range of the reflected wave from the calibration object or the direct wave,
The control means sets the drive frequency at which the maximum peak among a plurality of peaks corresponding to the plurality of frequencies is obtained as the drive frequency of the transmission means when the drive frequency is calibrated. The ultrasonic sensor according to any one of 1 to 5.
所定の周波数範囲内の複数個の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、測定対象物より近距離に位置する校正対象物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、
予め設定された複数個の増幅率のそれぞれで増幅される前記受信信号が非飽和となる範囲内の増幅率を判別し、前記複数個の駆動周波数のうち、前記判別された増幅率で増幅される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。 An ultrasonic sensor calibration method comprising:
A step of converting a transmission signal driven at each of a plurality of frequencies within a predetermined frequency range into an ultrasonic wave by an ultrasonic element and transmitting the ultrasonic wave;
The ultrasonic reflected wave is received by the ultrasonic element and converted into a received signal, and a predetermined time during which the received signal corresponding to the reflected wave from the calibration target located at a short distance from the measurement target exists. Detecting the strength of the received signal within a range;
The received signal amplified at each of a plurality of preset amplification factors is determined in a range where the received signal is not saturated, and is amplified at the determined amplification factor among the plurality of drive frequencies. Determining a driving frequency at which the intensity of the received signal is maximized, and setting the determined driving frequency for the transmission signal during normal measurement;
A method for calibrating an ultrasonic sensor, comprising:
所定の周波数範囲内の複数個の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、測定対象物より近距離に位置する校正対象物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、
予め設定された複数個の増幅率のそれぞれで増幅される前記受信信号が非飽和となる範囲内の増幅率を判別し、前記複数個の駆動周波数のうち、前記判別された増幅率で増幅される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。 An ultrasonic sensor calibration method comprising:
Converting a transmission signal driven at each of a plurality of frequencies within a predetermined frequency range into ultrasonic waves by a transmission ultrasonic element, and transmitting the ultrasonic waves;
The reflected wave of the ultrasonic wave is received by a receiving ultrasonic element and converted into a received signal, and the received signal corresponding to the reflected wave from the calibration object located at a short distance from the measurement object or the transmission signal Detecting the intensity of the received signal within a predetermined time range in which the received signal corresponding to a direct wave from the ultrasonic wave element to the receiving ultrasonic element exists;
The received signal amplified at each of a plurality of preset amplification factors is determined in a range where the received signal is not saturated, and is amplified at the determined amplification factor among the plurality of drive frequencies. Determining a driving frequency at which the intensity of the received signal is maximized, and setting the determined driving frequency for the transmission signal during normal measurement;
A method for calibrating an ultrasonic sensor, comprising:
前記複数個の周波数のうち所定の周波数を設定した状態で、前記複数個の増幅率のうち、前記受信信号の強度が規定電圧より低い増幅率を判別し、
前記複数個の周波数のそれぞれに対し前記判別された増幅率を設定したときの前記受信信号の強度が最大となる周波数を前記駆動周波数として決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。 In the step of setting the driving frequency,
In a state where a predetermined frequency is set among the plurality of frequencies, among the plurality of amplification factors, the amplification factor of the received signal is determined to be lower than a specified voltage,
10. The frequency according to claim 8, wherein a frequency that maximizes the intensity of the received signal when the determined amplification factor is set for each of the plurality of frequencies is determined as the drive frequency. Calibration method for ultrasonic sensors.
前記複数個の増幅率のそれぞれを設定したとき、前記複数個の周波数のそれぞれに対応する前記受信信号の強度が異なる場合を前記非飽和となる増幅率として判別し、当該判別された増幅率に対応する前記受信信号の強度が最大となる周波数を前記駆動周波数として決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。 In the step of setting the driving frequency,
When each of the plurality of amplification factors is set, a case where the intensity of the received signal corresponding to each of the plurality of frequencies is different is determined as the non-saturated amplification factor, and the determined amplification factor is determined. The ultrasonic sensor calibration method according to claim 8 or 9, wherein a frequency at which the intensity of the corresponding received signal is maximum is determined as the drive frequency.
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