JP4555361B2 - 超音波センサ - Google Patents

Description

この発明は、圧電素子からなるセンサ素子がアレイ状に配置されて一体的に構成される超音波センサに関する。

前方の障害物の位置測定や形状の検出などを行う超音波センサとして、複数のセンサ素子がアレイ状に配置された超音波センサが知られている。
このような超音波センサを用いて物体の位置（距離、方向）測定を行う場合には、超音波の送受信間の時間差および各センサ素子で受信した超音波の位相差を求める必要がある。ここで、各センサ素子で検出する検出信号の誤検出を防止し、検出感度及び精度を向上させるために、超音波を送信するセンサ素子（送信素子）から超音波を受信するセンサ素子（受信素子）に対する直接波の入射などによる振動ノイズの影響を低減することが重要となる。
そこで、例えば特許文献１には、複数個のセンサ素子を用いて、センサ素子毎に出力を同期検波し、位相情報を求めてから反射波の位相差を算出するとともに、発信周波数と逆位相の信号を処理回路に入力することにより直接波の影響を低減させる技術が開示されている。
特開２００７−１７０９７５号公報

しかし、圧電素子からなるセンサ素子がアレイ状に配置されて一体的に構成される超音波センサでは、上述の技術を用いても、センサ素子を固定する部材を介して送信素子から受信素子に振動が直接伝わるため、振動ノイズをキャンセルすることができないという問題があった。

そこで、この発明では、圧電素子からなるセンサ素子がアレイ状に配置されて一体的に構成される超音波センサにおいて、振動ノイズを抑制することができる超音波センサを実現することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、超音波を送受信可能に構成された圧電素子と、被検出体にて反射された超音波を受信する受信面が前記被検出体の存在する空間側に接し、前記受信面で受信した超音波を前記受信面と対向する面に取り付けられた前記圧電素子に伝達する音響整合部材と、を備えたセンサ素子を複数備え、前記圧電素子と電気的に接続され、前記圧電素子から出力される受信信号を処理する回路素子を備え、前記複数のセンサ素子がアレイ状に配置された超音波センサであって、前記複数のセンサ素子は、超音波を発信する一つの発信素子と、被検出体にて反射された超音波を受信する複数の受信素子とからなり、前記複数の受信素子の圧電素子に対し、前記発信素子の発信信号と逆位相の信号に基づいて、前記発信素子から超音波センサの構造体内部を伝搬してくる振動ノイズと逆位相になる様に当該圧電素子を駆動させる駆動信号を出力する駆動信号出力回路を備えた、という技術的手段を用いる。

請求項１に記載の発明によれば、駆動信号出力回路は、複数の受信素子の圧電素子に対し、発信素子の発信信号と逆位相の信号に基づいて、発信素子から超音波センサの構造体内部を伝搬してくる振動ノイズと逆位相になる様に、当該圧電素子を駆動させる駆動信号を出力する。
これにより、発信素子から超音波センサの構造体内部を伝播してくる振動を打ち消すように、受信素子の圧電素子を振動させることができるので、振動ノイズをキャンセルすることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の超音波センサにおいて、前記駆動信号出力回路は、前記複数の受信素子に伝達される振動の信号に対して１８０±７０°の位相差に制御された駆動信号を出力する、という技術手段を用いる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記駆動信号出力回路は、前記駆動信号のうち、前記複数の受信素子に伝達される振動の信号に先行して出力される前記駆動信号の波数が０ないし２であるように前記駆動信号を出力する、という技術手段を用いる。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記駆動信号出力回路は、前記駆動信号のうち、前記複数の受信素子に伝達される振動の信号が終了した後に追加して出力される前記駆動信号の波数が０ないし２であるように前記駆動信号を出力する、という技術手段を用いる。

請求項５に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記駆動信号出力回路は、前記複数の受信素子に伝達される振動の信号が終了する１つ前の波数で前記駆動信号の出力を終了させる、という技術手段を用いる。

請求項６に記載の発明では、請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記駆動信号出力回路は、前記駆動信号の信号強度を、前記複数の受信素子に伝達される振動の信号強度の５０〜１００％に設定する、という技術手段を用いる。

請求項２に記載の発明によれば、駆動信号出力回路は、複数の受信素子に伝達される振動の信号に対して１８０±７０°の位相差に制御された駆動信号を出力することができる。
請求項３に記載の発明によれば、駆動信号出力回路は、駆動信号のうち、複数の受信素子に伝達される振動の信号に先行して出力される駆動信号の波数が０ないし２であるように、駆動信号を出力することができる。
請求項４に記載の発明によれば、駆動信号出力回路は、駆動信号のうち、複数の受信素子に伝達される振動の信号が終了した後に追加して出力される駆動信号の波数が０ないし２であるように、駆動信号を出力することができる。
請求項５に記載の発明によれば、駆動信号出力回路は、複数の受信素子に伝達される振動の信号が終了する１つ前の波数で駆動信号の出力を終了させることができる。
請求項６に記載の発明によれば、駆動信号出力回路は、駆動信号の信号強度を、複数の受信素子に伝達される振動の信号強度の５０〜１００％に設定することができる。
駆動信号出力回路により、駆動信号を上述の条件で制御することにより、発信素子から構造体内部を伝播してくる振動を打ち消して、振動ノイズを大きく低減することができ、好ましい。

請求項７に記載の発明では、請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記駆動信号出力回路は、前記複数の受信素子の圧電素子に対し、前記複数の受信素子により検出される受信信号に続いて検出される前記音響整合部材による残響の信号を打ち消すように当該圧電素子を駆動させる駆動信号を出力する、という技術的手段を用いる。

請求項７に記載の発明によれば、受信信号に続いて音響整合部材による残響が生じた場合でも、振動ノイズの影響を抑制することができる。

この発明に係る超音波センサについて、図を参照して説明する。ここでは、車両に搭載して障害物センサとして使用する超音波センサを例に説明する。図１は、本実施形態の超音波センサの説明図である。図１（Ａ）は、超音波センサを音響整合部材側から見た平面説明図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。図２は、回路素子の回路構成を示す説明図である。図３は、振動ノイズに対する制御信号の位相差が振動ノイズの信号強度に及ぼす影響を示すグラフである。図４は、制御信号の波数の制御に関する説明図である。図４（Ａ）は、制御信号の波数の制御の模式図であり、図４（Ｂ）及び（Ｃ）は、制御信号の波数が振動ノイズの信号強度に及ぼす影響を示すグラフである。図５は、制御信号の信号強度の制御に関する説明図である。図５（Ａ）は、制御信号の信号強度の制御の模式図であり、図５（Ｂ）は、制御信号の信号強度が振動ノイズの信号強度に及ぼす影響を示すグラフである。
ここで、図１において、図１（Ａ）の手前方向及び、図１（Ｂ）の上方向が車両の外部を示す。また、説明のために一部を拡大し、一部を省略して示している。

図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、超音波センサ１０は、縦横方向に２個ずつの計４個がアレイ状に配置されたセンサ素子（１３ｐ、１３ｑ、１３ｒ、１３ｓ）と、センサ素子（１３ｐ〜１３ｓ）と電気的に接続され、超音波の送受信に関する電圧信号の入出力を行う回路素子１８とが筐体３１に収容されて形成されている。
センサ素子は、超音波を発信する発信素子１３ｒと、発信素子１３ｒの垂直方向下方に配置された受信素子１３ｐと、発信素子１３ｒの対角の位置に配置された受信素子１３ｑと、発信素子１３ｒの水平方向に配置された受信素子１３ｒと１１１して構成されている。
超音波センサ１０は、車両のバンパ５１などに取り付けられており、障害物の位置の３次元検出が可能に構成されている。
なお、受信素子の個数、配置は目的に合わせて任意に選択することができる。

各センサ素子の構造は同じであるので、ここでは、受信素子１３ｐについて説明する。受信素子１３ｐは、超音波を送受信可能な圧電素子１１ｐと、障害物で反射された超音波を受信し、圧電素子１１ｐに振動を伝達する音響整合部材１２ｐとが接合されて形成されている。

圧電素子１１ｐは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、横断面の外形が音響整合部材１２ｐの横断面の外形と等しい四角柱状に形成された圧電体を、対向する面において、ＰｔやＣｕやＡｇのスパッタ、めっき、導電ペーストの焼き付けなどにより形成された１組の電極により挟んで形成されている。ここで、音響整合部材１２ｐ側に形成された電極を第１電極１４ｐ、第１電極１４ｐに対向する面に形成された電極を第２電極１５ｐとする。

圧電素子１１ｐの側面には、第１電極１４ｐと電気的に接続されて形成された配線部１１ａが設けられている。圧電素子１１ｐの第１電極１４ｐは、配線部１１ａにおいて電気的に接続されたワイヤ１９を介して、回路素子１８に電気的に接続されている。また、圧電素子１１ｐの第２電極１５ｐは、ワイヤ１９を介して回路素子１８に電気的に接続されている。

音響整合部材１２ｐは、空気より音響インピーダンスが大きく、圧電素子１１ｐより音響インピーダンスが小さいポリカーボネート系樹脂などの耐久性に優れた樹脂材料を用いて形成されている。
各音響整合部材１２ｐ〜１２ｓは、互いに隣り合った各音響整合部材１２ｐ〜１２ｓの中心部の間隔ｄが、超音波の半波長にほぼ等しくなるように配置されており、受信面１２ａ近傍の側面において、各音響整合部材１２ｐ〜１２ｓ間及び筐体３１の開口部との間に超音波の伝達を防止する振動減衰部材４１を介在して、筐体３１の開口部に固定されている。

音響整合部材１２ｐは、幅Ｗが超音波の空気中における波長の半分以下、厚さが超音波の音響整合部材１２ｐ中における波長の約１／４となるように形成されている。音響整合部材１２ｐの厚さを超音波の波長の約１／４となるように形成することにより、音響整合部材１２ｐ内で定在波を発生させることができる。これにより、音響整合部材１２ｐ内に入射した超音波と、音響整合部材１２ｐと圧電素子１１ｐとの界面において反射された超音波とが干渉して互いに打ち消し合うことを低減することができるので、圧電素子１１ｐに効率よく超音波を伝達することができる。

回路素子１８は、車両に設けられたＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：図示せず）に電気的に接続されている。回路素子１８は、超音波センサ１０から超音波を送信する時には、ＥＣＵから出力された、発信する超音波の音圧、位相を制御する制御信号に基づいて、発信素子１３ｒの圧電素子１１ｒに対して電圧信号を出力する。また、超音波を受信する時には、回路素子１８は、例えば、圧電素子１１ｐにより受信した超音波の音圧、位相に応じて、圧電素子１１ｐから入力された電圧信号に基づいて演算処理を行い、ＥＣＵに対して振動信号として出力する。

回路素子１８の回路構成を図２に示す。ここでは、受信素子１３ｑの受信信号を処理する回路素子１８を例に説明する。回路素子１８は、受信素子１３ｑの受信信号を増幅するアンプ２１ｑと、受信素子１３ｑの受信信号に基づいて周波数をロックする位相同期回路（ＰＬＬ）２２と、距離測定用同期検波回路２３、方向測定用同期検波回路２４と、発信素子１３ｒから受信素子１３ｑに伝達される振動ノイズを除去するために圧電素子１１ｑを駆動させる制御信号を発信素子１３ｒから出力された発信信号に基づいて出力する制御信号発生回路（駆動信号出力回路）２６と、を備えている。

位相同期回路２２は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２２ａと、位相比較器２２ｂと、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２ｃと、入力された電圧に応じて出力する電圧の周波数を制御する電圧制御発信回路（ＶＣＯ）２２ｄとから構成されている。

距離測定用同期検波回路２３は、受信素子１３ｑの受信信号を同期検波する回路であり、スイッチ素子による同期検波回路（ＰＳＤ）２３ａと、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２３ｂと、距離演算部２３ｃと、を備えている。距離演算部２３ｃは、アンプ２３ｄと、アンプ２３ｄからの出力信号としきい値である基準電圧との比較を行う比較器２３ｅと、超音波発信回路２６ａから出力された発信信号及び基準クロックと比較器２３ｅから出力された信号とを比較し、クロック数をカウントするタイミングカウンタ２３ｆと、タイミングカウンタ２３ｆから出力されたクロック数情報に基づいて距離を演算する距離演算器２３ｇとを備えている。

方向測定用同期検波回路２４は、受信素子１３ｑの受信信号を同期検波する回路であり、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２７ｐと、第１同期検波回路２４ａと、第２同期検波回路２４ｂと、第１同期検波回路２４ａから出力された信号を処理するローパスフィルタ（ＬＰＦ）２４ｃと、第２同期検波回路２４ｂから出力された信号を処理するローパスフィルタ（ＬＰＦ）２４ｄと、角度演算部２４ｅと、を備えている。第１同期検波回路２４ａは、位相同期回路２２にて周波数ロックされた信号を参照信号とし、同期検波を行う。第２同期検波回路２４ｂは、位相同期回路２２にて周波数ロックされた信号と位相差がπ／２の参照信号を用いて同期検波を行う。

制御信号発生回路２６は、超音波発信回路２６ａと、位相反転器２６ｂと、受信制御器２６ｃと、を備えている。超音波発信回路２６ａは、発信素子１３ｒにより超音波の発信を制御するとともに、受信制御器２６ｃ及びタイミングカウンタ２３ｆに発信信号を出力する。位相反転器２６ｂは、発信信号と逆位相の信号を出力する。受信制御器２６ｃは、受信素子１３ｑに対して、発信素子１３ｒから受信素子１３ｑに伝達される振動ノイズを除去するために圧電素子１１ｑを駆動させる制御信号（駆動信号）を出力する。ここで、受信制御器２６ｃは、制御信号を出力されているときに、後段の回路に受信信号が入らないように、受信信号を後段の回路から遮断するＣＵＴ信号を出力する。

次に、超音波センサ１０による障害物の検出について説明する。障害物の位置情報を得るためには、超音波センサ１０から障害物までの距離を示す距離情報と、超音波センサ１０から見た障害物の方向を示す位相差情報とを取得する必要がある。

まず、ＥＣＵから出力された超音波の音圧、位相を制御する制御信号に基づいて、超音波発信回路２６ａが発信素子１３ｒの圧電素子１１ｒに対して発信信号を出力する。この発信信号に基づいて圧電素子１１ｒが振動し、所定の音圧、位相の超音波を発信する。圧電素子１１ｒにより発信された超音波は、音響整合部材１２ｒに伝達され、受信面１２ａから車両外部へ送信される。

発信素子１３ｒから超音波が発信されると、制御信号発生回路２６は、位相反転器２６ｂにより発信信号と逆位相の信号を受信制御器２６ｃに出力し、受信制御器２６ｃにより受信素子１３ｑに対し、振動減衰部材４１などの構造体内部を伝播してくる受信波形（振動ノイズ）と逆位相になる様に圧電素子１１ｑを駆動する制御信号を出力する。
これにより、受信素子１３ｑは、発信素子１３ｒから振動減衰部材４１などの構造体内部を伝播してくる振動を打ち消すように圧電素子１１ｑが振動するため、振動ノイズをキャンセルすることができる。振動ノイズをより効果的にキャンセルするための制御信号の制御方法については後述する。

受信面１２ａから送信された超音波は障害物により反射され、反射された超音波は、音響整合部材１２ｑの受信面１２ａにおいて受信される。受信面１２ａにおいて受信された超音波は、音響整合部材１２ｑを介して、圧電素子１１ｑに伝達される。圧電素子１１ｑに伝達された超音波は、圧電素子１１ｑにより検出され、電圧信号に変換される。ここで、受信素子１３ｑにおいて、波形ｓｉｎ（ωｔ＋α）の信号を受信したとする。

受信素子１３ｑにより受信された超音波の受信信号は、アンプ２１ｐで増幅された後、位相同期回路２２に対して出力される。位相同期回路２２では、バンドパスフィルタ２２ａで不要な周波数成分を除去した後に、ローパスフィルタ２２ｃを通過した信号が電圧制御発信回路２２ｄに対して出力される。そして、位相比較器２２ｂにおいて受信信号と電圧制御発信回路２２ｄの出力信号との位相差を検出し、その位相差を電圧制御発信回路２２ｄにフィードバックすることにより同期（周波数ロック）する。

障害物の距離情報の取得方法について説明する。距離測定用同期検波回路２３では、受信素子１３ｑから入力された信号は、極性が反転、すなわち×１／×（−１）が切換えられて、同期検波回路２３ａに入力される。同期検波回路２３ａでは、位相同期回路２２にて周波数ロックされた信号を参照信号とし、同期検波を行う。これにより、参照信号の周波数と等しい成分のみが直流となり、ローパスフィルタ２３ｂを通過する。他の成分は、交流信号に変換されるのでローパスフィルタ２３ｂで除去される。

ローパスフィルタ２３ｂから出力された信号は、距離演算部２３ｃにおいて、アンプ２３ｄにより増幅された後に、比較器２３ｅに対して出力される。比較器２３ｅに入力された信号は、あらかじめ設定されたしきい値となる基準電圧と比較され、基準電圧を超えた場合に、タイミングカウンタ２３ｆに信号が出力され、タイミングカウンタ２３ｆにおいて、超音波発信回路２６ａから出力された発信信号及び基準クロックと比較されてクロック数が計測される。これにより、超音波の発信と受信の時間差を計測することができるため、距離演算器２３ｇにおいて障害物との距離を演算し、距離情報を出力することができる。

次に、障害物の位相情報（角度情報）の取得方法について説明する。受信素子１２ｑにより受信された超音波の受信信号は、アンプ２１ｐで増幅された後、位相差情報用同期検波回路２４に対して出力される。位相差情報用同期検波回路２４に入力された受信信号は、極性を反転、すなわち×１／×（−１）を切換えて、第１同期検波回路２４ａ及び第２同期検波回路２４ｂにそれぞれ入力される。

第１同期検波回路２４ａでは、位相同期回路２２にて周波数ロックされた信号を参照信号とし、同期検波を行う。ここで、参照信号は、ｓｉｎ（ωｔ＋α）であるとする。

第１同期検波回路２４ａでは、受信信号がｓｉｎ（ωｔ＋β）、参照信号はｓｉｎ（ωｔ＋α）であるため、両者を掛算処理し、下式を得る。

ｓｉｎ（ωｔ＋β）ｓｉｎ（ωｔ＋α）
＝−１／２ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）＋１／２ｃｏｓ（β−α） （１）

上式において、参照信号の周波数と等しい成分のみが直流となり、ローパスフィルタ２４ｃを通過する。他の成分は、交流信号に変換されるのでローパスフィルタ２４ｃで除去される。つまり、ローパスフィルタ２４ｃでは（１）式の第１項が除去され、第２項１／２ｃｏｓ（β−α）のみが出力されることになる。

一方、第２同期検波回路２４ｂでは、参照信号として位相同期回路にて周波数ロックされた信号と位相差がπ／２の参照信号を用いて同期検波を行う。これにより、同期検波回路が一つで一位相である場合と異なり、位相調整を行う必要がない。

第２同期検波回路２４ｂでは、受信信号がｓｉｎ（ωｔ＋β）、参照信号はｃｏｓ（ωｔ＋α）であるため、両者を掛算処理し、下式を得る。

ｓｉｎ（ωｔ＋β）ｓｉｎ（ωｔ＋α）
＝１／２ｓｉｎ（２ωｔ＋α＋β）＋１／２ｓｉｎ（β−α） （２）

第１同期検波回路２４ａと同様に、ローパスフィルタ２４ｄでは（２）式の第１項が除去され、第２項１／２ｓｉｎ（β−α）のみが出力されることになる。

ローパスフィルタ２４ｃ、２４ｄから出力される信号により位相αに応じた情報が得られるが、更に、角度演算部２４ｅにおいて、ｔａｎ（β−α）を演算することにより、受信信号の振幅による影響をなくして、受信素子１３ｑの受信信号の位相情報（角度情報）β−αを求め、出力することができる。

他の受信素子１３ｐ、１３ｓについても同様に、距離情報用同期検波回路２３、位相差情報用同期検波回路２４、２５により同期検波し、距離情報及び位相情報を得ることができるので、各センサ素子の配置間隔に基づいて、障害物の位置測定を行うことができる。
ここで、受信素子１３ｐ、１３ｑ、１３ｓは、水平方向及び垂直方向にアレイ状に配置されているため、広範囲で障害物の存在位置に応じた位相情報を精度良く検出することができる。

次に、振動ノイズをより効果的にキャンセルするための制御信号発生回路２６による制御信号の制御方法について説明する。まず、振動ノイズＮに対する制御信号Ｓの位相制御について、図３を参照して説明する。図３は、振動ノイズＮに対する制御信号Ｓの位相差と振動ノイズＮの変化率との関係を表すグラフである。これによれば、振動ノイズＮの変化率が２０％以下になる位相差の範囲は約１４０°である。
制御信号Ｓが振動ノイズＮに対して逆位相になる１８０°の位相差に対して、位相差の範囲として１４０°の尤度を持たせることができる。つまり、制御信号Ｓを振動ノイズＮに対して１８０±７０°の位相差に制御することにより、振動ノイズＮを大きく低減させることができ、好ましい。

次に、振動ノイズＮに対する制御信号Ｓの波数の影響について、図４を参照して説明する。図４（Ａ）に示すように、発信信号Ｈに対して、同じ波数の振動ノイズＮが発生するが、制御信号Ｓを振動ノイズＮに対して先行させて出力（前打ち、という）させたり、振動ノイズＮが受信素子１３ｑに伝達された後に、制御信号Ｓを追加して出力（後打ち、という）させたりすることができる。

図４（Ｂ）は、振動ノイズＮが受信素子１３ｑに伝達される前に、先行して制御信号Ｓを出力する場合に、先行して出力される制御信号Ｓの波数とノイズ変化率との関係を示すグラフである。これより、先行して出力される制御信号Ｓの波数が、１または２の場合に、振動ノイズＮを大きく低減させることができることがわかる。以上より、振動ノイズＮの発生に対応して制御信号Ｓを出力させる場合（図中では前打ちの波数が０）を含めて、先行して出力される制御信号Ｓの波数が０ないし２であることが好ましい。

図４（Ｃ）は、振動ノイズＮが受信素子１３ｑに伝達された後に、振動ノイズＮの波数に追加して制御信号Ｓを出力する場合（後打ち、という）に、振動ノイズＮの波数に追加して出力される制御信号Ｓの波数とノイズ変化率との関係を示すグラフである。これにより、追加して出力される制御信号Ｓの波数が、１または２の場合に、振動ノイズＮを大きく低減させることができることがわかる。更に、振動ノイズＮが受信素子１３ｑに伝達された後に、制御信号Ｓを追加して出力しない場合（図中では後打ちの波数が０）及び振動ノイズＮの伝達が終了する１つ前の波数で制御信号Ｓの出力を終了させた場合でも、振動ノイズＮを大きく低減させることができることがわかる。以上より、振動ノイズＮが受信素子１３ｑに伝達された後に追加して出力される制御信号Ｓの波数が０ないし２である、または、振動ノイズＮの伝達が終了する１つ前の波数で制御信号Ｓの出力を終了させることが好ましい。

次に、振動ノイズＮの信号強度に対する制御信号Ｓの信号強度の影響について、図５を参照して説明する。図５（Ａ）に示すように、発信信号Ｈの信号強度Ｈ１に対して、振動ノイズＮの信号強度Ｎ１は減衰している。この振動ノイズＮの信号強度Ｎ１に対して、制御信号Ｓの信号強度Ｓ１をどの程度の大きさに制御すればよいかを検討した結果を図５（Ｂ）に示す。横軸は、振動ノイズＮの信号強度Ｎ１により規格化した制御信号Ｓの信号強度Ｓ１、つまりＳ１／Ｎ１×１００（％）を示す。縦軸は、振動ノイズＮの変化率を示す。これにより、制御信号Ｓの信号強度Ｓ１を振動ノイズＮの信号強度Ｎ１の５０％以上の場合に振動ノイズＮを大きく低減させることができることがわかる。また、制御信号Ｓの信号強度Ｓ１が振動ノイズＮの信号強度Ｎ１の１００％を超えると、振動ノイズＮに比べて制御信号Ｓの減衰が遅くなってしまい、制御信号Ｓに起因するノイズが生じるため、制御信号Ｓの信号強度Ｓ１を振動ノイズＮの信号強度Ｎ１の５０〜１００％となるように設定することが好ましい。

［最良の実施形態の効果］
（１）制御信号発生回路２６により、受信素子１３ｑ、１３ｐ、１３ｓに対し、振動減衰部材４１などの構造体内部を伝播してくる受信波形と逆位相になる様に圧電素子１１ｑ、１１ｐ、１１ｓを駆動する制御信号を出力するため、発信素子１３ｒから振動減衰部材４１などの構造体内部を伝播してくる振動を打ち消すように圧電素子１１ｑ、１１ｐ、１１ｓを振動させることができるので、振動ノイズをキャンセルすることができる。

（２）振動ノイズＮをより効果的にキャンセルするための制御信号Ｓの制御方法として、振動ノイズＮに対する制御信号Ｓの位相差については、制御信号Ｓを振動ノイズＮに対して１８０±７０°の位相差に制御することにより、振動ノイズＮを大きく低減させることができ、好ましい。
また、振動ノイズＮに対する制御信号Ｓの波数については、振動ノイズＮの発生に先行して出力される制御信号Ｓの波数が０ないし２であることが好ましい。また、振動ノイズＮが受信素子１３ｑに伝達された後に追加して出力される制御信号Ｓの波数が０ないし２である、または、振動ノイズＮの伝達が終了する１つ前の波数で制御信号Ｓの出力を終了させることが好ましい。
制御信号Ｓの信号強度Ｓ１については、制御信号Ｓの信号強度Ｓ１を振動ノイズＮの信号強度Ｎ１の５０〜１００％となるように設定することが好ましい。

［その他の実施形態］
（１）受信素子１３ｑでは、超音波の受信時に音響整合部材１２ｑが振動するため、受信信号に続いて音響整合部材１２ｑによる残響が生じる場合がある。制御信号発生回路２６は、この残響を打ち消すことができるように構成することもできる。具体的には、アンプ２１ｑにより増幅された音響整合部材１２ｑによる残響の信号を制御信号発生回路２６に入力可能に構成し、その信号に基づいて残響の信号を打ち消すように圧電素子１１ｑを駆動する駆動信号を出力すればよい。これにより、音響整合部材１２ｑに起因する振動ノイズの影響を抑制することができる。

（２）図６に示すように、制御信号発生回路２６に代えて、発信素子１３ｒから伝達される振動ノイズのみを検出可能なダミー素子１３ｍを設け、ダミー素子１３ｍにより検出された振動ノイズを用いて受信素子１３ｑの受信信号から振動ノイズをキャンセルする構成を採用することもできる。発信素子１３ｒからダミー素子１３ｍに伝達された振動ノイズは、アンプ２１ｍにより増幅されてダミー振動信号が作製される。受信素子１３ｑの受信信号について、この振動信号との差分をとることにより、受信素子１３ｑの受信信号から振動ノイズをキャンセルすることができる。つまり、ダミー素子１３ｍとアンプ２１ｍとが、制御信号発生回路２６と同様に、振動ノイズをキャンセルするための信号出力回路として作用する。
ダミー素子１３ｍは、例えば、受信素子の一つの受信面をゴムなどの被覆材により被覆して音響的に遮蔽することにより形成してもよいし、受信素子１３ｑに隣接して、超音波を受信可能な素子を振動減衰部材４１の内部に埋め込んで設けることもできる。
更に、受信素子１３ｑとダミー素子１３ｍとの感度が異なっていてもアンプ２１ｍで増幅することにより感度を補正し、信号強度を合わせこむこともできる。

本実施形態の超音波センサの説明図である。図１（Ａ）は、超音波センサを音響整合部材側から見た平面説明図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。 回路素子の回路構成を示す説明図である。 振動ノイズに対する制御信号の位相差が振動ノイズの信号強度に及ぼす影響を示すグラフである。 制御信号の波数の制御に関する説明図である。図４（Ａ）は、制御信号の波数の制御の模式図であり、図４（Ｂ）及び（Ｃ）は、制御信号の波数が振動ノイズの信号強度に及ぼす影響を示すグラフである。 制御信号の信号強度の制御に関する説明図である。図５（Ａ）は、制御信号の信号強度の制御の模式図であり、図５（Ｂ）は、制御信号の信号強度が振動ノイズの信号強度に及ぼす影響を示すグラフである。 その他の実施形態における回路素子の回路構成の一部を示す説明図である。

符号の説明

１０ 超音波センサ
１１ｐ〜１１ｓ 圧電素子
１２ｐ〜１２ｓ 音響整合部材
１２ａ 受信面
１３ｐ、１３ｑ、１３ｓ 受信素子
１３ｒ 発信素子
１３ｍ ダミー素子
１８ 回路素子
２２ 位相同期回路
２３ 距離情報用同期検波回路
２４ 位相情報用同期回路
２６ 制御信号出力回路（駆動信号出力回路）
Ｈ 発信信号
Ｎ 振動ノイズ
Ｓ 制御信号

Claims (7)

1. 超音波を送受信可能に構成された圧電素子と、被検出体にて反射された超音波を受信する受信面が前記被検出体の存在する空間側に接し、前記受信面で受信した超音波を前記受信面と対向する面に取り付けられた前記圧電素子に伝達する音響整合部材と、を備えたセンサ素子を複数備え、前記圧電素子と電気的に接続され、前記圧電素子から出力される受信信号を処理する回路素子を備え、前記複数のセンサ素子がアレイ状に配置された超音波センサであって、
   前記複数のセンサ素子は、超音波を発信する一つの発信素子と、被検出体にて反射された超音波を受信する複数の受信素子とからなり、
   前記複数の受信素子の圧電素子に対し、前記発信素子の発信信号と逆位相の信号に基づいて、前記発信素子から超音波センサの構造体内部を伝搬してくる振動ノイズと逆位相になる様に当該圧電素子を駆動させる駆動信号を出力する駆動信号出力回路を備えたことを特徴とする超音波センサ。
2. 前記駆動信号出力回路は、前記複数の受信素子に伝達される振動の信号に対して１８０±７０°の位相差に制御された駆動信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
3. 前記駆動信号出力回路は、前記駆動信号のうち、前記複数の受信素子に伝達される振動の信号に先行して出力される前記駆動信号の波数が０ないし２であるように前記駆動信号を出力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波センサ。
4. 前記駆動信号出力回路は、前記駆動信号のうち、前記複数の受信素子に伝達される振動の信号が終了した後に追加して出力される前記駆動信号の波数が０ないし２であるように前記駆動信号を出力することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波センサ。
5. 前記駆動信号出力回路は、前記複数の受信素子に伝達される振動の信号が終了する１つ前の波数で前記駆動信号の出力を終了させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波センサ。
6. 前記駆動信号出力回路は、前記駆動信号の信号強度を、前記複数の受信素子に伝達される振動の信号強度の５０〜１００％に設定することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の超音波センサ。
7. 前記駆動信号出力回路は、前記複数の受信素子の圧電素子に対し、前記複数の受信素子により検出される受信信号に続いて検出される前記音響整合部材による残響の信号を打ち消すように当該圧電素子を駆動させる駆動信号を出力することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の超音波センサ。

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