特許 6618684 超音波センサ及びバースト信号の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6618684

(24)【登録日】2019年11月22日

(45)【発行日】2019年12月11日

(54)【発明の名称】超音波センサ及びバースト信号の制御方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/524 20060101AFI20191202BHJP

   G01S 15/93 20060101ALI20191202BHJP

【ＦＩ】

   G01S7/524 R

   G01S15/93

【請求項の数】19

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2015-2558(P2015-2558)

(22)【出願日】2015年1月8日

(65)【公開番号】特開2016-125987(P2016-125987A)

(43)【公開日】2016年7月11日

【審査請求日】2017年12月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000116024

【氏名又は名称】ローム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001933

【氏名又は名称】特許業務法人 佐野特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】丹羽 功

【審査官】 田中 純

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５２−１４９１４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６３−０８７５７９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１４−１６００１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０８５４７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−２１６５７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２２１４３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２２１８４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２０８１０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ ７／５２ − Ｇ０１Ｓ ７／６４

Ｇ０１Ｓ １５／００ − Ｇ０１Ｓ １５／９６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波信号を送受信する圧電素子と、
前記圧電素子を駆動する送信部と、
前記送信部にバースト信号を伝達するバースト信号発信回路と、
前記圧電素子が受信した受信信号を受け入れる受信部と、
前記受信信号を増幅して増幅信号を出力する増幅回路と、
残響信号の残響時間または残響周波数の情報を含む前記増幅信号に基づき対象物の状態を検知する演算部と、
前記増幅回路から出力される前記増幅信号を検定する検定部とを備え、
前記検定部は前記増幅信号に含まれる前記残響信号の前記残響時間または前記残響周波数を検定し、前記検定した結果を前記バースト信号発信回路にフィードバックし、
前記バースト信号発信回路は前記検定した結果に基づき前記バースト信号の周波数を指すバースト波周波数を調整することを特徴とする超音波センサ。

【請求項2】

前記バースト信号発信回路は、前記バースト波周波数を前記残響周波数に調整することを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。

【請求項3】

前記バースト信号発信回路は前記バースト信号を構成するバースト波の数が決められたバースト波数設定レジスタと、前記バースト波周波数が決められたバースト信号周波数設定レジスタと、前記バースト信号を発信するバースト送信開始レジスタを備えていることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。

【請求項4】

前記バースト信号発信回路はさらに前記バースト波周波数を調整するステップ幅を記憶するバースト波周波数可変幅設定レジスタと、前記バースト波周波数を調整するステップ回数を記憶するバースト波周波数可変回数設定レジスタとを有することを特徴とする請求項３に記載の超音波センサ。

【請求項5】

前記検定部は前記残響信号の所定の周期内に存在するパルス信号の数をカウントして前記残響周波数を検定することを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ。

【請求項6】

前記増幅回路の出力から取り出されるアナログ増幅信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記デジタル信号を濾過するバンドパスフィルタと、前記濾過した信号を積分する積分部とを有し、前記演算部は前記積分部に基づき前記対象物の状態を検知することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波センサ。

【請求項7】

前記バンドパスフィルタの帯域幅が前記残響周波数の検定結果に基づいて調整されることを特徴とする請求項６に記載の超音波センサ。

【請求項8】

前記送信部の出力端と前記受信部の入力端及び前記圧電素子の一端が共通に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。

【請求項9】

前記増幅回路には前記受信部を介して前記圧電素子の前記一端に発生している超音波信号が常時印加されていることを特徴とする請求項８に記載の超音波センサ。

【請求項10】

前記受信部の入力端にはローパスフィルタが結合され、前記増幅回路の入力端には前記ローパスフィルタを介して前記送信部の前記出力端及び前記圧電素子の一端と結合されていることを特徴とする請求項９に記載の超音波センサ。

【請求項11】

前記送信部と前記バースト信号発信回路との間には前記バースト信号を増幅し、かつ、前記送信部を駆動するドライバ回路が設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の超音波センサ。

【請求項12】

前記ドライバ回路または前記送信部には前記バースト信号を増幅するトランスを含むことを特徴とする請求項１１に記載の超音波センサ。

【請求項13】

超音波信号を送受信する圧電素子と、
前記圧電素子を駆動する送信部と、
前記送信部にバースト信号を伝達するバースト信号発信回路と、
前記圧電素子が受信した受信信号を受け入れる受信部と、
前記受信信号を増幅して増幅信号を出力する増幅回路と、
前記増幅回路から出力される前記増幅信号を検定する検定部とを備え、
前記検定部は、前記増幅信号を積分した積分信号の積分時間を計測した計測時間に基づき前記増幅信号に含まれる残響信号の残響時間を検定し、前記検定した結果を前記バースト信号発信回路にフィードバックし、
前記バースト信号発信回路は、前記検定した結果に基づき前記バースト信号の周波数を指すバースト波周波数を調整することを特徴とする超音波センサ。

【請求項14】

前記検定部は、前記積分信号と比較値との比較結果に基づいて定められる所定の期間内に存在するパルス信号の数をカウントして前記積分信号の前記積分時間を求めることを特徴とする請求項１３に記載の超音波センサ。

【請求項15】

前記バースト波周波数を所定の範囲で可変して前記パルス信号の数を逐次カウントしてメモリに保存し、前記メモリに保存された中で最も大きなパルス信号の数を示した前記バースト波周波数に前記バースト信号発信回路で生成される前記バースト波周波数を調整することを特徴とする請求項１４に記載の超音波センサ。

【請求項16】

前記バースト信号発信回路で生成される前記バースト信号を構成するバースト波の数を設定するステップ（５０１）と、
前記バースト波の初期の周波数の大きさを設定するデフォルトバースト波周波数設定ステップ（５０２）と、
前記バースト信号を前記圧電素子に印加を開始し、その後終了させるステップ（５０３,５０４）と、
前記検定部の一部であるロジック制御部の回路動作を開始させ、残響周波数の検定を開始するステップ（５０５）と、
前記バースト信号の周期をカウントしたカウント値とあらかじめ設定された検定区間設定値との大小を比較するステップ（５０６）と、
前記カウント値が前記検定区間設定値に達した時に前記ロジック制御部の回路動作を終了させるステップ（５０７）と、
前記検定部で残響周波数を検定するステップ（５０８）と、
前記残響周波数の検定結果を前記バースト信号発信回路にフィードバックし、前記バースト波周波数を調整するステップ（５１０）とを備えていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の超音波センサのバースト信号の制御方法。

【請求項17】

前記残響周波数を検定するステップ（５０８）の後に前記残響周波数の検定結果を保持するステップ（５０９）を実行し、その後前記バースト波周波数を調整するステップ（５１０）に移行することを特徴とする請求項１６に記載のバースト信号の制御方法。

【請求項18】

超音波信号を送受信する圧電素子と、
前記圧電素子を駆動する送信部と、
前記送信部にバースト信号を伝達するバースト信号発信回路と、
前記圧電素子が受信した受信信号を受け入れる受信部と、
前記受信信号を増幅して増幅信号を出力する増幅回路と、
前記増幅回路から出力される増幅信号を検定する検定部とを備え、
前記検定部は前記増幅信号に含まれる残響信号の残響時間または残響周波数を検定し、前記検定した結果を前記バースト信号発信回路にフィードバックし、
前記バースト信号発信回路は前記検定した結果に基づき前記バースト信号の周波数を指すバースト波周波数を調整することを特徴とする超音波センサのバースト信号の制御方法であって、
前記バースト信号発信回路で生成される前記バースト信号を構成するバースト波の数を設定するステップ（８０１）と、
前記バースト波の初回の周波数の大きさを設定する初回バースト波周波数設定ステップ（８０２）と、
前記バースト波周波数の可変幅を設定するステップ（８０３）と、
前記バースト波周波数の可変回数を設定するステップ（８０４）と、
前記バースト信号を対象物に送信した回数をリセットするバースト送信回数リセットステップ（８０５）と、
前記バースト送信回数と前記設定されたバースト波周波数の可変回数との大小関係を比較するステップ（８０６）とを備え、
前記バースト送信回数が前記バースト波周波数の可変回数に至るまでの間、前記前記バースト信号を送信するステップ（８０７）と、前記バースト信号の送信を終えるバースト送信完了ステップ（８０８）と、前記対象物から反射されてきた超音波信号の残響する時間を計測するステップ（８０９）と、前記検定部で前記残響時間を所定値と比較するステップ（８１０）と、前記残響時間が前記所定値に達した時に前記残響時間の計測を停止するステップ（８１１）と、前記計測した前記残響時間を保持するステップ（８１２）と、前記保持した前記残響時間に応じて前記バースト波周波数を調整するステップ（８１３）を繰り返して実行することを特徴とする超音波センサのバースト信号の制御方法。

【請求項19】

前記バースト送信回数が前記バースト波周波数の可変回数に達した時、前記残響時間を演算処理するステップ（８１４）と、
前記残響時間に基づき求めた前記残響周波数の検定結果を保持するステップ（８１５）と、
前記残響周波数の検定結果に基づき前記バースト信号のバースト波周波数を調整するステップ（８１６）とに移行することを特徴とする請求項１８に記載のバースト信号の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波を送受信する超音波センサ及びバースト信号の制御方法に関し、例えば超音波の受信波に基づき対象物の状態や距離などを検出する超音波センサ及び超音波センサに用いるバースト信号の周波数、すなわちバースト波周波数の制御、調整方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、超音波センサを用いる例えば乗用車用障害物検知装置においては、超音波を送波してから物体による反射波を受信するまでの時間を用いて、検知範囲内に障害物の存否の判定や障害物までの距離の計測を行う。こうした障害物検知装置においては、圧電素子の固有振動周波数と等しい周波数で発信することにより、発信する超音波の振動を増幅して送受信感度を向上させている。

【0003】

しかしながら、周囲の環境の変化に応じて圧電素子の固有振動周波数が変化してしまう。また、超音波センサによる送信は、例えば乗用車の周囲に存在する障害物に向けて行う必要があり、一般的に圧電素子は乗用車の外壁に装着されるため、圧電素子の振動面は乗用車の周囲に向け露出していることになる。従って、前記振動面には周囲の環境変化により、例えば泥、雨、雪などが付着する。この時泥、雨、雪が付着した圧電素子の固有振動周波数は変化する可能性がある。そこで、発信周波数と圧電素子の固有振動周波数がずれてしまい、送受信感度が低下してしまう。

【0004】

一般的に、超音波センサが超音波を送信した後、圧電素子内の超音波振動子の振動は一定時間続く。超音波送信の終わりから振動の収まりまでの時間を残響時間と称する。なお、残響信号の周波数と圧電素子の固有振動周波数すなわち共振周波数と一致する。

【0005】

超音波センサに関しては種々提案されているが、特許文献１は残響周波数に応じて共振周波数を検出し、印加する電圧の周波数が前記共振周波数に等しくするように調整する手法を開示する。

【0006】

特許文献２は異なる周波数を複数発生、混合させ、受信した信号の主要周波数差によって送信する周波数を選択する手法を開示する。

【0007】

特許文献３は超音波センサの振動面に雪が付着した場合、異常と報知する検知装置を提案する。

【0008】

特許文献４は 、受信と送信を兼用する圧電素子において、バースト波に含まれる波の個数を変化することで、受波の感度を高め及び誤検知を抑制する手法を開示する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００９―２６７５１０号公報

【特許文献2】特開平９―１８４８８３号公報

【特許文献3】特開２００２―１４８３４７号公報

【特許文献4】特開２０１３-１５６２２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかし、上記特許文献１は、圧電素子に印加する電圧の周波数を共振周波数に調整するという技術思想は示唆するが、そのための具体的な回路構成は開示していない。また、印加する電圧の周波数を調整することまでは示唆していない。

【0011】

特許文献２は基準超音波受波器を用意しなければならず回路構成がやや複雑になる。さらに、異なる複数の周波数を発生させる周波数発生手段と複数の周波数を混合させる周波数混合手段を設けることは開示するものの、残響周波数に基づき周波数の大きさを調整することまでは開示していない。

【0012】

特許文献３は、例えば雪の超音波センサでの付着状態を検出した後、雪による影響を低減す具体的な回路構成までは示唆、開示していない。

【0013】

特許文献４は外的変化により受波感度低減を抑制する技術思想を示唆していない。

【0014】

本発明は、上記の問題点に鑑み、泥、雨、雪、温度などの周囲の環境の外的変化による、超音波センサの固有振動周波数を自動的に補正し、外的変化に伴う送受信感度の低下を抑制することができる超音波センサ及びそれに用いる圧電素子に印加するバースト信号の周波数（バースト波周波数）の制御、調整方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本書での「バースト信号」とは、バースト信号発信回路から発信される例えばパルス、三角波、または正弦波等が間欠に現れる信号及び、これらが現れない信号部分も含む信号全体を指す。

【0016】

本書での「バースト波」とは、「バースト信号」の一部分であって、パルス、三角波、または正弦波等の信号そのものを指す。

【0017】

本書での「バースト波周波数」とは上記バースト波の周波数を指す。「バースト波周波数」は「バースト信号の周波数」または「バースト信号周波数」と同義である。

【0018】

本書での「超音波センサ」なる意味は、人間の耳に聞こえない振動数をもつ音波、すなわち超音波を送信部から対象物に向け送信し、その反射を受信部で受信して例えば、対象物の有無や対象物までの距離を検出するセンサを指している。したがって「超音波センサ」には超音波を発生する例えばセラミック圧電素子のみならず、送信部、受信部、及びその周辺の回路部も含む。なお、本書で符号を伴わず端に「超音波センサ」と記した場合には特定の回路部や部品等を指すものではなく、上記の機能を有する広い概念であることを意味する。

【0019】

本書での「超音波信号」とは、上記バースト信号のみならずバースト発信回路から発信される信号及び対象物から反射されてきた受信信号も含み、上記「バースト信号」、「バースト波」だけではなく、超音波センサで生成または処理される信号全般を指す。
また、「残響信号」とは圧電素子に印加するバースト信号がカットされたあとも圧電素子に生じているかまたはそこから出力される圧電素子の共振周波数に近い超音波信号を指す。また、「残響周波数」とは上記「残響信号」の周波数を指す。

【0020】

本書での「検定」とは、上記残響信号または上記残響信号に処理を加えた加工信号を所定の基準に添って検知し、また計測し、上記残響周波数や上記残響信号または上記加工信号の周波数または信号の継続時間を求める信号処理を指す。

【0021】

上記目的を達成するために本発明の一態様の超音波センサは、超音波信号を送受信する圧電素子と、圧電素子を駆動する送信部と、送信部にバースト信号を伝達するバースト信号発信回路と、圧電素子が受信した受信信号を受け入れる受信部と、受信信号を増幅して増幅信号を出力する増幅回路と、増幅回路から出力される増幅信号を検定する信号処理回路とを備え、信号処理回路は増幅信号に含まれる残響信号の残響時間または残響周波数を検定し、検定した結果をバースト信号発信回路にフィードバックし、バースト信号発信回路は検定した結果に基づきバースト信号の周波数（バースト波周波数）を調整する。

【0022】

また本発明の一態様ではバースト信号発信回路は、バースト波周波数を残響周波数に調整する。

【0023】

また本発明の一態様では、増幅信号を積分した積分信号の積分時間を計測し該積分時間に基づきバースト波周波数を調整する。

【0024】

また、本発明の一態様では信号処理回路は残響信号の所定の周期内に存在するパルス信号の数をカウントして残響周波数を検定する。

【0025】

また、本発明の一態様では信号処理回路は増幅回路の出力から取り出されるアナログ増幅信号をＡ／Ｄ変換部でデジタル信号に変換し、デジタル信号をバンドパスフィルタを介して濾過し、濾過した信号を積分し積分した積分信号をバースト波周波数の検定に用いる。

【0026】

また本発明の一態様ではバースト波周波数を所定の範囲で変化させパルス信号の数を逐次カウントしてメモリに保存し、メモリに保存された中で最も大きなパルス信号の数を示したバースト波周波数にバースト信号発信回路で生成されるバースト信号の周波数を調整する。

【0027】

また本発明の一態様では、増幅回路には受信部を介して圧電素子の一端に発生している超音波信号が常時印加される。

【0028】

また本発明の一態様では、受信部の入力端にはローパスフィルタが結合され、増幅回路の入力端にはローパスフィルタを介して送信部の出力端及び圧電素子の一端と結合されている。

【0029】

また本発明の一態様では、送信部とバースト信号発信回路との間にはバースト信号を増幅し、かつ、送信部を駆動するドライバ回路が設けられている。

【0030】

また本発明の一態様では、ドライバ回路または送信部にはバースト信号を増幅するトランスを含む。

【0031】

また本発明の別の発明であるバースト波周波数の制御方法の一態様は下記のステップを含む。
（ａ１）バースト信号発信回路で生成されるバースト信号を構成するバースト波の数を設定するステップ（５０１）
（ｂ１）バースト波の初期の周波数の大きさを設定するデフォルトバースト周波数設定ステップ（５０２）
（ｃ１）バースト信号を圧電素子に印加するタイミング及び終了させる、バースト信号発信開始及びバースト信号の圧電素子への印加を終了させるステップ（５０３,５０４）
（ｄ１）信号処理回路の一部であるロジック制御部の回路動作を開始させ、残響周波数の検定を開始するステップ（５０５）
（ｅ１）バースト信号の周期のカウント値と検定区間設定値との大小を比較するステップ（５０６）
（ｆ１）上記カウント値が検定区間設定値に達した時にロジック制御部の動作を終了させるステップ（５０７）
（ｇ１）信号処理回路で残響周波数を検定するステップ（５０８）
（ｈ１）残響周波数検定結果をバースト信号発信回路にフィードバックし、バースト波周波数を調整するステップ（５１０）。

【0032】

また本発明の別の態様であるバースト波周波数の制御方法は下記のステップを含む。
（ａ２）バースト信号発信回路で生成されるバースト信号を構成するバースト波の数を設定するステップ（８０１）
（ｂ２）バースト波の初回の周波数の大きさを設定する初回バースト周波数設定ステップ（８０２）
（ｃ２）バースト波周波数の可変幅を設定するステップ（８０３）
（ｄ２）バースト波周波数の可変回数を設定するステップ（８０４）
（ｅ２）バースト信号を圧電素子に印加した回数をリセットするバースト送信回数リセットステップ（８０５）
（ｆ２）バースト送信回数と設定されたバースト周波数の可変回数との大小関係を比較するステップ（８０６）
（ｇ２）バースト送信回数がバースト周波数の可変回数に至るまでの間、バースト信号を送信するステップ（８０７）
（ｈ２）バースト信号の送信を終えるバースト送信完了ステップ（８０８）
（ｉ２）対象物から反射されてきた超音波信号の残響する時間を計測するステップ（８０９）
（ｊ２）検定部で残響時間を所定値と比較するステップ（８１０）と、残響時間が所定値に達した時に残響時間の計測を停止するステップ（８１１）
（ｋ２）計測した残響時間を保持するステップ（８１２）と、保持した残響時間に応じてバースト周波数を調整するステップ（８１３）

【発明の効果】

【0033】

本発明は超音波センサが置かれた環境の変化に応じてバースト信号の周波数を自動的に調整して外的変化に伴う超音波センサの送受信感度の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】本発明にかかる超音波センサの概要回路ブロックである。

【図2】本発明にかかる第１実施形態を示し、図１の具体的な回路構成図である。

【図3】本発明にかかる圧電素子に印加されるバースト信号の周波数（バースト波周波数）と残響周波数との関係を示す説明図である。

【図4】本発明にかかる第１実施形態における主な信号のタイムチャートである。

【図5】本発明にかかる第１実施形態においてのバースト波周波数の調整方法を示すフローチャートである。

【図6】本発明にかかる第２実施形態を示す具体的な回路構成図である。

【図7】図６を説明するためのタイムチャートである。

【図8】図６を説明するためのフローチャートである。

【図9】本発明の第２実施形態にかかり、圧電素子の周囲に外的変化が無い場合とある場合とを比較したバースト波周波数に対する残響周波数の遷移を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0035】

図１は本発明にかかる超音波センサの概要を示す回路ブロック図である。本発明にかかる超音波センサは例えば、車のバンパーの角部にコーナーソナーまたはバックソナーとして利用される。超音波センサ１０００は、送受信処理回路１００、ドライバ回路２、送信部３、圧電素子４、及び、受信部５を有する。送信部３、圧電素子４、及び受信部５は本書での送受信部に相当する。

【0036】

送受信処理回路１００は、バースト信号発信回路１、増幅回路６、信号処理回路７、及び発信端Ｔ１、受信端Ｔ２を有する。発信端Ｔ１を介してバースト信号発信回路１から発信されたバースト信号S０がドライバ回路２に供給され、受信端Ｔ２には圧電素子４、受信部５を介して受信信号（超音波信号）が印加される。なお、受信信号の中には送信部３から送信されるバースト信号S０の超音波信号成分も含まれる。

【0037】

バースト信号発信回路１は、バースト信号S０を生成し、発信端Ｔ１を介してドライバ回路２に送信する。バースト信号S０は、搬送波S１と変調波S２に基づき生成される。すなわち、バースト信号S０は、搬送波S１が変調波信号S２のインターバルで切り出され間欠的に生じる超音波信号である。バースト信号S０は、例えば４個の電圧ピークを有した、すなわち４波を有する。こうした状態はバースト波数が４波であるとして表される。また、バースト信号発信回路１は、検定部７３からの残響周波数検定結果に基づいて、バースト信号S０の周波数を調整する。搬送波S１はいわゆる超音波と称される、いわゆる人間の耳に聞こえない例えば周波数が２０ＫＨｚ以上の高い振動数を有する。本発明で用いられる搬送波S１の周波数は例えば４０ＫＨｚ〜８０ＫＨｚである。変調波S２は搬送波S１を変調する信号であり、その周波数は例えば数十Ｈｚであり、搬送波S１の周波数に比べるとその周波数は２桁程度小さい。なお、以降の説明において「バースト波」とはバースト信号S０の一部となる搬送波S１の信号成分を指す。また、「バースト波周波数」とは、搬送波S１の周波数に相当することになる。

【0038】

ドライバ回路２は、バースト信号発信回路１からバースト信号S０を受け、送信部３に供給する。ドライバ回路２は送信部３を十分に駆動できるレベルまでバースト信号S０を増幅する。

【0039】

送信部３は、バースト信号発信回路１から発信されたバースト信号S０を、ドライバ回路２を介して受信し圧電素子４に印加する。送信部３は圧電素子４が十分に駆動、振動するように、増幅手段として、例えばトランスを含み、バースト信号S０を十分な大きさまで昇圧している。昇圧レベルは例えば８０Ｖｐｐである。トランスを採用することで、ドライバ２及び送信部３に供給する電源電圧ＶＤＤが比較的小さくても送信部３からは比較的大きなバースト信号（超音波信号）を出力することができる。なお、ドライバ回路２と送信部３とを区別する必然性はなく、これら両者を一体化して１つの送信部として位置づけても良い。送信部３の出力端３ａは圧電素子４の一端４１と受信部５の入力端５ａに結合される。

【0040】

圧電素子４は、送信部３からの発信信号を受信し、それに基づいて超音波信号を図示しない対象物、障害物に向けて送信する。また、圧電素子４は図示しない対象物、障害物から反射されてきた超音波信号、すなわち受信信号を受信する役割も担う。圧電素子４にバースト信号S０が印加されている間、圧電素子４の超音波振動子の振動は続くが、バースト信号S０の印加がカットされた後は残響信号が生じている。また、送信された超音波信号が障害物から反射され、圧電素子４の超音波振動子が反射された反射波を受信して振動することにより、圧電素子４が反射波に基づいた超音波信号に変換して出力する。圧電素子４は、超音波信号の送信と受信を兼用する。圧電素子４の一端は送信部３の出力端と受信部５の入力端に共通に結合される。本発明で圧電素子４は送信部３と受信部５の両者に兼用されるが、送信部３と受信部５にそれぞれ別々の圧電素子を用意しても良い。圧電素子４の一端は送信部３の出力端３ａ及び受信部５の入力端５ａに結合され、その他端は接地電位ＧＮＤに結合される。

【0041】

受信部５は、圧電素子４の超音波振動子の振動に変換された超音波信号を受信し、送受信処理回路１００の一部を構成する増幅回路６に伝達する。本発明で受信部５は直流信号成分をカットし、かつ高周波信号を大きく減衰させる機能も合わせ有している。受信部５の入力端５ａは送信部３の出力端３ａ及び圧電素子４の一端４１に結合される。こうした回路構成によって、受信部５は、送信部３及び圧電素子４の電気的特性が仮に変化した場合であっても、送受信部全体で決まる超音波信号を後段の回路部に伝達することができる。これによって、残響周波数の検定を超音波センサの使用環境の変化に応じて適確に実行することができる。

【0042】

増幅回路６は、受信部５から入力される超音波信号を増幅して、信号処理回路７に送信する。増幅回路６の電圧増幅度は受信信号の大きさに基づき、例えば２０ｄｂ〜１００ｄｂの範囲で適宜設定する。

【0043】

信号処理回路７は、増幅回路６で増幅したアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部７１、変換されたデジタル信号をデジタル的に濾過するフィルタ７２、及び変換されたデジタル信号を検定する検定部７３を有する。信号処理回路７は、検定部７３で超音波信号の残響周波数を検定し、検定した残響周波数をバースト信号発信回路１及びフィルタ部７２にフィードバックする。検定した残響周波数に基づいて、フィルタ部７２での濾過帯域周波数を決める。また、バースト信号発信回路１から発信するバースト信号S０の周波数すなわちバースト波周波数が調整される。なお、受信部５で受信した超音波信号を信号処理回路７でアナログ処理する場合にはＡ／Ｄ変換部７１及びフィルタ部７２は不要となる。信号線７４はＡ／Ｄ変換部７１及びフィルタ部７２を採用しない場合の信号経路を示す。この時には増幅回路６から直接、検定部７３に超音波信号が送られる。この時、当然ではあるが検定部７３からフィルタ部７２へのフィードバックを示す信号線７５によるフィードバック経路も不要となる。

【0044】

図１に示した超音波センサ１０００について要約すると次のとおりである。すなわち、設定されバースト信号発信回路１から発信されるバースト信号S０のバースト波周波数を、圧電素子４から受信部５を介して戻ってきた超音波信号に含まれる残響信号の周波数に基づき再度調整するということにほかならない。

【0045】

（第１実施形態）
図２は図１に示した回路ブロック図の具体的な回路構成図であり、本発明にかかる第１実施形態を示す。第１実施形態の超音波センサ１０００は、図１に示したものとほぼ同様に、送受信処理回路１００Ａ、ドライバ回路２、発信部３、圧電素子４、及び受信部５を有する。送受信処理回路１００Ａは、送信端Ｔ１ａ、受信端Ｔ２ａ、及びバイアス端Ｔ３ａを有する。第１実施形態の超音波センサ１０００は、例えば自動車の車体（図示せず）に搭載され、車両の周辺の対象物、障害物の有無を検知し、また障害物までの距離を計測するために使用される。また、本発明の超音波センサは、車両そのものだけではなく、駐車管理システム、湿度センサ、積雪深計、ベルトコンベアの物体検知、タンク注水時の液量検知、自動ドアや侵入防止の監視などの人体センサ、各種の変位計測など、幅広い各種物体検知装置や各種センサに応用が可能である。

【0046】

バースト信号発信回路１Ａは、バースト波数設定レジスタ１１、デフォルトバースト周波数設定レジスタ１２、バースト送信開始レジスタ１３を有する。前述のように、バースト信号発信回路１が信号処理回路７で検定した残響周波数を基づいてバースト信号S０の周波数を逐次調整する。また、バースト信号発信回路１の発信が完了したら、バースト送信完了信号ＳＴＡＲＴを信号処理回路７に向けて送信する。ここでデフォルトバースト周波数設定レジスタ１２は、本書でバースト信号周波数設定レジスタ１２としても示される。

【0047】

ドライバ回路２は、トランジスタ２１、抵抗２２及び２３、キャパシタ２４、電源電圧ＶＤＤを有する。ドライバ回路２は、後段の送信部３から圧電素子４に超音波信号を送信するに十分な大きさまで増幅する役割を担う。トランジスタ２１は、後段のトランジスタ３２をドライブし、抵抗２２はトランジスタ３２のベース電流を制限し、抵抗２３、キャパシタ２４は平滑回路を構成し、不要な信号成分を抑制する。

【0048】

送信部３は、キャパシタ３１、トランジスタ３２、トランス３３を有する。トランス３３を使用して、ドライバ回路２の出力信号を昇圧し、圧電素子４を振動させる。トランジスタ３２はトランス３３の１次巻線にバースト信号S０を供給する。トランジスタ３２は例えばバイポーラ型のＰＮＰトランジスタで構成する。トランジスタ３２のエミッタは電源電圧ＶＤＤに接続され、そのコレクタ側すなわちトランス３３の１次側には例えば１００ｍＡ程度の電流が流れる。トランス３３の２次側には１次巻線と２次巻線との巻数に応じた大きさをもった超音波信号が生じる。キャパシタ３１は電源電圧ＶＤＤに重畳されるリップルを平滑する、いわゆるバイパスキャパシタとして作用する。

【0049】

圧電素子４は、図示しない超音波振動子を有する。第１実施形態の圧電素子４は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ランタンドープチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＬＥＴ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などを材料とする圧電素子を用いて超音波信号と超音波振動子の振動との相互変換を行う。前述のように、圧電素子４は、超音波信号の送信４ａと受信４ｂとを兼用するようにしても良いし、送信４ａと受信４ｂとにそれぞれ別々の圧電素子を使用しても良い。

【0050】

受信部５は、可変抵抗５１、キャパシタ５２及び５３、抵抗５４及び５５、ダイオード５６及び５７を有する。可変抵抗５１及びキャパシタ５２はローパスフィルタ（ＬＰＦ）を形成する。ローパスフィルタＬＰＦは受信部５の入力端側に配置され、該ローパスフィルタＬＰＦの入力は送信部３及び圧電素子４の一端に結合される。ローパスフィルタＬＰＦの出力はキャパシタ５３を介して後段の増幅回路６に結合される。ローパスフィルタＬＰＦの時定数はたとえば抵抗５４の抵抗値を調整して行われる。ローパスフィルタＬＰＦを設けることで、受信部５と、圧電素子４及び受信部３との直結を回避している。すなわち、受信部５と、圧電素子４及び受信部３との干渉を回避している。なお、ローパスフィルタＬＰＦは必須ではない。キャパシタ５３は直流成分をカットする。圧電素子４からの電気信号が受信部５を介して増幅回路６に入力される。抵抗５４,５５は後段の増幅回路６の回路動作点を決める、いわゆるバイアス抵抗として働く。ダイオード５６,５７は受信端Ｔ２ａに到来する不所望なサージ電圧、ノイズ等によって送受信処理回路１００Ａが誤動作しないように、また、劣化しないようにするためのいわゆる静電破壊防止（ＥＳＤ）対策のために用意されている。

【0051】

増幅回路６は、可変抵抗６１、６２、６５,６６、及びアンプ６３,６７、及びキャパシタ６４,６８を有する。増幅回路６の電圧増幅度は前段の受信部５から出力される受信信号の大きさに基づき決めている。増幅回路６には電圧増幅度が可変できる例えばＰＧＡ（プログラマブル利得アンプ）を用いる。増幅回路６全体の電圧増幅度は例えば２０ｄＢ〜１００ｄＢに設定されている。増幅回路６の電圧増幅度は抵抗６１,６２,６５及び６６の抵抗値を例えばデジタル的に制御して行われる。キャパシタ６４,６８は直流成分を次段に伝達しないためのいわゆる直流カットのために用意される。アンプ６３,６７の非反転入力端子（＋）には、抵抗５４,５５で設定されたバイアス電圧ＶＢが与えられる。バイアス電圧ＶＢはアンプ６３,６７のダイナミックレンジが最適な状態に置かれる大きさに設定される。バイアス電圧ＶＢの大きさはアンプ６３,６７に供給する電源電圧ＶＤＤとすると、例えば、ＶＢ＝ＶＤＤ／２に設定される。

【0052】

信号処理回路７は、Ａ／Ｄ変換部７１、フィルタ部７２、演算部７ｄ、検定部７３を有する。フィルタ部７２はバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）７ｂ及び積分部７ｃを有する。検定部７３はアンプ（バッファ）７ｅ、カウンタ７ｆ、検定区間設定レジスタ７ｇ、比較器７ｈ、ロジック制御部７ｉ、残響周波数検定部７ｊ、高速ＯＳＣ７ｋ、残響周波数検定結果保持レジスタ７Ｌを有する。信号処理回路７の回路動作の説明は後述する。

【0053】

アナログ信号である増幅信号ＤＳ１〜ＤＳ３が増幅回路６からＡ／Ｄ変換部７１に入力されると、デジタル信号に変換された後フィルタ部７２に入力される。フィルタ部７２でノイズなどの不要な信号成分やバースト信号の周波数帯域から大きく外れた周波数帯域の信号成分が除去または大きく減衰される。フィルタ部７２は例えばバンドパスフィルタＢＰＦ７ｂ及び積分部７ｃで構成される。フィルタ部７２を通過した所定の信号成分は、演算部７ｄに入力される。演算部７ｄは例えば対象物や障害物までの例えば距離の測定に用いられる。

【0054】

増幅信号ＤＳ１〜ＤＳ３は、Ａ／Ｄ変換部７１のほかに検定部７３にも入力される。すなわち、増幅信号ＤＳ１〜ＤＳ３は被検定信号として処理される。検定部７２で検定された残響周波数の検定結果はバースト信号発信回路１及びフィルタ部７２にフィードバックされる。なお、Ａ／Ｄ変換部７１、フィルタ部７２、及び演算部７ｄは必須の構成要件ではないので必ずしも設ける必要はない。

【0055】

図３は圧電素子４に印加されるバースト信号の周波数、すなわちバースト波周波数と残響周波数との関係を示す概念図である。

【0056】

図３（ａ）は、バースト波周波数ｆ１を圧電素子４が有する固有の共振周波数ｆｃと同じ値に選ばれた時を示す。ここで、共振周波数ｆｃは例えば５８ＫＨｚであるとする。したがって、バースト波周波数ｆ１も５８ＫＨｚとなる。

【0057】

バースト信号ＳＳ１は、時刻ｔ０〜ｔ１１の間、圧電素子４に印加される。この時、バースト信号ＳＳ１の超音波信号成分は受信部５にも伝達される。

【0058】

受信信号ＲＳ１は受信部５の出力である受信端Ｔ２ａから取り出される超音波信号である。受信信号ＲＳ１は、時刻ｔ１０〜ｔ１１の間、すなわちバースト信号ＳＳ１が圧電素子４に印加されている間は、バースト波周波数ｆ１とほぼ同じ信号成分を有する。時刻ｔ１１以降すなわちバースト信号ＳＳ１の圧電素子４への印加がカットされると、受信信号ＲＳ１の振幅は時間の経過とともに徐々に減少していく。しかし、バースト波周波数ｆ１の大きさは共振周波数ｆ０のそれと同じに選ばれているので、圧電素子４の振動エネルギーは比較的強く、時刻ｔ１１でバースト信号ＳＳ１の圧電素子４への印加がカットされた後も残響信号の発生は比較的長い時刻ｔ１３まで続く状態を示している。

【0059】

増幅信号ＤＳ１は増幅回路６から出力され、信号処理回路７に入力される。増幅信号ＤＳ１は第１実施形態で検定の対象となる、いわゆる被検定信号となる。増幅信号ＤＳ１は時刻ｔ１０〜ｔ１１の間では、バースト信号ＳＳ１の信号成分が、時刻ｔ１１〜ｔ１３の間では残響信号がそれぞれ増幅回路６で増幅された超音波信号である。前に述べた受信信号ＲＳ１の振幅は、時刻ｔ１１以降、時間の経過とともに徐々に減少するものであったが、増幅信号ＤＳ１は時刻の経過に関わらず、すなわち時刻ｔ１１〜ｔ１３の間、一定の振幅値に維持される。これは増幅回路６の電圧増幅度が十分に大きく、時刻ｔ１３近傍で生じる比較的微小な受信信号ＲＳ１を増幅回路６のダイナミックレンジ一杯まで増幅できているからである。これによって、本発明では残響信号が実質的に０になる時間までを適確に計測し、適確に検定することができる。増幅信号ＤＳ１に基づき、バースト信号ＳＳ１の圧電素子４への印加が完了した時刻ｔ１１からあらかじめ決められた時刻ｔ１２までの間、図２に示した比較器７ｈで残響信号の残響周波数が検定される。

【0060】

図３（ｂ）はバースト波周波数ｆ２が、圧電素子４が有する固有の共振周波数ｆｃから低いほうにずれた時を示す。ここで、共振周波数ｆｃは例えば５８ＫＨｚであるとする。また、バースト波周波数ｆ２は、共振周波数ｆｃよりも小さな例えば５０ＫＨｚであるとする。

【0061】

バースト信号ＳＳ２は、時刻ｔ２０〜ｔ２１の間、圧電素子４に印加される。この時、バースト信号ＳＳ２が有する超音波信号成分は受信部５にも伝達される。

【0062】

受信信号ＲＳ２は受信部５の出力である受信端Ｔ２ａから取り出される。受信信号ＲＳ２は、時刻ｔ２０〜ｔ２１の間、すなわちバースト信号ＳＳ２が圧電素子４に印加されている間は、バースト波周波数ｆ２、すなわち周波数がほぼ５０ＫＨｚの信号成分を示している。時刻ｔ２１以降すなわちバースト信号ＳＳ２の圧電素子４への印加がカットされると、受信信号ＲＳ２は時間の経過とともに徐々に減衰していくが、図３（ａ）、受信信号ＲＳ１に比べると、その減衰する時間は早い。これは、圧電素子４は時刻ｔ２０〜ｔ２１の間、共振周波数ｆｃから外れたバースト信号ＳＳ２で振動していたために、時刻ｔ２０〜ｔ２１の間で蓄えられた振動エネルギーはさほど強くないからである。このためバースト信号ＳＳ２がカットされた後は圧電素子４の共振周波数ｆｃで振動する残響信号が生じるが、その継続時間は図３（ａ）に示した時刻ｔ１３よりは早い時刻ｔ２３で収斂する。

【0063】

増幅信号ＤＳ２は増幅回路６から出力され、信号処理回路７に入力される。増幅信号ＤＳ２は時刻ｔ２０〜ｔ２１の間では、バースト信号ＳＳ２の超音波信号成分が、時刻ｔ２１〜ｔ２３の間では残響信号がそれぞれ増幅回路６で増幅された超音波信号である。前に述べた受信信号ＲＳ２の振幅は時刻ｔ２１以降、時間の経過とともに徐々に減少するものであったが、増幅信号ＤＳ２は時刻の経過に関わらず、すなわち、時刻ｔ２１〜ｔ２３の間、一定の振幅値に維持される。これは増幅回路６の電圧増幅度が十分に大きく、時刻ｔ２３近傍で生じる比較的微小な受信信号ＲＳ２を増幅回路６のダイナミックレンジ一杯まで増幅できているからである。これによって、本発明では残響信号が実質的に０になる時間までを適確に計測でき、適確に検定することができる。増幅信号ＤＳ２に基づき、バースト信号ＳＳ２の圧電素子４への印加が完了した時刻ｔ２１からあらかじめ決められた時刻ｔ２２までの間、図２に示した比較器７ｈで残響信号の残響周波数が検定される。

【0064】

図３（ｃ）は、バースト波周波数ｆ３が圧電素子４が有する固有の共振周波数ｆｃから高いほうにずれた時を示す。ここで、共振周波数ｆｃは例えば５８ＫＨｚであるとする。また、バースト波周波数ｆ３は、共振周波数ｆｃよりも大きな例えば６５ＫＨｚとしている。

【0065】

バースト信号ＳＳ３は、時刻ｔ３０〜ｔ３１の間、圧電素子４に印加される。この時、バースト信号ＳＳ３の超音波信号成分は受信部５にも伝達される。

【0066】

受信信号ＲＳ３は受信部５の出力である受信端Ｔ２ａから取り出される。受信信号ＲＳ３は、時刻ｔ３０〜ｔ３１の間、すなわちバースト信号ＳＳ３が圧電素子４に印加されている間は、バースト波周波数ｆ３、すなわち周波数が６５ＫＨｚの信号成分を示している。時刻ｔ３１以降すなわちバースト信号ＳＳ３の圧電素子４への印加がカットされると、受信信号ＲＳ３は時間の経過とともに徐々に減衰していくが、図３（ａ）に比べると、その減衰する時間は早い。これは、圧電素子４は時刻ｔ３０〜ｔ３１の間、共振周波数ｆｃから外れたバースト信号ＳＳ３で振動していたために、時刻ｔ３０〜ｔ３１の間で蓄えられた振動エネルギーはさほど強くないからである。このためバースト信号ＳＳ３がカットされた後は圧電素子４の共振周波数ｆｃを有する残響信号が生じるが、その継続時間は図３（ａ）に示した時刻ｔ１３よりは早い時刻ｔ３３で収斂する。

【0067】

増幅信号ＤＳ３は増幅回路６から出力され、信号処理回路７に入力される。増幅信号ＤＳ３は時刻ｔ３０〜ｔ３１の間では、バースト信号ＳＳ３の信号成分が、時刻ｔ３１〜ｔ３３の間では残響信号がそれぞれ増幅回路６で増幅された超音波信号である。前に述べた受信信号ＲＳ３の振幅は時刻ｔ３１以降、時間の経過とともに徐々に減少するものであったが、増幅信号ＤＳ３は時刻の経過に関わらず、すなわち、時刻ｔ３１〜ｔ３３の間、一定の振幅値に維持される。これは増幅回路の電圧増幅度が十分に大きく、時刻ｔ３３近傍で生じる比較的微小な受信信号ＲＳ３を増幅回路６のダイナミックレンジ一杯まで増幅できているからである。これによって、本発明では残響信号が実質的に０になる時間までを適確に計測でき、適確に検定することができる。増幅信号ＤＳ３に基づき、バースト信号ＳＳ３の圧電素子４への印加が完了した時刻ｔ３１からあらかじめ決められた時刻ｔ３２までの間、図２に示した比較器７ｈで残響信号の残響周波数が検定される

【0068】

図４は第１実施形態のタイムチャートである。図４（ａ）は被検定信号ＤＳ１を示す。被検定信号ＤＳ１は、図２、増幅回路６の出力から取り出される増幅信号ＤＳ１〜ＤＳ３でもある。被検定信号ＤＳ１の周波数はバースト波周波数と同じである。本書においてバースト波周波数はたとえば、２０ＫＨｚ〜８０ＫＨｚである。本発明の一実施形態では被検定信号ＤＳ１の周期の数は符号Ｎで示されている。周期Ｎ＝１，２，３及び４は、それぞれ１周期、２周期、３周期及び４周期を表す。本発明ではたとえば４周期すなわちＮ＝４に設定している。

【0069】

図４（ｂ）は高速ＯＳＣ７ｋから出力されるパルス信号ＯＳＣを示す。パルス信号ＯＳＣの周波数はたとえば１０ＭＨｚであり、バースト波周波数の２０ＫＨｚ〜８０ＫＨｚに比べると、その周波数は２桁以上大きい。高速ＯＳＣ７ｋの「高速」なる意味合いはこのような関係から付している。パルス信号ＯＳＣの周波数を大きくすればするほど残響周波数の検定精度は高められるが、一方では高い周波数を発振する発振器が必要となり、耐ノイズ特性やコストの面ではやや不利となる。本発明の一実施形態では被検定信号ＤＳ１の４周期でのパルス信号ＯＳＣのカウント数が残響周波数、残響時間として検定される。

【0070】

図４（ｃ）は検定開始信号ＳＴＡＲＴを示す。前述の通り、バースト信号発信回路１Ａがバースト信号ＳＳ１の送信完了後、カウンタ７ｆ及びロジック制御部７ｉにバースト送信完了信号ＳＴＡＲＴを送信する。検定部７３は、バースト送信完了信号ＳＴＡＲＴから検定を開始する。本実施例では、時刻ｔ１０〜ｔ１０aのハイレベルＨの間で検定開始信号ＳＴＡＲＴを送信する。

【0071】

図４（ｄ）は検定終了信号ＳＴＯＰ１を示す。検定終了信号ＳＴＯＰ１は比較器７ｈからロジック制御部７ｉに入力される。例えば検定区間設定レジスタの設定区間は４周期分であり、時刻ｔ１０から被検定信号ＤＳ１の４周期分（Ｎ＝４）を比較器７ｈで数えて、４周期が到達する時刻ｔ１１〜ｔ１１ａまでの間、検定終了信号ＳＴＯＰ１を発生する。

【0072】

図４（ｅ）はロジック制御部７ｉの検定区間信号ＤＰを示す。検定区間信号ＤＰは図４（ｃ）に示した検定開始信号ＳＴＡＲＴ及び図４（ｄ）に示した検定終了信号ＳＴＯＰから一義的に決められる信号である。すなわち、これらの信号がハイレベルＨからローレベルＬに遷移する時刻ｔ１０ａ及びｔ１１ａを検知する。しかしこれらの信号がローレベルＬからハイレベルＨに遷移する時刻ｔ１０，ｔ１１を検知するようにしても良い。

【0073】

図４（ｆ）は、残響周波数検定部７ｊで実行される検定結果を模式的に示す。残響周波数検定部７ｊにはロジック制御部７ｉから検定区間信号ＤＰが、高速ＯＳＣ７ｋからパルス信ＯＳＣがそれぞれ印加される。被検定信号ＤＳ１の所定の区間でカウントされたパルス信号ＯＳＣの数が検定結果として残響周波数検定部７ｊに記憶される。すなわち、図４（ｅ）に示した検定区間信号ＤＰのハイレベルＨの区間でのパルス信号ＯＳＣのカウント数が検定結果として残響周波数検定結果保持レジスタ７Ｌに記憶される。

【0074】

高速ＯＳＣ７で生成されるパルス信号ＯＳＣの周波数をｆosc、検定区間の数をｐ、検定区間でのカウント値をｑとすると、残響周波数ｆRTは、ｆRT＝ｆosc／（ｑ／ｐ）となる。ここで、ｆosc＝１０ＭＨｚ、ｐ＝４、ｑ＝６８９とすると、残響周波数ｆRT＝１００００／（６８９／４）≒５８ＫＨｚとなる。

【0075】

図５は図２〜図４に示した本発明にかかる第１実施形態において、バースト波周波数を調整するフローチャートである。ステップ５０１〜５０４はバースト信号発信回路１Ａが実行する

【0076】

ステップ５０１は、バースト信号発信回路１Ａ、バースト波数レジスタ１１でバースト信号S０のバースト波数を設定する。バースト波数は超音波センサの計測精度及び消費電力に大きく影響するパラメータである。本実施例ではバースト波数は例えば４波としている。

【0077】

ステップ５０２は、バースト信号発信回路１Ａ、デフォルトバースト波（バースト信号）周波数設定レジスタ１２でバースト信号S０の最初のバースト波のデフォルト周波数を設定する。残響周波数を測定、検定するために、最初に発信するバースト信号の周波数波を決定しなければならない。デフォルトバースト周波数は例えば、超音波センサ４が外的変化を受けていない、いわゆる理想的な環境状態で設定される。

【0078】

ステップ５０３は、バースト送信開始レジスタ１３でバースト信号発信回路１がバースト信号S０を発信するタイミングを設定する。発信タイミングはバースト送信開始レジスタ１３から出力される送信開始パルスの例えば立上がりエッジを検知して実行する。この時、バースト波数設定レジスタ１１及びデフォルトバースト周波数設定レジスタ１２で設定したバースト信号S０が発信端Ｔ１ａを介してドライバ２に向けて伝達される。

【0079】

ステップ５０４は、例えば、バースト送信開始レジスタ１３に設定された送信開始パルスの立下がりエッジで、バースト信号S０の発信を完了する。

【0080】

ステップ５０５は、例えば、バースト送信開始レジスタ１３で設定された送信開始パルスのたとえば立下がりエッジを検知して、バースト信号発信回路１からバースト送信完了信号ＳＴＡＲＴを送信する。なお、前記送信開始パルスを送信完了信号ＳＴＡＲＴとして信号処理回路７に送信しても良い。そこで、ロジック制御部７ｉ及びカウンタ７ｆがＳＴＡＲＴ信号を受け、検定部７３の回路動作が開始する。

【0081】

ステップ５０６は信号処理回路７Ｂに用意された比較器７ｈで実行される。比較器７ｈで、検定区間設定レジスタ７ｇの設定値（Ｎ）とカウンタ７ｆの累積値（ｎ）を比較する。ここで設定値（Ｎ）は図４（ａ）に示した被検定信号ＤＳ１の周期の数に相当し、本発明ではＮ＝４としている。設定値（Ｎ）は図４（ａ）に示した被検定信号ＤＳ１の周期の数の最大数に対応している。また、累積値（ｎ）は被検定信号ＤＳ１の周期が何回繰り返されているかを表す数値であり、本発明の一実施形態ではｎ＝１，２，３と続き、ｎ＝４で設定値Ｎ＝４と等しくなる。したがって、ステップ５０６では被検定信号ＤＳ１の周期の数をカウントし、設定値（Ｎ）の数に到達するまで被検定信号ＤＳ１の印加は続き、“ＹＥＳ”で示した処理が継続される。

【0082】

ステップ５０７は、比較器７ｈで実行される。比較器７ｈは、検定累積値（ｎ）が前記設定値（Ｎ）に比べて小さくない場合（ＮＯ）、すなわち、カウンタ７ｆの累積値（ｎ）がレジスタ７ｆの設定値（Ｎ）に達した時（ｎ＝Ｎ）、検定完了の信号を出力する。例えば、比較器７ｈは累積値（ｎ）が設定値（Ｎ）より小さい時、ローレベルＬの信号を出力し、累積値が（ｎ）が設定値（Ｎ）と同じである時、ハイレベルＨの信号を出力する。その時、比較器７ｈのハイレベルＨが検定区間終了信号ＳＴＯＰ１としてロジック制御部７ｉに入力される。カウンタ７ｆの累積値（ｎ）がレジスタ７ｆの設定値（Ｎ）に達した時点でロジック制御部７ｉの回路動作はストップする。

【0083】

ステップ５０８は、残響周波数検定部７ｊで実行される。残響周波数を検定する。例えば、前記設定された検定区間すなわち設定値Ｎ＝４の区間でのパルス信号ＯＳＣの数をカウントし、カウンタされた数値から、残響周波数を検定する。

【0084】

ステップ５０９は、残響周波数検定結果保持レジスタ７Ｌで実行され前記検定した残響周波数を保持する。

【0085】

ステップ５１０は、残響周波数検定部７ｊで実行され、残響周波数検定結果保持レジスタ７Ｌに保存した残響周波数の値をバースト信号発信回路１及びフィルタ部７２にフィードバックする．前記検定した残響周波数は、バースト信号発信回路１Ａの発信最適周波数としてバースト波周波数の設定に反映される。さらに、検定された残響周波数に基づき、残響周波数帯域から外れた周波数を持つ信号を大きく減衰させるようにフィルタ７２の選択度（Ｑ:Quality factor）、帯域幅が調整される。なお、ステップ５０９を省略して、直接残響周波数検定部７ｊで検定した残響周波数信号の情報をバースト信号発信回路１及びフィルタ部７２にフィードバックするようにしても良い。

【0086】

上記第１実施形態にかかる超音波センサ１０００Ａは、外的変化を受けた場合であっても圧電素子の固有振動周波数の変動に応じてバースト波周波数を自動的に補正するので、外的変化に伴って生じる送受信感度の低下を抑制することができる。また、受信信号を濾過するフィルタ部の電気的特性も調整するようにしたので超音波センサの感知精度を高め併せて耐ノイズ特性をさらに向上することができ、超音波センサの感応範囲をさらに拡大することができる。

【0087】

（第２実施形態）
図６は本発明にかかる第２実施形態を示す回路構成図である。本構成の超音波センサ１０００Ｂは、図２に示した第１の実施形態の超音波センサ１０００Ａとは次の３点で大きく相違する。第１にバースト信号発信回路１Ｂは、デフォルトバースト周波数設定レジスタ１２の代わりに、初回バースト周波数設定レジスタ１４、バースト周波数可変幅設定レジスタ１５及びバースト周波数可変回数設定レジスタ１６を有していることである。第２に信号処理回路７Ｂ内の検定部７３Ｂがフィルタ部７２の出力と接続していることである。第３に検定部７３Ｂ内に比較器７ｍ、比較値レジスタ７ｎ、残響時間計測カウンタ７ｏ、メモリ７ｐ、演算処理部７ｑを有していることである。

【0088】

図７は図６に示した第２実施形態の回路動作を説明するタイムチャートであり、とりわけ、残響時間の計測について説明するチャートである。以下、図７についてバースト信号発信回路１Ｂ及び検定部７３Ｂの回路動作も含めて説明する。

【0089】

図７には説明の便宜上（ａ）〜（ｃ）の３つのタイムチャートを示している。残響時間の計測回数は、実際は（ａ），（ｂ）及び（ｃ）の３回だけではなく十数回、あるいは数十回実行するのが一般的である。なお、計測回数の設定は図６、バースト信号発信回路１Ｂに設けたバースト波周波数設定レジスタで実行される。なお、図７（ａ）〜（ｃ）は必ずしも計測の順序を示したものではない。

【0090】

図７（ａ）はバースト波周波数ｆ４を圧電素子４が有する固有の共振周波数ｆｃと同じ値に選んだ時を示す。ここで、共振周波数ｆｃは例えば５８ＫＨｚであるとする。したがって、バースト波周波数ｆ４も５８ＫＨｚとなる。

【0091】

図７（ａ）において、バースト信号ＳＳ４は時刻ｔ４０〜ｔ４１の間、圧電素子４に印加される。時刻ｔ４１以降、バースト信号ＳＳ４の圧電素子４への印加はカットされる。

【0092】

受信信号ＲＳ４は受信部５の出力である受信端Ｔ２ｂから取り出される超音波信号である。受信信号ＲＳ４は時刻ｔ４０〜ｔ４１の間すなわち、バースト信号ＳＳ４が圧電素子４に印加されている間は、バースト波周波数ｆ４と同じ超音波信号成分を有している。時刻ｔ４１以降すなわちバースト信号ＳＳ４の圧電素子４への印加がカットされると、受信信号ＲＳの振幅は時間の経過とともに徐々に減少する。しかし、バースト波周波数ｆ４は圧電素子４の共振周波数ｆ０と同じに選ばれているので、時刻ｔ４１以降に発生する超音波信号、すなわち残響信号は比較的長い時刻ｔ４２まで継続される。

【0093】

増幅信号ＤＳ４は増幅回路６から出力され、信号処理回路７Ｂに入力される。増幅信号ＤＳ４は時刻ｔ４０〜ｔ４１の間では、バースト信号ＳＳ４の超音波信号成分が、時刻ｔ４１〜ｔ４２の間では残響信号がそれぞれ増幅回路６で増幅される超音波信号である。前に述べた受信信号ＲＳ４の振幅は時刻ｔ４１以降、時間の経過とともに徐々に減少するものであったが、増幅信号ＤＳ４は時刻の経過に関わらず、すなわち、時刻ｔ４０〜ｔ４２の間、一定の振幅を維持する。これは増幅回路６の電圧増幅度が十分に大きく、時刻ｔ４２近傍で発生している比較的微小な受信信号ＤＳ４を増幅回路６のダイナミックレンジ一杯まで増幅できているからである。これによって、本発明では残響信号が実質的に０になるまでの残響時間を適確に検知し、適確に検定することができる。増幅信号ＤＳ４はＡ／Ｄ変換部７１を介して、積分部７ｃに入力される。

【0094】

積分信号ＩＳ４は積分部７ｃから出力される。積分信号ＩＳ４の電圧振幅値は、時刻ｔ４２でピークになり、その後は徐々に減少していく。ここで、積分信号ＩＳ４が上昇する過程で比較値ＲＥＦに到達した時刻をｔ４１とし、下降する過程で比較値ＲＥＦと一致した時刻をｔ４３とすると、時刻ｔ４１で残響時間の検定を開始し、時刻ｔ４３で残響時間の検定を停止する。なお、時刻ｔ４３に到達すると比較器７ｍは停止信号ＳＴＯＰ２を残響時間計測カウンタ７ｏに送信する。なお、比較値ＲＥＦは比較値レジスタ７ｎに与えられている。

【0095】

残響時間ＣＳ４は積分信号ＩＳ４と比較値ＲＥＦとを比較し残響時間計測カウンタ７ｏで計測される時間である。残響時間ＣＳ４は残響信号の残響時間そのものではないが、本来の残響時間に比例した値となる。バースト信号発信回路１Ｂがバースト信号ＳＳ４をドライバ２に伝達し、その伝達が完了するとバースト送信完了信号ＳＴＡＲＴを信号処理回路７Ｂの検定部７３Ｂに送信する。この時、残響時間計測カウンタ７ｏはバースト送信完了信号ＳＴＡＲＴを時刻ｔ４１で受け取り残響時間ＣＳ４の計測を開始する。この計測は比較器７ｍから停止信号ＳＴＯＰ２が印加される時刻ｔ４３まで継続する。時刻ｔ４１〜ｔ４３までの時間は高速ＯＳＣ７ｋから入力されるパルス信号ＯＳＣの数をカウントすることによって計測される。この時の時間幅を残響時間Ｔ４として示す。残響時間時間Ｔ４はバースト信号ＳＳ４のバースと波周波数ｆ４とともにメモリ７ｐに保存される。

【0096】

残響時間の計測回数は図６、バースト信号発信回路１Ｂに設けたバースト波周波数可変回数設定レジスタ１６によって決定される。バースト波周波数可変回数設定レジスタ１６に設定される回数は、バースト波数設定レジスタ１１、初回バースト波周波数設定レジスタ１４、及びバースト波周波数可変設定レジスタ１５で設定される各設定値及び要求される残響時間の計測精度などに基づき決定される。

【0097】

図７（ｂ）は、バースト波周波数ｆ５が圧電素子４が有する固有の共振周波数ｆｃから低いほうにずれた時を示す。ここで、共振周波数ｆｃは例えば５８ＫＨｚであるとする。また、バースト波周波数ｆ５は、共振周波数ｆｃよりも小さな例えば５０ＫＨｚであるとする。

【0098】

バースト信号ＳＳ５は、時刻ｔ５０〜ｔ５１の間、圧電素子４に印加される。時刻ｔ５１以降、バースト信号ＳＳ５の圧電素子４への印加はカットされる。

【0099】

受信信号ＲＳ５は受信部５の出力である受信端Ｔ２ｂから取り出される超音波信号である。受信信号ＲＳ５は、時刻ｔ５０〜ｔ５１の間、すなわちバースト信号ＳＳ５が圧電素子４に印加されている間は、バースト波周波数ｆ５、すなわち周波数がほぼ５０ＫＨｚの超音波信号成分を有している。時刻ｔ５１以降すなわちバースト信号ＳＳ５の圧電素子４への印加がカットされると、受信信号ＲＳ５は時間の経過とともに徐々に減衰していくが、図７（ａ）に比べると、その減衰する時間は早い。これは、圧電素子４は時刻ｔ５０〜ｔ５１の間、共振周波数ｆｃから外れたバースト信号ＳＳ５で振動していたために、時刻ｔ５０〜ｔ５１の間で蓄えられた振動エネルギーはさほど強くないからである。このためバースト信号ＳＳ５がカットされた後は圧電素子４の共振周波数ｆｃで振動する残響信号が生じるが、その継続時間は図７（ａ）に示した時刻ｔ４２よりは早い時刻ｔ５２で収斂する。

【0100】

増幅信号ＤＳ５は増幅回路６から出力され、信号処理回路７Ｂに入力される。増幅信号ＤＳ５は時刻ｔ５０〜ｔ５１の間では、バースト信号ＳＳ５の超音波信号成分が、時刻ｔ５１〜ｔ５２の間では残響信号がそれぞれ増幅回路６で増幅される超音波信号である。増幅信号ＤＳ５が発生が完了する時刻ｔ５２は、図７（ａ）に示した時刻ｔ４２よりは早く到来する。前に述べた受信信号ＲＳ５の振幅は時刻ｔ５１以降、時間の経過とともに徐々に減少するが、増幅信号ＤＳ５は時刻の経過に関わらず、すなわち、時刻ｔ５０〜ｔ５２の間、一定の振幅値に維持される。これは増幅回路６の電圧増幅度が十分に大きく、時刻ｔ５２近傍で生じる比較的微小な受信信号ＲＳ５を増幅回路６のダイナミックレンジ一杯まで増幅できているからである。これによって、本発明では残響信号が実質的に０になる時間までを適確に計測し、適確に検定することができる。増幅信号ＤＳ５はＡ／Ｄ変換部７１を介して積分部７ｃに伝達される。

【0101】

積分信号ＩＳ５は積分部７ｃから出力される。積分信号ＩＳ５の電圧振幅値は、時刻ｔ５２でピークになり、その後は徐々に減少していく。ここで、積分信号ＩＳ５が上昇する過程で比較値ＲＥＦに到達した時刻をｔ５１とし、下降する過程で比較値ＲＥＦと一致した時刻をｔ５３とすると、時刻ｔ５１で残響時間の検定を開始し、時刻ｔ５３で残響時間の検定を停止する。なお、時刻ｔ５３に到達すると比較器７ｍは停止信号ＳＴＯＰ５を残響時間計測カウンタ７ｏに送信する。なお、比較値ＲＥＦは比較値レジスタ７ｎに与えられている。

【0102】

残響時間ＣＳ５は積分信号ＩＳ５と比較値ＲＥＦとを比較し残響時間計測カウンタ７ｏで計測される時間である。残響時間ＣＳ５は残響信号の残響時間そのものではないが、本来の残響時間に比例した値となる。バースト信号発信回路１Ｂがバースト信号ＳＳ５をドライバ２に伝達し、その伝達が完了するとバースト送信完了信号ＳＴＡＲＴを信号処理回路７Ｂの検定部７３Ｂに送信する。この時、残響時間計測カウンタ７ｏはバースト送信完了信号ＳＴＡＲＴを時刻Ｔ５１で受け取り同時に残響時間ＣＳ５の計測を開始する。この計測は比較器７ｍから停止信号ＳＴＯＰ５が印加される時刻Ｔ５３まで継続する。時刻ｔ５１〜ｔ５３までの時間は高速ＯＳＣ７ｋから入力されるパルス信号ＯＳＣの数をカウントすることによって計測される。この時の時間幅を残響時間Ｔ５として示す。残響時間時間Ｔ５はバースト信号ＳＳ５のバースと波周波数ｆ５とともにメモリ７ｐに保存される。

【0103】

図７（ｃ）は、バースト波周波数ｆ６が圧電素子４が有する固有の共振周波数ｆｃから高いほうにずれた時を示す。ここで、共振周波数ｆｃは例えば５８ＫＨｚであるとする。また、バースト波周波数ｆ５は、共振周波数ｆｃよりも大きな例えば６５ＫＨｚであるとする。

【0104】

バースト信号ＳＳ６は、時刻ｔ６０〜ｔ６１の間、圧電素子４に印加される。時刻ｔ６１以降、バースト信号ＳＳ６の圧電素子４への印加はカットされる。

【0105】

受信信号ＲＳ６は受信部５の出力である受信端Ｔ２ｂから取り出される超音波信号である。受信信号ＲＳ６は、時刻ｔ６０〜ｔ６１の間、すなわちバースト信号ＳＳ６が圧電素子４に印加されている間は、バースト波周波数ｆ６、すなわち周波数がほぼ６５ＫＨｚの超音波信号成分を有している。時刻ｔ６１以降すなわちバースト信号ＳＳ６の圧電素子４への印加がカットされると、受信信号ＲＳ６は時間の経過とともに徐々に減衰していくが、図７（ａ）に比べると、その減衰する時間は早いが図７（ｂ）に示した受信信号ＲＳ５よりは減衰時間が遅いことが分かる。これは、圧電素子４は時刻ｔ６０〜ｔ６１の間、共振周波数ｆｃから外れたバースト信号ＳＳ６で振動していたために、時刻ｔ６０〜ｔ６１の間で蓄えられた振動エネルギーはさほど強くないからであり、受信信号ＲＳ５よりは少し強いからである。このためバースト信号ＳＳ５がカットされた後は圧電素子４の共振周波数ｆｃで振動する残響信号が生じるが、その継続時間は図７（ａ）に示した時刻ｔ４２よりは早いが時刻ｔ５２よりは遅い時刻ｔ６２で収斂する。

【0106】

増幅信号ＤＳ６は増幅回路６から出力され、信号処理回路７Ｂに入力される。増幅信号ＤＳ６は時刻ｔ６０〜ｔ６１の間では、バースト信号ＳＳ６の超音波信号成分が、時刻ｔ６１〜ｔ６２の間では残響信号がそれぞれ増幅回路６で増幅される超音波信号である。増幅信号ＤＳ６の発生が完了する時刻ｔ６２は図７（ａ）に示した時刻ｔ４２よりは早く到来するが図７（ｂ）に示した時刻ｔ５２よりは遅い。前に述べた受信信号ＲＳ６の振幅は時刻ｔ６１以降、時間の経過とともに徐々に減少するが、増幅信号ＤＳ６は時刻の経過に関わらず、すなわち、時刻ｔ６０〜ｔ６２の間、一定の振幅値に維持される。これは増幅回路６の電圧増幅度が十分に大きく、時刻ｔ６２近傍で生じる比較的微小な受信信号ＲＳ６を増幅回路６のダイナミックレンジ一杯まで増幅できているからである。これによって、本発明では残響信号が実質的に０になる時間までを適確に計測し、適確に検定することができる。増幅信号ＤＳ５はＡ／Ｄ変換部７１を介して積分部７ｃに伝達される。

【0107】

積分信号ＩＳ６は積分部７ｃから出力される。積分信号ＩＳ６の電圧振幅値は、時刻ｔ６２でピークになり、その後は徐々に減少していく。ここで、積分信号ＩＳ６が上昇する過程で比較値ＲＥＦに到達した時刻をｔ６１とし、下降する過程で比較値ＲＥＦと一致した時刻をｔ６３とすると、時刻ｔ６１で残響時間の検定を開始し、時刻ｔ６３で残響時間の検定を停止する。なお、時刻ｔ６３に到達すると比較器７ｍは停止信号ＳＴＯＰ６を残響時間計測カウンタ７ｏに送信する。なお、比較値ＲＥＦは比較値レジスタ７ｎに与えられている。

【0108】

残響時間ＣＳ６は積分信号ＩＳ６と比較値ＲＥＦとを比較し残響時間計測カウンタ７ｏで計測される時間である。残響時間ＣＳ６は残響信号の残響時間そのものではないが、本来の残響時間に比例した値となる。バースト信号発信回路１Ｂがバースト信号ＳＳ６をドライバ２に伝達し、その伝達が完了するとバースト送信完了信号ＳＴＡＲＴを信号処理回路７Ｂの検定部７３Ｂに送信する。この時、残響時間計測カウンタ７ｏはバースト送信完了信号ＳＴＡＲＴを時刻Ｔ６１で受け取り同時に残響時間ＣＳ６の計測を開始する。この計測は比較器７ｍから停止信号ＳＴＯＰ５が印加される時刻Ｔ６３まで継続する。時刻ｔ６１〜ｔ６３までの時間は高速ＯＳＣ７ｋから入力されるパルス信号ＯＳＣの数をカウントすることによって計測される。この時の時間幅を残響時間Ｔ５として示す。残響時間時間Ｔ６はバースト信号ＳＳ６のバースと波周波数ｆ６とともにメモリ７ｐに保存される。残響時間Ｔ６は、図７（ｂ）に示した残響時間Ｔ５よりは長い（大きい）が図７（ａ）に示した残響時間Ｔ４よりは短い（小さい）。

【0109】

図７は十数回または数十回実行される残響周波数の検定の中の３点について説明したものであった。しかし、実際の残響時間の検定にあたっては、図６、バースト信号発信回路１Ｂに設けたバースト波数設定レジスタ１１にはたとえばバースト波数Ｎ＝４が設定され、初回バースト波周波数設定レジスタ１４には４０ＫＨｚが設定され、バースト波周波数可変幅設定レジスタ１５には１ＫＨｚが設定され、バースト波周波数可変回数設定レジスタ１６に４１回として設定しておくならば、バースト波周波数が４０ＫＨｚ〜８０ＫＨｚの範囲を１ＫＨｚステップで残響周波数の検定が実行されることになる。なお、バースト波周波数の可変ステップは１ＫＨｚではなく、たとえば、２ＫＨｚや５ＫＨｚに設定することももちろん可能である。こうした場合は残響周波数の検定回数は少なくなるが、その分検定精度は低下する。

【0110】

いずれにしても本発明にかかるバースト波周波数の検定は、バースト波周波数を数段階に亘って調整し、残響信号または残響信号を加工したすなわち残響信号の積分信号が継続される時間を計測し、その計測時間の中で最も長い時間である時のバースト波周波数にバースト信号発信回路１Ｂで生成されるバースト信号の周波数を調整するものである。

【0111】

図８は第２実施形態の回路動作を説明するフローチャートである。図８について図５〜図７を参照して説明する。ステップ８０１は図５に示したステップ５０１と実質的に同じであり、バースト信号Ｓ０のバースト波数を設定する。バースト波数は例えば４波に設定される。バースト波数は超音波センサの計測精度及び消費電力に関わってくる。

【0112】

ステップ８０２は、初回バースト周波数設定レジスタ１４でバースト波周波数を設定する。これは検定する周波数の範囲の一端を決めるパラメータである。例えば、本実施例の初回バースト波周波数Ａの初回値は４０ＫＨｚに設定される。こうした場合、バースト波周波数４０ＫＨｚがバースト波周波数検定のスタートとなる。

【0113】

ステップ８０３は、バースト波周波数可変幅設定レジスタ１５で変化幅を設定する。これは、検定する周波数の分解能を決めるパラメータである。例えば、本実施例のバースト周波数可変幅Ｂは１ＫＨｚに設定されると、１ＫＨｚステップでバースト周波数が調整される。したがって、初回に検定されるバースト波周波数Ａが４０ＫＨであるとすると、次に検定されるバースト波周波数Ａは４１ＫＨｚに設定される。

【0114】

ステップ８０４は、バースト波周波数を変化させる回数Ｍを可変回数設定レジスタ１６で設定する。本実施例のバースト周波数可変回数Ｍは例えばＭ＝４０に設定した場合は、検定されるバースト波周波数の回数は４１回であり、検定される最後のバースト波周波数は８０ＫＨｚということになる。

【0115】

ステップ８０１〜ステップ８０４は、バースト信号発信回路１Ｂで実行される初期設定あたる。

【0116】

ステップ８０５は、バースト送信回路１Ｂ内にバースト送信回数を計測しているカウンタ（図示せず）をリセットする。ステップ８０５は、ステップ８０１〜ステップ８０４までの初期設定が完了すると、前記送信回数カウンタのカウント値ｍが０になるようにリセットする。

【0117】

ステップ８０６は、前記送信回数カウント値ｍとステップ８０４で設定したバースト波周波数可変回数Ｍと比較する。送信回数カウント値ｍがバースト波可変回数Ｍに達していない時、すなわち“ＮＯ”に該当する時は次のステップ８０７〜８１３までが繰り返して実行される。送信回数カウント値ｍがバースト波可変回数Ｍに達した時、すなわち“ＹＥＳ”に該当する時はステップ８１４〜８１６に移行する。

【0118】

ステップ８０７は、バースト波送信開始レジスタ１３から図示しない送信開始パルスを発信する。前記送信開始パルスの例えば立上がりエッジでバースト信号ＳＳ４〜ＳＳ６をドライバ回路２に送信する。

【0119】

ステップ８０８は、バースト送信開始レジスタ１３から出力された送信開始パルスの例えば立下がりエッジで、バースト信号ＳＳ４〜ＳＳ６の送信を完了する。

【0120】

ステップ８０９は、圧電素子４から出力される残響信号の残響時間を計測（検定）するスタートにあたる。ステップ８０７，８０８でバースト信号ＳＳ４〜ＳＳ６が送信端Ｔ１ｂを介して圧電素子４に印加される。ステップ８０９は、圧電素子４へのバースト信号ＳＳ４〜ＳＳ６の印加が完了した時点でバースト送信開始レジスタ１３で設定された送信開始パルスの例えば立下がりエッジを検知し、バースト信号発信回路１Ｂは信号処理回路７Ｂの残響時間計測カウンタ７ｏに対してバースト送信完了信号ＳＴＡＲＴを発信する。当然のことだが、直接前記送信開始パルスの立下がりを送信完了信号ＳＴＡＲＴとして信号処理回路７Ｂに送信しても良い。そこで、残響時間計測カウンタ７ｏがＳＴＡＲＴ信号を受け、残響時間の計測が開始される。

【0121】

ステップ８１０は、比較器７ｍで積分部７ｃの積分信号ＩＳ４〜ＩＳ６と比較値レジスタ７ｎの出力信号ＲＥＦを比較する。ここで、信号ＩＳ４〜ＩＳ６が比較値ＲＥＦより高い時、比較器７ｍは例えばハイレベルＨを出力し、積分信号ＩＳ４〜ＩＳ６が比較値ＲＥＦより低い時、比較器７ｍは例えばローレベルＬを出力する。比較器７ｍの出力が例えばハイレベルＨからローレベルＬに変化するタイミングが残響時間計測カウンタ７ｏに伝えられる。

【0122】

ステップ８１１は、比較器７ｍの出力が例えばハイレベルＨからローレベルＬへ変化する時の立下がりエッジを検知し停止信号ＳＴＯＰ２として残響時間計測カウンタの計測を停止させる。

【0123】

ステップ８１２は、残響時間を保持する。ステップ８０９の残響時間計測開始から、ステップ８１１の残響時間計測停止までの残響時間を高速ＯＳＣ７Ｋで計測し、残響時間信号ＣＳを発信する。残響時間信号ＣＳ、及びバースト信号発信回路１Ｂから、残響信号に相当するバースト発信周波数信号がメモリ７ｐに保持される。メモリ７ｐには検定結果がたとえば「残響時間結果１回目」、「残響時間結果２回目」、「残響時間結果３回目」という具合に最終回までの回数分の検定結果が保持される。

【0124】

ステップ８１３は、バースト波周波数の大きさを変更し、かつ、その変更回数をカウントする。バースト波周波数の変更はステップ８０６で設定された条件を満足するまで実行される。

【0125】

ステップ８１３では、送信回数カウントをアップした後、送信回数カウント値ｍを初期に設定した周波数可変回数値Ｍと比較する。送信回路カウント値ｍが設定した周波数可変回数値Ｎを超えていない場合は、バースト信号ＳＳ４〜ＳＳ６の周波数を変更して残響時間の検定を行う。送信回路カウント値ｎが設定した周波数変化回数値Ｍに到達するとすなわち、ＹＥＳ”に該当する時はステップ８１４〜８１６に移行する。

【0126】

ステップ８１４は、演算処理部７ｑで実行され、設定した周波数別のバースト波を全部発信した後、残響時間結果の演算処理を行う。前記演算処理とは、演算処理部７ｑがメモリ７ｐ内の複数個残響時間（たとえば４１個）を比較し、一番長い残響時間に対応する発信周波数を選出し（例えば５８ＫＨｚ）、それを超音波センサ４の検定した残響周波数とみなすことである。

【0127】

ステップ８１５は、残響周波数検定結果保持レジスタ７Ｌが前記検定した残響周波数を保存する。

【0128】

ステップ８１６は、前記検定した残響周波数をバースト送信回路１Ａ及びフィルタ７１にフィードバックする。これによって、バースト送信回路１Ｂの送信最適周波数として送信するバーストの周波数を設定する。さらに、フィルタ７２は検定した残響周波数以外の周波数を持つ信号を低減することができる。

【0129】

第２実施形の発信周波数の設定範囲及び分解能が前記の記述に限らず、任意に変えられる。例えば検知範囲を大きくしたい場合、粗調整及び微調整を合わせて検出しでも良い。具体的には、粗調整の初回バースト周波数Ａ＝４０ＫＨｚ、バースト周波数可変幅Ｂ＝１０ＫＨｚ、可変回数Ｍ＝４にする。すなわち、４０ＫＨｚ、５０ＫＨｚ、６０ＫＨｚ、７０ＫＨｚ、８０ＫＨｚ、それぞれの残響時間を検定する。

【0130】

図９は本発明の第２実施形態（図６）にかかり、圧電素子の周囲に外的変化が無い場合とある場合とを比較したバースト波周波数に対する残響周波数の遷移図である。横軸にバースト波周波数ｆｂを縦軸に残響信号の残響時間ＲＴをプロットしている、なお、本書で「外的変化無し」とは圧電素子４が実装されたセンサ部になんら付着物が存在していない場合である。また、「外的変化あり」とはセンサ部に意図的に水分を付着させた場合を示している。符号Ｘで示した「外的変化無し」の場合は、圧電素子４の共振周波数ｆｃと同じ周波数に選ばれたバースト波周波数ｆｂが５８ＫＨｚでの残響時間ＲＴが一番長くなり、残響時間ＲＴは１．５５ｍｓ程度であった。一方圧電素子４の共振周波数ｆｃよりも小さなバースト波周波数を５０ＫＨｚに選んでみると、残響時間ＲＴは１．２２ｍｓとなり、約２１％短くなるという結果が得られた。また、バースト周波数ｆｂを圧電素子４の共振周波数ｆｃよりも大きなバースト波周波数６５ＫＨｚでの残響時間ＲＴは１．２７ｍｓとなり、約１８％短くなるという結果になった。

【0131】

符号Ｙで示した「外的変化あり」の場合は、残響時間ＲＴのピーク値はバースト周波数５８ＫＨｚから低い方向にシフトし、バースト波周波数ｆｂが５５ＫＨｚでの残響時間ＲＴが一番長くなり、その時の残響時間ＲＴは「外的変化無し」の場合とほぼ同じであり、残響時間ＲＴは１．５５ｍｓ程度であった。また、「外的変化あり」の場合の残響時間ＲＴのバースト波周波数に対する特性は「外的変化無し」とほぼ同じ特性になることが分かった。いずれにしても超音波センサ、とりわけ圧電素子が置かれる環境の変化によって、圧電素子の共振周波数は変化することが判明した。本発明では残響時間ＲＴを測定し、その測定時間に基づきバースト信号回路で生成されるバースト信号の周波数、すなわち、バースト波周波数を調整することができるので、超音波センサの使用環境に応じたバースト信号を生成し、発信することができるので、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制できる超音波センサを提供することができる。

【0132】

なお、図９に示した残響時間ＲＴの測定精度は、横軸のバースト波周波数ｆｂの設定値すなわち、バースト波数、初回バースト波周波数、バースト波周波数の可変幅及びバースト周波数可変回数の設定によって変わってくる。これらの設定は図８に示したステップ８０１〜ステップ８０４で設定されることになる。

【産業上の利用可能性】

【0133】

以上説明したように、本発明の超音波センサ及びバースト信号の制御方法は外的変化に応じてバースト波周波数を自動的に調整するという特徴を有する。これによって、超音波センサの送受信感度の低下を抑制し、障害物検出の精度を高めることができるので、その産業上の利用可能性は極めて高い。

【符号の説明】

【0134】

１ バースト信号発信回路
２ ドライバ回路
３ 送信部
４ 圧電素子
４ａ 送信
５ 受信部
５ａ 受信
６ 増幅回路
７，７Ａ，７Ｂ 信号処理回路
７ｂ バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
７ｃ 積分部
７ｄ 演算回路
７ｆ カウンタ
７ｇ レジスタ（検定区間設定）
７ｈ 比較器
７ｉ ロジック制御部
７ｊ 残響周波数検定部
７ｋ 高速ＯＳＣ
７Ｌ レジスタ（残響周波数検定結果保持）
７ｍ 比較器
７ｎ レジスタ（比較値）
７ｏ カウンタ（残響時間計測）
７ｐ メモリ
７ｑ 演算処理部
１１ バースト波数設定レジスタ
１２ デフォルトバースト周波数設定レジスタ
１３ バースト送信開始レジスタ
１４ 初回バースト波周波数設定レジスタ
１５ バースト波周波数可変幅設定レジスタ
１６ バースト波周波数可変回数設定レジスタ
７１ Ａ／Ｄ変換部
７２ フィルタ部
７３ 検定部
７４,７５ 信号線
１００，１００Ａ，１００Ｂ 送受信処理回路
１０００，１０００Ａ，１０００Ｂ 超音波センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】