(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体、および前記圧電体を挟む位置に形成された二つの電極を有する圧電素子と、
前記圧電素子から出力された電気信号を検出する検出処理、および前記圧電素子へ駆動信号を入力して駆動させる駆動処理の少なくともいずれかの信号処理を実施する信号処理部と、
前記圧電素子に分極用電圧を印加して分極処理を実施する分極処理部と、
前記二つの電極および前記信号処理部が接続される第１接続状態と、前記二つの電極および前記分極処理部が接続される第２接続状態と、を切り替える接続切替部と、
前記接続切替部による接続状態の切り替えを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記信号処理部による信号処理を実行させる旨の入力信号を取得すると、前記接続切替部を前記第２接続状態に切り替えて前記分極処理部による分極処理を実施させ、前記分極処理部による分極処理が終了すると、前記接続切替部を前記第１接続状態に切り替える
ことを特徴とする圧電センサー装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電センサー装置において、
前記圧電センサー装置へ電力を供給する電力供給状態、および当該圧電センサー装置への電力の供給を遮断する電力非供給状態を切り替える電源スイッチを備え、
前記制御部は、前記電源スイッチが前記電力供給状態に切り替わった際に、前記接続切替部を前記第２接続状態に切り替え、前記分極処理部による分極処理を実施させ、前記分極処理部による分極処理が終了すると、前記接続切替部を前記第１接続状態に切り替える
ことを特徴とする圧電センサー装置。
【請求項３】
請求項１に記載の圧電センサー装置において、
前記制御部は、前記信号処理部による信号処理が終了した処理停止時点からの経過時間を計測する計時部を備え、前記処理停止時点からの所定の待機移行期間の間、前記入力信号が取得されなかった場合に、前記接続切替部を前記第２接続状態に切り替え、前記分極処理部による分極処理を実施させ、前記分極処理部による分極処理が終了すると、前記接続切替部を前記第１接続状態に切り替える
ことを特徴とする圧電センサー装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電センサー装置において、
前記制御部は、
前記信号処理部による信号処理を実施可能な信号処理モードと、前記分極処理部による分極処理を実施する校正モードとを切り替えるモード切替部と、
前記モード切替部により、前記信号処理モードに切り替えられた際に、前記接続切替部を前記第１接続状態に切り替え、前記校正モードに切り替えられた際に、前記接続切替部を前記第２接続状態に切り替える接続制御部と、を備える
ことを特徴とする圧電センサー装置。
【請求項５】
圧電体、および前記圧電体を挟む位置に形成された二つの電極を有する圧電素子と、
前記圧電素子から出力された電気信号を検出する検出処理、および前記圧電素子へ駆動信号を入力して駆動させる駆動処理の少なくともいずれかの信号処理を実施する信号処理部と、
前記圧電素子に分極用電圧を印加して分極処理を実施する分極処理部と、
前記二つの電極および前記信号処理部が接続される第１接続状態と、前記二つの電極および前記分極処理部が接続される第２接続状態と、を切り替える接続切替部と、
前記接続切替部による接続状態の切り替えを制御する制御部と、を備え、
前記圧電素子は、超音波の受信および送信が可能に構成され、
前記信号処理部は、前記検出処理として超音波による受信信号の検出処理、および前記駆動処理として超音波を送信する駆動処理の少なくともいずれかの信号処理を行い、
前記制御部は、前記信号処理部による信号処理を実行させる旨の入力信号を取得すると、前記接続切替部を前記第２接続状態に切り替えて前記分極処理部による分極処理を実施させ、前記分極処理部による分極処理が終了すると、前記接続切替部を前記第１接続状態に切り替える
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項６】
圧電体、および前記圧電体を挟む位置に形成された二つの電極を有する圧電素子を備えた圧電センサー装置の駆動方法であって、
前記圧電センサー装置は、
前記圧電素子から出力された電気信号を検出する検出処理、および前記圧電素子へ駆動信号を入力して駆動させる駆動処理の少なくともいずれかの信号処理を実施する信号処理部と、
前記圧電素子に分極用電圧を印加して分極処理を実施する分極処理部と、
前記二つの電極および前記信号処理部が接続される第１接続状態と、前記一対の電極および前記分極処理部が接続される第２接続状態と、を切り替える接続切替部と、を備え、
当該圧電センサー装置の駆動方法は、
前記信号処理部による信号処理を実行させる旨の入力信号を取得した際に、前記接続切替部における接続状態を第２接続状態に切り替えて、前記分極処理部により前記圧電素子に分極用電圧を印加する分極工程を実施し、
前記分極工程後に、前記接続切替部における接続状態を第１接続状態に切り替えて、前記信号処理部により、前記検出処理および前記信号処理の少なくともいずれかの処理を実施する信号処理工程を実施する、
ことを特徴とする圧電センサー装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電センサー装置、超音波センサー、および圧電センサー装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電体を備えた圧電センサー装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の超音波探触子（圧電センサー装置）は、送信用圧電層、電極層、および受信用圧電層が順に積層された構造を有している。このような超音波探触子は、送信用圧電層上に電極層を形成し、当該送信用圧電層を分極処理する。この後、電極層上に受信用圧電層を積層し、さらに受信用圧電層上に剥離可能な誘電体層を積層して、受信用圧電層を分極処理し、当該受信用圧電層の分極処理後に誘電体層を剥離させて、超音波探触子が製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００８／０１８２７８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載の超音波探触子では、製造時にのみ圧電体（送信用圧電層および受信用圧電層）の分極処理を行い、その後、分極処理用の誘電体層を剥離している。
しかしながら、圧電体は、振動の蓄積等による残留応力、静電気等の影響を受けることで圧電特性が経年劣化してしまい、所望の圧電性能が得られなくなる、という問題がある。
【０００５】
本発明は、圧電体の経年劣化を抑制できる圧電センサー装置、超音波センサー、および圧電センサー装置の駆動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】
【０００６】
本発明の圧電センサー装置は、圧電体、および前記圧電体を挟む位置に形成された二つの電極を有する圧電素子と、前記圧電素子から出力された電気信号を検出する検出処理、および前記圧電素子へ駆動信号を入力して駆動させる駆動処理の少なくともいずれかの信号処理を実施する信号処理部と、前記圧電素子に分極用電圧を印加して分極処理を実施する分極処理部と、前記二つの電極および前記信号処理部が接続される第１接続状態と、前記二つの電極および前記分極処理部が接続される第２接続状態と、を切り替える接続切替部と、前記接続切替部による接続状態の切り替えを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記信号処理部による信号処理を実行させる旨の入力信号を取得すると、前記接続切替部を前記第２接続状態に切り替えて前記分極処理部による分極処理を実施させ、前記分極処理部による分極処理が終了すると、前記接続切替部を前記第１接続状態に切り替えることを特徴とする。
なお、圧電素子としては、素子単体で駆動される構成であってもよく、複数の圧電素子がアレイ状に配列されて素子群を形成するものであってもよい。
【０００７】
本発明によれば、圧電センサー装置は、圧電素子への信号の入出力を実施する信号処理部と、圧電素子の圧電体の分極処理を実施する分極処理部と、を備え、接続切替部により、圧電素子と、これらの信号処理部および分極処理部との接続状態を切り替えている。これにより、圧電素子と分極処理部とが接続される第２接続状態では、圧電素子に分極用電圧を印加することができ、圧電体の分極処理を行うことができる。従って、残留応力や静電気等の影響により圧電体の圧電特性が経年劣化した場合でも、上記分極処理を実施することで、圧電体の圧電特性を劣化前の状態に戻すことができる。
また、接続切替部が第１接続状態に切り替えられた場合では、圧電素子と信号処理部とが接続されるため、検出処理および駆動処理の少なくともいずれかの信号処理を行うことができ、圧電センサー装置を通常駆動させることができる。
したがって、接続切替部の接続状態を第２接続状態に切り替えて、圧電体の分極処理を行った後に、接続切替部の接続状態を第１接続状態に切り替えることで、分極処理された圧電体を用いて、検出処理や駆動処理を実施することができるので、圧電センサー装置の性能低下を防止することができる。
【０００８】
本発明の圧電センサー装置では、前記接続切替部による接続状態の切り替えを制御する制御部を備え、前記制御部は、前記信号処理部による信号処理を実施可能な信号処理モードと、前記分極処理部による分極処理を実施する校正モードとを切り替えるモード切替部と、前記モード切替部により、前記信号処理モードに切り替えられた際に、前記接続切替部を前記第１接続状態に切り替え、前記校正モードに切り替えられた際に、前記接続切替部を前記第２接続状態に切り替える接続制御部と、を備えることが好ましい。
本発明によれば、モード切替部により、校正モードに切り替えられると、接続制御部は、接続切替部を第２接続状態に切り替える。また、圧電素子に分極用電圧を印加して圧電体の分極処理を実施した後等において、モード切替部により信号処理モードに切り替えられると、接続制御部は、接続切替部を第１接続状態に切り替えて、当該圧電センサー装置は、信号処理部による信号処理が実施可能な状態となる。したがって、制御部により自動的に接続切替部が制御されるため、使用者は、接続切替部の接続状態を意識する必要がなく、容易に圧電体の分極処理を実施することができる。
【０００９】
本発明の圧電センサー装置では、当該圧電センサー装置へ電力を供給する電力供給状態、および当該圧電センサー装置への電力の供給を遮断する電力非供給状態を切り替える電源スイッチを備え、前記モード切替部は、前記電源スイッチが前記電力供給状態に切り替わった際に、前記校正モードに切り替え、前記分極処理部による分極処理が終了すると、前記信号処理モードに切り替えることが好ましい。
本発明によれば、圧電センサー装置の電源スイッチが電力供給状態に切り替えられるたびに、モード切替部により校正モードに切り替えられる。したがって、圧電センサー装置の電源投入時に、必ず圧電素子に分極用電圧を印加して圧電体の分極処理を実施することになるので、モード切替部により信号処理モードに切り替えられた際、分極処理された圧電体を有する圧電素子を用いて信号処理を実施することができる。すなわち、圧電素子を用いて検出処理を実施する場合では、圧電素子での検出感度を向上させることができ、圧電素子を用いて駆動処理を実施する場合には、圧電素子を駆動信号に応じた所望の駆動量で駆動させることができる。
【００１０】
本発明の圧電センサー装置では、前記制御部は、前記信号処理部による信号処理を実行させる旨の入力信号を取得する信号取得部を備え、前記モード切替部は、前記信号取得部が前記入力信号を取得すると、前記校正モードに切り替え、前記分極処理部による分極処理が終了すると、前記信号処理モードに切り替えることが好ましい。
ここで、信号取得部は、例えば、利用者により操作可能な操作部から入力される入力信号や、外部制御装置等から入力される入力信号等を取得し、この入力信号をトリガーとして信号処理部は、圧電素子の検出処理や駆動処理を実施する。
本発明によれば、入力信号が取得されるたび、すなわち、信号処理部での信号処理が実行される前に、圧電体の分極処理が実施される。このため、信号処理部による信号処理時に、確実に分極処理された圧電体を有する圧電素子を用いて信号処理を実施することができるため、信号処理における精度をより向上させることができる。
【００１１】
本発明の圧電センサー装置では、前記制御部は、前記信号処理部による信号処理を実行させる旨の入力信号を取得する信号取得部と、前記信号処理部による信号処理が終了した処理停止時点からの経過時間を計測する計時部と、を備え、前記モード切替部は、前記処理停止時点からの所定の待機移行期間の間、前記信号取得部により前記入力信号が取得されなかった場合に、前記校正モードに切り替え、前記分極処理部による分極処理が終了すると、前記信号処理モードに切り替えることが好ましい。
本発明によれば、信号処理部による一連の信号処理が終了し、圧電センサー装置が待機状態である際に、分極処理部による分極処理が実施される。このような構成では、一連の信号処理が実施されている最中では、分極処理が実行されないため、分極処理により信号処理が中断されることがなく、迅速な信号処理を実施することができる。また、待機状態である際に分極処理が実施されるため、次に信号処理を実施する際には、圧電素子の圧電体が分極処理された状態となっており、信号処理における精度の低下を防止することができる。
【００１２】
本発明の圧電センサー装置の駆動方法は、圧電体、および前記圧電体を挟む位置に形成された二つの電極を有する圧電素子を備えた圧電センサー装置の駆動方法であって、前記圧電センサー装置は、前記圧電素子から出力された電気信号を検出する検出処理、および前記圧電素子へ駆動信号を入力して駆動させる駆動処理の少なくともいずれかの信号処理を実施する信号処理部と、前記圧電素子に分極用電圧を印加して分極処理を実施する分極処理部と、前記二つの電極および前記信号処理部が接続される第１接続状態と、前記一対の電極および前記分極処理部が接続される第２接続状態と、を切り替える接続切替部と、を備え、当該圧電センサー装置の駆動方法は、前記信号処理部による信号処理を実行させる旨の入力信号を取得した際に、前記接続切替部における接続状態を第２接続状態に切り替えて、前記分極処理部により前記圧電素子に分極用電圧を印加する分極工程を実施し、
前記分極工程後に、前記接続切替部における接続状態を第１接続状態に切り替えて、前記信号処理部により、前記検出処理および前記信号処理の少なくともいずれかの処理を実施する信号処理工程を実施する、ことを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、前述した圧電センサー装置と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、圧電センサー装置は、圧電素子への信号の入出力を実施する信号処理部と、圧電素子の圧電体の分極処理を実施する分極処理部と、を備え、接続切替部により、圧電素子と、これらの信号処理部および分極処理部との接続状態を切り替えている。これにより、圧電素子と分極処理部とが接続される第２接続状態では、圧電素子に分極用電圧を印加することができ、圧電体の分極処理を行うことができる。従って、残留応力や静電気等の影響により圧電体の圧電特性が経年劣化した場合でも、上記分極処理を実施することで、圧電体の圧電特性を劣化前の状態に戻すことができる。
また、接続切替部が第１接続状態に切り替えられた場合では、圧電素子と信号処理部とが接続されるため、検出処理および駆動処理の少なくともいずれかの信号処理を行うことができ、圧電センサー装置を通常駆動させることができる。
そして、接続切替部の接続状態を第２接続状態に切り替えて、圧電体の分極処理を行った後に、接続切替部の接続状態を第１接続状態に切り替えるため、分極処理された圧電体を有する圧電素子を用いて、検出処理や駆動処理を実施するため、圧電センサー装置の性能低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波センサーの構成を示す図。
【図２】前記実施形態における受信素子の構成を示す図。
【図３】前記実施形態における超音波センサーの動作を示すフローチャート。
【図４】前記実施形態における分極処理のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
[超音波センサーの概略構成]
図１は、圧電センサー装置としての超音波センサー１の構成を示す図である。この超音波センサー１は、被検出体に対して送信され、被検出体で反射された超音波を受信することで、超音波センサー１と被検出体との距離、被検出体の状態を検出するセンサーである。このような超音波センサー１は、超音波の送受信により、例えば生体内の血管位置や、血流速度、血圧等を計測するための生体検査装置や、当該超音波センサー１の表面に設けられた弾性膜の動きを超音波により検出することで、弾性膜に作用する押圧力、剪断力を測定する応力測定装置、超音波により対象物との距離を測定し、測定された距離に応じた音圧で当該対象物を洗浄する超音波洗浄装置など、超音波を送信、または受信する様々な装置に適用することができる。
この超音波センサー１は、図１に示すように、複数の受信素子１０（圧電素子）と、受信素子１０から出力された検出信号を検出する検出回路２０（信号処理部）と、分極処理回路３０（分極処理部）と、接続切替回路４０（接続切替部）と、電力供給部５０と、操作部６０と、制御部７０とを備えている。
【００１６】
〔受信素子の構成〕
図２は、受信素子１０の概略構成を示す図である。具体的に、図２（Ａ）は、受信素子１０の断面図であり、図２（Ｂ）は、受信素子１０の平面図である。
受信素子１０は、超音波を受信して電気信号に変換する素子である。
この受信素子１０は、支持部１１の上に、互いに直交するＸ軸およびＹ軸のそれぞれの軸方向に沿って、等間隔で複数配置されており、これらの複数の受信素子１０によりアレイ構造の受信素子群１００が構成されている。
【００１７】
各受信素子１０は、図２に示すように、開口部１２が形成された支持部１１と、支持部１１上を覆い、開口部１２を閉塞する支持膜１３と、支持膜１３上に形成される積層体１４とを備えている。
支持部１１に形成される開口部１２は、例えば、図２（Ｂ）に示すように平面視で円形状に形成されている。これにより、開口部１２の内側の支持膜１３であるダイアフラム１３１において、ダイアフラム１３１の撓みに対する応力を均一にすることができる。
【００１８】
支持膜１３は、支持部１１上で、開口部１２を閉塞する状態に成膜されている。この支持膜１３は、例えばＳｉＯ２層とＺｒＯ２層との２層構造により構成される。ここで、ＳｉＯ２層は、支持部１１がＳｉ基板である場合、基板表面を熱酸化処理することで成膜することができる。また、ＺｒＯ２層は、ＳｉＯ２層上に例えばスパッタリングなどの手法により成膜される。ここで、ＺｒＯ２層は、後述する圧電膜１４２として例えばＰＺＴを用いる場合に、ＰＺＴを構成するＰｂがＳｉＯ２層に拡散することを防止するための層である。また、ＺｒＯ２層は、圧電膜１４２の歪みに対する撓み効率が向上させるなどの効果もある。
【００１９】
積層体１４は、支持膜１３の上層に積層される下部電極１４１と、下部電極１４１上に形成される圧電体としての圧電膜１４２と、圧電膜１４２上に形成される上部電極１４３とを備えている。つまり、積層体１４は、一対の電極（下部電極１４１および上部電極１４３）によって圧電膜１４２が挟まれた構成を有している。
また、下部電極１４１には、図２に示すように、支持膜１３に沿って下部電極線１４４が引き出されている。また、上部電極１４３には、支持膜１３に沿って下部電極線１４４の引出方向とは反対側に向かって、上部電極線１４５が引き出されている。そして、下部電極線１４４は、隣に配置されている受信素子１０の上部電極線１４５と平面視で重なっている。このように、各受信素子１０の下部電極線１４４と上部電極線１４５とが重なって接続されることで、各受信素子１０は、図１に示すように直列に接続されている。
【００２０】
このような受信素子群１００では、複数の受信素子１０が直列に接続されていることで、各受信素子１０から出力される検出信号が足し合わされるため、信号値の大きい検出信号を検出回路２０に出力することができる。
また、詳しい図示は省略するが、本実施形態では、受信素子群１００のうち、Ｘ軸方向に配列された素子群のみが直列に接続されて受信素子群１００を構成し、このような受信素子群１００がＹ軸に沿って並設されて各受信素子群１００が個別に検出回路２０に接続されるセンサー構成を例示するが、これに限らない。例えば、Ｘ軸方向の端部に配列された受信素子１０が、Ｙ軸方向に隣り合う受信素子１０と直列に接続されることで、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に配列された受信素子１０が直列接続される構成などとしてもよい。
【００２１】
圧電膜１４２は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛：lead zirconate titanate）を膜状に成膜することで形成される。なお、本実施形態では、圧電膜１４２としてＰＺＴを用いるが、電圧を印加することで、面内方向に収縮することが可能な素材であれば、いかなる素材を用いてもよく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ３）などを用いてもよい。
【００２２】
このような受信素子１０では、超音波をダイアフラム１３１で受信することでダイアフラム１３１が膜厚方向（図２（Ａ）におけるＺ軸方向）に振動する。これにより、圧電膜１４２の下部電極１４１側の面と上部電極１４３側の面とで電位差が発生し、上部電極１４３および下部電極１４１から圧電膜１４２の変位量に応じた検出信号（電流）が出力される。
【００２３】
〔検出回路の構成〕
図１に示す検出回路２０は、各受信素子１０から出力される検出信号を検出（取得）する検出処理を実施する回路であり、接続切替回路４０を介して前述した受信素子群１００に接続されている。詳述すると、検出回路２０は、受信素子群１００の一端に配置された受信素子１０（受信素子１０Ａ）の下部電極線１４４と、受信素子群１００の他端に配置された受信素子１０（受信素子１０Ｂ）の上部電極線１４５に接続されている。そして、この検出回路２０は、受信素子群１００から入力された検出信号の電圧値を増幅して、制御部７０に出力する。
【００２４】
〔分極処理回路の構成〕
分極処理回路３０は、前述した受信素子１０に対して分極処理を行うための分極用電圧を出力可能な電圧源を備え、接続切替回路４０を介して受信素子群１００に接続されている。この分極処理回路３０は、分極用電圧を受信素子群１００に印加することで、各受信素子１０の下部電極１４１及び上部電極１４３間に当該分極用電圧の分圧が印加される。これにより、下部電極１４１及び上部電極１４３間の圧電膜１４２の分極子の方向が一方向に揃えられる分極処理が実施される。なお、印加する電圧および時間は、例えば、圧電膜１４２の特性等によって予め設定されていた値で実行される。
【００２５】
〔接続切替回路の構成〕
接続切替回路４０は、例えばＴＦＴ（Thin Film Transistor）等のスイッチング素子で構成され、受信素子群１００および検出回路２０間に設けられる第一スイッチ部４０Ａと、受信素子群１００および分極処理回路３０間に設けられる第二スイッチ部４０Ｂを備えている。そして、第一スイッチ部４０Ａは、制御部７０の制御により、受信素子群１００と検出回路２０との接続状態を切り替える。また、第二スイッチ部４０Ｂは、制御部７０の制御により、受信素子群１００と分極処理回路３０との接続状態を切り替える。
ここで、第一スイッチ部４０Ａにより、受信素子群１００および検出回路２０が接続され、第二スイッチ部４０Ｂにより受信素子群１００および分極処理回路３０が切断される状態が本発明の第１接続状態となる。また、第一スイッチ部４０Ａにより、受信素子群１００および検出回路２０が切断され、第二スイッチ部４０Ｂにより受信素子群１００および分極処理回路３０が接続される状態が本発明の第２接続状態となる。
【００２６】
〔電力供給部の構成〕
電力供給部５０は、超音波センサー１に電力を供給する。この電力供給部５０としては、例えば、コンセント等の電力源に接続されることで、超音波センサー１に電力を供給するものであってもよく、電池や発電部等であってもよい。
【００２７】
〔操作部の構成〕
操作部６０は、超音波センサー１の図示しない外装部に設けられ、利用者により操作されることで、入力信号が入力される部分である。この操作部６０としては、例えば、電力供給部５０からの電力により超音波センサー１を起動させる電源スイッチ６１や、超音波の受信処理（送受信処理）を実施させる処理開始ボタン６２、分極処理のタイミングを設定する分極選択部（図示略）等を備えている。
【００２８】
〔制御部の構成〕
制御部７０は、前述の検出回路２０、分極処理回路３０、接続切替回路４０、電力供給部５０、および操作部６０に接続されている。
この制御部７０は、例えばＩＣ（Integrated Circuit）等の集積回路等で構成され、超音波センサー１全体を制御する。具体的には、制御部７０は、図１に示すように、モード切替部７１、分極モード選択部７２、信号取得部７３、計時部７４、および接続制御部７５等を備えて構成されている。
【００２９】
モード切替部７１は、超音波センサー１の動作モードを切り替えて設定する。具体的には、モード切替部７１は、検出回路２０により、受信素子群１００からの検出信号を検出可能な信号処理モードと、分極処理回路３０により受信素子群１００の分極処理を実施する校正モードと、を切り替える。
なお、このモード切替部７１は、通常、信号処理モードに設定される。そして、後述する分極モード選択部７２により選択される分極タイミングに対応して、適宜校正モードに切り替える。
【００３０】
分極モード選択部７２は、モード切替部７１により校正モードに切り替えられた際に、どのタイミングで分極処理回路３０による分極処理を実施するかを選択する。具体的には、分極モード選択部７２は、前述した操作部６０に設けられた分極選択部が利用者により操作されることで、分極タイミングを設定する。
ここで、選択される分極タイミングとしては、電源投入タイミング、毎受信タイミング、待機移行タイミング等が挙げられる。
電源投入タイミングは、電源スイッチ６１がオン状態にされて電力供給部５０から電力が供給されたタイミングである。すなわち、分極モード選択部７２により電源投入タイミングが選択された場合、モード切替部７１は、電源スイッチ６１がオン状態になる毎に動作モードを校正モードに切り替え、分極処理が終了すると、信号処理モードに切り替える。
また、毎受信タイミングは、操作部６０から検出処理を実施する旨の入力信号が入力されるタイミングである。すなわち、分極モード選択部７２により毎受信タイミングが選択された場合、モード切替部７１は、処理開始ボタン６２がオンされる毎、すなわち検出回路２０により検出処理を実施する前毎に、動作モードを校正モードに切り替え、分極処理が終了すると、信号処理モードに切り替える。
【００３１】
また、待機移行タイミングは、超音波の検出処理が終了した後、所定の待機移行時間が経過したタイミングである。すなわち、分極モード選択部７２により待機移行タイミングが選択された場合には、モード切替部７１は、検出回路２０により検出処理が実施された後、検出処理が実施されずに、所定の待機移行時間が経過すると、動作モードを校正モードに切り替え、分極処理が終了すると、信号処理モードに切り替える。
【００３２】
信号取得部７３は、操作部６０から入力された入力信号を取得する。この入力信号としては、上述したように、電源スイッチ６１がオン状態に切り替えられたことを示す入力信号や、処理開始ボタン６２がオンされた旨、つまり受信素子群１００による超音波の検出処理を開始させる旨の入力信号、分極タイミングを選択する旨の入力信号等が含まれる。
【００３３】
計時部７４は、時間を計測するタイマーを備えている。また、計時部７４は、このタイマーを利用して検出回路２０による検出処理が実施されてからの経過時間を計測する。
【００３４】
接続制御部７５は、モード切替部７１により設定される動作モードに応じて、接続切替回路４０の状態を適宜切り替える。
つまり、接続制御部７５は、モード切替部７１により信号処理モードが設定された場合、接続切替回路４０を第１接続状態に切り替える。また、接続制御部７５は、モード切替部７１により校正モードが設定された場合、接続切替回路４０を第２接続状態に切り替える。
【００３５】
［超音波センサーの動作］
図３は、超音波センサー１の動作を示すフローチャートである。
電源スイッチ６１がオンされると、信号取得部７３は、操作部６０からその旨の入力信号を取得し、モード切替部７１にその結果を出力する（ステップＳ１）。
この結果を受けたモード切替部７１は、分極モード選択部７２により電源投入タイミングが分極タイミングとして設定されているか否かを判定する（ステップＳ２）。
ステップＳ２において、電源投入（図も修正要）タイミングが分極タイミングとして設定されていると判定された場合には、モード切替部７１は、超音波センサー１の動作モードを校正モードに切り替える。これにより、以下に説明する分極処理が行われる（ステップＳ３）。
【００３６】
図４は、分極処理のフローチャートである。
分極処理が開始すると、接続制御部７５は、接続切替回路４０の接続状態を第２接続状態に切り替える（ステップＳ１１）。これにより、分極処理回路３０から各受信素子１０の下部電極１４１及び上部電極１４３間に分極用電圧が印加され、圧電膜１４２の分極処理が実施される。
次に、接続制御部７５は、圧電膜１４２の分極処理が終了したかを判定する（ステップＳ１２）。この判定は、例えば、タイマーで処理時間を計時することで行われる。
ステップＳ１２で分極処理が終了していないと判定した場合には、接続制御部７５は、第２接続状態を維持し、各圧電膜１４２の分極処理が終了するまで分極処理を実施する。
ステップＳ１２で分極処理が終了したと判定した場合には、分極処理が終了する。
【００３７】
このステップＳ３の分極処理が終了するか、前述したステップＳ２において電源投入タイミングが分極タイミングとして設定されていないと判定された場合には、モード切替部７１は、超音波センサー１の動作モードを信号処理モードに切り替え、これにより、接続制御部７５は、接続切替回路４０の接続状態を第１接続状態に切り替える。
【００３８】
そして、操作部６０において処理開始ボタン６２がオンされると、信号取得部７３は、その旨の入力信号を取得し、接続制御部７５にその結果を出力する（ステップＳ４）。
この結果を受けた接続制御部７５は、分極モード選択部７２により毎受信タイミングが分極タイミングとして設定されているか否かを判定する（ステップＳ５）。
ステップＳ５において、毎受信タイミングが分極タイミングとして設定されていると判定された場合には、前述したステップＳ３の分極処理が行われる。
【００３９】
このステップＳ３の分極処理が終了するか、前述したステップＳ５において毎受信タイミングが分極タイミングとして設定されていないと判定された場合には、接続制御部７５は、接続切替回路４０の接続状態を第１接続状態に切り替える。これにより、以下のように、検出回路２０による検出処理が実施される（ステップＳ６）。
【００４０】
このステップＳ６では、図示しない超音波送信素子から超音波を発信させ、被検出体で反射された超音波を各受信素子１０で受信させる。
受信素子１０は、超音波をダイアフラム１３１（受動膜）で受信することでダイアフラム１３１が膜厚方向に振動し、振動により変形した圧電膜１４２から電気信号（検出信号）が下部電極１４１及び上部電極１４３を介して検出回路２０へ出力される。検出回路２０は、この検出信号の電圧値を増幅して、制御部７０へ出力する。
そして、制御部７０は、検出回路２０から出力された検出信号を処理する。具体的に、制御部７０では、超音波送信素子から超音波を発信した発信タイミングから、検出信号の受信タイミングまでの時間を算出し、例えば超音波センサー１から被検出体まで距離等を算出し、測定結果として出力装置（図示略）等に出力する。
【００４１】
そして、処理開始ボタン６２がオフされることなどにより、この検出処理が停止されると、計時部７４が検出処理を停止した時点からの経過時間を計時し、接続制御部７５は、待機移行時間を経過したかを判定する（ステップＳ７）。
ステップＳ７において、待機移行時間を経過していないと判定した場合には、ステップＳ４の処理に戻され、処理開始ボタン６２がオンされるのを待機する。
ステップＳ７において、待機移行時間を経過したと判定した場合には、接続制御部７５は、分極モード選択部７２により待機移行タイミングが分極タイミングとして設定されているか否かを判定する（ステップＳ８）。
ステップＳ８において、待機移行タイミングが分極タイミングとして設定されていると判定された場合には、前述したステップＳ３の分極処理が行われる。
ステップＳ８において、待機移行タイミングが分極タイミングとして設定されていないと判定されると、超音波センサー１の動作の終了が指示（電源スイッチ６１がオフ）されたかを判定する（ステップＳ９）。
そして、ステップＳ９において、終了が指示されていないと判定された場合には、ステップＳ４の処理に戻され、処理開始ボタン６２が再びオンされるのを待機する。
一方、ステップＳ９において、終了が指示されたと判定された場合には、超音波センサー１の動作を停止する。
【００４２】
上述した一実施形態による超音波センサー１によれば、以下の効果を奏する。
超音波センサー１は、複数の受信素子１０により構成された受信素子群１００と、受信素子群１００から出力された検出信号を検出する検出回路２０と、受信素子群１００の各受信素子１０を分極処理する分極処理回路３０と、受信素子群１００および検出回路２０の接続状態、受信素子群１００および分極処理回路３０の接続状態を切り替える接続切替回路４０と、を備える。
このような超音波センサー１は、受信素子群１００と分極処理回路３０とが接続される第２接続状態では、各受信素子１０に分極用電圧を印加することができ、圧電膜１４２の分極処理を行うことができる。従って、残留応力や静電気等の影響により圧電膜１４２の分極特性が経年劣化した場合でも、分極処理を実施することで、圧電膜１４２の分極方向を一方向に配向させることができ、分極特性を劣化前の状態に戻すことができる。
また、接続切替回路４０が第１接続状態に切り替えられた場合では、受信素子群１００と検出回路２０とが接続されるため、検出処理を行うことができ、超音波センサー１を通常駆動させることができる。
したがって、接続切替回路４０の接続状態を第２接続状態に切り替えて、各受信素子１０の圧電膜１４２の分極処理を行った後に、接続切替回路４０の接続状態を第１接続状態に切り替えることで、分極処理された圧電膜１４２（受信素子１０）を用いて、検出処理を実施することができるので、超音波センサー１の性能低下を防止することができる。
【００４３】
また、超音波センサー１の制御部７０は、信号処理モードと、校正モードとを切り替えるモード切替部７１を備える。そして、モード切替部７１により、校正モードに切り替えられると、接続制御部７５は、接続切替回路４０を第２接続状態に切り替える。また、モード切替部７１により信号処理モードに切り替えられると、接続制御部７５は、接続切替回路４０を第１接続状態に切り替えて、超音波センサー１は、検出回路２０による検出処理が実施可能な状態となる。したがって、制御部７０により自動的に接続切替回路４０が制御されるため、使用者は、接続切替回路４０の接続状態を意識する必要がなく、容易に受信素子群１００（各受信素子１０の圧電膜１４２）の分極処理を実施することができる。
【００４４】
さらに、超音波センサー１の制御部７０は、分極モード選択部７２を備え、モード切替部７１は、分極モード選択部７２により設定された分極タイミングにより、信号処理モードから校正モードに切り替える。
そして、分極モード選択部７２により、電源投入タイミングが設定されている場合、電源スイッチ６１がオンされるたびに、モード切替部７１により校正モードに切り替えられる。このため、超音波センサー１の電源投入時に、必ず受信素子群１００の分極処理を実施することになるので、当該超音波センサー１の起動時に常に各受信素子１０が分極された状態となり、受信素子群１００での検出感度を向上させることができる。また、分極処理が実施されるタイミングは、電源投入時のみとなるため、検出回路２０による検出信号の検出処理時に分極処理が実施されて、処理が中断されることがなく、迅速な検出処理を実施できる。
【００４５】
また、分極モード選択部７２により、毎受信タイミングが設定されている場合、検出処理を開始させる旨の入力信号が取得される度に、すなわち、検出回路２０での検出処理が実行される前毎に、受信素子群１００の分極処理が実施される。このため、検出回路２０による検出処理時に、確実に分極処理された受信素子群１００を用いて検出処理を実施することができるため、検出処理における精度をより向上させることができる。
【００４６】
さらに、分極モード選択部７２により、待機移行タイミングが設定されている場合、検出回路２０による一連の検出処理が終了し、超音波センサー１が待機状態となる際に、分極処理回路３０による分極処理が実施される。このような構成では、一連の検出処理が実施されている最中では、分極処理が実行されないため、分極処理により検出処理が中断されることがなく、迅速な検出処理を実施することができる。また、電源投入タイミングより高頻度に分極処理が実施されるため、検出処理における精度を向上させることができる。
【００４７】
ここで、単素子（一つの受信素子）で構成される超音波センサーと比較して、複数の受信素子を直列に接続した構成を備える超音波センサーは、受信感度が小さくなる傾向がある。しかしながら、本実施形態の超音波センサー１では、複数の受信素子１０を直列に接続して受信素子群１００を構成していても、圧電膜１４２を分極処理し分極状態が揃うことで、受信感度が小さくなることを防止できる。
さらに、各受信素子１０の積層体１４を、薄膜状の圧電膜１４２と下部電極１４１および上部電極１４３とで構成しているため、バルク状の圧電素子を分極処理する場合と比較して、低い電圧の印加により分極処理を行うことができる。
【００４８】
[実施形態の変形]
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、分極タイミングとして、電源投入タイミング、毎受信タイミング、待機移行タイミングの三つを設定できる構成について例示したが、いずれか一つ以上を設定できる構成であればよい。また、分極タイミングについても、例示したタイミングに限らない。例えば、分極タイミングは、電源スイッチ６１がオフされたタイミングであってもよいし、毎受信タイミングでなく、数回に１回の受信タイミングなどであってもよい。さらには、３日に１回等、定期的なタイミングであってもよいし、操作部６０に分極処理を行うためのスイッチを設け、使用者が当該スイッチによって任意に指示したタイミングであってもよい。
【００４９】
前記実施形態では、制御部７０によって接続切替回路４０を制御して第１接続状態と第２接続状態とを切り替える構成について例示したが、これに限らず、接続切替回路を手動スイッチ等によって構成し、使用者が手動で接続を切り替える構成であってもよい。
前記実施形態では、信号処理部として、圧電膜１４２から出力される電気信号を検出する検出回路２０を備えることで、超音波を受信する構成について例示したが、これに限らず、信号処理部として、受信素子１０に駆動信号を入力して受信素子１０を送信素子として駆動させる駆動処理を実施する構成に採用してもよい。つまり、駆動信号の入力によって下部電極１４１及び上部電極１４３間に電圧を印加し、圧電膜１４２を振動させることで、超音波を送信する構成に採用してもよい。また、信号処理部が受信と送信の両方を行う構成であってもよい。さらに、本発明を適用した検出処理および駆動処理の双方を行う超音波センサーであってもよい。
前記実施形態では、複数の受信素子１０を直列に接続した構成について例示したが、受信素子１０の数は単数（単素子）であってもよいし、例えば、前述した超音波を送信する構成とした場合等において適した構成となるように、複数の受信素子１０を並列に接続した構成としてもよい。
前記実施形態では、圧電素子として、薄膜状の圧電膜１４２、下部電極１４１および上部電極１４３とで構成された積層体１４を備える受信素子１０について説明したが、圧電素子は、バルク状のものであってもよい。
前記実施形態では、圧電膜１４２の分極処理を行い、分極処理後に検出回路２０による検出を行う構成について例示したが、分極処理後に、当該検出回路２０の検出結果等に基づいて、圧電膜１４２の使用可能状態を判定し、判定結果に応じた処理を行うように構成してもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１…超音波センサー（圧電センサー装置）、１０…受信素子（圧電素子）、２０…検出回路（信号処理部）、３０…分極処理回路（分極処理部）、４０…接続切替回路（接続切替部）、６１…電源スイッチ、７０…制御部、７１…モード切替部、７３…信号取得部、７４…計時部、７５…接続制御部、１４１…下部電極（電極）、１４２…圧電膜（圧電体）、１４３…上部電極（電極）。
【図１】
0005874208.tif 000002
【図２】
0005874208.tif 000003
【図３】
0005874208.tif 000004
【図４】
0005874208.tif 000005