(57)【要約】【課題】複数の超音波検知素子同士の共振周波数のばらつきに起因した感度誤差を容易且つ高い精度で調整可能とする。【解決手段】調整装置Ａは、単一周波数の超音波を送波する複数の超音波送波素子を有した超音波音源１と、超音波センサＳの増幅部１１から出力される各超音波検知素子の出力信号を切り換えて出力する切換部２と、切換部２から出力する出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部３と、Ａ／Ｄ変換部３で変換されたデジタルの出力信号を取り込む制御部４とを備える。個々の超音波検知素子に対して超音波音源１より単一周波数の超音波を送波し、各超音波検知素子で変換される出力信号同士の差（感度差）が小さくなるように制御部４で出力信号を調整するため、複数の超音波検知素子同士の共振周波数のばらつきに起因した超音波センサＳの感度誤差を容易且つ高い精度で調整することが可能である。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の超音波検知素子を１次元又は２次元的に一定の間隔で配置し各超音波検知素子で受波した超音波を電気信号に変換する超音波センサにおいて各超音波検知素子の感度を調整する感度調整方法であって、個々の超音波検知素子に対して超音波音源より単一周波数の超音波を送波し、それぞれの超音波検知素子にて当該超音波を受波させ、各超音波検知素子で変換される電気信号同士の差が小さくなるように当該電気信号を調整することを特徴とする超音波センサの感度調整方法。
【請求項２】
基板上に熱絶縁層を介して発熱体薄膜が設けられ、発熱体薄膜を電気的に駆動することで発熱体薄膜表面に接する空気の温度を強制的に変化させて進行波を発生させる超音波発生装置を前記超音波音源に用いることを特徴とする請求項１記載の超音波センサの感度調整方法。
【請求項３】
超音波センサは各超音波検知素子から出力される電気信号を増幅する増幅器を備えており、これらの増幅器の増幅度を変えることで各超音波検知素子で変換される電気信号同士の差を小さくすることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波センサの感度調整方法。
【請求項４】
超音波センサは各超音波検知素子から出力される電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、当該デジタル信号を演算処理する演算処理手段とを備えており、演算処理手段における演算処理によって前記電気信号同士の差を小さくすることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波センサの感度調整方法。
【請求項５】
複数の超音波検知素子を１次元又は２次元的に一定の間隔で配置し各超音波検知素子で受波した超音波を電気信号に変換する超音波センサにおいて各超音波検知素子の感度を調整する感度調整装置であって、個々の超音波検知素子に対して単一周波数の超音波を送波する超音波音源と、それぞれの超音波検知素子にて前記超音波を変換して得られる電気信号同士の差が小さくなるように当該電気信号を調整する調整手段とを備えたことを特徴とする超音波センサの感度調整装置。
【請求項６】
前記超音波音源は、基板上に熱絶縁層を介して発熱体薄膜が設けられ、発熱体薄膜を電気的に駆動することで発熱体薄膜表面に接する空気の温度を強制的に変化させて進行波を発生させる超音波発生装置からなることを特徴とする請求項５記載の超音波センサの感度調整装置。
【請求項７】
超音波センサは各超音波検知素子から出力される電気信号を増幅する増幅器を備えており、前記調整手段は、これらの増幅器の増幅度を変えることで各超音波検知素子で変換される電気信号同士の差を小さくすることを特徴とする請求項５又は６記載の超音波センサの感度調整装置。
【請求項８】
超音波センサは各超音波検知素子から出力される電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、当該デジタル信号を演算処理する演算処理手段とを備えており、前記調整手段は、演算処理手段における演算処理によって前記電気信号同士の差を小さくすることを特徴とする請求項５又は６記載の超音波センサの感度調整装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の超音波検知素子を有する超音波センサの感度を調整する感度調整方法並びに感度調整装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数の超音波検知素子を１次元又は２次元的に一定の間隔で配置し、各超音波検知素子で受波した超音波を電気信号に変換するアレイ型の超音波センサを用いて対象物までの距離や対象物の形状を計測することが行われている（例えば、特許文献１又は特許文献２参照）。ここで、超音波検知素子は圧電効果を利用して超音波を電気信号に変換しているが、それぞれの超音波検知素子の共振周波数にばらつきがあるために超音波検知素子の間に感度差が生じていた。そして、この感度差が原因で複数の超音波検知素子の出力を合成した超音波センサの出力にうねりが生じてしまい、正しい情報（距離情報や形状情報など）を得ることが困難であった。
【０００３】
そこで、超音波検知素子の圧電層をポーリング（分極処理）して共振周波数のばらつきを低減することにより、超音波センサの感度を調整する調整方法が提案されている（非特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５７−１３１０５８号公報（第２頁、第２図）
【特許文献２】
特開平４−１１０７８８号公報（第２頁、第１図）
【非特許文献１】
「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　ＴＨＥ　１９ｔｈ　ＳＥＮＳＯＲ　ＳＹＰＯＳＩＵＭ　ｏｎ　Ｓｅｎｓｏｒｓ，Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｓ，ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ｓｙｓｔｅｍｓ」、４８３頁〜４８６頁、２００２年５月３０日発行
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載されている従来方法においては、ポーリングによる圧電層の分極効果がおよそ一日程度しか持続せず、実用的ではなかった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、複数の超音波検知素子同士の共振周波数のばらつきに起因した感度誤差を容易且つ高い精度で調整可能な超音波センサの感度調整方法並びに感度調整装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、複数の超音波検知素子を１次元又は２次元的に一定の間隔で配置し各超音波検知素子で受波した超音波を電気信号に変換する超音波センサにおいて各超音波検知素子の感度を調整する感度調整方法であって、個々の超音波検知素子に対して超音波音源より単一周波数の超音波を送波し、それぞれの超音波検知素子にて当該超音波を受波させ、各超音波検知素子で変換される電気信号同士の差が小さくなるように当該電気信号を調整することを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、基板上に熱絶縁層を介して発熱体薄膜が設けられ、発熱体薄膜を電気的に駆動することで発熱体薄膜表面に接する空気の温度を強制的に変化させて進行波を発生させる超音波発生装置を前記超音波音源に用いることを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、超音波センサは各超音波検知素子から出力される電気信号を増幅する増幅器を備えており、これらの増幅器の増幅度を変えることで各超音波検知素子で変換される電気信号同士の差を小さくすることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１又は２の発明において、超音波センサは各超音波検知素子から出力される電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、当該デジタル信号を演算処理する演算処理手段とを備えており、演算処理手段における演算処理によって前記電気信号同士の差を小さくすることを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明は、上記目的を達成するために、複数の超音波検知素子を１次元又は２次元的に一定の間隔で配置し各超音波検知素子で受波した超音波を電気信号に変換する超音波センサにおいて各超音波検知素子の感度を調整する感度調整装置であって、個々の超音波検知素子に対して単一周波数の超音波を送波する超音波音源と、それぞれの超音波検知素子にて前記超音波を変換して得られる電気信号同士の差が小さくなるように当該電気信号を調整する調整手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記超音波音源は、基板上に熱絶縁層を介して発熱体薄膜が設けられ、発熱体薄膜を電気的に駆動することで発熱体薄膜表面に接する空気の温度を強制的に変化させて進行波を発生させる超音波発生装置からなることを特徴とする。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項５又は６の発明において、超音波センサは各超音波検知素子から出力される電気信号を増幅する増幅器を備えており、前記調整手段は、これらの増幅器の増幅度を変えることで各超音波検知素子で変換される電気信号同士の差を小さくすることを特徴とする。
【００１４】
請求項８の発明は、請求項５又は６の発明において、超音波センサは各超音波検知素子から出力される電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、当該デジタル信号を演算処理する演算処理手段とを備えており、前記調整手段は、演算処理手段における演算処理によって前記電気信号同士の差を小さくすることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１６】
図１は本実施形態における調整装置Ａのブロック図、図２は調整対象となる超音波センサＳのブロック図をそれぞれ示している。
【００１７】
超音波センサＳは、複数の超音波検知素子を１次元又は２次元的に一定の間隔で配置したアレイからなる超音波検知部１０と、各超音波検知素子の出力（アナログの電気信号）を増幅する複数の増幅器からなる増幅部１１と、増幅部１１で増幅されたアナログの出力信号をデジタル信号に変換する複数のＡ／Ｄ変換器からなるＡ／Ｄ変換部１２と、ＣＰＵを主構成要素とする演算処理部１３とを備えている。この超音波センサＳでは、対象物に反射した超音波を超音波検知部１０の各超音波検知素子で受波して電気信号に変換し、増幅部１１で増幅した後にＡ／Ｄ変換部１２にてデジタル信号に変換して演算処理部１３に取り込み、演算処理部１３にてデジタル信号（出力信号）を演算処理することで対象物までの距離や形状を認識することができる。但し、対象物までの距離や形状の認識のために演算処理部１３で行われる演算処理については本発明の要旨ではなく、また従来周知でもあるから詳細な説明は省略する。
【００１８】
ここで、超音波検知素子の一例を図３に示す。超音波検知素子は半導体の微細加工技術を用いて形成されるものであって、ＳＯＩ基板からなる枠部２０の中央に薄肉部２１が設けられたダイヤフラム構造を有し、超音波の音圧による薄肉部２１の歪みを圧電層２２にて電気信号に変換している。なお、圧電層２２は、例えばＰＺＴやＺｎＯ等の圧電効果を有する薄膜又はピエゾ抵抗からなり、薄肉部２１並びに枠部２０の表面に形成されている。
【００１９】
調整装置Ａは、超音波センサＡの超音波検知素子に対して単一周波数の超音波を送波する複数の超音波送波素子を１次元又は２次元的に一定の間隔で配置したアレイからなる超音波音源１と、超音波センサＳの増幅部１１から出力される各超音波検知素子の出力信号を切り換えて出力する切換部２と、切換部２から出力する出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部３と、ＣＰＵを主構成要素としＡ／Ｄ変換部３で変換されたデジタルの出力信号を取り込んで後述する調整処理を実行するとともに切換部２の切換動作を制御する制御部４とを備えている。
【００２０】
ここで、単一周波数の超音波を送波可能は超音波音源１として、特開平１１−３００２７４号公報に記載されている超音波発生装置を用いている。この超音波発生装置は、ジュール熱を発生する電気抵抗体あるいはペルチエ効果による発熱／吸熱を行うペルチエ素子からなる発熱体薄膜が熱絶縁膜を介してシリコン基板上に形成されてなり、発熱体薄膜の両端部に超音波周波数の駆動信号を入力することで発熱体薄膜の表面に接する空気層に進行波（超音波）を発生するものである。すなわち、圧電効果や磁歪効果による機械的振動を利用して超音波を発生するものでは、図４（ｂ）に示すように駆動信号の周波数ｆ０だけでなく、その近傍の周波数の超音波も同時に発生していたが、上記公報に開示されている超音波発生装置では、その発生原理から明らかなように、駆動信号の周波数ｆ０のみ、つまり図４（ａ）に示すような単一周波数ｆ０の超音波を発生させることができる。
【００２１】
而して、本実施形態における超音波音源１は上述の超音波発生装置を１次元又は２次元的に一定の間隔で配置して構成され、制御部４から与えられる駆動信号で個々の超音波発生装置から個別に超音波が送波可能となっている。
【００２２】
次に、本実施形態の調整装置の動作（超音波センサＳの感度調整方法）について図５のフローチャートを参照して説明する。まず、超音波センサＳの超音波検知部１０における各超音波検知素子と調整装置Ａの超音波音源１における各超音波送波素子とを対向させて配置し、超音波センサＳの超音波検知部１０を受波可能な状態とするとともに、超音波センサＳの増幅部１１の各出力を調整装置Ａの切換部２に取り込み可能とする。
【００２３】
調整作業を開始すると、調整装置Ａの制御部４はカウンタのカウント値ｎを１に初期化（ステップ１）した後、超音波音源１の最初の超音波送波素子から単一周波数の超音波を送波させる（ステップ２）。この超音波は超音波センサＳの超音波検知部１０における当該超音波送波素子と対向配置された超音波検知素子で受波され、増幅部１１で増幅される。そして、制御部４は切換部２を切り換え（ステップ３）、増幅部１１で増幅された出力信号をＡ／Ｄ変換部３でデジタル信号に変換して取り込むとともにメモリに保存する（ステップ４）。それから、制御部４はカウント値ｎが超音波センサＳの超音波検知部１０における超音波検知素子の個数Ｎに一致するか否かを判別し（ステップ５）、一致しなければカウント値ｎをカウントアップ（ステップ６）し、超音波音源１の２番目の超音波送波素子から単一周波数の超音波を送波させる（ステップ２）。以降、カウント値ｎが個数Ｎに一致するまで、すなわち、超音波検知部１０における全ての超音波検知素子に対して単一周波数の超音波の送波・受波が完了するまでステップ２〜ステップ４の処理を繰り返す。
【００２４】
カウント値ｎが個数Ｎに一致すれば、制御部４はメモリに保存した出力信号の最大値を求め（ステップ７）、この最大値に対する各出力信号の比（感度比）を求める（ステップ８）とともに、各々の感度比が等しくなるように各超音波検知素子に対応する調整値を求める（ステップ９）。この調整値に基づいて超音波センサＳの増幅部１１における各増幅器の増幅度やオフセット値を調整することで複数の超音波検知素子の感度差を減少させることができる。ここで、超音波検知素子で受波される超音波は単一周波数ｆ０の超音波であるから、個々の超音波検知素子における共振周波数のばらつきに影響されることなしに単一周波数ｆ０に対する感度差を減少させることができるものである。なお、増幅部１１における増幅器の増幅度やオフセット値を調整する具体的方法としては、例えば、増幅器に設けられている可変抵抗の抵抗値を変化させる方法などが考えられる。
【００２５】
上述のように本実施形態の調整装置Ａ及び調整方法によれば、超音波センサＳの超音波検知部１０における個々の超音波検知素子に対して超音波音源１より単一周波数の超音波を送波し、それぞれの超音波検知素子にて単一周波数の超音波を受波させ、各超音波検知素子で変換される出力信号同士の差（感度差）が小さくなるように出力信号を調整するため、複数の超音波検知素子同士の共振周波数のばらつきに起因した超音波センサＳの感度誤差を容易且つ高い精度で調整することが可能である。また、本実施形態では増幅部１１における各増幅器の増幅度やオフセット値を変化させるというようにハードウェア上の処理によって感度調整を高速に行うことができる。但し、このようなハードウェア上の処理を行う代わりに、調整装置Ａの制御部４で求めた調整値を超音波センサＳの演算処理部１３に与え、演算処理部１３においてソフトウェア上の処理で感度調整を行うようにすることも可能であり、このようにすれば上記ハードウェア上の処理に比べて調整に要する時間は増えるものの調整作業自体は容易になるという利点がある。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１の発明は、複数の超音波検知素子を１次元又は２次元的に一定の間隔で配置し各超音波検知素子で受波した超音波を電気信号に変換する超音波センサにおいて各超音波検知素子の感度を調整する感度調整方法であって、個々の超音波検知素子に対して超音波音源より単一周波数の超音波を送波し、それぞれの超音波検知素子にて当該超音波を受波させ、各超音波検知素子で変換される電気信号同士の差が小さくなるように当該電気信号を調整することを特徴とし、複数の超音波検知素子同士の共振周波数のばらつきに起因した超音波センサの感度誤差を容易且つ高い精度で調整可能な調整方法が提供できる。
【００２７】
なお、前記超音波音源には、請求項２の発明のように、基板上に熱絶縁層を介して発熱体薄膜が設けられ、発熱体薄膜を電気的に駆動することで発熱体薄膜表面に接する空気の温度を強制的に変化させて進行波を発生させる超音波発生装置を用いればよい。
【００２８】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、超音波センサは各超音波検知素子から出力される電気信号を増幅する増幅器を備えており、これらの増幅器の増幅度を変えることで各超音波検知素子で変換される電気信号同士の差を小さくすることを特徴とし、ハードウェア上の処理によって感度調整を高速に行うことができる。
【００２９】
請求項４の発明は、請求項１又は２の発明において、超音波センサは各超音波検知素子から出力される電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、当該デジタル信号を演算処理する演算処理手段とを備えており、演算処理手段における演算処理によって前記電気信号同士の差を小さくすることを特徴とし、ソフトウェア上の処理によって感度調整を容易に行うことができる。
【００３０】
請求項５の発明は、複数の超音波検知素子を１次元又は２次元的に一定の間隔で配置し各超音波検知素子で受波した超音波を電気信号に変換する超音波センサにおいて各超音波検知素子の感度を調整する感度調整装置であって、個々の超音波検知素子に対して単一周波数の超音波を送波する超音波音源と、それぞれの超音波検知素子にて前記超音波を変換して得られる電気信号同士の差が小さくなるように当該電気信号を調整する調整手段とを備えたことを特徴とし、複数の超音波検知素子同士の共振周波数のばらつきに起因した超音波センサの感度誤差を容易且つ高い精度で調整可能な調整装置が提供できる。
【００３１】
なお、前記超音波音源は、請求項６の発明のように、基板上に熱絶縁層を介して発熱体薄膜が設けられ、発熱体薄膜を電気的に駆動することで発熱体薄膜表面に接する空気の温度を強制的に変化させて進行波を発生させる超音波発生装置からなることが望ましい。
【００３２】
請求項７の発明は、請求項５又は６の発明において、超音波センサは各超音波検知素子から出力される電気信号を増幅する増幅器を備えており、前記調整手段は、これらの増幅器の増幅度を変えることで各超音波検知素子で変換される電気信号同士の差を小さくすることを特徴とし、ハードウェア上の処理によって感度調整を高速に行うことができる。
【００３３】
請求項８の発明は、請求項５又は６の発明において、超音波センサは各超音波検知素子から出力される電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、当該デジタル信号を演算処理する演算処理手段とを備えており、前記調整手段は、演算処理手段における演算処理によって前記電気信号同士の差を小さくすることを特徴とし、ソフトウェア上の処理によって感度調整を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態における調整装置を示すブロック図である。
【図２】同上の調整対象となる超音波センサを示すブロック図である。
【図３】同上の超音波センサの超音波検知素子を示す断面図である。
【図４】同上における超音波音源の動作説明図である。
【図５】同上の調整装置の動作説明用のフローチャートである。
【符号の説明】
１　超音波音源
２　切換部
３　Ａ／Ｄ変換部
４　制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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