JP6773136B2 - 超音波装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波装置に関し、より特定的には、送信用電極と受信用電極とが独立して設けられた３端子型の超音波トランスデューサの静電容量を測定するための技術に関する。

超音波トランスデューサから超音波を送信し、被検出物で反射した反射波を超音波トランスデューサによって受信することによって、被検出物との距離などを測定する超音波装置が実用に供されている。

超音波の速度は周囲温度により影響を受けるため、被検出物との距離を正確に測定する場合には、温度補償を行なうことが必要とされる。

特開昭６１−２７０６８５号公報（特許文献１）は、超音波振動子の静電容量と温度との関係性を利用し、超音波振動子の静電容量を測定して温度補償を行なう超音波センサを開示する。

特開昭６１−２７０６８５号公報 特開２０１２−２１７０１２号公報

上記の特許文献１に開示される超音波センサ（超音波トランスデューサ）は、超音波を送波するための送信用振動子（送信用電極）と反射波を受波するための受信用振動子（受信用電極）とが共通となっている、いわゆる２端子型の超音波トランスデューサを用いるものである。このような２端子型の超音波トランスデューサにおいて静電容量を測定する際には、送受信回路の容量成分の影響を排除するために、送受信回路と静電容量の測定回路とをスイッチで切換えることが必要となる。

一般的に、超音波トランスデューサでは、超音波を遠くまで送信するために、送信信号の電圧を昇圧する手法が採用される場合がある。そのため、特許文献１のように、送受信回路と容量測定回路とをスイッチで切換える構成では、当該スイッチの耐圧仕様は、相対的に電圧が高くなる送信回路の電圧によって決定されることになる。そうすると、使用されるスイッチのサイズが大きくなり、部品コストも増加してしまう。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、超音波装置において、製造コストを低減しつつ、超音波トランスデューサの静電容量の測定精度を向上させることである。

本発明による超音波装置は、超音波トランスデューサと、送信回路と、受信回路と、容量測定回路とを備える。超音波トランスデューサは、共通電極、送信用電極、および送信用電極とは独立した受信用電極を有する３端子型の超音波トランスデューサである。送信回路は、送信用電極に駆動信号を出力して超音波トランスデューサから超音波を発信させる。受信回路は、受信用電極からの受信信号を受信する。容量測定回路は、受信用電極に電気的に接続され、超音波トランスデューサの静電容量を測定する。

好ましくは、超音波装置は、受信用電極を、受信回路および容量測定回路のいずれか一方と接続するように構成された受信切換部をさらに備える。

好ましくは、超音波装置は、容量測定回路による静電容量を測定時に、送信用電極を接地するように構成された接地切換部をさらに備える。

好ましくは、容量測定回路は、交流信号生成回路と、交流信号生成回路と受信用電極との間に接続された基準容量と、振幅測定回路と、容量算出回路とを含む。交流信号生成回路は、超音波トランスデューサの共振周波数とは異なる周波数を有する基準振幅の交流信号を生成する。振幅測定回路は、基準容量と受信用電極との間の振幅を測定する。容量算出回路は、振幅測定回路で測定された振幅と基準振幅とに基づいて、超音波トランスデューサの静電容量を算出する。

好ましくは、容量測定回路は、交流信号生成回路と振幅測定回路とを基準容量を介さずに接続する第１状態と、交流信号生成回路と振幅測定回路とを基準容量を介して接続する第２状態とを切換えるように構成された切換装置をさらに含む。容量算出回路は、第１状態において振幅測定回路によって測定された振幅と、第２状態において振幅測定回路によって測定された振幅とに基づいて、超音波トランスデューサの静電容量を測定する。

好ましくは、切換装置は、第１〜第３切換部を含む。第１切換部は、交流信号生成回路と基準容量との間の導通と非導通とを切換える。第２切換部は、受信用電極と振幅測定回路との間の導通と非導通とを切換える。第３切換部は、一方端が交流信号生成回路と第１切換部との間の第１ノードに接続されるとともに、他方端が振幅測定回路と第２切換部との間の第２ノードに接続される。第３切換部は、第１ノードと第２ノードとの間の導通と非導通とを切換える。第１状態においては、第１切換部および第２切換部が非導通状態とされるとともに、第３切換部が導通状態とされる。第２状態においては、第１切換部および第２切換部が導通状態とされるとともに、第３切換部が非導通状態とされる。

好ましくは、超音波装置は、算出された超音波トランスデューサの静電容量と、予め定められた静電容量および温度の相関とから、超音波トランスデューサの温度を推定する温度推定回路をさらに備える。

本発明による超音波装置によれば、送信用電極と受信用電極とが独立して設けられた３端子型の超音波トランスデューサを採用し、その受信用電極に静電容量を測定するための回路を接続して超音波トランスデューサの静電容量を測定する。これにより、超音波トランスデューサの静電容量測定における送信回路のインピーダンスの影響を低減することができる。また、受信用電極に容量測定回路を接続することで、送信側に接続する場合に比べて、静電容量を測定するための回路の耐電圧を低減することができる。したがって、製造コストを低減しつつ、超音波トランスデューサの静電容量の測定精度を高めることが可能となる。

実施の形態１に従う超音波装置の全体構成を示すブロック図である。 超音波トランスデューサの温度と静電容量との関係を示すグラフである。 図１における送信回路の第１の例を示す図である。 図１における送信回路の第２の例を示す図である。 図１における容量測定回路の詳細を示す図である。 容量算出回路における超音波トランスデューサの静電容量の算出手法を説明するための図である。 超音波装置の他の変形例を示す図である。 容量測定回路の他の変形例を示す図である。 図８の変形例における、静電容量の算出処理のフローチャートである。 本実施の形態２に従う超音波装置の全体構成を示すブロック図である。 図１０における送信回路の一例を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、本実施の形態１に従う超音波装置１００の全体構成を示すブロック図である。図１を参照して、超音波装置１００は、送信回路１１０と、超音波トランスデューサ１２０と、増幅器１３０と、受信回路１４０と、容量測定回路１５０と、温度推定回路１６０とを備える。

送信回路１１０は、超音波トランスデューサ１２０を駆動することによって、超音波トランスデューサ１２０から超音波を送信するための回路である。送信回路１１０は、メモリ１１２と、制御回路１１４と、信号生成回路１１６とを含む。制御回路１１４は、メモリ１１２に格納されているデータを読み出して、超音波トランスデューサ１２０の駆動に適した制御信号ＤＲＶを信号生成回路１１６に出力する。信号生成回路１１６は、制御回路１１４から出力された制御信号ＤＲＶに基づいて、直流電圧から交流電圧（超音波パルス：送信信号）を生成する。信号生成回路１１６は、生成した交流電圧を必要に応じて増幅し、超音波トランスデューサ１２０に供給する。信号生成回路１１６の詳細な構成については後述する。

超音波トランスデューサ１２０は、送信用電極１２１（端子ＴＸ）と、受信用電極１２２（端子ＲＸ）と、共通電極１２３（端子ＣＯＭ）と、圧電体１２４とを含む、いわゆる３端子型の超音波トランスデューサである。送信用電極１２１および共通電極１２３は、送信回路１１０の信号生成回路１１６に接続される。受信用電極１２２は、容量測定回路１５０に接続されるとともに、増幅器１３０を介して受信回路１４０に接続される。

圧電体１２４は、超音波を送信するための送信用領域１２４Ａと、超音波の反射波を受信するための受信用領域１２４Ｂとを含む。送信用電極１２１は、圧電体１２４の送信用領域１２４Ａを間に挟んで共通電極１２３に対向するように配置されており、送信用領域１２４Ａに電気的に接続されている。受信用電極１２２は、圧電体１２４の受信用領域１２４Ｂを挟んで共通電極１２３に対向するように配置されており、受信用領域１２４Ｂに電気的に接続されている。共通電極１２３は、送信用領域１２４Ａおよび受信用領域１２４Ｂに電気的に接続されている。

送信用電極１２１は、信号生成回路１１６からの送信信号を受ける。圧電体１２４の送信用領域１２４Ａは、当該送信信号によって超音波トランスデューサの筐体とともに振動し、これによって気中などに向けて超音波を送信（送波）する。

受信用電極１２２は、送信用電極１２１から送信された超音波が物体によって反射された反射波を受信（受波）して振動する。圧電体１２４の受信用領域１２４Ｂは、送信用電極１２１の振動を電気信号に変換し、当該電気信号を受信信号として増幅器１３０および容量測定回路１５０へ出力する。

増幅器１３０は、たとえば抵抗とオペアンプ（いずれも図示せず）とを含んで構成される反転増幅回路であり、送信用電極１２１からの受信信号を増幅して、受信回路１４０へ出力する。

受信回路１４０は、増幅器１３０で増幅された受信信号を受ける。受信回路１４０は、当該受信信号の電圧値を検出し、その検出値ＲＣＶを制御回路１１４へ出力する。

容量測定回路１５０は、後述するように超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳを測定する。測定された静電容量Ｃ_ＳＮＳは温度推定回路１６０に出力される。

温度推定回路１６０は、容量測定回路１５０で測定された静電容量Ｃ_ＳＮＳに基づいて、たとえば図２に示すような予め実験等によって定められた温度と静電容量との関係から、超音波トランスデューサ１２０の温度Ｔｅｍｐを推定する。推定された温度Ｔｅｍｐは制御回路１１４に出力される。なお、図１においては、温度推定回路１６０が、制御回路１１４と独立した回路として記載されているが、温度推定回路１６０の機能が制御回路１１４に含まれる構成であってもよい。

制御回路１１４は、受信回路１４０からの検出値ＲＣＶに基づいて物体の有無や移動および物体までの距離に関する情報を把握する。また、制御回路１１４は、温度推定回路１６０において推定された超音波トランスデューサ１２０の温度Ｔｅｍｐに基づいて、検出距離の補正や制御信号ＤＲＶの調整のような温度補償制御を実行する。超音波装置１００は、たとえば車などに搭載される超音波センサとして使用することができる。

このように、超音波トランスデューサ１２０の静電容量に基づいて超音波トランスデューサ１２０の温度を推定することによって、温度検出のための温度センサを別途設ける必要がなくなる。一方で、温度補償制御を適切に行なうためには、超音波トランスデューサ１２０の推定温度の精度が影響するため、超音波トランスデューサ１２０の静電容量を精度よく測定することが必要となる。

そこで、本実施の形態においては、超音波トランスデューサとして、上記のような送信用電極１２１と受信用電極１２２とが分離された３端子型の超音波トランスデューサ１２０を採用し、受信用電極１２２に容量測定回路１５０を設ける構成とする。このような構成とすることで、超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳの測定において、送信回路１１０のインピーダンスの影響を低減できるので、超音波トランスデューサ１２０の静電容量の測定精度を高めることが可能となる。

なお、容量測定回路１５０を送信用電極１２１に接続して、受信側の回路のインピーダンスの影響を低減させることも可能である。しかしながら、送信回路１１０においては、送信信号をできるだけ遠方まで伝達させるために、送信信号の電圧を昇圧する手法が採用される場合がある。その場合、容量測定回路１５０を構成する素子の耐圧レベルを送信回路１１０の電圧レベルに合わせた高耐圧とすることが必要とされる。したがって、回路サイズおよびコストの低減の観点からは、容量測定回路１５０を受信用電極１２２に接続することがより好ましい。

図３は、図１の送信回路１１０の詳細を説明するための図である。図３を参照して、信号生成回路１１６は、正電源Ｖ_ｔｘ＋および負電源Ｖ_ｔｘ−と、スイッチング素子（切換部）ＳＷ１，ＳＷ２とを含んで構成される。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２は、正電源Ｖ_ｔｘ＋と負電源Ｖ_ｔｘ−との間に直列に接続され、いわゆるハーフブリッジ回路を形成する。スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２との間の接続ノードは、超音波トランスデューサ１２０の送信用電極１２１（ＴＸ）に接続される。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２は、制御回路１１４からの制御信号ＤＲＶにより制御され、直流の正電源Ｖ_ｔｘ＋と負電源Ｖ_ｔｘ−から、超音波トランスデューサ１２０を駆動するための交流電圧（送信信号）を生成する。具体的には、スイッチング素子ＳＷ１を導通状態とするとともにスイッチング素子ＳＷ２を非導通状態とすることによって、超音波トランスデューサ１２０に正パルスを出力することができる。逆に、スイッチング素子ＳＷ１を非導通状態とするとともにスイッチング素子ＳＷ２を導通状態とすることによって、超音波トランスデューサ１２０に負パルスを出力することができる。

超音波トランスデューサ１２０の共通電極１２３（ＣＯＭ）は、送信回路１１０において接地電位ＧＮＤに接続される。

図４は、図１の送信回路の他の例を示す図である。図４の送信回路１１０Ａにおいては、信号生成回路１１６Ａがフルブリッジ回路を形成している点で図３と異なる。

図４を参照して、信号生成回路１１６Ａは、直流電源Ｖ_ｔｘと、スイッチング素子（切換部）ＳＷ３〜ＳＷ６とを含む。スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４は、直流電源Ｖ_ｔｘと接地電位ＧＮＤとの間に直列に接続される。また、スイッチング素子ＳＷ５，ＳＷ６も、直流電源Ｖ_ｔｘと接地電位ＧＮＤとの間に直列に接続される。このように、スイッチング素子ＳＷ３〜ＳＷ６は、フルブリッジ回路を形成する。

スイッチング素子ＳＷ３とスイッチング素子ＳＷ４との間の接続ノードには、超音波トランスデューサ１２０の送信用電極１２１（ＴＸ）が接続される。スイッチング素子ＳＷ５とスイッチング素子ＳＷ６との間の接続ノードには、超音波トランスデューサ１２０の共通電極１２３（ＣＯＭ）が接続される。

スイッチング素子ＳＷ３〜ＳＷ６は、制御回路１１４からの制御信号ＤＲＶにより制御され、直流電源Ｖ_ｔｘから超音波トランスデューサ１２０を駆動するための交流電圧（送信信号）を生成する。具体的には、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ６を導通状態とするとともに、スイッチング素子ＳＷ４，ＳＷ５を非導通状態とすることによって、超音波トランスデューサ１２０に正パルスを出力することができる。逆に、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ６を非導通状態とするとともに、スイッチング素子ＳＷ４，ＳＷ５を導通状態とすることによって、超音波トランスデューサ１２０に負パルスを出力することができる。

次に、図５および図６を用いて、図１の容量測定回路１５０と、容量測定手法の詳細について説明する。

図５を参照して、容量測定回路１５０は、既知の容量を有する基準容量Ｃ_ＲＥＦと、交流信号生成回路１５１と、交流振幅測定回路１５２と、容量算出回路１５３とを含む。

交流信号生成回路１５１は、基準容量Ｃ_ＲＥＦを介して受信用電極１２２に接続される。交流信号生成回路１５１は、予め定められた振幅Ｖ_ＡＣを有する交流電圧信号を出力する。

交流振幅測定回路１５２は受信用電極１２２に接続され、受信用電極１２２における交流信号の電圧振幅を測定する。測定された電圧振幅Ｖ_ＭＥＡＳは、容量算出回路１５３に出力される。

容量算出回路１５３は、図示しない記憶部に記憶された上記の基準容量Ｃ_ＲＥＦおよび交流電圧振幅Ｖ_ＡＣと、交流振幅測定回路１５２で測定された電圧振幅Ｖ_ＭＥＡＳとから超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳを算出する。算出された静電容量Ｃ_ＳＮＳは、温度推定回路１６０へ出力される。

図６は、容量算出回路１５３において実行される超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳの算出手法の詳細を説明するための図である。図６に示されるように、超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳを測定する際には、基準容量Ｃ_ＲＥＦと超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳとが、交流電源（交流信号生成回路１５１）と接地電位ＧＮＤとの間に直列に接続された回路となる。したがって、交流振幅測定回路１５２で測定される電圧振幅Ｖ_ＭＥＡＳと、交流信号生成回路１５１から出力される交流電圧振幅Ｖ_ＡＣとの間には、以下の式（１）の関係が成立する。

この式（１）を変形することにより、超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳは、基準容量Ｃ_ＲＥＦ、交流電圧振幅Ｖ_ＡＣおよび測定される電圧振幅Ｖ_ＭＥＡＳを用いて、式（２）のように算出することができる。

なお、上記のように、容量測定回路１５０において超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳを測定する場合、等価回路においては、図６の破線で示されるように、超音波トランスデューサ１２０の共振回路のインピーダンスＺｓは、測定すべき静電容量Ｃ_ＳＮＳに対して並列に接続されたものとして表現することができる。このとき、インピーダンスＺｓが高い場合には、交流振幅測定回路１５２で測定される電圧振幅Ｖ_ＭＥＡＳへの影響はほとんどない。しかしながら、インピーダンスＺｓが低くなると、電圧振幅Ｖ_ＭＥＡＳへの影響が無視できなくなるため、算出される静電容量Ｃ_ＳＮＳの測定精度が低下し得る。超音波トランスデューサ１２０の共振回路のインピーダンスＺｓは、印加される信号の周波数が共振回路の共振周波数に近くなると低下する。そのため、静電容量Ｃ_ＳＮＳの測定精度の低下を防止するためには、交流信号生成回路１５１から出力される交流電圧信号の周波数を、超音波トランスデューサ１２０の共振周波数とは異なった値とし、超音波トランスデューサ１２０の共振回路のインピーダンスＺｓが高くなるような周波数とすることが必要となる。一例として、超音波トランスデューサ１２０の共振周波数が５０ｋＨｚである場合には、交流信号生成回路１５１から出力される交流電圧信号の周波数をたとえば１０ｋＨｚとなるように設計する。

また、増幅器１３０のインピーダンスを静電容量Ｃ_ＳＮＳのインピーダンスに比べて十分に大きく設計することによって、超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳの測定の際の切換えのための要素が不要とできるので、部品コストを低減することができる。

以上のように、３端子型の超音波トランスデューサを用い、その受信用電極に容量測定回路を接続して超音波トランスデューサの静電容量Ｃ_ＳＮＳを測定することによって、送信回路のインピーダンスの影響を低減して、静電容量Ｃ_ＳＮＳの測定精度を高めることができる。これにより、超音波トランスデューサの温度の推定精度を向上させて、温度補償を適切に行なうことが可能となる。

（変形例１）
図１に示される超音波装置１００において、増幅器１３０のインピーダンスが静電容量Ｃ_ＳＮＳのインピーダンスに比べて十分に大きく設計されている場合には、容量測定回路１５０において超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳの測定の際に、増幅器１３０と容量測定回路１５０とが電気的に接続された状態であっても、増幅器１３０による静電容量Ｃ_ＳＮＳへの影響はほとんどない。しかしながら、増幅器１３０のインピーダンスを十分に高くできないような場合には、増幅器１３０のインピーダンスの影響により超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳの測定精度が低下する可能性がある。

そのため、当該変形例の超音波装置１００Ａにおいては、図１の超音波装置１００と比べて、受信用電極１２２に対して、増幅器１３０および受信回路１４０と容量測定回路１５０とを選択的に切換えて接続する受信切換部ＳＷ１０が追加された構成を採用する。なお、図７において、図１と重複する要素の説明については繰り返さない。

図７は、実施の形態１の超音波装置の変形例を示す図である。図７を参照して、受信切換部ＳＷ１０は、入力端子と、第１および第２の出力端子を有している。入力端子には受信用電極１２２が接続されており、第１の出力端子には増幅器１３０が接続されている。また、第２の出力端子には容量測定回路１５０が接続されている。

受信切換部ＳＷ１０は、受信用電極１２２で受けた反射波に基づいて、物体の存在または距離を検出する場合には、入力端子を第１の出力端子に接続する。一方、超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳを測定する場合には、受信切換部ＳＷ１０は、入力端子を第２の出力端子に接続する。これにより、超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳを測定する際には、増幅器１３０および受信回路１４０を、容量測定回路１５０から電気的に切り離すことができるので、増幅器１３０のインピーダンスの影響を排除することができる。その結果、超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳの測定精度をさらに高めることが可能となる。

なお、受信切換部ＳＷ１０は、受信用電極１２２に接続されているため、特開昭６１−２７０６８５号公報（特許文献１）における、容量測定の際の切換用のスイッチと比べて、その耐電圧を低くすることができる。そのため、部品コストを低減することができる。

（変形例２）
次に、図８および図９を用いて、超音波装置１００における容量測定回路の変形例について説明する。

図６で説明したように、容量測定回路１５０においては、交流信号生成回路１５１で生成された交流信号の電圧振幅Ｖ_ＡＣを基準として算出される。そのため、超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳの測定精度は、交流信号生成回路１５１で生成された交流信号の電圧振幅Ｖ_ＡＣの精度に依存する。一方で、交流信号の電圧振幅Ｖ_ＡＣは、交流信号生成回路１５１の温度特性や特性のばらつきによって変動し得るため、これらの変動により静電容量Ｃ_ＳＮＳの測定精度が影響される。

そのため、変形例２における容量測定回路１５０Ａにおいては、超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳの測定の際に、まず交流信号生成回路１５１で生成された交流信号の電圧振幅Ｖ_ＡＣを測定して校正し、その後に図６で説明した手法により静電容量Ｃ_ＳＮＳを測定する。このような校正を行なうことによって、交流信号の電圧振幅Ｖ_ＡＣの特性の変動の影響を排除できるため、超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳの測定精度をさらに高めることが可能となる。

図８は、変形例２に従う容量測定回路１５０Ａのブロック図である。図８においては、実施の形態１の図５で示した容量測定回路１５０の構成に加えて、切換部（スイッチング素子）ＳＷ１１〜ＳＷ１３で形成される切換装置と、交流振幅記憶部１５４とがさらに追加された構成となっている。なお、図８において、図５と重複する要素についての説明は繰り返さない。

図８を参照して、第１切換部であるスイッチング素子ＳＷ１１は、基準容量Ｃ_ＲＥＦと交流信号生成回路１５１との間に接続され、基準容量Ｃ_ＲＥＦと交流信号生成回路１５１との間の導通と非導通とを切換える。第２切換部であるスイッチング素子ＳＷ１２は、受信用電極１２２（ＲＸ）と交流振幅測定回路１５２との間に接続され、受信用電極１２２（ＲＸ）と交流振幅測定回路１５２との間の導通と非導通とを切換える。

第３切換部であるスイッチング素子ＳＷ１３の一方端は、スイッチング素子ＳＷ１１と交流信号生成回路１５１との間の接続ノード（第１ノード）に接続される。スイッチング素子ＳＷ１３の他方端は、スイッチング素子ＳＷ１２と交流振幅測定回路１５２との間の接続ノード（第２ノード）に接続される。スイッチング素子ＳＷ１３は、第１ノードと第２ノードとの間の導通と非導通とを切換える。スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１３は、たとえば、送信回路１１０の制御回路１１４によって制御される。

超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳの測定の際には、まずスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２が非導通状態に切換えられるとともに、スイッチング素子ＳＷ１３が導通状態に切換えられる（第１状態）。この第１状態において、交流振幅測定回路１５２により電圧振幅を測定することによって、交流信号生成回路１５１から出力される交流信号の基準振幅電圧Ｖ_ＡＣが測定される。すなわち、交流振幅測定回路１５２は、基準容量Ｃ_ＲＥＦを介さずに交流信号生成回路１５１からの交流信号の電圧振幅を測定する。交流振幅測定回路１５２は測定された電圧振幅Ｖ_ＡＣの検出値を、交流振幅記憶部１５４に記憶する。

その後、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２が導通状態に切換えられるとともに、スイッチング素子ＳＷ１３が非導通状態に切換えられる（第２状態）。これにより、交流振幅測定回路１５２は、基準容量Ｃ_ＲＥＦを介した交流信号生成回路１５１からの交流信号の電圧振幅を測定する。この状態は、図５で示された回路と同様であるので、交流振幅測定回路１５２は、基準容量Ｃ_ＲＥＦと超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳによって定まる電圧振幅Ｖ_ＭＥＡＳを測定する。

容量算出回路１５３は、交流振幅記憶部１５４に記憶されている第１状態で測定した基準振幅電圧Ｖ_ＡＣ、第２状態で測定された電圧振幅Ｖ_ＭＥＡＳ、および基準容量Ｃ_ＲＥＦに基づいて、上述の式（２）から超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳを算出する。

図９は、図８で説明した超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳの算出処理の詳細を説明するためのフローチャートである。なお、本変形例２においては、図９のフローチャートが制御回路１１４において実行され、制御回路１１４からの制御信号に従って各回路が動作する場合を例として説明するが、各回路が自律的に動作するものであってもよいし、図示しない他の制御装置によって実行されるものであってもよい。

図９を参照して、制御回路１１４は、超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳを測定するタイミングになると、ステップ（以下、ステップをＳと略す。）１００にて、容量測定回路１５０Ａにおけるスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２を非導通状態（ＯＦＦ）に切換えるとともに、スイッチング素子ＳＷ１３を導通状態（ＯＮ）に切換えて、第１状態とする。そして、制御回路１１４は、Ｓ１１０にて、この状態において、交流信号生成回路１５１から交流信号を出力させるとともに、交流振幅測定回路１５２によって、そのときの振幅電圧を測定する。そして、制御回路１１４は、測定された振幅電圧を基準振幅電圧Ｖ_ＡＣとして、交流振幅記憶部１５４に記憶する。

その後、制御回路１１４は、Ｓ１２０にて、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２を導通状態（ＯＮ）に切換えるとともに、スイッチング素子ＳＷ１３を非導通状態（ＯＦＦ）に切換えて、第２状態とする。そして、制御回路１１４は、Ｓ１３０にて、交流信号生成回路１５１から交流信号を出力させて、この第２状態における電圧振幅Ｖ_ＭＥＡＳを交流振幅測定回路１５２によって測定する。

制御回路１１４は、Ｓ１４０において、Ｓ１３０で測定された電圧振幅Ｖ_ＭＥＡＳと、Ｓ１１０で記憶された基準振幅電圧Ｖ_ＡＣと、基準容量Ｃ_ＲＥＦとに基づいて、容量算出回路１５３によって静電容量Ｃ_ＳＮＳを算出する。

以上のような処理に従って制御を行なうことによって、交流信号生成回路１５１で生成された交流信号の電圧振幅Ｖ_ＡＣの特性変動による影響を排除することができるので、超音波トランスデューサ１２０の静電容量Ｃ_ＳＮＳの測定精度をさらに高めることが可能となる。

なお、変形例２の構成は、変形例１の構成と組合わされてもよい。
［実施の形態２］
実施の形態１のように３端子型の超音波トランスデューサを用いた場合、送信回路１１０のインピーダンスの影響をある程度低減することができるが、送信回路１１０のインピーダンスが変動すると、静電容量測定値も変動し得る。

そこで、実施の形態２においては、受信側の容量測定回路１５０において超音波トランスデューサの静電容量を測定する際に、送信用電極１２１を接地することによって、送信回路１１０のインピーダンスを固定し、静電容量測定の安定化を図る構成について説明する。

図１０は、実施の形態２に従う超音波装置１００＃の全体ブロック図である。図１０においては、実施の形態１の図１における送信回路１１０が送信回路１１０＃に置き換わったものとなっている。送信回路１１０＃では、図１における送信回路１１０の構成に加えて、送信用電極１２１と接地電位ＧＮＤとの間の導通と非導通とを切換可能な接地切換部（スイッチング素子）ＳＷ７が設けられている。スイッチング素子ＳＷ７は、容量測定回路１５０において超音波トランスデューサの静電容量の測定が行なわれる際に導通状態とされて、送信用電極１２１を接地電位ＧＮＤに接続する。

図１１は、実施の形態１の図３に対応する図であり、信号生成回路１１６がハーフブリッジ回路として形成される場合の送信回路１１０＃を示す。送信回路１１０＃においては、スイッチング素子ＳＷ７の一方端が、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２との間の接続ノード（すなわち、送信用電極１２１）に電気的に接続され、他方端が接地電位ＧＮＤに接続されている。スイッチング素子ＳＷ７は制御回路１１４によって駆動され、容量測定回路１５０において超音波トランスデューサの静電容量の測定が行なわれる際に導通状態とされる。

これによって、ＴＸ−ＣＯＭ間のインピーダンスが短絡されて固定されるため、送信回路のインピーダンスの変動による容量測定値への影響を排除することが可能となる。

なお、図には示していないが、信号生成回路１１６がフルブリッジ回路で形成される場合には、スイッチング素子ＳＷ７を設けなくとも、図１１と同様に送信側の回路のインピーダンスの影響を排除することが可能である。より具体的には、図４において、スイッチング素子ＳＷ４を導通状態とすることによって、ＴＸ−ＣＯＭ間を短絡することができるので、新たにスイッチング素子ＳＷ７を設ける必要はない。

以上のように、３端子型の超音波トランスデューサを用い、その受信用電極に検出回路を接続して超音波トランスデューサの静電容量を測定するとともに、静電容量の測定の際に送信用電極を接地することによって、送信回路のインピーダンスの影響を排除することができる。これにより、静電容量の測定精度をさらに向上させることができる。その結果、超音波トランスデューサの温度補償を適切に行なうことができる。

なお、実施の形態２は、実施の形態１の変形例についても適用することが可能である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００，１００Ａ，１００＃ 超音波装置、１１０，１１０Ａ，１１０＃ 送信回路、１１２ メモリ、１１４ 制御回路、１１６，１１６Ａ 信号生成回路、１２０ 超音波トランスデューサ、１２１ 送信用電極、１２２ 受信用電極、１２３ 共通電極、１２４ 圧電体、１２４Ａ 送信用領域、１２４Ｂ 受信用領域、１３０ 増幅器、１４０ 受信回路、１５０，１５０Ａ 容量測定回路、１５１ 交流信号生成回路、１５２ 交流振幅測定回路、１５３ 容量算出回路、１５４ 交流振幅記憶部、１６０ 温度推定回路、ＣＯＭ，ＲＸ，ＴＸ 端子、Ｃ_ＲＥＦ 基準容量、ＳＷ１〜ＳＷ７，ＳＷ１１〜ＳＷ１３ スイッチング素子、ＳＷ１０ 受信切換部、Ｖ_ｔｘ，Ｖ_ｔｘ＋，Ｖ_ｔｘ− 電源、Ｚｓ インピーダンス。

Claims (6)

1. 共通電極、送信用電極、および前記送信用電極とは独立した受信用電極を有する３端子型の超音波トランスデューサと、
   前記送信用電極に駆動信号を出力して前記超音波トランスデューサから超音波を発信させるように構成された送信回路と、
   前記受信用電極からの受信信号を受信するように構成された受信回路と、
   前記受信用電極に電気的に接続され、前記超音波トランスデューサの静電容量を測定する容量測定回路とを備え、
   前記容量測定回路は、
   前記超音波トランスデューサの共振周波数とは異なる周波数を有する基準振幅の交流信号を生成するように構成された交流信号生成回路と、
   前記交流信号生成回路と前記受信用電極との間に接続された基準容量と、
   前記基準容量と前記受信用電極との間の振幅を測定するように構成された振幅測定回路と、
   前記振幅測定回路で測定された振幅と前記基準振幅とに基づいて、前記超音波トランスデューサの静電容量を算出するように構成された容量算出回路とを含む、超音波装置。
2. 前記受信用電極を、前記受信回路および前記容量測定回路のいずれか一方と接続するように構成された受信切換部をさらに備える、請求項１に記載の超音波装置。
3. 前記容量測定回路による静電容量を測定時に、前記送信用電極を接地するように構成された接地切換部をさらに備える、請求項１または２に記載の超音波装置。
4. 前記容量測定回路は、
   前記交流信号生成回路と前記振幅測定回路とを前記基準容量を介さずに接続する第１状態と、前記交流信号生成回路と前記振幅測定回路とを前記基準容量を介して接続する第２状態とを切換えるように構成された切換装置をさらに含み、
   前記容量算出回路は、前記第１状態において前記振幅測定回路によって測定された振幅と、前記第２状態において前記振幅測定回路によって測定された振幅とに基づいて、前記超音波トランスデューサの静電容量を測定するように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波装置。
5. 前記切換装置は、
   前記交流信号生成回路と前記基準容量との間の導通と非導通とを切換えるように構成された第１切換部と、
   前記受信用電極と前記振幅測定回路との間の導通と非導通をと切換えるように構成された第２切換部と、
   一方端が前記交流信号生成回路と前記第１切換部との間の第１ノードに接続されるとともに、他方端が前記振幅測定回路と前記第２切換部との間の第２ノードに接続され、前記第１ノードと前記第２ノードとの間の導通と非導通とを切換えるように構成された第３切換部とを含み、
   前記第１状態においては、前記第１切換部および前記第２切換部が非導通状態とされるとともに、前記第３切換部が導通状態とされ、
   前記第２状態においては、前記第１切換部および前記第２切換部が導通状態とされるとともに、前記第３切換部が非導通状態とされる、請求項４に記載の超音波装置。
6. 算出された前記超音波トランスデューサの静電容量と、予め定められた静電容量および温度の相関とから、前記超音波トランスデューサの温度を推定するように構成された温度推定回路をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波装置。

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