CN104272135A - 超声波传感器驱动电路 - Google Patents

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Abstract

超声波传感器(1)作为发送侧电路而具备信号产生电路(11)、放大器(12)与匹配电路(13)。信号产生电路(11)具有：驱动信号产生电路(111)，其产生从兼用作收发的超声波振子(10)发送超声波的驱动信号；以及残响抑制信号产生电路(112)，其产生残响抑制信号，该残响抑制信号抑制在发送超声波后的超声波振子(10)中产生的残响。残响抑制信号产生电路(111)产生频率为驱动信号的1/2倍的残响抑制信号，以比驱动信号延迟半个波长的方式施加于超声波振子(10)。由此，提供能够缩短产生于超声波振子的残响的持续时间的超声波传感器驱动电路。

Description

超声波传感器驱动电路
技术领域
本发明涉及一种超声波传感器驱动电路，该超声波传感器驱动电路驱动利用一个振子进行超声波的收发的超声波传感器。
背景技术
在使用超声波振子通过超声波的收发来进行物体检测或者距离测定的超声波传感器中，存在为了小型化而将一个超声波元件兼用作发送用的超声波元件与接收用的超声波元件的超声波传感器。超声波传感器将超声波振子的共振频率设为所发送、接收的超声波的频率，对超声波振子施加该共振频率(包括近似)的电脉冲信号。在这种情况下，产生在不施加电脉冲信号之后，被称作残响的超声波振动依然机械性地短时间持续的现象。在将一个超声波振子兼用作收发信号的情况下，存在无法利用该残响通过接收进行检测的情况。
因此，专利文献1公开了以缩短残响的持续期间作为目的的超声波传感器。专利文献1所记载的超声波传感器构成为以如下方式进行驱动：在向超声波振子间歇供给的驱动信号刚刚停止之后，仅在驱动信号的半周期的期间内向超声波振子供给与驱动信号相反相位的残响抑制信号。由此，在刚刚驱动超声波振子之后，仅在驱动信号的半周期的期间内抵消振动，其结果，缩短了残响的持续时间。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平8-146121号公报
然而，在超声波传感器的电路内，还包含超声波振子以外的其他电感成分、例如升压变压器的电感成分等。在专利文献1所记载的超声波传感器中，由于没有考虑所述其他电感成分等，因此存在残响抑制信号受到所述其他电感成分等的影响，无法充分消除超声波振子的振动的情况。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种超声波传感器驱动电路，该超声波传感器驱动电路与以往相比能够缩短产生于超声波振子的残响的持续时间。
用于解决课题的手段
本发明提供一种超声波传感器驱动电路，具备：信号产生电路，其产生从兼用作收发的超声波振子发送超声波的驱动信号；以及匹配电路，其具有升压变压器，进行所述信号产生电路与所述超声波振子的阻抗匹配，经由所述匹配电路向所述超声波振子施加所述信号产生电路产生的驱动信号，所述超声波传感器驱动电路的特征在于，所述信号产生电路具有残响抑制信号产生电路，该残响抑制信号产生电路产生对在发送超声波后的所述超声波振子中产生的残响进行抑制的残响抑制信号，所述残响抑制信号产生电路产生频率与所述驱动信号不同的残响抑制信号，在停止施加所述驱动信号后向所述超声波振子施加所述残响抑制信号。
在该结构中，在停止施加驱动信号后的残响产生期间内，将频率与驱动信号不同的残响抑制信号施加于超声波振子。由此，虽然刚刚施加残响抑制信号后的残响暂时增大，但由于使复杂地重叠的残响的信号成分以抵消的方式发生相位变化，因此之后迅速衰减，与以往相比，能够缩短残响的持续时间。
本发明的超声波传感器驱动电路在上述基础上也可以构成为，所述残响抑制信号产生电路产生频率为所述驱动信号的频率的1/1.33～1/4倍的残响抑制信号。
在该结构中，能够缩短残响的持续时间。
本发明的超声波传感器驱动电路在上述基础上也可以构成为，所述残响抑制信号产生电路产生频率为所述驱动信号的频率的1/1.78～1/2.3倍的残响抑制信号。
在该结构中，能够进一步缩短残响的持续时间。
本发明的超声波传感器驱动电路在上述基础上也可以构成为，所述残响抑制信号产生电路产生频率为所述驱动信号的频率的1/2倍的残响抑制信号。
在该结构中，能够尽可能缩短残响的持续时间。
本发明的超声波传感器驱动电路在上述基础上也可以构成为，所述残响抑制信号产生电路以从所述驱动信号延迟所述驱动信号的半个波长的方式施加残响抑制信号。
在该结构中，能够进一步缩短残响的持续时间。
本发明的超声波传感器驱动电路在上述基础上也可以构成为，所述残响抑制信号产生电路产生振幅比所述驱动信号大的残响抑制信号。
在该结构中，能够进一步缩短残响的持续时间。
发明效果
根据本发明，在停止施加驱动信号后的残响产生期间内，向超声波振子施加频率与驱动信号不同的残响抑制信号。由此，虽然刚刚施加残响抑制信号后的残响暂时增大，但由于使复杂地重叠的残响的信号成分以抵消的方式发生相位变化，因此之后迅速衰减，与以往相比，能够缩短残响的持续时间。
附图说明
图1是实施方式的超声波传感器的电路框图。
图2是示出驱动信号产生电路所产生的驱动信号的波形的图。
图3是示出利用残响抑制信号产生电路产生的残响抑制信号的波形的图。
图4是示出利用合成电路加合后的高频信号的波形的图。
图5A是示出从利用包括残响抑制信号的高频信号驱动的超声波振子发出的超声波波形的图。
图5B是示出从利用不包括残响抑制信号的高频信号驱动的超声波振子发出的超声波波形的图。
图6是示出相对于驱动信号以及残响抑制信号的频率的、残响时间的图。
图7是示出相对于驱动信号以及残响抑制信号的频率的、残响时间的图。
图8是示出驱动信号与残响抑制信号由合成电路加合后的高频信号的波形的图。
图9是示出实施方式2的利用包括残响抑制信号的高频信号驱动的超声波振子所产生的振动波形的图。
具体实施方式
本发明的超声波传感器驱动电路使用于将一个超声波振子兼用于收发的超声波传感器。该超声波传感器例如使用于车的倒车警报器等，发送超声波，接收输出的该超声波的反射波，进行物体检测或者距离检测等。
(实施方式1)
图1是本实施方式的超声波传感器的电路框图。超声波传感器1具备收发超声波的超声波振子10。另外，超声波传感器1具备从超声波振子10发送超声波的发送侧电路、以及对超声波振子10接收到的超声波进行信号处理的接收侧电路。
发送侧电路是本发明的超声波传感器驱动电路，包括信号产生电路11、放大器12以及匹配电路13。信号产生电路11具备驱动信号产生电路111、残响抑制信号产生电路112以及合成电路113。
驱动信号产生电路111产生与应当从超声波振子10发送的超声波相同频率的矩形脉冲的驱动信号。图2是示出驱动信号产生电路111所产生的驱动信号的波形的图。如图2所示，驱动信号产生电路111产生10个脉冲的频率约40[kHz]、信号级(振幅)约4.5[V]的脉冲信号，并向合成电路113输出。
残响抑制信号产生电路112产生残响抑制信号，该残响抑制信号抑制产生于超声波振子10的残响。图3是示出在残响抑制信号产生电路112产生的残响抑制信号的波形的图。在图3中，以虚线示出图2所示的驱动信号的波形。如图3所示，残响抑制信号产生电路112产生频率以及相位与在驱动信号产生电路111产生的驱动信号不同的残响抑制信号。具体而言，作为残响抑制信号，残响抑制信号产生电路112产生1个脉冲的频率约20[kHz]、信号级(振幅)约4.5[V]的脉冲信号。残响抑制信号产生电路112在驱动信号产生电路111停止向合成电路113输出驱动信号之后，延迟驱动信号的半个周期，向合成电路113输出所产生的残响抑制信号。
合成电路113具有加法器，该加法器将利用驱动信号产生电路111产生的驱动信号与利用残响抑制信号产生电路112产生的残响抑制信号加合。图4是示出利用合成电路113加合后的高频信号的波形的图。具有图4所示的波形的高频信号向信号产生电路11的后级的放大器12输出。
放大器12放大从信号产生电路11输出的高频信号的信号级(振幅)。放大器12向后级的匹配电路13输出使信号级放大后的高频信号。匹配电路13具有包括初级绕组以及次级绕组的升压变压器，进行信号产生电路11(更具体而言是放大器12)与超声波振子10的阻抗匹配。
接收侧电路包括放大器21、带通滤波器22以及放大器23。接收侧电路在放大器21中使超声波振子10接收到的超声波信号的信号级放大，在带通滤波器22中选择性地使接收到的超声波信号所包含的规定频带的信号通过，去除不必要的频率成分。并且，利用放大器23放大过滤后的信号的信号级，并向后级的电路输出。后级的电路是根据接收到的超声波信号进行物体或者距离检测的电路等。该接收侧电路也可以包含于本发明的超声波传感器驱动电路中。
超声波振子10通过被从信号产生电路11施加包含驱动信号的高频信号，从而发送与利用驱动信号产生电路111产生的驱动信号相应的超声波。另外，超声波振子10接收所输出的超声波的反射波。该超声波振子10具有电极以及压电体，能够将电信号转换为机械振动，或将机械振动转换为电信号，由此能够收发超声波。因此，当施加了驱动信号的超声波振子10驱动时，产生在高频信号的施加停止后振动机械性地短时间持续的残响，在该残响的影响下，有时无法根据接收到的超声波进行物体或者距离检测等。
但是，在本实施方式中，高频信号包含残响抑制信号。该残响抑制信号的频率与驱动信号不同，在停止施加驱动信号后施加于超声波振子10。即，在停止施加驱动信号后的产生残响的期间内，残响抑制信号施加于超声波振子10。换言之，通过该残响抑制信号，以在产生残响的期间内抑制残响的方式驱动超声波振子10。
图5A是示出在利用包含残响抑制信号的高频信号驱动的超声波振子10中产生的振动波形的图，图5B是示出在利用不包含残响抑制信号的高频信号驱动的超声波振子10中产生的振动波形的图。如图2所示，超声波振子10被施加驱动信号直至约250[μsec]。因此，在图5A以及图5B中，约250[μsec]之后所示的波形是残响波形。
如图5A以及图5B所示，对比残响波形的信号级达到约±400[mV]所需的时间，图5A的达到约±400[mV]所需的时间t1比图5B的情况的时间t2短约70[μsec]。由此可知，通过在停止向超声波振子10施加驱动信号后在残响期间施加残响抑制信号，残响的产生时间比以往短。
以下，说明残响的产生时间缩短的理由。
如上所述，超声波振子10具有电极以及压电体。一般，由电感以及电容器构成的串联共振电路与该压电体连接。另外，电容器与压电体并联地连接，该电容器与匹配电路13所具有的升压变压器的次级绕组等构成并联共振电路。并且，在串联共振电路与并列共振电路之间，通过能量交替移动而产生残响。假设在电路没有电阻、且不存在超声波振子10的机械振动泄漏的情况下，所述能量被保存，残响持续，但因存在电阻等，残响随着时间的经过而变小消失。
另外，在匹配电路13的升压变压器的初级侧，因残响的影响而引起能量，该能量也再次对次级侧造成影响。因此，残响期间的振动的相位与发送时的振动并非同相，是复杂的。
在本实施方式中，以与驱动信号不同的频率，以从驱动信号延迟半个波长的方式将残响抑制信号施加于超声波振子10，由此，虽然刚刚施加残响抑制信号后的振幅增大，但之后的振幅迅速衰减。这是因为，通过施加残响抑制信号，复杂地重叠的40kHz成分的信号以抵消的方式发生相位变化。
图6以及图7是示出相对于驱动信号以及残响抑制信号的频率的、残响时间的图。在图6以及图7中，将驱动信号的频率设为fd，将残响抑制信号的频率设为fs，横轴表示频率比fd/fs，纵轴表示残响持续时间[μsec]。需要说明的是，在图6以及图7中，以从驱动信号的施加开始时间到残响波形的信号级降至±400mV以下的时间作为残响持续时间。
在图6中，示出将驱动信号的频率fd设为40[kHz]，且将残响抑制信号的频率fs设为8、9.1、10、15、17.5、19.2、20、22.5、25、30、35、37[kHz]的情况下的残响持续时间的推移。
图6示出如下情况：通过在10[kHz]～30[kHz]的范围内设定残响抑制信号的频率fs，换言之，通过将残响抑制信号的频率fs设为驱动信号的频率fd的1/1.33～1/4的范围，从而缩短残响持续时间的情况。另外，图6示出如下情况：更优选的是，通过在17.5[kHz]～22.5[kHz]的范围内设定残响抑制信号的频率fs，换言之，通过将残响抑制信号的频率fs设定为驱动信号的频率fd的1/1.78～1/2.3的范围，从而进一步缩短残响持续时间的情况。另外，图6示出下述情况：通过将残响抑制信号的频率fs设定为20[kHz]，换言之，通过将残响抑制信号的频率fs设定为驱动信号的频率fd的1/2，残响持续时间最短的情况。
在图7中，示出将驱动信号的频率fd设为48[kHz]，且将残响抑制信号的频率fs设为9.6、12、16、24、28[kHz]的情况下的残响持续时间的推移。在这种情况下，当fd/fs在约2.0附近时，残响持续时间最短。
根据以上情况，在残响抑制信号的频率为驱动信号的频率的约1/2时，能够有效地抑制残响。
(实施方式2)
本实施方式的超声波传感器的电路框图与图1所示的电路组件相同。在本实施方式中，残响抑制信号产生电路112产生与驱动信号相比具有约2倍的信号级的残响抑制信号。图8是示出利用合成电路113将驱动信号与残响抑制信号加合后的高频信号的波形的图。如图8所示，驱动信号产生电路111产生10个脉冲的频率约40[kHz]、信号级(振幅)约4.5[V]的脉冲信号。作为残响抑制信号，残响抑制信号产生电路112产生1个脉冲的频率约20[kHz]、信号级(振幅)约9.0[V]的脉冲信号。在本实施方式中，与实施方式1相同，残响抑制信号在从停止施加驱动信号起约驱动信号的半个波长后施加于超声波振子10。
图9是示出在实施方式2的利用包含残响抑制信号的高频信号驱动的超声波振子10中产生的振动波形的图。本实施方式中的残响波形的信号级达到约±400[mV]所需的时间t3比图5B所示的时间t2短约100[μsec]。根据该情况可知，通过在停止向超声波振子10施加驱动信号后在残响期间施加残响抑制信号，从而残响的产生时间比以往短。
需要说明的是，超声波传感器驱动电路的具体结构等能够适当地进行设计变更，上述的实施方式所记载的作用以及效果仅列举了本发明所产生的最佳作用以及效果，本发明所带来的作用以及效果不限定于上述实施方式的记载。
例如，在上述的实施方式中，残响抑制信号产生电路112产生1个脉冲的残响抑制信号，但也可以产生1个脉冲以上的残响抑制信号。另外，残响抑制信号产生电路112产生从停止施加驱动信号经过半个波长后施加于超声波振子10的残响抑制信号，但也可以产生从停止施加驱动信号经过λ/4或者3λ/4后施加于超声波振子10的残响抑制信号。λ是驱动信号的波长。
附图标记说明
1：超声波传感器
10：超声波振子
11：信号产生电路
12：放大器
13：匹配电路
111：驱动信号产生电路
112：残响抑制信号产生电路
113：合成电路

Claims (6)

1.一种超声波传感器驱动电路，具备：
信号产生电路，其产生从兼用作收发的超声波振子发送超声波的驱动信号；以及
匹配电路，其具有升压变压器，进行所述信号产生电路与所述超声波振子的阻抗匹配，
经由所述匹配电路向所述超声波振子施加所述信号产生电路产生的驱动信号，
所述超声波传感器驱动电路的特征在于，
所述信号产生电路具有残响抑制信号产生电路，该残响抑制信号产生电路产生对在发送超声波后的所述超声波振子中产生的残响进行抑制的残响抑制信号，
所述残响抑制信号产生电路产生频率与所述驱动信号不同的残响抑制信号，在停止施加所述驱动信号后向所述超声波振子施加所述残响抑制信号。
2.根据权利要求1所述的超声波传感器驱动电路，其中，
所述残响抑制信号产生电路产生频率为所述驱动信号的频率的1/1.33～1/4倍的残响抑制信号。
3.根据权利要求1所述的超声波传感器驱动电路，其中，
所述残响抑制信号产生电路产生频率为所述驱动信号的频率的1/1.7～1/2.3倍的残响抑制信号。
4.根据权利要求1所述的超声波传感器驱动电路，其中，
所述残响抑制信号产生电路产生频率为所述驱动信号的频率的1/2倍的残响抑制信号。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的超声波传感器驱动电路，其中，
所述残响抑制信号产生电路以从所述驱动信号延迟所述驱动信号的半个波长的方式施加残响抑制信号。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的超声波传感器驱动电路，其中，
所述残响抑制信号产生电路产生振幅比所述驱动信号大的残响抑制信号。
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