CN110214453B - 超声波装置 - Google Patents

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Abstract

超声波装置(100)具有超声波换能器(120)、发送电路(110)、接收电路(140)、Q值测定电路(210)以及频率测定电路(250)。超声波换能器是具有发送用电极(121)、接收用电极(122)及共用电极(123)的三端子型的超声波换能器。发送电路向发送用电极输出驱动信号并从超声波换能器发送超声波。接收电路接收来自接收用电极的接收信号。频率测定电路根据接收信号的混响信号来测定超声波换能器的谐振频率。Q值测定电路根据接收信号的混响信号来测定超声波换能器的Q值。

Description

超声波装置
技术领域
本发明涉及超声波装置，更具体而言，涉及用于测定独立设置有发送用端子和接收用端子的三端子型的超声波换能器的Q值及谐振频率的技术。
背景技术
如下的超声波装置被用于实用，该超声波装置通过从超声波换能器发送超声波并利用超声波换能器接收由被检测物反射后的反射波，从而测定与被检测物之间的距离等。
当在超声波换能器的振动面上附着泥等异物或附着的水滴冻结时，可能成为无法适当地进行基于超声波振子的送波、受波的状态。其结果是，可能无法准确地检测处于超声波振子的前方的被检测物的存在。
日本特许第2998232号公报(专利文献1)公开了一种能够探测泥等异物的附着的超声波传感器。该超声波传感器检测超声波振子的谐振频率，对该谐振频率进行监视并与固有频率进行比较，由此探测超声波振子的动作异常。
另外，日本特开2015-10888号公报(专利文献2)公开了如下的结构：根据通过发送超声波脉冲而在超声波振子中产生的混响振动，来测定超声波振子的谐振频率及Q值，使用测定出的谐振频率及Q值来预测输出振幅，由此，提高处于近距离的物体的探测性能。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第2998232号公报
专利文献2：日本特开2015-10888号公报
发明内容
发明要解决的课题
专利文献1及专利文献2中使用的超声波换能器(超声波传感器)均是使用了用于发送超声波的发送用振子(发送用电极)和用于接收反射波的接收用振子(接收用电极)成为共用的所谓的二端子型的超声波振子的结构。在这样的二端子型的超声波换能器中，在测定谐振频率及Q值的情况下，由于与送受波用振子连接的发送电路及接收电路的阻抗的影响，可能产生无法准确地测定谐振频率及Q值的情况。
尤其是在专利文献2的结构中，在发送电路(驱动电路)耦合有发送信号的升压用的变压器，因此，该变压器的电感会对超声波换能器的谐振频率及Q值造成影响。
本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于，提供一种通过高精度地测定超声波换能器的谐振频率及Q值从而提高了超声波换能器的异常检测精度的超声波装置。
用于解决课题的手段
本发明的超声波装置具备超声波换能器、发送电路、接收电路、频率测定电路以及Q值测定电路。超声波换能器是具有发送用电极、接收用电极及共用电极的三端子型的超声波换能器。发送电路向发送用电极输出驱动信号并从超声波换能器发送超声波。接收电路接收来自接收用电极的接收信号。频率测定电路根据接收信号的混响信号来测定超声波换能器的谐振频率。Q值测定电路根据接收信号的混响信号来测定超声波换能器的Q值。
优选的是，超声波装置还具备判定部，该判定部构成为基于由Q值测定电路测定出的Q值和由频率测定电路测定出的谐振频率，来判定超声波换能器的异常。
优选的是，超声波装置还具备切换部，该切换部构成为在利用Q值测定电路测定Q值时、以及在利用频率测定电路测定谐振频率时，将发送用电极接地。
优选的是，Q值测定电路包括包络线检测电路、衰减时间测定电路以及Q值算出电路。包络线检测电路对混响信号的振幅的包络线进行检测。衰减时间测定电路测定在包络线中振幅从第一振幅衰减到第二振幅为止的衰减时间。Q值算出电路基于第一振幅及第二振幅、衰减时间及超声波换能器的谐振频率，算出超声波换能器的Q值。
优选的是，超声波装置还具备时钟信号生成电路，该时钟信号生成电路构成为生成在Q值测定电路及频率测定电路中共同使用的时钟信号。
发明效果
根据本发明，在超声波换能器的谐振频率及Q值的测定中，能够降低发送电路的阻抗的影响，因此，能够高精度地测定谐振频率及Q值。由此，能够提高超声波换能器的异常检测精度。
附图说明
图1是示出实施方式1的超声波装置的整体结构的框图。
图2是示出图1中的发送电路的第一例的图。
图3是示出图1中的发送电路的第二例的图。
图4是示出水滴的附着与Q值及谐振频率的变化之间的关系的图表。
图5是示出泥的附着与Q值及谐振频率的变化之间的关系的图表。
图6是示出图1的检测电路的详细结构的图。
图7是用于说明根据接收信号的混响信号来测定Q值及谐振频率的方法的详细情况的图。
图8是用于进一步详细说明图6的检测电路的图。
图9是示出检测电路的变形例的图。
图10是示出超声波装置的其他变形例的图。
图11是示出本实施方式2的超声波装置的整体结构的框图。
图12是示出图11中的发送电路的一例的图。
图13是比较了将发送用电极接地的情况与未将发送用电极接地的情况下的Q值的测定误差而得到的图表。
图14是比较了将发送用电极接地的情况与未将发送用电极接地的情况下的谐振频率的测定误差而得到的图表。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式详细进行说明。需要说明的是，针对图中的相同或相当部分，标注相同的标记并不再重复其说明。
[实施方式1]
图1是示出本实施方式1的超声波装置100的整体结构的框图。参照图1，超声波装置100具备发送电路110、超声波换能器120、放大器130、接收电路140、异常判定电路150以及检测电路200。
发送电路110是用于通过驱动超声波换能器120而从超声波换能器120发送超声波的电路。发送电路110包括存储器112、控制电路114以及信号生成电路116。控制电路114读出存放于存储器112的数据，将适于超声波换能器120的驱动的控制信号DRV向信号生成电路116输出。信号生成电路116基于从控制电路114输出的控制信号DRV，从直流电压生成交流电压(超声波脉冲：发送信号)。信号生成电路116根据需要将生成的交流电压放大并向超声波换能器120供给。对于信号生成电路116的详细结构，后面进行叙述。
超声波换能器120是包括发送用电极121(端子TX)、接收用电极122(端子RX)、共用电极123(端子COM)以及压电体124的所谓的三端子型的超声波换能器。发送用电极121及共用电极123与发送电路110的信号生成电路116连接。接收用电极122经由放大器130而与接收电路140及检测电路200连接。
压电体124包括用于发送超声波的发送用区域124A和用于接收超声波的反射波的接收用区域124B。发送用电极121配置为将压电体124的发送用区域124A夹在中间而与共用电极123对置，且与发送用区域124A电连接。接收用电极122配置为夹着压电体124的接收用区域124B而与共用电极123对置，且与接收用区域124B电连接。共用电极123与发送用区域124A及接收用区域124B电连接。
发送用电极121接受来自信号生成电路116的发送信号。压电体124的发送用区域124A利用该发送信号使发送用电极121振动，由此从发送用电极121朝向空气中等而发送(送波)超声波。
接收用电极122接收(受波)由物体将从发送用电极121发送的超声波反射后的反射波并进行振动。压电体124的接收用区域124B将发送用电极121的振动转换成电信号，并将该电信号作为接收信号向放大器130输出。
放大器130例如是包括电阻和运算放大器(均未图示)而构成的反相放大电路，将来自发送用电极121的接收信号放大并向接收电路140及检测电路200输出。
接收电路140接受由放大器130放大后的接收信号。接收电路140对该接收信号的电压值进行检测，并将该检测值RCV向控制电路114输出。
检测电路200基于由放大器130放大后的接收信号，如后述那样测定超声波换能器120的谐振频率(FRQ)及Q值(QV)。将测定出的谐振频率及Q值向异常判定电路150输出。在本实施方式中，通过在发送用电极121与接收用电极122被分离的三端子型的超声波换能器120的接收用电极122设置检测电路200，从而在谐振频率及Q值的测定中，能够降低发送电路110的阻抗的影响。
需要说明的是，在使用了超声波换能器的最近的系统中，存在如上述那样的、预先具备接收信号的混响信号的包络线的检测功能及谐振频率的测定功能的系统。因此，通过在接收电路设置Q值测定电路，能够使原本具备的包络线的检测功能及谐振频率测定功能共用于Q值测定。因此，能够比较容易地实现Q值测定电路。
异常判定电路150基于由检测电路200测定出的谐振频率及Q值，判定在超声波换能器120是否附着有水滴或泥等的异常。异常判定电路150的判定结果向控制电路114输出。需要说明的是，在图1中，异常判定电路150记载为与控制电路114独立的电路，但也可以构成为异常判定电路150的功能包含在控制电路114中。
控制电路114基于来自接收电路140的检测值RCV，来掌握与物体的有无、物体的移动及到物体的距离相关的信息。另外，控制电路114在异常判定电路150中检测到异常的情况下，使用未图示的通知装置，向用户通知异常的发生。超声波装置100例如能够作为搭载于车等的超声波传感器来使用。
图2是用于说明图1的发送电路110的详细结构的图。参照图2，信号生成电路116构成为包括正电源Vtx+及负电源Vtx-、和开关元件(切换部)SW1、SW2。开关元件SW1、SW2串联连接在正电源Vtx+与负电源Vtx-之间，形成所谓的半桥电路。开关元件SW1与开关元件SW2之间的连接节点连接到超声波换能器120的发送用电极121(TX)。开关元件SW1、SW2由来自控制电路114的控制信号DRV控制，从直流的正电源Vtx+和负电源Vtx-生成用于驱动超声波换能器120的交流电压(发送信号)。具体而言，通过将开关元件SW1设为导通状态并将开关元件SW2设为非导通状态，能够向超声波换能器120输出正脉冲。反之，通过将开关元件SW1设为非导通状态并将开关元件SW2设为导通状态，能够向超声波换能器120输出负脉冲。
超声波换能器120的共用电极123(COM)在发送电路110中与接地电位GND连接。
图3是示出图1的发送电路的其他例的图。在图3的发送电路110A中，与图2的不同之处在于，信号生成电路116A形成了全桥电路。
参照图3，信号生成电路116A包括直流电源Vtx和开关元件(切换部)SW3～SW6。开关元件SW3、SW4串联连接在直流电源Vtx与接地电位GND之间。另外，开关元件SW5、SW6也串联连接在直流电源Vtx与接地电位GND之间。这样，开关元件SW3～SW6形成全桥电路。
在开关元件SW3与开关元件SW4之间的连接节点连接超声波换能器120的发送用电极121(TX)。在开关元件SW5与开关元件SW6之间的连接节点连接超声波换能器120的共用电极123(COM)。
开关元件SW3～SW6由来自控制电路114的控制信号DRV控制，从直流电源Vtx生成用于驱动超声波换能器120的交流电压(发送信号)。具体而言，通过将开关元件SW3、SW6设为导通状态并将开关元件SW4、SW5设为非导通状态，能够向超声波换能器120输出正脉冲。反之，通过将开关元件SW3、SW6设为非导通状态并将开关元件SW4、SW5设为导通状态，能够向超声波换能器120输出负脉冲。
接着，使用图4及图5，对根据超声波换能器120的谐振频率和Q值来判定在超声波换能器120有无附着水滴及泥的方法进行说明。
图4是示出在超声波换能器120的表面上附着了水滴的情况下的谐振频率及Q值的变化的图表。图4的(a)示出水滴的附着量(滴数)与谐振频率之间的关系，图4的(b)示出水滴的附着量(滴数)与Q值之间的关系。根据图4可知，水滴的滴数越多，谐振频率越下降，但关于Q值，即便水滴的滴数变化，也维持大致相同的值。
另一方面，图5是示出在超声波换能器120的表面上附着了泥的情况下的谐振频率及Q值的变化的图表。图5的(a)示出泥的附着量与谐振频率之间的关系，图5的(b)示出泥的附着量与Q值之间的关系。根据图5可知，在附着了泥的情况下，根据泥的附着程度(附着量及干燥状态)，谐振频率及Q值都发生变化。
这样，通过测定超声波换能器120的谐振频率和Q值的变化，能够检测在超声波换能器120的表面上附着水滴或泥的异常。因此，为了高精度地检测因向超声波换能器120附着水滴或泥而引起的异常，需要提高谐振频率及Q值的测定精度。
图6是示出图1中的检测电路200的详细结构的图。参照图6，检测电路200包括Q值测定电路210和谐振频率测定电路250。另外，Q值测定电路210包括包络线检波电路220、衰减时间测定电路230以及Q值算出电路240。
谐振频率测定电路250接受由放大器130放大后的接收信号。谐振频率测定电路250根据接收信号的混响信号来测定超声波换能器120的谐振频率。将测定出的谐振频率向Q值算出电路240及异常判定电路150输出。
包络线检波电路220算出接收信号的混响信号的包络线。衰减时间测定电路230测定在包络线检波电路220中得到的包络线中的任意两点的振幅电压间的衰减时间。Q值算出电路240使用在衰减时间测定电路230中使用的包络线的两点的振幅电压及其衰减时间以及由谐振频率测定电路250测定出的谐振频率来算出Q值，并向异常判定电路150输出。
使用图7，针对谐振频率测定电路250中的谐振频率的测定和Q值测定电路210中的Q值的测定的详细方法进一步进行说明。
参照图7，在发送用电极121发送了超声波的情况下，即便结束发送，超声波换能器120也会与超声波换能器120的固有振动数(谐振频率)继续振动一段时间。通常，将此时的振动称为“混响振动”，将此时在接收信号中出现的信号称为“混响信号”。混响信号如图7的实线的曲线LN1那样，成为在振幅与时间一起渐渐地减少的状态下振动的信号。
该混响信号中的相邻的峰值间的时间为混响振动的周期TRES，周期TRES的倒数对应于超声波换能器120的谐振频率fRES(＝1/TRFS)。因此，通过测定相邻的峰值间的时间间隔、或者振幅为零的过零的时间间隔，能够测定超声波换能器120的谐振频率。
另外，当将衰减信号的衰减比设为ζ时，Q值通常能够表示为Q＝1/2ζ。而且，如图7那样，在考虑了振幅an至振幅an+m为止的m个周期量的振幅的衰减的情况下，Q值能够如以下的式(1)那样表示。
[式1]
Figure GDA0002140410610000081
然而，在式(1)那样的计算方法中，另外需要求出混响信号的各峰值的振幅的电路。这里，利用混响信号的包络线(图7中的单点划线的曲线LN2)，在将包络线上的任意两点间的振幅设为aHIGH、aLOW，将该两点间的衰减时间设为tDMP时，式(1)能够如以下的式(2)那样进行改写。
[式2]
Figure GDA0002140410610000082
需要说明的是，在图7中，为了容易理解，将两个振幅aHIGH、aLOW设为峰值的振幅an、an+m，tDMP＝m·TRES的关系成立。然而，两个振幅不一定要为峰值的振幅，只要是包络线上的点，则可以为任意点。即，通过使用包络线，不检测峰值振幅就能够测定Q值。
图8是进一步详细示出用于执行图7所说明的运算的图6中的衰减时间测定电路230及谐振频率测定电路250的图。
参照图8，谐振频率测定电路250包括比较器251、计数器252以及频率算出电路253。
比较器251对放大后的接收信号与交流接地电位AC_GND进行比较，由此去除接收信号中的直流偏置，将接收信号转换成交流信号。计数器252对从比较器251输出的接收信号的过零的时间间隔进行计数。频率算出电路253基于来自计数器252的计数器值，算出从过零的时间起的混响信号的周期TRES，通过取其倒数来算出谐振频率fRES(＝FRQ)。
衰减时间测定电路230包括比较器231、232、异或(XOR)电路233以及计数器234。
比较器231对高振幅侧的阈值aHIGH与包络线的值进行比较，比较器232对低振幅侧的阈值aLOW与包络线的值进行比较。XOR电路233根据比较器231、232的输出，在包络线的振幅从aHIGH衰减到aLOW为止的期间，输出逻辑HIGH的信号。计数器234对XOR电路233的输出为逻辑HIGH的时间进行计数，由此，算出包络线的振幅从aHIGH衰减到aLOW为止的衰减时间tDMP。然后，Q值算出电路240基于振幅aHIGH、aLOW、衰减时间tDMP及周期TRES，根据上述的式(2)算出Q值。
需要说明的是，在图8中，在衰减时间测定电路230的计数器234及谐振频率测定电路250的计数器252还设置有用于输出共用的时钟信号fCLK的时钟信号生成电路260。在使用这样的共用的时钟信号fCLK的情况下，在将计数器234中的计数值设为NDMP、将计数器252中的计数值设为NRES时，成为tDMP＝NDMP/fCLK，TRES＝NRES/fCLK，因此，上述的式(2)能够如以下的式(3)那样进行改写。
[式3]
Figure GDA0002140410610000091
即，通过对计数器234、252使用共用的时钟信号fCLK，能够仅使用计数器的计数值来测定Q值。因此，能够去除时钟信号的频率精度的影响，能够进一步提高Q值的测定精度。
如上所述，将测定出的Q值及谐振频率向异常判定电路150输入，在异常判定电路150中，基于图4及图5所示的关系，进行由水滴及泥的附着引起的异常的判定。
如以上那样，使用三端子型的超声波换能器，在其接收用电极连接检测电路来测定超声波换能器的谐振频率及Q值，由此，能够降低发送电路的阻抗的影响，能够提高谐振频率及Q值的测定精度。由此，能够提高因向超声波换能器附着水滴、泥而引起的异常的检测精度。
(变形例1)
图9是示出实施方式1的超声波装置100的检测电路的变形例的图。在变形例1的检测电路200A中，成为对图8所示的检测电路200的谐振频率测定电路250进一步追加了分频电路254的结构。参考图9，谐振频率测定电路250A包括比较器251、分频电路254、计数器252以及频率算出电路253。在图9中，不再重复与图8重复的要素的说明。
参照图9，分频电路254对从比较器251输出的接收信号进行分频。计数器252基于由分频电路254分频的信号，算出混响信号的周期TRES。由于能够利用分频电路254，基于多个周期的时间来算出周期TRES(即，谐振频率fRES)，因此，能够进一步提高所测定的谐振频率的分辨率(精度)。
(变形例2)
图10是示出在实施方式1的超声波装置100中、对检测电路200的前段进一步追加了A/D转换电路160的变形例的图。在图10的变形例中，利用数字电路来执行检测电路200中的信号处理。
需要说明的是，变形例2的结构也可以与变形例1的结构组合。
[实施方式2]
在如实施方式1那样使用了三端子型的超声波换能器的情况下，能够在某种程度上降低发送电路110的阻抗的影响，但当发送电路110的阻抗变动时，静电电容测定值也可能变动。
对此，在实施方式2中，对如下结构进行说明：在利用接收侧的检测电路200来测定谐振频率及Q值时，通过将发送用电极121接地，来固定发送电路110的阻抗，实现静电电容测定的稳定化。
图11是实施方式2的超声波装置100#的整体框图。在图11中，实施方式1的图1中的发送电路110被置换成发送电路110#。在发送电路110#中，除了图1中的发送电路110的结构之外，还设置有能够切换发送用电极121与接地电位GND之间的导通与非导通的切换部(开关元件)SW7。开关元件SW7在检测电路200中进行谐振频率及Q值的测定时设为导通状态，将发送用电极121与接地电位GND连接。
图12是与实施方式1的图2对应的图，示出信号生成电路116形成为半桥电路的情况下的发送电路110#。在发送电路110#中，开关元件SW7的一端与开关元件SW1和开关元件SW2之间的连接节点(即，发送用电极121)电连接，另一端与接地电位GND连接。开关元件SW7由控制电路114驱动，在检测电路200中进行谐振频率及Q值的测定时设为导通状态。
由此，TX-COM间的阻抗短路而被完全去除，因此，能够排除发送电路的阻抗的影响。
需要说明的是，虽然未图示，但在信号生成电路116由全桥电路形成的情况下，即便不设置开关元件SW7，也能够与图12同样地排除发送侧的电路的阻抗的影响。更具体而言，在图3中，通过将开关元件SW4设为导通状态，能够使TX-COM间短路，因此，无需新设置开关元件SW7。
图13及图14是示出在Q值及谐振频率的测定时，对将发送用电极接地的情况(实施方式2)和未将发送用电极接地的情况(实施方式1)下的、Q值及谐振频率与设计值的误差进行了仿真的结果的图表。需要说明的是，Q值及谐振频率都分别针对元件温度为-40℃、+25℃、+85℃的情况进行了仿真。
如图13及图14所示可知，在任一温度的情况下，关于Q值及谐振频率，将发送用电极接地的情况下的测定误差都小于未将发送用电极接地的情况下的测定误差(接近于零)。
如以上那样，通过使用三端子型的超声波换能器，在其接收用电极连接检测电路来测定超声波换能器的谐振频率及Q值，并且，在谐振频率及Q值的测定时将发送用电极接地，从而能够排除发送电路的阻抗对谐振频率及Q值的影响。由此，能够进一步提高谐振频率及Q值的测定精度，因此，能够提高因向超声波换能器附着水滴、泥而引起的异常的检测精度。
需要说明的是，实施方式2针对实施方式1的变形例也能够适用。
此次公开的实施方式在所有方面是例示，应该认为不是限制性的内容。本发明的范围由权利要求书示出而非上述的说明，包括与权利要求书同等的含义及范围内的所有变更。
附图标记说明：
100、100#超声波装置；110、110A、110#发送电路；112存储器；114控制电路；116、116A信号生成电路；120超声波换能器；121发送用电极；122接收用电极；123共用电极；124压电体；124A发送用区域；124B接收用区域；130放大器；140接收电路；150异常判定电路；160A/D转换电路；200、200A检测电路；210Q值测定电路；220包络线检波电路；230衰减时间测定电路；231、232、251比较器；233XOR电路；234、252计数器；240Q值算出电路；250谐振频率测定电路；253频率算出电路；254分频电路；260时钟信号生成电路；COM、RX、TX端子；GND接地电位；SW1～SW7开关元件；Vtx、Vtx+、Vtx-电源。

Claims (6)

1.一种超声波装置，具备：
三端子型的超声波换能器，其具有共用电极、发送用电极以及与所述发送用电极独立的接收用电极；
发送电路，其构成为向所述发送用电极输出驱动信号并从所述超声波换能器发送超声波；
接收电路，其构成为接收来自所述接收用电极的接收信号；
频率测定电路，其构成为根据所述接收信号的混响信号来测定所述超声波换能器的谐振频率；以及
Q值测定电路，其构成为根据所述混响信号来测定所述超声波换能器的Q值。
2.根据权利要求1所述的超声波装置，其中，
所述超声波装置还具备判定部，该判定部构成为基于由所述Q值测定电路测定出的Q值和由所述频率测定电路测定出的谐振频率，来判定所述超声波换能器的异常。
3.根据权利要求1所述的超声波装置，其中，
所述超声波装置还具备切换部，该切换部构成为在利用所述Q值测定电路测定Q值时、以及在利用所述频率测定电路测定谐振频率时，将所述发送用电极接地。
4.根据权利要求2所述的超声波装置，其中，
所述超声波装置还具备切换部，该切换部构成为在利用所述Q值测定电路测定Q值时、以及在利用所述频率测定电路测定谐振频率时，将所述发送用电极接地。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的超声波装置，其中，
所述Q值测定电路包括：
包络线检测电路，其构成为对所述混响信号的振幅的包络线进行检测；
衰减时间测定电路，其构成为测定在所述包络线中振幅从第一振幅衰减到第二振幅为止的衰减时间；以及
Q值算出电路，其构成为基于所述第一振幅及第二振幅、所述衰减时间以及所述超声波换能器的谐振频率，算出所述超声波换能器的Q值。
6.根据权利要求5所述的超声波装置，其中，
所述超声波装置还具备时钟信号生成电路，该时钟信号生成电路构成为生成在所述Q值测定电路及所述频率测定电路中共同使用的时钟信号。
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