JP2006266740A

JP2006266740A - 超音波ソナー装置

Info

Publication number: JP2006266740A
Application number: JP2005082258A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Sato; 善久佐藤; Koji Kato; 耕治加藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】トランスや送波回路を大型化することなくＳＮの改善を図る。
【解決手段】超音波振動子に対して、トランスＴＡと接続する一方の接続端子から正相の交流電圧を印加し、トランスＴＢと接続する他方の接続端子から逆相の交流電圧を印加する。また、超音波振動子が反射波を受波した場合、超音波振動子の両接続端子に電圧が発生する特徴を活かし、当該超音波振動子の二つの接続端子の各々に発生した電圧の差分を増幅する。これにより、送波と受波の両面でＳＮの改善が図れる。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波ソナー装置に関するものである。

従来、例えば、特許文献１に開示されている超音波式水滴除去装置では、超音波振動子に印加される交流電圧は、トランスによって超音波振動子の励振に必要な電圧に昇圧される。
特許第２６２６７３９号公報

上述した超音波式水滴除去装置と同様に、トランスの昇圧作用を利用した超音波ソナー装置の送・受波回路を図６に示す。この超音波ソナー装置は、例えば、ＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛系磁器）等の圧電材料を採用した超音波振動子で構成されるマイクから超音波を送波し、その反射波をマイクにて受波して物体を検知する。この超音波ソナー装置においても、超音波振動子に印加される交流電圧は、トランスＴによって昇圧される。

このような超音波ソナー装置において、検知距離の長距離化を図る場合、ＳＮを改善することによって可能となる。そのためには、例えば、送波回路内のトランスＴの巻き数比を大きくしたり、トランスＴの１次側の交流電圧レベルを高くしたりする、といった信号（Ｓ）レベルを高くする方法が一般的である。この方法を適用することで、超音波振動子に印加される交流電圧レベルが高くなり、その結果、マイクから送波される超音波の音圧が高くなるため、検知距離の長距離化が図れる。

しかしながら、上述した方法を適用する場合、トランスＴの１次側の電流レベルを高くする必要があり、これに起因して、トランスＴのコアの磁気飽和が発生し易くなってしまう。この磁気飽和の発生を抑制するためには、トランスＴ及び送波回路を大型化しなければならないデメリットがある。また、受波回路では、マイクの受波した反射波の微小信号を大幅に増幅するため、ノイズ（Ｎ）の影響が回避できない問題がある。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたもので、トランスや送波回路を大型化することなくＳＮの改善を図ることができる超音波ソナー装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の超音波ソナー装置は、超音波振動子を駆動することで超音波を送波する超音波送波回路を備える超音波ソナー装置であって、超音波送波回路は、
超音波振動子の一方の接続端子から交流電圧を印加して、超音波振動子を駆動する第一の駆動回路と、
超音波振動子の他方の接続端子から交流電圧とは逆相の交流電圧を印加して、超音波振動子を駆動する第二の駆動回路と、を備えることを特徴とする。

図６に示したように、従来の超音波ソナー装置では、超音波振動子の一方の接続端子をグランド（ＧＮＤ）に接続して接地し、他方の接続端子をトランスＴの２次側に接続していた。これに対し、本発明では、上述したように、超音波振動子の一方の接続端子から交流電圧を印加するとともに、他方の接続端子からは、逆相の交流電圧を印加して超音波振動子を駆動させる。

これにより、超音波振動子に印加される電圧レベルは、従来に比べて高くなる（倍増される）ため、トランスや送波回路を大型化することなくＳＮの改善を図ることができる。その結果、超音波ソナー装置としての検知距離の長距離化が図れる。

請求項２に記載の超音波ソナー装置は、送波された超音波の反射波を超音波振動子によって受波する超音波受波回路を備える超音波ソナー装置であって、
超音波受波回路は、超音波振動子が反射波を受波した場合、当該超音波振動子の二つの接続端子の各々に発生した電圧の差分を増幅する差分増幅回路を備えることを特徴とする。

このように、超音波振動子の二つの接続端子に各々電圧が発生する場合、各々の電圧には同じノイズ成分が重畳される。そこで、本発明では、この各々の電圧の差分をとって増幅する。これにより、コモンモードノイズを効果的に除去することができるため、ＳＮの改善を図ることができる。

請求項３に記載の超音波ソナー装置は、超音波振動子を駆動することで超音波を送波する超音波送波回路と、超音波送波回路から送波された超音波の反射波を超音波振動子によって受波する超音波受波回路と、を備える超音波ソナー装置であって、
超音波送波回路は、
超音波振動子の一方の接続端子から交流電圧を印加して、超音波振動子を駆動する第一の駆動回路と、
超音波振動子の他方の接続端子から交流電圧とは逆相の交流電圧を印加して、超音波振動子を駆動する第二の駆動回路と、を備え、
超音波受波回路は、超音波振動子が反射波を受波した場合、当該超音波振動子の二つの接続端子の各々に発生した電圧の差分を増幅する差分増幅回路を備えることを特徴とする。

これにより、超音波送波回路では、超音波振動子に印加する電圧レベルを倍増することができ、また、超音波受波回路では、超音波振動子の各々の接続端子に発生する電圧のコモンモードノイズを効果的に除去することができる。このように、本発明によって、送波と受波の両面でＳＮの改善が図れる。

請求項４に記載の超音波ソナー装置は、超音波振動子の接続端子間には、超音波振動子の温度変化に伴う出力特性の変化を補償するための温度補償コンデンサが接続されることを特徴とする。

トランスのインダクタンスは、超音波振動子の静電容量とで構成されるＬＣ共振回路により、超音波振動子の残響が抑制されるように決定される。しかしながら、一般に、ＰＺＴ等の圧電材料を採用した超音波振動子の場合、温度変化によって静電容量が変化するため、温度変化の影響により残響の抑制効果が十分に得られなくなる。

そこで、本発明では、超音波振動子の温度特性と逆の温度特性を示す温度補償コンデンサを超音波振動子の接続端子間に接続する。これにより、超音波振動子の温度変化に伴う出力特性の変化が補償されるため、温度変化があっても、超音波振動子の残響が効果的に抑制されるようになる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明に係る超音波ソナー装置の実施形態としての超音波ソナーシステムを示すブロック図である。超音波ソナーシステムは、自動車等の車両の周囲に存在する障害物を検知するために用いられ、センサ１０、２０とＥＣＵ３０とによって構成される。センサ１０、２０とＥＣＵ３０とは、ＬＡＮによりバス接続されている。

図１に示すＥＣＵ３０は、超音波ソナーシステムを構成する制御ユニットである。このＥＣＵ３０は、図示しないバッテリ（＋Ｂ）から電源供給を受けて動作するとともに、センサ１０、２０に対して、電源線を介して電源を供給する。

同図に示すように、センサ１０、２０はデイジーチェーン接続されているため、ＥＣＵ３０から供給される電源の電圧レベルが減衰する。従って、センサ１０、２０では、この電圧レベルの減衰の影響を受けない程度の電圧レベルにレギュレートしている。例えば、＋Ｂが９〜１６［Ｖ］で、ＥＣＵ３０から安定して出力される電圧レベルが＋８［Ｖ］程度の場合、＋５［Ｖ］程度にレギュレートしている。

図１に示すセンサ１０、２０は、超音波センサである。このセンサ１０、２０は、車両の前方や後方のバンパ部等に各々設置される。このセンサ１０、２０によって車両の前方や後方に向けて超音波が送波され、障害物によって反射された反射波を受波して障害物の検知が可能となる。センサ１０、２０は、主として、プロトコル変換機能を備えるネットワークインタフェース（Ｉ／Ｆ）、距離演算部、送波回路、受波回路、及び送受信兼用のマイクによって構成される。

送波回路は、マイク内部の超音波振動子を駆動することで超音波を送波するものであり、また、受波回路は、送波された超音波の反射波を受波するものである。距離演算部は、送波回路によって超音波が送波された送波時間と、受波回路によってその反射波を受波した受波時間との時間差に基づいて障害物までの距離を演算する。この演算された距離の情報は、ネットワークインタフェース（Ｉ／Ｆ）を介してＥＣＵ３０に送信される。

次に、本実施形態の特徴部分に係わる、センサ１０の送波回路、及び受波回路の構成を図２に示す。なお、センサ２０の送波回路、及び受波回路の構成は、センサ１０の構成と同様であるため、その説明を省略する。

同図に示すように、送波回路は、第一駆動回路、第二駆動回路、ＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛系磁器）等の圧電材料を採用した超音波振動子、温度補償コンデンサＣｚ、負荷抵抗Ｒｄにより構成される。

第一駆動回路は、スイッチング回路とトランスＴＡにより構成される。スイッチング回路は、マイクの共振周波数（数十キロヘルツ）に応じたバースト波を示す交流電圧を発生する。このバースト波の交流電圧は、トランスＴＡの１次側に出力される。トランスＴＡは、正相接続で用いられ、１次側に入力された交流電圧を巻き数比に応じた電圧レベルに昇圧する。例えば、バースト波の振幅が±５［Ｖ］であり、巻き数比が１：５である場合、±２５［Ｖ］に昇圧する。図３に、トランスＴＡの２次側から出力されるバースト波の交流電圧波形を示す。

第二駆動回路は、第一駆動回路で用いられたものと同様のスイッチング回路とトランスＴＢにより構成される。トランスＴＢは、逆相接続で用いられ、１次側に入力されたスイッチング回路からの交流電圧を巻き数比に応じた電圧レベルに昇圧する。図３に、トランスＴＢの２次側から出力されるバースト波の交流電圧波形を示す。同図に示すように、トランスＴＢの２次側から出力されるバースト波の交流電圧は、トランスＴＡの２次側から出力されるバースト波の交流電圧に対して逆相となっている。

超音波振動子は、第一駆動回路と第二駆動回路によって駆動するもので、トランスＴＡと接続する一方の接続端子からは正相の交流電圧が印加され、トランスＴＢと接続する他方の接続端子からは逆相の交流電圧が印加される。これにより、図３に示すように、超音波振動子に印加される電圧レベルは、従来に比べて高くなる（倍増される）ため、トランスや送波回路を大型化することなくＳＮの改善を図ることができる。その結果、障害物の検知距離の長距離化が図れる。

温度補償コンデンサＣｚは、同図に示すように、超音波振動子の接続端子間に接続され、超音波振動子の温度変化に伴う出力特性の変化を補償するために用いられる。すなわち、トランスＴＡ、ＴＢのインダクタンスは、超音波振動子の静電容量とで構成されるＬＣ共振回路により、超音波振動子の残響が抑制されるように決定される。しかしながら、一般に、ＰＺＴ等の圧電材料を採用した超音波振動子の場合、温度変化によって静電容量が変化するため、温度変化の影響により残響の抑制効果が十分に得られなくなる。

そこで、本実施形態では、超音波振動子の温度特性と逆の温度特性を示す温度補償コンデンサＣｚを超音波振動子の接続端子間に接続する。これにより、超音波振動子の温度変化に伴う出力特性の変化が補償されるため、温度変化があっても、超音波振動子の残響が効果的に抑制されるようになる。

一方、受波回路は、差動増幅回路、及び反転増幅回路により構成される。差動増幅回路は、大電圧が入力されたときにＯＰアンプを保護するためのクランプ回路を備えたもので、抵抗Ｒ１及びＲ３に入力される２つの入力電圧の差分をとり、この差分電圧を（Ｒ_１＝Ｒ_３）と（Ｒ_２＝Ｒ_４）の比で設定した増幅度で増幅する。

すなわち、障害物からの反射波を超音波振動子が受波した場合、超音波振動子の二つの接続端子の各々には、その受波した反射波のレベルに応じた電圧が発生するが、この各々の電圧には同じノイズ成分（コモンモードノイズ）が重畳される。そこで、本実施形態では、この各々の電圧の差分をとって増幅する。これにより、コモンモードノイズを効果的に除去することができるため、ＳＮの改善を図ることができる。

反転増幅回路は、図６に示した従来の受波回路と同じ構成であり、Ｖ_＋に入力される基準電圧Ｖｒｅｆを基準とした、差動増幅回路からの抵抗Ｒ_５への入力電圧を（Ｒ_６／Ｒ_５）の増幅度で増幅して出力する。この反転増幅回路からの出力電圧には、Ｖｒｅｆのオフセットがかかっている。

このように、本実施形態の超音波ソナーシステムに用いられるセンサ１０、２０は、超音波振動子に対して、トランスＴＡと接続する一方の接続端子から正相の交流電圧を印加し、トランスＴＢと接続する他方の接続端子から逆相の交流電圧を印加する。これにより、超音波振動子に印加する電圧レベルを倍増することができる。また、超音波振動子が反射波を受波した場合、超音波振動子の両接続端子に電圧が発生する特徴を活かし、当該超音波振動子の二つの接続端子の各々に発生した電圧の差分を増幅する。これにより、超音波振動子の各々の接続端子に発生する電圧のコモンモードノイズを効果的に除去することができる。このように、本実施形態のセンサ１０、２０を採用することで、送波と受波の両面でＳＮの改善が図れる。

（変形例１）
図２に示したように、本実施形態の送波回路における第二駆動回路は、スイッチング回路とトランスＴＢで構成しているが、図４に示す本変形例の第二駆動回路のように、スイッチング回路を第一駆動回路と共用した構成としてもよい。

（変形例２）
図２に示したように、本実施形態の送波回路における第一・第二駆動回路は、スイッチング回路とトランスとを各々備えた構成となっているが、図５に示す本変形例のように、スイッチング回路とトランスとを共用した構成としてもよい。すなわち、同図に示すように、トランスＴＣの２次側のコモン端子をグランド（ＧＮＤ）に接地して、トランスＴＣの両端を超音波振動子の両接続端子に接続するようにしてもよい。

本発明に係る超音波ソナー装置の実施形態としての超音波ソナーシステムを示すブロック図である。センサ１０の送波回路、及び受波回路の構成を示す図である。倍電圧動作波形を示す図である。実施形態の変形例１に係わる、センサ１０の送波回路の構成を示す図である。実施形態の変形例２に係わる、センサ１０の送波回路の構成を示す図である。従来の超音波ソナー装置の送・受波回路の構成を示した図である。

符号の説明

１０、２０センサ
３０ＥＣＵ

Claims

超音波振動子を駆動することで超音波を送波する超音波送波回路を備える超音波ソナー装置であって、
前記超音波送波回路は、
前記超音波振動子の一方の接続端子から交流電圧を印加して、前記超音波振動子を駆動する第一の駆動回路と、
前記超音波振動子の他方の接続端子から前記交流電圧とは逆相の交流電圧を印加して、前記超音波振動子を駆動する第二の駆動回路と、を備えることを特徴とする超音波ソナー装置。
送波された超音波の反射波を超音波振動子によって受波する超音波受波回路を備える超音波ソナー装置であって、
前記超音波受波回路は、前記超音波振動子が前記反射波を受波した場合、当該超音波振動子の二つの接続端子の各々に発生した電圧の差分を増幅する差分増幅回路を備えることを特徴とする超音波ソナー装置。
超音波振動子を駆動することで超音波を送波する超音波送波回路と、前記超音波送波回路から送波された超音波の反射波を前記超音波振動子によって受波する超音波受波回路と、を備える超音波ソナー装置であって、
前記超音波送波回路は、
前記超音波振動子の一方の接続端子から交流電圧を印加して、前記超音波振動子を駆動する第一の駆動回路と、
前記超音波振動子の他方の接続端子から前記交流電圧とは逆相の交流電圧を印加して、前記超音波振動子を駆動する第二の駆動回路と、を備え、
前記超音波受波回路は、前記超音波振動子が前記反射波を受波した場合、当該超音波振動子の二つの接続端子の各々に発生した電圧の差分を増幅する差分増幅回路を備えることを特徴とする超音波ソナー装置。
前記超音波振動子の接続端子間には、前記超音波振動子の温度変化に伴う出力特性の変化を補償するための温度補償コンデンサが接続されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の超音波ソナー装置。