JP2014115255A - Ultrasound sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波センサに関する。 The present invention relates to an ultrasonic sensor.
従来、超音波を送信した後、障害物からの反射波を受信することにより障害物の有無を検出する障害物検出センサに適用される送受信兼用の超音波センサが知られており、例えば特許文献1に開示されている。この特許文献1に記載の超音波センサは、圧電振動子に対して並列接続される複数のコンデンサと、圧電振動子とコンデンサとの接続状態を切り換える複数のスイッチとを備える。
Conventionally, an ultrasonic sensor for transmitting and receiving that is applied to an obstacle detection sensor that detects the presence or absence of an obstacle by receiving a reflected wave from the obstacle after transmitting an ultrasonic wave is known. 1 is disclosed. The ultrasonic sensor described in
この超音波センサでは、出力信号処理回路にて、圧電振動子からの受信信号に基づいて圧電振動子の出力の残響時間をセンシングし、マイコンからその残響時間に応じたオンオフ制御信号を出力することで、複数のスイッチのオンオフ組み合わせを変更する。これにより、この超音波センサでは、圧電振動子の静電容量補償を行い、所望の残響時間となるように調整する。 In this ultrasonic sensor, the output signal processing circuit senses the reverberation time of the output of the piezoelectric vibrator based on the received signal from the piezoelectric vibrator, and outputs an on / off control signal corresponding to the reverberation time from the microcomputer. Then, change the ON / OFF combination of multiple switches. Thereby, in this ultrasonic sensor, capacitance compensation of the piezoelectric vibrator is performed, and adjustment is made so as to have a desired reverberation time.
また、超音波パルスを送受波する超音波振動子のQ値を検出し、検出されたQ値に応じて超音波の受波時刻を設定する超音波センサが知られており、例えば特許文献2に開示されている。この特許文献2に記載の超音波センサは、検出されたQ値が小さい場合には、残響終了時刻が早くなることに合わせて受波時刻を早く設定する。
There is also known an ultrasonic sensor that detects the Q value of an ultrasonic transducer that transmits and receives an ultrasonic pulse, and sets the reception time of the ultrasonic wave according to the detected Q value. Is disclosed. When the detected Q value is small, the ultrasonic sensor described in
しかしながら、超音波センサの近傍に障害物が存在する場合には、圧電振動子から超音波を送波した直後の残響に障害物からの反射波が重畳する虞がある。そして、特許文献1に記載の超音波センサでは、残響に反射波が重畳した場合、残響と反射波との区別がつかないため、残響時間を測定し難いという問題があった。特に、超音波の波長程度の距離に障害物が存在する場合、多重反射によって障害物からの反射波が残響に複数重畳するため、より残響時間を測定し難い。
However, when there is an obstacle in the vicinity of the ultrasonic sensor, a reflected wave from the obstacle may be superimposed on the reverberation immediately after the ultrasonic wave is transmitted from the piezoelectric vibrator. The ultrasonic sensor described in
また、引用文献2に記載の超音波センサでも、残響に反射波が重畳して残響と反射波との区別がつかないため、超音波振動子のQ値を正確に測定できず、残響終了時刻を予測し難いという問題があった。
Further, even in the ultrasonic sensor described in the cited
本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、近傍に障害物が存在する場合にも残響時間を容易に予測することのできる超音波センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide an ultrasonic sensor capable of easily predicting reverberation time even when an obstacle is present in the vicinity.
本発明の超音波センサは、超音波を送受波する圧電振動子と、前記圧電振動子を駆動する駆動部と、前記圧電振動子と直列又は並列に接続される可変容量素子と、前記可変容量素子の容量を調整する信号処理部と、前記圧電振動子から出力される電気信号を減衰して前記信号処理部に出力する減衰部とを備え、前記信号処理部は、前記圧電振動子から超音波を送波した際に生じる残響信号の減衰振動のピーク電圧を測定し、測定した前記ピーク電圧に基づいて前記圧電振動子のQ値を演算し、且つ演算した前記圧電振動子のQ値に基づいて前記可変容量素子の容量を調整することを特徴とする。 The ultrasonic sensor of the present invention includes a piezoelectric vibrator that transmits and receives ultrasonic waves, a drive unit that drives the piezoelectric vibrator, a variable capacitance element that is connected in series or in parallel with the piezoelectric vibrator, and the variable capacitance. A signal processing unit that adjusts the capacitance of the element; and an attenuation unit that attenuates an electrical signal output from the piezoelectric vibrator and outputs the attenuated signal to the signal processing unit. The peak voltage of the damped oscillation of the reverberation signal generated when the sound wave is transmitted is measured, the Q value of the piezoelectric vibrator is calculated based on the measured peak voltage, and the calculated Q value of the piezoelectric vibrator is calculated. The capacitance of the variable capacitance element is adjusted based on this.
この超音波センサにおいて、前記信号処理部は、前記残響信号の減衰振動のうち、互いに1パルス以上離れた2つの前記ピーク電圧に基づいて前記圧電振動子のQ値を演算することが好ましい。 In this ultrasonic sensor, it is preferable that the signal processing unit calculates a Q value of the piezoelectric vibrator based on two peak voltages separated from each other by one pulse or more among the damped vibrations of the reverberation signal.
この超音波センサにおいて、前記信号処理部は、所定のパルス数の分だけ前記残響信号の減衰振動のパルスをスキップしてから前記ピーク電圧を測定することが好ましい。 In this ultrasonic sensor, it is preferable that the signal processing unit measures the peak voltage after skipping the decay vibration pulse of the reverberation signal by a predetermined number of pulses.
この超音波センサにおいて、前記信号処理部は、前記残響信号の周期を測定し、前記残響信号の周期に基づいてスキップ数を決定する第1処理と、前記スキップ数の分だけ前記残響信号の減衰振動のパルスをスキップしてから前記ピーク電圧を測定する第2処理とを実行することが好ましい。 In this ultrasonic sensor, the signal processing unit measures the period of the reverberation signal, determines the number of skips based on the period of the reverberation signal, and attenuates the reverberation signal by the skip number. It is preferable to execute the second process of measuring the peak voltage after skipping the vibration pulse.
この超音波センサにおいて、前記信号処理部は、前記調整モードにおいて、前記残響信号のゼロクロス点から所定時間遅延したタイミングで前記残響信号をサンプリングし、前記ピーク電圧を測定することが好ましい。 In this ultrasonic sensor, it is preferable that the signal processing unit samples the reverberation signal at a timing delayed by a predetermined time from a zero cross point of the reverberation signal and measures the peak voltage in the adjustment mode.
この超音波センサにおいて、前記所定時間は、前記残響信号の周期の1/4であることが好ましい。 In this ultrasonic sensor, the predetermined time is preferably ¼ of the period of the reverberation signal.
本発明では、近傍に障害物が存在したとしても、障害物からの反射波を減衰部で減衰させることができるので、残響信号に反射波が重畳し難い。したがって、本発明は、近傍に障害物が存在する場合にも残響時間を容易に予測することができる。 In the present invention, even if there is an obstacle in the vicinity, the reflected wave from the obstacle can be attenuated by the attenuator, so that it is difficult for the reflected wave to be superimposed on the reverberation signal. Therefore, the present invention can easily predict the reverberation time even when there is an obstacle in the vicinity.
(実施形態1)
以下、本発明に係る超音波センサの実施形態1について図面を用いて説明する。本実施形態は、図1(a)に示すように、圧電振動子1と、駆動部2と、信号処理部3と、可変容量素子4と、減衰部5と、増幅部6と、検波部7とを備える。本実施形態は、例えば自動車の車体(図示せず)に搭載され、車両の周辺の障害物の有無を検知するために使用される。また、本実施形態は、検知範囲内に障害物が存在する場合には、障害物までの距離を演算する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, an ultrasonic sensor according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, as shown in FIG. 1A, the
圧電振動子1は、図示しない器体に装着され、例えば車体のバンパーに取り付けられる。圧電振動子1は、後述する駆動部2から発振信号を与えられることにより振動し、超音波を送波する。また、圧電振動子1は、障害物で反射した反射波を受波して振動することにより、反射波に基づいた電気信号に変換して出力する。
The
駆動部2は、所定の周波数の発振信号を発振する発振器(図示せず)と、発振器と圧電振動子1との間の接続を切り替えるスイッチ(図示せず)とを備える。当該スイッチは、後述する制御部311から与えられる駆動信号によってオン/オフを切り替える。したがって、駆動部2は、制御部311からの駆動信号により圧電振動子1に発振信号を入力し、圧電振動子1を振動させて超音波を送波させる。なお、圧電振動子1と駆動部2との間には、絶縁トランスT1を設けている。この絶縁トランスT1により、駆動部2からの発振信号の電力を増幅している。
The
信号処理部3は、A/Dコンバータ30と、制御ブロック31とから成る。A/Dコンバータ30は、アナログ信号である圧電振動子1の出力信号をディジタル信号に変換する。制御ブロック31は、例えばマイコンから成り、A/Dコンバータ30からのディジタル信号を受けて各種処理を実行する。制御ブロック31は、演算部310と、制御部311とを備える。
The
なお、演算部310及び制御部311は、制御ブロック31が各種プログラムを実行することで機能するプログラムモジュールである。勿論、制御ブロック31は、その構成がマイコンに限定されるものではなく、演算部310及び制御部311をそれぞれハードウェアで構成してもよい。
The
演算部310は、後述する通常モードにおいては、圧電振動子1での超音波の送受波のタイミングに基づいて障害物までの距離を演算する処理を実行する。また、演算部310は、後述する調整モードにおいては、圧電振動子1を含むシステムのQ値(以下、「圧電振動子1のQ値」と呼ぶ)を演算する処理を実行する。
In the normal mode, which will be described later, the
ここで、圧電振動子1のQ値は、圧電振動子1から超音波を送波した際の残響が持続する時間である残響時間と相関がある。すなわち、圧電振動子1のQ値が大きければ残響時間が長くなり、Q値が小さければ残響時間が短くなる。したがって、圧電振動子1のQ値を演算することで残響時間を予測することができる。
Here, the Q value of the
圧電振動子1のQ値は、圧電振動子1が超音波を送波した際の残響の減衰特性から求めることができる。例えば、図2(a)に示すように、残響に基づく電気信号(以下、「残響信号」と呼ぶ)の減衰振動の最初のパルスのピーク電圧をV1、2番目のパルスのピーク電圧をV2としたとき、圧電振動子1のQ値は以下の式で求めることができる。
The Q value of the
Q=−2π/ln(V2/V1)
なお、残響信号の減衰振動のピーク電圧は、演算部310においてピーク検出処理を実行することで測定する。
Q = -2π / ln (V2 / V1)
The peak voltage of the damped oscillation of the reverberation signal is measured by executing a peak detection process in the
このように、残響信号の減衰振動の2パルス分、又は数パルス分のピーク電圧を測定すれば圧電振動子1のQ値を計算することができる。このため、残響時間を直接測定する場合と比較して、短時間で残響時間を予測することができる。なお、更に短時間で残響時間を予測するためには、圧電振動子1から送波する超音波のパルス数を少なくする(例えば、1パルスのみ送波する)とよい。
Thus, the Q value of the
ここで、圧電振動子1のQ値をより精度良く求める場合には、残響信号の減衰振動の隣り合うパルスのピーク電圧に基づいて逐次Q値を演算し、その平均値を圧電振動子1のQ値とすることが望ましい。例えば、残響信号の減衰振動の1,2番目のパルスのピーク電圧に基づいてQ値を演算、3,4番目のパルスのピーク電圧に基づいてQ値を演算し、各Q値の平均値を圧電振動子1のQ値とする。しかしながら、この演算方法では、Q値を複数回演算する必要があるため、処理に要する負荷が大きくなってしまう。
Here, in order to obtain the Q value of the
そこで、残響信号の減衰振動のうち、互いに1周期以上離れた2つのパルスのピーク電圧を測定し、これらピーク電圧に基づいて圧電振動子1のQ値を演算してもよい。すなわち、図2(b)に示すように、残響信号の減衰振動のn番目(nは3以上の自然数)のパルスのピーク電圧をVnとしたとき、圧電振動子1のQ値は以下の式で求めることができる。
Therefore, it is also possible to measure the peak voltage of two pulses that are separated from each other by one cycle or more out of the damped oscillation of the reverberation signal, and calculate the Q value of the
Q=−nπ/ln(Vn/V1)
この演算方法では、Q値の演算を1回行うだけでよいので、処理に要する負荷を低減することができる。
Q = −nπ / ln (Vn / V1)
In this calculation method, since the calculation of the Q value only needs to be performed once, the load required for the processing can be reduced.
制御部311は、上述のように、駆動部2に駆動信号を与えることで、圧電振動子1から超音波を送波させる。また、制御部311は、演算部310で演算したQ値に基づいて、後述する可変容量素子4の可変コンデンサC1に制御信号を与える。また、制御部311は、A/Dコンバータ30にサンプリング信号を与えている。A/Dコンバータ30は、このサンプリング信号に基づいて、圧電振動子1から出力される電気信号をサンプリングする。
As described above, the
なお、微分回路(図示せず)を別途設け、微分回路を用いて残響信号の減衰振動のピーク電圧を測定する構成でもよい。この構成では、圧電振動子1から出力される電気信号を微分回路で微分し、微分回路の出力信号をコンパレータ(図示せず)に入力する。制御部311は、当該コンパレータの出力信号がゼロとなるタイミングでA/Dコンバータ30によるサンプリングを実行させる。これにより、残響信号の減衰振動のピーク電圧を測定することができる。
Note that a differentiating circuit (not shown) may be provided separately, and the peak voltage of the damped oscillation of the reverberation signal may be measured using the differentiating circuit. In this configuration, the electrical signal output from the
演算部310及び制御部311は、車両の動作に基づいて、通常モードと、調整モードとの何れかのモードで動作する。通常モードは、検知範囲内(すなわち、超音波の届く範囲内)における障害物の有無を検知するモードである。調整モードは、後述する可変容量素子4の可変コンデンサC1の容量を調整することで、圧電振動子1のQ値を調整するモードである。
The
例えば、演算部310及び制御部311は、運転者がイグニッションキーを用いて車両のアクセサリの電源をオンに切り替える、又はエンジンを起動したときに調整モードで動作し、調整モードの終了後に通常モードに切り替える。勿論、アクセサリの電源をオンに切り替える又はエンジンを起動する度に調整モードで動作する必要はなく、調整モードで動作する条件は適宜変更してもよい。本実施形態では、車両のアクセサリの電源をオンに切り替えることを条件にして、演算部310及び制御部311が調整モードに切り替える。
For example, the
可変容量素子4は、圧電振動子1に直列又は並列に接続される可変コンデンサC1から成る。本実施形態では、可変容量素子4は圧電振動子1に並列に接続している。可変コンデンサC1は、制御部311から与えられる制御信号により容量を調整することができる。この可変コンデンサC1の容量を調整することで、圧電振動子1のQ値を調整することができる。なお、可変容量素子4は、例えば従来例のように、コンデンサ及びスイッチを直列に接続した直列回路を複数並列に接続して構成してもよい。この構成では、制御部311から各スイッチに制御信号を与えて各スイッチのオン/オフを適宜切り替えることで、可変容量素子4の容量を調整することができる。
The
減衰部5は、圧電振動子1と信号処理部3との間に設けられ、圧電振動子1から出力される電気信号を減衰させる。本実施形態では、増幅部6及び検波部7の直列回路と並列に減衰部5を設けている。増幅部6は、圧電振動子1から出力される電気信号を増幅し、検波部7に出力する。検波部7は、増幅部6の出力信号を包絡線検波し、信号処理部3のA/Dコンバータ30に出力する。減衰部5と、増幅部6及び検波部7の直列回路とは並列に接続されている。
The
なお、減衰部5により、障害物からの反射波に基づく電気信号のみならず残響信号も減衰する。しかしながら、残響信号のレベルの方が、反射波に基づく電気信号のレベルよりも大きい。このため、減衰部5は、反射波の影響を低減する程度に電気信号を減衰させるものであればよく、後段の信号処理部3で飽和しないように決定するのがよい。
The
本実施形態では、減衰部5の信号処理部3への接続と、増幅部6及び検波部7の直列回路の信号処理部3への接続とを第1スイッチSW1で切り替えている。第1スイッチSW1は、例えば半導体スイッチやリレーから成る。第1スイッチSW1による接続の切り替えは、制御部311が行う。すなわち、制御部311は、通常モードであれば第1スイッチSW1を制御して、増幅部6及び検波部7の直列回路を信号処理部3に接続する。また、制御部311は、調整モードであれば第1スイッチSW1を制御して、減衰部5を信号処理部3に接続する。
In the present embodiment, the connection of the
以下、本実施形態の動作について説明する。先ず、通常モードの動作について説明する。制御部311は、所定の間隔で駆動信号を駆動部2に与えることにより、圧電振動子1から所定の間隔で超音波を送波させる。ここで、検知範囲内に障害物が存在する場合には、超音波が障害物で反射する。この反射波を圧電振動子1が受波すると、圧電振動子1は当該反射波を電気信号に変換して出力する。この電気信号を増幅部6で増幅し、さらに検波部7で包絡線検波した後に、A/Dコンバータ30に入力する。
Hereinafter, the operation of this embodiment will be described. First, the operation in the normal mode will be described. The
そして、演算部310では、A/Dコンバータ30の出力信号に基づいて得られる反射波の受波タイミングと、圧電振動子1の超音波の送波タイミングとに基づいて、障害物までの距離を演算する。制御部311は、この演算結果に基づいて、ブザー(図示せず)から警告音を鳴動させたり、ディスプレイ(図示せず)に障害物までの距離を表示させたりしてもよい。この通常モードの動作は、図1(b)に示すように、車両のエンジンをオフに切り替えるまで繰り返す。勿論、通常モードを終了する条件はエンジンをオフに切り替えることに限定される必要はなく、適宜変更してもよい。
The
次に、調整モードの動作について図1(b),(c)を用いて説明する。車両のアクセサリの電源がオンに切り替わると、演算部310及び制御部311が調整モードに切り替える。制御部311は、駆動信号を駆動部2に与えることにより、圧電振動子1から超音波を送波させる。超音波の送波により生じる残響信号は、減衰部5で減衰し、その後A/Dコンバータ30に入力される。
Next, the operation in the adjustment mode will be described with reference to FIGS. When the power supply of the vehicle accessory is turned on, the
そして、演算部310は、A/Dコンバータ30から出力される残響信号の減衰振動に基づいて圧電振動子1のQ値を演算する。ここで、制御部311では、予め圧電振動子1のQ値の閾値をメモリ(図示せず)に記憶している。この閾値は、圧電振動子1の許容可能な残響時間に基づいて設定される。制御部311は、この閾値と、演算部310で得られたQ値とを比較する。
Then, the
演算部310で得られたQ値が閾値よりも大きければ、制御部311は、制御信号を与えることで可変コンデンサC1の容量を調整し、駆動信号を駆動部2に与えることで圧電振動子1から再び超音波を送波させる。そして、演算部310及び制御部311は、それぞれ圧電振動子1のQ値を演算する処理、及び得られたQ値と閾値とを比較する処理を再び実行する。演算部310で得られたQ値が閾値よりも小さければ、演算部310及び制御部311は調整モードを終了し、通常モードに切り替える。上記の調整モードにより、圧電振動子1のQ値を適切な値に調整し、残響時間を短縮する。
If the Q value obtained by the
なお、演算部310及び制御部311による調整モードでの処理は、以下に示すものでもよい。先ず、図3に示すように、制御部311は、駆動信号を駆動部2に与えることにより、圧電振動子1から超音波を送波させる。次に、演算部310は、A/Dコンバータ30から出力される残響信号の減衰振動に基づいて圧電振動子1のQ値を演算する。この演算したQ値は、メモリに記憶する。そして、制御部311は、制御信号を与えることで可変コンデンサC1の容量を調整する。
The processing in the adjustment mode by the
上記の一連の処理を、可変コンデンサC1の選択可能な全ての容量について逐次実行する。そして、上記の一連の処理が完了すると、制御部311は、記憶しているQ値を比較し、Q値が最小となるように可変コンデンサC1の容量を調整する。この構成では、圧電振動子1のQ値を最も小さくすることができるので、残響時間をより短縮することができる。
The above series of processing is sequentially executed for all selectable capacities of the variable capacitor C1. When the above series of processing is completed, the
上述のように、本実施形態では、残響信号を減衰部5で減衰させた後に、減衰させた残響信号の減衰振動に基づいて圧電振動子1のQ値を演算することで、残響時間を予測している。このため、本実施形態では、近傍に障害物が存在したとしても、障害物からの反射波を減衰部5で減衰させることができるので、残響信号に反射波が重畳し難い。したがって、本実施形態では、近傍に障害物が存在する場合にも残響時間を容易に予測することができる。
As described above, in the present embodiment, after the reverberation signal is attenuated by the
また、本実施形態では、残響信号の減衰振動のピーク電圧の差分からQ値を演算することで、圧電振動子1の残響時間を予測しているが、これには次のようなメリットがある。例えば、圧電振動子1の残響時間を直接測定する場合には、残響時間が短くなるほど減衰振動の時間が短くなり、測定精度が低下する虞がある。一方、残響信号の減衰振動のピーク電圧の差分は、残響時間が短い方が大きくなるため、差分を測定し易くなる。本実施形態では、残響時間を短縮することを目的としているため、残響信号の減衰振動のピーク電圧の差分からQ値を演算する構成が望ましい。
In the present embodiment, the reverberation time of the
なお、図4に示すように、減衰部5と信号処理部3との間に、ローパスフィルタから成るフィルタ部8を設けてもよい。フィルタ部5は、圧電振動子1から出力される電気信号に含まれるノイズを除去する。この構成では、残響からノイズを除去した状態で残響信号の減衰振動のピーク電圧を測定できるので、安定して圧電振動子1のQ値を演算することができる。
As shown in FIG. 4, a
(実施形態2)
以下、本発明に係る超音波センサの実施形態2について図面を用いて説明する。但し、本実施形態の基本的な構成は実施形態1と共通であるので、共通する部位には同一の番号を付して説明を省略する。本実施形態は、図5(a),(b)に示すように、コンパレータ9と、周期測定部312と、計数部313とを備える。
(Embodiment 2)
Hereinafter, an ultrasonic sensor according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, since the basic configuration of the present embodiment is common to that of the first embodiment, common portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. As shown in FIGS. 5A and 5B, the present embodiment includes a
コンパレータ9は、減衰器5から出力される残響信号と、所定の閾値とを比較することで2値信号を出力する。本実施形態では、所定の閾値をゼロに設定している。したがって、コンパレータ9の出力信号は、残響信号のゼロクロス毎にハイレベルとローレベルとを切り替える2値信号となる。
The
周期測定部312は、コンパレータ9の出力する2値信号の周期をタイマ(図示せず)でカウントすることで、残響信号の周期をパルス毎に測定する。また、周期測定部312は、測定したパルス毎の周期を比較する。計数部313は、周期測定部312での比較結果に基づいて、残響信号のパルスをスキップするスキップ数をカウントする。
The
なお、周期測定部312及び計数部313は、演算部310及び制御部311と同様に、制御ブロック31が各種プログラムを実行することで機能するプログラムモジュールである。勿論、制御ブロック31は、その構成がマイコンに限定されるものではなく、各部310〜313をそれぞれハードウェアで構成してもよい。
Note that the
また、本実施形態では、減衰部5の信号処理部3への接続と、減衰部5のコンパレータ9への接続とを第2スイッチSW2で切り替えている。第2スイッチSW2は、第1スイッチSW1と同様に、例えば半導体スイッチやリレーから成る。第2スイッチSW2による接続の切り替えは、制御部311が行う。すなわち、制御部311は、調整モードにおいて、後述する第1処理を実行する際には第2スイッチSW2を制御して、減衰部5をコンパレータ9に接続する。また、制御部311は、後述する第2処理を実行する際には第2スイッチSW2を制御して、減衰部5を信号処理部3に接続する。
In the present embodiment, the connection of the
以下、本実施形態における調整モードの動作について説明する。図5(b)に示すように、調整モードを開始すると、演算部310及び制御部311は、先ず残響信号の周期を測定し、残響信号の周期に基づいてスキップ数を決定する第1処理を実行する。第1処理が完了すると、演算部310及び制御部311は、スキップ数の分だけ残響信号の減衰振動のパルスをスキップしてからピーク電圧を測定する第2処理を実行する。
Hereinafter, the operation of the adjustment mode in the present embodiment will be described. As shown in FIG. 5B, when the adjustment mode is started, the
第1処理について説明する。先ず、計数部313は、スキップ数を初期値のゼロにリセットする。次に、制御部311は、駆動信号を駆動部2に与えることにより、圧電振動子1から超音波を送波させる。超音波の送波により生じる残響信号は、減衰部5で減衰し、その後コンパレータ9に入力される。周期測定部312は、コンパレータ9の出力信号から残響信号の1周期を測定し、測定した周期をメモリに記憶する。この時点では、未だ1周期しか測定していないので、周期測定部312は次の1周期を測定(すなわち、2パルス目の周期を測定)し、測定した周期をメモリに記憶する。
The first process will be described. First, the
そして、周期測定部312は、今回測定した周期と、前回測定した周期とを比較する。比較の結果、各周期が一致する場合には、第1処理を終了して第2処理に移行する。各周期が一致しない場合には、計数部313がスキップ数を1増加する。そして、再び周期測定部312が次の1周期を測定し、測定した周期をメモリに記憶する。以下、比較動作において各周期が一致するまで、上記の動作を繰り返す。
Then, the
次に、第2処理について説明する。先ず、制御部311は、駆動信号を駆動部2に与えることにより、圧電振動子1から超音波を送波させる。超音波の送波により生じる残響信号は、減衰部5で減衰し、その後A/Dコンバータ30に入力される。そして、演算部310は、計数部313でカウントしたスキップ数の分だけ残響信号のパルスをスキップしてから、A/Dコンバータ30から出力される残響信号の減衰振動のピーク電圧を測定する。
Next, the second process will be described. First, the
例えば、残響信号の周期が、減衰振動の3周期目から安定したものとする。この場合、図6に示すように、演算部310は、残響信号の減衰振動の1番目及び2番目のパルスをスキップし、3番目以降のパルスのピーク電圧を測定する。そして、演算部310は、測定したピーク電圧に基づいて圧電振動子1のQ値を演算する。したがって、本実施形態では、残響信号の減衰振動の周期が安定してから圧電振動子1のQ値を演算するので、残響時間を予測する精度を向上させることができる。
For example, it is assumed that the period of the reverberation signal is stable from the third period of the damped vibration. In this case, as shown in FIG. 6, the
また、残響信号の減衰振動の周期を予め測定する第1処理を実行せずに、第2処理において、残響信号の減衰振動のパルスを予め設定している所定のパルス数の分だけスキップして、残響信号の減衰振動のピーク電圧を測定する構成でもよい。この構成でも、残響信号の減衰信号がある程度安定してからQ値を演算するので、残響時間を予測する精度を向上させることができる。また、この構成では、周期を予め測定する場合と比較して、調整モードの処理に要する時間を短縮することができる。 In addition, in the second process, the decay vibration pulses of the reverberation signal are skipped by a predetermined number of pulses without executing the first process of measuring the decay vibration period of the reverberation signal in advance. The peak voltage of the damped oscillation of the reverberation signal may be measured. Even in this configuration, since the Q value is calculated after the attenuation signal of the reverberation signal is stabilized to some extent, the accuracy of predicting the reverberation time can be improved. Also, with this configuration, it is possible to reduce the time required for the adjustment mode processing as compared with the case where the period is measured in advance.
(実施形態3)
以下、本発明に係る超音波センサの実施形態3について図面を用いて説明する。但し、本実施形態の基本的な構成は実施形態2と共通であるので、共通する部位には同一の番号を付して説明を省略する。本実施形態は、調整モードにおいて、信号処理部3が、残響信号のゼロクロス点から所定時間遅延したタイミングで残響信号をサンプリングすることで、残響信号の減衰振動のピーク電圧を測定することを特徴とする。
(Embodiment 3)
Hereinafter, an ultrasonic sensor according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, since the basic configuration of the present embodiment is common to that of the second embodiment, common portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The present embodiment is characterized in that, in the adjustment mode, the
図7に示すように、制御部311には、コンパレータ9の出力信号を入力する。このコンパレータ9の出力信号により、制御部311は、残響信号のゼロクロス点を検出することができる。また、制御部311は、周期測定部312から残響信号の周期のデータを取得する。以下、残響信号の周期をT1とする。
As shown in FIG. 7, the output signal of the
そして、調整モードにおいて、制御部311は、残響信号のゼロクロス点から所定時間(本実施形態では、T1/4)遅延したタイミングでサンプリング信号を出力する(図8参照)。A/Dコンバータ30は、このサンプリング信号に基づいて残響信号をサンプリングすることで、残響信号の減衰振動のピーク電圧を出力する。
In the adjustment mode, the
上述のように、本実施形態では、信号処理部3が残響信号の減衰振動のピーク電圧のみを出力するようにサンプリングするので、常時サンプリングする場合と比較してサンプリング回数を減らすことができる。したがって、本実施形態では、ハードウェアへの負荷を低減することができる。
As described above, in the present embodiment, since the
また、本実施形態では、残響信号のゼロクロス点からT1/4遅延したタイミングで残響信号をサンプリングしているので、以下の利点がある。すなわち、残響信号の減衰振動のピーク付近は電圧の変動が小さい領域であるので、当該領域でサンプリングすることで、残響信号の減衰振動のピーク電圧の測定誤差を小さくすることができる。 In the present embodiment, since the reverberation signal is sampled at a timing delayed by T1 / 4 from the zero cross point of the reverberation signal, the following advantages are obtained. That is, the vicinity of the peak of the damped oscillation of the reverberation signal is a region where the voltage fluctuation is small, and by sampling in this region, the measurement error of the peak voltage of the damped oscillation of the reverberation signal can be reduced.
なお、上記各実施形態では、圧電振動子1のQ値を演算した上で可変コンデンサC1の容量の調整を行なっているが、圧電振動子1のQ値の演算を省略する方法も考えられる。以下、圧電振動子1のQ値の演算を省略した調整モードの動作について図9を用いて説明する。先ず、制御部311は、駆動信号を駆動部2に与えることにより、圧電振動子1から超音波を送波させる。次に、演算部310は、残響信号の減衰振動の最初のパルスのピーク電圧V1を測定すると、当該ピーク電圧V1と、予め設定してある閾値VA1〜VZ1(VA1>…>VZ1)とを比較する。
In each of the above embodiments, the capacitance of the variable capacitor C1 is adjusted after calculating the Q value of the
例えば、演算部310は、ピーク電圧V1が閾値VA1より大きければ、閾値Vth2の値をVA2に設定する。また、演算部310は、ピーク電圧V1が閾値VA1よりも小さく、閾値VB1よりも大きければ、閾値Vth2の値をVB2に設定する。以下、同様に閾値VA1〜VZ1とピーク電圧V1とを比較することで、演算部310は、閾値Vth2をVA2〜VZ2(VA2>…>VZ2)の何れかの値に設定する。すなわち、演算部310は、残響信号の減衰振動の最初のパルスのピーク電圧V1に基づいて、2番目のパルスのピーク電圧V2の閾値Vth2を設定する。
For example, if the peak voltage V1 is greater than the threshold value VA1, the
そして、残響信号の減衰振動の2番目のパルスのピーク電圧V2を測定すると、制御部311は、ピーク電圧V2と閾値Vth2とを比較する。ピーク電圧V2が閾値Vth2よりも大きければ、制御部311は、制御信号を与えることで可変コンデンサC1の容量を調整し、駆動信号を駆動部2に与えることで圧電振動子1から再び超音波を送波させる。そして、制御部311は、閾値Vth2を設定する処理、及びピーク電圧V2と閾値Vth2とを比較する処理を再び実行する。ピーク電圧V2が閾値Vth2よりも小さければ、演算部310及び制御部311は調整モードを終了し、通常モードに切り替える。
Then, when the peak voltage V2 of the second pulse of the damped oscillation of the reverberation signal is measured, the
上述のように、圧電振動子1のQ値の演算を省略した場合でも、可変容量素子4の可変コンデンサC1の容量を調整して、圧電振動子1のQ値を調整することができる。
As described above, even when the calculation of the Q value of the
1 圧電振動子
2 駆動部
3 信号処理部
4 可変容量素子
5 減衰部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記信号処理部は、前記圧電振動子から超音波を送波した際に生じる残響信号の減衰振動のピーク電圧を測定し、測定した前記ピーク電圧に基づいて前記圧電振動子のQ値を演算し、且つ演算した前記圧電振動子のQ値に基づいて前記可変容量素子の容量を調整することを特徴とする超音波センサ。 Piezoelectric vibrator for transmitting and receiving ultrasonic waves, drive unit for driving the piezoelectric vibrator, variable capacitance element connected in series or in parallel with the piezoelectric vibrator, and signal processing for adjusting the capacitance of the variable capacitance element And an attenuation unit that attenuates an electrical signal output from the piezoelectric vibrator and outputs the attenuated signal to the signal processing unit,
The signal processing unit measures a peak voltage of decay vibration of a reverberation signal generated when ultrasonic waves are transmitted from the piezoelectric vibrator, and calculates a Q value of the piezoelectric vibrator based on the measured peak voltage. And an ultrasonic sensor that adjusts the capacitance of the variable capacitance element based on the calculated Q value of the piezoelectric vibrator.
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