JP2019029740A

JP2019029740A - 超音波振動子駆動装置

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Publication number: JP2019029740A
Application number: JP2017145120A
Authority: JP
Inventors: 宏酒井; Hiroshi Sakai; 加藤　学; Manabu Kato; 加藤　　学
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2019-02-21

Abstract

【課題】超音波振動子における残響時間の短縮を容易に行うことが可能な超音波振動子駆動装置を提供する。【解決手段】トランス１０が有する一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加又は周期的交流電流の通電により、トランス１０が有する二次側コイル１２に接続された圧電素子を用いた超音波振動子２０を駆動し、二次側コイル１２と二次側コイル１２が有する２つの端子１２Ａ、１２Ｂ間に設けられたコンデンサＣｔとからなり、圧電素子を駆動する並列共振回路３０を有する超音波振動子駆動装置１は、二次側コイル１２が有する端子１２Ｂは接地され、二次側コイル１２の端子１２Ａと端子１２Ｂとの間にスイッチＳＷが設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、トランスが有する一次側コイルへの周期的交流電圧の印加又は周期的交流電流の通電により、トランスが有する二次側コイルに接続された圧電素子を用いた超音波振動子を駆動し、二次側コイルと二次側コイルが有する２つの端子間に設けられたコンデンサとからなり、圧電素子を駆動する並列共振回路を有する超音波振動子駆動装置に関する。

従来、周囲に存在する物体の検出にソナーが利用されている。ソナーには超音波振動子を有して構成されるものがあり、当該超音波振動子は超音波の送信源であると同時に、送信した超音波の反射波を受信する検出素子として機能する。このため、近距離の物体を検出するには超音波の送信後、超音波振動子に生じる残響振動が生じている時間（以下「残響時間」とする）の短縮が必要である。残響時間を短くする技術として、例えば下記に出典を特許文献１−３に記載されるものがある。

特許文献１には、超音波を送信して、物体（例えば障害物）から反射された反射波を受信することにより、物体の有無や物体からの距離を検知する超音波送信器の駆動装置が記載されている。この超音波送信器の駆動装置は、電圧信号から成る駆動信号を振動子に供給することで超音波を発生させる。例えば、振動子に供給する電圧信号を制御する制御手段を備え、制御手段は電圧が周期的に変化する駆動信号を振動子に供給した直後に駆動信号と逆位相の制御信号を振動子に供給し、振動子の残響を抑制している。

また、特許文献２には、以下のような記載がある。超音波の送信と反射波の受信とが共通の振動子を用いて超音波センサが構成されることがある。また、このような超音波センサにあっては、送信信号に基づく超音波の送信中に、送信信号に応じた受信信号が振動子から出力され、超音波の送信後であっても、振動子の残響振動に起因して受信信号が出力される。したがって、対象物が超音波センサから遠くにあり、反射波による受信信号が残響振動の収束後に出力される場合には、受信信号を検出でき、対象物までの距離を正確に測定できる。それに対して、対象物が超音波センサの近くにあり、残響振動が収束するまでの残響振動収束時間中に反射波が受信されたとする。その場合には、振動子から出力される受信信号が、反射波に因る受信信号であるか、又は残響振動に起因する受信信号であるかを区別することが困難であり、対象物までの距離を正確に測定することは難しい。そこで、対象物が近距離にあったとしても、その対象物までの距離を正確に測定できるようにするために、残響振動を抑制する構成を備えた超音波センサが知られている。この超音波センサは、そのような構成として、１次側に入力される電源電圧を昇圧し、その昇圧後の電圧を２次側から振動子に出力するトランスを備える。この超音波センサは、一般に残響振動の周波数が振動子の機械的な固有振動数（自己共振周波数）と略等しいことを利用しており、トランスの電気的な共振周波数が振動子の固有振動数と同一になるように設定されている。従って、残響振動のエネルギーがトランスにより共振現象を利用して吸収され、残響振動が抑制される。

また、特許文献３には、超音波センサの送波回路が記載されている。この超音波センサの送波回路は、超音波振動子の駆動後の残響時間を短縮するため、超音波振動子の電極間容量と並列にインダクタンスを調整可能なコイルを接続して並列共振回路を形成している。当該コイルのインダクタンスを調整することにより、前記並列共振回路の共振周波数と超音波振動子の残響周波数とを略一致させて残響時間を短縮し、近距離の物体の検出を可能としている。

特開２００７−８５８６７号公報特開２０１３−２５０１６９号公報特開２０００−３０４８５０号公報

特許文献１に記載の技術においては、超音波を発生させるために振動子に対して駆動信号を供給した直後に、この駆動信号と逆位相の制御信号を振動子に供給している。しかしながら、振動子に対して駆動信号を供給した直後は、残響エネルギーが大きい。よって、振動子に対して駆動信号を供給した直後に（すなわち遅延時間無しで）、駆動信号と逆位相の制御信号を振動子に供給する場合、大きな電圧の制御信号を供給する必要があり効率が悪い。その理由は、駆動信号を供給した直後の振動子に加わっている電圧信号のピークｔｏピークがおよそ１００Ｖ程度であり、制御信号としてこれだけの振幅の逆位相を作り出すことは容易ではないためである。

特許文献２の記載に対して、超音波トランスデューサ（「超音波振動子」の一例）は、構成するアルミケースの形状、圧電セラミックの形状に個体差があり、その個体差により等価回路定数にばらつきが生じる。したがって、そのばらつきに起因して直列共振周波数（超音波トランスデューサの等価回路の直列ＬＣＲ回路で構成される部分の共振周波数）と、並列共振周波数（超音波トランスデューサの並列キャパシタと、昇圧トランスと並列コンデンサ及び並列抵抗で構成されるチューニング回路で作る回路の共振周波数）との間に差が生じ、残響時間の短縮効果が減少することがある。その理由は、直列共振周波数と並列共振周波数とが一致していることが残響時間の短縮に寄与しているためである。

特許文献３に記載の技術では、並列共振回路の振動の減衰が超音波振動子の振動におけるロス成分により減衰すると推定され、ロスを大きくすると残響時間は短縮されるが、超音波の出力音圧の低下や受信感度の低下につながりセンサ性能が低下する。また、超音波振動子の駆動時に並列共振回路に蓄えられたエネルギーは、駆動後は前記ロス成分にて消費されるのみであるためエネルギーの放出効率が悪い。

そこで、超音波振動子における残響時間の短縮を容易に行うことが可能な超音波振動子駆動装置が求められる。

本発明に係る超音波振動子駆動装置の特徴構成は、トランスが有する一次側コイルへの周期的交流電圧の印加又は周期的交流電流の通電により、前記トランスが有する二次側コイルに接続された圧電素子を用いた超音波振動子を駆動し、前記二次側コイルと前記二次側コイルが有する２つの端子間に設けられたコンデンサとからなり、前記圧電素子を駆動する並列共振回路を有する超音波振動子駆動装置であって、前記二次側コイルが有する前記２つの端子のうちの一方は接地され、前記二次側コイルが有する前記２つの端子のうちの一方の端子と他方の端子との間にスイッチが設けられている点にある。

このような構成において、トランスの一次側コイルへの周期的交流電圧の印加時又は周期的交流電流の通電時にはスイッチを開状態とし、トランスの一次側コイルへの周期的交流電圧の印加又は周期的交流電流の通電の終了後に二次側コイルが有する２つの端子どうしを所定時間、短絡することによって、残響振動エネルギーの電気的な部分は瞬時に失われて、残響時間を短縮することが可能となる。

また、前記スイッチは、抵抗器と直列に接続されていると好適である。

このような構成とすれば、突入電流が抑制され、ＥＭＩ特性の向上に寄与することができる。

また、前記スイッチは、スイッチング素子であると好適である。

このような構成とすれば、スイッチをコンパクトに構成することができるので、超音波振動子駆動装置を小型化できる。

また、前記スイッチング素子は、並列接続された、少なくとも電子をキャリアとする第１のスイッチング素子と、少なくとも正孔をキャリアとする第２のスイッチング素子とから構成され、前記抵抗器は、第１の抵抗器と第２の抵抗器とから構成され、前記二次側コイルが有する前記２つの端子のうちの一方の端子と他方の端子との間に前記第１のスイッチング素子と前記第１の抵抗器とが直列接続されて設けられ、前記二次側コイルが有する前記２つの端子のうちの一方の端子と他方の端子との間に前記第２のスイッチング素子と前記第２の抵抗器とが直列接続されて設けられると好適である。

このような構成とすれば、トランスの一次側コイルへの周期的交流電圧の印加又は周期的交流電流の通電の終了後に第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を動作させることで、電気的損失により超音波振動子の振動を所定時間で略ゼロまで減衰させることが可能となる。

第１の実施形態に係る超音波振動子駆動装置の構成を示す図である。第１の実施形態に係る超音波振動子駆動装置の超音波振動子に印加される電圧波形を示す図である。第２の実施形態に係る超音波振動子駆動装置の構成を示す図である。第３の実施形態に係る超音波振動子駆動装置の構成を示す図である。第４の実施形態に係る超音波振動子駆動装置の構成を示す図である。

本発明に係る超音波振動子駆動装置は、超音波振動子における残響時間の短縮を容易に行うことができるように構成される。以下、超音波振動子駆動装置について説明する。

１．第１の実施形態
図１には、本実施形態に係る超音波振動子駆動装置１が示される。超音波振動子駆動装置１は、トランス１０が有する一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加又は周期的交流電流の通電により、トランス１０が有する二次側コイル１２に接続された圧電素子を用いた超音波振動子２０を駆動する。超音波振動子２０は、超音波の送信源であると同時に、送信した超音波の反射波を受信して機能するものが多い。周期的交流電圧とは所定の周期で振幅する交流電圧である。周期的交流電流とは、所定の周期で振幅する交流電流である。このような周期的交流電圧又は周期的交流電流は駆動回路部からトランス１０が有する一次側コイル１１に入力される。

超音波振動子駆動装置１は、二次側コイル１２と二次側コイル１２が有する２つの端子間に設けられたコンデンサＣｔと抵抗器Ｒｔを含み、圧電素子を駆動する並列共振回路３０を有する。二次側コイル１２が有する２つの端子とは、端子１２Ａ、１２Ｂである。この端子１２Ａ、１２Ｂに亘ってコンデンサＣｔ及び抵抗器Ｒｔが設けられる。コンデンサＣｔ及び抵抗器Ｒｔは、検出感度の向上と残響時間の調整に用いられる。なお、反射波による受信信号は、アナログ入力回路（不図示）に入力され、アナログ入力回路においてＡ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換された受信信号は、さらにＥＣＵ（電子制御装置：不図示）に入力されることで、例えば車両の物体（例えば障害物）回避制御に活用される。

二次側コイル１２が有する２つの端子１２Ａ、１２Ｂのうちの一方は接地される。本実施形態では、端子１２Ｂが接地される。

二次側コイル１２が有する２つの端子１２Ａ、１２Ｂのうちの一方の端子１２Ｂと他方の端子１２Ａとの間にスイッチＳＷが設けられる。スイッチＳＷは、上述した一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加時又は周期的交流電流の通電時は開状態とされ、一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加又は周期的交流電流の通電が終了後に閉状態とされる。

図２には、本実施形態における超音波振動子２０の両端に印加される電圧波形が示される。図２に示されるように、ｔ＝１より前における一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加時又は周期的交流電流の通電時には、超音波振動子２０の両端に所定の電圧値（例えば１００Ｖ）の電圧が印加される。ｔ＝１で一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加又は周期的交流電流の通電を終了した後、スイッチＳＷを所定時間、閉状態にする。スイッチＳＷを閉状態にすると、超音波振動子２０に瞬時に電気的損失を与え、超音波振動子２０の振動を機械的損失及び電気的損失により所定の時間内にゼロまで減衰させることが可能となる。

以上のように超音波振動子駆動装置１によれば、トランス１０の一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加時又は周期的交流電流の通電時にはスイッチＳＷを開状態とし、トランス１０の一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加又は周期的交流電流の通電の終了後に二次側コイル１２が有する２つの端子１２Ａ、１２Ｂどうしを所定時間、短絡することによって、残響振動エネルギーの電気的な部分は瞬時に失われて、残響時間を短縮することが可能となる。また、スイッチＳＷを閉状態にするタイミングをマイク印加電圧のピークに設定（並列接続されたコンデンサＣｔにエネルギーが蓄えられている状態で、二次側コイル１２に加わるエネルギーは最小となっている）することで、コンデンサＣｔに蓄えられたエネルギーを一気に損失させることができる。

２．第２の実施形態
次に、超音波振動子駆動装置１の第２の実施形態について説明する。図３には、本実施形態に係る超音波振動子駆動装置１が示される。本実施形態の超音波振動子駆動装置１では、スイッチＳＷは抵抗器Ｒと直列に接続されている。

このような構成にあっては、突入電流を抑制することでき、ＥＭＩ特性の向上に寄与することが可能となる。なお、抵抗器Ｒの抵抗値は、ＥＭＩ特性に応じて変更すると好適である。

３．第３の実施形態
次に、超音波振動子駆動装置１の第３の実施形態について説明する。図４には、本実施形態に係る超音波振動子駆動装置１が示される。本実施形態の超音波振動子駆動装置１では、スイッチＳＷとして、スイッチング素子Ｑが用いられる。図４の例では、Ｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴを用いた例が示され、抵抗器ＲとＮ型ＭＯＳ−ＦＥＴとの間にダイオードＤが設けられている。

端子１２Ａに抵抗器Ｒの一端が接続され、他端にダイオードＤのアノードが接続される。ダイオードＤのカソードはＮ型ＭＯＳ−ＦＥＴのドレーン端子と接続される。Ｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴのソース端子は端子１２Ｂと接続される。Ｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴのゲート端子にはＮ型ＭＯＳ−ＦＥＴの動作を制御する制御信号が入力可能に構成される。このような構成であっても、上述した第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、スイッチＳＷとしてスイッチング素子Ｑを用いることにより、スイッチＳＷをコンパクトに構成することができるので、超音波振動子駆動装置１を小型化でき、ダイオードＤをＮ型ＭＯＳ−ＦＥＴのドレーン側に設けることで、逆バイアスが加わった時に、電流の流れを阻止することができる。

４．第４の実施形態
次に、超音波振動子駆動装置１の第４の実施形態について説明する。図５には、本実施形態に係る超音波振動子駆動装置１が示される。本実施形態の超音波振動子駆動装置１は、スイッチング素子Ｑは、並列接続された、少なくとも電子をキャリアとする第１のスイッチング素子Ｑ１と、少なくとも正孔をキャリアとする第２のスイッチング素子Ｑ２とから構成され、抵抗器Ｒは、第１の抵抗器Ｒ１と第２の抵抗器Ｒ２とから構成される。図５の例では、電子をキャリアとする第１のスイッチング素子Ｑ１としてＮ型ＭＯＳ−ＦＥＴが用いられ、正孔をキャリアとする第２のスイッチング素子Ｑ２としてＰ型ＭＯＳ−ＦＥＴが用いられる。本実施形態では、このＮ型ＭＯＳ−ＦＥＴとＰ型ＭＯＳ−ＦＥＴとが並列に接続される。

二次側コイル１２が有する一方の端子１２Ｂと他方の端子１２Ａとの間に第１のスイッチング素子Ｑ１と第１の抵抗器Ｒ１とが直列接続されて設けられ、二次側コイルが有する一方の端子１２Ｂと他方の端子１２Ａとの間に第２のスイッチング素子Ｑ２と第２の抵抗器Ｒ２とが直列接続されて設けられる。本実施形態では、第１の抵抗器Ｒ１とＮ型ＭＯＳ−ＦＥＴとの間にダイオードＤ（第１のダイオードＤ１）が設けられ、第２の抵抗器Ｒ２とＰ型ＭＯＳ−ＦＥＴとの間にダイオードＤ（第２のダイオードＤ２）が設けられる。

端子１２Ａに第１の抵抗器Ｒ１の一端が接続され、他端に第１のダイオードＤ１のアノードが接続される。第１のダイオードＤ１のカソードはＮ型ＭＯＳ−ＦＥＴのドレーン端子と接続される。Ｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴのソース端子は端子１２Ｂと接続される。Ｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴのゲート端子にはＮ型ＭＯＳ−ＦＥＴの動作を制御する制御信号が入力可能に構成される。また、端子１２Ａには第２の抵抗器Ｒ２の一端も接続され、他端に第２のダイオードＤ２のカソードが接続される。第２のダイオードＤ２のアノードはＰ型ＭＯＳ−ＦＥＴのドレーン端子と接続される。Ｐ型ＭＯＳ−ＦＥＴのソース端子は端子１２Ｂと接続される。Ｐ型ＭＯＳ−ＦＥＴのゲート端子にはＰ型ＭＯＳ−ＦＥＴの動作を制御する制御信号が入力可能に構成される。なお、Ｐ型ＭＯＳ−ＦＥＴのゲート端子に入力される制御信号は、Ｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴのゲート端子に入力される制御信号に対し、インバータにより反転されている。このような構成であっても、Ｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴ及びＰ型ＭＯＳ−ＦＥＴを夫々動作させることにより、電気的損失を瞬時に与えることができ、上述した第２の実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

なお、図５では、電子をキャリアとする第１のスイッチング素子Ｑ１としてＮ型ＭＯＳ−ＦＥＴが用いられる例を示したが、電子が多数キャリアであり、正孔が少数キャリアであるｎｐｎ型バイポーラトランジスタを用いても良い。また、図５では、正孔をキャリアとする第２のスイッチング素子Ｑ２としてＰ型ＭＯＳ−ＦＥＴが用いられる例を示したが、正孔が多数キャリアであり、電子が少数キャリアであるｐｎｐ型バイポーラトランジスタを用いても良い。

本発明は、トランスが有する一次側コイルへの周期的交流電圧の印加又は周期的交流電流の通電により、トランスが有する二次側コイルに接続された圧電素子を用いた超音波振動子を駆動し、二次側コイルと二次側コイルが有する２つの端子間に設けられたコンデンサとからなり、圧電素子を駆動する並列共振回路を有する超音波振動子駆動装置に用いることが可能である。

１：超音波振動子駆動装置
１０：トランス
１１：一次側コイル
１２：二次側コイル
１２Ａ：端子
１２Ｂ：端子
２０：超音波振動子
３０：並列共振回路
Ｃｔ：コンデンサ
Ｑ：スイッチング素子
Ｑ１：第１のスイッチング素子
Ｑ２：第２のスイッチング素子
Ｒ：抵抗器
Ｒｔ：抵抗器
Ｒ１：第１の抵抗器
Ｒ２：第２の抵抗器
ＳＷ：スイッチ

Claims

トランスが有する一次側コイルへの周期的交流電圧の印加又は周期的交流電流の通電により、前記トランスが有する二次側コイルに接続された圧電素子を用いた超音波振動子を駆動し、前記二次側コイルと前記二次側コイルが有する２つの端子間に設けられたコンデンサとからなり、前記圧電素子を駆動する並列共振回路を有する超音波振動子駆動装置であって、
前記二次側コイルが有する前記２つの端子のうちの一方は接地され、
前記二次側コイルが有する前記２つの端子のうちの一方の端子と他方の端子との間にスイッチが設けられている超音波振動子駆動装置。
前記スイッチは、抵抗器と直列に接続されている請求項１に記載の超音波振動子駆動装置。
前記スイッチは、スイッチング素子である請求項２に記載の超音波振動子駆動装置。
前記スイッチング素子は、並列接続された、少なくとも電子をキャリアとする第１のスイッチング素子と、少なくとも正孔をキャリアとする第２のスイッチング素子とから構成され、
前記抵抗器は、第１の抵抗器と第２の抵抗器とから構成され、
前記二次側コイルが有する前記２つの端子のうちの一方の端子と他方の端子との間に前記第１のスイッチング素子と前記第１の抵抗器とが直列接続されて設けられ、前記二次側コイルが有する前記２つの端子のうちの一方の端子と他方の端子との間に前記第２のスイッチング素子と前記第２の抵抗器とが直列接続されて設けられる請求項３に記載の超音波振動子駆動装置。