JP2019508690A - 自動車両の超音波センサの供給電圧をフィルタリングするためのフィルタ装置、超音波センサ装置、及び、自動車両 - Google Patents

Abstract

本発明は、自動車両（１）の超音波センサ（１０）の供給電圧（Ｕｂ）をフィルタリングするためのフィルタ装置（９）に関し、フィルタ装置（９）は、供給電圧（Ｕｂ）を供給する電圧源（８）に入力側で電気的に接続可能であるとともに、超音波センサ（１０）に出力側で電気的に接続可能であり、フィルタ装置（９）が抵抗器（Ｒ１）とコンデンサ（Ｃ１）とを有するローパスフィルタを備え、フィルタ装置（９）は、抵抗器（Ｒ１）と並列に接続されるダイオード（Ｄ２）を備える。

Description

本発明は、自動車両の超音波センサの供給電圧をフィルタリングするためのフィルタ装置に関し、この場合、フィルタは、入力側で供給電圧を供給する電圧源に電気的に接続可能であり、出力側で超音波センサに電気的に接続可能であり、また、フィルタ装置は、抵抗器とコンデンサとを有するローパスフィルタを備える。加えて、本発明は、超音波センサとそのようなフィルタ装置とを有する超音波センサ装置に関する。また、本発明は、そのような超音波センサ装置を有する自動車両に関する。

この場合、関心のある話題は、特に自動車両用の超音波センサに焦点が合わされる。そのような超音波センサは、例えば、車両のバンパ上に配置することができ、自動車両の周囲の物体を検出するために使用される。物体を検出できるように、超音波信号が送信段階中に超音波センサを使用して発せられる。この目的のために、圧電素子などの適切なトランスデューサ素子を使用して超音波センサのダイアフラムが振動するように励起される。送信段階中にトランスデューサ素子を動作させることができるように、比較的高い電流が必要とされる。その後の評価段階では、物体から反射される超音波信号が超音波センサを使用して再び受けられる。評価段階中、トランスデューサ素子は励起されない。この場合、超音波センサは、比較的小さい評価電流又は動作電流によって動作される。

超音波センサには、一般に、自動車両の電圧源によって電気エネルギーが供給される。電圧源によって供給される供給電圧をフィルタリングできるように、ローパス又はＲＣ素子を有するフィルタ装置が通常は使用される。したがって、フィルタ装置は抵抗器とコンデンサとを備え、この場合、抵抗器及びコンデンサの寸法に応じて、特定の時定数及びそれに伴うカットオフ周波数が得られ、カットオフ周波数を超えると、フィルタが著しく減衰する。スペースの制約に起因して、多くの場合、比較的高い容量を有するコンデンサを使用することができない。その後に比較的低いカットオフ周波数が達成されれば、高い抵抗値を有する抵抗器が使用されなければならない。特に、高い電流が供給される送信段階中に、これが抵抗器の両端間で著しい電圧降下をもたらす。

これに関連して、欧州特許第０６２３３９５号明細書は、超音波トランスデューサを減衰させるための回路装置について記載する。この回路装置は、送信器及び受信器の両方として設計される超音波トランスデューサのために使用され得る。回路装置は、制御電圧に対応する発信された超音波トランスデューサ信号の振幅が特定の包絡線にしたがって減衰時間にわたり減衰するように超音波トランスデューサのための作動電圧を制御するべく設計される発生器を有する。更に、発生器は、その結果として所定の期間内に特定の包絡線が最初にゼロでない電圧値まで減衰した後に包絡線の電圧値が特定の期間にわたってほぼ一定である手段を有する。これらの手段は、例えば、ローパスフィルタとして接続されるＲＣ素子を有することができる。

欧州特許第０６２３３９５号明細書

本発明の目的は、前述のタイプの超音波センサのためのフィルタ装置を簡単な方法でより効果的に動作させることができる方法に関する解決策を示すことである。

この目的は、本発明によれば、それぞれの独立請求項に係る特徴を有するフィルタ装置によって、超音波センサ装置によって、及び、自動車両によって達成される。本発明の有利な拡張は、従属請求項、明細書本文、及び、図の主題である。

本発明に係るフィルタ装置は、自動車両の超音波センサの供給電圧をフィルタリングするために使用される。フィルタ装置は、入力側で供給電圧を供給する電圧源に電気的に接続可能であり、出力側で超音波センサに電気的に接続可能である。また、フィルタ装置は、抵抗器とコンデンサとを有するローパスフィルタも備える。本発明によれば、フィルタ装置が抵抗器と並列に接続されるダイオードを備えるようにされる。

フィルタ装置は、自動車両の超音波センサのために使用され得る。そのような超音波センサは、例えば、自動車両のバンパ上に配置され得る。この超音波センサは、例えばアルミニウムから形成されるダイアフラムを有することができ、カップ形状の形態を有することができる。加えて、超音波センサは、トランスデューサ素子、例えば圧電素子を有することができ、このトランスデューサ素子を用いてダイアフラム又はダイアフラムのベースを機械的な振動状態へと励起することができる。トランスデューサ素子を励起するためには、超音波センサの送信段階中、比較的高い送信電流が必要とされる。その後の評価段階では、トランスデューサ素子がもはや励起されない。この場合、物体から反射される超音波信号は、受信されて、ダイアフラムに突き当たり、ダイアフラムを振動状態へと励起させる。その後、膜のこれらの振動をトランスデューサ素子で検出することができる。評価段階中、超音波センサには比較的低い評価電流が供給される。この評価電流は、例えば、超音波センサの処理装置、特にマイクロプロセッサに供給するために使用される。

供給電圧は、自動車両の電圧源を使用して供給される。電圧源は、電流を供給するために使用することもできる。電圧源は、例えば、バッテリ又はアキュムレータであってもよい。電圧源は、自動車両の車載ネットワークの一部であってもよい。電圧源によって供給される供給電圧をフィルタリングするために、フィルタ装置が使用される。特に、フィルタ装置は、高周波信号成分又は供給電圧からの混信号をフィルタ除去するように設計される。この目的のために、フィルタ装置は、抵抗器とこの抵抗器に並列に接続されるコンデンサとを有するローパスフィルタを備える。フィルタ装置は、自動車両の電圧源に電気的に接続され得る入力端子を有することができる。ローパスフィルタの抵抗は入力端子の一方と直列に接続され、また、ローパスフィルタのコンデンサは入力端子と並列に接続される。更に、フィルタ装置は、超音波センサに電気的に接続され得る出力端子を有することができる。

この場合、本発明によれば、フィルタ装置が抵抗器と並列に接続されるダイオードも備えるようにされる。ダイオードを抵抗器と並列に接続することにより、特に高い送信電流の場合に、電圧降下は順方向電圧に又はダイオード順方向電圧に又はダイオードクランピング電圧に制限することができる。ダイオードのこの順方向電圧は例えば０．５Ｖ又は０．７Ｖであってもよい。したがって、特に超音波センサの送信段階中にフィルタ装置をより効率的に動作させることができる。

好ましくは、ダイオード及び／又は抵抗器は、超音波センサの送信段階中に特定の送信電流がフィルタ装置を通じて流れる場合にダイオードが導通するように寸法付けられる。超音波信号が発せられる超音波センサの送信段階中に、例えば１Ａとなり得る送信電流が供給される。原理的には、送信段階中にパルス状の送信電流が供給されるようにすることもできる。この場合、ダイオード及び／又は抵抗は、この送信電流がダイオードを導通させる電圧降下をダイオードの両端間で引き起こすように寸法付けられる。このことは、送信電流がフィルタ装置を通じて流れる場合にダイオードが導通するように抵抗器の抵抗値及び／又はダイオードの順方向電圧が選択されることを意味する。したがって、電圧降下がダイオードの順方向電圧に制限される。そのため、ローパスフィルタ又はＲＣ素子の抵抗がある意味でダイオードによってバイパスされる。ローパスフィルタはもはやフィルタ効果を殆ど有さないが、これはしばしば超音波センサの送信段階で必要とされない。

更なる実施形態において、ダイオード及び／又は抵抗器は、超音波センサの評価段階中に特定の評価電流がフィルタ装置を通じて流れる場合にダイオードが遮断するように寸法付けられる。超音波センサの評価段階中、超音波センサを動作させるために例えば数ｍＡとなり得る比較的低い評価電流が必要とされる。この評価電流は、例えば、超音波センサの処理装置又はマイクロプロセッサを動作させるために使用される。特に評価段階中、混信号が電源電圧からフィルタにより除外される必要がある。この場合、ダイオード及び／又は抵抗は、フィルタ装置を通じて流れる評価電流によってダイオードが導通しないように寸法付けられる。このことは、評価電流が実質的にローパスフィルタの抵抗器を通じて流れることを意味する。したがって、この場合には、抵抗器と並列に接続されるダイオードが高抵抗である。このことは、ローパスフィルタの時定数が抵抗によって規定されることを意味する。したがって、評価段階中の供給電圧を確実にフィルタリングすることができる。

そのため、超音波センサの動作状態−すなわち、送信段階又は評価段階−に動的に適合するフィルタ装置が全体的に提供される。これは、抵抗器に並列に接続されるダイオードを使用して達成される。このことは、省スペースで且つ費用効率が高い態様でフィルタ装置を提供できることを意味する。

更なる実施形態において、フィルタ装置は、抵抗器と直列に接続される更なるダイオードを備える。抵抗器と直列に電気的に接続される更なるダイオードは、逆極性保護をもたらすことができる。これは、超音波センサが不正確に接続される場合に超音波センサの損傷を防止できる。

更なる実施形態において、フィルタ装置は、ローパスフィルタのコンデンサと並列に接続される少なくとも１つの更なるコンデンサを有する。例えば、フィルタ装置がローパスフィルタのコンデンサと並列に接続される２つの更なるコンデンサを有するようにすることができる。これらの更なるコンデンサは、特に、プロセッサ装置又は超音波センサのマイクロプロセッサのためのエネルギー貯蔵装置として使用される。これは、プロセッサ装置に必要な電圧が供給されるようにするために使用され得る。

自動車両のための本発明に係る超音波センサ装置は、本発明に係る超音波センサ及びフィルタ装置を備える。フィルタ装置の入力端子がバッテリ又は車載ネットワークなどの自動車両の電圧源に電気的に接続されるようにすることもできる。フィルタ装置の出力端子を超音波センサに電気的に接続することもできる。

本発明に係る自動車両は、本発明に係る少なくとも１つの超音波センサ装置を備える。自動車両が複数の超音波センサ装置を有するようにすることもできる。この場合、超音波センサ装置のそれぞれの超音波センサは、バンパの領域内で自動車両上に配設され得る。特に、自動車両が乗用車として設計される。

本発明に係るフィルタ装置に関連して与えられる好ましい実施形態及びそれらの利点は、変更すべきところは変更して、本発明に係る超音波センサ装置及び本発明に係る自動車両の両方に適用される。

本発明の更なる特徴は、特許請求の範囲、図、及び、図の説明から生じる。先の説明で言及された特徴及び特徴の組合せ、並びに、以下の図の説明で言及される及び／又は図のみに示される特徴及び特徴の組合せは、本発明の範囲から逸脱することなく、示されるそれぞれの組合せにおいてのみならず、他の組合せにおいても又は単独でも適用できる。したがって、本発明のそのような実施形態は、図に明確に示されていない又は説明されていないが別個の特徴の組合せによって記載される実施形態から出現して生み出され得るように備えられて開示されるとも見なされるべきである。したがって、本来的に策定された独立請求項の全ての特徴を有さない実施形態及び特徴の組合せも開示されたものと見なされるべきである。

ここで、好ましい典型的な実施形態に基づき、添付図面を参照して、本発明を更に詳しく説明する。

複数の超音波センサ装置を有する本発明の１つの実施形態に係る自動車両を示す。 自動車両の電圧源に接続される超音波センサ装置の概略図を示す。 従来技術に係る超音波センサ装置のフィルタ装置の回路を示す。 本発明の一実施形態に係るフィルタ装置の回路を示す。

図中、同一の機能的に等価な要素が同一の参照符号によって示される。

図１は、本発明の１つの実施形態に係る自動車両１を平面図で示す。この場合の自動車両１は乗用車として設計される。自動車両１は運転者支援システム２を備え、運転者支援システム２は制御装置３を備える。運転者支援システム２は少なくとも１つの超音波センサ装置４を更に備える。この場合、運転者支援システム２は８個の超音波センサ装置４を備え、この場合、４つの超音波センサ装置４が自動車両１の前部５に配置され、４つの超音波センサ装置４が自動車両１の後部６に配置される。以下で更に詳しく説明するように、各超音波センサ装置４は１つの超音波センサ１０を備え、該超音波センサを用いて自動車両の周囲領域７内の物体を検出することができる。これに関して、超音波センサ１０を自動車両１のバンパ上に配置することができる。それぞれの超音波センサ装置４は制御装置３によって制御され得る。

また、自動車両１は、例えば自動車両１の電気エネルギー貯蔵装置によってもたらされる電圧源８も備える。そのような自動車両１の電気エネルギー貯蔵装置は、例えば、自動車両１のバッテリ又は車載電源であってもよい。それぞれの超音波センサ装置４は電圧源８に電気的に接続される。超音波センサ装置４又は超音波センサ１０には動作時に電圧源８によって電気エネルギーが供給される。

図２は、電圧源８に電気的に接続される超音波センサ装置４の概略図を示す。電圧源８は供給電圧Ｕｂを供給する。超音波センサ装置４は、この供給電圧Ｕｂをフィルタリングするために使用されるフィルタ装置９を備える。フィルタ装置９は入力側が電圧源８に接続される。出力側で、フィルタ装置９が超音波センサ１０に接続される。フィルタ装置９の出力では、フィルタリングされた供給電圧Ｕｆが存在する。このフィルタリングされた供給電圧Ｕｆは、超音波センサ１０に供給するために使用される。

超音波センサ１０は、一方では、送信段階中に超音波信号を発するために使用される。その後の評価段階において、物体から反射される超音波信号が超音波センサ１０によって再び受けられる。超音波センサ１０は、対応するトランスデューサ素子を用いて機械的な振動へと促されるダイアフラムを備える。トランスデューサ素子を動作させるために、送信段階中、例えば１Ａであってもよい送信電流が供給される。その後の評価段階では、トランスデューサ素子が動作されない。ここで、電圧源８により評価電流Ｉａが供給され、この評価電流Ｉａを用いて、超音波センサ１０、特に超音波センサ１０の処理ユニット又はマイクロプロセッサが動作される。評価段階中、トランスデューサ素子によって、膜に突き当たって膜を振動させように励起する反射された超音波信号が検出される。特に、超音波センサ１０の評価段階中、反射された超音波信号を確実に検出できるように混信号が供給電圧Ｕｂからフィルタリングにより除去される必要がある。

図３は、従来技術に係るフィルタ装置９の回路を示す。回路は、電圧源８の供給電圧Ｕｂが印加される入力端子を有する。加えて、フィルタ装置９はローパスフィルタ又はＲＣ素子を備える。このローパスフィルタは抵抗器Ｒ１とコンデンサＣ１と備える。コンデンサＣ１は、入力端子と並列に接続されるとともに、抵抗器Ｒ１と並列に接続される。抵抗器Ｒ１の抵抗値とコンデンサＣ１の容量とに応じて、特定の時定数τ＝Ｒ１＊Ｃ１が得られる。ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｃは、ｆｃ＝１／２＊π＊τによって与えられる。

スペースの制約により、コンデンサＣ１の容量を任意に大きくなるように選択することができない。例えば、コンデンサＣ１の容量を１００ｎＦとすることができる。抵抗器Ｒ１が１００オームの抵抗を有する場合には、６．８ｍｓの時定数と２４Ｈｚのカットオフ周波数とが得られる。送信段階中に１Ａの送信電流Ｉｓが抵抗器を通じて流れる場合には、これが抵抗器Ｒ１で１００Ｖの電圧降下をもたらす。

抵抗器Ｒ１の両端間でのそのような著しい電圧降下を防止するために、抵抗器Ｒ１の抵抗値を非常に小さくなるように選ぶことができる。例えば、抵抗器Ｒ１の抵抗値が０．５Ωであるとすると、これが１０μｓの時定数と１６ｋＨｚのカットオフ周波数とをもたらす。１Ａの送信電流Ｉｓの場合、これによって電圧降下が０．５Ｖになる。この場合、抵抗器Ｒ１の両端間で小さい電圧降下が得られる。しかしながら、このことは、ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｃがコンデンサＣ１の一定の容量に関して非常に急速に増大し、それにより、フィルタの効果が著しく低下することを意味する。また、フィルタ装置９は、抵抗器Ｒ１と直列に接続されるダイオードＤ１も備える。このダイオードＤ１は逆極性保護のために使用される。加えて、フィルタ装置は更なるコンデンサＣ２，Ｃ３を備える。コンデンサＣ２，Ｃ３の容量をそれぞれ１０μＦにすることができる。これらのコンデンサＣ２，Ｃ３は、プロセッサ装置又は超音波センサ１０のマイクロプロセッサのためのエネルギー貯蔵装置として使用される。

図４は、本発明の１つの実施形態に係るフィルタ装置９の回路を示す。図３に係る回路と比べて、フィルタ装置９は、抵抗器Ｒ１と並列に接続されるダイオードＤ２を更に備える。ダイオードＤ２を抵抗器Ｒ１と並列に接続することにより、高い送信電流Ｉｓが印加されるときに、電圧降下が順方向電圧Ｕｄに又はダイオードクランピング電圧に制限される。ダイオードＤ２の順方向電圧Ｕｄを例えば０．５Ｖにすることができる。送信電流が送信段階中に供給されれば、ローパスフィルタは殆ど影響を及ぼさないが、これは超音波センサ１０の送信段階中に必要とされない。評価電流Ｉａがローパスフィルタを通じて流れる評価段階中、ダイオードＤ２が高い抵抗を有し、それにより、この時点でフィルタ時定数が抵抗器Ｒ１によって規定される。このかなり高い値は、非常に良好なフィルタ効果をもたらす。

抵抗器Ｒ１は、評価電流Ｉａ又は動作電流においてダイオードＤ２が高い抵抗を有するように寸法付けられなければならない。以下が適用されなければならない：Ｒ１＊Ｉａ＜Ｕｄ。抵抗器Ｒ１が１００オームの抵抗を有していれば、コンデンサＣ１の容量が１００ｎＦの場合、これが２４Ｈｚのカットオフ周波数をもたらす。１Ａに等しい送信電流が供給される場合、これは、例えば０．５Ｖであってもよい順方向電圧Ｕｄに等しい電圧降下をダイオードＤ２でもたらす。評価段階においては、評価電流が制約Ｉａ＜Ｕｄ／Ｒ１を受ける。０．４Ｖの順方向電圧Ｕｄが想定される場合であっても、評価電流Ｉａ又は動作電流に関して４ｍＡの許容電流が得られる。そのような電流では、ローパスフィルタ又はＲＣ素子の十分な効果を実現できる。同時に、送信段階中、過剰な電圧降下を伴うことなく送信電流Ｉｓが供給される。また、送信段階中にパルス電流Ｉｓが供給されるようにすることもできる。したがって、この回路又はこのフィルタ装置を用いると、送信段階において高いパルス電流が可能であり、一方、低い評価電流Ｉａを伴うその後の評価段階では、ローパスフィルタの有利なフィルタ効果を依然として達成できる。したがって、動的な供給電圧フィルタを提供するためにフィルタ装置９を全体的に使用できる。

Claims (8)

1. 自動車両（１）の超音波センサ（１０）の供給電圧（Ｕｂ）をフィルタリングするためのフィルタ装置（９）であって、前記フィルタ装置（９）が、供給電圧（Ｕｂ）を供給する電圧源（８）に入力側で電気的に接続可能であるとともに、前記超音波センサ（１０）に出力側で電気的に接続可能であり、前記フィルタ装置（９）が抵抗器（Ｒ１）とコンデンサ（Ｃ１）とを有するローパスフィルタを備える、フィルタ装置（９）において、
   前記フィルタ装置（９）は、前記抵抗器（Ｒ１）と並列に接続されるダイオード（Ｄ２）を備えることを特徴とするフィルタ装置（９）。
2. 前記ダイオード（Ｄ２）及び／又は前記抵抗器（Ｒ１）は、前記超音波センサ（１０）の送信段階中に特定の送信電流（Ｉｓ）が前記フィルタ装置（９）を通じて流れる場合に前記ダイオード（Ｄ２）が導通するように寸法付けられること
   を特徴とする
   請求項１に記載のフィルタ装置（９）。
3. 前記ダイオード（Ｄ２）及び／又は前記抵抗器（Ｒ１）は、前記超音波センサ（１０）の評価段階中に特定の評価電流（Ｉａ）が前記フィルタ装置（９）を通じて流れる場合に前記ダイオード（Ｄ２）が導通しないように寸法付けられること
   を特徴とする
   請求項１又は２に記載のフィルタ装置（９）。
4. 前記ダイオード（Ｄ２）及び／又は前記抵抗器（Ｒ１）は、前記抵抗器（Ｒ１）の抵抗値が前記ダイオード（Ｄ２）の順方向電圧（Ｕｄ）と前記評価電流（Ｉａ）との商よりも小さくなるように寸法付けられること
   を特徴とする
   請求項３に記載のフィルタ装置（９）。
5. 前記フィルタ装置（９）は、前記ローパスフィルタの抵抗器（Ｒ１）と直列に接続される更なるダイオード（Ｄ１）を備えること
   を特徴とする
   請求項１から４のいずれか一項に記載のフィルタ装置（９）。
6. 前記フィルタ装置（９）は、前記ローパスフィルタのコンデンサ（Ｃ１）と並列に接続される少なくとも１つの更なるコンデンサ（Ｃ２、Ｃ３）を有すること
   を特徴とする
   請求項１から５のいずれか一項に記載のフィルタ装置（９）。
7. 超音波センサ（１０）と請求項１から６のいずれか一項に記載のフィルタ装置（９）とを有する自動車両（１）のための超音波センサ装置（４）。
8. 請求項７に記載の少なくとも１つの超音波センサ装置（４）を有する自動車両（１）。

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