JP2023159045A - 圧電超音波トランスデューサの駆動回路及び超音波トランスデューサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に、近距離で周囲の物体を検出するための性能を向上させた超音波振動子の駆動回路及び超音波振動子システムを提供する。【解決手段】超音波トランスデューサシステム１において、圧電超音波トランスデューサ４の駆動回路２は、少なくとも１つの一次側巻線２２、２２’、２２”を有する変圧器２１と、切替接続部Ａ’、Ａ”を介して、少なくとも１つの一次側巻線に接続された半導体スイッチ２４’、２４”を有するスイッチングユニットと、少なくとも１つの一次側巻線に交互に動作電圧ＵＢを印加するか又はそれを切り離すように動作するコントロールユニット５と、切替接続部に電気的に結合され、切替接続部におけるスイッチオフ電圧を、大きさの点で動作電圧ＵＢの少なくとも２倍に相当する制限電圧に制限する起動電圧（降伏電圧）ＵＺＤを有するツェナーダイオードＺＤ１を有する保護回路２５と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、変圧器インダクタ（transformer inductor）のスイッチング動作による過電圧に対する保護を改善した圧電超音波トランスデューサの駆動回路に関する。

超音波トランスデューサは物体検出に用いられ、通常、励磁に１００Ｖから２００Ｖ程度の高い交流電圧を必要とする圧電アクチュエータを備えている。このような駆動電圧の電圧レベルは、通常、出力段に変圧器を用いた電圧変換によって提供される。

送信（transmission）モードでは、一次側の変圧器に周期的なパルス状の動作電圧が印加され、それに応じて所望の駆動電圧まで変換される。より単純な回路設計のため、励磁はパルス状である。このような変圧器のパルス状励磁では、一次側で供給された動作電圧はオン又はオフに切り替わる。変圧器のパルス励磁は、一次側の変圧器巻線のインダクタンスに蓄えられた電気エネルギーにより、比較的高いスイッチオフ電圧をもたらす。この効果はフライバック効果とも呼ばれる。

フライバック効果による変圧器の一次側の高いスイッチオフ電圧は、駆動回路の部品の損傷を防ぐために制限する必要がある。通常、一次側インダクタンスのエネルギーはダイオードを介して散逸し、電力損失として熱の形で散逸する。

超音波トランスデューサシステムは、通常、送信モードでは超音波トランスデューサを制御して超音波送信信号を放出し、受信モードでは１つ以上の周囲の物体から反射された超音波送信信号に対応する超音波受信信号を受信する。結果として生じる超音波信号の伝播時間は、他の特徴とともに、超音波トランスデューサシステムの検出範囲内の周囲の物体に関する情報を得るために評価される。送信モードから受信モードに切り替える場合、送信モードの終了後できるだけ早く受信モードの開始時の感度を提供するために、一次側に蓄積されたエネルギーをできるだけ早く完全に散逸させる必要がある。送信フェーズ終了後の検出能力の確立は、超音波トランスデューサシステムによって、近距離の周囲の物体をどの程度の距離まで検出できるかを決定的に決定する。

本発明の目的は、より効率的に、近距離で周囲の物体を検出するための性能を向上させた超音波振動子の駆動回路及び超音波振動子システムを提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の超音波トランスデューサの駆動回路、及び、独立請求項に記載の超音波トランスデューサシステムにより解決される。
さらなる実施形態は従属クレームに記載されている。

一態様によれば、超音波トランスデューサシステムにおける圧電超音波トランスデューサの駆動回路が提供され、
－少なくとも１つの一次側巻線を有する変圧器と、
－切替接続部を介して、少なくとも１つの前記一次側巻線に接続された半導体スイッチを有するスイッチングユニットと、
－少なくとも１つの前記一次側巻線に交互に動作電圧を印加するか、又はそれを切り離すように構成されたコントロールユニットと、
－前記切替接続部に電気的に結合され、当該切替接続部におけるスイッチオフ電圧を、大きさの点で前記動作電圧の少なくとも２倍に相当する制限電圧に制限するツェナーダイオードを有する保護回路と、
を含む。

制限電圧は、前記動作電圧の２倍の大きさの１００％から１５０％の範囲、特に、前記動作電圧の２倍の大きさの１０５％から１３０％の範囲から選択され得る。
さらに、前記制限電圧は、前記ツェナーダイオードの起動電圧又は絶縁降伏電圧を選択することによって決定され得る。
望ましくは、前記保護回路は、少なくとも１つの前記切替接続部に非容量方式で電気的に結合される。

超音波トランスデューサの駆動回路では、特にピエゾアクチュエータとして構成される超音波トランスデューサを、高い駆動電圧で駆動できるように、送信モード用の変圧器が設けられる。これは、通常、変圧器の一次側のパルス動作電圧によって供給される交流電圧を用いて行われる。パルス動作電圧は、特に電界効果トランジスタなどの適切な半導体スイッチを用いて、動作電圧を印加又はスイッチオフすることによって生成される。

変圧器の少なくとも１つの一次側巻線のインダクタンスにより、インダクタンスに蓄えられた電気エネルギーによって動作電圧がオフになると、切り替えられた変圧器の端子でかなりの電圧上昇が発生する。電圧上昇は、超音波トランスデューサシステムのコンポーネントの損傷又は破壊につながる可能性がある。そのため、通常、一次側巻線がオフになった後の電圧上昇を制限するために適切な保護回路が設けられている。

変圧器の一次側巻線をオフにした直後は、一次側巻線の対応する他の変圧器端子の電位が切り替わらず一定に保たれるため、切り替わった変圧器端子は通常２倍の動作電圧となる。これ以上の対策を講じなければ、一次側巻線からの電流の流れが強く制限されたり、妨げられたりした場合、一次側巻線のスイッチオフ電圧は、巻線に蓄えられた電気エネルギーによって上昇し続けることになる。

上記の駆動回路によれば、保護回路は少なくとも１つの一次側巻線の切替接続部に結合され、ツェナーダイオードを含む。ツェナーダイオードの起動電圧（降伏電圧）は、一次側巻線が切り替わる動作電圧の２倍を最低限上回るように設計されている。ツェナーダイオードの起動電圧を動作電圧の２倍以上の値に設定することにより、一次側巻線のスイッチオフ電圧が起動電圧で定義される電圧しきい値を超えて上昇するのを効率的に防止することができる。このようにして、第１に、一次側巻線の電を圧制限して他のコンポーネントを保護し、第２に、この電圧を周囲のコンポーネントとの相互作用における最適なエネルギー散逸を確保するように選択することができる。

保護回路によるスイッチオフ相の電流の特定のドレインにより、送信モードから受信モードへの移行中に変圧器に残る電気エネルギーが少なくなるため、送信モードの終了時のスイングアウトプロセスが大幅に短縮される。これにより、超音波トランスデューサで受信された任意の超音波受信信号は、送信モードの終了後に任意のスイングアウト信号によって重畳されないか、又はより短い時間だけ重畳されるため、改善された方法で検出され得る。

動作電圧はバッファ容量によってバッファリングされ、保護回路はリーク抵抗を介してバッファ容量に結合され得る。このようにして、一次側巻線のスイッチオンプロセスの開始時に必要とされる高いスイッチオン電流のための充電池を提供することができる。このように、スイッチオフ時に散逸したエネルギーを供給回路に戻すことにより、駆動回路の電流需要を低減することができる。

さらに、保護回路は、ダイオードを介して、特にダイオードを直接介して、少なくとも１つの切替接続部に結合され得、これにより、少なくとも１つの切替接続部とツェナーダイオードとの間に電圧差が発生すると、少なくとも１つの切替接続部から又は少なくとも１つの切替接続部への電荷フローが発生し、少なくとも１つの切替接続部での電圧変化が制限される。

このように、保護回路をダイオードと直列に接続することでデカップリングし、保護回路の切替変圧器端子又は変圧器の一次側巻線への容量入力を低減させることができる。さらに、直列に接続されたダイオードにより、ツェナーダイオードにバイアスをかけることができ、スイッチング慣性（switching inertia）が最小になる。

さらに、ストレージ容量がツェナーダイオードと並列に電気的に接続され、ツェナーダイオードの容量を補うことができる。これにより、一次側巻線がオフになった後に散逸した電気エネルギーの中間ストレージが改善され、次のスイッチングサイクル、すなわち、次に一次側巻線がオンになったときに使用することができる。ツェナーダイオードの開始電圧を動作電圧の２倍以上に意図的に選択することにより、その結果、スイッチオフ電圧が上昇すると、一次側巻線に流れる電流をストレージ容量に流入させることができる。これはツェナーダイオードの降伏電圧に達するまで続く。その後、電流は、降伏電圧が再びツェナーダイオードを下回るまで、ツェナーダイオードに流れ続ける。しかし、同時に、流れが長くなると、二次側の電圧も上昇する。

ストレージ容量は、保護回路と直列に設けられ、保護回路を変圧器の巻線から分離するダイオードとの組み合わせで特に有用である。このように、ダイオードはツェナーダイオードによって形成された容量とストレージ容量を変圧器回路から切り離し、スイッチング速度を増加させるバイアス電圧を加える役割を果たす。

さらに、散逸した電荷を吸収する容量が増加するため、ツェナーダイオードの容量がスイッチング速度に大きな影響を与えなくなると同時に、トランスから逆流するエネルギーの蓄積が可能になる。この容量に蓄積されたエネルギーは、その後、リーク抵抗によってバッファ容量の充電池にフィードバックされる。

一実施形態によると、変圧器は２つの一次側巻線を交互に動作電圧に接続したり切断したりすることで、動作電圧を常に一次側巻線の一方のみに供給することができる。

一次側巻線の対応する切替接続部は、それぞれのダイオードを介して特に保護回路に接続することができる。

さらなる側面によれば、
－圧電超音波トランスデューサと、
－変圧器の二次側巻線が前記超音波トランスデューサに接続された上記の駆動回路と、
を含む超音波トランスデューサシステムが提供される。

以下、添付図面を参照して実施形態をより詳細に説明する。
図１は、駆動回路を含む超音波トランスデューサシステムの回路図の概略を示す図である。 図２は、駆動回路の電圧信号の信号－時間図を示す。

図１は、超音波トランスデューサシステム１の送信モード用の駆動回路２と、超音波トランスデューサシステム１の受信モード用の受信回路３を含む超音波トランスデューサシステム１を示す。駆動回路２と受信回路３は、超音波トランスデューサ４に接続されている。受信回路３は概略的にのみ示されており、実際の設計の詳細はここには記載されていない。

超音波トランスデューサ４は、超音波周波数範囲で１００Ｖから２００Ｖの高ピエゾ電圧で駆動可能なピエゾアクチュエータを有し、送信モードで超音波送信信号を出力する。受信モードでは、超音波送信信号が１つ以上の周囲の物体で反射して生じる超音波受信信号により、受信回路３で検出可能な静電容量が変化する。

駆動回路２と受信回路３とは、一般にコントロールユニット５を介して交互に送信モード、受信モードで動作する。
駆動回路２は、超音波トランスデューサ４に二次側で結合された変圧器２１で構成される。

変圧器２１は、２つの一次側巻線２２と１つの二次側巻線２３を有する。一次側巻線２２は、放射された超音波送信信号の所望の駆動周波数に対応するパルス動作電圧で、それぞれの場合に交互に通電される。一次側巻線２２は、第１供給電位Ｕ_Ｂ（動作電圧）に接続された共通の中心端子Ｍと相互接続されている。特に、第１供給電位Ｕ_Ｂへの結合は、抵抗Ｒ２と、第２供給電位ＧＮＤ、特に接地電位に対する静電容量を提供する容量Ｃ４を介して行うことができる。

一次側巻線２２’のうち第１の第１切替接続Ａ’は、第１半導体スイッチ２４’を介して第２供給電位ＧＮＤに接続され、一次側巻線２２”のうち第２の第２切替接続Ａ”は、第２半導体スイッチ２４”を介して第２供給電位ＧＮＤに接続される。半導体スイッチ２４’、２４”は、コントロールユニット５によって、それぞれの制御信号Ｓ’、Ｓ”で開閉のための作動周波数に応じて、交互に作動され、第１及び第２の一次側巻線２２’、２２”が交互に通電され、第１及び第２の一次側巻線２２’、２２”のそれぞれの他方は、第１供給電位Ｕ_Ｂと第２供給電位ＧＮＤとの間の動作電圧から切り離される。

二次側巻線２３は超音波トランスデューサ４に接続されており、バッファ容量ＣＲ１でバッファすることができる。一次側巻線２２’、２２”に動作電圧が印加されると高いスイッチング電流が発生するため、一次側巻線２２’、２２”のいずれかのスイッチオンプロセス後に高い初期電流の充電池として機能するバッファ容量Ｃ２で第１電源電圧をバッファすることができる。

第１及び第２の一次側巻線２２’、２２”の切替接続部Ａ’、Ａ”は、それぞれのダイオードＤ１、Ｄ２を介して保護回路２５に接続されている。ダイオードＤ１、Ｄ２の順方向は、それぞれ切替接続部Ａ’、Ａ”と保護回路２５の間の正電圧に対応している。

保護回路２５は、ダイオードＤ１、Ｄ２によって、切替接続部Ａ’、Ａ”及び第２供給電位ＧＮＤに接続されるツェナーダイオードＺＤ１を有している。ツェナーダイオードＺＤ１の起動電圧（降伏電圧）Ｕ_ＺＤは、動作電圧の２倍以上、特に、動作電圧の２倍の１００％から１５０％、好ましくは１０５％から１３０％の間に設定された電圧に相当する。このように、ツェナーダイオードの起動電圧は、切替接続部Ａ’、Ａ”での電圧の制限電圧を定義する。

一次側巻線２２’、２２”の交互動作により、当該半導体スイッチ２４’、２４”がオフ（それぞれの半導体スイッチが開）された後、一次側巻線２２’、２２”の切替接続部Ａ’、Ａ”で、第１供給電位Ｕ_Ｂ（第２供給電位ＧＮＤと呼ばれる）の約２倍の電位に相当するスイッチオフ電圧又はカットオフ電位が発生する。保護回路２５には、ダイオードＤ１、Ｄ２によって（ダイオード電圧を差し引いた）スイッチオフ電位が印加される。変圧器２１の一次側巻線２２’、２２”又はそれに接続された電子半導体スイッチ（トランジスタ、ＦＥＴ、・・・）２４’、２４”の電圧上昇の制限は、ツェナーダイオードの起動電圧Ｕ_ＺＤとダイオードＤ１又はＤ２のダイオード順方向電圧から形成される。ダイオードＤ１、Ｄ２を使用せずにツェナーダイオードＺＤ１を使用した場合、電圧上昇の制限はツェナーダイオードＺＤの起動電圧と等しくなる。

保護回路２５は、対応するカットオフ電位をツェナーダイオードＺＤ１の起動電圧の電位に制限します。ツェナーダイオードＺＤ１がないと、蓄積された電気エネルギーが一次側巻線２２’、２２”を通る電流の流れを引き起こし、それが第１供給電位ＶＢに逆作用するか、又は対応する切替接続部Ａ’、Ａ”の電圧の急激な上昇につながるため、カットオフ電位は上昇し続ける。

ツェナーダイオードＺＤ１は、電圧上昇を動作電圧に制限する。
ツェナーダイオードＺＤ１には、並列にストレージ容量が接続されていることが望ましい。並列接続により電荷蓄積容量が増加し、スイッチオフされた一次側巻線２２’、２２”からの散逸電荷量の一部を引き継ぎ、ツェナーダイオードＺＤ１の起動電圧に対応する電圧レベルまで充電される。

保護回路２５が第１供給電位ＶＢに接続されているリーク抵抗Ｒ１を介して、ストレージ容量Ｃ１からの電荷を第１供給電位ＶＢ、特にバッファ容量Ｃ２に供給でき、その後のスイッチング動作中に高い初期電流に対応した電荷を供給することができる。このように、対応する一次側巻線がオフになったときに放電される電気エネルギーの一部を、ストレージ容量Ｃ１とバッファ容量Ｃ２に蓄積することで、必要な高い初期電流で対応する後続のスイッチング動作に利用できるため、駆動回路２の必要電流を低減することができる。

ダイオードＤ１、Ｄ２は、ツェナーダイオードＺＤ１と任意のストレージ容量Ｃ２の容量を、切替接続部Ａ’、Ａ”から切り離すことで、変圧器２１のスイッチングに入力される容量を低減することができるという利点がある。また、保護回路２５のツェナーダイオードは、そのスイッチング慣性が減少するように、リーク抵抗Ｒ１にわたってバイアスされる。ダイオードは保護回路のこの部分を一次側巻線から切り離し、このバイアス処理を可能にする。

また、保護回路２５は、一次側巻線２２’、２２”からの電気エネルギーを速やかに散逸させるため、変圧器２１に残る電気エネルギーが少なくなり、特に伝送動作の終了後に、変圧器－超音波トランスデューサの組み合わせからのスイングアウトを短くすることができ、二次側巻線２３のインダクタンスと超音波トランスデューサ４のピエゾアクチュエータの容量で発振回路を形成する。これにより、形成された発振回路からまだ進行中のスイングアウトによって超音波受信信号が重ならないため、近距離の物体検出の性能が向上する。

図２に、切替接続部Ａ’の１つに対する駆動回路２の動作を示す信号時間図を示す。それぞれの半導体スイッチ２４’が（低レベルの制御信号Ｓ’によって制御されて）オフになった後、切替接続部Ａ’の電圧はすぐに動作電圧の２倍、２×Ｕ_Ｂに上昇し、その後、保護回路２５内のエネルギー散逸のために、電流の流れが減少しながら制限電圧Ｕ_Ｇまで上昇し続け、変圧器に蓄えられたエネルギーが散逸するまでそこに保持されることがわかる。その後、切替接続部Ａ’の電圧はＵ_Ｂに崩壊する。制御信号Ｓ’の次のパルスが印加されるまでに、切替接続部Ａ’の電圧降下が発生するように回路全体を構成する必要がある。

１ 超音波トランスデューサシステム
２ 駆動回路
３ 受信回路
４ 超音波トランスデューサ
５ コントロールユニット
２１ 変圧器
２２、２２’、２２” 一次側巻線
２３ 二次側巻線
２４’、２４” 半導体スイッチ
２５ 保護回路
Ｕ_Ｂ 動作電圧、第１供給電位
Ｒ１ リーク抵抗
Ｒ２ 抵抗
Ｃ１ ストレージ容量
Ｃ２ バッファ容量
Ｃ４ 容量
ＧＮＤ 第２供給電位
Ａ’、Ａ” 切替接続部
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
ＺＤ１ ツェナーダイオード

Claims (10)

1. 超音波トランスデューサシステム（１）における圧電超音波トランスデューサ（４）の駆動回路（２）であって、
   －少なくとも１つの一次側巻線（２２、２２’、２２”）を有する変圧器（２１）と、
   －切替接続部（Ａ’、Ａ”）を介して、少なくとも１つの前記一次側巻線（２２、２２’、２２”）に接続された半導体スイッチ（２４’、２４”）を有するスイッチングユニットと、
   －少なくとも１つの前記一次側巻線（２２、２２’、２２”）に交互に動作電圧（Ｕ_Ｂ）を印加するか、又はそれを切り離すように構成されたコントロールユニット（５）と、
   －前記切替接続部（Ａ’、Ａ”）に電気的に結合され、当該切替接続部（Ａ’、Ａ”）におけるスイッチオフ電圧を、大きさの点で前記動作電圧の少なくとも２倍に相当する制限電圧（Ｕ_Ｇ）に制限するツェナーダイオード（ＺＤ１）を有する保護回路（２５）と、
   を含む、駆動回路。
2. 前記制限電圧（Ｕ_Ｇ）は、前記動作電圧（Ｕ_Ｂ）の２倍の大きさの１００％から１５０％の範囲、特に、前記動作電圧の２倍の大きさの１０５％から１３０％の範囲から選択される、
   請求項１に記載の駆動回路。
3. 前記制限電圧（Ｕ_Ｇ）は、前記ツェナーダイオード（ＺＤ１）の起動電圧又は絶縁降伏電圧（Ｕ_ＺＤ）を選択することによって決定される、
   請求項１又は２に記載の駆動回路。
4. 前記保護回路（２５）は、ダイオード（Ｄ１、Ｄ２）を介して、特に直接、少なくとも１つの前記切替接続部（Ａ’、Ａ”）に結合されており、前記ダイオード（Ｄ１、Ｄ２）によって、少なくとも１つの前記切替接続部（Ａ’、Ａ”）とツェナーダイオード（ＺＤ１）との間に電圧差が発生すると、少なくとも１つの前記切替接続部（Ａ’、Ａ”）での電圧変化を制限するために、少なくとも１つの前記切替接続部（Ａ’、Ａ”）から又は少なくとも１つの切替接続部への電荷フローを発生させる、
   請求項３に記載の駆動回路（２）。
5. 前記保護回路（２５）は、少なくとも１つの前記切替接続部（Ａ’、Ａ”）に非容量方式で電気的に結合されている、
   請求項１から４のいずれかに記載の駆動回路。
6. 前記保護回路（２５）は、前記ツェナーダイオード（ＺＤ１）と電気的に並列のストレージ容量（Ｃ１）を有する、
   請求項１から５のいずれかに記載の駆動回路。
7. 前記動作電圧はバッファ容量（Ｃ２）によってバッファされ、前記保護回路（２５）はリーク抵抗（Ｒ１）を介してバッファ容量（Ｃ２）に結合される、
   請求項１から６のいずれかに記載の駆動回路。
8. 前記変圧器（２１）は、動作電圧（Ｕ_Ｂ）と交互に接続及び切断されている２つの一次側巻線（２２、２２’、２２”）を有し、動作電圧（Ｕ_Ｂ）は一次側巻線（２２、２２’、２２”）のうちの１つに常に印加される、
   請求項１から７のいずれかに記載の駆動回路。
9. 前記一次側巻線（２２、２２’、２２”）の対応する前記切替接続部（Ａ’、Ａ”）は、特にそれぞれのダイオード（Ｄ１、Ｄ２）を介して、前記保護回路（２５）に接続されている、請求項８に記載の駆動回路。
10. －圧電超音波トランスデューサ（４）と、
    －前記変圧器（２１）の二次側巻線（２３）が、前記超音波トランスデューサ（４）に接続されている、請求項１から９のいずれかに記載の駆動回路（２）と、
    を含む超音波トランスデューサシステム（１）。

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