JP4334849B2

JP4334849B2 - 超音波測定装置

Info

Publication number: JP4334849B2
Application number: JP2002313138A
Authority: JP
Inventors: 孝大沢
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2022-10-28
Also published as: JP2004150815A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波センサを用いた傾斜角度測定装置または障害物検知装置などに用いられる超音波測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の送信用超音波センサでは、トランスのコアのギャップ等により調整されたインダクタンスと、超音波センサのキャパシタンスとの間で共振回路を形成し、その共振回路のインピーダンスに対して整合の取れた抵抗がトランスの一次側に接続され、そのトランスを駆動する１個のＦＥＴがトランスの一次側に接続されている。そして、超音波センサによる送信時には、そのＦＥＴをオンさせ、その共振回路による共振効果を利用し、トランスの巻数比以上に昇圧した電圧を超音波センサに印加している。また、超音波センサによる送信後には、そのＦＥＴをオフさせ、トランスの一次側に接続され整合の取れた抵抗により、超音波センサのキャパシタンスに溜まっていた静電エネルギーおよび超音波センサの周辺の振動による電気エネルギーをトランスの一次側に戻し消滅させ、超音波センサおよびその周辺の余分な振動を鎮めていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、従来の受信用超音波センサでは、超音波センサにより変換された電気信号の出力側に、逆極性に並列に接続された２個のダイオードが組み込まれており、過大な電気信号に対してクランプするものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２６８０３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波センサは以上のように構成されているので、送信用超音波センサの送信後には、超音波センサのキャパシタンスに溜まっていた静電エネルギーおよび超音波センサの周辺の振動による電気エネルギーをトランスの一次側に戻そうとするが、トランスのインダクタンスはコアのギャップ等により調整されており、漏れインダクタンスが大きいことから、トランスのインダクタンスおよび超音波センサのキャパシタンスからなる共振作用により、電気エネルギーが速やかに一次側に戻らない。さらに、トランスの一次側に戻った電気エネルギーは、そのトランスの巻数比によって低い電圧となるが抵抗を介して消滅させる構成なので、速やかに消滅させることができない。
【０００６】
また、受信用超音波センサの受信後には、逆極性に並列に接続された２個のダイオードにより過大な電気信号に対してクランプ効果を期待できるものの、それら２個のダイオードでは、ダイオードの順方向電圧より小さい不要な入力を制限することができない。
【０００７】
このように、従来の送信用超音波センサでは、送信後にその周辺で残響が生じても速やかに消滅させることはできず、また、従来の受信用超音波センサでは、送信波の障害物や路面等によって反射しない直接受信による残響を受けてしまい、近距離の障害物の検知や精度の高い傾斜角度を測定することができないなどの課題があった。
【０００８】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、残響の影響を受けることなく、近距離の障害物の検知や精度の高い傾斜角度などを測定することができる超音波測定装置を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る超音波測定装置は、超音波を送信する超音波センサと、１次入力電圧を巻数比に応じて昇圧した２次出力電圧を超音波センサに供給する１次巻線に中央端子を有するプッシュプル対応用のトランスと、１次巻線の中央端子に接続した第１のスイッチング素子と、１次巻線の両側の端子それぞれに接続した第２および第３のスイッチング素子とを備え、超音波センサによる超音波の送信動作時には、第１のスイッチング素子を導通にして、第２および第３のスイッチング素子の導通と非導通を交互に繰り返し、超音波の送信動作終了後には、第１のスイッチング素子を非導通にして、第２および第３のスイッチング素子を導通にして、１次巻線の端子間を短絡するようにしたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による傾斜角度測定装置に用いられる送信用超音波センサの駆動回路を示す回路図であり、図において、送信用超音波センサ（超音波センサ）１は、セラミック振動子等によって構成されるものであり、電気的な周波数パルスと超音波とを相互に変換可能なものである。なお、この実施の形態１では、送信専用の超音波センサとして説明するが、送受信共用の超音波センサに適用しても良い。
【００１１】
トランス２は、コアにギャップが無く、漏れ磁束が少なく、すなわち、漏れインダクタンスが小さく、送信用超音波センサ１のキャパシタンスとの間で共振回路を極力形成しないような極力小さなインダクタンスを有する回路構成からなるものである。したがって、一次側から供給された電圧を巻数比によってのみ昇圧した電圧を送信用超音波センサ１に印加するように構成されている。
【００１２】
ＰｃｈＦＥＴ（スイッチング素子、電界効果トランジスタ）３は、直流電源とトランス２の一次側巻線の中央部Ｂとの間に接続され、ＮｃｈＦＥＴ（スイッチング素子、電界効果トランジスタ）４，５は、それぞれトランス２の一次側巻線の端部Ａ，Ｃとグランドとの間に接続されたものである。これら、トランス２の一次側巻線とＰｃｈＦＥＴ３およびＮｃｈＦＥＴ４，５とで、超音波の送信時には一次側巻線の中央部Ｂから電圧を供給すると共に一次側巻線の両端部Ａ，Ｃを交互に短絡してトランス２の一次側に電圧を供給するプッシュプル方式に構成されている。
【００１３】
インバータ６は、電源制御信号を反転してＰｃｈＦＥＴ３のゲートに供給し、インバータ７は、駆動信号を反転するものである。ＮＡＮＤゲート８は、電源制御信号と反転した駆動信号との否定論理積をＮｃｈＦＥＴ４のゲートに供給し、ＮＡＮＤゲート９は、電源制御信号と駆動信号との否定論理積をＮｃｈＦＥＴ５のゲートに供給するものである。
【００１４】
次に動作について説明する。
この実施の形態１における傾斜角度測定装置は、車両等に設けられ、超音波センサにより超音波を路面に向けて送信し、路面によって反射された超音波を超音波センサにより受信し、それら送受信された超音波に基づいて道路に対する車両の傾斜角度を測定するものである。
【００１５】
図２は駆動信号と超音波センサへの印加電圧を示す波形図であり、図３は各ＦＥＴの動作を示すタイミングチャートである。
図１において、送信用超音波センサ１による超音波の送信時には、電源制御信号を“Ｈ”レベルにすると共に、図２に示すように、駆動信号として例えば２０ｋＨｚ程度で交互に“Ｈ”，“Ｌ”レベルを繰り返すパルスを供給する。
【００１６】
その結果、図３に示すように、ＰｃｈＦＥＴ３のゲートには、インバータ６を通じて“Ｌ”レベルの電源制御信号が供給されオンして、直流電源からトランス２の一次側巻線の中央部Ｂに電圧を供給する。また、ＮｃｈＦＥＴ４のゲートには、インバータ７およびＮＡＮＤゲート８を通じて、ＮｃｈＦＥＴ５のゲートには、ＮＡＮＤゲート９を通じて、それぞれ駆動信号および反転した駆動信号が供給され、ＮｃｈＦＥＴ４とＮｃｈＦＥＴ５とが交互にオンして、一次側巻線の両端部Ａ，Ｃを交互にグランドに短絡することにより、中央部Ｂから供給された電圧が、交互に両端部Ａ，Ｃ間で加わり、いわゆるプッシュプル方式でトランス２の一次側に電圧を供給する。
【００１７】
これによって、トランス２では、一次側から供給された電圧を昇圧して、図２に示すような電気的な周波数パルスを送信用超音波センサ１に印加し、送信用超音波センサ１では、その印加された電気的な周波数パルスに応じた超音波に変換し、路面に向けて送信する。ここで、トランス２のインダクタンスと送信用超音波センサ１のキャパシタンスとの間では、共振回路を極力形成しないようにインダクタンスが小さく設定されているので、共振効果によりトランス２の巻数比以上に昇圧することなく、巻数比によってのみ昇圧した電圧を送信用超音波センサ１に印加する。
【００１８】
送信用超音波センサ１により所定期間、超音波が送信されれば、その超音波の送信を停止するが、その超音波の停止は、図１において、電源制御信号を“Ｌ”レベルにすることによって行われる。
【００１９】
その結果、図３に示すように、ＰｃｈＦＥＴ３のゲートには、インバータ６を通じて“Ｈ”レベルの電源制御信号が供給されオフして、直流電源からトランス２の一次側巻線の中央部Ｂへの電圧の供給を遮断する。また、ＮｃｈＦＥＴ４，５のゲートには、ＮＡＮＤゲート８，９を通じて、それぞれ“Ｈ”レベルの駆動信号が供給され、それぞれオフして、一次側巻線の両端部Ａ，Ｃを同時にグランドに短絡する。
【００２０】
送信用超音波センサ１には、トランス２から電圧が供給されることなく、その送信用超音波センサ１のキャパシタンスに溜まっていた静電エネルギーおよびその送信用超音波センサ１の周辺の振動による電気エネルギーが、トランス２の一次側に戻る。
【００２１】
この時、トランス２の漏れインダクタンスが小さいことから、送信用超音波センサ１のキャパシタンスおよびトランス２のインダクタンスからなる共振回路により共振動作を繰り返すことなく、送信用超音波センサ１のキャパシタンスに留まっていた静電エネルギーおよび送信用超音波センサ１の周辺の振動による電気エネルギーが速やかにトランス２の一次側に戻り消滅し、送信用超音波センサ１およびその周辺の余分な振動を速やかに鎮めることができる。
【００２２】
この結果、送信用超音波センサ１による送信後にその周辺で余分な残響が生じることなく、超音波の受信時において、路面を反射して戻ってくる正規の超音波とこの残響による超音波が重畳して、正規の超音波が検出しにくくなることなく、精度の高い傾斜角度を測定することができる。
【００２３】
以上のように、この実施の形態１によれば、トランス２の漏れインダクタンスが小さいことから、送信用超音波センサ１による超音波の送信後に、その送信用超音波センサ１のキャパシタンスに溜まっていた静電エネルギーおよび送信用超音波センサ１の周辺の振動による電気エネルギーが、送信用超音波センサ１のキャパシタンスおよびトランス２のインダクタンスからなる共振回路により共振動作を繰り返すことなく、速やかにトランス２の一次側に戻り消滅し、送信用超音波センサ１およびその周辺の余分な振動を速やかに鎮めることができる。この結果、送信用超音波センサ１による送信後にその周辺で余分な残響が生じることなく、路面を反射して戻ってくる超音波だけを正確に受信することができ、精度の高い傾斜角度を測定することができる。
【００２４】
また、トランス２の一次側がプッシュプル方式であることから、超音波の送信時には、送信用超音波センサ１の両端に正負均一な振幅の交流電圧を供給することができ、また、超音波の送信後には、送信用超音波センサ１の両端に正負いずれの電圧が印加されている場合であっても静電エネルギーを速やかにトランス２の一次側に戻し消滅されることができる。
【００２５】
さらに、それらスイッチング素子を、ＰｃｈＦＥＴ３およびＮｃｈＦＥＴ４，５により構成したので、送信用超音波センサ１からトランス２の一次側に戻った静電エネルギーは、そのトランス２の巻数比によって低い電圧となるが、ＮｃｈＦＥＴ４，５のオン抵抗は小さく、バイポーラトランジスタのコレクタ・エミッタ間のサチュレーション電圧がないので、低い電位差でも短絡することができる。
【００２６】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２による傾斜角度測定装置に用いられる受信用超音波センサの出力回路を示す回路図であり、図において、受信用超音波センサ（超音波センサ）１１は、セラミック振動子等によって構成されるものであり、電気的な周波数パルスと超音波とを相互に変換可能なものである。なお、この実施の形態２では、受信専用の超音波センサとして説明するが、送受信共用の超音波センサに適用しても良い。
【００２７】
電流制限抵抗１２は、受信用超音波センサ１１の出力回路の電流を制限するものであり、ダイオード１３は、グランドとの間に順方向に接続され、過大な電気信号に対してクランプするものである。なお、参照文献１に示すように、従来構成のダイオードは対向かつ並列に２本必要であるが、ＦＥＴならば寄生ダイオードが使用でき、当回路構成においては参照文献１の逆極性に並列に接続された２個のダイオードの片側が削減できる。
【００２８】
スイッチング素子としてのＮｃｈＦＥＴ（電界効果トランジスタ）１４は、受信用超音波センサ１１の出力回路にグランドとの間に接続され、その受信用超音波センサ１１が残響の影響を受ける超音波の送信後から所定時間の間にオンして出力回路をグランドに短絡するものである。
【００２９】
直流遮断コンデンサ１５は、受信用超音波センサ１１の出力回路の直流成分を遮断するものであり、増幅器１６は、電気信号を増幅して出力するものである。
【００３０】
次に動作について説明する。
上記実施の形態１では、送信用超音波センサ１の残響による影響を回避する手段について説明したが、この実施の形態２では、受信用超音波センサ１１の残響による影響を回避する手段について説明するものである。
【００３１】
図５は各部の電圧信号を示す波形図である。
上記実施の形態１で説明したように、傾斜角度測定装置では、送信用超音波センサ１から超音波が路面に向けて送信され、路面によって反射された超音波を受信用超音波センサ１１により受信し、それら送受信された超音波に基づいて道路に対する車両の傾斜角度が測定されるが、受信用超音波センサ１１には、路面によって反射された超音波の他、送信用超音波センサ１から直接に進行してくる超音波が受信されてしまう。
【００３２】
図５に示す受信用超音波センサ１１の入力信号の最初の入力波形は、その直接に進行してくる超音波の残響によるものである。この残響のような不要な信号の受信により、路面を反射して戻ってくる正規の超音波に応じた信号が検出しにくくなる場合がある。
【００３３】
そこで、ＮｃｈＦＥＴ１４では、その受信用超音波センサ１１が残響の影響を受ける所定時間の間をオンするようにして出力回路をグランドに短絡する。なお、短絡するその所定時間は、路面によって反射された正規の超音波の受信を妨げないような、超音波の送信後から路面によって反射された超音波が受信されるまでの時間、換言すれば、超音波センサおよび路面間の検出距離に応じて設定するようにすれば良い。
【００３４】
図５に示すように、ＮｃｈＦＥＴ１４により出力回路をグランドに短絡することによって、電界効果トランジスタのオン抵抗は小さく、バイポーラトランジスタのコレクタ・エミッタ間のサチュレーション電圧がないので、残響による信号を完全にグランドに消滅させ、受信用超音波センサ１１の残響による不要な振動を速やかに鎮めることができる。また、出力回路の後段への残響の影響を完全に防止することができる。
【００３５】
所定時間経過後は、ＮｃｈＦＥＴ１４をオフすれば、その後、受信用超音波センサ１１によって路面によって反射された超音波が受信されるが、電流制限抵抗１２により出力回路の電流が制限され、逆極性に並列に接続されたダイオード１３およびＮｃｈＦＥＴ１４の寄生ダイオードにより、±０．７Ｖにクランプされ、さらに、直流遮断コンデンサ１５により直流成分が遮断され、増幅器１６により増幅して後段の回路に出力される。
【００３６】
以上のように、この実施の形態２によれば、ＮｃｈＦＥＴ１４により受信用超音波センサ１１が残響の影響を受ける超音波の送信後から所定時間の間に短絡することによって、電界効果トランジスタのオン抵抗は小さいので、残響による電気信号を確実に短絡し、路面を反射して戻ってくる正規の超音波だけを正確に受信することができ、精度の高い傾斜角度を測定することができる。
【００３７】
上記は傾斜角度を測定するシステム中の超音波センサについて説明したが、近距離の障害物を検知する為にも上記超音波センサの残響を短縮する手段は有効である。上記傾斜角度測定には、路面により反射して返ってきた超音波信号の位相差を用いているが、障害物検知に用いる超音波信号は送信してから反射し返ってくるまでの時間を計測する為に用いられる。
【００３８】
なお、傾斜角度測定には２波の超音波信号が必要であり、２対の超音波送信及び受信センサが用いられるが、障害物検知用の反射波が戻るまでの時間を計測する為には、１対の超音波送信及び受信センサで機能できる。
【００３９】
また、障害物検知においても障害物の検知距離を極く短距離にする為には送信と受信センサを独立して設けなければならないが、実用的な範囲であれば、送受一体形のセンサでも充分機能すること及び、当障害物検知用の超音波センサであっても、残響が長く伸びた測定システムにおいては、近距離の障害物から反射されてくる超音波信号が残響の中で埋没して反射信号として検出できないメカニズムは上記傾斜角度測定システムと同様である。
【００４０】
従って、障害物検知用に使用する超音波センサの駆動回路もしくは入力回路に上記傾斜角度測定用で説明した回路を用いれば、近距離の障害物を検出することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、漏れインダクタンスが小さいことから、超音波センサによる超音波の送信後にはトランスの巻き線をスイッチング素子によって短絡することにより、超音波センサのキャパシタンスに溜まっていた静電エネルギーおよび超音波センサの周辺の振動による電気エネルギーが、超音波センサのキャパシタンスおよびトランスのインダクタンスからなる共振回路により共振動作を繰り返すことなく、速やかにトランスの一次側に戻り消滅し、超音波センサおよびその周辺の余分な振動を速やかに鎮めることができる。この結果、超音波センサによる送信後にその周辺で余分な残響が生じることなく、路面を反射して戻ってくる超音波だけを正確に受信することができ、近距離の障害物の検知や精度の高い傾斜角度を測定することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による傾斜角度測定装置に用いられる送信用超音波センサの駆動回路を示す回路図である。
【図２】駆動信号と超音波センサへの印加電圧を示す波形図である。
【図３】各ＦＥＴの動作を示すタイミングチャートである。
【図４】この発明の実施の形態２による傾斜角度測定装置に用いられる受信用超音波センサの出力回路を示す回路図である。
【図５】各部の電圧信号を示す波形図である。
【符号の説明】
１送信用超音波センサ（超音波センサ）、２トランス、３ＰｃｈＦＥＴ（スイッチング素子、電界効果トランジスタ）、４，５ＮｃｈＦＥＴ（スイッチング素子、電界効果トランジスタ）、６，７インバータ、８，９ＮＡＮＤゲート、１１受信用超音波センサ（超音波センサ）、１２電流制限抵抗、１３ダイオード、１４ＮｃｈＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、１５直流遮断コンデンサ、１６増幅器。

Claims

超音波を送信する超音波センサと、
１次入力電圧を巻数比に応じて昇圧した２次出力電圧を前記超音波センサに供給する１次巻線に中央端子を有するプッシュプル対応用のトランスと、
前記１次巻線の中央端子に接続した第１のスイッチング素子と、
前記１次巻線の両側の端子それぞれに接続した第２および第３のスイッチング素子とを備えた超音波測定装置であって、
前記超音波センサによる超音波の送信動作時には、前記第１のスイッチング素子を導通にして、前記第２および前記第３のスイッチング素子の導通と非導通を交互に繰り返し、
超音波の送信動作終了後には、前記第１のスイッチング素子を非導通にして、前記第２および前記第３のスイッチング素子を導通にして、前記１次巻線の端子間を短絡することを特徴とする超音波測定装置。
スイッチング素子は、電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１記載の超音波測定装置。