JP5884047B2

JP5884047B2 - 超音波センサ

Info

Publication number: JP5884047B2
Application number: JP2011253567A
Authority: JP
Inventors: 巧麻中川; 祐貴西本
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2016-03-15
Anticipated expiration: 2031-11-21
Also published as: JP2013108827A

Description

本発明は、超音波センサに関するものである。

従来から、圧電素子により超音波を送受信する超音波センサが、例えば車両に搭載されて車両前方の障害物の検出に用いられている。

この種の超音波センサにおいて、圧電素子の異常を検出する機能を有するものが提供されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２４８０５０号公報

従来は、圧電素子の駆動が停止された後の出力に発生する残響の有無に基いて、断線の有無が判定されていた。

しかしながら、上記の従来構成では、断線の有無の判定は可能であるものの、断線の発生箇所を特定することはできなかった。このため、修理時には、断線の有無を点検すべき範囲が比較的に広くなっていた。

本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、断線の発生箇所の特定が容易な超音波センサを提供することにある。

本発明は、圧電素子と、前記圧電素子に並列に接続された共振回路と、交流の電気信号である駆動信号により前記圧電素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路を制御する制御回路とを備え、前記共振回路において前記圧電素子が接続されていない状態での共振周波数である無負荷共振周波数は、前記圧電素子の共振周波数とは異なるものであって、前記制御回路は、前記駆動信号の周波数を前記圧電素子の共振周波数に近い第１駆動周波数とするとともに前記共振回路側からの入力に基いて断線の有無を判定する第１判定動作を行い、前記第１判定動作において断線があると判定された場合には、前記駆動信号の周波数を前記無負荷共振周波数に近い第２駆動周波数とするとともに、前記共振回路側からの入力に基いて、前記断線が前記共振回路の前段側と後段側とのいずれにあるかを判定する第２判定動作を行うことを特徴とする。
ここで、前記第１駆動周波数は、前記圧電素子の共振周波数と同じ周波数であり、前記第２駆動周波数は、前記無負荷共振周波数と同じ周波数であることが好ましい。

本発明によれば、第２判定動作により、断線の発生箇所の特定が容易となる。

本発明の実施形態を示すブロック図である。共振回路の周波数特性を示す説明図である。駆動信号と受信信号との波形の一例を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

本実施形態は、図１に示すように、圧電素子１１による超音波の送受信を行うセンサブロック１と、センサブロック１を制御する制御ブロック２とを備える。制御ブロック２はセンサブロック１の出力に基いて各種の判定を行い、判定結果を外部装置３に出力する。外部装置３は、例えば液晶パネルや発光ダイオードを用いて上記の判定結果を表示する表示装置を含む。また、本実施形態が車両に搭載される場合、外部装置３としては、後述する障害物検出動作において障害物が検出されたときに自動的に車両を減速させる自動ブレーキが含まれていてもよい。

制御ブロック２は、圧電素子１１を駆動する交流信号である駆動信号をセンサブロック１に対して出力する送信部２１と、センサブロック１からの入力を受信する受信部２２と、外部装置３との間で電気信号を送受信する通信部２３と、送信部２１と通信部２３とをそれぞれ制御する制御部２４とを備える。

送信部２１は、制御部２４の制御に応じた周波数（以下、「駆動周波数」と呼ぶ。）の駆動信号を出力する。このような送信部２１は例えば電圧制御発振器を用いて周知技術で実現することができる。また、受信部２２は、センサブロック１からの入力に対してノイズの除去やＡ／Ｄ変換等の適宜の変換を施して制御部２４に入力する。このような受信部２２は周知の電子回路で実現することができる。さらに、制御部２４は例えばマイコンを用いて周知技術により実現することができる。

センサブロック１は、圧電素子１１と、送信部２１から入力された駆動信号を増幅して圧電素子１１に入力する駆動部１２と、圧電素子１１の出力に対し増幅等の適宜の信号処理を施して制御ブロック２に出力する信号処理部１３とを備える。圧電素子１１は共振周波数程度の周波数の入力に対して図１に示すような回路と等価となることが知られている。

駆動部１２は、制御ブロック２から入力された駆動信号を増幅する増幅回路１２１と、増幅回路１２１に増幅された駆動信号を昇圧するオートトランスＡＴとを備える。また、オートトランスＡＴは、コンデンサＣ１と抵抗Ｒ１とが並列に接続されて共振回路１２２を構成している。共振回路１２２の周波数特性は、圧電素子１１が接続されていない状態では、図２に曲線Ａで示すようなものとなる。圧電素子１１が接続されていない状態での共振回路１２２の共振周波数（以下、「無負荷時共振周波数」と呼ぶ。）Ｆ２は、圧電素子１１の共振周波数Ｆ１よりも低くなる。上記のような共振回路１２２は、残響を吸収する効果を有する。

以下、本実施形態の動作を説明する。

通常は、制御部２４は、駆動周波数を所定の第１駆動周波数とした駆動信号を間欠的に送信するように送信部２１を制御するとともに、受信部２２からの入力に基いて、圧電素子１１の超音波を反射した障害物の有無や、該障害物までの距離を判定し、判定結果を外部装置３に出力するように通信部２３を制御するという障害物検出動作を行う。上記の第１駆動周波数は、例えば圧電素子１１の共振周波数Ｆ１とされる。

そして、制御部２４は、上記の障害物検出動作中に、図３に示すような波形の電圧信号である駆動信号の送信一回に対して受信部２２への入力（以下、「受信信号」と呼ぶ。）が継続される時間（以下、「残響時間」と呼ぶ。）ＴＬを計時するとともに、計時された残響時間ＴＬを所定の第１判定閾値と比較することで断線の有無を判定するという第１判定動作を行う。なお、図３において、横軸は時間を示し、縦軸は電圧値を示す。

すなわち、圧電素子１１との接続部に断線が発生した場合でも、回路の時定数により、受信信号にはある程度の残響が発生するが、その場合の残響時間ＴＬは断線がない場合に比べて明らかに短くなることから、残響時間ＴＬを断線の有無の判定に用いることができる。

第１判定動作において残響時間ＴＬが第１判定閾値以上であった場合、断線は発生していないと判定され、障害物検出動作及び第１判定動作が継続される。一方、第１判定動作において残響時間ＴＬが第１判定閾値未満であった場合、断線が発生していると判定され、第２判定動作が行われる。第２判定動作では、制御部２４は、駆動周波数を所定の第２駆動周波数とした駆動信号を送信するように送信部２１を制御し、残響時間ＴＬを所定の第２判定閾値と比較することで断線が共振回路１２２の前段側と後段側とのいずれで発生しているのかを判定する。第２駆動周波数は無負荷共振周波数Ｆ２とされることが望ましいが、第２駆動周波数が第１駆動周波数よりも無負荷共振周波数Ｆ２に近い周波数であれば、駆動周波数を第１駆動周波数のままとする場合に比べて第２判定動作の精度が向上するという効果はある。第２判定動作において、残響時間ＴＬが第２判定閾値以上であった場合、制御ブロック２から共振回路１２２までの間に断線はなく、つまり断線は共振回路１２２の後段側（すなわち圧電素子１１と共振回路１２２との間）で発生していると判定される。一方、第２判定動作において、残響時間ＴＬが第２判定閾値未満であった場合、断線は共振回路１２２の前段側で発生していると判定される。特に、センサブロック１と制御ブロック２との間の配線が、センサブロック１内での配線や制御ブロック２内での配線と比較して長い場合、共振回路１２２の前段側で発生した断線はセンサブロック１と制御ブロック２との間で発生していると推定することができる。

つまり、断線が共振回路１２２の後段側で発生している場合には共振回路１２２の作用により残響時間ＴＬが長くなるのに対し、断線が共振回路１２２の前段側で発生している場合には共振回路１２２が残響に寄与しないことで残響時間ＴＬが短くなることから、断線の発生箇所を特定することができるのである。例えば、センサブロック１と制御ブロック２との間で断線が発生した場合、制御ブロック２から見てセンサブロック１側のインピーダンスは無限大になるから、制御ブロック２と共振回路１２２との間に断線がない場合に比べて残響時間ＴＬが明らかに短くなる。

制御部２４は、第２判定動作での判定結果が得られると、該判定結果を外部装置３に送信するように通信部２３を制御し、動作を停止する。

上記構成によれば、第２判定動作により断線の発生箇所の特定が容易となるから、修理が比較的に容易となる。

なお、第１判定動作や第２判定動作としては、残響時間ＴＬに代えて受信信号の振幅を閾値と比較するような動作も考えられる。

１１圧電素子
２１送信部（駆動回路）
２４制御部（制御回路）
１２２共振回路
Ｆ１（圧電素子の）共振周波数
Ｆ２無負荷共振周波数

Claims

圧電素子と、
前記圧電素子に並列に接続された共振回路と、
交流の電気信号である駆動信号により前記圧電素子を駆動する駆動回路と、
前記駆動回路を制御する制御回路とを備え、
前記共振回路において前記圧電素子が接続されていない状態での共振周波数である無負荷共振周波数は、前記圧電素子の共振周波数とは異なるものであって、
前記制御回路は、前記駆動信号の周波数を前記圧電素子の共振周波数に近い第１駆動周波数とするとともに前記共振回路側からの入力に基いて断線の有無を判定する第１判定動作を行い、前記第１判定動作において断線があると判定された場合には、前記駆動信号の周波数を前記無負荷共振周波数に近い第２駆動周波数とするとともに、前記共振回路側からの入力に基いて、前記断線が前記共振回路の前段側と後段側とのいずれにあるかを判定する第２判定動作を行うことを特徴とする超音波センサ。
前記第１駆動周波数は、前記圧電素子の共振周波数と同じ周波数であり、
前記第２駆動周波数は、前記無負荷共振周波数と同じ周波数である
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。