JP6041901B2 - 超音波送受信装置 - Google Patents
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Description
実施の形態1.
図1に示すように、本実施の形態1に係る超音波送受信装置1は、圧電素子により構成され超音波を送受信する振動子(圧電振動子)2と、振動子2を駆動するブリッジ回路3と、振動子2の受信信号を増幅する差動アンプ4と、受信信号をフィルタ処理してノイズ成分を除去するフィルタ処理部5と、受信信号を圧縮処理して振幅を増幅する圧縮処理部6と、送信信号の生成および受信信号に基づく物体検出を行う制御部7とを備える。
先ず、超音波送受信装置1から超音波を送信する場合を説明する。
なお、図示例では、ブリッジ回路3を4個のバイポーラトランジスタで構成したが、電界効果トランジスタ等の他のスイッチング素子で構成してもよい。
スイッチング素子Tr1は第1のスイッチング素子、スイッチング素子Tr2は第2のスイッチング素子、スイッチング素子Tr3は第3のスイッチング素子、スイッチング素子Tr4は第4のスイッチング素子に該当する。
差動アンプ4は、オペアンプOP1、抵抗R1〜R3、およびコンデンサC1,C2を備える。オペアンプOP1の反転入力端子は、抵抗R1およびコンデンサC1を介して振動子2の一方の端子に接続され、非反転入力端子は抵抗R2およびコンデンサC2を介して振動子2のもう一方の端子に接続される。また、オペアンプOP1の反転入力端子と出力端子は抵抗R3を介して接続され、抵抗R1,R3により増幅率が設定される。振動子2は受信した反射波を電圧に変換し、差動アンプ4が振動子2の両端の電位差を増幅して、受信信号としてフィルタ処理部5へ出力する。
一方、超音波送信時は、上述したように制御部7からブリッジ回路3のスイッチング素子Tr1〜Tr4へ制御信号を出力して振動子2を駆動し、任意の送信周波数、位相、パルス数(または送信時間)で超音波を送信する。また、超音波送信直後は、制御部7からブリッジ回路3のスイッチング素子Tr1〜Tr4へ制御信号を出力して、振動子2の両端を短絡させ、残響振動時間を短縮する。
図5は、振動子2のインピーダンス特性の一例を示すグラフである。グラフの縦軸は振動子2のインピーダンスZ、横軸は周波数fを示す。周囲温度が変化するとインピーダンス特性が実線から破線へずれ、特に共振点frを含む共振周波数帯域においてずれが顕著である。これに対し、共振周波数帯域以外では周囲温度が変化してもインピーダンスのずれが小さい。そこで、本実施の形態1では、振動子2の共振周波数帯域以外の周波数(例えば、図5の送信周波数帯域f1またはf2)を、送信周波数に用いる。これにより、周囲温度の変化に対して、送信効率および受信効率の低下を抑制できる。
図6は、超音波送受信装置1が用いる送信信号を説明する図であり、図6(a)は符号長5ビットのバーカ符号、図6(b)はバーカ符号と送信信号の位相の対応関係、図6(c)は超音波の送信波形、図6(d)は超音波の受信波形、図6(e)は受信信号の圧縮波形を示す。なお、図4(a)では振動子2の駆動波形を矩形波で表示したが、図6(c)では正弦波で表示している。
先ず、制御部7は、共振周波数帯域以外の送信周波数の送信信号を所定の符号系列に従って位相変調し、位相変調した送信信号に対応する制御信号によりブリッジ回路3のスイッチング素子Tr1〜Tr4のスイッチング動作を制御する。例えば図6(a)に示す符号長5ビットのバーカ符号「11101」の場合、「1」の位相を正相、「0」の位相の逆相とすると、位相変調した送信信号の波形は図6(c)になる。図中のtは、バーカ符号の1ビット当たりのパルス幅を示す。
本実施の形態2の超音波送受信装置1は、図1〜図3に示す超音波送受信装置1と図面上では同様の構成であるため、以下では図1〜図3を援用して説明する。
また、図8は、本実施の形態2に係る超音波送受信装置1が用いる送信信号を説明する図であり、図8(a)は休止区間を設けた符号長5ビットのバーカ符号、図8(b)はバーカ符号と送信信号の位相の対応関係、図8(c)は超音波の送信波形、図8(d)は受信信号の圧縮波形を示す。なお、図8(d)に示すn1,n2,n3の波形は、圧縮処理後の残差信号波形であり、ノイズ信号波形の一つと考えてよい。
図9は、本実施の形態3に係る超音波送受信装置1のブリッジ回路3の回路構成例である。図9において図1〜図3と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。
上記実施の形態1,2では、ブリッジ回路3を構成するスイッチング素子Tr2,Tr4(またはスイッチング素子Tr1,Tr3)をダンピング回路に利用して、振動子2の両端を短絡し、不要な振動を抑制(ダンピング)する構成にしたが、本実施の形態3では、振動子2の一方の端子にマッチング負荷用の抵抗R4(図9)を接続して直列回路を構成し、この直列回路を短絡する短絡用のスイッチング素子(例えば、バイポーラトランジスタ)Tr5を設けてダンピング回路とする。この抵抗R4の抵抗値を調整して直列回路と振動子2のインピーダンスを一致させ、不要な振動成分を効率良く吸収(熱消費)させる。
上記実施の形態1〜3では位相変調信号を送信したが、送信信号はこれに限定されるものではなく、例えばバースト信号を送信してもよい。本実施の形態4では、バースト信号を送受信して圧縮処理する場合を説明する。
先ず、制御部7は、共振周波数帯域以外の送信周波数のバースト信号を例えば4ビット分、即ち、パルス幅4t分送信する。振動子2は、時系列にパルス幅4t分のバースト信号を受信し、差動アンプ4およびフィルタ処理部5を経由して圧縮処理部6へ出力する。
図13は、本実施の形態5に係る超音波送受信装置1の構成を示すブロック図である。なお、図13において図1と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。
本実施の形態5に係る超音波送受信装置1において、制御部7は、振動子2の共振周波数帯域以外の第1の送信周波数f1(例えば、図5に示した送信周波数帯域f1)と第2の送信周波数f2(例えば、図5に示した送信周波数帯域f2)とを切り替え、1つの振動子2から異なる送信周波数f1,f2の超音波を送信可能とする。他方の信号処理部8は、第1の送信周波数f1で送信したときの受信信号をフィルタ処理する第1のフィルタ処理部5−1およびその受信信号を圧縮処理する第1の圧縮処理部6−1、ならびに、第2の送信周波数f2で送信したときの受信信号をフィルタ処理する第2のフィルタ処理部5−2およびその受信信号を圧縮処理する第2の圧縮処理部6−2を備える。
そのため、例えば車両前部に複数の超音波送受信装置1を並べて設置することができ、車両前方の障害物をくまなくセンシング可能となる。
第1の超音波送受信装置1−1は、振動子2、ブリッジ回路3、差動アンプ4、第1のフィルタ処理部5−1、第2のフィルタ処理部5−2、第1の圧縮処理部6−1、および第2の圧縮処理部6−2を備える。第2〜第4の超音波送受信装置1−2〜1−4もそれぞれ第1の超音波送受信装置1−1と同様の構成である。また、図15の例では、第1〜第4の超音波送受信装置1−1〜1−4が1つの制御部7を共有する構成であるが、これに限定されるものではなく、第1〜第4の超音波送受信装置1−1〜1−4がそれぞれ個別に制御部7を有する構成であってもよい。
Claims (7)
- 圧電振動子を駆動して超音波を送信し、その超音波の物体からの反射波を前記圧電振動子で受信した信号に基づいて当該物体を検出する超音波送受信装置において、
前記圧電振動子を駆動するハイサイド側の第1のスイッチング素子および第3のスイッチング素子ならびにローサイド側の第2のスイッチング素子および第4のスイッチング素子の4個のスイッチング素子から構成され、直列に接続された前記第1のスイッチング素子および前記第4のスイッチング素子の接続点と、直列に接続された前記第2のスイッチング素子および前記第3のスイッチング素子の接続点との間に、前記圧電振動子が接続されているブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子と、前記第3のスイッチング素子および前記第4のスイッチング素子とを交互に駆動する周期を送信周波数として、当該送信周波数および位相を任意に設定した送信信号に基づいて前記ブリッジ回路の各スイッチング素子を駆動し、超音波を送信させる制御部と、
前記圧電振動子で受信した受信信号を圧縮処理する圧縮処理部とを備え、
前記制御部は、前記送信信号に所定の符号系列に基づく位相変調信号を用い、当該符号系列のビット間に超音波を送信停止する休止区間を設けることを特徴とする超音波送受信装置。 - 前記制御部は、前記送信信号にバースト信号あるいは位相変調信号を用い、
前記圧縮処理部は、前記受信信号を遅延加算処理することを特徴とする請求項1記載の超音波送受信装置。 - 前記ブリッジ回路は、前記休止区間に前記圧電振動子の両端を短絡するダンピング回路を有することを特徴とする請求項1記載の超音波送受信装置。
- 前記ダンピング回路は、前記ブリッジ回路のハイサイド側の前記第1のスイッチング素子および前記第3のスイッチング素子、あるいはローサイド側の前記第2のスイッチング素子および前記第4のスイッチング素子から構成され、
前記制御部は、前記ダンピング回路を構成する前記第1のスイッチング素子および前記第3のスイッチング素子、あるいは前記第2のスイッチング素子および前記第4のスイッチング素子を前記休止区間に同時に駆動することを特徴とする請求項3記載の超音波送受信装置。 - 前記ダンピング回路は、前記圧電振動子の一方端に接続されて直列回路を構成する抵抗を有し、前記休止区間に当該抵抗を介して前記圧電振動子の両端を短絡することを特徴とする請求項4記載の超音波送受信装置。
- 前記制御部は、前記送信周波数に前記圧電振動子の共振周波数帯域以外の周波数を用いることを特徴とする請求項1記載の超音波送受信装置。
- 前記制御部は、前記送信周波数に前記圧電振動子の共振周波数帯域以外の複数の周波数を切り替えて用いることを特徴とする請求項1記載の超音波送受信装置。
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