JP6911614B2

JP6911614B2 - 超音波振動子駆動装置

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Publication number: JP6911614B2
Application number: JP2017145119A
Authority: JP
Inventors: 加藤　学; 加藤　　学
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2021-07-28
Anticipated expiration: 2037-07-27
Also published as: JP2019029739A

Description

本発明は、トランスが有する一次側コイルへの周期的交流電圧の印加又は周期的交流電流の通電により、トランスが有する二次側コイルに接続された圧電素子を用いた超音波振動子を駆動し、超音波振動子の駆動後の一次側コイルを流れる電流をゼロとし、二次側コイルと、二次側コイルが有する２つの端子間に設けられた第１のコンデンサ、第１の抵抗器及び超音波振動子の第２のコンデンサからなり、圧電素子を駆動する並列共振回路を有する超音波振動子駆動装置に関する。

従来、周囲に存在する物体の検出にソナーが利用されている。ソナーには超音波振動子を有して構成され、当該超音波振動子が超音波の送信源であると同時に、送信した超音波の反射波を受信する検出素子として機能するものが多い。このため、近距離の物体を検出するには超音波の送信後、超音波振動子に生じる残響振動が生じている時間（以下「残響時間」とする）の短縮が必要である。残響時間を短くする技術として、例えば下記に出典を示す特許文献１に記載されるものがある。

特許文献１には超音波センサの送波回路が記載されている。この超音波センサの送波回路は、超音波振動子の駆動後の残響時間を短縮するため、超音波振動子の電極間容量と並列にインダクタンスを調整可能なコイルを接続して並列共振回路を形成している。当該コイルのインダクタンスを調整することにより、前記並列共振回路の共振周波数と超音波振動子の残響周波数とを略一致させて残響時間を短縮し、近距離の物体の検出を可能としている。

特開２０００−３０４８５０号公報

特許文献１に記載の技術では、並列共振回路の振動の減衰が超音波振動子の振動におけるロス成分により減衰すると推定され、ロスを大きくすると残響時間は短縮されるが、超音波の出力音圧の低下や受信感度の低下につながりセンサ性能が低下する。また、超音波振動子の駆動時に並列共振回路に蓄えられたエネルギーは、駆動後は前記ロス成分にて消費されるのみであるためエネルギーの放出効率が悪い。

そこで、超音波を送信した超音波振動子が送信した超音波の反射波を受信するソナーの場合、近距離から遠距離まで広い範囲で物体を検出する為には、センサ性能を低下させることなく、並列共振回路に蓄えられたエネルギーを効率良く放出することが可能な超音波振動子駆動装置が求められる。

本発明に係る超音波振動子駆動装置の特徴構成は、トランスが有する一次側コイルへの周期的交流電圧の印加又は周期的交流電流の通電により、前記トランスが有する二次側コイルに接続された圧電素子を用いた超音波振動子を駆動し、前記超音波振動子の駆動後の前記一次側コイルを流れる電流をゼロとし、前記二次側コイルと、前記二次側コイルが有する２つの端子間に設けられた第１のコンデンサ、第１の抵抗器及び前記超音波振動子の第２のコンデンサとからなり、前記圧電素子を駆動する並列共振回路を有する超音波振動子駆動装置であって、前記二次側コイルが有する前記２つの端子のうちの一方は接地され、第１のダイオードと第１のスイッチとが直列接続された帰還部を有し、前記帰還部における前記第１のダイオードのアノードに接続された端子が前記二次側コイルの前記２つの端子のうちの他方に接続され、前記帰還部における前記第１のダイオードのカソードに接続された端子が前記一次側コイルが有する端子に接続されてある点にある。

このような特徴構成とすれば、二次側コイルが有する２つの端子のうちの一方を接地することにより、トランスの二次側回路の基準電位をグランドにすることができる。また、二次側回路は、トランスの二次側コイルと超音波振動子の圧電素子の電極間容量により並列共振回路を構成することで、効率的な超音波振動子の駆動と検出感度の向上とを実現することができる。ここで、トランスの一次側コイルに周期的交流電圧の印加後又は周期的交流電流の通電後、第１のスイッチを閉状態とすることにより、トランスの二次側コイルが有する２つの端子のうちの他方の電位が一次側コイルが有する端子よりも高くなると、トランスの二次側回路において超音波振動子の駆動に使われなかったエネルギーの回収が可能となると同時に、二次側の残響振幅を短時間で低減でき残響時間の短縮が可能となる。以上のように、本特徴構成とすれば、センサ性能を低下させることなく、並列共振回路に蓄えられたエネルギーを効率良く放出することが可能な超音波振動子駆動装置を実現できる。

また、前記二次側コイルの前記他方の端子と接地電位との間に第２のスイッチが設けられていると好適である。

このような構成において、トランスの一次側コイルへの周期的交流電圧の印加時又は周期的交流電流の通電時には第１及び第２のスイッチを開状態とし、第１のスイッチが閉状態になった後に第２のスイッチが閉状態に遷移するように制御することにより、第２のスイッチが閉状態に遷移後、速やかに並列共振回路の残響振幅が低減され、残響時間の短縮が可能となる。なお、第２のスイッチは、第１のスイッチを流れる電流が０になった後、又は第１のスイッチに直列接続される第１のダイオードへの印加電圧が第１のダイオードの閾値電圧を下回った後、閉状態に遷移するように制御するとより好ましい。

また、前記第２のスイッチは、第２のダイオードと直列に接続されていると好適である。このような構成において、超音波の受信中、第２のスイッチを開状態に戻さなくても受信可能となり第２のスイッチの制御時に時間的精度の要求度を下げることができる。

また、前記第２のスイッチは、第２の抵抗器と直列に接続されていると好適である。このような構成とすれば、第２のスイッチを流れる電流の突入電流を低減し高周波成分を抑制すると同時に並列共振回路の電位の急激な変動を抑制することにより高周波ノイズの発生を抑制できる。

また、前記第１のスイッチは、前記一次側コイルへの周期的交流電圧の印加時又は周期的交流電流の通電時は開状態とされ、前記一次側コイルへの周期的交流電圧の印加終了後又は周期的交流電流の通電終了後は少なくとも前記超音波振動子に生じる残響振動の１周期に対応する時間が経過するまで閉状態とされると好適である。

このような構成とすれば、トランスの一次側コイルへの周期的交流電圧の印加時又は周期的交流電流の通電時には第１のスイッチを開状態とすることにより並列共振回路の振幅を大きくすることができ、圧電素子の電極間電圧を高くできるため、効率良く超音波を送信できると同時に、第１のスイッチの閉状態を残響振動の１周期以上持続することにより確実に並列共振回路からトランスの一次側へ電力を回収でき、残響振幅の低減が可能となり、残響時間の短縮が可能となる。

また、前記二次側コイルの前記他方の端子と接地電位との間に設けられる第２のスイッチは、前記一次側コイルへの周期的交流電圧の印加時又は周期的交流電流の通電時は開状態とされ、前記第１のスイッチが前記閉状態になってから前記１周期に対応する時間が経過した後、閉状態とされると好適である。

このような構成とすれば、トランスの一次側コイルへの周期的交流電圧の印加時又は周期的交流電流の通電時には第１のスイッチを開状態とし、トランスの一次側コイルへの周期的交流電圧の印加後又は周期的交流電流の通電後に第１のスイッチの閉状態を残響振動の１周期以上持続し、第１のスイッチが閉状態に遷移後、残響振動の１周期以上遅れて第２のスイッチを閉状態に遷移させることにより、残響振幅を更に低減でき、残響時間の短縮が可能となる。

第１の実施形態に係る超音波振動子駆動装置の構成を示す図である。第１の実施形態に係る超音波振動子駆動装置の変形例を示す図である。第１の実施形態に係る超音波振動子駆動装置の超音波振動子に印加される電圧波形の説明図である。第２の実施形態に係る超音波振動子駆動装置の構成を示す図である。第３の実施形態に係る超音波振動子駆動装置の構成を示す図である。第３の実施形態に係る超音波振動子駆動装置の超音波振動子に印加される電圧波形の説明図である。

本発明に係る超音波振動子駆動装置は、センサ性能を低下させることなく、並列共振回路に蓄えられたエネルギーを効率良く放出することができるように構成される。以下、超音波振動子駆動装置について説明する。

１．第１の実施形態
図１には、本実施形態に係る超音波振動子駆動装置１が示される。超音波振動子駆動装置１は、トランス１０が有する一次側コイル１１への周期的交流電流の通電により、トランス１０が有する二次側コイル１２に接続された圧電素子を用いた超音波振動子２０を駆動する。周期的交流電流とは、所定の周期で交番する交流電流である。このような周期的交流電流は駆動回路部２からトランス１０が有する一次側コイル１１に入力される。駆動回路部２は、図１の例では、２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２を交互に開閉することにより、定電流源の出力（出力電流）から上述した周期的交流電流を形成している。また、図１の例では、超音波振動子２０は直列接続されたコイルＬｓ、コンデンサＣｓ、及び抵抗器Ｒｓと、コンデンサＣｄとが並列接続された等価回路で示される。
また、図２に示すように、超音波振動子駆動装置１は、トランス１０が有する一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加により、トランス１０が有する二次側コイル１２に接続された圧電素子を用いた超音波振動子２０を駆動してもよい。周期的交流電圧とは所定の周期で交番する交流電圧である。このような周期的交流電圧は駆動回路部２’からトランス１０が有する一次側コイル１１に入力される。駆動回路部２’は、図２の例では、２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２を交互に開閉することにより、電源から上述した周期的交流電圧を形成している。また、図１と同様に、図２の例でも、超音波振動子２０は直列接続されたコイルＬｓ、コンデンサＣｓ、及び抵抗器Ｒｓと、コンデンサＣｄとが並列接続された等価回路で示される。なお、駆動回路部２’によるトランス１０が有する一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加により、トランス１０が有する二次側コイル１２に接続された圧電素子を用いた超音波振動子２０を駆動することについては、第１の実施形態だけでなく、第２の実施形態及び第３の実施形態にも適用され得る。

超音波振動子駆動装置１は、超音波振動子の駆動後の一次側コイル１１を流れる電流をゼロとする。一次側コイル１１を流れる電流をゼロとするには、例えば上述したスイッチＳＷ１、ＳＷ２の双方を開状態にすると良い。これにより、一次側コイル１１に印加される電圧や通電される電流が遮断される。

超音波振動子駆動装置１は圧電素子を駆動する並列共振回路３０を有し、当該並列共振回路３０は、二次側コイル１２と、二次側コイル１２が有する２つの端子間に設けられたコンデンサＣｔ、第１の抵抗器Ｒ１及び超音波振動子２０のコンデンサＣｄとからなる。二次側コイル１２が有する２つの端子とは、端子１２Ａ、１２Ｂである。この端子１２Ａ、１２Ｂに亘ってコンデンサＣｔ、第１の抵抗器Ｒ１及び超音波振動子２０のコンデンサＣｄが設けられる。

二次側コイル１２が有する２つの端子のうちの一方は接地される。本実施形態では、端子１２Ｂが接地される。

超音波振動子駆動装置１は、第１のダイオードＤと第１のスイッチＳＷ３とが直列接続された帰還部４０を有する。本実施形態では、第１のダイオードＤのカソードに第１のスイッチＳＷ３が接続される。

帰還部４０における第１のダイオードＤのアノードに接続された端子が二次側コイル１２の２つの端子のうちの他方に接続される。二次側コイル１２の２つの端子とは、上述したように端子１２Ａ、１２Ｂであり、二次側コイル１２の２つの端子のうちの他方とは端子１２Ａが相当する。したがって、帰還部４０は、第１のダイオードＤのアノードが端子１２Ａに接続される。

帰還部４０における第１のスイッチＳＷ３の第１のダイオードＤのカソードに接続された端子に対する他方の端子が一次側コイル１１が有する端子に接続される。本実施形態では、一次側コイル１１が有する端子とは、端子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃである。一次側コイル１１はスイッチＳＷ１が閉状態とされた時に端子１１Ｃから端子１１Ａへ電流が流れ出、スイッチＳＷ２が閉状態とされた時に端子１１Ｃから端子１１Ｂへ電流が流れ出る。帰還部４０は、第１のダイオードＤのカソードが、第１のスイッチＳＷ３を介して端子１１Ｃに接続される。以上のように超音波振動子駆動装置１が構成される。

本実施形態では、第１のスイッチＳＷ３は、一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加時又は周期的交流電流の通電時は開状態とされ、一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加終了後又は周期的交流電流の通電終了後は少なくとも超音波振動子２０に生じる残響振動の１周期に対応する時間が経過するまで閉状態とされる。

図３には、本実施形態における超音波振動子２０への印加電圧波形の一例が示される。また、参考として、従来例における超音波振動子２０への印加電圧波形の一例も示される。図３に示されるように、スイッチＳＷ１、ＳＷ２を交互に開閉することにより、超音波振動子２０に所定の周期で振幅する電圧が印加される。スイッチＳＷ１、ＳＷ２を共に開状態にした後、第１のスイッチＳＷ３を所定時間、閉状態にすることで、速やかに並列共振回路３０の残響振幅が低減され、従来例に比べて残響時間の短縮を行うことが可能となる。なお、端子１２Ａが端子１２Ｂに対して高電位のピーク近傍において、第１のスイッチＳＷ３を閉状態にすることで、より短時間で二次側回路のエネルギーを低減できる。

以上のように超音波振動子駆動装置１によれば、二次側コイル１２が有する端子１２Ｂを接地することにより、トランス１０の二次側の回路の基準電位をトランス１０の一次側の回路の基準電位と同じグランドにすることができる。また、二次側回路は、トランス１０の二次側コイル１２と超音波振動子２０の圧電素子の電極間容量により並列共振回路３０を構成することで、効率的な超音波振動子２０の駆動と検出感度の向上とを実現することができる。ここで、トランス１０の一次側コイル１１に周期的交流電圧の印加後又は周期的交流電流の通電後、第１のスイッチＳＷ３を閉状態とすることにより、トランス１０の二次側コイル１２が有する端子１２Ａの電位が一次側コイル１１が有する端子１１Ｃよりも高くなると、第１のスイッチＳＷ３を介してトランス１０の二次側コイル１２の端子１２Ａから一次側コイル１１の端子１１Ｃへ電流が流れる。この結果、トランス１０の二次側回路において超音波振動子２０の駆動に使われなかったエネルギーの回収が可能となると同時に、二次側の残響振幅を短時間で低減でき残響時間の短縮が可能となる。

なお、超音波振動子２０の圧電素子と並列に並列共振周波数を調整するためのコンデンサＣｔをなくしても良く、超音波振動子２０の圧電素子と並列に並列共振回路３０のダンピング定数を調整し残響時間を短縮するためのダンピング抵抗（第１の抵抗器）Ｒ１をなくしても良い。また、図示していないが、帰還部４０は、トランス１０の二次側コイル１２から一次側コイル１１への方向を順方向となるよう接続された第１のダイオードＤと、第１のスイッチＳＷ３と、突入電流を抑制するための抵抗器とが直列接続された構成としても良い。

２．第２の実施形態
次に、超音波振動子駆動装置１の第２の実施形態について説明する。図４には、本実施形態に係る超音波振動子駆動装置１が示される。超音波振動子駆動装置１は二次側コイル１２の他方の端子と接地電位との間に第２のスイッチＳＷ４が設けられる。すなわち、本実施形態では、二次側コイル１２の一対の端子１２Ａ、１２Ｂ間に第２のスイッチＳＷ４が設けられる。

本実施形態においても、第１のスイッチＳＷ３は、一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加時又は周期的交流電流の通電時は開状態とされ、一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加終了後又は周期的交流電流の通電終了後は少なくとも超音波振動子２０に生じる残響振動の１周期に対応する時間が経過するまで閉状態とされる。

また、第２のスイッチＳＷ４は、一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加時又は周期的交流電流の通電時は開状態とされ、第１のスイッチＳＷ３が閉状態になってから超音波振動子２０に生じる残響振動の１周期に対応する時間が経過した後、閉状態とされる。

このような構成とすれば、トランス１０の一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加時又は周期的交流電流の通電時には第１のスイッチＳＷ３及び第２のスイッチＳＷ４を開状態とすることにより並列共振回路３０の振幅を大きくすることができ、圧電素子の電極間電圧を高くできるため、効率良く超音波を送信できると同時に、第１のスイッチＳＷ３の閉状態を残響振動の１周期以上持続することにより確実に並列共振回路３０からトランス１０の一次側へ電力を回収でき、残響振幅の低減が可能となり、残響時間の短縮が可能となる。また、第１の実施形態の効果に加えて、第１のスイッチＳＷ３が閉状態に遷移後、残響振動の１周期以上遅れて第２のスイッチＳＷ４を閉状態に遷移させ一定時間経過後に第２のスイッチＳＷ４を開状態に戻すことにより、残響振幅を更に低減でき、残響時間の短縮が可能となる。なお、端子１２Ａと端子１２Ｂとの間に、第２のスイッチＳＷ４単体ではなく、第２のスイッチＳＷ４と第２の抵抗器Ｒとが直列接続された構成としても良い。このような構成にあっては、第２のスイッチＳＷ４が閉状態になった時の突入電流を低減すると共に、第２のスイッチＳＷ４を流れる電流の高周波成分や並列共振回路３０の電位の急激な変動を抑制することにより高周波ノイズの発生を抑制できる。

３．第３の実施形態
次に、超音波振動子駆動装置１の第３の実施形態について説明する。図５には、本実施形態に係る超音波振動子駆動装置１が示される。本実施形態の超音波振動子駆動装置１は、第２のスイッチＳＷ４が第２のダイオード４と直列に接続される。なお、図５の例では、第２のスイッチＳＷ４は、第２のダイオード４に加えて第２の抵抗器Ｒも直列に接続される。図５では、第２のダイオード４のアノードが端子１２Ａに接続され、カソードが第２のスイッチＳＷ４の一端に接続される。第２の抵抗器Ｒは第２のスイッチＳＷ４の他端と接地電位との間に設けられる。

図６には、本実施形態における超音波振動子２０への印加電圧波形の一例が示される。図６に示されるように、本構成においても素早く減衰させることができる。

また、本実施形態に係る超音波振動子駆動装置１によれば、トランス１０の一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加時又は周期的交流電流の通電時には第１のスイッチＳＷ３及び第２のスイッチＳＷ４を開状態とし、トランス１０の一次側コイル１１への周期的交流電圧の印加終了後又は周期的交流電流の通電終了後の第１のスイッチＳＷ３が閉状態になった後に第２のスイッチＳＷ４が閉状態に遷移するように制御することにより、第２のスイッチＳＷ４が閉状態に遷移後、速やかに並列共振回路３０の残響振幅が低減され、残響時間の短縮が可能となると同時に超音波の受信中、第２のスイッチＳＷ４を開状態に戻さなくても受信可能となり第２のスイッチＳＷ４の制御時に時間的精度の要求度を下げることができる。

本発明は、トランスが有する一次側コイルへの周期的交流電圧の印加又は周期的交流電流の通電により、トランスが有する二次側コイルに接続された圧電素子を用いた超音波振動子を駆動し、超音波振動子の駆動後の一次側コイルを流れる電流をゼロとし、二次側コイルと、二次側コイルが有する２つの端子間に設けられた第１のコンデンサ、抵抗器及び前記超音波振動子の第２のコンデンサとからなり、圧電素子を駆動する並列共振回路を有する超音波振動子駆動装置に用いることが可能である。

１：超音波振動子駆動装置
４：第２のダイオード
１０：トランス
１１：一次側コイル
１２：二次側コイル
１２Ａ：端子
１２Ｂ：端子
２０：超音波振動子
３０：並列共振回路
４０：帰還部
Ｃｄ：第２のコンデンサ
Ｃｔ：第１のコンデンサ
Ｄ：第１のダイオード
Ｒ：第２の抵抗器
Ｒ１：第１の抵抗器
ＳＷ３：第１のスイッチ
ＳＷ４：第２のスイッチ

Claims

トランスが有する一次側コイルへの周期的交流電圧の印加又は周期的交流電流の通電により、前記トランスが有する二次側コイルに接続された圧電素子を用いた超音波振動子を駆動し、前記超音波振動子の駆動後の前記一次側コイルを流れる電流をゼロとし、前記二次側コイルと、前記二次側コイルが有する２つの端子間に設けられた第１のコンデンサ、第１の抵抗器及び前記超音波振動子の第２のコンデンサとからなり、前記圧電素子を駆動する並列共振回路を有する超音波振動子駆動装置であって、
前記二次側コイルが有する前記２つの端子のうちの一方は接地され、
第１のダイオードと第１のスイッチとが直列接続された帰還部を有し、
前記帰還部における前記第１のダイオードのアノードに接続された端子が前記二次側コイルの前記２つの端子のうちの他方に接続され、
前記帰還部における前記第１のダイオードのカソードに接続された端子が前記一次側コイルが有する端子に接続されてある超音波振動子駆動装置。
前記二次側コイルの前記他方の端子と接地電位との間に第２のスイッチが設けられている請求項１に記載の超音波振動子駆動装置。
前記第２のスイッチは、第２のダイオードと直列に接続されている請求項２に記載の超音波振動子駆動装置。
前記第２のスイッチは、第２の抵抗器と直列に接続されている請求項２又は３に記載の超音波振動子駆動装置。
前記第１のスイッチは、
前記一次側コイルへの周期的交流電圧の印加時又は周期的交流電流の通電時は開状態とされ、
前記一次側コイルへの周期的交流電圧の印加終了後又は周期的交流電流の通電終了後は少なくとも前記超音波振動子に生じる残響振動の１周期に対応する時間が経過するまで閉状態とされる請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波振動子駆動装置。
前記二次側コイルの前記他方の端子と接地電位との間に設けられる第２のスイッチは、
前記一次側コイルへの周期的交流電圧の印加時又は周期的交流電流の通電時は開状態とされ、
前記第１のスイッチが前記閉状態になってから前記１周期に対応する時間が経過した後、閉状態とされる請求項５に記載の超音波振動子駆動装置。