JPWO2013168597A1 - 超音波センサ駆動回路 - Google Patents

Abstract

超音波センサ（１）は、送波側回路として、信号発生回路（１１）と増幅器（１２）と整合回路（１３）とを備える。信号発生回路（１１）は、送受兼用の超音波振動子（１０）から超音波を送波させる駆動信号を発生させる駆動信号発生回路（１１１）と、超音波を送波した超音波振動子（１０）に生じる残響を抑制する残響抑制信号を発生させる残響抑制信号発生回路（１１２）とを有する。残響抑制信号発生回路（１１１）は、駆動信号の１／２倍の周波数の残響抑制信号を発生させ、駆動信号より半波長遅れて超音波振動子（１０）に印加する。これにより、超音波振動子に発生する残響の継続時間を短縮させることができる超音波センサ駆動回路を提供する。

Description

本発明は、一つの振動子で超音波の送受を行う超音波センサを駆動する超音波センサ駆動回路に関するものである。

超音波振動子を用いて超音波の送受により物体検知又は距離測定する超音波センサの中には、小型化のために、一つの超音波素子を、送波用の超音波素子と受波用の超音波素子とに兼用した超音波センサがある。超音波センサは、超音波振動子の共振周波数を送受する超音波の周波数としており、超音波振動子には、その共振周波数（近似を含む）の電気パルス信号が印加される。この場合、電気パルス信号が印加されなくなった後も、残響と呼ばれる超音波振動が機械的に短時間継続する現象が発生する。一つの超音波振動子を送受信兼用とした場合、この残響により、受波からの検出ができなくなる場合がある。

そこで、特許文献１には、残響の継続期間を短縮させることを目的とした超音波センサが開示されている。特許文献１に記載の超音波センサは、超音波振動子に間欠的に供給する駆動信号の停止直後、駆動信号とは逆位相の残響抑制信号を、駆動信号の半周期の期間だけ超音波振動子に供給して、駆動する構成である。これにより、超音波振動子を駆動した直後、駆動信号の半周期の期間だけ振動を打ち消し、その結果、残響の継続時間を短縮している。

特開平８−１４６１２１号公報

ところで、超音波センサの回路内には、超音波振動子以外の他のインダクタ成分、例えば昇圧トランスのインダクタ成分等も含まれている。特許文献１に記載の超音波センサでは、前記他のインダクタ成分等が考慮されていないため、残響抑制信号が前記他のインダクタ成分等の影響を受けて、超音波振動子の振動を十分に打ち消すことができない場合がある。

そこで、本発明の目的は、超音波振動子に発生する残響の継続時間を従来よりも短縮させることができる超音波センサ駆動回路を提供することにある。

本発明は、送受兼用の超音波振動子から超音波を送波させる駆動信号を発生させる信号発生回路と、昇圧トランスを有し、前記信号発生回路と前記超音波振動子とのインピーダンス整合を行う整合回路と、を備え、前記信号発生回路が発生させた駆動信号を、前記整合回路を介して前記超音波振動子へ印加する超音波センサ駆動回路において、前記信号発生回路は、超音波を送波した前記超音波振動子に生じる残響を抑制する残響抑制信号を発生させる残響抑制信号発生回路、を有し、前記残響抑制信号発生回路は、前記駆動信号と周波数が異なる残響抑制信号を発生させ、前記駆動信号の印加停止後に前記超音波振動子に前記残響抑制信号を印加する構成としてあることを特徴とする。

この構成では、駆動信号の印加停止後の残響発生期間に、駆動信号と周波数が異なる残響抑制信号を超音波振動子に印加する。これにより、残響抑制信号を印加した直後における残響は一時的に大きくなるものの、複雑に重畳している残響の信号成分を打ち消し合うように位相変化させているので、その後急速に減衰し、残響の継続時間を従来よりも短くできる。

本発明に係る超音波センサ駆動回路において、前記残響抑制信号発生回路は、前記駆動信号の周波数の１／１．３３から１／４倍の周波数の残響抑制信号を発生させる構成としていてもよい。

この構成では、残響の継続時間を短くすることができる。

本発明に係る超音波センサ駆動回路において、前記残響抑制信号発生回路は、前記駆動信号の周波数の１／１．７８から１／２．３倍の周波数の残響抑制信号を発生させる構成としていてもよい。

この構成では、残響の継続時間をより短くすることができる。

本発明に係る超音波センサ駆動回路において、前記残響抑制信号発生回路は、前記駆動信号の周波数の１／２倍の周波数の残響抑制信号を発生させる構成としていてもよい。

この構成では、残響の継続時間を可能な限り短くすることができる。

本発明に係る超音波センサ駆動回路において、前記残響抑制信号発生回路は、前記駆動信号から前記駆動信号の半波長遅れて残響抑制信号を印加する構成としていてもよい。

この構成では、残響の継続時間をより短くすることができる。

本発明に係る超音波センサ駆動回路において、前記残響抑制信号発生回路は、前記駆動信号より振幅が大きい残響抑制信号を発生させる構成としていてもよい。

この構成では、残響の継続時間をより短くすることができる。

本発明によれば、駆動信号の印加停止後の残響発生期間に、駆動信号と周波数が異なる残響抑制信号が超音波振動子に印加される。これにより、残響抑制信号を印加した直後における残響は一時的に大きくなるものの、複雑に重畳している残響の信号成分を打ち消し合うように位相変化させているので、その後急速に減衰し、残響の継続時間を従来よりも短くできる。

実施形態に係る超音波センサの回路ブロック図 駆動信号発生回路が発生させた駆動信号の波形を示す図 残響抑制信号発生回路で発生させた残響抑制信号の波形を示す図 合成回路で加算された高周波信号の波形を示す図 残響抑制信号を含む高周波信号により駆動した超音波振動子からの超音波波形を示す図 残響抑制信号を含まない高周波信号により駆動した超音波振動子からの超音波波形を示す図 駆動信号及び残響抑制信号の周波数に対する残響時間を示す図 駆動信号及び残響抑制信号の周波数に対する残響時間を示す図 駆動信号と残響抑制信号とが合成回路で加算された高周波信号の波形を示す図 実施形態２の残響抑制信号を含む高周波信号により駆動した超音波振動子に生じる振動波形を示す図

本発明に係る超音波センサ駆動回路は、一つの超音波振動子を送受兼用とした超音波センサに用いられる。この超音波センサは、例えば車のバックソナー等に用いられ、超音波を送波し、その出力した超音波の反射波を受波して、物体検知又は距離検知などを行う。

（実施形態１）
図１は本実施形態に係る超音波センサの回路ブロック図である。超音波センサ１は、超音波を送受する超音波振動子１０を備えている。また、超音波センサ１は、超音波振動子１０から超音波を送波させる送波側回路と、超音波振動子１０が受波した超音波を信号処理する受波側回路とを備えている。

送波側回路は、本発明に係る超音波センサ駆動回路であって、信号発生回路１１、増幅器１２及び整合回路１３から構成されている。信号発生回路１１は、駆動信号発生回路１１１と、残響抑制信号発生回路１１２と、合成回路１１３とを備えている。

駆動信号発生回路１１１は、超音波振動子１０から送波すべき超音波と同じ周波数の矩形パルスの駆動信号を発生させる。図２は、駆動信号発生回路１１１が発生させた駆動信号の波形を示す図である。図２に示すように、駆動信号発生回路１１１は、周波数が約４０［ｋＨｚ］、信号レベル（振幅）が約４．５［Ｖ］のパルス信号を１０パルス発生させ、合成回路１１３へ出力する。

残響抑制信号発生回路１１２は、超音波振動子１０に発生する残響を抑制する残響抑制信号を発生させる。図３は、残響抑制信号発生回路１１２で発生させた残響抑制信号の波形を示す図である。図３では、図２で示した駆動信号の波形を破線で示している。図３に示すように、残響抑制信号発生回路１１２は、駆動信号発生回路１１１で発生された駆動信号と周波数及び位相が異なる残響抑制信号を発生させる。具体的には、残響抑制信号発生回路１１２は、残響抑制信号として、周波数が約２０［ｋＨｚ］で、信号レベル（振幅）が約４．５［Ｖ］のパルス信号を１パルス発生させる。残響抑制信号発生回路１１２は、駆動信号発生回路１１１が合成回路１１３への駆動信号の出力を停止してから、駆動信号の半周期遅らせて、発生させた残響抑制信号を合成回路１１３へ出力する。

合成回路１１３は、駆動信号発生回路１１１で発生した駆動信号と、残響抑制信号発生回路１１２で発生した残響抑制信号とを加算する加算器を有する。図４は、合成回路１１３で加算された高周波信号の波形を示す図である。図４に示す波形を有する高周波信号が、信号発生回路１１の後段の増幅器１２に出力される。

増幅器１２は、信号発生回路１１から出力された高周波信号の信号レベル（振幅）を増幅する。増幅器１２は、信号レベルを増幅させた高周波信号を、後段の整合回路１３へ出力する。整合回路１３は、１次巻線及び２次巻線を含む昇圧トランスを有し、信号発生回路１１（より具体的には増幅器１２）と超音波振動子１０とのインピーダンス整合を行う。

受波側回路は、増幅器２１、バンドパスフィルタ２２及び増幅器２３から構成されている。受波側回路は、増幅器２１において、超音波振動子１０が受波した超音波信号の信号レベルを増幅し、バンドパスフィルタ２２において、受波した超音波信号に含まれる所定の周波数帯域の信号を選択的に通過させ、不要な周波数成分を除去する。そして、増幅器２３でフィルタリング後の信号の信号レベルを増幅し、後段の回路へ出力する。後段の回路は、受波した超音波信号から物体又は距離検出を行う回路等である。この受波側回路は、本発明に係る超音波センサ駆動回路に含まれてもよい。

超音波振動子１０は、信号発生回路１１から駆動信号を含む高周波信号が印加されることにより、駆動信号発生回路１１１で発生された駆動信号に応じた超音波を送波する。また、超音波振動子１０は、出力した超音波に係る反射波を受波する。この超音波振動子１０は、電極及び圧電体を有し、電気信号を機械的な振動に、また機械的な振動を電気信号に変換可能であって、これにより超音波を送受できる。したがって、駆動信号が印加された超音波振動子１０が駆動すると、高周波信号の印加が停止した後に振動が機械的に短時間継続する残響が発生し、この残響により、受波した超音波からの物体又は距離検出等ができなくなる場合がある。

しかし、本実施形態では、高周波信号には残響抑制信号が含まれている。この残響抑制信号は、駆動信号と異なる周波数であり、駆動信号の印加停止後に超音波振動子１０に印加される。すなわち、駆動信号の印加停止後の残響が生じている期間に残響抑制信号が超音波振動子１０に印加される。言い換えると、この残響抑制信号により、超音波振動子１０は残響が生じている期間に残響が抑制されるように駆動される。

図５Ａは、残響抑制信号を含む高周波信号により駆動した超音波振動子１０に生じる振動波形を示す図であり、図５Ｂは、残響抑制信号を含まない高周波信号により駆動した超音波振動子１０に生じる振動波形を示す図である。超音波振動子１０は、図２に示すように、約２５０[μｓｅｃ]まで駆動信号が印加される。したがって、図５Ａ及び図５Ｂにおいて、約２５０[μｓｅｃ]以降に示される波形が残響波形である。

図５Ａおよび図５Ｂに示すように、残響波形の信号レベルが約±４００［ｍＶ］となるまでの時間を対比すると、図５Ａの約±４００［ｍＶ］となるまでの時間ｔ１は、図５Ｂの場合の時間ｔ２より約７０［μｓｅｃ］短い。このことから、超音波振動子１０への駆動信号の印加停止後、残響期間に残響抑制信号を印加することで、残響の発生時間が従来よりも短縮することがわかる。

以下に、残響の発生時間が短縮する理由について説明する。

上述のように、超音波振動子１０は電極及び圧電体を有する。一般的には、この圧電体にはインダクタ及びキャパシタからなる直列共振回路が接続されている。また、圧電体には、並列にキャパシタが接続され、このキャパシタが、整合回路１３が有する昇圧トランスの２次巻線等とで並列共振回路を構成している。そして、直列共振回路と並列共振回路との間で交互にエネルギーが移動することで残響が発生する。仮に回路に抵抗がなく、超音波振動子１０の機械的な振動漏れもない場合、前記エネルギーは保存され、残響は続くが、抵抗等があることから、残響は時間の経過と共に収束する。

また、整合回路１３の昇圧トランスの１次側にも残響の影響によりエネルギーが誘起され、そのエネルギーが再び２次側にも影響を及ぼすことになる。このため、残響期間の振動の位相は、送波したときの振動と同相とならず、複雑なものとなる。

本実施形態では、駆動信号と異なる周波数で、駆動信号から半波長遅らせて残響抑制信号を超音波振動子１０に印加することで、残響抑制信号の印加した直後における振幅は大きくなるものの、その後の振幅は急速に減衰する。これは、残響抑制信号を印加することで、複雑に重畳している４０ｋＨｚ成分の信号が打ち消し合うように位相変化するためである。

図６及び図７は、駆動信号及び残響抑制信号の周波数に対する残響時間を示す図である。図６及び図７では、駆動信号の周波数をｆｄ、残響抑制信号の周波数をｆｓとして、横軸は周波数比ｆｄ／ｆｓとし、縦軸は残響継続時間［μｓｅｃ］を示す。なお、図６及び図７では、駆動信号の印加開始時間から残響波形の信号レベルが±４００ｍＶ以下となるまでの時間を残響継続時間としている。

図６では、駆動信号の周波数ｆｄを４０［ｋＨｚ］とし、残響抑制信号の周波数ｆｓを、８，９．１，１０，１５，１７．５，１９．２，２０，２２．５，２５，３０，３５，３７［ｋＨｚ］とした場合の残響継続時間の推移を示す。

図６は、残響抑制信号の周波数ｆｓを、１０［ｋＨｚ］から３０［ｋＨｚ］までの範囲で設定することにより、換言すれば、残響抑制信号の周波数ｆｓを、駆動信号の周波数ｆｄの１／１．３３から１／４までの範囲に設定することにより、残響継続時間が短くなることを示している。また、図６は、より好ましくは、残響抑制信号の周波数ｆｓを、１７．５［ｋＨｚ］から２２．５［ｋＨｚ］までの範囲で設定することにより、換言すれば、残響抑制信号の周波数ｆｓを、駆動信号の周波数ｆｄの１／１．７８から１／２．３までの範囲に設定することにより、残響継続時間がさらに短くなることを示している。また、図６は、残響抑制信号の周波数ｆｓを、２０［ｋＨｚ］に設定することにより、換言すれば、残響抑制信号の周波数ｆｓを、駆動信号の周波数ｆｄの１／２に設定することにより、残響継続時間が最短となることを示している。

図７では、駆動信号の周波数ｆｄを４８［ｋＨｚ］とし、残響抑制信号の周波数ｆｓを、９．６、１２，１６，２４，２８［ｋＨｚ］とした場合の残響継続時間の推移を示す。この場合、ｆｄ／ｆｓが約２．０付近で残響継続時間が最短となる。

以上から、残響抑制信号の周波数は、駆動信号の周波数の約１／２のときに残響を効果的に抑制することができる。

（実施形態２）
本実施形態に係る超音波センサの回路ブロック図は、図１に示す回路ブロックと同じである。本実施形態では、残響抑制信号発生回路１１２は、駆動信号より約２倍の信号レベルを有する残響抑制信号を発生させる。図８は、駆動信号と残響抑制信号とが合成回路１１３で加算された高周波信号の波形を示す図である。図８に示すように、駆動信号発生回路１１１は、周波数が約４０［ｋＨｚ］、信号レベル（振幅）が約４．５［Ｖ］のパルス信号を１０パルス発生させる。残響抑制信号発生回路１１２は、残響抑制信号として、周波数が約２０［ｋＨｚ］で、信号レベル（振幅）が約９．０［Ｖ］のパルス信号を１パルス発生させる。本実施形態では、実施形態１と同様、残響抑制信号は、駆動信号の印加停止から、駆動信号の約半波長後に超音波振動子１０に印加される。

図９は、実施形態２の残響抑制信号を含む高周波信号により駆動した超音波振動子１０に生じる振動波形を示す図である。本実施形態における残響波形の信号レベルが約±４００［ｍＶ］となるまでの時間ｔ３は、図５Ｂに示す時間ｔ２と比較すると、約１００［μｓｅｃ］短い。このことから、超音波振動子１０への駆動信号の印加停止後、残響期間に残響抑制信号を印加することで、残響の発生時間が従来よりも短縮することがわかる。

なお、超音波センサ駆動回路の具体的構成などは、適宜設計変更可能であり、上述の実施形態に記載された作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、上述の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態では、残響抑制信号発生回路１１２は、残響抑制信号を１パルスのみ発生させているが、１パルス以上の残響抑制信号を発生させてもよい。また、残響抑制信号発生回路１１２は、駆動信号の印加停止から半波長経過後に超音波振動子１０に印加する残響抑制信号を発生させているが、駆動信号の印加停止からλ／４又は３λ／４経過後に超音波振動子１０に印加する残響抑制信号を発生させてもよい。λは駆動信号の波長である。

１−超音波センサ
１０−超音波振動子
１１−信号発生回路
１２−増幅器
１３−整合回路
１１１−駆動信号発生回路
１１２−残響抑制信号発生回路
１１３−合成回路

Claims (6)

1. 送受兼用の超音波振動子から超音波を送波させる駆動信号を発生させる信号発生回路と、
   昇圧トランスを有し、前記信号発生回路と前記超音波振動子とのインピーダンス整合を行う整合回路と、
   を備え、
   前記信号発生回路が発生させた駆動信号を、前記整合回路を介して前記超音波振動子へ印加する超音波センサ駆動回路において、
   前記信号発生回路は、
   超音波を送波した前記超音波振動子に生じる残響を抑制する残響抑制信号を発生させる残響抑制信号発生回路、
   を有し、
   前記残響抑制信号発生回路は、
   前記駆動信号と周波数が異なる残響抑制信号を発生させ、前記駆動信号の印加停止後に前記超音波振動子に前記残響抑制信号を印加する構成としてある、
   超音波センサ駆動回路。
2. 前記残響抑制信号発生回路は、
   前記駆動信号の周波数の１／１．３３から１／４倍の周波数の残響抑制信号を発生させる構成としてある、
   請求項１に記載の超音波センサ駆動回路。
3. 前記残響抑制信号発生回路は、
   前記駆動信号の周波数の１／１．７から１／２．３倍の周波数の残響抑制信号を発生させる構成としてある、
   請求項１に記載の超音波センサ駆動回路。
4. 前記残響抑制信号発生回路は、
   前記駆動信号の周波数の１／２倍の周波数の残響抑制信号を発生させる構成としてある、
   請求項１に記載の超音波センサ駆動回路。
5. 前記残響抑制信号発生回路は、
   前記駆動信号から前記駆動信号の半波長遅れて残響抑制信号を印加する構成としてある、
   請求項１から４の何れかに記載の超音波センサ駆動回路。
6. 前記残響抑制信号発生回路は、
   前記駆動信号より振幅が大きい残響抑制信号を発生させる構成としてある、
   請求項１から５の何れかに記載の超音波センサ駆動回路。

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