JP2020510824A - 音波により周辺検知を実施するためのセンサを備えたセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、音響変換器（１０）を備えたセンサを有するセンサ装置（１）に関する。【解決手段】 前記音響変換器（１０）は、音波を送信し、受信した音波を電気信号へ変換するために構成されている。前記センサの評価ユニットは、該センサの標準作動中に前記音響変換器（１０）の電気信号を評価することにより周辺検知を実施するために構成されている。前記センサ装置（１）の監視ユニット（４０）は、前記センサの監視作動中に前記センサ装置（１）の信号発生器（２０）を用いて発生させた励起信号の種々の励起周波数に対する前記音響変換器（１０）のインピーダンスを測定するために構成されている。前記センサ装置（１）は、それぞれ前記音響変換器（１０）と結合され、且つ前記信号発生器（２０）と結合可能な第１の信号経路（３０）および第２の信号経路（５０）を含んでいる。前記センサ装置（１）の第１の制御ユニット（６０）は、前記センサを前記標準作動から前記監視作動へ移行させるために前記信号発生器（２０）を前記第１の信号経路（３０）から切り離して前記第２の信号経路（５０）と結合させるために構成されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、音波を送信して音波により周辺検知を実施するためのセンサを含んでいるセンサ装置に関するものである。センサ装置は、さらに、センサのインピーダンスを測定するために監視ユニットを含んでいる。本発明は、さらに、この種のセンサ装置のセンサを監視するための方法に関する。

特許文献１は、音波により周辺検知を実施するためのセンサを含んだセンサ装置を記載している。センサは、音波を発生させて検出するための手段を有している。センサ装置は、さらに、センサのインピーダンス特性曲線によりセンサの機能状態をチェックするための機能監視装置を含んでいる。機能監視装置は、センサのインピーダンス特性曲線が励起周波数に依存して求められるようなインピーダンス測定を実施するために構成されている。インピーダンス測定の間、センサは該センサの通常作動中よりも小さな振幅で励起される。

独国特許出願公開第１０２００８０４２８２０号明細書

本発明によれば、センサと、信号発生器と、監視ユニットとを備えたセンサ装置が提供される。この場合、センサは音響変換器と評価ユニットとを含んでいる。音響変換器は、信号発生器を用いて発生させた電気励起信号を伴う励起の結果として音波を送信し、受信した音波を電気信号へ変換するために構成されている。センサの評価ユニットは、該センサの標準作動中に音響変換器の電気信号を評価することにより周辺検知を実施するために構成されている。監視ユニットは、センサの監視作動中に励起信号の種々の励起周波数に対する音響変換器のインピーダンスを測定するために構成されている。センサ装置は、音響変換器と結合され且つ信号発生器と結合可能な第１の信号経路を含んでいる。センサ装置は、さらに、音響変換器と結合され且つ信号発生器と結合可能な第２の信号経路を含んでいる。センサ装置は、そのうえ、センサを標準作動から監視作動へ移行させるために第１の信号経路を信号発生器から切り離し且つ第２の信号経路を信号発生器と結合させるために構成された第１の制御ユニットを含んでいる。

換言すれば、音響変換器は、通常作動の間は第１の信号経路を介して、監視作動の間は第２の信号経路を介して信号発生器と結合されている。監視作動の間に音響変換器を通常作動の間とは異なる信号経路を介して信号発生器と結合させることにより、監視作動の間に実施すべきインピーダンス測定の最適化を得ることができる。当該インピーダンス測定では、音響変換器のインピーダンスを励起信号の種々の励起周波数に対し測定する。この最適化は、第２の信号経路の適当な構成を選定することによって達成できる。第２の信号経路の構成は、監視作動の間に実施すべきインピーダンス測定に目的を絞って適応させることができ、標準作動において実施される周辺検知の間に課せられる諸要求を考慮する必要はない。

従属請求項は、本発明の有利な更なる構成を示している。

前述したセンサ装置は複数のセンサを有していてよく、これらのセンサはそれぞれ前述のセンサと同様にセンサ装置内に設けられている。

本発明の有利な更なる構成によれば、前述したセンサ装置の第１の信号経路と第２の信号経路とは互いに完全に異なる２つの信号経路である。２つの信号経路に対し完全に異なる構成を選定することにより、監視作動中の、したがってインピーダンス測定中の励起信号の振幅を、通常作動中の、したがって周囲検知中の励起信号の振幅とは独立に調整できることが達成される。すなわち、インピーダンス測定中の励起信号の振幅は、周囲検知中の励起信号の振幅とは１つまたは複数のオーダー或いは１０の累乗だけ異なっていてよい。特に、第２の信号経路の構成は、監視作動中の励起信号の振幅が通常作動中の励起信号の振幅よりも１つまたは複数のオーダー或いは１０の累乗だけ小さいように選定することができる。ここでは、１オーダーが１０の１乗に相当することが考慮される。

監視作動中の励起信号の振幅が通常作動中の励起信号の振幅よりも少なくとも１オーダー或いは１０の１乗だけ小さいような事例では、インピーダンス測定中に音波が著しいパワーで送信されることが阻止される。このようにして、インピーダンス測定中に送信された音波が隣接している１つまたは複数のセンサの通常作動を阻害することが阻止される。換言すれば、このようにして、前述したセンサ装置の１つまたは複数のセンサでのインピーダンス測定を、それぞれのセンサ装置の隣接している１つまたは複数のセンサが周辺検知のために音波を送信するのと同じ時点で実施できることが可能になる。

本発明の有利な更なる構成によれば、前述のセンサ装置は切換え要素を含んでおり、該切換え要素は、第１の切換え状態と第２の切換え状態とを有し、第１の制御ユニットを用いて第１の切換え状態および第２の切換え状態へ移行可能である。切換え要素は、第１の切換え状態で第１の信号経路を信号発生器と結合させ且つ第２の切換え状態で第２の信号経路を信号発生器と結合させるために構成されている。これにより、通常作動と監視作動との間で簡単に切換えを行うことができる。

本発明の有利な更なる構成によれば、前述のセンサ装置の第２の信号経路は、インピーダンス出力段と抵抗器とを有している。このようにして、第２の信号経路は、少数のコスト上好ましい構成要素を使用することによって実現でき、これらの構成要素は、大部分がそれぞれのセンサ装置に既存の、ＡＳＩＣとも呼ばれる特定用途向け集積回路に組み込むことができるものである。

本発明の有利な更なる構成によれば、前述のセンサ装置の第２の信号経路のインピーダンス出力段の入力部は信号発生器と結合可能である。さらに、同じインピーダンス出力段の出力部はそれぞれのセンサ装置の第２の測定経路の抵抗器を介して音響変換器と結合されている。

本発明の有利な更なる構成によれば、前述のセンサ装置の第２の信号経路の抵抗器は高抵抗に実施され、有利には少なくとも１・１０^５Ωの抵抗値を有している。有利には、第２の信号経路の抵抗器は２・１０^５Ωの抵抗値を有している。

前述のセンサ装置の第２の信号経路の抵抗器が高抵抗に実施されている事例では、第２の信号経路を介して、非常に小さな電流値を持つ電流のみが流れることができる。高抵抗に実施された抵抗器の抵抗値の選定に応じて、監視作動中に信号発生器を用いて発生させた励起信号の振幅が通常作動中のものよりも小さくなること、特に１つまたは複数のオーダー或いは１０の累乗だけ小さくなることが達成できる。これによって、監視作動中の、したがってインピーダンス測定中の著しい音波放射が阻止される。

前述のセンサ装置の第２の信号経路の抵抗器が高抵抗に実施され、したがって第２の信号経路を介して非常に小さな電流値を持つ電流のみが流れる事例では、前述のセンサ装置の第２の信号経路のインピーダンス出力段は非常にわずかな負荷しか受けない。その結果、このような事例ではインピーダンス出力段を非常に小型に実施することができる。さらに、このような事例では、前述のセンサ装置の監視ユニットに好ましくは含まれている、音響変換器に印加される電圧を増幅させるための入力増幅器は、オーバードライブされない。さらに、このような事例では、第２の信号経路を介して非常に小さな電流値を持つ寄生電流しか流れることができないので、センサの標準作動が第２の信号経路によって影響を受けることがない。

本発明の有利な更なる構成によれば、前述のセンサ装置は第２の制御ユニットを含んでいる。第２の制御ユニットは、監視作動中に信号発生器を用いて発生させた励起信号がそれぞれ通常作動中に発生させたものよりも小さな振幅を有するように、特に少なくとも１オーダーまたは１０の１乗だけ小さな振幅を有するように信号発生器を制御するために構成されている。

本発明の他の観点は、前述のセンサ装置のセンサの機能状態を監視するための方法に関する。この方法は、第１の信号経路を信号発生器から切り離し、且つ第２の信号経路を信号発生器と結合させることによって、センサを通常作動から監視作動へ移行させることを含んでいる。この方法は、さらに、信号発生器を用いて発生させた励起信号の種々の励起周波数に対して音響変換器のインピーダンスを測定することを含んでいる。

有利には、前述の方法は、監視作動中に信号発生器を用いて発生させた励起信号がそれぞれ通常作動中に発生させたものよりも小さな振幅を有するように、特に少なくとも１オーダーまたは１０の１乗だけ小さな振幅を有するように信号発生器を制御することを含んでいる。

次に、本発明の１実施形態を、添付の図面を用いて詳細に説明する。同じ要素に対してはそれぞれ同じ参照符号を使用する。

本発明の第１実施形態によるセンサ装置のブロック図である。

図１は、本発明の第１実施形態によるセンサ装置１のブロック図である。センサ装置１は、音響変換器１０を備えたセンサと、評価ユニット（図示せず）とを含んでいる。センサ装置１は、さらに、信号発生器２０と第１の信号経路３０とを含んでいる。音響変換器１０は、信号発生器２０により発生させた電気励起信号を伴う励起によって音波を送信し、受信した音波を電気信号へ変換するために構成されている。センサの評価ユニットは、音響変換器１０がセンサ装置１の第１の信号経路３０を介して信号発生器２０と結合されているセンサの標準作動の間に、音響変換器１０の電気信号を評価することにより周辺検知を実施するために形成されている。

第１の信号経路３０は、音響変換器１０と結合され、且つセンサ装置１内に配置されているスイッチ１４０を介して信号発生器２０と結合可能である。第１の信号経路３０は、パワー出力段３２と変圧器３３とを含んでいる。この場合、パワー出力段３２の入力部はスイッチ１４０を介して信号発生器２０と結合可能である。さらに、パワー出力段３２の出力部は変圧器３３を介して音響変換器１０と結合されている。

音響変換器１０は、等価回路図において直列共振回路１１として表わすことができる。さらに、音響変換器１０の電気結線部は、直列共振回路１１を変圧器３３と結合させている並列共振回路１２として表わすことができる。この場合、直列共振回路１１は並列共振回路１２に対し並列に接続されている。

信号発生器２０は、必要な励起周波数を発生させるための発振器２１と、複数の励起信号の種々の励起周波数を発生させるための周波数分割器２２とを含んでいる。この場合、周波数分割器２２の入力部は発振器２１と結合されている。さらに、周波数分割器２２の出力部はスイッチ１４０を介して第１の信号経路３０のパワー出力段３２と結合可能である。

センサ装置１は、さらに、監視ユニット４０を含み、該監視ユニットは、音響変換器１０がセンサ装置１の第２の信号経路５０を介して信号発生器２０と結合されているセンサの監視作動中にインピーダンス測定を実施するために形成されている。インピーダンス測定の間、信号発生器２０により発生させた複数の励起信号の種々の励起周波数に対する音響変換器１０のインピーダンスが監視ユニット４０を用いて測定される。このため、監視ユニット４０は、入力増幅器４１と、その下流側に接続される帯域フィルタ４２と、その下流側に接続される評価ユニット４３とを含んでいる。この場合、入力増幅器４１の入力部は音響変換器１０と結合されている。さらに、入力増幅器４１の出力部は帯域フィルタ４２を介して監視装置４０の評価ユニット４３と結合されている。

音響変換器のインピーダンス測定を実施するため、音響変換器１０に印加される電圧を測定する。このため、音響変換器１０の直列共振回路１１内にタップを形成させる。さらに、音響変換器１０に印加される電圧を、入力増幅器４１と帯域フィルタ４２とを介して監視装置４０の評価ユニット４３に提供する。このとき、この電圧の電圧値を監視装置４０の評価ユニット４３を用いて検出する。そのとき、音響変換器１０のインピーダンスを、検出した電圧値と音響変換器１０を流れる電流の既知の電流値との商として算出する。

第２の信号経路５０は、音響変換器１０と結合され、且つスイッチ１４０を介して信号発生器２０と結合可能である。第２の信号経路５０は、インピーダンス出力段５２と抵抗器５３とを含んでいる。この場合、インピーダンス出力段５２の入力部はスイッチ１４０を介して信号発生器２０と結合可能である。さらに、インピーダンス出力段５２の出力部は抵抗器５３を介して音響変換器１０と結合されている。

スイッチ１４０は第１の切換え位置を有し、該第１の切換え位置で信号発生器２０は第１の信号経路３０と結合され、第２の信号経路５０から切り離されている。スイッチ１４０はさらに第２の切換え位置を有し、該第２の切換え位置で信号発生器２０は第１の信号経路３０から切り離され、第２の信号経路５０と結合されている。

センサ装置１は第１の制御ユニット６０を含み、該第１の制御ユニットは、センサを標準作動から監視作動へ移行させるためにスイッチ１４０を第１の切換え位置から第２の切換え位置へ切換え、これによって信号発生器２０を第１の信号経路３０から切り離して第２の信号経路５０と結合させるために構成されている。

監視作動またはインピーダンス測定を開始するため、第１の制御ユニット６０を用いて切換え信号を発生させ、該切換え信号は、信号発生器２０の周波数分割器２２を第１の信号経路３０のパワー出力段３２の入力部から切り離して第２の信号経路５０のインピーダンス出力段５２の入力部へ導通させる。

第１の制御ユニット６０は、さらに、センサを監視作動から通常作動へ移行させるためにスイッチ１４０を第２の切換え位置から第１の切換え位置へ切換え、これによって信号発生器２０を第２の信号経路５０から切り離して第１の信号経路３０と結合させるために構成されている。

第１の制御ユニット６０は、すでにセンサ装置１内に設けられている、ＡＳＩＣとも呼ばれる特定用途向け集積回路に組み込まれていてよい。

本発明では、監視作動中に、したがってインピーダンス測定中に励起信号を発生させるため、下流側に変圧器３３を接続したパワー出力段３２を含んでいる、通常作動中に使用するべき第１の信号経路３０は使用しない。本発明では、監視作動中に、したがってインピーダンス測定中に励起信号を発生させるために、出力部が抵抗器５３を介して音響変換器１０とダイレクトに結合されている、第２の信号経路５０のインピーダンス出力段５２を利用する。

第２の信号経路５０のインピーダンス出力段５２は、有利には、相補形金属酸化膜半導体を使用する、ＣＭＯＳ技術とも呼ばれる技術で実施され、簡単にＡＳＩＣに組み込むことができる。抵抗器５３は有利には高抵抗で実施され、その値はほぼ２・１０^５Ωである。このようにして実現された第２の信号経路５０の出力電圧の典型的な電圧値は、０Ｖと５Ｖの間に広がる値範囲内にある。このようにして実現された第２の信号経路５０を流れる電流の典型的な電流値は１・１０^−４Ａという値以下であり、変圧器３３との組み合わせで第１の信号経路３０のパワー出力段３２を用いて発生させることができないものである。このように低い電流値を持つ電流しか通ることができない第２の信号経路５０を使用することで、いくつかの利点がもたらされる。これら利点のうち第１の利点は、監視作動中に、したがってインピーダンス測定中にも、著しい音波放射が阻止されることにある。これら利点のうち第２の利点は、監視作動中に、したがってインピーダンス測定中にも、監視ユニット４０の入力増幅器４１がオーバードライブされないことにある。これら利点のうち第３の利点は、第２の信号経路５０のインピーダンス出力段５２が非常にわずかしか負荷されず、それ故非常に小型に設計できることである。これら利点のうち第４の利点は、センサの通常作動が第２の信号経路５０によって影響されないことにある。これは、第２の信号経路５０の高抵抗抵抗器５３を介して、電流値が非常に小さな寄生電流しか流れることができないからである。

有利には、センサ装置１は第２の制御ユニット７０を含んでいてよい。第２の制御ユニット７０は、監視作動中に信号発生器２０により発生させた励起信号に、通常作動中に発生させたものよりもそれぞれ小さな振幅を持たせるように信号発生器２０を制御するために構成されている。この場合、監視作動中に信号発生器２０により発生させた励起信号は、通常作動中に発生させたものよりもそれぞれ特に少なくとも１オーダーまたは１０の１乗だけ小さな振幅を有する。

本発明の更なる開示のため、上述した開示事項以外に、図１の図示を補足的に参照してもらいたい。

１ センサ装置
１０ 音響変換器
２０ 信号発生器
３０ 第１の信号経路
４０ 監視ユニット
５０ 第２の信号経路
５２ インピーダンス出力段
５３ 抵抗器
６０ 第１の制御ユニット
７０ 第２の制御ユニット
１４０ スイッチ（切換え要素）

Claims (9)

1. センサと、信号発生器（２０）と、監視ユニット（４０）とを備えたセンサ装置（１）であって、前記センサの音響変換器（１０）が、前記信号発生器（２０）を用いて発生させた電気励起信号を伴う励起の結果として音波を送信し、受信した音波を電気信号へ変換するために構成され、前記センサの評価ユニットが、該センサの標準作動中に前記音響変換器（１０）の電気信号を評価することにより周辺検知を実施するために構成され、前記監視ユニット（４０）が、前記センサの監視作動中に前記励起信号の種々の励起周波数に対する前記音響変換器（１０）のインピーダンスを測定するために構成されている前記センサ装置（１）において、
   それぞれ前記音響変換器（１０）と結合され、且つ前記信号発生器（２０）と結合可能な第１の信号経路（３０）および第２の信号経路（５０）と、
   前記センサを前記標準作動から前記監視作動へ移行させるために前記第１の信号経路（３０）を前記信号発生器（２０）から切り離し且つ前記第２の信号経路（５０）を前記信号発生器（２０）と結合させるために構成された第１の制御ユニット（６０）と、
   が設けられていることを特徴とするセンサ装置（１）。
2. 前記第１の信号経路（３０）と前記第２の信号経路（５０）とが互いに完全に異なる２つの信号経路であることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ装置（１）。
3. 第１の切換え状態と第２の切換え状態とを有し、前記第１の制御ユニット（６０）を用いて前記第１の切換え状態および前記第２の切換え状態へ移行可能であり、前記第１の切換え状態で前記第１の信号経路（３０）を前記信号発生器（２０）と結合させ且つ前記第２の切換え状態で前記第２の信号経路（５０）を前記信号発生器（２０）と結合させるために構成された切換え要素（１４０）が設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載のセンサ装置（１）。
4. 前記第２の信号経路（５０）が、インピーダンス出力段（５２）と抵抗器（５３）とを有していることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載のセンサ装置（１）。
5. 前記インピーダンス出力段（５２）の入力部が前記信号発生器（２０）と結合可能であり、前記インピーダンス出力段（５２）の出力部が前記抵抗器（５３）を介して前記音響変換器（１０）と結合されていることを特徴とする、請求項４に記載のセンサ装置（１）。
6. 前記第２の信号経路（５０）の前記抵抗器（５３）が高抵抗に実施され、有利には少なくとも１・１０^５Ωの抵抗値を有していることを特徴とする、請求項４または５に記載のセンサ装置（１）。
7. 前記監視作動中に前記信号発生器（２０）を用いて発生させた前記励起信号がそれぞれ前記標準作動中に発生させたものよりも小さな振幅を有するように、特に少なくとも１０の１乗だけ小さな振幅を有するように前記信号発生器（２０）を制御するために構成された第２の制御ユニット（７０）が設けられていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載のセンサ装置（１）。
8. 請求項１から７までのいずれか一項に記載のセンサ装置（１）のセンサの機能状態を監視するための方法において、
   前記第１の信号経路（３０）を前記信号発生器（２０）から切り離し、且つ前記第２の信号経路（５０）を前記信号発生器（２０）と結合させることによって、前記センサを前記標準作動から前記監視作動へ移行させること、
   前記信号発生器（２０）を用いて発生させた前記励起信号の種々の励起周波数に対して前記音響変換器（１０）の前記インピーダンスを測定すること、
   を特徴とする方法。
9. 前記監視作動中に前記信号発生器（２０）を用いて発生させた前記励起信号がそれぞれ前記標準作動中に発生させたものよりも小さな振幅を有するように、特に少なくとも１０の１乗だけ小さな振幅を有するように前記信号発生器（２０）を制御することを特徴とする、請求項８に記載の方法。

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