JP6041901B2 - 超音波送受信装置 - Google Patents

Description

この発明は、圧電振動子を断続的に駆動して超音波を送信し、その超音波が物体に反射した反射波を受信して当該物体を検出する超音波送受信装置に関する。

従来の超音波送受信装置は、反射波の受信感度を向上するために、トランスを用いて圧電振動子の駆動電圧を昇圧していた（例えば、特許文献１参照）。

また、圧電振動子の機械的な振動エネルギを電気的な振動エネルギに効率よく変換して超音波を送信するために、圧電振動子の共振周波数帯を駆動周波数に選定していた（例えば、特許文献２参照）。共振周波数は、圧電振動子の容量成分とトランスのインダクタンス成分とに基づいて決定されるため、トランスのエアギャップ量またはコイル巻回数を変えてインダクタンスを調整することにより駆動周波数を設定していた。また、圧電振動子の容量成分が周囲温度によって変動するため、圧電振動子の温度−容量特性とは逆特性のコンデンサを追加して温度補正し、送信効率および受信効率が低下することを防止していた。

特開昭６２−２７３０８４号公報 特開２００５−８３９３５号公報

トランスは外来の電磁ノイズの混入を受け易いため、そのノイズ成分が受信信号に重畳し、受信信号のＳＮ比（信号対雑音比）が低下するという課題があった。そのため、トランスに電磁シールドを施してノイズの混入を抑制することが一般的であるが、この場合にはトランスの大型化およびコストアップを伴うという課題があった。

また、トランスのインダクタンスの調整の手間、ならびに温度補正用コンデンサの特性のチューニングおよび実装などがコストアップを招くという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、受信信号のＳＮ比を向上させつつ、小型化および低コスト化を図った超音波送受信装置を提供することを目的とする。

この発明の超音波送受信装置は、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、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、直列に接続された第１のスイッチング素子および第４のスイッチング素子の接続点と、直列に接続された第２のスイッチング素子および第３のスイッチング素子の接続点との間に、圧電振動子が接続されているブリッジ回路と、ブリッジ回路の第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子と、第３のスイッチング素子および第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、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、制御部は、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ものである。

この発明によれば、圧電振動子の駆動にブリッジ回路を用いることにより、従来のトランス結合方式に比べて外来電磁ノイズの重畳を抑制することができるので、電磁シールド等が不要になり小型化および低コスト化を図ることができる。一方、トランス結合方式に比べてブリッジ回路方式は送信パワーが低下するが、受信信号に対して圧縮処理を加えることにより、受信信号の感度およびＳＮ比を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る超音波送受信装置の振動子、ブリッジ回路および差動アンプの回路図の超音波送信中を示す。 実施の形態１に係る超音波送受信装置の振動子、ブリッジ回路および差動アンプの回路図の超音波送信直後を示す。 実施の形態１に係る超音波送受信装置の動作例を説明する図である。 振動子のインピーダンス特性の一例を示すグラフである。 実施の形態１に係る超音波送受信装置が用いる送信信号を説明する図である。 実施の形態１に係る超音波送受信装置の圧縮処理部の構成例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２に係る超音波送受信装置が用いる送信信号を説明する図である。 この発明の実施の形態３に係る超音波送受信装置のブリッジ回路の回路図である。 実施の形態３に係る超音波送受信装置の動作例を説明する図である。 実施の形態３に係る超音波送受信装置のダンピング効果を説明する概念図である。 この発明の実施の形態４に係る超音波送受信装置の圧縮処理部の構成例を説明する図である。 この発明の実施の形態５に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態５に係る超音波送受信装置において第１および第２の送信周波数の超音波の検出範囲を説明する図である。 実施の形態５に係る超音波送受信装置を組み合わせて使用する場合の構成例を示す図である。 図１５に示す第１〜第４の超音波送受信装置の動作例を説明する図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
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。

この超音波送受信装置１は、振動子２を断続的に駆動して超音波を送信し、その超音波が物体に反射した反射波を振動子２で受信して、受信信号に基づいて当該物体を検出する。
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。

図２および図３に、振動子２、ブリッジ回路３および差動アンプ４の回路構成例を示す。図２は超音波送信中、図３は超音波送信直後を説明する図である。また、図４は、振動子２およびブリッジ回路３の動作例を説明する図であり、図４（ａ）はブリッジ回路３のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ４のスイッチング動作、図４（ｂ）は振動子２に印加される電圧の波形、図４（ｃ）は振動子２の振動波形を示す。

ブリッジ回路３は、制御部７の制御信号に基づいてスイッチング動作する４個のスイッチング素子（例えば、バイポーラトランジスタ）Ｔｒ１〜Ｔｒ４から構成されている。直列に接続されたスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ４の接続点と、直列に接続されたスイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ３の接続点との間に、振動子２が接続される。各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ４のベース端子Ｂ１〜Ｂ４には、制御部７から制御信号が入力される。
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。

超音波送信時、制御部７の出力する制御信号により、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２がオン、およびスイッチング素子Ｔｒ３，Ｔｒ４がオフに制御されると、振動子２に正電流が流れる（図２に一点鎖線で示す）。他方、制御信号により、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２がオフ、およびスイッチング素子Ｔｒ３，Ｔｒ４がオンに制御されると、振動子２に負電流が流れる（図２に破線で示す）。このように、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２とスイッチング素子Ｔｒ３，Ｔｒ４とを交互にオンオフ制御して振動子２に電圧を印加することにより、振動子２が振動して空中に超音波が送信される。

超音波を送信した直後、スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ４がオフになっても、振動子２の回路的な振動と機械的な振動により、図４（ｃ）に破線で示すような残響振動が生じる。そうすると、受信した反射波の振動が残響振動に紛れてしまい、物体を正しく検出できない場合がある。そこで、制御部７は、超音波を送信直後、ローサイド側のスイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ４をオン、およびハイサイド側のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ３をオフに制御して、振動子２の両端を短絡して電荷を放出させ（図３に破線で示す）、振動成分を抑制（ダンピング）して残響振動時間を短縮する。あるいは、スイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ４をオフ、およびスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ３をオンに制御して振動子２の両端を短絡してもよい。

次に、超音波送受信装置１が物体で反射した超音波を受信する場合を説明する。
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。

以上の振動子２、ブリッジ回路３および差動アンプ４は、アナログ回路により構成する。これに対し、以下に説明するフィルタ処理部５、圧縮処理部６および制御部７を含む信号処理部８は、アナログ回路およびデジタル回路のいずれにより構成しても構わない。信号処理部８をデジタル回路で構成する場合には、例えば信号処理部８をマイクロコンピュータで構成して、ＣＰＵが内蔵メモリのプログラムを読み出して実行することにより、受信信号を信号処理するフィルタ処理部５、圧縮処理部６および制御部７としての機能を実現する。

このフィルタ処理部５は、超音波の送信周波数を通過帯域に設定したバンドパスフィルタであり、受信信号に含まれるノイズ成分を除去して圧縮処理部６へ出力する。圧縮処理部６は、フィルタ処理された受信信号を圧縮処理して振幅を増幅し、制御部７へ出力する。圧縮処理の具体例は後述する。

制御部７は、超音波受信時、圧縮処理部６が圧縮処理した受信信号に基づいて、物体を検出する。
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。

ここで、超音波の送信周波数について説明する。
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。

次に、圧縮処理部６による圧縮処理の具体例を説明する。
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。

図６の例では、送信側ではバーカ符号のような相関が鋭い符号系列に基づいて送信信号を生成し、受信側では受信信号を当該符号系列に基づいて圧縮処理する。
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。

図７は、圧縮処理部６の構成例を示すブロック図である。圧縮処理部６は、バーカ符号の２ビット目〜５ビット目の受信信号をパルス幅ｔ〜４ｔだけ遅延させて１ビット目の受信信号に同期させる遅延器６１〜６４と、４ビット目の「０」の受信信号の位相を逆転させるＮＯＴゲート６５と、遅延および位相逆転した各受信信号を加算する加算器６６とを備える。図６（ｄ）に示すパルス幅５ｔの受信信号を圧縮処理した場合、図６（ｅ）に示すように受信信号の振幅が５倍に、パルス幅は１／５（即ち、ｔ）になる。このように、相関の鋭い送信信号を受信して遅延加算処理することにより、受信感度を向上することができると共に、位相成分がランダムなノイズ成分を抑制することができるので、受信信号のＳＮ比が向上する。なお、図６（ｅ）に示すｎ１，ｎ２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。

以上より、実施の形態１によれば、超音波送受信装置１は、振動子２を駆動する４個のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ４から構成されたブリッジ回路３と、ブリッジ回路３の１組のハイサイド側のスイッチング素子Ｔｒ１およびローサイド側のスイッチング素子Ｔｒ２と、もう１組のハイサイド側のスイッチング素子Ｔｒ３およびローサイド側のスイッチング素子Ｔｒ４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ブリッジ回路３の各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ４を駆動し、超音波を送信させる制御部７と、振動子２で受信した受信信号を圧縮処理する圧縮処理部６とを備えるように構成した。このため、トランスに代えてブリッジ回路３を用いることにより、外来電磁ノイズの重畳を抑制することができるので、電磁シールド等が不要になり、超音波送受信装置１の小型化および低コスト化を図ることができる。

なお、従来はトランスを用いて振動子の駆動電圧を昇圧していたが、本実施の形態１ではブリッジ回路３を用いて振動子２を駆動するため送信パワーが低下する。そのため、バーカ符号のビット数の増加および１ビット当たりの送信周波数の増大など、送信時間を長くすることにより電力不足を補い、従来と同等の送信パワーを実現することが望ましい。また、受信信号に対して圧縮処理を加えることにより、受信感度およびＳＮ比を向上させると共に、送信時間を長くしたことによる距離分解能の低下を補完することができる。

また、実施の形態１によれば、制御部７は、送信信号に位相変調信号を用い、圧縮処理部６は、受信信号を遅延加算処理するように構成した。このため、バーカ符号等、相関の鋭い符号系列に基づく位相変調信号を送受信し、受信側で遅延加算処理することにより、受信感度およびＳＮ比を向上させることができる。

また、実施の形態１によれば、制御部７は、送信周波数に振動子２の共振周波数帯域以外の周波数を用いるように構成したので、温度環境の変化による振動子２のインピーダンス変動を微小にすることができる。よって、送信効率および受信効率の低下を抑制できる。

実施の形態２．
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。

バーカ符号等の符号系列に基づいた位相変調信号を送信する場合、ビット間で位相が逆転するときに送信波形が歪み、不要な振動が発生することがある。そこで、本実施の形態２に係る制御部７は、図８（ａ）に示すように、位相変調信号のビット間に休止区間を設けて、ブリッジ回路３のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ４をオフに制御し、各ビットの送信波形が歪まないようにする。

あるいは、休止区間において振動子２の両端を短絡させ、位相が逆転するときの振動成分を抑制（ダンピング）するようにしてもよい。この場合、制御部７は休止区間においてブリッジ回路３のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ３をオフ、およびスイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ４をオンに制御し（あるいは、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ３をオン、およびスイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ４をオフに制御し）、振動子２の両端を短絡する。この場合には各休止区間を短縮できるので送信時間を短縮できる。

なお、休止区間を設ける場合には、図７に示した構成の圧縮処理部６において、バーカ符号の２ビット目〜５ビット目の受信信号をパルス幅＋休止区間だけ遅延させて１ビット目の受信信号に同期させるよう、各遅延器６１〜６４の遅延時間を変更する必要がある。

以上より、実施の形態２によれば、制御部７は、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ように構成した。このため、位相が逆転するときの振動成分を抑制することが不要になる。

また、実施の形態２によれば、ブリッジ回路３は、休止区間に振動子２の両端を短絡するダンピング回路を有し、当該ダンピング回路は、ブリッジ回路３のハイサイド側の各スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ３あるいはローサイド側の各スイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ４から構成され、制御部７は、ダンピング回路を構成する各スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ３あるいはＴｒ２，Ｔｒ４を休止区間に同時に駆動するように構成した。このため、位相が逆転するときの振動成分を抑制して送信時間を短縮し、超音波の送信効率を高めることができる。

実施の形態３．
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。

ここで、図１０に、超音波送信時の送信信号とスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ５のスイッチング動作との対応関係の一例を示す。図１０（ａ）は休止区間を設けた符号長５ビットのバーカ符号、図１０（ｂ）はバーカ符号と送信信号の位相の対応関係、図１０（ｃ）はスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ５のスイッチング動作の波形、図１０（ｄ）は超音波の送信波形を示す。

図１０に示すように、バーカ符号に基づいて位相変調した送信信号の休止区間では、制御部７がスイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ５をオン、およびスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ３，Ｔｒ４をオフに制御して、振動子２の両端を短絡し、位相が逆転するときの振動成分を抑制（ダンピング）する。このとき、抵抗Ｒ４を介することにより、振動抑制効果を高めることができる。

図１１は、ダンピング効果を説明する概念図を示し、図１１（ａ）は休止区間を設けない符号長５ビットのバーカ符号に基づき位相変調した送信信号をダンピングした場合としない場合、図１１（ｂ）は休止区間を設けた符号長５ビットのバーカ符号に基づき位相変調した送信信号をダンピングした場合としない場合の比較例である。図示するように、ダンピングしない場合、位相が逆転するタイミングで送信波形が歪むが、ダンピングした場合にはこの歪みを抑制することができ、不要な振動を抑制することができる。

以上より、実施の形態３によれば、ダンピング回路は、振動子２の一方端に接続されて直列回路を構成する抵抗Ｒ４を有し、休止区間に当該抵抗Ｒ４を介して振動子２の両端を短絡するように構成した。このため、位相が逆転するときの振動成分を抑制して送信時間を短縮し、超音波の送信効率を高めることができる。

実施の形態４．
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。

図１２は、本実施の形態４に係る超音波送受信装置１の圧縮処理部６の構成例と、この圧縮処理部６が行うバースト信号の圧縮処理の一例を説明する図である。本実施の形態４の超音波送受信装置１は、圧縮処理部６を除いて、図１〜図１１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１１を援用して説明する。
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。

圧縮処理部６は、バースト受信信号のうちの２ビット目〜４ビット目の受信信号を所定パルス幅ｔ１（ｔ＞ｔ１）ずつ遅延させる遅延器６７〜６９を有し、遅延した各受信信号を加算器６６で加算する。図１２に示すパルス幅４ｔのバースト受信信号を圧縮処理した場合、振幅が最大で４倍になる。このように、相関の鋭い送信信号を受信して遅延加算することにより、受信感度を向上することができると共に、位相成分がランダムなノイズ成分を抑制することができるので、受信信号のＳＮ比が向上する。

なお、上記実施の形態１と同様に本実施の形態４でも送信パワーの低下を補うために、バースト送信信号のビット数を増加したり１ビット当たりの送信周波数を増大したりすることが望ましい。また、図１２の圧縮処理例では、パルス幅ｔの受信信号を所定パルス幅ｔ１ずつシフトして加算したが、これに限定されるものではなく、受信信号を同期させて加算してもよい。

また、超音波送受信装置１が図７に示す圧縮処理部６と図１２に示す圧縮処理部６とを両方備え、上記実施の形態１〜３に示した圧縮処理と本実施の形態４に示した圧縮処理を組み合わせて実施する構成にしてもよい。例えば、図６（ｃ）に示すパルス幅５ｔの位相変調信号を４回繰り返して送受信し、先ず、図７に示す圧縮処理部６がパルス幅５ｔの位相変調信号の圧縮処理を４回繰り返して行い、パルス幅ｔの４つの圧縮波形を出力する。続いて図１２に示す圧縮処理部６が、パルス幅ｔの４つの圧縮波形を所定パルス幅ｔ１ずつシフトして圧縮処理し、１つの圧縮波形にする。これにより受信信号のＳＮ比をさらに向上することが可能である。

以上より、実施の形態４によれば、制御部７は、送信信号にバースト信号を用い、圧縮処理部６は、受信信号を遅延加算処理するように構成したので、上述の位相変調信号を用いた場合と同様に、受信感度およびＳＮ比を向上させることができる。

実施の形態５．
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。

図１４は、第１および第２の送信周波数ｆ１，ｆ２の超音波の検出範囲を説明する図である。図１４では、本実施の形態５に係る超音波送受信装置１を車両１００の前部に取り付けた使用例を示しており、グラフの縦軸は路面からの高さ、横軸は超音波送受信装置１からの距離を示す。超音波は、送信周波数が低い方が空中を伝播しやすいため、第１の送信周波数ｆ１の超音波と第２の送信周波数ｆ２の超音波とで検出範囲が異なる。この検出範囲の違いを利用して、例えば障害物の簡単な高さ判定が可能になる。図１４の例では、超音波送受信装置１が第１の送信周波数ｆ１でセンシングした場合に検出可能な高さの壁１０２を車両１００の障害物と判定する。一方、第１の送信周波数ｆ１でセンシングした場合には検出されず第２の送信周波数ｆ２でセンシングした場合のみ検出される低い縁石１０１は障害物と判定しない。

また、第１のフィルタ処理部５−１および第２のフィルタ処理部５−２において受信信号を周波数弁別するので、第１の送信周波数ｆ１の超音波と第２の送信周波数ｆ２の超音波が干渉することがない。従って、近傍領域での同時送受信が可能になる。
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。

図１５は、本実施の形態５に係る超音波送受信装置１を組み合わせて使用する場合の構成例を示す図である。これら第１〜第４の超音波送受信装置１−１〜１−４を車両前部に車幅方向に並べて設置して、車両前方の障害物をセンシングする。
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。

図１６は、図１５に示す第１〜第４の超音波送受信装置１−１〜１−４の動作例を説明する図である。制御部７は、１サイクル目において第１の送信周波数ｆ１を第１の超音波送受信装置１−１に、第２の送信周波数ｆ２を第３の超音波送受信装置１−３に割当ててそれぞれ超音波を送受信させて障害物を検出し、続く２サイクル目において第１の送信周波数ｆ１を第２の超音波送受信装置１−２に、第２の送信周波数ｆ２を第４の超音波送受信装置１−４に割当ててそれぞれ超音波を送受信させて障害物を検出するというように、図１６（ａ）〜（ｄ）の４サイクルを繰り返す。これにより、４サイクルで車両前方を第１および第２の送信周波数ｆ１，ｆ２でセンシングでき、精密なセンサ間隔での障害物検出および送受信周期の短縮が可能になる。

なお、図示例では、複数の超音波送受信装置１を車両前部に設置する例を説明したが、車両後部および側部など任意の場所に設置可能である。

以上より、実施の形態５によれば、制御部７は、送信周波数に振動子２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ように構成したので、温度環境が変化しても、共振周波数帯域以外の周波数において一様の送信感度で超音波の送受信が可能になる。また、送信周波数に応じて超音波の検出範囲が異なるので、例えば、障害物の簡単な高さ判定が可能になる。さらに、受信側で周波数弁別すれば相互干渉しないので、複数の超音波送受信装置を接近して配置して同時送受信が可能になる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

以上のように、この発明に係る超音波送受信装置は、振動子をブリッジ回路で駆動するようにして小型化および低コスト化を可能にしたので、車両周辺の障害物を検出する障害物検出装置などに用いるのに適している。

１，１−１〜１−４ 超音波送受信装置、２ 振動子、３ ブリッジ回路、４ 差動アンプ、５，５−１，５−２ フィルタ処理部、６，６−１，６−２ 圧縮処理部、７ 制御部、８ 信号処理部、６１〜６４，６７〜６９ 遅延器、６５ ＮＯＴゲート、６６ 加算器、１００ 車両、１０１ 縁石、１０２ 壁

Claims (7)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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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