WO2014097479A1 - 超音波送受信装置 - Google Patents

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WO2014097479A1
WO2014097479A1 PCT/JP2012/083305 JP2012083305W WO2014097479A1 WO 2014097479 A1 WO2014097479 A1 WO 2014097479A1 JP 2012083305 W JP2012083305 W JP 2012083305W WO 2014097479 A1 WO2014097479 A1 WO 2014097479A1
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transmission
ultrasonic
signal
piezoelectric vibrator
control unit
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PCT/JP2012/083305
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井上　悟
靖昌 田崎
大澤　孝
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三菱電機株式会社
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    • G01S15/107—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves using transmission of pulses having some particular characteristics using frequency agility of carrier wave

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic transmission / reception apparatus that detects an object by receiving ultrasonic waves that are transmitted by intermittently driving a piezoelectric vibrator, and receiving a reflected wave reflected by the object.
  • the resonance frequency band of the piezoelectric vibrator has been selected as the driving frequency (for example, patents) Reference 2). Since the resonance frequency is determined based on the capacitance component of the piezoelectric vibrator and the inductance component of the transformer, the drive frequency is set by adjusting the inductance by changing the air gap amount of the transformer or the number of coil turns. In addition, since the capacitance component of the piezoelectric vibrator fluctuates depending on the ambient temperature, temperature compensation is performed by adding a capacitor with the opposite characteristics to the temperature-capacitance characteristics of the piezoelectric vibrator to prevent a decrease in transmission efficiency and reception efficiency. It was.
  • the transformer Since the transformer is easily mixed with external electromagnetic noise, the noise component is superimposed on the received signal, and the SN ratio (signal-to-noise ratio) of the received signal is reduced. Therefore, it is common to provide an electromagnetic shield on the transformer to suppress the mixing of noise. However, in this case, there is a problem that the transformer is increased in size and cost.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic transmission / reception apparatus that is reduced in size and cost while improving the SN ratio of a received signal. .
  • the ultrasonic transmission / reception apparatus includes a bridge circuit composed of four switching elements for driving a piezoelectric vibrator, and a cycle for alternately driving a switching element on the high side and a switching element on the low side of the bridge circuit. Is used as a transmission frequency, and each switching element of the bridge circuit is driven based on a transmission signal in which the transmission frequency and phase are arbitrarily set, and a control unit that transmits ultrasonic waves and a received signal received by the piezoelectric vibrator are compressed.
  • a compression processing unit is used as a transmission frequency, and each switching element of the bridge circuit is driven based on a transmission signal in which the transmission frequency and phase are arbitrarily set, and a control unit that transmits ultrasonic waves and a received signal received by the piezoelectric vibrator are compressed.
  • the present invention by using a bridge circuit for driving the piezoelectric vibrator, it is possible to suppress the superimposition of external electromagnetic noise as compared with the conventional transformer coupling method. Cost reduction can be achieved.
  • the transmission power of the bridge circuit system is lower than that of the transformer coupling system, but the sensitivity and SN ratio of the received signal can be improved by applying compression processing to the received signal.
  • FIG. 2 shows the ultrasonic transmission of the circuit diagram of the transducer, bridge circuit, and differential amplifier of the ultrasonic transmission / reception apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. FIG. 2 shows a circuit diagram of a transducer, a bridge circuit, and a differential amplifier of the ultrasonic transmission / reception device according to Embodiment 1 immediately after ultrasonic transmission.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining an operation example of the ultrasonic transmission / reception apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a graph which shows an example of the impedance characteristic of a vibrator.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a transmission signal used by the ultrasonic transmission / reception apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of a compression processing unit of the ultrasonic transmission / reception device according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure explaining the transmission signal which the ultrasonic transmission / reception apparatus which concerns on Embodiment 2 of this invention uses.
  • It is a circuit diagram of the bridge circuit of the ultrasonic transmitter-receiver which concerns on Embodiment 3 of this invention.
  • 6 is a diagram for explaining an operation example of an ultrasonic transmission / reception apparatus according to Embodiment 3.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a damping effect of an ultrasonic transmission / reception device according to Embodiment 3.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining ultrasonic detection ranges of first and second transmission frequencies in the ultrasonic transmission / reception apparatus according to the fifth embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example in the case where an ultrasonic transmission / reception apparatus according to a fifth embodiment is used in combination.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining an operation example of the first to fourth ultrasonic transmission / reception apparatuses shown in FIG.
  • an ultrasonic transmission / reception apparatus 1 includes a transducer (piezoelectric transducer) 2 configured by a piezoelectric element and transmitting / receiving ultrasonic waves, and a bridge circuit 3 for driving the transducer 2.
  • a differential amplifier 4 that amplifies the received signal of the vibrator 2
  • a filter processing unit 5 that filters the received signal to remove noise components
  • a compression processing unit 6 that compresses the received signal and amplifies the amplitude.
  • a control unit 7 that performs transmission signal generation and object detection based on the received signal.
  • the ultrasonic transmission / reception apparatus 1 intermittently drives the vibrator 2 to transmit ultrasonic waves, receives the reflected wave reflected by the ultrasonic waves on the object, and receives the object based on the received signal. Is detected. First, a case where ultrasonic waves are transmitted from the ultrasonic transmission / reception apparatus 1 will be described.
  • FIG. 2 and 3 show circuit configuration examples of the vibrator 2, the bridge circuit 3, and the differential amplifier 4.
  • FIG. FIG. 2 is a diagram for explaining ultrasonic transmission
  • FIG. 3 is a diagram for explaining just after ultrasonic transmission.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining an operation example of the vibrator 2 and the bridge circuit 3.
  • FIG. 4 (a) shows the switching operation of the switching elements Tr1 to Tr4 of the bridge circuit 3
  • FIG. 4 (b) shows the vibrator.
  • FIG. 4C shows a vibration waveform of the vibrator 2.
  • the bridge circuit 3 includes four switching elements (for example, bipolar transistors) Tr1 to Tr4 that perform a switching operation based on a control signal from the control unit 7.
  • the vibrator 2 is connected between the connection point of the switching elements Tr1 and Tr4 connected in series and the connection point of the switching elements Tr2 and Tr3 connected in series.
  • a control signal is input from the control unit 7 to the base terminals B1 to B4 of the switching elements Tr1 to Tr4.
  • the bridge circuit 3 is composed of four bipolar transistors, but may be composed of other switching elements such as a field effect transistor.
  • the control unit 7 controls the low-side switching elements Tr2 and Tr4 to be on and the high-side switching elements Tr1 and Tr3 to be off to short-circuit both ends of the vibrator 2. Electric charge is released (indicated by a broken line in FIG. 3), and the vibration component is suppressed (damped) to shorten the reverberation vibration time.
  • both ends of the vibrator 2 may be short-circuited by controlling the switching elements Tr2 and Tr4 to be turned off and the switching elements Tr1 and Tr3 to be turned on.
  • the differential amplifier 4 includes an operational amplifier OP1, resistors R1 to R3, and capacitors C1 and C2.
  • the inverting input terminal of the operational amplifier OP1 is connected to one terminal of the vibrator 2 via the resistor R1 and the capacitor C1, and the non-inverting input terminal is connected to the other terminal of the vibrator 2 via the resistor R2 and the capacitor C2. Is done.
  • the inverting input terminal and output terminal of the operational amplifier OP1 are connected via a resistor R3, and the amplification factor is set by the resistors R1 and R3.
  • the vibrator 2 converts the received reflected wave into a voltage
  • the differential amplifier 4 amplifies the potential difference between both ends of the vibrator 2 and outputs the amplified signal as a received signal to the filter processing unit 5.
  • the above vibrator 2, bridge circuit 3 and differential amplifier 4 are constituted by analog circuits.
  • the signal processing unit 8 including the filter processing unit 5, the compression processing unit 6, and the control unit 7, which will be described below, may be configured by either an analog circuit or a digital circuit.
  • the signal processing unit 8 is configured by a digital circuit, for example, the signal processing unit 8 is configured by a microcomputer, and the CPU reads and executes the program in the built-in memory so that the received signal is signal-processed. 5.
  • the functions as the compression processing unit 6 and the control unit 7 are realized.
  • the filter processing unit 5 is a bandpass filter in which the transmission frequency of the ultrasonic wave is set as a pass band, and removes noise components included in the received signal and outputs them to the compression processing unit 6.
  • the compression processing unit 6 compresses the received signal subjected to the filter processing, amplifies the amplitude, and outputs the amplified signal to the control unit 7. A specific example of the compression process will be described later.
  • the control unit 7 detects an object based on the reception signal compressed by the compression processing unit 6 when receiving an ultrasonic wave. On the other hand, at the time of ultrasonic transmission, as described above, the control unit 7 outputs a control signal to the switching elements Tr1 to Tr4 of the bridge circuit 3 to drive the vibrator 2, and an arbitrary transmission frequency, phase, number of pulses (or Sends ultrasonic waves at (transmission time). Further, immediately after ultrasonic transmission, a control signal is output from the control unit 7 to the switching elements Tr1 to Tr4 of the bridge circuit 3 to short-circuit both ends of the vibrator 2 to shorten the reverberation vibration time.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of impedance characteristics of the vibrator 2.
  • the vertical axis of the graph represents the impedance Z of the vibrator 2 and the horizontal axis represents the frequency f.
  • the impedance characteristic shifts from a solid line to a broken line, and the shift is particularly remarkable in the resonance frequency band including the resonance point fr.
  • the impedance deviation is small. Therefore, in the first embodiment, a frequency other than the resonance frequency band of the vibrator 2 (for example, the transmission frequency band f1 or f2 in FIG. 5) is used as the transmission frequency. Thereby, it is possible to suppress a decrease in transmission efficiency and reception efficiency with respect to changes in ambient temperature.
  • FIG. 6A and 6B are diagrams for explaining a transmission signal used by the ultrasonic transmission / reception apparatus 1.
  • FIG. 6A is a Barker code having a code length of 5 bits
  • FIG. 6B is a correspondence relationship between the Barker code and the phase of the transmission signal.
  • 6C shows an ultrasonic transmission waveform
  • FIG. 6D shows an ultrasonic reception waveform
  • FIG. 6E shows a compression waveform of the reception signal.
  • the drive waveform of the vibrator 2 is displayed as a rectangular wave, but in FIG. 6C, it is displayed as a sine wave.
  • the transmission side generates a transmission signal based on a code sequence having a sharp correlation such as a Barker code
  • the reception side compresses the reception signal based on the code sequence.
  • the control unit 7 phase-modulates a transmission signal having a transmission frequency other than the resonance frequency band in accordance with a predetermined code sequence, and performs switching operations of the switching elements Tr1 to Tr4 of the bridge circuit 3 using a control signal corresponding to the phase-modulated transmission signal.
  • the Barker code “11101” having a code length of 5 bits shown in FIG. 6A
  • the waveform of the phase-modulated transmission signal is as shown in FIG. 6 (c).
  • T in the figure indicates the pulse width per bit of the Barker code.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating a configuration example of the compression processing unit 6.
  • the compression processing unit 6 delays the received signals of the 2nd to 5th bits of the Barker code by a pulse width t to 4t and synchronizes them with the received signal of the 1st bit.
  • a NOT gate 65 that reverses the phase of the received signal of “0” and an adder 66 that adds the delayed and phase-inverted received signals are provided.
  • the received signal having a pulse width of 5t shown in FIG. 6D is compressed, the amplitude of the received signal is five times and the pulse width is 1/5 (ie, t) as shown in FIG. 6E. .
  • n1 and n2 shown in FIG. 6E are residual signal waveforms after compression processing, and may be considered as one of noise signal waveforms.
  • the ultrasonic transmission / reception apparatus 1 includes the bridge circuit 3 including the four switching elements Tr1 to Tr4 that drive the transducer 2, and the switching on the high side of the bridge circuit 3.
  • the cycle of alternately driving the element Tr1 and the low-side switching element Tr4 is set as a transmission frequency, and the switching elements Tr1 to Tr4 of the bridge circuit 3 are driven based on a transmission signal in which the transmission frequency and phase are arbitrarily set.
  • the control unit 7 that transmits ultrasonic waves and the compression processing unit 6 that compresses the reception signal received by the vibrator 2 are configured.
  • the drive voltage of the vibrator is boosted using a transformer.
  • the vibrator 2 is driven using the bridge circuit 3, so that the transmission power is reduced. Therefore, it is desirable to compensate for the power shortage by increasing the transmission time, such as an increase in the number of bits of the Barker code and an increase in the transmission frequency per bit, and to realize a transmission power equivalent to the conventional one. Further, by applying compression processing to the received signal, it is possible to improve the reception sensitivity and the SN ratio, and to compensate for the decrease in distance resolution caused by extending the transmission time.
  • control unit 7 is configured to use a phase modulation signal as a transmission signal, and the compression processing unit 6 performs a delay addition process on the reception signal. For this reason, it is possible to improve reception sensitivity and S / N ratio by transmitting / receiving a phase modulation signal based on a code sequence having a sharp correlation such as Barker code and performing delay addition processing on the reception side.
  • control unit 7 is configured to use a frequency other than the resonance frequency band of the vibrator 2 as the transmission frequency, so that the impedance fluctuation of the vibrator 2 due to a change in the temperature environment is minute. can do. Therefore, it is possible to suppress a decrease in transmission efficiency and reception efficiency.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a transmission signal used by the ultrasonic transmission / reception apparatus 1 according to the second embodiment.
  • FIG. 8A is a Barker code having a code length of 5 bits provided with a pause period.
  • FIG. 8B shows the correspondence between the Barker code and the phase of the transmission signal
  • FIG. 8C shows the transmission waveform of the ultrasonic wave
  • FIG. 8D shows the compression waveform of the reception signal. Note that the waveforms of n1, n2, and n3 shown in FIG. 8D are residual signal waveforms after compression processing, and may be considered as one of noise signal waveforms.
  • the control unit 7 controls the switching elements Tr1 to Tr4 of the bridge circuit 3 to be off by providing a pause interval between the bits of the phase modulation signal as shown in FIG. 8A.
  • the transmission waveform of each bit is not distorted.
  • both ends of the vibrator 2 may be short-circuited in the rest period to suppress (damping) the vibration component when the phase is reversed.
  • the control unit 7 controls the switching elements Tr1 and Tr3 of the bridge circuit 3 to be turned off and the switching elements Tr2 and Tr4 to be turned on in the rest period (or the switching elements Tr1 and Tr3 are turned on and the switching elements Tr2 and Tr4 are turned on). Is controlled to be off), and both ends of the vibrator 2 are short-circuited. In this case, since each pause period can be shortened, the transmission time can be shortened.
  • the compression processing unit 6 having the configuration shown in FIG. 7 delays the reception signal of the second to fifth bits of the Barker code by the pulse width + the pause period to delay the first bit. It is necessary to change the delay time of each of the delay units 61 to 64 so as to synchronize with the received signal.
  • the control unit 7 uses a phase modulation signal based on a predetermined code sequence as a transmission signal, and provides a pause period in which transmission of ultrasonic waves is stopped between bits of the code sequence. Configured. For this reason, it becomes unnecessary to suppress the vibration component when the phase is reversed.
  • the bridge circuit 3 includes a damping circuit that short-circuits both ends of the vibrator 2 in the pause period, and the damping circuit includes the switching elements Tr1,
  • the control unit 7 is configured to drive the switching elements Tr1, Tr3 or Tr2, Tr4 constituting the damping circuit at the same time during the pause period. For this reason, the vibration component when the phase is reversed can be suppressed, the transmission time can be shortened, and the transmission efficiency of ultrasonic waves can be increased.
  • FIG. 9 is a circuit configuration example of the bridge circuit 3 of the ultrasonic transmission / reception apparatus 1 according to the third embodiment. 9, parts that are the same as or equivalent to those in FIGS. 1 to 3 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
  • the switching elements Tr2 and Tr4 (or switching elements Tr1 and Tr3) constituting the bridge circuit 3 are used as a damping circuit to short-circuit both ends of the vibrator 2 to suppress unnecessary vibration.
  • a matching load resistor R4 (FIG. 9) is connected to one terminal of the vibrator 2 to form a series circuit, and this series circuit is short-circuited.
  • a shorting switching element for example, bipolar transistor
  • Tr5 is provided to form a damping circuit.
  • the resistance value of the resistor R4 is adjusted so that the impedances of the series circuit and the vibrator 2 are matched to efficiently absorb (heat consumption) unnecessary vibration components.
  • FIG. 10 shows an example of a correspondence relationship between the transmission signal at the time of ultrasonic transmission and the switching operation of the switching elements Tr1 to Tr5.
  • 10A is a Barker code having a code length of 5 bits provided with a pause period
  • FIG. 10B is a correspondence relationship between the Barker code and the phase of the transmission signal
  • FIG. 10C is a switching operation of the switching elements Tr1 to Tr5.
  • FIG. 10 (d) shows an ultrasonic transmission waveform.
  • the control unit 7 controls the switching elements Tr2 and Tr5 to be turned on and the switching elements Tr1, Tr3 and Tr4 to be turned off to vibrate. Both ends of the child 2 are short-circuited to suppress (damping) the vibration component when the phase is reversed. At this time, the vibration suppressing effect can be enhanced by using the resistor R4.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram for explaining the damping effect.
  • FIG. 11 (a) shows a case where a transmission signal phase-modulated based on a Barker code having a code length of 5 bits without a pause period is dumped or not.
  • b) is a comparative example in the case where the transmission signal phase-modulated on the basis of the Barker code having a code length of 5 bits provided with the pause period is not dumped.
  • the transmission waveform is distorted at the timing when the phase is reversed. However, when damped, this distortion can be suppressed and unnecessary vibration can be suppressed.
  • the damping circuit includes the resistor R4 that is connected to one end of the vibrator 2 and forms a series circuit, and both ends of the vibrator 2 are connected to the both ends of the damping circuit via the resistor R4 in the pause period.
  • the resistor R4 is configured to be short-circuited. For this reason, the vibration component when the phase is reversed can be suppressed, the transmission time can be shortened, and the transmission efficiency of ultrasonic waves can be increased.
  • Embodiment 4 the phase modulation signal is transmitted.
  • the transmission signal is not limited to this.
  • a burst signal may be transmitted.
  • a burst signal is transmitted and received for compression processing.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a configuration example of the compression processing unit 6 of the ultrasonic transmission / reception apparatus 1 according to the fourth embodiment and an example of burst signal compression processing performed by the compression processing unit 6.
  • the ultrasonic transmission / reception apparatus 1 according to the fourth embodiment has the same configuration as that of the ultrasonic transmission / reception apparatus 1 shown in FIGS. 1 to 11 except for the compression processing unit 6. 11 will be used for explanation.
  • the control unit 7 transmits a burst signal having a transmission frequency other than the resonance frequency band, for example, for 4 bits, that is, for a pulse width of 4t.
  • the vibrator 2 receives a burst signal having a pulse width of 4t in time series, and outputs the burst signal to the compression processing unit 6 via the differential amplifier 4 and the filter processing unit 5.
  • the compression processing unit 6 includes delay units 67 to 69 for delaying the second to fourth bit reception signals of the burst reception signal by a predetermined pulse width t1 (t> t1).
  • Adder 66 adds the values.
  • the burst received signal having a pulse width of 4t shown in FIG. 12 is subjected to compression processing, the amplitude is quadrupled at the maximum.
  • the received signal having the pulse width t is shifted and added by the predetermined pulse width t1, but the present invention is not limited to this, and the received signals may be added in synchronization.
  • the ultrasonic transmitting / receiving apparatus 1 includes both the compression processing unit 6 shown in FIG. 7 and the compression processing unit 6 shown in FIG. 12, and the compression processing shown in the first to third embodiments and the fourth embodiment are shown. It is also possible to employ a configuration in which the compression processing is performed in combination.
  • the phase modulation signal having a pulse width of 5t shown in FIG. 6C is transmitted and received four times.
  • the compression processing unit 6 shown in FIG. 7 repeats the compression processing of the phase modulation signal having a pulse width of 5t four times. And output four compressed waveforms with a pulse width t.
  • the compression processing unit 6 shown in FIG. 12 shifts the four compressed waveforms having the pulse width t by a predetermined pulse width t1 and compresses them to form one compressed waveform.
  • the S / N ratio of the received signal can be further improved.
  • the control unit 7 uses the burst signal as the transmission signal, and the compression processing unit 6 is configured to delay and add the received signal. Therefore, the above-described phase modulation signal is used. As in the case of the reception, the reception sensitivity and the SN ratio can be improved.
  • FIG. 13 is a block diagram showing a configuration of the ultrasonic transmitting / receiving apparatus 1 according to the fifth embodiment.
  • the control unit 7 includes the first transmission frequency f1 other than the resonance frequency band of the transducer 2 (for example, the transmission frequency band f1 illustrated in FIG. 5) and the second transmission frequency.
  • the transmission frequency f2 (for example, the transmission frequency band f2 shown in FIG. 5) is switched, and ultrasonic waves having different transmission frequencies f1 and f2 can be transmitted from one transducer 2.
  • the other signal processing unit 8 includes a first filter processing unit 5-1 that performs filter processing on a received signal when transmitted at the first transmission frequency f 1, and a first compression processing unit 6-that performs compression processing on the received signal. 1 and a second filter processing unit 5-2 for filtering the received signal when transmitted at the second transmission frequency f2, and a second compression processing unit 6-2 for compressing the received signal.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the ultrasonic detection ranges of the first and second transmission frequencies f1 and f2.
  • FIG. 14 shows an example of use in which the ultrasonic transmission / reception device 1 according to the fifth embodiment is attached to the front portion of the vehicle 100.
  • the vertical axis of the graph is the height from the road surface, and the horizontal axis is the ultrasonic transmission / reception device. The distance from 1 is shown. Since ultrasonic waves tend to propagate in the air at lower transmission frequencies, the detection range differs between the ultrasonic waves at the first transmission frequency f1 and the ultrasonic waves at the second transmission frequency f2. Using this difference in the detection range, for example, it is possible to easily determine the height of an obstacle. In the example of FIG.
  • the wall 102 having a height that can be detected when the ultrasonic transmission / reception apparatus 1 senses at the first transmission frequency f ⁇ b> 1 is determined as an obstacle of the vehicle 100.
  • the low curb 101 that is not detected when sensing at the first transmission frequency f1 but only detected when sensing at the second transmission frequency f2 is not determined as an obstacle.
  • the received signal is frequency discriminated in the first filter processing unit 5-1 and the second filter processing unit 5-2, the ultrasonic wave of the first transmission frequency f1 and the ultrasonic wave of the second transmission frequency f2 are generated. There is no interference. Therefore, simultaneous transmission / reception in the vicinity region becomes possible. Therefore, for example, a plurality of ultrasonic transmission / reception devices 1 can be installed side by side in the front of the vehicle, and all obstacles in front of the vehicle can be sensed.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration example in the case where the ultrasonic transmitting / receiving apparatus 1 according to the fifth embodiment is used in combination.
  • These first to fourth ultrasonic transmission / reception devices 1-1 to 1-4 are installed side by side in the vehicle width direction at the front of the vehicle to sense an obstacle ahead of the vehicle.
  • the first ultrasonic transmission / reception device 1-1 includes a transducer 2, a bridge circuit 3, a differential amplifier 4, a first filter processing unit 5-1, a second filter processing unit 5-2, and a first compression process. Unit 6-1 and second compression processing unit 6-2.
  • the second to fourth ultrasonic transmission / reception devices 1-2 to 1-4 have the same configuration as that of the first ultrasonic transmission / reception device 1-1. In the example of FIG.
  • the first to fourth ultrasonic transmission / reception apparatuses 1-1 to 1-4 share one control unit 7.
  • the fourth ultrasonic transmitting / receiving apparatuses 1-1 to 1-4 may each have a control unit 7 individually.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining an operation example of the first to fourth ultrasonic transmitting / receiving apparatuses 1-1 to 1-4 shown in FIG.
  • the control unit 7 assigns the first transmission frequency f1 to the first ultrasonic transmission / reception device 1-1 and assigns the second transmission frequency f2 to the third ultrasonic transmission / reception device 1-3.
  • An obstacle is detected by transmitting and receiving sound waves, and in the subsequent second cycle, the first transmission frequency f1 is set to the second ultrasonic transmission / reception device 1-2, and the second transmission frequency f2 is set to the fourth ultrasonic transmission / reception device 1.
  • 16A to 16D are repeated so that an obstacle is detected by transmitting and receiving ultrasonic waves, respectively, assigned to -4.
  • the front of the vehicle can be sensed with the first and second transmission frequencies f1 and f2 in four cycles, and the obstacle detection and the transmission / reception cycle can be shortened at precise sensor intervals.
  • the control unit 7 is configured to switch and use a plurality of frequencies other than the resonance frequency band of the vibrator 2 as the transmission frequency.
  • Ultrasonic waves can be transmitted and received with uniform transmission sensitivity at frequencies other than the frequency band.
  • the ultrasonic detection range varies depending on the transmission frequency, for example, it is possible to easily determine the height of an obstacle.
  • frequency interference does not occur if frequency discrimination is performed on the receiving side, a plurality of ultrasonic transmission / reception devices can be arranged close to each other to perform simultaneous transmission / reception.
  • the ultrasonic transmission / reception device enables downsizing and cost reduction by driving the vibrator with a bridge circuit
  • the obstacle detection device for detecting an obstacle around the vehicle Suitable for use in

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Abstract

　従来のトランスに代え、４個のスイッチング素子から構成される外来電磁ノイズの影響が少ないブリッジ回路３を用いて、振動子２を駆動する。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ので、圧縮処理部６が受信信号に対して圧縮処理を行い、受信感度を向上させる。

Description

超音波送受信装置
　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、圧電振動子を駆動する４個のスイッチング素子から構成されたブリッジ回路と、ブリッジ回路のハイサイド側のスイッチング素子とローサイド側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。
　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のハイサイド側のスイッチング素子Ｔｒ１と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 (8)

  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４個のスイッチング素子から構成されたブリッジ回路と、
    　前記ブリッジ回路のハイサイド側のスイッチング素子とローサイド側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請求項１記載の超音波送受信装置。
  4. 　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、前記ブリッジ回路のハイサイド側の各スイッチング素子あるいはローサイド側の各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各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４記載の超音波送受信装置。
  6. 　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５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。
  8. 　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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