超聲波傳感器驅動電路的製作方法
2023-06-21 21:01:31 1
超聲波傳感器驅動電路的製作方法
【專利摘要】超聲波傳感器(1)作為發送側電路而具備信號產生電路(11)、放大器(12)與匹配電路(13)。信號產生電路(11)具有：驅動信號產生電路(111)，其產生從兼用作收發的超聲波振子(10)發送超聲波的驅動信號；以及殘響抑制信號產生電路(112)，其產生殘響抑制信號，該殘響抑制信號抑制在發送超聲波後的超聲波振子(10)中產生的殘響。殘響抑制信號產生電路(111)產生頻率為驅動信號的1/2倍的殘響抑制信號，以比驅動信號延遲半個波長的方式施加於超聲波振子(10)。由此，提供能夠縮短產生於超聲波振子的殘響的持續時間的超聲波傳感器驅動電路。
【專利說明】超聲波傳感器驅動電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超聲波傳感器驅動電路，該超聲波傳感器驅動電路驅動利用一個振子進行超聲波的收發的超聲波傳感器。
【背景技術】
[0002]在使用超聲波振子通過超聲波的收發來進行物體檢測或者距離測定的超聲波傳感器中，存在為了小型化而將一個超聲波元件兼用作發送用的超聲波元件與接收用的超聲波元件的超聲波傳感器。超聲波傳感器將超聲波振子的共振頻率設為所發送、接收的超聲波的頻率，對超聲波振子施加該共振頻率(包括近似)的電脈衝信號。在這種情況下，產生在不施加電脈衝信號之後，被稱作殘響的超聲波振動依然機械性地短時間持續的現象。在將一個超聲波振子兼用作收發信號的情況下，存在無法利用該殘響通過接收進行檢測的情況。
[0003]因此，專利文獻I公開了以縮短殘響的持續期間作為目的的超聲波傳感器。專利文獻I所記載的超聲波傳感器構成為以如下方式進行驅動:在向超聲波振子間歇供給的驅動信號剛剛停止之後，僅在驅動信號的半周期的期間內向超聲波振子供給與驅動信號相反相位的殘響抑制信號。由此，在剛剛驅動超聲波振子之後，僅在驅動信號的半周期的期間內抵消振動，其結果，縮短了殘響的持續時間。
[0004]在先技術文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:日本特開平8-146121號公報
[0007]然而，在超聲波傳感器的電路內，還包含超聲波振子以外的其他電感成分、例如升壓變壓器的電感成分等。在專利文獻I所記載的超聲波傳感器中，由於沒有考慮所述其他電感成分等，因此存在殘響抑制信號受到所述其他電感成分等的影響，無法充分消除超聲波振子的振動的情況。
【發明內容】
[0008]因此，本發明的目的在於提供一種超聲波傳感器驅動電路，該超聲波傳感器驅動電路與以往相比能夠縮短產生於超聲波振子的殘響的持續時間。
[0009]用於解決課題的手段
[0010]本發明提供一種超聲波傳感器驅動電路，具備:信號產生電路，其產生從兼用作收發的超聲波振子發送超聲波的驅動信號；以及匹配電路，其具有升壓變壓器，進行所述信號產生電路與所述超聲波振子的阻抗匹配，經由所述匹配電路向所述超聲波振子施加所述信號產生電路產生的驅動信號，所述超聲波傳感器驅動電路的特徵在於，所述信號產生電路具有殘響抑制信號產生電路，該殘響抑制信號產生電路產生對在發送超聲波後的所述超聲波振子中產生的殘響進行抑制的殘響抑制信號，所述殘響抑制信號產生電路產生頻率與所述驅動信號不同的殘響抑制信號，在停止施加所述驅動信號後向所述超聲波振子施加所述殘響抑制信號。
[0011]在該結構中，在停止施加驅動信號後的殘響產生期間內，將頻率與驅動信號不同的殘響抑制信號施加於超聲波振子。由此，雖然剛剛施加殘響抑制信號後的殘響暫時增大，但由於使複雜地重疊的殘響的信號成分以抵消的方式發生相位變化，因此之後迅速衰減，與以往相比，能夠縮短殘響的持續時間。
[0012]本發明的超聲波傳感器驅動電路在上述基礎上也可以構成為，所述殘響抑制信號產生電路產生頻率為所述驅動信號的頻率的1/1.33?1/4倍的殘響抑制信號。
[0013]在該結構中，能夠縮短殘響的持續時間。
[0014]本發明的超聲波傳感器驅動電路在上述基礎上也可以構成為，所述殘響抑制信號產生電路產生頻率為所述驅動信號的頻率的1/1.78?1/2.3倍的殘響抑制信號。
[0015]在該結構中，能夠進一步縮短殘響的持續時間。
[0016]本發明的超聲波傳感器驅動電路在上述基礎上也可以構成為，所述殘響抑制信號產生電路產生頻率為所述驅動信號的頻率的1/2倍的殘響抑制信號。
[0017]在該結構中，能夠儘可能縮短殘響的持續時間。
[0018]本發明的超聲波傳感器驅動電路在上述基礎上也可以構成為，所述殘響抑制信號產生電路以從所述驅動信號延遲所述驅動信號的半個波長的方式施加殘響抑制信號。
[0019]在該結構中，能夠進一步縮短殘響的持續時間。
[0020]本發明的超聲波傳感器驅動電路在上述基礎上也可以構成為，所述殘響抑制信號產生電路產生振幅比所述驅動信號大的殘響抑制信號。
[0021]在該結構中，能夠進一步縮短殘響的持續時間。
[0022]發明效果
[0023]根據本發明，在停止施加驅動信號後的殘響產生期間內，向超聲波振子施加頻率與驅動信號不同的殘響抑制信號。由此，雖然剛剛施加殘響抑制信號後的殘響暫時增大，但由於使複雜地重疊的殘響的信號成分以抵消的方式發生相位變化，因此之後迅速衰減，與以往相比，能夠縮短殘響的持續時間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是實施方式的超聲波傳感器的電路框圖。
[0025]圖2是示出驅動信號產生電路所產生的驅動信號的波形的圖。
[0026]圖3是示出利用殘響抑制信號產生電路產生的殘響抑制信號的波形的圖。
[0027]圖4是示出利用合成電路加合後的高頻信號的波形的圖。
[0028]圖5A是示出從利用包括殘響抑制信號的高頻信號驅動的超聲波振子發出的超聲波波形的圖。
[0029]圖5B是示出從利用不包括殘響抑制信號的高頻信號驅動的超聲波振子發出的超聲波波形的圖。
[0030]圖6是示出相對於驅動信號以及殘響抑制信號的頻率的、殘響時間的圖。
[0031]圖7是示出相對於驅動信號以及殘響抑制信號的頻率的、殘響時間的圖。
[0032]圖8是示出驅動信號與殘響抑制信號由合成電路加合後的高頻信號的波形的圖。
[0033]圖9是示出實施方式2的利用包括殘響抑制信號的高頻信號驅動的超聲波振子所產生的振動波形的圖。
【具體實施方式】
[0034]本發明的超聲波傳感器驅動電路使用於將一個超聲波振子兼用於收發的超聲波傳感器。該超聲波傳感器例如使用於車的倒車警報器等，發送超聲波，接收輸出的該超聲波的反射波，進行物體檢測或者距離檢測等。
[0035](實施方式I)
[0036]圖1是本實施方式的超聲波傳感器的電路框圖。超聲波傳感器I具備收發超聲波的超聲波振子10。另外，超聲波傳感器I具備從超聲波振子10發送超聲波的發送側電路、以及對超聲波振子10接收到的超聲波進行信號處理的接收側電路。
[0037]發送側電路是本發明的超聲波傳感器驅動電路，包括信號產生電路11、放大器12以及匹配電路13。信號產生電路11具備驅動信號產生電路111、殘響抑制信號產生電路112以及合成電路113。
[0038]驅動信號產生電路111產生與應當從超聲波振子10發送的超聲波相同頻率的矩形脈衝的驅動信號。圖2是示出驅動信號產生電路111所產生的驅動信號的波形的圖。如圖2所示，驅動信號產生電路111產生10個脈衝的頻率約40 [kHz]、信號級(振幅)約4.5 [V]的脈衝信號，並向合成電路113輸出。
[0039]殘響抑制信號產生電路112產生殘響抑制信號，該殘響抑制信號抑制產生於超聲波振子10的殘響。圖3是示出在殘響抑制信號產生電路112產生的殘響抑制信號的波形的圖。在圖3中，以虛線示出圖2所示的驅動信號的波形。如圖3所示，殘響抑制信號產生電路112產生頻率以及相位與在驅動信號產生電路111產生的驅動信號不同的殘響抑制信號。具體而言，作為殘響抑制信號，殘響抑制信號產生電路112產生I個脈衝的頻率約20[kHz]、信號級(振幅)約4.5[V]的脈衝信號。殘響抑制信號產生電路112在驅動信號產生電路111停止向合成電路113輸出驅動信號之後,延遲驅動信號的半個周期，向合成電路113輸出所產生的殘響抑制信號。
[0040]合成電路113具有加法器，該加法器將利用驅動信號產生電路111產生的驅動信號與利用殘響抑制信號產生電路112產生的殘響抑制信號加合。圖4是示出利用合成電路113加合後的高頻信號的波形的圖。具有圖4所示的波形的高頻信號向信號產生電路11的後級的放大器12輸出。
[0041]放大器12放大從信號產生電路11輸出的高頻信號的信號級(振幅)。放大器12向後級的匹配電路13輸出使信號級放大後的高頻信號。匹配電路13具有包括初級繞組以及次級繞組的升壓變壓器，進行信號產生電路11 (更具體而言是放大器12)與超聲波振子10的阻抗匹配。
[0042]接收側電路包括放大器21、帶通濾波器22以及放大器23。接收側電路在放大器21中使超聲波振子10接收到的超聲波信號的信號級放大，在帶通濾波器22中選擇性地使接收到的超聲波信號所包含的規定頻帶的信號通過，去除不必要的頻率成分。並且，利用放大器23放大過濾後的信號的信號級，並向後級的電路輸出。後級的電路是根據接收到的超聲波信號進行物體或者距離檢測的電路等。該接收側電路也可以包含於本發明的超聲波傳感器驅動電路中。
[0043]超聲波振子10通過被從信號產生電路11施加包含驅動信號的高頻信號，從而發送與利用驅動信號產生電路111產生的驅動信號相應的超聲波。另外，超聲波振子10接收所輸出的超聲波的反射波。該超聲波振子10具有電極以及壓電體，能夠將電信號轉換為機械振動，或將機械振動轉換為電信號，由此能夠收發超聲波。因此，當施加了驅動信號的超聲波振子10驅動時，產生在高頻信號的施加停止後振動機械性地短時間持續的殘響，在該殘響的影響下，有時無法根據接收到的超聲波進行物體或者距離檢測等。
[0044]但是，在本實施方式中，高頻信號包含殘響抑制信號。該殘響抑制信號的頻率與驅動信號不同，在停止施加驅動信號後施加於超聲波振子10。即，在停止施加驅動信號後的產生殘響的期間內，殘響抑制信號施加於超聲波振子10。換言之，通過該殘響抑制信號，以在產生殘響的期間內抑制殘響的方式驅動超聲波振子10。
[0045]圖5A是示出在利用包含殘響抑制信號的高頻信號驅動的超聲波振子10中產生的振動波形的圖，圖5B是示出在利用不包含殘響抑制信號的高頻信號驅動的超聲波振子10中產生的振動波形的圖。如圖2所示，超聲波振子10被施加驅動信號直至約250[μ sec]。因此，在圖5A以及圖5B中，約250 [μ sec]之後所示的波形是殘響波形。
[0046]如圖5A以及圖5B所示，對比殘響波形的信號級達到約±400 [mV]所需的時間，圖5A的達到約±400 [mV]所需的時間tl比圖5B的情況的時間t2短約70 [ μ sec]。由此可知，通過在停止向超聲波振子10施加驅動信號後在殘響期間施加殘響抑制信號,殘響的產生時間比以往短。
[0047]以下，說明殘響的產生時間縮短的理由。
[0048]如上所述，超聲波振子10具有電極以及壓電體。一般，由電感以及電容器構成的串聯共振電路與該壓電體連接。另外，電容器與壓電體並聯地連接，該電容器與匹配電路13所具有的升壓變壓器的次級繞組等構成並聯共振電路。並且，在串聯共振電路與並列共振電路之間，通過能量交替移動而產生殘響。假設在電路沒有電阻、且不存在超聲波振子10的機械振動洩漏的情況下，所述能量被保存，殘響持續，但因存在電阻等，殘響隨著時間的經過而變小消失。
[0049]另外，在匹配電路13的升壓變壓器的初級側，因殘響的影響而引起能量，該能量也再次對次級側造成影響。因此，殘響期間的振動的相位與發送時的振動並非同相，是複雜的。
[0050]在本實施方式中，以與驅動信號不同的頻率，以從驅動信號延遲半個波長的方式將殘響抑制信號施加於超聲波振子10，由此，雖然剛剛施加殘響抑制信號後的振幅增大，但之後的振幅迅速衰減。這是因為，通過施加殘響抑制信號，複雜地重疊的40kHz成分的信號以抵消的方式發生相位變化。
[0051]圖6以及圖7是示出相對於驅動信號以及殘響抑制信號的頻率的、殘響時間的圖。在圖6以及圖7中，將驅動信號的頻率設為fd，將殘響抑制信號的頻率設為fs，橫軸表示頻率比fd/fs,縱軸表示殘響持續時間[μ sec]。需要說明的是,在圖6以及圖7中，以從驅動信號的施加開始時間到殘響波形的信號級降至±400mV以下的時間作為殘響持續時間。
[0052]在圖6中，示出將驅動信號的頻率fd設為40 [kHz]，且將殘響抑制信號的頻率fs設為 8,9.1、10、15、17.5、19.2,20,22.5、25、30、35、37[kHz]的情況下的殘響持續時間的推移。
[0053]圖6示出如下情況:通過在10[kHz]?30[kHz]的範圍內設定殘響抑制信號的頻率fs，換言之，通過將殘響抑制信號的頻率fs設為驅動信號的頻率fd的1/1.33?1/4的範圍，從而縮短殘響持續時間的情況。另外，圖6示出如下情況:更優選的是，通過在17.5 [kHz]?22.5 [kHz]的範圍內設定殘響抑制信號的頻率fs，換言之，通過將殘響抑制信號的頻率fs設定為驅動信號的頻率fd的1/1.78?1/2.3的範圍，從而進一步縮短殘響持續時間的情況。另外，圖6示出下述情況:通過將殘響抑制信號的頻率fs設定為20 [kHz]，換言之，通過將殘響抑制信號的頻率fs設定為驅動信號的頻率fd的1/2，殘響持續時間最短的情況。
[0054]在圖7中，示出將驅動信號的頻率fd設為48 [kHz]，且將殘響抑制信號的頻率fs設為9.6、12、16、24、28[kHz]的情況下的殘響持續時間的推移。在這種情況下，當fd/fs在約2.0附近時，殘響持續時間最短。
[0055]根據以上情況，在殘響抑制信號的頻率為驅動信號的頻率的約1/2時，能夠有效地抑制殘響。
[0056](實施方式2)
[0057]本實施方式的超聲波傳感器的電路框圖與圖1所示的電路組件相同。在本實施方式中，殘響抑制信號產生電路112產生與驅動信號相比具有約2倍的信號級的殘響抑制信號。圖8是示出利用合成電路113將驅動信號與殘響抑制信號加合後的高頻信號的波形的圖。如圖8所示，驅動信號產生電路111產生10個脈衝的頻率約40[kHz]、信號級(振幅)約4.5[V]的脈衝信號。作為殘響抑制信號，殘響抑制信號產生電路112產生I個脈衝的頻率約20 [kHz]、信號級(振幅)約9.0 [V]的脈衝信號。在本實施方式中，與實施方式I相同，殘響抑制信號在從停止施加驅動信號起約驅動信號的半個波長後施加於超聲波振子10。
[0058]圖9是示出在實施方式2的利用包含殘響抑制信號的高頻信號驅動的超聲波振子10中產生的振動波形的圖。本實施方式中的殘響波形的信號級達到約±400[mV]所需的時間t3比圖5B所示的時間t2短約100 [ μ sec]。根據該情況可知，通過在停止向超聲波振子10施加驅動信號後在殘響期間施加殘響抑制信號，從而殘響的產生時間比以往短。
[0059]需要說明的是，超聲波傳感器驅動電路的具體結構等能夠適當地進行設計變更，上述的實施方式所記載的作用以及效果僅列舉了本發明所產生的最佳作用以及效果，本發明所帶來的作用以及效果不限定於上述實施方式的記載。
[0060]例如，在上述的實施方式中，殘響抑制信號產生電路112產生I個脈衝的殘響抑制信號，但也可以產生I個脈衝以上的殘響抑制信號。另外，殘響抑制信號產生電路112產生從停止施加驅動信號經過半個波長後施加於超聲波振子10的殘響抑制信號，但也可以產生從停止施加驅動信號經過λ/4或者3 λ/4後施加於超聲波振子10的殘響抑制信號。λ是驅動信號的波長。
[0061]附圖標記說明
[0062]1:超聲波傳感器
[0063]10:超聲波振子
[0064]11:信號產生電路
[0065]12:放大器
[0066]13:匹配電路
[0067]111:驅動信號產生電路
[0068]112:殘響抑制信號產生電路
[0069]113:合成電路
【權利要求】
1.一種超聲波傳感器驅動電路，具備: 信號產生電路，其產生從兼用作收發的超聲波振子發送超聲波的驅動信號；以及 匹配電路，其具有升壓變壓器，進行所述信號產生電路與所述超聲波振子的阻抗匹配， 經由所述匹配電路向所述超聲波振子施加所述信號產生電路產生的驅動信號， 所述超聲波傳感器驅動電路的特徵在於， 所述信號產生電路具有殘響抑制信號產生電路，該殘響抑制信號產生電路產生對在發送超聲波後的所述超聲波振子中產生的殘響進行抑制的殘響抑制信號， 所述殘響抑制信號產生電路產生頻率與所述驅動信號不同的殘響抑制信號，在停止施加所述驅動信號後向所述超聲波振子施加所述殘響抑制信號。
2.根據權利要求1所述的超聲波傳感器驅動電路，其中， 所述殘響抑制信號產生電路產生頻率為所述驅動信號的頻率的1/1.33?1/4倍的殘響抑制信號。
3.根據權利要求1所述的超聲波傳感器驅動電路，其中， 所述殘響抑制信號產生電路產生頻率為所述驅動信號的頻率的1/1.7?1/2.3倍的殘響抑制信號。
4.根據權利要求1所述的超聲波傳感器驅動電路，其中， 所述殘響抑制信號產生電路產生頻率為所述驅動信號的頻率的1/2倍的殘響抑制信號。
5.根據權利要求1?4中任一項所述的超聲波傳感器驅動電路，其中， 所述殘響抑制信號產生電路以從所述驅動信號延遲所述驅動信號的半個波長的方式施加殘響抑制信號。
6.根據權利要求1?5中任一項所述的超聲波傳感器驅動電路，其中， 所述殘響抑制信號產生電路產生振幅比所述驅動信號大的殘響抑制信號。
【文檔編號】H04R3/00GK104272135SQ201380023954
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年4月26日 優先權日:2012年5月7日
【發明者】高畠智史 申請人:株式會社村田製作所