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JP2007240261A - Ultrasonic sensor and obstacle sensor - Google Patents

Ultrasonic sensor and obstacle sensor Download PDF

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JP2007240261A
JP2007240261A JP2006061467A JP2006061467A JP2007240261A JP 2007240261 A JP2007240261 A JP 2007240261A JP 2006061467 A JP2006061467 A JP 2006061467A JP 2006061467 A JP2006061467 A JP 2006061467A JP 2007240261 A JP2007240261 A JP 2007240261A
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JP
Japan
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diaphragm
ultrasonic
drive elements
shifting
resonance frequency
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Pending
Application number
JP2006061467A
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Japanese (ja)
Inventor
Katsuaki Yasui
克明 安井
Yukio Nishimoto
幸生 西本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
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Publication of JP2007240261A publication Critical patent/JP2007240261A/en
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Abstract

【課題】 取り付け部位によらずに任意の方向の障害物を検出することができ、しかも、簡単な構造を有する安価な超音波センサを提供する。
【解決手段】1:1以外の縦横比を有し、超音波を放射または受信する薄板状の振動板12と、振動板上に、該振動板の長手方向に直線状に配設された複数の駆動素子13a、13bと、複数の駆動素子の各々を、位相をずらしながら順次駆動することにより振動板に進行波を発生させて超音波の放射方向を制御し、且つ振動板で受信された超音波に基づいて複数の駆動素子に発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより超音波の検出方向を制御する制御回路2とを備えている。
【選択図】図2
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive ultrasonic sensor that can detect an obstacle in an arbitrary direction regardless of an attachment site and has a simple structure.
A thin diaphragm 12 having an aspect ratio other than 1: 1 and emitting or receiving ultrasonic waves, and a plurality of linearly arranged on the diaphragm in the longitudinal direction of the diaphragm. The driving elements 13a and 13b and the plurality of driving elements are sequentially driven while shifting the phase to generate a traveling wave in the diaphragm, thereby controlling the radiation direction of the ultrasonic wave and received by the diaphragm. And a control circuit 2 that controls the detection direction of the ultrasonic wave by sequentially performing synchronous detection while shifting the phases of the multiple signals generated by the multiple drive elements based on the ultrasonic wave.
[Selection] Figure 2

Description

この発明は、超音波を送受信することにより対象物を検出する超音波センサおよび障害物センサに関し、特に、超音波の送受信方向を制御する技術に関する。   The present invention relates to an ultrasonic sensor and an obstacle sensor that detect an object by transmitting / receiving ultrasonic waves, and more particularly to a technique for controlling the transmission / reception direction of ultrasonic waves.

従来、車両の後部バンパーや4隅等に取り付けられた超音波送受波器か超音波を送信し、障害物で反射された超音波を受信して制御回路で解析することにより障害物を検出し、警報等を発する超音波センサが知られている。このような超音波センサにおいて、超音波送受波器は、通常は、障害物を検出する方向が水平方向に対して過度に下側を向かないようにして車両の外面に取り付けられる。しかしながら、車両の外形によっては、超音波送受波器を取り付け可能な車両の外面が、地面に対する垂直面からオーバーハングしている場合がある。この場合、超音波送受波器の取り付け面に対して垂直な方向に超音波を送受信する超音波センサでは、地面を障害物であると誤検出するという問題があった。   Conventionally, an ultrasonic transmitter / receiver installed at the rear bumper or four corners of a vehicle or an ultrasonic wave is transmitted, and an ultrasonic wave reflected by the obstacle is received and analyzed by a control circuit to detect the obstacle. Ultrasonic sensors that emit alarms and the like are known. In such an ultrasonic sensor, the ultrasonic transducer is usually attached to the outer surface of the vehicle such that the direction in which the obstacle is detected does not excessively face downward with respect to the horizontal direction. However, depending on the outer shape of the vehicle, the outer surface of the vehicle to which the ultrasonic transducer can be attached may overhang from a vertical surface with respect to the ground. In this case, an ultrasonic sensor that transmits and receives ultrasonic waves in a direction perpendicular to the mounting surface of the ultrasonic transducer has a problem that the ground is erroneously detected as an obstacle.

このような問題を解消するために、超音波送受波器に内蔵される超音波を発生するための振動板を地面に対して略垂直方向に向けるためのアダプタを使用して、超音波送受波器を車両の外面に取り付けることが行われている。また、上述した問題を解消する他の超音波センサとして、特許文献1に示されるように、多数の振動板を設け、各振動板を順次駆動することにより位相差を有する複数の超音波を発生させ、以て合成波面の方向を変更するフェイズドアレイの原理を用いて超音波の送受信方向を制御するものが実用化されている。   In order to solve such a problem, an ultrasonic wave transmitter / receiver is installed by using an adapter for orienting a diaphragm for generating ultrasonic waves built in the ultrasonic wave transmitter / receiver in a direction substantially perpendicular to the ground. The device is attached to the outer surface of the vehicle. As another ultrasonic sensor for solving the above-described problem, as shown in Patent Document 1, a plurality of diaphragms are provided, and a plurality of ultrasonic waves having a phase difference are generated by sequentially driving each diaphragm. Therefore, a device that controls the transmission / reception direction of ultrasonic waves by using the principle of a phased array that changes the direction of the combined wavefront has been put into practical use.

なお、関連する技術として、特許文献2は、直線状進行波の超音波振動をエネルギー効率良くかつコンパクトな構成によって発生できる超音波振動子を開示している。この超音波振動子は、所定の長さを有するとともにその長さに比して幅の狭い膜板状の振動板部を、細長い枠状部にて周囲を一体的に固定支持して、ほぼ同じ周波数で次数の異なる定在波にて共振可能に支持し、振動板部の次数の異なる定在波の腹の位置に圧電素子から成る加振手段を固着して、振動板部に次数の異なる定在波を同じ周波数で位相を異ならせて形成するようにし、見かけ上は直線状の進行波を形成するようにしている。   As a related technique, Patent Document 2 discloses an ultrasonic transducer that can generate ultrasonic vibration of a linear traveling wave with an energy efficient and compact configuration. This ultrasonic vibrator has a predetermined length and a membrane-plate-like diaphragm portion that is narrower than the length, and is integrally fixed and supported by an elongated frame-like portion. Resonantly supported by standing waves of different orders at the same frequency, and a vibration means comprising a piezoelectric element is fixed to the position of the antinode of standing waves of different orders of the diaphragm part. Different standing waves are formed with different phases at the same frequency, and apparently linear traveling waves are formed.

特開2000−139926号公報JP 2000-139926 A 特開2003−159566号公報JP 2003-159666 A

上述したように、従来のアダプタを使用して超音波送受波器を取り付ける超音波センサは、車両の外板に対して超音波送受波器の振動板が傾きを有するので不恰好になるという問題がある。また、従来のフェイズドアレイの原理を用いた超音波センサは、多数の振動板およびこれらを駆動するための多数の駆動素子ならびに各駆動素子を駆動するための多数の送信回路および受信回路が必要になるので、機構部および回路部がともに複雑且つ高価になるという問題がある。   As described above, the ultrasonic sensor to which the ultrasonic transducer is attached using the conventional adapter has a problem that the vibration plate of the ultrasonic transducer has an inclination with respect to the outer plate of the vehicle, which is unpleasant. is there. Also, the conventional ultrasonic sensor using the phased array principle requires a large number of diaphragms, a large number of drive elements for driving them, and a large number of transmission circuits and reception circuits for driving the drive elements. Therefore, there is a problem that both the mechanism part and the circuit part are complicated and expensive.

この発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、取り付け部位によらずに任意の方向の障害物を検出することができ、しかも、簡単な構造を有する安価な超音波センサおよび障害物センサを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and the problem is that an obstacle in an arbitrary direction can be detected regardless of the attachment site, and an inexpensive structure having a simple structure is provided. It is to provide an ultrasonic sensor and an obstacle sensor.

この発明に係る超音波センサは、上記課題を解決するために、1:1以外の縦横比を有し、超音波を放射または受信する薄板状の振動板と、振動板上に、該振動板の長手方向に直線状に配設された複数の駆動素子と、複数の駆動素子の各々を、位相をずらしながら順次駆動することにより振動板に進行波を発生させて超音波の放射方向を制御し、且つ振動板で受信された超音波に基づいて複数の駆動素子に発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより超音波の検出方向を制御する制御回路とを備えている。   In order to solve the above problems, an ultrasonic sensor according to the present invention has an aspect ratio other than 1: 1, a thin plate-like diaphragm that emits or receives ultrasonic waves, and the diaphragm on the diaphragm. A plurality of drive elements arranged in a straight line in the longitudinal direction of each and a plurality of drive elements are sequentially driven while shifting the phase to generate a traveling wave on the diaphragm to control the direction of ultrasonic radiation And a control circuit that controls the detection direction of the ultrasonic waves by sequentially performing synchronous detection while shifting the phases of the plurality of signals generated by the plurality of drive elements based on the ultrasonic waves received by the diaphragm. Yes.

また、この発明に係る障害物センサは、車両に取り付けられて使用される。この障害物センサは、1:1以外の縦横比を有し、超音波を放射する薄板状の振動板と、振動板上に、該振動板の長手方向に直線状に配設された複数の駆動素子と、複数の駆動素子の各々を、位相をずらしながら順次駆動することにより振動板に進行波を発生させ、超音波の放射方向を車両の側面に垂直な方向より上向きにする制御、および/または、振動板で受信された超音波に基づいて複数の駆動素子に発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより超音波の検出方向を車両の側面に垂直な方向より上向きにする制御を行う制御回路とを備えている。   The obstacle sensor according to the present invention is used by being attached to a vehicle. The obstacle sensor has an aspect ratio other than 1: 1, a thin plate-like diaphragm that emits ultrasonic waves, and a plurality of linearly arranged on the diaphragm in the longitudinal direction of the diaphragm. A drive element and a control for causing each of the plurality of drive elements to sequentially drive while shifting the phase to generate a traveling wave in the diaphragm, so that the ultrasonic radiation direction is higher than the direction perpendicular to the side surface of the vehicle; and Alternatively, the detection direction of the ultrasonic wave can be changed from the direction perpendicular to the side surface of the vehicle by sequentially performing synchronous detection while shifting the phases of the multiple signals generated by the multiple drive elements based on the ultrasonic wave received by the diaphragm. And a control circuit that performs upward control.

この発明に係る超音波センサによれば、超音波の放射方向および/または検出方向を制御することができるので、取り付け部位によらずに任意の方向の障害物を検出することができる。また、多数の振動板を必要としないので、超音波制御の構造が簡単になる。その結果、安価な超音波センサを提供できる。   According to the ultrasonic sensor of the present invention, since the ultrasonic radiation direction and / or detection direction can be controlled, an obstacle in any direction can be detected regardless of the attachment site. In addition, since a large number of diaphragms are not required, the structure of ultrasonic control is simplified. As a result, an inexpensive ultrasonic sensor can be provided.

また、この発明に係る障害物センサによれば、超音波の放射方向を車両の側面に垂直な方向より上向きに制御し、および/または、超音波の検出方向を車両の側面に垂直な方向より上向きにする制御することができるので、オーバーハングした外板を持つ車両の場合であっても地面を障害物であると誤検出せず、また、多数の振動板を必要としないので、構造が簡単になり、安価な超音波センサを提供できる。   Further, according to the obstacle sensor according to the present invention, the ultrasonic radiation direction is controlled to be higher than the direction perpendicular to the side surface of the vehicle, and / or the ultrasonic detection direction is from the direction perpendicular to the side surface of the vehicle. Since it can be controlled upward, even if the vehicle has an overhanged outer plate, the ground is not mistakenly detected as an obstacle, and a large number of diaphragms are not required. It becomes simple and can provide an inexpensive ultrasonic sensor.

以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る超音波センサの構成を示す図である。この超音波センサは、超音波送受波器1と制御回路2とから構成されており、これらの間は、例えばケーブル3によって接続されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
1 is a diagram showing a configuration of an ultrasonic sensor according to Embodiment 1 of the present invention. This ultrasonic sensor is composed of an ultrasonic transducer 1 and a control circuit 2, and these are connected by, for example, a cable 3.

図2は、超音波送受波器1の構造を示す図であり、図2(a)は正面断面図、図2(b)は下面図である。超音波送受波器1は、その側面を形成する筒状の枠部11と、この枠部11の切断面(枠部11を構成する筒の軸に垂直な方向の切断面)に固着されて上面を形成する薄板状の振動板12と、この振動板12の裏面に固着された第1駆動素子13aおよび第2駆動素子13bとから構成されている。   2A and 2B are diagrams showing the structure of the ultrasonic transducer 1, in which FIG. 2A is a front sectional view and FIG. 2B is a bottom view. The ultrasonic transducer 1 is fixed to a cylindrical frame portion 11 forming the side surface thereof, and a cut surface of the frame portion 11 (a cut surface in a direction perpendicular to the axis of the cylinder constituting the frame portion 11). The plate-shaped diaphragm 12 forming the upper surface, and the first drive element 13a and the second drive element 13b fixed to the back surface of the diaphragm 12 are configured.

枠部11の長手方向(X軸方向)の側面の略中央には、筒の内側に張り出したノーズ部14が形成されている。振動板12は、ノーズ部14に対応する部分がくびれた形状(瓢箪の形状)を有するように成型されている。この振動板12は、例えばアルミなどの金属板、プラスティック板などから構成されている。また、第1駆動素子13aおよび第2駆動素子13bは、例えば圧電素子から構成されている。   A nose portion 14 that protrudes to the inside of the cylinder is formed at the approximate center of the side surface in the longitudinal direction (X-axis direction) of the frame portion 11. The diaphragm 12 is molded such that a portion corresponding to the nose portion 14 has a constricted shape (the shape of a heel). The diaphragm 12 is made of a metal plate such as aluminum, a plastic plate, or the like. The first drive element 13a and the second drive element 13b are composed of, for example, piezoelectric elements.

上記のような構造を有する超音波送受波器1の動作を説明する。例えば、特許文献2に示されているように、振動板12の縦横比を大きくすると、長手方向(X軸方向)に立つ定在波の共振周波数は、振動板12の短手方向(Y軸方向)の幅によって決定されるため、定在波の次数による共振周波数の変化は小さいこと、および長手方向に立つn(n=0、1、・・・)次の定在波とn+1次の定在波を同時に励起することにより、振動板12に進行波を発生させることが可能であることが知られている。この実施の形態1では、最も単純な例である「n=0」の場合について説明する。この超音波送受波器1では、図3(a)に示すような、振動板12の長手方向に立つ0次の定在波と、図3(b)に示すような、1次の定在波を利用して振動板12の長手方向に伝播する進行波を発生させる。   The operation of the ultrasonic transducer 1 having the above structure will be described. For example, as shown in Patent Document 2, when the aspect ratio of the diaphragm 12 is increased, the resonance frequency of the standing wave standing in the longitudinal direction (X-axis direction) is reduced in the short direction of the diaphragm 12 (Y-axis). The change in the resonance frequency due to the order of the standing wave is small, and the n (n = 0, 1,...) Standing wave standing in the longitudinal direction and the n + 1 order It is known that traveling waves can be generated in the diaphragm 12 by exciting the standing waves simultaneously. In the first embodiment, the simplest example of “n = 0” will be described. In this ultrasonic transducer 1, a zero-order standing wave standing in the longitudinal direction of the diaphragm 12 as shown in FIG. 3A and a primary standing wave as shown in FIG. A traveling wave propagating in the longitudinal direction of the diaphragm 12 is generated using the wave.

この実施の形態1では、最も低い次数から2つのモード(0次モードおよび1次モード)の定在波を使用して振動板12の長手方向に伝播する進行波を発生させるので、振動板12の縦横比を過度に大きくすることはできない。このため、ノーズ部14が存在しなければ、1次の定在波の共振周波数は、0次の定在波の共振周波数より大幅に高くなるが、この実施の形態1に係る超音波送受波器1では、ノーズ部14を設けて振動板12の中央部の支持剛性を高めることにより、0次の定在波の共振周波数を高め、1次の定在波の共振周波数に近づけている。この振動板12を、0次の定在波の共振周波数と1次の定在波の共振周波数との中間付近の周波数で第1駆動素子13aおよび第2駆動素子13bを駆動することにより、低い駆動電圧で大きな振幅の定在波を得ることができる。   In the first embodiment, the traveling wave propagating in the longitudinal direction of the diaphragm 12 is generated from the lowest order using the standing waves of the two modes (the zero-order mode and the first-order mode). The aspect ratio cannot be increased excessively. For this reason, if the nose portion 14 is not present, the resonance frequency of the first-order standing wave is significantly higher than the resonance frequency of the zero-order standing wave. In the container 1, the nose portion 14 is provided to increase the support rigidity of the central portion of the diaphragm 12, thereby increasing the resonance frequency of the zeroth-order standing wave and bringing it closer to the resonance frequency of the first-order standing wave. By driving the first driving element 13a and the second driving element 13b at a frequency near the middle between the resonance frequency of the zeroth-order standing wave and the resonance frequency of the first-order standing wave, the diaphragm 12 is low. A standing wave having a large amplitude can be obtained with the driving voltage.

図4は、制御回路2の構成を示すブロック図である。制御回路2は、送信回路20、受信回路30および距離演算回路40から構成されている。   FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the control circuit 2. The control circuit 2 includes a transmission circuit 20, a reception circuit 30, and a distance calculation circuit 40.

送信回路20は、発振回路21、位相遅延回路22、増幅回路23および増幅回路24から構成されている。発振回路21は、0次の共振周波数と1次の共振周波数との中間の周波数で交番する信号を発生し、位相遅延回路22、増幅回路23、受信回路30および距離演算回路40に送る。増幅回路23は、発振回路21から送られてくる信号を増幅し、超音波送受波器1の第1駆動素子13aに送る。位相遅延回路22は、発振回路21から送られてくる信号の位相をθdだけ遅延させて増幅回路24および受信回路30に送る。増幅回路24は、位相遅延回路22から送られてくる信号を増幅し、超音波送受波器1の第2駆動素子13bに送る。   The transmission circuit 20 includes an oscillation circuit 21, a phase delay circuit 22, an amplification circuit 23, and an amplification circuit 24. The oscillation circuit 21 generates a signal alternating at a frequency intermediate between the zeroth-order resonance frequency and the first-order resonance frequency, and sends the signal to the phase delay circuit 22, the amplifier circuit 23, the reception circuit 30, and the distance calculation circuit 40. The amplification circuit 23 amplifies the signal sent from the oscillation circuit 21 and sends it to the first drive element 13 a of the ultrasonic transducer 1. The phase delay circuit 22 delays the phase of the signal sent from the oscillation circuit 21 by θd and sends it to the amplifier circuit 24 and the receiving circuit 30. The amplifier circuit 24 amplifies the signal sent from the phase delay circuit 22 and sends it to the second drive element 13 b of the ultrasonic transducer 1.

受信回路30は、増幅回路31、増幅回路32、位相遅延回路33および同期検波回路34から構成されている。増幅回路31は、第1駆動素子13aから送られてくる信号を増幅し、同期検波回路34に送る。増幅回路32は、第2駆動素子13bから送られてくる信号を増幅し、位相遅延回路33に送る。位相遅延回路33は、増幅回路32から送られてくる信号の位相をθdだけ遅延させて同期検波回路34に送る。同期検波回路34は、増幅回路31から送られてくる信号および位相遅延回路33から送られてくる信号を、送信回路20の発振回路21および位相遅延回路22から送られてくる位相情報に基づき順次同期検波する。この同期検波回路34で同期検波することにより得られた信号は、距離演算回路40に送られる。   The reception circuit 30 includes an amplification circuit 31, an amplification circuit 32, a phase delay circuit 33, and a synchronous detection circuit 34. The amplifier circuit 31 amplifies the signal sent from the first drive element 13 a and sends it to the synchronous detection circuit 34. The amplifier circuit 32 amplifies the signal sent from the second drive element 13 b and sends it to the phase delay circuit 33. The phase delay circuit 33 delays the phase of the signal sent from the amplifier circuit 32 by θd and sends it to the synchronous detection circuit 34. The synchronous detection circuit 34 sequentially receives the signal sent from the amplifier circuit 31 and the signal sent from the phase delay circuit 33 based on the phase information sent from the oscillation circuit 21 and the phase delay circuit 22 of the transmission circuit 20. Synchronous detection. A signal obtained by synchronous detection by the synchronous detection circuit 34 is sent to the distance calculation circuit 40.

距離演算回路40は、振動板12から放射された超音波が障害物によって反射されて該振動板12によって受信されるまでの時間を、送信回路20の発振回路21から送られてくる信号と受信回路30の同期検波回路34から送られてくる信号とに基づき計算し、この計算により得られた時間に基づき障害物までの距離を算出する。   The distance calculation circuit 40 receives the time taken for the ultrasonic wave radiated from the diaphragm 12 to be received by the diaphragm 12 after being reflected by the obstacle and the signal sent from the oscillation circuit 21 of the transmission circuit 20. Calculation is performed based on the signal sent from the synchronous detection circuit 34 of the circuit 30 and the distance to the obstacle is calculated based on the time obtained by this calculation.

次に、上記のように構成される、この発明の実施の形態1に係る超音波センサの動作を説明する。超音波送受波器1から超音波を放射する場合、送信回路20の位相遅延回路22で遅延される遅延量θdが「0」であれば、第1駆動素子13aと第2駆動素子13bとは同相で駆動されるので、振動板12には0次の定在波のみが励起される。そのため、従来の超音波送受波器と同様に、超音波は、振動板12に対して垂直な方向(Z軸方向)に放射される。   Next, the operation of the ultrasonic sensor according to Embodiment 1 of the present invention configured as described above will be described. When the ultrasonic wave is emitted from the ultrasonic transducer 1 and the delay amount θd delayed by the phase delay circuit 22 of the transmission circuit 20 is “0”, the first drive element 13a and the second drive element 13b are Since it is driven in phase, only the 0th-order standing wave is excited in the diaphragm 12. Therefore, similarly to the conventional ultrasonic transducer, ultrasonic waves are radiated in a direction perpendicular to the diaphragm 12 (Z-axis direction).

一方、遅延量θdが「0」でない場合は、振動板12には0次の定在波と1次の定在波が同時に励起されるため、図2に示す振動板12の左端をx=0、右端をx=1、駆動角周波数をω、時間をtとすると、振動板12の各点における垂直方向(Z軸方向)の変位Zは、次式で表すことができる。なお、a、b、αは定数である。

Figure 2007240261
On the other hand, when the delay amount θd is not “0”, the zero-order standing wave and the first-order standing wave are excited simultaneously on the diaphragm 12, so that the left end of the diaphragm 12 shown in FIG. Assuming 0, the right end is x = 1, the drive angular frequency is ω, and the time is t, the displacement Z in the vertical direction (Z-axis direction) at each point of the diaphragm 12 can be expressed by the following equation. Note that a, b, and α are constants.
Figure 2007240261

例えば、第1駆動素子13aと第2駆動素子13bの駆動振幅、位相差(遅延量)θdを調整することによりa=b=1、α=π/2とし、振動板12の変位Zを、1周期の時間で正規化した時間毎にプロットすると図5に示すようになる。また、その同じ変位を、位置毎の時間変化で表すと図6に示すようになる。   For example, by adjusting the drive amplitude and phase difference (delay amount) θd of the first drive element 13a and the second drive element 13b, a = b = 1, α = π / 2, and the displacement Z of the diaphragm 12 is FIG. 5 shows a plot for each time normalized by the time of one cycle. Moreover, when the same displacement is represented by a time change for each position, it is as shown in FIG.

図6を参照すると、x=0.8およびx=0.6の位置の変位の方がx=0.4およびx=0.2の位置の変位よりも位相が進んでおり、進行波が振動板12上を右側から左側に進行していることが分かる。振動板12の振動の位相が図5および図6に示すように変化する場合、フェイズドアレイの原理により、超音波の主な伝播方向は位相が揃う方向になるので、超音波は、図7に示すように、振動板12に垂直な方向より位相が遅れる方向に傾いて放射される。   Referring to FIG. 6, the displacement at the position of x = 0.8 and x = 0.6 is ahead of the phase of the displacement at the position of x = 0.4 and x = 0.2. It can be seen that the diaphragm 12 travels from the right side to the left side. When the phase of vibration of the diaphragm 12 changes as shown in FIGS. 5 and 6, the main propagation direction of the ultrasonic waves is the direction in which the phases are aligned according to the principle of the phased array. As shown, the light is radiated with an inclination in a direction in which the phase is delayed from the direction perpendicular to the diaphragm 12.

したがって、第1駆動素子13aおよび第2駆動素子13bを駆動する周波数と、第1駆動素子13aおよび第2駆動素子13b間に与える位相差θdを変化させることによって、超音波の放射方向の傾きを制御することができるので、障害物の検出方向を電気的に制御することが可能になる。   Therefore, by changing the frequency for driving the first drive element 13a and the second drive element 13b and the phase difference θd applied between the first drive element 13a and the second drive element 13b, the inclination of the ultrasonic radiation direction can be changed. Since it can be controlled, it becomes possible to electrically control the detection direction of the obstacle.

超音波送受波器1で超音波を受信する場合は、以下のように動作する。すなわち、振動板12は、該振動板12から放射され、障害物等によって反射して再び振動板12に戻ってきた超音波によって振動する。振動板12の正面から戻ってきた超音波に対しては、第1駆動素子13aおよび第2駆動素子13bは同相で駆動されるが、傾いた方向から戻ってきた超音波によって駆動される場合は、上述した送信の場合と同様に、振動板12上に進行波が生じ、第1駆動素子13aから得られる信号と第2駆動素子13bから得られる信号との間に位相差が生じる。そこで、送信回路20と同様に、受信回路30にも位相遅延回路33が設けられており、この位相遅延回路33によって遅延量を制御することにより、超音波の検出方向を制御することができる。   When ultrasonic waves are received by the ultrasonic transducer 1, the operation is as follows. That is, the diaphragm 12 is oscillated by the ultrasonic wave radiated from the diaphragm 12, reflected by an obstacle or the like, and returned to the diaphragm 12 again. The first drive element 13a and the second drive element 13b are driven in phase with respect to the ultrasonic wave returned from the front surface of the diaphragm 12, but when driven by the ultrasonic wave returned from the tilted direction, As in the case of the transmission described above, a traveling wave is generated on the diaphragm 12, and a phase difference is generated between the signal obtained from the first drive element 13a and the signal obtained from the second drive element 13b. Therefore, similarly to the transmission circuit 20, the reception circuit 30 is also provided with a phase delay circuit 33. By controlling the amount of delay by the phase delay circuit 33, the detection direction of the ultrasonic waves can be controlled.

以上説明したように、この発明の実施の形態1に係る超音波センサによれば、超音波の放射方向および検出方向を制御することができるので、超音波送受波器1の取り付け部位によらずに任意の方向の障害物を検出することができる。また、1個の振動板12上に進行波を発生させる構造としたので、従来に比べて非常に少ない数の駆動素子でフェイズドアレイの原理を実現することができる。その結果、超音波センサの構造が簡単になり、安価な超音波センサを提供できる。   As described above, according to the ultrasonic sensor according to the first embodiment of the present invention, since the ultrasonic radiation direction and the detection direction can be controlled, the ultrasonic transducer 1 is not dependent on the attachment site. Obstacles in any direction can be detected. In addition, since the traveling wave is generated on one diaphragm 12, the principle of the phased array can be realized with an extremely small number of driving elements as compared with the conventional case. As a result, the structure of the ultrasonic sensor is simplified, and an inexpensive ultrasonic sensor can be provided.

上述した実施の形態1に係る超音波センサを車両に取り付け、コーナーセンサやバックセンサといった障害物センサとして使用することができる。この場合は、制御回路2の送信回路20では、第1駆動素子13aおよび第2駆動素子13bを、位相をずらしながら順次駆動することにより振動板12に進行波を発生させ、超音波の放射方向を車両の側面に垂直な方向より上向きにするように制御される。また、受信回路30では、振動板12で受信された超音波に基づいて第1駆動素子13aおよび第2駆動素子13bに発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより超音波の検出方向を車両の側面に垂直な方向より上向きにするように制御される。   The ultrasonic sensor according to Embodiment 1 described above can be attached to a vehicle and used as an obstacle sensor such as a corner sensor or a back sensor. In this case, in the transmission circuit 20 of the control circuit 2, the traveling wave is generated in the diaphragm 12 by sequentially driving the first driving element 13a and the second driving element 13b while shifting the phase, and the radiation direction of the ultrasonic waves Is controlled to be higher than the direction perpendicular to the side surface of the vehicle. In the receiving circuit 30, the ultrasonic wave is detected by sequentially performing synchronous detection while shifting the phases of a plurality of signals generated in the first driving element 13a and the second driving element 13b based on the ultrasonic wave received by the diaphragm 12. The detection direction is controlled to be higher than the direction perpendicular to the side surface of the vehicle.

この障害物センサによれば、障害物の検出方向を電気的に制御することができるため、例えば車両の外形上の都合により取り付け可能な車両の外面が、地面に対する垂直面からオーバーハングしている場合であっても、振動板12の傾きを車両の外面と平行に保ちながら障害物の検出方向を地面に対して水平以上に向けることができるため、地面を障害物であると誤検出しにくい。   According to this obstacle sensor, the obstacle detection direction can be electrically controlled, so that, for example, the outer surface of the vehicle that can be mounted for convenience of the outer shape of the vehicle overhangs from the vertical surface with respect to the ground. Even in this case, it is possible to make the detection direction of the obstacle more than horizontal with respect to the ground while keeping the inclination of the diaphragm 12 parallel to the outer surface of the vehicle. .

また、上述した実施の形態1に係る超音波センサを車両に取り付けて車高センサとして使用することができる。この場合は、制御回路2の送信回路20では、第1駆動素子13aおよび第2駆動素子13bを、位相をずらしながら順次駆動することにより振動板12に進行波を発生させ、超音波の放射方向を車両の側面に垂直な方向より下向きにするように制御される。また、受信回路30では、振動板12で受信された超音波に基づいて第1駆動素子13aおよび第2駆動素子13bに発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより超音波の検出方向を車両の側面に垂直な方向より下向きにするように制御される。   Further, the ultrasonic sensor according to Embodiment 1 described above can be attached to a vehicle and used as a vehicle height sensor. In this case, in the transmission circuit 20 of the control circuit 2, the traveling wave is generated in the diaphragm 12 by sequentially driving the first driving element 13a and the second driving element 13b while shifting the phase, and the radiation direction of the ultrasonic waves Is controlled to be downward from a direction perpendicular to the side surface of the vehicle. In the receiving circuit 30, the ultrasonic wave is detected by sequentially performing synchronous detection while shifting the phases of a plurality of signals generated in the first driving element 13a and the second driving element 13b based on the ultrasonic wave received by the diaphragm 12. The detection direction is controlled to be lower than the direction perpendicular to the side surface of the vehicle.

なお、上述した実施の形態1に係る超音波センサでは、振動板12上に第1駆動素子13aおよび第2駆動素子13bといった2個の駆動素子を配置するように構成したが、3個以上の駆動素子を配置するように構成することもできる。この場合、振動板12には、隣り合う駆動素子の間にくびれが形成される。   In the ultrasonic sensor according to Embodiment 1 described above, two drive elements such as the first drive element 13a and the second drive element 13b are arranged on the vibration plate 12, but three or more drive elements are arranged. A drive element may be arranged. In this case, the diaphragm 12 is constricted between adjacent drive elements.

この発明の実施の形態1に係る超音波センサの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the ultrasonic sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に係る超音波センサの超音波送受波器の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the ultrasonic transducer of the ultrasonic sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に係る超音波センサの振動板の長手方向に立つ定在波を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the standing wave which stands in the longitudinal direction of the diaphragm of the ultrasonic sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に係る超音波センサの制御回路の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the control circuit of the ultrasonic sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に係る超音波センサの振動板の変位Zを、位置毎にプロットした図である。It is the figure which plotted the displacement Z of the diaphragm of the ultrasonic sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention for every position. この発明の実施の形態1に係る超音波センサの振動板の変位Zを、時間毎にプロットした図である。It is the figure which plotted the displacement Z of the diaphragm of the ultrasonic sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention for every time. この発明の実施の形態1に係る超音波センサの振動板の各位置から位相差を有して放射される超音波を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the ultrasonic wave radiated | emitted from each position of the diaphragm of the ultrasonic sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention with a phase difference.

符号の説明Explanation of symbols

1 超音波送受波器、2 制御回路、3 ケーブル、11 枠部、12 振動板、13a 第1駆動素子、13b 第2駆動素子、14 ノーズ部、20 送信回路、21 発振回路、22 位相遅延回路、23 増幅回路、24 増幅回路、30 受信回路、31 増幅回路、32 増幅回路、33位相遅延回路、34 同期検波回路、40 距離演算回路。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic transmitter / receiver, 2 Control circuit, 3 Cable, 11 Frame part, 12 Diaphragm, 13a 1st drive element, 13b 2nd drive element, 14 Nose part, 20 Transmission circuit, 21 Oscillation circuit, 22 Phase delay circuit , 23 amplifier circuit, 24 amplifier circuit, 30 receiver circuit, 31 amplifier circuit, 32 amplifier circuit, 33 phase delay circuit, 34 synchronous detection circuit, 40 distance calculation circuit.

Claims (8)

1:1以外の縦横比を有し、超音波を放射する薄板状の振動板と、
前記振動板上に、該振動板の長手方向に直線状に配設された複数の駆動素子と、
前記複数の駆動素子の各々を、位相をずらしながら順次駆動することにより前記振動板に進行波を発生させて超音波の放射方向を制御する送信回路
とを備えた超音波センサ。
A thin diaphragm having an aspect ratio other than 1: 1 and emitting ultrasonic waves;
A plurality of drive elements arranged linearly in the longitudinal direction of the diaphragm on the diaphragm,
An ultrasonic sensor comprising: a transmission circuit that controls a radiation direction of ultrasonic waves by generating a traveling wave in the diaphragm by sequentially driving each of the plurality of drive elements while shifting a phase.
振動板は、長手方向に立つ定在波のn(n=0、1、・・・)次の共振周波数とn+1次の共振周波数とが近くなるような縦横比を有し、
送信回路は、前記n次の共振周波数とn+1次の共振周波数との中間付近の周波数で複数の駆動素子の各々を、位相をずらしながら順次駆動することにより前記振動板に進行波を発生させて超音波の放射方向を制御する
ことを特徴とする請求項1記載の超音波センサ。
The diaphragm has an aspect ratio such that the resonance frequency of the standing wave standing in the longitudinal direction (n = 0, 1,...) Is close to the resonance frequency of the n + 1 order.
The transmission circuit generates a traveling wave on the diaphragm by sequentially driving each of the plurality of driving elements at a frequency near the middle between the nth-order resonance frequency and the n + 1st-order resonance frequency while shifting the phase. The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the ultrasonic radiation direction is controlled.
1:1以外の縦横比を有し、超音波を受信する薄板状の振動板と、
前記振動板上に、該振動板の長手方向に直線状に配設された複数の駆動素子と、
前記振動板で受信された超音波に基づいて前記複数の駆動素子に発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより超音波の検出方向を制御する受信回路
とを備えた超音波センサ。
A thin diaphragm having an aspect ratio other than 1: 1 and receiving ultrasonic waves;
A plurality of drive elements arranged linearly in the longitudinal direction of the diaphragm on the diaphragm,
A receiving circuit that controls the detection direction of ultrasonic waves by sequentially performing synchronous detection while shifting the phases of the plurality of signals generated by the plurality of drive elements based on the ultrasonic waves received by the diaphragm; Sonic sensor.
振動板は、長手方向に立つ定在波のn(n=0、1、・・・)次の共振周波数とn+1次の共振周波数が近くなるような縦横比を有し、
受信回路は、前記n次の共振周波数とn+1次の共振周波数との中間付近の周波数を用いて、複数の駆動素子に発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより、特定方向から入射した超音波によって前記振動板に発生された進行波を検出して超音波の検出方向を制御する
ことを特徴とする請求項3記載の超音波センサ。
The diaphragm has an aspect ratio such that the n (n = 0, 1,...) Order resonance frequency of the standing wave standing in the longitudinal direction is close to the n + 1 order resonance frequency.
The receiving circuit is identified by sequentially detecting synchronously while shifting the phases of a plurality of signals generated in a plurality of drive elements using a frequency in the vicinity of the middle of the n-th order resonance frequency and the n + 1-order resonance frequency. 4. The ultrasonic sensor according to claim 3, wherein a traveling wave generated on the diaphragm is detected by ultrasonic waves incident from a direction to control a detection direction of the ultrasonic waves.
1:1以外の縦横比を有し、超音波を放射または受信する薄板状の振動板と、
前記振動板上に、該振動板の長手方向に直線状に配設された複数の駆動素子と、
前記複数の駆動素子の各々を、位相をずらしながら順次駆動することにより前記振動板に進行波を発生させて超音波の放射方向を制御し、且つ前記振動板で受信された超音波に基づいて前記複数の駆動素子に発生された複数の信号を、位相をずらしながら順次同期検波することにより超音波の検出方向を制御する制御回路
とを備えた超音波センサ。
A thin diaphragm having an aspect ratio other than 1: 1 and emitting or receiving ultrasonic waves;
A plurality of drive elements arranged linearly in the longitudinal direction of the diaphragm on the diaphragm,
Each of the plurality of driving elements is sequentially driven while shifting the phase to generate a traveling wave in the diaphragm to control the radiation direction of the ultrasonic wave, and based on the ultrasonic wave received by the diaphragm. An ultrasonic sensor comprising: a control circuit that controls a detection direction of ultrasonic waves by sequentially detecting a plurality of signals generated by the plurality of drive elements sequentially while shifting phases.
振動板は、長手方向に立つ定在波のn(n=0、1、・・・)次の共振周波数とn+1次の共振周波数とが近くなるような縦横比を有し、
制御回路は、前記n次の共振周波数とn+1次の共振周波数との中間付近の周波数で複数の駆動素子の各々を、位相をずらしながら順次駆動することにより前記振動板に進行波を発生させて超音波の放射方向を制御し、且つ前記周波数を用いて前記複数の駆動素子に発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより、特定方向から入射した超音波によって前記振動板に発生された進行波を検出して超音波の検出方向を制御する
ことを特徴とする請求項5記載の超音波センサ。
The diaphragm has an aspect ratio such that the resonance frequency of the standing wave standing in the longitudinal direction (n = 0, 1,...) Is close to the resonance frequency of the n + 1 order.
The control circuit generates a traveling wave in the diaphragm by sequentially driving each of the plurality of driving elements at a frequency near the middle between the n-th resonance frequency and the n + 1-order resonance frequency while shifting the phase. The diaphragm is controlled by ultrasonic waves incident from a specific direction by controlling the radiation direction of ultrasonic waves and sequentially performing synchronous detection while shifting the phases of the plurality of signals generated in the plurality of drive elements using the frequency. The ultrasonic sensor according to claim 5, wherein a traveling wave generated in the step is detected to control a detection direction of the ultrasonic wave.
振動板は、周囲が枠部に固定され、配設された複数の駆動素子のうちの隣り合う駆動素子間にくびれを有する
ことを特徴とする請求項2または請求項4または請求項6に記載の超音波センサ。
7. The diaphragm according to claim 2, wherein the diaphragm is fixed to the frame portion and has a constriction between adjacent drive elements among the plurality of drive elements arranged. 8. Ultrasonic sensor.
車両に取り付けられる障害物センサであって、
1:1以外の縦横比を有し、超音波を放射する薄板状の振動板と、
前記振動板上に、該振動板の長手方向に直線状に配設された複数の駆動素子と、
前記複数の駆動素子の各々を、位相をずらしながら順次駆動することにより前記振動板に進行波を発生させ、超音波の放射方向を前記車両の側面に垂直な方向より上向きにする制御、および/または、前記振動板で受信された超音波に基づいて前記複数の駆動素子に発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより超音波の検出方向を前記車両の側面に垂直な方向より上向きにする制御を行う制御回路
とを備えた障害物センサ。
An obstacle sensor attached to a vehicle,
A thin diaphragm having an aspect ratio other than 1: 1 and emitting ultrasonic waves;
A plurality of drive elements arranged linearly in the longitudinal direction of the diaphragm on the diaphragm,
Controlling each of the plurality of drive elements to generate a traveling wave in the diaphragm by sequentially driving each of the plurality of drive elements while shifting the phase, so that an ultrasonic radiation direction is higher than a direction perpendicular to a side surface of the vehicle; and / or Alternatively, the detection direction of the ultrasonic wave is perpendicular to the side surface of the vehicle by sequentially performing synchronous detection while shifting the phases of the multiple signals generated by the multiple drive elements based on the ultrasonic wave received by the diaphragm. An obstacle sensor comprising a control circuit that performs control upward from a direction.
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