JP4555361B2 - 超音波センサ - Google Patents
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Description
このような超音波センサを用いて物体の位置(距離、方向)測定を行う場合には、超音波の送受信間の時間差および各センサ素子で受信した超音波の位相差を求める必要がある。ここで、各センサ素子で検出する検出信号の誤検出を防止し、検出感度及び精度を向上させるために、超音波を送信するセンサ素子(送信素子)から超音波を受信するセンサ素子(受信素子)に対する直接波の入射などによる振動ノイズの影響を低減することが重要となる。
そこで、例えば特許文献1には、複数個のセンサ素子を用いて、センサ素子毎に出力を同期検波し、位相情報を求めてから反射波の位相差を算出するとともに、発信周波数と逆位相の信号を処理回路に入力することにより直接波の影響を低減させる技術が開示されている。
これにより、発信素子から超音波センサの構造体内部を伝播してくる振動を打ち消すように、受信素子の圧電素子を振動させることができるので、振動ノイズをキャンセルすることができる。
請求項3に記載の発明によれば、駆動信号出力回路は、駆動信号のうち、複数の受信素子に伝達される振動の信号に先行して出力される駆動信号の波数が0ないし2であるように、駆動信号を出力することができる。
請求項4に記載の発明によれば、駆動信号出力回路は、駆動信号のうち、複数の受信素子に伝達される振動の信号が終了した後に追加して出力される駆動信号の波数が0ないし2であるように、駆動信号を出力することができる。
請求項5に記載の発明によれば、駆動信号出力回路は、複数の受信素子に伝達される振動の信号が終了する1つ前の波数で駆動信号の出力を終了させることができる。
請求項6に記載の発明によれば、駆動信号出力回路は、駆動信号の信号強度を、複数の受信素子に伝達される振動の信号強度の50〜100%に設定することができる。
駆動信号出力回路により、駆動信号を上述の条件で制御することにより、発信素子から構造体内部を伝播してくる振動を打ち消して、振動ノイズを大きく低減することができ、好ましい。
ここで、図1において、図1(A)の手前方向及び、図1(B)の上方向が車両の外部を示す。また、説明のために一部を拡大し、一部を省略して示している。
センサ素子は、超音波を発信する発信素子13rと、発信素子13rの垂直方向下方に配置された受信素子13pと、発信素子13rの対角の位置に配置された受信素子13qと、発信素子13rの水平方向に配置された受信素子13rと111して構成されている。
超音波センサ10は、車両のバンパ51などに取り付けられており、障害物の位置の3次元検出が可能に構成されている。
なお、受信素子の個数、配置は目的に合わせて任意に選択することができる。
各音響整合部材12p〜12sは、互いに隣り合った各音響整合部材12p〜12sの中心部の間隔dが、超音波の半波長にほぼ等しくなるように配置されており、受信面12a近傍の側面において、各音響整合部材12p〜12s間及び筐体31の開口部との間に超音波の伝達を防止する振動減衰部材41を介在して、筐体31の開口部に固定されている。
これにより、受信素子13qは、発信素子13rから振動減衰部材41などの構造体内部を伝播してくる振動を打ち消すように圧電素子11qが振動するため、振動ノイズをキャンセルすることができる。振動ノイズをより効果的にキャンセルするための制御信号の制御方法については後述する。
=−1/2cos(2ωt+α+β)+1/2cos(β−α) (1)
=1/2sin(2ωt+α+β)+1/2sin(β−α) (2)
ここで、受信素子13p、13q、13sは、水平方向及び垂直方向にアレイ状に配置されているため、広範囲で障害物の存在位置に応じた位相情報を精度良く検出することができる。
制御信号Sが振動ノイズNに対して逆位相になる180°の位相差に対して、位相差の範囲として140°の尤度を持たせることができる。つまり、制御信号Sを振動ノイズNに対して180±70°の位相差に制御することにより、振動ノイズNを大きく低減させることができ、好ましい。
(1)制御信号発生回路26により、受信素子13q、13p、13sに対し、振動減衰部材41などの構造体内部を伝播してくる受信波形と逆位相になる様に圧電素子11q、11p、11sを駆動する制御信号を出力するため、発信素子13rから振動減衰部材41などの構造体内部を伝播してくる振動を打ち消すように圧電素子11q、11p、11sを振動させることができるので、振動ノイズをキャンセルすることができる。
また、振動ノイズNに対する制御信号Sの波数については、振動ノイズNの発生に先行して出力される制御信号Sの波数が0ないし2であることが好ましい。また、振動ノイズNが受信素子13qに伝達された後に追加して出力される制御信号Sの波数が0ないし2である、または、振動ノイズNの伝達が終了する1つ前の波数で制御信号Sの出力を終了させることが好ましい。
制御信号Sの信号強度S1については、制御信号Sの信号強度S1を振動ノイズNの信号強度N1の50〜100%となるように設定することが好ましい。
(1)受信素子13qでは、超音波の受信時に音響整合部材12qが振動するため、受信信号に続いて音響整合部材12qによる残響が生じる場合がある。制御信号発生回路26は、この残響を打ち消すことができるように構成することもできる。具体的には、アンプ21qにより増幅された音響整合部材12qによる残響の信号を制御信号発生回路26に入力可能に構成し、その信号に基づいて残響の信号を打ち消すように圧電素子11qを駆動する駆動信号を出力すればよい。これにより、音響整合部材12qに起因する振動ノイズの影響を抑制することができる。
ダミー素子13mは、例えば、受信素子の一つの受信面をゴムなどの被覆材により被覆して音響的に遮蔽することにより形成してもよいし、受信素子13qに隣接して、超音波を受信可能な素子を振動減衰部材41の内部に埋め込んで設けることもできる。
更に、受信素子13qとダミー素子13mとの感度が異なっていてもアンプ21mで増幅することにより感度を補正し、信号強度を合わせこむこともできる。
11p〜11s 圧電素子
12p〜12s 音響整合部材
12a 受信面
13p、13q、13s 受信素子
13r 発信素子
13m ダミー素子
18 回路素子
22 位相同期回路
23 距離情報用同期検波回路
24 位相情報用同期回路
26 制御信号出力回路(駆動信号出力回路)
H 発信信号
N 振動ノイズ
S 制御信号
Claims (7)
- 超音波を送受信可能に構成された圧電素子と、被検出体にて反射された超音波を受信する受信面が前記被検出体の存在する空間側に接し、前記受信面で受信した超音波を前記受信面と対向する面に取り付けられた前記圧電素子に伝達する音響整合部材と、を備えたセンサ素子を複数備え、前記圧電素子と電気的に接続され、前記圧電素子から出力される受信信号を処理する回路素子を備え、前記複数のセンサ素子がアレイ状に配置された超音波センサであって、
前記複数のセンサ素子は、超音波を発信する一つの発信素子と、被検出体にて反射された超音波を受信する複数の受信素子とからなり、
前記複数の受信素子の圧電素子に対し、前記発信素子の発信信号と逆位相の信号に基づいて、前記発信素子から超音波センサの構造体内部を伝搬してくる振動ノイズと逆位相になる様に当該圧電素子を駆動させる駆動信号を出力する駆動信号出力回路を備えたことを特徴とする超音波センサ。 - 前記駆動信号出力回路は、前記複数の受信素子に伝達される振動の信号に対して180±70°の位相差に制御された駆動信号を出力することを特徴とする請求項1に記載の超音波センサ。
- 前記駆動信号出力回路は、前記駆動信号のうち、前記複数の受信素子に伝達される振動の信号に先行して出力される前記駆動信号の波数が0ないし2であるように前記駆動信号を出力することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の超音波センサ。
- 前記駆動信号出力回路は、前記駆動信号のうち、前記複数の受信素子に伝達される振動の信号が終了した後に追加して出力される前記駆動信号の波数が0ないし2であるように前記駆動信号を出力することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1つに記載の超音波センサ。
- 前記駆動信号出力回路は、前記複数の受信素子に伝達される振動の信号が終了する1つ前の波数で前記駆動信号の出力を終了させることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1つに記載の超音波センサ。
- 前記駆動信号出力回路は、前記駆動信号の信号強度を、前記複数の受信素子に伝達される振動の信号強度の50〜100%に設定することを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1つに記載の超音波センサ。
- 前記駆動信号出力回路は、前記複数の受信素子の圧電素子に対し、前記複数の受信素子により検出される受信信号に続いて検出される前記音響整合部材による残響の信号を打ち消すように当該圧電素子を駆動させる駆動信号を出力することを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1つに記載の超音波センサ。
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