JP5289579B2 - 空中超音波センサ - Google Patents

Description

この発明は、空中に超音波を放射して周囲に存在する反射源（物体）からの反射波を受信することにより、反射源までの距離または周囲の伝達音速を求める空中超音波センサに関し、特に、センサ本体を取り付ける筐体を伝搬してセンサ本体に到達する不要波を低減するための技術に関するものである。

一般に、空中超音波センサとは、空気中に超音波を発信し、物体で反射した超音波を受信するデバイスであり、車載用など種々の分野に応用されている。
まず、従来装置として、空中超音波センサを備えた車載用障害物検知装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の従来装置おいては、車両のバンパをくり抜いて音響放射面を露出させる構造に代えて、バンパ裏面に凹部を設け、凹部にセンサを形成することによって外観が損なわれることを防いでいる。
しかし、上記特許文献１によれば、バンパとセンサとが一体化されているので、バンパを伝搬する不要波をセンサで受信してしまう可能性がある。

そこで、このような不要波の受信を防ぐために、バンパに溝部を形成した装置も提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
特許文献２に記載の障害物検出装置おいては、バンパ裏面に配置されたセンサの周囲に溝部や突起部を設けることにより、不要な振動による信号を送受信しないような構成を有している。

しかし、上記特許文献２によれば、反射源からの反射波がバンパに入射して発生するような不要波は想定していないので、実際には、バンパに入射して発生した不要波が、バンパを伝搬してセンサで受信してしまうような状況も十分考えられる。

ここで、図７を参照しながら、空中超音波センサにおける不要波の伝搬経路および不要波による影響について説明する。
図７は従来の空中超音波センサを示す平面図である。

図７において、センサ本体１は、筐体（車載用の空中超音波センサの場合にはバンパ）２０の裏面に取り付けられている。
センサ本体１には電気信号の送受信装置１０が接続されており、センサ本体１は、送受信装置１０から入力される励振信号により励振されて超音波を発信する。

センサ本体１で発信された超音波は、筐体２０を通して放射面２０ａから外部へ伝搬していく。
筐体２０を通して外部へ伝搬した超音波は、反射源３（周辺物体）で反射され、反射波の一部（必要波）は、経路Ｒ１および筐体２０を介して、センサ本体１により受信され、電気信号に変換される。

一方、反射源３からの反射波は、センサ本体１の方向のみに限らず、広範囲に伝搬していくので、当然、センサ本体１とは異なる方向にも伝搬し、経路Ｒ２で示すように、筐体２０を振動させるような反射波（不要波）も存在する。
筐体２０が振動すると、その振動（破線波矢印参照）は、筐体２０を伝搬してセンサ本体１に到達する。

すなわち、反射源３からの反射波がセンサ本体１で受信される伝搬経路としては、経路Ｒ１（センサ本体１の方向に直接伝搬して受信される）と、経路Ｒ２（筐体２０の振動が筐体２０を伝搬して受信される）と、の２つの経路が存在する。

上記のように２つの伝搬経路が存在する場合、伝搬経路差が「波長の自然数倍」であれば、２つの伝搬経路を介した受信信号は強め合い、逆に、「波長の自然数倍＋半波長」であれば、２つの伝搬経路を介した受信信号は弱め合う。
すなわち、不要波を含む２つの受信信号の干渉状態を考慮すると、伝搬経路差が１波長の場合には、２つの受信信号が強め合うように干渉するので、合成波の振幅は大きくなる。一方、伝搬経路差が半波長の場合には、２つの受信信号が弱め合うように干渉するので、合成波の振幅は小さくなる。

たとえば、伝搬経路差が１波長であって振幅を強め合うような状況下では、合成波の振幅に応じて反射源３の大きさを推定するシステムに適用した場合に、反射源４の大きさを過大評価してしまう可能性がある。
一方、伝搬経路差が半波長であって合成波の振幅が小さくなると、結果的に反射源３を検知することが困難になる可能性がある。
また、２つの受信信号が干渉しない場合であっても、合成波の振動継続時間が長くなるので、結的に空中超音波センサの分解能を劣化させる可能性がある。

特開平１０−１２３２３６号公報 特開２００８−９６１１３号公報

従来の空中超音波センサは、図７のように、センサ本体１と筐体２０とが一体化構造を有する場合には、受信信号として、経路Ｒ１を介して直接的に受信される必要波のみならず、経路Ｒ２および筐体２０を介して間接的に受信される不要波が存在するので、安定した受信信号を得ることが困難になる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あり、センサ本体と筐体とが一体化構造を有する空中超音波センサにおいて、筐体を伝搬してセンサ本体に到達する不要波を低減することのできる空中超音波センサを得ることを目的とする。

この発明に係る空中超音波センサは、空中に超音波を放射するとともに、空中に存在する反射源からの反射波を受信するセンサ本体と、センサ本体を駆動するとともに、反射波に基づいて反射源までの距離または伝達音速を求める送受信装置と、センサ本体を一体化構造で固定する筐体とを備え、筐体は、周囲とは音響インピーダンスが異なる特異部位を有し、特異部位は、センサ本体の左右方向または上下方向のいずれか一方に対して斜めに設けられたものである。

この発明によれば、特異部位によって不要波を反射させることにより、センサ本体に到達する不要波を抑制することができるので、安定した受信信号を得ることができる。

この発明の実施例１に係る空中超音波センサを示す平面図である。（実施例１） 図１の空中超音波センサの正面図である。（実施例１） 反射源が垂直な場合での図１の空中超音波センサの受信状態を示す側面図である。（実施例１） 反射源が傾斜した場合での図１の空中超音波センサの受信状態を示す側面図である。（実施例１） 図１の空中超音波センサの他の例を示す正面図である。（実施例１） 図２内の溝部の配列周期を示す説明図である。（実施例１） 従来の空中超音波センサを示す平面図である。

（実施例１）
以下、図１〜図６を参照しながら、この発明の実施例１に係る空中超音波センサについて説明する。
図１はこの発明の実施例１に係る空中超音波センサを示す平面図であり、図２は図１の空中超音波センサの正面図である。

また、図３および図４は図１の空中超音波センサの受信状態を示す側面図であり、それぞれ、反射源３からの反射波の経路Ｒ１および経路Ｒ２が異なる場合を示している。
なお、図３、図４においては、煩雑さを回避するために、簡略化を目的として溝部４の図示を省略している。
図５は図１の空中超音波センサの他の正面図であり、図６は図２内の溝部４の配列周期を具体的に示す説明図である。

図１および図２において、センサ本体１は、送受信装置１０からの電気信号により励振されて超音波を発信し、筐体２の放射面２ａから超音波を出射する。
反射源３で反射された反射波は、経路Ｒ１、Ｒ２を介して筐体２に入射され、センサ本体１で受信された信号は、送受信装置１０で処理されて、反射源３までの相対距離および伝達音速などが算出される。

このとき、センサ本体１が取り付けられた筐体２には、センサ本体１の両側面を覆うように、複数の溝部４が等間隔に設けられている。
これにより、図１に示すように、反射源３から経路Ｒ２を介して筐体２に到達した反射波（不要波）は、複数の溝部４を通過した後に（破線波矢印参照）、センサ本体１で受信される。

このとき、経路Ｒ２を辿って筐体２を伝搬する不要波は、複数の溝部４を通過する際に、各溝部４で反射されるので、センサ本体１に到達するまでに小振幅になっている。
このように、本来の経路Ｒ１を辿ってセンサ本体１に伝搬する必要波に合成される不要波が小さくなることから、必要波に及ぼす不要波の影響が抑制されるので、センサ本体１において安定した受信信号を得ることができる。

なお、図２に示すように、各溝部４は、筐体２の延長方向に対して斜めに設けられており、さらに、センサ本体１の左右方向のみに対して設けられ、センサ本体１の上下方向には設けられていない。

ここで、まず、溝部４が斜めに設けられている理由について説明する。
仮に、溝部４が、筐体２の延長方向に対して垂直に設けられた場合には、超音波の送信時において、溝部４は、センサ本体１から側面方向に伝搬してきた送信波を入射してきた方向（センサ本体１の方向）に反射することになる。

この結果、送信時において、センサ本体１が溝部４からの反射波を受信することになるので、センサ本体１を励振した直後の受信信号が長く継続してしまう。
一般に、センサ本体１を励振した直後に継続する受信信号は、送信の尾引と呼ばれており、上記のように送信の尾引が長くなると、近距離に存在する反射源３を検知することが困難になる。

送信の尾引を短く抑制するためには、送信時にセンサ本体１から伝搬してきた波を、入射方向とは異なる方向に反射させる必要があるので、図２のように、溝部４は斜めに設けられている。
以上のように、溝部４を斜めに設けることにより、筐体２を延長方向に伝搬する波を反射するとともに、送信の尾引を短く抑制することができる。

次に、図３および図４を参照しながら、図１および図２内の溝部４が、センサ本体１の左右方向のみに対して設けられている理由について、センサ本体１の指向性および反射源３の形状に関連付けて説明する。
この発明の実施例１に係る空中超音波センサは、上下方向の指向性と左右方向の指向性とが異なるものを想定しており、上下方向に対しては鋭い指向性を有し、左右方向に対しては広い指向性を有しているものとする。

なぜなら、仮に、上下方向に対する指向性を広く設定すると、反射源３を誤検出する可能性があるからである。
たとえば、車載用の空中超音波センサにおいて、筐体２がバンパであると想定すると、上下方向の指向性が広い場合には、地面の凸凹からの反射波を受信するので、車両周辺に障害物が存在しない場合でも、障害物（反射源３）を誤検出してしまう。
よって、上下方向での反射源３の誤検出を回避するために、上下方向の指向性を鋭く設定して、地面の凸凹からの反射波を受信しないようにしている。

一方、反射源３（電柱、道路標識など）は、図３に示すように、地面に垂直に立設されている場合が多いので、地面に垂直に立設された反射源３により鋭い指向性で反射されると、経路Ｒ２を介した反射波（不要波）がセンサ本体１の方向に戻って来ることはなく、上下発散方向に伝搬する（図３内の破線波矢印参照）。
よって、経路Ｒ２を介した反射波（不要波）が筐体２中を伝搬しても、センサ本体１に受信されることはないので、センサ本体１の上下方向に溝部４を設ける必要はない。

また、図４に示すように、反射源３が地面に対して斜めに立設されている場合であっても、上下方向の指向性が鋭い場合には、経路Ｒ１に対する傾斜角度差が小さい経路Ｒ２の反射波（不要波）のみがセンサ本体１に受信されるので、経路Ｒ１と経路Ｒ２との伝搬経路差が非常に短くなる。

したがって、センサ本体１における２つの受信信号が干渉することはなく、２つの受信信号を区別することが難しい程度にほとんど同じタイミングで受信される。
よって、溝部４を上下方向に設ける必要はなく、仮に、上下方向にも溝部を設けると、前述の送信時での尾引を長くする原因になりかねない。

以上のように、この発明の実施例１（図１、図２）に係る空中超音波センサは、空中に超音波を放射するとともに、空中に存在する反射源３からの反射波を受信するセンサ本体１と、センサ本体１を駆動するとともに、反射波に基づいて反射源３までの距離または伝達音速を求める送受信装置１０と、センサ本体１を一体化構造で固定する筐体２とを備え、筐体２は、周囲とは音響インピーダンスが異なる溝部４（特異部位）を有し、溝部４は、センサ本体１の左右方向のみに対して斜めに設けられている。
また、溝部４は、センサ本体１の左右方向において、それぞれ複数個ずつ設置されている。

このように、センサ本体１の左右方向に対して、複数の溝部４を斜めに設けることにより、送信時の尾引を長くすることなく、筐体２を伝搬する不要波を低減することができるので、安定した受信信号を取得可能な空中超音波センサを得ることができる。

なお、図１、図２においては、センサ本体１の左右に複数（３個ずつ）の溝部４を設置したが、溝部４の設置数は任意であり、３個以上であってもよく、筐体２を伝搬する不要波を十分に低減可能であれば、１個であってもよい。

また、図２においては、溝部４の傾斜角度を４５度程度に設定したが、４５度に限定されることはなく、筐体２を伝搬する不要波を低減可能であって、かつ、送信時の尾引を抑制可能であれば、任意の角度に設定することができる。

また、図２に示した斜め形状に代えて、図５に示すように、筐体２Ａの表面上において、溝部４Ａを「くの字形状」に形成してもよい。
図５の形状により、筐体２Ａに到達した反射波（不要波）は、左右方向のみならず、上下方向に対しても、伝搬してきた方向に戻っていくので、反射波（不要波）の上下方向への伝搬も抑制することができる。

また、図２においては、複数の溝部４を設置した場合の配列周期について説明しなかったが、以下、図６を参照しながら、溝部４の配列条件について説明する。
溝部４は、筐体２中を伝搬する波を反射することを目的として設置されており、各溝部４からの反射波が同位相で重なりあうような場合に、最も反射効率が大きくなる。

図６のように、複数の溝部４を、傾斜角４５度、配列周期Ｐで設置した場合、隣り合う溝部４からの反射波（破線矢印参照）の伝搬経路差は「Ｐ」となる。
したがって、筐体２中を伝搬する波の波長λを用いて表せば、配列周期Ｐは、以下の式（１）を満たすことが望ましい。

Ｐ＝λ×ｎ ・・・（１）

ただし、式（１）において、ｎは自然数である。
式（１）を満たす場合に、たとえば図６内の隣接反射波（破線矢印参照）が同位相となるので、反射効率が最大となる。

このように、式（１）を満たすように、配列周期Ｐを設定することにより、隣接する各溝部４での反射波の伝搬距離差が、反射波の波長λのｎ（自然数）倍となるので、不要波を低減させる効果が大きくなる。
なお、溝部４の傾斜角度が４５度の場合には、式（１）を満たす場合に反射波が同位相となるが、溝部４の傾斜角度に応じて同位相となる条件式が異なることは言うまでもない。

また、図２においては、溝部４（特異部位）を、センサ本体１の左右方向のみに対して斜めに設けたが、センサ本体１の左右方向または上下方向のいずれか一方に対して斜めに設けてもよい。
さらに、上記説明では、製造工程の容易さを考慮して、筐体２に溝部４を設けて不要波を低減する例について説明したが、筐体２中を伝搬する波を反射することができれば、溝部４でなくても同様の作用効果を奏することができる。
たとえば、溝部４を形成する代わりに、凸部を設けても、筐体２中を伝搬する波を反射することができるので、同様の作用効果を奏する。
要するに、筐体２の表面上において、周囲とは音響インピーダンスが異なる特異部位を形成すれば、センサ本体１に向かう不要波を反射することができるので、前述と同様の作用効果が得られる。

１ センサ本体、２ 筐体、３ 反射源、４ 溝部（特異部位）、１０ 送受信装置、Ｐ 配列周期、Ｒ１ 必要波の経路、Ｒ２ 不要波の経路。

Claims (6)

1. 空中に超音波を放射するとともに、前記空中に存在する反射源からの反射波を受信するセンサ本体と、
   前記センサ本体を駆動するとともに、前記反射波に基づいて前記反射源までの距離または伝達音速を求める送受信装置と、
   前記センサ本体を一体化構造で固定する筐体とを備え、
   前記筐体は、周囲とは音響インピーダンスが異なる特異部位を有し、
   前記特異部位は、前記センサ本体の左右方向または上下方向のいずれか一方に対して斜めに設けられたことを特徴とする空中超音波センサ。
2. 前記特異部位は、前記筐体の表面上において、くの字形状を有することを特徴とする請求項１に記載の空中超音波センサ。
3. 前記特異部位は、前記センサ本体の左右方向または上下方向のいずれか一方において、それぞれ複数個ずつ設置されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空中超音波センサ。
4. 前記特異部位の配列周期は、隣接する各特異部位での反射波の伝搬距離差が、前記反射波の波長の自然数倍となるように、設定されたことを特徴とする請求項３に記載の空中超音波センサ。
5. 前記特異部位は、前記筐体に設けられた溝部により形成されたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の空中超音波センサ。
6. 前記特異部位は、前記センサ本体の左右方向のみに形成されたことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の空中超音波センサ。

Images