WO2022071522A1 - 超音波発生装置、振動子、および、物体検出装置 - Google Patents

超音波発生装置、振動子、および、物体検出装置 Download PDF

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恒 井奈波
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Definitions

  • the present disclosure relates to an ultrasonic generator, a vibrator, and an object detection device.
  • one of the problems of the present disclosure is an ultrasonic generator and a vibrator capable of controlling the directivity of ultrasonic waves while generating ultrasonic waves by applying an AC voltage to the piezoelectric body and vibrating the piezoelectric body. , And to realize an object detection device at low cost.
  • the ultrasonic generator is a piezoelectric material that vibrates due to a piezoelectric effect to generate ultrasonic waves when an AC voltage is applied, and three or more provided in different regions on the surface of the piezoelectric body.
  • the AC corresponding to the directivity in the ultrasonic wave generation instruction is received from the three or more electrodes.
  • the directivity of the ultrasonic wave can be controlled by changing the combination of the voltage application electrode and the ground electrode from three or more electrodes, so that the ultrasonic wave generator can be realized at low cost.
  • a storage unit that stores information on the correspondence between the combination of the voltage application electrode and the ground electrode and the directivity of the generated ultrasonic wave among the three or more electrodes. And, the control unit controls to generate the ultrasonic wave with reference to the correspondence information.
  • the storage unit uses the voltage-applied electrode and the voltage-applied electrode when generating two or more directional ultrasonic waves among the three or more electrodes as the correspondence information.
  • the correspondence information between the combination with the ground electrode and the two or more directivity is stored, and the control unit stores an ultrasonic generation instruction including two or more directivity information of the ultrasonic wave to be generated.
  • the combination of the voltage application electrode and the ground electrode corresponding to the two or more directivity in the ultrasonic generation instruction is selected from the three or more electrodes with reference to the correspondence information. Then, an AC voltage is applied to the voltage application electrode to control the generation of two or more directional ultrasonic waves.
  • control unit simultaneously transmits the ultrasonic waves having two or more directivities.
  • ultrasonic waves having two or more directivities can be generated at the same time.
  • At least two or more electrodes are arranged on the first surface of the piezoelectric body among the three or more electrodes, and a second surface facing the first surface is arranged. At least one or more electrodes are arranged on the surface, and the control unit selects at least one or more of the electrodes arranged on the first surface as the voltage application electrode and arranges them on the second surface. The electrode is selected as the ground electrode, and the control unit controls the directivity of the generated ultrasonic waves by switching the electrode to be the voltage application electrode among the electrodes arranged on the first surface. ..
  • the vibrator as an example of the present disclosure includes a piezoelectric body that vibrates due to a piezoelectric effect to generate ultrasonic waves when an AC voltage is applied, and three or more transistors provided in different regions on the surface of the piezoelectric body.
  • the object detection device as an example of the present disclosure is the vibration in the object detection device in which the transmitting unit transmits ultrasonic waves from the vibrator and the receiving unit receives the reflected waves of the ultrasonic waves by the vibrator.
  • the child is selected from a piezoelectric body that vibrates due to the piezoelectric effect to generate ultrasonic waves when an AC voltage is applied, and three or more electrodes provided in different regions on the surface of the piezoelectric body.
  • the transmitter is provided with three or more electrodes having different directivities of generated ultrasonic waves depending on the combination of the voltage application electrode, which is an electrode to which an AC voltage is applied, and the ground electrode, which is an electrode to make a ground potential.
  • the receiver includes a switching unit that changes the combination of the voltage application electrode and the ground electrode, the reception unit includes an amplification circuit and a filter processing unit, and the filter processing unit acquires information regarding the frequency of a transmission signal. , Correct the frequency of the received signal so that it matches the frequency of the transmitted signal.
  • a storage unit for storing correspondence information between the combination of the voltage application electrode and the ground electrode and the directivity of the generated ultrasonic waves among the three or more electrodes.
  • the transmitting unit controls the switching unit with reference to the corresponding relationship information to transmit ultrasonic waves from the vibrator.
  • the storage unit uses the voltage application electrode and the ground when two or more directional ultrasonic waves are generated among the three or more electrodes as the correspondence information.
  • the correspondence information between the combination with the electrode and the two or more directivities is stored, and the transmitting unit issues an ultrasonic generation instruction including two or more directivity information of the ultrasonic waves to be generated.
  • the combination of the voltage application electrode and the ground electrode corresponding to the two or more directivities in the ultrasonic generation instruction is selected from the three or more electrodes with reference to the correspondence information.
  • an AC voltage is applied to the voltage application electrode to control the switching unit so as to generate two or more directional ultrasonic waves, and the ultrasonic waves are transmitted from the transducer.
  • the transmitting unit controls to generate the two or more directional ultrasonic waves at different frequencies, phases, and amplitudes, and the receiving unit controls the generation.
  • the ultrasonic wave has two or more directional superpositions based on the different frequencies, phases, and amplitudes of the detected sound waves. Identify which reflected wave of the sound wave it was.
  • the reflected wave of two or more directional ultrasonic waves when the reflected wave of two or more directional ultrasonic waves is detected, the reflected wave is any of the reflected waves of two or more directional ultrasonic waves based on the frequency, phase, and amplitude. It is possible to identify whether it is.
  • the transmitting unit simultaneously transmits the ultrasonic waves having two or more directional directions, and the receiving unit immediately detects the ultrasonic waves via the vibrator.
  • the receiving unit immediately detects the ultrasonic waves via the vibrator.
  • ultrasonic waves having two or more directivities can be generated at the same time.
  • FIG. 1 is a schematic view of the appearance of a vehicle equipped with the object detection system of the first embodiment as viewed from above.
  • FIG. 2 is a block diagram schematically showing a schematic hardware configuration of the ECU and the object detection device of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an overview of the oscillator of the first embodiment.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of the directivity of the ultrasonic wave generated from the oscillator of the first embodiment.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of an outline of a technique used by the object detection device of the first embodiment to detect a distance to an object.
  • FIG. 6 is a block diagram schematically showing a detailed configuration of the object detection device of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing directivity correspondence information of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a process executed by the object detection system of the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing transmission wave correspondence information of the second embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic view of the appearance of a vehicle equipped with the object detection system of the first embodiment as viewed from above.
  • the object detection system of the first embodiment transmits and receives ultrasonic waves, and detects information about an object existing in the surroundings (for example, an obstacle O shown in FIG. 2 to be described later) by using the time difference between the transmission and reception. It is an in-vehicle sensor system.
  • the object detection system of the first embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 100 as an in-vehicle control device, and object detection devices 201 to 204 as an in-vehicle sonar. It is equipped with.
  • the ECU 100 is mounted inside the four-wheeled vehicle 1 including the pair of front wheels 3F and the pair of rear wheels 3R, and the object detection devices 201 to 204 are mounted on the exterior of the vehicle 1.
  • the object detection devices 201 to 204 are installed at different positions from each other at the rear end portion (rear bumper) of the vehicle body 2 as the exterior of the vehicle 1, but the object detection device 201
  • the installation positions of ⁇ 204 are not limited to the example shown in FIG.
  • the object detection devices 201 to 204 may be installed at the front end portion (front bumper) of the vehicle body 2, may be installed at the side surface portion of the vehicle body 2, or may be installed at the rear end portion, the front end portion, and the side surface portion. It may be installed in two or more of them.
  • the hardware configurations and functions of the object detection devices 201 to 204 are the same. Therefore, in the following, for the sake of brevity, the object detection devices 201 to 204 may be collectively referred to as "object detection device 200" (an example of an ultrasonic wave generator). Further, in the first embodiment, the number of the object detection devices 200 is not limited to four as shown in FIG.
  • FIG. 2 is a block diagram schematically showing a schematic hardware configuration of the ECU 100 and the object detection device 200 of the first embodiment.
  • the ECU 100 has a hardware configuration similar to that of a normal computer. More specifically, the ECU 100 includes an input / output device 110, a storage device 120, and a processor 130.
  • the input / output device 110 is an interface for realizing information transmission / reception between the ECU 100 and the outside (object detection device 200 in the example shown in FIG. 1).
  • the storage device 120 includes a main storage device such as ROM (Read Only Memory) and RAM (Random Access Memory), and / or an auxiliary storage device such as HDD (Hard Disk Drive) and SSD (Solid State Drive). ..
  • the processor 130 controls various processes executed in the ECU 100.
  • the processor 130 includes an arithmetic unit such as a CPU (Central Processing Unit).
  • the processor 130 realizes various functions such as automatic parking by reading and executing a computer program stored in the storage device 120.
  • the object detection device 200 includes a transmitter / receiver 210 and a control unit 220.
  • the transmitter / receiver 210 has an oscillator 211 (an example of an ultrasonic sensor) composed of a piezoelectric element or the like, and a switching unit 212, and the oscillator 211 transmits and receives ultrasonic waves.
  • an oscillator 211 an example of an ultrasonic sensor
  • a switching unit 212 a switching unit 212
  • the transmitter / receiver 210 transmits an ultrasonic wave generated in response to the vibration of the vibrator 211 as a transmission wave, and the ultrasonic wave transmitted as the transmission wave is reflected by an external object.
  • the vibration of the vibrator 211 brought about by returning is received as a received wave.
  • an obstacle O installed on the road surface RS is exemplified as an object that reflects ultrasonic waves from the transmitter / receiver 210.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an overview of the oscillator 211 of the first embodiment.
  • the oscillator 211 includes nine (3 ⁇ 3) upper electrodes 4a to 4i (electrodes arranged on the first surface), wirings 5a to 5i, a piezoelectric body 6, and a lower electrode 7 (second). An electrode arranged on the surface) and a wiring 8 are provided.
  • the nine upper electrodes 4a to 4i and the lower electrode 7 are examples of three or more electrodes, and are collectively referred to as “10 electrodes” below. Further, the wirings 5a to 5i and the wiring 8 are also referred to as "10 wirings”.
  • the nine upper electrodes 4a to 4i are provided in different regions on the upper surface of the piezoelectric body 6 and are electrically insulated from each other.
  • the wirings 5a to 5i are provided for the upper electrodes 4a to 4i, respectively.
  • the piezoelectric body 6 vibrates due to the piezoelectric effect and generates ultrasonic waves.
  • the lower electrode 7 is provided on the lower surface of the piezoelectric body 6.
  • the wiring 8 is provided with respect to the lower electrode 7.
  • the processor 223 selects at least one or more of the electrodes arranged on the first surface as the voltage application electrode, and selects the electrode arranged on the second surface as the ground electrode. Then, the processor 223 controls the directivity of the generated ultrasonic wave by switching the electrode to be the voltage application electrode among the electrodes arranged on the first surface (details will be described later).
  • control unit 220 has a hardware configuration similar to that of a normal computer. More specifically, the control unit 220 includes an input / output device 221, a storage device 222, and a processor 223.
  • the input / output device 221 is an interface for realizing information transmission / reception between the control unit 220 and the outside (ECU 100 and the transmitter / receiver 210 in the example shown in FIG. 1).
  • the storage device 222 includes a main storage device such as ROM and RAM, and / or an auxiliary storage device such as HDD and SSD.
  • the storage device 222 stores, for example, the directivity correspondence information 230.
  • the directivity correspondence information 230 describes the combination of the voltage application electrode, which is an electrode for applying an AC voltage, and the ground electrode, which is an electrode for making a ground potential, and the directivity of the generated ultrasonic waves, out of the ten electrodes. This is an example of correspondence information.
  • FIG. 7 is a diagram showing the directivity correspondence information 230 of the first embodiment.
  • a combination of a voltage application electrode and a ground electrode is associated with each direction information which is information on the output direction and spreading of ultrasonic waves.
  • the upper electrode 4a FIG. 3
  • the remaining nine electrodes are used as ground electrodes can be considered. If the combination of the voltage application electrode and the ground electrode is different, the way in which the voltage is applied to the piezoelectric body 6 is different, and the place where the piezoelectric body 6 vibrates is different, so that the directivity of the ultrasonic waves generated from the piezoelectric body 6 is also different.
  • the number of ground electrodes may be plural or one. Further, an electrode that is neither a voltage application electrode nor a ground electrode is in an insulated state.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of the directivity of the ultrasonic wave generated from the oscillator of the first embodiment.
  • the output direction of the ultrasonic wave generated from the piezoelectric body 6 can be changed in various directions as illustrated by the reference numerals D1 to D3.
  • the way the ultrasonic waves spread can change in various ways. Then, for example, the directivity correspondence information 230 as shown in FIG. 7 can be created in advance by an experiment.
  • the processor 223 controls various processes executed by the control unit 220.
  • the processor 223 includes an arithmetic unit such as a CPU.
  • the processor 223 realizes various functions by reading and executing a computer program stored in the storage device 222.
  • the processor 223 When the processor 223 receives, for example, an ultrasonic wave generation instruction including information on the directivity of the ultrasonic wave to be generated from the ECU 100, the processor 223 refers to the directivity correspondence information 230 and receives an ultrasonic wave generation instruction from 10 electrodes. The combination of the voltage application electrode and the ground electrode corresponding to the directivity is selected, and the AC voltage is applied to the voltage application electrode to control the generation of ultrasonic waves.
  • the switching unit 212 switches to connect the wiring corresponding to the voltage application electrode to the power supply among the 10 wirings according to the instruction from the processor 223. , The wiring corresponding to the ground electrode is switched to connect to the ground, and the other wiring is switched to the insulated state.
  • the object detection device 200 of the first embodiment detects the distance to the object by the so-called TOF (Time Of Flight) method.
  • the TOF method considers the difference between the timing at which the transmitted wave is transmitted (more specifically, it begins to be transmitted) and the timing at which the received wave is received (more specifically, it begins to be received). , A technique for calculating the distance to an object.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of an outline of the technique used by the object detection device 200 of the first embodiment to detect the distance to the object. More specifically, FIG. 5 is a diagram schematically and schematically showing the time change of the signal level (for example, amplitude) of the ultrasonic waves transmitted and received by the object detection device 200 of the first embodiment in a graph format. In the graph shown in FIG. 5, the horizontal axis corresponds to time, and the vertical axis corresponds to the signal level of the signal transmitted and received by the object detection device 200 via the transmitter / receiver 210 (oscillator 211).
  • the horizontal axis corresponds to time
  • the vertical axis corresponds to the signal level of the signal transmitted and received by the object detection device 200 via the transmitter / receiver 210 (oscillator 211).
  • the solid line L11 represents an example of an envelope that represents the signal level of the signal transmitted and received by the object detection device 200, that is, the time change of the degree of vibration of the vibrator 211. From this solid line L11, the oscillator 211 is driven from the timing t0 by the time Ta and vibrates, so that the transmission of the transmitted wave is completed at the timing t1 and then the time Tb until the timing t2 is due to inertia. It can be read that the vibration of the oscillator 211 continues while being damped. Therefore, in the graph shown in FIG. 5, the time Tb corresponds to the so-called reverberation time.
  • the solid line L11 reaches a peak in which the degree of vibration of the oscillator 211 exceeds a predetermined threshold value Th1 represented by the alternate long and short dash line L21 at the timing t4 in which the transmission wave transmission is started at the timing t0 and the time Tp has elapsed.
  • This threshold Th1 is whether the vibration of the vibrator 211 is caused by the reception of the received wave as the transmitted wave returned by being reflected by the object to be detected (for example, the obstacle O shown in FIG. 2).
  • a preset value for identifying whether it was brought about by the reception of the received wave as the transmitted wave reflected and returned by an object other than the sample target for example, the road surface RS shown in FIG. 2). Is.
  • FIG. 5 shows an example in which the threshold value Th1 is set as a constant value that does not change with the passage of time
  • the threshold value Th1 is set as a value that changes with the passage of time. You may.
  • the vibration having a peak exceeding the threshold value Th1 can be regarded as being caused by the reception of the received wave as the transmitted wave reflected and returned by the object to be detected.
  • the vibration having a peak of the threshold value Th1 or less can be considered to be caused by the reception of the received wave as the transmitted wave reflected and returned by the object other than the detection target.
  • the vibration of the oscillator 211 at the timing t4 is caused by the reception of the received wave as the transmitted wave reflected and returned by the object to be detected.
  • the timing t4 is the timing at which the reception of the received wave as the transmitted wave reflected and returned by the object to be detected is completed, in other words, the transmitted wave last transmitted at the timing t1 is returned as the received wave. Corresponds to the timing.
  • the timing t3 as the start point of the peak at the timing t4 is the timing at which the reception of the received wave as the transmitted wave reflected and returned by the object to be detected starts, in other words, at the timing t0.
  • the time ⁇ T between the timing t3 and the timing t4 becomes equal to the time Ta as the transmission time of the transmitted wave.
  • the time Tf between the timing t0 when the transmitted wave starts to be transmitted and the timing t3 when the received wave starts to be received is obtained. Is needed.
  • This time Tf is obtained by subtracting the time ⁇ T equal to the time Ta as the transmission time of the transmission wave from the time Tp as the difference between the timing t0 and the timing t4 at which the signal level of the received wave reaches the peak exceeding the threshold value Th1. It can be obtained by.
  • vibration occurs. There are cases where you want to control (change) the directivity of the ultrasonic waves generated from the child 211.
  • FIG. 6 is a block diagram schematically showing a detailed configuration of the object detection device 200 of the first embodiment. It should be noted that FIG. 6 shows a state in which the configuration on the transmitting side (transmitting unit) and the configuration on the receiving side (receiving unit) are separated from each other. Is for. Therefore, in the first embodiment, as described above, both the transmission of the transmitted wave and the reception of the received wave are realized by the single transmitter / receiver 210. However, the technique of the first embodiment can be applied to a configuration in which the configuration on the transmitting side and the configuration on the receiving side are separated.
  • At least a part of the configurations shown in FIG. 6 is the result of the cooperation between the hardware and the software, and more specifically, the processor 223 of the object detection device 200 is stored in the storage device 222. It is realized as a result of reading and executing a computer program.
  • at least a part of the configuration shown in FIG. 6 may be realized by dedicated hardware (circuit).
  • the object detection device 200 has a transmission control unit 430, a transmitter 411, a code generation unit 412, a carrier wave output unit 413, a multiplier 414, and an amplifier as a configuration on the transmission side. It includes a circuit 415 and.
  • the transmitter 411 is composed of the above-mentioned oscillator 211, and the oscillator 211 transmits a transmission wave corresponding to the transmission signal output (amplified) from the amplifier circuit 415.
  • the transmitter 411 encodes the transmitted wave so as to include the identification information having a predetermined code length, and then transmits the transmitted wave, based on the configuration described below.
  • the code generation unit 412 generates a pulse signal corresponding to the code of a bit string consisting of, for example, a series of 0 or 1 bits.
  • the length of the bit string corresponds to the code length of the identification information given to the transmission signal.
  • the code length is set to a length such that the transmitted waves transmitted from each of the four object detection devices 200 shown in FIG. 1 can be distinguished from each other.
  • the carrier wave output unit 413 outputs a carrier wave as a signal to be given identification information.
  • the carrier wave output unit 413 outputs a sine wave having a predetermined frequency as a carrier wave.
  • the multiplier 414 modulates the carrier wave so as to give identification information by multiplying the output from the code generation unit 412 and the output from the carrier wave output unit 413. Then, the multiplier 414 outputs the modulated carrier wave to which the identification information is added to the amplifier circuit 415 as a transmission signal that is a source of the transmission wave.
  • the modulation method a single or a combination of two or more of a plurality of generally well-known modulation methods such as an amplitude modulation method and a phase modulation method can be used.
  • the amplifier circuit 415 amplifies the transmission signal output from the multiplier 414, and outputs the amplified transmission signal to the transmitter 411.
  • the transmission control unit 430 (processor 223) receives an ultrasonic wave generation instruction including information on the directivity of the ultrasonic wave to be generated from the ECU 100
  • the directivity correspondence information 230 is provided.
  • the combination of the voltage application electrode and the ground electrode corresponding to the directivity in the ultrasonic wave generation instruction is selected from the 10 electrodes.
  • the transmission control unit 430 controls the switching unit 212 according to the combination of the voltage application electrode and the ground electrode in the transmitter 411 (oscillator 211), and is used as the voltage application electrode among the 10 wires.
  • the corresponding wiring is switched to connect to the power supply, the wiring corresponding to the ground electrode is switched to connect to the ground, and the other wiring is switched to the insulated state.
  • a predetermined transmission control unit 430 a switching unit 212, a code generation unit 412, a carrier wave output unit 413, a multiplier 414, an amplifier circuit 415, and a transmitter 411 are used. It is possible to transmit a transmission wave (ultrasonic wave) to which identification information is added and to control the directivity of the transmission group.
  • a transmission wave ultrasonic wave
  • the object detection device 200 has a receiver 421, an amplifier circuit 422, a filter processing unit 423, a correlation processing unit 424, an envelope processing unit 425, and a configuration on the receiving side. It includes a threshold value processing unit 426 and a detection processing unit 427.
  • the receiver 421 is composed of the above-mentioned oscillator 211, and receives the transmitted wave reflected by the object as the received wave by the oscillator 211.
  • the amplifier circuit 422 amplifies the received signal as a signal corresponding to the received wave received by the receiver 421.
  • the filter processing unit 423 performs filtering processing on the received signal amplified by the amplifier circuit 422 to reduce noise.
  • the filter processing unit 423 acquires information on the frequency of the transmission signal and corrects the frequency so as to match the frequency of the transmission signal (for example, a bandpass filter that passes a specific frequency). , Correction for frequency transition due to Doppler shift, etc.) may be further applied to the received signal.
  • the correlation processing unit 424 corresponds to the similarity of the identification information between the transmitted wave and the received wave based on, for example, the transmitted signal acquired from the configuration on the transmitting side and the received signal after the filtering process by the filter processing unit 423. Get the correlation value.
  • the correlation value can be obtained based on a generally well-known correlation function or the like.
  • the envelope processing unit 425 obtains the envelope of the waveform of the signal corresponding to the correlation value acquired by the correlation processing unit 424.
  • the threshold value processing unit 426 compares the value of the envelope obtained by the envelope processing unit 425 with a predetermined threshold value.
  • the detection processing unit 427 specifies the timing at which the signal level of the received wave reaches the peak exceeding the threshold value (timing t4 shown in FIG. 5) based on the comparison result by the threshold value processing unit 426, and reaches the object by the TOF method. Detect the distance of.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a process executed by the object detection system of the first embodiment.
  • the transmission control unit 430 receives an ultrasonic generation instruction including information on the directionality of the ultrasonic waves to be generated from the ECU 100.
  • the directional correspondence information 230 a combination of the voltage application electrode and the ground electrode corresponding to the directionalness in the ultrasonic generation instruction is selected from the 10 electrodes, and the switching unit 212 is selected according to the combination.
  • the wire corresponding to the voltage application electrode is switched to connect to the power supply
  • the wire corresponding to the ground electrode is switched to connect to the ground
  • the other wires are connected. Switch to the insulated state.
  • the transmitter 411 of the object detection device 200 transmits a transmitted wave to which predetermined identification information is added.
  • the receiver 421 of the object detection device 200 receives the received wave corresponding to the transmitted wave transmitted in S2. Then, the correlation processing unit 424 of the object detection device 200, for example, under the control of the ECU 100, starts acquiring the correlation value according to the degree of similarity of the discrimination information between the transmitted wave and the received wave.
  • the detection processing unit 427 detects the distance to the object by the TOF method.
  • the combination of the voltage application electrode and the ground electrode among the 10 electrodes can be changed. Since the directivity of the ultrasonic wave can be controlled, the directivity of the ultrasonic wave can be controlled at low cost.
  • the directivity of the ultrasonic wave can be controlled, for example, when it is desired to identify whether the reflected wave is a reflected wave of a road surface or an obstacle, it is possible to acquire powerful information by controlling the directivity of the ultrasonic wave. .. If the reflected wave can be specified, it is possible to reduce the time required for the filter processing for unnecessary information (reflected wave on the road surface) even in the subsequent processing.
  • the upper electrodes 4a to 4i are divided into nine parts, and the upper electrode 4e in the middle can also be selected as a voltage application electrode or a ground electrode, thereby further diversifying how the voltage is applied to the piezoelectric body 6.
  • the directivity of the ultrasonic waves generated from the piezoelectric body 6 can also be further diversified.
  • the electrodes are arranged on two facing surfaces, it becomes easier to control the directivity as compared with the case where the electrodes are arranged on three or more surfaces, and the design cost can be reduced.
  • the oscillator needs to have a size larger than the specified size in order to vibrate. Therefore, in the prior art, when a plurality of oscillators are used to control the directivity of the ultrasonic wave, it is necessary to use a plurality of oscillators having a predetermined size or more, which increases the cost. On the other hand, according to the technique of the first embodiment, the directivity of the ultrasonic wave can be controlled by a single oscillator 211, so that the cost can be reduced.
  • the directivity correspondence information 230 shown in FIG. 7 is a combination of a voltage application electrode and a ground electrode when two or more directional ultrasonic waves are generated out of ten electrodes, and the directivity of the two or more electrodes. And, the correspondence information of is stored.
  • the control unit 220 (FIG. 2) receives an ultrasonic wave generation instruction including two or more directivity information of the ultrasonic wave to be generated from the ECU 100
  • the control unit 220 (FIG. 2) refers to the directivity correspondence information 230 and three. From the above electrodes, a combination of a voltage application electrode and a ground electrode corresponding to two or more directivity in the ultrasonic wave generation instruction is selected, and an AC voltage is applied to the voltage application electrode to obtain two or more directivity. Controls to generate ultrasonic waves.
  • control unit 220 controls to generate two or more directional ultrasonic waves with at least one of different frequencies and phases, and immediately after that, the ultrasonic waves are superposed via the transmitter / receiver 210.
  • the control unit 220 controls to generate two or more directional ultrasonic waves with at least one of different frequencies and phases, and immediately after that, the ultrasonic waves are superposed via the transmitter / receiver 210.
  • a sound wave is detected, it is specified which of the two or more directional ultrasonic waves is the reflected wave of the detected ultrasonic wave based on the different frequency and phase of the detected ultrasonic wave. ..
  • FIG. 9 is a diagram showing transmission wave correspondence information of the second embodiment.
  • the transmitted wave correspondence information is stored in the storage device 222 (FIG. 2).
  • FIG. 9 assuming that two directional ultrasonic waves generated at the same time are transmitted waves 1 and 2, different frequencies and phases are associated with the transmitted waves 1 and 2.
  • the control unit 220 detects the ultrasonic waves via the transmitter / receiver 210 immediately after generating the two directional ultrasonic waves, the control unit 220 is based on the frequency and phase of the detected ultrasonic waves. , It is possible to specify which of the two directional ultrasonic waves the ultrasonic wave was a reflected wave.
  • the second embodiment by selecting the combination of the voltage application electrode and the ground electrode from the three or more electrodes, it is possible to simultaneously generate two or more directional ultrasonic waves. ..
  • the reflected wave of two or more directional ultrasonic waves is detected, it is specified which of the two or more directional ultrasonic waves the reflected wave is, based on the frequency and the phase. be able to.
  • the present invention is not limited to this.
  • the whole or individual electrodes may have a shape other than a rectangle (triangle, circle, etc.), and the number of divisions may be other than 9.
  • the lower electrode 7 may be divided into two or more electrodes.
  • the directivity correspondence information 230 may be stored in an external storage device of the object detection device 200.

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Abstract

本開示の一例としての超音波発生装置は、交流電圧が印加されると圧電効果により振動して超音波を発生する圧電体、および、前記圧電体の表面の異なる領域に設けられた３つ以上の電極を備える振動子と、発生させる超音波の指向性の情報を含む超音波発生指示を受けた場合に、前記３つ以上の電極から、前記超音波発生指示における指向性に対応する、交流電圧を印加する電極である電圧印加電極と、グランド電位にする電極であるグランド電極と、の組み合わせを選択して、前記電圧印加電極に交流電圧を印加して超音波を発生させる制御を行う制御部と、を備える。

Description

超音波発生装置、振動子、および、物体検出装置
　本開示は、超音波発生装置、振動子、および、物体検出装置に関する。
　従来から、圧電体に対して交流電圧を印加して圧電効果により振動させて超音波を発生させる技術がある。また、超音波の指向性を調整するために、例えば、振動子（超音波センサ）の筐体に特殊な設計を行う手法がある。
　上述の手法では超音波の指向性を制御（変更）できないので、超音波の指向性を制御するために、例えば、複数の振動子を用いる手法がある。
特開２００１－２８９９３９号公報 特許第４２７４６７９号公報 特許第５５１３７０６号公報
　しかしながら、超音波の指向性を制御するために、複数の振動子を用いると、コストが高くなるという問題がある。
　そこで、本開示の課題の一つは、圧電体に対して交流電圧を印加して振動させて超音波を発生させるとともに、超音波の指向性を制御することができる超音波発生装置、振動子、および、物体検出装置を低コストで実現することである。
　本開示の一例としての超音波発生装置は、交流電圧が印加されると圧電効果により振動して超音波を発生する圧電体、および、前記圧電体の表面の異なる領域に設けられた３つ以上の電極を備える振動子と、発生させる超音波の指向性の情報を含む超音波発生指示を受けた場合に、前記３つ以上の電極から、前記超音波発生指示における指向性に対応する、交流電圧を印加する電極である電圧印加電極と、グランド電位にする電極であるグランド電極と、の組み合わせを選択して、前記電圧印加電極に交流電圧を印加して超音波を発生させる制御を行う制御部と、を備える。
　このような構成により、３つ以上の電極から電圧印加電極とグランド電極の組み合わせを変えることで超音波の指向性を制御することができるので、超音波発生装置を低コストで実現できる。
　また、上述の超音波発生装置において、前記３つ以上の電極のうち、前記電圧印加電極と前記グランド電極との組み合わせと、発生する超音波の指向性と、の対応関係情報を記憶する記憶部と、を備え、前記制御部は、前記対応関係情報を参照して前記超音波を発生させる制御を行う。
　このような構成により、記憶部に記憶させた対応関係情報を用いて、３つ以上の電極から、超音波発生指示における指向性に対応する電圧印加電極とグランド電極との組み合わせを選択することができる。
　また、上述の超音波発生装置において、前記記憶部は、前記対応関係情報として、前記３つ以上の電極のうち、２つ以上の指向性の超音波を発生させる場合の前記電圧印加電極と前記グランド電極との組み合わせと、前記２つ以上の指向性と、の対応関係情報を記憶しており、前記制御部は、発生させる超音波の２つ以上の指向性の情報を含む超音波発生指示を受けた場合に、前記対応関係情報を参照し、前記３つ以上の電極から、前記超音波発生指示における２つ以上の指向性に対応する前記電圧印加電極と前記グランド電極との組み合わせを選択して、前記電圧印加電極に交流電圧を印加して２つ以上の指向性の超音波を発生させる制御を行う。
　このような構成により、３つ以上の電極から電圧印加電極とグランド電極との組み合わせを選択することで、２つ以上の指向性の超音波を発生させることができる。
　また、上述の超音波発生装置において、前記制御部は、前記２つ以上の指向性を持つ超音波を同時送信する。
　このような構成により、２つ以上の指向性を持つ超音波を同時に発生させることができる。
　また、上述の超音波発生装置において、前記３つ以上の電極のうち、前記圧電体の第１の面に少なくとも２以上の電極が配されるとともに、前記第１の面と対向する第２の面に少なくとも１以上の電極が配され、前記制御部は、前記第１の面に配された電極のうち少なくとも１以上の電極を前記電圧印加電極として選択するとともに、前記第２の面に配された電極を前記グランド電極として選択し、前記制御部は、前記第１の面に配された電極のうち前記電圧印加電極とする電極を切り替えることにより、発生する超音波の指向性を制御する。
　このような構成により、対向する２面に電極を配置することで、３面以上に電極を配置する場合と比較して指向性を制御しやすくなり、設計コストを低減できる。
　また、本開示の一例としての振動子は、交流電圧が印加されると圧電効果により振動して超音波を発生する圧電体と、前記圧電体の表面の異なる領域に設けられた３つ以上の電極であって、選択される、交流電圧を印加する電極である電圧印加電極とグランド電位にする電極であるグランド電極との組み合わせによって、発生する超音波の指向性が異なる、前記３つ以上の電極と、を備える。
　このような構成により、３つ以上の電極から電圧印加電極とグランド電極との組み合わせを変えることで超音波の指向性を制御することができる振動子を低コストで実現できる。
　また、本開示の一例としての物体検出装置は、送信部にて振動子から超音波を送信し、受信部にて前記振動子により前記超音波の反射波を受信する物体検出装置において、前記振動子は、交流電圧が印加されると圧電効果により振動して超音波を発生する圧電体と、前記圧電体の表面の異なる領域に設けられた３つ以上の電極であって、選択される、交流電圧を印加する電極である電圧印加電極とグランド電位にする電極であるグランド電極との組み合わせによって、発生する超音波の指向性が異なる、前記３つ以上の電極と、を備え、前記送信部は、前記電圧印加電極と前記グランド電極との組み合わせを変更する切替部を備え、前記受信部は、増幅回路およびフィルタ処理部を備え、前記フィルタ処理部は、送信信号の周波数に関する情報を取得し、受信信号に対して当該送信信号の周波数と整合をとるような周波数の補正を行う。
　このような構成により、３つ以上の電極から電圧印加電極とグランド電極の組み合わせを変えることで超音波の指向性を制御することができる物体検出装置を低コストで実現できる。
　また、上述の物体検出装置において、前記３つ以上の電極のうち、前記電圧印加電極と前記グランド電極との組み合わせと、発生する超音波の指向性と、の対応関係情報を記憶する記憶部を備え、前記送信部は、前記対応関係情報を参照して前記切替部を制御して前記振動子から超音波を送信する。
　このような構成により、記憶部に記憶させた対応関係情報を用いて、３つ以上の電極から、超音波発生指示における指向性に対応する電圧印加電極とグランド電極との組み合わせを選択することができる。
　また、上述の物体検出装置において、前記記憶部は、前記対応関係情報として、前記３つ以上の電極のうち、２つ以上の指向性の超音波を発生させる場合の前記電圧印加電極と前記グランド電極との組み合わせと、前記２つ以上の指向性と、の対応関係情報を記憶しており、前記送信部は、発生させる超音波の２つ以上の指向性の情報を含む超音波発生指示を受けた場合に、前記対応関係情報を参照し、前記３つ以上の電極から、前記超音波発生指示における２つ以上の指向性に対応する前記電圧印加電極と前記グランド電極との組み合わせを選択して、前記電圧印加電極に交流電圧を印加して２つ以上の指向性の超音波を発生させるように前記切替部を制御して前記振動子から超音波を送信する。
　このような構成により、３つ以上の電極から電圧印加電極とグランド電極との組み合わせを選択することで、２つ以上の指向性の超音波を発生させることができる。
　また、上述の物体検出装置において、前記送信部は、前記２つ以上の指向性の超音波を、周波数、位相および振幅の少なくともいずれかを異ならせて発生させる制御を行い、前記受信部は、その直後に前記振動子を介して超音波を検出した場合に、検出した超音波の周波数、位相および振幅のうち異ならせたものに基づいて、当該超音波が前記２つ以上の指向性の超音波のいずれの反射波であったのかを特定する。
　このような構成により、２つ以上の指向性の超音波の反射波を検出した場合に、周波数や位相や振幅に基づいて、反射波が２つ以上の指向性の超音波のいずれの反射波であるのかを特定することができる。
　また、上述の物体検出装置において、前記送信部は、前記２つ以上の指向性を持つ超音波を同時送信し、前記受信部は、その直後に前記振動子を介して超音波を検出した場合に、検出した超音波の周波数、位相および振幅のうち異ならせたものに基づいて、当該超音波が前記２つ以上の指向性の超音波のいずれの反射波であったのかを特定する。
　このような構成により、２つ以上の指向性を持つ超音波を同時に発生させることができる。
図１は、第１実施形態の物体検出システムを備えた車両を上方から見た外観の模式図である。 図２は、第１実施形態のＥＣＵおよび物体検出装置の概略的なハードウェア構成を模式的に示すブロック図である。 図３は、第１実施形態の振動子の概観を示す模式図である。 図４は、第１実施形態の振動子から発生する超音波の指向性の説明図である。 図５は、第１実施形態の物体検出装置が物体までの距離を検出するために利用する技術の概要の説明図である。 図６は、第１実施形態の物体検出装置の詳細な構成を模式的に示すブロック図である。 図７は、第１実施形態の指向性対応情報を示す図である。 図８は、第１実施形態の物体検出システムが実行する処理を示すフローチャートである。 図９は、第２実施形態の送信波対応情報を示す図である。
　以下、本開示の実施形態（第１実施形態、第２実施形態）について図面を参照して説明する。以下に記載する実施形態の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および効果は、あくまで一例であって、本発明は以下の記載内容に限定されるものではない。
＜第１実施形態＞
　図１は、第１実施形態の物体検出システムを備えた車両を上方から見た外観の模式図である。第１実施形態の物体検出システムは、超音波の送受信を行い、当該送受信の時間差などを利用することで、周囲に存在する物体（例えば後述する図２に示される障害物Ｏ）に関する情報を検知する車載センサシステムである。
　より具体的には、図１に示されるように、第１実施形態の物体検出システムは、車載制御装置としてのＥＣＵ（Electronic　Control　Unit）１００と、車載ソナーとしての物体検出装置２０１～２０４と、を備えている。ＥＣＵ１００は、一対の前輪３Ｆと一対の後輪３Ｒとを含んだ四輪の車両１の内部に搭載されており、物体検出装置２０１～２０４は、車両１の外装に搭載されている。
　図１に示される例では、一例として、物体検出装置２０１～２０４が、車両１の外装としての車体２の後端部（リヤバンパ）において、互いに異なる位置に設置されているが、物体検出装置２０１～２０４の設置位置は、図１に示される例に限定されるものではない。例えば、物体検出装置２０１～２０４は、車体２の前端部（フロントバンパ）に設置されてもよいし、車体２の側面部に設置されてもよいし、後端部、前端部、および側面部のうち２つ以上に設置されてもよい。
　なお、第１実施形態において、物体検出装置２０１～２０４が有するハードウェア構成および機能は、それぞれ同一である。したがって、以下では、説明の簡潔化のため、物体検出装置２０１～２０４を総称して「物体検出装置２００」（超音波発生装置の一例）と記載することがある。また、第１実施形態において、物体検出装置２００の個数は、図１に示されるような４つに限定されるものではない。
　図２は、第１実施形態のＥＣＵ１００および物体検出装置２００の概略的なハードウェア構成を模式的に示すブロック図である。
　図２に示されるように、ＥＣＵ１００は、通常のコンピュータと同様のハードウェア構成を備えている。より具体的に、ＥＣＵ１００は、入出力装置１１０と、記憶装置１２０と、プロセッサ１３０と、を備えている。
　入出力装置１１０は、ＥＣＵ１００と外部（図１に示される例では物体検出装置２００）との間における情報の送受信を実現するためのインターフェースである。
　記憶装置１２０は、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）やＲＡＭ（Random　Access　Memory）などといった主記憶装置、および／または、ＨＤＤ（Hard　Disk　Drive）やＳＳＤ（Solid　State　Drive）などといった補助記憶装置を含んでいる。
　プロセッサ１３０は、ＥＣＵ１００において実行される各種の処理を司る。プロセッサ１３０は、例えばＣＰＵ（Central　Processing　Unit）などといった演算装置を含んでいる。プロセッサ１３０は、記憶装置１２０に記憶されたコンピュータプログラムを読み出して実行することで、例えば自動駐車などといった各種の機能を実現する。
　一方、図２に示されるように、物体検出装置２００は、送受波器２１０と、制御部２２０と、を備えている。
　送受波器２１０は、圧電素子などにより構成された振動子２１１（超音波センサの一例）と、切替部２１２と、を有しており、振動子２１１により、超音波の送受信を行う。
　より具体的には、送受波器２１０は、振動子２１１の振動に応じて発生する超音波を送信波として送信し、当該送信波として送信された超音波が外部に存在する物体で反射されて戻ってくることでもたらされる振動子２１１の振動を受信波として受信する。図２に示される例では、送受波器２１０からの超音波を反射する物体として、路面ＲＳ上に設置された障害物Ｏが例示されている。
　ここで、図３は、第１実施形態の振動子２１１の概観を示す模式図である。振動子２１１は、９枚（３×３枚）の上部電極４ａ～４ｉ（第１の面に配された電極）と、配線５ａ～５ｉと、圧電体６と、下部電極７（第２の面に配された電極）と、配線８と、を備える。なお、９枚の上部電極４ａ～４ｉと下部電極７は、３つ以上の電極の一例であり、以下では合わせて「１０枚の電極」とも称する。また、配線５ａ～５ｉと配線８を「１０本の配線」とも称する。
　９枚の上部電極４ａ～４ｉは、圧電体６の上部側の表面の異なる領域に設けられ、互いに電気的に絶縁されている。配線５ａ～５ｉは、それぞれ、上部電極４ａ～４ｉに対して設けられている。
　圧電体６は、交流電圧が印加されると圧電効果により振動して超音波を発生する。
　下部電極７は、圧電体６の下部側の表面に設けられている。配線８は、下部電極７に対して設けられている。
　つまり、図３の例は、３つ以上の電極のうち、圧電体６の第１の面に少なくとも２以上の電極が配されるとともに、第１の面と対向する第２の面に少なくとも１以上の電極が配される場合の一例である。この場合、プロセッサ２２３は、第１の面に配された電極のうち少なくとも１以上の電極を電圧印加電極として選択するとともに、第２の面に配された電極をグランド電極として選択する。そして、プロセッサ２２３は、第１の面に配された電極のうち電圧印加電極とする電極を切り替えることにより、発生する超音波の指向性を制御する（詳細は後述）。
　図２に戻って、制御部２２０は、通常のコンピュータと同様のハードウェア構成を備えている。より具体的には、制御部２２０は、入出力装置２２１と、記憶装置２２２と、プロセッサ２２３と、を備えている。
　入出力装置２２１は、制御部２２０と外部（図１に示される例ではＥＣＵ１００および送受波器２１０）との間における情報の送受信を実現するためのインターフェースである。
　記憶装置２２２は、ＲＯＭやＲＡＭなどといった主記憶装置、および／または、ＨＤＤやＳＳＤなどといった補助記憶装置を含んでいる。記憶装置２２２は、例えば、指向性対応情報２３０を記憶する。指向性対応情報２３０は、１０枚の電極のうち、交流電圧を印加する電極である電圧印加電極とグランド電位にする電極であるグランド電極との組み合わせと、発生する超音波の指向性と、の対応関係情報の一例である。
　ここで、図７は、第１実施形態の指向性対応情報２３０を示す図である。指向性対応情報２３０では、超音波の出力方向や広がり方に関する情報である指向性情報ごとに、電圧印加電極とグランド電極の組み合わせが対応付けられている。一例として、上部電極４ａ（図３）を電圧印加電極とし、残りの９枚の電極をグランド電極とする組み合わせが考えられる。電圧印加電極とグランド電極の組み合わせが異なれば、圧電体６に対する電圧のかかり方が異なって、圧電体６の振動する場所が異なるので、圧電体６から発生する超音波の指向性も異なる。なお、グランド電極は、複数であってもよいし、１つであってもよい。また、電圧印加電極とグランド電極のいずれでもない電極は絶縁状態にする。
　また、振動子２１１から発生する超音波の出力方向は、図３において、おおよそ符号Ｄで示す方向である。ここで、図４は、第１実施形態の振動子から発生する超音波の指向性の説明図である。電圧印加電極とグランド電極の組み合わせによって、圧電体６から発生する超音波の出力方向は符号Ｄ１～Ｄ３に例示するように、様々な方向に変わりえる。また、超音波の広がり方も様々に変わりえる。そして、例えば、予め実験によって、図７に示すような指向性対応情報２３０を作成しておくことができる。
　図２に戻って、プロセッサ２２３は、制御部２２０において実行される各種の処理を司る。プロセッサ２２３は、例えばＣＰＵなどといった演算装置を含んでいる。プロセッサ２２３は、記憶装置２２２に記憶されたコンピュータプログラムを読み出して実行することで、各種の機能を実現する。
　プロセッサ２２３は、例えば、ＥＣＵ１００から、発生させる超音波の指向性の情報を含む超音波発生指示を受けた場合に、指向性対応情報２３０を参照し、１０枚の電極から、超音波発生指示における指向性に対応する電圧印加電極とグランド電極との組み合わせを選択して、電圧印加電極に交流電圧を印加して超音波を発生させる制御を行う。
　なお、電圧印加電極とグランド電極の組み合わせが決まった場合、切替部２１２は、プロセッサ２２３からの指示により、１０本の配線のうち、電圧印加電極に対応する配線を電源に接続する切り替えを行うとともに、グランド電極に対応する配線をグランドに接続する切り替えを行い、さらに、その他の配線を絶縁状態とする切り替えを行う。
　第１実施形態の物体検出装置２００は、いわゆるＴＯＦ（Time　Of　Flight）法と呼ばれる技術により、物体までの距離を検出する。ＴＯＦ法とは、送信波が送信された（より具体的には送信され始めた）タイミングと、受信波が受信された（より具体的には受信され始めた）タイミングとの差を考慮して、物体までの距離を算出する技術である。
　ここで、図５は、第１実施形態の物体検出装置２００が物体までの距離を検出するために利用する技術の概要の説明図である。より具体的には、図５は、第１実施形態の物体検出装置２００が送受信する超音波の信号レベル（例えば振幅）の時間変化をグラフ形式で例示的かつ模式的に示した図である。図５に示されるグラフにおいて、横軸は、時間に対応し、縦軸は、物体検出装置２００が送受波器２１０（振動子２１１）を介して送受信する信号の信号レベルに対応する。
　図５に示されるグラフにおいて、実線Ｌ１１は、物体検出装置２００が送受信する信号の信号レベル、つまり振動子２１１の振動の度合の時間変化を表す包絡線の一例を表している。この実線Ｌ１１からは、振動子２１１がタイミングｔ０から時間Ｔａだけ駆動されて振動することで、タイミングｔ１で送信波の送信が完了し、その後タイミングｔ２に至るまでの時間Ｔｂの間は、慣性による振動子２１１の振動が減衰しながら継続する、ということが読み取れる。したがって、図５に示されるグラフにおいては、時間Ｔｂが、いわゆる残響時間に対応する。
　実線Ｌ１１は、送信波の送信が開始したタイミングｔ０から時間Ｔｐだけ経過したタイミングｔ４で、振動子２１１の振動の度合が、一点鎖線Ｌ２１で表される所定の閾値Ｔｈ１を超えるピークを迎える。この閾値Ｔｈ１は、振動子２１１の振動が、検知対象の物体（例えば図２に示される障害物Ｏ）により反射されて戻ってきた送信波としての受信波の受信によってもたらされたものか、または、検体対象外の物体（例えば図２に示される路面ＲＳ）により反射されて戻ってきた送信波としての受信波の受信によってもたらされたものか、を識別するために予め設定された値である。
　なお、図５には、閾値Ｔｈ１が時間経過によらず変化しない一定値として設定された例が示されているが、第１実施形態において、閾値Ｔｈ１は、時間経過とともに変化する値として設定されてもよい。
　ここで、閾値Ｔｈ１を超えたピークを有する振動は、検知対象の物体により反射されて戻ってきた送信波としての受信波の受信によってもたらされたものだとみなすことができる。一方、閾値Ｔｈ１以下のピークを有する振動は、検知対象外の物体により反射されて戻ってきた送信波としての受信波の受信によってもたらされたものだとみなすことができる。
　したがって、実線Ｌ１１からは、タイミングｔ４における振動子２１１の振動が、検知対象の物体により反射されて戻ってきた送信波としての受信波の受信によってもたらされたものである、ということが読み取れる。
　なお、実線Ｌ１１においては、タイミングｔ４以降で、振動子２１１の振動が減衰している。したがって、タイミングｔ４は、検知対象の物体により反射されて戻ってきた送信波としての受信波の受信が完了したタイミング、換言すればタイミングｔ１で最後に送信された送信波が受信波として戻ってくるタイミング、に対応する。
　また、実線Ｌ１１においては、タイミングｔ４におけるピークの開始点としてのタイミングｔ３は、検知対象の物体により反射されて戻ってきた送信波としての受信波の受信が開始したタイミング、換言すればタイミングｔ０で最初に送信された送信波が受信波として戻ってくるタイミング、に対応する。したがって、実線Ｌ１１においては、タイミングｔ３とタイミングｔ４との間の時間ΔＴが、送信波の送信時間としての時間Ｔａと等しくなる。
　上記を踏まえて、ＴＯＦ法により検知対象の物体までの距離を求めるためには、送信波が送信され始めたタイミングｔ０と、受信波が受信され始めたタイミングｔ３と、の間の時間Ｔｆを求めることが必要となる。この時間Ｔｆは、タイミングｔ０と、受信波の信号レベルが閾値Ｔｈ１を超えたピークを迎えるタイミングｔ４と、の差分としての時間Ｔｐから、送信波の送信時間としての時間Ｔａに等しい時間ΔＴを差し引くことで求めることができる。
　また、超音波を反射した物体が、検知対象の物体（例えば図２に示される障害物Ｏ）か、検体対象外の物体（例えば図２に示される路面ＲＳ）かを調べるときなどに、振動子２１１から発生させる超音波の指向性を制御（変更）したい場合がある。
　しかしながら、超音波の指向性を制御するために、複数の超音波センサを用いると、コストが高くなるという問題がある。そこで、第１実施形態では、単一の超音波センサ（振動子２１１）で超音波の指向性を制御することで、低コストを実現する。
　図６は、第１実施形態の物体検出装置２００の詳細な構成を模式的に示すブロック図である。なお、図６には、送信側の構成（送信部）と受信側の構成（受信部）とが分離された状態で図示されているが、このような図示の態様は、あくまで説明の便宜のためのものである。したがって、第１実施形態では、前述したように、送信波の送信と受信波の受信との両方が単一の送受波器２１０により実現される。ただし、第１実施形態の技術は、送信側の構成と受信側の構成とが分離された構成にも適用可能である。
　また、第１実施形態において、図６に示される構成のうち少なくとも一部は、ハードウェアとソフトウェアとの協働の結果、より具体的には、物体検出装置２００のプロセッサ２２３が記憶装置２２２からコンピュータプログラムを読み出して実行した結果として実現される。ただし、第１実施形態では、図６に示される構成のうち少なくとも一部が、専用のハードウェア（回路：circuitry）によって実現されてもよい。
　まず、物体検出装置２００の送信側の構成について簡単に説明する。
　図６に示されるように、物体検出装置２００は、送信側の構成として、送信制御部４３０と、送波器４１１と、符号生成部４１２と、搬送波出力部４１３と、乗算器４１４と、増幅回路４１５と、を備えている。
　送波器４１１は、前述した振動子２１１によって構成され、振動子２１１により、増幅回路４１５から出力される（増幅された）送信信号に応じた送信波を送信する。
　ここで、第１実施形態において、送波器４１１は、以下に説明する構成に基づき、送信波を、所定の符号長の識別情報を含むように符号化した上で送信する。
　符号生成部４１２は、例えば０または１のビットの連続からなるビット列の符号に対応したパルス信号を生成する。なお、ビット列の長さは、送信信号に付与される識別情報の符号長に対応する。符号長は、例えば図１に示される４つの物体検出装置２００の各々から送信される送信波を互いに識別可能な程度の長さに設定される。
　搬送波出力部４１３は、識別情報を付与する対象の信号としての搬送波を出力する。例えば、搬送波出力部４１３は、搬送波として、所定の周波数の正弦波を出力する。
　乗算器４１４は、符号生成部４１２からの出力と、搬送波出力部４１３からの出力と、を乗算することで、識別情報を付与するように搬送波を変調する。そして、乗算器４１４は、識別情報が付与された変調後の搬送波を、送信波のもととなる送信信号として、増幅回路４１５に出力する。なお、第１実施形態において、変調方式は、例えば振幅変調方式や位相変調方式などといった、一般的によく知られた複数の変調方式の単独または２以上の組み合わせが用いられうる。
　増幅回路４１５は、乗算器４１４から出力される送信信号を増幅し、増幅後の送信信号を送波器４１１に出力する。
　また、図３も併せて参照し、送信制御部４３０（プロセッサ２２３）は、ＥＣＵ１００から、発生させる超音波の指向性の情報を含む超音波発生指示を受けた場合に、指向性対応情報２３０を参照し、１０枚の電極から、超音波発生指示における指向性に対応する電圧印加電極とグランド電極との組み合わせを選択する。そして、送信制御部４３０は、送波器４１１（振動子２１１）における電圧印加電極とグランド電極との組み合わせに応じて、切替部２１２を制御して、１０本の配線のうち、電圧印加電極に対応する配線を電源に接続する切り替えを行うとともに、グランド電極に対応する配線をグランドに接続する切り替えを行い、さらに、その他の配線を絶縁状態とする切り替えを行う。
　このような構成により、第１実施形態において、送信制御部４３０、切替部２１２、符号生成部４１２、搬送波出力部４１３、乗算器４１４、増幅回路４１５、および送波器４１１を用いて、所定の識別情報が付与された送信波（超音波）を送信するとともに、送信派の指向性を制御することができる。
　次に、物体検出装置２００の受信側の構成について簡単に説明する。
　図６に示されるように、物体検出装置２００は、受信側の構成として、受波器４２１と、増幅回路４２２と、フィルタ処理部４２３と、相関処理部４２４と、包絡線処理部４２５と、閾値処理部４２６と、検出処理部４２７と、を備えている。
　受波器４２１は、前述した振動子２１１によって構成され、振動子２１１により、物体により反射された送信波を受信波として受信する。
　増幅回路４２２は、受波器４２１が受信した受信波に応じた信号としての受信信号を増幅する。
　フィルタ処理部４２３は、増幅回路４２２により増幅された受信信号にフィルタリング処理を施し、ノイズを低減する。なお、第１実施形態において、フィルタ処理部４２３は、送信信号の周波数に関する情報を取得し、当該送信信号の周波数と整合をとるような周波数の補正（例えば、特定の周波数を通過させるバンドパスフィルタを用いた補正や、ドップラーシフトによる周波数遷移に対する補正など）を受信信号に対してさらに施してもよい。
　相関処理部４２４は、例えば送信側の構成から取得される送信信号と、フィルタ処理部４２３によるフィルタリング処理後の受信信号と、に基づいて、送信波と受信波との識別情報の類似度に対応した相関値を取得する。相関値は、一般的によく知られた相関関数などに基づいて取得することが可能である。
　包絡線処理部４２５は、相関処理部４２４により取得された相関値に対応した信号の波形の包絡線を求める。
　閾値処理部４２６は、包絡線処理部４２５により求められた包絡線の値と、所定の閾値と、を比較する。
　検出処理部４２７は、閾値処理部４２６による比較結果に基づいて、受信波の信号レベルが閾値を超えたピークを迎えるタイミング（図５に示されるタイミングｔ４）を特定し、ＴＯＦ法により、物体までの距離を検出する。
　以上の構成に基づき、第１実施形態の物体検出システムは、次の図８に示されるような処理を実行する。図８に示される一連の処理は、例えば所定の制御周期で繰り返し実行されうる。図８は、第１実施形態の物体検出システムが実行する処理を示すフローチャートである。
　図８に示されるように、第１実施形態では、まず、Ｓ１において、送信制御部４３０（図６）は、ＥＣＵ１００から、発生させる超音波の指向性の情報を含む超音波発生指示を受けた場合に、指向性対応情報２３０を参照し、１０枚の電極から、超音波発生指示における指向性に対応する電圧印加電極とグランド電極との組み合わせを選択し、その組み合わせに応じて、切替部２１２を制御して、１０本の配線のうち、電圧印加電極に対応する配線を電源に接続する切り替えを行うとともに、グランド電極に対応する配線をグランドに接続する切り替えを行い、さらに、その他の配線を絶縁状態とする切り替えを行う。
　次に、Ｓ２において、物体検出装置２００の送波器４１１は、所定の識別情報が付与された送信波を送信する。
　次に、Ｓ３において、物体検出装置２００の受波器４２１は、Ｓ２で送信された送信波に応じた受信波を受信する。そして、物体検出装置２００の相関処理部４２４は、例えばＥＣＵ１００の制御のもとで、送信波と受信波との識別情報の類似度に応じた相関値の取得を開始する。
　次に、Ｓ５において、包絡線処理部４２５による処理と閾値処理部４２６による処理の後、検出処理部４２７は、ＴＯＦ法により、物体までの距離を検出する。
　このように、第１実施形態の物体検出システムにおいて、振動子２１１と切替部２１２を備える送受波器２１０によれば、１０枚の電極のうち電圧印加電極とグランド電極との組み合わせを変えることで超音波の指向性を制御することができるので、超音波の指向性の制御を低コストで実現できる。
　そして、超音波の指向性を制御できるので、例えば、反射波が路面の反射波か障害物の反射波かを特定したい場合に、超音波の指向性を制御することで有力な情報を取得できる。反射波を特定できれば、後段処理においても、余計な情報（路面の反射波）に対するフィルタ処理などの時間を削減できる。
　また、上部電極４ａ～４ｉ（図３）について、９分割とし、真ん中の上部電極４ｅも電圧印加電極やグランド電極として選択可能としたことで、圧電体６に対する電圧のかかり方をより多様化させ、圧電体６から発生する超音波の指向性もより多様化させることができる。
　また、対向する２面に電極を配置することで、３面以上に電極を配置する場合と比較して指向性を制御しやすくなり、設計コストを低減できる。
　なお、振動子は、振動するために、所定以上のサイズが必要である。したがって、従来技術において、超音波の指向性を制御するために複数の振動子を用いる場合には、所定以上のサイズの振動子を複数用いる必要が生じ、コストが高くなる。一方、第１実施形態の技術によれば、単一の振動子２１１で超音波の指向性を制御できるので、低コストで済む。
＜第２実施形態＞
　次に、第２実施形態について説明する。第１実施形態と同様の事項については説明を適宜省略する。第２実施形態では、振動子２１１から２つ以上の指向性の超音波を同時に発生させる場合について説明する。
　図７に示す指向性対応情報２３０は、１０枚の電極のうち、２つ以上の指向性の超音波を発生させる場合の電圧印加電極とグランド電極との組み合わせと、その２つ以上の指向性と、の対応関係情報を記憶する。
　そして、制御部２２０（図２）は、ＥＣＵ１００から、発生させる超音波の２つ以上の指向性の情報を含む超音波発生指示を受けた場合に、指向性対応情報２３０を参照し、３つ以上の電極から、超音波発生指示における２つ以上の指向性に対応する電圧印加電極とグランド電極との組み合わせを選択して、電圧印加電極に交流電圧を印加して２つ以上の指向性の超音波を発生させる制御を行う。
　また、その場合に、制御部２２０は、２つ以上の指向性の超音波を、周波数と位相の少なくともいずれかを異ならせて発生させる制御を行い、その直後に送受波器２１０を介して超音波を検出した場合に、検出した超音波の周波数と位相のうち異ならせたものに基づいて、当該超音波が２つ以上の指向性の超音波のいずれの反射波であったのかを特定する。
　図９は、第２実施形態の送信波対応情報を示す図である。送信波対応情報は、記憶装置２２２（図２）に記憶される。図９に示すように、同時に発生させる２つの指向性の超音波を送信波１，２とすると、送信波１，２に対して、別々の周波数と位相を対応付けておく。そうすれば、制御部２２０は、その２つの指向性の超音波を発生させた直後に、送受波器２１０を介して超音波を検出した場合に、検出した超音波の周波数と位相に基づいて、当該超音波が２つの指向性の超音波のいずれの反射波であったのかを特定することができる。
　このようにして、第２実施形態によれば、３つ以上の電極から電圧印加電極とグランド電極との組み合わせを選択することで、２つ以上の指向性の超音波を同時に発生させることができる。
　また、２つ以上の指向性の超音波の反射波を検出した場合に、周波数や位相に基づいて、反射波が２つ以上の指向性の超音波のいずれの反射波であるのかを特定することができる。
　そして、２つ以上の指向性を持つ超音波を同時送信し、受信時に元の超音波を特定することで、複数の反射点が存在する障害物に対して発生するマルチパスによる信号強度の急激な低下を抑制することができる。
　以上、本開示の実施形態および変形例を説明したが、上述した実施形態および変形例はあくまで例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上述した新規な実施形態および変形例は、様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上述した実施形態および変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
　例えば、上部電極４について、上述の実施形態では全体も個別電極も矩形で９分割した例について説明したが、これに限定されない。全体や個別電極は矩形以外の形状（三角形、円形等）であってもよいし、分割数も９以外であってもよい。
　また、下部電極７を２つ以上の電極に分割してもよい。
　また、指向性対応情報２３０（対応関係情報）は、物体検出装置２００の外部の記憶装置で記憶してもよい。
　１…車両、４…上部電極、５…配線、６…圧電体、７…下部電極、８…配線、１００…ＥＣＵ、２００…物体検出装置、２１０…送受波器、２１１…振動子、２１２…切替部、２２０…制御部、２２１…入出力装置、２２２…記憶装置、２２３…プロセッサ、２３０…指向性対応情報 
 

Claims (11)

  1. 　交流電圧が印加されると圧電効果により振動して超音波を発生する圧電体、および、前記圧電体の表面の異なる領域に設けられた３つ以上の電極を備える振動子と、
    　発生させる超音波の指向性の情報を含む超音波発生指示を受けた場合に、前記３つ以上の電極から、前記超音波発生指示における指向性に対応する、交流電圧を印加する電極である電圧印加電極と、グランド電位にする電極であるグランド電極と、の組み合わせを選択して、前記電圧印加電極に交流電圧を印加して超音波を発生させる制御を行う制御部と、を備える超音波発生装置。
  2. 　前記３つ以上の電極のうち、前記電圧印加電極と前記グランド電極との組み合わせと、発生する超音波の指向性と、の対応関係情報を記憶する記憶部と、を備え、
    　前記制御部は、前記対応関係情報を参照して前記超音波を発生させる制御を行う、請求項１に記載の超音波発生装置。
  3. 　前記記憶部は、前記対応関係情報として、前記３つ以上の電極のうち、２つ以上の指向性の超音波を発生させる場合の前記電圧印加電極と前記グランド電極との組み合わせと、前記２つ以上の指向性と、の対応関係情報を記憶しており、
    　前記制御部は、発生させる超音波の２つ以上の指向性の情報を含む超音波発生指示を受けた場合に、前記対応関係情報を参照し、前記３つ以上の電極から、前記超音波発生指示における２つ以上の指向性に対応する前記電圧印加電極と前記グランド電極との組み合わせを選択して、前記電圧印加電極に交流電圧を印加して２つ以上の指向性の超音波を発生させる制御を行う、請求項２に記載の超音波発生装置。
  4. 　前記制御部は、前記２つ以上の指向性を持つ超音波を同時送信する、請求項３に記載の超音波発生装置。
  5. 　前記３つ以上の電極のうち、前記圧電体の第１の面に少なくとも２以上の電極が配されるとともに、前記第１の面と対向する第２の面に少なくとも１以上の電極が配され、
    　前記制御部は、前記第１の面に配された電極のうち少なくとも１以上の電極を前記電圧印加電極として選択するとともに、前記第２の面に配された電極を前記グランド電極として選択し、
    　前記制御部は、前記第１の面に配された電極のうち前記電圧印加電極とする電極を切り替えることにより、発生する超音波の指向性を制御する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波発生装置。
  6. 　交流電圧が印加されると圧電効果により振動して超音波を発生する圧電体と、
    　前記圧電体の表面の異なる領域に設けられた３つ以上の電極であって、選択される、交流電圧を印加する電極である電圧印加電極とグランド電位にする電極であるグランド電極との組み合わせによって、発生する超音波の指向性が異なる、前記３つ以上の電極と、を備える振動子。
  7. 　送信部にて振動子から超音波を送信し、受信部にて前記振動子により前記超音波の反射波を受信する物体検出装置において、
    　前記振動子は、
    　交流電圧が印加されると圧電効果により振動して超音波を発生する圧電体と、
    　前記圧電体の表面の異なる領域に設けられた３つ以上の電極であって、選択される、交流電圧を印加する電極である電圧印加電極とグランド電位にする電極であるグランド電極との組み合わせによって、発生する超音波の指向性が異なる、前記３つ以上の電極と、を備え、
    　前記送信部は、前記電圧印加電極と前記グランド電極との組み合わせを変更する切替部を備え、
    　前記受信部は、増幅回路およびフィルタ処理部を備え、
    　前記フィルタ処理部は、送信信号の周波数に関する情報を取得し、受信信号に対して当該送信信号の周波数と整合をとるような周波数の補正を行う、物体検出装置。
  8. 　前記３つ以上の電極のうち、前記電圧印加電極と前記グランド電極との組み合わせと、発生する超音波の指向性と、の対応関係情報を記憶する記憶部を備え、
    　前記送信部は、前記対応関係情報を参照して前記切替部を制御して前記振動子から超音波を送信する、請求項７に記載の物体検出装置。
  9. 　前記記憶部は、前記対応関係情報として、前記３つ以上の電極のうち、２つ以上の指向性の超音波を発生させる場合の前記電圧印加電極と前記グランド電極との組み合わせと、前記２つ以上の指向性と、の対応関係情報を記憶しており、
    　前記送信部は、発生させる超音波の２つ以上の指向性の情報を含む超音波発生指示を受けた場合に、前記対応関係情報を参照し、前記３つ以上の電極から、前記超音波発生指示における２つ以上の指向性に対応する前記電圧印加電極と前記グランド電極との組み合わせを選択して、前記電圧印加電極に交流電圧を印加して２つ以上の指向性の超音波を発生させるように前記切替部を制御して前記振動子から超音波を送信する、請求項８に記載の物体検出装置。
  10. 　前記送信部は、２つ以上の指向性の超音波を、周波数、位相および振幅の少なくともいずれかを異ならせて発生させる制御を行い、
    　前記受信部は、その直後に前記振動子を介して超音波を検出した場合に、検出した超音波の周波数、位相および振幅のうち異ならせたものに基づいて、当該超音波が前記２つ以上の指向性の超音波のいずれの反射波であったのかを特定する、請求項７に記載の物体検出装置。
  11. 　前記送信部は、前記２つ以上の指向性を持つ超音波を同時送信し、
    　前記受信部は、その直後に前記振動子を介して超音波を検出した場合に、検出した超音波の周波数、位相および振幅のうち異ならせたものに基づいて、当該超音波が前記２つ以上の指向性の超音波のいずれの反射波であったのかを特定する、請求項１０に記載の物体検出装置。
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