JP2005049301A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】超音波センサにおいて、比較的少ない演算量で検出対象物の方向と距離の検出精度の向上を図る。
【解決手段】各超音波発信素子から発信された波の合成波の密部分が生成される複数の方向を指向角として、それら指向角に合わせた各受信素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ毎の遅延時間を設定し、記憶されている各受信素子の音波信号を、指定角に合わせた各受信素子毎に設定された遅延時間だけシフトさせると共に加算する。この演算を複数の指向角方向について繰り返し行い、その結果から検出対象の方向を求める。こうして、合成波の密部分が生成される指向角に合わせた遅延時間を設定するようにしたので、音圧の高い特定の方向のみを計測することになる。
【選択図】図５

Description

本発明は、超音波発信素子と、この超音波発信素子から発信された超音波の検出対象からの反射波を受信する超音波受信素子とを備え、音波を使用して検出対象物までの距離と方向を計測する超音波センサに関する。

従来から、超音波発信素子より発信された音波が対象物により反射されて、超音波受信素子によって受信されるまでの時間（伝搬時間）を計測し、この伝搬時間と音速とに基づいて各方向における対象物までの距離の分布を計測することが一般に知られている。更に、アレイ状に配置された複数の超音波受信素子で受信した信号に対して、入射角と素子の位置関係に対応した時間だけ遅延させて演算処理することによって、任意の方向からの入射波だけを選択的に取り出すことが可能である。従って、機械的な可動部を使用せずに、電気的な信号処理のみによって角度方向に走査することで、対象物までの距離に関する情報を取得することが可能である（特許文献１参照）。

また、この種のアレイセンサにおいて、センサ正面方向の分解能を向上させ、側方の分解能を粗くすることで、視野の大きさを維持しながら、測定したい正面方向に重点を置くことが知られている（特許文献２参照）。
特開２００２−１５６４５１号公報 特開平９−１９２１３０号公報

ところが、特許文献１に示されるセンサ技術において、広い角度範囲に亘って計測する際に、細分化した角度に応じた遅延時間を設定して演算するとなると、計算量が膨大になり、逆に、任意の方向からの入射波だけを選択的に取り出すようにした場合、計算量は少なくて済むが、検出対象物の方向と距離の検出精度が低下する。特許文献２に示される方法においても、アレイ状に配置されたそれぞれの超音波送受信素子から発信された波の合成波において、必ずしも波が強めあう方向にアレイセンサの指向角が一致しておらず、それぞれの指向角に対する反射波の強度にばらつきが生じるため、認識精度に影響を及ぼすことが課題となる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、各超音波発信素子から発信された波の合成波において、波が強めあう方向にアレイセンサの指向角を合わせて、検出対象の方向すなわち角度を表す遅延量を決定し、各超音波受信素子が受信した音波信号を遅延加算することにより、比較的少ない演算量で検出対象物の方向と距離の検出精度の向上を図った超音波センサを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、アレイ状に配置された複数の超音波発信素子と、これら各超音波発信素子から発信された超音波の検出対象からの反射波を受信するアレイ状に配置された複数の超音波受信素子とを備えた超音波センサにおいて、前記各超音波受信素子の音波信号波形を記憶する記憶手段と、前記各超音波発信素子から発信された波の合成波の密部分が生成される複数の方向を指向角として、それら指向角に合わせた各受信素子毎の遅延時間を設定する遅延時間設定手段と、前記記憶手段に記憶されている各超音波受信素子の音波信号を、指定角に合わせた各受信素子毎に前記により設定された遅延時間だけシフトさせると共に加算する加算演算手段とを備え、前記加算演算手段による演算を複数の指向角方向について繰り返し行い、その結果から検出対象の方向を求めることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の超音波センサにおいて、各超音波発信素子に対する駆動信号の位相をずらせて入力し、各超音波発信素子による指向角を変更自在としたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１記載の超音波センサにおいて、超音波発信素子の素子間ピッチを変更することで指向性を変更することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３記載の超音波センサにおいて、超音波発信素子の素子間ピッチを縦方向と横方向とで非対称に変更することで指向性を変更することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項３記載の超音波センサにおいて、アレイ状に配置された複数の超音波発信素子の中から素子を間引いて選択駆動することで素子のピッチを変更することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項５記載の超音波センサにおいて、選択駆動される超音波発信素子に対する駆動エネルギー出力を大きくすることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１記載の超音波センサにおいて、複数の超音波発信素子及び複数の超音波受信素子を交互に配置することを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１記載の超音波センサにおいて、超音波発信素子の発信時間と超音波受信素子の受信時間との時間差に基づいて検出対象の距離を求める距離演算手段を備え、検出対象の距離が所定量以下の場合、前記遅延時間設定手段は、距離に応じた遅延時間を設定することを特徴とする。

本発明の超音波センサによれば、各超音波発信素子から発信された波の合成波の密部分が生成される複数の方向を指向角として、それら指向角に合わせた遅延時間を設定するようにしたので、音圧の高い特定の方向のみを計測することになり、演算量を増大することなく、検出対象物の方向と距離の検出精度が向上する。

以下、本発明の一実施形態による超音波センサについて、図面を参照して説明する。図１（ａ）（ｂ）は、それぞれ本実施形態による超音波センサを構成する超音波発信源及び超音波受信源の構成を示す。超音波発信源１及び超音波受信源２は、それぞれ基板上に複数の超音波発信素子及び複数の超音波受信素子がアレイ状に（本例では４×４）配置形成され、アレイセンサを成している。各超音波発信素子は、バルク型圧電セラミック等の振動子、各超音波受信素子は、シリコン基板上にＰＺＴ膜を形成し、シリコン異方性エッチングによりダイヤフラム構成とされ、圧電現象を利用して感度を高めたものとされている。

図２は、超音波センサの全体構成を示す。超音波センサは、所定周波数（例えば、２０〜１００ｋＨｚ程度）の音波を発する音源としての超音波発信源１と、それに近接して配置され、対象物による反射波を受信する超音波受信源２と、超音波発信源１での発信素子の駆動位相を制御する位相制御部４と、受信波形を記憶させる波形記憶部７（記憶手段）と、センサの指向角に合わせた各受信素子毎の遅延時間を設定する遅延部８（遅延時間設定手段）と、加算部９（加算演算手段）と、結果記憶部１０と、センサ各部をプログラムに基づいて制御するマイクロコンピュータ等の制御部３とを備える。

超音波発信源１は、断続的に超音波の単パルス又はパルス列を発信するように駆動される。一方、超音波受信源２には、発信された超音波の反射波（音波）が同時に複数の方向から入射される。いま、図４に示すように、超音波受信源２への入射波である反射波の波面の入射角が、１次元的に等間隔に並んでいる受信素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの面に対して角度θであるとする。反射波は複数の受信素子に到達するため、各受信素子はθに依存した時間だけ遅れた反射波を受信する。各受信素子の間隔をｄとすると、隣り合う受信素子の遅れ距離は ｄsinθ となる。従って、各受信素子の出力信号を同じ時間軸で見ると、各受信素子の位置に応じた時間遅れを有する波形となる。これを、角度θに対応する遅延時間又はパターンに設定した遅延部８を通すことにより、入射波の位相を揃えることができ、これらの遅延波形を加算処理することにより、一つの角度方向の入射波の波形を取り出すことができる。また、各受信素子での反射波到達時間から、その角度方向における検出対象までの距離を求めることができる。受信素子は１次元配置に限られず、２次元的配置によって２次元分布を得ることが可能である。

本発明は、上記のような遅延波形を加算処理することにより検出対象の方向を求める際に、特に、複数の超音波発信素子から発信された超音波が強めあう方向、すなわち波の合成波の密部分が生成される方向を指向角（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）としてアレイセンサの指向性を合わせることにより、反射音圧が大きくなって、Ｓ／Ｎ比が上がり、少ない演算量で方向検出の精度向上を図ったところに特徴がある。

本実施形態において、超音波発信源１の超音波発信素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、位相制御部４からの位相制御された信号により駆動され、各発信素子から出力された超音波の波は合成され、強めあった波の一部が検出対象Ｔにより反射され、超音波受信源２の各超音波受信素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで受信される。各超音波受信素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで受信された音波信号波形は、波形記憶部７に記憶させる。波形記憶部７に記憶されている各超音波受信素子の音波信号は、遅延部８により設定された、指向角Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３に合わせた各受信素子毎の遅延時間だけシフトさせると共に、シフト後の各超音波受信素子の信号を加算部９により加算し、合成波とする。制御部３は、上記の演算を複数の指向角方向について繰り返し行い、それら結果を記憶部１０に記憶させる。その結果から、合成波の振幅が最大となる指向角を検出対象物の存在方向として決定する。

上記超音波センサの各部について、まず、複数の超音波発信素子から出力された超音波の波が合成され、強めあった波が生成されることを説明する。図３に、説明を簡単にするために、超音波発信素子が２個（Ａ，Ｂ）の場合の波面を実線と破線で示した。ここで、実線及び破線の部分が超音波すなわち縦波の密の部分とすると、実線及び破線が重なった部分が合成波の密の部分となり、音圧が高くなるところになる。図３では実線矢印Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３は音圧が高くなる方向であり、破線矢印は音波が打ち消しあって音圧が０になる方向である。

いま、図４のように、反射波の波面が超音波受信源２に対して、受信素子が１次元的に等間隔に並んでいる面に対して、角度θで入射したとする。このとき、図５（ａ）のように、各受信素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの受信波形に時間差が生じる。上述したように、この時間差すなわち遅延量（時間）が入射角θに相当する。そこで、図５（ｂ）のように、各受信素子の信号波形毎に、Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３の各方向からの入射角に相当する第１、第２、第３の遅延時間（方向毎は勿論、素子毎に遅延時間は異なる）だけ信号波形をシフトさせ、これらシフトさせた信号波形を、図５（ｃ）のように、加算して各方向について合成波を得る。それら合成波の内の振幅が最大となる方向（入射角）に検出対象物が存在することが分かる。

検出対象物の存在方向を求めるための制御部３による処理手順を図６に示す。ここでは、音圧が高くなる３つの方向Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３（図３）からの入射角について計測を行う例を示している。各発信素子を駆動し（＃１）、反射波を受信した受信素子の出力信号波形を記憶させる（＃２）。次いで、各受信素子の信号波形毎に、Ｘ１方向からの入射角に相当する第１の遅延時間（素子毎に値は異なる）だけ信号波形をシフトさせ（＃３）、これらシフトさせた信号波形を加算して合成波を得て、これを記憶させる（＃４）。上記＃３，＃４と同等の処理を、Ｘ２、Ｘ３の各方向からの入射角に相当する第２、第３の遅延時間について行う（＃５，＃６、及び＃７，＃８）。その後、上記記憶させた結果から合成波の振幅が最大となる（Ｓ／Ｎ＝１０以上である）入射角を選択することで、その方向に検出対象物が存在することが判明する（＃９）。

以下、本実施形態の変形例を説明する。検出の角度分解能を上げるには、センサの指向角（音圧が高くなる方向）を適宜に変更可能にすることが好ましい。そのために、各超音波発信素子に対する駆動信号の位相をずらせて入力すると、波面の位相もずれるため、超音波発信源から発信された波の合成波における波が強めあう方向を変更することができる（請求項２）。図７（ａ）（ｂ）は、２個の各発信素子Ａ，Ｂに対する駆動信号の位相をずらせる前と後の、各素子から発信された波の合成波における波が強めあう方向Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３が変わることを示している。こうして、角度分解能を上げることで、互いの音圧の低い方向での検出を補間することができる。

次に、超音波発信素子の素子間ピッチを変更することで、音圧が高くなる方向とピークの数すなわち発信の指向性を変更することができる（請求項３）。図８（ａ）（ｂ）（ｃ）に、超音波発信素子の素子間ピッチＬが小さい場合（Ｌ＝ａ）と、大きい場合（Ｌ＝ｂ）の角度に対する音圧強度（波が強めあう方向）を示している。ここに、ａは約２．５ｍｍ、ｂは約５．０ｍｍである。こうして、前者では、ピークの数が少なく、粗サーチに適し、後者では、ピークの数が多く、詳細サーチに適するものとなる。

次に、超音波発信素子の素子間ピッチを非対称的に変更すれば、２次元で指向性を変更することができる（請求項４）。図９に示すように、素子間の縦・横ピッチを、Ｌ１＝ａ、Ｌ２＝ｂとすると、水平方向はピッチが細かく、鉛直方向はピッチが粗いという指向性が得られる。その結果、Ｘ軸方向とＹ軸方向の検出精度を変更することができる。

次に、アレイ状に配置された複数の超音波発信素子の中から素子を間引いて選択することで、機械的な駆動源を必要とせず、容易に素子間ピッチを変更することができる（請求項５）。図１０（ａ）（ｂ）には、アレイ状の超音波発信素子において選択駆動される素子を黒塗りで表している。（ａ）に対して（ｂ）の方が上下方向での素子間ピッチが大きくなる。

また、超音波発信素子の中から駆動される素子が間引かれたときに、素子に対する駆動信号出力を大きくすることで、Ｓ／Ｎ比の低下を防ぐことができる（請求項６）。図１１に示すように複数の超音波発信素子の中から素子が間引かれると、出力音圧が低下し、検出対象からの反射波の音圧も低下するため、超音波受信素子のＳ／Ｎが低下する。そこで、図１１の（ａ）から（ｂ）に示すように素子が間引かれたなら、選択された超音波発信素子に対する駆動エネルギーを、例えば、２倍とする。これにより、Ｓ／Ｎ比低下を防ぐ。

次に、図１２に示すように、複数の超音波発信素子及び複数の超音波受信素子を交互に配置し、発信側と受信側の中心軸を合わせた超音波発信・受信源１１とすることで、発信・受信の指向角を合わせ易いものとなる（請求項７）。このような超音波発信・受信源１１を用いることで、図１３に示すように、超音波の発信方向と反射波の方向とが一致するので、発信・受信の指向角を合わせ易く、かつ、Ｓ／Ｎ比も向上する。

次に、検出対象の遠近に対応して検出精度の向上を図る手法について説明する。検出対象が遠い場合は、反射波の波面は近似的に平面となるが、図１４に示すように、検出対象が近い場合は、反射波の波面は近似的に曲面となる。従って、先ず、反射波の平面近似の方法により検出対象が近いと判定された場合は、図１５に示すように、距離に応じた曲面近似の遅延量で、再度、遅延加算を行い、方向と距離の演算を行う（請求項８）。これにより、検出精度の向上が図れる。ここで、曲面近似の遅延量とは、各素子の信号波形をずらす遅延時間をスタート点を合わせて一定間隔で並べるとその長さ変化が曲面に沿うようになることを言う。さらに、曲面近似の遅延量を所定量ずらせることで、検知する方向を変化させることができ、そのような検知方向変化を与える遅延加算を繰り返し行い、遅延加算後の合成波の振幅が最大になる方向を求めることで、さらに方向と距離の検出精度を向上させることができる。

（ａ）（ｂ）は本実施形態による超音波センサを構成する超音波発信源及び超音波受信源の構成図。 本実施形態による超音波センサの全体構成図。 複数の超音波発信素子から出力された超音波の波が合成され、強めあった波が生成されることを説明する図。 反射波の波面が超音波受信源に対して角度θで入射する場合の説明図。 （ａ）は各受信素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの受信波形に時間差が生じる様子を示す図、（ｂ）は各受信素子の信号波形毎に各方向からの入射角に相当する遅延時間だけ信号波形をシフトさせた信号波形を示す図、（ｃ）は加算して各方向について合成波を得る様子を示す図。 検出対象物の存在方向を求めるための制御部による処理手順を示す図。 （ａ）（ｂ）は２個の各発信素子に対する駆動信号の位相をずらせる前と後の各素子から発信された波の合成波における波が強めあう方向が変わることを示す図。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は、超音波発信素子の素子間ピッチを変更することで発信指向性を変更することができることを示す図。 超音波発信素子の素子間ピッチを非対称的に変更する場合を示す図。 （ａ）（ｂ）は超音波発信素子の中から素子を間引いて選択することで素子間ピッチを変更することを示す図。 （ａ）（ｂ）は超音波発信素子の中から素子が間引かれた場合を示す図。 複数の超音波発信素子及び複数の超音波受信素子を交互に配置した図。 上記の発信源・受信源を用いた場合の動作の説明図。 検出対象が近い場合に反射波の波面が近似的に曲面となることを示す図。 距離に応じた曲面近似の遅延量で遅延加算を行うことの説明図。

符号の説明

１ 超音波発信源
２ 超音波受信源
３ 制御部
７ 波形記憶部（記憶手段）
８ 遅延部（遅延時間設定手段）
９ 加算部（加算演算手段）
１０ 結果記憶部

Claims (8)

1. アレイ状に配置された複数の超音波発信素子と、これら各超音波発信素子から発信された超音波の検出対象からの反射波を受信するアレイ状に配置された複数の超音波受信素子とを備えた超音波センサにおいて、
   前記各超音波受信素子の音波信号波形を記憶する記憶手段と、
   前記各超音波発信素子から発信された波の合成波の密部分が生成される複数の方向を指向角として、それら指向角に合わせた各受信素子毎の遅延時間を設定する遅延時間設定手段と、
   前記記憶手段に記憶されている各超音波受信素子の音波信号を、指定角に合わせた各受信素子毎に前記により設定された遅延時間だけシフトさせると共に加算する加算演算手段とを備え、
   前記加算演算手段による演算を複数の指向角方向について繰り返し行い、その結果から検出対象の方向を求めることを特徴とする超音波センサ。
2. 各超音波発信素子に対する駆動信号の位相をずらせて入力し、各超音波発信素子による指向角を変更自在としたことを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
3. 超音波発信素子の素子間ピッチを変更することで指向性を変更することを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
4. 超音波発信素子の素子間ピッチを縦方向と横方向とで非対称に変更することで指向性を変更することを特徴とする請求項３記載の超音波センサ。
5. アレイ状に配置された複数の超音波発信素子の中から素子を間引いて選択駆動することで素子のピッチを変更することを特徴とする請求項３記載の超音波センサ。
6. 選択駆動される超音波発信素子に対する駆動エネルギー出力を大きくすることを特徴とする請求項５記載の超音波センサ。
7. 複数の超音波発信素子及び複数の超音波受信素子を交互に配置することを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
8. 超音波発信素子の発信時間と超音波受信素子の受信時間との時間差に基づいて検出対象の距離を求める距離演算手段を備え、
   検出対象の距離が所定量以下の場合、前記遅延時間設定手段は、距離に応じた遅延時間を設定することを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
   

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