JP2006153588A - 傾斜角度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 直接波が受信できる状態の微量な付着物による超音波センサの特性変化も検出して、確実に車両等の傾斜角度を測定できる傾斜角度測定装置を得る。
【解決手段】 超音波を送受信する超音波センサを用いて傾斜角度を測定する傾斜角度測定装置において、送信用超音波センサ１，２および受信用超音波センサ３，４をそれぞれ送受信別体型となし、超音波センサの表面に付着する異物による超音波センサの位相特性の変化を検出するために、超音波センサが正常な状態の直接波の位相差を閾値として記憶するメモリと、超音波センサからの直接波の位相差を検出し、この検出された直接波の位相差と予め記憶されている閾値を比較して当該超音波センサの位相特性の変化を判別する位相同期検波回路８とを備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、超音波を送受信する超音波センサを用いて車両の傾斜角度を測定する傾斜角度測定装置に関し、特に、超音波センサの位相特性の変化を検出する位相差検出方式の傾斜角度測定装置に関するものである。

従来、障害物検出装置のように障害物からの反射波により障害物の有無と概略距離を検出する装置では、直接波の有無により、超音波センサが正常状態であるかを検出している（例えば、特許文献１参照）。
また、超音波センサのホーン内に付着した異物からの反射波を検出することにより、ホーン内の異物を検出し、異物の付着による超音波センサの誤動作を使用者に報知するものがある（例えば、特許文献２参照）。
さらに、超音波センサの残響時間を常に監視し、残響時間が一定期間以上となった場合に超音波センサへ異物が付着したことを検出するものもある。（例えば、特許文献３参照）。

特開２００２−１３１４２８号公報 特開昭６３−２７７７９号公報 特開昭６３−３３６８４号公報

しかしながら、位相差検出方式の傾斜角度検出装置においては、超音波センサ表面に付着する異物により、超音波センサ自身の特性変化が傾斜角度へ影響するため、上記特許文献１に記載されているような直接波の有無検出だけでは、直接波が受信できる状態の微量な付着物による超音波センサの特性変化を検出することはできないという問題点があった。
また、上記特許文献２に記載されているような反射波の有無検出だけでは、異物の付着物による超音波センサの特性変化を検出することはできないという問題点があった。

さらに、上記特許文献３に記載されているような、超音波センサの残響時間を常に監視し、残響時間が一定期間以上となった場合に超音波センサへ異物が付着したことを検出するものでは、送受一体型の超音波センサの場合、超音波センサの励振期間と残響期間を判断することは容易であるが、送受別体型の超音波センサにおいては、受信波から残響期間のみを検出することは容易ではなく、また、残響期間を確認することにより、超音波センサ自身の特性変化を検出するのも困難であるという問題点があった。

この発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、直接波が受信できる状態の微量な付着物による超音波センサの特性変化も検出して、確実に車両等の傾斜角度を測定できる傾斜角度測定装置を得ることを目的とする。

この発明に係る傾斜角度測定装置は、超音波センサの表面に付着する異物による超音波センサの位相特性の変化を検出する検出手段を設け、超音波を送受信する送信用および受信用超音波センサを送受信別体型となし、検出手段が、超音波センサが正常な状態の直接波の位相差を閾値として記憶する記憶手段と、超音波センサからの直接波の位相差を検出し、この検出された直接波の位相差と記憶されている閾値を比較して当該超音波センサの位相特性の変化を判別する位相変化判別手段とを備えたものである。

この発明は、直接波が受信できる状態の微量な付着物による超音波センサの特性変化を検出できる。よって、超音波センサ表面に付着した異物を容易に且つ確実に検出でき、傾斜角度の測定精度を向上できるという効果がある。

以下、この発明の実施の一形態を、図１〜図８を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による位相差検出方式の傾斜角度測定装置の構成を示すブロック図である。
図１において、この発明の実施の形態１による位相差検出方式の傾斜角度測定装置は、例えば車両後方部（バンパ１０）等に所定の間隔を持って取り付けられ、電気的エネルギーを機械的振動エネルギーへ変換し、路面１１に対して超音波を送信する送信用超音波センサ１，２と、これら送信用超音波センサ１，２とそれぞれ所定の間隔を持って相互に同一の距離となるように同じく車両後方部（バンパ１０）等に取り付けられ、送信用超音波センサ１，２より送信され路面１１にて反射してくる超音波（反射波）を受信すると共に、送信用超音波センサ１，２より直接送信される直接波を受信し、機械的振動エネルギーから電気的エネルギーへと変換する受信用超音波センサ３，４と、送信用超音波センサ１，２に対して超音波センサ駆動用信号を送出する送信手段としての送信回路５と、受信用超音波センサ３，４からの電気的エネルギーをそれぞれ受信し、増幅する受信手段としての受信回路６，７と、これら受信回路６，７からの受信信号に含まれる直接波の位相差を算出し、この算出した直接波の位相差と予め記憶手段としてのメモリ（図示せず）に閾値として記憶されている超音波センサ１〜４が正常な状態の直接波の位相差を比較して当該超音波センサの位相特性の変化を判別し、この判別結果から超音波センサ１〜４の表面に異物（泥・氷等）が付着していることを判断する位相変化判別手段としての位相同期検波回路８と、この位相同期検波回路８からの直接波の位相差と超音波の伝送速度と超音波センサ１，２および３，４間の距離に基づいて路面１１に対する車両の傾斜角度を算出する演算制御手段としての演算制御回路９とを備える。なお、位相同期検波回路８とメモリは、実質的に超音波センサの表面に付着する異物による超音波センサの位相特性の変化を検出する検出手段を構成する。

先ず、この発明の基本原理を説明する。
図２は、超音波センサ単品の正常時の電気的特性を示し、図３は、超音波センサの表面に異物（泥・氷など）付着した時の電気的特性を示す。
この図２および図３では、超音波センサ１〜４の励振交流波形に対するインピーダンス特性ａとその位相特性ｂを表わしており、超音波センサ１〜４は、インピーダンス特性が低い点（共振点）にて送信音圧を発しやすく、インピーダンス特性が高い点（反共振点）にて超音波を受信しやすく（受信感度が高い）、共振点と反共振点の間に位相の変化点を持つことが分かる。

位相差検出方式の傾斜角度測定装置は、この送受信時の位相を検出し傾斜角度を算出するもので、図２、図３から正常時と異物付着時では、超音波センサ１〜４を仮に２０ｋＨｚにて使用した場合、正常時約３０度、異物付着時約−４０度とその位相は大きく変化し、この差を見極めることにより、超音波センサ１〜４の異物付着を検出することができる。
然しながら、反射波の位相差は送受信用超音波センサ１〜４と路面１１との距離により変動することから一定値が選られず、そこで、この発明では、送受信用超音波センサ１〜４間の直接波の位相差を比較することにより、超音波センサ１〜４の特性変化を検出するものである。

図４および図５は、この送受信用超音波センサ１〜４間の直接波の位相差を用いる場合を概略的に示しており、図４において、受信用の超音波センサ３に対しては、送信用の超音波センサ１から超音波（送信波ｔ１）が送信されて路面１１にて反射してくる超音波（反射波ｒ１）の他に超音波センサ１から直接送信されてくる直接波ｄ１があり、同様に、受信用の超音波センサ４に対しては、送信用の超音波センサ２から超音波（送信波ｔ２）が送信されて路面１１にて反射してくる超音波（反射波ｒ２）の他に超音波センサ２から直接送信されてくる直接波ｄ２がある。
つまり、送信用の超音波センサ１，２からは、図５（ａ）に示すような超音波（送信波ｔ）がそれぞれ路面１１に向かって送信され、そして、この路面より図５（ｂ）に示すような超音波（反射波ｒ）がそれぞれ受信用の超音波センサ３，４で受信されるが、同時に同図に示すような直接波ｄが送信用の超音波センサ１，２と受信用の超音波センサ３，４の間でそれぞれ送受信される。

そこで、先ず、超音波センサ１〜４が正常な状態の直接波ｄの位相差を初期値（閾値）としてメモリ（図示せず）に予め記憶する。即ち、送信用の超音波センサ１，２から受信用の超音波センサ３，４への図５（ｃ）に示すように直接波ｄのクロックを基準クロックとし、この基準クロックに対して図５（ｄ）に示すような超音波センサ１〜４が正常な状態の直接波ｄの超音波センサ３，４による受信波形のクロックとの位相差を正常時の位相差Ｐｄ１（閾値）としてメモリに予め記憶する。なお、超音波センサ１〜４が正常な状態の直接波ｄの位相差を初期値（閾値）として記憶するのは、製品製造工程内で実施するか或いは、実際に使用する前の傾斜角度測定装置設置時に実施してもよい。

そして、図５（ｅ）に示すような直接波ｄの受信波形のクロックが受信用の超音波センサ３，４で受信された場合、受信した直接波の位相差と基準となる位相差Ｐｄ１（閾値）と比較し、この場合、図５（ｅ）に示す直接波の位相差は、閾値である位相差Ｐｄ１より大きな値の位相差Ｐｄ２であるので、このときの直接波ｄの受信波形は異常な位相差と判断し、超音波センサ１〜４のいずれかが例えば泥や氷等の異物の付着により位相が遅延したものと見なす。この直接波ｄの位相差の算出を、本実施所形態では、位相同期検波回路８で行うものである。

次に、動作について、図６のフローチャートを参照して説明する。
いま、送信回路５より送信用超音波センサ１，２に対して超音波センサ駆動用信号が送出されると（ステップＳＴ１）、送信用超音波センサ１，２は、入力された駆動用信号に応答して電気的エネルギー（電気信号）を機械的振動エネルギーへ変換し、路面１１に対して超音波を送信波として送信する。また、このとき送信用超音波センサ１，２からは直接波が受信用超音波センサ３，４に対してそれぞれ送信される（ステップＳＴ２）。この送信用超音波センサ１，２からの送信波は路面１１で反射して受信用超音波センサ３，４にそれぞれ反射波として受信され、機械的振動エネルギーから電気的エネルギーへと変換される。このとき、送信用超音波センサ１，２からの直接波も受信用超音波センサ３，４に直接受信され、機械的振動エネルギーから電気的エネルギーへと変換される（ステップＳＴ３）。この受信用超音波センサ３，４からの電気的エネルギーは受信回路６，７にそれぞれ供給され、ここで増幅されて位相同期検波回路８に供給される。

位相同期検波回路８では、超音波センサ１〜４の表面に対する異物付着の検出の際には、受信回路６，７からの受信信号に含まれる直接波の位相差を算出し（ステップＳＴ４）、その算出した直接波の位相差を上述の如く予めメモリに設定されている正常時の直接波の位相差を表す閾値と比較して超音波センサ１〜４の特性変化を検出し（ステップＳＴ５）、直接波の位相差が閾値内で超音波センサ１〜４の特性に変化がなければ、超音波センサ１〜４の表面に異物が付着されてなく正常であると判断し、その結果を演算制御回路９に出力する。

一方、直接波の位相差が閾値外で超音波センサ１〜４の特性に変化があれば、超音波センサ１〜４の表面に異物が付着されていて異常と判断し、このことを外部に表示または警報する（ステップＳＴ６）と共に、ステップＳＴ４に戻って、上述の動作を繰り返す。そして、超音波センサ１〜４の表面に異物が付着されてなく正常であると判断された後は、演算制御回路９は、位相同期検波回路８で算出した正常時の直接波の位相差と超音波の伝送速度と超音波センサ間の距離に基づいて路面に対する車両の傾斜角度を測定し（ステップＳＴ７）、一連の処理動作を終了する。

このようにして、本実施の形態では、超音波センサ表面に異物が付着することによる超音波センサの特性変化を、予め初期値（閾値）として記憶しておいた超音波センサが正常な状態の直接波の位相差と算出した直接波の位相差とを比較することで判別するようにしたので、直接波が受信できる状態の微量な付着物による超音波センサの特性変化も検出でき、確実に車両等の傾斜角度を測定でき、測定精度を向上できる。

実施の形態２．
なお、位相同期検波回路８で直接波の位相差の検出時、送信側超音波センサ１，２からの送信波のパルス数を増やして連続的に発信するようにしてもよい。すなわち、超音波センサ１〜４の異物付着を直接波の位相差により検出する際、通常送信回路５により断続的に駆動される送信側超音波センサ１，２を連続的に駆動させてもよく、これにより、直接波の位相差を確実に検出し、超音波センサの特性変化を効率よく検出できる。

実施の形態３．
また、傾斜角度検出用の制御期間以外に超音波センサ１〜４の位相特性の変化を検出する制御期間を設けてもよく、これは、システム立ち上げ時通常制御に定期的に混在させるなどその頻度は問わない。これにより、超音波センサの特性変化の検出精度を向上できる。

実施の形態４．
また、超音波センサ１〜４の特性変化検出時には、演算制御回路９で測定される傾斜角度の出力を停止するようにしてもよい。つまり、直接波の位相差を検出して超音波センサの位相特性の変化を検出することにより、超音波センサ１〜４の表面に異物が付着していると判断されたときには、演算制御回路９で測定された傾斜角度は正常値でないので、超音波センサ１〜４の特性が正常に復帰するまでは、演算制御回路９は、測定された傾斜角度の出力を停止するようにする。これにより、傾斜角度を正確に測定でき、測定精度を向上できる。

実施の形態５．
また、位相同期検波回路８で検出される直接波の位相差を用いて、演算制御回路９で測定される傾斜角度の補正をするようにしてもよい。即ち、位相同期検波回路８で直接波の位相差を検出し、超音波センサの位相特性の変化を判別することにより、超音波センサ１〜４に異物付着があると判明した場合には、検出された位相差と正常時の超音波センサ１〜４の位相差の差異を用いて、演算制御回路９で測定された傾斜角度の補正を行なうようにする。これにより、超音波センサ１〜４の異物付着時においても、演算制御回路９における傾斜角度の測定が可能となり、それだけ測定時間が短縮されると共に、精度のよい傾斜角度の測定が可能になる。

実施の形態６．
なお、上記実施の形態１〜５では、送信用超音波センサ１，２と受信用超音波センサ３，４がそれぞれ一定の距離をおいて別々に配置された送受信別体型の超音波センサを用いた場合について説明したが、送信用超音波センサ１，２と受信用超音波センサ３，４をそれぞれ一体とした送受信一体型の超音波センサを用いてもよい。送受信一体型の超音波センサに異物が付着すると、その超音波センサに特性変化が発生するが、この特性変化のドリフト量は、送信特性・受信特性ともに同一となることから、送受信一体型の超音波センサを用いることにより、送信時の位相のドリフト量と受信時の位相のドリフト量によりお互いに相殺され、この場合実質的に超音波センサの表面に付着する異物による超音波センサの位相特性の変化は実質的に無しと判断され、正常時と同等の特性を得ることができ、また、構造的にも小型化、低廉化が図れる。

実施の形態７．
また、超音波センサ表面に異物が付着することによる超音波センサ１〜４の特性変化が、バンドパスフィルタ構成の受信回路６，７に含まれるアンプ回路の特性に影響を与えない手段として、受信用超音波センサとアンプ回路との間にバッファ回路を設けるようにしてもよい。
図７はその一例として超音波センサ３側の場合を示すもので、通常、超音波センサ表面に異物が付着すると、超音波センサ３のコンデンサ３ａ、等価回路抵抗３ｂとコイル３ｃ、コンデンサ３ｄ等の値が変わり、超音波センサ３の特性変化として現れてくる。そこで、本実施の形態では、受信用の超音波センサ３と受信回路６のアンプ回路６ａとの間に高インピーダンスのバッファ回路１２を設ける。

かくして、受信用の超音波センサ３が異物付着により特性変化を起こすと、受信回路６のアンプ回路６ａの入力インピーダンスが低い場合においては、受信回路６の特性へ影響を与えるが、図７のように、受信用超音波センサ３と受信回路６との間に高インピーダンスのバッファ回路１２を設けることで、相互の特性が干渉しないようになる。

図８は、このときのアンプ回路６ａの周波数特性の推移を示したもので、受信用超音波センサ３と受信回路６との間にバッファ回路１２が存在しないときは、超音波センサ３の表面に異物が付着すると、その周波数特性はその異物付着量に応じて図８に破線で示す特性ｆまたはｇの間で特性変化を生じるが、受信用超音波センサ３と受信回路６との間に高インピーダンスのバッファ回路１２を設けることで、相互の特性が干渉しなくなり、その周波数特性は図８に実線で示す特性ｅに固定されたものとなり、より精度の高い傾斜角度測定が可能になる。

なお、上記では、受信用の超音波センサ３と受信回路６の間に高インピーダンスのバッファ回路１２を設けた場合であるが、勿論受信用の超音波センサ４と受信回路７との間に高インピーダンスのバッファ回路を設けてもよく、同様の効果を生じる。
また、この実施の形態７の手法は、上記実施の形態１〜５の送受信別体型の超音波センサを用いる位相差検出方式の傾斜角度測定装置の場合は勿論、上記実施の形態６の送受信一体型の超音波センサを用いる位相差検出方式の傾斜角度測定装置の場合にも同様に適用でき、同様の効果を生じる。

この発明の実施の形態１による傾斜角度測定装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による傾斜角度測定装置における正常時の超音波センサの電気特性を示す図である。 この発明の実施の形態１による傾斜角度測定装置における異物付着時の超音波センサの電気特性を示す図である。 この発明の実施の形態１による傾斜角度測定装置において送受信用超音波センサ間の直接波の位相差を用いる場合を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１による傾斜角度測定装置において送受信用超音波センサ間の直接波の位相差を用いる場合を説明するための波形図である。 この発明の実施の形態１による傾斜角度測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態７による傾斜角度測定装置の要部を示す回路構成図である。 この発明の実施の形態７による傾斜角度測定装置における動作説明に供するための特性図である。

符号の説明

１，２ 送信用超音波センサ、３，４ 受信用超音波センサ、５ 送信回路、６，７ 受信回路（アンプ回路）、８ 位相同期検波回路、９ 演算制御回路、１０ バンパ、１１ 路面、１２ バッファ回路。

Claims (8)

1. 超音波を送受信する超音波センサを用いて傾斜角度を測定する傾斜角度測定装置において、
   上記超音波センサの表面に付着する異物による該超音波センサの位相特性の変化を検出する検出手段を備えたことを特徴とする傾斜角度測定装置。
2. 送信用および受信用超音波センサを送受信別体型となし、検出手段は、上記超音波センサが正常な状態の直接波の位相差を閾値として記憶する記憶手段と、上記超音波センサからの直接波の位相差を検出し、該検出された直接波の位相差と上記記憶手段に記憶されている閾値を比較して当該超音波センサの位相特性の変化を判別する位相変化判別手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の傾斜角度測定装置。
3. 直接波の位相差の検出時、送信手段により送信用超音波センサを連続的に駆動して、該超音波センサから送信波を連続的に発信するようにしたことを特徴とする請求項２記載の傾斜角度測定装置。
4. 傾斜角度検出用の制御期間以外に超音波センサの位相特性の変化を検出する制御期間を設けたことを特徴とする請求項２または請求項３記載の傾斜角度測定装置。
5. 位相変化判別手段の出力に基づいて車両の傾斜角度を測定する演算制御手段を備え、該演算制御手段は、超音波センサの特性変化検出時に、測定した傾斜角度の出力を停止することを特徴とする請求項２から請求項４のうちのいずれか１項記載の傾斜角度測定装置。
6. 演算制御手段は、検出された直接波の位相差に基づいて、測定した傾斜角度の補正を行なうことを特徴とする請求項５記載の傾斜角度測定装置。
7. 受信用超音波センサと送信用超音波センサを送受信一体型となし、検出手段は超音波センサの位相特性の変化が送信特性、受信特性で共に同一である場合を正常時と同等の位相特性と判別することを特徴とする請求項１記載の傾斜角度測定装置。
8. 受信用超音波センサと、該受信用超音波センサからの超音波を受信する受信手段との間に高インピーダンスのバッファ回路を設けたことを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の傾斜角度測定装置。

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