JP2006319789A - 車両用障害物検知センサ - Google Patents

Abstract

【課題】従来の圧電素子を用いた超音波センサに比べてより近い位置に存在する障害物を非接触で検知することが可能な車両用障害物検知センサを提供する。
【解決手段】車両用障害物検知センサＤは、音波を送波可能な送波素子１０および送波素子１０を駆動する駆動回路２０を有する送波装置１と、送波素子１０から送波され障害物Ｏｂで反射された音波を受波するとともに受波した音波を電気信号である受波信号に変換する受波素子３０を有する受波装置３と、送波素子１０が音波を送波してから当該音波が受波素子３０に受波されるまでの時間に基づいて障害物Ｏｂまでの距離と障害物Ｏｂの存在する方位とを求める演算部を有する信号処理回路４とを備え、送波素子１０は、空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両に搭載され車両のドア周辺の障害物を検知する車両用障害物検知センサに関するものである。

従来から、図１５に示すように、車両１０１の後部に配置されるドア（バックドア）１０２の先端部に、ドア１０２の開動作時にドア１０２が障害物と接触して損傷するのを防止するための損傷防止機構１０３を設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここにおいて、図１５では、ドア１０２が閉じているときの損傷防止機構１０３の状態を同図（ａ）に示し、ドア１０２が途中まで開いたときの損傷防止機構１０３の状態を同図（ｂ）に示してある。なお、上記特許文献１には、損傷防止機構１０３に障害物を検出する接触式センサを設け、接触式センサにより障害物が検出されたときにドア１０２の開動作を停止させるか若しくはドア１０２を閉動作させることも提案されている。

また、従来から、車両のドアに搭載される超音波センサを備え、超音波センサの送波素子により超音波を送波してから障害物での反射波を受波素子にて受波するまでの時間が所定時間未満のときにドアの開動作を禁止するようにした車両用ドア制御装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。ここにおいて、上記特許文献２では、送波素子と受波素子との両方に圧電素子を用いている。
特開２００５−４７４６１号公報 特開平４−１６６５７９号公報

ところで、上記特許文献１に開示された損傷防止機構１０３を備えた車両１０１では、損傷防止機構１０３の構成要素の一部が障害物に接触することによりドア１０２の損傷が防止されるので、障害物が人体の場合に人体に怪我を負わせてしまったり、障害物がガラス製の物品のように割れやすい物体の場合に当該物体が割れてしまう憂いがあった。

また、上記特許文献２に開示された車両用ドア制御装置における超音波センサでは、圧電素子からなる送波素子を間欠的に駆動した場合、送波素子から発生する音波は図１６に示すような振動波形となり、共振のＱ値が大きいほど、振動波形の振幅が最大となるまでの時間Ｔ１および残響振動が収束するまでの時間（残響時間）Ｔ２が長くなって、超音波を送波してから受波するまでの時間が短くなり、圧電素子の近傍に位置する物体を検出することができなくなる。ここで、超音波の音速ｃ〔ｍ／ｓ〕は、温度をｔ〔℃〕とすれば、ｃ＝３３１．５＋０．６ｔであるから、例えば、音速ｃが３４０〔ｍ／ｓ〕であり（この場合、超音波は１ｍｓで３４ｃｍだけ進む）、残響時間Ｔ２が２ｍｓであるとすれば、圧電素子からの距離が３４ｃｍ以下の位置に存在する障害物を検出することが不可能となる。要するに、上記特許文献２に開示された車両用ドア制御装置では、超音波センサの送波素子から送波される超音波における残響成分に起因した不感帯が長く、比較的近くに存在する障害物を検出することができないので、ドアと障害物との間の距離が３４ｃｍ以下の場合に、ドアが障害物と接触してしまう憂いがあった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来の圧電素子を用いた超音波センサに比べてより近い位置に存在する障害物を非接触で検知することが可能な車両用障害物検知センサを提供することにある。

請求項１の発明は、車両に所定のドアに取り付けられ当該ドアの周辺に存在する障害物を検知する車両用障害物検知センサであって、音波を送波可能な送波素子および送波素子を駆動する駆動回路を有する送波装置と、送波素子から送波され障害物で反射された音波を受波するとともに受波した音波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置と、送波素子が音波を送波してから当該音波が受波素子に受波されるまでの時間に基づいて障害物までの距離と障害物の存在する方位との少なくとも一方を求める演算部とを備え、送波素子は、空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子であることを特徴とする。

この発明によれば、送波素子が空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子からなるので、送波素子から送波される音波における残響成分に起因した不感帯を従来の圧電素子を用いた超音波センサに比べて短くすることができ、従来の圧電素子を用いた超音波センサに比べてより近い位置に存在する障害物を非接触で検知することが可能となる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記送波素子は、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された発熱体層と、ベース基板の前記一表面側でベース基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層とを備え、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで音波を発生することを特徴とする。

この発明によれば、送波素子から発生期間が短く且つ残響時間の短い音波を送波することができる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記受波素子は、音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量型のマイクロホンからなることを特徴とする。

この発明によれば、前記受波素子として圧電素子を用いる場合に比べて、前記受波素子から出力される受波信号における残響成分を低減することができ、前記受波素子から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記受波装置が前記受波素子を複数個備えるとともに前記各受波素子が一平面上に配列され、前記演算部は、前記各受波素子で音波を受波した時間の時間差と前記各受波素子の配置位置とに基づいて前記受波装置に対する音波の到来方向を求める方位検出手段を備えることを特徴とする。

この発明によれば、方位検出手段により前記受波装置に対する音波の到来方向、つまり、前記受波装置に対する障害物の存在する方位を求めることができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記送波素子が一表面側に取り付けられた第１の支持基板および前記受波素子が取り付けられた第２の支持基板を収納するハウジングを備え、第２の支持基板は、衝撃緩衝部材を介してハウジングへ取り付けられてなることを特徴とする。

この発明によれば、ハウジングの振動が第２の支持基板へ伝わるを抑制することができ、ハウジングの振動により前記受波素子の受波信号に発生するノイズを低減できる。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記ハウジングと前記ドアにおける前記ハウジングの取付部位との間に挟装される防振部材を備えてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記車両の前記ドアから前記ハウジングへ振動が伝わるのを防止することができ、前記ハウジングの振動により前記受波素子の受波信号に発生するノイズをより低減できる。

請求項１の発明では、従来の圧電素子を用いた超音波センサに比べてより近い位置に存在する障害物を非接触で検知することが可能となるという効果がある。

本実施形態では、図１（ａ）に示すように車両１０１の所定のドア（ここでは、車両１０１の後部に配置されたバックドア）１０２に取り付けられ当該ドア１０２の周辺に存在する障害物Ｏｂを検知する車両用障害物検知センサＤを備えた車両用ドア制御システムを例示する。

車両用ドア制御システムは、図１４に示すように、車両１０１内に設けられドア１０２の開動作および閉動作を指示するための操作スイッチＳＷ１と、車両１０１のドア１０２を開閉駆動する駆動源としてのモータＭと、モータＭを駆動するモータ駆動部１０４と、上述の車両用障害物検知センサＤと、車両１０１内に設けられ少なくとも車両用障害物検知センサＤにより障害物Ｏｂが検知されたときに障害物Ｏｂの存在を車両１０１の運転者や乗員に報知する報知装置（例えば、ディスプレイや発光ダイオードのような表示装置、ブザーのような音響出力装置など）１０５と、車両１０１内に設けられ操作スイッチＳＷ１の出力および車両用障害物検知センサＤの出力に基づいてモータ駆動部１０４を介してモータＭを制御するとともに報知装置１０５を制御するマイクロコンピュータからなる制御部１１０とを備えている。

この車両用ドア制御システムでは、操作スイッチＳＷ１によりドア１０２の開動作が指示されると、操作スイッチＳＷ１の出力を受けた制御部１１０が車両用障害物検知センサＤの動作を開始させる。その後、制御部１１０は、車両用障害物検知センサＤにより障害物Ｏｂが検知されない場合にはドア１０２が開くようにモータ駆動部１０４を介してモータＭの駆動を開始し、ドア１０２の先端部が閉鎖位置から所定の開放位置に到達する前に車両用障害物検知センサＤにより障害物Ｏｂが検知されると、直ちにモータ駆動部１０４を介してモータＭの駆動を停止させるか、あるいはモータＭの回転速度を減速させてからモータＭの駆動を停止させる。また、制御部１１０は、車両用障害物検知センサＤの動作を開始させた後、モータＭを駆動する前に車両用障害物検知センサＤにより障害物Ｏｂが検知されると、モータＭを駆動せず、車両用障害物検知センサＤにより障害物Ｏｂが検知されなくなってから、ドア１０２が開くようにモータ駆動部１０４を介してモータＭを駆動するように構成されている。なお、上述の車両用ドア制御システムでは、報知装置１０５を備えているので、車両用障害物検知センサＤにより障害物Ｏｂが検知されたときに放置装置１０により適宜の報知を行うことで、車両１０１の運転者や乗員に注意を促すことができ、安全性を高めることができる。

以下、車両用障害物検知センサＤについて図１〜図１３を参照しながら説明する。

車両用障害物検知センサＤは、図１（ｂ）に示すように、音波（疎密波）を空気中に間欠的に送波する送波装置１と、障害物Ｏｂによる反射波を受波する受波装置３と、受波装置３の出力を信号処理する信号処理回路４とを備え、送波装置１による音波の送波から受波装置３により反射波が受波されるまでの時間差に基づいて障害物Ｏｂまでの距離および障害物Ｏｂの存在する方位を求めるように構成されている。

送波装置１は、音波を送波可能な送波素子１０と、送波素子１０から音波が間欠的に送波されるように送波素子１０を駆動する駆動回路２０とを備えている。なお、駆動回路２０は、送波素子１０から音波を間欠的に送波するタイミングを制御するタイミング制御部を有している。また、送波素子１０は、矩形板状のガラスエポキシ基板からなる第１の回路基板２３上に実装されており、第１の回路基板２３が、送波素子１０が一表面側に取り付けられた第１の支持基板を構成している。

一方、受波装置３は、送波素子１０から送波され障害物Ｏｂで反射された音波を受波するとともに受波した音波を電気信号である受波信号に変換する複数の受波素子３０を有している。ここにおいて、車両用障害物検知センサＤは、障害物Ｏｂまでの距離だけでなく障害物Ｏｂの存在する方位も測定できるように、１０個の受波素子３０を１枚の矩形板状のガラスエポキシ基板からなる第２の回路基板２４の一平面上に配列してある。具体的には、第２の回路基板２４の１辺に沿った方向に５個の受波素子３０を所定ピッチで配列するとともに、上記１辺に直交する方向に５個の受波素子３０を所定ピッチで配列してある。なお、本実施形態では、第２の回路基板２４が、受波素子３０が一表面側に取り付けられた第２の支持基板を構成している。

説明を簡単にするために、受波素子３０が同一平面上において上記１辺に沿った方向のみに所定ピッチで配列されているとし、受波素子３０が配列された面に対する音波の波面の角度がθである場合を想定すると、図１０に示すように、音波の到来方向（すなわち、受波装置３に対して障害物Ｏｂの存在する方位角）はθになり、音速をｃ、音波の波面が隣り合う受波素子３０のうちの一方の受波素子３０に到達する時刻における音波の波面と他方の受波素子３０の中心との間の距離（遅延距離）をｄ、隣り合う受波素子３０の中心間距離（上記所定ピッチ）をＬとすれば、音波の波面が隣り合う受波素子３０間に到達する時間差Δｔは、Δｔ＝ｄ／ｃ＝Ｌ・ｓｉｎθ／ｃになる。したがって、時間差Δｔが分かれば、障害物Ｏｂの存在する方位を演算することができる。ここにおいて、上記所定ピッチは、送波素子１０から送波する音波の波長の０．５倍程度に設定することが望ましい。

信号処理回路４は、各受波素子３０から出力された受波信号をそれぞれ増幅する複数のアンプ４１ａを有する信号増幅部４１と、各アンプ４１ａにて増幅されたアナログの受波信号それぞれをディジタルの受波信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換部４２と、Ａ／Ｄ変換部４２の出力が格納されるメモリ４３と、上記タイミング制御部から音波の送波タイミングを制御する制御信号に同期して出力されるタイミング信号を受けたときにＡ／Ｄ変換部４２を所定の受波期間だけ作動させメモリ４３に格納された受波信号のデータを用いて障害物Ｏｂまでの距離を求める演算および障害物Ｏｂの存在する方位を求める演算を行うマイクロコンピュータからなる演算部４４とを備えており、演算部４４により求めた距離および方位の各データが車両１０１内の信号線を介して上述の制御部１１０へ伝送される。なお、信号処理回路４は、矩形板状のガラスエポキシ基板からなる第３の回路基板２５に設けられている。

ここにおいて、演算部４４は、上記タイミング信号を受けた時刻（つまり、送波素子１０から音波を送波したタイミング）と、ディジタルの受波信号がメモリ４３に格納された時刻（信号処理回路４内での遅れ時間を無視すれば、受波素子３０により音波を受波したタイミング）との時間差（言い換えれば、送波装置１が音波を送波してから受波装置３が受波するまでの時間）に基づいて、障害物Ｏｂまでの距離を演算する距離演算手段と、メモリ４３に格納された各受波素子３０の受波信号のデータを利用して障害物Ｏｂの存在する方位（障害物Ｏｂにより反射された音波の到来方向）を求める方位検出手段とを備えている。ここにおいて、方位検出手段は、各受波素子３０で音波を受波した時間の時間差と各受波素子３０の配置位置とに基づいて受波装置３に対する音波の到来方向を求める。

なお、本実施形態の車両用障害物検知センサＤは、最大測定距離を例えば１ｍとすれば、音波は空気中において最大で２ｍの距離を伝搬すればよいが、送波素子１０から送波された音波は拡散損失（距離減衰）や吸収損失や反射損失などの伝搬損失により４５ｄＢ程度減衰するので、各アンプ４１ａの増幅利得（電圧利得）を４０ｄＢ〜６０ｄＢに設定することでＳ／Ｎ比の低下を防止している。また、上述のように最大測定距離を１ｍとすれば、音波が空気中で２ｍの距離を伝搬するのに要する時間は６ｍｓ程度であるから、上述の受波期間は６ｍｓ程度に設定すればよい。また、メモリ４３には、受波期間における各受波素子３０それぞれの受波信号が格納される、言い換えれば、メモリ４３には、〔受波素子３０の個数〕×〔各受波素子３０からの受波信号のデータ数〕の数だけデータが格納されることになるので、例えば、受波素子３０の個数を１０個、受波期間を６ｍｓ、Ａ／Ｄ変換部４２のサンプリング周期を１μｓ（サンプリング周波数を１ＭＨｚ）とした場合には、１データを１６ｂｉｔとして、（１０〔個〕）×｛（６×１０^−３）÷（１×１０^−６）×１６｝＝９６００００ｂｉｔ＝１２０ｋｂｙｔｅの容量が必要となるから、１２０ｋｂｙｔｅ以上の容量のＳＲＡＭなどを使用すればよい。

上述の方位検出手段は、メモリ４３に格納された各受波素子３０それぞれの受波信号をそれぞれ各受波素子３０の配列パターン（配置位置）に応じた遅延時間で遅延させた受波信号を組にして出力する遅延手段と、遅延手段により遅延された受波信号の組を加算する加算器と、加算器の出力波形のピーク値と適宜の閾値との大小関係を比較し閾値を超えるピーク値が得られたときに遅延手段で設定されている遅延時間の組み合わせに対応する方向を障害物Ｏｂの存在する方位（音波の到来方向）と判断する判断手段とを備えている。なお、演算部４４の距離演算手段および方位検出手段は、演算部４４を構成するマイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現できる。

ところで、車両用障害物検知センサＤは、送波素子１０として、空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる熱励起式の音波発生素子を用いることで、送波素子１０の共振特性のＱ値を圧電素子に比べて十分に小さくして残響時間が短い音波を送波するようにし、かつ、受波素子３０として共振特性のＱ値が圧電素子に比べて十分に小さく受波信号に含まれる残響成分の発生期間が短い静電容量型のマイクロホンを用いている。

ここにおいて、送波素子１０は、図４に示すように、単結晶のｐ形のシリコン基板からなるベース基板１１の一表面（図４における上面）側に多孔質シリコン層からなる熱絶縁層（断熱層）１２が形成され、熱絶縁層１２上に金属薄膜からなる発熱体層１３が形成され、ベース基板１１の上記一表面側に発熱体層１３と電気的に接続された一対のパッド１４，１４が形成された熱励起式の音波発生素子により構成してある。ベース基板１１の平面形状は長方形状であって、熱絶縁層１２、発熱体層１３それぞれの平面形状も長方形状に形成してある。なお、発熱体層１３は、ベース基板１１の少なくとも上記一表面側に形成されていればよい。

上述の送波素子１０では、発熱体層１３の両端のパッド１４，１４間に通電して発熱体層１３に急激な温度変化を生じさせると、発熱体層１３に接触している空気に急激な温度変化（熱衝撃）が生じる（つまり、発熱体層１３に接触している空気に熱衝撃が与えられる）。したがって、発熱体層１３に接触している空気は、発熱体層１３の温度上昇時には膨張し発熱体層１３の温度下降時には収縮するから、発熱体層１３への通電を適宜に制御することによって空気中を伝搬する音波を発生させることができる。要するに、送波素子１０を構成する熱励起式の音波発生素子は、発熱体層１３への通電に伴う発熱体層１３の急激な温度変化を媒質の膨張収縮に変換することにより媒質を伝搬する音波を発生する。なお、本実施形態では、発熱体層１３が薄板状の発熱体を構成している。ここに、熱励起式の音波発生素子は、少なくとも薄板状の発熱体を備えていればよく、例えば、アルミニウム製の薄板を発熱体として当該発熱体への通電に伴う発熱体の急激な温度変化による熱衝撃によって音波を発生させるものでもよい。

また、上述の送波素子１０は、ベース基板１１としてｐ形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層１２を多孔度が略６０〜略７０％の多孔質シリコン層により構成しているので、ベース基板１１として用いるシリコン基板の一部をフッ化水素水溶液とエタノールとの混合液からなる電解液中で陽極酸化処理することにより熱絶縁層１２となる多孔質シリコン層を形成することができる。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなるので、熱絶縁層１２の熱伝導度および熱容量をベース基板１１の熱伝導度および熱容量に比べて小さくし、熱絶縁層１２の熱伝導度と熱容量との積をベース基板１１の熱伝導度と熱容量との積に比べて十分に小さくすることにより、発熱体層１３の温度変化を空気に効率よく伝達することができ発熱体層１３と空気との間で効率的な熱交換が起こり、かつ、ベース基板１１が熱絶縁層１２からの熱を効率良く受け取って熱絶縁層１２の熱を逃がすことができて発熱体層１３からの熱が熱絶縁層１２に蓄積されるのを防止することができる。なお、熱伝導率が１４８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６３×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．７×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）であることが知られている。本実施形態では、上述のように熱絶縁層１２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成してあり、熱絶縁層１２の熱伝導率が０．１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．５×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）となっている。

発熱体層１３は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成してあるが、発熱体層１３の材料はタングステンに限らず、例えば、タンタル、モリブデン、イリジウム、アルミニウムなどを採用してもよい。また、上述の送波素子１０では、ベース基板１１の厚さを３００〜７００μｍ、熱絶縁層１２の厚さを１〜１０μｍ、発熱体層１３の厚さを２０〜１００ｎｍ、各パッド１４の厚さを０．５μｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。また、ベース基板１１の材料としてＳｉを採用しているが、ベース基板１１の材料はＳｉに限らず、例えば、Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよい。

上述のように送波素子１０は、一対のパッド１４，１４を介した発熱体層１３への通電に伴う発熱体層１３の温度変化に伴って音波を発生するものであり、発熱体層１３へ与える駆動電圧波形あるいは駆動電流波形からなる駆動入力波形を例えば周波数がｆ１の正弦波波形とした場合、理想的には、発熱体層１３で生じる温度振動の周波数が駆動入力波形の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２となり、駆動入力波形ｆ１の略２倍の周波数の音波を発生させることができる。すなわち、上述の送波素子１０は、平坦な周波数特性を有しており、発生させる音波の周波数を広範囲にわたって変化させることができる。また、上述の送波素子１０では、例えば正弦波波形の半周期の孤立波を駆動入力波形として駆動回路２０から一対のパッド１４，１４間へ与えることによって、図５（ａ）に示すような残響の少ない略１周期の音波Ｐ１を発生させることができる。本実施形態では、図５（ａ）に示すような略１周期の音波Ｐ１を発生させる場合、当該音波Ｐ１の１周期の時間を５０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚ程度の超音波の１周期の時間に設定してあるが、この数値は特に限定するものではない。

また、上述の送波素子１０では、一対のパッド１４，１４を介して発熱体層１３へ与える駆動電圧の波形を図６（ａ）に示すようなガウス波形状の電圧波形とした場合、図６（ｂ）に示すようなガウス波形状の音波を送波することができる。

ここにおいて、送波素子１０から図６（ｂ）に示すようなガウス波形状の音波（ここでは、当該音波の発生期間を５０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚ程度の超音波の１周期の時間に設定してある）を送波させるには、駆動回路２０として、例えば図７に示す回路を採用すればよい。図７に示す構成の駆動回路２０は、直流電源Ｅの両端間にスイッチＳＷ２を介してコンデンサＣが接続され、コンデンサＣの両端間にサイリスタＴｈとインダクタＬと抵抗Ｒ１と保護用抵抗Ｒ２との直列回路が接続され、保護用抵抗Ｒ２の両端間に送波素子１０を接続するように構成されている。また、駆動回路２０は、上述のように送波素子１０から音波を送波させるタイミングを制御する上述のタイミング制御部を有しており、タイミング制御部によってスイッチＳＷ２のオンオフが制御されるとともにサイリスタＴｈへ制御信号を与えるタイミングが制御される。ここにおいて、駆動回路２０では、スイッチＳＷ２のオン期間にコンデンサＣが充電されるが、タイミング制御部は、コンデンサＣの両端電圧を検出しており、コンデンサＣの両端電圧が所定のしきい値を超えるとスイッチＳＷ２をオフさせてからサイリスタＴｈのゲートへ制御信号を与える。すなわち、図７に示す構成の駆動回路２０では、直流電源ＥからコンデンサＣに電荷を蓄積し、コンデンサＣの両端電圧が所定のしきい値を超えると、タイミング制御部からサイリスタＴｈへ制御信号が与えられてサイリスタＴｈがターンオンし、送波素子１０のパッド１４，１４間に電圧が印加されて発熱体層１３の温度変化に伴って音波が送波される。ここに、インダクタＬのインダクタンスおよび抵抗Ｒ１の抵抗値を適宜設定することにより、図６（ａ）に示すようなガウス波形状の駆動電圧波形を送波素子１０のパッド１４，１４間へ印加することができる。

また、上述の受波素子３０を構成する静電容量型のマイクロホンは、マイクロマシンニング技術を利用して形成されており、例えば、図８に示すように、シリコン基板に厚み方向に貫通する窓孔３１ａを設けることで形成された矩形枠状のフレーム３１と、フレーム３１の一表面側においてフレーム３１の対向する２つの辺に跨る形で配置されるカンチレバー型の受圧部３２とを備えている。ここにおいて、フレーム３１の一表面側には熱酸化膜３５と熱酸化膜３５を覆うシリコン酸化膜３６とシリコン酸化膜３６を覆うシリコン窒化膜３７とが形成されており、受圧部３２の一端部がシリコン窒化膜３７とを介してフレーム３１に支持され、他端部が上記シリコン基板の厚み方向においてシリコン窒化膜３７に対向している。また、シリコン窒化膜３７における受圧部３２の他端部との対向面に金属薄膜（例えば、クロム膜など）からなる固定電極３３ａが形成され、受圧部３２の他端部におけるシリコン窒化膜３７との対向面とは反対側に金属薄膜（例えば、クロム膜など）からなる可動電極３３ｂが形成されている。なお、フレーム３１の他表面にはシリコン窒化膜３８が形成されている。また、受圧部３２は、上記各シリコン窒化膜３７，３８とは別工程で形成されるシリコン窒化膜により構成されている。

図８に示した構成の静電容量型のマイクロホンからなる受波素子３０では、固定電極３３ａと可動電極３３ｂとを電極とするコンデンサが形成されるから、受圧部３２が音波の圧力を受けることにより固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の距離が変化し、固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の静電容量が変化する。したがって、固定電極３３ａおよび可動電極３３ｂに設けたパッド（図示せず）間に直流バイアス電圧を印加しておけば、パッドの間には音波の音圧に応じて微小な電圧変化が生じるから、音波の音圧を電気信号に変化することができる。

受波素子３０として用いる静電容量型のマイクロホンの構造は図８の構造に特に限定するものではなく、例えば、図９に示すように、シリコン基板１４１の一表面側に、中央部が周部に比べて薄肉である第１のダイアフラム部１４５を有するシリコン層が設けられ、シリコン基板１４１の他表面に凹所１４２を設けることによりシリコン基板１４１の中央部に第１のダイアフラム部１４５とギャップ１４４を介して対向する第２のダイアフラム部１４３が形成された構造体において、第１のダイヤフラム部１４５に可動電極１４６を設けるとともに第２のダイアフラム部１４３に固定電極（図示せず）を設けた構造としてもよい。また、受波素子３０として用いる静電容量型のマイクロホンとしては、シリコン基板などをマイクロマシンニング技術などにより加工して形成され、音波を受けるダイヤフラム部からなる可動電極と、ダイヤフラム部に対向する背板部からなる固定電極との間に、音波を受けていない状態でのダイヤフラム部と背板部とのギャップ長を規定するスペーサ部が介在し、背板部に複数の排気孔が貫設された構造を有するものでもよい。

ところで、図４に示した熱励起式の音波発生素子からなる送波素子１０は共振特性のＱ値が１程度であり、図８に示した静電容量型のマイクロホンからなる受波素子３０の共振特性のＱ値は３〜４程度であり、圧電素子に比べてＱ値が十分に小さく、従来のように送波素子および受波素子に圧電素子を用いている場合に比べて、角度分解能を改善することができる。なお、受波素子３０として圧電式の受波素子を用いた場合、受波素子３０の受波信号に図５（ｃ）に示すように受波素子３０の残響に起因した信号Ｐ４が発生する可能性があり、しかも、障害物Ｏｂによる反射波（間接波）に起因した受波信号Ｐ３の発生期間が、図５（ｂ）に示すように送波素子１０から送波された音波Ｐ１（図５（ａ）参照）に比べて長くなるので、受波素子３０としては、上述の静電容量型のマイクロホンを採用することが望ましい。

以上説明したように、車両用障害物検知センサＤは、送波素子１０が空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子により構成されているので、送波素子１０の共振特性のＱ値が圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さく、従来のように送波素子として圧電素子を用いている場合に比べて、送波する音波の残響時間を短くできる。言い換えれば、従来に比べて送波素子１０から送波する音波に含まれる残響成分が少なく、残響成分の発生期間を従来に比べて短くできる。要するに、車両用障害物検知センサＤは、送波素子１０が空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子からなるので、送波素子１０から送波される音波における残響成分に起因した不感帯を従来の圧電素子を用いた超音波センサに比べて短くすることができ、従来の圧電素子を用いた超音波センサに比べてより近い位置に存在する障害物Ｏｂを非接触で検知することが可能となる。したがって、上述の車両用ドア制御システムでは、従来のドア制御装置に比べて、ドア１０２により近い位置に存在する障害物Ｏｂを検知して障害物Ｏｂにドア１０２が接触するのを防止することができる。

また、受波素子３０が音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量型のマイクロホンにより構成されているので、受波素子の共振特性のＱ値が圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さく音波の周波数に共振周波数を持たず、従来のように受波素子として圧電素子を用いている場合に比べて、受波信号における残響時間を短くできる。言い換えれば、受波素子３０の受波信号に含まれる残響成分の発生期間を従来に比べて短くできる。したがって、受波素子３０として圧電素子を用いる場合に比べて、受波素子３０から出力される受波信号における残響成分を低減することができ、受波素子３０から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができる。

ところで、車両用障害物検知センサＤは、送波素子１０が実装された第１の回路基板２３、各受波素子３０が実装された第２の回路基板２４、信号処理回路４が設けられた第３の回路基板２５などが収納されるハウジング５０（図２（ａ）参照）を備えている。

ハウジング５０は、図２（ａ）に示すように、一面（図２（ａ）における上面）が開放された矩形箱状に形成された合成樹脂製のハウジング本体５１と、ハウジング本体５１の上記一面側に固着された矩形板状のハウジング蓋５２とで構成されている。ここにおいて、ハウジング蓋５２には、送波素子１０の送波面および各受波素子３０の受波面を露出させる開口部として、送波素子１０の送波面を露出させる第１の窓孔５２ａと各受波素子３０の受波面を露出させる第２の窓孔５２ｂとが別々に形成されているので、両窓孔５２ａ，５２ｂが連続して形成されている場合に比べて、送波素子１０から各受波素子３０へ音波が直接伝搬して図５（ｂ），（ｃ）に示すような直接波に起因した受波信号Ｐ２が発生するのを抑制することができ、各受波素子３０それぞれから出力される受波信号のノイズを低減することができるとともに、音波を送波するタイミングと上記受波期間を開始するまでの期間Ｔ３，Ｔ４（図５（ｂ），（ｃ）参照）を短くすることが可能となる。なお、各窓孔５２ａ，５２ｂは、ハウジング蓋５２の厚み方向に貫設されており、開口形状が矩形状となっている。

また、本実施形態の車両用障害物検知センサＤでは、上述の送波素子１０および各受波素子３０がハウジング５０内において各窓孔５２ａ，５２ｂが形成された部位から後退して配置されるとともに、第１の回路基板２３と第２の回路基板２４とがハウジング蓋５２に平行な面内で離間して配置され、第１の回路基板２３におけるハウジング蓋５２との対向面において送波素子１０を囲む矩形枠状の第１の吸音部材６ａと、第２の回路基板２４におけるハウジング蓋５２との対向面において各受波素子３０を囲む矩形枠状の第２の吸音部材６ｂとを備えているので、送波素子１０から各受波素子３０へ音波が直接伝搬するのをより確実に防止することができる。

また、上述の第３の回路基板２５は、ハウジング本体５１の内底面に接着剤により固着されており、第１の回路基板２３および第２の回路基板２４と第３の回路基板２５との間には吸音部材７を介在させてあるので、送波素子１０の振動が第３の回路基板２５を介して第２の回路基板２４へ伝わって信号処理回路４で信号処理する受波信号に送波素子１０の振動に起因したノイズが発生するのを防止することができる。なお、各受波素子３０から出力される受波信号は第２の回路基板２４と第３の回路基板２５とを電気的に接続しているコネクタ６０を介して信号処理回路４へ伝送される。

また、車両用障害物検知センサＤは、図２（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、ハウジング蓋５２の各窓孔５２ａ，５２ｂを、通音性を有する防水性シート（例えば、多孔質のプラスチック膜など）８により覆い、防水シート８の周部をハウジング蓋５２と同じ材料により形成した枠状のベゼル９（図２（ａ）および図１２参照）で固定する。ここにおいて、ベゼル９とハウジング蓋５２との間に防水性シート８の周部を挟持した形でベゼル９をハウジング蓋５２の外面に固着してあるので、塵、埃、昆虫などの異物がハウジング５０内に侵入して回路がショートしたり、雨や水滴がハウジング５０内に浸入して送波素子１０および各受波素子３０が劣化したり破壊されたりするのを防止することができ、信頼性を高めることができる。なお、本実施形態では、防水性シート８の外周形状を矩形状とし、ベゼル９の形状を矩形枠状としてある。また、図１１（ａ）に示した吸音部材６は、上述の吸音部材６ａ，６ｂを一体化して１部材としたものであり、このような１部材の吸音部材６を用いることにより、２つの吸音部材６ａ，６ｂを用いる場合に比べて、部品点数の削減を図れるとともに、第１の回路基板２３および第２の回路基板４それぞれとハウジング蓋５２との間の距離を精度良く揃えることができる。

また、車両用障害物検知センサＤでは、第１の回路基板２３が複数個（例えば、４個）のスペーサ１７ａ（図２（ｂ）参照）を介してハウジング蓋５２に固定ねじ（図示せず）により取り付けられ、第２の回路基板２４が複数個（例えば、４個）の衝撃緩衝部材１７ｂ（図２（ｂ）参照）を介してハウジング蓋５２に取り付けられている。ここで、第２の回路基板２４とハウジング蓋５２との間に介在する各衝撃緩衝部材１７ｂは、第２の回路基板２４およびハウジング蓋５２それぞれと接着剤により固着されている。ここにおいて、各受波素子３０が実装された第２の回路基板２４が衝撃緩衝部材１７ｂを介してハウジング５０に取り付けられていることにより、ハウジング５０の振動が第２の回路基板２４へ伝わるを抑制することができ、ハウジング５０の振動により各受波素子３０の受波信号に発生するノイズを低減できる。すなわち、受波素子３０の受波信号に、ハウジング５０の振動に起因したノイズＰ５（図５（ｃ）参照）が発生するのを防止することが可能となる。また、車両用障害物検知センサＤは、ハウジング５０と車両１０１のドア１０２におけるハウジング５０の取付部位との間に挟装される防振部材（図示せず）を備えているので、車両１０１からハウジング５０へ振動が伝わるのを防止することができ、ハウジング５０の振動により各受波素子３０の受波信号に発生するノイズをより低減できる。

ここで、ハウジング本体５１およびハウジング蓋５２の材料としては、ポリアセタール、例えばデルリン（商品名）やジュラコン（商品名）など、を採用している。なお、本実施形態では、ハウジング本体５１およびハウジング蓋５２をポリアセタールなどの合成樹脂により形成してあるが、これらの材料は合成樹脂に限定するものではなく、金属に比べて密度が小さく絶縁性を有する材料であればよく、例えば、セラミックにより形成してもよい。ここにおいて、ハウジング本体５１とハウジング蓋５２とで構成されるハウジング５０が合成樹脂やセラミックにより形成されていることにより、ハウジング５０を金属により形成する場合に比べて、ハウジング５０を形成する材料の密度を小さくすることができ、音波がハウジング５０を伝わりにくくなるとともに、送波素子１０から送波される音波にハウジング５０が共振しにくくなり、各受波素子３０の受波信号にハウジング５０の振動に起因したノイズＰ５が発生するのを防止することができる。また、衝撃緩衝材１７ｂおよび上記防振部材としては、シリコーンを主原料とするゲル状素材、例えばアルファゲル：α_ＧＥＬ（登録商標）などを用いればよい。

以上説明した本実施形態の車両用障害物検知センサＤでは、上述のように、従来に比べて、より近距離に存在する障害物Ｏｂを非接触で検知することができる。ここにおいて、車両用障害物検知センサＤを図１（ａ）に示すように配置する場合、ハウジング５０のハウジング蓋５２がハウジング本体５１よりも上側となるように配置すればよく、ドア１０２が開く際に接触する可能性のある障害物Ｏｂを確実に検知し、且つ、路面を検出しないように、図１３に示すように車両１０１の左右方向に直交する平面内における最大測定距離（検知距離）および視野角により決まる検知エリアＡは比較的狭く設定することが望ましい。

なお、上記実施形態では、車両１０１の所定のドア１０２として車両１０１の後部に配置されるバックドアを想定しているが、所定のドア１０２はバックドアに限らず、車両１０１の側部に配置されるサイドドアでもよい。また、上記実施形態では、信号処理回路４の演算部４４が障害物Ｏｂまでの距離と障害物Ｏｂの存在する方位との両方を求めるように構成されているが、演算部４４は障害物Ｏｂまでの距離と障害物Ｏｂの存在する方位との少なくとも一方を求めるように構成してもよい。

実施形態を示し、（ａ）は使用形態の説明図、（ｂ）はブロック図である。 同上を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）はハウジング蓋を外した状態における要部概略平面図である。 同上の要部斜視図である。 同上における送波素子の概略断面図である。 同上の動作説明図である。 同上における送波素子の動作説明図である。 同上における送波素子の駆動回路の一例を示す回路図である。 同上における受波素子を示し、（ａ）は一部破断した概略斜視図、（ｂ）は概略断面図である。 同上における受波素子の他の構成例を示す概略断面図である。 同上の動作説明図である。 同上におけるハウジング蓋に吸音部材および防水性シートを取り付けた状態を示し、（ａ）は下面図、（ｂ）は平面図である。 同上におけるベゼルの平面図である。 同上の検知エリアの設定例の説明図である。 同上を用いた車両用ドア制御システムのブロック図である。 従来例を示す損傷防止機構の説明図である。 一般的な圧電素子の動作説明図である。

符号の説明

１ 送波装置
３ 受波装置
４ 信号処理回路
１０ 送波素子
２０ 駆動回路
３０ 受波素子
１０１ 車両
１０２ ドア
Ｄ 車両用障害物検知センサ
Ｍ モータ
Ｏｂ 障害物

Claims (6)

1. 車両に所定のドアに取り付けられ当該ドアの周辺に存在する障害物を検知する車両用障害物検知センサであって、音波を送波可能な送波素子および送波素子を駆動する駆動回路を有する送波装置と、送波素子から送波され障害物で反射された音波を受波するとともに受波した音波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置と、送波素子が音波を送波してから当該音波が受波素子に受波されるまでの時間に基づいて障害物までの距離と障害物の存在する方位との少なくとも一方を求める演算部とを備え、送波素子は、空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子であることを特徴とする車両用障害物検知センサ。
2. 前記送波素子は、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された発熱体層と、ベース基板の前記一表面側でベース基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層とを備え、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで音波を発生することを特徴とする請求項１記載の車両用障害物検知センサ。
3. 前記受波素子は、音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量型のマイクロホンからなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の車両用障害物検知センサ。
4. 前記受波装置が前記受波素子を複数個備えるとともに前記各受波素子が一平面上に配列され、前記演算部は、前記各受波素子で音波を受波した時間の時間差と前記各受波素子の配置位置とに基づいて前記受波装置に対する音波の到来方向を求める方位検出手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の車両用障害物検知センサ。
5. 前記送波素子が一表面側に取り付けられた第１の支持基板および前記受波素子が取り付けられた第２の支持基板を収納するハウジングを備え、第２の支持基板は、衝撃緩衝部材を介してハウジングへ取り付けられてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の車両用障害物検知センサ。
6. 前記ハウジングと前記ドアにおける前記ハウジングの取付部位との間に挟装される防振部材を備えてなることを特徴とする請求項５記載の車両用障害物検知センサ。

Images