JP2007170975A - 物体検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体検知装置において、受波素子が送波器から直接に受波した超音波を受波信号として出力するのを、確実に効率よく防止し、ＳＮ比を上げて誤検出を減少させる。
【解決手段】検知領域に超音波ＳＷを送波する送波器１と、検知領域にある被測定物体２で反射された超音波ＲＷ（超音波ＳＷの反射波）を受波してその超音波ＲＷを電気信号である受波信号に変換する複数個の受波素子３と、受波素子３が送波器１から直接に受波した超音波ＤＷを受波信号として出力することを防止する消音手段４と、受波素子３の受波信号に基づいて超音波ＳＷが送波されてから受波されるまでの時間に対応する被測定物体２までの距離を求めると共に各受波素子３における各受波信号の時間差に対応する被測定物体２の方位を求めて被測定物体２を検知する検知部５と、を備える。消音手段４は、送波器１から送波される超音波ＳＷとは逆位相の電気信号を検知部５に出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を送波して反射超音波により物体を検知する物体検知装置に関する。

従来から、対象とする検知領域に超音波のパルスを送波し、反射超音波パルスの時間情報から検知領域における超音波反射物体の検知を行なう物体検知装置が利用されている。このような物体検地装置は、例えば、車両や移動ロボットの移動方向前方における障害物検知や、防犯用の侵入者検知等に用いられる。多くの場合、装置の取り扱いの利便性などから、超音波の送波器と反射超音波の受波器とは近接した構成とされる。ところで、超音波による物体検知装置において、ノイズによるゴースト信号、つまり実際の検知信号ではない信号が発生したときに「これはゴーストである」と認識されれば問題ないが、認識されない場合に、検知領域に存在しない物体を誤検知してしまうことになる。

上述のゴーストは、例えば、送波器から受波器に直接向かう超音波（直接波、回り込み波）が受波器によって受波されてしまった場合に、その信号が反射超音波（反射波）による検知信号に対するノイズになることにより発生する。直接波と反射波とが時間的に近接していると、ゴーストと実際の検知信号との干渉が発生して誤検知を引き起こす。この干渉は、近距離の物体検知の場合に発生する他、遠距離の物体検知でも、物体をリアルタイムで検知するために短い時間間隔で送波を繰り返す場合に発生する。

そこで、直接波が受波器に受波されないように、送波器と受波器の間に吸音材や遮音壁を設けた装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、直接波に対応する疑似信号を生成し、受波器の信号から疑似信号を減算して直接波の影響をなくすようにしたり（例えば、特許文献２参照）、回り込みキャンセル回路を備えてこの回路にパルス幅の充分大きなキャンセル用のパルスを入力して回り込み波をキャンセルするようにした装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開昭６３−２５５７８号公報 特開昭５８−６３８７６号公報 特許平１１−１６０４３０号公報

しかしながら、特許文献１に示される技術や上述のように吸音材や遮音壁を用いたとしても、これだけで回り込み波などの受波を確実に防止するには送波器受波器の大型化を招くなどの問題がある。また、特許文献２，３に示されるような技術においては、疑似信号やキャンセル用のパルスが、ゴーストを発生するノイズを良く再現しているとは言い難く、ノイズ信号だけを精度良く効率的に除去することができないという問題がある。

本発明は、上記課題を解消するものであって、受波素子が送波器から直接に受波した超音波を受波信号として出力するのを、確実に効率よく防止でき、ＳＮ比を上げて誤検出を減少できる物体検知装置を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１の発明は、検知領域に超音波を送波する送波器と、検知領域にある被測定物体で反射された前記超音波の反射波を受波してその超音波を電気信号である受波信号に変換する複数個の受波素子と、前記受波素子の受波信号に基づいて超音波が送波されてから受波されるまでの時間に対応する被測定物体までの距離を求めると共に各受波素子における各受波信号の時間差に対応する被測定物体の方位を求めて被測定物体を検知する検知部と、を備えた物体検知装置であって、前記送波器から送波される超音波とは逆位相の電気信号を検知部に出力することにより前記受波素子が前記送波器から直接に受波した超音波を受波信号として前記検知部に出力することを防止する消音手段を備えたものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の物体検知装置において、前記消音手段は、前記送波器からの超音波を受波する消音用受波素子を有し、前記消音用受波素子が前記送波器から受波した超音波を受波信号に変換すると共にその位相を反転させた受波信号を検知部に出力するものである。

請求項１の発明によれば、送波器から送波される超音波とは逆位相の電気信号を検知部に出力するので、疑似信号やキャンセル用のパルスによって減算する従来の方法とは異なり、除去すべき直接波のノイズを各周期の波形毎に相殺することができ、従って、受波素子が直接波の信号を検知部に出力するのを確実に効率よく防止でき、ＳＮ比を上げて誤検出を減少できる。また，必要な信号をノイズとして消去することがなく、検出ミスの発生がない。簡易な回路によって測定精度向上を達成でき、装置の小型化が可能である。また、このような物体検知装置においては、近距離の物体検知や、短い時間間隔で送波を繰り返すリアルタイムの物体検知が可能である。

請求項２の発明によれば、消音用受波素子を用いて直接波を受波し、得られた受波信号の位相を反転させて検知部に出力するので、受波素子を介さない場合の電気信号よりもより実際に近い、直接波の信号に対応する逆位相の電気信号を、検知部に出力できる。すなわち、送波器から各受波素子に至る直接波の伝播環境条件をも考慮した逆位相の電気信号によって、直接波のノイズを相殺できる。

以下、本発明の物体検知装置について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る物体検知装置の概念的構成を示す。この物体検知装置は、検知領域に超音波ＳＷを送波する送波器１と、検知領域にある被測定物体２で反射された超音波ＲＷ（超音波ＳＷの反射波）を受波してその超音波ＲＷを電気信号である受波信号に変換する複数個の受波素子３と、受波素子３が送波器１から直接に受波した超音波ＤＷを受波信号として出力することを防止する消音手段４と、受波素子３の受波信号に基づいて超音波ＳＷが送波されてから受波されるまでの時間に対応する被測定物体２までの距離を求めると共に各受波素子３における各受波信号の時間差に対応する被測定物体２の方位を求めて被測定物体２を検知する検知部５と、を備えている。そして、この物体検知装置の消音手段４は、送波器１から送波される超音波ＳＷとは逆位相の電気信号を検知部５に出力する。以下、各構成要素とその動作を詳述する。

上述の送波器１は、駆動回路１０と送波素子１１とを備えている。駆動回路１０は、送波のための電気エネルギと送波信号となる電気信号を送波素子１１に出力して送波素子１１を駆動する。送波素子１１は、電気エネルギを受け取り、送波信号を空気の粗密波に変換して超音波ＳＷとして空中に送波する。

複数の受波素子３は、互いに近接して、同一平面内に、例えば、互いに直交する方向にそれぞれ一列に配列して十字状に配列したり、２次元のアレイ状に配列したりして用いられる。このように配列した受波素子３の成す平面に、十分遠方からの超音波ＲＷが入射するとき、超音波ＲＷは平面波となって入射する。そこで、周知のように、受波素子３の成す平面に対する超音波ＲＷの位相面の成す角度から、超音波ＲＷの伝播方向を求めることができる。位相面の成す角度は、各受波素子３の配置間隔と各受波時間の遅れから求められる。

また、超音波の音速と、例えば、各受波素子３の受波までに要した時間の平均値とから、周知のように、超音波反射物体、すなわち被測定物体２までの距離を求めることができる。このようにして、物体検知装置は、超音波反射物体を検知することができる。

検知部５は、上述の超音波ＲＷの伝播方向、従って、被測定物体２の方向、及び、被測定物体２までの距離を求める演算を行う。これを行うため、検知部５は、各受波素子３が超音波ＲＷを受波することにより発生する電気信号ａ１〜ａ５を受け取り、電気信号ａ１〜ａ５の時間情報と各受波素子３の幾何学的配置情報とに基づいて上述の演算を行うことができる。しかしながら、受波素子３は、一般に送波器１と近接して設けられているので、超音波ＲＷの他に、送波器１からの直接波である超音波ＤＷを受波することになり、ノイズである超音波ＤＷに対する電気信号ｂ１〜ｂ５をも、検知部５に対して出力する。

そこで、消音手段４は、上述のノイズ信号である電気信号ｂ１〜ｂ５を打ち消す電気信号ｃ１〜ｃ５を検知部５に対して出力する。このため、消音手段４は、送波器１による送波に際して、駆動回路１０から、送波のための送波信号となる電気信号ｃ０を受け取る。そして、電気信号ｃ０の位相を反転すると共に、各受波素子３に対する電気信号ｃ１〜ｃ５を生成し、各受波素子３に対する遅延時間を考慮しつつ検知部５に対して出力（受波素子３からの電気信号にそれぞれ重畳）する。ここで考慮する遅延時間とは、主として、送波素子１１と各受波素子３の距離に基づく遅延時間であり、これは予め測定して求めることができるので、個別に具体的な遅延時間を求めて用いることができる。また、電気信号ｃ１〜ｃ５の強度も、予め測定して決定することができる。

上述の消音手段４の出力する遅延時間と強度を設定された電気信号ｃ１〜ｃ５によって、直接波である超音波ＤＷによる受波素子３からの電気信号ｂ１〜ｂ５は、それぞれ相殺されて、検知部５には、本来の電気信号ａ１〜ａ５のみが入力するようになる。これにより、消音手段４は、受波素子３が送波器１から直接に受波した超音波ＤＷを受波信号として検知部５に出力することを防止している。

上述のように、物体検知装置の構成が一旦決まると、直接波の超音波Ｗは、常にほぼ一定の時間毎に各受波素子３に入るので、各受波素子３についてそれぞれ決められた時間の後に直接波とは逆位相の信号を重畳することで直接波の影響を除くことができる。この第１の実施形態の物体検知装置によれば、送波器１から送波される超音波ＳＷ，ＤＷとは逆位相の電気信号を各受波素子３に出力するので、疑似信号やキャンセル用のパルスによって減算する従来の方法とは異なり、除去すべき直接波のノイズを各周期の波形毎に相殺することができ、従って、受波素子３が出力した直接波の電気信号ｂ１〜ｂ５が、検知部５に入力されるのを確実に効率よく防止でき、ＳＮ比を上げて誤検出を減少できる。

また、本物体検知装置では、必要な信号をノイズとして消去してしまうことがなく、検出ミスが発生しない。さらに、簡易な回路によって測定精度向上を達成でき、装置の小型化が可能という利点がある。また、このような物体検知装置においては、特に重要な点として、近距離の物体検知や、短い時間間隔で送波を繰り返すリアルタイムの物体検知が可能となる。

（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態に係る物体検知装置の概念的構成を示す。この物体検知装置は、上述の第１の実施形態の物体検知装置において、消音手段４が、送波器１からの超音波を受波する消音用受波素子６、及び消音用受波素子６からの信号を処理する信号処理回路６１を備えて構成されたものである。そして、消音手段４は、消音用受波素子６が送波器１から直接に受波した超音波ＤＷの受波信号を電気信号ｃ０に変換して出力する信号を、信号処理回路６１によって処理して位相を反転させて、検知部５に出力する。

この第２の実施形態の物体検知装置は、消音手段４が、送波器１による送波に際して、駆動回路１０からではなく、消音用受波素子６から、電気信号ｂ１〜ｂ５を相殺するためのもとになる電気信号ｃ０を受け取っている点が、上述の第１の実施形態の物体検知装置とは異なっており、他の点は同様である。

第２の実施形態の物体検知装置によれば、消音用受波素子６を用いて直接波を受波し、得られた受波信号ｃ０の位相を反転させて検知部５に出力するので、実際に受波素子３で生成される直接波の電気信号ｂ１〜ｂ５に対応する逆位相の電気信号ｃ１〜ｃ５を各検知部５に出力できる。すなわち、送波器１から各受波素子３に至る直接波の伝播環境条件をも考慮した逆位相の電気信号ｃ１〜ｃ５によって、直接波のノイズである電気信号ｂ１〜ｂ５をより確実に相殺できる。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、受波素子３の個数は、上記において、５つであるとして説明したが、５つに限られず、２つ以上であればよい。また、通常、受波素子３の個数が多いほど、位置と方向の精度を上げることができる。

本発明の第１の実施形態に係る物体検知装置の概念的構成図。 本発明の第２の実施形態に係る物体検知装置の概念的構成図。

符号の説明

１ 送波器
２ 被測定物体
３ 受波素子
４ 消音手段
５ 検知部
６ 消音用受波素子

Claims (2)

1. 検知領域に超音波を送波する送波器と、
   検知領域にある被測定物体で反射された前記超音波の反射波を受波してその超音波を電気信号である受波信号に変換する複数個の受波素子と、
   前記受波素子の受波信号に基づいて超音波が送波されてから受波されるまでの時間に対応する被測定物体までの距離を求めると共に各受波素子における各受波信号の時間差に対応する被測定物体の方位を求めて被測定物体を検知する検知部と、を備えた物体検知装置であって、
   前記送波器から送波される超音波とは逆位相の電気信号を前記検知部に出力することにより前記受波素子が前記送波器から直接に受波した超音波を受波信号として前記検知部に出力することを防止する消音手段を備えたことを特徴とする物体検知装置。
2. 前記消音手段は、前記送波器からの超音波を受波する消音用受波素子を有し、前記消音用受波素子が前記送波器から受波した超音波を受波信号に変換すると共にその位相を反転させた受波信号を前記検知部に出力することを特徴とする請求項１に記載の物体検知装置。