JP2007198800A

JP2007198800A - 物体検知装置

Info

Publication number: JP2007198800A
Application number: JP2006015520A
Authority: JP
Inventors: Yuji Sakuma; 祐治佐久間; Yorinobu Murayama; ▲より▼信村山
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-01-24
Filing date: 2006-01-24
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2026-01-24
Also published as: JP4802730B2

Abstract

【課題】物体検知装置において、超音波発信回路を増強することなくＳ／Ｎ比を上げて広い視野の検知領域における物体の距離と方位の検知を可能とする。
【解決手段】超音波を送波する送波器１と、反射波を受波して受波信号に変換する複数個の受波素子２と、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２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３とを備える。さらに、送波器１の前方に配設されたとき送波方向を変えることができると共に検知領域を狭くすることができる超音波レンズ４を備え、検知部３は、超音波レンズ４を送波器１の前に配設していない状態で物体検知を行い、その後、送波器１が送波する超音波の指向性をより高めるように、超音波レンズ４を送波器１の前方に配設して物体検知を行う。
【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。超音波の送波器と受波器とは共通にすることもできるが、短時間に繰り返して物体検知を行う場合、例えば、残響の影響を回避するため、送波器と受波器とは別個のものが用いられる。また、受波器を複数の受波素子から構成して、受波素子間の受波信号の時間差から検知物体の方位が求められる。

上述のような超音波を用いた物体検知において、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場合に、検知領域に存在しない物体を検出する誤検知が発生する可能性がある。誤検知は、物体検知の利便性を低下するので排除する必要がある。このような誤検知は、例えば、ノイズ強度に対する信号強度の比、つまりＳ／Ｎ比を上げることによって抑制できる。信号強度に注目する場合、反射超音波からの信号強度を上げるには、送波する超音波の強度を上げればよい、ということになる。送波する超音波の強度を上げるには、例えば、超音波発信回路を増強する方法と、送波する超音波の指向性を上げて特定の視野範囲の超音波強度を上げる方法がある。前者の超音波発信回路を強化する方法は、回路の複雑化や大型化、コストアップなどにつながるという問題がある。

上述した後者の方法として、送波する超音波の指向性を高めるため、医療用の超音波プローブや超音波検知型カテーテルにおいて超音波レンズを用いる例が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平２−３０２２５１号公報

しかしながら、上述した特許文献１に示されるような、単に超音波レンズを用いて指向性を高めてＳ／Ｎ比を上げる方法は、広い視野の検知領域において物体（障害物や侵入者）検知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、広い視野の検知領域において超音波発信回路を増強することなくＳ／Ｎ比を上げて物体の距離と方位を誤検知を抑制して検知できる超音波を用いた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、送波器の前方に配設されたとき送波方向を変えることができると共に検知領域を狭くすることができる超音波レンズを備え、前記検知部は、前記超音波レンズを送波器の前に配設していない状態で物体検知を行い、その後に、検知された物体の方向に送波方向が向くように前記超音波レンズを送波器の前方に配設した状態で再度、物体検知を行うものである。

請求項２の発明は、請求項１記載の物体検知装置において、前記超音波レンズは、空気より高密度の屈折用気体と、前記屈折用気体を外包する外側容器と、を備えて成るものである。

請求項１の発明によれば、広い視野の物体検知と狭い視野の物体検知の２段階で物体検知を行うこととし、かつ、狭い視野での物体検知では超音波レンズの効果により指向性を上げて物体検知を行うことができるので、超音波発信回路を増強することなくＳ／Ｎ比を上げることができ、広い視野の検知領域において、誤検知を抑制して物体の距離と方位を検知することができる。

請求項２の発明によれば、超音波を集音して指向性を上げる超音波レンズを容易に製造できる。

以下、本発明の一実施形態に係る物体検知装置について、図面を参照して説明する。図１（ａ）は本発明の一実施形態に係る物体検知装置において、送波器の前に超音波レンズを配設していない状態を示し、図１（ｂ）は送波器の前方に超音波レンズを配設した状態を示す。この物体検知装置は、検知領域に超音波を送波する送波器１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２と、受波素子２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２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３と、を備えている。

そして、物体検知装置は、送波器１の前方に配設されたとき送波方向を変えることができると共に検知領域を狭くすることができる超音波レンズ４を備え、検知部３は、図１（ａ）に示すように、超音波レンズ４を送波器１の前に配設していない状態で物体検知を行い、その後に、図１（ｂ）に示すように、送波器１が送波する超音波の指向性をより高めるように、超音波レンズ４を送波器１の前方に配設した状態で再度、物体検知を行う。

本発明の物体検知装置は、上述のような超音波レンズ４の配設と非配設を切り替えるための切替機構（後述、図３、図４）を備えており、検知部３は、切替信号を切替機構に出力することにより、超音波レンズ４の配設と非配設を切り替える。また、超音波レンズ４を切り替えることによって超音波の送波方向を変えることもできる。この送波方向を変えて物体検知を行うことについては後述する。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、発信回路１０と送波素子１１とを備えている。発信回路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を励振する。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として空中に送波する。

複数の受波素子２は、互いに近接して、同一平面内に一列に配列されている。このように配列した受波素子２の成す平面に、十分遠方からの反射超音波が入射するとき、反射超音波は平面波となって入射する。すると、周知のように、受波素子２の成す平面に対する反射超音波の波面の成す角度から、反射超音波の伝播方向を求めることができる。換言すると、反射超音波の伝播方向は、各受波素子２の配置間隔と各受波時間の遅れから求められる。また、周知のように、超音波の音速と受波素子２の受波までに要した時間とから、超音波反射物体、すなわち被測定物体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。なお、複数の受波素子２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ることもできる。

検知部３は、上述の反射超音波の伝播方向、従って、被測定物体の方向、及び、被測定物体までの距離を求める演算を行う。これを行うため、検知部３は、各受波素子２が超音波を受波することにより発生する電気信号を受け取り、電気信号の時間情報と各受波素子２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。

超音波レンズ４は、検知領域を狭くして送波器１が送波する超音波の指向性を高めるので、送波した超音波の到達距離を伸ばして音圧を上げることができる。このような超音波レンズ４は、空気より高密度の屈折用気体と、その屈折用気体を外包する外側容器と、を備えて構成することができる。超音波レンズ４の作用は、空気中のガラスに対する幾何光学とのアナロジーで理解できる。空気より高密度の屈折用気体は、超音波に対して空気の屈折率よりも大きな屈折率を有するので、外側容器の形状を凸レンズの形状にすることによって、超音波に対する凸レンズを構成できる。

本発明の物体検知装置によれば、図１（ａ）に示すように、左右の視野角度θが、例えば、θ＝＋４５゜〜−４５゜の範囲である広い視野の物体検知と、図１（ｂ）に示すように、左右の視野角度θが、例えば、θ＝＋３０゜〜−３０゜の範囲である狭い視野の物体検知と、の２段階で物体検知を行うことができ、かつ、狭い視野での物体検知では超音波レンズ４の効果により指向性を上げて物体検知を行うことができる。

また、図１（ａ）に示す広い視野の検知領域ａに対して、図１（ｂ）に示す超音波レンズ４を配設して指向性を上げた場合、検知領域ａが狭くなるが、検知領域ａよりも遠い検知領域ｂまで、超音波が到達するようになる。つまり、超音波レンズ４を用いた後者の場合、検知領域ｂの手前の検知領域ａにおいて、超音波は発信回路１０を増強することなく強い強度となっている。従って、Ｓ／Ｎ比が改善された反射超音波の信号が得られるので、物体の距離と方位をより精度良く、すなわち誤検知なく、検知することができる。

上述の超音波レンズ４は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、送波器１の前方に配設する超音波レンズ４の形状や種類を変えることにより、送波器１からの送波方向を特定領域の方向に変化させると共に、その領域方向への送波超音波の指向性を上げることができる。図２（ａ）の超音波レンズ４は、送波器１から送波される超音波を、左側に絞る、すなわち左側に向けて指向性を上げる超音波レンズであり、図２（ｂ）の超音波レンズ４は、送波器１から送波される超音波を、右側に絞る超音波レンズである。また、上述の図１（ｂ）に示した超音波レンズ４は、送波器１から送波される超音波を、方向を変えることなく正面方向に絞る超音波レンズ４である。

上述の超音波を絞ると共に方向を変える超音波レンズ４は、通常、送波器１の正面方向（中心軸方向）に対して非対称な構造にすることにより構成される。例えば、凸レンズ状の超音波レンズ４を用いて、その中心軸を送波器の中心軸から平行にずらしたり、互いの中心軸を傾けたりして、超音波を絞ると共に方向を変える超音波レンズ４を構成できる。

次に、図３（ａ）（ｂ）、図４（ａ）（ｂ）を参照して、送波素子１１の前方に超音波レンズ４の異なる種類の配設、及び非配設を切り替えるための切替機構の例を説明する。ここで示す超音波レンズ切替機構は、種類の異なる複数の超音波レンズ４を所定の配列で固定しておき、超音波レンズ４の位置を機械的に移動して切り替えるものである。図３（ａ）（ｂ）に示すものは、視野の左方向用、又は中央方向用、又は右方向用の、各超音波レンズ４配設の状態、又は超音波レンズ非配設４１の状態を切り替えられるように、超音波レンズ４を、切替板４０に一列に配列している。この切替板４０を、矢印ｘで示すように、スライドすることにより、送波素子１１の前に配設する超音波レンズ４、又は超音波レンズ非配設４１を切り替えることができる。

また、図４（ａ）（ｂ）に示すものは、タレット状の切替板４０に、上記の３種類の超音波レンズ４を配列したものである。この切替板４０を、矢印Ｒで示すように、回転することにより、送波素子１１の前に配設する超音波レンズ４、又は超音波レンズ非配設４１を切り替えることができる。

以下に、この物体検知装置の動作について説明する。図５は物体検知装置による物体検知の様子を示し、図６（ａ）〜（ｃ）は図５に示した物体検知に引き続いて行う物体検知の様子を示す。本発明の物体検知装置は、例えば、上述したように、超音波レンズ４非配設、中央に超音波を絞る超音波レンズ４配設、左側に超音波を絞る超音波レンズ４配設、右側に超音波を絞る超音波レンズ４配設、の４種類の検知条件を選択できる。また、検知領域の視野角度範囲は、送波される超音波の最高強度の方向（指向性の方向）を中心として、超音波レンズ４非配設の場合、例えば±４５゜であり、各３種類の超音波レンズ４を用いた場合、例えば±３０゜である。

物体検知に際して、はじめに、超音波レンズ４非配設の状態で物体の検知を行なう。すなわち、本発明の物体検知装置を用いて、図５に示すように、送波器１の前に超音波レンズ４を配設しない広い視野領域とした状態で、粗い物体検知を行う。この粗い物体検知は、いわば、候補としての物体を検知するものであり、次に行う物体検知により候補物体がゴーストか真の物体かの判定がなされる。すなわち、この粗い物体検知の操作により候補物体が検知された領域に応じて超音波レンズ４を選択し、検知領域を狭く絞った検知を行う。この確認の検知により、誤検知のない物体検知を行なうことができる。図５に示した例では、左方向に候補としての被測定物体Ｍ１が検知されている。次に、図６（ａ）に示すように、左側に絞る超音波レンズ４を送波器１の前方に配設した状態で、狭い視野で詳細な物体検知を行う。このとき、被測定物体Ｍ１の位置に送波される超音波の強度は増加しているので、Ｓ／Ｎ比は上がっている。このため、先の粗い物体検知において、実際には存在しない物体をノイズ等の原因により物体が存在するとした誤検知をした場合であっても、次に行う詳細な物体検知においては、再度誤検知をする可能性は低くなる。このようにして、超音波発信回路を増強することなく、物体の誤検知を抑制することができる。あわせて、Ｓ／Ｎ比が上がっている状態で物体を検知できるので、物体の距離と方位をより正確に、つまり高分解能でもって測定できるという効果も得られる。

また、図５に破線で示すように、中央正面方向に候補としての被測定物体Ｍ２が検知された場合には、図６（ｂ）に示すように、中央に絞る超音波レンズ４を送波器１の前に配設し、超音波を中央に絞り、被測定物体Ｍ２の位置情報を得る。同様に、図５に破線で示すように、右方向に候補としての被測定物体Ｍ３が検知された場合には、図６（ｃ）に示すように、右側に絞る超音波レンズ４を送波器１の前に配設し、超音波を右側に絞り、被測定物体Ｍ３の位置情報を得る。

上述のように、本発明の物体検知装置は、広い視野の物体検知と狭い視野の物体検知の２段階で物体検知を行うこととし、かつ、狭い視野での物体検知では、超音波レンズを用いることにより、指向性と音圧とを上げて物体検知を行うことができるので、広い視野の検知領域において超音波発信回路を増強することなくＳ／Ｎ比を上げて誤検知を抑制し物体の距離と方位を検知する物体検知ができる。

ここで、本願発明の物体検知装置は、超音波を中央に絞る超音波レンズ、超音波を左側に絞る超音波レンズと右側に絞る超音波レンズとを具備している。さらに、具備する超音波レンズの種類はこれらに限らず、超音波を上側に絞る超音波レンズと、超音波を下側に絞る超音波レンズとを具備してもよい。加えて、超音波を左上側に絞る超音波レンズと、超音波を左下側に絞る超音波レンズと、右上側に絞る超音波レンズと、右下側に絞る超音波レンズとを具備してもよい。このような種類の超音波レンズを具備することにより、立体的な広い視野の検知領域においても、誤検知を抑制して物体の距離と方位を検知することができる。

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、上述の各種の超音波レンズ４の機能を変えて用いる場合、超音波レンズ４を移動して交換するかわりに、屈折用気体を外包して超音波レンズ４を構成している外側容器の形状を変化させるようにしてもよい。例えば、外側容器の形状を扁平な同一厚さとすれば、超音波レンズ４を非配設の状態、左や右に傾いた形状とすれば右や左に絞る超音波レンズ４を配設する状態、通常の凸レンズ形状にすれば中央に絞る状態を実現できる。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る物体検知装置の、送波器の前に超音波レンズを配設していない状態の概念説明図、（ｂ）は同物体検知装置の、送波器の前方に超音波レンズを配設した状態の概念説明図。（ａ）（ｂ）は同上物体検知装置の備える超音波レンズの作用と効果を説明するの概略断面図。（ａ）は同上物体検知装置に用いられる超音波レンズ切替機構の例を示す平面図、（ｂ）は同側面断面図。（ａ）は同上物体検知装置に用いられる超音波レンズ切替機構の他の例を示す平面図、（ｂ）は同側面断面図。同上物体検知装置による物体検知の様子を示す平面図。（ａ）（ｂ）（ｃ）は図５に示した同上物体検知装置による物体検知に引き続いて行う物体検知の様子を示す平面図。

符号の説明

１送波器
２受波素子
３検知部
４超音波レンズ
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３被測定物体

Claims

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、
送波器の前方に配設されたとき送波方向を変えることができると共に検知領域を狭くすることができる超音波レンズを備え、
前記検知部は、前記超音波レンズを送波器の前に配設していない状態で物体検知を行い、その後に、検知された物体の方向に送波方向が向くように前記超音波レンズを送波器の前方に配設した状態で再度、物体検知を行うことを特徴とする物体検知装置。
前記超音波レンズは、空気より高密度の屈折用気体と、前記屈折用気体を外包する外側容器と、を備えて成ることを特徴とする請求項１記載の物体検知装置。