JP2009236776A - 超音波センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】車両の近傍に存在する障害物を検知する超音波センサのセンサヘッドが最適な位置に配置された超音波センサを提供する。
【解決手段】断続的に送信される超音波に対する障害物からの反射波に基づいて車両1の周辺の障害物検知を行う超音波センサの、超音波を送信する送信器と反射波を受信する受信器とを有してバックドア11に設置されるセンサヘッド20が、車両1の車幅方向の中心線Mの近傍であって、バックドア11の開閉側の端部12aの角部12bからセンサヘッド20までの距離D3が、センサヘッド20から地上に備えられる小型地上構造物Sまでの距離D7よりも短くなる位置20cに設置される。
【選択図】図10

Description

本発明は、車両の後部の上方に揺動軸を有して開閉する跳ね上げ式のバックドアに、当該バックドアの表面を検知範囲に含んで設置され、断続的に送信される超音波に対する障害物からの反射波に基づいて前記車両周辺の障害物検知を行う超音波センサに関する。
この種の超音波センサを備えた車両用ドアの開閉制御システムの一例が、下記に示す特許文献1に記載されている。この開閉制御システムは、超音波センサを車両のバックドアに配置し、当該超音波センサは、その検知範囲が車体の表面に略沿うようにして超音波を送波する。超音波センサは、送波された超音波の障害物による反射波を超音波センサが受波するまでの時間により、超音波センサと障害物との間の距離や方向を検知する。開閉制御システムは、その距離が一定の範囲内にあれば、バックドアの開閉を停止させるなどの制御を実施する。超音波センサは、バックドアの開閉時に当該バックドアとともに動くので、開閉に伴って車両から最も遠ざかるバックドアの開閉側の端部が常に超音波センサの検知範囲に含まれる。従って、開閉制御システムは、バックドアの開閉時に良好に障害物検知を行って、その検知結果に基づいて車両の開閉部を開閉させることができる。
下記に出典を示す特許文献2には、このような車両用ドア開閉制御システムや障害物検知システムに使用されるセンサユニットの技術が開示されている。これによれば、センサユニットのセンサヘッドは、車両のバックドアのライセンスランプの横に設置される。また、特許文献3には、バックドアの上方のヒンジの近傍に超音波センサのセンサヘッドを配置する例や、デザイン上の観点からバックドアのエンブレムに配置する例が示されている。
特開2007−138566号公報(第19〜45段落、図2、3等) 特開2007−139570号公報(第32〜46段落、図5等) 特開2007−057527号公報(第32、64段落、図1等)
特許文献2に示されたセンサヘッドの配置位置は、配線の取り回しや、CAN(controller area network)との接続の容易性などに着目して定められている。また、特許文献3に示されたセンサヘッドの配置位置は、超音波センサの検知範囲をバックドアに沿うようにするためや、デザイン上の観点から定められている。何れの文献においても、超音波センサの検知範囲を確保しつつ、道路上に設けられた縁石などの小型地上構造物等を検知範囲から除外して、センサヘッドを最適な位置に配置する手法は開示されていない。また、何れの文献においても、このような観点からセンサヘッドの最適な配置位置を検討したり、課題提起したりしてはいない。
本発明は、上記課題に鑑みて創案されたもので、車両の近傍に存在する障害物を検知する超音波センサのセンサヘッドが最適な位置に配置された超音波センサを提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明に係る超音波センサの特徴構成は、
車両の後部の上方に揺動軸を有して開閉する跳ね上げ式のバックドアに、当該バックドアの表面を検知範囲に含んで設置され、断続的に送信される超音波に対する障害物からの反射波に基づいて前記車両周辺の障害物検知を行う超音波センサであって、
前記超音波を送信する送信器と、前記反射波を受信する受信器とを有し、前記バックドアに設置されるセンサヘッドを備え、
前記センサヘッドは、前記車両の車幅方向の中心線近傍であって、前記バックドアの開閉側の端部の角部から前記センサヘッドまでの距離が、前記センサヘッドから地上に備えられる小型地上構造物までの距離よりも短くなる位置に設置される点にある。
センサヘッドが車幅方向の中心線近傍に配置されると、バックドアの左右の端部への距離が等距離となり超音波センサの検知範囲が無駄なく利用できる。また、少なくともバックドアの開閉側の端部の角部が検知範囲に含まれるようにセンサヘッドを配置すれば、バックドアの開閉側の端部は検知範囲に含まれるようになる。従って、開閉時に最も長い距離を移動する部位が超音波センサの検知範囲に含まれることとなる。また、バックドアの開閉側の端部の角部からセンサヘッドまでの距離が、センサヘッドから地上に備えられる可能性のある小型地上構造物までの距離よりも短くなる位置にセンサヘッドが設置される。従って、小型地上構造物を障害物として検知しないように、検知範囲を狭く設定した場合でも、確実にバックドアの開閉側の端部は検知範囲に含まれる。このように、本特徴構成によれば、車両の近傍に存在する障害物を検知する超音波センサのセンサヘッドが最適な位置に配置された超音波センサを提供することが可能となる。
また、本発明に係る超音波センサのセンサヘッドは、
前記車両の後方にふくらみを有して湾曲する前記バックドアの上下方向の湾曲の頂点から前記バックドアの開閉側の端部までの間に設置されると好適である。
このように配置されると、センサヘッドからバックドアの開閉側の端部を望むことができ、良好にバックドアの開閉側の端部が検知範囲に含まれるようになる。
ここで、前記小型地上構造物は、地上に備えられる縁石であると好適である。
車両が駐車され、バックドアが開閉される状況は、道路の端や駐車場である。そして、このような場所には、小型地上構造物として縁石が存在することが多い。従って、縁石を小型地上構造物の基準として、センサヘッドの配置を定めておけば、汎用的な超音波センサを実現することができる。
以下、本発明の好適な実施形態を、開閉体として車両のバックドアを開閉する開閉制御システムを例として、図面に基づいて説明する。図1は、本発明に係る車両の開閉制御システムの超音波センサ2の検知範囲8を示す車両1の後面図であり、図2は、図1の検知範囲8を示す車両1の側面図である。なお、このバックドア11は上下開閉式の揺動ドアである。符号Gは、地面を示している。
超音波センサ2からは、超音波が送信され、この超音波が障害物に当たって反射波が生じ、この反射波を元の超音波センサ2が受信する。超音波センサ2は、この送信から受信までの時間により、超音波センサ2と障害物との間の距離を検知する。後述する制御部(ドアECU(electric control unit)3)は、その距離が一定の範囲内にあれば、障害物が存在すると判定する。制御部は、その判定結果に基づいて、障害物の存在をブザーや警告表示などにより報知したり、駆動部(ドアアクチュエータ)4を制御したりする。例えば、障害物があると判定した場合には、バックドア11の開閉操作を停止させるなどの制御を行う。その結果、バックドア11と障害物との接触を回避することが可能になる。
図1に示すように、ヒンジ13を揺動軸として揺動する車両のバックドア11の中央部、一般に車両のエンブレム15が設置される近傍に、超音波センサ2のセンサヘッド20が配置されている。センサヘッド20の具体的な取り付け位置の詳細については後述する。このセンサヘッド20の送信方向の中心軸Cは、図2に示すように、バックドア11の表面12Aに略沿って、下方に傾斜している。中心軸Cがバックドア11の表面12Aに「略沿う」とは、具体的にはこの中心軸Cがバックドア11の表面12Aと成す角度が45°以内に収まることをいう。超音波センサ2の前方には検知範囲8が、超音波センサ2を含む平面上においては扇状、そして空間的には切頭円錐状に拡がっている。超音波センサ2は、その原理上、送信波の残響が受信波となり、障害物を検知することができない不検知範囲9をセンサヘッド20の近傍に有している。
尚、仰角αを60°以下かつ0°以上に設定すれば、低出力の超音波センサでも適用が可能となる。さらに、仰角αを45°以下かつ0°以上とすればさらに検知感度が向上する。もちろん、仰角αは90°前後であってもよく、この場合にはバックドア11の表面12Aの全体を検知対象とすることができる。
超音波センサ2のセンサヘッド20は車両のバックドア11に配置されているため、このバックドア11の開閉の際に超音波センサ2はバックドア11と共に動くことになる。その結果、図3に示すように、超音波センサ2の送信方向の中心軸Cは、常に車両のバックドア11の表面に略沿った状態となり、バックドア11の開扉と共に検知範囲8も動くことになる。したがって、バックドア11の開扉方向に障害物が存在する場合、これを容易に検知することができる。
さらに、図1〜図3に示すように、超音波センサ2の検知範囲8にはバックドア11の開閉側の端部(表面12Aの先端部)12aが含まれている。バックドア11の開閉側の端部12aは、バックドア11の開扉時に最も動き出しの早い箇所、すなわち最も障害物に当たり易い箇所である。従って、この端部12aを超音波センサ2の検知範囲8に含むことにより、バックドア11の開扉時における障害物検知をより確実なものとすることができる。
図4は、本発明に係る車両の開閉制御システムの構成例を模式的に示すブロック図である。図4に示すようにこの開閉制御システムは、超音波センサ2と、バックドア11を開閉駆動するドアアクチュエータ4と、超音波センサ2の検知結果に基づいてドアアクチュエータ4を駆動させ、さらにガススプリング16のアシストを受けてバックドア11を開閉制御する制御部としてのドアECU3とを備えて構成される。超音波センサ2は、送信器21と受信器22とを有したセンサヘッド20と、送信部23と、受信部24と、検波部25と、演算部26を有している。送信部23は演算部26から出力される送信指令に基づいて送信器21に超音波を送信させる機能部である。受信部24は受信器22が受信した超音波を電気信号として受信する機能部である。検波部25は、受信波を検波する機能部である。演算部26は、送信部23を介して送信波を送信させると共に、検波結果から障害物の有無や障害物までの距離を演算する機能部である。
以下、超音波センサ2が障害物を検知する原理、及び超音波センサ2の検知結果に基づいてバックドア11が開閉制御される開閉制御システムの概要について説明する。図5は、超音波センサ2による障害物検知の基本的な動作を示すタイミングチャートである。図6は、検波部25による検波を説明する波形図である。図5及び図6を用いて超音波センサ2の各機能部を詳述する。
演算部26は、図5(a)に示すように、時刻t0において送信部23に対してタイミング信号を出力する。タイミング信号は、設定間隔(例えば10ms〜100ms)で繰り返し出力される。送信部23は、タイミング信号を入力されると、設定個数(例えば10個)のパルス信号である発振信号をセンサヘッド20の送信器21に対して出力する(図5(b))。送信器21は、発振信号により振動し、バースト状の超音波を送信波W1として出力する(図5(c))。図5(c)において、発振信号よりも多くのバースト波が出力されているのは、送信器21の残響によるものである。
受信器22と送信器21とは、センサヘッド20として近接して配置されている。従って、送信器21の近傍に存在する受信器22は、図5(d)に示すように、送信器21が送信する超音波を直接受信する。また、センサヘッド20から比較的近い距離には、バックドア11の開閉側の端部12aと対向し、この端部12aよりも車両1から突出して設けられる突出部としてのバンパー14が存在する。このため、送信波はバンパー14により反射し、その反射波が受信器22に入力される。
図5(d)に示す例では、送信器21の残響が残る期間中にバンパー14からの反射波が受信器22に到達する場合を模擬しており、図5(c)に示す送信波よりも図5(d)に示す受信波W2の継続時間の方が長くなっている。図5(d)に示す受信波W3は、障害物からの反射波を模擬したものである。障害物からの反射波としての受信波W3と区別するため、送信波W1及びバンパー14からの反射波が含まれる受信波W2を以下、「初期受信波」と称する。
図5(e)に示すマスク信号は、後述する検波部25や演算部16が、送信波W1及びバンパー14からの反射波が含まれる初期受信波W2を障害物からの反射波として検波したり、障害物判定したりしないようにするための識別信号である。本実施形態では、初期受信波W2に対しては、検波部25による検波も実施されないようにしている。しかし、検波部25による検波は全ての受信波に対して実施し、マスク信号に基づいて演算部26が障害物であるか否かを判定するようにしてもよい。尚、マスク信号は、図5に示す時刻t0〜時刻t1においてアクティブとなり、この期間をマスク期間と称する。
図5(d)において、受信波W3は障害物からの反射波である。検波部25は、この受信波W3を検波する機能部である。検波部25は、図6(a)に示す受信波W3を、図6(b)に波線で示すように全波整流し、全波整流後の波形W4に包絡線処理を施して包絡線W5を得る。次に、検波部25は、包絡線W5に対して例えば閾値P1との比較演算を行い、図6(c)及び図5(e)に示すような検波信号W6を得る。検波信号W6の立ち上がりは検波時刻であり、図5に示すように時刻t2である。
本実施形態では、理解が容易であるために、検波部25が検波時刻を特定する方法として、包絡線W5に対する閾値P1との比較による方法を例示した。しかし、検波時刻の特定は、この方法に限定されるものではない。例えば、包絡線W5の増加傾向を直線近似し、この直線と所定の閾値とが交差する時刻によって検波時刻を特定する方法であってもよい。所定の閾値は、上記閾値P1や、受信波W3の振幅中心など適宜設定することができる。
演算部26は、タイミング信号を出力した時刻t0と検波時刻t2との時間差に基づいて、センサヘッド20と障害物との距離を演算する。つまり、時刻t0と時刻t2との時間差は、センサヘッド20と障害物との間を超音波が往復する時間であるから、往復時間の半分の時間、つまり片道の時間と音速との積を求めることにより、距離が求められる。演算部26は、検波信号W6により障害物の存在を判定することができ、また当該障害物との距離を演算することができる。
演算部26による演算結果は、ドアECU3に対して出力される。ドアECU3は、バックドア11の近傍に障害物があると検知された場合には、例えばドアアクチュエータ4の作動を停止させる。これにより、バックドア11が障害物に接触する前に開扉を停止させることができる。
以上、図5及び図6を用いて、超音波センサ2が障害物を検知する原理、及び超音波センサ2の検知結果に基づいてバックドア11が開閉制御される開閉制御システムの概要について説明した。上記においては、理解を容易にするために、受信部22が1つである場合を例として説明した。しかし、受信部22が1つの場合には、障害物までの距離は演算によって求めることができても、障害物の位置、つまり方向は求めることができない。障害物の方向を含めて検知するためには、少なくとも2つの受信部22が必要である。
図7及び図8に、障害物の方向も求めることができる超音波センサ2Aの好適な例を示す。図7は、超音波センサ2Aを含む車両の開閉制御システムの他の構成例を模式的に示すブロック図であり、図8は、超音波センサ2Aのセンサヘッド20A(20)の一例を示す説明図である。
図7及び図8に示すように、超音波センサ2Aは、1つの送信器21と、3つの受信器22a、22b、22cとの4つの振動部を有している。4つの振動部は、正方形の各頂点部に1つの振動部が対応する形態で配置される。図8におけるx軸は車幅方向、z軸は超音波センサ2Aの送信方向の中心軸Cに沿う方向、y軸はx軸及びz軸に直交する方向の軸である。送信波の1/2波長は、隣接する振動部の正方形の各辺方向における間隔よりも充分に小さい値である。超音波センサ2Aは、3つの受信器22a、22b、22cを備えることにより、3次元的に障害物の位置を検知することができる。
超音波センサ2Aは、図7に示すように、3つの受信器22a、22b、22cに対応して3つの受信部24a、24b、24cを有している。また、3つの受信部24a、24b、24cに対応して3つの検波部25a、25b、25cを有している。3つの受信器22a、22b、22cの位置は、図8に示すように異なっているため、1つの障害物からの距離も異なっており、3つの受信部24a、24b、24cは、当該障害物からの反射波を異なった時刻に受信する。従って、3つの検波部25a、25b、25cによって検波されて特定される検波時刻もそれぞれ異なった時刻となる。3つの受信器22a、22b、22cの幾何学的な関係は演算部26にとって既知の情報である。従って、演算部26は、それぞれの受信器22a、22b、22cと障害物との距離と、3つの受信器22a、22b、22cの幾何学的な関係とに基づいて、公知の三角測量演算により、障害物の方向を求めることができる。
以上、説明したように、本実施形態の車両の開閉制御システムは、車両1の近傍の障害物を良好に検知することのできる超音波センサ2を備えた優れたシステムである。この超音波センサ2の性能を最大限発揮させるためには、適切な位置にセンサヘッド20が設置されることが好ましい。以下、センサヘッド20の適切な取り付け位置について詳述する。
図9は、センサヘッド20の最適な取り付け位置を説明する車両側面図であり、図10は、センサヘッド20の最適な取り付け位置を説明する車両後面図である。図9及び図10において、符号20cは、センサヘッド20の取り付け位置である。取り付け位置20cは、図8に示すセンサヘッド20Aを例とすればz軸とセンサヘッド20Aとの交点とすると好適である。図9及び図10において符号Sは、道路上などの地上に備えられた小型地上構造物としての縁石である。超音波センサ2は、この縁石Sを障害物として検知することなく、バックドア11の開閉時に影響する障害物を良好に検知できる位置に設置されることが望まれる。
図10において、符号D1は、地上からバックドア11の開閉側の端部12aまでの距離を示す。符号D2は、バックドア11の端部12aの車幅方向の長さの半分の長さを示す。尚、符号D2で示す幅方向長さは、符号D2’のように、バックドア11の最大幅の半分の長さとしてもよい。符号D3は、センサヘッド20の取り付け位置20cから、バックドア11の開閉側の端部12aの角部12bまでの長さである。符号D4は、センサヘッド20の取り付け位置20cから、バックドア11の開閉側の端部12aまでの長さである。符号D5は、縁石Sで例示される小型地上構造物の地面Gからの高さである。
ここで、センサヘッド20の取り付け位置20cは、車両1の車幅方向の中心線Mの近傍であって、以下の式(1)を満たす位置であると好適である。
Figure 2009236776
ここで、左辺は、三平方の定理からD3と等しい。さらに、バックドア11の端部12aから縁石Sまでの距離「D1−D5」をD6とおくと、式(1)は、下記式(2)となる。
Figure 2009236776
式(2)は、図10に示すように、センサヘッド20が取り付け位置20cに設置された場合に、バックドア11の開閉側の端部12aの角部12bが検知範囲8に入り、地面Gの方向では検知範囲8が縁石Sに達しないという条件を満たすことができるセンサヘッド20の取り付け位置20cの配置条件を示している。図10を参照すれば、式(2)の右辺「D4+D6」は、センサヘッド20の取り付け位置20cから縁石Sまでの距離D7に等しい。従って、バックドア11の開閉側の端部12aの角部12bからセンサヘッド20までの距離D3が、センサヘッド20から縁石Sまでの距離D7よりも短くなるという条件を満たすように、センサヘッド20の取り付け位置20cを定めるとよい。
式(2)において、D3は、センサヘッド20の取り付け位置20cの位置によって変動する値であるから、D3を適切に定める必要がある。D3は、式(1)において、D2とD4とで定まり、D2は車両1によって規定される値であるから、D4が変動する値である。従って、D4を適切に定めることによって、センサヘッド20の取り付け位置20cの位置を適切に定めることができる。ここで、式(1)、式(2)からD4を求めると下記式(3)となる。
Figure 2009236776
D4は、センサヘッド20を取り付けるに当たり、バックドア11の開閉側の端部12aから上方へ、最低限設ける必要のある距離である。従って、センサヘッド20の取り付け位置20cは、バックドア11の開閉側の端部12aから上方へD4以上の高さであると好適である。例えば、縁石Sの高さ(D5)を20cm、バックドア11の幅(D2×2)を138cm、地面からバックドア11の開閉側の端部12aまでの高さ(D1)を68cmとすれば、D4は約26cm以上となる。
このように、センサヘッド20は、車両1の車幅方向の中心線Mの近傍であって、バックドア11の開閉側の端部12aの角部12bからセンサヘッド20までの距離が、センサヘッド20から地上に備えられる可能性のある小型地上構造物(縁石S)までの距離よりも短くなる位置に設置されるとよい。
センサヘッド20は、さらに、図9に示すバックドア11の湾曲の頂点12cからバックドア11の開閉側の端部12aまでの間に設置されると好適である。一般的に車両1のバックドア11は、車両1の後方にふくらみを有して車両2の上下方向及び左右方向に湾曲している。従って、バックドア11の上方にセンサヘッド20は設置されると、湾曲したバックドア11自身により、バックドア11の開閉側の端部12aがセンサヘッドの死角となる可能性がある。しかし、センサヘッド20が、バックドア11の湾曲の頂点12cからバックドア11の開閉側の端部12aまでの間に設置されると、センサヘッド20からバックドア11の開閉側の端部12aを望むことができる。従って、最も障害物の検知が期待される端部12aが良好に検知範囲8に含まれる。
以上説明したように、本発明によって、車両の近傍に存在する障害物を検知する超音波センサのセンサヘッドが最適な位置に配置された超音波センサを提供することができる。
本発明に係る車両の開閉制御システムの超音波センサの検知範囲を示す車両後面図 図1の検知範囲を示す車両側面図 図1の車両のバックドドアを開けた場合の検知範囲を示す車両側面図 本発明に係る車両の開閉制御システムの構成例を模式的に示すブロック図 超音波センサによる障害物検知の基本的な動作を示すタイミングチャート 検波を説明する波形図 車両の開閉制御システムの他の構成例を模式的に示すブロック図 センサヘッドの一例を示す説明図 センサヘッドの最適な取り付け位置を説明する車両側面図 センサヘッドの最適な取り付け位置を説明する車両後面図
符号の説明
1:車両
2:超音波センサ
5:障害物、近傍障害物
6:障害物、遠方障害物
8:検知範囲
11:バックドア
12A:バックドアの表面
12a:バックドアの端部
12b:バックドアの端部の角
14:バンパー
20:センサヘッド
21:送信器
22:受信器
D3:バックドアの開閉側の端部の角部からセンサヘッドまでの距離
D7:縁石(小型地上構造物)からセンサヘッドまでの距離
G:地面
M:車両の車幅方向の中心線
S:縁石(小型地上構造物)

Claims (3)

  1. 車両の後部の上方に揺動軸を有して開閉する跳ね上げ式のバックドアに、当該バックドアの表面を検知範囲に含んで設置され、断続的に送信される超音波に対する障害物からの反射波に基づいて前記車両の周辺の障害物検知を行う超音波センサであって、
    前記超音波を送信する送信器と前記反射波を受信する受信器とを有して前記バックドアに設置されるセンサヘッドを備え、
    前記センサヘッドは、前記車両の車幅方向の中心線近傍であって、前記バックドアの開閉側の端部の角部から前記センサヘッドまでの距離が、前記センサヘッドから地上に備えられる小型地上構造物までの距離よりも短くなる位置に設置される超音波センサ。
  2. 前記センサヘッドは、前記車両の後方にふくらみを有して湾曲する前記バックドアの上下方向の湾曲の頂点から前記バックドアの開閉側の端部までの間に設置される請求項1に記載の超音波センサ。
  3. 前記小型地上構造物は、地上に備えられる縁石である請求項1又は2に記載の超音波センサ。
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