JP2015194392A - On-vehicle ultrasonic sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車に搭載され、走行時の自動車が車両周辺に存在する障害物の有無を検知する為の車載用超音波センサに関する。 The present invention relates to an on-vehicle ultrasonic sensor that is mounted on an automobile and detects whether or not an obstacle exists around the vehicle when traveling.
特に渋滞などの低速走行時において、ブレーキ制御を行わない限り先行車への衝突が不可避であると判断される場合に、衝突を開始する自動ブレーキシステムが、既に実用に供されている。このような場合に、従来の自動ブレーキシステムは、ドライバーによるブレーキ操作がなくとも、自動的にブレーキ制御を行うことで減速し、前記先行車への衝突を回避、または衝突の被害を軽減している。 In particular, an automatic brake system that starts a collision when it is determined that a collision with a preceding vehicle is unavoidable unless braking control is performed during low-speed traveling such as traffic congestion. In such a case, the conventional automatic brake system reduces the speed by automatically performing the brake control without the driver's braking operation, avoiding the collision with the preceding vehicle or reducing the damage of the collision. Yes.
このような自動ブレーキシステムを実現するためには、先行車との速度差にもよるが、自車両から前方に5mを超えるエリアに存在する障害物の検知が必要である。この為のセンサとして、カメラ、レーザーレーダ、電波レーダ、並びに超音波センサなどが用いられる。中でも、超音波センサは、車両周辺監視、特に、駐車支援システム用途で広く適用されている。この超音波センサは、センサ素子単体では検知距離が5mに満たないものの、ホーン構造の装荷により、高感度化を実現できる簡便なセンサとして有望視されている。 In order to realize such an automatic brake system, it is necessary to detect an obstacle existing in an area exceeding 5 m ahead of the host vehicle, although it depends on a speed difference from the preceding vehicle. As a sensor for this purpose, a camera, a laser radar, a radio wave radar, an ultrasonic sensor, or the like is used. Among them, the ultrasonic sensor is widely applied for vehicle periphery monitoring, particularly for parking assistance system applications. Although this ultrasonic sensor has a detection distance of less than 5 m with a single sensor element, it is promising as a simple sensor that can realize high sensitivity by loading a horn structure.
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
ホーン構造が装荷された超音波センサの感度を高めるためには、原理的には、ホーン構造の開口径、ならびにホーン長を拡大する必要性が生じる。これにより、感度は高まるものの、センササイズが拡大してしまうこととなる。従って、上述したような車載用の自動ブレーキシステムに、このようにして感度を高めた超音波センサを適用しようとすると、センササイズが拡大してしまうことにより、搭載性を損ねてしまうことになる。
However, the prior art has the following problems.
In order to increase the sensitivity of the ultrasonic sensor loaded with the horn structure, in principle, it is necessary to increase the opening diameter of the horn structure and the horn length. As a result, the sensitivity increases, but the sensor size increases. Accordingly, if an ultrasonic sensor with improved sensitivity is applied to the above-described vehicle-mounted automatic brake system as described above, the sensor size is increased and the mountability is impaired. .
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、車載可能なセンササイズを達成するためのホーン寸法に収めつつも、車両周辺に存在する障害物の有無を検知するために十分な感度を確保可能なホーン構造、及びその装荷条件を有する車載用超音波センサ得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and detects the presence or absence of an obstacle around the vehicle while keeping the horn size for achieving a vehicle-mounted sensor size. It is an object of the present invention to obtain an on-vehicle ultrasonic sensor having a horn structure capable of ensuring sufficient sensitivity and a loading condition thereof.
この発明に係る車載用超音波センサは、周波数が20KHz以上60KHz以下の超音波を送受信する超音波トランスデューサと、超音波トランスデューサを設置するための抜き部に相当するスロート部を有し、超音波トランスデューサが送受信する超音波の、車両周辺の各検知方向に対する超音波放射指向性を高めるためのホーン構造とを備えた車載用超音波センサであって、ホーン構造は、回転放物面形状を含むパラボリックホーンとして構成されており、超音波トランスデューサの振動面の位置を、回転放物面形状の頂点の位置からスロート部の位置までの距離に相当するスロート位置と一致させるように設置する場合を想定した際のスロート位置が、パラボリックホーンの焦点距離よりも小さい値となるように、ホーン構造の開き角を設計することで、開口径が80mm以下、ホーン長が50mm以下の条件を満たす最適形状として決定されているものである。 An in-vehicle ultrasonic sensor according to the present invention includes an ultrasonic transducer that transmits and receives ultrasonic waves having a frequency of 20 KHz to 60 KHz, and a throat portion corresponding to an extraction portion for installing the ultrasonic transducer. Is a vehicle-mounted ultrasonic sensor comprising a horn structure for enhancing the directivity of ultrasonic radiation in each detection direction around the vehicle, and the horn structure is a parabolic including a paraboloid shape. It is configured as a horn, and it is assumed that the position of the vibration surface of the ultrasonic transducer is set to coincide with the throat position corresponding to the distance from the position of the top of the paraboloid shape to the position of the throat part. The opening angle of the horn structure is set so that the throat position at the time is smaller than the focal length of the parabolic horn. By designing, opening diameter of 80mm or less, in which the horn length is determined as satisfying the following conditions optimum shape 50 mm.
この発明によれば、ホーン構造として、回転放物面形状を含んで構成されるパラボリックホーンを採用している。このような構成を採用することで、他のホーン形状・方式に比べて、より高い超音波の放射効率が得られるとともに、車両走行等によりホーン内部に付着した塵・埃などの汚れ成分を除去しやすい形状を得ることができる。この結果、放射効率を向上させることができるとともに、車両搭載後のメンテナンス性も向上させることができる。 According to this invention, the parabolic horn comprised including the rotation paraboloid shape is employ | adopted as a horn structure. By adopting such a configuration, it is possible to obtain a higher ultrasonic radiation efficiency than other horn shapes and systems, and to remove dirt components such as dust and dirt adhering to the inside of the horn due to vehicle running etc. A shape that is easy to do can be obtained. As a result, radiation efficiency can be improved and maintainability after mounting on the vehicle can also be improved.
さらに、超音波センサに適用するパラボリックホーンの最適形状の決定方法、およびパラボリックホーンと超音波トランスデューサの最適位置関係の決定方法を規定している。この結果、車載可能なセンササイズを達成するためのホーン寸法に収めつつも、車両周辺に存在する障害物の有無を検知するために十分な感度を確保可能なホーン構造、及びその装荷条件を有する車載用超音波センサ得ることができる。 Furthermore, a method for determining the optimum shape of the parabolic horn applied to the ultrasonic sensor and a method for determining the optimum positional relationship between the parabolic horn and the ultrasonic transducer are defined. As a result, it has a horn structure capable of securing sufficient sensitivity to detect the presence or absence of an obstacle existing around the vehicle, while having a horn size for achieving a sensor size that can be mounted on a vehicle, and a loading condition thereof. An on-vehicle ultrasonic sensor can be obtained.
以下、この発明における、車載用超音波センサの好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。 Hereinafter, a preferred embodiment of an on-vehicle ultrasonic sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated about the part which is the same or it corresponds in each figure.
実施の形態1.
まず、ホーン構造として、パラボリック形状(放物線をその対称軸中心に回転させて得られる回転対称放物面)を選定する理由について述べる。超音波センサに装荷するホーン構造としては、従来より、図1(a)に示すコニカルホーン2、図1(b)に示すエクスポネンシャルホーン3、図1(c)に示すパラボリックホーン4がある。
First, the reason for selecting a parabolic shape (a rotationally symmetric paraboloid obtained by rotating a parabola around its axis of symmetry) as the horn structure will be described. Conventionally, the horn structure loaded on the ultrasonic sensor includes a
図1(a)に示すコニカルホーン2、図1(b)に示すエクスポネンシャルホーン3は、いずれも超音波トランスデューサ1の送出する超音波において、トランスデューサ側の音響インピーダンスと、空間側の音響インピーダンスの間に存在するインピーダンス差を抑制させる働きがある。従って、図1(a)、(b)に示す形状は、いずれもインピーダンス不整合による反射及び損失を抑制する効果を追求した形状である。
The
一方、図1(c)に示すパラボリックホーン4においては、ホーン内面を所謂パラボラ反射鏡として機能させている。この結果、インピーダンス不整合を抑制する効果に加え、先に述べたコニカルホーン2、エクスポネンシャルホーン3よりも一層高い感度向上効果が見込める。このため、本実施の形態1においては、車載可能なセンササイズを達成するためのホーン寸法に収めつつも、自動ブレーキなどの車載システムを実現するのに十分な感度を確保可能なホーン構造を得ることを目的として、図1(c)に示すパラボリックホーン4を採用する。
On the other hand, in the
次に、パラボリックホーン4による感度向上のメカニズムについて説明する。図2は、本発明の実施の形態1における、パラボリック形状を有したホーン構造を用いた感度向上のメカニズムに関する説明図である。
Next, a mechanism for improving sensitivity by the
図2において、パラボリックホーン4は、放物線をその対称軸中心に回転させて得られる回転対称放物面である。上記放物面の焦点Fの位置に、無指向性の理想的な点波源を設置した場合、その焦点Fの位置から発せられた超音波の伝搬経路は、図2に示すようになる。すなわち、焦点Fの位置から放射状に球面波が放射された後、パラボリックホーン4の内面にて反射することにより、パラボリックホーン4のホーン軸に平行な経路にて放射される。この結果、ホーン軸方向に対して指向性を高められた放射パターンを得ることができる。
In FIG. 2, a
上記したパラボリックホーン4の動作は、一般的なパラボラアンテナの動作そのものであり、公知の技術である。ホーン構造として、上述したパラボリックホーン4を装荷することにより、元来ブロードであった超音波トランスデューサ1単体のビームパターンは、絞られ、高感度化を実現できる。
The above-described operation of the
次に、超音波トランスデューサ1にパラボリックホーン4を装荷した際に、高感度化を図った超音波センサを実現するための方法について説明する。図3は、本発明の実施の形態1における超音波センサにパラボリックホーン4を適用する際の構成に関する説明図である。
Next, a method for realizing an ultrasonic sensor with high sensitivity when the
図3(a)は、超音波トランスデューサ1なしの状態、図3(b)は、超音波トランスデューサ1ありの状態を示す。図3(a)において、パラボリックホーン4の放物面の頂点側には、超音波トランスデューサ1を設置するための抜き部(以降、抜き部のことを「スロート部」と呼称する)を設ける。
FIG. 3A shows a state without the
そして、図3(b)に示すように、上記スロート部に超音波トランスデューサ1を設置する。具体的には、超音波トランスデューサ1の振動面5が、ちょうどパラボリックホーン4の焦点Fの位置となるように、超音波トランスデューサ1を設置する。このように設置することにより、原理的には、パラボリックホーン4が装荷された超音波センサの感度最適化(感度極大)を図ることができる。
And as shown in FIG.3 (b), the
また、パラボリックホーン4の焦点Fの位置が、パラボリックホーン4のスロート部端面となるように、パラボリックホーン4の形状(ホーンの開き角)を選ぶことができる。このような形状を選ぶことで、パラボリックホーン4の内部構造に不要な凸凹構造が生じるのを防ぐことができる。この結果、ホーン内面に付着した汚れ・塵などの異物を容易に取り去ることができる。
Further, the shape (horn opening angle) of the
ここで、パラボリックホーン4の形状(ホーンの開き角)の変更は、スロート径2r0が超音波トランスデューサ1の外径に合わせて決められたあと、スロート位置x0の調整により変更される。
Here, changing the shape of the parabolic horn 4 (opening angle of the horn) is throat diameter 2r 0 is after determined in accordance with the outer diameter of the
そこで、パラボリックホーン4の形状を決める各パラメータについて、次に説明する。図4は、本発明の実施の形態1における超音波センサに適用するパラボリックホーン4の形状パラメータの説明図である。ただし、パラボリックホーン4の形状は、回転対称形状であるため、図4に示すパラボリックホーン4の形状としては、片側断面のみを示している。
Then, each parameter which determines the shape of the
図4において、パラボリックホーン4の回転対称軸からの径をr、パラボリックホーン4の径rにおけるパラボリックホーン4の頂点からの高さをxとする。ここで、xは、r及び焦点距離aを用いて下式(1)の放物線の式で表される。
x=(1/4a)r2 (1)
In FIG. 4, the diameter from the rotational symmetry axis of the
x = (1 / 4a) r 2 (1)
また、パラボリックホーン4のスロート部において、スロート位置をx0、スロート部の半径をr0とすると、x0は、r0及び焦点距離aを用いて下式(2)の放物線の式で表される。
x0=(1/4a)r0 2 (2)
Further, in the throat portion of the
x 0 = (1 / 4a) r 0 2 (2)
ここで、スロート部の半径r0は、超音波トランスデューサ1の径に合わせて決定され、例えば、超音波トランスデューサ1の直径がΦ=14mmであれば、ホーンとのクリアランスを両側に1mmずつ確保して、スロート部の径2r0を16mmとする。このようにして、スロート部の径が固定されれば、パラボリックホーン4の焦点距離aは、上式(2)を変形した下式(3)によって示され、スロート位置x0によって一意に決まる。
a=(1/4x0)r2 (3)
Here, the radius r 0 of the throat portion is determined in accordance with the diameter of the
a = (1 / 4x 0 ) r 2 (3)
したがって、本実施の形態1における超音波センサに適用するパラボリックホーン4の形状は、スロート位置x0によってホーンの開き角が決まり、さらにホーン長Lが決まればホーン開口径Φが決まる。ここで、ホーン長Lは、パラボリックホーン4のスロート位置x0からホーン開口端までの寸法であり、ホーン開口径Φはホーン開口端におけるホーン開口直径を意味する。
Thus, the shape of the
次に、上述した条件で超音波センサの感度最適化が図れない場合について述べる。超音波トランスデューサ1の振動面5が、ちょうどパラボリックホーン4の焦点Fの位置となるように、超音波トランスデューサ1を設置した場合に、パラボリックホーン4が装荷された超音波センサの感度最適化が図れることを、図2を用いて先に説明した。しかしながら、この条件は、パラボリックホーン4の形状サイズが、使用する超音波の波長オーダに比較して十分大きい場合にのみ適用できる。
Next, a case where the sensitivity of the ultrasonic sensor cannot be optimized under the above-described conditions will be described. When the
これに対して、本実施の形態1における超音波センサにて使用する超音波の周波数は、検知距離の拡大に有利となるよう、大気減衰を比較的抑えられる極力低い周波数(60KHz以下)の超音波を使用する必要がある。このため、使用する超音波の波長オーダとしては、最短でも5.77mm程度(但し、気温を実環境の標準温度25℃とした場合)ということになる。 On the other hand, the ultrasonic frequency used in the ultrasonic sensor according to the first embodiment is an extremely low frequency (60 KHz or less) that can relatively suppress atmospheric attenuation so as to be advantageous in extending the detection distance. It is necessary to use sound waves. For this reason, the wavelength order of the ultrasonic waves to be used is about 5.77 mm at the shortest (provided that the air temperature is a standard temperature of 25 ° C. in the actual environment).
一方、ホーンの形状サイズとしては、自動車への搭載スペースの観点から、以下のような制約がある。すなわち、超音波センサに装荷されるホーン構造として許容されるホーンサイズは、ホーン開口径Φとしては80mm以下、ホーン長Lとしては50mm以下まで小型化する必要がある。 On the other hand, the shape size of the horn has the following restrictions from the viewpoint of mounting space in an automobile. That is, the horn size allowed for the horn structure loaded on the ultrasonic sensor needs to be reduced to 80 mm or less as the horn opening diameter Φ and 50 mm or less as the horn length L.
したがって、車載用としての超音波センサは、上述したように、パラボリックホーン4の形状サイズが、使用する超音波の波長オーダに比較して十分大きいと言えない領域にて、使用されることとなる。この結果、超音波センサの高感度化が効率的に実現できる条件としては、超音波トランスデューサ1の振動面5が、ちょうどパラボリックホーン4の焦点Fの位置となる条件から外れることが予想される。
Therefore, as described above, the on-vehicle ultrasonic sensor is used in a region where the shape size of the
以上より、本実施の形態1における超音波センサに適用するパラボリックホーン4の形状は、実験結果に基づき決定する必要がある。すなわち、高感度化を実現するためのパラボリックホーン4の焦点距離aと、スロート位置x0を決定することが重要となる。
From the above, the shape of the
そこで、本実施の形態1における超音波センサに適用するパラボリックホーン4の形状を決定するために実施した実測結果について、次に説明する。試作・実測した条件及び実測結果について図5に示す。
Then, the actual measurement result implemented in order to determine the shape of the
図5において、超音波トランスデューサ1の振動面5の位置は、いずれもパラボリックホーン4のスロート位置x0となるように設置することとし、スロート位置x0を振ってホーンの開き角を変化させた(x0=2、3、4、5mm)。また、ホーン長Lは、L=20、30、40mmの条件で変化させて、試作・実測を行った。ただし、超音波周波数を40KHz(超音波波長=8.66mmに相当)、スロート半径r0=8mm(超音波トランスデューサ直径は14mm)とする。
In FIG. 5, the position of the
図5(a)は、上記条件下で試作・実測した結果であり、正面方向の感度がスロート位置x0、及びホーン長Lの変化に応じてどのように変化したかを示す。実測条件を以下に列挙する。
・各形状で試作したパラボリックホーン4を超音波センサに装荷する。
・センサ前方正面に設置したターゲット(Φ75mmの塩ビパイプ)に向けて、超音波を送信する。
・ターゲットからのエコー(反射波)の受信レベルから、センサ感度を評価する。
FIG. 5A shows the result of trial manufacture / measurement under the above conditions, and shows how the sensitivity in the front direction changes in accordance with changes in the throat position x 0 and the horn length L. The actual measurement conditions are listed below.
-Load the
-Send ultrasonic waves toward the target (Φ75mm PVC pipe) installed in front of the sensor.
-Sensor sensitivity is evaluated from the reception level of echo (reflected wave) from the target.
図5(a)におけるグラフの横軸は、スロート位置x0(ホーンの開き角を変化させるパラメータに相当)であり、縦軸は、センサ感度の実測値を示す。ここで、センサ感度の実測値は、すべて、ホーン長L=20mm、スロート位置x0=3mmでのセンサ感度評価値を0dBであるとして正規化した値を表示している。 The horizontal axis of the graph in FIG. 5A is the throat position x 0 (corresponding to a parameter that changes the opening angle of the horn), and the vertical axis indicates the measured value of sensor sensitivity. Here, all the measured values of sensor sensitivity are normalized values assuming that the sensor sensitivity evaluation value at the horn length L = 20 mm and the throat position x 0 = 3 mm is 0 dB.
また、図5(b)は、図5(a)におけるスロート位置x0の変化に応じ、超音波トランスデューサ1の振動面5とホーンの焦点Fとの相対的な位置関係が、どのように変化するかを模式的に示した図である。
Further, FIG. 5 (b), according to a change in the throat position x 0 in FIG. 5 (a), the relative positional relationship between the focus F of the
図5(b)において、スロート位置x0が焦点距離aより小さい場合(x0<a)には、ホーンの開き角が開いている。このため、ホーンの焦点Fの位置は、振動面5よりも前方に位置することとなる。また、スロート位置x0が焦点距離aと一致する場合(x0=a=4mm)には、x0<aの場合よりもホーンの開き角が狭くなる。そして、ホーンの焦点Fの位置は、超音波トランスデューサ1の振動面5上に乗ることとなる。従って、この条件が前述した超音波センサの感度の理想的な最適条件である。
Figure 5 (b), the throat position x 0 is the case the focal distance a is smaller than (x 0 <a), the opening angle of the horn is open. For this reason, the position of the focal point F of the horn is located in front of the
また、スロート位置x0が焦点距離aより大きい場合(x0>a)には、ホーンの開き角が閉じている。このため、ホーンの焦点位置Fは、振動面5よりも後方に位置することとなる。
Further, the throat position x 0 is the greater than the focal length a (x 0> a), the opening angle of the horn is closed. For this reason, the focal position F of the horn is located behind the
ただし、それぞれのスロート位置x0においての焦点距離aは、上式(3)にスロート位置x0、スロート半径r0=8mm(一定値)を代入して求めたものである。 However, the focal length a at each throat position x 0 is obtained by substituting the throat position x 0 and the throat radius r 0 = 8 mm (constant value) into the above equation (3).
図5(a)が示すように、どのようなホーン長Lにおいても、x0=3mmにおいて感度が最大となっており、ホーンの開き角(x0を用いて変化)には最適値が存在し、開きすぎても、閉じすぎても、感度は、低下することを示している。 As shown in FIG. 5A, for any horn length L, the sensitivity is maximum at x 0 = 3 mm, and there is an optimum value for the horn opening angle (changed using x 0 ). However, it is shown that the sensitivity decreases if the opening is too much or the closing is too much.
また、前述したように、理想的な最適条件であるx0=a=4mmで感度が最大とならずに、この理想的な最適条件から外れているスロート位置で感度が最大となっていることがわかる。これは、同じく前述したように、パラボリックホーン4の形状サイズが、使用する超音波の波長オーダに比較して十分大きいと見なせないことに起因するものである(超音波波長:8.66mmに対し、ホーン開口径Φ(最大):60mm、ホーン長L(最大):40mm)。
In addition, as described above, the sensitivity is not maximized at the ideal optimum condition x 0 = a = 4 mm, but the sensitivity is maximized at the throat position deviating from the ideal optimum condition. I understand. As described above, this is because the shape size of the
次に、図5で示したように、ホーンの開き角を変化させた場合(x0=2、3、4、5mm)の、超音波センサの感度の角度特性の実測結果を図6に示す。図6において、センサ感度をプロットする角度範囲は−10deg〜+10degの範囲であり、ホーン長L=20mmの条件下での実測結果を示す。 Next, as shown in FIG. 5, the measurement result of the angular characteristics of the sensitivity of the ultrasonic sensor when the opening angle of the horn is changed (x 0 = 2, 3, 4, 5 mm) is shown in FIG. . In FIG. 6, the angle range in which the sensor sensitivity is plotted is a range of −10 deg to +10 deg, and shows an actual measurement result under the condition of the horn length L = 20 mm.
先の図5、図6は、いずれも、超音波トランスデューサ1の振動面5の位置がパラボリックホーン4のスロート面に位置するように固定した条件下での実測結果であった。これに対して、超音波トランスデューサ1の振動面5とパラボリックホーン4のスロート面との相対位置関係を、ホーン管軸上で変化させた場合の感度変化を実測した結果を、図7に示す。
Both FIG. 5 and FIG. 6 are actual measurement results under a condition in which the position of the
図7(a)は、パラボリックホーン4と超音波トランスデューサ1の位置関係を変化させた場合のセンサ感度変化の実測値を示す。但し、スロート位置x0=3mm、ホーン長L=20mmの条件下での実測値である。
FIG. 7A shows an actual measurement value of a change in sensor sensitivity when the positional relationship between the
図7(a)におけるグラフの横軸は、超音波トランスデューサ1の振動面5の、スロート位置x0に対する飛び出し量である。具体的には、超音波トランスデューサ1がホーン内部(パラボリックホーン4の開口部側)に飛び出している方向を正値とする。また、縦軸は、センサ感度の実測値を示し、横軸の飛び出し量が0(ツライチ)となる条件下でのセンサ感度を0dBとして正規化した値を示す。
The horizontal axis of the graph in FIG. 7 (a), the
また、図7(b)は、実測におけるパラボリックホーン4と超音波トランスデューサ1との位置関係を模式的に示した図である。
FIG. 7B is a diagram schematically showing the positional relationship between the
図7(a)に示されるように、飛び出し量が0(ツライチ)の場合よりも、飛び出し量が正値としてホーン内部に飛び出した状態の方が、センサ感度を高めることができることがわかる。これは、図7(b)に示されるように、超音波トランスデューサ1の振動面5の位置が、パラボリックホーン4の焦点Fの位置に近づくからに他ならない。
As shown in FIG. 7A, it can be seen that the sensor sensitivity can be increased in a state where the amount of protrusion is a positive value and protrudes into the horn than when the amount of protrusion is 0 (twitch). This is nothing but the fact that the position of the
しかしながら、振動面5の位置がパラボリックホーン4の焦点位置Fと一致する為の飛び出し量に相当するa−x0=2.33mmでは、センサ感度が最大値となっていない。これは、前述と同様、パラボリックホーン4の形状サイズが使用する超音波の波長オーダに比較して、十分大きいと見なせないことに起因するものである(超音波波長:8.66mmに対し、ホーン開口径Φ(最大):60mm、ホーン長L(最大):40mm)。
However, the sensor sensitivity is not the maximum value at a−x 0 = 2.33 mm corresponding to the pop-out amount for the position of the
したがって、図7(a)に示した本実測結果より、超音波トランスデューサ1の振動面5の、スロート位置x0に対する飛び出し量に関して、センサ感度を最大にするための最適値は、振動面5を焦点Fの位置に一致させるのに必要な飛び出し量(a−x0)ではなく、1〜2mmであった。すなわち、a−x0の40〜90%程度の値であることが、実測結果からわかる。
Thus, from the measured results shown in FIG. 7 (a), the
図7に示されるように、超音波トランスデューサ1の振動面5が、ホーン内部に飛び出した位置にオフセット固定されることによって、次の2つの感度向上効果が得られる。すなわち、焦点Fの位置に近づけられることによる感度向上に加え、超音波トランスデューサ1の側面からの超音波放射成分も余すことなく超音波放射に寄与させることによる感度向上も見込める。
As shown in FIG. 7, the
以上のように、実施の形態1では、ホーン構造として回転放物面形状を含んで構成されるパラボリックホーンを採用している。これにより、他のホーン形状・方式に比べて、より高い超音波の放射効率が得られるとともに、車両走行等によりホーン内部に付着した塵・埃などの汚れ成分を除去しやすい形状を得ることができる。この結果、放射性能の向上とともに、車両搭載後のメンテナンス性の向上も実現できる。
As described above,
さらに、超音波トランスデューサの振動面の位置をパラボリックホーンのスロート位置となるように設置する場合において、パラボリックホーンの焦点距離よりもパラボリックホーンのスロート位置が小さくなるように、ホーン構造の開き角を設計し、感度向上を図っている。この結果、焦点位置とスロート位置とが一致するようにホーン構造の開き角を設計した場合よりも、開き角をより広くすることができた上で感度向上を図ることができる。このようにして、パラボリックホーンの最適形状を決定することで、結果的に、ホーン長を短くすることもできる。 Furthermore, when installing the ultrasonic transducer so that its vibration surface is positioned at the throat position of the parabolic horn, the opening angle of the horn structure is designed so that the throat position of the parabolic horn is smaller than the focal length of the parabolic horn. In order to improve sensitivity. As a result, sensitivity can be improved while the opening angle can be made wider than when the opening angle of the horn structure is designed so that the focal position matches the throat position. Thus, by determining the optimum shape of the parabolic horn, the horn length can be shortened as a result.
さらに、ホーン角を広くすることができたパラボリックホーンを用いて、超音波トランスデューサの振動面の位置を、パラボリックホーンのスロート位置と一致する状態から、ホーン内部(パラボリックホーンの開口部側)に飛び出すように動かすことで、さらなる感度向上を図っている。具体的には、(焦点距離−スロート位置)の40〜90%に相当する量だけ、超音波トランスデューサの振動面の位置をホーン内部に飛び出させることで、同一のホーンサイズによっても、感度向上を実現できることが、実測結果により確認できた。このようにして、パラボリックホーンと超音波トランスデューサの最適位置関係を決定することができ、結果的に、超音波トランスデューサが飛び出した分だけ、センサの全長を短くすることもできる。 Furthermore, using a parabolic horn with a wide horn angle, the position of the vibration surface of the ultrasonic transducer jumps out of the horn position of the parabolic horn to the inside of the horn (the opening side of the parabolic horn). In order to further improve the sensitivity. Specifically, by raising the position of the vibration surface of the ultrasonic transducer inside the horn by an amount corresponding to 40 to 90% of (focal length−throat position), the sensitivity can be improved even with the same horn size. It was confirmed by actual measurement that it could be realized. In this way, the optimum positional relationship between the parabolic horn and the ultrasonic transducer can be determined, and as a result, the total length of the sensor can be shortened by the amount that the ultrasonic transducer has popped out.
ここまでは、本実施の形態1における超音波センサに適用するパラボリックホーン4の最適形状の決定方法、パラボリックホーン4と超音波トランスデューサ1の最適位置関係の決定方法について述べてきた。次に、上記した超音波センサの具体的な実現方法について述べる。
Up to this point, the method for determining the optimum shape of the
本実施の形態1においては、パラボリックホーン4の構造を樹脂成型により形成する。この理由としては、金属材料は、高周波音を発生しやすく、不要な超音波を伝達しやすく、センサ誤検知の原因となる可能性があるからである。また、樹脂材料にてパラボリックホーン4を形成すれば、超音波の減衰量が大きく、不要な超音波伝達を生じ難くすることもできる。
In the first embodiment, the structure of the
また、樹脂材料を採用することで、超音波センサを構成するのに必要なプリント基板やコネクタなどの他の機構部品を支持、ケーシングするのに必要なケース部品とともに、パラボリックホーン4を一体化成型することが可能となる。この結果、低コスト化を図ることができる。
Also, by adopting a resin material, the
パラボリックホーン4と超音波センサケース部品を一体的に形成するための樹脂成型部品の構造を模式的に説明するための断面図を図8に示す。図8において示す構造は、本実施の形態1における超音波センサに必要な構造部品のうち、説明に必要な最小限の構造部分に限定して図示している。従って、超音波トランスデューサ1やパラボリックホーン4を固定・支持する構造部分などは図示していない。
FIG. 8 is a cross-sectional view for schematically explaining the structure of a resin molded part for integrally forming the
樹脂成型にて形成されたパラボリックホーン4の部品には、図8に示すように、肉抜き構造6を設ける。これにより、パラボリックホーン4を形成する肉厚を均一にすることができ、ソリやヒケなどの成型時の不良の発生を抑制することができる。
The parts of the
また、樹脂成型に限定するものではないが、パラボリックホーン4の開口部には、図8に示すようなR形状7を付加する。これにより、当該部位がエッジ形状の場合に比べて、当該部位からの不要な超音波散乱を防ぐことができる。上記したようなエッジ部からの不要な超音波散乱が生じた場合、これは本来意図しない方向への超音波放射、及び受信に結びつくため、超音波センサとして誤検知の原因となる。
Further, although not limited to resin molding, an
1 超音波トランスデューサ、2 コニカルホーン、3 エクスポネンシャルホーン、4 パラボリックホーン、5 振動面、6 肉抜き構造、7 ホーンエッジ部への付加、x0 スロート位置、r0 スロート半径、a 焦点距離、L ホーン長、Φ 開口径。 1 Ultrasonic transducer, 2 Conical horn, 3 Exponential horn, 4 Parabolic horn, 5 Vibration surface, 6 Thinning structure, 7 Addition to horn edge, x 0 throat position, r 0 throat radius, a focal length, L Horn length, Φ opening diameter.
Claims (8)
超音波トランスデューサを設置するための抜き部に相当するスロート部を有し、前記超音波トランスデューサが送受信する前記超音波の、車両周辺の各検知方向に対する超音波放射指向性を高めるためのホーン構造と
を備えた車載用超音波センサであって、
前記ホーン構造は、
回転放物面形状を含むパラボリックホーンとして構成されており、
前記超音波トランスデューサの振動面の位置を、前記回転放物面形状の頂点の位置から前記スロート部の位置までの距離に相当するスロート位置と一致させるように設置する場合を想定した際の前記スロート位置が、前記パラボリックホーンの焦点距離よりも小さい値となるように、前記ホーン構造の開き角を設計することで、開口径が80mm以下、ホーン長が50mm以下の条件を満たす最適形状として決定されている
車載用超音波センサ。 An ultrasonic transducer that transmits and receives ultrasonic waves having a frequency of 20 KHz to 60 KHz;
A horn structure for improving the ultrasonic radiation directivity with respect to each detection direction around the vehicle of the ultrasonic wave transmitted and received by the ultrasonic transducer, and having a throat portion corresponding to an extraction portion for installing the ultrasonic transducer In-vehicle ultrasonic sensor equipped with
The horn structure is
It is configured as a parabolic horn including a rotating paraboloid shape,
The throat when assuming that the position of the vibration surface of the ultrasonic transducer is set to coincide with the throat position corresponding to the distance from the position of the top of the paraboloid shape to the position of the throat part By designing the opening angle of the horn structure so that the position is smaller than the focal length of the parabolic horn, it is determined as the optimum shape that satisfies the conditions that the opening diameter is 80 mm or less and the horn length is 50 mm or less. An in-vehicle ultrasonic sensor.
前記超音波トランスデューサの振動面の位置が、前記最適形状として決定された前記パラボリックホーンの前記スロート位置よりも、前記パラボリックホーンの開口部側に飛び出すように、前記超音波トランスデューサが配置されている
車載用超音波センサ。 The in-vehicle ultrasonic sensor according to claim 1,
The ultrasonic transducer is arranged so that the position of the vibration surface of the ultrasonic transducer protrudes to the opening side of the parabolic horn from the throat position of the parabolic horn determined as the optimum shape. Ultrasonic sensor.
前記超音波トランスデューサの振動面の位置が、前記スロート位置から前記焦点位置までの範囲内で、前記パラボリックホーンの開口部側に飛び出すように、前記超音波トランスデューサが配置されている
車載用超音波センサ。 The in-vehicle ultrasonic sensor according to claim 2,
The ultrasonic transducer is disposed so that the position of the vibration surface of the ultrasonic transducer protrudes to the opening side of the parabolic horn within the range from the throat position to the focal position. .
前記超音波トランスデューサの振動面は、前記スロート位置を基準として前記開口部側に、1.0mm〜2.0mmだけ飛び出すように設置されている
車載用超音波センサ。 The in-vehicle ultrasonic sensor according to claim 3,
The vibration surface of the ultrasonic transducer is installed so as to protrude by 1.0 mm to 2.0 mm on the opening side with respect to the throat position.
前記超音波トランスデューサの振動面は、前記スロート位置を基準にして前記開口部側に、前記スロート位置から前記焦点位置までの距離の40〜90%だけ飛び出すように設置されている
車載用超音波センサ。 The in-vehicle ultrasonic sensor according to claim 4,
The vibration surface of the ultrasonic transducer is installed on the opening side with respect to the throat position so as to protrude by 40 to 90% of the distance from the throat position to the focal position. .
前記パラボリックホーンは、樹脂成型により形成されている
車載用超音波センサ。 The in-vehicle ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 5,
The parabolic horn is an in-vehicle ultrasonic sensor formed by resin molding.
前記パラボリックホーンは、成型肉厚が均肉となるように肉抜きが施されている
車載用超音波センサ。 The in-vehicle ultrasonic sensor according to claim 6,
The parabolic horn is an on-vehicle ultrasonic sensor in which the thickness of the molded wall is uniform.
前記パラボリックホーンは、開口内周部にR形状が付加されている
車載用超音波センサ。 The in-vehicle ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 7,
The parabolic horn is an in-vehicle ultrasonic sensor in which an R shape is added to the inner periphery of the opening.
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