JP2017015441A - 距離検知センサおよび物体検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】音波の放射効率を向上させ、ホーン内に進入した進入物による音波の送波性能の低下を抑制する。【解決手段】音波を送波する送波面１ａと、送波された音波が測定対象物で反射されて得られる反射波を受波する受波面と、音波の送波時間と受波時間に基づいて測定対象物までの距離を計測する距離計測部とを有するトランスデューサ１と、送波面１ａから送波された音波を反射して指向性を調整し、測定対象物に向けて放射する曲面を有するホーン２とを備え、ホーン２は放物線の対称軸を回転軸として当該放物線を回転させて得られる放物面を曲面とし、当該放物面の開口部を音波の送波口２ｃとし、放物面の頂点部に孔部４を有ものである。【選択図】図３

Description

この発明は、音波の送受信によって測定対象物までの距離を測定する技術に関するものである。

音波の送受信によって測定対象物までの距離を計測する技術は、トランスデューサから測定対象物に向かって音波を送波した時間と、送波した音波の反射をトランスデューサが受波した時間の差分から、音速に基づき距離を算出する原理で成り立っている。
主に使用される音波の周波数は、距離分解能、指向性、騒音の点から有利な、可聴帯域外の２０ｋＨｚ以上の音波である。そのため、２０ｋＨｚ以上の音波である超音波を用いる方法が実用に用いられており、例えば車両のバックソナーなどに応用されている。

音波が空気中を伝搬する際、拡散により距離の２乗に反比例して減衰する、いわゆる距離減衰に加え、空気分子の振動でエネルギーを損失することによる空気吸収があり、周波数が高くなるほど、減衰が大きくなることが知られている。これにより超音波は可聴音に比べて距離減衰が大きくなってしまう。そのため、超音波を用いた距離計測では、音波の減衰によるＳＮ比の低下により、計測可能範囲の限界が制限される。

近年では、自動駐車支援システムにおける障害物検知機能、あるいは走行時の緊急ブレーキなどの安全機能に、安価な超音波センサを適用する需要もあり、音波を用いた距離計測における検知距離の長距離化および高精度化が求められている。これらを実現するために、特許文献１および特許文献２にはホーンを付加してトランスデューサの送波面を疑似的に拡大し、音波の放射効果を向上させ、音波の指向特性の先鋭化を図り、超音波を用いた距離計測におけるＳＮ比を改善する超音波送受波器が開示されている。

特開平６-２６９０９０号公報 特開昭５８-８５６９９号公報

しかしながら、上述した特許文献１および特許文献２に記載された超音波送受波器は、車両などの移動体への搭載が前提ではないため、車両の走行により雨、塵埃、虫、小石などの進入、詰まりおよび衝突が考慮されていない。そのため、当該超音波送受波器を車両に搭載した場合、車両の走行によりホーン内に進入した進入物の詰まりおよび衝突により超音波の送波性能が低下するという課題があった。

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、音波の放射効率を向上させ、ホーン内に進入した進入物による音波の送波性能の低下を抑制することを目的とする。

この発明に係る距離検知センサは、音波を送波する送波部と、送波部から送波された音波が測定対象物で反射されて得られる反射波を受波する受波部と、音波の送波時間と受波時間に基づいて測定対象物までの距離を計測する距離計測部とを有するトランスデューサと、送波部が送波した音波を反射して指向性を調整し、測定対象物に向けて放射する曲面を有するホーンとを備え、ホーンは放物線の対称軸を回転軸として当該放物線を回転させて得られる放物面を曲面とし、当該放物面の開口部を音波の送波口とし、放物面の頂点部に孔部を有するものである。

この発明によれば、音波の放射効率を向上させ、ホーン内に進入した進入物による音波の送波性能の低下を抑制することができる。

実施の形態１に係る距離検知センサの構成を示す斜視図である。 実施の形態１に係る距離検知センサの構成を示す上面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図であり、超音波の反射および空気の移動経路を示す図である。 実施の形態１に係る距離検知センサを備えた物体検知装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係る距離検知センサを備えた物体検知装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係る距離検知センサの他の構成例を示す断面図である。 実施の形態１に係る距離検知センサの他の構成例を示す図である。

実施の形態１．
測定対象物までの距離を検知する距離検知センサの構成について、図１から図３を参照しながら説明する。
図１は、実施の形態１に係る距離検知センサの構成を示す斜視図である。
図２は、実施の形態１に係る距離検知センサの構成を示す上面図である。
図３は、図２のＡ−Ａ線断面図であり、超音波の反射態様および空気の移動経路を示す図である。

距離検知センサ１０は、トランスデューサ１、ホーン２および支持部材３で構成されている。トランスデューサ１は、例えば超音波センサなどで構成され、超音波の送波面（送波部、図３参照）および受波面（受波部、図３参照）を備える。さらにトランスデューサ１は、送波面から出力された超音波が測定対象物で反射されて受波面で受波されるまでの時間と、超音波の伝搬速度とから、測定対象物までの距離を計測する距離計測部（不図示）を備える。測定対象物までの距離の計測に複数のトランスデューサ１を用いて、超音波の送波面のみを有するトランスデューサ１、および超音波の受波面のみを有するトランスデューサ１とを組み合わせて構成してもよい。なお、以下ではトランスデューサ１が送波面および受波面を備えている場合を例に説明を行う。

ホーン２は、トランスデューサ１から送波された超音波を反射する反射曲面２ａを有する。反射曲面２ａは、放物線の対称軸を回転軸として、当該放物線を回転させることによって形成される回転放物面を、回転軸を含み且つ回転軸に平行な平面で切断して得られる部分曲面である。トランスデューサ１は、ホーン２の反射曲面２ａを形成する回転放物面の焦点位置２ｂに配置する。特に、トランスデューサ１の送受波面１ａが焦点位置２ｂに位置するように配置する。また、トランスデューサ１の超音波の放射主軸および入射主軸を反射曲面２ａ側に向けて配置する。支持部材３は、トランスデューサ１を支持する部材である。図２に示すように、支持部材３は、ホーン２の回転放物面を回転軸を含み且つ回転軸に平行な平面で切断して得られるホーン２の切断開口部を覆う形状を有している。

次に、図３を参照して超音波の反射および距離検知センサに流入する空気および物体の移動について説明する。
放物線の焦点位置２ｂに配置されたトランスデューサ１の送受波面１ａから送波された超音波Ｐは、ホーン２の反射曲面２ａによって反射され、進路が一方方向に平行化されて集波される。集波された超音波Ｐａは送受波口２ｃから測定対象物に向けて送波される。なお、トランスデューサ１が送波のみを行う場合には送受波口２ｃは送波口となり、トランスデューサ１が受波のみを行う場合には送受波口２ｃは受波口となる。送波した超音波Ｐａが測定対象物で反射されて得られた超音波は、ホーン２の反射曲面２ａによって反射されて、トランスデューサ１の送受波面１ａによって受波される。

送受波口２ｃからは、距離検知センサ１０内に空気および飛来物Ｑが流入する。距離検知センサ１０を車両などの移動体に搭載した場合、当該車両が走行すると、前方から小石、粉じん、虫または雨などの飛来物が移動体に衝突する。これらの飛来物が送受波口２ｃから距離検知センサ１０のホーン２内に流入する。そこで、ホーン２を形成する放物線の頂点位置２ｄに孔部４を形成する。図２および図３の例では、ホーン２を形成する放物線の頂点位置２ｄからトランスデューサ１の配置位置までの領域に孔部４を形成している。形成された孔部４は、送受波口２ｃからホーン２内に流入した空気および飛来物Ｑを距離検知センサ１０外に導く。

図４は、距離検知センサ１０を車両に搭載し、物体検知装置を構成する場合を示す構成図である。
図４（ａ）は車両を側方から見た図であり、図４（ｂ）は車両を上方から見た図である。図４の例では、車両３０の前方中央に距離検知センサ１０ａおよび後方中央に距離検知センサ１０ｂを配置している。車両３０は矢印Ｂ方向に走行し、車両３０の走行方向前方に存在する障害物を検知する場合について説明する。

物体検知装置２０は、上述した距離検知センサ１０、障害物検知部２１および通知部２２で構成されている。物体検知装置２０における障害物検知部２１および通知部２２の各機能は、処理回路により実現される。処理回路は、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰとも称する）である。
障害物検知部２１は距離検知センサ１０ａ，１０ｂに接続される。障害物検知部２１は、距離検知センサ１０ａ，１０ｂのトランスデューサ１が計測した測定対象物までの距離に基づいて、測定対象物を障害物として検知する。

図４の場合、距離検知センサ１０ａのトランスデューサ１から送波された超音波Ｐａが測定対象物３１で反射され、反射された超音波Ｐｂが再度トランスデューサ１に入射して受波され、トランスデューサ１は測定対象物３１までの距離を計測する。障害物検知部２１は、測定対象物３１までの距離が閾値以内である場合には測定対象物３１を障害物として検知する。通知部２２は、障害物検知部２１が障害物を検知すると、報知音あるいは音声アナウンスによって運転者３２に通知する。

図５は物体検知装置の他の構成を示す図であり、車両の上方から見た図である。
図５では、車両３０の前方３箇所に距離検知センサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃを配置し、車両の後方３箇所に距離検知センサ１０ｄ，１０ｅ，１０ｆを配置している。また、車両３０は矢印Ｂ方向に走行し、車両３０の走行方向斜め前方に測定対象物３１が存在している。距離検知センサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆのトランスデューサ１は送波面および受波面を有している。車両３０の前方での超音波Ｐａの送受波を例に説明すると、超音波Ｐａの送波は距離検知センサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃのいずれか１つの距離検知センサが行い、超音波Ｐａの受波は距離検知センサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ全てで行う。超音波を送波する距離検知センサを距離検知センサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃで順次切り替えて行うことにより、広範囲での距離検知を行う。

距離検知センサ１０ａが超音波Ｐａを送波すると、送波された超音波Ｐａが測定対象物３１で反射され、反射された超音波Ｐｂが距離検知センサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃのトランスデューサ１の受波面において受波される。トランスデューサ１は測定対象物３１までの距離を検知する。障害物検知部２１は、測定対象物３１までの距離が閾値以内である場合には測定対象物３１を障害物として検知する。

図５において距離検知センサ１０ｂ，１０ｃには、斜め方向から反射された超音波Ｐｂが入射される。しかし、距離検知センサ１０ｂ，１０ｃと障害物との距離が離れている場合には、距離検知センサ１０ｂ，１０ｃへの入射角度は、正面から超音波Ｐｂが入射される場合と近似する。そのため、斜め方向から入射される超音波Ｐｂであっても、受波して距離検知に用いる構成は有効である。また、複数の距離検知センサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃの距離検知結果を用いることにより、２次元的あるいは３次元的に障害物の位置を検知することも可能になる。

なお、図４および図５で示した構成において、車両３０が矢印Ｂ方向と反対方向、即ち車両３０の後方に移動する場合には、車両３０の後方に配置した距離検知センサ１０ｄが超音波Ｐａを送波する。車両３０の後方に障害物が存在する場合には、当該障害物によって超音波Ｐａが反射され、反射された超音波Ｐｂが距離検知センサ１０ｄ，１０ｅ，１０ｆのトランスデューサ１によって受波される。

以上のように、この実施の形態１によれば、放物線の対称軸を回転軸として、当該放物線を回転させることによって形成される回転放物面を、回転軸を含み且つ回転軸に平行な平面で切断して得られる部分曲面を反射曲面２ａとするホーン２を備え、ホーン２を形成する放物線の頂点位置２ｄからトランスデューサ１の配置位置までの領域に孔部４を形成するように構成したので、距離検知センサが車両などの移動体に適用された場合であっても、距離検知センサ内に流入した空気および飛来物を距離検知センサ外部に導くことができる。

また、この実施の形態１によれば、放物線の対称軸を回転軸として、当該放物線を回転させることによって形成される回転放物面を、回転軸を含み且つ回転軸に平行な平面で切断して得られる部分曲面を反射曲面２ａとするホーン２を設けるように構成したので、超音波が反射曲面で反射されて平行化および集波された超音波を送波方向へ効率的に送波することができる。

また、この実施の形態１によれば、トランスデューサ１の送受波面１ａを、ホーン２の反射曲面２ａを形成する回転放物面の焦点位置２ｂに配置するように構成したので、トランスデューサの送波面および受波面が移動体の移動方向とは異なる方向に配置でき、飛来物がトランスデューサの送波面または受波面に衝突し、トランスデューサの破損、故障または性能低下を招くことを抑制することができる。

また、この実施の形態１によれば、トランスデューサ１の超音波の放射主軸および入射主軸を反射曲面２ａ側に向けて配置するように構成したので、音波が最も強い正面中心軸上の音波をホーンの反射曲面に向けて放射することができ、強い指向性を得ることができる。これにより、トランスデューサの高い放射効率を実現することができる。

なお、上述した実施の形態１では、孔部４をホーン２の上部の空間に設ける構成を示したが、ホーン２に形成してもよい。図６は、実施の形態１の距離検知センサの他の構成例を示す図である。また、図６は図２で示したＡ−Ａ線断面図に相当し、他の構成例を適用した場合の超音波の反射態様および空気の移動経路を示す図である。
図６に示すように、ホーン２を形成する放物線の頂点位置２ｄから設定された範囲の領域に孔部４ａを形成してもよい。孔部４ａの形状は特に限定されることはなく、送受波口２ｃから流入した空気、空気、塵および埃を外部に導くことが可能な形状であればどのような大きさおよび形状の開口であってもよい。

なお、上述した実施の形態１では、放物線の対称軸を回転軸として、当該放物線を回転させることによって形成される回転放物面の部分曲面を反射曲面２ａとする構成を示したが、放物線に限定されるものではない。例えば、楕円の対称軸を回転軸として、当該楕円を回転させることによって形成される回転楕円面の部分曲面を反射曲面２ａとしてもよい。

また、上述した実施の形態１では、回転放物面の部分曲面を反射曲面２ａとする構成を示したが、ホーン２は回転面の部分曲面に限定されることなく、押し出し成形により加工された部分曲面で構成してもよい。押し出し成形により加工された押し出し形状の一例を図７に示す。
図７は、実施の形態１に係る距離検知センサの他の構成例を示す図である。
図７（ａ）は距離検知センサの斜視図であり、図７（ｂ）は距離検知センサの側面図である。また図７（ｃ）は図７（ｂ）のＣ−Ｃ線断面図であり、超音波の反射および空気の移動経路を示す図である。

図７に示したホーン２は、押し出し成形により加工された部分曲面２ｅを有している。部分曲面２ｅは、トランスデューサ１から送波された超音波を反射する反射曲面である。トランスデューサ１の送受波面１ａは、部分曲面２ｅの焦点位置に配置する。トランスデューサ１の送受波面１ａから送波された超音波Ｐは、ホーン２の部分曲面２ｅによって反射され、進路が一方方向に平行化されて集波される。集波された超音波Ｐａは送受波口２ｃから測定対象物に向けて送波される。送受波口２ｃと対向する位置に孔部４ｂを備え、送受波口２ｃからホーン２内に流入した空気および飛来物を距離検知センサ１０外に導く。このように、反射曲面は、回転放物面の部分曲面あるいは回転楕円面の部分曲面に限定されることなく、押し出し成形により加工された部分曲面を適用することが可能である。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ トランスデューサ、１ａ 送受波面、２ ホーン、２ａ 反射曲面、２ｂ 焦点位置、２ｃ 送受波口、２ｄ 頂点位置、２ｅ 部分曲面、３ 支持部材、４，４ａ，４ｂ 孔部、１０ 距離検知センサ、２０ 物体検知装置、２１ 障害物検知部、２２ 通知部、３０ 車両、３１ 障害物、３２ 運転者。

Claims (5)

1. 音波を送波する送波部と、前記送波部から送波された音波が測定対象物で反射されて得られる反射波を受波する受波部と、前記音波の送波時間と受波時間に基づいて前記測定対象物までの距離を計測する距離計測部とを有するトランスデューサと、
   前記トランスデューサの送波部が送波した音波を反射して指向性を調整し、前記測定対象物に向けて放射する曲面を有するホーンとを備え、
   前記ホーンは、回転軸を中心として曲線を回転させて得られる回転曲面を前記曲面とし、当該回転曲面の開口部を前記音波の送波口とし、前記回転曲面の頂点部に孔部を有する距離検知センサ。
2. 前記ホーンの曲面は、放物線の対称軸を前記回転軸として当該放物線を回転させて得られる放物面であることを特徴とする請求項１記載の距離検知センサ。
3. 前記ホーンの曲面は、前記放物面を、前記回転軸を含み前記回転軸に平行な平面で切断して得られる部分曲面であり、
   前記トランスデューサは、前記切断における切断面に平行な平面上であって、前記放物線の焦点位置に配置することを特徴とする請求項２記載の距離検知センサ。
4. 前記トランスデューサは、送波または受波する前記音波の中心軸を前記ホーンの曲面に向けて配置することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の距離検知センサ。
5. 車両に搭載された請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の距離検知センサと、
   前記距離検知センサが計測した前記測定対象物までの距離に基づいて、前記測定対象物を障害物として検知する障害物検知部と、
   前記障害物検知部が前記障害物を検知したことを通知する通知部とを備えた物体検知装置。

Images