JP4239742B2

JP4239742B2 - 超音波距離測定装置

Info

Publication number: JP4239742B2
Application number: JP2003283847A
Authority: JP
Inventors: 山中　　浩; 康史正木; 四輩熊; 耕作北田; 甲志明渡
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: JP2005049304A

Description

本発明は、発信された超音波の検出対象物からの反射波を受信することによって、検出対象物までの距離とその方向を計測する超音波距離測定装置に関する。

従来から、超音波発信器から発信された音波が対象物により反射されて、超音波受信器によって受信されるまでの時間（伝搬時間）を計測し、この伝搬時間と音速とに基づいて各方向における対象物までの距離の分布を計測する技術が一般に知られている。更に、複数の超音波受信素子をアレイ状に配列した超音波アレイセンサで反射超音波を受信し、各超音波受信素子の受信信号に対して、超音波の入射角と素子の位置関係に対応した時間だけ遅延させて演算処理することによって、任意の方向からの入射波だけを選択的に取り出すことが可能である。従って、機械的な可動部を用いることなく、電気的な信号処理のみによって角度方向に走査する、このいわゆる電子的走査によって、対象物の距離と方向すなわち対象物の位置に関する情報を取得することが可能である（特許文献１参照）。
特開２００２−１５６４５１号公報

しかしながら、特許文献１に示されるようなセンサ技術においては、広い角度範囲に亘って計測する際に、角度を細分化して各角度に応じた遅延時間を設定して演算するとなると、計算量が膨大になるという問題がある。また、感度と空間分解能を上げるために超音波アレイセンサの超音波受信素子数を多くすると、さらに計算量が増大する。

本発明は、上記問題を解消するものであり、検出対象物の位置検出精度を損なうことなく、少ない演算量で広い角度範囲における位置検出を可能とする超音波距離測定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、超音波発信手段と、複数の超音波受信素子をアレイ状に配置した超音波アレイセンサとを有し、前記超音波発信手段から発射されて検出対象物から反射された超音波を前記超音波アレイセンサで受信して検出対象物までの距離とその方向を検出する超音波距離測定装置において、前記超音波受信素子の音波信号波形を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶されている各超音波受信素子の音波信号波形を、所定の遅延時間だけシフトさせて加算すると共にその所定の遅延時間を変化させて検出方向を電子的に走査して、検出対象物の方向を検出する加算演算手段と、前記検出方向の正面側からのずれ量に応じて、前記ずれ量がより大きいほど互いの間隔がより狭くなるように、前記超音波受信素子を複数選択する信号選択手段と、を備え、前記超音波アレイセンサは、縦方向と横方向に十字形状に複数の超音波受信素子を配置して構成され、前記信号選択手段は、前記十字形状に配置された超音波受信素子の前記縦方向の列の超音波受信素子、前記横方向の列の超音波受信素子、及び斜方向に隣接した超音波受信素子について、それぞれ前記選択を行い、前記加算演算手段が前記選択された超音波受信素子の音波信号波形を用いて前記検出を行う超音波距離測定装置である。

請求項１に記載の発明によれば、検出方向の正面側からのずれ量に応じて信号選択手段により超音波受信素子を選択するようにして、正面方向に近い角度範囲では少ない超音波受信素子により、また、正面方向からの角度のずれが大きい範囲では多くの超音波受信素子により、反射超音波の方向と距離を検出するので、全方位にわたって検出精度を落とすことなく、全体の計算量を減らすことができる。

また、十字状に超音波受信素子を配列して、各列毎に演算することで、検出対象物体が１つの場合に対して有効に用いられる超音波アレイセンサを構成でき、演算処理低減が図られる。また、複数の検出対象物が存在する場合には、十字状に配置された超音波受信素子の斜め方向に隣接した素子を選択して、その素子間で演算するので、対象物を有効に検出でき、演算処理低減が図られる。

以下、本発明の一実施形態による超音波距離計測装置について、図面を参照して説明する。図１は超音波距離計測装置１の全体構成を示す。超音波距離計測装置１は、所定周波数（例えば、４０〜１００ｋＨｚ程度）の超音波を発する音源として、超音波発信手段５により制御される超音波発信源６と、それに近接して配置され、検出対象物Ｔによる反射波を受信する複数の超音波受信素子Ａ、Ｂ・・からなる超音波アレイセンサ２とを備えている。また、各超音波受信素子Ａ，Ｂ・・からの音波波形信号を選択する信号選択手段７と、選択された信号を記憶する記憶手段８と、これらの記憶された信号に、各超音波受信素子毎の遅延時間を設定して加算する加算演算手段９を備えている。この加算演算手段９の演算により前記遅延時間に対応した方向における検出対象物Ｔの有無や、物体が検出された場合の検出対象物Ｔの方向と距離が求められる。その演算結果は出力手段１０に表示されて超音波距離計測装置１のユーザに提示される。また、超音波距離計測装置１は、上述の各手段をプログラムに基づいて制御するマイクロコンピュータ等の制御部４とを備えている。

図２は超音波アレイセンサ２と、そのセンサを構成する超音波受信素子３を示す。超音波アレイセンサ２は、基板上に超音波受信素子３を縦方向、横方向、あるいは円形などにアレイ状に（本例ではＸ、Ｙ方向に４×４）配置して形成されている。各超音波受信素子３は、例えばＰＺＴからなる圧電膜３１の両面にＰｔ等の導体からなる電極３２，３３を備えたメンブレン部を、基板３４の上に設けて形成されている。基板３４は、例えば、シリコン基板上に、絶縁層を介してシリコン層を設けたＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて、そのベースとなるシリコンを異方性エッチング等により除去して、ダイヤフラム形状としたものである。なお、ＳＯＩ基板と電極３２の間には、絶縁用の酸化シリコン膜が形成されている。

図３は超音波アレイセンサ２への反射波の入射の様子を示す。超音波発信源６は、断続的に超音波パルス列を発信するように駆動される。一方、超音波アレイセンサ２には、発信された超音波の反射波が同時に複数の方向から入射される。いま、図３に示すように、超音波アレイセンサ６への入射波である反射波の進行方向が、１次元的に等間隔に並んでいる超音波受信素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの正面方向に対して角度θであるとする。反射波は複数の受信素子に到達し、各受信素子は角度θに依存した時間だけ遅れた反射波を受信する。例えば、超音波受信素子Ａ，Ｂ間の間隔をＬとすると、両受信素子に到達する波の行路差ｄ１は、ｄ１＝Ｌ×ｓｉｎ（θ）となる。超音波受信素子Ｂは、反射波がこの行路差ｄ１を音速で進行するのに要する時間だけ、超音波受信素子Ａよりも遅れて反射波を受信する。

図４は各超音波受信素子Ａ，Ｂ・・が受信した信号が加算演算手段９により加算演算処理される様子を示す。まず、各波形信号に対して、超音波受信素子間の相対距離、及び電子走査を行おうとしている方向角（角度θ１とする）によって決まる遅延量ｔ１，ｔ２，ｔ３（図４の上段）に従って、波形の時間軸をずらし（図４の中段）、これらの波形を加算して合成波を得る（図４の下段）。本図において、位相が揃って大きな振幅となった合成波が示されているが、このような場合、角度θ１の方向に超音波の反射物体が存在すると解される。また、超音波源６からの超音波発振時間と各超音波受信素子への反射波到達時間から、その方向角における検出対象物までの距離が求められる。なお、図４の上段及び中段に示した各波形信号は、実際は、種々の振幅や時間遅延を有する波形の混合したものである。

本発明の超音波距離測定装置１は、上述のように、超音波アレイセンサ２の前方空間に存在する物体の方向と距離を検知する。図４では、一次元的に配列された超音波受信素子について説明したが、この加算演算処理すなわち電子走査処理は、超音波アレイセンサ２に２次元的に配設された超音波受信素子３について２次元的に行われる。例えば、図２に示した超音波アレイセンサ２のＸ方向を水平方向、Ｙ方向を鉛直方向として、ＸＹ方向の電子走査が行われる。前方空間の全域について電子走査する場合、加算演算処理が増大するため、本発明においては、以下に説明する理由に基づいて演算量の削減が行われる。

図５は２つの超音波受信素子間の距離に対する指向性と検出範囲の関係を示す。一般に、アンテナ工学等において知られているように、２つの受信素子間の距離が離れるほど、その２つの受信素子からなる系の指向性は増大し、逆に検出範囲が減少する。

また、図６に示すように、超音波アレイ素子２への正面入射波と斜め入射波とを比較すると、両方の入射波の音圧が等しい場合、斜め入射波では、超音波受信素子の圧電素子に電圧を発生させるための音圧が、正面入射波の音圧をａとした場合、ａ×ｃｏｓφ（ｃｏｓφ＜１）となる。このことは、逆に、斜め入射波を受信するための超音波受信素子の個数で正面入射波を受信すると、感度的に十分な余裕があることを示している。

また、音波の弁別という観点から見ると以下のようになる。図７（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、隣り合う各超音波受信素子３に入射する入射波の遅延量ｕ，ｖ，ｗが、入射波の正面からの振れ角度α、β及び各超音波受信素子３間の距離Ｌ２，Ｌ３によって表される。そして、その遅延量ｕ，ｖ，ｗが音波の波長λの半波長と比べられる。すなわち、ｕ＝Ｌ２×ｓｉｎα、ｖ＝Ｌ２×ｓｉｎβ、ｗ＝Ｌ３×ｓｉｎβ、であり、図示の状態においてα＜β、Ｌ３＜Ｌ２であることから、ｕ＝λ／２とすると、ｖ＞λ／２となる。遅延量が半波長λ／２よりも大きくなると音波弁別の精度が悪くなる。そこで、図７（ａ）に示すように、入射波の方向が正面に近いところでは、超音波受信素子３の間隔は広くても良いが、図７（ｃ）に示すように、入射波の方向が検出方向の正面側から大きくずれている場合には、超音波受信素子３の間隔は狭く取る必要がある。

上述のように、演算処理を行う超音波受信素子同士の距離の違いにより、指向性、検知範囲（角度）が異なるので、アレイ状に並べられた超音波受信素子の中から、いくつかの素子を選択して演算処理をすることにより、演算量を減らすとともに、指向性を鋭くし、検知精度の向上を図ることができる。

従って、図８に示すように、超音波アレイセンサ２の正面側の角度範囲Θにおいては、側面側の角度範囲Φにおけるよりも少ない超音波受信素子によって所望の検知精度が得られることになる。広い角度範囲を検知する場合、検出方向の正面側からのずれ量に応じて超音波受信素子のピッチを変更して素子を選択することが演算処理量と検知精度との最適化に有効である。

すなわち、図９に示すように、一定間隔Ｌ１で配列された超音波アレイセンサ２０において、信号選択手段７により、ひとつおきに超音波受信素子３を選択して指向性を向上すると共に、検知精度向上を図ることができる。すなわち、信号選択手段７によって、検出方向の正面側からのずれ量が小さい角度範囲では広いピッチで超音波受信素子を選択し、正面側からのずれ量が大きい角度範囲では狭いピッチで超音波受信素子を選択する。このような、いわば、素子を間引く方法は、超音波アレイセンサ２０の前方正面の狭い角度範囲を検知範囲とする場合に有効である。

また、図１０（ａ）に示すように、縦１列、横１列の超音波受信素子を選択した超音波アレイセンサ２０を用いることにより、最も少ない受信素子数で物体検知を行うことができる。例えば、縦１列で鉛直方向Ｙにおける物体検知の走査を行い、次に、横１列で水平方向Ｘにおける物体検知の走査を行うことで、物体を認識した鉛直方向Ｙの位置と水平方向Ｘの位置が求められ、前出の図１における出力手段１０によって、図１０（ｂ）に示すように、超音波画像として検知された物体５１が表示される。このように、物体５１の位置、従ってその方向を検知することができる。このような直交する２方向に配列された超音波受信素子３を、各方向毎のグループとして用いる走査方法は、単一物体を検出する場合に簡便かつ有効である。

上記の方法を、複数の物体が存在する場合に適用すると、例えば２物体の場合、図１１（ｃ）に示すように、本来の物体像５２，５３に加えて、２つのゴーストＧ１，Ｇ２（対象物体が無い位置に物体が有るように検知される虚像）が現れてしまう。

そこで、図１１（ａ）に示すように、十字形状に複数の超音波受信素子を配置して構成された超音波受信素子２１の斜方向に隣接した、例えば超音波受信素子３５，３６を選択して、十字状配列の斜めの位置関係にあるセンサ同士を用いて演算処理することで、垂直、水平だけでなく、斜め方向の電子走査をすることができるので、図１１（ｂ）に示すようにゴースト除去が可能となる。

また、図１２に示すように、超音波受信素子３の配置を、初めから間隔が異なるように配置することで、超音波受信素子を選択するプロセスが不要となり、超音波距離測定装置の簡素化が図られる。例えば、各超音波受信素子のピッチを超音波アレイセンサ２２の中ほどは密集させ外側は間隔を広げるように（Ｌ３＜Ｌ４）などである。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、超音波アレイセンサにおける超音波受信素子の配列数は４×４に限らず、多数の超音波受信素子のアレイとすることができる。

本発明の一実施形態に係る超音波距離測定装置の全体構成図。（ａ）は同上超音波距離測定装置で用いられる超音波アレイセンサの平面図、（ｂ）は（ａ）に示すセンサを構成する超音波受信素子の平面図、（ｃ）は同断面図。反射波の波面が超音波受信源に対して角度θで入射する場合の説明図。複数の超音波受信素子の出力信号の加算演算処理を説明する波形図。２つの超音波受信素子間の距離に対する指向性と検出範囲の関係の説明図。同上超音波距離測定装置における超音波受信素子選択の考え方を示す超音波アレイセンサの断面図。（ａ）〜（ｃ）は同上超音波距離測定装置における超音波受信素子選択の考え方を説明する図。同上超音波距離測定装置における超音波受信素子選択の考え方を示す超音波アレイセンサの断面図。本発明の一実施形態に係る超音波距離測定装置で用いられる超音波アレイセンサの例を示す平面図。（ａ）は同上超音波距離測定装置で用いられる超音波アレイセンサの他の例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）に示すセンサを用いた場合の超音波画像の図。（ａ）は同上超音波距離測定装置で用いられる超音波アレイセンサの用い方を示す平面図、（ｂ）は（ａ）に示すセンサを用いた場合の超音波画像の図、（ｃ）はゴーストの現れた超音波画像。本発明の一実施形態に係る超音波距離測定装置で用いられる超音波アレイセンサのさらに他の例を示す平面図。

符号の説明

１超音波距離測定装置
２，２０，２１，２２超音波アレイセンサ
３超音波受信素子
５超音波発信手段
７信号選択手段
８記憶手段
９加算演算手段
Ｔ検出対象物

Claims

超音波発信手段と、複数の超音波受信素子をアレイ状に配置した超音波アレイセンサとを有し、前記超音波発信手段から発射されて検出対象物から反射された超音波を前記超音波アレイセンサで受信して検出対象物までの距離とその方向を検出する超音波距離測定装置において、
前記超音波受信素子の音波信号波形を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶されている各超音波受信素子の音波信号波形を、所定の遅延時間だけシフトさせて加算すると共にその所定の遅延時間を変化させて検出方向を電子的に走査して、検出対象物の方向を検出する加算演算手段と、
前記検出方向の正面側からのずれ量に応じて、前記ずれ量がより大きいほど互いの間隔がより狭くなるように、前記超音波受信素子を複数選択する信号選択手段と、を備え、
前記超音波アレイセンサは、縦方向と横方向に十字形状に複数の超音波受信素子を配置して構成され、
前記信号選択手段は、前記十字形状に配置された超音波受信素子の前記縦方向の列の超音波受信素子、前記横方向の列の超音波受信素子、及び斜方向に隣接した超音波受信素子について、それぞれ前記選択を行い、前記加算演算手段が前記選択された超音波受信素子の音波信号波形を用いて前記検出を行うことを特徴とする超音波距離測定装置。