JP4802678B2

JP4802678B2 - 超音波センサシステムおよびセンサユニット

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Publication number: JP4802678B2
Application number: JP2005333436A
Authority: JP
Inventors: 宗志峠
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2025-11-17
Also published as: JP2007139570A

Description

本発明は、車両の障害物検知システム等に使用される超音波センサシステム及びセンサユニットに関する。

車両に超音波センサを配置し、車両近傍の障害物を検出することにより、車両やドアが障害物に接触するおそれを低減させる障害物検知システムが実用化されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２３０９９３号公報

従来の障害物検知システムでは、バンパー等に障害物検知用の超音波センサを装着しなければならない。さらに、これらの超音波センサをＥＣＵ（Electronic Control Unit）に配線しなければならない。
しかし、各センサの車体への装着や配線は煩雑であり、また、各センサからＥＣＵまでの配線の引き回しが増え、ステイ、配線、切換機などの部品点数が多く、配線のコストおよび重量が大きいという問題がある。さらに、部品点数が多いため、調整が困難である。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、配線量が少ない障害物検知用のセンサシステムを提供することを目的とする。
また、本発明は、設置や調整が容易な障害物検知用のセンサシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点に係るセンサユニットは、
障害物検知システムに使用されるセンサユニットであって、
超音波発信素子及び複数の超音波受信素子を収容する超音波素子収容部と、前記超音波発信素子を駆動するための駆動回路及び前記超音波受信素子の出力信号を処理する信号処理回路を備える回路基板を固定するための基板固定部と、を備える筐体と、
前記筐体の前記超音波素子収容部に収容された超音波発信素子と複数の超音波受信素子と、
前記超音波発信素子に接続された前記駆動回路と前記超音波受信素子に接続された前記信号処理回路とを備え、前記基板固定部に固定された回路基板と、
前記回路基板と外部回路とを接続するためのケーブルと、
を備え、
前記超音波素子収容部は、前記超音波発信素子及び前記超音波受信素子のそれぞれが挿入される凹部を有し、
前記凹部それぞれの底面には、前記超音波発信素子及び前記複数の超音波受信素子の挿入方向における位置を規制する突起部が形成され、
前記超音波発信素子及び前記超音波受信素子のそれぞれの外面のうち、前記凹部の前記底面に対向する下面と側面は、弾性材からなる保護膜で覆われ、
前記超音波発信素子及び前記超音波受信素子の前記側面を覆う前記保護膜は、前記挿入方向に離間した第１突起状シール部及び第２突起状シール部を有し、
前記第１突起状シール部及び前記第２突起状シール部は、前記超音波発信素子及び前記超音波受信素子が挿入方向における位置を突起部により規制された状態で、前記凹部と密着することにより前記筐体の内部をシールする。

例えば、前記突起部は、弾性材から構成され、前記超音波発信素子と前記超音波受信素子とが前記超音波素子収容部内に装着された場合に、前記突起部と前記保護膜とが密着することにより、筐体内部をシールし、前記筐体の底面部には、前記超音波素子収容部によるシールと共に前記筐体内をシールするように、充填剤が充填されており、前記ケーブルの大径部が前記充填剤充填領域に配置されていてもよい。

例えば、前記筐体は略立方体を成し、前記超音波発信素子及び前記複数の超音波受信素子は、前記立方体の一面に所定間隔で配置され、前記突起部により、前記超音波発信素子及び前記複数の超音波受信素子の先端が前記一面から所定量だけ突出するように前記挿入方向における位置が規制されてもよい。

また、本発明の第２の観点に係る超音波センサシステムは、本発明の第１の観点に係るセンサユニットと、前記センサユニットに前記ケーブルを介して接続され、前記信号処理回路からの信号に基づいて障害物の位置を検出する検出手段とを備える。

本発明のセンサユニットによれば、超音波発信素子と超音波受信素子とを含む超音波センサがユニット化されているので、超音波発信素子と超音波受信素子とを個別に設置する場合に比較して、その取り扱い及び調整が容易である。また、超音波発信素子と超音波受信素子とを個別に信号処理回路に接続する場合と比較して、配線量が少なくて済む。

また、本発明の超音波センサシステムによれば、ユニット化された超音波センサと位置検出手段とがケーブルで接続されているので、その取り扱いや配線が容易である。また、超音波発信素子と超音波受信素子とを個別に配置する場合に比して調整や設定も容易となる。

以下、本発明の実施形態に係る超音波センサシステムを、車両障害物検知システムに応用した場合を例に説明する。

図１に示すように、本実施形態の超音波センサシステム１は、センサヘッド１００とセンサＥＣＵ２００とから構成される。

センサヘッド１００は、ユニット化（モジュール化）されており、筐体１０１と、発信器１０２と、超音波発信素子１０４と、超音波受信素子１０５と、受信アンプ１０６とを備える。

超音波発信素子１０４は、駆動信号に応答して超音波を出力（発信）する。
超音波受信素子１０５は、前記超音波発信素子１０４が発信した超音波の反射波を受信し、受信信号を出力する。３次元空間上の超音波受信素子１０５は、超音波を反射した物体の三次元空間上の位置を検出可能とするため、３つ配置されている。超音波送信素子１０４と超音波受信素子１０５（以下、両者を総称して「超音波素子１０４，１０５」と呼ぶ）とは、図２に示すように、ほぼ立方形状のセンサヘッド１００の一面（センサ面）に、互いに一定の間隔をおいて矩形状に（矩形の頂点に位置するように）配置されている。

発信器１０２は、センサＥＣＵ２００からのクロックタイミング信号に応答して、所定期間発振し、発振信号を超音波発信素子１０４に供給することにより、超音波発信素子を駆動して、超音波を発信させる。

送信アンプ１０６は、超音波受信素子１０５それぞれに設けられ、対応する超音波受信素子１０５の出力信号を増幅してセンサＥＣＵ２００に出力する。

筐体１０１は、樹脂から成形され、上述の各部を収納する。

図３に断面で示すように、筐体１０１の上部には、超音波素子１０４、１０５を収容して支持・保持するためのステイ（支持ステイ）１１１が形成されている。ステイ１１１は、超音波素子１０４，１０５が挿入される凹部１１２を形成する。超音波素子１０４、１０５を図２に示すように配列するため、凹部１１２は、図４に平面図で示すように、矩形状に４つ形成されている。４つの凹部１１２のそれぞれの中央部には、配線貫通用の開口１１３が形成されている。さらに、開口１１３の周囲には防湿・防塵用のシール材として機能すると共に弾性材としても機能する突起状部１１４が円周状に形成されている。

また、超音波素子１０４、１０５の側面及び下面はシリコンゴム等の弾性材から構成された保護膜１２１が形成されている。この保護膜１２１にも、シール材及びバネ部材として機能する突起状部１２２が形成されている。

突起状部１１４と突起状部１２２との機能により、ステイ１１１の凹部１１２に超音波素子１０４，１０５を挿入するだけで、突起状部１１４と突起状部１２２及びステイ１１１の凹部１１２の内面及び超音波素子１０４，１０５の外面の間で、シール構造が構成される。

なお、超音波発信素子１０４の外形と超音波発信素子１０４挿入用の凹部１１２の外形とは対応しており、また、超音波受信素子１０５の外形と超音波受信素子１０４挿入用の凹部１１２の外形とは対応している。但し、超音波発信素子１０４の外形と超音波受信素子１０５挿入用の凹部１１２の外形とは対応しておらず、挿入は困難であり、また、超音波受信素子１０５の外形と超音波発信素子１０４挿入用の凹部１１２の外形とは対応しておらず、挿入は困難である。

筐体１０１の内部中央には、回路基板取り付け用の基板支持部１３１が形成されている。基板支持部１３１には、回路基板１３２が溶着や接着剤により固定されている。回路基板１３２には、発信部１０２や送信アンプ１０６を構成する発振回路、増幅回路などの電子回路が形成されている。回路基板１３２の上面には、超音波素子１０４、１０５に接続される配線ワイヤ１６０を接続するための接続端子１３３が形成されている。回路基板１３２の下面には、センサＥＣＵ２００に接続されるケーブル配線（ワイヤハーネス）３００が接続される接続端子１３４が形成されている。

筐体１０１の内部は耐水性の充填剤１４１、たとえばシリコン樹脂で充填され、シールされている。

なお、ケーブル配線３００の端部に線径が他よりも太い大径の大径部３０１が形成され、大径部３０１は充填剤１４１内に埋め込まれている。このような構成とすることで、筐体１０１の内部の強度及びシール機能により防水・防塵性能が向上する。また、ケーブル配線３００の引っ張り強度が向上する。

また、充填材１４１を充填することで、センサヘッド１００の底面（筐体１０１の底面）には防水用の蓋等の特段の構成を設ける必要がない。
また、筐体１０１の下端周縁部には、このセンサヘッド１００を取り付けて固定するための取り付けステイ１５１が形成されている。

図１に示すセンサＥＣＵ２００は、受信回路２０２と、Ａ／Ｄ変換器２０４と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０６と、クロック回路２０８と、電源回路２１０とを備える。

受信回路２０２は、増幅器を備え、センサヘッド１００の送信アンプ１０６から送信されてくる信号（超音波受信信号）を増幅して出力する。受信回路２０２は、センサヘッド１００の送信アンプ１０６の数（超音波受信素子１０５の数）に対応する数だけ配置されている。
Ａ／Ｄ変換器２０４は、受信回路２０２の出力信号をアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換して出力する。
ＣＰＵ２０６は、Ａ／Ｄ変換器２０４の出力に基づいて、障害物の位置や距離を測定（計算）し、測定結果等をシリアルデータ信号で、ケーブル配線４００を介して車両全般或いは主要部を制御する本体ＥＣＵに送信する。
クロック回路２０８は、超音波発信素子１０４が超音波を発信するタイミングを規定するクロック信号を出力する。
電源回路２１０は、センサヘッド１００とセンサＥＣＵ２００の動作用の電力を供給生成する。

次に、センサヘッド１００とセンサＥＣＵ２００とを接続するケーブル配線（ワイヤハーネス）３００について説明する。
図１の構成では、配線は６本である。即ち、発信器１０２にクロック信号を送信するためのクロック信号ラインＬ１と、３つの超音波受信素子１０５に対応する３つの送信回路１０６からの３本の信号線Ｌ２〜Ｌ４、共通のグランド線Ｌ５、共通の電源線Ｌ６である。
センサヘッド１００の電源は、センサＥＣＵ２００から電源線Ｌ６とグランド線Ｌ５により伝達される。

また、センサＥＣＵ２００と本体ＥＣＵを接続するケーブル配線４００は、シリアルデータ線から構成される。

上記構成の超音波センサシステム１では、センサヘッド１００がモジュール化されているの。このため、製造・組み立て段階で位置合わせをしておけば、センサヘッド１００を車体等に取り付ける段階で、個別に位置合わせを行う必要がなく、取り付け作業が容易になる。
また、超音波素子１０４、１０５とセンサＥＣＵ２００を接続する電源線Ｌ６とグランド線Ｌ５とが共通化されている。このため、全体としての信号線の数を個別に配線を施す場合に比して大幅に減らすことができる。

次に、センサヘッド１００とセンサＥＣＵ２００を車両に取り付ける方法について説明する。

図５は、センサヘッド１００を、バックドア６００のガーニッシュの下にあるライセンスランプの横に設置し、センサＥＣＵ２００を、バックドア６００のドアパネル内に配置した例を示す。
センサヘッド１００は、車両の進行方向と平行で後ろ向きに、且つ、垂直方向に対して斜め４５度下を向くように設置され、センサＥＣＵ２００にケーブル配線（ワイヤハーネス）３００を介して接続されている。また、センサＥＣＵ２００は、バックドア６００の開閉を制御するためのバックドアＥＣＵ５００にケーブル配線４００により接続される。

次に、このように構成された超音波センサシステム１を用いた障害物検出システムについて説明する。
例えば、図５の構成において、バックドア６００が開かれると、バックドアＥＣＵ５００の制御により、センサＥＣＵ２００の電源回路２１０が投入される。これにより、クロック回路２０８は、クロック信号を生成し、クロック信号線Ｌ１を介してセンサヘッド１００に送信する。発信器１０２は、このクロック信号に応答して、周期的に一定期間ずつ発信し、超音波発信素子１０４に定期的に発振信号を供給する。超音波発信素子１０４は、発信器１０２からの発振信号に応答して、周期的に、且つ、１回につき、所定時間ずつ超音波を発信する。

超音波発信素子１０４が発信（出力）した超音波は、障害物等に衝突すると反射され、超音波受信素子１０５に受信される。超音波受信素子１０５は、超音波を受信すると、受信信号を出力する。送信アンプ１０６は、この受信信号を増幅してケーブル配線３００の信号線Ｌ２〜Ｌ４を介してセンサＥＣＵ２００に伝達する。センサＥＣＵ２００のＣＰＵ２０６は、受信回路２０２とＡ／Ｄ変換器２０４を介してこれを受信する。ＣＰＵ２０６は、クロック回路２０８が出力したクロックパルス（超音波発信のタイミング）に対して、各超音波受信素子１０５が超音波を受信したタイミングとのずれ（遅れを）を判別し、このずれから、障害物の位置（方向と距離）を求め、配線３００を介して、バックドアＥＣＵ５００に通知する。バックドアＥＣＵ５００は、判別された障害物の位置に基づいて、必要に応じて、バックドア６００を停止し、動きを反転させ、或いは、警報を発生させる。

なお、この発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
例えば、上記実施の形態においては、センサヘッドに１つの超音波発信素子と３つの超音波受信素子とを配置したが、１つの超音波受信機兼用超音波発信器を使用することにより、３つの超音波素子で、障害物の検出などが可能である。この場合、例えば、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、３つの超音波素子１０７をＬ字状或いは、正三角形状に配置すればよい。この場合も、１つの超音波素子が超音波を発信できればよい。

上記実施の形態では、理解を容易にするために、超音波信号発信のタイミングを指示するためにクロックパルスをセンサＥＣＵ２００からセンサヘッド１００に供給した。より一般的な動作用の基準クロックをセンサＥＣＵ２００からセンサヘッド１００に供給し、センサヘッド１００がセンサＥＣＵ２００と同期動作を行うようにしてもよい。

また、上記実施の形態においては、センサヘッド１００とセンサＥＣＵ２００とを６線のケーブル配線３００で接続したが、配線の本数をより低減することも可能である。

例えば、センサＥＣＵ２００が、電源ラインにクロック信号を重畳して送信し（クロックタイミングで電源線の電圧を一時的に降圧する）、受信側で、電源に重畳している信号を検波して抽出するようにしてもよい。このような構成とすれば、ケーブル配線３００を、信号線３本、電源とクロック信号の兼用線１本、グランド線１本の計４本とすることができる。

同様に、例えば、センサヘッド１００の送信回路２０６の１つが電源線上に信号を出力し、センサヘッド１００の送信回路の他の１つがクロック信号線上に信号を出力するようにすれば、２本の信号線を共用することが可能となり、配線の数を４とすることができる。但し、この場合には、図７に示すように、検波回路２１２をセンサＥＣＵ２００に配置し、電源線及びクロック信号線上の信号を検波して抽出して処理する。

さらに、図８に示すように、センサヘッド１００にＡ／Ｄ変換器１０８を配置し、各送信アンプ１０６の出力をＡ／Ｄ変換してから、センサＥＣＵ２００に送信するようにすれば、信号線は、例えば、電源線とグランド線と、シリアル信号線の３本ですむ。

図１の構成では、センサヘッド１００とセンサＥＣＵ２００と本体ＥＣＵとを別体としたが、例えば、センサＥＣＵ２００と本体ＥＣＵ（例えば、前述のバックドアＥＣＵ５００）とを共通にしてもよい。この場合には、センサヘッド１００の出力信号はケーブル配線３００により本体ＥＣＵに直接伝達され、本体ＥＣＵは、各超音波受信素子の出力から、センサＥＣＵ２００が実施したような障害物の位置を求める処理等を行う。

また、図９に示すように、センサヘッド１００内にＡ／Ｄ変換器１０８とＣＰＵ１１０とを配置して、各超音波受信素子１０５の出力信号を増幅後、Ａ／Ｄ変換して、さらに、ＣＰＵ１１０で障害物の有無と各障害物までの距離を判別するようにすれば、センサヘッド１００からケーブル配線３００を介して本体ＥＣＵに直接検出した障害物の位置などの情報を伝達することができる。この場合には、電源線とグランド線と、シリアルデータ線の計３本で信号及び電源を送受信することができる。

このような構成の場合、例えば、図１０に示すように、センサヘッド１００を、バックドア６００のガーニッシュ下にあるライセンスランプの横に、車両の進行方向と平行で後ろ向きに、車両の垂直方向に対して斜め４５度下を向くように配置し、センサＥＣＵ２００を、バックドアＥＣＵ５００に内蔵させ、センサヘッド１００とバックドアＥＣＵ５００とをケーブル配線３００で直接接続することができる。

また、図１１に示すように、センサＥＣＵを内蔵したセンサヘッド１００を、バックドア６００のガーニッシュ下にあるライセンスランプの横に、車両の進行方向と平行で後ろ向きに、車両の垂直方向に対して斜め４５度下を向くように配置し、センサヘッド１００のケーブル配線３００をバックドアＥＣＵ５００に直接接続してもよい。この場合、通信線はシリアルデータ線だけでなくＣＡＮなどの通信線も使用可能である。

以上説明したように、本実施の形態に係る超音波センサシステム１は、基本的に、センサヘッド１００およびセンサＥＣＵ２００から構成され、センサヘッド１００は、発信器１０２と超音波発信素子１０４と送信アンプ１０６とから構成され、センサヘッド１００を構成する各コンポーネントおよび配線は、筐体内に収められ、筐体内は耐水性の充填剤１４１で充填される。このような構成をとることで、センサヘッド１００を構成する構成部品を１つにまとめることができ、配線の重量およびコストを削減することができる。ただし、一部の構成を他部分に移動する等も可能である。

また、センサヘッド１００が１つにまとまっているので、センサヘッド１００が故障した場合などにおいて、補給品のマッチングにおいてディーラーでの調整が不要になるため、低コスト化できる。

特に、超音波素子１０４、１０５の設置位置等のばらつきとＥＣＵとの整合を車両ごと行う必要がない。
なお、この発明のセンサヘッド１００の取り付け箇所は、バックドア６００に限定されず、例えば、任意箇所のバンパー、車体の前方や側方向などでもよい。

上述のセンサヘッドの構成や材料は一例であり、これらに限定されるものではない。また、超音波により、障害物などの三次元上の位置を検出するために超音波受信素子を３個配置したが、例えば、障害物の水平方向の位置（向きと距離）を判別するだけでよい場合いは、超音波受信素子を水平方向に位置をずらして少なくとも２つ配置すればよい。

センサヘッドとセンサＥＣＵとから構成される超音波センサシステムの構成の一例を示す図である。図１に示すセンサヘッドの外観図である。図２に示すセンサ素子の断面図である。図３に示すステイの平面図である。車体のバックドアにセンサヘッドおよびセンサＥＣＵを取り付けた状態を示す図である。（ａ）は、センサヘッドに超音波素子が３個、Ｌ字型に配置されている場合の、センサヘッドの外形の一例を示した図であり、（ｂ）は、センサヘッドに超音波素子が３個、正三角形型に配置されている場合の、センサヘッドの外形の一例を示す図である。超音波センサシステムの構成の変形例を示す図であり、信号線を他の線と共用し、センサＥＣＵに検波回路を配置した構成の例を示す図である。超音波センサシステムの構成の変形例を示す図であり、センサヘッドにＡ／Ｄ変換器を配置することにより、センサヘッドからセンサＥＣＵにシリアルデータ転送を行うようにした構成の例を示す図である。超音波センサシステムの構成の変形例を示す図であり、センサヘッドとセンサＥＣＵを一体化した構成の例を示す図である。車体のバックドアにセンサヘッドを取り付け、センサＥＣＵはバックドアＥＣＵに内蔵されている場合を示す図である。車体のバックドアにＥＣＵ内蔵センサヘッドを取り付けた状態を示す図である。

符号の説明

１００センサヘッド（センサユニット）
１０１筐体
１０２発信器（駆動回路）
１０４超音波発信素子
１０５超音波受信素子
１０６送信アンプ（信号処理回路）
１１１ステイ（収容部）
１１２凹部
１１３開口
１１４突起状部（シール）
１２１保護膜
１２２突起状部（シール）
１３１基板支持部
１３２回路基板
１３３、１３４接続端子
１４１充填剤
２００センサＥＣＵ（検出手段）
２０２受信回路
２０４Ａ／Ｄ変換器
２０６ＣＰＵ
２０８クロック回路
２１０電源回路
２１２検波回路
３００ケーブル配線（ワイヤハーネス）
４００ケーブル配線（ワイヤハーネス）

Claims

障害物検知システムに使用されるセンサユニットであって、
超音波発信素子及び複数の超音波受信素子を収容する超音波素子収容部と、前記超音波発信素子を駆動するための駆動回路及び前記超音波受信素子の出力信号を処理する信号処理回路を備える回路基板を固定するための基板固定部と、を備える筐体と、
前記筐体の前記超音波素子収容部に収容された超音波発信素子と複数の超音波受信素子と、
前記超音波発信素子に接続された前記駆動回路と前記超音波受信素子に接続された前記信号処理回路とを備え、前記基板固定部に固定された回路基板と、
前記回路基板と外部回路とを接続するためのケーブルと、
を備え、
前記超音波素子収容部は、前記超音波発信素子及び前記超音波受信素子のそれぞれが挿入される凹部を有し、
前記凹部それぞれの底面には、前記超音波発信素子及び前記複数の超音波受信素子の挿入方向における位置を規制する突起部が形成され、
前記超音波発信素子及び前記超音波受信素子のそれぞれの外面のうち、前記凹部の前記底面に対向する下面と側面は、弾性材からなる保護膜で覆われ、
前記超音波発信素子及び前記超音波受信素子の前記側面を覆う前記保護膜は、前記挿入方向に離間した第１突起状シール部及び第２突起状シール部を有し、
前記第１突起状シール部及び前記第２突起状シール部は、前記超音波発信素子及び前記超音波受信素子が挿入方向における位置を突起部により規制された状態で、前記凹部と密着することにより前記筐体の内部をシールする、
ことを特徴とするセンサユニット。
前記突起部は、弾性材から構成され、
前記超音波発信素子と前記超音波受信素子とが前記超音波素子収容部内に装着された場合に、前記突起部と前記保護膜とが密着することにより、筐体内部をシールし、
前記筐体の底面部には、前記超音波素子収容部によるシールと共に前記筐体内をシールするように、充填剤が充填されており、
前記ケーブルの大径部が前記充填剤充填領域に配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサユニット。
前記筐体は略立方体を成し、
前記超音波発信素子及び前記複数の超音波受信素子は、前記立方体の一面に所定間隔で配置され、
前記突起部により、前記超音波発信素子及び前記複数の超音波受信素子の先端が前記一面から所定量だけ突出するように前記挿入方向における位置が規制される、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサユニット。
請求項１に記載のセンサユニットと、
前記センサユニットに前記ケーブルを介して接続され、前記信号処理回路からの信号に基づいて障害物の位置を検出する検出手段とを備える、
ことを特徴とする超音波センサシステム。