JP5216317B2 - プラットホーム検知用の超音波センサ - Google Patents

Description

本発明は、駅毎にプラットホームの高さが大きくバラついても、プラットホームを確実に検知できるプラットホーム検知用の超音波センサに関する。

この種の技術として特許文献１は、車両側からプラットホームを検知できる、超音波センサを備えた車両搭載型超音波検知装置を開示する。この装置の指向角は概ね５〜１５°とされる。

特開平０９−１５６５０１号公報（請求項１、図２参照）

ここで、図５を参照されたい。本図に示されるようにプラットホームの高さは駅毎に必ずしも一定とは限らず、例えば±２０ｃｍ程度の範囲などでバラツく場合がある。かかる場合、上記特許文献１に開示の装置のように指向角を５〜１５°程度としたのでは、指向角が狭すぎて、プラットホームを適切に検知することは略不可能である。

上記のような背景を踏まえ、本願発明は、第一のポイントとして、概ね３００ｍｍ以下程度とされる短い検知距離（つまり、プラットホーム検知向け）でも検知性能が問題なく発揮される超音波センサであることを前提として、第二のポイントとして、駅毎にプラットホームの高さが大きくバラツいても、プラットホームを問題なく検知できる点に主眼を置く。

上記の第一のポイントを達成するには、一対の超音波センサを用意し、一方を送信用として他方を受信用とする必要がある。なぜなら、近距離であるがゆえ送信時の残振動により検知信号がこの残振動に埋没してしまうという影響が大きく、単一のセンサで送受信を実現するのは技術上、困難だからである。

上記の第二のポイントを達成するには、例えば５０°程度の広指向性の超音波を放射する必要がある。しかし、超音波の指向特性を広指向性とすると下記第一及び第二の問題が生じる。即ち、◆第一に、クロストーク（送波漏れ）の問題が顕在化し、以下のような致命的な問題が生じてしまう。ここで、図６及び図７を参照されたい。図６及び図７は、所謂クロストークの問題点を説明するための図である。即ち、レイアウトの都合上、送信側センサと受信側センサとの間の距離Ｌは、送信側センサから放射されプラットホームで反射し受信側センサで受信される超音波の総伝播距離Ａ＋Ｂ（正確に言えばベクトルＡの絶対値にベクトルＢの絶対値を加えたもの）と略等しい距離に近づく。かかる場合、図７（ａ）に示されるように、本来、プラットホーム検知信号が受信されるべき時刻ｔ＝（Ａ＋Ｂ）／Ｖ（ただし、Ｖは超音波の伝播速度）に、クロストークそのものが大きなレベルで検出されてしまう。そして、プラットホーム検知信号とクロストークそのものが同時に重複して検出されると、もはや、超音波センサがプラットホームを検知することすらできなくなってしまうのは言うまでもない。このように、従来の技術では、クロストークにより生ずる重大な問題を解決できなかったため、プラットホーム検知用超音波センサの超音波として広指向性のものを採用することは技術面で敬遠されていた。そして、◆第二に、センサの取付位置の如何によってはプラットホームのみならず車両の排障装置（一般に、スカート部と称される。）や床下面、床下機器類や床下配管類をも過剰検知してしまうといった別の問題も発生してしまう。

本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、図７（ｂ）に示されるようにクロストークを大幅に低減することで、広範囲検知と近距離検知を両立できる超音波センサを提供することにある。即ち、ある程度の指向角を確保しつつも、この指向角を外れた角度においては音圧レベルが低減された、メリハリの効いた超音波センサを提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、車両側からプラットホームを検知するために車両側に設けられるプラットホーム検知用の超音波センサは、以下のように構成される。即ち、超音波素子と、前記プラットホームに向かって拡開し、拡開側から前記超音波素子へ向かって順に、前記超音波素子の軸心に対して平行に延びる第１の面と、前記第１の面から内周へ向かって前記超音波素子の軸心に対して垂直に延びる第２の面とを交互に連ね、拡開側から見て前記第２の面が複数の同心円から成って前記超音波素子へ向かうにつれて徐々に縮径する階段状に形成されるホーンと、を含む送信側と受信側の一対の超音波ユニットを有し、前記一対の超音波ユニットは、互いに所定の距離を隔てて並設される。このように一対の超音波ユニットを並設した構成では上述したようにクロストークの問題が顕在化するが、本願発明の以上の構成によれば、クロストークが大幅に低減されるので、広範囲検知と近距離検知を両立できる。そして、ある程度の指向角を確保しつつも、この指向角を外れた角度においては音圧レベルが低減された、メリハリの効いたプラットホーム検知用超音波センサを提供できる。従って、プラットホームの高さ等にバラツキがあっても問題なくプラットホームを検知できるし、本来検知対象に含めたくない排障装置や床下面などの車両側構成物品の過剰検知を低減できる。更には、ホーンを射出成形によって製造する場合は、射出成形に供される金型の設計が容易となる。

上記のプラットホーム検知用の超音波装置は、更に、以下のように構成される。即ち、前記各第１の面の延在長さが概ね均一であると共に、前記各第２の面の延在長さが概ね均一である。

上記のプラットホーム検知用の超音波センサは、更に、以下のように構成される。即ち、前記超音波ユニットは、内部に無数の空洞を有し、前記超音波素子の外周に覆設され、前記超音波素子の一部を収容する遮音材と、前記超音波素子及び前記遮音材を収容する外枠と、を更に備える。以上の構成によれば、前記遮音材の有する空洞によって達成される密度差の存在により、前記超音波ユニットの外枠と前記超音波素子の間の超音波の伝播を効果的に遮断できる。更に、前記超音波ユニットが一対で並設されて各々が送信と受信を担う場合は、前記外枠を介したクロストークを効果的に回避できる。

上記のプラットホーム検知用の超音波センサは、更に、以下のように構成される。即ち、前記超音波素子及び前記遮音材と、前記外枠と、の間に、粒状物を含む充填材が充填され、前記超音波素子は、前記充填材を介して前記外枠と間接的に連結される。以上の構成によれば、前記充填材の有する粒状物によって達成される密度差の存在により、前記超音波ユニットの外枠と前記超音波素子の間の超音波の伝播を効果的に遮断できる。更に、前記超音波ユニットが一対で並設されて各々が送信と受信を担う場合は、前記外枠を介したクロストークを一層効果的に回避できる。

上記のプラットホーム検知用の超音波センサは、更に、以下のように構成される。即ち、前記超音波素子は前記超音波ユニットの外枠に収容され、前記超音波素子の外周は内部に空洞を有する遮音材で被覆されると共に、前記超音波ユニットの外枠と前記超音波素子との間には粒状物を含む充填材で充填される。以上の構成によれば、前記遮音材の有する空洞によって達成される密度差の存在と、前記充填材の有する粒状物によって達成される密度差の存在と、により、前記超音波ユニットの外枠と前記超音波素子の間の超音波の伝播を一層効果的に遮断できる。更に、前記超音波ユニットが一対で並設されて各々が送信と受信を担う場合は、前記外枠を介したクロストークを一層効果的に回避できる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。先ず、図５に基づいて、超音波センサ１の取付位置について説明する。図５は、本発明の一実施形態に係る超音波センサを装備した車両の正面図である。本実施形態に係る超音波センサ１は、車両２側からプラットホーム３を検知するために車両２側に設けられるものである。この超音波センサ１は、先頭の車両２の下部に設けられる排障装置４に対して、車両２の正面からみたときに排障装置４の裏側へ隠れるように、且つ、床下面５との間が狭くなるように、更に、車両２の両側面に面するように、一対で取り付けられる。

図１は、上記超音波センサ１の斜視図である。本図において太線矢印は車両２の進行方向を例示し、排障装置４や床下面５は二点鎖線で略示した。本図に示されるように超音波センサ１は、一対の超音波ユニット６と、この一対の超音波ユニット６を支持する取付板７と、から構成される。一対の超音波ユニット６のうち一方が超音波信号の送信に供され、送信された超音波信号はプラットホーム３の側面で反射し、反射した超音波信号は上記一対の超音波ユニット６のうち他方によって受信され、もって、プラットホーム３の存在を検知するように構成される。本実施形態において一対の超音波ユニット６は水平方向に所定の距離を隔てて並設され、取付板７は図示しないフレームを介して排障装置４に対して固定される。本図に示されるようにレイアウト上の関係で、超音波ユニット６は、排障装置４や床下面５に対して極めて近接するように配設される。各超音波ユニット６の有するホーン９は、何れもプラットホーム３側に向かって拡開する。

次に、図２を併せて参照されたい。図２は、図１のII−II’線矢視断面図である。本図に示されるように超音波ユニット６は、超音波素子１０と、この超音波素子１０の外周に覆設される吸音効果に優れたコルク１１（遮音材）と、超音波素子１０をコルク１１と共に収容する外枠１２と、を備え、超音波素子１０及びコルク１１と、外枠１２と、の間には充填材１３が充填される。

本実施形態において超音波素子１０は、自動車用バックセンサとして広く普及している固有周波数が４０ｋＨｚの超音波素子であって、充填材１３を介して外枠１２と間接的に連結され、コルク１１及び充填材１３に貫設される図略の給電ケーブルを介して適宜の制御装置に接続される。この超音波素子１０自身は図３において破線で示されるように概ね４０〜５０°の指向角を有し、８５°における音圧レベルは概ね−２２［ｄＢ］とされる。コルク１１は、自身の内部に無数の空洞を有し、超音波素子１０の軸心Ｃと同軸の有底円筒状に形成され、超音波素子１０の一部を収容する。超音波素子１０の軸心Ｃの方向において、コルク１１の底部１４と超音波素子１０との間には若干の空隙１５が、該超音波素子１０から引き出された電極と外部制御装置との信号用電線を収容することを目的として確保される。外枠１２は、例えばステンレスなどの耐腐食性に優れた金属製であって、図１にも示されるように薄肉の角筒状に形成される。充填材１３は、珪素から成る粒状物を含むエラストマーである。

次に、ホーン９について詳細に説明する。本実施形態においてホーン９は、上記の充填材１３を用いて射出成形により形成される。ホーン９は、図１に示されるようにホーン９の拡開側から見て複数の同心円から成る階段状に形成される。詳しくは、図２に示されるようにホーン９は、拡開側から超音波素子１０へ向かって順に、超音波素子１０の軸心Ｃに対して平行に延びるホーン平行部９ａ（第１の面）と、このホーン平行部９ａの端から内周へ向かって軸心Ｃに対して垂直に延びるホーン垂直部９ｂ（第２の面）と、このホーン垂直部９ｂの内周縁から再び軸心Ｃに対して平行に延びるホーン平行部９ａと、・・・といったようにホーン平行部９ａとホーン垂直部９ｂを交互に連ね、超音波素子１０へ向かうにつれて徐々に縮径する階段状に形成される。各ホーン平行部９ａの上記延在長さは概ね均一であり、同様に、各ホーン垂直部９ｂの上記延在長さも概ね均一である。各超音波ユニット６の軸心Ｃは相互に平行とされる。

次に、この特異な形状のホーン９の奏する技術的効果について具体的な指向特性と共に詳説する。図３及び図４を参照されたい。図３及び図４は何れも指向特性を例示するものである。図３における破線（比較例１）は上記の超音波素子１０自身の有する（即ち、ホーンが用いられない状態での）指向特性を、実線（実施例）は上記の超音波素子１０に上記実施形態に係るホーン９を組み合わせたときの指向特性を、夫々示す。図４における実線（比較例２）は超音波素子１０にホーン角度が７０°である円錐状のホーンを組み合わせたときの指向特性を、破線（比較例３）は同じくホーン角度が６５°である円錐状のホーンを組み合わせたときの指向特性を、夫々示す。

図３によれば、本実施形態に係るホーン９を採用すると、矢印Ａで図示する概ね０〜５０°の平坦な音圧レベルについては殆ど影響を与えることなく、矢印Ｂで図示する概ね６０°以上の音圧レベルのみを大幅に低減できることが判る。そして、後者の音圧レベルが大幅に低減されたことで、図７（ｂ−１）に示されるようにクロストークを大幅に抑制でき、もって、図７（ｂ−２）に示されるようにプラットホーム検知信号のみを拾うことが可能となる。一方、図４によれば、例えば７０°や６５°などのホーン角度を有する円錐状のホーンを採用すると、概ね０〜５０°の音圧レベルが大きく乱れて凸凹となってしまうし、だからといって概ね６０°以上の音圧レベルが図３の破線と比較して特段に減じるというわけでもないことが判る。

以上説明したように、上記実施形態において超音波センサ１は、以下のように構成される。即ち、超音波素子１０と、この超音波素子１０に設けられ、該超音波素子１０の軸心Ｃに対して平行に延びるホーン平行部９ａ（第１の面）と、該超音波素子１０の軸心Ｃに対して垂直に延びるホーン垂直部９ｂ（第２の面）と、を交互に連ねて階段状に形成される、ホーン９と、を含む超音波ユニット６を有する。以上の構成によれば、ある程度の指向角（実施例では０〜５０°）を確保しつつも、この指向角を外れた角度（実施例では６０°以上）においては音圧レベルが低減された、メリハリの効いたものとなる。従って、プラットホーム３の高さ等にバラツキがあっても問題なくプラットホーム３を検知できるし、本来検知対象に含めたくない排障装置４や床下面５などの車両２側構成物品の過剰検知を低減できる。更には、ホーン９を射出成形によって製造する場合は、射出成形に供される金型の設計が容易となる。

なお、本来検知対象に含めたくない車両２側構成物品として上記実施形態では図１に示されるように排障装置４と床下面５を例示した。しかし、本来検知対象に含めたくない車両２側構成物品は他にもあり、レイアウト上の関係で超音波センサ１の近傍に配設される可能性のあるものすべてが該当することは理解されよう。例えば、車体外板（側出入口部）や床下機器類、床下配管類などがそれに相当する。

また、ホーン９の一部のみが上述の通りに階段状に形成されている場合も考えられる。例えば、ホーン９の、図１において太線矢印で例示された車両２の進行方向側にのみ階段状に形成された場合である。かかる場合でも、車両２の進行方向側の指向特性にのみ着目すれば、図３の実線及び破線で例示した有意な技術的効果はある程度は奏されるだろう。

図１に示されるように、前記ホーン９は環状に形成されると共に、その全周に亘って上記階段状に形成される。以上の構成によれば、前記ホーン９の全周に亘って、“ある程度の指向角を確保しつつも、この指向角を外れた角度における音圧レベルを低減できる。”という効果が発揮される。

また、図２に示されるように、前記超音波素子１０は前記超音波ユニット６の外枠１２に収容され、前記超音波素子１０の外周はコルク１１で被覆される。以上の構成によれば、前記コルク１１の有する無数の空洞によって達成される密度差（正確に言えば、ρｃ差）の存在により、前記超音波ユニット６の外枠１２と前記超音波素子１０の間の超音波の伝播を効果的に遮断できる。更に、図１に示されるように、前記超音波ユニット６が一対で並設されて各々が送信と受信を担う場合は、前記外枠１２を介したクロストークを効果的に回避できる。なお、「外枠１２を介したクロストーク」とは、図１において、一対の超音波ユニット６の間の間隙の空気で伝播して、一方の超音波ユニット６から他方の超音波ユニット６へ直接的に超音波信号が送受信されてしまう厄介な問題を意味する。

なお、上記実施形態において超音波素子１０の外周はコルク１１で被覆されることとしたが、このコルク１１に代えて、同様に内部に無数の空洞を有する遮音材として、材木や紙、石膏、スポンジなどを採用してもよい。

同様に、前記超音波素子１０は前記超音波ユニット６の外枠１２に収容され、前記超音波ユニット６の外枠１２と前記超音波素子１０との間には粒状物（上記実施形態では珪素から成る粒状物）を含む充填材１３で充填される。以上の構成によれば、前記充填材１３の有する粒状物によって達成される密度差の存在により、前記超音波ユニット６の外枠１２と前記超音波素子１０の間の超音波の伝播を効果的に遮断できる。これがクロストーク回避に寄与するのは上述した通りである。

なお、上記実施形態のように珪素から成る粒状物をエラストマー（ゴム）に含ませることに代えて、例えば、タングステンや鉛、セラミックなどの何れかから成る粒状物を含ませることとしても、伝播の遮断に関する効果がある程度は奏されることが本願発明者らによる試験により明らかとなっている。

即ち、図２に示されるように、前記超音波素子１０は前記超音波ユニット６の外枠１２に収容され、前記超音波素子１０の外周はコルク１１で被覆されると共に、前記超音波ユニット６の外枠１２と前記超音波素子１０との間には充填材１３で充填される。以上の構成によれば、前記コルク１１の有する無数の空洞によって達成される密度差の存在と、前記充填材１３の有する粒状物によって達成される密度差の存在と、により、前記超音波ユニット６の外枠１２と前記超音波素子１０の間の超音波の伝播を一層効果的に遮断できる。更に、前記超音波ユニット６が一対で並設されて各々が送信と受信を担う場合は、前記外枠１２を介したクロストークを一層効果的に回避できる。

以上、本願発明の好適な実施形態を説明したが、特許法第７０条の規定により、本明細書中に記載した数値やレイアウトなどの具体的な記述によっては、本願発明の技術的範囲は一切限定されるものではない。

即ち、例えば、車両２に対する超音波センサ１の搭載位置は、図１に示されるレイアウトに限定されるものではない。つまり、図１に示されるレイアウトは例示であって、本願発明の技術的範囲を何ら限定するものではない。（１）例えば、超音波センサ１は最後尾車両へも搭載される。（２）先頭車両に搭載する場合は先頭ドアより進行方向前方に、最後尾車両に取り付ける場合は最後方ドアより進行方向後方に、上記の超音波センサ１を搭載するのが好ましい。（３）超音波センサ１の搭載位置のうち高さについて言えば、検知対象であるプラットホーム３の高さのバラツキの分布状況を十分考慮して決定するのが好ましい。（４）しかし、超音波センサ１は、車両２の車両限界内で搭載する。（５）その他、（ａ）車両２の床下機器類や床下配管類のレイアウトや、（ｂ）車両２とプラットホーム３の間の離間距離なども、超音波センサ１の搭載位置を決定する際に十分考慮するのが好ましい。

超音波センサの斜視図 図１のII−II’線矢視断面図 指向特性を例示する図（実施例、比較例１） 指向特性を例示する図（比較例２、比較例３） 本発明の一実施形態に係る超音波センサを装備した車両の正面図 所謂クロストークの問題点を説明するための図 所謂クロストークの問題点を説明するための図

符号の説明

６ 超音波ユニット
９ ホーン
９ａ ホーン平行部
９ｂ ホーン垂直部
１０ 超音波素子
Ｃ 超音波素子の軸心

Claims (4)

1. 車両側からプラットホームを検知するために車両側に設けられるプラットホーム検知用の超音波センサにおいて、
   超音波素子と、
   前記プラットホームに向かって拡開し、拡開側から前記超音波素子へ向かって順に、前記超音波素子の軸心に対して平行に延びる第１の面と、前記第１の面から内周へ向かって前記超音波素子の軸心に対して垂直に延びる第２の面とを交互に連ね、拡開側から見て前記第２の面が複数の同心円から成って前記超音波素子へ向かうにつれて徐々に縮径する階段状に形成されるホーンと、
   を含む送信側と受信側の一対の超音波ユニットを有し、
   前記一対の超音波ユニットは、互いに所定の距離を隔てて並設される、
   ことを特徴とするプラットホーム検知用の超音波センサ
2. 請求項１に記載のプラットホーム検知用の超音波センサにおいて、
   前記各第１の面の延在長さが概ね均一であると共に、前記各第２の面の延在長さが概ね均一である、
   ことを特徴とするプラットホーム検知用の超音波センサ
3. 請求項１又は２に記載のプラットホーム検知用の超音波センサにおいて、
   前記超音波ユニットは、
   内部に無数の空洞を有し、前記超音波素子の外周に覆設され、前記超音波素子の一部を収容する遮音材と、
   前記超音波素子及び前記遮音材を収容する外枠と、を更に備える、
   ことを特徴とするプラットホーム検知用の超音波センサ
4. 請求項３に記載のプラットホーム検知用の超音波センサにおいて、
   前記超音波素子及び前記遮音材と、前記外枠と、の間に、粒状物を含む充填材が充填され、前記超音波素子は、前記充填材を介して前記外枠と間接的に連結される、
   ことを特徴とするプラットホーム検知用の超音波センサ
   

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