JP5945777B2

JP5945777B2 - 超音波センサ

Info

Publication number: JP5945777B2
Application number: JP2011246763A
Authority: JP
Inventors: 一將山内; 逸志只政; 寺田　直人; 直人寺田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2016-07-05
Anticipated expiration: 2031-11-10
Also published as: JP2013104689A

Description

本発明は、超音波を送信し、送信した超音波の障害物からの反射波を受信して、この反射波に基づき生成した受波信号に応じた信号を出力する超音波センサに関する。

従来より、マイクロフォンとスピーカとを同一の筐体に組み込んだ、一体型の送受信器を有する超音波センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の超音波センサでは、図８に示されるように、送受信器内の振動子より超音波が送信されてから、この超音波が、障害物に反射されて、同じ振動子で受信されるまでのタイムラグ（時間差）に基づいて、障害物までの距離の計測や、障害物の検知を行っている。上記の振動子への駆動信号の停止後、振動子の振動面における振動（レベル）は、減衰していくが、残響振動が一定時間残る。この残響振動は、図８に示されるように、（増幅後の）受波信号における残響信号として現れる。このため、この種の超音波センサでは、検知を開始してから、正常な超音波センサでは残響振動が終息しているはずの時間までを、障害物の有無を判定（検知）しない近距離マスク時間とし、近距離マスク時間終了後の検知ゲート時間における受波信号の有無に基づき障害物の有無を判定している。なお、本明細書では、近距離マスク時間終了後における障害物を検知可能な期間を、検知ゲート時間という。

特開２００１−２２１８４９号公報

けれども、上記従来の超音波センサに異常が発生した場合には、上記の残響信号が、近距離マスク時間終了後の検知ゲート時間にまで延びてしまうことがある。このような現象は、振動子と振動子を保持する筐体とが共振するような場合や、超音波センサの送受信器にごみが付着した場合等の、振動子に寄生する振動部が生じている場合に、発生する。このため、従来の超音波センサは、検知ゲート時間内に受波信号が入力された場合でも、超音波センサの検知可能な距離の範囲内に障害物が存在するのか、超音波センサの異常に起因する残響信号が入力されたのかを判別することができない。従って、検知可能な距離の範囲内に障害物がないのに、障害物が存在すると誤判定してしまう場合があった。

また、上記特許文献１に記載の発明では、上記の超音波センサの異常のうち、送受信器の氷結や、送受信器とマイコンとを結ぶワイヤ（通信ケーブル）の断線しか検知することができない。従って、この発明では、上記のような振動子に寄生する振動部が生じている場合には、障害物が存在するのか、超音波センサの異常に起因する残響信号が入力されたのかを判別することができない。

本発明は、上記課題を解決するものであり、超音波センサの異常を判別することができるようにして、障害物に関する正確な情報を得ることが可能な超音波センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の超音波センサは、超音波の送信を行うと共に、送信した超音波の障害物からの反射波を受信して受波信号を出力する送受信器と、前記送受信器における振動子を駆動する送波駆動回路と、前記送受信器から出力された受波信号を増幅する受波増幅回路と、前記送波駆動回路による駆動を制御すると共に、前記受波増幅回路から出力された増幅後の受波信号に応じた信号を出力するように制御する制御手段とを備えた超音波センサにおいて、前記制御手段は、前記超音波センサの通常の障害物検知処理時には、前記送波駆動回路が前記送受信器における振動子の共振周波数で前記振動子を駆動するように制御し、この結果、検知ゲート時間内に、前記受波増幅回路から受波信号が入力されたか否かに基づいて、障害物の有無を判定し、前記超音波センサの異常判定処理時には、前記送波駆動回路が前記送受信器における振動子の共振周波数とは異なる周波数で前記振動子を駆動するように制御し、この結果、前記検知ゲート時間内に、前記受波増幅回路から受波信号が入力されたか否かに基づいて、該超音波センサが異常であるか否かを判定することを特徴とする。

この超音波センサにおいて、前記制御手段は、前記送波駆動回路が前記送受信器における振動子の共振周波数とは異なる周波数で前記振動子を駆動するように制御し、この結果、前記検知ゲート時間内に、前記受波増幅回路から受波信号が入力されたときに、この入力された受波信号の周波数が、前記振動子の共振周波数と同じである場合に限り、該超音波センサが異常であると判定することが好ましい。

この超音波センサにおいて、前記制御手段は、前記送波駆動回路が前記送受信器における振動子の共振周波数とは異なる周波数で前記振動子を駆動するように制御し、この結果、前記検知ゲート時間内に、前記受波増幅回路から受波信号が入力されなかったときに、前記送波駆動回路が前記振動子の共振周波数と同じ周波数で前記振動子を駆動するように制御し、この結果、前記検知ゲート時間内に、前記受波増幅回路から受波信号が入力されたか否かに基づいて、障害物の有無を判定することが好ましい。

この超音波センサにおいて、前記制御手段は、前記送波駆動回路が前記送受信器における振動子の共振周波数とは異なる周波数で前記振動子を駆動するように制御し、この結果、前記検知ゲート時間内に、前記受波増幅回路から所定のレベルよりも小さい第１の受波信号が入力されたときに、前記送波駆動回路が前記振動子の共振周波数と同じ周波数で前記振動子を駆動するように制御し、この結果、前記検知ゲート時間内に前記受波増幅回路から入力された第２の受波信号のレベルが、前記第１の受波信号のレベルよりも所定の値以上大きい場合に、障害物があると判定することが好ましい。

この超音波センサにおいて、前記制御手段は、該超音波センサの起動時にのみ、前記異常であるか否かの判定を行ってもよい。

この超音波センサにおいて、前記制御手段は、前記超音波センサが異常であるか否かの判定を行った後に、障害物の有無の判定処理を繰り返し、この判定処理において接近方向の障害物がある場合に限り、障害物があると判定してもよい。

本発明の超音波センサによれば、超音波センサの異常判定処理時には、振動子の共振周波数とは異なる周波数で、振動子が駆動され、この結果、検知ゲート時間内に、受波増幅回路から受波信号が入力されたか否かに基づいて、超音波センサが異常であるか否かを判定する。ここで、振動子の共振周波数とは異なる周波数で振動子を駆動した場合、送信される超音波（送波）の振幅が小さくなり、しかも、反射波の周波数が、振動子の共振周波数とは異なる周波数になるので、振動子を効率的に振動させることができない。このため、送受信器が障害物からの反射波に基づいて出力する受波信号は、無視し得る程微小なレベルのものになる。これに対して、共振周波数とは異なる周波数で振動子を駆動した場合でも、残響振動は、振動子の共振周波数になるので、振動子を効率的に振動させることができる。従って、受波増幅回路から出力される、残響振動に起因する受波信号（残響信号）のレベルは、共振周波数で振動子を駆動させた場合に生じる残響信号のレベルと大差がなく、残響振動が継続する時間（残響時間）も、共振周波数で振動子を駆動させた場合と殆ど変わらない。このため、振動子の共振周波数とは異なる周波数で振動子を駆動したときに、検知ゲート時間内に、受波増幅回路から受波信号が入力された場合、その受波信号は、反射波に起因する受波信号ではなく、残響振動に起因する受波信号（残響信号）であるとみなすことができる。しかも、上記のように、共振周波数とは異なる周波数で振動子を駆動した場合と、共振周波数で振動子を駆動させた場合とでは、残響時間が殆ど変わらないので、共振周波数とは異なる周波数で振動子を駆動したときに、検知ゲート時間内に、残響信号が入力されたということは、共振周波数で振動子を駆動させた場合にも、検知ゲート時間内に、残響信号が入力されるということを意味する。そして、共振周波数で振動子を駆動させた場合に、検知ゲート時間内に、残響信号が入力されるということは、超音波センサに、振動子に寄生する振動部が生じていることに起因する異常が発生していることを意味する。

従って、本発明のように、振動子の共振周波数とは異なる周波数で、振動子を駆動させ、検知ゲート時間内に、受波増幅回路から受波信号が入力されたか否かに基づいて、超音波センサが異常であるか否かを判定することにより、超音波センサが異常であるか否かを正確に判別することができる。これにより、障害物の正確な検知や、障害物までの距離の正確な検出を行うことができるので、障害物に関する正確な情報を得ることができる。しかも、上記特許文献１に記載の発明と異なり、振動子と振動子を保持する筐体とが共振するような場合や、超音波センサの送受信器にごみが付着した場合等の、振動子に寄生する振動部が生じていることに起因する異常が発生している場合でも、超音波センサの異常を判別することができる。

本発明の一実施形態に係る超音波センサの回路構成図。（ａ）（ｂ）は、それぞれ、共振周波数（７０ｋＨｚ）と、共振周波数と異なる周波数（６０ｋＨｚ）とで、振動子を駆動した場合における、振動子の振動面の振動レベルと、受波増幅回路から出力される受波信号電圧とを示すグラフ。障害物検知動作用に共振周波数で振動子を駆動した場合と、異常判定用に共振周波数と異なる周波数で振動子を駆動した場合において、（１）超音波センサの正常時に障害物がなかったときと、（２）超音波センサの異常時に障害物がなかったときと、（３）超音波センサの正常時に障害物があったときに、受波増幅回路から出力される受波信号電圧を示すグラフ。同超音波センサの障害物検知処理のフローチャート。図４中のＳ２のシステムチェック処理のフローチャート。同システムチェック処理の第１の変形例のフローチャート。同システムチェック処理の第２の変形例のフローチャート。従来の超音波センサの受波信号（電圧）の波形を示すグラフ。

以下、本発明を具体化した実施形態による超音波センサについて、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態による超音波センサの回路構成を示す。超音波センサ１は、振動子２を有する送受信器３と、送受信器３における振動子２を駆動する送波駆動回路４と、受波増幅回路５と、装置全体の制御用のマイクロプロセッサ６（制御手段）とを備えている。送受信器３は、超音波の送信を行うと共に、送信した超音波の障害物２０からの反射波を受信して受波信号を出力する。上記の振動子２は、例えば、圧電セラミックで形成されたバイモルフ振動子である。受波増幅回路５は、送受信器３から出力された受波信号を増幅する。

マイクロプロセッサ６は、マイクロプロセッサ６内の制御・演算を行うＣＰＵコア１１と、送波駆動用周波数切換モジュール１２と、レベル判定モジュール１３と、時間計測モジュール１４とを有している。送波駆動用周波数切換モジュール１２は、ＣＰＵコア１１の制御（指示）に基づき、送波駆動回路４に対して、振動子２の共振周波数ｆ_０と、共振周波数ｆ_０とは異なる周波数ｆ_１とのいずれの周波数で振動子２を駆動するかの指示を行う。なお、本明細書において、「モジュール」とは、マイクロプロセッサ６における、ひとまとまりの機能・要素を実現するためのハードウェアやソフトウェアを指す。

また、レベル判定モジュール１３は、受波増幅回路５からマイクロプロセッサ６に入力された増幅後の受波信号のレベルが、ノイズとはみなせない所定のレベル（図３中の閾値電圧Ｖｔｈ）に達しているか否かを判定する。レベル判定モジュール１３は、受波増幅回路５から送られた受波信号のレベルが、上記の閾値電圧Ｖｔｈに達している場合には、受波増幅回路５から受波信号が入力されたことを通知するための通知信号を、時間計測モジュール１４に送信する。なお、請求項における「受波増幅回路から受波信号が入力されたか否かに基づいて」とは、「受波増幅回路からノイズとはみなせない所定のレベル（上記の閾値電圧Ｖｔｈに相当）以上の受波信号が入力されたか否かに基づいて」という意味である。時間計測モジュール１４は、上記の通知信号を受信すると、タイマを用いて算出した、超音波の送信（送波）から受波信号の受信までの時間に相当するカウンタ値を、ＣＰＵコア１１に入力する。ＣＰＵコア１１は、このカウンタ値を用いて、障害物２０までの距離の算出や、所定の距離内に障害物２０が存在するか否かの検知を行う。

図２（ａ）（ｂ）は、それぞれ振動子２の共振周波数ｆ_０（７０ｋＨｚ）と、振動子２の共振周波数ｆ_０と異なる周波数ｆ_１（６０ｋＨｚ）とで、振動子２を駆動した場合における、振動子２の振動面の振動レベルと、受波増幅回路５から出力される受波信号電圧を示す。上記の共振周波数ｆ_０（７０ｋＨｚ）と、これとは異なる周波数ｆ_１（６０ｋＨｚ）とは、本来の障害物検知動作用に振動子２を駆動する場合の周波数と、超音波センサ１の異常判定用に振動子２を駆動する場合の周波数である。なお、図２（ａ）（ｂ）中の正常時減衰カーブ２１、３１と異常時減衰カーブ２２、３２とは、正常時と異常時とにおける、振動子２の振動面の振動レベルを模式的に表したものである。図３は、（１）超音波センサ１の正常時に、障害物２０がなかったときと、（２）超音波センサ１の異常時に、障害物２０がなかったときと、（３）超音波センサ１の正常時に、障害物２０があったときに、受波増幅回路５から出力される受波信号電圧を示す。図３の左段には、共振周波数ｆ_０（７０ｋＨｚ）で振動子２を駆動した場合における受波信号電圧を示し、右段には、共振周波数ｆ_０と異なる周波数ｆ_１（６０ｋＨｚ）で振動子２を駆動した場合における受波信号電圧を示す。

図２（ａ）の正常時減衰カーブ２１に示されるように、振動子２の振動面は、送波駆動回路４から共振周波数ｆ_０による送波のための駆動信号が送受信器３に与えられたときは、大きく振動し、上記の駆動信号が停止した後は、ある一定の減衰カーブで終息していく。これが、いわゆる残響振動である。図２（ａ）中の送波振動信号２４は、送波のための駆動信号が送受信器３に与えられているときの駆動振動に起因する受波信号であり、正常時残響信号２５は、正常時の残響振動に起因する受波信号である。ここで、受波信号が、図２（ａ）（ｂ）に示されるような形になるのは、以下の理由による。すなわち、振動子２の振動面における振動が、アンプ飽和ラインＬ３よりも大きくて、送受信器３から出力される受波信号の振幅が所定のレベルより大きいときは、受波増幅回路５から出力される受波信号の電圧は、アンプである受波増幅回路５に与えられる電源電圧でクランプされるからである。

超音波センサ１が正常であれば、残響振動も、図２（ａ）の正常時減衰カーブ２１に示されるように、単一の減衰カーブに沿って、比較的短時間で終息していく。このため、図３の（１）正常時（障害物なし）の左段と（３）正常時（障害物あり）の左段に示されるように、正常時残響信号２５は、近距離マスク時間内に終息し、検知ゲート時間にまでは延びない。なお、近距離マスク時間は、図２（ａ）及び図３に示される正常時残響信号２５を、障害物２０からの反射波に基づく反射波信号２７（図３の（３）参照）と誤検知しないようにするために設けられている、障害物の有無を判定（検知）しない期間を意味する。また、検知ゲート時間は、近距離マスク時間終了後における障害物を検知可能な期間を意味する。

これに対して、振動子２と振動子２を保持する筐体とが共振するような場合や、超音波センサ１の送受信器３にごみが付着した場合等の、振動子２に寄生する振動部が生じている場合には、以下のようになる。すなわち、この寄生する振動部の残響振動は、その振動レベルは振動子２の振動面に比べて大きくないものの、図２（ａ）の異常時減衰カーブ２２に示されるように、正常時減衰カーブ２１に比べて、長い時間をかけて減衰する。そして、この減衰に要する時間が所定の長さを超えると、図３の（２）異常時（障害物なし）に示されるように、検知ゲート時間に重なる（検知ゲート時間にまで延びる）異常時残響信号２６になる。

次に、超音波センサ１の異常を検知するために、振動子２の共振周波数ｆ_０と異なる周波数ｆ_１（６０ｋＨｚ）で、振動子２を駆動した場合における、振動子２の振動面の振動レベルと、受波増幅回路５から出力される受波信号電圧について説明する。図２（ｂ）中の送波振動信号３４は、周波数ｆ_１による送波のための駆動信号が送受信器３に与えられているときの駆動振動に起因する受波信号であり、正常時残響信号３５は、正常時の残響振動に起因する受波信号である。振動子２の共振周波数ｆ_０と異なる周波数ｆ_１で振動子２を駆動した場合には、駆動信号印加時における振動子２の振動面の振動レベルは、共振周波数ｆ_０で振動子２を駆動した場合に比べて小さい。けれども、図３の右段の＜異常判定用駆動＞に示されるように、周波数ｆ_１で振動子２を駆動した場合でも、送波駆動回路４からの駆動信号が停止した後の残響振動は、振動子の共振周波数ｆ_０になるので、振動子２を効率的に振動させることができる。従って、図２（ｂ）に示すように、周波数ｆ_１で振動子２を駆動した場合における正常時減衰カーブ３１、異常時減衰カーブ３２は、いずれも、共振周波数ｆ_０で振動子２を駆動した場合の正常時減衰カーブ２１、異常時減衰カーブ２２とほぼ同じ傾きで減衰する。このため、図２（ｂ）に示すように、全体の残響時間は、共振周波数ｆ_０で振動子２を駆動した場合に比べて、駆動信号印加時における振動面の振動レベルの差（Ｌ１−Ｌ２）に対応する時間ｔ１の分だけ短いだけで、全体として大きな差がない。ここで、上記の時間ｔ１は、共振周波数ｆ_０で駆動した場合の振動面の振動レベルＬ１が、周波数ｆ_１で駆動した場合の振動面の振動レベルＬ２に減衰するのに要する時間を意味する。

これに対して、振動子２の共振周波数ｆ_０とは異なる周波数ｆ_１で振動子２を駆動した場合、送受信器３が障害物２０からの反射波に基づいて出力する受波信号（図３の（３）の右段の反射波信号３７）は、無視し得る程微小なレベルのものになる。具体的には、反射波信号３７は、図３の（３）の右段に示される、正規の（ノイズではない）反射波信号３７であるか否かの判定用の閾値電圧Ｖｔｈよりも低いレベルのものになる。何故なら、振動子２の共振周波数ｆ_０とは異なる周波数ｆ_１で振動子２を駆動した場合、送信される超音波（送波）の振幅が小さくなり、しかも、反射波の周波数が、振動子２の共振周波数ｆ_０とは異なる周波数ｆ_１になるので、振動子２を効率的に振動させることができないからである。

このため、周波数ｆ_１で振動子２を駆動したときに、検知ゲート時間内に受波増幅回路５から受波信号が入力された場合、その受波信号は、反射波信号３７ではなく、残響振動に起因する受波信号（残響信号）であるとみなすことができる。しかも、上記のように、周波数ｆ_１で振動子２を駆動した場合と、共振周波数ｆ_０で振動子２を駆動した場合とでは、残響時間が殆ど変わらないので、周波数ｆ_１で振動子２を駆動したときに、検知ゲート時間内に残響信号が入力されたということは、共振周波数ｆ_０で振動子２を駆動させた場合にも、検知ゲート時間内に残響信号が入力されるということを意味する。そして、共振周波数ｆ_０で振動子２を駆動させた場合に、検知ゲート時間内に残響信号が入力されるということは、超音波センサ１に、振動子に寄生する振動部が生じていることに起因する異常が発生していることを意味する。従って、振動子２の共振周波数ｆ_０とは異なる周波数ｆ_１で振動子２を駆動させて、検知ゲート時間内に、受波増幅回路５から受波信号が入力されたか否かを判定することにより、超音波センサ１が異常であるか否かを判定することができる。図３の（２）の右段に示すように、周波数ｆ_１で振動子２を駆動させて、検知ゲート時間内に受波増幅回路５から受波信号が入力された場合、その受波信号は、超音波センサ１が異常である場合に生じる異常時残響信号３６である。

本超音波センサ１では、振動子２の共振周波数ｆ_０とは異なる周波数ｆ_１で振動子２を駆動させて、検知ゲート時間内に、受波増幅回路５から受波信号（異常時残響信号３６）が入力されたか否かに基づいて、超音波センサが異常であるか否かを判定している。

まず、図４を参照して、上記の超音波センサ１が異常であるか否かの判定処理を組み込んだシステムチェック処理を含む障害物検知処理の全体について説明する。超音波センサ１のマイクロプロセッサ６は、装置が起動されると（Ｓ１）、上記の異常判定処理を組み込んだシステムチェック処理を実行する（Ｓ２）。そして、システムチェック処理を実行した結果、超音波センサ１が異常であるか否かを示すフラグである異常フラグがオンになっている場合には（Ｓ３でＹＥＳ）、通常の障害物検知処理を実行せずに、超音波センサ１が異常である旨をユーザに報知する（Ｓ９）。

これに対して、システムチェック処理を実行した結果、異常フラグがオフの場合には（Ｓ３でＮＯ）、マイクロプロセッサ６は、通常の障害物検知処理を実行するモード（通常検知モード）に移行する。そして、送波駆動回路４により共振周波数ｆ_０で振動子２を駆動させて超音波を送信し（Ｓ４）、検知ゲート時間内に受波増幅回路５から受波信号が入力されたか否かを判定する（Ｓ５）。そして、受波信号が入力された場合（Ｓ５でＹＥＳ）、その受波信号に基づいて障害物２０までの１回目の距離算出を行った上で、再度、共振周波数ｆ_０で振動子２を駆動させて障害物２０までの２回目の距離算出を行い、１回目に算出した距離と２回目に算出した距離を比較して、障害物２０が接近しているか否かを判定する（Ｓ６）。この結果、障害物２０が接近している（接近方向の障害物２０がある）場合には（Ｓ６でＹＥＳ）、マイクロプロセッサ６は、「障害物がある」と判定する（Ｓ７）。これに対して、障害物２０が接近していない（接近方向の障害物２０がない）場合には（Ｓ６でＮＯ）、マイクロプロセッサ６は、「障害物がない」と判定する（Ｓ８）。この後、マイクロプロセッサ６は、装置が（超音波センサ１を含むシステムが）停止するまで、上記Ｓ４乃至Ｓ８の処理を繰り返す。

上記のように、装置の起動時にのみ、システムチェック処理を実行するようにした理由は、システムチェック処理を行うためには、共振周波数ｆ_０とは異なる周波数ｆ_１で振動子２を駆動する必要があるため、ある程度の時間がかかる。従って、障害物検知処理を実行する度に、システムチェック処理を行うと、障害物有無の検知に要する時間が長くなってしまうからである。

次に、図５のフローチャートを参照して、上記Ｓ２のシステムチェック処理について説明する。システムチェックを開始すると、まず、マイクロプロセッサ６は、送波駆動回路４が振動子２の共振周波数ｆ_０とは異なる周波数ｆ_１で振動子２を駆動するように制御して、超音波を送信する（送波させる）（Ｓ１１）。この結果、検知ゲート時間内に受波増幅回路５から受波信号が入力された場合には（Ｓ１２でＹＥＳ）、マイクロプロセッサ６は、受波信号の周波数を計測（解析）して、受波信号の周波数が、振動子２の共振周波数ｆ_０と同じであるか否かを判定する（Ｓ１３）。この判定の結果、受波信号の周波数が、振動子２の共振周波数ｆ_０と同じである場合には、受波信号が図３の（２）の右段に示される異常時残響信号３６であるとみなせる。従って、このとき、マイクロプロセッサ６は、受波信号の周波数が、振動子２の共振周波数ｆ_０と同じである場合に限り（Ｓ１３でＹＥＳ）、超音波センサ１が異常であると判定して（Ｓ１４）、異常フラグをオンにする（Ｓ１５）。

これに対して、Ｓ１２の判定処理において、検知ゲート時間内に受波増幅回路５から受波信号が入力されなかった場合には（Ｓ１２でＮＯ）、マイクロプロセッサ６は、異常フラグをオンにしないで（初期値のオフのままで）、システムチェック処理を終了する。また、Ｓ１３の判定処理において、受波信号の周波数が、振動子２の共振周波数ｆ_０と同じでない場合にも（Ｓ１３でＮＯ）、マイクロプロセッサ６は、異常フラグをオンにしないで（初期値のオフのままで）、システムチェック処理を終了する。ただし、上記Ｓ１３の判定処理は、必ずしも必要ではなく、検知ゲート時間内に受波増幅回路５から受波信号が入力された場合に、マイクロプロセッサ６が、無条件に、超音波センサ１は異常であると判定してもよい。

上記のように、本実施形態の超音波センサ１によれば、振動子２の共振周波数ｆ_０とは異なる周波数ｆ_１で、振動子２が駆動される。そして、マイクロプロセッサ６は、少なくとも、上記の周波数ｆ_１による送波に応じて検知ゲート時間内に受波増幅回路５から受波信号が入力されたか否かという事実に基づいて、超音波センサ１が異常であるか否かを判定する。ここで、振動子２の共振周波数ｆ_０とは異なる周波数ｆ_１で振動子２を駆動した場合、送信される超音波（送波）の振幅が小さくなり、しかも、反射波の周波数が、振動子２の共振周波数ｆ_０とは異なる周波数ｆ_１になるので、振動子２を効率的に振動させられない。このため、送受信器３が障害物２０からの反射波に基づいて出力する受波信号は、無視し得る程微小なレベルのものになる。

これに対して、共振周波数ｆ_０とは異なる周波数ｆ_１で振動子２を駆動した場合でも、残響振動は、振動子２の共振周波数ｆ_０になるので、振動子２を効率的に振動させることができる。従って、受波増幅回路５から出力される、残響振動に起因する受波信号（残響信号）のレベルは、共振周波数ｆ_０で振動子２を駆動させた場合に生じる残響信号のレベルと大差がない。また、残響振動が継続する時間（残響時間）も、共振周波数ｆ_０で振動子２を駆動させた場合と殆ど変わらない。このため、周波数ｆ_１で振動子２を駆動したときに、検知ゲート時間内に、受波増幅回路５から受波信号が入力された場合、その受波信号は、反射波に起因する受波信号ではなく、残響振動に起因する受波信号（残響信号）であるとみなすことができる。ここで、上記のように、共振周波数ｆ_０とは異なる周波数ｆ_１で振動子を駆動した場合と、共振周波数ｆ_０で振動子２を駆動させた場合とでは、残響時間が殆ど変わらない。従って、共振周波数ｆ_０とは異なる周波数ｆ_１で振動子２を駆動したときに、検知ゲート時間内に、残響信号が入力されたということは、共振周波数ｆ_０で振動子２を駆動させた場合にも、検知ゲート時間内に、残響信号が入力されるということを意味する。そして、共振周波数ｆ_０で振動子２を駆動させた場合に、検知ゲート時間内に、残響信号が入力されるということは、超音波センサ１に、振動子２に寄生する振動部が生じていることに起因する異常が発生していることを意味する。

従って、本実施形態のように、周波数ｆ_１で振動子２を駆動させ、少なくとも、検知ゲート時間内に受波増幅回路５から受波信号が入力されたか否かという事実に基づいて、超音波センサ１が異常であるか否かを判定することにより、超音波センサ１が異常であるか否かを正確に判別することができる。これにより、障害物２０の正確な検知や、障害物２０までの距離の正確な検出を行うことができるので、障害物２０に関する正確な情報を得ることができる。しかも、振動子２と振動子２を保持する筐体とが共振するような場合や、超音波センサ１の送受信器３にごみが付着した場合等の、振動子２に寄生する振動部が生じていることに起因する異常が発生している場合でも、超音波センサ１の異常を判別することができる。

また、ここで、一般に、超音波センサを自動車の障害物検知に用いた場合について考えると、検知結果をドライバに対して報知するだけであれば、超音波センサの異常に起因して障害物の誤検知が発生した場合でも、ドライバが誤検知と判断して対処可能である。けれども、障害物検知の結果を自動車の制御に直接使用する場合には、より信頼性の高い（正確な）情報を得ることと、正確な故障検出が必要である。ここで、本実施形態の超音波センサ１は、上記のように、超音波センサ１が異常であるか否かを正確に判別することができ、障害物２０に関する正確な情報を得ることができるので、自動車の障害物検知に用いるのに適している。

なお、上記図５のＳ１３において、周波数ｆ_１で振動子２を駆動したときの受波信号の周波数が振動子２の共振周波数ｆ_０と同じであるか否かを確認しているのは、このときの受波信号が残響信号であるか否かを確認するためである。しかしながら、Ｓ１３の判定処理において、受波信号の周波数が、振動子２の共振周波数ｆ_０と同じでないケースは、非常に稀である。ただし、図５の例のように、周波数ｆ_１で振動子２が駆動され、この結果、検知ゲート時間内に受波増幅回路５から受波信号が入力されたときに、この受波信号の周波数が、共振周波数ｆ_０と同じである場合に限り、超音波センサ１が異常であると判定する方がよい。これにより、周波数ｆ_１で振動子２を駆動したときの受波信号が残響信号であるか否かを正確に判別することができるので、超音波センサ１が異常であるか否かを、より正確に判定することができるからである。

次に、図６のフローチャートを参照して、上記図５で説明したシステムチェック処理の第１の変形例について説明する。図６のシステムチェック処理は、検知ゲート時間内に受波増幅回路５から受波信号が入力されなかった場合の処理のみが、図５のシステムチェック処理と異なっており、他の処理は同様である。図６のフローチャートにおけるＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２７、Ｓ２８、Ｓ２９の処理は、それぞれ、図５のフローチャートにおけるＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１５の処理に相当する。

図６に示されるように、システムチェックを開始すると、まず、マイクロプロセッサ６は、送波駆動回路４が振動子２の共振周波数ｆ_０とは異なる周波数ｆ_１で振動子２を駆動するように制御して、超音波を送信する（Ｓ２１）。この結果、検知ゲート時間内に受波増幅回路５から受波信号が入力された場合には（Ｓ２２でＹＥＳ）、マイクロプロセッサ６は、上記図５におけるＳ１３乃至Ｓ１５と同様な処理を行う（Ｓ２７乃至Ｓ２９）。これに対して、Ｓ２２の判定処理において、検知ゲート時間内に受波増幅回路５から受波信号が入力されなかった場合には（Ｓ２２でＮＯ）、マイクロプロセッサ６は、送波駆動回路４が振動子２の共振周波数ｆ_０で振動子２を駆動するように制御する（Ｓ２３）。この結果、検知ゲート時間内に受波増幅回路５から受波信号が入力されたときに（Ｓ２４でＹＥＳ）、マイクロプロセッサ６は、「障害物がある」と判定する（Ｓ２５）。これに対して、検知ゲート時間内に受波増幅回路５から受波信号が入力されなかったときは（Ｓ２４でＮＯ）、マイクロプロセッサ６は、「障害物がない」と判定する（Ｓ２６）。

次に、図７のフローチャートを参照して、上記システムチェック処理の第２の変形例について説明する。図７のシステムチェック処理は、検知ゲート時間内に受波増幅回路５から受波信号が入力された場合の処理のみが、図６のシステムチェック処理と異なっており、他の処理は同様である。図７のフローチャートにおけるＳ３１、Ｓ３２、Ｓ４０、Ｓ４１、Ｓ４２、Ｓ４３の処理は、それぞれ、図６のフローチャートにおけるＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２４、Ｓ２５、Ｓ２６の処理に相当する。

図７に示されるように、システムチェックを開始すると、まず、マイクロプロセッサ６は、送波駆動回路４が振動子２の共振周波数ｆ_０とは異なる周波数ｆ_１で振動子２を駆動するように制御して、超音波を送信する（Ｓ３１）。この結果、検知ゲート時間内に受波増幅回路５から受波信号が入力されなかった場合には（Ｓ３２でＮＯ）、マイクロプロセッサ６は、上記図６におけるＳ２３乃至Ｓ２６と同様な処理を行う（Ｓ４０乃至Ｓ４３）。

これに対して、Ｓ３２の判定処理において、検知ゲート時間内に受波増幅回路５から受波信号（第１の受波信号）が入力された場合には（Ｓ３２でＹＥＳ）、マイクロプロセッサ６は、入力された受波信号が所定のレベルよりも小さいか否かを判定する（Ｓ３３）。この結果、受波信号が所定のレベルよりも小さい場合には（所定のレベルよりも小さい第１の受波信号が入力されたときに）（Ｓ３３でＹＥＳ）、マイクロプロセッサ６は、送波駆動回路４が振動子２の共振周波数ｆ_０で振動子２を駆動するように制御する（Ｓ３４）。この送波の結果、検知ゲート時間内に受波増幅回路５から入力された受波信号（第２の受波信号）のレベルが、第１の受波信号のレベルよりも所定の値以上大きい場合には（Ｓ３５でＹＥＳ）、マイクロプロセッサ６は、「障害物がある」と判定する（Ｓ３６）。これに対して、第２の受波信号のレベルが、第１の受波信号のレベルよりも所定の値以上大きいとは言えない場合（「（第２の受波信号のレベル）−（第１の受波信号のレベル）」の値が所定の値未満の場合）（Ｓ３５でＮＯ）、マイクロプロセッサ６は、「障害物がない」と判定する（Ｓ３７）。

上記Ｓ３３の判定処理において受波信号が所定のレベルよりも大きい場合には（Ｓ３３でＮＯ）、マイクロプロセッサ６は、受波信号が図３の（２）の右段の異常時残響信号３６であるとみなし、超音波センサ１が異常であると判定する（Ｓ３８）。そして、マイクロプロセッサ６は、異常フラグをオンにする（Ｓ３９）。

上記第２の変形例のシステムチェック処理によれば、共振周波数ｆ_０とは異なる周波数ｆ_１で駆動したときの受波信号と、共振周波数ｆ_０で駆動したときの受波信号とのレベルの差を考慮して、障害物の有無を判定する。従って、障害物の有無をより正確に判定することができる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、振動子２の共振周波数ｆ_０が７０ｋＨｚであり、共振周波数ｆ_０と異なる周波数ｆ_１が６０ｋＨｚである場合の例を示したが、共振周波数ｆ_０、及びこれとは異なる周波数ｆ_１の値は、これに限られない。また、上記実施形態では、振動子２が、バイモルフ振動子である場合の例を示したが、ユニモルフ振動子であってもよい。さらにまた、本発明の超音波センサは、送受信器、送波駆動回路、受波増幅回路及びマイクロプロセッサを一つのユニットに搭載した、一体型のものであってもよいし、送波駆動回路、受波増幅回路及びマイクロプロセッサだけを一つのユニットに搭載し、このユニットと送受信器とを通信用のケーブルで接続したものでもよい。

１超音波センサ
２振動子
３送受信器
４送波駆動回路
５受波増幅回路
６マイクロプロセッサ（制御手段）

Claims

超音波の送信を行うと共に、送信した超音波の障害物からの反射波を受信して受波信号を出力する送受信器と、
前記送受信器における振動子を駆動する送波駆動回路と、
前記送受信器から出力された受波信号を増幅する受波増幅回路と、
前記送波駆動回路による駆動を制御すると共に、前記受波増幅回路から出力された増幅後の受波信号に応じた信号を出力するように制御する制御手段とを備えた超音波センサにおいて、
前記制御手段は、
前記超音波センサの通常の障害物検知処理時には、前記送波駆動回路が前記送受信器における振動子の共振周波数で前記振動子を駆動するように制御し、この結果、検知ゲート時間内に、前記受波増幅回路から受波信号が入力されたか否かに基づいて、障害物の有無を判定し、
前記超音波センサの異常判定処理時には、前記送波駆動回路が前記送受信器における振動子の共振周波数とは異なる周波数で前記振動子を駆動するように制御し、この結果、前記検知ゲート時間内に、前記受波増幅回路から受波信号が入力されたか否かに基づいて、該超音波センサが異常であるか否かを判定することを特徴とする超音波センサ。
前記制御手段は、前記送波駆動回路が前記送受信器における振動子の共振周波数とは異なる周波数で前記振動子を駆動するように制御し、この結果、前記検知ゲート時間内に、前記受波増幅回路から受波信号が入力されたときに、この入力された受波信号の周波数が、前記振動子の共振周波数と同じである場合に限り、該超音波センサが異常であると判定することを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
前記制御手段は、前記送波駆動回路が前記送受信器における振動子の共振周波数とは異なる周波数で前記振動子を駆動するように制御し、この結果、前記検知ゲート時間内に、前記受波増幅回路から受波信号が入力されなかったときに、前記送波駆動回路が前記振動子の共振周波数で前記振動子を駆動するように制御し、この結果、前記検知ゲート時間内に、前記受波増幅回路から受波信号が入力されたか否かに基づいて、障害物の有無を判定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波センサ。
前記制御手段は、前記送波駆動回路が前記送受信器における振動子の共振周波数とは異なる周波数で前記振動子を駆動するように制御し、この結果、前記検知ゲート時間内に、前記受波増幅回路から所定のレベルよりも小さい第１の受波信号が入力されたときに、前記送波駆動回路が前記振動子の共振周波数で前記振動子を駆動するように制御し、この結果、前記検知ゲート時間内に前記受波増幅回路から入力された第２の受波信号のレベルが、前記第１の受波信号のレベルよりも所定の値以上大きい場合に、障害物があると判定することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の超音波センサ。
前記制御手段は、該超音波センサの起動時にのみ、前記超音波センサが異常であるか否かの判定を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の超音波センサ。
前記制御手段は、前記超音波センサが異常であるか否かの判定を行った後に、障害物の有無の判定処理を繰り返し、この判定処理において接近方向の障害物がある場合に限り、障害物があると判定することを特徴とする請求項５に記載の超音波センサ。