JP6523911B2 - 物体検出装置、及び物体検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波センサによる超音波の送受信により、自車両の周囲に存在する物体を検出する物体検出装置、及び物体検出方法に関する。

自車両に搭載された超音波センサによる超音波の送受信により、自車両の周囲に存在する物体を検出する物体検出装置が知られている。

この種の超音波センサは車外に設けられているため、自車両が積雪道路を走行する際や、外気温が零下である場合などに、超音波センサに雪や氷が付着する等により超音波センサが凍結状態となる可能性がある。超音波センサが凍結状態となると超音波の送受信が正しく行えなくなり、物体の検出精度が低下するおそれがある。

そこで超音波センサに発熱体を設け、発熱体を通電することで超音波センサに熱を与え、超音波センサの凍結状態を解消することが提案されている（特許文献１参照）。

実開昭６０−１８９８７２号公報

しかし、超音波センサに発熱体の構成を新たに追加することは部品点数の増加やコストアップにつながる。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、より簡単な構成で超音波センサの温度を上昇することができる物体検出装置、及び物体検出方法を提供することを主たる目的とする。

本発明は、超音波センサ（１０）から送信波として送信された超音波の物体による反射波を受信波として受信した場合に、その受信波に基づいて自車両（５０）の周囲に存在する物体を検出する物体検出装置であって、前記超音波センサが所定の低温状態であるか否かを判定する低温状態判定部と、前記超音波センサが前記低温状態であると判定されたことを条件に、前記超音波センサの駆動により発生する熱で前記超音波センサの温度を上昇させる発熱制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、超音波センサが低温状態となると、超音波センサに雪や氷が付着し、超音波の送受信が正しく行えなくなることで物体の検出精度が低下するおそれがある。そこで、超音波センサが所定の低温状態であることを条件に、超音波センサの駆動により発生する熱で、超音波センサの温度上昇を促すようにした。以上により、簡易な構成で超音波センサの低温状態を解消することができる。

超音波センサの取付け位置を示す上視図。 超音波センサの取付け位置における鉛直断面の模式図。 超音波センサの駆動信号のタイミングチャート。 超音波センサの発熱処理のフローチャート。 低温状態と超音波の周波数との関係を示す図。

以下、物体検出装置を具現化した実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、自車両５０に搭載された超音波センサ１０による超音波の送受信によって、自車両５０の周囲に存在する物体を検出する車両システム１００に物体検出装置を適用した例を説明する。

図１，図２において、自車両５０に搭載された車両システム１００は、超音波センサ１０、ＥＣＵ２０、外気温センサ３１、車速センサ３２を備えており、これらが通信線を介して互いに通信可能に接続されている。

超音波センサ１０は、車両前部及び車両後部のバンパー１５に取り付けられており、所定の周波数帯域（例えば２０〜１００ｋＨｚ）の超音波を送信波として送信するとともに、物体で反射された反射波を受信波として受信する。なお、図１に示す超音波センサ１０の個数及び設置位置は一例であり、超音波センサ１０の個数及び設置位置はこれに限らない。

図２に示すように、超音波センサ１０は、超音波振動子（以下、振動子１１と称する）、駆動回路１２、温度センサ１３を備えており、これらはハウジングＨ内に収容されている。振動子１１は有底形状の振動ケースの底部を形成する振動面１１ａと、振動面１１ａの内面に接着された圧電素子１１ｂとを有しており、振動面１１ａの共振周波数で振動されることにより超音波の送受信を行う。

駆動回路１２は、配線Ｌ１，Ｌ２を介して振動子１１に接続されており、振動子１１の圧電素子１１ｂに対して電圧を印加したり、振動子１１（圧電素子１１ｂ）から出力された電圧を受信したりする。また駆動回路１２は、制御機能を有しており、ＥＣＵ２０との間で信号の送受信を行う。

ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏ等を備えたコンピュータであり、ＣＰＵがＲＯＭに格納されているプログラムを実行することで、各種機能を実現する。

例えばＥＣＵ２０は、超音波センサ１０による超音波の送受信の結果に基づいて物体を検出する物体検出処理を行う。図３を用いて物体検出処理について詳しく説明すると、まず時刻ｔ０〜ｔ１で、ＥＣＵ２０からの指令信号に基づき、図３（ａ）に示すように駆動回路１２から圧電素子１１ｂに対して電気信号（電圧）が与えられると、圧電素子１１ｂによって電圧が振動エネルギーに変換され、これにより、図３（ｂ）に示すように、振動面１１ａが共振周波数で振動されて超音波（送信波）が出力される。

その後、図３（ｂ）に示すように、所定時間の経過後の時刻ｔ２で、物体で反射された超音波（受信波）が振動子１１によって受信されると、振動面１１ａの振動が圧電素子１１ｂによって電気信号（電圧）に変換される。駆動回路１２は、圧電素子１１ｂから入力された電気信号に対して増幅やフィルタリング処理を行い、処理後の信号をＥＣＵ２０に出力する。ＥＣＵ２０は、駆動回路１２から受信した信号に基づいて所定の演算処理を行う。例えば、超音波の送信から受信までの時間を求めることにより、物体との距離を測定する。

なお、ＥＣＵ２０は、車速センサ３２で検出される自車両５０の車速が所定未満であることを条件に、超音波センサ１０を用いた物体検出処理を行う。これは、超音波センサ１０の検知距離が比較的に短く、かつ自車両５０の車速が所定以上となる高車速の状態では、超音波センサ１０を用いた物体検出の精度が低下するためである。

また本実施形態のＥＣＵ２０は、超音波センサ１０が所定の低温状態である場合に、超音波センサ１０を強制的に駆動することで、その温度上昇を促す発熱処理を行う。

すなわち、図２に示すように、超音波センサ１０の振動面１１ａが車外にむき出しに設けられている場合には、自車両５０が積雪道路を走行する際や、外気温が零下であることなどに起因して、超音波センサ１０（振動面１１ａ）に雪や氷が付着することがある。この際、超音波センサ１０が低温状態であると、超音波センサ１０（振動面１１ａ）が凍結状態となり、超音波の送受信が正しく行えなくなることで物体の検出精度が低下するおそれがある。

そこでＥＣＵ２０は、超音波センサ１０が所定の低温状態となる場合に、超音波センサ１０を強制的に駆動する。例えばＥＣＵ２０は、外気温センサ３１で検出される外気温が所定値（例えば零度）以下であることを条件に、超音波センサ１０が低温状態であると判定する。これ以外にも、ＥＣＵ２０は、超音波センサ１０に内蔵された温度センサ１３で検出されるセンサ温度が所定値以下であることを条件に、超音波センサ１０の低温状態を判定するものであってもよい。または外気温とセンサ温度の両方に基づいて超音波センサ１０の低温状態が判定されてもよい。

そしてＥＣＵ２０は、超音波センサ１０が低温状態であると判定されたことを条件に、超音波センサ１０の振動子１１から超音波が出力されないように、振動子１１を振動させる。すなわち、振動子１１の振動面１１ａを共振周波数以外の周波数で振動させる。振動子１１が共振周波数以外の周波数で振動されると、振動子１１からは超音波は出力されず、その振動は熱として消費されることとなる。

そして、振動子１１の振動に伴って発生した熱が超音波センサ１０内に蓄積されることによって、超音波センサ１０の温度上昇を促すことができる。以上により、超音波センサ１０が低温状態となることを回避することができる。

なお本実施形態では、超音波センサ１０の発熱処理においては、振動子１１を共振周波数よりも高い周波数で振動させる。この場合、単位時間当たりの発熱量が増加するため、超音波センサ１０の温度上昇に要する時間を短縮することができる。

そしてＥＣＵ２０は、温度センサ１３で検出される超音波センサ１０のセンサ温度をモニタリングし、センサ温度が所定値となったことを条件に、発熱処理を終了する。例えばセンサ温度が５〜２０℃となった際に発熱処理を終了する。

またＥＣＵ２０が行う発熱処理は、超音波センサ１０による物体検出の妨げとならないタイミングで実施されることが好ましい。そこで本実施形態では、自車両５０の車速が所定以上となる高車速の場合に発熱処理を実施する。

次に、ＥＣＵ２０による発熱処理の手順を図４のフローチャートを用いて説明する。なお以下の処理はＥＣＵ２０が所定周期で繰り返し実施する。

まず、超音波センサ１０が低温状態であるか否かを判定する（Ｓ１１）。本処理は、外気温センサ３１で検出される外気温が所定未満の際に肯定する。Ｓ１１を肯定した場合には、発熱処理を許可するか否かを判定する（Ｓ１２）。本処理は、自車速が所定以上の際に肯定する。Ｓ１２を肯定した場合には、センサ温度が所定以下であるか否かを判定する（Ｓ１３）。Ｓ１３で、センサ温度が所定以下であると判定した場合には、発熱処理を実施する（Ｓ１４）。すなわち、振動子１１を共振周波数以外の周波数で駆動させることにより発生する熱で超音波センサ１０の温度を上昇させる。一方、Ｓ１３で、センサ温度が所定以下ではないと判定した場合には、発熱処理を停止する（Ｓ１５）。Ｓ１１，Ｓ１２を否定した場合には処理を終了する。

上記によれば以下の優れた効果を奏することができる。

・超音波センサ１０が低温状態となると、超音波センサ１０に雪や氷が付着し、超音波の送受信が正しく行えなくなることで物体の検出精度が低下するおそれがある。そこで、超音波センサ１０が所定の低温状態であることを条件に、超音波センサ１０の駆動により発生する熱で、超音波センサ１０の温度上昇を促すようにした。以上により、簡易な構成で超音波センサ１０の低温状態を解消することができる。

・振動子１１の共振周波数と異なる周波数で振動子１１を振動させると、超音波センサ１０からは超音波は出力されずに、振動子１１の振動は熱に変換されることとなる。このことを利用して、簡易な構成で超音波センサ１０の温度上昇を促すことができる。

・振動子１１の共振周波数よりも高い周波数で振動子１１を振動さることにより、振動子１１の単位時間当たりの振動回数が増加し、これに伴って発生する熱量が増加する。これにより、超音波センサ１０の温度上昇に要する時間を短縮することができる。

・超音波センサ１０の低温状態が解消された場合に、超音波センサ１０の駆動による発熱を停止することで、不要な熱損失が生じることを抑えることができる。

・自車両５０の車速が所定以上となる高車速の状態では、超音波センサ１０を用いた物体検出の精度が低下する。また、超音波センサ１０では、比較的に近い距離での物体検出が行われることが考えられる。この点を考慮して、自車両５０の車速が所定値よりも大きいことを条件に、超音波センサ１０の駆動により発生する熱で超音波センサ１０の温度を上昇させるようにした。この場合、超音波センサ１０による物体検出を妨げることなく超音波センサ１０の温度上昇を促すことができる。

・超音波センサ１０の温度及び外気温の少なくとも一方の値に基づいて、超音波センサ１０が低温状態であるか否かを判定することができる。

上記実施形態は例えば次のように変更してもよい。なお以下の説明において上述の構成と同様の構成については同じ図番号を付し、詳述は省略する。

・上記の図４のフローチャートにおいて、Ｓ１４の発熱処理では、超音波センサ１０を共振周波数とは異なる周波数で振動すればよい。例えば、超音波センサ１０を共振周波数よりも低い周波数で振動させた際に発生する熱で、超音波センサ１０の温度上昇を促すようにしてもよい。振動子１１の共振周波数よりも低い周波数で振動子１１を振動させた場合には、振動子１１の単位時間当たりの振動回数が減少するため、エネルギー効率を考慮しつつ、超音波センサ１０の温度上昇を促すことができる。

・外気温が低くなるほど、超音波センサ１０の低温状態が解消されにくくなる（又は低温状態になりやすくなる）ことが想定される。そこで図５のマップに示すように、外気温に応じて、超音波センサ１０による発熱の度合いが設定されるとよい。なお、図５の例では、外気温が低くなるほど、共振周波数との差が拡大するように、振動子１１の周波数が決定されている。なお、外気温に代えて、センサ温度に応じて超音波センサ１０による発熱の度合いが設定されてもよい。

以上のように、超音波センサ１０のセンサ温度や外気温が低くなるほど、超音波センサ１０が低温状態になりやすいことを考慮して、センサ温度及び外気温の少なくとも一方に基づいて、振動子１１を振動させる際の周波数を設定することで、超音波センサ１０の低温状態の解消のしやすさに応じて、超音波センサ１０の温度上昇を促すことができる。

・上記において、超音波センサ１０による超音波の送受信が、単一の超音波センサ１０による送受信のみで行われる場合、すなわち超音波センサ１０による超音波の送受信が直接波のみで行われる場合には、振動子１１を共振周波数で振動させつつ、超音波を出力する期間を増加させることにより発生する熱で、超音波センサ１０の温度上昇を促すことができる。この場合には、超音波センサ１０による物体検出を継続しつつ、超音波センサ１０の温度上昇を促すことができる。

・上記において、図１に示すように、自車両５０に複数個の超音波センサ１０（１０ａ，１０ｂ）が設けられている場合には、ＥＣＵ２０は、各超音波センサ１０ａ，１０ｂによる物体検出が順番に行われるように、各超音波センサ１０ａ，１０ｂから超音波を出力するタイミングを順次切り替えるようにする。この際、例えば、超音波センサ１０ａによる物体検出が行われている場合には、超音波センサ１０ｂによる物体検出が行われない休止期間となる。そこで、各超音波センサ１０ａ，１０ｂにおける物体検出の休止期間を利用して、休止期間となる各超音波センサ１０ａ，１０ｂの発熱処理が行われるようにしてもよい。すなわち、休止期間となる各超音波センサ１０ａ，１０ｂの振動子１１を共振周波数以外の周波数で振動させる。

以上のように、物体検出の休止期間となる超音波センサ１０が備える振動子１１を、共振周波数以外の周波数で振動させることにより発生する熱で、その超音波センサ１０の温度上昇を促すことができる。この際、他の超音波センサ１０で物体検出が行われていたとしても、休止期間中の超音波センサ１０は共振周波数以外の周波数で振動されているため、超音波は出力されない。そのため、他の超音波センサ１０による物体検出の妨げとなることなく、休止期間となる超音波センサ１０の温度を上昇させることができる。

・上記において、振動子１１と駆動回路１２との接続を遮断した状態で駆動回路１２を駆動して電圧を発生させることによって、超音波センサ１０の温度を上昇させることができる。例えば、図２において、圧電素子１１ｂと駆動回路１２とを接続する配線Ｌ１及びＬ２の少なくともいずれかにスイッチ（図示略）を設ける。そして、超音波センサ１０が所定の低温状態であると判定された際には、各配線Ｌ１，Ｌ２に設けられたスイッチをオフ（開状態）に切り替える。そしてこの状態で、駆動回路１２を駆動して電圧を発生させる。この際、駆動回路１２で発生した電圧は、振動子１１を振動させる振動エネルギーには変換されず、熱エネルギーとして消費されることとなる。このことを利用して、超音波センサ１０の温度上昇を促すことができる。

・ＥＣＵ２０によって、超音波センサ１０への雪又は氷の付着による異常を判定可能な場合には、ＥＣＵ２０からの指令信号に基づいて、超音波センサ１０の駆動による発熱が実施されてもよい。

１０…超音波センサ、１２…駆動回路、２０…ＥＣＵ、５０…自車両。

Claims (11)

1. 超音波センサ（１０）から送信波として送信された超音波の物体による反射波を受信波として受信した場合に、その受信波に基づいて自車両（５０）の周囲に存在する物体を検出する物体検出装置であって、
   前記超音波センサが所定の低温状態であるか否かを判定する低温状態判定部と、
   前記超音波センサが前記低温状態であると判定されたことを条件に、前記超音波センサの駆動により発生する熱で前記超音波センサの温度を上昇させる発熱制御部と、
   を備え、
   前記超音波センサは超音波の送受信を行う振動子を備えており、
   前記発熱制御部は、前記振動子の共振周波数とは異なる周波数で前記振動子を振動させることで発生する熱で前記超音波センサの温度を上昇させることを特徴とする物体検出装置。
2. 前記発熱制御部は、前記振動子の前記共振周波数よりも高い周波数で前記振動子を振動させることにより発生する熱で前記超音波センサの温度を上昇させる請求項１に記載の物体検出装置。
3. 前記発熱制御部は、前記振動子の前記共振周波数よりも低い周波数で前記振動子を振動させることにより発生する熱で前記超音波センサの温度を上昇させる請求項１に記載の物体検出装置。
4. 前記発熱制御部は、前記超音波センサのセンサ温度及び外気温の少なくとも一方に基づいて、前記振動子を振動させる際の周波数を設定する請求項１〜３のいずれか１項に記載の物体検出装置。
5. 前記超音波センサとして、第１センサ（１０ａ）及び第２センサ（１０ｂ）が設けられている車両に適用され、
   前記第１センサによる超音波の送受信が行われる際に前記第２センサによる超音波の送受信は行われず、前記第２センサによる超音波の送受信が行われる際に前記第１センサによる超音波の送受信が行われないように設定されており、
   前記発熱制御部は、前記第１センサ及び前記第２センサのうち、超音波の送受信が行われないセンサの休止期間において、当該センサが備える前記振動子をその振動子の前記共振周波数以外の周波数で駆動させる請求項１〜４のいずれか１項に記載の物体検出装置。
6. 超音波センサ（１０）から送信波として送信された超音波の物体による反射波を受信波として受信した場合に、その受信波に基づいて自車両（５０）の周囲に存在する物体を検出する物体検出装置であって、
   前記超音波センサが所定の低温状態であるか否かを判定する低温状態判定部と、
   前記超音波センサが前記低温状態であると判定されたことを条件に、前記超音波センサの駆動により発生する熱で前記超音波センサの温度を上昇させる発熱制御部と、
   を備え、
   前記超音波センサは超音波の送受信を行う振動子と、前記振動子に接続され、前記振動子が所定の周波数で振動するように電圧を印加する電圧印加部（１２）と、を備えており、
   前記発熱制御部は、前記超音波センサが前記低温状態であると判定されたことを条件に、前記振動子と前記電圧印加部との接続を遮断した状態で、前記電圧印加部を駆動させ、この際、前記電圧印加部で発生した電圧が、前記振動子を振動させる振動エネルギーには変換されず、熱エネルギーとして消費されることにより発生する熱で、前記超音波センサの温度を上昇させることを特徴とする物体検出装置。
7. 前記発熱制御部は、前記超音波センサの低温状態が解消されたことを条件に、前記超音波センサの駆動による発熱を停止する請求項１〜６のいずれか１項に記載の物体検出装置。
8. 前記超音波センサが搭載された車両の車速を検出する車速検出部（３２）を備え、
   前記発熱制御部は、前記超音波センサが前記低温状態であると判定され、且つ前記車速が所定値よりも大きいことを条件に、前記超音波センサの駆動により発生する熱で前記超音波センサの温度を上昇させる請求項１〜７のいずれか１項に記載の物体検出装置。
9. 超音波センサ（１０）から送信波として送信された超音波の物体による反射波を受信波として受信した場合に、その受信波に基づいて自車両（５０）の周囲に存在する物体を検出する物体検出装置であって、
   前記超音波センサが所定の低温状態であるか否かを判定する低温状態判定部と、
   前記超音波センサが前記低温状態であると判定されたことを条件に、前記超音波センサの駆動により発生する熱で前記超音波センサの温度を上昇させる発熱制御部と、
   を備え、
   前記超音波センサが搭載された車両の車速を検出する車速検出部（３２）を備え、
   前記発熱制御部は、前記超音波センサが前記低温状態であると判定され、且つ前記車速が所定値よりも大きいことを条件に、前記超音波センサの駆動により発生する熱で前記超音波センサの温度を上昇させることを特徴とする物体検出装置。
10. 前記低温状態判定部は、超音波センサの温度及び外気温の少なくとも一方が所定値よりも低いと判定された場合に、前記超音波センサが低温状態であると判定する請求項１〜９のいずれか１項に記載の物体検出装置。
11. 超音波センサ（１０）から送信波として送信された超音波の物体による反射波を受信波として受信した場合に、その受信波に基づいて自車両（５０）の周囲に存在する物体を検出する物体検出装置に適用される物体検出方法であって、
    前記超音波センサが所定の低温状態であるか否かを判定する低温状態判定ステップと、
    前記超音波センサが前記低温状態であると判定されたことを条件に、前記超音波センサの駆動により発生する熱で前記超音波センサの温度を上昇させる発熱制御ステップと、
    を備え、
    前記超音波センサは超音波の送受信を行う振動子を備えており、
    前記発熱制御ステップでは、前記振動子の共振周波数とは異なる周波数で前記振動子を振動させることで発生する熱で前記超音波センサの温度を上昇させることを特徴とする物体検出方法。

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