JPH02179491A - 超音波探知方法、超音波アレイセンサ、超音波探知装置および超音波探知装置を備えた移動体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、物体を探知するための超音波探知方法、超音
波アレイセンサ、超音波探知装置および超音波探知装置
を備えた移動体に関する。

【従来の技術１ 従来の超音波アレイセンサとしては、例えば第８図およ
び第９図に示すようなものがある。

第８図は探知エリアの側面形状を示す側面図、第９図は
探知エリアの平面形状を示す平面図である。

すなわち、超音波を送信する超音波センサｌか１作業車
２の前部および後部にそれぞれ２個ずつ１１間隔をおい
て水平に配置されている。この超音波センサｌによって
、超音波探知エリア３が、形成される。

この探知エリア３内に物体が位置するとき、超音波セン
サｌから出力された超音波は、物体から反射して超音波
センサ１に入力され、物体の探知警報を発するものであ
る。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来の超音波センサでは、探
知エリアの距離が３〜５ｍと短かった。

このため、作業速度を上げると、制動距離がこれより長
くなってしまい、物体を探知した時にはすでに物体に衝
突するのを避けることができなくなる。従って、従来の
超音波センサを有する作業車は、作業速度を上げること
ができず、作業能率が悪いという問題点かあった。

また、従来の超音波センサでは、少ないセンサで、車幅
全体をカバーしようとして、指向性を広くとっであるた
め、探知エリアが丸い曲線形状を有し、車幅からはみで
ていた。このため、作業車の車幅から外れた位置に障害
物や人か存在していて、安全てあっても、探知警報が発
せられることとなり、警報の信頼性が損ねられるという
問題点があった。

また、従来の超音波センサでは、センサとセンサの間が
離れているため、作業車の近距離中央部をカバーするこ
とができず、全ての危険性を探知することかできないと
いう問題点があった。

本発明は、このような従来の技術が有する問題点に着目
してなされたもので、探知エリアの距離が長く、作業能
率を向上させることができるようにした超音波探知方法
、超音波アレイセンサ、超音波探知装置および超音波探
知装置を備えた移動体を提供することを目的としている
。

また、本発明は、移動体により占有される可能性のある
領域の幅とほぼ同じ幅を有して、境界の定まった探知エ
リアを有し、警報の信頼性が高い超音波探知方法、超音
波アレイセンサ、超音波探知装置および超音波探知装置
を備えた移動体を提供することを目的としている。

また、本発明は、近距離をもカバーする探知エリアを有
し、警報の信頼性が高い超音波探知方法、超音波アレイ
センサ、超音波探知装置および超音波探知装置を備えた
移動体を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段Ｊ かかる目的を達成するため、本発明の超音波探知方法は
、移動体から、移動体により占有される可能性のある領
域の幅とほぼ同じ幅の近距離音場を有する超音波を送信
するとともに、物体から反射した超音波を受信し、超音
波の往復時間を測定してその物体との距離を求め、その
距離が近距離音場内の所定の距離内にあるとき、その物
体の探知信号を出力することを特徴とするものである。

また、その方法は、特に、作業車の前部および／または
後部から１作業車の車幅とほぼ同じ幅の、近距離音場を
有する超音波を送信するとともに、障害物から反射した
超音波を受信し、超音波の往復時間を測定して障害物と
の距離を求め、その距離が近距離音場内の所定の距離に
あるとき、障害物の探知信号を出力することを特徴とす
るものである。

本発明の方法は、さらに、探知信号を受けて、警報を発
するものであってもよい。

また、探知信号を受けて２作業車を停止させるものであ
ってもよい。

本発明の超音波アレイセンサは、近距離音場を有する超
音波を送信する複数の超音波センサを、それらから放射
される超音波の合成波がほぼ平面波を形成するよう、直
線状でかつ近接して配列してなり、複数の超音波センサ
は、それぞれ指向性を狭めるホーンを有することを特徴
とするものである。

複数の超音波センサのホーンは、開口部がそれぞれ接し
ているものが、好適である。

また、複数の超音波センサのホーンの開口は、直線状の
配列方向の長さか、その配列方向に垂直方向の長さより
長いものか、好適である。

本発明の超音波探知装置は、これらの超音波アレイセン
サと、 物体から反射した超音波を受信する超音波受波センサと
、 超音波の往復時間を測定する時間差検出回路と、 時間差検出回路の出力が予め定めた基準値より小さい場
合に、探知信号を出力する比較回路と、を具備すること
を特徴とするものである。

本発明の超音波探知装置は、゛特に、移動体の前部およ
び／または後部に取付けられた、これらの超音波アレイ
センサと。

物体から反射した超音波を受信する超音波受波センサと
、 超音波の往復時間を測定する時間差検出回路と、 時間差検出回路の出力が予め定めた基準値より小さい場
合に、探知信号を出力する比較回路と。

を具備することを特徴とするものである。

超音波アレイセンサは、移動体の幅とほぼ同じ幅で、そ
の配列方向が移動体の幅方向にほぼ平行となるように、
取付けられたものが、好適である。

用途によっては、超音波アレイセンサは、′その配列方
向が移動体の高さ方向にほぼ平行となるように、取付け
られたものが、好適である。

また、その超音波探知装置は、特に５作業車の前部およ
び／または後部に取付けられた、これらの超音波アレイ
センサと、 障害物から反射した超音波を受信する超音波受波センサ
と、 超音波の往復時間を測定する時間差検出回路と。

時間差検出回路の出力が予め定めた基準値より小さい場
合に、探知信号を出力する比較回路と、をＡ４ａするこ
とを特徴とするものである。

超音波アレイセンサは、作業車の車幅とほぼ同じ幅で、
その配列方向か車幅方向にほぼ平行となるように、取付
けられたものか、好適である。

この場合、超音波アレイセンサの配列方向は。

路面または軌道面とほぼ平行になる。

用途によっては、超音波アレイセンサは、その配列方向
が作業車の車高にほぼ平行となるように、取付けられた
ものが、好適である。

この場合、超音波アレイセンサの配列方向は、路面また
は軌道面とほぼ垂直になる。

さらに、探知信号を入力するとき、警報を発する警報機
（ブザー）を有してもよい。

さらに、探知信号を入力するとき、ブレーキを自動的に
作動させたりして、作業車を停止させる停止回路を有し
てもよい。

超音波受波センサは、超音波アレイセンサから成ってい
てもよい。

また１本発明の移動体は、これらの超音波探知装置を有
する移動体または作業車に関するものである。

本発明において、移動体とは、道路工事に用いられるロ
ードローラやパワーシャベルなどの作業車、作業用ロボ
ット、無人搬送車、盲人用先導ロボット、トラックや高
級自動車などの車両等のあらゆる移動体を含むものであ
る。また、本発明の適用される車両は、軌条を有するも
のであってもよく、さらに、浮上して移動するものであ
ってもよい。

また１本発明の超音波探知方法、超音波アレイセンサ、
超音波探知装置および超音波探知装置を備えた移動体は
、交通システムに取り入れることができる。

また、本発明において、物体とは、作業や移動の障害物
や目的物などの物体のほか、超音波な反射するすべての
物体、例えば、人間や動物、植物などを含むものである
。

［作用　］ 距離の長い探知エリアを形成し、移動速度または作業速
度を上げることができるものである。

また、境界の定まった探知エリアを有し、探知信号の信
頼性を高めることができるものである。

また、近距離をもカバーする探知エリアを有し、探知信
号の信頼性を高めることができるものである。

（実施例１ 以下、図面に基づき本発明の各種実施例を説明する。な
お、各種実施例につき同種の部位には同一符号を付し重
複した説明を省略する。

第１図〜第６図は本発明の一実施例を示している。

第１図に示すように、ロードローラ作業車２１の前部に
超音波アレイセンサ１１が、取付けられている。また、
第４図および第５図に示すように、超音波アレイセンサ
１１は、作業車２１の後部にも取付けられている。

超音波アレイセンサ１１は、作業車２１の車幅にわたっ
てほぼ同じ幅で、車幅方向にほぼ平行となるように取付
けられている。従って、超音波アレイセンサ１１の配列
方向は、路面または軌道面にほぼ平行となる。

超音波アレイセンサ１１は、８個の超音波センサ１２を
横方向に一列に接続して成っている。超音波センサ１２
は、第２図に示すように、横の長さａが１２０ｍｍ、縦
の長さｂが６０ｍｍ、奥行Ｃが１４０　ｍ　ｍの箱体か
ら成っている。

その開口部には、四角錐形状のホーン１３がその底面を
開口部として設けられている。ホーン１３は１発泡スチ
ロールから成っている。超音波センサ１１の開口部は、
ホーン１３の開口と一致するため、ホーン１３の開口は
、横方向の長さの方が、縦方向の長さより長くなってい
る。

ホーン１３の頂点には、感知部１４が配置されている。

感知部１４は、開口部と対面する壁に設けられている。

感知部１４は、直径が２５　ｍ　ｍの圧電センサから成
っている。

１個の超音波センサ１２の横の長さａは１２０ｍｍであ
るため、超音波アレイセンサ１１の横の長さは、９６０
ｍｍとなる。

第６図は、超音波探知装置の回路のブロック図である。

超音波アレイセンサ１１の個々の超音波センサ１２は、
送信側で、電力増幅器４１を介して変調器４２に接続さ
れ、変調器４２は、パルス発生器４３を介して主同期回
路４４に接続されるとともに、発信器４５に接続されて
いる。

一方、受信側では、超音波アレイセンサ１１の個々の超
音波センサ１２は、順に、大信号除去器（リミッタ）５
１、受信増幅器５２、信号処理回路５３、測時ゲート発
生器（時間差検出回路）５４、変調器５５、カウンタ５
７１時間差判定器（比較回路）５８、パルス発生器５９
．ブザー６０に接続されている。

変調器５５はまた。測時用クロックパルス発信器５６に
も接続されている。測時ゲート発生器５４は、パルス発
生器４３にも接続されている。

次に作用を説明する。

第６図において、主同期回路４４からパルス発生器４３
にクロック信号を出力して、パルス発生器４３から変調
器４２に同期したパルス信号を出力する。

発信器４５からは、連続波の励振パルスを変調器４２に
出力する。これにより、変調器４２は。

バーストパルスを電力増幅器４１に出力する。

電力増幅器４１は、このパルスを増幅して個々の超音波
センサ１２に印加する。

超音波アレイセンサ１１ては、すべての超音波センサ１
２が同相で駆動されて、−斉に超音波を送信する。した
がって、９６０ｍｍの長さを有する一個の超音波センサ
が励振されたのと同様に、超音波か送信される。

この超音波の探知エリア３１は、第３図で示すように、
幅が定まりだ近距離音場（フレネル領域）３２と、末広
がりに広がる遠距離音場（フランホーファー領域）３３
とに分れている。

近距離音場３２の幅は、超音波アレイセンサ１１の横の
長さに近くなるため、この近距離音場３２の距ｆａｘは
、超音波アレイセンサ１１の長さｄとの関数で求められ
る。すなわち、超音波の波長をｅとすると、 ｘ＝ｄ２／（４ｅ） で表わされる。

本実施例では、駆動周波数を約３０ｋＨｚとし、約１１
ｍｍの波長の超音波を用いている。従って、超音波アレ
イセンサ１１の横の長さｄか９６０ｍｍ、波長ｅが１１
ｍｍであるため、上記式から、近距離音場３２の距ｆａ
ｘは、約２１ｍと求まる。

従って、この距離の範囲内で、探知を行なうことにより
、超音波アレイセンサ１１の幅、すなわち、車幅の範囲
で境界が定まった探知を行なうことかできる。

また１個々の超音波センサ１２の指向性を、半値幅によ
り表わすと、以下の近似式から求めることかできる。

すなわち、開口部の幅をａ、超音波の波長をｅ、半値幅
なｙ、定数をｋとすると、 ｙ＝ｋｅ／ａ（度） で表わされる。なお、半値幅とは、指向性強度が、０．
５以上になっている超音波の探知エリア３１の幅である
。

従って、超音波センサ１２の横の長さか１２０ｍｍ、波
長ｅが１１ｍｍであるため、ｋを５１．５とすると、上
記式から、横方向の半値幅（指向性）は、約５度と求ま
る。

なお、本実施例で、横方向の半値幅の好適な範囲は、５
度〜１０度である。

また、超音波センサ１２の縦の長さは６０ｍｍ、である
ため、上記式から、縦方向の指向性は、約１０度と求ま
る。

これによる探知エリア３１の側面形状を第４図に、探知
エリア３１の平面形状を第５図に示す。

従来の超音波センサは、例えば１周波数４０ｋＨｚ、波
長８．５ｍｍ、開口部の横の長さが４０ｍｍであり、指
向性は、約１１度となる。

従って、本実施例の超音波センサでは、従来のものに比
べて指向性が鋭くなっている。

一般に、指向性が２倍鋭くなると、音場のエネルギ強度
は、４倍の大きさになり、指向性利得は、約６ｄＢ向上
する。従って、本実施例の超音波センサ１２では、指向
性を鋭くすることが、利得を向上させ、また、探知エリ
アの境界を定めるために、望ましい。

超音波は、物体から反射した後、超音波センサ１２によ
り受信される。

受信した超音波は、大信号除去器（リミッタ）５１に入
力され、受信増幅器５２を介して信号比較器５３に入力
される。

信号比較器５３は、受信増幅器５２からの信号を検波し
てスレシホールドレベルを越えた振幅を有する信号が入
力されたときにその時間分だけパルスを出力する。信号
比較器５３からのパルスは、副時ゲート発生器５４に入
力される。

副時ゲート発生器５４は、超音波の往復時間を測定する
時間差検出回路として機能する。すなわち、副時ゲート
発生器５４は、パルス発生器４３が、超音波アレイセン
サ１１を駆動させるためのパルスを出力してから、信号
比較器５３が受信信号を出力するまでの間、パルスを変
調器５５に出力する。この出力期間が、超音波の往復時
間に相当する。

変調器５５からの出力は、カウンタ５７を介して時間差
判定器５８に入力される。

時間差判定器５８は、比較回路として機能し、カウンタ
５７の数値が所定の数値以内のとき、オンして、信号を
パルス発生器５９に出力する。なお、所定の数値は、近
距離音場３２以内の距離を基準として定められる。

パルス発生器５９は、ブザー６０を作動させる。これに
より、ブザー５５は、近距離音場３２の基準距離内の物
体を探知したことを警報により、知らせる。

なお１本実施例で、近距離音場３２の距離Ｘは、約２１
ｍなので、基準距離は、２１ｍの範囲で設定することが
できる。

第７図は本発明の第２実施例を示している。

本実施例では、作業車２２の前部に超音波アレイセンサ
１１が車高方向にほぼ平行となるように取付けられたも
のである。従って、超音波アレイセンサ１１の配列方向
は、路面または軌道面にほぼ垂直となる。

前記実施例では、超音波アレイセンサ１１を横方向に取
り付けることにより、横方向の境界を定めたが、本実施
例では、縦方向の境界を定めることができる。

従って、Ｈ１〜Ｈ２の高さにある探知エリア内の物体、
例えば、一定の高さで突き出て取付けられた障害物を探
知することができる。

なお、第１実施例の横方向の超音波アレイセンサと第２
実施例の縦方向のアレイセンサとを組み合わせて、十字
状にして、縦方向および横方向の両方の境界を定めるよ
うにしてもよい。

また、超音波の近距離音場より狭い範囲を超音波吸収体
で囲い、その囲われた範囲内で、第１および第２実施例
の超音波アレイセンサを用いて探知する場合には２時間
差検出回路を用いることなく、その範囲内の物体を探知
することができる。

また、超音波アレイセンサ１１を構成する超音波センサ
１２の個数は、８個に限定されるものではなく、適切な
近距離音場を形成する個数であれば、いかなる個数であ
ってもよい。

［発明の効果］ 本発明に係る超音波探知方法、超音波アレイセンサ、超
音波探知装置および超音波探知装置を備えた移動体によ
れば、距離が長いとともに近距離をもカバーする、境界
の定まった探知エリアを形成することがてきるので、移
動速度または作業速度を上げることができ、移動能率や
作業能率が向上し、また、探知の信頼性を向上させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第６図は本発明の第１実施例を示しており、
第１図は本発明の超音波アレイセンサを備えた作業車の
斜視図、第２図は超音波アレイセンサの拡大正面図、第
３図は超音波アレイセンサの探知エリアを示す説明図、
第４図は探知エリアの側面形状を示す側面図、第５図は
探知エリアの平面形状を示す平面図、第６図は超音波探
知装置の回路のブロック図である。第７図は本発明の第
２実施例の超音波アレイセンサを備えた作業車の斜視図
を示している。第８図および第９図は従来例を示してお
り　第８図は探知エリアの側面形状を示す側面図、第９
図は探知エリアの平面形状を示す平面図である。 １１・・・超音波アレイセンサ １２・・・超音波センサ １３・・・ホーン １４・・・感知部 ２１．２２−・・作業車 ３１・・・探知エリア ４１・・・電力増幅器 ４２・・・変調器 ４３・・・パルス発生器 ４４・・・主同期回路 ４５・・・発信器 ５１・・・大信号比較器 ５２・・・受信増幅器 ５３・・・信号比較器 ５４・・・副時ゲート発生器 ５５・・・変調器 ５７・・・カウンタ ５８・・・時間差判定器 ５９・・・パルス発生器 ６０・・・ブザー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、移動体から、該移動体により占有される可能性のあ
   る領域の幅とほぼ同じ幅の近距離音場を有する超音波を
   送信するとともに、物体から反射した超音波を受信し、
   超音波の往復時間を測定して該物体との距離を求め、該
   距離が前記近距離音場内の所定の距離内にあるとき、該
   物体の探知信号を出力することを特徴とする超音波探知
   方法。 ２、さらに、前記探知信号を受けて、警報を発すること
   を特徴とする請求項１記載の超音波による障害物探知方
   法。 ３、さらに、前記探知信号を受けて、作業車を停止させ
   ることを特徴とする請求項１または２記載の超音波によ
   る障害物探知方法。 ４、近距離音場を有する超音波を送信する複数の超音波
   センサを、それらから放射される超音波の合成波がほぼ
   平面波を形成するよう、直線状でかつ近接して配列して
   なり、前記複数の超音波センサは、それぞれ指向性を狭
   めるホーンを有することを特徴とする超音波アレイセン
   サ。 ５、前記複数の超音波センサのホーンは、開口部がそれ
   ぞれ接していることを特徴とする請求項４記載の超音波
   アレイセンサ。 ６、前記複数の超音波センサのホーンの開口は、前記直
   線状の配列方向の長さが、該配列方向に垂直方向の長さ
   より長いことを特徴とする請求項４または５記載の超音
   波アレイセンサ。 ７、請求項４、５または６記載の超音波アレイセイセン
   サと、 物体から反射した超音波を受信する超音波受波センサと
   、 超音波の往復時間を測定する時間差検出回路と、 前記時間差検出回路の出力が予め定めた基準値より小さ
   い場合に、探知信号を出力する比較回路と、 を具備することを特徴とする超音波探知装 置。 ８、移動体の前部および／または後部に取付けられた、
   請求項４、５または６記載の超音波アレイセンサと、 物体から反射した超音波を受信する超音波受波センサと
   、 超音波の往復時間を測定する時間差検出回路と、 前記時間差検出回路の出力が予め定めた基準値より小さ
   い場合に、探知信号を出力する比較回路と、 を具備することを特徴とする超音波探知装 置。 ９、前記超音波アレイセンサは、前記移動体の幅とほぼ
   同じ幅で、その配列方向が前記移動体の幅方向にほぼ平
   行となるように、取付けられたことを特徴とする請求項
   ８記載の超音波探知装置。 １０、前記超音波アレイセンサは、その配列方向が前記
   移動体の高さ方向にほぼ平行となるように、取付けられ
   たことを特徴とする請求項８記載の超音波探知装置。 １１、さらに、前記探知信号を入力するとき、警報を発
   する警報機を有することを特徴とする請求項７、８、９
   または１０記載の超音波探知装置。 １２、さらに、前記探知信号を入力するとき、作業車を
   停止させる停止回路を有することを特徴とする請求項７
   、８、９、１０または１１記載の超音波探知装置。 １３、前記超音波受波センサは、前記超音波アレイセン
   サから成ることを特徴とする請求項７、８、９、１０、
   １１または１２記載の超音波探知装置。 １４、請求項７、８、９、１０、１１、１２または１３
   記載の超音波探知装置を有する移動体または作業車。