JPH10224880A

JPH10224880A - 超音波アレイセンサ

Info

Publication number: JPH10224880A
Application number: JP4302397A
Authority: JP
Inventors: Kenji Mihashi; 研二三橋
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1997-02-12
Filing date: 1997-02-12
Publication date: 1998-08-21
Anticipated expiration: 2017-02-12
Also published as: JP3446519B2

Abstract

(57)【要約】【課題】サイドローブの発生しにくい超音波アレイセ
ンサを提供すること。【解決手段】超音波を誘導する管状の導波管３ａ，３
ｂ，３ｃと、この導波管３ａ，３ｂ，３ｃの一端部に装
備されると共に、当該導波管３ａ，３ｂ，３ｃの他端部
９にむけて超音波を送り出す超音波振動子５とを備え、
この超音波振動子５を装備する導波管３ａ，３ｂ，３ｃ
を複数個配列してなる超音波アレイセンサ１において、
前記各導波管３ａ，３ｂ，３ｃの他端部９の形状を略矩
形とし、これら各導波管３ａ，３ｂ，３ｃの各他端部９
を列状に配列すると共に、前記各導波管３ａ，３ｂ，３
ｃの内、隣接する導波管３ａ，３ｂ，３ｃの一端部を相
互に異なる方向へ延設した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波アレイセン
サにかかり、特に自動車やロボット等が物体認識のため
に用いるセンサであって、指向性を電気的に制御しうる
超音波アレイセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、超音波アレイセンサとしては
以下のようなものがあった。即ち、超音波アレイセンサ
は、超音波振動子を一列に並べ、この各超音波振動子を
作動させて、いわゆるファンビームと呼ばれる扇形のビ
ームを形成する。ここで、超音波振動子は圧電素子から
構成されている。

【０００３】当該超音波アレイセンサの一般的な特性と
しては、電子的に送信及び受信の指向性制御できること
である。ここで、送信の指向性とは、方向による超音波
信号強度の変化のことをいい、受信の指向性とは、方向
による受信感度の変化のことをいう。例えば、一列に配
列した超音波振動子から同一位相で超音波を発生させる
と、図７及び図８に示すような形状のファンビームが形
成される。そして、ファンビームの内部領域に物体が存
在すると、この物体から反射した超音波が超音波アレイ
センサによって検出され、物体等の認識が可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例には以下のような不都合が有った。即ち、現在一般
的に入手可能な超音波振動子は、単体で空中への超音波
の放出を意図して作られたものであり、通常その大きさ
（直径）は発生する超音波の波長より長いものである。
ところが、超音波を放出する導波管を一列に配列すると
きの配列間隔は、超音波の半波長以下とするのが望まし
い。これは、超音波の半波長より大きな配列間隔で導波
管を配列し、超音波に指向性を持たせると、図９に示す
ような、副極（サイドローブ）と呼ばれるものが発生す
る。このサイドローブとは、意図した方向（メインロー
ブ方向）と異なる方向へ所定の強度の超音波が生じるこ
とをいう。サイドローブは、特に超音波の進行方向を直
進方向から所定値以上の角度とするときには無視するこ
とができなくなる。

【０００５】

【発明の目的】本発明は、かかる従来例の有する不都合
を改善し、特に、サイドローブの発生しにくい超音波ア
レイセンサを提供することを、その目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、請求項１記載の発明では、超音波を誘導する管
状の導波管と、この導波管の一端部に装備されると共に
当該導波管の他端部にむけて超音波を送り出す超音波振
動子とを備え、この超音波振動子を装備する導波管を複
数個配列してなる超音波アレイセンサにおいて、各導波
管の他端部の形状を略矩形とし、これら各導波管の各他
端部を列状に配列すると共に、各導波管の内、隣接する
導波管の一端部を相互に異なる方向へ延設させたことを
特徴とする超音波アレイセンサ、という構成を採ってい
る。

【０００７】以上のように構成されたことで、超音波を
放射する導波管の他端部は、超音波振動子の大きさに関
わらず狭い配列間隔となる。一方、超音波振動子が装備
される導波管の一端部は、複数の方向へ振り分けられて
いるので、それぞれ相互に離間している。そして、各超
音波振動子に高周波信号が付与されて、超音波が発生す
る。超音波は導波管内を伝わって外部に放射される。

【０００８】また、請求項２記載の発明では、各導波管
の他端部の配列間隔を、超音波振動子が送り出す超音波
の半波長以下とするという構成を採り、その他の構成は
請求項１記載の発明と同様である。以上のように構成さ
れたことにより、各超音波振動子に付与する高周波信号
の位相を、それぞれの超音波振動子毎に僅かにずらすこ
とで、超音波の方向を変えても、いわゆる副極が発生し
ない。

【０００９】また、請求項３記載の発明では、導波管の
長さを、超音波振動子の発生する超音波の半波長の整数
倍とするという構成を採り、その他の構成は請求項１又
は２記載の発明と同様である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を図面に基づ
いて説明する。

【００１１】本発明の超音波アレイセンサ１は、図１に
示すように、超音波を誘導する管状の導波管３と、この
導波管３ａ，３ｂ，３ｃの一端部７に装備されると共
に、当該導波管３ａ，３ｂ，３ｃの他端部９にむけて超
音波を送り出す超音波振動子５とを備え、この超音波振
動子５を装備する導波管３ａ，３ｂ，３ｃを複数個配列
してなる。そして、各導波管３ａ，３ｂ，３ｃの他端部
９の形状を略矩形とし、これら各導波管３ａ，３ｂ，３
ｃの各他端部９を列状に配列すると共に、各導波管３
ａ，３ｂ，３ｃの内、隣接する導波管の一端部７を相互
に異なる方向へ延設することを特徴としている。

【００１２】以下これを詳細に説明すると、管状の導波
管３ａ，３ｂ，３ｃは、一端部７が略円形断面で構成さ
れると共に、他端部９は略矩形に形成されている。各導
波管３ａ，３ｂ，３ｃは、図１に示すように、一方側に
曲折される導波管３ａ、他方側に曲折される導波管３
ｂ、そして略直線状の導波管３ｃが用いられ、これらが
それぞれ組み合わされることにより、超音波アレイセン
サ１が構成される。ここで、図３に示す導波管３ａは、
曲折されたものであり、また図４に示す導波管３ｃは直
線状のものである。

【００１３】導波管３ａ，３ｂ，３ｃの他端部９側は、
上記したように断面が略矩形となっているが、より詳し
くは、円形断面を扁平に変形した形状となっている。ま
た、導波管３ａ，３ｂ，３ｃの他端部９の面積は、導波
管３ａ，３ｂ，３ｃの一端部７の面積と同一となるよう
に構成されている。これは、超音波振動子から送り出さ
れる超音波の減衰を防止する等のためである。従って、
各導波管３ａ，３ｂ，３ｃの平面形状は、図３及び図４
に示すように、上方から見たときの他端部９の幅の方が
一端部７の幅より広くなっている。但し、本発明の導波
管３ａ，３ｂ，３ｃはこれに限定されるものではなく、
いわゆるエクスポーネンシャルホーンとしてもよい。

【００１４】また、導波管３ａ，３ｂ，３ｃの一端部７
には、導波管３ａ，３ｂ，３ｃの内部に向けて超音波を
発生すると共に、導波管３ａ，３ｂ，３ｃの他端部９か
ら外部に超音波を放射するための超音波振動子５（図２
参照）が装備されている。この超音波振動子５は、約１
０ｍｍ程度の直径を有している。また、超音波振動子５
は圧電素子から構成され、図示しない発振器からの発振
信号に基づいて、所定の周波数の超音波を発生するよう
になっている。従って、超音波振動子５には、所定の電
極が植設されている。

【００１５】次に、以上のように構成された導波管３
ａ，３ｂ，３ｃをそれぞれ組み合わせて、本発明の超音
波アレイセンサ１を構成する手法について説明する。各
導波管３ａ，３ｂ，３ｃは、図１に示すように、相互に
隣接する各導波管３ａ，３ｂ，３ｃの他端部９同士が、
一列に配列されると共に、相互に当接するように接合さ
れている。例えば、図１に示すように、一番上の導波管
として、右方向に曲折させた導波管３ａを用いる。次の
２段目として、直線状の導波管３ｃを用いる。そして、
３段目として、左方に曲折された導波管３ｂを用いる。
便宜上、最上部の導波管３ａを１番とし、最下部の導波
管３ｃを８番とした場合には、図３に示す導波管を１
番，４番，７番に用い、図３の導波管３ａを裏返しにし
たと同様の形状の導波管３ｂ（左方に曲折されたもの）
を３番、６番に用いる。そして、２番，５番，８番に
は、直線状の導波管３ｃを用いる。但し、配列の順番は
これに限定されるものではなく、右方に曲折された導波
管３ａの次に左方に曲折された導波管３ｂを配列し、そ
の次に直線状の導波管３ｃを配列するような順番であっ
てもよい。

【００１６】本実施形態では、上記の３本の導波管３
ａ，３ｂ，３ｃのほか、更に同様の順番で５本の導波管
が組み合わされている。これにより、各導波管３ａ，３
ｂ，３ｃの他端部９の配列間隔ｄは、導波管３ａ，３
ｂ，３ｃの他端部９における矩形形状の高さと略同等と
なる。この結果、導波管３ａ，３ｂ，３ｃの他端部９の
高さを種々変化させることにより、導波管３ａ，３ｂ，
３ｃの他端部９での配列間隔ｄを自由に設定できる。特
に、本実施形態においては、導波管３ａ，３ｂ，３ｃの
他端部９における配列間隔ｄを、超音波振動子５の発生
する超音波の半波長以下としている。

【００１７】一方、各導波管３ａ，３ｂ，３ｃの一端部
７同士は、図１に示すようにそれぞれ相互に離間してい
る、これは、本実施形態にかかる超音波アレイセンサ１
では、３種類の導波管３ａ，３ｂ，３ｃを１組とし、こ
れらを繰り返して配列しており、同一方向に伸びる導波
管同士の間には、所定の隙間が形成されるからである。
即ち、導波管３ａ，３ｂ，３ｃの超音波振動子５が装備
されている一端部７を、３方向に振り分ける場合には、
理論的には導波管３ａ，３ｂ，３ｃの他端部９の配列間
隔ｄを、超音波振動子５の直径の１／３程度まで狭める
ことができる。また、導波管３ａ，３ｂ，３ｃの一端部
７を５方向に振り分ける場合には、超音波振動子５の直
径の１／５程度まで狭めることができる。

【００１８】本実施形態においては、導波管３ａ，３
ｂ，３ｃの他端部９の配列間隔ｄは、約４．２〔ｍｍ〕
以下となっている。これは、超音波の周波数を４０〔Ｋ
Ｈｚ〕とした場合は、その波長が約８．４〔ｍｍ〕とな
り、この波長の半分以下に設定しているものである。
尚、本発明の超音波アレイセンサ１では、各導波管３
ａ，３ｂ，３ｃの他端部９の配列間隔ｄは上記したもの
に限定されない。即ち、使用する超音波振動子５の特性
によってそれぞれ設定を変えるようにしてもよい。

【００１９】また、上記のように、本実施形態では８本
の導波管を配列しているが、更に多くの導波管を配列す
るようにしても良いし、より少ない数の導波管で超音波
アレイセンサを形成するようにしてもよい。加えて、上
記実施形態では、導波管３ａ，３ｂ，３ｃの他端部９を
一列に配列したが、本発明はこれに限定されることな
く、２列や３列にしてもよい。

【００２０】また、超音波アレイセンサ１に使用される
導波管３ａ，３ｂ，３ｃの管長としては、超音波の波長
の半波長の整数倍が最も効率がよい。これは、導波管３
ａ，３ｂ，３ｃ内でいわゆる共鳴現象を生じさせるため
である。従って、超音波アレイセンサ１を製造する場合
には、半波長の整数倍で且つそれぞれ同一の長さの導波
管を用い、この各導波管の他端部を扁平に延ばすして矩
形とすると共に、複数の導波管の一部を所定の曲率で曲
折させて、これらを組み合わせるようにすればよい。そ
して、各導波管を組み合わせた後に、接合部を溶融金属
や比重の高い樹脂で固めて固定する。これによって、各
導波管相互の共振現象が有効に防止される。

【００２１】次に、以上のように構成された超音波アレ
イセンサ１によって、物体認識等を行う場合について説
明する。先ず、各導波管３ａ，３ｂ，３ｃに装備されて
いる超音波振動子５に所定の高周波信号を付与する。こ
のとき、高周波信号はいわゆる正弦波であり、且つ全て
の超音波振動子５に付与する高周波信号の位相を一致さ
せる。そして、各導波管３ａ，３ｂ，３ｃの他端部９か
ら放射される超音波の位相を検出し、異なる場合にはこ
れを修正する。位相が異なる原因としては、導波管の加
工の際の導波管３ａ，３ｂ，３ｃの管長の変化や、曲折
させたことによる管長の変化等が考えられる。

【００２２】以上のように、位相の修正がされた後に
は、各導波管３ａ，３ｂ，３ｃに装備された超音波振動
子５へ位相をずらした正弦波信号を付与する。例えば、
最上部（図１参照）の導波管３ａの超音波振動子の位相
差を零とし、最下部の超音波振動子の導波管３ｃの位相
差をπとする。そして、中間部の各超音波振動子の位相
を零からπの間の値で比例的にずらすことにより、超音
波の波面の進行方向が傾く。このとき、位相差を任意に
設定することで、超音波の指向性を任意に設定すること
ができる。

【００２３】そして、超音波アレイセンサ１から放射さ
れた超音波が、障害物等に当たって反射し、超音波アレ
イセンサ１によって反射波を検出することにより、物体
の存在が認識される。

【００２４】また、導波管の曲折形状は、超音波の伝達
効率等を考慮すると、図５に示すように、できる限り直
線状のものがよい。従って、導波管の一端部の振り分け
方向を３方向や２方向に制限しするようにしてもよい。
また、導波管の形状は、、図６に示すように、略円錐状
のものを用いるようにしても良い。この導波管は、一端
部（太い方の端部）に超音波振動子が装備され、他端部
（細い方の端部）で各導波管同士が接合されている。こ
の時、各導波管は、略直線状のものが使用されており、
他端部の開放方向も相互に所定の角度を有している。し
かしながら、開口部の大きさを超音波の波長に比べて小
さく設定することで、超音波の指向性に対して開放部の
向きはほとんど影響を及ぼさず、僅かな角度差があって
も、超音波アレイセンサとして十分に機能する。

【００２５】

【発明の効果】本発明は以上のように構成され機能し、
これによると、各導波管の他端部の形状を略矩形とし、
これら各導波管の各他端部を列状に配列すると共に、各
導波管の内、隣接する導波管の一端部を相互に異なる方
向へ延設するようにしたので、超音波が放射される導波
管の他端部の配列間隔を、超音波振動子の大きさに直接
制限されることなく、自由に設定することができる。ま
た、従来より一般的に用いられている超音波振動子をそ
のまま使用することができるので、製造コストを抑制す
ることができる、という優れた効果を生じる。

【００２６】また、超音波が放射される導波管の他端部
の配列間隔を、超音波の半波長より短くしたので、いわ
ゆる副極（サイドローブ）が発生せず、信頼性の高い物
体認識をすることができる、という優れた効果を生じ
る。

【００２７】更に、導波管の管長を超音波の半波長の整
数倍にしたので、曲折された導波管内を通る超音波を効
率よく伝達できる、という優れた効果を生じる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施形態を示す斜視図である。

【図２】図１に開示した超音波アレイセンサに用いる超
音波振動子を示す斜視図である。

【図３】図１に開示した超音波アレイセンサに用いる導
波管の例を示す平面図である。

【図４】図１に開示した超音波アレイセンサに用いる他
の導波管の例を示す平面図である。

【図５】超音波アレイセンサの他の例を示す平面図であ
る。

【図６】超音波アレイセンサの保管例を示す平面図であ
る。

【図７】従来の一般的な超音波アレイセンサを用いた時
のファンビームを示す斜視図である。

【図８】図７に開示したファンビームを示し、図８
（Ａ）は側面図を示し、図８（Ｂ）は平面図を示す。

【図９】図７に開示した超音波アレイセンサを用いたと
きに生じるメインローブとサイドローブを示す側面図で
ある。

【符号の説明】

１超音波アレイセンサ３ａ，３ｂ，３ｃ導波管５超音波振動子７一端部９他端部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波を誘導する管状の導波管と、この
導波管の一端部に装備されると共に、当該導波管の他端
部にむけて超音波を送り出す超音波振動子とを備え、こ
の超音波振動子を装備する導波管を複数個配列してなる
超音波アレイセンサにおいて、前記各導波管の他端部の形状を略矩形とし、これら各導
波管の各他端部を列状に配列すると共に、前記各導波管
の内、隣接する導波管の一端部を相互に異なる方向へ延
設したことを特徴とする超音波アレイセンサ。
【請求項２】前記各導波管の他端部の配列間隔を、前
記超音波振動子が送り出す超音波の半波長以下としたこ
とを特徴とする請求項１記載の超音波アレイセンサ。
【請求項３】前記導波管の長さを、前記超音波振動子
が送り出す超音波の半波長の整数倍としたことを特徴と
する請求項１又は２記載の超音波アレイセンサ。