JP2020085789A - Ultrasonic wave sensor and vehicle control system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波センサ及び車両制御システムに関する。 The present invention relates to an ultrasonic sensor and a vehicle control system.
自動車の安全性向上や自動運転に向けて、ミリ波レーダ、赤外線レーザ、カメラ、赤外線カメラや超音波センサなどの各種センサが自動車に搭載され、自動車周辺の障害物を検知・認識するシステムの実用化が進んでいる。特に、駐車支援システムなどに応用される至近距離の物体を検知するセンサとして超音波センサが用いられている(例えば特許文献1参照)。係る超音波センサでは、指向性の高い超音波を送信し、物体(障害物)からの反射波を検出して、超音波を送信してから反射波を受信するまでの時間に基づいて物体を検出している。 Various sensors such as millimeter-wave radar, infrared laser, camera, infrared camera, and ultrasonic sensor are mounted on a vehicle to improve the safety of the vehicle and autonomous driving, and a system for detecting and recognizing obstacles around the vehicle is put to practical use. Is becoming more popular. In particular, an ultrasonic sensor is used as a sensor for detecting an object at a close range applied to a parking assistance system or the like (see, for example, Patent Document 1). With such an ultrasonic sensor, an ultrasonic wave with high directivity is transmitted, a reflected wave from an object (obstacle) is detected, and the object is detected based on the time from transmitting the ultrasonic wave to receiving the reflected wave. It is detecting.
しかしながら、従来の超音波センサでは、指向性の高い超音波を利用する関係上、物体を検知可能な範囲も狭くなるという問題がある。例えば車両のドアの近傍の物体を検知する場合には、ドアの全面にわたって複数の超音波センサを2次元的に配列する必要がある。そのため、製造コストが大きい上、超音波センサが設置される部位の外観デザインが損なわれる可能性があった。 However, the conventional ultrasonic sensor has a problem that the range in which an object can be detected is narrowed due to the use of ultrasonic waves having high directivity. For example, when detecting an object near a door of a vehicle, it is necessary to arrange a plurality of ultrasonic sensors two-dimensionally over the entire surface of the door. Therefore, the manufacturing cost is high, and the appearance design of the portion where the ultrasonic sensor is installed may be impaired.
本発明は、製造コストを低減しつつ、超音波センサが設置される部位の外観デザインの向上を図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。 An object of the present invention is to provide an ultrasonic sensor capable of improving the appearance design of a portion where the ultrasonic sensor is installed while reducing the manufacturing cost.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、薄板で形成された略長方形状の伝搬路と、前記伝搬路の長手方向の一端側に設けられ、パルス状の超音波を送信して前記伝搬路を励振させる超音波送信器と、前記伝搬路の長手方向の他端側に設けられ、前記パルス状の超音波により励振された前記伝搬路を伝搬する超音波のうち、前記伝搬路のみを伝搬する直接波と、外部に放射されて物体で反射された後に前記伝搬路に戻ってくる反射波とを受信する超音波受信器と、前記伝搬路の長手方向の両端部の間に設けられ、前記伝搬路から当該伝搬路の短手方向に突出した凸状部と、前記超音波受信器により前記直接波が受信された時間と、前記超音波受信器により前記反射波が受信された時間との差に基づいて、前記伝搬路の近傍に存在する物体を検知する検知部と、を備える超音波センサである。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the present invention provides a substantially rectangular propagation path formed of a thin plate and a pulsed ultrasonic wave provided on one end side in the longitudinal direction of the propagation path. An ultrasonic transmitter that transmits and excites the propagation path, and an ultrasonic wave that is provided on the other end side in the longitudinal direction of the propagation path and propagates through the propagation path excited by the pulsed ultrasonic wave, An ultrasonic receiver that receives a direct wave propagating only in the propagation path and a reflected wave that is radiated to the outside and reflected by an object and then returns to the propagation path, and both ends in the longitudinal direction of the propagation path. The convex portion provided between the propagation path and protruding in the lateral direction of the propagation path, the time when the direct wave is received by the ultrasonic receiver, and the reflected wave by the ultrasonic receiver. An ultrasonic sensor including: a detection unit configured to detect an object existing in the vicinity of the propagation path based on a difference from the time when was received.
本発明によれば、パルス状の超音波を送信して薄板を励振させ、その励振された薄板を伝搬する超音波のうち薄板のみを伝搬する直接波が受信された時間と、該励振された薄板を伝搬する超音波のうち、外部に放射されて物体で反射した後に薄板に戻ってくる反射波が受信された時間との差に基づいて、薄板の近傍に存在する物体を検知する。パルス状の超音波により励振された薄板から外部に放射される超音波は指向性が低く、薄板全面を覆うように放射されるので、薄板の全面にわたって、超音波送信器と超音波受信器との組をそれぞれ含む複数の超音波センサを2次元的に配列する必要は無い。したがって、物体検知に必要な超音波センサの数を少なくすることができる。これにより、製造コストを低減しつつ、超音波センサが設置される部位の外観デザインを損なうことを抑制可能な超音波センサを提供することができる。 According to the present invention, a pulsed ultrasonic wave is transmitted to excite a thin plate, and among the ultrasonic waves propagating in the excited thin plate, the time when the direct wave propagating only the thin plate is received, and the excited Among the ultrasonic waves propagating through the thin plate, an object existing in the vicinity of the thin plate is detected based on the difference from the time when the reflected wave that is emitted to the outside and reflected by the object and then returned to the thin plate is received. The ultrasonic waves emitted from the thin plate excited by the pulsed ultrasonic waves to the outside have low directivity and are radiated so as to cover the entire surface of the thin plate. It is not necessary to two-dimensionally array a plurality of ultrasonic sensors each including a set of. Therefore, the number of ultrasonic sensors required for object detection can be reduced. Accordingly, it is possible to provide an ultrasonic sensor that can reduce the manufacturing cost and can prevent the appearance design of the portion where the ultrasonic sensor is installed from being impaired.
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る超音波センサ及び車両制御システムの実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of an ultrasonic sensor and a vehicle control system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の超音波センサの概略構成を示す平面図である。また、図2は、図1に示した超音波センサのA−Aラインの断面を概略的に示す図である。なお、図2中に示した矢印は、超音波の伝搬方向を模式的に表すものであり、超音波の信号レベルの強度を表すものではない。
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of the ultrasonic sensor of the first embodiment. 2 is a diagram schematically showing a cross section taken along the line AA of the ultrasonic sensor shown in FIG. Note that the arrows shown in FIG. 2 schematically represent the propagation direction of ultrasonic waves, and do not represent the intensity of ultrasonic signal levels.
図1及び図2に示すように、本実施形態の超音波センサは、超音波送信器1と、超音波受信器2と、薄板3とを備える。また、超音波受信器2は、検知部4を含む。
As shown in FIGS. 1 and 2, the ultrasonic sensor of this embodiment includes an
超音波送信器1は、パルス状の超音波を送信して薄板3を励振させる。薄板3は、2次元的な広がりを持つ金属板である。薄板3は、例えば自動車等の車両の外装面であり、典型的には車両のドアが想定されるが、これに限定されるものではない。なお、薄板3は、必ずしも平面である必要は無く、厚さ方向(図2の上下方向)の縮尺と、横方向(図1、図2の左右方向)の縮尺とは異なっている。また、図2では、薄板3の上側の面を「表面3a」とし、下側の面を「裏面3b」とする。ここで、「表面3a」は、薄板3のうち外部に露出する側の面を指し、「裏面3b」は、外部に露出しない側の面を指す。
The
薄板3には、略長方形状の伝搬路31が形成されている。伝搬路31は、例えば、薄板3の裏面3bにおいて、伝搬路31以外の他の領域に樹脂等の制振材を塗布することで形成される。なお、図1では、薄板3の裏面3bに伝搬路31を形成した例を示しているが、薄板3の表面3aに制振材を塗布することで、薄板3の表面3aに伝搬路31を形成する形態としてもよい。
A substantially
超音波送信器1は、伝搬路31の長手方向の一方の端部側に設けられる(貫通することなく設けられる)。また、超音波受信器2は、伝搬路31の長手方向の他方の端部側に設けられる(貫通することなく設けられる)。超音波送信器1は、薄板3へ向けてパルス状の超音波を送信することで伝搬路31を励振させる。
The
薄板3が十分に薄ければ、励振により伝搬路31を伝搬する超音波は、振動方向が薄板3に垂直なラム波(屈曲波)となる。また、このとき、伝搬路31を伝搬する超音波(ラム波)は、空間送信波P2として空気中にも放射される。具体的には、空間送信波P2は、薄板3(伝搬路31)中の位相速度Vpと、空気中の音速Vaとの関係式(cosθ=Va/Vp)から決まる放射角θで、伝搬路31の表面(薄板3の表面3a)の全面を覆うように空気中に放射される。そして、伝搬路31の表面の近傍に物体O(障害物)が存在する場合、空気中に放射された空間送信波P2は物体Oで反射されて再び薄板3に戻ってくる。
If the
以下の説明では、パルス状の超音波により励振された薄板3を伝搬する超音波(ラム波)のうち、薄板3のみを伝搬する超音波を「直接波P1」と称し、外部に放射されて物体Oで反射した超音波を「反射波P3」と称する。薄板3に到達した反射波P3は薄板3を励振し、薄板3を伝搬する超音波(ラム波)となって薄板3全体に広がっていく。以下の説明では、この超音波(ラム波)を「反射波P4」と称する。つまり、パルス状の超音波により励振された薄板3を伝搬する超音波のうち、外部に放射されて物体Oで反射した後に薄板3に戻ってくる「反射波」とは、物体Oで反射して薄板3へ入力される反射波P3であってもよいし、反射波P3で励振された薄板3を伝搬する反射波P4であってもよい。
In the following description, among the ultrasonic waves (Lamb waves) propagating in the
超音波受信器2は、薄板3を伝搬する超音波のうち、薄板3のみを伝搬する直接波P1と、外部に放射されて物体Oで反射した後に薄板3に戻ってくる反射波P4とを受信する。本実施形態では、超音波受信器2は反射波P4を受信する構成とするが、これに限らず、超音波受信器2が反射波P3を直接受信する形態もあり得る。
Among the ultrasonic waves propagating through the
検知部4は、超音波受信器2により直接波P1が受信された時間と、超音波受信器2により反射波P4が受信された時間との差(時間差)に基づいて、薄板3の近傍に存在する物体Oを検知する。より具体的には、検知部4は、上記時間差に基づいて、薄板3と、薄板3の近傍に存在する物体Oとの間の距離を検知する。これは、「薄板3の近傍に存在する物体Oを検知する」という概念に含まれる。なお、本実施形態では、超音波受信器2と検知部4とは一体に構成されているが、これに限らず、検知部4が独立して(個別に)設けられる形態であってもよい。
The
ところで、上述した超音波センサの構成では、空間送信波P2の信号レベルが高いほど、より遠くの物体Oまで検知することができるため、物体Oを検知することが可能な範囲を拡大することができる。しかしながら、直接波P1の信号レベルは伝搬路31を伝搬するにつれて減衰していくため、超音波送信器1から離れるほど、伝搬路31から放射される空間送信波P2の信号レベルは低下することになる。そのため、検知範囲の拡大を図るためには、空間送信波P2の信号レベルの減衰量を抑えることが要求される。
By the way, in the configuration of the ultrasonic sensor described above, the higher the signal level of the spatially transmitted wave P2, the more distant the object O can be detected, so that the range in which the object O can be detected can be expanded. it can. However, since the signal level of the direct wave P1 is attenuated as it propagates through the
そこで、本実施形態の超音波センサでは、超音波送信器1から送信された超音波の信号レベルの減衰量を抑えるため、伝搬路31の長手方向の両端部の間、つまり超音波送信器1と超音波受信器2との間に、伝搬路31から当該伝搬路31の短手方向に突出した凸状部32を設けている。
Therefore, in the ultrasonic sensor of the present embodiment, in order to suppress the amount of attenuation of the signal level of the ultrasonic wave transmitted from the
凸状部32は、凸状部32に流入した超音波を共振させることが可能な形状を有する。具体的には、凸状部32は、直接波P1の伝搬方向となる伝搬路31の長手方向に垂直な対向する二つの辺32a、32bを有して形成される。図1では、凸状部32の形状を略矩形とした例を示している。また、図1では、伝搬路31の長手方向に対して線対称となるように、上下一対の凸状部32を設けた例を示している。なお、凸状部32は、伝搬路31と同様に、薄板3において制振材が塗布されていない非塗布領域によって形成される。
The
ここで、凸状部32の幅、つまり辺32a、32b間の長さは、超音波送信器1が送信する超音波の半波長の整数倍(例えば、10倍等)となっている。また、凸状部32の高さ、つまり辺32a、32bの高さは、特に問わないものとするが、超音波センサの使用環境等に応じて適切な長さを設定することが好ましい。以下、凸状部32の作用・効果について説明する。
Here, the width of the
上述したように、超音波送信器1から送信された超音波は、直接波P1として伝搬路31を伝搬するとともに、空間送信波P2として空気中に放射される。このとき、伝搬路31を伝搬する直接波P1の一部は、図3に示すように、伝搬路31上に設けられた凸状部32に流入する。ここで、図3は、凸状部32に流入する超音波(直接波P1)の状態を模式的に示す図である。
As described above, the ultrasonic wave transmitted from the
図3に示すように、凸状部32に流入した直接波P1は、凸状部32内で反射する。具体的には、凸状部32に流入した直接波P1は、凸状部32の対向する二つの辺32a、32bの間で反射(固定端反射)を繰り返す。つまり、辺32a、32bの間では、一方の辺で反射された直接波P1が再びもう一方の辺で反射される。そして、この繰り返し反射の過程で直接波P1が共振することで、直接波P1の信号レベルが増幅される。なお、凸状部32の幅は超音波送信器1が送信する超音波の半波長の整数倍の長さとなっているため、共振により信号レベルが増幅した直接波P1は、元の直接波P1の波形を乱すことはなく同位相となる。
As shown in FIG. 3, the direct wave P1 that has flowed into the
これにより、伝搬路31上での凸状部32からは、信号レベルが増幅された超音波が、空気中に放射される(図2参照)。より詳細には、凸状部32の位置から放射される超音波は、凸状部32内での反射により多方向に指向性を有するため、超音波送信器1の位置で空気中に放射される超音波と同様に空気中の四方に放射される。また、凸状部32内で信号レベルが増幅された超音波が、伝搬路31に戻り超音波受信器2の方向に伝搬していくことで、空間送信波P2として放射角θで空気中に放射される。
As a result, the ultrasonic wave whose signal level is amplified is radiated into the air from the
このように、凸状部32は、平面的な共振器として機能することで、空間送信波P2の信号レベルを増幅させる。したがって、伝搬路31上に凸状部32を設けることで、凸状部32の設置位置に新たな超音波送信器1を追加したのと同様の効果を奏することができる。
In this way, the
また、物体Oで反射され伝搬路31に戻った反射波P4についても、当該反射波P4が凸状部32に流入することで、上記した直接波P1と同様に信号レベルが増幅される。つまり、凸状部32は、反射波P4の信号レベルを増幅させる増幅器としても機能する。これにより、超音波受信器2は、信号レベルが増幅された反射波P4を受信することができるため、反射波P4の受信感度を向上させることができる。
Further, the reflected wave P4 reflected by the object O and returned to the
図4は、凸状部32による信号レベルの増幅効果を説明するための図である。図4において、縦軸は超音波の信号レベル(mV)を示しており、横軸は超音波送信器1からの距離(mm)を示している。ここで、信号レベルは、薄板3の表面3aから一定の離間距離を維持したまま、超音波送信器1が設けられた一端側から超音波受信器2が設けられた他端側に向けて計測装置を移動させた際の計測結果である。
FIG. 4 is a diagram for explaining the signal level amplification effect by the
また、実線で表したグラフG1は、本実施形態の超音波センサでの信号レベルの計測結果を示しており、破線で表したグラフG2は、伝搬路31から凸状部32を取り除いた構成(以下、比較例)での信号レベルの計測結果を示している。なお、超音波送信器1の駆動に係る条件は、グラフG1とグラフG2とで同一である。
Further, the graph G1 represented by the solid line shows the measurement result of the signal level in the ultrasonic sensor of the present embodiment, and the graph G2 represented by the broken line is the configuration in which the
グラフG2に示すように、凸状部32を設けていない比較例の場合、伝搬路31から放射された超音波(空間送信波P2)の信号レベルは、超音波送信器1の設置位置から離間するにつれて低下していく。
As shown in the graph G2, in the case of the comparative example in which the
一方、グラフG1に示すように、本実施形態の超音波センサでは、伝搬路31から放射された超音波(空間送信波P2)の信号レベルは、比較例と同様に超音波送信器1の設置位置から離間するにつれて低下していくが、凸状部32による増幅効果により、凸状部32の設置位置付近で信号レベルが上昇する。そして、凸状部32で上昇したグラフG1の信号レベルは、グラフG2よりも高い信号レベルを維持したまま、凸状部32から離間するにつれて低下していく。
On the other hand, as shown in the graph G1, in the ultrasonic sensor of the present embodiment, the signal level of the ultrasonic wave (spatial transmission wave P2) radiated from the
このように、本実施形態の超音波センサでは、凸状部32を設けていない比較例の構成と比較し、空間送信波P2の信号レベルの減衰量を抑えることができる。したがって、本実施形態の超音波センサでは、比較例の構成と比較し、より遠くの物体Oを検知することができるため、物体Oの検知範囲や検知感度を向上させることができる。
As described above, in the ultrasonic sensor of the present embodiment, the amount of attenuation of the signal level of the spatial transmission wave P2 can be suppressed as compared with the configuration of the comparative example in which the
なお、本実施形態の超音波センサでは、凸状部32内での超音波の繰り返し反射により残響が発生する可能性がある。繰り返し反射により発生した残響は物体Oの検知の妨げとなるため、検知精度を低下させる可能性がある。そこで、本実施形態の超音波センサでは、検知部4が凸状部32で発生した残響を検知対象から除外するための動作(制御)を行う。以下、検知部4の動作について説明する。
In the ultrasonic sensor of this embodiment, reverberation may occur due to repeated reflection of ultrasonic waves within the
図5は、超音波の送受信タイミングの一例を示す図である。図5では、超音波送信器1が送信する超音波(送信パルス)と、伝搬路31から空気中に放射される超音波(空間送信波P2)と、超音波受信器2が受信する超音波(受信波)とのタイミングを示している。
FIG. 5 is a diagram showing an example of transmission/reception timing of ultrasonic waves. In FIG. 5, the ultrasonic wave (transmission pulse) transmitted by the
まず、超音波送信器1は、タイミングT1で超音波を送信する。例えば、超音波送信器1は、58Khz、8パルス分の超音波を一定の間隔(送信パルス間隔B1)毎に送信する。超音波送信器1から送信された超音波のうち、伝搬路31を直接伝搬する直接波P1は、超音波受信器2に向かって伝搬していく。また、超音波送信器1から送信された超音波の一部は、伝搬路31を伝搬しながら空間送信波P2として空気中に放射される。
First, the
伝搬路31を伝搬する直接波P1の一部は、伝搬路31に設けられた凸状部32に流入する。そして、凸状部32での共振により信号レベルが増幅した超音波は、直接波P1として伝搬路31に戻ることで、信号レベルが増幅した空間送信波P2が空気中に放射(図中A1参照)される。また、共振により発生した残響PRも伝搬路31を伝搬していく。
Part of the direct wave P1 propagating in the
超音波受信器2は、伝搬路31を伝搬する直接波P1のうち、凸状部32に流入せずに到達した直接波P1をタイミングT2で受信する。次いで、超音波受信器2は、凸状部32の共振で発生した残響PRを受信する(タイミングT3からタイミングT4)。
The
一方、空気中に放射された空間送信波P2による物体Oからの反射波P4は、直接波P1や残響の後に、超音波受信器2に到達することになる。より詳細には、空気中を伝搬する超音波の速度(音速)は、金属の伝搬路31を伝搬する超音波の速度(音速)よりも遅く、また、物体Oにより反射される反射波P4の伝搬に係る距離(伝搬距離)は、伝搬路31を直接伝搬する直接波P1の伝搬距離よりも長くなる。そのため、超音波受信器2は、直接波P1や凸状部32で発生した残響PRを受信した後に、物体Oからの反射波P4を受信することになる。
On the other hand, the reflected wave P4 from the object O due to the spatially transmitted wave P2 radiated in the air reaches the
例えば、超音波送信器1と超音波受信器2との間の距離が800mm、伝搬路31中での調音波の音速が1300m/sであるとすると、超音波送信器1から送信された超音波(直接波P1)が超音波受信器2に到達するまでの時間、つまりタイミングT1からタイミングT2までの時間は、800/1300=0.6msとなる。また、超音波送信器1が送信する超音波の送信パルスが、58KHzの8パルスであるとすると、超音波受信器2が直接波P1を受信する時間、つまりタイミングT2からタイミングT3までの時間は、1/(58×8)=0.14msとなる。そして、凸状部32内で発生する残響PRの信号長、つまりタイミングT3からタイミングT4までの時間が0.86msであるとすると、これらタイミングT1からタイミングT4までの時間1.6msが経過した後に、物体Oからの反射波P4を受信することになる。
For example, if the distance between the
なお、薄板3(伝搬路31)と物体Oとの間の距離が微小となる場合には、超音波受信器2が残響PRを受信するタイミングT3からタイミングT4までの間に、反射波P4が超音波受信器2に到達する可能性がある。例えば、超音波送信器1、物体O、超音波受信器2が同一面上に並んだような場合、つまり物体Oが伝搬路31に接しているような場合に、直接波P1と反射波P4との時間差が最も短くなるため、残響PRと反射波P4とを重複して受信する可能性がある。このような場合、残響PRと反射波P4との識別が困難となるため、誤検知等が発生する可能性がある。
When the distance between the thin plate 3 (propagation path 31) and the object O is small, the reflected wave P4 is generated between the timing T3 when the
そこで、検知部4は、上述したタイミングT1からタイミングT4までの期間のうち、少なくとも残響PRの受信に係るタイミングT3からタイミングT4までの期間を、反射波P4の検知を行わない無効期間に設定する。また、検知部4は、タイミングT4から、次に超音波送信器1から超音波の送信が行われるタイミングT1までの期間を、反射波P4の検知を行う有効期間に設定する。より詳細には、検知部4は、超音波送信器1の送信タイミングや、超音波受信器2が最初の直接波P1を受信したタイミングに同期することで、無効期間と有効期間とを切り替えながら反射波P4の検知を行う。なお、残響PRを受信する無効期間の長さは、例えば、実測することで導出してもよいし、超音波送信器1の駆動に係る条件、伝搬路31の素材や寸法、凸状部32の形状に係る特性等を考慮したシミュレーションにより導出してもよい。
Therefore, the
検知部4は、無効期間において、超音波受信器2が超音波(残響PR)を受信すると、その受信タイミングを物体検知に使用することなく、破棄等行うことで無効化する。一方、有効期間では、超音波受信器2が超音波(反射波P4)を受信すると、検知部4は、直接波P1が受信されたタイミングT2と、この反射波P4が受信されたタイミングとの差分(時間差)に基づき、薄板3の近傍に存在する物体Oを検知する。ここで、時間差は、薄板3の表面近傍の空気中に放射される空間送信波P2が物体Oに反射して戻ってくるまでの時間に相当する。空気中の超音波の音速は340m/sであるので、これらを乗算することで、薄板3から物体Oまでの往復の距離を算出することができ、薄板3から物体Oまでの距離を検知できる。つまり、タイミングT2からの時間経過が短い反射波ほど、伝搬路31と物体Oとの離間距離が近いことを意味する。なお、検知部4は、有効期間のうちで最先に受信された反射波P4の受信タイミングに基づき物体Oの検知を行うものとする。
When the
例えば、タイミングT5で反射波P4を受信した場合の物体Oと、タイミングT7で反射波P4を受信した場合の物体Oとでは、タイミングT5で反射波P4受信した物体Oの方が伝搬路31に近い場所に位置する。ここで、直接波P1と反射波P4との時間差は、薄板3から物体Oまでの距離を超音波が往復する時間となる。
For example, regarding the object O when the reflected wave P4 is received at the timing T5 and the object O when the reflected wave P4 is received at the timing T7, the object O that receives the reflected wave P4 at the timing T5 is on the
なお、本実施形態の構成では、無効期間(実質的にはタイミングT1の直後からタイミングT4)の間は受信結果を無効化するため、無効期間の長さに応じて、物体Oを検知することが可能な最小の距離(最小検知距離)が決まる。具体的には、直接波P1が超音波受信器2に到達するタイミングT1からタイミングT2までの時間をt1、タイミングT1からタイミングT4までの時間をt2とすると、最小検知距離X(m)は、下記式(1)から導出することができる。
t1+(X/340)×2>t2 …(1)
例えば、t1=0.6ms、t2=1.6msとすると、最小検知距離Xを大凡20cm程度とすることができる。
In the configuration of the present embodiment, since the reception result is invalidated during the invalid period (substantially immediately after the timing T1 to the timing T4), the object O is detected according to the length of the invalid period. The minimum possible distance (minimum detection distance) is determined. Specifically, when the time from the timing T1 to the timing T2 when the direct wave P1 reaches the
t1+(X/340)×2>t2 (1)
For example, if t1=0.6 ms and t2=1.6 ms, the minimum detection distance X can be set to about 20 cm.
また、物体Oから反射される反射波P4は、超音波送信器1から凸状部32の間に空気中に放射された空間送信波P2に対応する反射波P4aと、凸状部32から空気中に放射された空間送信波P2に対応する反射波P4bと、凸状部32を過ぎた後に空気中に放射された空間送信波P2に対応する反射波P4cとに大別される。これらの反射波P4a〜P4cは伝搬路31に戻ることで、超音波受信器2で受信されるが、伝搬路31と物体Oとの離間距離や物体Oの位置によっては、反射波P4a〜P4cの何れか又は全てが合成された反射波(合成反射波P4’)が超音波受信器2で受信される場合がある。より具体的には、伝搬路31から空気中に放射される超音波(空間送信波P2)は一定の放射角θで空気中に放射されるため、伝搬路31上での異なる位置から放射された空間送信波P2がほぼ同時に物体Oに当たると、反射波P4a〜P4cの何れか又は全てが合成されることになる。
The reflected wave P4 reflected from the object O is a reflected wave P4a corresponding to the spatial transmission wave P2 radiated into the air between the
図5の例では、タイミングT6で受信された反射波が、上記3つの反射波P4a〜P4cが合成された合成反射波P4’を示している。なお、合成反射波P4’が受信された場合であっても、通常の反射波P4が受信された時と同様に処理を行うことで、直接波P1が受信されたタイミングT2と、合成反射波P4’が受信されたタイミングT6との差分(時間差)から物体Oを検知することができる。 In the example of FIG. 5, the reflected wave received at the timing T6 shows a combined reflected wave P4' obtained by combining the above three reflected waves P4a to P4c. Even when the synthetic reflected wave P4′ is received, the same processing as when the normal reflected wave P4 is received is performed, so that the timing T2 when the direct wave P1 is received and the synthetic reflected wave P4′ are received. The object O can be detected from the difference (time difference) from the timing T6 when P4′ is received.
以上に説明したように、本実施形態では、パルス状の超音波を送信して伝搬路31を励振させ、その励振された伝搬路31を伝搬する超音波のうち、伝搬路31のみを伝搬する直接波P1が受信された時間と、伝搬路31を伝搬する超音波のうち、外部に放射されて物体Oで反射した後に伝搬路31に戻ってくる反射波P4が受信された時間との差に基づいて、伝搬路31の近傍に存在する物体Oを検知する。
As described above, in the present embodiment, pulsed ultrasonic waves are transmitted to excite the
これにより、伝搬路31の表面の全面を覆うように超音波を放射することができるため、伝搬路31の全面にわたって、超音波送信器1と超音波受信器2との組をそれぞれ含む複数の超音波センサを2次元的に配列する必要は無い。したがって、物体検知に必要な超音波センサの数を少なくすることができる。また、製造コストを低減しつつ、超音波センサが設置される部位の外観デザイン向上を図ることができる。特に、超音波センサが、車両のドアの近傍の物体を検知することを目的とする場合(要するに、上記薄板3が車両のドアである場合)、車両のドアの表面から超音波センサが露出していると、車両の外観デザインが大きく損なわれてしまう。そのため、以上に説明した本実施形態の超音波センサは、車両のドアの近傍の物体を検知する目的で利用される場合(上記薄板3が車両のドアである場合)において格別に有効である。
Thereby, since it is possible to radiate ultrasonic waves so as to cover the entire surface of the
また、本実施形態では、超音波送信器1と超音波受信器2との間に設けられた凸状部32により、外部に放射される空間送信波P2や、物体Oで反射した反射波P4の信号レベルを増幅する。これにより、本実施形態の超音波センサでは、空間送信波P2や反射波P4の信号レベルを上げることができるため、比較例の構成では検知できない範囲に存在する物体Oを検知することができる。したがって、本実施形態の超音波センサでは、物体の検知能力の向上を図ることができる。
In addition, in the present embodiment, the
また、検知部4は、超音波受信器2が受信した超音波のうち、凸状部32での共振により発生した残響成分を除外して、伝搬路31の近傍に存在する物体Oを検知する。これにより、検知部4は、不要なノイズが除去された信号に基づいて物体Oの検知を行うことができるため、物体Oの検知精度を向上させることができる。
Further, the
(変形例1)
上記実施形態では、超音波送信器1と超音波受信器2との間に一組の凸状部32を設置したが、例えば、図6に示すように、複数組の凸状部32を設置してもよい。図6の構成とした場合、凸状部32毎に超音波の信号レベルを増幅させることができるため、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
(Modification 1)
In the above-described embodiment, a set of
(変形例2)
上記実施形態では、伝搬路31の長辺方向の中心線に対して線対称となる位置に凸状部32を設置したが、例えば、図7に示すように、非線対称となる位置に凸状部32を設置してもよい。図7の構成としても、伝搬路31を伝搬する超音波の信号レベルを凸状部32で増幅させることができるため、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
(Modification 2)
In the above-described embodiment, the
(変形例3)
上記実施形態では、凸状部32を略矩形状としたが、当該凸状部32内で超音波を共振させることが可能な形状であればこれに限らない。例えば、図8や図9に示すように、多角形や曲線を含んで凸状部32を形成してもよい。図8、図9の構成としても、伝搬路31を伝搬する超音波の信号レベルを凸状部32で増幅させることができるため、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
(Modification 3)
In the above embodiment, the
(変形例4)
上記実施形態では、凸状部32の幅の長さを、超音波送信器1が送信する超音波の半波長の整数倍としたが、これに限らず、非整数倍としてもよい。凸状部32の幅の長さを半波長の非整数倍とした場合、凸状部32の幅の長さを半波長の整数倍とした場合とは、凸状部32内で反射する超音波間の干渉状態が相違する。そのため、凸状部32で信号レベルが増幅された超音波を、半波長の整数倍としたときの放射角θとは異なる角度で、空気中に超音波を放射させることができる。これにより、例えば、一の放射角では検知が困難な位置に存在する物体Oを、他の放射角で放射された超音波により検知することができる。したがって、本変形例の構成を採用することで、検知範囲の拡大を図ることができる。
(Modification 4)
In the above-mentioned embodiment, the length of the width of the
(変形例5)
上記実施形態では、超音波送信器1から送信される超音波の波長を固定値としたが、変化させる形態としてもよい。この場合、超音波送信器1は、予め定められた一定の周期で送信する超音波の波長を周期的に変化させることで、凸状部32内で反射する超音波間の干渉状態を一定の周期で変化させる。したがって、本変形例の構成を採用することで、変形例4と同様の効果を奏することができる。
(Modification 5)
In the above embodiment, the wavelength of the ultrasonic wave transmitted from the
(変形例6)
上記実施形態では、反射波P4の検知を行わない無効期間を、タイミングT3からタイミングT4までの期間としたが、タイミングT2からタイミングT4までの期間又はタイミングT1の直後からタイミングT4までの期間とする形態としてもよい。この場合においても、不要なノイズ(残響)が除去された信号に基づいて物体Oの検知を行うことができるので、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
(Modification 6)
In the above embodiment, the invalid period in which the reflected wave P4 is not detected is the period from the timing T3 to the timing T4, but is the period from the timing T2 to the timing T4 or the period immediately after the timing T1 to the timing T4. It may be in the form. Even in this case, since the object O can be detected based on the signal from which unnecessary noise (reverberation) is removed, the same effect as that of the above embodiment can be obtained.
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。本実施形態は、上述の各実施形態で説明した超音波センサを利用する車両制御システムの実施形態である。車両制御システムは、車両に搭載される制御システムである。図10は、本実施形態の車両制御システムの概略構成の一例を示す図である。図10に示すように、車両制御システムは、超音波センサ100と、車両制御部110と、を備え、これらは、例えばCAN(Controller Area Network)などの車載ネットワークを介して接続される。ただし、これに限らず、例えば有線を介して接続される形態であっても構わない。超音波センサ100は、上述の実施形態の超音波センサを適用することができる。超音波センサ100は、上述の超音波送信器1、上述の超音波受信器2及び上述の検知部4を備えている。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment will be described. The present embodiment is an embodiment of a vehicle control system using the ultrasonic sensor described in each of the above embodiments. The vehicle control system is a control system mounted on a vehicle. FIG. 10 is a diagram showing an example of a schematic configuration of the vehicle control system of the present embodiment. As shown in FIG. 10, the vehicle control system includes an
車両制御部110は、例えばECU(Engine Control Unit)であり、超音波センサ100による検知結果を用いて、車両を制御する。この例では、車両制御部110は、超音波センサ100による検知結果から、ドアから10cmの距離に障害物(物体O)が存在するか否かを判断する。ドアから10cmの距離に障害物が存在すると判断した場合、車両制御部110は、ドアの開放動作を停止させる制御(それ以上ドアが解放されることを防止するための制御)を行い、ドアが障害物に衝突することを回避する。
The
なお、車両制御部110による制御は上記の例に限られるものではない。例えば車両の前方の左右又は後方の左右のコーナーの外装面を上記薄板3として超音波センサ100を設置する形態において、車両制御部110は、超音波センサ100による検知結果から、コーナー(薄板3)から10cmの距離に障害物(物体O)が存在するか否かを判断する形態であってもよい。そして、コーナーから10cmの距離に障害物が存在すると判断した場合、車両制御部110は、車両が障害物に衝突することを回避するよう、車両の走行を制御する形態であってもよい。要するに、車両制御部110は、超音波センサ100による検知結果を用いて車両を制御する形態であればよく、その制御の形態は任意に変更可能である。
The control by the
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。 Although the embodiment according to the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and constituent elements can be modified and embodied at the stage of implementation without departing from the scope of the invention. Further, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above-described embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment.
また、上述の各実施形態及び変形例は、任意に組み合わせることができる。 Further, the above-described respective embodiments and modified examples can be arbitrarily combined.
1 超音波送信器
2 超音波受信器
3 薄板
31 伝搬路
32 凸状部
4 検知部
100 超音波センサ
110 車両制御部
P1 直接波
P2 空間送信波
P3 反射波
P4 反射波
1
Claims (9)
前記伝搬路の長手方向の一端側に設けられ、パルス状の超音波を送信して前記伝搬路を励振させる超音波送信器と、
前記伝搬路の長手方向の他端側に設けられ、前記パルス状の超音波により励振された前記伝搬路を伝搬する超音波のうち、前記伝搬路のみを伝搬する直接波と、外部に放射されて物体で反射された後に前記伝搬路に戻ってくる反射波とを受信する超音波受信器と、
前記伝搬路の長手方向の両端部の間に設けられ、前記伝搬路から当該伝搬路の短手方向に突出した凸状部と、
前記超音波受信器により前記直接波が受信された時間と、前記超音波受信器により前記反射波が受信された時間との差に基づいて、前記伝搬路の近傍に存在する物体を検知する検知部と、
を備える超音波センサ。 A substantially rectangular propagation path formed of a thin plate,
An ultrasonic transmitter that is provided on one end side in the longitudinal direction of the propagation path and transmits pulsed ultrasonic waves to excite the propagation path,
Provided on the other end side in the longitudinal direction of the propagation path, among the ultrasonic waves propagating in the propagation path excited by the pulsed ultrasonic waves, a direct wave propagating only in the propagation path and radiated to the outside. An ultrasonic receiver that receives a reflected wave that returns to the propagation path after being reflected by an object,
Provided between both ends in the longitudinal direction of the propagation path, a convex portion protruding from the propagation path in the lateral direction of the propagation path,
Detection for detecting an object existing in the vicinity of the propagation path based on the difference between the time when the direct wave is received by the ultrasonic receiver and the time when the reflected wave is received by the ultrasonic receiver Department,
An ultrasonic sensor including.
請求項1乃至7の何れか一項に記載の超音波センサ。 The thin plate is a vehicle door,
The ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 7.
前記超音波センサによる検知結果を用いて、車両を制御する車両制御部と、を備える、
車両制御システム。 The ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 8,
A vehicle control unit that controls the vehicle by using the detection result of the ultrasonic sensor;
Vehicle control system.
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