(57)【要約】【課題】対象物の検出位置精度が高い対象物位置検出センサを提供する。【解決手段】検出器１は、反射波Ｒを受信する超音波センサ１１〜１５を含むセンサ群、反射波Ｒの位相に基づいて障害物Ｔの位置を検出する制御部８とを備え、超音波センサ１１〜１５はそれぞれ、同じ向きに送受波面Ｓを向けられており、かつ、直線状に配設されており、超音波センサ１１，１２間の距離が超音波センサ１２，１３間の距離を超える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に反射した超音波の反射波を受信する３つ以上の複数の超音波センサを含むセンサ群と、
前記センサ群が受信したそれぞれの前記反射波の位相に基づいて前記対象物の位置を検出する検出部とを備え、
前記センサ群における前記複数の超音波センサはそれぞれ、同じ向きに受波面を向けられており、かつ、直線状に配設されており、
前記センサ群における、任意の２つの前記超音波センサを一つの組と定義した場合、ある一組の２つの前記超音波センサ間の距離である第一のセンサ間距離が他の一組の２つの前記超音波センサ間の距離である第二のセンサ間距離を超える対象物位置検出センサ。
【請求項２】
前記検出部は、前記対象物の位置として、前記受波面が向けられた向きを基準として前記直線状に配設されている方向に反れる角度θを検出するように設定されており、
前記検出部における前記角度θの検出範囲が、前記受波面が向けられた向きを基準として角度θｍａｘから角度−θｍａｘに設定されている場合に、
前記角度θｍａｘ、前記反射波の波長λ、及び前記第一のセンサ間距離と前記第二のセンサ間距離との差分αの関係が、下記式（１）を満たす請求項１に記載の対象物位置検出センサ。
λ≧２・α・ｓｉｎ（θｍａｘ）      式（１）
【請求項３】
前記センサ群は、第一の超音波センサ、第二の超音波センサ、及び第三の超音波センサからなり、
前記第一の超音波センサと前記第二の超音波センサとが前記ある一組を構成し、前記第二の超音波センサと前記第三の超音波センサとが前記他の一組を構成する請求項１または２に記載の対象物位置検出センサ。
【請求項４】
前記センサ群における前記複数の超音波センサのそれぞれの前記受波面の重心が直線上に配設されている請求項１から３のいずれか一項に記載の対象物位置検出センサ。
【請求項５】
前記センサ群として、第一方向に沿い前記３つ以上の超音波センサが配設された第一センサ群と、前記第一方向に交差する第二方向に沿い前記３つ以上の超音波センサが配設された第二センサ群と、を含み、
前記検出部は、前記第一方向における前記対象物の位置と、前記第二方向における前記対象物の位置とを検出する請求項１から４のいずれか一項に記載の対象物位置検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物位置検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、障害物検出装置（本願の対象物位置検出センサに対応）が記載されている。この障害物検出装置は、まず、複数の受信部（超音波センサの一例）で受信した反射波の包絡線波を求めてそれぞれの頂点時刻を判別し、立ち上がり推測値を求める。そして、各包絡線波の頂点時刻の関係に基づいて、候補となる包絡線波の組合せを選定する。更に、算定した組合せに対応する立ち上がり推測値に基づいて、候補となる障害物（本願の対象物に対応）の位置を算定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３２２２２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、超音波センサで受信した反射波の包絡線から立ち上がり推測値を求める場合、求めた立ち上がり推測値の誤差が大きくなりやすい。そのため、対象物の検出位置精度が悪くなる問題があった。包絡線に代えて複数の超音波センサで受信した反射波の位相差を用いて対象物の位置を検出する場合には、超音波センサの寸法上（直径）の問題から位相差が一周期を超えてしまうため、そのままでは精度の高い検出は困難である。そこで、対象物の検出位置精度が高い対象物位置検出センサの提供が望まれる。
【０００５】
本発明は、かかる実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、対象物の検出位置精度が高い対象物位置検出センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明に係る対象物位置検出センサの特徴構成は、対象物に反射した超音波の反射波を受信する３つ以上の複数の超音波センサを含むセンサ群と、前記センサ群が受信したそれぞれの前記反射波の位相に基づいて前記対象物の位置を検出する検出部とを備え、前記センサ群における前記複数の超音波センサはそれぞれ、同じ向きに受波面を向けられており、かつ、直線状に配設されており、前記センサ群における、任意の２つの前記超音波センサを一つの組と定義した場合、ある一組の２つの前記超音波センサ間の距離である第一のセンサ間距離が他の一組の２つの前記超音波センサ間の距離である第二のセンサ間距離を超える点にある。
【０００７】
上記構成によれば、センサ群における、第一のセンサ間距離が第二のセンサ間距離を超えている。これにより、第一のセンサ間距離から第二のセンサ間距離を差し引いた差分（以下、差分αと称する）と、一方の一組の超音波センサ間における反射波の位相差から他方の一組の超音波センサ間における反射波の位相差を差し引いた位相差の差分（以下、組間位相差と称する）とに基づいて、対象物からの反射波につき、受波面が向けられた向きに沿う方向と、複数の超音波センサの配列された方向（以下、配列方向と記載する）とに沿う仮想面における超音波センサへの入射角度を、対象物の方向として検出することができる。このように位相差に基づいて対象物の方向を検出することで、検出位置精度を高めることができる。
【０００８】
なお、対象物位置検出センサと対象物との距離は、超音波センサにより超音波を送信し、その反射波を受信して、超音波を送信してから反射波を受信するまでの時間と音速とに基づいて障害物までの距離を測定するいわゆるタイム・オブ・フライト（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ、ＴＯＦ）法により求めることができる。したがって、上記構成によれば、対象物の方向と対象物との距離とにより、対象物の位置を検出することができる。
【０００９】
以下では、上記仮想面における反射波の入射角度につき、受波面が向けられた向きに沿う方向から複数の超音波センサの配列された方向（以下、配列方向と記載する）に反れる角度を、角度θと記載する場合がある。
【００１０】
本発明に係る対象物位置検出センサの更なる特徴構成は、前記検出部は、前記対象物の位置として、前記受波面が向けられた向きを基準として前記直線状に配設されている方向に反れる角度θを検出するように設定されており、前記検出部における前記角度θの検出範囲が、前記受波面が向けられた向きを基準として角度θｍａｘから角度−θｍａｘに設定されている場合に、前記角度θｍａｘ、前記反射波の波長λ、及び前記第一のセンサ間距離と前記第二のセンサ間距離との差分αの関係が、下記式（１）を満たす点にある。
λ≧２・α・ｓｉｎ（θｍａｘ）      式（１）
【００１１】
組間位相差の絶対値が１８０°を超えると、差分αと組間位相差とのみに基づいて角度θを求めることができないが、上記構成によれば、組間位相差の絶対値が１８０°以下になるため、差分αと組間位相差とのみに基づいて角度θを求めることができる。
【００１２】
本発明に係る対象物位置検出センサの更なる特徴構成は、前記センサ群は、第一の超音波センサ、第二の超音波センサ、及び第三の超音波センサからなり、前記第一の超音波センサと前記第二の超音波センサとが前記ある一組を構成し、前記第二の超音波センサと前記第三の超音波センサとが前記他の一組を構成する点にある。
【００１３】
上記構成によれば、第一の超音波センサ、第二の超音波センサ、及び第三の超音波センサの高々３つのセンサのみで、正確に角度θを求めることができる。
【００１４】
本発明に係る対象物位置検出センサの更なる特徴構成は、前記センサ群における前記複数の超音波センサのそれぞれの前記受波面の重心が直線上に配設されている点にある。
【００１５】
上記構成のごとく超音波センサのそれぞれの受波面の重心を直線上に配設することで、角度θを求める場合の精度が向上する。
【００１６】
本発明に係る対象物位置検出センサの更なる特徴構成は、前記センサ群として、第一方向に沿い前記３つ以上の超音波センサが配設された第一センサ群と、前記第一方向に交差する第二方向に沿い前記３つ以上の超音波センサが配設された第二センサ群と、を含み、
前記検出部は、前記第一方向における前記対象物の位置と、前記第二方向における前記対象物の位置とを検出する点にある。
【００１７】
上記構成によれば、対象物からの反射波につき、受波面が向けられた向きに沿う方向と、第一方向とに沿う仮想面における第一センサ群の超音波センサへの入射角度を、対象物の位置として検出することができる。また、対象物からの反射波につき、受波面が向けられた向きに沿う方向と、第二方向とに沿う仮想面における第二センサ群の超音波センサへの入射角度を、対象物の位置として検出することができる。これにより、第一方向と第二方向とにおける対象物の位置を検出できる。
【発明の効果】
【００１８】
対象物の検出位置精度が高い対象物位置検出センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】検出器の全体構成を示す図
【図２】センサ本体における超音波センサの配列を示す図
【図３】第一センサ群における反射波の受信と障害物Ｔの位置検出を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１から図３に基づいて、本発明の実施形態に係る対象物位置検出センサついて説明する。
【００２１】
〔検出器の構成について〕
図１には、対象物位置検出センサの一例として障害物Ｔ（対象物の一例）の検出器１の全体構成を示している。検出器１は、一例として、車両（図示せず）の障害物検出器として用いられる。検出器１は、超音波センサ１１，１２，１３，１４，１５（複数の超音波センサの一例、以下、超音波センサ１１〜１５と記載する）が配設されたセンサ本体２と、制御部８（検出部の一例）や、所定の電気信号を発信および受信する送受波回路（図示せず）を有する制御本体９とを備えている。超音波センサ１１〜１５のうちのいずれか一つを意味する場合、単に、センサと記載する。
【００２２】
超音波センサ１１〜１５は、超音波振動子（図示せず）と、超音波振動子が発信した超音波Ｗを外部へ発信し、外部の超音波（例えば、超音波Ｗの反射波Ｒ）を受信する振動板（図示せず）の送受波面Ｓ（受波面の一例）などを備えている。超音波センサ１１〜１５は、制御本体９から送信される電気信号に対応する所定の波長λ（所定の周波数）の超音波Ｗを外部に発信し、受信した反射波Ｒなどに対応する電気信号を制御本体９へ送信する。送受波面Ｓは、本実施形態では円形状である。本実施形態の超音波センサ１１〜１５はそれぞれ同一規格のものである。
【００２３】
超音波センサ１１〜１５は、一例として、円筒状の本体を有する。当該本体の直径は、一例として、１２ｍｍである。
【００２４】
超音波センサ１１〜１５が発信する超音波Ｗの所定の周波数は、一例として５８ｋＨｚである。この場合、音速を３４０ｍ／ｓｅｃと仮定すると、超音波Ｗの波長λは、約５．８６ｍｍである。以下では、超音波センサ１１〜１５が発信する超音波Ｗの波長λを、単に波長λと記載する。
【００２５】
センサ本体２は、超音波センサ１１〜１５が基板などに固定されたユニットである。センサ本体２では、超音波センサ１１〜１５が、それぞれの送受波面Ｓが同一の向きになるように配設されている。センサ本体２では、超音波センサ１１〜１５が、それぞれ所定の間隔を隔てて配設されている。
【００２６】
図２には、センサ本体２の超音波センサ１１〜１５を、送受波面Ｓが向く側から見た平面図であり、センサ本体２における超音波センサ１１〜１５の配列を示している。本実施形態では、超音波センサ１１〜１５は、防振ゴムなどの制振材１０で被覆された状態で基板などに固定されている。なお、制振材１０は、必須の部材では無い。
【００２７】
センサ本体２には、超音波センサ１１，１２，１３が第一方向に沿い配設されている。第一方向は、本実施形態では一例として、水平方向である。以下では、超音波センサ１１，１２，１３（それぞれ、第一の超音波センサ、第二の超音波センサ、及び第三の超音波センサの一例）の群を第一センサ群Ｇ１と称する。
【００２８】
また、センサ本体２には、超音波センサ１４，１２，１５（それぞれ、第一の超音波センサ、第二の超音波センサ、及び第三の超音波センサの他の一例）が第二方向に沿い配設されている。第二方向は、本実施形態では一例として、垂直方向である。以下では、超音波センサ１４，１２，１５の群を第二センサ群Ｇ２と称する。
【００２９】
図２中、仮想線Ａは、第一方向に沿う直線である。超音波センサ１１，１２，１３のそれぞれの送受波面Ｓの中心（重心）は、仮想線Ａと重複している。超音波センサ１１，１２間の距離（第一のセンサ間距離）は距離ｍに設定されており、超音波センサ１２，１３間の距離（第二のセンサ間距離）は距離ｎに設定されている。距離ｍは、距離ｎよりも大きく、その差は差分αである。距離ｍは例えば２３．６ｍｍであり、距離ｎは例えば２１．０ｍｍである。この場合、差分αは２．６ｍｍである。
【００３０】
図２中、仮想線Ｂは、第二方向に沿う直線である。超音波センサ１４，１２，１５のそれぞれの送受波面Ｓの中心（重心）は、仮想線Ｂと重複している。超音波センサ１４，１２間の距離は距離ｊに設定されており、超音波センサ１２，１５間の距離は距離ｋに設定されている。本実施形態では距離ｊは距離ｍと等しい。また、本実施形態では距離ｋは距離ｎと等しい。
【００３１】
センサ本体２は、超音波センサ１１〜１５の少なくとも一つのセンサ（本実施形態では一例として超音波センサ１２）が発信した超音波Ｗが障害物Ｔ（対象物の一例）に反射して生じた反射波Ｒを、超音波センサ１１〜１５の全てのセンサで受信する。超音波センサ１１〜１５は、反射波Ｒを受信すると、反射波Ｒに対応する電気信号を制御本体９（図１参照）に送信する。本実施形態では、一例として超音波センサ１２が発信した超音波Ｗの反射波Ｒを、超音波センサ１１〜１５の全てのセンサで受信するように構成されている。
【００３２】
超音波センサ１１〜１５は、それぞれ所定の間隔を隔てて配設されているため、障害物Ｔから超音波センサ１１〜１５のそれぞれまでの距離は、それぞれ異なる。そのため、超音波センサ１１〜１５はそれぞれ、反射波Ｒを異なるタイミングで受信する。具体的には、障害物Ｔから近いセンサほど、早いタイミングで反射波Ｒを受信する。一方、障害物Ｔから遠いセンサほど、遅いタイミングで反射波Ｒを受信する。そのため、超音波センサ１１〜１５が受信する反射波Ｒには、障害物Ｔと超音波センサ１１〜１５との距離に対応して位相ズレが生じる。
【００３３】
制御本体９は、制御部８の指令に基づいて、送受波回路により、センサ（一例として、超音波センサ１２）から所定の超音波Ｗを発信させるための電気信号を生成してセンサに送信する。制御本体９は、反射波Ｒの受信によりセンサから出力された電気信号を送受波回路に入力し、制御部８により当該電気信号から所定の情報を取得する。制御部８は、超音波センサ１１〜１５が受信した反射波Ｒの位相ズレを求め、これら位相ズレに基づいて、障害物Ｔの位置を検出する。
【００３４】
〔第一センサ群における検出について〕
図３に基づいて、第一センサ群Ｇ１における反射波Ｒの受信と、障害物Ｔの位置検出について説明する。図３には、超音波センサ１１，１２，１３、仮想線Ａ、超音波センサ１１，１２，１３の送受波面Ｓが向く方向に沿う、送受波面Ｓの軸心Ｐ、超音波センサ１１，１２，１３のそれぞれに入射する所定の波長の反射波Ｒが伝搬する軌跡である伝搬路ｒ、及び障害物Ｔを図示している。この説明では、説明の簡便のため、障害物Ｔの少なくとも一部が、仮想線Ａと軸心Ｐとを含む平面と重複する場合を図示して説明する。障害物Ｔが仮想線Ａと軸心Ｐとを含む平面と重複しない場合は、障害物Ｔ、伝搬路ｒ、及び伝搬路ｒでセンサに入射する超音波Ｗの反射波Ｒのそれぞれについては、これらを当該平面に正射影した場合におけるそれぞれの射影像に基づけばよい。
【００３５】
図３中、角度θは、伝搬路ｒと軸心Ｐとの交差角度である。すなわち、障害物Ｔは、第一センサ群Ｇ１から見て、軸心Ｐから仮想線Ａに沿う方向に角度θだけ反れた位置に存在している。
【００３６】
図３中、超音波センサ１１と超音波センサ１２との組（ある一組の一例）につき、障害物Ｔに対する超音波センサ１１の距離と、障害物Ｔに対する超音波センサ１２の距離との差を距離差ｄ１２と定義する。なお、距離差ｄ１２は、ｍ・ｓｉｎθに等しい。
【００３７】
図３中、超音波センサ１２と超音波センサ１３との組（他の一組の一例）につき、障害物Ｔに対する超音波センサ１２の距離と、障害物Ｔに対する超音波センサ１３の距離との差を距離差ｄ２３と定義する。なお、距離差ｄ２３は、ｎ・ｓｉｎθに等しい。
【００３８】
距離差ｄ１２はｍ・ｓｉｎθに等しく、距離差ｄ２３はｎ・ｓｉｎθに等しいため、距離差ｄ１２と距離差ｄ２３との差を相対距離差と定義した場合、距離ｍと距離ｎの差は差分αなので、相対距離差は、α・ｓｉｎθに等しい。
【００３９】
検出器１では、検出器１における角度θの検出範囲が角度θｍａｘから角度−θｍａｘに設定されている場合に、波長λ、角度θｍａｘ、及び差分αの関係が、下記式（１）を満たすように設定されている。
λ≧２・α・ｓｉｎ（θｍａｘ）      式（１）
【００４０】
つまり、検出器１では、検出器１における角度θの検出範囲において、相対距離差の絶対値の最大値が１／２λ以下になるように設定されている。
【００４１】
本実施形態における検出器１では、一例として、角度θｍａｘを９０°に設定している。すなわち、検出器１における角度θの検出範囲を９０°から−９０°に設定しており、ｓｉｎ（θｍａｘ）の値は、１である。上述のごとく、本実施形態における差分αは２．６ｍｍであり、波長λは約５．８６ｍｍであるから、差分αは１／２λ以下、すなわち波長λは差分αの二倍以上となり、上記式（１）を満たしている。
【００４２】
超音波センサ１１に受信された反射波Ｒの位相と超音波センサ１２に受信された反射波Ｒの位相との位相差（ただし、−９０°から９０°）を以下では第一位相差と定義する。また、超音波センサ１２に受信された反射波Ｒの位相と超音波センサ１３に受信された反射波Ｒの位相との位相差（ただし、−９０°から９０°）を以下では第二位相差と定義する。さらに、第一位相差と第二位相差との差を組間位相差と定義する。この場合、上述のごとく、検出器１では相対距離差の絶対値の最大値が１／２λ以下になるように設定されているため、組間位相差を求めると、−１８０°から１８０°以下（組間位相差の絶対値が１８０°以下）になる。
【００４３】
組間位相差が求まると、相対距離差は、λ・（組間位相差／３６０°）で得られる。相対距離差はα・ｓｉｎθに等しく、差分αは既知であるため、差分αと相対距離差とにより角度θを求めることができる。
【００４４】
制御部８は、既知の差分αと、超音波センサ１１，１２，１３がそれぞれ受信した反射波Ｒの位相から相対距離差を求め、差分αと相対距離差とにより、障害物Ｔの位置として、軸心Ｐと仮想線Ａとに重複する平面上において第一センサ群Ｇ１から見て、障害物Ｔが軸心Ｐから仮想線Ａに沿う方向に反れた角度θを求める。
【００４５】
〔第二センサ群における検出について〕
第二センサ群Ｇ２における検出は、第一センサ群Ｇ１における検出と同様に行う。第二センサ群Ｇ２では、第一センサ群Ｇ１における超音波センサ１１，１２，１３を第二センサ群Ｇ２における超音波センサ１４，１２，１５に置き換えた場合と同様である。
【００４６】
制御部８は、第二センサ群Ｇ２における既知の差分αと、超音波センサ１４，１２，１５がそれぞれ受信した反射波Ｒの位相から第二センサ群Ｇ２における相対距離差を求め、第一センサ群Ｇ１の場合と同様に、障害物Ｔの位置として、軸心Ｐと仮想線Ｂとに重複する平面上において第二センサ群Ｇ２から見て、障害物Ｔが軸心Ｐから仮想線Ｂに沿う方向に反れた角度を求める。
【００４７】
このようにして、制御部８は、軸心Ｐ、仮想線Ａ、及び仮想線Ｂの三軸で定義される空間での障害物Ｔの位置を求める。
【００４８】
以上のようにして、検出位置精度が高い対象物位置検出センサを提供することができる。すなわち、検出器１は、超音波センサの直径が大きくてセンサ間距離を小さくすることができない場合にも、組間位相差を利用して角度θを検出可能であり、超音波センサを近接して配設したのと同じ効果を得ることができる。また、検出器１は、位相差により角度θを検出するため、例えば特許文献１に記載されるような、包絡線を用いて障害物Ｔの位置を検出する装置よりも、高い検出精度で障害物Ｔの位置を検出することができる。
【００４９】
〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、センサ本体２には超音波センサ１１〜１５が配設されている場合を例示して説明した。しかし、センサ本体２は、少なくとも超音波センサ１１，１２，１３（第一センサ群Ｇ１）、もしくは超音波センサ１４，１２，１５（第二センサ群Ｇ２）を備えていればよい。
【００５０】
（２）上記実施形態では、第一センサ群Ｇ１は超音波センサ１１，１２，１３の群である場合を例示して説明したが、第一センサ群Ｇ１として、４つ以上のセンサを含めてもよい。第二センサ群Ｇ２についても同様である。
【００５１】
（３）上記実施形態では、第一センサ群Ｇ１や第二センサ群Ｇ２のセンサの送受波面Ｓの中心（重心）が、仮想線Ａや仮想線Ｂと重複している場合を説明した。しかし、第一センサ群Ｇ１や第二センサ群Ｇ２のセンサの送受波面Ｓが少なくとも仮想線Ａや仮想線Ｂと重複して直線状に配設されていれば足りる。
【００５２】
（４）上記実施形態では、特に角度θｍａｘが９０°である場合を例示して説明したが、角度θｍａｘは６０°、４５°、３０°、１５°など、０°を超え、９０°以下の値を取り得る。
【００５３】
（５）上記実施形態では、距離ｍは、距離ｎよりも大きく、距離ｊは距離ｍと等しく、また、距離ｋは距離ｎと等しい場合を説明した。しかし、距離ｊ，ｋは、それぞれ距離ｍ，ｎと等しい場合に限られない。距離ｊが距離ｋよりも大きければ良い。
【００５４】
なお、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、対象物位置検出センサに適用できる。
【符号の説明】
【００５６】
１        ：検出器（対象物位置検出センサ）
２        ：センサ本体
８        ：制御部（検出部）
１１      ：超音波センサ
１２      ：超音波センサ
１３      ：超音波センサ
１４      ：超音波センサ
１５      ：超音波センサ
Ａ        ：仮想線（直線）
Ｂ        ：仮想線（直線）
Ｇ１      ：第一センサ群
Ｇ２      ：第二センサ群
Ｐ        ：軸心（受波面が向けられた向き）
Ｒ        ：反射波（超音波）
Ｓ        ：送受波面（受波面）
Ｔ        ：障害物（対象物）
Ｗ        ：超音波
ｊ        ：距離（センサ間距離）
ｋ        ：距離（センサ間距離）
ｍ        ：距離（センサ間距離）
ｎ        ：距離（センサ間距離）
α        ：差分
θ        ：角度
θｍａｘ  ：角度
【図１】
2020165705.tif 000003
【図２】
2020165705.tif 000004
【図３】
2020165705.tif 000005