(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出体に対し超音波を発信する発信素子と、前記被検出体にて反射された超音波を受信する複数の受信素子と、前記複数の受信素子と電気的に接続され、前記受信素子から出力される受信信号を処理する回路素子を備えた超音波センサであって、
前記複数の受信素子のうち一つが同期検波を行うための基準となる基準受信素子であり、他の受信素子は、前記基準受信素子を基準として同期検波される受信素子であり、
前記回路素子は、前記基準受信素子の受信信号から同期検波信号を生成する同期検波信号生成回路と、
前記同期検波信号に基づいて前記基準受信素子または前記他の受信素子の受信信号を同期検波することにより、超音波の発信と受信との時間差を検出し、被検出体との距離を算出して距離情報として出力する距離情報用同期検波回路と、
前記同期検波信号に基づいて前記他の受信素子の受信信号を同期検波することにより、前記他の受信素子の受信信号と前記基準受信素子の受信信号との位相差を検出し、被検出体の方向に基づいた位相差情報として出力する位相差情報用同期検波回路と、を備えたことを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
前記同期検波信号生成回路は、位相同期回路で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記距離情報用同期検波回路は、前記発信素子の発信信号を用いて超音波の発信と受信との時間差を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記基準受信素子と、少なくとも２つ以上の前記他の受信素子とが、被検出体に向かってアレイ状に配置され、前記他の受信素子は、前記基準受信素子から見て直交する方向に格子状に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項５】
前記基準受信素子と、少なくとも２つ以上の前記他の受信素子とが、被検出体に向かってアレイ状に配置され、前記他の受信素子は、前記基準受信素子を中心とする同心円上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記発信素子は、前記複数の受信素子とともに被検出体に向かってアレイ状に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項７】
少なくとも３つ以上の前記他の受信素子が前記基準素子と一直線上に配置されており、これら他の受信素子からの受信信号の多数決結果を得る多数決回路を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項８】
前記発信素子を複数個備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項９】
前記超音波センサは、車速を検出する車速センサを備えた車両に設けられており、
前記車速センサから出力される車速信号に基づいて、前記同期検波信号を補正する車速補正回路を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項１０】
前記超音波センサは、外気温を検出する温度センサを備えた車両に設けられており、
前記温度センサから出力される温度信号に基づいて、前記同期検波信号を補正する温度補正回路を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被検出体に対し超音波を発信する発信素子と、被検出体にて反射された超音波を受信する複数の受信素子と備えた超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
前方の障害物の位置測定や形状の検出などを行う超音波センサとして、複数のセンサ素子がアレイ状に配置された超音波センサが知られている。
このような超音波センサを用いて物体の位置（距離、方向）測定を行う場合には、超音波の送受信間の時間差および各センサ素子で受信した超音波の位相差を求める必要がある。ここで、各センサ素子で検出する検出信号の誤検出を防止し、検出感度及び精度を向上させるために、反射波のドップラー効果の影響を低減することが重要となる。
そこで、例えば特許文献１には、複数個のセンサ素子を用いて、センサ素子毎に出力を同期検波し、位相情報を求めてから反射波の位相差を算出する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００７−１７０９７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、ドップラー効果を抑制するために各センサ素子毎にセンサ出力を同期検波すると、回路規模が大きくなり、超音波センサの体格が大きくなるという問題もあった。
【０００４】
そこで、この発明では、被検出体に対し超音波を発信する発信素子と、被検出体にて反射された超音波を受信する複数の受信素子と備えた超音波センサにおいて、ドップラー効果を抑制することができるとともに、体格を小さくすることが可能な超音波センサを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、被検出体に対し超音波を発信する発信素子と、前記被検出体にて反射された超音波を受信する複数の受信素子と、前記複数の受信素子と電気的に接続され、前記受信素子から出力される受信信号を処理する回路素子を備えた超音波センサであって、前記複数の受信素子のうち一つが同期検波を行うための基準となる基準受信素子であり、他の受信素子は、前記基準受信素子を基準として同期検波される受信素子であり、前記回路素子は、前記基準受信素子の受信信号から同期検波信号を生成する同期検波信号生成回路と、前記同期検波信号に基づいて前記基準受信素子または前記他の受信素子の受信信号を同期検波することにより、超音波の発信と受信との時間差を検出し、被検出体との距離を算出して距離情報として出力する距離情報用同期検波回路と、前記同期検波信号に基づいて前記他の受信素子の受信信号を同期検波することにより、前記他の受信素子の受信信号と前記基準受信素子の受信信号との位相差を検出し、被検出体の方向に基づいた位相差情報として出力する位相差情報用同期検波回路と、を備えた、という技術的手段を用いる。
【０００６】
請求項１に記載の発明によれば、複数の受信素子のうち一つを同期検波を行うための基準となる基準受信素子として、同期検波信号生成回路より基準受信素子の受信信号から同期検波信号を生成し、距離情報用同期検波回路により、同期検波信号に基づいて、基準受信素子または他の受信素子の受信信号を同期検波することにより、超音波の発信と受信との時間差を検出し、被検出体との距離を算出して距離情報として出力し、位相差情報用同期検波回路により、同期検波信号に基づいて、他の受信素子の受信信号を同期検波することにより、他の受信素子の受信信号と基準受信素子の受信信号との位相差を検出し、被検出体の方向に基づいた位相差情報として出力することができる。基準受信素子を設けることにより、ドップラー効果による影響を抑制することができるので、位相差の検出を容易に行うことができ、精度の高い位相差情報を得ることができる。更に、受信素子の１つを基準として同期検波するため、基準を他に設けて個々に受信素子の受信信号を同期検波する場合に比べて、回路素子を小型化することができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の超音波センサにおいて、前記同期検波信号生成回路は、位相同期回路で構成されている、という技術手段を用いる。
【０００８】
請求項２に記載の発明によれば、同期検波信号生成回路は、位相同期回路で構成されているため、基準受信素子の受信信号が微弱な場合でも、精度の高い同期検波信号を生成することができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記距離情報用同期検波回路は、前記発信素子の発信信号を用いて超音波の発信と受信との時間差を検出する、という技術手段を用いる。
【００１０】
請求項３に記載の発明によれば、距離情報用同期検波回路は、発信素子の発信信号を用いて超音波の発信と受信との時間差を検出するため、受信素子の受信信号のみから被検出体との距離を算出する場合に比べて、距離の算出精度を高くすることができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記基準受信素子と、少なくとも２つ以上の前記他の受信素子とが、被検出体に向かってアレイ状に配置され、前記他の受信素子は、前記基準受信素子から見て直交する方向に格子状に配置されている、という技術手段を用いる。
【００１２】
請求項４に記載の発明によれば、受信素子が、基準受信素子から見て直交する方向にそれぞれ配置されているため、広範囲で被検出体の存在位置に応じた位相差を精度良く検出することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記基準受信素子と、少なくとも２つ以上の前記他の受信素子とが、被検出体に向かってアレイ状に配置され、前記他の受信素子は、前記基準受信素子を中心とする同心円上に配置されている、という技術手段を用いる。
【００１４】
請求項５に記載の発明によれば、受信素子は、基準受信素子を中心とする同心円上に配置されているため、最も位相差が小さい信号が検出された受信素子の方向が、被検出体が存在する方向に対応するので、被検出体の方向検出精度を高くすることができる。
【００１５】
請求項６に記載の発明では、請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記発信素子は、前記複数の受信素子とともに被検出体に向かってアレイ状に配置されている、という技術手段を用いる。
【００１６】
請求項６に記載の発明のように、発信素子を、複数の受信素子とともに被検出体に向かってアレイ状に配置して、一体的に形成することができる。
【００１７】
請求項７に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、少なくとも３つ以上の前記他の受信素子が前記基準素子と一直線上に配置されており、これら他の受信素子からの受信信号の多数決結果を得る多数決回路を備えた、という技術手段を用いる。
【００１８】
請求項７に記載の発明によれば、少なくとも３つ以上の他の受信素子が基準素子と一直線上に配置されており、これら他の受信素子からの受信信号の多数決結果を得る多数決回路を備えているため、受信信号がばらついた場合に、誤差が小さくなるようにすることができる。また、故障している受信素子があれば、その受信素子を特定することができる。
【００１９】
請求項８に記載の発明では、請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記発信素子を複数個備えた、という技術手段を用いる。
【００２０】
請求項８に記載の発明によれば、超音波センサが発信素子を複数個備えているため、複数の発信素子により同時に発信すれば超音波の音圧を上げることができる。超音波の発信後に残響が生じたり、発信素子の温度が上昇したりした場合でも他の発信素子を用いて超音波を交互に発信することができるので、発信間隔を短くすることができる。また、例えば、１個の発信素子が破損などにより作動しなくなっても、他の発信素子を用いて超音波を発信することができるので、故障に強い冗長設計をすることができる。
【００２１】
請求項９に記載の発明では、請求項１ないし請求項８のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記超音波センサは、車速を検出する車速センサを備えた車両に設けられており、前記車速センサから出力される車速信号に基づいて、前記同期検波信号を補正する車速補正回路を備えた、という技術手段を用いる。
【００２２】
請求項９に記載の発明によれば、車速センサから出力される車速信号に基づいて、同期検波信号の周波数を補正することができるので、車両の車速によるドップラー効果の影響を排除して、より精度の高い同期検波信号を生成することができる。
【００２３】
請求項１０に記載の発明では、請求項１ないし請求項９のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記超音波センサは、外気温を検出する温度センサを備えた車両に設けられており、前記温度センサから出力される温度信号に基づいて、前記同期検波信号を補正する温度補正回路を備えた、という技術手段を用いる。
【００２４】
請求項１０に記載の発明によれば、温度センサから出力される温度信号に基づいて、温度変化による音速の変化を考慮して同期検波信号を補正することができるので、外気温の影響を排除して、より精度の高い同期検波信号を生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
この発明に係る超音波センサについて、図を参照して説明する。ここでは、車両に搭載して障害物センサとして使用する超音波センサを例に説明する。
図１は、第１実施形態の超音波センサの説明図である。図１（Ａ）は、超音波センサを音響整合部材側から見た平面説明図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。図２は、回路素子の回路構成を示す説明図である。ここで、図１において、図１（Ａ）の手前方向及び、図１（Ｂ）の上方向が車両の外部を示す。また、説明のために一部を拡大し、一部を省略して示している。
【００２６】
図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、超音波センサ１０は、縦横方向に２個ずつの計４個がアレイ状に配置されたセンサ素子（１３ｐ、１３ｑ、１３ｒ、１３ｓ）と、センサ素子（１３ｐ〜１３ｓ）と電気的に接続され、超音波の送受信に関する電圧信号の入出力を行う回路素子１８とが筐体３１に収容されて形成されている。
センサ素子は、超音波を発信する発信素子１３ｒと、発信素子１３ｒと対角の位置に配置され同期検波の基準となる基準受信素子１３ｑと、基準受信素子１３ｑと水平方向に配置された受信素子１３ｐと、基準受信素子１３ｑと垂直方向に配置された受信素子１３ｓとして構成されている。
超音波センサ１０は、車両のバンパ５１などに取り付けられており、障害物の位置の３次元検出が可能に構成されている。
【００２７】
各センサ素子の構造は同じであるので、ここでは、受信素子１３ｐについて説明する。受信素子１３ｐは、超音波を送受信可能な圧電素子１１ｐと、障害物で反射された超音波を受信し、圧電素子１１ｐに振動を伝達する音響整合部材１２ｐとが接合されて形成されている。
【００２８】
圧電素子１１ｐは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、横断面の外形が音響整合部材１２ｐの横断面の外形と等しい四角柱状に形成された圧電体を、対向する面において、ＰｔやＣｕやＡｇのスパッタ、めっき、導電ペーストの焼き付けなどにより形成された１組の電極により挟んで形成されている。ここで、音響整合部材１２ｐ側に形成された電極を第１電極１４ｐ、第１電極１４ｐに対向する面に形成された電極を第２電極１５ｐとする。
【００２９】
圧電素子１１ｐの側面には、第１電極１４ｐと電気的に接続されて形成された配線部１１ａが設けられている。圧電素子１１ｐの第１電極１４ｐは、配線部１１ａにおいて電気的に接続されたワイヤ１９を介して、回路素子１８に電気的に接続されている。また、圧電素子１１ｐの第２電極１５ｐは、ワイヤ１９を介して回路素子１８に電気的に接続されている。
【００３０】
音響整合部材１２ｐは、空気より音響インピーダンスが大きく、圧電素子１１ｐより音響インピーダンスが小さいポリカーボネート系樹脂などの耐久性に優れた樹脂材料を用いて形成されている。
各音響整合部材１２ｐ〜１２ｓは、互いに隣り合った各音響整合部材１２ｐ〜１２ｓの中心部の間隔ｄが、超音波の半波長にほぼ等しくなるように配置されており、受信面１２ａ近傍の側面において、各音響整合部材１２ｐ〜１２ｓ間及び筐体３１の開口部との間に超音波の伝達を防止する振動減衰部材４１を介在して、筐体３１の開口部に固定されている。
【００３１】
音響整合部材１２ｐは、幅Ｗが超音波の空気中における波長の半分以下、厚さが超音波の音響整合部材１２ｐ中における波長の約１／４となるように形成されている。音響整合部材１２ｐの厚さを超音波の波長の約１／４となるように形成することにより、音響整合部材１２ｐ内で定在波を発生させることができる。これにより、音響整合部材１２ｐ内に入射した超音波と、音響整合部材１２ｐと圧電素子１１ｐとの界面において反射された超音波とが干渉して互いに打ち消し合うことを低減することができるので、圧電素子１１ｐに効率よく超音波を伝達することができる。
【００３２】
回路素子１８は、車両に設けられたＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ：図示せず）に電気的に接続されている。回路素子１８は、超音波センサ１０から超音波を送信する時には、ＥＣＵから出力された、発信する超音波の音圧、位相を制御する制御信号に基づいて、圧電素子１１ｐに対して電圧信号を出力する。また、超音波を受信する時には、回路素子１８は、圧電素子１１ｐにより受信した超音波の音圧、位相に応じて、圧電素子１１ｐから入力された電圧信号に基づいて演算処理を行い、ＥＣＵに対して振動信号として出力する。
【００３３】
回路素子１８の回路構成を図２に示す。回路素子１８は、基準受信素子１３ｑ、受信素子１３ｐ、１３ｓの受信信号をそれぞれ増幅するアンプ２１ｑ、２１ｐ、２１ｓと、基準受信素子１３ｑの受信信号に基づいて周波数をロックして位相同期信号を生成する位相同期回路（ＰＬＬ）２２と、距離情報用同期検波回路２３、位相差情報用同期検波回路２４、２５と、を備えている。
【００３４】
位相同期回路２２は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２２ａと、位相比較器２２ｂと、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２ｃと、入力された電圧に応じて出力する電圧の周波数を制御する電圧制御発信回路（ＶＣＯ）２２ｄとから構成されている。位相同期回路２２により同期検波信号を生成する回路を構成しているため、基準受信素子１３ｑの受信信号が微弱な場合でも、精度の高い同期検波信号を生成することができる。
【００３５】
距離情報用同期検波回路２３は、基準受信素子１３ｑの受信信号を同期検波する回路であり、スイッチ素子による同期検波回路（ＰＳＤ）２３ａと、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２３ｂと、距離演算部２３ｃと、を備えている。距離演算部２３ｃは、アンプ２３ｄと、アンプ２３ｄからの出力信号としきい値である基準電圧との比較を行う比較器２３ｅと、超音波発信回路２６から出力された発信信号及び基準クロックと比較器２３ｅから出力された信号とを比較し、クロック数をカウントするタイミングカウンタ２３ｆと、タイミングカウンタ２３ｆから出力されたクロック数情報に基づいて距離を演算する距離演算器２３ｇとを備えている。
【００３６】
位相差情報用同期検波回路２４は、受信素子１３ｐの受信信号を同期検波する回路であり、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２７ｐと、第１同期検波回路２４ａと、第２同期検波回路２４ｂと、第１同期検波回路２４ａから出力された信号を処理するローパスフィルタ（ＬＰＦ）２４ｃと、第２同期検波回路２４ｂから出力された信号を処理するローパスフィルタ（ＬＰＦ）２４ｄと、角度演算部２４ｅと、を備えている。第１同期検波回路２４ａは、位相同期回路２２にて周波数ロックされた信号を参照信号とし、同期検波を行う。第２同期検波回路２４ｂは、位相同期回路２２にて周波数ロックされた信号と位相差がπ／２の参照信号を用いて同期検波を行う。
【００３７】
位相差情報用同期検波回路２５は、受信素子１３ｓの受信信号を同期検波する回路であり、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２７ｓと、第１同期検波回路２５ａと、第２同期検波回路２５ｂと、第１同期検波回路２５ａから出力された信号を処理するローパスフィルタ（ＬＰＦ）２５ｃと、第２同期検波回路２５ｂから出力された信号を処理するローパスフィルタ（ＬＰＦ）２５ｄと、角度演算部２５ｅと、を備えている。第１同期検波回路２５ａは、位相同期回路２２にて周波数ロックされた信号を参照信号とし、同期検波を行う。第２同期検波回路２５ｂは、位相同期回路２２にて周波数ロックされた信号と位相差がπ／２の参照信号を用いて同期検波を行う。
【００３８】
超音波発信回路２６は、発信素子１３ｒによる超音波の発信を制御するとともに、タイミングカウンタ２３ｆに発信信号を出力する。
【００３９】
次に、超音波センサ１０による障害物の検出について説明する。障害物の位置情報を得るためには、超音波センサ１０から障害物までの距離を示す距離情報と、超音波センサ１０から見た障害物の方向を示す位相差情報とを取得する必要がある。
【００４０】
まず、ＥＣＵから出力された超音波の音圧、位相を制御する制御信号に基づいて、超音波発信回路２６が発信素子１３ｒの圧電素子１１ｒに対して発信信号を出力する。この発信信号に基づいて圧電素子１１ｒが振動し、所定の音圧、位相の超音波を発信する。圧電素子１１ｒにより発信された超音波は、音響整合部材１２ｒに伝達され、受信面１２ａから車両外部へ送信される。
【００４１】
受信面１２ａから送信された超音波は障害物により反射され、反射された超音波は、音響整合部材１２ｑ、１２ｐ、１２ｓの受信面１２ａにおいて受信される。受信面１２ａにおいて受信された超音波は、音響整合部材１２ｑ、１２ｐ、１２ｓを介して、それぞれ圧電素子１１ｑ、１１ｐ、１１ｓに伝達される。圧電素子１１ｑ、１１ｐ、１１ｓに伝達された超音波は、圧電素子１１ｑ、１１ｐ、１１ｓにより検出され、電圧信号に変換される。
【００４２】
障害物により反射された超音波は、基準受信素子１３ｑ、受信素子１３ｐ、１３ｓにより、異なる位相の信号として受信される。ここでは、基準受信素子１３ｑにおいて波形ｓｉｎ（ωｔ＋α）の信号を受信し、基準受信素子１３ｑから見て水平方向に配置された受信素子１３ｐにおいて波形ｓｉｎ（ωｔ＋β）の信号を受信し、基準受信素子１３ｑから見て垂直方向に配置された受信素子１３ｓにおいて波形ｓｉｎ（ωｔ＋γ）の信号を受信したとする。
【００４３】
基準受信素子１３ｑにより受信された超音波の受信信号は、アンプ２１ｑで増幅された後、位相同期回路２２に対して出力される。位相同期回路２２では、バンドパスフィルタ２２ａで不要な周波数成分を除去した後に、ローパスフィルタ２２ｃを通過した信号が電圧制御発信回路２２ｄに対して出力される。そして、位相比較器２２ｂにおいて受信信号と電圧制御発信回路２２ｄの出力信号との位相差を検出し、その位相差を電圧制御発信回路２２ｄにフィードバックすることにより同期（周波数ロック）する。
【００４４】
障害物の距離情報の取得方法について説明する。距離情報用同期検波回路２３では、基準受信素子１３ｑから入力された信号は、極性が反転、すなわち×１／×（−１）が切換えられて、同期検波回路２３ａに入力される。同期検波回路２３ａでは、位相同期回路２２にて周波数ロックされた信号を参照信号とし、同期検波を行う。これにより、参照信号の周波数と等しい成分のみが直流となり、ローパスフィルタ２３ｂを通過する。他の成分は、交流信号に変換されるのでローパスフィルタ２３ｂで除去される。
【００４５】
ローパスフィルタ２３ｂから出力された信号は、距離演算部２３ｃにおいて、アンプ２３ｄにより増幅された後に、比較器２３ｅに対して出力される。比較器２３ｅに入力された信号は、あらかじめ設定されたしきい値となる基準電圧と比較され、基準電圧を超えた場合に、タイミングカウンタ２３ｆに信号が出力され、タイミングカウンタ２３ｆにおいて、超音波発信回路２６から出力された発信信号及び基準クロックと比較されてクロック数が計測される。これにより、超音波の発信と受信の時間差を正確に計測することができるため、距離演算器２３ｇにおいて障害物との距離を演算し、算出精度の高い距離情報を出力することができる。
【００４６】
次に、障害物の水平方向の位相差情報（角度情報）の取得方法について説明する。
基準受信素子１３ｑの水平方向に配置された受信素子１３ｐの受信信号は、アンプ２３ｄにより増幅された後に、バンドパスフィルタ２７ｐを経て、位相差情報用同期検波回路２４に対して出力される。なお、受信信号のＳ／Ｎ比が良好な場合には、バンドパスフィルタ２７ｐを省略することもできる。
位相差情報用同期検波回路２４に入力された受信信号は、極性を反転、すなわち×１／×（−１）を切換えて、第１同期検波回路２４ａ及び第２同期検波回路２４ｂにそれぞれ入力される。第１同期検波回路２４ａでは、位相同期回路２２にて周波数ロックされた信号を参照信号とし、同期検波を行う。
【００４７】
第１同期検波回路２４ａでは、受信信号がｓｉｎ（ωｔ＋β）、参照信号はｓｉｎ（ωｔ＋α）であるため、両者を掛算処理し、下式を得る。
【００４８】
ｓｉｎ（ωｔ＋β）ｓｉｎ（ωｔ＋α）
＝−１／２ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）＋１／２ｃｏｓ（β−α）      （１）
【００４９】
上式において、参照信号の周波数と等しい成分のみが直流となり、ローパスフィルタ２４ｃを通過する。他の成分は、交流信号に変換されるのでローパスフィルタ２４ｃで除去される。つまり、ローパスフィルタ２４ｃでは（１）式の第１項が除去され、第２項１／２ｃｏｓ（β−α）のみが出力されることになる。
【００５０】
一方、第２同期検波回路２４ｂでは、参照信号として位相同期回路にて周波数ロックされた信号と位相差がπ／２の参照信号を用いて同期検波を行う。これにより、同期検波回路が一つで一位相である場合と異なり、位相調整を行う必要がない。
【００５１】
第２同期検波回路２４ｂでは、受信信号がｓｉｎ（ωｔ＋β）、参照信号はｃｏｓ（ωｔ＋α）であるため、両者を掛算処理し、下式を得る。
【００５２】
ｓｉｎ（ωｔ＋β）ｓｉｎ（ωｔ＋α）
＝１／２ｓｉｎ（２ωｔ＋α＋β）＋１／２ｓｉｎ（β−α）        （２）
【００５３】
第１同期検波回路２４ａと同様に、ローパスフィルタ２４ｄでは（２）式の第１項が除去され、第２項１／２ｓｉｎ（β−α）のみが出力されることになる。
【００５４】
ローパスフィルタ２４ｃ、２４ｄから出力される信号により位相差β−αに応じた情報が得られるが、更に、角度演算部２４ｅにおいて、ｔａｎ（β−α）を演算することにより、受信信号の振幅による影響をなくして、基準受信素子１３ｑの受信信号と受信素子１３ｐの受信信号との位相差β−αを算出することができる。これにより、水平方向の位相差情報を出力することができる。
【００５５】
受信素子１３ｓについても、位相差情報用同期検波回路２５において同様の処理を行うことにより、基準受信素子１３ｑの受信信号と、基準受信素子１３ｑと垂直方向に配置された受信素子１３ｓの受信信号との位相差γ−αを算出することができる。これにより、垂直方向の位相差情報を出力することができる。
【００５６】
上述のように、基準受信素子１３ｑの受信信号を基準として、受信素子１３ｐ、１３ｓを同期検波し、距離情報用同期検波回路２３、位相差情報用同期検波回路２４、２５により、距離情報と、垂直方向及び水平方向の位相差情報とを得ることができるので、各センサ素子の配置間隔に基づいて、障害物の位置測定を行うことができる。ここで、受信素子１３ｐ、１３ｓは、基準受信素子１３ｑから見て直交する方向にそれぞれ配置されているため、広範囲で障害物の存在位置に応じた位相差を精度良く検出することができる。
【００５７】
基準受信素子１３ｑを設けることにより、ドップラー効果による影響を抑制することができるので、位相差の検出を容易に行うことができ、精度の高い位相差情報を得ることができる。
また、受信素子の１つを基準として同期検波するため、基準を他に設けて個々に受信素子の受信信号を同期検波する場合に比べて、回路素子１８を小型化することができる。
【００５８】
（変更例）
本実施形態では、同期検波信号を生成する回路として、位相同期回路２２を用いたが、同期検波信号を生成する回路であればよく、例えば、オペアンプなどのコンパレータ（比較器）で構成することもできる。
【００５９】
本実施形態では、距離情報用同期検波回路２３では、超音波発信回路２６から出力された発信信号を用いて距離演算器２３ｇにおいて障害物との距離を演算して求めたが、受信素子１３ｐ、１３ｓの受信信号のみから被検出体との距離を求めるもよい。
【００６０】
本実施形態では、発信素子１３ｒは、基準受信素子１３ｑ及び受信素子１３ｐ、１３ｓとともに、アレイ状に一体的に設けたが、アレイ状に設けられた基準受信素子１３ｑ及び受信素子１３ｐ、１３ｓとは別体として外部に設けることもできる。
【００６１】
本実施形態では、発信素子１３ｒと基準受信素子１３ｑとを対角の位置に配置し、受信素子１３ｐ、１３ｓを基準受信素子１３ｑから見て直交する方向にそれぞれ配置したが、この配置に限定されるものではない。例えば、センサ素子１３ｒを発信素子、水平方向に隣接するセンサ素子１３ｓを基準受信素子とし、残りのセンサ素子１３ｐ、１３ｑを受信素子としてもよい。
【００６２】
［最良の実施形態の効果］
（１）位相同期回路２２により基準受信素子１３ｑの受信信号を同期し、同期検波信号を生成し、この同期検波信号を基準として受信素子１３ｐ、１３ｓを同期検波し、距離情報用同期検波回路２３、位相差情報用同期検波回路２４、２５により、距離情報と、垂直方向及び水平方向の位相差情報とを得ることができるので、各センサ素子の配置間隔に基づいて、障害物の位置測定を行うことができる。ここで、受信素子１３ｐ、１３ｓは、基準受信素子１３ｑから見て直交する方向にそれぞれ配置されているため、広範囲で障害物の存在位置に応じた位相差を精度良く検出することができる。
基準受信素子１３ｑを設けることにより、ドップラー効果による影響を抑制することができるので、位相差の検出を容易に行うことができ、精度の高い位相差情報を得ることができる。
また、受信素子の１つを基準として同期検波するため、基準を他に設けて個々に受信素子の受信信号を同期検波する場合に比べて、回路素子１８を小型化することができる。
【００６３】
（２）位相同期回路２２により同期検波信号を生成する回路を構成しているため、基準受信素子１３ｑの受信信号が微弱な場合でも、精度の高い同期検波信号を生成することができる。
【００６４】
（３）距離情報用同期検波回路２３は、発信素子１３ｒの発信信号を用いて超音波の発信と受信との時間差を検出するため、受信素子１３ｐ、１３ｓの受信信号のみから被検出体との距離を算出する場合に比べて、距離の算出精度を高くすることができる。
【００６５】
［その他の実施形態］
（１）超音波センサ１０は、発信素子を複数個備えている構成とすることができる。例えば、受信素子１３ｐを発信素子として用いてもよい。これによれば、複数の発信素子により同時に発信すれば超音波の音圧を上げることができる。超音波の発信後に残響が生じたり、発信素子の温度が上昇した場合でも他の発信素子を用いて超音波を交互に発信することができるので、発信間隔を短くすることができる。また、例えば、１個の発信素子が破損などにより作動しなくなっても、他の発信素子を用いて超音波を発信することができるので、故障に強い冗長設計をすることができる。
【００６６】
（２）受信素子の個数、配置は目的に合わせて任意に選択することができる。例えば、図３（Ａ）に示すように、基準受信素子６１、受信素子６２、６３、６４、発信素子６５を横一列に配置する構成によれば、水平方向の位相差情報のみ精度良く取得することができる。
また、図３（Ｂ）に示すように、ＡＮＤゲート、ＯＲゲートからなり、受信素子６２、６３、６４からの位相差情報６２ａ、６３ａ、６４ａの多数決結果を得る多数決回路を位相差情報用同期検波回路に接続して設けることができる。これによれば、受信素子毎に位相差情報がばらついた場合に、誤差が小さくなるようにすることができる。また、故障している受信素子があれば、その受信素子を特定することができる。
【００６７】
（３）図４に示すように、基準受信素子７１を中心とする同心円上に受信素子７２を配置する構成によれば、最も位相差が小さい信号が検出された受信素子７２の方向が、障害物が存在する方向に対応するので、障害物の方向検出精度を高くすることができる。なお、発信素子７３も同心円上に配置してもよい。
【００６８】
（４）距離情報用同期検波回路２３は、基準受信素子１３ｑ以外の受信素子の受信信号を処理するように構成することができる。例えば、位相差情報用同期検波回路２４のローパスフィルタ２４ｃの出力を距離演算部２３ｃに入力することにより、受信素子１３ｐの受信信号に基づいて距離情報を取得することができる。
【００６９】
（５）各種センサにより検出される信号に基づいて、同期検波信号を補正する回路を設けることもできる。図５は、回路素子１８の一部拡大図である。図５（Ａ）に示すように、車両に設けられており、車両の車速を検出する車速センサ８１から出力される車速信号に基づいて、同期検波信号を補正する車速補正回路８２を備えた構成を採用することもできる。これによれば、車速センサ８１から出力される車速信号に基づいて、発信信号の周波数を変化させて、同期検波信号の周波数を補正することができるので、車速によるドップラー効果の影響を排除して、より精度の高い同期検波信号を生成することができる。
また、図５（Ｂ）に示すように、車両に設けられており、外気温を検出する温度センサ８３から出力される温度信号に基づいて、同期検波信号を補正する温度補正回路８４を備えた構成を採用することもできる。これによれば、温度センサ８３から出力される温度信号に基づいて、発信信号を変化させて、温度変化による音速の変化を考慮して同期検波信号を補正することができるので、外気温の影響を排除して、より精度の高い同期検波信号を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】第１実施形態の超音波センサの説明図である。図１（Ａ）は、超音波センサを音響整合部材側から見た平面説明図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図２】回路素子の回路構成を示す説明図である。
【図３】発信素子、基準受信素子及び受信素子の配置の変更例を示す説明図である。
【図４】発信素子、基準受信素子及び受信素子の配置の変更例を示す説明図である。
【図５】同期検波信号の補正回路を備えた回路素子の回路構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０    超音波センサ
１１ｐ〜１１ｓ  圧電素子
１２ｐ〜１２ｓ  音響整合部材
１２ａ  受信面
１３ｐ、１３ｓ  受信素子（他の受信素子）
１３ｑ  基準受信素子
１３ｒ  発信素子
１８    回路素子
２２    位相同期回路（同期検波信号生成回路）
２３    距離情報用同期検波回路
２４、２５  位相情報用同期検波回路    
２６    超音波発信回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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