(57)【要約】【課題】  取り付け部位によらずに任意の方向の障害物を検出することができ、しかも、簡単な構造を有する安価な超音波センサを提供する。【解決手段】１：１以外の縦横比を有し、超音波を放射または受信する薄板状の振動板１２と、振動板上に、該振動板の長手方向に直線状に配設された複数の駆動素子１３ａ、１３ｂと、複数の駆動素子の各々を、位相をずらしながら順次駆動することにより振動板に進行波を発生させて超音波の放射方向を制御し、且つ振動板で受信された超音波に基づいて複数の駆動素子に発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより超音波の検出方向を制御する制御回路２とを備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１：１以外の縦横比を有し、超音波を放射する薄板状の振動板と、
前記振動板上に、該振動板の長手方向に直線状に配設された複数の駆動素子と、
前記複数の駆動素子の各々を、位相をずらしながら順次駆動することにより前記振動板に進行波を発生させて超音波の放射方向を制御する送信回路
とを備えた超音波センサ。
【請求項２】
振動板は、長手方向に立つ定在波のｎ（ｎ＝０、１、・・・）次の共振周波数とｎ＋１次の共振周波数とが近くなるような縦横比を有し、
送信回路は、前記ｎ次の共振周波数とｎ＋１次の共振周波数との中間付近の周波数で複数の駆動素子の各々を、位相をずらしながら順次駆動することにより前記振動板に進行波を発生させて超音波の放射方向を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
【請求項３】
１：１以外の縦横比を有し、超音波を受信する薄板状の振動板と、
前記振動板上に、該振動板の長手方向に直線状に配設された複数の駆動素子と、
前記振動板で受信された超音波に基づいて前記複数の駆動素子に発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより超音波の検出方向を制御する受信回路
とを備えた超音波センサ。
【請求項４】
振動板は、長手方向に立つ定在波のｎ（ｎ＝０、１、・・・）次の共振周波数とｎ＋１次の共振周波数が近くなるような縦横比を有し、
受信回路は、前記ｎ次の共振周波数とｎ＋１次の共振周波数との中間付近の周波数を用いて、複数の駆動素子に発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより、特定方向から入射した超音波によって前記振動板に発生された進行波を検出して超音波の検出方向を制御する
ことを特徴とする請求項３記載の超音波センサ。
【請求項５】
１：１以外の縦横比を有し、超音波を放射または受信する薄板状の振動板と、
前記振動板上に、該振動板の長手方向に直線状に配設された複数の駆動素子と、
前記複数の駆動素子の各々を、位相をずらしながら順次駆動することにより前記振動板に進行波を発生させて超音波の放射方向を制御し、且つ前記振動板で受信された超音波に基づいて前記複数の駆動素子に発生された複数の信号を、位相をずらしながら順次同期検波することにより超音波の検出方向を制御する制御回路
とを備えた超音波センサ。
【請求項６】
振動板は、長手方向に立つ定在波のｎ（ｎ＝０、１、・・・）次の共振周波数とｎ＋１次の共振周波数とが近くなるような縦横比を有し、
制御回路は、前記ｎ次の共振周波数とｎ＋１次の共振周波数との中間付近の周波数で複数の駆動素子の各々を、位相をずらしながら順次駆動することにより前記振動板に進行波を発生させて超音波の放射方向を制御し、且つ前記周波数を用いて前記複数の駆動素子に発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより、特定方向から入射した超音波によって前記振動板に発生された進行波を検出して超音波の検出方向を制御する
ことを特徴とする請求項５記載の超音波センサ。
【請求項７】
振動板は、周囲が枠部に固定され、配設された複数の駆動素子のうちの隣り合う駆動素子間にくびれを有する
ことを特徴とする請求項２または請求項４または請求項６に記載の超音波センサ。
【請求項８】
車両に取り付けられる障害物センサであって、
１：１以外の縦横比を有し、超音波を放射する薄板状の振動板と、
前記振動板上に、該振動板の長手方向に直線状に配設された複数の駆動素子と、
前記複数の駆動素子の各々を、位相をずらしながら順次駆動することにより前記振動板に進行波を発生させ、超音波の放射方向を前記車両の側面に垂直な方向より上向きにする制御、および／または、前記振動板で受信された超音波に基づいて前記複数の駆動素子に発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより超音波の検出方向を前記車両の側面に垂直な方向より上向きにする制御を行う制御回路
とを備えた障害物センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波を送受信することにより対象物を検出する超音波センサおよび障害物センサに関し、特に、超音波の送受信方向を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両の後部バンパーや４隅等に取り付けられた超音波送受波器か超音波を送信し、障害物で反射された超音波を受信して制御回路で解析することにより障害物を検出し、警報等を発する超音波センサが知られている。このような超音波センサにおいて、超音波送受波器は、通常は、障害物を検出する方向が水平方向に対して過度に下側を向かないようにして車両の外面に取り付けられる。しかしながら、車両の外形によっては、超音波送受波器を取り付け可能な車両の外面が、地面に対する垂直面からオーバーハングしている場合がある。この場合、超音波送受波器の取り付け面に対して垂直な方向に超音波を送受信する超音波センサでは、地面を障害物であると誤検出するという問題があった。
【０００３】
このような問題を解消するために、超音波送受波器に内蔵される超音波を発生するための振動板を地面に対して略垂直方向に向けるためのアダプタを使用して、超音波送受波器を車両の外面に取り付けることが行われている。また、上述した問題を解消する他の超音波センサとして、特許文献１に示されるように、多数の振動板を設け、各振動板を順次駆動することにより位相差を有する複数の超音波を発生させ、以て合成波面の方向を変更するフェイズドアレイの原理を用いて超音波の送受信方向を制御するものが実用化されている。
【０００４】
なお、関連する技術として、特許文献２は、直線状進行波の超音波振動をエネルギー効率良くかつコンパクトな構成によって発生できる超音波振動子を開示している。この超音波振動子は、所定の長さを有するとともにその長さに比して幅の狭い膜板状の振動板部を、細長い枠状部にて周囲を一体的に固定支持して、ほぼ同じ周波数で次数の異なる定在波にて共振可能に支持し、振動板部の次数の異なる定在波の腹の位置に圧電素子から成る加振手段を固着して、振動板部に次数の異なる定在波を同じ周波数で位相を異ならせて形成するようにし、見かけ上は直線状の進行波を形成するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１３９９２６号公報
【特許文献２】特開２００３−１５９５６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、従来のアダプタを使用して超音波送受波器を取り付ける超音波センサは、車両の外板に対して超音波送受波器の振動板が傾きを有するので不恰好になるという問題がある。また、従来のフェイズドアレイの原理を用いた超音波センサは、多数の振動板およびこれらを駆動するための多数の駆動素子ならびに各駆動素子を駆動するための多数の送信回路および受信回路が必要になるので、機構部および回路部がともに複雑且つ高価になるという問題がある。
【０００７】
この発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、取り付け部位によらずに任意の方向の障害物を検出することができ、しかも、簡単な構造を有する安価な超音波センサおよび障害物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】
【０００８】
この発明に係る超音波センサは、上記課題を解決するために、１：１以外の縦横比を有し、超音波を放射または受信する薄板状の振動板と、振動板上に、該振動板の長手方向に直線状に配設された複数の駆動素子と、複数の駆動素子の各々を、位相をずらしながら順次駆動することにより振動板に進行波を発生させて超音波の放射方向を制御し、且つ振動板で受信された超音波に基づいて複数の駆動素子に発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより超音波の検出方向を制御する制御回路とを備えている。
【０００９】
また、この発明に係る障害物センサは、車両に取り付けられて使用される。この障害物センサは、１：１以外の縦横比を有し、超音波を放射する薄板状の振動板と、振動板上に、該振動板の長手方向に直線状に配設された複数の駆動素子と、複数の駆動素子の各々を、位相をずらしながら順次駆動することにより振動板に進行波を発生させ、超音波の放射方向を車両の側面に垂直な方向より上向きにする制御、および／または、振動板で受信された超音波に基づいて複数の駆動素子に発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより超音波の検出方向を車両の側面に垂直な方向より上向きにする制御を行う制御回路とを備えている。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る超音波センサによれば、超音波の放射方向および／または検出方向を制御することができるので、取り付け部位によらずに任意の方向の障害物を検出することができる。また、多数の振動板を必要としないので、超音波制御の構造が簡単になる。その結果、安価な超音波センサを提供できる。
【００１１】
また、この発明に係る障害物センサによれば、超音波の放射方向を車両の側面に垂直な方向より上向きに制御し、および／または、超音波の検出方向を車両の側面に垂直な方向より上向きにする制御することができるので、オーバーハングした外板を持つ車両の場合であっても地面を障害物であると誤検出せず、また、多数の振動板を必要としないので、構造が簡単になり、安価な超音波センサを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る超音波センサの構成を示す図である。この超音波センサは、超音波送受波器１と制御回路２とから構成されており、これらの間は、例えばケーブル３によって接続されている。
【００１３】
図２は、超音波送受波器１の構造を示す図であり、図２（ａ）は正面断面図、図２（ｂ）は下面図である。超音波送受波器１は、その側面を形成する筒状の枠部１１と、この枠部１１の切断面（枠部１１を構成する筒の軸に垂直な方向の切断面）に固着されて上面を形成する薄板状の振動板１２と、この振動板１２の裏面に固着された第１駆動素子１３ａおよび第２駆動素子１３ｂとから構成されている。
【００１４】
枠部１１の長手方向（Ｘ軸方向）の側面の略中央には、筒の内側に張り出したノーズ部１４が形成されている。振動板１２は、ノーズ部１４に対応する部分がくびれた形状（瓢箪の形状）を有するように成型されている。この振動板１２は、例えばアルミなどの金属板、プラスティック板などから構成されている。また、第１駆動素子１３ａおよび第２駆動素子１３ｂは、例えば圧電素子から構成されている。
【００１５】
上記のような構造を有する超音波送受波器１の動作を説明する。例えば、特許文献２に示されているように、振動板１２の縦横比を大きくすると、長手方向（Ｘ軸方向）に立つ定在波の共振周波数は、振動板１２の短手方向（Ｙ軸方向）の幅によって決定されるため、定在波の次数による共振周波数の変化は小さいこと、および長手方向に立つｎ（ｎ＝０、１、・・・）次の定在波とｎ＋１次の定在波を同時に励起することにより、振動板１２に進行波を発生させることが可能であることが知られている。この実施の形態１では、最も単純な例である「ｎ＝０」の場合について説明する。この超音波送受波器１では、図３（ａ）に示すような、振動板１２の長手方向に立つ０次の定在波と、図３（ｂ）に示すような、１次の定在波を利用して振動板１２の長手方向に伝播する進行波を発生させる。
【００１６】
この実施の形態１では、最も低い次数から２つのモード（０次モードおよび１次モード）の定在波を使用して振動板１２の長手方向に伝播する進行波を発生させるので、振動板１２の縦横比を過度に大きくすることはできない。このため、ノーズ部１４が存在しなければ、１次の定在波の共振周波数は、０次の定在波の共振周波数より大幅に高くなるが、この実施の形態１に係る超音波送受波器１では、ノーズ部１４を設けて振動板１２の中央部の支持剛性を高めることにより、０次の定在波の共振周波数を高め、１次の定在波の共振周波数に近づけている。この振動板１２を、０次の定在波の共振周波数と１次の定在波の共振周波数との中間付近の周波数で第１駆動素子１３ａおよび第２駆動素子１３ｂを駆動することにより、低い駆動電圧で大きな振幅の定在波を得ることができる。
【００１７】
図４は、制御回路２の構成を示すブロック図である。制御回路２は、送信回路２０、受信回路３０および距離演算回路４０から構成されている。
【００１８】
送信回路２０は、発振回路２１、位相遅延回路２２、増幅回路２３および増幅回路２４から構成されている。発振回路２１は、０次の共振周波数と１次の共振周波数との中間の周波数で交番する信号を発生し、位相遅延回路２２、増幅回路２３、受信回路３０および距離演算回路４０に送る。増幅回路２３は、発振回路２１から送られてくる信号を増幅し、超音波送受波器１の第１駆動素子１３ａに送る。位相遅延回路２２は、発振回路２１から送られてくる信号の位相をθｄだけ遅延させて増幅回路２４および受信回路３０に送る。増幅回路２４は、位相遅延回路２２から送られてくる信号を増幅し、超音波送受波器１の第２駆動素子１３ｂに送る。
【００１９】
受信回路３０は、増幅回路３１、増幅回路３２、位相遅延回路３３および同期検波回路３４から構成されている。増幅回路３１は、第１駆動素子１３ａから送られてくる信号を増幅し、同期検波回路３４に送る。増幅回路３２は、第２駆動素子１３ｂから送られてくる信号を増幅し、位相遅延回路３３に送る。位相遅延回路３３は、増幅回路３２から送られてくる信号の位相をθｄだけ遅延させて同期検波回路３４に送る。同期検波回路３４は、増幅回路３１から送られてくる信号および位相遅延回路３３から送られてくる信号を、送信回路２０の発振回路２１および位相遅延回路２２から送られてくる位相情報に基づき順次同期検波する。この同期検波回路３４で同期検波することにより得られた信号は、距離演算回路４０に送られる。
【００２０】
距離演算回路４０は、振動板１２から放射された超音波が障害物によって反射されて該振動板１２によって受信されるまでの時間を、送信回路２０の発振回路２１から送られてくる信号と受信回路３０の同期検波回路３４から送られてくる信号とに基づき計算し、この計算により得られた時間に基づき障害物までの距離を算出する。
【００２１】
次に、上記のように構成される、この発明の実施の形態１に係る超音波センサの動作を説明する。超音波送受波器１から超音波を放射する場合、送信回路２０の位相遅延回路２２で遅延される遅延量θｄが「０」であれば、第１駆動素子１３ａと第２駆動素子１３ｂとは同相で駆動されるので、振動板１２には０次の定在波のみが励起される。そのため、従来の超音波送受波器と同様に、超音波は、振動板１２に対して垂直な方向（Ｚ軸方向）に放射される。
【００２２】
一方、遅延量θｄが「０」でない場合は、振動板１２には０次の定在波と１次の定在波が同時に励起されるため、図２に示す振動板１２の左端をｘ＝０、右端をｘ＝１、駆動角周波数をω、時間をｔとすると、振動板１２の各点における垂直方向（Ｚ軸方向）の変位Ｚは、次式で表すことができる。なお、ａ、ｂ、αは定数である。
【数１】
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【００２３】
例えば、第１駆動素子１３ａと第２駆動素子１３ｂの駆動振幅、位相差（遅延量）θｄを調整することによりａ＝ｂ＝１、α＝π／２とし、振動板１２の変位Ｚを、１周期の時間で正規化した時間毎にプロットすると図５に示すようになる。また、その同じ変位を、位置毎の時間変化で表すと図６に示すようになる。
【００２４】
図６を参照すると、ｘ＝０．８およびｘ＝０．６の位置の変位の方がｘ＝０．４およびｘ＝０．２の位置の変位よりも位相が進んでおり、進行波が振動板１２上を右側から左側に進行していることが分かる。振動板１２の振動の位相が図５および図６に示すように変化する場合、フェイズドアレイの原理により、超音波の主な伝播方向は位相が揃う方向になるので、超音波は、図７に示すように、振動板１２に垂直な方向より位相が遅れる方向に傾いて放射される。
【００２５】
したがって、第１駆動素子１３ａおよび第２駆動素子１３ｂを駆動する周波数と、第１駆動素子１３ａおよび第２駆動素子１３ｂ間に与える位相差θｄを変化させることによって、超音波の放射方向の傾きを制御することができるので、障害物の検出方向を電気的に制御することが可能になる。
【００２６】
超音波送受波器１で超音波を受信する場合は、以下のように動作する。すなわち、振動板１２は、該振動板１２から放射され、障害物等によって反射して再び振動板１２に戻ってきた超音波によって振動する。振動板１２の正面から戻ってきた超音波に対しては、第１駆動素子１３ａおよび第２駆動素子１３ｂは同相で駆動されるが、傾いた方向から戻ってきた超音波によって駆動される場合は、上述した送信の場合と同様に、振動板１２上に進行波が生じ、第１駆動素子１３ａから得られる信号と第２駆動素子１３ｂから得られる信号との間に位相差が生じる。そこで、送信回路２０と同様に、受信回路３０にも位相遅延回路３３が設けられており、この位相遅延回路３３によって遅延量を制御することにより、超音波の検出方向を制御することができる。
【００２７】
以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る超音波センサによれば、超音波の放射方向および検出方向を制御することができるので、超音波送受波器１の取り付け部位によらずに任意の方向の障害物を検出することができる。また、１個の振動板１２上に進行波を発生させる構造としたので、従来に比べて非常に少ない数の駆動素子でフェイズドアレイの原理を実現することができる。その結果、超音波センサの構造が簡単になり、安価な超音波センサを提供できる。
【００２８】
上述した実施の形態１に係る超音波センサを車両に取り付け、コーナーセンサやバックセンサといった障害物センサとして使用することができる。この場合は、制御回路２の送信回路２０では、第１駆動素子１３ａおよび第２駆動素子１３ｂを、位相をずらしながら順次駆動することにより振動板１２に進行波を発生させ、超音波の放射方向を車両の側面に垂直な方向より上向きにするように制御される。また、受信回路３０では、振動板１２で受信された超音波に基づいて第１駆動素子１３ａおよび第２駆動素子１３ｂに発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより超音波の検出方向を車両の側面に垂直な方向より上向きにするように制御される。
【００２９】
この障害物センサによれば、障害物の検出方向を電気的に制御することができるため、例えば車両の外形上の都合により取り付け可能な車両の外面が、地面に対する垂直面からオーバーハングしている場合であっても、振動板１２の傾きを車両の外面と平行に保ちながら障害物の検出方向を地面に対して水平以上に向けることができるため、地面を障害物であると誤検出しにくい。
【００３０】
また、上述した実施の形態１に係る超音波センサを車両に取り付けて車高センサとして使用することができる。この場合は、制御回路２の送信回路２０では、第１駆動素子１３ａおよび第２駆動素子１３ｂを、位相をずらしながら順次駆動することにより振動板１２に進行波を発生させ、超音波の放射方向を車両の側面に垂直な方向より下向きにするように制御される。また、受信回路３０では、振動板１２で受信された超音波に基づいて第１駆動素子１３ａおよび第２駆動素子１３ｂに発生された複数の信号の位相をずらしながら順次同期検波することにより超音波の検出方向を車両の側面に垂直な方向より下向きにするように制御される。
【００３１】
なお、上述した実施の形態１に係る超音波センサでは、振動板１２上に第１駆動素子１３ａおよび第２駆動素子１３ｂといった２個の駆動素子を配置するように構成したが、３個以上の駆動素子を配置するように構成することもできる。この場合、振動板１２には、隣り合う駆動素子の間にくびれが形成される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の実施の形態１に係る超音波センサの構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る超音波センサの超音波送受波器の構造を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る超音波センサの振動板の長手方向に立つ定在波を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る超音波センサの制御回路の構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る超音波センサの振動板の変位Ｚを、位置毎にプロットした図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る超音波センサの振動板の変位Ｚを、時間毎にプロットした図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る超音波センサの振動板の各位置から位相差を有して放射される超音波を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  超音波送受波器、２  制御回路、３  ケーブル、１１  枠部、１２  振動板、１３ａ  第１駆動素子、１３ｂ  第２駆動素子、１４  ノーズ部、２０  送信回路、２１  発振回路、２２  位相遅延回路、２３  増幅回路、２４  増幅回路、３０  受信回路、３１  増幅回路、３２  増幅回路、３３位相遅延回路、３４  同期検波回路、４０  距離演算回路。
【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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【図６】
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【図７】
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