(57)【要約】【課題】  超音波センサの体格を小型化することができ、送信する超音波の指向性制御の自由度が高い超音波送信方法を実現する。【解決手段】  センサ素子１３ｐ〜１３ｓから選択された少なくとも２つの隣接するセンサ素子を組み合わせて、各センサ素子の送受信面１２ａを同位相の振動により一体的に振動させることにより超音波を送信する。組み合わされた各センサ素子の送信面１２ａを同位相の振動により一体的に振動させるため、送受信面１２ａの面積が増大した場合と等価の振動状態が得られるので、１つのセンサ素子から送信される超音波と異なる指向性を有する超音波を送信することができる。これにより、超音波を送信するセンサ素子の組み合わせにより、送信する超音波の指向性を変えることができるので、超音波の指向性制御の自由度が高い超音波送信方法を実現することができる。【選択図】  図１
2009058362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレイ状に配置された送信面から超音波を送信する複数の送信素子と、被検出体にて反射された超音波を受信し検出する受信素子とを備えた超音波センサより超音波を送信する超音波送信方法において、
前記複数の送信素子から選択された少なくとも２つの隣接する送信素子を組み合わせて、この組み合わされた各送信素子の送信面を同位相の振動により一体的に振動させることにより、１つの送信素子から送信される超音波と異なる指向性を有する超音波を送信させることを特徴とする超音波送信方法。
【請求項２】
前記超音波センサは、車両に搭載され、当該車両の周囲に存在する被検出体を検出する超音波センサであり、前記複数の送信素子の送信面は、地面に対して水平方向及び垂直方向に並んで配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波送信方法。
【請求項３】
前記複数の送信素子のうち、隣接する送信素子の送信面が地面に対して垂直方向から４５度傾斜した方向に並んで配置されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波送信方法。
【請求項４】
前記複数の送信素子は、超音波を発振する圧電素子と、前記圧電素子が発振した超音波を伝達し、前記被検出体の存在する空間側に露出した送信面より超音波を送信する音響整合部材とをそれぞれ備えており、
前記音響整合部材よりも弾性率が低い材料で形成され、前記複数の送信素子間での振動の伝達を減衰させる振動減衰部材が、前記送信面近傍において前記複数の送信素子間に介在されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の超音波送信方法。
【請求項５】
前記複数の送信素子から選択された送信素子は、前記送信面が前記垂直方向に並んで配置された送信素子であることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１つに記載の超音波送信方法。
【請求項６】
前記複数の送信素子から選択された送信素子は、前記送信面が前記水平方向に並んで配置された送信素子であることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１つに記載の超音波送信方法。
【請求項７】
前記複数の送信素子から選択された送信素子の組み合わせは、前記水平方向及び前記垂直方向のいずれにも非対称であることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１つに記載の超音波送信方法。
【請求項８】
超音波を送信する前記送信素子の個数、または、前記複数の送信素子から選択された送信素子の組み合わせを切り替えることにより、超音波の指向性を切り替えて送信することを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１つに記載の超音波送信方法。
【請求項９】
前記複数の送信素子は、それぞれ前記受信素子として作動する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つに記載の超音波送信方法。
【請求項１０】
アレイ状に配置された送信面から超音波を送信する複数の送信素子と、被検出体にて反射された超音波を受信し検出する受信素子とを備えた超音波センサより超音波を送信する超音波送信装置において、
前記複数の送信素子から選択された少なくとも２つの隣接する送信素子を組み合わせて、この組み合わされた各送信素子の送信面を同位相の振動により一体的に振動させることにより、１つの送信素子から送信される超音波と異なる指向性を有する超音波を送信することを特徴とする超音波送信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アレイ状に配置された超音波を送信する複数の送信素子と、被検出体にて反射された超音波を受信し検出する受信素子とを備えた超音波センサより超音波を送信する超音波送信方法及び超音波送信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を送信する複数の送信素子と、被検出体にて反射された超音波を受信し検出する受信素子とを備えた超音波センサとして、超音波センサ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が知られている。この超音波センサは、送信素子から超音波を送信して、障害物に当たって反射された超音波を、センサ素子によって受信することにより、周囲にある障害物の距離測定などを行う。
一般に、超音波センサを用いて障害物の位置測定や形状の検出などを行う場合には、複数のセンサ素子を所定の間隔でアレイ状に配置し、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時間差または位相差を求める必要がある。その際、送信素子により超音波を送信可能な範囲が、障害物の検出可能範囲（角度、距離）を決定するため、超音波の指向性を制御して送信できることが好ましい。
超音波の指向性を制御して送信可能な超音波センサとして、例えば、特許文献１には、超音波を送波する送波源である複数の送波装置と、受波装置とを備え、複数の送波装置による発信時の位相差をずらすことによって、メインビームをスキャンする超音波センサが開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１２５５１５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、上述のような超音波送信方法を用いると、指向性制御の範囲などの自由度を高めようとすると、多数の送波装置が必要となり、超音波センサの体格が大きくなるという問題があった。
【０００４】
そこで、この発明では、超音波センサの体格を小型化することができ、送信する超音波の検知範囲（または超音波送信範囲）制御の自由度が高い超音波送信方法及び超音波送信装置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、アレイ状に配置された送信面から超音波を送信する複数の送信素子と、被検出体にて反射された超音波を受信し検出する１つまたは複数の受信素子とを備えた超音波センサより超音波を送信する超音波送信方法において、前記複数の送信素子から選択された少なくとも２つの隣接する送信素子を組み合わせて、この組み合わされた各送信素子の送信面を同位相の振動により一体的に振動させることにより、１つの送信素子から送信される超音波と異なる指向性を有する超音波を送信させる、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、複数の送信素子から選択された少なくとも２つの隣接する送信素子を組み合わせて、この組み合わされた各送信素子の送信面を同位相の振動により一体的に振動させることにより超音波を送信することができる。
一般に、送信される超音波の検知範囲は送信面の面積と長さ（四角なら辺の長さ、対角線、円なら直径）に依存しており、送信面の長さが大きいほど、超音波の拡がりが小さくなり、面積が大きいほど音圧が高くなる。
本発明の超音波送信方法では、組み合わされた各送信素子の送信面を同位相の振動により一体的に振動させるため、送信面の面積が増大した場合と等価の振動状態が得られるので、１つの送信素子から送信される超音波と異なる検知範囲を有する超音波を送信することができる。
これにより、超音波を送信する送信素子の組み合わせにより、送信する超音波の検知範囲を変えることができるので、超音波の検知範囲制御の自由度が高い超音波送信方法を実現することができる。
また、送信素子の個数を増やす必要がないため、超音波センサの体格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に記載の超音波送信方法において、前記超音波センサは、車両に搭載され、当該車両の周囲に存在する被検出体を検出する超音波センサであり、前記複数の送信素子の送信面は、地面に対して水平方向及び垂直方向に並んで配置されている、という技術的手段を用いる。
【０００８】
請求項２に記載の発明のように、複数の送信素子の送信面が地面に対して水平方向及び垂直方向に並んで配置された超音波センサに本発明の超音波送信方法を適用すると、送信する超音波の水平方向及び垂直方向の指向性を制御することができるので、車両に搭載され、当該車両の周囲に存在する被検出体を検出する超音波センサによる超音波送信方法として好適に用いることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の超音波送信方法において、前記複数の送信素子のうち、隣接する送信素子の送信面が地面に対して垂直方向から４５度傾斜した方向に並んで配置されている、という技術的手段を用いる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、複数の送信素子のうち、隣接する送信素子の送信面が地面に対して垂直方向から４５度傾斜した方向に並んで配置されているため、例えば垂直方向または水平方向とに並んで配置された送信素子の間隔を超音波の波長の１／２とする場合に、隣接する送信素子の間隔は超音波の波長の１／２√２となる。
一方、例えば隣接する送信素子が垂直方向または水平方向にある配置では、隣接する送信素子の間隔が超音波の波長の１／２となる。
つまり、垂直方向または水平方向に並んだ各送信面の間隔を保ったまま、隣接する送信素子の間隔を狭くすることができるので、超音波センサの外部への露出面積を小さくすることができ、超音波センサの小型化が可能である。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、請求項２または請求項３に記載の超音波送信方法において、前記複数の送信素子は、超音波を発振する圧電素子と、前記圧電素子が発振した超音波を伝達し、前記被検出体の存在する空間側に露出した送信面より超音波を送信する音響整合部材とをそれぞれ備えており、前記音響整合部材よりも弾性率が低い材料で形成され、前記複数の送信素子間での振動の伝達を減衰させる振動減衰部材が、前記送信面近傍において前記複数の送信素子間に介在されている、という技術的手段を用いる。
【００１２】
請求項４に記載の発明によれば、送信素子が音響整合部材を備えているため、圧電素子から発振された超音波を効率よく伝達し送信できるともに、各送信素子の送信面近傍において介在されている振動減衰部材は弾性率が低く音響整合部材の振動を阻害しないため、送信面を効率よく一体的に振動させることができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、請求項２ないし請求項４のいずれか１つに記載の超音波送信方法において、前記複数の送信素子から選択された送信素子は、前記送信面が前記垂直方向に並んで配置された送信素子である、という技術的手段を用いる。
【００１４】
請求項５に記載の発明によれば、複数の送信素子から選択された送信素子は、垂直方向に並んで配置された送信素子であるため、送信面の垂直方向の１辺が長い場合と等価な振動状態になる。これにより、水平方向の指向性を確保しつつ、垂直方向の指向性を狭くすることができるので、例えば、悪路の走行中など地面からの反射の影響が大きい場合に、その影響を排除することができる。
【００１５】
請求項６に記載の発明では、請求項２ないし請求項４のいずれか１つに記載の超音波送信方法において、前記複数の送信素子から選択された送信素子は、前記送信面が前記水平方向に並んで配置された送信素子である、という技術的手段を用いる。
【００１６】
請求項６に記載の発明によれば、複数の送信素子から選択された送信素子は、水平方向に並んで配置された送信素子であるため、送信面の水平方向の１辺が長い場合と等価な振動状態になる。これにより、水平方向の指向性を狭くしつつ、垂直方向の指向性を確保することができるので、例えば、縁石や溝などの路面の障害物を検出する場合に有効である。
【００１７】
請求項７に記載の発明では、請求項２ないし請求項４のいずれか１つに記載の超音波送信方法において、前記複数の送信素子から選択された送信素子の組み合わせは、前記水平方向及び前記垂直方向のいずれにも非対称である、という技術的手段を用いる。
【００１８】
請求項７に記載の発明によれば、複数の送信素子から選択された送信素子の組み合わせは、水平方向及び垂直方向のいずれにも非対称であるため、偏指向性を有する超音波を送信することができる。これにより、周囲の雑音が大きいときなどに、他の指向性を有する超音波を送信したときと受信信号を比較することにより、ロバスト性を向上させることができる。
【００１９】
請求項８に記載の発明では、請求項２ないし請求項４のいずれか１つに記載の超音波送信方法において、超音波を送信する前記送信素子の個数、または、前記複数の送信素子から選択された送信素子の組み合わせを切り替えることにより、超音波の指向性を切り替えて送信する、という技術的手段を用いる。
【００２０】
請求項８に記載の発明によれば、超音波を送信する送信素子の個数、または、複数の送信素子から選択された送信素子の組み合わせを切り替えることにより、超音波の指向性を切り替えて送信するため、超音波の指向性を切り替えて送信することができる。これによれば、検出したい被検出体の種類、被検出体の位置などに応じて、指向性を切り替えながら、例えば、検出範囲の死角が少なくなるように各指向性を補完して被検出体を検出することができる。
【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つに記載の超音波送信方法において、前記複数の送信素子は、それぞれ前記受信素子として作動することを特徴とする、という技術的手段を用いる。
【００２２】
請求項９に記載の発明によれば、複数の送信素子は、それぞれ受信素子として作動する、つまり、送信素子と受信素子が一体的に形成されているため、超音波センサの体格を小型化することができる。また、複数の受信素子が存在するため、被検出体の位置、距離などの２次元検出または３次元検出も可能となる。
【００２３】
請求項１０に記載の発明では、アレイ状に配置された送信面から超音波を送信する複数の送信素子と、被検出体にて反射された超音波を受信し検出する受信素子とを備えた超音波センサより超音波を送信する超音波送信装置において、前記複数の送信素子から選択された少なくとも２つの隣接する送信素子を組み合わせて、この組み合わされた各送信素子の送信面を同位相の振動により一体的に振動させることにより、１つの送信素子から送信される超音波と異なる指向性を有する超音波を送信する、という技術的手段を用いる。
【００２４】
請求項１０に記載の発明によれば、複数の送信素子から選択された少なくとも２つの隣接する送信素子を組み合わせて、この組み合わされた各送信素子の送信面を同位相の振動により一体的に振動させることにより超音波を送信することができる。これにより、送信面の面積が増大した場合と等価の振動状態が得られるので、１つの送信素子から送信される超音波と異なる検知範囲を有する超音波を送信することができる。
また、超音波を送信する送信素子の組み合わせにより、送信する超音波の検知範囲を変えることができるので、超音波の検知範囲制御の自由度が高い超音波送信方法を実現することができる。
更に、検知範囲の異なる複数の送信素子を用いなくとも組み合わせの変更で検知範囲を制御できるため、送信素子の個数を増やす必要がないため、超音波送信装置の体格を小型化することができる。
【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送信方法の実施形態について、図を参照して説明する。ここでは、超音波センサを車両に搭載して障害物センサとして使用する場合の超音波送信方法を例に説明する。
図１は、本実施形態の超音波送信方法に用いる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、超音波の指向性制御の原理を示す説明図である。図３は、センサ素子の送信面の寸法と、検知距離及び指向性との関係を示す説明図である。図４は、１つのセンサ素子のみが超音波を送信する場合の超音波の指向性を示す説明図である。図５は、４つのセンサ素子が超音波を送信する場合の超音波の指向性を示す説明図である。図６は、地面に対して垂直方向に並んだ２つのセンサ素子が超音波を送信する場合の超音波の指向性を示す説明図である。図７は、地面に対して水平方向に並んだ２つのセンサ素子が超音波を送信する場合の超音波の指向性を示す説明図である。図８は、選択されたセンサ素子の組み合わせが水平方向及び垂直方向のいずれにも非対称であるセンサ素子が超音波を送信する場合の超音波の指向性を示す説明図である。
ここで、図１において、Ｖ方向が地面に対して垂直方向、Ｈ方向が地面に対して水平方向であり、図１（Ｂ）の上方向が車両の外部を示す。
なお、各図では、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】
（超音波センサの構造）
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。
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１３ｐ、１３ｑ、１３ｒ、１３ｓの構造は同じであるので、ここでは、センサ素子１３ｐについて説明する。
センサ素子１３ｐは、超音波を送受信する圧電素子１１ｐと、圧電素子１１ｐから発振される超音波を伝達し車両前方に送信するとともに、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。
つまり、センサ素子１３ｐは、超音波の送受信が可能であり、送信素子及び受信素子として作動する。
【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、送受信面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Ｔ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、発振する超音波の音圧、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】
次に、超音波センサ１０による障害物の検出について、センサ素子１３ｐから超音波を送信する場合を例に説明する。
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、回路素子１８が圧電素子１１ｐに対して電圧信号を出力する。この電圧信号に基づいて圧電素子１１ｐが振動し、所定の音圧、位相の超音波を発振する。圧電素子１１ｐにより発振された超音波は、音響整合部材１２ｐに伝達され、送受信面１２ａから車両外部へ送信される。送受信面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１２ｐの送受信面１２ａにおいて受信される。送受信面１２ａにおいて受信された超音波は、音響整合部材１２ｐを介して、圧電素子１１ｐに伝達される。圧電素子１１ｐに伝達された超音波は、圧電素子１１ｐにより検出され、電圧信号に変換される。圧電素子１１ｐから出力された電圧信号は、回路素子１８を経て、ＥＣＵに伝達される。回路素子は、圧電素子１１ｐから出力される電圧信号に基づいて演算処理を行う。
【００３４】
各センサ素子１３ｐ〜１３ｓはアレイ状に配置されているため、送受信間の時間差および受信した超音波の受信素子間での時間差、または位相差を求めることによって、その各差に基づいて、障害物の位置などの測定を行うことができる。
ここで、各センサ素子１３ｐ〜１３ｓ間には、振動減衰部材４１が介在しているため、センサ素子１３ｐ〜１３ｓごとに超音波を分離して伝達し、検出することができるので、良好なクロストーク特性を得ることができ、超音波の検出感度を向上させることができる。
更に、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いるため、受信した超音波の位相差からも角度を検出することができる。これにより、受信した超音波の角度を精度良く検出することができるので、障害物との距離及び位置の測定精度を向上させることができる。
【００３５】
（超音波の指向性の制御方法）
超音波の指向性は、送受信面１２ａ直近の中心音圧に対して音圧が約７割（−３ｄＢ）となる検知範囲Ｄで代表して表すことができる。検知範囲は指向性と検知距離で表すことができる。は、送受信面１２ａ中心からの検知距離Ｌと、送受信面１２ａの法線方向との角度である指向性θにより表すことができる。ここで、検知距離Ｌは超音波の音圧に、指向性θは超音波の拡がりに対応している。
【００３６】
検知距離Ｌは、送受信面１２ａの面積に依存する。指向性は送受信面１２ａが四角形状に形成されている場合には辺の長さに依存する。ここでは、送受信面１２ａが正方形に形成されている場合について検討する。
【００３７】
図２（Ａ）は、送受信面１２ａの１辺の長さがＳａ、図２（Ｂ）は、送受信面１２ａの１辺の長さがＳｂ（Ｓａ＜Ｓｂ）の場合の超音波の指向性を示す。
送受信面１２ａの１辺の長さ（Ｓａ）が短い方の検知範囲Ｄａと、１辺の長さ（Ｓｂ）が長い方の検知範囲Ｄｂとを比較すると、指向性は、θａ＞θｂであり、１辺の長さが短い方が大きくなる。一方、検知距離は、Ｌａ＜Ｌｂであり、１辺の長さが長い方が大きくなる。
【００３８】
上述のように、送受信面１２ａの面積が大きくなると、超音波の音圧が上がり、拡がりが狭くなる。つまり、送受信面１２ａの面積を小さくすると、車両から遠く離れた位置に存在する障害物は検出できないが、検知範囲を広くすることができる。また、送受信面１２ａの面積を大きくすると、検知範囲は狭くなるが、車両から遠く離れた位置に存在する障害物を検出できる。
【００３９】
図３に、送受信面１２ａの１辺の長さと、検知距離及び指向性との関係を示す。検知距離は、１辺２ｍｍの送受信面１２ａを有するセンサ素子１３ｐによる検知距離で規格化した値で示す。
１辺２ｍｍの送受信面１２ａを有するセンサ素子１３ｐに比べて、１辺５ｍｍの送受信面１２ａを有するセンサ素子１３ｐでは、検知距離が６倍以上と大幅に増大している。指向性は、１辺２ｍｍの送受信面１２ａを有するセンサ素子１３ｐで７５°であるのに対し、１辺５ｍｍの送受信面１２ａを有するセンサ素子１３ｐでは約２０°と小さな値となっている。
【００４０】
以下に、超音波の指向性の制御パターンについて例示して説明する。図４は、センサ素子１３ｐだけが超音波を送信する場合の指向性を示す説明図である。（図では上下の図が異なり、ｐとｒの発信となっている）図４（Ａ）は、超音波センサ１０を垂直方向（Ｖ方向）の下方から見たときの指向性の模式図であり、図４（Ｂ）は、超音波センサ１０を水平方向（Ｈ方向）の右方から見たときの指向性の模式図である。なお、図５及び図６も同じ方向の模式図である。
センサ素子１３ｐだけが超音波を送信する場合の検知範囲Ｄ１は、地面に垂直方向（Ｖ方向）と水平方向（Ｈ方向）とで等方的であり、指向性がθ１、検知距離がＬ１で表される。ここで、送受信面１２ａの１辺の長さをＳ１とする。
【００４１】
次に、センサ素子１３ｐ〜１３ｓすべてから超音波を送信する場合の指向性について説明する。
図５に示すように、センサ素子１３ｐ〜１３ｓから同位相の超音波を送信すると、各センサ素子１３ｐ〜１３ｓ間に介在されている振動減衰部材４１は弾性率が低く音響整合部材１２ｐ〜１２ｓの振動を阻害しないため、音響整合部材１２ｐ〜１２ｓの送受信面１２ａが一体的に振動する。これにより、超音波センサ１０において、１辺の長さがＳ１の約２倍である正方形の送受信面から超音波が送信される状態と等価な振動状態が得られる。
ここで、「同位相」とは、位相が完全に一致する場合だけではなく、音響整合部材１２ｐ〜１２ｓの送受信面１２ａが一体的に振動する範囲の位相を含む。
【００４２】
これにより、送受信面１２ａの１辺の長さが長くなるのと同様の効果が得られるため、検知範囲Ｄ２は地面に垂直方向（Ｖ方向）と水平方向（Ｈ方向）とで等方的であり、指向性θ２はθ１より小さく、検知距離Ｌ２はＬ１より長くなる。つまり、この送信方法によれば、障害物の検知範囲は狭くなるが、車両から遠く離れた位置に存在する障害物を検出できる。
【００４３】
超音波を送信するセンサ素子１３ｐ〜１３ｓの個数を切り替えることにより、超音波の指向性を切り替えて送信することができる。
上述の検知範囲Ｄ１（図４）の超音波と検知範囲Ｄ２（図５）の超音波とを所定の時間間隔で交互に送信すると、検知範囲Ｄ１の超音波を送信したときには車両に近い広範囲の障害物を検出することができ、検知範囲Ｄ２の超音波を送信したときには車両から遠い位置に存在する障害物とを検出することができる。
このように、１つの超音波センサ１０を用いて指向性を切り替えることにより広範囲の障害物を検出することができ、例えば、車両の障害物センサの死角を低減できる。
【００４４】
次に、センサ素子１３ｐ〜１３ｓから、地面に対して垂直方向（Ｖ方向）に並んでいる２つのセンサ素子１３ｐ、１３ｒを選択して超音波を送信する場合の指向性について説明する。
センサ素子１３ｐ、１３ｒから同位相の超音波を送信すると、水平方向（Ｈ方向）の１辺がＳ１、垂直方向（Ｖ方向）の１辺がＳ１の約２倍である長方形の送受信面から超音波が送信される状態と等価な振動状態が得られる。
【００４５】
図５に示すように、検知範囲Ｄ３は、垂直方向（Ｖ方向）と水平方向（Ｈ方向）とで異方性を有しており、超音波の拡がりが異なっている。
垂直方向（Ｖ方向）の１辺が長くなるため、垂直方向（Ｖ方向）の指向性θ３は、指向性θ１より小さくなる。センサ素子１３ｐ〜１３ｓから送信する場合に比べて水平方向（Ｈ方向）の１辺が短くなるため、水平方向（Ｈ方向）の指向性θ４は、指向性θ２より小さくなる。垂直方向（Ｖ方向）の１辺は水平方向（Ｈ方向）の１辺より長いため、指向性θ３は指向性θ４より大きくなる。つまり、θ１≒θ３＞θ４≒θ２の関係が成り立つ。
また、等価な送受信面の面積がセンサ素子１３ｐ〜１３ｓから送信する場合に比べて小さいため、検知距離Ｌ３は、検知距離Ｌ１より大きく、検知距離Ｌ２より小さくなる（Ｌ２＞Ｌ３＞Ｌ１）。
【００４６】
これにより、検知範囲Ｄ３は水平方向（Ｈ方向）の指向性を確保しつつ、垂直方向（Ｖ方向）の指向性を狭くすることができるので、例えば、悪路の走行中など地面からの反射の影響が大きい場合に、その影響を排除することができる。
【００４７】
また、検知範囲Ｄ１（図４）の超音波と検知範囲Ｄ３の超音波とを所定の時間間隔で交互に送信することにより、検知範囲Ｄ１の超音波を送信したときには車両に近い広範囲の障害物を検出することができ、検知範囲Ｄ３の超音波を送信したときには検知範囲Ｄ１の超音波で検出可能な位置よりも遠い位置に存在する障害物を、地面からの反射の影響を排除して、精度良く検出することができる。
【００４８】
センサ素子１３ｐ〜１３ｓから地面に対して水平方向（Ｈ方向）に並んでいる２つのセンサ素子１３ｐ、１３ｑを選択して超音波を送信することもできる。この場合、図７に示すように、検知範囲Ｄ３を超音波の送信方向に対して９０°回転させた指向性となる。これによれば、水平方向（Ｈ方向）の指向性を狭くすることができる。
【００４９】
また、検知範囲Ｄ２（図５）の超音波と図７に記載の超音波とを所定の時間間隔で交互に送信することにより、検知範囲Ｄ２の超音波を送信したときには車両の進行方向の障害物を検出することができ、図７に記載の超音波を送信したときには検知範囲Ｄ２の超音波より垂直方向（Ｖ方向）の検出範囲を拡げることにより、縁石や溝などの路面の障害物を検出することができる。
【００５０】
センサ素子１３ｐ〜１３ｓから、水平方向（Ｈ方向）及び垂直方向（Ｖ方向）のいずれにも非対称であるようにセンサ素子を選択して超音波を送信することもできる。
例えば、図８（Ａ）に示すように、センサ素子１３ｑ、１３ｒから超音波を送信すると、水平方向（Ｈ方向）に４５°傾斜した扁平な検知範囲Ｄ４を有する超音波が送信される。
また、図８（Ｂ）に示すように、センサ素子１３ｑ、１３ｒ、１３ｓから超音波を送信すると、矩形状の検知範囲Ｄ５を有する超音波が送信される。
このような偏指向性を有する超音波を送信すると、周囲の雑音が大きいときなどに、他の指向性（Ｄ１〜Ｄ３など）を有する超音波を送信したときと受信信号を比較することにより、ロバスト性を向上させることができる。
【００５１】
（変更例）
センサ素子１３ｐ〜１３ｓから選択するセンサ素子の組み合わせを変化させながら、超音波を送信することにより障害物の方向を特定することができる。
また、測定対象、目的に応じて指向性の組み合わせは任意である。
【００５２】
本実施形態では、超音波を送信する送信素子として圧電素子を用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、熱励起式の送信素子、半導体基板にＭＥＭＳ技術を利用してメンブレンを形成した送信素子などを用いることができる。
また、センサ素子１３ｐ〜１３ｓは、超音波を送受信可能に構成されているが、送信専用として、受信素子を別に設けてもよい。
【００５３】
センサ素子の数は、用途に応じて任意である。例えば、２次元検出を行うなら、センサ素子を２個用意すればよい。また、センサ素子を縦３個、横２個の計６個を配置する、などのように、特定の方向に多く配置することもできる。
【００５４】
本実施形態では、超音波センサ１０として、車両に設けられた障害物センサを例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、産業用、医療用、介護用、家庭用ロボットに用いることもできる。
【００５５】
［最良の実施形態の効果］
（１）本実施形態の超音波送信方法によれば、センサ素子１３ｐ〜１３ｓから選択された少なくとも２つの隣接するセンサ素子を組み合わせて、この組み合わされた各センサ素子の送受信面１２ａを同位相の振動により一体的に振動させることにより超音波を送信することができる。
組み合わされた各センサ素子の送受信面１２ａを同位相の振動により一体的に振動させるため、送受信面１２ａの面積が増大した場合と等価の振動状態が得られるので、１つのセンサ素子から送信される超音波と異なる指向性を有する超音波を送信することができる。
これにより、超音波を送信するセンサ素子の組み合わせにより、送信する超音波の指向性を変えることができるので、超音波の指向性制御の自由度が高い超音波送信方法を実現することができる。
また、センサ素子の個数が少ない場合でも、検知範囲を変化させることができ、超音波センサ１０の体格を小型化することができる。
【００５６】
（２）本実施形態のように、センサ素子１３ｐ〜１３ｓの送受信面１２ａが地面に対して水平方向及び垂直方向に並んで配置された超音波センサ１０に本発明の超音波送信方法を適用すると、送信する超音波の水平方向（Ｈ方向）及び垂直方向（Ｖ方向）の指向性を制御することができるので、車両に搭載され、当該車両の周囲に存在する障害物を検出する超音波センサ１０による超音波送信方法として好適に用いることができる。
【００５７】
（３）超音波センサ１０において、センサ素子１３ｐ〜１３ｓが音響整合部材１２ｐ〜１２ｓをそれぞれ備えているため、圧電素子１１ｐ〜１１ｓから発振された超音波を効率よく伝達し送信できるともに、各センサ素子１３ｐ〜１３ｓの送受信面１２ａ近傍において介在されている振動減衰部材４１は弾性率が低く音響整合部材１２ｐ〜１２ｓの振動を阻害しないため、送受信面１２ａを効率よく一体的に振動させることができる。
【００５８】
（４）センサ素子１３ｐ〜１３ｓから、地面に対して垂直方向に並んでいる２つのセンサ素子１３ｐ、１３ｒを選択して超音波を送信する構成を用いると、送受信面１２ａの垂直方向（Ｖ方向）の１辺が長い場合と等価な振動状態になるため、検知範囲Ｄ３は水平方向（Ｈ方向）の指向性を確保しつつ、垂直方向（Ｖ方向）の指向性を狭くすることができるので、例えば、悪路の走行中など地面からの反射の影響が大きい場合に、その影響を排除することができる。
【００５９】
（５）センサ素子１３ｐ〜１３ｓから、地面に対して水平方向に並んでいる２つのセンサ素子１３ｐ、１３ｒを選択して超音波を送信する構成を用いると、送受信面１２ａの水平方向（Ｈ方向）の１辺が長い場合と等価な振動状態になるため、指向性が水平方向（Ｈ方向）の指向性を狭くしつつ、垂直方向（Ｖ方向）の指向性を確保することができるので、例えば、縁石や溝などの路面の障害物を検出する場合に有効である。
【００６０】
（６）センサ素子１３ｐ〜１３ｓから、水平方向及び垂直方向のいずれにも非対称であるようにセンサ素子を選択して超音波を送信する構成を用いると、偏指向性を有する超音波を送信することができる。これにより、周囲の雑音が大きいときなどに、他の指向性を有する超音波を送信したときと受信信号を比較することにより、ロバスト性を向上させることができる。
【００６１】
（７）超音波を送信するセンサ素子の個数、または、センサ素子１３ｐ〜１３ｓから選択された超音波を送信するセンサ素子の組み合わせを切り替えることにより、超音波の指向性を切り替えて送信することにより、超音波の指向性を切り替えて送信することができる。これによれば、検出したい被検出体の種類、被検出体の位置などに応じて、指向性を切り替えながら、検出範囲の死角が少なくなるように各指向性を補完して被検出体を検出することができる。
例えば、センサ素子１３ｐから送信する検知範囲Ｄ１の超音波と、センサ素子１３ｐ〜１３ｓから送信する検知範囲Ｄ２の超音波とを所定の時間間隔で交互に送信すると、検知範囲Ｄ１の超音波を送信したときには車両に近い広範囲の障害物を検出することができ、検知範囲Ｄ２の超音波を送信したときには車両から遠い位置に存在する障害物とを検出することができるため、より広範囲の障害物を検出することができる。
【００６２】
（８）センサ素子１３ｐ〜１３ｓは、それぞれ受信素子として作動する、つまり、送信素子と受信素子が一体的に形成されているため、超音波センサ１０の体格を小型化することができる。
【００６３】
［その他の実施形態］
（１）音響整合部材１２ｐ〜１２ｓの送受信面１２ａが一体的に振動する範囲において、送信する超音波の位相をずらしてメインプローブの方向を制御することもできる。例えば、センサ素子１３ｐ〜１３ｓから、地面に対して垂直方向（Ｖ方向）に並んでいる２つのセンサ素子１３ｐ、１３ｒを選択して超音波を送信する場合において、センサ素子１３ｒからの超音波の送信をセンサ素子１３ｐからの超音波の送信より大きくすることにより、検知範囲Ｄ３の方向を上方向に傾斜させることができる。
【００６４】
（２）超音波の指向性を維持したまま、超音波を送信するセンサ素子の組み合わせを変えて交互に送信することもできる。例えば、検知範囲Ｄ３の超音波を、センサ素子１３ｐ、１３ｒの組み合わせとセンサ素子１３ｑ、１３ｓの組み合わせにより交互に送信することができる。これによれば、センサ素子が作動していない期間があるため、センサ素子の作動による発熱でセンサ素子の温度が上昇することを防ぐことができるので、超音波の発振間隔を短くできるとともに、安定した送信が可能となる。
また、遠距離で検出した障害物が極近傍に接近したときのみ複数のセンサ素子で交互に発信をして、システムの応答性を上げることもできる。
【００６５】
（３）超音波を送信するセンサ素子では超音波を受信せず、超音波を送信しないセンサ素子でのみ超音波を受信することもできる。例えば、センサ素子１３ｐ、１３ｒから検知範囲Ｄ３の超音波を送信する場合には、センサ素子１３ｑ、１３ｓでのみ障害物で反射した超音波を受信する。
障害物が超音波センサ１０の極近傍に存在する場合に、超音波の送受信を同一のセンサ素子で行うと、音響整合部材中の残響により誤差を生じる場合があるが、この構成によれば、超音波を送信するセンサ素子では超音波を受信しないため、極近傍に存在する障害物を精度良く検出することができる。
遠距離で検出した障害物が極近傍に接近したときのみ複数素子で交互に発信をして、システムの応答性を上げることもできる。
【００６６】
（４）隣接する音響整合部材１２ｐ〜１２ｓの各送受信面１２ａが地面に対して垂直方向から４５度傾斜した方向に並んで配置されている構成を用いることもできる。
図９に示すように、音響整合部材１２ｐ〜１２ｓは、水平方向に並んだ音響整合部材１２ｒ、１２ｑ及び垂直方向に並んだ音響整合部材１２ｐ、１２ｓの中心部の間隔ｄが、それぞれ超音波の半波長にほぼ等しくなるように配置されている。このとき、隣接する音響整合部材、例えば、音響整合部材１２ｐ、１２ｑの送受信面１２ａの中心部の距離Ｌは、超音波の波長の１／２√２倍となるため、図１に示す配置に比べて、各送受信面１２ａの面積を小さくすることができる。
つまり、センサ素子１３ｐ〜１３ｓの垂直方向または水平方向に並んだ各送受信面１２ａの間隔を保ったまま、超音波センサ１０の小型化が可能であり、例えば、超音波センサ１０の外部への露出面積を図１に示す配置に比べて、約１／２に小さくすることができる。
【００６７】
（５）超音波を送信しないセンサ素子に対して、送信する超音波と逆の位相の振動を印加するＡＮＣ（アクティブ・ノイズ・コントロール）を行い、受信時の振動ノイズを低減することもできる。また、送受信一体素子においても、残響振動を減衰させることができる。
【００６８】
（６）複数の送信素子の組み合わせによる検知範囲の制御において、超音波センサ１０における発信可能なセンサ素子の数は用途に応じて任意である。
【００６９】
（７）本発明の超音波センサは、発信素子の組み合わせを切り替えることにより、死角低減と長距離化とを実現できるため、車両周辺の監視システムまたはロボットの監視システムに好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本実施形態の超音波送信方法に用いる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】超音波の指向性制御の原理を示す説明図である。
【図３】センサ素子の送信面の寸法と、検知距離及び指向性との関係を示す説明図である。
【図４】１つのセンサ素子のみが超音波を送信する場合の超音波の指向性を示す説明図である。
【図５】４つのセンサ素子が超音波を送信する場合の超音波の指向性を示す説明図である。
【図６】地面に対して垂直方向に並んだ２つのセンサ素子が超音波を送信する場合の超音波の指向性を示す説明図である。
【図７】地面に対して水平方向に並んだ２つのセンサ素子が超音波を送信する場合の超音波の指向性を示す説明図である。
【図８】選択されたセンサ素子の組み合わせが水平方向及び垂直方向のいずれにも非対称であるセンサ素子が超音波を送信する場合の超音波の指向性を示す説明図である。
【図９】センサ素子の配置の変更例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  送受信面（受信面）
１３ｐ〜１３ｓ  センサ素子（送信素子、受信素子）
１４    振動減衰部材
５１    バンパ（車両）
【図１】
2009058362.tif 000003
【図２】
2009058362.tif 000004
【図３】
2009058362.tif 000005
【図４】
2009058362.tif 000006
【図５】
2009058362.tif 000007
【図６】
2009058362.tif 000008
【図７】
2009058362.tif 000009
【図８】
2009058362.tif 000010
【図９】
2009058362.tif 000011