特開 2024-128790 信号処理装置、超音波センサ、及び車両

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024128790

(43)【公開日】2024-09-24

(54)【発明の名称】信号処理装置、超音波センサ、及び車両

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/529 20060101AFI20240913BHJP

   G01S 15/931 20200101ALI20240913BHJP

   G01S 15/10 20060101ALI20240913BHJP

【ＦＩ】

G01S7/529

G01S15/931

G01S15/10

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023037996

(22)【出願日】2023-03-10

(71)【出願人】

【識別番号】000116024

【氏名又は名称】ローム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001933

【氏名又は名称】弁理士法人 佐野特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 弘治

【テーマコード（参考）】

5J083

【Ｆターム（参考）】

5J083AA02

5J083AB13

5J083AC18

5J083AD04

5J083AE01

5J083AE08

5J083AF09

5J083BA01

5J083BE11

5J083BE17

5J083BE47

(57)【要約】

【課題】受信信号の信号対雑音比を向上させることができる信号処理装置を提供する。
【解決手段】信号処理装置（３）は、物体で反射した超音波である反射波に基づく受信信号を生成するように構成された受信回路（６）と、前記受信信号の振幅を検出するように構成された第１検出回路（７）と、前記受信信号の周波数又は位相を検出するように構成された第２検出回路（８）と、一定区間における前記受信信号の周波数又は位相の変動と、前記変動の期待値との一致度を算出するように構成された一致度算出回路（９）と、前記第１検出回路の出力である振幅信号に対して、前記一致度が高いほど前記振幅信号を増幅する増幅処理、前記一致度が低いほど前記振幅信号を減衰する減衰処理の少なくとも一方を行うように構成された補正回路（１０）と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

物体で反射した超音波である反射波に基づく受信信号を生成するように構成された受信回路と、
前記受信信号の振幅を検出するように構成された第１検出回路と、
前記受信信号の周波数又は位相を検出するように構成された第２検出回路と、
一定区間における前記受信信号の周波数又は位相の変動と、前記変動の期待値との一致度を算出するように構成された一致度算出回路と、
前記第１検出回路の出力である振幅信号に対して、前記一致度が高いほど前記振幅信号を増幅する増幅処理、前記一致度が低いほど前記振幅信号を減衰する減衰処理の少なくとも一方を行うように構成された補正回路と、
を備える、信号処理装置。

【請求項2】

超音波を送波する圧電素子を駆動するための駆動信号を生成するように構成された駆動回路を備え、
前記駆動信号は、駆動期間と非駆動期間とを繰り返す信号であり、
前記一定区間は、前記駆動期間の０．５倍以上１．５倍以下である、請求項１に記載の信号処理装置。

【請求項3】

前記補正回路は、前記振幅信号の前記一定区間の中心に対して、前記一致度が高いほど前記振幅信号を増幅する増幅処理、前記一致度が低いほど前記振幅信号を減衰する減衰処理の少なくとも一方を行うように構成されている、請求項１に記載の信号処理装置。

【請求項4】

前記一致度算出回路は、前記一定区間を時間経過に伴いスライドさせるように構成されている、請求項１に記載の信号処理装置。

【請求項5】

前記補正回路の出力に基づき前記反射波を検出するように構成された反射波検出回路を備える、請求項１に記載の信号処理装置。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか一項に記載の信号処理装置と、
前記信号処理装置に直接的又は間接的に接続されるように構成される超音波送受信装置と、を備える、超音波センサ。

【請求項7】

請求項６に記載の超音波センサを備える、車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書中に開示されている発明は、信号処理装置、超音波センサ、及び車両に関する。

【背景技術】

【0002】

超音波センサは、超音波を発生させ、発生させた超音波が対象物に当たり超音波センサに帰ってくるまでの時間を測定し、測定した時間を用いて超音波センサから対象物までの距離を求める（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－３５３２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

超音波センサから対象物までの距離が長くなるほど、超音波センサに帰ってくる超音波（反射波）が減衰し、反射波に基づいて生成される受信信号の信号対雑音比が悪化する。受信信号の信号対雑音比が悪化すると、反射波の検出が困難になる。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示に係る信号処理装置は、物体で反射した超音波である反射波に基づく受信信号を生成するように構成された受信回路と、前記受信信号の振幅を検出するように構成された第１検出回路と、前記受信信号の周波数又は位相を検出するように構成された第２検出回路と、一定区間における前記受信信号の周波数又は位相の変動と、前記変動の期待値との一致度を算出するように構成された一致度算出回路と、前記第１検出回路の出力である振幅信号に対して、前記一致度が高いほど前記振幅信号を増幅する増幅処理、前記一致度が低いほど前記振幅信号を減衰する減衰処理の少なくとも一方を行うように構成された補正回路と、を備える。

【0006】

本開示に係る超音波センサは、上記構成の信号処理装置と、前記信号処理装置に直接的又は間接的に接続されるように構成される超音波送受信装置と、を備える。

【0007】

本開示に係る車両は、上記構成の超音波センサを備える。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、受信信号の信号対雑音比を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す図である。

【図2】図２は、信号処理装置で処理される信号の波形を示す図である。

【図3】図３は、駆動信号の波形を示す図である。

【図4】図４は、一定区間を説明するための図である。

【図5】図５は、実施形態に係る超音波センサの変形例を示す図である。

【図6】図６は、車両の外観図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１は、実施形態に係る超音波センサ１の概略構成を示す図である。超音波センサ１は、圧電素子２と、信号処理装置３と、を備える。

【0011】

圧電素子２は、超音波を発するともに、対象物で反射した超音波（物体からの反射波）を受け取る。つまり、圧電素子２は、超音波の送信及び受信を行う超音波送受信装置である。なお、本実施形態とは異なり、超音波センサは、超音波の送信専用圧電素子と超音波の受信専用圧電素子を備える構成であってもよい。

【0012】

信号処理装置３は、圧電素子２に供給する駆動信号及び圧電素子２から受け取る信号を処理する。なお、圧電素子２と信号処理装置３との間には、トランスが設けられてもよく、トランスが設けられなくてもよい。

【0013】

信号処理装置３は、送波信号生成回路４と、駆動回路５と、受信回路６と、振幅検出回路７と、周波数検出回路８と、一致度算出回路９と、補正回路１０と、反射波検出回路１１と、を備える。

【0014】

送波信号生成回路４は、送波信号を生成する。

【0015】

駆動回路５は、送波信号を増幅した駆動信号を圧電素子２に供給して、圧電素子２を駆動（振動）させる。

【0016】

受信回路６は、圧電素子２から出力される信号を受け取り、物体からの反射波に基づく受信信号Ｓ１を生成する。

【0017】

振幅検出回路７は、受信信号Ｓ１の振幅を検出する。振幅検出回路７における検出手法は、特に限定されない。例えば、振幅検出回路７は、受信信号Ｓ１の包絡線を検出して受信信号Ｓ１の振幅を検出してもよい。例えば、振幅検出回路７は、一定区間の受信信号Ｓ１の最大値と最小値の差分から受信信号Ｓ１の振幅を算出してもよい。例えば、振幅検出回路７は、直交検波を用いて受信信号Ｓ１の振幅を算出してもよい。

【0018】

振幅検出回路７は、受信信号Ｓ１の振幅を示す振幅信号Ｓ２を出力する。

【0019】

周波数検出回路８は、受信信号Ｓ１の周波数を検出する。周波数検出回路８における検出手法は、特に限定されない。例えば、周波数検出回路８が図１に示すように位相検出回路８１及び微分処理回路８２を備え、位相検出回路８１が直交検波を用いて受信信号Ｓ１の位相を算出し、微分処理回路８２が受信信号Ｓ１の位相を示す位相信号を微分して受信信号Ｓ１の周波数を算出してもよい。

【0020】

周波数検出回路８は、受信信号Ｓ１の周波数を示す周波数信号Ｓ３を出力する。

【0021】

一致度算出回路９は、一定区間における受信信号Ｓ１の周波数の変動と、当該変動の期待値ＥＶとの一致度を算出する。一致度算出回路９における算出手法は、特に限定されない。例えば、一致度算出回路９は、周波数信号Ｓ３と、周波数信号Ｓ３の期待値との誤差を一定区間において積算し、その積算値が小さいほど一致度を高くする。例えば、送波信号の周波数が固定である場合、周波数信号Ｓ３の期待値は、送波信号の周波数に対応する値に設定すればよい。例えば、送波信号の周波数がチャープする場合、周波数信号Ｓ３の期待値は、送波信号の周波数の平均値にしてもよいし、チャープによる周波数の変化に合わせて、一定区間における期待値を変化させてもよい。

【0022】

一致度算出回路９は、一致度を示す信号Ｓ４を出力する。

【0023】

ノイズの周波数はランダムであるため、受信信号Ｓ１のうちノイズしか存在しない部分では、一致度は低くなる。一方、受信信号Ｓ１のうち反射波に基づく成分が含まれている部分では、一致度は高くなる。そのため、補正回路１０は、振幅信号Ｓ２に対して、一致度算出回路９によって算出された一致度が高いほど振幅信号Ｓ２を増幅する増幅処理、一致度算出回路９によって算出された一致度が低いほど振幅信号Ｓ２を減衰する減衰処理の少なくとも一方を行う。

【0024】

補正回路１０での補正によって、反射波が強調されることになる。つまり、補正回路１０での補正によって、受信信号（補正後の受信信号）の信号対雑音比を向上させることができる。

【0025】

上記の増幅処理は、例えば、一致度が判定値以上である場合に振幅信号Ｓ２を増幅し、一致度が判定値未満である場合に振幅信号Ｓ２を増幅しない処理であってもよい。上記の増幅処理は、例えば、一致度が第１判定値以上である場合に振幅信号Ｓ２を第１の増幅量で増幅し、一致度が第１判定値未満第２判定値以上である場合に振幅信号Ｓ２を第１の増幅量より小さい第２増幅量で増幅し、一致度が第２判定値未満である場合に振幅信号Ｓ２を増幅しない処理であってもよい。また、値の異なる判定値を三つ以上設けてもよい。上記の増幅処理は、例えば、一致度に応じて増幅量を連続的に変化させて振幅信号Ｓ２を増幅する処理であってもよい。

【0026】

上記の減衰処理についても、上記の増幅処理と同様の処理に、段階的な減衰処理であってもよく、連続的な減衰処理であってもよい。

【0027】

補正回路１０は、振幅信号Ｓ２を補正して得られる信号（補正後の受信信号）Ｓ５を出力する。

【0028】

反射波検出回路１１は、補正回路１０から出力される補正後の受信信号Ｓ５に基づき反射波を検出する。具体的には、反射波検出回路１１は、補正回路１０から出力される補正後の受信信号Ｓ５が閾値ＴＨ（後述する図２参照）を超えている場合に反射波を検出する。

【0029】

補正後の受信信号Ｓ５の信号対雑音比が向上しているため、反射波検出回路１１における反射波の検出が容易になる。

【0030】

なお、本実施形態とは異なり、反射波検出回路１１は、超音波センサ１の外部に設けられてもよい。例えば、超音波センサ１から補正後の受信信号Ｓ５を受け取るマイクロコンピュータに反射波検出回路１１を設けてもよい。

【0031】

図２は、信号処理装置３で処理される信号の波形を示す図である。図２において、横軸は時間を表しており、縦軸は電圧を表している。図２では、上から順に受信信号Ｓ１、振幅信号Ｓ２、周波数信号Ｓ３、一致度を示す信号Ｓ４、補正後の受信信号Ｓ５が描写されている。

【0032】

図３は、駆動回路５から圧電素子２に供給される駆動信号の波形を示す図である。図３において、横軸は時間を表しており、縦軸は電圧を表している。駆動信号は、圧電素子２を駆動する駆動期間と、圧電素子２を駆動しない非駆動期間とを繰り返す信号である。

【0033】

図４は、一定区間を説明するための図である。図４において、横軸は時間を表しており、縦軸は電圧を表している。図４では、周波数信号Ｓ３が描写されている。

【0034】

一致度算出回路９において周波数の変動を良好に認識することができるように、一致度算出回路９において用いられる一定区間は、駆動信号の駆動期間の０．５倍以上１．５倍以下であることが望ましい。

【0035】

図４では、二つの一定区間ＳＣ１及びＳＣ２が図示されている。一致度算出回路９は、一定区間を時間経過に伴いスライドさせる。例えば、一致度算出回路９は、一定区間ＳＣ１を用いて一致度を算出した後、一定区間を一定区間ＳＣ１から一定区間ＳＣ２にスライドさせて一定区間ＳＣ２を用いて次の一致度を算出する。一致度算出回路９は、このような一定区間のスライドを繰り返す。

【0036】

補正回路１０は、振幅信号Ｓ２の一定区間の中心に対して、一致度が高いほど振幅信号Ｓ２を増幅する増幅処理、一致度が低いほど振幅信号Ｓ２を減衰する減衰処理の少なくとも一方を行う。

【0037】

例えば、一致度算出回路９が一定区間ＳＣ１を用いて一致度を算出したときは、補正回路１０は、振幅信号Ｓ２の一定区間ＳＣ１の中心Ｃ１に対して増幅処理、減衰処理の少なくとも一方を行う。同様に、一致度算出回路９が一定区間ＳＣ２を用いて一致度を算出したときは、補正回路１０は、振幅信号Ｓ２の一定区間ＳＣ２の中心Ｃ２に対して増幅処理、減衰処理の少なくとも一方を行う。

【0038】

図５は、実施形態に係る超音波センサの変形例を示す図である。図５に示す超音波センサ１は、受信信号Ｓ１の周波数を検出せずに、一致度算出回路９が、受信信号Ｓ１の位相を示す位相信号を用いて、一定区間における受信信号Ｓ１の位相の変動と、当該変動の期待値ＥＶとの一致度を算出する構成である。当該変動の期待値ＥＶは、送波信号生成回路４によって生成される送波信号の位相に基づいて設定される。

【0039】

図５に示す超音波センサ１では、送信系の回路と受信系の回路とが同一のシステムクロックで動作する等して、送波信号と受信信号との同期がとれている必要がある。

【0040】

＜車両用ソナー＞
図６は、車両の外観図である。車両ＸＸのフロントバンパーには、その左右角部と中央部にそれぞれフロントソナーＸ１（Ｌ、Ｒ、Ｃ）が設けられている。また、車両ＸＸのリアバンパーにも、その左右角部と中央部にそれぞれバックソナーＸ２（Ｌ、Ｒ、Ｃ）が設けられている（ただし、図示の便宜上、バックソナーＸ２Ｒ及びＸ２Ｃは不図示）。

【0041】

このように、車両ＸＸにフロントソナーＸ１（Ｌ、Ｒ、Ｃ）及びバックソナーＸ２（Ｌ、Ｒ、Ｃ）を搭載することにより、車両ＸＸの周囲における物体（＝障害物、他車、または、通行人など）の接近検知又は距離測定を行うことができるので、ドライバーの安全運転を支援することが可能となる。

【0042】

なお、上記のフロントソナーＸ１（Ｌ、Ｒ、Ｃ）及びバックソナーＸ２（Ｌ、Ｒ、Ｃ）としては、それぞれ、これまでに説明してきた超音波センサ１または超音波センサ１の変形例を適用することができる。

【0043】

＜その他＞
本開示の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。これまでに説明してきた各種の実施形態は、矛盾のない範囲で適宜組み合わせて実施してもよい。以上の実施形態は、あくまでも、本開示の実施形態の例であって、本開示ないし各構成要件の用語の意義は、以上の実施形態に記載されたものに制限されるものではない。

【0044】

＜付記＞
上述の実施形態にて具体的構成例が示された本開示について付記を設ける。

【0045】

本開示の信号処理装置（３）は、物体で反射した超音波である反射波に基づく受信信号を生成するように構成された受信回路（６）と、前記受信信号の振幅を検出するように構成された第１検出回路（７）と、前記受信信号の周波数又は位相を検出するように構成された第２検出回路（８）と、一定区間における前記受信信号の周波数又は位相の変動と、前記変動の期待値との一致度を算出するように構成された一致度算出回路（９）と、前記第１検出回路の出力である振幅信号に対して、前記一致度が高いほど前記振幅信号を増幅する増幅処理、前記一致度が低いほど前記振幅信号を減衰する減衰処理の少なくとも一方を行うように構成された補正回路（１０）と、を備える構成（第１の構成）である。

【0046】

上記第１の構成の信号処理装置において、超音波を送波する圧電素子（２）を駆動するための駆動信号を生成するように構成された駆動回路（５）を備え、前記駆動信号は、駆動期間と非駆動期間とを繰り返す信号であり、前記一定区間は、前記駆動期間の０．５倍以上１．５倍以下である構成（第２の構成）であってもよい。

【0047】

上記第１又は第２の構成の信号処理装置において、前記補正回路は、前記振幅信号の前記一定区間の中心に対して、前記一致度が高いほど前記振幅信号を増幅する増幅処理、前記一致度が低いほど前記振幅信号を減衰する減衰処理の少なくとも一方を行うように構成されている構成（第３の構成）であってもよい。

【0048】

上記第１～第３いずれかの構成の信号処理装置において、前記一致度算出回路は、前記一定区間を時間経過に伴いスライドさせるように構成されている構成（第４の構成）であってもよい。

【0049】

上記第１～第４いずれかの構成の信号処理装置において、前記補正回路の出力に基づき前記反射波を検出するように構成された反射波検出回路（１１）を備える構成（第５の構成）であってもよい。

【0050】

本開示の超音波センサ（１）は、上記第１～第５いずれかの構成の信号処理装置と、前記信号処理装置に直接的又は間接的に接続されるように構成される超音波送受信装置（２）と、を備える構成（第６の構成）である。

【0051】

本開示の車両（ＸＸ）は、上記構成の超音波センサを備える構成（第７の構成）である。

【符号の説明】

【0052】

１ 超音波センサ
２ 圧電素子
３ 信号処理装置
４ 送波信号生成回路
５ 駆動回路
６ 受信回路
７ 振幅検出回路
８ 周波数検出回路
８１ 位相検出回路
８２ 微分処理回路
９ 一致度算出回路
１０ 補正回路
１１ 反射波検出回路
ＸＸ 車両
Ｘ１ フロントソナー
Ｘ２ バックソナー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】