JP2006220637A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のように送波素子として圧電素子を用いたセンサ装置に比べて、送波素子から送波される疎密波における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができるセンサ装置を提供する。
【解決手段】対象領域に疎密波を送波する送波素子１および疎密波が間欠的に送波されるように送波素子１を駆動する送波制御部たる駆動回路２０を有する送波装置１と、物体Ｏｂで反射された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子３０を有する受波装置３と、送波素子１が疎密波を送波してから当該疎密波が受波素子３０に受波されるまでの時間に基づいて物体Ｏｂまでの距離および物体Ｏｂの存在する方位を求める検出部を構成する信号処理回路５とを備える。送波素子１は、残響成分が少ない疎密波を発生する熱励起式の音波発生素子により構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、物体までの距離や物体の存在する方位などの検出に用いられるセンサ装置に関するものである。

従来から、この種のセンサ装置として、例えば、超音波のような疎密波を送波素子を有する送波装置から媒質中へ間欠的に送波し物体による反射波を受波素子を有する受波装置により受波するまでの時間差に基づいて物体までの距離や物体の存在する方位を検出するセンサ装置（例えば、特許文献１参照）や、超音波のような疎密波を送波装置から媒質中へ間欠的に送波し受波装置により受波するまでの時間差に基づいて受波装置から送波装置までの距離や受波装置に対して送波装置の存在する方位を検出するセンサ装置などが知られている（例えば、特許文献２参照）。なお、上述のセンサ装置の応用装置としては、空気中で超音波を伝搬させるものとして、例えば、超音波液面計、車載用バックソナーなどが提供され、水中で超音波を伝搬させるものとして、例えば、ソナー、魚群探知機などが提供され、構造物中で超音波を伝搬させるものとして、例えば、超音波探傷装置、超音波ＣＴなどが提供されている。

上記特許文献１に開示されたセンサ装置は、送波素子から送波された疎密波を受波する受波装置が一平面上に配列された複数個の受波素子を有しており、疎密波の到来方向（物体の存在する方位）と隣り合う受波素子において疎密波が到達する時刻の時間差とが関連することを利用して所望の方位に存在する物体を検出できるように構成されている。

上述のセンサ装置は、媒質中へ疎密波を送波可能な送波素子および受波した音波を電気信号である受波信号に変換する受波素子それぞれに、圧電素子が広く用いられている。ここにおいて、送波素子と受波素子との両方に圧電素子を用いたセンサ装置では、一般的に、送波する疎密波の音圧および受波素子における疎密波の受波感度を高くする目的で、送波素子から送波する疎密波の周波数を送波素子および受波素子の共振周波数近傍の周波数に設定している。
特開２００２−１５６４５１号公報 特開２００３−２７９６４０号公報

ところで、上述のセンサ装置では、送波素子から送波される疎密波に送波素子の共振による残響成分が含まれ、さらに、受波素子から出力される受波信号に受波素子の共振による残響成分が含まれる。

圧電素子は一般的に共振特性のＱ値（共振の鋭さを表す値であり、機械的品質係数Ｑmと呼ばれている）が１００よりも大きな値であり、圧電素子からなる送波素子を間欠的に駆動した場合、送波素子から発生する疎密波は図２２に示すような振動波形となり、共振特性のＱ値が大きいほど、振動波形の振幅が最大となるまでの時間Ｔ１および残響振動が収束するまでの時間（残響時間）Ｔ２が長くなって、疎密波を送波してから受波するまでの時間が短くなる。したがって、例えば、疎密波を送波してから受波するまでの時間に基づいて物体までの距離を検出するセンサ装置では、受波素子の近傍に位置する物体までの距離を検出することができなくなる。ここで、疎密波である音波の音速ｃ〔ｍ／ｓ〕は、温度をｔ〔℃〕とすれば、ｃ＝３３１．５＋０．６ｔであるから、例えば、音速ｃが３４０〔ｍ／ｓ〕であり（この場合、疎密波は１ｍｓで３４ｃｍだけ進む）、残響時間Ｔ２が２ｍｓであるとすれば、受波素子からの距離が３４ｃｍ以下の位置に存在する物体までの距離の測定が不可能となる。要するに、上述のように送波素子として圧電素子を用いたセンサ装置では、送波素子から送波される疎密波における残響成分に起因した不感帯が長く、受波素子との間の距離が比較的近い物体までの距離を検出することができない。一方、疎密波を送波してから受波するまでの時間に基づいて受波装置と送波装置との間の距離を検出するセンサ装置においても、受波装置と送波装置との間の距離が近くなると残響時間の影響で距離を検出できなくなってしまう。

また、上述のように送波素子および受波素子に圧電素子を用い物体までの距離を検出するセンサ装置では、当該センサ装置との間の距離の差が比較的小さい２つの物体が存在する場合、一方の物体により反射された疎密波が受波素子で受波されて受波信号が発生している間に、当該受波素子へ他方の物体により反射された疎密波が到達してしまうと２つの物体の識別が困難になる可能性がある。要するに、上述のセンサ装置では、送波素子から送波される疎密波における残響成分および受波素子から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯が長く、対象領域に複数の物体が存在しセンサ装置からの距離の差が比較的小さい場合に物体それぞれまでの距離を検出することが困難になる可能性があり、角度分解能を改善したいという要望がある。なお、上述のセンサ装置に用いる送波素子および受波素子は共振特性のＱ値が大きくなるほど角度分解能が悪化する。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来のように送波素子として圧電素子を用いたセンサ装置に比べて、送波素子から送波される疎密波における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができるセンサ装置を提供することにある。

請求項１の発明は、対象領域に疎密波を送波する送波素子および疎密波が間欠的に送波されるように送波素子を駆動する送波制御部を有する送波装置と、送波素子から送波され対象領域内に存在する物体で反射された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置と、送波素子が疎密波を送波してから当該疎密波が受波素子に受波されるまでの時間に基づいて前記物体までの距離と前記物体の存在する方位との少なくとも一方を求める検出部とを備え、送波素子は、残響成分が少ない疎密波を発生するものであることを特徴とする。

この発明によれば、送波素子から残響成分の少ない疎密波を送波することができるので、送波素子から送波される疎密波の残響時間が従来の圧電素子を用いた送波素子から送波される疎密波の残響時間に比べて短くなり、従来のように送波素子として圧電素子を用い物体までの距離と物体の存在する方位との少なくとも一方を検出するセンサ装置に比べて、送波素子から送波される疎密波における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができ、従来に比べてセンサ装置からの距離差の小さな複数の物体の識別が可能となる。

請求項２の発明は、対象領域に疎密波を送波する送波素子および疎密波が間欠的に送波されるように送波素子を駆動する送波制御部を有する送波装置と、送波素子から送波され対象領域内に存在する物体で反射された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置と、送波素子が疎密波を送波してから当該疎密波が受波素子に受波されるまでの時間に基づいて前記物体までの距離と前記物体の存在する方位との少なくとも一方を求める検出部とを備え、送波素子は、共振の鋭さを表す値であるＱ値が１０以下であることを特徴とする。

この発明によれば、送波素子の共振の鋭さを表す値であるＱ値が１０以下であり圧電素子のＱ値に比べて小さいので、送波素子から送波される疎密波の残響時間が従来の圧電素子を用いた送波素子から送波される疎密波の残響時間に比べて短くなり、従来のように送波素子として圧電素子を用い物体までの距離と物体の存在する方位との少なくとも一方を検出するセンサ装置に比べて、送波素子から送波される疎密波における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができ、従来に比べてセンサ装置からの距離差の小さな複数の物体の識別が可能となる。

請求項３の発明は、疎密波を送波可能な送波素子および送波素子を駆動する駆動回路を有する送波装置と、送波素子から送波された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置と、送波素子が疎密波を送波してから当該疎密波が受波素子に受波されるまでの時間に基づいて受波装置から送波装置までの距離と受波装置に対して送波装置の存在する方位との少なくとも一方を求める検出部とを備え、送波素子は、残響成分が少ない疎密波を発生するものであることを特徴とする。

この発明によれば、送波素子から残響の少ない疎密波を送波することができるので、送波素子から送波される疎密波の残響時間が従来の圧電素子を用いた送波素子から送波される疎密波の残響時間に比べて短くなり、従来のように送波素子として圧電素子を用い受波装置から送波装置までの距離と受波装置に対して送波装置の存在する方位との少なくとも一方を検出するセンサ装置に比べて、送波素子から送波される疎密波における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができる。

請求項４の発明は、疎密波を送波可能な送波素子および送波素子を駆動する駆動回路を有する送波装置と、送波素子から送波された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置と、送波素子が疎密波を送波してから当該疎密波が受波素子に受波されるまでの時間に基づいて受波装置から送波装置までの距離と受波装置に対して送波装置の存在する方位との少なくとも一方を求める検出部とを備え、送波素子は、共振の鋭さを表す値であるＱ値が１０以下であることを特徴とする。

この発明によれば、送波素子の共振の鋭さを表す値であるＱ値が１０以下であり圧電素子のＱ値に比べて小さいので、送波素子から送波される疎密波の残響時間が従来の圧電素子を用いた送波素子から送波される疎密波の残響時間に比べて短くなり、従来のように送波素子として圧電素子を用い受波装置から送波装置までの距離と受波装置に対して送波装置の存在する方位との少なくとも一方を検出するセンサ装置に比べて、送波素子から送波される疎密波における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記受波装置が前記受波素子を複数個備えるとともに前記各受波素子が一平面上に配列され、前記検出部は、前記各受波素子の受波信号をそれぞれ規定した遅延時間だけ遅延させる遅延手段と、遅延手段により遅延されたすべての受波信号のタイミングが重なるときの遅延時間の組み合わせに対応する方位を前記受波装置に対する疎密波の到来方向とする判断手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、前記受波装置に対する疎密波の到来方向を特定することができる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記送波素子が疎密波を送波した後の所定の受波期間のみ前記受波素子から出力される受波信号を前記検出部に対して有効にする受波タイミング制御部を備えることを特徴とする。

この発明によれば、受波期間のみ前記受波素子から出力される受波信号が前記検出部に対して有効となり、受波期間以外に前記受波素子から出力される受波信号が前記検出部に対して無効となるので、外来ノイズや多重反射などのノイズが前記検出部へ与える影響を低減することができる。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記送波素子は、前記送波制御部に電気的に接続され通電時に発熱する発熱部を有し、発熱部への通電に伴う発熱部の温度変化によって発熱部に接触している媒質を膨張収縮させることで疎密波を発生することを特徴とする。

この発明によれば、前記送波素子が発熱部への通電に伴う発熱部の温度変化によって発熱部に接触している媒質を膨張収縮させることで疎密波を発生するので、圧電素子のように機械的振動により疎密波を発生する場合に比べて、残響時間を大幅に低減できる。

請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記送波素子は、前記受波素子と同一の基板に形成され、当該基板の一表面側に形成した熱絶縁層に前記発熱部が積層されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記送波素子が前記受波素子と同一の基板に形成されているので、前記送波素子と前記受波素子とを別々の基板に形成する場合に比べて、部品点数の削減による低コスト化が図れるという利点があり、また、前記送波素子は基板の一表面側に形成した熱絶縁層に前記発熱部が積層されているので、前記送波素子から発生期間が短く且つ残響時間の短い疎密波を送波することができる。

請求項９の発明は、請求項７または請求項８の発明において、前記送波制御部は、前記送波素子から単発の疎密波が送波されるように前記送波素子へ単発のパルス電流を流すことを特徴とする。

この発明によれば、前記送波素子から送波される疎密波にサイドローブが形成されるのを防止することができ、角度分解能を高めることが可能となる。

請求項１０の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記送波素子は、エアギャップを介して対向する一対の電極を有し、両電極間に所定電圧を印加して火花放電を生じさせることにより疎密波を発生することを特徴とする。

この発明によれば、前記送波素子から発生期間が短く且つ残響時間の短い疎密波を送波することができる。

請求項１１の発明は、請求項１または請求項３の発明において、前記送波素子は、圧電素子を有しピエゾ効果により振動する振動板と、振動板の周部に設けられ振動板の共振周波数を送波する疎密波の周波数から外れた周波数帯域に設定する慣性質量体とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、前記送波素子が圧電素子のピエゾ効果により疎密波を発生するので、比較的低い消費電力で疎密波を発生することができる。

請求項１２の発明は、請求項１ないし請求項１１の発明において、前記受波素子は、前記送波素子から送波される疎密波の周波数に共振周波数を持たないことを特徴とする。

この発明によれば、従来のように受波素子として圧電素子を用いている場合に比べて、前記受波素子から出力される受波信号における残響成分を低減することができ、前記受波素子から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができる。

請求項１，２の発明では、従来のように送波素子として圧電素子を用い物体までの距離と物体の存在する方位との少なくとも一方を検出するセンサ装置に比べて、送波素子から送波される疎密波における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができ、従来に比べてセンサ装置からの距離差の小さな複数の物体の識別が可能となるという効果がある。

請求項３，４の発明では、従来のように送波素子として圧電素子を用い受波装置から送波装置までの距離と受波装置に対して送波装置の存在する方位との少なくとも一方を検出するセンサ装置に比べて、送波素子から送波される疎密波における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態では、空気中で使用し、物体の３次元的な位置を求めるために物体までの距離と物体の存在する方位との両方を検出するセンサ装置について例示する。

本実施形態のセンサ装置は、図１に示すように、対象領域に疎密波を間欠的に送波する送波装置１と、対象領域内に存在する物体Ｏｂによる反射波を受波する受波装置３と、受波装置３の出力を信号処理する信号処理回路５とを備え、送波装置１による疎密波の送波から受波装置３により疎密波が受波されるまでの時間差に基づいて物体Ｏｂまでの距離および物体Ｏｂの存在する方位を求めるように構成されている。

送波装置１は、疎密波を送波可能な送波素子１０と、送波素子１０から疎密波が間欠的に送波されるように送波素子１０を駆動する送波制御部たる駆動回路２０とを備えている。なお、駆動回路２０は、送波素子１０から疎密波を間欠的に送波するタイミングを制御する送波タイミング制御部を有している。

一方、受波装置３は、送波素子１０から送波され物体Ｏｂで反射された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する複数の受波素子３０を有している。本実施形態のセンサ装置では、物体Ｏｂまでの距離だけでなく物体Ｏｂの存在する方位も測定できるように、１０個の受波素子３０を１枚の回路基板の一平面上に配列してある。具体的には、回路基板の１辺に沿った方向に５個の受波素子３０を所定ピッチで配列するとともに、上記１辺に直交する方向に５個の受波素子３０を所定ピッチで配列してある。なお、説明を簡単にするために、受波素子３０が同一平面上において上記１辺に沿った方向のみに所定ピッチで配列されているとし、受波素子３０が配列された面に対する疎密波の波面の角度がθである場合を想定すると、図２に示すように、疎密波の到来方向（すなわち、受波装置３に対して物体Ｏｂの存在する方位角）はθになり、疎密波の音速をｃ、疎密波の波面が隣り合う受波素子３０のうちの一方の受波素子３０に到達する時刻における疎密波の波面と他方の受波素子３０の中心との間の距離（遅延距離）をｄ、隣り合う受波素子３０の中心間距離（上記所定ピッチ）をＬとすれば、疎密波の波面が隣り合う受波素子３０間に到達する時間差Δｔは、Δｔ＝ｄ／ｃ＝Ｌ・ｓｉｎθ／ｃになる。したがって、時間差Δｔが分かれば、物体Ｏｂの存在する方位を演算することができる。ここにおいて、上記所定ピッチは、送波素子１０から送波する音波の波長の０．５倍程度に設定することが望ましい。

信号処理回路５は、各受波素子３０から出力された受波信号をそれぞれ増幅する複数のアンプ５１ａを有する信号増幅部５１と、各アンプ５１ａにて増幅されたアナログの受波信号それぞれをディジタルの受波信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換部５２と、Ａ／Ｄ変換部５２の出力が格納されるメモリ５３と、上記送波タイミング制御部から疎密波の送波タイミングを制御する制御信号に同期して出力されるタイミング信号を受けたときにＡ／Ｄ変換部５２を所定の受波期間だけ作動させメモリ５３に格納された受波信号のデータを用いて物体Ｏｂまでの距離を求める演算および物体Ｏｂの存在する方位を求める演算を行うマイクロコンピュータからなる演算部５４とを備えている。

本実施形態では、信号処理回路５が、送波素子１０が疎密波を送波してから当該疎密波が物体Ｏｂで反射されて受波素子３０に受波されるまでの時間に基づいて前記物体までの距離と前記物体の存在する方位との少なくとも一方を求める検出部を構成している。また、本実施形態では、Ａ／Ｄ変換部５２が、送波素子１０が疎密波を送波した後の所定の受波期間のみ受波素子３０から出力される受波信号を検出部に対して有効にする受波タイミング制御部としての機能を有しているが、受波タイミング制御部は、Ａ／Ｄ変換部５２とは別に受波素子３０とメモリ５３との間に設けられて受波期間以外の受波信号を無効にするものであってもよい。また、本実施形態では、受波素子３０として後述の静電容量型のマイクロホンを用いているので、受波素子３０が受波期間にのみ疎密波を受波信号に変換して変換して出力するように、受波素子３０が送波タイミング制御部からのタイミング信号を受けて動作するように構成してもよい。本実施形態では、上述の受波タイミング制御部を有していることにより、受波期間のみ各受波素子３０から出力される受波信号が上記検出部に対して有効となり、受波期間以外に各受波素子３０から出力される受波信号が上記検出部に対して無効となるので、外来ノイズや多重反射などのノイズが上記検出部へ与える影響を低減することができる。

演算部５４は、上記タイミング信号を受けた時刻（つまり、送波素子１０から疎密波を送波したタイミング）と、ディジタルの受波信号がメモリ５３に格納された時刻（信号処理回路５内での遅れ時間を無視すれば、受波素子３０により疎密波を受波したタイミング）との時間差（言い換えれば、送波装置１が疎密波を送波してから受波装置３が疎密波を受波するまでの時間）に基づいて、物体Ｏｂまでの距離を演算する距離演算手段と、メモリ５３に格納された各受波素子３０の受波信号のデータを利用して物体Ｏｂの存在する方位（物体Ｏｂにより反射された疎密波の到来方向）を求める方位検出手段とを備えている。ここにおいて、方位検出手段は、各受波素子３０で疎密波を受波した時間の時間差と各受波素子３０の配置位置とに基づいて受波装置３に対する疎密波の到来方向を求める。

なお、本実施形態のセンサ装置は、最大測定距離を例えば５ｍとすれば、疎密波は空気中において最大で１０ｍの距離を伝搬すればよいが、送波素子１０から送波された疎密波は発散損失（距離減衰）や吸収損失や反射損失などの伝搬損失により減衰し、各受波素子３０それぞれから出力される受波信号が１００〜８００μＶ程度の微小な電圧なので、各アンプ５１ａの増幅利得（電圧利得）を４０ｄＢ〜６０ｄＢに設定することでＳ／Ｎ比の低下を防止している。また、上述のように最大測定距離を５ｍとすれば、疎密波が空気中で１０ｍの距離を伝搬するのに要する時間は３０ｍｓ程度であるから、上述の受波期間は３０ｍｓ程度に設定すればよい。また、メモリ５３には、受波期間における各受波素子３０それぞれの受波信号が格納される、言い換えれば、メモリ５３には、〔受波素子３０の個数〕×〔各受波素子３０からの受波信号のデータ数〕の数だけデータが格納されることになるので、例えば、受波素子３０の個数を１０個、受波期間を３０ｍｓ、Ａ／Ｄ変換部５２のサンプリング周期を１μｓ（サンプリング周波数を１ＭＨｚ）とした場合には、１データを１６ｂｉｔとして、１０×｛（３０×１０^−３）÷（１×１０^−６）×１６｝＝４８０００００ｂｉｔ＝６００ｋｂｙｔｅの容量が必要となるから、６００ｋｂｙｔｅ以上の容量のＳＲＡＭなどを使用すればよい。

上述の方位検出手段は、メモリ５３に格納された各受波素子３０それぞれの受波信号をそれぞれ各受波素子３０の配列パターン（配置位置）に応じた遅延時間で遅延させた受波信号を組にして出力する遅延手段と、遅延手段により遅延された受波信号の組を加算する加算器と、加算器の出力波形のピーク値と適宜の閾値との大小関係を比較し閾値を超えるピーク値が得られたときに遅延手段で設定されている遅延時間の組み合わせに対応する方向を物体Ｏｂの存在する方位（疎密波の到来方向）と判断する判断手段とを備えている。要するに、判断手段は、加算器の出力波形のピーク値が閾値を超えているとき、言い換えれば遅延手段により遅延されたすべての受波信号のタイミングが重なる（受波信号の時刻が一致する）ときの遅延時間の組み合わせに対応する方位を受波装置３に対する疎密波の到来方向（物体Ｏｂの存在する方位）とするように構成されている。なお、演算部５４の距離演算手段および方位検出手段は、上記マイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現できる。

方位検出手段での処理について、図３（ａ）に示すように、対象領域内に２つの物体Ｏｂ１，Ｏｂ２が存在し、受波装置３の各受波素子３０へ２つの方位から疎密波が到来する場合について例示する。ただし、図３（ａ）では、説明を簡単にするために、受波装置３が４個の受波素子３０を有し当該４個の受波素子３０が同一平面上において１次元的に等間隔で配列されている場合を示してある。

図３の（ｂ）は物体Ｏｂ２の存在する方位に対応する各受波素子３０の遅延時間の組み合わせを示し（四角の横辺の長さが遅延時間の長さに対応している）、同図の（ｃ）は（ｂ）の遅延時間で遅延された受波素子３０の受波信号の組を示し、同図の（ｄ）は（ｃ）の受波信号の組を加算した出力波形を示している。また、図３の（ｅ）は物体Ｏｂ１の存在する方位に対応する各受波素子３０の遅延時間の組み合わせを示し（四角の横辺の長さが遅延時間の長さに対応している）、同図の（ｆ）は（ｅ）の遅延時間で遅延された受波素子３０の受波信号の組を示し、同図の（ｇ）は（ｆ）の受波信号の組みを加算した出力波形を示している。図３から分かるように、物体Ｏｂ１，Ｏｂ２の存在する方位によって遅延時間の組み合わせが相違しており、判断手段により各物体Ｏｂ１，Ｏｂ２それぞれの存在する方位を判断することができる。

ここで、送波素子１０から送波される疎密波における残響時間が従来のように圧電素子よりなる送波素子から送波される疎密波と同様に長い場合には、上述の受波信号の組を加算した出力波形の発生期間が長くなり、物体Ｏｂ１、Ｏｂ２の識別が困難になる可能性がある。これに対して、本実施形態では、送波素子１０として、空気に熱衝撃を与えることにより疎密波を発生させる熱励起式の音波発生素子を用いることで、送波素子１０の共振特性のＱ値を圧電素子に比べて十分に小さくして残響時間が短い疎密波を送波するようにし、かつ、受波素子３０として共振特性のＱ値が圧電素子に比べて十分に小さく受波信号に含まれる残響成分の発生期間が短い静電容量型のマイクロホンを用いている。

送波素子１０は、図４に示すように、単結晶のｐ形のシリコン基板からなるベース基板１１の一表面（図４における上面）側に多孔質シリコン層からなる熱絶縁層（断熱層）１２が形成され、熱絶縁層１２上に発熱部として金属薄膜からなる発熱体層１３が形成され、ベース基板１１の上記一表面側に発熱体層１３と電気的に接続された一対のパッド１４，１４が形成された熱励起式の音波発生素子により構成してある。なお、ベース基板１１の平面形状は長方形状であって、熱絶縁層１２、発熱体層１３それぞれの平面形状も長方形状に形成してある。

上述の送波素子１０では、発熱体層１３の両端のパッド１４，１４間に通電して発熱体層１３に急激な温度変化を生じさせると、発熱体層１３に接触している空気（媒質）に急激な温度変化（熱衝撃）が生じる（つまり、発熱体層１３に接触している空気に熱衝撃が与えられる）。したがって、発熱体層１３に接触している空気は、発熱体層１３の温度上昇時には膨張し発熱体層１３の温度下降時には収縮するから、発熱体層１３への通電を適宜に制御することによって空気中を伝搬する疎密波を発生させることができる。要するに、送波素子１０を構成する熱励起式の音波発生素子は、発熱体層１３への通電に伴う発熱体層１３の急激な温度変化を媒質の膨張収縮に変換することにより媒質を伝搬する疎密波を発生するので、圧電素子のように機械的振動により疎密波を発生する場合に比べて、残響時間を低減できる（言い換えれば、送波素子１０から送波される疎密波における残響成分を少なくできる）。なお、圧電素子を用いた送波素子から送波される疎密波では残響時間が０．５ｍｓ程度であるのに対して、熱励起式の音波発生素子を用いた送波素子１０から送波される疎密波は残響時間を０．０５ｍｓ程度に抑えることができる。疎密波（音波）が空気中で１ｍｓの間に３４ｃｍ進むものとし、疎密波における残響時間が０．５ｍｓであるとすれば、センサ装置１からの往復距離の距離差が１７ｃｍ以下である２つの物体を識別することすら困難であるが、本実施形態では、疎密波における残響時間を０．０５ｍｓとすれば、センサ装置１からの往復距離の距離差が例えば２ｃｍしか異ならない２つの物体であっても容易に識別することができる。

上述の送波素子１０は、ベース基板１１としてｐ形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層１２を多孔度が略６０〜略７０％の多孔質シリコン層により構成しているので、ベース基板１１として用いるシリコン基板の一部をフッ化水素水溶液とエタノールとの混合液からなる電解液中で陽極酸化処理することにより熱絶縁層１２となる多孔質シリコン層を形成することができる（ここで、陽極酸化処理により形成された多孔質シリコン層は、結晶粒径がナノメータオーダの微結晶シリコンからなるナノ結晶シリコンを多数含んでいる）。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなるので、熱絶縁層１２の熱伝導度および熱容量をベース基板１１の熱伝導度および熱容量に比べて小さくし、熱絶縁層１２の熱伝導度と熱容量との積をベース基板１１の熱伝導度と熱容量との積に比べて十分に小さくすることにより、発熱体層１３の温度変化を空気に効率よく伝達することができ発熱体層１３と空気との間で効率的な熱交換が起こり、かつ、ベース基板１１が熱絶縁層１２からの熱を効率良く受け取って熱絶縁層１２の熱を逃がすことができて発熱体層１３からの熱が熱絶縁層１２に蓄積されるのを防止することができる。なお、熱伝導率が１４８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６３×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．７×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）であることが知られている。本実施形態では、上述のように熱絶縁層１２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成してあり、熱絶縁層１２の熱伝導率が０．１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．５×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）となっている。

発熱体層１３は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成してあるが、発熱体層１３の材料はタングステンに限らず、例えば、タンタル、モリブデン、イリジウム、アルミニウムなどを採用してもよい。また、上述の送波素子１０では、ベース基板１１の厚さを３００〜７００μｍ、熱絶縁層１２の厚さを１〜１０μｍ、発熱体層１３の厚さを２０〜１００ｎｍ、各パッド１４の厚さを０．５μｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。また、ベース基板１１の材料としてＳｉを採用しているが、ベース基板１１の材料はＳｉに限らず、例えば、Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよい。

上述のように送波素子１０は、一対のパッド１４，１４を介した発熱体層１３への通電に伴う発熱体層１３の温度変化に伴って疎密波を発生するものであり、発熱体層１３へ与える駆動電圧波形あるいは駆動電流波形からなる駆動入力波形を例えば周波数がｆ１の正弦波波形とした場合、理想的には、発熱体層１３で生じる温度振動の周波数が駆動入力波形の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２となり、駆動入力波形ｆ１の略２倍の周波数の疎密波を発生させることができる。すなわち、上述の送波素子１０は、平坦な周波数特性を有しており、発生させる疎密波の周波数を広範囲にわたって変化させることができる。また、上述の送波素子１０では、例えば正弦波波形の半周期の孤立波を駆動入力波形として駆動回路２０から一対のパッド１４，１４間へ与えることによって、残響の少ない略１周期の疎密波を発生させることができる。本実施形態では、略１周期の疎密波を発生させる場合、当該疎密波の１周期の時間を５０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚ程度の超音波の１周期の時間に設定してあるが、この数値は特に限定するものではない。

また、上述の送波素子１０では、一対のパッド１４，１４を介して発熱体層１３へ与える駆動電流の波形を図５（ａ）に示すようなガウス波形状の電流波形とした場合、同図（ｂ）に示すようなガウス波形状の疎密波を送波することができる。要するに、駆動回路２０が送波素子１０へ単発のパルス電流を流すことにより、送波素子１０から単発の疎密波を送波させることができ、送波素子１０から送波される疎密波にサイドローブが形成されるのを防止することができるから、角度分解能を高めることが可能となる。

ここにおいて、送波素子１０から図５（ｂ）に示すようなガウス波形状の疎密波（ここでは、当該疎密波の発生期間を５０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚ程度の超音波の１周期の時間に設定してある）を送波させるには、駆動回路２０として、例えば図６に示す回路を採用すればよい。図６に示す構成の駆動回路２０は、直流電源Ｅの両端間にスイッチＳＷを介してコンデンサＣが接続され、コンデンサＣの両端間にサイリスタＴｈとインダクタＬと抵抗Ｒ１と保護用抵抗Ｒ２との直列回路が接続され、保護用抵抗Ｒ２の両端間に送波素子１０を接続するように構成されている。また、駆動回路２０は、上述のように送波素子１０から音波を送波させるタイミングを制御する上述の送波タイミング制御部（図示せず）を有しており、送波タイミング制御部によってスイッチＳＷのオンオフが制御されるとともにサイリスタＴｈへ制御信号を与えるタイミングが制御される。ここにおいて、駆動回路２０では、スイッチＳＷのオン期間にコンデンサＣが充電されるが、タイミング制御部は、コンデンサＣの両端電圧を検出しており、コンデンサＣの両端電圧が所定のしきい値を超えるとスイッチＳＷをオフさせてからサイリスタＴｈのゲートへ制御信号を与える。すなわち、図６に示す構成の駆動回路２０では、直流電源ＥからコンデンサＣに電荷を蓄積し、コンデンサＣの両端電圧が所定のしきい値を超えると、送波タイミング制御部からサイリスタＴｈへ制御信号が与えられてサイリスタＴｈがターンオンし、送波素子１０のパッド１４，１４間に電圧が印加されて発熱体層１３の温度変化に伴って疎密波が送波される。ここに、インダクタＬのインダクタンスおよび抵抗Ｒ１の抵抗値を適宜設定することにより、図５（ａ）に示すようなガウス波形状の駆動電圧波形を送波素子１０のパッド１４，１４間へ印加することができる。

また、上述の受波素子３０を構成する静電容量型のマイクロホンは、マイクロマシンニング技術を利用して形成されており、例えば、図７に示すように、シリコン基板に厚み方向に貫通する窓孔３１ａを設けることで形成された矩形枠状のフレーム３１と、フレーム３１の一表面側においてフレーム３１の対向する２つの辺に跨る形で配置されるカンチレバー型の受圧部３２とを備えている。ここにおいて、フレーム３１の一表面側には熱酸化膜３５と熱酸化膜３５を覆うシリコン酸化膜３６とシリコン酸化膜３６を覆うシリコン窒化膜３７とが形成されており、受圧部３２の一端部がシリコン窒化膜３７とを介してフレーム３１に支持され、他端部が上記シリコン基板の厚み方向においてシリコン窒化膜３７に対向している。また、シリコン窒化膜３７における受圧部３２の他端部との対向面に金属薄膜（例えば、クロム膜など）からなる固定電極３３ａが形成され、受圧部３２の他端部におけるシリコン窒化膜３７との対向面とは反対側に金属薄膜（例えば、クロム膜など）からなる可動電極３３ｂが形成されている。なお、フレーム３１の他表面にはシリコン窒化膜３８が形成されている。また、受圧部３２は、上記各シリコン窒化膜３７，３８とは別工程で形成されるシリコン窒化膜により構成されている。

図７に示した構成の静電容量型のマイクロホンからなる受波素子３０では、固定電極３３ａと可動電極３３ｂとを電極とするコンデンサが形成されるから、受圧部３２が疎密波の圧力を受けることにより固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の距離が変化し、固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の静電容量が変化する。したがって、固定電極３３ａおよび可動電極３３ｂに設けたパッド（図示せず）間に直流バイアス電圧を印加しておけば、パッドの間には疎密波の音圧に応じて微小な電圧変化が生じるから、疎密波の音圧を電気信号に変化することができる。

受波素子３０として用いる静電容量型のマイクロホンの構造は図７の構造に特に限定するものではなく、例えば、図８に示すように、シリコン基板１４１の一表面側に、中央部が周部に比べて薄肉である第１のダイアフラム部１４５を有するシリコン層が設けられ、シリコン基板１４１の他表面に凹所１４２を設けることによりシリコン基板１４１の中央部に第１のダイアフラム部１４５とギャップ１４４を介して対向する第２のダイアフラム部１４３が形成された構造体において、第１のダイヤフラム部１４５に可動電極１４６を設けるとともに第２のダイアフラム部１４３に固定電極（図示せず）を設けた構造としてもよい。また、受波素子３０として用いる静電容量型のマイクロホンとしては、シリコン基板などをマイクロマシンニング技術などにより加工して形成され、疎密波を受けるダイヤフラム部からなる可動電極と、ダイヤフラム部に対向する背板部からなる固定電極との間に、疎密波を受けていない状態でのダイヤフラム部と背板部とのギャップ長を規定するスペーサ部が介在し、背板部に複数の排気孔が貫設された構造を有するものでもよい。上述のように、受波素子３０としての静電容量型のマイクロホンをシリコン基板に形成する場合には、上述の送波素子１０を受波素子３０と同一の基板（つまり、シリコン基板）に形成することが可能であり、送波素子１０と各受波素子３０とを同一の基板に形成するようにすれば、送波素子１０と各受波素子３０とを別々の基板に形成する場合に比べて、部品点数の削減による低コスト化が図れる。

ところで、図４に示した熱励起式の音波発生素子からなる送波素子１０は共振特性のＱ値が１程度であり、図７に示した静電容量型のマイクロホンからなる受波素子３０の共振特性のＱ値は３〜４程度であり、圧電素子に比べてＱ値が十分に小さく、従来のように送波素子および受波素子に圧電素子を用いている場合に比べて、角度分解能を改善することができる。共振特性のＱ値と角度分解能との関係を図９に示す。図９から分かるように、上述の送波素子１０の角度分解能は５°程度、上述の受波素子３０の角度分解能は９〜１０°程度である。なお、送波素子１０および受波素子３０それぞれの共振特性のＱ値はいずれも１０以下が望ましく、いずれも５以下がより望ましい。

以上説明したように、本実施形態のセンサ装置は、送波素子１０が空気に熱衝撃を与えることにより疎密波を発生させる音波発生素子により構成されているので、送波素子１０の共振特性のＱ値が圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さく、従来のように送波素子として圧電素子を用いている場合に比べて、送波する疎密波の残響時間を短くできる。言い換えれば、従来に比べて送波素子１０から送波する疎密波に含まれる残響成分が少なく、残響成分の発生期間を従来に比べて短くできる。また、受波素子３０が疎密波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量型のマイクロホンにより構成されているので、受波素子の共振特性のＱ値が圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さく疎密波の周波数に共振周波数を持たず、従来のように受波素子として圧電素子を用いている場合に比べて、受波信号における残響時間を短くできる。言い換えれば、受波素子３０の受波信号に含まれる残響成分の発生期間を従来に比べて短くできる。

しかして、本実施形態のセンサ装置では、従来のように送波素子および受波素子として圧電素子を用い物体までの距離と物体の存在する方位とを検出するセンサ装置に比べて、送波素子１０から送波される疎密波における残響成分に起因した不感帯および受波素子３０から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができ、従来に比べてセンサ装置からの距離差の小さな複数の物体の識別が可能となり、且つ、物体Ｏｂの存在する方位の検出精度が向上する。ここに、上述の受波装置３では、１０個の受波素子３０が一平面上に配列されているが、当該一平面に直交する方向に対して角度が０°のときの強度を０ｄＢとすると、角度が５°のときの強度は−３ｄＢ程度であり、比較的鋭い指向性を有している。

なお、上述の信号処理回路５が、受波素子３０の受波信号の立ち上がるタイミングを利用して疎密波の送受波に要する時間を求めるようにすれば、受波素子３０の受波信号における残響成分を無視できるので、物体Ｏｂまでの距離および物体Ｏｂの存在する方位の検出精度をより一層向上できる。

（実施形態２）
本実施形態の音波センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図１０に示すように、送波装置１を構成する送波素子１０および駆動回路２０の構成が相違し、他の構成は実施形態１と同じなので図示および説明を省略する。

本実施形態における送波素子１０は、熱衝撃により疎密波を発生する音波発生素子であって、空気中で対向する一対の電極１９，１９を有し（両電極１９，１９間にはエアギャップが形成されている）、両電極１９，１９間に所定電圧を印加して火花放電を生じさせることにより空気に熱衝撃を与えることで疎密波を発生させる。この送波素子１０における共振特性のＱ値は２程度である。したがって、本実施形態の送波素子１０でも、送波素子１０から発生期間が短く且つ残響時間の短い疎密波を送波することができる。なお、上述のように火花放電の熱衝撃により疎密波を発生する音波発生素子では、両電極１９，１９が対向する方向に直交する平面上において無指向性の疎密波を発生することができる。また、火花放電によって生じる疎密波は比較的広帯域（１００ｋＨｚまで）の周波数成分を含んでいる。

送波素子１０を駆動する駆動回路２０は、直流電源Ｅ１の両端間に充電用スイッチＳＷ１を介してコンデンサＣ１が接続され、コンデンサＣ１の両端間に放電用スイッチＳＷ２を介して送波素子１０を接続するように構成されている。また、駆動回路２０は、実施形態１と同様に送波素子１０から音波を送波させるタイミングを制御する送波タイミング制御部（図示せず）を有しており、送波タイミング制御部によって各スイッチＳＷ１，ＳＷ２のオンオフが制御される。ここにおいて、駆動回路２０では、充電用スイッチＳＷ１と放電用スイッチＳＷ２とを同時にオンさせることはなく、充電用スイッチＳＷ１のオン期間にコンデンサＣ１が充電されるが、送波タイミング制御部は、コンデンサＣ１の両端電圧を検出しており、コンデンサＣ１の両端電圧が所定のしきい値（例えば、送波素子１０の両電極１９，１９間に火花放電が発生する火花電圧）を超えると充電用スイッチＳＷ１をオフさせてから放電用スイッチＳＷ２をオンさせる制御信号を放電用スイッチＳＷ２へ与える。すなわち、図１０に示す構成の駆動回路２０では、直流電源Ｅ１からコンデンサＣ１に電荷を蓄積し、コンデンサＣ１の両端電圧が所定のしきい値を超えると、送波タイミング制御部から放電用スイッチＳＷ２へ制御信号が与えられて放電用スイッチＳＷ２がオンし、送波素子１０の両電極１９，１９間に火花電圧以上の電圧が印加されて火花放電を生じる。この電極１９、１９間の火花放電により両電極１９，１９周囲の空気に熱衝撃が与えられて空気が膨張収縮することで疎密波を発生する。

（実施形態３）
本実施形態のセンサ装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、送波素子１０として、図１１に示すように、円形状の金属板１２０の両面に互いに分極方向の異なる圧電体からなるバイモルフ層１２１ａ，１２１ｂが積層された振動板１２２の周部に弾性材料からなる一対の慣性質量体１２７を設けたスピーカを用いている点が相違する。ここにおいて、一対のバイモルフ層１２１ａ，１２１ｂにより圧電素子を構成している。

本実施形態における送波素子１０は、上述の振動板１２２と、振動板１２２に平行となるように対向配置される音響振動板１２３とを備えており、振動板１２２の中央部が、振動板１２２に平行な断面が円環状である中空のホーン１２４を介して音響振動板１２３に連結されている。ホーン１２４において振動板１２２と音響振動板１２３との間に介在する部位は、音響振動板１２３に近づく程広がる形状に形成されている。また、ホーン１２４において音響振動板１２３の端部とは反対側の端部はエンドキャップ１２５により閉塞されている。ホーン１２４と振動板１２２との連結部位は、振動板１２２を厚み方向に挟み込む振動伝達部材１２６によって固定されている。

ところで、慣性質量体１２７は、振動板１２２における音響振動板１２３との対向面とは反対側の一面の周部に設けられている。慣性質量体１２７は、振動板１２２の共振周波数を疎密波の周波数からずらすものであって、振動板１２２の周方向に離間し且つホーン１２４を挟むように配置されている。なお、慣性質量体２７の材料としては、例えば、合成ゴムや天然ゴム、低密度ポリエチレンや軟質ポリ塩化ビニル（例えば、エラストマなど）、などを採用すればよい。

以下に、本実施形態における送波素子１０の動作を説明する。駆動回路２０から送波素子１０のバイモルフ層２１ａ，２１ｂ間に駆動電圧が印加されると、ピエゾ効果により振動板２２が図１１の上下方向に湾曲を繰り返す（図１１において上に凸となる形で湾曲する状態と下に凸となる形で湾曲する状態とを繰り返す）。このとき、慣性質量体１２７は元の位置に停止し続けようとするので、振動板１２２の中央部が図１１の上下方向に振動し、この振動板１２２の中央部の振動がホーン１２４を介して音響振動板１２３に伝達されて音響振動板１２３を振動させる。ここで、音響振動板１２３が振動することにより、音響振動板１２３に接する媒質（ここでは、空気）中に疎密波を送波する。本実施形態では、振動板１２２を６０ｋＨｚの周波数で振動させて６０ｋＨｚの疎密波を発生させるが、慣性質量体１２７によって振動板１２２の共振周波数を疎密波の周波数からずらしてあるので、振動板１２２の共振による振動を防止でき、周波数に依存しないフラットな音圧レベルを確保することができ、しかも、比較的低い消費電力で疎密波を発生することができる。

なお、本実施形態のように疎密波の周波数から外れた周波数帯域に共振周波数を持つ送波素子１０を用いる他にも、共振周波数で振動しても共振による残響成分が少ないＱ値（例えば、Ｑ値が１０以下）の送波素子を用いることによって、送波素子から送波される疎密波の残響成分を少なくしてもよい。

（実施形態４）
本実施形態のセンサ装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、受波素子３０の構造が相違する。本実施形態における受波素子３０は、図示していないが、シリコン基板の一表面に凹所を設けることによりダイアフラム状の受圧部を形成した構造体を有し、一部に白金の電極が形成されたＰＺＴなどの圧電素子層を受圧部に積層してある。このような構成の受波素子３０では、ダイアフラムが疎密波を受けたときにピエゾ効果により発生する微小な電圧を受波信号として出力する。

本実施形態のセンサ装置では、受波素子３０に圧電素子を用いているが、実施形態１と同様に、共振による残響成分の少ない疎密波を発生する送波素子１０を採用して、送波素子１０から送波される疎密波の残響成分を低減したことによって、センサ装置からの距離の差が比較的小さい複数の物体であっても容易に識別できる。

（実施形態５）
本実施形態では、センサ装置を利用した位置検出システムとして、図１２（ａ）に示すように、位置検出対象の物体Ｏｂが建物内で床面１００上を移動する移動体（例えば、ショッピングカートなど）であり、疎密波（音波）を送波可能な音源である送波素子１０および送波素子１０を間欠的に駆動する駆動回路２０を有する送波装置１を備えた送波側ユニットＡを物体Ｏｂの上面に搭載する一方で、送波装置１から間欠的に送波された疎密波を受波する複数の受波素子３０を有する受波装置３（図１３参照）を備えた受波側ユニットＢを施工面である天井面２００の定位置に設置し、送波装置１に対する物体Ｏｂの相対位置を送波装置１の相対位置として求め、物体Ｏｂの移動状況（物体Ｏｂの動き）を追跡する動線計測を行う動線計測システムを例示する。ここにおいて、送波素子１０は、実施形態１にて説明した熱励起式の音波発生素子により構成されており、駆動回路２０の回路構成も実施形態１と同様であるが、送波素子１０および駆動回路２０として実施形態２の構成を採用してもよい。

送波側ユニットＡは、図１３に示すように、上述の送波素子１０および送波素子１０を駆動する駆動回路２０の他に、光もしくは電波からなるトリガ信号を発信するトリガ信号発信器６３と、トリガ信号発信器６３を駆動する駆動回路６４と、固有の識別情報信号を発信する識別情報信号発信器６５と、識別情報信号発信器６５を駆動する駆動回路６６と、各駆動回路２０，６４，６６を制御する制御部６７とを備えている。ここにおいて、送波装置１からの疎密波の送波開始タイミング、トリガ信号発信器６３からのトリガ信号の送信開始タイミング、識別情報信号発信器６５からの識別情報信号の送信タイミングは、制御部６７により制御される。なお、制御部６７は、マイクロコンピュータを主構成とし、制御部６７の上述の機能はマイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現される。

一方、受波側ユニットＢには、上述の受波装置３と、トリガ信号発信器６３から送信されたトリガ信号を受信したときにトリガ受信信号を出力するトリガ信号受信器７３と、識別情報信号発信器６５から送信された識別情報信号を受信する識別情報信号受信器７５と、受波装置３から出力される受波信号とトリガ信号受信器７３から出力されるトリガ受信信号とに基づいて受波装置３に対する送波装置１の相対位置（送波装置１の存在する方位および送波装置１までの距離）を求めて出力する位置演算部７２と、トリガ信号受信器７３からのトリガ受信信号を受けた時刻（以下、トリガ受信時刻と称す）を出力するタイマ７６と、位置演算部７２から出力される演算結果（送波装置１の存在する方位および送波装置１までの距離）をタイマ７６から出力されたトリガ受信時刻と対応付けて時系列的に記憶するメモリ７４とを備えている。メモリ７４に格納されているトリガ受信時刻、トリガ受信時刻毎の送波装置１の存在する方位および送波装置１までの距離（要するに、各送波装置１それぞれの時系列的な相対位置の変化に関するデータ）は制御部７７により出力部７８のデータ転送形式のデータ列に変換され出力部７８を通して外部のコンピュータなどの管理装置へ出力される。出力部７８としては、例えば、ＴＩＡ／ＥＩＡ−２３２−ＥやＵＳＢなどのようなシリアル転送方式のインタフェースや、ＳＣＳＩなどのようなパラレル転送方式のインタフェースなどを採用することができる。なお、制御部７７の機能はマイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現される。

トリガ信号発信器６３は、トリガ信号として光を採用する場合には、例えば、発光ダイオードを用いればよく、トリガ信号として電波を採用する場合には、例えば、電波発信器を用いればよい。ここにおいて、光や電波は音波に対して十分に高速なので、送波側ユニットＡから受波側ユニットＢまでの音波の到達時間のレンジでは、光や電波の到達時間はゼロとみなすことができる。

識別情報信号発信器６５としては、識別情報信号として光を採用する場合には、例えば、発光ダイオードを用いればよく、識別情報信号として電波を採用する場合には、例えば、電波発信器を用いればよく、識別情報信号として音波を採用する場合には、例えば、熱励起式の音波発生素子を用いればよい。

受波側ユニットＢの受波装置３は、図１２（ｂ）に示すように、送波素子１０から送波された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する複数個（図示例では、４個であるが、個数は特に限定するものではない）の受波素子３０が同一基板３９上で２次元的に配列されている。ここにおいて、受波素子３０の中心間距離（配列ピッチ）Ｌは送波素子１０から発生させる疎密波の波長程度（例えば、疎密波の波長の０．５〜５倍程度）に設定することが望ましく、疎密波の波長の０．５倍よりも小さいと疎密波が隣り合う受波素子３０それぞれへ到達する時間の時間差が小さくなり、当該時間差の検出が困難となる。受波素子３０としては、例えば、実施形態１において説明した静電容量型のマイクロホンを用いればよい。なお、静電容量型のマイクロホンでは、圧電素子に比べて共振特性のＱ値が十分に小さく、受波周波数の範囲を広くとることが可能になる。

トリガ信号受信器７３は、トリガ信号発信器６３から送信するトリガ信号として光を採用する場合には、例えば、フォトダイオードを用いればよく、トリガ信号として電波を採用する場合には、例えば、電波受信アンテナを用いればよい。要するに、トリガ信号受信器７３は、トリガ信号を受信してトリガ信号を電気信号（トリガ受信信号）に変換して出力できるものであればよい。

識別情報信号受信器７５は、識別情報信号発信器６５から送信する識別情報信号として光を採用する場合には、例えば、フォトダイオードを用いればよく、識別情報信号として電波を採用する場合には、例えば、電波受信アンテナを用いればよく、識別情報信号として音波を採用する場合には、例えば、静電容量型のマイクロホンを用いればよい。要するに、識別情報信号受信器７５は、識別情報信号を受信して識別情報信号を電気信号からなる識別情報に変換して出力できるものであればよい。

位置演算部７２は、受波装置３の各受波素子３０で疎密波を受波した時間の時間差と各受波素子３０の配置位置とに基づいて受波装置３に対して送波装置１の存在する方位を示す方位角θ（疎密波の到来方向）を求める機能を有している。

以下、位置演算部７２について説明するが、説明を簡単にするために、受波装置３の受波素子３０が図１４に示すように同一平面上において１次元的に等間隔で配列されている例について説明する。受波素子３０が配列された面に対する疎密波（音波）の波面の角度がθ_０である場合を想定すると、疎密波の到来方向（すなわち、受波装置３に対して送波装置１の存在する方位角）はθ_０になり、音速をｃ、疎密波の波面が隣り合う受波素子３０のうちの一方の受波素子３０に到達する時刻における疎密波の波面と他方の受波素子３０の中心との間の距離（遅延距離）をｄ_０、隣り合う受波素子３０の中心間距離をＬとすれば、音波の波面が隣り合う受波素子３０間に到達する時間差Δｔ_０（図１５参照）は、Δｔ_０＝ｄ_０／ｃ＝Ｌ・ｓｉｎθ_０／ｃになる。

図１５（ａ）〜（ｃ）は送波素子１０を構成する熱励起式の音波発生素子（図４参照）の発熱体層１３へ正弦波波形の半周期の波形の駆動電圧を与えたときの図１４の各受波素子３０それぞれの受波信号を示しており、図１５（ａ）が図１４の一番上の受波素子３０の受波信号、図１５（ｂ）が図１４の真ん中の受波素子３０の受波信号、図１５（ｃ）が図１４の一番下の受波素子３０の受波信号を示している。ここにおいて、位置演算部７２は、受波装置３の各受波素子３０で疎密波を受波した時間の時間差と各受波素子３０の配置位置とに基づいて受波装置３に対して送波装置１の存在する方位（疎密波の到来方向）を求める方位検出手段を有する信号処理部７２ｃを備えている。信号処理部７２ｃは、受波装置３の各受波素子３０から出力された電気信号である受波信号をそれぞれ各受波素子３０の配列パターンに応じた遅延時間で遅延させた受波信号を組にして出力する遅延手段と、遅延手段により遅延された受波信号の組を加算する加算器と、加算器の出力波形のピーク値と適宜の閾値との大小関係を比較し閾値を超えるピーク値が得られたときに遅延手段で設定されている遅延時間に対応する方向を送波装置１の存在する方位（疎密波の到来方向）と判断する判断手段とを備えているので、受波装置３に対して送波装置１の存在する方位（疎密波の到来方向）を検出することができる。要するに、判断手段は、加算器の出力波形のピーク値が閾値を超えているとき、言い換えれば遅延手段により遅延されたすべての受波信号のタイミングが重なる（受波信号の時刻が一致する）ときの遅延時間の組み合わせに対応する方位を受波装置３に対する疎密波の到来方向（送波装置１の存在する方位）とするように構成されている。

ここで、位置演算部７２は、上述の信号処理部７２ｃの他に、受波装置３の各受波素子３０から出力されるアナログの受波信号をディジタルの受波信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換部７２ａと、トリガ信号受信器７３からのトリガ受信信号が入力された時点から所定の受波期間だけＡ／Ｄ変換部７２ａの出力が格納されるデータ格納部７２ｂとを備えており、上述の信号処理部７２ｃは、データ格納部７２ｂにトリガ受信信号が入力されたときに受波期間を設定し、受波期間にのみＡ／Ｄ変換部７２ａを作動させ、受波期間にデータ格納部７２ｂに格納された受波信号のデータを用いて送波装置１の存在する方位を求める。なお、信号処理部７２ｃはマイクロコンピュータなどにより構成される。また、データ格納部７２ｂには、〔受波素子３０の個数〕×〔各受波素子３０からの受波信号のデータ数〕の数だけデータが格納されることになる。また、本実施形態では、位置演算部７２が、送波素子１０が疎密波を送波してから当該疎密波が受波素子３０に受波されるまでの時間に基づいて受波装置３から送波装置１までの距離と受波装置３に対して送波装置１の存在する方位との少なくとも一方を求める検出部を構成している。また、Ａ／Ｄ変換部７２ａが、送波素子１０が疎密波を送波した後の所定の受波期間のみ受波素子３０から出力される受波信号を上記検出部に対して有効にする受波タイミング制御部としての機能を有している
ところで、本実施形態では、送波装置１における送波素子１０として上述の熱励起式の音波発生素子を用いているので、図１６に示すように、受波装置３の各受波素子３０へ２つの方位から疎密波が到来する場合に方位角がθ_１の方位から到来する疎密波の方が方位角θ_２の方位から到来する疎密波に比べて先に到達するとすれば、図１７（ａ）〜（ｃ）に示すように各受波素子３０それぞれから出力される２つの受波信号が重なりにくく、各送波装置１それぞれの存在する方位角（疎密波の到来方向）θ_１，θ_２を求めることができる。ここで、図１７は、（ａ）が図１６の一番上の受波素子３０の２つの受波信号、（ｂ）が図１６の真ん中の受波素子３０の２つの受波信号、（ｃ）が図１６の一番下の受波素子３０の２つの受波信号を示しており、（ａ）〜（ｃ）それぞれにおける左側の受波信号がθ_１の方位から到来した疎密波に対応し、右側の受波信号がθ_２の方位から到来した疎密波に対応している。なお、θ_１の方位からの疎密波の波面が隣り合う受波素子３０のうちの一方の受波素子３０に到達する時刻における疎密波の波面と他方の受波素子３０の中心との間の距離（遅延距離）をｄ_１（図１６参照）とすれば、疎密波の波面が隣り合う受波素子３０間に到達する時間差Δｔ_１（図１７参照）は、Δｔ_１＝ｄ_１／ｃ＝Ｌ・ｓｉｎθ_１／ｃになり、θ_２の方位からの疎密波の波面が隣り合う受波素子３０のうちの一方の受波素子３０に到達する時刻における疎密波の波面と他方の受波素子３０の中心との間の距離（遅延距離）をｄ_２（図１６参照）とすれば、疎密波の波面が隣り合う受波素子３０間に到達する時間差Δｔ_２（図１７参照）は、Δｔ_２＝ｄ_２／ｃ＝Ｌ・ｓｉｎθ_２／ｃになる。

また、位置演算部７２の信号処理部７２ｃは、トリガ信号受信器７３によりトリガ信号を受信した時刻と受波素子３０により疎密波を受波した時刻との関係から受波装置３と送波装置１との距離を求める距離演算手段を備えている。ここにおいて、上述のようにトリガ信号として光もしくは電波のように音波に比べて十分に高速な信号を採用していることにより、送波側ユニットＡから受波側ユニットＢまでのトリガ信号の到達時間は送波側ユニットＡから受波側ユニットＢまでの到達時間に比べて十分に短く（無視できる程度に短く）、トリガ信号の到達時間をゼロとみなすことができるので、距離演算手段では、図１８（ａ）〜（ｃ）に示すようにデータ格納部７２ｂを介してトリガ受信信号ＳＴを受信した時刻と当該トリガ信号ＳＴの受信後に最初に受波素子３０からの受波信号ＳＰを受信した時刻との時間差Ｔと、音速とによって受波装置３と送波装置１との間の距離を求めるようにしてある。なお、信号処理部７２ｃの距離演算手段は、当該信号処理部７２ｃを構成するマイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現される。

以上説明した本実施形態の位置検出システムでは、１つの受波側ユニットＢを施工面である天井面２００に設置することで１つの受波装置３を配置することにより当該受波装置３を中心とした検知エリア内に存在する物体Ｏｂに搭載された送波装置１の存在する方位を求めることができるので、複数の超音波受信機（受波装置）を天井面２００において離間して配置する場合に比べて、施工が容易になるとともに受波装置３の配置設計が容易になる。

また、本実施形態の位置検出システムにおけるセンサ装置は、送波装置１と、送波装置１の送波素子１０から送波された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子３０を有する受波装置３とを備え、受波装置３から送波装置１までの距離と受波装置３に対して送波装置１の存在する方位との両方を検出するものであり、送波素子１０が空気に熱衝撃を与えることにより疎密波を発生させる音波発生素子からなり、受波素子３０が疎密波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量型のマイクロホンからなるので、送波素子１０の共振特性のＱ値が圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さく、且つ、受波素子３０の共振特性のＱ値が圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さいから、従来のように送波素子および受波素子として圧電素子を用い受波装置から送波装置までの距離と受波装置に対して送波装置の存在する方位とを検出するセンサ装置に比べて、送波素子１０から送波される疎密波における残響成分に起因した不感帯および受波素子３０から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができる。なお、位置検出システムへの利用を考えずに、単にセンサ装置を構成するだけであれば、受波装置３から送波装置１までの距離と受波装置３に対して送波装置１の存在する方位とのいずれか一方のみを検出するようにしてもよい。

ところで、本実施形態の位置検出システムを適用する建物の床面１００が平坦であって床面１００から天井面２００までの高さが一定であり、かつ、物体Ｏｂの大きさが一定（つまり、床面１００から物体Ｏｂの上面までの高さが一定）であれば、天井面２００に平行な面であって受波装置３を含む平面と、天井面２００に平行な面であって送波装置１を含む平面との間の距離は床面１００上の物体Ｏｂの位置によらず一定距離となるので、当該一定距離をあらかじめ既知の距離情報（高さ情報）として距離演算手段に記憶させておくことにより、距離演算手段では、当該距離情報と送波装置１の存在する方位とから受波装置３と送波装置１との間の距離を求めることができる。これに対して、信号処理部７２ｃの距離演算手段が上述のようにトリガ信号受信器７３によりトリガ信号を受信した時刻と受波素子３０により疎密波を受波した時刻との関係から受波装置３と送波装置１との距離を求めることにより、図１９に示すように建物の床面１００に段差１００ｂが存在するような場合でも、受波側ユニットＢの受波装置３と送波側ユニットＡの送波装置１との間の距離を精度良く求めることができ、受波装置３に対する送波装置１の相対位置を精度良く求めることができる。

また、上述の制御部７７は、識別情報信号受信部７５から出力されメモリ７４に記憶された識別情報に基づいて各送波装置１を個別に特定する音源特定手段を備えており、受波装置３により疎密波を検出可能な検知エリア内に複数の送波装置１が存在する場合であっても、受波装置１に対する各送波装置１それぞれの相対位置を求めることができる。ここにおいて、例えば、物体Ｏｂが４つ存在する場合には、各物体Ｏｂそれぞれに搭載する送波側ユニットＡそれぞれの識別情報信号発信器６５から送信する識別情報信号を図２０（ａ）〜（ｄ）に示すように異なるパルス列からなる識別情報信号としておくことにより、メモリ７４には識別情報と位置演算部７２の信号処理部７２ｃの演算結果とが対応付けて格納される。したがって、制御部７７では、位置演算部７２により得られた送波装置１の存在する方位（疎密波の到来方向）および受波装置３と送波装置１との間の距離がどの送波側ユニットＡからのものか識別することができる。なお、識別情報信号として光もしくは電波を採用し、受波装置３により疎密波を検出可能な検知エリア内に１つの送波側ユニットＡが存在する場合を想定すると、受波側ユニットＢの識別情報信号受信器７５から出力される識別情報と、各受波素子３０それぞれから出力される受波信号との関係は図２１（ａ）〜（ｃ）に示すようになるので、識別情報信号発信器６５を上述のトリガ信号発信器６３に兼用する（識別情報信号をトリガ信号として兼用する）こともでき、この場合には上述の音源特定手段を位置演算部７２に設けてもよい。ここで、図２１（ａ）は図１４の一番上の受波素子３０の受波信号、図２１（ｂ）は図１４の真ん中の受波素子３０の受波信号、図２１（ｃ）は図１４の一番下の受波素子３０の受波信号を示している。

なお、上述の位置検出システムでは、送波側ユニットＡにトリガ信号発信器６３を設けるとともに受波側ユニットＢにトリガ信号受信器７３を設けてあるが、トリガ信号発信器６３を受波側ユニットＢに設けるとともにトリガ信号受信器７３を送波側ユニットＡに設けて、制御部６７がトリガ信号受信器７３の出力に基づいて送波素子１０から疎密波が送波されるように駆動回路２０を制御するようにし、位置演算部７２における信号処理部７２ｃの距離演算手段が、トリガ信号発信器６３からトリガ信号が発信された時刻と受波素子３０により疎密波を受波した時刻との関係から送波装置１までの距離を求めるようにしてもよい。ここにおいて、制御部６７は、トリガ信号受信器７３から出力されたトリガ受信信号が入力されたときに直ちに駆動回路２０を制御するようにしてもよいし、所定時間後に駆動回路２０を制御するようにしてもよい。

また、上述の位置検出システムでは、移動体からなる物体Ｏｂに送波装置１を搭載し、天井面２００のような固定面に受波装置３を配置しているが、固定面に送波装置１を配置し、移動体からなる物体Ｏｂに受波装置３を配置するようにしてもよい。

実施形態１を示す概略構成図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上における送波素子の概略断面図である。 同上における送波素子の動作説明図である。 同上における送波素子の駆動回路の一例を示す回路図である。 同上における受波素子を示し、（ａ）は一部破断した概略斜視図、（ｂ）は概略断面図である。 同上における受波素子の他の構成例を示す概略断面図である。 共振特性のＱ値と角度分解能との関係説明図である。 実施形態２における送波装置の回路図である。 実施形態３における送波素子の概略断面図である。 実施形態５を示し、（ａ）は位置検出システムの概略構成図、（ｂ）は受波装置の概略斜視図である。 同上のブロック図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 圧電素子の動作説明図である。

符号の説明

１ 送波装置
３ 受波装置
５ 信号処理回路
１０ 送波素子
２０ 駆動回路
３０ 受波素子

Claims (12)

1. 対象領域に疎密波を送波する送波素子および疎密波が間欠的に送波されるように送波素子を駆動する送波制御部を有する送波装置と、送波素子から送波され対象領域内に存在する物体で反射された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置と、送波素子が疎密波を送波してから当該疎密波が受波素子に受波されるまでの時間に基づいて前記物体までの距離と前記物体の存在する方位との少なくとも一方を求める検出部とを備え、送波素子は、残響成分が少ない疎密波を発生するものであることを特徴とするセンサ装置。
2. 対象領域に疎密波を送波する送波素子および疎密波が間欠的に送波されるように送波素子を駆動する送波制御部を有する送波装置と、送波素子から送波され対象領域内に存在する物体で反射された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置と、送波素子が疎密波を送波してから当該疎密波が受波素子に受波されるまでの時間に基づいて前記物体までの距離と前記物体の存在する方位との少なくとも一方を求める検出部とを備え、送波素子は、共振の鋭さを表す値であるＱ値が１０以下であることを特徴とするセンサ装置。
3. 疎密波を送波可能な送波素子および送波素子を駆動する駆動回路を有する送波装置と、送波素子から送波された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置と、送波素子が疎密波を送波してから当該疎密波が受波素子に受波されるまでの時間に基づいて受波装置から送波装置までの距離と受波装置に対して送波装置の存在する方位との少なくとも一方を求める検出部とを備え、送波素子は、残響成分が少ない疎密波を発生するものであることを特徴とするセンサ装置。
4. 疎密波を送波可能な送波素子および送波素子を駆動する駆動回路を有する送波装置と、送波素子から送波された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置と、送波素子が疎密波を送波してから当該疎密波が受波素子に受波されるまでの時間に基づいて受波装置から送波装置までの距離と受波装置に対して送波装置の存在する方位との少なくとも一方を求める検出部とを備え、送波素子は、共振の鋭さを表す値であるＱ値が１０以下であることを特徴とするセンサ装置。
5. 前記受波装置が前記受波素子を複数個備えるとともに前記各受波素子が一平面上に配列され、前記検出部は、前記各受波素子の受波信号をそれぞれ規定した遅延時間だけ遅延させる遅延手段と、遅延手段により遅延されたすべての受波信号のタイミングが重なるときの遅延時間の組み合わせに対応する方位を前記受波装置に対する疎密波の到来方向とする判断手段とを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のセンサ装置。
6. 前記送波素子が疎密波を送波した後の所定の受波期間のみ前記受波素子から出力される受波信号を前記検出部に対して有効にする受波タイミング制御部を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のセンサ装置。
7. 前記送波素子は、前記送波制御部に電気的に接続され通電時に発熱する発熱部を有し、発熱部への通電に伴う発熱部の温度変化によって発熱部に接触している媒質を膨張収縮させることで疎密波を発生することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のセンサ装置。
8. 前記送波素子は、前記受波素子と同一の基板に形成され、当該基板の一表面側に形成した熱絶縁層に前記発熱部が積層されてなることを特徴とする請求項７記載のセンサ装置。
9. 前記送波制御部は、前記送波素子から単発の疎密波が送波されるように前記送波素子へ単発のパルス電流を流すことを特徴とする請求項７または請求項８記載のセンサ装置。
10. 前記送波素子は、エアギャップを介して対向する一対の電極を有し、両電極間に所定電圧を印加して火花放電を生じさせることにより疎密波を発生することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のセンサ装置。
11. 前記送波素子は、圧電素子を有しピエゾ効果により振動する振動板と、振動板の周部に設けられ振動板の共振周波数を送波する疎密波の周波数から外れた周波数帯域に設定する慣性質量体とを備えることを特徴とする請求項１または請求項３記載のセンサ装置。
12. 前記受波素子は、前記送波素子から送波される疎密波の周波数に共振周波数を持たないことを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載のセンサ装置。

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