JP2007033158A

JP2007033158A - 物体検知装置

Info

Publication number: JP2007033158A
Application number: JP2005214976A
Authority: JP
Inventors: Yorinobu Murayama; ▲頼▼信村山
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】反射係数の異なる物体であっても、物体の大きさや形状を正確に識別することができ、かつ、従来構成よりも広範囲について物体を検知可能とする。
【解決手段】送波器４から間欠的に送波され検知領域内に存在する物体２で反射された疎密波を受波器６により受波して受波信号に変換し、受波信号を用いて検知領域内の物体２を検知する構成において、検知部７は、物体２における疎密波の反射係数を求め、この反射係数に基づいて受波信号の強度により物体２の有無を検知するための受波信号の強度に対するしきい値を設定する。検知部７は、しきい値が反射係数の大小に依らずに物体２で反射された疎密波に対応する受波信号の強度より小さくなるように、反射係数が小さい物体２ほどしきい値を小さく設定する。物体２を検知する対象とする検知領域は、領域設定部２６により可変に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象とする検知領域に疎密波を送波し当該疎密波を用いて検知領域における物体の検知を行う物体検知装置に関するものである。

従来から、物体を検知する技術として、対象とする検知領域に疎密波を間欠的に送波する送波器と疎密波を受波する受波器とを互いに隣接して設け、送波器から送波した疎密波が検知領域内に存在する物体で反射されて受波器に戻ってくると、検知領域内に物体が存在すると判断するものが知られている。

この技術により物体を検知する物体検知装置には、図２３に示すように、それぞれ疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子９を複数個配列することによって受波器６を構成したものがある。図２３に示す物体検知装置では、平面上に配列された複数個の圧電素子のうち、送波用切替回路３２で選択された図中破線枠内の圧電素子を送波器４とし、受波用切替回路３３で選択された圧電素子をそれぞれ受波素子９としている。送波器４は、送波用切替回路３２に接続された駆動回路５により駆動される。各受波素子９のそれぞれの受波信号は、増幅器１０において増幅されてからＡＤコンバータ１１においてデジタル信号化され、演算器１３に入力される（たとえば特許文献１参照）。

ここにおいて、受波信号の強度により物体の有無を判別するために、受波信号の強度に対して一定のしきい値が設定されており、受波信号の強度がしきい値より大きければ物体が存在すると判断され、受波信号の強度がしきい値より小さければ物体が存在しないと判断される。

演算器１３においては、疎密波が送波されてから受波されるまでに要した時間を物体までの距離に対応させ、かつ各受波素子９におけるそれぞれの受波信号の時間差を物体の方位（つまり受波器６が疎密波を受波した方位）に対応させることによって、検知領域内において物体が占有する領域（つまり、物体の大きさや形状）を識別することが可能である。たとえば、物体が比較的大きい場合には受波信号の強度が検知領域内の比較的広い範囲にわたってしきい値より大きくなり、物体が比較的小さい場合には受波信号の強度が検知領域内の比較的狭い範囲にわたってしきい値より大きくなる。
特開２０００−２８５８９号公報（第６頁、図１）

ところで、受波信号の強度のピーク値は、物体における疎密波の反射係数によって異なり、反射係数が小さい物体ほど小さくなる。一方、上述した物体検知装置では、受波信号の強度に対するしきい値は物体の反射係数に依らず一定に設定されているので、同じ大きさかつ同じ形状の物体であっても、反射係数の違いによって、検知領域内において一定のしきい値に対して受波信号の強度が大きくなる範囲が異なり、異なる大きさの物体として検知されたり異なる形状の物体として検知されたりすることがある。

また、特許文献１に記載の物体検知装置は検知領域が固定的に設定されており、１台の物体検知装置では、設定された検知領域よりも遠方に存在する物体に関しては検知することができず、設定された検知領域よりも近くに存在する物体に関しては受波側で疎密波が飽和し当該物体の大きさや形状を検知することができない。すなわち、固定的に設定された検知領域以外の領域に存在する物体に関しては検知することができず、物体を検知可能な範囲は比較的狭い範囲に限定されてしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、反射係数の異なる物体であっても、物体の大きさや形状を正確に識別することができ、かつ、従来構成よりも広範囲について物体を検知することができる物体検知装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明では、対象とする検知領域に疎密波を間欠的に送波する送波器と、それぞれ疎密波を電気信号である受波信号に変換する複数個の受波素子を有し、検知領域内に存在する物体で反射された送波器からの疎密波を受波する受波器と、疎密波が送波されてから受波されるまでに要した時間に対応する前記物体までの距離と各受波素子のそれぞれの受波信号の時間差に対応する前記物体の方位とを識別して検知領域内の物体を検知する検知部と、前記検知領域を可変に設定する領域設定部とを備え、検知部は、送波器から送波された疎密波の強度である送波強度と受波器により受波された疎密波の強度である受波強度とを用いて前記物体の反射係数を求め、物体の有無を受波信号の強度により判別するための受波信号の強度に対するしきい値を前記物体で反射された疎密波に対応する受波信号の強度より小さくするように、前記反射係数が小さい物体ほど前記しきい値を小さく設定することを特徴とする。

この構成によれば、受波信号の強度に対するしきい値を一定にするでのはなく、反射係数が小さい物体ほどしきい値を小さくするので、同じ大きさかつ同じ形状の物体であれば、反射係数が異なっていても、検知領域内においてしきい値に対して受波信号の強度が大きくなる範囲を反射係数の違いに依らず同程度とすることができ、同じ大きさかつ同じ形状の物体として検知することができる。要するに、反射係数の異なる物体であっても、物体の大きさや形状を正確に識別することができる。また、検知領域を可変に設定する領域設定部を備えているから、検知領域よりも遠方に存在する物体を検知する場合には検知領域を遠方に拡張することにより当該物体を検知することができ、逆に、検知領域よりも近くに存在する物体を検知する場合には検知領域を縮小することにより当該物体を検知することができる。すなわち、従来構成よりも広範囲について物体を検知することができるという利点がある。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記領域設定部が、前記送波強度を変化させ、前記検知領域を遠方側に拡張するほど送波強度を大きくすることを特徴とする。

この構成によれば、検知領域を遠方側に設定した場合でも、当該検知領域内の物体で反射され受波器で受波される疎密波の強度を、当該物体を検知するために十分な大きさとすることができる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記領域設定部が、前記疎密波に対する受波感度を変化させ、前記検知領域を遠方側に拡張するほど受波感度を大きくすることを特徴とする。

この構成によれば、検知領域を遠方側に設定した場合でも、当該検知領域内の物体で反射された疎密波に対する受波感度を、当該物体を検知するために十分な大きさとすることができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記領域設定部により設定された前記検知領域を表示する表示部を備えることを特徴とする。

この構成によれば、検知領域を表示部で確認しながら変更できるので、所望の検知領域を容易に設定することができる。

本発明は、受波信号の強度に対するしきい値を一定にするでのはなく、反射係数が小さい物体ほどしきい値を小さくするので、同じ大きさかつ同じ形状の物体であれば、反射係数が異なっていても、検知領域内においてしきい値に対して受波信号の強度が大きくなる範囲を反射係数の違いに依らず同程度とすることができ、同じ大きさかつ同じ形状の物体として検知することができる。要するに、反射係数の異なる物体であっても、物体の大きさや形状を正確に識別することができる。また、検知領域を可変に設定する領域設定部を備えているから、検知領域よりも遠方に存在する物体を検知する場合には検知領域を遠方に拡張することにより当該物体を検知することができ、逆に、検知領域よりも近くに存在する物体を検知する場合には検知領域を縮小することにより当該物体を検知することができる。すなわち、従来構成よりも広範囲について物体を検知することができるという利点がある。

（実施形態１）
本実施形態では、対象とする検知領域内に存在する物体を検知する物体検知装置において、物体までの距離および物体の方位を識別する構成について説明する。

本実施形態の物体検知装置は、図１に示すように、対象とする検知領域（空気中）に間欠的に疎密波を送波する送波手段１と、検知領域内に存在する物体２で反射された疎密波を受波する受波手段３とを備える。送波手段１は、電気信号である送波信号を疎密波に変換する送波器４と、疎密波が間欠的に送波されるように送波器４を駆動する駆動回路５とを有し、受波手段３は、疎密波を受波するとともに当該疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波器６と、受波器６から受波信号を受けて受波信号の強度により物体２の有無を判別する検知部７とを有する。送波器４と受波器６とは、互いに隣接して配置され、センサ部を構成している。検知領域は、駆動回路５と検知部７との両方に接続された領域設定部２６によって設定されるが、この領域設定部２６については後述する。領域設定部２６に接続された表示部２７についても後述する。

ここで、駆動回路５と検知部７とは互いに接続されており、疎密波が送波されてから受波されるまでに要した時間を検知部７において求めることができる。この疎密波の送受波に要した時間が物体２までの距離に対応する。また、受波器６は、図２に示すように、素子配列用基板８上において縦方向（垂直方向）に５個、横方向（水平方向）に５個それぞれ等間隔に配列された合計１０個の受波素子９を有し、それぞれの受波素子９において疎密波を受波信号に変換することにより、検知部７において各受波素子９のそれぞれの受波信号の時間差によって物体２の方位を識別できるようにしてある。たとえば、図３に示すように、受波器６の素子配列用基板８に直交する方向に対して角度θだけ傾いた方位からの疎密波を受ける場合に、隣接する受波素子９（間隔をｄとする）のそれぞれの受波信号の時間差Δｔは次式のように表される。ここで、音速をｃとしている。

Δｔ＝（ｄ・ｓｉｎθ）／ｃ
検知部７は、図４に示すように、各受波素子５からの受波信号をそれぞれ増幅するアンプ１０と、アンプ１０で増幅された受波信号をＡ／Ｄ変換するＡＤコンバータ１１と、ＡＤコンバータ１１でデジタル信号化された受波信号を格納するフレームメモリ１２と、フレームメモリ１２に格納された受波信号を用いて物体２までの距離および物体２の方位を識別する演算器１３とを有する。受波信号を増幅してＡ／Ｄ変換し、フレームメモリ１２に格納するという一連の処理は、各受波素子９についてそれぞれ行われるものである。ここでは、アンプ１０の増幅率は４０ｄＢ〜６０ｄＢとしており、Ｓ／Ｎ比は６０ｄＢ程度である。ＡＤコンバータ１１には１６ｂｉｔのものを用いており、サンプリング周波数は１ＭＨｚとしてある。フレームメモリ１２は、それぞれの受波素子９について、ＡＤコンバータ１１のサンプリング周期（ここでは１μｓ）毎に受波信号の振幅を格納できるように分割された記憶領域を持つ。

本実施形態の演算器１３は、受波器６が疎密波を受波した方位（つまり物体２の方位）を識別するために、各受波素子９からの受波信号をそれぞれ遅延時間だけ遅延させる遅延手段１４（図５参照）と、遅延された受波信号を加算する加算手段１５（図５参照）とを有している。ここで、演算器１３は、受波信号を遅延させた状態でフレームメモリ１２から各受波素子９毎に読み出すことにより、遅延時間の組み合わせに対応する方位から受波した疎密波の受波信号を加算手段１５の出力として取り出すことができるようにしている。

以下に、物体２までの距離および物体２の方位を識別する処理の概要を、図５に示すように、検知領域内に２つの物体２，２’が存在する場合を想定して説明する。ただし、ここでは、１つの平面上での方位を識別するものとし、当該平面上に受波素子９が５個配列されている場合について説明する。また、図６（ｂ）および図６（ｄ）では長方形の横方向の長さを遅延時間の大きさとして遅延時間の組み合わせを表し、図６（ｃ）および図６（ｅ）においては横軸を時間軸として図６（ａ）の受波素子９毎の受波信号を表す。図６（ｆ）および図６（ｇ）には横軸を時間軸として加算後の受波信号を示す。

送波器４から送波された疎密波が各物体２，２’でそれぞれ反射されることにより、各受波素子９は、図６（ａ）のように各物体２，２’の方位に対応する時間差を持つ疎密波を受波する。各受波素子９からの受波信号を図６（ｂ）に示す組み合わせの遅延時間だけ遅延させることにより、図６（ｃ）に示すように物体２で反射された疎密波に対応するすべての受波信号のタイミングを一致させることができる。一方、各受波素子９からの受波信号を図６（ｄ）に示す組み合わせの遅延時間だけ遅延させることにより、図６（ｅ）に示すように物体２’で反射された疎密波に対応するすべての受波信号のタイミングを一致させることができる。ここで、図６（ｂ）の遅延時間の組み合わせが物体２の方位に対応し、図６（ｄ）の遅延時間の組み合わせが物体２’の方位に対応するのである。

また、図７（ａ）に示すように、物体２の方位において疎密波の送受波に要した時間ｔ１が物体２までの距離に換算されるとともに、図７（ｂ）に示すように、物体２’の方位において疎密波の送受波に要した時間ｔ２が物体２’までの距離に換算される。このように、物体２までの距離および物体２の方位を識別することによって、検知領域内において物体２が占有する領域（つまり、物体２の大きさや形状）を識別することが可能である。

ところで、演算器１３は、加算後の受波信号（図６（ｆ）および図６（ｇ）を参照）の強度によって、遅延時間の組み合わせに対応する方位における物体２の有無を判別する判別手段（図示せず）を有し、判別手段において、加算後の受波信号の強度としきい値とを比較し、受波信号の強度がしきい値より大きいと当該方位に物体２が存在すると判断する。本実施形態では、判別手段において受波信号の強度に対するしきい値が一定の値に設定されるのではなく、物体２における疎密波の反射係数に応じてしきい値を変化させている点に特徴がある。

具体的に説明すると、反射係数が小さい物体２ほど疎密波は反射され難く受波信号の強度のピーク値が小さくなるので、しきい値は、反射係数の大小に依らずに物体２で反射された疎密波に対応する受波信号の強度より小さくなるように、反射係数が小さい物体２ほど小さく設定される。この構成によれば、同じ大きさかつ同じ形状の物体２であれば、反射係数が異なっていたとしても、当該物体で反射された疎密波に対応する受波信号の強度がしきい値よりも大きくなる範囲（つまり、検知領域内において物体２が占有する領域）を同程度とすることができ、同じ大きさかつ同じ形状の物体２として検知することができる。

たとえば、物体検知装置が１ｍ以内（往復距離では２ｍ以内）に存在する物体２を検知するとすれば、疎密波は空気中で最大１ｍの距離を往復することになり、この期間に、疎密波の発散による発散損失と、疎密波の音響エネルギが空気中に吸収されることによる吸収損失と、疎密波が物体２で反射される際の反射損失（反射係数に依存する）とによって、疎密波が４５ｄＢ程度減衰する。つまり、送波器４から送波された疎密波の強度である送波音圧Ｖ_ｓ（送波強度に相当）と受波器６により受波された疎密波の強度である受波音圧Ｖ_ｒ（受波強度に相当）との関係は、物体２までの往復距離Ｒに依存する空気中での発散損失｛１／（４πＲ^２）｝および吸収損失ｅｘｐ（−αＲ）と、反射係数Ｋ_ｒとを用いて次式のように表すことができる。ただし、吸収損失におけるαは吸収係数である。

Ｖ_ｒ＝Ｖ_ｓ・１／（４πＲ^２）・ｅｘｐ（−αＲ）・Ｋ_ｒ
本実施形態では、送波音圧と受波音圧と発散損失と吸収損失とを用いて、上式から物体２の反射係数を求めている。そして、求まった反射係数が小さい物体２ほどしきい値を小さく設定する。

また、本実施形態では、送波器４および受波器６に、送受波する疎密波の周波数に共振周波数を持たないものをそれぞれ採用することによって、送波器４から送波される疎密波における残響成分と受波器６から出力される受波信号における残響成分との両方を比較的小さくし、各受波素子９のそれぞれの受波信号が残響成分により時間軸方向に広がることを防止し、検知部７において物体２までの距離および物体２の方位を精度良く識別できるようにしている。

具体的な構成として、送波器４においては、図８に示すような熱励起方式のものを採用している。この送波器４は、単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）等からなる基板１６と、基板１６上に設けられたナノ結晶シリコン（ｎｃ−ＰＳ）等からなる熱絶縁層１７と、送波器４の音源として熱絶縁層１７上に成膜されたタングステン（Ｗ）等の金属薄膜１８とを備えている。図８において、金属薄膜１８の左右両端部には、アルミニウム（Ａｌ）等からなる一対の通電電極１９が設けられる。通電電極１９の左右方向の寸法は５ｍｍにしてある。金属薄膜１８はこの通電電極１９を通して通電されたときに発熱するものであって、熱絶縁層１７は金属薄膜１８からの熱が基板１６側に逃げることを防止している。

ここにおいて、駆動回路５が通電電極１９間に交流電圧を印加して送波信号としての駆動電流を流すと、金属薄膜１８が温度変化を繰り返すことにより金属薄膜１８に接触する媒質（空気）が膨張収縮して、駆動電流と同じ周波数の疎密波が生じるのである。このように、本実施形態の送波器４は、金属薄膜１８の温度変化により疎密波を発生するものであって、自身が機械的に振動するものではなく共振周波数を持たないので、疎密波の発生時に共振による残響成分を発生することはない。また、本実施形態の送波器４は、音源となる部位が平面状であって、当該平面に直交する向きに疎密波を送波する。音源となる部位は、正方形状に形成されている。

駆動回路５は、この送波器４の金属薄膜１８に図９に示すようなガウス波形状の駆動電流を流すことによって送波器４を駆動する。ガウス波形状の駆動電流の周波数成分はガウス分布であるから、このような駆動電流で送波器４を駆動することによって、特定の周波数帯域を有する疎密波を発生することができる。ここでは、疎密波の周波数帯域が５０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚの超音波領域に設定している。さらに、駆動回路５が出力する駆動電流は単発のパルス電流であって、送波器４から単発の疎密波を送波させており、送波器４が送波する疎密波にサイドローブが発生することを防止している。駆動回路５は、図１０に示すように、電源ＤＣに対してスイッチＳＷを介して接続されたコンデンサＣ１を備え、コンデンサＣ１は、サイリスタからなるスイッチング素子Ｑ１とインダクタＬ１と抵抗Ｒ１との直列回路を介して送波器４に接続された構成を有する。ここにおいて、コンデンサＣ１はスイッチＳＷがオンの期間に充電され、その後、スイッチＳＷがオフになり、スイッチング素子Ｑ１がオンされることによりコンデンサＣ１から送波器４に駆動電流が流れる。駆動電流の波形は、コンデンサＣ１に蓄積された電荷量と、インダクタＬ１および抵抗Ｒ１の値とによって変化する。駆動回路５における出力端間には、負荷である送波器４の短絡防止のために送波器４と並列に保護抵抗Ｒ２が設けられる。

一方、受波器６の各受波素子９においては、共振周波数を持たない静電容量形のマイクロフォンをそれぞれ採用している。この受波素子９は、図１１に示すように、単結晶シリコン等からなり一部に受波孔２０が形成された基板２１と、受波孔２０の一方の開口を覆うように基板２１に連続一体に形成され可動電極（図示せず）を設けた薄膜の受波体２２と、ギャップ２３を介して受波体２２に対向する固定電極保持部２４と、固定電極保持部２４に設けられた固定電極２５とを備え、基板２１と受波体２２とでダイアフラム構造を構成している。受波孔２０は受波体２２側ほど狭くなる形状に形成されている。この構成により、受波体２２が疎密波を受けると受波体２２が振動し、受波体２２と固定電極２５との距離が変化する。結果的に、可動電極と固定電極２５との間の静電容量が変化する。そして、可動電極と固定電極２５との間に電圧が印加されることにより、この静電容量の変化に依存して変化する電圧を受波信号として取り出すことができる。また、受波素子９の構造は、上述したダイアフラム構造に限らず、受波体２２を受波孔２０の一辺において基板２１に連続させたカンチレバー構造としてもよい。

１０個の受波素子９が一平面上に配列された本実施形態の受波手段３においては、受波素子９が配列された平面に直交する方向に対して、傾きが０度のときの強度を０ｄＢとすると、傾きが５度のときに強度が−３ｄＢとなるような、比較的鋭い指向性を有する。また、受波器６が疎密波を受波しても共振しないことにより、受波素子９を疎密波の波長以下の比較的狭い間隔で配置することができるのである。

ところで、本実施形態の領域設定部２６は検知領域を可変に設定できる機能を有している。本実施形態では、検知領域を設定するために操作される操作部（図示せず）を領域設定部２６に設けており、使用者がこの操作部を操作することにより検知領域の最遠端（つまり物体２を検知可能な最大距離）を任意に変化させることができる。ここにおいて、領域設定部２６は、検知領域に合わせて送波音圧を変化させており、検知領域を遠方側に拡張するほど送波音圧を大きくする。言い換えると、領域設定部２６は、検知領域を縮小するほど送波音圧を小さくする。これにより、検知領域を遠方側に設定した場合でも、当該検知領域内の物体２で反射され受波器６で受波される疎密波の強度を、当該物体２を検知するために十分な大きさとすることができる。

具体的に説明すると、検知領域を遠方側に拡張する場合には、領域設定部２６は、駆動回路５における電源ＤＣの出力電圧とコンデンサＣ１の容量との少なくとも一方を大きくすることにより、コンデンサＣ１に蓄積される電荷量を大きくし、駆動回路５から送波器４に流す駆動電流のピーク値を増大させて送波音圧を大きくする。逆に、検知領域を縮小する場合には、領域設定部２６は、駆動回路５における電源ＤＣの出力電圧とコンデンサＣ１の容量との少なくとも一方を小さくすることにより、コンデンサＣ１に蓄積される電荷量を小さくし、駆動回路５から送波器４に流す駆動電流のピーク値を減少させて送波音圧を小さくする。この構成では、駆動回路５から送波器４に対して無駄に大きい駆動電流が流れることがなくなるので、送波器４における無駄な電力消費を防止できるという効果も期待できる。

また、領域設定部２６は、疎密波に対する受波感度を検知領域に合わせて変化させる構成を採用してもよい。すなわち、領域設定部２６は、検知領域を遠方側に拡張するほど受波感度を大きくする。言い換えると、領域設定部２６は、検知領域を縮小するほど受波感度を小さくする。これにより、検知領域を遠方側に設定した場合でも、当該検知領域内の物体２で反射された疎密波に対する受波感度を、当該物体２を検知するために十分な大きさとすることができる。具体的に説明すると、検知領域を遠方側に拡張する場合には、領域設定部２６は、検知部７を構成するアンプ１０の増幅率を大きくすることにより受波感度を大きくする。逆に、検知領域を縮小する場合には、領域設定部２６は、検知部７を構成するアンプ１０の増幅率を小さくすることにより受波感度を小さくする。ただし、領域設定部２６においてアンプ１０の増幅率を変化させなくとも、本実施形態のように検知部７において反射係数が小さい物体２ほど受波信号の強度に対するしきい値を小さく設定している場合には、同じ物体２であっても遠方に存在するほどしきい値が小さく設定されるので、結果的に、検知領域を遠方側に拡張するほど受波感度が大きくなることとなる。

検知領域を可変に設定する場合には、設定された検知領域を確認できるようにすることが望ましく、そのため、ここでは領域設定部２６で設定された検知領域を表示する表示部２７が設けられている。ただし、表示部２７は、実際の検知領域を表示するのではなく、領域設定部２６における操作部の操作に基づいて予測される検知領域を表示する。ここでは、表示部２７にＬＣＤを用い、検知領域を一方向から見た３次元画像あるいは２次元画像として表示する構成を採用しているが、センサ部から検知領域の最遠端までの距離などを数値を用いて表示するだけの簡単な構成の表示部２７を用いてもよい。本実施形態の表示部２７について具体的に説明すると、図１２に示すように、物体検知装置の構成要素として装置本体２８の領域設定部２６に接続可能なパーソナルコンピュータ（以下、「パソコン」と略称する）２９のモニタを表示部２７として用いており、パソコン２９上で検知領域を画像化するためのプログラムを実行している。これにより、使用者においては、所望の検知領域を表示部２７で確認しながら容易に設定することができる。また、領域設定部２６を制御することにより検知領域を変化させるプログラムも同時に前記パソコン２９上で実行することによって、検知領域をパソコン２９のモニタで確認しながらパソコン２９の操作により変更できるようにしてもよい。さらに、本実施形態では検知領域の最遠端のみを変化させているが、検知領域の最近端（つまり物体２を検知可能な最小距離）や検知領域の形状などを変化させるようにしてもよい。

また、本実施形態では、検知部７の演算器１３が、送波器４が疎密波を送波するタイミングに合わせて受波信号を有効とする期間（以下では「受波期間」と呼ぶ）を決定するタイミング制御部としての機能を有している。物体検知装置がたとえば１ｍ以内（往復距離では２ｍ以内）に存在する物体を検出するとすれば、疎密波が空気中で１ｍの距離を往復するのに要する時間は６ｍｓ程度であることから、タイミング制御部は送波器４が疎密波を送波した直後から６ｍｓの受波期間を設定する。このようにタイミング制御部としての機能を有することにより、送波器４から送波された疎密波を受波器６が受波する期間にのみ受波信号を有効とすることができるので、外来ノイズや多重反射などによる受波信号を受けて検知部６が誤動作することを防止できる。ただし、タイミング制御部としての機能をＡＤコンバータ１１に設けてＡＤコンバータ１１が受波期間にのみ受波信号をデジタル信号化するようにしてもよい。ここにおいて、本実施形態のように、ＡＤコンバータ１１に１６ｂｉｔのものを用いサンプリング周波数を１ＭＨｚとし、かつ受波期間が６ｍｓであって受波素子９が１０個の場合には、（６ｍｓ）×（１ＭＨｚ）×（１６ｂｉｔ）×（１０個）＝（１２０ｋｂｙｔｅ）のフレームメモリ１２が必要になる。

ただし、受波期間を固定的に設定するのではなく、領域設定部２６において設定された検知領域に合わせて受波期間を可変とすることが望ましく、物体検知装置がたとえば１〜２ｍの範囲（往復距離では２〜４ｍの範囲）に存在する物体を検出するとすれば、タイミング制御部は送波器４が疎密波を送波した６ｍｓ後から６ｍｓの受波期間を設定する。

なお、たとえば物体２までの距離が比較的小さいなどの理由により発散損失および吸収損失を無視できる場合には、反射係数を送波音圧と受波音圧とから求めるようにしてもよい。また、本実施形態のように物体２の検知に疎密波を用いた場合には、所謂無色透明の物体２のように、物体２の検知に光を用いた物体検知装置では検知し難い物体２であっても検知することができるという利点がある。

（実施形態２）
本実施形態の物体検知装置は、対象とする検知領域内に存在する物体２を３次元画像として表示することができるものである。この物体検知装置は基本構成が実施形態１で説明したものと同様であって、実施形態１で説明したように物体検知装置が物体２までの距離および物体２の方位を識別できることを利用して、検知領域内において物体２が存在する３次元的な位置を識別している。

本実施形態では、センサ部（送波器４および受波器６）の正面側において、センサ部を頂点として、左方に４５度の角度で傾いた平面と、右方に４５度の角度で傾いた平面と、上方に４５度の角度で傾いた平面と、下方に４５度の角度で傾いた平面とで囲まれた領域であって、センサ部から５ｍ以内の範囲を検知領域とするように、領域設定部２６で検知領域を設定する。以下では、センサ部の正面方向に対して左方への傾きを負の角度、右方への傾きを正の角度として左右方向の角度を表し、センサ部の正面方向に対して下方への傾きを負の角度、上方への傾きを正の角度として上下方向の角度を表す。ここで、検知領域を複数の小領域に分割し、各小領域のそれぞれにおいて物体２の有無を検知することにより検知領域内の物体２を画像化する。

送波器４から送波される疎密波の伝播方向（以下では「奥行方向」と呼ぶ）においては、図１３に示すように、検知領域を所定幅ａで複数の区間に分割する。ここにおいて、区間同士がセンサ部を中心とした球面によって区切られることにより、各区間はセンサ部からそれぞれ等距離の空間を形成している。すなわち、センサ部から等距離に存在する複数の物体２はすべて同じ区間内に存在することになる。本実施形態ではセンサ部から所定距離だけ離れた位置からの区間を設定している。各区間の幅ａ（奥行方向の寸法）は疎密波の波長に基づいて決定されるものであって、本実施形態では疎密波の波長の１０倍としている。ここでは、疎密波の波長を６．８ｍｍとし、各区間の幅ａを６８ｍｍとする。

また、左右方向における角度分解能を５度に設定し、上下方向における角度分解能も５度に設定する。ここにおいて、角度分解能をそれぞれ５度に設定すること、および受波素子９における受波信号の時間差Δｔの分解能に相当するＡＤコンバータ１１のサンプリング周期が１μｓであることより、上述した式Δｔ＝（ｄ・ｓｉｎθ）／ｃに基づいて、受波素子９が、疎密波の波長（つまり６．８ｍｍ）よりも小さい３．９ｍｍという間隔で配置される。ここでは音速ｃは３４０ｍ／ｓとしている。これにより、各区間は左右方向に１９分割かつ上下方向に１９分割される。さらに、図１４に示すように左右方向および上下方向のそれぞれに１９画素ずつとした３６１画素の２次元マップを各区間に対応付ける。この２次元マップにおける１画素分を小領域ｂ（図１３参照）として、各小領域ｂのそれぞれにおいて物体２の有無を検知する。

ところで、送波器４から送波される疎密波の指向性（以下では「送波指向性」と呼ぶ）Ｄ_ｓ（θ）は、疎密波が図１５に示すようなパルス正弦波である場合に、疎密波の波長をλ、送波器４の音源となる部位の一辺の長さを２ａとすると、受波器６の素子配列用基板８に直交する方向に対する傾きθに応じて次の２式のいずれかで表される。

θが０≦θ≦ｓｉｎ^−１（λ／４ａ）のときには、
Ｄ_ｓ（θ）＝｛ｓｉｎ（π・２ａ／λ・ｓｉｎθ）｝／（π・２ａ／λ・ｓｉｎθ）
θがｓｉｎ^−１（λ／４ａ）≦θ≦π／２のときには、
Ｄ_ｓ（θ）＝１／（π・２ａ／λ・ｓｉｎθ）
ここで、検知領域における送波指向性は図１６に示すように、センサ部の正面方向から離れるほど小さくなるように分布する。

一方、受波器６が疎密波を受波する指向性（以下では「受波指向性」と呼ぶ）においては、本実施形態のように、上下方向および左右方向にそれぞれ５個ずつの受波素子９が配列された受波器６では、センサ部の正面方向を中心として上下左右に延長された十字状に、受波指向性Ｄ_ｒ（θ）の高い領域が生じる。検知領域内における受波指向性の分布のシミュレーション結果を図１７に示す。

このように、送波指向性および受波指向性は検知領域内においてそれぞれ一律ではなく、受波器６の素子配列用基板８に直交する方向に対する傾きθによって異なるので、受波器６の素子配列用基板８に直交する方向に対する傾きθを考慮すると、送波音圧Ｖ_ｓと受波音圧Ｖ_ｒとの関係は、発散損失｛１／（４πＲ^２）｝と、吸収損失ｅｘｐ（−αＲ）と、送波指向性Ｄ_ｓ（θ）と、受波指向性Ｄ_ｒ（θ）と、反射係数Ｋ_ｒとを用いて、次式のように表される。

Ｖ_ｒ＝Ｖ_ｓ・１／（４πＲ^２）・ｅｘｐ（−αＲ）・Ｄ_ｓ（θ）・Ｄ_ｒ（θ）・Ｋ_ｒ
そこで、本実施形態の判別手段では、送波音圧と受波音圧と発散損失と吸収損失と送波指向性と受波指向性とを用いて、上式から物体２の反射係数を求めるものとする。そして、求まった反射係数が小さい物体２ほどしきい値を小さく設定する。

また、反射係数が同じ物体２を検知した場合でも、センサ部から遠い物体２ほど受波信号の強度のピーク値は小さくなるので、本実施形態ではセンサ部から離れた区間ほどしきい値を小さくするように、区間毎にしきい値を設定している。さらに、送波指向性が小さい方位に存在する物体２ほど受波信号の強度は小さくなるので、本実施形態では送波指向性が小さい方位ほどしきい値を小さくする。加えて、受波指向性が低い方位に存在する物体２ほど受波信号の強度は小さくなるので、受波指向性が低い方位ほどしきい値を小さくする。

要するに、本実施形態では、各小領域のそれぞれにおいて物体２の有無を検知する際に、物体２の反射係数だけでなく小領域の３次元的な位置にも基づいてしきい値を設定するものであって、異なる位置に存在する物体２であっても、その大きさや形状を正確に識別することができるのである。

以下では、本実施形態の動作の一例として、物体検知装置が、区間内の全領域において反射率を１００％とした場合の受波信号の強度（以下では「基準強度」と呼ぶ）の分布に対応するデータテーブルを区間毎に予め有しており、このデータテーブルを用いてしきい値を設定する場合の動作を示す。各区間における基準強度は、センサ部から各区間までの距離と、各区間における送波指向性の分布および受波指向性の分布とを考慮したものであって、センサ部の正面方向から離れるほど小さくなる。ここでは、ある区間の左右方向における受波信号の強度分布を示した図１８を参照して説明する。図１８においては、横軸に左右方向の角度、縦軸に受波信号の強度を示す。

まず、検知領域内の物体２で反射された疎密波に対応する受波信号の強度Ａから、物体２において反射率が最大である位置（以下では「存在位置」と呼ぶ）を求める。基準強度Ｃは反射率を１００％とした場合の受波信号の強度であるから、受波信号の強度Ａと基準強度Ｃとの差が反射率を反映しており、この差が最小となる位置で反射率が最大となる。したがって、図１８では、受波信号の強度Ａと基準強度Ｃとの差Ｙが最小となる位置が存在位置Ｘである。

次に、この存在位置Ｘにおける物体２の反射係数に基づいて、当該区間におけるしきい値Ｂを設定する。本実施形態では、存在位置Ｘにおける反射係数に対応付けられた１以下の正の数を各方位の基準強度Ｃに乗じることにより各方位のしきい値Ｂを得るようにしている。これにより、しきい値Ｂは基準強度Ｃと同様にセンサ部の正面方向（０度）から離れるほど小さくなる。反射係数に対応付けられた数は、しきい値Ｂが存在位置Ｘにおける受波信号の強度Ａよりも規定された割合だけ小さくなるように決められるものであって、本実施形態では存在位置Ｘにおいてしきい値Ｂが受波信号の強度Ａの９０％となるように決められている。

物体２の有無は、受波信号の強度Ａがしきい値Ｂより大きいか否かによって判別され、図１８では、受波信号の強度Ａがしきい値Ｂを越える領域Ｚにわたって物体２が存在すると判別される。ここで、物体２が占有する領域Ｚの広さが物体２の大きさに対応しているのである。

また、物体２で反射された疎密波以外のノイズを受波器６が受波することにより、存在しない物体２を誤って検知してしまうことがないように、無効とする受波信号の強度を決定する最低しきい値Ｄが設定される。この最低しきい値Ｄより強度が小さい受波信号においては無効とするのである。この最低しきい値Ｄにおいても、しきい値Ｂと同様にセンサ部の正面方向（０度）から離れるほど小さくなる。

ここでは、説明のために左右方向においてのみ受波信号の強度分布を示したが、実際には、左右方向および上下方向に広がる２次元マップ上において、物体２で反射された疎密波に対応する受波信号の強度が分布する。２次元マップ上においては、物体２が占有する領域の形状が、センサ部側からみた物体２の形状に対応する。

ところで、本実施形態の物体検知装置は、検知領域内の各小領域にそれぞれ対応付けた複数の画素を有する画像を出力する画像出力部（図示せず）を備えている。画像出力部は、受波信号の強度がしきい値を越える小領域のみを表示するものである。ここにおいて、表示部２７としてのＬＣＤを画像出力部に共用してもよい。

センサ部からの距離が１ｍの区間において、左右方向の角度が０度の位置に立つ人物３０と、センサ部からの距離が１．３ｍの区間において、左右方向の角度が４０度、上下方向の角度が−２０度の位置に存在するボール３１とを検知した場合に生成された画像を図１９に示す。図１９（ａ）が検知領域をセンサ部側からみた正面図として画像化したものであって、図１９（ｂ）は検知領域を斜めにみた斜視図として画像化したものである。このときの人物３０の反射係数は約１１％であって、この反射係数に基づいてしきい値が設定された。一方、ボール３１の反射係数は約５％であって、人物３０とは異なるしきい値が設定された。このように、反射係数が異なる物体であっても大きさや形状が比較的正確に検知できる。

また、上述した例では、検知領域を一定の幅（６８ｍｍ）で複数の区間に分割していたが、検知領域を前記区間に分割した状態での物体２の検知に加えて、検知領域をセンサ部の正面方向において前記区間に対して３４ｍｍだけずらして６８ｍｍ幅で分割した状態でも物体２の検知を行うようにしてもよく、これにより、前者の分割状態において２つの区間に跨って疎密波が反射された場合にも、後者の分割状態において精度よく検知できるという効果を奏する。

なお、受波器６は素子配置用基板８上における複数の方向にそれぞれ複数個ずつの受波素子９が配列されていればよく、素子配置用基板８上における受波素子９の配置は上述したものに限らない。受波素子９の個数も１０個に限定するものではなく、たとえば図２０に示すように、素子配置用基板８の中央に配置された１個の受波素子９の周囲を囲む円弧上に等間隔で６個の受波素子９を配列してもよい。図２０に示す配列を採用した受波器６を用いた場合には、検知領域内における受波指向性の分布のシミュレーション結果である図２１に示すように、センサ部の正面方向を中心として円形状に広がった領域の受波指向性が高くなる。その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

（実施形態３）
本実施形態では、実施形態２の物体検知装置において、送波器４から一定の時間間隔で疎密波を送波し、この時間間隔に合わせて画像出力部に表示される画像を更新するようにした例を示す。ここでは、物体２までの距離を画素値に対応付けて表示する。

この構成では、検知領域に存在する物体２を時系列に表示することができる。検知領域を移動する人物を検知した例を図２２に示す。

初めに表示された図２２（ａ）においてセンサ部の近傍に存在していた人物は、次に表示された図２２（ｂ）では図２２（ａ）の状態よりもセンサ部から離れた位置に存在し、この次に表示された図２２（ｃ）ではセンサ部からさらに離れた位置に存在している。すなわち、この人物がセンサ部から遠ざかるように移動したことがわかる。

また、画像出力部は、検知領域において受波信号の強度がしきい値を越えた領域のみを表示するので、背景を省略した状態で検知領域内に存在する物体２のみを表示することもできる。物体の表示方法については、周知の画像処理の技術を用いて、物体２の形状を識別可能な形で表示したり、物体２を追跡して表示するようにしてもよい。さらに、同じ反射係数の物体２の位置を時系列的にプロットすることにより、物体２が移動した向きを自動で判別するようにしてもよい。その他の構成および機能は実施形態２と同様である。

なお、上述した各実施形態で示した数値は一例であって、これに限定されるものではない。

本発明の実施形態１の構成を示すブロック図である。同上の受波器を示す概略図である。同上の受波器が疎密波を受波する方位を説明するための説明図である。同上の受波手段の構成を示すブロック図である。同上の受波手段の動作を示す動作説明図である。同上の受波手段の動作を説明するための説明図である。（ａ）は物体２に対応する受波信号を示し、（ｂ）は物体２’に対応する受波信号を示す説明図である。同上の送波器の構成を示し（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図である。同上の駆動電流の波形を示すグラフである。同上の駆動回路を示す回路図である。同上の受波素子の構成を示す断面図である。同上の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態２の検知領域を示す説明図である。同上の各区間に想定される２次元マップを示す説明図である。同上の疎密波を示すグラフである。同上の送波指向性の分布を示すグラフである。同上の受波指向性の分布を示すグラフである。同上の受波信号の強度分布を示す説明図である。同上の画像出力部に表示される画像を示す説明図である。同上の受波素子の他の配置を示す説明図である。同上の受波指向性の分布を示すグラフである。本発明の実施形態３の動作を示す動作説明図である。従来例の構成を示すブロック図である。

符号の説明

２物体
４送波器
５駆動回路
６受波器
７検知部
９受波素子
２６領域設定部
２７表示部

Claims

対象とする検知領域に疎密波を間欠的に送波する送波器と、それぞれ疎密波を電気信号である受波信号に変換する複数個の受波素子を有し、検知領域内に存在する物体で反射された送波器からの疎密波を受波する受波器と、疎密波が送波されてから受波されるまでに要した時間に対応する前記物体までの距離と各受波素子のそれぞれの受波信号の時間差に対応する前記物体の方位とを識別して検知領域内の物体を検知する検知部と、前記検知領域を可変に設定する領域設定部とを備え、検知部は、送波器から送波された疎密波の強度である送波強度と受波器により受波された疎密波の強度である受波強度とを用いて前記物体の反射係数を求め、物体の有無を受波信号の強度により判別するための受波信号の強度に対するしきい値を前記物体で反射された疎密波に対応する受波信号の強度より小さくするように、前記反射係数が小さい物体ほど前記しきい値を小さく設定することを特徴とする物体検知装置。
前記領域設定部は、前記送波強度を変化させ、前記検知領域を遠方側に拡張するほど送波強度を大きくすることを特徴とする請求項１記載の物体検知装置。
前記領域設定部は、前記疎密波に対する受波感度を変化させ、前記検知領域を遠方側に拡張するほど受波感度を大きくすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の物体検知装置。
前記領域設定部により設定された前記検知領域を表示する表示部を備え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項に記載の物体検知装置。