JP2015175713A - 超音波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】親機と複数の子機とを備える超音波装置において、反響波による混信を抑制する。
【解決手段】複数の子機２１０−１〜２１０−３はそれぞれ、超音波トランスデューサ１１０−１と、信号回路１２０−１と、超音波トランスデューサ１１０−１が親機１００から送られる超音波送信信号を受信してから、予め定められた遅延時間が経過した後に超音波トランスデューサ１１０−１が超音波応答信号を発生するように信号回路１２０−１を制御する制御部１３０とを含む。遅延時間は、超音波応答信号の反響収束時間以上の長さに設定される。複数の子機同士の遅延時間の差は、超音波応答信号の反響収束時間以上の長さに設定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波装置に関する。

従来より、複数の機器の間で超音波信号の送受信を行なうことによって、各機器間の距離などを測定するための超音波装置が提案されている。

特開昭５３−５５１５１号公報は、たとえば海底で動く複数の機器の間の距離を測定するための超音波装置を開示する。具体的に、超音波装置は、主局（親機）と、複数の従局（子機）との間の距離を測定する。親機は、超音波送信信号を子機に送信する。各子機は、親機からの超音波送信信号を受信して、超音波応答信号を親機に送信する。各子機は、超音波応答信号の送信を遅延時間遅らせるための遅延手段を備える。遅延時間は、各子機で異なるように設定される。遅延時間が設定されることによって、各子機が送信する超音波応答信号は、時間的に分離される（重ならない）。これにより、親機は、超音波応答信号を受信するタイミングに基づいて、受信した超音波応答信号がいずれの子機からの信号であるかを区別して、その子機との間の距離を測定することができる。

特開昭５３−５５１５１号公報

超音波信号を送受信する複数の機器は、たとえば室内で用いられることがある。室内では、親機から子機に送信される超音波送信信号の一部は、床および壁などで反射し、反響波として子機によって受信される。この場合の反響波は、超音波送信信号よりも遅れて子機によって受信される。反響波は、親機によって受信されることもある。同様に、子機から親機に送信される超音波応答信号の一部は、床および壁などで反射し、反響波として親機によって受信される。この場合の反響波は、超音波応答信号よりも遅れて親機によって受信される。反響波は、子機によって受信されることもある。

たとえば、或る子機から親機に超音波応答信号が送信され、所定の遅延時間が経過した後に別の子機から親機に超音波応答信号が送信されたとしても、初めに送信された超音波応答信号の反響波と、後に送信された超音波応答信号とは、同時に親機によって受信される場合がある。その場合、親機において混信が生じる恐れがある。

本発明の目的は、親機と複数の子機とを備える超音波装置において、反響波による混信を抑制することである。

本発明は、ある局面において、親機と、親機との間で超音波信号を送受信する複数の子機とを備える超音波装置である。複数の子機はそれぞれ、超音波トランスデューサと、信号回路と、制御部とを含む。超音波トランスデューサは、受信した超音波信号に対応する電気信号を出力し、かつ入力された電気信号に対応する超音波信号を送信する。信号回路は、超音波トランスデューサから出力された電気信号を処理するとともに電気信号を発生して超音波トランスデューサに入力する。制御部は、超音波トランスデューサが親機から送られる超音波送信信号を受信してから、予め定められた遅延時間が経過した後に超音波トランスデューサが超音波応答信号を発生するように信号回路を制御する。遅延時間は、超音波応答信号の反響収束時間以上の長さに設定される。複数の子機同士の遅延時間の差は、超音波応答信号の反響収束時間以上の長さに設定される。

超音波信号の反響波は、たとえば反射を繰り返すことによって減衰する（収束する）。上記構成の超音波装置では、各子機において設定される遅延時間は、超音波応答信号の反響が収束するまでの反響収束時間以上の長さに設定される。また、各子機同士の遅延時間の差は、反響収束時間以上の長さに設定される。すなわち、たとえば、或る子機の遅延時間よりも、別の子機の遅延時間は反響収束時間以上長く設定される。これにより、或る子機から親機に超音波応答信号が送信されたとしても、別の子機は、反響収束時間以上遅れて親機に超音波応答信号を送信することになる。そのため、初めに送信された超音波応答信号の反響波と、後に送信された超音波応答信号とは、同時に親機によって受信されない。したがって、超音波装置における混信が抑制される。

本発明によると、親機と複数の子機とを備える超音波装置において、反響波による混信を抑制することが可能になる。

超音波装置の使用例を説明するための図である。 実施の形態１に係る超音波装置１０の概略構成を説明するための図である。 実施の形態１において実行される処理の一例を説明するためのフローチャートである。 実施の形態２に係る超音波装置１０Ａの概略構成を説明するための図である。 アップチャープ信号を説明するための図である。 ダウンチャープ信号を説明するための図である。 Ｍ系列符号変調信号を説明するための図である。 実施の形態２において実行される処理の一例を説明するためのフローチャートである。 アップチャープ信号の一例を説明するための図である。 ダウンチャープ信号の一例を説明するための図である。 Ｍ系列符号変調信号の一例を説明するための図である。 超音波合成信号の一例を説明するための図である。 相互相関結果の一例を示す第１の図である。 相互相関結果の一例を示す第２の図である。 相互相関結果の一例を示す第３の図である。 超音波合成信号の別の例を説明するための図である。 相互相関結果の一例を示す第４の図である。 相互相関結果の一例を示す第５の図である。 相互相関結果の一例を示す第６の図である。 超音波トランスデューサの構成の一例を説明するための斜視図である。 超音波トランスデューサの構成の一例を説明するための断面図である。 超音波トランスデューサに用いられる超音波発生素子を説明するための分解斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は実施の形態１に係る超音波装置１０の使用例を説明するための図である。超音波装置１０は、親機１００と、子機２００−１〜２００−３とを含む。

親機１００は、超音波信号を送受信する。同様に、子機２００−１〜２００−３は、超音波信号を送受信する。たとえば、親機１００はトリガ信号としての超音波送信信号を送信し、子機２００−１〜２００−３は、親機からの超音波送信信号を受信する。子機２００−１〜２００−３は、超音波応答信号を送信し、親機１００は、各子機からの超音波応答信号を受信する。最も単純な例では、超音波送信信号と超音波応答信号とは、同じ信号、たとえば単一の周波数成分からなる信号とされる。これにより、親機１００および子機２００−１〜２００−３で共通設計される箇所が増える。その結果、超音波装置１０の製造が容易になり、コストを下げることができる。

親機１００と子機２００−１〜２００−３との間の超音波信号の送受信によって、親機１００と子機２００−１〜２００−３との距離が測定される。親機１００は、超音波送信信号を送信してから超音波応答信号を受信するまでの時間に基づいて、親機１００と子機２００−１〜２００−３との距離Ｌ１〜Ｌ３を検出する。親機１００は、超音波応答信号を受信したタイミング（時刻）を検出することで、超音波送信信号を送信してから超音波応答信号を受信するまでの時間を求める。さらに、親機１００は、その超音波応答信号を送信した子機を特定することで、その子機までの距離を検出する。

親機１００と、子機２００−１〜２００−３とは、一例として電子機器（図示しない）などに搭載されて使用される。これにより、電子機器間の距離などが測定される。

図１に示すように、超音波装置１０は、代表的には部屋２０の中（室内）で使用される。たとえば、部屋２０は、一方の壁から、対向する他方の壁までの距離がたとえば数メートル程度の広さである。超音波装置１０は、屋外で使用されてもよい。

図２は、超音波装置１０の概略構成を説明するための図である。
図２を参照して、親機１００は、超音波トランスデューサ１１０−１，１１０−２と、信号回路１２０−１，１２０−２と、制御部１３０とを含む。図２では一例として、親機１００は超音波トランスデューサおよび信号回路をそれぞれ２つずつ含んで図示されるが、親機１００は、超音波トランスデューサおよび信号回路を１つずつ含んで構成されてもよい。

超音波トランスデューサ１１０−１は、子機２００−１〜２００−３から送信された超音波応答信号を受信する。超音波トランスデューサ１１０−１は、受信した超音波応答信号に対応する電気信号を、信号回路１２０−１に出力する。超音波トランスデューサ１１０−１は、信号回路１２０−１から入力された電気信号に対応する超音波信号を、子機２００−１〜２００−３に送信する。

信号回路１２０−１は、超音波トランスデューサ１１０−１から出力された電気信号を処理する。たとえば、信号回路１２０−１は、電気信号のフィルタリング、増幅、ディジタル信号への変換、ディジタル信号の演算などを行なう。演算などによって、親機１００と子機２００−１〜２００−３との間の距離が算出される。距離の算出には、種々の公知の手法を用いることができる。

信号回路１２０−１は、電気信号を発生して超音波トランスデューサ１１０−１に入力する。たとえば、信号回路１２０−１は、親機１００が子機２００−１〜２００−３に送信する超音波送信信号を超音波トランスデューサ１１０−１が発生するための電気信号を、超音波トランスデューサ１１０−１に入力する。

超音波トランスデューサ１１０−２および信号回路１２０−２は、超音波トランスデューサ１１０−１および信号回路１２０−１と同様に構成されて動作するため、ここでは説明を繰り返さない。超音波トランスデューサ（および信号回路）が２つ含まれることで、超音波装置１０の測定性能が向上する。たとえば三角測量によって、親機１００は、子機２１０−１〜２１０−３との間の距離および角度を検出することができる。すなわち、２つの（受信経路）により子機からの超音波応答信号を受信することにより、親機１００は、２次元における子機２１０−１〜２１０−３の位置も検出できる。なお、超音波トランスデューサ（および信号回路）が３つ含まれると、親機１００は、３次元における子機２１０〜２１０−３の位置も検出できる。

制御部１３０は、信号回路１２０−１を制御する。制御は、たとえば制御信号または通信信号を用いて行なわれる。制御部１３０は、信号回路１２０−１を制御することによって、たとえば親機１００の超音波信号の送受信を制御したり、親機１００と子機２００−１〜２００−３との距離などを検出する。同様に、制御部１３０は、信号回路１２０−２を制御する。制御部１３０は、制御に必要なさまざまな情報を記憶するためのメモリや情報を処理するためのプロセッサ（いずれも図示しない）などを含んで構成される。

子機２００−１は、超音波トランスデューサ２１０−１，２１０−２と、信号回路２２０−１，２２０−２と、制御部２３０とを含む。

超音波トランスデューサ２１０−１は、親機１００から送信された超音波送信信号を受信する。超音波トランスデューサ２１０−１は、受信した超音波送信信号に対応する電気信号を、信号回路２２０−１に出力する。超音波トランスデューサ２１０−１は、信号回路２２０−１から入力された電気信号に対応する超音波信号を、親機１００に送信する。

信号回路２２０−１は、超音波トランスデューサ２１０−１から出力された電気信号を処理する。たとえば、信号回路２２０−１は、電気信号のフィルタリング、増幅、ディジタル信号への変換、ディジタル信号の演算処理などを行なう。

信号回路２２０−１は、電気信号を発生して超音波トランスデューサ２１０−１に入力する。たとえば、信号回路２２０−１は、子機２００−１が親機１００に送信する超音波送信信号を超音波トランスデューサ２１０−１が発生するための電気信号を、超音波トランスデューサ２１０−１に入力する。

超音波トランスデューサ２１０−２および信号回路２２０−２は、超音波トランスデューサ２１０−１および信号回路２２０−１と同様に構成されて動作するため、ここでは説明を繰り返さない。先に親機１００について説明したように、超音波トランスデューサ（および信号回路）が２つずつ含まれることで、超音波装置１０の測定性能が向上する。

制御部２３０は、信号回路２２０−１を制御する。制御は、たとえば制御信号または通信信号を用いて行なわれる。制御部２３０は、信号回路２２０−１を制御することによって、たとえば、子機２００−１の超音波信号の送受信を制御する。同様に、制御部２３０は、信号回路２２０−２を制御する。制御部２３０は、制御に必要なさまざまな情報を記憶するためのメモリや情報を処理するためのプロセッサ（いずれも図示しない）などを含んで構成される。

子機２００−２および子機２００−３は、子機２００−１と同様に構成される。ただし、後に説明するように、子機２００−２および子機２００−３は、超音波送信信号を受信してから超音波応答信号を送信するまでの間の遅延時間が異なるように動作する。

以下、超音波装置１０が親機１００と子機２００−１との距離を測定するため動作の一例について説明する。同様の動作によって、親機１００と子機２００−２および子機２００−３との距離の測定が行なわれる。

子機２００−１は、親機１００から送信された超音波送信信号を受信してから、予め定められた遅延時間が経過した後に超音波応答信号を親機１００に送信する。具体的に、制御部２３０は、超音波トランスデューサ２１０−１（または２１０−２）が親機１００から送信された超音波送信信号を受信してから、予め定められた遅延時間が経過した後に超音波トランスデューサ２１０−１（または２１０−２）が超音波応答信号を発生するように信号回路２２０−１（または２２０−２）を制御する。

遅延時間は、子機２００−１〜２００−３においてそれぞれ異なる時間に設定される。たとえば、遅延時間は、子機２００−１が最も短く、子機２００−３が最も長くなるように設定される。これにより、親機１００に超音波応答信号を送信すると、その後、はじめに子機２００−１が超音波応答信号を送信し、次に、子機２００−２が超音波応答信号を送信し、最後に子機２００−３が超音波信号を送信すると想定される。遅延時間が適切に設定されていれば、子機２００−１〜２００−３が送信する超音波送信信号は、時間的に分離されて（重ならず）、親機１００によって受信される。これにより、親機１００における混信が抑制される。

しかし、先に図１を参照して説明したように超音波装置１０は、たとえば室内で使用される場合がある。室内では、親機１００から子機２００−１〜２００−３に送信される超音波送信信号の一部は、たとえば床および壁（いずれも図示しない）などで反射し、反響波として子機２００−１〜２００−３によって受信される。この場合の反響波は、超音波送信信号よりも遅れて子機２００−１〜２００−３によって受信される。反響波は、親機１００によって受信されることもある。同様に、子機２００−１〜２００−３から親機１００に送信される超音波応答信号の一部は、たとえば床および壁などで反射し、反響波として親機１００によって受信される。この場合の反響波は、超音波応答信号よりも遅れて親機によって受信される。反響波は、子機２００−１〜２００−３によって受信されることもある。

反響波は、たとえば反射を繰り返すことで減衰する（収束する）。しかし、上述の遅延時間が、反響波が収束する時間（反響収束時間）よりも短く設定されていると、たとえば次のような問題が生じる。すなわち、遅延時間によって子機２００−１と子機２００−２との送信タイミングが異なっていたとしても、子機２００−１の超音波応答信号の反響波と、子機２００−２の超音波応答信号とが、重畳して親機１００によって受信される場合がある。その場合、親機１００において混信が生じる恐れがある。

また、親機１００から子機２００−１〜２００−３に超音波送信信号が送信され、所定の時間が経過した後に子機２００−１から親機１００に超音波応答信号が送信されたとしても、親機１００の超音波送信信号の反響波と、子機２００−１の超音波応答信号とが、重畳して親機１００によって受信される場合がある。この場合も、親機１００において混信が生じる恐れがある。

超音波装置１０では、遅延時間は、超音波応答信号の反響収束時間以上の長さに設定される。また、各子機（子機２００−１〜２００−３）同士の遅延時間の差は、反響収束時間以上の長さに設定される。すなわち、たとえば、子機２００−２の遅延時間は、子機２００−１の遅延時間よりも反響収束時間以上長く設定される。子機２００−３の遅延時間は、子機２００−２の遅延時間よりもさらに反響収束時間以上長く設定される。反響収束時間は、超音波装置１０の設計データ、たとえば超音波装置１０において使用される超音波の周波数や音圧に基づいて予め定められてもよいし、実験データなどに基づいて定められてもよい。

これにより、たとえば、子機２００−１から親機１００に超音波応答信号が送信された場合も、子機２００−２（および子機２００−３）は、子機２００−１の送信から反響収束時間以上遅れて親機１００に超音波応答信号を送信する。そのため、子機２００−１の超音波応答信号の反響波と、子機２００−２の超音波応答信号とが、同時に親機１００によって受信されないようにすることができる。したがって、親機１００における混信が抑制される。

また、遅延時間が最も短い子機、たとえば子機２００−１の遅延時間は、反響収束時間以上に設定されてもよい。そうすることで、親機１００から子機２００−１〜２００−３に超音波送信信号が送信された場合、子機２００−１（および子機２００−２，２００−３）は、親機１００の送信から反響収束時間以上遅れて親機１００に超音波応答信号を送信する。そのため、親機１００の超音波送信信号の反響波と、子機２００−１（および子機２００−２，２０−３）の超音波応答信号とが、同時に親機１００によって受信されないようにすることができる。したがって、親機１００における混信が抑制される。

図３は、実施の形態１において実行される処理の一例を説明するためのフローチャートである。図３中「親機」は、図２などに示す親機１００に、「子機Ｎ」は、図２などに示す子機２００−１〜２００−３にそれぞれ対応する。

図３を参照して、親機は、ステップＳ１００において、子機に超音波送信信号を送信する。ステップＳ１００における時刻を、時刻＝０として図示する。

子機Ｎは、時刻＝０より前のステップＳ２００において、親機からの超音波送信信号の受信を待っている状態（待受状態）とされる。

子機Ｎは、ステップＳ２０１において、親機からの超音波送信信号を受信する。ステップＳ２０１における時刻は、超音波送信信号の親機と子機Ｎとの間の飛行時間（ＴＯＦ：Time Of Flight）によって決まる。ＴＯＦは、親機と各子機との間の距離によってそれぞれ異なる。ＴＯＦは、たとえば、子機１ではＴＯＦ１、子機２ではＴＯＦ２、子機３ではＴＯＦ３のように基本的には子機毎で異なる時間になる。子機ＮのＴＯＦをＴＯＦＮで表した場合、ステップＳ２０１における時刻は、時刻＝ＴＯＦＮである。

子機Ｎは、ステップＳ２０２において、待機状態とされる。具体的に、子機Ｎは、超音波送信信号を受信してから設定された遅延時間の間、動作を待機する。遅延時間は各子機によって異なるように設定される。超音波信号の反響波の収束時間（反響収束時間）をＴｃとすると、たとえば、子機Ｎの遅延時間ＴｗａｉｔＮは、ＴｗａｉｔＮ＝Ｎ×（Ｔｃ＋１ｍｓ）に設定される。１ｍｓは、たとえばマージンとして設定される。具体的に、子機１の遅延時間Ｔｗａｉｔ１は、Ｔｗａｉｔ１＝Ｔｃ＋１ｍｓに設定される。子機２の遅延時間Ｔｗａｉｔ２は、Ｔｗａｉｔ２＝２Ｔｃ＋２ｍｓに設定される。子機３の遅延時間Ｔｗａｉｔ３は、Ｔｗａｉｔ３＝３Ｔｃ＋３ｍｓに設定される。すなわち、各子機において設定される遅延時間は、反響収束時間以上（この場合はＴｃ）異なるように設定される。

子機Ｎは、ステップＳ２０３において、親機に超音波応答信号を送信する。ステップＳ２０３における時刻は、時刻＝ＴＯＦＮ＋ＴｗａｉｔＮである。

ステップＳ２０３の処理が実行された後、ステップＳ２００に再び処理が戻される。
親機は、ステップＳ１０１において、子機Ｎからの超音波応答信号を受信する。ステップＳ１０１における時刻をｔ_Ｎとすると、ｔ_Ｎ＝２×ＴＯＦＮ＋ＴｗａｉｔＮである。具体的に、親機が子機１からの超音波応答信号を受信する時刻をｔ１とすると、ｔ１＝２×ＴＯＦ１＋Ｔｗａｉｔ１である。親機が子機２からの超音波応答信号を受信する時刻をｔ２とすると、ｔ２＝２×ＴＯＦ２＋Ｔｗａｉｔ２である。親機が子機３からの超音波応答信号を受信する時刻をｔ３とすると、ｔ３＝２×ＴＯＦ３＋Ｔｗａｉｔ３である。

親機は、ステップＳ１０２〜Ｓ１０７において、子機Ｎからの超音波応答信号に基づいて、親機と各子機との距離などを検出する。具体的に、親機は、超音波送信信号を送信してから超音波応答信号を受信するまでの時間（後述のｔ_Ｎに相当）と、反響収束時間および各子機の各々の遅延時間に基づいて定められる時間（後述のＴｗａｉｔ１＋α、Ｔｗａｉｔ２＋α、Ｔｗａｉｔ３＋αに相当）とを比較することによって、受信した超音波応答信号がいずれの子機から送られた超音波応答信号であるかを判断する。

ステップＳ１０２において、ｔ_Ｎ（ここではｔ_Ｎは時間として扱われる）がＴｗａｉｔ１より大きく、かつＴｗａｉｔ１＋α未満であるか否かが判断される。αは、たとえば、ＴＯＦＮの２倍以上となるように設定される。ＴＯＦＮは親機と子機との間の距離によって変化する。親機および子機Ｎが使用される環境が分かっていれば、ＴＯＦＮの最大値は算出できる。たとえば、親機および子機Ｎが室内で使用される場合、ＴＯＦＮの最大値は、最も離れて対向する部屋の一端と他端との間の距離を、超音波の速度（音速）で除した値として算出できる。ＴＯＦＮの最大値の２倍の値をαとすることで、αはＴＯＦＮの２倍より大きい値に設定される。ｔ_ＮがＴｗａｉｔ１より大きく、かつＴｗａｉｔ１＋α未満である場合（ステップＳ１０２でＹＥＳ）、ステップＳ１０３に処理が進められる。そうでない場合（ステップＳ１０２でＮＯ）、ステップＳ１０４に処理が進められる。

ステップＳ１０３において、時刻＝ｔ_Ｎにおいて親機が受信した超音波応答信号は、子機１からの超音波応答信号であると判断される。そして、親機と子機１との距離が検出される。具体的に、距離をＬとすると、Ｌ＝１／２×超音波の速度×（ｔ_Ｎ−ＴｗａｉｔＮ）として検出される。なお、親機が超音波トランスデューサを２つ以上含む場合、親機は、親機と子機１との距離および角度（すなわち子機１の位置）を検出することもできる。ステップＳ１０３の処理が実行された後、ステップＳ１０４に処理が進められる。

ステップＳ１０４において、ｔ_ＮがＴｗａｉｔ２より大きく、かつＴｗａｉｔ２＋α未満であるか否かが判断される。ｔ_ＮがＴｗａｉｔ２より大きく、かつＴｗａｉｔ２＋α未満である場合（ステップＳ１０４でＹＥＳ）、ステップＳ１０５に処理が進められる。そうでない場合（ステップＳ１０５でＮＯ）、ステップＳ１０６に処理が進められる。

ステップＳ１０５において、時刻＝ｔ_Ｎにおいて親機が受信した超音波応答信号は、子機２からの超音波応答信号であると判断される。そして、親機と子機２との距離が検出される。その後、ステップＳ１０６に処理が進められる。

ステップＳ１０６において、ｔ_ＮがＴｗａｉｔ３より大きく、かつＴｗａｉｔ３＋α未満であるか否かが判断される。ｔ_ＮがＴｗａｉｔ３より大きく、かつＴｗａｉｔ３＋α未満である場合（ステップＳ１０６でＹＥＳ）、ステップＳ１０７に処理が進められる。そうでない場合（ステップＳ１０６でＮＯ）、ステップＳ１００に再び処理が戻される。

ステップＳ１０６において、時刻＝ｔ_Ｎにおいて親機が受信した超音波応答信号は、子機３からの超音波応答信号であると判断される。そして、親機と子機３との距離が検出される。その後、ステップＳ１００に再び処理が戻される。

図３のフローチャートによれば、たとえば、ステップＳ２０２において、各子機の遅延時間は、反響収束時間以上異なるように設定される。そのため、反響波による混信が抑制される。

以上、実施の形態１では、各子機の遅延時間が適切に設定されることで、超音波装置における混信が抑制されることを説明した。一方、次に説明する実施の形態２によれば、実施の形態１のように各子機に遅延時間を設けなくとも、超音波装置における混信が抑制される。遅延時間が設けられないため、たとえば、親機と各子機との距離を検出するまでに必要な時間が短縮される。

［実施の形態２］
図４は、実施の形態２に係る超音波装置１０Ａの概略構成を説明するための図である。超音波装置１０Ａは、親機１００Ａと、子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３とを含む。

親機１００Ａは、超音波を送受信する。同様に、子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３は、超音波信号を送受信する。たとえば、親機１００Ａは超音波送信信号を送信し、子機２００−１〜２００−３は、超音波送信信号を受信する。子機２００−１〜２００−３は、超音波応答信号を送信し、親機１００は、超音波応答信号を受信する。最も単純な例では、超音波送信信号は、たとえば単一の周波数成分からなる信号とされる。

親機１００Ａと子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３との間の超音波信号の送受信によって、親機１００Ａと、子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３との距離が測定される。親機１００Ａは、超音波送信信号を送信してから超音波応答信号を受信するまでの時間に基づいて、親機１００Ａと子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３との距離を検出する。親機１００Ａは、超音波応答信号を受信したタイミング（時刻）を検出することで、超音波送信信号を送信してから超音波応答信号を受信するまでの時間を求める。さらに、親機１００Ａは、その超音波応答信号を送信した子機を特定することで、その子機までの距離を検出する。

親機１００Ａと、子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３とは、一例として電子機器（図示しない）などに搭載されて使用される。これにより、電子機器間の位置関係が測定される。超音波装置１０は、代表的には室内（たとえば図１の部屋２０など）で使用される。超音波装置１０Ａは、屋外で使用されてもよい。

図４を参照して、親機１００Ａは、超音波トランスデューサ１１０−１，１１０−２と、信号回路１２０Ａ−１，１２０Ａ−２と、制御部１３０Ａとを含む。

超音波トランスデューサ１１０−１，１１０−２は、先に図２を参照して説明したので、ここでは説明を繰り返さない。

信号回路１２０Ａ−１は、先に図２を参照して説明した信号回路１２０−１と同様に、超音波トランスデューサ１１０−１から出力された電気信号を処理するとともに、電気信号を発生して超音波トランスデューサ１１０−１に入力する。

超音波装置１０Ａにおいて、信号回路１２０Ａ−１によって処理される電気信号は、パルス圧縮信号を含む。パルス圧縮信号は、複数の周波数成分を含む信号である。パルス圧縮信号については、後に図９〜図１１を参照しても説明される。信号回路１２０Ａ−１によって発生される電気信号も、パルス圧縮信号を含んでもよい。

信号回路１２０Ａ−２は、信号回路１２０Ａ−１と同様に構成されて動作するため、ここでは説明を繰り返さない。超音波トランスデューサ（および信号回路）が２つ含まれることで、超音波装置１０Ａの測定性能が向上する。たとえば三角測量によって、親機１００Ａは、子機２１０Ａ−１〜２１０Ａ−３との間の距離および角度を検出することができる。すなわち、２つの（受信経路）により子機からの超音波応答信号を受信することにより、親機１００Ａは２次元における子機２１０Ａ−１〜２１０Ａ−３の位置も検出できる。なお、超音波トランスデューサ（および信号回路）が３つ含まれると、親機１００Ａは、３次元における子機２１０Ａ〜２１０Ａ−３の位置も検出できる。

制御部１３０Ａは、信号回路１２０Ａ−１を制御する。制御は、たとえば制御信号または通信信号を用いて行なわれる。制御部１３０Ａは、信号回路１２０Ａ−１を制御することによって、たとえば親機１００Ａの超音波信号の送受信を制御したり、親機１００Ａと、子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３との距離などを検出する。同様に、制御部１３０Ａは、信号回路１２０Ａ−２を制御する。制御部１３０Ａは、制御に必要なさまざまな情報を記憶するためのメモリや情報を処理するためのプロセッサ（いずれも図示しない）などを含んで構成される。

子機２００Ａ−１は、超音波トランスデューサ２１０−１，２１０−２と、信号回路２２０Ａ−１，２２０Ａ−２と、制御部２３０Ａとを含む。

超音波トランスデューサ２１０−１，２１０−２は、先に図２を参照して説明したので、ここでは説明を繰り返さない。

信号回路２２０Ａ−１は、先に図２を参照して説明した信号回路２２０−１と同様に、超音波トランスデューサ２１０−１から出力された電気信号を処理するとともに、電気信号を発生して超音波トランスデューサ２１０−２に入力する。

超音波装置１０Ａでは、信号回路２２０Ａ−１によって発生される電気信号は、パルス圧縮信号を含む。パルス圧縮信号は、たとえば、アップチャープ信号、ダウンチャープ信号およびＭ系列符号変調信号などの信号を含んで構成される。図５は、アップチャープ信号を説明するための図である。図５に示すグラフの横軸は時間を、縦軸は信号の振幅をそれぞれ示す。後に説明する図６および図７についても同様である。図５に示すように、アップチャープ信号は、時間とともに周波数が上昇する信号である。図６は、ダウンチャープ信号を説明するための図である。図６に示すように、ダウンチャープ信号は、時間とともに周波数が低下する信号である。図７は、Ｍ系列符号変調信号を説明するための図である。図７に示すように、Ｍ系列符号変調信号は、周波数（あるいは位相）がランダムに変化する。Ｍ系列符号変調信号は、所定の乱数に基づいて作成される信号である。これらの信号については、後に図９から図１１を参照しても説明される。信号回路２２０Ａ−１によって処理される電気信号も、パルス圧縮信号を含んでもよい。

信号回路２２０Ａ−２は、信号回路２２０Ａ−１と同様に構成されて動作するため、ここでは説明を繰り返さない。

制御部２３０Ａは、信号回路２２０Ａ−１を制御する。制御は、たとえば制御信号または通信信号を用いて行なわれる。制御部２３０Ａは、信号回路２２０Ａ−１を制御することによって、たとえば、子機２００Ａ−１の超音波信号の送受信を制御する。同様に、制御部２３０Ａは、信号回路２２０Ａ−２を制御する。制御部２３０Ａは、制御に必要なさまざまな情報を記憶するためのメモリや情報を処理するためのプロセッサ（いずれも図示しない）などを含んで構成される。

子機２００Ａ−２および子機２００Ａ−３は、子機２００Ａ−１と同様に構成される。ただし、後に説明するように、子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３が親機１００に送信する超音波応答信号は、異なるように設定される。

以下、超音波装置１０Ａが親機１００Ａと子機２１０Ａ−１との距離を測定するための動作の一例について説明する。同様の動作によって、親機１００Ａと子機２１０Ａ−２および子機２１０Ａ−３との距離の測定が行なわれる。

子機２００Ａ−１は、親機１００Ａから送られる超音波送信信号を受信すると、超音波応答信号を親機１００に送信する。具体的に、制御部２３０Ａは、超音波トランスデューサ２１０−１（または２１０−２）が親機１００Ａから送られる超音波送信信号を受信すると、超音波トランスデューサ２１０−１（または２１０−２）が超音波応答信号を発生するように信号回路２２０Ａ−１（または２２０Ａ−２）を制御する。

超音波応答信号は、子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３においてそれぞれ異なる種類の信号に設定される。たとえば子機２００Ａ−１の超音波応答信号は、アップチャープ信号に設定される。子機２００Ａ−２の超音波応答信号は、ダウンチャープ信号に設定される。子機２００Ａ−３の超音波応答信号は、Ｍ系列符号変調信号に設定される。

子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３の超音波応答信号は、異なるアップチャープ信号に設定されてもよい。異なるアップチャープ信号は、たとえば、周波数成分の異なる信号である。同様に、子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３の超音波信号は、異なるダウンチャープ信号に設定されてもよい。また、子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３は、異なるＭ系列符号変調信号に設定されてもよい。

親機１００Ａが子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３に超音波送信信号を送信すると、子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３は親機１００Ａに超音波応答信号を送信する。親機１００Ａは、子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３からの各超音波応答信号が合成された信号（以下、「超音波合成信号」と言う場合もある）を受信する。

親機１００Ａは、受信された超音波合成信号が超音波トランスデューサ１１０−１（または１１０−２）によって、電気信号に変換する。その後、その電気信号（すなわち超音波合成信号に基づく電気信号）と、予め定められた信号パターンとの相互相関が求められる（相互相関処理が行なわれる）。相互相関の結果に基づいて、子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３から送られた超音波応答信号が親機１００に到達したタイミング（時刻）が検出される。相互相関処理および超音波応答信号の到達時刻の検出は、たとえば信号回路１２０Ａ−１（または１２０Ａ−２）および／または制御部１３０Ａによって行なわれる。

超音波装置１０Ａによれば、たとえば子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３〜の超音波応答信号が重畳されて親機１００Ａによって受信されたとしても、相互相関処理によって、親機１００Ａは，子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３からの各超音波信号の到達時刻を検出できる。すなわち、親機１００Ａは、子機２００Ａ− １〜２００Ａ−３からの超音波応答信号を区別できる。これにより、親機１００における混信が抑制される。相互相関処理については、後に図１３〜図１５を参照して説明する。

図８は、実施の形態２において実行される処理の一例を説明するためのフローチャートである。図８中「親機」は、図４に示す親機１００Ａに、「子機Ｎ」は、図４に示す子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３にそれぞれ対応する。

図８を参照して、親機は、ステップＳ３００において、子機に超音波送信信号を送信する。なお、ステップ３００における時刻を、時刻＝０として図示する。

子機Ｎは、時刻＝０より前のステップＳ４００において、親機からの超音波送信信号の受信を待っている状態（待受状態）とされる。

子機Ｎは、ステップＳ４０１において、親機からの超音波送信信号を受信する。なお、ステップＳ４０１における時刻は、時刻＝ＴＯＦＮである。

子機Ｎは、ステップＳ４０２において、超音波応答信号を親機に送信する。超音波応答信号は、子機ごとに異なる信号とされる。たとえば、子機１の超音波応答信号はアップチャープ信号とされる。子機２の超音波応答信号はダウンチャープ信号とされる。子機３の超音波応答信号はＭ系列符号変調信号とされる。なお、ステップＳ４０２における時刻は、理想的には、時刻＝ＴＯＦＮである。すなわち、子機Ｎは、超音波送信信号を受信した後、ただちに超音波応答信号を送信する。

ステップＳ４０２の処理が実行された後、ステップ４００に再び処理が戻される。
親機は、ステップＳ３０１において、子機Ｎからの各超音波応答信号が合成された信号を、超音波合成信号として受信する。なお、ステップＳ３０１における時刻をｔ_Ｎとすると、理想的には、ｔ_Ｎ＝２×ＴＯＦＮである。

親機は、ステップＳ３０２〜Ｓ３０７において、受信した超音波合成信号に基づいて、親機と各子機との位置関係を検出する。

ステップＳ３０２において、超音波合成信号（に基づく電気信号）と信号パターン１との間に相互相関があるか否かが判断される。信号パターン１は、子機１の超音波応答信号に相当する信号パターンである。相互相関の有無は、たとえば時間に対する相互相関の大きさを示す相互相関結果（後に図１３〜図１５を参照して説明される）に基づいて判断される。相互相関結果において、超音波合成信号と信号パターン１との相関が大きい時刻（ｔ１とする）が存在する場合、相互相関があると判断される。相関がある場合（ステップＳ３０２でＹＥＳ）、ステップＳ３０３に処理が進められる。そうでない場合（ステップＳ３０２でＮＯ）、ステップＳ３０４に処理が進められる。

ステップＳ３０３において、相互相関結果において相互相関が大きい（たとえば最大となる）時刻（ｔ１）に、子機１からの超音波応答信号が親機によって受信されたと判断される。時刻（ｔ１）は、相互相関が最大となるピークの開始点の時刻（ピークよりも少し前の時刻）とされてもよい。そして、親機と子機１との距離が検出される。具体的に、距離をＬとすると、Ｌ＝１／２×超音波の速度×ｔ１として検出される。なお、親機が超音波トランスデューサを２つ含む場合、親機は、親機と子機１との距離および角度（すなわち子機１の位置）を検出することもできる。ステップＳ３０３の処理が実行された後、ステップＳ３０４に処理が進められる。

ステップＳ３０４において、超音波合成信号（に基づく電気信号）と信号パターン２との間に相互相関があるか否かが判断される。相互相関の有無は、たとえば相互相関結果に基づいて判断される。信号パターン２は、子機２の超音波応答信号に相当する信号パターンである。相互相関がある場合（ステップＳ３０４でＹＥＳ）、ステップＳ３０５に処理が進められる。そうでない場合（ステップＳ３０４でＮＯ）、ステップＳ３０６に処理が進められる。

ステップＳ３０５において、相互相関結果において相互相関が大きい（たとえば最大となる）時刻（ｔ２）に、子機２からの超音波応答信号が親機によって受信されたと判断される。そして、親機と子機２との距離が検出される。その後、ステップＳ３０６に処理が進められる。

ステップＳ３０６において、超音波合成信号（に基づく電気信号）と信号パターン３との間に相互相関があるか否かが判断される。相互相関の有無は、たとえば相互相関結果に基づいて判断される。信号パターン３は、子機３の超音波応答信号に相当する信号パターンである。相互相関がある場合（ステップＳ３０６でＹＥＳ）、ステップＳ３０７に処理が進められる。そうでない場合（ステップＳ３０６でＮＯ）、テップＳ３００に再び処理が戻される。

ステップＳ３０７において、相互相関結果において相互相関が大きい（たとえば最大となる）時刻（ｔ３）に、子機３からの超音波応答信号を親機が受信したと判断される。そして、親機と子機３との距離が検出される。その後、ステップＳ３００に再び処理が戻される。

図８のフローチャートによれば、たとえば、ステップＳ４０２において、各子機は異なる超音波応答信号を送信する。親機は、たとえば、ステップＳ３０２〜Ｓ３０６において、相互相関処理によって各子機からの各超音波送信信号の到達時刻を区別して検出する。そのため、親機における混信が抑制される。

図９〜図１１を参照して、子機の超音波応答信号に用いられるパルス圧縮信号について説明する。

図９は、アップチャープ信号の一例を説明するための図である。図９に示すグラフの横軸は時間（μｓ）を、縦軸は振幅をそれぞれ示す。縦軸の振幅は、最大値が１となるように正規化されている。後に説明する図１０〜図１２についても同様である。

アップチャープ信号は、時間の経過とともに周波数が増加する信号である。一例として、図９のグラフは、１０００μｓの間に、周波数が３２ｋＨｚから４５ｋＨｚまで変化（増加）する信号を表している。

図１０は、ダウンチャープ信号の一例を説明するための図である。ダウンチャープ信号は、時間の経過とともに周波数が低下する信号である。一例として、図１０のグラフは、１０００μｓの間に、周波数が４５ｋＨｚから３２ｋＨｚまで変化（低下）する信号を表している。

図１１は、Ｍ系列符号変調信号の一例を説明するための図である。Ｍ系列符号変調信号は、所定の乱数に基づいて作成される信号である。一例として、図１１のグラフは、１０００μｓの間に、位相（または周波数）がランダムに変化する信号を表している。

先に図４を参照しても説明したように、たとえば、子機２００Ａ−１の超音波応答信号は、図９に示すようなアップチャープ信号に設定される。子機２００Ａ−２の超音波応答信号は、図１０に示すようなダウンチャープ信号に設定される。子機２００Ａ−３の超音波応答信号は、図１１に示すようなＭ系列符号変調信号に設定される。

図１２は、図９〜図１１に示す信号、すなわち図４に示す子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３の超音波応答信号が合成された超音波合成信号の一例を説明するための図である。時間軸において、５００μｓ〜１５００μｓの間に、図９に示すアップチャープ信号ＳＩＧ１が存在する。２０００μｓ〜３０００μｓの間に、図１０に示すダウンチャープ信号ＳＩＧ２が存在する。３５００μｓ〜４５００μｓの間に、図１１に示すＭ系列符号変調信号ＳＩＧ３が存在する。子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３の超音波送信信号が時間軸においてどのタイミングで存在するかは、親機１００Ａと子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３の距離などによって変化する。

図１３〜図１５は、親機１００Ａ（図４）が、図１２に示す超音波合成信号（に基づく電気信号）に対して相互相関処理を実行することによって得られる相互相関結果を説明するための図である。

図１３は、図１２に示す超音波合成信号（に基づく電気信号）と図９に示すアップチャープ信号の信号パターンとの相互相関結果の一例を示す図である。図１３に示すグラフの横軸は時間（μｓ）を、縦軸は相互相関の大きさをそれぞれ示す。相互相関（の絶対値）は、０に近いほど小さく、０から離れるほど大きくなる。図１３に示すように、時刻ｔ１において大きな相互相関が得られることが分かる。時刻ｔ１は、５００μｓであり、子機２００Ａ−１（図４）からの超音波応答信号（アップチャープ信号）が親機１００Ａによって受信された時刻、すなわち子機２００Ａ−１からの超音波応答信号が親機１００Ａに到達した時刻を表す。これにより、親機１００Ａは、子機２００Ａ−１からの超音波応答信号が親機１００Ａに到達したタイミングを知ることができる。

図１４は、図１２に示す超音波合成信号（に基づく電気信号）と図１０に示すダウンチャープ信号の信号パターンとの相互相関結果の一例を示す図である。図１４に示すように、時刻ｔ２において大きな相互相関が得られることが分かる。時刻ｔ２は、２０００μｓであり、子機２００Ａ−２（図４）からの超音波応答信号（ダウンチャープ信号）が親機１００Ａに到達した時刻を表す。これにより、親機１００Ａは、子機２００Ａ−２からの超音波応答信号が親機１００Ａに到達したタイミングを知ることができる。

図１５は、図１２に示す超音波合成信号（に基づく電気信号）と図１１に示すＭ系列符号変調信号の信号パターンとの相互相関結果の一例を示す図である。図１５に示すように、時刻ｔ３において大きな相互相関が得られることが分かる。時刻ｔ３は、３５００μｓであり、子機２００Ａ−３（図４）からの超音波応答信号（Ｍ系列符号変調信号）が親機１００Ａに到達した時刻を表す。これにより、親機１００Ａは、子機２００Ａ−３からの超音波応答信号が親機１００Ａに到達した時刻を知ることができる。

図１６は、超音波合成信号の別の例を説明するための図である。図１６は、アップチャープ信号とダウンチャープ信号とＭ系列符号変調信号とが重畳された合成信号の一例を示す。時間軸において、５００μｓ〜１５００μｓの間に、図９に示すアップチャープ信号ＳＩＧ１が存在する。１０００μｓ〜２０００μｓの間に、図１０に示すダウンチャープ信号ＳＩＧ２が存在する。１５００μｓ〜２５００μｓの間に、図１１に示すＭ系列符号変調信号ＳＩＧ３が存在する。すなわち、図１６に示す超音波合成信号では、図４に示す子機２００Ａ−１の超音波応答信号（アップチャープ信号）および子機２００Ａ−２の超音波応答信号（ダウンチャープ信号）が重畳され、かつ、子機２００Ａ−２の超音波応答信号（ダウンチャープ信号）および子機２００Ａ−３の超音波応答信号（Ｍ系列符号変調信号）が重畳されている。

図１７〜図１９は、親機１００Ａ（図４）が、図１６に示す超音波合成信号（に基づく電気信号）に対して相互相関処理を実行することによって得られる相互相関結果を説明するための図である。

図１７は、図１６に示す超音波合成信号（に基づく電気信号）と図９に示すアップチャープ信号の信号パターンとの相互相関結果の一例を示す図である。図１７に示すように、時刻ｔ１´において大きな相互相関が得られることが分かる。時刻ｔ１´は、５００μｓであり、子機２００Ａ−１（図４）からの超音波応答信号（アップチャープ信号）が親機１００Ａに到達した時刻を表す。これにより、親機１００Ａは、子機２００Ａ−１からの超音波応答信号を受信したタイミングを知ることができる。

図１８は、図１６に示す超音波合成信号（に基づく電気信号）と図１０に示すダウンチャープ信号の信号パターンとの相互相関結果の一例を示す図である。図１８に示すように、時刻ｔ２´において大きな相互相関が得られることが分かる。時刻ｔ２´は、１０００μｓであり、子機２００Ａ−２（図４）からの超音波応答信号（ダウンチャープ信号）が親機１００Ａに到達した時刻を表す。これにより、親機１００Ａは、子機２００Ａ−２からの超音波応答信号を受信したタイミングを知ることができる。

図１９は、図１６に示す超音波合成信号（に基づく電気信号）と図１１に示すＭ系列符号変調信号の信号パターンとの相互相関結果の一例を示す図である。図１９に示すように、時刻ｔ３´において大きな相互相関が得られることが分かる。時刻ｔ３´は、１５００μｓであり、子機２００Ａ−３（図４）からの超音波応答信号（Ｍ系列符号変調信号）が親機１００Ａに到達した時刻を表す。これにより、親機１００Ａは、子機２００Ａ−３からの超音波応答信号を受信したタイミングを知ることができる。

以上、図９〜図１９を参照して説明したように、各子機から送信される超音波応答信号の信号パターンを互いに異ならせ、親機において相互相関処理を行なうことによって、親機１００Ａ（図４）は，子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３からの各超音波信号の到達時刻を区別して検出できる。従って、親機１００Ａにおける混信が抑制される。また、各子機から送信される超音波応答信号が異なるため、実施の形態１のように各子機に遅延時間を設ける必要はない。すなわち、たとえば、子機２００Ａ−１の超音波応答信号の反響波と、子機２００Ａ−２の超音波応答信号とが、同時に親機１００Ａによって受信される場合でも、両信号は異なる信号であるため、相互相関処理を行なうことによって、親機１００Ａは両信号を区別することができる。

以上は主に、子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３の超音波応答信号として、チャープ信号およびＭ系列符号変調信号などが用いられる点について説明したが、親機１００Ａの超音波送信信号に、子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３の超音波応答信号と異なる信号、たとえばチャープ信号およびＭ系列符号変調信号などが用いられてもよい。これにより、たとえば、子機２００Ａ−１〜２００Ａ−３において、親機から送られる超音波送信信号を、それ以外の信号（たとえば、他の子機の超音波応答信号の反響波）と混信することが抑制され得る。

［超音波トランスデューサの構成の一例］
図２０〜図２２は、図２などに示す超音波トランスデューサ（１１０−１，１１０−２，２１０−１，２１０−２など）の構成の一例を説明するための図である。図２０〜図２２において、超音波トランスデューサには、参照符号２１０が付されて図示される。

図２０は斜視図、図２１は図２０の鎖線Ｘ−Ｘ部分を示す断面図である。図２２は、超音波トランスデューサ２１０に含まれて使用される超音波振動子（超音波発生素子）１の分解斜視図である。

超音波発生素子１は、枠体２と、第１のバイモルフ型圧電振動子３と、第２のバイモルフ型圧電振動子４とを備える。枠体２は、中央部に貫通孔２ａが形成されている。そして、枠体２の下側の主面には、第１のバイモルフ型圧電振動子３が接着剤５ａにより接合され、枠体２の上側の主面には、第２のバイモルフ型圧電振動子４が接着剤５ｂにより接合されている。すなわち、枠体２の貫通孔２ａは、第１のバイモルフ型圧電振動子３と、第２のバイモルフ型圧電振動子４とで塞がれた構造となっている。超音波発生素子１は、たとえば、３２０μｍ程度の厚みからなる。

枠体２は、たとえば、セラミックスからなり、厚みは２００μｍ程度である。貫通孔２ａの直径は、たとえば、２．４ｍｍ程度である。なお、貫通孔２ａに代えて、枠体２の中央部分に溝を形成するようにしても良い。すなわち、枠体２は、閉じた環状の構造体には限られず、一部において開いた環状の構造体であっても良い。なお、枠体２の材質は、ガラス繊維とエポキシ樹脂の混成材料であってもよい。

第１のバイモルフ型圧電振動子３は、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などからなる矩形で平板状の圧電セラミックス３ａを備える。そして、圧電セラミックス３ａの内部には、内部電極３ｂが形成され、圧電セラミックス３ａの両主面には、それぞれ、外部電極３ｃ，３ｄが形成されている。内部電極３ｂ、外部電極３ｃ，３ｄは、たとえば、Ａｇ、Ｐｄからなる励振電極である。内部電極３ｂは、圧電セラミックス３ａの隣り合う２つの角部に引出されている。一方、外部電極３ｃ，３ｄは、内部電極３ｂが引出されていない、圧電セラミックス３ａの隣合う２つの角部にそれぞれ引出されている。第１のバイモルフ型圧電振動子３の厚みは、たとえば、６０μｍ程度である。

第２のバイモルフ型圧電振動子４も、第１のバイモルフ型圧電振動子３と同様に、たとえば、ＰＺＴなどからなる矩形で平板状の圧電セラミックス４ａを備え、圧電セラミックス４ａの内部には、内部電極４ｂが形成され、圧電セラミックス４ａの両主面には、それぞれ、外部電極４ｃ，４ｄが形成されている。内部電極４ｂ、外部電極４ｃ，４ｄも、たとえば、Ａｇ、Ｐｄからなる励振電極である。そして、内部電極４ｂは、圧電セラミックス４ａの隣り合う２つの角部に引出されている。外部電極４ｃ，４ｄは、内部電極４ｂが引出されていない、圧電セラミックス４ａの隣合う２つの角部にそれぞれ引出されている。第２のバイモルフ型圧電振動子４の厚みも、たとえば、６０μｍ程度である。

第１のバイモルフ型圧電振動子３の圧電セラミックス３ａ、および、第２のバイモルフ型圧電振動子４の圧電セラミックス４ａは、それぞれ、内部において分極されている。なお、圧電セラミックス３ａにおいて、外部電極３ｃと内部電極３ｂとの間と、内部電極３ｂと外部電極３ｄとの間とは、分極方向が同じである。同様に、圧電セラミックス４ａにおいて、外部電極４ｃと内部電極４ｂとの間と、内部電極４ｂと外部電極４ｄとの間とは、分極方向が同じである。一方、圧電セラミックス３ａの外部電極３ｃと内部電極３ｂとの間、および内部電極３ｂと外部電極３ｄとの間と、圧電セラミックス４ａの外部電極４ｃと内部電極４ｂとの間、および内部電極４ｂと外部電極４ｄとの間とは、分極方向が逆である。

そして、超音波発生素子１の４つの角部には、それぞれ、引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが形成されている。隣合う２つの引出電極６ａ，６ｂは、いずれも、それぞれ、圧電セラミックス３ａの内部電極３ｂ、および、圧電セラミックス４ａの内部電極４ｂと電気的に接続されている。一方、残りの隣合う２つの引出電極６ｃ，６ｄは、いずれも、それぞれ、圧電セラミックス３ａの外部電極３ｃ，３ｄ、および、圧電セラミックス４ａの外部電極４ｃ，４ｄと電気的に接続されている。（引出電極６ａ，６ｄは図２１に示されているが、引出電極６ｂ，６ｃは図示を省略しており、いずれの図にも示されていない。）引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは、たとえば、Ａｇからなる。

超音波トランスデューサ２１０は、さらに、基板７と蓋部材８とからなる筺体を備える。

基板７は、たとえば、ガラスエポキシからなり、矩形で、平板状である。基板７の上側の主面には、複数のランド電極（図示せず）が形成されている。そして、それらのランド電極に、超音波発生素子１の引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを導電性接着剤９によりそれぞれ接合することにより、基板７に超音波発生素子１が搭載されている。基板７と超音波発生素子１（第１のバイモルフ型圧電振動子３）とにより構成される隙間は、第１の音響経路Ｓ１を形成し、第１のバイモルフ型圧電振動子３から放出された超音波を圧縮し、超音波発生素子１の下側の主面に沿った方向に超音波が伝搬するのに寄与する。すなわち、基板７は、音響経路部材である。基板７と超音波発生素子１とにより構成される隙間（第１の音響経路Ｓ１）の長さは、３０μｍ以上に設定され、特に、第１のバイモルフ型圧電振動子３から放出された超音波の音波位相をそろえ、音圧を高めるためには、１００〜２００μｍに設定される。なお、超音波発生素子１は、４つの角部で、導電性接着剤９により基板７に接合されるため、超音波発生素子１から放出された超音波の伝搬を阻害しない。

蓋部材８は、たとえば、洋白からなり、超音波発生素子１を収容するための開口８ａが形成され、さらに天板部分に、矩形の音響放出口８ｂが形成されている。音響放出口８ｂの個数は任意であるが、本実施形態においては、４個の音響放出口８ｂが形成されている。蓋部材８は、開口８ａに超音波発生素子１を収容したうえで、開口８ａの周縁が、たとえば接着剤（図示せず）により、基板７の上側の主面に接合されている。蓋部材８と超音波発生素子１（第２のバイモルフ型圧電振動子４）とにより構成される隙間は、第１の音響経路Ｓ１を形成し、第２のバイモルフ型圧電振動子４から放出された超音波を圧縮し、超音波発生素子１の上側の主面に沿った方向に超音波が伝搬するのに寄与する。すなわち、蓋部材８は、音響経路部材である。蓋部材８と超音波発生素子１とにより構成される隙間（第１の音響経路Ｓ１）の長さは、３０μｍ以上に設定され、特に、第２のバイモルフ型圧電振動子４から放出された超音波の音波位相をそろえ、音圧を高めるためには、１００〜２００μｍに設定される。

超音波トランスデューサ２１０は、超音波発生素子１の外周面と、基板７と蓋部材８とからなる筺体の内周面とにより構成される隙間により、第２の音響経路Ｓ２が形成されている。なお、第２の音響経路Ｓ２の一部が、第１のバイモルフ型圧電振動子３の振動の腹の近傍、および、第２のバイモルフ型圧電振動子４の振動の腹の近傍において、上述の第１の音響経路Ｓ１を構成する。第１の音響経路Ｓ１は、上述のとおり、第１のバイモルフ型圧電振動子３、または、第２のバイモルフ型圧電振動子４から放出された超音波を圧縮し、超音波発生素子１の主面に沿った方向に超音波が伝搬するのに寄与する。

以上説明したように、たとえば超音波トランスデューサ２１０は、第１のバイモルフ型圧電振動子３および第２のバイモルフ型圧電振動子４の２つの圧電振動子を含む。２つの圧電振動子に対応する引出電極（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ）によって、超音波トランスデューサ２１０は、受信した超音波信号をに対応する電気信号を、差動信号として出力することができる。逆に、超音波トランスデューサ２１０は、差動信号として入力された電気信号に対応する超音波信号を送信することもできる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 超音波発生素子、２ 枠体、２ａ 貫通孔、３ 第１のバイモルフ型圧電振動子、３ａ，４ａ 圧電セラミックス、３ｂ，４ｂ 内部電極、３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄ 外部電極、４ 第２のバイモルフ型圧電振動子、５ａ，５ｂ 接着剤、６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ 引出電極、７ 基板、８ 蓋部材、８ａ 開口、８ｂ 音響放出口、９ 導電性接着剤、１０，１０Ａ 超音波装置、２０ 部屋、１００，１００Ａ 親機、１１０−１，１１０−２，２１０，２１０−１，２１０−２ 超音波トランスデューサ、１２０−１，１２０−２，１２０Ａ−１，１２０Ａ−２，２２０−１，２２０−２，２２０Ａ−１，２２０Ａ−２ 信号回路、１３０，１３０Ａ，２３０，２３０Ａ 制御部、２００−１〜２００−３ 子機、Ｓ１ 第１の音響経路、Ｓ２ 第２の音響経路。

Claims (7)

1. 親機と、
   前記親機との間で超音波信号を送受信する複数の子機とを備え、
   前記複数の子機はそれぞれ、
   受信した超音波信号に対応する電気信号を出力し、かつ入力された電気信号に対応する超音波信号を送信する超音波トランスデューサと、
   前記超音波トランスデューサから出力された電気信号を処理するとともに電気信号を発生して前記超音波トランスデューサに入力する信号回路と、
   前記超音波トランスデューサが前記親機から送られる超音波送信信号を受信してから、予め定められた遅延時間が経過した後に前記超音波トランスデューサが超音波応答信号を発生するように前記信号回路を制御する制御部とを含み、
   前記遅延時間は、前記超音波応答信号の反響収束時間以上の長さに設定され、
   前記複数の子機同士の遅延時間の差は、前記超音波応答信号の前記反響収束時間以上の長さに設定される、超音波装置。
2. 前記親機は、前記超音波送信信号を送信してから前記超音波応答信号を受信するまでの時間と、前記反響収束時間および前記複数の子機の各々の遅延時間に基づいて定められる時間とを比較することによって、受信した前記超音波応答信号が前記複数の子機のうちいずれの子機から送られた超音波応答信号であるかを判断する、請求項１に記載の超音波装置。
3. 親機と、
   前記親機との間で超音波信号を送受信する複数の子機とを備え、
   前記複数の子機はそれぞれ、
   受信した超音波信号に対応する電気信号を出力し、かつ入力された電気信号に対応する超音波信号を送信する超音波トランスデューサと、
   前記超音波トランスデューサから出力された電気信号を処理するとともに電気信号を発生して前記超音波トランスデューサに入力する信号回路と、
   前記超音波トランスデューサが前記親機から送られる超音波送信信号を受信すると、前記超音波トランスデューサが超音波応答信号を発生するように前記信号回路を制御する制御部とを含み、
   前記超音波応答信号は、前記複数の子機においてそれぞれ異なる種類の信号に設定される、超音波装置。
4. 前記異なる種類の信号は、アップチャープ信号、ダウンチャープ信号およびＭ系列符号変調信号のいずれかの信号である、請求項３に記載の超音波装置。
5. 前記超音波送信信号は、アップチャープ信号、ダウンチャープ信号およびＭ系列符号変調信号のいずれかの信号である、請求項３に記載の超音波装置。
6. 前記親機は、前記複数の子機の各々の超音波応答信号が合成された超音波合成信号に基づく電気信号と、予め定められた信号パターンとの相互相関を求めることによって、前記複数の子機から送られた各超音波応答信号が前記親機に到達したタイミングを検出する、請求項３〜５のいずれか１項に記載の超音波装置。
7. 前記親機は、前記超音波送信信号を送信してから前記超音波応答信号を受信するまでの時間に基づいて、前記親機と前記子機との距離を検出する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波装置。

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