JP5485268B2 - センサおよびセンシング方法 - Google Patents

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Description

本発明は、検知対象の方向を検出するセンサおよび検知対象の方向を検出するセンシング方法に関する。
フェイズドアレイ・センシングは、「アレイとして並べた各素子の位置により入射角度に依存して到達波の位相がずれること」を利用した入射角度計測法である。例えば、特許文献１には、圧電ダイアフラム型センサを用いたセンシングについて記載されている。入射角度計測法による検知対象の方位検出の精度（角度分解能）を検討する際、アレイの直径およびアレイの素子間隔（正確には繰り返し周期）と、検知対象の方位を検出するために用いる到来波の波長との関係が本質的に重要である。
非特許文献１では、角度分解能を幾何学的に分析している。低周波波動に関する情報に対応する指向性パターンにはグレーティングローブは生じない。また、高周波波動に関する情報に対応する指向性パターンには広がりの少ないメインローブが示され、高分解能であることが理解し得る。
特開２００３−２８４１８２号公報
レビュー オブ プログレス イン クアンティテイティブ ノンデストラクティブ エバリュエイション 第１７巻 プレナム プレス ニューヨーク １９９８年 ｐ.８８３〜ｐ.８９０（Review ofProgress in Quantitative Nondestructive Evaluation, vol.17, Plenum Press, NewYork (1998) 883-890）
しかしながら、フェイズドアレイセンサを実現する場合、角度方向の高い精度を得ようとすると、「角度分解能を細かくするためアレイの直径を大きくする」ことと「グレーティングローブが生じないようにするために素子周期を短くする」ことが必要となり、必然的に多数の素子を必要とすることになる。グレーティングローブの存在は、ゴーストの原因になり得る。
具体的には、素子数が十分大きければメインローブの半値幅はアレイの直径に反比例し、アレイの直径が大きいほど角度分解能は細かくなる。一方、走査角度範囲（最大走査角度）をθとし、検出波の波長をλとすると、素子周期がλ／（１＋ｓｉｎθ）を超えるとグレーティングローブが発生し得る。
簡単のため、対象物までの距離がアレイ径に比べて十分大きく、入射波が平面波とみなせるとすると、φ方向にセンサを走査したときのθ方向の相対感度ｄ（θ,φ）は、
ｄ（θ,φ）＝ｃｏｓ（θ）｜ｓｉｎｃ（ｐ）｜｜ｓｉｎｎ（Ｎ,ｑ−ｒ）｜
で示し得る。ここで、
ａは素子サイズ
ｂは素子周期
α＝ａ／λ
β＝ｂ／λ
ｓｉｎｃ（ｐ）＝ｓｉｎ（ｐ）／ｐ
ｐ＝παｓｉｎ（θ）
ｓｉｎｎ（Ｎ,ｑ）＝ｓｉｎ（Ｎｑ）／（Ｎｓｉｎ（ｑ））
ｑ＝πβｓｉｎ（θ）
ｒ＝πβｓｉｎ（φ）
である。
図１２（ａ）は、低周波波動に関する情報に対応する指向性パターンを示すチャートである。半径軸は相対感度を示し、円周軸は方位θを示す。従来のセンサでは、所定の値より小さい周波数を有する波動に関する情報について、当該情報に対応する指向性パターンにはグレーティングローブは生じない。一方、小さい周波数を有する波動に関する情報について、当該情報に対応する指向性パターンには鋭くないメインローブが示される。
図１２（ｂ）は、高周波波動に関する情報に対応する指向性パターンを示すチャートである。半径軸は相対感度を示し、円周軸は方位θを示す。従来のセンサでは、大きい周波数を有する波動に関する情報について、当該情報に対応する指向性パターンには鋭いメインローブが示される。一方、所定の値より大きい周波数を有する波動に関する情報について、当該情報に対応する指向性パターンにはグレーティングローブが生じる。
なお、指向性パターンには、周波数に応じてメインローブとサイドローブとが示される。また、サイドローブのうち、メインローブと強度が同等かそれより大きいものをグレーティングローブと定義する。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、フェイズドアレイ・センシングにおいて、高い方の周波数だけでは大きく発生してしまうグレーティングローブに基づくゴーストを低減化し、低い方の周波数だけでは得られない鋭い指向性（高分解能）を実現することができるセンサおよびセンシング方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明に係るセンサの特徴構成は、検知対象の方向を検出するセンサであって、検知対象から到来する複数の周波数を有する波動を検知する検知部と、波動の到来方向に関する情報を取得する情報取得部と、検知対象の方向を判定する判定部とを備え、検知部は、少なくとも、複数の周波数のうちの第１周波数を有する第１波動と複数の周波数のうちの第２周波数を有する第２波動とを検知し、情報取得部は、第１波動の到来方向を示す第１到来方向情報及び第１波動の到来方向とは異なる方向を示す第１偽情報と、第２波動の到来方向を示す第２到来方向情報及び第２波動の到来方向とは異なる方向を示す第２偽情報とを取得し、ここで、第１偽情報と第２偽情報とは異なる情報であり、判定部は、少なくとも、第１到来方向情報及び第１偽情報と第２到来方向情報及び第２偽情報との算術積に基づいて、検知対象の方向を判定することにある。
背景技術の項目で説明したように、従来のセンサでは、高周波波動に関する情報に対応する指向性パターンには、鋭いメインローブが示され、さらに、大きなグレーティングローブが生じる。低周波波動に関する情報に対応する指向性パターンには、グレーティングローブは生じないが鋭くないメインローブが示される（低分解能）。
この点、本発明のセンサによれば、複数の周波数のうちの少なくとも第１周波数を有する第１波動と第２周波数を有する第２波動とを検知し、第１波動の到来方向を示す第１到来方向情報及び第１波動の到来方向とは異なる方向を示す第１偽情報と、第２波動の到来方向を示す第２到来方向情報及び第２波動の到来方向とは異なる方向を示す第２偽情報とを取得し、少なくとも、第１到来方向情報及び第１偽情報と第２到来方向情報及び第２偽情報との算術積に基づいて、検知対象の方向を判定するので、高い方の単一の周波数だけでは大きく発生してしまうグレーティングローブを低減化し、低い方の単一の周波数だけでは得られない鋭い指向性（高分解能）のセンサを実現することができる。
このように、本発明のセンサの構成によれば、単一のセンサで複数の情報を取得することにより、素子間隔を狭めることなくグレーティングローブの影響を無くすことができる。従って、同じ精度の角度分解能を得るため（すなわち、同じ径を持つアレイを構成するため）の素子数を大幅に削減できる。特に、三次元計測において素子を二次元に配置した場合は、この削減効果も二乗で効くのでさらに効果的である。
本発明のセンサの構成によれば、素子数を大幅に削減した構造にてゴーストの生じない三次元計測が可能となり、医療用の診断装置（例えば、エコー診断装置）や自動車分野でのＭＥＭＳ関連主要部品（三次元センサ）への適用が効果的である。
また、本発明のセンサの構成によれば、第１偽情報と第２偽情報とは異なるので、第１情報と第２情報とに基づいて検知対象の方向を判定することによって確実にグレーティングローブの発生を抑制しゴースト低減を実現し得る。
また、判定部は、第１到来方向情報及び第１偽情報と第２到来方向情報及び第２偽情報との算術積によって、検知対象の方向を判定する。算術積を実行することによりグレーティングローブの影響を無くすことができるため、ゴースト低減を実現し得る。算術積は、簡易な演算回路で求め得るため、簡易且つ安価なセンサ構造を構築し得る。
例えば、予め幾何学的に分析することによって第１偽情報と第２偽情報とのうち第２偽情報にのみグレーティングローブに対応する情報が含まれるよう第１周波数と第２周波数とを選択しておけば、算術積を実行することによりグレーティングローブの影響を無くすことができるため、ゴースト低減を実現し得る。この場合、第１周波数が低周波数に対応し、第２周波数が高周波数に対応する。
本発明に係るセンサにおいて、複数の周波数は、検出素子が有する複数の共振周波数を含み、第１周波数は複数の共振周波数のうちの第１共振周波数に対応し、第２周波数は複数の共振周波数のうちの第２共振周波数に対応してもよい。
本発明の構成によれば、例えば、センサ素子は、特定の複数の周波数で共振する共振型のものとする。計測に用いる単パルスは広い周波数スペクトルを持つので、共振型のセンサはそのようなパルスを受信して自分の共振周波数で振動し、その共振周波数に応じた出力波形を生じる。その結果、検知部が検知する波動の周波数を調整するための回路や、周波数フィルタを用いることなく簡易な構成で本発明のセンサを実現し得る。
本発明に係るセンサにおいて、センサは、検知部が検知する波動の周波数を第１周波数から第２周波数に調整する周波数調整部をさらに含んでもよい。
本発明の構成によれば、予め幾何学的に分析することによってゴースト低減効率のよい周波数と最も高分解である周波数とを認識しておれば、検知部が検知する波動の周波数をそれらの周波数に任意に調整することができる。その結果、ゴーストが最も低減化され、最も高分解能なセンサを実現し得る。
例えば、予め幾何学的に分析することによって第１偽情報と第２偽情報とのうち第２偽情報にのみグレーティングローブに対応する情報が含まれるよう第１周波数と第２周波数とを認識しておけば、周波数調整部によって検知部が検知する周波数を第１周波数と第２周波数とに調整し得る。この場合、第１周波数が低周波数に対応し、第２周波数が高周波数に対応する。
上記課題を解決するための本発明に係るセンシング方法は、検知対象から到来する複数の周波数を有する波動を検知する検知ステップと、波動の到来方向に関する情報を取得する情報取得ステップと、検知対象の方向を判定する判定ステップとを包含し、検知ステップは、少なくとも、複数の周波数のうちの少なくとも第１周波数を有する第１波動と複数の周波数のうちの第２周波数を有する第２波動とを検知することにより実行され、情報取得ステップは、第１波動の到来方向を示す第１到来方向情報及び第１波動の到来方向とは異なる方向を示す第１偽情報と、第２波動の到来方向を示す第２到来方向情報及び第２波動の到来方向とは異なる方向を示す第２偽情報とを取得することにより実行され、ここで、第１偽情報と第２偽情報とは異なる情報であり、判定ステップは、少なくとも、第１到来方向情報及び第１偽情報と第２到来方向情報及び第２偽情報との算術積に基づいて、検知対象の方向を判定することにより実行される。
本発明に係るセンシング方法によれば、高い方の周波数だけでは大きく発生してしまうグレーティングローブに基づくゴーストを低減化し、低い方の周波数だけでは得られない鋭い指向性（高分解能）のセンサを実現することができる。また、第１到来方向情報及び第１偽情報と第２到来方向情報及び第２偽情報との算術積を実行することによりグレーティングローブの影響を無くすことができるため、ゴースト低減を実現し得る。算術積は、簡易な演算回路で求め得るため、簡易且つ安価なセンサ構造を構築し得る。
本発明の第１実施形態のセンサの構成を示す模式図である。 複数の検知素子のうちの１つを示す断面図である。 第１検知素子によって検知された超音波に基づく波動に対応する応答波形を示す波形図（ａ）、及び波形図（ａ）をフーリエ変換して得られた応答波形のスペクトルを示すスペクトル図（ｂ）である。 情報取得部を示す模式図である。 第１情報に対応する指向性パターンと第２情報に対応する指向性パターンとを示すチャート（ａ）、及び第１情報を示す値と第２情報を示す値との算術積に対応する指向性パターンを示すチャート（ｂ）である。 本発明の第１実施形態のセンサを用いたセンシング方法を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態のセンサの構成を示す模式図である。 複数の検知素子のうちの１つを示す断面図である。 第５検知素子によって検知された超音波に基づく波動に対応する応答波形を示す波形図である。 外側電極への印加電圧に対する第５検知素子の共振周波数変化を示す履歴図である。 本発明の第２実施形態のセンサを用いたセンシング方法を示すフローチャートである。 低周波波動に関する情報に対応する指向性パターンを示すチャート（ａ）、及び高周波波動に関する情報に対応する指向性パターンを示すチャート（ｂ）である。
図１から図１１を参照して本発明のセンサおよびセンシング方法に関する実施形態を説明する。本発明は、以下に説明する実施形態や図面に記載される構成に限定されることを意図せず、当該構成と均等な構成も含む。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態のセンサ１００の構成を示す模式図である。センサ１００は、検知対象の方位を検出するセンサである。波動発生源の一例である超音波発生部１から発生された超音波は、検知対象２に到達し、検知対象２で反射する。検知対象２で反射した超音波は、センサ１００の入射面の鉛直方向に対して、角度θでセンサ１００に到来する。センサ１００は、検知対象２の方向を検出する。表示部３には、検出結果が表示される。
センサ１００は、検知対象２から到来する複数の周波数を有する超音波を検知する検知部１０２と、検知した情報を処理する情報処理部１０４とを備える。例えば、複数の遅延回路および加算回路を含むユニット回路、またはコンピュータのＣＰＵが情報処理部１０４として機能する。情報処理部１０４は、超音波の到来方向に関する情報を取得する情報取得部１０６と、検知対象２の方向を判定する判定部１０８とを含む。検知部１０２は、複数の検知素子（第１検知素子１０２ａ、第２検知素子１０２ｂ、第３検知素子１０２ｃ、及び第４検知素子１０２ｄ）を含む。なお、複数の検知素子の数は、任意に変更することができる。例えば、圧電ダイアフラム型マイクロセンサが複数の検知素子の各々として機能する。図１において、ダイアフラム部分の長さ（アレイの直径）を長さａで示し、素子周期（素子間隔）を長さｂで示す。
図２は、複数の検知素子のうちの１つ（第１検知素子１０２ａ）の例として圧電ダイアフラム型マイクロセンサを示す断面図である。第１検知素子１０２ａは、Ｓｉ基板２０２と、ＳｉＯ２層２０４と、下部電極層２０６と、圧電体層２０８と、上部電極層２１０とを含む。
下部電極層２０６は、ＰｔとＴｉとを含む。例えばＰｔ／Ｔｉ電極が下部電極層２０６として機能する。圧電体層２０８は、ジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）：以下、「ＰＺＴ」と記す。）を含む。例えばＰＺＴ層が圧電体層２０８として機能する。上部電極層２１０は、Ａｕを含む。例えば、Ａｕ電極が上部電極層２１０として機能する。第２検知素子１０２ｂ、第３検知素子１０２ｃ、及び第４検知素子１０２ｄの各々の構成は、第１検知素子１０２ａの構成と等価である。
図３は、第１検知素子１０２ａによって検知された超音波に基づく波動に対応する応答波形を示す波形図（ａ）、及び波形図（ａ）をフーリエ変換して得られた応答波形のスペクトルを示すスペクトル図（ｂ）である。波形図（ａ）の縦軸は出力電圧を示し、横軸は時間を示す。スペクトル図（ｂ）の縦軸は出力電圧を示し、横軸は周波数を示す。
第１検知素子１０２ａは共振型検知素子に相当する。第１検知素子１０２ａは、複数の共振周波数に感度を有する。検知部１０２は、検知対象から到来する複数の周波数のうちの固有の第１共振周波数を有する超音波と複数の周波数のうちの固有の第２共振周波数を有する超音波とを検知する。
例えば、第１検知素子１０２ａは固有の共振周波数（一例として、第１共振周波数１４１ｋＨｚ、及び第２共振周波数２７８ｋＨｚ）で共振する。第１検知素子１０２ａは、広い周波数スペクトルを持つパルスを受信して固有の共振周波数で振動し、当該固有の共振周波数に応じた出力波形を出力する。
図４は、情報取得部１０６を示す模式図である。情報取得部１０６は、複数の可変遅延器（第１可変遅延器１０７ａ、第２可変遅延器１０７ｂ、第３可変遅延器１０７ｃ、及び第４可変遅延器１０７ｄ）と加算器１０７ｅとを含む。情報取得部１０６は、例えば、第１共振周波数を有する第１超音波の到来方向に関する情報（第１情報）と第２共振周波数を有する第２超音波の到来方向に関する情報（第２情報）とを取得する。
第１情報は、第１方向情報と第１偽情報とを含む。第２情報は、第２方向情報と第２偽情報とを含む。第１方向情報は第１超音波の到来方向を示す情報であり、第２方向情報は第２超音波の到来方向を示す情報である。第１超音波の到来方向と第２超音波の到来方向とが同じ場合は、第１方向情報と第２方向情報とは同一であり、第１超音波の到来方向と第２超音波の到来方向とが異なる場合は、第１方向情報と第２方向情報とは異なる。第１偽情報は第１超音波の到来方向ではない方向を示す情報であり、第２偽情報は第２超音波の到来方向ではない方向を示す情報である。また、少なくとも第１偽情報及び第２偽情報は互いに異なる情報である。
情報取得部１０６は、複数の検知素子の各々から第１共振周波数に応じた第１出力波形情報を受け取り、これらを加算し、判定部１０８に加算結果（第１情報）を出力する。複数の可変遅延器の各々には、走査角度φに対応する遅延パターンが設定されている。加算器１０７ｅは、入力された複数の波形情報を加算し、加算結果を出力する。
更に、情報取得部１０６は、複数の検知素子の各々から第２共振周波数に応じた第２出力波形情報を受け取り、これらを加算し、判定部１０８に加算結果（第２情報）を出力する。
図５（ａ）は、第１情報に対応する指向性パターンと第２情報に対応する指向性パターンとを示すチャートである。半径軸は相対感度を示し、円周軸は方位θを示す。実線で示された指向性パターンは、第１情報に対応して示され、点線で示された指向性パターンは、第２情報に対応して示される。このチャートでは、方位３０°に発現する指向性パターンは、第１方向情報及び第２方向情報に対応してメインローブを示す。それ以外の方位に発現する指向性パターンは、第１偽情報及び第２偽情報に対応してサイドローブを示す。さらに、方位−３０°に発現する指向性パターンはグレーティングローブを示す。グレーティングローブは、サイドローブのうち、メインローブと強度が同等かそれより大きい。なお、本発明において、グレーティングローブが示されない指向性パターンに対応する周波数は低周波数に相当し、グレーティングローブが示される指向性パターンに対応する周波数は高周波数に相当する。
判定部１０８は、例えば、第１情報を示す値と第２情報を示す値との算術積によって、検知対象２の方向を判定する。
予め幾何学的に分析することによって、情報取得部１０６が第１偽情報および第１偽情報と異なる第２偽情報を取得するように、検知部１０２は第１周波数と第２周波数とを選択し得る。第１偽情報と第２偽情報とは異なるので、第１情報と第２情報とに基づいて演算することによって確実にゴースト低減を実現し得る。
図５（ｂ）は、第１情報を示す値と第２情報を示す値との算術積に対応する指向性パターンを示すチャートである。半径軸は相対感度を示し、円周軸は方位θを示す。方位３０°に発現する指向性パターンは、第１方向情報の値と第２方向情報の値との算術積が取られたことにより鋭くなったメインローブを示す。それ以外の方位では、指向性パターンは、第１偽情報の値と第２偽情報の値との算術積が取られたことによりほとんど消滅している。
算術積を取った後の図示された指向性パターンから、方向情報と偽情報との差が顕著化され、高い方の周波数（第２周波数）だけでは大きく発生してしまうゴーストを低減化し、低い方の周波数（第１周波数）だけでは得られない鋭い指向性を実現していることが理解し得る。
ところで、より鋭いメインローブを得るとともに、ゴーストをさらに低減するには、さらに多くの波動を上記算術積に追加適用することが有効である。一例として、第１周波数、第２周波数、及び第３周波数を夫々有する波動の算術積を取った演算について、基準周波数である第１周波数ｆＨのちょうど一波長の素子周期を持つ７素子のリニアアレイを用いた場合を例に挙げて説明する。
ここでは、電子走査を行う方位角度範囲、すなわちアレイセンサの「視野」に相当する範囲を±６０度として、メインローブの強度に対する最大のサイドローブ（グレーティングローブを含む）の強度の比（これを、「サイドローブレベル」と称する）をもってアレイの性能を評価する。
一つの周波数（すなわち、第１周波数を有する波動）のみを用いた計測においては、サイドローブレベルは１９２％におよぶ。これに対し二つの周波数（すなわち、第１周波数を有する波動と、より低周波数の第２周波数を有する波動）を用いた場合は、当該第２周波数ｆＬとしてｆＬ＝０．５７ｆＨを選択すると、算術積を取ることにより、サイドローブレベルは１７．３％に押さえられる。さらに、三つの周波数（すなわち、第１周波数を有する波動と、より低周波数の第２周波数を有する波動と、更により低周波数の第３周波数を有する波動）を用いた計測では、当該第２周波数ｆＬとしてｆＬ＝０．７４ｆＨ、当該第３周波数ｆＬＬとしてｆＬＬ＝０．４２ｆＨを夫々選択すると、算術積を取ることにより、サイドローブレベルは２．７％まで低下させることができる。
このように、算術積の対象となる波動の数を増加させると、サイドローブレベルを顕著に低下させることができるため、ゴーストの低減効果、及びメインローブの鋭化に非常に有効である。
図６は、本発明の第１実施形態のセンサ１００を用いたセンシング方法を示すフローチャートである。以下、図１と図４と図６とを参照して、第１実施形態のセンサ１００を用いたセンシング方法を説明する。
ステップ７０２：超音波発生部１から超音波を発信する。超音波は検知対象２に到達し、検知対象２で反射する。検知対象２で反射した超音波は、センサ１００の入射面の鉛直方向に対して、所定の角度でセンサ１００に入射する。所定の角度として、例えば、入射角３０°とすることができる。
ステップ７０４：センサ１００は、検知対象２で反射した超音波を受信する。
ステップ７０６：検知部１０２は、複数の周波数のうちの第１周波数を有する第１超音波と複数の周波数のうちの第２周波数を有する第２超音波とを検知する。
複数の検知素子は固有の共振周波数（例えば、第１共振周波数１４１ｋＨｚ、及び第２共振周波数２７８ｋＨｚ）で共振する。例えば、複数の検知素子の各々は、広い周波数スペクトルを持つパルスを受信して固有の共振周波数で振動し、複数の可変遅延器の各々に共振周波数に応じた出力波形情報を出力する。複数の検知素子の各々から出力される出力波形情報は、複数の検知素子の各々の時間遅れを含む信号波形情報である。
ステップ７０８：複数の可変遅延器の各々は、第１共振周波数に応じた第１出力波形情報を遅延し、遅延後の第１出力波形情報を加算器１０７ｅに出力する。
以下、第１出力波形情報に関する複数の可変遅延器の機能を説明する。
第１可変遅延器１０７ａは、第１検知素子１０２ａから出力された第１出力波形情報を受け取り、第１出力波形情報を遅延し、遅延後の第１出力波形情報を加算器１０７ｅに出力する。第２可変遅延器１０７ｂ、第３可変遅延器１０７ｃ、及び第４可変遅延器１０７ｄも同様に、夫々の対応する検知素子１０２ｂ、１０２ｃ、及び１０２ｄから出力された第１出力波形情報を受け取り、第１出力波形情報を遅延し、遅延後の第１出力波形情報を加算器１０７ｅに出力する。
第１出力波形情報を複数の可変遅延器で処理することにより、加算器１０７ｅへの入力波形情報の位相を揃えることができる。
ステップ７１０：複数の可変遅延器の各々は、第２共振周波数に応じた第２出力波形情報を遅延し、遅延後の第２出力波形情報を加算器１０７ｅに出力する。
以下、第２出力波形情報に関する複数の可変遅延器の機能を説明する。
第１可変遅延器１０７ａは、第１検知素子１０２ａから出力された第２出力波形情報を受け取り、第２出力波形情報を遅延し、遅延後の第２出力波形情報を加算器１０７ｅに出力する。第２可変遅延器１０７ｂ、第３可変遅延器１０７ｃ、及び第４可変遅延器１０７ｄも同様に、夫々の対応する検知素子１０２ｂ、１０２ｃ、及び１０２ｄから出力された第２出力波形情報を受け取り、第２出力波形情報を遅延し、遅延後の第２出力波形情報を加算器１０７ｅに出力する。
第２出力波形情報を複数の可変遅延器で処理することにより、加算器１０７ｅへの入力波形情報の位相を揃えることができる。
ステップ７１２：加算器１０７ｅは、複数の可変遅延器の各々から出力された遅延後の第１出力波形情報を加算（同相合成）し、判定部１０８に加算結果（第１情報）を出力する。さらに、加算器１０７ｅは、複数の可変遅延器の各々から出力された遅延後の第２出力波形情報を加算（同相合成）し、判定部１０８に加算結果（第２情報）を出力する。
ステップ７０８〜ステップ７１２を実行することによって、情報取得部１０６は、第１超音波の到来方向に関する第１情報と第２超音波の到来方向に関する第２情報とを取得する。
なお、上記センシング方法の例では、ステップ７０８を実行した後にステップ７１０を実行する例を示したが、ステップ７０８で遅延後の第１出力波形情報を加算器１０７ｅに出力するステップを実行し、ステップ７１０で遅延後の第２出力波形情報を加算器１０７ｅに出力するステップを実行し得る限りは、ステップ７０８とステップ７１０との実行順は問わない。例えば、ステップ７０８とステップ７１０とは並行して実行し得る。
ステップ７１３：ステップ７０８〜ステップ７１２を走査角度（φ）に亘って複数回繰り返す。これにより、走査範囲における全ての情報を取得し得る。
ステップ７１４：判定部１０８は、第１情報を示す値と第２情報を示す値との算術積によって、検知対象の方向を判定する。
ステップ７１６：表示部３には、検出結果が表示される。
以上、図１から図６を参照して本発明の第１実施形態のセンサ１００およびセンシング方法を説明した。
なお、第１実施形態のセンサ１００では、検知部１０２は、固有の共振周波数を有する超音波を検知する形態を説明したが、検知する超音波が、固有の共振周波数を有する超音波であることに限定されない。情報取得部１０６が、第１周波数を有する超音波の到来方向に関する情報と第２周波数を有する超音波の到来方向に関する情報とを取得し得る限りは、例えば、検知部１０２は、周波数フィルタを備え得る。周波数フィルタは、例えば、所望の第１周波数と第１周波数とは異なる所望の第２周波数とをフィルタリングする。検知部１０２は、第１周波数と第２周波数とに感度を有する。
予め幾何学的に分析することによってゴースト低減効率のよい周波数と最も高分解である周波数とを認識しておれば、周波数フィルタによって検知部が検知する超音波の周波数をそれらの周波数に任意に設計することができる。その結果、周波数変換等の特別な処理を行うことなく、ゴーストが最も低減化され、最も高分解能なセンサを容易に実現し得る。
例えば、予め幾何学的に分析することによって第１偽情報と第２偽情報とのうち第２偽情報にのみグレーティングローブに対応する情報が含まれるよう第１周波数と第２周波数とを認識しておけば、検知部１０２が検知する超音波の周波数を第１周波数と第２周波数とに設計し得る。この場合、第１周波数が低周波数に対応し、第２周波数が高周波数に対応する。
さらに、例えば、予め幾何学的に分析することによって、検知部１０２は、計測走査範囲内に第１共振周波数に対応する指向性パターンを示す第１グレーティングローブを示すことなく、かつ第１グレーティングローブと第２共振周波数に対応する指向性パターンを示す第２グレーティングローブとが共通部分を有さないように、第１周波数と第２周波数とを選択し得る。
本発明のセンサによれば、検知部１０２は、複数の周波数のうちの少なくとも第１周波数を有する第１超音波と第２周波数を有する第２超音波とを検知し、第１超音波の到来方向に関する第１情報と第２超音波の到来方向に関する第２情報とを取得し、少なくとも第１情報と第２情報とに基づいて、検知対象の方向を判定するので、高い方の単一の周波数だけでは大きく発生してしまうゴーストを低減化し、低い方の単一の周波数だけでは得られない鋭い指向性（高分解能）のセンサを実現することができる。
このように、本発明のセンサの構成によれば、単一のセンサで複数の情報を取得することにより、素子間隔を狭めることなくグレーティングローブの影響を無くすことができる。従って、同じ精度の角度分解能を得るため（すなわち、同じ径を持つアレイを構成するため）の素子数を大幅に削減できる。特に、三次元計測において素子を二次元に配置した場合は、この削減効果も二乗で効くのでさらに効果的である。
また、上記第１実施形態で説明したように、第１偽情報と第２偽情報とが異なるように第１周波数と第２周波数とを選択した場合は、第１情報と第２情報とに基づいて検知対象の方向を判定することによって確実にゴースト低減を実現し得る。
さらに、検知対象の方向を判定する際に、上記第１実施形態で説明したように、第１情報を示す値と第２情報を示す値との算術積を求めると、グレーティングローブの影響を無くすことができるため、ゴースト低減を実現し得る。なお、算術積は、簡易な演算回路で求め得るため、簡易且つ安価なセンサ構造を構築し得る。
〔第２実施形態〕
図７は、本発明の第２実施形態のセンサ８００の構成を示す模式図である。センサ８００は、検知対象２から到来する複数の周波数を有する超音波を検知する検知部８０２と、情報処理部１０４とを備える。情報処理部１０４は、情報取得部１０６と、判定部１０８とを含む。検知部８０２は、複数の検知素子（第５検知素子８０２ａ、第６検知素子８０２ｂ、第７検知素子８０２ｃ、及び第８検知素子８０２ｄ）を含む。センサ８００の構成は、検知部８０２を除いて第１実施形態のセンサ１００の構成と同一である。例えば、圧電ダイアフラム型マイクロセンサが複数の検知素子の各々として機能する。図７において、ダイアフラム部分の長さ（アレイの直径）を長さａで示し、素子周期（素子間隔）を長さｂで示す。
図８は、複数の検知素子のうちの１つ（第５検知素子８０２ａ）の例として圧電ダイアフラム型マイクロセンサを示す断面図である。第５検知素子８０２ａは、Ｓｉ基板２０２と、ＳｉＯ２層２０４と、下部電極層２０６と、圧電体層２０８と、上部電極層２１０と、外側電極９１２と、周波数調整部９１４とを含む。第５検知素子８０２ａの構成は、外側電極９１２と、周波数調整部９１４を除いて第１実施形態の第１検知素子１０２ａの構成と同一である。
外側電極９１２は、Ａｕを含む。Ａｕ電極は、例えば、外側電極９１２として機能する。周波数調整部９１４は、外側電極９１２に電圧を印加して逆圧電効果によりダイアフラムに応力を発生させることによって、第５検知素子８０２ａが検知する超音波の周波数を第１周波数から第２周波数に調整する。
第６検知素子８０２ｂ、第７検知素子８０２ｃ、及び第８検知素子８０２ｄの各々の構成は、第５検知素子８０２ａの構成と等価である。
図９は、第５検知素子８０２ａによって検知された超音波に基づく波動に対応する応答波形を示す波形図である。縦軸は出力電圧を示し、横軸は時間を示す。図９に示した二つの波形図のうち、（ａ）は外側電極９１２に電圧０ｖを印加した場合の応答波形を示し、（ｂ）は外側電極９１２に電圧５ｖを印加した場合の応答波形を示す。電圧印加により応答波形の周期が変化している。
図１０は、外側電極９１２への印加電圧に対する第５検知素子８０２ａの共振周波数変化を示す履歴図である。縦軸は共振周波数の変化を示し、横軸は外側電極への印加電圧を示す。
第５検知素子８０２ａの共振周波数が、外側電極９１２への印加電圧に応じて強誘電体特有のバタフライカーブを描いて変化している。外側電極９１２への電圧印加によって５ｖ印加で５０％近い周波数調整幅を実現し得る。
図１１は、本発明の第２実施形態のセンサ８００を用いたセンシング方法を示すフローチャートである。以下、図７と図８と図１１とを参照して、第２実施形態のセンサ８００を用いたセンシング方法を説明する。第２実施形態のセンサ８００を用いたセンシング方法のステップは、ステップ１２０５、ステップ１２０６、ステップ１２０９、ステップ１２１０、ステップ１２１３を除いて第１実施形態のセンサ１００を用いたセンシング方法のステップと同一である。
ステップ７０２、ステップ７０４に続いてステップ１２０５、ステップ１２０６を実行する。
ステップ１２０５：周波数調整部９１４は、複数の検知素子が検知する超音波の周波数を第１周波数に調整する。
ステップ１２０６：検知部８０２は、複数の周波数のうちの第１周波数を有する第１超音波を検知する。
複数の検知素子は固有の共振周波数（例えば、第１共振周波数１４１ｋＨｚ）で共振する。例えば、複数の検知素子の各々は、広い周波数スペクトルを持つパルスを受信して固有の共振周波数で振動し、複数の可変遅延器の各々に共振周波数に応じた出力波形情報を出力する。複数の検知素子の各々から出力される出力波形情報は、複数の検知素子の各々の時間遅れを含む信号波形情報である。
ステップ１２０６に続いてステップ７０８、ステップ１２０９、ステップ１２１０を実行する。
ステップ１２０９：周波数調整部９１４は、外側電極９１２に電圧を印加して複数の検知素子が検知する超音波の周波数を第２周波数に調整する。
ステップ１２１０：超音波発生部１から超音波を発生する。検知部８０２は、第２超音波を検知する。
ステップ１２１０に続いてステップ７１０、ステップ１２１３を実行する。
ステップ１２１３：ステップ７０８〜ステップ７１２を走査角度（φ）に亘って複数回繰り返す。
ステップ１２１３に続いてステップ７１４、ステップ７１６を実行する。
以上、図７から図１１を参照して本発明の第２実施形態のセンサ８００およびセンシング方法を説明した。
本発明のセンサによれば、複数の周波数のうちの少なくとも第１周波数を有する第１超音波と第２周波数を有する第２超音波とを検知し、第１超音波の到来方向に関する第１情報と第２超音波の到来方向に関する第２情報とを取得し、少なくとも第１情報と第２情報とに基づいて、検知対象の方向を判定するので、高い方の単一の周波数だけでは大きく発生してしまうグレーティングローブに基づくゴーストを低減化し、低い方の単一の周波数だけでは得られない鋭い指向性（高分解能）のセンサを実現することができる。
このように、本発明のセンサの構成によれば、単一のセンサで複数の情報を取得することにより、素子間隔を狭めることなくグレーティングローブの影響を無くすことができる。従って、同じ精度の角度分解能を得るため（すなわち同じ径を持つアレイを構成するため）の素子数を大幅に削減できる。特に、三次元計測において素子を二次元に配置した場合は、この削減効果も二乗で効くのでさらに効果的である。
なお、周波数調整部９１４は、第１共振周波数を第１共振周波数とは異なる周波数に調整し得る限りは、外側電極９１２に電圧を印加することにより調整することに限定されない。例えば、周波数調整部９１４は、複数の検知素子に熱、磁場、光等の外部エネルギーを加えることによって複数の検知素子が検知する超音波の周波数を第１周波数から第２周波数に調整し得る。
本発明の構成によれば、予め幾何学的に分析することによってゴースト低減効率のよい周波数と最も高分解である周波数とを認識しておれば、検知部が検知する超音波の周波数をそれらの周波数に任意に調整することができる。その結果、ゴーストが最も低減化され、最も高分解能なセンサを実現し得る。
例えば、予め幾何学的に分析することによって第１偽情報と第２偽情報とのうち第２偽情報にのみグレーティングローブに対応する情報が含まれるよう第１周波数と第２周波数とを認識しておけば、周波数調整部９１４によって検知部８０２が検知する周波数を第１周波数と第２周波数とに調整し得る。この場合、第１周波数が低周波数に対応し、第２周波数が高周波数に対応する。
さらに、例えば、予め幾何学的に分析することによって、計測走査範囲内に第１共振周波数に対応する指向性パターンを示す第１グレーティングローブを示すことなく、かつ第１グレーティングローブと第２共振周波数に対応する指向性パターンを示す第２グレーティングローブとが共通部分を有さないように、周波数調整部９１４は、検知部８０２が検知する第１周波数と第２周波数とを調整し得る。
以上、図１から図１１を参照して本発明のセンサおよびセンシング方法を説明した。
なお、上記説明では、検知素子は、圧電ダイアフラム（四辺固定）型を想定しているが、検知対象から到来する複数の周波数を有する波動を検知し得る限りは、圧電ダイアフラム（四辺固定）型に限定されない。例えば、ブリッジ（二辺固定）型、カンチレバー（一辺固定）型でも適用可能である。
さらに、上記説明では、検知部によって検知される波動が有する周波数は、２つを想定しているが複数であれば２つに限定されない。例えば、３つ以上の周波数を有する波動を検知することも、本発明の範囲である。この場合、検知した３つ以上の周波数を有する波動を全て利用してセンシングを行ってもよいし、検知したものの中から任意の２つの波動を選択してセンシングを行ってもよい。さらに、上記説明では一方が低周波数で他方が高周波数である形態を説明したが、両周波数が低周波数である形態、両周波数が高周波数である形態をも想定し得え、高分解能化とゴースト低減とうちの少なくとも一方の効果が見込まれ得る。
さらに、上記説明では、判定部１０８は、第１情報を示す値と第２情報を示す値との算術積を算出したが、算術積に限定されない。例えば、ミニマム演算によって算出してもよく、さらには、算術積、及びミニマム演算を組み合わせて行った算出も、本発明の範囲である。例えば、検知する周波数が３つの場合には、第１情報を示す値と第２情報を示す値との算術積を求め、さらに算術積と第３情報を示す値とのミニマム演算を実行し得る。なお、ミニマム演算とは、複数の値の中から最小の値を選択することを意味する。
さらに、上記説明では、波動として主に超音波に基づく波動を想定しているが、検知部が、検知対象から到来する複数の周波数を有する波動を検知し得る限りは、到来する波動は、超音波に基づく波動に限定されない。例えば、到来する波動が、電磁波（光、赤外線、Ｘ線等）に基づく波動でもよい。
到来する波動が光に基づく波動である場合、検知素子として、例えば光電素子を採用し得る。光発生部（発光素子）は検知対象に向けて光を発する。光は、検知対象に到達し、検知対象で反射する。検知対象で反射した光は、センサに到来する。
光電素子は、検知対象から到来する複数の周波数を有する波動を検知する。光電素子が光を受光することによって、光電素子に電流が流れる。センサは電流に基づいて検知対象の方向を検出する。
上記光電素子としては、例えば硫化カドミウム素子（ＣｄＳ素子）を採用し得る。ＣｄＳ素子に到来する光の強弱を制御することにより、ＣｄＳ素子の抵抗値を変更し得、明るさに応じてＣｄＳ素子の抵抗値が変化する。周囲が暗い時はＣｄＳ素子の抵抗値が高く、ＣｄＳ素子にはほとんど電流が流れない。周囲が明るくなると、ＣｄＳ素子の抵抗値が低くなり、ＣｄＳ素子に電流が流れる。
検知素子として、例えば、フォト・ダイオードを採用し得る。フォト・ダイオードのＰＮ接合に光が当たると電位差が生じ、フォト・ダイオードに電流が流れる。
本発明によるセンサおよびセンシング方法は、センシング分野（例えば、障害物検知（車庫入れ、縦列駐車、自律移動ロボット）、姿勢検知（ドライバの居眠り防止、被介護者のモニタリング））に広く利用可能である。
１００ センサ
１０２ 検知部
１０２ａ 第１検知素子
１０２ｂ 第２検知素子
１０２ｃ 第３検知素子
１０２ｄ 第４検知素子
１０４ 情報処理部
１０６ 情報取得部
１０８ 判定部
９１４ 周波数調整部

Claims (4)

  1. 検知対象の方向を検出するセンサであって、
    前記検知対象から到来する複数の周波数を有する波動を検知する検知部と、
    前記波動の到来方向に関する情報を取得する情報取得部と、
    前記検知対象の方向を判定する判定部と
    を備え、
    前記検知部は、少なくとも、前記複数の周波数のうちの第１周波数を有する第１波動と前記複数の周波数のうちの第２周波数を有する第２波動とを検知し、
    前記情報取得部は、前記第１波動の到来方向を示す第１到来方向情報及び前記第１波動の到来方向とは異なる方向を示す第１偽情報と、前記第２波動の到来方向を示す第２到来方向情報及び前記第２波動の到来方向とは異なる方向を示す第２偽情報とを取得し、ここで、前記第１偽情報と前記第２偽情報とは異なる情報であり、
    前記判定部は、少なくとも、前記第１到来方向情報及び前記第１偽情報と前記第２到来方向情報及び前記第２偽情報との算術積に基づいて、前記検知対象の方向を判定する、センサ。
  2. 前記複数の周波数は、前記検出素子が有する複数の共振周波数を含み、
    前記第１周波数は前記複数の共振周波数のうちの第１共振周波数に対応し、
    前記第２周波数は前記複数の共振周波数のうちの第２共振周波数に対応する、請求項１に記載のセンサ。
  3. 前記センサは、
    前記検知部が検知する波動の周波数を前記第１周波数から前記第２周波数に調整する周波数調整部をさらに含む、請求項１に記載のセンサ。
  4. 検知対象の方向を検出するセンシング方法であって、
    前記検知対象から到来する複数の周波数を有する波動を検知する検知ステップと、
    前記波動の到来方向に関する情報を取得する情報取得ステップと、
    前記検知対象の方向を判定する判定ステップと
    を包含し、
    前記検知ステップは、少なくとも、前記複数の周波数のうちの少なくとも第１周波数を有する第１波動と前記複数の周波数のうちの第２周波数を有する第２波動とを検知することにより実行され、
    前記情報取得ステップは、前記第１波動の到来方向を示す第１到来方向情報及び前記第１波動の到来方向とは異なる方向を示す第１偽情報と、前記第２波動の到来方向を示す第２到来方向情報及び前記第２波動の到来方向とは異なる方向を示す第２偽情報とを取得することにより実行され、ここで、前記第１偽情報と前記第２偽情報とは異なる情報であり、
    前記判定ステップは、少なくとも、前記第１到来方向情報及び前記第１偽情報と前記第２到来方向情報及び前記第２偽情報との算術積に基づいて、前記検知対象の方向を判定することにより実行される、センシング方法。
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