JP6566038B2 - 超音波入出力素子 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を出力し、出力された超音波に対応する反射波を取得する超音波入出力素子に関する。

従来、超音波等の振動波を利用して、車両や家の周囲の物体を検出する技術が利用されてきた。この種の技術として、例えば特許文献１及び２に記載のものがある。

特許文献１に記載のセキュリティ装置は、車両前席上部のルームミラーの近傍に、運転席方向と助手席方向とに向けて超音波を放出する超音波送波器を有し、放出された超音波の反射波を超音波受波器で受信して異常検知を行っている。超音波受波器で受信した音声信号は音声出力手段により外部へ出力される。また、特許文献２に記載のスピーカー付き時計は、圧電素子を用いて風防ガラスを振動させて音波を発生させ、時計の利用者が音声を聞くことができるように構成されている。

特開２００７−２６５１２４号公報 特開２００５−２２１４４５号公報

特許文献１に記載のセキュリティ装置は、車両に搭載され、反射波に基づいて車室内への侵入者が検知された場合に、車両ホーンやサイレンから警報を発生させるものである。よって、当該セキュリティ装置では、侵入者となる対象者が車室内へ侵入する前に警告を行うことができない。

また、特許文献２に記載の技術は、圧電素子を振動させて音声を出力している。すなわち、当該技術は、圧電素子をスピーカーとして利用しているだけであるので、車両や建物への侵入者の検知には利用することができない。

そこで、車両や建物への接近者を検知し、当該接近者に対して報知を行うことが可能な超音波入出力素子が求められる。

本発明に係る超音波入出力素子の特徴構成は、第１の周波数の超音波を出力し、出力された超音波に対応する反射波を取得する第１の振動部と、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数の超音波を出力し、出力された前記第２の周波数の超音波に対応する反射波を取得する第２の振動部と、の少なくとも２つの振動部と、前記第１の振動部を駆動する第１の駆動部と、前記第２の振動部を駆動する第２の駆動部と、前記第１の振動部及び前記第１の駆動部と、前記第２の振動部及び前記第２の駆動部との夫々が個別に配設されるケースと、前記ケースの夫々を、互いに緩衝部材を介した状態で収容する１つのハウジングと、を備えている点にある。

超音波とは、可聴周波数（２０Ｈｚ程度〜２０ｋＨｚ程度）よりも高い周波数の振動波である。このような超音波は、空中を伝搬する他の振動波と同様に、周波数が高くなる程減衰率が大きくなって到達距離が短くなる。よって、本構成とすれば、第１の周波数及び第２の周波数のうちの低い周波数の超音波を、高い周波数の超音波よりも遠方まで到達し易くできる。一方、超音波は進行方向に直交する方向に対して、少なからず拡散する。この拡散は周波数が低い程、顕著であり、逆に、周波数が高い程、指向性が良くなる。このため、第１の周波数及び第２の周波数のうちの低い周波数の超音波を出力する第１の振動部及び第２の振動部の一方の方が他方よりも検出範囲が広くなる。そこで、第１の振動部及び第２の振動部の一方で広い範囲に亘って物体が存在しているか否かを検出し、検出範囲の狭い第１の振動部及び第２の振動部の他方で前記広い範囲を走査して、より詳細に物体の位置を特定することが可能となる。また、位置を特定した物体に対して、第１の振動部及び第２の振動部の他方でよりスポット的（局所的に）に音声や警報を出力することもできるし、第１の振動部及び第２の振動部の一方で前記他方よりも広い範囲に亘って音声や警報を出力することもできる。このように、本構成であれば、車両や建物への接近者を検知し、当該接近者に対して報知を行うことが可能な超音波入出力素子を実現できる。

また、前記第１の振動部及び前記第２の振動部は外形が円形状であって、同軸芯上に配置され、前記第１の振動部及び前記第２の振動部は、出力される超音波の周波数が高い方の振動部の外形が、出力される超音波の周波数が低い方の振動部の外形よりも小さく構成されていると好適である。

このような構成とすれば、第１の振動部から物体までの距離と、第２の振動部から物体までの距離とを等しくすることができる。したがって、超音波入出力素子が、当該超音波入出力素子のパン（水平）方向、チルト（垂直）方向、及びロール（軸心）方向に回転した状態で設けられている場合であっても、物体の検出や音声の出力上、このような回転を無視することができる。したがって、超音波入出力素子の取り付けを簡素に行うことが可能となる。

また、前記振動部と前記ケースとを収容する前記ハウジングを複数有し、前記複数のハウジングがアレイ状に配置されていると好適である。

このような構成とすれば、互いに隣接するハウジングに設けられる同じ周波数の振動部から出力される超音波同士に位相差を持たせることにより互いに干渉させて、超音波の指向性を制御することが可能となる。一方、物体に対して報知する場合には、超音波の直進性を向上させると共に、報知する音や音声の音量を大きくすることが可能となる。

また、前記振動部から出力される前記超音波が車両の周囲に出力されるように前記ハウジングを介して前記車両に取り付けられると好適である。

このような構成とすれば、車両に接近する人を検出し、当該人に対してスポット的に報知を行うことが可能となる。

第１の実施形態に係る超音波入出力装置の斜視図である。 第１の実施形態に係る超音波入出力装置の側方断面図である。 第１の実施形態に係る超音波入出力装置の分解斜視図である。 超音波入出力素子の搭載例を示す図である。 第２の実施形態に係る超音波入出力装置の側方断面図である。

本発明に係る超音波入出力素子は、車両や建物への接近者を検出し、当該接近者に対して報知する機能を備えて構成される。以下、本実施形態の超音波入出力素子１について、説明する。

１．第１の実施形態
図１には、本実施形態の超音波入出力素子１の斜視図が示され、図２には超音波入出力素子１の側方断面図が示される。図３には各部に展開した図が示される。図１−図３に示されるように、超音波入出力素子１は、振動部１０、ケース３０、ハウジング５０を備えて構成される。

振動部１０は少なくとも２つが備えられる。本実施形態では、振動部１０が第１の振動部１１及び第２の振動部２１の２つからなるとして説明する。以下では、第１の振動部１１と第２の振動部２１とを区別する必要がない場合には、振動部１０として説明し、夫々を区別する場合には第１の振動部１１、第２の振動部２１として説明する。

第１の振動部１１は、第１の周波数の超音波を出力し、出力された超音波に対する反射波を取得する。第１の周波数は、第１の振動部１１が出力する超音波の周波数として予め設定されている。この第１の周波数は可聴周波数より大きい周波数、例えば２０ｋＨｚ以上に設定される。第１の振動部１１から出力された超音波は所定の方向に向かって空中伝搬する。超音波が出力された範囲に物体が存在する場合には、当該物体により超音波が反射される。この時、反射された超音波は、反射波として第１の振動部１１により取得される。このように、第１の振動部１１は、超音波の出力と、反射波の取得とで併用されている。したがって、第１の振動部１１は、超音波の出力期間と、反射波の待ち期間とを所定時間毎に繰り返すように駆動される。

このような第１の振動部１１は、圧電素子を用いて構成すると良い。第１の振動部１１の駆動は、第１の駆動部１２により行われる。第１の駆動部１２には一対の制御端子１３Ａ，１３Ｂが設けられ、第１の振動部１１が通電されることで超音波を出力し、反射波を取得した場合には、反射波により第１の振動部１１が振動され、所定の電気信号が一対の制御端子１３Ａ，１３Ｂを介して出力される。

第２の振動部２１は、上述した第１の周波数とは異なる第２の周波数の超音波を出力し、出力された当該第２の周波数の超音波に対する反射波を取得する。「第１の周波数とは異なる第２の周波数」とは、第１の周波数とは別の周波数として予め設定された周波数であり、第２の振動部２１が出力する超音波の周波数として予め設定されている。この第２の周波数も可聴周波数より大きい周波数、例えば２０ｋＨｚ以上に設定される。特に、本実施形態では、第２の周波数は、第１の周波数よりも低い周波数に設定される。

第２の振動部２１から出力された超音波（以下「第２の超音波」とする）は、第１の振動部１１から出力された超音波（以下「第１の超音波」とする）と同様に、所定の方向に向かって空中伝搬する。この時、第１の超音波よりも第２の超音波の方が、周波数が低いので波長が長くなり、空中伝搬する間に減衰され難く、第２の超音波は第１の超音波よりも遠くに達することができる。したがって、第２の超音波では、第１の超音波よりも遠くに存在する物体を検知することが可能となる。物体で反射された超音波は、反射波として第２の振動部２１により取得される。このように、第２の振動部２１も、第１の振動部１１と同様に、超音波の出力と、反射波の取得とで併用されている。したがって、第２の振動部２１は、超音波の出力期間と、反射波の待ち期間とを所定時間毎に繰り返すように駆動される。

このような第２の振動部２１も、圧電素子を用いて構成すると良い。第２の振動部２１の駆動は、第２の駆動部２２により行われる。第２の駆動部２２には一対の制御端子２３Ａ，２３Ｂが設けられ、第２の振動部２１が通電されることで超音波を出力し、反射波を取得した場合には、反射波により第２の振動部２１が振動され、所定の電気信号が一対の制御端子２３Ａ，２３Ｂを介して出力される。

ケース３０には、振動部１０の夫々が個別に配設される。「個別に配設される」とは、１つのケース３０に対して、１つの振動部１０が配設されることを意味する。上述したように本実施形態では、振動部１０は、第１の振動部１１及び第２の振動部２１を有する。このため、本実施形態では、２つのケース３０が用いられる。理解を容易にするために、この２つのケース３０を区別する必要がある場合には、夫々第１のケース３１、第２のケース３２として説明する。

本実施形態では、第１のケース３１は、円板状部６１と筒状部６２とを有する。本実施形態では筒状部６２は円筒状に構成され、筒状部６２の軸方向一方側が円板状部６１で蓋をされた形態となる。円板状部６１の天面６３（第１のケース３１において内側を向く面）には、第１の振動部１１が付設される。第１のケース３１は、第１の振動部１１が振動し易い材料を用いて構成すると良い。

また、本実施形態では、第２のケース３２は、円板状部４１と、当該円板状部４１の外周縁から当該円板状部４１の軸方向に沿って立設する外側立設部４２と、円板状部４１の内周縁から円板状部４１の軸方向に沿って外側立設部４２と同じ方向に立設する内側立設部４３と、を有する形状で構成される。したがって、円板状部４１と外側立設部４２と内側立設部４３とにより環状凹部が形成される。円板状部４１の天面４４（環状凹部の底面）には、第２の振動部２１が付設される。このため、第２の振動部２１も環状に形成すると良い。第２のケース３２は、第２の振動部２１が振動し易い材料を用いて構成すると良い。

第１のケース３１内における第１の振動部１１よりも開口側には、第１の振動部１１との間に隙間を有して第１の緩衝部材５１が設けられる。この第１の緩衝部材５１の開口側に、上述した第１の駆動部１２が配設される。

また、第２のケース３２内における第２の振動部２１よりも開口側には、第２の振動部２１との間に隙間を有して円環状の第２の緩衝部材５２が設けられる。この第２の緩衝部材５２の開口側に、上述した第２の駆動部２２が配設される。

ハウジング５０には、ケース３０の夫々を、互いに緩衝部材４０を介した状態で収容する。上述したように本実施形態では、複数のケース３０が備えられるが、これら複数のケース３０の全てが１つのハウジング５０内に収容される。したがって、第１のケース３１と第２のケース３２とは、互いの間に緩衝部材４０が設けられた状態でハウジング５０の内部に収容されるので、第１の振動部１１及び第２の振動部２１のうちの一方の振動が、他方へ伝達されることを防止できる。なお、第１のケース３１と第２のケース３２とは、夫々の開口部側では固定部材４５を介して固定される。

本実施形態では、図１に示されるように、振動部１０及びケース３０は環状に形成される。また、これらの振動部１０及びケース３０は、夫々の振動部１０から出力される超音波の周波数が高いものから順に径方向内側から径方向外側に向けて同軸芯上に配置すると良い。すなわち、径方向内側に第１の振動部１１が設けられ、第１の振動部１１の径方向外側であって、第１の振動部１１と同軸芯上に第２の振動部２１が設けられる。

このように構成することで、第１の振動部１１から物体までの距離と、第２の振動部２１から物体までの距離とを等しくすることができる。したがって、超音波入出力素子１が、当該超音波入出力素子１のパン（水平）方向、チルト（垂直）方向、及びロール（軸心）方向に回転した状態で設けられている場合であっても、物体の検出や音声の出力上、このような回転を無視することができる。したがって、超音波入出力素子１の取り付けを容易に行うことが可能となる。

本実施形態の超音波入出力素子１は、例えば図４に示されるように、振動部１０から出力される超音波が車両２の周囲に出力されるようにハウジング５０を介して当該車両２に取り付けられる。図４の例では、超音波入出力素子１は、車両２の前方左側ドアのドアノブ３Ａ及び前方右側ドアのドアノブ３Ｂに取り付けられる。

このように構成された超音波入出力素子１は車両２の周囲への超音波の出力と、反射波の取得とを繰り返し行う。超音波入出力素子１が反射波を取得すると、検出結果として超音波が出力されてから反射波が取得されるまでの時間が、一対の制御端子１３Ａ，１３Ｂ又は一対の制御端子２３Ａ，２３Ｂを介して制御部（図示せず）に伝達され、制御部は伝達された前記時間と、超音波及び反射波の伝搬速度とを用いて超音波入出力素子１から物体までの距離を演算する。

また、上述したように、第１の超音波の第１の周波数は第２の超音波の第２の周波数よりも高く設定される。このため、第１の超音波は波長が短いので、近距離センシングに利用することができる。一方、第２の超音波は第１の超音波よりも波長が長いので遠距離センシングに利用することができる。また、第１の振動部１１と第２の振動部２１とを同時に駆動することで、互いの超音波同士を干渉させて、第２の超音波によるセンシングよりも更に遠い距離に亘ってセンシングすることも可能となる。

或いは、第２の振動部２１で広い範囲に亘って物体が存在しているか否かを検出し、第１の振動部１１の検出範囲を機構的に走査して、より詳細に物体の位置を特定することも可能である。

制御部は、演算された距離に位置する物体に対して、所定の報知を行う。この報知は、物体が車両２のユーザであるか否かにより使い分けると良い。すなわち、物体が車両２のユーザであることを示すＩＤタグ等を有する場合には、制御部は物体が車両２のユーザであると判定し、このユーザに対して友好的な報知（例えば「ユーザを迎えるような報知」）を超音波入出力素子１に対して出力するように指示すると良い。この指示により第１の駆動部１２又は第２の駆動部２２が対応する振動部１０に音声信号（例えば「ユーザをお迎えするような音声」）を入力して当該振動部１０を振動させ、ユーザがいる位置に対してスポット的に（ビーム状の狭いエリアに）報知を行うと良い（音声を出力すると良い）。

一方、物体が車両２のユーザであることを示すＩＤタグ等を有さない場合には、制御部は物体が車両２に対する不審者であると判定し、この不審者に対して警告となる報知を超音波入出力素子１に対して出力するように指示すると良い。この指示により第１の駆動部１２又は第２の駆動部２２が対応する振動部１０に音声信号（例えば「警告音」）を入力して当該振動部１０を振動させ、不審者がいる位置に対してスポット的に報知を行うと良い（警告音を出力すると良い）。

この報知は、上述したように第１の振動部１１により位置を特定した物体に対して、第１の振動部１１でよりスポット的（局所的に）に音声や警報を出力することもできるし、第２の振動部２１で広い範囲に亘って音声や警報を出力することもできる。

なお、このようなスポット的な報知は、超音波入出力素子１を、限られた範囲にのみ音声を送ることができる公知のパラメトリックスピーカ（超指向性スピーカ）として利用することにより可能である。パラメトリックスピーカは、超音波を搬送波として音声（可聴音）を送出することにより実現できるが、この原理は公知（例えば、http://star.web.nitech.ac.jp/pdf/120324doc.pdf等参照）であるので説明は省略する。

このようにして本超音波入出力素子１は、超音波を所定の方向に出力し、車両２に接近する人から反射された反射波が入力されて、当該人を検知することが可能となる。また、人に対して、超音波入出力素子１から超音波を搬送波として音声を出力することで、人に対してスポット的に報知を行うことが可能となる。

２．第２の実施形態
次に、第２の実施形態について説明する。上記第１の実施形態において、第１のケース３１と第２のケース３２とは、互いの間に緩衝部材４０が設けられた状態でハウジング５０の内部に収容されるとして説明したが、この緩衝部材４０の形状が第１の実施形態と第２の実施形態とで異なる。第１の実施形態では、緩衝部材４０の内周面及び外周面には径方向に突出する突出部が設けられておらず、緩衝部材４０の外周面が内側立設部４３に当接し、緩衝部材４０の内周面が筒状部６２に当接していたが、本実施形態では、緩衝部材４０の内周面及び外周面に夫々径方向に突出する突出部が設けられている。その他の構成については、第１の実施形態と同様であるので、説明は省略する。

図５には、第２の実施形態に係る超音波入出力素子１の側方断面図が示される。本実施形態の超音波入出力素子１が有する緩衝部材４０は、内周面に当該内周面から径方向内側に突出する内向突出部７０が環状に設けられ、当該内向突出部７０が筒状部６２に当接し、外周面に当該外周面から径方向外側に突出する外向突出部８０が環状に設けられ、当該外向突出部８０が内側立設部４３に当接する。内向突出部７０は軸方向に沿って複数の突出部を有して構成され、本実施形態では、緩衝部材４０における軸方向に沿って第１内向突出部７１及び第２内向突出部７２を有して構成される。また、外向突出部８０は軸方向に沿って複数の突出部を有して構成され、本実施形態では、緩衝部材４０における軸方向に沿って第１外向突出部８１及び第２外向突出部８２を有して構成される。したがって、本実施形態では、第１内向突出部７１及び第２内向突出部７２が筒状部６２に当接し、第１外向突出部８１及び第２外向突出部８２が内側立設部４３に当接する。

本実施形態では、このような形状の緩衝部材４０を用いて、第１のケース３１と第２のケース３２とがハウジング５０内に保持される。このような内向突出部７０及び外向突出部８０を有する緩衝部材４０を用いることにより、第１の振動部１１と第２の振動部２１とを個々に駆動する際には互いに振動を伝達し難くすることができ、第１の振動部１１と第２の振動部２１とを同時に駆動する際には全体で振動させることが可能となる。このように本実施形態の緩衝部材４０は、内向突出部７０及び外向突出部８０により特徴的な構造と機能性とを実現している。なお、本実施形態では、緩衝部材４０が内向突出部７０及び外向突出部８０を有するとして説明したが、緩衝部材４０は内向突出部７０のみを有するように構成しても良いし、或いは、外向突出部８０のみを有するように構成しても良い。すなわち、緩衝部材４０は内向突出部７０及び外向突出部８０の少なくともいずれか一方を有するように構成することが可能である。

３．その他の実施形態
上記実施形態では、振動部１０が、第１の振動部１１及び第２の振動部２１からなるとして説明したが、３つ以上の振動部を備えて構成することも可能である。この場合には、ケース３０も３つ以上となるが、これらを１つのハウジング５０に収容することで、本発明を適用することが可能である。

上記実施形態では、振動部１０及びケース３０は環状に形成され、これらは、夫々の振動部１０から出力される超音波の周波数が高いものから順に径方向内側から径方向外側に向けて同軸芯上に配置されているとして説明したが、振動部１０及びケース３０を環状とは異なる形状で構成することも可能である。また、振動部１０及びケース３０は環状に形成する場合には、夫々の振動部１０から出力される超音波の周波数が低いものから順に径方向内側から径方向外側に向けて同軸芯上に配置することも可能である。

上記実施形態では、１つのハウジング５０からなる超音波入出力素子１を例に挙げて説明したが、振動部１０とケース３０とを収容するハウジング５０を複数有し、当該複数のハウジング５０をアレイ状に配置して（複数のハウジング５０を並べて）利用することも可能である。このような構成とすれば、互いに隣接するハウジング５０に設けられる同じ周波数の振動部１０から出力される超音波同士に位相差を持たせることにより互いに干渉させて、超音波の指向性を制御することが可能となる。一方、物体に対して報知する場合には、直進性を向上させると共に、報知する音や音声の音量を大きくすることが可能となる。

上記実施形態では、図４において、超音波入出力素子１が車両２の前方左側ドアのドアノブ３Ａ及び前方右側ドアのドアノブ３Ｂに取り付けられるとして説明したが、前方左側ドアのドアノブ３Ａ及び前方右側ドアのドアノブ３Ｂの一方に取り付けるように構成することも可能である。また、左側ドアミラー及び右側ドアミラーの少なくともいずれか一方に取り付けるように構成することも可能であるし、ガーニッシュ（例えばサイドガーニッシュ）等に取り付けることも可能である。更には、車内の所定の位置に取り付けて、ウィンドウ越しに超音波の出力及び反射波の取得を行うように構成することも可能である。

上記実施形態では、超音波入出力素子１が車両２に搭載される例を挙げて説明したが、超音波入出力素子１を建物のドアや窓の近傍等にも配置することが可能である。また、物品（例えば美術品等）の監視にも用いることが可能である。

上記第２の実施形態では、内向突出部７０は軸方向に沿って複数の突出部を有して構成され、外向突出部８０は軸方向に沿って複数の突出部を有して構成されるとして説明したが、内向突出部７０及び外向突出部８０の双方が、夫々突出部を一つずつ有するように構成しても良いし、内向突出部７０及び外向突出部８０の一方が複数の突出部を有するように構成し、内向突出部７０及び外向突出部８０の他方が一つの突出部を有するように構成しても良い。

本発明は、超音波を出力し、出力された超音波に対応する反射波を取得する超音波入出力素子に用いることが可能である。

１：超音波入出力素子
２：車両
１０：振動部
１１：第１の振動部
２１：第２の振動部
３０：ケース
４０：緩衝部材
５０：ハウジング

Claims (6)

1. 第１の周波数の超音波を出力し、出力された超音波に対応する反射波を取得する第１の振動部と、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数の超音波を出力し、出力された前記第２の周波数の超音波に対応する反射波を取得する第２の振動部と、の少なくとも２つの振動部と、
   前記第１の振動部を駆動する第１の駆動部と、
   前記第２の振動部を駆動する第２の駆動部と、
   前記第１の振動部及び前記第１の駆動部と、前記第２の振動部及び前記第２の駆動部との夫々が個別に配設されるケースと、
   前記ケースの夫々を、互いに緩衝部材を介した状態で収容する１つのハウジングと、を備える超音波入出力素子。
2. 前記第１の振動部及び前記第２の振動部は外形が円形状であって、同軸芯上に配置され、
   前記第１の振動部及び前記第２の振動部は、出力される超音波の周波数が高い方の振動部の外形が、出力される超音波の周波数が低い方の振動部の外形よりも小さく構成されている請求項１に記載の超音波入出力素子。
3. 前記振動部と前記ケースとを収容する前記ハウジングを複数有し、前記複数のハウジングがアレイ状に配置されている請求項１又は２に記載の超音波入出力素子。
4. 前記振動部から出力される前記超音波が車両の周囲に出力されるように前記ハウジングを介して前記車両に取り付けられる請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波入出力素子。
5. 前記第１の振動部及び前記第２の振動部は、同時駆動が可能である請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波入出力素子。
6. 前記緩衝部材は、前記ケースの夫々と対向する面に、複数の突出部が設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波入出力素子。

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