JP7133521B2 - 超音波センサ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超音波センサに関する。

超音波を用いた超音波センサがある。超音波センサにおいて、広い検出領域が望まれる。

IEEE SENSORS JOURNAL, vol. 8, no. 11, p.1755(2008). International Journal of Electronics and Communication Engineering, vol. 4, Issue 5, p.9(2015).

本発明の実施形態は、広い検出領域を有する超音波センサを提供する。

本発明の実施形態によれば、超音波センサは、複数の第１素子と、複数の第２素子と、を含む。前記複数の第１素子から得られ、第１超音波の第１反射波に応じた第１信号と、前記複数の第２素子に含まれるＮ_Ｒ２個（Ｎ_Ｒ２は、３以上の整数）の前記第２素子から得られ、前記第１反射波に応じた第２信号と、に基づく処理を含む第１動作が行われる。前記複数の第１素子は、第１方向の第１ピッチｐ_Ｒ１で前記第１方向に沿って並ぶ。前記Ｎ_Ｒ２個の第２素子は、前記複数の第２素子のピッチで並び、前記複数の第２素子の前記ピッチの前記第１方向の成分は、第２ピッチｐ_Ｒ２である。ｍを１以上ｋ以下の整数とし、ｎを１以上（ｍ－１）以下の整数とし、ｊを１以上（Ｎ_Ｒ２－１）以下の整数とし、ｋを２以上６以下の整数としたときに、ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１は、（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）／Ｎ_Ｒ２の０．９７倍以上１．０３倍以下である。前記ｊは、ｎ・Ｎ_Ｒ２／ｍではない。

図１は、第１実施形態に係る超音波センサを例示する模式的平面図である。 図２（ａ）～図２（ｃ）は、超音波センサの特性を例示するグラフ図である。 図３（ａ）～図３（ｃ）は、実施形態に係る超音波センサの特性を例示するグラフ図である。 図４は、超音波センサの特性を例示する図である。 図５は、超音波センサの特性を例示する図である。 図６は、超音波センサの特性を例示する図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第２実施形態に係る超音波センサの特性を例示する模式図である。 図８は、第３実施形態に係る超音波センサを例示する模式的平面図である。 図９は、第４実施形態に係る超音波センサを例示する模式的平面図である。 図１０（ａ）～図１０（ｃ）は、超音波センサの特性を例示する模式図である。 図１１は、第４実施形態に係る超音波センサを例示する模式的平面図である。 図１２は、第４実施形態に係る超音波センサを例示する模式的平面図である。 図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、実施形態に係る超音波センサを例示する模式的断面図である。 図１４は、実施形態に係る超音波センサの使用例を示す模式図である。 図１５は、実施形態に係る超音波センサの使用例を示す模式図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る超音波センサを例示する模式的平面図である。
図１に示すように、実施形態に係る超音波センサ１１０は、複数の第１素子１１及び複数の第２素子１２を含む。この例では、超音波センサ１１０は、送信素子１５をさらに含む。

複数の第１素子１１は、第１素子アレイ１１Ａに含まれる。複数の第２素子１２は、第２素子アレイ１２Ａに含まれる。第１素子アレイ１１Ａ及び第２素子アレイ１２Ａは、素子部１０に含まれる。

複数の第１素子１１は、第１方向の第１ピッチｐ_Ｒ１で第１方向に並ぶ。第１方向をＸ軸方向とする。Ｘ軸方向に対して垂直な１つの方向をＺ軸方向とする。Ｘ軸方向及びＺ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。

たとえば、複数の第２素子１２は、複数の第２素子１２のピッチで並ぶ。複数の第２素子１２のピッチの第１方向（Ｘ軸方向）の成分は、第２ピッチｐ_Ｒ２である。図１に示す例においては、複数の第２素子１２は、第１方向（Ｘ軸方向）に沿って並ぶ。この場合、複数の第２素子１２のピッチである第２ピッチｐ_Ｒ２は、第１方向（Ｘ軸方向）に沿う長さである。

実施形態において、複数の第２素子１２の並ぶ方向は、第１方向に対して傾斜しても良い。この場合、複数の第２素子１２の並ぶ方向を第１方向に射影した場合における、複数の第２素子１２のピッチ（第１方向の成分）が、第２ピッチｐ_Ｒ２に対応する。以下では説明を簡単にするために、複数の第２素子１２の並ぶ方向は、第１方向であるとする。複数の第２素子１２の並ぶ方向は、複数の第１素子１１の並ぶ方向に対して実質的に平行である。

この例では、超音波センサ１１０は、処理部７０を含む。１つの例において、処理部７０は、信号源７５ａ、駆動アンプ７５ｂ、複数の第１プリアンプ７１ａ、複数の第１Ａ／Ｄコンバータ７１ｂ、複数の第１遅延回路７１ｃ、第１加算回路７１ｄ、複数の第２プリアンプ７２ａ、複数の第２Ａ／Ｄコンバータ７２ｂ、複数の第２遅延回路７２ｃ、第２加算回路７２ｄ、乗算回路７６及びローパスフィルタ７７を含む。

信号源７５ａの出力が駆動アンプ７５ｂに供給される。駆動アンプ７５ｂの出力が送信素子１５に供給される。

複数の第１プリアンプ７１ａの１つは、複数の第１素子１１の１つと、電気的に接続される。複数の第１Ａ／Ｄコンバータ７１ｂの１つは、複数の第１プリアンプ７１ａの１つと電気的に接続される。複数の第１遅延回路７１ｃの１つは、複数の第１Ａ／Ｄコンバータ７１ｂの１つと電気的に接続される。第１加算回路７１ｄは、複数の第１遅延回路７１ｃと電気的に接続される。

複数の第２プリアンプ７２ａの１つは、複数の第２素子１２の１つと、電気的に接続される。複数の第２Ａ／Ｄコンバータ７２ｂの１つは、複数の第２プリアンプ７２ａの１つと電気的に接続される。複数の第２遅延回路７２ｃの１つは、複数の第２Ａ／Ｄコンバータ７２ｂの１つと電気的に接続される。第２加算回路７２ｄは、複数の第２遅延回路７２ｃと電気的に接続される。

第１加算回路７１ｄの出力、及び、第２加算回路７２ｄの出力が、乗算回路７６に供給される。乗算回路７６の出力がローパスフィルタ７７に供給される。ローパスフィルタ７７の出力が、出力信号ＳｉｇＯとして出力される。

たとえば、信号源７５ａから信号が出力される。信号は、駆動アンプ７５ｂを介して、送信素子１５に供給される。送信素子１５から超音波（たとえば、第１超音波）が放射する。送信素子１５から放射する超音波は、たとえば、等方的である。

放射された第１超音波は、物体で反射する。物体は、超音波センサ１１０において検出される対象である。反射により得られる反射波（第１反射波）が、複数の第１素子１１及び複数の第２素子１２に入射する。

複数の第１素子１１において、第１反射波に応じた第１信号（受信信号）が得られる。第１信号は、第１プリアンプ７１ａ、第１Ａ／Ｄコンバータ７１ｂ及び第１遅延回路７１ｃを介して第１加算回路７１ｄに供給される。複数の第２素子１２において、第１反射波に応じた第２信号（受信信号）が得られる。第２信号は、第２プリアンプ７２ａ、第２Ａ／Ｄコンバータ７２ｂ及び第２遅延回路７２ｃを介して第２加算回路７２ｄに供給される。第１加算回路７１ｄの出力、及び、第２加算回路７２ｄの出力が、乗算回路７６で乗算された結果が、ローパスフィルタ７７を介して、出力される。ローパスフィルタ７７から得られる出力信号ＳｉｇＯは、たとえば、受信信号のエンベロープ特性を含む。

送信素子１５は、たとえば、送信用の超音波トランスデューサである。複数の第１素子１１及び第２素子１２は、たとえば、受信素子である。複数の第１素子１１及び複数の第２素子１２は、たとえば、受信用の超音波トランスデューサである。

超音波センサ１１０において、以下の第１動作が行われる。第１動作は、たとえば、処理部７０で行われる。第１動作において、送信素子１５から第１超音波が放射される。第１動作において、複数の第１素子１１から得られる第１信号と、複数の第２素子１２に含まれるＮ_Ｒ２個（Ｎ_Ｒ２は、３以上の整数）の第２素子１２から得られる第２信号と、に基づく処理が行われる。第１信号は、第１超音波の第１反射波に応じた信号である。第２信号も、第１超音波の第１反射波に応じた信号である。

既に説明したように、複数の第１素子１１は、第１方向（Ｘ軸方向）の第１ピッチｐ_Ｒ１で第１方向に並ぶ。Ｎ_Ｒ２個の第２素子１２は、複数の第２素子１２のピッチで並ぶ。複数の第２素子１２のピッチの第１方向の成分は、第２ピッチｐ_Ｒ２である。この例では、Ｎ_Ｒ２個の第２素子１２は、第１方向に沿って並ぶ。

ｍを、１以上ｋ以下の整数とする。ｎを１以上（ｍ－１）以下の整数とする。ｊを１以上（Ｎ_Ｒ２－１）以下の整数とする。ｋは、実用的に、例えば、２以上６以下の整数である。実施形態において、数Ｎ_Ｒ２、第１ピッチｐ_Ｒ１、第２ピッチｐ_Ｒ２は、
ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１＝（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）／Ｎ_Ｒ２ ・・・（１）
ｊ≠ｎ・Ｎ_Ｒ２／ｍ ・・・（２）
の関係を満たす。

実用的には、たとえば、ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１は、（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）／Ｎ_Ｒ２の０．９７倍以上１．０３倍以下でも良い。この場合も、ｊは、ｎ・Ｎ_Ｒ２／ｍではない。

これにより、大きな検出範囲が得られる。たとえば、広い視野が得られる。

以下、超音波センサの特性の例について説明する。

複数の送信素子及び複数の受信素子を含む参考例のアレイは、たとえば、フェーズド・アレイである。フェーズド・アレイの指向性Ｄは、遠距離音場の範囲では、アレイ・ファクタＡＦ及び素子ファクタＥＦの積で与えられる（式（３）参照）。アレイ・ファクタＡＦは、素子ピッチｐと、素子の数Ｎと、できまる。素子ファクタＥＦは、素子の形状（たとえば、径）できまる。

Ｄ（θ）＝ＡＦ（θ）・ＥＦ（θ） ・・・（３）
角度θは、天頂角である。角度θは、Ｘ－Ｚ平面内の角度であり、Ｚ軸方向を基準にした角度である。たとえば、複数の送信素子及び複数の受信素子に対して垂直な方向において、角度θは０である。

送信素子アレイのアレイ・ファクタＡＦ_Ｔを用いて、送信の指向性Ｄ_Ｔは、
Ｄ_Ｔ＝ＡＦ_Ｔ・ＥＦ
で与えられる。

受信素子アレイのアレイ・ファクタＡＦ_Ｒ２を用いて、受信の指向性Ｄ_Ｒ２は、
Ｄ_Ｒ２＝ＡＦ_Ｒ２・ＥＦ
で与えられる。

送受信の指向性Ｄ_ＴＲは、以下の（４）式により与えられる。
Ｄ_ＴＲ＝Ｄ_Ｔ・Ｄ_Ｒ２＝（ＡＦ_Ｔ・ＥＦ）・（ＡＦ_Ｒ２・ＥＦ）
＝（ＡＦ_Ｔ・ＡＦ_Ｒ２）・（ＥＦ^２）
＝ＡＦ_ＴＲ・ＥＦ_ＴＲ ・・・（４）
「ＡＦ_ＴＲ」は、送受信におけるアレイ・ファクタである。「ＥＦ_ＴＲ」は送受信における素子ファクタである。

たとえば、複数の送信素子の数を数Ｎ_Ｔとし、複数の受信素子の数を数Ｎ_Ｒとする。複数の送信素子のピッチをピッチｐ_Ｔとし、複数の受信素子のピッチをピッチｐ_Ｒとする。

図２（ａ）～図２（ｃ）は、超音波センサの特性を例示するグラフ図である。
これらの図は、参考例の超音波センサ１１９の特性を例示している。参考例の超音波センサ１１９においては、複数の送信素子から超音波が送信され、複数の受信素子で反射波が受信される。超音波センサ１１９において、数Ｎ_Ｔは、６である。数Ｎ_Ｒは、が４である。ピッチｐ_Ｔは、２λである。ピッチｐ_Ｒは、３λである。λは、超音波の波長である。素子ピッチ比（＝ｐ_Ｒ／ｐ_Ｔ）は、３／２である。送信素子及び受信素子の径は、１．９λである。超音波の周波数ｆは４０ｋＨｚである。このとき、波長λは、約８．３ｍｍである。

図２（ａ）～図２（ｃ）の横軸は、角度θである。図２（ａ）の縦軸は、アレイ・ファクタＡＦである。図２（ｂ）の縦軸は、送受信における素子ファクタＥＦ_ＴＲである。図２（ｃ）の縦軸は、送受信における指向性Ｄ_ＴＲである。図２（ａ）は、偏向角θ_０が２０度である場合の特性に対応する。偏向角θ_０は、Ｚ軸方向を基準にしたときの角度である。

図２（ａ）において、送信素子アレイのアレイ・ファクタＡＦ_Ｔ、受信素子アレイのアレイ・ファクタＡＦ_Ｒ、及び、送受信アレイのアレイ・ファクタＡＦ_ＴＲが示されている。送受信アレイのアレイ・ファクタＡＦ_ＴＲは、送信素子アレイのアレイ・ファクタＡＦ_Ｔと、受信素子アレイのアレイ・ファクタＡＦ_Ｒと、の積である。送信素子アレイのアレイ・ファクタＡＦ_Ｔは、「ｐ_Ｔ／λ＝２」に対応する。受信素子アレイのアレイ・ファクタＡＦ_Ｒは、「ｐ_Ｒ／λ＝３」に対応する。

図２（ａ）に示すように、この例において、角度θが、偏向角θ_０の２０°であるときに、ピークが存在する。このピークは、メインローブＭＬに対応する。角度θが２０°以外であるときに、他のピークがある。メインローブＭＬと同じ高さを有する他のピークは、グレーティングローブＧＬに対応する。縦軸の値が実質的に０である点は、「Ｎｕｌｌ」に対応する。

図２（ａ）において、メインローブＭＬの左側の領域において、－１次のグレーティングローブＧＬ（グレーティングローブＧＬ（－１））がある。その左に、－２次のグレーティングローブＧＬ（グレーティングローブＧＬ（－２））がある。さらに、他のグレーティングローブＧＬがある。メインローブＭＬの右側の領域において、１次のグレーティングローブＧＬ（グレーティングローブＧＬ（＋１））がある。メインローブＭＬの左側の領域において、メインローブＭＬに近い順に、－１次、－２次、．．．の「Ｎｕｌｌ」がある。メインローブＭＬの右側の領域において、メインローブＭＬに近い順に、＋１次、＋２次、．．．の「Ｎｕｌｌ」がある。グレーティングローブＧＬは、たとえば、超音波ビームを走査して形成する画像上では虚像としてみえる。グレーティングローブＧＬを視野内に実質的に存在しないようにすることで、良好な検出が可能になる。

超音波センサ１１９においては、「ｐ_Ｔ／λ＝２」の条件、及び、「ｐ_Ｒ／λ＝３」の条件が採用されている。この場合、送信素子の±１次のグレーティングローブＧＬの角度θが、受信素子の「Ｎｕｌｌ」の角度θと一致する。このとき、送受信のアレイ・ファクタＡＦ_ＴＲにおけるグレーティングローブＧＬは、送信素子の±１次のグレーティングローブＧＬに対応する角度θで消失する。一方、送受信のアレイ・ファクタＡＦ_ＴＲにおけるグレーティングローブＧＬは、送信素子の－２次のグレーティングローブＧＬに対応する角度θでは消えない。この角度θは、約４０°である。

この例では、図２（ｂ）に示すような送受信の素子ファクタＥＦ_ＴＲが適用される。この場合、送受信の素子ファクタＥＦ_ＴＲは、送信素子の－２次のグレーティングローブＧＬに対応する角度θ（約－４０°）で小さい。約４０°の角度θにおける送受信の素子ファクタＥＦ_ＴＲは、実質的に０である。

したがって、図２（ｃ）に示すように、この角度θ（約－４０°）において、送受信の指向性Ｄ_ＴＲは低くなる。このように、送受信の指向性Ｄ_ＴＲにおいて、送信素子の－２次のグレーティングローブＧＬに対応するピークは実質的に生じない。

図２（ｃ）には、偏向角θ_０が０°～３０°の場合における送受信の指向性Ｄ_ＴＲが示されている。偏向角θ_０が０°～２０°の範囲において、不要なグレーティングローブＧＬに対応するピークは実質的に生じない。偏向角θ_０がこの範囲を超えると、ピークが残る。このように、偏向角θ_０が２０°以下の場合は、グレーティングローブＧＬの影響を抑制して、超音波ビームを偏向できる。

しかしながら、超音波センサ１１９においては、偏向できる角度は４０°以下（±２０°以下）である。偏向できる角度の範囲が狭い。このため、視野が狭い。

一方、実施形態に係る超音波センサ１１０においては、複数の第１素子１１及び複数の第２素子１２で受信が行われる。複数の第１素子１１を含む第１素子アレイ１１Ａのアレイ・ファクタをＡＦ_１とする。複数の第２素子１２を含む第２素子アレイ１２Ａのアレイ・ファクタをＡＦ_２とする。指向性は、以下で与えられる。
ＤＴ＝ＥＦ
Ｄ_Ｒ１＝ＥＦ・ＡＦ_１
Ｄ_Ｒ２＝ＥＦ・ＡＦ_２
Ｄ_ＴＲ１＝Ｄ_Ｔ・Ｄ_Ｒ１＝ＥＦ^２・ＡＦ_１
Ｄ_ＴＲ２＝Ｄ_Ｔ・Ｄ_Ｒ２＝ＥＦ^２・ＡＦ_２ ・・・（５）
Ｄ_ＴＲ１は、第１素子アレイ１１Ａの送受信の指向性である。Ｄ_ＴＲ２は、第２素子アレイ１２Ａの送受信の指向性である。

第１素子アレイ１１Ａの送受信の指向性Ｄ_ＴＲ１と、第２素子アレイ１２Ａの送受信の指向性Ｄ_ＴＲ２と、を乗算すると、
Ｄ_ＴＲ＝Ｄ_ＴＲ１×Ｄ_ＴＲ２＝ＥＦ^４・（ＡＦ_１・ＡＦ_２） ・・・（６）
ようになる。

グレーティングローブＧＬの抑制は、たとえば、（ＡＦ_１・ＡＦ_２）の過程で行われる。これにより、実施形態に係る超音波センサ１１０において、グレーティングローブＧＬが抑制できる。

図３（ａ）～図３（ｃ）は、実施形態に係る超音波センサの特性を例示するグラフ図である。
これらの図は、実施形態に係る超音波センサ１１０の特性を例示している。超音波センサ１１０において、数Ｎ_Ｒ１は、１０である。数Ｎ_Ｒ２は、８である。第１ピッチｐ_Ｒ１は、２λである。第２ピッチｐ_Ｒ２は、２．５λである。λは、超音波の波長である。素子ピッチ比（＝ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１）は、５／４である。複数の第１素子１１及び複数の第２素子のそれぞれの径ｄｍ（図１３（ａ）参照）は、０．６λである。超音波の周波数ｆは４０ｋＨｚである。このとき、波長λは、約８．３ｍｍである。

図３（ａ）～図３（ｃ）の横軸は、角度θである。図３（ａ）の縦軸は、アレイ・ファクタＡＦである。図３（ｂ）の縦軸は、送受信における素子ファクタＥＦ_ＴＲである。この例では、説明を簡単にするため、送受信における素子ファクタＥＦ_ＴＲは、１とする。実施形態において、例えば、偏向角θ_０が４５度のときの送受信の素子ファクタＥＦ_ＴＲは、偏向角θ_０が０度のときの送受信の素子ファクタＥＦ_ＴＲの１／２以上（または０．７倍以上）でも良い。図３（ｃ）の縦軸は、送受信における指向性Ｄ_ＴＲである。図３（ａ）の特性は、偏向角θ_０が４５度である場合の特性に対応する。

図３（ａ）において、第１素子１１のアレイ・ファクタＡＦ_１、及び、第２素子１２のアレイ・ファクタＡＦ_２、及び、送受信のアレイ・ファクタＡＦ_ＴＲが示されている。図３（ａ）に示すように、第１素子１１のアレイ・ファクタＡＦ_１において、－１次のグレーティングローブＧＬ、－２次のグレーティングローブＧＬ、及び、－３次のグレーティングローブＧＬが生じる。これらのグレーティングローブＧＬが生じる角度θは、第２素子１２のアレイ・ファクタＡＦ_２の「Ｎｕｌｌ」が生じる角度θと実質的に一致する。このため送受信のアレイ・ファクタＡＦ_ＴＲにおけるグレーティングローブＧＬが抑制される。高次のグレーティングローブＧＬが抑制できる。

図３（ｃ）に示すように、偏向角θ_０が０°～６０°の範囲で、グレーティングローブＧＬの影響を抑制できる。０°～６０°の範囲の広い角度で、超音波ビームを偏向できる。これにより、広い角度範囲で対象を検出できる。実施形態によれば、広い検出領域を有する超音波センサが提供できる。広い視野が得られる。

超音波センサ１１９においては、指向性Ｄ_ＴＲ（θ）は、｛ＥＦ（θ）｝^２に比例する。一方、超音波センサ１１０においては、指向性Ｄ_ＴＲ（θ）は、｛ＥＦ（θ）｝^４に比例する。超音波センサ１１０においては、エレメント・ファクタＥＦ(θ)は実質的に１であることが好ましい。これにより、広い指向性が得やすい。たとえば、送信素子１５は、広指向性で等方的な超音波を放射できることが好ましい。実施形態において、１回の送信で、高速にデータを取得することが可能である。

超音波センサ１１０における信号の処理の例について説明する。物体で反射した超音波は、第１素子アレイ１１Ａ及び第２素子アレイ１２Ａに入射する。第１素子アレイ１１Ａ及び第２素子アレイ１２Ａで、受信信号が発生する。

たとえば、第１素子アレイ１１Ａで発生した受信信号は、第１プリアンプ７１ａにより増幅された後、第１Ａ／Ｄコンバータ７１ｂによりデジタル信号に変換され、たとえば、メモリ内に記憶される。変換されたデジタル信号は、第１遅延回路７１ｃにより遅延処理が行われた後に、第１加算回路７１ｄで加算される。遅延時間の設定により定まる偏向角θ_０で到着した超音波の信号が強調される。

たとえば、第２素子アレイ１２Ａで発生した受信信号は、第２プリアンプ７２ａにより増幅された後、第２Ａ／Ｄコンバータ７２ｂによりデジタル信号に変換され、たとえば、メモリ内に記憶される。変換されたデジタル信号は、第２遅延回路７２ｃにより遅延処理が行われた後に、第２加算回路７２ｄで加算される。遅延時間の設定により定まる偏向角θ_０で到着した超音波の信号が強調される。

第１加算回路７１ｄから出力される第１遅延和信号と、第２加算回路７２ｄから出力される第２遅延和信号が、乗算回路７６において、乗算される。乗算された信号が、ローパスフィルタ７７を通過して、乗算された信号の包絡線が検出される。たとえば、包絡線も基づく輝度信号が生成される。この輝度信号が、偏向角θ_０の方向の走査線として、画面上に描画される。偏向角θ_０を変えて同じ過程を繰り返すことにより、複数の走査線が画面上に描画される。これにより、物体の像が描画される。

偏向角θ_０を変えての繰り返し処理は、たとえば、メモリに記憶されている受信信号を用いて、デジタル信号処理系の内部で行われる。このため、全体像を描画するのに必要な送信回数は、１回で良い。これにより、高速にデータを取得することができる。

このように、処理部７０は、第１動作を実施可である。処理部７０は、第１動作において、第１信号に基づく信号と、第２信号に基づく信号と、の乗算結果に応じた第１動作信号（たとえば、出力信号ＳｉｇＯ）を出力可能である。たとえば、処理部７０は、第１信号の遅延和算演結果と、第２信号の遅延和算演算結果と、を乗算する。処理部７０は、乗算した結果に応じた信号を出力信号ＳｉｇＯとして出力可能である。

実施形態においては、たとえば、１回の送信で全ての素子での受信信号を取得することができる。たとえば、上記の参考例の超音波センサ１１９においては、送受信の時間が長い。たとえば、参考例の超音波センサ１１９において、素子アレイから検出領域までの距離をＤＳとする。音速をｃ１とする。このとき、１回の送受信に要する時間Δｔは２ＤＳ／ｃ１である。１画面を形成するために必要な走査線の数Ｎｐ１とする。１画面の形成に要する時間Ｔｍは、Ｎｐ１・Δｔで得られ、（２Ｎｐ１・ＤＳ）／ｃ１となる。たとえば、距離ＤＳを２ｍとする。θが±４５°以下の領域を５°ステップで１次元セクタの走査をする場合、走査線の数Ｎｐ１は、１９である。超音波の媒体が空気の場合、１画面のデータ取得の時間は、約０．２３秒である。さらに２次元走査の場合には、走査線の数Ｎｐ１は、１９^２であり、３６１となる。この場合には、１画面のデータ取得の時間は、約４．４秒である。このように、超音波センサ１１９においては、送受信の時間が長い。

これに対して、実施形態に係る超音波センサ１１０においては、超音波の反射を第１素子アレイ１１Ａ及び第２素子アレイ１２Ａで受信する。第１素子アレイ１１Ａで受信された信号が遅延和処理され、第２素子アレイ１２Ａで受信された信号が遅延和処理される。遅延和処理された複数の信号が乗算処理される。乗算処理された結果に基づく信号により、２次元の画像のためのデータが得られる。１回の超音波の送信で、像を形成するためのデータが得られる。これにより、高速に２次元像を取得できる。実施形態によれば、広い検出領域に加えて、高速の検出が可能になる。

上記の遅延和処理において、たとえば、受信した信号が増幅される。増幅された信号が、たとえば、メモリに記憶される。記憶された信号により遅延処理が行われる。第１素子アレイ１１Ａで受信された信号に関する記憶及び遅延処理は、たとえば、複数の第１Ａ／Ｄコンバータ７１ｂ及び複数の第１遅延回路７１ｃで行われる。第２素子アレイ１２Ａで受信された信号に関する記憶及び遅延処理は、たとえば、複数の第２Ａ／Ｄコンバータ７２ｂ及び複数の第２遅延回路７２ｃで行われる。

実施形態に係る処理において、処理に用いる素子の数を変更することで、素子アレイの口径を変えることができる。以下、口径と、音場の距離と、の関係の例について、説明する。

素子アレイに近い近距離音場と、素子アレイから遠い遠距離音場と、で、超音波の伝搬の特性が異なる。上述した特性は、たとえば、遠距離音場において成立する。近距離音場では、所望の特性を得ることが困難である。近距離音場と遠距離音場との間の境界と、素子アレイと、の間の距離Ｚｂは、近似的に、
Ｚｂ＝Ｗ^２／４λ ・・・（７）
で表される。

Ｗは、素子アレイの口径である。後述するように、実施形態において、素子アレイの口径Ｗを実質的に変化させても良い。たとえば、受信に用いる素子の数を変えることで、素子アレイの口径Ｗを変えることができる。これにより、素子アレイからの距離Ｚｂを変えることができる。距離Ｚｂを変えることで、より広い範囲の対象を検出できる。

たとえば、実施形態に係る１つの例において、１回の送信で全ての素子での受信信号を取得する。そして、全ての素子での受信信号の一部を使う処理を行うことで、素子アレイの口径Ｗを小さくできる。これにより、近い物体を検出できる。全ての素子での受信信号を使う処理を行うことで、素子アレイの口径Ｗを大きくできる。これにより、近い物体を検出できる。このような検出の例については、後述する。

以下、グレーティングローブＧＬの影響を抑制の例について説明する。
既に説明したように、実施形態に係る超音波センサ１１０では、たとえば、以下の式（１）及び式（２）が満たされる。
ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１＝（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）／Ｎ_Ｒ２ ・・・（１）
ｊ≠ｎ・Ｎ_Ｒ２／ｍ ・・・（２）
この場合に、高次のグレーティングローブＧＬの影響を抑制できる。

以下、この特性について、説明する。
素子数Ｎ及びピッチｐを有する素子アレイのアレイ・ファクタＡＦは、
ＡＦ（θ）＝ｓｉｎ［（Ｎ・π・ｐ）／λ（ｓｉｎθ－ｓｉｎθ_０）］・・・（８）
で与えられる。

ｍ次（ｍは整数）のグレーティングローブＧＬが生じる角度θ_ｍは、
θ_ｍ＝ｓｉｎ^－１（ｓｉｎθ_０＋ｍλ・ｐ） ・・・（９）
ｍ＝±１、±２、±３、・・・
で与えられる。

ｎ次の「Ｎｕｌｌ」が生じる角度θ_ｍは、
θｎ＝ｓｉｎ^－１｛ｓｉｎθ_０＋（ｎ／Ｎ）・λ／ｐ｝・・・（１０）
ｎ＝±１、±２、±３、・・・
ｎ≠±Ｎ、±２Ｎ、±３Ｎ・・・
で与えられる。

上記の式（９）及び式（１０）から以下が導出できる。
以下の第１条件のときに、第１素子アレイ１１Ａの１次のグレーティングローブＧＬの角度θと、第２素子アレイ１２Ａの「Ｎｕｌｌ」の角度θと、が互いに一致する。第１条件は、ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１＝１、２、３、・・・であり、かつ、ｎ＝±Ｎ_Ｒ２（ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１）が整数である。

以下の第２条件のときに、第１素子アレイ１１Ａの２次のグレーティングローブＧＬの角度θと、第２素子アレイ１２Ａの「Ｎｕｌｌ」の角度θと、が互いに一致する。第２条件は、ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１＝１／２、２／２、３／２、・・・であり、かつ、ｎ＝±Ｎ_Ｒ２（２ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１）が整数である。

第３条件のときに、第１素子アレイ１１Ａの３次のグレーティングローブＧＬの角度θと、第２素子アレイ１２Ａの「Ｎｕｌｌ」の角度θと、が互いに一致する。第３条件は、ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１＝１／３、２／３、３／３、・・・であり、かつ、ｎ＝±Ｎ_Ｒ２（３ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１）が整数である。

上記の第１～第３条件を同時に満足するときに、第１素子アレイ１１Ａの１次～３次のグレーティングローブＧＬを、第２素子アレイ１２Ａの「Ｎｕｌｌ」により、同時に抑制できる。たとえば、図３（ａ）～図３（ｃ）に示した例では、ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１＝５／４であり、かつ、Ｎ_Ｒ２＝８であり、上記の第１～第３条件を満たしている。

たとえば、ｋ次（ｋ≧２）次までの高次のグレーティングローブＧＬを同時に抑制する条件は、ｊ＝１、２、．．．、Ｎ_Ｒ２－１としたとき、
ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１＝（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）／Ｎ_Ｒ２
ｊ≠ｎ・Ｎ_Ｒ２／ｍ
となる。ｍは、１以上ｋ以下の整数である。ｎは、１以上ｍ－１以下の整数である。実用的には、６次までの高次のグレーティングローブＧＬを同時に抑制すれば良い。従って、ｋは、２以上６以下の整数として良い。

これらの式は、既に説明した式（１）及び式（２）に対応する。このときに、第１素子アレイ１１Ａの１次～ｋ次までの高次のグレーティングローブＧＬを、第２素子アレイ１２Ａの「Ｎｕｌｌ」により、同時に抑制することができる。これにより、広い範囲の偏向角θ_０において、適切な検出を行うことができる。広い検出領域を有する超音波センサを提供することができる。

図２（ａ）～図２（ｃ）に例示した超音波センサ１１９においては、ｋは１であり、上記の式（１）及び式（２）は、満たされない。

実施形態において、偏向角θ_０は、たとえば、－４５°以上＋４５°以下である。第１素子アレイ１１Ａの口径Ｗ_Ｒ１は、（Ｎ_Ｒ１－１）・ｐ_Ｒ１である。第２素子アレイ１２Ａの口径Ｗ_Ｒ２は、（Ｎ_Ｒ２－１）・ｐ_Ｒ２である。実用的に、口径Ｗ_Ｒ１は、口径Ｗ_Ｒ２に近いことが好ましい。これにより、超音波センサがコンパクトになる。実用的に、数Ｎ_Ｒ１は１６以下であり、数Ｎ_Ｒ２は１６以下であることが好ましい。過度に数が多いと、超音波センサが大きくなり、回路構成が複雑になる。そして、ｐ_Ｒ１／λは、１以上４以下であることが好ましい。ｐ_Ｒ２／Ｐ_Ｒ１は、１を超え２未満であることが好ましい。実用的なサイズの超音波センサが得やすくなる。

このような実用的な条件において、高次のグレーティングローブＧＬが抑制できる条件の例について説明する。

図４は、超音波センサの特性を例示する図である。
図４は、数Ｎ_Ｒ２が３～１６のときのそれぞれにおける、高次のグレーティングローブＧＬが抑制できる数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）を例示している。図４において、「１．２≦ｐ_Ｒ１／λ＜１．８」は、１次及び２次のグレーティングローブＧＬの抑制に対応する。「１．８≦ｐ_Ｒ１／λ＜２．４」は、１次～３次のグレーティングローブＧＬの抑制に対応する。「２．４≦ｐ_Ｒ１／λ＜２．９」は、１次～４次のグレーティングローブＧＬの抑制に対応する。「２．９≦ｐ_Ｒ１／λ＜３．５」は、１次～５次のグレーティングローブＧＬの抑制に対応する。「３．５≦ｐ_Ｒ１／λ＜４．１」は、１次～６次のグレーティングローブＧＬの抑制に対応する。実用的には、１次～６次のグレーティングローブＧＬを抑制すると良いと考えられる。図４には、数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）に関して、グレーティングローブＧＬの抑制の効果が高い、上位３つの値が記載されている。１つの条件において、左側から右側に、グレーティングローブＧＬの抑制効果が高い順で値が示されている。左側の値における抑制効果は、右側の抑制効果よりも高い。

図４に示すように、たとえば、数Ｎ_Ｒ２が３のとき、数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、４または５が良い。たとえば、数Ｎ_Ｒ２が７のとき、数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、１０または９または８が良い。この場合に、１次～６次のグレーティングローブＧＬが抑制できる。たとえば、数Ｎ_Ｒ２が１６のとき、数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、２２または１８または２３が良い。この場合に、１次～６次のグレーティングローブＧＬが抑制できる。

図５及び図６は、超音波センサの特性を例示する図である。
図５は、数Ｎ_Ｒ２が３～１１のときのそれぞれにおける、高次のグレーティングローブＧＬが抑制できる数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）を例示している。図６は、数Ｎ_Ｒ２が１２～１６のときのそれぞれにおける、高次のグレーティングローブＧＬが抑制できる数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）を例示している。図５及び図６において、数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）に関して、グレーティングローブＧＬの抑制の効果が高い、上位５つの値が記載されている。１つの条件において、左側から右側に、グレーティングローブＧＬの抑制効果が高い順で値が示されている。

図６に示すように、たとえば、数Ｎ_Ｒ２が１６のとき、数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、２２または１８または２３または３０または２６が良い。この場合に、１次～６次のグレーティングローブＧＬが抑制できる。

実施形態に係る超音波センサ１１０は、たとえば、フェーズド・アレイである。フェーズド・アレイおいて、たとえば、複数の送信素子に供給される送信電圧に、異なる遅延が与えられる。遅延時間を制御することで、素子アレイから送出される超音波ビームの向きを電子的に制御することができる。受信時には、複数の受信素子で受信された受信電圧に異なる遅延を与えて加算する。この遅延時間を制御することで、特定の方向から素子アレイに到達する超音波を強調することができる。

フェーズド・アレイにおいて、素子ピッチをｐとし、超音波の波長をλとする。一般的なフェーズド・アレイにおいては、グレーティングローブＧＬの発生を抑制するために、ｐ≦λ／２とされる。一方、素子アレイの口径Ｗを大きくすることで、高い分解能が得られる。このため、ピッチｐを小さく維持する制約があるため、高い分解能を得るためには、複数の素子の数が増える。

これに対して、上記のように、実施形態においては、グレーティングローブＧＬの影響が抑制される。実施形態においては、たとえば、素子ピッチｐをλ／２よりも大きくてもグレーティングローブＧＬの影響が抑制できる。このため、素子の数が小さくでも口径Ｗを大きくできる。これにより、高い分解能が得やすい。

たとえば、実施形態において、第１ピッチｐ_Ｒ１は、第１超音波の波長の１／２よりも大きい。たとえば、第２ピッチｐ_Ｒ２は、第１超音波の波長の１／２よりも大きい。大きいピッチが採用できることで、少ない数の素子で大きな口径Ｗが得られる。高い分解能が得やすい。

実施形態において、数Ｎ_Ｒ２及び数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、図５及び図６に例示した組み合わせのいずれかを含んでも良い。

（第２実施形態）
第２実施形態においては、数Ｎ_Ｒ２及び数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、公約数α（αは２以上の整数）を有する。数Ｎ_Ｒ２は、公約数αとβとの積である。既に説明したように、上記の第１動作においては、数Ｎ_Ｒ２個の第２素子１２から得られる信号に基づく処理が行われる。第２実施形態においては、別の動作が行われる。別の動作においては、処理部７０は、複数の第１素子１１から得られ、超音波の反射波に応じた信号と、複数の第２素子１２に含まれるβ個の第２素子１２から得られ、反射波に応じた信号と、に基づく処理を実施可能である。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第２実施形態に係る超音波センサの特性を例示する模式図である。
図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す第２実施形態に係る超音波センサ１２０は、図１に関して説明した超音波センサ１１０と同様の構成を有して良い。超音波センサ１２０においては、用いる第２素子１２の数を変えて、動作が行われる。図７（ａ）は、第１動作ＯＰ１に対応する。図７（ｂ）は、別の動作ＯＰＸに対応する。

図７（ａ）に示すように、第２素子アレイ１２Ａの出力端のＺ軸方向の位置を基準位置Ｚ０とする。たとえば、第２素子アレイ１２Ａを送信に用いた場合においては、基準位置Ｚ０に近い近距離音場８０Ｎでは、超音波８０Ｗは平面波状に伝搬する。基準位置Ｚ０から遠い遠距離音場８０Ｆでは、超音波８０Ｗは球面波状に伝搬する。近距離音場８０Ｎと遠距離音場８０Ｆとの間の境界Ｚ１と、基準位置Ｚ０と、の間の距離をＺｂとする。距離Ｚｂは、既に説明した、
Ｚｂ＝Ｗ^２／４λ
で与えられる。「Ｗ」は第２素子アレイ１２Ａの口径である（図７（ａ）参照）。以上の遠距離音場と近距離音場との違いは、受信においても成立する。

第１実施形態に関して説明した特性は、たとえば、遠距離音場８０Ｆにおいて成立する。近距離音場８０Ｎでは、所望の特性を得ることが困難である。たとえば、第２素子アレイ１２Ａの口径Ｗが大きい場合、距離Ｚｂが長くなり、超音波センサ１２０から近い領域での検出が困難になる。

このとき、図７（ｂ）に示すように、別の動作ＯＰＸでは、第２素子アレイ１２Ａに含まれる一部の第２素子１２Ｐにより、反射波を検出する。この場合、第２素子アレイ１２Ａの口径は、口径Ｗから口径Ｗαに縮小する。これにより、動作ＯＰＸにおいては、距離Ｚｂが第１動作ＯＰ１よりも短くなる。超音波センサ１２０から近い領域での検出が容易になる。検出範囲が拡大する。

たとえば、第１動作ＯＰ１及び動作ＯＰＸにより、近い領域と遠い領域とを検出できる。近い領域と遠い領域との両方をみることができる。

たとえば、図７（ａ）の第１動作ＯＰ１において、数Ｎ_Ｒ２は１２であり、ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１＝１６／１２である。この条件において、グレーティングローブＧＬが抑制される。この場合、公約数αは２である。図７（ｂ）の動作ＯＰＸにおいて、Ｎ_Ｒ２を６とし、ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１＝８／６である。この条件においても、グレーティングローブＧＬが抑制される。

第２素子アレイ１２Ａに含まれる１２個の第２素子１２により、遠い領域を検出することができる。第２素子アレイ１２Ａに含まれる６個の第２素子１２により、近い領域を検出することができる。実施形態によれば、グレーティングローブＧＬを抑制しつつ、遠い領域と、近い領域と、をみることができる。

複数の第１素子１１の数Ｎ_Ｒ１とすると、第１素子アレイ１１Ａの口径Ｗ_Ｒ１は、（Ｎ_Ｒ１－１）・ｐ_Ｒ１で与えられる。一方、第２素子アレイ１２Ａの口径Ｗ_Ｒ２は、（Ｎ_Ｒ２－１）・ｐ_Ｒ２で与えられる。数Ｎ_Ｒ１は、口径Ｗ_Ｒ１が口径Ｗ_Ｒ２に近くなるように選べば良い。

数Ｎ_Ｒ２及び数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、複数の公約数αを有しても良い。この場合、口径Ｗを３以上の多段階で切り替えても良い。

たとえば、近距離音場において、超音波ビームの偏向だけでなく、収束も行う第２参考例が考えられる。この第２参考例において、収束位置を変えた送信が行われる。このため、近い領域と遠い領域とを検出する場合には、送受信の回数が著しく増える。データ取得の時間が長い。

これに対して、実施形態においては、用いる素子の数を変えることで、検出領域を簡単に変えることができる。短い時間で広い範囲を検出できる。

以上の操作は、信号処理の対象とする素子の数を変えることで実行できる。たとえば、１回の送信で、全データを取得できる。この動的な口径の変更と、超音波ビームの収束と、を組み合わせて実施しても良い。これにより、たとえば、近距離における分解能をさらに向上できる。

図４に示すように、数Ｎ_Ｒ２及び数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）が、公約数αを有するいくつかの例は、以下となる。数Ｎ_Ｒ２が６である場合、数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、８または１０である。数Ｎ_Ｒ２が８である場合、数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、１０または１４である。数Ｎ_Ｒ２が９である場合、数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、１２または１５である。数Ｎ_Ｒ２が１０である場合、数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、１２、１４または１８である。数Ｎ_Ｒ２が１２である場合、数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、１４、１６、２０または２２である。数Ｎ_Ｒ２が、１４である場合、数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、１６、１８または２０である。数Ｎ_Ｒ２が１６である場合、数（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、１８、２０、２２または２８である。

（第３実施形態）
図８は、第３実施形態に係る超音波センサを例示する模式的平面図である。
図８に示すように、第３実施形態に係る超音波センサ１３０は、複数の第１素子１１、及び、複数の第２素子１２に加えて、複数の第３素子１３及び複数の第４素子１４を含む。超音波センサ１３０は、処理部７０をさらに含んでも良い。超音波センサ１３０におけるこれ以外の構成は、超音波センサ１１０と同様である。たとえば、処理部７０は、図１に関して説明した構成と同様の構成を有して良い。

複数の第３素子１３は、第３素子アレイ１３Ａに含まれる。複数の第４素子１４は、第４素子アレイ１４Ａに含まれる。第３素子アレイ１３Ａ及び第４素子アレイ１４Ａは、素子部１０に含まれる。

複数の第３素子１３は、第３ピッチｐ_Ｒ３で第２方向に並ぶ。この例では、第２方向は、第１方向（たとえば、Ｘ軸方向）に沿う。複数の第４素子１４は、複数の第４素子１４のピッチで並ぶ。複数の第４素子１４のピッチの第２方向（この例では、第１方向と同じ）の成分は、第４ピッチｐ_Ｒ４である。この例では、複数の第４素子１４は、第２ピッチｐ_Ｒ４で第１方向（たとえばＸ軸方向）に沿って並ぶ。この例では、第３ピッチｐ_Ｒ３は、第１ピッチｐ_Ｒ１と実質的に同じである。この例では、第４ピッチｐ_Ｒ４は、第２ピッチｐ_Ｒ２と実質的に同じである。

処理部７０は、第２動作を行う。第２動作は、複数の第３素子１３から得られ、第２超音波の第２反射波に応じた第３信号と、Ｎ_Ｒ４個（Ｎ_Ｒ４は、３以上の整数）の第４素子１４から得られ、第２反射波に応じた第４信号と、に基づく処理を含む。ｍｚを１以上ｋｚ以下の整数とする。ｎｚを１以上（ｍｚ－１）以下の整数とする。ｊｚを１以上（Ｎ_Ｒ４－１）以下の整数とする。実用的に、ｋｚは、２以上６以下の整数である。このとき、数Ｎ_Ｒ４、第３ピッチｐ_Ｒ３、及び、第４ピッチｐ_Ｒ４は、
ｐ_Ｒ４／ｐ_Ｒ３＝（Ｎ_Ｒ４＋ｊｚ）／Ｎ_Ｒ４
ｊｚ≠ｎｚ・Ｎ_Ｒ４／ｍｚ
を満たす。

実用的には、ｐ_Ｒ４／ｐ_Ｒ３は、（Ｎ_Ｒ４＋ｊｚ）／Ｎ_Ｒ４の０．９７倍以上１．０３倍以下である。このときも、ｊｚは、ｎｚ・Ｎ_Ｒ４／ｍｚではない。

第３ピッチｐ_Ｒ３が第１ピッチｐ_Ｒ１と実質的に同じであり、第４ピッチｐ_Ｒ４が、第２ピッチｐ_Ｒ２と実質的に同じである場合、複数の第３素子１３及び複数の第４素子１４は、複数の第１素子１１及び複数の第２素子１２に関する上記の式（１）及び式（２）を満たす。

超音波センサ１３０において、処理部７０は、上記の第１動作ＯＰ１を実施可能である。既に説明したように、第１動作ＯＰ１において、複数の第１素子１１、及び、数Ｎ_Ｒ２個の第２素子１２により検出が行われる。第３実施形態における第１動作ＯＰ１は、第１実施形態に関して説明した第１動作ＯＰ１が適用できる。

第３実施形態において、処理部７０は、第２動作をさらに行う。第２動作において、複数の第１素子１１、複数の第２素子１２、複数の第３素子１３及び複数の第４素子１４により検出が行われる。

たとえば、処理部７０は、第２動作において、複数の第１素子１１及び複数の第３素子１３により得られた信号と、Ｎ_Ｒ２個の第２素子１２及びＮ_Ｒ４個の第４素子１４により得られた信号と、に基づく処理を行う。

このように、第３実施形態においては、第１素子アレイ１１Ａ及び第２素子アレイ１２Ａによる第１動作ＯＰ１と、第１素子アレイ１１Ａ、第２素子アレイ１２Ａ、第３素子アレイ１３Ａ及び第４素子アレイ１４Ａによる第２動作と、を切り替えて実施する。

たとえば、第１素子アレイ１１Ａ及び第２素子アレイ１２Ａは、第１サブアレイ１１Ｓに含まれる。第３素子アレイ１３Ａ及び第４素子アレイ１４Ａは、第２サブアレイ１２Ｓに含まれる。第２サブアレイ１２Ｓは、第１サブアレイ１１Ｓと同様の構成を有する。

たとえば、複数の第３素子１３の数は、複数の第１素子１１の数Ｎ_Ｒ１と同じである。複数の第４素子１４の数は、複数の第２素子１２の数Ｎ_Ｒ２と同じである。複数の第１素子１１のなかで複数の第３素子１３に最も近い第１素子１１の第１方向の中心と、複数の第３素子１３のなかで複数の第１素子１１に最も近い第３素子１３の第１方向の中心と、の間の第１方向に沿う距離は、２Δ_Ｒ１である。２Δ_Ｒ１は、第１ピッチｐ_Ｒ１とは異なる。複数の第２素子１２のなかで複数の第４素子１４に最も近い第２素子１２の第１方向の中心と、複数の第４素子１４のなかで複数の第２素子１２に最も近い第４素子１４の第１方向の中心と、の間の第１方向に沿う距離は、２Δ_Ｒ２である。２Δ_Ｒ２は、第２ピッチｐ_Ｒ２とは異なる。

第１サブアレイ１１Ｓ及び第２サブアレイ１２Ｓを同時に動作させた場合、グレーティングローブＧＬの位置は、サブアレイのグレーティングローブＧＬの位置と一致し、「Ｎｕｌｌ」の位置は、サブアレイの「Ｎｕｌｌ」の位置を含んでいる。

たとえば、複数のサブアレイのそれぞれにおいて、高次のグレーティングローブＧＬが抑制されるように設計する。これにより、複数のサブアレイを同時に動作させた場合も、高次のグレーティングローブＧＬが抑制できる。

たとえば、高次のグレーティングローブＧＬを抑制できる２つのサブアレイを用い、１つのサブアレイを動作させる第１動作ＯＰ１と、２つのサブアレイを同時に動作させる第２動作と、を行う。これにより、口径を変更できる。たとえば、近距離の検出のときに第１動作ＯＰ１を行う。たとえば、遠距離の検出のときに第２動作を行う。実施形態において、サブアレイの数は、２以上の任意の整数で良い。

超音波センサ１３０において、たとえば、処理部７０は、第１信号（複数の第１素子１１から得られる信号）に基づく信号及び第２信号（Ｎ_Ｒ２個の第２素子１２から得られる信号）に基づく信号の第１乗算結果と、第３信号（複数の第３素子１３から得られる信号）に基づく信号及び前記第４信号（Ｎ_Ｒ４個の第４素子１４から得られる信号）に基づく信号の第２乗算結果と、の乗算結果に応じた信号を出力可能である。

（第４実施形態）
図９は、第４実施形態に係る超音波センサを例示する模式的平面図である。
図９に示すように、第４実施形態に係る超音波センサ１４０は、複数の第１素子１１、複数の第２素子１２、複数の第３素子１３及び複数の第４素子１４を含む。超音波センサ１４０は、処理部７０をさられに含んでも良い。複数の第１素子１１及び複数の第２素子１２には、第１実施形態に関して説明した構成を適用できる。既に説明したように、複数の第１素子１１及び複数の第２素子１２が並ぶ第１方向は、Ｘ軸方向に沿う。

複数の第３素子１３は、第３ピッチｐ_Ｒ３で第２方向に並ぶ、第２方向は、第１方向と交差する。第２方向と第１方向との間の角度は、たとえば、８０度以上１００度以下である。第２方向と第１方向との間の角度は、たとえば、８８度以上９２度以下でも良い。第２方向は、第１方向に対して実質的に垂直でも良い。第２方向は、たとえば、Ｙ軸方向である。

複数の第４素子１４は、複数の第４素子１４のピッチで並ぶ。複数の第４素子１４のピッチの第２方向の成分は、第４ピッチｐ_Ｒ４である。この例では、第４素子１４は、第２方向に沿って並ぶ。この場合、第４ピッチｐ_Ｒ４は、第２方向（たとえば、Ｙ軸方向）に沿う長さである。

処理部は、第２動作を行う。第２動作は、複数の第３素子１３から得られ、第２超音波の第２反射波に応じた第３信号と、Ｎ_Ｒ４個（Ｎ_Ｒ４は、３以上の整数）の第４素子１４から得られ、第２反射波に応じた第４信号と、に基づく処理を含む。この場合も、ｍｚを１以上ｋｚ以下の整数とする。ｎｚを１以上（ｍｚ－１）以下の整数とする。ｊｚを１以上（Ｎ_Ｒ４－１）以下の整数とする。実用的に、ｋｚは、２以上６以下の整数である。このときに、Ｎ_Ｒ４、第３ピッチｐ_Ｒ３、及び、第４ピッチｐ_Ｒ４は、
ｐ_Ｒ４／ｐ_Ｒ３＝（Ｎ_Ｒ４＋ｊｚ）／Ｎ_Ｒ４
ｊｚ≠ｎｚ・Ｎ_Ｒ４／ｍｚ
を満たす。

実用的に、ｐ_Ｒ４／ｐ_Ｒ３は、（Ｎ_Ｒ４＋ｊｚ）／Ｎ_Ｒ４の０．９７倍以上１．０３倍以下で良い。この場合も、ｊｚは、ｎｚ・Ｎ_Ｒ４／ｍｚではない。

たとえば、第１素子アレイ１１Ａ及び第２素子アレイ１２Ａは、第１サブアレイ１１Ｓに含まれる。第３素子アレイ１３Ａ及び第４素子アレイ１４Ａは、第２サブアレイ１２Ｓに含まれる。たとえば、第１サブアレイ１１Ｓにより、検知の対象に関する第１方向に沿う情報が得られる。第２サブアレイ１２Ｓにより、検知の対象に関する第２方向に沿う情報が得られる。

たとえば、処理部７０は、送信素子１５から送信された超音波の反射波を第１サブアレイ１１Ｓにより受信した信号が、遅延和処理され、さらに乗算処理される。この処理は、Ｘ信号処理サブシステム７１ｅにより行われる。送信素子１５から送信された超音波の反射波を第２サブアレイ１２Ｓにより受信した信号が、遅延和処理され、さらに乗算処理される。この処理は、Ｙ信号処理サブシステム７２ｅにより行われる。Ｘ信号処理サブシステム７１ｅの出力信号と、Ｙ信号処理サブシステム７２ｅの出力信号と、が、乗算回路７６で乗算される。乗算回路７６において、たとえば、Ｘ軸方向の信号と、Ｙ軸方向の信号とが、乗算される。乗算回路７６の出力が、ローパスフィルタ７７を通って、出力される。この出力は、Ｘ軸方向の遅延と、Ｙ軸方向の遅延と、で決まる方向の距離情報を持つ包絡線信号となる。この結果に基づいて、画像形成を行うことができる。

超音波センサ１４０においても、第１方向及び第２方向のそれぞれにおいて、グレーティングローブＧＬの影響を抑制できる。たとえば、第１方向及び第２方向のそれぞれにおいて、広い角度範囲で対象を検出できる。超音波センサ１４０においては、高速に３次元像を形成することができる。

超音波センサ１４０において、たとえば、処理部７０は、第１信号（複数の第１素子１１から得られる信号）に基づく信号及び第２信号（Ｎ_Ｒ２個の第２素子１２から得られる信号）に基づく信号の第１乗算結果と、第３信号（複数の第３素子１３から得られる信号）に基づく信号及び前記第４信号（Ｎ_Ｒ４個の第４素子１４から得られる信号）に基づく信号の第２乗算結果と、の乗算結果に応じた信号を出力可能である。

超音波センサ１４０において、たとえば、第１素子１１の数Ｎ_Ｒ１は、８である。第２素子１２の数Ｎ_Ｒ２は、６である。複数の第１素子１１の第１ピッチｐ_Ｒ１は、１．５λである。複数の第２素子１２の第２ピッチｐ_Ｒ２は、２λである。素子ピッチの比（ｐ_Ｒ１／ｐ_Ｒ２）は４／３である。たとえば、第３素子１３の数Ｎ_Ｒ３は、８である。第４素子１４の数Ｎ_Ｒ４は、６である。複数の第３素子１３の第３ピッチｐ_Ｒ３は、１．５λである。複数の第４素子１４の第４ピッチｐ_Ｒ４は、２λである。素子ピッチの比（ｐ_Ｒ３／ｐ_Ｒ４）は４／３である。たとえば、超音波の周波数ｆは、４０ｋＨｚである。このとき、超音波の波長は、８．３ｍｍである。

超音波センサ１４０において、複数の第１素子１１の１つは、第１素子アレイ１１Ａと、第３素子アレイ１３Ａと、でシェアされている。超音波センサ１４０において、送信素子１５が設けられている。実施形態において、送信素子１５が省略され、複数の素子１０Ｅ（図９参照、第１～第４素子１１～１４など）のいずれかから超音波が出力されても良い。

たとえば、超音波センサ１４０は、以下の構成を有しても良い。超音波センサ１４０は、複数の素子１０Ｅを含む。複数の素子１０Ｅは、第１～第４素子１１～１４などを含む。超音波センサ１４０で、第１動作が行われる。第１動作は、第１信号及び第２信号に基づく処理を含む。第１信号は、複数の素子１０Ｅの一部である複数の第１素子１１から得られ、第１超音波の第１反射波に応じた信号である。第２信号は、複数の素子１０Ｅの一部であるＮ_Ｒ２個（Ｎ_Ｒ２は、３以上の整数）の第２素子１２から得られ、第１反射波に応じた信号である。

複数の第１素子１１は、第１方向（たとえば、Ｘ軸方向）の第１ピッチｐ_Ｒ１で第１方向に沿って並ぶ。Ｎ_Ｒ２個の第２素子１２は、Ｎ_Ｒ２個の第２素子１２のピッチで並ぶ。Ｎ_Ｒ２個の第２素子１２のピッチの第１方向の成分は、第２ピッチｐ_Ｒ２である。ｍを１以上ｋ以下の整数とし、ｎを１以上（ｍ－１）以下の整数とし、ｊを１以上（Ｎ_Ｒ２－１）以下の整数とする。実用的に、ｋは、２以上６以下の整数である。ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１は、（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）／Ｎ_Ｒ２の０．９７倍以上１．０３倍以下である。ｊは、ｎ・Ｎ_Ｒ２／ｍではない。たとえば、ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１は、（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）／Ｎ_Ｒ２である。

たとえば、第２動作が行われる。第２動作は、第３信号及び第４信号に基づく処理を含む。第３信号は、複数の素子１０Ｅの一部である複数の第３素子１３から得られ、第１超音波の第２反射波に応じた信号である。第４信号は、複数の素子１０Ｅの一部であるＮ_Ｒ４個（Ｎ_Ｒ４は、３以上の整数）の第４素子１４から得られ、第２反射波に応じた信号である。

複数の第３素子１３は、第２方向（たとえば、Ｙ軸方向）の第３ピッチｐ_Ｒ３で第２方向に並ぶ。Ｎ_Ｒ４個の第４素子１４は、Ｎ_Ｒ４個の第４素子１４のピッチで並ぶ。Ｎ_Ｒ４個の第４素子１４のピッチの第２方向（たとえば、Ｙ軸方向）の成分は、第４ピッチｐ_Ｒ４である。ｍｚを１以上ｋｚ以下の整数とし、ｎｚを１以上（ｍｚ－１）以下の整数とし、ｊｚを１以上（Ｎ_Ｒ４－１）以下の整数とする。実用的に、ｋｚは、２以上６以下の整数である。ｐ_Ｒ４／ｐ_Ｒ３は、（Ｎ_Ｒ４＋ｊｚ）／Ｎ_Ｒ４の０．９７倍以上１．０３倍以下である。ｊｚは、ｎｚ・Ｎ_Ｒ４／ｍｚではない。ｐ_Ｒ４／ｐ_Ｒ３は、（Ｎ_Ｒ４＋ｊｚ）／Ｎ_Ｒ４でも良い。第２方向と第１方向との間の角度は、たとえば、８０度以上１００度以下である。

図１０（ａ）～図１０（ｃ）は、超音波センサの特性を例示する模式図である。
図１０（ａ）に示すように、ＸＹＺ座標において、角度θ及び角度φが定義される。角度θは、天頂角に対応する。角度φは、方位角に対応する。「ｎ」は、角度θ及び角度φを有する方向の単位ベクトルである。成分ｕは、単位ベクトルのＸ軸方向の成分である。成分ｖは、単位ベクトルのＹ軸方向の成分である。偏向角θ_０及び偏向角φ_０は、超音波ビームの偏向角に対応する。

ｕ＝ｓｉｎθｃｏｓφ，ｖ＝ｓｉｎθｓｉｎφ
ｕ_０＝ｓｉｎθ_０ｃｏｓφ_０，ｖ_０＝ｓｉｎθ_０ｃｏｓφ_０
が成立する。

図１０（ｂ）は、第１クロスアレイ信号の和信号と、第２クロスアレイ信号の和信号と、を乗算した結果に対応する。第１クロスアレイ信号の和信号は、Ｘ軸方向に沿う第１素子アレイ１１Ａで得られる信号の遅延信号、及び、Ｙ軸方向に沿う第３素子アレイ１３Ａで得られる信号の遅延信号の和を含む。第２クロスアレイ信号の和信号は、Ｘ軸方向に沿う第２素子アレイ１２Ａで得られる信号の遅延信号、及び、Ｙ軸方向に沿う第４素子アレイ１４Ａで得られる信号の遅延信号の和を含む。この場合、送受信のアレイ・ファクタＡＦ_ＴＲは、（ＡＦ_Ｒ１＋ＡＦ_Ｒ３）・（ＡＦ_Ｒ２＋ＡＦ_Ｒ４）で表される。

図１０（ｃ）は、Ｘ軸方向に沿う第１素子アレイ１１Ａで得られる信号の遅延信号、及び、Ｘ軸方向に沿う第２素子アレイ１２Ａで得られる信号の遅延信号を乗算して得られるＸ軸方向信号と、Ｙ軸方向に沿う第３素子アレイ１３Ａで得られる信号の遅延信号、及び、Ｙ軸方向に沿う第４素子アレイ１４Ａで得られる信号の遅延信号を乗算して得られるＹ軸方向信号と、を乗算した結果に対応する。この場合、送受信のアレイ・ファクタＡＦ_ＴＲは、（ＡＦ_Ｒ１・ＡＦ_Ｒ３）・（ＡＦ_Ｒ２・ＡＦ_Ｒ４）で表される。

規格化された、送受信のアレイ・ファクタＡＦ_ＴＲを、規格化アレイ・ファクタＡＦｎとする。図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）の縦軸は、規格化アレイ・ファクタＡＦｎである。図１０（ｂ）及び図１０（ａ）において、偏向角θ_０は０度であり、偏向角φ_０は、０度である。

図１０（ｂ）に示すように、メインローブＭＬの他に、グレーティングローブＧＬが生じる。グレーティングローブＧＬは、たとえば、Ｘ軸方向の特性と、Ｙ軸方向の特性の相互作用により生じると考えられる。図１０（ｃ）に示すように、グレーティングローブＧＬが抑制される。

超音波センサ１４０においては、たとえば、高次のグレーティングローブＧＬが抑制できる。これにより、広い視野が得られる。超音波センサ１４０において、超音波ビームの収束と、可変口径により近距離を容易に視ることができる。１回の送信で超音波ビームを２次元的に偏向することができる。これにより、３次元像を高速で形成できる。

図１１は、第４実施形態に係る超音波センサを例示する模式的平面図である。
図１１に示すように、第４実施形態に係る超音波センサ１４１は、複数の第１素子１１、複数の第２素子１２、複数の第３素子１３及び複数の第４素子１４を含む。複数の第１素子１１、複数の第２素子１２、複数の第３素子１３及び複数の第４素子１４は、複数の素子１０Ｅの一部である。

複数の第１素子１１は、第１素子アレイ１１Ａに含まれる。複数の第２素子１２は、第２素子アレイ１２Ａに含まれる。第１素子アレイ１１Ａ及び第２素子アレイ１２Ａは、第１サブアレイ１１Ｓに含まれる。複数の第３素子１３は、第３素子アレイ１３Ａに含まれる。複数の第４素子１４は、第４素子アレイ１４Ａに含まれる。第３素子アレイ１３Ａ及び第４素子アレイ１４Ａは、第２サブアレイ１２Ｓに含まれる。

超音波センサ１４１においては、複数の第１サブアレイ１１Ｓと、複数の第２サブアレイ１２Ｓと、が設けられる。超音波センサ１４１においては、複数の第１サブアレイ１１Ｓの間に、送信素子１５が設けられる。複数の第２サブアレイ１２Ｓの間に、送信素子１５が設けられる。複数のサブアレイにおいて、同様の特性の信号が得られる。たとえば、より高い精度の、検出が可能になる。

図１２は、第４実施形態に係る超音波センサを例示する模式的平面図である。
図１２に示すように、第４実施形態に係る超音波センサ１４２は、複数の第１素子１１、複数の第２素子１２、複数の第３素子１３及び複数の第４素子１４を含む。複数の第１素子１１、複数の第２素子１２、複数の第３素子１３及び複数の第４素子１４は、複数の素子１０Ｅの一部である。

この例では、複数の素子１０Ｅの１つである素子１０Ｅｓが、第１素子アレイ１１Ａ及び第３素子アレイ１３Ａでシェアされている。超音波センサ１４２は、たとえば「Ｔ字」型のクロスアレイを含む。超音波センサ１４２においては、送信素子１５の自由度が大きい。これにより、例えば、第１～第４素子１１～１４のピッチを小さくしやすい。

実施形態において、超音波（第１超音波など）は、複数の第１素子１１の少なくとも１つ、及び、複数の第２素子１２の少なくとも１つの、少なくとも１つから放射されても良い。この場合、送信素子１５は省略できる。

図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、実施形態に係る超音波センサを例示する模式的断面図である。
図１３（ａ）は、第１素子アレイ１１Ａに対応する。図１３（ｂ）は、第２素子アレイ１２Ａに対応する。

図１３（ａ）に示すように、複数の第１素子１１の１つは、電極１１ｃ、電極１１ｄ及び中間層１１ｉを含む。中間層１１ｉは、電極１１ｃと電極１１ｄとの間に設けられる。中間層１１ｉは、たとえば、圧電材料などを含む。第１素子１１は、支持部３１ｕに支持される。支持部３１ｕは、基体３１ｓに固定される。第１素子１１は、基体３１ｓから離れる。電極１１ｃ及び電極１１ｄとの間に印加される電圧により、中間層１１ｉを含むダイアフラムがＺ軸方向に変形する。これにより、音波が発生する。

図１３（ｂ）に示すように、複数の第２素子１２の１つは、電極１２ｃ、電極１２ｄ及び中間層１２ｉを含む。中間層１２ｉは、電極１２ｃと電極１２ｄとの間に設けられる。中間層１２ｉは、たとえば、圧電材料などを含む。第２素子１２は、支持部３２ｕに支持される。支持部３２ｕは、基体３２ｓに固定される。第２素子１２は、基体３２ｓから離れる。第２素子１２に音波が入射すると、中間層１２ｉを含むダイアフラムがＺ軸方向に変形する。この変形に基づいて、電極１２ｃ及び電極１２ｄとの間に電気的な信号が生じる。この信号が検出信号に対応する。

図１４は、実施形態に係る超音波センサの使用例を示す模式図である。
図１４に示すように、実施形態に係る超音波センサ（たとえば、超音波センサ１１０）は、たとえば、自立移動ロボット５３１に設けられても良い。たとえば、自立移動ロボット５３１の進路上にある障害物５３０が、超音波センサ１１０により検出される。実施形態においては、大きな偏向角θ_０での検出が可能である。これにより、広い範囲で障害物５３０の距離及び方向を検知できる。自立移動ロボット５３１は、容易に障害物を回避して進むことができる。

図１５は、実施形態に係る超音波センサの使用例を示す模式図である。
実施形態に係る超音波センサ（たとえば、超音波センサ１１０）は、ロボット５４０が保持する対象物５４１を検知する。超音波センサ１１０は、対象物５４１の位置、高さ、及び形状などを検出する。対象物５４１は、光透過性でも良い。実施形態においては、広い検出領域を検出できる。検出は高速である。ロボット５４０は、効率的に対象物５４１を保持できる。

実施形態において、音響媒体は、たとえば、空気である。実施形態において、音響媒体は、たとえば、任意の気体、または、任意の液体、または、任意の固体でも良い。

実施形態に係る超音波センサは、たとえば、周囲の障害物の検知に用いられる。超音波センサは、たとえば、物体の形状の認識に用いられる。超音波を用いた超音波センサにおいては、透明な物体を検出できる。使用の制限が少なく、低コストである。

実施形態は、以下の構成（例えば、技術案）を含む。
（構成１）
複数の第１素子と、
複数の第２素子と、
を備え、
前記複数の第１素子から得られ、第１超音波の第１反射波に応じた第１信号と、前記複数の第２素子に含まれるＮ_Ｒ２個（Ｎ_Ｒ２は、３以上の整数）の前記第２素子から得られ、前記第１反射波に応じた第２信号と、に基づく処理を含む第１動作が行われ、
前記複数の第１素子は、第１方向の第１ピッチｐ_Ｒ１で前記第１方向に沿って並び、
前記Ｎ_Ｒ２個の第２素子は、前記複数の第２素子のピッチで並び、前記複数の第２素子の前記ピッチの前記第１方向の成分は、第２ピッチｐ_Ｒ２であり、
ｍを１以上ｋ以下の整数とし、ｎを１以上（ｍ－１）以下の整数とし、ｊを１以上（Ｎ_Ｒ２－１）以下の整数とし、ｋを２以上６以下の整数としたときに、ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１は、（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）／Ｎ_Ｒ２の０．９７倍以上１．０３倍以下であり、前記ｊは、ｎ・Ｎ_Ｒ２／ｍではない、超音波センサ。

（構成２）
複数の第１素子と、
複数の第２素子と、
を備え、
前記複数の第１素子から得られ、第１超音波の第１反射波に応じた第１信号と、前記複数の第２素子に含まれるＮ_Ｒ２個（Ｎ_Ｒ２は、３以上の整数）の前記第２素子から得られ、前記第１反射波に応じた第２信号と、に基づく処理を含む第１動作が行われ、
前記複数の第１素子は、第１方向の第１ピッチｐ_Ｒ１で前記第１方向に沿って並び、
前記Ｎ_Ｒ２個の第２素子は、前記複数の第２素子のピッチで並び、前記複数の第２素子の前記ピッチの前記第１方向の成分は、第２ピッチｐ_Ｒ２であり、
ｍを１以上ｋ以下の整数とし、
ｎを１以上（ｍ－１）以下の整数とし、
ｊを１以上（Ｎ_Ｒ２－１）以下の整数とし、
ｋを２以上６以下の整数としたときに、
前記Ｎ _Ｒ２ 、前記第１ピッチｐ_Ｒ１、及び、前記第２ピッチｐ_Ｒ２は、
ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１＝（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）／Ｎ_Ｒ２ ・・・（１）
ｊ≠ｎ・Ｎ_Ｒ２／ｍ ・・・（２）
を満たす、超音波センサ。

（構成３）
送信素子をさらに備え、
前記第１超音波は、前記送信素子から放射される、構成１または２に記載の超音波センサ。

（構成４）
前記第１超音波は、前記複数の第１素子の少なくとも１つ、及び、前記複数の第２素子の少なくとも１つの、少なくとも１つから放射する、構成１または２に記載の超音波センサ。

（構成５）
前記第１動作を実施可能な処理部をさらに備え、
前記処理部は、前記第１動作において、前記第１信号に基づく信号と、前記第２信号に基づく信号と、の乗算結果に応じた第１動作信号を出力可能である、構成１～４のいずれか１つに記載の超音波センサ。

（構成６）
前記処理部は、前記第１信号の遅延和算演算結果と、前記第２信号の遅延和算演算結果と、を乗算する、構成５記載の超音波センサ。

（構成７）
前記Ｎ_Ｒ２及び前記（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、公約数α（αは２以上の整数）を有し、
前記Ｎ_Ｒ２は、前記公約数αとβとの積であり、
前記処理部は、別の動作をさらに実施可能であり、
前記処理部は、前記複数の第１素子から得られ、別の超音波の別の反射波に応じた信号と、前記複数の第２素子に含まれるβ個の前記第２素子から得られ、前記別の反射波に応じた信号と、に基づく処理を実施可能である、構成５記載の超音波センサ。

（構成８）
前記複数の第２素子は、前記第１方向に沿って並ぶ、構成１～７のいずれか１つに記載の超音波センサ。

（構成９）
複数の第３素子と、
複数の第４素子と、
をさらに備え、
前記複数の第３素子は、第３ピッチｐ_Ｒ３で第２方向に並び、
前記複数の第４素子は、前記複数の第４素子のピッチで並び、前記複数の第４素子の前記ピッチの前記第２方向の成分は、第４ピッチｐ_Ｒ４であり、
前記処理部は、第２動作をさらに行い、
前記第２動作は、前記複数の第３素子から得られ、第２超音波の第２反射波に応じた第３信号と、Ｎ_Ｒ４個（Ｎ_Ｒ４は、３以上の整数）の前記第４素子から得られ、前記第２反射波に応じた第４信号と、に基づく処理を含み、
ｍｚを１以上ｋｚ以下の整数とし、
ｎｚを１以上（ｍｚ－１）以下の整数とし、
ｊｚを１以上（Ｎ_Ｒ４－１）以下の整数とし、
ｋｚを２以上６以下の整数としたときに、
前記Ｎ_Ｒ４、前記第３ピッチｐ_Ｒ３、及び、前記第４ピッチｐ_Ｒ４は、
ｐ_Ｒ４／ｐ_Ｒ３＝（Ｎ_Ｒ４＋ｊｚ）／Ｎ_Ｒ４
ｊｚ≠ｎｚ・Ｎ_Ｒ４／ｍｚ
を満たす、構成１～４のいずれか１つに記載の超音波センサ。

（構成１０）
前記第２方向は、前記第１方向に沿う、構成９記載の超音波センサ。

（構成１１）
前記第２方向と前記第１方向との間の角度は、８０度以上１００度以下である、構成９記載の超音波センサ。

（構成１２）
前記処理部は、前記第１信号に基づく信号及び前記第２信号に基づく信号の第１乗算結果と、前記第３信号に基づく信号及び前記第４信号に基づく信号の第２乗算結果と、の乗算結果に応じた信号を出力可能である、構成９～１１のいずれか１つに記載の超音波センサ。

（構成１３）
複数の素子を備え、
前記複数の素子の一部である複数の第１素子から得られ、第１超音波の第１反射波に応じた第１信号と、前記複数の素子の一部であるＮ_Ｒ２個（Ｎ_Ｒ２は、３以上の整数）の第２素子から得られ、前記第１反射波に応じた第２信号と、に基づく処理を含む第１動作が行われ、
前記複数の第１素子は、第１方向の第１ピッチｐ_Ｒ１で前記第１方向に沿って並び、
前記Ｎ_Ｒ２個の第２素子は、前記Ｎ_Ｒ２個の第２素子のピッチで並び、前記Ｎ_Ｒ２個の第２素子の前記ピッチの前記第１方向の成分は、第２ピッチｐ_Ｒ２であり、
ｍを１以上ｋ以下の整数とし、ｎを１以上（ｍ－１）以下の整数とし、ｊを１以上（Ｎ_Ｒ２－１）以下の整数とし、ｋを２以上６以下の整数としたときに、ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１は、（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）／Ｎ_Ｒ２の０．９７倍以上１．０３倍以下であり、前記ｊは、ｎ・Ｎ_Ｒ２／ｍではない、超音波センサ。

（構成１４）
前記複数の素子の一部である複数の第３素子から得られ、前記第１超音波の第２反射波に応じた第３信号と、前記複数の素子の一部であるＮ_Ｒ４個（Ｎ_Ｒ４は、３以上の整数）の第４素子から得られ、前記第２反射波に応じた第４信号と、に基づく処理を含む第２動作がさらに行われ、
前記複数の第３素子は、第２方向の第３ピッチｐ_Ｒ３で前記第２方向に並び、
前記Ｎ_Ｒ４個の第４素子は、前記Ｎ_Ｒ４個の第４素子のピッチで並び、前記Ｎ_Ｒ４個の第４素子の前記ピッチの前記第２方向の成分は、第４ピッチｐ_Ｒ４であり、
ｍｚを１以上ｋｚ以下の整数とし、ｎｚを１以上（ｍｚ－１）以下の整数とし、ｊｚを１以上（Ｎ_Ｒ４－１）以下の整数とし、ｋｚを２以上６以下の整数としたときに、ｐ_Ｒ４／ｐ_Ｒ３は、（Ｎ_Ｒ４＋ｊｚ）／Ｎ_Ｒ４の０．９７倍以上１．０３倍以下であり、前記ｊｚは、ｎｚ・Ｎ_Ｒ４／ｍｚではない、構成１３記載の超音波センサ。

（構成１５）
前記第２方向と前記第１方向との間の角度は、８０度以上１００度以下である、構成１４記載の超音波センサ。

（構成１６）
処理部をさらに備え、
前記処理部は、前記第１信号に基づく信号及び前記第２信号に基づく信号の第１乗算結果と、前記第３信号に基づく信号及び前記第４信号に基づく信号の第２乗算結果と、の乗算結果に応じた信号を出力可能である、構成１４または１５に記載の超音波センサ。

（構成１７）
前記第２ピッチｐ_Ｒ２は、前記第１超音波の波長の１／２よりも大きい、構成１～１６のいずれか１つに記載の超音波センサ。

（構成１８）
前記Ｎ_Ｒ２は、６であり、前記（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、８または１０である、構成１～１７のいずれか１つに記載の超音波センサ。

（構成１９）
前記Ｎ_Ｒ２は、８であり、前記（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、１０または１４である、構成１～１７のいずれか１つに記載の超音波センサ。

（構成２０）
前記Ｎ_Ｒ２は、９であり、前記（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、１２または１５である、構成１～１７のいずれか１つに記載の超音波センサ。

（構成２１）
前記Ｎ_Ｒ２は、１０であり、前記（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、１２、１４または１８である、構成１～１７のいずれか１つに記載の超音波センサ。

（構成２２）
前記Ｎ_Ｒ２は、１２であり、前記（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、１４、１６、２０または２２である、構成１～１７のいずれか１つに記載の超音波センサ。

（構成２３）
前記Ｎ_Ｒ２は、１４であり、前記（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、１６、１８または２０である、構成１～１７のいずれか１つに記載の超音波センサ。

（構成２４）
前記Ｎ_Ｒ２は、１６であり、前記（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、１８、２０、２２または２８である、構成１～１７のいずれか１つに記載の超音波センサ。

実施形態によれば、広い検出領域を有する超音波センサが提供できる。

本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、たとえば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。たとえば、超音波センサに含まれる素子及び処理部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した超音波センサを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての超音波センサも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…素子部、 １０Ｅ、１０Ｅｓ…素子、 １１～１４…第１～第４素子、 １１Ａ～１４Ａ…第１～第４素子アレイ、 １１Ｓ、１２Ｓ…第１、第２サブアレイ、 １１ｃ、１１ｄ、１２ｃ、１２ｄ…電極、 １１ｉ、１２ｉ…中間層、 １２Ｐ…第２素子、 １５…送信素子、 ３１ｓ、３２ｓ…基体、 ３１ｕ、３２ｕ…支持部、 ７０…処理部、 ７１ａ、７２ａ…第１、第２プリアンプ、 ７１ｂ、７２ｂ…第１、第２Ａ／Ｄコンバータ、 ７１ｃ、７２ｃ…第１、第２遅延回路、 ７１ｄ、７２ｄ…第１、第２加算回路、 ７１ｅ…Ｘ軸方向信号処理サブシステム、 ７２ｅ…Ｙ軸方向信号処理サブシステム、 ７５ａ…信号源、 ７５ｂ…駆動アンプ、 ７６…乗算回路、 ７７…ローパスフィルタ、 ８０Ｆ…遠距離音場、 ８０Ｎ…近距離音場、 ８０Ｗ…超音波、 θ、θ_ｍ…角度、 θ_０、φ_０…偏向角、 １１０、１１９、１２０、１３０、１４０～１４２…超音波センサ、 ５３０…障害物、 ５３１…自立移動ロボット、 ５４０…ロボット、 ５４１…対象物、 ＡＦ…アレイ・ファクタ、 ＡＦ_１、ＡＦ_２、ＡＦ_Ｔ、ＡＦ_Ｒ、ＡＦ_ＴＲ…アレイ・ファクタ、 Ｄ_ＴＲ２…指向性、 ＤＳ…距離、 ＥＦ_ＴＲ…素子ファクタ、 ＧＬ…グレーティングローブ、 ＭＬ…メインローブ、 ＯＰ１…第１動作、 ＯＰＸ…動作、 ＳｉｇＯ…出力信号、 Ｗ、Ｗα…口径、 Ｚ０…基準位置、 Ｚ１…境界、 Ｚｂ…距離、 ｄｍ…径、 ｐ_Ｒ１～ｐ_Ｒ４…第１～第４ピッチ

Claims (12)

1. 複数の第１素子と、
   複数の第２素子と、
   を備え、
   前記複数の第１素子から得られ、第１超音波の第１反射波に応じた第１信号と、前記複数の第２素子に含まれるＮ_Ｒ２個（Ｎ_Ｒ２は、３以上の整数）の前記第２素子から得られ、前記第１反射波に応じた第２信号と、に基づく処理を含む第１動作が行われ、
   前記複数の第１素子は、第１方向の第１ピッチｐ_Ｒ１で前記第１方向に沿って並び、
   前記Ｎ_Ｒ２個の第２素子は、前記複数の第２素子のピッチで並び、前記複数の第２素子の前記ピッチの前記第１方向の成分は、第２ピッチｐ_Ｒ２であり、
   ｍを１以上ｋ以下の整数とし、ｎを１以上（ｍ－１）以下の整数とし、ｊを１以上（Ｎ_Ｒ２－１）以下の整数とし、ｋを２以上６以下の整数としたときに、ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１は、（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）／Ｎ_Ｒ２の０．９７倍以上１．０３倍以下であり、前記ｊは、ｎ・Ｎ_Ｒ２／ｍではない、超音波センサ。
2. 複数の第１素子と、
   複数の第２素子と、
   を備え、
   前記複数の第１素子から得られ、第１超音波の第１反射波に応じた第１信号と、前記複数の第２素子に含まれるＮ_Ｒ２個（Ｎ_Ｒ２は、３以上の整数）の前記第２素子から得られ、前記第１反射波に応じた第２信号と、に基づく処理を含む第１動作が行われ、
   前記複数の第１素子は、第１方向の第１ピッチｐ_Ｒ１で前記第１方向に沿って並び、
   前記Ｎ_Ｒ２個の第２素子は、前記複数の第２素子のピッチで並び、前記複数の第２素子の前記ピッチの前記第１方向の成分は、第２ピッチｐ_Ｒ２であり、
   ｍを１以上ｋ以下の整数とし、
   ｎを１以上（ｍ－１）以下の整数とし、
   ｊを１以上（Ｎ_Ｒ２－１）以下の整数とし、
   ｋを２以上６以下の整数としたときに、
   前記Ｎ _Ｒ２ 、前記第１ピッチｐ_Ｒ１、及び、前記第２ピッチｐ_Ｒ２は、
   ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１＝（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）／Ｎ_Ｒ２ ・・・（１）
   ｊ≠ｎ・Ｎ_Ｒ２／ｍ ・・・（２）
   を満たす、超音波センサ。
3. 送信素子をさらに備え、
   前記第１超音波は、前記送信素子から放射される、請求項１または２に記載の超音波センサ。
4. 前記第１超音波は、前記複数の第１素子の少なくとも１つ、及び、前記複数の第２素子の少なくとも１つの、少なくとも１つから放射する、請求項１または２に記載の超音波センサ。
5. 前記第１動作を実施可能な処理部をさらに備え、
   前記処理部は、前記第１動作において、前記第１信号に基づく信号と、前記第２信号に基づく信号と、の乗算結果に応じた第１動作信号を出力可能である、請求項１～４のいずれか１つに記載の超音波センサ。
6. 前記処理部は、前記第１信号の遅延和算演算結果と、前記第２信号の遅延和算演算結果と、を乗算する、請求項５記載の超音波センサ。
7. 前記Ｎ_Ｒ２及び前記（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）は、公約数α（αは２以上の整数）を有し、
   前記Ｎ_Ｒ２は、前記公約数αとβとの積であり、
   前記処理部は、別の動作をさらに実施可能であり、
   前記処理部は、前記複数の第１素子から得られ、別の超音波の別の反射波に応じた信号と、前記複数の第２素子に含まれるβ個の前記第２素子から得られ、前記別の反射波に応じた信号と、に基づく処理を実施可能である、請求項５記載の超音波センサ。
8. 複数の第３素子と、
   複数の第４素子と、
   をさらに備え、
   前記複数の第３素子は、第３ピッチｐ_Ｒ３で第２方向に並び、
   前記複数の第４素子は、前記複数の第４素子のピッチで並び、前記複数の第４素子の前記ピッチの前記第２方向の成分は、第４ピッチｐ_Ｒ４であり、
   前記処理部は、第２動作をさらに行い、
   前記第２動作は、前記複数の第３素子から得られ、第２超音波の第２反射波に応じた第３信号と、Ｎ_Ｒ４個（Ｎ_Ｒ４は、３以上の整数）の前記第４素子から得られ、前記第２反射波に応じた第４信号と、に基づく処理を含み、
   ｍｚを１以上ｋｚ以下の整数とし、
   ｎｚを１以上（ｍｚ－１）以下の整数とし、
   ｊｚを１以上（Ｎ_Ｒ４－１）以下の整数とし、
   ｋｚを２以上６以下の整数としたときに、
   前記Ｎ_Ｒ４、前記第３ピッチｐ_Ｒ３、及び、前記第４ピッチｐ_Ｒ４は、
   ｐ_Ｒ４／ｐ_Ｒ３＝（Ｎ_Ｒ４＋ｊｚ）／Ｎ_Ｒ４
   ｊｚ≠ｎｚ・Ｎ_Ｒ４／ｍｚ
   を満たす、請求項１～４のいずれか１つ記載の超音波センサ。
9. 前記処理部は、前記第１信号に基づく信号及び前記第２信号に基づく信号の第１乗算結果と、前記第３信号に基づく信号及び前記第４信号に基づく信号の第２乗算結果と、の乗算結果に応じた信号を出力可能である、請求項８記載の超音波センサ。
10. 複数の素子を備え、
    前記複数の素子の一部である複数の第１素子から得られ、第１超音波の第１反射波に応じた第１信号と、前記複数の素子の一部であるＮ_Ｒ２個（Ｎ_Ｒ２は、３以上の整数）の第２素子から得られ、前記第１反射波に応じた第２信号と、に基づく処理を含む第１動作が行われ、
    前記複数の第１素子は、第１方向の第１ピッチｐ_Ｒ１で前記第１方向に沿って並び、
    前記Ｎ_Ｒ２個の第２素子は、前記Ｎ_Ｒ２個の第２素子のピッチで並び、前記Ｎ_Ｒ２個の第２素子の前記ピッチの前記第１方向の成分は、第２ピッチｐ_Ｒ２であり、
    ｍを１以上ｋ以下の整数とし、ｎを１以上（ｍ－１）以下の整数とし、ｊを１以上（Ｎ_Ｒ２－１）以下の整数とし、ｋを２以上６以下の整数としたときに、ｐ_Ｒ２／ｐ_Ｒ１は、（Ｎ_Ｒ２＋ｊ）／Ｎ_Ｒ２の０．９７倍以上１．０３倍以下であり、前記ｊは、ｎ・Ｎ_Ｒ２／ｍではない、超音波センサ。
11. 前記複数の素子の一部である複数の第３素子から得られ、前記第１超音波の第２反射波に応じた第３信号と、前記複数の素子の一部であるＮ_Ｒ４個（Ｎ_Ｒ４は、３以上の整数）の第４素子から得られ、前記第２反射波に応じた第４信号と、に基づく処理を含む第２動作がさらに行われ、
    前記複数の第３素子は、第２方向の第３ピッチｐ_Ｒ３で前記第２方向に並び、
    前記Ｎ_Ｒ４個の第４素子は、前記Ｎ_Ｒ４個の第４素子のピッチで並び、前記Ｎ_Ｒ４個の第４素子の前記ピッチの前記第２方向の成分は、第４ピッチｐ_Ｒ４であり、
    ｍｚを１以上ｋｚ以下の整数とし、ｎｚを１以上（ｍｚ－１）以下の整数とし、ｊｚを１以上（Ｎ_Ｒ４－１）以下の整数とし、ｋｚを２以上６以下の整数としたときに、ｐ_Ｒ４／ｐ_Ｒ３は、（Ｎ_Ｒ４＋ｊｚ）／Ｎ_Ｒ４の０．９７倍以上１．０３倍以下であり、前記ｊｚは、ｎｚ・Ｎ_Ｒ４／ｍｚではない、請求項１０記載の超音波センサ。
12. 処理部をさらに備え、
    前記処理部は、前記第１信号に基づく信号及び前記第２信号に基づく信号の第１乗算結果と、前記第３信号に基づく信号及び前記第４信号に基づく信号の第２乗算結果と、の乗算結果に応じた信号を出力可能である、請求項１１記載の超音波センサ。

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