JP2006220636A - 音波センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】従来のように送波素子および受波素子として圧電素子を用いた音波センサに比べて、送波素子から送波される音波における残響成分に起因した不感帯および受波素子から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができる音波センサを提供する。
【解決手段】音波を送波可能な送波素子１０を有する送波装置１と、送波素子１０から送波され物体Ｏｂで反射された音波を受波するとともに受波した音波を電気信号である受波信号に変換する受波素子３０を有する受波装置３とを備え、物体Ｏｂまでの距離と物体Ｏｂの存在する方位とを検出する音波センサであって、送波素子１０が、空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子からなり、受波素子は、音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量型のマイクロホンからなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、音波を利用して物体までの距離や物体の存在する方位などを検出する音波センサに関するものである。
従来から、この種の音波センサとして、例えば、超音波のような疎密波を送波素子を有する送波装置から媒質中へ間欠的に送波し物体による反射波を受波素子を有する受波装置により受波するまでの時間差に基づいて物体までの距離や物体の存在する方位を検出する反射波方式の音波センサ（例えば、特許文献１参照）や、超音波のような疎密波を送波装置から媒質中へ間欠的に送波し受波装置により受波するまでの時間差に基づいて受波装置から送波装置までの距離や受波装置に対して送波装置の存在する方位を検出する直接波方式の音波センサなどが知られている（例えば、特許文献２参照）。なお、超音波センサの応用装置としては、空気中で超音波を伝搬させるものとして、例えば、超音波液面計、車載用バックソナーなどが提供され、水中で超音波を伝搬させるものとして、例えば、ソナー、魚群探知機などが提供され、構造物中で超音波を伝搬させるものとして、例えば、超音波探傷装置、超音波ＣＴなどが提供されている。
上記特許文献１に開示された音波センサは、送波素子から送波された音波を受波する受波装置が一平面上に配列された複数個の受波素子を有しており、音波の到来方向（物体の存在する方位）と隣り合う受波素子において音波が到達する時刻の時間差とが関連することを利用して所望の方位に存在する物体を検出できるように構成されている。
上述の音波センサは、空気中へ音波を送波可能な送波素子および受波した音波を電気信号である受波信号に変換する受波素子それぞれに、圧電素子が広く用いられている。ここにおいて、送波素子と受波素子との両方に圧電素子を用いた音波センサでは、一般的に、送波する音波の音圧および受波素子における音波の受波感度を高くする目的で、送波素子から送波する音波の周波数を送波素子および受波素子の共振周波数近傍の周波数に設定している。
特開２００２−１５６４５１号公報 特開２００３−２７９６４０号公報
ところで、上述の音波センサでは、送波素子から送波される音波に送波素子の共振による残響成分が含まれ、さらに、受波素子から出力される受波信号に受波素子の共振による残響成分が含まれる。
圧電素子は一般的に共振特性のＱ値（機械的品質係数Ｑm）が１００よりも大きな値であり、圧電素子からなる送波素子を間欠的に駆動した場合、送波素子から発生する音波は図２０に示すような振動波形となり、共振特性のＱ値が大きいほど、振動波形の振幅が最大となるまでの時間Ｔ１および残響振動が収束するまでの時間（残響時間）Ｔ２が長くなって、音波を送波してから受波するまでの時間が短くなる。したがって、例えば、物体までの距離を検出する音波センサでは、受波素子の近傍に位置する物体までの距離を検出することができなくなる。ここで、音波の音速ｃ〔ｍ／ｓ〕は、温度をｔ〔℃〕とすれば、ｃ＝３３１．５＋０．６ｔであるから、例えば、音速ｃが３４０〔ｍ／ｓ〕であり（この場合、音波は１ｍｓで３４ｃｍだけ進む）、残響時間Ｔ２が２ｍｓであるとすれば、受波素子からの距離が３４ｃｍ以下の位置に存在する物体までの距離の測定が不可能となる。要するに、上述のように送波素子として圧電素子を用いた音波センサでは、送波素子から送波される音波における残響成分に起因した不感帯が長く、受波素子との間の距離が比較的近い物体までの距離を検出することができない。
また、上述のように送波素子および受波素子に圧電素子を用いた音波センサでは、当該音波センサとの間の距離の差が比較的小さい２つの物体が存在する場合、一方の物体により反射された音波が受波素子で受波されて受波信号が発生している間に、当該受波素子へ他方の物体により反射された音波が到達してしまうと２つの物体の識別が困難になる可能性がある。要するに、上述の音波センサでは、送波素子から送波される音波における残響成分および受波素子から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯が長く、検出範囲に複数の物体が存在し音波センサからの距離の差が比較的小さい場合に物体それぞれまでの距離を検出することが困難になる可能性があり、角度分解能を改善したいという要望がある。なお、音波センサに用いる送波素子および受波素子は共振特性のＱ値が大きくなるほど角度分解能が悪化する。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来のように送波素子および受波素子として圧電素子を用いた音波センサに比べて、送波素子から送波される音波における残響成分に起因した不感帯および受波素子から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができる音波センサを提供することにある。
請求項１の発明は、音波を送波可能な送波素子および送波素子を駆動する駆動回路を有する送波装置と、送波素子から送波され物体で反射された音波を受波するとともに受波した音波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置とを備え、物体までの距離と物体の存在する方位との少なくとも一方を検出する音波センサであって、送波素子は、空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子からなり、受波素子は、音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量型のマイクロホンからなることを特徴とする。
この発明によれば、送波素子が空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子により構成されているので、送波素子の共振特性のＱ値が圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さく、且つ、受波素子が音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量型のマイクロホンにより構成されているので、受波素子の共振特性のＱ値が圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さいから、従来のように送波素子および受波素子として圧電素子を用い物体までの距離と物体の存在する方位との少なくとも一方を検出する音波センサに比べて、送波素子から送波される音波における残響成分に起因した不感帯および受波素子から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができる。
請求項２の発明は、音波を送波可能な送波素子および送波素子を駆動する駆動回路を有する送波装置と、送波素子から送波され物体で反射された音波を受波するとともに受波した音波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置とを備え、物体までの距離と物体の存在する方位との少なくとも一方を検出する音波センサであって、送波素子は、空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子からなり、受波素子は、共振特性のＱ値が１０以下であることを特徴とする。
この発明によれば、送波素子が空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子により構成されているので、送波素子の共振特性のＱ値を圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さく、且つ、受波素子の共振特性のＱ値が１０以下なので、受波素子の共振特性のＱ値が圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さいから、従来のように送波素子および受波素子として圧電素子を用い物体までの距離と物体の存在する方位との少なくとも一方を検出する音波センサに比べて、送波素子から送波される音波における残響成分に起因した不感帯および受波素子から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができる。
請求項３の発明は、音波を送波可能な送波素子および送波素子を駆動する駆動回路を有する送波装置と、送波素子から送波された音波を受波するとともに受波した音波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置とを備え、受波装置から送波装置までの距離と受波装置に対して送波装置の存在する方位との少なくとも一方を検出する音波センサであって、送波素子は、空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子からなり、受波素子は、音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量型のマイクロホンからなることを特徴とする。
この発明によれば、送波素子が空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子により構成されているので、送波素子の共振特性のＱ値が圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さく、且つ、受波素子が音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量型のマイクロホンにより構成されているので、受波素子の共振特性のＱ値が圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さいから、従来のように送波素子および受波素子として圧電素子を用い受波装置から送波装置までの距離と受波装置に対して送波装置の存在する方位との少なくとも一方を検出する音波センサに比べて、送波素子から送波される音波における残響成分に起因した不感帯および受波素子から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができる。
請求項４の発明は、音波を送波可能な送波素子および送波素子を駆動する駆動回路を有する送波装置と、送波素子から送波された音波を受波するとともに受波した音波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置とを備え、受波装置から送波装置までの距離と受波装置に対して送波装置の存在する方位との少なくとも一方を検出する音波センサであって、送波素子は、空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子からなり、受波素子は、共振特性のＱ値が１０以下であることを特徴とする。
この発明によれば、送波素子が空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子により構成されているので、送波素子の共振特性のＱ値を圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さく、且つ、受波素子の共振特性のＱ値が１０以下なので、受波素子の共振特性のＱ値が圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さいから、従来のように送波素子および受波素子として圧電素子を用い受波装置から送波装置までの距離と受波装置に対して送波装置の存在する方位との少なくとも一方を検出する音波センサに比べて、送波素子から送波される音波における残響成分に起因した不感帯および受波素子から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができる。
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記音波発生素子は、薄板状の発熱体を備え、発熱体への通電に伴う発熱体層の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで音波を発生させることを特徴とする。
この発明によれば、前記送波素子から残響時間の短い音波を送波することができる。
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記音波発生素子は、ベース基板と、ベース基板の少なくとも一表面側に形成された前記発熱体である発熱体層と、ベース基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層とを備えることを特徴とする。
この発明によれば、前記送波素子から発生期間が短く且つ残響時間の短い音波を送波することができる。
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記音波発生素子は、空気中で対向する一対の電極を有し、両電極間に所定電圧を印加して火花放電を生じさせることにより空気に熱衝撃を与えることで音波を発生させることを特徴とする。
この発明によれば、前記送波素子から発生期間が短く且つ残響時間の短い音波を送波することができる。
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、前記受波装置が前記受波素子を複数個備えるとともに前記各受波素子が一平面上に配列され、前記各受波素子で音波を受波した時間の時間差と前記各受波素子の配置位置とに基づいて前記受波装置に対する音波の到来方向を求める方位検出手段を備えることを特徴とする。
この発明によれば、前記受波装置に対する音波の到来方向を求めることができる。
請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８の発明において、前記送波素子は、共振特性のＱ値が５以下であり、前記受波素子は、共振特性のＱ値が５以下であることを特徴とする。
この発明によれば、従来のように共振特性のＱ値が１００以上の圧電素子を送波素子および受波素子に用いている場合に比べて、残響成分による不感帯を大幅に短縮できるとともに角度分解能を大幅に向上することができる。
請求項１，２の発明では、従来のように送波素子および受波素子として圧電素子を用い物体までの距離と物体の存在する方位との少なくとも一方を検出する音波センサに比べて、送波素子から送波される音波における残響成分に起因した不感帯および受波素子から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができるという効果がある。
請求項３，４の発明では、従来のように送波素子および受波素子として圧電素子を用い受波装置から送波装置までの距離と受波装置に対して送波装置の存在する方位との少なくとも一方を検出する音波センサに比べて、送波素子から送波される音波における残響成分に起因した不感帯および受波素子から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができるという効果がある。
（実施形態１）
本実施形態では、物体の３次元的な位置を求めるために物体までの距離と物体の存在する方位との両方を検出する音波センサについて例示する。
本実施形態の音波センサは、図１に示すように、音波（疎密波）を空気中に間欠的に送波する送波装置１と、物体Ｏｂによる反射波を受波する受波装置３と、受波装置３の出力を信号処理する信号処理回路５とを備え、送波装置１による音波の送波から受波装置３により反射波が受波されるまでの時間差に基づいて物体Ｏｂまでの距離および物体Ｏｂの存在する方位を求めるように構成されている。
送波装置１は、音波を送波可能な送波素子１０と、送波素子１０から音波が間欠的に送波されるように送波素子１０を駆動する駆動回路２０とを備えている。なお、駆動回路２０は、送波素子１０から音波を間欠的に送波するタイミングを制御するタイミング制御部を有している。
一方、受波装置３は、送波素子１０から送波され物体Ｏｂで反射された音波を受波するとともに受波した音波を電気信号である受波信号に変換する複数の受波素子３０を有している。本実施形態の音波センサでは、物体Ｏｂまでの距離だけでなく物体Ｏｂの存在する方位も測定できるように、１０個の受波素子３０を１枚の回路基板の一平面上に配列してある。具体的には、回路基板の１辺に沿った方向に５個の受波素子３０を所定ピッチで配列するとともに、上記１辺に直交する方向に５個の受波素子３０を所定ピッチで配列してある。なお、説明を簡単にするために、受波素子３０が同一平面上において上記１辺に沿った方向のみに所定ピッチで配列されているとし、受波素子３０が配列された面に対する音波の波面の角度がθである場合を想定すると、図２に示すように、音波の到来方向（すなわち、受波装置３に対して物体Ｏｂの存在する方位角）はθになり、音速をｃ、音波の波面が隣り合う受波素子３０のうちの一方の受波素子３０に到達する時刻における音波の波面と他方の受波素子３０の中心との間の距離（遅延距離）をｄ、隣り合う受波素子３０の中心間距離（上記所定ピッチ）をＬとすれば、音波の波面が隣り合う受波素子３０間に到達する時間差Δｔは、Δｔ＝ｄ／ｃ＝Ｌ・ｓｉｎθ／ｃになる。したがって、時間差Δｔが分かれば、物体Ｏｂの存在する方位を演算することができる。ここにおいて、上記所定ピッチは、送波素子１０から送波する音波の波長の０．５倍程度に設定することが望ましい。
信号処理回路５は、各受波素子３０から出力された受波信号をそれぞれ増幅する複数のアンプ５１ａを有する信号増幅部５１と、各アンプ５１ａにて増幅されたアナログの受波信号それぞれをディジタルの受波信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換部５２と、Ａ／Ｄ変換部５２の出力が格納されるメモリ５３と、上記タイミング制御部から音波の送波タイミングを制御する制御信号に同期して出力されるタイミング信号を受けたときにＡ／Ｄ変換部５２を所定の受波期間だけ作動させメモリ５３に格納された受波信号のデータを用いて物体Ｏｂまでの距離を求める演算および物体Ｏｂの存在する方位を求める演算を行うマイクロコンピュータからなる演算部５４とを備えている。
ここにおいて、演算部５４は、上記タイミング信号を受けた時刻（つまり、送波素子１０から音波を送波したタイミング）と、ディジタルの受波信号がメモリ５３に格納された時刻（信号処理回路５内での遅れ時間を無視すれば、受波素子３０により音波を受波したタイミング）との時間差（言い換えれば、送波装置１が音波を送波してから受波装置３が受波するまでの時間）に基づいて、物体Ｏｂまでの距離を演算する距離演算手段と、メモリ５３に格納された各受波素子３０の受波信号のデータを利用して物体Ｏｂの存在する方位（物体Ｏｂにより反射された音波の到来方向）を求める方位検出手段とを備えている。ここにおいて、方位検出手段は、各受波素子３０で音波を受波した時間の時間差と各受波素子３０の配置位置とに基づいて受波装置３に対する音波の到来方向を求める。
なお、本実施形態の音波センサは、最大測定距離を例えば５ｍとすれば、音波は空気中において最大で１０ｍの距離を伝搬すればよいが、送波素子１０から送波された音波は発散損失（距離減衰）や吸収損失や反射損失などの伝搬損失により減衰し、各受波素子３０それぞれから出力される受波信号が１００〜８００μＶ程度の微小な電圧なので、各アンプ５１ａの増幅利得（電圧利得）を４０ｄＢ〜６０ｄＢに設定することでＳ／Ｎ比の低下を防止している。また、上述のように最大測定距離を５ｍとすれば、音波が空気中で１０ｍの距離を伝搬するのに要する時間は３０ｍｓ程度であるから、上述の受波期間は３０ｍｓ程度に設定すればよい。また、メモリ５３には、受波期間における各受波素子３０それぞれの受波信号が格納される、言い換えれば、メモリ５３には、〔受波素子３０の個数〕×〔各受波素子３０からの受波信号のデータ数〕の数だけデータが格納されることになるので、例えば、受波素子３０の個数を１０個、受波期間を３０ｍｓ、Ａ／Ｄ変換部５２のサンプリング周期を１μｓ（サンプリング周波数を１ＭＨｚ）とした場合には、１データを１６ｂｉｔとして、（１０〔個〕）×｛（３０×１０−３）÷（１×１０−６）×１６｝＝４８０００００ｂｉｔ＝６００ｋｂｙｔｅの容量が必要となるから、６００ｋｂｙｔｅ以上の容量のＳＲＡＭなどを使用すればよい。
上述の方位検出手段は、メモリ５３に格納された各受波素子３０それぞれの受波信号をそれぞれ各受波素子３０の配列パターン（配置位置）に応じた遅延時間で遅延させた受波信号を組にして出力する遅延手段と、遅延手段により遅延された受波信号の組を加算する加算器と、加算器の出力波形のピーク値と適宜の閾値との大小関係を比較し閾値を超えるピーク値が得られたときに遅延手段で設定されている遅延時間の組み合わせに対応する方向を物体Ｏｂの存在する方位（音波の到来方向）と判断する判断手段とを備えている。なお、演算部５４の距離演算手段および方位検出手段は、上記マイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現できる。
方位検出手段での処理について、図３（ａ）に示すように、検出範囲（対象領域）内に２つの物体Ｏｂ１，Ｏｂ２が存在し、受波装置３の各受波素子３０へ２つの方位から音波が到来する場合について例示する。ただし、図３（ａ）では、説明を簡単にするために、受波装置３が４個の受波素子３０を有し当該４個の受波素子３０が同一平面上において１次元的に等間隔で配列されている場合を示してある。
図３の（ｂ）は物体Ｏｂ２の存在する方位に対応する各受波素子３０の遅延時間の組み合わせを示し（四角の横辺の長さが遅延時間の長さに対応している）、同図の（ｃ）は（ｂ）の遅延時間で遅延された受波素子３０の受波信号の組を示し、同図の（ｄ）は（ｃ）の受波信号の組を加算した出力波形を示している。また、図３の（ｅ）は物体Ｏｂ１の存在する方位に対応する各受波素子３０の遅延時間の組み合わせを示し（四角の横辺の長さが遅延時間の長さに対応している）、同図の（ｆ）は（ｅ）の遅延時間で遅延された受波素子３０の受波信号の組を示し、同図の（ｇ）は（ｆ）の受波信号の組みを加算した出力波形を示している。図３から分かるように、物体Ｏｂ１，Ｏｂ２の存在する方位によって遅延時間の組み合わせが相違しており、判断手段により各物体Ｏｂ１，Ｏｂ２それぞれの存在する方位を判断することができる。
ここで、送波素子１０から送波される音波における残響時間が従来のように圧電素子よりなる送波素子から送波される音波と同様に長い場合には、上述の受波信号の組を加算した出力波形の発生期間が長くなり、物体Ｏｂ１、Ｏｂ２の識別が困難になる可能性がある。これに対して、本実施形態では、音源である送波素子１０として、空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる熱励起式の音波発生素子を用いることで、送波素子１０の共振特性のＱ値を圧電素子に比べて十分に小さくして残響時間が短い音波を送波するようにし、かつ、受波素子３０として共振特性のＱ値が圧電素子に比べて十分に小さく受波信号に含まれる残響成分の発生期間が短い静電容量型のマイクロホンを用いている。
送波素子１０は、図４に示すように、単結晶のｐ形のシリコン基板からなるベース基板１１の一表面（図４における上面）側に多孔質シリコン層からなる熱絶縁層（断熱層）１２が形成され、熱絶縁層１２上に金属薄膜からなる発熱体層１３が形成され、ベース基板１１の上記一表面側に発熱体層１３と電気的に接続された一対のパッド１４，１４が形成された熱励起式の音波発生素子により構成してある。なお、ベース基板１１の平面形状は長方形状であって、熱絶縁層１２、発熱体層１３それぞれの平面形状も長方形状に形成してある。なお、発熱体層１３は、ベース基板１１の少なくとも上記一表面側に形成されていればよい。
上述の送波素子１０では、発熱体層１３の両端のパッド１４，１４間に通電して発熱体層１３に急激な温度変化を生じさせると、発熱体層１３に接触している空気に急激な温度変化（熱衝撃）が生じる（つまり、発熱体層１３に接触している空気に熱衝撃が与えられる）。したがって、発熱体層１３に接触している空気は、発熱体層１３の温度上昇時には膨張し発熱体層１３の温度下降時には収縮するから、発熱体層１３への通電を適宜に制御することによって空気中を伝搬する音波を発生させることができる。要するに、送波素子１０を構成する熱励起式の音波発生素子は、発熱体層１３への通電に伴う発熱体層１３の急激な温度変化を媒質の膨張収縮に変換することにより媒質を伝搬する音波を発生する。なお、本実施形態では、発熱体層１３が薄板状の発熱体を構成している。ここに、熱励起式の音波発生素子は、少なくとも薄板状の発熱体を備えていればよく、例えば、アルミニウム製の薄板を発熱体として当該発熱体への通電に伴う発熱体の急激な温度変化による熱衝撃によって音波を発生させるものでもよい。
上述の送波素子１０は、ベース基板１１としてｐ形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層１２を多孔度が略６０〜略７０％の多孔質シリコン層により構成しているので、ベース基板１１として用いるシリコン基板の一部をフッ化水素水溶液とエタノールとの混合液からなる電解液中で陽極酸化処理することにより熱絶縁層１２となる多孔質シリコン層を形成することができる（ここで、陽極酸化処理により形成された多孔質シリコン層は、結晶粒径がナノメータオーダの微結晶シリコンからなるナノ結晶シリコンを多数含んでいる）。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなるので、熱絶縁層１２の熱伝導度および熱容量をベース基板１１の熱伝導度および熱容量に比べて小さくし、熱絶縁層１２の熱伝導度と熱容量との積をベース基板１１の熱伝導度と熱容量との積に比べて十分に小さくすることにより、発熱体層１３の温度変化を空気に効率よく伝達することができ発熱体層１３と空気との間で効率的な熱交換が起こり、かつ、ベース基板１１が熱絶縁層１２からの熱を効率良く受け取って熱絶縁層１２の熱を逃がすことができて発熱体層１３からの熱が熱絶縁層１２に蓄積されるのを防止することができる。なお、熱伝導率が１４８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６３×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．７×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）であることが知られている。本実施形態では、上述のように熱絶縁層１２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成してあり、熱絶縁層１２の熱伝導率が０．１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．５×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）となっている。
発熱体層１３は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成してあるが、発熱体層１３の材料はタングステンに限らず、例えば、タンタル、モリブデン、イリジウム、アルミニウムなどを採用してもよい。また、上述の送波素子１０では、ベース基板１１の厚さを３００〜７００μｍ、熱絶縁層１２の厚さを１〜１０μｍ、発熱体層１３の厚さを２０〜１００ｎｍ、各パッド１４の厚さを０．５μｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。また、ベース基板１１の材料としてＳｉを採用しているが、ベース基板１１の材料はＳｉに限らず、例えば、Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよい。
上述のように送波素子１０は、一対のパッド１４，１４を介した発熱体層１３への通電に伴う発熱体層１３の温度変化に伴って音波を発生するものであり、発熱体層１３へ与える駆動電圧波形あるいは駆動電流波形からなる駆動入力波形を例えば周波数がｆ１の正弦波波形とした場合、理想的には、発熱体層１３で生じる温度振動の周波数が駆動入力波形の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２となり、駆動入力波形ｆ１の略２倍の周波数の音波を発生させることができる。すなわち、上述の送波素子１０は、平坦な周波数特性を有しており、発生させる音波の周波数を広範囲にわたって変化させることができる。また、上述の送波素子１０では、例えば正弦波波形の半周期の孤立波を駆動入力波形として駆動回路２０から一対のパッド１４，１４間へ与えることによって、残響の少ない略１周期の音波を発生させることができる。本実施形態では、略１周期の音波を発生させる場合、当該音波の１周期の時間を５０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚ程度の超音波の１周期の時間に設定してあるが、この数値は特に限定するものではない。
また、上述の送波素子１０では、一対のパッド１４，１４を介して発熱体層１３へ与える駆動電圧の波形を図５（ａ）に示すようなガウス波形状の電圧波形とした場合、同図（ｂ）に示すようなガウス波形状の音波を送波することができる。
ここにおいて、送波素子１０から図５（ｂ）に示すようなガウス波形状の音波（ここでは、当該音波の発生期間を５０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚ程度の超音波の１周期の時間に設定してある）を送波させるには、駆動回路２０として、例えば図６に示す回路を採用すればよい。図６に示す構成の駆動回路２０は、直流電源Ｅの両端間にスイッチＳＷを介してコンデンサＣが接続され、コンデンサＣの両端間にサイリスタＴｈとインダクタＬと抵抗Ｒ１と保護用抵抗Ｒ２との直列回路が接続され、保護用抵抗Ｒ２の両端間に送波素子１０を接続するように構成されている。また、駆動回路２０は、上述のように送波素子１０から音波を送波させるタイミングを制御する上述のタイミング制御部（図示せず）を有しており、タイミング制御部によってスイッチＳＷのオンオフが制御されるとともにサイリスタＴｈへ制御信号を与えるタイミングが制御される。ここにおいて、駆動回路２０では、スイッチＳＷのオン期間にコンデンサＣが充電されるが、タイミング制御部は、コンデンサＣの両端電圧を検出しており、コンデンサＣの両端電圧が所定のしきい値を超えるとスイッチＳＷをオフさせてからサイリスタＴｈのゲートへ制御信号を与える。すなわち、図６に示す構成の駆動回路２０では、直流電源ＥからコンデンサＣに電荷を蓄積し、コンデンサＣの両端電圧が所定のしきい値を超えると、タイミング制御部からサイリスタＴｈへ制御信号が与えられてサイリスタＴｈがターンオンし、送波素子１０のパッド１４，１４間に電圧が印加されて発熱体層１３の温度変化に伴って音波が送波される。ここに、インダクタＬのインダクタンスおよび抵抗Ｒ１の抵抗値を適宜設定することにより、図５（ａ）に示すようなガウス波形状の駆動電圧波形を送波素子１０のパッド１４，１４間へ印加することができる。
また、上述の受波素子３０を構成する静電容量型のマイクロホンは、マイクロマシンニング技術を利用して形成されており、例えば、図７に示すように、シリコン基板に厚み方向に貫通する窓孔３１ａを設けることで形成された矩形枠状のフレーム３１と、フレーム３１の一表面側においてフレーム３１の対向する２つの辺に跨る形で配置されるカンチレバー型の受圧部３２とを備えている。ここにおいて、フレーム３１の一表面側には熱酸化膜３５と熱酸化膜３５を覆うシリコン酸化膜３６とシリコン酸化膜３６を覆うシリコン窒化膜３７とが形成されており、受圧部３２の一端部がシリコン窒化膜３７とを介してフレーム３１に支持され、他端部が上記シリコン基板の厚み方向においてシリコン窒化膜３７に対向している。また、シリコン窒化膜３７における受圧部３２の他端部との対向面に金属薄膜（例えば、クロム膜など）からなる固定電極３３ａが形成され、受圧部３２の他端部におけるシリコン窒化膜３７との対向面とは反対側に金属薄膜（例えば、クロム膜など）からなる可動電極３３ｂが形成されている。なお、フレーム３１の他表面にはシリコン窒化膜３８が形成されている。また、受圧部３２は、上記各シリコン窒化膜３７，３８とは別工程で形成されるシリコン窒化膜により構成されている。
図７に示した構成の静電容量型のマイクロホンからなる受波素子３０では、固定電極３３ａと可動電極３３ｂとを電極とするコンデンサが形成されるから、受圧部３２が音波の圧力を受けることにより固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の距離が変化し、固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の静電容量が変化する。したがって、固定電極３３ａおよび可動電極３３ｂに設けたパッド（図示せず）間に直流バイアス電圧を印加しておけば、パッドの間には音波の音圧に応じて微小な電圧変化が生じるから、音波を電気信号に変化することができる。
なお、受波素子３０として用いる静電容量型のマイクロホンの構造は図７の構造に特に限定するものではなく、例えば、シリコン基板などをマイクロマシンニング技術などにより加工して形成され、音波を受けるダイヤフラム部からなる可動電極と、ダイヤフラム部に対向する背板部からなる固定電極との間に、音波を受けていない状態でのダイヤフラム部と背板部とのギャップ長を規定するスペーサ部が介在し、背板部に複数の排気孔が貫設された構造を有するものでもよい。
ところで、図４に示した熱励起式の音波発生素子からなる送波素子１０は共振特性のＱ値が１程度であり、図７に示した静電容量型のマイクロホンからなる受波素子３０の共振特性のＱ値は３〜４程度であり、圧電素子に比べてＱ値が十分に小さく、従来のように送波素子および受波素子に圧電素子を用いている場合に比べて、角度分解能を改善することができる。共振特性のＱ値と角度分解能との関係を図８に示す。図８から分かるように、上述の送波素子１０の角度分解能は５°程度、上述の受波素子３０の角度分解能は９〜１０°程度である。
以上説明したように、本実施形態の音波センサは、送波素子１０が空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子により構成されているので、送波素子１０の共振特性のＱ値が圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さく、従来のように送波素子として圧電素子を用いている場合に比べて、送波する音波の残響時間を短くできる。言い換えれば、送波素子１０から送波する音波に含まれる残響成分の発生期間を従来に比べて短くできる。また、受波素子３０が音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量型のマイクロホンにより構成されているので、受波素子の共振特性のＱ値が圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さく、従来のように受波素子として圧電素子を用いている場合に比べて、受波信号における残響時間を短くできる。言い換えれば、受波素子３０の受波信号に含まれる残響成分の発生期間を従来に比べて短くできる。
しかして、本実施形態の音波センサでは、従来のように送波素子および受波素子として圧電素子を用い物体までの距離と物体の存在する方位とを検出する音波センサに比べて、送波素子１０から送波される音波における残響成分に起因した不感帯および受波素子３０から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができる。
なお、送波素子１０および受波素子３０それぞれの共振特性のＱ値はいずれも１０以下が望ましく、いずれも５以下がより望ましい。また、本実施形態の音波センサは、物体Ｏｂまでの距離と物体Ｏｂの存在する方位との両方を検出するように構成されているが、物体Ｏｂまでの距離と物体Ｏｂの存在する方位とのいずれか一方のみを検出するように構成してもよい。
（実施形態２）
本実施形態の音波センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図９に示すように、送波装置１を構成する送波素子１０および駆動回路２０の構成が相違し、他の構成は実施形態１と同じなので図示および説明を省略する。
本実施形態における送波素子１０は、熱衝撃により音波を発生する音波発生素子であって、空気中で対向する一対の電極１９，１９を有し（両電極１９，１９間にはエアギャップが形成されている）、両電極１９，１９間に所定電圧を印加して火花放電を生じさせることにより空気に熱衝撃を与えることで音波を発生させる。この送波素子１０における共振特性のＱ値は２程度である。したがって、本実施形態の送波素子１０でも、送波素子１０から発生期間が短く且つ残響時間の短い音波を送波することができる。
送波素子１０を駆動する駆動回路２０は、直流電源Ｅ１の両端間に充電用スイッチＳＷ１を介してコンデンサＣ１が接続され、コンデンサＣ１の両端間に放電用スイッチＳＷ２を介して送波素子１０を接続するように構成されている。また、駆動回路２０は、実施形態１と同様に送波素子１０から音波を送波させるタイミングを制御するタイミング制御部（図示せず）を有しており、タイミング制御部によって各スイッチＳＷ１，ＳＷ２のオンオフが制御される。ここにおいて、駆動回路２０では、充電用スイッチＳＷ１と放電用スイッチＳＷ２とを同時にオンさせることはなく、充電用スイッチＳＷ１のオン期間にコンデンサＣ１が充電されるが、タイミング制御部は、コンデンサＣ１の両端電圧を検出しており、コンデンサＣ１の両端電圧が所定のしきい値（例えば、送波素子１０の両電極１９，１９間に火花放電が発生する火花電圧）を超えると充電用スイッチＳＷ１をオフさせてから放電用スイッチＳＷ２をオンさせる制御信号を放電用スイッチＳＷ２へ与える。すなわち、図９に示す構成の駆動回路２０では、直流電源Ｅ１からコンデンサＣ１に電荷を蓄積し、コンデンサＣ１の両端電圧が所定のしきい値を超えると、タイミング制御部から放電用スイッチＳＷ２へ制御信号が与えられて放電用スイッチＳＷ２がオンし、送波素子１０の両電極１９，１９間に火花電圧以上の電圧が印加されて火花放電を生じる。この電極１９、１９間の火花放電により両電極１９，１９周囲の空気に熱衝撃が与えられて空気が膨張収縮することで音波を発生する。なお、火花放電は、両電極１９が対向する方向に直交する平面上においては無指向に音波を発生することができる。また、火花放電によって生じる音波は比較的広帯域の周波数成分を含んでいる。
（実施形態３）
本実施形態の音波センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、送波装置１を構成する送波素子１０および駆動回路２０の構成が相違し、他の構成は実施形態１と同じなので図示および説明を省略する。
本実施形態における送波装置１では、送波素子１０としての音波発生素子が、空気に比べて低熱容量且つ低熱伝導性の被加熱体を備え、駆動回路２０が被加熱体へレーザを照射して被加熱体を加熱することにより、被加熱体に接している空気に熱衝撃を与えて音波を発生させる。しかして、本実施形態においても、送波素子１０から発生期間が短く且つ残響時間の短い音波を送波することができる。
（実施形態４）
本実施形態では、音波センサを利用した位置検出システムとして、図１０（ａ）に示すように、位置検出対象の物体Ｏｂが建物内で床面１００上を移動する移動体（例えば、ショッピングカートなど）であり、音波を送波可能な音源である送波素子１０および送波素子１０を間欠的に駆動する駆動回路２０を有する送波装置１を備えた送波側ユニットＡを物体Ｏｂの上面に搭載する一方で、送波装置１から間欠的に送波された音波を受波する複数の受波素子３０を有する受波装置３（図１１参照）を備えた受波側ユニットＢを施工面である天井面２００の定位置に設置し、送波装置１に対する物体Ｏｂの相対位置を送波装置１の相対位置として求め、物体Ｏｂの移動状況（物体Ｏｂの動き）を追跡する動線計測を行う動線計測システムを例示する。ここにおいて、送波素子１０は、実施形態１にて説明した熱励起式の音波発生素子により構成されており、駆動回路２０の回路構成も実施形態１と同様であるが、送波素子１０および駆動回路２０として実施形態２や実施形態３の構成を採用してもよい。
送波側ユニットＡは、図１１に示すように、上述の送波素子１０および送波素子１０を駆動する駆動回路２０の他に、光もしくは電波からなるトリガ信号を発信するトリガ信号発信器６３と、トリガ信号発信器６３を駆動する駆動回路６４と、固有の識別情報信号を発信する識別情報信号発信器６５と、識別情報信号発信器６５を駆動する駆動回路６６と、各駆動回路２０，６４，６６を制御する制御部６７とを備えている。ここにおいて、送波装置１からの音波の送波開始タイミング、トリガ信号発信器６３からのトリガ信号の送信開始タイミング、識別情報信号発信器６５からの識別情報信号の送信タイミングは、制御部６７により制御される。なお、制御部６７は、マイクロコンピュータを主構成とし、制御部６７の上述の機能はマイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現される。
一方、受波側ユニットＢには、上述の受波装置３と、トリガ信号発信器６３から送信されたトリガ信号を受信したときにトリガ受信信号を出力するトリガ信号受信器７３と、識別情報信号発信器６５から送信された識別情報信号を受信する識別情報信号受信器７５と、受波装置３から出力される受波信号とトリガ信号受信器７３から出力されるトリガ受信信号とに基づいて受波装置３に対する送波装置１の相対位置（送波装置１の存在する方位および送波装置１までの距離）を求めて出力する位置演算部７２と、トリガ信号受信器７３からのトリガ受信信号を受けた時刻（以下、トリガ受信時刻と称す）を出力するタイマ７６と、位置演算部７２から出力される演算結果（送波装置１の存在する方位および送波装置１までの距離）をタイマ７６から出力されたトリガ受信時刻と対応付けて時系列的に記憶するメモリ７４とを備えている。メモリ７４に格納されているトリガ受信時刻、トリガ受信時刻毎の送波装置１の存在する方位および送波装置１までの距離（要するに、各送波装置１それぞれの時系列的な相対位置の変化に関するデータ）は制御部７７により出力部７８のデータ転送形式のデータ列に変換され出力部７８を通して外部のコンピュータなどの管理装置へ出力される。出力部７８としては、例えば、ＴＩＡ／ＥＩＡ−２３２−ＥやＵＳＢなどのようなシリアル転送方式のインタフェースや、ＳＣＳＩなどのようなパラレル転送方式のインタフェースなどを採用することができる。なお、制御部７７の機能はマイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現される。
トリガ信号発信器６３は、トリガ信号として光を採用する場合には、例えば、発光ダイオードを用いればよく、トリガ信号として電波を採用する場合には、例えば、電波発信器を用いればよい。ここにおいて、光や電波は音波に対して十分に高速なので、送波側ユニットＡから受波側ユニットＢまでの音波の到達時間のレンジでは、光や電波の到達時間はゼロとみなすことができる。
識別情報信号発信器６５としては、識別情報信号として光を採用する場合には、例えば、発光ダイオードを用いればよく、識別情報信号として電波を採用する場合には、例えば、電波発信器を用いればよく、識別情報信号として音波を採用する場合には、例えば、熱励起式の音波発生素子を用いればよい。
受波側ユニットＢの受波装置３は、図１０（ｂ）に示すように、送波素子１０から送波された音波を受波するとともに受波した音波を電気信号である受波信号に変換する複数個（図示例では、４個であるが、個数は特に限定するものではない）の受波素子３０が同一基板３９上で２次元的に配列されている。ここにおいて、受波素子３０の中心間距離（配列ピッチ）Ｌは送波素子１０から発生させる音波の波長程度（例えば、音波の波長の０．５〜５倍程度）に設定することが望ましく、音波の波長の０．５倍よりも小さいと音波が隣り合う受波素子３０それぞれへ到達する時間の時間差が小さくなり、当該時間差の検出が困難となる。受波素子３０としては、例えば、実施形態１において説明した静電容量型のマイクロホンを用いればよい。なお、静電容量型のマイクロホンでは、圧電素子に比べて共振特性のＱ値が十分に小さく、受波周波数の範囲を広くとることが可能になる。
トリガ信号受信器７３は、トリガ信号発信器６３から送信するトリガ信号として光を採用する場合には、例えば、フォトダイオードを用いればよく、トリガ信号として電波を採用する場合には、例えば、電波受信アンテナを用いればよい。要するに、トリガ信号受信器７３は、トリガ信号を受信してトリガ信号を電気信号（トリガ受信信号）に変換して出力できるものであればよい。
識別情報信号受信器７５は、識別情報信号発信器６５から送信する識別情報信号として光を採用する場合には、例えば、フォトダイオードを用いればよく、識別情報信号として電波を採用する場合には、例えば、電波受信アンテナを用いればよく、識別情報信号として音波を採用する場合には、例えば、静電容量型のマイクロホンを用いればよい。要するに、識別情報信号受信器７５は、識別情報信号を受信して識別情報信号を電気信号からなる識別情報に変換して出力できるものであればよい。
位置演算部７２は、受波装置３の各受波素子３０で音波を受波した時間の時間差と各受波素子３０の配置位置とに基づいて受波装置３に対して送波装置１の存在する方位を示す方位角θ（音波の到来方向）を求める機能を有している。
以下、位置演算部７２について説明するが、説明を簡単にするために、受波装置３の受波素子３０が図１２に示すように同一平面上において１次元的に等間隔で配列されている例について説明する。受波素子３０が配列された面に対する音波の波面の角度がθ０である場合を想定すると、音波の到来方向（すなわち、受波装置３に対して送波装置１の存在する方位角）はθ０になり、音速をｃ、音波の波面が隣り合う受波素子３０のうちの一方の受波素子３０に到達する時刻における音波の波面と他方の受波素子３０の中心との間の距離（遅延距離）をｄ０、隣り合う受波素子３０の中心間距離をＬとすれば、音波の波面が隣り合う受波素子３０間に到達する時間差Δｔ０（図１３参照）は、Δｔ０＝ｄ０／ｃ＝Ｌ・ｓｉｎθ０／ｃになる。
図１３（ａ）〜（ｃ）は送波素子１０を構成する熱励起式の超音波発生素子の発熱体層１３へ正弦波波形の半周期の波形の駆動電圧を与えたときの図１２の各受波素子３０それぞれの受波信号を示しており、図１３（ａ）が図１２の一番上の受波素子３０の受波信号、図１３（ｂ）が図１２の真ん中の受波素子３０の受波信号、図１３（ｃ）が図１２の一番下の受波素子３０の受波信号を示している。ここにおいて、位置演算部７２は、受波装置３の各受波素子３０で音波を受波した時間の時間差と各受波素子３０の配置位置とに基づいて受波装置３に対して送波装置１の存在する方位（音波の到来方向）を求める方位検出手段を有する信号処理部７２ｃを備えている。信号処理部７２ｃは、受波装置３の各受波素子３０から出力された電気信号である受波信号をそれぞれ各受波素子３０の配列パターンに応じた遅延時間で遅延させた受波信号を組にして出力する遅延手段と、遅延手段により遅延された受波信号の組を加算する加算器と、加算器の出力波形のピーク値と適宜の閾値との大小関係を比較し閾値を超えるピーク値が得られたときに遅延手段で設定されている遅延時間に対応する方向を送波装置１の存在する方位（音波の到来方向）と判断する判断手段とを備えているので、受波装置３に対して送波装置１の存在する方位（音波の到来方向）を検出することができる。ここで、位置演算部７２は、上述の信号処理部７２ｃの他に、受波装置３の各受波素子３０から出力されるアナログの受波信号をディジタルの受波信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換部７２ａと、トリガ信号受信器７３からのトリガ受信信号が入力された時点から所定の受波期間だけＡ／Ｄ変換部７２ａの出力が格納されるデータ格納部７２ｂとを備えており、上述の信号処理部７２ｃは、データ格納部７２ｂにトリガ受信信号が入力されたときに受波期間を設定し、受波期間にのみＡ／Ｄ変換部７２ａを作動させ、受波期間にデータ格納部７２ｂに格納された受波信号のデータを用いて送波装置１の存在する方位を求める。なお、信号処理部７２ｃはマイクロコンピュータなどにより構成される。また、データ格納部７２ｂには、〔受波素子３０の個数〕×〔各受波素子３０からの受波信号のデータ数〕の数だけデータが格納されることになる。
ところで、本実施形態では、送波装置１における送波素子１０として上述の熱励起式の超音波発生素子を用いているので、図１４に示すように、受波装置３の各受波素子３０へ２つの方位から音波が到来する場合に方位角がθ１の方位から到来する音波の方が方位角θ２の方位から到来する音波に比べて先に到達するとすれば、図１５（ａ）〜（ｃ）に示すように各受波素子３０それぞれから出力される２つの受波信号が重なりにくく、各送波装置１それぞれの存在する方位角（音波の到来方向）θ１，θ２を求めることができる。ここで、図１５は、（ａ）が図１４の一番上の受波素子３０の２つの受波信号、（ｂ）が図１４の真ん中の受波素子３０の２つの受波信号、（ｃ）が図１４の一番下の受波素子３０の２つの受波信号を示しており、（ａ）〜（ｃ）それぞれにおける左側の受波信号がθ１の方位から到来した音波に対応し、右側の受波信号がθ２の方位から到来した音波に対応している。なお、θ１の方位からの音波の波面が隣り合う受波素子３０のうちの一方の受波素子３０に到達する時刻における音波の波面と他方の受波素子３０の中心との間の距離（遅延距離）をｄ１（図１４参照）とすれば、音波の波面が隣り合う受波素子３０間に到達する時間差Δｔ１（図１５参照）は、Δｔ１＝ｄ１／ｃ＝Ｌ・ｓｉｎθ１／ｃになり、θ２の方位からの音波の波面が隣り合う受波素子３０のうちの一方の受波素子３０に到達する時刻における音波の波面と他方の受波素子３０の中心との間の距離（遅延距離）をｄ２（図１４参照）とすれば、音波の波面が隣り合う受波素子３０間に到達する時間差Δｔ２（図１５参照）は、Δｔ２＝ｄ２／ｃ＝Ｌ・ｓｉｎθ２／ｃになる。
また、位置演算部７２の信号処理部７２ｃは、トリガ信号受信器７３によりトリガ信号を受信した時刻と受波素子３０により音波を受波した時刻との関係から受波装置３と送波装置１との距離を求める距離演算手段を備えている。ここにおいて、上述のようにトリガ信号として光もしくは電波のように音波に比べて十分に高速な信号を採用していることにより、送波側ユニットＡから受波側ユニットＢまでのトリガ信号の到達時間は送波側ユニットＡから受波側ユニットＢまでの到達時間に比べて十分に短く（無視できる程度に短く）、トリガ信号の到達時間をゼロとみなすことができるので、距離演算手段では、図１６（ａ）〜（ｃ）に示すようにデータ格納部７２ｂを介してトリガ受信信号ＳＴを受信した時刻と当該トリガ信号ＳＴの受信後に最初に受波素子３０からの受波信号ＳＰを受信した時刻との時間差Ｔと、音速とによって受波装置３と送波装置１との間の距離を求めるようにしてある。なお、信号処理部７２ｃの距離演算手段は、当該信号処理部７２ｃを構成するマイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現される。
以上説明した本実施形態の位置検出システムでは、１つの受波側ユニットＢを施工面である天井面２００に設置することで１つの受波装置３を配置することにより当該受波装置３を中心とした検知エリア内に存在する物体Ｏｂに搭載された送波装置１の存在する方位を求めることができるので、複数の超音波受信機（受波装置）を天井面２００において離間して配置する場合に比べて、施工が容易になるとともに受波装置３の配置設計が容易になる。
また、本実施形態の位置検出システムにおける音波センサは、送波装置１と、送波装置１の送波素子１０から送波された音波を受波するとともに受波した音波を電気信号である受波信号に変換する受波素子３０を有する受波装置３とを備え、受波装置３から送波装置１までの距離と受波装置３に対して送波装置１の存在する方位との両方を検出するものであり、送波素子１０が空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子からなり、受波素子３０が音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量型のマイクロホンからなるので、送波素子１０の共振特性のＱ値が圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さく、且つ、受波素子３０の共振特性のＱ値が圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さいから、従来のように送波素子および受波素子として圧電素子を用い受波装置から送波装置までの距離と受波装置に対して送波装置の存在する方位とを検出する音波センサに比べて、送波素子１０から送波される音波における残響成分に起因した不感帯および受波素子３０から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、角度分解能を向上させることができる。なお、位置検出システムへの利用を考えずに、単に音波センサを構成するだけであれば、受波装置３から送波装置１までの距離と受波装置３に対して送波装置１の存在する方位とのいずれか一方のみを検出するようにしてもよい。
ところで、本実施形態の位置検出システムを適用する建物の床面１００が平坦であって床面１００から天井面２００までの高さが一定であり、かつ、物体Ｏｂの大きさが一定（つまり、床面１００から物体Ｏｂの上面までの高さが一定）であれば、天井面２００に平行な面であって受波装置３を含む平面と、天井面２００に平行な面であって送波装置１を含む平面との間の距離は床面１００上の物体Ｏｂの位置によらず一定距離となるので、当該一定距離をあらかじめ既知の距離情報（高さ情報）として距離演算手段に記憶させておくことにより、距離演算手段では、当該距離情報と送波装置１の存在する方位とから受波装置３と送波装置１との間の距離を求めることができる。これに対して、信号処理部７２ｃの距離演算手段が上述のようにトリガ信号受信器７３によりトリガ信号を受信した時刻と受波素子３０により音波を受波した時刻との関係から受波装置３と送波装置１との距離を求めることにより、図１７に示すように建物の床面１００に段差１００ｂが存在するような場合でも、受波側ユニットＢの受波装置３と送波側ユニットＡの送波装置１との間の距離を精度良く求めることができ、受波装置３に対する送波装置１の相対位置を精度良く求めることができる。
また、上述の制御部７７は、識別情報信号受信部７５から出力されメモリ７４に記憶された識別情報に基づいて各送波装置１を個別に特定する音源特定手段を備えており、受波装置３により音波を検出可能な検知エリア内に複数の送波装置１が存在する場合であっても、受波装置１に対する各送波装置１それぞれの相対位置を求めることができる。ここにおいて、例えば、物体Ｏｂが４つ存在する場合には、各物体Ｏｂそれぞれに搭載する送波側ユニットＡそれぞれの識別情報信号発信器６５から送信する識別情報信号を図１８（ａ）〜（ｄ）に示すように異なるパルス列からなる識別情報信号としておくことにより、メモリ７４には識別情報と位置演算部７２の信号処理部７２ｃの演算結果とが対応付けて格納される。したがって、制御部７７では、位置演算部７２により得られた送波装置１の存在する方位（音波の到来方向）および受波装置３と送波装置１との間の距離がどの送波側ユニットＡからのものか識別することができる。なお、識別情報信号として光もしくは電波を採用し、受波装置３により音波を検出可能な検知エリア内に１つの送波側ユニットＡが存在する場合を想定すると、受波側ユニットＢの識別情報信号受信器７５から出力される識別情報と、各受波素子３０それぞれから出力される受波信号との関係は図１９（ａ）〜（ｃ）に示すようになるので、識別情報信号発信器６５を上述のトリガ信号発信器６３に兼用する（識別情報信号をトリガ信号として兼用する）こともでき、この場合には上述の音源特定手段を位置演算部７２に設けてもよい。ここで、図１９（ａ）は図１２の一番上の受波素子３０の受波信号、図１９（ｂ）は図１２の真ん中の受波素子３０の受波信号、図１９（ｃ）は図１２の一番下の受波素子３０の受波信号を示している。
なお、上述の位置検出システムでは、送波側ユニットＡにトリガ信号発信器６３を設けるとともに受波側ユニットＢにトリガ信号受信器７３を設けてあるが、トリガ信号発信器６３を受波側ユニットＢに設けるとともにトリガ信号受信器７３を送波側ユニットＡに設けて、制御部６７がトリガ信号受信器７３の出力に基づいて送波素子１０から音波が送波されるように駆動回路２０を制御するようにし、位置演算部７２における信号処理部７２ｃの距離演算手段が、トリガ信号発信器６３からトリガ信号が発信された時刻と受波素子３０により音波を受波した時刻との関係から送波装置１までの距離を求めるようにしてもよい。ここにおいて、制御部６７は、トリガ信号受信器７３から出力されたトリガ受信信号が入力されたときに直ちに駆動回路２０を制御するようにしてもよいし、所定時間後に駆動回路２０を制御するようにしてもよい。
また、上述の位置検出システムでは、移動体からなる物体Ｏｂに送波装置１を搭載し、天井面２００のような固定面に受波装置３を配置しているが、固定面に送波装置１を配置し、移動体からなる物体Ｏｂに受波装置３を配置するようにしてもよい。
実施形態１を示す概略構成図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上における送波素子の概略断面図である。 同上における送波素子の動作説明図である。 同上における送波素子の駆動回路の一例を示す回路図である。 同上における受波素子を示し、（ａ）は一部破断した概略斜視図、（ｂ）は概略断面図である。 共振特性のＱ値と角度分解能との関係説明図である。 実施形態２における送波装置の回路図である。 実施形態４を示し、（ａ）は位置検出システムの概略構成図、（ｂ）は受波装置の概略斜視図である。 同上のブロック図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 圧電素子の動作説明図である。
符号の説明
１ 送波装置
３ 受波装置
５ 信号処理回路
１０ 送波素子
２０ 駆動回路
３０ 受波素子

Claims (9)

  1. 音波を送波可能な送波素子および送波素子を駆動する駆動回路を有する送波装置と、送波素子から送波され物体で反射された音波を受波するとともに受波した音波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置とを備え、物体までの距離と物体の存在する方位との少なくとも一方を検出する音波センサであって、送波素子は、空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子からなり、受波素子は、音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量型のマイクロホンからなることを特徴とする音波センサ。
  2. 音波を送波可能な送波素子および送波素子を駆動する駆動回路を有する送波装置と、送波素子から送波され物体で反射された音波を受波するとともに受波した音波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置とを備え、物体までの距離と物体の存在する方位との少なくとも一方を検出する音波センサであって、送波素子は、空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子からなり、受波素子は、共振特性のＱ値が１０以下であることを特徴とする音波センサ。
  3. 音波を送波可能な送波素子および送波素子を駆動する駆動回路を有する送波装置と、送波素子から送波された音波を受波するとともに受波した音波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置とを備え、受波装置から送波装置までの距離と受波装置に対して送波装置の存在する方位との少なくとも一方を検出する音波センサであって、送波素子は、空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子からなり、受波素子は、音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量型のマイクロホンからなることを特徴とする音波センサ。
  4. 音波を送波可能な送波素子および送波素子を駆動する駆動回路を有する送波装置と、送波素子から送波された音波を受波するとともに受波した音波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を有する受波装置とを備え、受波装置から送波装置までの距離と受波装置に対して送波装置の存在する方位との少なくとも一方を検出する音波センサであって、送波素子は、空気に熱衝撃を与えることにより音波を発生させる音波発生素子からなり、受波素子は、共振特性のＱ値が１０以下であることを特徴とする音波センサ。
  5. 前記音波発生素子は、薄板状の発熱体を備え、発熱体への通電に伴う発熱体層の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで音波を発生させることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の音波センサ。
  6. 前記音波発生素子は、ベース基板と、ベース基板の少なくとも一表面側に形成された前記発熱体である発熱体層と、ベース基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層とを備えることを特徴とする請求項５記載の音波センサ。
  7. 前記音波発生素子は、空気中で対向する一対の電極を有し、両電極間に所定電圧を印加して火花放電を生じさせることにより空気に熱衝撃を与えることで音波を発生させることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の音波センサ。
  8. 前記受波装置が前記受波素子を複数個備えるとともに前記各受波素子が一平面上に配列され、前記各受波素子で音波を受波した時間の時間差と前記各受波素子の配置位置とに基づいて前記受波装置に対する音波の到来方向を求める方位検出手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の音波センサ。
  9. 前記送波素子は、共振特性のＱ値が５以下であり、前記受波素子は、共振特性のＱ値が５以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の音波センサ。
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