超音波センサ
【課題】送信用と受信用の両ホーンを離間させずに回折波の影響による検出精度の低下を抑制することができる超音波センサを提供する。
【解決手段】超音波センサの送信素子３や受信素子９に取り付ける送信用ホーン５や受信用ホーン７として、超音波Ｕや反射波Ｒの伝播方向Ｘに、超音波Ｕの波長λの４分の１（λ／４）の寸法差ΔＬｈがある２つの音響ホーン体４１，４３を有するホーン筐体４０を用いた。そして、送信側と受信側との間で逆位相の回折波Ａ１の振幅と回折波Ａ２の振幅とを一致させて、両回折波Ａ１，Ａ２を、受信素子９の手前の、スクリーン４５で音響ホーン体４１，４３毎に仕切られていないホーン筐体４０の共有音響空間４７において相殺させる構成とした。
【解決手段】超音波センサの送信素子３や受信素子９に取り付ける送信用ホーン５や受信用ホーン７として、超音波Ｕや反射波Ｒの伝播方向Ｘに、超音波Ｕの波長λの４分の１（λ／４）の寸法差ΔＬｈがある２つの音響ホーン体４１，４３を有するホーン筐体４０を用いた。そして、送信側と受信側との間で逆位相の回折波Ａ１の振幅と回折波Ａ２の振幅とを一致させて、両回折波Ａ１，Ａ２を、受信素子９の手前の、スクリーン４５で音響ホーン体４１，４３毎に仕切られていないホーン筐体４０の共有音響空間４７において相殺させる構成とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の送受信により検出対象までの距離等を検出する超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波センサは光センサ等と同様に、検出対象までの距離や検出対象の有無を検出する等の用途で広く用いられている。特に、例えば印刷分野における、超軽量用紙や孔版用マスタ等の透明又は半透明フィルムの検出や、両面に黒色印字された用紙の位置検出、インク等の液面検出のような、光センサが苦手とする検出対象の検出に、超音波センサが利用される。
【０００３】
超音波センサでは、超音波を送信する送信素子から送信用ホーンを介して検出対象に向けて超音波を発射し、検出対象からの反射波を受信用ホーンを介して受信素子で受信する。このとき、送信用ホーンと受信用ホーンとが同じ向きに並べて配置されているので、送信用ホーンの開口のエッジで発生した回折波が受信用ホーンの開口のエッジでさらに回折して受信素子で受信され、検出対象の検出精度を低下させてしまうことがある。
【０００４】
そこで、回折波に対する対策として、両ホーンの開口部間に吸音部材を配置することや（例えば、特許文献１）、両開口の周囲に設けた溝に回折波を回折させて定在波化させることが（例えば、特許文献２）、既に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−２５５７８号公報
【特許文献２】特開平１１−２１８５７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した２つの従来技術では、両ホーンの開口間に、吸音部材や溝を配置できるだけの間隔を持たせなければならないので、両ホーンを隣接させる場合に比べると、検出対象からの反射波を受信用ホーン乃至受信素子で受信できる最短の検出レンジが遠くなってしまう。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、送信用と受信用の両ホーンを離間させずに回折波の影響による検出精度の低下を抑制することができる超音波センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために請求項１に記載した本発明の超音波センサは、
超音波を送信する送信素子から送信用ホーンを介して検出対象に向けて超音波を発射し、検出対象からの反射波を受信用ホーンを介して受信素子で受信する超音波センサにおいて、
前記送信用ホーン及び前記受信用ホーンは共通のホーン筐体を有しており、
前記ホーン筐体は、前記超音波又は前記反射波の伝播方向においてそれぞれの開口の位置を、前記超音波の波長をλとしたときに、下記の間隔ΔＬｈ、
ΔＬｈ＝λ×｛ｎ＋（１／４）｝ （但し、ｎは０以上の整数）
だけずらした、前記伝播方向における寸法差が前記間隔ΔＬｈである２つの音響ホーン体を有しており、
前記２つの音響ホーン体は、前記開口側においてはスクリーンにより各音響ホーン体毎に仕切られており、かつ、前記送信素子や前記受信素子側においては互いに連通して共有音響空間を形成している、
ことを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載した本発明の超音波センサによれば、送信素子から送信された超音波は、送信用ホーンのホーン筐体の共有音響空間を経て２つの音響ホーン体をそれぞれ伝播し、伝播方向にλ×｛ｎ＋（１／４）｝だけずれた各開口からそれぞれ検出対象に向けて送信される。このとき、超音波の一部は、各音響ホーン体の開口でそれぞれ回折して回折波となる。送信用ホーンの各音響ホーン体の開口でそれぞれ発生した回折波は、受信用ホーンの各音響ホーン体の開口でそれぞれ回折されて、受信用ホーンの共有音響空間に向けて伝播する。
【００１０】
ところで、ホーン筐体の各音響ホーン体は、超音波や反射波の伝播方向において開口の位置がλ×｛ｎ＋（１／４）｝（但し、ｎは０以上の整数）だけずれている。そのため、伝播方向における各音響ホーン体の寸法もλ×｛ｎ＋（１／４）｝（但し、ｎは０以上の整数）だけ異なる。したがって、送信用ホーンの寸法が短い音響ホーン体の開口で発生して受信用ホーンの寸法が短い音響ホーン体の開口で回折し共有音響空間に向かう回折波の伝播距離は、その他の経路を経た回折波の伝播距離よりも、２×λ×｛ｎ＋（１／４）｝（但し、ｎは０以上の整数）だけ短いことになる。ここで、その他の経路とは、送信用ホーンの寸法が短い音響ホーン体から受信用ホーンの寸法が長い音響ホーン体を経る経路と、送信用ホーンの寸法が長い音響ホーン体から受信用ホーンの寸法が短い音響ホーン体を経る経路と、送信用ホーンと受信用ホーンとの双方とも寸法が長い音響ホーン体を経る経路である。
【００１１】
このように、伝播距離が２×λ×｛ｎ＋（１／４）｝だけ異なる２つの回折波は半波長だけ位相が異なる逆位相の音波であるので、受信用ホーンのホーン筐体の共有音響空間に到達すると干渉により減衰する。したがって、送信用ホーンの開口で発生した回折波を受信素子で受信される前に、受信用ホーンの共有音響空間で音圧の状態で減衰させて、検出対象の検出精度が低下するのを抑制することができる。特に、各伝播距離の回折波が同程度の振幅を有するようにすることで、回折波を相殺して検出対象の検出精度が低下するのを防止することができる。
【００１２】
そして、送信用ホーンと受信用ホーンのホーン筐体を開口の位置が異なる２つの音響ホーン体で構成することで、伝播距離の異なる逆位相の回折波を発生させて互いに減衰させるので、送信用ホーンと受信用ホーンとの開口間に間隔を設ける必要がない。このため、送信用と受信用の両ホーンを離間させずに回折波の影響による検出精度の低下を抑制することができ、最短検出レンジを遠くすることなく、近距離の検出対象までの距離や検出対象の有無を精度よく検出することができる。
【００１３】
また、請求項２に記載した本発明の超音波センサは、請求項１に記載した本発明の超音波センサにおいて、前記ホーン筐体は、前記送信素子及び前記受信素子のうち少なくとも一方に対する前記スクリーンの位置を前記伝播方向と直交する面内において変更可能に構成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載した本発明の超音波センサによれば、請求項１に記載した本発明の超音波センサにおいて、送信素子に対する送信用ホーンのスクリーンの位置と、受信素子に対する受信用ホーンのスクリーンの位置とのうち、少なくとも一方を、超音波や反射波の伝播方向と直交する面内で変更すると、送信用ホーンの各音響ホーン体の開口と受信用ホーンの各音響ホーンの開口との対向量（対向面積）が変化する。すると、送信用ホーンの各音響ホーン体の開口から受信用ホーンの各音響ホーンの開口にそれぞれ到達する回折波のボリュームが変化し、逆位相で受信用ホーンの共有音響空間にそれぞれ到達する各回折波の振幅が変化する。
【００１５】
したがって、逆位相で受信用ホーンの共有音響空間にそれぞれ到達する各回折波の振幅を一致させて、それらの回折波が共有音響空間において干渉する際に両回折波を相殺させる環境を、容易に実現させることができる。
【００１６】
請求項３に記載した本発明の超音波センサは、請求項１又は２に記載した本発明の超音波センサにおいて、前記共有音響空間は、前記伝播方向においてλ／２以上の寸法を有していることを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載した本発明の超音波センサによれば、請求項１又は２に記載した本発明の超音波センサにおいて、逆位相で受信用ホーンの共有音響空間に到達した２つの回折波が十分に干渉する空間容量を確保し、音圧状態での両回折波の減衰乃至相殺をより確実に実現させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、送信用と受信用の両ホーンを離間させずに回折波の影響による検出精度の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波センサを用いた検出対象の測距装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】図１の測距装置で発生する各信号や音波のタイミングチャートである。
【図３】図１の超音波センサで発生する回折波を概念的に示す説明図である。
【図４】図３の回折波が検出対象の検出処理に及ぼす影響を示すもので、（ａ）は回折波と反射波を個別に示すグラフ、（ｂ）は回折波と反射波の合成波を示すグラフである。
【図５】図１の超音波センサの送信用ホーン及び受信用ホーンを構成するホーン筐体の概略構成を示す説明図である。
【図６】図１の超音波センサで発生する回折波の経路を具体的に示す説明図である。
【図７】（ａ）は図５の送信側の各音響ホーン体から受信側の各音響ホーン体に到達する回折波のボリュームを示す説明図、（ｂ）は経路を単純化した場合の各回折波の振幅の関係を示すグラフである。
【図８】図７中の回折波の一部の経路についての説明図である。
【図９】図７の各経路の回折波が検出対象の検出処理に及ぼす影響を具体的に示すもので、（ａ）は各経路の回折波と反射波を個別に示すグラフ、（ｂ）は各回折波と反射波の合成波を示すグラフである。
【図１０】（ａ），（ｃ）は図５のホーン筐体の各音響ホーン体による音響路の対称性に相違がある場合の送信側の各音響ホーン体から受信側の各音響ホーン体に到達する回折波のボリュームを示す説明図、（ｂ），（ｄ）は（ａ），（ｃ）の各回折波の振幅を示すグラフ、（ｅ）は音響路の対称性を調整した場合の（ａ），（ｃ）の各回折波の振幅を示すグラフである。
【図１１】（ａ）〜（ｅ）は図１０に示す各音響ホーン体の音響路の対称性に関する調整パターンを示す説明図である。
【図１２】図１の超音波センサの送信用ホーン及び受信用ホーンを構成するホーン筐体の別例による概略構成を示す説明図である。
【図１３】（ａ）〜（ｅ）は図１２に示す各音響ホーン体の音響路の対称性に関する調整パターンを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は本発明の一実施形態に係る超音波センサを用いた検出対象の測距装置の概略構成を示す説明図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態の測距装置は、超音波センサ１と制御ユニット１０とを有している。超音波センサ１は、超音波を送信する送信素子３から送信用ホーン５を介して検出対象２１に向けて超音波Ｕを発射し、検出対象２１からの反射波Ｒを受信用ホーン７を介して受信素子９で受信するものである。制御ユニット１０は、送信素子３を駆動する送信素子駆動部１１と、受信素子による受信信号を処理する受信信号処理部１３と、送信素子駆動部１１及び受信信号処理部１３の制御と検出対象２１までの距離算出を行う距離演算部１５とを有している。なお、制御ユニット１０は、例えばマイクロコンピュータとこれに組み込まれたプログラムとによって構成することができる。
【００２３】
図２のタイミングチャートに示すように、送信素子駆動部１１は予め定められた距離計測周期毎に、距離演算部１５の制御によって駆動信号Ｄｒを送信素子３に出力し、この駆動信号Ｄｒにより駆動された送信素子３は超音波Ｕを出力する。この超音波Ｕは検出対象２１で反射されて反射波Ｒとなり、受信素子９によって受信される。反射波Ｒを受信した受信素子９は受信信号（図示せず）を受信信号処理部１３に出力する。受信信号処理部１３は受信信号が所定の振幅以上のレベルで入力されている間、時間計測信号Ｔを距離演算部１５に出力する。
【００２４】
距離演算部１５は、送信素子３が超音波Ｕを出力し始めてから受信素子９が反射波Ｒを受信し始める（時間計測信号Ｔが距離演算部１５に入力され始める）までの時間差を、送信素子３の送信面３１及び受信素子９の受信面９１（共に図３参照）と検出対象２１との往復時間ｔとして算出する。そして、この往復時間ｔに音速を乗じて往復距離を算出し、その半値を検出対象２１までの距離の計測値として求める。
【００２５】
なお、送信素子駆動部１１が駆動信号Ｄｒを出力してから送信素子３が超音波Ｕを出力するまでの所要時間は、予め既知の値として距離演算部１５が保持している。したがって、距離演算部１５は、送信素子駆動部１１に駆動信号Ｄｒの出力を指示したタイミングと上述した所要時間から、送信素子３が超音波Ｕを出力し始めたタイミングを認識することができる。また、送信素子３の送信面３１及び受信素子９の受信面９１（共に図３参照）は同一平面上に位置しており、距離演算部１５は、この平面に対する法線方向、言い換えると、超音波Ｕや反射波Ｒの伝播方向Ｘ（図１参照）について、検出対象２１までの距離を計測する。
【００２６】
ところで、送信素子３が送信した超音波Ｕが送信用ホーン５の先端の開口を通過する際には、図３の説明図に示すように、その一部が開口のエッジにおいて回折され、回折波Ｄｉとなる。この回折波Ｄｉの一部は、受信用ホーン７の先端の開口で再び回折されて、検出対象２１からの反射波Ｒと共に受信素子９へと向かう。
【００２７】
反射波Ｒと共に回折波Ｄｉが受信素子９で受信されると、図４（ａ）のグラフに示すように、反射波Ｒと回折波Ｄｉとが干渉し、図４（ｂ）のグラフに示すように、反射波Ｒとは波形が異なる合成波（干渉波）となる。ここで、反射波Ｒは回折波Ｄｉよりも経路が長いので、回折波Ｄｉよりも遅れて受信素子９で受信される。そこで、受信素子９が受信する合成波の振幅に対して回折波Ｄｉの振幅に応じたスライスレベルを設定すれば、合成波のうち反射波Ｒの成分が含まれていない冒頭の区間を非検出区間とすることができる。
【００２８】
一方、回折波Ｄｉと反射波Ｒとの干渉により回折波Ｄｉによる反射波Ｒの振幅変調が始まってからは、回折波Ｄｉと反射波Ｒとの位相差次第で合成波の振幅が変わるので、合成波の振幅がスライスレベルを超えるタイミングが一定しない。このことが検出対象２１の検出精度を低下させる原因となるので、従来は専ら、回折波Ｄｉを受信素子９側に入力させない方法が提案され続けてきた。
【００２９】
これに対して、本発明（乃至本実施形態）では、回折波Ｄｉを受信素子９側に入力させない工夫をすることよりも、むしろ、回折波Ｄｉを積極的に利用して、結果的に反射波Ｒだけが受信素子９で受信されるようにすることを提案する。以下の説明でその詳細が明らかとなるが、本発明（乃至本実施形態）の超音波センサ１によれば、上述したスライスレベルを設定した煩雑な信号処理が必要なく、近距離（干渉領域）の検出対象２１に関する検出精度の低下を抑制することができる。
【００３０】
そして、本実施形態の超音波センサ１では、送信用ホーン５や受信用ホーン７として、図５の説明図に示す同一形状のホーン筐体４０をそれぞれ用いている。ホーン筐体４０は、全体で略円錐台状を呈しており、ホーン筐体４０の中心軸方向に沿う平面によって２分割した半円錐台状の２つの音響ホーン体４１，４３を有している。各音響ホーン体４１，４３は、超音波Ｕや反射波Ｒの伝播方向Ｘに寸法差ΔＬｈ（請求項中の間隔に相当）を有している。各音響ホーン体４１，４３の寸法差ΔＬｈは、超音波Ｕの波長λの４分の１（λ／４）としてあり、この寸法差ΔＬｈだけ、両音響ホーン体４１，４３の先端の開口４１ａ，４３ａの位置がずれている。なお、上記寸法差ΔＬｈは、ΔＬｈ＝λ×｛ｎ＋（１／４）｝（但し、ｎは０以上の整数）を満たす寸法であれば、超音波Ｕの波長λの４分の１（λ／４）でなくてもよい。
【００３１】
２つの音響ホーン体４１，４３は、開口４１ａ，４３ａ側においてはスクリーン４５により各音響ホーン体４１，４３毎に仕切られて、独立した音響路を構成している。また、２つの音響ホーン体４１，４３の送信素子３や受信素子９側の部分は、スクリーン４５によって仕切られておらず、互いに連通して共有音響空間４７を形成している。
【００３２】
送信用ホーン５のホーン筐体４０と受信用ホーン７のホーン筐体４０は、本実施形態では、円柱状の外形を有する送信素子３や受信素子９にそれぞれ直接又は基板を介して取り付けられる。このとき、図１０や図１１を参照して後述するホーン筐体４０の配置の調整を行えるように、送信素子３や受信素子９の周方向に各ホーン筐体４０を回転できるように取り付けることが望ましい。図５の取付状態では、各ホーン筐体４０のスクリーン４５は一直線上に位置しており、かつ、長寸の音響ホーン体４１と短寸の音響ホーン体４３とがスクリーン４５を挟んでそれぞれ同じ側に位置している。
【００３３】
本実施形態の超音波センサ１では、図６の説明図に示すように、送信用ホーン５としてホーン筐体４０を取り付けた送信素子３が超音波Ｕを送信すると、その一部が音響ホーン体４１，４３の各開口４１ａ，４３ａで回折し回折波Ａ１，Ａ２となる。各回折波Ａ１，Ａ２の一部は、受信用ホーン７として受信素子９に取り付けたホーン筐体４０の各開口４１ａ，４３ａでそれぞれ再び回折されて、各音響ホーン体４１，４３内を共有音響空間４７に向けて通過する。なお、図６では、図面の見やすさのため、音響ホーン体４１の輪郭と音響ホーン体４３の輪郭とを図中の上下にずらして示しているが、実際には両者の輪郭は重なる。
【００３４】
回折波Ａ１，Ａ２は、開口４１ａ，４３ａの位置が超音波Ｕの波長λの４分の１ずつずれている音響ホーン体４１，４３を送信側と受信側でそれぞれ通過するので、往復で波長λの２分の１だけ位相がずれた逆位相の音波となる。
【００３５】
また、図７（ａ）の説明図に示すように、送信側の音響ホーン体４１の開口４１ａで回折した回折波Ａ１の一部は、受信側の音響ホーン体４３の開口４３ａで回折して共有音響空間４７に向かう回折波Ａ１′となる。同様に、送信側の音響ホーン体４３の開口４３ａで回折した回折波Ａ２の一部は、受信側の音響ホーン体４１の開口４１ａで回折して共有音響空間４７に向かう回折波Ａ１″となる。これらの回折波Ａ１′，Ａ１″は、図８の説明図に示すように、送信側又は受信側において伝播方向Ｘの寸法が長い音響ホーン体４１を通過するので、送信側及び受信側共に音響ホーン体４１を通過する回折波Ａ１と同じ位相となる。このため、回折波Ａ１′，Ａ１″は、位相的には回折波Ａ１と一緒に取り扱うことができる。
【００３６】
そして、本実施形態の超音波センサ１では、送信側のホーン筐体４０から受信側のホーン筐体４０に回折する、互いに逆位相の回折波Ａ１（及び回折波Ａ１′，Ａ１″）と回折波Ａ２とを、受信側のホーン筐体４０の共有音響空間４７で干渉させ、減衰乃至相殺させるようにしている。
【００３７】
ここで、話の簡略化のため、図７（ａ）中の回折波Ａ１′，Ａ１″の存在を考慮せず、経路を回折波Ａ１，Ａ２のみに簡略化して、送信側と受信側の各ホーン筐体４０，４０の配置について説明する。図７（ａ）中の説明書きにあるように、送信側から受信側への音響ホーン体４１の実効的な音響路と、送信側から受信側への音響ホーン体４３の実効的な音響路とが対称である場合は、回折波Ａ１と回折波Ａ２のボリューム（振幅）は等しくなる。
【００３８】
この場合は、図７（ａ）に示すように、送信側と受信側の各音響ホーン体４１，４１（伝播方向Ｘにおけるホーン長さＬｈ（図５参照）が長い部分）の開口４１ａ，４１ａどうしが対向する面積が、送信側と受信側の各音響ホーン体４３，４３（伝播方向Ｘにおけるホーン長さＬｈ（図５参照）が短い部分）の開口４３ａ，４３ａどうしが対向する面積と等しくなるように、送信側と受信側の各ホーン筐体４０，４０を配置することで、図７（ｂ）のグラフに示すように、同じ振幅の回折波Ａ１と回折波Ａ２を得ることができる。
【００３９】
同じ振幅の回折波Ａ１と回折波Ａ２が得られれば、図９（ａ）のグラフに示すように、受信側のホーン筐体４０の共有音響空間４７に到達した逆位相の回折波Ａ１と回折波Ａ２とが干渉することで、図９（ｂ）のグラフに示すように、両回折波Ａ１，Ａ２を相殺することができる。これにより、受信素子９に到達するのは反射波Ｒ（図９（ａ），（ｂ）中のＢ波）のみとして、図１の距離演算部１５に、受信信号処理部１３からの時間計測信号Ｔに基づいて、検出対象２１までの距離を正しく計測させることができる。
【００４０】
これに対し、図１０（ａ），（ｃ）の説明図中の説明書きにあるように、送信側から受信側への音響ホーン体４１の実効的な音響路と、送信側から受信側への音響ホーン体４３の実効的な音響路とが非対称である場合は、回折波Ａ１と回折波Ａ２のボリューム（振幅）が相違する（回折波Ａ１のボリューム＞回折波Ａ２のボリューム、又は、回折波Ａ１のボリューム＜回折波Ａ２のボリューム）。
【００４１】
「回折波Ａ１のボリューム＞回折波Ａ２のボリューム」である場合は、図１０（ｂ）のグラフに示すように、回折波Ａ１の振幅が回折波Ａ２の振幅よりも大きくなってしまう。この場合は、図１０（ａ）に示すように、送信側と受信側の各音響ホーン体４１，４１の開口４１ａ，４１ａどうしが対向する面積よりも、送信側と受信側の各音響ホーン体４３，４３の開口４３ａ，４３ａどうしが対向する面積の方が大きくなるように、送信側と受信側の各ホーン筐体４０，４０の配置を調整する。
【００４２】
また、「回折波Ａ１のボリューム＜回折波Ａ２のボリューム」である場合は、図１０（ｄ）のグラフに示すように、回折波Ａ１の振幅よりも回折波Ａ２の振幅が大きくなってしまう。この場合は、図１０（ｃ）に示すように、送信側と受信側の各音響ホーン体４１，４１の開口４１ａ，４１ａどうしが対向する面積の方が、送信側と受信側の各音響ホーン体４３，４３の開口４３ａ，４３ａどうしが対向する面積よりも大きくなるように、送信側と受信側の各ホーン筐体４０，４０の配置を調整する。
【００４３】
上述したように送信側と受信側の各ホーン筐体４０，４０の配置を調整すると図１０（ｅ）のグラフに示すように、同じ振幅の回折波Ａ１と回折波Ａ２を得ることができる。これにより、受信側のホーン筐体４０の共有音響空間４７で回折波Ａ１と回折波Ａ２とを相殺し、反射波Ｒのみを受信素子９に到達させて、図１の距離演算部１５に検出対象２１までの距離を正しく計測させることができる。
【００４４】
なお、共有音響空間４７における逆位相の回折波（上述の説明の場合は回折波Ａ１，Ａ２）の干渉による相殺を確実に実現させる観点から、伝播方向Ｘにおける共有音響空間４７の寸法（図５のスクリーン長さＬｓ）は、超音波Ｕや反射波Ｒの半波長（λ／２）以上とすることが望ましい。
【００４５】
以上の説明では、説明の便宜上回折波Ａ１′，Ａ１″の存在を考慮しなかったが、実際には、これらの回折波Ａ１′，Ａ１″の分だけ回折波Ａ１のボリュームが増える訳であるから、それによる回折波Ａ１の実質的な振幅増加分を考慮して、送信側と受信側の各ホーン筐体４０，４０の配置を決定し、あるいは、調整する必要がある。
【００４６】
なお、送信側と受信側の各ホーン筐体４０，４０の配置調整には、いくつかパターンがある。例えば、送信側と受信側の各ホーン筐体４０，４０の配置を、図１１（ａ）の説明図に示すように、双方のスクリーン４５が一直線上に位置するデフォルトの配置から調整する場合は、図１１（ｂ），（ｃ）に示すように一方のホーン筐体４０のみを調整するパターンと、図１１（ｄ），（ｅ）に示すように両方のホーン筐体４０を調整するパターンとがある。
【００４７】
このような調整を適宜行うことで、回折波Ａ１の振幅（回折波Ａ１′，Ａ１″の分を含む）と回折波Ａ２の振幅とを一致させればよい。
【００４８】
以上に説明したように、本実施形態の超音波センサ１によれば、送信用ホーン５や受信用ホーン７として、超音波Ｕや反射波Ｒの伝播方向Ｘに、超音波Ｕの波長λの４分の１（λ／４）の寸法差ΔＬｈがある２つの音響ホーン体４１，４３を有するホーン筐体４０を用いた。そして、送信側と受信側との間で逆位相の回折波Ａ１の振幅（回折波Ａ１′，Ａ１″の分を含む）と回折波Ａ２の振幅とを一致させて、両回折波Ａ１，Ａ２（回折波Ａ１′，Ａ１″の分を含む）を、受信素子９の手前の、スクリーン４５で音響ホーン体４１，４３毎に仕切られていないホーン筐体４０の共有音響空間４７において相殺させる構成とした。
【００４９】
このため、送信用ホーン５の開口と受信用ホーン７の開口との間（送信側と受信側の各ホーン筐体４０の音響ホーン体４１，４３の開口４１ａ，４３ａどうしの間）に間隔を設ける必要がない。よって、送信用と受信用の両ホーン５，７を離間させずに回折波Ａ１，Ａ２（回折波Ａ１′，Ａ１″を含む）の影響により検出対象２１までの距離等の検出精度が低下するのを抑制することができる。即ち、最短検出レンジを遠くすることなく、近距離の検出対象２１までの距離や検出対象２１の有無を精度よく検出することができる。
【００５０】
なお、上述した実施形態では、全体で略円錐台状を呈するホーン筐体４０を例に取って説明したが、略多角錐状等他の形状のホーン筐体としてもよい。例えば、図１２に示すように、正四角錐状のホーン筐体５０を、ホーン筐体５０の中心軸方向に沿う平面によって２分割した長方形の断面を有する２つの音響ホーン体５１，５３で構成してもよい。この場合、各音響ホーン体５１，５３は、超音波Ｕの波長λの４分の１（λ／４）の寸法差ΔＬｈ（請求項中の間隔に相当）を、超音波Ｕや反射波Ｒの伝播方向Ｘに有し、この寸法差ΔＬｈだけ、両音響ホーン体５１，５３の先端の開口５１ａ，５３ａの位置がずれている。なお、音響ホーン体５１，５３の寸法差ΔＬｈも音響ホーン体４１，４３の場合と同様に、ΔＬｈ＝λ×｛ｎ＋（１／４）｝（但し、ｎは０以上の整数）を満たす寸法であれば、超音波Ｕの波長λの４分の１（λ／４）でなくてもよい。
【００５１】
また、２つの音響ホーン体５１，５３は、開口５１ａ，５３ａ側においてはスクリーン５５により各音響ホーン体５１，５３毎に仕切られて、独立した音響路を構成している。また、２つの音響ホーン体５１，５３の送信素子３や受信素子９側の部分は、スクリーン５５によって仕切られておらず、互いに連通して共有音響空間５７を形成している。
【００５２】
この共有音響空間５７も、逆位相の回折波の干渉（例えば、回折波Ａ１，Ａ１′，Ａ１″と回折波Ａ２との干渉）による相殺を確実に実現させる観点から、伝播方向Ｘにおける共有音響空間５７の寸法（図１２のスクリーン長さＬｓ）は、超音波Ｕや反射波Ｒの半波長（λ／２）以上とすることが望ましい。
【００５３】
このような形状のホーン筐体５０でも、上述した実施形態のホーン筐体４０が発揮した効果と同様の効果を得ることができる。なお、送信側から受信側への音響ホーン体５１の実効的な音響路と、送信側から受信側への音響ホーン体５３の実効的な音響路とが対称でない場合は、送信素子３や受信素子９に対する各ホーン筐体５０，５０の配置を調整すればよい。
【００５４】
例えば、送信側と受信側の各ホーン筐体５０，５０の配置を、図１３（ａ）の説明図に示すように、双方のスクリーン５５が一直線上に位置するデフォルトの配置から調整する場合は、図１１（ｂ），（ｃ）に示すように一方のホーン筐体５０のみを断面平行四辺形状に変形させて調整したり、図１１（ｄ），（ｅ）に示すように両方のホーン筐体５０を断面平行四辺形状に変形させて調整することができる。
【００５５】
なお、予め、送信側から受信側への音響ホーン体４１，５１の実効的な音響路と、送信側から受信側への音響ホーン体４３，５３の実効的な音響路とが対称となるように、送信側と受信側の各ホーン筐体４０，５０をそれぞれ送信素子３や受信素子９に取り付けて、以後その状態を維持できるのであれば、送信素子３や受信素子９に対するホーン筐体４０，５０の配置を調整するための構成は、省略してもよい。
【００５６】
また、逆位相の回折波Ａ１，Ａ２（回折波Ａ１′，Ａ１″を含む）を干渉により許容範囲以下に減衰させることができるのであれば、伝播方向Ｘにおける共有音響空間４７，５７の寸法を、超音波Ｕや反射波Ｒの半波長（λ／２）未満としてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１ 超音波センサ
３ 送信素子
５ 送信用ホーン
７ 受信用ホーン
９ 受信素子
１０ 制御ユニット
１１ 送信素子駆動部
１３ 受信信号処理部
１５ 距離演算部
２１ 検出対象
３１ 送信面
４０，５０ ホーン筐体
４１，４３，５１，５３ 音響ホーン体
４１ａ，４３ａ，５１ａ，５３ａ 開口
４５，５５ スクリーン
４７，５７ 共有音響空間
９１ 受信面
Ａ１ 回折波
Ａ１，Ａ１′，Ａ１″，Ａ２ 回折波
Ｄｉ 回折波
Ｄｒ 駆動信号
Ｒ 反射波
Ｔ 時間計測信号
Ｕ 超音波
Ｘ 伝播方向
ｔ 往復時間
ΔＬｈ 寸法差（間隔）
λ 波長
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の送受信により検出対象までの距離等を検出する超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波センサは光センサ等と同様に、検出対象までの距離や検出対象の有無を検出する等の用途で広く用いられている。特に、例えば印刷分野における、超軽量用紙や孔版用マスタ等の透明又は半透明フィルムの検出や、両面に黒色印字された用紙の位置検出、インク等の液面検出のような、光センサが苦手とする検出対象の検出に、超音波センサが利用される。
【０００３】
超音波センサでは、超音波を送信する送信素子から送信用ホーンを介して検出対象に向けて超音波を発射し、検出対象からの反射波を受信用ホーンを介して受信素子で受信する。このとき、送信用ホーンと受信用ホーンとが同じ向きに並べて配置されているので、送信用ホーンの開口のエッジで発生した回折波が受信用ホーンの開口のエッジでさらに回折して受信素子で受信され、検出対象の検出精度を低下させてしまうことがある。
【０００４】
そこで、回折波に対する対策として、両ホーンの開口部間に吸音部材を配置することや（例えば、特許文献１）、両開口の周囲に設けた溝に回折波を回折させて定在波化させることが（例えば、特許文献２）、既に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−２５５７８号公報
【特許文献２】特開平１１−２１８５７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した２つの従来技術では、両ホーンの開口間に、吸音部材や溝を配置できるだけの間隔を持たせなければならないので、両ホーンを隣接させる場合に比べると、検出対象からの反射波を受信用ホーン乃至受信素子で受信できる最短の検出レンジが遠くなってしまう。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、送信用と受信用の両ホーンを離間させずに回折波の影響による検出精度の低下を抑制することができる超音波センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために請求項１に記載した本発明の超音波センサは、
超音波を送信する送信素子から送信用ホーンを介して検出対象に向けて超音波を発射し、検出対象からの反射波を受信用ホーンを介して受信素子で受信する超音波センサにおいて、
前記送信用ホーン及び前記受信用ホーンは共通のホーン筐体を有しており、
前記ホーン筐体は、前記超音波又は前記反射波の伝播方向においてそれぞれの開口の位置を、前記超音波の波長をλとしたときに、下記の間隔ΔＬｈ、
ΔＬｈ＝λ×｛ｎ＋（１／４）｝ （但し、ｎは０以上の整数）
だけずらした、前記伝播方向における寸法差が前記間隔ΔＬｈである２つの音響ホーン体を有しており、
前記２つの音響ホーン体は、前記開口側においてはスクリーンにより各音響ホーン体毎に仕切られており、かつ、前記送信素子や前記受信素子側においては互いに連通して共有音響空間を形成している、
ことを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載した本発明の超音波センサによれば、送信素子から送信された超音波は、送信用ホーンのホーン筐体の共有音響空間を経て２つの音響ホーン体をそれぞれ伝播し、伝播方向にλ×｛ｎ＋（１／４）｝だけずれた各開口からそれぞれ検出対象に向けて送信される。このとき、超音波の一部は、各音響ホーン体の開口でそれぞれ回折して回折波となる。送信用ホーンの各音響ホーン体の開口でそれぞれ発生した回折波は、受信用ホーンの各音響ホーン体の開口でそれぞれ回折されて、受信用ホーンの共有音響空間に向けて伝播する。
【００１０】
ところで、ホーン筐体の各音響ホーン体は、超音波や反射波の伝播方向において開口の位置がλ×｛ｎ＋（１／４）｝（但し、ｎは０以上の整数）だけずれている。そのため、伝播方向における各音響ホーン体の寸法もλ×｛ｎ＋（１／４）｝（但し、ｎは０以上の整数）だけ異なる。したがって、送信用ホーンの寸法が短い音響ホーン体の開口で発生して受信用ホーンの寸法が短い音響ホーン体の開口で回折し共有音響空間に向かう回折波の伝播距離は、その他の経路を経た回折波の伝播距離よりも、２×λ×｛ｎ＋（１／４）｝（但し、ｎは０以上の整数）だけ短いことになる。ここで、その他の経路とは、送信用ホーンの寸法が短い音響ホーン体から受信用ホーンの寸法が長い音響ホーン体を経る経路と、送信用ホーンの寸法が長い音響ホーン体から受信用ホーンの寸法が短い音響ホーン体を経る経路と、送信用ホーンと受信用ホーンとの双方とも寸法が長い音響ホーン体を経る経路である。
【００１１】
このように、伝播距離が２×λ×｛ｎ＋（１／４）｝だけ異なる２つの回折波は半波長だけ位相が異なる逆位相の音波であるので、受信用ホーンのホーン筐体の共有音響空間に到達すると干渉により減衰する。したがって、送信用ホーンの開口で発生した回折波を受信素子で受信される前に、受信用ホーンの共有音響空間で音圧の状態で減衰させて、検出対象の検出精度が低下するのを抑制することができる。特に、各伝播距離の回折波が同程度の振幅を有するようにすることで、回折波を相殺して検出対象の検出精度が低下するのを防止することができる。
【００１２】
そして、送信用ホーンと受信用ホーンのホーン筐体を開口の位置が異なる２つの音響ホーン体で構成することで、伝播距離の異なる逆位相の回折波を発生させて互いに減衰させるので、送信用ホーンと受信用ホーンとの開口間に間隔を設ける必要がない。このため、送信用と受信用の両ホーンを離間させずに回折波の影響による検出精度の低下を抑制することができ、最短検出レンジを遠くすることなく、近距離の検出対象までの距離や検出対象の有無を精度よく検出することができる。
【００１３】
また、請求項２に記載した本発明の超音波センサは、請求項１に記載した本発明の超音波センサにおいて、前記ホーン筐体は、前記送信素子及び前記受信素子のうち少なくとも一方に対する前記スクリーンの位置を前記伝播方向と直交する面内において変更可能に構成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載した本発明の超音波センサによれば、請求項１に記載した本発明の超音波センサにおいて、送信素子に対する送信用ホーンのスクリーンの位置と、受信素子に対する受信用ホーンのスクリーンの位置とのうち、少なくとも一方を、超音波や反射波の伝播方向と直交する面内で変更すると、送信用ホーンの各音響ホーン体の開口と受信用ホーンの各音響ホーンの開口との対向量（対向面積）が変化する。すると、送信用ホーンの各音響ホーン体の開口から受信用ホーンの各音響ホーンの開口にそれぞれ到達する回折波のボリュームが変化し、逆位相で受信用ホーンの共有音響空間にそれぞれ到達する各回折波の振幅が変化する。
【００１５】
したがって、逆位相で受信用ホーンの共有音響空間にそれぞれ到達する各回折波の振幅を一致させて、それらの回折波が共有音響空間において干渉する際に両回折波を相殺させる環境を、容易に実現させることができる。
【００１６】
請求項３に記載した本発明の超音波センサは、請求項１又は２に記載した本発明の超音波センサにおいて、前記共有音響空間は、前記伝播方向においてλ／２以上の寸法を有していることを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載した本発明の超音波センサによれば、請求項１又は２に記載した本発明の超音波センサにおいて、逆位相で受信用ホーンの共有音響空間に到達した２つの回折波が十分に干渉する空間容量を確保し、音圧状態での両回折波の減衰乃至相殺をより確実に実現させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、送信用と受信用の両ホーンを離間させずに回折波の影響による検出精度の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波センサを用いた検出対象の測距装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】図１の測距装置で発生する各信号や音波のタイミングチャートである。
【図３】図１の超音波センサで発生する回折波を概念的に示す説明図である。
【図４】図３の回折波が検出対象の検出処理に及ぼす影響を示すもので、（ａ）は回折波と反射波を個別に示すグラフ、（ｂ）は回折波と反射波の合成波を示すグラフである。
【図５】図１の超音波センサの送信用ホーン及び受信用ホーンを構成するホーン筐体の概略構成を示す説明図である。
【図６】図１の超音波センサで発生する回折波の経路を具体的に示す説明図である。
【図７】（ａ）は図５の送信側の各音響ホーン体から受信側の各音響ホーン体に到達する回折波のボリュームを示す説明図、（ｂ）は経路を単純化した場合の各回折波の振幅の関係を示すグラフである。
【図８】図７中の回折波の一部の経路についての説明図である。
【図９】図７の各経路の回折波が検出対象の検出処理に及ぼす影響を具体的に示すもので、（ａ）は各経路の回折波と反射波を個別に示すグラフ、（ｂ）は各回折波と反射波の合成波を示すグラフである。
【図１０】（ａ），（ｃ）は図５のホーン筐体の各音響ホーン体による音響路の対称性に相違がある場合の送信側の各音響ホーン体から受信側の各音響ホーン体に到達する回折波のボリュームを示す説明図、（ｂ），（ｄ）は（ａ），（ｃ）の各回折波の振幅を示すグラフ、（ｅ）は音響路の対称性を調整した場合の（ａ），（ｃ）の各回折波の振幅を示すグラフである。
【図１１】（ａ）〜（ｅ）は図１０に示す各音響ホーン体の音響路の対称性に関する調整パターンを示す説明図である。
【図１２】図１の超音波センサの送信用ホーン及び受信用ホーンを構成するホーン筐体の別例による概略構成を示す説明図である。
【図１３】（ａ）〜（ｅ）は図１２に示す各音響ホーン体の音響路の対称性に関する調整パターンを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は本発明の一実施形態に係る超音波センサを用いた検出対象の測距装置の概略構成を示す説明図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態の測距装置は、超音波センサ１と制御ユニット１０とを有している。超音波センサ１は、超音波を送信する送信素子３から送信用ホーン５を介して検出対象２１に向けて超音波Ｕを発射し、検出対象２１からの反射波Ｒを受信用ホーン７を介して受信素子９で受信するものである。制御ユニット１０は、送信素子３を駆動する送信素子駆動部１１と、受信素子による受信信号を処理する受信信号処理部１３と、送信素子駆動部１１及び受信信号処理部１３の制御と検出対象２１までの距離算出を行う距離演算部１５とを有している。なお、制御ユニット１０は、例えばマイクロコンピュータとこれに組み込まれたプログラムとによって構成することができる。
【００２３】
図２のタイミングチャートに示すように、送信素子駆動部１１は予め定められた距離計測周期毎に、距離演算部１５の制御によって駆動信号Ｄｒを送信素子３に出力し、この駆動信号Ｄｒにより駆動された送信素子３は超音波Ｕを出力する。この超音波Ｕは検出対象２１で反射されて反射波Ｒとなり、受信素子９によって受信される。反射波Ｒを受信した受信素子９は受信信号（図示せず）を受信信号処理部１３に出力する。受信信号処理部１３は受信信号が所定の振幅以上のレベルで入力されている間、時間計測信号Ｔを距離演算部１５に出力する。
【００２４】
距離演算部１５は、送信素子３が超音波Ｕを出力し始めてから受信素子９が反射波Ｒを受信し始める（時間計測信号Ｔが距離演算部１５に入力され始める）までの時間差を、送信素子３の送信面３１及び受信素子９の受信面９１（共に図３参照）と検出対象２１との往復時間ｔとして算出する。そして、この往復時間ｔに音速を乗じて往復距離を算出し、その半値を検出対象２１までの距離の計測値として求める。
【００２５】
なお、送信素子駆動部１１が駆動信号Ｄｒを出力してから送信素子３が超音波Ｕを出力するまでの所要時間は、予め既知の値として距離演算部１５が保持している。したがって、距離演算部１５は、送信素子駆動部１１に駆動信号Ｄｒの出力を指示したタイミングと上述した所要時間から、送信素子３が超音波Ｕを出力し始めたタイミングを認識することができる。また、送信素子３の送信面３１及び受信素子９の受信面９１（共に図３参照）は同一平面上に位置しており、距離演算部１５は、この平面に対する法線方向、言い換えると、超音波Ｕや反射波Ｒの伝播方向Ｘ（図１参照）について、検出対象２１までの距離を計測する。
【００２６】
ところで、送信素子３が送信した超音波Ｕが送信用ホーン５の先端の開口を通過する際には、図３の説明図に示すように、その一部が開口のエッジにおいて回折され、回折波Ｄｉとなる。この回折波Ｄｉの一部は、受信用ホーン７の先端の開口で再び回折されて、検出対象２１からの反射波Ｒと共に受信素子９へと向かう。
【００２７】
反射波Ｒと共に回折波Ｄｉが受信素子９で受信されると、図４（ａ）のグラフに示すように、反射波Ｒと回折波Ｄｉとが干渉し、図４（ｂ）のグラフに示すように、反射波Ｒとは波形が異なる合成波（干渉波）となる。ここで、反射波Ｒは回折波Ｄｉよりも経路が長いので、回折波Ｄｉよりも遅れて受信素子９で受信される。そこで、受信素子９が受信する合成波の振幅に対して回折波Ｄｉの振幅に応じたスライスレベルを設定すれば、合成波のうち反射波Ｒの成分が含まれていない冒頭の区間を非検出区間とすることができる。
【００２８】
一方、回折波Ｄｉと反射波Ｒとの干渉により回折波Ｄｉによる反射波Ｒの振幅変調が始まってからは、回折波Ｄｉと反射波Ｒとの位相差次第で合成波の振幅が変わるので、合成波の振幅がスライスレベルを超えるタイミングが一定しない。このことが検出対象２１の検出精度を低下させる原因となるので、従来は専ら、回折波Ｄｉを受信素子９側に入力させない方法が提案され続けてきた。
【００２９】
これに対して、本発明（乃至本実施形態）では、回折波Ｄｉを受信素子９側に入力させない工夫をすることよりも、むしろ、回折波Ｄｉを積極的に利用して、結果的に反射波Ｒだけが受信素子９で受信されるようにすることを提案する。以下の説明でその詳細が明らかとなるが、本発明（乃至本実施形態）の超音波センサ１によれば、上述したスライスレベルを設定した煩雑な信号処理が必要なく、近距離（干渉領域）の検出対象２１に関する検出精度の低下を抑制することができる。
【００３０】
そして、本実施形態の超音波センサ１では、送信用ホーン５や受信用ホーン７として、図５の説明図に示す同一形状のホーン筐体４０をそれぞれ用いている。ホーン筐体４０は、全体で略円錐台状を呈しており、ホーン筐体４０の中心軸方向に沿う平面によって２分割した半円錐台状の２つの音響ホーン体４１，４３を有している。各音響ホーン体４１，４３は、超音波Ｕや反射波Ｒの伝播方向Ｘに寸法差ΔＬｈ（請求項中の間隔に相当）を有している。各音響ホーン体４１，４３の寸法差ΔＬｈは、超音波Ｕの波長λの４分の１（λ／４）としてあり、この寸法差ΔＬｈだけ、両音響ホーン体４１，４３の先端の開口４１ａ，４３ａの位置がずれている。なお、上記寸法差ΔＬｈは、ΔＬｈ＝λ×｛ｎ＋（１／４）｝（但し、ｎは０以上の整数）を満たす寸法であれば、超音波Ｕの波長λの４分の１（λ／４）でなくてもよい。
【００３１】
２つの音響ホーン体４１，４３は、開口４１ａ，４３ａ側においてはスクリーン４５により各音響ホーン体４１，４３毎に仕切られて、独立した音響路を構成している。また、２つの音響ホーン体４１，４３の送信素子３や受信素子９側の部分は、スクリーン４５によって仕切られておらず、互いに連通して共有音響空間４７を形成している。
【００３２】
送信用ホーン５のホーン筐体４０と受信用ホーン７のホーン筐体４０は、本実施形態では、円柱状の外形を有する送信素子３や受信素子９にそれぞれ直接又は基板を介して取り付けられる。このとき、図１０や図１１を参照して後述するホーン筐体４０の配置の調整を行えるように、送信素子３や受信素子９の周方向に各ホーン筐体４０を回転できるように取り付けることが望ましい。図５の取付状態では、各ホーン筐体４０のスクリーン４５は一直線上に位置しており、かつ、長寸の音響ホーン体４１と短寸の音響ホーン体４３とがスクリーン４５を挟んでそれぞれ同じ側に位置している。
【００３３】
本実施形態の超音波センサ１では、図６の説明図に示すように、送信用ホーン５としてホーン筐体４０を取り付けた送信素子３が超音波Ｕを送信すると、その一部が音響ホーン体４１，４３の各開口４１ａ，４３ａで回折し回折波Ａ１，Ａ２となる。各回折波Ａ１，Ａ２の一部は、受信用ホーン７として受信素子９に取り付けたホーン筐体４０の各開口４１ａ，４３ａでそれぞれ再び回折されて、各音響ホーン体４１，４３内を共有音響空間４７に向けて通過する。なお、図６では、図面の見やすさのため、音響ホーン体４１の輪郭と音響ホーン体４３の輪郭とを図中の上下にずらして示しているが、実際には両者の輪郭は重なる。
【００３４】
回折波Ａ１，Ａ２は、開口４１ａ，４３ａの位置が超音波Ｕの波長λの４分の１ずつずれている音響ホーン体４１，４３を送信側と受信側でそれぞれ通過するので、往復で波長λの２分の１だけ位相がずれた逆位相の音波となる。
【００３５】
また、図７（ａ）の説明図に示すように、送信側の音響ホーン体４１の開口４１ａで回折した回折波Ａ１の一部は、受信側の音響ホーン体４３の開口４３ａで回折して共有音響空間４７に向かう回折波Ａ１′となる。同様に、送信側の音響ホーン体４３の開口４３ａで回折した回折波Ａ２の一部は、受信側の音響ホーン体４１の開口４１ａで回折して共有音響空間４７に向かう回折波Ａ１″となる。これらの回折波Ａ１′，Ａ１″は、図８の説明図に示すように、送信側又は受信側において伝播方向Ｘの寸法が長い音響ホーン体４１を通過するので、送信側及び受信側共に音響ホーン体４１を通過する回折波Ａ１と同じ位相となる。このため、回折波Ａ１′，Ａ１″は、位相的には回折波Ａ１と一緒に取り扱うことができる。
【００３６】
そして、本実施形態の超音波センサ１では、送信側のホーン筐体４０から受信側のホーン筐体４０に回折する、互いに逆位相の回折波Ａ１（及び回折波Ａ１′，Ａ１″）と回折波Ａ２とを、受信側のホーン筐体４０の共有音響空間４７で干渉させ、減衰乃至相殺させるようにしている。
【００３７】
ここで、話の簡略化のため、図７（ａ）中の回折波Ａ１′，Ａ１″の存在を考慮せず、経路を回折波Ａ１，Ａ２のみに簡略化して、送信側と受信側の各ホーン筐体４０，４０の配置について説明する。図７（ａ）中の説明書きにあるように、送信側から受信側への音響ホーン体４１の実効的な音響路と、送信側から受信側への音響ホーン体４３の実効的な音響路とが対称である場合は、回折波Ａ１と回折波Ａ２のボリューム（振幅）は等しくなる。
【００３８】
この場合は、図７（ａ）に示すように、送信側と受信側の各音響ホーン体４１，４１（伝播方向Ｘにおけるホーン長さＬｈ（図５参照）が長い部分）の開口４１ａ，４１ａどうしが対向する面積が、送信側と受信側の各音響ホーン体４３，４３（伝播方向Ｘにおけるホーン長さＬｈ（図５参照）が短い部分）の開口４３ａ，４３ａどうしが対向する面積と等しくなるように、送信側と受信側の各ホーン筐体４０，４０を配置することで、図７（ｂ）のグラフに示すように、同じ振幅の回折波Ａ１と回折波Ａ２を得ることができる。
【００３９】
同じ振幅の回折波Ａ１と回折波Ａ２が得られれば、図９（ａ）のグラフに示すように、受信側のホーン筐体４０の共有音響空間４７に到達した逆位相の回折波Ａ１と回折波Ａ２とが干渉することで、図９（ｂ）のグラフに示すように、両回折波Ａ１，Ａ２を相殺することができる。これにより、受信素子９に到達するのは反射波Ｒ（図９（ａ），（ｂ）中のＢ波）のみとして、図１の距離演算部１５に、受信信号処理部１３からの時間計測信号Ｔに基づいて、検出対象２１までの距離を正しく計測させることができる。
【００４０】
これに対し、図１０（ａ），（ｃ）の説明図中の説明書きにあるように、送信側から受信側への音響ホーン体４１の実効的な音響路と、送信側から受信側への音響ホーン体４３の実効的な音響路とが非対称である場合は、回折波Ａ１と回折波Ａ２のボリューム（振幅）が相違する（回折波Ａ１のボリューム＞回折波Ａ２のボリューム、又は、回折波Ａ１のボリューム＜回折波Ａ２のボリューム）。
【００４１】
「回折波Ａ１のボリューム＞回折波Ａ２のボリューム」である場合は、図１０（ｂ）のグラフに示すように、回折波Ａ１の振幅が回折波Ａ２の振幅よりも大きくなってしまう。この場合は、図１０（ａ）に示すように、送信側と受信側の各音響ホーン体４１，４１の開口４１ａ，４１ａどうしが対向する面積よりも、送信側と受信側の各音響ホーン体４３，４３の開口４３ａ，４３ａどうしが対向する面積の方が大きくなるように、送信側と受信側の各ホーン筐体４０，４０の配置を調整する。
【００４２】
また、「回折波Ａ１のボリューム＜回折波Ａ２のボリューム」である場合は、図１０（ｄ）のグラフに示すように、回折波Ａ１の振幅よりも回折波Ａ２の振幅が大きくなってしまう。この場合は、図１０（ｃ）に示すように、送信側と受信側の各音響ホーン体４１，４１の開口４１ａ，４１ａどうしが対向する面積の方が、送信側と受信側の各音響ホーン体４３，４３の開口４３ａ，４３ａどうしが対向する面積よりも大きくなるように、送信側と受信側の各ホーン筐体４０，４０の配置を調整する。
【００４３】
上述したように送信側と受信側の各ホーン筐体４０，４０の配置を調整すると図１０（ｅ）のグラフに示すように、同じ振幅の回折波Ａ１と回折波Ａ２を得ることができる。これにより、受信側のホーン筐体４０の共有音響空間４７で回折波Ａ１と回折波Ａ２とを相殺し、反射波Ｒのみを受信素子９に到達させて、図１の距離演算部１５に検出対象２１までの距離を正しく計測させることができる。
【００４４】
なお、共有音響空間４７における逆位相の回折波（上述の説明の場合は回折波Ａ１，Ａ２）の干渉による相殺を確実に実現させる観点から、伝播方向Ｘにおける共有音響空間４７の寸法（図５のスクリーン長さＬｓ）は、超音波Ｕや反射波Ｒの半波長（λ／２）以上とすることが望ましい。
【００４５】
以上の説明では、説明の便宜上回折波Ａ１′，Ａ１″の存在を考慮しなかったが、実際には、これらの回折波Ａ１′，Ａ１″の分だけ回折波Ａ１のボリュームが増える訳であるから、それによる回折波Ａ１の実質的な振幅増加分を考慮して、送信側と受信側の各ホーン筐体４０，４０の配置を決定し、あるいは、調整する必要がある。
【００４６】
なお、送信側と受信側の各ホーン筐体４０，４０の配置調整には、いくつかパターンがある。例えば、送信側と受信側の各ホーン筐体４０，４０の配置を、図１１（ａ）の説明図に示すように、双方のスクリーン４５が一直線上に位置するデフォルトの配置から調整する場合は、図１１（ｂ），（ｃ）に示すように一方のホーン筐体４０のみを調整するパターンと、図１１（ｄ），（ｅ）に示すように両方のホーン筐体４０を調整するパターンとがある。
【００４７】
このような調整を適宜行うことで、回折波Ａ１の振幅（回折波Ａ１′，Ａ１″の分を含む）と回折波Ａ２の振幅とを一致させればよい。
【００４８】
以上に説明したように、本実施形態の超音波センサ１によれば、送信用ホーン５や受信用ホーン７として、超音波Ｕや反射波Ｒの伝播方向Ｘに、超音波Ｕの波長λの４分の１（λ／４）の寸法差ΔＬｈがある２つの音響ホーン体４１，４３を有するホーン筐体４０を用いた。そして、送信側と受信側との間で逆位相の回折波Ａ１の振幅（回折波Ａ１′，Ａ１″の分を含む）と回折波Ａ２の振幅とを一致させて、両回折波Ａ１，Ａ２（回折波Ａ１′，Ａ１″の分を含む）を、受信素子９の手前の、スクリーン４５で音響ホーン体４１，４３毎に仕切られていないホーン筐体４０の共有音響空間４７において相殺させる構成とした。
【００４９】
このため、送信用ホーン５の開口と受信用ホーン７の開口との間（送信側と受信側の各ホーン筐体４０の音響ホーン体４１，４３の開口４１ａ，４３ａどうしの間）に間隔を設ける必要がない。よって、送信用と受信用の両ホーン５，７を離間させずに回折波Ａ１，Ａ２（回折波Ａ１′，Ａ１″を含む）の影響により検出対象２１までの距離等の検出精度が低下するのを抑制することができる。即ち、最短検出レンジを遠くすることなく、近距離の検出対象２１までの距離や検出対象２１の有無を精度よく検出することができる。
【００５０】
なお、上述した実施形態では、全体で略円錐台状を呈するホーン筐体４０を例に取って説明したが、略多角錐状等他の形状のホーン筐体としてもよい。例えば、図１２に示すように、正四角錐状のホーン筐体５０を、ホーン筐体５０の中心軸方向に沿う平面によって２分割した長方形の断面を有する２つの音響ホーン体５１，５３で構成してもよい。この場合、各音響ホーン体５１，５３は、超音波Ｕの波長λの４分の１（λ／４）の寸法差ΔＬｈ（請求項中の間隔に相当）を、超音波Ｕや反射波Ｒの伝播方向Ｘに有し、この寸法差ΔＬｈだけ、両音響ホーン体５１，５３の先端の開口５１ａ，５３ａの位置がずれている。なお、音響ホーン体５１，５３の寸法差ΔＬｈも音響ホーン体４１，４３の場合と同様に、ΔＬｈ＝λ×｛ｎ＋（１／４）｝（但し、ｎは０以上の整数）を満たす寸法であれば、超音波Ｕの波長λの４分の１（λ／４）でなくてもよい。
【００５１】
また、２つの音響ホーン体５１，５３は、開口５１ａ，５３ａ側においてはスクリーン５５により各音響ホーン体５１，５３毎に仕切られて、独立した音響路を構成している。また、２つの音響ホーン体５１，５３の送信素子３や受信素子９側の部分は、スクリーン５５によって仕切られておらず、互いに連通して共有音響空間５７を形成している。
【００５２】
この共有音響空間５７も、逆位相の回折波の干渉（例えば、回折波Ａ１，Ａ１′，Ａ１″と回折波Ａ２との干渉）による相殺を確実に実現させる観点から、伝播方向Ｘにおける共有音響空間５７の寸法（図１２のスクリーン長さＬｓ）は、超音波Ｕや反射波Ｒの半波長（λ／２）以上とすることが望ましい。
【００５３】
このような形状のホーン筐体５０でも、上述した実施形態のホーン筐体４０が発揮した効果と同様の効果を得ることができる。なお、送信側から受信側への音響ホーン体５１の実効的な音響路と、送信側から受信側への音響ホーン体５３の実効的な音響路とが対称でない場合は、送信素子３や受信素子９に対する各ホーン筐体５０，５０の配置を調整すればよい。
【００５４】
例えば、送信側と受信側の各ホーン筐体５０，５０の配置を、図１３（ａ）の説明図に示すように、双方のスクリーン５５が一直線上に位置するデフォルトの配置から調整する場合は、図１１（ｂ），（ｃ）に示すように一方のホーン筐体５０のみを断面平行四辺形状に変形させて調整したり、図１１（ｄ），（ｅ）に示すように両方のホーン筐体５０を断面平行四辺形状に変形させて調整することができる。
【００５５】
なお、予め、送信側から受信側への音響ホーン体４１，５１の実効的な音響路と、送信側から受信側への音響ホーン体４３，５３の実効的な音響路とが対称となるように、送信側と受信側の各ホーン筐体４０，５０をそれぞれ送信素子３や受信素子９に取り付けて、以後その状態を維持できるのであれば、送信素子３や受信素子９に対するホーン筐体４０，５０の配置を調整するための構成は、省略してもよい。
【００５６】
また、逆位相の回折波Ａ１，Ａ２（回折波Ａ１′，Ａ１″を含む）を干渉により許容範囲以下に減衰させることができるのであれば、伝播方向Ｘにおける共有音響空間４７，５７の寸法を、超音波Ｕや反射波Ｒの半波長（λ／２）未満としてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１ 超音波センサ
３ 送信素子
５ 送信用ホーン
７ 受信用ホーン
９ 受信素子
１０ 制御ユニット
１１ 送信素子駆動部
１３ 受信信号処理部
１５ 距離演算部
２１ 検出対象
３１ 送信面
４０，５０ ホーン筐体
４１，４３，５１，５３ 音響ホーン体
４１ａ，４３ａ，５１ａ，５３ａ 開口
４５，５５ スクリーン
４７，５７ 共有音響空間
９１ 受信面
Ａ１ 回折波
Ａ１，Ａ１′，Ａ１″，Ａ２ 回折波
Ｄｉ 回折波
Ｄｒ 駆動信号
Ｒ 反射波
Ｔ 時間計測信号
Ｕ 超音波
Ｘ 伝播方向
ｔ 往復時間
ΔＬｈ 寸法差（間隔）
λ 波長
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送信する送信素子から送信用ホーンを介して検出対象に向けて超音波を発射し、検出対象からの反射波を受信用ホーンを介して受信素子で受信する超音波センサにおいて、
前記送信用ホーン及び前記受信用ホーンは共通のホーン筐体を有しており、
前記ホーン筐体は、前記超音波又は前記反射波の伝播方向においてそれぞれの開口の位置を、前記超音波の波長をλとしたときに、下記の間隔ΔＬｈ、
ΔＬｈ＝λ×｛ｎ＋（１／４）｝ （但し、ｎは０以上の整数）
だけずらした、前記伝播方向における寸法差が前記間隔ΔＬｈである２つの音響ホーン体を有しており、
前記２つの音響ホーン体は、前記開口側においてはスクリーンにより各音響ホーン体毎に仕切られており、かつ、前記送信素子や前記受信素子側においては互いに連通して共有音響空間を形成している、
ことを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
前記ホーン筐体は、前記送信素子及び前記受信素子のうち少なくとも一方に対する前記スクリーンの位置を前記伝播方向と直交する面内において変更可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記共有音響空間は、前記伝播方向においてλ／２以上の寸法を有していることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波センサ。
【請求項１】
超音波を送信する送信素子から送信用ホーンを介して検出対象に向けて超音波を発射し、検出対象からの反射波を受信用ホーンを介して受信素子で受信する超音波センサにおいて、
前記送信用ホーン及び前記受信用ホーンは共通のホーン筐体を有しており、
前記ホーン筐体は、前記超音波又は前記反射波の伝播方向においてそれぞれの開口の位置を、前記超音波の波長をλとしたときに、下記の間隔ΔＬｈ、
ΔＬｈ＝λ×｛ｎ＋（１／４）｝ （但し、ｎは０以上の整数）
だけずらした、前記伝播方向における寸法差が前記間隔ΔＬｈである２つの音響ホーン体を有しており、
前記２つの音響ホーン体は、前記開口側においてはスクリーンにより各音響ホーン体毎に仕切られており、かつ、前記送信素子や前記受信素子側においては互いに連通して共有音響空間を形成している、
ことを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
前記ホーン筐体は、前記送信素子及び前記受信素子のうち少なくとも一方に対する前記スクリーンの位置を前記伝播方向と直交する面内において変更可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記共有音響空間は、前記伝播方向においてλ／２以上の寸法を有していることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−９０２６９（Ｐ２０１３−９０２６９Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３１５８７（Ｐ２０１１−２３１５８７）
【出願日】平成２３年１０月２１日（２０１１．１０．２１）
【出願人】（０００２５０５０２）理想科学工業株式会社 (1,191)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２１日（２０１１．１０．２１）
【出願人】（０００２５０５０２）理想科学工業株式会社 (1,191)
【Ｆターム（参考）】
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