音波センサ
【課題】従来に比べて不感帯を小さくすることが可能な音波センサを提供する。
【解決手段】音波を発生する送波素子は、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された発熱体層と、ベース基板の上記一表面側で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、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化に伴って音波を発生する音波発生素子からなる。送波素子１が実装された送波素子側回路基板（第１の支持基板）３と、物体Ｏｂで反射された音波を受波する受波素子２が実装された受波素子側回路基板（第２の支持基板）４とはハウジング５０内に収納される。ハウジング５０には、送波素子１の送波面および各受波素子２の受波面を露出させる開口部として、送波素子１の送波面を露出させる第１の窓孔５２ａと、受波素子２の受波面を露出させる第２の窓孔５２ｂとが形成されている。
【解決手段】音波を発生する送波素子は、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された発熱体層と、ベース基板の上記一表面側で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、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化に伴って音波を発生する音波発生素子からなる。送波素子１が実装された送波素子側回路基板（第１の支持基板）３と、物体Ｏｂで反射された音波を受波する受波素子２が実装された受波素子側回路基板（第２の支持基板）４とはハウジング５０内に収納される。ハウジング５０には、送波素子１の送波面および各受波素子２の受波面を露出させる開口部として、送波素子１の送波面を露出させる第１の窓孔５２ａと、受波素子２の受波面を露出させる第２の窓孔５２ｂとが形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音波センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、超音波振動子での超音波の送波から物体による反射波を受波するまでの時間差に基づいて物体までの距離を測定する超音波センサが知られている。
【０００３】
上記超音波振動子は、一般的に、圧電セラミックスの両面に電極を設けた構成のものが用いられており、両電極間に電気エネルギを与えて機械的振動を発生させることにより、超音波を送波することができる。
【０００４】
この種の超音波センサとしては、例えば、図１１に示す構成のものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
図１１に示す構成の超音波センサは、有底筒状の金属製のケース４１と、ケース４１の内底面に接合され超音波を送受波する圧電素子からなる超音波振動子４２と、ケース４１内で超音波振動子４２に対向配置された発泡性樹脂製のベース４５と、一端部がベース４５に固着され他端部がケース４１外に突出して外部の回路基板（図示せず）に接続される一対の端子ピン４３，４３と、一方の端子ピン４３と超音波振動子４２の一表面（図１１における上面）側の電極とを電気的に接続するリード４８と、他方の端子ピン４３と超音波振動子４２の他表面（図１１における下面）側の電極とをケース４１を介して電気的に接続するリード４９と、ケース４１内で超音波振動子４２の上記一表面側を覆うフェルトからなる吸音材４６と、ケース４１内でベース４５の全体を覆うシリコンゴム４４とを備えている。
【０００６】
図１１に示した構成の超音波センサでは、一対の端子ピン４３，４３を介して超音波振動子４２の電極間に駆動電圧を印加して超音波振動子４２を振動させ金属製のケース４１の底壁４１ａを振動させることによって超音波が送波され、物体で反射された超音波によりケース４１の底壁４１ａが振動し超音波振動子４２が振動することによって超音波が受波される。
【特許文献１】特開２００４−１０４５２１号公報（段落〔００１４〕〜〔００２０〕および図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、圧電素子を間欠的に駆動した場合、圧電素子から発生する音波は図１２に示すような振動波形となり、共振の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、超音波を送波してから受波するまでの時間が短くなり、圧電素子の近傍に位置する物体を検出することができなくなる。ここで、超音波の音速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、超音波は１ｍｓで３４ｃｍだけ進む）、残響時間Ｔ２が２ｍｓであるとすれば、圧電素子からの距離が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。ここにおいて、物体の検出ができないところまでの距離を不感帯とすれば、例えば、超音波センサで物体を認識して回避動作する機能を有する自律移動ロボットや自律搬送車などの自律移動装置では、不感帯をより小さくしたいという要望がある。
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に開示された超音波センサでは、音波の送波時および受波時に超音波振動子４２が取り付けられたケース４１の底壁４１ａが振動する必要があり、しかも１つの超音波振動子４２で超音波の送受波を行っているので、不感帯を十分に小さくすることができなかった。
【０００９】
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、従来に比べて不感帯を小さくすることが可能な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】
【００１０】
請求項１の発明は、音波を送波可能な送波素子と、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と、送波素子および受波素子を収納するハウジングとを備え、送波素子により音波の送波から受波素子により音波が受波されるまでの時間差に基づいて物体までの距離を測定する音波センサであって、送波素子が、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された発熱体層と、ベース基板の前記一表面側で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、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化に伴って音波を発生する音波発生素子からなり、送波素子と受波素子とがハウジング内で別々の支持基板のそれぞれの一表面側に取り付けられるとともに、ハウジングには送波素子の送波面および受波素子の受波面を露出させる開口部が形成されてなることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、送波素子が、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で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、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化に伴って超音波を発生する音波発生素子からなるので、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、その上、送波素子と受波素子とがハウジング内で別々の支持基板それぞれの一表面側に取り付けられるとともに、ハウジングには送波素子の送波面および受波素子の受波面を露出させる開口部が形成されているので、送波素子から音波を送波する際に送波素子に発生する振動が各支持基板を介して受波素子へ伝達されるのを防ぐことができるから、従来よりも不感帯を小さくすることが可能となる。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記受波素子から出力された受波信号を信号処理する信号処理回路を備え、当該信号処理回路が、前記送波素子を取り付けた支持基板とは別の基板に設けられてなることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、信号処理回路で信号処理する受波信号に前記送波素子の振動に起因したノイズが発生するのを防止することができる。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記信号処理回路が設けられる基板が前記受波素子を取り付けた支持基板とは別体であり、前記受波素子を取り付けた支持基板に、前記受波素子の出力を増幅して前記信号処理回路へ出力する増幅回路が設けられてなることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、前記信号処理回路を前記受波素子が取り付けられた支持基板とは別体の基板に設けることにより、前記ハウジング内への前記信号処理回路の配置の自由度を高めることができ、ひいてはセンサ全体を小型化することができ、しかも、前記受波素子の出力を増幅してから前記信号処理回路へ出力するので、伝送によるノイズの影響を低減することができる。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記ハウジングが合成樹脂もしくはセラミックにより形成されてなることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、前記ハウジングが金属により形成されている場合に比べて、前記ハウジングの密度を小さくすることができ、前記送波素子から送波される音波に前記ハウジングが共振しにくくなり、前記受波素子の受波信号に前記ハウジングの振動に起因したノイズが発生するのを防止することができる。なお、具体的には密度が２ｇ／ｃｍ３以下の材料を用いるのが好ましい。
【００１８】
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、前記ハウジングは、前記開口部として、前記送波素子の送波面を露出させる第１の窓孔と前記受波素子の受波面を露出させる第２の窓孔とが別々に形成されてなることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、第１の窓孔と第２の窓孔とが連続して形成されている場合に比べて、前記送波素子から前記受波素子へ音波が直接伝搬するのを抑制することができ、前記受波素子から出力される受波信号のノイズを低減することができる。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記送波素子および前記受波素子が前記ハウジングにおいて前記各窓孔が形成された部位から後退して配置され、前記送波素子が取り付けられた支持基板である第１の支持基板と前記ハウジングにおける前記第１の窓孔の周部との間に介在し前記送波素子を囲む第１の吸音部材と、前記受波素子が取り付けられた支持基板である第２の支持基板と前記ハウジングにおける前記第２の窓孔の周部との間に介在し前記受波素子を囲む第２の吸音部材とを備えてなることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、前記送波素子から前記受波素子へ音波が直接伝搬するのをより確実に防止することができる。
【００２２】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記各支持基板は、防振材を介して前記ハウジングへ取り付けられてなることを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、前記各支持基板の振動が前記ハウジングへ伝わるを抑制することができ、前記ハウジングの振動により前記受波素子の受波信号に発生するノイズを低減できる。
【００２４】
請求項８の発明は、請求項５または請求項６の発明において、前記第１の窓孔および前記第２の窓孔が、通音性を有する防水性シートにより覆われてなることを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、塵、埃、昆虫などの異物が前記ハウジング内に侵入して回路がショートしたり、雨や水滴が前記ハウジング内に浸入して前記送波素子および前記受波素子が劣化したり破壊されたりするのを防止することができ、信頼性を高めることができる。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１の発明では、従来よりも不感帯を小さくすることが可能となるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本実施形態の音波センサについて図１〜図１０を参照しながら説明する。
【００２８】
本実施形態の音波センサは、音波を送波可能な送波素子１と、送波素子１から送波され物体Ｏｂで反射された音波（反射波）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２と、送波素子１を駆動する駆動回路３０と、各受波素子２それぞれから出力された受波信号を信号処理する信号処理回路４０とを備え、送波素子１による音波の送波から受波素子２により音波が受波されるまでの時間差に基づいて物体Ｏｂまでの距離を測定する。
【００２９】
また、本実施形態の音波センサは、送波素子１が一表面側に実装された矩形板状のガラスエポキシ基板からなる送波素子側回路基板３と、各受波素子２が一表面側に実装された矩形板状のガラスエポキシ基板からなる受波素子側回路基板４と、信号処理回路４０が設けられた矩形板状の信号処理側回路基板５とは、後述のハウジング５０内に収納される。なお、本実施形態では、送波素子側回路基板３が、送波素子１が一表面側に取り付けられた第１の支持基板を構成し、受波素子側回路基板４が、受波素子２が一表面側に取り付けられた第２の支持基板を構成している。
【００３０】
送波素子１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。
【００３１】
上述の送波素子１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温度変化が生じる。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。
【００３２】
上述の送波素子１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。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る。
【００３３】
なお、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１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。
【００３４】
上述のように送波素子１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１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１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３０から一対のパッド１４，１４間へ与えることによって、図５（ａ）に示すような残響の少ない略１周期の音波Ｐ１を発生させることができる。本実施形態では、図５（ａ）に示すような略１周期の音波Ｐ１を発生させる場合、当該音波Ｐ１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。
【００３５】
また、上述の送波素子１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６（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。
【００３６】
ここにおいて、送波素子１から図６（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３０として、例えば図７に示す回路を採用すればよい。図７に示す構成の駆動回路３０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１を接続するように構成されている。また、駆動回路３０は、送波素子１から音波を送波させるタイミングを制御するためのタイミング制御回路（図示せず）を有しており、タイミング制御回路によってスイッチ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３０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、タイミング制御回路は、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７に示す構成の駆動回路３０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、タイミング制御回路（図示せず）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１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６（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１のパッド１４，１４間へ印加することができる。
【００３７】
受波素子２としては、例えば、音波を圧電効果により電気信号に変換する圧電式の受波素子や、音波を静電容量の変化に変換する静電容量式の受波素子などの超音波用の受波素子として広く知られているものを採用することが考えられるが、送波素子１と同様に残響を少なくするために、静電容量式の受波素子の構造を採用することが望ましい。なお、受波素子２として圧電式の受波素子を用いた場合、受波素子２の受波信号に図５（ｃ）に示すように受波素子２の残響に起因した信号Ｐ４が発生する可能性があり、しかも、物体Ｏｂによる反射波（間接波）に起因した受波信号Ｐ３の発生期間が、図５（ｂ）に示すように送波素子１から送波された音波（図５（ａ）参照）Ｐ１に比べて長くなる。
【００３８】
ここで、静電容量式の受波素子としては、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絶縁膜からな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が知られている。このような静電容量式の受波素子では、ダイヤフラム部が音波を受けて変形してダイヤフラム部と背板部との距離が変化することにより、可動電極と固定電極との間の静電容量が変化する。なお、静電容量式の受波素子では、圧電式の受波素子のような共振の高いＱ値を持たないから、受波周波数の範囲を広くとることが可能になる。
【００３９】
ところで、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、受波素子側回路基板４の一表面上に８個の受波素子２を実装してある。具体的には、図３に示すように、受波素子側回路基板４の１辺に沿った方向に５個の受波素子２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３個の受波素子２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２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２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、音波の到来方向（すなわち、受波素子側回路基板４と各受波素子２とからなる受波装置に対して物体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２のうちの一方の受波素子２に到達する時刻における音波の波面と他方の受波素子２の中心との間の距離（遅延距離）をｄ、隣り合う受波素子２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２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１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。
【００４０】
受波素子２から出力される受波信号は信号処理側回路基板５に設けられた信号処理回路４０へ入力されるが、各受波素子２から出力される受波信号は１００〜８００μＶ程度の微小な電圧なので、各受波素子２それぞれから出力された受波信号をそのまま信号処理回路４０へ伝送するとノイズによりＳ／Ｎ比が低下する可能性がある。そこで、受波素子側回路基板４の上記一表面側に各受波素子２それぞれの出力を増幅するプリアンプ３２（プリアンプ３２の電圧利得は２０ｄＢに設定してある）を設けてあり、各プリアンプ３２にて増幅された受波信号を信号処理回路４０へ伝送するようにしてある。なお、各プリアンプ３２の出力は受波素子側回路基板４と信号処理側回路基板５とを電気的に接続しているコネクタ６０を介して信号処理回路４０へ伝送される。
【００４１】
要するに、本実施形態では、信号処理回路４０が設けられる基板である信号処理側回路基板５が、受波素子２が実装された受波素子側回路基板４とは別体であり、受波素子側回路基板４に、各受波素子２の出力を増幅して信号処理回路４０へ出力する増幅回路としてプリアンプ３２が設けられているので、信号処理回路４０を受波素子２が取り付けられた支持基板である受波素子側回路基板４とは別体の基板である信号処理側回路基板５に設けることにより、ハウジング５０内への信号処理回路４０の配置の自由度を高めることができ、ひいてはセンサ全体を小型化することができ、しかも、受波素子２の出力を増幅してから信号処理回路４０へ出力するので、伝送によるノイズの影響を低減することができる。
【００４２】
信号処理回路４０は、各受波素子２から出力されそれぞれプリアンプ３２にて増幅された受波信号をそれぞれ増幅するアンプ４１ａを有する信号増幅部４１と、各アンプ４１ａ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４２と、Ａ／Ｄ変換部４２の出力が格納されるメモリ４３と、上記タイミング制御回路から上記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４２を所定の受波期間だけ作動させメモリ４３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４４とを備えている。なお、演算部４４は、物体Ｏｂまでの距離を求めるにあたって、上記タイミング信号を受けた時刻（つまり、送波素子１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４３に格納された時刻（信号処理回路４０内での遅れ時間を無視すれば、受波素子２により音波を受波したタイミング）との時間差に基づいて、物体Ｏｂまでの距離を演算する。一方、演算部４４は、物体Ｏｂの存在する方位を求めるにあたって、メモリ４３に格納されたデータに基づいて上述の時間差Δｔを演算し、受波素子２の配置位置、時間差Δｔ、上記所定ピッチＬ、音速ｃに基づいて物体Ｏｂの存在する方位θを演算する。
【００４３】
ところで、上述のハウジング５０は、一面が開放された矩形箱状に形成された合成樹脂製のハウジング本体５１と、ハウジング本体５１の上記一面側に固着された矩形板状のハウジング蓋５２とで構成され、上述のように、送波素子１が実装された送波素子側回路基板３、各受波素子２が実装された受波素子側回路基板４、信号処理回路４０が設けられた信号処理側回路基板５などが収納される。ここにおいて、ハウジング蓋５２には、送波素子１の送波面および各受波素子２の受波面を露出させる開口部として、送波素子１の送波面を露出させる第１の窓孔５２ａと各受波素子２の受波面を露出させる第２の窓孔５２ｂとが別々に形成されているので、両窓孔５２ａ，５２ｂが連続して形成されている場合に比べて、送波素子１から各受波素子２へ音波が直接伝搬して図５（ｂ），（ｃ）に示すような直接波に起因した受波信号Ｐ２が発生するのを抑制することができ、各受波素子２それぞれから出力される受波信号のノイズを低減することができるとともに、音波を送波するタイミングと上記受波期間を開始するまでの期間Ｔ３，Ｔ４（図５（ｂ），（ｃ）参照）を短くすることが可能となる。なお、各窓孔５２ａ，５２ｂは、ハウジング蓋５２の厚み方向に貫設されており、開口形状が矩形状となっている。
【００４４】
また、本実施形態では、上述の送波素子１および各受波素子２がハウジング５０内において各窓孔５２ａ，５２ｂが形成された部位から後退して配置されるとともに、送波素子側回路基板３と受波素子側回路基板４とがハウジング蓋５２に平行な面内で離間して配置され、送波素子側回路基板３とハウジング蓋５２における第１の窓孔５２ａの周部との間に介在し送波素子１を囲む矩形枠状の第１の吸音部材６ａと、受波素子側回路基板４とハウジング蓋５２における第２の窓孔５２ｂの周部との間に介在し各受波素子２を囲む矩形枠状の第２の吸音部材６ｂとを備えているので、送波素子１から各受波素子２へ音波が直接伝搬するのをより確実に防止することができる。ここにおいて、各吸音部材６ａ，６ｂの厚みは、送波素子側回路基板３および受波素子側回路基板４それぞれとハウジング蓋５２との間の距離が等しくなるように等しく設定してある。なお、送波素子側回路基板３とハウジング蓋５２との間に介在する第１の吸音部材６ａは、送波素子側回路基板３およびハウジング蓋５２それぞれと接着材により固着されている。また、受波素子側回路基板４とハウジング蓋５２との間に介在する第２の吸音部材６ｂは、受波素子側回路基板４およびハウジング蓋５２それぞれと接着材により固着されている。
【００４５】
上述のように、本実施形態では、送波素子側回路基板３および受波素子側回路基板４とハウジング蓋５２との間にそれぞれ吸音部材６ａ，６ｂを介在させてあるが、送波素子側回路基板３および受波素子側回路基板４は、それぞれ複数個（例えば、４つ）ずつの防振材１７ａ，１７ｂ（図８（ｂ）参照）を介してハウジング蓋５２に取り付けられているので、送波素子側回路基板３および受波素子側回路基板４それぞれの振動がハウジング５０へ伝わるを抑制することができ、ハウジング５０の振動により各受波素子２それぞれの受波信号に発生するノイズを低減できる。すなわち、受波素子２の受波信号に、ハウジング５０の振動に起因したノイズＰ５（図５（ｃ）参照）が発生するのを防止することが可能となる。なお、送波素子側回路基板３とハウジング蓋５２との間に介在する各防振材１７ａは、送波素子側回路基板３およびハウジング蓋５２それぞれと接着材により固着されている。また、受波素子側回路基板４とハウジング蓋５２との間に介在する各防振材１７ｂは、受波素子側回路基板４およびハウジング蓋５２それぞれと接着材により固着されている。
【００４６】
ここで、ハウジング本体５１およびハウジング蓋５２の材料としては、ポリアセタール、例えばデルリン（商品名）やジュラコン（商品名）など、を採用している。なお、本実施形態では、ハウジング本体５１およびハウジング蓋５２をポリアセタールなどの合成樹脂により形成してあるが、これらの材料は合成樹脂に限定するものではなく、金属に比べて密度が小さく絶縁性を有する材料であればよく、例えば、セラミックにより形成してもよい。ここにおいて、ハウジング本体５１とハウジング蓋５２とで構成されるハウジング５０が合成樹脂やセラミックにより形成されていることにより、ハウジング５０を金属により形成する場合に比べて、ハウジング５０を形成する材料の密度を小さくすることができ、音波がハウジング５０を伝わりにくくなるとともに、送波素子１から送波される音波にハウジング５０が共振しにくくなり、各受波素子２の受波信号にハウジング５０の振動に起因したノイズＰ５が発生するのを防止することができる。なお、ポリアセタールの密度は０．９０〜１．５７ｇ／ｃｍ３程度であり、ハウジング５０の材料としては、密度が２ｇ／ｃｍ３以下の材料を採用することが好ましい。
【００４７】
また、上述の信号処理側回路基板５は、上述のように送波素子側回路基板３とは別の基板により構成されており、ハウジング本体５１の内底面に接着材により固着されており、送波素子側回路基板３および受波素子側回路基板４と信号処理回路基板５との間には防振材７を介在させてあるので、送波素子１の振動が信号処理側回路基板５を介して受波素子側回路基板４へ伝わって信号処理回路４０で信号処理する受波信号に送波素子１の振動に起因したノイズが発生するのを防止することができる。
【００４８】
以上説明した本実施形態の音波センサでは、送波素子１が、ベース基板１１と、ベース基板１１の一表面側に形成された発熱体層１３と、ベース基板１１の上記一表面側でベース基板１１と発熱体層１３との間に介在する熱絶縁層１２とを備え、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音波発生素子からなるので、送波素子１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、その上、送波素子１と各受波素子２とがハウジング５０内で別々の支持基板のそれぞれの一表面側に取り付けられるとともに、ハウジング５０には送波素子１の送波面および各受波素子２の受波面を露出させる開口部が形成されているので、送波素子１から音波を送波する際に送波素子１に発生する振動が各支持基板を介して各受波素子２へ伝達されるのを防ぐことができるから、従来よりも不感帯を小さくすることが可能となり、従来に比べて、より近距離に存在する物体Ｏｂまでの距離を測定することが可能となる。
【００４９】
ところで、図８および図９に示すように、ハウジング蓋５２の各窓孔５２ａ，５２ｂを、通音性を有する防水性シート（例えば、多孔質のプラスチック膜など）８により覆い、防水シート８の周部をハウジング蓋５２と同じ材料により形成した枠状のベゼル９（図１０参照）で固定する（ベゼル９とハウジング蓋５２との間に防水性シート８の周部を挟持した形でベゼル９をハウジング蓋５２の外面に固着するようにすれば、塵、埃、昆虫などの異物がハウジング５０内に侵入して回路がショートしたり、雨や水滴がハウジング５０内に浸入して送波素子１および各受波素子２が劣化したり破壊されたりするのを防止することができ、信頼性を高めることができる。なお、本実施形態では、防水性シート８の外周形状を矩形状とし、ベゼル９の形状を矩形枠状としてある。また、図９（ａ）に示した吸音部材６は、上述の吸音部材６ａ，６ｂを一体化して１部材としたものであり、このような１部材の吸音部材６を用いることにより、２つの吸音部材６ａ，６ｂを用いる場合に比べて、部品点数の削減を図れるとともに、送波素子側回路基板３および受波素子側回路基板４それぞれとハウジング蓋５２との間の距離を精度良く揃えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】実施形態を示す概略断面図である。
【図２】同上のブロック図である。
【図３】同上の要部斜視図である。
【図４】同上で用いる送波素子の概略断面図である。
【図５】同上の動作説明図である。
【図６】同上で用いる送波素子の動作説明図である。
【図７】同上で用いる送波素子の駆動回路の一例を示す回路図である。
【図８】同上の他の構成例を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）はハウジング蓋を外した状態における要部概略平面図である。
【図９】同上におけるハウジング蓋に吸音材および防水性シートを取り付けた状態を示す図であって、（ａ）は下面図、（ｂ）は平面図である。
【図１０】同上におけるベゼルの平面図である。
【図１１】従来例を示す概略断面図である。
【図１２】一般的な超音波振動子の動作説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 送波素子
２ 受波素子
３ 送波素子側回路基板
４ 受波素子側回路基板
５ 信号処理側回路基板
６ａ 第１の吸音部材
６ｂ 第２の吸音部材
７ 防振材
５０ ハウジング
５１ ハウジング本体
５２ ハウジング蓋
５２ａ 第１の窓孔
５２ｂ 第２の窓孔
Ｏｂ 物体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音波センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、超音波振動子での超音波の送波から物体による反射波を受波するまでの時間差に基づいて物体までの距離を測定する超音波センサが知られている。
【０００３】
上記超音波振動子は、一般的に、圧電セラミックスの両面に電極を設けた構成のものが用いられており、両電極間に電気エネルギを与えて機械的振動を発生させることにより、超音波を送波することができる。
【０００４】
この種の超音波センサとしては、例えば、図１１に示す構成のものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
図１１に示す構成の超音波センサは、有底筒状の金属製のケース４１と、ケース４１の内底面に接合され超音波を送受波する圧電素子からなる超音波振動子４２と、ケース４１内で超音波振動子４２に対向配置された発泡性樹脂製のベース４５と、一端部がベース４５に固着され他端部がケース４１外に突出して外部の回路基板（図示せず）に接続される一対の端子ピン４３，４３と、一方の端子ピン４３と超音波振動子４２の一表面（図１１における上面）側の電極とを電気的に接続するリード４８と、他方の端子ピン４３と超音波振動子４２の他表面（図１１における下面）側の電極とをケース４１を介して電気的に接続するリード４９と、ケース４１内で超音波振動子４２の上記一表面側を覆うフェルトからなる吸音材４６と、ケース４１内でベース４５の全体を覆うシリコンゴム４４とを備えている。
【０００６】
図１１に示した構成の超音波センサでは、一対の端子ピン４３，４３を介して超音波振動子４２の電極間に駆動電圧を印加して超音波振動子４２を振動させ金属製のケース４１の底壁４１ａを振動させることによって超音波が送波され、物体で反射された超音波によりケース４１の底壁４１ａが振動し超音波振動子４２が振動することによって超音波が受波される。
【特許文献１】特開２００４−１０４５２１号公報（段落〔００１４〕〜〔００２０〕および図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、圧電素子を間欠的に駆動した場合、圧電素子から発生する音波は図１２に示すような振動波形となり、共振の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、超音波を送波してから受波するまでの時間が短くなり、圧電素子の近傍に位置する物体を検出することができなくなる。ここで、超音波の音速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、超音波は１ｍｓで３４ｃｍだけ進む）、残響時間Ｔ２が２ｍｓであるとすれば、圧電素子からの距離が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。ここにおいて、物体の検出ができないところまでの距離を不感帯とすれば、例えば、超音波センサで物体を認識して回避動作する機能を有する自律移動ロボットや自律搬送車などの自律移動装置では、不感帯をより小さくしたいという要望がある。
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に開示された超音波センサでは、音波の送波時および受波時に超音波振動子４２が取り付けられたケース４１の底壁４１ａが振動する必要があり、しかも１つの超音波振動子４２で超音波の送受波を行っているので、不感帯を十分に小さくすることができなかった。
【０００９】
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、従来に比べて不感帯を小さくすることが可能な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】
【００１０】
請求項１の発明は、音波を送波可能な送波素子と、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と、送波素子および受波素子を収納するハウジングとを備え、送波素子により音波の送波から受波素子により音波が受波されるまでの時間差に基づいて物体までの距離を測定する音波センサであって、送波素子が、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された発熱体層と、ベース基板の前記一表面側で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、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化に伴って音波を発生する音波発生素子からなり、送波素子と受波素子とがハウジング内で別々の支持基板のそれぞれの一表面側に取り付けられるとともに、ハウジングには送波素子の送波面および受波素子の受波面を露出させる開口部が形成されてなることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、送波素子が、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で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、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化に伴って超音波を発生する音波発生素子からなるので、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、その上、送波素子と受波素子とがハウジング内で別々の支持基板それぞれの一表面側に取り付けられるとともに、ハウジングには送波素子の送波面および受波素子の受波面を露出させる開口部が形成されているので、送波素子から音波を送波する際に送波素子に発生する振動が各支持基板を介して受波素子へ伝達されるのを防ぐことができるから、従来よりも不感帯を小さくすることが可能となる。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記受波素子から出力された受波信号を信号処理する信号処理回路を備え、当該信号処理回路が、前記送波素子を取り付けた支持基板とは別の基板に設けられてなることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、信号処理回路で信号処理する受波信号に前記送波素子の振動に起因したノイズが発生するのを防止することができる。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記信号処理回路が設けられる基板が前記受波素子を取り付けた支持基板とは別体であり、前記受波素子を取り付けた支持基板に、前記受波素子の出力を増幅して前記信号処理回路へ出力する増幅回路が設けられてなることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、前記信号処理回路を前記受波素子が取り付けられた支持基板とは別体の基板に設けることにより、前記ハウジング内への前記信号処理回路の配置の自由度を高めることができ、ひいてはセンサ全体を小型化することができ、しかも、前記受波素子の出力を増幅してから前記信号処理回路へ出力するので、伝送によるノイズの影響を低減することができる。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記ハウジングが合成樹脂もしくはセラミックにより形成されてなることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、前記ハウジングが金属により形成されている場合に比べて、前記ハウジングの密度を小さくすることができ、前記送波素子から送波される音波に前記ハウジングが共振しにくくなり、前記受波素子の受波信号に前記ハウジングの振動に起因したノイズが発生するのを防止することができる。なお、具体的には密度が２ｇ／ｃｍ３以下の材料を用いるのが好ましい。
【００１８】
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、前記ハウジングは、前記開口部として、前記送波素子の送波面を露出させる第１の窓孔と前記受波素子の受波面を露出させる第２の窓孔とが別々に形成されてなることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、第１の窓孔と第２の窓孔とが連続して形成されている場合に比べて、前記送波素子から前記受波素子へ音波が直接伝搬するのを抑制することができ、前記受波素子から出力される受波信号のノイズを低減することができる。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記送波素子および前記受波素子が前記ハウジングにおいて前記各窓孔が形成された部位から後退して配置され、前記送波素子が取り付けられた支持基板である第１の支持基板と前記ハウジングにおける前記第１の窓孔の周部との間に介在し前記送波素子を囲む第１の吸音部材と、前記受波素子が取り付けられた支持基板である第２の支持基板と前記ハウジングにおける前記第２の窓孔の周部との間に介在し前記受波素子を囲む第２の吸音部材とを備えてなることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、前記送波素子から前記受波素子へ音波が直接伝搬するのをより確実に防止することができる。
【００２２】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記各支持基板は、防振材を介して前記ハウジングへ取り付けられてなることを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、前記各支持基板の振動が前記ハウジングへ伝わるを抑制することができ、前記ハウジングの振動により前記受波素子の受波信号に発生するノイズを低減できる。
【００２４】
請求項８の発明は、請求項５または請求項６の発明において、前記第１の窓孔および前記第２の窓孔が、通音性を有する防水性シートにより覆われてなることを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、塵、埃、昆虫などの異物が前記ハウジング内に侵入して回路がショートしたり、雨や水滴が前記ハウジング内に浸入して前記送波素子および前記受波素子が劣化したり破壊されたりするのを防止することができ、信頼性を高めることができる。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１の発明では、従来よりも不感帯を小さくすることが可能となるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本実施形態の音波センサについて図１〜図１０を参照しながら説明する。
【００２８】
本実施形態の音波センサは、音波を送波可能な送波素子１と、送波素子１から送波され物体Ｏｂで反射された音波（反射波）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２と、送波素子１を駆動する駆動回路３０と、各受波素子２それぞれから出力された受波信号を信号処理する信号処理回路４０とを備え、送波素子１による音波の送波から受波素子２により音波が受波されるまでの時間差に基づいて物体Ｏｂまでの距離を測定する。
【００２９】
また、本実施形態の音波センサは、送波素子１が一表面側に実装された矩形板状のガラスエポキシ基板からなる送波素子側回路基板３と、各受波素子２が一表面側に実装された矩形板状のガラスエポキシ基板からなる受波素子側回路基板４と、信号処理回路４０が設けられた矩形板状の信号処理側回路基板５とは、後述のハウジング５０内に収納される。なお、本実施形態では、送波素子側回路基板３が、送波素子１が一表面側に取り付けられた第１の支持基板を構成し、受波素子側回路基板４が、受波素子２が一表面側に取り付けられた第２の支持基板を構成している。
【００３０】
送波素子１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。
【００３１】
上述の送波素子１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温度変化が生じる。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。
【００３２】
上述の送波素子１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。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る。
【００３３】
なお、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１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。
【００３４】
上述のように送波素子１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１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１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３０から一対のパッド１４，１４間へ与えることによって、図５（ａ）に示すような残響の少ない略１周期の音波Ｐ１を発生させることができる。本実施形態では、図５（ａ）に示すような略１周期の音波Ｐ１を発生させる場合、当該音波Ｐ１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。
【００３５】
また、上述の送波素子１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６（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。
【００３６】
ここにおいて、送波素子１から図６（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３０として、例えば図７に示す回路を採用すればよい。図７に示す構成の駆動回路３０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１を接続するように構成されている。また、駆動回路３０は、送波素子１から音波を送波させるタイミングを制御するためのタイミング制御回路（図示せず）を有しており、タイミング制御回路によってスイッチ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３０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、タイミング制御回路は、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７に示す構成の駆動回路３０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、タイミング制御回路（図示せず）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１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６（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１のパッド１４，１４間へ印加することができる。
【００３７】
受波素子２としては、例えば、音波を圧電効果により電気信号に変換する圧電式の受波素子や、音波を静電容量の変化に変換する静電容量式の受波素子などの超音波用の受波素子として広く知られているものを採用することが考えられるが、送波素子１と同様に残響を少なくするために、静電容量式の受波素子の構造を採用することが望ましい。なお、受波素子２として圧電式の受波素子を用いた場合、受波素子２の受波信号に図５（ｃ）に示すように受波素子２の残響に起因した信号Ｐ４が発生する可能性があり、しかも、物体Ｏｂによる反射波（間接波）に起因した受波信号Ｐ３の発生期間が、図５（ｂ）に示すように送波素子１から送波された音波（図５（ａ）参照）Ｐ１に比べて長くなる。
【００３８】
ここで、静電容量式の受波素子としては、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絶縁膜からな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が知られている。このような静電容量式の受波素子では、ダイヤフラム部が音波を受けて変形してダイヤフラム部と背板部との距離が変化することにより、可動電極と固定電極との間の静電容量が変化する。なお、静電容量式の受波素子では、圧電式の受波素子のような共振の高いＱ値を持たないから、受波周波数の範囲を広くとることが可能になる。
【００３９】
ところで、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、受波素子側回路基板４の一表面上に８個の受波素子２を実装してある。具体的には、図３に示すように、受波素子側回路基板４の１辺に沿った方向に５個の受波素子２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３個の受波素子２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２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２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、音波の到来方向（すなわち、受波素子側回路基板４と各受波素子２とからなる受波装置に対して物体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２のうちの一方の受波素子２に到達する時刻における音波の波面と他方の受波素子２の中心との間の距離（遅延距離）をｄ、隣り合う受波素子２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２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１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。
【００４０】
受波素子２から出力される受波信号は信号処理側回路基板５に設けられた信号処理回路４０へ入力されるが、各受波素子２から出力される受波信号は１００〜８００μＶ程度の微小な電圧なので、各受波素子２それぞれから出力された受波信号をそのまま信号処理回路４０へ伝送するとノイズによりＳ／Ｎ比が低下する可能性がある。そこで、受波素子側回路基板４の上記一表面側に各受波素子２それぞれの出力を増幅するプリアンプ３２（プリアンプ３２の電圧利得は２０ｄＢに設定してある）を設けてあり、各プリアンプ３２にて増幅された受波信号を信号処理回路４０へ伝送するようにしてある。なお、各プリアンプ３２の出力は受波素子側回路基板４と信号処理側回路基板５とを電気的に接続しているコネクタ６０を介して信号処理回路４０へ伝送される。
【００４１】
要するに、本実施形態では、信号処理回路４０が設けられる基板である信号処理側回路基板５が、受波素子２が実装された受波素子側回路基板４とは別体であり、受波素子側回路基板４に、各受波素子２の出力を増幅して信号処理回路４０へ出力する増幅回路としてプリアンプ３２が設けられているので、信号処理回路４０を受波素子２が取り付けられた支持基板である受波素子側回路基板４とは別体の基板である信号処理側回路基板５に設けることにより、ハウジング５０内への信号処理回路４０の配置の自由度を高めることができ、ひいてはセンサ全体を小型化することができ、しかも、受波素子２の出力を増幅してから信号処理回路４０へ出力するので、伝送によるノイズの影響を低減することができる。
【００４２】
信号処理回路４０は、各受波素子２から出力されそれぞれプリアンプ３２にて増幅された受波信号をそれぞれ増幅するアンプ４１ａを有する信号増幅部４１と、各アンプ４１ａ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４２と、Ａ／Ｄ変換部４２の出力が格納されるメモリ４３と、上記タイミング制御回路から上記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４２を所定の受波期間だけ作動させメモリ４３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４４とを備えている。なお、演算部４４は、物体Ｏｂまでの距離を求めるにあたって、上記タイミング信号を受けた時刻（つまり、送波素子１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４３に格納された時刻（信号処理回路４０内での遅れ時間を無視すれば、受波素子２により音波を受波したタイミング）との時間差に基づいて、物体Ｏｂまでの距離を演算する。一方、演算部４４は、物体Ｏｂの存在する方位を求めるにあたって、メモリ４３に格納されたデータに基づいて上述の時間差Δｔを演算し、受波素子２の配置位置、時間差Δｔ、上記所定ピッチＬ、音速ｃに基づいて物体Ｏｂの存在する方位θを演算する。
【００４３】
ところで、上述のハウジング５０は、一面が開放された矩形箱状に形成された合成樹脂製のハウジング本体５１と、ハウジング本体５１の上記一面側に固着された矩形板状のハウジング蓋５２とで構成され、上述のように、送波素子１が実装された送波素子側回路基板３、各受波素子２が実装された受波素子側回路基板４、信号処理回路４０が設けられた信号処理側回路基板５などが収納される。ここにおいて、ハウジング蓋５２には、送波素子１の送波面および各受波素子２の受波面を露出させる開口部として、送波素子１の送波面を露出させる第１の窓孔５２ａと各受波素子２の受波面を露出させる第２の窓孔５２ｂとが別々に形成されているので、両窓孔５２ａ，５２ｂが連続して形成されている場合に比べて、送波素子１から各受波素子２へ音波が直接伝搬して図５（ｂ），（ｃ）に示すような直接波に起因した受波信号Ｐ２が発生するのを抑制することができ、各受波素子２それぞれから出力される受波信号のノイズを低減することができるとともに、音波を送波するタイミングと上記受波期間を開始するまでの期間Ｔ３，Ｔ４（図５（ｂ），（ｃ）参照）を短くすることが可能となる。なお、各窓孔５２ａ，５２ｂは、ハウジング蓋５２の厚み方向に貫設されており、開口形状が矩形状となっている。
【００４４】
また、本実施形態では、上述の送波素子１および各受波素子２がハウジング５０内において各窓孔５２ａ，５２ｂが形成された部位から後退して配置されるとともに、送波素子側回路基板３と受波素子側回路基板４とがハウジング蓋５２に平行な面内で離間して配置され、送波素子側回路基板３とハウジング蓋５２における第１の窓孔５２ａの周部との間に介在し送波素子１を囲む矩形枠状の第１の吸音部材６ａと、受波素子側回路基板４とハウジング蓋５２における第２の窓孔５２ｂの周部との間に介在し各受波素子２を囲む矩形枠状の第２の吸音部材６ｂとを備えているので、送波素子１から各受波素子２へ音波が直接伝搬するのをより確実に防止することができる。ここにおいて、各吸音部材６ａ，６ｂの厚みは、送波素子側回路基板３および受波素子側回路基板４それぞれとハウジング蓋５２との間の距離が等しくなるように等しく設定してある。なお、送波素子側回路基板３とハウジング蓋５２との間に介在する第１の吸音部材６ａは、送波素子側回路基板３およびハウジング蓋５２それぞれと接着材により固着されている。また、受波素子側回路基板４とハウジング蓋５２との間に介在する第２の吸音部材６ｂは、受波素子側回路基板４およびハウジング蓋５２それぞれと接着材により固着されている。
【００４５】
上述のように、本実施形態では、送波素子側回路基板３および受波素子側回路基板４とハウジング蓋５２との間にそれぞれ吸音部材６ａ，６ｂを介在させてあるが、送波素子側回路基板３および受波素子側回路基板４は、それぞれ複数個（例えば、４つ）ずつの防振材１７ａ，１７ｂ（図８（ｂ）参照）を介してハウジング蓋５２に取り付けられているので、送波素子側回路基板３および受波素子側回路基板４それぞれの振動がハウジング５０へ伝わるを抑制することができ、ハウジング５０の振動により各受波素子２それぞれの受波信号に発生するノイズを低減できる。すなわち、受波素子２の受波信号に、ハウジング５０の振動に起因したノイズＰ５（図５（ｃ）参照）が発生するのを防止することが可能となる。なお、送波素子側回路基板３とハウジング蓋５２との間に介在する各防振材１７ａは、送波素子側回路基板３およびハウジング蓋５２それぞれと接着材により固着されている。また、受波素子側回路基板４とハウジング蓋５２との間に介在する各防振材１７ｂは、受波素子側回路基板４およびハウジング蓋５２それぞれと接着材により固着されている。
【００４６】
ここで、ハウジング本体５１およびハウジング蓋５２の材料としては、ポリアセタール、例えばデルリン（商品名）やジュラコン（商品名）など、を採用している。なお、本実施形態では、ハウジング本体５１およびハウジング蓋５２をポリアセタールなどの合成樹脂により形成してあるが、これらの材料は合成樹脂に限定するものではなく、金属に比べて密度が小さく絶縁性を有する材料であればよく、例えば、セラミックにより形成してもよい。ここにおいて、ハウジング本体５１とハウジング蓋５２とで構成されるハウジング５０が合成樹脂やセラミックにより形成されていることにより、ハウジング５０を金属により形成する場合に比べて、ハウジング５０を形成する材料の密度を小さくすることができ、音波がハウジング５０を伝わりにくくなるとともに、送波素子１から送波される音波にハウジング５０が共振しにくくなり、各受波素子２の受波信号にハウジング５０の振動に起因したノイズＰ５が発生するのを防止することができる。なお、ポリアセタールの密度は０．９０〜１．５７ｇ／ｃｍ３程度であり、ハウジング５０の材料としては、密度が２ｇ／ｃｍ３以下の材料を採用することが好ましい。
【００４７】
また、上述の信号処理側回路基板５は、上述のように送波素子側回路基板３とは別の基板により構成されており、ハウジング本体５１の内底面に接着材により固着されており、送波素子側回路基板３および受波素子側回路基板４と信号処理回路基板５との間には防振材７を介在させてあるので、送波素子１の振動が信号処理側回路基板５を介して受波素子側回路基板４へ伝わって信号処理回路４０で信号処理する受波信号に送波素子１の振動に起因したノイズが発生するのを防止することができる。
【００４８】
以上説明した本実施形態の音波センサでは、送波素子１が、ベース基板１１と、ベース基板１１の一表面側に形成された発熱体層１３と、ベース基板１１の上記一表面側でベース基板１１と発熱体層１３との間に介在する熱絶縁層１２とを備え、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音波発生素子からなるので、送波素子１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、その上、送波素子１と各受波素子２とがハウジング５０内で別々の支持基板のそれぞれの一表面側に取り付けられるとともに、ハウジング５０には送波素子１の送波面および各受波素子２の受波面を露出させる開口部が形成されているので、送波素子１から音波を送波する際に送波素子１に発生する振動が各支持基板を介して各受波素子２へ伝達されるのを防ぐことができるから、従来よりも不感帯を小さくすることが可能となり、従来に比べて、より近距離に存在する物体Ｏｂまでの距離を測定することが可能となる。
【００４９】
ところで、図８および図９に示すように、ハウジング蓋５２の各窓孔５２ａ，５２ｂを、通音性を有する防水性シート（例えば、多孔質のプラスチック膜など）８により覆い、防水シート８の周部をハウジング蓋５２と同じ材料により形成した枠状のベゼル９（図１０参照）で固定する（ベゼル９とハウジング蓋５２との間に防水性シート８の周部を挟持した形でベゼル９をハウジング蓋５２の外面に固着するようにすれば、塵、埃、昆虫などの異物がハウジング５０内に侵入して回路がショートしたり、雨や水滴がハウジング５０内に浸入して送波素子１および各受波素子２が劣化したり破壊されたりするのを防止することができ、信頼性を高めることができる。なお、本実施形態では、防水性シート８の外周形状を矩形状とし、ベゼル９の形状を矩形枠状としてある。また、図９（ａ）に示した吸音部材６は、上述の吸音部材６ａ，６ｂを一体化して１部材としたものであり、このような１部材の吸音部材６を用いることにより、２つの吸音部材６ａ，６ｂを用いる場合に比べて、部品点数の削減を図れるとともに、送波素子側回路基板３および受波素子側回路基板４それぞれとハウジング蓋５２との間の距離を精度良く揃えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】実施形態を示す概略断面図である。
【図２】同上のブロック図である。
【図３】同上の要部斜視図である。
【図４】同上で用いる送波素子の概略断面図である。
【図５】同上の動作説明図である。
【図６】同上で用いる送波素子の動作説明図である。
【図７】同上で用いる送波素子の駆動回路の一例を示す回路図である。
【図８】同上の他の構成例を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）はハウジング蓋を外した状態における要部概略平面図である。
【図９】同上におけるハウジング蓋に吸音材および防水性シートを取り付けた状態を示す図であって、（ａ）は下面図、（ｂ）は平面図である。
【図１０】同上におけるベゼルの平面図である。
【図１１】従来例を示す概略断面図である。
【図１２】一般的な超音波振動子の動作説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 送波素子
２ 受波素子
３ 送波素子側回路基板
４ 受波素子側回路基板
５ 信号処理側回路基板
６ａ 第１の吸音部材
６ｂ 第２の吸音部材
７ 防振材
５０ ハウジング
５１ ハウジング本体
５２ ハウジング蓋
５２ａ 第１の窓孔
５２ｂ 第２の窓孔
Ｏｂ 物体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音波を送波可能な送波素子と、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と、送波素子および受波素子を収納するハウジングとを備え、送波素子による音波の送波から受波素子により音波が受波されるまでの時間差に基づいて物体までの距離を測定する音波センサであって、送波素子が、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された発熱体層と、ベース基板の前記一表面側で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、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化に伴って音波を発生する音波発生素子からなり、送波素子と受波素子とがハウジング内で別々の支持基板のそれぞれの一表面側に取り付けられるとともに、ハウジングには送波素子の送波面および受波素子の受波面を露出させる開口部が形成されてなることを特徴とする音波センサ。
【請求項２】
前記受波素子から出力された受波信号を信号処理する信号処理回路を備え、当該信号処理回路が、前記送波素子を取り付けた支持基板とは別の基板に設けられてなることを特徴とする請求項１記載の音波センサ。
【請求項３】
前記信号処理回路が設けられる基板が前記受波素子を取り付けた支持基板とは別体であり、前記受波素子を取り付けた支持基板に、前記受波素子の出力を増幅して前記信号処理回路へ出力する増幅回路が設けられてなることを特徴とする請求項２記載の音波センサ。
【請求項４】
前記ハウジングが合成樹脂もしくはセラミックにより形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の音波センサ。
【請求項５】
前記ハウジングは、前記開口部として、前記送波素子の送波面を露出させる第１の窓孔と前記受波素子の受波面を露出させる第２の窓孔とが別々に形成されてな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。
【請求項６】
前記送波素子および前記受波素子が前記ハウジングにおいて前記各窓孔が形成された部位から後退して配置され、前記送波素子が取り付けられた支持基板である第１の支持基板と前記ハウジングにおける前記第１の窓孔の周部との間に介在し前記送波素子を囲む第１の吸音部材と、前記受波素子が取り付けられた支持基板である第２の支持基板と前記ハウジングにおける前記第２の窓孔の周部との間に介在し前記受波素子を囲む第２の吸音部材とを備えてなることを特徴とする請求項５記載の音波センサ。
【請求項７】
前記各支持基板は、防振材を介して前記ハウジングへ取り付けられてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の音波センサ。
【請求項８】
前記第１の窓孔および前記第２の窓孔が、通音性を有する防水性シートにより覆われてなることを特徴とする請求項５または請求項６記載の音波センサ。
【請求項１】
音波を送波可能な送波素子と、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と、送波素子および受波素子を収納するハウジングとを備え、送波素子による音波の送波から受波素子により音波が受波されるまでの時間差に基づいて物体までの距離を測定する音波センサであって、送波素子が、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された発熱体層と、ベース基板の前記一表面側で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、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化に伴って音波を発生する音波発生素子からなり、送波素子と受波素子とがハウジング内で別々の支持基板のそれぞれの一表面側に取り付けられるとともに、ハウジングには送波素子の送波面および受波素子の受波面を露出させる開口部が形成されてなることを特徴とする音波センサ。
【請求項２】
前記受波素子から出力された受波信号を信号処理する信号処理回路を備え、当該信号処理回路が、前記送波素子を取り付けた支持基板とは別の基板に設けられてなることを特徴とする請求項１記載の音波センサ。
【請求項３】
前記信号処理回路が設けられる基板が前記受波素子を取り付けた支持基板とは別体であり、前記受波素子を取り付けた支持基板に、前記受波素子の出力を増幅して前記信号処理回路へ出力する増幅回路が設けられてなることを特徴とする請求項２記載の音波センサ。
【請求項４】
前記ハウジングが合成樹脂もしくはセラミックにより形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の音波センサ。
【請求項５】
前記ハウジングは、前記開口部として、前記送波素子の送波面を露出させる第１の窓孔と前記受波素子の受波面を露出させる第２の窓孔とが別々に形成されてな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。
【請求項６】
前記送波素子および前記受波素子が前記ハウジングにおいて前記各窓孔が形成された部位から後退して配置され、前記送波素子が取り付けられた支持基板である第１の支持基板と前記ハウジングにおける前記第１の窓孔の周部との間に介在し前記送波素子を囲む第１の吸音部材と、前記受波素子が取り付けられた支持基板である第２の支持基板と前記ハウジングにおける前記第２の窓孔の周部との間に介在し前記受波素子を囲む第２の吸音部材とを備えてなることを特徴とする請求項５記載の音波センサ。
【請求項７】
前記各支持基板は、防振材を介して前記ハウジングへ取り付けられてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の音波センサ。
【請求項８】
前記第１の窓孔および前記第２の窓孔が、通音性を有する防水性シートにより覆われてなることを特徴とする請求項５または請求項６記載の音波センサ。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−２３４５２２（Ｐ２００６−２３４５２２Ａ）
【公開日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−４８０７４（Ｐ２００５−４８０７４）
【出願日】平成１７年２月２３日（２００５．２．２３）
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月２３日（２００５．２．２３）
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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