(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送信するととともに、その反射波を受信して、被検出体の有無や距離を検出する超音波装置であって、
超音波を送信する複数の送信素子及び反射波を受信する受信素子を構成する、厚み方向に振動し、音響インピーダンスがＺ１とされた圧電素子、及び、一面が被検出体が存在する空間側に露出し、空間側に露出する一面の反対面に前記圧電素子が取り付けられ、音響インピーダンスが前記圧電素子よりも小さいＺ２（＜Ｚ１）とされた音響部材と、
前記複数の送信素子を振動させるために、各送信素子に対して同じ周波数の駆動信号を同一タイミングで生成する駆動信号生成手段と、
各送信素子に対する前記駆動信号の位相差を調整する位相差調整手段と、
予め設定された第１切替条件に応じて、前記駆動信号の周波数変更を前記駆動信号生成手段に指示する第１変更手段と、
予め設定された第２切替条件に応じて、各駆動信号の位相差変更を前記位相差調整手段に指示する第２変更手段と、
を備え、
前記音響部材における一面及び反対面間の厚みをＴａとすると、前記駆動信号生成手段は、
λｎ＝４×Ｔａ／（２ｎ−１）
［ｎは正の整数、λｎは周波数ｆｎの超音波が音響部材中を伝搬するときの波長］を満たす互いに波長が異なる複数の超音波を、単一の前記送信素子が送信し単一の前記受信素子が受信するように、互いに周波数ｆｎの異なる複数の前記駆動信号を生成可能に設けられていることを特徴とする超音波装置。
【請求項２】
互いに周波数ｆｎの異なる前記複数の駆動信号として、波長λ１＝４×Ｔａ［ｎ＝１］に対応する駆動信号を含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波装置。
【請求項３】
超音波を送信するととともに、その反射波を受信して、被検出体の有無や距離を検出する超音波装置であって、
超音波を送信する複数の送信素子及び反射波を受信する受信素子を構成する、厚み方向に振動し、音響インピーダンスがＺ１とされた圧電素子、及び、一面が被検出体が存在する空間側に露出し、空間側に露出する一面の反対面に前記圧電素子が取り付けられ、音響インピーダンスが前記圧電素子よりも大きいＺ２（＞Ｚ１）とされた音響部材と、
前記複数の送信素子を振動させるために、各送信素子に対して同じ周波数の駆動信号を同一タイミングで生成する駆動信号生成手段と、
各送信素子に対する前記駆動信号の位相差を調整する位相差調整手段と、
予め設定された第１切替条件に応じて、前記駆動信号の周波数変更を前記駆動信号生成手段に指示する第１変更手段と、
予め設定された第２切替条件に応じて、各駆動信号の位相差変更を前記位相差調整手段に指示する第２変更手段と、
を備え、
前記音響部材における一面及び反対面間の厚みをＴａとすると、前記駆動信号生成手段は、
λｎ＝４×Ｔａ／２ｎ
［ｎは正の整数、λｎは周波数ｆｎの超音波が音響部材中を伝搬するときの波長］を満たす互いに波長が異なる複数の超音波を、単一の前記送信素子が送信し単一の前記受信素子が受信するように、互いに周波数ｆｎの異なる複数の前記駆動信号を生成可能に設けられていることを特徴とする超音波装置。
【請求項４】
互いに周波数ｆｎの異なる前記複数の駆動信号として、波長λ１＝２×Ｔａ［ｎ＝１］に対応する駆動信号を含むことを特徴とする請求項３に記載の超音波装置。
【請求項５】
前記受信素子の受信信号のうち、前記駆動信号の周波数ｆｎに応じた周波数帯域の信号を選択的に出力するフィルタ手段を備え、
前記第１変更手段は、前記駆動信号の周波数変更に応じて、選択的に出力する前記周波数帯域の変更を前記フィルタ手段に指示することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の超音波装置。
【請求項６】
前記第１変更手段は、前記第１切替条件の判断に、前記受信素子の受信信号を用いることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の超音波装置。
【請求項７】
前記第１切替条件とは、前記被検出体までの距離に基づくものであり、
前記第１変更手段は、前記被検出体までの距離が予め設定された基準距離以下の場合に前記送信素子が送信する超音波の周波数が、前記被検出体までの距離が前記基準距離よりも長い場合に前記送信素子が送信する超音波の周波数よりも低くなるように、前記駆動信号の周波数変更を前記駆動信号生成手段に指示することを特徴とする請求項６に記載の超音波装置。
【請求項８】
前記第１切替条件とは、前記被検出体の有無に基づくものであり、
前記第１変更手段は、所定周波数の前記駆動信号により前記被検出体が検出された場合に、前記所定周波数よりも高周波の前記駆動信号を生成するように、前記駆動信号生成手段に指示することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の超音波装置。
【請求項９】
前記第２切替条件とは、前記被検出体の有無に基づくものであり、
所定周波数及び所定位相差の各駆動信号により前記被検出体が検出されない場合、前記所定周波数が維持されるとともに、前記第２変更手段は、前記位相差を切り替えるように前記位相差調整手段に指示することを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の超音波装置。
【請求項１０】
所定周波数及び所定位相差の各駆動信号により前記被検出体が検出された場合、前記位相差が維持されるとともに、前記第１変更手段は、前記所定周波数よりも高周波の前記駆動信号を生成するように、前記駆動信号生成手段に指示することを特徴とする請求項９に記載の超音波装置。
【請求項１１】
超音波を送信するととともに、その反射波を受信して、被検出体の有無や距離を検出する超音波装置であって、
超音波を送信する送信素子及び反射波を受信する受信素子を構成する、厚み方向に振動し、音響インピーダンスがＺ１とされた圧電素子、及び、一面が被検出体が存在する空間側に露出し、空間側に露出する一面の反対面に前記圧電素子が取り付けられ、音響インピーダンスが前記圧電素子よりも大きいＺ２（＞Ｚ１）とされた音響部材と、
前記送信素子を振動させるために、所定周波数の駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
予め設定された切替条件に応じて、前記駆動信号の周波数変更を前記駆動信号生成手段に指示する変更手段と、を備え、
前記音響部材における一面及び反対面間の厚みをＴａとすると、前記駆動信号生成手段は、
λｎ＝４×Ｔａ／２ｎ
［ｎは正の整数、λｎは前記音響部材が共振状態となる周波数ｆｎの超音波が音響部材中を伝搬するときの波長］を満たす互いに波長が異なる複数の超音波を、単一の前記送信素子が送信し単一の前記受信素子が受信するように、互いに周波数ｆｎの異なる複数の前記駆動信号を生成可能に設けられていることを特徴とする超音波装置。
【請求項１２】
前記受信素子の受信信号のうち、前記駆動信号の周波数ｆｎに応じた周波数帯域の信号を選択的に出力するフィルタ手段を備え、
前記変更手段は、前記駆動信号の周波数変更に応じて、選択的に出力する前記周波数帯域の変更を前記フィルタ手段に指示することを特徴とする請求項１１に記載の超音波装置。
【請求項１３】
前記複数の駆動信号として、波長λ１＝２×Ｔａ［ｎ＝１］に対応する駆動信号を含むことを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の超音波装置。
【請求項１４】
前記変更手段は、前記切替条件の判断に、前記受信素子の受信信号を用いることを特徴とする請求項１１〜１３いずれか１項に記載の超音波装置。
【請求項１５】
前記切替条件とは、前記被検出体までの距離に基づくものであり、
前記変更手段は、前記被検出体までの距離が予め設定された基準距離以下の場合に前記送信素子が送信する超音波の周波数が、前記被検出体までの距離が前記基準距離よりも長い場合に前記送信素子が送信する超音波の周波数よりも低くなるように、前記駆動信号の周波数変更を前記駆動信号生成手段に指示することを特徴とする請求項１４に記載の超音波装置。
【請求項１６】
前記切替条件とは、前記被検出体の有無に基づくものであり、
前記変更手段は、所定周波数の前記駆動信号により前記被検出体が検出された場合に、前記所定周波数よりも高周波の前記駆動信号を生成するように、前記駆動信号生成手段に指示することを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の超音波装置。
【請求項１７】
前記受信素子として、受信専用の前記圧電素子を含むことを特徴とする請求項１〜１６いずれか１項に記載の超音波装置。
【請求項１８】
前記圧電素子として、前記送信素子と前記受信素子を兼ねる送受信素子を含むことを特徴とする請求項１〜１７いずれか１項に記載の超音波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を送信するととともに、その反射波を受信して、被検出体の有無や距離を検出する超音波装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、１つの圧電振動子（圧電素子）と１枚の整合板（音響部材）を有する単一の超音波振動子（送信素子又は受信素子）において、２以上の周波数帯域を使用帯域特性とする構成が示されている。
【０００３】
この超音波振動子は、例えば円板状の圧電振動子を用い、その厚み方向の振動モードでの振動により生じた超音波が整合板中を伝搬するときの波長をλ１、その径方向の振動モードでの振動により生じた超音波が整合板中を伝搬するときの波長をλ２、整合板の厚さをＴｍとすると、Ｔｍ＝λ１（ｎ１＋１／４）＝λ２（ｎ２＋１／４）［ｎ１，ｎ２は相異なる数であって０又は正の整数］を満たすように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３４５５５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の発明では、単一の超音波振動子が複数の周波数の超音波を送信乃至受信するために、厚み方向の振動モードと径方向の振動モード、すなわち異なる複数の振動モードの共振条件を満たすように超音波振動子を設計しなければならない。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑み、単一の素子で複数の周波数の超音波を送信又は受信でき、且つ、素子を設計しやすい超音波装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する為に請求項１に記載の発明は、
超音波を送信するととともに、その反射波を受信して、被検出体の有無や距離を検出する超音波装置であって、
超音波を送信する複数の送信素子及び反射波を受信する受信素子を構成する、厚み方向に振動し、音響インピーダンスがＺ１とされた圧電素子、及び、一面が被検出体が存在する空間側に露出し、空間側に露出する一面の反対面に圧電素子が取り付けられ、音響インピーダンスが圧電素子よりも小さいＺ２（＜Ｚ１）とされた音響部材と、
複数の送信素子を振動させるために、各送信素子に対して同じ周波数の駆動信号を同一タイミングで生成する駆動信号生成手段と、
各送信素子に対する駆動信号の位相差を調整する位相差調整手段と、
予め設定された第１切替条件に応じて、駆動信号の周波数変更を駆動信号生成手段に指示する第１変更手段と、
予め設定された第２切替条件に応じて、各駆動信号の位相差変更を位相差調整手段に指示する第２変更手段と、を備え、
音響部材における一面及び反対面間の厚みをＴａとすると、駆動信号生成手段は、
λｎ＝４×Ｔａ／（２ｎ−１）
［ｎは正の整数、λｎは周波数ｆｎの超音波が音響部材中を伝搬するときの波長］を満たす互いに波長が異なる複数の超音波を、単一の送信素子が送信し単一の受信素子が受信するように、互いに周波数ｆｎの異なる複数の駆動信号を生成可能に設けられていることを特徴とする。
【０００８】
厚み方向に振動する、すなわち厚み方向の振動モードを有する圧電素子に、圧電素子よりも音響インピーダンスが小さい音響部材を取り付けた構成では、音響部材における空間側の端部が、反射による位相変化のない自由端、圧電素子側の端部が、反射により位相がπ（１８０°）変化する固定端となる。したがって、音響部材中を伝搬する超音波の波長をλとすると、音響部材の厚みＴａをλ／４の奇数倍とすることで、音響部材内に定在波が生じ、音響部材内に入射した超音波と、音響部材と圧電素子との境界面で反射した超音波とが干渉して互いに打ち消し合うのを抑制する、すなわち共振状態とすることができる。
【０００９】
上記したように本発明では、上記共振条件を満たしつつ波長が異なる複数の超音波を、単一の送信素子が送信し単一の受信素子が受信するように、駆動信号生成手段が互いに周波数ｆｎの異なる複数の駆動信号を生成可能に設けられている。したがって、いずれの周波数ｆｎ（例えばｆ１，ｆ２）の駆動信号が生成されても、音響部材の厚みＴａがλｎ／４の奇数倍となり、各駆動信号に対して音響部材が共振状態となる。これにより、単一の送信素子で複数の周波数ｆｎの超音波を送信でき、単一の受信素子で複数の周波数ｆｎの超音波を受信できる。また、送信素子及び受信素子を設計する際に、厚み方向の振動モードのみを考慮すれば良いので、従来に比べて送信素子及び受信素子を設計しやすくすることができる。
【００１０】
なお、音響部材は、圧電素子よりも音響インピーダンスが小さいので、圧電素子と被検出体が存在する空間との間で所謂音響整合部材として機能し、これにより、反射ロスを低減することができる。また、複数の送信素子から送信される超音波の合成指向性は、駆動信号の位相に応じて異なるものとなる。したがって、位相差を切り替えることで、駆動信号の周波数が同じであっても、検出エリアを変化させることができる。これにより、送信素子が１つのみの構成に比べて、被検出体の検出範囲を広くすることができる。
【００１１】
請求項２に記載のように、互いに周波数ｆｎの異なる複数の駆動信号として、波長λ１＝４×Ｔａ［ｎ＝１］に対応する駆動信号を含むと良い。超音波振動の振幅Ｘは、速度Ｖに比例、周波数ｆに反比例し、Ｘ＝Ｖ／（２πｆ）で示される。音響部材に同じ音圧（振幅）が加わる場合、超音波振動は同じ速度Ｖで伝わるため、波長が最も長い上記λ１（周波数が最も低いｆ１）で、振幅Ｘが最も大きくなる。また、波長が長い（周波数ｆｎが低い）ほうが、空気中での超音波の減衰も小さい。したがって、本発明によれば、これら効果により、感度を向上することができる。
【００１２】
次に、請求項３に記載の発明は、
超音波を送信するととともに、その反射波を受信して、被検出体の有無や距離を検出する超音波装置であって、
超音波を送信する複数の送信素子及び反射波を受信する受信素子を構成する、厚み方向に振動し、音響インピーダンスがＺ１とされた圧電素子、及び、一面が被検出体が存在する空間側に露出し、空間側に露出する一面の反対面に圧電素子が取り付けられ、音響インピーダンスが圧電素子よりも大きいＺ２（＞Ｚ１）とされた音響部材と、
複数の送信素子を振動させるために、各送信素子に対して同じ周波数の駆動信号を同一タイミングで生成する駆動信号生成手段と、
各送信素子に対する駆動信号の位相差を調整する位相差調整手段と、
予め設定された第１切替条件に応じて、駆動信号の周波数変更を駆動信号生成手段に指示する第１変更手段と、
予め設定された第２切替条件に応じて、各駆動信号の位相差変更を位相差調整手段に指示する第２変更手段と、を備え、
音響部材における一面及び反対面間の厚みをＴａとすると、駆動信号生成手段は、
λｎ＝４×Ｔａ／２ｎ
［ｎは正の整数、λｎは周波数ｆｎの超音波が音響部材中を伝搬するときの波長］を満たす互いに波長λｎが異なる複数の超音波を、単一の送信素子が送信し単一の受信素子が受信するように、互いに周波数ｆｎの異なる複数の駆動信号を生成可能に設けられていることを特徴とする。
【００１３】
厚み方向に振動する、すなわち厚み方向の振動モードを有する圧電素子に、圧電素子よりも音響インピーダンスが大きい音響部材を取り付けた構成では、音響部材における空間側の端部、圧電素子側の端部がともに、反射による位相変化のない自由端となる。したがって、音響部材中を伝搬する超音波の波長をλとすると、音響部材の厚みＴａをλ／４の偶数倍とすることで、音響部材内に定在波が生じ、音響部材内に入射した超音波と、音響部材と圧電素子との境界面で反射した超音波とが干渉して互いに打ち消し合うのを抑制する、すなわち共振状態とすることができる。
【００１４】
上記したように本発明では、上記共振条件を満たしつつ波長が異なる複数の超音波を、単一の送信素子が送信し単一の受信素子が受信するように、駆動信号生成手段が互いに周波数ｆｎの異なる複数の駆動信号を生成可能に設けられている。したがって、いずれの周波数ｆｎの駆動信号が生成されても、音響部材の厚みＴａがλｎ／４の偶数倍となり、各駆動信号に対して音響部材が共振状態となる。これにより、単一の送信素子で複数の周波数ｆｎの超音波を送信でき、単一の受信素子で複数の周波数ｆｎの超音波を受信できる。また、送信素子及び受信素子を設計する際に、厚み方向の振動モードのみを考慮すれば良いので、従来に比べて送信素子及び受信素子を設計しやすくすることができる。
【００１５】
なお、音響部材は、圧電素子よりも音響インピーダンスが大きいので、圧電素子を保護し、耐環境性などを向上することができる。また、複数の送信素子から送信される超音波の合成指向性は、駆動信号の位相に応じて異なるものとなる。したがって、位相差を切り替えることで、駆動信号の周波数が同じであっても、検出エリアを変化させることができる。これにより、送信素子が１つのみの構成に比べて、被検出体の検出範囲を広くすることができる。
【００１６】
請求項４に記載のように、互いに周波数ｆｎの異なる複数の駆動信号として、波長λ１＝２×Ｔａ［ｎ＝１］に対応する駆動信号を含むと良い。本発明の作用効果は、請求項２に記載の発明の作用効果と同じであるので、その記載を省略する。
【００１７】
請求項５に記載のように、受信素子の受信信号のうち、駆動信号の周波数ｆｎに応じた周波数帯域の信号を選択的に出力するフィルタ手段を備え、第１変更手段は、駆動信号の周波数変更に応じて、選択的に出力する周波数帯域の変更をフィルタ手段に指示する構成とすると良い。これによれば、単一の受信素子で複数の周波数ｆｎの超音波を受信しつつ、フィルタ手段により、不要な周波数帯域の信号（ノイズ）をカットすることができる。
【００１８】
請求項６に記載のように、第１変更手段が、第１切替条件の判断に受信素子の受信信号を用いる構成としても良い。これによれば、受信結果に応じて、駆動信号の周波数ｆｎやフィルタ手段にて選択的に出力する周波数帯域を変更することができる。
【００１９】
請求項７に記載のように、第１切替条件とは、被検出体までの距離に基づくものであり、第１変更手段は、被検出体までの距離が予め設定された基準距離以下の場合に送信素子が送信する超音波の周波数が、被検出体までの距離が基準距離よりも長い場合に送信素子が送信する超音波の周波数よりも低くなるように、駆動信号の周波数変更を駆動信号生成手段に指示することが好ましい。送信素子から送信される超音波の周波数ｆｎが低い（波長が長い）と、検出距離が長く指向性は広くなり、超音波の周波数ｆｎが高い（波長が短い）と、検出距離が短く指向性は狭くなる。本発明によれば、駆動信号生成手段が、検出した距離が基準距離以下の場合に低周波の駆動信号を生成し、基準距離より長い場合に高周波の駆動信号を生成する。したがって、被検出体までの距離に応じて、被検出体の検出に適した超音波を送信することができる。
【００２０】
請求項８に記載のように、第１切替条件とは、被検出体の有無に基づくものであり、第１変更手段は、所定周波数の駆動信号により被検出体が検出された場合に、所定周波数よりも高周波の駆動信号を生成するように、駆動信号生成手段に指示する構成としても良い。これによれば、例えば超音波装置に対し被検出体が相対的に近づく場合において、被検出体の検出に適した超音波を送信することができる。なお、第１切替条件としては、受信信号によらず、例えば所定時間ごとに駆動信号の周波数や選択的に出力する周波数帯域を変更するようにしても良い。
【００２１】
請求項９に記載のように、第２切替条件とは、被検出体の有無に基づくものであり、所定周波数及び所定位相差の各駆動信号により被検出体が検出されない場合、所定周波数が維持されるとともに、第２変更手段は、位相差を切り替えるように位相差調整手段に指示する構成としても良い。
【００２２】
さらに、請求項１０に記載のように、所定周波数及び所定位相差の各駆動信号により被検出体が検出された場合、位相差が維持されるとともに、第１変更手段は、所定周波数よりも高周波の駆動信号を生成するように、駆動信号生成手段に指示する構成としても良い。
【００２３】
次に、請求項１１に記載の発明は、
超音波を送信するととともに、その反射波を受信して、被検出体の有無や距離を検出する超音波装置であって、
超音波を送信する送信素子及び反射波を受信する受信素子を構成する、厚み方向に振動し、音響インピーダンスがＺ１とされた圧電素子、及び、一面が被検出体が存在する空間側に露出し、空間側に露出する一面の反対面に圧電素子が取り付けられ、音響インピーダンスが圧電素子よりも大きいＺ２（＞Ｚ１）とされた音響部材と、
送信素子を振動させるために、所定周波数の駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
予め設定された切替条件に応じて、駆動信号の周波数変更を駆動信号生成手段に指示する変更手段と、を備え、
音響部材における一面及び反対面間の厚みをＴａとすると、駆動信号生成手段は、
λｎ＝４×Ｔａ／２ｎ
［ｎは正の整数、λｎは音響部材が共振状態となる周波数ｆｎの超音波が音響部材中を伝搬するときの波長］を満たす互いに波長λｎが異なる複数の超音波を、単一の送信素子が送信し単一の受信素子が受信するように、互いに周波数ｆｎの異なる複数の駆動信号を生成可能に設けられていることを特徴とする。
【００２４】
本発明の作用効果は、位相差によるものを除けば、請求項３に記載の発明の作用効果と同じであるので、その記載を省略する。
【００２５】
請求項１３に記載の発明の作用効果は、請求項４に記載の発明の作用効果と同じであるので、その記載を省略する。
【００２６】
請求項１２，１４〜１６に記載の発明の作用効果は、それぞれ請求項５〜８に記載の発明の作用効果と同じであるので、その記載を省略する。
【００２７】
請求項１７に記載のように、受信素子として、受信専用の圧電素子を含む構成とすることが好ましい。これによれば、送受信素子に比べて残響の影響を低減できるため、より近距離を検出することができる。
【００２８】
請求項１８に記載のように、圧電素子として、送信素子と受信素子を兼ねる送受信素子を含む構成としても良い。これによれば、超音波装置の体格を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１実施形態に係る超音波装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す超音波装置のうち、送受信素子の概略構成を示す図であり、（ａ）は音響部材側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩＢ−ＩＩＢ線に沿う断面図である。
【図３】駆動信号切替処理を示すフローチャートである。
【図４】検出エリアを示す図である。
【図５】音響部材の共振状態を説明するための図であり、（ａ）は駆動信号の周波数ｆ１、（ｂ）は駆動信号の周波数ｆ２を示している。
【図６】圧電素子の駆動波形を示す図であり、（ａ）は周波数ｆ１、（ｂ）は周波数ｆ２を示している。
【図７】駆動信号切替処理の変形例を示すフローチャートである。
【図８】駆動信号切替処理の変形例を示すフローチャートである。
【図９】第２実施形態に係る超音波装置において、音響部材の共振状態を説明するための図であり、（ａ）は駆動信号の周波数ｆ１、（ｂ）は駆動信号の周波数ｆ２を示している。
【図１０】超音波装置のその他変形例を示すブロック図である。
【図１１】位相差調整による検出エリアを示す図である。
【図１２】図１０に示す超音波装置において、検出エリア切替処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。
（第１実施形態）
以下においては、圧電素子の厚み方向（振動方向）を単に厚み方向とし、該厚み方向に垂直な方向を単に垂直方向と示す。
【００３１】
図１に示す超音波装置１は、超音波を送信するととともに、その反射波を受信して、被検出体の有無や距離を検出するものであり、要部として、超音波を送信乃至受信する超音波素子１０，２０と、超音波素子１０の駆動信号を生成するとともに、超音波素子１０，２０の受信信号に基づいて被検出体の有無や被検出体の位置（距離及び方位）を算出する回路部３０を有している。本実施形態では、超音波素子１０が送受信素子、超音波素子２０が受信素子となっている。
【００３２】
先ず、超音波素子１０，２０の構成について説明する。超音波素子１０，２０は同一構造をなしており、本実施形態では、送受信素子１０について説明する。なお、超音波素子１０,２０の構成は、本出願人による特開２００８−３０９５１３号公報に記載の超音波センサと基本的に同じであるため、詳細な記載は割愛する。
【００３３】
図２（ａ），（ｂ）に示すように、超音波素子（送受信素子）１０は、音響インピーダンスがＺ１とされ、回路部３０からの駆動信号及び被検出体による反射波などを受けて厚み方向に振動する圧電素子１１と、音響インピーダンスが圧電素子１１よりも小さいＺ２（＜Ｚ１）とされ、一面１２ａが被検出体が存在する空間側に露出し、空間側に露出する一面１２ａの反対面１２ｂに圧電素子１１が取り付けられた音響部材１２と、を備えている。この音響部材１２は、圧電素子１１よりも音響インピーダンスが小さいので、圧電素子１１と被検出体が存在する空間との間で所謂音響整合部材として機能する。
【００３４】
また、超音波素子１０は、外部からの音響部材１２への振動の伝達を防止する振動減衰部材１３と、超音波素子１０の表面を被覆して、使用環境下における水分などの環境因子から保護する被覆材１６と、圧電素子１１を外力の負荷や衝撃から保護する緩衝材１７と、これらを収容する一端が開口した箱状の筐体１８と、を備えている。
【００３５】
超音波素子１０は、電子機器としての表示装置、具体的には車両のナビゲーションシステムを構成する表示装置、に情報を入力する装置の操作部（所謂パプティックスイッチ）として構成されている。この入力装置の操作部（超音波素子１０）は、例えば運転席の横にあるセンターコンソール１００の上面に配置されており、これにより、操作者である運転者が、姿勢をほとんど変えることなく操作部を操作できるようになっている。
【００３６】
センターコンソール１００には、筐体１８を挿通可能な大きさに貫通形成された取付部１００ａが設けられている。超音波素子１０（超音波素子２０）は、送受信面をなす音響部材１２の一面１２ａをセンターコンソール１００の外部に露出させた状態で、筐体１８の開口部近傍の側面において取付部１００ａに取り付けられている。
【００３７】
圧電素子１１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる四角柱状に形成された圧電体を、対向する面において、ＰｔやＣｕのスパッタ、めっき、導電ペーストの焼き付けなどにより形成された１組の電極により挟んで構成されている。この圧電素子１１は、音響部材１２の超音波を送受信する一面１２ａの反対面１２ｂに、接着剤などにより取り付けられている。なお、符号１４は、圧電素子１１を音響部材１２の一面１２ｂに取り付ける取付面１１ａに形成された電極、符号１５は、取付面１１ａの反対面１１ｂに形成された電極を示す。また、圧電素子１１としては、要求される送信の音圧に応じて、積層型の圧電素子を採用することができる。このような積層型の圧電素子としては、例えば、ＰＺＴからなり、垂直方向に沿う断面が音響部材１２の断面と等しい四角柱状に形成された圧電体に、１組の電極１４，１５が互い違いに櫛歯状に積層形成されたもの、複数個の圧電素子が積層一体化されてなるもの、を採用することができる。
【００３８】
音響部材１２は、空気より音響インピーダンスが大きく、圧電素子１１より音響インピーダンスが小さい材料を用いて、垂直方向に沿う断面が略正方形の四角柱状に形成されている。本実施形態では、音響部材１２は、ポリカーボネート系樹脂（ＰＣ）を用いて形成されている。ポリカーボネート系樹脂やポリエーテルイミド系樹脂は弾性率の温度変化が小さいため、温度変化に伴う超音波の波長の変化を小さくすることができる。なお、圧電素子１１を構成するＰＺＴの音響インピーダンスＺ１は２４．２×１０６Ｎ・ｓ・ｍ−３、音響部材１２を構成するＰＣの音響インピーダンスＺ２は１．７×１０６Ｎ・ｓ・ｍ−３、空気の音響インピーダンスＺ３は４１２Ｎ・ｓ・ｍ−３である。すなわち、Ｚ１＞Ｚ２＞Ｚ３となっている。
【００３９】
この音響部材１２は、各駆動信号の周波数で共振状態となる所定の厚さＴａを有している。なお、厚さＴａは、一面１２ａ及び反対面１２ｂ間の長さである。また、音響部材１２の形状は、断面略正方形の四角柱状に限らず、例えば、円柱でもよい。また、一面１２ａ側ほど断面積が大きいホーン形状を採用することもできる。
【００４０】
音響部材１２の側面１２ｃと筐体１８との間には、音響部材１２を側面１２ｃにおいて筐体１８に固定するとともに、センターコンソール１００からの振動の伝達を防止する振動減衰部材１３が介在されている。この振動減衰部材１３は、接着材などで音響部材１２の側面１２ｃ及び筐体１８の内側面に接着固定されている。
【００４１】
振動減衰部材１３は、音響部材１２より音響インピーダンスが小さく、減衰定数が高い材料、例えば、シリコンゴムにより形成されている。好ましくは、弾性率が低く、密度が小さい材料が好適に用いられる。例えば、ゴム系材料、発泡樹枝などの気孔を含む樹脂、スポンジなどを用いることができる。このような材料により形成された振動減衰部材１３が、センターコンソール１００と音響部材１２との間に介在することにより、超音波がセンターコンソール１００の取付部１００ａを介して音響部材１２の側面１２ｃに伝達され、ノイズの原因となることを抑制することができる。
【００４２】
また、弾性率が低い材料では、超音波による音響部材１２の振動を拘束する力が小さいため、超音波振動の減衰を小さくすることができる。これにより、超音波のノイズを低減し、振動の減衰を小さくすることができるので、超音波の検出感度を向上させることができる。
【００４３】
被覆材１６は、圧電素子１１の表面の露出している部分を覆って形成されている。被覆材１６は、耐水性、耐油性、耐薬品性などの耐環境性を有する弾性率が低い材料により形成されており、例えば、ウレタンなどの軟質樹脂、ゴム、シリコーンなどのポッティング材、などの高分子材料により形成されている。被覆材１６は、上述の材料を用いて板状などの所定の形状に成形して圧電素子１１に貼り付けたり、ゲル状の材料を圧電素子１１に塗布したりすることにより形成することができる。また、液状の樹脂材料を圧電素子１１に塗布した後に、固化して形成してもよい。
【００４４】
被覆材１６は、環境遮蔽効果を確保できれば、振動の伝達を阻害しないようにできるだけ薄く形成することが好ましい。また、被覆材１６は、電極１４の端面を覆って音響部材１２側にオーバーラップして形成されているが、振動の減衰を小さくするため、オーバーラップする長さはできるだけ短い方がよい。具体的には、１ｍｍ以下にすることが好ましい。
【００４５】
圧電素子１１に被覆材１６を設けることにより、圧電素子１１を劣化させる水分など環境因子を遮断することができるので、超音波の検出精度を確保することができ、信頼性を向上させることができる。
【００４６】
緩衝材１７は、圧電素子１１より弾性率の低い材料、例えば、ウレタンなどの軟質樹脂、ゴム、シリコーンなどのポッティング材、などの高分子材料により、垂直方向に沿う断面が圧電素子１１の断面と同じ形状になるように形成されており、圧電素子１１の一面１１ｂと筐体１８の底面１８ａとの間に介在して設けられている。
【００４７】
このような緩衝材１７を設けることにより、音響部材１２の一面１２ａに小石などの飛来物の衝突などにより衝撃が加えられたような場合でも、緩衝材１７が圧電素子１１に伝達された衝撃を吸収するとともに、圧電素子１１が筐体１８の底面１８ａ側に向かって変位するのを拘束するため、圧電素子１１の割れや、圧電素子１１が音響部材１２の一面１２ｂから脱離するような破壊を防ぐことができる。
【００４８】
また、緩衝材１７は圧電素子１１より弾性率が低い材料により形成されており、圧電素子１１とのみ接触しているため、音響部材１２及び圧電素子１１の超音波による振動を阻害することがないので、超音波素子１０による超音波の検出感度を良好な状態に維持することができる。
【００４９】
さらに、超音波素子１０に温度変化が生じた場合でも、緩衝材１７の熱膨張・熱収縮に起因する応力が圧電素子１１に負荷されて検出誤差が生じるおそれがない。
【００５０】
緩衝材１７は、被覆材１６と同じ材料により形成することもできる。これによれば、緩衝材１７と被覆材１６とを一体的に成形することができ、緩衝材１７が被覆材１６の作用・効果を奏することができるとともに、製造工程を簡略化することができる。
【００５１】
緩衝材１７は、その共振周波数が、超音波素子１０を搭載する機器の外乱振動帯域よりも高くなるように形成することが好ましい。例えば、車両に搭載する場合には、１ＫＨｚ以下の周波数帯域で大きな外乱振動が発生するので、緩衝材１７の共振周波数が１ＫＨｚ以上となるようにする。これにより、車両から伝達される振動により共振することがなく検出ノイズを低減することができるので、検出精度を向上させることができる。
【００５２】
また、緩衝材１７は、その共振周波数が、圧電素子１１の共振周波数と略一致するように形成することが好ましい。これにより、圧電素子１１に伝達された超音波振動を増幅することができるので、検出感度を向上させることができる。
【００５３】
次に、回路部３０について説明する。
【００５４】
回路部３０は、制御回路３１、駆動信号生成部３２、ドライバ３５、アンプ３６，３７、バンドパスフィルタ３８，３９、ＴＡＤ４０，４１、及びＤＳＰ４２を備えている。
【００５５】
制御回路３１は、図示しない中央演算装置（ＣＰＵ）、ＣＰＵが実行する各種プログラムが格納されたリードオンメモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵがＲＯＭに格納された各プログラムにしたがって実行する各種演算のための作業領域として用いられるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等を備えている。そして、駆動信号生成部３２に対し、駆動信号生成する指示する機能及び予め設定された切替条件に応じて駆動信号の周波数変更を指示する機能、バンドパスフィルタ３８，３９に対し、選択的に出力する周波数帯域の変更を指示する機能、被検出体の有無や被検出体の位置（距離及び方位）を検出する機能、検出結果を外部装置に出力する機能などを有している。この制御回路３１が、特許請求の範囲に記載の変更手段に相当する。
【００５６】
駆動信号生成部３２は、特許請求の範囲に記載の駆動信号生成手段に相当し、発振部３３と周波数調整部３４を備えている。発振部３３は、制御回路３１からの指示信号を受けると、基準周波数ｆ０のパルス信号を一定期間だけ生成する。周波数調整部３４は、発振部３３にて生成された基準周波数ｆ０のパルス信号を、互いに異なる複数の周波数ｆｎに調整可能に設けられている。
【００５７】
本実施形態の周波数調整部３４は、分周数が互いに異なる複数の分周器が並列接続されて構成されており、各分周器にそれぞれ直列接続されたスイッチの開閉が制御回路３１により制御されて１つの分周器が選択されることで、駆動信号生成部３２が、選択された分周器に対応する所定周波数ｆｎ（例えば周波数ｆ１）の駆動信号を出力するようになっている。
【００５８】
より詳しくは、周波数ｆｎの超音波が音響部材１２中を伝搬するときの波長をλｎとし、ｎは正の整数とすると、
λｎ＝４×Ｔａ／（２ｎ−１）、
を満たす互いに波長が異なる複数の超音波を、単一の超音波素子１０が送受信し、単一超音波素子２０が受信するように、周波数調整部３４が設定されている。
【００５９】
本実施形態では、周波数調整部３４から、λ１＝４Ｔａ（ｎ＝１）を満たす周波数ｆ１、λ２＝４Ｔａ／３（ｎ＝２）を満たす周波数ｆ２、λ３＝４Ｔａ／５（ｎ＝３）を満たす周波数ｆ３の各駆動信号が出力できる構成となっている。より詳しくは、Ｔａ＝５．９ｍｍ、周波数ｆ１が６０ｋＨｚ、周波数ｆ２が１８０ｋＨｚ、周波数ｆ３が３００ｋＨｚである。
【００６０】
ドライバ３５は、駆動信号生成部３２からの駆動信号により送受信素子１０を駆動する駆動回路であり、これにより、送受信素子１０から所定周波数の超音波が送信される。なお、本実施形態では、ドライバ３５が、トランスなどの電力増幅回路を含んでいる。
【００６１】
アンプ３６，３７は、超音波素子１０，２０の受信信号を増幅し、増幅後の受信信号をバンドパスフィルタ３８，３９へ出力する。
【００６２】
バンドパスフィルタ３８，３９は、アンプ３６，３７にて増幅された各超音波素子１０，２０の受信信号に対してフィルタ処理を行い、駆動信号の周波数から外れた周波数成分を除去する、換言すれば、受信信号から、駆動信号と同じ周波数帯の信号を抽出する。このバンドパスフィルタ３８，３９が、特許請求の範囲に記載のフィルタ手段に相当する。
【００６３】
本実施形態では、送受信素子１０から送信された超音波の、被検出体による反射波を送受信素子１０及び受信素子２０が受信可能な期間において、周波数調整部３４から出力される駆動信号の周波数と同じ周波数帯の信号を選択的に抽出するように、制御回路３１からの指示信号に基づいて、各バンドパスフィルタ３８，３９の乗数が設定される構成となっている。すなわち、本実施形態では、各バンドパスフィルタ３８，３９から、上記周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の受信信号をそれぞれ選択的に出力できる構成となっている。
【００６４】
ＴＡＤ４０，４１は、周知の時間Ａ／Ｄ変換回路であり、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）４２は、ＴＡＤ４０，４１にてＡ／Ｄ変換された超音波素子１０，２０の受信信号に基づいて、受信信号の振幅や位相などを算出する。そして、これら算出結果は、制御回路３１に出力される。なお、ＤＳＰ４２はメモリを有している。
【００６５】
次に、駆動信号の周波数切替処理の一例について説明する。
【００６６】
入力装置の操作部が操作者によって操作され得る状況下となる（例えば車両のイグニッションキーがオンされ、回路部３０の電源がオンされる）と、制御回路３１は、先ず周波数調整部３４に対し、駆動信号生成部３２にて生成できる最も周波数の低い周波数ｆ１を設定すべく指示信号を出力する（ステップ１０）。
【００６７】
発振部３３は、所定の周期で制御回路３１から指示を受け、基準周波数ｆ０のパルス信号を一定期間だけ生成する。そして、周波数調整部３４は、基準周波数ｆ０のパルス信号を、基準周波数ｆ０よりも低い所定周波数に調整し、駆動信号として出力する（ステップ１１）。
【００６８】
このように駆動信号生成は、イグニッションキーがオンされた状態で、周期的に実行される。なお、イグニッションキーがオンされた直後においては、ステップ１０に示すごとく、周波数ｆ１の駆動信号を出力する。
【００６９】
生成された駆動信号（電圧信号）は、ドライバ３５を介して送受信素子１０の圧電素子１１に伝達される。これにより、圧電素子１１は厚み方向に振動し、振動が音響部材１２に伝達され、音響部材１２の一面１２ａから超音波として送信される（ステップ１２）。この超音波の周波数は駆動信号の周波数と一致している。
【００７０】
送信処理の開始後、超音波素子１０，２０において被検出体による反射波が検出可能なタイミング（後述する図６に破線矢印で示す検出可能開始タイミング）となると、制御回路３１は、ＤＳＰ４２が算出した超音波素子１０，２０の受信信号の振幅（ステップ１３）が、所定の閾値より大きいか否かを比較する（ステップ１４）。
【００７１】
例えば超音波素子１０，２０の一方の算出した振幅が閾値以下の場合、制御回路３１は、対応する計測時間を経過したか否かを判定する（ステップ１５）。そして、計測時間を経過していなければ反射波を受信していないものとしてステップ１３に戻る。一方、計測時間を超えたと判定した場合は、被検出体が存在しないものと判定し（ステップ１６）、現在設定されている周波数を維持して（ステップ１７）、ステップ１１に戻る。すなわち、被検出体が存在しないと判定した場合には、駆動信号の周波数変更を指示せずに、ステップ１１に戻る。
【００７２】
なお、上記した計測時間とは、被検出体による反射波が検出可能なタイミング（検出可能開始タイミング）から検出可能終了までの時間であり、超音波の周波数によって変化する。本実施形態では、制御回路３１が、周波数調整部３４が調整する周波数に応じた計測時間を判定に用いる。これら計測時間は、図示しない不揮発性メモリに予め格納されている。
【００７３】
ステップ１４にて、少なくとも超音波素子１０，２０の一方の算出した振幅が閾値よりも大きい場合、制御回路３１は、被検出体が存在するもの（被検出体あり）と判定する（ステップ１８）。そして、制御回路３１は、被検出体ありと判定した超音波素子１０，２０の受信信号において、振幅が閾値を超えたタイミングから、被検出体までの距離を算出する（ステップ１９）。そして、算出した距離を、図示しない不揮発性メモリに予め格納された対応する基準距離と比較する（ステップ２０）。
【００７４】
なお、基準距離とは、検出エリア（後述する図４参照）の大小関係が隣接する関係の２つの周波数に対して、検出エリアの小さい側の最大距離（検出エリアの最外周部分）程度の値で設定され、本実施形態に示すように３つの周波数の場合、周波数ｆ１，ｆ２に対応する基準距離α１と、周波数ｆ２，ｆ３に対応する基準距離α２を有している。そして、ステップ１７での対応する基準距離とは、周波数ｆ１の場合α１、周波数ｆ２，ｆ３の場合α２である。
【００７５】
算出した距離が基準距離を超える場合、制御回路３１は、現在設定されている駆動信号の周波数が最も周波数の低いｆ１か否かを判定する（ステップ２１）。そして、周波数ｆ１の場合、周波数ｆ１よりも低周波に切り替えることはできないので、現在設定されている周波数ｆ１を維持し（ステップ１７）、ステップ１１に戻る。すなわち、制御回路３１は周波数変更をしない。
【００７６】
一方、周波数ｆ１でない場合、現在設定されている周波数を１段階低い周波数に切り替えるように、周波数調整部３４に指示信号を出力し（ステップ２２）、ステップ１１に戻る。例えば、現在設定されている周波数がｆ２の場合は周波数ｆ１、周波数ｆ３の場合は周波数ｆ２に切り替える。
【００７７】
このように、ステップ２２にて周波数を切り替えると、再度周波数切り替えの指示がなされるまでは、切り替えた周波数の駆動信号が、周期的に生成される。
【００７８】
ステップ２０にて、算出した距離が基準距離以下の場合、制御回路３１は、駆動信号の周波数が、駆動信号生成部３２にて生成できる駆動信号のうち、最も周波数が高いか否かを判定する（ステップ２３）。最も周波数が高い（本実施形態ではｆ３）場合、さらに高周波の信号に切り替えることはできないので、現在設定されている周波数を維持し（ステップ２４）、ステップ１１に戻る。すなわち、制御回路３１は周波数変更をしない。
【００７９】
一方、現在設定されている周波数が最も周波数が高いものではない場合、制御回路３１は、現在設定されている周波数を１段階高い周波数に切り替えるように、周波数調整部３４に指示信号を出力し（ステップ２５）、ステップ１１に戻る。例えば、現在設定されている周波数がｆ１の場合は周波数ｆ２、周波数ｆ２の場合は周波数ｆ３に切り替える。
【００８０】
なお、上記フローでは割愛したが、ステップ１５及びステップ１６の被検出体の有無判定、ステップ１９での距離算出がなされると、制御回路３１は、これら測定結果を外部装置に出力する。
【００８１】
また、説明は割愛するが、バンドパスフィルタ３８，３９の乗数についても、制御回路３１は、上記した駆動信号の周波数切替処理の同様の処理により、駆動信号の周波数に応じた所定の乗数に切り替える。
【００８２】
このように、本実施形態に示す超音波装置１によれば、互いに周波数の異なる複数の超音波を、異なるタイミングで送受信することができる。具体的には、図４に実線で示す周波数ｆ１（音響部材１２中での波長λ１＝４Ｔａ）、一点鎖線で示す周波数ｆ２（音響部材１２中での波長λ２＝４Ｔａ／３）、二点鎖線で示す周波数ｆ３（音響部材１２中での波長λ３＝４Ｔａ／５）の超音波を送受信することができる。
【００８３】
超音波素子１０，２０の検出距離は、周波数が低い（波長が長い）ほど長く、周波数が高い（波長が短い）ほど短くなる。また、指向性は、周波数が低い（波長が長い）ほど広く、周波数が高い（波長が短い）ほど狭くなる。したがって、超音波素子１０，２０の各周波数での検出エリアは、図４に示すように互いに異なるものとなる。
【００８４】
次に、本実施形態に係る超音波装置１の特徴部分の効果について説明する。
【００８５】
厚み方向に振動する、すなわち厚み方向の振動モードを有する圧電素子１１に、圧電素子１１よりも音響インピーダンスが小さい音響部材１２を取り付けた構成では、図５（ａ），（ｂ）に示すように、音響部材１２における空間側の端部（一面１２ａ）が、反射による位相変化のない自由端となり、圧電素子１１側の端部（一面１２ｂ）が、反射により位相がπ（１８０°）変化する固定端となる。
【００８６】
したがって、音響部材１２中を伝搬する超音波の波長をλとすると、音響部材１２の厚みＴａをλ／４の奇数倍とすることで、音響部材１２内に定在波が生じ、音響部材１２内に入射した超音波と、音響部材１２と圧電素子１１との境界面で反射した超音波とが干渉して互いに打ち消し合うのを抑制する、すなわち共振状態とすることができる。
【００８７】
なお、図５（ａ）では、駆動信号の周波数ｆ１（音響部材１２中での波長λ１＝４Ｔａ）の場合、図５（ｂ）では、駆動信号の周波数ｆ２（音響部材１２中での波長λ２＝４Ｔａ／３）の場合を示しており、図５（ａ），（ｂ）のいずれにおいても、音響部材１２の一面１２ａで腹の状態を示している。
【００８８】
このように本実施形態によれば、上記共振条件を満たしつつ波長が異なる複数の超音波を、単一の超音波素子１０が送信し単一の超音波素子１０，２０がそれぞれ受信するように、駆動信号生成部３２が互いに周波数ｆｎ（具体的には、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３）の異なる複数の駆動信号を生成可能に設けられている。したがって、いずれの周波数ｆｎの駆動信号が生成されても、音響部材１２の厚みＴａがλｎ／４の奇数倍となり、各駆動信号に対して音響部材１２が共振状態となる。これにより、単一の超音波素子１０で複数の周波数ｆｎの超音波を送信でき、単一の超音波素子１０，２０で複数の周波数ｆｎの超音波を受信できる。換言すれば、１つの超音波素子１０，２０にて、遠距離に位置する被検出体と近距離に位置する被検出体を検出することができる。また、超音波素子１０，２０を設計する際に、厚み方向の振動モードのみを考慮すれば良いので、従来に比べて超音波素子１０，２０を設計しやすくすることができる。
【００８９】
なお、音響部材１２は、圧電素子１１よりも音響インピーダンスが小さいので、圧電素子１１と被検出体が存在する空間との間で所謂音響整合部材として機能し、これにより、反射ロスを低減することもできる。
【００９０】
また、本実施形態では、超音波素子１０，２０の受信回路が、フィルタ手段としてのバンドパスフィルタ３８，３９をそれぞれ有し、変更手段としての制御回路３１が、駆動信号の周波数変更に応じて、選択的に出力する周波数帯域の変更（乗数の変更）をバンドパスフィルタ３８，３９に指示する構成となっている。したがって、単一の超音波素子１０，２０で複数の周波数ｆｎの超音波を受信しつつ、バンドパスフィルタ３８，３９により、不要な周波数帯域の信号（ノイズ）をカットすることができる。
【００９１】
また、本実施形態では、駆動信号生成部３２が生成する複数の駆動信号として、波長λ１＝４×Ｔａ［ｎ＝１］に対応する駆動信号を含んでいる。超音波振動の振幅Ｘは、速度Ｖに比例、周波数ｆに反比例し、Ｘ＝Ｖ／（２πｆ）で示される。音響部材１２に同じ音圧（振幅）が加わる場合、超音波振動は同じ速度Ｖで伝わるため、波長が最も長い上記λ１（周波数が最も低いｆ１）で、振幅Ｘが最も大きくなる。また、波長が長い（周波数ｆｎが低い）ほうが、空気中での超音波の減衰も小さい。したがって、本実施形態によれば、これら効果により、感度を向上することができる。
【００９２】
また、本実施形態では、制御回路３１が、切替条件の判断に超音波素子１０，２０の受信信号を用いるため、受信結果に応じて、駆動信号の周波数ｆｎやバンドパスフィルタ３８，３９の乗数を変更することができる。
【００９３】
本実施形態では、被検出体までの距離を切替条件としており、制御回路３１は、算出距離と予め設定された基準距離との比較結果に基づいて、周波数調整部３４に駆動信号の周波数変更を指示するようになっている。上記したように、超音波の周波数ｆｎが低い（波長が長い）と、検出距離が長く指向性は広くなり、超音波の周波数ｆｎが高い（波長が短い）と、検出距離が短く指向性は狭くなる。したがって、被検出体までの距離に応じて、被検出体の検出に適した超音波を送信することができる。
【００９４】
特に本実施形態では、イグニッションキーがオンされると、先ず制御回路３１は、ステップ１０で、周波数ｆ１の駆動信号を生成するように、周波数調整部３４に指示する。また、算出した距離がステップ２０にて対応する基準距離以下の場合であって最も高い周波数でない場合、ステップ２５で、１段階高周波に切り替える。したがって、指向性が広く検出距離の長い遠距離モード（周波数ｆ１）、中距離モード（周波数ｆ２）、近距離モード（周波数ｆ３）の順に切り替えるため、被検出体が操作部（超音波素子１０，２０）へ接近する場合であっても、被検出体を精度よく検出することができる。
【００９５】
また、本実施形態では、超音波素子として受信専用の受信素子２０を有している。送受信素子１０の場合、図６（ａ），（ｂ）に例示するように、圧電素子１１への駆動信号印加を停止しても、しばらくの間振動する残響が生じるため、破線矢印で示す受信信号検出可能タイミングは、残響後に設定することとなる。これに対し、受信素子２０は、送受信素子１０の送信時の振動が回り込む回り込み波の影響があるものの、送受信素子（超音波素子１０）に比べて残響の影響を低減できる。したがって、破線矢印で示す受信信号検出可能タイミングを、送受信素子よりも早いタイミングとすることができ、これにより、近距離を検出することができる。
【００９６】
なお、制御回路３１からの指示を受けて、駆動信号生成部３２は、所定周波数ｆｎの駆動信号を一定期間（例えば所定のパルス数）だけ生成する。したがって、周波数の高い駆動信号ほど送信時間（及び残響時間）が短くなり、受信信号検出可能タイミングを早めることができる。
【００９７】
また、本実施形態では、超音波素子として、送信素子と受信素子を兼ねる送受信素子１０を有している。したがって、送信専用の超音波素子と受信専用の超音波素子のみを有する構成に比べて、超音波装置１の体格を小型化することができる。
【００９８】
なお、本実施形態では、被検出体までの距離を切替条件とする例を示した。しかしながら、切替条件としては、距離に限定されるものではない。例えば、被検出体の有無を切替条件としても良い。また、超音波素子１０，２０の受信信号によらず、例えば所定時間ごとに駆動信号の周波数や、バンドパスフィルタ３８，３９の乗数（選択的に出力する周波数帯域）を変更するようにしても良い。
【００９９】
例えば図７，８に示す変形例では、被検出体の有無を切替条件としている。図７に示すステップ３０〜３８は、上記した図３に示すステップ１０〜１８に対応している。ステップ３８にて、被検出体ありと判定した場合、制御回路３１は、現在設定されている駆動信号の周波数が、駆動信号生成部３２にて生成できる駆動信号のうち、最も周波数が高いか否かを判定する（ステップ３９）。最も周波数が高い（本実施形態ではｆ３）場合、さらに高周波の信号に切り替えることはできないので、現在設定されている周波数を維持し（ステップ４０）、ステップ３１に戻る。すなわち、制御回路３１は周波数変更をしない。
【０１００】
一方、現在設定されている周波数が最も周波数が高いものではない場合、制御回路３１は、現在設定されている周波数を１段階高い周波数に切り替えるように、周波数調整部３４に指示信号を出力し（ステップ４１）、ステップ３１に戻る。例えば、現在設定されている周波数がｆ１の場合は周波数ｆ２、周波数ｆ２の場合は周波数ｆ３に切り替える。
【０１０１】
このように、被検出体が検出された場合に、より高周波の駆動信号に切り替える構成としても良い。これによれば、例えば超音波装置１に対し被検出体が相対的に近づく場合において、被検出体の検出に適した超音波を送信することができる。
【０１０２】
また、図８では、ステップ３６で被検出体なしと判定した場合に、現在設定されている周波数を維持するのではなく、ステップ３０に戻る構成となっている。それ以外は、図７と同じである。これによれば、被検出体が存在しない場合に、検出エリアの最も広い周波数ｆ１とするため、次の駆動信号生成のタイミングで被検出体を検出する確率を高めることができる。
【０１０３】
本実施形態では、超音波装置１が、超音波素子として送受信素子１０と受信素子２０を有する例を示した。しかしながら、超音波装置１は、少なくとも１つの送信用の超音波素子と、少なくとも１つの受信用の超音波素子を有せば良い。例えば１つの送受信素子１０のみを有する構成としても良いし、送信専用の送信素子と受信専用の受信素子を１つずつ有する構成としても良い。ただし、受信用の超音波素子を複数有する構成とすると、受信信号の位相差から、被検出体の方位を検出することができる。
【０１０４】
本実施形態では、駆動信号生成部３２が、互いに周波数（ｆ１，ｆ２，ｆ３）の異なる３つの駆動信号を生成可能に設けられる例を示した。しかしながら、互いに周波数が異なる複数の駆動信号の数としては、上記例に限定されるものではない。例えば２つのみでも良いし、４つ以上としても良い。
【０１０５】
（第２実施形態）
本実施形態に係る超音波装置１の構成は、第１実施形態とほぼ同じである。異なる点は、１）音響部材１２のインピーダンスＺ２が圧電素子１１のインピーダンスＺ１よりも大きく、Ｚ１＜Ｚ２＞Ｚ３（Ｚ３は空気の音響インピーダンス）となっている、２）周波数ｆｎの超音波が音響部材１２中を伝搬するときの波長をλｎとし、ｎは正の整数とすると、λｎ＝４×Ｔａ／２ｎ、を満たす互いに波長が異なる複数の超音波を、単一の超音波素子１０が送受信し、単一の超音波素子２０が受信するように、周波数調整部３４が設定されている、点である。
【０１０６】
厚み方向に振動する、すなわち厚み方向の振動モードを有する圧電素子１１に、圧電素子１１よりも音響インピーダンスが大きい音響部材１２を取り付けた構成では、図９（ａ），（ｂ）に示すように、音響部材１２における空間側の端部（一面１２ａ）及び圧電素子１１側の端部（一面１２ｂ）の両方が、反射による位相変化がない自由端となる。
【０１０７】
したがって、音響部材１２中を伝搬する超音波の波長をλとすると、音響部材１２の厚みＴａをλ／４の偶数倍とすることで、音響部材１２内に定在波が生じ、音響部材１２内に入射した超音波と、音響部材１２と圧電素子１１との境界面で反射した超音波とが干渉して互いに打ち消し合うのを抑制する、すなわち共振状態とすることができる。
【０１０８】
なお、図９（ａ）では、駆動信号の周波数ｆ１（音響部材１２中での波長λ１＝２Ｔａ）の場合、図９（ｂ）では、駆動信号の周波数ｆ２（音響部材１２中での波長λ２＝Ｔａ）の場合を示しており、図９（ａ），（ｂ）のいずれにおいても、音響部材１２の一面１２ａで腹の状態を示している。
【０１０９】
このように本実施形態によれば、上記共振条件を満たしつつ波長が異なる複数の超音波を、単一の超音波素子１０が送信し単一の超音波素子１０，２０がそれぞれ受信するように、駆動信号生成部３２が互いに周波数ｆｎ（例えば上記周波数ｆ１、ｆ２）の異なる複数の駆動信号を生成可能に設けられている。したがって、いずれの周波数ｆｎの駆動信号が生成されても、音響部材１２の厚みＴａがλｎ／４の偶数倍となり、各駆動信号に対して音響部材１２が共振状態となる。これにより、単一の超音波素子１０で複数の周波数ｆｎの超音波を送信でき、単一の超音波素子１０，２０で複数の周波数ｆｎの超音波を受信できる。換言すれば、１つの超音波素子１０，２０にて、遠距離に位置する被検出体と近距離に位置する被検出体を検出することができる。また、超音波素子１０，２０を設計する際に、厚み方向の振動モードのみを考慮すれば良いので、従来に比べて超音波素子１０，２０を設計しやすくすることができる。
【０１１０】
また、圧電素子１１を構成するＰＺＴの音響インピーダンスＺ１は２４．２×１０６Ｎ・ｓ・ｍ−３であるので、音響部材１２としては、Ｚ１よりも大きい金属材料からなる構成を採用すれば良い。圧電素子１１よりも音響インピーダンスの大きい音響部材１２により、圧電素子１１を保護し、耐環境性などを向上することができる。
【０１１１】
なお、上記効果以外についても、第１実施形態に示した効果を奏することができる。例えば、複数の駆動信号として、波長λ１＝２×Ｔａ［ｎ＝１］に対応する駆動信号を含むと、波長が最も長い上記λ１（周波数が最も低いｆ１）で、振幅Ｘが最も大きくなり、また、空気中での超音波の減衰も小さいので、感度を向上することができる。また、第１実施形態に示した変形例を適用することができる。
【０１１２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【０１１３】
上記実施形態では、切替条件（第１切替条件）に応じて、駆動信号生成部３２にて生成される駆動信号の周波数と、バンドパスフィルタ３８，３９の乗数を切り替える例を示した。しかしながら、超音波素子として送信素子を複数有し、駆動信号生成部３２は、同一のタイミングで各送信素子に対する駆動信号を生成し、各送信素子に対する駆動信号の少なくとも１つの位相を調整し、各駆動信号の位相差を調整する位相差調整手段を備え、変更手段は、予め設定された第２切替条件に応じて、各駆動信号の位相差変更を位相差調整手段に指示する構成を採用しても良い。
【０１１４】
例えば図１０に示す超音波装置１では、第１実施形態に示した超音波装置１の受信素子２０を送受信素子２１に置き換えた構成となっており、送受信素子２１側の送信回路は、送受信素子１０の送信回路と同じ構成となっている。すなわち、駆動信号生成部４３を構成する発信部４４及び周波数調整部４５及びドライバ４６を有している。さらに、送受信素子１０，２１の各送信回路には、駆動信号生成部３２とドライバ３５の間に、送受信素子１０側の駆動信号と送受信素子２１側の駆動信号の位相差を調整するための、位相調整部４７が設けられている。このような位相調整部４７は、例えば互いに異なる複数の移相器が並列接続されて構成されており、各移相器にそれぞれ直列接続されたスイッチの開閉が制御回路３１により制御されて１つの移相器が選択されるようになっている。
【０１１５】
複数の送信素子（図１０では送受信素子１０，２１）から送信される超音波の合成指向性は、駆動信号の位相に応じて異なるものとなる。例えば、位相差なし（同位相）の場合の合成指向性と、位相πのずれ（逆位相）の場合の合成指向性とは異なるものとなる。したがって、図１０に示す超音波装置１によれば、位相差を切り替えることで、駆動信号の周波数が同じであっても、検出エリアを変化させることができる。これにより、送信素子が１つのみの構成に比べて、被検出体の検出範囲を広くすることができる。
【０１１６】
特に高周波の超音波では、検出距離が短く指向性が狭くなるので、効果的である。図１１には、周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の駆動信号を生成可能な構成において、最も高い周波数ｆ３について、位相差なし（図中の一点鎖線）と位相差π（図中の二点鎖線）の検出エリアをそれぞれ図示している。なお、図１１では、便宜上、周波数ｆ２の検出エリアを割愛している。
【０１１７】
図１２に、検出エリア（位相差）切替処理の一例を示す。図１２ｂに示す処理は、周波数切替の処理部分が、第１実施形態の変形例（図７）と同じとなっている。
【０１１８】
上記各実施形態同様、入力装置の操作部が操作者によって操作され得る状況下となる（例えば車両のイグニッションキーがオンされ、回路部３０の電源がオンされる）と、制御回路３１は、先ず周波数調整部３４，４５に対し、駆動信号生成部３２，４３にて生成できる最も周波数の低い周波数ｆ１を設定すべく指示信号を出力する（ステップ５０）。
【０１１９】
また、制御回路３１は、位相差なし（同位相）となるように、位相調整部４７に指示信号を出力する（ステップ５１）。
【０１２０】
発振部３３，４４は、所定の周期で制御回路３１から指示を受け、同一のタイミングで基準周波数ｆ０のパルス信号を一定期間だけ生成する。そして、周波数調整部３４，４５は、基準周波数ｆ０のパルス信号を、基準周波数ｆ０よりも低く、互いに同じ所定周波数に調整し、周波数調整部４５から駆動信号として出力する。一方、送受信素子１０側では、周波数調整部３４にて所定周波数に調整後、送受信素子２１側の駆動信号と同位相となるように位相調整部４７にて位相が調整され、駆動信号として出力する（ステップ５２）。
【０１２１】
そして、送受信素子１０，２１から超音波が送信され（ステップ５３）、送受信素子１０，２１において被検出体による反射波が検出可能なタイミングとなると、制御回路３１は、ＤＳＰ４２が算出した送受信素子１０，２１の受信信号の振幅（ステップ５４）が、所定の閾値より大きいか否かを比較する（ステップ５５）。
【０１２２】
例えば送受信素子１０，２１の一方の算出した振幅が閾値以下の場合、制御回路３１は、対応する計測時間を経過したか否かを判定する（ステップ５６）。計測時間を経過していなければ反射波を受信していないものとしてステップ５４に戻る。一方、計測時間を超えたと判定した場合は、被検出体が存在しないものと判定し（ステップ５７）、現在設定されている周波数を維持する（ステップ５８）。
【０１２３】
次いで、位相差がないか否かを判定（ステップ５９）する。位相差なしの場合には、位相差πとなるように、位相調整部４７に指示信号を出力し（ステップ６０）、ステップ５２に戻る。一方、位相差がある場合（すなわち位相差πの場合）には、ステップ５１に戻る。すなわち、被検出体が存在しないと判定した場合には、送受信素子１０，２１の駆動信号の位相差を切り替える。
【０１２４】
ステップ５５にて、少なくとも送受信素子１０，２１の一方の算出した振幅が閾値よりも大きい場合、制御回路３１は、被検出体が存在するもの（被検出体あり）と判定し（ステップ６１）、現在設定されている位相差を維持する（ステップ６２）。すなわち、この場合には位相差を切り替えない。
【０１２５】
そして、制御回路３１は、現在設定されている駆動信号の周波数が、駆動信号生成部３２，４３にて生成できる駆動信号のうち、最も周波数が高いか否かを判定する（ステップ６３）。最も周波数が高い（例えば周波数ｆ３）場合、さらに高周波の信号に切り替えることはできないので、現在設定されている周波数を維持し（ステップ６４）、ステップ５２に戻る。すなわち、制御回路３１は周波数変更をしない。
【０１２６】
一方、現在設定されている周波数が最も周波数が高いものではない場合、制御回路３１は、現在設定されている周波数を１段階高い周波数に切り替えるように、周波数調整部３４，４５に指示信号を出力し（ステップ６５）、ステップ５２に戻る。
【０１２７】
このように、被検出体の有無を第２切替条件とし、所定の位相差により被検出体が検出されない場合に、制御回路３１が、駆動信号の周波数を変更せずに所定の位相差とは異なる位相差となるように、位相調整部４７（位相差調整手段）に指示する構成としても良い。これによれば、位相差を変えない構成に比べて、被検出体を見つけやすくすることができる。
【０１２８】
なお、図１０では、送受信素子１０，２１ごとに、駆動信号生成部３２，４３を設けているが、兼用としても良い。また、一方の送受信素子１０側の送信回路にのみ、位相調整部４７を設ける例を示したが、送受信素子１０，２１の送信回路にそれぞれ移相調整部を設け、これにより位相差を調整するようにしても良い。さらには、送信素子と受信素子を分けた構成としても良い。例えば２つの送信素子と２つの受信素子を備える構成としても良い。
【０１２９】
上記実施形態では、超音波装置１が、車両のナビゲーションシステムを構成する表示装置、に情報を入力する装置の操作部（所謂パプティックスイッチ）として構成される例を示した。しかしながら、超音波装置１の用途は上記例に限定されるものではない。例えば、車両の障害物検出装置に用いることもできる。また、自動車以外の用途、例えば、室内で使用するロボットの障害物センサや、ゲーム機の操作部などに用いることもできる。例えば、水分などが超音波素子１０，２０，２１内に侵入する可能性が低い環境下で用いる場合には、被覆材１６を設けなくとも良い。
【０１３０】
超音波素子１０，２０，２１の受信回路の構成は、上記例に限定されるものではない。少なくとも被検出体の有無を検出できればよく、好ましくは被検出体までの距離、さらに好ましくは被検出体の方位を検出できる構成であれば良い。
【符号の説明】
【０１３１】
１・・・超音波装置
１０，２１・・・超音波素子（送受信素子）
１１・・・圧電素子
１２・・・音響部材
２０・・・超音波素子（受信素子）
３１・・・制御回路
３２・・・駆動信号生成部
３４・・・周波数調整部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0005573455.tif 000006
【図６】
0005573455.tif 000007
【図７】
0005573455.tif 000008
【図８】
0005573455.tif 000009
【図９】
0005573455.tif 000010
【図１０】
0005573455.tif 000011
【図１１】
0005573455.tif 000012
【図１２】
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