(57)【要約】【課題】温度変化に起因した超音波送波器の指向性の変動を抑制する。【解決手段】超音波の波長が変化するとホーン１２０によって調整される指向性にも変動が生じてしまう。本実施形態では、発振周波数調整回路１４が温度検出回路１３で検出する雰囲気温度に応じて、音速Ｖｓの変化を相殺するように発振器１１の発振周波数を調整する。故に、超音波送波器１０から送波される超音波の波長λが雰囲気温度の変化に対してほぼ一定となり、その結果、温度変化に起因した超音波送波器１０の指向性の変動を抑制することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波マイクロホン並びに当該超音波マイクロホンの指向性を調整するためのホーンからなる超音波送波器と、発振周波数が可変である発振器と、発振器の出力を利用して超音波マイクロホンを駆動することにより前記発振周波数に等しい周波数の超音波を送波させる駆動回路と、超音波を送波する空間の雰囲気温度を検出する温度検出回路と、超音波マイクロホンから送波される超音波の波長が略一定となるように温度検出回路で検出する雰囲気温度に応じて発振器の発振周波数を調整する発振周波数調整回路とを備えたことを特徴とする超音波送波装置。
【請求項２】
発振周波数調整回路は、発振器の発振周波数を離散的な値に調整することを特徴とする請求項１記載の超音波送波装置。
【請求項３】
超音波送波器は、入力電圧に応じて振動する振動子、底面が開口した錐筒状に形成されて頂点部分が振動子に固定される共振子、共振子の内側に注入される固形物を有する前記超音波マイクロホンと、一端が開口した有底筒形状に形成されるとともに超音波マイクロホンから送波された超音波が通過する孔が底壁に貫設され、超音波の送波面となる固形物の端面に底壁を対向させるようにして超音波マイクロホンに外挿される前記ホーンとからなり、
固形物の端面からホーンの底壁前面までの距離を、超音波マイクロホンから送波される超音波の波長を４分の１の整数倍した値と略等しい距離としたことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波送波装置。
【請求項４】
固形物の端面からホーンの底壁前面までの距離を、超音波マイクロホンから送波される超音波の波長を４分の１の奇数倍した値と略等しい距離としたことを特徴とする請求項３記載の超音波送波装置。
【請求項５】
固形物の端面からホーンの底壁前面までの距離を、超音波マイクロホンから送波される超音波の波長を４分の１倍した値と略等しい距離としたことを特徴とする請求項４記載の超音波送波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して移動体を検出する移動体検出装置や対象物までの距離を計測する距離計測装置などに用いられる超音波送波装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波を利用して移動体を検出する移動体検出装置や対象物までの距離を計測する距離計測装置などに超音波送波装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。この種の超音波送波装置は、超音波マイクロホンと、超音波マイクロホンに交流信号（例えば、正弦波信号）を印加することで当該交流信号の周波数に略等しい周波数の超音波を超音波マイクロホンから送波させる駆動回路部とで構成されている。また、超音波マイクロホン単体では所望の指向性が得られない場合、超音波マイクロホンと指向性を調整するためのホーンとを組み合わせた超音波送波器が用いられる（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
特許文献２に記載されている超音波マイクロホンは、円盤状に形成された金属製の振動板に圧電体を貼り合わせてなる振動子と、底面が開口した円錐筒状（漏斗状）に形成されて振動板の前面中央に頂点部分が固定された共振子と、円筒形状に形成されて振動子並びに共振子が収納されるケースとを備えている。
【０００４】
ホーンは、一端が開口した有底円筒形状に形成されて底壁を超音波マイクロホンの送波面（共振子の端面）に対向させるようにして超音波マイクロホンに外挿される。ホーンの底壁には超音波マイクロホンの送波面よりも小径の孔が貫設されており、超音波マイクロホンの送波面から送波された超音波がホーンの孔を通過する際に生じる回折現象を利用して超音波マイクロホンの指向性を調整することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１５１５０６号公報
【特許文献２】特開平６−２５３３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、超音波の速度（音速）には温度依存性があり、音速の変化に起因して超音波の波長が変化するとホーンによって調整される超音波送波器の指向性も変動してしまうことになる。そして、超音波送波器の指向性が変動すると、例えば、移動体検出装置の検出範囲が狭くなってしまうという問題が生じる。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、温度変化に起因した超音波送波器の指向性の変動を抑制することができる超音波送波装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、超音波マイクロホン並びに当該超音波マイクロホンの指向性を調整するためのホーンからなる超音波送波器と、発振周波数が可変である発振器と、発振器の出力を利用して超音波マイクロホンを駆動することにより前記発振周波数に等しい周波数の超音波を送波させる駆動回路と、超音波を送波する空間の雰囲気温度を検出する温度検出回路と、超音波マイクロホンから送波される超音波の波長が略一定となるように温度検出回路で検出する雰囲気温度に応じて発振器の発振周波数を調整する発振周波数調整回路とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項１の発明によれば、発振周波数調整回路が発振器の発振周波数を調整することによって雰囲気温度による音速の変化を相殺し、温度変化に起因した超音波送波器の指向性の変動を抑制することができる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、発振周波数調整回路は、発振器の発振周波数を離散的な値に調整することを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明によれば、例えば、発振周波数調整回路をマイクロコンピュータのタイマ機能を利用して実現できるために回路構成の簡素化が図れる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、超音波送波器は、入力電圧に応じて振動する振動子、底面が開口した錐筒状に形成されて頂点部分が振動子に固定される共振子、共振子の内側に注入される固形物を有する前記超音波マイクロホンと、一端が開口した有底筒形状に形成されるとともに超音波マイクロホンから送波された超音波が通過する孔が底壁に貫設され、超音波の送波面となる固形物の端面に底壁を対向させるようにして超音波マイクロホンに外挿される前記ホーンとからなり、固形物の端面からホーンの底壁前面までの距離を、超音波マイクロホンから送波される超音波の波長を４分の１の整数倍した値と略等しい距離としたことを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明によれば、超音波の音圧は固形物の端面からホーンの底壁前面までの距離に対して超音波の波長の４分の１波長毎に極大値と極小値が交互に現れる特性を有しているため、固形物の端面からホーンの底壁前面までの距離を、超音波マイクロホンから送波される超音波の波長を４分の１の整数倍した値と略等しい距離とすることにより、固形物の端面からホーンの底壁前面までの距離のばらつきに対する超音波の音圧の変化を相対的に小さくでき、その結果、超音波の音圧のばらつきを抑制することができる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、固形物の端面からホーンの底壁前面までの距離を、超音波マイクロホンから送波される超音波の波長を４分の１の奇数倍した値と略等しい距離としたことを特徴とする。
【００１５】
請求項４の発明によれば、超音波マイクロホンの送波面とホーンの底壁前面との間で共鳴現象が生じるため、同じ入力電圧に対する超音波の音圧が増大できるとともに、同じ超音波の音圧に対しては入力電圧を低下させることができる。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、固形物の端面からホーンの底壁前面までの距離を、超音波マイクロホンから送波される超音波の波長を４分の１倍した値と略等しい距離としたことを特徴とする。
【００１７】
請求項５の発明によれば、温度による波長のばらつきを含めて超音波の音圧のばらつきを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、温度変化に起因した超音波送波器の指向性の変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る超音波送波装置を含む移動体検出装置のブロック図である。
【図２】同上における超音波送波器の断面図である。
【図３】同上の超音波送波器における距離と波長の関係を説明するための説明図である。
【図４】同上の超音波送波器における距離と波長の関係の温度変化を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明に係る超音波送波装置１を利用した移動体検出装置のブロック図である。この移動体検出装置は、超音波を監視空間に送波し、監視空間内の物体の移動により生じる反射波の周波数偏移を検出することによって、監視空間内で移動する物体の存在を検出するものである。但し、本発明に係る超音波送波装置１は移動体検出装置以外にも利用可能であり、例えば、空中に送波した超音波が対象物に反射して戻るまでの時間に基づいて対象物までの距離を計測する距離計測装置などに利用できる。
【００２１】
本実施形態の移動体検出装置は、超音波送波装置１と、監視空間内に存在する物体に超音波が反射して生じる反射波を受波する受波器２と、受波器２の出力を増幅及び波形整形した受波信号を出力する受波回路３と、後述する送波信号と受波信号を混合（ミキシング）することで両信号の位相差に応じた位相検波信号（ドップラ信号）を出力する位相検波回路４と、位相検波回路４から出力されたドップラ信号に基づいて物体の移動量を判断し、移動量が所定値を超えた場合に監視空間内に移動体が存在すると判断して検出信号を出力する演算器５とを備えている。尚、演算器５はマイクロコンピュータで構成されている。
【００２２】
超音波送波装置１は、後述するように超音波マイクロホン１００並びに超音波マイクロホン１００の指向性を調整するためのホーン１２０からなる超音波送波器１０と、発振周波数が可変である発振器１１と、発振器１１の出力（送波信号）を利用して超音波マイクロホンを駆動することにより発振周波数に等しい周波数の超音波を監視空間に送波させる駆動回路１２と、超音波を送波する空間（監視空間）の雰囲気温度を検出する温度検出回路１３と、超音波マイクロホンから送波される超音波の波長が略一定となるように温度検出回路１３で検出する雰囲気温度に応じて発振器１１の発振周波数を調整する発振周波数調整回路１４とを備えている。尚、図１では発振周波数調整回路１４を単独の回路として図示しているが、実際には演算器５を構成するマイコンのタイマ機能を利用して実現することが可能である。
【００２３】
温度検出回路１３は、例えばＮＴＣサーミスタや熱電対などを利用して雰囲気温度を検出するものであって、雰囲気温度に対応したアナログの電圧信号（検出信号）を演算器５に出力している。そして、演算器５では温度検出回路１３が出力するアナログの検出信号をＡ／Ｄ変換してディジタルの温度検出信号（温度検出データ）として取り込み、取り込んだ温度検出データの値（雰囲気温度）に応じて、内蔵するタイマのクロック、すなわち、発振周波数調整回路１４の出力を変化させる。発振周波数調整回路１４の出力が変化すれば、発振器１１の発振周波数が変化して送波信号の周波数も変化する。
【００２４】
超音波マイクロホン１００は、図２に示すように直径が異なる２枚の円盤を厚み方向に重ねて構成されるベース１１０と、ベース１１０の一面（図２における下面）より下向きに突出する棒状の一対の端子１１１，１１１と、薄い円盤状に形成されて接着剤１１３によりベース１１０の他面（図２における上面）側に離間して配設された振動板１１２と、接着剤１１３によって振動板１１２の下面に当接する形で固定された圧電素子１１４と、圧電素子１１４の正極および負極と各端子１１１，１１１を電気的に接続するリード線１１５，１１５と、底面が開口した円錐筒状（漏斗状）に形成されて頂点部分が振動子（振動板１１２）の上面中央に固定された共振子１１６と、略円筒形に形成されて一方（下方）の開口部がベース１１０によって閉塞される形で振動子（振動板１１２と圧電素子１１４を結合したもの。以下同じ。）や共振子１１６などを内部に収納したケース１１７と、超音波の周波数調整用に共振子１１６の内側に注入された固形物（例えば、シリコーン樹脂等）１１８とを具備している。この種の超音波マイクロホン１００は、共振子１１６と対向する側のケース１１７の端部、すなわち、超音波が通過するケース１１７の開口部１１７ａが開放されているために一般に開放型と呼ばれている。
【００２５】
ホーン１２０は、一端が開口した有底円筒形状に形成され、超音波の送波面となる固形物１１８の端面（図２における固形物１１８の上面）に底壁を対向させるようにして超音波マイクロホン１００に外挿される。ホーン１２０の底壁（図２における上側の壁）には超音波マイクロホン１００の送波面（固形物１１８の端面）よりも小径の孔１２１が中央に貫設されており、超音波マイクロホン１００の送波面から送波された超音波がこの孔１２１を通過する際に生じる回折現象を利用して超音波マイクロホン１００の指向性を調整する（拡げる）ことができる。
【００２６】
而して、駆動回路１２は、発振器１１から出力される信号（送波信号）を増幅して超音波マイクロホン１００の端子１１１，１１１間に印加することで超音波送波器１０を駆動しており、送波信号の周波数（発振器１１の発振周波数）と等しい周波数で超音波送波器１０が駆動されるために送波信号の周波数に等しい周波数の超音波が空中（監視空間）に送波されることになる。
【００２７】
ここで、超音波マイクロホン１００が送波する超音波の波長λを一定とし（λ＝λ0）、超音波マイクロホン１００の送波面（固形物１８の端面）からホーン１２０の底壁前面までの距離Ｌを変化させたときに超音波送波器１０から送波される超音波の音圧がどのように変化するかを調べたところ、図３に示すような結果が得られた。図３からは、距離Ｌが波長λ0の４分の１波長の整数倍となるとき（Ｌ＝ｎ×λ0／４  但し、ｎは正の整数）、超音波の音圧が極値（極大値又は極小値）を取ることが判る。ここで、音圧が極値を取るときの距離Ｌの値、つまり、距離Ｌ＝ｎ×λ0／４を満たす値を含む範囲Ｓ１においては、距離Ｌの変化に対する音圧の変化が相対的に小さくなり、音圧が極値を取らないときの距離Ｌの値を含む範囲Ｓ２においては、距離Ｌの変化に対する音圧の変化が相対的に大きくなる（図３参照）。
【００２８】
したがって、超音波マイクロホン１００の送波面（固形物１１８の端面）からホーン１２０の底壁前面（図２における上面）までの距離Ｌが超音波マイクロホン１００から送波される超音波の波長λ0の４分の１波長の整数倍に略等しくなる（Ｌ≒ｎ×λ0／４）ように設計すれば、固形物１１８の端面からホーン１２０の底壁前面までの距離Ｌのばらつきに対する超音波の音圧の変化を相対的に小さくでき、その結果、超音波の音圧のばらつきを抑制することができる。但し、超音波送波器１０では可能な限り大きな音圧で超音波を送波することが望ましいので、音圧が極大値を取る距離Ｌ、すなわち、超音波の波長λ0の４分の１波長の奇数倍に略等しくなる（Ｌ≒（２ｎ−１）×λ0／４）ように設計することが望ましい。
【００２９】
ところで、空中を伝搬する音波（超音波）の速度（音速）は媒体である空気の温度（単に温度という。）に依存しており、音速をＶｓ〔ｍ／ｓ〕，温度をｔ〔℃〕とすると下記の式で示す関係を有している。
【００３０】
Ｖｓ＝３３１．５＋０．６１×ｔ
一方、超音波の波長λは超音波の周波数ｆと音速Ｖｓとを用いてλ＝Ｖｓ／ｆと表せるので、超音波マイクロホン１００の振動子を駆動する周波数（＝超音波の周波数ｆ）が一定であっても温度が変化すると超音波マイクロホン１００から送波される超音波の波長λも変化することになる。つまり、図３で示した距離Ｌと音圧の関係も温度によって変化し、図４に示すように常温のときの関係（実線イ）に対して、温度が常温よりも低くなると波長λが短くなるために極値が左向きにシフトし（実線ロ）、反対に温度が常温よりも高くなると波長が長くなるために極値が右向きにシフトする（実線ハ）。そして、超音波の音圧が極値を取るときの距離Ｌの温度による変化量は、次数ｎが大きくなるほどに増大することになる（図４参照）。
【００３１】
したがって、超音波マイクロホン１００の送波面（固形物１１８の端面）からホーン１２０の底壁前面までの距離Ｌが超音波マイクロホン１００から送波される超音波の波長λ0の４分の１波長に略等しくなる（Ｌ≒λ0／４）ように設計すれば、温度による波長のばらつきを含めて超音波の音圧のばらつきを抑制することができる。
【００３２】
ここで、常温（２５℃）のときの音速Ｖｓは３４６．８〔ｍ／ｓ〕、−３０℃のときの音速Ｖｓは３１３．２〔ｍ／ｓ〕、８５℃のときの音速Ｖｓは３８３．４〔ｍ／ｓ〕となり、超音波の周波数ｆが一定であれば、−３０℃のときの波長λは常温時の波長λ0の０．９（≒３１３．２／３４６．８）倍、８５℃のときの波長λは常温時の波長λ0の１．１（≒３８３．４／３４６．８）倍となる。故に、−３０℃のときに送波信号の周波数を常温時の周波数ｆ0の０．９倍とし、８５℃のときに送波信号の周波数を常温時の周波数ｆ0の１．１倍とすれば、雰囲気温度ｔの変化に伴う音速Ｖｓの変化を送波信号の周波数調整によって相殺し、雰囲気温度ｔが変化しても超音波の波長λを略一定（常温時の波長λ0）に保つことができる。
【００３３】
而して、超音波の波長が変化するとホーン１２０によって調整される指向性にも変動が生じてしまうが、本実施形態では、発振周波数調整回路１４が温度検出回路１３で検出する雰囲気温度に応じて、音速Ｖｓの変化を相殺するように発振器１１の発振周波数を調整するので、超音波送波器１０から送波される超音波の波長λが雰囲気温度の変化に対してほぼ一定となり、その結果、温度変化に起因した超音波送波器１０の指向性の変動を抑制することができる。しかも、本実施形態では演算器５を構成するマイクロコンピュータのタイマ機能を利用して発振周波数調整回路１４を実現しているために回路構成の簡素化が図れるという利点がある。尚、発振周波数調整回路１４をマイクロコンピュータのタイマ機能を利用して実現した場合、調整可能な発振周波数は離散的な値となる。
【符号の説明】
【００３４】
１  超音波送波装置
１０  超音波送波器
１１  発振器
１２  駆動回路
１３  温度検出回路
１４  発振周波数調整回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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