(57)【要約】【課題】  超音波センサの測距応答性を速くし、かつ小型の測距用超音波センサを提供すること。【解決手段】  超音波を用いて測定対象物との距離を測定する超音波センサであって、複数の周波数信号を生成させる周波数信号生成部と、前記複数の周波数信号に基づいて複数周波数の超音波を発生させると共に、前記複数周波数の超音波に対応した前記測定対象物からの複数の反射波を受信して、複数の受信信号を発生する距離測定手段と、前記複数の受信信号を選別する選別手段と、を有し、第一の周波数で送信した超音波に基づく反射波が多重反射となり、前記多重反射が減衰して受信できなくなる前に、前記第一の周波数とは異なる第二の周波数の超音波を用いて送信及び受信を行う超音波センサ。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を用いて測定対象物との距離を測定する超音波センサであって、
複数の周波数信号を生成させる周波数信号生成部と、
前記複数の周波数信号に基づいて複数周波数の超音波を発生させると共に、前記複数周波数の超音波に対応した前記測定対象物からの複数の反射波を受信して、複数の受信信号を発生する距離測定手段と、
前記複数の受信信号を選別する選別手段と、を有し、
第一の周波数で送信した超音波に基づく反射波が多重反射となり、前記多重反射が減衰して受信できなくなる前に、前記第一の周波数とは異なる第二の周波数の超音波を用いて送信及び受信を行うことを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
前記距離測定手段は、前記第一の周波数に基づく反射波を受信した後、前記第二の周波数の超音波を用いた送信及び受信を逐次的に行うものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記距離測定手段は、前記第一の周波数の超音波を送信した後、前記第一の周波数に基づく反射波を受信する前に、前記第二の周波数の超音波を送信するものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記距離測定手段が１つ設けられていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の超音波センサ。
【請求項５】
前記距離測定手段は、トランスデューサを有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記トランスデューサは、圧電膜を用いて構成されていることを特徴とする請求項５に記載の超音波センサ。
【請求項７】
前記トランスデューサは、メンブレンを用いた静電容量型トランスデューサであることを特徴とする請求項５に記載の超音波センサ。
【請求項８】
前記選別手段は、バンドパスフィルタを用いて構成されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の超音波センサ。
【請求項９】
前記第二の周波数の超音波に基づく受信に際して、前記第一の周波数の超音波に基づく受信とは異なるバンドバスフィルタを用いることを特徴とする請求項８に記載の超音波不センサ。
【請求項１０】
前記第一の周波数に基づく反射波を受信した後、前記第二の周波数の超音波を用いた送信及び受信を逐次的に行う第一の測定モードと、前記第一の周波数の超音波を送信した後、前記第一の周波数に基づく反射波を受信する前に、前記第二の周波数の超音波を送信する第二の測定モードと、を切替えて測定を行い得ることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の超音波センサ。
【請求項１１】
前記測定モードの切替えは、設定される閾値と前記測定対象物との距離とに応じてなされることを特徴とする請求項１０に記載の超音波センサ。
【請求項１２】
前記測定対象物との距離が、前記閾値よりも小さい場合には、前記第一の測定モードの測定を行い、前記閾値よりも大きい場合には、前記第二の測定モードの測定を行うことを特徴とする請求項１１に記載の超音波センサ。
【請求項１３】
前記閾値は、５ｍｍから１０ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１２に記載の超音波センサ。
【請求項１４】
基準となる距離に基づき測定値を補正する補正係数を記憶する手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の超音波センサ。
【請求項１５】
前記周波数は５００ＫＨｚから４ＭＨｚの範囲内にあることを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて測定対象物との距離を測定する超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
空中（空気中）における超音波の伝搬時間ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ−ＯＦ−Ｆｌｉｇｈｔ）を取得して距離を計測する方法が普及している。超音波による測距は、測距能が対象物の材質に略依存しないという特徴を備えている。そのためガラスのような透明材料から金属や絶縁体など幅広い材料に対応することが可能である。また音波は広がりを有するので、対象物を漏らすことなく測距することも可能である。一般的な超音波測距の距離レンジが数１０ｃｍ〜数ｍということもあり、自動車の前後バンパーからみた障害物の検出は広く知られている。
【０００３】
ところで空中における超音波は距離減衰が強く、上記距離レンジを測距するためには大きな発生音圧が必要である。そのため共振系の振動特性を有する超音波センサを用いることが一般的である。その場合、周囲に存在するノイズ信号の裾野成分がセンサの感度帯に重なると、誤って増幅してしまう恐れがある。
【０００４】
それを避けるため、バンドパスフィルタで音波の中心周波数を選別し、疑音波と、自己音波を識別する方法が特許文献１に開示されている。
【０００５】
また複数のセンサを配置して周囲を測距する場合、超音波の相互干渉を防ぐため、センサ毎で送受信する超音波を異なる周波数帯域に設定することが効果的である。但しこの場合、測距タスクをセンサ毎に逐次処理していては、その他センサにとって待機時間が多くなり、全体として測距の応答性が低下する。
【０００６】
これを避けるため、各センサの測距タスクを割込制御することで、センサ毎の測距タスクを並列化し、測距の応答性を向上させる方法が特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平４−１７５６８２号公報
【特許文献２】特開２００３−１３０９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような超音波測距の優れた特徴を活かし、ロボットハンドへの応用を目指した研究開発が始まっている。ロボットハンドの指先に超音波センサを実装した場合の対象距離は、数ｍｍ〜数１０ｍｍと一般的な超音波測距より至極近い。数ｍｍの距離で超音波測距を行うと、送信した超音波が充分に減衰せず多重反射となり、その減衰待ちで測距を開始できず応答性が低下する。また距離が数ｍｍ以上になると多重反射の強度は小さくなるものの、音波を送信してから受信するまでの待ち時間が長くなってくる。一般的に測距精度を上げるためには複数回の測長を平均することを考慮すると、一測長における待機時間が僅かでも測長回数を積算した分だけ総時間がかかり、測距の応答性が低下する。よって、ロボットハンドで要求される高速動作（ｍｓｅｃオーダー）に対し、現状の超音波センサによる測距は応答性が不足するという課題が生ずる。
【０００９】
特許文献１に記載されている音波の周波数を識別するバンドパスフィルタを備えるだけでは、受信する周波数を識別することはできるが周波数の異なる送信音波を送信することができない。
【００１０】
また、特許文献２に記載されている、超音波センサ毎に異なる周波数を対応させ測距すれば、音波を識別することが可能となり、多重反射の解消待ちによる応答性低下は改善される。しかし、各周波数に対応したセンサを複数個備えることになり、実装面積の制約を満たすことが難しくなる。また各周波数に対応した複数センサを使用すると、近距離において同一の対象地点を測距することも難しくなる。本発明は、超音波センサの測距応答性を速くし、かつ小型の測距用超音波センサ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】
【００１１】
本発明により提供される超音波センサは、超音波を用いて測定対象物との距離を測定する超音波センサであって、
複数の周波数信号を生成させる周波数信号生成部と、
前記複数の周波数信号に基づいて複数周波数の超音波を発生させると共に、前記複数周波数の超音波に対応した前記測定対象物からの複数の反射波を受信して、複数の受信信号を発生する距離測定手段と、
前記複数の受信信号を選別する選別手段と、を有し、
第一の周波数で送信した超音波に基づく反射波が多重反射となり、前記多重反射が減衰して受信できなくなる前に、前記第一の周波数とは異なる第二の周波数の超音波を用いて送信及び受信を行うことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、超音波センサの測距応答性を速くし、かつ小型の測距用の超音波センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の超音波センサの基本的な構成を説明する模式図である。
【図２Ａ】本発明の超音波センサを説明する模式図である。
【図２Ｂ】本発明の超音波センサを説明する模式図である。
【図３】本発明の超音波センサによる測距の例を説明する模式図である。
【図４】本発明の超音波センサによる測距の例を説明する模式図である。
【図５】本発明の超音波センサによる測距の別の例を説明する模式図である。
【図６】本発明の超音波センサによる測距の別の例を説明する模式図である。
【図７】第一の実施形態を説明する模式図である。
【図８Ａ】本発明に係る逐次的測距の時間推移を説明する模式図である。
【図８Ｂ】本発明に係る割込的測距の時間推移を説明する模式図である。
【図９】第一の実施形態における機能ブロック図を説明する模式図である。
【図１０】第一の実施形態における動作シーケンスを説明する模式図である。
【図１１】第一の実施形態におけるデータ取得フローを説明する模式図である。
【図１２Ａ】第一の実施形態における距離測定手段の一例についての断面構成を説明する模式図である。
【図１２Ｂ】第一の実施形態における距離測定手段の一例についての断面構成を説明する模式図である。
【図１３】第一の実施形態における距離測定手段の上面配置を説明する模式図である。
【図１４】第一の実施形態におけるロボットハンドシステムを説明する模式図である。
【図１５】第二の実施形態における距離測定手段の断面構成を説明する模式図である。
【図１６】第二の実施形態における機能ブロック図を説明する模式図である。
【図１７】本発明に係る周波数毎の測距誤差を説明する模式グラフである。
【図１８】第三の実施形態におけるデータ取得フローを説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の超音波センサは、超音波を用いて測定対象物との距離を測定するセンサである。本発明のセンサは、複数の周波数信号を生成させる周波数信号生成部を有する。そして、複数の周波数信号に基づいて複数周波数の超音波を発生させると共に、前記複数周波数の超音波に対応した前記測定対象物からの複数の反射波を受信して、複数の受信信号を発生する距離測定手段を有する。更に、複数の受信信号を選別する選別手段と、を有して構成される。そして更に、第一の周波数で送信した超音波に基づく反射波が多重反射となり、前記多重反射が減衰して受信できなくなる前に、前記第一の周波数とは異なる第二の周波数の超音波を用いて送信及び受信を行い得ることを特徴としている。
【００１５】
本発明の超音波センサでは、超音波センサを構成する単一の距離測定手段を用いて複数周波数の超音波送受信により距離測定を行い得る。
【００１６】
本発明では、送信音波帯域で非共振な振動特性を有する薄膜メンブレンを複数組み合わせ１つの距離測定手段の音波発生源を構成する形態を包含する。そして１つの距離測定手段で音波の周波数を変調した送受信を行う形態を包含する。
【００１７】
近距離測定では、送信音波における多重反射が発生している状況で、音波を受信した後に、周波数を変調した次タスクの音波を送信する、すなわち逐次測距を行う形態を包含する。また、遠距離測定では、送信音波における多重反射が発生している状況で、音波を受信する前に周波数を変調した次タスクの音波を送信する、すなわち割込測距を行う形態を包含する。
【００１８】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形、変更が可能である。
【００１９】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の超音波センサの基本的な構成を説明する模式図である。図１において、１０５は測定対象物であり、距離測定手段１０１より超音波１０４の送信が測定対象物１０５に向けてなされ、測定対象物１０５で反射した反射波を距離測定手段１０１が受信する。これにより測定対象１０５と距離測定手段１０１との距離が測定される。１２３は複数の周波数信号を生成する周波数信号生成部であり、所定の周波数信号に対応した波形を生成する。距離測定手段１０１では周波数信号生成部で生成した周波数信号に基づいて複数の周波数の超音波を発生させる。選別手段１１７は、送信周波数に対応した周波数の反射波を受信するための手段である。１１８は周波数信号生成部１２３が所定の周波数信号を生成すること、及び選別手段１１７が所定の周波数の反射波を選別することを含む制御を行う制御部である。図１では本発明の超音波センサの基本的な構成を示したが、詳細については、図９等を参照して後述する。以下では、まず本発明の超音波センサについて機能等を含めて説明する。
【００２０】
図２Ａは、本発明の超音波センサを説明する模式図である。図２Ａにおいて、距離測定手段１０１は、ロボットハンドのフィンガー部１０２に配置されている。距離測定手段１０１が測距開始信号１０３を受信してから、送信音波（超音波）１０４を発生し、対象物１０５で反射した受信音波（超音波）１０６を受信し、処理算出され距離信号１０７が出力される。距離信号１０７については、例えば、距離測定手段を構成する機械電気トランスデューサで測定した電圧生信号か、若しくは処理機能を一体に組み込めれば算出情報が出力される。トランスデューサのセンサ部の実装スペースに制約がある場合は、センサ部と処理部を分けて構わない。
【００２１】
図２Ｂは、本発明の超音波センサの送受信波形を説明する模式図で、送信音波と受信音波の時間推移を示している。或る時刻において距離測定手段１０１が送信音波１０４を発生し、対象物で反射した受信音波１０６を距離測定手段１０１で受信する。距離測定手段１０１を構成するトランスデューサが音圧を受信することで受信音圧が電気信号に変換され処理される。空気中では音波の減衰が強く、受信音圧は送信音圧の１／数倍〜１／数１００であり、送信音圧と受信音圧の目盛は相対比とする。送信時刻から受信時刻までの時間１０８がＴＯＦ（Ｔｉｍｅ−ＯＦ−Ｆｌｉｇｈｔ、音波伝搬時間）と定義され、距離は音速（ｍ／ｓｅｃ）×ＴＯＦ（ｓｅｃ）／２で算出される。ここでは送信及び受信波形のピークを基準にＴＯＦを算出するが、システムによっては音波の立ち上がり時刻でも構わない。また受信音波を変換した電気信号において、信号レベルが所定閾値に到達した時刻を用いても構わない。送信音波は、１波でも複数波でも構わないし、また波形形状として矩形波や正弦波を用いても構わない。以降、音波の送受信タイミングを説明する図において、音波形状は省略し、送信及び受信タイミングのみを表記する。
【００２２】
距離測定手段１０１は、超音波を発生し、測定対象物１０５に対して超音波の送信を行う機能を有するトランスデューサで構成される。対象物に照射された送信音波１０４は、対象物１０５の界面での音響インピーダンス差により、対象物１０５の表面で反射される。対象物１０５で反射された超音波は、その一部が距離測定手段に戻り受信音波１０６となる。一般的に空気と物体の音響インピーダンス差は非常に大きく、対象物１０５の界面での反射率は略１００％に近い。
【００２３】
また測定対象物１０５に対し距離測定手段１０１の超音波送信面から最短距離を測長したいので、音波の指向性は前方に鋭いことが好ましい。そのような音波の指向性を持たせるためには、周波数は数１００ＫＨｚ〜、概ね５００ｋＨｚ以上が必要である。このように周波数を高くすることで、音波拡散によるエネルギーの散逸を防ぐことができ、信号強度の低減を防ぐこともできる。また距離分解能は周波数に略比例するため、できるだけ高周波数を用いることが好ましい。更にロボットハンドのような狭小部にセンサを実装するならば、実装空間の制約から、音波発生源の大きさは数ｍｍ以下になる。一般的に、音源サイズが小さいほど、音波の指向性は低下するので、それを補うためより高周波の音波を用いることが必要になる。
【００２４】
その反面、高周波の音波を用いると、周波数による距離減衰が強くなる。周波数を高くすることでの音波指向性を高めるメリットと、距離減衰のデメリットを考慮すると、近接距離で測長するための周波数帯域は、低周波側は数１００ｋＨｚから高周波側は２〜４ＭＨｚ程度である。どこまで高周波側の超音波を使用できるかは、システム構成を含めた信号強度やＳ／Ｎとの兼ね合いで決める。
【００２５】
距離測定手段１０１では、受信音波１０６を受信して、送信した時間から、受信した時間までの期間（時間間隔）を計測する機能を有している。超音波は伝搬した経路長に対応して、送信から受信までに時間間隔ｔが発生するため、この時間間隔ｔを測定することで、対象物までの距離を測定することができる。距離測定手段はこの時間間隔ｔをもとに対象物までの距離を算出して、距離測定信号を出力する機能を有している。
【００２６】
距離測定手段１０１をロボットハンドに用いる場合は１ｍｍ程度から数１０ｍｍの距離を測定できる仕様であることが望ましい。距離測定手段１０１の超音波を送受信する手段としては、超音波の送信、受信をおこなうことできるものであれば用いることができる。例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）による、薄いメンブレンを用いた静電容量型のトランスデューサを採用可能である。具体的デバイスとしてはＣＭＵＴ（Ｃａｐａｓｉｔｉｖｅ  Ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が挙げられる。そして１種のトランスデューサで複数超音波での送受信を行うために、送信帯域におけるメンブレンの応答特性は非共振であることが好適である。なぜなら送信帯域内の特定周波数で共振してしまうと、それ以外の周波数による送受信感度が著しく悪化してしまうためである。また、音波送信帯域とメンブレンの共振周波数が近いと、発生音波の直後に励振した残響音が付随することで、測長波数が実際以上に増え、測長の応答性が低下してしまうためである。
【００２７】
送信する音波帯域においてメンブレン特性を非共振とするには、メンブレンの共振周波数が送信周波数に対し少なくとも２〜３倍以上、望ましくは５〜１０倍程度高いことが好適である。
【００２８】
また超音波の送信、受信の時間間隔ｔを測定し、信号出力する手段としては、マイコンや、アナログ回路とロジック回路を組み合わせることで、容易に実現することができる。
【００２９】
図３は、本発明の超音波センサを用いた逐次的な測距を説明する模式図である。音波の送受信に用いる波形形状については省略し、音波を送信する時刻、及び受信する時刻を図示する。更に受信音波については、受信音波が高次になるほど音圧の減少していく様子を模式的に示した。
【００３０】
ここでは距離レンジが概ね数ｍｍ以下（凡そ５ｍｍ〜１０ｍｍ以下）の近接距離における測距を想定している。ここでの１次の受信音波を取得するまでの時間は３０〜６０μｓｅｃである。
【００３１】
２０１は周波数Ｆ１における超音波の時間推移であり、２０２は周波数Ｆ１で音波を送信した時刻、２０３は周波数Ｆ１の音波を受信した時刻である。両時刻の時間差分がＴＯＦに相当する。数ｍｍ程度の近距離において多重波は充分に減衰せず、超音波センサ面と対象物を往復するため、受信音波の多重波が観測される。送信音波と１次の受信音波の時間差分は１次のＴＯＦであり、送信音波と２次の受信音波の時間差分は２次のＴＯＦである。１次のＴＯＦを用いた場合は、距離＝（音速×１次のＴＯＦ）／２、である。また、例えば２次のＴＯＦを用いた場合は、距離＝（音速×２次のＴＯＦ）／４、である。更に、２次のＴＯＦと１次のＴＯＦの時間間隔は１次のＴＯＦに等しいので、距離＝（音速×（２次のＴＯＦ−１次のＴＯＦ））／２、でもよい。１次のＴＯＦ以外に、高次のＴＯＦを用いた測距算出をしてもかまわない。測距の応答性を高めるためには、できるだけ低次のＴＯＦで測距を完了させることが好ましい。
【００３２】
数ｍｍ以下の近距離においては、周波数Ｆ１による音波の送受信が完了してから、逐次的に送信音波の周波数をＦ２へ変調し、次の測長を開始する。２０４は周波数Ｆ２における超音波の時間推移であり、２０５は周波数Ｆ２で音波を送信した時刻、２０６は周波数Ｆ２の音波を受信した時刻である。周波数Ｆ１による多重波が発生しているが、周波数をＦ２へ変調することで、周波数Ｆ１の多重波による干渉を排除することができる。周波数を変調する時間タイミングについては、周波数Ｆ１の送受信を完了した後（時刻２０３）で、周波数Ｆ１の多重波が残響している間で、周波数をＦ２に変調し音波送信を逐次的に開始する。
【００３３】
一つの距離測定手段を用いて送受信を行う場合においては、送信と受信のタイミングを一致させる事はできないこと、及び受信完了を確認してから周波数を変調した次送信を行うことも必要であり、現実的に僅かながらの待機時間２１１を考慮する。
【００３４】
周波数Ｆ１を用いた次回の測長は、周波数Ｆ１の多重波がノイズレベル相当まで減衰した時刻２０７にて音波を送信し、１次の受信音波を時刻２０８にて取得し、１次のＴＯＦを算出する。周波数Ｆ２を用いた次回の測長は、周波数Ｆ２の多重波がノイズレベル相当まで減衰した時刻２０９にて音波を送信し、１次の受信音波を時刻２１０にて取得し、１次のＴＯＦを算出する。自己音波による多重波が減衰するまでの時間は送信音圧や周波数にもよるが、凡そ数１０μｓｅｃ〜１００μｓｅｃに留めることが好ましい。システム側のＳ／Ｎが許容する範囲で、多重波の発生次数が少なくなるよう、音圧や周波数を調整する。多重波の発生次数が少なければ、再び同周波数で送受信が可能な状態までの復帰時間が短くなり、また周波数の変調数に伴うコスト増、複雑さが軽減されるからである。また本図では周波数を２つ用いた場合で説明したが、システムが許由する範囲において複数の周波数を用いることが可能である。
【００３５】
図４は、本発明の超音波センサを用いた逐次的な測距を説明する模式図である。図３で説明した測長モードの時間推移を示したものである。３０１は周波数Ｆ１による送受信タスク、３０２は送信モード、３０３は受信モードを示す。３０４は周波数Ｆ２による送受信タスク、３０５は送信モード、３０６は受信モード、３０７は周波数変調の切替時間、３０８は待機時間を示す。
【００３６】
周波数Ｆ１による超音波の測距を完了したら、周波数Ｆ１の多重波が発生している状況において、逐次的に周波数Ｆ２に変調した超音波の送信を開始し、周波数Ｆ２の反射音波を受信することで測距を行う。周波数Ｆ１の測距が完了したらＦ１測距の終了フラグを得て、周波数をＦ２に変調した次測距を開始する。図４では周波数の変調数を２つで図示しているが、複数個あっても構わない。測距値の処理については、超音波センサ動作のバックグラウンドで行う事が可能であり表示を省略する。
【００３７】
また図４に示すように、送信モードと受信モードの間には待機時間３０８を設ける。これは送信に伴い混入した電気的ノイズによる影響を充分に減少させる必要があるためである。一般的にモードの切替時間３０７は数μｓｅｃ以下、待機時間３０８は数μｓｅｃ以上であり、待機時間３０８の方が長くなる。近接測距の限界を高めるには、これらの時間を短くすることが重要であり、必要以上に大きな音圧を発生させずに超音波の送受信を完了させることが好ましい。図５は、本発明の超音波センサを用いた別の測距（割込的）を説明する模式図である。周波数Ｆ１の音波の送信後で、受信が完了する前に、周波数Ｆ２の音波の送信を開始する割込的な測距の方法である。既に図２で説明した測距（逐次的）は、周波数Ｆ１の音波の送受信が完了した後で、周波数Ｆ２の音波の送受信を行う測距の方法であり、大きく異なる。図４は、送信音波と受信音波について、音圧の時間推移を示したものである。送受信に用いる音波形状については省略し、音波を送受信する時間タイミングのみを図示する。
【００３８】
ここでは概ね距離レンジが数ｍｍ以上（凡そ５ｍｍ〜１０ｍｍ以上）における測距を想定している。ここで、１次の受信音波を取得するまでの時間は３０〜６０μｓｅｃである。対象物までの距離が遠くなると、音波を送信してから受信するまでの時間（ＴＯＦ）が長くなってくる。即ち超音波センサにとっては、送信してから受信するまでの待機時間の割合が多くなる。図５で説明する測距方法は、その待機時間を測距に活用することで測距の応答性を向上させるものである。
【００３９】
４０１は周波数Ｆ１における超音波の時間推移であり、４０２は周波数Ｆ１で音波を送信した時刻、４０３は周波数Ｆ１の音波を受信した時刻である。両時刻の差分が１次のＴＯＦに相当する。数ｍｍ以上の距離においても多重波は完全に減衰せず、距離測定手段の超音波送信面と対象物を往復するため、図５中に示すような高次の多重波が観測される。ただし数ｍｍ以下の距離での測距に比べ、多重波の発生数は少なくなる。
【００４０】
本形態では、周波数Ｆ１による音波の受信が完了する前に、割込的に送信音波の周波数をＦ２へ変調し測長を開始する。４０４は周波数Ｆ２における超音波の時間推移であり、４０５は音波を送信した時刻、４０６は１次の受信音波を受信した時刻である。周波数Ｆ１を用いた測長の次タスクは、多重波がノイズレベル相当まで減衰した時刻４０７にて音波を送信し、１次の受信音波を時刻４０８にて取得し、１次のＴＯＦを算出する。周波数Ｆ２を用いた測長の次タスクは、多重波が、ノイズレベル相当まで減衰した時刻４０９にて音波を送信し、１次の受信音波を時刻４１０にて取得し、１次のＴＯＦを算出する。自己音波による多重波が減衰するまでの時間は送信音圧や周波数にもよるが、凡そ数１０μｓｅｃ〜１００μｓｅｃに留めることが好ましい。システム側のＳ／Ｎが許容する範囲で、多重波の発生次数は少なくなるよう、音圧や周波数を調整する。図５では周波数の変調数を２つで図示しているが、複数個あっても構わない。
【００４１】
周波数を変調する時間タイミングについては、周波数Ｆ１の音波を送信後（時刻４０２）で、周波数Ｆ１の多重波が残響している間に、周波数をＦ２に変調し音波送信を割込的に開始する。一つの超音波センサで送受信を行う場合においては、送信と受信のタイミングを一致させる事はできない。また周波数Ｆ１の音波を送信した後に混入する電気的ノイズの低減を待ってから、周波数Ｆ２で音波を送信するため、僅かながらの待機時間４１１を考慮する。
【００４２】
図６は、本発明の超音波センサを用いた図５に対応した測距を説明する模式図であり、図５で説明した測長モードの時間推移を示したものである。５０１は周波数Ｆ１による送受信タスク、５０２は周波数Ｆ１の送信モード、５０３は周波数Ｆ１の受信モードを示す。５０４は周波数Ｆ２による送受信タスク、５０５は周波数Ｆ２の送信モード、５０６は周波数Ｆ２の受信モード、５０７は周波数変調の切替時間、５０８は待機時間を示す。
【００４３】
本形態における割込的な測距とは、周波数Ｆ１による超音波の送受信を完了する前に、割込的に周波数Ｆ２による超音波の送信を速やかに開始し、周波数Ｆ２の音波で測距を行うものである。まず周波数Ｆ１の送信が完了したらＦ１の音波送信終了フラグを得て、数μｓｅｃ以内で、周波数をＦ２に変調した次測距を開始する。図６では周波数の変調数を２つで図示しているが、複数個あっても構わない。測距値の処理についてはバックグラウンドで行う事が可能であり表示を省略する。対象物までの距離が遠くなると音波が戻ってくるまでの待機時間５０８は必然的に長くなる。従来までは待機時間を活用できていなかったが、本発明においては周波数を変調することで測距タスクとして用いる事が可能となる。結果として測距の応答性を速くすることができる。
【００４４】
１つの距離測定手段を用いた超音波センサにおいて割込的な測距を行うには、予め大凡の距離レンジを把握して、変調数を設定することが望ましい（詳細後述）。図６から理解されるが、距離に対し変調数が多すぎると、或る周波数での受信タイミングと、別周波数の送信タイミングとで、干渉する恐れがある。但し送信音波を高周波数で１波にするなど、音波の送信時間を短くすることで、測距不能となる時間を極力抑える（エラー処理）ことで回避することも可能である。
【００４５】
図７は、測定対象物までの実際の距離と、測距で得られたＴＯＦ（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ、音波伝搬時間）の関係を示す模式図である。ＴＯＦは音波伝搬時間であり、ＴＯＦ＝（２＊距離）／音速で算出され、距離とＴＯＦの関係は直線６０１に対応する。距離が近いほどＴＯＦは短く、距離が遠くなるほどＴＯＦは長くなる。距離精度を高めるには音速Ｃの絶対値が重要である。音速Ｃは、温度２９３．１５Ｋ、湿度０％乾燥空気における理想音速Ｃ０（３４３．６２ｍ／ｓ）から、気温の関数として算出される。音速は気温に対し感度が高いため、付近の温度情報を取得する必要がある。測長空間の付近に温度センサを設置し、外部システムを通じ気温を取得するのが簡便である。
【００４６】
また対象物との距離が近い場合は、センサと対象物の間に高次の多重波が発生し、多重波が減衰するまでは次測定ができない。その多重波が減衰するまでの時間６０２を示す。本発明の近距離を対称とした測距システムにおいては、時間６０２は約１００μｓｅｃで充分であり、距離に換算して約１７ｍｍとなる。
【００４７】
近距離における待機制約に対しては、前記（図３、図４参照）の周波数を変調した逐次的な測距を行うことで、この制約から逃れることが可能である。また時間範囲６０２付近及び、そこを超えた距離範囲においては、前記（図５、図６参照）の割込的な測距を行うことで受信待ちによる待機時間を測距に活用することができる。
【００４８】
図８を用いて、本発明における逐次的な測距、また割込的な測距を行うことにより、測距の応答性が向上することを説明する。最終的に各測距を平均して最終的な測距値とするため（後述）、時間当たりの測距回数が多いほど、測距の応答性は速くなる。
【００４９】
図８Ａは、従来測距と本発明の逐次的な測距について測距シーケンスの時間推移を示す模式図である。図７で説明したように距離が近接すると自己音波による多重波が残響している。従来測距においては、多重派波が減衰する時間６０２だけ待機（従来における次回測距開始までの時間７０１）してから、次回測距を行う必要がある。しかし、本発明の周波数を変調しながら逐次的な測距を行うことで、ほぼ待機せず（逐次的測距における次回測距開始までの時間７０２）次回測距を行うことが可能となる。測距に必要な音圧を確保することを考慮すると多重派波が減衰する時間６０２は約１００μｓｅｃ程度である。制約時間６０２はほぼ固定されるので、距離が近くなるほど逐次的測距の測距効率は高くなる。
【００５０】
図８Ｂは、従来測距と本発明の別の測距（割込的）について測距シーケンスの時間推移を示す模式図である。測長距離が長くなってくると、従来測距では超音波センサが音波送信をしてから音波受信をするまでの時間（従来における次回測距開始までの時間７０３）が長くなってくる。即ち待機時間が長くなり、速やかに次回測距を開始することができない。それに対し本発明の割込的測距を行うことで、ほぼ待機せず（割込的測距における次回測距開始までの時間７０４）することなく次回測距を行うことが可能となる。割込的な測距は、距離が遠くなるほど（併せて周波数を変調することが必要）測距効率が高くなる。
【００５１】
本発明における、逐次的な測距は近距離ほど測距効率が高く、割込的な測距は遠距離ほど測距効率が高くなる。そのため距離範囲に応じて、２つの測距方法を適切に選択することが好ましい。即ち、逐次的な測距を第一の測定モード、割込的な測距を第二の測定モードとして捉え、これら測定モードを切替えて測定することが可能である。例えば音波送信時間として１０μｓｅｃを想定する（音波送信に用いる正味時間は数μｓｅｃ）。そして割込的な測距においては、音波送信が終了してから次の音波を送信するまでの間隔を１０μｓｅｃ確保した場合を仮定する。その場合において各々の測距方法の優位性がトレードオフとなる境界距離は、凡そ５〜７ｍｍ程度である。そのため数ｍｍ程度の近距離のみを測定する場合は、逐次的な測距を行うだけで構わない。距離数ｍｍ（５ｍｍ）から数１０ｍｍまで測距を行う場合は、逐次的な測距と割込的な測距の２種の測距モードを切替えて測距を行うことが好ましい。
【００５２】
図９は、本発明の超音波センサについての機能ブロック図を説明する模式図である。図９において、８０５は測長する測定対象物、８０４は空中を伝搬する超音波、８０１は距離測定手段であるＭＵＴ（Ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）である。本実施形態ではＭＵＴとしてＣＭＵＴ（Ｃａｐａｓｉｔｉｖｅ  Ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）を用いる。ＣＭＵＴでは信号電極の対向電極にＤＣ−ＢＩＡＳ８１４を印加した状態で送受信動作を行う。送受信する周波数帯域において、ＤＣ−ＢＩＡＳ８１４に高周波ノイズを重畳させないため、減衰力の強いＬＰＦをＭＵＴ近傍に配置する事が好ましい。
【００５３】
まず受信音波の信号ブロックから説明する。保護回路１（８１５）は、ＭＵＴ８１５に対して送信音波を発生させるための高電圧信号を、受信回路側に混入させないためのものである。保護回路１（８１５）は、例えば市販の超音波用のプロテクションＩＣを用いることが可能である。ＣＭＵＴは受信した信号強度（電流信号）が小さいため、まずプリアンプ８０６にて電流電圧変換（インピーダンス変換）を行うのが一般的である。ＣＭＵＴのプリアンプ８１６は、広帯域特性を優先するため電流入力回路（トランスインピーダンス回路）を用いることが多いが、Ｓ／Ｎや帯域特性が許容できれば電圧入力回路を用いても構わない。
【００５４】
プリアンプ８１６の後段には、周波数を選別するためのアナログ回路で構成されたＢＰＦ（バンドパスフィルタ）８１７を配置する。所望の周波数に対応したＢＰＦ８１７を使用するため、制御装置８１８からＢＰＦ８１７の選択信号が指示される。送信音波の周波数に対応した音波の周波数を受信するためのＢＰＦ８１７が選択される。次にＬＮＡ（ローノイズアンプ）８１９により信号が１００倍以上増幅され、比較器８２０により予め記憶されたノイズ信号強度と分別され、制御装置８１８により、超音波の送受信に要した時間カウントが記憶装置８２１に記録される。ＢＰＦ８１７のブロック中における配置は、ＬＮＡ８１９の後段でも構わない。外部システムの制御部８２２は、超音波センサの測距の開始指示、測距値を取得するなどを行う。送信音波の周波数に対応した音波を受信するため、制御装置８１８から対応した周波数のＢＰＦ８１７を選択する信号が出力される。
【００５５】
次に音波送信の信号ブロックを説明する。波形生成部８２３は、複数変調した周波数信号を発生する機能を有する。波形生成機能と信号増幅機能については周波数毎に独立させてよく、また複数周波数を発生させる波形生成部の後段に１つの増幅ＡＭＰを接続する構成でも構わない。送信音波の波形は、特定の１周波数成分が主成分となるよう構成され、パルス数は１〜１０ケ程度で構成される。パルス数は１つが理想であるが、環境ノイズの影響を鑑み、複数ケのパルス数で構成して構わない。周波数Ｆ１の音波を送信するため、波形生成部８２３で生成された駆動パルスをＭＵＴ８０１へ印加する。ＣＭＵＴの駆動電圧は、ＤＣ−ＢＩＡＳ８１４と駆動パルスの合計電圧がプルイン電圧を超えない程度に設定する。プルイン電圧とは、ＣＭＵＴのメンブレンが上下電極間で接触する状態であり、一旦接触するとメンブレン材料が帯電し特性がドリフトするため避ける必要がある。実際に用いる電圧は凡そ±数１０Ｖであり、システム側から供給してもらうなどで構わない。
【００５６】
波形生成部８２３からＭＵＴ８０１の間には保護回路２（８２４）が配置される。この保護回路２は、送信音波の発生させるための高電圧の駆動信号は通過するが、音波を受信した際の微弱な受信信号は通過しない機能を有する。一般的にダイオードクリップ回路にて構成することが可能である。波形生成部８２３の出力端は一般に低インピーダンスであり、受信信号を出力端に侵入させない事が必要である。一般に超音波センサの送受信回路では、ＭＵＴ８０１で音波を発生させる信号経路と、ＭＵＴ８０１で音波を受信する信号経路をシステム内で独立させるための保護回路が必要である。
【００５７】
制御装置８１８は１ブロックで記載したが、例えば、時間カウンタとフラグ機能を有する市販マイコンＩＣと、処理／制御をＰＬＤ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｌｏｇｉｃ  ｄｅｖｉｃｅ）を用いることで構成可能である。１チップのＰＬＤでも可能だが、高速化／低コスト化するためには市販ＩＣを併用し低コストなＰＬＤを使用する方が好ましい。本発明における処理／制御は複雑でないものの、市販ＩＣのみで構成することは容易でないことも想定され、ＰＬＤを使用することで機能確認が容易となる。大量生産する場合においてはＡＳＩＣ化による１チップ化も有用である。図１０は、本発明の超音波センサを用いた動作シーケンスを示す模式図である。図９に示した機能ブロックを併用して説明する。外部システムの制御部８２２２から、測長を開始するタイミング信号を制御装置８１８が受信してから測長を開始する（Ｓ１）。まずＭＵＴ８０１を用いて環境ノイズを測定（Ｓ２）し、基準信号レベルを記憶する。環境ノイズ測定は処理待ち時間に行っても構わない。
【００５８】
次に逐次的な測距（Ｓ３）を行い、大凡の初期位置Ｌｉを把握する。ここで初期位置を把握する目的は２点ある。（１）距離に応じた測距モード（逐次的な測距、割込的な測距）の選択を行うため、（２）割込的な測距において、或る周波数での受信モードと、別周波数での送信モードの時間的な重なりが発生しないよう制御するためである。逐次的な測距においては、或る周波数で送受信を完了してから、別周波数で送受信を開始するため、割込的な測距のような干渉問題は発生しない。
【００５９】
図８を用いて説明したとおり、数ｍｍ以下の近距離であれば逐次的な測距の応答性が高く、数ｍｍ以上の測距であれば割込的な測距の応答性が高い。距離レンジに応じて最適な測距方法を選択する（Ｓ５）ことが好ましい。また図６を用いて説明したとおり、割込的な測距において、周波数の変調数が多くなってくると、或る周波数での受信モードと、別周波数での送信モードの時間的な重なりが発生する恐れがある。１つの超音波センサにおいて送信動作と受信動作の同時動作はできないので、時間的に重ならないようにする必要がある。初期位置を大凡把握できていれば、変調数を制御することで、この重なりを排除することができる。送信音波が高周波の１波などであれば干渉時間は短いので、一部のＴＯＦ信号をエラー排除することで処理することができる。ただ送信音波を複数パルス送信する場合は、干渉時間が長くなるため予め対策しておくことが望ましい場合もある。
【００６０】
そして予め設定した距離閾値Ｌｔ（図８Ｂにおける距離７０４）と初期位置Ｌｉを比較し、Ｌｉ＜Ｌｔならば逐次的な測距（Ｓ７）、Ｌｉ≧Ｌｔならば割込的な測距（Ｓ８）を開始する。双方の測距とも周波数を変調しながら複数回の測距を行い、平均値をもって距離を算出する（Ｓ９）。測距を継続するかどうか（Ｓ１０）は、外部システムの制御部８１２の測長開始フラグで判断される。測距を継続する場合において、すでに大凡の距離レンジを把握できているので、初期の逐次的測距は行わない。継続して割込的な測距を行う場合は、大凡の距離レンジ情報から音波の変調数をテーブルデータから参照し設定する。図１１は、本発明の超音波センサを用いたデータ取得フローを示す模式図である。データ群１００１は、逐次的な測距、もしくは割込的な測距により周波数をＦ１、Ｆ２・・・Ｆｎと変調しながら測距した際の１回目の測距データ（時間カウント）に対応する。データ群１００２は、多重反射が充分に減衰した状態にて、同じ周波数を用いた測距をすることで取得したｋ回目の距離データ（時間カウント）に対応する。データ総数は概ね１６〜１２８程度から選択されるが、応答性の低下を許容するならば、これ以上積算してもかまわない。ノイズは√（データ数）で低減するため、Ｓ／Ｎは√（データ数）で向上する。Ｓ／Ｎを向上させるにはデータ数を多くすることが好ましい。各周波数の距離情報は記憶装置８１１に蓄積されており、データ１００３は距離情報を平均した最終的な測距情報に対応する。測距情報は時間カウントを出力する前段にて、音速で除することで距離として出力するのが簡便である。
【００６１】
図１２Ａ、Ｂは、本発明の超音波センサの距離測定手段の断面構成を説明する模式図である。本実施形態においては距離測定手段としてＣＭＵＴを用いている。ＣＭＵＴはメンブレン１１０１上に配置した電極１１０２と、対向する基板上に配置した電極１１０３間の静電引力変化及び静電容量変化を利用して、音波の送受信を行う手段を構成している。本デバイスの基本的な構成は、特開２０１７−８５２５７号公報、特開２０１６−１０１４１７号公報、特開２０１４−１７５６６号公報等、に記載されている。ＣＭＵＴは、記載内容を基にして適宜設計が可能である。
【００６２】
送信帯域において非共振とするために、音波発生源となるメンブレン厚は数μｍ、直径が数１０μｍ〜数１００μｍの超音波デバイスを数１０〜１００ケ集積化して、数ｍｍエリアで一つの超音波センサを構成する形態を採用し得る。例えば、ＣＭＵＴのメンブレン１１０１はＳｉＮ材料を用いて主に構成し、セル直径は４０μｍ、上下電極間のギャップを約２００ｎｍとすることができる。そして、電極との合計厚さを約２μｍ、Ｖｂ（バイアス電圧）を−５０Ｖ程度印加した場合の、メンブレン１１０１の共振周波数は凡そ１３ＭＨｚ程度である。こうした構造に対して４ＭＨｚの駆動波形を印加したところ非共振特性が維持されていることを確認した。ここで、メンブレン１１０１の共振周波数は、送信帯域（５００ＫＨｚ〜３ＭＨｚ）において凡そ４倍〜２６倍である。
【００６３】
本発明の超音波センサを用いて測距を行うためには、距離測定手段を一つ設けることからメンブレン１１０１の振動特性が、送信音波帯域において非共振となることが有用である。そのためメンブレン１１０１の共振周波数を、送信周波数に対し少なくとも数倍以上、望ましくは５〜１０倍高いことが有用である。メンブレン構造と共振周波数の関係より、共振周波数を高くするには、メンブレン厚さを薄く、セル径を小さくすることが望ましい。
【００６４】
図１２Ａ、Ｂにおいては、メンブレン１１０１上には第一の電極１１０２が配置され、メンブレン１１０１に対向する基板上には、第二の電極１１０３が配置されている。第二の電極１１０３下部にグランド電極を配置（非図示）する。メンブレン１１０１は基板上に配置した隔壁１１０４により支持されている。ここに示した一対の電極を含む構造体がセル１１０５を構成している。
【００６５】
第一の電極１１０２と第二の電極１１０３間には、配線１１０６から所定の電位差Ｖｂが印加されており、メンブレン１１０１を基板側に撓ませ、基板側に向かってテンションがかかっている状態で使用される。第一の電極１１０２と第二の電極１１０３間に、配線１１０７から交流の電位差を印加することにより、メンブレン１１０１を振動させて超音波の送信を行う。一方、対象物から戻ってきた超音波がメンブレン１１０１に到達すると、メンブレン１１０１が振動し、第一の電極１１０２と第二の電極１１０３間の静電容量が変化する。第一の電極１１０２と、第二の電極１１０３間には所定の電位差Ｖｂが常に印加されているので、容量変化に伴い発生した微小電流を検出することで、受信した超音波の受信タイミングや大きさを測定することができる。交流の電位差を印加する電極とＶｂを印加する電極の組み合わせは、第一の電極１１０２と第二の電極１１０３、第二の電極１１０３と第一の電極１１０１、のどちらでも構わない。デバイス作製のプロセス制約、信号Ｓ／Ｎ、応答性等を考慮して選択される。
【００６６】
図１２Ａに示すように距離測定手段のメンブレン１１０１上には、特に部材を配置せず、直接大気に接触する構成とした。本発明の超音波センサの距離測定手段を構成するＣＭＵＴはこれに限らず、図１２Ｂに示すように距離測定手段のメンブレン１１０１上に弾性体１１０８を配置した構成とすることも可能である。弾性体１１０８を基板上に一面に配置することは、比較的容易であり、メンブレン１１０１の表面が保護されることで、対象物と接触した際のメンブレン１１０１の破損を防ぐことができるので都合がよい。ここで用いる弾性体１１０８は超音波の透過性が良く、且つメンブレン１１０１の機械特性に影響を与えにくい材料（メンブレンの材料の縦弾性係数よりも小さい材料がより適している。）を用いることが望ましい。材料としては、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、ＰＤＭＳ（ジメチルポリシロキサン）、ウレタンゴムなどから選択することができる。
【００６７】
また距離測定手段のメンブレン１１０１上の弾性体１１０８の厚さは、できるだけ薄くすることが望ましい。これにより超音波の送受信を行う再に弾性体内での超音波の減衰を最小限にすることができるので、大きな送受信信号を取得することができ、より正確な距離測定を行うことができる。図１３は、本発明の超音波センサにおける距離測定手段の上面配置を説明する模式図である。実際の距離測定手段としてのトランスデューサは、直径が数１０μｍ〜数１００μｍ程度のセル１１０５を、複数個集積させて数ｍｍサイズの１つのエレメント１２０１を構成する。各メンブレンに配置された上面電極、下部電極、グランド電位の夫々は、１つのエレメントで共通電位となるように配線される。セル１１０５の配列は格子状の配置でも千鳥配置等、種々の配列を採用可能である。セル１１０５を上面からみた形状は円形であり、振動する部分の形状は円形であるが、正方形、長方形、多角形等の形状でも構わない。
【００６８】
例えば、図１２で説明したセル直径４０μｍを約４０００ケ細密に配置すると直径３ｍｍ程度のサイズになる。ＣＭＵＴの受信感度は面積に比例するので、大きいほうが送受信感度を高めることが容易となる。ほぼ実装空間の余裕からセンササイズが決定される。図１４は、本発明の超音波センサを搭載したロボットハンドシステムを説明する模式図である。ロボットハンドのフィンガー部１０２の先端に本発明の距離測定手段１０１を配置している。フィンガー部１０２はフィンガー駆動手段１３０１により固定部から支持されている。フィンガー駆動手段１３０１は内部にモーターなどの駆動機構を有しており、外部からの駆動信号１３０２を元に、矢印Ａ、Ｂ方向に可動する機構を有している。距離測定手段１０１からの出力信号１３０３はフィンガー位置算出手段１３０４に入力され、フィンガー位置算出手段１３０４では、各フィンガー部の距離測定手段１０１を配置している場所の位置座標を、入力された信号を元に算出し、フィンガー部位置情報として出力される。フィンガー部制御手段１３０５では、フィンガー部位置情報を元にして、フィンガー部１０２の駆動を指示するフィンガー部駆動信号を生成する。例えば、対象物１０５への距離が遠ければ、フィンガー部１０２をより近づける処理を行い、距離が近ければ対象物を傷つけないようにゆっくりとつかむように、フィンガー部１０２の位置を調整したりする。
【００６９】
尚、図１４では２本のフィンガー部と、フィンガー部が備える駆動手段が１つである構成について説明したが、本発明はこの構成に限らない。フィンガー部１０２は２本より多い構成とすることもできるし、フィンガー部が備える駆動手段を複数とし、多関節の指を有する構成等、種々の構成を採用し得る。本実施形態の超音波センサを用いることで、近接距離において最速で数ｍｓｅｃ間隔で測距を行いながら、測距情報をフィードバックすることが可能となる。特にロボットにおける近接動作においては、高速（数ｍｓｅｃ〜）、高精度（数１０μｍ〜）な動作が要求されるが、その要求仕様を略満たす超音波センサを提供することが可能となる。
【００７０】
［第２の実施形態］
本実施形態では、音波発生源として圧電膜（薄膜）で構成されたトランスデューサを用いる点が特徴的である。それ以外の項目については、実施形態１に順ずる。
【００７１】
図１５は、圧電膜（薄膜）で構成されたトランスデューサ（ＰＭＵＴ；Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）の断面構造を説明する模式図である。薄い基材上１４０１に圧電体薄膜１４０２を配した薄いメンブレン１４０３を用い、距離測定手段を構成していることが特徴的である。距離測定手段を構成するメンブレンは、シリコン窒化膜、シリコン、金属など必要な機械的特性が得られるものであれば、適宜用いることができる。また基板はシリコン、ガラス、金属、ガラスエポキシ等必要な機械特性やメンブレンとの密着性、絶縁性が得られるものであれば適宜用いることができる。電極は、広く金属材料を採用し得るが、一例として焼成プロセスを経るならばＰｔ系、焼成工程を分離できるならばＡｌ系を採用することが可能である。圧電膜は静電容量が大きく、かつＰｔ系電極の電気抵抗はＡｌ系より大きい。大きなＣＲ遅延による高周波特性の損失をできるだけ抑えることが好ましい。数ｍｍサイズのトランスデューサ（ＰＭＵＴ）を数ＭＨｚ程度で駆動する場合は、ＣＲ遅延の影響が無視できないので注意を要する。
【００７２】
距離測定手段を構成するメンブレン１４０３は、圧電薄膜１４０２の駆動電圧を印加させてメンブレン１４０３を振動させることで超音波を送信する。圧電薄膜のメンブレン１４０３を面の法線方向の両方向に変位させるためには、例えば配線１４０４をグランド電位に接続、配線１４０５にＢＩＡＳ電圧を重畳させて±方向のパルス波形を印加する。配線１４０４と配線１４０５において逆の使い方をしても構わない。
【００７３】
薄膜では必然的に電界強度が高くなるため、逆方向電界が印加されると分極はほぼ反転してしまう。そのためＢＩＡＳ電圧で基準電位をオフセットさせた状態（片側電界方向）にて両極のパルス波形を印加するのが一般的である。もちろん０Ｖ基準にて、片極のパルス波形を印加する駆動（負圧若しくは正圧のみ）をして構わない。空中を伝搬する超音波においては、正圧音波と負圧音波、正圧音波のみ、負圧音波のみの、いずれでも送受信は可能である。
【００７４】
一方、反射してきた超音波がトランスデューサに到達し、メンブレン１４０３を振動させることで、圧電薄膜１４０２に電荷が発生する。発生した電荷に基づき配線１４０５を通じて抵抗電圧変換回路、チャージアンプ回路などの変換回路を用い電圧に変換することで受信を行う。
【００７５】
ＰＭＵＴにおいても、ＣＭＵＴと同じく、凡そ５０〜１００μｍ以下のセルを細密に複数配置して、数ｍｍ程度のセンサを構成し得る。小さなセルを用いる理由は、送信音波帯域にて非共振特性を確保するためである。例えば、以下の構成にて実施形態１のＣＭＵＴと似た周波数特性を得ることが可能である。即ち、セルサイズを５０μｍ□、振動板をＳｉＮ（膜厚２．５μｍ）とＳｉＯ２（膜厚０．５μｍ）、下電極をＴｉ／Ｐｔ、ＰＺＴ（膜厚２μｍ）、上電極Ｐｔ、保護膜ＳｉＯ２（０．３μｍ）、とすることで共振周波数、１０〜１３ＭＨｚが得られる。セル２１３０個を細密配置して３ｍｍ程度のサイズとし得る。図１６は、本実施形態における超音波センサの機能ブロックを説明する模式図である。ＣＭＵＴとＰＭＵＴのデバイス構成の違いによる電圧印加方法は異なるものの、それ以外は基本的に同じ構成である。８０５は測長する対象物、８０４は空中を伝搬する超音波である。本実施形態では距離測定手段８０１としてＰＭＵＴ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）を用いている。ＰＭＵＴにおいても、ＣＭＵＴと同じように正圧と負圧を用いた送受信を行うには、信号電極側にＤＣ−ＢＩＡＳを印加する。もちろん負圧のみ、若しくは正圧のみの送受信動作であれば、ＤＣ−ＢＩＡＳは不要である。ＣＭＵＴに対するＰＭＵＴのメリットは構成が簡易で、低電圧化が図れることである。尚、ＤＣ−ＢＩＡＳは不要とする方が好ましい。
【００７６】
超音波センサの距離測定手段として用いるＣＭＵＴとＰＭＵＴによる若干の違いがあるが、ここでは両者の差分を中心に説明する。
【００７７】
受信音波の信号ブロックについては、ＰＭＵＴは受信した信号強度（電圧信号）がＣＭＵＴ程小さくはないため、図９に示したプリアンプ８０６を用いなくても構わない。もちろん広帯域特性を優先するために電流入力回路（トランスインピーダンス回路）を用いても構わないし、Ｓ／Ｎや帯域特性が許容できれば電圧入力回路を用いることも可能である。音波送信の信号ブロックについては、ＰＭＵＴの駆動波形は、ＧＮＤ電位に対して片極方向になるよう設定する。実際に用いる駆動電圧はパルス波形を数１０Ｖとする。電圧はシステム側から供給してもらうなどで構わない。
【００７８】
超音波発生源としてＰＭＵＴを用いた本形態では、実施形態１と同じく、近接距離において最速で数ｍｓｅｃの測距が可能となる。更に実施形態１のＣＭＵＴに対して、プリアンプ無し及びＢＩＡＳ電源無しによる部品数の低減、更に駆動電圧の低電圧化が可能となる。
【００７９】
［第３の実施形態］
本実施形態は、音波発生源としＣＭＵＴを用い、測距精度を向上させる補正を施したことが特徴的である。それ以外の構成要素については、実施形態１に順ずる。
【００８０】
図１７は、音波発生源にＣＭＵＴを用いて周波数を変調しながら測距を行った際の周波数毎の測距値の相対差を示すグラフである。送信音波の周波数５００ＫＨｚでの測距値をＲｅｆ．値とする。周波数が高くなるに従い、測距値がＲｅｆ．値に対して相対的に長くなる傾向が見られた。これは、デバイスの機械的な位相特性や、送信回路及び受信回路の位相特性が合わさったものである。図１７に示すように位相特性は、測長距離に依存しないため、このズレを補正することは容易である。
【００８１】
実際にセンサを用いる際には、予め主要周波数で絶対距離を測距し校正作業を実施する。主要周波数毎の補正係数を取得し、実測で得られた測定値を補正する。図９における記憶装置８２１には、実測の補正前データが記録されるため、制御装置８１８若しくは外部システムの制御部８２２において、補正処理を施すシーケンスが必要となる。なお補正係数は、変調する周波数が少ない場合は、テーブルデータとして準備してもよいし、変調する周波数が多くなる場合は、補正曲線をフィッティングから導出し、距離精度が許すなら任意周波数で補正を行ってもよい。
【００８２】
図１８は、本発明の超音波センサを用いたデータ取得フローを示す模式図である。データ群１００１は、逐次的な測距、もしくは割込的な測距により周波数をＦ１、Ｆ２・・・Ｆｎと変調しながら測距した１回目の距離データ（時間カウント）に対応する。データ群１００２は、多重反射が減衰している状態にて、同じ周波数を用いた測距をすることで取得したｋ回目の距離データ（時間カウント）に対応する。データ数は概ね１６〜１２８程度から選択される。応答性の低下を許容するならば、これ以上積算してもかまわない。Ｓ／Ｎを向上させるためにはデータ数を多くすることが好ましい。データ群１７０１は、周波数毎の距離情報を平均したデータに対応する。データ群１７０２は、周波数毎の距離情報について位相ズレに対する補正を施したデータに対応する。データ１７０３は、データ群１７０２を平均化したデータに対応し、最終の測距情報となる。測距情報は時間カウントを出力する前段にて、音速で除することで距離として出力するのが簡便である。周波数毎の位相誤差を補正してから、測距情報を得るため、距離精度が向上する。距離測定手段（超音波発生源）としてＣＭＵＴを用い、本発明の超音波センサを構成した。実施形態１と同じく、近接距離において最速で数ｍｓｅｃの測距が可能となる。更に、周波数毎の距離誤差を補正することで、絶対距離の精度を向上することが可能となる。
【符号の説明】
【００８３】
１０１  距離測定手段
１０４  超音波
１０５  測定対象物
１１７  選別手段
１１８  制御手段
１２３  周波数信号生成部
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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