(57)【要約】【課題】超音波送信素子と超音波受信素子とを兼ねる超音波センサ装置において、残響信号による測定できない距離が少なくされている、超音波センサ装置及び該超音波センサ装置を有する電子機器を提供する。【解決手段】超音波を送信し、かつ反射された超音波を受信する超音波素子１がケース部材に収納されており、該ケース部材に超音波放出及び受信孔１３ａが設けられており、超音波の送信を停止した後の残響信号が生じている間には、超音波放出及び受信孔１３ａから進入してきた反射された超音波が超音波素子１に到達しないように、超音波放出及び受信孔１３ａが、超音波素子１から隔てられている、超音波センサ装置。【選択図】図１
2015025663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送信し、かつ反射された超音波を受信する超音波素子と、
前記超音波素子が収納されており、かつ前記超音波を放出するとともに、外部から反射された超音波を内部に導く超音波放出及び受信孔を有するケース部材とを備え、
前記超音波素子において超音波の送信を停止した後の残響信号が生じている間には、前記超音波放出及び受信孔から進入してきた反射された超音波が前記超音波素子に到達しないように、前記超音波放出及び受信孔が前記超音波素子から隔てられている、超音波センサ装置。
【請求項２】
前記超音波の波長をλとしたときに、前記超音波放出及び受信孔が前記超音波素子からλ／４以上隔てられている、請求項１に記載の超音波センサ装置。
【請求項３】
前記超音波放出及び受信孔が前記超音波素子からλ以上隔てられている、請求項２に記載の超音波センサ装置。
【請求項４】
前記ケース部材が、前記超音波放出及び受信孔が設けられている第１のケース部材部分と、前記第１のケース部材部分と対向するように設けられた第２のケース部材部分とを有し、
前記第１のケース部材部分と前記第２のケース部材部分との間に超音波伝搬経路が構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波センサ装置。
【請求項５】
前記超音波伝搬経路において、前記超音波が伝搬する方向と交差する方向に延びる遮蔽板が設けられている、請求項４に記載の超音波センサ装置。
【請求項６】
前記遮蔽板が、前記超音波の振動のノードに位置している、請求項５に記載の超音波センサ装置。
【請求項７】
前記遮蔽板が複数枚設けられており、該複数枚の遮蔽板が、第１のケース部材部分に連結されており、第２のケース部材部分側に向って延びる第１の遮蔽板と、第２のケース部材部分に連結されており、第１のケース部材部分側に延びる第２の遮蔽板とを有し、第１の遮蔽板と第２の遮蔽板とが超音波伝搬経路に沿って交互に配置されている、請求項５または６に記載の超音波センサ装置。
【請求項８】
前記第１のケース部材部分の外表面側から平面視した場合、前記超音波放出及び受信孔と重なる位置において、前記第２のケース部材部分に超音波センサ装置外部に至る貫通孔が設けられている、請求項４〜７のいずれか１項に記載の超音波センサ装置。
【請求項９】
枠体部と、前記枠体部に連ねられているケース本体部とを有するケースと、前記枠体部で囲まれている領域に配置されたディスプレイパネルとを備える電子機器であって、
前記ケース内に、請求項１〜８のいずれか１項に記載の超音波センサ装置が内蔵されており、前記超音波センサ装置の超音波放出及び受信孔が前記ケースの前記枠体部分に設けられている、電子機器。
【請求項１０】
前記超音波センサ装置全体が前記枠体内に構成されている、請求項１０に記載の電子機器。
【請求項１１】
前記超音波センサ装置の前記超音波素子が、平面視した場合前記ディスプレイパネルと重なる領域に配置されている、請求項１０に記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送受信兼用の超音波センサ装置に関し、特に超音波を発生する振動体を用いた超音波センサ装置及び該超音波センサ装置を有する電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ディスプレイパネルを有する携帯型電子機器が種々提案されている。例えば下記の特許文献１には、ケース内にディスプレイパネルとしての情報表示部が設けられている携帯型電子機器が開示されている。特許文献１では、ケースの一面が開口されており、該開口部を占めるように情報表示部が構成されている。そして、ケースの情報表示部が設けられている面に、超音波を放出する超音波放出孔が設けられている。他方、ケースの反対側の面に、超音波を発生する圧電振動体が固定されている。そして、ケース自体を共鳴箱として、十分な音圧で超音波放出孔から超音波を放出することができるとされている。
【０００３】
また、下記の特許文献２には、超音波発生素子を用いて距離を測定する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２３２９９２号公報
【特許文献２】特開平８−１９４５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ディスプレイパネルが一体化された携帯型電子機器においても、特許文献２に記載のように超音波発生素子により被対象物までの距離を測定することが試みられている。しかしながら、超音波送信素子及び超音波受信素子の双方を兼ねる超音波発生素子を用いると、被対象物までの距離を測定できない場合があった。詳述すると、超音波発生素子は、超音波の送信信号を停止した後も、ただちに振動を停止することができない。すなわち、超音波発生素子は、送信直後に残響を生じる。超音波発生素子では、反射された超音波の一定波高でトリガーをかけ、超音波発生終了時刻からの差を距離に換算する。残響が存在すると反射波に残響による波が重畳して波高が変動しトリガーポイントを不正確にするという問題が発生する。
【０００６】
なお、反転信号を与える等により上記のような残響を減衰させることも考えられる。しかしながら、このような方法を用いたとしても、測定できない距離を確実に少なくすることは困難であった。
【０００７】
本発明の目的は、超音波送信素子と超音波受信素子とを兼ねる超音波センサ装置において、残響信号による測定できない距離が少なくされている、超音波センサ装置及び該超音波センサ装置を有する電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る超音波センサ装置は、超音波素子と、ケース部材とを備える。超音波素子は、超音波を送信し、かつ反射された超音波を受信する。すなわち、超音波送信素子と、超音波受信素子とを兼ねる。
【０００９】
上記ケース部材には上記超音波素子が収納されている。また、上記ケース部材は、超音波を放出するとともに、外部からの反射された超音波を内部に導く超音波放出及び受信孔を有する。
【００１０】
本発明に係る超音波センサ装置では、超音波素子において超音波の送信を停止した後の残響信号が生じている間には、超音波放出及び受信孔から進入してきた反射された超音波が該超音波素子に到達しないように、超音波放出及び受信孔が超音波素子から隔てられている。
【００１１】
本発明に係る超音波センサ装置のある特定の局面では、該超音波の波長をλとしたときに、上記超音波放出及び受信孔は、上記超音波素子からλ／４以上隔てられている。
【００１２】
より好ましくは、上記超音波放出及び受信孔は、上記超音波素子からλ以上隔てられている。
【００１３】
本発明に係る超音波センサ装置の他の特定の局面では、上記ケース部材が、上記超音波放出及び受信孔が設けられている第１のケース部材部分と、上記第１のケース部材部分と対向するように設けられた第２のケース部材部分とを有し、上記第１のケース部材部分と上記第２のケース部材部分との間に上記超音波伝搬経路が構成されている。
【００１４】
本発明に係る超音波センサ装置のさらに他の特定の局面では、上記超音波伝搬経路において、上記超音波が伝搬する方向と交差する方向に延びる遮蔽板が設けられている。
【００１５】
本発明に係る超音波センサ装置では、好ましくは、上記遮蔽板が、上記超音波の振動のノードに位置している。
【００１６】
本発明に係る超音波センサ装置のさらに他の特定の局面では、上記遮蔽板が複数枚設けられており、該複数枚の遮蔽板が、第１のケース部材部分に連結されており、第２のケース部材部分に向って延びる第１の遮蔽板と、第２のケース部材部分に連結されており、第１のケース部材部分側に延びる第２の遮蔽板とを有する。そして、第１の遮蔽板と第２の遮蔽板とが超音波伝搬経路に沿って交互に配置されている。
【００１７】
本発明に係る超音波センサ装置のさらに他の特定の局面では、上記第１のケース部材部分の外表面側から平面視した場合、上記超音波放出及び受信孔と重なる位置において、上記第２のケース部材部分に超音波センサ装置外部に至る貫通孔が設けられている。
【００１８】
本発明に係る電子機器は、ケースと、ディスプレイとを備える。ケースは、枠体部と、枠体部に連ねられているケース本体部とを有する。上記ディスプレイパネルは、上記枠体部で囲まれている領域に配置されている。本発明では、上記ケース内に、本発明に従って構成された超音波センサ装置が内蔵されている。そして、該超音波センサ装置の超音波放出及び受信孔が、上記ケースの上記枠体部分に設けられている。
【００１９】
本発明に係る電子機器のある特定の局面では、上記超音波センサ装置全体が上記枠体内に構成されている。
【００２０】
本発明に係る電子機器の他の特定の局面では、上記超音波センサ装置の上記超音波素子が、平面視した場合、上記ディスプレイパネルと重なる領域に配置されている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る超音波センサ装置によれば、上記超音波放出及び受信孔が上記超音波素子から上記のように隔てられているため、測定できない距離を大幅に少なくすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波センサ装置の要部を説明するための部分切欠正面断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の超音波センサ装置が設けられている電子機器を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る電子機器において超音波センサ装置が構成されている部分を示す部分断面斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る超音波センサ装置に用いられている超音波素子を示す正面断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における残響信号と受信信号との関係を示す模式図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る超音波発生装置の要部を示す部分切欠正面断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る電子機器を示す模式的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより本発明を明らかにする。
【００２４】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る電子機器１１の斜視図である。電子機器１１は、いわゆるタブレット型の携帯型電子機器である。電子機器１１は、ケース１２を有する。ケース１２は、枠体１３と、ケース本体１４とを有する。枠体１３は、ケース１２の一面側において、開口部１３ｂを有する。開口部１３ｂ内にディスプレイパネル１５が配置されている。
【００２５】
上記枠体１３及びケース本体１４は、合成樹脂や金属などの適宜の剛性材料により構成することができる。
【００２６】
上記枠体１３は、矩形枠状の形状を有する。枠体１３に、上面に開いた超音波放出及び受信孔１３ａが設けられている。本実施形態では、矩形枠状の枠体１３の３辺に、超音波放出及び受信孔１３ａがそれぞれ設けられている。
【００２７】
図３は、１つの超音波放出及び受信孔１３ａが設けられている部分において枠体１３内の構造を示す部分切欠断面斜視図である。枠体１３内には、超音波素子１を有する本発明の第１の実施形態としての超音波センサ装置が内蔵されている。超音波素子１は、超音波を発生し、かつ受信する素子である。このような超音波素子１の構造は、超音波を発生しかつ受信し得る限り、特に限定されない。図４は、本実施形態で用いられている超音波素子１の正面断面図である。
【００２８】
超音波素子１は、基板７を有する。基板７上にキャップ８が接合されている。キャップ８には、超音波放出孔８ａ，８ｂが設けられている。基板７とキャップ８とにより囲まれた空間内に、超音波振動子が収納されている。超音波振動子は、バイモルフ型の第１の圧電素子３とバイモルフ型の第２の圧電素子４とをスペーサ２を介して積層した構造を有する。スペーサ２は、中央に開口部を有する。この開口部に臨むように、第１，第２の圧電素子３，４に、超音波を発生させるための励振部が構成されている。
【００２９】
第１，第２の圧電素子３，４は圧電セラミック板３ａ，４ａを有する。そして、第１の圧電素子３の励振部においては、複数の励振電極３ｂ〜３ｄが圧電セラミック層を介して重なりあっている。第２の圧電素子４の励振部においても、複数の励振電極４ｂ〜４ｄが、圧電セラミック層を介して重なりあっている。
【００３０】
また、励振電極３ｂと、励振電極３ｃ，３ｄとの間に交番電界を印加することにより、第１の圧電振動子３がバイモルフ型振動子として振動する。同様に第２の圧電振動子４も、励振電極４ｂと、励振電極４ｃ，４ｄとの間に交番電界を印加することにより、第２の圧電振動子４がバイモルフ型振動子として振動する。これにより、第１の圧電振動子３及び第２の圧電振動子４は超音波を発生させる。
【００３１】
本実施形態では、第１の圧電振動子３と第２の圧電振動子４とは、逆位相の屈曲モードで振動する。そのため、全体として座屈音叉モードで超音波が発生され、図示の破線で示すように、超音波放出孔８ｂから超音波が放出される。
【００３２】
その後、反射された超音波が外部から超音波放出孔８ｂを介して進入してくると、反射された超音波により、第１，第２の圧電振動子３，４が振動する。圧電効果により、この振動に基づく電気信号が超音波発生素子１から取り出され得る。すなわち、超音波発生素子１は、超音波を送信する送信素子としての機能と、超音波を受信する受信素子としての機能とを有する。
【００３３】
電子機器１１では、枠体１３の３辺に上記超音波放出及び受信孔１３ａが設けられている。各超音波放出及び受信孔１３ａが設けられている部分に、それぞれ、上記超音波センサ装置が内蔵されている。すなわち、３個の超音波発生素子１により、超音波の送信及び受信を行うことができる。なお、被測定物の位置、被測定物の移動及び被測定物の移動速度は、三角測量によって行われる。なお、電子機器１１に設けられる超音波発生素子１の数は３個に限るものではなく、３個以上であればよい。
【００３４】
従って、被測定物の位置、被測定物の移動及び被測定物の移動速度を、３個以上の超音波センサ装置の出力信号から確実に求めることができる。よって、本実施形態の電子機器１１によれば、ディスプレイパネル１５と非接触状態で、例えば指先の位置、指先の移動速度、指先の距離等を確実にかつ速やかに求めることができる。
【００３５】
図１及び図３に示すように、枠体１３内において、超音波素子１は、超音波放出及び受信孔１３ａから距離Ｒだけ隔てられている。この距離Ｒは、超音波素子１において、超音波の送信を停止した後の残響信号が生じている間には、超音波放出及び受信孔１３ａから進入してきた反射された超音波が超音波素子１に到達しないように選ばれている。
【００３６】
本実施形態では、超音波素子１からの送信を停止した後の残響信号による影響を確実に抑制することができる。これを、図５を参照して説明する。上記のように、超音波放出及び受信孔１３ａと、超音波素子１との間の距離Ｒは、超音波素子１における送信を停止した後の残響信号が生じている間には、超音波放出及び受信孔１３ａから進入してきた超音波が超音波素子１に到達しないように選ばれている。好ましくは、超音波の波長をλとしたとき、この距離Ｒはλ／４以上であることが望ましく、より好ましくはλ以上である。λ以上であれば、距離Ｒが超音波の一波長以上となるため、上記残響信号の影響を確実に抑制することができる。
【００３７】
図５に示すように、超音波素子１において送信信号の出力が停止しても、第１，第２の圧電振動子３，４は振動を減衰させつつも振動する。そのため、残響信号Ｂが生じる。従って、この残響信号Ｂが生じている間に、被対象物で反射されてきた超音波が超音波発生素子１に伝達されると、被対象物までの距離を正確に求めることができない。
【００３８】
これに対して、本実施形態では、上記距離Ｒが上記のように設定されているため、残響信号が生じている間には、受信信号は超音波素子１に到達しない。そのため、残響信号の影響を確実に抑制することができ、測定可能な距離を広げることが可能となる。
【００３９】
また、図１及び図３に示すように、上記超音波放出及び受信孔１３ａと超音波素子１との間において超音波が伝搬する超音波伝搬経路Ａには、複数の遮蔽板２１，２２が設けられている。より具体的には、本実施形態では、枠体１３が構成されている部分において、超音波放出孔が設けられている第１のケース部材部分１３ｃと、第１のケース部材部分１３ｃと対向するように下方に設けられた第２のケース部材部分１４ｂとを有する。第２のケース部材部分１４ｂは、前述したケース本体１４の一部である。
【００４０】
そして、第１のケース部材部分１３ｃと第２のケース部材部分１４ｂとの間に、超音波伝搬経路Ａが構成されている。
【００４１】
第１の遮蔽板２１は、第１のケース部材部分１３ｃの下面から第２のケース部材部分１４ｂ側に、すなわち下方に向って延びている。第１の遮蔽板２１の先端は、第２のケース部材部分１４ｂの内面には至らないように設けられている。他方、第２の遮蔽板２２は、第２のケース部材部分１４ｂから上方に延ばされており、第１のケース部材部分１３ｃの内面には至らないように設けられている。
【００４２】
上記のように、該実施形態では第１のケース部材部分１３ｃの下面に連結された第１の遮蔽板２１と、第２のケース部材部分１４ｂに連結された第２の遮蔽板２２とが、超音波伝搬経路Ａに沿って交互に配置されている。第１の遮蔽板２１と第２の遮蔽板２２とは、上記超音波の振動のノードに配置されている。詳述すると、超音波の周波数が４０ｋＨｚの場合には、超音波の波長λが９ｍｍとなるので、第１の遮蔽板２１と第２の遮蔽板２２とは、超音波素子１から超音波放出及び受信孔１３ａに向かう超音波伝搬経路Ａにおいて、４．５ｍｍ毎に設けられている。
【００４３】
なお、上記超音波は縦波の圧縮膨張波であるため、上記超音波伝搬経路Ａを横断する方向に第１、第２の遮蔽板２１，２２を設けたとしても、超音波の伝搬が阻害されにくい。第１、第２の遮蔽板２１，２２を上記超音波の振動のノードに設けると、いっそう超音波の伝搬が阻害されにくい。
【００４４】
なお、第１の遮蔽板２１と第２の遮蔽板２２とは必ずしも両方設けられる必要はなく、どちらか一方のみが設けられていればよい。
【００４５】
また、本実施形態では、第１のケース部材部分１３ｃの外表面側からすなわち上面から平面視した場合、超音波放出及び受信孔１３ａと重なる位置において、第２のケース部材  部分に超音波センサ装置外部に至る貫通孔１４ａが設けられている。貫通孔１４ａの径は、超音波の波長λよりも小さく、たとえば２ｍｍである。
【００４６】
本実施形態の電子機器１では、上記のように貫通孔１４ａが設けられているため、雨や塵が超音波放出及び受信孔１３ａから内部に落下したとしても、下方に位置している貫通孔１４ａから外部に排出させることができる。従って、液体やごみが超音波伝搬経路Ａや超音波素子１側に移動しがたい。
【００４７】
また、遮蔽板２１，２２が設けられていることによっても、液体や埃などが超音波素子１側に伝わり難い。従って、超音波素子１における超音波の送信及び受信動作への悪影響が生じ難い。また、貫通孔１４ａの径が超音波の波長λよりも小さければ点音源であるとみなせるので、指向性への悪影響が生じ難い。
【００４８】
なお、貫通孔１４ａは平面視した場合、超音波放出及び受信孔１３ａと重なっていることが好ましいが、完全に重なっている必要は必ずしもない。
【００４９】
なお、第１の実施形態では、第１，第２の遮蔽板２１，２２が超音波伝搬経路Ａにおいて第１のケース部材部分１３ｃ、第２のケース部材部分１４ｂに交互に配置されていたが、図６に示す第２の実施形態のように、複数の第１の遮蔽板２１のみが設けられてもよい。その場合においても、第１の実施形態と同様の作用・効果が得られる。
【００５０】
なお、第１の実施形態では、図２に示すように、上記超音波センサ装置の全体が、電子機器１１の枠体１３に構成されていた。しかしながら、図７に示す第３の実施形態の電子機器３１のように、ディスプレイパネル１５が設けられている領域においてディスプレイパネル１５と重なる位置に、超音波素子１が配置されてもよい。すなわち、超音波センサ装置は、ディスプレイパネル１５及び枠体１３を有する電子機器において、様々な位置に設けることができる。
【符号の説明】
【００５１】
１…超音波素子
２…スペーサ
３，４…第１，第２の圧電素子
３ａ，４ａ…圧電セラミック板
３ｂ〜３ｄ，４ｂ〜４ｄ…励振電極
７…基板
８…キャップ
８ａ，８ｂ…超音波放出孔
１１…電子機器
１２…ケース
１３…枠体
１３ａ…超音波放出及び受信孔
１３ｂ…開口部
１３ｃ…第１のケース部材部分
１４…ケース本体
１４ａ…貫通孔
１４ｂ…第２のケース部材部分
１５…ディスプレイパネル
２１，２２…第１，第２の遮蔽板
３１…電子機器
【図１】
2015025663.tif 000003
【図２】
2015025663.tif 000004
【図３】
2015025663.tif 000005
【図４】
2015025663.tif 000006
【図５】
2015025663.tif 000007
【図６】
2015025663.tif 000008
【図７】
2015025663.tif 000009