(57)【要約】【課題】音波を音圧の高い位置で受信することができる超音波トランスデューサおよび超音波送受信方法を提供する。【解決手段】超音波トランスデューサは、超音波トランスデューサ本体１と、一端が超音波トランスデューサ本体１に接続されたリンク２と、このリンク２の他端が接続されたカム３と、このカム３を回転させる公知のモータ４と、このモータ４の駆動制御を行う制御部５とから構成される。本発明によれば、受信した超音波の音圧の高さに基づいて、超音波トランスデューサ１を音圧の高い位置に移動させる。【選択図】        図１
2004184210.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送信または受信する超音波トランスデューサ本体と、
この超音波トランスデューサ本体を超音波の進行方向に沿って移動させる移動手段と
を有することを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項２】
請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
前記移動手段は、受信側の超音波トランスデューサ本体が受信した超音波の音圧に基づいて、前記超音波トランスデューサ本体を移動させる
ことを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項３】
請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
前記移動手段は、送信側または受信側の超音波トランスデューサ本体を往復運動させる
ことを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項４】
受信側の超音波トランスデューサが受信した超音波の音圧に基づいて、送信側または受信側の超音波トランスデューサの本体を超音波の進行方向に沿って移動し、前記受信側の超音波トランスデューサが受信する超音波の音圧を最大にする
ことを特徴とする超音波送受信方法。
【請求項５】
超音波を送受信する一対の超音波トランスデューサ本体のうち、少なくとも何れか一方を超音波の進行方向に沿って往復運動をさせながら、前記一対の超音波トランスデューサ本体の間で超音波を送受信することを特徴とする超音波送受信方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波トランスデューサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超音波は、様々な用途で用いられている。例えば、魚群探知機、自動車の衝突防止センサ、切削加工または家電のリモートコントローラなどにおいては、信号伝達手段として用いられている。また、最近では、例えば心臓のペースメーカーなどで、超音波を電力伝送手段として用いることも提案されている。
【０００３】
このように超音波を信号伝達手段や電力伝送手段として利用する場合、超音波の音圧と音源からの距離との関係が問題になる。すなわち、超音波の進行方向の音圧分布を例にとると、図３に示すように音源から遠くなるにつれて所定の間隔で強弱を繰り返しながら次第に減衰する（非特許文献１参照。）。このため、音源からは十分に近くても、音圧の弱い地点に設置された受信側の超音波トランスデューサは、弱い音圧の信号をもとに動作することを余儀なくされるため、感度低下が発生したと見なされてしまう場合があった。
【０００４】
このような場合、従来では、受信側の超音波トランスデューサの設置位置を変更したり、送波側超音波トランスデューサから送波される超音波の音圧を増大させることにより、対処していた。
【０００５】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−７１５０４号公報
【特許文献２】
特開平７−０１７３４２号公報
【非特許文献１】
長谷川、日本音響学会誌、１９９０年、４６巻、７号
【非特許文献２】
江村  超、熊谷  正朗、”運転者アシスト用無走査型超音波センサの開発”、［ｏｎｌｉｎｅ］、サウンド技術振興財団、［平成１４年１１月２１日検索］、インターネット
＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｏｕｎｄ−ｚａｉｄａｎ．ｃｏｍ／１２Ｒ０６．ｐｄｆ＞
【非特許文献３】
”圧電セラミックス（ピエゾタイト（Ｒ））応用センサ”、［ｏｎｌｉｎｅ］、村田製作所、［平成１４年１１月２１日検索］、インターネット
＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｕｒａｔａ．ｃｏ．ｊｐ／ｃａｔａｌｏｇ／ｐ１９ｊ８．ｐｄｆ＞
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したいずれの方法も、弱い音圧の信号をもとに動作することを余儀なくされるという問題の本質的な解決にはなっていない。
まず、超音波トランスデューサの設置位置を変更する場合は、その設置位置の変更自体が無意味な場合がある。例えば、自動車の後方バンパーに取り付けられた衝突防止用超音波トランスデューサの場合について考えてみる。このような超音波トランスデューサは、自動車のギアがリバースに入ると、送信側の超音波トランスデューサが壁等の障害物に向けて超音波を発射し、その障害物に反射して戻ってきた超音波を受信側の超音波トランスデューサが受信し、信号の遅延時間をもとに障害物との距離を算出する。バックをする際の自動車すなわち超音波トランスデューサと障害物との距離が常に一定であれば問題はないが、自動車および運転者の性質上、それはほとんど不可能である。このため、超音波トランスデューサと障害物との距離によっては、受信側の超音波トランスデューサは、周辺に比べて音圧の弱い地点に位置してしまい、著しく弱い音圧を受信してしまう場合がある。これは、超音波トランスデューサの設置位置を変更してみたところで、解決できる問題ではない。
【０００８】
また、超音波の音圧を増大させたとしても、超音波トランスデューサの位置によっては、周辺に比べて音圧が弱い地点が生じてしまうことに変わりなく、超音波トランスデューサの受信限界を下回ってしまう場合が生じうる。
【０００９】
そこで、本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、超音波を音圧の高い位置で受信することができる超音波トランスデューサおよび超音波送受信方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述したような課題を解決するために、本発明にかかる超音波トランスデューサは、超音波を送信または受信する超音波トランスデューサ本体と、この超音波トランスデューサ本体を超音波の進行方向に沿って移動させる移動手段とを有することを特徴とする
また、本発明の超音波トランスデューサの１構成例において、移動手段は、受信側の超音波トランスデューサが受信した超音波の音圧に基づいて、超音波トランスデューサ本体を移動させるようにしてもよい。この超音波トランスデューサによれば、超音波トランスデューサ本体を移動させると、受信側の超音波トランスデューサ本体が受信する超音波の音圧が変化する。
また、本発明の超音波トランスデューサの１構成例において、移動手段は、送信側または受信側の超音波トランスデューサ本体を往復運動させるようにしてもよい。この超音波トランスデューサによれば、送信側または受信側の超音波トランスデューサを往復運動させると、受信側の超音波トランスデューサ本体が受信する超音波の音圧が変化する。
【００１１】
本発明にかかる超音波送受信方法は、受信側の超音波トランスデューサが受信した超音波の音圧に基づいて、送信側または受信側の超音波トランスデューサの本体を超音波の進行方向に沿って移動し、受信側の超音波トランスデューサが受信する超音波の音圧を最大にすることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる超音波送受信方法は、超音波を送受信する一対の超音波トランスデューサ本体のうち、少なくとも何れか一方を超音波の進行方向に沿って往復運動をさせながら、前記一対の超音波トランスデューサ本体の間で超音波を送受信することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかる超音波トランスデューサの外観を示す図、図２は、制御部の構成を示すブロック図、図３は、超音波の音圧−距離の関係を示した図である。本実施の形態にかかる超音波トランスデューサは、超音波トランスデューサ本体１と、一端が超音波トランスデューサ本体１に接続されたリンク２と、このリンク２の他端が接続されたカム３と、このカム３を回転させる公知のモータ４と、このモータ４の駆動制御を行う制御部５とから構成される。
【００１４】
超音波トランスデューサ本体１は、公知の超音波トランスデューサからなり、その内部に金属板、圧電体板、共振子等が配設され、圧電効果により電気エネルギーを音響エネルギー（超音波エネルギー）に、または音響エネルギーを電気エネルギーに変換して、超音波の送信または受信を行う。このような超音波トランスデューサ本体１は、送受信する超音波の進行方向に沿って移動可能に、例えばレール等の規制手段を有するとともに、その所定の位置、例えば外側ケース等がリンク２の一端と接続されている。
【００１５】
リンク２は、棒状の形状を有し、一端が超音波トランスデューサ本体１と接続され、他端が超音波トランスデューサ本体１の後方に設置されたカム３と接続されている。
【００１６】
カム３は、略円盤状の形状を有し、外周付近の一点でリンク２の一端と接続され、円盤形状の中心付近に配設された軸３ａに接続された図２に示すモータ４により回転する。これにより、カム３が回転すると、この回転運動がリンク２により直進運動に変換されるため、超音波トランスデューサ本体１は、超音波の進行方向に沿って前後方向に移動することになる。
なお、前後方向とは、リンク２の略長手方向に沿った方向、または超音波の音源とこの音源からの超音波を受信する一受信点とを結ぶ中心軸に沿った方向を意味し、この前後方向において、音源−受信点間の距離が近づくことを「前」、逆に遠ざかることを「後ろ」ということとする。
【００１７】
カム３の形状および寸法は、超音波トランスデューサ本体１の周期的な往復運動の振幅が超音波の波長程度となるように設定する。例えば、周波数２５ｋＨｚの超音波トランスデューサ本体１を２５℃で使用する場合、カム３の形状および寸法は、超音波トランスデューサ本体１の周期的な往復運動の振幅が約１．３ｃｍとなるように設定する。
【００１８】
制御部５は、超音波トランスデューサ本体１が受信した超音波に基づく信号を電圧に変換する受信回路１１と、この変換された電圧の大小から超音波トランスデューサ本体１が受信した超音波の音圧の高低を判断する同期回路１２と、この同期回路１２による判断に基づいてモータ４の回転を制御する駆動回路１３とから構成される。
【００１９】
超音波の音圧と距離との関係を図３に示す。図３は、以下に示す超音波の音圧と距離の関係である式（１）に基づいて作成したものである。
【００２０】
【数１】
2004184210.tif 000003
【００２１】
なお、式（１）において、Φは速度ポテンシャル、γおよびθは観測点の極座標表示、ｉは虚数単位、ｎは次数、ｈｎ（２）は第２種球ハンケル関数、Ｐｎ（ｃｏｓθ）はルジャンドルの多項式、ｅｘｐ（ｉωｔ）は時間依存因子、ωは角振動数を意味する。また、Ａは、Ａ＝Ｖ０／ｋとなり、Ｖ０は、例えば超音波トランスデューサにおける圧電素子等の音源となる振動子の速度振幅、ｋは媒質中の波数を意味する。さらに、ｆｎは回折積分を意味し、振動子の回折効果がこの積分に依存する。この回折積分は以下に示す式（２）の通りである。
2004184210.tif 000004
この式（２）において、振動子は円盤状のものを想定しており、ｚ０は原点から振動子の中心までの距離、ｚａは原点から振動子の円周上の各点までの距離を表す。また、原点は、超音波の進行方向の中心軸上であるならば、任意の場所にとることができる。
【００２２】
図３からもわかるように、超音波の音圧は、音源と一受信点とを結ぶ中心軸上において、音源から遠くなるにつれて所定の間隔で強弱を繰り返しながら次第に減衰する。したがって、本実施の形態にかかる超音波トランスデューサは、同期回路１２で超音波の音圧の大きさを判断し、音圧の高いところ、すなわち図３の曲線においてちょうど山の位置に超音波トランスデューサ本体１が配設されるように、カム３を駆動させる。
【００２３】
次に、図４を参照して、本実施の形態にかかる超音波トランスデューサの動作について説明する。図４は、本実施の形態にかかる超音波トランスデューサの動作を示すフローチャートである。なお、本実施の形態では、音源からの超音波を受信する超音波トランスデューサ本体１を移動させる場合を例に説明する。
【００２４】
超音波トランスデューサ本体１が所定の位置にある音源から超音波を受信すると（ステップＳ４０１）、制御部５は、モータ４を正方向に所定の量だけ回動させて超音波トランスデューサ本体１を所定の距離、例えば１ｍｍ移動させ（ステップＳ４０２）、再び超音波を受信する（ステップＳ４０３）。なお、正方向とは、モータ４の回動方向を特定するために便宜上定めた方向であり、時計回りまたは反時計回りのいずれでもよく、適宜自由に設定することができる。また、超音波トランスデューサ本体１を移動させる所定の距離およびこれに伴うモータ４を回動させる所定の量は、適宜自由に設定することができる。
【００２５】
超音波を受信すると、制御部５は、ステップＳ４０１で受信した超音波の音圧と、ステップＳ４０３で受信した超音波の音圧との大きさを比較する（ステップＳ４０４）。
【００２６】
ステップＳ４０３で受信した超音波（現在の超音波）の音圧が、ステップＳ４０１で受信した超音波（１ステップ前の超音波）の音圧より高い場合（ステップＳ４０４：ＹＥＳ）、制御部５は、モータ４を正方向に所定の量だけ回動させ（ステップＳ４０５）、超音波トランスデューサ本体１ｂにより超音波を受信する（ステップＳ４０６）。
【００２７】
ステップＳ４０６で受信した超音波（現在の超音波）の音圧が、１ステップ前に受信した超音波の音圧より高い場合（ステップＳ４０７：ＹＥＳ）、制御部５は、ステップＳ４０５に戻る。
ステップＳ４０６で受信した超音波（現在の超音波）の音圧が、１ステップ前に受信した超音波の音圧より低い場合（ステップＳ４０７：ＮＯ）、制御部５は、モータ４を逆方向に回動させて、１ステップ前に超音波を受信した位置に超音波トランスデューサ本体１ｂを戻し、この位置に超音波トランスデューサ本体１ｂを固定する（ステップＳ４０８）。
【００２８】
一方、ステップＳ４０３で受信した超音波（現在の超音波）の音圧が、ステップＳ４０１で受信した超音波（１ステップ前の超音波）の音圧より低い場合（ステップＳ４０４：ＮＯ）、制御部５は、モータ４を逆方向に所定の量だけ回動させ（ステップＳ４０９）、超音波トランスデューサ本体１ｂにより超音波を受信する（ステップＳ４１０）。
【００２９】
ステップＳ４１０で受信した超音波（現在の超音波）の音圧が、１ステップ前に受信した超音波の音圧より高い場合（ステップＳ４１１：ＹＥＳ）、制御部５は、ステップＳ４０９に戻る。
ステップＳ４１０で受信した超音波（現在の超音波）の音圧が、１ステップ前に受信した超音波の音圧より低い場合（ステップＳ４１１：ＮＯ）、制御部５は、モータ４を正方向に回動させて、１ステップ前に超音波を受信した位置に超音波トランスデューサ本体１ｂを戻し、この位置に超音波トランスデューサ本体１ｂを固定する（ステップＳ４１２）。
【００３０】
図５は、超音波を受信する超音波トランスデューサ本体１を移動させる場合の超音波の音圧の変化を示す図である。例えば、図５（ａ）に示すように、超音波トランスデューサ本体１が超音波の音圧が低い位置にある場合は、上述したように制御部５により、超音波トランスデューサ本体１を前後方向（図５（ａ）の場合は後ろ）に移動する。これにより、超音波トランスデューサ本体１は、図５（ｂ）に示すように、音圧の高い位置に配設されるので、高い音圧の超音波を受信することができる。
【００３１】
なお、本実施の形態において、送信側の超音波トランスデューサ本体が移動するようにしてもよい。この場合について、以下に説明する。なお、便宜上、送信側の超音波トランスデューサ本体を超音波トランスデューサ本体１ａ、受信側の超音波トランスデューサを超音波トランスデューサ本体１ｂということとする。
【００３２】
超音波トランスデューサ本体１ａを移動させる場合は、図４を用いて説明した内容において、所定の位置に超音波トランスデューサ本体１ｂを固定し、この超音波トランスデューサ本体１ｂの出力を受信回路１１に入力し、超音波トランスデューサ本体１ｂが受信した超音波に基づいてモータ４により超音波トランスデューサ本体１ａが移動するようにすればよい。図６は、超音波トランスデューサ本体１ａを移動させる場合の超音波の音圧の変化を示す図である。例えば、図６に示すように、所定の位置に固定された超音波トランスデューサ本体１ｂが超音波の音圧が低い位置にある場合、制御部５は、超音波トランスデューサ本体１ａを前後方向（図６（ｂ）の場合は前）に移動させる。このように、超音波トランスデューサ本体１ａが前後方向に移動するのに伴って、超音波トランスデューサ本体１ｂの位置における超音波トランスデューサ本体１ａから送出される超音波の音圧が変化する。結果として、制御部５は、図６（ｂ）に示すように、超音波トランスデューサ本体１ａが送出する超音波の音圧が超音波トランスデューサ本体１ｂの位置で高くなるように超音波トランスデューサ本体１ａを移動させるので、超音波トランスデューサ本体１ｂは、高い音圧の超音波を受信することができる。
【００３３】
なお、本実施の形態において、超音波トランスデューサ本体１を、例えば１０Ｈｚ程度で周期的に往復運動させながら最中に受信側の超音波トランスデューサ本体が超音波を受信するようにしてもよい。このようにしても、受信側の超音波トランスデューサ本体１は、高い音圧の超音波を受信することができる。ここで、超音波トランスデューサ本体１を移動させる周期は、１０Ｈｚに限定されず、適宜自由に設定することができ、受信側超音波トランスデューサ本体１の感度を向上させるには、周波数をより高く設定することが望ましい。
【００３４】
また、超音波トランスデューサ本体１を移動させる手段は、上述したような手段に限定されず、超音波トランスデューサ本体１を前後方向に移動させることができるのであれば、適宜自由に設定することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、受信側の超音波トランスデューサが受信した超音波の音圧に基づいて、超音波トランスデューサ本体を移動させることにより、受信側の超音波トランスデューサ本体は超音波を音圧の高い位置で受信することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかる超音波トランスデューサの外観を示す図である。
【図２】制御部の構成を示すブロック図である。
【図３】超音波の音圧−距離の関係を示した図である。
【図４】本実施の形態にかかる超音波トランスデューサの動作を示すフローチャートである。
【図５】（ａ）、（ｂ）超音波トランスデューサ本体１を移動させる場合の超音波の音圧の変化を示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）超音波トランスデューサ本体１ａを移動させる場合の超音波の音圧の変化を示す図である。
【符号の説明】
１…超音波トランスデューサ本体、１ａ…（送信側）超音波トランスデューサ本体、１ｂ…（受信側）超音波トランスデューサ本体、２…リンク、３…カム、３ａ…軸、４…モータ、５…制御部、１１…受信回路、１２…同期回路、１３…駆動回路。
【図１】
2004184210.tif 000005
【図２】
2004184210.tif 000006
【図３】
2004184210.tif 000007
【図４】
2004184210.tif 000008
【図５】
2004184210.tif 000009
【図６】
2004184210.tif 000010