(57)【要約】【課題】指向性が水平方向、垂直方向ともに広い超音波センサを提供する。【解決手段】下広がりの円錐台形状を持った事を特徴とするピエゾフィルムと支持体を使用し指向性が水平方向、垂直方向に広い超音波センサを実現する。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下に鍔部を有する断面が台形の円錐体の支持体斜面にピエゾフィルムを張り付けた事を特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
上下に鍔部を有する下広がりの円錐体の一部を有する支持体斜面にピエゾフィルムを張り付けた事を特徴とする超音波センサ。
【請求項３】
ピエゾフィルムと支持体の間に均一なエアギャップを設けたことを特徴とする上記請求項１、２の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波センサに係り、特に、超音波を水平方向、垂直方向、共に広い指向性で送受信できる超音波センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、超音波の送信から受信の時間間隔で２点間の距離を求める方法は広く知られており、超音波センサからある物体までの距離を測定するには図５に示すように、送信側の超音波センサ５１と受信側の超音波センサ５２を並べて設置し、送信側の超音波センサが送信した超音波が物体にあたって反射し受信側の超音波センサが受信するまでの時間で距離を測定している。
【０００３】
この場合は超音波の波動が送信側の超音波センサから測定対象の物体５３までと、測定対象の物体５３から受信側の超音波センサまでを往復しているので、送信から受信までの時間に超音波の速度を乗じ、更に２で割ることで超音波センサから物体までの距離が判明する。
【０００４】
また、図６に示すように超音波センサの送信側６１、受信側６２を向かい合わせにして超音波センサ間の距離を測定する場合は送信から受信までの時間に超音波の速度を乗じることで距離が判明する。図６の様に超音波センサ間の距離を測定する場合には送信側が超音波を送信できる指向性、受信側が超音波を受信できる指向性が狭いと超音波センサの位置関係、向きに制約が生じる事になる。
【０００５】
つまり、送信側、受信側の超音波センサがお互いの指向性が許容できる範囲内に相手側の超音波センサが存在しなければ距離の測定が出来ない。例えば送信側の超音波センサの指向性が図６の点線に示す様な範囲の場合に、送信側の超音波センサ６１が位置６３に平行移動した場合は送信側センサの発する超音波を受信側センサで受信出来ない。
【０００６】
従って距離の測定が不可能になる。以上の事から超音波センサ間の距離を測定する場合には超音波センサが送信できる、受信できる指向性が可能な限り広い方がセンサの位置関係に制約を生じないために有利である。
【０００７】
特開平７−３３４２９２には超音波と電磁波信号からペン等の座標を入力する座標入力装置が記載されている。この様に複数点からの距離を測定して座標を測定する場合、座標を特定すべき対象物が、ある平面上に位置する事が前提として許されるならば超音波センサに要求される指向性は平面に対して水平方向に指向性３６０度の特性を持っている事が望ましい。
【０００８】
上記、平面方向に指向性の広い超音波センサとしては、圧電性高分子材料をフィルム状に加工したピエゾフィルムを使用し、図７に示すように円筒形に構成し、外部から交流波形の電気信号で、超音波領域の周波数で振動させる送信側超音波センサと、外部からの超音波を受信したピエゾフィルムが信号波形を出力する受信側超音波センサが米国ＭＳＩ社、日本代理店の株式会社東京センサの資料で紹介されている。
【０００９】
この超音波センサは水平方向に３６０度の指向性を持っていることを特徴としている。上記資料には垂直方向の指向性は円筒の高さに反比例すること、使用する超音波の周波数が一定の場合、垂直方向に広い指向性を持たせるには円筒形の高さを小さくする必要があること、使用する超音波の周波数に最適な円筒の直径があること、送信側超音波センサの超音波到達距離と受信側超音波センサの受信感度はピエゾフィルムの面積に比例すること、が記載されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、平面上でペンを動作させ、その位置を検出するような使用形態で要求される超音波センサは、ペンが回転することを考慮して水辺方向の指向性のみ広いことが要求され、垂直方向への指向性の要求は使用中のペンの傾き分のみが要求されるが、ある物体の立体的、３次元的な位置、座標を同じ原理で得るためには垂直方向にも広い指向性を必要とする。
【００１１】
図８は例えば小型の飛行体を立体的、３次元的に操作するために同じ原理で３点からの距離を測定し、座標を検出するような場合の概略構成図である。飛行体８３に送信側の超音波センサ８１があり、３個の受信側超音波センサ８２が超音波を受信すれば飛行体８３に搭載された送信側超音波センサ８１と受信側超音波センサ８２との各々の距離が判明し、超音波センサ８２の位置を基準とした飛行体８３の３次元的な位置、座標が判明する。
【００１２】
この様に座標を特定したい物体が３次元の空間に存在する、移動する場合に基準点からの距離を測定し、座標を算出する場合には、超音波センサには水平方向と共に、垂直方向にも広い指向性が要求される。
【００１３】
上記従来のピエゾフィルムを使用した超音波センサで垂直方向に広い指向性を持たせるために、円筒形の高さを小さくするとピエゾフィルム全体の面積が小さくなる。ピエゾフィルムを用いた超音波センサの送信側センサに入力されるエネルギーが一定の場合、センサの音圧出力はピエゾフィルムの面積に比例する。
【００１４】
従って垂直方向に広い指向性を持たせるために円筒形の高さを小さくした超音波センサは、高さが大きい超音波センサよりも発生できる音圧出力が小さくなる。音圧出力は超音波センサによって測定出来る距離と比例関係にあるため、垂直方向に広い指向性を得るために高さを小さくした超音波センサは測定出来る距離が小さくなることになる。
【００１５】
この音圧出力が小さくなることから到達距離が小さくなることを相殺し、垂直方向の指向性と到達距離を両立させるためには送信側センサに外部から入力するエネルギーを大きくする必要がある。ピエゾフィルム自身は電気回路ではコンデンサに等価の容量性素子であり、超音波センサに入力するエネルギーは交流の電気エネルギーであるため、センサに入力する交流波形の周波数か電圧を大きくする必要が有る。ピエゾフィルムを用いた円筒形の超音波センサの場合、最適な周波数は円筒の直径から決まってしまうため、入力するエネルギーを大きくするには印加電圧を高くする必要がある、という問題点が有る。
【００１６】
超音波センサの受信側センサの受信感度も同様に、垂直方向に指向性を広げるために高さ方向を小さくしたセンサは、そのセンサからの出力波形が小さくなるために、受信感度を上げるためには増幅率の高い受信側増幅回路が必要になるという問題点が有る。
【００１７】
これらの問題点は送信側、受信側ともに周辺回路の消費電力、複雑性や規模の増大、ひいては超音波による距離測定システム全体の単価上昇につながる。
【００１８】
そこで本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、水平、垂直方向共に広い指向性を持つとともに、送信側センサでは一定の音圧出力および超音波の到達距離、受信側センサではセンサが出力する出力波形および受信感度を確保した超音波センサを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の超音波センサは、上下に鍔部を有する断面が台形の円錐体の支持体斜面にピエゾフィルムを張り付けた事を特徴とする。
【００２０】
または、上下に鍔部を有する下広がりの円錐体の一部を有する支持体斜面にピエゾフィルムを張り付けた事を特徴とする。さらに上記の支持体とピエゾフィルムの間に均一なエアギャップを設けたことを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、超音波センサは一定のピエゾフィルムの面積を確保することで、送信側センサでは一定の音圧出力および超音波の到達距離、受信側センサではセンサが出力する出力波形および受信感度を確保しながら水平方向と垂直方向にも広い指向性を持つことが可能になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して本発明に係る超音波センサの実施形態について詳細に説明する。図１は、本実施形態の超音波センサで使用しているピエゾフィルムの形状を示す平面展開図である。図２は図１のピエゾフィルムを円錐台形状の斜面に相当する部分の形状に立体的に組み立てた状態の斜視図である。
【００２３】
図３はピエゾフィルムを支える断面形状が台形の円錐台形状であり、ピエゾフィルムとの間に斜面に沿った一定のエアギャップを設けた事を特徴とする支持体の断面図である。
【００２４】
図４は図３の支持体の斜視図である。一定のエアギャップを設けている理由は、円錐台形状のピエゾフィルムの内面側に発生した超音波が支持体に当たって反射し、この反射した超音波の波動がピエゾフィルムの振動に干渉することを防ぐためである。
【００２５】
ピエゾフィルムは立体的に組み立てた際に図２のような形態をとるために図１の様な扇形の形状をとる。更に入出力の端子として電極部分１１が中央部から伸びている。図２の様に組み立てたピエゾフィルムは図４の支持体に帽子を被せるように組み合わされる。ピエゾフィルムが安定して固定出来るように、断面図３の斜面の角度はピエゾフィルムを立体的に組み立てた状態の角度に合わせてある。
【００２６】
更に支持体のピエゾフィルムに接する斜面には、支持体の上面と底面にピエゾフィルムを支持する円盤状の鍔部が有り、上下の鍔部に挟まれた斜面にはピエゾフィルムの斜面の内面部と一定のエアギャップが開くような凹みが有る。
【００２７】
本発明の超音波センサでは上部と下部で平面方向の直径が異なるために、例えば送信側センサとして使用する場合は、指向性と音圧出力の関係、または指向性と超音波の到達距離の関係を、ピエゾフィルムと支持体の寸法値を変更すれば、要求される特性に応じて変更できる。
【００２８】
従来例で述べたようにピエゾフィルムを使用した超音波センサには使用する周波数に最適な円筒の直径が存在する。従って本発明の超音波センサの円錐台形状下部よりも上部に最適な円筒の直径が近い場合は、円錐台形状のピエゾフィルムの上部が下部よりも強く振動する。従ってピエゾフィルム上部から送信される超音波が、下部から送信される超音波よりも強いために垂直方向の指向性と音圧出力が優先される。
【００２９】
周波数に最適な円筒の直径が、本発明の超音波センサの円錐台形状上部よりも下部に近い場合は逆に水平方向の指向性と音圧出力が優先される。超音波センサを使用する周波数に最適な円筒の直径が斜面の中央であれば、垂直方向と水平方向の指向性にバランスをとった中間の特性を持たせることが可能になる。
【００３０】
この使用する超音波の周波数とセンサの直径に関する特性は、受信側のセンサでも同様である。従って図８に示すような用途で使用する場合に、小型の飛行体を操作する３次元の立体的な範囲に合わせた指向性の超音波センサを作成することは容易である。
【００３１】
また、超音波センサに対する指向性の要求が水平方向３６０度よりも狭い場合、例えば図８の受信側超音波センサ８２が壁面や柱に接した床面の様な位置に有る場合には、壁面や柱の有る方向には超音波送信、受信は必要が無い。
【００３２】
図９に示すようにピエゾフィルムと支持体を組み合わせた円錐台形状の一部を切り取った形状にすれば、切り取った部分にはピエゾフィルムが存在しないので、超音波の送受信は行われない。支持体の上下に鍔部を有する下広がりの円錐体の一部を有する形状にすることで、要求に応じた水平方向の指向性を持った超音波センサを作成することは容易である。
【００３３】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、水平、垂直方向共に広い指向性を持つとともに、ピエゾフィルムの面積を確保することで、送信側超音波センサでは一定の音圧出力および超音波の到達距離、受信側超音波センサではセンサが出力する出力波形および受信感度を確保することが可能になる。これによって送信側、受信側ともに周辺回路の消費電力の増大、複雑性や規模の増大を招かない超音波センサを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波センサのピエゾフィルムの形態を示す平面展開図である。
【図２】本発明に係る超音波センサのピエゾフィルムの形態を示す斜視図である。
【図３】同実施形態の支持体の断面図である。
【図４】同実施形態の支持体の斜視図である。
【図５】超音波センサで距離を測定する原理を示す説明図である。
【図６】超音波センサで距離を測定する原理を示す説明図である。
【図７】ピエゾフィルムを使用した従来の超音波センサの説明図である。
【図８】飛翔物体の位置、座標を超音波センサで把握するシステムの概略図である。
【図９】本発明の、水平方向に限定された指向性を持つ超音波センサの概略図である。
【符号の説明】
１１・・・電極部
５１、６１、８１・・・超音波センサの送信側
５２、６２、８２・・・超音波センサの受信側
５３・・・距離測定対象の物体
６３・・・送信側超音波センサを移動させた位置
８３・・・飛行体
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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