(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
疎密波を送波する送波素子と、送波素子から送波され物体で反射された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子と、受波素子から出力された受波信号を用いて物体を検出する信号処理部とを備え、送波素子が、発熱部への通電に伴う発熱部の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで疎密波を発生させる音波発生素子からなり、送波素子の発熱部へ通電する駆動入力波形のパルス幅が可変であり当該パルス幅を制御することで送波素子から発生させる疎密波の指向性を制御可能な送波制御部を有し、送波制御部は、送波素子から指向性がそれぞれ異なる複数種類の疎密波が順次送波されるように駆動入力波形のパルス幅を順次変化させ、信号処理部は、各パルス幅それぞれの駆動入力波形の通電タイミングそれぞれに応じて規定した各受波期間における受波素子の出力を用いて物体を検出するものであり、各パルス幅それぞれの駆動入力波形の通電タイミングそれぞれに応じて規定した各受波期間における受波素子の出力と各パルス幅に対応する指向性との関係に基づいて物体の存在するエリアを推定するエリア推定手段を備えてなることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
疎密波を送波する送波素子と、送波素子から送波され物体で反射された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子と、受波素子から出力された受波信号を用いて物体を検出する信号処理部とを備え、送波素子が、発熱部への通電に伴う発熱部の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで疎密波を発生させる音波発生素子からなり、送波素子の発熱部へ通電する駆動入力波形のパルス幅が可変であり当該パルス幅を制御することで送波素子から発生させる疎密波の指向性を制御可能な送波制御部を有し、送波制御部は、送波素子から指向性がそれぞれ異なる複数種類の疎密波が順次送波されるように駆動入力波形のパルス幅を順次変化させ、信号処理部は、各パルス幅それぞれの駆動入力波形の通電タイミングそれぞれに応じて規定した各受波期間における受波素子の出力を用いて物体を検出するものであり、信号処理部は、各パルス幅それぞれの駆動入力波形の通電タイミングそれぞれに応じて規定した各受波期間における受波素子の出力と各パルス幅に対応する指向性との関係に基づいて物体の存在する方位を推定する方位推定手段を備えてなることを特徴とするセンサ装置。
【請求項３】
請求項２記載のセンサ装置からなるセンサユニットが同一平面上に複数個配置され、他のセンサユニットの送波素子から送波され物体で反射された疎密波が受波素子に入射するのを防止する遮蔽板を備えてなることを特徴とするセンサ装置。
【請求項４】
ロボット本体と、ロボット本体を移動可能とする走行手段と、ロボット本体に搭載され障害物を検知する障害物検知装置と、障害物検知装置により検知された障害物を回避しながらロボット本体が移動するように走行手段を制御する走行制御手段とを備え、障害物検知装置として請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセンサ装置を用いてなることを特徴とする自走ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体までの距離や物体の存在する方位などの検出に用いられるセンサ装置およびそれを用いた自走ロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種のセンサ装置として、例えば、超音波のような疎密波を送波可能な送波素子を有する送波装置から疎密波を空気中へ間欠的に送波し物体で反射された疎密波を受波素子により受波するまでの時間差に基づいて物体までの距離や物体の存在する方位を検出するセンサ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。なお、この種のセンサ装置は、例えば、障害物や人体の検出などの用途に使用され、障害物を回避しながら移動する自走ロボットの分野においては障害物を検知する障害物検知装置として利用されている。
【０００３】
上記特許文献１に開示されたセンサ装置は、送波素子から送波され物体で反射された疎密波を受波する受波装置が、一平面上に配列された複数個の受波素子を有しており、疎密波の到来方向（物体の存在する方位）と隣り合う受波素子において疎密波が到達する時刻の時間差とが関連することを利用して所望の方位に存在する物体を検出できるように構成されている。
【０００４】
すなわち、上記特許文献１に開示されたセンサ装置は、各受波素子それぞれの受波信号をそれぞれ各受波素子の配列パターン（配置位置）に応じた遅延時間で遅延させた受波信号を組にして出力する遅延手段と、遅延手段により遅延された受波信号の組を加算する加算器と、加算器の出力波形のピーク値と適宜の閾値との大小関係を比較し閾値を超えるピーク値が得られたときに遅延手段で設定されている遅延時間の組み合わせに対応する方向を物体の存在する方位（疎密波の到来方向）と判断する判断手段とを備えている。要するに、判断手段は、加算器の出力波形のピーク値が閾値を超えているとき、言い換えれば遅延手段により遅延されたすべての受波信号のタイミングが重なる（受波信号の時刻が一致する）ときの遅延時間の組み合わせに対応する方位を受波装置に対する疎密波の到来方向（物体の存在する方位）とするように構成されている。
【０００５】
なお、上記センサ装置では、送波素子および各受波素子それぞれに、圧電素子が広く用いられている。
【特許文献１】特開２００２−１５６４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載されたセンサ装置では、各受波素子それぞれの受波信号を各受波素子の配列パターンに応じた遅延時間で遅延させて加算するという複雑な信号処理を行うことで物体までの距離や物体の存在する方位を求めているので、複数の受波素子が必要であり、信号処理用の回路が複雑でセンサ装置全体の構成が複雑になっていた。また、送波素子と受波素子とを１つずつ備えたセンサ装置では、当該センサ装置の仕様によって送波素子の指向性が決められていたので、当該センサ装置の検知エリアを調整するには、送波素子からの疎密波の放射範囲を調整する放射範囲調整部材を配置したり、送波素子の向きを変えるための可動機構を設ける必要があった。
【０００７】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて簡単な構成で検知エリアを調整可能なセンサ装置および従来に比べて簡単な構成で障害物の検知エリアを調整可能な自走ロボット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１，２の発明は、疎密波を送波する送波素子と、送波素子から送波され物体で反射された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子と、受波素子から出力された受波信号を用いて物体を検出する信号処理部とを備え、送波素子が、発熱部への通電に伴う発熱部の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで疎密波を発生させる音波発生素子からなり、送波素子の発熱部へ通電する駆動入力波形のパルス幅が可変であり当該パルス幅を制御することで送波素子から発生させる疎密波の指向性を制御可能な送波制御部を有することを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、送波素子が発熱部への通電に伴う発熱部の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで疎密波を発生させる音波発生素子からなり、送波素子の発熱部へ通電する駆動入力波形のパルス幅が可変であり当該パルス幅を制御することで送波素子から発生させる疎密波の指向性を制御可能な送波制御部を有するので、放射範囲調整部材を利用して疎密波の放射範囲を調整したり、送波素子の向きを調整する可動機構を設けて当該可動機構により送波素子の向きを調整して疎密波の放射範囲を調整せずとも、送波制御部から送波素子の発熱部へ通電する駆動入力波形のパルス幅を制御することで送波素子から発生させる疎密波の指向性を変化させることができ、検知エリアを調整できるから、従来に比べて簡単な構成で検知エリアを調整可能になる。また、駆動入力波形のパルス幅の変更を指示するスイッチを設けておけば、設置場所ごとの周囲の状況や使用者の目的に応じてその場で検知エリアを容易に調整したり変更したりすることが可能となる。
【００１０】
また、請求項１，２の発明は、送波制御部は、送波素子から指向性がそれぞれ異なる複数種類の疎密波が順次送波されるように駆動入力波形のパルス幅を順次変化させ、信号処理部は、各パルス幅それぞれの駆動入力波形の通電タイミングそれぞれに応じて規定した各受波期間における前記受波素子の出力を用いて物体を検出することを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、送波制御部が、送波素子から指向性がそれぞれ異なる複数種類の疎密波が順次送波されるように駆動入力波形のパルス幅を順次変化させ、信号処理部が、各パルス幅それぞれの駆動入力波形の通電タイミングそれぞれに応じて規定した各受波期間における受波素子の出力を用いて物体を検出するので、複数の検知エリアを設定することが可能になる。また、従来の圧電素子を利用した超音波発生素子では連続波もしくは複数サイクルの疎密波を放射することで音圧を高めているのに対して、送波素子では、発生期間が短く且つ音圧の高い疎密波を発生できるので、駆動入力波形の通電タイミングの間隔を短くすることができ、送波素子から順次送波されそれぞれ指向性の異なる疎密波であって物体により反射された各疎密波を比較的短い時間間隔で受波素子にて各別に受波してそれぞれ独立した受波信号を得ることが可能となるから、時間分解能を高めることも可能となる。
【００１２】
また、請求項１の発明では、信号処理部は、各パルス幅それぞれの駆動入力波形の通電タイミングそれぞれに応じて規定した各受波期間における受波素子の出力と各パルス幅に対応する指向性との関係に基づいて物体の存在するエリアを推定するエリア推定手段を備えてなることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、物体の存在するエリアを推定することができる。
【００１４】
また、請求項２の発明では、信号処理部は、各パルス幅それぞれの駆動入力波形の通電タイミングそれぞれに応じて規定した各受波期間における前記受波素子の出力と各パルス幅に対応する指向性との関係に基づいて物体の存在する方位を推定する方位推定手段を備えてなることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、物体の存在する方位を推定することができる。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項２記載のセンサ装置からなるセンサユニットが同一平面上に複数個配置され、他のセンサユニットの送波素子から送波され物体で反射された疎密波が受波素子に入射するのを防止する遮蔽板を備えてなることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、物体の存在する方位をより正確に推定することが可能となる。
【００１８】
請求項４の発明は、ロボット本体と、ロボット本体を移動可能とする走行手段と、ロボット本体に搭載され障害物を検知する障害物検知装置と、障害物検知装置により検知された障害物を回避しながらロボット本体が移動するように走行手段を制御する走行制御手段とを備え、障害物検知装置として請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセンサ装置を用いてなることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、自走ロボットにおける障害物検知装置の検知エリアを従来に比べて簡単な構成で調整可能になり、ロボット本体に対する障害物検知装置の取付位置の自由度が高くなるとともに取付作業が容易になり、また、複雑な制御系や駆動系を備えた自走ロボットの負荷を軽減できる。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１，２の発明では、送波制御部から送波素子の発熱部へ通電する駆動入力波形のパルス幅を制御することで送波素子から発生させる疎密波の指向性を変化させることができ、検知エリアを調整できるから、従来に比べて簡単な構成で検知エリアを調整可能になるという効果がある。
【００２１】
請求項４の発明では、自走ロボットにおける障害物検知装置の検知エリアを従来に比べて簡単な構成で調整可能になるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（参考例）
本参考例のセンサ装置は、図１に示すように、疎密波を送波する送波素子１０と、送波素子１０を制御する送波制御部２０と、送波素子１０から送波され物体Ｏｂで反射された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子３０と、受波素子３０から出力された受波信号を用いて物体Ｏｂを検出する信号処理部５０とを備えている。
【００２３】
本参考例では、送波素子１０として、後述のように空気に熱衝撃を与えることにより疎密波を発生させる音波発生素子を用いることで、送波素子１０の共振特性のＱ値を圧電素子に比べて十分に小さくして残響時間が短い疎密波を送波するようにし、かつ、受波素子３０として共振特性のＱ値が圧電素子に比べて十分に小さく受波信号に含まれる残響成分の発生期間が短い静電容量型のマイクロホンを用いている。
【００２４】
ここにおいて、送波素子１０は、図２に示すように、単結晶のｐ形のシリコン基板からなるベース基板１１の一表面（図２における上面）側に多孔質シリコン層からなる熱絶縁層（断熱層）１２が形成され、熱絶縁層１２の表面側に発熱部として金属薄膜からなる発熱体層１３が形成され、ベース基板１１の上記一表面側に発熱体層１３と電気的に接続された一対のパッド１４，１４が形成されている。なお、ベース基板１１の平面形状は長方形状であって、熱絶縁層１２、発熱体層１３それぞれの平面形状も長方形状に形成してある。
【００２５】
上述の送波素子１０では、発熱体層１３の両端のパッド１４，１４間に通電して発熱体層１３に急激な温度変化を生じさせると、発熱体層１３に接触している空気（媒質）に急激な温度変化（熱衝撃）が生じる（つまり、発熱体層１３に接触している空気に熱衝撃が与えられる）。したがって、発熱体層１３に接触している空気は、発熱体層１３の温度上昇時には膨張し発熱体層１３の温度下降時には収縮するから、発熱体層１３への通電を適宜に制御することによって空気中を伝搬する疎密波を発生させることができる。要するに、送波素子１０を構成する音波発生素子は、発熱体層１３への通電に伴う発熱体層１３の急激な温度変化を媒質の膨張収縮に変換することにより媒質を伝搬する疎密波を発生するので、圧電素子のように機械的振動により疎密波を発生する場合に比べて、残響時間を低減できる（言い換えれば、送波素子１０から送波される疎密波における残響成分を少なくできる）。なお、圧電素子を用いた送波素子から送波される疎密波では残響時間が０．５ｍｓ程度であるのに対して、上述の音波発生素子よりなる送波素子１０から送波される疎密波は残響時間を０．０５ｍｓ程度に抑えることができる。
【００２６】
上述の送波素子１０は、ベース基板１１としてｐ形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層１２を多孔度が略６０〜略７０％の多孔質シリコン層により構成しているので、ベース基板１１として用いるシリコン基板の一部をフッ化水素水溶液とエタノールとの混合液からなる電解液中で陽極酸化処理することにより熱絶縁層１２となる多孔質シリコン層を形成することができる（ここで、陽極酸化処理により形成された多孔質シリコン層は、結晶粒径がナノメータオーダの微結晶シリコンからなるナノ結晶シリコンを多数含んでいる）。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなるので、熱絶縁層１２の熱伝導度および熱容量をベース基板１１の熱伝導度および熱容量に比べて小さくし、熱絶縁層１２の熱伝導度と熱容量との積をベース基板１１の熱伝導度と熱容量との積に比べて十分に小さくすることにより、発熱体層１３の温度変化を空気に効率よく伝達することができ発熱体層１３と空気との間で効率的な熱交換が起こり、かつ、ベース基板１１が熱絶縁層１２からの熱を効率良く受け取って熱絶縁層１２の熱を逃がすことができて発熱体層１３からの熱が熱絶縁層１２に蓄積されるのを防止することができる。なお、熱伝導率が１４８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６３×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．７×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）であることが知られている。本参考例では、熱絶縁層１２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成してあり、熱絶縁層１２の熱伝導率が０．１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．５×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）となっている。
【００２７】
発熱体層１３は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成してあるが、発熱体層１３の材料はタングステンに限らず、例えば、タンタル、モリブデン、イリジウム、アルミニウムなどを採用してもよい。また、上述の送波素子１０では、ベース基板１１の厚さを３００〜７００μｍ、熱絶縁層１２の厚さを１〜１０μｍ、発熱体層１３の厚さを２０〜１００ｎｍ、各パッド１４の厚さを０．５μｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。また、ベース基板１１の材料としてＳｉを採用しているが、ベース基板１１の材料はＳｉに限らず、例えば、Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよい。
【００２８】
上述のように送波素子１０は、一対のパッド１４，１４を介した発熱体層１３への通電に伴う発熱体層１３の温度変化に伴って疎密波を発生するものであり、発熱体層１３へ与える駆動電圧波形あるいは駆動電流波形からなる駆動入力波形を例えば周波数がｆ１の正弦波波形とした場合、理想的には、発熱体層１３で生じる温度振動の周波数が駆動入力波形の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２となり、駆動入力波形ｆ１の略２倍の周波数の疎密波を発生させることができる。すなわち、上述の送波素子１０は、平坦な周波数特性を有しており、発生させる疎密波の周波数を広範囲にわたって変化させることができる。また、上述の送波素子１０では、例えば正弦波波形の半周期の孤立波を駆動入力波形として駆動回路２０から一対のパッド１４，１４間へ与えることによって、残響の少ない略１周期の疎密波を発生させることができる。
【００２９】
また、上述の受波素子３０を構成する静電容量型のマイクロホンは、マイクロマシンニング技術を利用して形成されており、図３に示すように、シリコン基板に厚み方向に貫通する窓孔３１ａを設けることで形成された矩形枠状のフレーム３１と、フレーム３１の一表面側においてフレーム３１の対向する２つの辺に跨る形で配置されるカンチレバー型の受圧部３２とを備えている。ここにおいて、フレーム３１の一表面側には熱酸化膜３５と熱酸化膜３５を覆うシリコン酸化膜３６とシリコン酸化膜３６を覆うシリコン窒化膜３７とが形成されており、受圧部３２の一端部がシリコン窒化膜３７とを介してフレーム３１に支持され、他端部が上記シリコン基板の厚み方向においてシリコン窒化膜３７に対向している。また、シリコン窒化膜３７における受圧部３２の他端部との対向面に金属薄膜（例えば、クロム膜など）からなる固定電極３３ａが形成され、受圧部３２の他端部におけるシリコン窒化膜３７との対向面とは反対側に金属薄膜（例えば、クロム膜など）からなる可動電極３３ｂが形成されている。なお、フレーム３１の他表面にはシリコン窒化膜３８が形成されている。また、受圧部３２は、上記各シリコン窒化膜３７，３８とは別工程で形成されるシリコン窒化膜により構成されている。
【００３０】
図３に示した構成の静電容量型のマイクロホンからなる受波素子３０では、固定電極３３ａと可動電極３３ｂとを電極とするコンデンサが形成されるから、受圧部３２が疎密波の圧力を受けることにより固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の距離が変化し、固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の静電容量が変化する。したがって、固定電極３３ａおよび可動電極３３ｂに設けたパッド（図示せず）間に直流バイアス電圧を印加しておけば、パッドの間には疎密波の音圧に応じて微小な電圧変化が生じるから、疎密波の音圧を電気信号に変化することができる。
【００３１】
ところで、上述の送波素子１０では、一対のパッド１４，１４を介して発熱体層１３へ与える駆動入力波形をガウス波形状の孤立波とした場合、ガウス波形状の疎密波を単パルス的に送波することができ、送波素子１０から送波される疎密波にサイドローブが形成されるのを防止することができる。
【００３２】
ここにおいて、送波素子１０へ通電する駆動入力波形のパルス幅を１００ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度の超音波の１周期の時間１０μｓ〜５０μｓで変化させて送波素子１０から送波される疎密波の音圧を測定したところ、図４に示すような結果が得られ、パルス幅を変化させても音圧の変化が少ないという知見を得た。
【００３３】
また、駆動入力波形のパルス幅を同様に１０μｓ〜５０μｓの範囲で変化させて送波素子１０から送波される疎密波の指向性を測定したところ、図５に示すような結果が得られ、パルス幅を１０μｓ〜２５μｓの範囲で変化させることにより指向角を変化させることができるというという知見を得た。なお、図５の縦軸の指向角は、所望の最大測定距離に存在する物体Ｏｂで反射された疎密波を受波素子３０にて検出する場合に最大測定距離において最低限必要な音圧として規定した所定音圧が得られる放射範囲の最大角度として定義した角度である。
【００３４】
ところで、送波素子１０を制御する送波制御部２０は、送波素子１０の発熱体層１３へ通電する駆動入力波形のパルス幅が可変であり当該パルス幅を制御することで送波素子１０から発生させる疎密波の指向性を制御可能となるように構成されている。
【００３５】
具体的には、送波制御部２０は、図６に示すように、３つの充放電回路２１，２２，２３を備えており、各充放電回路２１，２２，２３は、直流電圧源Ｅの両端間に充電用スイッチＳＷ０を介してコンデンサＣ１、Ｃ２，Ｃ３が接続され、サイリスタＴｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３とインダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３との直列回路におけるサイリスタＴｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３側の一端がコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の高電位側に接続され、インダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３側の他端が送波素子１０と接続されている。また、充電用スイッチＳＷ０と各コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３との間にパルス幅切替用スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３が挿入され、さらに、パルス幅切替用スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３とコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３との間に、直流電圧源Ｅの出力電圧を昇圧する昇圧回路からなる可変電源部ＶＥ１，ＶＥ２，ＶＥ３が挿入されている。
【００３６】
図６に例示した送波制御部２０では、３つの充放電回路２１，２２，２３それぞれの回路定数を異ならせることで送波素子１０へ通電する駆動入力波形のパルス幅が異なるようにしてある。さらに説明すれば、送波素子１０の抵抗値は充放電回路２１，２２，２３によらず同じであるから、充放電回路２１，２２，２３それぞれの時定数をコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の容量とインダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３のインダクタンスとの組み合わせで調整することで各充放電回路２１，２２，２３から送波素子１０へ通電される駆動入力波形のパルス幅が異なるようにしてある。また、送波制御部２０では、駆動入力波形のパルス幅によらず送波素子１０から送波される疎密波の音圧が略一定となるように可変電源部ＶＥ１，ＶＥ２、ＶＥ３それぞれの出力電圧を調整するようにしてある。
【００３７】
ここにおいて、本参考例のセンサ装置では、上述のパルス幅切替用スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３の操作部をセンサ装置本体に設けてあって、操作部を操作することでパルス幅切替用スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を択一的にオンさせることができるようになっており、３つの充放電回路２１，２２，２３のいずれか１つを択一的に充放電動作させることができるようになっている。
【００３８】
上述の充放電回路２１，２２，２３では、充電用スイッチＳＷ０およびパルス幅切替用スイッチスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３のオン期間にコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３が充電されるが、送波素子１０への駆動入力波形の通電タイミングを制御する通電タイミング制御回路（図示せず）が、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の両端電圧を検出しており、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の両端電圧がそれぞれについて設定された所定のしきい値を超えると充電用スイッチＳＷ０をオフさせてからサイリスタＴｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３のゲートへ制御信号を与える。すなわち、図６に示す構成の充放電回路２１，２２，２３では、直流電圧源Ｅから可変電源部ＶＥ１，ＶＥ２，ＶＥ３を通してコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３に電荷を蓄積し、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の両端電圧がそれぞれについて設定された所定のしきい値を超えると、通電タイミング制御回路からサイリスタＴｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３へ制御信号が与えられてサイリスタＴｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３がターンオンし、送波素子１０のパッド１４，１４間に駆動入力波形（電圧）が印加されて発熱体層１３の温度変化に伴って疎密波が送波される。
【００３９】
ところで、上述の信号処理部５０は、駆動入力波形の通電タイミングに応じて規定した受波期間における受波素子３０の出力を用いて物体Ｏｂを検出するように構成されている。
【００４０】
ここで、信号処理部５０は、受波素子３０から出力された受波信号を増幅するアンプからなる信号増幅部５１と、信号増幅部５１にて増幅されたアナログの受波信号をディジタルの受波信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換部５２と、Ａ／Ｄ変換部５２の出力が格納されるメモリ５３と、送波制御部２０から送波素子１０への通電タイミングを制御する上記制御信号に同期して出力されるタイミング信号を受けたときにＡ／Ｄ変換部５２を所定の受波期間だけ作動させメモリ５３に格納された受波信号のデータを用いて物体Ｏｂまでの距離を求める演算を行うマイクロコンピュータからなる演算部５４とを備えている。
【００４１】
本参考例では、Ａ／Ｄ変換部５２が、送波素子１０が疎密波を送波した後の所定の受波期間のみ受波素子３０から出力される受波信号を有効にする受波タイミング制御部としての機能を有しているが、受波タイミング制御部は、Ａ／Ｄ変換部５２とは別に受波素子３０とメモリ５３との間に設けられて受波期間以外の受波信号を無効にするものであってもよい。また、本参考例では、受波素子３０として上述の静電容量型のマイクロホンを用いているので、受波素子３０が受波期間にのみ疎密波を受波信号に変換して変換して出力するように、受波素子３０が上記通電タイミング制御回路からのタイミング信号を受けて動作するように構成してもよい。本参考例では、上述の受波タイミング制御部を有していることにより、受波期間のみ受波素子３０から出力される受波信号が有効となり、受波期間以外に受波素子３０から出力される受波信号が無効となるので、外来ノイズや多重反射などのノイズの影響を低減することができる。
【００４２】
演算部５４は、上記タイミング信号を受けた時刻（つまり、送波素子１０から疎密波を送波したタイミング）と、ディジタルの受波信号がメモリ５３に格納された時刻（信号処理部５０内での遅れ時間を無視すれば、受波素子３０により疎密波を受波したタイミング）との時間差（言い換えれば、送波素子１０が疎密波を送波してから受波素子３０が疎密波を受波するまでの時間）に基づいて、物体Ｏｂまでの距離を演算する距離演算手段を備えている。なお、演算部５４の距離演算手段は、上記マイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現できる。
【００４３】
以上説明した本参考例のセンサ装置では、送波素子１０が発熱部たる発熱体層１３への通電に伴う発熱体層１３の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで疎密波を発生させる音波発生素子からなり、送波素子１０の発熱体層１３へ通電する駆動入力波形のパルス幅が可変であり当該パルス幅を制御することで送波素子１０から発生させる疎密波の指向性を制御可能な送波制御部２０を有するので、従来のように放射範囲調整部材を利用して疎密波の放射範囲を調整したり、圧電素子からなる送波素子の向きを調整する可動機構を設けて当該可動機構により圧電素子からなる送波素子の向きを調整して疎密波の放射範囲を調整せずとも、送波制御部２０から送波素子１０の発熱体層１３へ通電する駆動入力波形のパルス幅を制御することで送波素子１０から発生させる疎密波の指向性を変化させることができ、検知エリアを調整できるから、従来に比べて簡単な構成で検知エリアを調整可能になる。要するに、本参考例のセンサ装置では、放射範囲調整部材を取り付けたり、送波素子１０や受波素子３０の向きを調整したりすることなく、物体Ｏｂの検知エリアを調整することができる。
【００４４】
また、本参考例のセンサ装置では、駆動入力波形のパルス幅の変更を指示するスイッチとして上述のパルス幅切替用スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を備えており、パルス幅切替用スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３の操作部を外部から操作可能となっているので、当該センサ装置の設置場所ごとの周囲の状況や使用者の目的に応じてその場で検知エリアを容易に調整したり変更したりすることが可能となる。
【００４５】
（実施形態１）
本実施形態のセンサ装置の基本構成は参考例のセンサ装置と略同じなので図示を省略するが、送波制御部２０の上記通電タイミング制御回路が、図６における下段の充放電回路２１、同図における中段の充放電回路２２、同図における上段の充放電回路２３の順で充放電が行われるように、充電用スイッチＳＷ０のオンオフのタイミングおよび各パルス幅切替用スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３のオンオフのタイミングおよび各サイリスタＴｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３へ各別の制御信号を与えるタイミングを制御する点などが相違する。要するに、本実施形態のセンサ装置では、上記通電タイミング制御回路が、駆動入力波形のパルス幅を順次変化させることで、送波素子１０から指向性がそれぞれ異なる複数種類の疎密波が順次送波されるようになっている点などが参考例１と相違する。
【００４６】
また、信号処理部５０は、各パルス幅それぞれの駆動入力波形の通電タイミングそれぞれに応じて受波期間を規定し、規定した各受波期間における受波素子３０の出力を用いて物体Ｏｂを検出するように構成されている。
【００４７】
すなわち、信号処理部５０のメモリ５３には、各受波期間における受波素子３０の受波信号が格納される。また、信号処理部５０の演算部５４は、メモリ５３に格納された受波信号のデータを用いて物体Ｏｂまでの距離を求める演算を行うとともに物体Ｏｂの存在するエリアを推定するように構成されている。
【００４８】
ここにおいて、演算部５４は、参考例にて説明した距離演算手段の他に、メモリ５３に格納された受波素子３０の受波信号のデータを利用して物体Ｏｂの存在するエリア推定手段を備えている。ここで、エリア推定手段は、各パルス幅それぞれの駆動入力波形の通電タイミングそれぞれに応じて規定した各受波期間における受波素子３０の出力と各パルス幅に対応する指向性との関係に基づいて物体Ｏｂの存在するエリアを推定する。例えば、送波素子１０と物体Ｏｂとの相対的な位置関係が図７（ａ）に示すような位置関係にあって、送波素子１０および物体Ｏｂの位置が変わらないものとし、送波素子１０から送波される疎密波の指向角が同図（ａ）、同図（ｂ）、同図（ｃ）のように順次大きくなったとする。すると、図７（ａ）の場合には物体Ｏｂは検出されず、図７（ｂ），（ｃ）の場合には物体Ｏｂが検出されるので、各受波期間における受波素子３０の出力と各パルス幅に対応する指向性との関係に基づいて物体Ｏｂの存在するエリアを推定することができる。なお、図７の例では、同図（ｂ）の場合の検知エリアから同図（ａ）の場合の検知エリアを除いたエリアに物体Ｏｂが存在していると推定されることとなる。なお、演算部５４の距離演算手段およびエリア推定手段は、上記マイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現できる。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態のセンサ装置は、送波制御部２０が、送波素子１０から指向性がそれぞれ異なる複数種類の疎密波が順次送波されるように駆動入力波形のパルス幅を順次変化させ、信号処理部５０が、各パルス幅それぞれの駆動入力波形の通電タイミングそれぞれに応じて規定した各受波期間における受波素子３０の出力を用いて物体Ｏｂを検出するので、複数の検知エリアを設定することが可能になる。
【００５０】
また、本実施形態のセンサ装置によれば、従来の圧電素子を利用した超音波発生素子では連続波もしくは複数サイクルの疎密波を放射することで音圧を高めているのに対して、送波素子１０から発生期間が短く且つ音圧の高い疎密波を発生できるので、駆動入力波形の通電タイミングの間隔を短くすることができ、送波素子１０から順次送波されそれぞれ指向性の異なる疎密波であって物体Ｏｂにより反射された各疎密波を比較的短い時間間隔で受波素子３０にて各別に受波してそれぞれ独立した受波信号を得ることが可能となるから、時間分解能を高めることも可能となる。
【００５１】
ところで、上述の実施形態では、演算部５４が、各パルス幅それぞれの駆動入力波形の通電タイミングそれぞれに応じて規定した各受波期間における受波素子３０の出力と各パルス幅に対応する指向性との関係に基づいて物体Ｏｂの存在するエリアを推定するエリア推定手段を備えているが、送波制御部２０における充放電回路の数を更に増やして順次送波される疎密波の指向角の差を小さくするようにし、演算部５４が、各パルス幅それぞれの駆動入力波形の通電タイミングそれぞれに応じて規定した各受波期間における受波素子３０の出力と各パルス幅に対応する指向性との関係に基づいて物体Ｏｂの存在する方位（物体Ｏｂにより反射された疎密波の到来方向）を推定する方位推定手段を備えるようにしてもよい。このような方位推定手段を設ければ、物体Ｏｂの存在する方位を推定することが可能となり、物体Ｏｂの形状や動きを推定することも可能となる。
【００５２】
（実施形態２）
ところで、上述のように演算部５４に方位推定手段を備えたセンサ装置においては、物体Ｏｂの存在する方位を推定することが可能となるものの、例えば、送波素子１０と物体Ｏｂとの相対的な位置関係が図７（ａ）のような場合、同図（ａ）のように送波素子１０の斜め上方に物体Ｏｂが存在するのか、送波素子１０の斜め下方（つまり、実際に物体Ｏｂが存在する位置をミラー反転した位置）に物体Ｏｂが存在するのか識別することができない。そこで、複数個のセンサ装置を互いに干渉しない程度に離して配置して、各センサ装置の検出結果に基づいて物体Ｏｂの存在する方位を求める信号処理を行うようにしたシステムが考えられるが、このようなシステムでは、センサ装置の設置作業が面倒になるとともにシステム全体が大型化し、しかも、信号処理用の回路が複雑になってしまう。
【００５３】
これに対して、本実施形態のセンサ装置は、図８に示すように、上記方位推定手段を演算部５４に備えたセンサ装置からなる複数個（図示例では、２個）のセンサユニット１が同一平面上に隣接して配置され、他のセンサユニット１の送波素子１０から送波され物体Ｏｂで反射された疎密波が受波素子３０に入射するのを防止する遮蔽板６０を備えている点に特徴がある。ここにおいて、図８に示した構成のセンサ装置によれば、遮蔽板６０よりも左側（図８における上側）のセンサユニット１では遮蔽板６０よりも左側に検知エリアが設定され、遮蔽板６０よりも右側（図８における下側）のセンサユニット１では遮蔽板６０よりも右側に検知エリアが設定されるので、各センサユニット１において物体Ｏｂの存在する方位をより正確に推定することが可能となるから、いずれかのセンサユニット１により推定された物体Ｏｂの存在する方位を一意的に物体Ｏｂの存在する方位として処理することが可能となり、簡便な構成で物体Ｏｂまでの距離を求めるとともに物体Ｏｂの存在する方位をより正確に推定することが可能となる。
【００５４】
なお、上述の例では、遮蔽板６０により物体Ｏｂにて反射された疎密波の入射する方向が制限されるようになっているが、送波素子１０から送波される疎密波の放射範囲を遮蔽板６０により制限するようにしてもよい。要するに、遮蔽板６０は、異なるセンサユニット１間での干渉が防止されるように配置すればよい。
【００５５】
（実施形態３）
本実施形態の自走トボットは、図９に示すように、ロボット本体７１と、ロボット本体７１を移動可能とする車輪からなる走行手段７２と、ロボット本体７１に搭載され障害物を検知する２つの障害物検知装置７３と、各障害物検知装置７３それぞれにより検知された障害物を回避しながらロボット本体７１が移動するように走行手段７２を制御する走行制御手段（図示せず）とを備えており、障害物検知装置７３として実施形態１にて説明したセンサ装置を用いている。なお、図９に示した例では、ロボット本体７１の前側（図９における左側）および後側（図９における右側）それぞれに障害物検知装置７３を１個ずつ取り付けてある。
【００５６】
ところで、自走ロボットに障害物検知手段として従来のセンサ装置を搭載する場合や、検知エリアの狭い複数の超音波センサを搭載する場合には、ロボット本体７１に対する障害物検知手段の取付位置の自由度が低くなるとともに取付作業が面倒になり、また、複雑な制御系や駆動系を備えた自走ロボットの負荷が重くなってしまうとともに、自走ロボットの体積および重量が増加してしまう。
【００５７】
これに対して、本実施形態では、自走ロボットにおける障害物検知装置７３の検知エリアを従来に比べて簡単な構成で調整可能になり、ロボット本体７１に対する障害物検知装置７３の取付位置の自由度が高くなるとともに取付作業が容易になり、また、複雑な制御系や駆動系を備えた自走ロボットの負荷を軽減できる。
【００５８】
なお、上述の例では、障害物検知装置７３として、実施形態１にて説明したセンサ装置を採用しているが、参考例や他の実施形態２にて説明したセンサ装置を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】参考例のセンサ装置の概略構成図である。
【図２】同上における送波素子の概略断面図である。
【図３】同上における受波素子を示し、（ａ）は一部破断した概略斜視図、（ｂ）は概略断面図である。
【図４】同上における送波素子の動作説明図である。
【図５】同上における送波素子の動作説明図である。
【図６】同上における送波制御部の概略回路図である。
【図７】実施形態１のセンサ装置の動作説明図である。
【図８】実施形態２のセンサ装置の概略構成図である。
【図９】実施形態３の自走ロボットの概略構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０  送波素子
２０  送波制御部
３０  受波素子
５０  信号処理部
５１  信号増幅部
５２  Ａ／Ｄ変換部
５３  メモリ
５４  演算部
Ｏｂ  物体
【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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