(57)【要約】  施設の定位置に固定された音源からの超音波を、施設内で移動する移動体に搭載したアレイセンサで受信して、施設内での移動体の位置を検出するシステム。アレイセンサは複数の受波素子を2次元配列したもので、受波素子の配列方向によって規定するセンサ座標を有し、各受波素子に到来する超音波の時間的なずれに基づいて、音源に対するセンサ座標内で移動体の位置が求められる。本システムでは、施設内の位置を特定する基準座標に対する水平面内におけるセンサ座標の傾きを検出して、センサ座標内での移動体の検出位置を、基準座標での位置に変換する手段が採用され、施設内でいろんな方向に移動する移動体の位置の時系列データを求めることができる。
2008010269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
施設の定位置に設置されて超音波を発信する超音波発信器を備えた固定の音源と、
上記の音源を含む基準座標内で移動する移動体に搭載されて、この基準座標内での移動体の位置を継続的に検出してこの検出位置の時系列データを作成する位置検出モジュールと、
この時系列データを外部の監視装置に出力する出力モジュールと
を備え、
上記の位置検出モジュールは、上記の超音波発信器からの超音波を受ける複数の受波素子が2次元配列されたアレイセンサと、位置検出ユニットを備え、
上記のアレイセンサは、上記の受波素子の配列方向によって決まる独自のセンサ座標を有し、
上記の位置検出ユニットは、上記の各受波素子に上記超音波発信器から到来する上記超音波の時間的なずれに基づいて上記センサ座標内での上記音源の方位を検出すると共に、上記受波素子の一つと上記音源との距離を求めて、上記の方位と距離に基づいて、上記センサ座標内での上記の移動体の位置を決定する、
上記位置検出モジュールは、更に、
上記の音源を含む水平面に平行な面内における上記基準座標に対する上記セ  ンサ座標の傾斜角度を検出する傾斜センサと、
検出された傾斜角度に基づいて上記センサ座標内での移動体の位置を、上記  基準座標内での位置に変換して、これを上記基準平面内での上記移動体の検  出位置として決定する位置補正ユニットと
を備えることを特徴とする移動体の位置検出システム。
【請求項２】
上記超音波発信器は、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層とを備え、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化に伴って超音波を発生する超音波発生素子からなることを特徴とする請求項１に記載の移動体の位置検出システム。
【請求項３】
前記受波素子は、超音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量式のマイクロホンからなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の移動体の位置検出システム。
【請求項４】
上記音源はトリガ信号を発信するトリガ信号発信器と、上記の上記超音波を上記のトリガ信号に同期させて発信させるコントローラを備え、
上記位置検出モジュールは上記のトリガ信号を受信するトリガ信号受信器を備え、
上記位置検出ユニットは、上記のトリガ信号を受けた時刻と、上記受波素子の一つが上記超音波を受けた時刻とのずれから上記センサーアレイと上記音源との距離を求めることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の移動体の位置検出システム。
【請求項５】
上記移動体にトリガ信号を発信するトリガ信号発信器が備えられ、
上記の音源に、上記トリガ信号を受信した時に上記超音波を送波するコントローラが備えられ、
上記位置検出ユニットは、上記のトリガ信号を送信した時刻と、上記受波素子の一つが上記超音波を受けた時刻とのずれから上記センサーアレイと上記音源との距離を求めることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の移動体の位置検出システム。
【請求項６】
複数の上記音源が備えられ、
各音源は固有の識別コードを発信する識別コード発信器を備え、
上記位置検出モジュールには、上記識別コードを受信する音源識別ユニットが設けられ、
上記音源識別ユニットは、受信された識別コードを上記の時系列データに関連づけるように構成されたことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の移動体の位置検出システム。
【請求項７】
複数の上記音源が備えられ、
各音源は固有の識別コードを発信する識別コード発信器と、上記の上記超音波を上記の識別コードに同期させて発信させるコントローラを備え、
上記位置検出モジュールには、上記識別コードを受信する音源識別ユニットが設けられ、
上記音源識別ユニットは、上記識別コードを受信した時刻を上記位置検出ユニットに与え、
上記位置検出ユニットは、上記の識別コードを受信した時刻と、上記受波素子の一つが上記超音波を受けた時刻とのずれから上記センサーアレイと上記音源との距離を求め、
上記音源識別ユニットは、受信された識別コードを上記の時系列データに関連づけるように構成されたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の移動体の位置検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、施設内で移動する移動体の位置を検出するための位置検出システム、更に詳しくは、施設の定位置に固定された音源から発せられる超音波に基づいて移動体の位置を検出して、検出された位置データを外部の監視装置に送信するシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
日本特許公開公報JP７―１４０２４１号公報は、施設内での移動体の位置を検出するための従来のシステムを開示している。このシステムは２つの超音波発信源からの超音波を移動体で受信して、移動体とこれら２つの超音波発信源との距離を求めることで、移動体の位置を検出するように構成されている。このシステムでは、２つの超音波発信源を必要として施設への設置が煩雑となる上に、各超音波発信源からの超音波を同期させる必要があり、システムが複雑になるといった問題がある。【０００３】
一方、日本特許公報特開20０５−４９３０１号公報に開示されるように、複数の受波素子を配列したアレイセンサを用いて、超音波を受信して、物体の位置を検出する方式が提案されている。しかしながら、このアレイセンサを移動体に搭載し、施設の定位置に固定した超音波発信源と組み合わせた場合、アレイセンサで検出可能なのは受波素子の配列方向によって決まるセンサ座標内での移動体の位置が検出されるだけであり、施設内における移動体の実際の位置を特定することが難しいという問題があった。
【発明の開示】
【０００４】
本発明は上述の問題点を解消するためになされたものであり、アレイセンサを採用して超音波発信源の数を少なくして施設への設置工事を簡略化させながら、施設内での移動体の位置を正確に検出して、移動体の正確な動線計測を行うことができる位置検出システムを提供することを目的とする。
【０００５】
本発明に係る移動体の位置検出システムは、施設の定位置に設置されて超音波を発信する超音波発信器を備えた固定の音源と、上記の音源を含む基準座標内で移動する移動体に搭載されて、この基準座標内での移動体の位置を継続的に検出してこの検出位置の時系列データを作成する位置検出モジュールと、この時系列データを外部の監視装置に出力する出力モジュールとを備える。上記の位置検出モジュールは、上記の超音波発信器からの超音波を受ける複数の受波素子が2次元配列されたアレイセンサと、位置検出ユニットを備える。このアレイセンサは、上記の複数の受波素子が配列される方向によって決まる独自のセンサ座標を有する。上記の位置検出ユニットは、上記の各受波素子に上記超音波発信器から到来する上記超音波の時間的なずれに基づいて上記センサ座標内での上記音源の方位を検出すると共に、上記受波素子の一つと上記音源との距離を求めて、上記の方位と距離に基づいて、上記センサ座標内での上記の移動体の位置を決定する。本発明の特徴は、上記の位置検出モジュールに更に、上記の音源を含む水平面に平行な面内における上記基準座標に対する上記センサ座標の傾斜角度を検出する傾斜センサと、検出された傾斜角度に基づいて上記センサ座標内での移動体の位置を、上記基準座標内での位置に変換して、これを上記基準平面内での上記移動体の検出位置として決定する位置補正ユニットとを備えたことである。このため、本発明では、アレイセンサを使用して超音波発信源の数を少なくしながらも、施設内での移動体の位置が正確に検出でき、移動体の正確な動線計測を行うことが可能となる。
【０００６】
上記の超音波発信器として、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層とを備え、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化に伴って超音波を発生する超音波発生素子で構成することが望ましい。このような構成の超音波発信器は、共振特性のＱ値が小さく、残響時間が短くて発生期間の短い超音波を発生させることができ、超音波の残響成分に起因した不感帯を短くして、正確な位置検出が行える。
【０００７】
また、受波素子を、超音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量式のマイクロホンで構成することが望ましい。この場合、受波素子の共振特性のＱ値を小さくすることができ、受波素子で超音波を受波したときに発生する受波信号における残響時間を短くできて、前記受波素子から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くして、正確な位置検出を行うことができる。
【０００８】
好ましくは、上記音源に、トリガ信号を発信するトリガ信号発信器と、上記の上記超音波を上記のトリガ信号に同期させて発信させるコントローラが備えられる。この場合、上記位置検出モジュールは上記のトリガ信号を受信するトリガ信号受信器を備え、上記位置検出ユニットは、上記のトリガ信号を受けた時刻と、上記受波素子の一つが上記超音波を受けた時刻とのずれから上記センサーアレイと上記音源との距離を求めるように構成される。このため、アレイセンサを利用して、音源と移動体との距離を計測できて、移動体の位置検出が行われる。
【０００９】
また、上記移動体にトリガ信号を発信するトリガ信号発信器が設けられ、上記の音源に、上記トリガ信号を受信した時に上記超音波を送波するコントローラが備えられることも可能である。この場合、上記位置検出ユニットは、上記のトリガ信号を送信した時刻と、上記受波素子の一つが上記超音波を受けた時刻とのずれから上記センサーアレイと上記音源との距離を求めるように構成されて、音源と移動体との距離を計測できる。
【００１０】
更に、本発明では、広範囲に亘る領域内での移動体の位置を検出するように、複数の音源を含めることが可能である。この場合、各音源は固有の識別コードを発信する識別コード発信器を備え、上記位置検出モジュールには、上記識別コードを受信する音源識別ユニットが設けられる。この音源識別ユニットは、受信された識別コードを上記の時系列データに関連づけるように構成され、これにより、複数個設置した音源が特定できて、複数個の音源でカバーする施設内の広範囲の領域に亘って移動する移動体の位置を正確に検出することができる。
【００１１】
また、複数の音源を備える場合は、各音源は固有の識別コードを発信する識別コード発信器に加えて、超音波を上記の上記識別コードに同期させて発信させるコントローラを備えることが可能である。この態様では、上記位置検出モジュールに、上記識別コードを受信する音源識別ユニットが設けられて、この音源識別ユニットは、上記識別コードを受信した時刻を上記位置検出ユニットに与える。この位置検出ユニットは、上記の識別コードを受信した時刻と、上記受波素子の一つが上記超音波を受けた時刻とのずれから上記センサーアレイと上記音源との距離を求め、上記音源識別ユニットは、受信された識別コードを上記の時系列データに関連づけるように構成される。この構成によると、広範囲の領域での移動体の位置検出が可能となることに加えて、識別コードを利用して、移動体と音源との距離を求めることができる。
【００１２】
上述した本発明の利点およびそれ以外の利点は、添付図面を参照する以下の実施形態の詳細な説明から明確になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る移動体の位置検出システムの使用例を示す概略図。
【図２】本発明に使用するアレイセンサのセンサ座標と、施設内での移動体の位置を特定する基準座標との関係を示す模式図。
【図３】同上のアレイセンサにおける受波素子の配列方式を示す平面図。
【図４】本発明の一実施形態に係るシステムの構成を示すブロック図。
【図５】同上のアレイセンサを使用した音源の方向を検出するための方式を示す説明図。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、同上の音源の方向を検出する場合の方式を示す説明図。
【図７】同上の移動体からの音源の方向を示す説明図。
【図８】移動体の位置を検出する方式を説明する模式図。
【図９】移動体の位置を検出する方式を説明する模式図。
【図１０】移動体の位置を検出する方式を説明する模式図。
【図１１】同上のシステムに使用する熱励起式の超音波発生素子の断面図。
【図１２】同上の熱励起式の超音波発生素子で発生する超音波の波形図。
【図１３】同上のシステムに使用する静電容量式のマイクロホンの構成を示す一部切り欠き斜視図。
【図１４】同上の静電容量式のマイクロホンの断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図1〜４に示すように、本発明に係る移動体の位置検出システムは、施設内での移動体Ｍの位置を検出して移動体の動線計測を行うために好適に使用されるものであり、施設の定位置に、例えば、天井の所定位置に固定される音源１０と、移動体Mに搭載される位置計測装置３０とで構成される。音源１０は超音波発信器２０を備え、残響時間の短い超音波を間欠的に発信する。位置計測装置３０は、位置検出モジュール４０と、位置計測モジュールで計測された位置に関する時系列データを外部の監視装置１００へ無線により送信する出力モジュール９０とで構成される。【００１５】
位置検出モジュール４０は超音波発信器２０からの超音波を受けるアレイセンサ５０を備え、このアレイセンサ５０は、図２に示すように、基板５１上で二次元平面内に等間隔で配列された６個の受波素子５２1〜５２6にて構成され、４つの受波素子５２1〜５２4が一列に並ぶ方向をｘ軸とし、これと直交して３つの受波素子５２2、５２5、５２6が並ぶ方向をy軸とするセンサ座標を形成する。このアレイセンサ５０はそのｘ−ｙ平面が施設の水平面と平行となるように移動体Mに設置される。図２に示すように、このセンサ座標は、移動体Mの向きによって、施設内での移動体の位置を最終的に決定する基準座標に対して、音源１０を含む水平面と平行な面内において、傾斜角度（θ1）で傾斜することになる。基準座標は図に示す、X軸、Y軸、Z軸で規定され、センサ座標とZ軸を共有する。受波素子の中心間距離ｄは、使用する超音波の波長の０．５〜5倍と設定される。【００１６】
音源１０には、光や電波によってトリガ信号を定期的に発信するトリガ信号発生器１６とコントローラ１４が備えられ、コントローラ１４は上記の超音波をこのトリガ信号に同期させて出力する。例えば、一秒毎にトリガ信号と超音波が発信される。位置検出モジュール４０には、トリガ信号を受信するトリガ受信器４６が備えられ、トリガ信号を受けた時刻が認識され、その後にアレイセンサ５０に到達する超音波を分析して、以下で説明するように、音源１０に対する移動体Mの方位、及び音源１０と移動体Mとの間の距離Sが求められて、移動体Mの位置が決定される。【００１７】
音源１０からの超音波がアレイセンサ５０の各受波素子５２1〜５２6で受波されると、各受波素子５２1〜５２6はそれに対応する電気信号を出力し、この電気信号をＡ／Ｄ変換した超音波の強度値が、上記のトリガ受信器４６の出力によって決まる時刻と共にデータバッファ４２に保持される。位置検出モジュール４０には位置検出ユニット６０が設けられ、位置検出ユニット６０はデータバッファ４２のデータを読み出して、音源１０に対する移動体Mの方位、及び音源１０と移動体Mとの間の距離Sを求める。先ず、方位の決定方式について、図５〜図９に基づいて説明する。図面する以下の記載では、音源１０の位置を基準座標中のＸ−Ｙ水平面、センサ座標中のｘ−ｙ水平面の原点に表示して説明する。【００１８】
音源１０に対する移動体M、即ち、アレイセンサ５０の方位は、センサ座標のｘ軸を含む垂直面における方位角（θｘ）と、ｙ軸を含む垂直面における方位角（θｙ）で決定され、これらの方位角（θｘ、θｙ）は、ｘ軸に沿って並ぶ受波素子５２1〜５２4、及びｙ軸に沿って並ぶ受波素子５２2、５２5、５２6に到達する超音波の時間的なずれに基づいて決定される。【００１９】
図５に示すように、ｘ軸上に並ぶ４つの受波素子は、音源１０からの超音波がθｘの角度で入射して、受波素子から出力される電気信号に時間的なずれが生じる。この時間的なずれは、入射角度θｘの関数であり、各受波素子間の中心間距離をｄとし、音速をｃとした時に、次式で表される。【００２０】
【数１】
2008010269.tif 000003
【００２１】
この時間的なずれを考慮して、全ての受波素子に到達した超音波の強度の合計値を求め、この合計値が所定の値を超えた時の、入射角（θｘ）が、ｘ軸を含む垂直面での音源１０の方向であると決定する。【００２２】
即ち、図５で示す一つの受波素子５２4から出力される電気信号に、他の３つの受波素子５２1、５２2、５２3から出力される電気信号の時間を合致させるように、この３つの受波素子からの電気信号を遅延回路５５1、５５2、５５3を介して遅延させて、一つの受波素子から出力される電気信号へ加算器５６1、５６2、５６3を用いて加算して、合計値を所定の値と比較する。この計算では、θｘをー４５°〜＋４５°の範囲に亘って変化させ、その中で合計値が所定の値を超えた時の角度θｘを、ｘ軸を含む平面内での音源の方向と決定する。例えば、図６において、受波素子の間隔 d2 = d3 = d4 = 4mm、音速 c = 340m/sとして、音源の方向（θｘ）が5°である場合、図6Ｂに示すように、θｘ＝５°として、即ち、遅延時間を１μｓとして計算すると、各受波素子の信号が加算されて、その合計値が所定値を超えることになる。それ以外、例えば、図6Ａ、6Ｃ、6Ｄに示すように、θｘを0°（遅延時間＝０μｓ）、10°（遅延時間＝２μｓ）、４５°（遅延時間＝８μｓ）とした時には、各受波素子からの出力信号が同時刻で加算されることがなく、合計値が所定値を下回ることになる。同様にして、ｙ軸を含む垂直面での音源の方位（θｙ）が求められる。【００２３】
位置検出ユニット６０では、上記トリガ信号を受信した時刻と受波素子の一つで超音波を受波した時刻との差から、アレイセンサ５０、即ち、移動体Mと音源との距離Sを算出し、上記で求めたθｘ、θｙとから、下記の数式に基づいてセンサ座標内での移動体Mの位置ｐ（ｘ1、ｙ1、Ｚ1）を決定し、図９に示すセンサ座標内での水平面における音源に対する方位角（θｓ）を求める。【００２４】
【数２】
2008010269.tif 000004
【００２５】
【数３】
2008010269.tif 000005
【００２６】
【数４】
2008010269.tif 000006
【００２７】
【数５】
2008010269.tif 000007
【００２８】
位置検出モジュール４０には、水平面内における移動体Mの傾斜角（θ1）検出する傾きセンサ７０が設けられる。この傾きセンサとしては、例えば、ジャイロセンサや地磁気センサが用いられ、基準座標のＸ軸に対するセンサ座標のｘ軸の傾斜角度（θ1）を求める。この傾斜角度（θ1）は、時刻と関連させてデータバッファ４２に保持される。【００２９】
位置検出モジュール４０には、更に、傾斜角度（θ1）に基づいて、センサ座標での移動体の位置ｐ（ｘ1、ｙ1、Ｚ1）、を基準座標での移動体の位置Ｐ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）に変換する位置補正ユニット７２が備えられる。【００３０】
この変換では、図１０に示すように、音源を含む水平面と平行な面における音源に対するアレイセンサ５０の方位（θr）を次式で求める。【００３１】
【数６】
2008010269.tif 000008
【００３２】
この方位に基づいて、移動体の基準座標内での位置Ｐ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）を次式で決定する。【００３３】
【数７】
2008010269.tif 000009
【００３４】
【数８】
2008010269.tif 000010
【００３５】
【数９】
2008010269.tif 000011
【００３６】
以上のようにして求められる基準座標における移動体の位置Ｐ（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）は、トリガ信号の受信によって起動されるタイマー４７から出力される時刻と関連づけられて、時間の経過に伴った移動体の位置の移動を示すデータテーブルの形式でメモリ８０に保持される。出力モジュール９０は、定期的にメモリ８０のデータテーブルを読み出して、これを外部の監視装置１００へ無線で送信する。これにより、監視装置１００はコンピュータで構成され、移動体Mから送信されたデータテーブルで示される位置情報の時系列データを処理して、モニターに移動体の動線結果を表示したり、プリンタを動作させてレポートを発行するように構成される。上記の出力モジュール90は、例えば、ＴＩＡ／ＥＩＡ−２３２−ＥやＵＳＢなどのようなシリアル転送方式のインタフェースや、或いは、ＳＣＳＩなどのようなパラレル転送方式のインタフェースなどを備え、メモリ80内に保持した上記の時系列データを監視装置100へ送信する。【００３７】
上記音源１０には、更に識別コード発信器１８が備えられ、音源を特定する識別コードを光りまたは電波によって発信し、広い施設をカバーするために複数の音源を設ける場合に、音源１０を識別するようにしている。これに対応して、位置検出モジュール４０には、識別コードを受信する識別コード受信器４８と、ここで受信された識別コードに基づいて音源を識別するための音源識別ユニット４９が備えられる。音源識別ユニット４９は識別された音源を示す識別コードを、上記のメモリ８０内に保持される位置データのデータテーブルに追加する。これにより、監視装置１００は、複数の音源がある場合、位置情報を対応する音源に関連づけて処理でき、広い領域に亘る移動体の動線計測を正確に行うことが出来る。このため、識別コードには施設内での各音源の位置情報が含められる。即ち、メモリ８０内の時系列データは、例えば、下記の表1のデータテーブル形式で与えられ、監視装置１００はこのデータを処理して、移動体の動線軌跡を求めることができる。
尚、このデータを作成した後は、上記位置検出モジュール４０はデータバッファ４２のデータを破棄して、新たなデータを蓄積させる。【００３８】
【表１】
2008010269.tif 000012
【００３９】
超音波発信器20は、残響時間の短い超音波を間欠的に発生させる、つまり、発生期間の短い超音波を間欠的に発生させるように構成される。このため、図１１に示すような構造の熱励起式の素子が使用される。この素子は、単結晶のｐ形のシリコン基板からなる支持基板２１の上面に多孔質シリコン層からなる熱絶縁層２２を介して金属薄膜（例えば、タングステン薄膜）からなる発熱体層２３が形成され、支持基板２１の上面側に発熱体層２３と電気的に接続された一対のパッド２４が形成されたものである。このような熱励起式の超音波発生素子では、発熱体層２３の両端のパッド２４間に通電して発熱体層２３に温度変化を生じさせると、発熱体層２３に接触している空気に温度変化が生じる。発熱体層２３に接触している空気は、発熱体層２３の温度上昇時には膨張し発熱体層２３の温度下降時には収縮するから、発熱体層２３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超音波を発生させることができる。【００４０】
この熱励起式の超音波発生素子では、発熱体層２３への通電に伴う発熱体層３３の温度変化に伴って超音波を発生するものであり、発熱体層２３へ与える駆動電圧あるいは駆動電流の波形を、例えば周波数がｆ１の正弦波波形とした場合、当該周波数ｆ１の略２倍の周波数の超音波を発生させることができ、例えば正弦波波形の半周期の孤立波を駆動電圧として一対のパッド２４間へ与えることによって、図１２に示すような残響時間が短く且つ発生期間の短い略１周期の超音波を発生させることができる。熱励起式の超音波発生素子では、発生させる超音波の周波数を広範囲にわたって変化させることができ、駆動電圧もしくは駆動電流の波形を孤立波とすれば、図１２に示すような略１周期の超音波を発生させることができる。【００４１】
この熱励起式の超音波発生素子は、支持基板２１としてｐ形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層２２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成しているので、支持基板２１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２２となる多孔質シリコン層を形成することができる。ここに、陽極酸化処理の条件（例えば、電流密度、通電時間など）を適宜設定することにより、熱絶縁層２２となる多孔質シリコン層の多孔度や厚みそれぞれを所望の値とすることができる。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り、例えば、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。本実施形態では、上述のように熱絶縁層２２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２２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。なお、熱絶縁層２２の熱伝導度および熱容量を支持基板２１の熱伝導度および熱容量に比べて小さくし、熱絶縁層２２の熱伝導度と熱容量との積を支持基板２１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２３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２３と空気との間で効率的な熱交換が起こり、且つ、支持基板２１が熱絶縁層２２からの熱を効率よく受け取って熱絶縁層２２の熱を逃がすことができて発熱体層２３からの熱が熱絶縁層２２に蓄積されるのを防止することができる。【００４２】
発熱体層２３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り、熱伝導率が１７４Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が２．５×１０6Ｊ／（ｍ3・Ｋ）となっている。発熱体層２３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、イリジウムなどを採用してもよい。【００４３】
なお、上記の熱励起式の超音波発生素子では、支持基板２１の厚さを５２５μｍ、熱絶縁層２２の厚さを１０μｍ、発熱体層２３の厚さを５０ｎｍ、各パッド３４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、支持基板２１の材料としてＳｉを採用しているが、支持基板３１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。【００４４】
アレイセンサ50に使用する受波素子は、超音波発生素子と同様に残響を少なくするために、静電容量式のマイクロホンが使用される。このマイクロホンは、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１３及び図１４に示すように、シリコン基板に厚み方向に貫通する窓孔１５１を備える矩形状のフレーム１５０と、フレーム１５０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膜１５２とを備えている。フレーム１５０の上面側には熱酸化膜１５５とシリコン酸化膜１５６とシリコン窒化膜１５７とが形成されており、受圧膜１５２は、シリコン窒化膜１５６とは別に形成されたシリコン窒化膜であり、一端がフレームの一辺上でこのシリコン窒化膜１５７を介してフレーム１５０に支持され、自由端がフレームの他辺上のシリコン窒化膜１５７に対向している。受圧膜１５２の自由端に対向するフレーム上のシリコン窒化膜１５７には金属薄膜（例えば、クロム膜など）からなる固定電極１５３が形成され、受圧膜１５２の自由端で、上記の固定電極１５３に対向する面と反対側の上面に金属薄膜（例えば、クロム膜など）からなる可動電極１５４が形成されている。フレーム１５０の下面にはシリコン窒化膜１５８が形成されている。【００４５】
このように構成された受波素子５２では、固定電極１５３と可動電極１５４とを電極とするコンデンサが形成され、受圧膜１５２が超音波の圧力を受けることにより固定電極１５３と可動電極１５４との間の距離が変化し、固定電極１５３と可動電極１５４との間の静電容量が変化する。したがって、固定電極１５３および可動電極１５４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、パッドの間には超音波の音圧に応じて微小な電圧変化が生じるから、超音波の音圧を電気信号に変換することができる。【００４６】
なお、受波素子５２として用いる静電容量式のマイクロホンの構造は上記の構造に特に限定するものではなく、例えば、シリコン基板などをマイクロマシンニング技術などにより加工して形成され、超音波を受けるダイヤフラム部からなる可動電極と、ダイヤフラム部に対向する背板部からなる固定電極との間に、超音波を受けていない状態でのダイヤフラム部と背板部とのギャップ長を規定する絶縁膜からなるスペーサ部が介在し、背板部に複数の排気孔が貫設された構造を有するものでもよい。このような静電容量式のマイクロホンでは、ダイヤフラム部が超音波を受けて変形してダイヤフラム部と背板部との距離が変化することにより、可動電極と固定電極との間の静電容量が変化する。【００４７】
ところで、図１１に示した熱励起式の音波発生素子では、共振特性のＱ値が１程度であり、図１３及び図１４に示した静電容量式のマイクロホンからなる受波素子５２の共振特性のＱ値は３〜４程度であり、音源１０から送波される超音波における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、受波素子５２で超音波を受波したときに発生する受波信号における残響時間を短くできて受波素子５２から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるので、角度分解能を改善することができる。なお、静電容量式のマイクロホンでは、共振特性の低いＱ値を有するため、受波周波数の範囲を広くとることが可能になる。この点に関して、音源１０および受波素子５２それぞれの共振特性のＱ値はいずれも１０以下が望ましく、いずれも５以下がより望ましい。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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