特許 7667558 非接触センサ装置および非接触センシング方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-04-15

(45)【発行日】2025-04-23

(54)【発明の名称】非接触センサ装置および非接触センシング方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 17/00 20060101AFI20250416BHJP

   G06F 3/043 20060101ALI20250416BHJP

【ＦＩ】

G01B17/00 B

G06F3/043

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021116162

(22)【出願日】2021-07-14

(65)【公開番号】P2023012628

(43)【公開日】2023-01-26

【審査請求日】2024-04-03

(73)【特許権者】

【識別番号】503027931

【氏名又は名称】学校法人同志社

(74)【代理人】

【識別番号】110000475

【氏名又は名称】弁理士法人みのり特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小山 大介

(72)【発明者】

【氏名】中岡 夏海

【審査官】大森 努

(56)【参考文献】

【文献】特開平５－２１５５３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－５３３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平３－２３１１０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２１３４２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平６－３３００９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許第４７０９２１０（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第４０３５７６２（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開平１－１９３６０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２６３７７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１５５５２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３４２０３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／１３１５０９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ ７／００－７／３４，１７／００－２１／３２

Ｇ０６Ｆ ３／０４３

Ｇ０１Ｄ ５／４８

Ｇ０１Ｈ １／００－１７／００

Ｇ０１Ｎ ２９／００－２９／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

非接触で物体の位置を検知する非接触センサ装置であって、
振動板と、
前記振動板にたわみ振動を生じさせる超音波振動子と、
前記超音波振動子に交流電圧を印加する駆動部と、
前記超音波振動子に流れる交流電流の位相情報を取得する位相情報取得部と、
前記振動板に対する前記物体の位置を検知する検知部と、
を備え、
前記検知部は、前記位相情報に基づいて、前記たわみ振動の伝搬方向における前記物体の位置を検知することを特徴とする非接触センサ装置。

【請求項2】

前記交流電流の電流値情報を取得する電流値情報取得部をさらに備え、
前記検知部は、前記電流値情報に基づいて、前記たわみ振動の振動方向における前記物体の位置を検知することを特徴とする請求項１に記載の非接触センサ装置。

【請求項3】

前記超音波振動子は、
前記振動板の前記伝搬方向における一方側に配置された第１超音波振動子と、
前記振動板の前記伝搬方向における他方側に配置された第２超音波振動子と、
を含み、
前記位相情報取得部は、前記位相情報として、前記第１超音波振動子に流れる第１交流電流と前記第２超音波振動子に流れる第２交流電流との位相差に関する情報を取得することを特徴とする請求項１または２に記載の非接触センサ装置。

【請求項4】

前記超音波振動子は、単一の第３超音波振動子からなり、
前記振動板は、機械剛性が前記伝搬方向に変化しており、
前記位相情報取得部は、前記位相情報として、前記第３超音波振動子に流れる第３交流電流の位相に関する情報を取得することを特徴とする請求項１または２に記載の非接触センサ装置。

【請求項5】

前記振動板は、厚みが前記伝搬方向に変化していることを特徴とする請求項４に記載の非接触センサ装置。

【請求項6】

非接触で物体の位置を検知する非接触センシング方法であって、
振動板に設けられた超音波振動子に交流電圧を印加し、前記超音波振動子の超音波振動により前記振動板にたわみ振動を生じさせる駆動ステップと、
前記超音波振動子に流れる交流電流の位相情報を取得する情報取得ステップと、
前記振動板に対する前記物体の位置を検知する検知ステップと、
を含み、
前記検知ステップでは、前記位相情報に基づいて、前記たわみ振動の伝搬方向における前記物体の位置を検知することを特徴とする非接触センシング方法。

【請求項7】

前記情報取得ステップでは、前記交流電流の電流値情報を取得し、
前記検知ステップでは、前記電流値情報に基づいて、前記たわみ振動の振動方向における前記物体の位置を検知することを特徴とする請求項６に記載の非接触センシング方法。

【請求項8】

前記超音波振動子は、
前記振動板の前記伝搬方向における一方側に配置された第１超音波振動子と、
前記振動板の前記伝搬方向における他方側に配置された第２超音波振動子と、
を含み、
前記情報取得ステップでは、前記位相情報として、前記第１超音波振動子に流れる第１交流電流と前記第２超音波振動子に流れる第２交流電流との位相差に関する情報を取得することを特徴とする請求項６または７に記載の非接触センシング方法。

【請求項9】

前記超音波振動子は、単一の第３超音波振動子からなり、
前記振動板は、機械剛性が前記伝搬方向に変化しており、
前記情報取得ステップでは、前記位相情報として、前記第３超音波振動子に流れる第３交流電流の位相に関する情報を取得することを特徴とする請求項６または７に記載の非接触センシング方法。

【請求項10】

前記振動板は、厚みが前記伝搬方向に変化していることを特徴とする請求項９に記載の非接触センシング方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非接触センサ装置および非接触センシング方法に関する。

【背景技術】

【0002】

非接触センサ装置および非接触センシング方法としては、例えば、特許文献１に記載の方法や、特許文献２に記載の装置が知られている。

【0003】

特許文献１に記載の非接触センシング方法は、データ選択部を提供するステップと、データ選択部の付近で信号を送信するステップと、送信された信号の経路を選択装置による遮断を介して変更させるステップと、変更された信号を検出するステップと、変更された信号から選択装置の位置を決定するステップと、選択装置の位置をデータ選択部と対応させるステップと、を備えてなる。

【0004】

特許文献２に記載の非接触センサ装置である入力装置は、複数の操作位置表示を行う表示部と、これら複数の操作位置表示の各々に対応して入力装置の正面の特定の空間に設定された操作位置に対する操作を非接触式で検出する検出部とを有する。検出部は、入力装置の正面の空間に向けて超音波を発振する第１圧電素子と、第１圧電素子より発振された超音波を検出する第２圧電素子と、第２圧電素子による検出結果に基づいて、何れの操作位置に対する操作が行われたかを判定する判定部とを有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特表２００７－５２５６６９号公報

【文献】特開２０１２－１５５５２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載の非接触センシング方法では、信号を送信するシグナルエミッタおよび信号を受信するシグナルレシーバが多数必要になるため、例えば、選択装置の位置をデータ選択部と対応させるステップにおいて、信号処理が複雑化するおそれがある。このように、特許文献１に記載の非接触センシング方法は、部品点数が増大し、コストの増大を招くという問題がある。

【0007】

特許文献２に記載の非接触センサ装置では、第１圧電素子および第２圧電素子が必須の構成であり、しかも、第２圧電素子は多数必要になる。このため、第２圧電素子による検出結果に基づいて何れの操作位置に対する操作が行われたかを判定する判定部では、信号処理が複雑化するおそれがある。このように、特許文献２に記載の非接触センサ装置では、特許文献１に記載の非接触センシング方法と同様に、部品点数が増大し、コストの増大を招くという問題がある。

【0008】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、部品点数を削減し、低コスト化を図ることが可能な非接触センサ装置および非接触センシング方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、本発明に係る非接触センサ装置は、
非接触で物体の位置を検知する非接触センサ装置であって、
振動板と、
前記振動板にたわみ振動を生じさせる超音波振動子と、
前記超音波振動子に交流電圧を印加する駆動部と、
前記超音波振動子に流れる交流電流の位相情報を取得する位相情報取得部と、
前記振動板に対する前記物体の位置を検知する検知部と、
を備え、
前記検知部は、前記位相情報に基づいて、前記たわみ振動の伝搬方向における前記物体の位置を検知することを特徴とする。

【0010】

前記非接触センサ装置は、
前記交流電流の電流値情報を取得する電流値情報取得部をさらに備え、
前記検知部は、前記電流値情報に基づいて、前記たわみ振動の振動方向における前記物体の位置を検知することが好ましい。

【0011】

前記非接触センサ装置において、
前記超音波振動子は、
前記振動板の前記伝搬方向における一方側に配置された第１超音波振動子と、
前記振動板の前記伝搬方向における他方側に配置された第２超音波振動子と、
を含み、
前記位相情報取得部は、前記位相情報として、前記第１超音波振動子に流れる第１交流電流と前記第２超音波振動子に流れる第２交流電流との位相差に関する情報を取得するよう構成できる。

【0012】

前記非接触センサ装置において、
前記超音波振動子は、単一の第３超音波振動子からなり、
前記振動板は、機械剛性が前記伝搬方向に変化しており、
前記位相情報取得部は、前記位相情報として、前記第３超音波振動子に流れる第３交流電流の位相に関する情報を取得するよう構成できる。

【0013】

前記非接触センサ装置において、
前記振動板は、厚みが前記伝搬方向に変化しているよう構成できる。

【0014】

上記課題を解決するために、本発明に係る非接触センシング方法は、
非接触で物体の位置を検知する非接触センシング方法であって、
振動板に設けられた超音波振動子に交流電圧を印加し、前記超音波振動子の超音波振動により前記振動板にたわみ振動を生じさせる駆動ステップと、
前記超音波振動子に流れる交流電流の位相情報を取得する情報取得ステップと、
前記振動板に対する前記物体の位置を検知する検知ステップと、
を含み、
前記検知ステップでは、前記位相情報に基づいて、前記たわみ振動の伝搬方向における前記物体の位置を検知することを特徴とする。

【0015】

前記非接触センシング方法は、
前記情報取得ステップでは、前記交流電流の電流値情報を取得し、
前記検知ステップでは、前記電流値情報に基づいて、前記たわみ振動の振動方向における前記物体の位置を検知することが好ましい。

【0016】

前記非接触センシング方法において、
前記超音波振動子は、
前記振動板の前記伝搬方向における一方側に配置された第１超音波振動子と、
前記振動板の前記伝搬方向における他方側に配置された第２超音波振動子と、
を含み、
前記情報取得ステップでは、前記位相情報として、前記第１超音波振動子に流れる第１交流電流と前記第２超音波振動子に流れる第２交流電流との位相差に関する情報を取得するよう構成できる。

【0017】

前記非接触センシング方法において、
前記超音波振動子は、単一の第３超音波振動子からなり、
前記振動板は、機械剛性が前記伝搬方向に変化しており、
前記情報取得ステップでは、前記位相情報として、前記第３超音波振動子に流れる第３交流電流の位相に関する情報を取得するよう構成できる。

【0018】

前記非接触センシング方法において、
前記振動板は、厚みが前記伝搬方向に変化しているよう構成できる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、部品点数を削減し、低コスト化を図ることが可能な非接触センサ装置および非接触センシング方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】第１実施形態に係る非接触センサ装置のブロック図である。

【図2】第１実施形態に係る振動板、第１超音波振動子および第２超音波振動子を示す図である。

【図3】（Ａ）ｙ方向に物体を動かしたときの振動板との位置関係を示す図である。（Ｂ）ｙ方向に物体を動かしたときの第１超音波振動子に流れる電流と第２超音波振動子に流れる電流との位相差の変化を示す図である。

【図4】（Ａ）ｚ方向に物体を動かしたときの振動板との位置関係を示す図である。（Ｂ）ｚ方向に物体を動かしたときの第１超音波振動子に流れる電流と第２超音波振動子に流れる電流との合計電流値の変化を示す図である。

【図5】ｚ方向の各位置においてｙ方向に物体を動かしたときの、第１超音波振動子に流れる電流と第２超音波振動子に流れる電流との位相差の変化を示す図である。

【図6】第２実施形態に係る非接触センサ装置のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、添付図面を参照して、本発明に係る非接触センサ装置および非接触センシング方法の実施形態について説明する。

【0022】

［第１実施形態］
（非接触センサ装置）
図１に、本発明の第１実施形態に係る非接触センサ装置１０Ａを示す。非接触センサ装置１０Ａは、振動板１１と、第１超音波振動子１２ａと、第２超音波振動子１２ｂと、駆動部１３と、情報取得部１４（位相情報取得部１５および電流値情報取得部１６）と、検知部１７とを備える。

【0023】

振動板１１は、第１超音波振動子１２ａおよび第２超音波振動子１２ｂの超音波振動によって、たわみ振動が生じるように構成されている。本実施形態では、振動板１１として、ｙ方向（たわみ振動の伝搬方向）における長さが２００［ｍｍ］で、ｚ方向（たわみ振動の振動方向）における厚みが均一な金属板を用いている。

【0024】

第１超音波振動子１２ａは、交流電圧が印加されると超音波振動を行い、振動板１１にたわみ振動を生じさせるよう構成されている。第１超音波振動子１２ａは、振動板１１のｙ方向の一方側の下部に設けられている。本実施形態では、第１超音波振動子１２ａとして、ランジュバン型振動子を用いている。なお、本発明における「交流」は、正弦波だけでなく矩形波や三角波等も含む。

【0025】

第２超音波振動子１２ｂは、交流電圧が印加されると超音波振動を行い、振動板１１にたわみ振動を生じさせるよう構成されている。第２超音波振動子１２ｂは、振動板１１のｙ方向の他方側の下部に設けられている。本実施形態では、第２超音波振動子１２ｂとして、第１超音波振動子１２ａと同様のランジュバン型振動子を用いている。

【0026】

駆動部１３は、第１超音波振動子１２ａおよび第２超音波振動子１２ｂに交流電圧を印加するよう構成されている。本実施形態では、第１超音波振動子１２ａと振動板１１とが共振し、かつ第２超音波振動子１２ｂと振動板１１とが共振するように、駆動部１３は、第１超音波振動子１２ａおよび第２超音波振動子１２ｂに同じ周波数および同じ位相の交流電圧を印加する。駆動部１３は、例えば、ファンクションジェネレータと、ファンクションジェネレータの出力（交流電圧信号）を増幅させるアンプとを含む。

【0027】

情報取得部１４は、電流センサ（図示略）を含み、超音波振動時に第１超音波振動子１２ａに流れる第１交流電流に関する情報と、超音波振動時に第２超音波振動子１２ｂに流れる第２交流電流に関する情報とを取得するよう構成されている。本実施形態では、情報取得部１４は、位相情報取得部１５および電流値情報取得部１６を含む。

【0028】

位相情報取得部１５は、第１交流電流および第２交流電流の位相情報を取得する。具体的には、位相情報取得部１５は、第１交流電流および第２交流電流の各位相に関する位相情報を取得し、位相情報に含まれる第１交流電流の位相と第２交流電流の位相との差分を演算することで、第１交流電流と第２交流電流との位相差に関する情報を取得する。位相情報取得部１５は、取得した位相情報（位相差に関する情報）を検知部１７に出力する。

【0029】

電流値情報取得部１６は、第１交流電流および第２交流電流の電流値（例えば、実効値）に関する電流値情報を取得する。具体的には、電流値情報取得部１６は、第１交流電流および第２交流電流の各電流値に関する電流値情報を取得し、電流値情報に含まれる第１交流電流の電流値と第２交流電流の電流値との和を演算することで、第１交流電流と第２交流電流との合計電流値に関する情報を取得する。電流値情報取得部１６は、取得した電流値情報（合計電流値に関する情報）を検知部１７に出力する。なお、本発明における「電流値」は、瞬間的な電流値のことではなく、電流波形から導かれる振幅値（例えば、実効値）のことである。

【0030】

検知部１７は、図２に示すように、振動板１１に対する物体Ｆ（例えば、人の指）の位置を検知するよう構成されている。検知部１７は、例えば、マイコンで構成される。検知部１７は、位相情報に基づいてｙ方向における物体Ｆの位置を検知するとともに、電流値情報に基づいてｚ方向における物体Ｆの位置を検知する。

【0031】

図３（Ａ）に示すように、物体Ｆを振動板１１のＹ１からＹ４の位置まで動かした場合、第１交流電流に対する第２交流電流の位相差は、図３（Ｂ）に示すように変化する。図３（Ａ）では、物体Ｆとして直方体形状の反射板を用いるとともに、振動板１１のｙ方向の一方端の位置をＹ０とし、Ｙ０からｙ方向に５０［ｍｍ］離れた位置をＹ１とし、Ｙ０からｙ方向に１５０［ｍｍ］離れた位置をＹ４とする。そして、物体Ｆの下面を振動板１１の上面からｚ方向に３［ｍｍ］離した状態で、物体Ｆの中心をＹ１からＹ４の位置まで移動させる。

【0032】

第１超音波振動子１２ａおよび第２超音波振動子１２ｂは、物体Ｆが存在しない場合、振動板１１との共振状態を維持しながら超音波振動を行う。共振状態が維持されている場合、第１超音波振動子１２ａでは、印加された交流電圧と第１交流電流とが特定の位相差（例えば、位相差ゼロ）を有し、第２超音波振動子１２ｂでも、印加された交流電圧と第２交流電流とが特定の位相差（例えば、位相差ゼロ）を有する。しかしながら、物体Ｆが近くに存在すると、物体Ｆの抵抗成分により振動板１１からみた放射インピーダンスが変化する。すなわち、第１超音波振動子１２ａおよび／または第２超音波振動子１２ｂは、振動板１１との共振状態を維持できなくなり、上記特定の位相差を維持できなくなる。

【0033】

例えば、物体ＦがＹ１の位置に存在する場合、物体Ｆから遠い側の第２超音波振動子１２ｂは、放射インピーダンスの変化の影響が小さいので共振状態を維持するが、物体Ｆに近い側の第１超音波振動子１２ａは、放射インピーダンスの変化の影響が大きくなり共振状態を維持できなくなる。このため、第１超音波振動子１２ａに流れる第１交流電流の位相は、印加された交流電圧の位相に対してわずかに遅れる（または進む）。

【0034】

一方で、物体ＦがＹ４の位置に存在する場合、物体Ｆから遠い側の第１超音波振動子１２ａは、放射インピーダンスの変化の影響が小さいので共振状態を維持するが、物体Ｆに近い側の第２超音波振動子１２ｂは、放射インピーダンスの変化の影響が大きくなり共振状態を維持できなくなる。このため、第２超音波振動子１２ｂに流れる第２交流電流の位相は、印加された交流電圧の位相に対してわずかに遅れる（または進む）。

【0035】

物体Ｆを振動板１１のｙ方向にのみ動かした場合、第１交流電流と第２交流電流との位相差は、所定の傾きで変化する。本実施形態では、物体Ｆを振動板１１のＹ１からＹ４の位置まで動かした場合における第１交流電流に対する第２交流電流の位相差は、図３（Ｂ）に示すように、物体ＦがＹ４に近づくにつれて大きくなる。検知部１７は、例えば、物体Ｆのｙ方向における位置と上記位相差との関係を示すデータを予め記憶しておくことで、位相情報取得部１５から取得した位相情報に基づいて、物体Ｆのｙ方向における位置を算出できる。

【0036】

本実施形態では、第１交流電流と第２交流電流との位相差に関する位相情報に基づいて物体Ｆのｙ方向における位置を算出するので、単に第１交流電流の位相または第２交流電流の位相に基づいて物体Ｆのｙ方向における位置を算出する場合と比較すると、より広範囲に亘って正確に、物体Ｆのｙ方向における位置を算出できる。

【0037】

図４（Ａ）に示すように、物体Ｆを振動板１１のＺ１からＺ５の位置まで動かした場合、第１交流電流と第２交流電流との合計電流値は、図４（Ｂ）のように変化する。図４（Ａ）において、物体Ｆとして直方体形状の反射板を用いるとともに、物体Ｆの下面が振動板１１の上面からｚ方向に１［ｍｍ］離れた位置をＺ１とし、物体Ｆの上面が振動板１１の上面からｚ方向に２４［ｍｍ］離れた位置をＺ５とする。Ｚ１とＺ５の間に、Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４が存在する。

【0038】

図４（Ｂ）は、Ｙ２からＹ３までの範囲において、Ｚ１からＺ５の位置まで物体Ｆを動かしたときの第１交流電流と第２交流電流との合計電流値の変化を示す図である。なお、振動板１１のｙ方向の一方端から１００［ｍｍ］離れた位置をＹ２とし、１１５［ｍｍ］離れた位置をＹ３とする。

【0039】

図４（Ｂ）では、物体Ｆを振動板１１のＺ１からＺ５の位置まで動かした場合、Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４の位置およびその近傍（例えば、図中の黒枠で囲んだ領域）において、第１交流電流および第２交流電流の合計電流値が大きくなる。一方、それ以外の領域では、上記合計電流値が小さくなる。これは、Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４の位置およびその近傍においては、振動板１１と物体Ｆとの間に定在波が発生するが、それ以外の領域では、振動板１１と物体Ｆとの間に定在波が発生しないためである。なお、上記定在波は、たわみ振動のときに振動板１１からｚ方向に放射される超音波の定在波である。

【0040】

物体Ｆを振動板１１のｚ方向にのみ動かした場合、第１交流電流および第２交流電流の合計電流値は、所定の傾きで（例えば、正弦波状に）変化する。本実施形態では、物体Ｆを振動板１１のＺ１からＺ５の位置まで動かした場合における合計電流値は、Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４の位置およびその近傍において大きくなる。検知部１７は、例えば、物体Ｆのｚ方向における位置と上記合計電流値との関係を示すデータを予め記憶しておくことで、電流値情報取得部１６から取得した電流値情報に基づいて、物体Ｆのｚ方向における位置を算出できる。

【0041】

図５に、ｚ方向の任意の位置Ｚ（Ｚ２’，Ｚ３’，Ｚ４’）において、ｙ方向に物体Ｆを動かしたときの、第１超音波振動子１２ａに流れる電流と第２超音波振動子１２ｂに流れる電流との位相差の変化を示す。なお、Ｚ２’は、図４（Ｂ）のＺ２近傍の黒枠内に位置し、Ｚ３’は、Ｚ３近傍の黒枠内に位置し、Ｚ４’は、Ｚ４近傍の黒枠内に位置する。

【0042】

検知部１７は、物体Ｆのｚ方向における位置と上記合計電流値との関係を示すデータ（第１データ）と、ｚ方向の任意の位置Ｚごとの、物体Ｆのｙ方向における位置と上記位相差との関係を示すデータ（第２データ）とを予め記憶しておくことで、物体Ｆのｙ－ｚ面における位置を正確に算出できる。

【0043】

合計電流値が正弦波状に変化する場合、１つの合計電流値に対して複数の位置Ｚが存在する。例えば、Ｚ＝Ｚ２’，Ｚ３’，Ｚ４’のときの各合計電流値が、いずれもα［Ａ］となることがある。一方で、Ｙ１からＹ４の範囲では、Ｚ＝Ｚ２’，Ｚ３’，Ｚ４’のときの各位相差は異なる範囲に存在する。すなわち、図５に示すように、Ｚ＝Ｚ２’のＹ４における位相差＜Ｚ＝Ｚ３’のＹ１における位相差であり、かつＺ＝Ｚ３’のＹ４における位相差＜Ｚ＝Ｚ４’のＹ１における位相差である。

【0044】

上記の場合、電流値情報取得部１６が電流値情報として合計電流値α［Ａ］を取得し、位相情報取得部１５が位相情報として位相差β［°］を取得すると、検知部１７は、まず、第１データに基づいてｚ方向における位置をＺ＝Ｚ２’，Ｚ３’，Ｚ４’と特定（推定）する。

【0045】

次いで、検知部１７は、第２データに基づいて、Ｚ＝Ｚ２’，Ｚ３’，Ｚ４’の中から位相差β［°］に最も近い位相差を有するＺを特定し、特定したＺからｙ方向における位置を特定する。図５では、位相差β［°］に最も近い位相差を有するＺがＺ＝Ｚ３’であるから、Ｚ＝Ｚ３’に関するデータに基づいてｙ方向における位置をγ［ｍｍ］と特定することができる。

【0046】

なお、図５では、Ｙ１からＹ４の範囲において位相差と位置Ｚ（合計電流値から推定した位置Ｚ）とが１対１で対応するものとしたが、位相差に対して複数の位置Ｚが存在する場合は、位相差と位置Ｚとが１対１で対応するように、特定するｙ方向の範囲を限定するか、または、合計電流値と位置Ｚとが１対１で対応するように、特定するｚ方向の範囲を限定することが好ましい。

【0047】

本実施形態に係る非接触センサ装置１０Ａによれば、振動板１１にたわみ振動を生じさせる超音波振動子を、第１超音波振動子１２ａおよび第２超音波振動子１２ｂの２つで構成しているので、部品点数を削減し、低コスト化を図ることができる。

【0048】

（非接触センシング方法）
次に、本発明の第１実施形態に係る非接触センシング方法について説明する。

【0049】

本実施形態に係る非接触センシング方法は、非接触センサ装置１０Ａを用いて非接触で物体Ｆの位置を検知する方法であり、駆動ステップと、情報取得ステップと、検知ステップとを含む。

【0050】

駆動ステップでは、駆動部１３により第１超音波振動子１２ａおよび第２超音波振動子１２ｂに同じ周波数および同じ位相の交流電圧を印加し、第１超音波振動子１２ａおよび第２超音波振動子１２ｂに超音波振動を生じさせて、振動板１１にたわみ振動を生じさせる。

【0051】

情報取得ステップでは、振動板１１がたわみ振動を行っている状態で、情報取得部１４により、第１超音波振動子１２ａに流れる第１交流電流に関する情報と、第２超音波振動子１２ｂに流れる第２交流電流に関する情報とを取得する。具体的には、位相情報取得部１５により、第１交流電流と第２交流電流との位相差に関する情報（位相情報）を取得し、電流値情報取得部１６により、第１交流電流と第２交流電流との合計電流値に関する情報（電流値情報）を取得する。

【0052】

検知ステップでは、検知部１７により、振動板１１に対する物体Ｆの位置を検知する。具体的には、位相情報に基づいてｙ方向における物体Ｆの位置を検知するとともに、電流値情報に基づいてｚ方向における物体Ｆの位置を検知する。

【0053】

例えば、検知部１７が、物体Ｆのｚ方向における位置と合計電流値との関係を示すデータ（第１データ）と、図５に示すような、ｚ方向の任意の位置Ｚごとの、物体Ｆのｙ方向における位置と位相差との関係を示すデータ（第２データ）とを予め記憶している場合、次のようにして物体Ｆの位置を検知できる。すなわち、検知部１７により、第１データに基づいてｚ方向における位置（位置Ｚ）を特定し、次いで、第２データに基づいて物体Ｆのｙ方向における位置を特定する。これにより、ｙ－ｚ面における物体Ｆの位置を正確に検知できる。

【0054】

本実施形態に係る非接触センシング方法によれば、振動板１１にたわみ振動を生じさせる超音波振動子を、第１超音波振動子１２ａおよび第２超音波振動子１２ｂの２つで構成した非接触センサ装置１０Ａを用いるので、部品点数の増大およびコストの増大を招くことなく、非接触で物体Ｆの位置を検知することができる。

【0055】

［第２実施形態］
（非接触センサ装置）
図６に、本発明の第２実施形態に係る非接触センサ装置１０Ｂを示す。非接触センサ装置１０Ｂは、振動板１１の代わりに振動板１１’を備える点と、第１超音波振動子１２ａおよび第２超音波振動子１２ｂの代わりに超音波振動子１２（本発明の「第３超音波振動子」に相当）を備える点とを除いて、第１実施形態と共通の構成である。

【0056】

振動板１１’は、超音波振動子１２の超音波振動によって、たわみ振動が生じるように構成されている。振動板１１’は、ｚ方向における厚みがｙ方向に連続的に変化している。本実施形態では、ｙ方向の一方側の端部（一方端）の厚みが最も大きく、ｙ方向の他方側の端部（他方端）に向かうにつれて厚みが連続的に減少している。

【0057】

超音波振動子１２は、交流電圧が印加されると超音波振動を行い、振動板１１’にたわみ振動を生じさせるよう構成されている。超音波振動子１２は、振動板１１’の一方端側の下部に設けられている。本実施形態では、超音波振動子１２として、ランジュバン型振動子を用いている。なお、超音波振動子１２の位置は、振動板１１’の下部であれば適宜変更できる。

【0058】

駆動部１３は、振動板１１’および超音波振動子１２が共振するように、超音波振動子１２に交流電圧を印加するよう構成されている。

【0059】

情報取得部１４は、超音波振動時に超音波振動子１２に流れる交流電流に関する情報を取得するよう構成されている。情報取得部１４は、位相情報取得部１５および電流値情報取得部１６を含む。位相情報取得部１５は、超音波振動子１２に流れる交流電流の位相情報を取得し、電流値情報取得部１６は、上記交流電流の電流値に関する電流値情報を取得する。

【0060】

検知部１７は、位相情報に基づいてｙ方向における物体Ｆの位置を検知するとともに、電流値情報に基づいてｚ方向における物体Ｆの位置を検知する。

【0061】

本実施形態では、振動板１１’のｚ方向における厚みがｙ方向に連続的に変化しているので、たわみ振動のときに振動板１１’からｚ方向に放射される超音波は、ｙ方向において強度が異なる。このため、物体Ｆを振動板１１’のｙ方向に動かした場合、超音波振動子１２に流れる交流電流の位相は、所定の傾きで変化する。

【0062】

検知部１７は、例えば、物体Ｆのｙ方向における位置と上記位相との関係を示すデータを予め記憶しておくことで、位相情報取得部１５から取得した位相情報に基づいて、物体Ｆのｙ方向における位置を算出できる。

【0063】

また、物体Ｆを振動板１１のｚ方向に動かした場合、超音波振動子１２に流れる交流電流の電流値は、第１実施形態と同様に所定の傾きで（例えば、正弦波状に）変化する。検知部１７は、例えば、物体Ｆのｚ方向における位置と上記電流値との関係を示すデータを予め記憶しておくことで、電流値情報取得部１６から取得した電流値情報に基づいて、物体Ｆのｚ方向における位置を算出できる。

【0064】

本実施形態に係る非接触センサ装置１０Ｂによれば、振動板１１’にたわみ振動を生じさせる超音波振動子を単一の超音波振動子１２で構成しているので、部品点数を削減し、低コスト化を図ることができる。

【0065】

（非接触センシング方法）
次に、本発明の第２実施形態に係る非接触センシング方法について説明する。

【0066】

本実施形態に係る非接触センシング方法は、非接触センサ装置１０Ｂを用いて非接触で物体Ｆの位置を検知する方法であり、第１実施形態と同様に、駆動ステップと、情報取得ステップと、検知ステップとを含む。

【0067】

駆動ステップでは、駆動部１３により超音波振動子１２に交流電圧を印加し、超音波振動子１２に超音波振動を生じさせて、振動板１１’にたわみ振動を生じさせる。

【0068】

情報取得ステップでは、振動板１１’がたわみ振動を行っている状態で、情報取得部１４により、超音波振動子１２に流れる交流電流に関する情報を取得する。具体的には、位相情報取得部１５により、上記交流電流の位相に関する位相情報を取得し、電流値情報取得部１６により、上記交流電流の電流値に関する電流値情報を取得する。

【0069】

検知ステップでは、検知部１７により、振動板１１’に対する物体Ｆの位置を検知する。具体的には、位相情報に基づいてｙ方向における物体Ｆの位置を検知するとともに、電流値情報に基づいてｚ方向における物体Ｆの位置を検知する。

【0070】

本実施形態に係る非接触センシング方法によれば、振動板１１’にたわみ振動を生じさせる超音波振動子を単一の超音波振動子１２で構成した非接触センサ装置１０Ｂを用いるので、部品点数の増大およびコストの増大を招くことなく、非接触で物体Ｆの位置を検知することができる。

【0071】

［変形例］
以上、本発明に係る非接触センサ装置および非接触センシング方法の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

【0072】

本発明に係る非接触センサ装置は、振動板と、振動板にたわみ振動を生じさせる超音波振動子と、超音波振動子に交流電圧を印加する駆動部と、超音波振動子に流れる交流電流の位相情報を取得する位相情報取得部と、振動板に対する物体の位置を検知する検知部と、を備え、検知部は、位相情報に基づいて、たわみ振動の伝搬方向における物体の位置を検知するのであれば、適宜構成を変更できる。

【0073】

本発明に係る非接触センシング方法は、振動板に設けられた超音波振動子に交流電圧を印加し、超音波振動子の超音波振動により振動板にたわみ振動を生じさせる駆動ステップと、超音波振動子に流れる交流電流の位相情報を取得する情報取得ステップと、振動板に対する物体の位置を検知する検知ステップとを含み、検知ステップにおいて、位相情報に基づいて、たわみ振動の伝搬方向における物体の位置を検知するのであれば、適宜構成を変更できる。

【0074】

振動板は、超音波振動子の超音波振動によって、たわみ振動が生じるように構成されているのであれば、材質および／または寸法等は適宜変更できる。振動板は、例えば、ガラス板で構成してもよい。また、振動板には、たわみ振動が生じるのであれば、任意の加工を施してもよい。

【0075】

第２実施形態では、振動板１１’の厚みをｙ方向に連続的に変化させているが、振動板の厚み以外の構成を追加・変更することで、振動板の機械剛性（曲げ剛性）をｙ方向に連続的に変化させてもよい。例えば、振動板に複数の溝を形成し、溝幅比をｙ方向に変化させてもよいし、振動板に複数の穴を形成し、穴のピッチをｙ方向に変化させてもよいし、振動板を複合材料（例えば、金属とガラス）で構成し、その材料比をｙ方向に変化させてもよい。

【0076】

超音波振動子は、ランジュバン型振動子以外のものを用いることができる。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で構成された超音波振動子を、振動板の下面に貼り付けてもよい。超音波振動子の数は、振動板の寸法等に応じて適宜変更できる。

【0077】

第１実施形態において、検知部１７は、電流値情報取得部１６から取得した第１交流電流と第２交流電流との合計電流値に関する電流値情報に基づいて、物体Ｆのｚ方向における位置を算出しているが、第１交流電流または第２交流電流の電流値に関する電流値情報に基づいて、物体Ｆのｚ方向における位置を算出してもよい。

【符号の説明】

【0078】

１０Ａ，１０Ｂ 非接触センサ装置
１１ 振動板
１２ 超音波振動子
１２ａ 第１超音波振動子
１２ｂ 第２超音波振動子
１３ 駆動部
１４ 情報取得部
１５ 位相情報取得部
１６ 電流値情報取得部
１７ 検知部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】