JP4682802B2 - Sensor device and self-propelled robot using the same - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a sensor device used for detecting a distance to an object, an azimuth in which the object exists, and a self-running robot using the sensor device.
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。 Conventionally, as this type of sensor device, for example, a sparse wave is intermittently transmitted into the air from a wave transmission device having a transmission element capable of transmitting a sparse wave such as an ultrasonic wave and reflected by an object. There is known a sensor device that detects a distance to an object and an azimuth in which the object exists based on a time difference until a dense wave is received by a wave receiving element (see, for example, Patent Document 1). Note that this type of sensor device is used as an obstacle detection device that detects obstacles in the field of a self-propelled robot that moves while avoiding obstacles, for example, for applications such as detection of obstacles and human bodies. Has been.
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。
In the sensor device disclosed in
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。
That is, the sensor device disclosed in
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。
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。
However, the sensor device described in
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。 The present invention has been made in view of the above reasons, and its purpose is to provide a sensor device capable of adjusting the detection area with a simpler configuration than before and an obstacle detection area with a simpler configuration than conventional. It is to provide an adjustable self-propelled robot.
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。
The inventions of
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。 According to this invention, the wave transmitting element is composed of a sound wave generating element that generates a sparse wave by applying a thermal shock to the air due to a temperature change of the heat generating part accompanying energization of the heat generating part, and energizes the heat generating part of the wave transmitting element. Since the pulse width of the drive input waveform is variable and has a transmission control unit capable of controlling the directivity of the dense wave generated from the transmission element by controlling the pulse width, the radiation range adjustment member is used. Control of transmission without adjusting the radiation range of the dense wave by adjusting the radiation range of the dense wave or providing a movable mechanism that adjusts the direction of the transmission element and adjusting the direction of the transmission element by the movable mechanism By controlling the pulse width of the drive input waveform energized from the heating part to the heating element of the wave transmitting element, the directivity of the dense wave generated from the wave transmitting element can be changed and the detection area can be adjusted. Detection area with simple configuration It becomes adjustable. In addition, if a switch for instructing to change the pulse width of the drive input waveform is provided, the detection area can be easily adjusted or changed on the spot according to the surrounding conditions at each installation location and the purpose of the user. It becomes possible.
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。
The invention of
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。 According to the present invention, feeding wave control unit causes directivity from the waves element feed has successively changing the pulse width of the drive input waveform as a plurality of types of compressional waves different each is sequentially transmit, the signal processing unit , and detects the object by using the output of the put that received wave element in each wave receiving period defined in accordance with the respective energization timing of each pulse width each drive input waveform, to be capable of setting a plurality of detection areas Become. Moreover, whereas the ultrasonic wave generating device using a conventional piezoelectric element to enhance the sound pressure can radiate compression wave of a continuous wave or a plurality of cycles, with feed wave element, the occurrence period and short sound pressure Can generate a high density of sparse and dense waves, so that the interval between the energization timings of the drive input waveform can be shortened, and each of the sparse and dense waves that are sequentially transmitted from the transmission element and have different directivities and reflected by the object Can be received separately by the receiving element at relatively short time intervals to obtain independent received signals, so that the time resolution can be increased.
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。
Further, in the invention of
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。 According to the present invention, an area where an object exists can be estimated.
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。 Further, in the invention of claim 2, signal processing unit corresponds to the output and the pulse width of the wave receiving devices of each wave receiving period defined in accordance with the respective energization timing of each pulse width each drive input waveform It is characterized by comprising azimuth estimating means for estimating the azimuth in which an object exists based on the relationship with directivity.
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。 According to the present invention, the azimuth in which an object exists can be estimated.
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。 According to a third aspect of the present invention, a plurality of sensor units comprising the sensor device according to the second aspect are arranged on the same plane, and a dense wave transmitted from a wave transmitting element of another sensor unit and reflected by an object is received. It is characterized by comprising a shielding plate that prevents the light from entering the element.
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。 According to the present invention, it is possible to more accurately estimate the azimuth in which an object exists.
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。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a robot main body, traveling means for allowing the robot main body to move, an obstacle detection device mounted on the robot main body for detecting an obstacle, and avoiding an obstacle detected by the obstacle detection device. And a travel control means for controlling the travel means so that the robot body moves, and the sensor device according to any one of
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。 According to the present invention, it becomes possible to adjust the detection area of the obstacle detection device in the self-running robot with a simple configuration as compared with the conventional one, the degree of freedom of the attachment position of the obstacle detection device with respect to the robot body is increased, and the installation work And the load on a self-propelled robot equipped with a complicated control system and drive system can be reduced.
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。 According to the first and second aspects of the present invention, the directivity of the dense wave generated from the transmission element can be changed by controlling the pulse width of the drive input waveform energized from the transmission control unit to the heat generating part of the transmission element. In addition, since the detection area can be adjusted, there is an effect that the detection area can be adjusted with a simpler configuration than in the past.
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。 In the invention of claim 4 , there is an effect that the detection area of the obstacle detection device in the self-propelled robot can be adjusted with a simpler configuration than in the prior art.
(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。
(Reference example)
As shown in FIG. 1, the sensor device of this reference example includes a
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。
In this reference example, a sound wave generating element that generates a dense wave by applying a thermal shock to air as will be described later is used as the
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。
Here, as shown in FIG. 2, the
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。
In the above-described
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。
In the above-described
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。
The
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。
As described above, the
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。
Further, the capacitance type microphone constituting the
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。
In the
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。
By the way, in the above-described
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。
Here, the sound pressure of the dense wave transmitted from the
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。
Similarly, when the directivity of the dense wave transmitted from the
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。
By the way, the
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。
Specifically, as shown in FIG. 6, the
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。
In the
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。
Here, in the sensor device of this reference example , the operation unit of the above-described pulse width switching switches SW1, SW2, SW3 is provided in the sensor device body, and the pulse width switching switch SW1, SW1 is operated by operating the operation unit. SW2 and SW3 can be selectively turned on, and any one of the three charge /
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。
In the above-described charging / discharging
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。
By the way, the above-described
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。
Here, the
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。
In the present reference example, the A /
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。
The
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。
In the sensor device of this reference example described above, the acoustic wave that generates a dense wave by applying a thermal shock to the air due to the temperature change of the
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。 Further, the sensor device of this reference example includes the above-described pulse width switching switches SW1, SW2, SW3 as switches for instructing the change of the pulse width of the drive input waveform, and the pulse width switching switches SW1, SW2, SW3. Since the operation unit can be operated from the outside, it is possible to easily adjust or change the detection area on the spot according to the surrounding situation for each installation location of the sensor device and the purpose of the user. It becomes possible.
(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。
(Embodiment 1 )
Although the basic configuration of the sensor device of the present embodiment is substantially the same as the sensor device of the reference example, the illustration is omitted. However, the energization timing control circuit of the
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。
Further, the
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。
That is, the received signal of the receiving
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。
Here, the
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。
As described above, in the sensor device according to the present embodiment, the
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。
In addition, according to the sensor device of the present embodiment, the ultrasonic pressure generating element using the conventional piezoelectric element increases the sound pressure by radiating a continuous wave or a plurality of cycles of dense waves. Since the generation period can be generated from the
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。
By the way, in the above-mentioned embodiment, the calculating
(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。
(Embodiment 2 )
By the way, in the sensor device provided with the direction estimating means in the
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。
On the other hand, as shown in FIG. 8, the sensor device of the present embodiment includes a plurality (two in the illustrated example) of
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。
In the above-described example, the incident direction of the dense wave reflected by the object Ob by the shielding
(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。
(Embodiment 3 )
As shown in FIG. 9, the self-propelled tobot of the present embodiment includes a robot
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。
By the way, when mounting a conventional sensor device as an obstacle detection means on a self-propelled robot, or when mounting a plurality of ultrasonic sensors with a narrow detection area, the attachment position of the obstacle detection means with respect to the
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。
On the other hand, in the present embodiment, the detection area of the
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。
In the above-described example, the sensor device described in the first embodiment is employed as the
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
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