CN101836127B - 结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置 - Google Patents

结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置 Download PDF

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Abstract

本发明揭露一种结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置，其中该超声波感测装置包括传动装置、喇叭型结构及超声波收发元件。该喇叭型结构是以一螺旋齿轮螺接于传动装置，而超声波收发元件则位螺旋齿轮末端。当传动装置移动该喇叭型结构于第一位置时，则超声波收发元件是应用做为异动侦测或进行开/关控制；而当传动装置移动喇叭型结构于第二位置时，则超声波感测元件是应用做为飞行时间量测，并将之转换为数字信号以进行控制。

Description

结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置
技术领域
本发明是有关于一种结合可调整喇叭型结构的超声波收发装置，且特别是有关于应用于照明系统的超声波收发装置。
背景技术
目前市面上所贩售的感应灯或开关，大多数是利用红外线(Infrared，IR)侦测器、微波(Microwave)或超声波收发(U1trasonic transceiver)元件侦测是否有物体的移动来达成感应灯或开关的控制。红外线或微波感测装置，虽然设计方便、成本低廉，但其仅能提供开/关(On/Off)的控制。而超声波收发元件，除具备开/关(On/Off)判断的功能外，其可利用超声波于各种介质中的速度与飞行时间(Time-Of-Flight，TOF)计算出障碍物与超声波感测元件的相对距离的特性，则被广泛运用于物体检测及距离判定上。
例USP 4305021，其利用微波元件侦测是否有物体进入侦测范围，并利用光感应元件侦测周遭环境亮度来控制灯光系统的开(ON)或关(OFF)。亦即当有物体进入侦测范围且周遭环境亮度低于某设定值时，则启动灯光。
而，USP 4551654则是利用超声波收发元件侦测在超声波频率(ultrasonicfrequency)下物体移动所造成电磁能量(electromagnetic energy)的变化控制灯光系统的启动及关闭。USP 7027355则是利用超声波收发元件侦测计算在一监视区域(monitored zone)中物体的移动或位移距离(displacement)。
综上所述，可知超声波收发元件可应用来做开/关判断或计算检测物的距离。针对超声波感测元件的运用结构及工作原理兹进一步叙述如下：
请参考图1，其绘示利用超声波收发元件做开/关判断时所用的电路结构。其中发射电路11及接收电路12是置于相对方向。工作原理在于利用发射电路11发出的超声波信号，碰到障碍物13后反射或无法透射，使得接收电路12无法接收到超声波信号或可以接收到超声波信号，而造成准位的变化。现今防盗器、客人来访通报器大多是利用此电路结构的应用。
请参考图2，其所绘示为利用超声波收发元件做距离判定时所用的电路结构。其中发射电路21及接收电路22是置于同一方向。工作原理则是由发射电路21发射出去的超声波信号遇到障碍物23反射回到接收电路22所经历的飞行时间来作距离远近的计算。此种利用超声波在介质中的速度与传递时间计算出距离远近的应用，其介质并不限定是空气，在液体或固体中也可以应用。代表性的应用如水深测定、水位测定或金属表面与损伤处之间距离测定。
本发明的背景技术即是利用超声波的特性，将所量测到代表障碍物至超声波收发元件相对距离变化的飞行时间转换为数字控制信号，进行控制照明系统的明暗或颜色，以提供一成本低廉且可靠的遥控装置。
另外，在设计超声波收发元件的控制应用时需注意其指向性(directionality)的明确度。超声波收发元件的指向性取决于其半值角(beam angle)大小。半值角愈小，其指向性愈明确，接收器所侦测到的反射信号(echo signal)愈强，但涵盖范围愈小。若超声波收发元件应用做距离测定时，则应设计使得超声波收发元件的指向性较为明确。接收器所侦测到的信号愈强也较有利后续信号的处理以及距离的计算。反之，半值角愈大，其指向性愈不明确，接收器所侦测到的信号愈弱，但涵盖范围愈大。若超声波收发元件应用做开/关控制时，则应设计使得超声波收发元件的指向性较不明确。如此一来，超声波收发元件的涵盖范围较大，比较适合做开/关控制的应用。
而在已知技术中，欲改变半值角的大小，一般会外加一喇叭型结构(Horn)，来局限其指向特性。例如US 3516384，将超声波装置装设于汽车上面，利用动物可听到超声波的特性，避免车行于马路上时撞到动物。该发明并强调该超声波装置前端有加装一喇叭型结构装置，以增强其指向特性。而US 5110403则提出如何设计喇叭型结构以增强其超声波传递的效率。
综观以上的已知技术，超声波收发元件实具有侦测异动与距离变化的双重优点。所以如果照明系统欲使用超声波收发元件来达成异动侦测并进行开/关控制，进而当照明系统点亮时进行颜色及明暗的控制，则需要至少两个超声波收发元件以上的配置。其中一个超声波收发元件负责侦测(即控制照明系统的开/关)，另一个超声波收发元件则负责感应相对距离变化(即照明系统的颜色及明暗的调整)。然而此种照明系统的配置方式需要较高的成本且灯具设计的空间运用也会容易受限。是故，如何改善照明系统使用超声波收发元件的配置方式以及提高照明系统设计的空间运用是将是本发明的重点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置，有效改善照明系统使用超声波收发元件的配置方式以及提高照明系统设计的空间运用。
本发明提出一种结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置，其中该超声波感测装置包括传动装置、喇叭型结构及超声波收发元件。该喇叭型结构是以一螺旋齿轮螺接于该传动装置，而超声波收发元件则位于螺旋齿轮末端。当该传动装置移动该喇叭型结构至第一位置时，则该超声波收发元件是应用做为异动侦测或进行开/关控制；而当该传动装置移动该喇叭型结构至第二位置时，该超声波收发元件是应用做为飞行时间量测，并将之转换为数字信号以进行控制。
根据上述构想，本发明的结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置，其中当传动装置移动喇叭型结构至第一位置，该超声波收发元件的半值角为第一角度，其可应用做为异动侦测或进行开/关控制。
根据上述构想，本发明的结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置，其中当传动装置移动该喇叭型结构至第二位置，该超声波收发元件的半值角为第二角度时，其可应用做为飞行时间量测，并将之转换为数字信号以进行控制。
根据上述构想，本发明的结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置，其中第一角度是大于第二角度。
附图说明
为了使审查员能更进一步了解本发明特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附附图仅提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制，其中：
图1所绘示利用超声波收发感元件做开/关判断时所用的电路结构。
图2所绘示为利用超声波收发元件做距离判定时所用的电路结构。
图3所绘示为本发明在不同角度的喇叭型结构下的超声波感测装置。
图4所绘示为本发明第一实施例的超声波感测装置。
图5所绘示为本发明另一实施例的超声波感测装置。
图6所绘示为本发明第一实施例的超声波感测装置应用在照明系统的控制流程图。
具体实施方式
在照明系统中，若想利用超声波收发元件同时做为异动侦测以进行开/关控制以及做为距离侦测以调整颜色或明暗的控制时，通常都需要两个以上的超声波收发元件才能达到双重功效。然上述照明系统的配置方式需要较高的成本且灯具设计的空间运用也容易受限。为了改善上述问题，本发明提出一种用于照明系统中的超声波感测装置。
请参考图3，其所绘示为本发明在不同角度的喇叭型结构下的超声波感测装置。当喇叭型结构31的角度较大如图3(a)所示，则超声波收发元件32的指向性较不明确，也因此超声波收发元件32的侦测范围也较大。此时超声波收发元件32可应用做为异动侦测或照明系统的启动信号。所以当可调整喇叭型结构31调整其角度使得超声波收发元件32其半值角为第一角度(angle 1)如图3(a)所示，则此时超声波收发元件32进入侦测模式。进入侦测模式的超声波收发元件32其作用就类似红外线感应开关，专责照明系统的开/关控制。
然而当照明系统(即灯具)被启动后，调整缩小喇叭型结构31的角度如图3(b)所示。此时超声波收发元件32的指向性转为明确，侦测范围虽然缩小，然而接收器所侦测到的反射信号变强。此时超声波收发元件32则可应用调整照明系统的颜色及明暗，亦即根据侦测物与超声波收发元件32的相对距离所产生的飞行时间变化转换为数字信号达成控制的效果。所以当可调整喇叭型结构31调整其角度使得超声波收发元件32其半值角为第二角度(angle 2)如图3(b)所示，则此时超声波收发元件32进入控制模式。亦即照明系统进入待命状态，准备接受后续控制命令。当照明系统(灯具)关闭后，调整喇叭型结构31的角度回复初始值如图3(a)所示，再度进入侦测模式以伺照明系统下一次的启动。
根据本发明提出的结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置，其可仅使用单一超声波收发元件而具有感应开关及数字控制的双重功效。以下将详述本发明结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置的实施例及其方法。
请参考图4，其所绘示为本发明第一实施例的超声波感测装置。其中该喇叭型结构41是与传动装置42以螺旋齿轮(helical gear)43螺接，而超声波收发元件44则位于螺旋齿轮43末端。当传动装置42驱动时，此喇叭型结构41根据螺旋齿轮43被传动装置42转动的方向而上下移动如图中所标示方向45所示。
当喇叭型结构41被移动至第一位置(position 1)时，此时超声波收发元件44的半值角比较不会受到喇叭型结构41影响，其指向性也就较不明确。然而此时超声波收发元件44的侦测范围46是最大，最适合应用做为感应开/关。而当传动装置42移动喇叭型结构41至第二位置(position 2)时，超声波收发元件44其半值角因受到喇叭型结构41影响，其指向性变为明确。虽此时超声波收发元件44的侦测范围47较侦测范围46小，但接收信号的强度却增强，此时最适合应用做为照明系统的数字控制，例如调整照明系统的颜色或明暗。
因此，利用传动装置42与喇叭型结构41的螺接，即可移动喇叭型结构41的位置进而造成喇叭型结构41与超声波收发元件44的相对位置改变。超声波收发元件44的半值角(亦即超声波收发元件的指向性)也随着喇叭型结构41与超声波收发元件44的相对位置改变而变化，进而达到感应开/关及数字控制两种模式可切换的效果。
请参考图5，其所绘示则为本发明另一实施例的超声波感测装置。其与第一实施例最大的不同在于其喇叭型结构是为多片叶片结构51所组成。该些叶片结构可由传动装置(如马达，图中未绘示)带动控制其张开的角度。当传动装置带动该些叶片结构51使其张开角度为第三角度如图5(a)所示时，超声波收发元件的半值角是为第一角度，适合应用做为感应开/关。而当传动装置带动该些叶片结构51使其张开角度为第四角度如图5(b)所示时，超声波收发元件其半值角因受到该些叶片结构51影响缩小成第二角度。超声波收发元件的指向性变为明确，接收信号的强度亦增强，此时超声波收发元件是应用做为照明系统的数字控制，例如调整照明系统的颜色或明暗。
接着，请参照图6，其所绘示为本发明第一实施例的超声波感测装置应用在照明系统的控制流程图。
步骤61：照明系统进入侦测模式(detection mode)。
步骤62：移动喇叭型结构至第一位置(position 1)。
步骤63：等待照明系统的感应开关被启动(enable)。
步骤64：判断照明系统的感应开关是否被启动？若是，进行步骤65；若否，进行步骤63。
步骤65：照明系统进入控制模式(control mode)。
步骤66：移动喇叭型结构至第二位置(position 2)。
步骤67：判断照明系统是否需进入侦测模式？若是，进行步骤62；若否，进行步骤68。
步骤68：照明系统等待控制命令。
首先，进行步骤61及步骤62：照明系统进入侦测模式，移动喇叭型结构至第一位置(first position)。
照明系统初始被设定在侦测模式，所以其中喇叭型结构需被移动至第一位置。如此一来，照明系统中的超声波收发元件其指向性转为不明确，侦测范围变广，此时超声波收发元件的作用是为开/关控制，进而做为照明系统的感应开关。
然后，进行步骤63及步骤64：等待照明系统的感应开关被启动(enable)，并判断照明系统的感应开关是否被启动？若是，进行步骤65；若否，进行步骤63。
因在之前步骤61及步骤62已将照明系统中的超声波收发元件应用为一感应开关。所以在步骤63及步骤64即判断照明系统的感应开关是否被启动。若感应开关未被启动，即表示照明系统并未被开启(OFF)。此时照明系统会继续等待感应开关被启动。若感应开关被启动，即表示照明系统被点亮(ON)，照明系统则开始进行步骤65。
接着进行步骤65及步骤66：照明系统进入控制模式，移动喇叭型结构至第二位置(second position)。
当照明系统进入控制模式时，其中喇叭型结构需被移动至第二位置。如此一来，照明系统中的超声波收发元件其指向性转为明确，侦测范围变小但侦测信号的强度增强，此时超声波收发元件的作用是为量测侦测物(例如手势)的飞行时间变化，进而控制照明系统的明暗或颜色。
最后，进行步骤67及步骤68：判断照明系统是否需进入侦测模式？若不需进入侦测模式，则照明系统等待控制命令。
因在步骤65及步骤66已移动喇叭型结构为第二位置，此时超声波收发元件是应用来控制照明系统的颜色或明暗。然在等待照明系统的控制命令之前，应先判断照明系统是否需要进入侦测模式，亦即控制照明系统的使用者是否欲关闭照明系统。若是，则照明系统的灯光被关闭，喇叭型结构亦被移动至第一位置(步骤62)，等待感应开关被启动再继续进行后续步骤。
而在步骤67若判断不需进入侦测模式时，则照明系统等待控制命令。当超声波收发元件感测到侦测物的飞行时间变化，例如手势的变化所造成的距离差异，照明系统会将飞行时间变化转换为数字控制信号来调整照明系统的颜色或明暗。
需注意的是，当照明系统在控制模式下时，使用者随时可以发出命令使得此照明系统的灯光被关闭并回到侦测模式。如此一来，本发明利用一超声波收发元件其结合可调整喇叭型结构即可达到感应开关及遂行数字控制的双重功效。
因此，本发明的优点是在于将超声波收发元件结合可调整喇叭型结构的设计，同时运用于异动侦测与遂行数字控制的用途，有效节省成本与灯具设计时的空间运用。本发明依据不同的使用目的或状况，改变喇叭型结构的位置或张开角度来调整超声波感测元件的信号强度与侦测范围，进而达成异动侦测与遂行数字控制的双重用途。
虽本发明在实施例中仅提及应用在照明系统的超声波感测装置，但并不局限该超声波感测装置的应用范围。只要是需要异动侦测与遂行数字控制双重用途的系统皆可采用本发明的超声波感测装置。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视本发明的权利要求范围所界定的为准。

Claims (12)

1.一种结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置，其特征在于，其中该超声波感测装置包含：
一传动装置；
一喇叭型结构，其中该喇叭型结构是以一螺旋齿轮螺接于该传动装置，且可沿着螺旋齿轮移动；
一超声波收发元件，其位于该螺旋齿轮末端；
其中当该传动装置移动该喇叭型结构至第一位置时，则该超声波收发元件具有一第一侦测范围；而当该传动装置移动该喇叭型结构至第二位置时，该超声波感测元件具有一第二侦测范围，其中该第一侦测范围大于该第二侦测范围，
其中当该喇叭型结构位于第二位置时，该超声波收发元件位于该喇叭型结构内并远离该喇叭型结构开口的位置；当该喇叭型结构位于第一位置时，该超声波收发元件位于靠近该喇叭型结构开口的位置。
2.如权利要求1所述的结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置，其特征在于，其中当该超声波感测元件的侦测范围为该第一侦测范围时，其应用做为开/关控制。
3.如权利要求1所述的结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置，其特征在于，其中当该超声波感测元件的侦测范围为该第二侦测范围时，其应用做为数字控制。
4.一种结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置，其特征在于，其中该超声波感测装置包含：
一传动装置；
一喇叭型结构，其中该喇叭型结构是由多数个叶片结构所组成，并以一螺旋齿轮螺接于该传动装置；
一超声波收发元件，其位于该螺旋齿轮末端；
其中当该传动装置带动该些叶片结构使其张开角度为第三角度时，则该超声波感测元件具有一第一侦测范围；而当该传动装置带动该些叶片结构使其张开角度为第四角度时，该超声波感测元件具有一第二侦测范围，其中该第一侦测范围大于该第二侦测范围。
5.如权利要求4所述的结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置，其特征在于，其中当该超声波感测元件的侦测范围为该第一侦测范围时，其应用做为开/关控制。
6.如权利要求4所述的结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置，其特征在于，其中当该超声波感测元件的侦测范围为该第二侦测范围时，其应用做为数字控制。
7.一种结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置应用在照明系统的控制方法，其中该超声波感测装置包括传动装置、喇叭型结构及超声波收发元件，其特征在于，其控制方法包括：
控制该传动装置移动该喇叭型结构至第一位置，使得该照明系统进入一侦测模式；
判断该照明系统在该侦测模式时是否被启动；以及
若该照明系统被启动，则控制该传动装置移动该喇叭型结构至第二位置，使得该照明系统进入一控制模式，
其中当该喇叭型结构位于第二位置时，该超声波收发元件位于该喇叭型结构内并远离该喇叭型结构开口的位置；当该喇叭型结构位于第一位置时，该超声波收发元件位于靠近该喇叭型结构开口的位置。
8.如权利要求7所述的结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置应用在照明系统的控制方法，其特征在于，其中还包括：
若该照明系统没有在侦测模式被启动，则持续等待被启动。
9.如权利要求7所述的结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置应用在照明系统的控制方法，其特征在于，其中还包括：
当该照明系统在控制模式时，若使用者关闭该照明系统，则控制该传动装置移动该喇叭型结构至第一位置，使得该照明系统进入侦测模式。
10.如权利要求7所述的结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置应用在照明系统的控制方法，其特征在于，其中当传动装置移动该喇叭型结构至第一位置，该超声波感测元件的半值角为第一角度时，其应用做为开/关控制。
11.如权利要求10所述的结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置应用在照明系统的控制方法，其特征在于，其中当传动装置移动该喇叭型结构至第二位置，该超声波感测元件的半值角为第二角度时，其应用做为数字控制。
12.如权利要求11所述的结合可调整喇叭型结构的超声波感测装置应用在照明系统的控制方法，其特征在于，其中该第一角度是大于该第二角度。
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