CN1678133B - 发射装置及声波传感器 - Google Patents

Abstract

发射装置(1)的驱动电路(11)，用包含压电元件(13a)的振动系统达到最强共振的共振频带之外的频带驱动压电元件(13a)。另外，声波传感器的驱动电路(11)，用包含发射接收声波的压电元件的振动系统达到最强共振的共振频带之外的频带驱动压电元件。通过将这样的发射装置装备作为声波传感器的发射装置，实现测量误差小的声波传感器。再有，通过将上述声波传感器使用在自行走车的行走及转向控制上，实现能在边界物的附近停车的自行走车。

Description

发射装置及声波传感器

技术领域

本发明涉及一种使用声波获取关于被检物的存在与否、或者距被检物的距离等信息的发射装置及声波传感器，还涉及一种配备有这种声波传感器的自行走车。 

背景技术

以往公知的超声波传感器，是将超声波向被检物发射的同时，接收来自被检物的反射波，根据发射开始时刻到接收开始时刻之间的时间来测定距被检物的距离。 

作为这类超声波传感器的一种，公知的有具备发射装置和接收装置的超声波传感器。其中，发射装置具备：具备压电元件发射超声波的发射器；驱动压电元件的驱动电路；以及，向驱动电路中输入给定频带的振荡信号的振荡电路。接收装置具备：具备压电元件接收超声波的接收器；根据对应因超声波的作用而产生的压电元件的振动生成的电信号，检测给定频带的超声波的检测电路；以及，根据电信号对信号进行处理，以获取关于被检物的信息的信号处理装置。(例如，参照特开平10-290495公报) 

上述超声波传感器的发射器，具备呈有底筒状、底部作为振动板的容器(case)，振动板的内侧面上连接安装有压电元件。同样驱动电路，根据来自振荡电路的振荡信号给压电元件施加电压，从而使压电元件在给定的共振频带范围内振动。令使压电元件振动的共振频带，为包含压电元件在内的振动系统达到最强共振的共振频带，通过共振引起的振动板的大幅振动使超声波得以被发射出去。 

从发射器发射出的超声波，被被检物反射后由接收器接收。用接收器接收到的超声波被转换成电信号，在信号处理部中通过信号处理，求出距被检物的距离。 

如上所述的以往的超声波传感器，由于从给压电元件施加电压开始到包含压电元件的振动系统稳定共振为止，如图1的时间图所示，需时间T1，故而被发射的超声波声压的上升平缓。 

具体来说，从如图1A的驱动电路的输出波形所示、给发射器施加电压开始，到如图1B的发射器的输出波形所示、包含压电元件的振动系统稳定共振为止，需要时间T1。 

当将这种声压上升平缓的超声波发射后用接收器接收时，实际上从超声波到达接收器的时刻开始、到超声波上升到给定声压的时刻为止，产生了时间延迟。由于判断超声波是否已经接收到，是看根据接收到的超声波的声压变换得到的电信号是否超过了给定的阈值，因此从开始接收超声波的时刻起到超过给定阈值的时刻为止所需要的、如图1C的接收器输入波形所示的时间T2，就成为测量误差。以往的声波传感器存在这样一个问题，即因超声波声压上升平缓而导致测量误差、具体来说就是产生如图1C所示的时间T2无法避免。 

发明内容

本申请的发明人，为了减少作为上述图1C所示的时间T2出现的测量误差，锐意进取，不断努力，进行了多次实验和研究。其结果，当令驱动压电元件的频率与以往相异、处于包含压电元件的振动系统达到最强共振的频带以外时，包含压电元件的振动系统的响应时间缩短，由此，发射的超声波的声压骤然上升。作为其结果，发现如图1C所示的时间T2大幅缩短，即能减小测量误差。 

本发明基于如上见解构建而成，其目的在于，提供一种通过构成为，用包含压电元件的振动系统达到最强共振时的共振频带以外的频带来驱动压电元件，从而提供能令声波的声压骤然上升的发射装置、声波传感器为目的。 

另外，本发明的目的在于，提供一种通过构成为，用包含声波发射、接收共用的压电元件的振动系统达到最强共振时的共振频带以外的频带来驱动压电元件，从而测量误差较小的声波传感器。 

再有，本发明的目的在于，提供一种通过具备上述声波传感器，从而可在被检物附近停车的自行走车。 

第1发明中的发射装置，其特征在于，具备：压电元件；和，驱动上述压电元件发射声波的驱动电路， 

上述驱动电路，用包含上述压电元件的振动系统达到最强共振的共振频率之外的频带驱动上述压电元件。 

本第1发明中的发射装置中，驱动电路给压电元件施加电压，该电压在包含压电元件的振动系统达到最强共振的共振频带以外的频带中变化。由于压电元件因被施加驱动电路产生的电压而发生振动，因此发射声波。然后，通过令对压电元件的驱动，在包含压电元件的振动系统达到最强共振的共振频带以外的频带中进行，从而与用包含压电元件的振动系统达到最强共振的共振频带驱动压电元件时相比，缩短时间，且令声波的声压骤然上升。 

第2发明中的声波传感器，其特征在于，具备： 

发射装置，包括：压电元件；和，驱动上述压电元件发射声波的驱动电路； 

接收装置，包括：接收从被检物反射回来的上述发射装置发射的声波的接收器；以及， 

根据从上述发射装置发射声波的时刻开始、到上述信号接收装置接收到反射波的时刻为止的时间，获取关于上述被检物信息的处理电路， 

上述驱动电路，用包含上述压电元件的振动系统达到最强共振的共振频率以外的频带驱动上述压电元件。 

本第2发明中的声波传感器中，发射装置的驱动电路用包含压电元件的振动系统达到最强共振的共振频带以外的频带来驱动压电元件，从而从发射装置中发射声波。由于到包含压电元件的振动系统达到稳定共振为止的时间，比用包含压电元件的振动系统达到最强共振的共振频带来驱动压电元件时短，因此发射的声波的声压骤然上升。再有，由被检物反射的声波被由接收装置接收后转换为电信号，并被处理用于例如测算距被检物的距离。 

第3发明中的自行走车，其特征在于，具备： 

检出被检物的声波传感器，其包括：发射装置，其具备：压电元件、和用包含上述压电元件的振动系统达到最强共振的共振频率以外的频带驱动上述压电元件发射声波的驱动电路；和，接收装置，其具备：接收从被检物反射回来的、上述发射装置发射的声波的接收器； 

根据从上述发射装置发射声波的时刻开始、到上述信号接收装置接收到反射波的时刻为止的时间，获取关于上述被检物信息的处理电路；以及， 

根据上述处理电路获得的关于上述被检物的信息，实施行走控制和转向控制的控制电路。 

本第3发明中的自行走车中，自行走车从发射装置中发射声波，并用接收装置接收被被检物反射的声波。接收到的声波转换为电信号后被处理，例如测算距被检物的距离。测算得出的距被检物的距离，用作控制自主行走的控制信息之一。 

第4发明中的自行走车，其特征在于：第3发明的自行走车为清扫机，通过上述控制电路的控制，在沿矩形房间内的一对平行相对的两面墙壁的路径上，向着沿另一对平行相对的两面墙壁的方向，以给定的距离间隔，往复行走。 

本第4发明的自行走车中，由于将第3发明的自行走车构成作为清扫机，因此能沿矩形室内一对平行相对的墙壁的路径作往复行走，并进行清扫作业。 

通过第1发明中的发射装置，由于与用包含压电元件的振动系统达到最强共振的共振频带来驱动压电元件时相比缩短了响应时间、声波的声压骤然上升，从而令接收器的输入波形中产生的测量误差减小。 

另外，通过第2发明中的声波传感器，由于接收装置所接收到的声波，从到达接收装置起、至到达给定的声压为止的时间缩短，因此从声波实际到达接收装置起、到超过用于判断为已经检测到的阈值为止的时间也缩短了，因此测量误差较小。 

再有，通过第3发明中的自行走车，由于声波传感器的测量误差减小，能够以较高精度检出距被检物的距离，从而防止因用于停止的控制延迟导 致车身撞上被检物的情况。 

另外还有，通过第4发明中的自行走车，当第3发明的自行走车构成作为清扫机时，由于能够在沿着矩形室内一对平行相对的墙壁的路径上、作往复行走，进行清扫作业，因此能够不留死角地清扫房间的地面，并彻底清扫房间中易残留垃圾的靠近墙壁的部分。 

附图说明

图1A、图1B及图1C是用于说明以往的超声波传感器的动作的时间图。 

图2是表示本发明中的超声波传感器的第1实施例的概要结构的框图。 

图3是表示发射器发射的声波的声压和频率的关系的图表。 

图4A、图4B及图4C是用于说明本发明中的超声波传感器的动作的时间图。 

图5是表示第2实施例的超声波传感器的概要结构的框图。 

图6是表示装备了本发明中的超声波传感器的、作为本发明中的自行走车的一个实施例的自行走式清扫机的概要功能结构的框图。 

图7A，图7B及图7C是表示本发明中的自行走车的行走轨迹的说明图。 

具体实施方式

以下，根据表示具体实施方式的附图对本发明进行详细说明。图2是表示本发明中的超声波传感器的第1实施例的概要结构的框图。 

如图2所示，本发明中的超声波传感器主要由本发明中的发射装置1和接收装置2构成，且还包括信号处理部30。本发明的这种超声波传感器，基本来说构成为：从发射装置1发射声波，此声波由被检物反射后的声波由接收装置2接收，并根据从声波的发射时刻到接收时刻为止的时间、检测出距被检物的距离。 

发射装置1具备定时电路10、驱动电路11、升压电路12、以及发射 器13。定时电路10以给定的时间间隔向驱动电路11输出触发信号。驱动电路11内部具备振荡器11a，将该振荡器11a输出的频率f的振荡信号、与从定时电路10获得的触发信号同步后，只在给定的时间长度向升压电路12输出。升压电路12将从驱动电路获得的振荡信号的电压升压后，向发射器13输出。发射器13对内部具备的压电元件13a、施加升压电路12升压后的电压。压电元件13a根据施加电压的频率f进行振动，发射声波。 

另外，在该第1实施例中，使用了“株式会社日本陶技(NIHONCERATEC.，LTD.)生产的压电蜂鸣器(MR-18)”作为发射器13。图3是表示发射器13发射的声波的声压和频率的关系的图表。 

发射器13，如图3所示，构成为能发射从约100Hz～约100kHz频率的声波。在现有技术中，用共振频带驱动压电元件的发射器具有锐利的频率特性，即在声压最大的共振频带的±5kHz范围外的频带中声压衰减20dB以上。但是，在本发明的第1实施例中，发射器13，如图3所示，在通过令包含压电元件13a的振动系统达到最强共振、使得声压达到最大的共振频带(4.4kHz)的±5kHz的范围之外的频带中，具有声压比共振频带只小十几dB的频带。另外，如图3所示，虽然发射器13在约17kHz、约32kHz、约50kHz中也具有声压变大的频带，但这些声压的大小只与其各自附近的频带相比，仅大十几dB而已，与现有技术中的用共振频带驱动压电元件的发射器相比，具有较平稳的频率特性。 

从上述振荡器11a输出的振荡信号的频率f的值，被设定为位于包含压电元件13a的振动系统达到最强共振的共振频带之外的频率中，具体来说是在50kHz附近。 

接收装置2，具备接收器20、放大器21、带通滤波器(BPF)22、检波电路23、以及比较电路24。从发射装置1的发射器13发射的声波被被检物反射，被反射的声波由接收装置2的接收器20接收。在第1实施例中，使用了“Hosiden株式会社(Hosiden Corporation)”生产的电容式传声器(KUB4223)作为接收器。 

接收器20能够接收从可听域到超声波域(100kHz附近)为止的声波、并转换为电信号。因此，接收器20构成为，接收发射器13发射后被被检 物反射的声波、并转换为电信号。 

接收器20与放大器21相连接。由放大器21放大的、来自接收器20的电信号，通过能让频率为50kHz附近的信号通过的带通滤波器22，输入到检波电路23中。来自检波电路23的输出被输入到比较电路24。比较电路24，对从检波电路23输入的电信号与给定的阈值进行比较，当电信号超过给定阈值时，将脉冲信号作为计时停止信号输出给信号处理部30。 

信号处理部30具备计时器30a，上述定时电路10输出的触发信号被作为计时开始信号输入。信号处理部30测量从计时开始信号(触发信号)输入的时刻起，到上述比较电路24输出的、作为计时停止信号的脉冲信号输入的时刻为止的时间。然后，信号处理电路30，通过将测量结果的时间、乘以传播介质中声波的传播速度，计算出距被检物的距离并输出。 

如上所述，在本发明中的发射装置1中，驱动电路11构成为：用包含压电元件13a的振动系统达到最强共振的共振频带(4.4kHz附近)以外的频带(50kHz附近)，驱动压电元件13a。从而，与用包含压电元件13a的振动系统达到最强共振的频带(4.4kHz附近)驱动压电元件13a的情况相比，如图4的时间图所示，缩短了达到稳定共振的时间T3，发射的声波的声压骤然上升。 

具体来说，从如图4A的驱动电路输出波形所示、给发射器施加电压开始、到如图4B的发射器输出波形所示、包含压电元件的振动系统稳定共振为止的时间T3，与图1B所示的现有技术的时间T1相比大幅缩短。 

在本发明中的超声波传感器中，由于发射上述这种声压骤然上升的声波后用接收器20接收，如图1C所示，由接收器20转换的电信号超过给定阈值为止的时间T4与现有技术相比，也大幅缩短。因此测量距被检物距离时的误差减小。 

再者，在上述第1实施例中，虽然令从振荡器11a输出的振荡信号的频率f的值为50kHz左右，但并不限定于此。从振荡器11a输出的振荡信号的频率f的值，只要在包含压电元件13a的振动系统达到最强共振的共振频带以外的频带内即可。 

另外，在上述第1实施例中，虽然使用了电容式传声器作为接收器20， 但并不限定于此。例如，代替电容式传声器，也可改用具备压电元件、并根据由接收的声波的作用产生的压电元件振动来生成电信号的结构。 

再有，也可构成为：通过在发射器13上安装拢音器(horn)，可对从发射器13发射的声波的指向性进行调整。 

图5是表示本发明中的超声波传感器的第2实施例的概要结构的框图。 

在图5中40是发射接收器，具备压电元件40a。压电元件40a上施加有：根据从驱动电路11的振荡器11a中输出的频率f的振荡信号，从升压电路12中输出的电压。压电元件40a根据从升压电路12获得的施加电压的频率f进行振动、并发射声波。 

另外，发射接收器40接收由被检物反射的声波，并根据由接收到的声波的作用所引起的压电元件40a的振动、生成电信号。生成的电信号和上述第1实施例中相同，通过放大器21和带通滤波器22，输入到检波电路23中。 

其他结构及作用因与第1实施例相同，故给对应的构成要素附上相同的参照符号，并省略对其构造及作用的说明。 

再者，虽然以上第1实施例或第2实施例的超声波传感器，构成为对距被检物距离进行测量，但当然也可构成为检知被检物的存在有否、而非距被检物的距离。 

作为本发明这种超声波传感器的应用形式，例如，可装备于自主行走的自行走车(autonomous traveling vehicle)中。图6是表示作为装备了本发明中的超声波传感器的、本发明中的自行走车的一个实施例的自行走式清扫机的概略功能构成的框图。 

如图6所示5为长方体状的车身。沿车身5的长轴方向(前后方向)，相对的两侧面上分别装备有可自由转动的支撑车轮6R和6L。车身5长轴方向的一端被设定为前端。所以车身5构成为，通过两车轮6R、6L一起正向旋转、向长轴方向的一侧行走(前进)；通过两车轮6R、6L一起逆向旋转、向长轴方向的另一侧行走(后退)。另外，在车身5的下面，设置了50个吸入垃圾的吸尘口。 

车轮6R、6L，分别连接在配置于车身5内部的两个马达60R、60L的转动轴上。因此，当左侧车轮6L正向旋转、右侧车轮6R与之同速逆向旋转时，车身5原地向右转，即所谓超级原地转向(spin turn)。反过来，当左侧车轮6L逆向旋转、右侧车轮6R与之同速正向旋转时，车身5原地向左旋转，即所谓超级原地转向。 

马达60R、60L分别连接在控制部7上，由控制部7进行驱动控制。控制部7上，连接着本发明中的超声波传感器的定时电路10和比较电路24。从而，从定时电路10输出的作为计时开始信号的触发信号、与从比较电路24输出的作为计时停止信号的脉冲信号，一起输入到控制部7中。控制部7具备计时器70，由此计时器70，进行的测量从输入计时开始信号的时刻起、到输入计时停止信号的时刻为止的时间，以及根据将测量出的时间乘以空气中声波的传播速度、来测出距被检物的距离，均与上述本发明的声波传感器相同。 

发射装置1的发射器13和接收装置2的接收器20，配置于车身5的近似正面。从发射器13发射的声波被由位于车身5前进方向上的被检物反射后、由接收器20接收。 

通过上述结构，令自行走式清扫机在由墙壁8a、8b、8c、8d围成的矩形房间80内、如图7的示意图所示进行自主行走。以下作具体说明。 

自行走式清扫机如图7A所示，从房间80的一角(在图7A中为左下部)开始，沿着一面墙壁8a直行(前进)，当行至与前方墙壁8b之间的距离为给定距离(例如2cm)的位置时暂时停止。此时自行走式清扫机与墙壁8b之间的距离，由装备在自行走式清扫机中的本发明中的超声波传感器测出。 

如上述这样暂时停下的自行走式清扫机如图7B所示，在该位置上向右作90度超级原地转向，沿墙壁8b仅直行(前进)车身5宽度的距离后，再次停止。再次停下的自行走式清扫机，再原地向右作90度超级原地转向，向着与墙壁8b相对的墙壁8c，平行于墙壁8a直行(前进)。 

接着，自行走式清扫机，如图7C所示，当行至与前方墙壁8c之间的距离为给定距离(例如2cm)的位置时再次停止，原地向左作90度超级 原地转向。然后，自行走式清扫机沿墙壁8c仅直行(前进)车身5宽度的距离后，再次停止。原地向左作90度超级原地转向，向着与墙壁8c相对立的墙壁8b，平行于墙壁8a直行(前进)。 

自行走式清扫机，通过沿着墙壁8d平行的作S字形持续行走，直到与任一墙壁8b、或8c之间的距离为给定距离(例如2cm)时为止，从而，不留死角地清扫房间80的地面。 

如上所述，本发明中的自行走车装备本发明中的超声波传感器，由于行走中可高精度地测量距墙壁8b、8c的距离，因此能够使车身5在距墙壁8b、8c最近的位置停下。从而，车身5不会撞上墙壁8b、8c，能够彻底清扫房间中容易残留灰尘的接近墙壁8a、8b、8c、8d的部分。 

以上，虽然对本发明中的发射装置1、声波传感器及自行走车，根据实施方式所示结构进行了说明，但是，本发明中的发射装置1、声波传感器及自行走车的结构不限定于实施方式所示的结构，在不脱离本发明宗旨的范围内，可进行追加、变更及删除。 

Claims (2)

1.一种发射装置，其特征在于，具备：压电元件；和，驱动上述压电元件发射声波的驱动电路，

上述驱动电路，用包含上述压电元件的振动系统达到最强共振的共振频率之外的频带驱动上述压电元件，

上述频带为10kHz～100kHz。

2.一种声波传感器，其特征在于，具备：

发射装置，包括：压电元件；和，驱动上述压电元件发射声波的驱动电路；

接收装置，包括：接收从被检物反射回来的上述发射装置发射的声波的接收器；以及，

根据从上述发射装置发射声波的时刻开始、到上述信号接收装置接收到反射波的时刻为止的时间，获取关于上述被检物信息的处理电路，

上述驱动电路，用包含上述压电元件的振动系统达到最强共振的共振频率以外的频带驱动上述压电元件，

上述频带为10kHz～100kHz。

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