JP2005291798A - 発信装置、音波センサ及び自走車 - Google Patents

Abstract

【課題】 音波の音圧の立ち上がりを急峻にすることが可能な発信装置の提供、計測誤差が小さい音波センサの提供、及び境界物の近傍で停車することが可能な自走車の提供。
【解決手段】 発信装置１の駆動回路１１を、圧電素子１３ａを含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域と異なる周波数帯域にて圧電素子１３ａを駆動するようにした。また、音波センサの駆動回路１１を、音波を発信、受信する圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域と異なる周波数帯域にて圧電素子を駆動するようにした。また音波センサの発信装置１を前述の発信装置１にした。さらに自走車に前述の音波センサを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、音波によって被検出物の有無、又は被検出物までの距離等の情報を得るための発信装置及び音波センサ、並びにこの音波センサを備える自走車に関する。

従来、超音波を被検出物に向けて発信すると共に、被検出物からの反射波を受信し、発信の開始から受信の開始までの時間に基づいて被検出物までの距離を測定する超音波センサがある。

このような超音波センサの一種として、圧電素子を備えて超音波を発信する発信器、圧電素子を駆動する駆動回路、及び駆動回路に所定の周波数帯域の発振信号を入力する発振回路を有する発信装置と、圧電素子を備えて超音波を受信する受信器、超音波の作用による圧電素子の振動に応じて生成される電気信号に基づいて所定の周波数帯域の超音波を検知する検知回路、及び電気信号に基づいて被検出物に関する情報を得るための処理を行う信号処理部を有する受信装置とを備える超音波センサがある（例えば、特許文献１参照。）。

前述の発信器は、有底筒状をなして底部を振動板としたケースを備え、振動板の内面には圧電素子を接着してある。駆動回路は、発振回路からの発振信号に基づいて圧電素子に電圧を印加し、圧電素子を所定の共振周波数帯域で振動させる。圧電素子を振動させる共振周波数帯域は、圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域とされ、共振による振動板の大振幅をもって超音波が発信される。

発信器から発信された超音波は、被検出物で反射されて受信器にて受信される。受信器で受信された超音波は電気信号に変換され、信号処理部による信号処理で被検出物までの距離が求められる。
特開平１０−２９０４９５号公報

従来の超音波センサは、圧電素子に電圧を印加してから圧電素子を含む振動系が安定して共振するまでには、図７に示したように、時間Ｔ１を必要とするから、発信する超音波の音圧の立ち上がりが緩やかとなる。

このような音圧の立ち上がりが緩やかな超音波を発信して受信器で受信するから、実際に超音波が受信器に到達してから超音波が所定の音圧に到達するまでに時間遅れが生じる。超音波を受信したか否かの判断は、超音波の音圧に応じて変換された電気信号が所定の閾値を超えたか否かで判断するように構成してあるから、超音波を受信し始めてから所定の閾値を超えるまでの時間Ｔ２は計測誤差となる。従来の音波センサは、この時間Ｔ２に起因する計測誤差が不可避であるという問題があった。

本発明の発明者らは、時間Ｔ２に起因する計測誤差を低減すべく鋭意努力して実験及び検討を重ねた。その結果、圧電素子を駆動する周波数を、圧電素子を含む振動系が最も強く共振する周波数帯域と異ならせることにより、圧電素子を含む振動系の応答時間が短く、発信する超音波の音圧の立ち上がりが急峻になり、時間Ｔ２が大幅に短縮して計測誤差を低減できることを見出した。

本発明は斯かる知見に基づいてなされたものであり、圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域以外の周波数帯域で圧電素子を駆動するように構成することにより、音波の音圧の立ち上がりを急峻にすることが可能な発信装置、音波センサを提供することを目的とする。

また本発明は、音波の発信、受信を共用する圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域以外の周波数帯域で圧電素子を駆動するように構成することにより、計測誤差が小さい音波センサを提供することを目的とする。

さらに本発明は、自走車に前述の音波センサを備えることにより、例えば被検出物の近傍で停車することが可能な自走車を提供することを目的とする。

第１発明に係る発信装置は、圧電素子を駆動回路で駆動して音波を発信する発信装置において、前記駆動回路は、前記圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域と異なる周波数帯域で前記圧電素子を駆動すべくなしてあることを特徴とする。

第１発明においては、駆動回路は、圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域と異なる周波数帯域で変動する電圧を圧電素子に印加する。圧電素子は駆動回路による電圧の印加によって振動し、音波が発信される。圧電素子の駆動を、圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域と異なる周波数帯域で行うから、圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域で圧電素子を駆動する場合に対して応答時間が短く、音波の音圧の立ち上がりが急峻になる。

第２発明に係る音波センサは、発信装置から音波を発信し、被検出物で反射した音波を受信装置で受信して前記被検出物に関する情報を得る音波センサにおいて、前記発信装置は、第１発明に記載された発信装置であることを特徴とする。

第２発明においては、発信装置の駆動回路は、圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域と異なる周波数帯域で圧電素子を駆動し、発信装置から音波が発信される。圧電素子を含む振動系の安定して共振するまでの時間は、圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域で圧電素子を駆動する場合より短く、発信する音波の音圧の立ち上がりが急峻になる。被検出物で反射した音波は、受信装置で受信して電気信号に変換し、例えば被検出物までの距離を検出するように電気信号を処理する。

第３発明に係る音波センサは、圧電素子を駆動回路で駆動して音波を発信し、被検出物で反射した音波を前記圧電素子で受信して前記被検出物に関する情報を得る音波センサにおいて、前記駆動回路は、前記圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域と異なる周波数帯域で前記圧電素子を駆動すべくなしてあることを特徴とする。

第３発明においては、駆動回路は、圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域と異なる周波数帯域で変動する電圧を圧電素子に印加し、電圧を印加された圧電素子は振動して音波が発信される。圧電素子を含む振動系の安定して共振するまでの時間は、圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域で圧電素子を駆動する場合より短く、発信する音波の音圧の立ち上がりが急峻になる。発信した音波は、被検出物で反射して圧電素子に到達し、圧電素子を振動させる。圧電素子の振動に応じて電気信号が生成され、生成された電気信号に基づいて音波が検知されると共に、生成された電気信号に基づいて被検出物に関する情報を得るための処理を行う。

第４発明に係る自走車は、被検出物を検出する音波センサを備え、該音波センサからの情報に基づいて発停，操向制御を行う自走車において、前記音波センサは、第２発明又は第３発明に記載された音波センサであることを特徴とする。

第４発明においては、自走車は、発信装置から音波を発信し、被検出物で反射した音波を受信装置で受信する。受信した音波は電気信号に変換されて処理され、例えば被検出物までの距離が計測される。計測された被検出物までの距離は、自律走行を制御する制御情報の一つとして扱われる。

第１発明に係る発信装置においては、駆動回路は、圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域と異なる周波数帯域で圧電素子を駆動するように構成したから、圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域で圧電素子を駆動する場合に対して応答時間が短くなり、音波の音圧の立ち上がりが急峻になる。

また、第２発明に係る音波センサにおいては、発信装置を第１発明の発信装置としたから、圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域で圧電素子を駆動する場合に対して、発信する音波が所定の音圧になるまでの時間が短い。従って、受信装置に受信される音波も、受信装置に到達してから所定の音圧になるまでの時間が短いから、実際に音波が受信装置に到達してから検知したと判断するための閾値を超えるまでの時間が短く、計測誤差を小さくすることができる。

また、第３発明に係る音波センサにおいては、音波の発信、受信を共用する圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域と異なる周波数帯域で圧電素子を駆動するように構成したから、音圧の立ち上がりが急峻な音波を発信することができる。このような音波を圧電素子で受信するから、実際に音波が圧電素子に到達してから検知したと判断するための閾値を超えるまでの時間が短く、計測誤差を小さくすることができる。

さらに、第４発明に係る自走車においては、第２発明又は第３発明の音波センサを備えたから、音波センサの計測誤差が小さく、被検出物までの距離を精度良く検出することができる。従って、停止するための制御が遅れて車体が被検出物に衝突するということを防止することができる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は実施の形態１の超音波センサの概略構成を示すブロック図である。

図において１は本発明に係る発信装置、２は受信装置であり、本発明に係る超音波センサは、発信装置１から音波を発信すると共に、被検出物で反射した音波を受信装置２で受信し、発信から受信までの時間に基づいて被検出物までの距離を検出するように構成してある。

発信装置１はタイミング回路１０を備え、タイミング回路１０は、所定の時間間隔でトリガ信号を駆動回路１１に出力する。駆動回路１１は、発振器１１ａを備え、発振器１１ａが出力する周波数ｆの発振信号を、トリガ信号に同期して所定の時間幅だけ昇圧回路１２に出力する。昇圧回路１２は、入力された発振信号の電圧を昇圧し、発信器１３が備える圧電素子１３ａに昇圧した電圧を印加する。圧電素子１３ａは、印加電圧の周波数ｆに応じて振動し、音波を発信する。

本実施の形態では、発信器１３として「株式会社日本セラテック製 圧電ブザー（ＭＲ−１８）」を用いた。図２は発信器１３が発信する音波の音圧と周波数との関係を示すグラフである。

発信器１３は、図２に示すように、１００Ｈｚ付近〜１００ｋＨｚ付近までの音波を発信することが可能に構成してある。従来の共振周波数帯域で圧電素子を駆動する発信器は、音圧が最も大きくなる共振周波数帯域の±５ｋＨｚ内以外の周波数帯域で音圧が２０ｄＢ以上減衰する鋭利な周波数特性を有するように構成してあるが、本実施の形態で用いる発信器１３は、図２に示すように、圧電素子１３ａを含む振動系が最も強く共振して音圧が最も大きくなる共振周波数帯域（４．４ｋＨｚ）の±５ｋＨｚ内以外の周波数帯域に１０数ｄＢ音圧が小さい周波数帯域を有する。また、図２に示すように、発信器１３は、約１７ｋＨｚ、約３２ｋＨｚ、約５０ｋＨｚにも音圧が大きくなる周波数帯域を有するが、これらの音圧の大きさは、他の周波数帯域に比べて１０数ｄＢ大きくなる程度であり、従来の共振周波数帯域で圧電素子を駆動する発信器に比べてなだらかな周波数特性を有するように構成してある。

前述の発振器１１ａから出力される発振信号の周波数ｆの値は、圧電素子１３ａを含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域から外れた周波数ｆとされ、具体的には５０ｋＨｚ付近としてある。

発信装置１の発信器１３から発信された音波は被検出物で反射され、反射された音波は受信装置２の受信器２０で受信される。本実施の形態では、受信器２０として「ホシデン株式会社製 コンデンサーマイクロホン（ＫＵＢ４２２３）」を用いた。

受信器２０は、可聴域から超音波域（１００ｋＨｚ付近）までの音波を受信して電気信号に変換することができるように構成され、発信器１３が発信して被検出物で反射した音波を受信して電気信号に変換するように構成してある。

受信器２０にはアンプ２１が接続され、アンプ２１で増幅された受信器２０からの電気信号を、周波数が５０ｋＨｚ付近の信号を通過させるバンドパスフィルタ２２を通して検波回路２３に入力し、検波回路２３からの出力を比較回路２４に入力するように構成してある。比較回路２４は、検波回路２３から入力された電気信号と所定の閾値とを比較し、電気信号が所定の閾値を超えた場合にパルス信号を信号処理部３０に出力するように構成してある。

信号処理部３０は、タイマ３０ａを備え、トリガ信号を計時開始信号として前述のタイミング回路１０から入力されるように構成してある。信号処理部３０は、計時開始信号が入力されたときから計時停止信号としてのパルス信号が入力されるまでの時間を計測し、計測した時間を伝搬媒体中における音波の伝搬速度に乗じて被検出物までの距離を検出して出力する。

本発明に係る発信装置１においては、駆動回路１１は、圧電素子１３ａを含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域（４．４ｋＨｚ付近）と異なる周波数帯域（５０ｋＨｚ付近）にて圧電素子１３ａを駆動するように構成してあるから、図３に示すように、圧電素子１３ａを含む振動系が最も強く共振する周波数帯域（４．４ｋＨｚ付近）で圧電素子１３ａを駆動する場合に対して、安定して共振するまでの時間Ｔ３が短く、発信する音波の音圧の立ち上がりが急峻になる。

このような音圧の立ち上がりが急峻な音波を発信し、受信器２０で受信するから、本発明に係る超音波センサは、受信器２０で変換された電気信号が所定の閾値を超えるまでの時間Ｔ４が短くなり、被検出物までの距離を計測する場合の誤差を小さくできる。

なお、前述した実施の形態では、発振器１１ａから出力される発振信号の周波数ｆの値を５０ｋＨｚ付近としたが、発振器１１ａから出力される発振信号の周波数ｆの値は、５０ｋＨｚ付近に限定されず、圧電素子１３ａを含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域と異なる周波数帯域であればよい。

また、前述した実施の形態では、受信器２０にコンデンサーマイクロホンを用いたが、受信器２０は、コンデンサーマイクロホンに限らず、例えば、圧電素子を備え、受信した音波の作用による圧電素子の振動に応じて電気信号を生成するものを用いることが可能である。

さらに、発信器１３にホーンを装着し、発信器１３から発信される音波の指向特性を調整するように構成することも可能である。

図４は、実施の形態２の超音波センサの概略構成を示すブロック図である。

図において４０は受発信器であり、受発信器４０は、圧電素子４０ａを備えている。圧電素子４０ａには、発信器１１ａから出力される周波数ｆの発振信号に応じた昇圧回路１２からの電圧が印加され、圧電素子４０ａは、印加電圧の周波数ｆに応じて振動し、音波を発信する。

また、受発信器４０は、被検出物で反射した音波を受信し、受信した音波の作用による圧電素子４０ａの振動に応じて電気信号を生成する。生成された電気信号は、アンプ２１及びバンドパスフィルタ２２を介して検波回路２３に入力される。

その他の構成及び作用は、実施の形態１と同様のため、対応する構成部材に同一の参照符号を付し、その構成及び作用の説明を省略する。

なお、実施の形態１又は実施の形態２の超音波センサは、被検出物までの距離を計測するように構成したが、本発明に係る超音波センサが計測、検知するものは、被検出物までの距離に限定されず、例えば、被検出物の存否を検知する構成にしてもよいことは、言うまでもない。

以上で説明した超音波センサは、例えば、自律走行する自走車に装備される。図５は、本発明に係る自走車を自走式掃除機として構成した場合の概略構成を示した模式図である。

図において５は直方体状の車体であり、車体５の長手方向に延びて互いに対向する２つの側面には、夫々車輪６Ｒ，６Ｌが配設され、車輪６Ｒ，６Ｌは回動自在に支持されている。車体５は、長手方向の一側が前側として設定され、車輪６Ｒ，６Ｌ双方が正回転することにより長手方向の一側へ前進し、車輪６Ｒ，６Ｌ双方が逆回転することにより長手方向の他側へ後退するように構成されている。また、車体５の下面には、ゴミを吸込む吸塵口５０が設けてある。

車輪６Ｒ，６Ｌは、車体５の内部に配設された２つのモータ６０Ｒ，６０Ｌの回転軸に夫々連結してあり、左側の車輪６Ｌが正回転し、右側の車輪６Ｒが同速度で逆回転した場合、車体５はその場で右旋回し、左側の車輪６Ｌが逆回転し、右側の車輪６Ｒが同速度で正回転した場合、車体５はその場で左旋回するように構成してある。

モータ６０Ｒ，６０Ｌは夫々制御部７に接続され、制御部７はモータ６０Ｒ，６０Ｌを駆動制御する。制御部７には、本発明に係る超音波センサのタイミング回路１０と比較回路２４とが接続されており、制御部７には、トリガ信号を出力した旨の計時開始信号がタイミング回路１０から入力されると共に、計時停止信号が比較回路２４から入力されるように構成してある。制御部７は、タイマ７０を備え、計時開始信号が入力されたときから計時停止信号が入力されたときまでの時間を計測し、計測した時間を空気中における音波の伝搬速度に乗じて被検出物までの距離を検出するように構成してある。

発信装置１の発信器１３と、受信装置２の受信器２０とは、車体５の略正面に配してあり、発信器１３から発信される音波は、車体５の前進方向に位置する被検出物で反射して受信器２０で受信される。

このような構成により、自走式掃除機は、壁８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄで囲繞された矩形の部屋８０内を図６に示したように自律走行する。

自走式掃除機は、部屋８０の角部から一方の壁８ａに沿って直進し、前方の壁８ｂとの間に所定の距離、例えば２ｃｍを有する位置で停止する(図６（ａ）)。壁８ｂとの距離は、本発明に係る超音波センサにより検出する。

停止した自走式掃除機は、その場で右に９０度回転し、車体５の幅の長さだけ壁８ｂに沿って直進した後、停止する。停止した自走式掃除機は、その場で右に９０度回転し、壁８ｂに対向する壁８ｃに向けて直進する（図６（ｂ））。

自走式掃除機は、壁８ｃとの間に所定の距離、例えば２ｃｍを有する位置で停止し、その場で左に９０度回転する。自走式掃除機は、車体５の幅の長さだけ壁８ｃに沿って直進した後、停止し、その場で左に９０度回転し、壁８ｂに向けて直進する（図６（ｃ））。

自走式掃除機は、このようなジクザグ走行を壁８ｄまで継続することにより部屋８０の床面をくまなく掃除する。

本発明に係る自走車は、本発明に係る超音波センサを装備し、壁８ｂ，８ｃとの距離を精度良く計測することが可能であるから、車体５を壁８ｂ，８ｃの近傍で停止させることができ、車体５を壁８ｂ，８ｃに当接させることなく、ゴミが溜まり易い壁８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ際の掃除を確実にすることができる。

以上、本発明に係る発信装置１、音波センサ及び自走車について、実施の形態に示した構成に基づいて説明したが、本発明に係る発信装置１、音波センサ及び自走車の構成は、実施の形態に示した構成に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲にて追加、変更又は削除することも可能である。

実施の形態１の超音波センサの概略構成を示すブロック図である。 発信器が発信する音波の音圧と周波数との関係を示すグラフである。 本発明に係る超音波センサの動作を説明するための波形図である。 実施の形態２の超音波センサの概略構成を示すブロック図である。 本発明に係る自走車を自走式掃除機として構成した場合の概略構成を示した模式図である。 本発明に係る自走車の走行軌跡を示す説明図である。 従来の超音波センサの動作を説明するための波形図である。

符号の説明

１ 発信装置
２ 受信装置
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ 壁（被検出物）
１１ 駆動回路
１３ａ 圧電素子

Claims (4)

1. 圧電素子を駆動回路で駆動して音波を発信する発信装置において、
   前記駆動回路は、前記圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域と異なる周波数帯域で前記圧電素子を駆動すべくなしてあることを特徴とする発信装置。
2. 発信装置から音波を発信し、被検出物で反射した音波を受信装置で受信して前記被検出物に関する情報を得る音波センサにおいて、
   前記発信装置は、請求項１に記載された発信装置であることを特徴とする音波センサ。
3. 圧電素子を駆動回路で駆動して音波を発信し、被検出物で反射した音波を前記圧電素子で受信して前記被検出物に関する情報を得る音波センサにおいて、
   前記駆動回路は、前記圧電素子を含む振動系が最も強く共振する共振周波数帯域と異なる周波数帯域で前記圧電素子を駆動すべくなしてあることを特徴とする音波センサ。
4. 被検出物を検出する音波センサを備え、該音波センサからの情報に基づいて発停，操向制御を行う自走車において、
   前記音波センサは、請求項２又は３に記載された音波センサであることを特徴とする自走車。

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