JP2019100715A - Ultrasonic sensor - Google Patents

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倉島 玲伊
Tamayoshi Kurashima
玲伊 倉島
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Abstract

To provide an ultrasonic sensor for distance measurement with which the distance measurement responsiveness of an ultrasonic sensor is speeded up and which is designed in a compact size.SOLUTION: Provided is an ultrasonic sensor for measuring the distance to a measurement object using an ultrasonic wave, comprising: a frequency signal generation unit for generating a plurality of frequency signals; distance measurement means for generating ultrasonic waves of multiple frequencies on the basis of the plurality of frequency signals, as well as receiving a plurality of reflected waves from the measurement object that correspond to the ultrasonic waves of multiple frequencies and generating a plurality of received signals; and selection means for selecting from the plurality of received signals. Before the reflected wave based on an ultrasonic wave transmitted with a first frequency becomes multiple reflection and is unable to be received due to the attenuation of the multiple reflection, transmission and reception are carried out using an ultrasonic wave of a second frequency different from the first frequency.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、超音波を用いて測定対象物との距離を測定する超音波センサに関する。   The present invention relates to an ultrasonic sensor that measures the distance to an object to be measured using ultrasonic waves.

空中(空気中)における超音波の伝搬時間TOF(Time−OF−Flight)を取得して距離を計測する方法が普及している。超音波による測距は、測距能が対象物の材質に略依存しないという特徴を備えている。そのためガラスのような透明材料から金属や絶縁体など幅広い材料に対応することが可能である。また音波は広がりを有するので、対象物を漏らすことなく測距することも可能である。一般的な超音波測距の距離レンジが数10cm〜数mということもあり、自動車の前後バンパーからみた障害物の検出は広く知られている。   A method of measuring a distance by acquiring a propagation time TOF (Time-OF-Flight) of an ultrasonic wave in the air (in the air) has become widespread. Ultrasonic distance measurement has a feature that the distance measurement ability is substantially independent of the material of the object. Therefore, it is possible to cope with a wide range of materials such as transparent materials such as glass, metals and insulators. Further, since the sound wave has a spread, it is also possible to measure the distance without leaking the object. Since the distance range of general ultrasonic distance measurement is several tens cm to several m, detection of an obstacle viewed from front and rear bumpers of a car is widely known.

ところで空中における超音波は距離減衰が強く、上記距離レンジを測距するためには大きな発生音圧が必要である。そのため共振系の振動特性を有する超音波センサを用いることが一般的である。その場合、周囲に存在するノイズ信号の裾野成分がセンサの感度帯に重なると、誤って増幅してしまう恐れがある。   By the way, ultrasonic waves in the air have strong distance attenuation, and a large generated sound pressure is required to measure the distance range. Therefore, it is common to use an ultrasonic sensor having vibration characteristics of a resonant system. In that case, if the base component of the noise signal present in the surroundings overlaps the sensitivity band of the sensor, there is a possibility that the signal may be erroneously amplified.

それを避けるため、バンドパスフィルタで音波の中心周波数を選別し、疑音波と、自己音波を識別する方法が特許文献1に開示されている。   In order to avoid that, Patent Document 1 discloses a method of selecting the center frequency of the sound wave with a band pass filter and identifying the pseudo sound wave and the self sound wave.

また複数のセンサを配置して周囲を測距する場合、超音波の相互干渉を防ぐため、センサ毎で送受信する超音波を異なる周波数帯域に設定することが効果的である。但しこの場合、測距タスクをセンサ毎に逐次処理していては、その他センサにとって待機時間が多くなり、全体として測距の応答性が低下する。   When a plurality of sensors are arranged to measure the surrounding area, it is effective to set ultrasonic waves to be transmitted / received for each sensor in different frequency bands in order to prevent mutual interference of the ultrasonic waves. However, in this case, if the ranging task is sequentially processed for each sensor, the waiting time for the other sensors is increased, and the responsiveness of ranging as a whole is reduced.

これを避けるため、各センサの測距タスクを割込制御することで、センサ毎の測距タスクを並列化し、測距の応答性を向上させる方法が特許文献2に開示されている。   In order to avoid this, Patent Document 2 discloses a method of parallelizing the distance measurement task for each sensor by interrupting the distance measurement task of each sensor to improve the response of distance measurement.

特開平4−175682号公報JP-A-4-175682 特開2003−130952号公報JP 2003-130952

このような超音波測距の優れた特徴を活かし、ロボットハンドへの応用を目指した研究開発が始まっている。ロボットハンドの指先に超音波センサを実装した場合の対象距離は、数mm〜数10mmと一般的な超音波測距より至極近い。数mmの距離で超音波測距を行うと、送信した超音波が充分に減衰せず多重反射となり、その減衰待ちで測距を開始できず応答性が低下する。また距離が数mm以上になると多重反射の強度は小さくなるものの、音波を送信してから受信するまでの待ち時間が長くなってくる。一般的に測距精度を上げるためには複数回の測長を平均することを考慮すると、一測長における待機時間が僅かでも測長回数を積算した分だけ総時間がかかり、測距の応答性が低下する。よって、ロボットハンドで要求される高速動作(msecオーダー)に対し、現状の超音波センサによる測距は応答性が不足するという課題が生ずる。   Research and development aiming at the application to a robot hand has been started by making use of such excellent characteristics of ultrasonic distance measurement. The target distance when the ultrasonic sensor is mounted on the fingertip of the robot hand is extremely close to several mm to several 10 mm, which is extremely higher than general ultrasonic distance measurement. When ultrasonic distance measurement is performed at a distance of several millimeters, the transmitted ultrasonic waves are not sufficiently attenuated and become multiple reflections, and distance measurement can not be started while waiting for the attenuation, and the responsiveness is degraded. In addition, although the intensity of multiple reflection decreases when the distance becomes several mm or more, the waiting time from transmission to reception of the sound wave becomes long. Generally speaking, in order to improve distance measurement accuracy, taking into account that multiple measurements are averaged, the total waiting time in one measurement takes only the total number of measurements, and the response of distance measurement Sex is reduced. Therefore, there is a problem that the distance measurement by the current ultrasonic sensor is insufficient in response to the high speed operation (msec order) required by the robot hand.

特許文献1に記載されている音波の周波数を識別するバンドパスフィルタを備えるだけでは、受信する周波数を識別することはできるが周波数の異なる送信音波を送信することができない。   Only by providing a band pass filter for identifying the frequency of the sound wave described in Patent Document 1, it is possible to identify the frequency to be received, but it is not possible to transmit transmission sound waves having different frequencies.

また、特許文献2に記載されている、超音波センサ毎に異なる周波数を対応させ測距すれば、音波を識別することが可能となり、多重反射の解消待ちによる応答性低下は改善される。しかし、各周波数に対応したセンサを複数個備えることになり、実装面積の制約を満たすことが難しくなる。また各周波数に対応した複数センサを使用すると、近距離において同一の対象地点を測距することも難しくなる。本発明は、超音波センサの測距応答性を速くし、かつ小型の測距用超音波センサを提供することを目的とする。   In addition, if different frequencies are associated with each ultrasonic sensor and distance measurement is performed as described in Patent Document 2, it becomes possible to identify sound waves, and the responsiveness deterioration due to waiting for elimination of multiple reflections is improved. However, since a plurality of sensors corresponding to each frequency are provided, it becomes difficult to satisfy the constraints of the mounting area. In addition, using a plurality of sensors corresponding to each frequency makes it difficult to measure the same target point at a short distance. An object of the present invention is to speed up the distance measurement response of an ultrasonic sensor and to provide a compact ultrasonic sensor for distance measurement.

本発明により提供される超音波センサは、超音波を用いて測定対象物との距離を測定する超音波センサであって、
複数の周波数信号を生成させる周波数信号生成部と、
前記複数の周波数信号に基づいて複数周波数の超音波を発生させると共に、前記複数周波数の超音波に対応した前記測定対象物からの複数の反射波を受信して、複数の受信信号を発生する距離測定手段と、
前記複数の受信信号を選別する選別手段と、を有し、
第一の周波数で送信した超音波に基づく反射波が多重反射となり、前記多重反射が減衰して受信できなくなる前に、前記第一の周波数とは異なる第二の周波数の超音波を用いて送信及び受信を行うことを特徴とするものである。
An ultrasonic sensor provided by the present invention is an ultrasonic sensor that measures the distance to an object to be measured using ultrasonic waves,
A frequency signal generator for generating a plurality of frequency signals;
While generating ultrasonic waves of a plurality of frequencies based on the plurality of frequency signals, a distance for receiving a plurality of reflected waves from the object to be measured corresponding to the plurality of ultrasonic waves and generating a plurality of reception signals Measuring means,
And sorting means for sorting the plurality of received signals,
Transmitted using an ultrasonic wave of a second frequency different from the first frequency before reflected waves based on the ultrasonic wave transmitted at the first frequency become multiple reflections and the multiple reflections are attenuated and can not be received. And receiving.

本発明によれば、超音波センサの測距応答性を速くし、かつ小型の測距用の超音波センサを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to speed up the distance measurement response of the ultrasonic sensor and to provide a small-sized ultrasonic sensor for distance measurement.

本発明の超音波センサの基本的な構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the basic composition of the ultrasonic sensor of this invention. 本発明の超音波センサを説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the ultrasonic sensor of this invention. 本発明の超音波センサを説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the ultrasonic sensor of this invention. 本発明の超音波センサによる測距の例を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the example of ranging by the ultrasonic sensor of this invention. 本発明の超音波センサによる測距の例を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the example of ranging by the ultrasonic sensor of this invention. 本発明の超音波センサによる測距の別の例を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining another example of ranging by the ultrasonic sensor of the present invention. 本発明の超音波センサによる測距の別の例を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining another example of ranging by the ultrasonic sensor of the present invention. 第一の実施形態を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining 1st embodiment. 本発明に係る逐次的測距の時間推移を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the time transition of the sequential ranging based on this invention. 本発明に係る割込的測距の時間推移を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the time transition of the interruption ranging based on this invention. 第一の実施形態における機能ブロック図を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the functional block diagram in 1st embodiment. 第一の実施形態における動作シーケンスを説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the operation | movement sequence in 1st embodiment. 第一の実施形態におけるデータ取得フローを説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the data acquisition flow in 1st embodiment. 第一の実施形態における距離測定手段の一例についての断面構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the cross-sectional structure about an example of the distance measurement means in 1st embodiment. 第一の実施形態における距離測定手段の一例についての断面構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the cross-sectional structure about an example of the distance measurement means in 1st embodiment. 第一の実施形態における距離測定手段の上面配置を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the upper surface arrangement | positioning of the distance measurement means in 1st embodiment. 第一の実施形態におけるロボットハンドシステムを説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the robot hand system in 1st embodiment. 第二の実施形態における距離測定手段の断面構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the cross-sectional structure of the distance measurement means in 2nd embodiment. 第二の実施形態における機能ブロック図を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the functional block diagram in 2nd embodiment. 本発明に係る周波数毎の測距誤差を説明する模式グラフである。It is a schematic graph explaining the ranging error for every frequency which concerns on this invention. 第三の実施形態におけるデータ取得フローを説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the data acquisition flow in 3rd embodiment.

本発明の超音波センサは、超音波を用いて測定対象物との距離を測定するセンサである。本発明のセンサは、複数の周波数信号を生成させる周波数信号生成部を有する。そして、複数の周波数信号に基づいて複数周波数の超音波を発生させると共に、前記複数周波数の超音波に対応した前記測定対象物からの複数の反射波を受信して、複数の受信信号を発生する距離測定手段を有する。更に、複数の受信信号を選別する選別手段と、を有して構成される。そして更に、第一の周波数で送信した超音波に基づく反射波が多重反射となり、前記多重反射が減衰して受信できなくなる前に、前記第一の周波数とは異なる第二の周波数の超音波を用いて送信及び受信を行い得ることを特徴としている。   The ultrasonic sensor of the present invention is a sensor that measures the distance to an object to be measured using ultrasonic waves. The sensor of the present invention has a frequency signal generator that generates a plurality of frequency signals. Then, ultrasonic waves of a plurality of frequencies are generated based on a plurality of frequency signals, and a plurality of reflected waves from the object to be measured corresponding to the ultrasonic waves of the plurality of frequencies are received to generate a plurality of reception signals. It has distance measuring means. And a sorting means for sorting the plurality of received signals. Furthermore, before the reflected wave based on the ultrasonic wave transmitted at the first frequency becomes multiple reflection and the multiple reflection is attenuated and can not be received, the ultrasonic wave of the second frequency different from the first frequency is It is characterized in that it can be used for transmission and reception.

本発明の超音波センサでは、超音波センサを構成する単一の距離測定手段を用いて複数周波数の超音波送受信により距離測定を行い得る。   In the ultrasonic sensor of the present invention, distance measurement can be performed by transmitting and receiving ultrasonic waves of a plurality of frequencies using a single distance measuring means constituting the ultrasonic sensor.

本発明では、送信音波帯域で非共振な振動特性を有する薄膜メンブレンを複数組み合わせ1つの距離測定手段の音波発生源を構成する形態を包含する。そして1つの距離測定手段で音波の周波数を変調した送受信を行う形態を包含する。   The present invention includes a mode in which a plurality of thin film membranes having non-resonant vibration characteristics in a transmission sound wave band are combined to constitute a sound wave source of one distance measuring means. And the form which performs transmission / reception which modulated the frequency of the sound wave by one distance measurement means is included.

近距離測定では、送信音波における多重反射が発生している状況で、音波を受信した後に、周波数を変調した次タスクの音波を送信する、すなわち逐次測距を行う形態を包含する。また、遠距離測定では、送信音波における多重反射が発生している状況で、音波を受信する前に周波数を変調した次タスクの音波を送信する、すなわち割込測距を行う形態を包含する。   The short distance measurement includes a mode in which the sound wave of the next task whose frequency is modulated is transmitted after receiving the sound wave in a situation where multiple reflections occur in the transmission sound wave, that is, the distance measurement is sequentially performed. Moreover, in the distance measurement, in a situation where multiple reflections occur in the transmission sound wave, it includes a mode of transmitting the sound wave of the next task whose frequency is modulated before receiving the sound wave, that is, performing interrupt distance measurement.

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形、変更が可能である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described using the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the present invention.

[第1の実施形態]
図1は、本発明の超音波センサの基本的な構成を説明する模式図である。図1において、105は測定対象物であり、距離測定手段101より超音波104の送信が測定対象物105に向けてなされ、測定対象物105で反射した反射波を距離測定手段101が受信する。これにより測定対象105と距離測定手段101との距離が測定される。123は複数の周波数信号を生成する周波数信号生成部であり、所定の周波数信号に対応した波形を生成する。距離測定手段101では周波数信号生成部で生成した周波数信号に基づいて複数の周波数の超音波を発生させる。選別手段117は、送信周波数に対応した周波数の反射波を受信するための手段である。118は周波数信号生成部123が所定の周波数信号を生成すること、及び選別手段117が所定の周波数の反射波を選別することを含む制御を行う制御部である。図1では本発明の超音波センサの基本的な構成を示したが、詳細については、図9等を参照して後述する。以下では、まず本発明の超音波センサについて機能等を含めて説明する。
First Embodiment
FIG. 1 is a schematic view for explaining the basic configuration of the ultrasonic sensor of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 105 denotes an object to be measured, the ultrasonic wave 104 is transmitted from the distance measuring means 101 to the object to be measured 105, and the distance measuring means 101 receives the reflected wave reflected by the object 105 to be measured. Thereby, the distance between the measuring object 105 and the distance measuring means 101 is measured. A frequency signal generation unit 123 generates a plurality of frequency signals, and generates a waveform corresponding to a predetermined frequency signal. The distance measuring means 101 generates ultrasonic waves of a plurality of frequencies based on the frequency signals generated by the frequency signal generator. The sorting means 117 is a means for receiving a reflected wave of a frequency corresponding to the transmission frequency. A control unit 118 performs control including generation of a predetermined frequency signal by the frequency signal generation unit 123 and selection of reflected waves of a predetermined frequency by the selection unit 117. Although the basic configuration of the ultrasonic sensor of the present invention is shown in FIG. 1, the details will be described later with reference to FIG. In the following, the ultrasonic sensor of the present invention will be described first, including the functions and the like.

図2Aは、本発明の超音波センサを説明する模式図である。図2Aにおいて、距離測定手段101は、ロボットハンドのフィンガー部102に配置されている。距離測定手段101が測距開始信号103を受信してから、送信音波(超音波)104を発生し、対象物105で反射した受信音波(超音波)106を受信し、処理算出され距離信号107が出力される。距離信号107については、例えば、距離測定手段を構成する機械電気トランスデューサで測定した電圧生信号か、若しくは処理機能を一体に組み込めれば算出情報が出力される。トランスデューサのセンサ部の実装スペースに制約がある場合は、センサ部と処理部を分けて構わない。   FIG. 2A is a schematic view illustrating the ultrasonic sensor of the present invention. In FIG. 2A, the distance measuring means 101 is disposed in the finger portion 102 of the robot hand. After the distance measurement means 101 receives the distance measurement start signal 103, the transmission sound wave (ultrasound) 104 is generated, the reception sound wave (ultrasound) 106 reflected by the object 105 is received, and the processing signal is calculated. Is output. With regard to the distance signal 107, for example, a voltage raw signal measured by a mechanical / electrical transducer constituting the distance measuring means or calculation information is outputted if the processing function can be integrated. If the mounting space of the sensor unit of the transducer is limited, the sensor unit and the processing unit may be separated.

図2Bは、本発明の超音波センサの送受信波形を説明する模式図で、送信音波と受信音波の時間推移を示している。或る時刻において距離測定手段101が送信音波104を発生し、対象物で反射した受信音波106を距離測定手段101で受信する。距離測定手段101を構成するトランスデューサが音圧を受信することで受信音圧が電気信号に変換され処理される。空気中では音波の減衰が強く、受信音圧は送信音圧の1/数倍〜1/数100であり、送信音圧と受信音圧の目盛は相対比とする。送信時刻から受信時刻までの時間108がTOF(Time−OF−Flight、音波伝搬時間)と定義され、距離は音速(m/sec)×TOF(sec)/2で算出される。ここでは送信及び受信波形のピークを基準にTOFを算出するが、システムによっては音波の立ち上がり時刻でも構わない。また受信音波を変換した電気信号において、信号レベルが所定閾値に到達した時刻を用いても構わない。送信音波は、1波でも複数波でも構わないし、また波形形状として矩形波や正弦波を用いても構わない。以降、音波の送受信タイミングを説明する図において、音波形状は省略し、送信及び受信タイミングのみを表記する。   FIG. 2B is a schematic view for explaining transmission and reception waveforms of the ultrasonic sensor of the present invention, and shows time transition of transmission sound waves and reception sound waves. At a certain time, the distance measurement means 101 generates a transmission sound wave 104, and the distance measurement means 101 receives the reception sound wave 106 reflected by the object. When the transducers constituting the distance measuring means 101 receive the sound pressure, the received sound pressure is converted into an electric signal and processed. In air, sound wave attenuation is strong, the reception sound pressure is 1 / several times to 1 / several of the transmission sound pressure, and the scale of the transmission sound pressure and the reception sound pressure is a relative ratio. A time 108 from the transmission time to the reception time is defined as TOF (Time-OF-Flight, sound wave propagation time), and the distance is calculated by sound velocity (m / sec) × TOF (sec) / 2. Here, TOF is calculated based on the peaks of the transmission and reception waveforms, but depending on the system, the rise time of the sound wave may be used. Further, in the electric signal obtained by converting the received sound wave, the time when the signal level reaches a predetermined threshold may be used. The transmission sound wave may be a single wave or a plurality of waves, and a rectangular wave or a sine wave may be used as the waveform shape. Hereinafter, in the diagram for explaining the transmission and reception timing of the sound wave, the shape of the sound wave is omitted, and only the transmission and reception timings are described.

距離測定手段101は、超音波を発生し、測定対象物105に対して超音波の送信を行う機能を有するトランスデューサで構成される。対象物に照射された送信音波104は、対象物105の界面での音響インピーダンス差により、対象物105の表面で反射される。対象物105で反射された超音波は、その一部が距離測定手段に戻り受信音波106となる。一般的に空気と物体の音響インピーダンス差は非常に大きく、対象物105の界面での反射率は略100%に近い。   The distance measuring means 101 is composed of a transducer having a function of generating an ultrasonic wave and transmitting the ultrasonic wave to the measurement object 105. The transmission sound wave 104 irradiated to the object is reflected on the surface of the object 105 due to the difference in acoustic impedance at the interface of the object 105. A part of the ultrasonic wave reflected by the object 105 is returned to the distance measuring means to become the received sound wave 106. Generally, the acoustic impedance difference between air and an object is very large, and the reflectance at the interface of the object 105 is nearly 100%.

また測定対象物105に対し距離測定手段101の超音波送信面から最短距離を測長したいので、音波の指向性は前方に鋭いことが好ましい。そのような音波の指向性を持たせるためには、周波数は数100KHz〜、概ね500kHz以上が必要である。このように周波数を高くすることで、音波拡散によるエネルギーの散逸を防ぐことができ、信号強度の低減を防ぐこともできる。また距離分解能は周波数に略比例するため、できるだけ高周波数を用いることが好ましい。更にロボットハンドのような狭小部にセンサを実装するならば、実装空間の制約から、音波発生源の大きさは数mm以下になる。一般的に、音源サイズが小さいほど、音波の指向性は低下するので、それを補うためより高周波の音波を用いることが必要になる。   Further, since it is desired to measure the shortest distance from the ultrasonic wave transmission surface of the distance measurement means 101 with respect to the measurement object 105, it is preferable that the directivity of the sound wave is sharp in the front. In order to impart such directivity of sound waves, a frequency of several hundred KHz to about 500 KHz or more is required. By thus increasing the frequency, it is possible to prevent the dissipation of energy due to the sound diffusion and to prevent the reduction of the signal strength. Moreover, since the distance resolution is approximately proportional to the frequency, it is preferable to use as high frequency as possible. Furthermore, if the sensor is mounted in a narrow portion such as a robot hand, the size of the sound source is several mm or less due to the limitation of the mounting space. Generally, the smaller the sound source size, the lower the directivity of the sound wave, so it is necessary to use a higher frequency sound wave to compensate for it.

その反面、高周波の音波を用いると、周波数による距離減衰が強くなる。周波数を高くすることでの音波指向性を高めるメリットと、距離減衰のデメリットを考慮すると、近接距離で測長するための周波数帯域は、低周波側は数100kHzから高周波側は2〜4MHz程度である。どこまで高周波側の超音波を使用できるかは、システム構成を含めた信号強度やS/Nとの兼ね合いで決める。   On the other hand, when high frequency sound waves are used, distance attenuation due to frequency becomes strong. Considering the merits of enhancing the sound wave directivity by raising the frequency and the demerit of the distance attenuation, the frequency band for measuring at close distance is from several hundred kHz on the low frequency side to about 2 to 4 MHz on the high frequency side. is there. The extent to which the high frequency ultrasonic waves can be used is determined by the balance with the signal strength and S / N including the system configuration.

距離測定手段101では、受信音波106を受信して、送信した時間から、受信した時間までの期間(時間間隔)を計測する機能を有している。超音波は伝搬した経路長に対応して、送信から受信までに時間間隔tが発生するため、この時間間隔tを測定することで、対象物までの距離を測定することができる。距離測定手段はこの時間間隔tをもとに対象物までの距離を算出して、距離測定信号を出力する機能を有している。   The distance measuring means 101 has a function of receiving the received sound wave 106 and measuring a period (time interval) from the time of transmission to the time of reception. Since the time interval t occurs from transmission to reception corresponding to the propagation path length of the ultrasonic wave, the distance to the object can be measured by measuring this time interval t. The distance measuring means has a function of calculating the distance to the object based on the time interval t and outputting a distance measurement signal.

距離測定手段101をロボットハンドに用いる場合は1mm程度から数10mmの距離を測定できる仕様であることが望ましい。距離測定手段101の超音波を送受信する手段としては、超音波の送信、受信をおこなうことできるものであれば用いることができる。例えば、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)による、薄いメンブレンを用いた静電容量型のトランスデューサを採用可能である。具体的デバイスとしてはCMUT(Capasitive Micro−machined Ultrasound Transducer)が挙げられる。そして1種のトランスデューサで複数超音波での送受信を行うために、送信帯域におけるメンブレンの応答特性は非共振であることが好適である。なぜなら送信帯域内の特定周波数で共振してしまうと、それ以外の周波数による送受信感度が著しく悪化してしまうためである。また、音波送信帯域とメンブレンの共振周波数が近いと、発生音波の直後に励振した残響音が付随することで、測長波数が実際以上に増え、測長の応答性が低下してしまうためである。   When the distance measuring means 101 is used for a robot hand, it is preferable that the specification be such that it can measure a distance of about 1 mm to several tens of mm. As means for transmitting and receiving ultrasonic waves of the distance measuring means 101, any means capable of transmitting and receiving ultrasonic waves can be used. For example, a capacitance type transducer using a thin membrane by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) can be employed. A specific device is a CMUT (Capasitive Micro-machined Ultrasound Transducer). And in order to perform transmission and reception with a plurality of ultrasonic waves with one type of transducer, it is preferable that the response characteristic of the membrane in the transmission band is non-resonant. This is because if resonance occurs at a specific frequency in the transmission band, the transmission and reception sensitivity at other frequencies will be significantly degraded. In addition, when the resonance frequency of the sound wave transmission band is close to the resonance frequency of the membrane, a reverberation sound excited immediately after the generated sound wave accompanies an increase in the measured wave number more than in actuality, and the measurement response decreases. is there.

送信する音波帯域においてメンブレン特性を非共振とするには、メンブレンの共振周波数が送信周波数に対し少なくとも2〜3倍以上、望ましくは5〜10倍程度高いことが好適である。   In order to make the membrane characteristics non-resonant in the sound wave band to be transmitted, it is preferable that the resonance frequency of the membrane be at least 2 to 3 times, preferably 5 to 10 times higher than the transmission frequency.

また超音波の送信、受信の時間間隔tを測定し、信号出力する手段としては、マイコンや、アナログ回路とロジック回路を組み合わせることで、容易に実現することができる。   The time interval t of transmission and reception of ultrasonic waves can be measured and signal output can be easily realized by combining a microcomputer or an analog circuit and a logic circuit.

図3は、本発明の超音波センサを用いた逐次的な測距を説明する模式図である。音波の送受信に用いる波形形状については省略し、音波を送信する時刻、及び受信する時刻を図示する。更に受信音波については、受信音波が高次になるほど音圧の減少していく様子を模式的に示した。   FIG. 3 is a schematic view illustrating sequential distance measurement using the ultrasonic sensor of the present invention. The waveform shape used to transmit and receive the sound wave is omitted, and the time to transmit the sound wave and the time to receive it are illustrated. Further, as for the received sound wave, the state of the sound pressure decreasing as the received sound wave becomes higher is schematically shown.

ここでは距離レンジが概ね数mm以下(凡そ5mm〜10mm以下)の近接距離における測距を想定している。ここでの1次の受信音波を取得するまでの時間は30〜60μsecである。   Here, distance measurement at a close distance of approximately several mm or less (approximately 5 mm to 10 mm or less) is assumed. The time to acquire the primary received sound wave here is 30 to 60 μsec.

201は周波数F1における超音波の時間推移であり、202は周波数F1で音波を送信した時刻、203は周波数F1の音波を受信した時刻である。両時刻の時間差分がTOFに相当する。数mm程度の近距離において多重波は充分に減衰せず、超音波センサ面と対象物を往復するため、受信音波の多重波が観測される。送信音波と1次の受信音波の時間差分は1次のTOFであり、送信音波と2次の受信音波の時間差分は2次のTOFである。1次のTOFを用いた場合は、距離=(音速×1次のTOF)/2、である。また、例えば2次のTOFを用いた場合は、距離=(音速×2次のTOF)/4、である。更に、2次のTOFと1次のTOFの時間間隔は1次のTOFに等しいので、距離=(音速×(2次のTOF−1次のTOF))/2、でもよい。1次のTOF以外に、高次のTOFを用いた測距算出をしてもかまわない。測距の応答性を高めるためには、できるだけ低次のTOFで測距を完了させることが好ましい。   201 is the time transition of the ultrasonic wave at the frequency F1, 202 is the time when the sound wave is transmitted at the frequency F1, and 203 is the time when the sound wave at the frequency F1 is received. The time difference between both times corresponds to TOF. The multiple waves are not sufficiently attenuated at a short distance of about several mm, and the multiple waves of the received sound waves are observed because they reciprocate between the ultrasonic sensor surface and the object. The time difference between the transmission sound wave and the primary reception sound wave is a first-order TOF, and the time difference between the transmission sound wave and the second-order reception sound wave is a second-order TOF. When a first-order TOF is used, the distance = (sound velocity × first-order TOF) / 2. Further, for example, in the case of using a second-order TOF, the distance = (sound velocity × second-order TOF) / 4. Furthermore, since the time interval between the second-order TOF and the first-order TOF is equal to the first-order TOF, the distance may be equal to (sound velocity × (second-order TOF−1th-order TOF)) / 2. In addition to the first-order TOF, distance measurement may be performed using a higher-order TOF. In order to enhance the response of distance measurement, it is preferable to complete the distance measurement with the lowest possible TOF.

数mm以下の近距離においては、周波数F1による音波の送受信が完了してから、逐次的に送信音波の周波数をF2へ変調し、次の測長を開始する。204は周波数F2における超音波の時間推移であり、205は周波数F2で音波を送信した時刻、206は周波数F2の音波を受信した時刻である。周波数F1による多重波が発生しているが、周波数をF2へ変調することで、周波数F1の多重波による干渉を排除することができる。周波数を変調する時間タイミングについては、周波数F1の送受信を完了した後(時刻203)で、周波数F1の多重波が残響している間で、周波数をF2に変調し音波送信を逐次的に開始する。   At a short distance of several mm or less, after the transmission and reception of the sound wave at the frequency F1 is completed, the frequency of the transmission sound wave is sequentially modulated to F2, and the next length measurement is started. 204 is a time transition of the ultrasonic wave at the frequency F2, 205 is the time when the sound wave is transmitted at the frequency F2, and 206 is the time when the sound wave at the frequency F2 is received. Although multiple waves with frequency F1 are generated, by modulating the frequency to F2, interference due to multiple waves with frequency F1 can be eliminated. As for the timing of modulating the frequency, after transmission and reception of the frequency F1 is completed (time 203), while the multiple wave of the frequency F1 is reverberating, the frequency is modulated to F2 and sound wave transmission is sequentially started .

一つの距離測定手段を用いて送受信を行う場合においては、送信と受信のタイミングを一致させる事はできないこと、及び受信完了を確認してから周波数を変調した次送信を行うことも必要であり、現実的に僅かながらの待機時間211を考慮する。   When performing transmission and reception using one distance measurement means, it is also necessary not to match the timing of transmission and reception, and to perform the next transmission with the frequency modulated after confirming the completion of reception, In reality, the waiting time 211 is considered.

周波数F1を用いた次回の測長は、周波数F1の多重波がノイズレベル相当まで減衰した時刻207にて音波を送信し、1次の受信音波を時刻208にて取得し、1次のTOFを算出する。周波数F2を用いた次回の測長は、周波数F2の多重波がノイズレベル相当まで減衰した時刻209にて音波を送信し、1次の受信音波を時刻210にて取得し、1次のTOFを算出する。自己音波による多重波が減衰するまでの時間は送信音圧や周波数にもよるが、凡そ数10μsec〜100μsecに留めることが好ましい。システム側のS/Nが許容する範囲で、多重波の発生次数が少なくなるよう、音圧や周波数を調整する。多重波の発生次数が少なければ、再び同周波数で送受信が可能な状態までの復帰時間が短くなり、また周波数の変調数に伴うコスト増、複雑さが軽減されるからである。また本図では周波数を2つ用いた場合で説明したが、システムが許由する範囲において複数の周波数を用いることが可能である。   The next measurement using frequency F1 transmits a sound wave at time 207 when the multiple wave of frequency F1 is attenuated to a noise level, acquires a first-order received sound wave at time 208, and generates a first-order TOF. calculate. In the next measurement using frequency F2, the sound wave is transmitted at time 209 when the multiple wave of frequency F2 is attenuated to the noise level, the first-order received sound wave is acquired at time 210, and the first-order TOF is obtained. calculate. Although it depends on the transmission sound pressure and the frequency, it is preferable to keep the time until the multiple wave by the self-sound wave is attenuated to about several tens of μsec to 100 μsec. The sound pressure and frequency are adjusted so that the generation order of multiple waves is reduced within the range allowed by the S / N on the system side. If the generation order of the multiple waves is small, the return time to the state in which transmission and reception on the same frequency are possible becomes short again, and the cost increase and complexity associated with the number of frequency modulations are reduced. Further, although the case where two frequencies are used has been described in the figure, it is possible to use a plurality of frequencies within the range permitted by the system.

図4は、本発明の超音波センサを用いた逐次的な測距を説明する模式図である。図3で説明した測長モードの時間推移を示したものである。301は周波数F1による送受信タスク、302は送信モード、303は受信モードを示す。304は周波数F2による送受信タスク、305は送信モード、306は受信モード、307は周波数変調の切替時間、308は待機時間を示す。   FIG. 4 is a schematic view for explaining sequential distance measurement using the ultrasonic sensor of the present invention. It shows the time transition of the length measurement mode described in FIG. Reference numeral 301 denotes a transmission / reception task on the frequency F1, 302 denotes a transmission mode, and 303 denotes a reception mode. Reference numeral 304 denotes a transmission / reception task on the frequency F2, 305 denotes a transmission mode, 306 denotes a reception mode, 307 denotes a frequency modulation switching time, and 308 denotes a waiting time.

周波数F1による超音波の測距を完了したら、周波数F1の多重波が発生している状況において、逐次的に周波数F2に変調した超音波の送信を開始し、周波数F2の反射音波を受信することで測距を行う。周波数F1の測距が完了したらF1測距の終了フラグを得て、周波数をF2に変調した次測距を開始する。図4では周波数の変調数を2つで図示しているが、複数個あっても構わない。測距値の処理については、超音波センサ動作のバックグラウンドで行う事が可能であり表示を省略する。   When the distance measurement of the ultrasonic wave by the frequency F1 is completed, transmission of the ultrasonic wave modulated to the frequency F2 is sequentially started in a situation where multiple waves of the frequency F1 are generated, and the reflected sound wave of the frequency F2 is received Measure the distance with. When the distance measurement of the frequency F1 is completed, the end flag of the F1 distance measurement is obtained, and the next distance measurement in which the frequency is modulated to F2 is started. Although two frequency modulations are illustrated in FIG. 4, the number of modulations may be more than one. The processing of the distance measurement value can be performed in the background of the ultrasonic sensor operation, and the display is omitted.

また図4に示すように、送信モードと受信モードの間には待機時間308を設ける。これは送信に伴い混入した電気的ノイズによる影響を充分に減少させる必要があるためである。一般的にモードの切替時間307は数μsec以下、待機時間308は数μsec以上であり、待機時間308の方が長くなる。近接測距の限界を高めるには、これらの時間を短くすることが重要であり、必要以上に大きな音圧を発生させずに超音波の送受信を完了させることが好ましい。図5は、本発明の超音波センサを用いた別の測距(割込的)を説明する模式図である。周波数F1の音波の送信後で、受信が完了する前に、周波数F2の音波の送信を開始する割込的な測距の方法である。既に図2で説明した測距(逐次的)は、周波数F1の音波の送受信が完了した後で、周波数F2の音波の送受信を行う測距の方法であり、大きく異なる。図4は、送信音波と受信音波について、音圧の時間推移を示したものである。送受信に用いる音波形状については省略し、音波を送受信する時間タイミングのみを図示する。   As shown in FIG. 4, a waiting time 308 is provided between the transmission mode and the reception mode. This is because it is necessary to sufficiently reduce the influence of electrical noise mixed in with the transmission. In general, the switching time 307 of the mode is several microseconds or less, the waiting time 308 is several microseconds or more, and the waiting time 308 is longer. In order to increase the limit of proximity distance measurement, it is important to shorten these times, and it is preferable to complete transmission and reception of ultrasonic waves without generating an excessive sound pressure. FIG. 5 is a schematic view for explaining another distance measurement (interruptive) using the ultrasonic sensor of the present invention. It is a method of interrupting ranging which starts transmission of the sound wave of the frequency F2 after transmission of the sound wave of the frequency F1 before reception is completed. The ranging (sequential) already described in FIG. 2 is a method of ranging in which transmission and reception of the sound wave of the frequency F2 are performed after transmission and reception of the sound wave of the frequency F1 are completed, which are largely different. FIG. 4 shows the time transition of the sound pressure for the transmission sound wave and the reception sound wave. The sound wave shape used for transmission and reception is omitted, and only the timing of transmitting and receiving the sound wave is illustrated.

ここでは概ね距離レンジが数mm以上(凡そ5mm〜10mm以上)における測距を想定している。ここで、1次の受信音波を取得するまでの時間は30〜60μsecである。対象物までの距離が遠くなると、音波を送信してから受信するまでの時間(TOF)が長くなってくる。即ち超音波センサにとっては、送信してから受信するまでの待機時間の割合が多くなる。図5で説明する測距方法は、その待機時間を測距に活用することで測距の応答性を向上させるものである。   Here, it is assumed that the distance range is approximately several mm or more (approximately 5 mm to 10 mm or more). Here, the time for acquiring the primary received sound wave is 30 to 60 μsec. As the distance to an object increases, the time (TOF) from transmission to reception of a sound wave increases. That is, for the ultrasonic sensor, the ratio of the waiting time from transmission to reception increases. The ranging method described in FIG. 5 is to improve the responsiveness of ranging by utilizing the standby time for ranging.

401は周波数F1における超音波の時間推移であり、402は周波数F1で音波を送信した時刻、403は周波数F1の音波を受信した時刻である。両時刻の差分が1次のTOFに相当する。数mm以上の距離においても多重波は完全に減衰せず、距離測定手段の超音波送信面と対象物を往復するため、図5中に示すような高次の多重波が観測される。ただし数mm以下の距離での測距に比べ、多重波の発生数は少なくなる。   401 is a time transition of the ultrasonic wave at the frequency F1, 402 is the time when the sound wave is transmitted at the frequency F1, and 403 is the time when the sound wave at the frequency F1 is received. The difference between the two times corresponds to the first order TOF. The multiple waves are not completely attenuated even at a distance of several mm or more, and a high-order multiple wave as shown in FIG. 5 is observed because the object travels back and forth between the ultrasonic wave transmitting surface of the distance measuring means. However, the number of occurrences of multiple waves is smaller than distance measurement at a distance of several mm or less.

本形態では、周波数F1による音波の受信が完了する前に、割込的に送信音波の周波数をF2へ変調し測長を開始する。404は周波数F2における超音波の時間推移であり、405は音波を送信した時刻、406は1次の受信音波を受信した時刻である。周波数F1を用いた測長の次タスクは、多重波がノイズレベル相当まで減衰した時刻407にて音波を送信し、1次の受信音波を時刻408にて取得し、1次のTOFを算出する。周波数F2を用いた測長の次タスクは、多重波が、ノイズレベル相当まで減衰した時刻409にて音波を送信し、1次の受信音波を時刻410にて取得し、1次のTOFを算出する。自己音波による多重波が減衰するまでの時間は送信音圧や周波数にもよるが、凡そ数10μsec〜100μsecに留めることが好ましい。システム側のS/Nが許容する範囲で、多重波の発生次数は少なくなるよう、音圧や周波数を調整する。図5では周波数の変調数を2つで図示しているが、複数個あっても構わない。   In this embodiment, before the reception of the sound wave at the frequency F1 is completed, the frequency of the transmission sound wave is modulated to F2 and the length measurement is started. 404 is a time transition of the ultrasonic wave at the frequency F2, 405 is the time of transmitting the sound wave, and 406 is the time of receiving the primary received sound wave. The next task of length measurement using frequency F1 is to transmit the sound wave at time 407 when the multiple wave is attenuated to the noise level, acquire the first-order received sound wave at time 408, and calculate the first-order TOF . The next task of length measurement using frequency F2 is to transmit the sound wave at time 409 when the multiple wave is attenuated to the noise level, acquire the first-order received sound wave at time 410, and calculate the first-order TOF Do. Although it depends on the transmission sound pressure and the frequency, it is preferable to keep the time until the multiple wave by the self-sound wave is attenuated to about several tens of μsec to 100 μsec. The sound pressure and frequency are adjusted so that the generation order of multiple waves is reduced within the range allowed by the S / N on the system side. Although two frequency modulations are shown in FIG. 5, the number of modulations may be more than one.

周波数を変調する時間タイミングについては、周波数F1の音波を送信後(時刻402)で、周波数F1の多重波が残響している間に、周波数をF2に変調し音波送信を割込的に開始する。一つの超音波センサで送受信を行う場合においては、送信と受信のタイミングを一致させる事はできない。また周波数F1の音波を送信した後に混入する電気的ノイズの低減を待ってから、周波数F2で音波を送信するため、僅かながらの待機時間411を考慮する。   As for the timing of modulating the frequency, after transmitting the sound wave of frequency F1 (time 402), while the multiple wave of frequency F1 is reverberating, the frequency is modulated to F2 and the sound wave transmission is interruptedly started. . When transmitting and receiving with one ultrasonic sensor, it is not possible to match the timing of transmission and reception. After waiting for the reduction of the electrical noise mixed in after transmitting the sound wave of the frequency F1, a slight waiting time 411 is considered to transmit the sound wave at the frequency F2.

図6は、本発明の超音波センサを用いた図5に対応した測距を説明する模式図であり、図5で説明した測長モードの時間推移を示したものである。501は周波数F1による送受信タスク、502は周波数F1の送信モード、503は周波数F1の受信モードを示す。504は周波数F2による送受信タスク、505は周波数F2の送信モード、506は周波数F2の受信モード、507は周波数変調の切替時間、508は待機時間を示す。   FIG. 6 is a schematic view for explaining the distance measurement corresponding to FIG. 5 using the ultrasonic sensor of the present invention, and shows the time transition of the length measurement mode described in FIG. Reference numeral 501 denotes a transmission / reception task on the frequency F1, 502 denotes a transmission mode of the frequency F1, and 503 denotes a reception mode of the frequency F1. Reference numeral 504 denotes a transmission / reception task on frequency F2, 505 denotes a transmission mode of frequency F2, 506 denotes a reception mode of frequency F2, 507 denotes a switching time of frequency modulation, and 508 denotes a waiting time.

本形態における割込的な測距とは、周波数F1による超音波の送受信を完了する前に、割込的に周波数F2による超音波の送信を速やかに開始し、周波数F2の音波で測距を行うものである。まず周波数F1の送信が完了したらF1の音波送信終了フラグを得て、数μsec以内で、周波数をF2に変調した次測距を開始する。図6では周波数の変調数を2つで図示しているが、複数個あっても構わない。測距値の処理についてはバックグラウンドで行う事が可能であり表示を省略する。対象物までの距離が遠くなると音波が戻ってくるまでの待機時間508は必然的に長くなる。従来までは待機時間を活用できていなかったが、本発明においては周波数を変調することで測距タスクとして用いる事が可能となる。結果として測距の応答性を速くすることができる。   The interruption distance measurement in this embodiment means that the transmission of the ultrasonic wave at the frequency F2 is promptly started as an interruption before the transmission and reception of the ultrasonic wave at the frequency F1 is completed, and the distance measurement is performed by the sound wave of the frequency F2. It is something to do. First, when the transmission of the frequency F1 is completed, the sound wave transmission end flag of the F1 is obtained, and the next distance measurement in which the frequency is modulated to F2 is started within several microseconds. Although two frequency modulations are shown in FIG. 6, there may be more than one. The processing of the distance measurement value can be performed in the background, and the display is omitted. When the distance to the object is long, the waiting time 508 until the sound wave returns is inevitably long. Conventionally, the standby time has not been utilized, but in the present invention, it is possible to use it as a ranging task by modulating the frequency. As a result, the response of distance measurement can be made faster.

1つの距離測定手段を用いた超音波センサにおいて割込的な測距を行うには、予め大凡の距離レンジを把握して、変調数を設定することが望ましい(詳細後述)。図6から理解されるが、距離に対し変調数が多すぎると、或る周波数での受信タイミングと、別周波数の送信タイミングとで、干渉する恐れがある。但し送信音波を高周波数で1波にするなど、音波の送信時間を短くすることで、測距不能となる時間を極力抑える(エラー処理)ことで回避することも可能である。   In order to perform distance measurement in an interruptive manner in an ultrasonic sensor using one distance measuring means, it is desirable to grasp an approximate distance range in advance and set the number of modulations (described in detail later). As understood from FIG. 6, when there are too many modulations with respect to the distance, interference may occur between the reception timing at a certain frequency and the transmission timing of another frequency. However, by shortening the transmission time of the sound wave, such as setting the transmission sound wave to one wave with high frequency, it is possible to avoid the time when distance measurement can not be performed as much as possible (error processing).

図7は、測定対象物までの実際の距離と、測距で得られたTOF(Time−Of−Flight、音波伝搬時間)の関係を示す模式図である。TOFは音波伝搬時間であり、TOF=(2*距離)/音速で算出され、距離とTOFの関係は直線601に対応する。距離が近いほどTOFは短く、距離が遠くなるほどTOFは長くなる。距離精度を高めるには音速Cの絶対値が重要である。音速Cは、温度293.15K、湿度0%乾燥空気における理想音速C0(343.62m/s)から、気温の関数として算出される。音速は気温に対し感度が高いため、付近の温度情報を取得する必要がある。測長空間の付近に温度センサを設置し、外部システムを通じ気温を取得するのが簡便である。   FIG. 7 is a schematic view showing a relationship between an actual distance to a measurement object and TOF (Time-Of-Flight, sound wave propagation time) obtained by distance measurement. TOF is sound wave propagation time, and it is calculated by TOF = (2 * distance) / sound velocity, and the relationship between the distance and TOF corresponds to the straight line 601. The closer the distance, the shorter the TOF, and the farther the distance, the longer the TOF. The absolute value of the velocity of sound C is important to improve the distance accuracy. The sound velocity C is calculated as a function of air temperature from the ideal sound velocity C0 (343.62 m / s) at a temperature of 293.15 K and a humidity of 0% dry air. Since the speed of sound is sensitive to air temperature, it is necessary to obtain temperature information in the vicinity. It is convenient to install a temperature sensor near the measurement space and acquire the temperature through an external system.

また対象物との距離が近い場合は、センサと対象物の間に高次の多重波が発生し、多重波が減衰するまでは次測定ができない。その多重波が減衰するまでの時間602を示す。本発明の近距離を対称とした測距システムにおいては、時間602は約100μsecで充分であり、距離に換算して約17mmとなる。   When the distance to the object is short, a high-order multiple wave is generated between the sensor and the object, and the next measurement can not be performed until the multiple wave is attenuated. The time 602 until the multiple wave attenuates is shown. In the short distance symmetrical distance measurement system of the present invention, a time 602 of about 100 μsec is sufficient, which is about 17 mm in terms of distance.

近距離における待機制約に対しては、前記(図3、図4参照)の周波数を変調した逐次的な測距を行うことで、この制約から逃れることが可能である。また時間範囲602付近及び、そこを超えた距離範囲においては、前記(図5、図6参照)の割込的な測距を行うことで受信待ちによる待機時間を測距に活用することができる。   With respect to standby constraints at short distances, it is possible to escape from these constraints by performing sequential ranging with the frequency modulation (see FIGS. 3 and 4). Also, in the vicinity of the time range 602 and in the distance range beyond that, the waiting time due to reception waiting can be utilized for distance measurement by performing the above-mentioned interruptive distance measurement (see FIGS. 5 and 6). .

図8を用いて、本発明における逐次的な測距、また割込的な測距を行うことにより、測距の応答性が向上することを説明する。最終的に各測距を平均して最終的な測距値とするため(後述)、時間当たりの測距回数が多いほど、測距の応答性は速くなる。   The response of distance measurement is improved by performing sequential distance measurement and interruptive distance measurement according to the present invention with reference to FIG. Since the distance measurement is finally averaged to obtain the final distance measurement value (described later), the larger the number of times of distance measurement per time, the faster the distance measurement response.

図8Aは、従来測距と本発明の逐次的な測距について測距シーケンスの時間推移を示す模式図である。図7で説明したように距離が近接すると自己音波による多重波が残響している。従来測距においては、多重派波が減衰する時間602だけ待機(従来における次回測距開始までの時間701)してから、次回測距を行う必要がある。しかし、本発明の周波数を変調しながら逐次的な測距を行うことで、ほぼ待機せず(逐次的測距における次回測距開始までの時間702)次回測距を行うことが可能となる。測距に必要な音圧を確保することを考慮すると多重派波が減衰する時間602は約100μsec程度である。制約時間602はほぼ固定されるので、距離が近くなるほど逐次的測距の測距効率は高くなる。   FIG. 8A is a schematic view showing time transition of a ranging sequence in the conventional ranging and the sequential ranging of the present invention. As described with reference to FIG. 7, when the distance is short, multiple waves due to the self-sounds are reflected. In the conventional distance measurement, it is necessary to perform next distance measurement after waiting for a time 602 during which the multiple stray waves attenuate (time 701 until the start of the next distance measurement in the prior art). However, by performing sequential ranging while modulating the frequency of the present invention, it is possible to perform next ranging without almost waiting (a time 702 until the start of next ranging in sequential ranging). In consideration of securing the sound pressure necessary for the distance measurement, the time 602 for which the multiple wave attenuates is about 100 μsec. Since the constraint time 602 is substantially fixed, the distance measurement efficiency of the sequential distance measurement becomes higher as the distance is shorter.

図8Bは、従来測距と本発明の別の測距(割込的)について測距シーケンスの時間推移を示す模式図である。測長距離が長くなってくると、従来測距では超音波センサが音波送信をしてから音波受信をするまでの時間(従来における次回測距開始までの時間703)が長くなってくる。即ち待機時間が長くなり、速やかに次回測距を開始することができない。それに対し本発明の割込的測距を行うことで、ほぼ待機せず(割込的測距における次回測距開始までの時間704)することなく次回測距を行うことが可能となる。割込的な測距は、距離が遠くなるほど(併せて周波数を変調することが必要)測距効率が高くなる。   FIG. 8B is a schematic view showing the time transition of the distance measurement sequence with respect to the conventional distance measurement and another distance measurement (interruptive) of the present invention. When the distance measurement distance becomes long, in the conventional distance measurement, the time from when the ultrasonic sensor transmits the sound wave to when the sound wave is received (the time until the next distance measurement start in the conventional case 703) becomes long. That is, the standby time becomes long, and the next distance measurement can not be started promptly. On the other hand, by performing the interruption distance measurement according to the present invention, it is possible to perform the next distance measurement almost without waiting (time 704 until the next distance measurement start in the interruption distance measurement). In the case of the interruption distance measurement, the distance measurement efficiency becomes higher as the distance is longer (in addition, it is necessary to modulate the frequency).

本発明における、逐次的な測距は近距離ほど測距効率が高く、割込的な測距は遠距離ほど測距効率が高くなる。そのため距離範囲に応じて、2つの測距方法を適切に選択することが好ましい。即ち、逐次的な測距を第一の測定モード、割込的な測距を第二の測定モードとして捉え、これら測定モードを切替えて測定することが可能である。例えば音波送信時間として10μsecを想定する(音波送信に用いる正味時間は数μsec)。そして割込的な測距においては、音波送信が終了してから次の音波を送信するまでの間隔を10μsec確保した場合を仮定する。その場合において各々の測距方法の優位性がトレードオフとなる境界距離は、凡そ5〜7mm程度である。そのため数mm程度の近距離のみを測定する場合は、逐次的な測距を行うだけで構わない。距離数mm(5mm)から数10mmまで測距を行う場合は、逐次的な測距と割込的な測距の2種の測距モードを切替えて測距を行うことが好ましい。   In the present invention, the successive distance measurement has higher distance measurement efficiency as the distance is shorter, and the interrupting distance becomes higher as the distance distance is longer. Therefore, it is preferable to properly select two ranging methods according to the distance range. That is, it is possible to regard sequential ranging as the first measurement mode and interruptive ranging as the second measurement mode, and switch between these measurement modes for measurement. For example, 10 μsec is assumed as the sound wave transmission time (the net time used for sound wave transmission is several μsec). Then, in the case of the interrupting distance measurement, it is assumed that an interval from transmission of the sound wave transmission to transmission of the next sound wave is secured for 10 μsec. In that case, the boundary distance at which the superiority of each distance measuring method is a trade-off is about 5 to 7 mm. Therefore, in the case of measuring only a short distance of about several mm, it is only necessary to perform sequential distance measurement. When distance measurement is performed from several millimeters (5 mm) to several tens of millimeters, it is preferable to perform distance measurement by switching between two types of distance measurement modes, sequential distance measurement and interruptive distance measurement.

図9は、本発明の超音波センサについての機能ブロック図を説明する模式図である。図9において、805は測長する測定対象物、804は空中を伝搬する超音波、801は距離測定手段であるMUT(Micro−machined Ultrasound Transducer)である。本実施形態ではMUTとしてCMUT(Capasitive Micro−machined Ultrasound Transducer)を用いる。CMUTでは信号電極の対向電極にDC−BIAS814を印加した状態で送受信動作を行う。送受信する周波数帯域において、DC−BIAS814に高周波ノイズを重畳させないため、減衰力の強いLPFをMUT近傍に配置する事が好ましい。   FIG. 9 is a schematic view illustrating a functional block diagram of the ultrasonic sensor of the present invention. In FIG. 9, 805 is a measurement object to be measured, 804 is an ultrasonic wave propagating in the air, and 801 is a distance measurement means MUT (Micro-machined Ultrasound Transducer). In the present embodiment, a CMUT (Capasitive Micro-machined Ultrasound Transducer) is used as the MUT. In the CMUT, the transmission / reception operation is performed in a state where DC-BIAS 814 is applied to the counter electrode of the signal electrode. In order to prevent high frequency noise from being superimposed on the DC-BIAS 814 in the frequency band to be transmitted / received, it is preferable to dispose an LPF with strong damping force in the vicinity of the MUT.

まず受信音波の信号ブロックから説明する。保護回路1(815)は、MUT815に対して送信音波を発生させるための高電圧信号を、受信回路側に混入させないためのものである。保護回路1(815)は、例えば市販の超音波用のプロテクションICを用いることが可能である。CMUTは受信した信号強度(電流信号)が小さいため、まずプリアンプ806にて電流電圧変換(インピーダンス変換)を行うのが一般的である。CMUTのプリアンプ816は、広帯域特性を優先するため電流入力回路(トランスインピーダンス回路)を用いることが多いが、S/Nや帯域特性が許容できれば電圧入力回路を用いても構わない。   First, the signal block of the received sound wave will be described. The protection circuit 1 (815) is for preventing the high voltage signal for generating the transmission sound wave to the MUT 815 from being mixed into the reception circuit side. The protection circuit 1 (815) can use, for example, a commercially available protection IC for ultrasonic waves. Because the received signal strength (current signal) is small in the CMUT, it is general to perform current-voltage conversion (impedance conversion) in the preamplifier 806 first. The preamplifier 816 of the CMUT often uses a current input circuit (transimpedance circuit) to prioritize broadband characteristics, but a voltage input circuit may be used if S / N and band characteristics are acceptable.

プリアンプ816の後段には、周波数を選別するためのアナログ回路で構成されたBPF(バンドパスフィルタ)817を配置する。所望の周波数に対応したBPF817を使用するため、制御装置818からBPF817の選択信号が指示される。送信音波の周波数に対応した音波の周波数を受信するためのBPF817が選択される。次にLNA(ローノイズアンプ)819により信号が100倍以上増幅され、比較器820により予め記憶されたノイズ信号強度と分別され、制御装置818により、超音波の送受信に要した時間カウントが記憶装置821に記録される。BPF817のブロック中における配置は、LNA819の後段でも構わない。外部システムの制御部822は、超音波センサの測距の開始指示、測距値を取得するなどを行う。送信音波の周波数に対応した音波を受信するため、制御装置818から対応した周波数のBPF817を選択する信号が出力される。   At the subsequent stage of the preamplifier 816, a BPF (band pass filter) 817 configured of an analog circuit for selecting a frequency is disposed. In order to use the BPF 817 corresponding to the desired frequency, the controller 818 instructs a selection signal of the BPF 817. The BPF 817 is selected to receive the frequency of the sound wave corresponding to the frequency of the transmission sound wave. Next, the signal is amplified 100 times or more by the LNA (low noise amplifier) 819, separated from the noise signal intensity stored in advance by the comparator 820, and the control device 818 counts the time required for transmitting and receiving the ultrasonic waves. Is recorded in The arrangement in the block of the BPF 817 may be after the LNA 819. The control unit 822 of the external system instructs the start of distance measurement of the ultrasonic sensor, acquires a distance measurement value, and the like. In order to receive the sound wave corresponding to the frequency of the transmission sound wave, the control device 818 outputs a signal for selecting the BPF 817 of the corresponding frequency.

次に音波送信の信号ブロックを説明する。波形生成部823は、複数変調した周波数信号を発生する機能を有する。波形生成機能と信号増幅機能については周波数毎に独立させてよく、また複数周波数を発生させる波形生成部の後段に1つの増幅AMPを接続する構成でも構わない。送信音波の波形は、特定の1周波数成分が主成分となるよう構成され、パルス数は1〜10ケ程度で構成される。パルス数は1つが理想であるが、環境ノイズの影響を鑑み、複数ケのパルス数で構成して構わない。周波数F1の音波を送信するため、波形生成部823で生成された駆動パルスをMUT801へ印加する。CMUTの駆動電圧は、DC−BIAS814と駆動パルスの合計電圧がプルイン電圧を超えない程度に設定する。プルイン電圧とは、CMUTのメンブレンが上下電極間で接触する状態であり、一旦接触するとメンブレン材料が帯電し特性がドリフトするため避ける必要がある。実際に用いる電圧は凡そ±数10Vであり、システム側から供給してもらうなどで構わない。   Next, a signal block of sound wave transmission will be described. The waveform generation unit 823 has a function of generating a plurality of modulated frequency signals. The waveform generation function and the signal amplification function may be independent for each frequency, or one amplification AMP may be connected to the subsequent stage of the waveform generation unit that generates a plurality of frequencies. The waveform of the transmission sound wave is configured such that a specific one frequency component is a main component, and the number of pulses is approximately 1 to 10. Although one pulse number is ideal, in view of the influence of environmental noise, it may be configured with a plurality of pulse numbers. In order to transmit a sound wave of frequency F 1, the drive pulse generated by the waveform generation unit 823 is applied to the MUT 801. The drive voltage of the CMUT is set so that the total voltage of the DC-BIAS 814 and the drive pulse does not exceed the pull-in voltage. The pull-in voltage is a state in which the membrane of the CMUT is in contact between the upper and lower electrodes, and once it is in contact, the membrane material is charged and drifts in characteristics, so it should be avoided. The voltage actually used is about ± several tens of volts, and it may be supplied from the system side.

波形生成部823からMUT801の間には保護回路2(824)が配置される。この保護回路2は、送信音波の発生させるための高電圧の駆動信号は通過するが、音波を受信した際の微弱な受信信号は通過しない機能を有する。一般的にダイオードクリップ回路にて構成することが可能である。波形生成部823の出力端は一般に低インピーダンスであり、受信信号を出力端に侵入させない事が必要である。一般に超音波センサの送受信回路では、MUT801で音波を発生させる信号経路と、MUT801で音波を受信する信号経路をシステム内で独立させるための保護回路が必要である。   The protection circuit 2 (824) is disposed between the waveform generation unit 823 and the MUT 801. The protection circuit 2 has a function of passing a high voltage drive signal for generating a transmission sound wave but not passing a weak reception signal when the sound wave is received. In general, it is possible to configure a diode clip circuit. The output end of the waveform generation unit 823 is generally low impedance, and it is necessary to prevent the reception signal from entering the output end. Generally, in the transmission / reception circuit of an ultrasonic sensor, a signal path for generating an acoustic wave in the MUT 801 and a protection circuit for making a signal path for receiving an acoustic wave in the MUT 801 independent in the system are required.

制御装置818は1ブロックで記載したが、例えば、時間カウンタとフラグ機能を有する市販マイコンICと、処理/制御をPLD(programmable logic device)を用いることで構成可能である。1チップのPLDでも可能だが、高速化/低コスト化するためには市販ICを併用し低コストなPLDを使用する方が好ましい。本発明における処理/制御は複雑でないものの、市販ICのみで構成することは容易でないことも想定され、PLDを使用することで機能確認が容易となる。大量生産する場合においてはASIC化による1チップ化も有用である。図10は、本発明の超音波センサを用いた動作シーケンスを示す模式図である。図9に示した機能ブロックを併用して説明する。外部システムの制御部8222から、測長を開始するタイミング信号を制御装置818が受信してから測長を開始する(S1)。まずMUT801を用いて環境ノイズを測定(S2)し、基準信号レベルを記憶する。環境ノイズ測定は処理待ち時間に行っても構わない。   The controller 818 is described in one block, but can be configured, for example, by using a commercially available microcomputer IC having a time counter and a flag function, and PLD (programmable logic device) for processing / control. Although it is possible to use a single chip PLD, it is preferable to use a low cost PLD in combination with a commercially available IC in order to achieve high speed / low cost. Although the processing / control in the present invention is not complicated, it is assumed that it is not easy to configure only with a commercial IC, and the use of PLD facilitates the functional confirmation. In mass production, one-chip integration by ASIC is also useful. FIG. 10 is a schematic view showing an operation sequence using the ultrasonic sensor of the present invention. Description will be made by using the functional blocks shown in FIG. After the control device 818 receives a timing signal to start length measurement from the control unit 8222 of the external system, length measurement starts (S1). First, environmental noise is measured (S2) using the MUT 801, and the reference signal level is stored. Environmental noise measurement may be performed during processing waiting time.

次に逐次的な測距(S3)を行い、大凡の初期位置Liを把握する。ここで初期位置を把握する目的は2点ある。(1)距離に応じた測距モード(逐次的な測距、割込的な測距)の選択を行うため、(2)割込的な測距において、或る周波数での受信モードと、別周波数での送信モードの時間的な重なりが発生しないよう制御するためである。逐次的な測距においては、或る周波数で送受信を完了してから、別周波数で送受信を開始するため、割込的な測距のような干渉問題は発生しない。   Next, sequential distance measurement (S3) is performed to grasp an approximate initial position Li. Here, there are two purposes for grasping the initial position. (1) In order to select a distance measurement mode (sequential distance measurement, interruptive distance measurement) according to the distance, (2) in an interrupting distance measurement, a reception mode at a certain frequency, This is to control so that temporal overlap of transmission modes at different frequencies does not occur. In sequential ranging, since transmission and reception are completed on one frequency and then transmission and reception are started on another frequency, interference problems such as interruptive ranging do not occur.

図8を用いて説明したとおり、数mm以下の近距離であれば逐次的な測距の応答性が高く、数mm以上の測距であれば割込的な測距の応答性が高い。距離レンジに応じて最適な測距方法を選択する(S5)ことが好ましい。また図6を用いて説明したとおり、割込的な測距において、周波数の変調数が多くなってくると、或る周波数での受信モードと、別周波数での送信モードの時間的な重なりが発生する恐れがある。1つの超音波センサにおいて送信動作と受信動作の同時動作はできないので、時間的に重ならないようにする必要がある。初期位置を大凡把握できていれば、変調数を制御することで、この重なりを排除することができる。送信音波が高周波の1波などであれば干渉時間は短いので、一部のTOF信号をエラー排除することで処理することができる。ただ送信音波を複数パルス送信する場合は、干渉時間が長くなるため予め対策しておくことが望ましい場合もある。   As described with reference to FIG. 8, if the distance is a few mm or less, the response of sequential distance measurement is high, and if the distance is several mm or more, the interruptive distance measuring response is high. It is preferable to select the most suitable ranging method according to the distance range (S5). Further, as described with reference to FIG. 6, in the case of interruptive ranging, when the number of modulations of the frequency increases, the temporal overlap of the reception mode at one frequency and the transmission mode at another frequency becomes May occur. The simultaneous operation of the transmitting operation and the receiving operation can not be performed in one ultrasonic sensor, so it is necessary to prevent them from overlapping in time. If the initial position can be roughly grasped, this overlap can be eliminated by controlling the number of modulations. Since the interference time is short if the transmission sound wave is one high frequency wave, etc., it is possible to process some TOF signals by error exclusion. However, in the case of transmitting a plurality of pulses of the transmission sound wave, it may be desirable to take measures in advance because the interference time becomes long.

そして予め設定した距離閾値Lt(図8Bにおける距離704)と初期位置Liを比較し、Li<Ltならば逐次的な測距(S7)、Li≧Ltならば割込的な測距(S8)を開始する。双方の測距とも周波数を変調しながら複数回の測距を行い、平均値をもって距離を算出する(S9)。測距を継続するかどうか(S10)は、外部システムの制御部812の測長開始フラグで判断される。測距を継続する場合において、すでに大凡の距離レンジを把握できているので、初期の逐次的測距は行わない。継続して割込的な測距を行う場合は、大凡の距離レンジ情報から音波の変調数をテーブルデータから参照し設定する。図11は、本発明の超音波センサを用いたデータ取得フローを示す模式図である。データ群1001は、逐次的な測距、もしくは割込的な測距により周波数をF1、F2・・・Fnと変調しながら測距した際の1回目の測距データ(時間カウント)に対応する。データ群1002は、多重反射が充分に減衰した状態にて、同じ周波数を用いた測距をすることで取得したk回目の距離データ(時間カウント)に対応する。データ総数は概ね16〜128程度から選択されるが、応答性の低下を許容するならば、これ以上積算してもかまわない。ノイズは√(データ数)で低減するため、S/Nは√(データ数)で向上する。S/Nを向上させるにはデータ数を多くすることが好ましい。各周波数の距離情報は記憶装置811に蓄積されており、データ1003は距離情報を平均した最終的な測距情報に対応する。測距情報は時間カウントを出力する前段にて、音速で除することで距離として出力するのが簡便である。   Then, the distance threshold Lt (the distance 704 in FIG. 8B) set in advance is compared with the initial position Li, and if Li <Lt, sequential ranging (S7), if Li な ら ば Lt, interruptive ranging (S8) To start. In both of the distance measurement, the distance measurement is performed a plurality of times while modulating the frequency, and the distance is calculated using the average value (S9). Whether to continue the distance measurement (S10) is determined by the length measurement start flag of the control unit 812 of the external system. When continuing the ranging, since the approximate distance range is already known, the initial sequential ranging is not performed. When continuous distance measurement is to be performed, the number of sound wave modulations is referred to and set from table data from approximate distance range information. FIG. 11 is a schematic view showing a data acquisition flow using the ultrasonic sensor of the present invention. Data group 1001 corresponds to the first ranging data (time count) when ranging while modulating the frequency to F1, F2,... Fn by sequential ranging or interrupting ranging. . A data group 1002 corresponds to the k-th distance data (time count) acquired by performing distance measurement using the same frequency in a state where multiple reflections are sufficiently attenuated. Although the total number of data is selected from about 16 to 128, if it is acceptable to reduce the response, it may be accumulated further. Since noise is reduced by √ (number of data), S / N is improved by √ (number of data). In order to improve S / N, it is preferable to increase the number of data. The distance information of each frequency is stored in the storage unit 811. The data 1003 corresponds to the final distance measurement information obtained by averaging the distance information. It is convenient to output the distance measurement information as a distance by dividing it by the speed of sound at the front stage of outputting the time count.

図12A、Bは、本発明の超音波センサの距離測定手段の断面構成を説明する模式図である。本実施形態においては距離測定手段としてCMUTを用いている。CMUTはメンブレン1101上に配置した電極1102と、対向する基板上に配置した電極1103間の静電引力変化及び静電容量変化を利用して、音波の送受信を行う手段を構成している。本デバイスの基本的な構成は、特開2017−85257号公報、特開2016−101417号公報、特開2014−17566号公報等、に記載されている。CMUTは、記載内容を基にして適宜設計が可能である。   12A and 12B are schematic views for explaining the cross-sectional configuration of the distance measuring means of the ultrasonic sensor of the present invention. In the present embodiment, a CMUT is used as the distance measuring means. The CMUT constitutes means for transmitting and receiving sound waves by utilizing the change in electrostatic attraction and the change in capacitance between the electrode 1102 disposed on the membrane 1101 and the electrode 1103 disposed on the opposite substrate. The basic configuration of the device is described in, for example, JP-A-2017-85257, JP-A-2016-101417, and JP-A-2014-17566. The CMUT can be appropriately designed based on the contents described.

送信帯域において非共振とするために、音波発生源となるメンブレン厚は数μm、直径が数10μm〜数100μmの超音波デバイスを数10〜100ケ集積化して、数mmエリアで一つの超音波センサを構成する形態を採用し得る。例えば、CMUTのメンブレン1101はSiN材料を用いて主に構成し、セル直径は40μm、上下電極間のギャップを約200nmとすることができる。そして、電極との合計厚さを約2μm、Vb(バイアス電圧)を−50V程度印加した場合の、メンブレン1101の共振周波数は凡そ13MHz程度である。こうした構造に対して4MHzの駆動波形を印加したところ非共振特性が維持されていることを確認した。ここで、メンブレン1101の共振周波数は、送信帯域(500KHz〜3MHz)において凡そ4倍〜26倍である。   In order to achieve non-resonance in the transmission band, several tens of μm thick membranes with several tens of μm to several hundreds of μm in diameter are integrated, making one ultrasonic wave in several mm area. The form which comprises a sensor can be adopted. For example, the membrane 1101 of the CMUT is mainly configured using a SiN material, and the cell diameter can be 40 μm, and the gap between the upper and lower electrodes can be about 200 nm. The resonance frequency of the membrane 1101 is about 13 MHz when the total thickness with the electrode is about 2 μm and Vb (bias voltage) is about -50 V applied. When a drive waveform of 4 MHz was applied to such a structure, it was confirmed that non-resonance characteristics were maintained. Here, the resonance frequency of the membrane 1101 is approximately 4 to 26 times in the transmission band (500 KHz to 3 MHz).

本発明の超音波センサを用いて測距を行うためには、距離測定手段を一つ設けることからメンブレン1101の振動特性が、送信音波帯域において非共振となることが有用である。そのためメンブレン1101の共振周波数を、送信周波数に対し少なくとも数倍以上、望ましくは5〜10倍高いことが有用である。メンブレン構造と共振周波数の関係より、共振周波数を高くするには、メンブレン厚さを薄く、セル径を小さくすることが望ましい。   In order to perform distance measurement using the ultrasonic sensor of the present invention, it is useful that the vibration characteristic of the membrane 1101 becomes non-resonant in the transmission sound wave band since one distance measuring means is provided. Therefore, it is useful that the resonance frequency of the membrane 1101 be at least several times, preferably 5-10 times higher than the transmission frequency. From the relationship between the membrane structure and the resonant frequency, in order to increase the resonant frequency, it is desirable to make the membrane thickness smaller and the cell diameter smaller.

図12A、Bにおいては、メンブレン1101上には第一の電極1102が配置され、メンブレン1101に対向する基板上には、第二の電極1103が配置されている。第二の電極1103下部にグランド電極を配置(非図示)する。メンブレン1101は基板上に配置した隔壁1104により支持されている。ここに示した一対の電極を含む構造体がセル1105を構成している。   In FIGS. 12A and 12B, the first electrode 1102 is disposed on the membrane 1101, and the second electrode 1103 is disposed on the substrate facing the membrane 1101. A ground electrode is disposed below the second electrode 1103 (not shown). The membrane 1101 is supported by a partition 1104 disposed on a substrate. A structure including a pair of electrodes shown here constitutes a cell 1105.

第一の電極1102と第二の電極1103間には、配線1106から所定の電位差Vbが印加されており、メンブレン1101を基板側に撓ませ、基板側に向かってテンションがかかっている状態で使用される。第一の電極1102と第二の電極1103間に、配線1107から交流の電位差を印加することにより、メンブレン1101を振動させて超音波の送信を行う。一方、対象物から戻ってきた超音波がメンブレン1101に到達すると、メンブレン1101が振動し、第一の電極1102と第二の電極1103間の静電容量が変化する。第一の電極1102と、第二の電極1103間には所定の電位差Vbが常に印加されているので、容量変化に伴い発生した微小電流を検出することで、受信した超音波の受信タイミングや大きさを測定することができる。交流の電位差を印加する電極とVbを印加する電極の組み合わせは、第一の電極1102と第二の電極1103、第二の電極1103と第一の電極1101、のどちらでも構わない。デバイス作製のプロセス制約、信号S/N、応答性等を考慮して選択される。   A predetermined potential difference Vb is applied from the wiring 1106 between the first electrode 1102 and the second electrode 1103, and the membrane 1101 is bent toward the substrate side, and tension is applied toward the substrate side. Be done. By applying a potential difference of alternating current from the wiring 1107 between the first electrode 1102 and the second electrode 1103, the membrane 1101 is vibrated to transmit ultrasonic waves. On the other hand, when the ultrasonic wave returned from the object reaches the membrane 1101, the membrane 1101 vibrates, and the capacitance between the first electrode 1102 and the second electrode 1103 changes. Since a predetermined potential difference Vb is always applied between the first electrode 1102 and the second electrode 1103, the reception timing and the magnitude of the received ultrasonic waves are detected by detecting the minute current generated along with the capacitance change. Can be measured. The combination of an electrode for applying an AC potential difference and an electrode for applying Vb may be either the first electrode 1102 or the second electrode 1103 or the second electrode 1103 or the first electrode 1101. It is selected in consideration of process constraints of device fabrication, signal S / N, responsiveness, and the like.

図12Aに示すように距離測定手段のメンブレン1101上には、特に部材を配置せず、直接大気に接触する構成とした。本発明の超音波センサの距離測定手段を構成するCMUTはこれに限らず、図12Bに示すように距離測定手段のメンブレン1101上に弾性体1108を配置した構成とすることも可能である。弾性体1108を基板上に一面に配置することは、比較的容易であり、メンブレン1101の表面が保護されることで、対象物と接触した際のメンブレン1101の破損を防ぐことができるので都合がよい。ここで用いる弾性体1108は超音波の透過性が良く、且つメンブレン1101の機械特性に影響を与えにくい材料(メンブレンの材料の縦弾性係数よりも小さい材料がより適している。)を用いることが望ましい。材料としては、シリコーンゴム、EPDM(エチレンプロピレンゴム)、PDMS(ジメチルポリシロキサン)、ウレタンゴムなどから選択することができる。   As shown in FIG. 12A, no member is disposed on the membrane 1101 of the distance measuring means, and the structure is in direct contact with the air. The CMUT constituting the distance measuring means of the ultrasonic sensor of the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. 12B, the elastic body 1108 may be disposed on the membrane 1101 of the distance measuring means. It is relatively easy to place the elastic body 1108 on one side of the substrate relatively easily, and the surface of the membrane 1101 is protected, so that breakage of the membrane 1101 when it comes in contact with an object can be prevented. Good. As the elastic body 1108 used here, it is preferable to use a material which is excellent in ultrasonic wave permeability and which hardly affects the mechanical properties of the membrane 1101 (a material smaller than the longitudinal elastic modulus of the material of the membrane is more suitable). desirable. The material can be selected from silicone rubber, EPDM (ethylene propylene rubber), PDMS (dimethylpolysiloxane), urethane rubber and the like.

また距離測定手段のメンブレン1101上の弾性体1108の厚さは、できるだけ薄くすることが望ましい。これにより超音波の送受信を行う再に弾性体内での超音波の減衰を最小限にすることができるので、大きな送受信信号を取得することができ、より正確な距離測定を行うことができる。図13は、本発明の超音波センサにおける距離測定手段の上面配置を説明する模式図である。実際の距離測定手段としてのトランスデューサは、直径が数10μm〜数100μm程度のセル1105を、複数個集積させて数mmサイズの1つのエレメント1201を構成する。各メンブレンに配置された上面電極、下部電極、グランド電位の夫々は、1つのエレメントで共通電位となるように配線される。セル1105の配列は格子状の配置でも千鳥配置等、種々の配列を採用可能である。セル1105を上面からみた形状は円形であり、振動する部分の形状は円形であるが、正方形、長方形、多角形等の形状でも構わない。   Further, it is desirable to make the thickness of the elastic body 1108 on the membrane 1101 of the distance measuring means as thin as possible. As a result, since attenuation of the ultrasonic wave in the elastic body can be minimized at the time of transmission and reception of the ultrasonic wave, a large transmission and reception signal can be obtained, and more accurate distance measurement can be performed. FIG. 13 is a schematic view for explaining the top surface arrangement of the distance measuring means in the ultrasonic sensor of the present invention. A transducer as an actual distance measuring means integrates a plurality of cells 1105 each having a diameter of several tens of μm to several hundreds of μm to form one element 1201 of several mm in size. The upper surface electrode, the lower electrode, and the ground potential arranged in each membrane are wired such that one element has a common potential. The arrangement of the cells 1105 may be various arrangements such as a staggered arrangement even in a lattice arrangement. The shape of the cell 1105 viewed from the top is circular, and the shape of the vibrating part is circular, but may be square, rectangle, polygon or the like.

例えば、図12で説明したセル直径40μmを約4000ケ細密に配置すると直径3mm程度のサイズになる。CMUTの受信感度は面積に比例するので、大きいほうが送受信感度を高めることが容易となる。ほぼ実装空間の余裕からセンササイズが決定される。図14は、本発明の超音波センサを搭載したロボットハンドシステムを説明する模式図である。ロボットハンドのフィンガー部102の先端に本発明の距離測定手段101を配置している。フィンガー部102はフィンガー駆動手段1301により固定部から支持されている。フィンガー駆動手段1301は内部にモーターなどの駆動機構を有しており、外部からの駆動信号1302を元に、矢印A、B方向に可動する機構を有している。距離測定手段101からの出力信号1303はフィンガー位置算出手段1304に入力され、フィンガー位置算出手段1304では、各フィンガー部の距離測定手段101を配置している場所の位置座標を、入力された信号を元に算出し、フィンガー部位置情報として出力される。フィンガー部制御手段1305では、フィンガー部位置情報を元にして、フィンガー部102の駆動を指示するフィンガー部駆動信号を生成する。例えば、対象物105への距離が遠ければ、フィンガー部102をより近づける処理を行い、距離が近ければ対象物を傷つけないようにゆっくりとつかむように、フィンガー部102の位置を調整したりする。   For example, when the cell diameter of 40 μm described in FIG. 12 is finely arranged in about 4000 cells, the size becomes about 3 mm in diameter. Since the reception sensitivity of the CMUT is proportional to the area, the larger the transmission sensitivity, the easier it is to increase the transmission / reception sensitivity. The sensor size is determined almost from the space of the mounting space. FIG. 14 is a schematic view for explaining a robot hand system equipped with the ultrasonic sensor of the present invention. The distance measuring means 101 of the present invention is disposed at the tip of the finger portion 102 of the robot hand. The finger portion 102 is supported by the finger driving means 1301 from the fixed portion. The finger drive means 1301 has a drive mechanism such as a motor inside, and has a mechanism movable in the directions of arrows A and B based on a drive signal 1302 from the outside. The output signal 1303 from the distance measuring unit 101 is input to the finger position calculating unit 1304, and the finger position calculating unit 1304 receives the input signal of the position coordinate of the place where the distance measuring unit 101 of each finger portion is disposed. The original position is calculated and output as finger portion position information. The finger control unit 1305 generates a finger drive signal for instructing the drive of the finger 102 based on the finger position information. For example, if the distance to the object 105 is long, processing is performed to bring the finger portion 102 closer, and if the distance is short, the position of the finger portion 102 is adjusted so as to grasp slowly so as not to damage the object.

尚、図14では2本のフィンガー部と、フィンガー部が備える駆動手段が1つである構成について説明したが、本発明はこの構成に限らない。フィンガー部102は2本より多い構成とすることもできるし、フィンガー部が備える駆動手段を複数とし、多関節の指を有する構成等、種々の構成を採用し得る。本実施形態の超音波センサを用いることで、近接距離において最速で数msec間隔で測距を行いながら、測距情報をフィードバックすることが可能となる。特にロボットにおける近接動作においては、高速(数msec〜)、高精度(数10μm〜)な動作が要求されるが、その要求仕様を略満たす超音波センサを提供することが可能となる。   Although FIG. 14 illustrates the configuration in which the two finger portions and the drive unit provided with the finger portion are one, the present invention is not limited to this configuration. The finger portion 102 can be configured to have more than two, and various configurations can be adopted, such as a configuration having a plurality of driving means included in the finger portion and having an articulated finger. By using the ultrasonic sensor according to the present embodiment, it is possible to feed back distance measurement information while performing distance measurement at intervals of several msec at the shortest distance in the close distance. In particular, in proximity operation in a robot, high-speed (several msec or more) and high-precision (several 10 μm or more) operations are required, but it is possible to provide an ultrasonic sensor that substantially meets the required specifications.

[第2の実施形態]
本実施形態では、音波発生源として圧電膜(薄膜)で構成されたトランスデューサを用いる点が特徴的である。それ以外の項目については、実施形態1に順ずる。
Second Embodiment
The present embodiment is characterized in that a transducer composed of a piezoelectric film (thin film) is used as a sound wave source. The other items are in accordance with the first embodiment.

図15は、圧電膜(薄膜)で構成されたトランスデューサ(PMUT;Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers)の断面構造を説明する模式図である。薄い基材上1401に圧電体薄膜1402を配した薄いメンブレン1403を用い、距離測定手段を構成していることが特徴的である。距離測定手段を構成するメンブレンは、シリコン窒化膜、シリコン、金属など必要な機械的特性が得られるものであれば、適宜用いることができる。また基板はシリコン、ガラス、金属、ガラスエポキシ等必要な機械特性やメンブレンとの密着性、絶縁性が得られるものであれば適宜用いることができる。電極は、広く金属材料を採用し得るが、一例として焼成プロセスを経るならばPt系、焼成工程を分離できるならばAl系を採用することが可能である。圧電膜は静電容量が大きく、かつPt系電極の電気抵抗はAl系より大きい。大きなCR遅延による高周波特性の損失をできるだけ抑えることが好ましい。数mmサイズのトランスデューサ(PMUT)を数MHz程度で駆動する場合は、CR遅延の影響が無視できないので注意を要する。   FIG. 15 is a schematic view illustrating the cross-sectional structure of a transducer (PMUT; Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers) composed of a piezoelectric film (thin film). It is characteristic that a distance measuring means is constituted by using a thin membrane 1403 in which a piezoelectric thin film 1402 is disposed on a thin substrate 1401. The membrane constituting the distance measuring means can be appropriately used as long as it can obtain necessary mechanical properties such as silicon nitride film, silicon, metal and the like. The substrate may be suitably selected from silicon, glass, metal, glass epoxy and the like as long as necessary mechanical properties, adhesion to the membrane, and insulation can be obtained. As the electrode, a metal material can be widely adopted, but as an example, it is possible to adopt Pt based if it is subjected to a firing process, and Al based if it can separate the firing process. The piezoelectric film has a large capacitance, and the electrical resistance of the Pt-based electrode is larger than that of the Al-based electrode. It is preferable to minimize the loss of high frequency characteristics due to a large CR delay. In the case of driving a several mm size transducer (PMUT) with several MHz, it should be noted that the effect of CR delay can not be ignored.

距離測定手段を構成するメンブレン1403は、圧電薄膜1402の駆動電圧を印加させてメンブレン1403を振動させることで超音波を送信する。圧電薄膜のメンブレン1403を面の法線方向の両方向に変位させるためには、例えば配線1404をグランド電位に接続、配線1405にBIAS電圧を重畳させて±方向のパルス波形を印加する。配線1404と配線1405において逆の使い方をしても構わない。   The membrane 1403 constituting the distance measuring means transmits ultrasonic waves by vibrating the membrane 1403 by applying a drive voltage of the piezoelectric thin film 1402. In order to displace the membrane 1403 of the piezoelectric thin film in both directions normal to the surface, for example, the wire 1404 is connected to the ground potential, and a BIAS voltage is superimposed on the wire 1405 to apply a pulse waveform in the ± direction. The reverse usage may be applied to the wiring 1404 and the wiring 1405.

薄膜では必然的に電界強度が高くなるため、逆方向電界が印加されると分極はほぼ反転してしまう。そのためBIAS電圧で基準電位をオフセットさせた状態(片側電界方向)にて両極のパルス波形を印加するのが一般的である。もちろん0V基準にて、片極のパルス波形を印加する駆動(負圧若しくは正圧のみ)をして構わない。空中を伝搬する超音波においては、正圧音波と負圧音波、正圧音波のみ、負圧音波のみの、いずれでも送受信は可能である。   In a thin film, the electric field strength is necessarily high, so that the polarization is substantially reversed when a reverse electric field is applied. Therefore, it is general to apply a pulse waveform of both poles in a state where the reference potential is offset by the BIAS voltage (one-side electric field direction). Of course, driving (negative pressure or positive pressure only) may be performed to apply a pulse waveform of one pole on the basis of 0 V. With ultrasonic waves propagating in the air, transmission and reception of both positive pressure sound waves and negative pressure sound waves, only positive pressure sound waves, and only negative pressure sound waves are possible.

一方、反射してきた超音波がトランスデューサに到達し、メンブレン1403を振動させることで、圧電薄膜1402に電荷が発生する。発生した電荷に基づき配線1405を通じて抵抗電圧変換回路、チャージアンプ回路などの変換回路を用い電圧に変換することで受信を行う。   On the other hand, the reflected ultrasonic wave reaches the transducer and vibrates the membrane 1403 to generate an electric charge in the piezoelectric thin film 1402. Reception is performed by converting the generated charge into a voltage using a conversion circuit such as a resistance voltage conversion circuit or a charge amplifier circuit through the wiring 1405.

PMUTにおいても、CMUTと同じく、凡そ50〜100μm以下のセルを細密に複数配置して、数mm程度のセンサを構成し得る。小さなセルを用いる理由は、送信音波帯域にて非共振特性を確保するためである。例えば、以下の構成にて実施形態1のCMUTと似た周波数特性を得ることが可能である。即ち、セルサイズを50μm□、振動板をSiN(膜厚2.5μm)とSiO2(膜厚0.5μm)、下電極をTi/Pt、PZT(膜厚2μm)、上電極Pt、保護膜SiO2(0.3μm)、とすることで共振周波数、10〜13MHzが得られる。セル2130個を細密配置して3mm程度のサイズとし得る。図16は、本実施形態における超音波センサの機能ブロックを説明する模式図である。CMUTとPMUTのデバイス構成の違いによる電圧印加方法は異なるものの、それ以外は基本的に同じ構成である。805は測長する対象物、804は空中を伝搬する超音波である。本実施形態では距離測定手段801としてPMUT(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers)を用いている。PMUTにおいても、CMUTと同じように正圧と負圧を用いた送受信を行うには、信号電極側にDC−BIASを印加する。もちろん負圧のみ、若しくは正圧のみの送受信動作であれば、DC−BIASは不要である。CMUTに対するPMUTのメリットは構成が簡易で、低電圧化が図れることである。尚、DC−BIASは不要とする方が好ましい。   Also in the PMUT, as in the CMUT, a plurality of cells of approximately 50 to 100 μm or less can be finely arranged to constitute a sensor of several mm or so. The reason for using a small cell is to secure non-resonance characteristics in the transmission sound wave band. For example, it is possible to obtain frequency characteristics similar to the CMUT of the first embodiment with the following configuration. That is, the cell size is 50 μm square, the diaphragm is SiN (film thickness 2.5 μm) and SiO 2 (film thickness 0.5 μm), the lower electrode is Ti / Pt, PZT (film thickness 2 μm), upper electrode Pt, protective film SiO 2 By setting (0.3 μm), a resonance frequency of 10 to 13 MHz can be obtained. The 2130 cells can be finely arranged to have a size of about 3 mm. FIG. 16 is a schematic view for explaining functional blocks of the ultrasonic sensor in the present embodiment. The voltage application method according to the difference in the device configuration of CMUT and PMUT is different, but the other configuration is basically the same. 805 is an object to be measured, and 804 is an ultrasonic wave propagating in the air. In this embodiment, PMUTs (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers) are used as the distance measurement means 801. Also in the PMUT, DC-BIAS is applied to the signal electrode side in order to perform transmission and reception using positive pressure and negative pressure as in the CMUT. Needless to say, DC-BIAS is not necessary in the case of transmission and reception operations of only negative pressure or only positive pressure. The merit of PMUT over CMUT is that the configuration is simple and the voltage can be lowered. In addition, it is preferable to make DC-BIAS unnecessary.

超音波センサの距離測定手段として用いるCMUTとPMUTによる若干の違いがあるが、ここでは両者の差分を中心に説明する。   Although there are slight differences between CMUT and PMUT used as distance measuring means of the ultrasonic sensor, the difference between the two will be mainly described here.

受信音波の信号ブロックについては、PMUTは受信した信号強度(電圧信号)がCMUT程小さくはないため、図9に示したプリアンプ806を用いなくても構わない。もちろん広帯域特性を優先するために電流入力回路(トランスインピーダンス回路)を用いても構わないし、S/Nや帯域特性が許容できれば電圧入力回路を用いることも可能である。音波送信の信号ブロックについては、PMUTの駆動波形は、GND電位に対して片極方向になるよう設定する。実際に用いる駆動電圧はパルス波形を数10Vとする。電圧はシステム側から供給してもらうなどで構わない。   As for the signal block of the received sound wave, since the received signal strength (voltage signal) of the PMUT is not as small as that of the CMUT, the preamplifier 806 shown in FIG. 9 may not be used. Of course, a current input circuit (transimpedance circuit) may be used in order to prioritize broadband characteristics, and a voltage input circuit may be used if S / N and band characteristics are acceptable. For the signal block of sound wave transmission, the drive waveform of PMUT is set to be in the direction of one pole with respect to the GND potential. The drive voltage to be actually used has a pulse waveform of several tens volts. The voltage may be supplied from the system side.

超音波発生源としてPMUTを用いた本形態では、実施形態1と同じく、近接距離において最速で数msecの測距が可能となる。更に実施形態1のCMUTに対して、プリアンプ無し及びBIAS電源無しによる部品数の低減、更に駆動電圧の低電圧化が可能となる。   In the present embodiment using a PMUT as an ultrasonic wave generation source, as in the first embodiment, it is possible to perform distance measurement for several msec at the fastest in the close distance. Furthermore, with respect to the CMUT of the first embodiment, it is possible to reduce the number of parts without a preamplifier and without a BIAS power supply, and to lower the drive voltage.

[第3の実施形態]
本実施形態は、音波発生源としCMUTを用い、測距精度を向上させる補正を施したことが特徴的である。それ以外の構成要素については、実施形態1に順ずる。
Third Embodiment
The present embodiment is characterized in that a correction for improving distance measurement accuracy is performed using a CMUT as a sound wave source. The other components are in accordance with the first embodiment.

図17は、音波発生源にCMUTを用いて周波数を変調しながら測距を行った際の周波数毎の測距値の相対差を示すグラフである。送信音波の周波数500KHzでの測距値をRef.値とする。周波数が高くなるに従い、測距値がRef.値に対して相対的に長くなる傾向が見られた。これは、デバイスの機械的な位相特性や、送信回路及び受信回路の位相特性が合わさったものである。図17に示すように位相特性は、測長距離に依存しないため、このズレを補正することは容易である。   FIG. 17 is a graph showing the relative difference in distance measurement value for each frequency when distance measurement is performed while modulating the frequency using a CMUT as a sound wave generation source. The distance measurement value at the frequency of 500 KHz of the transmitted sound wave is Ref. It will be a value. As the frequency becomes higher, the distance measurement value is Ref. There was a tendency to be relatively long with respect to the value. This is a combination of the mechanical phase characteristics of the device and the phase characteristics of the transmitting circuit and the receiving circuit. As shown in FIG. 17, since the phase characteristic does not depend on the measurement distance, it is easy to correct this deviation.

実際にセンサを用いる際には、予め主要周波数で絶対距離を測距し校正作業を実施する。主要周波数毎の補正係数を取得し、実測で得られた測定値を補正する。図9における記憶装置821には、実測の補正前データが記録されるため、制御装置818若しくは外部システムの制御部822において、補正処理を施すシーケンスが必要となる。なお補正係数は、変調する周波数が少ない場合は、テーブルデータとして準備してもよいし、変調する周波数が多くなる場合は、補正曲線をフィッティングから導出し、距離精度が許すなら任意周波数で補正を行ってもよい。   When actually using the sensor, the absolute distance is measured at the main frequency in advance and calibration work is performed. The correction factor for each major frequency is acquired, and the measured value obtained by the measurement is corrected. Since actual pre-correction data is recorded in the storage device 821 in FIG. 9, a sequence for performing correction processing in the control device 818 or the control unit 822 of the external system is required. The correction coefficient may be prepared as table data if the frequency to be modulated is small, or if the frequency to be modulated is large, the correction curve is derived from the fitting, and if the distance accuracy allows, correction is made at an arbitrary frequency You may go.

図18は、本発明の超音波センサを用いたデータ取得フローを示す模式図である。データ群1001は、逐次的な測距、もしくは割込的な測距により周波数をF1、F2・・・Fnと変調しながら測距した1回目の距離データ(時間カウント)に対応する。データ群1002は、多重反射が減衰している状態にて、同じ周波数を用いた測距をすることで取得したk回目の距離データ(時間カウント)に対応する。データ数は概ね16〜128程度から選択される。応答性の低下を許容するならば、これ以上積算してもかまわない。S/Nを向上させるためにはデータ数を多くすることが好ましい。データ群1701は、周波数毎の距離情報を平均したデータに対応する。データ群1702は、周波数毎の距離情報について位相ズレに対する補正を施したデータに対応する。データ1703は、データ群1702を平均化したデータに対応し、最終の測距情報となる。測距情報は時間カウントを出力する前段にて、音速で除することで距離として出力するのが簡便である。周波数毎の位相誤差を補正してから、測距情報を得るため、距離精度が向上する。距離測定手段(超音波発生源)としてCMUTを用い、本発明の超音波センサを構成した。実施形態1と同じく、近接距離において最速で数msecの測距が可能となる。更に、周波数毎の距離誤差を補正することで、絶対距離の精度を向上することが可能となる。   FIG. 18 is a schematic view showing a data acquisition flow using the ultrasonic sensor of the present invention. A data group 1001 corresponds to first distance data (time count) measured while modulating the frequency with F1, F2,... Fn by sequential distance measurement or interrupt distance measurement. A data group 1002 corresponds to the k-th distance data (time count) acquired by performing ranging using the same frequency in a state where multiple reflections are attenuated. The number of data is selected from about 16 to about 128. If it is acceptable to reduce the responsiveness, it may be integrated further. In order to improve the S / N, it is preferable to increase the number of data. A data group 1701 corresponds to data obtained by averaging distance information for each frequency. A data group 1702 corresponds to data obtained by correcting phase shift for distance information for each frequency. Data 1703 corresponds to data obtained by averaging the data group 1702 and becomes final distance measurement information. It is convenient to output the distance measurement information as a distance by dividing it by the speed of sound at the front stage of outputting the time count. Since the distance measurement information is obtained after correcting the phase error for each frequency, the distance accuracy is improved. The ultrasonic sensor of the present invention was configured using CMUT as a distance measurement means (ultrasonic wave generation source). As in the first embodiment, it is possible to perform distance measurement for several milliseconds at the fastest in the close distance. Furthermore, it is possible to improve the accuracy of the absolute distance by correcting the distance error for each frequency.

101 距離測定手段
104 超音波
105 測定対象物
117 選別手段
118 制御手段
123 周波数信号生成部
101 Distance Measurement Means 104 Ultrasonic Wave 105 Measurement Object 117 Sorting Means 118 Control Means 123 Frequency Signal Generator

Claims (15)

超音波を用いて測定対象物との距離を測定する超音波センサであって、
複数の周波数信号を生成させる周波数信号生成部と、
前記複数の周波数信号に基づいて複数周波数の超音波を発生させると共に、前記複数周波数の超音波に対応した前記測定対象物からの複数の反射波を受信して、複数の受信信号を発生する距離測定手段と、
前記複数の受信信号を選別する選別手段と、を有し、
第一の周波数で送信した超音波に基づく反射波が多重反射となり、前記多重反射が減衰して受信できなくなる前に、前記第一の周波数とは異なる第二の周波数の超音波を用いて送信及び受信を行うことを特徴とする超音波センサ。
An ultrasonic sensor that measures the distance to an object to be measured using ultrasonic waves,
A frequency signal generator for generating a plurality of frequency signals;
While generating ultrasonic waves of a plurality of frequencies based on the plurality of frequency signals, a distance for receiving a plurality of reflected waves from the object to be measured corresponding to the plurality of ultrasonic waves and generating a plurality of reception signals Measuring means,
And sorting means for sorting the plurality of received signals,
Transmitted using an ultrasonic wave of a second frequency different from the first frequency before reflected waves based on the ultrasonic wave transmitted at the first frequency become multiple reflections and the multiple reflections are attenuated and can not be received. And an ultrasonic sensor characterized by performing reception.
前記距離測定手段は、前記第一の周波数に基づく反射波を受信した後、前記第二の周波数の超音波を用いた送信及び受信を逐次的に行うものであることを特徴とする請求項1に記載の超音波センサ。   The distance measuring means sequentially performs transmission and reception using an ultrasonic wave of the second frequency after receiving a reflected wave based on the first frequency. Ultrasonic sensor described in. 前記距離測定手段は、前記第一の周波数の超音波を送信した後、前記第一の周波数に基づく反射波を受信する前に、前記第二の周波数の超音波を送信するものであることを特徴とする請求項1に記載の超音波センサ。   The distance measuring means transmits ultrasonic waves of the second frequency before transmitting reflected waves of the first frequency after transmitting the ultrasonic waves of the first frequency. The ultrasonic sensor according to claim 1, characterized in that: 前記距離測定手段が1つ設けられていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein one distance measuring means is provided. 前記距離測定手段は、トランスデューサを有することを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the distance measuring means comprises a transducer. 前記トランスデューサは、圧電膜を用いて構成されていることを特徴とする請求項5に記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to claim 5, wherein the transducer is configured using a piezoelectric film. 前記トランスデューサは、メンブレンを用いた静電容量型トランスデューサであることを特徴とする請求項5に記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to claim 5, wherein the transducer is a capacitive transducer using a membrane. 前記選別手段は、バンドパスフィルタを用いて構成されていることを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein the sorting means is configured using a band pass filter. 前記第二の周波数の超音波に基づく受信に際して、前記第一の周波数の超音波に基づく受信とは異なるバンドバスフィルタを用いることを特徴とする請求項8に記載の超音波不センサ。   The ultrasound non-sensor according to claim 8, wherein a band-pass filter different from the ultrasound-based reception of the first frequency is used for the ultrasound-based reception of the second frequency. 前記第一の周波数に基づく反射波を受信した後、前記第二の周波数の超音波を用いた送信及び受信を逐次的に行う第一の測定モードと、前記第一の周波数の超音波を送信した後、前記第一の周波数に基づく反射波を受信する前に、前記第二の周波数の超音波を送信する第二の測定モードと、を切替えて測定を行い得ることを特徴とする請求項1乃至9の何れか1項に記載の超音波センサ。   After receiving a reflected wave based on the first frequency, a first measurement mode in which transmission and reception using an ultrasonic wave of the second frequency are sequentially performed, and transmitting an ultrasonic wave of the first frequency After that, before the reflected wave based on the first frequency is received, measurement can be performed by switching between the second measurement mode for transmitting the ultrasonic wave of the second frequency and the second measurement mode. The ultrasonic sensor according to any one of 1 to 9. 前記測定モードの切替えは、設定される閾値と前記測定対象物との距離とに応じてなされることを特徴とする請求項10に記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to claim 10, wherein the switching of the measurement mode is performed in accordance with a set threshold value and a distance to the measurement object. 前記測定対象物との距離が、前記閾値よりも小さい場合には、前記第一の測定モードの測定を行い、前記閾値よりも大きい場合には、前記第二の測定モードの測定を行うことを特徴とする請求項11に記載の超音波センサ。   In the case where the distance to the measurement object is smaller than the threshold, the measurement in the first measurement mode is performed, and when the distance from the measurement object is larger than the threshold, the measurement in the second measurement mode is performed. The ultrasonic sensor according to claim 11, characterized in that: 前記閾値は、5mmから10mmの範囲内にあることを特徴とする請求項12に記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to claim 12, wherein the threshold is in the range of 5 mm to 10 mm. 基準となる距離に基づき測定値を補正する補正係数を記憶する手段を更に有することを特徴とする請求項1乃至13の何れか1項に記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 13, further comprising means for storing a correction coefficient that corrects the measured value based on the reference distance. 前記周波数は500KHzから4MHzの範囲内にあることを特徴とする請求項1乃至14の何れか1項に記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to any one of the preceding claims, wherein the frequency is in the range of 500 KHz to 4 MHz.
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