JP2605335B2 - Ultrasonic array sensor - Google Patents

Ultrasonic array sensor

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俊昌 高木
直哉 東
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波を送波し、反射波を受波する複数の
超音波振動子を同一平面上に配列した超音波アレイセン
サに関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ultrasonic array sensor in which a plurality of ultrasonic transducers for transmitting ultrasonic waves and receiving reflected waves are arranged on the same plane. It is.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来の1個の超音波振動子を用いた超音波センサでは
指向ビームが太く緩やかなため、狭い範囲の検知ができ
なかった。
A conventional ultrasonic sensor using one ultrasonic transducer cannot detect a narrow range because the directional beam is thick and gentle.

そこで例えば、特願昭61−216266号によれば、複数の
超音波振動子を同一平面上に配列した超音波アレイセン
サが示されている。
For example, Japanese Patent Application No. 61-216266 discloses an ultrasonic array sensor in which a plurality of ultrasonic transducers are arranged on the same plane.

この超音波アレイセンサは、複数の超音波振動子を等
間隔で配列したものである。これにより、指向ビームを
細くすることができた。
In this ultrasonic array sensor, a plurality of ultrasonic transducers are arranged at equal intervals. Thereby, the directional beam could be narrowed.

ここで、このような細い指向ビームを有する超音波ア
レイセンサにより広範囲にわたって監視しようとする場
合、この指向ビームを広範囲にわたって走査してやる必
要がある。例えば、第4図に示すように5個の超音波振
動子S1〜S5の送波時間を遅延回路D1〜D5によりコントロ
ールすることで指向ビームの向き即ち指向角度φを変え
ればよい。つまり、第5図に示すように、超音波振動子
S1〜S5の送波時間をΔtずつずらすことにより同位相波
面を正面方向から角度φずらした方向にそろえること
で、指向ビームを角度φだけ走査できるのである。超音
波振動子S1〜S5の各々の間隔をd、同位相波面間の距離
をΔlとすると、 Δt=Δl/c=d sinφ/c(cは音速) となる。この式で求まるΔtなる時間だけS1からS5に順
に送波時間を遅延させれば、第6図に示すように、角度
φだけ正面方向からずれた方向に指向ビームの方向が傾
けられる。
Here, when monitoring over a wide range using an ultrasonic array sensor having such a narrow directional beam, it is necessary to scan the directional beam over a wide range. For example, as shown in FIG. 4, the direction of the directional beam, that is, the directional angle φ may be changed by controlling the transmission time of the five ultrasonic transducers S1 to S5 by the delay circuits D1 to D5. That is, as shown in FIG.
By shifting the transmission time of S1 to S5 by Δt to align the in-phase wavefront with the direction shifted by an angle φ from the front direction, the directional beam can be scanned by the angle φ. If the distance between the ultrasonic transducers S1 to S5 is d and the distance between the in-phase wavefronts is Δl, then Δt = Δl / c = d sinφ / c (c is the speed of sound). If the transmission time is sequentially delayed from S1 to S5 by the time Δt determined by this equation, the direction of the directional beam is inclined in a direction deviated from the front direction by an angle φ as shown in FIG.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

以上の従来例においては、指向ビームを第7図(a)
〜(e)に示すように、方向Aから方向Eまで順に走査
すれば、検知物体Pの存在位置が角度方向に分解能をも
って検知できるのであるが、視野全体を走査するのに5
回の位相遅延操作をしなければならず、指向ビームの走
査に時間を要するという問題があった。
In the conventional example described above, the directional beam is changed as shown in FIG.
As shown in (e), if the scanning is performed in order from the direction A to the direction E, the position where the detection object P exists can be detected in the angular direction with a resolution.
There is a problem that the phase delay operation has to be performed twice and it takes time to scan the directional beam.

本発明は、上記の点に鑑みてなしたものであり、その
目的とするところは、角度方向に分解能を備えるととも
に、短時間に検出のできる超音波アレイセンサを提供す
ることにある。
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic array sensor having resolution in an angular direction and capable of detecting in a short time.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明は、超音波を送波し、反射波を受波する複数の
超音波振動子と、該超音波振動子の送波のタイミングに
より位相差を持たせる遅延回路と、前記超音波振動子か
らの各受波信号によりどの方向に検知物体が存在するか
を判断する判断部とを有して成り、前記複数の超音波振
動子を同一平面上に配列した超音波アレイセンサにおい
て、指向ビームが等間隔で複数個形成されるように前記
超音波振動子を配列し、前記遅延回路により、前記各超
音波振動子への送波のタイミングに位相差を持たせて、
複数の前記指向ビームを順次走査させるとともに、位相
差を持たせた際の走査における複数の前記指向ビームの
内、少なくとも1つが前記位相差を持たせる前の走査に
おける複数の前記指向ビームの内のいずれか1つと重な
るようにし、前記判断部により、前記走査毎の検知デー
タに基づいて検知物体の位置を検出するようにしたこと
を特徴とするものである。
The present invention provides a plurality of ultrasonic transducers for transmitting an ultrasonic wave and receiving a reflected wave, a delay circuit for giving a phase difference according to the timing of transmission of the ultrasonic transducer, and the ultrasonic transducer. A determination unit for determining in which direction the detection object is present based on each received signal from the ultrasonic array sensor in which the plurality of ultrasonic transducers are arranged on the same plane. The ultrasonic transducers are arranged such that a plurality of the ultrasonic transducers are formed at equal intervals, and the delay circuit has a phase difference in the timing of transmission to each of the ultrasonic transducers,
While sequentially scanning the plurality of directional beams, at least one of the plurality of directional beams in the scan when the phase difference is provided, at least one of the plurality of the directional beams in the scan before the phase difference is provided. In this case, the position of the detection object is detected based on the detection data for each scan by the determination unit.

〔作用〕[Action]

本発明の超音波アレイセンサは、複数個の超音波振動
子を、例えば1.4λ(λは超音波の波長である)の間隔
で、等間隔に配列することにより、同時に複数方向の指
向ビームを、等間隔に形成し、この指向ビームを、遅延
回路で送波時間をずらすことにより順次走査していき、
位相差を持たせた際の走査における複数の指向ビームの
内、少なくとも1つが位相差を持たせる前の走査におけ
る複数の指向ビームの内のいずれか1つと重なるように
してあり、前記各々の走査のときの物体の検知信号か
ら、判断部により物体がどの方向に存在するかを短時間
に検出するものである。
The ultrasonic array sensor of the present invention arranges a plurality of ultrasonic transducers at regular intervals, for example, at an interval of 1.4λ (where λ is the wavelength of the ultrasonic wave), thereby simultaneously providing directional beams in a plurality of directions. , Formed at equal intervals, and sequentially scans this directional beam by shifting the transmission time by a delay circuit,
At least one of the plurality of directional beams in the scan having the phase difference is overlapped with any one of the plurality of directional beams in the scan before providing the phase difference, and each of the scans The direction in which the object exists is detected in a short time by the determination unit from the detection signal of the object at the time of (1).

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づき説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は、本発明の一実施例を示すブロック図であ
る。S1〜S5は超音波を送波し反射波を受波する超音波振
動子であり、同一平面上に等間隔で配列され、超音波ア
レイセンサを構成しているのである。超音波振動子S1〜
S5間の間隔dは1.4λ(λは超音波の波長)である。D1
〜D5は、超音波振動子S1〜S5の各々に接続される遅延回
路であり、超音波振動子S1〜S5の送波時間をコントロー
ルするものである。即ち、遅延回路D1〜D5は、超音波振
動子S1〜S5の送波を順にずらせ、複数の指向ビームの指
向角度をφずつ傾けるためのものである。Jは判断部で
あり、超音波振動子S1〜S5からの各受波信号によりどの
方向に検知物体が存在するかを判断するものである。
FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of the present invention. S1 to S5 are ultrasonic transducers for transmitting ultrasonic waves and receiving reflected waves, and are arranged at equal intervals on the same plane to constitute an ultrasonic array sensor. Ultrasonic transducer S1 ~
The interval d between S5 is 1.4λ (λ is the wavelength of the ultrasonic wave). D1
D5 is a delay circuit connected to each of the ultrasonic transducers S1 to S5, and controls the transmission time of the ultrasonic transducers S1 to S5. That is, the delay circuits D1 to D5 are for shifting the transmission of the ultrasonic transducers S1 to S5 in order and inclining the directional angles of the plurality of directional beams by φ. J is a determination unit that determines in which direction the detection object is present based on the received signals from the ultrasonic transducers S1 to S5.

本実施例において、遅延回路D1〜D5による超音波振動
子S1〜S5の送波の遅延がない場合の指向特性を第2図
(a)に示す。超音波振動子S1〜S5間の間隔dを1.4λ
としているので、指向ビームは3本発生しているのであ
る。この3本の指向ビームが各々角度φ1,φ2,φ3の方
向だとする。3本の指向ビーム間の角度は各々φとす
る。次に、遅延回路D1〜D5により前記指向ビームの方向
を角度φだけずらせて、第2図(b)に示すように、角
度φ4,φ5,φ6の方向を向くようにする。ここで、φ1
とφ5およびφ2とφ6とは同じ角度になる。また、第
2図(a)の状態から逆方向に角度φ(第2図(b)の
状態からは角度2φ)だけずらせて、第2図(c)に示
すように、角度φ7,φ8,φ9の方向を向くようにする。
ここで、φ2とφ7およびφ3とφ8とは同じ角度にな
る。
FIG. 2A shows directivity characteristics in the present embodiment when there is no delay in transmission of the ultrasonic transducers S1 to S5 by the delay circuits D1 to D5. The distance d between the ultrasonic transducers S1 to S5 is 1.4λ.
Therefore, three directional beams are generated. Assume that these three directional beams are in directions of angles φ1, φ2, and φ3, respectively. The angle between the three directional beams is φ. Next, the directions of the directional beams are shifted by an angle φ by delay circuits D1 to D5 so as to be directed at angles φ4, φ5, and φ6 as shown in FIG. 2B. Here, φ1
And φ5 and φ2 and φ6 have the same angle. Also, the angle is shifted in the opposite direction from the state of FIG. 2A by an angle φ (an angle of 2φ from the state of FIG. 2B), and as shown in FIG. 2C, the angles φ7, φ8, Turn to the direction of φ9.
Here, φ2 and φ7 and φ3 and φ8 have the same angle.

このように、遅延回路D1〜D5により、指向ビームの方
向を、発生する指向ビーム間の角度φの整数倍だけずら
すように走査していくのである。
In this manner, scanning is performed by the delay circuits D1 to D5 so that the direction of the directional beam is shifted by an integral multiple of the angle φ between the directional beams to be generated.

ただし、少なくとも1つ以上の指向ビームの重なりが
あることが必要である。
However, it is necessary that at least one or more directional beams overlap.

従って、上記の条件を満足するのは、本実施例のよう
に3本のビームを有する超音波アレイセンサの場合は、
第2図(a)〜(c)の3つの状態のみである。
Therefore, the above condition is satisfied in the case of the ultrasonic array sensor having three beams as in this embodiment.
FIGS. 2A to 2C show only the three states.

第3図に実際の指向ビームを示す。第3図(a)〜
(c)は第2図(a)〜(c)に各々対応している。検
知物体の存在する方向をA〜Eの5方向の分解能を有し
ている。Pは実際に存在する検知物体で、今、Bの方向
に存在するものとする。
FIG. 3 shows an actual directional beam. Fig. 3 (a)-
(C) corresponds to FIGS. 2 (a) to (c), respectively. The direction in which the detection object exists has resolutions of five directions A to E. P is a detection object that actually exists, and is assumed to be present in the direction of B.

次に、判断部Jでどのようにして検知物体Pの存在を
検知するかを示す。
Next, how the determination unit J detects the presence of the detection object P will be described.

指向ビームが第3図(a)の状態になっている時は、
受波信号ありとなる。次に、第3図(b)の状態では、
やはり受波信号ありとなる。
When the directional beam is in the state shown in FIG.
There is a received signal. Next, in the state of FIG.
Again, there is a received signal.

ところが、第3図(c)の状態では、受波信号はな
い。
However, in the state of FIG. 3 (c), there is no received signal.

ここで、下記に示す表1を用意しておく。 Here, Table 1 shown below is prepared.

ただし、○印は第3図で示す(a)〜(c)の各状態
での受波信号がある状態を示す。表1において、(a)
〜(c)の各状態での○印の存在する箇所により、検知
物体Pの存在位置を判断できるのである。
Here, the circles indicate the states where there is a received signal in each of the states (a) to (c) shown in FIG. In Table 1, (a)
The existence position of the detection object P can be determined based on the location of the mark in each state of (c) to (c).

前記の例では、(a)の状態と(b)の状態で受波を
検出しており、(c)の状態では受波を検出していない
ので、表1により、(a)と(b)のところにのみ○印
のついているBの方向に検知物体Pが存在すると判断す
るのである。
In the above example, the reception is detected in the state of (a) and the state of (b), and the reception is not detected in the state of (c). That is, it is determined that the detection object P exists in the direction of B marked with a circle only at the point ()).

本実施例では、指向ビームが3本の場合の例を示した
が、超音波振動子の間隔を調整することにより、指向ビ
ームの本数を増やすことができ、角度方向の分解能をよ
り向上させることが可能である。また従来例で示したよ
うに、指向ビームの位相遅延操作回数も、従来例の5回
から3回と減少させることができた。
In this embodiment, an example in which the number of directional beams is three has been described. However, by adjusting the interval between the ultrasonic transducers, the number of directional beams can be increased, and the resolution in the angular direction can be further improved. Is possible. Further, as shown in the conventional example, the number of phase delay operations of the directional beam can be reduced from three times to five times in the conventional example.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上のように本発明によれば、超音波を送波し、反射
波を受波する複数の超音波振動子と、該超音波振動子の
送波のタイミングにより位相差を持たせる遅延回路と、
前記超音波振動子からの各受波信号によりどの方向に検
知物体が存在するかを判断する判断部とを有して成り、
前記複数の超音波振動子を同一平面上に配列した超音波
アレイセンサにおいて、指向ビームが等間隔で複数個形
成されるように前記超音波振動子を配列し、前記遅延回
路により、前記各超音波振動子への送波のタイミングに
位相差を持たせて、複数の前記指向ビームを順次走査さ
せるとともに、位相差を持たせた際の走査における複数
の前記指向ビームの内、少なくとも1つが前記位相差を
持たせる前の走査における複数の前記指向ビームの内の
いずれか1つの重なるようにし、前記判断部により、前
記走査毎の検知データに基づいて検知物体の位置を検出
するようにしたので、角度方向に分解能を備えるととも
に、短時間に検出のできる超音波アレイセンサが提供で
きた。
As described above, according to the present invention, a plurality of ultrasonic transducers for transmitting an ultrasonic wave and receiving a reflected wave, and a delay circuit for giving a phase difference depending on the transmission timing of the ultrasonic transducer. ,
Having a determination unit to determine in which direction the detection object is present by each received signal from the ultrasonic transducer,
In the ultrasonic array sensor in which the plurality of ultrasonic transducers are arranged on the same plane, the ultrasonic transducers are arranged so that a plurality of directional beams are formed at equal intervals, and each of the ultrasonic transducers is arranged by the delay circuit. By giving a phase difference to the timing of the transmission to the acoustic transducer, the plurality of directional beams are sequentially scanned, and at least one of the plurality of directional beams in the scan with the phase difference is at least one of the directional beams. Since any one of the plurality of directional beams in the scan before giving the phase difference is overlapped, and the determination unit detects the position of the detection object based on the detection data for each scan. Thus, an ultrasonic array sensor having resolution in the angular direction and capable of detecting in a short time could be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、本発明の一実施例を示すブロック図、 第2図は、同上に係る指向ビームを示す模式図、 第3図は、同上に係る指向ビームの方向を示す模式図、 第4図は、従来例を示すブロック図、 第5図は、同上の原理説明図、 第6図は、同上に係る超音波振動子の配列と指向ビーム
を示す模式図、 第7図は、同上に係る指向ビームの走査上体を示す模式
図である。 S1〜S5……超音波振動子 D1〜D5……遅延回路 J……判断部
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram showing a directional beam according to the above embodiment, FIG. 3 is a schematic diagram showing a direction of the directional beam according to the embodiment, FIG. FIG. 5 is a block diagram showing a conventional example, FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of the above, FIG. 6 is a schematic diagram showing an array of ultrasonic transducers and a directional beam according to the above, and FIG. It is a schematic diagram which shows the scanning body of such a directional beam. S1-S5: Ultrasonic transducer D1-D5: Delay circuit J: Judgment unit

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】超音波を送波し、反射波を受波する複数の
超音波振動子と、該超音波振動子の送波のタイミングに
より位相差を持たせる遅延回路と、前記超音波振動子か
らの各受波信号によりどの方向に検知物体が存在するか
を判断する判断部とを有して成り、前記複数の超音波振
動子を同一平面上に配列した超音波アレイセンサにおい
て、指向ビームが等間隔で複数個形成されるように前記
超音波振動子を配列し、前記遅延回路により、前記各超
音波振動子への送波のタイミングに位相差を持たせて、
複数の前記指向ビームを順次走査させるとともに、位相
差を持たせた際の走査における複数の前記指向ビームの
内、少なくとも1つが前記位相差を持たせる前の走査に
おける複数の前記指向ビームの内のいずれか1つと重な
るようにし、前記判断部により、前記走査毎の検知デー
タに基づいて検知物体の位置を検出するようにしたこと
を特徴とする超音波アレイセンサ。
A plurality of ultrasonic transducers for transmitting an ultrasonic wave and receiving a reflected wave; a delay circuit for providing a phase difference depending on a transmission timing of the ultrasonic transducer; A determination unit for determining in which direction the detection object is present based on each of the received signals from the transducer, and an ultrasonic array sensor in which the plurality of ultrasonic transducers are arranged on the same plane. Arrange the ultrasonic transducers so that a plurality of beams are formed at equal intervals, by the delay circuit, by giving a phase difference in the timing of the transmission to each ultrasonic transducer,
While sequentially scanning the plurality of directional beams, at least one of the plurality of directional beams in the scan when the phase difference is provided, at least one of the plurality of the directional beams in the scan before the phase difference is provided. An ultrasonic array sensor, wherein the position of a detection object is detected based on the detection data for each scan by the determination unit.
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