KR20060043000A - 발신 장치, 음파 센서 및 자주차 - Google Patents

발신 장치, 음파 센서 및 자주차 Download PDF

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Abstract

발신 장치(1)의 구동 회로(11)가, 압전 소자(13a)를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수 대역과는 다른 주파수 대역에서 압전 소자(13a)를 구동한다. 또한, 음파 센서의 구동 회로(11)가, 음파를 발신, 수신하는 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수 대역과는 다른 주파수 대역에서 압전 소자를 구동한다. 이와 같은 발신 장치를 음파 센서의 발신 장치로서 장비함으로써, 계측 오차가 작은 음파 센서가 실현된다. 또한, 상술한 바와 같은 음파 센서를 자주차의 주행 및 조향 제어에 사용함으로써, 경계물의 근방에서 정차하는 것이 가능한 자주차가 실현된다.
발신 장치, 구동 회로, 압전 소자, 진동계, 공진 주파수 대역, 음파 센서, 자주차

Description

발신 장치, 음파 센서 및 자주차{TRANSMITTING APPARATUS, ACOUSTIC WAVE SENSOR AND AUTONOMOUS TRAVELLING VEHICLE}
도 1의 (a), (b) 및 (c)는 종래의 초음파 센서의 동작을 설명하기 위한 타이밍차트.
도 2는 본 발명에 따른 초음파 센서의 제1 실시예의 개략 구성을 도시하는 블록도.
도 3은 발신기가 발신하는 음파의 음압과 주파수의 관계를 도시하는 그래프.
도 4의 (a), (b) 및 (c)는 본 발명에 따른 초음파 센서의 동작을 설명하기 위한 타이밍차트.
도 5는 본 발명의 제2 실시예의 초음파 센서의 개략 구성을 도시하는 블록도.
도 6은 본 발명에 따른 초음파 센서를 장비한 본 발명에 따른 자주차의 일 실시예로서의 자주식 청소기의 개략의 기능 구성을 나타내는 블록도.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 본 발명에 따른 자주차의 주행 궤적을 도시하는 설명도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 발신 장치
2 : 수신 장치
10 : 타이밍 회로
11 : 구동 회로
11a : 발진기
12 : 승압 회로
13 : 발신기
13a : 압전 소자
20 : 수신기
21 : 앰프
22 : 밴드 패스 필터
23 : 검파 회로
24 : 비교 회로
30 : 신호 처리부
30a : 타이머
<관련 출원의 상호 참조>
본 출원은, 2004년 3월 31일자로 출원된 일본특허출원 2004-104391호를 우선권 주장의 기초로 하여, 35 U.S.C. §119(a) 하에서 가출원으로서의 우선권을 주장 하는 것으로서, 상기 일본특허출원의 모든 내용은 참조로서 본 명세서에 인용되어 있다.
본 발명은 음파에 의해 피검출물의 유무 또는 피검출물까지의 거리 등의 정보를 얻기 위한 발신 장치 및 음파 센서에 관한 것으로, 또한 이와 같은 음파 센서를 구비하는 자주차에 관한 것이다.
종래, 초음파를 피검출물을 향하여 발신함과 함께, 피검출물로부터의 반사파를 수신하여, 발신 개시 시점으로부터 수신 개시 시점까지의 동안의 시간에 기초하여, 피검출물까지의 거리를 측정하는 초음파 센서가 알려져 있다.
이러한 초음파 센서의 일종으로서, 압전 소자를 구비하여 초음파를 발신하는 발신기, 압전 소자를 구동하는 구동 회로, 및 구동 회로에 소정의 주파수 대역의 발진 신호를 입력하는 발진 회로를 갖는 발신 장치와, 압전 소자를 구비하여 초음파를 수신하는 수신기, 초음파의 작용에 의한 압전 소자의 진동에 따라 생성되는 전기 신호에 기초하여 소정의 주파수 대역의 초음파를 검지하는 검지 회로, 및 전기 신호에 기초하여 피검출물에 관한 정보를 얻기 위한 처리를 행하는 신호 처리부를 갖는 수신 장치를 구비하는 초음파 센서가 알려져 있다(예를 들면, 일본특허공개 평10-290495호 공보 참조).
상술한 초음파 센서의 발신기는, 바닥부를 갖는 실린더 형상을 이루며 바닥부를 진동판으로 한 케이스를 구비하고, 진동판의 내면에는 압전 소자가 접착되어 있다. 동일하게, 구동 회로는, 발진 회로로부터의 발진 신호에 기초하여 압전 소자에 전압을 인가함으로써, 압전 소자를 소정의 공진 주파수 대역에서 진동시킨다. 압전 소자를 진동시키는 공진 주파수 대역은, 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수 대역으로 되고, 공진에 의한 진동판의 큰 진폭에 의해 초음파가 발신된다.
발신기로부터 발신된 초음파는 피검출물에서 반사되고 수신기에서 수신된다. 수신기에서 수신된 초음파는 전기 신호로 변환되고, 신호 처리부에서 신호 처리됨으로써, 피검출물까지의 거리가 구해진다.
상술한 바와 같은 종래의 초음파 센서는, 압전 소자에 전압을 인가하고 나서, 압전 소자를 포함하는 진동계가 안정적으로 공진하기까지는, 도 1의 타이밍차트에 도시하는 바와 같이, 시간 T1을 요하기 때문에, 발신되는 초음파의 음압의 상승이 완만하게 된다.
구체적으로는, 도 1의 (a)의 구동 회로의 출력 파형에 나타내는 바와 같이 발신기에 전압을 인가하고 나서, 도 1의 (b)의 발신기의 출력 파형에 나타내는 바와 같이 압전 소자를 포함하는 진동계가 안정적으로 공진하기까지는 시간 T1을 요한다.
이러한 음압의 상승이 완만한 초음파를 발신하여 수신기에서 수신한 경우, 실제로 초음파가 수신기에 도달한 시점으로부터 초음파가 소정의 음압으로 상승하는 시점까지는 시간 지연이 생긴다. 초음파를 수신하였는지의 여부의 판단은, 수신한 초음파의 음압에 따라 변환된 전기 신호가 소정의 임계값을 초과하였는지의 여부로 행해지도록 구성되어 있기 때문에, 초음파를 수신하기 시작한 시점으로부터 소정의 임계값을 초과하는 시점까지 요하는 도 1의 (c)의 수신기의 입력 파형에 나 타내는 시간 T2는 계측 오차로 된다. 종래의 음파 센서는, 이러한 초음파의 음압의 상승이 완만한 것에 기인하여 계측 오차, 구체적으로는 도 1의 (c)에 나타내는 시간 T2가 생기는 것이 불가피하다고 하는 문제가 있었다.
본 원의 발명자들은, 상술한 도 1의 (c)에 나타내는 시간 T2로서 표현되는 계측 오차를 감소시키기 위해 예의 노력하여 실험 및 검토를 거듭하였다. 그 결과, 압전 소자를 구동하는 주파수를, 종래와는 달리, 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 주파수 대역과는 다른 주파수로 한 경우에, 압전 소자를 포함하는 진동계의 응답 시간이 짧게 되고, 이에 의해, 발신하는 초음파의 음압의 상승이 급준하게 되며, 그 결과로서, 도 1의 (c)에 나타낸 시간 T2가 대폭 단축되는, 즉 계측 오차를 저감하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다.
본 발명은 이상과 같은 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수 대역 이외의 주파수 대역에서 압전 소자를 구동하도록 구성함으로써, 음파의 음압의 상승을 급준하게 하는 것이 가능한 발신 장치, 음파 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 음파의 발신, 수신을 공용하는 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수 대역 이외의 주파수 대역에서 압전 소자를 구동하도록 구성함으로써, 계측 오차가 작은 음파 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 상술한 음파 센서를 구비함으로써, 예를 들면 피검출물의 근방에서 정차하는 것이 가능한 자주차를 제공하는 것을 목적으로 한다.
제1 발명에 따른 발신 장치는, 압전 소자와, 상기 압전 소자를 구동하여 음파를 발신시키는 구동 회로를 포함하는 발신 장치로서, 상기 구동 회로는, 상기 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수와는 다른 주파수 대역에서 상기 압전 소자를 구동하는 것을 특징으로 한다.
이러한 제1 발명에 따른 발신 장치에서는, 구동 회로는, 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수 대역과는 다른 주파수 대역에서 변동하는 전압을 압전 소자에 인가한다. 압전 소자는 구동 회로에 의한 전압의 인가에 의해 진동하기 때문에, 음파가 발신된다. 그리고, 압전 소자의 구동을, 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수 대역과는 다른 주파수 대역에서 행함으로써, 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수 대역에서 압전 소자를 구동하는 경우에 대하여 응답 시간이 짧아, 음파의 음압의 상승이 급준하게 된다.
제2 발명에 따른 음파 센서는, 압전 소자 및 상기 압전 소자를 구동하여 음파를 발신시키는 구동 회로를 구비하는 발신 장치와, 상기 발신 장치가 발신한 음파의 피검출물로부터의 반사파를 수신하는 수신기를 구비하는 수신 장치와, 상기 발신 장치가 음파를 발신한 시점으로부터 상기 수신 장치의 수신기가 반사파를 수신한 시점까지의 시간에 기초하여, 상기 피검출물에 관한 정보를 취득하는 처리 회로를 포함하는 음파 센서로서, 상기 구동 회로는, 상기 압전 소자를 포함하는 진동 계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수와는 다른 주파수 대역에서 상기 압전 소자를 구동하는 것을 특징으로 한다.
이러한 제2 발명에 따른 음파 센서에서는, 발신 장치의 구동 회로는, 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수 대역과는 다른 주파수 대역에서 압전 소자를 구동하고, 이에 의해 발신 장치로부터 음파가 발신된다. 압전 소자를 포함하는 진동계가 안정적으로 공진하기까지의 시간은, 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수 대역에서 압전 소자를 구동하는 경우보다 짧게 되기 때문에, 발신하는 음파의 음압의 상승이 급준하게 된다. 또한, 피검출물에서 반사된 음파는, 수신 장치에서 수신되어 전기 신호로 변환되고, 예를 들면 피검출물까지의 거리를 검출하기 위해 처리된다.
제3 발명에 따른 자주차는 압전 소자 및 상기 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수와는 다른 주파수 대역에서 상기 압전 소자를 구동하여 음파를 발신시키는 구동 회로를 갖는 발신 장치와, 상기 발신 장치가 발신한 음파의 피검출물로부터의 반사파를 수신하는 수신기를 갖는 수신 장치를 구비하고, 피검출물을 검출하는 음파 센서와, 상기 발신 장치가 음파를 발신한 시점으로부터 상기 수신 장치의 수신기가 반사파를 수신한 시점까지의 시간에 기초하여, 상기 피검출물에 관한 정보를 취득하는 처리 회로와, 상기 처리 회로가 취득한 상기 피검출물에 관한 정보에 기초하여 주행 제어 및 조향 제어를 행하는 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 제3 발명에 따른 자주차에서는, 자주차는, 발신 장치로부터 음파를 발신하고, 피검출물에서 반사된 음파를 수신 장치에서 수신한다. 수신된 음파는 전기 신호로 변환되어 처리되고, 예를 들면 피검출물까지의 거리가 계측된다. 계측된 피검출물까지의 거리는, 자율 주행을 제어하는 제어 정보의 하나로서 취급된다.
제4 발명에 따른 자주차는 제3 발명의 자주차가 청소기이며, 상기 제어 회로의 제어에 의해, 사각형의 실내의 한쪽의 평행한 한쌍의 대향하는 벽을 따른 경로를, 다른 쪽의 평행한 한쌍의 대향하는 벽을 따른 방향으로 소정 거리 간격에서 왕복 주행하는 것을 특징으로 한다.
이러한 제4 발명에 따른 자주차에서는, 제3 발명의 자주차가 청소기로서 구성되어 있는 것으로, 사각형의 실내를 한쪽의 평행한 한쌍의 대향하는 벽을 따른 경로에 따라 왕복 주행하면서 청소를 행한다.
제1 발명에 따른 발신 장치에 따르면, 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수 대역에서 압전 소자를 구동하는 경우에 대하여 응답 시간이 짧게 되어, 음파의 음압의 상승이 급준하게 되어, 수신기의 입력 파형에 발생하는 계측 오차가 작게 된다.
또한, 제2 발명에 따른 음파 센서에 따르면, 수신 장치에 수신되는 음파도, 수신 장치에 도달하고 나서 소정의 음압으로 되기까지의 시간이 짧게 되기 때문에, 실제로 음파가 수신 장치에 도달하고 나서 검지한 것으로 판단하기 위한 임계값을 초과하기까지의 시간도 짧게 되어, 계측 오차가 작게 된다.
또한, 제3 발명에 따른 자주차에 따르면, 음파 센서의 계측 오차가 작게 되 고, 이에 의해, 피검출물까지의 거리를 고정밀도로 검출할 수 있으므로, 정지하기 위한 제어가 지연되어 차체가 피검출물에 충돌한다고 하는 사태가 방지된다.
또한, 제4 발명에 따른 자주차에 따르면, 제3 발명의 자주차를 청소기로서 구성한 경우에, 사각형의 실내를 한쪽의 평행한 한쌍의 대향하는 벽을 따른 경로에 따라 왕복 주행하면서 청소를 행할 수 있기 때문에, 방의 바닥면을 샅샅이 청소하여 방 안에서 먼지가 쌓이기 쉬운 벽에 가까운 부분을 확실하게 청소할 수 있다.
본 발명의 상기 및 그 외의 다른 목적 및 특징들은 첨부된 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 명백하게 될 것이다.
<실시예>
이하, 본 발명을 그 바람직한 실시예들을 도시하는 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 초음파 센서의 제1 실시예의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 센서는, 크게는, 본 발명에 따른 발신 장치(1)와 수신 장치(2)로 구성되어 있고, 신호 처리부(30)를 더 포함한다. 이러한 본 발명에 따른 초음파 센서는, 기본적으로는 발신 장치(1)로부터 음파를 발신하고, 이 음파가 피검출물에서 반사된 음파를 수신 장치(2)에서 수신하여, 음파의 발신 시점으로부터 수신 시점까지의 시간에 기초하여 피검출물까지의 거리를 검출하도록 구성되어 있다.
발신 장치(1)는 타이밍 회로(10), 구동 회로(11), 승압 회로(12), 및 발신기(13)를 구비하고 있다. 타이밍 회로(10)는 소정의 시간 간격에서 트리거 신호를 구동 회로(11)에 출력한다. 구동 회로(11)는 내부에 발진기(11a)를 구비하고 있고, 이 발진기(11a)가 출력하는 주파수 f의 발진 신호를, 타이밍 회로(10)로부터 주어지는 트리거 신호에 동기하여 소정의 시간 폭만큼 승압 회로(12)에 출력한다. 승압 회로(12)는 구동 회로로부터 주어진 발진 신호의 전압을 승압하여 발신기(13)에 출력한다. 발신기(13)는, 내부에 구비하는 압전 소자(13a)에, 승압 회로(12)가 승압한 전압을 인가한다. 압전 소자(13a)는 인가 전압의 주파수 f에 따라 진동하여, 음파를 발신한다.
또, 이 제1 실시예에서는 발신기(13)로서 「주식회사 일본 세라텍(NIHON CERATEC C0., LTD.)제 압전 버저(MR-18)」를 이용하였다. 도 3은 발신기(13)가 발신하는 음파의 음압과 주파수의 관계를 도시하는 그래프이다.
발신기(13)는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 100㎐ 부근∼100㎑ 부근까지의 주파수의 음파를 발신하는 것이 가능하게 구성되어 있다. 종래 기술에서는, 공진 주파수 대역에서 압전 소자를 구동하는 발신기는, 음압이 가장 크게 되는 공진 주파수 대역의 ±5㎑의 범위 외의 주파수 대역에서 음압이 20㏈ 이상 감쇠하도록 하는 예리한 주파수 특성을 갖도록 구성되어 있다. 그러나, 본 발명의 제1 실시예에서는, 발신기(13)는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 압전 소자(13a)를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진함으로써 음압이 가장 크게 되는 공진 주파수 대역(4.4㎑)의 ±5㎑의 범위 외의 주파수 대역에 10수㏈ 음압이 작은 주파수 대역을 갖고 있다. 또한, 도 3에 도시하는 바와 같이, 발신기(13)는, 약 17㎑, 약 32㎑, 약 50㎑에도 음압이 크게 되는 주파수 대역을 갖는다. 그러나, 이들 음압의 크기는 다른 주파 수 대역에 비해 10수㏈ 정도 크게 될 뿐이고, 종래 기술에서의 공진 주파수 대역에서 압전 소자를 구동하는 발신기에 비해 완만한 주파수 특성을 갖도록 구성되어 있다.
상술한 발진기(11a)로부터 출력되는 발진 신호의 주파수 f의 값은, 압전 소자(13a)를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수 대역으로부터 벗어난 주파수로 설정되어 있고, 구체적으로는 50㎑ 부근이다.
수신 장치(2)는 수신기(20), 앰프(21), 밴드 패스 필터(BPF)(22), 검파 회로(23), 비교 회로(24)를 구비하고 있다. 발신 장치(1)의 발신기(13)로부터 발신된 음파는 피검출물에서 반사되고, 반사된 음파는 수신 장치(2)의 수신기(20)에서 수신된다. 제1 실시예에서는 수신기(20)로서 「호시덴 주식회사(Hosiden Corporation)제 컨덴서 마이크로폰(KUB4223)」을 이용하였다.
수신기(20)는 가청 대역으로부터 초음파 대역(100㎑ 부근)까지의 음파를 수신하여 전기 신호로 변환할 수 있다. 따라서, 수신기(20)는 발신기(13)가 발신하여 피검출물에서 반사된 음파를 수신하여 전기 신호로 변환하도록 구성되어 있다.
수신기(20)에는 앰프(21)가 접속되어 있다. 앰프(21)에서 증폭된 수신기(20)로부터의 전기 신호는, 50㎑ 부근의 주파수의 신호를 통과시키는 밴드 패스 필터(22)를 통해서 검파 회로(23)에 입력된다. 검파 회로(23)로부터의 출력은 비교 회로(24)에 입력된다. 비교 회로(24)는 검파 회로(23)로부터 입력된 전기 신호와 소정의 임계값을 비교함으로써, 전기 신호가 소정의 임계값을 초과한 경우에 펄스 신호를 계시 정지 신호로서 신호 처리부(30)에 출력하도록 구성되어 있다.
신호 처리부(30)는 타이머(30a)를 구비하고 있고, 상술한 타이밍 회로(10)가 출력하는 트리거 신호가 계시 개시 신호로서 입력된다. 신호 처리부(30)는, 계시 개시 신호(트리거 신호)가 입력된 시점으로부터, 상술한 비교 회로(24)가 계시 정지 신호로서 출력하는 펄스 신호가 입력되는 시점까지의 시간을 계측한다. 그리고, 신호 처리 회로(30)는, 계측 결과의 시간에, 전파 매체 중에서의 음파의 전파 속도를 곱함으로써, 피검출물까지의 거리를 산출하여 출력한다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 발신 장치(1)에서는, 구동 회로(11)를, 압전 소자(13a)를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수 대역(4.4㎑ 부근)과는 다른 주파수 대역(50㎑ 부근)에서 압전 소자(13a)를 구동하도록 구성되어 있다. 따라서, 압전 소자(13a)를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 주파수 대역(4.4㎑ 부근)에서 압전 소자(13a)를 구동하는 경우에 비해, 도 4의 타이밍차트에 도시하는 바와 같이, 안정적으로 공진하기까지의 시간 T3가 짧아, 발신하는 음파의 음압의 상승이 급준하게 된다.
구체적으로는, 도 4의 (a)의 구동 회로의 출력 파형에 나타내는 바와 같이 발신기에 전압을 인가하고 나서, 도 4의 (b)의 발신기의 출력 파형에 나타내는 바와 같이 압전 소자를 포함하는 진동계가 안정적으로 공진하기까지의 시간 T3가, 도 1의 (b)에 도시하는 종래 기술의 시간 T1에 비해 매우 짧게 된다.
본 발명에 따른 초음파 센서에서는, 상술한 바와 같은 음압의 상승이 급준한 음파를 발신하여 수신기(20)에서 수신하기 때문에, 도 1의 (c)에 도시하는 바와 같이, 수신기(20)에서 변환된 전기 신호가 소정의 임계값을 초과하기까지의 시간 T4 도 종래 기술에 비해 매우 짧게 되고, 따라서 피검출물까지의 거리를 계측하는 경우의 오차가 작게 된다.
또한, 상술한 제1 실시예에서는, 발진기(11a)로부터 출력되는 발진 신호의 주파수 f의 값을 50㎑ 부근으로 하였지만, 이에 한정될 필요는 없다. 발진기(11a)로부터 출력되는 발진 신호의 주파수 f의 값은, 압전 소자(13a)를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수 대역과는 다른 주파수 대역이면 된다.
또한, 상술한 제1 실시예에서는, 수신기(20)로서 컨덴서 마이크로폰을 이용하였지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 컨덴서 마이크로폰 대신에 압전 소자를 구비하고, 수신한 음파의 작용에 의한 압전 소자의 진동에 따라 전기 신호를 생성하는 구성으로 하는 것도 가능하다.
또한, 발신기(13)에 혼을 장착함으로써, 발신기(13)로부터 발신되는 음파의 지향 특성을 조정할 수 있도록 구성해도 된다.
도 5는 본 발명에 따른 초음파 센서의 제2 실시예의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
도 5에서, 참조 부호 40은 발수신기이고, 압전 소자(40a)를 구비하고 있다. 압전 소자(40a)에는, 구동 회로(11)의 발진기(11a)로부터 출력되는 주파수 f의 발진 신호에 따라 승압 회로(12)로부터 출력되는 전압이 인가된다. 압전 소자(40a)는, 승압 회로(12)로부터 주어지는 인가 전압의 주파수 f에 따라 진동하여, 음파를 발신한다.
또한, 발수신기(40)는 피검출물에서 반사된 음파를 수신하고, 수신한 음파의 작용에 의한 압전 소자(40a)의 진동에 따라 전기 신호를 생성한다. 생성된 전기 신호는, 상술한 제1 실시예의 경우와 마찬가지로, 앰프(21) 및 밴드 패스 필터(22)를 통하여 검파 회로(23)에 입력된다.
그 밖의 구성 및 작용은 제1 실시예와 마찬가지이기 때문에, 대응하는 구성 요소에 동일한 참조 부호를 붙이고 이들의 구성 및 작용의 설명을 생략한다.
또한, 이상의 제1 실시예 또는 제2 실시예의 초음파 센서는 피검출물까지의 거리를 계측하도록 구성되어 있지만, 피검출물까지의 거리가 아니라 피검출물의 존재 여부를 검지하도록 구성해도 되는 것은 물론이다.
이상과 같은 본 발명에 따른 초음파 센서의 실용적인 응용예로서는, 예를 들면, 자율 주행하는 자주차(autonomous travelling vehicle)에 장비하는 것이 가능하다. 도 6은 본 발명에 따른 초음파 센서를 장비한 본 발명에 따른 자주차의 일 실시예로서의 자주식 청소기의 개략의 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 6에서, 참조 부호 5는 직방체 형상의 차체이다. 차체(5)의 길이 방향(전후 방향)으로 연장되어 상호 대향하는 양 측면에는 각각, 회동 가능하게 지지된 차륜(6R, 6L)이 배설되어 있다. 차체(5)는 그 길이 방향의 일측이 앞측으로서 설정되어 있다. 따라서, 차체(5)는, 양 차륜(6R, 6L)이 모두 정회전함으로써 길이 방향의 일측으로 주행(전진)하고, 양 차륜(6R, 6L)이 모두 역회전함으로써 길이 방향의 다른 측으로 진행(후퇴)하도록 구성되어 있다. 또한, 차체(5)의 밑면에는, 먼지를 빨아들이는 흡진구(50)가 설치되어 있다.
차륜(6R, 6L)은, 차체(5)의 내부에 배설된 2개의 모터(60R, 60L)의 회전축에 각각 연결되어 있다. 따라서, 좌측의 차륜(6L)이 정회전하고 우측의 차륜(6R)이 이와 동일한 속도로 역회전한 경우에는, 차체(5)는 그 자리에서 우측 근처로 소위 초신지 선회(spin turn)하고, 반대로, 좌측의 차륜(6L)이 역회전하고 우측의 차륜(6R)이 이와 동일한 속도로 정회전한 경우에는, 차체(5)는 그 자리에서 좌측 근처로 소위 초신지 선회한다.
모터(60R, 60L)는 각각 제어부(7)에 접속되어 있고, 제어부(7)에 의해 구동 제어된다. 제어부(7)에는, 본 발명에 따른 초음파 센서의 타이밍 회로(10)와 비교 회로(24)가 접속되어 있다. 따라서, 제어부(7)에는, 계시 개시 신호로서의 트리거 신호가 타이밍 회로(10)로부터 입력됨과 함께, 계시 정지 신호로서의 펄스 신호가 비교 회로(24)로부터 입력된다. 제어부(7)는 타이머(70)를 구비하고 있고, 이 타이머(70)에 의해, 계시 개시 신호가 입력된 시점으로부터 계시 정지 신호가 입력된 시점까지의 시간을 계측하는 것, 및 계측한 시간에 공기 중에서의 음파의 전파 속도를 곱함으로써 피검출물까지의 거리를 검출하는 것은, 모두 상술한 본 발명에 따른 음파 센서와 마찬가지이다.
발신 장치(1)의 발신기(13)와 수신 장치(2)의 수신기(20)는 차체(5)의 대략 정면에 배치되어 있고, 발신기(13)로부터 발신되는 음파는 차체(5)의 전진 방향에 위치하는 피검출물에서 반사되어 수신기(20)에 수신된다.
이상과 같은 구성에 의해, 자주식 청소기는, 벽(8a, 8b, 8c, 8d)으로 둘러싸인 사각형의 방(80) 안을 도 7의 모식도에 도시하는 바와 같이 자율 주행한다. 이하, 구체적으로 설명한다.
자주식 청소기는, 도 7a에 도시되어 있는 바와 같이, 방(80)의 일 모서리부(도 7a에서는 좌측 하부)로부터 한 벽(8a)을 따라 직진(전진)하고, 전방의 벽(8b)과의 사이의 거리가 소정의 거리, 예를 들면 2㎝에 접근한 위치에서 일단 정지한다. 이 때의 자주식 청소기와 벽(8b) 사이의 거리는, 자주식 청소기에 장비되어 있는 본 발명에 따른 초음파 센서에 의해 검출된다.
상술한 바와 같이 하여 일단 정지한 자주식 청소기는, 도 7b에 도시하는 바와 같이, 그 위치에서 우측 근처로 90도 초신지 선회하고, 차체(5)의 폭의 길이만큼 벽(8b)을 따라 직진(전진)한 후, 재차 정지한다. 재차 정지한 자주식 청소기는, 그 자리에서 다시 우측으로 90도 초신지 선회하고, 벽(8b)에 대향하는 벽(8c)을 향하여 벽(8a)에 평행하게 직진(전진)한다.
다음으로, 자주식 청소기는, 도 7c에 도시하는 바와 같이, 전방의 벽(8c)과의 사이의 거리가 소정의 거리, 예를 들면 2㎝에 접근한 위치에서 재차 정지하고, 그 자리에서 좌측으로 90도 초신지 선회한다. 그리고, 자주식 청소기는, 차체(5)의 폭의 길이만큼 벽(8c)을 따라 직진(전진)한 후, 재차 정지하고, 그 자리에서 좌측으로 90도 초신지 선회하고, 벽(8c)에 대향하는 벽(8b)을 향하여 벽(8a)에 평행하게 직진(전진)한다.
자주식 청소기는, 이러한 지그재그 주행을 벽(8d)을 따라 평행하게 주행(travel)하여 어느 하나의 벽(8b 또는 8c)과의 사이의 거리가 소정의 거리, 예를 들면 2㎝에 접근한 위치로 될 때까지 계속함으로써, 방(80)의 바닥면을 샅샅이 청소한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 자주차는 본 발명에 따른 초음파 센서를 장비하고, 주행 중에 벽(8b, 8c)에의 접근 거리를 정밀도 좋게 계측하는 것이 가능하기 때문에, 차체(5)를 벽(8b, 8c)의 바로 근처의 위치에서 정지시킬 수 있다. 따라서, 차체(5)를 벽(8b, 8c)에 충돌시키는 일 없이, 방 안에 먼지가 쌓이기 쉬운 벽(8a, 8b, 8c, 8d)에 가까운 부분을 확실하게 청소할 수 있다.
이상, 본 발명에 따른 발신 장치(1), 음파 센서 및 자주차에 대하여, 실시예로 나타낸 구성에 기초하여 설명하였지만, 본 발명에 따른 발신 장치(1), 음파 센서 및 자주차의 구성은 실시예로 나타낸 구성에 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 추가, 변경 또는 삭제하는 것도 가능하다.
본 발명의 범위는 상기의 설명에 의해서가 아니라 이후의 특허청구범위에 의해서 규정되기 때문에, 본 발명은 본 발명의 주요 특징들의 사상으로부터 벗어나지 않는 한 여러 가지 형태로 구현될 수 있으므로, 본 발명의 실시예들은 예시적인 것일 뿐, 이에 한정되는 것이 아니며, 따라서 특허청구범위의 범주와 한도 내에 있는 모든 변경 및 그 균등물들은 특허청구범위에 포함되도록 의도된 것이다.
본 발명에 따르면, 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수 대역 이외의 주파수 대역에서 압전 소자를 구동하도록 구성함으로써, 음파의 음압의 상승을 급준하게 하는 것이 가능한 발신 장치, 음파 센서가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 음파의 발신, 수신을 공용하는 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수 대역 이외의 주파수 대역에서 압전 소자를 구동하도록 구성함으로써, 계측 오차가 작은 음파 센서가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상술한 음파 센서를 구비함으로써, 예를 들면 피검출물의 근방에서 정차하는 것이 가능한 자주차가 제공된다.

Claims (4)

  1. 압전 소자와,
    상기 압전 소자를 구동하여 음파를 발신시키는 구동 회로
    를 포함하는 발신 장치로서,
    상기 구동 회로는, 상기 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수와는 다른 주파수 대역에서 상기 압전 소자를 구동하는 발신 장치.
  2. 압전 소자 및 상기 압전 소자를 구동하여 음파를 발신시키는 구동 회로를 구비하는 발신 장치와,
    상기 발신 장치가 발신한 음파의 피검출물로부터의 반사파를 수신하는 수신기를 구비하는 수신 장치와,
    상기 발신 장치가 음파를 발신한 시점으로부터 상기 수신 장치의 수신기가 반사파를 수신한 시점까지의 시간에 기초하여, 상기 피검출물에 관한 정보를 취득하는 처리 회로
    를 포함하는 음파 센서로서,
    상기 구동 회로는, 상기 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수와는 다른 주파수 대역에서 상기 압전 소자를 구동하는 음파 센서.
  3. 자주차(automonous travelling vehicle)에 있어서,
    압전 소자 및 상기 압전 소자를 포함하는 진동계가 가장 강하게 공진하는 공진 주파수와는 다른 주파수 대역에서 상기 압전 소자를 구동하여 음파를 발신시키는 구동 회로를 갖는 발신 장치와, 상기 발신 장치가 발신한 음파의 피검출물로부터의 반사파를 수신하는 수신기를 갖는 수신 장치를 구비하고, 피검출물을 검출하는 음파 센서와,
    상기 발신 장치가 음파를 발신한 시점으로부터 상기 수신 장치의 수신기가 반사파를 수신한 시점까지의 시간에 기초하여, 상기 피검출물에 관한 정보를 취득하는 처리 회로와,
    상기 처리 회로가 취득한 상기 피검출물에 관한 정보에 기초하여 주행 제어 및 조향 제어를 행하는 제어 회로
    를 포함하는 자주차.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 자주차는 청소기이며, 상기 제어 회로의 제어에 의해, 사각형의 실내의 한쪽의 평행한 한쌍의 대향하는 벽을 따른 경로를, 다른 쪽의 평행한 한쌍의 대향하는 벽을 따른 방향으로 소정 거리 간격에서 왕복 주행하는 자주차.
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