KR20070046887A - 음파 감지기 - Google Patents

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요시후미 와타베
요시아키 혼다
코우사쿠 기타다
히로시 가와다
토모오 오츠카
카즈오 사와다
히로미치 고토
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마츠시다 덴코 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 따른 음파 감지기는, 음파를 전송할 수 있는 파형 전송장치 및 상기 파형 전송장치를 구동하기 위한 구동회로를 가지는 파형 전송기와, 상기 파형 전송기로부터 전송된 음파를 직접적으로 수신하거나 혹은 상기 파형 전송기로부터 전송되어 물체에 의하여 반사되고, 수신된 음파를 전기신호들의 파형 수신 신호들로 변환하는 파형 수신장치들을 구비함으로써, 상기 파형 전송기 또는 상기 물체까지의 거리와 상기 파형 전송기 또는 상기 물체가 위치되는 방향중 적어도 하나가 검출될 수 있는 파형 수신기를 포함하고, 상기 파형 수신장치는 열충격을 대기에 공급하여줌으로써 음파를 발생하는 음파발생기에 의하여 구성되어, 파형 전송장치로부터 전송된 음파에 포함된 잔향구성요소에 의하여 유발된 비사용구역 및 파형 수신장치들로부터 출력된 파형 수신 신호들에 포함된 잔향구성요소들에 의하여 유발된 비사용구역중 적어도 하나를 감축할 수 있고, 파형 전송장치 및 파형 수신장치들로써 압전장치들을 사용하는 일반적인 음파 감지기와 비교하여 음파 감지기의 각도분해능을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
음파 감지기, 파형 전송기, 파형 수신기, 비사용구역

Description

음파 감지기{ACOUSTIC WAVE SENSOR}
본 발명은 음파를 이용하여 대상 및/또는 상기 대상이 위치하는 방향까지의 거리를 측정하는 음파 감지기에 관한 것이다.
그러한 종류의 음파 감지기에 대하여, 예를 들면, 일본특허공개공보 No.2002-156451이 반사파형의 음파 감지기를 나타내고 있다. 반사파의 음파 감지기에서, 초음파와 같은 압축파는 매체로 파형을 전송하는 장치를 가지는 파형 전송기로부터 간헐적으로 전송되고, 대상에 의하여 반사된 반사파가 파형을 수신하는 장치를 가지는 파형 수신기에 의하여 수신된다. 상기 대상과 상기 대상이 위치되는 방향까지의 거리는 상기 압축파의 전송으로부터 상기 반사파의 수신까지의 시간 차이에 근거하여 검출된다.
다른 한편으로는, 예를 들면, 일본특허공개공보 No.2003-279640는 직접파형의 음파 감지기를 나타낸다. 직접파의 음파 감지기에서, 압축파는 간헐적으로 파형 전송기로부터 매체로 전송되고, 그리고 파형 전송기까지의 거리와 상기 파형 전송기가 위치되는 방향은 상기 압축파의 전송으로부터 파형 수신기에 의하여 상기 압 축파의 수신까지의 시간 차이에 근거하여 검출된다.
상기 음파 감지기의 출원에 대하여, 초음파 레벨 계량기, 차량내의 후면 수중 음파탐지기 등이 대기내에서 초음파를 전달하는 예를 제공한다. 선택적으로, 음향탐지기, 어군탐지기 등이 수중에서의 초음파를 전달하는 예들로 제공된다. 게다가, 초음파 탐상기, 초음파 CT 등이 구조물 내에서의 초음파를 전달하는 예들로 제공된다.
상기의 음파감지기에서, 파형 수신기는 상기 파형 전송기로부터 전송된 음파들을 수신하기 위하여 동일평면상에 배열된 복수의 파형 수신장치들을 가진다. 상기 파형 수신장치들의 배열방향이 물체가 위치된 방향과 일치하는 음파들의 도착방향에 대하여 설정된 각(우측각 및 병렬인 경우를 제외)을 형성할 때, 시간 차이들은 상기 파형 수신장치들이 각각 상기 파형 수신장치와 설정된 각의 배열 피치로 인하여 음파들을 수신할 때에 이르러 발생한다. 그러므로, 음파의 도착방향, 즉, 그들이 음파들을 수신할 때, 두 파형 수신장치를 연결하는 것으로부터 출력된 두 신호사이에 위상차들을 검출함으로써 위치되는 방향을 검사하는 것이 가능하다.
일반적인 음파감지기들에서, 압전장치들은 공중에서 음파를 전송하기 위한 파형 전송장치과 수신된 음파들을 전기신호들의 파형 수신 신호들로 변환하는 파형 수신장치들로서 널리 사용된다. 상기 파형 전송장치와 상기 파형 수신장치들 둘 다를 위하여 압전장치들을 사용하는 음파감지기에서, 상기 파형 전송장치로부터 전송된 음파의 주파수는, 일반적으로 전송된 음파의 음향압력과 각 파형 수신장치에서 음파를 감지하는데 정밀도를 증가시킬 목적으로, 파형 전송장치 및 파형 수신장치 들의 공명주파수에 근접하게 형성된다.
그러나, 파형 전송장치로서 상기 압전장치를 사용하는 상기 음파 감지기에서, 상기 파형 전송장치의 공명으로 인한 잔향(reverberation)요소는 상기 파형 전송장치로부터 전송된 음파속에 포함된다. 게다가, 상기 파형 전송장치의 공명으로 인한 잔향요소는 상기 파형 수신장치들로서 상기 압전장치들을 사용하는 음파감지기에서 각 파형 수신장치들로부터 출력된 파형 수신신호속에 포함된다. 상기 파형 전송장치와 상기 파형 수신장치들 모두에 대하여 상기 압전장치들을 사용한 상기 음파감지기에서, 두 장치들의 공명들에 기인한 잔향요소들이 포함된다.
압전장치의 특성을 가지는 공명 팩터(factor) Q(기계적 질 팩터Qm)의 특징은 일반적으로 100보다 크다. 그리하여, 상기 압전장치의 파형 전송장치가 간헐적으로 이동할 때, 상기 파형 전송장치에 의하여 생성된 상기 음파는 도20에 나타난 바와 같이, 진동파가 된다. 공명팩터 Q성분의 특징은 그 값이 커질수록, 상기 진동파형의 크기가 가장 크게 되도록 하는 필요한 T1기간이 길어지고, 잔상파형을 전환하는데 필요한 T2기간(잔상기간)도 길어지게 된다. 그리하여, 상기 음파의 전송으로부터 수신시까지의 기간은 더 짧아지게 되는 것이다.
그러므로, 예를 들면, 물체까지의 거리를 검출하는 음파감지기에서, 상기 파형 수신장치들로부터 설정된 거리내에 위치한 상기 물체에 대하여 상기 물체까지의 거리를 검출하는 것은 불가능하다. 이에 따라, 온도가 “t”(℃)기호로 지정할 때, 음파의 음파속도 “c"(m/s)는 방정식 c=331.5+0.6t에 의하여 산출된다. 예를 들면, 온도가 섭씨 14도로 가정할 때, 음파속도는 340(m/s)가 된다. 이 경우에, 음파는 1ms당 34cm를 진행한다. 상기 파형 전송장치로부터 전송된 음파의 진동파형의 잔상 기간T2로 가정할 때, 상기 파형 수신장치들로부터 34cm내에 위치된 상기 물체의 거리를 측정하는 것은 불가능하다.
단지 설명된 바와 같이, 상기 파형 전송장치로서 상기 압전장치를 사용한 음파감지기에서, 상기 파형 전송장치로부터 전송된 음파에 포함된 잔상요소에 의하여 유발된 비사용구역이 길기 때문에, 상기 파형 수신장치들에 상대적으로 근접한 물체의 거리는 검출될 수 없다.
게다가, 두 물체들이 상기 파형 전송장치와 상기 파형 수신장치들로서 압전장치들을 사용한 음파감지기에 상대적으로 더 짧은 거리에 위치된다고 추측된다. 하나의 물체에 의하여 반사된 반사파형은, 다른 물체에 의하여 반사된 반사파형이 파형 수신장치들에 의하여 수신되는 동안, 상기 음파감지기의 파형 수신장치들에 도달할 것이다. 그러한 경우에, 상기 파형 수신장치들로부터 출력된 상기 파형 수신 신호들에 기초하여 반사된 파형들사이에서 이 두 물체들을 구별하기가 어려워진다.
다른 한편으로는, 파형 전송장치와 파형 수신장치들에 대하여 압전 장치들을 사용한 음파 감지기는, 파형 전송장치로부터 전송된 음파내에 포함된 잔향 구성요소와 파형 수신장치들로부터 출력된 파형 수신 신호들에 포함된 잔향 구성요소에 의하여 유발된 긴 비사용구역(dead zone)을 가진다. 그리하여, 거리 및/또는 물체의 방향이 상기 음파 감지기에 의하여 검출된 영역내에서 조차, 상기 음파 감지기에서 복수의 물체들에까지의 거리사이의 차이가 더 작아진 때, 상기 물체들로의 거 리들이 검출되지 않을 수도 있다.
따라서, 음파 감지기의 각도 분해능(angular resolution)을 향상시키는 것이 바람직하다. 게다가, 음파 감지기내에 사용된 파형 전송장치 및 파형 수신장치들은, 공명팩터 Q의 특성은 각도분해능이 낮아짐으로 인하여 더 커지는 특성들을 가진다.
게다가, 물체의 위치정보를 검출하는 위치검출시스템이 상기 음파 감지기를 사용하여 검출되도록 구성되는 것은 불가능하다. 예를 들면, 위의 일본 특허공개공보 2003-279640에 따라, 위치 검출 시스템은, 복수의 이동 물체들상에 각각 제공된 초음파 전송기, 건물의 천정상에서의 설정된 영역들내에 각각 제공된 최소한 3개의 초음파 수신기들, 그리고 상기 초음파 전송기가 초음파를 전송하는 시간으로부터 상기 초음파 수신기가 초음파를 수신할 때 시간까지의 기간에 기초하여 이동물체들의 위치 정보를 얻기 위한 처리기를 포함하는 것을 요구한다.
그러한 위치 검출 시스템에서, 상기 초음파 수신기들은 건물의 천정상에서의 모든 설정된 영역들내에 하나씩 제공되어서, 상기 처리기 내에 (이동물체가)검출되는 물체의 위치정보를 얻도록 최소한 3개의 장소들에 초음파 수신기들을 설치하는 것이 필요하다. 게다가, 상기 물체의 위치 정보는, 3개의 초음파 수신기들의 감지영역들이 축적되는 영역내에 얻어질 수 있으므로, 상기 초음파 수신기들의 배치는 난해하다.
본 발명의 목적은 파형 전송장치로부터 전송된 음파에 포함된 잔향 구성요소에 의하여 유발된 비사용구역 및 파형 수신장치들로부터 출력된 파형 수신 신호들에 포함된 잔향 구성요소들에 의하여 유발된 비사용구역중 적어도 하나가 감축되고, 파형 전송장치 및 파형 수신장치들로써 압전장치들을 사용하는 일반적인 음파 감지기와 비교하여 음파 감지기의 각도분해능이 증가될 수 있는 음파 감지기를 제공하는 것이다.
본원발명의 일 측면에 따른 음파 감지기는 음파를 전송할 수 있는 파형 전송장치를 가지는 파형 전송기와, 상기 파형 전송장치를 구동하기 위한 구동회로를 가지는 파형 전송기와, 상기 파형 전송기로부터 전송된 음파를 직접적으로 수신하거나 혹은 상기 파형 전송기로부터 전송되어 물체에 의하여 반사되고, 수신된 음파를 전기신호들의 파형 수신 신호들로 변환하는 파형 수신장치들을 구비함으로써, 상기 파형 전송기 또는 상기 물체까지의 거리와 상기 파형 전송기 또는 상기 물체가 위치되는 방향중 적어도 하나가 검출될 수 있는 파형 수신기를 포함한다. 상기 파형 수신장치는 열충격을 대기에 공급하여줌으로써 음파를 발생하는 음파발생기에 의하여 구성된다.
이런 방식으로, 열적 충격들을 대기로 공급하여줌으로써 음파를 생성하는 음파 생성기가 파형 생성장치로서 사용된 때, 기계적 진동이 드물게 상기 파형 생성장치내에서 발생한다. 그러므로, 상기 파형 전송장치의 공명팩터 Q의 특성이 압전장치의 공명팩터 Q의 특성보다 작아지게 된다. 결과적으로, 파형 전송장치 및 파형 수신장치들로서 압전장치들을 사용한 일반적인 음파 감지기와 비교하면, 상기 파형 전송장치로부터 전송된 음파내에 포함된 잔향 구성요소에 의해 유발된 비사용구역이 짧아질 수 있으며, 각도분해능이 증가될 수 있다.
본원발명의 또 다른 측면에 따른 음파 감지기는 음파를 전송할 수 있는 파형 전송장치와, 상기 파형 전송장치를 구동하기 위한 구동회로를 가지는 파형 전송기와, 상기 파형 전송기로부터 전송된 음파를 직접적으로 수신하거나 혹은 상기 파형 전송기로부터 전송되어 물체에 의하여 반사되고, 수신된 음파를 전기신호들의 파형 수신 신호들로 변환하는 파형 수신장치들을 구비함으로써, 상기 파형 전송기 또는 상기 물체까지의 거리와 상기 파형 전송기 또는 상기 물체가 위치되는 방향중 적어도 하나가 검출될 수 있는 파형 수신기를 포함한다. 각각의 상기 파형 수신장치는, 상기 음파의 음향력으로 인하여 압력의 변화(량)를 전기신호의 변화(량)로 변환하는 전기용량 마이크로폰에 의하여 구성된다.
이런 방식으로, 전기용량 마이크로폰들이 파형 수신장치들로 사용된 때, 각 파형 수신장치의 공명팩터 Q는 압전장치의 공명팩터 Q보다 더 작아진다. 파형 전송장치 및 파형 수신장치들로써 상기 압전장치들을 사용한 일반적인 음파감지기와 비교하면, 각 파형 수신장치로부터 출력된 파형 수신신호내에 포함된 잔향 구성요소에 의해 유발된 비사용구역이 짧아질 수 있으며, 각도 분해능이 증가될 수 있다.
게다가, 열적 충격들을 대기로 공급하여줌으로써 음파를 생성하는 음파생성기가 파형 생성장치들로 사용되고, 전기용량 마이크로폰들이 파형 수신장치들로 사용된 때, 파형 전송장치 및 파형 수신장치들의 공명팩터 Q는 압전장치의 공명팩터 Q보다 더 작아지게 된다. 파형 전송장치 및 파형 수신장치들로써 상기 압전장치들을 사용한 일반적인 음파감지기와 비교하면, 상기 파형 전송장치로부터 전송된 음파내에 포함된 잔향 구성요소에 의하여 유발된 비사용구역과 각 파형 수신장치로부터 출력된 파형 수신신호내에 포함된 잔향 구성요소에 의해 유발된 비사용구역이 짧아질 수 있으며, 각도 분해능이 증가될 수 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 음파감지기의 구성을 나타낸 블록도.
도2는 물체가 위치되는 방향이 음파감지기에 의하여 검출될 수 있는 원칙을 나타내는 도.
도3a는 두 물체들이 음파감지기가 물체를 검출할 수 있는 영역내에 위치되는 때, 각 물체로부터 파형 수신장치들까지의 음파들의 도달상황을 나타내는 도.
도3b는 물체가 위치되는 방향에 따른 파형 수신장치들의 지연시간들의 조합을 나타내는 개념도.
도3c는 도3b의 지연시간들내에서 지연된 파형 수신장치들로부터 출력된 파형 수신 신호들의 그룹들을 나타내는 파형도.
도3d는 도3c의 파형 수신 신호들의 그룹들을 부가한 결과인 출력파형들을 나타내는 파형도.
도3e는 물체가 위치되는 방향에 따른 파형 수신장치들의 지연시간들의 또 다른 조합을 나타내는 개념도.
도3f는 도3e의 지연시간들내에 지연된 파형 수신장치들로부터 출력된 파형 수신 신호들의 그룹들을 나타내는 파형도.
도3g는 도3f의 파형 수신 신호들의 그룹들을 부가한 결과인 출력 파형들을 나타내는 파형도.
도4는 상기 음파 감지기에서 파형 전송장치의 구성을 나타내는 단면도.
도5a는 도4에 나타난 파형 전송장치로 입력된 구동입력 파형의 한 예 파형을 나타내는 그래프.
도5b는 도5a에 나타난 구동 입력 파형이 파형 전송장치로 입력된 때, 파형 전송장치로부터 출력된 음파의 파형을 나타내는 그래프.
도6은 제1 실시 예에서 파형 전송장치를 구동하기 위하여 구동회로의 구성 예를 나타내는 회로도.
도7a는 제1 실시 예에서 파형 전송장치의 구성을 나타내는 부분적인 파영도,
도7b는 도 7a의 파형 전송장치의 단면도.
도8은 공명팩터 Q와 음파 감지기의 각도 분해능사이의 관계를 나타내는 그래프.
도9는 본원발명의 제2 실시 예에 따른 음파감지기의 파형 전송장치 및 그 구동회로의 구성들을 나타내는 회로도.
도10a는 본원발명의 제4 실시 예에 따른 위치 검출시스템의 구성을 나타내는 도.
도10b는 상기 위치 검출 시스템에서 사용된 파형 전송장치의 구성을 나타내 는 투영도.
도11은 상기 위치 검출 시스템에서 파형 전송유닛 및 파형 수신기 유닛의 구성들을 나타내는 블록도.
도12는 물체가 위치되는 방향이 상기 위치 검출 시스템에서 사용된 음파 감지기에 의하여 검출될 수 있는 원칙을 나타내는 도.
도13a 내지 도13c은 구동전압이 파형 전송장치에 인가될 때, 도12의 파형 전송장치들로부터 출력된 파형 수신 신호들을 각각 나타내는 파형도들.
도14는 음파들이 제4 실시 예의 위치 검출시스템에서 두 방향들로부터 파형 수신장치들에 도달하는 경우를 나타내는 도.
도15a 내지 도15c는 도14의 파형 수신장치들로부터 출력된 파형 수신 신호들을 나타내는 파형도들.
도16a 내지 도16c는 트리거 신호 ST와 상기 트리거 신호 ST를 수신한 후 각 파형 수신장치로부터 첫 번째로 출력된 파형 수신신호 사이의 관계를 나타내는 도.
도17은 제4 실시 예의 위치검출시스템에서의 건물의 바닥에 계단이 있는 또 하나의 경우를 나타내는 도.
도18a 내지 도18d는 각 이동 물체의 식별 정보 신호로서 각각 다르게 사용된 펄스열 들을 포함한 식별정보신호를 각각 나타내는 파형도들.
도19a 내지 도19c는 식별정보 신호수신기로부터 출력된 식별정보신호와, 파형 수신기가 식별정보신호로서 광 또는 전기파형을 사용하여 음파를 검출할 수 있는 영역내에 이동물체가 위치된 때, 각 파형 수신장치로부터 출력된 파형 수신신호 사이의 관계를 나타내는 파형도.
도20은 압전장치가 간헐적으로 구동된 때, 압전장치에 의하여 생성된 음파의 진동파형을 나타내는 파형도이다.
발명을 실행하기 위한 최선의 모드
제1 실시예
본원발명의 제1 실시 예에 따른 음파 감지기는 도면들을 참조하여 설명된다. 상기 제1 실시 예는 물체로의 거리와 상기 물체가 상기 물체의 3차원 위치를 인식하기 위하여 위치되는 방향 둘 다를 검출하는 음파 감지기에 관련된다.
도1에 나타난 바와 같이, 제1 실시 예의 음파 감지기는 대기중에서 음파(압축파)를 간헐적으로 전송하기 위한 파형 전송기(1), 물체(2)에 의하여 반사된 반사파형들을 수신하기 위한 파형 수신기(3), 및 상기 파형 수신기(3)의 출력을 처리하기 위한 신호 처리 회로(5)를 포함한다. 상기 음파 감지기는 상기 물체(2)로의 거리와, 음파가 상기 파형 전송기(1)로부터 전송된 때의 시간으로부터 상기 물체(2)에 의하여 반사된 음파들이 상기 파형 수신기(3)에 의하여 수신된 때의 시간까지의 기간들에 기초하여 상기 물체(2)가 위치되는 방향을 검출하기 위하여 구성된다.
상기 파형 전송기(1)는 음파를 전송(출력)할 수 있는 파형 전송장치(10), 음파를 간헐적으로 전송하기 위한 파형 전송장치(10)를 구동하는 구동회로(20)를 포함한다. 상기 구동회로(20)는 상기 파형 전송장치(10)로부터 상기 음파를 간헐적으 로 전송하도록 타이밍을 제어하기 위하여 타이밍 제어기를 가진다.
상기 파형 수신기(3)는 상기 파형 전송장치(10)로부터 전송되고, 상기 물체(2)에 의하여 반사된 음파들을 수신하기 위하여, 그리고 각각은 상기 수신된 음파를 전기신호의 파형 수신신호로 변환하기 위하여 복수의 파형 수신장치들(30)을 가진다. 제1 실시 예의 음파 감지기에서, 복수(예를 들면, 10)의 파형 수신장치들(30)은 상기 물체(2)로의 거리뿐만 아니라 상기 물체(2)가 위치되는 방향의 측정을 위하여 단일 회로 보드의 동일 평면상에 배열된다. 상세하게는, 5개의 파형 수신장치들(30)은 상기 회로보드의 한 측변에 평행한 방향으로 설정된 피치에 배열되고, 다른 5개의 파형 수신장치들(30)은 상기 측변에 수직한 방향으로 설정된 피치에 배열된다.
도2에서, 하나의 방향으로 배열된 단지 5개의 파형 수신장치들(30)은 설명을 통일되도록 증명된다. 상기 파형 수신장치들(30)이 상기 평면에 수직인 선에 대하여 각 θ도에서 가로지르는 방향으로부터 배열되는 평면에 도달한다고 가정한다(바꾸어 말하면, 상기 물체(2)는 상기 파형 수신기(3)에 대해 방위각θ를 가지는 방향으로 위치되고, 상기 음파의 파 전단(wave front)의 각도는 θ이다). 여기에 있어서, 음파 속도는 기호 “c”로 지정되고, 파형 수신장치(30a)에 도달할 음파의 파 전단(wave front)과 음파가 파형 수신장치(30b)에 도달한 때 파형 수신장치(30b)의 중앙과의 사이의 거리(지연거리)가 기호“d”로 지정되며, 상기 인접한 파형 수신장치들 30a 및 30b사이의 거리(위의 설정된 피치)가 기호“L”로 지정된다. 상기 파형 수신장치(30a)에서의 음파의 파 전단(wave front)에 도착하는데 필요한 시간 차이 △t는 방정식 △t = d/c = L·sinθ/c에 의하여 연산된다. 그러므로, 인접하는 두개의 파형 수신장치들에서의 음파들의 파 전단(wave front)들에 도달하는 시간들 사이에 시간 차이 △t가 측정될 수 있다면, 물체(2)가 위치된 방위각θ는 처리동작에 의하여 얻어질 수 있다. 게다가, 상기 설정된 피치L이 파형 전송장치(10)로부터 전송된 음파의 파길이의 약 1/2이 되도록 설정하는 것이 바람직하다.
신호처리회로(5)는 각 파형 수신장치(30)로부터 출력된 파형 수신신호를 각각 증폭하기 위하여 복수의 증폭기(51a)를 가지는 신호증폭유닛(51), 각각의 증폭기(51a)에 의하여 증폭된 아날로그 파형 수신신호로 변환하여 디지털 파형 수신신호를 출력하기 위한 A/D 변환기(52), 상기 A/D 변환기(52)로부터의 출력들을 기억하기 위한 메모리(53), 그리고 상기 물체(2)로의 거리의 연산 및 상기 물체(2)가 상기 메모리(53)에 기억된 파형 수신 신호들의 데이터를 이용하여 위치되는 방향의 연산을 수행하기 위한 마이크로 컴퓨터를 이루는 처리유닛(54)을 포함한다. 상기 파형 수신신호가 항상 각각 파형 수신장치(30)로부터 출력되는 식인데도 불구하고, 상기 처리유닛(54)이 상기 파형 전송기(1)의 구동회로(20)의 시간 제어기로부터 음파의 전송시간을 제어하는 제어신호에 순응하여 출력된 타이밍신호를 수신할 때에만, 설정된 파형의 수신 기간동안 상기 처리유닛(54)은 상기 A/D 변환기를 동작하게 한다. 그러므로, 상기 물체(2)에 의하여 반사된 음파들이 발췌되어 검출될 수 있다.
상기 처리 유닛(54)은 물체(2)로의 거리를 연산하는 거리 연산 기능과 상기 물체가 위치된 방향을 검출하는 방향검출기능을 가진다. 상기 거리 연산 기능은, 상기 처리 유닛(54)이 위의 타이밍 신호(즉, 상기 파형 전송 장치(10)로부터 상기 음파형의 전송 타이밍)를 수신할 때의 시간과 상기 디지털 파형 수신 신호들이 메모리(53)에 기억되는 때(즉, 신호 처리 회로(5)에서 지연시간이 무시해도 좋을 때, 파형 수신장치들(30)이 음파형들을 수신하는 타이밍)의 시간과의 사이에, 시간 차이(바꾸어 말하면, 상기 파형 전송기(1)로부터의 음파의 전송으로부터, 상기 파형 수신기(3)에 의하여 상기 물체(2)에 의해 반사된 음파의 수신까지의 간격)에 근거하여 상기 물체(2)로의 거리를 계산한다. 상기 방향 검출 기능은 상기 물체가 메모리(53)에 기억된 파형 수신장치들(30)의 파형 수신 신호들을 이용하여 위치되는(즉, 상기 음파형이 상기 물체(2)에 의해 반사된 방향이 도달하는) 방향을 검출한다. 상기 처리 유닛(54)은 상기 파형 수신 장치들(30)과 상기 파형 수신장치들(30)의 배열로부터 출력된 상기 파형 수신 신호들의 위상차이에 근거하여, 상기 음파형들이 파형 수신기(3)에 도달한 방향을 검출한다. 상기 거리 연산기능과 상기 처리 유닛(54)의 방향 검출 기능은 마이크로 컴퓨터내에서 적당한 프로그램들을 실행함으로써 실현될 수 있다.
제1 실시 예에서 상기 음향 파형 감지기의 측정가능한 가장 큰 거리를 가정하면, 예를 들어 5미터일 경우, 상기 음파형은 대기중에서 최대 10미터 이상이 되어야 한다. 음파형이 상기 파형 전송장치(10)로부터 전송된 음파형이 물체(2)에 도달하고, 상기 물체(2)에 의해 반사되어 상기 파형 수신기(3)에 도달되는 동안, 상기 음향 파형이 확산 손실(범위 감쇄), 흡수 손실, 반사 손실, 등등과 같은 전파 손실에 의하여 감쇄된다. 그리하여, 각 파형 수신장치(30)로부터 출력된 파형 수신 신호는 100 내지 800uV 정도의 순간 전압이 된다. 각 증폭기(51a)의 증폭이득(전압이득)은 S/N의 감소가 방해되도록 40에서 60dB로 맞춰진다. 게다가, 대기중에서 10미터의 거리내에 상기 음파형을 발산하기에 필요한 조건은 30ms이고, 그로 인하여 상기 위의 파형수신조건이 30ms로 맞춰지게 된다.
상기 파형 수신 조건에서 각 파형 수신장치(30)로부터의 파형 수신신호는 메모리(53)에 기억된다. 상세하게는, 메모리(53)에 기억되는 데이터의 수는 (파형 수신장치들(30)의 수)x(각 파형 수신장치(30)로부터 출력된 파형 수신데이터의 수)에 의해 정하여진다. 예를 들면, 상기 파형 수신장치들(30)의 수가 10, 상기 파형 수신조건이 30ms, A/D 변환기(52)의 샘플링 주기는 1㎲(샘플링 주파수가 1MHz)이고 각 데이터가 16비트이라고 가정한다. 상기 메모리는 10X{(30X10-3)÷(1X10-6)X16} = 4,800,000 비트 = 600 킬로바이트의 용량을 필요로 한다. 그러므로, 상기 메모리(53)처럼 600 킬로바이트보다 큰 용량의 SRAM을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 물체(2)가 위치되는 방향을 검출하는 경우에, 처리유닛(54)은 배열패턴(배열내에서 파형 수신장치의 위치)에 상응하는 지연시간으로 메모리(53)에 기억된 각 파형 수신장치(30)의 파형 수신신호를 지연시키고, 상기 지연파형 수신신호들을 그룹화하며, 그리고 상기 지연파형 수신 신호들의 그룹으로 출력하는 지연기능을 가진다. 상기 처리유닛(54)은 상기 지연파형 수신 신호들의 그룹을 부가하는 부가기능과, 부가된 출력파형의 피크값을 설정된 문턱치 값과 비교하여, 방향이, 문턱치값보다 더 큰 피크값이 나타날 때 상기 물체(2)가 위치되는 방향(음파의 도달방향)과 같이, 지연시간의 조합에 일치하는 지를 판단하는 판단기능을 더 구비한 다.
이어서, 두 물체들이 음파 감지기의 검출가능한 영역에 위치되는 때, 상기 물체들이 위치되는 방향들의 검출, 및 두 방향에서 각 파형 수신 장치(30)에 도달하는 음파들에 대해 설명한다. 도 3a에 나타난 바와 같이, 두 물체 21과 22가 음파 감지기의 검출가능영역(물체 영역)에 위치된다고 가정한다. 그러나, 도 3a는 설명을 간략하게 하기 위하여 동일평면상의 라인상에 배열된 단지 4개의 파형 수신장치들(30)을 나타낸다.
도3b는 상기 물체(22)가 위치되는 방향에 대응하여 각 파형 수신장치(30)의 상기 지연시간의 조합의 예를 나타내고, 각 직사각형의 횡측변의 전체 길이는 상기 파형 수신 장치(30)의 각 지연시간의 전체 길이와 일치한다. 도 3c는 도 3b의 지연시간으로 지연된 파형 수신장치들(30)의 파형 수신 신호들의 그룹이다. 상기 물체(21)에 의하여 반사된 음파와 상기 물체(22)에 의하여 반사된 음파가 각 파형 수신 장치들(30)에 도달한 후에, 두개의 파형 수신 신호들이 각 파형 수신장치(30)로부터 출력된다. 실질적으로, 위의 지연시간으로 인하여 각각의 파형 수신장치들(30)로부터 출력된 좌측편의 파형 수신 신호들사이에 위상차는 없다. 이들은 상기 물체(22)에 반사된 음파들에 의하여 유발된 파형 수신 신호들이다. 다른 한편으로는, 각각의 파형 수신장치들(30)로부터 출력된 우측 편의 파형 수신장치들(30)사이에 위상차들은 위의 지연시간으로 인하여 확장된다. 이들은 상기 물체(21)에 반사된 음파들에 의하여 유발된 파형 수신 신호들이 있다. 도 3d는 도 3c의 파형 수신 신호들의 그룹이 부가된 파형을 나타낸다. 이 방법에서, 파형 수신 신호들의 그 룹을 부가하여줌으로써, 상기 물체(22)에 반사된 음파형들에 의하여 유발되어 위상차들이 거의 없는 파형 수신 신호들의 크기는 확장되고, 그로 인하여 이 파형 수신 장치들을 상기 물체(21)에 반사된 음파형들에 의하여 유발된 파형 수신장치들과 구별하는 것이 가능하게 된다.
유사하게, 도 3e는 물체(21)가 위치되는 방향에 대응하여 각 파형 수신장치(30)의 위 지연시간의 조합을 보여주고, 각 직사각형의 횡측변의 전체길이는 파형 수신장치(30)의 각 지연 시간의 전체 길이와 일치한다. 도 3f는 도 3e의 지연시간으로 지연된 파형 수신장치들(30)의 파형 수신 신호들의 그룹을 보여준다. 실질적으로, 위의 지연시간으로 인하여 각각의 파형 수신장치들(30)로부터 출력된 우측편의 파형 수신 신호들사이에 위상차는 없다. 이들은 상기 물체(21)에 반사된 음파들에 의하여 유발된 파형 수신 신호들이다. 다른 한편으로는, 각각의 파형 수신장치들(30)로부터 출력된 좌측편의 파형 수신장치들(30)사이에 위상차들은 위의 지연시간으로 인하여 확장된다. 이들은 상기 물체(21)에 반사된 음파들에 의하여 유발된 파형 수신 신호들이 있다. 도 3g는 도 3f의 파형 수신 신호들의 그룹이 부가된 파형을 나타낸다. 이 방법에서, 파형 수신 신호들의 그룹을 부가하여줌으로써, 상기 물체(21)에 반사된 음파형들에 의하여 유발되어 위상차들이 거의 없는 파형 수신 신호들의 크기는 확장되고, 그로 인하여 이 파형 수신 장치들을 상기 물체(22)에 반사된 음파형들에 의하여 유발된 파형 수신장치들과 구별하는 것이 가능하게 된다.
상기에 설명한 바와 같이, 다양한 세트들의 다른 지연시간들을 물체가 위치 되는 방향에 대응한 파형 수신장치들(30)의 출력을 위하여 구비함으로써, 복수의 물체들이 음파 감지기의 검출가능한 영역내에 위치된 때 조차도, 각 물체에 반사된 음파형들에 의하여 유발된 파형신호들을 구별하는 것이 가능하게 된다. 결과적으로, 각 물체가 위치되는 방향이 검출될 수 있게 된다.
여기에 있어서, 파형 전송 장치(10)로부터 전송된 음파내에 포함된 잔향시간이 일반적인 음파 감지기중 압전장치의 파형 전송장치로부터 전송된 음파와 유사하게 길 때, 상기 파형 수신 신호들의 그룹을 부가하는 파형(도면 3d에서 좌측 파형과 도면 3g에서 우측 파형)의 생성조건은 더 길어진다. 결과적으로, 물체 21과 물체 22와의 사이의 구별은 어려워지게 된다.
제1 실시 예에서, 대기속으로 열적 충격을 가해줌으로써 음파를 생성하는 열유도 음파 생성기는 파형 전송장치(10)가 음원으로 공급할 때 사용된다. 나중에 설명되는 것처럼, 상기 열유도 음파 생성기는 금속막의 온도교환을 매체인 공기의 팽창 및 수축으로 변환하여줌으로써 음파를 생성하므로, 기계진동이 좀처럼 스스로 발생하지 않게 된다. 그리하여, 열유도 음파생성기의 공명 특성의 Q팩터는 압전장치의 Q팩터보다 훨씬 작다. 결과적으로, 매우 짧은 잔향시간을 가지는 음파는 열유도 음파 생성기로부터 전송될 수 있다. 게다가, 상기 압전장치의 공명팩터 Q보다 훨씬 작은 공명팩터 Q를 가지고, 파형 수신 신호속에 포함된 잔향 구성요소의 더 짧은 생성조건을 가지는 전기용량 마이크로폰은 파형 수신장치(30)로서 사용된다.
도4에 나타난 바와 같이, 파형 전송장치(10)는 단결정 p-타입 실리콘기판으로 이루어진 베이스 기판(11), 상기 베이스 기판(11) 표면(도 4의 상부 표면)상에 형성된 다공성의 실리콘층으로 이루어진 단열층(열절연층, 12), 금속의 박막으로 이루어지고 상기 단열층(12)위에 형성되는 열 전도층(13), 상기 열 전도층(13)에 전기적으로 연결되는 한 쌍의 패드들(14)등을 포함하는 열유도 음파 생성기이다. 평면형상의 상기 베이스 기판(11)은 사각형의 형상을 형성하고, 평면형상의 단열층(12) 및 열 전도층(13) 또한 각각 사각형 형상을 가진다. 게다가, 열 전도층(13)은 상기 베이스 기판(11)의 적어도 하나의 표면상에 형성되게 된다.
위와 같이 구성된 파형 전송장치(10)에서, 전류가 상기 열 전도층(13)의 양측변들상에서의 패드들사이에 공급될 때, 갑작스런 온도변화가 상기 열 전도층(13)에서 발생하게 되고, 이로 인하여 갑작스런 온도 변화(열적충격)열 전도층(13)과 접촉하여 공기중에서 발생한다. 다른 한편으로는, 열적 충격이 상기 열 전도층(13)과 접촉하는 대기로 공급되게 된다. 상기 열 전도층(13)과 접촉하는 상기 대기는 상기 열 전도층(13)의 온도가 상승하는 동안 팽창하고, 상기 열 전도층(13)의 온도가 하강하는 동안 수축한다. 그러므로, 대기중으로 발산하는 음파는 상기 열 전도층(13)으로의 전류공급을 조절하여줌으로써 적절하게 생성될 수 있다.
상기와 같이, 파형 전송 장치(10)를 구성하는 열유도 음파 생성기가 상기 전류공급에 대응한 열 전도층(13)의 갑작스런 온도변화를 상기 매체(대기)의 팽창 및 수축으로 변환시켜줌으로써 대기중에서 발산하는 음파를 생성한다. 상기 제1 실시 예에서, 상기 열 전도층(13)은 열전도체로 사용되나, 열유도 음파생성기는 최소한 얇은 평판형의 열전도체를 가진다. 예를 들면, 알루미늄으로 이루어진 얇은 판은 상기 열전도체로 사용될 수 있다.
하나의 예로서, p-타입 실리콘 기판은 베이스 기판(11)으로 사용되고, 단열층(12)은 파형 전송장치(10)내에서 약 60 내지 70%의 다공율을 가지는 다공성의 실리콘층으로 형성된다. 상기 단열층(12)으로 공급하는 다공성의 실리콘층은, 불화수소 수용액과 에탄올의 합성인 전해용액내에서, 베이스기판(11)으로 사용된 일부의 실리콘 기판의 산화처리에 의하여 형성될 수 있다.
산화에 의해 형성된 다공성의 실리콘층은 나노미터의 순으로 낱알 크기인 다수의 마이크로 결정실리콘(나노결정 실리콘)을 포함한다. 게다가, 다공성의 실리콘 층의 열 전도성 및 열용량은 다공율이 상승함에 따라 더 작아진다. 그러므로, 단열층(12)의 열 전도성 및 열용량을 베이스 기판(11)의 그것보다 작아지게 함으로써, 그리고 상기 단열층(12) 열용량의 생산을 상기 베이스 기판(11)의 그것보다 더 작아지게 함으로써, 열 전도층(13)의 온도변화를 효과적으로 대기로 전송하여주는 것이 가능하다.
효과적인 열변화가 열 전도층(13)과 대기사이에 생성될 수 있다면, 시작과 상기 베이스 기판(11)이 효율적으로 단열층(12)으로부터 열을 수신하고, 이로 인하여상기 단열층(12)으로부터 열이 효과적으로 방사될 수 있으며, 열 전도층(13)으로부터의 상기 열로부터의 열이 단열층(12)에 축적되는 것을 방지할 수 있게 된다. 148W/(m·k)의 열 전도성 및 1.63x106 J/(m3·k)의 열용량을 가지는 단일결정 실리콘 기판의 산화처리에 의하여 형성된 60%의 다공율을 가지는 다공성의 실리콘층이 1W/(m·k)의 열 전도성 및 0.7x106 J/(m3·k)의 열용량을 가진다. 상기 제1 실시 예 에서, 상기 단열층(12)은 대략 70%의 다공율을 가지는 다공성의 실리콘층, 0.12W/(m·k)의 열 전도성 및 0.5x106 J/(m3·k)의 열용량으로 형성된다.
상기 열 전도층(13)의 물질로서, 텅스텐(tungsten), 탄탈륨(tantalum), 몰리브덴(molybdenum), 이리듐(iridium), 알루미늄(aluminum)등과 같은 일종의 고용해점 물질이 사용될 수 있다. 게다가, 상기 베이스 기판(11)의 물질로서, Si, Ge, SiC, GaP, GaAs, InP등과 같은 산화처리에 의하여 다공성이 될 수 있는 또 다른 반도체 물질이 사용될 수 있다.
파형 전송장치(10)에 대하여, 베이스 기판의 두께가 300 내지 700㎛의 범위로 제조되고, 단열층(12)의 두께는 1 내지 10㎛의 범위로 제조되며, 열 전도층(13)의 두께가 20 내지 100nm의 범위로 제조되고, 그리고 패드들(14)의 두께가 0.5㎛로 제조된다. 게다가, 열 전도층(13)이 12mm의 넓은 측변과 10mm의 좁은 측변을 가지도록 설정된다. 이 수치들은 예들일 뿐이며, 그들은 특별히 제한되는 것은 아니다.
파형 전송장치(10)에 있어서, 상기 열 전도층(13)은 상기 패드들(14)을 통한 전류공급에 의하여 열이 발생되고, 음파는 상기 열 전도층(13)의 온도변화로 인하여 생성된다. 상기 열 전도층(13)에 공급된 이동 입력 파형(이동 전압파형 또는 이동 전류파형)이 형성될 때, 주파수 f1, 상기 열 전도층(13)에 생성된 온도 진동주파수 f2는 이상적으로 상기 이동 입력 파형의 주파수 f1의 두배가 된다. 그리하여, 상기 파형 전송기(10)로부터의 이동입력파형의 주파수 f1의 약 2배의 주파수를 가지는 음파를 생성하는 것이 가능해진다. 다른 한편으로는, 상기 파형 전송장치(10) 가 평평한 주파수 특성을 가지기 때문에, 상기 이동 입력 파형의 주파수f1을 변화함으로써, 생성된 음파의 주파수를 넓게 다양화할 수 있게 된다.
게다가, 반주기 사인파형의 고립파는 상기 패드들사이에 이동입력신호로서 공급될 때, 다소의 잔향을 가지는 약 한 주기동안의 음파는 상기 파형 전송 장치(10)로부터 생성될 수 있다. 선택적으로, 도5a에 도시된 바와 같이, 가우스 파형을 가지는 전압파형은 상기 패드들(14)사이에 이동 입력 파형으로 공급될 때, 도5b에 나타난 가우스 파형의 음파형이 상기 파형 전송장치(10)로부터 생성될 수 있다. 대략 한 주기를 가지는 음파형을 생성하기 위하여, 생성된 한 주기의 음파형의 조건이 50 내지 70kHz범위 이내의 주파수를 가지는 한 주기의 초음파형의 조건으로 설정된다. 이밖에, 상기 수치들은 특정하게 제한되는 것은 아니다. 게다가, 가우스 파형을 가지는 음파형을 생성하기 위하여, 상기 음파형의 조건 기간의 생성은 50 내지 70kHz범위의 주파수를 가지는 한 주기의 초음파 조건이 되게 설정된다.
상기 파형 전송장치(10)로부터 도5b에 나타난 가우스 파형을 가지는 음파를 생성하기 위하여, 예를 들면, 도6에 나타난 회로가 이동 회로(20)로 사용되어야 한다. 상기 이동 회로(20)는 DC 전원 공급기 E, 스위치SW를 경유하여 DC 전원 공급기 E의 양 끝단들 사이에 연결된 커패시터, 커패시터C의 양 끝단 사이에 연결된 사이리스터Th, 및 인덕터L의 일련의 회로, 저항R1 및 보호저항R2에 의해 구성된다. 상기 파형 전송장치(10)는 상기 보호저항 R2의 양끝단사이에 연결된다. 상기 구동회로(20)는 상기 파형 전송장치(10)로부터 음파의 전송시간을 조절하기 위한 타이밍 제어기(미도시)를 더 구비하고, 스위치 SW의 온/오프 뿐만 아니라 상기 제어신호를 사이리스터 Th에 공급하기 위한 타이밍이 상기 타이밍 제어기에 의하여 조절된다.
도6에 나타난 구성의 구동회로(20)에서, 전하는 상기 스위치 SW가 온되는 동안 DC전원공급E로부터 커패시터C에 축적되어서, 상기 커패시터C가 충전된다. 상기 타이밍 제어기가 상기 커패시터C의 양 끝단 사이의 전압을 검출하기 때문에, 상기 커패시터C의 양 끝단 사이의 전압이 설정된 문턱치 값을 초과할 때, 상기 타이밍 제어기는 상기 스위치SW를 오프시키고, 제어신호를 상기 사이리스터Th의 게이트로 공급한다. 상기 제어신호가 상기 타이밍 제어기로부터 상기 사이리스터Th에 공급된 때, 상기 사이리스터Th는 켜지고, 전압이 상기 파형 전송장치(10)의 상기 패드들(14)사이에 공급된다. 그런 다음, 음파는 상기 열 전도층(13)의 온도변화에 상응하여 생성된다. 인덕터L의 인덕턴스 및 저항 R1의 저항을 적당한 값들로 설정하여줌으로써, 도5a에 나타난 가우스 파형을 가지는 이동 전압파형은 상기 파형 전송장치(10)의 상기 패드들(14)사이에 공급될 수 있다.
그 결과로서, 파형 수신장치(30)을 구성하는 전기용량 마이크로폰이 설명된다. 상기 전기용량 마이크로폰이 마이크로 기계화 기술을 이용하면서 형성된다. 예를 들면, 도7a 및 7b에 나타난 바와 같이, 전기용량 마이크로폰은 사각형 프레임(31) 및 상기 프레임(31)의 표면상에 제공된 켄틸레버(cantilever)압력 수신부(32)를 포함한다. 상기 프레임(31)은 기판의 두께 방향으로 관통하는 실리콘 기판상에 개구(31a)를 제공함으로써 형성되게 된다. 상기 압력 수신부(32)는 서로 마주보는 상기 프레임(31)의 두 측변들을 걸쳐 앉게 형성된다.
열 산화막(35), 상기 열 산화막(35)을 덮는 실리콘 산화막(36), 실리콘 산화 막(36)을 덮는 실리콘 질화막(37)이 상기 프레임(31)의 표면상에 형성된다. 압력 수신부(32)의 고정된 끝단은 상기 실리콘 질화막(37)을 경유하여 상기 프레임(31)상에 걸쳐있고, 상기 압력 수신부(32)의 자유단은 상기 실리콘 질화막(37)을 위의 실리콘 기판의 두께방향으로 간격을 두고 직면한다.
고정전극(33a)은 예를 들면, 상기 실리콘 질화막(37)상에 상기 압력수신부(32)의 자유단을 직면하는 부분상에 형성된 크로뮴(chromium)막과 같은 금속 박막으로 이루어진다. 게다가, 이동전극(33b)은 예를 들면, 상기 실리콘 질화막(37)을 직면하지 않는 압력 수신부(32)의 자유단 정면상에 형성된다.
더구나, 실리콘 질화막(38)은 상기 프레임(31)의 다른 정면상에 형성된다. 상기 압력 수신부(32)는 위의 실리콘 질화막들 37 및 38로부터 다른 공정으로 형성된 실리콘 질화막으로 구성된다.
도 7에 나타난 전기 용량 마이크로폰의 파형 수신장치(30)에서, 전극으로 고정전극(33a) 및 이동전극(33b)를 사용하는 커패시터가 형성된다. 압력 수신부(32)가 음파의 압력을 수신한 때, 상기 압력 수신부(32)가 대체되며, 그로 인하여, 상기 고정전극(33a)과 상기 이동전극(33b) 사이의 거리가 변화하고, 상기 고정전극(33a)과 상기 이동전극(33b)사이 용량이 변화한다. DC바이어스 전압이 상기 고정전극(33a)과 상기 이동전극(33b)상에 제공된 패드들(미도시)사이에 공급된 때, 상기 전압의 순간변화가 음파에 의해 유발된 음향압력에 대응하여 패드들사이에 발생하며, 이로 인하여 상기 음파가 전기신호로 변환될 수 있다.
상기 파형 수신장치로 사용된 전기 용량 마이크로폰은 도 7a 및 7b에 나타난 구성에 제한되지 않는다. 상기 가로막이 마이크로 기계화 기술에 의하여 실리콘 기판을 처리하여줌으로써 어떤 음파도 수신하지 않을 때, 상기 음파를 수신하기 위한 가로막, 상기 가로막을 마주보며 복수의 배기구들을 가지는 후면판, 및 상기 가로막과 상기 후면판사이의 거리를 정의하는 스페이서를 형성하는 것이 가능하다. 이동 전극은 가로막상에 제공되고, 고정전극이 상기 후면판상에 제공된다.
그런데, 도4에 나타난 열유도 음파생성기의 공명팩터 Q는 약 1이며, 도7a 및 7b에 나타난 전기 용량 마이크로폰의 공명팩터 Q는 3 내지 4 정도의 범위에 있다. 이 두 Q팩터들은 압전소자의 Q팩터보다 더 작다. 그리하여, 상기 열유도 음파 생성기가 파형 전송장치(10)로 사용되고, 상기 전기 용량 마이크로폰들이 상기 제1 실시 예에서 파형 수신장치들(30)로 사용된 때, 상기 음파 감지기의 각도 분해능은, 상기 파형 전송장치 및 상기 파형 수신장치들로서 압전장치들을 사용하는 일반적인 음파 감지기와 비해, 더 증가될 수 있다. 상기 공명팩터 Q 및 상기 장치의 각도 분해능사이의 관계는 도8에 도시된다. 도8에서 볼 수 있듯이, 상기 열유도 음파 생성기를 사용한 파형 전송장치(10)의 각도 분해능은 약 5도이며, 상기 전기용량 마이크로폰을 사용한 상기 파형 전송장치(30)의 각도 분해능은 9 내지 10도 정도의 범위내에 있다.
상기 열 유도 음파 생성기와 함께 상기 파형 수신장치(30)들이 상기 파형 전송장치(10)처럼 유사하게 사용되기 때문에, 상기 전기 용량 마이크로폰들을 사용하는 것이 불필요하다. 상기 파형 전송장치(10) 및 상기 압전장치들이 일반적인 음파 감지기처럼 상기 파형 수신장치들(30)로 사용되기 때문에, 단지 열유도 음파 생성 기가 사용된 때, 혹은 상기 파형 수신장치(30)들 및 상기 압전장치가 일반적인 음파 감지기처럼 상기 파형 전송장치(10)로서 사용된 때조차도, 상기 파형 전송장치 및 상기 파형 수신장치로서 상기 압전장치들을 사용한 일반적인 음파 감지기에 비하여, 상기 음파 감지기의 각도 분해능을 증가시킬 수가 있게 된다.
상기 설명과 같이, 상기 제1 실시 예에서의 음파 감지기가 상기 파형 전송장치(10)로서 열적 충격을 대기로 공급하여줌으로써 음파를 생성하는 음파생성장치를 사용하고, 이로 인하여 상기 파형 전송장치(10)의 공명팩터 Q는 압전장치의 공명팩터 Q보다 더 작다. 그리하여, 상기 파형 전송장치(10)로부터 전송된 음파형에 포함된 잔향(reverberation)시간이 일반적인 음파 감지기처럼 파형 전송장치로 압전장치를 사용하는 경우와 비교하여 감축될 수 있다. 다른 한편으로는, 잔향 구성요소가 상기 파형 전송장치(10)로부터 전송된 음파에서 발생하는 조건은 일반적인 것과 비교되어 감축될 수 있다.
게다가, 음파의 음향력을 용량의 변화로 변환하는 전기 용량 마이크로폰들 각각은 상기 파형 수신장치들(30)로 사용되고, 그로 인하여 각 파형 수신 장치(30)의 공명팩터 Q는 상기 압전장치의 공명팩터 Q보다 더 작게 된다. 그리하여, 각 파형 수신장치(30)로부터 출력된 파형 수신신호에 포함된 잔향시간이 일반적인 음향 파형 감지기처럼 파형 수신장치들로 상기 압전장치들을 사용하는 경우에 비하여 감축될 수 있다. 다른 한편으로는, 잔향 구성요소가 각 파형 수신장치(30)로부터 출력된 파형 수신신호에 포함되는 동안 발생하는 조건은 일반적인 것에 비하여 감축될 수 있게 된다.
결과적으로, 제1 실시 예의 음파감지기에 따라, 파형 전송장치(10)로부터 전송된 음파에 포함된 잔향 구성요소에 의하여 유발된 비사용구역(dead zone)과 상기 파형 수신장치들(30)로부터 출력된 파형 수신 신호들에 포함된 잔향 구성요소에 의하여 유발된 비사용구역을 감소시키는 것뿐만 아니라, 상기 음파 감지기의 각도 분해능은, 상기 파형 전송장치 및 파형 수신장치들로 압전장치들을 사용하고, 물체로의 거리와 상기 물체가 위치되는 방향을 검출하는 일반적인 음파 감지기들에 비하여, 증가될 수 있게 된다.
상기 파형 전송장치(10) 및 파형 수신 장치(30)의 공명팩터 Q들은 10보다 작거나 같을 때, 음파 감지기의 충분한 성능이 제공될 수 있다. 그것들의 Q팩터들은 5보다 작거나 같으면 바람직하다. 제1 실시 예에서 음파 감지기가 상기 물체(2)로의 거리 및 상기 물체(2)가 위치되는 방향 모두를 검출하기 위하여 설계되는 데도 불구하고, 상기 물체(2)로의 거리 및 상기 물체(2)가 위치되는 방향중 하나만을 검출하기 위한 음파감지기를 설계하는 것도 가능하다.
제2 실시 예
이어서, 상기 본원발명의 제2 실시 예에 따른 음파감지기는 도면들과 관련되어 설명된다. 제2 실시 예는 물체로의 거리와 상기 물체의 3차원 위치를 인식하기 위하여 위치되는 방향 모두를 검출하는 음파 감지기에 관한 것이다. 상기 제2 실시 예의 음파 감지기의 기초 구성은 상기 제1 실시 예의 음파 감지기의 구성과 실질적으로 동일하나, 파형 전송장치(10) 및 파형 전송기(1)를 구성하는 구동회로(20)는 도9에서 나타난 바와 같이 다르다. 그러므로, 그 차이만 설명되고, 다른 구성들의 증명 및 설명은 생략된다.
상기 제2 실시 예에서 파형 전송장치(10)는 열적 충격에 의하여 음파를 생성하는 열유도 음파 생성기이고, 간격을 통해 서로 대향하는 한 쌍의 전극들(19)을 가진다. 스파크 방전이 상기 파형 전송장치(10)의 전극들(19)사이에 설정된 전압을 공급하여줌으로써 생성된 때, 열적 충격이 대기중으로 공급되고, 이로 인하여 음파가 생성된다. 이 파형 전송장치(10)의 공명팩터 Q는 약 2이다. 그러므로, 짧은 발생기간 및 짧은 잔향 시간을 가지는 음파는 상기 제2 실시 예의 파형 전송장치(10)에 의하여 전송될 수 있다.
상기 파형 전송 장치(10)를 구동하기 위한 상기 구동회로(20)는 커패시터 C1이 상기 커패시터 C1을 충전하기 위한 충전 스위치SW1을 통해 DC 전원 공급기 E의 양단 사이에 연결되고, 상기 파형 전송장치(10)는 커패시터C1을 방전하기 위하여 방전 스위치SW2를 통해 상기 커패시터C1 양단사이에 연결된다. 게다가, 상기 구동회로(20)는, 제1 실시 예의 경우와 유사하게, 상기 파형 전송 장치(10)로부터 음파형의 전송 타이밍을 제어하기 위하여 타이밍 제어기(미도시)를 가지고, 이로 인하여 각각의 충전스위치 SW1 및 방전스위치 SW2의 온/오프는 상기 타이밍 제어기에 의하여 제어된다. 상기 구동회로(20)에서, 상기 충전스위치 SW1 및 방전스위치 SW2는 결코 동시에 켜지지 않는다.
상기 커패시터C1은 상기 충전스위치SW1이 켜지는 동안 충전된다. 상기 타이밍 제어기가 상기 커패시터C1사이에 전압을 검출하기 때문에, 상기 커패시터C1사이 에 전압이 설정된 문턱치 전압(예를 들면, 스파크 방전이 상기 파형 전송 장치(10)의 전극들사이에 발생하는 스파크 전압)을 초과할 때, 상기 타이밍 제어기가 상기 충전스위치 SW1을 꺼지게 하고, 이어서 상기 타이밍 제어기가 방전 스위치 SW2를 켜지게 한다.
도9에 도시된 구동회로(20)에 있어서, 전하는 DC 전원 E로부터 커패시터C1에 축적된다. 상기 커패시터C1의 양단 사이에 전압이 설정된 문턱치 값을 초과한 때, 제어신호가 타이밍 제어기로부터 방전 스위치 SW2로 공급되고, 이로 인하여, 상기 방전스위치 SW2가 켜지게 된다. 그리하여, 상기 스파크 전압과 동일하거나 큰 전압은 상기 파형 전송장치(10)의 양단들(19)사이에 공급되고, 스파크 전압이 발생한다. 열전 충격은 상기 전극들(19)사이에 스파크 방전에 의하여 끝단들(19)의 주변에의 대기로 주어지게 되고, 이로 인하여 음파가 대기의 팽창 및 수축에 의하여 생성된다. 상기 음파가 상기 전극들(19)이 서로서로 대향하는 방향에 수직평면상에 스파크방전에 의하여 전방향으로 생성될 수 있다. 게다가, 상기 스파크 방전에 의해 생성된 음파가 상대적으로 넓은 밴드의 주파수 구성요소들을 포함한다.
제3 실시 예
이어서, 본원발명의 제3 실시 예에 따른 음파 감지기가 설명된다. 상기 제3 실시 예는 물체로의 거리와, 상기 물체의 3차원 위치를 인식하기 위하여, 상기 물체가 위치되는 방향의 둘 모두를 검출하기 위한 음파 감지기에 관련되는 것이다. 상기 제3 실시 예의 음파 감지기의 기초 구성은 실질적으로, 제1 실시 예의 음파 감지기의 구성과 동일하나, 파형 전송장치(10) 및 파형 전송기(1)를 구성하는 구동회로(20)의 구성들은 다르다. 그러므로, 단지 차이만이 설명된다.
상기 제3 실시 예의 파형 전송기(1)에서, 파형 전송장치(10)로 사용된 열 유도 음파 생성기는, 낮은 열용량 및 낮은 열 전도성을 가지는 가열된 부재와, 레이저 빔(자명으로 인하여 미도시)의 방사성 조사장치에 의하여 가열된 부재를 가열하기 위한 반도체 레이저와 같은 레이저 장치를 포함한다. 상기 구동회로(20)는 상기 부재가 가열되도록 상기 레이저 장치의 구동을 제어하고, 이로 인하여 음파가 가열된 상기 부재와 접촉하여 열적 충격을 대기로 공급하여 줌으로써 생성된다.
상기 제3 실시 예의 음파 감지기에 있어서, 짧은 발생 주기를 가지는 음파를 전송하는 것이 가능해지고, 짧은 잔향시간이 파형 전송장치(10)에 의하여 전송될 수 있다.
제4 실시 예
이어서, 본원발명의 제4 실시 예에 따른 음파 감지기를 사용한 위치 검출시스템은 도면들을 참조하여 설명된다. 도 10a에 도시된 위치검출 시스템에서, 건물내에서 바닥(100)위로 이동하는 쇼핑카트와 같은 이하는 물체(4)가 검출되는 물체라고 가정한다. 그러한 위치 검출 시스템은 복수의 이동 물체(4)의 위치를 동시에 검출할 수 있고, 이로 인하여 각 이동 물체(4)는 고유 식별 정보를 가진다.
이동 물체(4)상에, 음파와 상기 파형 전송장치(10)을 간헐적으로 구동하기 위한 구동회로(20)를 전송할 수 있는 음원으로서 공급하는 파형 전송장치(10)를 가 지는 파형 전송기(1)를 포함한 파형 전송 유닛(110)이, 실장된다. 다른 한편으로는, 상기 파형 전송기(1)로부터 간헐적으로 전송된 음파를 수신하기 위하여 복수의 파형 전송장치(30)들을 가지는 파형 수신기(3)를 포함하는 파형 수신유닛(120)은 건물의 천정(200)상에 설정된 위치에 배치된다.
상기 제4실시 예의 위치 검출 시스템은 이동 물체(4)의 이동을 추적하기 위하여 동선을 측정하는 이동물체(4)의 상대적인 위치로서 상기 파형 수신기(3)에 대한 파형 전송기(1)의 상대적인 위치를 요구하는 순환측정시스템이다. 그것은 예를 들면, 파형 전송장치(10)에 대하여 제1 실시 예에서 사용되고, 제1 실시 예에서 실질적으로 동일구조를 가지는 구동회로(20)를 사용하는 열 유도 음파생성기를 사용한다. 그러나, 이 예들로 제한되지 않으며, 상기 파형 전송장치(10)의 구조들 및 상기 제2 및 제3 실시 예에서의 구동회로(20)가 사용될 수 있다.
도11에 나타난 바와 같이, 파형 전송 유닛(110)은, 광 또는 무선파를 사용하여 트리거 신호를 전송하는 트리거 신호 전송기(63)와, 상기 트리거 신호 전송기(63)를 구동하기 위한 구동회로(64)와, 광, 무선 또는 음파를 사용하여 고유의 식별정보 신호를 전송하기 위한 식별정보 신호전송기(65)와, 상기 식별정보 신호전송기(65)를 구동하기 위한 구동회로(66)와, 그리고 위에서 거론된 파형 전송장치(10)에 더하여 상기 구동회로들(20, 64, 66)을 제어하기 위하여 제어 유닛(67)과, 상기 파형 전송장치(10)을 구동하기 위하여 구동회로(20)를 포함한다.
상기 파형 전송기(1)로부터 음파의 전송을 시작하기 위한 시간, 트리거 신호 전송기(63)로부터 트리거 신호의 전송을 시작하기 위한 시간, 및 식별정보 신호 전 송기(65)로부터 식별정보 신호를 전송하기 위한 시간은 제어유닛(67)에 의하여 조절된다. 상기 제어유닛(67)은 주로 마이크로컴퓨터를 포함하고, 위의 제어 유닛(67)의 각 기능은 상기 마이크로 컴퓨터내에서 적당한 프로그램을 실행함으로써 실현된다.
상기 파형 수신 유닛(120)은 파형 수신기(3), 트리거 신호 전송기(63)로부터 전송된 트리거 신호를 수신한 때 트리거 수신신호를 출력하기 위한 트리거 신호 수신기(73), 식별정보신호전송기에 대한 식별정보신호 수신기(65), 상기 파형 수신기(3)로부터 출력된 파형수신호들 및 상기 트리거 신호 수신기(73)으로부터 출력된 트리거 수신신호에 기초하여, 파형 수신기(3)에 대한 파형 전송기(1)의 상대적인 위치를 계산(파형 전송기(1)가 위치되는 방향과 상기 파형 전송기(1)로의 거리)하고 출력하기 위한 위치 연산기(72), 상기 트리거 신호 수신기(73)로부터 트리거 수신신호를 수신할 때(이하, 트리거 수신시간으로 함) 시간을 출력하기 위한 타이머(76), 그리고, 상기 타이머(76)로부터 출력된 트리거 수신 시간과 상응하는 시계열내에서 상기 위치 연산기(72)로부터 출력된 연산결과(파형 전송기(1)가 위치되는 방향과 상기 파형 전송기(1)로의 거리)를 기억하는 메모리(74)를 포함한다.
메모리(74)에 기억된 트리거 수신시간, 파형 전송기(1)가 위치되는 방향 및 각 트리거 수신시간에서 파형 전송기(1)로의 거리(즉, 시계열적으로 각 이동 물체(4)상에 장착된 파형 전송기(1)상의 상대적인 위치의 변화와 관계되는 데이터)는, 출력유닛(78)을 통하여 외부 컴퓨터와 같은 통제장치로 출력되도록, 제어유닛(77)에 의하여 출력유닛(78)의 데이터 전송형태의 데이터 배열로 변환된다. 예를 들면, 출력유닛(78)에 있어서, TIA/EIA-232-E or USB와 같은 직렬전송 인터페이스, 또는 SCSI와 같은 병렬전송 인터페이스가 사용될 수 있다. 상기 제어유닛(77)의 위 기능은 상기 마이크로 컴퓨터내에서 적절한 프로그램을 실행하여줌으로써 실현된다.
광이 트리거 신호로 사용된 때, 예를 들면, 광방사 다이오드는 상기 트리거 신호 전송기(63)를 위해 사용된다. 선택적으로, 무선파가 상기 트리거 신호로 사용된 때, 예를 들면, 무선파 전송기가 트리거 신호 전송기(63)를 위해 사용된다. 광 및 무선파가 음파보다 훨씬 빠르기 때문에, 광 또는 무선파를 도달하는 기간은, 음파가 파형 전송유닛(110)으로부터 파형 수신유닛(120)으로 도달하는 동안 시간영역에서 0으로 간주될 수 있다.
광이 식별정보신호로 사용된 때, 예를 들면, 광방사 다이오드는 식별정보 신호전송기(65)를 위하여 사용된다. 선택적으로, 무선파가 식별정보신호들로 사용된 때, 예를 들면, 무선파 전송기가 식별정보신호 전송기(65)를 위해 사용된다. 게다가, 음파가 상기 식별정보신호로 사용된 때, 예를 들면, 열유도 파형 전송기(65)로 사용된다.
도10b에 나타난 바와 같이, 상기 파형 수신 유닛(120)의 파형 수신기(3)는, 각각이 파형 수신장치(10)로부터 전송된 음파를 수신하고, 상기 수신 음파형을 전기신호의 파형 수신신호로 전송하기 위한 복수의 파형 수신 장치들(30)(도면에서, 4개의 장치들이 예로 증명된다)을 가진다. 각 파형 수신 장치(30)는 동일 기판(39)상에 2차원적으로 배열된다. 상기 파형 수신장치(30)의 중앙들사이에 거리L(배열피 치)은 파형 전송장치(10)에 의하여 생성된 음파의 파장길이 정도로 설정되는 것이 바람직하다(예를 들면, 음파의 파장길이의 0.5 내지 5배). 상기 파형 수신 장치들(30)의 중앙 사이의 거리L은 음파의 파장길이의 1/2보다 작다면, 상기 음파들이 2개의 파형 수신장치들(30)에 인접하게 도달할 때, 시간들 사이의 시간 차이는 너무 짧아서 상기 시간 차이를 검출할 수가 없다. 상기 파형 수신장치들(30)로서, 예를 들면, 상기 제1 실시 예에서 설명된 위의 전기 용량 마이크로폰들이 사용될 수 있다. 상기 전기 용량 마이크로폰이 상기 압전장치보다 더 작은 Q팩터를 가지기 때문에, 수신가능한 음파들의 주기의 영역을 만드는 것이 가능하다.
광이 트리거 신호 전송기(63)로부터 전송된 트리거 신호로서 사용된 때, 예를 들면, 포토다이오드는 트리거 신호 수신기(73)를 위하여 사용된다. 선택적으로, 무선파가 트리거 신호로서 사용된 때, 예를 들면, 무선파 수신안테나가 트리거 신호 수신기(73)을 위해 사용된다. 상기 트리거 신호 수신기(73)에 관해서는, 상기 트리거 신호를 수신할 수 있고, 상기 트리거 신호를 전기신호로 변환하여 전기신호(트리거 수신신호)를 출력하는 장치가 사용될 수 있다.
광이 식별정보신호 전송기(65)로부터 전송된 식별정보신호로서 사용된 때, 예를 들면, 포토 다이오드가 상기 식별정보신호 수신기(75)를 위하여 사용된다. 선택적으로, 무선파가 상기 식별정보신호로서 사용된 때, 예를 들면, 무선파 수신안테나가 상기 식별정보 신호수신기(75)를 위하여 사용된다. 게다가, 음파가 상기 식별 정보신호로서 사용된 때, 전기 용량 마이크로폰이 상기 식별정보신호수신기(75)를 위하여 사용된다. 상기 식별정보 신호수신기(75)에 대해서는, 상기 식별정보신 호를 수신할 수 있고, 상기 식별정보신호를 전기신호의 식별정보로 변환하여 전기신호를 출력하는 장치가 사용될 수 있다.
위치 연산기(72)는 상기 파형 전송기(1)가, 파형 수신기(3)의 파형 수신장치(30)들에 의해 수신된 음파들과 상기 파형 수신장치들(30)의 배열사이의 위상차이에 기초하여 상기 파형 수신기(3)에 대하여 위치되는 방위각θ(음파가 도달하는 방향)을 요구하는 기능을 가집니다.
이어서, 위치 연산기(72)가 설명된다. 설명을 명료하게 하기 위하여, 상기 파형 수신기(3)의 파형 수신장치들(30)이 도12에 나타난 바와 같이, 동일 평면상에서 일차원적으로 배열되도록 증명된다. 게다가, 도12는 실질적으로 다수의 파형 수신장치들(30)을 제외하고는 도2와 실질적으로 동일하다.
도 13a 내지 13c는, 사인파형의 반주기 파형을 가지는 구동전압이 상기 파형 전송장치(10)를 구성하는 열유도 음파 생성기의 열 전도층(13)에 공급된 때, 각각 도12에 나타난 파형 수신장치들(30)의 파형 수신 신호들을 보여준다. 도13a는 도12에서 최상위 위치에 배치된 파형 수신장치(30)로부터 출력된 파형 수신신호의 파형을 나타낸다. 도13b는 도12에서 중간위치에 배치된 파형 수신장치(30)로부터 출력된 파형 수신신호의 파형을 나타낸다. 도13c는 도12에서 가장아래에 배치된 파형 수신장치(30)로부터 출력된 파형 수신신호의 파형을 나타낸다.
상기 위치 연산기(72)는 파형 전송기(1)가 파형 수신기(3)의 파형 수신장치들(30)에 의해 수신된 음파들과 상기 파형 수신장치들(30)의 배열의 위상차이에 기초하여, 파형 수신기(3)에 대하여 위치되는 방향(음파가 도달하는 방향)을 검출하 는 함수를 가지는 단일의 프로세서(72c)를 포함한다.
신호처리기(72c)는 파형 수신장치들(30)의 배열패턴에 따라 설정된 지연시간들내에서 파형 수신기(3)의 파형 수신 신호들을 지연하고, 상기 지연된 파형 수신 신호들을 그룹으로서 출력하기 위한 지연기능, 각 그룹의 지연된 파형 수신 신호들을 부가하기 위한 부가기능, 및 부가/지연된 파형 수신 신호들의 출력파형의 피크값과 설정된 문턱치값 사이의 크기관계를 비교하고, 피크값이 문턱치 값을 초과할 때, 파형 전송기(1)가 위치되는 방향(음파가 도달한 방향)으로 한번에 설정된 지연시간에 따른 방향을 판단하기 위한 판단기능을 포함한다.
위치 연산기(72)는 파형 수신기(3)의 각 파형 수신장치(30)로부터 출력된 아날로그 파형 수신신호를 디지털 파형 수신신호로 변환하고, 변환된 디지털 파형 수신 신호를 출력하기 위한 A/D 변환기(72a), 트리거 신호 수신기(73)로부터의 트리거 수신신호가 입력된 때, 동시에 신호처리기(72c)에 더 설정된 파형 수신기간내에서 A/D 변환기(72a)로부터의 출력을 기억하기 위한 데이터 메모리(72b)를 포함한다.
상기 신호처리기(72c)는 트리거 수신 신호가 데이터 메모리(72b)에 입력되는 때, 파형 수신기간을 설정하고, 파형 수신기간동안 데이터 메모리(72b)에 저장된 파형 수신 신호들의 데이터를 사용하여, 파형 전송기(1)가 위치된 방향을 얻기 위하여 파형 수신기간동안만 A/D 변환기(72a)를 구동시킨다. 상기 신호처리기(72c)는 마이크로컴퓨터 등에 의하여 구성된다. 게다가, 데이터의 [파형 수신장치들(30)의 수] x [각 파형 수신장치로부터의 신호들을 수신하는 신호데이터의 수]가 상기 데 이터 메모리(72b)에 저장된다.
제4 실시 예의 위치검출시스템에서, 열유도 음파 생성기는 상기 파형 전송기(1)의 파형 전송장치(10)로서 사용된다. 그러므로, 상기 음파들이 도14에 나타난 바와 같이, 두 방향들로부터 파형 수신기(3)에 도달하고, 방위각 θ1을 가지는 방향으로부터 음파들이 방위각θ2를 가지는 방향으로부터 음파들보다 더 빨리 도달한다고 가정한다. 도15a 내지 15c에 나타난 바와 같이, 파형 수신 신호들의 두 그룹들은 좀처럼 서로 오버랩되지 않는다. 결과적으로, 이동물체(4)들에 장착된 상기 파형 전송기(1)들이 위치되는 방위각 θ1 및 θ2(음파들이 도달하는 방향)는 얻게 될 수 있다.
도15a는 도14에서 최상위 위치에서의 파형 전송장치(30a)의 두개의 파형 수신 신호들의 파형들을 나타낸다. 도15b는, 도14에서의 중앙위치에서의 파형 수신장치(30b)의 두개의 파형 수신 신호들의 파형들을 나타낸다. 도 15c는 도14에서 가장 아래위치에서의 파형 수신장치(30c)의 두개의 파형 수신 신호들의 파형들을 나타낸다. 각각의 도15a 내지 15c에서의 좌측편에 배치된 파형은 방위각θ1을 가지는 방향으로부터 도달하는 음파에 일치하고, 우측편에 배치된 파형은 방위각θ2를 가지는 방향으로부터 도달하는 음파에 일치한다.
파형 수신장치(30b)에 도달할 음파의 파 전단(wave front)과 상기 음파가 파형 수신장치(30c)에 도달한 때 또 하나의 파형 수신장치(30c)에 인접하는 중앙사이의 거리(지연거리)가 기호"d1"(도14 참조)으로 지정된 때, 상기 파형 수신장치(30b)에서 상기 음파의 파 전단(wave front)을 도달하는데 필요한 시간 차이 △ t1이 방정식 △t1 = d1/c = L·sinθ1/c 에 의하여 연산된다(도15a 내지 15c 참조). 다른 한편으로는, 파형 수신장치(30b)에 도달할 음파의 파 전단(wave front)과 상기 음파가 파형 수신장치(30a)에 도달한 때 또 하나의 파형 수신장치(30a)에 인접하는 중앙사이의 거리(지연거리)가 기호"d2"(도14 참조)로 지정된 때, 상기 파형 수신장치(30b)에서 상기 음파의 파 전단(wave front)을 도달하는데 필요한 시간 차이 △t2이 방정식 △t2 = d2/c = L·sinθ2/c 에 의하여 연산된다(도15a 내지 15c 참조).
위치 연산기(72)의 신호처리기(72c)는 트리거 신호가 트리거 신호수신기(73)에 의하여 수신된 때의 시간과 음파들이 상기 파형 수신장치들에 의하여 수신된 때의 시간사이에, 파형 수신기(3)으로부터 파형 전송기(1)로의 거리를 연산하기 위한 거리연산기능을 포함한다. 음파보다 빠른 광 또는 무선파와 같은 신호가 트리거 신호로 사용되기 때문에, 파형 전송유닛(110)으로부터 파형 수신유닛(120)으로 트리거 신호를 전송하기 위하여 필요한 기간은 희미하게 더 짧아진다. 상기 신호처리기(72)는 트리거 신호ST가 수신된 때의 시간으로부터 파형 수신신호SP가 도16a 내지 16c에 나타난 것처럼 트리거 신호ST를 수신한 후에 먼저 수신된 때의 시간까지의 시간 차이 T와 음파 속도를 사용하여 파형 수신기(3)와 파형 전송기(1)사이에 거리를 연산한다.
상기 제4 실시 예의 위치 검출 시스템에서, 상기 파형 전송기(1)들이 천정(200)상에 설치된 파형 수신유닛(120)의 파형 수신기(3)주위의 검출가능한 영역내에서 이동 물체들(4)상에 장착된 방향들이 검출될 수 있다. 복수의 음파 수신기 들이 설정된 거리로 천정상에 설치된 일반적인 위치 검출 시스템과 비교하여, 상기 위치 검출시스템의 응용이 더 쉬워지고, 상기 파형 수신기들(3)의 배열이 더 쉬워진다.
상기 제4 실시 예의 위치검출시스템에서의 음파감지기에서, 열적 충격을 대기로 공급하여줌으로써 음파를 생성하고 압전장치보다 더 작은 공명팩터 Q를 가지는 음파 생성장치는 파형 전송장치(10)로 사용되고, 각각 상기 압전소자보다 작은 공명팩터 Q를 가지는 전기용량 마이크로폰들이 파형 수신장치들(30)로 사용된다. 그리하여, 파형 전송장치와 파형 수신장치들처럼 압전장치들을 사용하는 경우와 비교하여, 상기 파형 전송장치(10)로부터 전송된 음파에 포함된 잔향 구성요소에 의하여 유발된 비사용구역과 파형 수신장치들(30)로부터 출력된 파형 수신 신호들에 포함된 잔향 구성요소에 의하여 유발된 비사용구역을 짧게 하는 것뿐 만 아니라, 상기 음파감지기의 각도 분해능을 증가시키는 것이 가능하다.
바닥(100)이 평평하고, 상기 바닥(100)으로부터 천정(200)까지가 제4 실시 예의 위치 검출시스템이 공급된 건물내에서 일정하며, 이동물체(4)의 크기가 일정한 때(즉, 상기 바닥(100)으로부터 상기 이동 물체들(4)의 상부면까지의 높이가 일정), 파형 수신기(3)를 포함하고 상기 천정(200)에 평행한 평면과 파형 전송기(1)를 포함하고, 상기 천정(200)에 평행한 평면사이의 거리가 상기 바닥(100)상에서 이동 물체(4)의 위치에 관계없이 일정하다. 그리하여, 그런 일정한 거리가 알려진 거리정보(높이 정보)처럼 마이크로컴퓨터의 메모리로 미리 기억된 때, 거리정보와 상기 파형 전송기(1)가 위치되는 방향으로부터 상기 파형 수신기(3)와 상기 파형 전송기(1)사이의 거리를 얻는 것이 가능하다.
다른 한편으로는, 계단(100b)이 바닥(100)상에 존재할 때 조차도, 트리거 신호가 상기 트리거 신호 수신기(73)에 의해 수신된 때의 시간과 음파들이 상기 파형 수신장치들(30)에 의해 수신된 때의 시간사이의 관계에 기초하여, 상기 파형 수신유닛(120)의 파형 수신기(3)와 상기 파형 전송유닛(110)의 파형 전송기(1)사이의 거리를 신호처리기(72c)에 의하여 얻는 것이 가능하다.
제어유닛(77)은 식별정보신호수신기(75)로부터 출력되어, 메모리(74)에 기억된 식별정보에 기초하여 개별적으로 각 이동 물체(4)상에 장착된 파형 전송기(1)를 식별하기 위한 음원 식별기능을 가진다. 그리하여, 복수의 이동물체들(4)이, 파형 수신기(3)가 음파들을 수신할 수 있는 검출가능한 영역내에 위치되는 때조차도, 상기 파형 수신기(3)에 대하여 파형 전송기들(1)의 상대적인 위치들, 즉 상기 이동물체들(4)의 상대적인 위치들은 얻어질 수 있다.
예를 들면, 4개의 이동물체들(4)이 위치된 때, 도18a 내지 18d에 나타난 바와 같이, 각각 다른 펄스 배열들로 구성된 식별정보신호들을 사용하는 것이 가능하고, 상기 이동물체들(4)에 대한 파형 전송유닛(110)의 식별정보 신호전송기(65)로부터 전송된 상기 식별정보신호들로서 사용될 수 있다. 그러한 경우에, 상기 위치 연산기(72)의 신호 처리기(72c)에 의한 연산의 결과는 식별정보에 따라 메모리(74)에 저장된다. 제어유닛(77)에서, 파형 전송기(1)가 위치되는 방향(음파들이 도달하는 방향)과, 상기 파형 수신기(3)와 상기 위치 연산기(72)에 의해 얻어진 상기 파형 전송기(1)사이의 거리는 파형 전송유닛들(110)로부터 구별될 수 있다.
게다가, 광 또는 무선파형이 식별정보신호로서 사용된다고 가정하면, 단지 하나의 파형 전송유닛(110)이 음파형들을 수신할 수 있는 상기 파형 수신기(3)의 검출가능한 영역내에 위치된다. 식별정보 신호수신기(75)로부터 출력된 식별정보와 상기 파형 수신유닛(120)의 파형 수신장치들(30)로부터 출력된 파형 수신 신호들사의 관계가 도19a 내지 19c에 도시되어 있다. 도19a는 도12의 최상위 위치에서 파형 수신장치(30)의 파형 수신신호 파형이다. 도19b는 도12의 중앙 위치에서 파형 수신장치(30)의 파형 수신신호 파형이다. 도19c는 도12의 최하위 위치에서 파형 수신장치(30)의 파형 수신신호 파형이다. 이러한 경우에, 식별정보 신호전송기(65)가 위의 트리거 신호전송기(63)로 공급할 수 있고, 상기 식별정보신호 SI는 트리거 신호로서 사용될 수 있다. 게다가, 위의 음원 식별기능을 위치 연산기(72)로 제공하는 것이 가능하다.
상기 제4 실시 예의 위치 검출시스템에서, 트리거 신호 전송기(63)는 파형 전송유닛(110)에 제공되고, 트리거 신호 수신기(73)는 파형 수신유닛(120)상에 제공되나, 상기 위치검출시스템의 구성이 이에 제한되지는 않는다. 상기 설명과 반대로, 파형 수신유닛(120)상에 트리거 신호 전송기(63)를 제공할 수 있고, 상기 트리거 신호 수신기(73)는 상기 파형 전송 유닛(110)상에 제공된다. 그러한 경우에, 상기 파형 전송유닛(110)의 제어유닛(67)은, 음파가 상기 트리거 신호 수신기(73)으로부터의 출력에 기초하여 상기 파형 전송 장치(10)로부터 전송되도록, 구동회로(20)를 제어하며, 그리고 상기 위치 연산기(72)의 신호처리기(72C)는, 트리거 신호가 트리거 신호 전송기(63)로부터 전송된 때의 시간과 음파들이 상기 파형 수신 장치들(30)에 의해 수신된 시간들 사이의 관계로부터 상기 파형 전송기(1)의 거리를 얻는다. 게다가, 상기 트리거 신호 수신기(73)로부터 출력된 상기 트리거 수신 신호를 수신한 후 또는 상기 트리거 수신 신호를 수신하는 것으로부터 설정된 기간을 통과한 후에 상기 구동회로(20)를 구동하도록 파형 전송유닛(110)의 제어유닛(67)을 구성할 수 있다.
게다가, 상기 위치 검출 시스템에서, 상기 파형 전송기(1)는 이동물체(4)상에 장착되고, 상기 파형 수신기(3)는 천정(200)과 같은 침하 면(settlement face)상에 설치된다. 그러나, 그것은 상기 침하면 상에 상기 파형 전송기(1)를 제공할 수 있고, 상기 파형 수신기(3)는 이동물체(4)상에 장착된다.
이 출원은 일본에서 출원된 일본특허출원들(2004-219330, 2004-219331, 2005-5639, 2005-5640 및 2005-86787)에 기초하며, 상기의 내용들이 이로 인하여 인용발명들에 의해 조합된다.
비록 본원발명이 첨부된 도면들에 관련하여 예를 들어 설명하였더라도, 다양한 변화들 및 수정들이 당업자들에게 명백하다는 것이 이해될 것이다. 그러므로, 본원발명의 범위로부터 분리된 그러한 변화들 및 수정들을 하지 않는다면, 이 발명 안에 포함될 것이다.
본 발명은 파형 전송장치로부터 전송된 음파에 포함된 잔향구성요소에 의하 여 유발된 비사용구역 및 파형 수신장치들로부터 출력된 파형 수신 신호들에 포함된 잔향구성요소들에 의하여 유발된 비사용구역중 적어도 하나를 감축할 수 있고, 파형 전송장치 및 파형 수신장치들로써 압전장치들을 사용하는 일반적인 음파 감지기와 비교하여 음파 감지기의 각도분해능을 증가시킬 수가 있다.

Claims (8)

  1. 음파를 전송할 수 있는 파형 전송장치와, 상기 파형 전송장치를 구동하기 위한 구동회로를 가지는 파형 전송기; 및
    상기 파형 전송기로부터 전송된 음파를 직접적으로 수신하거나 혹은 상기 파형 전송기로부터 전송되어 물체에 의하여 반사된 음파를 수신하고, 수신된 음파를 전기신호들의 파형 수신 신호들로 변환하는 파형 수신장치들을 구비함으로써, 상기 파형 전송기 또는 상기 물체까지의 거리와 상기 파형 전송기 또는 상기 물체가 위치되는 방향중 적어도 하나가 검출될 수 있는 파형 수신기를 포함하고,
    상기 파형 수신장치는 열충격을 대기에 공급하여줌으로써 음파를 발생하는 음파발생기에 의하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음파 감지기.
  2. 음파를 전송할 수 있는 파형 전송장치와, 상기 파형 전송장치를 구동하기 위한 구동회로를 가지는 파형 전송기; 및
    상기 파형 전송기로부터 전송된 음파를 직접적으로 수신하거나 혹은 상기 파형 전송기로부터 전송되어 물체에 의하여 반사된 음파를 수신하고, 수신된 음파를 전기신호들의 파형 수신 신호들로 변환하는 파형 수신장치들을 구비함으로써, 상기 파형 전송기 또는 상기 물체까지의 거리와 상기 파형 전송기 또는 상기 물체가 위치되는 방향중 적어도 하나가 검출될 수 있는 파형 수신기를 포함하고,
    각각의 상기 파형 수신장치는, 상기 음파의 음향력으로 인하여 압력의 변화 량을 전기신호의 변화량으로 변환하는 전기용량 마이크로폰에 의하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음파 감지기.
  3. 음파를 전송할 수 있는 파형 전송장치와, 상기 파형 전송장치를 구동하기 위한 구동회로를 가지는 파형 전송기; 및
    상기 파형 전송기로부터 전송된 음파를 직접적으로 수신하거나 혹은 상기 파형 전송기로부터 전송되어 물체에 의하여 반사된 음파를 수신하고, 수신된 음파를 전기신호들의 파형 수신 신호들로 변환하는 파형 수신장치들을 구비함으로써, 상기 파형 전송기 또는 상기 물체까지의 거리와 상기 파형 전송기 또는 상기 물체가 위치되는 방향중 적어도 하나가 검출될 수 있는 파형 수신기를 포함하고,
    상기 파형 전송장치의 공명 팩터(factor) Q는 10과 동일하거나 10보다 작은 것을 특징으로 하는 음파 감지기.
  4. 음파를 전송할 수 있는 파형 전송장치와, 상기 파형 전송장치를 구동하기 위한 구동회로를 가지는 파형 전송기; 및
    상기 파형 전송기로부터 전송된 음파를 직접적으로 수신하거나 혹은 상기 파형 전송기로부터 전송되어 물체에 의하여 반사된 음파를 수신하고, 수신된 음파를 전기신호들의 파형 수신 신호들로 변환하는 파형 수신장치들을 구비함으로써, 상기 파형 전송기 또는 상기 물체까지의 거리와 상기 파형 전송기 또는 상기 물체가 위치되는 방향중 적어도 하나가 검출될 수 있는 파형 수신기를 포함하고,
    각 파형 수신장치의 공명 팩터(factor) Q는 10과 동일하거나 10보다 작은 것을 특징으로 하는 음파 감지기.
  5. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음파 발생장치는, 박막의 열전도체를 포함하고, 상기 열전도체로의 활성화에 따른 상기 열전도체의 온도변화로 인한, 열충격을 대기에 공급하여줌으로써 음파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 음파 감지기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 음파 발생장치는, 베이스 기판, 상기 베이스 기판의 최소한 표면상에 형성된 상기 열전도체 역할을 하는 열전도체층, 및 상기 베이스 기판과 상기 열전도체층 사이에 배치된 열절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 감지기.
  7. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음파 발생장치는 대기속에서 서로 마주보는 한 쌍의 전극들을 가지고, 상기 전극들 사이에 설정된 전압을 인가하여줌으로써 상기 전극들사이에 발생하는 스파크 방전으로 인한, 열충격을 상기 대기로 공급하여줌으로써 음파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 음파 감지기.
  8. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파형 수신기는, 동일 평면상에 배열된 복수의 파형 수신장치들을 포함하고, 상기 파형 수신장치로부터 출력된 파형 수신 신호들의 위상차이와 상기 파형 수신장치의 배열에 근거하여, 음파들이 상기 파형 수신기에 도달하는 방향을 검출하는 기능을 하는 것을 특징으로 하는 음파 감지기.
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