專利名稱：超聲波傳播時間測定系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請要求在先的日本專利申請2007-224859號(2007年8月30日申請)及日 本專利申請2008-159151號(2008年6月18日申請)的優(yōu)先權(quán)，上述在先申請的全部內(nèi)容 通過引用記載于本說明書中。本發(fā)明涉及到一種測定從超聲波發(fā)送源到規(guī)定位置的超聲波的傳播時間的方法 及超聲波的傳播時間測定系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
作為使用超聲波的現(xiàn)有的位置檢測方法的一例，專利文獻1記載了一種電子筆系 統(tǒng)。該位置檢測系統(tǒng)由以下構(gòu)成電子筆，具有以固定周期發(fā)送一定周期、一定波形的超聲 波信號和紅外線觸發(fā)信號的功能；以及接收部，接收所發(fā)送的二個信號；其中，接收部根據(jù) 觸發(fā)信號的到達時間和超聲波的到達時間確定電子筆的位置。專利文獻1 美國專利第6118205號說明書

發(fā)明內(nèi)容
以下是本發(fā)明人的分析。從超聲波發(fā)送源發(fā)送的超聲波信號使用人聽不到的可聽帶域以上的頻率，因此至 少需要20kHz以上。作為以充分的聲壓產(chǎn)生該頻帶的信號的裝置，人們知道電磁振動驅(qū)動 小型高剛性的振動板的所謂揚聲器，但存在以下問題難于小型化；因是電流驅(qū)動，耗電較 大，并且難于安裝到電子筆等小型的可動物體上。因此，作為超聲波發(fā)送源，廣泛使用電壓 驅(qū)動的壓電元件。該壓電元件是電壓驅(qū)動型，因此一般情況下耗電較小，但為了確保充分的聲壓，大 多與音響阻抗小的共振體組合使用。但當(dāng)利用共振現(xiàn)象時，雖然可通過一定的相位/頻率/ 增益發(fā)送超聲波，但其以外的頻率下的發(fā)送增益非常低，難于利用各種調(diào)制方式。并且，在 單獨的壓電元件中，機械性的Q較高，殘留振動時間較長，無論調(diào)制方式如何，難于發(fā)送追 蹤調(diào)制波的超聲波。另一方面，為了連續(xù)進行傳播時間測定，需要根據(jù)一定周期的觸發(fā)信號同步發(fā)送 超聲波。該周期例如是20ms時，該單一或脈沖信號可作為50Hz的可聽音被聽到。優(yōu)選盡 量排除該可聽音。本發(fā)明的目的在于提供一種排除可動物體上搭載的壓電或磁致伸縮元件構(gòu)成的 超聲波發(fā)送體中產(chǎn)生的殘留振動的影響、在從該超聲波發(fā)送體送出的超聲波信號的各周期 內(nèi)可正確測定最初到達接收部的直達波的傳播時間、不受超聲波信號的反射波的影響的可 動物體的位置檢測方法及系統(tǒng)。并且本發(fā)明進一步的目的在于，通過使用窄帶域的超聲波 實現(xiàn)低成本的位置檢測方法及系統(tǒng)。在本發(fā)明的第一觀點中，本發(fā)明涉及的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)的特征在于具有電磁波發(fā)送單元，送出表示發(fā)送定時的電磁波信號；在送出上述電磁波信號的同時，根據(jù)自相關(guān)性強的模擬隨機信號調(diào)制超聲波，從而生成超聲波驅(qū)動信號的單元；超聲波發(fā)送單元，由壓電或磁致伸縮元件構(gòu)成，其由該超聲波驅(qū)動信號驅(qū)動，送出頻率比該超聲波驅(qū)動 信號的基本頻率高的超聲波信號；電磁波接收單元，檢測上述電磁波信號；超聲波接收單 元，檢測送出的上述超聲波信號；數(shù)據(jù)處理單元，將和上述超聲波驅(qū)動信號相同的波形作為 模型波形，在檢測出的超聲波信號和該模型波形之間計算出相關(guān)值，檢測計算出的相關(guān)值 的主峰值，根據(jù)上述電磁波信號的檢測時刻和該主峰值的檢測時刻，計算出超聲波傳播時 間。在本發(fā)明的其他觀點中，本發(fā)明涉及的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)的特征在于具 有電磁波發(fā)送單元，送出表示發(fā)送定時的電磁波信號；在送出上述電磁波信號的同時，根 據(jù)自相關(guān)性強的模擬隨機信號調(diào)制超聲波，從而生成超聲波驅(qū)動信號的單元；超聲波發(fā)送 單元，由壓電或磁致伸縮元件構(gòu)成，在比該超聲波驅(qū)動信號的頻率高的頻率、尤其是1. 5倍 以上的頻率上具有共振點，由該超聲波驅(qū)動信號驅(qū)動，送出超聲波信號；電磁波接收單元， 檢測上述電磁波信號；超聲波接收單元，檢測送出的上述超聲波信號；數(shù)據(jù)處理單元，將和 上述超聲波驅(qū)動信號相同的波形作為模型波形，在檢測出的超聲波信號和該模型波形之間 計算出相關(guān)值，檢測計算出的相關(guān)值的主峰值，根據(jù)上述電磁波信號的檢測時刻和該主峰 值的檢測時刻，計算出超聲波傳播時間。上述超聲波發(fā)送單元優(yōu)選在上述超聲波驅(qū)動信號的頻率的實質(zhì)性的整數(shù)倍的頻 率上具有共振點。上述超聲波發(fā)送單元優(yōu)選在上述超聲波驅(qū)動信號的頻率的實質(zhì)性的偶數(shù)倍的頻 率上具有共振點。上述超聲波接收單元優(yōu)選由壓電元件、磁致伸縮元件或微音器的任意一種構(gòu)成。上述調(diào)制的超聲波驅(qū)動信號優(yōu)選對該模擬隨機信號的每1位分配超聲波的M周期 (M ^ 1的整數(shù))。調(diào)制除了相位調(diào)制外，還包括頻率調(diào)制、振幅調(diào)制。作為優(yōu)選實施方式，上述超聲波發(fā)送單元可在該驅(qū)動信號的頻率的實質(zhì)性的2N 倍(N是正的整數(shù))的頻率上具有共振點。上述超聲波驅(qū)動信號是由上述模擬隨機信號調(diào)制(例如相位調(diào)制)的信號，該調(diào) 制的超聲波驅(qū)動信號對該模擬隨機信號的每1位分配和上述M相等的數(shù)的超聲波的周期。上述超聲波驅(qū)動信號優(yōu)選在信號的開頭和至少相位調(diào)制點上產(chǎn)生。上述超聲波驅(qū)動信號優(yōu)選僅在信號的開頭和相位調(diào)制點產(chǎn)生。并且，上述超聲波發(fā)送單元的共振頻率下的振動增益優(yōu)選大于上述超聲波驅(qū)動信 號的頻率下的振動增益。并且，超聲波接收單元優(yōu)選具有超聲波驅(qū)動信號的頻率以上的頻帶。進一步，上述超聲波接收單元可具有到上述超聲波驅(qū)動信號的2N倍(即偶數(shù)倍) 為止的頻率的頻帶。模擬隨機信號優(yōu)選是M序列數(shù)據(jù)。通過選擇M序列數(shù)據(jù)的位串，有助于減小殘留 振動、提高相關(guān)性，因此可進行高速高精度的超聲波傳播時間測定。電磁波信號優(yōu)選是紅外線。并且，超聲波發(fā)送單元可以安裝在可動物體上?？蓜游矬w例如可以是電子筆或機 器人。
M序列數(shù)據(jù)優(yōu)選是由4次的特性多項式生成的15位所構(gòu)成的字符，且位串的末尾至少2位以上相同。M序列數(shù)據(jù)優(yōu)選是由4次的特性多項式生成的15位所構(gòu)成的字符，且位串的末尾 是 1111 或 000。進一步，M序列數(shù)據(jù)優(yōu)選是由4次的特性多項式生成的15位所構(gòu)成的字符，且位 串的末尾是1111000的序列。在構(gòu)成上述超聲波發(fā)送單元的超聲波生成電路中，優(yōu)選具有用于去除可聽區(qū)域的 驅(qū)動信號的濾波器。通過在構(gòu)成超聲波發(fā)送器的驅(qū)動電路中加入濾波器，可抑制可聽區(qū)域 中產(chǎn)生的聲波強度，有助于降低對人的壓力。在構(gòu)成上述超聲波發(fā)送單元的超聲波生成電路中，優(yōu)選至少具有用于去除相當(dāng)于 該超聲波發(fā)送周期的頻率區(qū)域的聲波的濾波器。 在構(gòu)成上述超聲波發(fā)送單元的超聲波生成電路中，優(yōu)選至少具有用于去除相當(dāng)于 M序列字符的調(diào)制周期的頻率區(qū)域的聲波的濾波器。通過選擇M序列位串，能夠進一步提高 其效果。優(yōu)選將從超聲波生成電路中具有濾波器的超聲波發(fā)送單元放出到空間后的聲波 作為在進行相關(guān)計算的基礎(chǔ)上的模型波形。M序列數(shù)據(jù)優(yōu)選是由4次的特性多項式生成的15位所構(gòu)成的字符，且位串的末尾 是1111或000的序列，可實現(xiàn)靜音。M序列數(shù)據(jù)優(yōu)選是由4次的特性多項式生成的15位所構(gòu)成的字符，且位串的末尾 是1111000的序列，可實現(xiàn)靜音。如上所述，對M序列調(diào)制模型波的頻率，在較高的頻率區(qū)域、例如1. 5倍以上或其 2N倍的頻率區(qū)域中，選擇收發(fā)增益高的壓電變換元件，從而可以良好的調(diào)制特性使超聲波 發(fā)送波窄帶域化，結(jié)果可實現(xiàn)小型、節(jié)電、低成本、且高速高精度的超聲波傳播時間測定。并 且，發(fā)送超聲波的頻率大于驅(qū)動頻率，因此調(diào)制波的重現(xiàn)性較高，可提高接收波和模型波的 相關(guān)性。


圖1是本發(fā)明涉及的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)的一個實施例的框圖。圖2是以M序列數(shù)據(jù)進行相位調(diào)制的超聲波驅(qū)動信號的波形圖的一例。圖3是M序列相位調(diào)制超聲波驅(qū)動信號的波形圖、及從具有該驅(qū)動信號的頻率的 2倍的共振頻率的壓電元件發(fā)送的超聲波信號的波形圖的一例。圖4是表示在勵振點和共振點上壓電元件具有的振動增益的圖的一例。圖5是表示相同的位在末尾連續(xù)的M序列數(shù)據(jù)所調(diào)制的超聲波接收信號的一例的 圖。圖6是表示以M序列數(shù)據(jù)調(diào)制的超聲波發(fā)送波形和參照波形的相關(guān)值時刻歷史的 波形的一例的圖。圖7是表示以M序列數(shù)據(jù)調(diào)制的超聲波發(fā)送波形和參照波形的相關(guān)值時刻歷史的 波形的其他例子的圖。圖8是M序列相位調(diào)制超聲波驅(qū)動信號的波形圖、和從具有驅(qū)動信號的頻率的3倍的共振頻率的壓電元件傳送的超聲波信號的波形圖。圖9是M序列相位調(diào)制超聲波驅(qū)動信號的波形圖、和從具有驅(qū)動信號的頻率的1. 5倍的共振頻率的壓電元件傳送的超聲波信號的波形圖。圖10是在M序列相位調(diào)制超聲波驅(qū)動信號中，僅通過相位調(diào)制點驅(qū)動發(fā)送器一側(cè) 的壓電元件時的超聲波發(fā)送波形圖。圖11是表示由M序列位串調(diào)制的超聲波頻率特性的圖。圖12是表示對圖11插入高通濾波器時的發(fā)送波的頻率特性的圖。圖13是對圖11中依存于M序列的分頻頻率區(qū)域插入陷波濾波器時的發(fā)送波的頻 率特性的圖。圖14是表示使參照波形是未被濾波的發(fā)送波時的相關(guān)值的圖。圖15是表示使參照波形是已被濾波的發(fā)送波時的相關(guān)值的圖。圖16是表示通過選擇M序列位串使超聲波發(fā)送強度變化的一例的圖。圖17是表示通過選擇M序列位串使超聲波發(fā)送強度變化的其他例的圖。圖18是表示組裝到電子筆側(cè)的超聲波驅(qū)動電路的濾波電路的構(gòu)成的圖。標(biāo)號說明1電子筆2發(fā)送部3接收部11 開關(guān)101控制電路102M序列生成電路103超聲波驅(qū)動電路104超聲波發(fā)送器(壓電元件或磁致伸縮元件)105紅外線驅(qū)動電路106紅外線發(fā)送器201超聲波接收器(壓電元件、磁致伸縮元件或微音器)202采樣電路203紅外線接收器204檢測電路205 內(nèi)存206數(shù)據(jù)處理電路
具體實施例方式接著對實施本發(fā)明的最佳方式以電子筆系統(tǒng)為例參照圖1至7詳細說明。此外， 本發(fā)明也可以是，在機器人系統(tǒng)中，將超聲波發(fā)送部設(shè)置在障礙物上，將接收部設(shè)置在機器 人上，從而計算出到障礙物為止的距離，從而進行回避動作的控制；在醫(yī)療看護系統(tǒng)中，將 超聲波發(fā)送體安裝到患者身上，可確定其所在場所。并且，對于超聲波的調(diào)制方式，表示了通過模擬隨機信號、使用自相關(guān)性強的M序 列信號進行相位調(diào)制的情況，但其他調(diào)制方式也具有同樣的效果。進一步，作為調(diào)制基礎(chǔ)的信號序列只要是模擬隨機信號、自相關(guān)性強的信號序列即可，所謂Gold序列信號也具有同 樣的效果。圖1是本發(fā)明涉及的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)的一個實施例，表示利用了本發(fā)明 的超聲波位置測定系統(tǒng)的電子筆系統(tǒng)的框圖。該系統(tǒng)由以下構(gòu)成發(fā)送部2，安裝在具有開 關(guān)11的電子筆1上；以及接收部3，設(shè)置在離開該發(fā)送部的規(guī)定位置上。發(fā)送部2由以下 構(gòu)成控制電路101、M序列生成電路(或M序列位串存儲內(nèi)存)102、超聲波驅(qū)動電路103、 超聲波發(fā)送器(壓電元件或磁致伸縮元件)104、紅外線驅(qū)動電路105、紅外線發(fā)送器106。M序列生成電路102根據(jù)由控制電路101提供的M序列初始條件，生成由特性多項 式?jīng)Q定的M序列。M序列生成電路102例如具有4次特性多項式f(x) =x4+x+l、或f(x)= x4+x3+l的性質(zhì)的4位移位寄存器，生成序列長為15位的位串。通過變更4位的初始條件， 可獲得數(shù)據(jù)序列巡回性移位的15個不同的數(shù)據(jù)。圖2表示通過M序列進行相位調(diào)制的超 聲波驅(qū)動信號的波形的一例。使15位的M序列數(shù)據(jù)“000100110101111”的各1位與基波 的1周期對應(yīng)。0時是反轉(zhuǎn)相位、1時是正相位，因此調(diào)制波變?yōu)榛ǖ?5個周期的長度。 此外，M序列具體記載于柏木濶著的“M序列及其應(yīng)用(M系列i O応用)”(1996年3月 25日，昭晃堂)等中?？刂齐娐?01在電子筆1具有的開關(guān)11被下壓時，首先將作為時間測定基準(zhǔn)的觸 發(fā)信號和M序列的4位初始條件數(shù)據(jù)提供到紅外線驅(qū)動電路105和M序列生成電路102。 紅外線驅(qū)動電路105根據(jù)來自控制電路101的信號生成紅外線驅(qū)動用信號。紅外線發(fā)送器 106被該紅外線驅(qū)動電路105的輸出驅(qū)動，將紅外線從電子筆1送出到空間。另一方面，M序列生成電路102根據(jù)控制電路101提供的初始條件，生成M序列位 串，將其提供給超聲波驅(qū)動電路103。超聲波驅(qū)動電路103通過該M序列對超聲波信號進行 相位調(diào)制，作為超聲波驅(qū)動信號提供到超聲波發(fā)送器104。超聲波發(fā)送器104通過該驅(qū)動信 號被驅(qū)動，與紅外線發(fā)送器106的發(fā)送定時同步，將已被M序列相位調(diào)制的超聲波信號送出 到空間。因此，紅外線信號和超聲波信號從電子筆同時發(fā)射向接收部。為了實際上起到電 子筆的作用，在開關(guān)被下壓期間，以一定周期重復(fù)上述動作。控制電路101由CPU等構(gòu)成，因此各信號波形大多使用矩形波。對于作為時間測 定基準(zhǔn)的紅外線觸發(fā)信號，為了降低對接收器側(cè)的采樣的時間偏差，使測定誤差最小，優(yōu)選 最好是矩形波，而對于超聲波信號，超聲波發(fā)送器104大多由壓電元件(或磁致伸縮元件) 構(gòu)成，壓電元件本身含有L、C成分，因此送出到空間的超聲波在驅(qū)動波形為矩形波時，也是 模擬的正弦波。此外，對于發(fā)送側(cè)的波形，考慮到上述發(fā)送器的特性，正弦波、矩形波、三角 波、梯形波均沒有問題。接收部3由以下構(gòu)成超聲波接收器(壓電元件、磁致伸縮元件或微音器)201、采 樣電路202、紅外線接收器203、檢測電路204、內(nèi)存205、數(shù)據(jù)處理電路206。超聲波接收器(壓電元件、磁致伸縮元件或微音器)201接收從電子筆1發(fā)送的超 聲波信號，將其轉(zhuǎn)換為電信號。采樣電路202以一定間隔對該超聲波信號進行采樣，作為相 位調(diào)制M序列超聲波數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存205。紅外線接收器203接收來自電子筆1的紅外線信號，將其轉(zhuǎn)換為電信號。檢測電 路204從紅外線接收器203的輸出中檢測出觸發(fā)脈沖時，將觸發(fā)脈沖的到達時刻存儲到內(nèi) 存205。并且，檢測電路204檢測到M序列初始條件數(shù)據(jù)時，將其存儲到內(nèi)存205。
也可替代M序列初始條件包含于紅外線信號中，而采用以下方法將根據(jù)規(guī)定的M 序列的初始條件提前生成的相位調(diào)制M序列超聲波模型波形存儲到內(nèi)存205，當(dāng)紅外線觸 發(fā)信號到達時，數(shù)據(jù)處理電路206讀出該M序列模型波形。數(shù)據(jù)處理電路206從內(nèi)存205讀出表示觸發(fā)脈沖到達的數(shù)據(jù)時，由存儲的M序列 初始數(shù)據(jù)生成M序列模型波形，并使該模型波形和發(fā)送部2 —樣通過超聲波進行相位調(diào)制， 生成和發(fā)送側(cè)的超聲波驅(qū)動信號相同波形的相位調(diào)制超聲波M序列模型波形。數(shù)據(jù)處理電 路206在該相位調(diào)制超聲波模型波形和內(nèi)存205中存儲的相位調(diào)制超聲波接收波形之間， 進行相關(guān)處理。數(shù)據(jù)處理電路206檢測到相關(guān)值的最初的峰值(主峰)時，計算出觸發(fā)脈 沖到達時刻到檢測出該相關(guān)值峰值的時刻為止的經(jīng)過時間，即來自電子筆1的到接收部3 的超聲波信號的傳播時間。
具體而言，將內(nèi)存205中存儲的觸發(fā)檢測時刻設(shè)定為采樣開始時間(t)，從內(nèi)存 205讀出相位調(diào)制M序列超聲波數(shù)據(jù)，在該讀出的數(shù)據(jù)和在先生成的相位調(diào)制M序列超聲波 模型波形之間，根據(jù)數(shù)式(1)計算采樣開始時間(t)下的相關(guān)值C(t)。(數(shù)式1)<formula>formula see original document page 9</formula>
在數(shù)式(1)中，i是整數(shù)值，表示采樣時間變量，N是模型波形的采樣數(shù)，r(i)是采 樣時刻i的模型波形的值，f(i+t)是采樣時刻(i+t)的接收波形的值。接著根據(jù)獲得的相關(guān)值探索峰值。如未檢測出峰值，則使采樣開始時間(t)僅增 加單位量1，同樣重復(fù)峰值探索。當(dāng)檢測出相關(guān)峰值時，從內(nèi)存205讀出和該相關(guān)峰值的檢 測時刻下的變量t對應(yīng)的采樣時刻。最后數(shù)據(jù)處理電路206根據(jù)觸發(fā)檢測時刻和峰值檢測 時刻，計算出電子筆1到接收部3的超聲波的傳播時間。設(shè)接收到紅外線觸發(fā)脈沖的采樣 時間為0、采樣周期為DT時，超聲波傳播時間可算出為tXDT。該超聲波的信號傳播系統(tǒng)下的頻率區(qū)域是20kHz至100kHz，作為接收發(fā)送裝置， 可考慮頻帶較寬的采用了振動板的振動/靜電容量檢測的揚聲器/微音器，但作為發(fā)送裝 置使用時，這些裝置價格高，而小型節(jié)電的裝置靈敏度非常低。另一方面，價格低的壓電元 件僅可在振動增益強的共振頻率附近使用。因此，低價格的壓電元件很難說具有為了用M 序列信號調(diào)制超聲波所需的充分的頻帶。作為使M序列信號的頻帶窄域化的方法，包括使 同一相位波多個連續(xù)的方法。設(shè)壓電元件的共振頻率為40kHz，向M序列的各1位分配超聲波的M(M彡1的整 數(shù))周期進行相位調(diào)制時，必要的頻帶以40kHz為中心，單側(cè)變?yōu)?0/M(kHz)、即兩側(cè)為 (40/M) X 2 (kHz)。該頻帶在M = 3 4、Q值低的壓電元件中，是可充分覆蓋的區(qū)域。但當(dāng)提高M值時，信號傳送所需時間增加，不適合要求高速性的應(yīng)用，而在低速 的、充分的應(yīng)用中，提高M值是有效的方法。并且，進行相關(guān)峰值探索計算時，原則上，具有 主峰的增益的(M-l)/M倍的值的(M-I)個相關(guān)次要峰值產(chǎn)生在主峰的兩側(cè)，因此當(dāng)反射波 和直達波的時間差較小時，因該次要峰值的重疊，難于確定主峰的位置，因此優(yōu)選使M值盡 可能小。并且，當(dāng)M = 1時，可發(fā)現(xiàn)相位調(diào)制超聲波接收波和M序列模型波的相關(guān)值不會大幅下降，對于位的位置誤差實驗性地研究敏感頻帶，其結(jié)果是，已被相位調(diào)制的發(fā)送超聲波 信號在相位調(diào)制(相位切換)點附近對超聲波驅(qū)動波形有充分的追蹤性。并且，在高頻區(qū) 域中，增益強的壓電元件的相關(guān)峰值的S/N比較高，因此具有良好的相關(guān)值檢測特性。圖3表示以位串“10110”對頻率20kHz的超聲波進行相位調(diào)制的驅(qū)動波形(虛 線)、及從共振頻率40kHz的壓電元件104向空間送出40kHz的相位調(diào)制超聲波波形(實 線)時的兩個波形。可知與驅(qū)動波形的相位切換點SI、S2、S3同步地，發(fā)送波形的相位改 變，從而使發(fā)送波形對驅(qū)動波形的追蹤性良好。進一步可知，在驅(qū)動波形同相、連續(xù)變化的點A1下，兩個波形彼此基本變?yōu)橥啵?壓電元件的超聲波增益放大，而在兩個波形基本反相的點D1下，壓電元件的超聲波增益衰 減，結(jié)果超聲波的發(fā)送輸出電平變得平均。這意味著，壓電元件的共振頻率下的殘留振動通 過由該共振頻率的1/2頻率驅(qū)動的振動而衰減。因此，為了維持相位(切換)調(diào)制點下的 超聲波發(fā)送波形對超聲波驅(qū)動電壓波形的追蹤性能的同時，抑制發(fā)送超聲波中含有的殘留 振動，對于壓電元件的驅(qū)動頻率，使壓電元件的共振頻率設(shè)定為2N倍1)即可。用于進行相關(guān)峰值探索的接收側(cè)的M序列模型波形優(yōu)選在相位調(diào)制(切換)點的 追蹤性，因此接收部3將和發(fā)送側(cè)驅(qū)動壓電元件104的M序列相位調(diào)制超聲波驅(qū)動波形完 全相同的波形作為M序列模型波形使用，與接收的超聲波波形之間，計算相關(guān)值。其中如圖4所示，為了使送出到空間的超聲波的頻率不是勵振頻率、而與壓電元 件的共振頻率相同，在勵振狀態(tài)下的聲波的頻率特性下，使壓電元件104的共振頻率中的 振幅增益大于勵振頻率下的振幅增益即可。實際上，通過增減勵振電壓進行調(diào)整，或通過共 振頻率衰減壓電元件來實現(xiàn)。并且，超聲波接收器201優(yōu)選具有到超聲波驅(qū)動信號的頻率的2N倍為止的頻帶。如上所述，當(dāng)壓電元件的共振頻率是驅(qū)動頻率的2N倍時，可獲得最好的性能，當(dāng) 是N倍(即整數(shù)倍)時，增益變動變大，但相位調(diào)制部分如圖8(圖8中表示3倍的共振頻 率的情況)那樣明顯出現(xiàn)，因此可進行超聲波傳播時間測定。并且，如非整數(shù)倍、至少是高頻時，原理上可進行超聲波傳播時間測定。圖9是壓 電元件的共振頻率是驅(qū)動頻率的1. 5倍的頻率時的例子，增益變動較大，相位調(diào)制點及非 調(diào)制點的差不明確，穩(wěn)定性、精度有下降的傾向，但相位調(diào)制點及非調(diào)制點的差明確存在， 通過強調(diào)它們的差，可進行超聲波傳播時間測定。并且，如圖10所示，至少僅通過相位調(diào)制點驅(qū)動發(fā)送器側(cè)的壓電元件時，相關(guān)值 下降，但殘留振動的影響也被抑制，進一步可基本使驅(qū)動信號波數(shù)減半，因此可減少整體的 耗電。并且，在之前記載的M序列數(shù)據(jù)串中，同位連續(xù)時，如圖5所示，發(fā)送的聲波的頻率 從壓電元件104的共振頻率靠近壓電元件驅(qū)動頻率，縣其能量增益變小。相反，在數(shù)據(jù)串不 同的位的相位調(diào)制點中，相位調(diào)制部分具有高頻成分，因此激勵比壓電元件驅(qū)動頻率高的 聲波的比例較高，通過高頻側(cè)存在的壓電元件的共振點發(fā)送聲波，發(fā)送的聲波的頻率接近 壓電元件104的共振頻率，且其能量增益變大。因此，為了抑制殘留振動，優(yōu)選M序列數(shù)據(jù) 串的末尾有同位連續(xù)，當(dāng)是位不同的末尾時，殘留振動變大，不優(yōu)選。進一步，隨著末尾同位連續(xù)的個數(shù)增多，殘留振動變小，實際的接收波形和參照波 形的相關(guān)性提高。在由4次特性多項式生成的數(shù)據(jù)串中，2位連續(xù)的部分存在6 7處，3位連續(xù)的部分是“000” 一處，4位連續(xù)時存在“1111” 一處，和末尾“00”、“11”相比，“000”、 尤其是“1111”更有效果。接著將式(1)所示的相關(guān)值的時刻歷史數(shù)據(jù)串的例子稱為相關(guān)波形，如圖6及圖 7所示。圖6以“100110101111000”的位串調(diào)制，圖7以“100010011010111”的位串調(diào)制。 對15位的M序列信號的一般的相關(guān)波形除主峰以外，側(cè)峰在其前后產(chǎn)生，根據(jù)位串的取得 方法不同，產(chǎn)生圖6和圖7的差異。這是理想情況，在實際的接收波形中，當(dāng)周圍的雜音、反 射波等重疊時，會產(chǎn)生其增益靠近主峰增益的情況，根據(jù)進行峰值檢測的算法，成為導(dǎo)致錯 誤檢測的原因的可能性較高。實際對15種位串求出相關(guān)波形的結(jié)果是，在位串的前一半、 后一半中，相位調(diào)制點數(shù)的差越大，側(cè)峰增益越小。因此，由特性多項式f (x) = x4+x+l生成的位串中“ 1111000”的數(shù)據(jù)串作為M 序列15位的開頭的“111100010011010”或作為末尾的“100110101111000”時，及由特 性多項式f(x) = x4+x3+l生成的位串中“0001111”的數(shù)據(jù)串作為M序列15位的開頭的 “000111101011001”或作為末尾的“010110010001111”時，和其他13種數(shù)據(jù)串相比，在相關(guān) 波形中，側(cè)峰的增益變低，因此可提高接收波到達時刻的精度。進而如上所述，在M序列數(shù)據(jù)串的末尾同位連續(xù)時，抑制了殘留振動，因此作為本 發(fā)明中的M序列位串，“100110101111000”或“010110010001111”的殘留振動較小，相關(guān)波 形的側(cè)峰也變小，因此可高速高精度地測定超聲波傳播時間。最后，對以電子筆系統(tǒng)為例的本發(fā)明的實施例參照圖11至圖18進行詳細說明。圖18表示組裝到電子筆的壓電元件驅(qū)動電路中的濾波電路。圖18(a)是剪切低 通的筆尖的濾波電路的一例，圖18(b)是僅剪切特定頻帶的筆尖的濾波電路的一例。濾波 電路組裝到用于驅(qū)動壓電元件的升壓電路前時，加入了升壓器(大多使用變壓器等線圈) 的特性，因此優(yōu)選組裝到升壓后的電路中。并且，由于是高壓部，因此優(yōu)選注意配件的耐壓 性，盡可能由受動配件構(gòu)成。圖11表示從沒有濾波器的電子筆放射出的超聲波的頻率特性。由M序列位串調(diào) 制的超聲波驅(qū)動信號實質(zhì)上具有圖11(a)所示的接近矩形波的特性。因此，“10”、“01”的 位圖案部分和驅(qū)動信號頻率相等，而“1100”、“0011”部分和以1/2頻率驅(qū)動的相等。同樣， 1/3,1/4的頻率成分包含在驅(qū)動頻率中。因此，放出到空間的超聲波信號也因驅(qū)動頻率的 1/2、1/3、1/4的頻率成分的聲壓較高，所以當(dāng)這些頻率處于可聽區(qū)域時，人可以聽到。由M序列調(diào)制的超聲波最低也存在15波，對至今能夠較好利用的1 3波的脈沖 波，波數(shù)較多，聲波的能量也變大，因此在電子筆的應(yīng)用中，有時會對人造成損傷。并且，超 聲波發(fā)送周期大多是10 20ms，在該周期產(chǎn)生的超聲波宏觀上來看變?yōu)?0 100Hz的聲 音。人聽到該聲音也較刺耳，因此會成為對人造成壓力的要因。因此，首先如圖12所示，當(dāng)插入了使驅(qū)動頻率以上的聲波通過、抑制其以下的聲 波的濾波器時，驅(qū)動周期及超聲波驅(qū)動頻率的分頻頻率均衰減，大幅抑制了人聽到的聲壓。 但該超聲波發(fā)送信號不具有低通的頻率成分，因此相位調(diào)制部分的增益變小，相關(guān)值有下 降的傾向。因此如圖13所示，僅對有問題的頻率區(qū)域進行濾波時，丟失的頻率成分變小，可 使整體的系統(tǒng)性能下降為最小限度，實現(xiàn)靜音化。但因造成成本上升，所以選擇最有效的頻
率很重要。
圖14、15是表示為了填補丟失的頻率成分，使進行相關(guān)計算的參照波形作為濾波 后的超聲波發(fā)送波形時的效果的一例。圖14表示參照波形中沒有濾波器的情況，圖15表 示參照波形中有濾波器的情況。比較圖14、15可知，通過使參照波形為濾波后的發(fā)送波形， 相關(guān)值的最大峰值和之前的峰值的增益的差從0. 1擴大到0. 4，結(jié)果相關(guān)計算下的峰值探 索的精度提高的可能性增加。圖16、17是表示通過M序列位串使超聲波發(fā)送信號的聲壓改變的例子。均以時間 序列表示使用了圖中所示的M序列位圖案時的電壓變化。由圖16、17可知，M序列位串的 末尾同位越連續(xù)，聲壓峰值越小，進而最后的位串為“1111000”時(圖16(a))，聲壓峰值越 小。因此，通過選擇M序列位串也可實現(xiàn)靜音化。此外，上述專利文獻的公開內(nèi)容通過引用加入到本說明書中。以上參照上述實施 方式說明了本發(fā)明，但本發(fā)明不僅限于上述實施方式的構(gòu)成，當(dāng)然包括在本發(fā)明的范圍內(nèi) 由本領(lǐng)域人員可獲得的各種變形、修改。
權(quán)利要求
一種超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，具有電磁波發(fā)送單元，送出表示發(fā)送定時的電磁波信號；在送出上述電磁波信號的同時，根據(jù)自相關(guān)性強的模擬隨機信號調(diào)制超聲波，從而生成超聲波驅(qū)動信號的單元；超聲波發(fā)送單元，由壓電或磁致伸縮元件構(gòu)成，其由該超聲波驅(qū)動信號驅(qū)動，送出頻率比該超聲波驅(qū)動信號的基本頻率高的超聲波信號；電磁波接收單元，檢測上述電磁波信號；超聲波接收單元，檢測送出的上述超聲波信號；和數(shù)據(jù)處理單元，將和上述超聲波驅(qū)動信號相同的波形作為模型波形，在檢測出的超聲波信號和該模型波形之間計算出相關(guān)值，檢測計算出的相關(guān)值的主峰值，根據(jù)上述電磁波信號的檢測時刻和該主峰值的檢測時刻，計算出超聲波傳播時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，上述超聲波發(fā)送單 元在比上述超聲波驅(qū)動信號的頻率高的頻率上具有共振點。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，上述超聲波發(fā)送單 元在上述超聲波驅(qū)動信號的頻率的實質(zhì)性的整數(shù)倍的頻率上具有共振點。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，上述超聲波發(fā)送單 元在上述超聲波驅(qū)動信號的頻率的實質(zhì)性的偶數(shù)倍的頻率上具有共振點。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4的任意一項所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，上述 超聲波接收單元由壓電元件、磁致伸縮元件或微音器的任意一種構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5的任意一項所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，上 述已調(diào)制的超聲波驅(qū)動信號對該模擬隨機信號的每1位分配超聲波的M周期(M ^ 1的整 數(shù))。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5的任意一項所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，上述 超聲波驅(qū)動信號生成單元對上述超聲波進行相位調(diào)制。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7的任意一項所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，上述 超聲波驅(qū)動信號在信號的開頭和至少相位調(diào)制點上產(chǎn)生。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7的任意一項所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，上述 超聲波驅(qū)動信號僅在信號的開頭和相位調(diào)制點產(chǎn)生。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9的任意一項所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，上 述模擬隨機信號是M序列數(shù)據(jù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10的任意一項所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，上 述超聲波發(fā)送單元的共振頻率下的振動增益大于上述超聲波驅(qū)動信號的頻率下的振動增frff. o
12.根據(jù)權(quán)利要求1至10的任意一項所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，上 述電磁波信號是紅外線。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至11的任意一項所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，上 述超聲波接收單元具有上述超聲波驅(qū)動信號的頻率以上的頻帶。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，上述超聲波接收 單元具有到上述超聲波驅(qū)動信號的頻率的偶數(shù)倍為止的頻帶。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14的任意一項所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，上 述超聲波發(fā)送單元安裝在可動物體上。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，上述可動物體是 電子筆。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，上述可動物體是 機器人。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，在上述M序列數(shù)據(jù) 中，M序列數(shù)據(jù)是由4次的特性多項式生成的15位所構(gòu)成的字符，且位串的末尾至少2位 以上相同。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，在上述M序列數(shù)據(jù) 中，M序列數(shù)據(jù)是由4次的特性多項式生成的15位所構(gòu)成的字符，且位串的末尾是1111或 000。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，在上述M序列數(shù)據(jù) 中，M序列數(shù)據(jù)是由4次的特性多項式生成的15位所構(gòu)成的字符，且位串的末尾是1111000 的序列。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20的任意一項所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，在 構(gòu)成上述超聲波發(fā)送單元的超聲波生成電路中，具有用于去除可聽區(qū)域的驅(qū)動信號的濾波器o
22.根據(jù)權(quán)利要求1至21的任意一項所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，在 構(gòu)成上述超聲波發(fā)送單元的超聲波生成電路中，至少具有用于去除相當(dāng)于該超聲波發(fā)送周 期的頻率區(qū)域的聲波的濾波器。
23.根據(jù)權(quán)利要求1至22的任意一項所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，在 構(gòu)成上述超聲波發(fā)送單元的超聲波生成電路中，至少具有用于去除相當(dāng)于M序列字符的調(diào) 制周期的頻率區(qū)域的聲波的濾波器。
24.根據(jù)權(quán)利要求1至23的任意一項所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于，將 從超聲波生成電路中具有濾波器的超聲波發(fā)送單元放出到空間后的聲波作為在進行相關(guān) 計算的基礎(chǔ)上的模型波形。
25.根據(jù)權(quán)利要求21至24的任意一項所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于， 在使用的M序列數(shù)據(jù)中，M序列數(shù)據(jù)是由4次的特性多項式生成的15位所構(gòu)成的字符，且 位串的末尾是1111或000的序列。
26.根據(jù)權(quán)利要求21至25的任意一項所述的超聲波傳播時間測定系統(tǒng)，其特征在于， 在使用的M序列數(shù)據(jù)中，M序列數(shù)據(jù)是由4次的特性多項式生成的15位所構(gòu)成的字符，且 位串的末尾是1111000的序列。
全文摘要
提供排除壓電或磁致伸縮元件的殘留振動的影響、提高接收超聲波波形和模型波形的相關(guān)性、不受超聲波信號的反射波影響的位置檢測方法及系統(tǒng)，該超聲波傳播時間測定系統(tǒng)的發(fā)送部(2)生成含有表示發(fā)送定時的觸發(fā)信號的電磁波信號及在該電磁波信號送出同時基于自相關(guān)性強的模擬隨機信號調(diào)制超聲波而生成的超聲波驅(qū)動信號，由超聲波發(fā)送器(104)送出頻率比該超聲波驅(qū)動信號的頻率高的超聲波信號；接收部(3)具有數(shù)據(jù)處理電路(206)，檢測電磁波信號和超聲波信號，將超聲波驅(qū)動信號作為模型波形，在檢測的超聲波信號和模型波形之間計算相關(guān)值，檢測計算出的相關(guān)值的主峰值，根據(jù)電磁波信號的檢測時刻和該主峰值的檢測時刻，計算出超聲波傳播時間。
文檔編號G01S5/30GK101828129SQ20088010505
公開日2010年9月8日 申請日期2008年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月30日
發(fā)明者宮本潤一, 梶谷浩司 申請人:日本電氣株式會社