(57)【要約】【課題】被測定物の距離が可動部を必要とすることなく測定できる距離測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】超音波を送信する送信手段２と、被測定物からの反射波を受信する受信手段３とを備え、送信手段２は、送信用超音波振動子２ａからの超音波を全方位に送信させる全方位送信部２ｂと、超音波の送信方向を特定方向に限定する放物線形状で、かつその焦点を全方位送信部２ｂの中心を通る線上位置に設置した送信方向限定部２ｃとを有し、受信手段３は、超音波の受信方向を特定方向に限定する放物線形状の受信方向限定部３ｃと、放物線形状の焦点が中心を通る線上位置に設置され、かつ超音波を受信用超音波振動子３ａ方向に反射させる全方位受信部３ｂとを有したものである。これによって、特定方向の範囲にある被測定物の距離が可動部を必要とすることなく測定できるものである。【選択図】図３
2007205906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信用超音波振動子からの超音波を被測定物へ向けて送信する送信手段と、被測定物からの反射波を受信用超音波振動子で受信する受信手段と、前記受信手段の受信信号を処理する受信信号処理手段と、超音波が送信されてから前記受信信号処理手段で受信されるまでの時間を計時する計時手段と、前記計時手段が計時した時間から被測定物までの距離を算出する距離算出手段とを備え、前記送信手段は、送信用超音波振動子からの超音波を反射により全方位に送信させる全方位送信部と、前記全方位送信部によって送信される超音波の送信方向を特定方向に限定する放物線形状で、かつその焦点を全方位送信部の中心を通る線上位置に設置した送信方向限定部とを有し、前記受信手段は、送信用超音波振動子からの超音波の受信方向を特定方向に限定する放物線形状の受信方向限定部と、中心が受信方向限定部の放物線形状の焦点を通る線上位置に設置され、かつ受信方向限定部から受信した超音波を受信用超音波振動子方向に反射させる全方位受信部とを有した距離測定装置。
【請求項２】
全方位送信部および全方位受信部は、頂点を９０度として２等辺３角形を回転させてできる円錐形状とした請求項１に記載の距離測定装置。
【請求項３】
送信用超音波振動子および受信用超音波振動子は、送信方向限定部および受信方向限定部における放物線形状の焦点を通る線上位置に設置した請求項１または２に記載の距離測定装置。
【請求項４】
送信方向限定部および受信方向限定部における放物線形状の焦点距離を被測定物へ向けて送信される超音波の波長および被測定物より反射される超音波の波長のほぼ整数倍にした請求項１〜３のいずれか１項に記載の距離測定装置。
【請求項５】
全方位送信部の円錐形状の底面直径と、全方位送信部の頂点と送信用超音波振動子との距離は、送信用超音波振動子の指向性特性より設定され、送信用超音波振動子から発信された超音波のほぼすべてが全方位送信部で反射されるようにした請求項１〜４のいずれか１項に記載の距離測定装置。
【請求項６】
全方位受信部の円錐形状の底面直径と、全方位受信部の頂点と受信用超音波振動子との距離は、受信用超音波振動子の指向性特性より設定され、受信方向限定部前により受信された超音波のほぼすべてが受信用超音波振動子方向に反射されるようにした請求項１〜５のいずれか１項に記載の距離測定装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の距離測定装置を搭載した自律走行装置。
【請求項８】
距離測定装置の受信手段を装置本体の進行方向と同方向に複数配置し、送信手段を装置本体の中心より放射状に複数配置した請求項７に記載の自律走行装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用し被測定物からの反射波より被測定物との距離を測定する距離測定装置およびこれを搭載した自律走行装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の距離測定装置は、自律走行装置に搭載する際、測定範囲を広げるために水平方向に可変、または鉛直方向に回動、あるいは昇降可能にするとともに、複数設置している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−２１４９２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記従来の構成では、距離測定装置は、自律走行装置に搭載する際、測定範囲を広げるために可動部があるので、構成が複雑になるとともに、衝撃などに弱く故障しやすいという課題を有していた。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するために、被測定物の検知を必要とする方向内で、必要な検知範囲に限定し、被測定物（障害物）の距離が可動部を必要とすることなく測定できる距離測定装置および自律走行装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記従来の課題を解決するために、本発明の距離測定装置は、送信用超音波振動子からの超音波を被測定物へ向けて送信する送信手段と、被測定物からの反射波を受信用超音波振動子で受信する受信手段と、前記受信手段の受信信号を処理する受信信号処理手段と、超音波が送信されてから前記受信信号処理手段で受信されるまでの時間を計時する計時手段と、前記計時手段が計時した時間から被測定物までの距離を算出する距離算出手段とを備え、前記送信手段は、送信用超音波振動子からの超音波を反射により全方位に送信させる全方位送信部と、前記全方位送信部によって送信される超音波の送信方向を特定方向に限定する放物線形状で、かつその焦点を全方位送信部の中心を通る線上位置に設置した送信方向限定部とを有し、前記受信手段は、送信用超音波振動子からの超音波の受信方向を特定方向に限定する放物線形状の受信方向限定部と、中心が受信方向限定部の放物線形状の焦点を通る線上位置に設置され、かつ受信方向限定部から受信した超音波を受信用超音波振動子方向に反射させる全方位受信部とを有したものである。
【０００６】
これによって、距離の測定を目的とする特定方向の範囲にある被測定物の距離が可動部を必要とすることなく測定できるものである。
【０００７】
また、本発明の自律走行装置は、可動部を必要とすることない前記距離測定装置を搭載したものである。
【０００８】
これによって、必要な範囲内の被測定物を検知、および被測定物との距離を正確に測定して被測定物の回避走行を行う自律走行装置が提供できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の距離測定装置は、被測定物の検知を必要とする方向の限定した範囲にある被測定物の距離が可動部を必要とすることなく測定できる。
【００１０】
また、本発明の自律走行装置は、可動部を必要としない距離測定装置で、自律走行装置に必要とする範囲の方向にある被測定物を検知し、被測定物との距離を正確に測定して被測定物の回避走行を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の発明は、送信用超音波振動子からの超音波を被測定物へ向けて送信する送信手段と、被測定物からの反射波を受信用超音波振動子で受信する受信手段と、前記受信手段の受信信号を処理する受信信号処理手段と、超音波が送信されてから前記受信信号処理手段で受信されるまでの時間を計時する計時手段と、前記計時手段が計時した時間から被測定物までの距離を算出する距離算出手段とを備え、前記送信手段は、送信用超音波振動子からの超音波を反射により全方位に送信させる全方位送信部と、前記全方位送信部によって送信される超音波の送信方向を特定方向に限定する放物線形状で、かつその焦点を全方位送信部の中心を通る線上位置に設置した送信方向限定部とを有し、前記受信手段は、送信用超音波振動子からの超音波の受信方向を特定方向に限定する放物線形状の受信方向限定部と、中心が受信方向限定部の放物線形状の焦点を通る線上位置に設置され、かつ受信方向限定部から受信した超音波を受信用超音波振動子方向に反射させる全方位受信部とを有した距離測定装置とすることにより、距離の測定を目的とする特定方向の範囲にある被測定物の距離が可動部を必要とすることなく測定できるものである。
【００１２】
第２の発明は、特に、第１の発明において、全方位送信部および全方位受信部は、頂点を９０度として２等辺３角形を回転させてできる円錐形状としたことにより、送信用超音波振動子から送信された超音波は、全方位送信部により全方位方向に位相が合った状態で反射させることができ、また、全方位受信部により全方位からの受信波を受信用超音波振動子方向に反射することで受信用超音波振動子において受信することができる。
【００１３】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、送信用超音波振動子および受信用超音波振動子は、送信方向限定部および受信方向限定部における放物線形状の焦点を通る線上位置に設置したことにより、送信用超音波振動子から送信される超音波は、距離の測定を目的とする特定方向に正確に限定され、その範囲にある被測定物の距離が可動部を必要とすることなく測定でき、例えば、受信用超音波振動子は床から反射される不要受信波を受信することがなくなり、高さの低い被測定物でも正確に距離を測定することができる。
【００１４】
第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明において、送信方向限定部および受信方向限定部における放物線形状の焦点距離を被測定物へ向けて送信される超音波の波長および被測定物より反射される超音波の波長のほぼ整数倍にしたことにより、全方位送信部により反射した超音波の内、送信方向限定部に反射され被測定物に向け送信される超音波と、全方位送信部により反射し直接被測定物に向け送信される超音波との位相が合い、位相差により弱められることが少なく効率よく超音波を送信できるとともに、同様に効率よく超音波を受信できるものである。
【００１５】
第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明において、全方位送信部の円錐形状の底面直径と、全方位送信部の頂点と送信用超音波振動子との距離は、送信用超音波振動子の指向性特性より設定され、送信用超音波振動子から発信された超音波のほぼすべてが全方位送信部で反射されるようにしたことにより、送信用超音波振動子から送信される超音波は、全方位送信部により反射して、さらに送信方向限定部により超音波の送信方向を限定しようとする方向に反射され、超音波の送信を効率よく行うことができる。
【００１６】
第６の発明は、特に、第１〜第５のいずれか１つの発明において、全方位受信部の円錐形状の底面直径と、全方位受信部の頂点と受信用超音波振動子との距離は、受信用超音波振動子の指向性特性より設定され、受信方向限定部により受信された超音波のほぼすべてが受信用超音波振動子方向に反射されるようにしたことにより、受信用超音波振動子による超音波の受信が効率よく行うことができる。
【００１７】
第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明における距離測定装置を搭載した自律走行装置とすることにより、可動部を必要としない距離測定装置で、自律走行装置の自律走行に必要な範囲の被測定物を検知し、被測定物との距離を正確に測定して、自律走行を制御することができる。また、距離測定装置に可動部がないので、段部の乗り越える時などの衝撃に強く、耐久性能が向上する。
【００１８】
第８の発明は、特に、第７の発明において、距離測定装置の受信手段を装置本体の進行方向と同方向に複数配置し、送信手段を装置本体の中心より放射状に複数配置したことにより、進行方向と同方向に複数配置した受信手段と放射状に複数配置した送信手段で、自律走行装置の自律走行に必要な範囲方向の被測定物を確実に検知、および被測定物との距離を正確に測定して被測定物の回避走行を行うことができる。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態）
図１〜図４は、本発明の実施の形態における距離測定装置および自律走行装置を示すものである。
【００２１】
図１に示すように、自律走行装置の装置本体１は、次の各手段を有する距離測定装置を備えている。すなわち、被測定物（障害物）へ向けて超音波を送信する送信手段２、被測定物からの反射波を受信する受信手段３、送信手段２を駆動し超音波を発生させる送信駆動手段４、制御手段５、受信手段３の受信信号の増幅および検知の処理を行う受信信号処理手段６、送信駆動手段４により超音波が送信されてから受信信号処理手段６で受信されるまでの時間を計時する計時手段７、計時手段７が計時した時間から被測定物までの距離を算出する距離算出手段８を備えている。なお、前記制御手段５は、距離算出手段８の出力を受け、送信駆動手段４を制御するものである。
【００２２】
また、自律走行装置の装置本体１は、駆動輪９と従輪１０、および駆動輪９を駆動し装置本体１を走行させる駆動手段１１とからなる走行手段をも備えており、制御手段５により駆動制御される。
【００２３】
また、図２に示すように、距離測定装置の送信手段２は、装置本体１の中心より放射状に同じ角度（角度α）で複数配置（装置本体１の左側に送信手段左２ｌ、右側に送信手段右２ｒ）している。受信手段３は、装置本体１の進行方向と同方向に（角度２α）複数配置（本体１の左側に受信手段左３ｌ、中央に受信手段中３ｍ、右側に受信手段右３ｒ）している。
【００２４】
また、図３（ａ）に示すように、送信手段２は、送信用超音波振動子２ａからの超音波を反射により全方位に送信させる全方位送信部２ｂと、全方位送信部２ｂによって送信される超音波の送信方向を特定方向（本実施の形態では主として前方方向）に限定する放物線形状の反射板で構成され、かつその焦点を全方位送信部２ｂの中心を通る線上位置に設置した送信方向限定部２ｃとを有している。全方位送信部２ｂは、頂点２ｄを９０度として２等辺３角形を回転させてできる円錐形状としたものである。また、送信用超音波振動子２ａは、送信方向限定部２ｃにおける放物線形状の焦点を通る線上位置に設置している。そして、全方位送信部２ｂ、送信方向限定部２ｃおよび送信用超音波振動子２ａの支持部は一体的に構成されている。
【００２５】
また、図３（ｂ）に示すように、受信手段３は、送信手段２と同様に、送信用超音波振動子２ａからの超音波の受信方向を特定方向に限定する放物線形状の反射板で構成された受信方向限定部３ｃと、中心が受信方向限定部３ｃの放物線形状の焦点を通る線上位置に設置され、かつ受信方向限定部３ｃから受信した超音波を受信用超音波振動子３ａ方向に反射させる全方位受信部３ｂとを有している。全方位受信部３ｂは、送信手段２と同様に、頂点３ｄを９０度として２等辺３角形を回転させてできる円錐形状としたものであり、受信用超音波振動子３ａは、受信方向限定部３ｃにおける放物線形状の焦点を通る線上位置に設置している。そして、全方位受信部３ｂ、受信方向限定部３ｃおよび受信用超音波振動子３ａの支持部は一体的に構成されている。
【００２６】
なお、図４は図３（ａ）のＡ−Ａ線での断面図を示しており、送信手段２の全方位送信部２ｂと送信方向限定部２ｃとの関連は図に示すような構成となっている。これは、受信手段３においても同様である。
【００２７】
ここで、送信方向限定部２ｃおよび受信方向限定部３ｃにおける放物線形状の焦点距離は、図５に示すように被測定物へ向けて送信される超音波の波長および被測定物より反射される超音波の波長のほぼ整数倍にしている。これについて図５を用いて説明する。図５の点線Ａ、Ｂ、Ｃで示すように送信用超音波振動子２ａから送信された超音波は全方位送信部送２ｂで反射し、送信方向限定部２ｃに到達する。これら超音波Ａ、Ｂ、Ｃの搬送距離はそれぞれＬ１＋Ｌ４、Ｌ２＋Ｌ５、Ｌ３＋Ｌ６であり、全方位送信部２ｂが頂点２ｄを９０度として２等辺３角形を回転させてできる円錐形状であるから、超音波Ａ、Ｂ、Ｃの搬送距離Ｌ１＋Ｌ４、Ｌ２＋Ｌ５、Ｌ３＋Ｌ６はすべて同じ距離となる。そして送信方向限定部２ｃにおける放物線形状の焦点距離（図５においてＬ４と同じ）を超音波の波長と同じ距離（例えば周波数４０ＫＨｚの超音波の場合には波長は約８ｍｍ）にしている。これにより、全方位送信部２ｂにより反射した超音波の内、送信方向限定部２ｃに反射され被測定物に向け送信される超音波と、全方位送信部２ｂにより反射し直接被測定物に向け送信される超音波との位相が合い、位相差により弱められることが少なく効率よく超音波を送信できるとともに、同様に、効率よく超音波を受信できるようにしている。
【００２８】
また、全方位送信部２ｂの円錐形状の底面直径と、全方位送信部２ｂの頂点２ｄと送信用超音波振動子２ａとの距離は、送信用超音波振動子２ａの指向性特性より設定され、送信用超音波振動子２ａから発信された超音波のほぼすべてが全方位送信部２ｂで反射されるようにしている。これにより、送信用超音波振動子２ａから送信される超音波は、全方位送信部２ｂにより反射して、さらに送信方向限定部２ｃにより超音波の送信方向を限定しようとする方向に反射され、超音波の送信を効率よく行うことができるようにしている。この構成は、受信手段３においても同様であり、全方位受信部３ｂと受信方向限定部３ｃにより受信された超音波のほぼすべてが受信用超音波振動子３ａ方向に反射されるようにして、受信用超音波振動子３ａによる超音波の受信が効率よく行うことができるようにしている。
【００２９】
以上のように構成された距離測定装置および自律走行装置について、以下、その動作、作用を説明する。
【００３０】
まず、距離測定装置は、送信駆動手段４により送信手段２を駆動すると、被測定物で反射された超音波を受信手段３で受け、受信信号処理手段６により増幅などの処理を行い超音波の受信を検知する。計時手段７では送信駆動手段４により超音波を送信してから受信信号処理手段６により受信を検知するまでの時間を計時する。この計時手段７が計時した時間より距離算出手段８で被測定物までの距離を算出する。
【００３１】
制御手段５は、送信駆動手段４を制御し超音波を発信させたり、距離算出手段８で算出した被測定物までの距離を基に駆動手段１１を制御したりして駆動輪９を動かし装置本体１を移動させる。
【００３２】
送信用超音波振動子２ａを駆動すると、送信用超音波振動子２ａからの送信された超音波は全方位送信部２ｂにて全方位に反射拡散される。そして、放物線形状の送信方向限定部２ｃにより、さらに特定方向（本実施の形態では主として前方方向）に反射する。
【００３３】
ここで、図６、図７を用いて超音波の送受信について詳しく説明する。
【００３４】
図６（ａ）に示すように、送信用超音波振動子２ａからの超音波の送信は、超音波を全方位に反射拡散させる全方位送信部２ｂを介して行う。すなわち、送信用超音波振動子２ａからの送信された超音波は全方位送信部２ｂの面で、全方位に反射される（点線矢印ａ〜ｆ）。そして、図６（ｂ）に示すように、全方位送信部２ｂの頂点２ｄは放物線形状の反射板とした送信方向限定部２ｃの焦点を通る線上位置にあるので、全方位送信部２ｂで反射された超音波のうち、送信方向限定部２ｃ方向に反射した超音波は、放物線形状の反射板とした送信方向限定部２ｃにより、超音波送信方向Ｄの方向へ同じ向きに反射される（点線矢印ｈ〜ｋ）。さらに、送信方向限定部２ｃ方向に反射しなかった残りの超音波はそのまま送信される（点線矢印ｌ〜ｎ）。
【００３５】
一方、受信手段３は、図７に示すように、送信用超音波振動子２ａから送信され被測定物で反射してきた超音波を全方位受信部３ｂおよび受信方向限定部３ｃにより受信用超音波振動子３ａ方向に反射させ受信用超音波振動子３ａで受信する（点線矢印ａ’〜ｄ’）。
【００３６】
このように、送信手段２の送信用超音波振動子２ａから送信された超音波は、全方位送信部２ｂおよび送信方向限定部２ｃにより反射され、超音波送信方向Ｄの水平方向の広い範囲に送信され、被測定物で反射された超音波を受信手段３の全方位受信部３ｂおよび受信方向限定部３ｃにより受信用超音波振動子３ａ方向に反射させ受信用超音波振動子３ａで受信するものであり、可動部を必要とすることなく、広い範囲の方向にある被測定物の距離が測定できるものである。例えば、受信用超音波振動子３ａは装置本体１が設置された床から反射される不要受信波を受信することがなくなり、高さの低い被測定物でも正確に距離を測定することができる。
【００３７】
そして、前記距離測定装置を搭載した自律走行装置は、距離測定装置の受信手段３を装置本体１の進行方向と同方向に複数配置し、送信手段２を装置本体１の中心より放射状に複数配置するようにしているものである。これにより、進行方向と同方向に複数配置した受信手段３と放射状に複数配置した送信手段２で、自律走行装置の自律走行に必要な範囲方向の被測定物を確実に検知、および被測定物との距離を正確に測定して被測定物の回避走行を行うことができる。また、距離測定装置に可動部がないので、段部の乗り越える時などの衝撃に強く、耐久性能が向上するものとなる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明にかかる距離測定装置および自律走行装置は、被測定物の検知を必要とする方向の限定した範囲にある被測定物の距離が可動部を必要とすることなく測定できるので、掃除ロボット、監視ロボットあるいは搬送ロボットなどに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態における距離測定装置および自律走行装置を示すブロック図
【図２】同距離測定装置の受信手段および送信手段の配置説明図
【図３】（ａ）同距離測定装置の送信手段を示す縦断面図（ｂ）同距離測定装置の受信手段を示す縦断面図
【図４】図３（ａ）のＡ−Ａ線による平断面図
【図５】同距離測定装置における送信方向限定部の放物線形状の焦点距離と送信される超音波の波長の関係を示す説明図
【図６】（ａ）同距離測定装置における全方位送信部の説明用の縦断面図（ｂ）同距離測定装置における送信方向限定部の説明用の平断面図
【図７】同距離測定装置における全方位受信部の説明用の縦断面図
【符号の説明】
【００４０】
１  装置本体
２ａ  送信用超音波振動子
２ｂ  全方位送信部
２ｃ  送信方向限定部
２ｄ、３ｄ  頂点
３ａ  受信用超音波振動子
３ｂ  全方位受信部
３ｃ  受信方向限定部
４  送信駆動手段
５  制御手段
６  受信信号処理手段
７  計時手段
８  距離算出手段
１１  駆動手段（走行手段）
【図１】
2007205906.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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