背景技术
超音波感测装置(Ultrasonic Transducer)是一种利用超音波的发射技术而被广泛应用的装置。在目前的应用中,超音波感测装置可为单一发射型,即通过发出特定频率的振动来产生出所需的超音波,但其本身并不具有接收的装置及功能;或亦可为同时包含有超音波发射与接收其反射的设计,也就是将其发射器与接收器皆设置于超音波感测装置之中,并且两者皆朝同一方向来进行超音波的发射和反射后的波形接收。举例来说,一般应用于距离的测量的超音波感测装置便为此类装置的设计。其原理是利用检测从发射出超音波至接收到由对应物体产生的反射波所经历的时间长短来进行其彼此间的距离计算,即取得其超音波的飞行时间(Time of Flight,简称TOF)。
在超音波感测装置内产生出超音波的发射器,于目前技术是设计为对一压电片施以一驱动电压后使其能以振动方式产生超音波。而目前常见的运作中,驱动电压可采用频率约40KHz的驱动信号来对压电片进行振动的驱动,而压电片可在驱动信号开始驱动时便产生出对应的超音波。但受限于振动上的机械特性,当驱动信号结束驱动时,压电片并无法立即地呈现出停止振动的静止状态,而是须于一定的时间内逐渐地从振动状态转成为静止状态。此一情况可称为信号的鸣响振荡(Ringing)现象。
在这段鸣响振荡时间(Ringing Time)内,虽然压电片的振动会逐渐衰减,但仍会呈现出对应的信号与波形。再者,由于超音波感测装置中的发射器和接收器为同一个元件,接收器在接收到反射波后,反射波也会使压电片振动而产生对应的信号与波形;因此,若超音波感测装置与待测物之间的距离较短时,例如在鸣响振荡时间内便接收到反射波时,则装置内的鸣响振荡现象所呈现出的波形或衰减信号便有可能会在处理接收到的反射波的信号上造成影响。
请参阅图1(a),其为已知超音波感测装置进行测距运作的信号随时间呈现的示意图。图中左下的波形代表一驱动信号DS从启动至停止运作(时间t0)的示意;在驱动信号DS的运作下,装置内的压电片便对应地产生振动,而此振动具有如其上方波形所示的一振荡信号OS,并以此发射出超音波。由于鸣响振荡现象的因素,在驱动信号DS停止后其振荡信号OS并不会立即停止,而是逐渐衰减为一衰减信号RS。而其右边的一反射信号ES则代表超音波感测装置接收到超音波从物体或目标物上反射的反射波后所呈现的信号。
另外,为了避免噪声的影响而使超音波感测装置产生误判,在判断上可设定约1伏特振幅大小或其它默认值的一触发电平(Threshold Level)L。当反射信号大于触发电平L时,超音波感测装置会判断该信号为因有物体存在所产生的反射信号,并将接收到大于触发电平L的反射信号的时间点,如图1(a)中的t2,判定为接收到反射信号的时间,进而以从发射至接收的期间作为超音波的飞行时间,并算出实际距离。若接收到的反射信号小于触发电平L时,超音波感测装置会判断该信号为噪声而忽略。
在驱动信号DS停止到振荡信号OS衰减至触发电平L以下的这段期间,便为无法进行实际距离检测的鸣响振荡时间,意即超音波感测装置无法检测出反射信号的期间,此段期间称为死区(Dead Zone)Zd。因此,当呈现出衰减的衰减信号RS的振幅小于触发电平L后,即在时间t1之后,才可视为不会对反射信号ES造成影响接收的状态,意即在时间t1之后,超音波感测装置可正确地检测出反射信号ES。
然而,当待测距离较短时,超音波从发射至接收到反射波的时间历程便相对地较小,使得反射信号ES会和衰减信号RS靠得过近而造成干扰,甚至是反射信号ES会落在鸣响振荡时间内,而与衰减信号RS混合在一起。特别是,若设计上将超音波发射与反射波接收的功能由同一收发器(Transducer)或收发模块来完成时,所接收的反射信号ES和其衰减信号RS一旦混合之后便会无法将物体反射信号ES辨别出来。
在图1(b)中,其呈现已知超音波感测装置产生信号混合状态的示意图。在待测距离较短时,如该图所示,超音波感测装置在衰减信号RS的振幅小于触发电平L之前,即时间t1’之前,便接收到反射信号ES,意即接收到反射信号ES的时间t2’落在衰减信号RS达到小于触发电平L的时间t1’之前,因而形成所接收的反射信号ES和衰减信号RS产生混合或相互干扰的情形,使得在处理上无法清楚地分辨接收反射波的时间及其对应的波形。
是故,死区的存在会造成超音波感测装置无法进行近距离的检测。因而于超音波感测技术的发展中,便多以缩小死区的范围或缩短鸣响振荡时间(Ringing Time)为主要的改善目标,以拉近超音波感测装置可检测的距离;然而,其对应的改善方式经常需要变更或增加原超音波感测装置的电路设计,或进行较复杂的程序或固件的撰写,使得生产成本增加。所以就另一方面来说,如何能进一步利用此鸣响振荡现象或既存的鸣响振荡时间的特性,进行其它层面的应用与设计,便为相当重要的发展方向。
具体实施方式
如先前技术所述,当超音波感测装置所要进行的待测距离较短时,鸣响振荡现象或其鸣响振荡时间将可能使接收反射波的感测结果受到影响,进而无法完成时间历程的取得及其实际距离的计算,造成装置无法正常运作。然而,超音波感测装置因压电片振动而发射出超音波后的信号衰减与衰减时间,也就是其所具有的鸣响振荡时间为测量固定值,是以,若针对超音波感测装置在进行近距离感测时,能根据因衰减信号和反射信号的混合所造成其衰减时间或鸣响振荡时间的改变,来作为相关运作功能的判断或控制机制时,将可有助于提高对此一鸣响振荡现象的利用。
请参阅图2,其为本发明的超音波感测装置100的功能方块示意图。如图所示,其主要包含有一微处理器11、一前置处理模块10和一超音波收发模块20。其中,该微处理器11包含了一信号调幅器12,而该前置处理模块10包含了一驱动电路13和一接收电路14;而该超音波收发模块20则同时具有超音波的发射以及相关反射波的接收功能,并能分别由其中的一发射器21和一接收器22来完成。而此图中亦呈现了其彼此间的设置与信号连接关系。和先前技术的应用相同,本发明的超音波感测装置100亦能应用于对一物体或一目标物之间所相隔距离的大小的感测与计算。然而,本发明在未增加或改变已知装置的相关功能元件的设计或制造下,以检测与比较其过程中鸣响振荡时间的改变而来进行对应该超音波感测装置100的运作功能的控制。
另外,于本发明的实施例中,是以一种用于照明装置上的超音波感测装置100来作为本发明的实施说明。请参阅图3,其为用于照明装置上的超音波感测装置100的控制示意图。如该图所示,根据目前的技术,通过超音波感测装置,照明装置可对一目标物30,例如使用者的手部的运动情形进行感测,也就是利用超音波感测装置发射出超音波的感测波后,检测其于该目标物30上形成反射后的反射波的接收时间来进行彼此间实际相隔距离的计算,从而能根据所感测到的距离变化而来调整或改变照明装置的多种运作功能。
承上所述,用于照明装置上的超音波感测装置100的照明功能的运作控制,依目前技术来说,其照明功能的设计可采用LED发光元件的组合,使其能够在诸如各种颜色和亮度上产生出多段数的变化与呈现。而在控制方面,可根据感测使用者手部于超音波感测装置100上所作运动的远近变化而对应地调整、选择或变化其亮度和色彩。在较佳的实施方式中,可设计当手部离超音波感测装置100愈近时,照明装置的亮度愈暗或色彩偏冷,而当手部离超音波感测装置100愈远时,照明装置的亮度愈亮或色彩偏暖等,来进行多个应用功能的控制。
进一步来说,用于照明装置上的超音波感测装置100的感测,是以设置于其外表上的超音波收发模块20来进行感测波的发射与反射波的接收。然而,在目前技术下,超音波收发模块20存在有相对于其上的有效控制范围和无法判断实际距离的范围。就图3所示而言,其中目标物30在一第一控制范围A1内的运动便会因距离过近而无法有效地感测其距离,而目标物30需于一第二控制范围A2内进行运动方能完成诸如上述功能的控制。依目前技术举例来说,其第一控制范围A1可为从超音波收发模块20的表面(即距离为0)起至其上的一第一距离(例如5公分)之间;而能进行所述的功能控制的第二控制范围A2,则可为从第一控制范围A1之上至一第二距离(例如55公分)之间。
是故,就一般超音波感测装置而言,虽然第二控制范围A2有较大的空间提供使用者的手部作运动控制,但当手部移进其第一控制范围A1内时,便无法让超音波感测装置正常运作;或者是在无法有效计算出实际距离的情形下,未能运作出任何反应。换句话说,超音波感测装置中的超音波收发模块在通常的一待命状态下,也就是在可正常运作的控制范围内,依本身元件特性或原始设计,其会具有一第一鸣响振荡时间,而当待感测的目标物出现在如上所述的相对为近距离的第一控制范围A1内时,其超音波收发模块便会因所接收的反射波和内部振动后的衰减信号相混合,而进入无法有效测距的一干扰状态。因此,在一般的超音波感测装置中,其会限制有效的感测及控制范围,如图中的第二控制范围A2,而超音波感测装置不会针对目标物在第一控制范围A1内的运动进行任何运作的控制。
承上所述,本发明所提出的超音波感测装置的控制方法,便是针对上述情况在超音波感测装置的运作上设计出一对应的开启或关闭的切换控制机制,从而在不改变于第二控制范围A2内控制原始应用功能的硬件或软件的条件下,增加设计于第一控制范围A1内控制某一所需的对应运作功能。而在本发明所提出的超音波感测装置的控制方法中,其判断的对象是根据其所需衰减的鸣响振荡时间的改变与否,利用装置中的微处理器11进行比较与判断,并再进一步对装置中的对应元件进行控制。但本发明并不需要改***件上的电路构造或作复杂的程序改写,而是可仅简单地新增一控制程序针对其鸣响振荡时间的变化,由本发明中的微处理器11进行此一比较过程与指令控制。
由于依目前技术所制造的超音波收发模块,可包含有开放式(open type)与封闭式(close type)等两种型式设计,且其对于近距离感测下鸣响振荡时间的变化有不同的特性,因此需对不同型式的感测模块作出对应设计。在本发明的实施方式说明中,便分别以一第一实施例和一第二实施例来进行其图2中的超音波收发模块20分别为开放式和封闭式的详细实施说明。
请同时参阅图4(a)和(b),其为本发明第一实施例中开放式超音波收发模块的鸣响振荡时间的前后变化的示意图。在此实施例中,首先亦需使前置处理模块10产生一驱动信号DS;详细来说,在微处理器11中的信号调幅器12对该前置处理模块10中的驱动电路13的控制下,使该驱动电路13产生驱动信号。接着,便由超音波收发模块20中的发射器21接收并根据该驱动信号产生振动而发射感测波;此部分是和先前技术相同。而当目标物30于第一控制范围A1内碰到该感测波时,所形成的反射波会由超音波收发模块20中的接收器22来接收。
承上所述,在图4(a)中所示的是在待命状态下,超音波感测装置完成衰减所需的第一鸣响振荡时间T1的示意图;也就是当无目标物出现时,在驱动信号DS停止驱动振动后,衰减信号RS需要花费该第一鸣响振荡时间T1的时长才能完成衰减。然而,当有目标物30在第一控制范围A1内进行运动时,也就是如图3中所示,使用者的手部在超音波收发模块20的表面至其上的5公分距离之内作运动或直接于超音波收发模块20的表面上进行触碰(如图6所示)时,其会对接收了反射波的超音波收发模块20造成干扰。
针对超音波收发模块20为开放式(open type)的感测模块来说,由于所接收到的反射波会于此类接收器内形成更久的振动,并与未完成衰减的衰减信号RS相结合而使得所需的鸣响振荡时间会更长;进而微处理器11能经由前置处理模块10中的接收电路14来接收其超音波收发模块20完成衰减过程的时间,也就是能取得超音波收发模块20于振动后的衰减过程所产生的一第二鸣响振荡时间T2。如图4(b)所示,其为受目标物影响后,超音波感测装置完成衰减所需的第二鸣响振荡时间T2的示意图。相较于待命状态下的第一鸣响振荡时间T1,该第二鸣响振荡时间T2所需花费的时间更长。
然而,若使用者的手部并未在超音波收发模块20的表面至其上的5公分距离之内作运动或直接于超音波收发模块20的表面上进行触碰(如图6所示)时,则超音波收发模块20于振动后的衰减过程所产生的第二鸣响振荡时间T2会与第一鸣响振荡时间T1相同。
由于微处理器11能检测及设定在待命状态时,超音波感测装置的第一鸣响振荡时间T1,因此当微处理器11取得第二鸣响振荡时间T2之后便可进行比较。在此实施例中,当微处理器11根据其比较结果为第二鸣响振荡时间T2大于第一鸣响振荡时间T1时,便对应输出一功能控制信号(未显示于图式)。详细来说,目标物30于第一控制范围A1内的运动造成了鸣响振荡时间的改变,因此通过微处理器的判断结果,在设计上可应用于控制具有两段式的切换机制。在此实施例中,是设计以所产生的该功能控制信号来进行开启运作(ON)和关闭运作(OFF)的切换控制;也就是通过手部于近距离范围的动作,并通过鸣响振荡时间的比较结果,来切换开启或关闭的切换运作。
承上所述,以上述过程所产生的功能控制信号的切换控制,可使开启状态切换成为关闭状态,或使关闭状态切换成为开启状态。根据上述用于照明装置上的超音波感测装置的实施例而言,开启运作(ON)和关闭运作(OFF)的切换控制可被设计为控制切换照明装置本身的开启和熄灭,或也可被设计为控制切换开启或关闭照明装置内某一功能的运作。如此,便同样可利用手部运动的方式来完成切换开/关状态运作的设计;除了不需另外以增设硬件元件的方式来设置其实体开关或按键外,还可改变先前技术中无法于近距离内进行测距,或无法正常运作的不利条件,使得鸣响振荡时间的改变特性被有效应用成适合的触发机制或控制机制。
请同时参阅图5(a)和(b),其为本发明第二实施例中封闭式超音波收发模块的鸣响振荡时间的前后变化的示意图。此第二实施例和前述的第一实施例有类似的处理流程,而其中图5(a)所示为在待命状态下,超音波感测装置完成衰减所需的第一鸣响振荡时间T1的示意图。针对超音波收发模块20为封闭式(close type)的感测模块的特性来说,当使用者手部直接于超音波收发模块20的表面上进行触碰时,其所形成的反射波于其接收器内造成的影响会改变所述的鸣响振荡时间。此一操作可参阅图6,其为目标物30(即使用者的手部)于超音波收发模块20的表面上进行触碰的示意图。
承上所述,在此第二实施例中,其判断的条件刚好和第一实施例相反。换句话说,手部于近距离下的触碰除了会造成鸣响振荡时间的改变外,其振动后的衰减所需的第二鸣响振荡时间T2反而会较为缩短,意即第二鸣响振荡时间T2会小于第一鸣响振荡时间T1。这是因为封闭式的感测模块为一体成型的机构元件,若有物体于其表面上压住、遮蔽或产生接触时,将会抑制停止驱动后仍持续的机械振荡效应,从而使所需的鸣响振荡时间变短,如图5(b)所示,其为受触碰影响后,超音波感测装置完成衰减所需的第二鸣响振荡时间T2的示意图。
然而,若使用者的手部并未于超音波收发模块20的表面上进行触碰时,则超音波收发模块20于振动后的衰减过程所产生的第二鸣响振荡时间T2会与第一鸣响振荡时间T1相同。
是故,在此实施例中,微处理器11便是根据第二鸣响振荡时间T2有无小于第一鸣响振荡时间T1的情形进行比较;而当其比较结果为第二鸣响振荡时间T2小于第一鸣响振荡时间T1时,便对应输出如前所述的功能控制信号。而后续对于由该功能控制信号来进行开启运作(ON)和关闭运作(OFF)的切换控制的说明,则和第一实施例相同,也就是以上述过程所产生的功能控制信号的切换控制,可使开启状态切换成为关闭状态,或使关闭状态切换成为开启状态。同样地,若应用在上述用于照明装置上的超音波感测装置的实施例中,开启运作(ON)和关闭运作(OFF)的切换控制可被设计为控制切换照明装置本身的开启和熄灭,或也可被设计为控制切换开启或关闭照明装置内某一功能的运作。
请参阅图7,其为依本发明的概念所进行的第一实施流程图。首先,由超音波感测装置100以在待命状态下的原始设计为第一鸣响振荡时间T1进行运作(步骤S1);在步骤S1中,微处理器11可检测超音波感测装置100在待命状态下所需的鸣响振荡时间,并设定其为第一鸣响振荡时间T1。其次,当目标物30于第一控制范围A1内进行运动或于超音波收发模块20的表面上进行触碰时,其会使超音波收发模块20的衰减过程产生出第二鸣响振荡时间T2(步骤S2)。接着,由微处理器11比较第一鸣响振荡时间T1和第二鸣响振荡时间T2是否有所不同(步骤S3)。当两者有所不同时,包括针对开放式的感测模块下的鸣响振荡时间变长(即T2大于T1),以及针对封闭式的感测模块下的鸣响振荡时间变短(即T2小于T1)等判断条件,由微处理器11对应输出一功能控制信号,以于开启运作(ON)和关闭运作(OFF)之间进行运作改变与切换控制(步骤S4)。
请参阅图8,其为依本发明的概念所进行的第二实施流程图。首先,在步骤S10中,微处理器11检测超音波感测装置100在待命状态下所需的鸣响振荡时间,并设定其为第一鸣响振荡时间T1。接着,在步骤S20中,超音波收发模块20发射一感测波,并在步骤S30,由微处理器11检测此次感测波发射所需的鸣响振荡时间,并设定为第二鸣响振荡时间T2。在步骤S40中,微处理器11接着比较第二鸣响振荡时间T2和第一鸣响振荡时间T1是否相同。若相同,则进入步骤S50,微处理器11输出一功能控制信号用以控制两段式的切换机制,例如开启运作和关闭运作之间的切换。
在本发明实施例中,超音波感测装置可用于一照明装置上,且上述的功能控制信号可用来控制切换照明装置本身的开启和熄灭,或用来控制切换开启或关闭该照明装置内某一功能的运作,如步骤S51所示。
若在步骤S40中,微处理器11比较第二鸣响振荡时间T2和第一鸣响振荡时间T1为不相同时,则回到步骤S20。
然而,在另一实施例中,若在步骤S40中,微处理器11比较第二鸣响振荡时间T2和第一鸣响振荡时间T1为不相同时,微处理器11可进一步检测是否有一反射波出现,如步骤S60所示。若否,则回到步骤S20;若是,则微处理器11可根据发射感测波的时间及接收反射波的时间,计算一飞行时间,如步骤S70所示。
在本发明实施例中,超音波感测装置可用于一照明装置上,且微处理器11可根据上述的飞行时间来控制照明装置的一照明状态,例如照明亮度或照明色彩等,如步骤S71所示。
本发明的实施例是以用于照明装置的超音波感测装置进行说明,当然,于其它实施例中亦可采用具有本发明提出的控制方法的超音波感测装置,将其应用于其它的装置上,从而使其在控制上更行完备。此外,本发明的实施例是以开启运作和关闭运作的一种开关功能进行说明。而如前文所述,本发明可通过目标物30于第一控制范围A1内进行运动或于超音波收发模块20的表面上触碰所造成的鸣响振荡时间的改变,来对应至两段式的切换机制的控制。因此,对于所应用的装置中任一功能的运作上,若其所进行的切换具有两段式的特性时,则也能以本发明所述的控制方法进行控制,而不会仅局限于对其开关功能上的应用。
综上所述,本发明利用对鸣响振荡时间的改变与否的判断,能有效对应至一目标物或使用者手部于近距离下的控制与操作,使得针对超音波感测装置在近距离下无法进行测距的缺陷,也能通过其中的差异来作为某一运作功能的触发机制或控制机制。不但能将已知技术中的不利因素作有效地控制与应用,还能通过此控制方法达到节省相关硬件元件的生产成本的效益。是故,本发明能有效地解决与改善先前技术中所提出的相关问题,而成功地达到了本发明发展的主要目的。
任何本领域技术人员,可在运用与本发明相同目的的前提下,使用本发明所揭示的概念和实施例变化来作为设计和改进其它一些方法的基础。这些变化、替代和改进不能背离权利要求范围所界定的本发明的保护范围。是故,本发明得由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰,然皆不脱如附权利要求范围所欲保护者。