JP4100415B2 - 位置検出システム - Google Patents

Description

本発明は、超音波を利用して検出対象の物体の位置情報を検出する位置検出システムに関するものである。

従来から、複数の移動体それぞれに設けられた超音波発信機と、建物内の天井面の所定領域ごとに設置された少なくとも３個の超音波受信機と、超音波発信機から発信された超音波が超音波受信機で受信されるまでの時間に基づいて移動体の位置情報を求める演算処理手段とを備えた位置検出システムが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。なお、上記特許文献１，２に開示された位置検出システムでは、各超音波受信機それぞれを２線式の信号線によりジャンクションボックスと接続し、演算処理手段を構成するコンピュータとジャンクションボックスとを別途の信号線を介して接続している。
特開２００３−２７９６４０号公報（段落〔００１２〕〜〔００２４〕、図１〜図４） 特開平８−２２６８１０号公報（段落〔００２５〕〜〔００３３〕、図１〜図３）

上記特許文献１，２に開示された位置検出システムは、建物の天井面の所定領域ごとに超音波受信機からなる超音波受信装置を１つずつ設置するようにしたシステムであって、演算処理手段において検出対象の物体（移動体）の位置情報を求めるためには、少なくとも３箇所に超音波受信装置を設置しなければならず、施工作業が面倒になってしまう。しかも、上述の位置検出システムでは、３つの超音波受信装置の検知エリアの重なる領域に存在する物体の位置情報しか得ることができないので、超音波受信装置の配置設計が難しく、施工作業が面倒になってしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、施工が容易で且つ超音波受信装置の配置設計が容易な位置検出システムを提供することにある。

請求項１の発明は、建物内で床面上を移動する位置検出対象の物体に搭載され超音波を発生可能であり共振特性のＱ値が１程度である音源と、建物内の施工面である天井面の定位置に設置され音源から送波された超音波を受波するとともに受波した超音波を電気信号である受波信号に変換し共振特性のＱ値が３〜４程度である複数個の受波素子が同一基板上に２次元的に配列された超音波アレイセンサからなる超音波受信装置と、超音波受信装置である超音波アレイセンサの各受波素子で超音波を受波した時間の時間差と各受波素子の配置位置とに基づいて超音波受信装置に対して音源の存在する方位を求める位置演算部と、音源と超音波受信装置とのうち音源側に設けられ光もしくは電波のトリガ信号を発信するトリガ信号発信器と、超音波受信装置側に設けられトリガ信号を受信するトリガ信号受信器と、トリガ信号発信器からのトリガ信号の送波開始タイミングおよび音源からの超音波の送波開始タイミングを制御する制御部とを備え、位置演算部は、トリガ信号受信器によりトリガ信号を受信した時刻と受波素子により超音波を受波した時刻との関係から超音波受信装置と音源との距離を求める距離演算手段を備えることを特徴とする。

この発明によれば、１つの超音波受信装置を配置することにより当該超音波受信装置を中心とした検知エリア内に存在する物体に搭載された音源の存在する方位を求めることができるので、施工が容易になるとともに超音波受信装置の配置設計が容易になる。また、超音波受信装置と音源との距離を求めることができるので、音源の存在する方位と音源までの距離とに基づいて超音波受信装置に対する音源の相対位置を求めることができる。また、音源と受波素子との共振特性のＱ値が圧電素子に比べて十分に小さいので、残響成分に起因した不感帯を短くすることができ、とくに受波素子について不感帯を短くすることにより角度分解能が改善される。
請求項２の発明は、建物内で床面上を移動する位置検出対象の物体に搭載され超音波を発生可能であり共振特性のＱ値が１程度である音源と、建物内の施工面である天井面の定位置に設置され音源から送波された超音波を受波するとともに受波した超音波を電気信号である受波信号に変換し共振特性のＱ値が３〜４程度である複数個の受波素子が同一基板上に２次元的に配列された超音波アレイセンサからなる超音波受信装置と、超音波受信装置である超音波アレイセンサの各受波素子で超音波を受波した時間の時間差と各受波素子の配置位置とに基づいて超音波受信装置に対して音源の存在する方位を求める位置演算部と、音源と超音波受信装置とのうち超音波受信装置側に設けられ光もしくは電波のトリガ信号を発信するトリガ信号発信器と、音源側に設けられトリガ信号を受信するトリガ信号受信器と、トリガ信号受信器にてトリガ信号を受信したときに音源から超音波を送波させる制御部とを備え、位置演算部は、トリガ信号発信器からトリガ信号が発信された時刻と受波素子により超音波を受波した時刻との関係から超音波受信装置と音源との距離を求める距離演算手段を備えることを特徴とする。
この発明によれば、１つの超音波受信装置を配置することにより当該超音波受信装置を中心とした検知エリア内に存在する物体に搭載された音源の存在する方位を求めることができるので、施工が容易になるとともに超音波受信装置の配置設計が容易になる。また、超音波受信装置と前記音源との距離を求めることができるので、音源の存在する方位と超音波受信装置と音源との距離とに基づいて超音波受信装置に対する音源の相対位置を求めることができる。また、音源と受波素子との共振特性のＱ値が圧電素子に比べて十分に小さいので、残響成分に起因した不感帯を短くすることができ、とくに受波素子について不感帯を短くすることにより角度分解能が改善される。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記音源が複数あり、前記各音源と前記超音波受信装置とのうち前記各音源側に設けられそれぞれ固有の識別情報信号を発信する複数の識別情報信号発信器と、前記超音波受信装置側に設けられ識別情報信号を受信する識別情報信号受信器とを備え、前記トリガ信号発信器として識別情報信号発信器を用いるとともに前記トリガ信号受信器として識別情報信号受信器を用いて前記トリガ信号を識別情報信号で兼用し、前記制御部は、前記音源側に設けられ識別情報信号発信器からの識別情報信号の送信開始タイミングおよび前記音源からの超音波の送波開始タイミングを制御し、前記位置演算部は、識別情報信号受信部にて受信した識別情報信号に基づいて前記各音源を個別に特定する音源特定手段を備え、前記距離演算手段は、識別情報信号受信部により識別情報信号を受信した時刻と前記受波素子により超音波を受波した時刻との関係から前記超音波受信装置と前記音源との距離を求めることを特徴とする。
この発明によれば、前記超音波受信装置から前記各音源それぞれまでの距離を求めることができるので、前記各音源それぞれの存在する方位と前記超音波受信装置から前記各音源それぞれまでの距離とに基づいて前記超音波受信装置に対する前記各音源それぞれの相対位置を求めることができる。
請求項４の発明は、請求項１または請求項３の発明において、トリガ信号を受信した時刻毎における音源の方位および距離を用いて物体の動きを追跡する動線計測を行うことを特徴とする。
この発明によれば、移動体である位置検出対象の物体について動きを追跡することができる。
請求項５の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記音源が複数あり、前記各音源と前記超音波受信装置とのうち前記各音源側に設けられそれぞれ固有の識別情報信号を発信する識別情報信号発信器と、前記超音波受信装置側に設けられ識別情報信号を受信する識別情報信号受信器と、前記超音波受信装置側に設けられ識別情報信号受信部にて受信した識別情報信号に基づいて前記各音源を個別に特定する音源特定手段とを備えることを特徴とする。
この発明によれば、前記超音波受信装置に対する前記各音源それぞれの存在する方位を前記音源ごとに特定して求めることができる。
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記音源は、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層とを備え、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化に伴って超音波を発生する超音波発生素子からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記音源として圧電式の超音波発生素子を用いる場合に比較して共振特性のＱ値が小さいから、残響時間が短く発生期間の短い超音波を発生させることができ、前記音源から送波される超音波における残響成分に起因した不感帯を短くすることができる。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記受波素子は、超音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量式のマイクロホンからなることを特徴とする。

この発明によれば、前記受波素子の共振特性のＱ値が圧電素子の共振特性のＱ値に比べて小さいから、従来のように受波素子として圧電式の受波素子を用いる場合に比べて、前記受波素子で超音波を受波したときに発生する受波信号における残響時間を短くできるので、前記受波素子から出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができる。

請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、受波素子の中心間距離が超音波の波長の０．５〜５倍程度に設定されていることを特徴とする。
この発明によれば、隣り合う受波素子それぞれへ超音波が到達する時間差をとることで時間差の検出が容易になる。
請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８の発明において、前記受波素子がマイクロマシンニング技術を利用して形成されていることを特徴とする。

請求項１の発明では、１つの超音波受信装置を配置することにより当該超音波受信装置を中心とした検知エリア内に存在する物体に搭載された音源の存在する方位を求めることができるので、施工が容易になるとともに超音波受信装置の配置設計が容易になるという効果がある。

本実施形態では、位置検出システムとして、図１（ａ）に示すように、位置検出対象の物体Ａが建物内で床面１００上を移動する移動体（例えば、ショッピングカートなど）であり、間欠的に超音波を発生可能な音源１１（図２参照）を備えた音源ユニット１を物体Ａの上面に搭載する一方で、音源１１から間欠的に送波された超音波を受波する超音波受信装置２１（図２参照）を備えたセンサユニット２を施工面である天井面２００の定位置に設置し、超音波受信装置２１に対する物体Ａの相対位置を音源１１の相対位置として求め、物体Ａの移動状況（物体Ａの動き）を追跡する動線計測を行う動線計測システムを例示する。

音源ユニット１には、上述の音源１１と、音源１１を駆動するドライバ１２と、光もしくは電波からなるトリガ信号を発信するトリガ信号発信器１３と、トリガ信号発信器１３を駆動するドライバ１４と、固有の識別情報信号を発信する識別情報信号発信器１５と、識別情報信号発信器１５を駆動するドライバ１６と、各ドライバ１２，１４，１６を制御する制御部１７とを備えている。ここにおいて、音源１１からの超音波の送波開始タイミング、トリガ信号発信器１３からのトリガ信号の送信開始タイミング、識別情報信号発信器１５からの識別情報信号の送信タイミングは、制御部１７により制御される。なお、制御部１７は、マイクロコンピュータを主構成とし、上述の制御部１７の機能はマイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現される。

一方、センサユニット２には、上述の超音波受信装置２１と、トリガ信号発信器１３から送信されたトリガ信号を受信したときにトリガ受信信号を出力するトリガ信号受信器２３と、識別情報信号発信器１５から送信された識別情報信号を受信する識別情報信号受信器２５と、超音波受信装置２１から出力される受波信号とトリガ信号受信器２３から出力されるトリガ受信信号とに基づいて超音波受信装置２１に対する音源１１の相対位置（音源１１の存在する方位および音源１１までの距離）を求めて出力する位置演算部２２と、トリガ信号受信器２３からのトリガ受信信号を受けた時刻（以下、トリガ受信時刻と称す）を出力するタイマ２６と、位置演算部２２から出力される演算結果（音源１１の存在する方位および音源１１までの距離）をタイマ２６から出力されたトリガ受信時刻と対応付けて時系列的に記憶するメモリ２４とを備えている。メモリ２４に格納されているトリガ受信時刻、トリガ受信時刻毎の音源１１の存在する方位および音源１１までの距離（要するに、各音源１１それぞれの時系列的な相対位置の変化に関するデータ）は制御部２７により出力部２８のデータ転送形式のデータ列に変換され出力部２８を通して外部のコンピュータなどの管理装置へ出力される。出力部２８としては、例えば、ＴＩＡ／ＥＩＡ−２３２−ＥやＵＳＢなどのようなシリアル転送方式のインタフェースや、ＳＣＳＩなどのようなパラレル転送方式のインタフェースなどを採用することができる。なお、制御部２７の機能はマイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現される。

音源ユニット１の音源１１としては、圧電効果による機械的振動を利用した圧電式の超音波発生素子を用いてもよいが、このような圧電式の超音波発生素子（圧電素子）は共振特性のＱ値（機械的品質係数Ｑ_ｍ）が一般的に１００よりも高くて残響時間が長くなってしまう。そこで、音源１１から残響時間の短い超音波を間欠的に発生させる（つまり、発生期間の短い超音波を間欠的に発生させる）には、音源１１として、図３に示すように、単結晶のｐ形のシリコン基板からなる支持基板３１の一表面（図３における上面）側に多孔質シリコン層からなる熱絶縁層（断熱層）３２が形成され、熱絶縁層３２上に金属薄膜（例えば、タングステン薄膜）からなる発熱体層３３が形成され、支持基板３１の上記一表面側に発熱体層３３と電気的に接続された一対のパッド３４，３４が形成された熱励起式の超音波発生素子を用いることが望ましい。なお、支持基板３１の平面形状は長方形状であって、熱絶縁層３２、発熱体層３３それぞれの平面形状も長方形状に形成してある。

熱励起式の超音波発生素子では、発熱体層３３の両端のパッド３４，３４間に通電して発熱体層３３に温度変化を生じさせると、発熱体層３３に接触している空気に温度変化が生じる。発熱体層３３に接触している空気は、発熱体層３３の温度上昇時には膨張し発熱体層３３の温度下降時には収縮するから、発熱体層３３への通電を適宜に制御することによって空気中を伝搬する超音波を発生させることができる。

上述の圧電式の超音波発生素子では、共振特性のＱ値が高いので、図５に示すような超音波波形のような残響時間が長くなってしまうが、上述の熱励起式の超音波発生素子では、一対のパッド３４，３４を介した発熱体層３３への通電に伴う発熱体層３３の温度変化に伴って超音波を発生するものであり、発熱体層３３へ与える駆動電圧あるいは駆動電流の波形を例えば周波数がｆ１の正弦波波形とした場合、当該周波数ｆ１の略２倍の周波数の超音波を発生させることができ、例えば正弦波波形の半周期の孤立波を駆動電圧としてドライバ１２から一対のパッド３４，３４間へ与えることによって、図４に示すような残響時間が短く且つ発生期間の短い略１周期の超音波を発生させることができる。要するに、圧電式の超音波発生素子は、固有の共振周波数をもつので周波数帯域が狭いが、熱励起式の超音波発生素子では、発生させる超音波の周波数を広範囲にわたって変化させることができ、駆動電圧もしくは駆動電流の波形を孤立波とすれば、図４に示すような略１周期の超音波を発生させることができる。

上述の熱励起式の超音波発生素子は、支持基板３１としてｐ形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層３２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成しているので、支持基板３１として用いるシリコン基板の一部をフッ化水素水溶液とエタノールとの混合液からなる電解液中で陽極酸化処理することにより熱絶縁層３２となる多孔質シリコン層を形成することができる。ここに、陽極酸化処理の条件（例えば、電流密度、通電時間など）を適宜設定することにより、熱絶縁層３２となる多孔質シリコン層の多孔度や厚みそれぞれを所望の値とすることができる。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなり、例えば、熱伝導率が１４８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６３×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．７×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）であることが知られている。本実施形態では、上述のように熱絶縁層３２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成してあり、熱絶縁層３２の熱伝導率が０．１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．５×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）となっている。なお、熱絶縁層３２の熱伝導度および熱容量を支持基板３１の熱伝導度および熱容量に比べて小さくし、熱絶縁層３２の熱伝導度と熱容量との積を支持基板３１の熱伝導度と熱容量との積に比べて十分に小さくすることにより、発熱体層３３の温度変化を空気に効率よく伝達することができ発熱体層３３と空気との間で効率的な熱交換が起こり、且つ、支持基板３１が熱絶縁層３２からの熱を効率よく受け取って熱絶縁層３２の熱を逃がすことができて発熱体層３３からの熱が熱絶縁層３２に蓄積されるのを防止することができる。

また、発熱体層３３は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成してあり、熱伝導率が１７４Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が２．５×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）となっている。発熱体層３３の材料はタングステンに限らず、例えば、タンタル、モリブデン、イリジウムなどを採用してもよい。

なお、上述の熱励起式の超音波発生素子では、支持基板３１の厚さを５２５μｍ、熱絶縁層３２の厚さを１０μｍ、発熱体層３３の厚さを５０ｎｍ、各パッド３４の厚さを０．５μｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。また、支持基板３１の材料としてＳｉを採用しているが、支持基板３１の材料はＳｉに限らず、例えば、Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよい。

トリガ信号発信器１３は、トリガ信号として光を採用する場合には、例えば、発光ダイオードを用いればよく、トリガ信号として電波を採用する場合には、例えば、電波発信器を用いればよい。ここにおいて、光や電波は音波に対して十分に高速なので、音源ユニット１からセンサユニット２までの音波の到達時間のレンジでは、光や電波の到達時間はゼロとみなすことができる。

識別情報信号発信器１５としては、識別情報信号として光を採用する場合には、例えば、発光ダイオードを用いればよく、識別情報信号として電波を採用する場合には、例えば、電波発信器を用いればよく、識別情報信号として音波を採用する場合には、例えば、熱励起式の音波発生素子を用いればよい。

センサユニット２の超音波受信装置２１は、図１（ｂ）に示すように、音源１１から送波された超音波を受波するとともに受波した超音波を電気信号である受波信号に変換する複数個（図示例では、４個であるが、個数は特に限定するものではない）の受波素子２１ａが同一基板２１ｂ上で２次元的に配列された超音波アレイセンサにより構成されている。ここにおいて、受波素子２１ａの中心間距離（配列ピッチ）Ｌは音源１１から発生させる超音波の波長程度（例えば、超音波の波長の０．５〜５倍程度）に設定することが望ましく、超音波の波長の０．５倍よりも小さいと超音波が隣り合う受波素子２１ａそれぞれへ到達する時間の時間差が小さくなり、当該時間差の検出が困難となる。受波素子２１ａとしては、例えば、超音波を圧電効果により電気信号に変換する圧電式の受波素子（圧電素子）や、超音波を静電容量の変化に変換する静電容量式の受波素子などの超音波用の受波素子として広く知られているものを採用することが考えられるが、音源１１と同様に残響を少なくするために、静電容量式の受波素子の構造を採用することが望ましい。

本実施形態では、受波素子２１ａとして、図６に示すような静電容量式のマイクロホンを採用している。図６に示す構成の静電容量式のマイクロホンは、マイクロマシンニング技術を利用して形成されており、シリコン基板に厚み方向に貫通する窓孔４１ａを設けることで形成された矩形枠状のフレーム４１と、フレーム４１の一表面側においてフレーム４１の対向する２つの辺に跨る形で配置されるカンチレバー型の受圧部４２とを備えている。ここにおいて、フレーム４１の一表面側には熱酸化膜４５と熱酸化膜４５を覆うシリコン酸化膜４６とシリコン酸化膜４６を覆うシリコン窒化膜４７とが形成されており、受圧部４２の一端部がシリコン窒化膜４７とを介してフレーム４１に支持され、他端部が上記シリコン基板の厚み方向においてシリコン窒化膜４７に対向している。また、シリコン窒化膜４７における受圧部４２の他端部との対向面に金属薄膜（例えば、クロム膜など）からなる固定電極４３ａが形成され、受圧部４２の他端部におけるシリコン窒化膜４７との対向面とは反対側に金属薄膜（例えば、クロム膜など）からなる可動電極４３ｂが形成されている。なお、フレーム４１の他表面にはシリコン窒化膜４８が形成されている。また、受圧部４２は、上記各シリコン窒化膜４７，４８とは別工程で形成されるシリコン窒化膜により構成されている。

図６に示した構成の静電容量式のマイクロホンからなる受波素子２１ａでは、固定電極４３ａと可動電極４３ｂとを電極とするコンデンサが形成されるから、受圧部４２が音波の圧力を受けることにより固定電極４３ａと可動電極４３ｂとの間の距離が変化し、固定電極４３ａと可動電極４３ｂとの間の静電容量が変化する。したがって、固定電極４３ａおよび可動電極４３ｂに設けたパッド（図示せず）間に直流バイアス電圧を印加しておけば、パッドの間には超音波の音圧に応じて微小な電圧変化が生じるから、超音波の音圧を電気信号に変換することができる。

なお、受波素子２１ａとして用いる静電容量式のマイクロホンの構造は図６の構造に特に限定するものではなく、例えば、シリコン基板などをマイクロマシンニング技術などにより加工して形成され、超音波を受けるダイヤフラム部からなる可動電極と、ダイヤフラム部に対向する背板部からなる固定電極との間に、超音波を受けていない状態でのダイヤフラム部と背板部とのギャップ長を規定する絶縁膜からなるスペーサ部が介在し、背板部に複数の排気孔が貫設された構造を有するものでもよい。このような静電容量式のマイクロホンでは、ダイヤフラム部が超音波を受けて変形してダイヤフラム部と背板部との距離が変化することにより、可動電極と固定電極との間の静電容量が変化する。

ところで、図３に示した熱励起式の音波発生素子からなる音源１１は共振特性のＱ値が１程度であり、図６に示した静電容量式のマイクロホンからなる受波素子２１ａの共振特性のＱ値は３〜４程度であり、圧電素子に比べてＱ値が十分に小さく、従来のように送波素子および受波素子に圧電素子を用いている場合に比べて、音源１１から送波される超音波における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるとともに、受波素子２１ａで超音波を受波したときに発生する受波信号における残響時間を短くできて受波素子２１ａから出力される受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるので、角度分解能を改善することができる。なお、静電容量式のマイクロホンでは、圧電素子のような共振特性の高いＱ値を持たないから、受波周波数の範囲を広くとることが可能になる。また、音源１１および受波素子２１ａそれぞれの共振特性のＱ値はいずれも１０以下が望ましく、いずれも５以下がより望ましい。

トリガ信号受信器２３は、トリガ信号発信器１３から送信するトリガ信号として光を採用する場合には、例えば、フォトダイオードを用いればよく、トリガ信号として電波を採用する場合には、例えば、電波受信アンテナを用いればよい。要するに、トリガ信号受信器２３は、トリガ信号を受信してトリガ信号を電気信号（トリガ受信信号）に変換して出力できるものであればよい。

識別情報信号受信器２５は、識別情報信号発信器１５から送信する識別情報信号として光を採用する場合には、例えば、フォトダイオードを用いればよく、識別情報信号として電波を採用する場合には、例えば、電波受信アンテナを用いればよく、識別情報信号として音波を採用する場合には、例えば、静電容量式の受波素子を用いればよい。要するに、識別情報信号受信器２５は、識別情報信号を受信して識別情報信号を電気信号からなる識別情報に変換して出力できるものであればよい。

位置演算部２２は、超音波受信装置２１である超音波アレイセンサの各受波素子２１ａで音波を受波した時間の時間差と各受波素子２１ａの配置位置とに基づいて超音波受信装置２１に対して音源１１の存在する方位を示す方位角θ（超音波の到来方向）を求める機能を有している。

以下、位置演算部２２について説明するが、説明を簡単にするために、超音波受信装置２１の受波素子２１ａが図７に示すように同一平面上において１次元的に等間隔で配列されている例について説明する。受波素子２１ａが配列された面に対する超音波の波面の角度がθ_０である場合を想定すると、超音波の到来方向（すなわち、超音波受信装置２１に対して音源１１の存在する方位角）はθ_０になり、音速をｃ、超音波の波面が隣り合う受波素子２１ａのうちの一方の受波素子２１ａに到達する時刻における超音波の波面と他方の受波素子２１ａの中心との間の距離（遅延距離）をｄ_０、隣り合う受波素子２１ａの中心間距離をＬとすれば、超音波の波面が隣り合う受波素子２１ａ間に到達する時間差Δｔ_０（図８参照）は、Δｔ_０＝ｄ_０／ｃ＝Ｌ・ｓｉｎθ_０／ｃになる。

図８（ａ）〜（ｃ）は上述の熱励起式の超音波発生素子の発熱体層３３へ正弦波波形の半周期の波形の駆動電圧を与えたときの図７の各受波素子２１ａそれぞれの受波信号を示しており、図８（ａ）が図７の一番上の受波素子２１ａの受波信号、図８（ｂ）が図７の真ん中の受波素子２１ａの受波信号、図８（ｃ）が図７の一番下の受波素子２１ａの受波信号を示している。ここにおいて、位置演算部２２は、音源１１の存在する方位を求める演算機能を有する信号処理部２２ｃを備えている。信号処理部２２ｃは、超音波受信装置２１の各受波素子２１ａから出力された電気信号である受波信号をそれぞれ各受波素子２１ａの配列パターンに応じた遅延時間で遅延させた受波信号を組にして出力する遅延手段と、遅延手段により遅延された受波信号の組を加算する加算器と、加算器の出力波形のピーク値と適宜の閾値との大小関係を比較し閾値を超えるピーク値が得られたときに遅延手段で設定されている遅延時間に対応する方向を音源１１の存在する方位（超音波の到来方向）と判断する判断手段とを備えているので、超音波受信装置２１に対して音源１１の存在する方位（超音波の到来方向）を検出することができる。ここで、位置演算部２２は、上述の信号処理部２２ｃの他に、超音波受信装置２１の各受波素子２１ａから出力されるアナログの受波信号をディジタルの受波信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換部２２ａと、トリガ信号受信器２３からのトリガ受信信号が入力された時点から所定の受波期間だけＡ／Ｄ変換部２２ａの出力が格納されるデータ格納部２２ｂとを備えており、上述の信号処理部２２ｃは、データ格納部２２ｂにトリガ受信信号が入力されたときに受波期間を設定し、受波期間にのみＡ／Ｄ変換部２２ａを作動させ、受波期間にデータ格納部２２ｂに格納された受波信号のデータに基づいて音源１１の存在する方位を求める。なお、信号処理部２２ｃはマイクロコンピュータなどにより構成される。また、データ格納部２２ｂには、〔受波素子２１ａの個数〕×〔各受波素子２１ａからの受波信号のデータ数〕の数だけデータが格納されることになるので、例えば、受波素子２１ａの個数を８個、受波期間を３０ｍｓ、Ａ／Ｄ変換部２２ａのサンプリング周期を１μｓとした場合には、１データを１ワードとして２４０ｋワードの容量が必要となるから、２５６ｋワードのＳＲＡＭなどを使用すればよい。

ところで、本実施形態では、音源１１として上述の熱励起式の超音波発生素子を用いているので、図９に示すように、超音波受信装置２１の各受波素子２１ａへ２つの方位から超音波が到来する場合に方位角がθ_１の方位から到来する超音波の方が方位角θ_２の方位から到来する超音波に比べて先に到達するとすれば、図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように各受波素子２１ａそれぞれから出力される２つの受波信号が重なりにくく、各音源１１それぞれからの存在する方位角（超音波の到来方向）θ_１，θ_２を求めることができる。ここで、図１０は、（ａ）が図９の一番上の受波素子２１ａの２つの受波信号、（ｂ）が図９の真ん中の受波素子２１ａの２つの受波信号、（ｃ）が図９の一番下の受波素子２１ａの２つの受波信号を示しており、（ａ）〜（ｃ）それぞれにおける左側の受波信号がθ_１の方位から到来した超音波に対応し、右側の受波信号がθ_２の方位から到来した超音波に対応している。なお、θ_１の方位からの超音波の波面が隣り合う受波素子２１ａのうちの一方の受波素子２１ａに到達する時刻における超音波の波面と他方の受波素子２１ａの中心との間の距離（遅延距離）をｄ_１（図９参照）とすれば、超音波の波面が隣り合う受波素子２１ａ間に到達する時間差Δｔ_１（図１０参照）は、Δｔ_１＝ｄ_１／ｃ＝Ｌ・ｓｉｎθ_１／ｃになり、θ_２の方位からの超音波の波面が隣り合う受波素子２１ａのうちの一方の受波素子２１ａに到達する時刻における超音波の波面と他方の受波素子２１ａの中心との間の距離（遅延距離）をｄ_２（図９参照）とすれば、超音波の波面が隣り合う受波素子２１ａ間に到達する時間差Δｔ_２（図１０参照）は、Δｔ_２＝ｄ_２／ｃ＝Ｌ・ｓｉｎθ_２／ｃになる。

また、位置演算部２２の信号処理部２２ｃは、トリガ信号受信器２３によりトリガ信号を受信した時刻と受波素子２１ａにより超音波を受波した時刻との関係から超音波受信装置２１と音源１１との距離を求める距離演算手段を備えている。ここにおいて、上述のようにトリガ信号として光もしくは電波のように音波に比べて十分に高速な信号を採用していることにより、音源ユニット１からセンサユニット２までのトリガ信号の到達時間は音源ユニット１からセンサユニット２までの到達時間に比べて十分に短く（無視できる程度に短く）、トリガ信号の到達時間をゼロとみなすことができるので、距離演算手段では、図１１（ａ）〜（ｃ）に示すようにデータ格納部２２ｂを介してトリガ受信信号ＳＴを受信した時刻と当該トリガ信号ＳＴの受信後に最初に受波素子２１ａからの受波信号ＳＰを受信した時刻との時間差Ｔと、音速とによって超音波受信装置２１と音源１１との間の距離を求めるようにしてある。なお、信号処理部２２ｃの距離演算手段は、当該信号処理部２２ｃを構成するマイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現される。

しかして、本実施形態の位置検出システムでは、１つのセンサユニット２を施工面である天井面２００に設置することで１つの超音波受信装置２１を配置することにより当該超音波受信装置２１を中心とした検知エリア内に存在する物体Ａに搭載された音源１１の存在する方位を求めることができるので、施工が容易になるとともに超音波受信装置２１の配置設計が容易になる。

ところで、本実施形態の位置検出システムを適用する建物の床面１００が平坦であって床面１００から天井面２００までの高さが一定であり、かつ、物体Ａの大きさが一定（つまり、床面１００から物体Ａの上面までの高さが一定）であれば、天井面２００に平行な面であって超音波受信装置２１を含む平面と、天井面２００に平行な面であって音源１１を含む平面との間の距離は床面１００上の物体Ａの位置によらず一定距離となるので、当該一定距離をあらかじめ既知の距離情報（高さ情報）として距離演算手段に記憶させておくことにより、距離演算手段では、当該距離情報と音源１１の存在する方位とから超音波受信装置２１と音源１１との間の距離を求めることができる。これに対して、信号処理部２２ｃの距離演算手段が上述のようにトリガ信号受信器２３によりトリガ信号を受信した時刻と受波素子２１ａにより超音波を受波した時刻との関係から超音波受信装置２１と音源１１との距離を求めることにより、図１２に示すように建物の床面１００に段差１００ｂが存在するような場合でも、センサユニット２の超音波受信装置２１と音源ユニット１の音源１１との間の距離を精度良く求めることができ、超音波受信装置２１に対する音源１１の相対位置を精度良く求めることができる。

また、上述の制御部２７は、識別情報信号受信部２５から出力されメモリ２４に記憶された識別情報に基づいて各音源１１を個別に特定する音源特定手段を備えており、超音波受信装置２１により超音波を検出可能な検知エリア内に複数の音源１１が存在する場合であっても、超音波受信装置２１に対する各音源１１それぞれの相対位置を求めることができる。ここにおいて、例えば、物体Ａが４つ存在する場合には、各物体Ａそれぞれに搭載する音源ユニット１それぞれの識別情報信号発信器１５から送信する識別情報信号を図１３（ａ）〜（ｄ）に示すように異なるパルス列からなる識別情報信号としておくことにより、メモリ２４には識別情報と位置演算部２２の信号処理部２２ｃの演算結果とが対応付けて格納される。したがって、制御部２７では、位置演算部２２により得られた音源１１の存在する方位（超音波の到来方向）および超音波受信装置２１と音源１１との間の距離がどの音源ユニット１からのものか識別することができる。なお、識別情報信号として光もしくは電波を採用し、超音波受信装置２１により超音波を検出可能な検知エリア内に１つの音源ユニット１が存在する場合を想定すると、センサユニット２の識別情報信号受信器２５から出力される識別情報と、各受波素子２１ａそれぞれから出力される受波信号との関係は図１４（ａ）〜（ｃ）に示すようになるので、識別情報信号発信器１５を上述のトリガ信号発信器１３に兼用する（識別情報信号をトリガ信号として兼用する）こともでき、この場合には上述の音源特定手段を位置演算部２２に設けてもよい。ここで、図１４（ａ）は図７の一番上の受波素子２１ａの受波信号、図１４（ｂ）は図７の真ん中の受波素子２１ａの受波信号、図１４（ｃ）は図７の一番下の受波素子２１ａの受波信号を示している。

なお、上記実施形態では、音源ユニット１にトリガ信号発信器１３を設けるとともにセンサユニット２にトリガ信号受信器２３を設けてあるが、トリガ信号発信器１３をセンサユニット２側に設けるとともにトリガ信号受信器２３を音源ユニット１側に設けて、制御部１７がトリガ信号受信器２３の出力に基づいて音源１１から超音波が送波されるようにドライバ１２を制御するようにし、位置演算部２２における信号処理部２２ｃの距離演算手段が、トリガ信号発信器１３からトリガ信号が発信された時刻と受波素子２１ａにより超音波を受波した時刻との関係から音源１１までの距離を求めるようにしてもよい。ここにおいて、制御部１７は、トリガ信号受信器２３から出力されたトリガ受信信号が入力されたときに直ちにドライバ１２を制御するようにしてもよいし、所定時間後にドライバ１２を制御するようにしてもよい。

実施形態を示し、（ａ）は位置検出システムの概略構成図、（ｂ）は超音波アレイセンサの概略斜視図である。 同上のブロック図である。 同上における熱励起式の超音波発生素子の概略断面図である。 同上における熱励起式の超音波発生素子の動作説明図である。 同上における圧電式の超音波発生素子の動作説明図である。 同上における静電容量式のマイクロホンを示し、（ａ）は一部破断した概略斜視図、（ｂ）は概略断面図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。

符号の説明

Ａ 物体
１ 音源ユニット
２ センサユニット
１１ 音源
１２ ドライバ
１７ 制御部
２１ 超音波受信装置
２１ａ 受波素子
２１ｂ 基板
２２ 位置演算部
２４ メモリ
２７ 制御部
２８ 出力部

Claims (9)

1. 建物内で床面上を移動する位置検出対象の物体に搭載され超音波を発生可能であり共振特性のＱ値が１程度である音源と、建物内の施工面である天井面の定位置に設置され音源から送波された超音波を受波するとともに受波した超音波を電気信号である受波信号に変換し共振特性のＱ値が３〜４程度である複数個の受波素子が同一基板上に２次元的に配列された超音波アレイセンサからなる超音波受信装置と、超音波受信装置である超音波アレイセンサの各受波素子で超音波を受波した時間の時間差と各受波素子の配置位置とに基づいて超音波受信装置に対して音源の存在する方位を求める位置演算部と、音源と超音波受信装置とのうち音源側に設けられ光もしくは電波のトリガ信号を発信するトリガ信号発信器と、超音波受信装置側に設けられトリガ信号を受信するトリガ信号受信器と、トリガ信号発信器からのトリガ信号の送波開始タイミングおよび音源からの超音波の送波開始タイミングを制御する制御部とを備え、位置演算部は、トリガ信号受信器によりトリガ信号を受信した時刻と受波素子により超音波を受波した時刻との関係から超音波受信装置と音源との距離を求める距離演算手段を備えることを特徴とする位置検出システム。
2. 建物内で床面上を移動する位置検出対象の物体に搭載され超音波を発生可能であり共振特性のＱ値が１程度である音源と、建物内の施工面である天井面の定位置に設置され音源から送波された超音波を受波するとともに受波した超音波を電気信号である受波信号に変換し共振特性のＱ値が３〜４程度である複数個の受波素子が同一基板上に２次元的に配列された超音波アレイセンサからなる超音波受信装置と、超音波受信装置である超音波アレイセンサの各受波素子で超音波を受波した時間の時間差と各受波素子の配置位置とに基づいて超音波受信装置に対して音源の存在する方位を求める位置演算部と、音源と超音波受信装置とのうち超音波受信装置側に設けられ光もしくは電波のトリガ信号を発信するトリガ信号発信器と、音源側に設けられトリガ信号を受信するトリガ信号受信器と、トリガ信号受信器にてトリガ信号を受信したときに音源から超音波を送波させる制御部とを備え、位置演算部は、トリガ信号発信器からトリガ信号が発信された時刻と受波素子により超音波を受波した時刻との関係から超音波受信装置と音源との距離を求める距離演算手段を備えることを特徴とする位置検出システム。
3. 前記音源が複数あり、前記各音源と前記超音波受信装置とのうち前記各音源側に設けられそれぞれ固有の識別情報信号を発信する複数の識別情報信号発信器と、前記超音波受信装置側に設けられ識別情報信号を受信する識別情報信号受信器とを備え、前記トリガ信号発信器として識別情報信号発信器を用いるとともに前記トリガ信号受信器として識別情報信号受信器を用いて前記トリガ信号を識別情報信号で兼用し、前記制御部は、前記音源側に設けられ識別情報信号発信器からの識別情報信号の送信開始タイミングおよび前記音源からの超音波の送波開始タイミングを制御し、前記位置演算部は、識別情報信号受信部にて受信した識別情報信号に基づいて前記各音源を個別に特定する音源特定手段を備え、前記距離演算手段は、識別情報信号受信部により識別情報信号を受信した時刻と前記受波素子により超音波を受波した時刻との関係から前記超音波受信装置と前記音源との距離を求めることを特徴とする請求項１記載の位置検出システム。
4. トリガ信号を受信した時刻毎における音源の方位および距離を用いて物体の動きを追跡する動線計測を行うことを特徴とする請求項１または請求項３記載の位置検出システム。
5. 前記音源が複数あり、前記各音源と前記超音波受信装置とのうち前記各音源側に設けられそれぞれ固有の識別情報信号を発信する識別情報信号発信器と、前記超音波受信装置側に設けられ識別情報信号を受信する識別情報信号受信器と、前記超音波受信装置側に設けられ識別情報信号受信部にて受信した識別情報信号に基づいて前記各音源を個別に特定する音源特定手段とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の位置検出システム。
6. 前記音源は、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層とを備え、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化に伴って超音波を発生する超音波発生素子からなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の位置検出システム。
7. 前記受波素子は、超音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量式のマイクロホンからなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の位置検出システム。
8. 受波素子の中心間距離は超音波の波長の０．５〜５倍程度に設定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の位置検出システム。
9. 前記受波素子はマイクロマシンニング技術を利用して形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の位置検出システム。

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