JP2008051655A - 位置検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】施工が容易で、且つ、超音波の利用効率を高めることができるとともに、位置検出の精度を高めることが可能な位置検出システムを提供する。
【解決手段】位置検出対象の移動体Ａに搭載され超音波を送波する超音波送波部１１を有する送信装置１と、超音波送波部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の受波素子が同一基板上に配列されたアレイセンサからなる超音波受波部２１を有する受信装置２と、超音波受波部２１の各受波素子で超音波を受波した時刻の時間差と各受波素子の配置位置とに基づいて受信装置２に対して送信装置１の存在する方位を求めるとともに、受信装置２と送信装置１との距離を求め、受信装置２に対する送信装置１の相対位置を求める位置演算部２２と、超音波送波部１１から送波される超音波の指向性を調整する指向性調整部１８とを備える。
【選択図】図１

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、位置検出対象の複数の移動体それぞれに設けられた送信装置（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個の受信装置（超音波受信機）と、送信装置から送波された超音波が受信装置で受波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に開示された位置検出システムでは、各受信装置それぞれを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、演算処理手段の一部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。

上記特許文献１に開示された位置検出システムは、受信装置から送信装置に対して赤外線を媒体とする許可信号を送信し、送信装置では許可信号を受け取ると超音波を送波する。したがって、上述の位置検出システムでは、受信装置において許可信号を送信してから超音波を受波するまでの時間を計測することで、送信装置までの距離を算出することができ、３個の受信装置において送信装置までの距離を算出するから、３個の受信装置の既知の位置に基づいて送信装置の位置を特定することができる。

また、建物内に存在する移動体の位置を検出する位置検出システムとして、互いに離間して配置される第１の送信装置（超音波発信装置）と第２の送信装置（超音波発信装置）と、移動体に装着され超音波を受信する受信装置とを備え、第１の送信装置から間欠的に発信される超音波パルス信号および第２の送信装置から間欠的に発信される超音波パルス信号を受信装置にて受信して移動体の位置を求めるようにした位置検出システムが提案されている（例えば、特許文献２）。
特開２００３−２７９６４０号公報（段落〔００１２〕〜〔００２４〕、図１〜図４） 特開平７−１４０２４１号公報（段落〔０００９〕〜〔００２２〕、図１〜図６）

上記特許文献１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受信装置を１個ずつ設置する必要があり、演算処理手段において位置検出対象の物体（移動体）の位置情報を求めるためには、少なくとも３箇所に受信装置を設置しなければならず、施工に手間がかかる。しかも、上述の位置検出システムでは、３個の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、受信装置の配置設計が難しく、施工に手間がかかるという問題があった。

また、上記特許文献１に開示された位置検出システムでは、送信装置から送波される超音波が３個の受信装置それぞれで受波されるように超音波の指向性を低くする必要があるので、送信装置の超音波送波面の面積を広くする必要があり、送信装置での消費エネルギが高くなってしまう。

また、上記特許文献２に開示された位置検出システムは、位置検出対象の移動体の位置情報を求めるためには少なくとも第１の送信装置と第２の送信装置との２台の送信装置を設置する必要があり、しかも、第１の送信装置から間欠的に発信させる超音波パルス信号と第２の送信装置から間欠的に発信させる超音波パルス信号とを同期させるために別途の制御手段が必要となるので、コストが高くなってしまう。

また、上記特許文献２に開示された位置検出システムにおいては、１個の受信装置において２個の発信装置から送波される超音波を受波しなければならず、超音波の指向性を低くする必要があるので、送信装置の超音波送波面の面積を広くする必要があり、送信装置での消費エネルギが高くなってしまう。

また、上記特許文献１，２に開示された位置検出システムでは、移動体の移動空間がある程度決まっているような場合でも、移動体の移動空間とは無関係で必要のない領域まで送信装置から超音波が送波されるので、超音波の利用効率が低くなってしまう。また、移動体の移動空間が例えば壁などにより仕切られた通路のような幅が比較的狭い空間に限られているような場合、反射波の影響により、位置検出の精度が低下してしまうことがあった。

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、超音波の利用効率を高めることができるとともに、位置検出の精度を高めることが可能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、位置検出対象の移動体に搭載され超音波を発生可能な超音波送波部を有する送信装置と、超音波送波部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の受波素子が同一基板上に配列されたアレイセンサからなる超音波受波部を有する受信装置と、超音波受波部の各受波素子で超音波を受波した時刻の時間差と各受波素子の配置位置とに基づいて受信装置に対して送信装置の存在する方位を求めるとともに、受信装置と送信装置との距離を求め、受信装置に対する送信装置の相対位置を求める位置演算部と、超音波送波部から送波される超音波の指向性を調整する指向性調整部とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、受信装置が、超音波送波部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の受波素子が同一基板上に配列されたアレイセンサからなる超音波受波部を有し、位置演算部が、超音波受波部の各受波素子で超音波を受波した時刻の時間差と各受波素子の配置位置とに基づいて受信装置に対して送信装置の存在する方位を求めるとともに、受信装置と送信装置との距離を求め、受信装置に対する送信装置の相対位置を求めるように構成されているので、１個の受信装置の出力に基づいて当該受信装置に対する送信装置の相対位置を求めることができるから、施工が容易になり、また、超音波送波部から送波される超音波の指向性を調整する指向性調整部を備えているので、超音波の利用効率を高めることができるとともに、位置検出の精度を高めることが可能になる。

請求項２の発明は、定位置に配置され位置検出対象の移動体の移動空間内へ超音波を送波可能な超音波送波部を有する送信装置と、移動体に搭載され超音波送波部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の受波素子が同一基板上に配列されたアレイセンサからなる超音波受波部を有する受信装置と、前記基板に平行な面内における移動体の向きを検出する向き検出手段と、超音波受波部の各受波素子で超音波を受波した時刻の時間差と各受波素子の配置位置と向き検出手段により検出された移動体の向きとに基づいて受信装置に対して送信装置の存在する方位を求めるとともに、受信装置と送信装置との距離を求め、受信装置に対する送信装置の相対位置を求める位置演算部と、超音波送波部から送波される超音波の指向性を調整する指向性調整部とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、受信装置が、超音波送波部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の受波素子が同一基板上に配列されたアレイセンサからなる超音波受波部を有し、位置演算部が、超音波受波部の各受波素子で超音波を受波した時刻の時間差と各受波素子の配置位置とに基づいて受信装置に対して送信装置の存在する方位を求めるとともに、受信装置と送信装置との距離を求め、受信装置に対する送信装置の相対位置を求めるように構成されているので、１個の受信装置の出力に基づいて当該受信装置に対する送信装置の相対位置を求めることができるから、施工が容易になり、また、超音波送波部から送波される超音波の指向性を調整する指向性調整部を備えているので、超音波の利用効率を高めることができるとともに、位置検出の精度を高めることが可能になる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記送信装置が、トリガ信号を送信するトリガ信号送信部を有するとともに、前記受信装置が、トリガ信号を受信するトリガ信号受信部を有し、前記位置演算部は、トリガ信号受信部によりトリガ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受信装置と前記送信装置との距離を求めることを特徴とする。

この発明によれば、トリガ信号受信部によりトリガ信号を受信してから前記受波素子により超音波を受波するまでの時刻を計測することによって、超音波が送信装置から受信装置まで伝搬するのに要した伝搬時間を知ることができ、当該伝搬時間と超音波の既知の速度とを用いて前記受信装置と前記送信装置との距離を求めることができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記指向性調整部は、前記超音波送波部にて発生させる超音波の波長を変えることにより超音波の指向性を調整する波長調整手段からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記超音波送波部にて発生させる超音波の波長を変える波長調整手段によって超音波の指向性を調整することができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記指向性調整部は、前記超音波送波部の超音波送波面の面積を変えることにより超音波の指向性を調整する面積調整手段からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記超音波送波部の超音波送波面の面積を変える面積調整手段によって超音波の指向性を調整することができる。

請求項１，２の発明では、施工が容易になり、且つ、超音波の利用効率を高めることができるとともに、位置検出の精度を高めることが可能になるという効果がある。

（実施形態１）
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）Ａであり、間欠的に超音波を送波可能な超音波送波部１１を有する送信装置１を移動体Ａの上面に搭載する一方で、超音波送波部１１から間欠的に送波された超音波を受波する超音波受波部２１を有する受信装置２を施工面である天井面２００の定位置に設置し、移動体Ａの移動状況（移動体Ａの移動した位置）を追跡する動線計測システムを例示する。

送信装置１には、上述の超音波送波部１１と、超音波送波部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部１３と、トリガ信号発信部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部１５と、識別情報信号発信部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、超音波送波部１１からの超音波の送波開始タイミング、トリガ信号発信部１３からのトリガ信号の送信開始タイミング、識別情報信号発信部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、受信装置２は、上述の超音波受波部２１と、トリガ信号発信部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部２３と、識別情報信号発信部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部２５と、超音波受波部２１から出力される受波信号とトリガ信号受信部２３から出力されるトリガ受信信号とを用いて移動体Ａが移動する空間に設定した直交座標からなるグローバル座標における送信装置１の位置を求める位置演算部２２と、現在時刻を計時する時計機能を有しトリガ信号受信部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で求めた送信装置１の位置と当該位置に送信装置１が位置していたときの時刻（タイマ２６から出力されたトリガ受信時刻）と、当該送信装置１の識別情報信号の識別データとを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。

ここで、位置演算部２２において、超音波受波部２１から出力とトリガ信号受信部２３の出力とを用いて求められる送信装置１の位置は、受信装置２に対する相対位置であり、図３に示すように受信装置２に設定された直交座標（ローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌ）の座標位置として求められる。ここに、本実施形態では、床面１００から天井面２００までの高さは一定とみなしている。したがって、移動体Ａの移動する空間において送信装置１の高さ位置は変化しないから、受信装置２に設定されたローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌを床面１００の上の２次元座標として扱い、移動体Ａの移動する空間に設定したグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇも高さについては考慮せず、床面１００の上の２次元座標として扱う。さらに説明すれば、位置演算部２２は、超音波受波部２１から出力とトリガ信号受信部２３の出力とを用いて、受信装置２に設定された直交座標からなるローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌにおける送信装置１の座標位置を求め、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける受信装置２の座標位置とローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌにおける送信装置１の座標位置とに基づいて、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける送信装置１の座標位置を求めるように構成されている。なお、この構成については後述する。

本実施形態の位置検出システムでは、受信装置２のキャリブレーションが必要であり、キャリブレーションの際には、位置演算部２２において、超音波受波部２１の出力およびトリガ信号受信部２３の出力を用いてローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌでの送信装置１の座標位置を求め、送信装置１がグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける既知の座標位置（基準位置）に位置するときに、両座標位置を用いてグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇでの受信装置２の座標位置を求める。また、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇでの受信装置２の座標位置を求めた後には、ローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌでの送信装置１の座標位置を用いてグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇでの送信装置１の座標位置を求めることができる。つまり、受信装置２には、ローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌでの送信装置１の座標位置を用いて、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける受信装置２の座標位置を求める動作モード（キャリブレーションモード）と、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける送信装置１の座標位置を求める動作モード（運転モード）とがある。なお、位置演算部２２の動作については後述する。

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グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける送信装置１の座標位置は制御部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などへ出力される。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。出力部２８から取り出されたデータは、管理装置において利用され、移動体Ａが移動した経路を追跡することにより動線を計測することができる。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。

送信装置１の超音波送波部１１としては、図４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４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１１ａを用いることが望ましい。なお、支持基板３１の平面形状は矩形状であって、発熱体層３３の平面形状も矩形状に形成してある。また、支持基板３１の上記一表面側において熱絶縁層３２が形成されていない部分の表面にはシリコン酸化膜からなる絶縁膜（図示せず）が形成されている。

熱励起式の超音波発生素子１１ａ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。

一方、従来から超音波発生素子として広く用いられている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（ｂ）に示す超音波波形のように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１１ａ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５（ａ）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１１ａ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５（ａ）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１１ａ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１１ａ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。

トリガ信号発信部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、電波発信部を用いればよい。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、送信装置１から受信装置２までの超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。

識別情報信号発信部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、電波発信部を用いればよく、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。

受信装置２の超音波受波部２１は、図２（ｂ）に示すように、超音波送波部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の受波素子２１ａが同一基板２１ｂ上で２次元的に配列された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は超音波送波部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、超音波送波部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、超音波送波部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。

トリガ信号受信部２３は、トリガ信号発信部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、トリガ信号受信部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。

識別情報信号受信部２５は、識別情報信号発信部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、識別情報信号受信部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、超音波受波部２１の各受波素子２１ａで音波を受波した時刻（以下、受波時刻と称す）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の到来方向、すなわち、送信装置１の存在する方位を求める。ここにおいて、超音波の到来方向は、図３に示す直交座標におけるｘｚ平面とｙｚ平面との各角度として求められる。以下では、ｘｚ平面内での角度をθｘ、ｙｚ平面内での角度をθｙと記述する。つまり、超音波の到来方向は（θｘ，θｙ）の対で表される。

以下、位置演算部２２において超音波の到来方向（θｘ，θｙ）を求める処理について説明するが、説明を簡単にするために、超音波受波部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ものとする（実際には上述のように２次元的に配列されている）。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、超音波受波部２１に対して超音波送波部１１の存在する方位角）はθ_０になる。ここにおいて、超音波の速度を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。したがって、θ_０＝ｓｉｎ^-1（Δｔ_０・ｃ／Ｌ）となるから、時間差Δｔ_０を求めれば、超音波の到来方向θ_０を求めることができる。

図８（ａ）〜（ｃ）は上述の超音波送波部１１から略１周期の超音波（図５（ａ）参照）を送波したときの図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、超音波の到来方向を求める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、超音波受波部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、超音波受波部２１に対する超音波の到来方向を求めることができる。ここで、位置演算部２２は、上述の信号処理部２２ｃの他に、超音波受波部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、トリガ信号受信部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超音波の到来方向を求める。

ところで、本実施形態では、超音波送波部１１として上述の熱励起式の超音波発生素子１１ａを用いているので、図９に示すように、超音波受波部２１の各受波素子２１ａへ２つの到来方向θ_１，θ_２から超音波が到来する場合、到来方向θ_１から到来する超音波の方が到来方向θ_２の方向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、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到来方向θ_１から到来した超音波に対応し、右側の受波信号が到来方向θ_２から到来した超音波に対応している。なお、到来方向θ_１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となるから、θ_１＝ｓｉｎ^-1（Δｔ_１・ｃ／Ｌ）となり、時間差Δｔ_１を求めれば、超音波の到来方向θ_１を求めることができる。同様に、到来方向θ_２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となるから、θ_２＝ｓｉｎ^-1（Δｔ_２・ｃ／Ｌ）となり、時間差Δｔ_２を求めれば、超音波の到来方向θ_２を求めることができる。

図７、図９の例では説明を簡単にするために受波素子２１ａを一直線上に配列した例で説明したが、実際には一平面上においてｘ方向とｙ方向とにそれぞれ複数個の受波素子２１ａを配列してあるので、ｘｚ平面内での到来方向θｘと、ｙｚ平面内での到来方向θｙとを同時に求めることができる。つまり、超音波の到来方向を（θｘ，θｙ）の組み合わせで求めることができる。

また、位置演算部２２の信号処理部２２ｃは、トリガ信号受信部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受信装置２と送信装置１との距離（実質的には、受信装置２の超音波受波部２１と送信装置１の超音波送波部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超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、送信装置１から受信装置２までのトリガ信号の到達時間は送信装置１から受信装置２までの超音波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受信信号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、超音波の速度とによって受信装置２と送信装置１と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。

なお、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、上述のように、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇでの受信装置２の座標位置を求める必要があり、そのため、移動体Ａをグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇの座標位置が既知である基準位置に位置させる。

いま、図１２に示すように床面１００の上でグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇの座標位置が既知である基準位置Ｐｓを設定し、基準位置Ｐｓに移動体Ａを位置させた場合を想定する。ここで、移動体Ａに対する送信装置１の位置は変化しないから、移動体Ａの位置は送信装置１の位置を表しているものとみなして説明する。基準位置Ｐｓのグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける座標位置を（Ｘ_Ｇ１１，Ｙ_Ｇ１１）とする。グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける受信装置２の座標位置を求めるには、まず、位置演算部２２を受信装置２の位置を求めるキャリブレーションモードに設定した状態で、移動体Ａを基準位置Ｐｓに位置させる。

受信装置２の位置演算部２２では、ローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌにおける送信装置１の座標位置を求めることができるから、この座標位置を（Ｘ_Ｌ１１，Ｙ_Ｌ１１）とする。ここで、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇとローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌとの座標軸の向きが一致するという制約条件を設定すれば、基準位置Ｐｓについて、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける座標位置（Ｘ_Ｇ１１，Ｙ_Ｇ１１）とローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌにおける座標位置（Ｘ_Ｌ１１，Ｙ_Ｌ１１）との差が、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける受信装置２の座標位置（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ）になる。すなわち、Ｘ_Ｒ＝Ｘ_Ｇ１１−Ｘ_Ｌ１１、Ｙ_Ｒ＝Ｙ_Ｇ１１−Ｙ_Ｌ１１として受信装置２の座標位置を求めることができる。

グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇでの受信装置２の座標位置（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ）は座標変換処理部２２ｄに格納され、信号処理部２２ｃでの以後の処理に用いられる。また、座標変換処理部２２ｄには、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける基準位置Ｐｓの座標位置（Ｘ_Ｇ１１，Ｙ_Ｇ１１）も格納されている。ここで、座標変換処理部２２ｄに格納されたデータの変更頻度は少なくから、座標変換処理部２２ｄにはＥＥＰＲＯＭのような不揮発性メモリを用いるのが望ましい。座標位置（Ｘ_Ｇ１１，Ｙ_Ｇ１１）は、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける基準位置Ｐｓを実装した結果に基づいて設定される。すなわち、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇでの送信装置１の座標位置を求める運転モードでは、座標変換処理部２２ｄに格納された受信装置２の座標位置を用いることで、送信装置１の座標位置を算出するのである。なお、基準位置Ｐｓの計測は床面１００の上で行うから作業は容易である。

ところで、上述の説明では、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇの座標軸とローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌの座標軸との向きが一致しているという制約条件を設定したが、このような制約条件を成立させるには、受信装置２の取付方向がグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇの座標軸に対して一定の関係になるように施工しなければならない。したがって、受信装置２の設置施工時に座標位置については考慮しなくてもよいから設置施工が容易になるものの、依然としてグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇの座標軸との関係については考慮しなければならない（グローバル座標の座標軸に沿ったラインが天井面２００に設けられている場合もあるから、その場合には設置施工は比較的容易である）。

そこで、以下では受信装置２の取付方向についても制約を設けずに設置施工が可能になる技術を説明する。上述の動作ではグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける受信装置２の座標位置を求めるだけであり、座標軸の回転角を考慮しないから、未知数は２であって、上述したように１つの基準位置Ｐｓについて２式を設定すれば未知数を求めることができる。一方、座標軸の回転角を考慮する場合にはグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇの座標軸に対するローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌの座標軸の回転角θ_Ｒを求めなければならないから、未知数が３つ（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ，θ_Ｒ）になる。つまり、１つの基準位置Ｐｓから得られる２式のみでは未知数を求めることができない。そこで、基準位置を２つ設定する。

いま、図１３に示すように、２つの基準位置Ｐｓ１，Ｐｓ２（Ｐｓ２は図示せず）のうちの一方の基準位置Ｐｓ１について、受信装置２ではグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける座標位置（Ｘ_Ｇ１１，Ｙ_Ｇ１１）が既知であり、ローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌにおける座標位置（Ｘ_Ｌ１１，Ｙ_Ｌ１１）が計測されているものとする。ここで、受信装置２に関する未知数（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ，θ_Ｒ）とこれらの座標位置（Ｘ_Ｇ１１，Ｙ_Ｇ１１），（Ｘ_Ｌ１１，Ｙ_Ｌ１１）との関係は、下記数１のように表すことができる。

同様にして、基準位置Ｐｓ２についてもグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける座標位置（Ｘ_Ｇ１２，Ｙ_Ｇ１２）とローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌにおける座標位置（Ｘ_Ｌ１２，Ｙ_Ｌ１２）との関係を下記数２のように表すことができる。

ここで、数１と数２とから（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ）を消去すれば、θ_Ｒに関する下記数３が得られる。

さらに、数３を数１、数２に適用すれば、（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ）を求めることができる。

したがって、受信装置２の座標位置を求めるには、まず移動体Ａを基準位置Ｐｓ１に位置させてローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌにおける座標位置（Ｘ_Ｌ１１，Ｙ_Ｌ１１）を求め、次に、移動体Ａを基準位置Ｐｓ２に位置させてローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌにおける座標位置（Ｘ_Ｌ１２，Ｙ_Ｌ１２）を求めると、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける受信装置２の位置をローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌにおける座標軸の回転角θ_Ｒを含めて求めることができる。

ところで、送信装置１には、超音波送波部１１から送波される超音波の指向性を調整する指向性調整部１８が設けられている。ここにおいて、指向性調整部１８は、超音波送波部１１にて発生させる超音波の波長を変えることにより超音波の指向性を調整する波長調整手段であって、超音波送波部１１を駆動するドライバ１２から上述の熱励起式の超音波発生素子１１ａからなる超音波送波部１１へ与える駆動電圧あるいは駆動電流の波形の周波数を変化させることにより、超音波の波長を変化させる。ここで、指向性調整部１８は、図示しない操作部の操作に応じて超音波送波部１１にて発生させる超音波の波長を適宜調整できるように構成されている。

ところで、超音波送波部１１の超音波送波面が正方形である場合、例えば、正弦波状の超音波の波長を６０ｋＨｚ、超音波送波面のサイズを３ｍｍ□とすると、超音波送波面に直交する中心線とのなす角度で規定した指向角θと指向角θが０°での音圧を１として規格化した指向性Ｄｓ（θ）とは図１４に示すような関係にあり、指向角θが大きくなるにつれて指向性Ｄｓ（θ）が徐々に小さくなるが、変曲点が存在する。ここで、指向角θと指向性Ｄｓ（θ）との関係は、超音波送波面の１辺の長さを２ａ、超音波の波長をλ、指向角をθとした場合、下記数４で表されることが知られている。

ここで、例えば、図１５に示すように移動体Ａの移動範囲がある程度決まっており、超音波受波部２１において、上記ｘｚ平面における視野角θｘｍ＝４０°、上記ｙｚ平面における視野角θｙｍ＝４０°となる視野Ｅを必要とする場合、超音波送波面を１辺が１０ｍｍの正方形とすると、上記数４を利用して算出されるλから、超音波の周波数を３４ｋＨｚに調整すればよい。

以上説明した本実施形態の位置検出システムでは、受信装置２が、超音波送波部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の受波素子２１ａが同一基板２１ｂ上に配列されたアレイセンサからなる超音波受波部２１を有し、位置演算部２２が、超音波受波部２１の各受波素子２１ａで超音波を受波した時刻の時間差と各受波素子２１ａの配置位置とに基づいて受信装置２に対して送信装置１の存在する方位を求めるとともに、受信装置２と送信装置１との距離を求め、受信装置２に対する送信装置１の相対位置を求めるように構成されているので、１個の受信装置２の出力に基づいて当該受信装置２に対する送信装置１の相対位置を求めることができるから、施工が容易になる。

また、超音波送波部１１から送波される超音波の指向性を調整する指向性調整部１８を備えているので、移動体Ａの移動空間Ｄがある程度決まっているような場合に、移動体Ａの移動空間Ｄとは無関係で必要のない領域まで送信装置１から超音波が送波されたり、反射波の影響により位置検出の精度が低下してしまうのを抑制することができ、超音波の利用効率を高めることができるとともに、位置検出の精度を高めることが可能になる。

なお、上記実施形態では、送信装置１にトリガ信号発信部１３を設けるとともに受信装置２にトリガ信号受信部２３を設けてあるが、トリガ信号発信部１３を受信装置２側に設けるとともにトリガ信号受信部２３を送信装置１側に設けて、制御部１７がトリガ信号受信部２３の出力に基づいて超音波送波部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が、トリガ信号発信部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送信装置１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、トリガ信号受信部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２）
本実施形態の位置検出システムの基本構成は実施形態１と略同じであって、超音波送波部１１が、図１６に示すように複数個の超音波発生素子１１ａが同一基板１１ｂ上で２次元アレイ状に配列されており、指向性調整部１８が、超音波送波部１１の超音波送波面の面積を変えることにより超音波の指向性を調整する面積調整手段により構成されている点が相違する。なお、超音波発生素子１１ａの中心間距離（配列ピッチ）Ｌ１は、実際に超音波を発生させる超音波発生素子１１ａの集合が１つの音源としてみなせる程度に短く設定することが望ましく、本実施形態では、５ｍｍに設定してある。他の構成は実施形態１と同じなので、図示および説明を省略する。

ここで、超音波送波部１１は、図１６における上下方向をｙ方向、左右方向をｘ方向とすれば、ｙ方向に並んだ超音波発生素子１１ａのうち超音波を発生させる超音波発生素子１１ａの数をｙ方向に並んだ複数個の切替スイッチＳＷｙにより選択することができ、また、ｘ方向に並んだ超音波発生素子１１ａのうち超音波を発生させる超音波発生素子１１ａの数をｘ方向に並んだ複数個の選択スイッチＳＷｘにより選択することができるようになっており、指向性調整部１８を操作して各切替スイッチＳＷｙおよび各選択スイッチＳＷｘを適宜制御することにより、超音波送波部１１の超音波送波面の面積を変えることができる。なお、図１６には、全ての選択スイッチＳＷｘをオンし、全ての切替スイッチＳＷｙを図１６における一番下の超音波発生素子１１ａ以外の超音波発生素子１１ａに通電されないように切り替えた例を示してあり、超音波送波部１１の一対の入力端子１１ｃ，１１ｃへの通電に伴い超音波を発生する超音波発生素子１１ａに斜線を施してある。

ところで、実施形態１にて説明したように、超音波送波部１１の超音波送波面が１辺が２ａの正方形であるとすると、指向角θと指向性Ｄｓ（θ）との関係は上記数４で表される。ここにおいて、例えば、図１７に示すように移動体Ａの移動方向Ｂがある程度決まっており、超音波受波部２１において、上記ｘｚ平面における視野角θｘｍ＝４０°、上記ｙｚ平面における視野角θｙｍ＝８°となる視野Ｅを必要とする場合、超音波送波部１１はＤｓ（４０°）がＤｓ（０°）の５０％となるように超音波送波面の形状を設計すればよく、超音波の波長λを５．６７μｍ（つまり、超音波の周波数を６０ｋＨｚ）とすると、上記数４から、超音波送波面におけるｘ方向の長さを２６ｍｍ、ｙ方向の長さを５．６ｍｍとすればよいことが分かる。ここで、超音波送波面のサイズをあらかじめ大きく設計しておいて、上記数４により決まる超音波送波面のサイズに対応する開孔部を有するマスクを設けることも考えられるが、移動体Ａの移動空間Ｄに合わせてマスクを設計して製造する必要があるので、コストが高くなってしまう。

これに対して、本実施形態では、指向性調整部１８がマイクロコンピュータなどにより構成されており、超音波受波部２１の視野角θｘｍ、θｙｍの値を入力することにより、上記数４を利用して矩形状の超音波送波面のうち上記ｘ方向およびｙ方向それぞれに沿った各辺の長さを求める演算を行い、当該演算により求めた超音波送波面の各辺の長さに応じて各切替スイッチＳＷｙおよび各選択スイッチＳＷｘの状態を制御するようになっている。

しかして、本実施形態の位置検出システムでは、超音波送波部１１が２次元アレイ状に配列された複数個の超音波発生素子１１ａを有しており、超音波を発生させる超音波発生素子１１ａの数を互いに直交するｘ方向、ｙ方向それぞれについて独立して調整することにより、超音波発生部１１の超音波送波面の面積を変えることができるので、汎用性が高くなり、低コスト化を図れる。

（実施形態３）
実施形態１においては送信装置１を移動体Ａに搭載し、受信装置２を天井面などの定位置に固定する例を示したが、本実施形態の位置検出システムでは、図１８に示すように、受信装置２がジャイロセンサ２９を備え、図１９に示すように、送信装置１を天井面２００の定位置に固定し、受信装置２を移動体Ａに搭載する点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態においても、受信装置２の超音波受波部２１の出力を用いて得られる送信装置１の位置は、受信装置２に対する送信装置１の相対位置であり、受信装置２に設定されたローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌの座標位置として求められる。ここに、本実施形態においても、床面１００から天井面２００までの高さは一定とみなしており、移動体Ａの移動空間Ｄにおいて受信装置２の高さ位置は変化しないから、ローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌを床面１００の上の二次元座標として扱う。後述するように、受信装置２にはグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける送信装置１の座標位置が格納されており、超音波受波部２１の出力を用いてローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌにおける送信装置１の座標位置を求めることにより、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける受信装置２の座標位置を求めることができるようにしてある。グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇも高さについては考慮せず、床面１００の上の二次元座標として扱う。

本実施形態においても、受信装置２のキャリブレーションが必要であって、キャリブレーションの際には、位置演算部２２において、超音波受波部２１の出力を用いてローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌでの送信装置１の座標位置を求め、受信装置２がグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける既知の座標位置に位置するときに、両座標位置を用いてグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇでの送信装置１の座標位置を求める。また、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇでの送信装置１の座標位置を求めた後には、ローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌでの送信装置１の座標位置を用いることにより、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇでの受信装置２の座標位置を求めることができる。

つまり、受信装置２には、ローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌでの送信装置１の座標位置を用いて、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける送信装置１の座標位置を求める動作モード（キャリブレーションモード）と、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける受信装置２の座標位置を求める動作モード（運転モード）とがある。

メモリ２４には、位置演算部２２で求めたグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける受信装置２の座標位置と、当該座標位置に位置していたときの時刻（トリガ信号受信部２３でトリガ信号を受信した時刻）と、当該受信装置２の識別データとが対応付けられて格納される。メモリ２４に格納されたデータは制御部２７において必要に応じて読み出され、出力部２８を通して外部の管理装置などに出力される。出力部２８から取り出された検出結果は、別に設けた管理装置において利用され、本実施形態では、移動体Ａが移動した経路を追跡することにより動線を計測する。ここに、受信装置２は移動体Ａに搭載されているから、出力部２８から取り出された検出結果は無線により管理装置に伝送するのが望ましい。

本実施形態においても、受信装置２に対する送信装置１の相対的な距離を知ることができる。つまり、送信装置１の方向と距離とを知ることができるから、受信装置２では送信装置１の三次元位置を求めることができる。ただし、上述したように本実施形態では床面１００の上の二次元座標での座標位置を求める。つまり、三次元位置に対して既知の高さ寸法を用いることにより床面１００の上での二次元座標を求めることができる。なお、この演算は信号処理部２２ｃにおいて行う。

以上説明したように、受信装置２では送信装置１からのトリガ信号を受信すると、超音波の到来方向および送信装置１までの距離を算出し、移動体Ａの床面１００の上の二次元座標（ローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌ）での座標位置を求める。また、実施形態１と同様、トリガ信号を受信した時刻およびトリガ信号に対応する識別データをメモリ２４に格納する。

上述した処理によってローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌでの送信装置１の座標位置を求めることができる。すなわち、位置演算部２２のうちデータ格納部２２ｂ、信号処理部２２ｃによりローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌでの受信装置２の座標位置を求めることができる。一方、本実施形態では、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇでの送信装置１の座標位置を求める必要があり、そのため、移動体Ａをグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇの座標位置が既知である基準位置に位置させる。

受信装置２の位置演算部２２では、ローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌにおける送信装置１の座標位置を求めることができるから、この座標位置を（Ｘ_Ｌ１，Ｙ_Ｌ１）とする。ここで、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇとローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌとの座標軸との向きが一致するという制約条件を設定すれば、図２０に示すように、送信装置１のグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける座標位置（Ｘ_Ｇ１，Ｙ_Ｇ１）と、送信装置１のローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌにおける座標位置（Ｘ_Ｌ１，Ｙ_Ｌ１）と、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける受信装置２の座標位置（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ）との間には、Ｘ_Ｇ１＝Ｘ_Ｒ＋Ｘ_Ｌ１、Ｙ_Ｇ１＝Ｙ_Ｒ＋Ｙ_Ｌ１の関係が成立する。つまり、受信装置２が座標位置（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ）に位置するときに、送信装置１のローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌにおける座標位置（Ｘ_Ｌ１，Ｙ_Ｌ１）を用いて、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける送信装置１の座標位置（Ｘ_Ｇ１，Ｙ_Ｇ１）を求めることができる。逆に、送信装置１についてグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける座標位置（Ｘ_Ｇ１，Ｙ_Ｇ１）が既知であれば、ローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌにおける座標位置（Ｘ_Ｌ１，Ｙ_Ｌ１）を計測することにより、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける受信装置２の座標位置（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ）を求めることができる。

ここで、移動体Ａに対する受信装置２の位置は変化しないから、以下では移動体Ａの位置は受信装置２の位置を表しているものとみなして説明する。

グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける受信装置２の座標位置（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ）を求めるには、位置演算部２２をキャリブレーションモードとし、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける送信装置１の座標位置（Ｘ_Ｇ１，Ｙ_Ｇ１）を求める必要がある。つまり、床面１００の上でグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇの座標位置が既知である基準位置を設定し、位置演算部２２をキャリブレーションモードに設定した状態で、移動体Ａを基準位置に位置させる。基準位置に移動体Ａを位置させると、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける受信装置２の座標位置（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ）が既知であり、ローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌにおける送信装置１の座標位置（Ｘ_Ｌ１，Ｙ_Ｌ１）を計測することができるから、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける送信装置１の座標位置（Ｘ_Ｇ１，Ｙ_Ｇ１）を求めることができる。

グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇでの送信装置１の座標位置（Ｘ_Ｇ１，Ｙ_Ｇ１）は座標変換処理部２２ｄに格納され、信号処理部２２ｃでの以後の処理に用いられる。また、座標変換処理部２２ｄには、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける基準位置の座標位置も格納されている。なお、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇでの基準位置の座標位置は実測により設定される。また、基準位置の計測は床面１００の上で行うから作業は容易である。

グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇでの送信装置１の座標位置（Ｘ_Ｇ１，Ｙ_Ｇ１）を求めた後には、位置演算部２２を動作モードとしてグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇでの受信装置２の座標位置（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ）を求めることができる。動作モードでは、座標変換処理部２２ｄに格納された送信装置１の座標位置（Ｘ_Ｇ１，Ｙ_Ｇ１）を用いることで、受信装置２の座標位置（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ）を算出する。

ところで、上述の説明では、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇとローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌとの座標軸との向きが一致しているという制約条件を設定したが、この制約条件があると移動体Ａの移動にも制約が生じる。そこで、上述の制約条件を取り除くために、本実施形態では、移動体Ａに搭載される受信装置２に、上記基板２１ｂに平行な面内における移動体Ａの向きを検出する向き検出手段としてのジャイロセンサ２９を設けている。ジャイロセンサ２９の出力はＡ／Ｄ変換器２２ｅを介して信号処理部２２ｃに入力される。

上述の動作ではグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇに対するローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌの回転角、すなわち移動体Ａの向きを考慮していないから未知数は２であって、上述したように１個の基準位置について２式を設定すれば未知数を求めることができる。一方、座標軸の回転角を考慮する場合にはグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇの座標軸に対するローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌの座標軸の回転角θ_Ｒを求めなければならないから未知数が３個（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ，θ_Ｒ）になる。つまり、１個の基準位置から得られる２式のみでは未知数を求めることができない。そこで、回転角θ_Ｒを求めるためにジャイロセンサ２９を設けている。

座標軸の回転角θＲを考慮すると、図２１に示すように、送信装置１のグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける座標位置（Ｘ_Ｇ１，Ｙ_Ｇ１）と、送信装置１のローカル座標Ｘ_Ｌ−Ｙ_Ｌにおける座標位置（Ｘ_Ｌ１，Ｙ_Ｌ１）と、グローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける受信装置２の座標位置（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ）との間には、下記数５の関係が成立する。

回転角θ_Ｒを考慮する場合であっても演算式が異なるだけであって、上述した処理と同様の処理になる。すなわち、キャリブレーションモードでグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける送信装置１の座標位置（Ｘ_Ｇ１，Ｙ_Ｇ１）を求めて座標変換処理部２２ｄに格納し、動作モードにおいてグローバル座標Ｘ_Ｇ−Ｙ_Ｇにおける受信装置２の座標位置（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ）を求める際には、座標変換処理部２２ｄに格納した送信装置１の座標位置（Ｘ_Ｇ１，Ｙ_Ｇ１）を用いるのである。なお、受信装置２では識別情報信号によって各送信装置１を識別する。

また、本実施形態においても、例えば、図２２に示すように移動体Ａの移動範囲がある程度決まっており、超音波受波部２１において、上記ｘｚ平面における視野角θｘｍ＝４０°、上記ｙｚ平面における視野角θｙｍ＝４０°となる視野Ｅを必要とする場合、超音波送波面を１辺が１０ｍｍの正方形とすると、上記数４を利用して算出されるλから、超音波の周波数を３４ｋＨｚに調整すればよい。

以上説明した本実施形態の位置検出システムにおいても、実施形態１と同様に、１個の受信装置２の出力に基づいて当該受信装置２に対する送信装置１の相対位置を求めることができるから、施工が容易になり、また、超音波送波部１１から送波される超音波の指向性を調整する指向性調整部１８を備えているので、超音波の利用効率を高めることができるとともに、位置検出の精度を高めることが可能になる。

（実施形態４）
本実施形態の位置検出システムの基本構成は実施形態３と略同じであって、超音波送波部１１および指向性調整部１８が実施形態２と同じになっている点が相違するだけなので、システム構成の図示および説明を省略する。

本実施形態の位置検出システムにおいても、例えば、図２３に示すように移動体Ａの移動方向Ｂがある程度決まっており、超音波受波部２１において、上記ｘｚ平面における視野角θｘｍ＝４０°、上記ｙｚ平面における視野角θｙｍ＝８°となる視野Ｅを必要とする場合、超音波送波部１１はＤｓ（４０°）がＤｓ（０°）の５０％となるように超音波送波面の形状を設計すればよく、超音波の波長λを５．６７μｍ（つまり、超音波の周波数を６０ｋＨｚ）とすると、上記数４から、超音波送波面におけるｘ方向の長さを２６ｍｍ、ｙ方向の長さを５．６ｍｍとすればよいことが分かる。

ここで、本実施形態においても、実施形態２と同様に、指向性調整部１８がマイクロコンピュータなどにより構成されており、超音波受波部２１の視野角θｘｍ、θｙｍの値を入力することにより、上記数４を利用して矩形状の超音波送波面のうち上記ｘ方向およびｙ方向それぞれに沿った各辺の長さを求める演算を行い、当該演算により求めた超音波送波面の各辺の長さに応じて各切替スイッチＳＷｙおよび各選択スイッチＳＷｘの状態を制御するようになっている。

しかして、本実施形態に位置検出システムにおいても、超音波送波部１１が２次元アレイ状に配列された複数個の超音波発生素子１１ａを有しており、超音波を発生させる超音波発生素子１１ａの数を互いに直交するｘ方向、ｙ方向それぞれについて独立して調整することにより、超音波発生部１１の超音波送波面の面積を変えることができるので、汎用性が高くなり、低コスト化を図れる。

実施形態１を示すシステム構成図である。 同上を示し、（ａ）は使用例を示す概略構成図、（ｂ）は超音波受波部の概略斜視図である。 同上の原理説明図である。 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。 同上の原理説明図である。 同上の他の動作での原理説明図である。 同上の説明図である。 同上の説明図である。 実施形態２における超音波送波部の概略構成図である。 同上の説明図である。 実施形態３を示すシステム構成図である。 同上を示し、（ａ）は使用例を示す概略構成図、（ｂ）は超音波受波部の概略斜視図である。 同上の原理説明図である。 同上の他の動作での原理説明図である。 同上の説明図である。 実施形態４の説明図である。

符号の説明

Ａ 移動体
Ｄ 移動空間
１ 送信装置
２ 受信装置
１１ 超音波送波部
１２ ドライバ
１３ トリガ信号発信部
１７ 制御部
１８ 指向性調整部（波長調整手段、面積調整手段）
２１ 超音波受波部
２１ａ 受波素子
２１ｂ 基板
２２ 位置演算部
２３ トリガ信号受信部
２４ メモリ
２９ ジャイロセンサ（向き検出手段）

Claims (5)

1. 位置検出対象の移動体に搭載され超音波を送波する超音波送波部を有する送信装置と、超音波送波部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の受波素子が同一基板上に配列されたアレイセンサからなる超音波受波部を有する受信装置と、超音波受波部の各受波素子で超音波を受波した時刻の時間差と各受波素子の配置位置とに基づいて受信装置に対して送信装置の存在する方位を求めるとともに、受信装置と送信装置との距離を求め、受信装置に対する送信装置の相対位置を求める位置演算部と、超音波送波部から送波される超音波の指向性を調整する指向性調整部とを備えることを特徴とする位置検出システム。
2. 定位置に配置され位置検出対象の移動体の移動空間内へ超音波を送波する超音波送波部を有する送信装置と、移動体に搭載され超音波送波部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の受波素子が同一基板上に配列されたアレイセンサからなる超音波受波部を有する受信装置と、前記基板に平行な面内における移動体の向きを検出する向き検出手段と、超音波受波部の各受波素子で超音波を受波した時刻の時間差と各受波素子の配置位置と向き検出手段により検出された移動体の向きとに基づいて受信装置に対して送信装置の存在する方位を求めるとともに、受信装置と送信装置との距離を求め、受信装置に対する送信装置の相対位置を求める位置演算部と、超音波送波部から送波される超音波の指向性を調整する指向性調整部とを備えることを特徴とする位置検出システム。
3. 前記送信装置が、トリガ信号を送信するトリガ信号送信部を有するとともに、前記受信装置が、トリガ信号を受信するトリガ信号受信部を有し、前記位置演算部は、トリガ信号受信部によりトリガ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受信装置と前記送信装置との距離を求め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。
4. 前記指向性調整部は、前記超音波送波部にて発生させる超音波の波長を変えることにより超音波の指向性を調整する波長調整手段からなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の位置検出システム。
5. 前記指向性調整部は、前記超音波送波部の超音波送波面の面積を変えることにより超音波の指向性を調整する面積調整手段からなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の位置検出システム。
   

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