(57)【要約】【課題】情報処理量を低減させた位置検出装置を提供する。【解決手段】位置検出装置は、互いに異なる位置に配置され、かつ、互いに異なる周波数の超音波を送信する複数の超音波送信部と、被検出体に装着され、かつ、複数の前記超音波送信部から送信される前記超音波をそれぞれ受信する超音波受信部と、前記超音波送信部が前記超音波を送信した時刻から前記超音波受信部が当該超音波を受信した時刻までの時間を伝播時間として算出し、前記周波数毎に算出される前記伝播時間に基づいて、前記被検出体の位置を検出する位置検出部と、を備える。【選択図】図２
2020123093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる位置に配置され、かつ、互いに異なる周波数の超音波を送信する複数の超音波送信部と、
被検出体に装着され、かつ、複数の前記超音波送信部から送信される前記超音波をそれぞれ受信する超音波受信部と、
前記超音波送信部が前記超音波を送信した時刻から前記超音波受信部が当該超音波を受信した時刻までの時間を伝播時間として算出し、前記周波数毎に算出される前記伝播時間に基づいて、前記被検出体の位置を検出する位置検出部と、
を備えることを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の位置検出装置であって、
４つ以上の前記超音波送信部を備えており、
前記位置検出部は、前記超音波の音速を未知数とする連立方程式を解くことにより、前記被検出体の座標位置を検出することを特徴とする位置検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の位置検出装置であって、
前記超音波受信部が前記超音波を受信したタイミングでパルス信号を出力するパルス出力部をさらに備え、
前記位置検出部は、前記パルス信号が入力された時刻を、前記超音波受信部が前記超音波を受信した時刻として前記伝播時間を算出することを特徴とする位置検出装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の位置検出装置と、
前記位置検出装置により検出された前記被検出体の位置の変化を、操作情報として認識する操作認識部と、
前記操作情報に基づいた処理を行う制御部と、を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項５】
互いに異なる位置に配置され、かつ、互いに異なる周波数の超音波を送信する複数の超音波送信部と、
被検出体に装着され、かつ、複数の前記超音波送信部から送信される前記超音波をそれぞれ受信する超音波受信部と、を備えた位置検出装置において、
前記超音波送信部が前記超音波を送信した時刻から前記超音波受信部が当該超音波を受信した時刻までの時間を伝播時間として算出し、前記周波数毎に算出される前記伝播時間に基づいて、前記被検出体の位置を検出することを特徴とする位置検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器にジェスチャー操作を入力するための被検出体の位置などを検出する位置検出装置、位置検出方法および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display；ＨＭＤ）やプロジェクターなどの分野では、ジェスチャー操作の入力を受け付けるために、ユーザーの手指等の位置や動きを検出する位置検出装置が開発されている。
例えば、特許文献１には、ＨＭＤに搭載された撮像部によってユーザーの視界に入る実空間を撮像し、撮像画像に基づいてユーザーの手指の動きを検出することが記載されている。
特許文献２には、プロジェクターに搭載された撮影部によってスクリーンの周辺部を撮影し、撮影画像に基づいてスクリーンに対するペンの位置を検出することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−９２２０６号公報
【特許文献２】特開２０１６−９５６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１や特許文献２に記載された技術では、ペンまたはユーザーの手指などの被検出体の位置を画像解析によって検出しており、情報処理量が多くなる。このため、１回の検出サイクルにかかる時間が長くなり、被検出体の検出感度を向上させることが難しい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の位置検出装置は、互いに異なる位置に配置され、かつ、互いに異なる周波数の超音波を送信する複数の超音波送信部と、被検出体に装着され、かつ、複数の前記超音波送信部から送信される前記超音波をそれぞれ受信する超音波受信部と、前記超音波送信部が前記超音波を送信した時刻から前記超音波受信部が当該超音波を受信した時刻までの時間を伝播時間として算出し、前記周波数毎に算出される前記伝播時間に基づいて、前記被検出体の位置を検出する位置検出部と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
本発明の位置検出装置は、４つ以上の前記超音波送信部を備えており、前記位置検出部は、前記超音波の音速を未知数とする連立方程式を解くことにより、前記被検出体の座標位置を検出することが好ましい。
【０００７】
本発明の位置検出装置は、前記超音波受信部が前記超音波を受信したタイミングでパルス信号を出力するパルス出力部をさらに備え、前記位置検出部は、前記パルス信号が入力された時刻を、前記超音波受信部が前記超音波を受信した時刻として前記伝播時間を算出することが好ましい。
【０００８】
本発明の電子機器は、上述の位置検出装置と、前記位置検出装置により検出された前記被検出体の位置の変化を、操作情報として認識する操作認識部と、前記操作情報に基づいた処理を行う制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の位置検出方法は、互いに異なる位置に配置され、かつ、互いに異なる周波数の超音波を送信する複数の超音波送信部と、被検出体に装着され、かつ、複数の前記超音波送信部から送信される前記超音波をそれぞれ受信する超音波受信部と、を備えた位置検出装置において、前記超音波送信部が前記超音波を送信した時刻から前記超音波受信部が当該超音波を受信した時刻までの時間を伝播時間として算出し、前記周波数毎に算出される前記伝播時間に基づいて、前記被検出体の位置を検出することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第一実施形態に係るＨＭＤの外観構成を模式的に示す図。
【図２】前記第一実施形態に係るＨＭＤを模式的に示すブロック図。
【図３】前記第一実施形態の操作端末の外観構成を模式的に示す図。
【図４】超音波送信部の一部を模式的に示す断面図。
【図５】超音波受信部の一部を模式的に示す断面図。
【図６】超音波受信部における受信素子の配置例を示す模式図。
【図７】超音波受信部で受信される超音波およびパルス出力部により出力されるパルス信号の各例を示すグラフ。
【図８】本発明の第二実施形態に係るＨＭＤを示すブロック図。
【図９】２つの超音波受信部によるパルス信号の例を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第一実施形態］
以下、本発明に係る第一実施形態について、説明する。
本実施形態では、本発明の位置検出装置が組み込まれた電子機器としてのＨＭＤについて説明する。
【００１２】
［ＨＭＤの概略構成］
図１は、ＨＭＤ１００の外観構成を示す外観図であり、図２は、ＨＭＤ１００の概略構成を示すブロック図である。
ＨＭＤ１００は、ユーザーの頭部に装着される頭部装着装置１０と、頭部装着装置１０を制御する制御装置４０と、ユーザーの手指に装着される操作端末５０と、を備える。ユーザーが操作端末５０を利用してジェスチャー操作を行うと、制御装置４０は、当該ジェスチャー操作に基づいて頭部装着装置１０を制御する。これにより、頭部装着装置１０に表示される画像やポインターに対する操作（選択や移動など）が実施される。
【００１３】
（頭部装着装置の構成）
図１または図２に示すように、頭部装着装置１０は、ユーザーに画像を視認させる画像表示部２０と、画像表示部２０を保持する保持部１６と、３つの超音波送信部３１〜３３と、を備える。なお、超音波送信部３１〜３３を、第１超音波送信部３１、第２超音波送信部３２および第３超音波送信部３３と記載する場合がある。
【００１４】
画像表示部２０は、左右一対の光学像表示部２１Ａ，２１Ｂと、光学像表示部２１Ａ，２１Ｂをそれぞれ駆動する表示駆動部２２Ａ，２２Ｂとを備えている。
光学像表示部２１Ａ，２１Ｂは、ユーザーが頭部装着装置１０を装着した際にユーザーの左右の目前に位置するように配置される。これらの光学像表示部２１Ａ，２１Ｂは、それぞれ導光板を含んで構成されており、外界光を透過させて外景をユーザーに観察可能とする。
【００１５】
表示駆動部２２Ａ，２２Ｂは、それぞれ、駆動対象である光学像表示部２１Ａ，２１Ｂの近傍に配置されている。表示駆動部２２Ａ，２２Ｂは、図示を省略するが、例えば、バックライトと、バックライト制御部と、バックライトからの光が入射されるＯＬＥＤパネル（Organic Light Emitting Diode）と、ＯＬＥＤ制御部と、ＯＬＥＤパネルから出射された画像光を投写する投写光学系と、を含んでいる。なお、表示駆動部２２Ａ，２２Ｂは、ＯＬＥＤパネルの替わりに液晶ディスプレイを含んでいてもよい。
【００１６】
表示駆動部２２Ａ，２２Ｂは、制御装置４０からの制御に基づいて、光学像表示部２１Ａ，２１Ｂのそれぞれに画像光を出射する。一方の表示駆動部２２Ａから出射された画像光は、光学像表示部２１Ａを介してユーザーの右目に導かれ、他方の表示駆動部２２Ｂから出射された画像光は、光学像表示部２１Ｂを介してユーザーの左目に導かれる。
なお、画像表示部２０は透過型であってもよいし、非透過型であってもよい。
【００１７】
保持部１６は、ユーザーの眼前において光学像表示部２１Ａ，２１Ｂを保持しつつ、ユーザーの両側の側頭部に延伸する部材であり、例えば眼鏡のテンプルのような構成を有する。
【００１８】
超音波送信部３１〜３３は、保持部１６に対してそれぞれ異なる位置に設けられており、頭部装着装置１０を装着したユーザーの前方に向かって、超音波ｆ１〜ｆ３を所定のサイクルで送信する。なお、超音波送信部３１〜３３の詳細については後述する。
【００１９】
（制御装置の構成）
図１に示すように、制御装置４０は、頭部装着装置１０の各構成を制御するために、ケーブルや光ファイバー等であるコード４０１を介して頭部装着装置１０に接続されている。
なお、本実施形態では、コード４０１による接続を例示するが、無線ＬＡＮやブルートゥース（登録商標）等を用いた無線接続としてもよい。また、本実施形態では、制御装置４０は、図１に示すようなトラックパッド４１Ａや方向キー４１Ｂ、電源スイッチ４１Ｃ等を有していてもよい。
【００２０】
図２に示すように、制御装置４０は、通信部４２、記憶部４３およびＣＰＵ４４を備えている。
通信部４２は、無線ＬＡＮやブルートゥース（登録商標）等を介して、操作端末５０の通信部５６と無線接続されている。
記憶部４３は、ＲＯＭやＲＡＭ等によって構成され、種々のコンピュータープログラムや各種データを格納している。また、記憶部４３には、画像表示部２０が表示する画像や映像を含むコンテンツデータや、ユーザーのジェスチャー操作を認識するための設定データなどが記憶されている。
【００２１】
ＣＰＵ４４は、記憶部４３に格納されているコンピュータープログラムを読み出して実行することにより、超音波制御部４４１、位置検出部４４２、操作認識部４４３および表示制御部４４４として機能する。
超音波制御部４４１は、頭部装着装置１０における超音波送信部３１〜３３の各動作を制御する。
位置検出部４４２は、操作端末５０から受信する信号（後述するパルス信号Ｓｐ１，Ｓｐ２，Ｓｐ３）に基づき、ユーザーの各指の位置を検出する。
操作認識部４４３は、位置検出部４４２により検出されたユーザーの各指の位置や当該位置の変化を、ＨＭＤ１に対する操作情報として認識する。操作情報は、例えば、画像表示部２０に表示される画像やポインターに対する操作（選択や移動など）の情報であり、具体的にはタップ操作やワイプ操作などである。なお、操作認識部４４３による具体的な操作認識方法については、従来技術を利用できるものとする。
表示制御部４４４は、操作認識部４４３により認識された操作情報に基づいて、画像表示部２０を制御する。
【００２２】
（操作端末）
図３は、操作端末５０の外観構成を示す外観図である。図３に示すように、操作端末５０は、ユーザーの手指に装着されるウェアラブル型の端末装置である。この操作端末５０は、ユーザーの各指に装着されるリング部Ｌ１〜Ｌ５と、ユーザーの手首に装着されるバンド部Ｂと、を有している。リング部Ｌ１〜Ｌ５は、それぞれケーブルや光ファイバー等であるコード５７を介してバンド部Ｂに接続されている。
なお、ＨＭＤ１００は、ユーザーの両手にそれぞれ装着されるように２つの操作端末５０を有していてもよいが、以下では説明の簡略化のために、１つの操作端末５０について説明する。
【００２３】
リング部Ｌ１〜Ｌ５には、それぞれ、図２に示す超音波受信部５１が設けられている。超音波受信部５１は、リング部Ｌ１〜Ｌ５の外周面の任意の位置に配置されており、頭部装着装置１０における超音波送信部３１〜３３から出射された超音波ｆ１〜ｆ３をそれぞれ受信する。超音波受信部５１の詳細については後述する。
【００２４】
バンド部Ｂには、図２に示すパルス出力部５２および通信部５６が設けられている。パルス出力部５２は、例えばマイコンにより構成され、超音波受信部５１が超音波ｆ１〜ｆ３を受信したタイミングで単発のパルス信号Ｓｐ１〜Ｓｐ３を生成し、通信部５６を介して制御装置４０に送信する。
【００２５】
なお、超音波受信部５１およびパルス出力部５２は、超音波受信ユニット５０１を構成しており、本実施形態の操作端末５０は、リング部Ｌ１〜Ｌ５にそれぞれ対応する５つの超音波受信ユニット５０１を有している。ただし、図２では、図の簡略化のために、１つの超音波受信ユニット５０１を示している。
通信部５６は、無線ＬＡＮやブルートゥース（登録商標）等を介して、制御装置４０の通信部４２と無線接続されている。
【００２６】
（超音波送信部）
超音波送信部３１〜３３の各構成について図４を参照して説明する。なお、超音波送信部３１〜３３の各構成は互いに略同様であるため、以下では、第１超音波送信部３１を例として説明する。
【００２７】
図４に示すように、第１超音波送信部３１は、素子基板３１０と、圧電素子３１３と、を備えている。
素子基板３１０は、基板本体部３１１と、基板本体部３１１の一面側に設けられた振動膜３１２と、を含んで構成されている。
基板本体部３１１は、振動膜３１２を支持する基板であり、例えばＳｉ等の半導体基板で構成される。ここで、基板本体部３１１の厚み方向をγ方向とし、γ方向に直交しかつ互いに直交する２方向をα方向およびγ方向とする。
基板本体部３１１には、γ方向に沿って基板本体部３１１を貫通する開口部３１１Ａが設けられている。この開口部３１１Ａの開口幅は、後述する送信素子ＴＥ１における超音波ｆ１の周波数特性を規定する。
【００２８】
振動膜３１２は、例えばＳｉＯ２や、ＳｉＯ２およびＺｒＯ２の積層体等より構成され、基板本体部３１１のγ方向の一方側（−γ側）に設けられる。この振動膜３１２は、開口部３１１Ａの−γ側を閉塞する。振動膜３１２のうち、γ方向から見た際に開口部３１１Ａと重なる部分は、振動部３１２Ａを構成する。
【００２９】
圧電素子３１３は、振動膜３１２の一面（例えば−γ側の面）で、かつ、γ方向から見た際に各振動部３１２Ａ（各開口部３１１Ａ）と重なる位置に設けられている。この圧電素子３１３は、振動膜３１２上に第１電極３１４、圧電膜３１５、および第２電極３１６が順に積層されることにより構成されている。
ここで、振動部３１２Ａと、当該振動部３１２Ａ上に設けられた圧電素子３１３とにより、超音波トランスデューサーである送信素子ＴＥ１が構成される。
本実施形態の超音波送信部３１は、少なくとも１つの送信素子ＴＥ１を含んでいればよいが、図４に示すように複数の送信素子ＴＥ１を含んでいてもよい。
【００３０】
この超音波送信部３１では、各送信素子ＴＥ１の第１電極３１４および第２電極３１６間に所定周波数のパルス波電圧が印加することで、圧電膜３１５が伸縮する。このとき、振動部３１２Ａが、開口部３１１Ａの開口幅等に応じた周波数で共振振動して、振動部３１２Ａの＋γ側から超音波ｆ１が送信される。本実施形態では、振動部３１２Ａの＋γ側は、頭部装着装置１０を装着したユーザーの前方側となる。
【００３１】
第２超音波送信部３２および第３超音波送信部３３は、上述の第１超音波送信部３１と同様の構成を有する。すなわち、第２超音波送信部３２は、少なくとも１つの送信素子ＴＥ２を含んで構成され、第３超音波送信部３３は、少なくとも１つの送信素子ＴＥ３を含んで構成される。
【００３２】
ただし、超音波送信部３１〜３３は、送信素子ＴＥ１〜ＴＥ３が、互いに異なる周波数λ１〜λ３の超音波ｆ１〜ｆ３を送信するように構成されている点で異なる。
具体的には、送信素子ＴＥ１〜ＴＥ３の開口部は、互いに異なる寸法に設定された開口幅Ｗ１〜Ｗ３を有する。換言すると、送信素子ＴＥ１〜ＴＥ３は、互いに異なる共振周波数に設定されている。
よって、超音波送信部３１〜３３は、送信素子ＴＥ１〜ＴＥ３を共振駆動されることにより、互いに異なる周波数λ１〜λ３の超音波ｆ１〜ｆ３を送信する。
【００３３】
（超音波受信部）
超音波受信部５１の各構成について、図５を参照して説明する。なお、以下では、超音波受信部５１の構成について、超音波送信部３１と同じ構成の説明を省略する場合がある。
【００３４】
図５に示すように、超音波受信部５１は、基板本体部５１１および振動膜５１２を含む素子基板５１０と、圧電素子５１３Ａ〜５１３Ｃと、を備えている。
基板本体部５１１には、γ方向に沿って基板本体部５１１を貫通する複数の開口部５１１Ａ，５１１Ｂ，５１１Ｃが設けられている。開口部５１１Ａ，５１１Ｂ，５１１Ｃの各開口幅Ｗ１〜Ｗ３は、後述する受信素子ＲＥ１〜ＲＥ３における超音波の受信周波数を規定する。
振動膜５１２のうち、γ方向から見た際に基板本体部５１１の開口部５１１Ａ，５１１Ｂ，５１１Ｃと重なる部分は、振動部５１２Ａ，５１２Ｂ，５１２Ｃを構成している。
圧電素子５１３Ａ，５１３Ｂ，５１３Ｃは、振動膜５１２の一面（例えば−γ側の面）で、かつ、γ方向から見た際に各振動部５１２Ａ，５１２Ｂ，５１２Ｃと重なる位置に設けられている。圧電素子５１３Ａ，５１３Ｂ，５１３Ｃは、それぞれ、第１電極５１４、圧電膜５１５および第２電極５１６を有している。
【００３５】
ここで、振動部５１２Ａと、当該振動部５１２Ａ上に設けられた圧電素子５１３Ａとにより、超音波トランスデューサーである第１受信素子ＲＥ１が構成される。同様に、振動部５１２Ｂと、当該振動部５１２Ｂ上に設けられた圧電素子５１３Ｂとにより、第２受信素子ＲＥ２が構成され、振動部５１２Ｃと、当該振動部５１２Ｃ上に設けられた圧電素子５１３Ｃとにより、第３受信素子ＲＥ３が構成される。なお、第１受信素子ＲＥ１、第２受信素子ＲＥ２および第３受信素子ＲＥ３は、単に受信素子ＲＥ１〜ＲＥ３と記載する場合がある。
【００３６】
これら受信素子ＲＥ１〜ＲＥ３の最大感度の周波数は、超音波送信部３１〜３３の周波数λ１〜λ３にそれぞれ合致している。すなわち、受信素子ＲＥ１には、送信素子ＴＥ１と同様の共振周波数が設定され、受信素子ＲＥ２には、送信素子ＴＥ２と同様の共振周波数が設定され、受信素子ＲＥ３には、送信素子ＴＥ３と同様の共振周波数が設定されている。よって、超音波受信部５１は、超音波送信部３１〜３３により送信される超音波ｆ１〜ｆ３をそれぞれ受信する３種の受信素子ＲＥ１〜ＲＥ３を有しているといえる。
【００３７】
具体的には、第１超音波送信部３１から送信された超音波ｆ１が開口部５１１Ａを通り第１受信素子ＲＥ１に入力されると、振動部５１２Ａが共振振動し、圧電素子５１３Ａに電位差が発生する。これにより、当該電位差に応じた受信信号Ｓｆ１が出力され、当該受信信号Ｓｆ１を検出することで、超音波ｆ１の受信が検出される。
同様に、第２超音波送信部３２から送信された超音波ｆ２が第２受信素子ＲＥ２に入力されると、受信信号Ｓｆ２が出力され、第３超音波送信部３３から送信された超音波ｆ３が第３受信素子ＲＥ３に入力されると、受信信号Ｓｆ３が出力される。
【００３８】
図６は、超音波受信部５１における受信素子ＲＥ１〜ＲＥ３の配置例を示す模式図である。
本実施形態では、図６に示すように、受信素子ＲＥ１〜ＲＥ３は、２次元マトリクス状に並べられている。
具体的には、複数の受信素子ＲＥ１がβ方向の列Ｙ１を形成し、複数の受信素子ＲＥ２がβ方向の列Ｙ２を形成し、複数の受信素子ＲＥ３がβ方向の列Ｙ３を形成している。これらの列Ｙ１〜Ｙ３は、α方向に並べられている。
各列Ｙ１〜Ｙ３の両端部では、第１電極５１４に対して第１端子部５１７が接続されている。第１端子部５１７は、受信信号Ｓｆ１〜Ｓｆ３のノイズを除去する受信回路（図示省略）を介して、パルス出力部５２に接続される。
また、受信素子ＲＥ１〜ＲＥ３によるα方向の各列の両端部では、第２電極５１６に対して共通電極５１８が接続される。共通電極５１８のβ方向の両端部には、第２端子部５１９が接続されている。第２端子部５１９は、共通電位回路（図示省略）に接続され、共通電位が印加される。
このような構成では、受信素子ＲＥ１〜ＲＥ３による列Ｙ１〜Ｙ３毎に１つの受信列ＣＨが構成され、複数の受信列ＣＨがα方向に沿って並ぶ構成となる。
【００３９】
以上に説明したＨＭＤ１００では、図２に示すように、操作端末５０と、制御装置４０の一部と、超音波送信部３１〜３３とが、ユーザーの指の位置を検出するための位置検出装置２００を構成している。
【００４０】
［位置検出方法］
ユーザーの各指の位置、具体的にはユーザーの各指に装着された超音波受信部５１の位置を検出する方法について説明する。なお、以下では、説明の簡略化のため、１つの超音波受信部５１の位置検出方法について説明する。
【００４１】
まず、超音波制御部４４１の制御により、超音波送信部３１〜３３は、超音波ｆ１〜ｆ３を所定の送信サイクルで繰り返し送信する。１回分の送信サイクルは、超音波ｆ１〜ｆ３を送信する第１期間と、超音波の送信を停止する第２期間とを含む。超音波送信部３１〜３３の各送信サイクルは、互いに同期している。
【００４２】
図７は、超音波受信部５１で受信された受信信号Ｓｆ１〜Ｓｆ３、および、パルス出力部５２により出力されるパルス信号Ｓｐ１〜Ｓｐ３の各例を示す図である。なお、図７は、１回分の送信サイクルに対応する期間を示している。
図７に示すように、超音波受信部５１の受信素子ＲＥ１〜ＲＥ３は、受信した超音波ｆ１〜ｆ３に応じて、受信信号Ｓｆ１〜Ｓｆ３を出力する。パルス出力部５２は、受信信号Ｓｆ１〜Ｓｆ３と時間軸との交点Ｐ１〜Ｐ３を検出すると、パルス信号Ｓｐ１〜Ｓｐ３を生成し、通信部５６を介して制御装置４０に送信する。
【００４３】
制御装置４０では、位置検出部４４２が、送信サイクルの開始時刻ｔ０からパルス信号Ｓｐ１〜Ｓｐ３の受信時刻ｔ１〜ｔ３までの各時間を算出する。ここで、パルス信号Ｓｐ１〜Ｓｐ３毎に、すなわち周波数λ１〜λ３毎に算出される時間を、伝播時間Ｔ１〜Ｔ３とする。伝播時間Ｔ１は、送信サイクルの開始時刻ｔ０からパルス信号Ｓｐ１の受信時刻ｔ１までの時間であり、伝播時間Ｔ２は、送信サイクルの開始時刻ｔ０からパルス信号Ｓｐ２の受信時刻ｔ２までの時間であり、伝播時間Ｔ３は、送信サイクルの開始時刻ｔ０からパルス信号Ｓｐ３の受信時刻ｔ３までの時間である。
なお、本実施形態では、パルス信号Ｓｐ１〜Ｓｐ３が立ち上がった時刻を受信時刻ｔ１〜ｔ３としているが、本発明はこれに限られず、パルス信号Ｓｐ１〜Ｓｐ３が立ち下がった時刻を受信時刻としてもよい。
【００４４】
次に、位置検出部４４２は、算出した伝播時間Ｔ１〜Ｔ３に基づいて、下記の連立方程式（１）〜（３）を解くことにより、超音波受信部５１の座標位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出する。
なお、本実施形態では、図１に示すように、頭部装着装置１０を基準とした任意の位置を直角座標の原点とし、頭部装着装置１０を装着したユーザーの左右方向をＸ方向とし、当該ユーザーの奥行方向をＹ方向とし、鉛直方向をＺ方向とする。
【数１】
2020123093.tif 000003
【数２】
2020123093.tif 000004
【数３】
2020123093.tif 000005
【００４５】
なお、上記式（１）〜（３）において、Ｘａ，Ｙａ，Ｚａは、超音波送信部３１の座標位置であり、Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂは、超音波送信部３２の座標位置であり、Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃは、超音波送信部３３の座標位置である。超音波送信部３１〜３３の各座標位置は既知である。Ｃは、超音波の音速であり、本実施形態では固定値である。
【００４６】
以上によれば、超音波受信部５１の座標位置、すなわち超音波受信部５１が装着されたユーザーの指の位置が求められる。
本実施形態では、ユーザーの各指に装着された各超音波受信部５１の座標位置を、前述した位置検出方法によりそれぞれ求める。これにより、ユーザーの５本の指によるジェスチャー操作を認識することができる。
【００４７】
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の位置検出装置２００は、互いに異なる位置に配置され、かつ、互いに異なる周波数λ１〜λ３の超音波ｆ１〜ｆ３を送信する複数の超音波送信部３１〜３３と、被検出体（ユーザーの指）に装着され、かつ、複数の超音波送信部３１〜３３から送信される超音波ｆ１〜ｆ３をそれぞれ受信する超音波受信部５１と、周波数λ１〜λ３毎に算出される伝播時間Ｔ１〜Ｔ３に基づいて、被検出体の位置を検出する位置検出部４４２と、を備える。
このような本実施形態では、超音波を利用して被検出体の位置を検出することにより、画像解析を行う従来技術と比べて、情報処理量が減少する。このため、１回の検出サイクルを短縮することができ、被検出体の検出感度を向上できる。
【００４８】
また、本実施形態において、位置検出装置２００は、電子機器であるＨＭＤ１００に組み込まれている。すなわち、本実施形態のＨＭＤ１００は、上述の位置検出装置２００と、位置検出装置２００により検出された被検出体の位置を操作情報として認識する操作認識部４４３と、操作情報に基づいた処理を行う表示制御部４４４（本発明の制御部に相当）と、を備える。
【００４９】
ここで、超音波以外を利用した従来の位置検出技術として、電波を利用した位置検出技術（例えばＧＰＳ）が存在するが、その精度は一般的に３ｍ程度であり、電子機器に対するジェスチャー操作を検出するために必要な精度を確保することは困難である。
一方、本実施形態で利用する超音波の位置精度は、１ｍｍ程度であり、ユーザー指の位置や指同士の間隔（１ｃｍ程度）を、ジェスチャー操作を検出するために良好な精度で検出できる。
【００５０】
また、超音波以外を利用した従来の位置検出技術として、レーザー光を利用した位置検出技術（例えば変位センサー）が存在する。当該技術の精度は０．１μｍ程度であり、非常に高精度である。しかし、レーザー光が１ｃｍ進むためにかかる時間は、３３ｐｓ程度であり、極短い時間である。このため、指同士の間隔（１ｃｍ程度）を識別するためには、３３ｐｓ以下の時間分解能を有する高価な装置を必要とする。
一方、本実施形態で利用する超音波が１ｃｍ進むためにかかる時間は、２９μｓ程度である。このため、指同士の間隔（１ｃｍ程度）を識別するために必要な時間分解能は、２９μｓ以下となり、位置検出装置２００を汎用ＩＣによって構成することができ、安価なコストで構成可能である。
【００５１】
本実施形態の位置検出装置２００は、超音波受信部５１が超音波を受信したタイミングでパルス信号Ｓｐ１〜Ｓｐ３を出力するパルス出力部５２をさらに備え、位置検出部４４２は、パルス信号Ｓｐ１〜Ｓｐ３が入力された時刻を、超音波受信部５１が超音波を受信した時刻として伝播時間Ｔ１〜Ｔ３を算出する。
このような構成によれば、超音波受信部５１が超音波ｆ１〜ｆ３を受信した時刻の情報はパルス信号Ｓｐ１〜Ｓｐ３となって出力されるため、操作端末５０と制御装置４０との間の通信を、無線通信にすることが容易である。
【００５２】
［第二実施形態］
本発明に係る第二実施形態について説明する。本実施形態は、超音波の周波数の種類数が第一実施形態と異なるものであり、第一実施形態とほぼ同様の構成を有する。以下、第一実施形態と異なる点について説明し、第一実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００５３】
図８は、本実施形態のＨＭＤ１００Ａを示すブロック図である。
本実施形態のＨＭＤ１００Ａに組み込まれた位置検出装置２００Ａは、超音波送信部３１〜３３に加えて、さらに１つの超音波送信部３４を備え、合計４つの超音波送信部３１〜３４を備える。超音波送信部３４は、頭部装着装置１０において超音波送信部３１〜３３とは異なる位置に配置され、少なくとも１つの送信素子ＴＥ４を含んで構成される。送信素子ＴＥ１〜ＴＥ４は、互いに異なる周波数λ１〜λ４の超音波ｆ１〜ｆ４を送信するように構成されている。すなわち、超音波送信部３１〜３４は、送信素子ＴＥ１〜ＴＥ４を共振駆動されることにより、互いに異なる周波数λ１〜λ４の超音波ｆ１〜ｆ４を送信する。
【００５４】
また、本実施形態において、超音波受信部５１は、受信素子ＲＥ１〜ＲＥ３に加えて、さらに１種の第４受信素子ＲＥ４を備え、合計４つの受信素子ＲＥ１〜ＲＥ４を備える。受信素子ＲＥ１〜ＲＥ４の最大感度の周波数は、超音波送信部３１〜３４の周波数λ１〜λ４にそれぞれ合致している。
【００５５】
このような本実施形態において、位置検出部４４２は、超音波受信部５１で受信する周波数λ１〜λ４毎に、伝播時間Ｔ１〜Ｔ４を算出する。そして、算出した伝播時間Ｔ１〜Ｔ４に基づいて、第一実施形態に記載した連立方程式（１）〜（３）を解くことにより、超音波受信部５１の座標位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出する。
ここで、本実施形態の連立方程式（１）〜（３）におけるＣは、超音波の音速であるが、本実施形態では、第一実施形態とは異なり、Ｃを未知数として連立方程式を解く。
【００５６】
以上の本実施形態によれば、超音波の音速が気温などの環境要因によって変動した場合であっても、超音波受信部５１の座標位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）をより正確に算出できる。
すなわち、超音波の音速は、気温などの環境要因によって変動するものであるが、本実施形態では、環境センサーなどを利用して音速を補正せずとも、正確な超音波受信部５１の座標位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出できる。
【００５７】
［変形例］
なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００５８】
（変形例１）
前記各実施形態では、リング部Ｌ１〜Ｌ５にそれぞれ設けられた超音波受信部５１の各座標位置を求める例を示したが、本発明はこれに限られない。例えば、位置検出部４４２は、任意の１つの超音波受信部５１の座標位置を求めた後、当該超音波受信部５１と他の超音波受信部５１との間の距離を求めてもよい。
例えば、図９は、第一実施形態の変形例を説明する図である。図９において、上段部分は、リング部Ｌ１に設けられた超音波受信部５１（第１の超音波受信部）に対応するパルス信号Ｓｐ１〜Ｓｐ３の例を示し、下段部分は、リング部Ｌ２に設けられた超音波受信部５１（第２の超音波受信部）に対応するパルス信号Ｓｐ１〜Ｓｐ３の例を示す。なお、図９に示されるパルス信号Ｓｐ１〜Ｓｐ３は、１回分の送信サイクルに対応する。
図９に示す例では、位置検出部４４２は、リング部Ｌ１に設けられた超音波受信部５１で受信された超音波ｆ１の受信時刻ｔ１Ａと、リング部Ｌ２に設けられた超音波受信部５１で受信された超音波ｆ１の受信時刻ｔ１Ｂとの間の差時間ΔＴを算出する。そして、位置検出部４４２は、音速Ｃに差時間ΔＴを乗ずることで、２つの超音波受信部５１の間の距離を算出する。
このような変形例によれば、２本の指の幅の変化を算出するための演算式が簡単になるため、例えばピンチインやピンチアウトなどの拡縮操作を素早く検出できる。
【００５９】
（変形例２）
前記各実施形態では、ユーザーの５本の指のそれぞれに超音波受信部５１が装着される例を示したが、本発明はこれに限られない。例えば、操作端末５０は、少なくとも１つの超音波受信部５１を有するものであればよい。また、超音波受信部５１は、ユーザーの指に装着されることに限定されず、例えばペンなど、任意の被検出体に装着されてもよい。
【００６０】
（変形例３）
前記各実施形態では、位置検出装置２００，２００Ａが、３つまたは４つの超音波送信部を有しているが、本発明はこれに限られない。すなわち、本発明の位置検出装置は、互いに異なる周波数の超音波を送信する２つ以上の超音波送信部を有していればよい。
【００６１】
例えば、前記第一実施形態において、位置検出装置２００が、２つの超音波送信部３１，３２を備え、かつ、超音波送信部３３を備えていない場合、位置検出部４４２は、算出した伝播時間Ｔ１，Ｔ２に基づいて、前述の連立式（１），（２）を解くことにより、超音波受信部５１の座標位置（Ｘ，Ｙ）を算出する。すなわち、位置検出装置２００は、超音波受信部５１の３次元座標ではなく、２次元座標を検出してもよい。
【００６２】
（変形例４）
前記各実施形態では、位置検出装置２００，２００ＡがＨＭＤ１００，１００Ａに組み込まれた例について説明しているが、本発明はこれに限られない。すなわち、本発明の位置検出装置は、プロジェクターなどの他の電子機器に組み込んで利用することができる。
例えば、本発明の位置検出装置が組み込まれたプロジェクターでは、プロジェクターの本体装置やスクリーン等に対する任意の位置に複数の超音波送信部を設けてもよい。また、プロジェクターの操作端末として、ペン状部材の先端部に超音波受信部を設けた端末を構成してもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１…ＨＭＤ、１０…頭部装着装置、１００，１００Ａ…ＨＭＤ、１６…保持部、２０…画像表示部、２００，２００Ａ…位置検出装置、２１Ａ，２１Ｂ…光学像表示部、２２Ａ，２２Ｂ…表示駆動部、３１〜３４…超音波送信部、３１０…素子基板、３１１…基板本体部、３１１Ａ…開口部、３１２…振動膜、３１２Ａ…振動部、３１３…圧電素子、３１４…第１電極、３１５…圧電膜、３１６…第２電極、４０…制御装置、４２…通信部、４３…記憶部、４４…ＣＰＵ、４４１…超音波制御部、４４２…位置検出部、４４３…操作認識部、４４４…表示制御部、５０…操作端末、５０１…超音波受信ユニット、５１…超音波受信部、５１０…素子基板、５１１…基板本体部、５１１Ａ，５１１Ｂ，５１１Ｃ…開口部、５１２…振動膜、５１２Ａ，５１２Ｂ，５１２Ｃ…振動部、５１３Ａ，５１３Ｂ，５１３Ｃ…圧電素子、５１４…第１電極、５１５…圧電膜、５１６…第２電極、５１７…第１端子部、５１８…共通電極、５１９…第２端子部、５２…パルス出力部、５６…通信部、Ｂ…バンド部、ｆ１〜ｆ４…超音波、Ｌ１〜Ｌ５…リング部、ＲＥ１〜ＲＥ４…受信素子、Ｓｆ１〜Ｓｆ３…受信信号、Ｓｐ１〜Ｓｐ３…パルス信号、ｔ１〜ｔ３…受信時刻、Ｔ１〜Ｔ３…伝播時間、ＴＥ１〜ＴＥ３…送信素子。
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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