(57)【特許請求の範囲】
【請求項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を備え、受信装置は、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る位置演算部と、超音波受波部の指向性を調整する指向性調整部とを備え、超音波受波部は、同一基板の一平面上においてｘ方向とｙ方向とにそれぞれ複数の受波素子を配列してあり、指向性調整部は、各受波素子それぞれの出力の有効と無効とを選択することにより超音波受波部の指向性を調整することを特徴とする位置検出システム。
【請求項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を備え、受信装置は、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る位置演算部と、超音波受波部の指向性を調整する指向性調整部とを備え、超音波受波部は、同一基板の一平面上においてｘ方向とｙ方向とにそれぞれ複数の受波素子を配列してあり、指向性調整部は、各受波素子それぞれの出力の有効と無効とを選択することにより超音波受波部の指向性を調整することを特徴とする位置検出システム。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
しかしながら、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。
【０００５】
また、従来から、超音波を送波する超音波送波部と、超音波送波部から送波され検知対象物で反射された超音波を受波する受波素子を平面上に配列したアレイセンサからなる超音波受波部と、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超音波受波部に対して検知対象物の存在する方位を求めるとともに、超音波受波部と検知対象物との距離を求める演算処理部とを備えた位置検出システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。この演算処理部では、各受波素子の受波信号をあらかじめ設定した遅延時間だけ遅延させた後に加算する演算処理（遅延加算処理）を行い、加算結果が最大になるときの遅延時間の組み合わせに対応する方向を超音波の到来方向として求める機能を有している。
【０００６】
そこで、上述のアレイセンサからなる超音波受波部と位置演算部とを備えた受信装置を上記特許文献１に開示された位置検出システムの受信装置の代わりに用いることにより、受信装置の配置設計を容易にすることが考えられる。
【特許文献１】特開２００３−２７９６４０号公報
【特許文献２】特開２００２−１５６４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述のアレイセンサからなる超音波受波部と位置演算部とを備えた受信装置を用いた位置検出システムでは、移動体の移動空間とは無関係で必要のない領域まで受信装置の検知エリアが設定されている場合（例えば、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という問題や、演算処理部での演算処理の負荷が必要以上に大きくなってしまうという問題が発生することがあった。
【０００８】
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、移動体の移動空間に応じて超音波受波部の検知エリアを変更可能な位置検出システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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を備え、受信装置は、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る位置演算部と、超音波受波部の指向性を調整する指向性調整部とを備え、超音波受波部は、同一基板の一平面上においてｘ方向とｙ方向とにそれぞれ複数の受波素子を配列してあり、指向性調整部は、各受波素子それぞれの出力の有効と無効とを選択することにより超音波受波部の指向性を調整することを特徴とする。
【００１０】
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る位置演算部とを備えているので、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、超音波受波部の指向性を調整する指向性調整部を備えているので、超音波受波部の指向性を調整することにより、移動体の移動空間に応じて超音波受波部の検知エリアを変更することができ、反射波などの影響を抑制できて位置検出の精度を高めることが可能になる。また、この発明によれば、超音波受波部は、同一基板の一平面上においてｘ方向とｙ方向とにそれぞれ複数の受波素子を配列してあり、指向性調整部は、各受波素子それぞれの出力の有効と無効とを選択することにより超音波受波部の指向性を調整するので、位置演算部において必要以上の個数の受波素子の出力を用いて演算が行われるのを抑制でき、位置演算部での演算処理の負荷を軽減することが可能になる。
【００１１】
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を備え、受信装置は、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る位置演算部と、超音波受波部の指向性を調整する指向性調整部とを備え、超音波受波部は、同一基板の一平面上においてｘ方向とｙ方向とにそれぞれ複数の受波素子を配列してあり、指向性調整部は、各受波素子それぞれの出力の有効と無効とを選択することにより超音波受波部の指向性を調整することを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、受信装置が、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る位置演算部とを備えているので、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、超音波受波部の指向性を調整する指向性調整部を備えているので、超音波受波部の指向性を調整することにより、移動体の移動空間に応じて超音波受波部の検知エリアを変更することができ、反射波などの影響を抑制できて位置検出の精度を高めることが可能になる。また、この発明によれば、超音波受波部は、同一基板の一平面上においてｘ方向とｙ方向とにそれぞれ複数の受波素子を配列してあり、指向性調整部は、各受波素子それぞれの出力の有効と無効とを選択することにより超音波受波部の指向性を調整するので、位置演算部において必要以上の個数の受波素子の出力を用いて演算が行われるのを抑制でき、位置演算部での演算処理の負荷を軽減することが可能になる。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１，２の発明では、施工が容易になり、且つ、移動体の移動空間に応じて超音波受波部の検知エリアを変更可能になるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（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。
【００１９】
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。
【００２０】
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（グローバル座標ＸＧ−ＹＧ）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。
【００２１】
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ＸＬ−ＹＬ）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の移動する移動空間Ｄ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ＸＬ−ＹＬを床面１００の上の２次元座標として扱い、移動体Ａの移動する移動空間Ｄに設定したグローバル座標ＸＧ−ＹＧ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に設定されたローカル座標ＸＬ−ＹＬにおける送信装置１の座標位置を求め、グローバル座標ＸＧ−ＹＧにおける受信装置２の座標位置とローカル座標ＸＬ−ＹＬ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ＸＧ−ＹＧ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。
【００２２】
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ＸＬ−ＹＬ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ＸＧ−ＹＧ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ＸＧ−ＹＧ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ＸＧ−ＹＧ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ＸＬ−ＹＬでの送信装置１の座標位置を用いてグローバル座標ＸＧ−ＹＧ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ＸＬ−ＹＬでの送信装置１の座標位置を用いて、グローバル座標ＸＧ−ＹＧ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ＸＧ−ＹＧ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。
【００２３】
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ＸＧ−ＹＧ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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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１．６３×１０６Ｊ／（ｍ３・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０．７×１０６Ｊ／（ｍ３・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０．５×１０６Ｊ／（ｍ３・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。
【００２８】
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２．５×１０６Ｊ／（ｍ３・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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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θ０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θ０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ｄ０、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Δｔ０（図８参照）は、Δｔ０＝ｄ０／ｃ＝Ｌ・ｓｉｎθ０／ｃになる。したがって、θ０＝ｓｉｎ-1（Δｔ０・ｃ／Ｌ）となるから、時間差Δｔ０を求めれば、超音波の到来方向θ０を求めることができる。
【００４１】
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。
【００４２】
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θ１，θ２から超音波が到来する場合、到来方向θ１から到来する超音波の方が到来方向θ２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θ１，θ２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θ１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θ２から到来した超音波に対応している。なお、到来方向θ１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ｄ１（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Δｔ１（図１０参照）は、Δｔ１＝ｄ１／ｃ＝Ｌ・ｓｉｎθ１／ｃとなるから、θ１＝ｓｉｎ-1（Δｔ１・ｃ／Ｌ）となり、時間差Δｔ１を求めれば、超音波の到来方向θ１を求めることができる。同様に、到来方向θ２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ｄ２（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Δｔ２（図１０参照）は、Δｔ２＝ｄ２／ｃ＝Ｌ・ｓｉｎθ２／ｃとなるから、θ２＝ｓｉｎ-1（Δｔ２・ｃ／Ｌ）となり、時間差Δｔ２を求めれば、超音波の到来方向θ２を求めることができる。
【００４３】
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。
【００４４】
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。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。
【００４５】
ところで、本実施形態では、上述のように、グローバル座標ＸＧ−ＹＧ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ＸＧ−ＹＧの座標位置が既知である基準位置に位置させる。
【００４６】
いま、図１２に示すように床面１００の上でグローバル座標ＸＧ−ＹＧ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ＸＧ−ＹＧにおける座標位置を（ＸＧ１１，ＹＧ１１）とする。グローバル座標ＸＧ−ＹＧ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。
【００４７】
受信装置２の位置演算部２２では、ローカル座標ＸＬ−ＹＬ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（ＸＬ１１，ＹＬ１１）とする。ここで、グローバル座標ＸＧ−ＹＧとローカル座標ＸＬ−ＹＬ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ＸＧ−ＹＧにおける座標位置（ＸＧ１１，ＹＧ１１）とローカル座標ＸＬ−ＹＬにおける座標位置（ＸＬ１１，ＹＬ１１）との差が、グローバル座標ＸＧ−ＹＧにおける受信装置２の座標位置（ＸＲ，ＹＲ）になる。すなわち、ＸＲ＝ＸＧ１１−ＸＬ１１、ＹＲ＝ＹＧ１１−ＹＬ１１として受信装置２の座標位置を求めることができる。
【００４８】
グローバル座標ＸＧ−ＹＧでの受信装置２の座標位置（ＸＲ，ＹＲ）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ＸＧ−ＹＧにおける基準位置Ｐｓの座標位置（ＸＧ１１，ＹＧ１１）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（ＸＧ１１，ＹＧ１１）は、グローバル座標ＸＧ−ＹＧ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ＸＧ−ＹＧ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。
【００４９】
ところで、上述の説明では、グローバル座標ＸＧ−ＹＧの座標軸とローカル座標ＸＬ−ＹＬ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ＸＧ−ＹＧ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ＸＧ−ＹＧ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）。
【００５０】
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ＸＧ−ＹＧ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ＸＧ−ＹＧの座標軸に対するローカル座標ＸＬ−ＹＬの座標軸の回転角θＲを求めなければならないから、未知数が３つ（ＸＲ，ＹＲ，θＲ）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。
【００５１】
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ＸＧ−ＹＧにおける座標位置（ＸＧ１１，ＹＧ１１）が既知であり、ローカル座標ＸＬ−ＹＬにおける座標位置（ＸＬ１１，ＹＬ１１）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（ＸＲ，ＹＲ，θＲ）とこれらの座標位置（ＸＧ１１，ＹＧ１１），（ＸＬ１１，ＹＬ１１）との関係は、下記数１のように表すことができる。
【００５２】
【数１】
0005390744.tif 000002
【００５３】
同様にして、基準位置Ｐｓ２についてもグローバル座標ＸＧ−ＹＧにおける座標位置（ＸＧ１２，ＹＧ１２）とローカル座標ＸＬ−ＹＬにおける座標位置（ＸＬ１２，ＹＬ１２）との関係を下記数２のように表すことができる。
【００５４】
【数２】
0005390744.tif 000003
【００５５】
ここで、数１と数２とから（ＸＲ，ＹＲ）を消去すれば、θＲに関する下記数３が得られる。
【００５６】
【数３】
0005390744.tif 000004
【００５７】
さらに、数３を数１、数２に適用すれば、（ＸＲ，ＹＲ）を求めることができる。
【００５８】
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ＸＬ−ＹＬにおける座標位置（ＸＬ１１，ＹＬ１１）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ＸＬ−ＹＬにおける座標位置（ＸＬ１２，ＹＬ１２）を求めると、グローバル座標ＸＧ−ＹＧにおける受信装置２の位置をローカル座標ＸＬ−ＹＬにおける座標軸の回転角θＲを含めて求めることができる。
【００５９】
ところで、受信装置２には、超音波受波部２１の指向性を調整する指向性調整部２８が設けられており、指向性調整部２８は、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の各受波素子２１ａそれぞれの出力の有効と無効とを選択することにより超音波受波部２１の指向性を調整する。ここで、受波素子２１ａの出力が有効とは、位置演算部２２の信号処理部２２ｃでの演算に利用することを意味し、受波素子２１ａの出力が無効とは、信号処理部２２ｃでの演算に利用しないことを意味する。要するに、指向性調整部２８は、超音波受波部２１の各受波素子２１ａのうち、出力を位置演算部２２の信号処理部２２ｃでの演算に用いる受波素子２１ａを有効な受波素子２１ａとして選択し、出力を位置演算部２２の信号処理部２２ｃでの演算に用いない受波素子２１ａを無効な受波素子２１ａとして選択する。
【００６０】
ここにおいて、受信装置２の位置演算部２２のＡ／Ｄ変換器２２ａのサンプリング周期を１μｓとした場合、上述の時間差Δｔ０が１μｓとなる遅延距離ｄ０は０．３４ｍｍとなる。一方、移動体Ａの移動範囲に応じた超音波受波部２１の視野範囲Ｅ（グローバル座標ＸＧ−ＹＧ上での視野範囲Ｅ）に基づいて指向性調整部２８に図３におけるｘｚ平面内での超音波受波部２１の視野角θｘｍ（図１５（ａ）参照）の値、ｙｚ平面内での超音波受波部２１の視野角θｙｍ（図１５（ａ）参照）の値などを図示しない操作部により入力すると、指向性調整部２８では、まず、上述の図３にて説明したｘｚ平面内での超音波の到来方向θｘ、ｙｚ平面内での超音波の到来方向θｙそれぞれに関する角度の分解能を設定し、続いて、超音波の到来方向θｘ，θｙそれぞれについて設定された分解能を得るために必要な受波素子２１ａのｘ方向の配列ピッチ（中心間距離）Ｌｘおよびｙ方向の配列ピッチ（中心間距離）Ｌｙそれぞれを求める。ここで、例えば、超音波の到来方向θｘに関する分解能が２°であるときに、遅延距離ｄ０が０．３４ｍｍとなるときのｘ方向における受波素子２１ａの配列ピッチＬｘは９．７４ｍｍとなる（つまり、ｘ方向に９．７４ｍｍ以上の配列ピッチＬｘで受波素子２１ａを並べれば到来方向θｘに関して２°以下の分解能を得ることができる）。同様に、例えば、超音波の到来方向θｙに関する分解能が１０°であるときに、遅延距離ｄが０．３４ｍｍとなるときのｙ方向における受波素子２１ａの配列ピッチＬｙは１．９６ｍｍとなる（つまり、ｙ方向に１．９６ｍｍ以上の配列ピッチＬｙで受波素子２１ａを並べれば到来方向θｙに関して１０°以下の分解能を得ることができる）。次に、指向性調整部２８は、ｘ方向、ｙ方向それぞれについて求めた受波素子２１ａの配列ピッチＬｘ，Ｌｙに基づいて各受波素子２１ａの出力の有効と無効とを選択して信号処理部２２ｃに指示し、信号処理部２２ｃでは有効とされた受波素子２１ａの出力を用いて超音波の到来方向θｘ，θｙを求めるための演算処理を行う。なお、指向性調整部２８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。
【００６１】
ところで、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、受波素子２１ａがｘ方向およびｙ方向それぞれについて同じ配列ピッチＬで配列されており、配列ピッチＬが２ｍｍに設定されている。したがって、図１４（ａ）において斜線を施した４個の受波素子２１ａについてのみ出力を有効とするように選択すれば、ｘ方向における受波素子２１ａの配列ピッチＬｘが２ｍｍ、ｙ方向における受波素子２１ａの配列ピッチＬｙが２ｍｍとなるので、超音波の到来方向θｘ，θｙそれぞれについて約１０°の分解能を得ることができる。また、図１４（ｂ）において斜線を施した４個の受波素子２１ａについてのみ出力を有効とするように選択すれば、超音波の到来方向θｘについて約１０°の分解能が得られ、超音波の到来方向θｙについて約２°の分解能を得ることができる。そこで、図１５に示すように移動体Ａが比較的狭い通路を図１５（ｂ）中の矢印Ｂの方向に沿って移動するような場合に、例えば、超音波の到来方向θｘの分解能が約１０°、超音波の到来方向θｙの分解能が約２°に設定されることにより、超音波受波部２１の視野範囲Ｅの最小検知領域（図１５（ｂ）中の１つの升目）のｘ方向、ｙ方向それぞれの幅を視野範囲Ｅのｘ方向、ｙ方向それぞれの幅に比べて小さくすることができる（図１５（ｂ）の例では、最小検知領域のｘ方向、ｙ方向それぞれの幅が視野範囲Ｅのｘ方向、ｙ方向それぞれの幅の８分の１になっている）。
【００６２】
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と、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との距離を求める位置演算部２２とを備えているので、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。
【００６３】
また、超音波受波部２１の指向性を調整する指向性調整部２８を備えているので、超音波受波部２１の指向性を調整することにより、移動体Ａの移動空間Ｄに応じて超音波受波部２１の検知エリアを変更することができ、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、移動空間Ｄ外に存在する壁や物体などからの反射波などの影響を抑制できて位置検出の精度を高めることが可能になる。しかも、指向性調整部２８は、各受波素子２１ａそれぞれの出力の有効と無効とを選択することにより超音波受波部２１の指向性を調整するので、位置演算部２２において必要以上の個数の受波素子２１ａの出力を用いて演算が行われるのを抑制でき、位置演算部２２での演算処理の負荷を軽減することが可能になる。また、移動空間Ｄの平面形状などに合わせて超音波受波部２１の指向性を設計した複数種の受信装置２を用意しておく必要もなく、施工時に受信装置２ごとに指向性調整部２８を利用して超音波受波部２１の指向性を調整すればよいから、受信装置２の配置設計が容易になるとともに、低コスト化を図れるという利点もある。
【００６４】
なお、上述の実施形態では、指向性調整部２８が位置演算部２２に対して受波素子２１ａの出力の有効と無効とを指示するようになっているが、各受波素子２１ａと位置演算部２２との間で各受波素子２１ａの出力の有効と無効とを選択するための切替スイッチを各受波素子２１ａごとに設けておき、指向性調整部２８によって各切替スイッチの状態を制御することで各受波素子２１ａの出力の有効と無効とを選択するようにしてもよい。
【００６５】
また、上述の実施形態では、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。
【００６６】
（実施形態２）
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１６に示すように、受信装置２がジャイロセンサ２９を備え、図１７（ａ）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。
【００６７】
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ＸＬ−ＹＬ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ＸＬ−ＹＬ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ＸＧ−ＹＧ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ＸＬ−ＹＬ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ＸＧ−ＹＧ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ＸＧ−ＹＧ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。
【００６８】
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ＸＬ−ＹＬ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ＸＧ−ＹＧ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ＸＧ−ＹＧ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ＸＧ−ＹＧ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ＸＬ−ＹＬ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ＸＧ−ＹＧでの受信装置２の座標位置を求めることができる。
【００６９】
つまり、受信装置２には、ローカル座標ＸＬ−ＹＬでの送信装置１の座標位置を用いて、グローバル座標ＸＧ−ＹＧ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ＸＧ−ＹＧ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。
【００７０】
メモリ２４には、位置演算部２２で求めたグローバル座標ＸＧ−ＹＧ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。
【００７１】
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。
【００７２】
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ＸＬ−ＹＬ）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。
【００７３】
上述した処理によってローカル座標ＸＬ−ＹＬ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ＸＬ−ＹＬ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ＸＧ−ＹＧ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ＸＧ−ＹＧの座標位置が既知である基準位置に位置させる。
【００７４】
受信装置２の位置演算部２２では、ローカル座標ＸＬ−ＹＬ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（ＸＬ１，ＹＬ１）とする。ここで、グローバル座標ＸＧ−ＹＧとローカル座標ＸＬ−ＹＬ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１８に示すように、送信装置１のグローバル座標ＸＧ−ＹＧにおける座標位置（ＸＧ１，ＹＧ１）と、送信装置１のローカル座標ＸＬ−ＹＬにおける座標位置（ＸＬ１，ＹＬ１）と、グローバル座標ＸＧ−ＹＧにおける受信装置２の座標位置（ＸＲ，ＹＲ）との間には、ＸＧ１＝ＸＲ＋ＸＬ１、ＹＧ１＝ＹＲ＋ＹＬ１の関係が成立する。つまり、受信装置２が座標位置（ＸＲ，ＹＲ）に位置するときに、送信装置１のローカル座標ＸＬ−ＹＬにおける座標位置（ＸＬ１，ＹＬ１）を用いて、グローバル座標ＸＧ−ＹＧにおける送信装置１の座標位置（ＸＧ１，ＹＧ１）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ＸＧ−ＹＧにおける座標位置（ＸＧ１，ＹＧ１）が既知であれば、ローカル座標ＸＬ−ＹＬにおける座標位置（ＸＬ１，ＹＬ１）を計測することにより、グローバル座標ＸＧ−ＹＧにおける受信装置２の座標位置（ＸＲ，ＹＲ）を求めることができる。
【００７５】
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。
【００７６】
グローバル座標ＸＧ−ＹＧにおける受信装置２の座標位置（ＸＲ，ＹＲ）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ＸＧ−ＹＧにおける送信装置１の座標位置（ＸＧ１，ＹＧ１）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ＸＧ−ＹＧ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ＸＧ−ＹＧにおける受信装置２の座標位置（ＸＲ，ＹＲ）が既知であり、ローカル座標ＸＬ−ＹＬにおける送信装置１の座標位置（ＸＬ１，ＹＬ１）を計測することができるから、グローバル座標ＸＧ−ＹＧにおける送信装置１の座標位置（ＸＧ１，ＹＧ１）を求めることができる。
【００７７】
グローバル座標ＸＧ−ＹＧでの送信装置１の座標位置（ＸＧ１，ＹＧ１）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ＸＧ−ＹＧ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ＸＧ−ＹＧ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。
【００７８】
グローバル座標ＸＧ−ＹＧでの送信装置１の座標位置（ＸＧ１，ＹＧ１）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ＸＧ−ＹＧでの受信装置２の座標位置（ＸＲ，ＹＲ）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（ＸＧ１，ＹＧ１）を用いることで、受信装置２の座標位置（ＸＲ，ＹＲ）を算出する。
【００７９】
ところで、上述の説明では、グローバル座標ＸＧ−ＹＧとローカル座標ＸＬ−ＹＬ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。
【００８０】
上述の動作ではグローバル座標ＸＧ−ＹＧに対するローカル座標ＸＬ−ＹＬ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ＸＧ−ＹＧの座標軸に対するローカル座標ＸＬ−ＹＬの座標軸の回転角θＲを求めなければならないから未知数が３個（ＸＲ，ＹＲ，θＲ）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θＲを求めるためにジャイロセンサ２９を設けている。
【００８１】
座標軸の回転角θＲを考慮すると、図１９に示すように、送信装置１のグローバル座標ＸＧ−ＹＧにおける座標位置（ＸＧ１，ＹＧ１）と、送信装置１のローカル座標ＸＬ−ＹＬにおける座標位置（ＸＬ１，ＹＬ１）と、グローバル座標ＸＧ−ＹＧにおける受信装置２の座標位置（ＸＲ，ＹＲ）との間には、下記数４の関係が成立する。
【００８２】
【数４】
0005390744.tif 000005
【００８３】
回転角θＲ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ＸＧ−ＹＧにおける送信装置１の座標位置（ＸＧ１，ＹＧ１）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ＸＧ−ＹＧにおける受信装置２の座標位置（ＸＲ，ＹＲ）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（ＸＧ１，ＹＧ１）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。
【００８４】
また、本実施形態においても、例えば、図２０に示すように移動体Ａが比較的狭い通路を図２０（ｂ）中の矢印Ｂの方向に沿って移動するような場合に、例えば、超音波の到来方向θｘの分解能が約１０°、超音波の到来方向θｙの分解能が約２°に設定されることにより、超音波受波部２１の視野範囲Ｅの最小検知領域（図２０（ｂ）中の１つの升目）のｘ方向、ｙ方向それぞれの幅を視野範囲Ｅのｘ方向、ｙ方向それぞれの幅に比べて小さくすることができる（図２０（ｂ）の例では、最小検知領域のｘ方向、ｙ方向それぞれの幅が視野範囲Ｅのｘ方向、ｙ方向それぞれの幅の８分の１になっている）。なお、超音波受波部２１の視野範囲Ｅの平面分解能によりグローバル座標における受信装置２の座標位置が決まるので、図２０（ｂ）では超音波受波部２１の視野範囲の平面分解能を示す升目をグローバル座標ＸＧ−ＹＧ上に示してある。
【００８５】
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、超音波受波部２１の指向性を調整する指向性調整部２８を備えているので、位置検出の精度を高めることが可能になるとともに、位置演算部２２での演算処理の負荷を軽減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】実施形態１を示すシステム構成図である。
【図２】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。
【図３】同上の原理説明図である。
【図４】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。
【図５】同上の動作説明図である。
【図６】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。
【図７】同上の動作説明図である。
【図８】同上の動作説明図である。
【図９】同上の動作説明図である。
【図１０】同上の動作説明図である。
【図１１】同上の動作説明図である。
【図１２】同上の原理説明図である。
【図１３】同上の他の動作での原理説明図である。
【図１４】同上の説明図である。
【図１５】同上の説明図である。
【図１６】実施形態２を示すシステム構成図である。
【図１７】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。
【図１８】同上の原理説明図である。
【図１９】同上の他の動作での原理説明図である。
【図２０】同上の説明図である。
【符号の説明】
【００８７】
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
１３  トリガ信号発信部
１７  制御部
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
２８  指向性調整部
２９  ジャイロセンサ（向き検出手段）
【図１】
0005390744.tif 000006
【図２】
0005390744.tif 000007
【図３】
0005390744.tif 000008
【図４】
0005390744.tif 000009
【図５】
0005390744.tif 000010
【図６】
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【図７】
0005390744.tif 000012
【図８】
0005390744.tif 000013
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0005390744.tif 000017
【図１３】
0005390744.tif 000018
【図１４】
0005390744.tif 000019
【図１５】
0005390744.tif 000020
【図１６】
0005390744.tif 000021
【図１７】
0005390744.tif 000022
【図１８】
0005390744.tif 000023
【図１９】
0005390744.tif 000024
【図２０】
0005390744.tif 000025