(57)【要約】送信装置からの他の超音波信号による影響を受けることなく、最初に受信装置に到達する直接波によって複数の送信装置の位置を正確に検出する。トリガ信号と基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム系列のデータに基づいて変調する超音波信号とを同時に送出する送信装置を含む移動体と、移動体の位置を検出する受信装置とを備え、受信処理装置が、超音波信号の受信波形と、移動体に応じて予め決められた擬似ランダム系列のモデル波形とにフィルタを施し、双方の波形の間で相関値を算出する手段と、トリガ信号を受信した時点と相関値の最初のピーク値の検出時点とから２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間を算出する手段と、超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出する手段とを含み、擬似ランダム系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。
2011007685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信タイミングを示すトリガ信号と、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム系列のデータに基づいて変調した超音波信号とを同時に送出する送信装置を含む少なくとも１つの移動体と、
前記トリガ信号と前記超音波信号を受信し、前記移動体の位置を検出する受信装置とを備え、
前記受信処理装置が、
所定間隔で設定された前記超音波信号を受信する少なくとも２つの超音波受信手段と、
前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められた前記擬似ランダム系列のモデル波形との間で相関値を算出する手段と、
前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められた前期擬似ランダム系列のモデル波形とにフィルタを施し、双方の波形の間で相関値を算出する手段と、
算出された何れかの前記相関値の最初のピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから前記２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出する手段と、
算出した前記超音波伝播時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出する手段とを備え、
前記擬似ランダム系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする位置検出システム。
【請求項２】
送信タイミングを示すトリガ信号と、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム系列のデータに基づいて変調し、さらに帯域を制限した超音波信号とを同時に送出する送信装置を含む少なくとも１つの移動体と、
前記トリガ信号と前記超音波信号を受信し、前記移動体の位置を検出する受信装置とを備え、
前記受信処理装置が、
所定間隔で設定された前記超音波信号を受信する少なくとも２つの超音波受信手段と、
前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められた前期擬似ランダム系列のモデル波形とにフィルタを施し、双方の波形の間で相関値を算出する手段と、
算出された前記相関値の最初のピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから前記２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出する手段と、
算出した前記超音波伝播時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出する手段とを備え、
前記擬似ランダム系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする位置検出システム。
【請求項３】
前記トリガ信号が、前記送信装置を識別可能な電磁波信号であることを特徴とする請求項１から請求項２の何れかに記載の位置検出システム。
【請求項４】
前記トリガ信号が、前記送信装置毎に重複が生じないよう帯域分割された信号であることを特徴とする請求項３に記載の位置検出システム。
【請求項５】
前記トリガ信号が、前記送信装置毎に異なる自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された電磁波信号であり、
前記受信装置が、受信したトリガ信号の受信波形と、予め設定されたモデル波形との間で相関値を算出し、前記送信装置毎に異なるトリガ信号の先頭を検出し、超音波信号の到達時間の起点となるタイミングを生成することを特徴とする請求項１から請求項２の何れかに記載の位置検出システム。
【請求項６】
擬似ランダム系列として、Ｍ系列を用いることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の位置検出システム。
【請求項７】
前記移動体が、電子ペンであることを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の位置検出システム。
【請求項８】
前記移動体が、前記送信装置を備えたロボットであることを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の位置検出システム。
【請求項９】
送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して前記送信装置の位置を検出する位置検出システムの前記送信装置であって、
送信タイミングを示すトリガ信号を送出するトリガ信号送信手段と、
前記トリガ信号の送信に同期して、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調した超音波信号を送出する超音波送信手段とを備え、
前記超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする送信装置。
【請求項１０】
送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して前記送信装置の位置を検出する位置検出システムの前記送信装置であって、
送信タイミングを示すトリガ信号を送出するトリガ信号送信手段と、
前記トリガ信号の送信に同期して、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調し、さらに帯域を制限した超音波信号を送出する超音波送信手段とを備え、
前記超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする送信装置。
【請求項１１】
擬似ランダム系列として、Ｍ系列を用いることを特徴とする請求項９から請求項１０の何れかに記載の送信装置。
【請求項１２】
電子ペンに設けることを特徴とする請求項９から請求項１１の何れかに記載の送信装置。
【請求項１３】
送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して前記送信装置の位置を検出する位置検出システムの前記受信装置であって、
前記送信装置から送信される送信タイミングを示すトリガ信号を受信するトリガ信号受信手段と、
所定間隔で設定された、前記トリガ信号に同期して前記送信装置から送信される、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調した前記超音波信号を受信する少なくとも２つの超音波受信手段と、
前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められたモデル波形との間で相関値を算出する手段と、
前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められた前期擬似ランダム系列のモデル波形とにフィルタを施し、双方の波形の間で相関値を算出する手段と、
算出された何れかの前記相関値の最初のピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから前記２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出する手段と、
算出した前記超音波伝播時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出する手段とを備え、
前記超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする受信装置。
【請求項１４】
送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して前記送信装置の位置を検出する位置検出システムの前記受信装置であって、
前記送信装置から送信される送信タイミングを示すトリガ信号を受信するトリガ信号受信手段と、
所定間隔で設定された、前記トリガ信号に同期して前記送信装置から送信される、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調し、さらに帯域を制限した前記超音波信号を受信する少なくとも２つの超音波受信手段と、
前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められた前期擬似ランダム系列のモデル波形とにフィルタを施し、双方の波形の間で相関値を算出する手段と、
算出された前記相関値の最初のピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから前記２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出する手段と、
算出した前記超音波伝播時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出する手段とを備え、
前記超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする受信装置。
【請求項１５】
前記トリガ信号が、前記送信装置毎に異なる自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された電磁波信号であり、
受信したトリガ信号の受信波形と、予め設定されたモデル波形との間で相関値を算出し、前記送信装置毎に異なるトリガ信号の先頭を検出し、超音波信号の到達時間の起点となるタイミングを生成することを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の受信装置。
【請求項１６】
擬似ランダム系列として、Ｍ系列を用いることを特徴とする請求項１３から請求項１５の何れかに記載の受信装置。
【請求項１７】
少なくとも１つの送信装置が、
送信タイミングを示すトリガ信号と、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調した超音波信号とを同時に送信するステップを実行し、
前記トリガ信号と前記超音波信号を受信し、前記移動体の位置を検出する受信装置が、
所定間隔で設定された少なくとも２つの超音波受信手段によって前記超音波信号を受信するステップと、
前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められたモデル波形との間で相関値を算出するステップと、
前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められたモデル波形とにフィルタを施し、双方の波形の間で相関値を算出するステップと、
算出された何れかの前記相関値の最初のピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから前記２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出するステップと、
算出した前記超音波伝播時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出するステップを実行し、
前記送信装置が送出する前記超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする位置検出方法。
【請求項１８】
少なくとも１つの送信装置が、
送信タイミングを示すトリガ信号と、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調し、さらに帯域を制限した超音波信号とを同時に送信するステップを実行し、
前記トリガ信号と前記超音波信号を受信し、前記移動体の位置を検出する受信装置が、
所定間隔で設定された少なくとも２つの超音波受信手段によって前記超音波信号を受信するステップと、
前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められたモデル波形とにフィルタを施し、双方の波形の間で相関値を算出するステップと、
算出された前記相関値の最初のピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから前記２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出するステップと、
算出した前記超音波伝播時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出するステップを実行し、
前記送信装置が送出する前記超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする位置検出方法。
【請求項１９】
前記トリガ信号が、前記送信装置を識別可能な電磁波信号であることを特徴とする請求項１７から請求項１８の何れかに記載の位置検出方法。
【請求項２０】
前記トリガ信号が、前記送信装置毎に重複が生じないよう帯域分割された信号であることを特徴とする請求項１９に記載の位置検出方法。
【請求項２１】
前記トリガ信号が、前記送信装置毎に異なる自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された電磁波信号であり、
前記受信装置が、受信したトリガ信号の受信波形と、予め設定されたモデル波形との間で相関値を算出し、前記送信装置毎に異なるトリガ信号の先頭を検出し、超音波信号の到達時間の起点となるタイミングを生成することを特徴とする請求項１９に記載の位置検出方法。
【請求項２２】
擬似ランダム系列として、Ｍ系列を用いることを特徴とする請求項１７から請求項２１の何れかに記載の位置検出方法。
【請求項２３】
少なくとも１つの送信装置が、
送信タイミングを示すトリガ信号と、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調した超音波信号とを同時に送信するステップを実行し、
前記トリガ信号と前記超音波信号を受信し、前記移動体の位置を検出する受信装置が、
所定間隔で設定された少なくとも２つの超音波受信手段によって前記超音波信号を受信するステップと、
前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められたモデル波形との間で相関値を算出するステップと、
前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められたモデル波形とにフィルタを施し、双方の波形の間で相関値を算出するステップと、
算出された何れかの前記相関値の最初のピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから前記２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出するステップを実行し、
前記送信装置が送出する前記超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする伝播時間決定方法。
【請求項２４】
少なくとも１つの送信装置が、
送信タイミングを示すトリガ信号と、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調し、さらに帯域を制限した超音波信号とを同時に送信するステップを実行し、
前記トリガ信号と前記超音波信号を受信し、前記移動体の位置を検出する受信装置が、
所定間隔で設定された少なくとも２つの超音波受信手段によって前記超音波信号を受信するステップと、
前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められたモデル波形とにフィルタを施し、双方の波形の間で相関値を算出するステップと、
算出された前記相関値の最初のピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから前記２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出するステップを実行し、
前記送信装置が送出する前記超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする伝播時間決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波信号を用いて移動体の位置を検出する位置検出システムに関し、特に、複数の移動体の位置を正確かつ安定的に検出することを可能にする位置検出システム、送信装置、受信装置及び位置検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を用いてその伝搬時間を測定し移動体の位置検出を行うシステムの一例として、電子ペンシステムが特許文献１に記載されている。この特許文献１記載の超音波の伝搬時間を利用した位置検出方法においては、送信機である電子ペンから一定周期で超音波信号ならびに受信トリガ信号を同時に送信し、レシーバならびにソフトウエアにより、受信トリガ信号を受信した時点から、電子ペンから送信された超音波信号を受信した時点までの時間を超音波の伝搬時間として測定し、その伝搬時間を利用して電子ペンの位置を特定する。【０００３】
電子ペンから送信される超音波信号は、図２３に示すようなバースト状の波形の信号で、各送信周期において同じ波形のものが送信される。レシーバでは、図２４に示すように、まず受信トリガ信号を受信し、次に伝搬距離に応じて遅れて到達する超音波信号を受信する。【０００４】
さらに、複数の発信源から送信される超音波の伝播時間を測定して位置検出を行う他の一例として、同時に複数のペンを利用可能な超音波型座標入力装置が特許文献２に記載されている。この特許文献２記載の超音波の伝搬時間を利用した位置検出方法においては、固定体（レシーバ）からＩＤ情報を含んだ赤外線信号等の電磁波信号を発信し、移動体（ペン）側では自身のＩＤに該当する電磁波信号を受信した場合にのみ超音波を発信するようにする。なお、ＩＤ情報を含む電磁波信号を送信する間隔は、座標入力を行なう最大範囲を超音波が移動する時間より長く設定する。【０００５】
図２５に示すように、座標を測定するサンプリング周期Ｔとすると、ひとつのペンに割り当てられる時間はＴ／ｎとなり、描画範囲との関係で決まる。Ｔ＝１０ｍｓ、描画範囲がＡ４サイズの場合、超音波の伝搬距離は最長で３５０ｍｍ、伝搬時間で１ｍｓ程度となるため、別ＩＤの時間枠に入らないように余裕を見てＴ／ｎ＝２ｍｓと設定すると、最大５本までのペンの同時使用が可能になる。【０００６】
一方、プロジェクタの投影画面での電子ペンの使用を想定すると、実用上描画範囲として画面サイズ８０インチ程度が必要となるため、電子ペンから送信される超音波の受信機までに至る伝播距離は最長でおよそ２ｍ、伝搬時間は７ｍｓ程度となる。【０００７】
また、音波の伝搬時間を算出する方法の一例が、特許文献３に記載されている。この特許文献３記載の音波の伝搬時間算出方法は、送信波にＭ系列位相変調波を用い、送信機により送信されたＭ系列位相変調波を受信機により受信し、受信信号と送信信号との相関をマッチドフィルタで取得し、マッチドフィルタの出力のピーク検出を行い、ピーク時刻により音波の伝搬時間を算出する方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許６１１８２０５
【特許文献２】特開２００４−１９９５６０
【特許文献３】特許第３８７６３７０号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】柏木濶著「Ｍ系列とその応用」１９９６年３月２５日，昭晃堂
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
複数の検出対象である移動体の超音波の伝播時間を測定する場合、超音波の検出範囲が大きいと、最遠点の超音波の伝搬時間が長くなり、上記のＴ／ｎを長く設定する必要がある。しかしながら、検出間隔Ｔは、例えば物体の衝突回避や電子ペンの手書きの筆跡を再現するといった場合、いたずらに長く設定することはできない。プロジェクタの投影画面で電子ペンを使用するような場合のように、最遠点が２ｍにも達する場合、伝搬時間は７ｍｓ程度となって、余裕を考慮すると１本の電子ペンしか使用できない。【００１１】
このように、特許文献１記載の方法では、超音波の伝搬距離が長いときは、複数の移動体（電子ペン）の位置を正確かつ安定的に検出することが困難となり、使用できないことになる。【００１２】
また、特許文献２記載の方法では、超音波送信信号として、複数のペンで同じ形状の信号波形を想定しているため、異なるペンの超音波の到達点の検出に影響を与える可能性がある。例えば、レシーバが、先に送信された超音波の長い距離を伝搬した反射波を、次のＩＤを持つ異なるペンから送信された直接波より先に受信して、その先に受信した反射波を直接波と誤認識して、到達時間を誤って測定するので、電子ペンの正確な位置を算出することができない。【００１３】
さらに、超音波送信信号として、バースト状の波を想定しているため、直接波と反射波の重なり具合により、合成波の形状が変化してしまい一番先に到達する直接波の到達点を検出することが困難となり、移動体である電子ペンの正確な位置検出を不可能にする。【００１４】
特許文献３記載の方法のように、送信波にＭ系列位相変調波を用い、音波の伝搬時間を算出する方法は、予め送受信機が設置された異なる伝搬経路の音波の伝搬時間を測定し、送受信機が設置された対象物中を流れる流体の流速を測定するための方法である。よって、複数の送信機（移動体）が同時にそれぞれ超音波を送信した場合に、複数の送信機を識別してそれぞれの送信機からの超音波の伝播時間測定を測定すること、すなわち複数の移動体の位置を正確かつ安定的に検出することは不可能である。【００１５】
（発明の目的）
本発明の目的は、上述した課題を解決し、複数の移動体を同時に使用する場合に、各移動体の位置検出を正確かつ安定的に行うことができる位置検出システム、送信装置、受信装置及び位置検出方法を提供することにある。【００１６】
本発明の他の目的は、超音波信号の伝搬距離が長い場合であっても、複数の移動体の位置検出を正確かつ安定的に行うことができる位置検出システム、送信装置、受信装置及び位置検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明による第１の位置検出システムは、送信タイミングを示すトリガ信号と、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム系列のデータに基づいて変調した超音波信号とを同時に送出する送信装置を含む少なくとも１つの移動体と、トリガ信号と超音波信号を受信し、移動体の位置を検出する受信装置とを備え、受信処理装置が、所定間隔で設定された超音波信号を受信する少なくとも２つの超音波受信手段と、超音波信号の受信波形と、移動体に応じて予め決められた擬似ランダム系列のモデル波形との間で相関値を算出する手段と、超音波信号の受信波形と、移動体に応じて予め決められた擬似ランダム系列のモデル波形とにフィルタを施し、双方の波形の間で相関値を算出する手段と、算出された相関値の最初のピーク値を検出し、さらに相関値のトリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出する手段と、算出した超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出する手段とを含み、擬似ランダム系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。【００１８】
本発明による第２の位置検出システムは、送信タイミングを示すトリガ信号と、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム系列のデータに基づいて変調し、さらに帯域を制限した超音波信号とを同時に送出する送信装置を含む少なくとも１つの移動体と、トリガ信号と超音波信号を受信し、移動体の位置を検出する受信装置とを備え、受信処理装置が、所定間隔で設定された超音波信号を受信する少なくとも２つの超音波受信手段と、超音波信号の受信波形と、移動体に応じて予め決められた擬似ランダム系列のモデル波形とに送信超音波と同じ帯域を抽出するフィルタを施し、双方の波形の間で相関値を算出する手段と、算出された相関値の最初のピーク値を検出し、さらに相関値のトリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出する手段と、算出した超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出する手段とを含み、擬似ランダム系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。【００１９】
本発明による第１の送信装置は、送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して送信装置の位置を検出する位置検出システムの送信装置であって、送信タイミングを示すトリガ信号を送出するトリガ信号送信手段と、トリガ信号の送信に同期して、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調した超音波信号を送出する超音波送信手段とを含み、超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。【００２０】
本発明による第２の送信装置は、送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して送信装置の位置を検出する位置検出システムの送信装置であって、送信タイミングを示すトリガ信号を送出するトリガ信号送信手段と、トリガ信号の送信に同期して、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム系列のデータに基づいて変調し、さらに帯域を制限した超音波信号を送出する超音波送信手段とを含み、超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。【００２１】
本発明による第１の受信装置は、送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して送信装置の位置を検出する位置検出システムの受信装置であって、送信装置から送信される送信タイミングを示すトリガ信号を受信するトリガ信号受信手段と、所定間隔で設定された、トリガ信号に同期して送信装置から送信される、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム系列のデータに基づいて変調した超音波信号を受信する少なくとも２つの超音波受信手段と、超音波信号の受信波形と、移動体に応じて予め決められたモデル波形との間で相関値を算出する手段と、超音波信号の受信波形と、移動体に応じて予め決められた擬似ランダム系列のモデル波形とにフィルタを施し、双方の波形の間で相関値を算出する手段と、算出された相関値の最初のピーク値を検出し、トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出する手段と、算出した超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出する手段とを含み、送信装置が送信する超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。【００２２】
本発明による第２の受信装置は、送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して送信装置の位置を検出する位置検出システムの受信装置であって、送信装置から送信される送信タイミングを示すトリガ信号を受信するトリガ信号受信手段と、所定間隔で設定された、トリガ信号に同期して送信装置から送信される、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム系列のデータに基づいて変調し、さらに帯域を制限した超音波信号を受信する少なくとも２つの超音波受信手段と、超音波信号の受信波形と、超音波信号の受信波形と、移動体に応じて予め決められた擬似ランダム系列のモデル波形とにフィルタを施し、双方の波形の間で相関値を算出する手段と、算出された相関値の最初のピーク値を検出し、トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出する手段と、算出した超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出する手段とを含み、送信装置が送信する超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。【００２３】
本発明による第１の位置検出方法は、送信装置が、送信タイミングを示すトリガ信号と、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調した超音波信号とを同時に送信するステップを実行し、トリガ信号と超音波信号を受信し、移動体の位置を検出する受信装置が、所定間隔で設定された少なくとも２つの超音波受信手段によって超音波信号を受信するステップと、超音波信号の受信波形と、移動体に応じて予め決められたモデル波形との間で相関値を算出するステップと、超音波信号の受信波形と、移動体に応じて予め決められた擬似ランダム系列のモデル波形とにフィルタを施し、双方の波形の間で相関値を算出するステップと、算出された相関値の最初のピーク値を検出し、トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出するステップと、算出した超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出するステップを実行し、送信装置が送出する超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。【００２４】
本発明による第２の位置検出方法は、送信装置が、送信タイミングを示すトリガ信号と、基準となる周波数の信号を自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調し、さらに帯域を制限した超音波信号とを同時に送信するステップを実行し、トリガ信号と超音波信号を受信し、移動体の位置を検出する受信装置が、所定間隔で設定された少なくとも２つの超音波受信手段によって超音波信号を受信するステップと、超音波信号の受信波形と、移動体に応じて予め決められた擬似ランダム系列のモデル波形とにフィルタを施し、双方の波形の間で相関値を算出するステップと、算出された相関値の最初のピーク値を検出し、トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出するステップと、算出した超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出するステップを実行し、送信装置が送出する超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、複数の移動体を同時に使用する場合に、各移動体の位置検出を正確かつ安定的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施の形態による位置検出システムを適用した電子ペンシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態による受信処理装置が生成するＭ系列モデル波形の例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態による電子ペンの動作を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施の形態による受信処理装置の動作を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施の形態による電子ペンの位置算出方法を２次元で示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態による電子ペン１０−１からの超音波受信波形の例を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態による受信処理装置が生成する電子ペン１０−１のＭ系列モデル波形の例を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態による受信処理装置のデータ処理部が算出する電子ペン１０−１の相関値の例を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態による電子ペン１０−２からの超音波受信波形の例を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態による受信処理装置が生成する電子ペン１０−２のＭ系列モデル波形の例を示す図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態による受信処理装置のデータ処理部が算出する電子ペン１０−２の相関値の例を示す図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態による受信処理装置のメモリに格納される超音波受信波形の例を示す図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態による受信処理装置のデータ処理部が算出する電子ペン１０−１の相関値の例を示す図である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態による受信処理装置のデータ処理部が算出する電子ペン１０−２の相関値の例を示す図である。
【図１５】本発明の第１の実施の形態による受信処理装置のメモリに格納される超音波受信波形の例を示す図である。
【図１６】本発明の第１の実施の形態による受信処理装置のデータ処理部が算出する電子ペン１０−１の相関値の例を示す図である。
【図１７】本発明の第１の実施の形態による受信処理装置のデータ処理部が算出する電子ペン１０−２の相関値の例を示す図である。
【図１８】図１５に示した受信波形に対して、３０ｋＨｚのハイパスフィルタを施した波形を示す図である。
【図１９】図７で示した超音波信号のＭ系列モデル波形に対して、３０ｋＨｚのハイパスフィルタを施した波形を示す図である。
【図２０】図１８に示したハイパスフィルタを施された受信波形に対し、図１９で示したハイパスフィルタを施された超音波信号のＭ系列モデル波形により相関をとった相関値を示す図である。
【図２１】図６に示した受信波形の周波数成分を示す図である。
【図２２】図９に示した受信波形の周波数成分を示す図である。
【図２３】関連技術における超音波受信波形の例を示す図である。
【図２４】関連技術における受信トリガ信号と超音波受信波形の例を示す図である。
【図２５】関連技術における送信トリガ信号と超音波受信波形の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態による位置検出システムの構成を示すブロック図である。以下の実施の形態においては、本発明による位置検出システムを、電子ペンシステムに適用した場合を例にとって説明する。
【００２９】
図１において、本発明の第１の実施の形態による位置検出システムは、送信部１００を装着する電子ペン１０と、電子ペン１０から離れた所定の位置に設置された受信装置２０と、電子ペン１０によって描いた軌跡を表示する表示パネル３０を含む。電子ペン１０は、表示パネル３０上で使用される。表示パネル３０としては、例えば、プロジェクタで投影された投影画面を利用することもできる。
【００３０】
電子ペン１０の送信部１００は、制御回路１０１と、Ｍ系列生成回路１０２と、超音波駆動回路１０３と、超音波送信部１０４と、受信トリガ駆動回路１０５と、受信トリガ送信部１０６とを備えている。
【００３１】
Ｍ系列生成回路１０２は、Ｍ系列のコード化されたビット列を生成する機能を有している。このＭ系列は、特性多項式と初期条件を規定することによって生成される系列である。なお、Ｍ系列の詳細については、柏木濶著「Ｍ系列とその応用」１９９６年３月２５日，昭晃堂（非特許文献１）等に記述されている。
【００３２】
制御回路１０１は、予め定められたＭ系列の特性多項式と初期条件をＭ系列生成回路１０２に出力する。Ｍ系列生成回路１０２は、制御回路１０１から受信した特性多項式と初期条件に従ってＭ系列のコード化されたビット列（Ｍ系列データ）を生成する。
【００３３】
超音波駆動回路１０３は、Ｍ系列生成回路１０２が生成したＭ系列データに基づいて超音波を変調するための駆動信号を生成し出力する。超音波送信部１０４は、超音波駆動回路１０３からの駆動信号によりＭ系列変調された超音波信号を空間に送出する。
【００３４】
超音波送信部１０４による超音波信号の変調方式としては、例えば位相変調方式が使用される。
【００３５】
例えば、次式のような４次の特性多項式ｆ１（ｘ）＝ｘ４＋ｘ＋１により生成される系列長が１５ビットであるデータ列を用いる場合、初期条件を変更することにより、データの並びが巡回的にシフトした１５通りの異なるＭ系列データが生成される。また、次式のような別の４次の特性多項式ｆ２（ｘ）＝ｘ４＋ｘ３＋１を用いた場合には、上述したＭ系列データとは異なる系列のＭ系列データが生成される。
【００３６】
図２は、上述した特性多項式ｆ１（ｘ）により生成されたＭ系列データにより位相変調された超音波のＭ系列モデル波形の例を示す。この例においては、１５ビットのＭ系列データ「０００１００１１０１０１１１１」の各１ビットを基本波の１周期と対応させている。ビットが「０」の場合は反転位相とし、「１」の場合は順位相としたものであり、変調波は基本波１５周期分の長さとなる。
【００３７】
一方、制御回路１０１は、受信トリガ駆動回路１０５に対して受信トリガ信号の生成を指示する信号を出力する。受信トリガ駆動回路１０５は、制御回路１０１からの指示信号に基づき受信トリガ駆動用信号を生成する。
【００３８】
受信トリガ送信部１０６は、超音波送信部１０４の超音波信号の送信タイミングに同期して、受信トリガ駆動回路１０５からの受信トリガ駆動用信号により駆動することにより、受信トリガ信号を空間に送出する。この受信トリガ信号としては、例えば電磁波信号である赤外線信号が用いられる。
【００３９】
また、受信トリガ送信部１０６から送信される受信トリガ信号は、各電子ペン１０を一意に識別可能な信号とする。また、複数の電子ペン１０を利用する場合、受信トリガ信号としては、電子ペン１０毎に重複が生じないよう帯域分割された信号を用いる。
【００４０】
受信装置２０は、超音波受信部２０１−１、２０１−２と、サンプリング回路２０２−１、２０２−２と、受信トリガ受信部２０３と、受信トリガ検出回路２０４と、メモリ２０５と、データ処理回路２０６を含む受信部２００を備える。
【００４１】
超音波受信部２０１−１と２０１−２は、予め定められた間隔長を介して互いに離した状態で設置されており、電子ペン１０から送信された超音波信号を受信し、これを電気信号に変換する。
【００４２】
サンプリング回路２０２−１、２０２−２は、超音波受信部２０１−１、２０１−２から出力される電気信号を一定間隔でサンプリングし、順次メモリ２０５に格納する。
【００４３】
受信トリガ受信部２０３は、電子ペン１０からの受信トリガ信号を受信し、この受信トリガ信号を電気信号に変換し、トリガパルスとして出力する。受信トリガ検出回路２０４は、受信トリガ受信部２０３からのトリガパルスを検出すると、そのトリガパルスの検出時刻（到達時刻）をトリガ検出時刻データとしてメモリ２０５に格納する。
【００４４】
データ処理回路２０６は、必要に応じて、メモリ２０５に格納されている超音波受信部２０１−１、２０１−２のそれぞれで受信した超音波信号波形のフィルタリングを行い超音波信号波形としてメモリ２０５に格納する。また、データ処理回路２０６は、メモリ２０５から送信部１００と同一のＭ系列の初期条件を読み出し、予め設定されている特性多項式を用いることにより、送信された超音波信号のモデル波形を生成し、当該モデル波形とメモリ２０５に格納されている超音波信号波形との相関処理を行う。さらに、データ処理回路２０６は、相関処理により得られた相関値を超音波受信部２０１−１、２０１−２のそれぞれで受信した超音波信号波形毎に順次メモリ２０５に格納する。
【００４５】
また、データ処理回路２０６は、メモリ２０５に格納された相関値の先頭のピークを検出すると、トリガパルスの到達時刻からピークを検出した時点までの経過時間、即ち電子ペン１０からの受信装置２０に到達するまでの超音波信号の伝搬時間を、超音波受信部２０１−１、２０１−２のそれぞれで受信した超音波信号毎に算出する。
【００４６】
さらに、データ処理回路２０６は、超音波受信部２０１−１、２０１−２のそれぞれで受信した超音波信号毎の算出された電子ペン１０から受信装置２０に到達するまでの超音波信号の伝搬時間と、超音波受信部２０１−１、２０１−２の間隔長とに基づいて電子ペン１０の表示パネル３０上における位置を算出する。
【００４７】
上記のように、受信装置２０の２つの超音波受信部２０１−１と２０１−２で受信した超音波信号の伝搬時間と、超音波受信部２０１−１、２０１−２の間隔長とから、三角測量の原理によって電子ペン１０の位置を正確に検出することが可能となる。
【００４８】
また、複数存在する電子ペン１０毎にそれぞれ異なるＭ系列データを割り当てるものとする。異なるＭ系列データの相互相関値は低くなり、同一のＭ系列データの自己相関値は高くなる。さらに、識別性を向上するため、電子ペン１０毎に使用する超音波の変調前の基本となる周波数をそれぞれ異なる周波数とする。超音波受信波形に対して、検出したいＭ系列のモデル波形により相関処理を行うと、超音波の到達点は該当するＭ系列データの相関値のピークとして検出される。
【００４９】
電子ペン１０の位置と表示パネル３０の描画範囲における表示位置は予め対応付けられている。電子ペン１０のペン先には表示パネル３０への押圧と連動してオンとなるスイッチが設けられている。描画時には、表示パネル３０への押圧によって電子ペン１０のスイッチがオンとなっている間、電子ペン１０から一定周期で受信トリガ信号と超音波信号の送信を繰り返すことにより、複数の電子ペン１０の軌跡を精度よく表示パネル３０上に描画することができる。
【００５０】
（第１の実施の形態の動作の説明）
次に、図３のフローチャートを参照して、電子ペン１０の送信部１００による動作について説明する。電子ペン１０は、動作中は、一定周期で以下の動作を繰り返す。
【００５１】
まず、電子ペン１０が動作を開始すると、制御回路１０１は、予め設定されているＭ系列特性多項式の初期条件をＭ系列生成回路１０２に出力する（ステップＡ１）。
【００５２】
Ｍ系列生成回路１０２は、制御回路１０１から取得した初期条件に基づきＭ系列データを生成し（ステップＡ２）、超音波駆動回路１０３に供給する。超音波駆動回路１０３は、Ｍ系列生成回路１０２が生成したＭ系列データに基づいて、予め設定されている基本周波数の超音波を変調するための駆動信号を生成し出力する（ステップＡ３）。
【００５３】
ステップＡ３で駆動信号が生成されると、超音波送信部１０４は、超音波駆動回路１０３からの駆動信号によりＭ系列変調された超音波信号を電子ペン１０から空間に送出する（ステップＡ４）。
【００５４】
また、制御回路１０１は、Ｍ系列の初期条件を検出すると、受信トリガ駆動回路１０５に対し受信トリガ駆動用信号の生成を指示する。受信トリガ駆動回路１０５は、制御回路１０１からの指示信号に基づき受信トリガ駆動用信号を生成する（ステップＡ５）。
【００５５】
また、受信トリガ送信部１０６は、超音波信号の送信タイミングに同期して、受信トリガ駆動回路１０５からの受信トリガ駆動信号で生成した受信トリガ信号を空間に送出する（ステップＡ６）。
【００５６】
次に、図４のフローチャートを参照して、受信装置２０のデータ処理回路２０６の動作について説明する。データ処理回路２０６による処理の前段階として、サンプリング回路２０２が超音波受信部２０１−１、２０１−２で受信したそれぞれの超音波信号を一定のサンプリング間隔でサンプリングし、サンプル化した波形データをメモリ２０５に順次格納する。この場合、超音波受信部２０１−１、２０１−２で受信した超音波信号をサンプル化した波形データをそれぞれ別個にメモリ２０５に格納する。
【００５７】
一方、受信トリガ検出回路２０４は、受信トリガ受信部２０３で受信した受信トリガ信号からトリガパルスを検出すると、トリガパルスの検出時刻（到達時刻）を示すトリガ検出時刻データを生成しメモリ２０５に格納する。
【００５８】
図４において、データ処理回路２０６は、受信トリガ検出回路２０４で受信トリガパルスを検出すると（ステップＢ１）、予め格納されているＭ系列の初期条件データをメモリ２０５から読み出す（ステップＢ２）。
【００５９】
次いで、データ処理回路２０６は、読み出したＭ系列初期条件データと予め設定されている特性多項式を用いて送信された超音波信号のＭ系列モデル波形を生成する（ステップＢ３）。
【００６０】
次に、メモリ２０５に格納されているトリガ検出時刻データで示されるトリガ検出時刻をサンプリング開始時刻（ｔ）に設定し（ステップＢ４）、受信した超音波信号の波形データをメモリ２０５から読み出す（ステップＢ５）。また、データ処理回路２０６は、必要に応じて波形データに対してフィルタリングを行い、ファイルタリングされた波形データを新たな波形データとする。
【００６１】
データ処理回路２０６は、この超音波信号の波形データと先に生成したＭ系列のモデル波形との間のサンプリング時刻（ｔ）における相関値Ｃ（ｔ）を下記の式（１）を用いて算出し、算出した相関値Ｃ（ｔ）をメモリ２０５に格納する（ステップＢ６）。
【００６２】
【数１】
2011007685.tif 000003
【００６３】
式（１）において、「ｉ」は整数値でサンプリング時刻変数であり、「Ｎ」はモデル波形のサンプリング数、「ｒ（ｉ）」はサンプリング時刻ｉのモデル波形の値、「ｆ（ｉ＋ｔ）」はサンプリング時刻（ｉ＋ｔ）の受信波形の値である。
【００６４】
メモリ２０５に全ての相関値が格納されていない場合（ステップＢ７）、サンプリング時刻ｔを単位時間「１」だけインクリメントしてステップＢ５の処理に戻る。
【００６５】
ステップＢ５からＢ６による処理を繰り返し実行することにより、ステップＢ７で全ての相関値の算出と格納が終了すると、メモリ２０５に格納された相関値から先頭ピーク（最初のピーク）を検出する（ステップＢ９）。
【００６６】
データ処理回路２０６は、ステップＢ４で設定したサンプリング開始時刻（トリガ検出時刻）とステップＢ９で検出した先頭ピークの検出時刻とから電子ペン１０からの超音波伝搬時間を算出する（ステップＢ１０）。
【００６７】
トリガパルスを検出した時刻であるサンプリング時刻を「０」とし、サンプリング周期をΔＴとすると、超音波伝搬時間は、ｔ×ΔＴとして算出することができる。
【００６８】
相関値の最大ピーク値に対し一定比率以上の値であればこれを直接波のピークとして認識することにより、反射波の影響を受けることなく先頭（最初）の直接波である超音波信号の到達時刻を確実に検出することが可能となる。
【００６９】
ステップＢ１１で、全ての超音波受信部２０１−１、２０１−２で受信した超音波信号についての処理を終了したかどうかを判別し、処理が終了していなければ、ステップＢ５の超音波信号の波形データの読み出しからの処理を繰り返す。
【００７０】
全ての超音波受信部２０１−１、２０１−２で受信した超音波信号についての処理が終了すると、超音波受信部２０１−１、２０１−２のそれぞれで受信した超音波信号毎に算出した伝搬時間と、超音波受信部２０１−１、２０１−２の間隔長とに基づいて電子ペン１０の表示パネル３０上における位置を算出する（ステップＢ１２）。その後、ステップＢ１３でメモリ２０５の内容を消去する。
【００７１】
データ処理回路２０６による位置算出手順の例について、以下に説明する。
【００７２】
図５は、電子ペン１０と超音波受信部２０１−１、２０１−２との位置算出方法を２次元で示す図である。図５において、「Ｐ」は電子ペン１０の表示パネル３０の描画範囲内のｘ−ｙ座標における位置座標値（ｘ，ｙ）を示し、「Ｓ１」、「Ｓ２」はそれぞれ超音波受信部２０１−１、２０１−２の位置を示している。
【００７３】
また、「ｄ１」は電子ペン１０から超音波受信部２０１−１までの距離、「ｄ２」は電子ペン１０から超音波受信部２０１−２までの距離である。「Ｄ」は超音波受信部２０１−１、２０１−２の中央をｘ−ｙ座標の原点とした場合の原点からの距離である。また、「α」は電子ペン１０と超音波受信部２０１−１とを結ぶ直線がｘ軸となす角度を示している。
【００７４】
ここで、超音波受信部２０１−１と２０１−２で受信した超音波信号に基づいて算出した伝搬時間をそれぞれｔ１、ｔ２とし、また、音速を「Ａ」とする。
【００７５】
距離ｄ１、ｄ２は、ｄ１＝Ａ×ｔ１、ｄ２＝Ａ×ｔ２として算出することができる。超音波受信部２０１−１と２０１−２間の間隔長（２Ｄ）と距離ｄ１、ｄ２の間には、以下の式（２）に示す関係が成立していることから、電子ペン１０の位置（ｘ、ｙ）は、式（３）による計算を行うことで求めることができる。
【００７６】
【数２】
2011007685.tif 000004
【００７７】
【数３】
2011007685.tif 000005
【００７８】
上記のように、受信装置２０の２つの超音波受信部２０１−１と２０１−２で受信した超音波信号の伝搬時間と、超音波受信部２０１−１、２０１−２の間隔長とから、三角測量の原理によって電子ペン１０の位置を正確に検出することが可能となる。
【００７９】
以上の動作により、予め電子ペン１０の位置と表示パネル３０の表示位置を対応付けておくことで、描画時には、電子ペン１０のペン先が押されている間、一定周期で受信トリガ信号と超音波信号の送信を繰り返すことにより、複数の電子ペン１０に対し、順次その軌跡を精度よく描画することができる。
【００８０】
なお、実施例としては、受信トリガ信号として、電子ペン１０毎にお互い干渉しない程度の異なる波長の赤外線信号を使用することが可能である。この場合、受信トリガ受信部２０３は、使用されるそれぞれの波長の受信トリガを受信する。受信トリガ検出回路２０４は、受信トリガ受信部２０３の出力からトリガパルスを検出すると、各電子ペン１０に対応した波長毎のトリガパルスの到達時刻をメモリ２０５に格納する。
【００８１】
受信装置２０において受信した超音波信号に対して、電子ペン１０毎に割り当てたＭ系列のモデル波形によって相関処理を行い、検出される超音波信号の到達時刻（トリガパルス検出時刻）と相関値の先頭ピークの検出時刻から、伝播時間を算出する。
【００８２】
また、他の実施例としては、受信トリガ信号として、同一波長の赤外線信号を使用し、電子ペン１０毎に異なるＭ系列の受信トリガパルス信号を用いる方法も可能である。この場合、受信装置２０の受信トリガ検出回路２０４は、電子ペン１０毎のＭ系列のモデル波形によって相関処理を行うことにより、受信トリガパルス信号の到達時刻を検出する。
【００８３】
以下、２つの電子ペン１０−１と１０−２からの超音波信号を受信した場合の例について、具体的な波形を示して説明する。
【００８４】
図６は、周波数が２０ｋＨｚである超音波が、上述した４次の特性多項式ｆ１（ｘ）＝ｘ４＋ｘ＋１により生成される１５ビットＭ系列のデータ列「１００１１０１０１１１１０００」により位相変調された、電子ペン１０−１からの超音波信号の受信波形を示している。図６に示す波形は、サンプリング回路２０２によるサンプリング間隔を２μｓとした場合の波形である。横軸は、電子ペン１０−１の受信トリガ信号を受信した時点を「０」として、２μｓ毎にインクリメントされる時刻を表すインデックスを示している。
【００８５】
図７は、電子ペン１０−１に設定した１５ビットＭ系列のデータ列「１００１１０１０１１１１０００」により、受信装置２０のデータ処理回路２０６で生成した超音波信号のＭ系列モデル波形を示す。
【００８６】
図８は、図６に示した受信波形に対して、図７で示した超音波信号のＭ系列モデル波形により相関処理を行った場合の相関値を示す。電子ペン１０−１から送信された超音波信号の到達時刻が、相関値のピークをとる時刻として検出される。電子ペンが複数でなく１本のみ使用されている場合、このように超音波の到達時刻が検出される。
【００８７】
図９は、周波数が４０ｋＨｚである超音波が、電子ペン１０−１と異なる上述した４次の特性多項式ｆ２（ｘ）＝ｘ４＋ｘ３＋１により生成される１５ビットＭ系列のデータ列「１０１０１１００１０００１１１」により位相変調された、電子ペン１０−２からの超音波信号の受信波形を示している。横軸は、電子ペン１０−２の受信トリガ信号を受信した時点を「０」とする時刻を示し、サンプリング間隔は、２μｓである。
【００８８】
図１０は、電子ペン１０−２に設定した１５ビットＭ系列のデータ列「１０１０１１００１０００１１１」により、受信装置２０のデータ処理回路２０６で生成した超音波信号のＭ系列モデル波形を示す。
【００８９】
図１１は、図９に示した受信波形に対して、図１０で示した超音波信号のＭ系列モデル波形により相関処理を行った場合の相関値を示す。電子ペン１０−２から送信された超音波信号の到達時刻が、相関値のピークを有する時刻として検出される。
【００９０】
図１２は、電子ペン１０−１と電子ペン１０−２が同時に、受信装置２０からほぼ同じ距離で使用されている場合の、超音波信号の受信波形を示している。横軸は、電子ペン１０−１の受信トリガ信号を受信した時点を「０」とする時刻を示し、サンプリング間隔は、２μｓである。受信波形は、図６で示される電子ペン１０−１からの超音波信号の受信波形と図９で示される電子ペン１０−２からの超音波信号の受信波形との合成波形として受信されたものである。
【００９１】
図１３は、図１２に示した受信波形に対して、図７で示した超音波信号のＭ系列モデル波形により相関処理を行った場合の相関値を示す。電子ペン１０−１と電子ペン１０−２のそれぞれから送信された超音波を同時に受信した場合でも、電子ペン１０−１から送信された超音波信号の到達時刻が、相関値のピークを有する時刻として検出される。
【００９２】
図１４は、図１２に示した受信波形に対して、図１０で示した超音波信号のＭ系列モデル波形により相関処理を行った場合の相関値を示す。電子ペン１０−１と電子ペン１０−２のそれぞれから送信された超音波を同時に受信した場合でも、おなじように電子ペン１０−２から送信された超音波信号の到達時刻が、相関値のピークを有する時刻として検出される。
【００９３】
このように、複数の電子ペンから送信された超音波が、受信装置２０で同時に受信された場合も、到達時刻を検出することができる。
【００９４】
図１５は、異なる位置で使用されている電子ペン１０−１と電子ペン１０−２とから送信された超音波信号が、受信装置２０において受信されたときの受信波形を示している。横軸は、電子ペン１０−１の受信トリガ信号を受信した時点を「０」とする時刻を示し、サンプリング間隔は、２μｓである。電子ペン１０−２は、電子ペン１０−１に比べ、受信装置２０から離れた位置で使用されているため、送信された超音波の信号レベルは距離に応じて減衰し、受信装置２０で受信される受信レベルは電子ペン１０−１のものに比べ小さくなる。
【００９５】
図１６は、図１５に示した受信波形に対して、図７で示した超音波信号のＭ系列モデル波形により相関をとった相関値を示す。電子ペン１０−１から送信された超音波信号の到達時刻は、相関値のピークを有する時刻として検出される。
【００９６】
図１７は、図１５に示した受信波形に対して、図１０で示した超音波信号のＭ系列モデル波形により相関をとった相関値を示す。相関値のピークとそれ以外のピークの差が明確に見られない。判断する一例としては、最大ピークに対するそれ以外のピークの比率が一定のしきい値以上とする。
【００９７】
図１８は、図１５に示した受信波形に対して、３０ｋＨｚのハイパスフィルタリングを施した波形である。
【００９８】
図１９は、図７で示した超音波信号のＭ系列モデル波形に対して、同じく３０ｋＨｚのハイパスフィルタリングを施した波形である。
【００９９】
図２０は、図１８に示したハイパスフィルタリングを施された受信波形に対して、図１９で示したハイパスフィルタリングを施された超音波信号のＭ系列モデル波形により相関をとった相関値を示す。電子ペン１０−２から送信された超音波信号の到達時刻は、相関値のピークを有する時刻として検出される。
【０１００】
このように、フィルタリングを施すことで、複数の電子ペンから送信された超音波が、受信装置２０で同時に受信され、受信レベルに差があった場合も、到達時刻を検出することができる。
【０１０１】
図２１は、図６に示した受信波形の周波数成分を示す。主たる周波数成分は０から４０ｋＨｚとなる。
【０１０２】
図２２は、図９に示した受信波形の周波数成分を示す。主たる周波数成分は０から８０ｋＨｚとなる。
【０１０３】
いずれの超音波信号も特徴を識別できる一定の帯域を持つため、それぞれのペンを特徴付ける成分を失わないような適切なフィルタを選択することにより、受信レベルに差がある場合も、超音波到達時刻を検出することができる。上記の場合は、３０ｋＨｚのハイパスフィルタにより、３０ｋＨｚ以下の成分が失われても、３０〜８０ｋＨｚの成分により検出が可能となる。
【０１０４】
（第１の実施の形態による効果）
本実施の形態によれば、複数の電子ペン１０を同時に使用する場合に、受信部２００で受信するそれぞれの電子ペン１０からの超音波信号の受信レベルに差がある場合であっても、複数の電子ペン１０からの送出される複数の超音波信号の影響を受けることなく、最初に受信部２００に到達する直接波によってそれぞれの電子ペン１０の位置を検出することができる。よって、複数の電子ペンを同時に使用する場合に、各電子ペンの位置検出を正確かつ安定的に行うことができる。
【０１０５】
その理由は、各電子ペン１０の送信部１００で異なるＭ系列により異なる周波数の超音波を変調した超音波信号を用い、トリガ信号を電子ペン１０毎に識別可能な電磁波信号とすることで、受信装置２０でそれぞれの電子ペン１０のＭ系列モデル波形を生成し、該超音波信号と生成されたＭ系列モデル波形との間で相関値を算出し、該相関値の最初のピーク値を検出し、トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから各電子ペン１０からの超音波伝搬時間を正確に算出できるためである。さらに、選択したピーク値とそれ以外のピークに差が見られない場合に、該超音波信号にフィルタを施し、同じくフィルタを施したＭ系列モデル波形との間で相関値を算出し、該相関値の最初のピーク値を検出し、トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから各電子ペン１０からの超音波伝搬時間を正確に算出できるためである。
【０１０６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態による位置検出システムについて詳細に説明する。
【０１０７】
本実施の形態では、複数の電子ペン１０から送信する超音波信号を、複数の電子ペン１０で重複しないような帯域のものを送信するようにする。超音波駆動回路１０３からの駆動信号を制御することにより実現しても構わないし、予め所望の帯域特性をもつ超音波送信部１０４を使用することで送信帯域を限定することで実現してもの構わない。
【０１０８】
受信装置２０では、受信した超音波信号に対して、各電子ペン１０で使用する帯域を抽出するフィルタリングを施し、フィルタリングを施された超音波信号に対し、同じくフィルタリングを施されたＭ系列モデル波形との間で相関値を算出し、該相関値の最初のピーク値を検出する。
【０１０９】
なお、本実施の形態による位置検出システムの全体構成及び動作については、上述した第１の実施の形態の構成と同じであるので説明は省略する。
【０１１０】
（第２の実施の形態による効果）
本実施の形態によれば、複数の電子ペン１０から送信する超音波信号を、複数の電子ペン１０で重複しないような帯域のものを送信する構成とし、受信装置２０で、各電子ペン１０で使用する帯域を抽出するフィルタを施す構成としたことにより、複数の電子ペンからの超音波を同時に受信した合成波からそれぞれの電子ペンからの超音波を確実に抽出し、超音波の到達点を検出することで、各電子ペンの位置検出を正確かつ安定的に行うことができる。
【０１１１】
以上好ましい実施の形態と実施例をあげて本発明を説明したが、本発明は必ずしも、上記実施の形態及び実施例に限定されるものでなく、その技術的思想の範囲内において様々に変形して実施することができる。
【０１１２】
上記各実施の形態では、本発明を電子ペンシステムに適用した場合について説明したが、ロボットシステムへ適用することが可能である。送信装置をロボットへ設置し、受信装置をある空間の天井や壁に設置することでロボットの空間内の位置を検出することができる。空間内のロボットの位置を把握することでロボットを制御し衝突回避といった用途に使用可能である。
【０１１３】
一方、送信装置を人間等に装着し、受信装置をある空間の天井や壁に設置することで、空間内での動線検出や位置追跡といった用途にも適用することができる。
【０１１４】
いずれの場合も、可動物体毎に異なるＭ系列の超音波を用いて、複数の可動物体が共存する環境を構築することが可能である。
【０１１５】
これまでは、Ｍ系列による変調について述べたが、例えばＧｏｌｄ系列のように、自己相関性が高く、他の系列との相互相関が低い擬似ランダム信号であれば、Ｍ系列に限定するものではない。
【０１１６】
この出願は、２００９年７月１４日に出願された日本出願特願２００９−１６５４１２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【国際調査報告】
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