(57)【要約】  本発明は、１つの移動式超音波送受信器を備えた移動式無線式構成要素と、所定の間隔を隔てた関係にある複数の固定式超音波送受信器を備えた固定式構成要素との間の位置検出方法を提供し、その方法は、無音時間を設定するために全ての送受信器をオフにするステップ、超音波信号を送信するために１又は複数の固定式送受信器を起動するステップ、通常、信号の送信と同時に、複数の固定式送受信器のそれぞれに対応した複数のタイマーを開始させるステップ、移動式送受信器で信号を受信するステップ、信号の受信に反応して移動式送受信器から信号を送信するステップ、各固定式送受信器で移動式送受信器により送信された信号を受信し、通常、最初の２０個の受信されたエッジ、好ましくは最初の１０個の受信されたエッジの中から見つけられた１つの受信されたエッジ、より好ましくは最初に受信された立ち上がりのエッジを受信したときに各タイマーを停止させるステップ、音速を表す所定の定数と各タイマーによって測定された各固定送受信器への信号の移動時間に基づいて移動式送受信器と各固定式送受信器の間の距離を演算するステップ、及び固定式構成要素に対する移動式構成要素の三次元位置を測定するために、演算された距離を用いて三角法の計算を実行するステップを備えている。
2009531699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの移動式超音波送受信器と第１無線周波数送受信器を備えた移動式無線式構成要素と、所定の間隔を隔てた関係にある複数の固定式超音波送受信器と第２無線周波数送受信器を備えた固定式構成要素との間の位置検出方法であって、
（ａ）第２無線周波数送受信器から無線周波数トリガー信号を送信するステップ、
（ｂ）通常、トリガー信号の送信と同時に複数の固定式送受信器に対応した複数のタイマーを開始するステップ、
（ｃ）第１無線周波数送受信器でトリガー信号を受信するステップ、
（ｄ）受信したトリガー信号に反応して移動式送受信器から信号を送信するステップ、
（ｅ）各固定式送受信器で移動式送受信器により送信された信号を受信し、通常、最初の２０個の受信されたエッジ、好ましくは最初の１０個の受信されたエッジの中から見つけられた１つの受信されたエッジ、より好ましくは最初に受信された立ち上がりのエッジを受信したときに各タイマーを停止させるステップ、
（ｆ）音速を表す所定の定数と各タイマーによって測定された各固定送受信器への信号の移動時間に基づいて移動式送受信器と各固定式送受信器の間の距離を演算するステップ、及び
（ｇ）固定式構成要素に対する移動式構成要素の三次元位置を測定するために、演算された距離を用いて三角法の計算を実行するステップ
を備えている。
【請求項２】
略矩形波を発生させるために、固定式超音波送受信器によって受信された信号をクリップするステップを備えたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第２無線周波数送受信器により送信された信号は、所定の１組のコードの中から選択された独自のコードを組み込むように変調され、第１の無線周波数送受信器は、所定の１組のコードの中の所定の１つのコードを含む受信された信号にだけ反応し、それによって、単一の固定式構成要素と共に複数の移動式構成要素の使用を可能にしたことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
１つの移動式超音波送受信器を備えた移動式無線式構成要素と、所定の間隔を隔てた関係にある複数の固定式超音波送受信器を備えた固定式構成要素との間の位置検出方法であって、その方法は、所定の１組のコードの中から選択された独自のコードを用いて、前記固定式構成要素により送信された信号を変調することによって、複数の同様な移動式構成要素の中から前記移動式構成要素を選択するステップと、前記一組のコードから選択されたコードの内さらに１組の、より好ましくは１つだけのコードに応答するべき移動式構成要素の準備をするステップを含む。
【請求項５】
前記変調は振幅変調であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記変調は８サイクル以上の信号によって搬送され、各サイクルは８ビットの二進数の一つのビットを表していることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
超音波信号を送信するために、１又は複数の固定式構成要素を起動するステップ、移動式構成要素でその信号を受信するステップ、受信した信号に応答して移動式構成要素から信号を送信するステップ、及び移動式送受信器に送信を停止させるために、移動式送受信器で分岐（ターンオフ）信号を受信するように、固定式送受信器に対する送信サイクルの間で音を聞くステップを含むことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記移動式構成要素は、８サイクルのような所定時間経過後に送信を停止するように構成されていることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
所定の間隔を隔てた関係にある複数の固定式超音波送受信器を備えた固定式構成要素を有する超音波位置検出装置の調整方法であって、その方法は、第１及び第２の固定式送受信器を起動するステップ、第１の送受信器から第２の送受信器へ超音波信号を送信するステップ、第１の送受信器から第２の送受信器への超音波信号の移動時間を得るために時間を測定するステップ、及び送受信器間の既知の距離及び測定された時間に基づいて第１の調整量を推定するステップを備える。
【請求項１０】
第３の送受信器を起動させるステップ、第１の送受信器から第３の送受信器への超音波信号の移動時間を得るために時間を測定するステップ、第１の送受信器と第３の送受信器の間の既知の距離及び測定された時間に基づいて第２の調整量を推定するステップ、及び第１の調整量と第２の調整量を平均化するステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
１秒につき少なくとも１００回、請求項１乃至９のいずれかの方法を繰り返すステップを備えた位置検出方法。
【請求項１２】
位置検出方法を繰り返す間に、ほぼ毎回請求項９乃至１１(SIC)のいずれかの調整を実行することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
所定の間隔を隔てた関係にある複数の固定式超音波送受信器を備えた固定式構成要素及び移動式超音波送受信器を備えた無線移動式構成要素を有する超音波位置センサー装置であって、固定式構成要素は、固定式送受信器の出力にそれぞれ結合された複数のクラスＣ増幅器、及びクラスＣ増幅器の出力によってトリガーされるように配置された複数のタイマーを含む。
【請求項１４】
前記増幅器のゲインは、固定式送受信器の通常の動作点のそれぞれにおいて、出力を確実に飽和させるように選択されていることを特徴とする請求項１３に記載の超音波位置センサー。
【請求項１５】
信号に所定の１組のコードから選択された独自のコードを組み込むように、固定式超音波送受信器によって送信された信号を変調するように構成された変調部をさらに含むことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の超音波位置センサー。
【請求項１６】
前記変調は振幅変調であることを特徴とする請求項１５に記載の超音波位置センサー。
【請求項１７】
前記移動式構成要素は、少なくとも２つの部材を備え、各部材は、移動式超音波送受信器を有し、結合手段を用いて他の部材に結合されていることを特徴とする請求項１３に記載の超音波位置センサー。
【請求項１８】
前記結合手段は、磁気連結器、フック及びループ・ファスナー又はクリップであることを特徴とする請求項１７に記載の超音波位置センサー。
【請求項１９】
前記各部材は、その部材が他の部材に接続されているか否かを判断するのに適した検出手段及び固定ユニットに対して情報を送信するための通信手段を備えたことを特徴とする請求項１７又は１８に記載の超音波位置センサー。
【請求項２０】
少なくとも２つの部材を備え、各部材は結合手段を用いて他の部材に結合され、固定ユニットに対して情報を送信するための通信手段を含むことを特徴とする移動式構成要素。
【請求項２１】
前記結合手段は、磁気連結器、フック及びループ・ファスナー又はクリップであることを特徴とする請求項２０に記載の移動式構成要素。
【請求項２２】
前記通信手段は、有線又は無線通信を介して前記固定ユニットに情報を送信することを特徴とする請求項２０又は２１に記載の移動式構成要素。
【請求項２３】
前記通信手段は超音波送受信器であることを特徴とする請求項２２に記載の移動式構成要素。
【請求項２４】
前記通信手段は無線周波数送受信器であることを特徴とする請求項２２に記載の移動式構成要素。
【請求項２５】
前記固定式構成要素は、各移動式構成要素の位置を測定するのに適していることを特徴とする請求項２０乃至２４のいずれか一項に記載の移動式構成要素。
【請求項２６】
各部材は、その部材が他の部材に接続されているか否かを判断するのに適した検出手段を備え、２又はそれ以上の無罪が結合されているときに、１つの部材にだけ信号を送信させることを特徴とする請求項２０乃至２５のいずれか一項に記載の移動式構成要素。
【請求項２７】
１つの移動式超音波送受信器を備えた移動式無線式構成要素と、所定の間隔を隔てた関係にある複数の固定式超音波送受信器を備えた固定式構成要素との間の位置検出方法であって、その方法は、
（ａ）無音時間を設定するために全ての送受信器をオフにするステップ、
（ｂ）超音波信号を送信するために１又は複数の固定式送受信器を起動するステップ、
（ｃ）通常、信号の送信と同時に、複数の固定式送受信器のそれぞれに対応した複数のタイマーを開始させるステップ、
（ｄ）移動式送受信器で信号を受信するステップ、
（ｅ）信号の受信に反応して移動式送受信器から信号を送信するステップ、
（ｆ）各固定式送受信器で移動式送受信器により送信された信号を受信し、通常、最初の２０個の受信されたエッジ、好ましくは最初の１０個の受信されたエッジの中から見つけられた１つの受信されたエッジ、より好ましくは最初に受信された立ち上がりのエッジを受信したときに各タイマーを停止させるステップ、
（ｇ）音速を表す所定の定数と各タイマーによって測定された各固定送受信器への信号の移動時間に基づいて移動式送受信器と各固定式送受信器の間の距離を演算するステップ、及び
（ｈ）固定式構成要素に対する移動式構成要素の三次元位置を測定するために、演算された距離を用いて三角法の計算を実行するステップを備えている。
【請求項２８】
略矩形波を発生させるために、固定式超音波送受信器によって受信された信号をクリップするステップを備えたことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
固定式構成要素により送信された信号は、所定の１組のコードの中から選択された独自のコードを組み込むように変調され、それによって、移動式構成要素は、前記所定の１組のコードの中の所定の１つのコードを含む受信された信号にだけ反応し、それによって、単一の固定式構成要素と共に複数の移動式構成要素の使用を可能にしたことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
図面を参照して説明されたような位置検出方法。
【請求項３１】
図面を参照して説明されたような調整方法。
【請求項３２】
図面を参照して説明されたように構成され、配置された超音波位置センサー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いた三次元位置検出、特に、固定式構成要素に対する移動式構成要素の検出に関し、移動式構成要素は、配線ケーブルなどによって固定された構成要素に接続されていないものに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を用いた位置検出について、様々な試みがなされている。一般的に、超音波の放出は１つの構成要素からなされ、３つ以上の他の構成要素によって受信される。３つ以上の他の構成要素は、互いに一定の空間関係を有し、３つ以上の受信器への送信時間を測定することによって、距離測定がなされる。３つ以上の受信器を用いることによる到達時間差及びそれに伴う異なる距離測定は、移動式構成要素と固定式構成要素の間の三次元関係を測定するために実行されるべき三角法の計算を可能にする。今までのところ、超音波位置検出理論は十分に理解され、精密な調査に耐え得る。
【０００３】
しかしながら、実際にこの理論上の目標を達成するには、いくつかの重要な障害が存在する。第１に、送信開始時間は、信号の飛翔時間を測定するために、正確に知られていなければならない。無線による具体例では、このことは信号自体の干渉なしに達成されなければならない。第２に、この種の装置は、建物内で多用される。それゆえ、送信された信号は内壁や家具の表面により反射されるので、受信器は、飛翔時間を正確に測定するために、オリジナルの信号と反射された信号を区別しなければならない。第３に、飛翔中の絶対時間は、大気の特性、特に気温及び気圧によって変化する。第４に、超音波放出によって可聴覚周波数の領域における不快な放出を引き起こさないことが望ましい。もちろん、これらの問題は、通常のコストの制約及び信頼性のある動作の中で解決されなければならない。
【０００４】
コンピュータとコンソール・ゲーム市場を目的とした以下に述べる発明は、特に後者のコストと信頼性の制約に敏感である。それゆえ、以下に述べる発明は、固定式構成要素と移動式構成要素の間の有線接続を用いることなく、超音波を用いた三次元における位置測定のための、特に、単純で、堅牢で、さらに非常に効果的な方法及び装置を提供する。
【０００５】
米国特許５,１４２,５０６は、上で簡単に説明した問題点の詳細な記載を含んでいる。その中に記載された装置は、有線の移動式構成要素を含み、所定の振幅よりも上の第２の受信周期に従ってゼロクロス点を見つけるために、送受信器と複雑な回路の共振特性の複雑な組み合わせを用いて、送信された信号の到達を検出するという問題を解決しようとする。
【０００６】
米国特許５,１７５,６９５は、送信された信号の到達が、複雑な包絡線検出及び閾値回路を用いて実行される位置検出装置を開示している。キャリブレーションは、気温センサーを使って行われる。この装置は、上で述べた問題にアプローチするには、複雑でコストがかかることを明らかにしている。
【０００７】
ヨーロッパ特許０３１２４８１は、赤外線送信を用いることによって移動式構成要素を起動させる問題にアプローチしている。これは、もちろん、米国特許５,１７５,６９５の超音波の具体例に比べてさらに複雑であり、また、固定式構成要素と移動式構成要素の間に視野方向対策を必要とする。
【０００８】
これまで、超音波を用いた無線三次元位置検出の問題のための従来技術による解決策のいずれも、この技術分野において克服されなければならない多くの困難さに対する包括的で、且つ簡単な解決策をもたらしてはいなかった。
【発明の開示】
【０００９】
本発明の一態様によれば、１つの移動式超音波送受信器（超音波振動子）を備えた移動式無線式構成要素と、所定の間隔を隔てた関係にある複数の固定式超音波送受信器（超音波振動子）を備えた固定式構成要素との間の位置検出方法が提供され、その方法は、無音時間を設定するために全ての送受信器をオフにするステップ、超音波信号を送信するために１又は複数の固定式送受信器を起動するステップ、通常、信号の送信と同時に、複数の固定式送受信器のそれぞれに対応した複数のタイマーを開始させるステップ、移動式送受信器で信号を受信するステップ、信号の受信に反応して移動式送受信器から信号を送信するステップ、各固定式送受信器で移動式送受信器により送信された信号を受信し、通常、最初の２０個の受信されたエッジ、好ましくは最初の１０個の受信されたエッジの中から見つけられた１つの受信されたエッジ、より好ましくは最初に受信された立ち上がりのエッジを受信したときに各タイマーを停止させるステップ、音速を表す所定の定数と各タイマーによって測定された各固定送受信器への信号の移動時間に基づいて移動式送受信器と各固定式送受信器の間の距離を演算するステップ、及び固定式構成要素に対する移動式構成要素の三次元位置を測定するために、演算された距離を用いて三角法の計算を実行するステップを備えている。
【００１０】
このように、本発明は、固定式構成要素から超音波信号を送信することによって、移動式構成要素の起動を実現する。この発明は、送受信器を送信モードと受信モードの両方に使用することができるように、追加の構成要素を必要としないので、きわめてシンプルである。一旦移動式構成要素が送信を開始すると、信号は固定式構成要素で各送受信器によって受信され、簡単なエッジ検出が実行される。エッジ検出は、最初の立ち上がりエッジの検出が好ましいが、最初の１０又は２０サイクルの範囲内で選ばれたエッジであってもよい。包絡線検出を行う必要がなく、送信前に全ての送受信器をオフすることによって確実に反射を収まらせているので、反射の影響を回避することができる。
【００１１】
他の実施形態において、固定式構成要素と移動式構成要素は、無線周波数送受信器を含み、無線を用いて通信可能である。それゆえ、本発明の他の一態様は、１つの移動式超音波送受信器と第１無線周波数送受信器を備えた移動式無線式構成要素と、所定の間隔を隔てた関係にある複数の固定式超音波送受信器と第２無線周波数送受信器を備えた固定式構成要素との間の位置検出方法であって、第２無線周波数送受信器から無線周波数トリガー信号を送信するステップ、通常、トリガー信号の送信と同時に複数の固定式送受信器に対応した複数のタイマーを開始するステップ、移動式送受信器でトリガー信号を受信するステップ、トリガー信号の受信に反応して移動式送受信器から信号を送信するステップ、各固定式送受信器で移動式送受信器により送信された信号を受信し、通常、最初の２０個の受信されたエッジ、好ましくは最初の１０個の受信されたエッジの中から見つけられた１つの受信されたエッジ、より好ましくは最初に受信された立ち上がりのエッジを受信したときに各タイマーを停止させるステップ、音速を表す所定の定数と各タイマーによって測定された各固定送受信器への信号の移動時間に基づいて移動式送受信器と各固定式送受信器の間の距離を演算するステップ、及び固定式構成要素に対する移動式構成要素の三次元位置を測定するために、演算された距離を用いて三角法の計算を実行するステップを備えている。
【００１２】
好ましい実施形態において、固定式構成要素で受信された超音波信号は、受信された信号のエッジ検出をさらに単純化するために、例えば、比較的ゲインの高いクラスＣ増幅器又は閾値調整可能な比較器を用いて抽出される。これにより、複雑な追加の信号処理又は従来技術で提案されたような複雑なアナログ信号処理を不要にすることができる。
【００１３】
このシステムは、複数の超音波送受信器が移動式構成要素に配置され、単一の超音波送受信器が固定式構成要素に配置された逆のモードでも使用可能であることは、当業者によって理解されるであろう。しかしながら、通常、重さとバッテリーパワーの制約は、複数の送受信器は固定式構成要素に配置すべきであることを示唆する。それでも、本発明は、どちらの構成ででも等しく十分に機能しうること、及びこのアプリケーションの全体の背景において、両方の選択肢が想定されることを理解されるべきである。
【００１４】
本発明のさらに別の一態様によれば、１つの移動式超音波送受信器を備えた移動式無線式構成要素と、所定の間隔を隔てた関係にある複数の固定式超音波送受信器を備えた固定式構成要素との間の位置検出方法が提供され、その方法は、所定の１組のコードの中から選択された独自のコードを用いて、前記固定式構成要素により送信された超音波信号を変調することによって、複数の同様な移動式構成要素の中から前記移動式構成要素を選択するステップと、前記一組のコードから選択されたコードの内さらに１組の、より好ましくは１つだけのコードに応答するべき移動式構成要素の準備をするステップを含む。
【００１５】
本発明のこの一態様は、同一の固定式構成要素と共に複数の移動式構成要素を使用可能にする機能強化を取り扱っている。１又は複数の固定式送受信器により送信された信号に識別信号を変調すると、１つの移動式構成要素のみが応答するように準備される。複数の移動式構成要素を順にポーリングすることにより、このシステムの単一の固定式構成要素に対する複数のその様な移動式構成要素の位置を測定することができる。ヨーロッパ特許０１５２９０５は、医療事情における同様なものを実施するように試みている。しかしながら、このシステムは、送受信器を持った人に取り付けられた命綱を含み、それゆえ、このシステムは無線システムではないことに注意されるべきである。
【００１６】
さらに別の一態様によれば、所定の間隔を隔てた関係にある複数の固定式超音波送受信器を備えた固定式構成要素を有する超音波位置検出装置の調整方法が提供され、その方法は、第１及び第２の固定式送受信器を起動するステップ、第１の送受信器から第２の送受信器へ超音波信号を送信するステップ、第１の送受信器から第２の送受信器への超音波信号の移動時間を得るために時間を測定するステップ、及び送受信器間の既知の距離及び測定された時間に基づいて第１の調整量を推定するステップを備える。
【００１７】
この精度向上された実施形態では、固定式構成要素上の複数の送受信器間の既知の空間位置関係を用いて自動調整（セルフ・キャリブレーション）が実行される。先行技術アプローチは、典型的に、高価な温度と気圧センサーを使う形態を採用した。一方、いくつかの先行技術の解決策は自動調整の特徴を含むけれども、それらは（既知の位置のクレードル中の）移動式構成要素と固定式構成要素の間の調整を含む傾向があった。固定式構成要素の上のいくつかの送受信器にわたっていくつかの測定結果を平均化することは、顕著な精度向上を生じることがわかった。
【００１８】
さらに別の実施形態において、所定の間隔を隔てた関係にある複数の固定式超音波送受信器を備えた固定式構成要素及び移動式超音波送受信器を備えた無線移動式構成要素を有する超音波位置センサー装置が提供され、固定式構成要素は、固定式送受信器の出力にそれぞれ結合された複数のクラスＣ増幅器、及びクラスＣ増幅器の出力によってトリガーされるように配置された複数のタイマーを含む。
【００１９】
本発明のさらに別の一態様において、少なくとも２つの部材を備えた移動式構成要素を提供し、各部材は結合手段を用いて他の部材に結合され、この移動式構成要素は、固定ユニットに対して情報を送信するための通信手段を含む。好ましくは、結合手段は、磁気連結器、フック及びループ・ファスナー、又は機械的なファスナー、又はクリップである。通信手段は、移動式超音波送受信器又は無線周波数送受信器であってもよい。固定式構成要素は、通信手段によって送信される情報によって各移動式構成要素の位置を測定するのに適していることが好ましい。
【００２０】
各部材は、また、その部材が他の部材に接続されているか否かを判断するのに適した検出手段を含み、２以上の部材が接続されているときに、１つの部材だけにのみ超音波及び／又は無線周波数信号を送信させてもよい。
【００２１】
好ましい実施形態において、前記部材の１つは、固定ユニットと単独で無線周波数通信を行う主任務を履行し、１又は複数の他の部材は、無線周波数通信又は超音波通信を用いて、前記主部材と局部的に通信を行う。このことは、一般的に、各部材間の距離よりも主部材から遙かに遠い所にある固定式構成要素と通信するために、１つの部材しか十分なパワーで送受信する必要がないので、バッテリーパワーを節約する。この主部材は、他の部材又は固定式構成要素に対して情報を送信可能になる前に、情報を保存しておくためのデータバッファーを含んでいてもよい。
【００２２】
移動式構成要素又は移動式構成要素の１又は複数の部材は、１又は複数の加速度計及び／又はジャイロスコープ/方位磁石センサーなどの回転センサーを含んでいてもよい。加速度計又は他の回転データ及び／又は移動式構成要素上のボタン操作は、無線周波数又は超音波送信を用いて固定式構成要素に対して中継されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
本発明の実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【図１−２】図１は、本発明に係る移動式構成要素の概略的ブロック図であり、図２は、本発明に係る固定式構成要素の概略的ブロック図である。
【図３】図３は、位置測定の間にとられるステップを示すフローチャートである。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態に係る移動式構成要素の概略的ブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１に関して、移動式構成要素２は、バッテリー電源４、送受信器制御部６及び復調部８を備えている。
【００２５】
単一の送受信器１０は、送受信器制御部６に結合されている。
【００２６】
送受信器１０は、一般的には３０度以上、好ましくは６０度以上の広い分散角度を有するように構成されている。一般的に、送受信器は４０ｋＨｚ付近の周波数で送信するように構成されている。それゆえ、この技術分野で知られていているように、そのような送受信器は、同じ周波数帯で受信するのに適している。低い周波数はより広く分散される傾向にあるので好ましいけれども、周波数選択は重要でない。しかしながら、人間の耳で聴超える範囲は、ときどき２０ｋＨｚ近くまで広がるので、２５ｋＨｚ付近の周波数を使用可能な周波数の下限値と考えるべきである。
【００２７】
送受信器制御部６は、送受信器１０の送信、受信及び休止モードを制御するために、及び必要な増幅及びデータ蓄積を処理するために機能する。復調部８は、以下でより詳細に説明するように、送受信器１０により受信された独自のＩＤコードを復調し、認識するように構成されている。
【００２８】
図２も参照して、固定式構成要素１１は、一般的に、送受信器１０と同じ構造である複数の送受信器１２を有する。一般的に、精度を上げるために、平均化されるか、さもなければ処理される全部で４つの三角測量の解をもたらすであろう４つの送受信器１２が使用される。もしも、精度が低くてもよければ、（１つの三角測量の解をもたらす）３つの送受信器だけを使用してもよく、この選択肢は本発明に含まれる。また、製造コストは高くなるけれども、５つ以上の送受信器を使用してもよく、精度をさらに上げることができる。
【００２９】
一実施形態における送受信器１２は、以下でより詳細に述べるように、送信モードと受信モードの両方で使用されるように意図されている。受信モードにおいて、ユニット１４(SIC)により受信された入力は、エッジ検出部１８を通過する一般的な矩形波を発生させるために入力波形をクリップする役目を働くクラスＣ動作高ゲイン増幅器１６を通過する。送受信器及びタイマー制御部２０は、送受信部２０の送信、受信及び休止モードを制御するため、及び複数のタイマー２２の起動及び停止を制御する役目をする。最後に、距離演算部２４は、位置検出のために用いられる最終的な演算を実行するために用いられる。
【００３０】
ここで、これらの構成要素の詳細な動作を、図３と関連して説明する。
【００３１】
出発点として、全ての送受信器は休止モードであるとする。初期化と同時に、１つの送受信器１２が他の２つの送受信器１２によって受信される信号を送信させられる自動調整段階に移行する。これらの送受信器１２は、空間的な位置関係が不変であり、且つ既知であるように、ある構造体の上に取り付けられている。送受信器及びタイマー制御部２０とタイマー２２を用いて、信号が他の２つの送受信器１２に到達するのに必要な時間を測定することにより、固定ユニット１１の付近の典型的な音速を推定することができる。このことは、将来の調整において、温度と気圧の変化の影響を調整することを可能にする。
【００３２】
１つの送信を２つの場所で受信することにより、２つの異なった結果が得られる。最終的に、これらは、将来の調整において使用されるべき最終的な調整量となるように、平均化される。さらに、他の送受信器１２、すなわち３つの送受信器１２の全てを順に用いて、残りの２つの送受信器１２に受信される信号を送信させることが好ましい。それによって、平均化される最大で６つの測定結果が得られる。
【００３３】
一旦、最初の調整段階が完了すると、次に測定段階が開始される。一般的に、これは、さらなる測定のための原点を設定するユーザー調整のために使用され、それによって、移動式構成要素を保持したユーザーにとって快適な場所に対して、固定式構成要素を配置することができる。
【００３４】
図３に関して、ステップ５０で、固定式送受信器１２は、超音波の短いバーストの送信を開始する。一般的に、これは８サイクルの超音波であって、一般的に、識別コードとしてマルチビット（一般的に、８ビット）二進数字を含むように変調された振幅である。同時に、送受信器及びタイマー制御部２０は、タイマー２２を起動させる（ステップ５２）。
【００３５】
移動式構成要素２は、送信された信号を受信し、復調部８を用いて、識別コードを解読する（ステップ５４）。識別コードは、複数の移動式構成要素が同じ固定式構成要素と共に使用されるのを可能にするために用いられる。そのため、移動式構成要素２は、その識別コードが、送信を実行しなければならないことを示しているかどうか判断する。また、識別コードは、例えば、移動式構成要素上の振動装置、音声及び／又は光効果を作動させるために用いられる移動式構成要素中の特定のモードを示すために用いてもよい。
【００３６】
送信された識別コードが、起動中の移動式構成要素にとって正しいものであったと仮定する。（これは、ステップ５６で判断される）。もしも移動式構成要素が起動中であるならば、変調されていない超音波バーストが送信される（ステップ５８）。これは、一般的に、８サイクルのバーストである。
【００３７】
バーストは、移動式構成要素に対する距離の違いにより、異なった時間に固定式送受信器によって受信される（ステップ６０）。各固定式送受信器が信号を受信すると、送受信器及びタイマー制御ユニットは、関連するタイマーをオフにする（ステップ６２）。一旦、全ての固定式送受信器が信号を受信すると（ステップ６４）、送受信器１２から送受信器１０に停止信号を送信することによって、移動式構成要素からの送信が停止され、距離演算部２４は、距離測定として、各送受信器に対するタイマー２２に保持された値を用いて構成要素の相対位置を演算する。この位置検出は、この技術分野で公知の三角法の計算を用いて測定される。
【００３８】
移動式構成要素からの送信停止（ステップ６６）は、移動式構成要素に、それ自身が送信する間に、送受信器１２によって送信された信号を待たせることによって達成される。
【００３９】
送受信器及びタイマー制御部２０は、特定の送受信器１２に関するタイマー２２の停止をトリガーするために、エッジ検出部１８により検出された最初のエッジを用いることが好ましい。これは、特に単純な方法であって、受信された信号上で（クラスＣ増幅器１６を用いた）クリッピングの使用によって容易に行うことができる。また、一般的に、反射された信号は到達するのに時間がかかっているため、最初に受信された信号は、直射的な視線信号であると仮定する。そのため、単に最初のエッジを選択するだけで、複数経路の反射を除去するための複雑な計算を不要にすることができる。図３のサイクルを１秒につき少なくとも１００回繰り返すことによって、連続的な動作の影響を発見することができる。もしも、複数の移動式構成要素が使用されるならば、（もちろん、特定の移動式構成要の応答の要求が低いことが知られており、その場合、それほど頻繁にポーリングしなくてもよい場合を除き）それらは順にポーリングされる。また、移動式構成要素は、停止信号を待たないように単純化されていてもよい。その場合、８サイクルの信号を送信し、その後自動的に停止するであろう。
【００４０】
反射波を減衰させるために、若干の無音状態が必要ではあるが、周波数４０ｋＨｚの超音波の８サイクルで、１００Ｈｚのオーダーの何かを繰り返せば、およそ１００台の移動式構成要素を使用可能とするのに十分な時間が存在する点に注目されるべきである。実際には、台数は１と１０の間である可能性が高い。さらに、８ビットの識別コードの選択は、上で議論したような２５６通りの組み合わせを可能にし、２５６台の異なった移動式構成要素を形成してもよいし、あるいは、それよりも少ない数の移動式構成要素のアドレス及びその移動式構成要素の起動及び停止のために使用してもよい。
【００４１】
このように、上で示されたものは、無線式であるという状況における超音波を使用した三次元位置検出の問題の、特に単純で、且つ効果的な解決策である。
【００４２】
位置検出精度は、主にタイマー２２の分解能、換言すれば、クロック周波数によって決定される。現在のところ、６.５ＭＨｚのクロック周波数が適当であるとわかっている。より高い分解能は、より高い周波数を用いることによって実現されるけれども、より大きなカウンターを必要とし、コストがかかる。
【００４３】
本発明のさらに別の実施形態において、移動式構成要素７０は、図４に示すように、２又はそれ以上の部材７２から構成されている。各部材７２は、固定式構成要素に対して情報を送信する要に適応された通信手段７３及びユーザーからの指示を受信するためのユーザーインターフェースを含む。
【００４４】
通信手段７３は、例えば、配線を用いた固定式構成要素に対して、ユーザーインターフェースを介して受信した情報を送信するように適合された送信器であってもよい。あるいは、各部材は、図１を参照して説明された移動式構成要素と類似し、バッテリー電源４、送受信器制御部６及び復調部８を有するものであってもよい。このように、通信手段７３は、超音波送受信器及び／又は無線周波数送受信器であってもよい。さらに、一方の部材７２は、固定式構成要素１１と直接通信する主部材となることができる。もしも、主部材が指定されたとすると、他の部材は、一般的に、主部材を介して固定式構成要素と通信を行うので、主部材は全ての部材７２に対して事実上ローカル・ハブとして機能する。
【００４５】
部材７２は、結合手段７４により、取り外し可能に結合されていることが好ましい。結合手段は、部材７２が、単一の移動式構成要素を形成するようにたやすく結合され又は２つの移動式構成要素を形成するように切り離されることを可能にする。結合手段は、例えば、１又は複数の磁石、又はＶｅｌｃｒｏ（登録商標）のようなフック及びループ・ファスナーであってもよい。あるいは、各部材７２には、部材同士を一体的に保持するために互いに固定する１つのクリップの補完的な一部分が設けられていてもよい。その他の適当な結合手段も使用することができる。
【００４６】
各部材７２は、バッテリー電源４、送受信器制御部６及び復調部８を備えているので、各部材は独立して固定構成要素（図示せず）に送信することができる。図３を参照して説明したように、固定式構成要素は、それゆえ、信号中にコード化された識別コードを用いて、各部材７２の位置を測定することができる。
【００４７】
各部材７２は、その部材が取り付けられている他の部材を検出するセンサー（図示せず）を備えていることが好ましい。このことは、一体的に結合されている複数の部材から１つの信号だけが送信されることを可能にする。
【００４８】
さらに別の実施形態において、固定式構成要素と移動式構成要素の間の通信は、無線周波数通信を用いて行われる。それゆえ、図３において、送信ステップ（ステップ５０）は、移動式構成要素に対する無線周波数通信を含み、受信ステップ（ステップ５４）は、無線周波数の受信を含む。
【００４９】
図１に示すように、固定式構成要素１１は、オプションの無線周波数送受信器８０を含み、そして、移動式構成要素は、オプションの無線周波数送受信器８２を含む。
【００５０】
移動式構成要素は、また、一つ又は複数の加速度計及び／又はジャイロスコープ/方位磁石センサーを含んでいてもよい。このことは、移動式構成要素の加速度情報及びねじり動作の検出、測定及び無線周波数又は超音波通信のような無線通信を用いて固定式構成要素に送信することを可能にする。
【００５１】
さらなる機能強化として、移動式構成要素の加速度を、位置検出の誤差平均を調整するために用いてもよい。通常、誤差の影響を最小にするために、移動式構成要素の検出された位置は、いくつかの測定値の全体を平均化している。このことは、誤差を平均化して、スムーズな位置読み取りをもたらす。しかしながら、平均化は、また、移動式構成要素が急速に動いたときに、顕著な遅れを発生させる。加速度計のデータを用いることにより、移動式構成要素が所定の閾値又は（平均化のために用いられるサンプル数に応じて変化される）１組の閾値以上に加速されたときに、平均化のために用いられるサンプル数を減らし、移動式構成要素の加速度が低いときには平均化されるサンプル数を再び増やすことによって、この問題は克服されうる。急激な動きが起きても位置検出精度が主観的にあまり重要でない又は動きが遅いときには位置読み取りにおける遅れの発生があまり重要でないときには、このことはうまく作用する。
【図１−２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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