(57)【要約】【課題】  距離検出精度と同等の位置検出精度を持ち、位置検出範囲が狭くなることなく、超音波を用いたコンパクトな位置検出装置を提供すること。【解決手段】  検出対象物に取り付けられた送信用超音波素子は超音波信号を送信する。基準位置で互いに近接配置された２個の受信用超音波素子は超音波を受信する。受信検出装置は受信用超音波素子のいずれかが超音波を受信したことを検出する。時間差検出手段は超音波が送信されてから受信されるまでの時間差を検出する。距離演算手段は時間差検出手段で検出された時間差から送信用超音波素子と受信用超音波素子との間の距離を演算する。位相差検出装置は２個以上の受信用超音波素子で受信した超音波間の位相差を検出する。位置演算手段は、距離演算手段で検出された距離と位相差検出装置から検出された位相差とから基準位置を基準とした送信用超音波素子の位置を演算する。【選択図】    図４
2005283473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元または３次元の空間内での基準位置を基準とした検出対象物の位置を検出する超音波を用いた位置検出装置であって、
前記検出対象物に取り付けられ、超音波信号を送信する送信用超音波素子と、
前記検出対象物から離れた前記基準位置で互いに近接して配置され、前記送信用超音波素子から送信された超音波を受信する少なくとも２個の受信用超音波素子と、
前記送信用超音波素子を駆動する送信駆動装置と、
前記少なくとも２個の受信用超音波素子のいずれかが超音波を受信したことを検出する受信検出装置と、
超音波が送信されてから受信されるまでの時間差を検出する時間差検出手段と、
前記時間差検出手段で検出された時間差から前記送信用超音波素子と前記受信用超音波素子との間の距離を演算する距離演算手段と、
前記少なくとも２個の受信用超音波素子で受信した超音波間の位相差を検出する位相差検出装置と、
前記距離演算手段で検出された距離と前記位相差検出装置から検出された位相差とから前記基準位置を基準とした前記送信用超音波素子の位置を演算する位置演算手段と
を有することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
前記位相差検出装置は、前記少なくとも２個の受信用超音波素子で受信した超音波の1つの位相を遅らせる位相遅延装置と、前記少なくとも２個の受信用超音波素子で受信した超音波または前記位相遅延装置の出力との間で加算を行う加算装置と、前記少なくとも２個の受信用超音波素子で受信した超音波または前記位相遅延装置の出力との間で減算を行う減算装置と、前記加算装置および前記減算装置の出力波形の振幅を検出する振幅検出装置と、前記振幅検出装置の出力から位相差を演算する位相差演算手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項３】
前記送信用超音波素子は、水平方向に対して無指向性の超音波を送信することができる円筒型の超音波素子であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記検出対象物に取り付けられた姿勢角度検出装置および加速度検出装置と、前記姿勢角度検出装置および前記加速度検出装置の出力から微小時間に移動した位置を演算する微小位置演算手段と、前記位置演算手段と前記微小位置演算手段の出力を組み合わせて位置を演算する位置補正演算手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーチャルリアリティー、訓練システム等に使用され、限られた空間内において人間の位置を検出するのに適した超音波を用いた位置検出装置に関する。本発明に係る位置検出装置は、高精度・高機能・高価格なシステムではなく、安価でコンパクトなシステムを構築するのに適している。
【背景技術】
【０００２】
超音波素子を用いて２次元平面内の位置を検出する方法として、３点式位置検出方法がよく用いられる。
【０００３】
以下、図２を参照して、３点式位置検出方法の原理について説明する。
【０００４】
図２に示されるように、原点を通って互いに直交するX軸座標とY軸座標を考える。この場合、原点が基準位置となる。この原点から離れた位置に検出対象物(図示せず)があって、この検出対象物に送信用超音波素子２１が取り付けられているとする。図２に示す例では、送信用超音波素子２１は、X−Y座標で(X1,Y1)の位置にある。３点式位置検出方法では、この送信用超音波素子２１のX−Y座標位置(X1,Y1)を次のようにして求める。
【０００５】
すなわち、送信用超音波素子２１に対向して第１の受信用超音波素子２２と第２の受信用超音波素子２３を配置する。この第１の受信用超音波素子２２と第２の受信用超音波素子２３は、原点を中心として互いにY軸方向に沿って距離２Dだけ離して配置してある。すなわち、第１の受信用超音波素子２２はY軸の正方向にDの距離だけ離れたX-Y座標位置(０,D)に配置され、第２の受信用超音波素子２３はY軸の負方向にDの距離だけ離れたX-Y座標位置(０、−D)に配置されている。
【０００６】
図２に示されるように、第１の受信用超音波素子２２は送信用超音波素子２１から第１の距離R1だけ離れており、第２の受信用超音波素子２３は送信用超音波素子２１から第２の距離R2だけ離れている。
【０００７】
このような状況において、送信用超音波素子２１から第０の時刻t0に超音波が送信されたとする。この場合、第１の受信用超音波素子２２は、第０の時刻t0から第１の距離R1に比例した第１の時間T1だけ経過した第１の時刻t1に超音波を受信する。同様に、第２の受信用超音波素子２３は、第０の時刻t0から第２の距離R2に比例した第２の時間T2だけ経過した第２の時刻t2に超音波を受信する。従って、送信用超音波素子２１から超音波が送信された第０の時刻t0から第１の受信用超音波素子２２が超音波を受信した第１の時刻t1までの間の第１の時間(時間差)T1を計測することによって、第１の距離R1がわかる。同様に、送信用超音波素子２１から超音波が送信された第０の時刻t0から第２の受信用超音波素子２３が超音波を受信した第２の時刻t2までの間の第２の時間(時間差)T2を計測することによって、第２の距離R2がわかる。一方、ピタゴラスの定理より、下記数１式および数２式が成り立つ。
【数１】
2005283473.tif 000003
【数２】
2005283473.tif 000004
【０００８】
数１式から数２式を減算し（数１式−数２式）、下記数３式および数４式のように、送信用超音波素子２１のY軸座標位置Y1が求められる。
【数３】
2005283473.tif 000005
【数４】
2005283473.tif 000006
【０００９】
この送信用超音波素子２１のY軸座標位置Y1を上記数１式に代入することによって、送信用超音波素子２１のX軸座標位置X1も求められる。
【００１０】
上記では、超音波素子を用いて２次元平面内の位置を検出する方法について述べたが、さらに３次元に拡張するためには、受信用超音波素子を上下方向(Z軸方向)にもう一つ追加して、上下方向の時間（時間差）を検出すればよい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の方法を用いる場合、距離の２乗の項があるために検出誤差も２乗となってしまう。その結果、距離検出精度に対して位置検出精度が悪くなるという問題がある。また、受信用超音波素子２２、２３が原点(基準位置)から離れた位置に配置されているために、全ての受信用超音波素子が超音波を受信できる範囲は、個々の受信用超音波素子の検出範囲よりも狭くなるという問題もある。さらに、受信用超音波素子２２，２３をある程度離して配置しなくてはいけないので、装置が大がかりになるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は前記の超音波を用いた位置検出装置の問題点の解消を図るもので、距離検出精度と同等の位置検出精度を持ち、位置検出範囲が狭くなることなく、さらにコンパクトなシステムとして理想的な超音波を用いた位置検出装置を提供するものである。
【００１３】
即ち、本発明による位置検出装置は、２次元または３次元の空間内での基準位置を基準とした検出対象物の位置を検出する超音波を用いた位置検出装置であった、検出対象物に取り付けられ、超音波信号を送信する送信用超音波素子と、検出対象物から離れた基準位置で互いに近接して配置され、送信用超音波素子から送信された超音波を受信する少なくとも２個の受信用超音波素子と、送信用超音波素子を駆動する送信駆動装置と、少なくとも２個の前記受信用超音波素子のいずれかが超音波を受信したことを検出する受信検出装置と、超音波が送信されてから受信されるまでの時間差を検出する時間差検出手段と、時間差検出手段で検出された時間差から送信用超音波素子と受信用超音波素子との距離を演算する距離演算手段と、少なくとも２個の受信用超音波素子で受信した超音波間の位相差を検出する位相差検出装置と、距離演算手段で検出された距離と位相差検出装置から検出された位相差とから前記基準位置を基準とした前記送信用超音波素子の位置を演算する位置演算手段と、を有することを特徴とする超音波を用いた位置検出装置である。
【００１４】
上記位相差検出装置は、少なくとも２個の受信用超音波素子で受信した超音波の1つの位相を遅らせる位相遅延装置と、少なくとも２個の受信用超音波素子で受信した超音波または位相遅延装置の出力との間で加算を行う加算装置と、少なくとも２個の受信用超音波素子で受信した超音波または位相遅延装置の出力との間で減算を行う減算装置と、加算装置および減算装置の出力波形の振幅を検出する振幅検出装置と、振幅検出装置の出力から位相差を演算する位相差演算手段とを有することが望ましい。
【００１５】
上記送信用超音波素子は、水平方向に対して無指向性の超音波を送信することができる円筒型の超音波素子であることが好ましい。
【００１６】
また上記位置検出装置は、検出対象物に取り付けられた姿勢角度検出装置および加速度検出装置と、姿勢角度検出装置および加速度検出装置の出力から微小時間に移動した位置を演算する微小位置演算手段と、位置演算手段と微小位置演算手段の出力を組み合わせて位置を演算する位置補正演算手段とさらに備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、基準位置に互いに近接して２個以上の受信用超音波素子を配置し、受信用超音波素子と送信用超音波素子との間の距離と位相差とから送信用超音波素子の位置を算出する、位相差式位置検出方法を用いるので、従来用いられていた３点式位置検出方法の問題点を解消し、高精度で、かつ安価でコンパクトな位置検出装置を得ることができる。さらに姿勢角度検出装置および加速度検出装置を組み合わせることによって、データ更新速度を向上することができる。このシステムによって理想的な超音波を用いた位置検出装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
図３に、バーチャルリアリティーでの本発明の超音波を用いた位置検出装置の使用例を示す。使用者３１は頭部にHMD（ヘッドマウンテッドディスプレイ）３２を装着している。その結果、使用者３１はHMD３２に映し出された映像を見ることができる。
【００２０】
HMD３２には送信用超音波素子３３、姿勢角度検出装置（ヘッドトラッカー）（図示せず）、加速度検出装置（図示せず）が頭頂部にまとめて取り付けられている。したがって、使用者３１の頭部が検出対象物である。
【００２１】
姿勢角度検出装置（図示せず）は、頭の傾きや方向を検出し、その検出結果をパソコン３４に送信する。それによって、HMD３２には、その角度に合わせた映像が表示されるようになっている。
【００２２】
一方、受信用超音波ユニット３５がディスプレイ３６の上に配置され、超音波信号を受信して、使用者３１の頭部(検出対象物)の位置を検出できるようになっている。受信用超音波ユニット３５が配置されている位置が、基準位置(原点)である。送信用超音波素子３３は円筒型の振動子で、水平方向の指向性は無く、360度均等な超音波信号が送信される。これは使用者３１が様々な方向を向いても受信用超音波ユニット３５が超音波を受信できるように配慮したものである。
【００２３】
図１は、本発明の超音波を用いた位置検出装置の位相差式位置検出方法の原理を説明する図である。始めに２次元の場合について説明する。
【００２４】
原点を通って互いに直交するX軸座標とY軸座標を考える。この場合、原点が基準位置となる。この原点から離れた位置に検出対象物(すなわち、図３の例では、使用者３１の頭部)がある。この検出対象物に送信用超音波素子１１が取り付けられている。この送信用超音波素子１１は図３の送信用超音波素子３３に対応する。
【００２５】
図１に示す例では、送信用超音波素子１１は、X−Y座標で(X1,Y1)の位置にある。
【００２６】
送信用超音波素子１１に対向して第１の受信用超音波素子１２および第２の受信用超音波素子１３が２つ並んで近接して配置してある。この第１の受信用超音波素子１２と第２の受信用超音波素子１３は、原点を中心として互いにY軸方向に沿って距離Lだけ離れて配置してある。すなわち、第１の受信用超音波素子１２はY軸の正方向にL/2の距離だけ離れたX-Y座標位置(０，L/2)に配置され、第２の受信用超音波素子１３はY軸の負方向にL/2の距離だけ離れたX-Y座標位置(０，−L/2)に配置されている。
【００２７】
図１に示されるように、第１の受信用超音波素子１２は送信用超音波素子１１から第１の距離R1だけ離れており、第２の受信用超音波素子１３は送信用超音波素子１１から第２の距離R2だけ離れている。
【００２８】
このような状況において、送信用超音波素子１１から第０の時刻t0に超音波が送信されたとする。この場合、第１の受信用超音波素子１２は、第０の時刻t0から第１の距離R1に比例した第１の時間T1だけ経過した第１の時刻t1に超音波を受信する。同様に、第２の受信用超音波素子１３は、第０の時刻t0から第２の距離R2に比例した第２の時間T2だけ経過した第２の時刻t2に超音波を受信する。従って、送信用超音波素子１１から超音波が送信された第０の時刻t0から第１の受信用超音波素子１２が超音波を受信した第１の時刻t1までの間の第１の時間(時間差)T1を計測することによって、第１の距離R1がわかる。同様に、送信用超音波素子１１から超音波が送信された第０の時刻t0から第２の受信用超音波素子１３が超音波を受信した第２の時刻t2までの間の第２の時間(時間差)T2を計測することによって、第２の距離R2がわかる。但し、上述したように、第１の受信用超音波素子１２と第２の受信用超音波素子１３とは互いに近接して配置されているので、第１の距離R1と第２の距離R2とはほぼ同じであり、距離Rと近似できる。
【００２９】
前述した３点式位置検出方法と同様に、ピタゴラスの定理より、下記数５式および数６式が成り立つ。
【数５】
2005283473.tif 000007
【数６】
2005283473.tif 000008
【００３０】
数５式から数６式を減算し(数５式−数６式)、第１の距離R1と第２の距離R2とをR1=R2=Rと近似すると、下記数７式、数８式、数９式のように、送信用超音波素子１１のY軸座標位置Y1が求められる。
【数７】
2005283473.tif 000009
【数８】
2005283473.tif 000010
【数９】
2005283473.tif 000011
【００３１】
一方、第１の距離R1と第２の距離R2との間の微小差Dは、波長λと位相差θで表され、さらに波長λは音速cと周波数fで表すことができる。すなわち、送信用超音波素子１１のY軸座標位置Y1は下記数１０式で表される。
【数１０】
2005283473.tif 000012
【００３２】
この送信用超音波素子１１のY軸座標位置Y1を、上記数５式に代入すれば、送信用超音波素子１１のX軸座標位置X1が求まる。
【００３３】
このようにして距離Rと位相差θを測定することによって、送信用超音波素子１１のX−Y座標位置（X1、Y1）を検出することができる。
【００３４】
３次元に拡張するためには受信超音波素子を上下方向(Z軸方向)にもう一つ追加し、上下方向の位相差を検出すればよい。
【００３５】
上記数１０式には２乗の項がないので、位置検出誤差は距離検出誤差より大幅に悪くなることはない。また位相差θが±π／２の間で変動することを考えると、c/fLの値が大きいほどY軸方向の検出範囲が広くなることがわかる。実際には受信用超音波素子の特性上の制限によってc/fLはあまり大きくできない。本例では、f=25kHz、L=14mmとしたので、c/fLは0.97であり、検出範囲は±55度である。
【００３６】
図４に本発明の超音波を用いた位置検出装置のブロック図を示す。以下、図４を参照して、それぞれの信号または出力の流れ、位置検出の手順について説明する。
【００３７】
図示の位置検出装置は、送信用超音波素子４０１と、送信駆動装置４０２と、時間差検出手段４０３と、距離演算手段４０４と、第１乃至第３の受信用超音波素子４０５、４０６、４０７と、受信検出装置４０８と、位相差検出装置４０９と、位置演算手段４１５と、位置補正演算手段４１６と、姿勢角度検出装置４１７と、加速度検出装置４１８と、微小位置演算手段４１９とを有する。送信用超音波素子４０１は、前述したように、検出対象物に取り付けられている。第1乃至第３の受信用超音波素子４０５〜４０７は、前述したように、基準位置(原点)の周りに互いに近接して配置されている。
【００３８】
位相差検出装置４０９は、位相遅延装置４１０と、加算装置４１１と、減算装置４１２と、位相差演算手段４１３と、振幅検出装置４１４とを有する。
【００３９】
送信駆動装置４０２は送信用超音波素子４０１に第０の時刻t0に駆動信号を送る。この駆動信号に応答して、送信用超音波素子４０１は超音波を第０の時刻t0に送信する。それと同時に、送信駆動装置４０２は、時間差検出手段４０３に「超音波を送信した旨」を通知する。
【００４０】
時間差検出手段４０３はタイマー(図示せず)を有する。第０の時刻t0に上記「超音波を送信した旨」を受け取ると、時間差検出手段４０３は、タイマーのカウントを開始する。
【００４１】
一方、第０の時刻t0に送信用超音波素子４０１から送信された超音波は空気中を伝搬し、まもなく第１の受信用超音波素子４０５、第２の受信用超音波素子４０６および第３の受信用超音波素子４０７によってほぼ同時に受信される。詳述すると、第１の受信用超音波素子４０５は、第０の時刻t0から第１の時間T1だけ経過した第１の時刻t1に超音波を受信する。第２の受信用超音波素子４０６は、第０の時刻t0から第２の時間T2だけ経過した第２の時刻t2に超音波を受信する。第３の受信用超音波素子４０７は、第０の時刻t0から第３の時間T3だけ経過した第３の時刻t3に超音波を受信する。前述したように、第１乃至第３の受信用超音波素子４０５〜４０７は、基準位置の周りに互いに近接して配置されているので、第１乃至第３の時刻t1〜t3はほぼ同時刻である。
【００４２】
受信検出装置４０８は、第１の受信用超音波素子４０５が第１の時刻t1に超音波を受信したことを検出し、「超音波を受信した旨」を時間差検出手段４０３に通知する。「超音波を受信した旨」を受け取ると、時間差検出手段４０３は、第１の時刻t1にタイマーのカウントを停止する。そして、時間差検出手段４０３は、そのカウント値すなわち送受信間の時間差Δtを距離演算手段４０４に出力する。この時間差Δtは第１の時間T1に等しい。
【００４３】
距離演算手段４０４は、時間差Δtに音速cを乗算して、送信用超音波素子４０１と第１の受信用超音波素子４０５との間の距離Rを求める。距離演算手段４０４は、位置演算手段４１５にこの求めた距離Rを出力する。
【００４４】
一方、第１の受信用超音波素子４０５、第２の受信用超音波素子４０６および第３の受信用超音波素子４０７によって受信された超音波は、第１の受信信号Out1、第２の受信信号Out2、および第３の受信信号Out3という電気信号に変換され、位相差検出装置409に出力される。第１の受信信号Out1は位相遅延装置４１０によって位相を遅らされ、遅延信号Out1’となる。
【００４５】
加算装置４１１は、第１の受信信号Out1と第２の受信信号Out2とを加算して、第１の加算結果信号1+2を出力する。また、加算装置４１１は、第１の受信信号Out1と第３の受信信号Out3とを加算して、第２の加算結果信号1+3を出力する。
【００４６】
減算装置４１２は、第１の受信信号Out1、第２の受信信号Out2、第３の受信信号Out3、および遅延信号Out1’から第１の減算結果信号1-2、第２の減算結果信号1-3、第３の減算結果信号1’-2、および第４の減算結果信号1’-3を出力する。詳述すると、減算装置４１２は、第１の受信信号Out1から第２の受信信号Out2を減算して、第１の減算結果信号1-2を出力する。減算装置４１２は、第１の受信信号Out1から第３の受信信号Out3を減算して、第２の減算結果信号1-3を出力する。減算装置４１２は、遅延信号Out1’から第２の受信信号Out2を減算して、第３の減算結果信号1’-2を出力する。減算装置４１２は、遅延信号Out1’から第３の受信信号Out3を減算して、第４の減算結果信号1’-3を出力する。
【００４７】
加算装置４１１および減算装置４１２から出力された6つの電気信号1+2、1+3、1-2、1-3、1’-2、1’-3は、振幅検出装置４１４によってそれぞれの振幅に比例した電圧値に変換され、６つの変換電圧値は位相差演算手段４１３に出力される。これら６つの変換電圧値に基づいて、位相差演算手段４１３は、第１の受信信号Out1と第２の受信信号Out2との間の第１の位相差θ1と、第１の受信信号Out1と第３の受信信号Out3との間の第２の位相差θ2とを演算し、第１および第２の位相差θ1及びθ2を位置演算手段４１５に出力する。
【００４８】
位置演算手段４１５は、第１および第２の位相差θ1およびθ2に基づいて、基準位置を基準とした送信用超音波素子４１０のX-Y-Z座標上の仮の位置（X1,Y1,Z1）を演算し、その仮の位置（X1,Y1,Z1）を位置補正演算手段４１６に出力する。
【００４９】
姿勢角度検出装置４１７は姿勢角度（α,β,γ）を検出して、その検した姿勢角度（α,β,γ）を微小位置演算手段４１９に出力する。加速度検出装置４１８は加速度（Ax,Ay,Az）を検出して、その検出した加速度（Ax,Ay,Az）を微小位置演算手段４１９に出力する。姿勢角度検出装置４１７と加速度検出装置４１８とは、姿勢角度と加速度を検出するのに、超音波のように空中を伝搬する時間ロスがないのでより、高速にサンプリングされ更新されている。微小位置演算手段４１９は、姿勢角度（α,β,γ）と加速度（Ax,Ay,Az）とに基づいて微小位置（ΔX,ΔY,ΔZ）を演算し、その求めた微小位置（ΔX,ΔY,ΔZ）を位置補正演算手段４１６に出力する。最後に、位置補正演算手段４１６は、上記仮の位置（X1,Y1,Z1）と微小位置（ΔX,ΔY,ΔZ）とから補正した位置出力（X,Y,Z）を演算し、その求めた補正した位置出力（X,Y,Z）を出力する。
【実施例１】
【００５０】
次に、送信駆動装置４０２および受信検出装置４０８について説明する。図５に超音波送信波形５２と超音波受信波形５１を示す。送信駆動装置４０２から電圧±12V、周波数25kHzの矩形波を出力すると、送信用超音波素子３０１はこの信号に共振し、25kHzの超音波を送信する。この超音波送信後まもなく、受信用超音波素子は超音波を受信し、25kHzの受信信号が検出される。受信検出装置４０８は一定以上の出力を検出する仕組みになっている。
【００５１】
次に、位相差検出装置４０９について説明する。本来は、位相差検出装置４０９は、第１乃至第３の受信用超音波素子４０５〜４０７によって受信された第１の受信信号Out1、第２の受信信号Out2、第３の受信信号Out3の電気信号を全て読み取り、その位相差を調べることができれば良い。しかしながら、周波数25kHzの電気信号3つを位相が分かるデータとして読み込むためには、少なくとも数μsのサンプリング周期でA/D変換を行わなければならない。精度を求めるのであれば、1μsよりもさらに短いサンプリング周期でA/D変換をしなければならない。これはハイスペックなマイクロコンピュータを用いたとしても容易なことではない。そこで、本実施例では、位相差を別の出力に変換することによって精度良く位相差を検出するようにしている。以下にその詳細を説明する。
【００５２】
位相遅延装置４１０は、周波数25kHzの信号に対して振幅を変えずに位相だけを変化させる回路である。本実施例では、位相遅延装置４１０を、図６に示すアクティブバンドパスフィルタで構成した。図示のアクティブバンドパスフィルタは、設計値138度の位相遅れであったが、実際には130度位相が遅れた。
【００５３】
図示の位相遅延装置４１０は、第１の受信信号Out1を入力する信号入力端子４１０ａと、遅延信号Out1’を出力する信号出力端子４１０ｂと、２Ｖの基準電圧が供給される基準入力端子４１０ｃとを持つ。位相遅延装置４１０は、反転入力端子と非反転入力端子と出力端子とを持つ演算増幅器６０１と、第１及び第２のコンデンサ６０６、６０７と、第１及び第２の抵抗器６１１、６１２とを有する。第１のコンデンサ６０６と第１の抵抗器６１１とは、位相遅延装置４１０の信号入力端子４１０ａと演算増幅器６０１の反転入力端子との間に直列に接続されている。第２のコンデンサ６０７と第２の抵抗器６１２とは、演算増幅器６０１の反転入力端子と出力端子との間に並列に接続されている。演算増幅器６０１の非反転入力端子は基準入力端子４１０ｃに接続され、演算増幅器６０１には４Ｖの電源電圧が供給されている。演算増幅器６０１の出力端子は位相遅延装置４１０の信号出力端子４１０ｂに接続されている。
【００５４】
本実施例では、第１のコンデンサ６０６の容量値は５１００ｐＦであり、第１の抵抗器６１１の抵抗値は１．３ｋΩであり、第２のコンデンサ６０７の容量値は１００ｐＦであり、第２の抵抗器６１２の抵抗値は１．８ｋΩである。
【００５５】
加算装置４１１は図７に示す加算回路から構成されている。詳述すると、加算装置４１１は、第１の受信信号Out1と第２の受信信号Out2とを加算して第１の加算結果信号1+2を出力する第１の加算回路と、第２の受信信号Out1と第３の受信信号Out3とを加算して第２の加算結果信号1+3を出力する第２の加算回路との２つの加算回路で構成されている。
【００５６】
ここでは、第１の加算回路について説明するが、第２の加算回路も同様の構成である。
【００５７】
第１の加算回路は、第１の受信信号Out1を入力する第１の信号入力端子４１１ａと、第２の受信信号Out2を入力する第２の信号入力端子４１１ｂと、第１の加算結果信号1+2を出力する信号出力端子４１１ｃと、２Ｖの基準電圧が供給される基準入力端子４１１ｄとを持つ。第１の加算回路は、反転入力端子と非反転入力端子と出力端子とを持つ演算増幅器７０１と、第１乃至第３の抵抗器７０６、７０７、７０８と、コンデンサ７１１とを有する。第１の抵抗器７０６は、第１の加算回路の第１の信号入力端子４１１ａと演算増幅器７０１の反転入力端子との間に接続されている。第２の抵抗器７０７は、第１の加算回路の第２の信号入力端子４１１ｂと演算増幅器７０１の反転入力端子との間に接続されている。第３の抵抗器７０８とコンデンサ７０８とは、演算増幅器７０１の反転入力端子と出力端子との間に並列に接続されている。演算増幅器７０１の非反転入力端子は基準入力端子４１１ｄに接続され、演算増幅器７０１には４Ｖの電源電圧が供給されている。演算増幅器７０１の出力端子は第１の加算回路の信号出力端子４１１ｃに接続されている。
【００５８】
本実施例では、第１乃至第３の抵抗器７０６〜７０８の抵抗値の各々は２ｋΩであり、コンデンサ７１１の容量値は１００ｐＦである。
【００５９】
減算装置４１２は図８に示す減算回路から構成されている。詳述すると、減算装置４１２は、第１の受信信号Out1から第２の受信信号Out2を減算して第１の減算結果信号1-2を出力する第１の減算回路と、第１の受信信号Out1から第３の受信信号Out3を減算して第２の減算結果信号1-3を出力する第２の減算回路と、遅延信号Out1’から第２の受信信号Out2を減算して第３の減算結果信号1’-2を出力する第３の減算回路と、遅延信号Out1’から第３の受信信号Out3を減算して第４の減算結果信号1’-3を出力する第４の減算回路との4つの減算回路から構成されている。
【００６０】
ここでは、第１の減算回路につて説明するが、第２乃至第４の減算回路も同様の構成をしている。
【００６１】
第１の減算回路は、第１の受信信号Out1を入力する第１の信号入力端子４１２ａと、第２の受信信号Out2を入力する第２の信号入力端子４１２ｂと、第１の減算結果信号1-2を出力する信号出力端子４１２ｃと、２Ｖの基準電圧が供給される基準入力端子４１２ｄとを持つ。第１の減算回路は、反転入力端子と非反転入力端子と出力端子とを持つ演算増幅器８０１と、第１乃至第４の抵抗器８０６、８０７、８０８、８０９と、第１及び第２のコンデンサ８１１、８１２とを有する。
【００６２】
第１の抵抗器８０６は、第１の減算回路の第１の信号入力端子４１２ａと演算増幅器８０１の反転入力端子との間に接続されている。第２の抵抗器８０７は、第１の減算回路の第２の信号入力端子４１２ｂと演算増幅器８０１の非反転入力端子との間に接続されている。第３の抵抗器８０８と第１のコンデンサ８１１とは、演算増幅器８０１の反転入力端子と出力端子との間に並列に接続されている。第４の抵抗器８０９と第２のコンデンサ８１２とは、基準入力端子４１２ａと演算増幅器８０１の非反転入力端子との間に並列に接続されている。演算増幅器８０１には４Ｖの電源電圧が供給されている。
【００６３】
本実施例では、第１乃至第４の抵抗器８０６〜８０９の抵抗値の各々は２ｋΩであり、第１及び第２のコンデンサ８１１及び８１２の容量値の各々は１００ｐＦである。
【００６４】
振幅検出装置４１４は図９に示すピークホールド回路および出力電圧を読み込むA/Dコンバータで構成される。ピークホールド回路は、第１及び第２の加算回路および第１乃至第４の減算回路の出力それぞれに対応した第１乃至第６のピークホールド回路から構成されており、それぞれの振幅に比例した電圧に変換している。ピークホールド回路のリセットスイッチはA/D変換が終了してから次の超音波が送信されるまでオンになり、ホールドされた電圧がリセットされる。
【００６５】
以下では第１のピークホールド回路について説明するが、第２乃至第６のピークホールド回路も同様な構成をしている。
【００６６】
第１のピークホールド回路は、加算装置４１１の第１の加算回路からの第１の加算結果信号1+2を入力する信号入力端子４１４ａと、第１のピークホールド電圧を出力する電圧出力端子４１４ｂとを持つ。第１のピークホールド回路は、反転入力端子と非反転入力端子と出力端子とを持つ第１の演算増幅器９０１と、反転入力端子と非反転入力端子と出力端子とを持つ第２の演算増幅器９０２と、ダイオード９０６と、コンデンサ９０７と、リセットスイッチ９０９とを有する。
【００６７】
第１のピークホールド回路の信号入力端子４１４ａは第１の演算増幅器９０１の非反転入力端子に接続されている。第１の演算増幅器９０１の出力端子はダイオード９０６のアノードに接続さている。ダイオード９０６のカソードは、第１の演算増幅器９０１の反転入力端子に接続される共に、コンデンサ９０７を介して接地されている。また、ダイオード９０６のカソードは第２の演算増幅器９０２の非反転入力端子に接続されている。第２の演算増幅器９０２の非反転入力端子は、リセットスイッチ９０９を介して接地されている。第２の演算増幅器９０２の反転入力端子と出力端子とは互いに直接接続されている。第１の演算増幅器９０１及び第２の演算増幅器９０２には４Ｖの電源電圧が供給されている。第２の演算増幅器９０２の出力端子は第１のピークホールド回路の電圧出力端子４１４ｂに接続されている。尚、第１のピークホールド回路の電圧出力端子４１４ｂは、図示しないA/Dコンバータの入力端子に接続されている。
【００６８】
位相差演算手段４１３は振幅検出装置４１４がA/D変換によって読み込んだ値から位相差を演算する回路である。
【００６９】
第１の受信信号Out1、第２の受信信号Out2の波形を仮にAsinωt、Asin(ωt+θ1)とする。この場合、第１の受信信号Out1と第２の受信信号Out2との間の第１の位相差θ1が0の時に、第１の加算結果信号1+2の振幅が2Aで最大となり、第１の減算結果信号1-2の振幅が最小で0になる。また逆に第１の位相差θ1が±π[rad]の時に、第１の加算結果信号1+2の振幅が0で最小となり、第１の減算結果信号1-2の振幅が最大で2Aとなる。第１の加算結果信号1+2、第１の減算結果信号1-2、および第３の減算結果信号1’-2の振幅を第１の位相差θ1の式で表すと、それぞれ、下記数１１式、数１２式、および数１３式で表される。
【数１１】
2005283473.tif 000013
【数１２】
2005283473.tif 000014
【数１３】
2005283473.tif 000015
【００７０】
同様に、第１の受信信号Out1と第３の受信信号Out3との間の第２の位相差をθ2とすると、第２の加算結果信号1+3、第２の減算結果信号1-3、および第４の減算結果信号1’-3は、それぞれ、下記数１４式、数１５式、および数１６式で表される。
【数１４】
2005283473.tif 000016
【数１５】
2005283473.tif 000017
【数１６】
2005283473.tif 000018
【００７１】
上記数１１式、数１２式より、波形の振幅Aの２倍の絶対値|2A|および第１の位相差θ１の絶対値|θ1|は、それぞれ、下記数１７式および数１８式で表される。
【数１７】
2005283473.tif 000019
【数１８】
2005283473.tif 000020
【００７２】
したがって、第１の位相差θ１は、下記数１９式で求められるが、符号はわからない。
【数１９】
2005283473.tif 000021
【００７３】
一方、上記数１３式、数１７)式より、|θ1-130π/180|は下記の数２０式で表される。
【数２０】
2005283473.tif 000022
【００７４】
したがって、第１の位相差θ１は、下記数２１式で求められる。
【数２１】
2005283473.tif 000023
【００７５】
上記数２１式の2つの解と上記数１９式の2つの解を照らし合わせ、一致するものが正しい解となる。実際には誤差を含み一致はしないので、最も近い組み合わせが正しい解である。
【００７６】
第２の位相差θ2についても、上記数１４式〜数１６式から同様に求められる。
【００７７】
次に、位置演算手段４１５について説明する。上記数１０式を元に、送信用超音波素子４０１のY座標上の仮の位置Y1およびZ座標上の仮の位置Z1は、それぞれ、下記数２２式および数２３式で求められる。
【数２２】
2005283473.tif 000024
【数２３】
2005283473.tif 000025
【００７８】
また、送信用超音波素子４０１のX座標上の仮の位置X1は、下記数２４式で求められる。
【数２４】
2005283473.tif 000026
【００７９】
次に、姿勢角度検出装置４１７、加速度検出装置４１８および微小位置演算手段４１９について説明する。
【００８０】
超音波による位置検出は超音波が伝搬する時間が必要であり、数mの検出範囲では10ms程度時間がかかる。その他信号処理、演算処理、平均化処理などを含めると数十〜数百msの時間が必要である。
【００８１】
一方、バーチャルリアリティなどで利用者が時間遅れを感じることなく快適に利用するためには、100Hz以上のデータ更新が必要である。従って、超音波による位置検出の時間遅れを補うために、本実施例では、姿勢角度検出装置４１７、加速度検出装置４１８および微小位置演算手段４１９を用いている。
【００８２】
姿勢角度検出装置４１７は周囲に付加的な装置が必要でない、ジャイロなどの慣性センサを用いた自律式姿勢角度検出装置が望ましい。本実施例では、姿勢角度検出装置４１７として、自律式姿勢角度検出装置であり、姿勢角度と加速度を出力することができるＮＥＣトーキン製３ＤモーションセンサMDP-A3U9を用いた。
【００８３】
まず、微小位置演算手段４１９は、姿勢角度(α,β,γ)と加速度(Ax,Ay,Az)の出力から位置検出装置と座標軸を合わせた下記数２５式で表わされる加速度出力(Ax’,Ay’,Az’)に座標変換する。
【数２５】
2005283473.tif 000027
【００８４】
次に、微小位置演算手段４１９は、加速度出力(Ax’,Ay’,Az’)を時間で2回積分し、微小時間で移動した位置(ΔX,ΔY,ΔZ)を演算する。通常、積分の演算は誤差が累積し、2回積分となるとかなり高い精度が求められるが、本例では微小時間の積分のため誤差が累積することはない。
【００８５】
最後に位置補正演算手段４１６について説明する。超音波の処理が完了していなく、位置演算手段４１５の出力がないときには、位置補正演算手段４１６は、前回算出したX-Y-Z座標位置(X(n-1),Y(n-1),Z(n-1))に、微小位置演算手段４１９の出力(ΔX,ΔY,ΔZ)を加える。位置演算手段４１５の出力(X1,Y1,Z1)があるときには、位置補正演算手段４１６は、1以下の定数kを用いて、下記数２６式により、今回のX-Y-Z座標位置(X(n),Y(n),Z(n))を演算する。
【数２６】
2005283473.tif 000028
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明における位相差位置検出方法の原理を説明する図である。
【図２】3点式位置検出方法の原理を説明する図である。
【図３】本発明における超音波を用いた位置検出装置の使用一例を説明する図である。
【図４】本発明における超音波を用いた位置検出装置のブロック図である。
【図５】本発明における超音波送信波形および超音波受信波形の図である。
【図６】図４に図示した位相遅延装置の構成例を示す回路図である。
【図７】図４に図示した加算装置を構成する加算回路の構成例を示す回路図である。
【図８】図４に図示した減算装置を構成する減算回路の構成例を示す回路図である。
【図９】図４に図示した振幅検出装置を構成するピークホールド回路の構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００８７】
１１    送信用超音波素子
１２    第１の受信用超音波素子
１３    第２の受信用超音波素子
３１    使用者
３２    HMD（ヘッドマウンテッドディスプレイ）
３３    送信用超音波素子
３４    パーソナルコンピュータ
３５    受信用超音波ユニット
３６    ディスプレイ
４０１    送信用超音波素子
４０２    送信駆動装置
４０３    時間差検出手段
４０４    距離演算手段
４０５    第1の受信用超音波素子
４０６    第2の受信用超音波素子
４０７    第3の受信用超音波素子
４０８    受信検出装置
４０９    位相差検出装置
４１０    位相遅延装置
４１１    加算装置
４１２    減算装置
４１３    位相差演算手段
４１４    振幅検出装置
４１５    位置演算手段
４１６    位置補正演算手段
４１７    姿勢角度検出装置
４１８    加速度検出装置
４１９    微小位置演算手段
【図１】
2005283473.tif 000029
【図２】
2005283473.tif 000030
【図３】
2005283473.tif 000031
【図４】
2005283473.tif 000032
【図５】
2005283473.tif 000033
【図６】
2005283473.tif 000034
【図７】
2005283473.tif 000035
【図８】
2005283473.tif 000036
【図９】
2005283473.tif 000037