JP4569587B2

JP4569587B2 - 動線計測システム

Info

Publication number: JP4569587B2
Application number: JP2007060645A
Authority: JP
Inventors: 山中　　浩; 和男澤田; 弘通後藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2025-07-26
Also published as: JP2007199080A

Description

本発明は、媒質の圧力変化を周期的に繰り返す超音波や媒質の圧力変化が単発的であるいわゆる圧力波のような疎密波を利用して検出対象の位置を追跡する動線計測システムに関するものである。

従来から、位置検出の検出対象である移動体に超音波を送波する送信装置（超音波発信機）を設け、建物内の天井面に設置された少なくとも３個の受信装置（超音波受信機）で送信装置からの超音波を受波し、送信装置から送波された超音波が受信装置に受信されるまでの時間を用いて位置演算部（演算処理手段）により移動体の位置を求める位置検出システムが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の位置検出システムでは、受信装置から送信装置に対して赤外線を伝送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、受信装置では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構成になっている。
特開２００３−２７９６４０号公報

ところで、各受信装置ではそれぞれ送信装置との相対距離を検出するから、送信装置の座標位置を特定するには、３箇所の受信装置の座標位置を正確に特定しなければならない。つまり、受信装置を設置する際に３箇所の各設置場所の座標位置を正確に計測することが必要であって、受信装置の設置施工に手間がかかるという問題を有している。

また、この種の位置検出システムでは検出した位置に誤差が含まれるが、特許文献１に記載の構成では、誤差については考慮されていないから、求めた位置の信頼性が保証できない。

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、検出対象が移動した位置を追跡するにあたり、最小構成では受信装置と送信装置とを１台ずつ用いるだけで位置を検出することができるようにして設置施工の手間を省き、しかも、誤差を考慮して位置を検出することにより求めた位置の信頼性を高めた動線計測システムを提供することにある。

請求項１の発明は、疎密波を間欠的に送波する疎密波送波部を有した送信装置と、送信装置から送波された疎密波を受波することにより送信装置が存在する相対位置を検出する受信装置と、送信装置が移動した経路を追跡する管理装置とを備え、受信装置は、疎密波送波部から送波された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を複数個配列したアレイセンサからなる疎密波受波部と、疎密波受波部の各受波素子による疎密波の受波時刻の時間差と各受波素子の配置位置とに基づいて送信装置の位置を受信装置に設定した三次元の直交座標における座標位置として求める送信位置演算部とを備え、送信位置演算部は、前記直交座標における一つの座標軸に直交する平面内で送信装置の座標位置を求めるように前記直交座標を設定してあり、前記座標軸と他の座標軸の各一方とをそれぞれ含む２平面内で疎密波の到来方向をそれぞれ求めるとともに、疎密波受波部の角度分解能を到来方向の誤差範囲として用いることにより送信装置の座標位置の第１の誤差範囲を求め、受信装置と送信装置との距離と送信装置の座標位置の各成分のうちの一方に関する第１の誤差範囲とを用いて送信装置の座標位置の各成分のうちの他方に関する第２の誤差範囲を求め、座標位置の各成分について第１の誤差範囲と第２の誤差範囲とのうち範囲が狭いほうを採用し、採用した誤差範囲の中心座標を送信装置の座標位置の各成分として求めることを特徴とする。

この構成によれば、受信装置に設定した直交座標において送信装置からの疎密波の到来方向を角度の２成分で表すとともに、各角度成分ごとの角度分解能から座標位置の誤差範囲を求めて第１の誤差範囲とし、また受信装置と送信装置との間の距離と送信装置の座標位置の各一方の成分に関する第１の誤差範囲とを用いて座標位置の他方の成分に関する座標位置の誤差範囲を求めて第２の誤差範囲とし、座標位置の各成分について、第１の誤差範囲と第２の誤差範囲とのうち誤差範囲の狭いほうを採用し、送信装置の座標位置の各成分を求めているから、誤差範囲をできるだけ狭く設定することができる。つまり、送信装置の座標位置を誤差を考慮して適正に求めることができる。その結果、求めた位置の信頼性を高めることができる。なお、送信装置の座標位置は疎密波の到来方向として求めた角度に対応する位置として求めることが可能であるが、このようにして求めた座標位置は、角度分解能の範囲から得られる誤差範囲の中心の座標位置ではないから、求めた座標位置に対して誤差範囲が非対称になるのに対して、角度分解能を到来方向の誤差範囲として用い、その誤差範囲に対応する座標位置の誤差範囲を求め、当該誤差範囲の中心座標を送信装置の座標位置と定めることで、求めた送信装置の座標位置を中心として誤差範囲を対称的にすることができ、誤差を低減することができる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記送信装置について求めた誤差範囲のうち中心座標からの最大距離を、送信装置の座標位置の最大誤差として求めることを特徴とする。

この構成によれば、最大誤差を評価する値を得ることができるから、求めた送信装置の座標位置に対する信頼性を評価することができる。

請求項３の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記送信装置は、前記疎密波送波部からの疎密波の送信と同時に電磁波を用いてトリガ信号を送信するトリガ送信部を備え、前記受信装置は、トリガ送信部から送信されたトリガ信号を受信するトリガ受信部を備え、前記送信位置演算部は、トリガ受信部がトリガ信号を受信してから疎密波受波部が疎密波を受信するまでの時間を前記送信装置までの距離に換算することを特徴とする。

この構成によれば、受信装置ではトリガ信号を受信してから疎密波を受波するまでの時間を計測することによって、疎密波が送信装置から受信装置まで到達するのに要した時間を知ることができ、疎密波の既知の伝播速度と計測した時間とを用いて送信装置までの距離を求めることができる。すなわち、送信装置を搭載した検出対象までの距離を求めることができる。その結果、疎密波の到来方向と送信装置までの距離とによって送信装置の三次元位置を求めることができる。

請求項４の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明において、前記受信装置を定位置に固定し、受信装置に設定した直交座標内で前記送信装置の座標位置を求めることを特徴とする。

この構成によれば、受信装置を定位置に固定しているから、受信装置が疎密波を受波する空間内における送信装置の位置を容易に把握することができる。

請求項５の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明において、前記送信装置を定位置に固定し、受信装置に設定した直交座標内で前記送信装置の座標位置を求めることを特徴とする。

この構成によれば、送信装置を定位置に固定しているから、受信装置では送信装置に対する相対位置を把握することができ、自走する移動体の位置確認などに用いることができる。

本発明の構成によれば、送信装置の座標位置として適正な位置を信頼性よく求めることができ、また求めた座標位置に対して誤差範囲を対称的にすることができ、誤差を低減することができるという利点がある。

（実施形態１）
本実施形態では、図２に示すように、建物内で床面ＦＬ上を移動する移動体（たとえば、ショッピングカート）を位置検出の検出対象Ｏｂとし、検出対象Ｏｂが移動した位置を追跡する動線計測システムを例示する。

検出対象Ｏｂの位置を追跡するために、検出対象Ｏｂの上面には疎密波を送波する送信装置１を搭載し、床面ＦＬの上方である天井面ＣＬの定位置には疎密波を受波する受信装置２を設置する。本実施形態では、疎密波として媒質（空気）の圧力変化が単発的に生じる圧力波を用いる。

送信装置１は、図１に示すように、疎密波を送波する疎密波送波部１１と、電磁波（赤外線または電波）を伝送媒体としたワイヤレス信号を送信するトリガ送信部１２および識別情報送信部１３とを備える。疎密波送波部１１、トリガ送信部１２、識別情報送信部１３は、それぞれドライバ１４〜１６を介して制御部１０からの指示を受けて動作する。制御部１０はワンチップマイコンからなり、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、シリアル通信用インターフェイスを包含している。疎密波送波部１１からは疎密波を間欠的に送波し、トリガ送信部１２は疎密波の送信と同時にトリガ信号としてのワイヤレス信号（以下では、単に「トリガ信号」という）を送信する。また、識別情報送信部１３は識別データを含むワイヤレス信号（以下では、「識別情報信号」という）をトリガ信号に引き続いて送信する。識別データは制御部１０に設定されており、送信装置１ごとに固有の識別データが設定される。疎密波の送波タイミング、トリガ信号の送信タイミング、識別情報信号の送信タイミングは制御部１０において制御される。疎密波とトリガ信号と識別情報信号とは所定の時間間隔で間欠的に出力される。上述した送信装置１の機能は制御部１０を構成しているワンチップマイコンに適宜のプログラムを搭載することにより実現される。

受信装置２は、送信装置１に設けた疎密波送波部１１から送波された疎密波を受波する疎密波受波部２１を備え、疎密波受波部２１は疎密波を受波すると電気信号である受波信号を出力する。つまり、疎密波受波部２１は疎密波を受波信号に変換する。また、受信装置２は、送信装置１に設けたトリガ送信部１２から送信されたトリガ信号を受信するトリガ受信部２２と、識別情報送信部１３から送信された識別情報信号を受信する識別情報受信部２３とを備える。トリガ受信部２２ではトリガ信号を波形整形し、識別情報受信部２３は識別情報信号からキャリアを除去する。トリガ受信部２２の出力は受信装置の動作開始のタイミングを指示し、受信装置２に設けた位置演算部２４およびタイマ部２５を起動する。また、識別情報受信部２３から出力されるパルス列からなる識別データはメモリ２６に格納される。タイマ部２５は現在時刻を計時する時計機能も備え、トリガ受信部２２でトリガ信号を受信した時刻がメモリ２６に格納される。

位置演算部２４は、トリガ受信部２２の出力が発生した時点で待機状態から受信状態に移行し、受信状態において得られる疎密波受波部２１の出力を用いて送信装置１の位置を算出する。受信状態はあらかじめ定めた一定時間継続する。

疎密波受波部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、図３に示すように受信装置２に設定された直交座標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ＦＬから天井面ＣＬまでの高さは一定とみなしている。したがって、検出対象Ｏｂの移動する空間において送信装置１の高さ位置は変化しないから、直交座標を送信装置１を含む床面ＦＬに平行な平面内の二次元座標として扱う。位置演算部２４は、直交座標での送信装置１の座標位置を求める送信位置演算部の機能を有する。送信位置演算部の動作については後述する。

メモリ２６には、位置演算部２４で求めた送信装置１の座標位置と、当該座標位置に位置していたときの時刻（トリガ受信部２２がトリガ信号を受信した時刻）と、当該送信装置１の識別データとが対応付けられて１レコードとして格納される。メモリ２６に格納されたデータは制御部２０において必要に応じて読み出され、出力部２７を通して外部の管理装置に出力される。制御部２０はマイクロコンピュータを主構成要素としており、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、シリアル通信インターフェイスを包含している。また、出力部２７は出力用のインターフェイスであって、ＴＩＡ／ＥＩＡ−２３２−ＥやＵＳＢなどの仕様のシリアルインターフェイスのほかＳＣＳＩのような仕様のパラレルインターフェイスなどが採用される。出力部２７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、検出対象Ｏｂが移動した経路を追跡することにより動線を計測する。

受信装置２の各部の構成をさらに詳しく説明する。疎密波受波部２１は、複数個の受波素子を配列したアレイセンサであって、位置演算部２４では各受波素子による疎密波の受波時刻の時間差と受波素子の配列位置とに基づいて疎密波の到来方向、すなわち検出対象Ｏｂの存在する方向を求める。疎密波の到来方向は、図３に示すように、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、到来方向は（θｘ，θｙ）の対で表される。

疎密波の到来方向（θｘ，θｙ）を求めるには、疎密波を受波した受波素子での受波時刻の時間差を含む情報が必要であるから、疎密波受波部２１から出力される受波信号をＡ／Ｄ変換器２４ａをデジタル信号である受波データに変換した後、各受波素子に対応する出力を一時記憶するデータ格納部２４ｂに格納する。疎密波受波部２１は到来する疎密波を常時受波しているが、位置演算部２４での処理はトリガ受信部２２の出力が得られてから一定時間である受波ゲート期間に制限される。

データ格納部２４ｂに格納された受波データは受波ゲート期間の終了後に処理部２４ｃに読み込まれ、各受波素子での受波時刻の時間差に相当する時間を求めるために、隣接する受波素子に対応する受波データを時間軸方向に既定した時間分だけシフトして加算する。処理部２４ｃはマイクロコンピュータを主構成要素とする。

この処理について簡単に説明する。いま、疎密波受波部２１において受波素子４０が図４に示すように同一平面上において一次元的に等間隔で配列されているものとする（実際には二次元的に配列されている）。受波素子４０が配列された面に対する疎密波の波面の角度がθ_０であるとき、疎密波の到来方向もθ_０になる。疎密波の速度をｃ、受波素子４０の配列ピッチ（中間間の距離）をＬとすれば、到来方向がθ_０である疎密波の波面が隣接する受波素子４０に到達する際の時間差ΔＴ_０は、ΔＴ_０＝Ｌ・ｓｉｎθ_０／ｃである。すなわち、θ_０＝ｓｉｎ^−１（ΔＴ_０・ｃ／Ｌ）であって、時間差ΔＴ_０を求めると到来方向θ_０を求めることができる。

以上の関係から、各受波素子４０で受波した疎密波に対応する受波信号を到来方向θ_０に対応した時間差ΔＴ_０分だけ遅延させると、時間軸方向において受波信号の位置を一致させることができることがわかる。たとえば、隣り合う３個の受波素子４０から図５（ａ）〜（ｃ）のような受波信号が出力され、隣接する受波素子４０から出力される受波信号が時間差ΔＴ_０を有しているものとする。この場合、隣接する受波素子４０から得られる受波信号を、適宜の遅延手段によって互いにΔＴ_０だけ遅延させる。つまり、図５（ｃ）の受波信号を２ΔＴ_０だけ遅延させ、図５（ｂ）の受波信号をΔＴ_０だけ遅延させると、両受波信号は時間軸方向において図５（ａ）の受波信号の位置に一致する。各受波素子４０の出力である受波信号の時間軸方向における位置が一致していれば、これらの受波信号を加算したときに加算結果は大きな振幅になる。言い換えると、加算結果の振幅が大きければ、疎密波の到来方向θ_０は当該遅延時間ΔＴ_０に対応しているといえる。

本実施形態では、受信信号を時間軸方向に偏移させるのではなく、受波データを時間軸方向に偏移させる構成を採用しているが、到来方向θ_０を算出する目的においては差異はない。しかして、処理部２４ｃではデータ格納部２４ｂに格納された受波データに対して、あらかじめ設定した複数種類の遅延時間を適用して遅延させた後に加算し、加算結果が最大になるときの遅延時間を求める。この遅延時間は時間差ΔＴ_０に対応するから、遅延時間にあらかじめ到来方向θ_０を対応付けておくことにより、疎密波の到来方向をただちに求めることができる。遅延時間は、たとえば到来方向を２度刻みで検出することができるように設定される。この場合、図４において受波素子４０が配列された方向の角度分解能は２度になる。上述のように受波データを時間軸方向に偏移させた後に加算する処理を遅延加算処理と呼ぶ。遅延加算処理は処理部２４ｃに設定したプログラムにより実現される。

図４の例では説明を簡単にするために受波素子４０を一直線上に配列した例で説明したが、疎密波受波部２１は、実際には、一平面上においてｘ方向とｙ方向とに複数個ずつの受波素子４０をたとえば十文字状に配列した二次元配列を有している。この構成により、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、疎密波の到来方向を（θｘ，θｙ）の組合せで求めることができる。

トリガ信号と疎密波とは同時に出力され、トリガ送信部１２からのトリガ信号の送信とトリガ受信部２２でのワイヤレス信号の受信とは実質的に同時とみなせるから、トリガ受信部２２でのトリガ信号の受信時刻と、疎密波受波部２１での疎密波の受波時刻との時間差は、実質的に疎密波が媒質中を伝播する時間とみなすことができる。したがって、ワイヤレス信号を受信してから疎密波を受波するまでの時間によって受信装置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ＦＬ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ＦＬの上での二次元座標を求めることができる。なお、この演算は処理部２４ｃにおいて行う。

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、受波ゲート期間の制限内で受波信号を待ち受け、受波ゲート期間内に受波した疎密波のみを用いて疎密波の到来方向および送信装置１までの距離を算出し、検出対象Ｏｂの床面ＦＬの上の二次元座標（直交座標）での座標位置を求める。また、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２６に格納する。

なお、データ格納部２４ｂの容量は、受波素子４０の素子数と受波ゲート期間とＡ／Ｄ変換器２４ａのサンプリング周期とに依存する。たとえば、受波素子４０を８素子とし、Ａ／Ｄ変換器２４ａのサンプリング周期を１μｓ、受波ゲート期間を３０ｍｓ（送信装置１までの距離が約１０ｍの範囲内）とし、１データを１ワードで保存するとすれば（つまり、Ａ／Ｄ変換器２４ａの分解能が８ビットであるとすれば）、３０ｋワード×８素子＝２４０ｋワードの容量が必要になる。この程度の容量であれば、２５６ｋｂｙｔｅの容量を有するＳＲＡＭを用いることができる。

上述した処理によって直交座標での送信装置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２４のうちＡ／Ｄ変換部２４ａ、データ格納部２４ｂ、処理部２４ｃにより直交座標での送信装置１の座標位置を求める送信位置演算部が構成される。

ところで、疎密波受波部２１における到来方向（θｘ，θｙ）の角度分解能を、各角度θｘ，θｙについてそれぞれΔθとすると、疎密波受波部２１で受波した疎密波から得られる到来方向（θｘ，θｙ）は、各角度θｘ，θｙについてそれぞれ最大でΔθ／２の誤差を持つ。つまり、得られた到来方向（θｘ，θｙ）は、実際には（θｘ±Δθ／２，θｙ±Δθ／２）の範囲で誤差を含む可能性がある（この範囲を到来方向の誤差範囲という）。したがって、位置演算部２４において求めた送信装置１の座標位置は、到来方向（θｘ，θｙ）の角度分解能に起因する誤差を含んでいる可能性がある。そこで、本実施形態では、以下の演算によって送信装置１の座標位置を求めている。

いま、直交座標のｚ軸方向における送信装置１と受信装置２との距離が既知であるものとする。この距離は実質の距離であって、送信装置１において疎密波を送波する面と、受信装置２において疎密波を受波する面との距離を意味する。受信装置２に設定する直交座標は、ｘｙ平面に平行な平面上で送信装置１が移動するように設定される。つまり、送信装置１と受信装置２とのｚ軸方向における距離は一定であって、送信装置１と受信装置２との高さ位置の差ΔＨ（図３参照）になる。受信装置２で得られる疎密波の到来方向（θｘ，θｙ）は、上述のように、（θｘ±Δθ／２，θｙ±Δθ／２）の誤差範囲を有しているから、図６に示すように、送信装置１を含むｘｙ平面に沿った平面内で、送信装置１の位置の誤差範囲は、ｘ＝ΔＨ・ｔａｎ（θｘ±Δθ／２）、ｙ＝ΔＨ・ｔａｎ（θｙ±Δθ／２）として求めることができる。

このようにして、送信装置１の誤差範囲が求まれば、誤差範囲の中心座標（ｘｃ，ｙｃ）を送信装置１の座標位置として採用する。中心座標（ｘｃ，ｙｃ）は以下のように求めることができる。
ｘｃ＝ΔＨ｛ｔａｎ（θｘ＋Δθ／２）＋ｔａｎ（θｘ−Δθ／２）｝／２
ｙｃ＝ΔＨ｛ｔａｎ（θｙ＋Δθ／２）＋ｔａｎ（θｙ−Δθ／２）｝／２
いま、ΔＨ＝４．５ｍ、（θｘ，θｙ）＝（４３°，２８°）、Δθ＝２°とすれば、中心座標（ｘｃ、ｙｃ）＝（４．１９９，２．３９４）になる。なお、受信装置２から送信装置１までの距離は６．６０２ｍになる。また、誤差が最大になるときの座標位置と中心座標（ｘｃ，ｙｃ）との距離（座標位置の最大誤差）は０．１７９ｍになる。座標位置の誤差範囲と中心座標（ｘｃ，ｙｃ）と座標位置の最大誤差とは、到来方向（θｘ，θｙ）と差ΔＨとによって一意に決まり、差ΔＨは乗算するだけであるから、到来方向（θｘ，θｙ）の組ごとに差ΔＨを乗じる前の値をデータテーブルとしてもたせておけば、これらの値を求めるのが容易になる。

位置演算部２４における上述の手順を図７にまとめて示す。まず、疎密波の到来方向（θｘ，θｙ）が求まると（Ｓ１）、角度分解能に基づいて到来方向の誤差範囲を求める（Ｓ２）。つまり、求めた到来方向（θｘ，θｙ）を中心にして角度分解能の角度幅を有する範囲を到来方向の誤差範囲とする。ここまでの演算の結果は、あらかじめデータテーブルとして登録しておいてもよい。次に、送信装置１を含む平面内で誤差範囲を求める（Ｓ３）。ｘｙ平面に平行な面内での誤差範囲がもとまれば、その中心座標を送信装置１の座標位置として採用する（Ｓ４）。また、誤差範囲に含まれ中心座標からもっとも遠い点と中心座標との距離を最大誤差として求める（Ｓ５）。

ところで、送信装置１における疎密波送波部１１を構成している送波素子には、圧電素子からなる超音波振動子を用いてもよいが、圧電素子は一般にせん鋭度（Ｑ値）が１００を越えるから残響時間が比較的長く、残響時間を考慮すると疎密波を送波する時間間隔が長くなる。つまり、送信装置１を搭載する検出対象が移動体であるときには、移動体の位置を細かく計測することができない。

そこで、疎密波送波部１１には、図８に示す構造を有した残響時間の短い送波素子３０を用いるのが望ましい。この送波素子３０は、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８における上面）側に多孔質シリコン層からなる熱絶縁層３２が形成され、熱絶縁層３２上に金属薄膜（たとえば、タングステン薄膜）からなる発熱体層３３が形成され、さらに、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電極パッド３４が形成されている。支持基板３１の平面形状は長方形状であって、熱絶縁層３２、発熱体層３３も平面形状はそれぞれ長方形状に形成される。

この送波素子３０は熱励起式であって、発熱体層３３に温度変化が生じるように発熱体層３３に通電し、発熱体層３３に接触している媒質の膨張収縮を促すことによって疎密波を発生させる。つまり、発熱体層３３の両端の電極パッド３４間に通電し発熱体層３３に温度変化を生じさせることで、発熱体層３３に接触している媒質である空気に温度変化を生じさせる。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への通電を制御することによって空気中を伝搬する疎密波を発生させることができるのである。

圧電素子からなる送波素子はせん鋭度（Ｑ値）が大きいものであるから、疎密波を瞬間的に発生させたとしても、圧電素子の駆動を停止した後も図９（ｂ）に示すように、共振によって残響が継続する。これに対して、図８に示した熱励起式の送波素子３０は、せん鋭度が小さく、実質的に共振周波数を持たないものである。熱励起式の送波素子３０では、上述したように、一対の電極パッド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疎密波を発生する。

つまり、発熱体層３３へ与える駆動電圧ないし駆動電流の波形が正弦波形状であるときには、当該正弦波形の２倍の周波数の疎密波を発生させることができる。したがって、電極パッド３４に印加する駆動電圧の波形を、正弦波の半周期に相当する孤立波とすれば、図９（ａ）に示すような正弦波形の１周期分の疎密波を発生させることができる。しかも、熱励起式の送波素子３０は実質的に共振周波数を持たないから残響時間はごく短くなる。また、圧電素子は固有の共振周波数を有するので発生可能な疎密波の周波数範囲が狭いが、熱励起式の送波素子３０は実質的に共振周波数を持たないので発生可能な疎密波の周波数範囲が広範囲になる。しかも、駆動電圧もしくは駆動電流の波形を孤立波とすれば、図９（ａ）に示すように１周期程度の疎密波を発生させることができる。

上述した熱励起式の送波素子３０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６０〜８０％（望ましくは略７０％）の多孔質シリコン層により構成している。これは、多孔度が６０％未満では断熱効果が小さくなり、多孔度が８０％を越えると構造的に脆くなるからである。この熱絶縁層３２は、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形成することができる。ここに、陽極酸化処理の条件（たとえば、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ることが知られている。たとえば、熱伝導率が１４８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６３×１０６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化し、多孔度が６０％の多孔質シリコン層を形成すると、こ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／（ｍ^３・Ｋ）になる。本実施形態では、上述のように多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により熱絶縁層３２を形成してあり、熱絶縁層３２の熱伝導率が０．１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．５×１０６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）になっている。

なお、熱伝導度および熱容量について熱絶縁層３２を支持基板３１に比べて小さくし、熱伝導度と熱容量との積についても熱絶縁層３２を支持基板３１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よく熱交換させることができる。しかも、支持基板３１が熱絶縁層３２からの熱を効率よく受け取るから熱絶縁層３２の熱を逃がすことができ発熱体層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。

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／（ｍ^３・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、たとえば、タンタル、モリブデン、イリジウムなどを採用してもよい。

上述の熱励起式の送波素子３０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、各電極パッド３４の厚さを０．５μｍとしてある。ただし、これらの厚さは一例であり、とくに限定する主旨ではない。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、たとえば、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。

ところで、受信装置２の疎密波受波部２１に用いる受波素子４０は、疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換するものであり、疎密波受波部２１には１枚の基板（図示せず）に複数個の受波素子４０を配列して構成してある。ここでは、受波素子４０を２次元的に配列したアレイセンサを構成しているものとする。アレイセンサにおいて、受波素子４０の中心間距離（配列ピッチ）は疎密波送波部１１から発生させる疎密波の波長程度（たとえば、疎密波の波長の０．５〜５倍程度）に設定することが望ましい。これは、疎密波の波長の０．５倍よりも小さいと疎密波の波面が隣り合う受波素子４０にそれぞれ到達する時刻の時間差が小さくなり、時間差の検出が困難になるからである。受波素子４０として、圧電素子を用いることが可能であるが、疎密波送波部１１と同様に、残響の少ない構成が望ましい。したがって、疎密波の圧力（音圧）を静電容量の変化に変換する静電容量式の受波素子４０を用いることが望ましい。

この種の受波素子４０は、図１０に示す構成のものがある。図示する受波素子４０は、マイクロマシンニング技術により形成され、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窓孔４１ａを囲む四辺のうちの一辺に固定されるとともに窓孔４１ａを覆う形に配置されたカンチレバー型の受圧板４２とを備える。フレーム４１の上記一表面には熱酸化膜４５を介してシリコン酸化膜４６が積層され、さらにシリコン酸化膜４６の表面はシリコン窒化膜４７で覆われる。受圧板４２の一端部は熱酸化膜４５を介してフレーム４１に固定され、受圧板４２の他端部はシリコン基板の厚み方向においてシリコン酸化膜４６に対向する。シリコン酸化膜４６における受圧板４２の他端部との対向面には金属薄膜（たとえば、クロム膜など）からなる固定電極４３ａが形成され、受圧板４２の他端部において固定電極４３ａと対向している部位であって固定電極４３ａとの対向面の背面側には金属薄膜（たとえば、クロム膜など）からなる可動電極４３ｂが形成される。フレーム４１の他表面にはシリコン窒化膜４８が形成される。ここに、受圧板４２は、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る。

図１０に示す静電容量式の受波素子４０では、受圧板４２に疎密波の圧力（音圧）が作用すると、疎密波の圧力に応じて固定電極４３ａと可動電極４３ｂとの距離が変化するから、固定電極４３ａと可動電極４３ｂとの間の静電容量を検出することにより、疎密波の圧力を検出することができる。したがって、固定電極４３ａと可動電極４３ｂとの間に直流バイアス電圧を印加しておけば、固定電極４３ａと可動電極４３ｂとの間には疎密波の圧力に応じた電圧変化が生じ、疎密波の音圧を電気信号に変換することができる。この種の静電容量式の受波素子４０はせん鋭度が圧電素子よりも小さいから、圧電素子を用いる場合よりも受波できる疎密波の周波数帯域幅を広くとることができる。

なお、受波素子４０は図１０の構造に限定されるものではなく、たとえば、シリコン基板などをマイクロマシンニング技術などにより加工して形成され疎密波の圧力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の静電容量を検出する構成を採用してもよい。この構成では、疎密波の圧力が作用し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を設け、背板部には複数の排気孔を貫設する。

図８に示した熱励起式の送波素子３０のせん鋭度（Ｑ値）は１程度であり、図１０に示した静電容量式の受波素子４０のせん鋭度は３〜４程度であって、圧電素子に比較するとせん鋭度が大幅に小さい。したがって、送波素子および受波素子に圧電素子を用いる場合に比較すると、疎密波送波部１１から送波される疎密波に含まれる残響成分の割合が少なくなり、疎密波受波部２１から出力される受波信号に含まれる残響成分の割合が少なくなる。つまり、送波時には疎密波の送波間隔を短くすることができ、受波時には短い時間間隔で疎密波を受波しても疎密波に対応する受波信号が重複しないように分離することができる。その結果、複数台の送信装置１からの疎密波を次々に受信することが可能であり、受信装置１の検知エリア内に比較的多くの送信装置１が存在していても、各別に分離して位置を求めることが可能になる。なお、送波素子３０および受波素子４０のせん鋭度（Ｑ値）はいずれも１０以下が望ましく、さらに望ましくは５以下とする。

上述の構成例では、到来方向（θｘ，θｙ）の誤差が最大である場合の座標位置の平均を送信装置１の座標位置の中心座標として求めているが、以下では、到来方向（θｘ，θｙ）だけではなく、受信装置２から送信装置１までの距離ｄも用いて送信装置１の座標位置の中心座標を求める例について説明する。なお、距離ｄは疎密波の伝播時間を用いて求めるほか、ｚ方向の高さ位置の差ΔＨが既知であるから、図３を見ればわかるように、差ΔＨと到来方向（θｘ，θｙ）とを用いて距離ｄを求めることもできる。

上述したように、受信装置２では送信装置１までの距離ｄを求めることができるから、図３に示した関係から明らかなように、送信装置１と受信装置２との高さ位置の差ΔＨと距離ｄとの関係から、ｚ軸を中心とし送信装置１の座標位置（ｘ，ｙ）を通る円の半径ｒを次式で求めることができる。
ｒ^２＝Ｌ^２−ΔＨ^２
また、座標位置（ｘ，ｙ）と半径ｒとには次の関係もある。
ｒ^２＝ｘ^２＋ｙ^２
したがって、座標位置（ｘ，ｙ）の一方の成分と距離ｄとを用いることによって、座標位置（ｘ，ｙ）の他方の成分を求めることができる。
ｘ^２＝（Ｌ^２−ΔＨ^２）−ｙ^２
ｙ^２＝（Ｌ^２−ΔＨ^２）−ｘ^２
たとえば、上述の動作例と同じ値を用いると、ｘの最小値は４．１３７、ｘの最大値は４．２５２、ｙの最小値は２．１０９、ｙの最大値は２．６３０になる。上述の手順で求めた場合には、ｘの最小値は４．０５２、ｘの最大値は４．３４６、ｙの最小値は２．２９３、ｙの最大値は２．４９４であるから、ｘについては距離ｄを用いて求めたほうが誤差範囲が狭くなり、ｙについては距離ｄを用いずに求めたほうが誤差範囲が狭くなることがわかる。

そこで、距離ｄを用いる場合と用いない場合との両方について送信装置１の座標位置（ｘ，ｙ）の誤差範囲を求め、座標位置（ｘ，ｙ）の各成分のうち誤差範囲が小さいほうを採用して中心座標（ｘｃ，ｙｃ）を求める。すなわち、上述した例では座標位置（ｘ，ｙ）のうち、ｘ成分については距離ｄを用いるほうが誤差範囲が小さく、ｙ成分については距離ｄを用いないほうが誤差範囲が小さいから、これらの値を用いて送信装置１の中心座標（ｘｃ，ｙｃ）を求めると、（ｘｃ，ｙｃ）＝（４．１９９，２．３９４）になる。なお、誤差が最大になるときの座標位置と中心座標（ｘｃ，ｙｃ）との距離は０．１１６ｍになる。つまり、この手順を採用すれば、中心座標（ｘｃ，ｙｃ）の誤差を小さくすることができる。

距離ｄを用いた場合に、座標位置（ｘ，ｙ）のどちらの成分の誤差範囲が、距離ｄを用いない場合よりも小さくなるかは、到来方向（θｘ，θｙ）における各成分θｘ，θｙの絶対値の大小関係によって決まり、｜θｘ｜≧｜θｙ｜の関係が成立する領域では、ｘ成分については距離ｄとｙ成分とを用いるほうが誤差範囲が小さくなり、それ以外の領域ではｙ成分については距離ｄとｘ成分とを用いるほうが誤差範囲が小さくなる。

位置演算部２４での処理手順を図１１にまとめて示す。まず、疎密波の到来方向（θｘ，θｙ）が求まると（Ｓ１）、角度分解能に基づいて到来方向の誤差範囲を求める（Ｓ２）。次に、送信装置１を含む平面内で誤差範囲を求め第１の誤差範囲とする（Ｓ３）。ここまでは図７に示した手順と同様である。

第１の誤差範囲を求めた後、第１の誤差範囲のｘ成分とｙ成分との一方と距離ｄとを用いてｘ成分とｙ成分との他方の誤差範囲を求め、このようにして求めた誤差範囲を第２の誤差範囲とする（Ｓ４）。第１の誤差範囲と第２の誤差範囲とについて、ｘ成分とｙ成分との範囲を比較し、範囲の狭いほうを採用し、その中心座標を送信装置１の座標位置として採用する（Ｓ５）。また、誤差範囲に含まれ中心座標からもっとも遠い点と中心座標との距離を最大誤差として求める（Ｓ６）。

（実施形態２）
実施形態１においては送信装置１を検出対象Ｏｂである移動体に設け、受信装置２を天井面ＣＬなどの定位置に固定する例を示したが、図１２に示すように、送信装置１を天井面ＣＬなどの定位置に固定し、受信装置２を検出対象Ｏｂに搭載する構成を採用してもよい。この構成の場合も受信装置２に設定した直交座標では実施形態１と同様の関係が成立するから、同様の演算によって直交座標における送信装置１の中心座標（ｘｃ，ｙｃ）を求めることができる。

なお、検出対象Ｏｂが移動体であって受信装置２を移動体に搭載する場合には、移動体の向きに応じて受信装置２に設定した直交座標がｚ軸の回りに回転するから、受信装置２にジャイロセンサのような方向センサを設け、移動体の向きを検出することによってｚ軸回りの回転を補正するのが望ましい。他の構成および動作は実施形態１と同様である。

実施形態１を示すブロック図である。同上の使用例を示す概略構成図である。同上の原理説明図である。同上の動作説明図である。同上の動作説明図である。同上の原理説明図である。同上における位置演算部の処理手順を示す動作説明図である。同上に用いる送波素子の一例を示す断面図である。同上の動作説明図である。同上に用いる受波素子の一例を示し、（ａ）は一部破断した斜視図、（ｂ）は断面図である。同上の位置演算部の処理手順を示す動作説明図である。実施形態２の使用例を示す概略構成図である。

符号の説明

１送信装置
２受信装置
１０制御部
１１疎密波送波部
１２トリガ送信部
２０制御部
２１疎密波受波部
２２トリガ受信部
２４位置演算部
２４ａＡ／Ｄ変換器
２４ｂデータ格納部
２４ｃ処理部（送信位置演算部）
４０受波素子

Claims

疎密波を間欠的に送波する疎密波送波部を有した送信装置と、送信装置から送波された疎密波を受波することにより送信装置が存在する相対位置を検出する受信装置と、送信装置が移動した経路を追跡する管理装置とを備え、受信装置は、疎密波送波部から送波された疎密波を受波するとともに受波した疎密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子を複数個配列したアレイセンサからなる疎密波受波部と、疎密波受波部の各受波素子による疎密波の受波時刻の時間差と各受波素子の配置位置とに基づいて送信装置の位置を受信装置に設定した三次元の直交座標における座標位置として求める送信位置演算部とを備え、送信位置演算部は、前記直交座標における一つの座標軸に直交する平面内で送信装置の座標位置を求めるように前記直交座標を設定してあり、前記座標軸と他の座標軸の各一方とをそれぞれ含む２平面内で疎密波の到来方向をそれぞれ求めるとともに、疎密波受波部の角度分解能を到来方向の誤差範囲として用いることにより送信装置の座標位置の第１の誤差範囲を求め、受信装置と送信装置との距離と送信装置の座標位置の各成分のうちの一方に関する第１の誤差範囲とを用いて送信装置の座標位置の各成分のうちの他方に関する第２の誤差範囲を求め、座標位置の各成分について第１の誤差範囲と第２の誤差範囲とのうち範囲が狭いほうを採用し、採用した誤差範囲の中心座標を送信装置の座標位置の各成分として求めることを特徴とする動線計測システム。
前記送信装置について求めた誤差範囲のうち中心座標からの最大距離を、送信装置の座標位置の最大誤差として求めることを特徴とする請求項１記載の動線計測システム。
前記送信装置は、前記疎密波送波部からの疎密波の送信と同時に電磁波を用いてトリガ信号を送信するトリガ送信部を備え、前記受信装置は、トリガ送信部から送信されたトリガ信号を受信するトリガ受信部を備え、前記送信位置演算部は、トリガ受信部がトリガ信号を受信してから疎密波受波部が疎密波を受信するまでの時間を前記送信装置までの距離に換算することを特徴とする請求項１または請求項２記載の動線計測システム。
前記受信装置を定位置に固定し、受信装置に設定した直交座標内で前記送信装置の座標位置を求めることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の動線計測システム。
前記送信装置を定位置に固定し、受信装置に設定した直交座標内で前記送信装置の座標位置を求めることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の動線計測システム。