JP5390745B2 - 方位検出システム - Google Patents

Description

本発明は、超音波を利用して検出対象の物体の方位情報を検出する方位検出システムに関するものである。

この種の方位検出システムとしては、受波した超音波を電気信号に変換する受波素子を複数個配列し、各受波素子への超音波の到来時刻の差から超音波の到来方向を検出する音響センサを用いるものがあった（たとえば、特許文献１参照）。

この音響センサは、たとえば図７に示すように、超音波を受波する受波素子Ｅ１〜Ｅ５が一次元的に等間隔に配列してある。この場合、受波素子Ｅ１〜Ｅ５が配列された面に対する超音波の波面の角度がθである場合を想定すると、受波素子Ｅ１〜Ｅ５が配列された面に対する超音波の到来方向（すなわち、超音波の入射角）はθになる。受波素子Ｅ１〜Ｅ５の間隔をＳとし、超音波の波面が隣り合う受波素子（例えば受波素子Ｅ１，Ｅ２）のうち一方の受波素子Ｅ１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Ｅ２の中心との間の距離（遅延距離）をｄ０とすれば、ｄ０＝Ｓ・ｓｉｎθとなる。また音速をｃとすれば、超音波の波面が隣り合う受波素子Ｅ１〜Ｅ５に到達する時間差Δｔ０は、Δｔ０＝ｄ０／ｃ＝Ｓ・ｓｉｎθ／ｃとなる。

上記文献に開示された音響センサでは、各受波素子Ｅ１〜Ｅ５から出力された電気信号を、各受波素子Ｅ１〜Ｅ５の位置と超音波の到来方向とに応じた時間ずつ遅延させるとともに、遅延した電気信号を加算器で加算し、加算器の出力波形を用いて超音波の到来方向が入射角θであるか否かを判断するように構成されている。

例えば受波素子Ｅ１〜Ｅ５を配列した面の法線に対して入射角がθとなる方向から超音波が到来する場合に、各受波素子Ｅ１〜Ｅ５からの電気信号を遅延手段によりそれぞれ０、Ｔ、２Ｔ、３Ｔ、４Ｔだけ遅延させることができる。ただし、Ｔ＝Ｓ・ｓｉｎθ／ｃである。

この場合、入射角をθに設定した遅延時間で各受波素子Ｅ１〜Ｅ５からの電気信号を遅延させた場合の加算器の出力信号は、入射角をθ以外の角度に設定した遅延時間で遅延させた場合の加算器の出力信号に比べて大幅に大きくなる（図示例では、５個の受波素子Ｅ１〜Ｅ５を用いることにより同じ振幅の超音波に対して約５倍）。したがって遅延時間を時間経過に伴って変化させるとともに、各々の遅延時間で加算器により遅延信号を加算すれば、加算器の出力波形が最大となるときの遅延時間に対応した入射角を求めることによって、超音波の到来方向、すなわち超音波送波部が存在する方向を判定することが可能になる。
特開２００５−３００４２９号公報（段落［００３２］−［００５１］、及び、第２図、第５図）

上述の方位検出システムに用いる音響センサでは遅延加算演算により超音波の到来方向を求めているが、超音波送波部からの超音波に比べて強いノイズが各受波素子Ｅ１〜Ｅ５に入力されると、受波素子Ｅ１〜Ｅ５からの出力信号に含まれるノイズ成分も遅延加算されるので、超音波送波部から送波された超音波よりもノイズ成分の方が加算結果が大きくなる場合があり、超音波送波部が存在する方向を誤検出する可能性があった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、ノイズによる方位の誤検出を低減した方位検出システムを提供することにある。

請求項１の発明は、位置検出対象の移動体又は定位置に固定される固定体の一方に超音波を送波する超音波送波部を、他方に超音波受波部をそれぞれ配置し、超音波受波部は、それぞ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り、複数個の受波素子のうち何れか１つの受波素子を基準受波素子とし、基準となる受波波形の受波信号として基準受波素子の受波波形の受波信号を記憶する基準波形記憶部と、各受波素子の配列位置と超音波の探索方向とで定まる時間差で各受波素子から出力された受波信号の位相を夫々ずらすことによって得られた受波信号を組にして出力する位相調整手段と、位相調整手段から出力される各受波素子の受波信号と基準波形記憶部に記憶された受波信号とを掛け合わせる乗算手段と、所定の角度範囲内で探索方向を複数に変化させ、各々の探索方向について位相調整手段から出力される各組の受波信号と基準波形記憶部に記憶された受波信号とを乗算手段が掛け合わせて乗算結果を求め、乗算手段による乗算結果が最大となる探索方向を超音波の到来方向と判断する方位判定手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、上記基準となる受波波形は、低ノイズ環境下に受波素子を配置した状態で予め測定した受波波形であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、位相調整手段が各受波素子の受波信号の位相を合わせ、位相が調整された各受波素子の受波信号と基準波形記憶部に記憶された基準となる受波波形の受波信号とを乗算手段により掛け合わせており、受波素子の受波信号にノイズが重畳した場合は基準となる受波波形の受波信号とノイズが重畳した受波信号とを掛け合わせると、ノイズが重畳していない場合に比べて乗算結果が小さくなるので、ノイズ信号をキャンセルすることができ、したがって方位判定手段が、乗算手段による乗算結果が最大となる受波信号の組の探索方向を超音波の到来方向と判断することで、ノイズが重畳した場合でも超音波の到来方向を正確に判定できる方位測定システムを実現できる。

しかも、基準受波素子の受波波形にノイズが重畳していなければ、他の受波素子の受波波形にノイズが重畳している場合でもノイズをキャンセルすることができ、ノイズによる誤検出を低減することができる。

請求項２の発明によれば、低ノイズ環境下に受波素子を配置した状態で予め測定した受波波形を基準となる受波波形として用い、この受波波形の受波信号と各受波素子の受波信号とを乗算手段により掛け合わせているので、全ての受波素子の受波信号に同じタイミングで同様のノイズが重畳した場合でも、このノイズをキャンセルすることができ、ノイズによる誤検出を低減することができる。しかも、ノイズが重畳していない実際の受波波形を基準となる受波波形として用いており、受波素子の受波特性に近い受波波形を用いているので、ノイズによる誤検出をさらにすることが低減できる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
本実施形態では、本発明に係る方位検出システムと超音波送波部までの距離を検出する手段を備えて超音波送波部の位置（方位および距離）を検出する位置検出システムを例に説明を行う。

本実施形態の位置検出システムは、図２（ａ）に示すように、例えば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の定位置に設置して、移動空間Ｄにおける移動体Ａの位置を検出するものであり、例えば移動体Ａが移動空間Ｄ内を移動する状況（移動体Ａの移動した位置）を追跡する動線計測システムに利用される。

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、制御部１７の各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。

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からなるグローバル座標における送信装置１の位置（方位および距離）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。

ここで、位置演算部２２において、超音波受波部２１の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。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おり、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の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に設定された直交座標からなるローカル座標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。なお、この構成については後述する。

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の動作についても後述する。

メモリ２４に格納されているトリガ受信時刻と、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の座標位置とは制御部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などのシリアル転送方式のインタフェースや、ＳＣＳＩなどのパラレル転送方式のインタフェース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。

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の平面形状は正方形状であって、発熱体層３３の平面形状も長方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。

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。

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。

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。

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。

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。

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良いし、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良い。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。

識別情報信号発信部１５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良いし、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良く、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良い。

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Ｅ１〜Ｅ８が同一基板２１ａ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Ｅ１の中心間距離（配列ピッチ）Ｓ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Ｅ１〜Ｅ８それぞれに到達する時間の差が小さくなり、当該時間差の検出が困難となる。受波素子Ｅ１〜Ｅ８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。

本実施形態では受波素子Ｅ１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。なお他の受波素子Ｅ２〜Ｅ８も受波素子Ｅ１と同様の構成を有しているので、以下では受波素子Ｅ１について説明を行い、受波素子Ｅ２〜Ｅ８については説明を省略する。

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。

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Ｅ１〜Ｅ８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って固定電極４３ａと可動電極４３ｂとの間の距離が変化すると、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。

なお、受波素子Ｅ１〜Ｅ８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。

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Ｅ１〜Ｅ８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Ｅ１〜Ｅ８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Ｅ１〜Ｅ８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。

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良く、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良い。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。

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良いし、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良く、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。

位置演算部２２は、超音波受波部２１の各受波素子Ｅ１〜Ｅ８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Ｅ１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。

以下に位置演算部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、ｘｚ平面内に配列された受波素子Ｅ１〜Ｅ５からの出力信号を用いてｘｚ平面内での角度θｘを求める処理について説明する。なお、ｙｚ平面内での角度θｙは、ｙｚ平面内に配列された受波素子Ｅ３，Ｅ６，Ｅ７，Ｅ８からの出力信号を用いて求めることができるが、ｘｚ平面内の角度θｘを求める場合と同様の処理で求めることができるので、その説明は省略する。

いま受波素子Ｅ１〜Ｅ５が配列された面（ｘｚ平面）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（図７参照）、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。ここで超音波の速度をｃ、超音波の波面が隣り合う受波素子（例えば受波素子Ｅ１，Ｅ２）のうちの一方の受波素子Ｅ１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Ｅ２の中心との間の距離（遅延距離）をｄ０、隣り合う受波素子Ｅ１の中心間距離をＳとすれば、超音波の波面が隣り合う受波素子Ｅ１，Ｅ２にそれぞれ到達する時間の時間差（この時間を遅延時間と言う。）Δｔ０（図８参照）は、 Δｔ０＝ｄ０／ｃ＝Ｓ・ｓｉｎθ０／ｃになる。したがって、θ０＝ｓｉｎ^−１（Δｔ０・ｃ／Ｓ）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。

図８（ａ）〜（ｅ）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）を送波したときの各受波素子Ｅ１〜Ｅ５の受波波形を示しており、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）はそれぞれ受波素子Ｅ５，Ｅ４，Ｅ３，Ｅ２，Ｅ１の受波波形を示している。ここにおいて位置演算部２２は、超音波の到来方向（すなわち超音波送波部１１の方位）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、各受波素子Ｅ１〜Ｅ５から出力された電気信号である受波信号の位相を、それぞれ各受波素子の配列位置と超音波の探索方向とで定まる時間差でずらすことによって位相を合わせた受波信号を組にして出力する位相調整手段と、位相調整手段から出力される各組の受波信号同士を掛け合わせる乗算手段と、乗算手段による乗算結果が最大となる組の受波信号に対応した探索方向を超音波の到来方向と判断する方位判定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（つまり超音波送波部１１の方位）を求めることができる。なお信号処理部２２ｃの位相調整手段と乗算手段と方位判定手段とは、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。

ここで信号処理部２２ｃの乗算手段が、各組の受信信号同士を掛け合わせる組み合わせとしては、受波素子Ｅ１，Ｅ２の受波信号、受波素子Ｅ１，Ｅ３の受波信号、受波素子Ｅ１，Ｅ４の受波信号、受波素子Ｅ１，Ｅ５の受波信号、受波素子Ｅ２，Ｅ３の受波信号、受波素子Ｅ２，Ｅ４の受波信号、受波素子Ｅ２，Ｅ５の受波信号、受波素子Ｅ３，Ｅ４の受波信号、受波素子Ｅ３，Ｅ５の受波信号、受波素子Ｅ４，Ｅ５の受波信号の１０通りの組み合わせがあり、これらの１０通りの組み合わせについて以下の数１を用いて受波信号同士を掛け合わせる。

但し、θは計算中の方位角（例えば（−４５）度以上（＋４５）度以下）、Ｃ_ｍ，ｎ（θ）は方位角θにおいて受波素子Ｅｍ，Ｅｎ（ｍ，ｎは１〜５までの整数）の受波信号同士を掛け合わせた乗算値、Δｔｍ（θ），Δｔｎ（θ）は受波素子Ｅｍ，Ｅｎの方位角θにおける遅延時間、ｆ_ｍ（ｔ），ｆ_ｎ（ｔ）は受波素子Ｅｍ，Ｅｎの時刻ｔにおける受波信号、ｔ０は基準となる受波素子の１周期分の受波波形ＳＰの開始時刻、Ｔ２は受波波形ＳＰの周期である。

ここにおいて、ｔ０の値は、基準となる受波素子を中央の受波素子Ｅ３とした場合に基準受波素子Ｅ３の受波波形ＳＰの負側のピーク値の時刻（基準時刻）を遅延時間ゼロとして、上記基準時刻との時間差から求めている。なお、受波波形ＳＰのサンプリング周期が１μ秒の場合、超音波の周波数が６０ｋＨｚであれば、周期Ｔは１６となる。またｔ０の値は理論上（（基準時刻）−４）μ秒となる。

ところで、遅延距離ｄ０および遅延時間Δｔ０は上述のように以下の式で示される。

ｄ０＝Ｓ・ｓｉｎθ …（１）
Δｔ０＝ｄ／ｃ＝（Ｓ・ｓｉｎθ）／ｃ …（２）
上記の式（１）（２）の関係より、信号処理部２２ｃが数１を用いてサンプリングしたデータを処理する際に、位相調整手段としての信号処理部２２ｃが遅延時間Δｔ０を変化させることによって超音波の到来方向を走査する事ができるのである。

例えば受波素子の間隔Ｓを４ｍｍ、方位角θを５°として、受波素子Ｅ２の受波信号と受波素子Ｅ４の受波信号との乗算値Ｃ（相関値）を求める場合、遅延距離および遅延時間はそれぞれ以下のようになる。

ｄ０＝４×ｓｉｎ５°≒０．３４（ｍｍ）
Δｔ０＝０．３４×１０^−３／３４０＝１（μ秒）
したがって、Δｔ_２（５）＝（−１）、Δｔ_４（５）＝（＋１）となり、乗算値Ｃ_２，４（５）は以下のようになる。

ここにおいて、位相調整手段たる信号処理部２２ｃが、受波素子Ｅ２の受波信号ｆ_２（ｔ）と、受波素子Ｅ４の受波信号ｆ_４（ｔ）とをそれぞれの遅延時間だけ前後にずらすことによって、両者の位相を基準となる受波素子Ｅ３の位相に一致させた後、受波信号ｆ_２（ｔ）と受波信号ｆ_４（ｔ）とを１周期分掛け合わせることによって乗算値Ｃ_２，４（θ）を算出しており、その乗算結果Ｃ_２，４（θ）は受波素子Ｅ２の受波波形と受波素子Ｅ４の受波波形との相関値を示している。

もし仮に各受波素子Ｅ１…の受波波形ＳＰがノイズの無い理想的な正弦波形であるとすると、任意の２つ受波素子Ｅｍ，Ｅｎの受波波形ＳＰ_ｍ，ＳＰ_ｎを素子の配列位置と超音波の探索方向（走査方向）とで決まる遅延時間だけ前後にずらした場合、２つの受波波形ＳＰ_ｍ，ＳＰ_ｎが完全に一致するときのみ（図９（ａ）参照）、Ｃ_ｍ，ｎ（θ）の値は（＋１）になる。一方、２つの受波波形ＳＰ_ｍ，ＳＰ_ｎの位相が９０度ずれていると（同図（ｂ）参照）、Ｃ_ｍ，ｎ（θ）の値はゼロになり、位相が１８０度ずれていると（同図（ｃ）参照）、Ｃ_ｍ，ｎ（θ）の値は（−１）になる。さらに、一方の受波波形ＳＰ_ｎの周波数が他方の受波波形ＳＰ_ｎの周波数の整数倍であれば（同図（ｄ）参照）、Ｃ_ｍ，ｎ（θ）の値はゼロになる。

したがって、信号処理部２２ｃが、方位角θを所定の角度範囲（例えば（−４５度）以上且つ４５度以下）で変化させながら、各々の方位角θで２つの受波信号ｆｍ（ｔ），ｆｎ（ｔ）の相関値Ｃ_ｍ，ｎ（θ）を計算すれば、相関値Ｃ_ｍ，ｎ（θ）の値が最大となる時の方位角θを求めることによって、超音波送波部１１の存在する方位を特定することができる。ここで、本実施形態では信号処理部２２ｃが５個の受波素子Ｅ１〜Ｅ５を全て組み合わせた１０通りの相関値Ｃ_ｍ，ｎ（θ）を計算して、それらの合計値を算出しており、この合計値を方位θの判定に用いている。具体的には信号処理部２２ｃが以下の式（３）の計算を行って合計値Ｃ_all（θ）を求め、この合計値Ｃ_all（θ）が最大となるときの方位角θを超音波送波部１１が存在する方位角（つまり超音波の到来方向θｘ）と判定するのである。

Ｃ_all（θ）＝Ｃ_１，２（θ）＋Ｃ_１，３（θ）＋Ｃ_１，４（θ）＋Ｃ_１，５（θ）＋Ｃ_２，３（θ）＋Ｃ_１，４（θ）＋Ｃ_１，５（θ）＋Ｃ_３，４（θ）＋Ｃ_３，５（θ）＋Ｃ_４，５（θ） …（３）
このように本実施形態では、位相調整手段および乗算手段としての信号処理部２２ｃが、各受波素子Ｅ１〜Ｅ５の受波信号の位相を合わせ、位相が調整された各受波素子Ｅ１〜Ｅ５の受波信号同士を掛け合わせており、受波素子Ｅ１〜Ｅ５の一部にノイズが重畳した場合はノイズが重畳した受波信号同士を掛け合わせると、ノイズが重畳していない場合に比べて乗算結果が小さくなるので、ノイズ信号をキャンセルすることができ、したがって方位判定手段たる信号処理部２２ｃが、乗算結果（相関値Ｃ）が最大となる受波信号の組の探索方向を超音波の到来方向と判断することで、ノイズが重畳した場合でも超音波の到来方向を正確に判定できるのである。

なお、ｙｚ平面内における超音波の到来方向θｙを求める場合には、ｙｚ平面内に配列された受波素子Ｅ３，Ｅ６，Ｅ７，Ｅ８の受波信号を用いて同様の計算を行えば良く、その説明は省略する。

また位置演算部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Ｅ１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のである。

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１０に示すように、超音波受波部２１の各受波素子Ｅ１〜Ｅ５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１１（ａ）〜（ｅ）に示すように各受波素子Ｅ１〜Ｅ５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。なお、図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）はそれぞれ受波素子Ｅ５，Ｅ４，Ｅ３，Ｅ２，Ｅ１の受波信号を示しており、（ａ）〜（ｅ）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。ここに、到来方向θ１からの超音波の隣り合う受波素子Ｅ１…の間の遅延距離をｄ１（図１０参照）とすれば、超音波の波面が隣り合う受波素子Ｅ１…に到達する時間の時間差Δｔ１（図１１参照）は、Δｔ１＝ｄ１／ｃ＝Ｓ・ｓｉｎθ１／ｃとなるから、θ１＝ｓｉｎ^−１（Δｔ１・ｃ／Ｓ）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からの超音波の隣り合う受波素子Ｅ１…の間の遅延距離をｄ２（図１０参照）とすれば、超音波の波面が隣り合う受波素子Ｅ１…に到達する時間の時間差Δｔ２（図１１参照）は、Δｔ２＝ｄ２／ｃ＝Ｓ・ｓｉｎθ２／ｃとなるから、θ２＝ｓｉｎ^−１（Δｔ２・ｃ／Ｓ）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。

なお図７および図１０の例では説明を簡単にするために受波素子Ｅ１…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Ｅ１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。

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Ｅ１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。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ので、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。したがって、距離演算手段では、図８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Ｅ１…からの受波波形ＳＰを受信した時刻との時間差Ｔ１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。

ここに、データ格納部２２ｂには、〔受波素子Ｅ１…の個数〕×〔各受波素子Ｅ１…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ので、例えば受波素子Ｅ１…の個数を８個、受波期間を３０ｍｓ、Ａ／Ｄ変換部２２ａのサンプリング周期を１μｓとした場合には、１データを１ワードとして２４０ｋワードの容量が必要となるから、２５６ｋワードのＳＲＡＭなどを使用すればよい。

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。例えば図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。

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。

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いから、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。

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、以前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）。

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。

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３のように表すことができる。

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４のように表すことができる。

ここで、数３と数４とから（ＸＲ，ＹＲ）を消去すれば、θＲに関する下記数５が得られる。

さらに、数５を数３、数４に適用すれば、（ＸＲ，ＹＲ）を求めることができる。

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。

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Ｅ１…が同一基板２１ａ上に配列されたアレイセンサからなる超音波受波部２１を有し、位置演算部２２が、超音波受波部２１の各受波素子Ｅ１…で超音波を受波した時刻の時間差と各受波素子Ｅ１…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、受信装置２に対する送信装置１の相対位置を求めるように構成されているので、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。

なお、上記実施形態では、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Ｅ１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。
上記の方位検出システムでは、位置検出対象の移動体又は定位置に固定される固定体の一方に超音波を送波する超音波送波部を、他方に超音波受波部をそれぞれ配置し、前記超音波受波部は、それぞれ前記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り、前記各受波素子の配列位置と超音波の探索方向とで定まる時間差で前記各受波素子から出力された受波信号の位相を夫々ずらすことによって得られた受波信号を組にして出力する位相調整手段と、前記位相調整手段から出力される各組の受波信号同士を掛け合わせる乗算手段と、所定の角度範囲内で前記探索方向を複数に変化させ、各々の前記探索方向について前記位相調整手段から出力される各組の受波信号同士を前記乗算手段が掛け合わせて乗算結果を求め、前記乗算手段による乗算結果が最大となる探索方向を超音波の到来方向と判断する方位判定手段とを備えている。このように、位相調整手段が各受波素子の受波信号の位相を合わせ、位相が調整された各受波素子の受波信号同士を乗算手段により掛け合わせており、受波素子の一部にノイズが重畳した場合はノイズが重畳した受波信号同士を掛け合わせると、ノイズが重畳していない場合に比べて乗算結果が小さくなるので、ノイズ信号をキャンセルすることができ、したがって方位判定手段が、乗算手段による乗算結果が最大となる受波信号の組の探索方向を超音波の到来方向と判断することで、ノイズが重畳した場合でも超音波の到来方向を正確に判定できる方位測定システムを実現できる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２を図１４に基づいて説明する。なお、信号処理部２２ｃおよびメモリ２４以外の位置測定システムの構成は実施形態１と同様であるので、共通する構成要素には同一の符号を付してその説明は省略する。

上述の実施形態１では、信号処理部２２ｃが各受波素子Ｅ１…からの受波信号を、受波素子Ｅ１…の配列位置と超音波の探索方向とで定まる時間差だけずらして位相を合わせた後、受波信号同士を１周期分掛け合わせた相関値Ｃ（θ）を求め、この相関値Ｃ（θ）が最大となるときの方位角θから超音波の到来方向を求めているのに対して、本実施形態ではメモリ２４内に基準となる受波波形（以下、基準波形と言う。）を示す基準受波信号ｆ_０（ｔ）を記憶する基準波形記憶部２４ａを設け、基準波形記憶部２４ａ内に格納された基準受波信号ｆ_０（ｔ）と、各受波素子Ｅ１〜Ｅ５の受信信号とを１周期分掛け合わせて相関値Ｃ（θ）を求めている。

ここで、ｘｚ平面内で超音波の到来方向θｘを求める場合について説明を行う。ｘｚ平面内での到来方向θｘを求める場合は、ｘｚ平面内に配列された受波素子Ｅ１〜Ｅ５の受波波形ＳＰを用いるのであるが、本実施形態では基準波形としてｘｚ方向の中央に配置された受波素子Ｅ３の受波波形を用いており、信号処理部２２ｃはデータ格納部２２ｂから受波素子Ｅ３の受波信号ｆ_３（ｔ）を読み込んでメモリ２４の基準波形記憶部２４ａに記憶させた後、基準波形記憶部２４ａから読み込んだ基準波形信号（受波素子Ｅ３の受波信号）と、データ格納部２２ｂから読み込んだ他の受波素子Ｅ１，Ｅ２，Ｅ４，Ｅ５の受波信号とを用いて方位角の算出を行っている。すなわち信号処理部２２ｃは、受波素子Ｅ３の受波信号ｆ_３（ｔ）と、他の４個の受波素子Ｅ１，Ｅ２，Ｅ４，Ｅ５の受波信号ｆ_１（ｔ），ｆ_２（ｔ），ｆ_４（ｔ），ｆ_５（ｔ）との４通りの組み合わせで下記の数６により相関値Ｃ_１，３（θ），Ｃ_２，３（θ），Ｃ_３，４（θ），Ｃ_３，５（θ）を求めている。

但し、θは計算中の方位角（例えば（−４５）度以上（＋４５）度以下）、Ｃ_ｍ，３（θ）は方位角θにおいて受波素子Ｅｍ（ｍ＝１，２，４，５）と受波素子Ｅ３の受波信号同士を掛け合わせた乗算値、ｆ_ｍ（ｔ）は受波素子Ｅｍの時刻ｔにおける受波信号、Δｔｍ（θ）は受波素子Ｅｍの方位角θにおける遅延時間、ｔ０は基準となる受波素子Ｅ３の１周期分の受波波形ＳＰの開始時刻、Ｔ２は受波波形ＳＰの周期である。

例えば受波素子Ｅ１〜Ｅ５の間隔Ｓを４ｍｍ、方位角θを５°として、受波素子Ｅ２の受波波形（受波信号）と基準波形（すなわち受波素子Ｅ３の受波波形（受波信号））との相関値を求める場合、遅延時間Δｔ_２（θ）＝−１（μ秒）となり、相関値Ｃ_２，３（θ）は以下の数７により求められる。

ここにおいて信号処理部２２ｃは、受波素子Ｅ２の受波信号ｆ_２（ｔ）を遅延時間Δｔ_２（θ）だけずらして受波素子Ｅ３の受波信号ｆ_３（ｔ）の位相に一致させた後、受波素子Ｅ２の受波信号ｆ_２（ｔ）と、受波素子Ｅ３の受波信号ｆ_３（ｔ）とを１周期分掛け合わせることによって乗算値Ｃ_２，３（θ）を算出しており、その値は受波素子Ｅ２の受波波形と基準波形との相関値を示している。

そして、信号処理部２２ｃでは、基準となる受波素子Ｅ３の受波信号と、他の４個の受波素子Ｅ１，Ｅ２，Ｅ４，Ｅ５の受波信号との４通りの組み合わせについてそれぞれ相関値Ｃ_ｍ，３（θ）を計算して、それらの合計値を算出しており、この合計値を方位の判定に用いている。具体的には以下の式（４）の計算を行って合計値Ｃ_all（θ）を求め、この合計値Ｃ_all（θ）が最大となるときの方位角θを超音波送波部１１が存在する方位角（つまり超音波の到来方向θｘ）と判定するのである。

Ｃ_all（θ）＝Ｃ_１，３（θ）＋Ｃ_２，３（θ）＋Ｃ_３，４（θ）＋Ｃ_３，５（θ）…（４）
このように本実施形態では何れかの受波素子（本実施形態では受波素子Ｅ３）の受波波形を基準波形とし、信号処理部２２ｃが、受波素子Ｅ３の受波信号（つまり基準波形の受波信号）と、他の受波素子の受波信号との相関値を求めることで超音波の到来方向を求めており、基準となる受波素子Ｅ３以外の全ての受波素子について受波信号に同じタイミングでノイズが重畳している場合でも、基準となる受波素子Ｅ３の受波信号にノイズが重畳していなければ、他の受波素子の受波信号に重畳したノイズをキャンセルすることができ、ノイズによる誤検出を低減することができる。

なお、ｙｚ平面内における超音波の到来方向θｙを求める場合には、ｙｚ平面内に配列された受波素子Ｅ３，Ｅ６，Ｅ７，Ｅ８の受波信号を用い、受波素子Ｅ２の受波波形を基準波形として同様の計算を行えば良く、その説明は省略する。また本システムの動作は、方位を測定する動作を除いて実施形態１と同様であるので、その説明も省略する。

（実施形態３）
以下に本発明の実施形態３を説明する。尚、位置検出システムの構成は実施形態２と同様であるので、共通する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。

上述の実施形態２では基準波形記憶部２４ａに基準となる受波素子Ｅ３の受波信号（基準受波信号）を記憶させ、この基準受波信号と他の受波素子Ｅ１，Ｅ２，Ｅ４，Ｅ５の受信信号とを１周期分掛け合わせて相関値Ｃ（θ）を求めているのに対して、本実施形態ではコンピュータによりノイズを含まない理論上の受波波形を作成して、この受波波形を示す基準受波信号ｆ_０（ｔ）を基準波形記憶部２４ａ内に予め記憶させており、信号処理部２２ｃでは、基準波形記憶部２４ａ内に格納された基準受波信号ｆ_０（ｔ）と、各受波素子Ｅ１〜Ｅ８の受波信号とを互いに掛け合わせ、その乗算結果に基づいて超音波の到来方向を求めている。

ここで位置演算部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、ｘｚ平面内に配列された受波素子Ｅ１〜Ｅ５からの出力信号を用いてｘｚ平面内での角度θｘを求める処理について説明する。なお、ｙｚ平面内での角度θｙは、ｙｚ平面内に配列された受波素子Ｅ３，Ｅ６〜Ｅ８からの出力信号を用いて求めることができるが、ｘｚ平面内の角度θｘを求める場合と同様の処理で求めることができるので、その説明は省略する。

ｘｚ方向の方位角θｘを求める場合はｘｚ平面内に配列された受波素子Ｅ１〜Ｅ５の受波信号を用いるのであるが、信号処理部２２ｃの遅延手段が各受波素子Ｅ１〜Ｅ５の受波信号を所定の遅延時間だけ遅延させた後、信号処理部２２ｃの乗算手段が各組の受波信号同士を掛け合わせる組み合わせとしては、受波素子Ｅ１，Ｅ２の受波信号、受波素子Ｅ１，Ｅ３の受波信号、受波素子Ｅ１，Ｅ４の受波信号、受波素子Ｅ１，Ｅ５の受波信号、受波素子Ｅ２，Ｅ３の受波信号、受波素子Ｅ２，Ｅ４の受波信号、受波素子Ｅ２，Ｅ５の受波信号、受波素子Ｅ３，Ｅ４の受波信号、受波素子Ｅ３，Ｅ５の受波信号、受波素子Ｅ４，Ｅ５の受波信号の１０通りの組み合わせがあり、これらの１０通りの組み合わせについて以下の数８を用いて受波信号同士を掛け合わせる。

但し、θは計算中の方位角（例えば（−４５）度以上（＋４５）度以下）、Ｃ_ｍ，ｎ（θ）は方位角θにおいて受波素子Ｅｍ，Ｅｎ（ｍ，ｎは１〜５までの整数）の受波信号と基準受波信号とを掛け合わせた乗算値、Δｔｍ（θ），Δｔｎ（θ）は受波素子Ｅｍ，Ｅｎの方位角θにおける遅延時間、ｆ_ｍ（ｔ），ｆ_ｎ（ｔ）は受波素子Ｅｍ，Ｅｎの時刻ｔにおける受波信号、ｔ０は基準となる受波素子の１周期分の受波波形ＳＰの開始時刻、Ｔ２は受波波形ＳＰの周期である。

ここにおいて、ｔ０の値は、基準となる受波素子を中央の受波素子Ｅ３とした場合に基準受波素子Ｅ３の受波波形ＳＰの負側のピーク値の時刻（基準時刻）を遅延時間ゼロとして、基準時刻との時間差から求めている。なお、受波波形ＳＰのサンプリング周期が１μ秒の場合、超音波の周波数が６０ｋＨｚであれば、周期Ｔは１６となる。またｔ０の値は、理論上は（（基準時刻）−４）μ秒となる。

したがって、方位角θを５度として受波素子Ｅ２，Ｅ４の相関値Ｃ_２，４（５）を求める場合、Δｔ_２（５）＝（−１）、Δｔ_４（５）＝（＋１）となるので、乗算値Ｃ_２，４（５）は以下のようになる。

ここにおいて信号処理部２２ｃは、受波素子Ｅ２の受波信号ｆ_２（ｔ）と、受波素子Ｅ４の受波信号ｆ_４（ｔ）とをそれぞれの遅延時間だけ前後にずらすことによって、両者の位相を基準となる受波素子Ｅ３の位相に一致させた後、受波信号ｆ_２（ｔ）と受波信号ｆ_４（ｔ）と基準受波信号ｆ_０（ｔ）とを１周期分掛け合わせることによって乗算値Ｃ_２，４（θ）を算出しており、その算出値は掛け合わせた受波波形の相関値を示している。

本実施形態では信号処理部２２ｃが、５個の受波素子Ｅ１〜Ｅ５を全て組み合わせた１０通りの相関値Ｃ_ｍ，ｎ（θ）を数８を用いて計算し、それらの合計値を算出しており、この合計値を方位θの判定に用いている。具体的には以下の式（５）の計算を行って合計値Ｃ_all（θ）を求め、この合計値Ｃ_all（θ）が最大となるときの方位角θを超音波送波部１１が存在する方位角（つまり超音波の到来方向θｘ）と判定するのである。

Ｃ_all（θ）＝Ｃ_１，２（θ）＋Ｃ_１，３（θ）＋Ｃ_１，４（θ）＋Ｃ_１，５（θ）＋Ｃ_２，３（θ）＋Ｃ_１，４（θ）＋Ｃ_１，５（θ）＋Ｃ_３，４（θ）＋Ｃ_３，５（θ）＋Ｃ_４，５（θ） …（３）
上述のように本実施形態では受波素子Ｅ１〜Ｅ５のうち何れか２つの受波素子Ｅｍ，Ｅｎについて相関値を求める際に、これらの受波素子Ｅｍ，Ｅｎの受波信号と、ノイズを含まない理想の受波波形を示す基準受波信号とを掛け合わせて相関値を求めているので、全ての受波素子の受波信号に同じタイミングで同様のノイズが重畳したとしても、重畳したノイズをキャンセルすることができる。

本実施形態では、上記基準となる受波波形が、コンピュータにより予め作成された理論上の受波波形である。これにより、コンピュータにより予め作成された理論上の受波波形を基準となる受波波形として用い、この理論上の受波波形の受波信号と各受波素子の受波信号とを乗算手段により掛け合わせているので、全ての受波素子の受波信号に同じタイミングで同様のノイズが重畳した場合でも、このノイズをキャンセルすることができ、ノイズによる誤検出を低減することができる。
なお、ｙｚ平面内における超音波の到来方向θｙを求める場合には、ｙｚ平面内に配列された受波素子Ｅ３，Ｅ６，Ｅ７，Ｅ８の受波信号を用いて同様の計算を行えば良く、その説明は省略する。また本システムの動作は、方位を測定する動作を除いて実施形態１と同様であるので、その説明も省略する。

ところで、本実施形態ではコンピュータによりノイズを含まない理論上の受波波形を予め作成し、この受波波形の受波信号ｆ_０（ｔ）を基準受波信号として用いているが、無響音室などの低ノイズ環境下で実際に測定した受波波形の受波信号を基準受波信号として基準波形記憶部２４ａに予め記憶させておき、この基準受波信号を用いて信号処理部２２ｃが上述の演算処理を行い、超音波の到来方向を求めるようにしても良い。この場合、予め低ノイズ環境下で受波した受波波形の信号を基準受波信号として用いることにより、ノイズが混じらず、且つ、実際の受波波形に近い波形を用いて各受波素子の受波信号との相関値を求めることができ、ノイズによる誤検出をさらに低減できるという効果がある。

なお、上述の各実施形態では移動体Ａに超音波送波部１１を、定位置に設置される受信装置２に超音波受波部２１をそれぞれ配置しているが、定位置に超音波送波部１１を備える送信装置１を配置するとともに、移動体Ａに超音波受波部２１を備える受信装置２を配置しても良く、上述と同様に移動体Ａの位置を測定することができる。

また、本発明の精神と範囲に反することなしに、広範に異なる実施形態を構成することができることは明白なので、この発明は、特定の実施形態に制約されるものではない。

実施形態１を示すシステム構成図である。 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。 同上の原理説明図である。 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。 （ａ）（ｂ）は同上に用いる超音波波形の説明図である。 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。 同上の動作説明図である。 （ａ）〜（ｅ）は同上に用いる各受波素子の受波信号を示す説明図である。 （ａ）〜（ｄ）は同上に用いる受波素子の受波信号の説明図である。 同上の動作説明図である。 （ａ）〜（ｅ）は同上に用いる各受波素子の受波信号を示す説明図である。 同上の原理説明図である。 同上の他の動作での原理説明図である。 実施形態２を示すシステム構成図である。

符号の説明

１ 送信装置
２ 受信装置
１１ 超音波送波部
２１ 超音波受波部
２２ｃ 信号処理部（位相調整手段、乗算手段、方位判定手段）
Ｅ１〜Ｅ８ 受波素子

Claims (2)

1. 位置検出対象の移動体又は定位置に固定される固定体の一方に超音波を送波する超音波送波部を、他方に超音波受波部をそれぞれ配置し、
   前記超音波受波部は、それぞれ前記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り、
   複数個の前記受波素子のうち何れか１つの前記受波素子を基準受波素子とし、基準となる受波波形の受波信号として前記基準受波素子の受波波形の受波信号を記憶する基準波形記憶部と、
   前記各受波素子の配列位置と超音波の探索方向とで定まる時間差で前記各受波素子から出力された受波信号の位相を夫々ずらすことによって得られた受波信号を組にして出力する位相調整手段と、
   前記位相調整手段から出力される前記各受波素子の受波信号と前記基準波形記憶部に記憶された受波信号とを掛け合わせる乗算手段と、
   所定の角度範囲内で前記探索方向を複数に変化させ、各々の前記探索方向について前記位相調整手段から出力される各組の受波信号と前記基準波形記憶部に記憶された受波信号とを前記乗算手段が掛け合わせて乗算結果を求め、前記乗算手段による乗算結果が最大となる探索方向を超音波の到来方向と判断する方位判定手段とを備えたことを特徴とする方位検出システム。
2. 前記基準となる受波波形は、低ノイズ環境下に前記受波素子を配置した状態で予め測定した受波波形であることを特徴とする請求項１記載の方位検出システム。

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