JP6544259B2

JP6544259B2 - 位置検出装置

Info

Publication number: JP6544259B2
Application number: JP2016026073A
Authority: JP
Inventors: 泉樹立入; 剛志鈴木; 貴之星
Original assignee: Denso Corp; Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Denso Corp; Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2019-07-17
Anticipated expiration: 2036-02-15
Also published as: JP2017146664A

Description

本発明は、超音波を利用した位置検出装置に関するものである。

従来の位置検出装置として、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１の位置検出装置（触覚提示装置）は、基板の中心に配置された第２超音波素子と、基板の四隅に配置された４つの第３超音波素子とを備えている。そして、第２超音波素子から発振される超音波が、生体（例えば指）で反射して、各第３超音波素子で受信される。このとき、第２超音波素子による超音波の発振から、第３超音波素子による受信までに要した時間から生体の位置を検出するようになっている。

特許第５３４３９４６号公報

しかしながら、上記の第２、第３超音波素子間において超音波の伝達に要した時間から生体の位置（生体の３次元座標）を検出するということは、実際的には、超音波の伝達に要した時間に音速を乗じた伝達距離を用いて生体の位置を算出することになる。具体的には、伝達距離を基に得られる各第３超音波素子および生体間の距離と、各第３超音波素子の３次元座標とを、数式１に示すような球面の方程式に当てはめることで得られる３元２次方程式から算出することになる。よって、平方根の算出や、解を算出するための条件設定（場合分け）等が必要となり、計算負荷が高く、計算処理に時間のかかるものとなっている。

（数１）
（ｘ−ａ）^２＋（ｙ−ｂ）^２＋（ｚ−ｃ）^２＝ｒ^２
但し、ａ、ｂ、ｃは球面の中心におけるｘ、ｙ、ｚ座標、ｒは半径である。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、対象物の位置を検出する際の計算負荷を低減可能とする位置検出装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

本発明では、超音波を用いて対象物の位置を検出する位置検出装置において、
基板（１１１）と、
超音波の発振および受信を可能として、基板上に複数配置された超音波素子（１１２）と、
複数の超音波素子から、同時期に、同周波数で超音波を発振させて、対象物で反射した超音波を、複数の超音波素子のうち、１番目に受信した１番目超音波素子（１１２１）の基板上の２次元位置（ｘ１、ｙ１）と、１番目超音波素子の発振から受信までの時間（ｔ）に基づいて算出される対象物および１番目超音波素子間の距離（ｚ１）とを用いて対象物の３次元位置（ｘ１、ｙ１、ｚ１）を検出する制御部（１２０）と、を備え、
対象物が前記基板に対して水平に位置し、
制御部は、
基板の端部と隣接する位置を含む１番目超音波素子を、同時に複数検知した場合に、
複数の１番目超音波素子のうち、基板の端部から最も離れた１番目超音波素子を用いて、対象物の先端における３次元位置を推定することを特徴としている。

この発明によれば、基板（１１１）に投影される対象物の２次元位置は、基板上における１番目超音波素子（１１２１）の２次元位置（ｘ１、ｙ１）として容易に算出することができる。また、対象物と基板との距離（ｚ１）は、超音波の速度（ｖ）と、１番目超音波素子における発振から受信までの時間（ｔ）との積を１／２とすることで容易に算出することができる。よって、対象物の３次元位置（ｘ１、ｙ１、ｚ１）を検出する際の計算負荷を低減することができ、計算処理の時間を短縮することができる。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態における位置検出装置を示す全体図である。複数の超音波素子に対する指の２次元位置、およびｚ方向距離を示す説明図である。第２実施形態における２本の指に対する２次元位置、およびｚ方向距離を示す説明図である。第３実施形態における指の先端位置を推定する際の要領を示す正面図である。第３実施形態における指の先端位置を推定する際の要領を示す平面図である。第４実施形態におけるデータテーブルを示す説明図である。第５実施形態における触覚提示位置を示す説明図である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
第１実施形態における位置検出装置１００について、図１、図２を用いて説明する。位置検出装置１００は、超音波を用いて対象物の位置を検出する装置となっている。対象物は、ここでは、例えば操作者の指等（生体）となっている。位置検出装置１００は、例えば、所定の空間に映し出される空中映像に対して、操作者の指等によって空中操作が行われる際の、指（指先）の３次元位置（ｘ１、ｙ１、ｚ１）を検出する装置となっている。位置検出装置１００は、図１に示すように、超音波素子パネル１１０、および制御部１２０等を備えている。

超音波素子パネル１１０は、基板１１１、および複数の超音波素子１１２等を有している。基板１１１は、四角形の板部材であり、複数の超音波素子１１２を搭載するための部材となっている。

超音波素子１１２は、超音波の発振、および受信を可能とする素子であり、基板１１１の上側面に複数配置されている。ここでは、複数の超音波素子１１２は、基板１１１上で互いに直交する２軸方向（ｘ軸方向、およびｙ軸方向）に等間隔で並び、全体では、格子状を成すように整列配置されている。各超音波素子１１２については、それぞれ、基板１１１上における２軸方向の座標位置（ｘ、ｙ）が予め設定されている。尚、２軸方向に対して直交する方向（基板１１１から垂直に離れる方向）をｚ軸方向（図２）と定義することとする。

複数の超音波素子１１２は、すべて同一仕様のものが使用されている。各超音波素子１１２は、電圧印加に伴い振動して超音波を発振すると共に、空中操作される指先等で反射した超音波による振動や圧力を受けたときに電圧を発生（超音波の受信）する圧電素子と、発振する際の超音波の周波数を所定周波数に設定する共振器とを備えている。ここでは、圧電素子は、例えば、変換効率に優れるＰＺＴ素子（チタン酸ジルコン酸鉛）が使用されている。また、各超音波素子１１２から発振される超音波の所定周波数は、共振器によって、すべての超音波素子１１２において同一の周波数ｆ１となるように設定されている。

制御部１２０は、空中操作される指先の位置検出を実行する部位であり、超音波発振回路１２１、超音波受信回路１２２、および検出部１２３等を有している。

超音波発振回路１２１は、複数の超音波素子１１２の一つずつに接続されており、検出部１２３の指令に基づいて、各超音波素子１１２から、同時に、同一周波数ｆ１の超音波を発振させる回路となっている。超音波発振回路１２１は、例えば、連続的に、あるいは所定のインターバルをもって周期的に、各超音波素子１１２から超音波を発振させるようになっている。

超音波受信回路１２２は、複数の超音波素子１１２の一つずつに接続されており、各超音波素子１１２から超音波が発振された後、空中で操作される指先に当たって反射してくる超音波を受信した超音波素子１１２の受信信号を、受信した時点で検出部１２３に出力する回路となっている。

検出部１２３は、超音波受信回路１２２から出力される受信信号に基づいて、空中で操作される指先の３次元位置（ｘ１、ｙ１、ｚ１）を検出する部位となっている。検出部１２３は、受信信号に基づいて、反射してきた超音波を受信した超音波素子１１２の２次元位置（ｘ１、ｙ１）を検知すると共に、超音波の発振から受信までの反射時間ｔから、超音波素子１１２と指先との距離ｚ１を算出するようになっている。尚、反射時間ｔは、本発明の発振から受信までの時間に対応する。検出部１２３による指先の３次元位置（ｘ１、ｙ１、ｚ１）の検出要領の詳細については後述する。

本実施形態の位置検出装置１００は、上記のように構成されており、以下、図２を加えて、作動および作用効果について説明する。

図２に示すように、まず、検出部１２３の指令に基づき、超音波発振回路１２１によって、各超音波素子１１２から、同時期に、同周波数ｆ１の超音波が発振される。複数の超音波素子１１２の上側となる空中で指操作が行われ、指先に各超音波が当たると、各超音波は指先で反射して各超音波素子１１２に向かう。そして、反射された超音波を各超音波素子１１２が受信すると、超音波受信回路１２２は、受信した時点で、その超音波素子１１２における受信信号を検出部１２３に出力していく。

検出部１２３は、検出信号から、複数の超音波素子１１２のうち、反射してきた超音波を１番目に受信した超音波素子１１２を１番目超音波素子１１２１として検知する。１番目超音波素子１１２１は、複数の超音波素子１１２のうち、指先に対して最も近い位置となる超音波素子である。つまり、１番目超音波素子１１２１は、指先から基板１１１に対する仮想垂線を想定したときに、この仮想垂線に当たる超音波素子に対応する。

そして、検出部１２３は、１番目超音波素子１１２１における基板１１１上の２次元位置（ｘ１、ｙ１）を把握する。２次元位置（ｘ１、ｙ１）は、指先の位置を基板１１１上に投影したときの位置に対応する。更に、検出部１２３は、１番目超音波素子１１２１において、超音波が発振されて反射した超音波を受信するまでの反射時間ｔを把握し、この反射時間ｔから１番目超音波素子１１２１と指先との距離ｚ１を、下記の数式２を用いて算出する。距離ｚ１は、基板１１１の上側の空間における指先のｚ軸方向の距離に対応する。

（数２）
ｚ１＝ｖ・ｔ／２
但し、ｖは超音波の音速（常温で３４０ｍ／ｓ程度）、ｔは反射時間である。

そして、検出部１２３は、上記で把握した２次元位置（ｘ１、ｙ１）と、距離ｚ１とから、指先の３次元位置を座標（ｘ１、ｙ１、ｚ１）として検出する。

以上のように、本実施形態によれば、基板１１１に投影される指先の２次元位置は、基板上における１番目超音波素子１１２１の２次元位置（ｘ１、ｙ１）として容易に算出することができる。また、指先と基板１１１との距離ｚ１は、超音波の音速ｖと、１番目超音波素子１１２１における発振から受信までの反射時間ｔとの積を１／２とすることで容易に算出することができる。よって、指先の３次元位置（ｘ１、ｙ１、ｚ１）を検出する際の計算負荷を低減することができ、計算処理の時間を短縮することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態の位置検出装置１００Ａを図３に示す。第２実施形態の位置検出装置１００Ａは、上記第１実施形態の位置検出装置１００に対して、２点の指先（対象物）の３次元位置を検出可能としたものである。

超音波素子パネル１１０Ａは、基板１１１上において、第１エリア１１１１と、第２エリア１１１２の２つに区画されている。例えば、第１エリア１１１１と、第２エリア１１１２は、基板１１１のｘ軸方向にほぼ二分されるように分割されている。

第１エリア１１１１に配置される複数の超音波素子１１２は、例えば、上記第１実施形態と同一の仕様で、周波数ｆ１の超音波を発振するようになっている。また、第２エリア１１１２に配置される複数の超音波素子１１２は、第１エリア１１１１の超音波素子１１２の共振器とは異なる仕様の共振器が使用されて、周波数ｆ１とは異なる周波数ｆ２の超音波を発振するようになっている。

換言すると、本実施形態の超音波素子パネル１１０Ａは、上記第１実施形態の周波数ｆ１の超音波を発振する超音波素子パネル１１０に対して、周波数ｆ２の超音波を発振する複数の超音波素子１１２を有するもう一つの超音波素子パネルが隣接配置されたものと言える。

基板１１１の上側空間において、第１、第２エリア１１１１、１１１２を跨ぐ２つの指（指１、指２）によって指操作がされる場合であると、検出部１２３は、周波数ｆ１の超音波によって、第１エリア１１１１上における指１に対応する１番目超音波素子１１２１１を検知する。また、検出部１２３は、周波数ｆ２の超音波によって、第２エリア１１１２上における指２に対応する１番目超音波素子１１２１２を検知する。

更に、検出部１２３は、各１番目超音波素子１１２１１、１１２１２の２次元位置（ｘ１、ｙ１）、（ｘ２、ｙ２）と、各１番目超音波素子１１２１１、１１２１２から各指１、指２までの距離ｚ１、ｚ２を算出する。そして、検出部１２３は、各指１、指２の３次元位置を座標（ｘ１、ｙ１、ｚ１）、座標（ｘ２、ｙ２、ｚ２）として検出する。

本実施形態では、超音波素子パネル１１０Ａを第１エリア１１１１と第２エリア１１１２とに分割し、各エリア１１１１、１１１２における超音波素子１１２の発振周波数を異なる周波数ｆ１、ｆ２とすることで、各エリア１１１１、１１１２における超音波が混同することがなく、指１と指２の３次元位置をそれぞれ検出することができる。よって、例えば、２つのエリア１１１１、１１１２に跨るようにして、ピンチアウトやピンチイン等の２本の指を用いた指操作を行う場合に、２本の指先の位置を検出することが可能となる。

（第３実施形態）
第３実施形態の位置検出装置１００Ｂを図４、図５に示す。第３実施形態の位置検出装置１００Ｂは、上記第１実施形態の位置検出装置１００に対して、空中での指操作に対して、制御部１２０が同時に複数の１番目超音波素子１１２１ａ、１１２１ｂ、１１２１ｃ、１１２１ｄを検出した場合に、指先（指の先端）の３次元位置（ｘ１、ｙ１、ｚ１）を推定可能としたものである。

本実施形態の構成は、上記第１実施形態と同一であるが、制御部１２０が行う制御内容が異なっている。

通常、操作者は、基板１１１の外側領域のうち、ある位置に立って指操作を行うことになる。指操作によって、例えば、図４に示すように、基板１１１に対してほぼ水平に指が位置したときに、検出部１２３は、複数の１番目超音波素子１１２１ａ〜１１２１ｄを検知することになる。このとき、複数の１番目超音波素子１１２１ａ〜１１２１ｄには、操作者の立ち位置側となる基板１１１の端部と隣接する１番目超音波素子１１２１ａを含むものとなる。指先は基板１１１の端部から基板１１１の内側に向かう方向に位置することなる。

よって、検出部１２３は、複数の１番目超音波素子１１２１ａ〜１１２１ｄのうち、基板１１１の端部から最も離れた１番目超音波素子１１２１ｄを用いて、指の先端の３次元位置（ｘ１、ｙ１、ｚ１）を推定するようにしている。

これにより、指操作の姿勢によっては、複数の１番目超音波素子１１２１ａ〜１１２１ｄが検知される場合であっても、確実に指先の３次元位置を推定することが可能となる。

（第４実施形態）
第４実施形態を図６に示す。第４実施形態は、上記第１実施形態に対して、制御部１２０が距離ｚ１を算出する際に、反射時間ｔに対する距離ｚ１の関係を予めまとめたデータテーブルを用いるようにしたものである。

データテーブルは、例えば、距離ｚ１を算出する際の、数式２（ｚ１＝ｖ・ｔ／２）に対して、音速ｖを定数として、所定範囲ごとの反射時間ｔに対する距離ｚ１の関係を階段状となるように近似させてまとめたものとなっており、検出部１２３に予め記憶されている。検出部１２３は、距離ｚ１を算出する際に、このデータテーブルを用いて、反射時間ｔに対する距離ｚ１の近似解を算出する。

これにより、わざわざ数式２に基づく計算を毎回行うことなく、距離ｚ１の近似解を得ることができ、検出部１２３における計算負荷を低減することができる。

（第５実施形態）
第５実施形態の位置検出装置１００Ｃを図７に示す。第５実施形態の位置検出装置１００Ｃは、上記第１実施形態の位置検出装置１００に対して、指先の位置検出機能に加えて、指先に触覚を提示する触覚提示機能を持たせたものである。

本実施形態の構成は、上記第１実施形態と同一であるが、各超音波素子１１２における超音波の発振形態が異なっている。

本実施形態では、まず、前提条件として、位置検出を行う際には、超音波発振回路１２１は、検出部１２３の指令に基づいて、各超音波素子１１２から、同時に、同一周波数ｆ１の超音波を、所定のインターバルをもって周期的に、発振させるようになっている。これに基づいて、上記第１実施形態で説明した位置検出が実行される。

一方、上記インターバルの間に、超音波発振回路１２１は、複数の超音波素子１１２を活用して、複数の超音波素子１１２のうち、少なくとも２つから超音波（同一周波数ｆ１）を発振させ、空間上の予め定めた触覚提示位置Ｐ１に集中させるようにする。この場合、各超音波素子１１２と触覚提示位置Ｐ１との距離が異なるため、超音波発振回路１２１は、この距離を考慮して、時間差をもって、個々の超音波素子１１２から超音波を発振させることで、これら超音波が触覚提示位置Ｐ１に集中するように制御する。

そして、指先が触覚提示位置Ｐ１に位置すると、集中された超音波の音圧によって指先は刺激される。触覚の程度は、触覚提示位置Ｐ１に超音波を発振する超音波素子１１２の数によって異なるため、適宜、作動させる超音波素子１１２の対応数を決定しておけばよい。

これにより、同一の構成を流用して、位置検出機能に加えて触覚提示機能を持たせることができる。

（その他の実施形態）
上記各実施形態では、位置検出するための対象物を操作者の指等（生体）としたが、これに限らず、操作者の手によって操作されるペンや棒等としてもよい。

また、上記各実施形態では、基板１１１に設けられる複数の超音波素子１１２は、整列されて格子状に配置されるものとしたが、これに限らず、千鳥配置、ランダム配置等としても、同様に対応可能である。

１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ位置検出装置
１１１基板
１１２超音波素子
１１１１第１エリア
１１１２第２エリア
１１２１１番目超音波素子
１２０制御部

Claims

超音波を用いて対象物の位置を検出する位置検出装置において、
基板（１１１）と、
超音波の発振および受信を可能として、前記基板上に複数配置された超音波素子（１１２）と、
複数の前記超音波素子から、同時期に、同周波数で超音波を発振させて、前記対象物で反射した超音波を、複数の前記超音波素子のうち、１番目に受信した１番目超音波素子（１１２１）の前記基板上の２次元位置（ｘ１、ｙ１）と、前記１番目超音波素子の発振から受信までの時間（ｔ）に基づいて算出される前記対象物および前記１番目超音波素子間の距離（ｚ１）とを用いて前記対象物の３次元位置（ｘ１、ｙ１、ｚ１）を検出する制御部（１２０）と、を備え、
前記対象物が前記基板に対して水平に位置し、
前記制御部は、
前記基板の端部と隣接する位置を含む前記１番目超音波素子を、同時に複数検知した場合に、
複数の前記１番目超音波素子のうち、前記基板の端部から最も離れた前記１番目超音波素子を用いて、前記対象物の先端における前記３次元位置を推定する位置検出装置。
前記基板上におけるエリアが、第１エリア（１１１１）と、第２エリア（１１１２）とに分割されており、
前記制御部は、
前記第１エリアと前記第２エリアとで周波数の異なる超音波を用いて、前記第１エリア、および第２エリア毎に前記対象物の３次元位置を検出することで、前記対象物の２点の３次元位置を検出する請求項１に記載の位置検出装置。
前記制御部は、
前記距離を算出する際に、前記時間に対する前記距離の関係を予めまとめたデータテーブルを用いる請求項１または請求項２に記載の位置検出装置。
前記制御部は、
所定のインターバルをもって前記対象物の３次元位置を周期的に検出するようにしており、
前記インターバルの間に、
複数の前記超音波素子の少なくとも２つから超音波を発振させ、空間上の予め定めた触覚提示位置（Ｐ１）に集中させて、前記対象物が前記触覚提示位置に位置したときに、前記対象物を音圧で刺激する触覚提示を行う請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の位置検出装置。