JPH01158375A - 超音波を用いて任意の表面上の物体の位置と状態を決定する方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波を用いて、予め定めた原点に関して、
任意の表面上の物体の位置と状態を決定すことの可能な
方法と装置に関する。

〔従来の技術並びに発明が解決しようとする課題〕この
目的に対して既に公知の技術による方法は主として２通
りある。

第１は抵抗の効果に基づくものである。その位置を決定
しようとする物体には電極と検出信号を発生するための
装置が接続される。Ｘ及びＹ軸において流れる信号の強
汝が評価され位置が決定される。この目的のために、作
業表面は都合良く、例えばグラファイトまたはその他の
同様な材料で処理される。

このシステムの主な難点は、最上の精度を達成すること
が不可能であること、及び抵抗性フィル　ムの変質また
は対象物に使用者が触れることによって不正確になり易
いことに集約される。

第２の方法は作業表面上に一連の導電性の線材を格子状
に配列することである。このようなシステムは一般に電
磁気を利用したものと分類され、前述のような構成の線
材に対して符号を付与するものとして指示物体が用いら
れ、その位置に関する測定可能な比率を与えることので
きる変数パラメータを得る。このようなシステムの分解
能は格子の線の間の距離に依存する。適切な分解能を達
成するためには、複雑な回路が必要であり、その製造方
法は極めて複雑で高価である。

〔課題を解決するための手段〕

前述のような欠点を解決する本発明の方法は任意の表面
上の物体の位置と状態を該表面上の予め定めた点に関し
て決定する方法であって、該物体に所属する超音波発生
器と１またはそれ以上の受信機とを用い、超音波信号が
物体から受信機のそれぞれへ達するまでの時間を知り、
物体の位置を決定することを特徴とするものである。

また、この方法を実現するための本発明の装置は、超音
波発生器と、発振器と、その周波数が精度を決定するク
ロックが供給され放出された信号が受信側へ到達するま
での時間を計測するパルスカウンタと、信号が放出され
た時に初期化されるカウンタを信号の到着と共に停止す
るための超音波受信機と、停止を実現するフリップフロ
ップとを具備する。

〔作　用〕

本発明に係る方法と装置は従来のシステムと比較して多
くの利点がある。

最も優れた利点の１つは表面の物理的状態を予め設定し
ておく必要がないということである。任意の表面、例え
ばテーブル、黒板あるいはスクリーン（ブラウン管、液
晶、プラズマディスプレイ等）あるいは任意の他の普通
の作業面であってもこの方法及び装置を適用することに
よって該表面上に指示器として用いる物体の位置を得る
ことができる。このことは価格を低減し、図面等のデジ
タル化器、プロッタ、コンピュータへの高機能のデータ
入力装置等、多方面への応用を可能にする。

強調すべき他の利点は指示器物体とその位置を評価する
対応回路要素との間で物理的に接続する必要がないこと
である。この事実は前述のことと相まって使用上の高い
融通性と快適さとを与える。

本発明の方法に必要な回路要素は著しく簡潔である。達
成される分解能はその複雑さを増すことなく容易に改善
することができる。このことは再度、必要な要素の数を
減らすという理由で製造コストを下げ信鯨性を向上させ
る。

これらすべての理由から、任意の表面上の物体の位置と
状態を決定する方法と装置を提供することが本発明の目
的であり、前述のアプローチを達成するものである。

〔実施例〕

本発明のさらに別な目的は図面を参照した以下の説明か
ら明らかになる本発明の方法のいくつかの好適な実施例
に示される。

すべての方法のより良い理解を達成する目的で、第１図
は、物体の一次元的位置を決定するための超音波の発振
器と送信機を接続した機能体を示すブロック図である。

基本的な受信回路は、超音波受信機ｒ、増幅器Ａ、信号
検波器り、ＮビットのカウンタＣ及びクロック発振器Ｒ
よりなっている。

同期信号Ｓが印加され発振器を活性化して放射させると
同時にクロックが供給されているパルスカウンタＣが初
期化されることによって機能が達成される。

送出された信号が受信機に到達すると、増幅され（Ａ）
、信号検波器りが活性化されるとカウンタの計数が停止
する。

距Ｍｄは次式によって計算され、 ｄ＝ｖ−ｔ ここで、■は音速であり、ｔはその距離で費された時間
である。カウンタＣの値はその時間を与える。

測定の精度は次の様にクロック周波数の関数であり、 精度＝Ｖ・二 ここで、■は音速でｆはクロックの周波数である。

したがって、例えば２５℃の室温であり音速を３４３＋
　０００　龍１　ｓｅｃとすれば、ｆ　”　３４３ｋｌ
ｌｚ　・−・精度＝１．００００ｍｍ。

ｆ　＝　Ｉ　Ｍｌｌｚ　・−精度＝０．３４３０ｍｍ。

ｒ　＝１０ＭＨｚ　”−精度＝０．０３４３−１１゜ｆ
　＝３２ＭＨｚ　−−−精度−０，０１１４ｍ５゜カウ
ンタに必要なビット数Ｎは測定される長さの最大値と要
求される精度の関数であり、次の様になる。

２Ｎ＞量大距離／精度 したがって、次の様になる。

゛Ｄ最大値＝　１，０００ｕ／　ｆ　＝３４３ｋ）ｌｚ
・・・Ｎ　＞１０Ｄ最大値＝　１．０００５ｍ／　ｆ　
＝３２ＭＨｚ・・・Ｎ〉１７Ｄ最大値＝　２．０００ｍ
ｍ／　ｆ　＝３４３ｋＨｚ・・・Ｎ　＞１１Ｄ最大値＝
　２，０００ｍｍ／　ｆ　＝３２ＭＨｚ　・・・Ｎ　＞
１８表面上の物体の位置を決定するためには、その表面
の任意の地点に置かれた２つの受信機が必要であること
は明らかであり、物体からその地点への距離を知れば前
述の基準点に関する位置を得ることができる。

第２図は第１図に第２の受信機を追加する方法を表わし
ている。

一次元の測定に対して述べられた方法を繰り返し、２つ
のカウンタＣＩ及びＣ２を初期化し同時に超音波が発射
される同期信号Ｓを用いれば、受信機ｒ、及びｒ２に達
するまでの時間ｔ１及び１１１が得られ、次式に従って
それらの間の距離が測定される。

ｄ、＝ｖ−ｔ。

ｄｔ＝ｖ　−ｔ。

例として、計算をより簡単化するために、受信機を第２
Ｂ図に示されるように置くと、すなわち、ｒ、は仮想的
なデカルト座標系の原点に置き、ｒ２をＸ軸上距離りの
位置に置くと簡単な計算により送信機ｅの位置を決定す
ることができる。

ｄ、ｔ　−ｘｔ　＋ｙ！ ｄ、ｔ　ａｔ　（Ｄ−ｘ）”＋　、ｔ ここでＸ及びｙはそれぞれ送信機の位置のＸ座標及びｙ
座標である。

この方程式を解くと、原点に対する物体の位置が与えら
れる。

音速を一定の大きさであるとみなすことによる誤差の問
題については、高度、環境の湿度、温度依存性等のよう
ないくつかの要素が考えられる。

音速を３４３ｍ／ｓｅｃとすると、回路に生ずる誤差は
次の様になり、 誤差＝　（３４３−真の速度）　／３４３このことは、
例えば音速が１ｍ／ｓｅｅ変化すればそれは約１ｍあた
り約３龍の測定誤差に相当することを表わしている。

これらの誤差を修正するために、測定面上に第３の受信
機（第３図）を置くことを提案する。測定面上の任意の
地点にこれらを置くことにより、音速に依存しないで原
点に対する位置を決定することができる。

第３図は第２図に第３の受信機を追加した図である。

１つ及び２つの受信機に対して述べた過程を繰り返すと
′Ｓ３つの受信機へ達するま・でに発射された超音波信
号が要する時間（’ｔ、、ｔ□及びｔｓ）が得られる。

例として、そして前と同様に計算を簡単にするために、
受信機を第３Ｂ図で表わす位置に、すなわちｒ、を仮想
的なデカルト座標系の原点にｒｔとそれからＤの位置に
ｒ、をさらにそこからＤの位置に共にＸ軸上に置く、第
３Ｂ図によりａｔ”　＝Ｘ”　＋ｙ”　　　　　　　　
　（１）ａ−＝（Ｄ−ｘ）霊＋ｙ”　　　　　　（２）
Ｃ３ｔ　”　（２Ｄ−ｘ）”＋ｙ”　　　　　（３）が
得られる。

１、＝１．の場合、物体は直線ｘ　ｍ　Ｄ　／　２上に
あると決定される。この直線上の位置を決定するために
は、（２）式及び（３）式にｘ　＝　ｂ　／　２を代入
して、 ａｔｔ−（）！＋ｙｔ Ｃ３”＝ｃ二ｐ）ｔ＋ｙＲ を得る。

概して、３つの受信機の場合における前述の例において
、原点に対する物体の位置を決定する式は直線ｘ　＝　
Ｄ　／　２上にあるか否かによるが、次の様になる。

１、＜＞１．である’ｌ＋ｔ！＋ｊ、ｌに対しては： したがって、求められる大きさＸ及びｙは受信機間を隔
てる距離と、信号がそれらへ到達するまでの時間に依存
する。

その位置が決定される指示器としての物体は要求される
端部が都合の良い形と大きさになる様にすることができ
る、１つの例がそのを用性を示すために第４Ａ図に示さ
れている。取扱いを可能にするためのホルダと、位置を
決定するために使用される指示器とが固定されている。

ホルダはデータを送る機能のための１つもしくはそれ以
上のスイッチを含むこともある。これに対する取扱いは
後述する。

指示器はその内側に交差する物を有する環よりなってい
る。環は圧電素子であるので、発振器からの信号を受は
取ると半径方向に振動して超音波を発する。信号の周波
数は採用された材料とその大きさに依存する。

別の種類の物体は微少の送信機を備えた（第４Ｂ図）か
または可能な限り端部に近い内部に送信機を備え信号を
通過させることの可能な空隙を備えた（第４Ｃ図）小剣
のような形であり、−ｉに、その具体的な位置を決定す
ることを可能にする超音波信号を放射状にまたは正確に
発生することのできる物体である− 採用される受信機もまた同様にその具体的な位置を決定
することのできる信号を同様に受信するに適するように
形と大きさを変形し得る０例として、第４Ａ図に示した
環と同様な形状のものを第４Ｄ図に、平担で作業表面に
平行であり音を反射する材料よりなる円錐体が追加され
て任意の位置から発せられた信号が常に等距離で一点に
集まるようなものが第４Ｅ図に示されている。

いくつかの物理的具体例と改善された方法について以下
に述べる。

第５図にはコンピュータシステムにおいて処理するため
に必要な位置の情報を導入する用途に用いられる可能な
具体例の１つが示されている。

この方法の利点の１つは、以前に述べたことであるが、
位置指示器側の送信機と受信側システムとの間に例えば
ケーブルの様な物理的接続が必要でないことである。こ
のことは用途を広げ使い易くする。

第５図には送信機と受信機のシステムが表わされており
、述べられた構成がいかに実現されるかが示されている
。

送信側はスイッチＩのユニットを備えており、エンコー
ダを介してそれらの状態はパルスカウンタへ導入される
。

測定の数に依存するプログラムされた誤差に基づいて設
定された時間制御器ＣＴにより選択された周波数の発振
器は例えばフリップフロップである電気的スイッチＢｅ
を活性化して、カウンタで指示された数の一連のパルス
を発生する。電気的スイッチが活性化されると赤外線信
号がダイオードｄから放出される。

赤外線信号は直ちに受信側へ到達しそれは受信機ｒ４で
検出される。

増幅された信号はフリップフロップＢ４を駆動し反転さ
せてカウンタＣ１〜Ｃ４とフリップフロップＢ＋”Ｂｓ
を初期化する。

第３図に関して前述した方法により、受信機ｒ。

〜「、へ超音波信号が到着するまでの時間ｔ、〜ｔ３が
得られる。

カウンタＣ４には第５図に見られるように放出されたパ
ルスの数が入っている。

ｔ、ｘｌａのデータはマルチプレクサを介してマイクロ
プロセッサへ導入されるか、または直接コンピュータシ
ステムへ導入され、それは受信した情報を処理すること
で前述の方法に基づいて指示器が置かれた地点の座標値
が得られ、そしてｔ４から直接的に指示器のスイッチの
現在の状態が得られる。

前述した方法の可能な具体例において（第５図）、送信
機側と受信機側との間は同期しておらず、そのため精度
が多少低下する。この理由は、超音波の放出の開始を示
す赤外線の信号がダイオードｄから送出された後に到着
してカウンタＣＩ−Ｃ３を初期化するが、これらカウン
タはカウンタに４人されているクロックＲの立ち上がり
または立ち下がりの前縁まではスタートしないからであ
る。

したがってパルスの計数を初期化する上でこれらカウン
タが費す最大の時間は１クロツクサイクルであり、精度
に関する前述の説明に従えば周波数に逆比例して１単位
の精度を損う。

この事実に着目して、いくつかの変形を採用することが
できる。例えば、第５図を基本としてそれらの１つは要
求される精度を達成するためにクロックＲの動作周波数
を２倍することもできるし、あるいは放出をクロックと
同期させても良い、すなわちＣ，−Ｃ，がパルスの計数
を始めると同時に時間制御器ＣＴがＲで発生されるパル
スに合わせられる。

本発明の別な実施例において、要求される時期に何らの
時間遅れなしに実行されれば前述の問題は解決されより
良い放出の制御が達成される。

第６図にこの可能な具体例が示されている。このシステ
ムは全体的には第５図と似通っているが、放出が開始さ
れる時期を決定する方法が異なっている。この場合に、
超音波信号の送出要求は受信側から出され、すなわち赤
外線の発光体は受信側に設けられそれに対する受光体は
送信側に設けられる。第６図によれば新たな測定を要求
するマイクロプロセッサからのラインはクロックＲと共
にＡＮＤゲートＹへ接続される。このラインが活性化さ
れるとクロック信号はＡＮＤゲートを通過し、フリップ
フロップＢ４を介してＣ４において光を放射せしめかつ
カウンタＣ１〜Ｃ４及び検波器り。

〜Ｄ、を初期化する。カウンタＣ＋、Ｃｔ及びＣ１はＲ
から供給されるパルスのカウントを開始し、送信側物体
に設置された赤外線受光素子及びその増幅された受信信
号は発振器を活性化して信号を出力せしめる。

信号が出力される時期はクロック信号の前縁部と同期し
ているので、第５図で説明された過程により、カウンタ
Ｃ８〜Ｃ１は超音波信号が’ｌ＋ｒ２及びｒ、へそれぞ
れ到達するまでに要する時間を正確にカウントしている
。これらの計数値はＣ４の計数値と共にマルチプレクサ
を介してマイクロプロセッサへ送られて処理され、物体
の位置と状態が決定される。

カウンタがすでに測定値を持っているかどうかをマイク
ロプロセッサが決定する方法はソフトウェアでなされ、
３つの受信機へ信号が到達するまでに要する時間よりも
充分長い時間をプログラミングすることで達成される。

この時間は最も離れた受信機までの最大の距離に依存す
るであろう。

これらのことはハードウェアでも達成することができて
、例えば、信号検波器Ｄ＋　　、Ｄｚ及びり。

の出力ラインを３°入力のＡＮＤゲートへ接続しその出
力をマイクロプロセッサの入力へ接続して測定が終了し
たかどうかを示す信号とするものである。

単位時間あたりに測定し得る回数は、したがって、指示
器物体を動かす最大距離と位置を、決定するために要す
るマイクロプロセッサの速度に依存する。

この方法にはいくつかの変形がある。

例えば回路要素については、マイクロプロセッサとカウ
ンタを直結することも可能で、こうすれば受信側をより
簡単にすることができる。そのようなシステムはその簡
潔性の故に容易に集積化が可能で安価となる。

送信側物体に第５図の回路を採用すれば、赤外線発光素
子を経てスイッチの状態を送ることができ、受信側には
デコーダを追加し、カウンタＣ４を省略することができ
る。

測定の原点としての基準点で放射とカウンタＣ３〜Ｃ４
の初期化とを同期させれば赤外線システムもまた省略す
ることができる。

簡単な例として、物体と受信側とを柔軟なケーブルで接
続すればこれを介して放射とカウンタの初期化とを同期
させることができ、スイッチの状態を送ることができる
。

物体の位置の視覚化は目的に応じて様々になされる。−
船釣な応用に対しては、他の視覚化システムとの共存が
可能で、より適した形と機能を有するディスプレイを追
加し、このディスプレイは受信側に設置され必要なコン
トローラが追加され指示器物体の位置を常に表示する。

同様にして、成る例においてはディスプレイとそのコン
トローラは物体側に設置され、その位置情報は第６図の
例における赤外線発光素子により送られるか、あるいは
指示器物体と受信側とが柔軟なケーブルで接続される。

本発明は好適な実施例について特に図示され説明された
が、本発明の範囲と精神を逸脱することなく形と細部に
おけるいくつかの変形が可能であることが暗示されてい
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はより簡単な一次元における方法と装置を表わす
図、 第２図は二次元系において物体の位置を決定する方法と
装置を表わす図、 第３図は第２図の改良を表わす図、 第４図は一連の可能な指示物体と好適な受容体を表わす
図、 第５図は一実施例を表わす図、 第６図は別の好適な実施例の全体図である。 図において、 Ａ・・・増幅器、　　　　Ｃ・・・Ｎビットのカウンタ
、Ｄ・・・信号検波器、　　Ｒ・・・クロック発振器、
Ｓ・・・同期信号、　　　０・・・発振器。 以下余白 部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、任意の表面上の物体の位置と状態を該表面上の予め
   定めた点に関して決定する方法において、該物体に所属
   する超音波発生器と１またはそれ以上の受信器とを用い
   、超音波信号が物体から受信機のそれぞれへ達するまで
   の時間を知り、物体の位置を決定することを特徴とする
   方法。 ２、請求項１記載の方法を実現するための装置であって
   、超音波発生器と、発振器と、その周波数が精度を決定
   するクロックが供給され放出された信号が受信側へ到達
   するまでの時間を計測するパルスカウンタと、信号が放
   出された時に初期化されるカウンタを信号の到着と共に
   停止するための超音波受信機と、停止を実現するフリッ
   プフロップとを具備する超音波を用いて任意の表面上の
   物体の位置と状態を決定する装置。 ３、２つの受信系を具備し、放射された信号が２つの受
   信機のそれぞれへ達するに要する時間を知り、音速に依
   存した任意の表面上の物体の位置を決定する請求項２記
   載の装置。４、３つの受信系を具備し、放射された信号
   が３つの受信機のそれぞれへ達するに要する時間を知り
   、音速に依存しない任意の表面上の物体の位置を決定す
   る請求項２記載の装置。 ５、１つまたはそれ以上のスイッチを含むホルダが固定
   され内部に交差物が配置された超音波発生器の環よりな
   る指示器を具備する装置。 ６、端部に微少な超音波発生器が設置された小剣よりな
   る指示器を具備する装置。 ７、内部に超音波発生器が置かれ、端部に該超音波の出
   口としての微少な空隙を有する小剣よりなる指示器を具
   備する装置。 ８、放射状の超音波信号を受信するセラミックの環より
   なる受信機を具備する装置。 ９、セラミック製の表面を有し、該表面の一点上には音
   を反射する材料よりなる円錐を設けた受信機を具備する
   装置。 １０、指示器物体に属し超音波が発射される時にカウン
   タを初期化するための赤外線発光素子を具備する請求項
   ３または４記載の装置。 １１、超音波信号の送信とカウンタの初期化とを同期せ
   しめるための柔軟なケーブルを具備する請求項３または
   ４記載の装置。 １２、予め得られる基準点において信号の送信とカウン
   タの初期化を同期せしめる請求項３または４記載の装置
   。 １３、受信側に赤外線発光素子を具備し、該発光素子を
   介して放射が同期され、指示器物体の側に赤外線受光素
   子を具備し、使用されるクロックの前縁でカウンタが初
   期化される請求項３または４記載の装置。 １４、指示器物体のスイッチの状態をコード化し放射さ
   れる超音波信号に乗せて送信する請求項１３記載の装置
   。 １５、指示器物体のスイッチの状態をコード化し同期の
   ための赤外線信号に乗せて送信する請求項１０記載の装
   置。 １６、指示器物体のスイッチの状態をコード化し同期の
   ために用いるケーブルを介して送信する請求項１１記載
   の装置。 １７、指示器物体のスイッチの状態をコード化し放射さ
   れる超音波信号に乗せて送信する請求項１１または１２
   記載の装置。 １８、指示器物体の位置と状態を視覚化するディスプレ
   イを受信側に組み込む請求項２〜１７のいずれか１項記
   載の装置。 １９、指示器物体の位置と状態を視覚化するディスプレ
   イを指示器物体の側に組込む請求項２〜１８のいずれか
   １項記載の装置。 ２０、請求項２〜１９のいずれか１項記載の装置の必要
   な組み合わせを追加し得る請求項１記載の方法であって
   、表面の前処理の必要がなく目的に応じて必要な表面と
   結合する物体により適した形と大きさの受信系を使用す
   る方法。