JPWO2009084490A1 - 位置決定システム、送信装置、受信装置及び位置決定方法 - Google Patents

位置決定システム、送信装置、受信装置及び位置決定方法 Download PDF

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Abstract

送信装置からの他の超音波信号による影響を受けることなく、最初に受信装置に到達する直接波によって複数の送信装置の位置を正確に検出する。トリガ信号と自己相関性の高い擬似ランダム系列のデータに基づいて変調された超音波信号とを同時に送出する送信装置を含む移動体と、移動体の位置を検出する受信装置とを備え、受信処理装置が、超音波信号を受信する少なくとも２つの超音波受信手段と、超音波信号の受信波形と、移動体に応じて予め決められた擬似ランダム系列の変調基準波形との間で相関値を算出する手段と、トリガ信号を受信した時点と相関値の最初のピーク値の検出時点とから２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間を算出する手段と、超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出する手段とを含み、擬似ランダム系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。

Description

本発明は、超音波信号を用いて移動体の位置を決定する位置決定システムに関し、特に、複数の移動体の位置を正確かつ安定的に決定することを可能にする位置決定システム、送信装置、受信装置及び位置決定方法に関する。
超音波を用いてその伝搬時間を測定し移動体の位置決定を行うシステムの一例として、電子ペンシステムが特許文献１に記載されている。この特許文献１記載の超音波の伝搬時間を利用した位置決定方法においては、送信機である電子ペンから一定周期で超音波信号ならびに受信トリガ信号を同時に送信し、レシーバならびにソフトウエアにより、受信トリガ信号を受信した時点から、電子ペンから送信された超音波信号を受信した時点までの時間を超音波の伝搬時間として測定し、その伝搬時間を利用して電子ペンの位置を特定する。
電子ペンから送信される超音波信号は、図１７に示すようなバースト状の波形の信号で、各送信周期において同じ波形のものが送信される。レシーバでは、図１８に示すように、まず受信トリガ信号を受信し、次に伝搬距離に応じて遅れて到達する超音波信号を受信する。
さらに、複数の発信源から送信される超音波の伝播時間を測定して位置決定を行う他の一例として、同時に複数のペンを利用可能な超音波型座標入力装置が特許文献２に記載されている。この特許文献２記載の超音波の伝搬時間を利用した位置決定方法においては、固定体（レシーバ）からＩＤ情報を含んだ赤外線信号等の電磁波信号を発信し、移動体（ペン）側では自身のＩＤに該当する電磁波信号を受信した場合にのみ超音波を発信するようにする。なお、ＩＤ情報を含む電磁波信号を送信する間隔は、座標入力を行なう最大範囲を超音波が移動する時間より長く設定する。
図１９に示すように、座標を測定するサンプリング周期Ｔとすると、ひとつのペンに割り当てられる時間はＴ／ｎとなり、描画範囲との関係で決まる。Ｔ＝１０ｍｓ、描画範囲がＡ４サイズの場合、超音波の伝搬距離は最長で３５０ｍｍ、伝搬時間で１ｍｓ程度となるため、別ＩＤの時間枠に入らないように余裕を見てＴ／ｎ＝２ｍｓと設定すると、最大５本までのペンの同時使用が可能になる。
一方、プロジェクタの投影画面での電子ペンの使用を想定すると、実用上描画範囲として画面サイズ８０インチ程度が必要となるため、電子ペンから送信される超音波の受信機までに至る伝播距離は最長でおよそ２ｍ、伝搬時間は７ｍｓ程度となる。
また、音波の伝搬時間を算出する方法の一例が、特許文献３に記載されている。この特許文献３記載の音波の伝搬時間算出方法は、送信波にＭ系列位相変調波を用い、送信機により送信されたＭ系列位相変調波を受信機により受信し、受信信号と送信信号との相関をマッチドフィルタで取得し、マッチドフィルタの出力のピーク検出を行い、ピーク時刻により音波の伝搬時間を算出する方法である。
米国特許６１１８２０５ 特開２００４−１９９５６０ 特許第３８７６３７０号
複数の決定対象である移動体の超音波の伝播時間を測定する場合、超音波の検出範囲が大きいと、最遠点の超音波の伝搬時間が長くなり、上記のＴ／ｎを長く設定する必要がある。しかしながら、検出間隔Ｔは、例えば物体の衝突回避や電子ペンの手書きの筆跡を再現するといった場合、いたずらに長く設定することはできない。プロジェクタの投影画面で電子ペンを使用するような場合のように、最遠点が２ｍにも達する場合、伝搬時間は７ｍｓ程度となって、余裕を考慮すると１本の電子ペンしか使用できない。
このように、特許文献１記載の方法では、超音波の伝搬距離が長いときは、複数の移動体（電子ペン）の位置を正確かつ安定的に検出することが困難となり、使用できないことになる。
また、特許文献２記載の方法では、超音波送信信号として、複数のペンで同じ形状の信号波形を想定しているため、異なるペンの超音波の到達点の検出に影響を与える可能性がある。例えば、レシーバが、先に送信された超音波の長い距離を伝搬した反射波を、次のＩＤを持つ異なるペンから送信された直接波より先に受信して、その先に受信した反射波を直接波と誤認識して、到達時間を誤って測定するので、電子ペンの正確な位置を算出することができない。
さらに、超音波送信信号として、バースト状の波を想定しているため、直接波と反射波の重なり具合により、合成波の形状が変化してしまい一番先に到達する直接波の到達点を検出することが困難となり、移動体である電子ペンの正確な位置決定を不可能にする。
特許文献３記載の方法のように、送信波にＭ系列位相変調波を用い、音波の伝搬時間を算出する方法は、あらかじめ送受信機が設置された異なる伝搬経路の音波の伝搬時間を測定し、送受信機が設置された対象物中を流れる流体の流速を測定するための方法であり、複数の送信機（移動体）が同時にそれぞれ超音波を送信した場合に、複数の送信機を識別してそれぞれの送信機からの超音波の伝播時間測定を測定すること、すなわち複数の移動体の位置を正確かつ安定的に決定することは不可能である。
（発明の目的）
本発明の目的は、複数の移動体を同時に使用する場合に、各移動体の位置決定を正確かつ安定的に行うことができる位置決定システム、送信装置、受信装置及び位置決定方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、超音波信号の伝搬距離が長い場合であっても、複数の移動体の位置決定を正確かつ安定的に行うことができる位置決定システム、送信装置、受信装置及び位置決定方法を提供することにある。
本発明による第１の位置検出システムは、送信タイミングを示すトリガ信号と、自己相関性の高い擬似ランダム系列のデータに基づいて変調された超音波信号とを同時に送出する送信装置を含む少なくとも１つの移動体と、トリガ信号と超音波信号を受信し、移動体の位置を検出する受信装置とを備え、受信処理装置が、所定間隔で設定された超音波信号を受信する少なくとも２つの超音波受信手段と、超音波信号の受信波形と、移動体に応じて予め決められた擬似ランダム系列の変調基準波形との間で相関値を算出する手段と、算出された相関値の最初のピーク値を検出し、トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出する手段と、算出した超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出する手段とを含み、擬似ランダム系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。
本発明による第２の位置検出システムは、自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された超音波信号とを同時に送出する送信装置を含む少なくとも１つの移動体と、超音波信号を受信し、移動体の位置を検出する受信装置とを備え、移動体の送信装置が、送信タイミングを表すトリガ信号を受信する手段と、トリガ信号を受信したタイミングで超音波信号を送信する手段とを含み、受信処理装置が、トリガ信号を送出する手段と、所定間隔で設定された超音波信号を受信する少なくとも２つの超音波受信手段と、超音波信号の受信波形と、移動体に応じて予め決められた擬似ランダム系列の変調基準波形との間で相関値を算出する手段と、算出された相関値の最初のピーク値を検出し、トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出する手段と、算出した超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出する手段とを含み、擬似ランダム系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。
本発明による第１の送信装置は、送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して送信装置の位置を検出する位置検出システムの送信装置であって、送信タイミングを示すトリガ信号を送出するトリガ信号送信手段と、トリガ信号の送信に同期して、自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された超音波信号を送出する超音波送信手段とを含み、超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。
本発明による第２の送信装置は、送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して送信装置の位置を検出する位置検出システムの送信装置であって、受信装置から送信される送信タイミングを示すトリガ信号に同期して、自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された超音波信号を送出する超音波送信手段とを含み、超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。
本発明による第１の受信装置は、送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して送信装置の位置を検出する位置検出システムの受信装置であって、送信装置から送信される送信タイミングを示すトリガ信号を受信するトリガ信号受信手段と、所定間隔で設定された、トリガ信号に同期して送信装置から送信される自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された超音波信号を受信する少なくとも２つの超音波受信手段と、超音波信号の受信波形と、移動体に応じて予め決められた変調基準波形との間で相関値を算出する手段と、算出された相関値の最初のピーク値を検出し、トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出する手段と、算出した超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出する手段とを含み、送信装置が送信する超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。
本発明による第２の受信装置は、送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して送信装置の位置を検出する位置検出システムの受信装置であって、送信タイミングを示すトリガ信号を送信装置に送信するトリガ信号送信手段と、所定間隔で設定された、トリガ信号に同期して送信装置から送信される自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された超音波信号を受信する少なくとも２つの超音波受信手段と、超音波信号の受信波形と、移動体に応じて予め決められた変調基準波形との間で相関値を算出する手段と、算出された相関値の最初のピーク値を検出し、トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出する手段と、算出した超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出する手段とを含み、送信装置が送信する超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。
本発明による第１の位置検出方法は、送信装置が、送信タイミングを示すトリガ信号と、自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された超音波信号とを同時に送信するステップを実行し、トリガ信号と超音波信号を受信し、移動体の位置を検出する受信装置が、所定間隔で設定された少なくとも２つの超音波受信手段によって超音波信号を受信するステップと、超音波信号の受信波形と、移動体に応じて予め決められた変調基準波形との間で相関値を算出するステップと、算出された相関値の最初のピーク値を検出し、トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出するステップと、算出した超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出するステップを実行し、送信装置が送出する超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。
本発明による第２の位置検出方法は、送信装置が、送信タイミングを表すトリガ信号を受信するステップと、トリガ信号を受信したタイミングで自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された超音波信号を送信するステップを実行し、超音波信号を受信し、移動体の位置を検出する受信装置が、トリガ信号を送出するステップと、所定間隔で設定された少なくとも２つの超音波受信手段で超音波信号を受信するステップと、超音波信号の受信波形と、移動体に応じて予め決められた擬似ランダム系列の変調基準波形との間で相関値を算出するステップと、算出された相関値の最初のピーク値を検出し、トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出するステップと、算出した超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出するステップを実行し、送信装置が送出する超音波信号の擬似ランダム系列として、相互相関の低い異なる系列を用いる。
本発明によれば、複数の移動体を同時に使用する場合に、各移動体の位置決定を正確かつ安定的に行うことができる。
本発明の第１の実施の形態による位置決定システムを適用した電子ペンシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態による受信処理装置が生成するＭ系列モデル波形の例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態による電子ペンの動作を説明するフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態による受信処理装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態による電子ペンの位置算出方法を２次元で示す図である。 本発明の第１の実施の形態による受信処理装置のメモリに格納される合成超音波波形の例を示す図である。 図６の合成波形に含まれる電子ペン１０−１からの直接波の例を示す図である。 図６の合成波形に含まれる電子ペン１０−２からの直接波の例を示す図である。 図６の合成波形に含まれる電子ペン１０−２の反射波の例を示す図である。 図６の合成波形に含まれる雑音波形の例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態による受信処理装置のデータ処理部が算出する相関値の例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態による位置決定システムを適用した電子ペンシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態による電子ペンの動作を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態による受信処理装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態による受信処理装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態による位置決定システムを適用した電子ペンシステムの構成を示すブロック図である。 関連技術における超音波受信波形の例を示す図である。 関連技術における受信トリガ信号と超音波受信波形の例を示す図である。 関連技術における送信トリガ信号と超音波受信波形の例を示す図である。 ７次の特性多項式より生成される１２７ビットの系列長のＭ系列から１５ビットを取り出した部分列を用いる例を示す図である。 ７次の特性多項式より生成される１２７ビットの系列長のＭ系列から１５ビットを取り出した部分列を用いる例を示す図である。 ７次の特性多項式より生成される１２７ビットの系列長のＭ系列から１５ビットを取り出した部分列を用いる例を示す図である。 ７次の特性多項式より生成される１２７ビットの系列長のＭ系列から１５ビットを取り出した部分列を用いる例を示す図である。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態による位置検出システムの構成を示すブロック図である。以下の実施の形態においては、本発明による位置検出システムを、電子ペンシステムに適用した場合を説明する。
図１において、本発明の第１の実施の形態による位置検出システムは、送信部１００を装着する電子ペン１０と、電子ペン１０から離れた所定の位置に設置された受信装置２０と、電子ペン１０によって描いた軌跡を表示する表示パネル５０を備えている。電子ペン１０は、表示パネル５０上で使用される。表示パネル５０は、プロジェクタで投影された投影画面でも構わない。
電子ペン１０の送信部１００は、制御回路１０１と、Ｍ系列生成回路１０２と、超音波駆動回路１０３と、超音波送信部１０４と、受信トリガ駆動回路１０５と、受信トリガ送信部１０６とを備えている。
Ｍ系列生成回路１０２は、Ｍ系列のコード化されたビット列を生成する機能を有している。このＭ系列は、特性多項式と初期条件を規定することに生成される系列である。なお、Ｍ系列の詳細については、柏木濶著「Ｍ系列とその応用」１９９６年３月２５日，昭晃堂（非特許文献１）等に記述されている。
制御回路１０１は、予め定められたＭ系列の特性多項式と初期条件をＭ系列生成回路１０２に出力する。Ｍ系列生成回路１０２は、制御回路１０１から受信した特性多項式と初期条件に従ってＭ系列のコード化されたビット列（Ｍ系列データ）を生成する。
超音波駆動回路１０３は、Ｍ系列生成回路１０２が生成したＭ系列データに基づいて超音波を変調するための駆動信号を生成し出力する。超音波送信部１０４は、超音波駆動回路１０３からの駆動信号によりＭ系列変調された超音波信号を空間に送出する。
超音波送信部１０４による超音波信号の変調方式としては、例えば位相変調方式が使用される。
例えば、次式のような４次の特性多項式ｆ（ｘ）＝ｘ４＋ｘ＋１により生成される系列長が１５ビットであるデータ列を用いる場合、初期条件を変更することにより、データの並びが巡回的にシフトした１５通りの異なるＭ系列データが生成される。
図２は、Ｍ系列データにより位相変調された超音波のＭ系列モデル波形の例を示す。この例においては、１５ビットのＭ系列データ「０００１００１１０１０１１１１」の各１ビットを基本波の１周期を対応させている。ビットが「０」の場合は反転位相とし、「１」の場合は順位相としたものであり、変調波は基本波１５周期分の長さとなる。
一方、制御回路１０１は、受信トリガ駆動回路１０５に対して受信トリガ信号の生成を指示する信号を出力する。受信トリガ駆動回路１０５は、制御回路１０１からの指示信号に基づき受信トリガ駆動用信号を生成する。
受信トリガ送信部１０６は、超音波送信部１０４の超音波信号の送信タイミングに同期して、受信トリガ駆動回路１０５からの受信トリガ駆動用信号により駆動され、受信トリガ信号を空間に送出する。この受信トリガ信号は、例えば電磁波信号である赤外線信号として送信する。
また、受信トリガ送信部１０６から送信される受信トリガ信号は、各電子ペン１０を一意に識別可能な信号とする。また、複数の電子ペン１０を利用する場合、受信トリガ信号としては、電子ペン１０毎に重複が生じないよう帯域分割された信号を用いる。
受信装置２０は、超音波受信部２０１−１、２０１−２と、サンプリング回路２０２−１、２０２−２と、受信トリガ受信部２０３と、受信トリガ検出回路２０４と、メモリ２０５と、データ処理回路２０６を含む受信部２００を備える。
超音波受信部２０１−１と２０１−２は、予め定められた間隔長を介して互いに離した状態で設置されており、電子ペン１０から送信された超音波信号を受信し、これを電気信号に変換する。
サンプリング回路２０２−１、２０２−２は、超音波受信部２０１−１、２０１−２から出力される電気信号を一定間隔でサンプルし、順次メモリ２０５に格納する。
受信トリガ受信部２０３は、電子ペン１０からの受信トリガ信号を受信し、この受信トリガ信号を電気信号に変換し、トリガパルスとして出力する。受信トリガ検出回路２０４は、受信トリガ受信部２０３からのトリガパルスを検出すると、そのトリガパルスの検出時刻（到達時刻）をトリガ検出時刻データとしてメモリ２０５に格納する。
データ処理回路２０６は、メモリ２０５から送信部１００と同一のＭ系列の初期条件を読み出し、予め設定されている特性多項式を用いることにより、送信された超音波信号のモデル波形を生成し、当該モデル波形とメモリ２０５に格納されている超音波受信部２０１−１、２０１−２のそれぞれで受信した超音波信号波形との相関処理を行い、相関処理により得られた相関値を超音波受信部２０１−１、２０１−２のそれぞれで受信した超音波信号波形毎に順次メモリ２０５に格納する。
また、データ処理回路２０６は、メモリ２０５に格納された相関値の先頭のピークを検出すると、トリガパルスの到達時刻からピークを検出した時点までの経過時間、即ち電子ペン１０からの受信装置２０に到達するまでの超音波信号の伝搬時間を、超音波受信部２０１−１、２０１−２のそれぞれで受信した超音波信号毎に算出する。
さらに、データ処理回路２０６は、超音波受信部２０１−１、２０１−２のそれぞれで受信した超音波信号毎の算出された電子ペン１０から受信装置２０に到達するまでの超音波信号の伝搬時間と、超音波受信部２０１−１、２０１−２の間隔長とに基づいて電子ペン１０の表示パネル５０上における位置を算出する。
上記のように、受信装置２０の２つの超音波受信部２０１−１と２０１−２で受信した超音波信号の伝搬時間と、超音波受信部２０１−１、２０１−２の間隔長とから、三角測量の原理によって電子ペン１０の位置を正確に決定することが可能となる。
また、複数存在する電子ペン１０毎にそれぞれ異なるＭ系列データを割り当てるものとする。異なるＭ系列データの相互相関値は低くなり、同一のＭ系列データの自己相関値は高くなる。そのため、超音波受信波形に対して、検出したいＭ系列のモデル波形により相関処理を行うと、超音波の到達点は該当するＭ系列データの相関値のピークとして検出される。
本実施の形態による位置検出システムは、例えば、電子ペンシステムの組み立て時に、システムで使用するＭ系列の選択（以下、Ｍ系列選択モード）を行う。以下、そのＭ系列選択モードにおける手順を説明する。
Ｍ系列選択モードの時、受信トリガ信号と超音波信号が繰り返し電子ペン１０から送出する。その際、電子ペン１０から送信毎に異なるＭ系列データによって変調した超音波信号を送出する。
受信装置２０において、受信トリガ信号と超音波信号を受信する毎に、超音波信号に使用する全てのＭ系列モデル波形との相関値をそれぞれ求め、異なるＭ系列間の相互相関値をチェックする。その際、相互相関値のピークの値が小さいＭ系列データほど高く評価し、全Ｍ系列の相互相関値のピークが小さいほうから、その相互相関値に対するＭ系列の組み合わせを形成するＭ系列（初期条件）を、各電子ペン１０について使用するＭ系列として割り当てる。
超音波伝搬時間の測定モードの時、各電子ペン１０に割り当てられたＭ系列（初期条件）に基づき生成された受信トリガ信号と超音波信号が送出されると、信号を受信した受信装置２０のデータ処理回路２０６が相関処理を行う。そして、相関値の最初のピークを検出するとトリガパルスの検出時刻からこのピークを検出した時点までの経過時間、即ち電子ペン１０からの受信装置２に到達するまでの超音波信号の伝搬時間を算出する。
Ｍ系列選択モードの時、例えば、相互相関値のピーク値が小さいほうから順に、「送信Ｍ系列が系列１と受信Ｍ系列モデル波形のＭ系列が系列２の組み合わせ」、「送信Ｍ系列が系列１と受信Ｍ系列モデル波形のＭ系列が系列５の組み合わせ」、「送信Ｍ系列が系列２と受信Ｍ系列モデル波形のＭ系列が系列６の組み合わせ」のように、相互相関値に対するＭ系列の組み合わせが得られた場合は、各電子ペンについて系列１、系列２、系列５、系列６のようにそれぞれを割り当てる。
各電子ペン１０に対して割り当てるＭ系列が決まると、割り当てられたＭ系列の初期条件を対応する電子ペン１０の制御回路１０１に設定し、制御回路１０１は、Ｍ系列データの生成において、設定されたＭ系列の初期条件をＭ系列生成回路１０２に出力する。
なお、各相互相関値については、同一のＭ系列による自己相関値のピーク値で割ることで正規化した値とすることも可能である。
電子ペン１０の位置と表示パネル５０の描画範囲における表示位置は予め対応付けられており、描画時には、電子ペン１０のペン先に設けられた表示パネル５０への押圧と連動してオンとなるスイッチが押されている間、電子ペン１０から一定周期で受信トリガ信号と超音波信号の送信を繰り返すことにより、複数の電子ペン１０の軌跡を精度よく表示パネル５０上に描画することができる。
次に、図３のフローチャートを参照して、電子ペン１０の送信部１００による動作について説明する。電子ペン１０は、動作中は、一定周期で以下の動作を繰り返す。
まず、電子ペン１０が動作を開始すると、制御回路１０１は、予め設定されているＭ系列特性多項式の初期条件をＭ系列生成回路１０２に出力する（ステップＡ１）。
Ｍ系列生成回路１０２は、制御回路１０１から取得した初期条件に基づきＭ系列データを生成し（ステップＡ２）、超音波駆動回路１０３に供給する。超音波駆動回路１０３は、Ｍ系列生成回路１０２が生成したＭ系列データに基づいて超音波を変調するための駆動信号を生成し出力する（ステップＡ３）。
ステップＡ３で駆動信号が生成されると、超音波送信部１０４は、超音波駆動回路１０３からの駆動信号によりＭ系列変調された超音波信号を電子ペン１０から空間に送出する（ステップＡ４）。
また、制御回路１０１は、Ｍ系列の初期条件を決定すると、受信トリガ駆動回路１０５に対し受信トリガ信号の生成を指示する。受信トリガ駆動回路１０５は、制御回路１０１からの指示信号に基づき受信トリガ駆動用信号を生成する（ステップＡ５）。
また、受信トリガ送信部１０６は、超音波信号の送信タイミングに同期して、受信トリガ駆動回路１０５からの受信トリガ駆動信号で生成した受信トリガ信号を空間に送出する（ステップＡ６）。
次に、図４のフローチャートを参照して、受信装置２０のデータ処理回路２０６の動作について説明する。データ処理回路２０６による処理の前段階として、サンプリング回路２０２が超音波受信部２０１−１、２０１−２で受信したそれぞれの超音波信号を一定のサンプリング間隔でサンプルし、サンプル化した波形データをメモリ２０５に順次格納する。この場合、超音波受信部２０１−１、２０１−２で受信した超音波信号をサンプル化した波形データをそれぞれ別個にメモリ２０５に格納する。
一方、受信トリガ検出回路２０４は、受信トリガ受信部２０３で受信した受信トリガ信号からトリガパルスを検出すると、トリガパルスの検出時刻（到達時刻）を示すトリガ検出時刻データを生成しメモリ２０５に格納する。
図４において、データ処理回路２０６は、受信トリガ検出回路２０４で受信トリガパルスを検出すると（ステップＢ１）、予め格納されているＭ系列の初期条件データをメモリ２０５から読み出す（ステップＢ２）。
次いで、データ処理回路２０６は、読み出されたＭ系列初期条件データと予め設定されている特性多項式を用いて送信された超音波信号のＭ系列モデル波形を生成する（ステップＢ３）。
次に、メモリ２０５に格納されているトリガ検出時刻データで示されるトリガ検出時刻をサンプリング開始時刻（ｔ）に設定し（ステップＢ４）、受信した超音波信号の波形データをメモリ２０５から読み出す（ステップＢ５）。
データ処理回路２０６は、この読み出した超音波信号の波形データと先に生成したＭ系列のモデル波形との間のサンプリング時刻（ｔ）における相関値Ｃ（ｔ）を下記の式（１）を用いて算出し、算出した相関値Ｃ（ｔ）をメモリ２０５に格納する（ステップＢ６）。
Figure 2009084490
式（１）において、「ｉ」は整数値でサンプリング時刻変数であり、「Ｎ」はモデル波形のサンプリング数、「ｒ（ｉ）」はサンプリング時刻ｉのモデル波形の値、「ｆ（ｉ＋ｔ）」はサンプリング時刻（ｉ＋ｔ）の受信波形の値である。
メモリ２０５に全ての相関値が格納されていない場合（ステップＢ７）、サンプリング時刻ｔを単位時間「１」だけインクリメントしてステップＢ５の処理に戻る。
ステップＢ５からＢ６による処理を繰り返し実行することにより、ステップＢ７で全ての相関値の算出と格納が終了すると、メモリ２０５に格納された相関値から先頭ピーク（最初のピーク）を検出する（ステップＢ９）。
データ処理回路２０６は、ステップＢ４で設定したサンプリング開始時刻（トリガ検出時刻）とステップＢ９で検出した先頭ピークの検出時刻とから電子ペン１０からの超音波伝搬時間を算出する（ステップＢ１０）。
トリガパルスを検出した時刻であるサンプリング時刻を「０」とし、サンプリング周期をΔＴとすると、超音波伝搬時間は、ｔ×ΔＴとして算出することができる。
相関値の最大ピーク値に対し一定比率以上の値であればこれを直接波のピークとして認識することにより、反射波の影響を受けることなく先頭（最初）の直接波である超音波信号の到達時刻を確実に検出することが可能となる。
ステップＢ１１で、全ての超音波受信部２０１−１、２０１−２で受信した超音波信号についての処理を終了したかどうかを判別し、処理が終了していなければ、ステップＢ５の超音波信号の波形データの読み出しからの処理を繰り返す。
全ての超音波受信部２０１−１、２０１−２で受信した超音波信号についての処理が終了すると、超音波受信部２０１−１、２０１−２のそれぞれで受信した超音波信号毎に算出した伝搬時間と、超音波受信部２０１−１、２０１−２の間隔長とに基づいて電子ペン１０の表示パネル５０上における位置を算出する（ステップＢ１２）。その後、ステップＢ１３でメモリ２０５を消去する。
データ処理回路２０６による位置算出手順の例について、以下に説明する。
図５は、電子ペン１０と超音波受信部２０１−１、２０１−２との位置算出方法を２次元で示す図である。図５において、Ｐは電子ペン１０の表示パネル５０の描画範囲上のｘ−ｙ座標における位置座標値（ｘ，ｙ）、Ｓ１、Ｓ２はそれぞれ超音波受信部２０１−１、２０１−２の位置を示している。
また、ｄ１は電子ペン１０から超音波受信部２０１−１までの距離、ｄ２は電子ペン１０から超音波受信部２０１−２までの距離である。Ｄは超音波受信部２０１−１、２０１−２の中央をｘ−ｙ座標の原点とした場合の原点からの距離である。また、αは電子ペン１０と超音波受信部２０１−１とを結ぶ直線がｘ軸となす角度を示している。
ここで、超音波受信部２０１−１と２０１−２で受信した超音波信号に基づいて算出した伝搬時間をそれぞれｔ１、ｔ２とし、また、音速をＡとする。
距離ｄ１、ｄ２は、ｄ１＝Ａ×ｔ１、ｄ２＝Ａ×ｔ２として算出することができる。超音波受信部２０１−１と２０１−２間の間隔長（２Ｄ）と距離ｄ１、ｄ２の間には、以下の式（２）に示す関係が成立していることから、電子ペン１０の位置（ｘ、ｙ）は、式（３）による計算を行うことで求めることができる。
Figure 2009084490
Figure 2009084490
上記のように、受信装置２０の２つの超音波受信部２０１−１と２０１−２で受信した超音波信号の伝搬時間と、超音波受信部２０１−１、２０１−２の間隔長とから、三角測量の原理によって電子ペン１０の位置を正確に決定することが可能となる。
以上の動作により、予め電子ペン１０の位置と表示パネル５０の表示位置を対応付けておくことで、描画時には、電子ペン１０のペン先に連動したスイッチによりペン先が押されている間、一定周期で受信トリガ信号と超音波信号の送信を繰り返すことにより、複数の電子ペン１０に対し、順次その軌跡を精度よく描画することができる。
なお、実施例としては、受信トリガ信号として、電子ペン１０毎にお互い干渉しない程度の異なる波長の赤外線信号を使用することが可能である。この場合、受信トリガ受信部２０３は、使用されるそれぞれの波長の受信トリガを受信する。受信トリガ検出回路２０４は、受信トリガ受信部２０３の出力からトリガパルスを検出すると、各電子ペン１０に対応した波長毎のトリガパルスの到達時刻をメモリ２０５に格納する。
受信装置２０において受信した超音波信号に対して、電子ペン１０毎に割り当てたＭ系列のモデル波形によって相関処理を行い、検出される超音波信号の到達時刻（トリガパルス検出時刻）と相関値の先頭ピークの検出時刻から、伝播時間を算出する。
また、他の実施例としては、受信トリガ信号として、同一波長の赤外線信号を使用し、電子ペン１０毎に異なるＭ系列の受信トリガパルス信号を用いる方法も可能である。この場合、受信装置２０の受信トリガ検出回路２０４は、電子ペン１０毎のＭ系列のモデル波形により、相関処理を行うことにより、受信トリガパルス信号の到達時刻を検出する。この場合、ビット長の長いＭ系列を用い、電子ペン１０毎にパルス幅を変更することで、各電子ペン１０のパルス信号が重なったときの検出精度の悪化を防ぐことができる。
以下、２つの電子ペン１０−１と１０−２からの超音波信号を受信した場合の例について、具体的な波形を示して説明する。
図６は、２つの電子ペン１０−１と１０−２からの超音波信号を受信した場合のメモリ２０５に格納された超音波信号の波形を示す。メモリ２０５に格納される超音波信号の波形は、２つの電子ペン１０−１、１０−２から送信された超音波の直接波、反射波及び雑音波形の合成波となる。図６に示す波形は、サンプリング回路２０２によるサンプリング間隔を超音波の基本波周期の１／８とした場合の波形である。横軸は、電子ペン１０−２の受信トリガ信号を受信した時点を「０」とした時刻を示している。周波数が４０ｋＨｚの超音波の場合、周期は２５ｍｓとなり、サンプリング間隔は３．１２５ｍｓとなる。
図７は、１５ビットＭ系列のデータ列「１０００１００１１０１０１１１」により位相変調された電子ペン１０−１からの超音波信号の直接波の受信波形を示している。この波形は、図６の合成波形に含まれている。
図８は、電子ペン１０−１と初期値の異なる１５ビットＭ系列のデータ列「０００１００１１０１０１１１１」により位相変調された電子ペン１０−２からの超音波信号の直接波の受信波形を示しており、同じく合成波形に含まれている。
また、図９は電子ペン１０−１からの超音波信号の反射波の受信波形を示す。この反射波の位相は、図８に示す電子ペン１０−２の直接波と同じである。図１０は、雑音波形を示している。図９の反射波形及び図１０の雑音波形も図６の合成波形に含まれている。
図１１は、図６で示される合成波と電子ペン１０−２のＭ系列のモデル波形である図２で示される変調波との相関をとってその相関値をプロットした図である。
図１１に示すように、電子ペン１０−１からの超音波信号の直接波のピークについては、電子ペン１０−２と初期値の異なるＭ系列のために現れていない。電子ペン１０−２からの超音波信号のピークが最初に（先頭に）現れている。これにより、電子ペン１０−２の直接波の到達時刻を確実に検出することができる。同様に、図６に示す合成波と電子ペン１０−１のＭ系列のモデル波形との相関をとれば、今度は、電子ペン１０−１の直接波の到達時刻を検出することができる。
（第１の実施の形態による効果）
複数の電子ペン１０を同時に使用する場合に、送信部１００と受信部２００の間の伝搬距離が長い場合であっても、複数の電子ペン１０からの送出される複数の超音波信号の影響を受けることなく、最初に受信部２００に到達する直接波によってそれぞれの電子ペン１０の位置を検出することができる。よって、複数の電子ペンを同時に使用する場合に、各電子ペンの位置決定を正確かつ安定的に行うことができる。
その理由は、各電子ペン１０の送信部１００で異なるＭ系列により変調された超音波信号を用い、トリガ信号を電子ペン１０毎に識別可能な電磁波信号とすることで、受信装置２０でそれぞれの電子ペン１０のＭ系列モデル波形を生成し、該超音波信号と生成されたＭ系列モデル波形との間で相関値を算出し、該相関値の最初のピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから各電子ペン１０からの超音波伝搬時間を正確に算出できるためである。
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態による位置検出システムについて図１２を参照して詳細に説明する。
図１２において、第２の実施の形態による位置検出システムは、送信部３００を備える電子ペン３０と、この電子ペン３０から離れた所定の位置に設置された受信部４００を備える受信装置４０と、電子ペン３０によって描いた軌跡を表示する表示パネル５０を備えている。
電子ペン３０の送信部３００は、制御回路３０１と、Ｍ系列生成回路３０２と、超音波駆動回路３０３と、超音波送信部３０４と、送信トリガ検出回路３０５と、送信トリガ受信部３０６を備えている。
本実施の形態においては、第１の実施の形態による電子ペン１０と異なり、受信トリガ駆動部１０５と受信トリガ送信部１０６の代わりに、送信トリガ受信部３０６と送信トリガ検出部３０５を備える。
電子ペン３０から受信トリガ信号を送信せずに、受信装置４０からの送信トリガ信号を送信トリガ受信部３０６で受信し、送信トリガ検出部３０５でトリガパルスを検出する。
また、制御回路３０１は、送信トリガ検出部３０５からのトリガパルス検出の通知に同期して予め設定したＭ系列の特性多項式と初期条件をＭ系列生成回路３０２に出力する。
超音波駆動回路３０３と超音波送信部３０４については、第１の実施の形態の超音波駆動回路１０３及び超音波送信部１０４と同様に動作する。
一方、受信装置４０の受信部４００は、超音波受信部４０１−１、４０１−２と、サンプリング回路４０２−１、４０２−２と、送信トリガ送信部４０３と、送信トリガ制御回路４０４と、メモリ４０５と、データ処理回路４０６とを備えている。
本実施の形態においては、第１の実施の形態による電子ペン１０と異なり、受信トリガ受信部２０３、受信トリガ検出回路２０４の代わりに、送信トリガ送信部４０３と送信トリガ制御回路４０４を備えている。
送信トリガ制御回路４０４は、送信トリガ駆動用信号を生成し、送信トリガ送信部４０３は、その送信トリガ駆動用信号によって駆動され送信トリガ信号を空間に送出する。また、送信トリガ制御回路４０４は、送信トリガ送信部４０３から送信した送信トリガ信号の送信時刻をメモリ４０５に格納する機能を有する。
上記電子ペン３０の送信部３００の動作について図１３のフローチャートを参照して説明する。
送信トリガ受信部３０６は、受信装置４０からの送信トリガ信号を受信すると（ステップＣ１）、これを電気信号に変換しトリガパルスを出力する（ステップＣ２）。
送信トリガ検出回路３０５は、送信トリガ受信部３０６の出力からトリガパルスを検出すると、制御回路３０１へ通知する（ステップＣ３）。
制御回路３０１は、送信トリガ受信部３０６からの通知を受け取ると、予め設定したＭ系列の特性多項式と初期条件をＭ系列生成回路３０２に伝達する（ステップＣ４）。
Ｍ系列生成回路３０２は、制御回路３０１から受け取った特性多項式と初期条件に従ってＭ系列のコード化されたビット列であるＭ系列データを生成する（ステップＣ５）。
超音波駆動回路３０３は、Ｍ系列生成回路３０２からのＭ系列データにより超音波を変調する駆動信号を生成する（ステップＣ６）。
超音波送信部３０４はこの駆動信号によりＭ系列変調された超音波信号を空間に送出する（ステップＣ７）。
この第２の実施の形態では、第１の実施の形態と比較し、受信トリガ駆動信号の生成と受信トリガ信号の送信ステップが省かれている。
次いで、受信装置４０の動作について図１４と図１５のフローチャートを参照して説明する。
図１４は、送信トリガ制御回路４０４と送信トリガ送信部４０３の動作を示すフローチャートである。
図１４において、送信トリガ制御回路４０４は、送信トリガ駆動用信号を生成する（ステップＤ１）。送信トリガ送信部４０３は、この送信トリガ制御回路４０４からの送信トリガ駆動用信号によって駆動され送信トリガ信号を受信装置４０から空間に送出する（ステップＤ２）。
一方、送信トリガ制御回路４０４は、送信トリガ送信部４０３から送信した送信トリガ信号の送信時刻をメモリ４０５に格納する（ステップＤ３）。
超音波受信部４０１−１、４０１−２は、電子ペン３０３から送信された超音波信号を受信し、これを電気信号に変換し、サンプリング回路４０２−１、４０２−２は、該電気信号を一定間隔でサンプル化しサンプル化した波形データを順次メモリ４０５に格納する。
図１５は、データ処理回路４０６の処理内容を示すフローチャートである。
図１５において、データ処理回路４０６は、電子ペン３０の送信部３００と同一のＭ系列の初期条件を読み出し、送信された超音波信号のＭ系列のモデル波形を生成し、メモリ４０５に格納されている超音波波形との相関処理を行い、相関値を順次メモリ４０５に格納していく（ステップＥ１〜Ｅ６）。
また、データ処理回路４０６は、メモリ４０５に格納された相関値の先頭のピークを検出すると、送信トリガ信号の送信時刻から先頭のピークを検出した時点までの経過時間、即ち電子ペン３０からの受信装置４０に到達するまでの超音波信号の伝搬時間を算出すると共に、超音波信号毎に算出した伝搬時間と、超音波受信部４０１−１、４０１−２の間隔長とに基づいて電子ペン３０の表示パネル５０上における位置を算出する（ステップＥ８〜Ｅ１１）。
データ処理回路４０６における処理内容は、図４に示した第１の実施の形態と比較し、受信トリガパルスの検出が省かれているだけで、その他の処理については、第１の実施の形態と同様であるので詳細な説明は省略する。
（第２の実施の形態による効果）
第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様の効果が得られると共に、受信装置２０から送信トリガ信号を送信する構成としたことにより、電子ペン１０の送信部１００の構成をより簡略化することできる効果が得られる。また、トリガ信号を電子ペン１０毎に識別可能な電磁波信号とする必要がなくなる。
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態による位置検出システムについて図１６を参照して詳細に説明する。
上述した第１の実施の形態では、システムの組み立てに際し、Ｍ系列選択モードにおいて、電子ペン１０毎に使用するＭ系列の初期条件を決定して予め電子ペン１０に割り当てる場合を説明したが、本実施の形態では、電子ペンシステムの製品出荷前や使用開始前に、使用するＭ系列の初期条件をキャリブレーションによって設定することができる構成としている。
第３の実施の形態による位置検出システムは、図１６に示すように、電子ペン１０に、Ｍ系列選択モードと通常の位置検出モードの切り替えを行うためのモード切替スイッチ６０と、使用するＭ系列を設定するＭ系列設定スイッチ７０を備えている。
Ｍ系列設定スイッチ７０としては、例えばロータリースイッチ等のように現在の設定状態を確認することができるスイッチを使用する。また、Ｍ系列設定スイッチ７０に、Ｍ系列選択モードをオンオフするポジションを設けることで、Ｍ系列選択モードがオフの時には通常の位置検出モードに切り替わるようにすれば、モード切替スイッチ６０を省くことも可能である。
また、受信装置２０には、各電子ペン１０毎に設定したＭ系列を表示するための設定内容表示部８０を備えている。
本実施の形態における電子ペン１０と受信装置２０の他の構成については、図１に示した第１の実施の形態の構成と同じであるので、各構成要素についての説明は省略する。
以下、使用するＭ系列の初期条件をキャリブレーションによって設定する場合の手順について説明する。
キャリブレーション時は、電子ペン１０のモード切替スイッチ６０を切り替えることにより、Ｍ系列選択モードに設定する（ステップＦ１）。
電子ペン１０を受信装置２０からの予め定められた所定の位置に配置する。
電子ペン１０から受信トリガ信号と超音波信号を繰り返し送出する。その際、送信毎に異なるＭ系列を使用する点は第１の実施の形態の場合と同様である。
受信装置２０では、電子ペン１０から超音波信号を受信する毎に、超音波の使用する全てのＭ系列モデル波形との相関値をそれぞれ求め、異なるＭ系列間の相互相関値をチェックする。
そして、第１の実施の形態と同様に、相互相関値のピークの値が小さいＭ系列データほど高く評価し、全Ｍ系列の相互相関値のピークが小さいほうから、その相互相関値に対するＭ系列の組み合わせを形成するＭ系列（初期条件）を、各電子ペン１０について割り当てるＭ系列として決定する。
なお、受信装置２０において、まず自己相関値を算出し、電子ペン１０と受信装置２０の超音波受信部とのそれぞれの距離に対応する自己相関値のピークの時点を決定し、ピーク時点を含む予め指定したある時間範囲での相互相関値のピークを評価するようにしてもよい。
キャリブレーションが完了すると、受信装置２０に接続される設定内容表示部８０に、各電子ペン１０に設定すべきＭ系列を表示する。
最後に、受信装置２０の設定内容表示部８０に表示されるＭ系列の情報に従って、各電子ペン１０のＭ系列設定スイッチ７０を操作して使用するＭ系列を設定する。このような操作により、複数の電子ペン１０間で重複することなくＭ系列を設定する。
位置検出モードでは、図２のステップＡ１で、制御回路１０１はＭ系列設定スイッチ７０で設定されたＭ系列の初期条件をＭ系列生成回路１０２に出力する。
その他の電子ペン１０及び受信装置２０のデータ処理回路４０６における処理は、図４に示した第１の実施の形態による処理と同様であるので説明は省略する。
電子ペン１０に備えるＭ系列設定スイッチ７０は、Ｍ系列の設定を変更するとともに、現在の設定内容をＭ系列設定データとして受信トリガ送信部１０６から送信し、受信装置２０が、電子ペン１０から送信されたＭ系列設定データを接続される設定内容表示部８０に表示する構成とすることもできる。このような構成とすれば、電子ペン１０側に現在の設定状態を確認する機能はなくても構わない。
（第３の実施の形態による効果）
第１の実施の形態では、システムの組み立て時に、Ｍ系列選択モードで、電子ペン１０毎に使用するＭ系列を予め割り当てて設定するため、通常の位置検出モードによる使用時等に、各電子ペン１０に割り当てるＭ系列を変更することができず、使用する電子ペンを増やす場合には、あらかじめ重複しないＭ系列が設定された電子ペンを追加するか、もしくは、メーカ側において、再度Ｍ系列選択モードを実施して電子ペン毎にＭ系列を割り当てると言った作業が必要であった。
この第３の実施の形態によれば、電子ペンシステムの製品出荷前や使用開始前に、使用するＭ系列の初期条件をキャリブレーションによって設定することができる構成としているため、システム運用中においても、利用者が各電子ペン１０に割り当てるＭ系列を変更するができる。従って、使用する電子ペンを増やすような場合でも、メーカ側における割り当て作業が不要となり、利用者側で随時Ｍ系列の割り当てを変更することで対処することが可能となる。また、使用する周辺環境に応じて最適なＭ系列の割り当ても可能となる。
以上好ましい実施の形態と実施例をあげて本発明を説明したが、本発明は必ずしも、上記実施の形態及び実施例に限定されるものでなく、その技術的思想の範囲内において様々に変形して実施することができる。
上記各実施の形態では、本発明を電子ペンシステムに適用した場合について説明したが、ロボットシステムへ適用することが可能である。送信装置をロボットへ設置し、受信装置をある空間の天井や壁に設置することでロボットの空間内の位置を検出することができる。空間内のロボットの位置を把握することでロボットを制御し衝突回避といった用途に使用可能である。
一方、送信装置を人間等に装着し、受信装置をある空間の天井や壁に設置することで、空間内での動線検出や位置追跡といった用途にも適用することができる。
いずれの場合も、可動物体毎に異なるＭ系列の超音波を用いて、複数の可動物体が共存する環境を構築することが可能である。
これまでは、Ｍ系列による変調について述べたが、例えばＧｏｌｄ系列のように、自己相関性が高く、他の系列との相互相関が低い擬似ランダム信号であれば、Ｍ系列に限定するものではない。
また、これまでは４次の特性多項式ｆ（ｘ）＝ｘ４＋ｘ＋１により生成される系列長が１５ビットであるデータ列を用いたが、より長い系列長のＭ系列の部分列を使用し、部分相互相関が小さい組み合わせの部分列を選択することも可能である。一例として、７次の特性多項式ｆ（ｘ）＝ｘ7＋ｘ3＋１により、初期値を「００００１１１」として得られる１２７ビットの系列長のＭ系列から、１５ビットを取り出した部分列を用いる場合を説明する。
図２０は、１２７ビットの先頭の１５ビットの部分列「００００１１１０１１１１００１」により位相変調した超音波を、同じビット列の参照波形により自己相関を算出した図である。図２１は、同じく１２７ビットの１５ビットの部分列「０１１００１００１００００００」により位相変調した超音波と、「００００１１１０１１１１００１」の参照波形により相互相関を算出した図である。図２２は、同じく１２７ビットの１５ビットの部分列「００１１１１０１１０１００００」により位相変調した超音波と、「００００１１１０１１１１００１」の参照波形により相互相関を算出した図である。
それぞれの相互相関値のピークを評価すると、「００００１１１０１１１１００１」と「０１１００１００１００００００」の相互相関値のピークが、「００００１１１０１１１１００１」と「００１１１１０１１０１００００」の相互相関値のピークに比べ小さいため、「００００１１１０１１１１００１」と「０１１００１００１００００００」を選択することとなる。
仮に、Ｍ系列部分列Ａを「００００１１１０１１１１００１」、Ｍ系列部分列Ｂを「０１１００１００１００００００」とすると、図２３にあるように、超音波の受信波を部分列Ａの参照波形で相関をとることで、部分列Ａの超音波の到達点を相関ピークとして確実に得ることができる。同様に、受信波を部分列Ｂの参照波形で相関をとれば、部分列Ｂの超音波の到達点を相関ピークとして確実に得ることができる。
また、上述した各実施例を組み合わせた構成とすることも可能である。
以上好ましい実施の形態（及び実施例）を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施の形態（及び実施例）に限定されるものでない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２００７年１２月２８日に出願された日本出願特願２００７−３３９０５４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (34)

  1. 送信タイミングを示すトリガ信号と、自己相関性の高い擬似ランダム系列のデータに基づいて変調された超音波信号とを同時に送出する送信装置を含む少なくとも１つの移動体と、
    前記トリガ信号と前記超音波信号を受信し、前記移動体の位置を検出する受信装置とを備え、
    前記受信処理装置が、
    所定間隔で設定された前記超音波信号を受信する少なくとも２つの超音波受信手段と、
    前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められた前記擬似ランダム系列の変調基準波形との間で相関値を算出する手段と、
    算出された前記相関値の最初のピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから前記２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出する手段と、
    算出した前記超音波伝播時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出する手段とを備え、
    前記擬似ランダム系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする位置検出システム。
  2. 自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された超音波信号とを同時に送出する送信装置を含む少なくとも１つの移動体と、
    前記超音波信号を受信し、前記移動体の位置を検出する受信装置とを備え、
    前記移動体の前記送信装置が、
    送信タイミングを表すトリガ信号を受信する手段と、
    前記トリガ信号を受信したタイミングで前記超音波信号を送信する手段とを備え、
    前記受信処理装置が、
    前記トリガ信号を送出する手段と、
    所定間隔で設定された前記超音波信号を受信する少なくとも２つの超音波受信手段と、
    前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められた前記擬似ランダム系列の変調基準波形との間で相関値を算出する手段と、
    算出された前記相関値の最初のピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから前記２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出する手段と、
    算出した前記超音波伝播時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出する手段とを備え、
    前記擬似ランダム系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする位置検出システム。
  3. 前記トリガ信号が、前記送信装置を識別可能な電磁波信号であることを特徴とする請求項１に記載の位置検出システム。
  4. 前記トリガ信号が、前記送信装置毎に重複が生じないよう帯域分割された信号であることを特徴とする請求項３に記載の位置検出システム。
  5. 前記トリガ信号が、前記送信装置毎に異なる自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された電磁波信号であり、
    前記受信装置が、受信したトリガ信号の受信波形と、予め設定された変調基準波形との間で相関値を算出し、前記送信装置毎に異なるトリガ信号の先頭を検出し、超音波信号の到達時間の起点となるタイミングを生成することを特徴とする請求項１に記載の位置検出システム。
  6. 前記送信装置が、設定可能な複数の前記擬似ランダム系列に基づいた複数の前記超音波信号を送信し、
    前記受信装置が、前記複数の超音波信号を受信する毎に、前記超音波信号の使用する全ての前記擬似ランダム系列の変調基準波形との相関値を求め、異なるＭ系列間の相互相関値をチェックし、所定の基準によって前記移動体に割り当てる前記擬似ランダム系列を決定して割り当てることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の位置検出システム。
  7. 前記受信装置が、決定した前記擬似ランダム系列の情報を表示する表示手段を備え、
    前記移動体の送信装置が、前記受信装置の表示部に表示された前記擬似ランダム系列の情報に基づいて、前記超音波信号に使用する前記擬似ランダム系列を設定する設定スイッチを備えることを特徴とする請求項６に記載の位置検出システム。
  8. 擬似ランダム系列として、Ｍ系列を用いることを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の位置検出システム。
  9. 擬似ランダム系列として、Ｍ系列の部分列を用いることを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の位置検出システム。
  10. 前記移動体が、電子ペンであることを特徴とする請求項１から請求項９の何れかに記載の位置検出システム。
  11. 前記移動体が、前記送信装置を備えたロボットであることを特徴とする請求項１から請求項９の何れかに記載の位置検出システム。
  12. 送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して前記送信装置の位置を検出する位置検出システムの前記送信装置であって、
    送信タイミングを示すトリガ信号を送出するトリガ信号送信手段と、
    前記トリガ信号の送信に同期して、自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された超音波信号を送出する超音波送信手段とを備え、
    前記超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする送信装置。
  13. 送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して前記送信装置の位置を検出する位置検出システムの前記送信装置であって、
    前記受信装置から送信される送信タイミングを示すトリガ信号に同期して、自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された超音波信号を送出する超音波送信手段とを備え、
    前記超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする送信装置。
  14. 擬似ランダム系列として、Ｍ系列を用いることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の送信装置。
  15. 擬似ランダム系列として、Ｍ系列の部分列を用いることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の送信装置。
  16. 電子ペンに設けることを特徴とする請求項１２から請求項１５の何れかに記載の送信装置。
  17. 送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して前記送信装置の位置を検出する位置検出システムの前記受信装置であって、
    前記送信装置から送信される送信タイミングを示すトリガ信号を受信するトリガ信号受信手段と、
    所定間隔で設定された、前記トリガ信号に同期して前記送信装置から送信される自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された前記超音波信号を受信する少なくとも２つの超音波受信手段と、
    前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められた変調基準波形との間で相関値を算出する手段と、
    算出された前記相関値の最初のピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから前記２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出する手段と、
    算出した前記超音波伝播時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出する手段とを備え、
    前記超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする受信装置。
  18. 送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して前記送信装置の位置を検出する位置検出システムの前記受信装置であって、
    送信タイミングを示すトリガ信号を前記送信装置に送信するトリガ信号送信手段と、
    所定間隔で設定された、前記トリガ信号に同期して前記送信装置から送信される自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された前記超音波信号を受信する少なくとも２つの超音波受信手段と、
    前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められた変調基準波形との間で相関値を算出する手段と、
    算出された前記相関値の最初のピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから前記２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出する手段と、
    算出した前記超音波伝播時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出する手段とを備え、
    前記超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする受信装置。
  19. 前記トリガ信号が、前記送信装置毎に異なる自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された電磁波信号であり、
    受信したトリガ信号の受信波形と、予め設定された変調基準波形との間で相関値を算出し、前記送信装置毎に異なるトリガ信号の先頭を検出し、超音波信号の到達時間の起点となるタイミングを生成することを特徴とする請求項１７又は請求項１８に記載の受信装置。
  20. 前記送信装置から送信される設定可能な複数の前記擬似ランダム系列に基づいた複数の前記超音波信号を受信し、
    前記複数の超音波信号を受信する毎に、前記超音波信号の使用する全ての前記擬似ランダム系列の変調基準波形との相関値を求め、異なるＭ系列間の相互相関値をチェックし、所定の基準によって前記移動体に割り当てる前記擬似ランダム系列を決定して割り当てることを特徴とする請求項１７から請求項１９の何れかに記載の受信装置。
  21. 前記受信装置が、決定した前記擬似ランダム系列の情報を表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項２０に記載の送信装置。
  22. 擬似ランダム系列として、Ｍ系列を用いることを特徴とする請求項１７から請求項２１の何れかに記載の送信装置。
  23. 擬似ランダム系列として、Ｍ系列の部分列を用いることを特徴とする請求項１７から請求項２１の何れかに記載の送信装置。
  24. 少なくとも１つの送信装置が、
    送信タイミングを示すトリガ信号と、自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された超音波信号とを同時に送信するステップを実行し、
    前記トリガ信号と前記超音波信号を受信し、前記移動体の位置を検出する受信装置が、
    所定間隔で設定された少なくとも２つの超音波受信手段によって前記超音波信号を受信するステップと、
    前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められた変調基準波形との間で相関値を算出するステップと、
    算出された前記相関値の最初のピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから前記２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出するステップと、
    算出した前記超音波伝播時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出するステップを実行し、
    前記送信装置が送出する前記超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする位置検出方法。
  25. 少なくとも１つの送信装置が、
    送信タイミングを表すトリガ信号を受信するステップと、
    前記トリガ信号を受信したタイミングで自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された超音波信号を送信するステップを実行し、
    前記超音波信号を受信し、前記移動体の位置を検出する受信装置が、
    前記トリガ信号を送出するステップと、
    所定間隔で設定された少なくとも２つの超音波受信手段で前記超音波信号を受信するステップと、
    前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められた前記擬似ランダム系列の変調基準波形との間で相関値を算出するステップと、
    算出された前記相関値の最初のピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから前記２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出するステップと、
    算出した前記超音波伝播時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出するステップを実行し、
    前記擬似ランダム系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする位置検出方法。
  26. 前記トリガ信号が、前記送信装置を識別可能な電磁波信号であることを特徴とする請求項２４に記載の位置検出方法。
  27. 前記トリガ信号が、前記送信装置毎に重複が生じないよう帯域分割された信号であることを特徴とする請求項２６に記載の位置検出方法。
  28. 前記トリガ信号が、前記送信装置毎に異なる自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された電磁波信号であり、
    前記受信装置が、受信したトリガ信号の受信波形と、予め設定された変調基準波形との間で相関値を算出し、前記送信装置毎に異なるトリガ信号の先頭を検出し、超音波信号の到達時間の起点となるタイミングを生成することを特徴とする請求項２４に記載の位置検出方法。
  29. 前記送信装置が、設定可能な複数の前記擬似ランダム系列に基づいた複数の前記超音波信号を送信し、
    前記受信装置が、前記複数の超音波信号を受信する毎に、前記超音波信号の使用する全ての前記擬似ランダム系列の変調基準波形との相関値を求め、異なるＭ系列間の相互相関値をチェックし、所定の基準によって前記移動体に割り当てる前記擬似ランダム系列を決定して割り当てることを特徴とする請求項２４から請求項２８の何れかに記載の位置検出方法。
  30. 前記受信装置が、決定した前記擬似ランダム系列の情報を表示する表示手段を備え、
    前記送信装置が、前記受信装置の表示部に表示された前記擬似ランダム系列の情報に基づいて、前記超音波信号に使用する前記擬似ランダム系列を設定する設定スイッチを備えることを特徴とする請求項２９に記載の位置検出方法。
  31. 擬似ランダム系列として、Ｍ系列を用いることを特徴とする請求項２４から請求項３０の何れかに記載の位置検出方法。
  32. 擬似ランダム系列として、Ｍ系列の部分列を用いることを特徴とする請求項２４から請求項３０の何れかに記載の位置検出方法。
  33. 少なくとも１つの送信装置が、
    送信タイミングを示すトリガ信号と、自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された超音波信号とを同時に送信するステップを実行し、
    前記トリガ信号と前記超音波信号を受信し、前記移動体の位置を検出する受信装置が、
    所定間隔で設定された少なくとも２つの超音波受信手段によって前記超音波信号を受信するステップと、
    前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められた変調基準波形との間で相関値を算出するステップと、
    算出された前記相関値の最初のピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから前記２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出するステップを実行し、
    前記送信装置が送出する前記超音波信号の擬似ランダム信号の系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする伝播時間決定方法。
  34. 少なくとも１つの送信装置が、
    送信タイミングを表すトリガ信号を受信するステップと、
    前記トリガ信号を受信したタイミングで自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて変調された超音波信号を送信するステップを実行し、
    前記超音波信号を受信し、前記移動体の位置を検出する受信装置が、
    前記トリガ信号を送出するステップと、
    所定間隔で設定された少なくとも２つの超音波受信手段で前記超音波信号を受信するステップと、
    前記超音波信号の受信波形と、前記移動体に応じて予め決められた前記擬似ランダム系列の変調基準波形との間で相関値を算出するステップと、
    算出された前記相関値の最初のピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから前記２つの超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出するステップを実行し、
    前記擬似ランダム系列として、相互相関の低い異なる系列を用いることを特徴とする伝播時間決定方法。
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