JPWO2009125843A1 - 超音波伝搬時間測定システム - Google Patents

Abstract

モーションディテクタ等の超音波利用機器より発生する、超音波信号からなるノイズの影響を受けず、高品質で高速な電子ペン描画性能を確保する。超音波の伝播時間計測に用いられる超音波受信器において、外部環境ノイズ計測を行い、まずその周波数を決定する。その後、その周波数を中心とし、数kHz帯域のバンドエリミネーションフィルタをソフト的に構成し、再度外部環境ノイズ計測を行う。このシーケンスを信号強度が所定の値を下回るまで繰り返す。また所定回数このシーケンスを繰り返しても信号強度が所定の値を下回らない場合には、超音波発信源である電子ペン側の送信出力を上げる、あるいは超音波発振周波数を変更する。

Description

本発明は超音波発信源から所定位置に至る超音波の伝搬時間を測定する方法及び超音波の伝搬時間測定システムに関する。

超音波を用いた関連技術による位置検出方法の例として電子ペンシステムが特許文献１ないし３に記載されている。これらの位置検出システムは一定周期で一定波形の超音波信号と赤外線トリガー信号を固定周期で送信する機能を有する電子ペンと、送信された２つの信号を受信する受信部からなり、受信部はトリガー信号の到達時点と超音波の到達時点とから電子ペンの位置を特定する。

米国特許４８８４５５２ 米国特許６１１８２０５ 特開平７−１０４０６３

柏木濶著「Ｍ系列とその応用」（１９９６年３月２５日，昭晃堂）

超音波信号の伝播時間測定を行う場合、特定周波数の音波を使用したシステム構成が行われ、人にほとんど聞こえず、２〜３ｍの伝播距離測定を可能にする場合は４０ｋＨｚ付近の周波数が使われる事が多く、更に伝播距離を伸ばす為に可聴域ぎりぎりの２５ｋＨｚ付近の周波数が使用される。反対にもう少し伝播距離が短く、例えばＡ４サイズでの位置関係が分かる範囲で十分な場合は８０ｋＨｚ付近の周波数が用いられる。これは、音波が空間伝播する場合の減衰が大きく、８０ｋＨｚで数ｍの距離を伝播させ、十分なＳ／Ｎ比で信号を受信することが困難なためである。また、近距離になればなるほど、その位置精度も高いものが要求されるため波長分解能の小さな高周波信号が用いられる傾向にある。近年、超音波伝播時間計測技術の応用として、電子ペンシステムがホワイトボードやプロジェクタ等の会議／教育インフラと伴に導入される事が増えている。

これらのシステムは、概ね一般オフィスや学校に設置されるが、省電力、セキュリティやバリアフリーの観点から自動的に照明のＯＮ／ＯＦＦを行うための人体（動体）感知センサ（一般的にはモーションディテクタと呼ばれる）が同時に設置される場合がある。このセンサは一般的に赤外線を利用したものが多いが、単独では誤作動する事もあって、超音波のドップラーシフトを利用した動体感知も併用される様になってきた。ここで使用される、モーションディテクタ側から発信される超音波強度は、電子ペンシステムにおいて使用されるそれよりもはるかに大きいため、モーションディテクタにおいて使用される超音波周波数と電子ペンシステムにおいて使用される超音波周波数が一致すると、電子ペンシステムでは、常に一定の超音波が発信されているものと判断してしまうため、電子ペンの位置は常に一定となって、正常な描画を行うことができなくなってしまう。

また、互いの超音波周波数が異なっている場合でも、特に擬似ランダム信号に基づいて変調された超音波の送受信を行うシステムにおいては、受信器側に要求される周波数帯域が広く、やはりノイズ源となるため、正常に描画することができなくなる。

本発明の目的は、モーションディテクタ等の超音波利用機器にて使用される超音波周波数と、電子ペンシステム等の超音波伝播時間測定システムにて使用される超音波周波数が近接した場合、モーションディテクタ等から送信されるノイズとなる超音波信号を選択的に除去し、電子ペンシステム等の動作を正常に維持することである。

本発明における超音波の伝播時間測定システムは、送信タイミングを表す電磁波信号を送出する電磁波送信手段と、電磁波信号の送出と同時に自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成する手段と、該超音波駆動信号により駆動され超音波信号を送出する超音波送信手段と、電磁波信号を検出する電磁波受信手段と、送出された超音波信号を検出する超音波検出手段、超音波検出手段にて検出された信号に対する増幅手段、増幅手段を通過した信号に対する濾波手段、濾波手段を通過した信号をディジタル信号へ変換する手段を含む超音波受信手段と、超音波受信手段にて生成されるディジタル信号に対してＦＦＴあるいはそれと同等な機能を有する周波数決定手段と、前期周波数決定手段によって決定されたディジタル信号周波数を中心として、あらかじめ決められた周波数帯域のみ、あらかじめ決められた減衰量で減衰させる帯域減衰濾波手段と、超音波駆動信号と同じ波形をモデル波形とし、検出された超音波信号と該モデル波形との間で相関値を算出し、算出された相関値の主ピーク値を検出し、電磁波信号の検出時点と該主ピーク値の検出時点とから超音波伝搬時間を算出するデータ処理手段を含む。

本発明によれば、Ｍ系列データを用いて変調された超音波信号を用いた超音波伝播時間計測システムにおいて、所定の周波数範囲にあって外部環境ノイズとなる超音波信号の周波数及びその強度を専用の受信器を設けることなく測定可能であって、更にノイズとなる超音波信号を選択的に除去可能な減衰濾波器を自動的に構成することが可能であるため、結果として低コストで高速高精度な超音波伝播時間計測を実現することができる。

本発明の超音波伝搬時間測定システムにおける送信部２の構成図である。 本発明の超音波伝搬時間測定システムにおける受信部３の構成図である。 Ｍ系列データで位相変調された超音波駆動信号の波形図である。 本発明における外部環境ノイズ除去の基本機能フロー例図である。

次に、本発明を実施するための最良の形態について電子ペンシステムを例にとり図１乃至４を参照して詳細に説明する。図１、２は本発明の超音波位置計測システムを利用する電子ペンシステムを示す。このシステムは、トリガー信号及び超音波信号発生スイッチ１１と、超音波信号出力変更スイッチ１２と超音波周波数変更スイッチ１３とを有する電子ペン１に装着された送信部２と、この送信部から離れた所定の位置に設置された受信部３から構成される。送信部２は制御回路１０１、Ｍ系列ビット列格納メモリ１０２、超音波駆動回路１０３、超音波送信器（圧電素子または磁歪素子）１０４、赤外線駆動回路１０５、赤外線送信器１０６と、超音波送信出力変更回路１０７と、超音波周波数変更回路１０８から構成される。

Ｍ系列生成回路１０２は、制御回路１０１から供給されるＭ系列初期条件に基づき特性多項式により決定されるＭ系列を生成する。Ｍ系列生成回路１０２は、例えば４次の特性多項式ｆ（ｘ） ＝ ｘ^４ ＋ ｘ ＋ １、あるいはｆ（ｘ） ＝ ｘ^４ ＋ ｘ^３ ＋ １の性質を持つ４ビットシフトレジスタを有し系列長が１５ビットのビット列を生成する。４ビットの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通りの異なるデータが得られる。図３は、Ｍ系列により位相変調された超音波波形の例を示す。１５ビットのＭ系列データ「０００１００１１０１０１１１１」の各１ビットを基本波の１周期に対応させている。「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、変調波は基本波１５周期分の長さとなる。なお、Ｍ系列の詳細は、柏木濶著「Ｍ系列とその応用」（１９９６年３月２５日，昭晃堂）等に記述されている。

制御回路１０１は、電子ペン１が具備するスイッチ１１が押されると、まず時間計測の基準となるトリガー信号とＭ系列の４−ビット初期条件データを赤外線駆動回路１０５とＭ系列生成回路１０２に供給する。赤外線駆動回路１０５は、制御回路１０１からの信号に基づき赤外線駆動用信号を生成する。赤外線送信器１０６は、この赤外線駆動回路１０５の出力により駆動され赤外線を電子ペン１から空間に送出する。

一方、Ｍ系列生成回路１０２は、制御回路１０１から供給された初期条件に基づきＭ系列ビット列を生成し、これを超音波駆動回路１０３に供給する。超音波駆動回路１０３は、このＭ系列により超音波信号を位相変調し超音波駆動信号として超音波送信器１０４に供給する。超音波送信器１０４は、この駆動信号により駆動され、赤外線送信器１０６の送信タイミングに同期して、Ｍ系列位相変調された超音波信号を空間に送出する。従って、赤外線信号と超音波信号は電子ペンから同時に受信部に向け発射される。実際に電子ペンとして機能させるため、スイッチが押されている間、一定周期で上記動作を繰り返す。

制御回路１０１は、ＣＰＵ等で構成されるため、各信号波形は矩形波が多く用いられる。時間計測の基準となる赤外線トリガー信号については、受信器側でのサンプリングに対する時間ズレを小さくし計測誤差を最小にするためには可能な限り矩形波であることが好ましい。超音波信号に関しては、超音波送信器１０４が圧電素子（または磁歪素子）で構成されることが多く、圧電素子そのものがＬ、Ｃ成分を含むため空間へ送出される超音波は駆動波形が矩形波であっても擬似的な正弦波となる。なお、送信側の波形については、上記送信器の特性を考慮し、正弦波、矩形波、三角波、台形波であっても、特に問題は生じない。

受信部３は超音波受信器（圧電素子または磁歪素子またはコンデンサマイクロフォン）２０１、サンプリング回路２０２，赤外線受信器２０３，検出回路２０４，メモリ２０５とデータ処理回路２０６とから成る。

超音波受信器（圧電素子または磁歪素子またはコンデンサマイクロフォン）２０１は、電子ペン１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はこの超音波信号を一定間隔でサンプルし位相変調Ｍ系列超音波データとしてメモリ２０５に格納する。

赤外線受信器２０３は、電子ペン１からの赤外線信号を受信しこれを電気信号に変換する。検出回路２０４は、赤外線受信器２０３の出力からトリガーパルスを検出するとトリガーパルスの到来時刻をメモリ２０５に格納する。また、検出回路２０４は、Ｍ系列初期条件データを検出するとこれをメモリ２０５に格納する。

Ｍ系列初期条件を赤外線信号に含ませる代わりに、所定のＭ系列の初期条件に基づき予め生成した位相変調Ｍ系列超音波モデル波形をメモリ２０５に格納し、赤外線トリガー信号が到来するとデータ処理回路２０６がこのＭ系列モデル波形を読出すようにしてもよい。

データ処理回路２０６は、メモリ２０５からトリガーパルス到来を示すデータを読出すと格納されているＭ系列初期データからＭ系列モデル波形を生成しさらにこのモデル波形を送信部２と同様に超音波で位相変調し、送信側の超音波駆動信号と同じ波形の位相変調超音波Ｍ系列モデル波形を生成する。データ処理回路２０６は、この位相変調超音波モデル波形とメモリ２０５に格納されている位相変調超音波受信波形との間で相関処理を行う。データ処理回路２０６は、相関値の最初のピークを検出すると、トリガーパルス到達時刻からこの相関値ピークを検出した時点までの経過時間、即ち電子ペン１からの受信部３に至る超音波信号の伝搬時間を算出する。

具体的には、メモリ２０５に格納されているトリガー検出時刻をサンプリング開始時刻（ｔ）に設定し、位相変調Ｍ系列超音波データをメモリ２０５から読み出し、この読み出したデータと先に生成した位相変調Ｍ系列超音波モデル波形との間で数式（１）に基づきサンプリング開始時刻（ｔ）における相関値Ｃ（ｔ）を算出する。

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。

次に、得られた相関値からピーク値を探索する。ピーク値が検出されなければ、サンプリング開始時刻（ｔ）を単位量１だけインクリメントし同様にピーク値探索を繰り返す。相関ピーク値が検出されると、該相関ピーク値の検出時点における変数ｔに対応するサンプリング時刻をメモリ２０５から読み出す。最後に、データ処理回路２０６はトリガー検出時刻とピーク値検出時刻とから電子ペン１から受信部３に至る超音波の伝搬時間を算出する。赤外線トリガーパルスを受信したサンプリング時刻を０とし、サンプリング周期を ＤＴとすると、超音波伝搬時間はｔ×ＤＴとして算出できる。

以上のような超音波伝播時間計測システムを実際に動作させる場合、例えばモーションディテクタ等の超音波利用センサが近接して設置される場合がある。このときモーションディテクタ等から発信される信号強度はかなり大きく（約１００００倍に達する場合あり）、超音波伝播時間計測システムにとっては非常に大きなノイズとして認識される。特に、Ｍ系列データによって位相変調された信号による送受信を行う本発明のシステムにおいては、超音波受信側の周波数帯域が広いためノイズとなる超音波信号が異なる周波数で多数存在する可能性があり、そのままでは計測を正常に行うことは困難である。そこで、以下に述べるような外部環境ノイズ除去シーケンスを実行することで、超音波伝播時間計測の正常動作を実現する。

次に、実際の外部環境ノイズ除去シーケンスを以下に述べる。まず全体のシステムの電源が入りシステムスタンバイが完了した後、超音波受信器による外部環境ノイズ測定を開始する。このときシステムがＰＣ等に接続されている場合には、ＰＣ側の外部環境ノイズ測定アプリケーションから制御するように構成することも可能である。外部環境ノイズ測定は少なくとも２チャンネルにて行われ、各々受信器、増幅器、バンドパスフィルタを通過したアナログ信号に対してＡＤ変換器によるサンプリングを行い、ディジタルデータに変換しメモリに格納される。

その後、前記メモリに格納されたデータを用いて周波数決定部２０７において周波数分析を行う。信号はすべてディジタル化されているため、ＦＦＴを行うことや、簡易的にはゼロクロス点の周期の平均化で周波数を決定することが可能となる。

次に、この周波数に対して帯域減衰濾波器を構成する。ディジタルフィルタとしてはＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタやＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタが一般的であって、安定性を重視する場合はＦＩＲフィルタが用いられ、システム負荷を軽減するためにはＩＩＲフィルタが用いられるが、いずれのフィルタでも使用可能である。

予め決められた減衰量と周波数帯域のフィルタとなるように諸パラメータを設定した後、メモリに格納されたデータをフィルタリングし、得られたデータをピークサーチし、２チャンネルともその値が所定の範囲内（例えばＡＤ変換レンジの１％以内）にならなければ、再度フィルタの減衰量の変更を繰り返すことで外部環境ノイズを圧縮し、信号が所定の範囲内に入った段階で、外部環境ノイズ除去シーケンスを終了する。なお、ノイズとなる超音波信号が異なる周波数で多数存在する場合は、ＦＦＴ等の周波数分析において、ゲインの最も高い周波数成分から上記シーケンスを実行する。

また、以上に述べた外部環境ノイズ除去シーケンスを行ったとしても、ノイズ信号を規定値以下に抑制することが不可能な程ノイズ信号出力が大きい場合もある。その時は電子ペン１内の超音波出力可変部１２において、出力を増加させる操作を加えることで相対的にＳ／Ｎ比を向上させ、ノイズ信号を規定値以下に抑制することが可能となる。更にそれでもノイズ信号を規定値以下にすることができない場合には、超音波周波数可変部１３において、超音波駆動周波数を変更し、再度外部環境ノイズ除去シーケンスを実施する。

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。

この出願は、２００８年４月１１日に出願された日本出願特願２００８−１０３６０２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 (30)

1. 送信タイミングを表す電磁波信号を送出する電磁波送信手段と、
   前記電磁波信号の送出と同時に自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成する手段と、
   該超音波駆動信号により駆動され超音波信号を送出する超音波送信手段と、
   前記電磁波信号を検出する電磁波受信手段と、
   送出された前記超音波信号を検出する超音波検出手段と、前記超音波検出手段にて検出された信号に対する増幅手段と、前記増幅手段を通過した信号に対する濾波手段と、前記濾波手段を通過した信号をディジタル信号へ変換する手段を含む超音波受信手段と、
   前記超音波受信手段にて生成されるディジタル信号に対してＦＦＴあるいはそれと同等な機能を有する周波数決定手段と、
   前期周波数決定手段によって決定されたディジタル信号周波数を中心として、あらかじめ決められた周波数帯域のみ、あらかじめ決められた減衰量で減衰させる帯域減衰濾波手段と、
   前記超音波駆動信号と同じ波形をモデル波形とし、検出された超音波信号と該モデル波形との間で相関値を算出し、算出された相関値の主ピーク値を検出し、前記電磁波信号の検出時点と該主ピーク値の検出時点とから超音波伝搬時間を算出するデータ処理手段と
   を備えることを特徴とする超音波伝播時間測定システム。
2. 前記位相変調された超音波駆動信号は、該擬似ランダム信号の１ビット当たり超音波のＭ周期（
   

   

   の整数）が割り当てられていること特徴とする請求項１に記載の超音波伝播時間測定システム。
3. 前記超音波駆動信号生成手段は、前記超音波を位相変調することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波伝播時間測定システム。
4. 前記疑似ランダム信号は、Ｍ系列データであることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の超音波伝播時間測定システム。
5. 前記データ処理手段が、前記超音波駆動信号が前記帯域減衰濾波手段を経た信号と同じ波形をモデル波形とし、検出された超音波信号と該モデル波形との間で相関値を算出し、算出された相関値の主ピーク値を検出し、前記電磁波信号の検出時点と該主ピーク値の検出時点とから超音波伝搬時間を算出することを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の超音波伝播時間測定システム。
6. 前記電磁波信号は、赤外線であることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の超音波伝播時間測定システム。
7. 前記超音波送信手段は、前記超音波駆動信号の周波数の実質的に偶数倍の周波数に共振点を有し、該超音波駆動信号により駆動され超音波信号を送出する圧電又は磁歪素子からなることを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の超音波伝播時間測定システム。
8. 前記超音波送信手段は、送信信号出力が可変であることを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の超音波伝播時間測定システム。
9. 前記超音波送信手段は、送信信号周波数が可変であることを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載の超音波伝播時間測定システム。
10. 前記超音波受信手段は、前記超音波駆動信号の周波数以上の周波数帯域を有することを特徴とする請求項１から請求項９の何れかに記載の超音波伝搬時間測定システム。
11. 前記超音波受信手段は、前記超音波駆動信号の周波数の偶数倍までの周波数帯域を有することを特徴とする請求項１０に記載の超音波伝搬時間測定システム。
12. 前記超音波送信手段は、可動物体に装着されていることを特徴とする請求項１から請求項１１の何れかに記載の超音波伝搬時間測定システム。
13. 前記可動物体は、電子ペンであることを特徴とする請求項１２に記載の超音波伝搬時間測定システム。
14. 前記可動物体は、ロボットであることを特徴とする請求項１２に記載の超音波伝搬時間測定システム。
15. 前記超音波検出手段が、圧電又は磁歪素子からなることを特徴とする請求項１から請求項１４の何れかに記載の超音波伝搬時間測定システム。
16. 送信タイミングを表す電磁波信号を送出する電磁波送信ステップと、
    前記電磁波信号の送出と同時に自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成するステップと、
    該超音波駆動信号により駆動され超音波信号を送出する超音波送信ステップと、
    前記電磁波信号を検出する電磁波受信ステップと、
    送出された前記超音波信号を検出する超音波検出ステップと、前記超音波検出ステップにて検出された信号を増幅する増幅ステップと、前記増幅ステップを通過した信号を濾波する濾波ステップと、前記濾波ステップを通過した信号をディジタル信号へ変換するステップを含む超音波受信ステップと、
    前記超音波受信ステップにて生成されるディジタル信号に対してＦＦＴあるいはそれと同等な機能を有する周波数決定ステップと、
    前期周波数決定ステップで決定されたディジタル信号周波数を中心として、あらかじめ決められた周波数帯域のみ、あらかじめ決められた減衰量で減衰させる帯域減衰濾波ステップと、
    前記超音波駆動信号と同じ波形をモデル波形とし、検出された超音波信号と該モデル波形との間で相関値を算出し、算出された相関値の主ピーク値を検出し、前記電磁波信号の検出時点と該主ピーク値の検出時点とから超音波伝搬時間を算出するデータ処理ステップと
    を含むことを特徴とする超音波伝播時間測定方法。
17. 前記位相変調された超音波駆動信号は、該擬似ランダム信号の１ビット当たり超音波のＭ周期（
    

    

    の整数）が割り当てられていること特徴とする請求項１６に記載の超音波伝播時間測定方法。
18. 前記超音波駆動信号生成ステップで、前記超音波を位相変調することを特徴とする請求項１６または１７に記載の超音波伝播時間測定方法。
19. 前記疑似ランダム信号は、Ｍ系列データであることを特徴とする請求項１６から請求項１８の何れかに記載の超音波伝播時間測定方法。
20. 前記データ処理ステップにおいて、前記超音波駆動信号が前記帯域減衰濾波ステップを経た信号と同じ波形をモデル波形とし、検出された超音波信号と該モデル波形との間で相関値を算出し、算出された相関値の主ピーク値を検出し、前記電磁波信号の検出時点と該主ピーク値の検出時点とから超音波伝搬時間を算出することを特徴とする請求項１６から請求項１９の何れかに記載の超音波伝播時間測定方法。
21. 前記電磁波信号は、赤外線であることを特徴とする請求項１６から請求項２０の何れかに記載の超音波伝播時間測定方法。
22. 前記超音波送信ステップにおいて、前記超音波駆動信号の周波数の実質的に偶数倍の周波数に共振点を有し、該超音波駆動信号により駆動される圧電又は磁歪素子によって超音波信号を送出することを特徴とする請求項１６から請求項２０の何れかに記載の超音波伝播時間測定方法。
23. 前記超音波送信ステップにおいて、送信信号出力を可変とすることを特徴とする請求項１６から請求項２２の何れかに記載の超音波伝播時間測定方法。
24. 前記超音波送信ステップにおいて、送信信号周波数を可変とすることを特徴とする請求項１６から請求項２３の何れかに記載の超音波伝播時間測定方法。
25. 前記超音波受信ステップにおいて、前記超音波駆動信号の周波数以上の周波数帯域を有することを特徴とする請求項１６から請求項２４の何れかに記載の超音波伝搬時間測定方法。
26. 前記超音波受信ステップにおいて、前記超音波駆動信号の周波数の偶数倍までの周波数帯域を有することを特徴とする請求項２５に記載の超音波伝搬時間測定方法。
27. 前記超音波送信ステップを、可動物体が実行することを特徴とする請求項１６から請求項２６の何れかに記載の超音波伝搬時間測定方法。
28. 前記可動物体は、電子ペンであることを特徴とする請求項２７に記載の超音波伝搬時間測定方法。
29. 前記可動物体は、ロボットであることを特徴とする請求項２７に記載の超音波伝搬時間測定方法。
30. 前記超音波検出ステップにおいて、圧電又は磁歪素子からなる超音波検出素子で前記超音波信号を検出することを特徴とする請求項１６から請求項２９の何れかに記載の超音波伝搬時間測定方法。

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