JPWO2010098346A1 - 超音波伝播時間測定システム - Google Patents

Abstract

可動物体から送出される超音波信号の伝搬時間を、超音波信号の発信時に生じる可聴域の音を低減しつつ、正確に測定する方法及びシステムを提供する。送信タイミングを表す電磁波信号と超音波信号とを送出する送信部（２）と、送出された該電磁波信号と該超音波信号とをそれぞれ検出するとともに、該電磁波信号と該超音波信号の受信時間から超音波伝播時間を計算する受信部（３）と、からなり、該送信部で該信号の送出を制御する制御部（１０１）及び該受信部で該検出と該計算を制御するデータ処理部（２０６）において、１以上の設定用パラメータの設定値を選択することにより、最適な超音波送受信系を構築する、初期モード設定機構を具備することを特徴とする超音波伝播時間測定システムである。

Description

［関連出願についての記載］
本発明は、日本国特許出願：特願２００９−０４２１２７号（２００９年 ２月２５日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は超音波発信源から所定位置に至る超音波の伝播時間を測定する方法及び超音波伝播時間測定システムに関し、特に超音波発信に伴う可聴音を低減した超音波伝播時間測定方法及び超音波伝播時間測定システムに関する。

赤外線信号と超音波信号との受信時間差を用いて距離を測定する方法の一例として特許文献１がある。また、超音波を用いた従来の位置検出方法の一例として電子ペンシステムが特許文献２に記載されている。こ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。

また、特許文献３では、超音波送受信システムにおいて、超音波センサのインピーダンス帯域幅、送信手段の送信帯域幅、受信手段の受信帯域幅、送受切換回路の通過帯域幅を所定の関係にすることで、残響を除去する方法が開示されている。

特開２００７−１３９６３８号公報 米国特許６１１８２０５ 特開２００１−１１９７８６号公報

上記特許文献１〜３の全開示内容はその引用をもって本書に繰込み記載する。
以下に本発明による分析を与える。
超音波発信源から送信される超音波信号は、人に聞こえない可聴帯域以上の周波数が用いられるため、少なくとも２０ｋＨｚ以上であることが必要である。この周波数帯域の信号を十分な音圧で発生させる手段としては、小型高剛性の振動板を電磁的に振動駆動する所謂スピーカーが知られているが小型化が困難なこと、電流駆動であるため消費電力が大きいことなどから電子ペンなどの小型の可動物体に実装することは困難である。そのため、超音波発信源として電圧駆動である圧電素子を用いることが広く行われている。

この圧電素子は、電圧駆動型であるため一般的に消費電力が小さいが、十分な音圧を確保するためには音響インピーダンスの低い共振体と組み合わせて用いられることが多い。しかしながら共振現象を利用した場合、一定の位相・周波数・ゲインで超音波を発信できるが、それ以外の周波数での送信ゲインはかなり低く、各種の変調方式を利用することが困難である。また、単独の圧電素子においても機械的なＱ値が高く残留振動が長引くため、変調方式の如何を問わず変調波に追従した超音波を発信することが困難である。また、共振特性を利用する関係上、圧電素子の材料特性及びその形状の僅かなずれによって、共振周波数やそのピークゲインが大きく変動する場合がある。

一方、伝播時間測定を連続的に行うためには、一定周期のトリガー信号に基づいて超音波を同期発信する必要がある。この一定周期は、超音波発信源および受信器の相対変位速度や求める精度によって異なるが、例えば電子ペン等への応用を考える場合、人がストレスなく描画を行うためには少なくとも２０ｍｓ程度以下にすることが求められる。このとき２０ｍｓ周期で２０ｋＨｚ以上の超音波信号が空間へ放出されるため、超音波単独では人に超音波発信音は聞こえないものの、２０ｍｓ周期の単一あるいはバースト信号は、５０Ｈｚの音として人に聞こえることになる。

この時の音圧は、単一あるいはバースト信号の信号強度とバースト連続数に比例するため、電子ペン等に用いられている超音波信号は１〜３波であることが多い。この波数レベルであれば、３０〜５０ｃｍ程度超音波発信源から離れればほとんど音は聞こえず、ストレスなく描画を行うことが出来る。

また、可聴音については、煩わしいと感じる音域の個人差が比較的大きく、予め決められた周波数領域のみに対して音圧抑制効果の高いフィルタリングを行うことは、不特定の使用者を対象とするときには、逆効果になる可能性が生じる。

本発明の目的は、可動物体から送出される超音波信号の伝搬時間を、超音波信号の発信時に生じる可聴域の音を低減しつつ、正確に測定する方法及びシステムを提供することである。

第１の視点において、本発明に係る超音波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と超音波信号とを送出する送信部と、送出された該電磁波信号と該超音波信号とをそれぞれ検出するとともに、該電磁波信号と該超音波信号の受信時間から超音波伝播時間を計算する受信部と、からなり、該送信部で該信号の送出を制御する制御部及び該受信部で該検出と該計算を制御するデータ処理部において、１以上の設定用パラメータの設定値を選択することにより、最適な超音波送受信系を構築する、初期モード設定機構を具備する。なお本発明において「機構」とは、機械的な構成のみでなく、電子的構成をも含むものである。

また、本発明に係る超音波伝播時間測定システムは、前記送信部に、電磁波駆動部により駆動され、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部と、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超音波駆動信号生成部と、該超音波駆動信号により駆動され、該超音波駆動信号の基本周波数より高い周波数の超音波信号を送出する圧電又は磁歪素子からなる超音波送信部と、を具備し、前記受信部に、送出された前記電磁波信号を検出する電磁波受信部と、送出された前記超音波信号を検出する超音波受信部と、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播時間を算出するデータ処理部と、送信用の超音波を濾波する、超音波駆動信号生成部に関連した超音波濾波部と、受信超音波の音圧及び周波数を測定する、前記データ処理部に関連した計測部と、を具備するとともに、該送信部で該信号の送出を制御する制御部及び該受信部で該検出と該計算を制御するデータ処理部において、１以上の設定用パラメータの設定値を選択することにより、最適な超音波送受信系を構築する、初期モード設定機構を具備する。

第２の視点において、本発明に係る超音波伝播時間測定方法は、送信タイミングを表す電磁波信号と、超音波信号とを送出し、受信した該電磁波信号と該超音波信号との受信時間から超音波伝播時間を測定する方法であって、超音波駆動信号パターン、超音波駆動周波数、超音波濾波特性並びに該電磁波信号及び該超音波信号の送信タイミングのうちの少なくとも１つのパラメータについて、複数の選択肢より設定値を選択する初期モード設定工程を含む。

本発明に係る、上記構成の超音波伝播時間測定システムにより、超音波信号の発信時に生じる可聴域の音を効果的に低減しつつ、超音波信号の伝播時間を正確に測定することができる。

本発明に係る超音波伝播時間測定システム（電子ペンシステム）の第一の実施例のブロック図である。 本発明に係る超音波伝播時間測定システム（電子ペンシステム）の第二の実施例のブロック図である。 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の一例である。 同じビットが末尾に連続するＭ系列データにて変調された超音波受信信号の一例を示す図である。 Ｍ系列ビット列によって変調された超音波周波数特性の一例を示す図である。 図５に対して高域通過濾波器を挿入した場合の送信波の周波数特性を示す図である。 図５に対してＭ系列に依存する分周周波数領域にノッチフィルタを挿入した場合の送信波の周波数特性を示す図である。 濾波された送信波を参照波形とした場合の相関値の変化を示す図である。 Ｍ系列ビット列を選択することによって、超音波発信強度が変化することを示す図である。 電子ペン側の超音波送信部の駆動回路（超音波生成回路）に組み込んだ濾波回路の一構成例を示す図である。

本発明に係る超音波伝播時間測定システムは、前記データ処理部と外部との間でデータ入出力可能な入出力部を具備することが好ましい。

前記制御部と前記データ処理部との間で相互に通信を行うための通信部を具備することが好ましい。

前記制御部は、前記自己相関性の高い擬似ランダム信号にて変調された超音波駆動信号パターンを、該制御部内に保存された又は外部より入力されたパラメータ設定値から選択することにより、変更できる機構を具備することが好ましい。

前記制御部は、該制御部内に保存された又は外部より入力されたパラメータ設定値から選択することにより、超音波駆動周波数を変更できる機構を具備することが好ましい。

前記制御部は、該制御部内に保存された又は外部より入力されたパラメータ設定値から選択することにより、前記電磁波信号及び前記超音波信号の送信タイミングを変更できる機構を具備することが好ましい。

前記制御部は、該制御部内に保存された又は外部より入力されたパラメータ設定値から選択することにより、濾波周波数を変更できる機構を具備することが好ましい。

前記制御部は、該制御部内に保存された又は外部より入力されたパラメータ設定値から選択することにより、濾波ゲインを変更できる機構を具備することが好ましい。

前記超音波受信部は、圧電素子、磁歪素子又はマイクロフォンのいずれかからなることが好ましい。

前記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（Ｍ≧１の整数）が割り当てられていることが好ましい。

前記超音波駆動信号生成部は前記超音波を位相変調することが好ましい。

前記疑似ランダム信号はＭ系列データであることが好ましい。Ｍ系列変調モデル波の周波数に対して、送信超音波の周波数が駆動周波数より高いため変調波の再現性が高く、受信波とモデル波の相関性を高めることが可能となる。また、Ｍ系列データのビット列を選択することによって、システム全体の静音化を実現することができる。

前記超音波送信部を構成する超音波生成回路中に、可聴域の駆動信号を除去するための濾波部を有することが好ましい。これにより、可聴域に発生する音波強度をさらに抑制することができ、人に対するストレス低減が期待できる。

前記超音波送信部を構成する超音波生成回路中に、少なくとも該超音波発信周期に相当する周波数領域の音波を除去するための濾波部を有することが好ましい。

前記超音波送信部を構成する超音波生成回路中に、少なくともＭ系列符号の変調周期に相当する周波数領域の音波を除去するための濾波部を有することが好ましい。

前記超音波生成回路中に濾波器を有する該超音波送信部から空間に放出された直後の音波を、相関計算を行う上でのモデル波形とすることが好ましい。

前記Ｍ系列データは、４次の特性多項式から生成される１５ビットからなる符号であって、かつビット列の末尾が１１１１あるいは０００の並びとなっていることが好ましい。

前記Ｍ系列データは、４次の特性多項式から生成される１５ビットからなる符号であって、かつビット列の末尾が１１１１０００の並びとなっていることが好ましい。

（実施例１）
次に、本発明に係る実施例について電子ペンシステムを例にとり図１乃至１０を参照して詳細に説明する。なおこれに限らず、本発明は例えばロボットシステムにおいて超音波発信部を障害物に設置し、受信部をロボットに設置することにより、障害物までの距離を算出することによる回避行動の制御や、医療看護システムにおいて超音波発信体を患者に装着しその居場所を特定すること等にも適用可能である。

また、超音波の変調方式については、擬似ランダム信号で自己相関性の高いＭ系列信号を用いて位相変調を行った場合を示しているが、その他の変調方式についても同様な効果が期待できる。更に変調の基本となる信号系列は擬似ランダム信号で自己相関性が高い信号系列であればよく、いわゆるＧｏｌｄ系列信号でも同様な効果が期待できる。

本発明における自己相関性の高い擬似ランダム信号による変調超音波信号を用いる場合、超音波信号の波数は従来用いられているバースト信号より多く、例えば、Ｍ系列信号による超音波信号の変調を試みた場合、少なくとも１５波必要であり、これまで電子ペン等で発生している音に比べ、少なくともエネルギー的に５倍以上の音が発生し、人が音を気にすることなく描画できるレベルを逸脱する場合が生じうる。

また、Ｍ系列符号の特徴として、符号の反転が起こる周期は１符号〜４符号に至る場合があり、超音波発信信号周波数の１／２、１／３、１／４の周波数に音のピークを持つ可能性が高い。この周波数が可聴域に入ると超音波発信時の音の強度が上がり、やはり描画時に人にストレスを与えてしまうことがある。これらの問題は超音波信号を特定の方式で変調し、波数が増えた場合に必然的に生じるものである。

図１は本発明に係る超音波伝播時間測定システムの一実施例であり、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のブロック図を示す。このシステムはスイッチ１１、１１’と送信部２とを有する電子ペン１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（波形）生成回路（又は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、濾波器（濾波回路）１０７とから構成される。

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駆動信号の波形の１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が具備するノーマルモードスイッチ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濾波器１０７を経由して超音波送信器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が、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。ここで、データ処理回路２０６は、超音波の音圧計測ブロック２０７及び超音波の周波数計測ブロック２０８を含む。

超音波受信器（圧電素子または磁歪素子またはマイクロフォン）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（主ピーク）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播時間を算出する。

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に至る超音波の伝播時間を算出する。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、超音波伝播時間はｔ×ＤＴとして算出できる。

以上に述べた方法によって、基本的な超音波伝播時間の計測を基に電子ペンの描画を実現することができる。この状態で送信部電子ペン内の送信部２に濾波器（濾波回路）がない場合の電子ペンから放射される超音波の周波数特性を図５に示す。Ｍ系列ビット列にて変調された超音波駆動信号は、実質的に図５(ａ)中に示された矩形波に近い特性を有している。したがって「１０」、「０１」のビットパターン部分は駆動信号周波数に等しいが、「１１００」や「００１１」部分は１／２の周波数で駆動されているに等しくなる。同様に１／３、１／４の周波数成分が駆動周波数に含まれている。したがって空間に放出される超音波信号も駆動周波数の１／２、１／３、１／４の周波数成分の音圧が高いため、それらの周波数が可聴域にある場合、人に聞こえるようになる。

また、Ｍ系列で変調された超音波は最低でも１５波存在し、これまでよく用いられていた１〜３波のバースト波に対して波数が多く音波のエネルギーも大きくなるため、電子ペン等の応用においては人にストレスを与える場合が生じる。更に、超音波発信周期は１０〜２０ｍｓであることが多く、この周期で発生する超音波はマクロに見ると５０〜１００Ｈｚの音になる。この周波数領域の音も人にはジリジリといった音に聞こえるため、やはり人によってはストレス要因になりうる。従って、まず電子ペン内の送信部２に濾波器を設置する構成にすることで、可聴域に発生する音を抑圧することが可能となり、快適な電子ペンシステムを構築する手段を有することができる。

更に、受信部３に超音波の周波数及び音圧を測定可能な手段を持つことにより、超音波駆動周波数やその音圧の変更に応じて、最適な超音波駆動条件を設定することができ、圧電素子等の製造時の性能ばらつき（共振現象を利用するため、比較的大きなばらつきを有する）を吸収し、高速高精度な超音波伝播時間測定を行うことが可能となる。

同時に、超音波送信側のＭ系列ビット列パターンを変更した場合の受信超音波の音圧変動も測定可能となるため、特定のＭ系列ビット列パターンを選択することによって、静音化を実現することができる。

以上に述べた超音波伝播時間測定システムの静音化及び高速高精度化は、次のような手順にて実現可能となる。まず、電子ペン１の初期モード設定スイッチ１１’及び受信部３の初期モード設定スイッチ２１にて、図１に示される受信部３内の超音波音圧計測ブロック２０７及び周波数計測ブロック２０８と電子ペン１内の送信部２の制御回路１０１をアクティブにする。初期モードの設定は各々機械的なスイッチ等で設定することが可能であるが、受信部３側については、例えばＰＣ等に接続できるように構成された入出力部２１０を介して外部から設定することも可能である。

この状態で、まず電子ペン１内の送信部２からＭ系列ビット列の異なるパターンを順に送信し、受信部３においては、受信した超音波音圧のピーク値、あるいは平均音圧等を計測、比較することで、受信超音波の音圧を最も小さくするＭ系列ビット列パターンを決定することが可能となる。

次に電子ペン１の送信部２より駆動周波数を変化させた信号を所定のパターンにて送信し、受信部３にて受信波形とモデル波形の相関計算を実施し、最も相関値の高くなる駆動周波数を決定することが可能となる。なお、この場合、受信部３にてモデル波形を変更する必要があるため、各々の駆動周波数に対応した赤外線信号トリガパターンを発信すれば、より簡単に設定変更が可能となる。もしその様な赤外線信号がなくとも、予め決められた範囲とステップにてモデル波形を連続的に変更することでも対応可能である。

次に、濾波器（濾波回路）１０７の減衰率、極周波数を変化させた所定のパターンにて超音波を繰り返し送信し、操作者が最も描画音が小さくなるパターンを入出力部２１０を介して選択入力するか、初期モード設定スイッチ１１’、２１により選択決定する。最後に赤外線信号及び超音波信号発生間隔を変化させ、最も音が小さく感じる周期を選択して、初期モード設定スイッチ１１’、２１により、及び／又は外部からの入力により、電子ペン１及び受信部３の設定を決定する。

以上に述べた初期モード設定スイッチについては、電子ペン１内の送信部２の制御回路１０１や受信部３のデータ処理回路２０６に接続されたディップスイッチ等を用いることで実現可能であり、その他の公知のスイッチも利用可能である。もちろん受信部３については、入出力部２１０を介して設定することができる。このような構成をとることで、超音波の伝播時間測定の精度を向上させ、高速な描画を実現すると伴に、低騒音で快適な描画を実現することが可能となる。

（実施例２）
図２は、第二の実施例を示す図であり、電子ペン１及びその送信部２及び受信部３に通信部が各々設置されている例を示す。電子ペン１の送信側通信部１０８は制御回路１０１に接続されており、受信部３の受信側通信部２０９はデータ処理回路２０６に接続されている。ここで、第一の実施例と同様のシーケンスで受信部３に接続された入出力部２１０を介してＭ系列パターン、駆動周波数、濾波器（濾波回路）の特性を決定すれば、そのデータを基に、電子ペン１と受信部３との通信によって、自動的に電子ペン１の特性を設定することが可能となる。また、電子ペン１の設定データも受信部３側に記録しておくことも可能であり、１つの受信部に対して多数の電子ペン性能を最適化することも可能である。なお、通信方式は有線／無線を問わず、どの様な方式であっても構わない。

図３はＭ系列データにて、位相変調された超音波駆動信号の一例を示した図である。
「１００１１０１０１１１１０００」のビット列に対応させたもので、このビット列を巡回することで１５通りのＭ系列を生成することができる。実際に電子ペン１より、１５通りのＭ系列データによって変調された超音波駆動信号を、順に圧電素子より空間に放出し、受信部３にて受信された超音波信号の音圧を測定し、そのピークあるいは平均音圧等が最も小さくなるパターンを選択することによって、電子ペンシステムとしての静音化を実現することができる。

図４は、電子ペン１内の送信部２の超音波送信器１０４の一例である圧電素子に対して、超音波駆動信号を加えて空間に放射された超音波信号の周波数特性の一例を示している。周波数帯域の広い位相変調された超音波信号を、周波数帯域の狭い圧電素子を用いて送信する必要上、少しでも周波数帯域を稼ぐために、圧電素子を、その共振周波数より低い周波数の位相変調された信号で駆動することによって、位相変調部分の相関特性を向上させ、信号識別性能を向上させている。最もよい条件の一つは、超音波駆動周波数が圧電素子の共振周波数の１／２になる場合である。

ここで、圧電素子の共振周波数及びピークゲインは圧電素子の形状、材料特性、組み立て精度に大きく依存するため、上記共振周波数と駆動周波数の２：１の関係を維持するためには、駆動周波数が可変であれば、先に述べた歩留まり悪化要因を一気に吸収することが可能であり、システムとしての高速高精度化を安定的に得ることが可能である。また、駆動信号ゲインも同時に可変とすることも可能であり、この調整を行うことによって、更に相関特性を向上させることも出来る。

図１０は、電子ペン１内の送信部２の圧電素子（超音波送信器）１０４の駆動回路中に組み込まれた濾波器の例を示す。回路（ａ）は低域をカットする濾波回路の１例であり、回路（ｂ）は特定の周波数帯域のみをカットする濾波回路の１例である。濾波回路は圧電素子を駆動するための昇圧回路の前に組み込むと、昇圧器（トランス等コイルが用いられることが多い）の特性が加わるため、昇圧後の回路に組み込むことが好ましい。また、高圧部であるため、部品の耐圧に注意し可能な限り受動部品で構成させることが好ましい。

図６は、高域通過濾波器を挿入した場合の送信波の周波数特性を示す。濾波器がない場合の電子ペンから放射される超音波の周波数特性は先に示したように図５のようになるため、まず図６の様に、駆動周波数以上を通過させ、それ以下の音波を抑制する高域通過濾波器を挿入すると、図５に比べて駆動周期及び超音波駆動周波数の分周周波数ともダンピングされ、人に聞こえる音圧は大幅に抑制されることになる。

但しこの超音波発信信号は低域の周波数成分を持たないため、位相変調部分のゲインが小さくなって、相関値が下がる傾向にある。図７は、Ｍ系列に依存する分周周波数領域にノッチフィルタを挿入した場合の送信波の周波数特性を示す。図７に示すように、問題となる周波数領域のみにフィルタリングを行うと、欠落する周波数成分が小さくなり、全体的なシステムパフォーマンスの低下を最小限度にして、静音化を実現することが可能になる。但し、コストアップ要因になるため、最も効果の高い周波数を選別することが肝要である。

図８は、濾波された送信波を参照波形とした場合の相関値の変化の１例を示すものである。欠落する周波数成分を補填する意味で、相関計算を行う参照波形を、フィルタリングされた後の超音波発信波形とした場合の効果を示す。図８(ａ)はフィルタリング前の波形、図８（ｂ）はフィルタリング後の波形を示す。参照波形をフィルタリング後の発信波形とすることで、相関値の最大ピークとその前のピークのゲイン差が０．１から０．４へ拡大している結果、相関計算によるピーク探査の精度が向上する可能性が高いことがわかる。

図９(ａ)〜図９（ｃ）はＭ系列ビット列によって、超音波発信信号の音圧が変化していることを示す一例である。ここでは、Ｍ系列ビット列の末尾が連続同ビット連続するほど音圧ピークが小さくなっていることが分かり、更に最後のビット列が「１１１１０００」となっている場合が最も音圧が低くなることが分かっている。このようにＭ系列ビット列を選択することによっても静音化を実現することができる。

以上、本発明を上記実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態の構成にのみ制限されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

１ 電子ペン
２ 送信部
３ 受信部
１１ ノーマルモードスイッチ
１１’ 初期モード設定スイッチ
２１ 初期モード設定スイッチ
１０１ 制御回路
１０２ Ｍ系列（波形）生成回路
１０３ 超音波駆動回路
１０４ 超音波送信器
１０５ 赤外線駆動回路
１０６ 赤外線送信器（電磁波送信部）
１０７ 濾波器（濾波回路）
１０８ 送信側通信部
２０１ 超音波受信器（超音波受信部）
２０２ サンプリング回路
２０３ 赤外線受信器（電磁波受信部）
２０４ 検出回路
２０５ メモリ
２０６ データ処理回路
２０７ 音圧計測ブロック
２０８ 周波数計測ブロック
２０９ 受信側通信部
２１０ 入出力部

Claims (20)

1. 送信タイミングを表す電磁波信号と超音波信号とを送出する送信部と、
   送出された該電磁波信号と該超音波信号とをそれぞれ検出するとともに、該電磁波信号と該超音波信号の受信時間から超音波伝播時間を計算する受信部と、からなる超音波伝播時間測定システムであって、
   該送信部で該信号の送出を制御する制御部及び該受信部で該検出と該計算を制御するデータ処理部において、１以上の設定用パラメータの設定値を選択することにより、最適な超音波送受信系を構築する、初期モード設定機構を具備することを特徴とする超音波伝播時間測定システム。
2. 前記送信部に、
   電磁波駆動部により駆動され、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部と、
   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超音波駆動信号生成部と、
   該超音波駆動信号により駆動され、該超音波駆動信号の基本周波数より高い周波数の超音波信号を送出する圧電又は磁歪素子からなる超音波送信部と、を具備し、
   前記受信部に、
   送出された前記電磁波信号を検出する電磁波受信部と、
   送出された前記超音波信号を検出する超音波受信部と、
   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播時間を算出するデータ処理部と、
   送信用の超音波を濾波する、超音波駆動信号生成部に関連した超音波濾波部と、
   受信超音波の音圧及び周波数を測定する、前記データ処理部に関連した計測部と、
   を具備することを特徴とする、請求項１に記載の超音波伝播時間測定システム。
3. 前記データ処理部と外部との間でデータ入出力可能な入出力部を具備することを特徴とする、請求項２に記載の超音波伝播時間測定システム。
4. 前記制御部と前記データ処理部との間で相互に通信を行うための通信部を具備することを特徴とする、請求項２又は３に記載の超音波伝播時間測定システム。
5. 前記制御部は、前記自己相関性の高い擬似ランダム信号にて変調された超音波駆動信号パターンを、該制御部内に保存された又は外部より入力されたパラメータ設定値から選択することにより、変更できる機構を具備することを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一に記載の超音波伝播時間測定システム。
6. 前記制御部は、該制御部内に保存された又は外部より入力されたパラメータ設定値から選択することにより、超音波駆動周波数を変更できる機構を具備することを特徴とする、請求項２〜５のいずれか一に記載の超音波伝播時間測定システム。
7. 前記制御部は、該制御部内に保存された又は外部より入力されたパラメータ設定値から選択することにより、前記電磁波信号及び前記超音波信号の送信タイミングを変更できる機構を具備することを特徴とする、請求項２〜６のいずれか一に記載の超音波伝播時間測定システム。
8. 前記制御部は、該制御部内に保存された又は外部より入力されたパラメータ設定値から選択することにより、濾波周波数を変更できる機構を具備することを特徴とする、請求項２〜７のいずれか一に記載の超音波伝播時間測定システム。
9. 前記制御部は、該制御部内に保存された又は外部より入力されたパラメータ設定値から選択することにより、濾波ゲインを変更できる機構を具備することを特徴とする、請求項２〜８のいずれか一に記載の超音波伝播時間測定システム。
10. 前記超音波受信部は、圧電素子、磁歪素子又はマイクロフォンのいずれかからなることを特徴とする、請求項２〜９のいずれか一に記載の超音波伝播時間測定システム。
11. 前記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（Ｍ≧１の整数）が割り当てられていること特徴とする、請求項２〜１０のいずれか一に記載の超音波伝播時間測定システム。
12. 前記超音波駆動信号生成部は前記超音波を位相変調することを特徴とする、請求項２〜１１のいずれか一に記載の超音波伝播時間測定システム。
13. 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２〜１２のいずれか一に記載の超音波伝播時間測定システム。
14. 前記超音波送信部を構成する超音波生成回路中に、可聴域の駆動信号を除去するための濾波部を有することを特徴とする、請求項２〜１３のいずれか一に記載の超音波伝播時間測定システム。
15. 前記超音波送信部を構成する超音波生成回路中に、少なくとも該超音波発信周期に相当する周波数領域の音波を除去するための濾波部を有することを特徴とする、請求項２〜１４のいずれか一に記載の超音波伝播時間測定システム。
16. 前記超音波送信部を構成する超音波生成回路中に、少なくともＭ系列符号の変調周期に相当する周波数領域の音波を除去するための濾波部を有することを特徴とする、請求項２〜１５のいずれか一に記載の超音波伝播時間測定システム。
17. 前記超音波生成回路中に濾波器を有する該超音波送信部から空間に放出された直後の音波を、相関計算を行う上でのモデル波形とすることを特徴とする、請求項２〜１６のいずれか一に記載の超音波伝播時間測定システム。
18. 前記Ｍ系列データは、４次の特性多項式から生成される１５ビットからなる符号であって、かつビット列の末尾が１１１１あるいは０００の並びとなっていることを特徴とする、請求項１３〜１７のいずれか一に記載の超音波伝播時間測定システム。
19. 前記Ｍ系列データは、４次の特性多項式から生成される１５ビットからなる符号であって、かつビット列の末尾が１１１１０００の並びとなっていることを特徴とする、請求項１３〜１８のいずれか一に記載の超音波伝播時間測定システム。
20. 送信タイミングを表す電磁波信号と、超音波信号とを送出し、受信した該電磁波信号と該超音波信号との受信時間から超音波伝播時間を測定する方法であって、
    超音波駆動信号パターン、超音波駆動周波数、超音波濾波特性並びに該電磁波信号及び該超音波信号の送信タイミングのうちの少なくとも１つのパラメータについて、複数の選択肢より設定値を選択する初期モード設定工程を含むことを特徴とする、超音波伝播時間測定方法。

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