WO2008010272A1 - système de détection de position d'un objet mobile - Google Patents

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WO2008010272A1
WO2008010272A1 PCT/JP2006/314289 JP2006314289W WO2008010272A1 WO 2008010272 A1 WO2008010272 A1 WO 2008010272A1 JP 2006314289 W JP2006314289 W JP 2006314289W WO 2008010272 A1 WO2008010272 A1 WO 2008010272A1
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WO
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sensor
sound source
position detection
coordinates
ultrasonic
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PCT/JP2006/314289
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French (fr)
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Hiroshi Yamanaka
Yoshifumi Watabe
Yoshiaki Honda
Tomoo Otsuka
Hiromichi Goto
Kosaku Kitada
Kazuo Sawada
Hiroshi Kawada
Original Assignee
Panasonic Electric Works Co., Ltd.
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Publication date
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Priority to PCT/JP2006/314289 priority patent/WO2008010272A1/ja
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    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
    • G01S5/20—Position of source determined by a plurality of spaced direction-finders
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    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/80—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • G01S3/802—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/808—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using transducers spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems

Definitions

  • the present invention relates to a position detection system for detecting the position of a moving body moving within a facility, and more specifically, an array sensor in which ultrasonic waves emitted from a sound source mounted on a moving body are installed at a fixed position of the facility
  • This is related to a system that detects the position of a moving object in a facility and transmits the detected position data to an external monitoring device.
  • Japanese Patent Publication JP7-140241 discloses a conventional system for detecting the position of a moving body in a facility.
  • This system is configured to detect the position of the moving object by receiving the ultrasonic waves from the two ultrasonic transmitting sources by the moving object and determining the distance between the moving object and these two ultrasonic transmitting sources.
  • This system requires two ultrasonic sources, making it difficult to install in the facility, and it is necessary to synchronize the ultrasonic waves from each ultrasonic source, which complicates the system. is there.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and employs an array sensor.
  • the number of ultrasonic transmission sources can be reduced to simplify the installation work at the facility, and the position of the moving body within the facility can be accurately detected to accurately measure the movement line of the moving body.
  • An object is to provide a position detection system that can.
  • a mobile body position detection system is mounted on a mobile body arranged in a facility and transmits an ultrasonic wave, and is fixed to a fixed position in the facility.
  • a position detection module that continuously detects the position of the moving body based on reference coordinates for determining the position in the facility and creates time series data of the detected position, and the time series data is externally monitored.
  • the position detection module includes an array sensor in which a plurality of receiving elements that receive ultrasonic waves of the ultrasonic transmitter force are two-dimensionally arranged, and a position detection unit. This array sensor has a unique sensor coordinate determined by the direction in which the plurality of receiving elements are arranged.
  • the position detection unit detects the azimuth of the sound source in the sensor coordinates based on the time lag of the ultrasonic waves arriving at the receiving elements from the ultrasonic transmitter. A distance between one of the receiving elements and the sound source is obtained, and the position of the moving body in the sensor coordinates is determined based on the azimuth and distance.
  • the position detecting module further includes a calibration unit for obtaining a position of the array sensor in the horizontal plane at the reference coordinate and an inclination angle of the sensor coordinate with respect to the reference coordinate in the horizontal plane. Then, based on the position and inclination angle of the array sensor obtained by the calibration unit, the position of the moving body obtained by the sensor coordinates is converted into a position within the reference coordinates.
  • a position correction unit for determining the detection position of the moving body in the reference plane For this reason, in the present invention, a large degree of freedom is given to the position and angle at which the array sensor is attached to the facility, the array sensor can be installed at an arbitrary position in the facility, and the position of the moving object can be accurately detected. It is possible to perform accurate flow line measurement of the moving body.
  • the calibration unit includes a buffer and arithmetic logic.
  • This buffer stores the first low force level in the sensor coordinates obtained by the array sensor when the first reference position force and the second reference position force ultrasonic waves in the reference coordinates are transmitted. Each of which holds a position and a second local position.
  • the position of the array sensor in the reference coordinates and the inclination angle of the sensor coordinates with respect to the reference coordinates are determined from the first local position and the second local position in the coordinates. For this reason, after installing the array sensor in the facility, the calibration unit is operated only once to obtain the position of the array sensor at the reference coordinates and the inclination of the sensor coordinates with respect to the reference coordinates.
  • the exact position of the moving body in the facility can be detected.
  • an ultrasonic transmitter As the above-described ultrasonic transmitter, a support substrate, a heating element layer formed on one surface side of the support substrate, and a support substrate and a heating element layer interposed on the one surface side of the support substrate. It is desirable to use an ultrasonic generating element that includes a heat insulating layer and generates ultrasonic waves as the temperature of the heating element layer changes with energization of the heating element layer.
  • An ultrasonic transmitter with such a configuration can generate an ultrasonic wave with a short reverberation time with a small Q value of the resonance characteristics and a short generation period, and shortens the dead zone due to the reverberant component of the ultrasonic wave. Accurate position detection.
  • the wave receiving element is constituted by a capacitance type microphone that converts the sound pressure of the ultrasonic wave into a change in capacitance.
  • the Q value of the resonance characteristics of the receiving element can be reduced, and the reverberation time in the received signal generated when receiving the ultrasonic wave by the receiving element can be shortened.
  • the dead zone caused by the reverberant component in the output received signal can be shortened, and accurate position detection can be performed.
  • the sound source includes a trigger signal transmitter that transmits a trigger signal, and a controller that transmits the ultrasonic wave in synchronization with the trigger signal.
  • the position detection module includes a trigger signal receiver that receives the trigger signal, and the position detection unit receives the trigger signal and one of the receiving elements receives the ultrasonic wave.
  • the distance between the sensor array and the sound source is determined from the difference from the time. For this reason, the array sensor can be used to measure the distance between the sound source and the moving object, and the position of the moving object is detected.
  • a trigger signal transmitter for transmitting a trigger signal is provided on the position detection module side fixed to a fixed position of the facility, and the above sound source receives the trigger signal when the trigger signal is received. It is also possible to provide a controller for transmitting sound waves. In this case, the position detection unit obtains the distance between the sensor array and the sound source from the difference between the time when the trigger signal is transmitted and the time when one of the receiving elements receives the ultrasonic wave. The distance between the sound source and the moving object can be measured.
  • the sound source of each mobile body is provided with an identification code transmitter that transmits a unique identification code so that the positions of the plurality of mobile bodies in the facility can be detected, respectively.
  • the module is provided with a sound source identification unit that receives the identification code.
  • the sound source identification unit is configured to associate the received identification code with the above time-series data, whereby a sound source, that is, a mobile object can be specified, and a plurality of mobile objects can be identified by one position detection module. Can be accurately detected.
  • each sound source mounted on the mobile body may include a controller that transmits ultrasonic waves in synchronization with the identification code.
  • the position detection module is provided with a sound source identification unit that receives the identification code, and the sound source identification unit gives the time when the identification code is received to the position detection unit.
  • the position detection unit obtains the distance between the sensor array and the sound source from the difference between the time when the identification code is received and the time when one of the receiving elements receives the ultrasonic wave, and the sound source identification
  • the unit is configured to associate the received identification code with the time series data. According to this configuration, the distance between the moving body and the sound source can be obtained by using the identification code for detecting the individual moving positions of the plurality of moving bodies.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of use of a position detection system for a moving body according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the relationship between sensor coordinates of an array sensor used in the present invention and reference coordinates that specify the position of a moving object in a facility.
  • FIG. 3 is a plan view showing an arrangement method of receiving elements in the array sensor same as above.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of a system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing a method for detecting the direction of a sound source using the above array sensor.
  • FIG. 6 (A), (B), (C), and (D) are explanatory diagrams showing a method for detecting the direction of the sound source.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing the direction of the moving body from the array sensor same as above.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a method for detecting the position of a moving object.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a method for detecting the position of a moving object.
  • FIG. 10 is a flowchart showing an array sensor calibration method in the system.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a thermal excitation type ultrasonic generator used in the system described above.
  • FIG. 12 is a waveform diagram of ultrasonic waves generated by the thermal excitation type ultrasonic generating element.
  • FIG. 13 is a partially cutaway perspective view showing the configuration of a capacitive microphone used in the system described above.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the electrostatic capacity microphone of the above.
  • the position detection system for a moving body is preferably used for detecting the position of the moving body M in a facility and measuring the flow line of the moving body.
  • the sound source 10 mounted on the moving body M that moves in the facility and the position measuring device 30 that is fixed at a fixed position in the facility, for example, a predetermined position on the ceiling.
  • the sound source 10 includes an ultrasonic transmitter 20 and intermittently transmits ultrasonic waves having a short reverberation time.
  • the position measurement device 30 includes a position detection module 40 and an output module 90 that wirelessly transmits time series data related to the position measured by the position measurement module to the external monitoring device 100.
  • the position detection module 40 includes an array sensor 50 that receives ultrasonic waves from the ultrasonic transmitter 20, and the array sensors 50 are equally spaced in a two-dimensional plane on a substrate 51 as shown in FIG. Is composed of six receiving elements 52 to 52, and four receiving elements 52 to 52.
  • the direction in which 1 6 1 4 is arranged in a row is the X axis, and three receiving elements 52, 52, 52 are arranged perpendicular to this.
  • the center-to-center distance d of the receiving element is set to 0.5 to 5 times the wavelength of the ultrasonic wave used.
  • the sound source 10 is provided with a trigger signal generator 16 and a controller 14 that periodically transmit a trigger signal by light or radio waves, and the controller 14 outputs the above-described ultrasonic wave in synchronization with the trigger signal.
  • a trigger signal and an ultrasonic wave are transmitted every second.
  • the position detection module 40 includes a trigger receiver 46 that receives a trigger signal, recognizes the time when the trigger signal is received, and then analyzes the ultrasonic waves that reach the array sensor 50, and will be described below. As described above, the orientation of the moving body M with respect to the array sensor 50 and the distance S between the array sensor 50 and the moving body M are obtained, and the position of the moving body M is determined.
  • the receiving elements 52 to 52 output electrical signals corresponding to the received signals, and convert the electrical signals to AZD conversion.
  • the intensity value of the converted ultrasonic wave is held in the data buffer 42 together with the time determined by the output of the trigger receiver 46 described above.
  • the position detection module 40 is provided with a position detection unit 60.
  • the position detection unit 60 reads the data in the data buffer 42, and determines the direction of the moving body M with respect to the array sensor 50 and between the array sensor 50 and the moving body M. Find the distance S. First, the direction determination method will be described with reference to FIGS. Drawing In the following description, the position of the array sensor 50 is displayed and described at the origin of the XY horizontal plane in the reference coordinates and the XY horizontal plane in the sensor coordinates.
  • the azimuth of the moving body M that is, the sound source 10 with respect to the array sensor 50 is determined by the azimuth angle ( ⁇ X) in the vertical plane including the X axis of the sensor coordinates and the azimuth angle ( ⁇ y These azimuth angles (0 ⁇ , ⁇ ⁇ ) are determined by the receiving elements 52 to 52 arranged along the X axis, and the y axis
  • the four receiving elements arranged on the X-axis are time-shifted to an electrical signal in which the ultrasonic wave from the sound source 10 is incident at 0 angle and the receiving element force is also output. Occurs.
  • This time shift is a function of the incident angle ⁇ X, where d is the center-to-center distance between each receiving element, When the speed of sound is c, it is expressed by the following equation.
  • the three receiving elements 52, 52, and 52 are also matched to match the time of the output electrical signal.
  • the electrical signal from the wave element is delayed through the delay circuits 55, 55, 55 and
  • the total value that the output signals from the receiving elements are not added at the same time falls below a predetermined value.
  • the azimuth ( ⁇ y) of the sound source in the vertical plane including the y axis is obtained.
  • the array sensor 50 that is, the moving object M and the sound source
  • the distance S is calculated, and the position p (xl, yl, Zl) of the moving body M in the sensor coordinates is determined based on the ⁇ ⁇ , ⁇ y and force obtained above, and the following formula.
  • the calibration unit 72 is calibrated to perform a calibration routine shown in the flowchart of FIG. Known first reference position [P (X, Y)]
  • X G2 X def + ( X L2 - ⁇ Se def — ⁇ ef)
  • Y G 2 y def + (y L 2 ' ⁇ s6 def + x L2 -sin0 def )
  • Eq. 11 and Eq. 12 are used to calculate 0 del ⁇ by the following formula,
  • the position P (Xdef, Ydef) in the reference coordinates of the array sensor and the tilt angle ( ⁇ def) obtained by the calibration unit 72 are stored in the nonvolatile memory in the calibration unit 72.
  • the position p (x, y) of the moving body in the sensor coordinates obtained by the position detection unit 60 is held at V ⁇ , and is substituted into the power 5 and 6
  • the sensor coordinate force is also converted into the position data to the reference coordinates. Note that the position in the Z direction at the reference coordinates is the same as the position in the Z direction at the sensor coordinates.
  • the finally obtained position data within the reference coordinates is related to the time output from the timer 47 that is activated by receiving the trigger signal, and indicates the movement of the position of the moving object over time.
  • the output module 90 periodically reads the data table in the memory 80 and transmits it to the external monitoring device 100 by radio.
  • the monitoring device 100 is configured by a computer, processes the time-series data of the position information indicated by the data table transmitted from the position measurement device 30, and displays the movement line result of the moving object on the monitor, It is configured to issue a report by operating the printer.
  • the output module 90 includes, for example, a serial transfer system interface such as TIA / EIA 232—E or USB, or a parallel transfer system interface such as SCSI, etc., and is held in the memory 80.
  • a serial transfer system interface such as TIA / EIA 232—E or USB
  • a parallel transfer system interface such as SCSI, etc.
  • the sound source 10 is further provided with an identification code transmitter 18.
  • the sound source 10 transmits an identification code for identifying the sound source by light or radio waves, and a plurality of mobile objects M are used based on the identification code of the sound source 10. I try to distinguish.
  • the position detection module 40 includes an identification code receiver 48 that receives an identification code, and a sound source identification unit 49 for identifying a sound source based on the received identification code.
  • the sound source identification unit 49 adds an identification code indicating the identified sound source to the data table of the position data held in the memory 80 described above.
  • the monitoring apparatus 100 can process the positional information in association with the corresponding moving bodies, and can accurately perform the flow line measurement of the plurality of moving bodies used in the facility. I can do it.
  • the time series data in the memory 80 is given, for example, in the data table format shown in Table 1 below, and the monitoring device 100 can process this data to obtain the flow line trajectories of a plurality of moving bodies.
  • the position detection module 40 discards the data in the data buffer 42 and accumulates new data.
  • the ultrasonic transmitter 20 is configured to intermittently generate an ultrasonic wave having a short reverberation time, that is, to intermittently generate an ultrasonic wave having a short generation period. For this reason, a thermally excited element having a structure as shown in FIG. 11 is used.
  • This element has a heating element layer 23 made of a metal thin film (for example, a tungsten thin film) through a thermal insulating layer 22 having a porous silicon layer force on the upper surface of a support substrate 21 having a single crystal rho-type silicon substrate force 23. And a pair of pads 24 electrically connected to the heating element layer 23 is formed on the upper surface side of the support substrate 21.
  • an ultrasonic wave is generated in accordance with a temperature change of the heat generating layer 33 accompanying energization to the heat generating layer 23, and a drive voltage applied to the heat generating layer 23
  • the waveform of the drive current is a sine wave waveform with a frequency of fl, for example, an ultrasonic wave having a frequency approximately twice the frequency f 1 can be generated.
  • the frequency of the generated ultrasonic wave can be changed over a wide range. If the waveform of the drive voltage or drive current is an isolated wave, it is almost 1 as shown in Fig. 12. Periodic ultrasonic waves can be generated.
  • the thermal insulation layer 22 is composed of a porous silicon layer having a porosity of approximately 70%.
  • a porous silicon layer serving as the thermal insulating layer 22 can be formed by anodizing a part of the silicon substrate used as the support substrate 21 in an electrolyte solution composed of a mixed solution of hydrogen fluoride aqueous solution and ethanol. it can.
  • the conditions for anodizing treatment for example, current density, energization time, etc.
  • the porous silicon layer, the thermal conductivity and heat capacity becomes smaller as the porosity becomes higher, for example, thermal conductivity 148WZ (m'K), heat capacity 1.
  • thermal conductivity 148WZ (m'K) thermal conductivity 148WZ (m'K)
  • heat capacity 1.
  • a porous silicon layer formed by anodizing a single crystal silicon substrate with a porosity of 60% has a thermal conductivity of 1 WZ (m'K) and a heat capacity of 0.7 X 10 6 j / ( m 3 'K).
  • the thermal insulating layer 22 is composed of a porous silicon layer having a porosity of approximately 70%, the thermal conductivity of the thermal insulating layer 22 is 0.12 WZ (m′K), and the heat capacity.
  • the thermal conductivity and thermal capacity of the thermal insulating layer 22 are made smaller than the thermal conductivity and thermal capacity of the support substrate 21, and the product of the thermal conductivity and thermal capacity of the thermal insulation layer 22 is the thermal conductivity of the support substrate 21.
  • the temperature change of the heating element layer 23 can be efficiently transmitted to the air, and efficient heat exchange occurs between the heating element layer 23 and the air.
  • the support substrate 21 can efficiently receive the heat from the heat insulating layer 22 and release the heat from the heat insulating layer 22 so that the heat from the heating element layer 23 is accumulated in the heat insulating layer 22. It can be prevented.
  • the heating element layer 23 is made of tungsten, which is a kind of refractory metal, and has a thermal conductivity of 174 WZ (mK) and a heat capacity of 2.5 X 10 6 jZ (m 3 'K). Yes.
  • the material of the heating element layer 23 is not limited to tungsten, and for example, tantalum, molybdenum, iridium, or the like may be employed.
  • the thickness of the support substrate 21 is 525 m
  • the thickness of the thermal insulating layer 22 is 10 ⁇ m
  • the thickness of the heating element layer 23 is 50 nm.
  • the thickness of the pad 34 is 0.5 ⁇ m, these thicknesses are merely examples and are not particularly limited.
  • the force of adopting Si as the material of the support substrate 21 The material of the support substrate 31 is not limited to Si, and other materials such as Ge, SiC, GaP, GaAs, and InP can be made porous by anodizing treatment. Other semiconductor materials may be used.
  • a capacitive microphone is used to reduce reverberation in the same manner as the ultrasonic wave generating element.
  • This microphone is formed by using a micromachining technique.
  • a rectangular frame 150 having a window hole 151 penetrating in a thickness direction in a silicon substrate, And a cantilever-type pressure-receiving film 152 disposed so as to straddle two opposing sides.
  • a thermal oxide film 155, a silicon oxide film 156, and a silicon nitride film 157 are formed on the upper surface side of the frame 150.
  • the pressure receiving film 152 is a silicon film formed separately from the silicon nitride film 156.
  • One end of the frame is supported on the frame 150 via the silicon nitride film 157 on one side of the frame, and the free end is opposed to the silicon nitride film 157 on the other side of the frame.
  • a fixed electrode 153 made of a metal thin film (for example, a chromium film) is formed on the silicon nitride film 157 on the frame facing the free end of the pressure receiving film 152, and the fixed electrode 153 is formed on the free end of the pressure receiving film 152.
  • a movable electrode 154 made of a metal thin film (for example, a chromium film) is formed on the upper surface opposite to the facing surface.
  • a silicon nitride film 158 is formed on the lower surface of the frame 150.
  • a capacitor having the fixed electrode 153 and the movable electrode 154 as electrodes is formed, and the pressure receiving film 152 receives the pressure of the ultrasonic wave so that the fixed electrode 1 53 and The distance between the movable electrode 154 changes, and the electrostatic capacity between the fixed electrode 153 and the movable electrode 154 changes. Therefore, if a DC bias voltage is applied between pads (not shown) provided on the fixed electrode 153 and the movable electrode 154, a minute voltage change occurs between the pads in accordance with the sound pressure of the ultrasonic waves. The sound pressure of ultrasonic waves can be converted into electrical signals.
  • the structure of the capacitance type microphone used as the wave receiving element 52 is not particularly limited to the above structure.
  • the structure is formed by processing a silicon substrate or the like by a micromachine technology or the like.
  • the gap length between the diaphragm and back plate in a state where no ultrasonic waves are received is defined between the movable electrode that receives the force of the diaphragm and the fixed electrode that consists of the back plate facing the diaphragm. It may have a structure in which a spacer portion made of an insulating film is interposed, and a plurality of exhaust holes are provided through the back plate portion.
  • the diaphragm is deformed by receiving ultrasonic waves, and the diaphragm is deformed.
  • the capacitance between the movable electrode and the fixed electrode changes as the distance between the flam and the back plate changes.
  • the Q value of the resonance characteristic is about 1, and the resonance of the wave receiving element 52 having the capacitance type microphone force shown in FIGS.
  • the Q value of the characteristic is about 3 to 4, which can shorten the dead zone caused by the reverberation component in the ultrasonic wave transmitted from the sound source 10 and is generated when the receiving element 52 receives the ultrasonic wave. Since the reverberation time in the received signal can be shortened and the dead zone caused by the reverberation component in the received signal output from the receiving element 52 can be shortened, the angle resolution can be improved.
  • Capacitance-type microphones have a Q value with low resonance characteristics, so that the range of received frequencies can be widened.
  • the Q values of the resonance characteristics of the sound source 10 and the receiving element 52 are both preferably 10 or less, and more preferably 5 or less.

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Description

明 細 書
移動体の位置検出システム
技術分野
[0001] 本発明は、施設内で移動する移動体の位置を検出するための位置検出システム、 更に詳しくは、移動体に搭載した音源から発せられる超音波を施設の定位置に設置 したアレイセンサで検知し、施設内での移動体の位置を検出して、検出された位置 データを外部の監視装置に送信するシステムに関するものである。
背景技術
[0002] 日本特許公開公報 JP7— 140241号公報は、施設内での移動体の位置を検出す るための従来のシステムを開示している。このシステムは 2つの超音波発信源からの 超音波を移動体で受信して、移動体とこれら 2つの超音波発信源との距離を求めるこ とで、移動体の位置を検出するように構成されている。このシステムでは、 2つの超音 波発信源を必要として施設への設置が煩雑となる上に、各超音波発信源からの超音 波を同期させる必要があり、システムが複雑になるといった問題がある。
[0003] 一方、日本特許公報特開 2005—49301号公報に開示されるように、複数の受波 素子を配列したアレイセンサを用いて、超音波を受信して、物体の位置を検出する方 式が提案されている。しかしながら、このアレイセンサを移動体に搭載し、施設の定位 置に固定した超音波発信源と組み合わせた場合、アレイセンサで検出可能なのは受 波素子の配列方向によって決まるセンサ座標内での移動体の位置が検出されるだ けであり、施設内における移動体の実際の位置を特定することが難しいという問題が ある。
[0004] また、施設内での複数の移動体を対象とする場合、各移動体に音源を搭載し、施 設の定位置にアレイセンサとこれに関連する演算処理回を設置することが望まれる。 しかしながら、この場合も、アレイセンサによって決まるセンサ座標を施設の基準座標 に合致させるための較正を行うことが求められる。
発明の開示
[0005] 本発明は上述の問題点を解消するためになされたものであり、アレイセンサを採用 して超音波発信源の数を少なくして施設への設置工事を簡略化させながら、施設内 での移動体の位置を正確に検出して、移動体の正確な動線計測を行うことができる 位置検出システムを提供することを目的とする。
[0006] 本発明に係る移動体の位置検出システムは、施設内に配置される移動体に搭載さ れて超音波を発信する超音波発信器と、上記施設内の定位置に固定されて、上記 施設内での位置を決定する基準座標に基づく上記移動体の位置を継続的に検出し てこの検出位置の時系列データを作成する位置検出モジュールと、この時系列デー タを外部の監視装置に出力する出力モジュールとを備える。上記の位置検出モジュ ールは、上記の超音波発信器力 の超音波を受ける複数の受波素子が 2次元配列さ れたアレイセンサと、位置検出ユニットを備える。このアレイセンサは、上記の複数の 受波素子が配列される方向によって決まる独自のセンサ座標を有する。上記の位置 検出ユニットは、上記の各受波素子に上記超音波発信器から到来する上記超音波 の時間的なずれに基づいて上記センサ座標内での上記音源の方位を検出すると共 に、上記受波素子の一つと上記音源との距離を求めて、上記の方位と距離に基づい て、上記センサ座標内での上記の移動体の位置を決定する。
[0007] 本発明の特徴は、上記の位置検出モジュールに更に、上記基準座標における水 平面内でのアレイセンサの位置及びこの水平面内での上記基準座標に対する上記 センサ座標の傾斜角度を求める較正ユニットと、この較正ユニットで求めた上記のァ レイセンサの位置と傾斜角度に基づ 、て、上記センサ座標で求めた上記移動体の 位置を、上記基準座標内での位置に変換して、これを上記基準平面内での上記移 動体の検出位置として決定する位置補正ユニットを備えたことである。このため、本発 明では、アレイセンサの施設への取り付け位置や角度に大きな自由度が与えられ、 施設の任意の位置へアレイセンサを設置できて、移動体の位置を正確に検出できて 、移動体の正確な動線計測を行うことが可能となる。
[0008] 好ましくは、上記の較正ユニットはバッファと演算ロジックで構成される。このバッファ は上記の基準座標内の既知の第 1の基準位置及び第 2の基準位置力 超音波が発 信された時に、それぞれ上記アレイセンサで求められたセンサ座標中での第 1ロー力 ル位置と、第 2のローカル位置とをそれぞれ保持し、上記の演算ロジックは上記セン サ座標中の上記第 1のローカル位置と第 2のローカル位置から上記の基準座標中で のアレイセンサの位置と、上記基準座標に対するセンサ座標の傾斜角度を求める。 このため、アレイセンサを施設に設置した後に、一度だけ、この較正ユニットを作動さ せることで、基準座標でのアレイセンサの位置及び、基準座標に対するセンサ座標 の傾きが求められ、その後は、このデータに基づいて、アレイセンサで求めるセンサ 座標内での移動体の位置を、基準座標での位置に変換することで、施設内での正確 な移動体の位置が検出できる。
[0009] 上記の超音波発信器として、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された発熱 体層と、支持基板の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁 層とを備え、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化に伴って超音波を発生 する超音波発生素子で構成することが望ま ヽ。このような構成の超音波発信器は、 共振特性の Q値が小さぐ残響時間が短くて発生期間の短い超音波を発生させるこ とができ、超音波の残響成分に起因した不感帯を短くして、正確な位置検出が行え る。
[0010] また、受波素子を、超音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量式のマイ クロホンで構成することが望ましい。この場合、受波素子の共振特性の Q値を小さく することができ、受波素子で超音波を受波したときに発生する受波信号における残 響時間を短くできて、前記受波素子から出力される受波信号における残響成分に起 因した不感帯を短くして、正確な位置検出を行うことができる。
[0011] 好ましくは、上記音源に、トリガ信号を発信するトリガ信号発信器と、上記の上記超 音波を上記のトリガ信号に同期させて発信させるコントローラが備えられる。この場合 、上記位置検出モジュールは上記のトリガ信号を受信するトリガ信号受信器を備え、 上記位置検出ユニットは、上記のトリガ信号を受けた時刻と、上記受波素子の一つが 上記超音波を受けた時刻とのずれから上記センサーアレイと上記音源との距離を求 めるように構成される。このため、アレイセンサを利用して、音源と移動体との距離を 計測できて、移動体の位置検出が行われる。
[0012] また、施設の定位置に固定される位置検出モジュール側に、トリガ信号を発信する トリガ信号発信器が設けられ、上記の音源に、上記トリガ信号を受信した時に上記超 音波を送波するコントローラが備えられることも可能である。この場合、上記位置検出 ユニットは、上記のトリガ信号を送信した時刻と、上記受波素子の一つが上記超音波 を受けた時刻とのずれから上記センサーアレイと上記音源との距離を求めるように構 成されて、音源と移動体との距離を計測できる。
[0013] 更に、本発明では、施設内での複数の移動体の位置をそれぞれ検出できるように、 各移動体の音源は固有の識別コードを発信する識別コード発信器が備えられ、上記 位置検出モジュールには、上記識別コードを受信する音源識別ユニットが設けられる 。この音源識別ユニットは、受信された識別コードを上記の時系列データに関連づけ るように構成され、これにより、音源、即ち移動体が特定できて、一つの位置検出モジ ユールで、複数の移動体の位置を正確に検出することができる。
[0014] また、移動体に搭載する各音源には固有の識別コードを発信する識別コード発信 器に加えて、超音波を上記の上記識別コードに同期させて発信させるコントローラを 備えることが可能である。この態様では、上記位置検出モジュールに、上記識別コー ドを受信する音源識別ユニットが設けられて、この音源識別ユニットは、上記識別コ ードを受信した時刻を上記位置検出ユニットに与える。この位置検出ユニットは、上 記の識別コードを受信した時刻と、上記受波素子の一つが上記超音波を受けた時刻 とのずれから上記センサーアレイと上記音源との距離を求め、上記音源識別ユニット は、受信された識別コードを上記の時系列データに関連づけるように構成される。こ の構成によると、複数の移動体について個々の移動位置を検知するための識別コー ドを利用して、移動体と音源との距離を求めることができる。
[0015] 上述した本発明の利点およびそれ以外の利点は、添付図面を参照する以下の実 施形態の詳細な説明から明確になる。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]本発明に係る移動体の位置検出システムの使用例を示す概略図。
[図 2]本発明に使用するアレイセンサのセンサ座標と、施設内での移動体の位置を特 定する基準座標との関係を示す模式図。
[図 3]同上のアレイセンサにおける受波素子の配列方式を示す平面図。
[図 4]本発明の一実施形態に係るシステムの構成を示すブロック図。 [図 5]同上のアレイセンサを使用した音源の方向を検出するための方式を示す説明 図。
[図 6] (A)、（B)、（C)、（D)は、同上の音源の方向を検出する場合の方式を示す説 明図。
[図 7]同上のアレイセンサからの移動体の方向を示す説明図。
[図 8]移動体の位置を検出する方式を説明する模式図。
[図 9]移動体の位置を検出する方式を説明する模式図。
[図 10]同上のシステムにおけるアレイセンサの較正方式を示すフローチャート。
[図 11]同上のシステムに使用する熱励起式の超音波発生素子の断面図。
[図 12]同上の熱励起式の超音波発生素子で発生する超音波の波形図。
[図 13]同上のシステムに使用する静電容量式のマイクロホンの構成を示す一部切り 欠き斜視図。
[図 14]同上の静電容量式のマイクロホンの断面図である。
発明を実施するための最良の形態
[0017] 図 1〜4に示すように、本発明に係る移動体の位置検出システムは、施設内での移 動体 Mの位置を検出して移動体の動線計測を行うために好適に使用されるものであ り、施設内で移動する移動体 Mに搭載される音源 10と、施設内の定位置、例えば、天 井の所定位置に固定される位置計測装置 30とで構成される。音源 10は超音波発信 器 20を備え、残響時間の短い超音波を間欠的に発信する。位置計測装置 30は、位 置検出モジュール 40と、位置計測モジュールで計測された位置に関する時系列デ ータを外部の監視装置 100へ無線により送信する出力モジュール 90とで構成される
[0018] 位置検出モジュール 40は超音波発信器 20からの超音波を受けるアレイセンサ 50 を備え、このアレイセンサ 50は、図 2に示すように、基板 51上で二次元平面内に等間 隔で配列された 6個の受波素子 52〜52にて構成され、 4つの受波素子 52〜52
1 6 1 4 がー列に並ぶ方向を X軸とし、これと直交して 3つの受波素子 52、 52、 52が並ぶ
2 5 6 方向を y軸とするセンサ座標を形成する。このアレイセンサ 50はその x—y平面が施 設の水平面と平行となるように施設に固定される。図 2に示すように、このセンサ座標 は、水平面内でのアレイセンサの向きによって、施設内での移動体の位置を最終的 に決定する基準座標に対して、傾斜角度（ Θ )で傾斜すること〖こなる。基準座標は図
1
に示す、 X軸、 Y軸、 Z軸で規定され、センサ座標と Z軸を共有する。受波素子の中心 間距離 dは、使用する超音波の波長の 0. 5〜5倍と設定される。
[0019] 音源 10には、光や電波によってトリガ信号を定期的に発信するトリガ信号発生器 1 6とコントローラ 14が備えられ、コントローラ 14は上記の超音波をこのトリガ信号に同 期させて出力する。例えば、一秒毎にトリガ信号と超音波が発信される。位置検出モ ジュール 40には、トリガ信号を受信するトリガ受信器 46が備えられ、トリガ信号を受け た時刻が認識され、その後にアレイセンサ 50に到達する超音波を分析して、以下で 説明するように、アレイセンサ 50に対する移動体 Mの方位、及びアレイセンサ 50と移 動体 Mとの間の距離 Sが求められて、移動体 Mの位置が決定される。
[0020] 音源 10からの超音波がアレイセンサ 50の各受波素子 52〜52で受波されると、各
1 6
受波素子 52〜52はそれに対応する電気信号を出力し、この電気信号を AZD変
1 6
換した超音波の強度値力 上記のトリガ受信器 46の出力によって決まる時刻と共に データバッファ 42に保持される。位置検出モジュール 40には位置検出ユニット 60が 設けられ、位置検出ユニット 60はデータバッファ 42のデータを読み出して、アレイセ ンサ 50に対する移動体 Mの方位、及びアレイセンサ 50と移動体 Mとの間の距離 Sを 求める。先ず、方位の決定方式について、図 5〜図 8に基づいて説明する。図面する 以下の記載では、アレイセンサ 50の位置を基準座標中の X— Y水平面、センサ座標 中の X— y水平面の原点に表示して説明する。
[0021] アレイセンサ 50に対する移動体 M、即ち、音源 10の方位は、センサ座標の X軸を含 む垂直面における方位角（ θ X)と、 y軸を含む垂直面における方位角（ Θ y)で決定さ れ、これらの方位角（ 0 χ、 θ γ)は、 X軸に沿って並ぶ受波素子 52〜52、及び y軸
1 4 に沿って並ぶ受波素子 52、 52、 52に到達する超音波の時間的なずれに基づい
2 5 6
て決定される。
[0022] 図 5に示すように、 X軸上に並ぶ 4つの受波素子は、音源 10からの超音波が 0 角度で入射して、受波素子力も出力される電気信号に時間的なずれが生じる。この 時間的なずれは、入射角度 Θ Xの関数であり、各受波素子間の中心間距離を dとし、 音速を cとした時に、次式で表される。
[0023] [数 1]
Figure imgf000009_0001
[0024] この時間的なずれを考慮して、全ての受波素子に到達した超音波の強度の合計値 を求め、この合計値が所定の値を超えた時の、入射角（ Θ X)力 X軸を含む垂直面で の音源 10の方向であると決定する。
[0025] 即ち、図 5で示す一つの受波素子 52から出力される電気信号に、他の 3つの受波
4
素子 52、 52、 52力も出力される電気信号の時間を合致させるように、この 3つの受
1 2 3
波素子からの電気信号が遅延回路 55、 55、 55を介して遅延させられ、一つの受
1 2 3
波素子から出力される電気信号へ加算器 56、 56、 56を用いて加算して、合計値
1 2 3
を所定の値と比較する。この計算では、 0 χを一 45° 〜+45° の範囲に亘つて変化 させ、その中で合計値が所定の値を超えた時の角度 Θ Xを、 X軸を含む平面内での 音源の方向と決定する。例えば、図 6において、受波素子の間隔 d2 = d3 = d4 = 4m m、音速 c = 340m/sとして、音源の方向（ θ χ)が 5° である場合、図 6Βに示すように、 θ χ= 5° として、即ち、遅延時間を 1 μ sとして計算すると、各受波素子の信号が加 算されて、その合計値が所定値を超えることになる。それ以外、例えば、図 6A、 6C、 6 Dに示すように、 0 xを 0° (遅延時間 =0 3)、 10° (遅延時間= 2 3)、 45° (遅延 時間 = 8 s)とした時には、各受波素子からの出力信号が同時刻で加算されること がなぐ合計値が所定値を下回ることになる。同様にして、 y軸を含む垂直面での音 源の方位 ( Θ y)が求められる。
[0026] 位置検出ユニット 60では、上記トリガ信号を受信した時刻と受波素子の一つで超音 波を受波した時刻との差から、アレイセンサ 50、即ち、移動体 Mと音源との距離 Sを算 出し、上記で求めた θ χ、 Θ yと力 、下記の数式に基づいてセンサ座標内での移動 体 Mの位置 p (xl、 yl、 Zl)を決定する。
[0027] [数 2] x1 = Z1 - tan d^ [0028] [数 3] y1 =Zl- tan 6y
[0029] [数 4]
Figure imgf000010_0001
[0030] 図 9に示すように、このセンサ座標は、基準座標に対して水平面内において所定の 角度（ 0 def)でずれているとの前提で、上で求めたセンサ座標内での移動体の位置 を、下記の数式を用いて、基準座標での位置に変換することが必要であり、この変換 に際しては、基準座標における水平面内での位置 P(Xdef、 Ydef)と、この水平面内で の基準座標に対するセンサ座標の傾斜角度（ Θ def)が必要であり、これらの値は、位 置検出モジュール 40に設けた較正ユニット 72によって算出される。図 9では、音源の 位置を基準座標の水平面内での原点として説明している。
[0031] [数 5]
XGn =^def + (xLn 'cos0def -yLn -sin^)
[0032] [数 6]
YGn =Ydef + ( iM 'cos e +xLn -smedef)
[0033] 較正ユニット 72は、アレイセンサ 50、即ち、位置計測装置 30を施設に設置した後 に、図 10のフローチャートで示す較正ルーチンを行うように較正されており、先ず、基 準座標内における既知の第 1基準位置 [P(X 、Y )]
Gl Gl と、第 2の基準位置 [Ρ(Χ 、Υ
G2 G2
)]から超音波を発信させて、それぞれに対応するセンサ座標内での第 1ローカル位 置 [P(x 、y ；)]と、第 2の P(x 、y ；)]とを求め、これを上の数 5、数 6に代入して、下 し 1 し 1 し 2 し 2
記の式を得る。
[0034] [数 7]
[0035] [数 8] YGI = YDEF +(yLi -∞^def +xL1- sin 6def ) [0036] [数 9]
XG2 =Xdef + (XL2 -∞Sedef — ^ef )
[0037] [数 10]
YG2 =ydef +(yL2 '∞s6def +xL2-sin0def)
[0038] 次に、これらの数式から、次式を求め、
[0039] [数 11]
XGl ~ XG2 = (XU -XL2)-COS 0 def 一 一 2 )■ sin / )
[0040] [数 12]
[0041] 数 11、数 12力ら次式により、 0 del^求め、この 0 de らアレイセ
ンサの基準座標内での位置 P(Xdef、 Ydef)を求める。
[0042] [数 13]
Figure imgf000011_0001
- 2 )
cos ( =
[0043] [数 14]
(Yd "YG2 )(XL1 -XL2)
( - ）2
Figure imgf000011_0002
— 2)
[0044] このようにして、較正ユニット 72によって求められた、アレイセンサの基準座標内で の位置 P(Xdef、 Ydef)と、傾斜角度（ Θ def)は、較正ユニット 72内の不揮発性メモリな Vヽに保持され、位置検出ユニット 60によって求められるセンサ座標内での移動体の 位置 p(x 、y )力 数 5、数 6に代入され
Ln Ln て、センサ座標力も基準座標への位置データの変換が行われる。尚、基準座標での Z方向の位置は、センサ座標での Z方向の位置と同一であるとされる。
最終的に求められた基準座標内での位置データは、トリガ信号の受信によって起動 されるタイマー 47から出力される時刻と関連づけられて、時間の経過に伴った移動 体の位置の移動を示すデータテーブルの形式でメモリ 80に保持される。出力モジュ ール 90は、定期的にメモリ 80のデータテーブルを読み出して、これを外部の監視装 置 100へ無線で送信する。これにより、監視装置 100はコンピュータで構成され、位 置計測装置 30から送信されたデータテーブルで示される位置情報の時系列データ を処理して、モニターに移動体の動線結果を表示したり、プリンタを動作させてレポ ートを発行するように構成される。上記の出力モジュール 90は、例えば、 TIA/EIA 232— Eや USBなどのようなシリアル転送方式のインタフェースや、或いは、 SCSI などのようなパラレル転送方式のインタフェースなどを備え、メモリ 80内に保持した上 記の時系列データを監視装置 100へ送信する。
[0045] 上記音源 10には、更に識別コード発信器 18が備えられ、音源を特定する識別コー ドを光りまたは電波によって発信し、複数使用される移動体 Mを音源 10の識別コード に基づいて判別するようにしている。これに対応して、位置検出モジュール 40には、 識別コードを受信する識別コード受信器 48と、ここで受信された識別コードに基づい て音源を識別するための音源識別ユニット 49が備えられる。音源識別ユニット 49は 識別された音源を示す識別コードを、上記のメモリ 80内に保持される位置データの データテーブルに追加する。これにより、監視装置 100は、複数の移動体 Mがある場 合、位置情報を対応する移動体に関連づけて処理でき、施設内で使用する複数の 移動体の動線計測を正確に行うことが出来る。メモリ 80内の時系列データは、例え ば、下記の表 1のデータテーブル形式で与えられ、監視装置 100はこのデータを処 理して、複数の移動体の動線軌跡を求めることができる。
尚、このデータを作成した後は、上記位置検出モジュール 40はデータバッファ 42の データを破棄して、新たなデータを蓄積させる。
[0046] [表 1] 施設内の位 ΐ I
時刻 音源
X Υ Ζ
000200000 001 600 400 220
000200000 002 200 00 220
000200002 001 580 340 220
000200002 002 560 420 220
000200016 001 400 300 220
000200016 002 700 500 220
[0047] 超音波発信器 20は、残響時間の短い超音波を間欠的に発生させる、つまり、発生 期間の短い超音波を間欠的に発生させるように構成される。このため、図 11に示す ような構造の熱励起式の素子が使用される。この素子は、単結晶の ρ形のシリコン基 板力もなる支持基板 21の上面に多孔質シリコン層力もなる熱絶縁層 22を介して金属 薄膜 (例えば、タングステン薄膜)カゝらなる発熱体層 23が形成され、支持基板 21の上 面側に発熱体層 23と電気的に接続された一対のパッド 24が形成されたものである。 このような熱励起式の超音波発生素子では、発熱体層 23の両端のパッド 24間に通 電して発熱体層 23に温度変化を生じさせると、発熱体層 23に接触して ヽる空気に 温度変化が生じる。発熱体層 23に接触している空気は、発熱体層 23の温度上昇時 には膨張し発熱体層 23の温度下降時には収縮するから、発熱体層 23への通電を 適宜に制御することによって空気中を伝搬する超音波を発生させることができる。
[0048] この熱励起式の超音波発生素子では、発熱体層 23への通電に伴う発熱体層 33の 温度変化に伴って超音波を発生するものであり、発熱体層 23へ与える駆動電圧ある いは駆動電流の波形を、例えば周波数が flの正弦波波形とした場合、当該周波数 f 1の略 2倍の周波数の超音波を発生させることができ、例えば正弦波波形の半周期 の孤立波を駆動電圧として一対のパッド 24間へ与えることによって、図 12に示すよう な残響時間が短く且つ発生期間の短い略 1周期の超音波を発生させることができる 。熱励起式の超音波発生素子では、発生させる超音波の周波数を広範囲にわたつ て変化させることができ、駆動電圧もしくは駆動電流の波形を孤立波とすれば、図 12 に示すような略 1周期の超音波を発生させることができる。
[0049] この熱励起式の超音波発生素子は、支持基板 21として p形のシリコン基板を用い ており、熱絶縁層 22を多孔度が略 70%の多孔質シリコン層により構成しているので 、支持基板 21として用いるシリコン基板の一部をフッ化水素水溶液とエタノールとの 混合液からなる電解液中で陽極酸化処理することにより熱絶縁層 22となる多孔質シ リコン層を形成することができる。ここに、陽極酸化処理の条件 (例えば、電流密度、 通電時間など)を適宜設定することにより、熱絶縁層 22となる多孔質シリコン層の多 孔度ゃ厚みそれぞれを所望の値とすることができる。多孔質シリコン層は、多孔度が 高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなり、例えば、熱伝導率が 148WZ (m'K)、熱容量が 1. 63 X 106j/ (m3'K)の単結晶のシリコン基板を陽極酸ィ匕して 形成される多孔度が 60%の多孔質シリコン層は、熱伝導率が 1WZ (m'K)、熱容量 が 0. 7 X 106j/ (m3'K)であることが知られている。本実施形態では、上述のように 熱絶縁層 22を多孔度が略 70%の多孔質シリコン層により構成してあり、熱絶縁層 22 の熱伝導率が 0. 12WZ (m'K)、熱容量が 0. 5 X 106jZ (m3'K)となっている。な お、熱絶縁層 22の熱伝導度および熱容量を支持基板 21の熱伝導度および熱容量 に比べて小さくし、熱絶縁層 22の熱伝導度と熱容量との積を支持基板 21の熱伝導 度と熱容量との積に比べて十分に小さくすることにより、発熱体層 23の温度変化を空 気に効率よく伝達することができ発熱体層 23と空気との間で効率的な熱交換が起こ り、且つ、支持基板 21が熱絶縁層 22からの熱を効率よく受け取って熱絶縁層 22の 熱を逃がすことができて発熱体層 23からの熱が熱絶縁層 22に蓄積されるのを防止 することができる。
[0050] 発熱体層 23は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成してあり、熱伝導 率が 174WZ (m.K)、熱容量が 2. 5 X 106jZ (m3'K)となっている。発熱体層 23の 材料はタングステンに限らず、例えば、タンタル、モリブデン、イリジウムなどを採用し てもよい。
[0051] なお、上記の熱励起式の超音波発生素子では、支持基板 21の厚さを 525 m、熱 絶縁層 22の厚さを 10 μ m、発熱体層 23の厚さを 50nm、各パッド 34の厚さを 0. 5 μ mとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。また、支持 基板 21の材料として Siを採用している力 支持基板 31の材料は Siに限らず、例えば 、 Ge, SiC, GaP, GaAs, InPなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半 導体材料でもよい。 [0052] アレイセンサ 50に使用する受波素子は、超音波発生素子と同様に残響を少なくす るために、静電容量式のマイクロホンが使用される。このマイクロホンは、マイクロマシ ンユング技術を利用して形成されており、図 13及び図 14に示すように、シリコン基板 に厚み方向に貫通する窓孔 151を備える矩形状のフレーム 150と、フレーム 150の 対向する 2つの辺に跨る形で配置されるカンチレバー型の受圧膜 152とを備えてい る。フレーム 150の上面側には熱酸ィ匕膜 155とシリコン酸ィ匕膜 156とシリコン窒化膜 1 57とが形成されており、受圧膜 152は、シリコン窒化膜 156とは別に形成されたシリコ ン窒化膜であり、一端がフレームの一辺上でこのシリコン窒化膜 157を介してフレー ム 150に支持され、自由端がフレームの他辺上のシリコン窒化膜 157に対向している 。受圧膜 152の自由端に対向するフレーム上のシリコン窒化膜 157には金属薄膜（ 例えば、クロム膜など)からなる固定電極 153が形成され、受圧膜 152の自由端で、 上記の固定電極 153に対向する面と反対側の上面に金属薄膜 (例えば、クロム膜な ど）からなる可動電極 154が形成されている。フレーム 150の下面にはシリコン窒化 膜 158が形成されている。
[0053] このように構成された受波素子 52では、固定電極 153と可動電極 154とを電極とす るコンデンサが形成され、受圧膜 152が超音波の圧力を受けることにより固定電極 1 53と可動電極 154との間の距離が変化し、固定電極 153と可動電極 154との間の静 電容量が変化する。したがって、固定電極 153および可動電極 154に設けたパッド（ 図示せず）間に直流バイアス電圧を印加しておけば、パッドの間には超音波の音圧 に応じて微小な電圧変化が生じるから、超音波の音圧を電気信号に変換することが できる。
[0054] なお、受波素子 52として用いる静電容量式のマイクロホンの構造は上記の構造に 特に限定するものではなぐ例えば、シリコン基板などをマイクロマシンユング技術な どにより加工して形成され、超音波を受けるダイヤフラム部力 なる可動電極と、ダイ ャフラム部に対向する背板部からなる固定電極との間に、超音波を受けていない状 態でのダイヤフラム部と背板部とのギャップ長を規定する絶縁膜からなるスぺーサ部 が介在し、背板部に複数の排気孔が貫設された構造を有するものでもよい。このよう な静電容量式のマイクロホンでは、ダイヤフラム部が超音波を受けて変形してダイヤ フラム部と背板部との距離が変化することにより、可動電極と固定電極との間の静電 容量が変化する。
ところで、図 11に示した熱励起式の音波発生素子では、共振特性の Q値が 1程度 であり、図 13及び図 14に示した静電容量式のマイクロホン力もなる受波素子 52の共 振特性の Q値は 3〜4程度であり、音源 10から送波される超音波における残響成分 に起因した不感帯を短くすることができるとともに、受波素子 52で超音波を受波した ときに発生する受波信号における残響時間を短くできて受波素子 52から出力される 受波信号における残響成分に起因した不感帯を短くすることができるので、角度分 解能を改善することができる。なお、静電容量式のマイクロホンでは、共振特性の低 い Q値を有するため、受波周波数の範囲を広くとることが可能になる。この点に関して 、音源 10および受波素子 52それぞれの共振特性の Q値はいずれも 10以下が望ま しぐいずれも 5以下がより望ましい。

Claims

請求の範囲
[1] 施設内に配置される移動体に搭載されて超音波を発信する超音波発信器を備えた 音源と、
上記施設内の定位置に固定されて、上記施設内での基準座標に基づく上記移動体 の位置を継続的に検出してこの検出位置の時系列データを作成する位置検出モジ ユーノレと、
この時系列データを外部の監視装置に出力する出力モジュールと
を備え、
上記の位置検出モジュールは、上記の超音波発信器力 の超音波を受ける複数の 受波素子が 2次元配列されたアレイセンサと、位置検出ユニットとを備え、 上記のアレイセンサは、上記の受波素子の配列方向によって決まる独自のセンサ座 標を有し、
上記の位置検出ユニットは、上記の各受波素子に上記超音波発信器から到来する 上記超音波の時間的なずれに基づいて上記センサ座標内での上記音源の方位を 検出すると共に、上記受波素子の一つと上記音源との距離を求めて、上記の方位と 距離に基づ!/、て、上記センサ座標内での上記の移動体の位置を決定する、 上記位置検出モジュールは、更に、
基準座標における水平面内でのアレイセンサの位置及びこの水平面内での上記基 準座標に対する上記センサ座標の傾斜角度を求める較正ユニットと、
較正ユニットで求めた上記のアレイセンサの位置と傾斜角度に基づいて、上記セン サ座標で求めた上記移動体の位置を、上記基準座標内での位置に変換して、これ を上記基準平面内での上記移動体の検出位置として決定する位置補正ユニットと を備えることを特徴とする移動体の位置検出システム。
[2] 上記の較正ユニットは、
ノッファと、演算ロジックを備え、
上記バッファは、上記基準座標内の既知の第 1の基準位置力 超音波が発信された 時に上記アレイセンサにて求められた上記センサ座標中での第 1ローカル位置と、上 記基準座標内の既知の第 2の基準位置力 超音波が発信された時に上記アレイセン サにて求められた上記センサ座標中での第 2ローカル位置とを保持し、 上記演算ロジックは、上記センサ座標中の上記第 1のローカル位置と第 2のローカル 位置から上記の基準座標中でのアレイセンサの位置と、上記基準座標に対するセン サ座標の傾斜角度を求める。
[3] 上記音源は、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板 の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層とを備え、発熱 体層への通電に伴う発熱体層の温度変化に伴って超音波を発生する超音波発生素 子力もなることを特徴とする請求項 1または 2に記載の移動体の位置検出システム。
[4] 前記受波素子は、超音波の音圧を静電容量の変化に変換する静電容量式のマイク 口ホン力 なることを特徴とする請求項 1または請求項 2記載の移動体の位置検出シ ステム。
[5] 上記音源はトリガ信号を発信するトリガ信号発信器と、上記の上記超音波を上記のト リガ信号に同期させて発信させるコントローラを備え、
上記位置検出モジュールは上記のトリガ信号を受信するトリガ信号受信器を備え、 上記位置検出ユニットは、上記のトリガ信号を受けた時刻と、上記受波素子の一つが 上記超音波を受けた時刻とのずれから上記センサーアレイと上記音源との距離を求 めることを特徴とする請求項 1または 2に記載の物体の位置検出システム。
[6] 上記位置検出モジュールにトリガ信号を発信するトリガ信号発信器が備えられ、 上記の音源に、上記トリガ信号を受信した時に上記超音波を送波するコントローラが 備えられ、
上記位置検出ユニットは、上記のトリガ信号を送信した時刻と、上記受波素子の一つ が上記超音波を受けた時刻とのずれから上記センサーアレイと上記音源との距離を 求めることを特徴とする請求項 1または 2の何れかに記載の移動体の位置検出システ ム。
[7] 上記の音源は固有の識別コードを発信する識別コード発信器を備え、
上記位置検出モジュールには、上記識別コードを受信する音源識別ユニットが設け られ、
上記音源識別ユニットは、受信された識別コードを上記の時系列データに関連づけ るように構成されることで、施設内での複数の物体の位置を互いに区別して認識でき るようになったことを特徴とする請求項 2に記載の移動体の位置検出システム。 上記の音源は固有の識別コードを発信する識別コード発信器と、上記の上記超音波 を上記の上記識別コードに同期させて発信させるコントローラを備え、
上記位置検出モジュールには、上記識別コードを受信する音源識別ユニットが設け られ、
上記音源識別ユニットは、上記識別コードを受信した時刻を上記位置検出ユニットに 与え、
上記位置検出ユニットは、上記の識別コードを受信した時刻と、上記受波素子の一 つが上記超音波を受けた時刻とのずれから上記センサーアレイと上記音源との距離 を求め、
上記音源識別ユニットは、受信された識別コードを上記の時系列データに関連づけ るように構成されたことを特徴とする請求項 2に記載の移動体の位置検出システム。
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