動線計測システム
【課題】 受波信号の最初の立ち上りが小さく、その後徐々に大きくなる性質を有する圧電式の超音波発生素子を使用した場合でも、受波信号の誤検出を可及的に防止する。
【解決手段】 アレイセンサ２の基板１上の左右方向とこれに直交する上下方向に第１、第２及び第３センサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａを夫々直線状に配列し、かつ、音源から発生させる超音波の波長をλとするとき、第２センサＳ２ａは第１センサＳ１からλ／２以下の間隔Ｌで配置するとともに、第３センサＳ３ａは第１センサＳ１からｎ×λ（ｎは自然数）の間隔で配置する。制御部３は、第２センサＳ２ａと第１センサＳ１の受波時間の差をｎ×λ／Ｌ倍して第３センサＳ３ａの受波時間の予測値を求める予測手段と、第３センサＳ３ａにおいて前記予測値から所定の時間範囲内に検出された受波信号のみを正しい信号として採用する確認手段を実行する。
【解決手段】 アレイセンサ２の基板１上の左右方向とこれに直交する上下方向に第１、第２及び第３センサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａを夫々直線状に配列し、かつ、音源から発生させる超音波の波長をλとするとき、第２センサＳ２ａは第１センサＳ１からλ／２以下の間隔Ｌで配置するとともに、第３センサＳ３ａは第１センサＳ１からｎ×λ（ｎは自然数）の間隔で配置する。制御部３は、第２センサＳ２ａと第１センサＳ１の受波時間の差をｎ×λ／Ｌ倍して第３センサＳ３ａの受波時間の予測値を求める予測手段と、第３センサＳ３ａにおいて前記予測値から所定の時間範囲内に検出された受波信号のみを正しい信号として採用する確認手段を実行する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して検出対象の移動体の位置を追跡する動線計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば下記特許文献１に示すように、位置検出対象の移動体に搭載され超音波を発生可能な音源と、音源から送波された超音波を受波し電気信号に変換する複数個の受波素子が同一基板上に配列された超音波アレイセンサとを備え、超音波アレイセンサの各受波素子で超音波を受波した時間の時間差と各受波素子の配置位置とに基づいて移動体が存在する方位を求める動線計測システムが提案されている。
【特許文献１】特開２００７−１２７６６３号公報
【０００３】
図９は、従来の超音波アレイセンサの基板上に配列されたセンサＡ〜Ｃの位置関係を示す図であり、センサＡとＣの間は距離ｄを空けて配置されている。図９では、センサＡ〜Ｃが配置された面と垂直な方向から左寄りに角度θだけ回転した位置に音源がある。音源までの距離は、センサＡ〜Ｃ間の距離と比較して十分遠くにあるので、図９において、超音波９１〜９３はほぼ平行に入射していると考えることができる。
【０００４】
超音波９１〜９３は、センサＡ〜Ｃの配置面に対して入射角θの角度で入射するため、例えば超音波９３がセンサＣに到達する時間は、超音波９１がセンサＡに到達する時間と比較すると、入射角θに依存した時間だけ遅れることとなる。センサＡとＣの音源までの距離の差は、ｄsin θの式で求めることができるから、音波速度をν（約３４０ｍ／ｓ）とすると、センサＡとＣの超音波の到達時間の差ｔは、ｔ＝ｄsin θ／νの式で求めることができる。
【０００５】
図１０〜図１１は、図９のアレイセンサに、特許文献１の動線計測システムにおいて音源として利用されている熱励起式の超音波発生素子から送波された超音波を受波させた場合における受波信号の波形を示したものである。何れの図も、（ａ）がセンサＡの受波信号、（ｂ）がセンサＢの受波信号、（ｃ）がセンサＣの受波信号を示している。
【０００６】
熱励起式の超音波発生素子は、発熱体層の両端のパッド間に通電して発熱体層に温度変化を生じさせて超音波を発生させるので、発熱体層への通電を適宜に制御することで発生させる超音波の周波数を広範囲にわたって変化させることができる。図１１では残響時間が若干長くなっているが、図１０に示すような略１周期の超音波を発生させることもできる。
【０００７】
センサＡ〜Ｃの受波信号は、図１０〜図１１に示すように同じ時間軸上に表示すると、一定の時間遅れを有するものとなる。そこで、例えば図１０に示すように各波形の最初の立ち上がりに注目すると、立ち上がりの波形はセンサＡ、Ｂ、Ｃの順に一定時間分だけ遅延した位置に表れる。そして、図１０における時間差ｔは、ｔ＝ｄsin θ／νの計算式で求められるものであるため、逆に、各センサの受波時間の差が分かれば、音源がどの方向に存在するか（入射角θの値）を知ることができる。特許文献１の動線計測システムは、このような方式により移動体の位置を追跡するものである。
【０００８】
ところで、特許文献１では、例えば図１０に示すような、最初の立ち上りの波形が大きく明確に表れる熱励起式の超音波発生素子を使用しているが、一般に市販されている圧電セラミックス素子（例えば村田製作所製のピエゾタイト（登録商標）等）を超音波発生素子として使用する場合、音圧を上げるため素子への電圧印加を交流電圧のように複数サイクル繰り返し印加する。このため、センサＡ〜Ｃの受波信号は、図１２に示すように、最初の立ち上り（第１波）は極めて小さく、その後徐々に大きくなって例えば第７〜第１０波目に最大になるという性質がある。
【０００９】
そのため、第１波を検出するためには各センサの閾値を低いレベルに設定する必要があるが、閾値を低く設定するとセンサの感度が低下し、図１２（ｂ）に示すように、第１波を検出できずに第２波Ｅ１を誤検出したり、受波信号ではないノイズを拾ってしまう場合がある。
【００１０】
また、例えば図１３（ａ）に示すように、第４波を検出できるように閾値を高めに設定しても、センサによっては波形に歪がある場合があるため、図１３（ｂ）に示すように、第５波Ｅ２を検出し、半波長のずれが生じて検出誤差を生じる場合がある。
【００１１】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、受波信号の最初の立ち上り（第１波）が大きく明確に表れる熱励起式の超音波発生素子ではなく、一般に市販されている圧電式の超音波発生素子を使用した場合でも、受波信号の誤検出を可及的に防止することができる動線計測システムを提供することを目的としている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
解決しようとする課題は、受波信号の最初の立ち上り（第１波）が小さく、その後徐々に大きくなる性質を有する圧電式の超音波発生素子を使用した場合でも、受波信号の誤検出を可及的に防止する点である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の問題点を解決するため、本発明の動線計測システムは、
超音波を発生可能な音源と、前記音源から送波された超音波を受波し電気信号である受波信号に変換する複数個のセンサが同一基板上に二次元的に配列されたアレイセンサと、前記受波信号を解析する制御部と、を備え、前記音源、前記アレイセンサのうち何れか一方を位置検出対象の移動体に搭載し、他方を所定の位置に配置した動線計測システムであって、
前記アレイセンサは、前記基板上の左右方向とこれに直交する上下方向に第１、第２及び第３センサを夫々直線状に配列し、かつ、前記音源から発生させる超音波の波長をλとするとき、前記第２センサは前記第１センサからλ／２以下の間隔Ｌで配置するとともに、前記第３センサは前記第１センサからｎ×λ（ｎは自然数）の間隔で配置し、
前記制御部は、前記第２センサと前記第１センサの受波時間の差をｎ×λ／Ｌ倍して前記第３センサの受波時間の予測値を求める予測手段と、前記第３センサにおいて前記予測値から所定の時間範囲内に検出された受波信号のみを正しい信号として採用する確認手段とを備え、
前記確認手段により正しい信号と確認された第３センサの受波信号の受波時間と前記第１センサの受波時間の差と、前記第１、第３センサ間の距離に基づいて、前記音源から送波された超音波の入射角を求め、前記移動体の位置情報を検出することを最も主要な特徴点としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、熱励起式の超音波発生素子ではなく、受波信号が徐々に大きくなる圧電式の超音波発生素子を使用した場合でも、受波信号の誤検出を可及的に防止することができる。
【００１５】
本発明において、アレイセンサの基板上に配列したセンサ間の距離を上記のように特定した理由は以下の点にある。
【００１６】
熱励起式の超音波発生素子を使用した場合は、受波信号の最初の立ち上り（第１波）が大きく明確に表れるから、第１波を確実に検出することができ、第２波以降を誤検出するおそれがない。しかし、圧電式の超音波発生素子を利用する場合は、共振特性のＱ値が大きく残響を伴い、音圧を上げるため素子への電圧印加を交流電圧のように複数サイクル繰り返し印加するため、第１波ではなく第７〜第１０波が最大値となることもある。つまり、圧電式の超音波発生素子を利用する場合は、第１波が最大とは限らず、センサの閾値を越えた波形（仮に「第ｎ波」とする。）を検出したとき、その前後の波形（第ｎ＋１波または第ｎ−１波）も第ｎ波と同程度の大きさの信号である可能性がある。そうすると、センサ間の距離がλ／２（λは超音波の波長）よりも大きいと、入射角θが０°以上のプラス側の角度で第ｎ波を検出しているのか、入射角θが０°以下のマイナス側の角度で第ｎ＋１波を検出しているのかを判別することが困難である。そこで、本発明では、先ずは、第２センサを第１のセンサからλ／２以下の間隔の位置に配置し、いかなる入射角θに対しても第ｎ＋１波や第ｎ−１波を誤検出するおそれを無くすようにした。
【００１７】
しかしながら、センサ間の距離をλ／２以下とする場合は、超音波が各センサに到達する時間の時間差が極めて小さくなり、当該時間差から入射角を精度良く検出することが困難となる。そこで、本発明では、第３センサを第１センサからｎ×λ（ｎは自然数）の間隔を空けた位置に配置した。さらに、本発明では、アレイセンサから出力される受波信号を解析する制御部に、第２センサと第１センサの受波時間の差をｎ×λ／Ｌ倍して第３センサの受波時間の予測値を求める予測手段と、第３センサにおいて前記予測値から所定の時間範囲内に検出された受波信号のみを正しい信号として採用する確認手段を設けるようにした。
【００１８】
こうすることにより、本発明では、確認手段により正しい信号と確認された第３センサの受波信号の受波時間とそれに対応する第１センサの受波信号の受波時間の差、及び、第１センサと第３センサ間の距離に基づいて、音源から送波された超音波の入射角を求めることができる。
【００１９】
したがって、本発明では、各センサのノイズレベルよりも十分に高い任意の閾値を設定することにより、第１センサが閾値を越えた波形（第ｎ波）を検出したとき、第２センサがその前後の波形（第ｎ＋１波または第ｎ−１波）を誤検出するおそれが無く、しかも第１センサと第３センサの間には十分な時間差が得られるので、圧電式の超音波発生素子を利用する場合でも、一定の精度で受波信号を検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態の一例について、図１〜図８を用いて説明する。図１は、本実施例の動線計測システムの受信ユニットの構成を説明する断面図、図２はアレイセンサの基板上に配列した複数のセンサの位置関係を説明する図である。
【００２１】
図１において、Ｒは受信ユニットであり、超音波を発生可能な音源から送波された超音波を受波するとともに受波した超音波を電気信号である受波信号に変換する複数個のセンサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａと、センサＳ２ｂ，Ｓ３ｂ（図１においては図示せず）が同一の基板１上に二次元的に配列されたアレイセンサ２と、アレイセンサ２からの受波信号を解析する制御部３と、これらの機器を格納する筐体４とで構成される。
【００２２】
センサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａは、筐体４の上面板４０の裏面に接する位置に配置されている。その接触位置には、図１に示すような、各センサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａの上面部の面積よりもサイズが小さい超音波導入孔４１，４２ａ，４３ａを設けている。
【００２３】
図２は、アレイセンサ２の構成を説明する図である。アレイセンサ２は、基板１上の左右方向に第１センサＳ１、第２センサＳ２ａ、第３センサＳ３ａを直線状に配列し、これに直交する上下方向にも第１センサＳ１、第２センサＳ２ｂ、第３センサＳ３ｂを直線状に配列している。
【００２４】
左右方向に配列したセンサは、音源から発生させる超音波の波長をλとするとき、第２センサＳ２ａを第１センサＳ１からλ／２の間隔を空けて配置するとともに、第３センサＳ３ａは第１センサＳ１から３λの間隔を空けて配置している。また、上下方向に配列したセンサについても、第２センサＳ２ｂを第１センサＳ１からλ／２の間隔を空けて配置し、第３センサＳ３ｂは第１センサＳ１から３λの間隔を空けて配置している。
【００２５】
なお、図１では図示していないが、筐体４の上面板４０には、センサＳ２ｂ，Ｓ３ｂが接している部分にも、４１，４２ａ，４３ａと同様の超音波導入孔を設けている。本実施例では、上面板４０に超音波導入孔を計５個開口させるとともに、超音波導入孔から筐体内に塵や水が浸入しないように、筐体４の上面板４０の上部に超音波透過膜５を取り付けている。この超音波導入孔４１，４２ａ，４３ａと超音波透過膜５の構成の詳細については、後述する。
【００２６】
図３は、本実施例の動線計測システムの送信ユニット６と受信ユニットＲの構成を説明するブロック図である。本実施例の動線計測システムは、位置検出対象が大型店舗などの建物内で床面の上を移動する移動体（例えばショッピングカートなど）であり、間欠的に超音波を発生可能な音源６１を備えた送信ユニット６を移動体に搭載し、一方、音源６１から送波された超音波を受波するアレイセンサ２を有する受信ユニットＲを例えば店舗の壁や柱、陳列棚、天井面などの定位置に設置し、受信ユニットＲに対する音源６１の相対位置を求め、移動体の移動状況を追跡し、動線計測を行うものである。
【００２７】
音源６１の超音波発生素子は、圧電セラミックス素子である村田製作所製のピエゾタイト（登録商標）を使用している。送信ユニット６は、音源６１と、固有の識別情報信号を発信するＩＤ送信部６２と、これらのドライバを制御する制御部６３（マイクロコンピュータ）とを備えている。また、ＩＤ送信部６２は、光、赤外線、もしくは電波からなり、トリガ信号を発信するトリガ信号発信器の機能も兼ね備えている。音源６１からの超音波の送波開始タイミングやＩＤ送信部６２からの識別情報信号の送信タイミングは、制御部６３のマイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載して実行させることにより制御している。
【００２８】
一方、受信ユニットＲには、前述したアレイセンサ２と、ＩＤ送信部６２から送信された識別情報信号を受信するＩＤ受信部７と、アンプ８、入力された信号をデジタルデータに変換するＡＤコンバータ部９、これらのドライバを制御する制御部３（マイクロコンピュータ）とを備えている。また、ＩＤ受信部７は、ＩＤ送信部６２から送信されたトリガ信号を受信するトリガ信号受信器の機能も兼ね備えている。本発明では、アレイセンサ２から出力される受波信号を解析する制御部３のマイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載し、第２センサと第１センサの受波時間の差をｎ×λ／Ｌ倍して第３センサの受波時間の予測値を求める予測手段と、第３センサにおいて前記予測値から所定の時間範囲内に検出された受波信号のみを正しい信号として採用する確認手段を実行させるように構成した。なお、確認手段において許容する「所定の時間範囲」は任意に定めることができるが、例えば、予測手段により求めた予測値を基準として前後半波長分の時間範囲内とすることができる。確認手段において許容する時間範囲内に受波信号が検出されなかったときは、正しい受波信号ではないと判断し、エラー処理を行う。
【００２９】
本発明の動線計測システムでは、図４に示すように、受信ユニットＲを店舗の壁や柱、陳列棚、天井面などの所定位置に複数設置する。そして、各送信ユニット６の音源６１の相対位置に関するデータは、受信ユニットＲのＡＤコンバータ部９、制御部３を介して所定のデータ列に変換され、さらに、出力部１０を介して有線又は無線通信により中継装置１１に送られ、最終的にはＬＡＮ回線を通じてコンピュータ装置１２などの管理装置へ出力される。なお、出力部１０は、例えばＲＳ／４８５のようなシリアル転送方式のインタフェースや、ＳＣＳＩのようなパラレル転送方式のインタフェースを採用することができる。
【００３０】
コンピュータ装置１２では、所定時間毎にカートの位置をプロットし、店内における顧客の動線を把握する。本システムを利用すれば、顧客が商品を購入するために店内をどのようなルートで移動したかを時間毎のデータで分析できるので、商品を効率良く販売する最適な商品レイアウトを決定することができる。
【００３１】
なお、本実施例では、受信ユニットＲを天井面などの定位置に設置し、送信ユニット６を移動体の方に搭載する例を開示しているが、これらは逆であっても良い。本発明は、アレイセンサ２を含む受信センサＲの方を移動体に搭載し、音源６１を含む送信ユニット６の方を定位置に配置することも可能である。
【００３２】
次に、本発明の動線計測システムのデータ処理を説明する。図５は、基板１上に配列された複数のセンサを示しており、本実施例では、左右方向に配列されたセンサＳ１，Ｓ２ａ間の距離はλ／２、センサＳ１，Ｓ３ａの距離は３λとなるよう、また、上下方向に配列されたセンサＳ１，Ｓ２ｂ間の距離はλ／２、センサＳ１，Ｓ３ｂの距離は３λとなるように各センサが配置されている。
【００３３】
いま、図５では、送信ユニット６の音源６１からの超音波５１，５２，５３は、センサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａが配置された面に対して垂直な方向から角度θ１だけ左側に回転した方向から入射している。音源６１までの距離は、各センサ間の距離と比較して十分遠くにあるので、図５において、超音波５１〜５３はほぼ平行に入射していると考えることができる。また、超音波５１，５２，５３とは別の超音波５４，５５は、センサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａが配置された面に対して垂直な方向から角度θ２だけ右側に回転した方向から入射している。超音波５４，５５も、ほぼ平行に入射していると考えることができる。
【００３４】
超音波５１〜５３は、センサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａの配置面に対して入射角θ１の角度で入射するため、超音波５３がセンサＳ３ａに到達する時間は、超音波５１がセンサＳ１に到達する時間と比較すると、入射角θに依存した時間だけ遅れることとなる。したがって、各センサの受波時間の差が分かれば、音源がどの方向に存在するか（入射角θの値）を知ることができる。
【００３５】
図６は、音源６１から送波された超音波の入射角θ１を求める本発明の方式を説明する図である。先ず、第１センサＳ１のノイズレベルよりも十分に高い任意の閾値を設定し、図６（ａ）に示すように、受波信号がその閾値を上方に越える点をＰとする。
【００３６】
本実施例では、センサＳ１，Ｓ２ａ間の距離をλ／２としている。したがって、θ１，θ２の角度が±５０°以内ではＰ点から半波長以内の位置ＱにセンサＳ２ａの検出信号が表れる。本発明では、第２センサＳ２ａを第１のセンサＳ１からλ／２以下の間隔の位置に配置したので、センサの閾値を越える波形を検出したとき、その前後の波形を誤検出するおそれは無く、半波長以内の位置Ｑに検出される波形は、正しい信号と考えることができる。
【００３７】
次に、本実施例では、センサＳ１，Ｓ３ａ間の距離を３λとしているので、制御部３により、ＰＱ間の時間差ＴPQの６倍の時間位置Ｒに、第３センサＳ３ａの受波信号が検出されると予測することができる。そして、制御部３は、第２センサＳ２ａと第１センサＳ１の受波時間の差を６倍して第３センサＳ３ａの受波時間の予測値を求める予測手段と、第３センサＳ３ａにおいて前記予測値から前後半波長分の時間範囲内に検出された受波信号のみを正しい信号として採用する確認手段を実行する。
【００３８】
そして、本実施例では、上記確認手段により正しい信号と確認された第３センサＳ３ａの受波時間に基づいて、音源６１から送波された超音波の入射角θ１を求めるようにしている。具体的には、図６におけるＰＲ間の受波時間の差をＴPR、音波速度を３４０ｍ／ｓとすると、θ１は、以下の計算式で求めることができる。
３λ×ｓｉｎθ１＝３４０×ＴPR
ｓｉｎθ１＝（３４０×ＴPR）／３λ
θ１＝ｓｉｎ-1（（３４０×ＴPR）／３λ）
【００３９】
また、基板１上に上下方向に配列したセンサＳ１，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂの間でも、上記と同様の処理を行うことにより、音源６１が存在する方位を二次元的に把握できる。また、マイナス側の角度から入射している超音波５４，５５の入射角θ２を求める場合についても同様に、上記の式で求めることができる。但し、この場合は、図６に示すように、第１センサＳ１よりも第２センサＳ２ａ、第３センサＳ３ａの方が先に超音波を受波するので、図６のグラフにおいて、Ｑ点とＲ点は、Ｐ点よりも左側の位置に現れることとなる。
【００４０】
次に、図７〜図８を用いて、超音波導入孔と超音波透過膜のより好適な実施形態について説明する。図７は、基板１に配置された複数のセンサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂ全体が含まれる角型の大きなサイズの超音波導入孔７０を、筐体４の上面板４０に１つ形成し、その開口部に防塵、防滴用の超音波透過膜５を貼り付けて超音波受信部を構成した第１実施例を示したものである。本発明者らが種々検討したところによると、上記第１実施例では、後述する第２実施例と比較すると、位置検出精度が低下することが判明した。
【００４１】
その原因は、広い面積を有する超音波導入孔７０から入ってきた超音波が、図７（ｂ）に図示するように、超音波透過膜５とセンサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａを配置している基板１の間を何回か繰返し反射してセンサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａに入力してくる状態となり、反射せずに超音波透過膜５から直接入ってきた超音波と複合されることになり、超音波の位相から正しく方位を検出することが出来なくなる場合があるからである。
【００４２】
そこで、本発明では、図８に示す第２実施例の構成を採用することが最も望ましい。第２実施例では、基板１上に配列されたセンサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂは、筐体４の上面板４０の裏面に接する位置に配置されている。その位置には、図８に示すように、センサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂの上面部の面積よりもサイズが小さい超音波導入孔８１，８２ａ，８３ａ，８２ｂ，８３ｂを夫々設けている。
【００４３】
このように構成すれば、超音波導入孔８１，８２ａ，８３ａ，８２ｂ，８３ｂは各センサの近傍に個別に形成されるため、他の位置から入力してきた超音波と複合されることがなく、入射位置による超音波位相差を正しく検出することが可能となり精度の良い位置計測が可能となる。
【００４４】
第２実施例の構成とした場合、外部の任意の方向から超音波導入孔を覗くと、内部にあるセンサが完全には見えない状態となるが、超音波は回り込みにより各センサに到達するので、実用上問題はない。また、超音波導入孔８１，８２ａ，８３ａ，８２ｂ，８３ｂのサイズは全て等しくしているので、回り込みにより各センサに到達する経路も等しいと考えることができるので、精度上も問題がない。
【００４５】
超音波導入孔８１，８２ａ，８３ａ，８２ｂ，８３ｂの形状は、角型、丸型等、所望の形状が可能である。また、本発明者らが種々検討したところによると、例えば４０ＫＨｚの超音波を使用する場合、辺長または直径は１〜４ｍｍの範囲とすることが望ましいことが判明している。超音波導入孔の辺長または直径の設計の目安は、超音波の周波数によっても変わるが、超音波の波長をλとすると、空気中では１ｍｍ以上でλ／２ｍｍ以下の範囲とするのが好適である。超音波の周波数を４０ＫＨｚ、音速を３４０ｍ／ｓとすると、波長λはおよそ８ｍｍであることから、この場合、辺長または直径は１〜４ｍｍの範囲とすることが望ましい。
【００４６】
超音波透過膜５は、例えばポリエチレンテレフタレート製の膜を使用し、膜厚は１μｍ以上で６μｍ以下の範囲とすることが望ましい。この１〜６μｍの範囲とすれば、超音波が透過したときでも減衰が小さく、実用上好ましいからである。
【００４７】
以上説明したように、本発明の動線計測システムは、アレイセンサの基板上の左右方向とこれに直交する上下方向に第１、第２及び第３センサを夫々直線状に配列し、かつ、前記音源から発生させる超音波の波長をλとするとき、前記第２センサは前記第１センサからλ／２以下の間隔Ｌで配置するとともに、前記第３センサは前記第１センサからｎ×λ（ｎは自然数）の間隔で配置したので、熱励起式の超音波発生素子ではなく、受波信号が徐々に大きくなる圧電式の超音波発生素子を使用した場合でも、受波信号の誤検出を可及的に防止することができる。
【００４８】
また、基板と、アレイセンサと、制御部を格納する筐体を有し、第１、第２及び第３センサは前記筐体の上面板の裏面に接する位置に配置するとともに、当該配置位置には前記第１、第２及び第３センサの上面部の面積よりもサイズが小さい超音波導入孔を夫々設け、さらに、前記超音波導入孔の上面を覆う超音波透過膜を取り付けた構成の動線計測システムによれば、防塵、防滴の目的でセンサを保護する超音波透過膜を取り付けた場合でも、入射位置による超音波位相差を正しく検出することが可能となり精度良く位置計測が可能となるので、さらに好適な効果が得られる。
【００４９】
本発明は上記の実施例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範囲内で、適宜実施の形態を変更しても良いことはいうまでもない。例えば、超音波導入孔の形状は実施例に示した丸型に限らず、角型であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、ショッピングカートなどに取り付けて顧客の動線分析をするシステムに限らず、例えば、倉庫に保管してある部品や機器に超音波タグ（送信ユニット）を貼り付け、タグから間欠的に超音波とＩＤ信号を送信し、それらを受信ユニットで受信することにより、部品や機器の存在位置をリアルタイムで確認するシステムにも適用できる。また、人に超音波タグ（送信ユニット）を持たせ、人の現在位置を検出することにより、高齢者や障害者の徘徊行動を保護者に知らせる報知サービスなどにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の動線計測システムの受信ユニットの構成を説明する図である。
【図２】アレイセンサの基板上に配列したセンサの位置関係を説明する図である。
【図３】送信ユニットと受信ユニットの構成を説明するブロック図である。
【図４】店舗の天井面などに受信ユニットを複数設置する例を示した図である。
【図５】基板上に配列された複数のセンサに、角度θ１又はθ２の方向から超音波が入射している状態を説明する図である。
【図６】音源から送波された超音波の入射角を求める本発明の方式を説明する図である。
【図７】面積の大きい超音波導入孔を設けた第１実施例の説明図である。
【図８】面積の小さい超音波導入孔を夫々設けた第２実施例の説明図である。
【図９】従来の超音波アレイセンサの基板上に配列されたセンサの位置関係を示す図である。
【図１０】熱励起式の超音波発生素子から送波された超音波をアレイセンサで受波させた場合における各センサの受波信号の波形を、同じ時間軸上に表示した図である。
【図１１】熱励起式の超音波発生素子からの受波信号の他の例を示す図である。
【図１２】圧電式の超音波発生素子から送波された超音波をアレイセンサで受波させた場合における各センサの受波信号の波形を、同じ時間軸上に表示した図である。
【図１３】圧電式の超音波発生素子からの受波信号の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
Ｓ１ 第１センサ
Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ 第２センサ
Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ 第３センサ
１ 基板
２ アレイセンサ
３ 制御部
４ 筐体
４０ 上面板
４１，４２ａ，４３ａ 超音波導入孔
５ 超音波透過膜
６ 送信ユニット
６１ 音源
８１，８２ａ，８３ａ，８２ｂ，８３ｂ 超音波導入孔
Ｒ 受信ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して検出対象の移動体の位置を追跡する動線計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば下記特許文献１に示すように、位置検出対象の移動体に搭載され超音波を発生可能な音源と、音源から送波された超音波を受波し電気信号に変換する複数個の受波素子が同一基板上に配列された超音波アレイセンサとを備え、超音波アレイセンサの各受波素子で超音波を受波した時間の時間差と各受波素子の配置位置とに基づいて移動体が存在する方位を求める動線計測システムが提案されている。
【特許文献１】特開２００７−１２７６６３号公報
【０００３】
図９は、従来の超音波アレイセンサの基板上に配列されたセンサＡ〜Ｃの位置関係を示す図であり、センサＡとＣの間は距離ｄを空けて配置されている。図９では、センサＡ〜Ｃが配置された面と垂直な方向から左寄りに角度θだけ回転した位置に音源がある。音源までの距離は、センサＡ〜Ｃ間の距離と比較して十分遠くにあるので、図９において、超音波９１〜９３はほぼ平行に入射していると考えることができる。
【０００４】
超音波９１〜９３は、センサＡ〜Ｃの配置面に対して入射角θの角度で入射するため、例えば超音波９３がセンサＣに到達する時間は、超音波９１がセンサＡに到達する時間と比較すると、入射角θに依存した時間だけ遅れることとなる。センサＡとＣの音源までの距離の差は、ｄsin θの式で求めることができるから、音波速度をν（約３４０ｍ／ｓ）とすると、センサＡとＣの超音波の到達時間の差ｔは、ｔ＝ｄsin θ／νの式で求めることができる。
【０００５】
図１０〜図１１は、図９のアレイセンサに、特許文献１の動線計測システムにおいて音源として利用されている熱励起式の超音波発生素子から送波された超音波を受波させた場合における受波信号の波形を示したものである。何れの図も、（ａ）がセンサＡの受波信号、（ｂ）がセンサＢの受波信号、（ｃ）がセンサＣの受波信号を示している。
【０００６】
熱励起式の超音波発生素子は、発熱体層の両端のパッド間に通電して発熱体層に温度変化を生じさせて超音波を発生させるので、発熱体層への通電を適宜に制御することで発生させる超音波の周波数を広範囲にわたって変化させることができる。図１１では残響時間が若干長くなっているが、図１０に示すような略１周期の超音波を発生させることもできる。
【０００７】
センサＡ〜Ｃの受波信号は、図１０〜図１１に示すように同じ時間軸上に表示すると、一定の時間遅れを有するものとなる。そこで、例えば図１０に示すように各波形の最初の立ち上がりに注目すると、立ち上がりの波形はセンサＡ、Ｂ、Ｃの順に一定時間分だけ遅延した位置に表れる。そして、図１０における時間差ｔは、ｔ＝ｄsin θ／νの計算式で求められるものであるため、逆に、各センサの受波時間の差が分かれば、音源がどの方向に存在するか（入射角θの値）を知ることができる。特許文献１の動線計測システムは、このような方式により移動体の位置を追跡するものである。
【０００８】
ところで、特許文献１では、例えば図１０に示すような、最初の立ち上りの波形が大きく明確に表れる熱励起式の超音波発生素子を使用しているが、一般に市販されている圧電セラミックス素子（例えば村田製作所製のピエゾタイト（登録商標）等）を超音波発生素子として使用する場合、音圧を上げるため素子への電圧印加を交流電圧のように複数サイクル繰り返し印加する。このため、センサＡ〜Ｃの受波信号は、図１２に示すように、最初の立ち上り（第１波）は極めて小さく、その後徐々に大きくなって例えば第７〜第１０波目に最大になるという性質がある。
【０００９】
そのため、第１波を検出するためには各センサの閾値を低いレベルに設定する必要があるが、閾値を低く設定するとセンサの感度が低下し、図１２（ｂ）に示すように、第１波を検出できずに第２波Ｅ１を誤検出したり、受波信号ではないノイズを拾ってしまう場合がある。
【００１０】
また、例えば図１３（ａ）に示すように、第４波を検出できるように閾値を高めに設定しても、センサによっては波形に歪がある場合があるため、図１３（ｂ）に示すように、第５波Ｅ２を検出し、半波長のずれが生じて検出誤差を生じる場合がある。
【００１１】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、受波信号の最初の立ち上り（第１波）が大きく明確に表れる熱励起式の超音波発生素子ではなく、一般に市販されている圧電式の超音波発生素子を使用した場合でも、受波信号の誤検出を可及的に防止することができる動線計測システムを提供することを目的としている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
解決しようとする課題は、受波信号の最初の立ち上り（第１波）が小さく、その後徐々に大きくなる性質を有する圧電式の超音波発生素子を使用した場合でも、受波信号の誤検出を可及的に防止する点である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の問題点を解決するため、本発明の動線計測システムは、
超音波を発生可能な音源と、前記音源から送波された超音波を受波し電気信号である受波信号に変換する複数個のセンサが同一基板上に二次元的に配列されたアレイセンサと、前記受波信号を解析する制御部と、を備え、前記音源、前記アレイセンサのうち何れか一方を位置検出対象の移動体に搭載し、他方を所定の位置に配置した動線計測システムであって、
前記アレイセンサは、前記基板上の左右方向とこれに直交する上下方向に第１、第２及び第３センサを夫々直線状に配列し、かつ、前記音源から発生させる超音波の波長をλとするとき、前記第２センサは前記第１センサからλ／２以下の間隔Ｌで配置するとともに、前記第３センサは前記第１センサからｎ×λ（ｎは自然数）の間隔で配置し、
前記制御部は、前記第２センサと前記第１センサの受波時間の差をｎ×λ／Ｌ倍して前記第３センサの受波時間の予測値を求める予測手段と、前記第３センサにおいて前記予測値から所定の時間範囲内に検出された受波信号のみを正しい信号として採用する確認手段とを備え、
前記確認手段により正しい信号と確認された第３センサの受波信号の受波時間と前記第１センサの受波時間の差と、前記第１、第３センサ間の距離に基づいて、前記音源から送波された超音波の入射角を求め、前記移動体の位置情報を検出することを最も主要な特徴点としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、熱励起式の超音波発生素子ではなく、受波信号が徐々に大きくなる圧電式の超音波発生素子を使用した場合でも、受波信号の誤検出を可及的に防止することができる。
【００１５】
本発明において、アレイセンサの基板上に配列したセンサ間の距離を上記のように特定した理由は以下の点にある。
【００１６】
熱励起式の超音波発生素子を使用した場合は、受波信号の最初の立ち上り（第１波）が大きく明確に表れるから、第１波を確実に検出することができ、第２波以降を誤検出するおそれがない。しかし、圧電式の超音波発生素子を利用する場合は、共振特性のＱ値が大きく残響を伴い、音圧を上げるため素子への電圧印加を交流電圧のように複数サイクル繰り返し印加するため、第１波ではなく第７〜第１０波が最大値となることもある。つまり、圧電式の超音波発生素子を利用する場合は、第１波が最大とは限らず、センサの閾値を越えた波形（仮に「第ｎ波」とする。）を検出したとき、その前後の波形（第ｎ＋１波または第ｎ−１波）も第ｎ波と同程度の大きさの信号である可能性がある。そうすると、センサ間の距離がλ／２（λは超音波の波長）よりも大きいと、入射角θが０°以上のプラス側の角度で第ｎ波を検出しているのか、入射角θが０°以下のマイナス側の角度で第ｎ＋１波を検出しているのかを判別することが困難である。そこで、本発明では、先ずは、第２センサを第１のセンサからλ／２以下の間隔の位置に配置し、いかなる入射角θに対しても第ｎ＋１波や第ｎ−１波を誤検出するおそれを無くすようにした。
【００１７】
しかしながら、センサ間の距離をλ／２以下とする場合は、超音波が各センサに到達する時間の時間差が極めて小さくなり、当該時間差から入射角を精度良く検出することが困難となる。そこで、本発明では、第３センサを第１センサからｎ×λ（ｎは自然数）の間隔を空けた位置に配置した。さらに、本発明では、アレイセンサから出力される受波信号を解析する制御部に、第２センサと第１センサの受波時間の差をｎ×λ／Ｌ倍して第３センサの受波時間の予測値を求める予測手段と、第３センサにおいて前記予測値から所定の時間範囲内に検出された受波信号のみを正しい信号として採用する確認手段を設けるようにした。
【００１８】
こうすることにより、本発明では、確認手段により正しい信号と確認された第３センサの受波信号の受波時間とそれに対応する第１センサの受波信号の受波時間の差、及び、第１センサと第３センサ間の距離に基づいて、音源から送波された超音波の入射角を求めることができる。
【００１９】
したがって、本発明では、各センサのノイズレベルよりも十分に高い任意の閾値を設定することにより、第１センサが閾値を越えた波形（第ｎ波）を検出したとき、第２センサがその前後の波形（第ｎ＋１波または第ｎ−１波）を誤検出するおそれが無く、しかも第１センサと第３センサの間には十分な時間差が得られるので、圧電式の超音波発生素子を利用する場合でも、一定の精度で受波信号を検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態の一例について、図１〜図８を用いて説明する。図１は、本実施例の動線計測システムの受信ユニットの構成を説明する断面図、図２はアレイセンサの基板上に配列した複数のセンサの位置関係を説明する図である。
【００２１】
図１において、Ｒは受信ユニットであり、超音波を発生可能な音源から送波された超音波を受波するとともに受波した超音波を電気信号である受波信号に変換する複数個のセンサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａと、センサＳ２ｂ，Ｓ３ｂ（図１においては図示せず）が同一の基板１上に二次元的に配列されたアレイセンサ２と、アレイセンサ２からの受波信号を解析する制御部３と、これらの機器を格納する筐体４とで構成される。
【００２２】
センサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａは、筐体４の上面板４０の裏面に接する位置に配置されている。その接触位置には、図１に示すような、各センサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａの上面部の面積よりもサイズが小さい超音波導入孔４１，４２ａ，４３ａを設けている。
【００２３】
図２は、アレイセンサ２の構成を説明する図である。アレイセンサ２は、基板１上の左右方向に第１センサＳ１、第２センサＳ２ａ、第３センサＳ３ａを直線状に配列し、これに直交する上下方向にも第１センサＳ１、第２センサＳ２ｂ、第３センサＳ３ｂを直線状に配列している。
【００２４】
左右方向に配列したセンサは、音源から発生させる超音波の波長をλとするとき、第２センサＳ２ａを第１センサＳ１からλ／２の間隔を空けて配置するとともに、第３センサＳ３ａは第１センサＳ１から３λの間隔を空けて配置している。また、上下方向に配列したセンサについても、第２センサＳ２ｂを第１センサＳ１からλ／２の間隔を空けて配置し、第３センサＳ３ｂは第１センサＳ１から３λの間隔を空けて配置している。
【００２５】
なお、図１では図示していないが、筐体４の上面板４０には、センサＳ２ｂ，Ｓ３ｂが接している部分にも、４１，４２ａ，４３ａと同様の超音波導入孔を設けている。本実施例では、上面板４０に超音波導入孔を計５個開口させるとともに、超音波導入孔から筐体内に塵や水が浸入しないように、筐体４の上面板４０の上部に超音波透過膜５を取り付けている。この超音波導入孔４１，４２ａ，４３ａと超音波透過膜５の構成の詳細については、後述する。
【００２６】
図３は、本実施例の動線計測システムの送信ユニット６と受信ユニットＲの構成を説明するブロック図である。本実施例の動線計測システムは、位置検出対象が大型店舗などの建物内で床面の上を移動する移動体（例えばショッピングカートなど）であり、間欠的に超音波を発生可能な音源６１を備えた送信ユニット６を移動体に搭載し、一方、音源６１から送波された超音波を受波するアレイセンサ２を有する受信ユニットＲを例えば店舗の壁や柱、陳列棚、天井面などの定位置に設置し、受信ユニットＲに対する音源６１の相対位置を求め、移動体の移動状況を追跡し、動線計測を行うものである。
【００２７】
音源６１の超音波発生素子は、圧電セラミックス素子である村田製作所製のピエゾタイト（登録商標）を使用している。送信ユニット６は、音源６１と、固有の識別情報信号を発信するＩＤ送信部６２と、これらのドライバを制御する制御部６３（マイクロコンピュータ）とを備えている。また、ＩＤ送信部６２は、光、赤外線、もしくは電波からなり、トリガ信号を発信するトリガ信号発信器の機能も兼ね備えている。音源６１からの超音波の送波開始タイミングやＩＤ送信部６２からの識別情報信号の送信タイミングは、制御部６３のマイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載して実行させることにより制御している。
【００２８】
一方、受信ユニットＲには、前述したアレイセンサ２と、ＩＤ送信部６２から送信された識別情報信号を受信するＩＤ受信部７と、アンプ８、入力された信号をデジタルデータに変換するＡＤコンバータ部９、これらのドライバを制御する制御部３（マイクロコンピュータ）とを備えている。また、ＩＤ受信部７は、ＩＤ送信部６２から送信されたトリガ信号を受信するトリガ信号受信器の機能も兼ね備えている。本発明では、アレイセンサ２から出力される受波信号を解析する制御部３のマイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載し、第２センサと第１センサの受波時間の差をｎ×λ／Ｌ倍して第３センサの受波時間の予測値を求める予測手段と、第３センサにおいて前記予測値から所定の時間範囲内に検出された受波信号のみを正しい信号として採用する確認手段を実行させるように構成した。なお、確認手段において許容する「所定の時間範囲」は任意に定めることができるが、例えば、予測手段により求めた予測値を基準として前後半波長分の時間範囲内とすることができる。確認手段において許容する時間範囲内に受波信号が検出されなかったときは、正しい受波信号ではないと判断し、エラー処理を行う。
【００２９】
本発明の動線計測システムでは、図４に示すように、受信ユニットＲを店舗の壁や柱、陳列棚、天井面などの所定位置に複数設置する。そして、各送信ユニット６の音源６１の相対位置に関するデータは、受信ユニットＲのＡＤコンバータ部９、制御部３を介して所定のデータ列に変換され、さらに、出力部１０を介して有線又は無線通信により中継装置１１に送られ、最終的にはＬＡＮ回線を通じてコンピュータ装置１２などの管理装置へ出力される。なお、出力部１０は、例えばＲＳ／４８５のようなシリアル転送方式のインタフェースや、ＳＣＳＩのようなパラレル転送方式のインタフェースを採用することができる。
【００３０】
コンピュータ装置１２では、所定時間毎にカートの位置をプロットし、店内における顧客の動線を把握する。本システムを利用すれば、顧客が商品を購入するために店内をどのようなルートで移動したかを時間毎のデータで分析できるので、商品を効率良く販売する最適な商品レイアウトを決定することができる。
【００３１】
なお、本実施例では、受信ユニットＲを天井面などの定位置に設置し、送信ユニット６を移動体の方に搭載する例を開示しているが、これらは逆であっても良い。本発明は、アレイセンサ２を含む受信センサＲの方を移動体に搭載し、音源６１を含む送信ユニット６の方を定位置に配置することも可能である。
【００３２】
次に、本発明の動線計測システムのデータ処理を説明する。図５は、基板１上に配列された複数のセンサを示しており、本実施例では、左右方向に配列されたセンサＳ１，Ｓ２ａ間の距離はλ／２、センサＳ１，Ｓ３ａの距離は３λとなるよう、また、上下方向に配列されたセンサＳ１，Ｓ２ｂ間の距離はλ／２、センサＳ１，Ｓ３ｂの距離は３λとなるように各センサが配置されている。
【００３３】
いま、図５では、送信ユニット６の音源６１からの超音波５１，５２，５３は、センサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａが配置された面に対して垂直な方向から角度θ１だけ左側に回転した方向から入射している。音源６１までの距離は、各センサ間の距離と比較して十分遠くにあるので、図５において、超音波５１〜５３はほぼ平行に入射していると考えることができる。また、超音波５１，５２，５３とは別の超音波５４，５５は、センサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａが配置された面に対して垂直な方向から角度θ２だけ右側に回転した方向から入射している。超音波５４，５５も、ほぼ平行に入射していると考えることができる。
【００３４】
超音波５１〜５３は、センサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａの配置面に対して入射角θ１の角度で入射するため、超音波５３がセンサＳ３ａに到達する時間は、超音波５１がセンサＳ１に到達する時間と比較すると、入射角θに依存した時間だけ遅れることとなる。したがって、各センサの受波時間の差が分かれば、音源がどの方向に存在するか（入射角θの値）を知ることができる。
【００３５】
図６は、音源６１から送波された超音波の入射角θ１を求める本発明の方式を説明する図である。先ず、第１センサＳ１のノイズレベルよりも十分に高い任意の閾値を設定し、図６（ａ）に示すように、受波信号がその閾値を上方に越える点をＰとする。
【００３６】
本実施例では、センサＳ１，Ｓ２ａ間の距離をλ／２としている。したがって、θ１，θ２の角度が±５０°以内ではＰ点から半波長以内の位置ＱにセンサＳ２ａの検出信号が表れる。本発明では、第２センサＳ２ａを第１のセンサＳ１からλ／２以下の間隔の位置に配置したので、センサの閾値を越える波形を検出したとき、その前後の波形を誤検出するおそれは無く、半波長以内の位置Ｑに検出される波形は、正しい信号と考えることができる。
【００３７】
次に、本実施例では、センサＳ１，Ｓ３ａ間の距離を３λとしているので、制御部３により、ＰＱ間の時間差ＴPQの６倍の時間位置Ｒに、第３センサＳ３ａの受波信号が検出されると予測することができる。そして、制御部３は、第２センサＳ２ａと第１センサＳ１の受波時間の差を６倍して第３センサＳ３ａの受波時間の予測値を求める予測手段と、第３センサＳ３ａにおいて前記予測値から前後半波長分の時間範囲内に検出された受波信号のみを正しい信号として採用する確認手段を実行する。
【００３８】
そして、本実施例では、上記確認手段により正しい信号と確認された第３センサＳ３ａの受波時間に基づいて、音源６１から送波された超音波の入射角θ１を求めるようにしている。具体的には、図６におけるＰＲ間の受波時間の差をＴPR、音波速度を３４０ｍ／ｓとすると、θ１は、以下の計算式で求めることができる。
３λ×ｓｉｎθ１＝３４０×ＴPR
ｓｉｎθ１＝（３４０×ＴPR）／３λ
θ１＝ｓｉｎ-1（（３４０×ＴPR）／３λ）
【００３９】
また、基板１上に上下方向に配列したセンサＳ１，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂの間でも、上記と同様の処理を行うことにより、音源６１が存在する方位を二次元的に把握できる。また、マイナス側の角度から入射している超音波５４，５５の入射角θ２を求める場合についても同様に、上記の式で求めることができる。但し、この場合は、図６に示すように、第１センサＳ１よりも第２センサＳ２ａ、第３センサＳ３ａの方が先に超音波を受波するので、図６のグラフにおいて、Ｑ点とＲ点は、Ｐ点よりも左側の位置に現れることとなる。
【００４０】
次に、図７〜図８を用いて、超音波導入孔と超音波透過膜のより好適な実施形態について説明する。図７は、基板１に配置された複数のセンサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂ全体が含まれる角型の大きなサイズの超音波導入孔７０を、筐体４の上面板４０に１つ形成し、その開口部に防塵、防滴用の超音波透過膜５を貼り付けて超音波受信部を構成した第１実施例を示したものである。本発明者らが種々検討したところによると、上記第１実施例では、後述する第２実施例と比較すると、位置検出精度が低下することが判明した。
【００４１】
その原因は、広い面積を有する超音波導入孔７０から入ってきた超音波が、図７（ｂ）に図示するように、超音波透過膜５とセンサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａを配置している基板１の間を何回か繰返し反射してセンサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａに入力してくる状態となり、反射せずに超音波透過膜５から直接入ってきた超音波と複合されることになり、超音波の位相から正しく方位を検出することが出来なくなる場合があるからである。
【００４２】
そこで、本発明では、図８に示す第２実施例の構成を採用することが最も望ましい。第２実施例では、基板１上に配列されたセンサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂは、筐体４の上面板４０の裏面に接する位置に配置されている。その位置には、図８に示すように、センサＳ１，Ｓ２ａ，Ｓ３ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂの上面部の面積よりもサイズが小さい超音波導入孔８１，８２ａ，８３ａ，８２ｂ，８３ｂを夫々設けている。
【００４３】
このように構成すれば、超音波導入孔８１，８２ａ，８３ａ，８２ｂ，８３ｂは各センサの近傍に個別に形成されるため、他の位置から入力してきた超音波と複合されることがなく、入射位置による超音波位相差を正しく検出することが可能となり精度の良い位置計測が可能となる。
【００４４】
第２実施例の構成とした場合、外部の任意の方向から超音波導入孔を覗くと、内部にあるセンサが完全には見えない状態となるが、超音波は回り込みにより各センサに到達するので、実用上問題はない。また、超音波導入孔８１，８２ａ，８３ａ，８２ｂ，８３ｂのサイズは全て等しくしているので、回り込みにより各センサに到達する経路も等しいと考えることができるので、精度上も問題がない。
【００４５】
超音波導入孔８１，８２ａ，８３ａ，８２ｂ，８３ｂの形状は、角型、丸型等、所望の形状が可能である。また、本発明者らが種々検討したところによると、例えば４０ＫＨｚの超音波を使用する場合、辺長または直径は１〜４ｍｍの範囲とすることが望ましいことが判明している。超音波導入孔の辺長または直径の設計の目安は、超音波の周波数によっても変わるが、超音波の波長をλとすると、空気中では１ｍｍ以上でλ／２ｍｍ以下の範囲とするのが好適である。超音波の周波数を４０ＫＨｚ、音速を３４０ｍ／ｓとすると、波長λはおよそ８ｍｍであることから、この場合、辺長または直径は１〜４ｍｍの範囲とすることが望ましい。
【００４６】
超音波透過膜５は、例えばポリエチレンテレフタレート製の膜を使用し、膜厚は１μｍ以上で６μｍ以下の範囲とすることが望ましい。この１〜６μｍの範囲とすれば、超音波が透過したときでも減衰が小さく、実用上好ましいからである。
【００４７】
以上説明したように、本発明の動線計測システムは、アレイセンサの基板上の左右方向とこれに直交する上下方向に第１、第２及び第３センサを夫々直線状に配列し、かつ、前記音源から発生させる超音波の波長をλとするとき、前記第２センサは前記第１センサからλ／２以下の間隔Ｌで配置するとともに、前記第３センサは前記第１センサからｎ×λ（ｎは自然数）の間隔で配置したので、熱励起式の超音波発生素子ではなく、受波信号が徐々に大きくなる圧電式の超音波発生素子を使用した場合でも、受波信号の誤検出を可及的に防止することができる。
【００４８】
また、基板と、アレイセンサと、制御部を格納する筐体を有し、第１、第２及び第３センサは前記筐体の上面板の裏面に接する位置に配置するとともに、当該配置位置には前記第１、第２及び第３センサの上面部の面積よりもサイズが小さい超音波導入孔を夫々設け、さらに、前記超音波導入孔の上面を覆う超音波透過膜を取り付けた構成の動線計測システムによれば、防塵、防滴の目的でセンサを保護する超音波透過膜を取り付けた場合でも、入射位置による超音波位相差を正しく検出することが可能となり精度良く位置計測が可能となるので、さらに好適な効果が得られる。
【００４９】
本発明は上記の実施例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範囲内で、適宜実施の形態を変更しても良いことはいうまでもない。例えば、超音波導入孔の形状は実施例に示した丸型に限らず、角型であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、ショッピングカートなどに取り付けて顧客の動線分析をするシステムに限らず、例えば、倉庫に保管してある部品や機器に超音波タグ（送信ユニット）を貼り付け、タグから間欠的に超音波とＩＤ信号を送信し、それらを受信ユニットで受信することにより、部品や機器の存在位置をリアルタイムで確認するシステムにも適用できる。また、人に超音波タグ（送信ユニット）を持たせ、人の現在位置を検出することにより、高齢者や障害者の徘徊行動を保護者に知らせる報知サービスなどにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の動線計測システムの受信ユニットの構成を説明する図である。
【図２】アレイセンサの基板上に配列したセンサの位置関係を説明する図である。
【図３】送信ユニットと受信ユニットの構成を説明するブロック図である。
【図４】店舗の天井面などに受信ユニットを複数設置する例を示した図である。
【図５】基板上に配列された複数のセンサに、角度θ１又はθ２の方向から超音波が入射している状態を説明する図である。
【図６】音源から送波された超音波の入射角を求める本発明の方式を説明する図である。
【図７】面積の大きい超音波導入孔を設けた第１実施例の説明図である。
【図８】面積の小さい超音波導入孔を夫々設けた第２実施例の説明図である。
【図９】従来の超音波アレイセンサの基板上に配列されたセンサの位置関係を示す図である。
【図１０】熱励起式の超音波発生素子から送波された超音波をアレイセンサで受波させた場合における各センサの受波信号の波形を、同じ時間軸上に表示した図である。
【図１１】熱励起式の超音波発生素子からの受波信号の他の例を示す図である。
【図１２】圧電式の超音波発生素子から送波された超音波をアレイセンサで受波させた場合における各センサの受波信号の波形を、同じ時間軸上に表示した図である。
【図１３】圧電式の超音波発生素子からの受波信号の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
Ｓ１ 第１センサ
Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ 第２センサ
Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ 第３センサ
１ 基板
２ アレイセンサ
３ 制御部
４ 筐体
４０ 上面板
４１，４２ａ，４３ａ 超音波導入孔
５ 超音波透過膜
６ 送信ユニット
６１ 音源
８１，８２ａ，８３ａ，８２ｂ，８３ｂ 超音波導入孔
Ｒ 受信ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を発生可能な音源と、前記音源から送波された超音波を受波し電気信号である受波信号に変換する複数個のセンサが同一基板上に二次元的に配列されたアレイセンサと、前記受波信号を解析する制御部と、を備え、前記音源、前記アレイセンサのうち何れか一方を位置検出対象の移動体に搭載し、他方を所定の位置に配置した動線計測システムであって、
前記アレイセンサは、前記基板上の左右方向とこれに直交する上下方向に第１、第２及び第３センサを夫々直線状に配列し、かつ、前記音源から発生させる超音波の波長をλとするとき、前記第２センサは前記第１センサからλ／２以下の間隔Ｌで配置するとともに、前記第３センサは前記第１センサからｎ×λ（ｎは自然数）の間隔で配置し、
前記制御部は、前記第２センサと前記第１センサの受波時間の差をｎ×λ／Ｌ倍して前記第３センサの受波時間の予測値を求める予測手段と、前記第３センサにおいて前記予測値から所定の時間範囲内に検出された受波信号のみを正しい信号として採用する確認手段とを備え、
前記確認手段により正しい信号と確認された第３センサの受波信号の受波時間と前記第１センサの受波時間の差と、前記第１、第３センサ間の距離に基づいて、前記音源から送波された超音波の入射角を求め、前記移動体の位置情報を検出することを特徴とする動線計測システム。
【請求項２】
前記基板と、前記アレイセンサと、前記制御部を格納する筐体を有し、前記第１、第２及び第３センサは前記筐体の上面板の裏面に接する位置に配置するとともに、当該配置位置には前記第１、第２及び第３センサの上面部の面積よりもサイズが小さい超音波導入孔を夫々設け、さらに、前記超音波導入孔の上面を覆う超音波透過膜を取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の動線計測システム。
【請求項３】
前記超音波導入孔は、角型又は丸型の何れかの形状とするとともに、角型とした場合の辺の長さ、又は丸型とした場合の直径は、１ｍｍ以上４ｍｍ以下の範囲としたことを特徴とする請求項２に記載の動線計測システム。
【請求項４】
前記超音波透過膜の膜厚を、１μｍ以上６μｍ以下の範囲としたことを特徴とする請求項２又は３に記載の動線計測システム。
【請求項１】
超音波を発生可能な音源と、前記音源から送波された超音波を受波し電気信号である受波信号に変換する複数個のセンサが同一基板上に二次元的に配列されたアレイセンサと、前記受波信号を解析する制御部と、を備え、前記音源、前記アレイセンサのうち何れか一方を位置検出対象の移動体に搭載し、他方を所定の位置に配置した動線計測システムであって、
前記アレイセンサは、前記基板上の左右方向とこれに直交する上下方向に第１、第２及び第３センサを夫々直線状に配列し、かつ、前記音源から発生させる超音波の波長をλとするとき、前記第２センサは前記第１センサからλ／２以下の間隔Ｌで配置するとともに、前記第３センサは前記第１センサからｎ×λ（ｎは自然数）の間隔で配置し、
前記制御部は、前記第２センサと前記第１センサの受波時間の差をｎ×λ／Ｌ倍して前記第３センサの受波時間の予測値を求める予測手段と、前記第３センサにおいて前記予測値から所定の時間範囲内に検出された受波信号のみを正しい信号として採用する確認手段とを備え、
前記確認手段により正しい信号と確認された第３センサの受波信号の受波時間と前記第１センサの受波時間の差と、前記第１、第３センサ間の距離に基づいて、前記音源から送波された超音波の入射角を求め、前記移動体の位置情報を検出することを特徴とする動線計測システム。
【請求項２】
前記基板と、前記アレイセンサと、前記制御部を格納する筐体を有し、前記第１、第２及び第３センサは前記筐体の上面板の裏面に接する位置に配置するとともに、当該配置位置には前記第１、第２及び第３センサの上面部の面積よりもサイズが小さい超音波導入孔を夫々設け、さらに、前記超音波導入孔の上面を覆う超音波透過膜を取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の動線計測システム。
【請求項３】
前記超音波導入孔は、角型又は丸型の何れかの形状とするとともに、角型とした場合の辺の長さ、又は丸型とした場合の直径は、１ｍｍ以上４ｍｍ以下の範囲としたことを特徴とする請求項２に記載の動線計測システム。
【請求項４】
前記超音波透過膜の膜厚を、１μｍ以上６μｍ以下の範囲としたことを特徴とする請求項２又は３に記載の動線計測システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−５４４３９（Ｐ２０１０−５４４３９Ａ）
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２１８２５（Ｐ２００８−２２１８２５）
【出願日】平成２０年８月２９日（２００８．８．２９）
【出願人】（３０４０３０４９７）株式会社プロアシスト (22)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２９日（２００８．８．２９）
【出願人】（３０４０３０４９７）株式会社プロアシスト (22)
【Ｆターム（参考）】
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