JP2002182841A - 座標入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低消費エネルギーで検出感度の高い座標入力
装置を提供する。 【解決手段】 音波信号を発生する信号発生部と、少な
くとも前記信号発生部を囲う外装で構成された移動可能
な信号送信部と、この信号送信部から放射される音波を
受信する複数の受信部と、前記受信部で受信した音波信
号相互間の位相差を計算する演算部とを備え、前記信号
発生部で発生する音波の周波数は1000/Mt以下であり、
前記受信部間で計算された位相差から前記信号送信部の
位置を検出する。その他７項ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音波を用いた測
長、位置検出及び速度検出に関するもので、特に、座標
入力装置、入力携帯機器等に応用すると好適である。

【０００２】

【従来の技術】従来技術として、特開平８−２２３６２
号公報がある。この技術は、超音波を発生するペンと、
ペンから発生する超音波を検出する受信部を持ち、ペン
の座標を検出する。受信部の配置を工夫することで、ペ
ンから発生する超音波の指向性による受信パワーをなく
し、安定化を図るものである。

【０００３】又、他の従来技術として、特開平８−２７
８８５号公報が挙げられる。この技術は、超音波を発生
する送信部を持った入力部と、これを受信する受信部を
持ち、受信部で得られた送信波のタイミングから座標を
検出する。受信波のタイミングの取り方に工夫をこらす
ことで、安定した座標取得を提案するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】携帯機器やコンピュー
タ画面の表示装置には、ポインティングを行い座標を入
力する装置が必要である。一般的にはマウスやタブレッ
トのような有線機器が主流であるが、ハンドリング性の
良さ、大画面内での操作性の良さの面から、無線で位置
を検出できる小型デバイスが必要となってきている。ま
たこれらデバイスはポインティングのみならず、手書き
入力も可能にするための位置検出デバイスとして各種従
来技術が存在している。

【０００５】しかしながら、前記特開平８−２２３６２
号公報においては、表面弾性波が、伝わる面の振動特性
により伝搬方向によって超音波が減衰してしまったり、
思わぬ増幅を起こしてしまい、位置検出が悪化する場合
がある。その意味では非接触方式が優れている。また、
特開平８−２７８８５号公報においては、原理的に、送
信波の波長の半分以下の分解能を得られないため、20kH
z の超音波で分解能が8.5mm と低く、分解能の面に問題
を抱えている。

【０００６】また他の方式は、検出器間の時間差分でペ
ンの位置を特定できるため、分解能や安定性の面で優れ
ている。しかしながら超音波のもつ反射性が良いという
性質のため、ペン内部に存在する信号送信部をカバーな
どで覆うことができず、ペンの送信部は開口せざるを得
ない。この部分に手が触れて隠れてしまったときに、信
号が検出器に届かず位置を検出できない。また、超音波
は超指向性をもっており、送信波が広がりをもって伝搬
することがないため、適切に送信波の受信が可能な検出
器の位置が限定されたり、ペンの持つ方向が限定され、
ペンとしての使い勝手がよくないという課題がある。

【０００７】また前記いずれの手法も、共に送信波発生
のための消費エネルギーが大きいという問題を抱えてい
る。

【０００８】本発明は、上述の問題を解決するためもの
であり、音波を発生するペンと音波を検出する受信部を
複数用いることで、これら従来技術の欠点を克服し、低
消費エネルギーで検出感度の高い座標入力装置を提供す
ることを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の請求項１は、音波信号を発生する信号発生
部と、少なくとも前記信号発生部を囲う外装で構成され
た移動可能な信号送信部と、この信号送信部から放射さ
れる音波を受信する複数の受信部と、前記受信部で受信
した音波信号相互間の位相差を計算する演算部とを備
え、前記信号発生部で発生する音波の周波数は1000/Mt
以下であり、前記受信部間で計算された位相差から前記
信号送信部の位置を検出することを特徴とする。

【００１０】また、本発明の請求項２は、請求項１に記
載の座標入力装置において、前記信号送信部は棒形状で
あり、その内部には円筒状形成された径方向に伸縮でき
るように構成された圧電素子とこれを所定の送信波形で
駆動するための送信用電源と、送信波形生成部と、駆動
部とを備え、前記圧電素子の径方向の伸縮により、所定
の音波を生成することを特徴とする。

【００１１】また、本発明の請求項３は、請求項１に記
載の座標入力装置において、前記信号送信部で発生する
信号は、所定の時間間隔内に少なくとも２つ以上の異な
る周波数のバースト波形を所定の時間間隔で発生し、前
記受信部は、受信器と、前記信号送信部で発生している
予め決められた音波周波数に応じた帯域制限部と、その
出力が予め定められたしきい値を超えたときに信号を発
生する検波部とを有し、前記受信部で受信した信号の各
周波数帯域における検波信号を前記演算部に送信するこ
とを特徴とする。

【００１２】また、本発明の請求項４は、請求項３に記
載の座標入力装置において、前記信号送信部で発生する
バースト信号の周波数はそれぞれ50及び60の倍数でない
ことを特徴とする。

【００１３】また、本発明の請求項５は、請求項３に記
載の座標入力装置において、前記信号送信部で発生する
バースト信号の周波数はそれぞれ整数倍の関係ではない
ことを特徴とする。

【００１４】また、本発明の請求項６は、請求項３に記
載の座標入力装置において、前記信号送信部で発生する
複数のバースト信号はお互いに所定の時間間隔で重畳さ
れていることを特徴とする。

【００１５】また、本発明の請求項７は、請求項３に記
載の座標入力装置において、前記演算部は、前記受信部
から送られてきた周波数別検波信号から周波数間の検波
時間の差分を計算し、本差分時間をもとに選択的に座標
入力の有無を決定することを特徴とした。

【００１６】また、本発明の請求項８は、請求項１、２
または３に記載の座標入力装置において、前記演算部
は、前記各受信部から送られてくるデータを元に座標を
計算し、これを時間的にメモリーする機能と時間的な座
標補間をする機能を兼ね備えることを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の座標入力装置の一
実施例を図面をもとに詳細に説明する。

【００１８】（１）全体の構成 図１は、本発明の座標入力装置の構成概念図を示す。図
１（Ａ）は構成の一例であり、図１（Ｂ）はその制御ブ
ロック図を示している。座標入力装置は、図１（Ａ）の
ように所定の信号を送信する棒状の信号送信部１と、こ
の信号を受信する複数の受信部２および受信部２を内蔵
した加筆先である本体から構成されている。この本体
は、机上に置かれるボード状の小型のものや、ホワイト
ボードや会議場のスクリーン程度の大きさの縦置き装置
であってもかまわない。図１では、棒状の信号送信部１
はペン３０として表現している。この信号送信部１から
は、所定の音波信号を所定の時間間隔で送信している。
また、複数の受信部２は、送信部の位置に応じた音波到
達時間をもって音波を受信することになる。この受信部
２は、所定のアルゴリズムで音波到達時間をそれぞれ計
算し、演算部３にこの結果を送信する。演算部３では、
各受信部２から送られてきた音波到達時間の差分を元
に、音波の進行速度より信号送信部１の位置を計算す
る。

【００１９】たとえば、図１（Ａ）において、信号送信
部１がある位置に存在する場合に、受信部２Ａと受信部
２Ｂの音波到達時間がそれぞれT2A 、T2B であり、信号
送信部１と、受信部２Ａおよび受信部２Ｂの距離をそれ
ぞれLA、 LBとする。音波の伝搬速度VSは、環境温度によ
って決まり、かつ一定であるため、信号送信部１の位置
は、LA-LB=VS・(T2A- T2B)なる直線上のどこかに存在す
ることになる。これを他の受信部間で同様な計算を行え
ば、信号送信部１の位置は各直線の交点である１点に限
定され位置座標が取得できる。これは一般的な３点法に
よる位置特定方法であるため、受信部２は、同一線上に
存在しない最低３つの数を持つことが前提となる。ま
た、図示していないが、送信信号の開始を別途本体受信
部に伝える機能を持たせることで、受信部２Ａと受信部
２Ｂの到達時間T2A 、T2B から信号送信部１と受信部２
Ａおよび受信部２Ｂとの距離LA、LBを計算し、両受信部
からそれぞれ距離LA、LBなる半径を持つ円の交点から座
標を検出することも可能である。

【００２０】いずれの方法においても、座標位置は信号
送信部１の所定の時間間隔ごとに計算できるため、時間
的に離散的に存在する座標位置から、信号送信部１（ペ
ン）の移動速度や移動ベクトルも取得できる構成であ
る。信号送信部１は、図２に示すように外装８で覆われ
ている。なお、本実施例においては、信号を発生する構
成は限定しない。信号発生部２０では音波を発生してお
り、この音波はその性質上、壁面を通過したり壁面で反
射したりする。

【００２１】上述の音波の性質を図５を用いて説明す
る。図５において、音源１２が信号発生部に相当する。
音源１２から放射された音波は外装８に達し、外装表面
で反射したり、外装を通過したりする。通過するエネル
ギーE ＷＯと反射するエネルギーE ＷＲの和は、音源１
２と外装８が近ければ、媒体である空気の減衰を無視で
きるため、音源１２のエネルギーE ＷＩに等しくなる。
反射されるエネルギーの割合は、透過損失ＴＬで簡易的
に計算できる。透過損失ＴＬは、外装８の持つ面密度ｍ
（単位面積あたりの重量）と音波の周波数ｆの関数であ
り、式（１）でおおよそ計算できる。

【００２２】 ＴＬ(dB)=18Log(mf)-44 = 10Log(Mtf)-44 M:密度(g/cm3) 、t:厚さmm・・・(1)

【００２３】したがって、各エネルギーをデシベルで表
示したパワーとして捕らえれば、音源１２から放射した
ＰＷＩなる音響パワーから、反射されるパワーＰＷＲす
なわち透過損失をデシベルで差し引いた残り（エネルギ
ーの除算に相当）が、透過音１３の持つ音響パワーＰＷ
Ｏ（式（２））に相当する。

【００２４】 ＰＷＯ＝ＰＷＩ−ＰＷＲ＝ＰＷＩ−ＴＬ ・・・(2)

【００２５】外装８は実際に手で持つため、ある程度の
圧力がかかる。したがって、本発明の送信部外装８は、
ある程度の硬さを持つ必要がある。そこで金属（密度7.
8g/cm3）で厚さ0.2mm 、およびプラスチック（密度2.5g
/cm3、1g/cm3、0.8g/cm3）で厚さ（0.3 ｍｍ、0.5 ｍ
ｍ、0.7 ｍｍ）で外装８を構成したときの透過損失を、
式( ２) を用い計算した結果を図６に示す。反射量は少
ないほど、信号発生部２０で発生した音波を効率的に受
信部２に送ることが可能となる。そこで反射によるロス
を10dBまで許容するとすれば、音波として使用できる周
波数の上限は、式（１）より1000/mt となる。音波は周
波数が高くなるほど指向性が強くなる傾向を持つが、こ
れらの範囲の周波数帯域はさほど指向性が強くないの
で、信号発生部２０から発生する音波は広がりをもって
伝搬する。

【００２６】したがって、指向性が低いため、従来例の
問題であった受信部の位置を細かに限定するする必要
や、送信部（ペン）を持つ方向を限定されずにすむので
使い勝手が向上する。また、音波を送信信号として用い
ることで指向性がゆるく、信号送信部１が外装８で覆わ
れ、かつその上に手がかぶさっても、受信部２への必要
な波形の送信が可能になる。

【００２７】（２）信号送信部１の構成 本発明の本座標入力装置の信号送信部１の構成を図２に
もとづいて説明する。信号発生部２０は、これをカバー
する外装８に内蔵されており、その外形は棒状を形成し
ている。この棒状全体が信号送信部１Ａである。形状と
しては、棒状であればどのような形態であってもかまわ
ない。たとえば、従来例のようにペン形状にすることも
可能である。

【００２８】信号発生部２０は、送信用電源５と、出力
波形発生部６と、実際の音波発生を行う電気機械変換で
ある圧電素子４と、これを駆動する駆動部７から構成さ
れる。圧電素子は円筒状に形成され、半径方向に分極さ
れており、駆動部から供給される駆動信号に応じて円筒
半径方向に伸縮する。このような構成にすることで、外
装８からあらゆる方向に指定された周波数の音波を放射
することが可能になっている。先に述べた音波の指向性
もさほど強くないことと、信号発生部１から放射される
音波が放射状になることより、座標入力装置としては、
受信部で安定した信号受信が可能となるばかりでなく、
受信部の設置位置が限定されなくなる。外装に関して
は、本発明において言及しているのは圧電素子周りであ
るので、複数の材質・厚さの外装を組み合わせて利用し
てもかまわない。

【００２９】したがって、上記構成により信号送信部１
から発生する音波が放射状に伝搬されるため、一段と指
向性が低くなる。その結果、受信部２においては、より
安定した信号の受信が可能になり、安定して座標位置を
検出する座標入力装置を提供できる。

【００３０】（３）音波信号の到達時間の検出 信号送信部１で発生する音波信号と受信部の到達時間検
出について、図３および図４にもとづいて説明する。信
号送信部１では、図３に示すごとくあらかじめ決められ
たＴ０なる時間間隔で所定の音波を繰り返し発生してい
る。Ｔ０は座標算出のインターバルに相当し、座標検出
周波数となる。この座標検出周波数は、上記（１）で示
した周波数帯域に存在している必要がある。Ｔ０の時間
間隔の間には、複数の異なる周波数のバースト信号が含
まれている。これらの周波数も、上記（１）で示した周
波数帯域に存在している必要がある。それぞれのバース
ト波形は、あらかじめ決められた時間間隔（図ではＴ
１、Ｔ２、Ｔ３）をもって送信されており、それぞれの
バースト波形は、お互いに重なり合うことなく独立して
いる。

【００３１】一方、受信部２は、図４に示したように受
信器９と、受信信号に所定の周波数帯域制限を行う複数
の帯域制限部10と、帯域制限された受信信号それぞれか
ら所定のしきい値以上の波が発生したときに、タイミン
グ信号を発生する検波部１１とからなる。帯域制限部１
０の通過帯域は、少なくとも信号送信部１で発生してい
るバースト波の周波数が分離できる幅を持っている。ま
た、検波部１１は、座標検出時間間隔Ｔ０の内で少なく
とも１回目のしきい値を超えたタイミングを検出でき
る。これらで得られた各受信部のタイミング検出信号
は、逐次、演算部３に送られる。演算部３では、いずれ
のバースト波の検出時間でも座標位置を検出することが
できる。

【００３２】また、特に前方のバースト波形検出時間を
トリガーとし、後方のバースト波検出時間が、所定の時
間間隔（図３のＴ１、Ｔ２、Ｔ３）の許容範囲であるこ
とを判断し、後方のバースト波検出時間を用いて、座標
検出を行うことも可能になっている。実際の使用環境で
は必ず環境音が存在し、後者の場合この環境音によるノ
イズに強い検出系を構築できる。

【００３３】すなわち、たまたま本座標入力装置に外部
から使用している第２のバースト周波数帯の騒音が受信
部２で受信された場合でも、第１波と第３波を用いて、
その時間間隔で送信部から送信してきた信号であるかを
判断して座標検出ができる。

【００３４】また、受信部２に用いる帯域制限部１０と
検波部１１を、１つの送信部で使う周波数の数よりも多
く持たせることも可能である。この場合、１つの本体に
対して、複数の信号入力部を同時に用いることが可能に
なる。たとえば、第１の信号送信部は周波数f1、f2、f
3、f4のバースト波を、第２の信号送信部は周波数f5、f
6、f7、f8のバースト波を使用するとして、受信部２に
８つの帯域制限部１０とその検波部１１を持たせておけ
ば、それぞれの信号送信部１の座標位置を別々に取得す
ることができる。

【００３５】本発明をこのようにすることによって、複
数のバースト波形を送信することで、受信部２での検波
の確度が向上する。これはバースト波形が次第に減衰し
ていく波形であり、バーストの最初に振幅が高くなるた
めである。したがって、より的確な時間検出が可能とな
り、精度の高い座標位置を得ることができる。

【００３６】（４）他の電気機器から発生する信号との
混信 一般的に電気機器は、電源周波数の騒音とその高調波騒
音とを発生するので、これらノイズ成分となる騒音と混
信しないように、信号送信部１で用いるバースト波形の
周波数を５０および６０の倍数とはしないようにする。

【００３７】このようにすることによって、内外からの
ノイズに対して強い座標入力装置を提供できる。

【００３８】（５）信号送信部１で用いる信号の混信 信号送信部１で用いるそれぞれのバースト波形の周波数
について説明する。このバースト信号は、純粋な正弦波
ではないため、高調波成分をもつ騒音を同時に発生す
る。もしお互いのバースト波形の周波数（基本周波数）
が整数倍にあると、ある基本周波数の高調波成分が、ほ
かの基本周波数の振幅に重畳し、検波部で検出される波
形検波時間に誤差を含みやすくなる。この傾向は、お互
いのバースト波が重なり合いを持って送信される場合と
くに強くなる。

【００３９】このようにすることにより、使用される環
境および自分で発生するノイズによる悪影響をあらかじ
め排除できる。

【００４０】（６）信号検出の時間間隔 請求項６の発明においては、信号送信部１で送られる波
形について言及している。上記（３）で示したバースト
波形を複数用いる場合に、所定の時間間隔Ｔ０を短く
し、座標検出周波数を向上させたい場合がある。この場
合に対応するために、複数のバースト波形を短い時間間
隔で重畳させるようにする。このようにすることによ
り、より短い時間間隔で座標検出が可能になるため、座
標入力装置の時間分解能が向上する。

【００４１】（７）計算された座標値の時間分解能 受信部から送られてきた周波数別検波信号から周波数間
の検波時間の差分を計算し、本差分時間をもとに選択的
に座標入力の有無を決定するようにして、逐次計算され
る座標値の時間分解能を向上させることができる。この
ようにすることにより、内外からのノイズに対して強い
座標入力装置を提供できる。

【００４２】（８）所定の時間間隔内の座標値の計算 所定の時間間隔Ｔ０ごとに得られた座標位置を、必要な
分記憶できるメモリーと、このメモリーから座標値を読
み出しＴ０の時間間隔によって速度ベクトルを計算し、
その内部に時間補完する機能を備えることで、実際には
計算されていない時間帯の座標値を算出している。この
ようにすることにより、空間分解能が高い座標入力装置
が提供できる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によると、
音波を発生するペンと音波を検出する受信部を複数用い
ることで、従来技術の欠点を克服し、低消費エネルギー
で検出感度の高い座標入力装置を提供することができ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の座標入力装置の構成概念図である。

【図２】本発明の座標入力装置における信号送信部１の
構成図である。

【図３】本発明の座標入力装置における座標検出周波数
Ｔ０とバースト信号の時間間隔（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）と
の関係を示す図である。

【図４】本発明の座標入力装置における受信部２の構成
と、その動作概要を示す図である。

【図５】音波の性質を説明する図である。

【図６】信号送信部外装の各密度における音波周波数と
透過損失との関係を示す図である。

【符号の説明】

１ 信号送信部 ２ 受信部 ３ 演算部 ４ 圧電素子 ５ 送信用電源 ６ 出力波形生成部 ７ 駆動部 ８ 外装 ９ 受信器 １０ 帯域制限部 １１ 検波部 １２ 音源 １３ 透過音 １４ 反射音 ２０ 信号発生部 ３０ ペン

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 音波信号を発生する信号発生部と、少な
   くとも前記信号発生部を囲う外装で構成された移動可能
   な信号送信部と、この信号送信部から放射される音波を
   受信する複数の受信部と、前記受信部で受信した音波信
   号相互間の位相差を計算する演算部とを備え、前記信号
   発生部で発生する音波の周波数は1000/Mt 以下であり、
   前記受信部間で計算された位相差から前記信号送信部の
   位置を検出することを特徴とする座標入力装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の座標入力装置におい
   て、前記信号送信部は棒形状であり、その内部には円筒
   状形成された径方向に伸縮できるように構成された圧電
   素子とこれを所定の送信波形で駆動するための送信用電
   源と、送信波形生成部と、駆動部とを備え、前記圧電素
   子の径方向の伸縮により、所定の音波を生成することを
   特徴とする座標入力装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の座標入力装置におい
   て、前記信号送信部で発生する信号は、所定の時間間隔
   内に少なくとも２つ以上の異なる周波数のバースト波形
   を所定の時間間隔で発生し、前記受信部は、受信器と、
   前記信号送信部で発生している予め決められた音波周波
   数に応じた帯域制限部と、その出力が予め定められたし
   きい値を超えたときに信号を発生する検波部とを有し、
   前記受信部で受信した信号の各周波数帯域における検波
   信号を前記演算部に送信することを特徴とする座標入力
   装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の座標入力装置におい
   て、前記信号送信部で発生するバースト信号の周波数は
   それぞれ50及び60の倍数でないことを特徴とする座標入
   力装置。
5. 【請求項５】 請求項３に記載の座標入力装置におい
   て、前記信号送信部で発生するバースト信号の周波数は
   それぞれ整数倍の関係ではないことを特徴とする座標入
   力装置。
6. 【請求項６】 請求項３に記載の座標入力装置におい
   て、前記信号送信部で発生する複数のバースト信号はお
   互いに所定の時間間隔で重畳されていることを特徴とす
   る座標入力装置。
7. 【請求項７】 請求項３に記載の座標入力装置におい
   て、前記演算部は、前記受信部から送られてきた周波数
   別検波信号から周波数間の検波時間の差分を計算し、本
   差分時間をもとに選択的に座標入力の有無を決定するこ
   とを特徴とした座標入力装置。
8. 【請求項８】 請求項１、２または３に記載の座標入力
   装置において、前記演算部は、前記各受信部から送られ
   てくるデータを元に座標を計算し、これを時間的にメモ
   リーする機能と時間的な座標補間をする機能を兼ね備え
   ることを特徴とする座標入力装置。