JP2004102896A - 超音波型座標入力装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】超音波型座標入力装置に関し,ペンの状態に応じて赤外線や超音波の送信出力を制御し,消費電力の低減を可能にすることを目的とする。
【解決手段】ペン1は,固定機2が赤外線LED22により発信した赤外線パルスの間隔に応じた大きさの振幅で超音波を発信する。固定機2は,超音波センサ21,23によってペン1からの超音波を受信し,超音波の伝搬時間からペン1の座標を計算する。ペン1が固定機2から相対的に遠い位置にあるときには,発信する赤外線パルスの間隔を大きくし,近い位置にあるときには,発信する赤外線パルスの間隔を小さくする。また,ペン1の移動速度に応じて赤外線パルスを発信する周期を変え,ペン1の位置のサンプリング周期を制御する。
【選択図】 図1
【解決手段】ペン1は,固定機2が赤外線LED22により発信した赤外線パルスの間隔に応じた大きさの振幅で超音波を発信する。固定機2は,超音波センサ21,23によってペン1からの超音波を受信し,超音波の伝搬時間からペン1の座標を計算する。ペン1が固定機2から相対的に遠い位置にあるときには,発信する赤外線パルスの間隔を大きくし,近い位置にあるときには,発信する赤外線パルスの間隔を小さくする。また,ペン1の移動速度に応じて赤外線パルスを発信する周期を変え,ペン1の位置のサンプリング周期を制御する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は,ペンで文字や図形を手書きした時の軌跡をコンピュータに入力するための座標入力装置であって,特にペンと固定機との距離,方向に応じて発生する超音波出力を可変にすることで消費電力を低減させることを可能にした超音波型座標入力装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
パーソナルコンピュータが普及しても,メモ書き等は手書きが簡便であり,特に,図形を含むようなメモ書きでは,手書きの入力が非常に便利である。このような手書きメモも,自分自身での整理や他人に配布するような場合には,電子化されていると便利である。そこで,タッチパネルを用いて,コンピュータに直接手書きメモを入力したり,取り敢えず紙に筆記しておき,後で紙をスキャナ等でコンピュータに取り込んだりする方法がある。
【0003】
しかし,コンピュータの画面への手書き入力は,画面の解像度が低い,画面が見にくい,ペンの書き味が悪い等の理由で紙への筆記よりも劣る。一方,後でスキャナで取り込むのは煩雑である。そこで,座標入力できる電磁誘導方式のタブレット上に紙を置き,ボールペン芯の付いた紙筆記可能なタブレット用ペンで紙に筆記すると同時に,タブレット機能によりペン軌跡を電子入力する方法がある。しかし,タブレットは筆記面と同サイズ以上の大きさがあるため,机上で場所を取って不便であり,また,携帯することは困難である。そこで,超音波の伝搬時間を利用して,ペンと固定機とで手書き軌跡を入力する装置がいくつか提案されている(例えば,特許文献1,特許文献2参照。)。
【0004】
これらの従来例では,ペンから超音波を発生し,机上あるいは台に固定した2個の超音波受信器まで超音波が伝搬する伝搬時間からペンと各受信器の距離を測定し,三角測量により,机上あるいは台に対するペン座標を求めるものである。さらに,ペンから超音波が発生した時の時間同期を取るために,ペンから赤外線を発生し,机上あるいは台に付けた赤外線受信器で赤外線を受けて同期を取っている。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−236173号公報
【特許文献2】
特開2002−62978号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来の超音波を発生するペンは,電池を内蔵し,ワイヤレスで使われるが,使用していると電池が消耗するため,電池交換が必要である。そのため,可能な限りペン消費電力を低減することが望ましい。ペンの電力は,赤外線送出時と超音波送出時に主に消費される。
【0007】
ここで,赤外線や超音波の送信出力は,固定機とペンが最大離れた場合でも安定に信号が伝搬できるように出力される。そのため,固定機とペンが近いときには,不必要に出力が大きく,無駄な電力を消費するという問題があった。
【0008】
本発明は,上記従来技術の問題点を解決し,ペンの状態に応じて赤外線や超音波の送信出力を制御し,消費電力の低減が可能な超音波型座標入力装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため,本発明は, 超音波あるいは赤外線等でペンと固定機間で双方向の信号を授受する手段と,ペンの距離や方向,ペンの移動速度等の特定状態を判定する手段と,これらの判定結果により超音波や赤外線の出力や送信周期を可変にできる手段とを有し,例えば,固定機とペンの距離が近くて超音波や赤外線の出力を下げることが可能な場合には,ペンあるいは固定機から発生する出力を下げるようにすることで,消費電力を低減できるようにしたものである。
【0010】
すなわち,本発明は,固定体に対する移動体の位置を求める超音波型座標入力装置であって,固定体又は移動体から超音波を送信する超音波送信手段と,移動体又は固定体において超音波を受信する超音波受信手段と,固定体と移動体間の超音波の伝搬時間に基づいて固定体に対する移動体の位置を求める座標算出手段と,超音波の送信方向と逆方向に固定体又は移動体に対して別信号を送信する別信号送信手段と,移動体が特定状態であることを判定する特定状態判定手段と,前記判定結果に基づいて前記超音波又は別信号を変化させる制御手段とを有することを特徴とする。
【0011】
前記特定状態判定手段は,超音波又は別信号が特定振幅状態であることを判定し,前記制御手段は,超音波又は別信号の振幅が相対的に小さくなる状態では,超音波又は別信号の振幅を相対的に大きく制御し,超音波又は別信号の振幅が相対的に大きくなる状態では,超音波又は別信号の振幅を相対的に小さく制御する。
【0012】
前記別信号送信手段が送信する別信号は,赤外線または可視光を含む電磁波であり,前記電磁波は,超音波送信又は受信に同期して固定体と移動体間で伝送され,超音波又は別信号の信号制御情報によって変調される。
【0013】
また,前記特定状態判定手段は,固定体から移動体まで特定距離にあるかを基準に超音波又は別信号が特定振幅状態であるかを判定し,前記制御手段は,固定体から移動体までの距離が相対的に長い状態の場合には,超音波又は別信号の振幅を相対的に大きく制御し,距離が相対的に短い状態の場合には,超音波又は別信号の振幅を相対的に小さく制御するようにしてもよい。
【0014】
前記制御手段による超音波又は別信号の振幅の制御は,前記超音波の発信に用いるコイルへ電流を流し始めてから遮断するまでの時間を制御する。
【0015】
前記特定状態判定手段は,前記移動体が特定速度であることを判定し,前記制御手段は,前記超音波又は前記別の信号を発信する周期を制御し,移動体の速度が相対的に小さいときには,前記周期を相対的に長く制御し,移動体の速度が相対的に大きいときには,前記周期を相対的に短く制御するようにしてもよい。
【0016】
また,前記特定状態判定手段は,前記移動体が移動面を移動しているときのみ移動を有効とする相対移動モードと,移動体が移動面以外を移動しているときにも移動を有効とする絶対移動モードのいずれであるかを判定し,前記制御手段は,前記超音波又は前記別の信号を発信する周期を制御し,相対移動モード時には,前記周期を相対的に長く制御し,絶対移動モード時には前記周期を相対的に短く制御するようにしてよい。
【0017】
本発明を用いることにより,固定機と移動体間の距離や方向,または移動体の移動速度等に応じて超音波や赤外線の出力を制御し,消費電力を低減することが可能となる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下に,本発明の実施の形態について,図を用いて説明する。図1は,本発明の第1の実施の形態の概要を示す図である。図中,1は筆記面3に手書き文字を入力するためのペン,2はペン1との間の距離を算出し,ペン1から発信される超音波出力を制御する固定機,3はペン1により手書き文字が記入される筆記面である。また,固定機2における21および23はペン1から送信された超音波を検出する超音波センサ,22は赤外線LEDである。
【0019】
本発明の第1の実施の形態では,同期用の赤外線を固定機2の赤外線LED22から発生し,距離測定用の超音波をペン1から発生し,固定機2に対するペン1の距離等の状態に応じて超音波の出力を可変にすべき制御信号を同期用赤外線に載せて固定機2からペン1に送る。また,ペン1の速度等に応じて,赤外線パルスを発信する周期,すなわちペン1の位置を計測するサンプリング周期を制御する。
【0020】
図2(A)は,本発明の第1の実施の形態におけるペン1の構成の一例を示す図である。図中,11は電池,12は駆動回路,13はペン先16が筆記面3と接触したことを検出するペンタッチスイッチ,14は赤外線センサ,15は円筒状の超音波発信器,16はペン先である。
【0021】
超音波発信器15は,ポリフッ化ビニリデン製の円筒状の圧電フィルムからなる。円筒状にするのは,指向性を360度にすることで,ペン1が回転しても超音波が同じように発信して固定機2に届くようにするためである。赤外線センサ14は,指向性120度のものを3個配置し,やはり,ペン1が回転しても固定機2からの赤外線が同じように受信できるようになっている。
【0022】
図2(B)は,本発明の第1の実施の形態における固定機2の平面図であり,図2(C)は,固定機2の正面図である。上述したように,第1の実施の形態における固定機2は,ペン1から送信された超音波を検出する超音波センサ21,23,および赤外線LED22を備えている。
【0023】
図3は,本発明の第1の実施の形態におけるペン1の内部構成ブロック図である。図中,12は駆動回路,13はペンタッチスイッチ,14は赤外線センサ,15は超音波発信器,120は超音波駆動回路,121は入力アンプ,122はコンパレータ,123はT型フリップフロップ(以下,T−FFと記す)である。
【0024】
ペン1は,固定機2の赤外線LED22から発信された赤外線を赤外線センサ14で検出し,その検出信号を入力アンプ121で増幅し,コンパレータ122で予め定めた閾値と比較する。閾値との比較により赤外線パルスが検出される。検出された最初のパルスでT−FF123がセットされると,超音波駆動回路120において,トランジスタTr1がONになり,コイルL1に徐々に増加する電流が流れる。この電流は,コイルL1のインダクタンスL1 とコイルL1の抵抗分R1 (図示せず)とで決まる時定数で増加する。
【0025】
ここで,次の赤外線パルスが来ると,T−FF123はOFFになるので,トランジスタTr1もOFFになる。すると,コイルL1に流れていた電流はコンデンサC1で近似できる圧電フィルムに蓄積され,高電圧(逆起電圧) がコンデンサC1にかかる。これによって,圧電フィルムが収縮・伸長し,超音波がペン1から360度方向に放射される。コンデンサC1にかかる電圧は,コイルL1のインダクタンスL1 とコンデンサC1の静電容量C1 とで決まる共振周波数で減衰振動するため,L1 とC1 とを圧電フィルムの共振周波数に合わせておけば,効率よく超音波が発生できる。ここでは,例えば約80kHzに設定する。
【0026】
図4(A)は,出力が大きい時のペン駆動波形であり,図4(B)は,出力が小さい時のペン駆動波形である。圧電フィルムに加わる電圧は,遮断する直前のコイルL1に流れる電流で決まるため,電圧を上げて出力を上げる場合には,図4(A)のペン駆動波形に示すように,2個の赤外線パルスの間隔を長くしてトランジスタTr1をONする時間Ttを長くしてコイル電流を増やせばよい。逆に,出力を下げる場合には,図4(B)のペン駆動波形に示すように,赤外線パルス間隔を短くすればよい。
【0027】
ペンタッチスイッチ13は,駆動回路12全体の電源をON/OFFする。これにより,ペンタッチされていない時には,電源が遮断されて,赤外線の受信あるいは超音波の発信は行われない。
【0028】
図5は,本発明の第1の実施の形態における固定機2の内部構成ブロック図である。20はコンピュータ,21および23はペン1から送信される超音波を測定する超音波センサ,22はペン1に向けて赤外線を発光する赤外線LED,201はペン1の座標を計算する座標計算部,202はペン1の速度を計算する速度計算部,203は赤外線パルスを発信してペン1の位置をサンプリングする周期を生成する周期生成部,204は設定された動作モードに応じてカーソル位置を制御するカーソル制御部,205はペン1側のトランジスタTr1のON時間Ttを求めるON時間生成部,210および211は受信した超音波検出信号を増幅する入力アンプ,212および213は増幅した超音波検出信号を閾値と比較するコンパレータ,214および215は超音波が到達するまでの時間を測定するタイマ,216は求めた赤外線パルスを発信する周期が設定されるパルス周期タイマ,217は求めたペン1側のトランジスタTr1のON時間Ttに応じた時間が設定されるパルス間隔タイマ,218はLED駆動回路である。
【0029】
図6は,本発明の第1の実施の形態における固定機2の駆動波形を示す図である。2番目の赤外線パルスの立ち上がり時刻がペン1での超音波発生時刻となるため,この時刻でタイマ214とタイマ215をスタートさせ,超音波が到達するまでの時間T1とT2を測定する。超音波は,超音波センサ21と超音波センサ23とで受信され,入力アンプ210又は入力アンプ211で増幅された後,予め設定した閾値rt1,rt2と比較され,超音波の到達が検出される。超音波伝搬時間T1,T2は,タイマ214,215からコンピュータ20内に取り込まれ,コンピュータ20内のソフトウェアにより,以下に示す座標計算や特定状態の判定処理が行われる。
【0030】
図7は,本発明の第1の実施の形態における固定機2で実行されるコンピュータ20の処理フローを示す図である。まず,タイマ214,215からT1とT2を読み込み(ステップS1),T1とT2からペン1側のトランジスタTr1のON時間Ttを計算する(ステップS2)。超音波の振幅は近似的には距離に反比例するため,距離に比例した電圧をペン1側の圧電フィルムで発生すれば,ほぼ同程度の超音波振幅が固定機2で得られる。音速をv,ペン1から超音波センサ21,23までの距離を,それぞれA1,A2とすると,
A1=v・T1
A2=v・T2
であるので,A1とA2とで距離の長い方Amに比例した電圧を発生させる。
【0031】
図3に示すペン1の超音波駆動回路120では,図4に示すように時定数L1 /R1 で電流が増加し,
I=IS { 1−exp(−R1 ・t/L1 )}
となるため,この電流をAmに比例させるためには,比例定数をK1とすると
K1・Am=IS { 1−exp(−R1 ・t/L1 ) }
すなわち,tは,
t =−(L1 /R1 )ln{1−(K1/Is )Am}
で決めればよい。なお,IS は,t →∞のときの電流の大きさである。
【0032】
例えば,時定数200μs(0.01H/50Ω)で距離500mmのときに500μsのON時間を得るためには,図8(A)の距離とON時間との関係を示す曲線に従って,ON時間を決定すればよい。ただし,実際には,例えば,図8(A)の曲線上では,距離が215mm以下の場合,これ以上ON時間を減少させると振幅が小さくなり過ぎるため,ON時間は100μsよりも短くしないようにする。すなわち,図8(B)のような距離とON時間との関係を記録した表をコンピュータ20に持ち,その表に従ってON時間を決めるようにする。
【0033】
次に,T1とT2とから,ペン座標(x,y)を計算する(ステップS3)。受信器間距離をwとし,R1を原点とし,R2を(w,0)となる座標系をとると,ペン1の座標(x,y)は,
x2 +y2 =A12
(x−w)2 +y2 =A22
であるから,x,yについて解けば,
x=(A12 −A22 +w2 )/2w
y=−(A12 −x2 )1/2
として,ペン座標が求まる。
【0034】
次に,前回求めたペン座標との距離を計算し,ペン速度を計算する(ステップS4)。そして,ペン座標に基づいて,コンピュータ画面でのペン位置であるカーソル位置を生成する(ステップS5)。通常,カーソルは,ペンから求まる座標位置(x,y)に座標変換した位置に動かすが,カーソル移動には特定の動作モードを設けてもよい。例えば,通常のマウスのように,ペン1を降ろして動かした時のみカーソルを移動させ,空中での移動は無視するようにしてもよい。これは,ペン1をマウス的に使用する方法で相対移動モードと呼ぶ。通常は絶対移動モードである。
【0035】
次に,動作モードとペン速度からサンプリング周期TS を生成する(ステップS6)。相対移動モードでは,ペン1をマウス代わりにしてカーソルを移動させることが目的であるため,細かい動きに追従する必要はない。そこで,相対移動モードの時には,ペン1の消費電力を下げるためにサンプリング周期TS を長くし,絶対移動モードの時には,サンプリング周期TS を短くする。さらに,絶対移動モードであっても,ペン1の速度が一定値以下の場合には,ペン1はほぼ静止していると考えられる。その場合には,サンプリング周期TS を長くして,ペン1の消費電力を低減させることが有効である。逆に,ペン1の速度が大きい時には,サンプリング周期TS を短くして,細かいペン1の動きに追従できるようにする。
【0036】
例えば,ペン速度とサンプリング周期との関係を示す図9の表のように,相対移動モードの時と絶対移動モードで速度が0mm/s以上1mm/s未満の時は,サンプリング周期TS を30msとし,速度が1mm/s以上10mm/s未満の時は,サンプリング周期TS を20msとし,速度が10mm/s以上の時は,サンプリング周期TS を10msとする。
【0037】
求まったON時間Ttは,パルス間隔タイマ217に設定され,サンプリング周期TS は,パルス周期タイマ216に設定され(ステップS7),赤外線LED22の駆動により,設定されたTtとTS に応じた赤外線パルスが発光する(ステップS8)。
【0038】
以上により,本発明の第1の実施の形態では,ペン1と固定機2との距離により2個の赤外線パルスのパルス間隔(トランジスタTr1のON時間)Ttを制御することによって,ペン1で発生させる超音波振幅を変化させ,また,ペン1の移動速度及び動作モードに応じてサンプリング周期(1組(2個)の赤外線パルスを発生させる周期)TS を変化させることにより,必要最小限の超音波を発生できるようにする。
【0039】
なお,本発明において,2個の赤外線パルスのパルス間隔を変化させて,固定機2からペン1に超音波振幅を制御しているが,赤外線の変化方法はこれに限定するものではない。赤外線のパルス幅を変化させたり,パルスをコード化する方法でもよい。
【0040】
また,本発明において,超音波振幅は,固定機2の超音波センサ21および超音波センサ23の指向性に応じて変化させてもよく,例えば,ペン1が正面で指向性が強い位置にある時には,超音波振幅を小さくし,ペン1が斜め位置で指向性が弱い位置にある時には,超音波振幅を大きくしてもよい。また,ペン1に2箇所の超音波発信器を付け,交互に発信器の位置を計測するようにすると,ペン傾きを求めることが可能であるが,この場合には,ペン1が垂直に近く,固定機2に対して指向性が強い場合には,超音波振幅を小さくし,ペン1の傾きが大きく,指向性が弱い場合には,超音波振幅を大きくしてもよい。
【0041】
さらに,上述した本発明の第1の実施の形態では,ペン1の消費電力のみを考慮して固定機2から発光する赤外線出力は固定としているが,本発明において,例えば固定機2も電池駆動する場合には,固定機2の消費電力も下げたほうが望ましい。そこで,ペン1が近くにある時に固定機2から発光する赤外線の出力を小さくし,ペン1が遠くにある時に赤外線の出力を大きくしてもよい。
【0042】
図10は,本発明の第2の実施の形態の概要を示す図である。4は筆記面3に手書き文字を入力するためのペン,5はペン4との間の距離を算出し,ペン4から発信される超音波出力を制御する固定機,51および53はペン4に超音波を送信する固定機5の超音波発信器,52はペン4から送信される赤外線を検出する赤外線センサである。
【0043】
本発明の第2の実施の形態では,距離測定用の超音波を固定機5から発生し,到達検出用の赤外線をペン4から発生し,ペン4と固定機5間の距離等の状態に応じて超音波出力を変化させる。
【0044】
図11(A)は,本発明の第2の実施の形態におけるペン4の構成の一例を示す図である。41は電池,42は駆動回路,43はペン先46が筆記面3と接触したことを検出するペンタッチスイッチ,44は赤外線LED,45は固定機5から受信した超音波を検出する超音波センサ,46はペン先である。
【0045】
図11(B)は,本発明の第2の実施の形態における固定機5の平面図であり,図11(C)は,固定機5の正面図である。上述したように,第2の実施の形態における固定機5は,ペン4に対して超音波を送信する超音波発信器51,超音波発信器53および赤外線センサ52を備えている。
【0046】
図12は,本発明の第2の実施の形態におけるペン4の内部構成ブロック図である。42は駆動回路,43はペンタッチスイッチ,44は赤外線LED,45は超音波センサ,420はLED駆動回路,421は入力アンプ,422はコンパレータである。
【0047】
第2の実施の形態では,ペンタッチスイッチ43が入ると,駆動回路42の電源がONとなり,超音波が受信できるようになる。ペン4は,固定機5の超音波発信器51および53から発信された超音波を超音波センサ45で検出し,その検出信号を入力アンプ421で増幅し,コンパレータ422で予め定めた閾値と比較し,閾値を越える場合にはLED駆動回路420により赤外線LED44を駆動させる。赤外線LED44の駆動により赤外線が発光し,固定機5に送信される。
【0048】
図13は,本発明の第2の実施の形態における固定機5の内部構成ブロック図である。50はコンピュータ,51および53はペン4に超音波を送信する超音波発信器,52はペン4から受信した赤外線を検出する赤外線センサ,501はペン4の座標を計算する座標計算部,502はペン4の速度を計算する速度計算部,503は超音波パルスを発信してペン4の位置をサンプリングする周期を生成する周期生成部,504は設定された動作モードに応じてカーソル位置を制御するカーソル制御部,505は超音波駆動回路514のトランジスタのON時間を求めるON時間生成部,510はペン4から受信した赤外線の検出信号を増幅する入力アンプ,511は増幅した赤外線の検出信号を閾値と比較するコンパレータ,512は超音波をペン4側に発信してから赤外線が固定機5に返信されるまでの時間を測定するタイマ,513は周期生成部503において求めた超音波パルスを発信するパルス周期が設定されるパルス周期タイマ,514は超音波駆動回路である。
【0049】
図14は,本発明の第2の実施の形態における固定機5で実行されるコンピュータ50の処理フローを示す図である。まず,超音波発信器51を駆動し,ペン4に対して超音波を送信するとともに,タイマ512をスタートさせる(ステップS11)。ペン4では,ペンタッチスイッチ43がONになっている時には,超音波を受信すると赤外線が発光する。固定機5の赤外線センサ52の出力を入力アンプ510が増幅し,その赤外線の検出信号がコンパレータ511において所定の閾値を超える場合には,タイマ512をストップする。この時のタイマ値T1をコンピュータ50が読み込む(ステップS12)。同様に,もう一つの超音波発信器53を駆動し(ステップS13),タイマ512のタイマ値T2をコンピュータ50が読み込む(ステップS14)。
【0050】
次に,タイマ値T1とT2とから超音波駆動回路514のトランジスタのON時間Ttを計算するとともに(ステップS15),ペン座標(x,y)を計算する(ステップS16)。そして,前回求めたペン座標との距離を計算し,ペン速度を計算し(ステップS17)。算出したペン座標(x,y)から動作モードに従ってカーソル位置を生成する(ステップS18)。
【0051】
次に,動作モードとペン速度からサンプリング周期TS を生成する(ステップS19)。求まったサンプリング周期TS は,パルス周期タイマ513に設定され,ON時間Ttは,超音波駆動回路514に設定される(ステップS20)。そして,ステップS11に戻って,超音波駆動回路514が駆動し,設定されたTtとTS に応じた超音波が生成され,ペン4に送信される。
【0052】
図15は,本発明の第3の実施の形態の概要を示す図である。6は筆記面3に手書き文字を入力するためのペン,7はペン6との間の距離を算出し,ペン6から発信される超音波出力を制御する固定機,71および74はペン6から送信された超音波を検出する固定機7の超音波センサ,72はペン6に対して赤外線を送信する赤外線LED,73はペン6から送信された赤外線を検出する赤外線センサである。
【0053】
本発明の第3の実施の形態では,ペン6から同期用の赤外線と距離測定用の超音波を発信する。それだけでは,固定機7の内部で求まる距離情報等をペン6に伝えられないため,同期用の赤外線とは別に,情報伝送用の赤外線を設け,固定機7からペン6に赤外線によって,超音波出力やサンプリング周期を可変にすべきデータを送っている。
【0054】
図16(A)は,本発明の第3の実施の形態におけるペン6の構成の一例を示す図である。61は電池,62は駆動回路,63はペンタッチスイッチ,64は赤外線センサ,65は赤外線LED,66は超音波発信器,67はペン先である。
【0055】
図16(B)は,本発明の第3の実施の形態における固定機7の平面図であり,図16(C)は,固定機7の正面図である。上述したように,第3の実施の形態における固定機7は,ペン6から送信された超音波を検出する超音波センサ71および74,ペン6に対して赤外線を送信する赤外線LED72,ペン6から送信された赤外線を検出する赤外線センサ73を備える。
【0056】
図17は,本発明の第3の実施の形態におけるペン6の内部構成ブロック図である。62は駆動回路,63はペンタッチスイッチ,64は赤外線センサ,65は赤外線LED,66は超音波発信器,620は超音波駆動回路,621はLED駆動回路,622は入力アンプ,623はコンパレータ,624はパルスデータレジスタ,625はタイマである。
【0057】
第3の実施の形態では,ペンタッチスイッチ63が入ると,駆動回路62の電源がONとなり,赤外線が受信できるようになる。ペン6は,固定機7が発信した赤外線を赤外線センサ64で検出し,その検出信号を入力アンプ622で増幅し,コンパレータ623で予め定めた閾値と比較し,閾値を越える場合には,受信した赤外線によるサンプリング周期TS や超音波駆動回路620のトランジスタのON時間Ttの情報をパルスデータレジスタ624に格納し,タイマ625にサンプリング周期TS の値を設定するとともに,超音波駆動回路620にTtの値を設定する。そして,LED駆動回路621および超音波駆動回路620において,それぞれTS およびTtに応じた赤外線パルスおよび超音波パルスが生成され,赤外線LED65から赤外線が発信され,超音波発信器66から超音波が発信される。
【0058】
図18は,本発明の第3の実施の形態における固定機7の内部構成ブロック図である。70はコンピュータ,71および74はペン6から受信した超音波を検出する超音波センサ,72はペン6に対して赤外線を送信する赤外線LED,73はペン6から送信された赤外線を検出する赤外線センサ,701はペン6の座標を計算する座標計算部,702はペン6の速度を計算する速度計算部,703は赤外線パルスを発信するパルス周期を生成する周期生成部,704は設定された動作モードに応じてカーソル位置を制御するカーソル制御部,705はペン6側の超音波駆動回路620のトランジスタのON時間Ttを求めるON時間生成部である。
【0059】
710,711,712はペン6から受信した超音波検出信号と赤外線検出信号を増幅する入力アンプ,713,714,715は増幅した超音波検出信号と赤外線検出信号を閾値と比較するコンパレータ,716および717は赤外線到達から超音波到達までの時間を測定するタイマ,718は周期生成部703で生成されたサンプリング周期TS およびON時間生成部705で生成されたON時間Ttが格納されるパルスデータレジスタ,719はLED駆動回路である。
【0060】
本発明の第3の実施の形態では,タイマ716とタイマ717をペン6から受信した赤外線の到達を契機としてスタートさせ,超音波到達を契機としてストップさせる。そして,上述した第1の実施の形態と同様にタイマ値T1,T2から,サンプリング周期TS とトランジスタのON時間Ttがコンピュータ70内の周期生成部703およびON時間生成部705において計算され,パルスデータレジスタ718に設定される。このデータはシリアル/パラレル変換されて,赤外線LED72から赤外線のON・OFF情報としてペン6に送信される。
【0061】
図19は,本発明の第3の実施の形態における固定機6で実行されるコンピュータ70の処理フローを示す図である。まず,タイマ716,717からT1とT2を読み込み(ステップS31),T1とT2からペン6側のトランジスタのON時間Ttを計算する(ステップS32)。次に,算出したT1とT2から,ペン座標(x,y)を計算する(ステップS33)。次に,前回のペン座標との距離を計算し,ペン速度を求める(ステップS34)。そして,算出した座標に基づいて,コンピュータ画面でのペン位置であるカーソル位置を生成する(ステップS35)。次に,動作モードとペン速度からサンプリング周期TS を生成する(ステップS36)。求まったサンプリング周期TS およびON時間Ttは,パルスデータレジスタ718に格納され(ステップS37),赤外線LED72の駆動により,設定されたTtとTS に応じた赤外線パルスを出力する(ステップS38)。
【0062】
以上から把握できるように,本発明の実施形態の特徴を述べると,以下のようである。
【0063】
(付記1) 固定体から移動体へ,又は移動体から固定体へ超音波を伝送し,超音波の伝搬時間により固定体に対する移動体の位置を求める超音波型座標入力装置において,
超音波が伝送される方向とは逆向きに移動体から固定体へ,又は固定体から移動体へ,前記超音波とは別の信号を伝送する手段と,
移動体が特定状態であることを判定する手段と,
前記判定結果に基づいて前記超音波又は前記別の信号を変化させる制御手段とを備える
ことを特徴とする超音波型座標入力装置。
【0064】
(付記2) 前記移動体が特定状態であることを判定する手段は,前記超音波又は前記別の信号が特定振幅状態であることを判定し,
前記制御手段は,前記超音波又は前記別の信号の振幅が相対的に小さくなる状態では,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に大きく制御し,前記超音波又は前記別の信号の振幅が相対的に大きくなる状態では,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に小さく制御する
ことを特徴とする付記1記載の超音波型座標入力装置。
【0065】
(付記3) 前記超音波又は前記別の信号が特定振幅にある状態として,固定体から移動体まで特定距離にあることとし,
前記制御手段は,固定体から移動体までの距離が相対的に長い状態では,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に大きく制御し,距離が相対的に短い状態では,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に小さく制御する
ことを特徴とする付記2記載の超音波型座標入力装置。
【0066】
(付記4) 前記超音波又は前記別の信号が特定振幅にある状態として,移動体が固定体の2個又はそれ以上の超音波トランスデューサを含む面内で特定方向にあることとし,
前記制御手段は,移動体の位置が固定体に対して前記超音波又は前記別の信号の指向性が相対的に低い状態にある場合には,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に大きく制御し,移動体の位置が固定体に対して前記超音波又は前記別の信号の指向性が相対的に高い状態にある場合には,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に小さく制御する
ことを特徴とする付記2記載の超音波型座標入力装置。
【0067】
(付記5) 前記超音波又は前記別の信号が特定振幅にある状態として,移動体が特定傾きであることとし,
前記制御手段は,移動体の傾きにより固定体に対する前記超音波又は前記別の信号の向きが指向性の相対的に低い状態にあるときには,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に大きく制御し,移動体の傾きにより固定体に対する前記超音波又は前記別の信号の向きが指向性の相対的に高い状態にあるときには,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に小さく制御する
ことを特徴とする付記2記載の超音波型座標入力装置。
【0068】
(付記6) 前記制御手段による前記超音波又は前記別の信号の振幅の制御は,前記超音波の発信に用いるコイルへ電流を流し始めてから遮断するまでの時間を制御する
ことを特徴とする付記2記載の超音波型座標入力装置。
【0069】
(付記7) 前記超音波と逆向きに伝送される信号として赤外線または可視光を含む電磁波が用いられ,
前記電磁波は,超音波送信又は受信に同期して固定体と移動体との間で伝送され,かつ前記電磁波は,前記超音波又は前記別の信号の信号制御情報によって変調される
ことを特徴とする付記1記載の超音波型座標入力装置。
【0070】
(付記8) 前記移動体が特定状態であることを判定する手段は,前記移動体が特定速度であるかを判定し,
前記制御手段は,前記超音波又は前記別の信号を発信する周期を制御し,移動体の速度が相対的に小さいときには,前記周期を相対的に長く制御し,移動体の速度が相対的に大きいときには,前記周期を相対的に短く制御する
ことを特徴とする付記1記載の超音波型座標入力装置。
【0071】
(付記9) 前記移動体が特定状態であることを判定する手段は,前記移動体が移動面を移動しているときのみ移動を有効とする相対移動モードと,移動体が移動面以外を移動しているときにも移動を有効とする絶対移動モードのいずれであるかを判定し,
前記制御手段は,前記超音波又は前記別の信号を発信する周期を制御し,相対移動モード時には,前記周期を相対的に長く制御し,絶対移動モード時には前記周期を相対的に短く制御する
ことを特徴とする付記1記載の超音波型座標入力装置。
【0072】
【発明の効果】
本発明を用いることにより, ペンの距離,方向,移動速度等の状態に応じて超音波や赤外線の出力を変化させることが可能となるため,ペン又は固定機において,不要な超音波等の出力を防ぐことができる。従って,ペン又は固定機における電力消費が低減され,電池駆動の場合には電池の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態の概要を示す図である。
【図2】第1の実施の形態におけるペンおよび固定機の構成の一例を示す図である。
【図3】第1の実施の形態におけるペンの内部構成ブロック図である。
【図4】第1の実施の形態におけるペン駆動波形を示す図である。
【図5】第1の実施の形態における固定機の内部構成ブロック図である。
【図6】第1の実施の形態における固定機の駆動波形を示す図である。
【図7】第1の実施の形態における固定機で実行されるコンピュータの処理フローを示す図である。
【図8】距離とON時間との関係を示す図である。
【図9】ペン速度とサンプリング周期との関係を示す図である。
【図10】第2の実施の形態の概要を示す図である。
【図11】第2の実施の形態におけるペンおよび固定機の構成の一例を示す図である。
【図12】第2の実施の形態におけるペンの内部構成ブロック図である。
【図13】第2の実施の形態における固定機の内部構成ブロック図である。
【図14】第2の実施の形態における固定機で実行されるコンピュータの処理フローを示す図である。
【図15】第3の実施の形態の概要を示す図である。
【図16】第3の実施の形態におけるペンおよび固定機の構成の一例を示す図である。
【図17】第3の実施の形態におけるペンの内部構成ブロック図である。
【図18】第3の実施の形態における固定機の内部構成ブロック図である。
【図19】第3の実施の形態における固定機で実行されるコンピュータの処理フローを示す図である。
【符号の説明】
1,4,6 ペン
2,5,7 固定機
3 筆記面
11,41,61 電池
12,42,62 駆動回路
13,43,63 ペンタッチスイッチ
14,52,64,73 赤外線センサ
15,51,53,66 超音波発信器
16,46,67 ペン先
20,50,70 コンピュータ
21,23,45,71,74 超音波センサ
22,44,65,72 赤外線LED
120,514,620 超音波駆動回路
121,210,211,421,510,622,710,711,712入力アンプ
122,212,213,422,511,623,713,714,715コンパレータ
123 T型フリップフロップ(T−FF)
201,501,701 座標計算部
202,502,702 速度計算部
203,503,703 周期生成部
204,504,704 カーソル制御部
205,505,705 ON時間生成部
214,215,625,716,717 タイマ
216,513 パルス周期タイマ
217 パルス間隔タイマ
218,420,621,719 LED駆動回路
512 タイマ
624,718 パルスデータレジスタ
【発明の属する技術分野】
本発明は,ペンで文字や図形を手書きした時の軌跡をコンピュータに入力するための座標入力装置であって,特にペンと固定機との距離,方向に応じて発生する超音波出力を可変にすることで消費電力を低減させることを可能にした超音波型座標入力装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
パーソナルコンピュータが普及しても,メモ書き等は手書きが簡便であり,特に,図形を含むようなメモ書きでは,手書きの入力が非常に便利である。このような手書きメモも,自分自身での整理や他人に配布するような場合には,電子化されていると便利である。そこで,タッチパネルを用いて,コンピュータに直接手書きメモを入力したり,取り敢えず紙に筆記しておき,後で紙をスキャナ等でコンピュータに取り込んだりする方法がある。
【0003】
しかし,コンピュータの画面への手書き入力は,画面の解像度が低い,画面が見にくい,ペンの書き味が悪い等の理由で紙への筆記よりも劣る。一方,後でスキャナで取り込むのは煩雑である。そこで,座標入力できる電磁誘導方式のタブレット上に紙を置き,ボールペン芯の付いた紙筆記可能なタブレット用ペンで紙に筆記すると同時に,タブレット機能によりペン軌跡を電子入力する方法がある。しかし,タブレットは筆記面と同サイズ以上の大きさがあるため,机上で場所を取って不便であり,また,携帯することは困難である。そこで,超音波の伝搬時間を利用して,ペンと固定機とで手書き軌跡を入力する装置がいくつか提案されている(例えば,特許文献1,特許文献2参照。)。
【0004】
これらの従来例では,ペンから超音波を発生し,机上あるいは台に固定した2個の超音波受信器まで超音波が伝搬する伝搬時間からペンと各受信器の距離を測定し,三角測量により,机上あるいは台に対するペン座標を求めるものである。さらに,ペンから超音波が発生した時の時間同期を取るために,ペンから赤外線を発生し,机上あるいは台に付けた赤外線受信器で赤外線を受けて同期を取っている。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−236173号公報
【特許文献2】
特開2002−62978号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来の超音波を発生するペンは,電池を内蔵し,ワイヤレスで使われるが,使用していると電池が消耗するため,電池交換が必要である。そのため,可能な限りペン消費電力を低減することが望ましい。ペンの電力は,赤外線送出時と超音波送出時に主に消費される。
【0007】
ここで,赤外線や超音波の送信出力は,固定機とペンが最大離れた場合でも安定に信号が伝搬できるように出力される。そのため,固定機とペンが近いときには,不必要に出力が大きく,無駄な電力を消費するという問題があった。
【0008】
本発明は,上記従来技術の問題点を解決し,ペンの状態に応じて赤外線や超音波の送信出力を制御し,消費電力の低減が可能な超音波型座標入力装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため,本発明は, 超音波あるいは赤外線等でペンと固定機間で双方向の信号を授受する手段と,ペンの距離や方向,ペンの移動速度等の特定状態を判定する手段と,これらの判定結果により超音波や赤外線の出力や送信周期を可変にできる手段とを有し,例えば,固定機とペンの距離が近くて超音波や赤外線の出力を下げることが可能な場合には,ペンあるいは固定機から発生する出力を下げるようにすることで,消費電力を低減できるようにしたものである。
【0010】
すなわち,本発明は,固定体に対する移動体の位置を求める超音波型座標入力装置であって,固定体又は移動体から超音波を送信する超音波送信手段と,移動体又は固定体において超音波を受信する超音波受信手段と,固定体と移動体間の超音波の伝搬時間に基づいて固定体に対する移動体の位置を求める座標算出手段と,超音波の送信方向と逆方向に固定体又は移動体に対して別信号を送信する別信号送信手段と,移動体が特定状態であることを判定する特定状態判定手段と,前記判定結果に基づいて前記超音波又は別信号を変化させる制御手段とを有することを特徴とする。
【0011】
前記特定状態判定手段は,超音波又は別信号が特定振幅状態であることを判定し,前記制御手段は,超音波又は別信号の振幅が相対的に小さくなる状態では,超音波又は別信号の振幅を相対的に大きく制御し,超音波又は別信号の振幅が相対的に大きくなる状態では,超音波又は別信号の振幅を相対的に小さく制御する。
【0012】
前記別信号送信手段が送信する別信号は,赤外線または可視光を含む電磁波であり,前記電磁波は,超音波送信又は受信に同期して固定体と移動体間で伝送され,超音波又は別信号の信号制御情報によって変調される。
【0013】
また,前記特定状態判定手段は,固定体から移動体まで特定距離にあるかを基準に超音波又は別信号が特定振幅状態であるかを判定し,前記制御手段は,固定体から移動体までの距離が相対的に長い状態の場合には,超音波又は別信号の振幅を相対的に大きく制御し,距離が相対的に短い状態の場合には,超音波又は別信号の振幅を相対的に小さく制御するようにしてもよい。
【0014】
前記制御手段による超音波又は別信号の振幅の制御は,前記超音波の発信に用いるコイルへ電流を流し始めてから遮断するまでの時間を制御する。
【0015】
前記特定状態判定手段は,前記移動体が特定速度であることを判定し,前記制御手段は,前記超音波又は前記別の信号を発信する周期を制御し,移動体の速度が相対的に小さいときには,前記周期を相対的に長く制御し,移動体の速度が相対的に大きいときには,前記周期を相対的に短く制御するようにしてもよい。
【0016】
また,前記特定状態判定手段は,前記移動体が移動面を移動しているときのみ移動を有効とする相対移動モードと,移動体が移動面以外を移動しているときにも移動を有効とする絶対移動モードのいずれであるかを判定し,前記制御手段は,前記超音波又は前記別の信号を発信する周期を制御し,相対移動モード時には,前記周期を相対的に長く制御し,絶対移動モード時には前記周期を相対的に短く制御するようにしてよい。
【0017】
本発明を用いることにより,固定機と移動体間の距離や方向,または移動体の移動速度等に応じて超音波や赤外線の出力を制御し,消費電力を低減することが可能となる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下に,本発明の実施の形態について,図を用いて説明する。図1は,本発明の第1の実施の形態の概要を示す図である。図中,1は筆記面3に手書き文字を入力するためのペン,2はペン1との間の距離を算出し,ペン1から発信される超音波出力を制御する固定機,3はペン1により手書き文字が記入される筆記面である。また,固定機2における21および23はペン1から送信された超音波を検出する超音波センサ,22は赤外線LEDである。
【0019】
本発明の第1の実施の形態では,同期用の赤外線を固定機2の赤外線LED22から発生し,距離測定用の超音波をペン1から発生し,固定機2に対するペン1の距離等の状態に応じて超音波の出力を可変にすべき制御信号を同期用赤外線に載せて固定機2からペン1に送る。また,ペン1の速度等に応じて,赤外線パルスを発信する周期,すなわちペン1の位置を計測するサンプリング周期を制御する。
【0020】
図2(A)は,本発明の第1の実施の形態におけるペン1の構成の一例を示す図である。図中,11は電池,12は駆動回路,13はペン先16が筆記面3と接触したことを検出するペンタッチスイッチ,14は赤外線センサ,15は円筒状の超音波発信器,16はペン先である。
【0021】
超音波発信器15は,ポリフッ化ビニリデン製の円筒状の圧電フィルムからなる。円筒状にするのは,指向性を360度にすることで,ペン1が回転しても超音波が同じように発信して固定機2に届くようにするためである。赤外線センサ14は,指向性120度のものを3個配置し,やはり,ペン1が回転しても固定機2からの赤外線が同じように受信できるようになっている。
【0022】
図2(B)は,本発明の第1の実施の形態における固定機2の平面図であり,図2(C)は,固定機2の正面図である。上述したように,第1の実施の形態における固定機2は,ペン1から送信された超音波を検出する超音波センサ21,23,および赤外線LED22を備えている。
【0023】
図3は,本発明の第1の実施の形態におけるペン1の内部構成ブロック図である。図中,12は駆動回路,13はペンタッチスイッチ,14は赤外線センサ,15は超音波発信器,120は超音波駆動回路,121は入力アンプ,122はコンパレータ,123はT型フリップフロップ(以下,T−FFと記す)である。
【0024】
ペン1は,固定機2の赤外線LED22から発信された赤外線を赤外線センサ14で検出し,その検出信号を入力アンプ121で増幅し,コンパレータ122で予め定めた閾値と比較する。閾値との比較により赤外線パルスが検出される。検出された最初のパルスでT−FF123がセットされると,超音波駆動回路120において,トランジスタTr1がONになり,コイルL1に徐々に増加する電流が流れる。この電流は,コイルL1のインダクタンスL1 とコイルL1の抵抗分R1 (図示せず)とで決まる時定数で増加する。
【0025】
ここで,次の赤外線パルスが来ると,T−FF123はOFFになるので,トランジスタTr1もOFFになる。すると,コイルL1に流れていた電流はコンデンサC1で近似できる圧電フィルムに蓄積され,高電圧(逆起電圧) がコンデンサC1にかかる。これによって,圧電フィルムが収縮・伸長し,超音波がペン1から360度方向に放射される。コンデンサC1にかかる電圧は,コイルL1のインダクタンスL1 とコンデンサC1の静電容量C1 とで決まる共振周波数で減衰振動するため,L1 とC1 とを圧電フィルムの共振周波数に合わせておけば,効率よく超音波が発生できる。ここでは,例えば約80kHzに設定する。
【0026】
図4(A)は,出力が大きい時のペン駆動波形であり,図4(B)は,出力が小さい時のペン駆動波形である。圧電フィルムに加わる電圧は,遮断する直前のコイルL1に流れる電流で決まるため,電圧を上げて出力を上げる場合には,図4(A)のペン駆動波形に示すように,2個の赤外線パルスの間隔を長くしてトランジスタTr1をONする時間Ttを長くしてコイル電流を増やせばよい。逆に,出力を下げる場合には,図4(B)のペン駆動波形に示すように,赤外線パルス間隔を短くすればよい。
【0027】
ペンタッチスイッチ13は,駆動回路12全体の電源をON/OFFする。これにより,ペンタッチされていない時には,電源が遮断されて,赤外線の受信あるいは超音波の発信は行われない。
【0028】
図5は,本発明の第1の実施の形態における固定機2の内部構成ブロック図である。20はコンピュータ,21および23はペン1から送信される超音波を測定する超音波センサ,22はペン1に向けて赤外線を発光する赤外線LED,201はペン1の座標を計算する座標計算部,202はペン1の速度を計算する速度計算部,203は赤外線パルスを発信してペン1の位置をサンプリングする周期を生成する周期生成部,204は設定された動作モードに応じてカーソル位置を制御するカーソル制御部,205はペン1側のトランジスタTr1のON時間Ttを求めるON時間生成部,210および211は受信した超音波検出信号を増幅する入力アンプ,212および213は増幅した超音波検出信号を閾値と比較するコンパレータ,214および215は超音波が到達するまでの時間を測定するタイマ,216は求めた赤外線パルスを発信する周期が設定されるパルス周期タイマ,217は求めたペン1側のトランジスタTr1のON時間Ttに応じた時間が設定されるパルス間隔タイマ,218はLED駆動回路である。
【0029】
図6は,本発明の第1の実施の形態における固定機2の駆動波形を示す図である。2番目の赤外線パルスの立ち上がり時刻がペン1での超音波発生時刻となるため,この時刻でタイマ214とタイマ215をスタートさせ,超音波が到達するまでの時間T1とT2を測定する。超音波は,超音波センサ21と超音波センサ23とで受信され,入力アンプ210又は入力アンプ211で増幅された後,予め設定した閾値rt1,rt2と比較され,超音波の到達が検出される。超音波伝搬時間T1,T2は,タイマ214,215からコンピュータ20内に取り込まれ,コンピュータ20内のソフトウェアにより,以下に示す座標計算や特定状態の判定処理が行われる。
【0030】
図7は,本発明の第1の実施の形態における固定機2で実行されるコンピュータ20の処理フローを示す図である。まず,タイマ214,215からT1とT2を読み込み(ステップS1),T1とT2からペン1側のトランジスタTr1のON時間Ttを計算する(ステップS2)。超音波の振幅は近似的には距離に反比例するため,距離に比例した電圧をペン1側の圧電フィルムで発生すれば,ほぼ同程度の超音波振幅が固定機2で得られる。音速をv,ペン1から超音波センサ21,23までの距離を,それぞれA1,A2とすると,
A1=v・T1
A2=v・T2
であるので,A1とA2とで距離の長い方Amに比例した電圧を発生させる。
【0031】
図3に示すペン1の超音波駆動回路120では,図4に示すように時定数L1 /R1 で電流が増加し,
I=IS { 1−exp(−R1 ・t/L1 )}
となるため,この電流をAmに比例させるためには,比例定数をK1とすると
K1・Am=IS { 1−exp(−R1 ・t/L1 ) }
すなわち,tは,
t =−(L1 /R1 )ln{1−(K1/Is )Am}
で決めればよい。なお,IS は,t →∞のときの電流の大きさである。
【0032】
例えば,時定数200μs(0.01H/50Ω)で距離500mmのときに500μsのON時間を得るためには,図8(A)の距離とON時間との関係を示す曲線に従って,ON時間を決定すればよい。ただし,実際には,例えば,図8(A)の曲線上では,距離が215mm以下の場合,これ以上ON時間を減少させると振幅が小さくなり過ぎるため,ON時間は100μsよりも短くしないようにする。すなわち,図8(B)のような距離とON時間との関係を記録した表をコンピュータ20に持ち,その表に従ってON時間を決めるようにする。
【0033】
次に,T1とT2とから,ペン座標(x,y)を計算する(ステップS3)。受信器間距離をwとし,R1を原点とし,R2を(w,0)となる座標系をとると,ペン1の座標(x,y)は,
x2 +y2 =A12
(x−w)2 +y2 =A22
であるから,x,yについて解けば,
x=(A12 −A22 +w2 )/2w
y=−(A12 −x2 )1/2
として,ペン座標が求まる。
【0034】
次に,前回求めたペン座標との距離を計算し,ペン速度を計算する(ステップS4)。そして,ペン座標に基づいて,コンピュータ画面でのペン位置であるカーソル位置を生成する(ステップS5)。通常,カーソルは,ペンから求まる座標位置(x,y)に座標変換した位置に動かすが,カーソル移動には特定の動作モードを設けてもよい。例えば,通常のマウスのように,ペン1を降ろして動かした時のみカーソルを移動させ,空中での移動は無視するようにしてもよい。これは,ペン1をマウス的に使用する方法で相対移動モードと呼ぶ。通常は絶対移動モードである。
【0035】
次に,動作モードとペン速度からサンプリング周期TS を生成する(ステップS6)。相対移動モードでは,ペン1をマウス代わりにしてカーソルを移動させることが目的であるため,細かい動きに追従する必要はない。そこで,相対移動モードの時には,ペン1の消費電力を下げるためにサンプリング周期TS を長くし,絶対移動モードの時には,サンプリング周期TS を短くする。さらに,絶対移動モードであっても,ペン1の速度が一定値以下の場合には,ペン1はほぼ静止していると考えられる。その場合には,サンプリング周期TS を長くして,ペン1の消費電力を低減させることが有効である。逆に,ペン1の速度が大きい時には,サンプリング周期TS を短くして,細かいペン1の動きに追従できるようにする。
【0036】
例えば,ペン速度とサンプリング周期との関係を示す図9の表のように,相対移動モードの時と絶対移動モードで速度が0mm/s以上1mm/s未満の時は,サンプリング周期TS を30msとし,速度が1mm/s以上10mm/s未満の時は,サンプリング周期TS を20msとし,速度が10mm/s以上の時は,サンプリング周期TS を10msとする。
【0037】
求まったON時間Ttは,パルス間隔タイマ217に設定され,サンプリング周期TS は,パルス周期タイマ216に設定され(ステップS7),赤外線LED22の駆動により,設定されたTtとTS に応じた赤外線パルスが発光する(ステップS8)。
【0038】
以上により,本発明の第1の実施の形態では,ペン1と固定機2との距離により2個の赤外線パルスのパルス間隔(トランジスタTr1のON時間)Ttを制御することによって,ペン1で発生させる超音波振幅を変化させ,また,ペン1の移動速度及び動作モードに応じてサンプリング周期(1組(2個)の赤外線パルスを発生させる周期)TS を変化させることにより,必要最小限の超音波を発生できるようにする。
【0039】
なお,本発明において,2個の赤外線パルスのパルス間隔を変化させて,固定機2からペン1に超音波振幅を制御しているが,赤外線の変化方法はこれに限定するものではない。赤外線のパルス幅を変化させたり,パルスをコード化する方法でもよい。
【0040】
また,本発明において,超音波振幅は,固定機2の超音波センサ21および超音波センサ23の指向性に応じて変化させてもよく,例えば,ペン1が正面で指向性が強い位置にある時には,超音波振幅を小さくし,ペン1が斜め位置で指向性が弱い位置にある時には,超音波振幅を大きくしてもよい。また,ペン1に2箇所の超音波発信器を付け,交互に発信器の位置を計測するようにすると,ペン傾きを求めることが可能であるが,この場合には,ペン1が垂直に近く,固定機2に対して指向性が強い場合には,超音波振幅を小さくし,ペン1の傾きが大きく,指向性が弱い場合には,超音波振幅を大きくしてもよい。
【0041】
さらに,上述した本発明の第1の実施の形態では,ペン1の消費電力のみを考慮して固定機2から発光する赤外線出力は固定としているが,本発明において,例えば固定機2も電池駆動する場合には,固定機2の消費電力も下げたほうが望ましい。そこで,ペン1が近くにある時に固定機2から発光する赤外線の出力を小さくし,ペン1が遠くにある時に赤外線の出力を大きくしてもよい。
【0042】
図10は,本発明の第2の実施の形態の概要を示す図である。4は筆記面3に手書き文字を入力するためのペン,5はペン4との間の距離を算出し,ペン4から発信される超音波出力を制御する固定機,51および53はペン4に超音波を送信する固定機5の超音波発信器,52はペン4から送信される赤外線を検出する赤外線センサである。
【0043】
本発明の第2の実施の形態では,距離測定用の超音波を固定機5から発生し,到達検出用の赤外線をペン4から発生し,ペン4と固定機5間の距離等の状態に応じて超音波出力を変化させる。
【0044】
図11(A)は,本発明の第2の実施の形態におけるペン4の構成の一例を示す図である。41は電池,42は駆動回路,43はペン先46が筆記面3と接触したことを検出するペンタッチスイッチ,44は赤外線LED,45は固定機5から受信した超音波を検出する超音波センサ,46はペン先である。
【0045】
図11(B)は,本発明の第2の実施の形態における固定機5の平面図であり,図11(C)は,固定機5の正面図である。上述したように,第2の実施の形態における固定機5は,ペン4に対して超音波を送信する超音波発信器51,超音波発信器53および赤外線センサ52を備えている。
【0046】
図12は,本発明の第2の実施の形態におけるペン4の内部構成ブロック図である。42は駆動回路,43はペンタッチスイッチ,44は赤外線LED,45は超音波センサ,420はLED駆動回路,421は入力アンプ,422はコンパレータである。
【0047】
第2の実施の形態では,ペンタッチスイッチ43が入ると,駆動回路42の電源がONとなり,超音波が受信できるようになる。ペン4は,固定機5の超音波発信器51および53から発信された超音波を超音波センサ45で検出し,その検出信号を入力アンプ421で増幅し,コンパレータ422で予め定めた閾値と比較し,閾値を越える場合にはLED駆動回路420により赤外線LED44を駆動させる。赤外線LED44の駆動により赤外線が発光し,固定機5に送信される。
【0048】
図13は,本発明の第2の実施の形態における固定機5の内部構成ブロック図である。50はコンピュータ,51および53はペン4に超音波を送信する超音波発信器,52はペン4から受信した赤外線を検出する赤外線センサ,501はペン4の座標を計算する座標計算部,502はペン4の速度を計算する速度計算部,503は超音波パルスを発信してペン4の位置をサンプリングする周期を生成する周期生成部,504は設定された動作モードに応じてカーソル位置を制御するカーソル制御部,505は超音波駆動回路514のトランジスタのON時間を求めるON時間生成部,510はペン4から受信した赤外線の検出信号を増幅する入力アンプ,511は増幅した赤外線の検出信号を閾値と比較するコンパレータ,512は超音波をペン4側に発信してから赤外線が固定機5に返信されるまでの時間を測定するタイマ,513は周期生成部503において求めた超音波パルスを発信するパルス周期が設定されるパルス周期タイマ,514は超音波駆動回路である。
【0049】
図14は,本発明の第2の実施の形態における固定機5で実行されるコンピュータ50の処理フローを示す図である。まず,超音波発信器51を駆動し,ペン4に対して超音波を送信するとともに,タイマ512をスタートさせる(ステップS11)。ペン4では,ペンタッチスイッチ43がONになっている時には,超音波を受信すると赤外線が発光する。固定機5の赤外線センサ52の出力を入力アンプ510が増幅し,その赤外線の検出信号がコンパレータ511において所定の閾値を超える場合には,タイマ512をストップする。この時のタイマ値T1をコンピュータ50が読み込む(ステップS12)。同様に,もう一つの超音波発信器53を駆動し(ステップS13),タイマ512のタイマ値T2をコンピュータ50が読み込む(ステップS14)。
【0050】
次に,タイマ値T1とT2とから超音波駆動回路514のトランジスタのON時間Ttを計算するとともに(ステップS15),ペン座標(x,y)を計算する(ステップS16)。そして,前回求めたペン座標との距離を計算し,ペン速度を計算し(ステップS17)。算出したペン座標(x,y)から動作モードに従ってカーソル位置を生成する(ステップS18)。
【0051】
次に,動作モードとペン速度からサンプリング周期TS を生成する(ステップS19)。求まったサンプリング周期TS は,パルス周期タイマ513に設定され,ON時間Ttは,超音波駆動回路514に設定される(ステップS20)。そして,ステップS11に戻って,超音波駆動回路514が駆動し,設定されたTtとTS に応じた超音波が生成され,ペン4に送信される。
【0052】
図15は,本発明の第3の実施の形態の概要を示す図である。6は筆記面3に手書き文字を入力するためのペン,7はペン6との間の距離を算出し,ペン6から発信される超音波出力を制御する固定機,71および74はペン6から送信された超音波を検出する固定機7の超音波センサ,72はペン6に対して赤外線を送信する赤外線LED,73はペン6から送信された赤外線を検出する赤外線センサである。
【0053】
本発明の第3の実施の形態では,ペン6から同期用の赤外線と距離測定用の超音波を発信する。それだけでは,固定機7の内部で求まる距離情報等をペン6に伝えられないため,同期用の赤外線とは別に,情報伝送用の赤外線を設け,固定機7からペン6に赤外線によって,超音波出力やサンプリング周期を可変にすべきデータを送っている。
【0054】
図16(A)は,本発明の第3の実施の形態におけるペン6の構成の一例を示す図である。61は電池,62は駆動回路,63はペンタッチスイッチ,64は赤外線センサ,65は赤外線LED,66は超音波発信器,67はペン先である。
【0055】
図16(B)は,本発明の第3の実施の形態における固定機7の平面図であり,図16(C)は,固定機7の正面図である。上述したように,第3の実施の形態における固定機7は,ペン6から送信された超音波を検出する超音波センサ71および74,ペン6に対して赤外線を送信する赤外線LED72,ペン6から送信された赤外線を検出する赤外線センサ73を備える。
【0056】
図17は,本発明の第3の実施の形態におけるペン6の内部構成ブロック図である。62は駆動回路,63はペンタッチスイッチ,64は赤外線センサ,65は赤外線LED,66は超音波発信器,620は超音波駆動回路,621はLED駆動回路,622は入力アンプ,623はコンパレータ,624はパルスデータレジスタ,625はタイマである。
【0057】
第3の実施の形態では,ペンタッチスイッチ63が入ると,駆動回路62の電源がONとなり,赤外線が受信できるようになる。ペン6は,固定機7が発信した赤外線を赤外線センサ64で検出し,その検出信号を入力アンプ622で増幅し,コンパレータ623で予め定めた閾値と比較し,閾値を越える場合には,受信した赤外線によるサンプリング周期TS や超音波駆動回路620のトランジスタのON時間Ttの情報をパルスデータレジスタ624に格納し,タイマ625にサンプリング周期TS の値を設定するとともに,超音波駆動回路620にTtの値を設定する。そして,LED駆動回路621および超音波駆動回路620において,それぞれTS およびTtに応じた赤外線パルスおよび超音波パルスが生成され,赤外線LED65から赤外線が発信され,超音波発信器66から超音波が発信される。
【0058】
図18は,本発明の第3の実施の形態における固定機7の内部構成ブロック図である。70はコンピュータ,71および74はペン6から受信した超音波を検出する超音波センサ,72はペン6に対して赤外線を送信する赤外線LED,73はペン6から送信された赤外線を検出する赤外線センサ,701はペン6の座標を計算する座標計算部,702はペン6の速度を計算する速度計算部,703は赤外線パルスを発信するパルス周期を生成する周期生成部,704は設定された動作モードに応じてカーソル位置を制御するカーソル制御部,705はペン6側の超音波駆動回路620のトランジスタのON時間Ttを求めるON時間生成部である。
【0059】
710,711,712はペン6から受信した超音波検出信号と赤外線検出信号を増幅する入力アンプ,713,714,715は増幅した超音波検出信号と赤外線検出信号を閾値と比較するコンパレータ,716および717は赤外線到達から超音波到達までの時間を測定するタイマ,718は周期生成部703で生成されたサンプリング周期TS およびON時間生成部705で生成されたON時間Ttが格納されるパルスデータレジスタ,719はLED駆動回路である。
【0060】
本発明の第3の実施の形態では,タイマ716とタイマ717をペン6から受信した赤外線の到達を契機としてスタートさせ,超音波到達を契機としてストップさせる。そして,上述した第1の実施の形態と同様にタイマ値T1,T2から,サンプリング周期TS とトランジスタのON時間Ttがコンピュータ70内の周期生成部703およびON時間生成部705において計算され,パルスデータレジスタ718に設定される。このデータはシリアル/パラレル変換されて,赤外線LED72から赤外線のON・OFF情報としてペン6に送信される。
【0061】
図19は,本発明の第3の実施の形態における固定機6で実行されるコンピュータ70の処理フローを示す図である。まず,タイマ716,717からT1とT2を読み込み(ステップS31),T1とT2からペン6側のトランジスタのON時間Ttを計算する(ステップS32)。次に,算出したT1とT2から,ペン座標(x,y)を計算する(ステップS33)。次に,前回のペン座標との距離を計算し,ペン速度を求める(ステップS34)。そして,算出した座標に基づいて,コンピュータ画面でのペン位置であるカーソル位置を生成する(ステップS35)。次に,動作モードとペン速度からサンプリング周期TS を生成する(ステップS36)。求まったサンプリング周期TS およびON時間Ttは,パルスデータレジスタ718に格納され(ステップS37),赤外線LED72の駆動により,設定されたTtとTS に応じた赤外線パルスを出力する(ステップS38)。
【0062】
以上から把握できるように,本発明の実施形態の特徴を述べると,以下のようである。
【0063】
(付記1) 固定体から移動体へ,又は移動体から固定体へ超音波を伝送し,超音波の伝搬時間により固定体に対する移動体の位置を求める超音波型座標入力装置において,
超音波が伝送される方向とは逆向きに移動体から固定体へ,又は固定体から移動体へ,前記超音波とは別の信号を伝送する手段と,
移動体が特定状態であることを判定する手段と,
前記判定結果に基づいて前記超音波又は前記別の信号を変化させる制御手段とを備える
ことを特徴とする超音波型座標入力装置。
【0064】
(付記2) 前記移動体が特定状態であることを判定する手段は,前記超音波又は前記別の信号が特定振幅状態であることを判定し,
前記制御手段は,前記超音波又は前記別の信号の振幅が相対的に小さくなる状態では,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に大きく制御し,前記超音波又は前記別の信号の振幅が相対的に大きくなる状態では,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に小さく制御する
ことを特徴とする付記1記載の超音波型座標入力装置。
【0065】
(付記3) 前記超音波又は前記別の信号が特定振幅にある状態として,固定体から移動体まで特定距離にあることとし,
前記制御手段は,固定体から移動体までの距離が相対的に長い状態では,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に大きく制御し,距離が相対的に短い状態では,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に小さく制御する
ことを特徴とする付記2記載の超音波型座標入力装置。
【0066】
(付記4) 前記超音波又は前記別の信号が特定振幅にある状態として,移動体が固定体の2個又はそれ以上の超音波トランスデューサを含む面内で特定方向にあることとし,
前記制御手段は,移動体の位置が固定体に対して前記超音波又は前記別の信号の指向性が相対的に低い状態にある場合には,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に大きく制御し,移動体の位置が固定体に対して前記超音波又は前記別の信号の指向性が相対的に高い状態にある場合には,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に小さく制御する
ことを特徴とする付記2記載の超音波型座標入力装置。
【0067】
(付記5) 前記超音波又は前記別の信号が特定振幅にある状態として,移動体が特定傾きであることとし,
前記制御手段は,移動体の傾きにより固定体に対する前記超音波又は前記別の信号の向きが指向性の相対的に低い状態にあるときには,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に大きく制御し,移動体の傾きにより固定体に対する前記超音波又は前記別の信号の向きが指向性の相対的に高い状態にあるときには,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に小さく制御する
ことを特徴とする付記2記載の超音波型座標入力装置。
【0068】
(付記6) 前記制御手段による前記超音波又は前記別の信号の振幅の制御は,前記超音波の発信に用いるコイルへ電流を流し始めてから遮断するまでの時間を制御する
ことを特徴とする付記2記載の超音波型座標入力装置。
【0069】
(付記7) 前記超音波と逆向きに伝送される信号として赤外線または可視光を含む電磁波が用いられ,
前記電磁波は,超音波送信又は受信に同期して固定体と移動体との間で伝送され,かつ前記電磁波は,前記超音波又は前記別の信号の信号制御情報によって変調される
ことを特徴とする付記1記載の超音波型座標入力装置。
【0070】
(付記8) 前記移動体が特定状態であることを判定する手段は,前記移動体が特定速度であるかを判定し,
前記制御手段は,前記超音波又は前記別の信号を発信する周期を制御し,移動体の速度が相対的に小さいときには,前記周期を相対的に長く制御し,移動体の速度が相対的に大きいときには,前記周期を相対的に短く制御する
ことを特徴とする付記1記載の超音波型座標入力装置。
【0071】
(付記9) 前記移動体が特定状態であることを判定する手段は,前記移動体が移動面を移動しているときのみ移動を有効とする相対移動モードと,移動体が移動面以外を移動しているときにも移動を有効とする絶対移動モードのいずれであるかを判定し,
前記制御手段は,前記超音波又は前記別の信号を発信する周期を制御し,相対移動モード時には,前記周期を相対的に長く制御し,絶対移動モード時には前記周期を相対的に短く制御する
ことを特徴とする付記1記載の超音波型座標入力装置。
【0072】
【発明の効果】
本発明を用いることにより, ペンの距離,方向,移動速度等の状態に応じて超音波や赤外線の出力を変化させることが可能となるため,ペン又は固定機において,不要な超音波等の出力を防ぐことができる。従って,ペン又は固定機における電力消費が低減され,電池駆動の場合には電池の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態の概要を示す図である。
【図2】第1の実施の形態におけるペンおよび固定機の構成の一例を示す図である。
【図3】第1の実施の形態におけるペンの内部構成ブロック図である。
【図4】第1の実施の形態におけるペン駆動波形を示す図である。
【図5】第1の実施の形態における固定機の内部構成ブロック図である。
【図6】第1の実施の形態における固定機の駆動波形を示す図である。
【図7】第1の実施の形態における固定機で実行されるコンピュータの処理フローを示す図である。
【図8】距離とON時間との関係を示す図である。
【図9】ペン速度とサンプリング周期との関係を示す図である。
【図10】第2の実施の形態の概要を示す図である。
【図11】第2の実施の形態におけるペンおよび固定機の構成の一例を示す図である。
【図12】第2の実施の形態におけるペンの内部構成ブロック図である。
【図13】第2の実施の形態における固定機の内部構成ブロック図である。
【図14】第2の実施の形態における固定機で実行されるコンピュータの処理フローを示す図である。
【図15】第3の実施の形態の概要を示す図である。
【図16】第3の実施の形態におけるペンおよび固定機の構成の一例を示す図である。
【図17】第3の実施の形態におけるペンの内部構成ブロック図である。
【図18】第3の実施の形態における固定機の内部構成ブロック図である。
【図19】第3の実施の形態における固定機で実行されるコンピュータの処理フローを示す図である。
【符号の説明】
1,4,6 ペン
2,5,7 固定機
3 筆記面
11,41,61 電池
12,42,62 駆動回路
13,43,63 ペンタッチスイッチ
14,52,64,73 赤外線センサ
15,51,53,66 超音波発信器
16,46,67 ペン先
20,50,70 コンピュータ
21,23,45,71,74 超音波センサ
22,44,65,72 赤外線LED
120,514,620 超音波駆動回路
121,210,211,421,510,622,710,711,712入力アンプ
122,212,213,422,511,623,713,714,715コンパレータ
123 T型フリップフロップ(T−FF)
201,501,701 座標計算部
202,502,702 速度計算部
203,503,703 周期生成部
204,504,704 カーソル制御部
205,505,705 ON時間生成部
214,215,625,716,717 タイマ
216,513 パルス周期タイマ
217 パルス間隔タイマ
218,420,621,719 LED駆動回路
512 タイマ
624,718 パルスデータレジスタ
Claims (5)
- 固定体から移動体へ,又は移動体から固定体へ超音波を伝送し,超音波の伝搬時間により固定体に対する移動体の位置を求める超音波型座標入力装置において,
超音波が伝送される方向とは逆向きに移動体から固定体へ,又は固定体から移動体へ,前記超音波とは別の信号を伝送する手段と,
移動体が特定状態であることを判定する手段と,
前記判定結果に基づいて前記超音波又は前記別の信号を変化させる制御手段とを備える
ことを特徴とする超音波型座標入力装置。 - 前記移動体が特定状態であることを判定する手段は,前記超音波又は前記別の信号が特定振幅状態であることを判定し,
前記制御手段は,前記超音波又は前記別の信号の振幅が相対的に小さくなる状態では,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に大きく制御し,前記超音波又は前記別の信号の振幅が相対的に大きくなる状態では,前記超音波又は前記別の信号の振幅を相対的に小さく制御する
ことを特徴とする請求項1記載の超音波型座標入力装置。 - 前記超音波と逆向きに伝送される信号として赤外線または可視光を含む電磁波が用いられ,
前記電磁波は,超音波送信又は受信に同期して固定体と移動体との間で伝送され,かつ前記電磁波は,前記超音波又は前記別の信号の信号制御情報によって変調される
ことを特徴とする請求項1記載の超音波型座標入力装置。 - 前記移動体が特定状態であることを判定する手段は,前記移動体が特定速度であることを判定し,
前記制御手段は,前記超音波又は前記別の信号を発信する周期を制御し,移動体の速度が相対的に小さいときには,前記周期を相対的に長く制御し,移動体の速度が相対的に大きいときには,前記周期を相対的に短く制御する
ことを特徴とする請求項1記載の超音波型座標入力装置。 - 前記移動体が特定状態であることを判定する手段は,前記移動体が移動面を移動しているときのみ移動を有効とする相対移動モードと,移動体が移動面以外を移動しているときにも移動を有効とする絶対移動モードのいずれであるかを判定し,
前記制御手段は,前記超音波又は前記別の信号を発信する周期を制御し,相対移動モード時には,前記周期を相対的に長く制御し,絶対移動モード時には前記周期を相対的に短く制御する
ことを特徴とする請求項1記載の超音波型座標入力装置。
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