JP2004192199A - 超音波型座標入力装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ペンを右手で持つ場合でも、左手で持つ場合でも、手による超音波信号の遮蔽で座標検出できない障害を低減できるようにすること。
【解決手段】４つの超音波受信器と赤外線受信器を、紙を固定できる本体部２の座標入力面の左上端と右上端に設け、ペン１が発信する超音波と赤外線を受信する。ペン１で紙に筆記すると、紙に筆跡が残ると同時に、上記超音波受信器で、ペン１から発信される超音波が受信され、本体部２に設けられた処理部は上記超音波信号の伝搬時間によりペン１の座標位置を求め、ペンの筆跡を求める。上記処理部には、どの超音波センサが使用可能か判断する機構と、使用できるセンサの中から有効なセンサを選択する機構とが設けられ、３個以上のセンサの内２個のセンサを使用して座標計算を行なう。
【選択図】 図１
【解決手段】４つの超音波受信器と赤外線受信器を、紙を固定できる本体部２の座標入力面の左上端と右上端に設け、ペン１が発信する超音波と赤外線を受信する。ペン１で紙に筆記すると、紙に筆跡が残ると同時に、上記超音波受信器で、ペン１から発信される超音波が受信され、本体部２に設けられた処理部は上記超音波信号の伝搬時間によりペン１の座標位置を求め、ペンの筆跡を求める。上記処理部には、どの超音波センサが使用可能か判断する機構と、使用できるセンサの中から有効なセンサを選択する機構とが設けられ、３個以上のセンサの内２個のセンサを使用して座標計算を行なう。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペンで紙等に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超音波型座標入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ペンから超音波を発信し、図１２（ａ）に示すように座標入力面に固定配置した２個の超音波センサまで超音波が伝搬する時間からペン−センサ間距離を計測し、三角測量により座標入力面でのペン先の２次元座標を求める技術が、特許文献１に開示されている。
また、広い座標入力面に対応するため、図１３に示すように、３個以上の超音波センサを直線状に並べ、ペン座標に応じてセンサを選択使用する技術が、特許文献２に示されている。
また、２個の超音波センサを座標入力面の上側の左端あるいは右端に斜めに配置することで、センサの死角を無くして、精度良く座標を入力する技術を、先に本発明者は提案した（特願２００２−５４９８２）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６０−１７６１３０号公報
【特許文献２】
特表２０００ー５１０２７４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載のものはでは、ペンから超音波に同期して赤外線等の光を発生し、受信側で、赤外線が受光してから超音波が受信されるまでの時間から、ペンと超音波センサまでの距離を計測している。
すなわち、図１２（ａ）に示すように、２個の超音波センサを紙等の座標入力面の上辺の左右端に配置して、座標入力を行なっているが、超音波や赤外線は手等の不透明な固定物で遮蔽されるため、ペンとセンサ間に手等の障害物があると、赤外線や超音波がペンからセンサに届かなくなり、正しく座標入力できなくなる。そのため、例えばペンを右手で持つ場合、右側のセンサが右手が影になりやすく、ペンの持ち方に注意が必要である。
そこで、図１２（ｂ）に示すように２個の超音波センサを有する受信機を紙等の座標入力面の中央付近に紙の上端と平行して配置する方法も考えられるが、通常、超音波センサや赤外線センサは９０度から１２０度程度の指向性があるため、紙面の右上端や左上端に超音波や赤外線を受信しない死角が生じてしまい、死角位置では座標入力できないという問題が生じる。
また、死角付近では、超音波センサの見かけ上のセンサ間距離が縮まるため、たとえ、指向性が拡がって座標入力できても、精度入力が悪くなるという問題もある。
そこで、本発明者は、前記した特願２００２−５４９８２で、紙の右上端か左上端に、３０度から６０度の範囲で斜めに２個の超音波センサを配置する方法を提案している。この場合、図１４（ａ）のように、ペンを右手が持つ場合には、受信機を紙の左上端に配置する。この位置では右手で赤外線や超音波を遮蔽しにくくなり、また、センサ間を結ぶ直線が紙面上端に対して３０度から６０度の角度を持っているため、ペンが紙面上端にある場合でも見かけ上のセンサ間距離が極端に縮まらないため、座標入力精度が極端に悪化することは無い。
また、左手でペンを持つ場合には、図１４（ｂ）に示すように、紙の右上端に配置すれば良い。この座標入力装置を個人で使用する場合には、通常、どちらの手でペンを持つかは決まっているため、それに合わせて、前もって右上端か左上端に置けば良い。
しかし、例えば、この座標入力装置を窓口等に置き、不特定多数の人が使用する場合、どちらの手でペンを持つかは前もって分からないため、例えば、右利きの人が多いため、左上端に置いておくと、左利きの人が窓口に来た時に、受信機を入れ替える必要があり、作業が煩雑となる。また、たとえ、右手にペンを持っている場合でも、図１４（ｃ）に示すように、例えば、左手で紙をおさえるような場合、左手で赤外線や超音波を遮蔽してしまうという問題が生じることもある。
一方、前記特許文献２に示すように、３個以上のセンサを直線上に並べ、座標入力面の領域のＡＢＣのいずれにペンがあるかによって、使用する超音波センサを切り替えるようにすると、座標入力面が広くてペンから遠いために超音波が届かない不都合を解消することができる。しかし、上記に示すような手による遮蔽の問題は解消できない。
本発明は上記事情を考慮してなされたものであって、本発明の目的は、ペンを右手で持つ場合も左手で持つ場合も同じ構成で、手による超音波信号の遮蔽で座標検出できない障害を低減することができる超音波型座標入力装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では、図１に示すように紙等の座標入力面の左上端と右上端以外に、上端のいずれかに超音波トランスジューサ（超音波発信器もしくは超音波受信器）を配置し、どの超音波トランスジューサが使用可能か判断する機構と、使用できる超音波トランスジューサの中から有効な超音波トランスジューサを選択する機構とを設け、３個以上のトランスジューサの内２個のトランスジューサを使用して座標計算を行なう。
すなわち、以下のようにして前記課題を解決する。
（１）超音波送信または受信を行なう超音波トランスデューサを有する移動体と、移動体の特定部分が座標入力面と接触していることを検知する手段と、超音波を受信または送信する３個あるいはそれ以上の超音波トランスデューサを有する固定体と、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手段とを有する超音波型座標入力装置において、上記固定体の超音波トランスデューサのうち少なくとも１個を座標入力範囲の左上端に配置し、少なくとも他の１個を右上端に配置し、他の１個あるいはそれ以上の超音波トランスデューサを上端に配置し、上記固定体に設けられた超音波トランスデューサが有効かどうかを判定する手段と、上記３個以上の固定体の超音波トランスデューサの中から有効な２個の超音波トランスデューサを選択する手段と、有効な２個の超音波トランスデューサを使用して固定体に対する移動体の位置を求める手段とを設ける。
上記のように、本発明においては、両側以外に上端のいずれかにセンサがあるため、例え、ペンを持つ手で一方の端のセンサが隠れても、もう一方の端のセンサと上端のいずれかのセンサが有効である可能性が高く、手による遮蔽で座標入力できなくなる障害を低減することができる。
（２）上記超音波トランスデューサは以下のように配置することができる。
左上端に、お互いを結ぶ直線が座標入力面の上端辺に対して３０〜６０度の範囲となるように２個の超音波トランスデューサを最大指向性が座標入力範囲を向くように配置し、右上端に、お互いを結ぶ直線が座標入力面の上端辺に対して３０〜６０度の範囲となるように２個の超音波トランスデューサを最大指向性が座標入力範囲を向くように配置する。
また、上端に配置した超音波トランスデューサを座標入力範囲の上端の中央に配置する。
上記のように超音波トランスデューサを３０〜６０度の範囲となるように配置することにより、ペンが紙面上端にある場合でも、見かけ上のセンサ間距離が極端に縮まらず、座標入力精度が極端に悪化することはない。
（３）上記超音波トランスデューサが有効かどうかを、以下のようにして判定する。
（ｉ） 各超音波信号の発生から一定時間以内に、閾値以上の超音波信号が検出されたかどうかで判定する。
（ｉｉ）超音波トランスデューサ近傍に配置した同期用の光信号送受信器で光が検出されたかどうかで判定する。
これにより、超音波の伝搬経路のそばに遮蔽物があることにより、超音波の波が乱れて正しく波形検出できないといった問題を回避することができる。
（４）また、有効な超音波トランスデューサ内から、次のようにして、２個の超音波トランスデューサを選択して、固定体に対する移動体の位置を求める。
（ｉ） ３個以上の超音波トランスデューサが有効な場合、最も外側の超音波トランスデューサを選択する。
（ｉｉ）固定体に超音波トランスジューサを４個設け、４個の超音波トランスデューサが有効な場合、最も外側の超音波トランスデューサを選択し、右上端の少なくても一方が無効ならば左上端の２個を選択し、左上端の少なくても一方が無効なら右上端の２個を選択する。
上記のようにできるだけ距離の離れた超音波トランスジューサを使用することにより、座標計算の精度を向上させることができる。
（５）超音波の音速を補正する補正手段を設け、固定体に設けられた超音波トランスデューサが３個以上有効な場合、該超音波トランスジューサの出力から求めた超音波伝搬時間に基づき超音波の音速を求め、上記固定体に対する移動体の位置を求める手段は、上記補正手段により求めた音速により、移動体の位置を求める。
これにより、周囲温度の変化により音速が変化しても、精度よく移動体の位置を求めることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施例の超音波型座標入力装置の概略構成を示す図である。
本実施例の超音波型座標入力装置は、超音波と同期用の赤外線を発信するペン１と、紙等の座標入力面の左上端と右上端に設けられ、上記ペン１が発信する超音波と赤外線を受信する４つの超音波受信器（以下超音波センサという）と赤外線受信器（以下赤外線センサという）からなる受信器２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを有し、紙を固定できる本体部２からなる。
本体部２に紙を固定し、ペン１で紙に筆記すると、紙に筆跡が残ると同時に、上記超音波受信器で、ペン１から発信される超音波が受信され、本体部２に設けられた処理部（図示せず）に入力される。処理部は上記超音波信号の伝搬時間によりペン１の座標位置を求め、ペンの筆跡を求める。
上記処理部には、どの超音波センサが使用可能か判断する機構と、使用できるセンサの中から有効なセンサを選択する機構とが設けられ、３個以上のセンサの内２個のセンサを使用して座標計算を行なう。上記受信器２ａ〜２ｄは、座標入力面の左上端と右上端以外に、上端のいずれかの位置に設けられていてもよい。
【０００７】
図２に本実施例のペン１の構成を示す。
ペン１内には、先端にボールペン芯１ａが付いており、筆記時の芯と筆記面の接触を検出するための接触検知スイッチ１ｂが付いている。先端にはさらに、円筒状の超音波発信器１ｃと赤外線ＬＥＤ１ｄが付いている。
円筒状の超音波発信器１ｃ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本体部の超音波センサに届くようにするためである。
赤外線ＬＥＤ１ｄは指向性１２０度のものを３個配置し、やはり、ペン１が回転しても赤外線が同じように本体部の赤外線サンサに届くようになっている。また、ペン内部には駆動回路１１と電池１２が設けられている。
ペン１の内部ブロック図を図３に示す。ペン１の内部に設けられた駆動回路１１は、タイマ１１ａとＬＥＤ駆動回路１１ｂと超音波駆動回路１１ｃから構成される。
図３において、ペン先と筆記面との接触を検知する接触検知スイッチ１ｂにより接触が検知されると、タイマ１１ａによる一定周期でＬＥＤ駆動回路１１ｂと超音波駆動回路１１ｃが駆動され、赤外線ＬＥＤ１ｄから赤外線パルスが、また、超音波発信器１ｃから超音波パルスが発生する。この周期は人間の手によるペン１の動きが安定に検出できれば良いので１００Ｈｚ程度に設定されている。
【０００８】
本体部２の具体的構成例を図４に示す。
全体は、ボード状になっており、紙２２を載せる下敷きとして使用できる。紙２２は、ボード２１の上端と左上端に突き当てエッジ２３が付いており、紙クリップ２４で固定することで、常に本体部の同じ位置に紙を固定できるようになっている。
本体部２の左上端には、２個の超音波センサ２５ａ，２５ｂと赤外線センサ２６ａ，２６ｂが、紙の上端に対して４５度の角度を持って、内側を向いて配置されている。同様に、右上端にも、２個の超音波センサ２５ｃ，２５ｄと赤外線センサ２６ｃ，２６ｄが、紙２２の上端に対して４５度の角度を持って、内側を向いて配置されている。尚、角度は４５度に限定するものでは無いが、見かけ上のセンサ間隔が狭くならないように、３０度から６０度の範囲にあることが望ましい。超音波センサ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄも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。
【０００９】
本体部２に設けられた処理部のブロック図を図５に示す。
図５に示すように、本体部に設けられた処理部は、超音波センサ２５ａ〜２５ｃの出力を増幅する入力アンプ３１ａ〜３１ｄと、入力アンプ３１ａ〜３１ｃが所定の閾値を越えたとき出力を発生するコンパレータ３２ａ〜３２ｄと、赤外線センサ２６ａ〜２６ｄの出力の論理和を求める論理和ゲート３３と、論理和ゲート３３が出力を発生したときにスタートし、上記コンパレータ３２ａ〜３２ｄが出力を発生したときストップするタイマ３４ａ〜３４ｄを備える。
さらに、上記赤外線センサ２６ａ〜２６ｄの出力によりトリガされる赤外線検出フリップフロップ３５ａ〜３５ｂと、タイマ３４ａ〜３４ｄと赤外線検出フリップフロップ３５ａ〜３５ｄの出力が入力されるコンピュータ３６を備えている。
コンピュータ３６は、入力部３６ａ、使用センサ選択部３６ｂ、座標計算部３６ｃ、軌跡表示部３６ｄ、音速補正部３６ｅを備え、上記入力部３６ａから入力される赤外線検出フリップフロップ３５ａ〜３５ｄの出力ｆ１〜ｆ４、タイマ３４ａ〜３４ｄの出力ｔ１〜ｔ４に基づき、使用センサ選択部３６ｂで使用センサを選択して、座標計算部３６ｃにより座標計算を行い、軌跡表示部３６ｄでペン１の軌跡を表示するとともに、上記音速補正部３６ｄにより超音波伝搬時間から音速を求めて音速補正を行う。なお、コンピュータ３６における上記機能は、ソフトウェアにより実現される。
【００１０】
図５において、超音波センサ２５ａ〜２５ｄでペン１からの超音波パルスを、赤外線センサ２６ａ〜２６ｄで赤外線パルスを検出する。
赤外線センサ２６ａ〜２６ｄでパルスを検出されると、赤外線検出フリップフロップ３５ａ〜３５ｄがＯＮになり、どの赤外線センサが検出されたか、コンピュータ３６が検出できるようになる。
また、赤外線センサ２６ａ〜２６ｄの出力は論理和ゲート３３で論理和されるため、いずれの赤外線センサが赤外線を検出しても、論理和ゲート３３は赤外線検出パルスを発生するようになっている。
一方、ペン１からの超音波パルスは超音波センサ２５ａ〜２５ｄとで検出後、入力アンプ３１ａ〜３１ｄで適当に増幅される。受信された超音波は通常図６の受信波１〜４に示すような波形となる。
そこで、コンパレータ３２ａ〜３２ｄで適当な閾値ｃ１〜ｃ４よりも大きいかどうか検出され、大きいと超音波が到達したと判定される。
タイマ３４ａ〜３４ｄは、赤外線検出パルスでスタートされ、コンパレータ３２ａ〜３２ｄの出力でストップする。これにより、赤外線パルスが到達してから、超音波パルスが到達するまでの超音波伝搬時間ｔ１〜ｔ４が計測される。
なお、一定時間経過してもタイマ３４ａ〜３４ｄがストップされない場合は、コンピュータ３６は超音波パルスが遮蔽物に遮断されて到達しなかったとして、ｔ１〜ｔ４は無効（ＯＦＦ） として処理する。
計測された時間ｔ１〜ｔ４と赤外線検出状態ｆ１〜ｆ４は、コンピュータ３６に入力され、後はコンピュータ３６内のソフトウェアで処理される。
【００１１】
コンピュータ３６では、以下の処理を行う。
ペンの座標を求めるためには、２個の超音波センサがあれば良い。そこで、コンピュータ３６に、先ず、赤外線検出フリップフロップ３５ａ〜３５ｄの出力ｆ１〜ｆ４とタイマ３４ａ〜３４ｄで計測した超音波伝搬時間ｔ１〜ｔ４が入力されると、コンピュータ３６は、上記ｆ１〜ｆ４の状態に応じて使用する超音波センサを使用センサ選択部３６ｂで選択する。使用するセンサの選択基準は、以下の方針で行う。
（ｉ） その超音波センサに超音波が検出されなければそのセンサは使用しない。
（ｉｉ）そばに配置された赤外線センサが信号を検出しなければその超音波センサは使用しない。
（ｉｉｉ） 複数の超音波センサが使用可能な場合は距離の離れたセンサを使用する。
【００１２】
すなわち、図７（ａ） に示すように、手等の障害物で超音波や赤外線が遮蔽される場合、超音波が検出されなければ時間計測できないため、当然、そのセンサは使用できない。
また、同図（ｂ）に示すように、赤外線のみ遮蔽される場合もあるが、この図のように超音波の伝搬経路のそばに遮蔽物があると、超音波の波が乱れて正しく波形検出できない場合があるため、この場合にも、その超音波センサを使用しない方がよい。
同図（ｃ）に示すように、まれには、近傍に遮蔽物があり、超音波が乱されているにも関わらず、赤外線が遮蔽されない場合も起きうるが、超音波センサ２５ａに直近の赤外線センサ２６ａ以外に、次に近い赤外線センサ２６ｂの遮蔽も考慮して、赤外線センサ２６ｂが遮蔽されていれば、超音波センサ２５ａをなるべく使用しないようにすれば、上記超音波の乱れにより正しく検出できないといったことを防ぐことができる。
さらに、全てのセンサが使用可能であれば、センサ間距離が大きい程、座標計算の精度が良くなるため、なるべく距離の離れたセンサを使用するのが合理的である。
【００１３】
以上をまとめると、図８の表に従って使用するセンサを選択する。この表は、各センサについて、（１） 超音波センサが使用可能で赤外線検出フリップフロップもＯＮ、（２） 超音波センサは使用可能だが赤外線検出フリップフロップはＯＦＦ、（３） 超音波センサが使用できない、の３通りを全センサについて場合分けし、全部で８１通りの場合について、どのタイマを使用するかを示したものである。なお、図８では、前記（ｉ） 〜（ｉｉｉ） の選択基準に加えて、超音波センサの出力が検出されない場合、その近傍の超音波センサの出力も使用しないという選択基準も使用している。
図８において、例えば、１行１列は、全ての超音波センサ２５ａ〜２５ｄの出力ＯＮでタイマ３４ａ〜３４ｄの出力ｔ１〜ｔ４がＯＮで、かつ、全ての赤外線検出フリップフロップ３５ａ〜３５ｄの出力ｆ１〜ｆ４がＯＮの場合であり、何ら遮蔽されていない場合である。
この場合には、距離の離れた超音波センサ２５ａと２５ｄ、すわなち、タイマ３４ａの出力ｔ１とタイマ３４ｄの出力ｔ４を使用する。
また、１行３列は、超音波センサ２５ｂが使用できない場合であり、この場合には、この超音波センサ２５ｂに近い超音波センサ２５ａの出力が入力されるタイマ３４ａの出力ｔ１も使用せずに、タイマ３４ｃの出力ｔ３とタイマ３４ｄの出力ｔ４を使用する。
９行３列は、超音波センサ２５ａのみしか使用できない場合で、１個のセンサでは座標計算できないため、エラーとして処理する。
【００１４】
次に、コンピュータ３６の座標計算部３６ｃにおいて、超音波伝搬時間Ｔ１〜Ｔ４から、ペン１の座標を求める方法を説明する。
音速をｖとして、ペンＰから各超音波センサまでの距離を距離ｒ１〜ｒ４とすると、距離ｒ１〜ｒ４は以下の（１）〜（４）式となる。
ｒ１ ＝ｖ・ｔ１ …（１）
ｒ２ ＝ｖ・ｔ２ …（２）
ｒ３ ＝ｖ・ｔ３ …（３）
ｒ３ ＝ｖ・ｔ３ …（４）
ここで、超音波センサ２５ａの位置（Ｓ１） を原点とし、図９のような座標系を取ると、ペンＰの座標（ｘ，ｙ） は、以下の（５）〜（８）式で求まる。
ｘ２ ＋ｙ２ ＝ｒ１ ２ …（５）
（ｘ−ａ）２ ＋（ｙ−ａ）２ ＝ｒ２ ２ …（６）
（ｘ−ｂ）２ ＋（ｙ−ａ）２ ＝ｒ３ ２ …（７）
（ｘ−ａ−ｂ）２ ＋ｙ２ ＝ｒ４ ２ …（８）
ここで、例えばｔ１とｔ４を使用する場合、（１）（４）（５）（８） 式で、ｖ，ａ，ｂは既知であるため、ｘ，ｙについて解けば、以下の（９）（１０）式でペン座標（ｘ，ｙ）が求まる。
【００１５】
【数１】
【００１６】
上記はｔ１とｔ４を使用する場合であるが、他の場合についても、同様にして求まる。
軌跡表示部３６ｄは上記のようにして求めたペン座標からペンの軌跡を表示する。
ここで、図８の表の１行１列で全ての超音波センサ２５ａ〜２５ｄと赤外線検出フリップフロップ３５ａ〜３５ｄがＯＮの場合には、音速を補正することができる。
超音波の音速ｖは温度が変化しなければ一定であるが、温度Ｔ（℃） が変化すると音速ｖは以下の（１１）式で近似できる速度（ｍ／ｓ）となる。
ｖ＝３３１．５＋０．６Ｔ…（１１）
そこで、前記（１）（２）（４）（５）（６）（８）式の６式で、音速ｖも未知数とし、ｘ，ｙ，ｒ１ ，ｒ２ ，ｒ４ ，ｖについて解けば、音速も同時に求めることができる。音速は急激には変化しないため、全てのセンサが有効な時に限って、かつ、一定時間だけ間を置いて前記音速補正部３６ｅで上記のように音速を求め、ペンＰの座標（ｘ，ｙ） を求める際のパラメータである音速ｖを補正するようにする。
【００１７】
なお、上記実施例では、超音波センサの有効／無効を、コンパレータの閾値を越える超音波波形が検出されたことと、赤外線センサが検出されたこととで判定しているが、受信された超音波波形から判定するようにしても良い。超音波は到達しても、超音波の伝搬経路の近傍に遮蔽物があると、音波がみだされて、例えば、図１０に示すように、振幅が一度、大きくなってから、再び小さくなり、再度大きくなるような波形が得られる。
そこで、受信超音波の包絡線の極小値の有無、零クロス位置の間隔等から、波形が乱れていることを判定するようにしても良い。
【００１８】
次に本発明の第２の実施例について説明する。
図１１に第２の実施例の本体部の構成を示す。
本実施例では、超音波センサと赤外線センサの組を３個用意し、紙面上端の左右端と中央に配置する。
すなわち、図１１に示すように、超音波センサ４１ａと赤外線センサ４２ａを左端に、超音波センサ４１ｂと赤外線センサ４２ｂを中央に、さらに超音波センサ４１ｃと赤外線センサ４２ｃを右端に配置したものであり、全てのセンサの指向性の最大の方向は紙面中央を向くように配置する。
本体部２はバー状になっており、紙２２をバー４３の隙間４３ａに挟んで固定することで、紙２２がバー状の本体に対していつも同じ位置になるようにする。ペン構成は第１の実施例と同様である。また、本体部２の処理部の構成は、第１の実施例で説明した図５のものから、赤外線センサ２６ｄ、赤外線検出フリップフロップ３５ｄ、超音波センサ２５ｄ、入力アンプ３１ｄ、コンパレータ３２ｄ、タイマ３４ｄを除いたものであり、その動作は、前記第１の実施例で説明したのと同様である。
また、図５に示した使用センサ選択部３６ｂおける、使用するセンサの選択動作は、図８の表からｔ４ ＯＦＦの行のみを抜き出したものであり、基本的な動作は同様である。
本実施例は、第１の実施例に比べると、紙面上端での精度が悪化するが、センサの個数が１個少ないため低価格で構成することができる。
【００１９】
なお、以上の実施例では、全てペン１から赤外線と超音波を発生するものとして説明しているが、本体部２から赤外線を発生し、ペン１が赤外線を受けたら超音波を発生するようにしても良いし、また、本体部２から超音波を発生し、ペン１が超音波を検出したら赤外線を発生するようにしても良い。さらに、ペン１をケーブル付きにした場合には同期は有線で行なうことができるため、赤外線は不要である。
【００２０】
（付記１）超音波送信または受信を行なう超音波トランスデューサを有する移動体と、
移動体の特定部分が座標入力面と接触していることを検知する手段と、
超音波を受信または送信する３個あるいはそれ以上の超音波トランスデューサを有する固定体と、
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手段とを有する超音波型座標入力装置であって、
上記固定体の超音波トランスデューサのうち少なくとも１個を座標入力範囲の左上端に配置し、少なくとも他の１個を右上端に配置し、他の１個あるいはそれ以上の超音波トランスデューサを上端に配置し、
上記固定体に設けられた超音波トランスデューサが有効かどうかを判定する手段と、
上記３個以上の固定体の超音波トランスデューサの中から有効な２個の超音波トランスデューサを選択する手段と、
有効な２個の超音波トランスデューサを使用して固定体に対する移動体の位置を求める手段とを設けた
ことを特徴とする超音波座標入力装置。
（付記２）左上端に、お互いを結ぶ直線が座標入力面の上端辺に対して３０〜６０度の範囲となるように２個の超音波トランスデューサを最大指向性が座標入力範囲を向くように配置し、
右上端に、お互いを結ぶ直線が座標入力面の上端辺に対して３０〜６０度の範囲となるように２個の超音波トランスデューサを最大指向性が座標入力範囲を向くように配置した
ことを特徴とする付記１の超音波座標入力装置。
（付記３）上端に配置した超音波トランスデューサを座標入力範囲の上端の中央に配置した
ことを特徴とする付記１または付記２の超音波座標入力装置。
（付記４）上記固定体に設けた超音波トランスデューサが有効かどうかを判定する手段は、
各超音波信号の発生から一定時間以内に、閾値以上の超音波信号が検出されたかどうかで判定する
ことを特徴とする付記１，２または付記３の超音波座標入力装置。
（付記５）上記固定体に設けられた超音波トランスデューサが有効かどうかを判定する手段は、
超音波トランスデューサ近傍に配置した同期用の光信号送受信器で光が検出されたかどうかで判定する
ことを特徴とする付記１，２，３または付記４の超音波座標入力装置。
（付記６）上記３個以上の固定体の超音波トランスデューサの中から有効な２個の超音波トランスデューサを選択する手段は、
３個以上の超音波トランスデューサが有効な場合、最も外側の超音波トランスデューサを選択する
ことを特徴とする付記１，２，３，４または付記５の超音波座標入力装置。
（付記７）上記固定体に設けられる超音波トランスジューサは４個であり、上記３個以上の超音波トランスデューサの中から有効な２個の超音波トランスデューサを選択する手段は、
上記４個の超音波トランスデューサが有効な場合、最も外側の超音波トランスデューサを選択し、
右上端の少なくても一方が無効ならば左上端の２個を選択し、左上端の少なくても一方が無効なら右上端の２個を選択する
ことを特徴とする付記６の超音波座標入力装置。
（付記８）超音波の音速を補正する補正手段を備え、
上記超音波の音速を補正する手段は、固定体に設けられた超音波トランスデューサが３個以上有効な場合、上記超音波トランスジューサの出力から求めた超音波伝搬時間に基づき超音波の音速を求め、
上記固定体に対する移動体の位置を求める手段は、上記補正手段により求めた音速により、移動体の位置を求める
ことを特徴とする付記１，２，３，４，５，６または付記７の超音波座標入力装置。
【００２１】
【発明の効果】
本発明においては、超音波トランスデューサのうち少なくとも１個を座標入力範囲の左上端に配置し、少なくとも他の１個を右上端に配置し、他の１個あるいはそれ以上の超音波トランスデューサを上端に配置し、上記固定体に設けられた超音波トランスデューサが有効かどうかを判定し、３個以上の固定体の超音波トランスデューサの中から有効な２個の超音波トランスデューサを選択し、有効な２個の超音波トランスデューサを使用して固定体に対する移動体の位置を求めるようにしたので、ペンを右手で持つ場合も左手で持つ場合も同じ構成で、手による超音波信号の遮蔽で座標検出できない障害を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の超音波型座標入力装置の概略構成を示す図である。
【図２】ペンの構成を示す図である。
【図３】ペンの内部ブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施例の本体部の具体的構成例を示す図である。
【図５】本体部２に設けられた処理部のブロック図である。
【図６】超音波受信波形を示す図である。
【図７】障害物による赤外線と超音波の遮蔽を説明する図である。
【図８】超音波センサと赤外線センサの状態と使用センサの選択を示す表である。
【図９】本実施例の座標系を説明する図である。
【図１０】受信超音波波形の乱れを示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施例の本体部の構成を示す図である。
【図１２】２個の超音波センサを固定配置した従来例を示す図である。
【図１３】３個以上の超音波センサを直線状に並べた従来例を示す図である。
【図１４】右利きと左利きの場合のセンサの配置と、左手によるセンサの遮蔽を説明する図である。
【符号の説明】
１ ペン
２ 本体部
１ａ ボールペン芯
１ｂ 接触検知スイッチ
１ｃ 超音波発信器
１ｄ 赤外線ＬＥＤ
１１ 駆動回路
１１ａ タイマ
１１ｂ ＬＥＤ駆動回路
１１ｃ 超音波駆動回路
１２ 電池
２２ 紙
２３ 突き当てエッジ
２４ 紙クリップ
２５ａ〜２５ｄ 超音波センサ
２６ａ〜２６ｄ 赤外線センサ
３１ａ〜３１ｄ 入力アンプ
３２ａ〜３２ｄ コンパレータ
３３ 論理和ゲート
３４ａ〜３４ｄ タイマ
３５ａ〜３５ｄ 赤外線検出フリップフロップ
３６ コンピュータ
３６ａ 入力部
３６ｂ 使用センサ選択部
３６ｃ 座標計算部
３６ｄ 軌跡表示部
３７ｅ 音速補正部
４１ａ〜４１ｃ 超音波センサ
４２ａ〜４２ｃ 赤外線センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペンで紙等に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超音波型座標入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ペンから超音波を発信し、図１２（ａ）に示すように座標入力面に固定配置した２個の超音波センサまで超音波が伝搬する時間からペン−センサ間距離を計測し、三角測量により座標入力面でのペン先の２次元座標を求める技術が、特許文献１に開示されている。
また、広い座標入力面に対応するため、図１３に示すように、３個以上の超音波センサを直線状に並べ、ペン座標に応じてセンサを選択使用する技術が、特許文献２に示されている。
また、２個の超音波センサを座標入力面の上側の左端あるいは右端に斜めに配置することで、センサの死角を無くして、精度良く座標を入力する技術を、先に本発明者は提案した（特願２００２−５４９８２）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６０−１７６１３０号公報
【特許文献２】
特表２０００ー５１０２７４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載のものはでは、ペンから超音波に同期して赤外線等の光を発生し、受信側で、赤外線が受光してから超音波が受信されるまでの時間から、ペンと超音波センサまでの距離を計測している。
すなわち、図１２（ａ）に示すように、２個の超音波センサを紙等の座標入力面の上辺の左右端に配置して、座標入力を行なっているが、超音波や赤外線は手等の不透明な固定物で遮蔽されるため、ペンとセンサ間に手等の障害物があると、赤外線や超音波がペンからセンサに届かなくなり、正しく座標入力できなくなる。そのため、例えばペンを右手で持つ場合、右側のセンサが右手が影になりやすく、ペンの持ち方に注意が必要である。
そこで、図１２（ｂ）に示すように２個の超音波センサを有する受信機を紙等の座標入力面の中央付近に紙の上端と平行して配置する方法も考えられるが、通常、超音波センサや赤外線センサは９０度から１２０度程度の指向性があるため、紙面の右上端や左上端に超音波や赤外線を受信しない死角が生じてしまい、死角位置では座標入力できないという問題が生じる。
また、死角付近では、超音波センサの見かけ上のセンサ間距離が縮まるため、たとえ、指向性が拡がって座標入力できても、精度入力が悪くなるという問題もある。
そこで、本発明者は、前記した特願２００２−５４９８２で、紙の右上端か左上端に、３０度から６０度の範囲で斜めに２個の超音波センサを配置する方法を提案している。この場合、図１４（ａ）のように、ペンを右手が持つ場合には、受信機を紙の左上端に配置する。この位置では右手で赤外線や超音波を遮蔽しにくくなり、また、センサ間を結ぶ直線が紙面上端に対して３０度から６０度の角度を持っているため、ペンが紙面上端にある場合でも見かけ上のセンサ間距離が極端に縮まらないため、座標入力精度が極端に悪化することは無い。
また、左手でペンを持つ場合には、図１４（ｂ）に示すように、紙の右上端に配置すれば良い。この座標入力装置を個人で使用する場合には、通常、どちらの手でペンを持つかは決まっているため、それに合わせて、前もって右上端か左上端に置けば良い。
しかし、例えば、この座標入力装置を窓口等に置き、不特定多数の人が使用する場合、どちらの手でペンを持つかは前もって分からないため、例えば、右利きの人が多いため、左上端に置いておくと、左利きの人が窓口に来た時に、受信機を入れ替える必要があり、作業が煩雑となる。また、たとえ、右手にペンを持っている場合でも、図１４（ｃ）に示すように、例えば、左手で紙をおさえるような場合、左手で赤外線や超音波を遮蔽してしまうという問題が生じることもある。
一方、前記特許文献２に示すように、３個以上のセンサを直線上に並べ、座標入力面の領域のＡＢＣのいずれにペンがあるかによって、使用する超音波センサを切り替えるようにすると、座標入力面が広くてペンから遠いために超音波が届かない不都合を解消することができる。しかし、上記に示すような手による遮蔽の問題は解消できない。
本発明は上記事情を考慮してなされたものであって、本発明の目的は、ペンを右手で持つ場合も左手で持つ場合も同じ構成で、手による超音波信号の遮蔽で座標検出できない障害を低減することができる超音波型座標入力装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では、図１に示すように紙等の座標入力面の左上端と右上端以外に、上端のいずれかに超音波トランスジューサ（超音波発信器もしくは超音波受信器）を配置し、どの超音波トランスジューサが使用可能か判断する機構と、使用できる超音波トランスジューサの中から有効な超音波トランスジューサを選択する機構とを設け、３個以上のトランスジューサの内２個のトランスジューサを使用して座標計算を行なう。
すなわち、以下のようにして前記課題を解決する。
（１）超音波送信または受信を行なう超音波トランスデューサを有する移動体と、移動体の特定部分が座標入力面と接触していることを検知する手段と、超音波を受信または送信する３個あるいはそれ以上の超音波トランスデューサを有する固定体と、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手段とを有する超音波型座標入力装置において、上記固定体の超音波トランスデューサのうち少なくとも１個を座標入力範囲の左上端に配置し、少なくとも他の１個を右上端に配置し、他の１個あるいはそれ以上の超音波トランスデューサを上端に配置し、上記固定体に設けられた超音波トランスデューサが有効かどうかを判定する手段と、上記３個以上の固定体の超音波トランスデューサの中から有効な２個の超音波トランスデューサを選択する手段と、有効な２個の超音波トランスデューサを使用して固定体に対する移動体の位置を求める手段とを設ける。
上記のように、本発明においては、両側以外に上端のいずれかにセンサがあるため、例え、ペンを持つ手で一方の端のセンサが隠れても、もう一方の端のセンサと上端のいずれかのセンサが有効である可能性が高く、手による遮蔽で座標入力できなくなる障害を低減することができる。
（２）上記超音波トランスデューサは以下のように配置することができる。
左上端に、お互いを結ぶ直線が座標入力面の上端辺に対して３０〜６０度の範囲となるように２個の超音波トランスデューサを最大指向性が座標入力範囲を向くように配置し、右上端に、お互いを結ぶ直線が座標入力面の上端辺に対して３０〜６０度の範囲となるように２個の超音波トランスデューサを最大指向性が座標入力範囲を向くように配置する。
また、上端に配置した超音波トランスデューサを座標入力範囲の上端の中央に配置する。
上記のように超音波トランスデューサを３０〜６０度の範囲となるように配置することにより、ペンが紙面上端にある場合でも、見かけ上のセンサ間距離が極端に縮まらず、座標入力精度が極端に悪化することはない。
（３）上記超音波トランスデューサが有効かどうかを、以下のようにして判定する。
（ｉ） 各超音波信号の発生から一定時間以内に、閾値以上の超音波信号が検出されたかどうかで判定する。
（ｉｉ）超音波トランスデューサ近傍に配置した同期用の光信号送受信器で光が検出されたかどうかで判定する。
これにより、超音波の伝搬経路のそばに遮蔽物があることにより、超音波の波が乱れて正しく波形検出できないといった問題を回避することができる。
（４）また、有効な超音波トランスデューサ内から、次のようにして、２個の超音波トランスデューサを選択して、固定体に対する移動体の位置を求める。
（ｉ） ３個以上の超音波トランスデューサが有効な場合、最も外側の超音波トランスデューサを選択する。
（ｉｉ）固定体に超音波トランスジューサを４個設け、４個の超音波トランスデューサが有効な場合、最も外側の超音波トランスデューサを選択し、右上端の少なくても一方が無効ならば左上端の２個を選択し、左上端の少なくても一方が無効なら右上端の２個を選択する。
上記のようにできるだけ距離の離れた超音波トランスジューサを使用することにより、座標計算の精度を向上させることができる。
（５）超音波の音速を補正する補正手段を設け、固定体に設けられた超音波トランスデューサが３個以上有効な場合、該超音波トランスジューサの出力から求めた超音波伝搬時間に基づき超音波の音速を求め、上記固定体に対する移動体の位置を求める手段は、上記補正手段により求めた音速により、移動体の位置を求める。
これにより、周囲温度の変化により音速が変化しても、精度よく移動体の位置を求めることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施例の超音波型座標入力装置の概略構成を示す図である。
本実施例の超音波型座標入力装置は、超音波と同期用の赤外線を発信するペン１と、紙等の座標入力面の左上端と右上端に設けられ、上記ペン１が発信する超音波と赤外線を受信する４つの超音波受信器（以下超音波センサという）と赤外線受信器（以下赤外線センサという）からなる受信器２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを有し、紙を固定できる本体部２からなる。
本体部２に紙を固定し、ペン１で紙に筆記すると、紙に筆跡が残ると同時に、上記超音波受信器で、ペン１から発信される超音波が受信され、本体部２に設けられた処理部（図示せず）に入力される。処理部は上記超音波信号の伝搬時間によりペン１の座標位置を求め、ペンの筆跡を求める。
上記処理部には、どの超音波センサが使用可能か判断する機構と、使用できるセンサの中から有効なセンサを選択する機構とが設けられ、３個以上のセンサの内２個のセンサを使用して座標計算を行なう。上記受信器２ａ〜２ｄは、座標入力面の左上端と右上端以外に、上端のいずれかの位置に設けられていてもよい。
【０００７】
図２に本実施例のペン１の構成を示す。
ペン１内には、先端にボールペン芯１ａが付いており、筆記時の芯と筆記面の接触を検出するための接触検知スイッチ１ｂが付いている。先端にはさらに、円筒状の超音波発信器１ｃと赤外線ＬＥＤ１ｄが付いている。
円筒状の超音波発信器１ｃ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本体部の超音波センサに届くようにするためである。
赤外線ＬＥＤ１ｄは指向性１２０度のものを３個配置し、やはり、ペン１が回転しても赤外線が同じように本体部の赤外線サンサに届くようになっている。また、ペン内部には駆動回路１１と電池１２が設けられている。
ペン１の内部ブロック図を図３に示す。ペン１の内部に設けられた駆動回路１１は、タイマ１１ａとＬＥＤ駆動回路１１ｂと超音波駆動回路１１ｃから構成される。
図３において、ペン先と筆記面との接触を検知する接触検知スイッチ１ｂにより接触が検知されると、タイマ１１ａによる一定周期でＬＥＤ駆動回路１１ｂと超音波駆動回路１１ｃが駆動され、赤外線ＬＥＤ１ｄから赤外線パルスが、また、超音波発信器１ｃから超音波パルスが発生する。この周期は人間の手によるペン１の動きが安定に検出できれば良いので１００Ｈｚ程度に設定されている。
【０００８】
本体部２の具体的構成例を図４に示す。
全体は、ボード状になっており、紙２２を載せる下敷きとして使用できる。紙２２は、ボード２１の上端と左上端に突き当てエッジ２３が付いており、紙クリップ２４で固定することで、常に本体部の同じ位置に紙を固定できるようになっている。
本体部２の左上端には、２個の超音波センサ２５ａ，２５ｂと赤外線センサ２６ａ，２６ｂが、紙の上端に対して４５度の角度を持って、内側を向いて配置されている。同様に、右上端にも、２個の超音波センサ２５ｃ，２５ｄと赤外線センサ２６ｃ，２６ｄが、紙２２の上端に対して４５度の角度を持って、内側を向いて配置されている。尚、角度は４５度に限定するものでは無いが、見かけ上のセンサ間隔が狭くならないように、３０度から６０度の範囲にあることが望ましい。超音波センサ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄも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。
【０００９】
本体部２に設けられた処理部のブロック図を図５に示す。
図５に示すように、本体部に設けられた処理部は、超音波センサ２５ａ〜２５ｃの出力を増幅する入力アンプ３１ａ〜３１ｄと、入力アンプ３１ａ〜３１ｃが所定の閾値を越えたとき出力を発生するコンパレータ３２ａ〜３２ｄと、赤外線センサ２６ａ〜２６ｄの出力の論理和を求める論理和ゲート３３と、論理和ゲート３３が出力を発生したときにスタートし、上記コンパレータ３２ａ〜３２ｄが出力を発生したときストップするタイマ３４ａ〜３４ｄを備える。
さらに、上記赤外線センサ２６ａ〜２６ｄの出力によりトリガされる赤外線検出フリップフロップ３５ａ〜３５ｂと、タイマ３４ａ〜３４ｄと赤外線検出フリップフロップ３５ａ〜３５ｄの出力が入力されるコンピュータ３６を備えている。
コンピュータ３６は、入力部３６ａ、使用センサ選択部３６ｂ、座標計算部３６ｃ、軌跡表示部３６ｄ、音速補正部３６ｅを備え、上記入力部３６ａから入力される赤外線検出フリップフロップ３５ａ〜３５ｄの出力ｆ１〜ｆ４、タイマ３４ａ〜３４ｄの出力ｔ１〜ｔ４に基づき、使用センサ選択部３６ｂで使用センサを選択して、座標計算部３６ｃにより座標計算を行い、軌跡表示部３６ｄでペン１の軌跡を表示するとともに、上記音速補正部３６ｄにより超音波伝搬時間から音速を求めて音速補正を行う。なお、コンピュータ３６における上記機能は、ソフトウェアにより実現される。
【００１０】
図５において、超音波センサ２５ａ〜２５ｄでペン１からの超音波パルスを、赤外線センサ２６ａ〜２６ｄで赤外線パルスを検出する。
赤外線センサ２６ａ〜２６ｄでパルスを検出されると、赤外線検出フリップフロップ３５ａ〜３５ｄがＯＮになり、どの赤外線センサが検出されたか、コンピュータ３６が検出できるようになる。
また、赤外線センサ２６ａ〜２６ｄの出力は論理和ゲート３３で論理和されるため、いずれの赤外線センサが赤外線を検出しても、論理和ゲート３３は赤外線検出パルスを発生するようになっている。
一方、ペン１からの超音波パルスは超音波センサ２５ａ〜２５ｄとで検出後、入力アンプ３１ａ〜３１ｄで適当に増幅される。受信された超音波は通常図６の受信波１〜４に示すような波形となる。
そこで、コンパレータ３２ａ〜３２ｄで適当な閾値ｃ１〜ｃ４よりも大きいかどうか検出され、大きいと超音波が到達したと判定される。
タイマ３４ａ〜３４ｄは、赤外線検出パルスでスタートされ、コンパレータ３２ａ〜３２ｄの出力でストップする。これにより、赤外線パルスが到達してから、超音波パルスが到達するまでの超音波伝搬時間ｔ１〜ｔ４が計測される。
なお、一定時間経過してもタイマ３４ａ〜３４ｄがストップされない場合は、コンピュータ３６は超音波パルスが遮蔽物に遮断されて到達しなかったとして、ｔ１〜ｔ４は無効（ＯＦＦ） として処理する。
計測された時間ｔ１〜ｔ４と赤外線検出状態ｆ１〜ｆ４は、コンピュータ３６に入力され、後はコンピュータ３６内のソフトウェアで処理される。
【００１１】
コンピュータ３６では、以下の処理を行う。
ペンの座標を求めるためには、２個の超音波センサがあれば良い。そこで、コンピュータ３６に、先ず、赤外線検出フリップフロップ３５ａ〜３５ｄの出力ｆ１〜ｆ４とタイマ３４ａ〜３４ｄで計測した超音波伝搬時間ｔ１〜ｔ４が入力されると、コンピュータ３６は、上記ｆ１〜ｆ４の状態に応じて使用する超音波センサを使用センサ選択部３６ｂで選択する。使用するセンサの選択基準は、以下の方針で行う。
（ｉ） その超音波センサに超音波が検出されなければそのセンサは使用しない。
（ｉｉ）そばに配置された赤外線センサが信号を検出しなければその超音波センサは使用しない。
（ｉｉｉ） 複数の超音波センサが使用可能な場合は距離の離れたセンサを使用する。
【００１２】
すなわち、図７（ａ） に示すように、手等の障害物で超音波や赤外線が遮蔽される場合、超音波が検出されなければ時間計測できないため、当然、そのセンサは使用できない。
また、同図（ｂ）に示すように、赤外線のみ遮蔽される場合もあるが、この図のように超音波の伝搬経路のそばに遮蔽物があると、超音波の波が乱れて正しく波形検出できない場合があるため、この場合にも、その超音波センサを使用しない方がよい。
同図（ｃ）に示すように、まれには、近傍に遮蔽物があり、超音波が乱されているにも関わらず、赤外線が遮蔽されない場合も起きうるが、超音波センサ２５ａに直近の赤外線センサ２６ａ以外に、次に近い赤外線センサ２６ｂの遮蔽も考慮して、赤外線センサ２６ｂが遮蔽されていれば、超音波センサ２５ａをなるべく使用しないようにすれば、上記超音波の乱れにより正しく検出できないといったことを防ぐことができる。
さらに、全てのセンサが使用可能であれば、センサ間距離が大きい程、座標計算の精度が良くなるため、なるべく距離の離れたセンサを使用するのが合理的である。
【００１３】
以上をまとめると、図８の表に従って使用するセンサを選択する。この表は、各センサについて、（１） 超音波センサが使用可能で赤外線検出フリップフロップもＯＮ、（２） 超音波センサは使用可能だが赤外線検出フリップフロップはＯＦＦ、（３） 超音波センサが使用できない、の３通りを全センサについて場合分けし、全部で８１通りの場合について、どのタイマを使用するかを示したものである。なお、図８では、前記（ｉ） 〜（ｉｉｉ） の選択基準に加えて、超音波センサの出力が検出されない場合、その近傍の超音波センサの出力も使用しないという選択基準も使用している。
図８において、例えば、１行１列は、全ての超音波センサ２５ａ〜２５ｄの出力ＯＮでタイマ３４ａ〜３４ｄの出力ｔ１〜ｔ４がＯＮで、かつ、全ての赤外線検出フリップフロップ３５ａ〜３５ｄの出力ｆ１〜ｆ４がＯＮの場合であり、何ら遮蔽されていない場合である。
この場合には、距離の離れた超音波センサ２５ａと２５ｄ、すわなち、タイマ３４ａの出力ｔ１とタイマ３４ｄの出力ｔ４を使用する。
また、１行３列は、超音波センサ２５ｂが使用できない場合であり、この場合には、この超音波センサ２５ｂに近い超音波センサ２５ａの出力が入力されるタイマ３４ａの出力ｔ１も使用せずに、タイマ３４ｃの出力ｔ３とタイマ３４ｄの出力ｔ４を使用する。
９行３列は、超音波センサ２５ａのみしか使用できない場合で、１個のセンサでは座標計算できないため、エラーとして処理する。
【００１４】
次に、コンピュータ３６の座標計算部３６ｃにおいて、超音波伝搬時間Ｔ１〜Ｔ４から、ペン１の座標を求める方法を説明する。
音速をｖとして、ペンＰから各超音波センサまでの距離を距離ｒ１〜ｒ４とすると、距離ｒ１〜ｒ４は以下の（１）〜（４）式となる。
ｒ１ ＝ｖ・ｔ１ …（１）
ｒ２ ＝ｖ・ｔ２ …（２）
ｒ３ ＝ｖ・ｔ３ …（３）
ｒ３ ＝ｖ・ｔ３ …（４）
ここで、超音波センサ２５ａの位置（Ｓ１） を原点とし、図９のような座標系を取ると、ペンＰの座標（ｘ，ｙ） は、以下の（５）〜（８）式で求まる。
ｘ２ ＋ｙ２ ＝ｒ１ ２ …（５）
（ｘ−ａ）２ ＋（ｙ−ａ）２ ＝ｒ２ ２ …（６）
（ｘ−ｂ）２ ＋（ｙ−ａ）２ ＝ｒ３ ２ …（７）
（ｘ−ａ−ｂ）２ ＋ｙ２ ＝ｒ４ ２ …（８）
ここで、例えばｔ１とｔ４を使用する場合、（１）（４）（５）（８） 式で、ｖ，ａ，ｂは既知であるため、ｘ，ｙについて解けば、以下の（９）（１０）式でペン座標（ｘ，ｙ）が求まる。
【００１５】
【数１】
上記はｔ１とｔ４を使用する場合であるが、他の場合についても、同様にして求まる。
軌跡表示部３６ｄは上記のようにして求めたペン座標からペンの軌跡を表示する。
ここで、図８の表の１行１列で全ての超音波センサ２５ａ〜２５ｄと赤外線検出フリップフロップ３５ａ〜３５ｄがＯＮの場合には、音速を補正することができる。
超音波の音速ｖは温度が変化しなければ一定であるが、温度Ｔ（℃） が変化すると音速ｖは以下の（１１）式で近似できる速度（ｍ／ｓ）となる。
ｖ＝３３１．５＋０．６Ｔ…（１１）
そこで、前記（１）（２）（４）（５）（６）（８）式の６式で、音速ｖも未知数とし、ｘ，ｙ，ｒ１ ，ｒ２ ，ｒ４ ，ｖについて解けば、音速も同時に求めることができる。音速は急激には変化しないため、全てのセンサが有効な時に限って、かつ、一定時間だけ間を置いて前記音速補正部３６ｅで上記のように音速を求め、ペンＰの座標（ｘ，ｙ） を求める際のパラメータである音速ｖを補正するようにする。
【００１７】
なお、上記実施例では、超音波センサの有効／無効を、コンパレータの閾値を越える超音波波形が検出されたことと、赤外線センサが検出されたこととで判定しているが、受信された超音波波形から判定するようにしても良い。超音波は到達しても、超音波の伝搬経路の近傍に遮蔽物があると、音波がみだされて、例えば、図１０に示すように、振幅が一度、大きくなってから、再び小さくなり、再度大きくなるような波形が得られる。
そこで、受信超音波の包絡線の極小値の有無、零クロス位置の間隔等から、波形が乱れていることを判定するようにしても良い。
【００１８】
次に本発明の第２の実施例について説明する。
図１１に第２の実施例の本体部の構成を示す。
本実施例では、超音波センサと赤外線センサの組を３個用意し、紙面上端の左右端と中央に配置する。
すなわち、図１１に示すように、超音波センサ４１ａと赤外線センサ４２ａを左端に、超音波センサ４１ｂと赤外線センサ４２ｂを中央に、さらに超音波センサ４１ｃと赤外線センサ４２ｃを右端に配置したものであり、全てのセンサの指向性の最大の方向は紙面中央を向くように配置する。
本体部２はバー状になっており、紙２２をバー４３の隙間４３ａに挟んで固定することで、紙２２がバー状の本体に対していつも同じ位置になるようにする。ペン構成は第１の実施例と同様である。また、本体部２の処理部の構成は、第１の実施例で説明した図５のものから、赤外線センサ２６ｄ、赤外線検出フリップフロップ３５ｄ、超音波センサ２５ｄ、入力アンプ３１ｄ、コンパレータ３２ｄ、タイマ３４ｄを除いたものであり、その動作は、前記第１の実施例で説明したのと同様である。
また、図５に示した使用センサ選択部３６ｂおける、使用するセンサの選択動作は、図８の表からｔ４ ＯＦＦの行のみを抜き出したものであり、基本的な動作は同様である。
本実施例は、第１の実施例に比べると、紙面上端での精度が悪化するが、センサの個数が１個少ないため低価格で構成することができる。
【００１９】
なお、以上の実施例では、全てペン１から赤外線と超音波を発生するものとして説明しているが、本体部２から赤外線を発生し、ペン１が赤外線を受けたら超音波を発生するようにしても良いし、また、本体部２から超音波を発生し、ペン１が超音波を検出したら赤外線を発生するようにしても良い。さらに、ペン１をケーブル付きにした場合には同期は有線で行なうことができるため、赤外線は不要である。
【００２０】
（付記１）超音波送信または受信を行なう超音波トランスデューサを有する移動体と、
移動体の特定部分が座標入力面と接触していることを検知する手段と、
超音波を受信または送信する３個あるいはそれ以上の超音波トランスデューサを有する固定体と、
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手段とを有する超音波型座標入力装置であって、
上記固定体の超音波トランスデューサのうち少なくとも１個を座標入力範囲の左上端に配置し、少なくとも他の１個を右上端に配置し、他の１個あるいはそれ以上の超音波トランスデューサを上端に配置し、
上記固定体に設けられた超音波トランスデューサが有効かどうかを判定する手段と、
上記３個以上の固定体の超音波トランスデューサの中から有効な２個の超音波トランスデューサを選択する手段と、
有効な２個の超音波トランスデューサを使用して固定体に対する移動体の位置を求める手段とを設けた
ことを特徴とする超音波座標入力装置。
（付記２）左上端に、お互いを結ぶ直線が座標入力面の上端辺に対して３０〜６０度の範囲となるように２個の超音波トランスデューサを最大指向性が座標入力範囲を向くように配置し、
右上端に、お互いを結ぶ直線が座標入力面の上端辺に対して３０〜６０度の範囲となるように２個の超音波トランスデューサを最大指向性が座標入力範囲を向くように配置した
ことを特徴とする付記１の超音波座標入力装置。
（付記３）上端に配置した超音波トランスデューサを座標入力範囲の上端の中央に配置した
ことを特徴とする付記１または付記２の超音波座標入力装置。
（付記４）上記固定体に設けた超音波トランスデューサが有効かどうかを判定する手段は、
各超音波信号の発生から一定時間以内に、閾値以上の超音波信号が検出されたかどうかで判定する
ことを特徴とする付記１，２または付記３の超音波座標入力装置。
（付記５）上記固定体に設けられた超音波トランスデューサが有効かどうかを判定する手段は、
超音波トランスデューサ近傍に配置した同期用の光信号送受信器で光が検出されたかどうかで判定する
ことを特徴とする付記１，２，３または付記４の超音波座標入力装置。
（付記６）上記３個以上の固定体の超音波トランスデューサの中から有効な２個の超音波トランスデューサを選択する手段は、
３個以上の超音波トランスデューサが有効な場合、最も外側の超音波トランスデューサを選択する
ことを特徴とする付記１，２，３，４または付記５の超音波座標入力装置。
（付記７）上記固定体に設けられる超音波トランスジューサは４個であり、上記３個以上の超音波トランスデューサの中から有効な２個の超音波トランスデューサを選択する手段は、
上記４個の超音波トランスデューサが有効な場合、最も外側の超音波トランスデューサを選択し、
右上端の少なくても一方が無効ならば左上端の２個を選択し、左上端の少なくても一方が無効なら右上端の２個を選択する
ことを特徴とする付記６の超音波座標入力装置。
（付記８）超音波の音速を補正する補正手段を備え、
上記超音波の音速を補正する手段は、固定体に設けられた超音波トランスデューサが３個以上有効な場合、上記超音波トランスジューサの出力から求めた超音波伝搬時間に基づき超音波の音速を求め、
上記固定体に対する移動体の位置を求める手段は、上記補正手段により求めた音速により、移動体の位置を求める
ことを特徴とする付記１，２，３，４，５，６または付記７の超音波座標入力装置。
【００２１】
【発明の効果】
本発明においては、超音波トランスデューサのうち少なくとも１個を座標入力範囲の左上端に配置し、少なくとも他の１個を右上端に配置し、他の１個あるいはそれ以上の超音波トランスデューサを上端に配置し、上記固定体に設けられた超音波トランスデューサが有効かどうかを判定し、３個以上の固定体の超音波トランスデューサの中から有効な２個の超音波トランスデューサを選択し、有効な２個の超音波トランスデューサを使用して固定体に対する移動体の位置を求めるようにしたので、ペンを右手で持つ場合も左手で持つ場合も同じ構成で、手による超音波信号の遮蔽で座標検出できない障害を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の超音波型座標入力装置の概略構成を示す図である。
【図２】ペンの構成を示す図である。
【図３】ペンの内部ブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施例の本体部の具体的構成例を示す図である。
【図５】本体部２に設けられた処理部のブロック図である。
【図６】超音波受信波形を示す図である。
【図７】障害物による赤外線と超音波の遮蔽を説明する図である。
【図８】超音波センサと赤外線センサの状態と使用センサの選択を示す表である。
【図９】本実施例の座標系を説明する図である。
【図１０】受信超音波波形の乱れを示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施例の本体部の構成を示す図である。
【図１２】２個の超音波センサを固定配置した従来例を示す図である。
【図１３】３個以上の超音波センサを直線状に並べた従来例を示す図である。
【図１４】右利きと左利きの場合のセンサの配置と、左手によるセンサの遮蔽を説明する図である。
【符号の説明】
１ ペン
２ 本体部
１ａ ボールペン芯
１ｂ 接触検知スイッチ
１ｃ 超音波発信器
１ｄ 赤外線ＬＥＤ
１１ 駆動回路
１１ａ タイマ
１１ｂ ＬＥＤ駆動回路
１１ｃ 超音波駆動回路
１２ 電池
２２ 紙
２３ 突き当てエッジ
２４ 紙クリップ
２５ａ〜２５ｄ 超音波センサ
２６ａ〜２６ｄ 赤外線センサ
３１ａ〜３１ｄ 入力アンプ
３２ａ〜３２ｄ コンパレータ
３３ 論理和ゲート
３４ａ〜３４ｄ タイマ
３５ａ〜３５ｄ 赤外線検出フリップフロップ
３６ コンピュータ
３６ａ 入力部
３６ｂ 使用センサ選択部
３６ｃ 座標計算部
３６ｄ 軌跡表示部
３７ｅ 音速補正部
４１ａ〜４１ｃ 超音波センサ
４２ａ〜４２ｃ 赤外線センサ
Claims (5)
- 超音波送信または受信を行なう超音波トランスデューサを有する移動体と、
移動体の特定部分が座標入力面と接触していることを検知する手段と、
超音波を受信または送信する３個あるいはそれ以上の超音波トランスデューサを有する固定体と、
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手段とを有する超音波型座標入力装置であって、
上記固定体の超音波トランスデューサのうち少なくとも１個を座標入力範囲の左上端に配置し、少なくとも他の１個を右上端に配置し、他の１個あるいはそれ以上の超音波トランスデューサを上端に配置し、
上記固定体に設けられた超音波トランスデューサが有効かどうかを判定する手段と、
上記３個以上の固定体の超音波トランスデューサの中から有効な２個の超音波トランスデューサを選択する手段と、
有効な２個の超音波トランスデューサを使用して固定体に対する移動体の位置を求める手段とを設けた
ことを特徴とする超音波座標入力装置。 - 左上端に、お互いを結ぶ直線が座標入力面の上端辺に対して３０〜６０度の範囲となるように２個の超音波トランスデューサを最大指向性が座標入力範囲を向くように配置し、
右上端に、お互いを結ぶ直線が座標入力面の上端辺に対して３０〜６０度の範囲となるように２個の超音波トランスデューサを最大指向性が座標入力範囲を向くように配置した
ことを特徴とする請求項１の超音波座標入力装置。 - 上記固定体に設けられた超音波トランスデューサが有効かどうかを判定する手段は、
超音波トランスデューサ近傍に配置した同期用の光信号送受信器で光が検出されたかどうかで判定する
ことを特徴とする請求項１または請求項２の超音波座標入力装置。 - 上記３個以上の固定体の超音波トランスデューサの中から有効な２個の超音波トランスデューサを選択する手段は、
３個以上の超音波トランスデューサが有効な場合、最も外側の超音波トランスデューサを選択する
ことを特徴とする請求項１，２または請求項３の超音波座標入力装置。 - 超音波の音速を補正する補正手段を備え、
上記超音波の音速を補正する手段は、固定体に設けられた超音波トランスデューサが３個以上有効な場合、該超音波トランスジューサの出力から求めた超音波伝搬時間に基づき超音波の音速を求め、
上記固定体に対する移動体の位置を求める手段は、上記補正手段により求めた音速により、移動体の位置を求める
ことを特徴とする請求項１，２，３，または請求項４の超音波座標入力装置。
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|---|---|---|---|
| JP2002357773A JP2004192199A (ja) | 2002-12-10 | 2002-12-10 | 超音波型座標入力装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
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2002
- 2002-12-10 JP JP2002357773A patent/JP2004192199A/ja not_active Withdrawn
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