JP2005071022A - 座標入力装置、座標入力方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 過度の圧力が表示画面に加わった場合に、情報入力者に警告を通知すること。また、受光部のセンサの受光許容範囲を超えた光の入力があった場合における、指示具の座標位置の誤検出を避けること。
【解決手段】 座標入力領域４の角部に設けられたセンサユニット１Ｒ、１Ｌの検出部と、領域４の周辺部に設けられ、入射光を再帰的に反射する再帰反射部材３と、領域４に投光するセンサユニット１Ｒ、１Ｌの投光部と、検出部から得られる光量分布に基づいて、指示具の領域４における座標位置を求める制御・演算ユニット２とを備える座標入力装置において、予め領域４内に指示具が存在しない状態、存在している状態の夫々の光量分布の差分分布において所定の閾値以下の部分が存在するか否かをチェックし、差分分布において第１の閾値以下の部分が存在する場合、表示画面に過度の圧力が加わっている旨を通知する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入力面に指示具や指などにより指示することで座標を入力するための技術に関するものである。

従来より、入力面に指示具や指などにより指示することで座標を入力する装置であるタッチパネルとして、各種方式のものが提案、または製品化されており、特殊な器具などを用いずに、画面上でＰＣなどの操作が簡単にできるため、広く用いられている。

方式としては、抵抗膜を用いたもの、また、超音波を用いたものなど、さまざまなものがあるが、光を用いたものとして例えば、座標入力面外側に再帰性反射シートを設け、光を照明する手段からの光を再帰反射シートで反射させ、受光手段により光量分布を検出する構成において、入力領域内にある、指などで遮蔽された領域の角度を検出し、遮蔽位置つまり入力位置の座標を決定するものが開示されている（例えば特許文献１を参照）。

また、再帰反射部材を入力領域周辺に構成し、再帰反射光が遮光される部分の座標を検出する装置も従来から開示されている（例えば特許文献２，３を参照）。

これらの装置では例えば、微分などの波形処理演算によって遮光部分のピークを検出することにより、遮光部分の角度を検出したり、特定のレベルパターンとの比較によって遮光部位の一方の端と他方の端を検出し、それらの座標の中心を検出したりしていた。

また、ＲＡＭイメージャーの各画素を読み出し、コンパレータで比較する事で遮光部分を検出し、一定幅以上の遮光部位があった場合に、その両端の画素の中心（１/２位置）を検出する検知方式も開示されている（例えば特許文献１を参照）。
米国特許ＵＳＰ４５０７５５７公報 特開２０００−１０５６７１号公報 特開２００１−１４２６４２号公報

ディスプレイと一体型に構成し、スクリーン画面に直接的にペン等の指示具や指などで入力するこの種の装置は、スクリーンに対して十分な耐加重を有するように設計するのが通常である。しかしながら、そのためには、スクリーンの厚みを厚くしたり、材質を割れにくいもので構成する必要がある。

しかし、ディスプレイという性格上、画像の見栄えは装置の性能を示す重要な要素であることは言うまでもない。スクリーンの仕様によって、輝度やコントラストといった画質を左右する要素が大きく変化する。したがって、画像の品質を大きく左右するスクリーンの構成には自由度がある方がよいことは自明である。

また、指示具として不特定多数のもので入力がなされるので、上記のような対策をしても限界があり、スクリーンが割れたりして操作者が怪我などをする可能性がなくなるわけではない。

一方で、再帰反射光の遮断波形で指示具の位置を算出する方式の座標入力装置においては、過度な入力の圧力によってスクリーンがたわんでしまい、スクリーンからの直接的な反射光が再帰反射光とともに受光部に入力してしまう場合がある。このとき受光部のセンサの受光許容範囲を超えた光の入力がある場合があり、誤検出となってしまう問題があった。

本発明は以上の問題に鑑みて成されたものであり、過度の圧力が表示画面に加わった場合に、情報入力者に警告を通知する技術を提供することを目的とする。

また本発明の別の目的は、受光部のセンサの受光許容範囲を超えた光の入力があった場合における、指示具の座標位置の誤検出を避ける技術を提供することにある。

本発明の目的を達成するために、例えば本発明の座標入力装置は以下の構成を備える。

すなわち、受光手段と、座標入力領域の周辺部に設けられ、入射光を再帰的に反射する反射手段と、前記座標入力領域に投光する発光手段と、前記受光手段から得られる光量分布に基づいて、指示手段の前記座標入力領域における座標位置を求める計算手段とを備え、表示画面上に前記座標入力領域が位置するように、当該表示画面に設けられる座標入力装置であって、
予め前記座標入力領域内に前記指示手段が存在しない状態で前記受光手段により得、保持している光量分布と、前記座標入力領域内に前記指示手段が存在している状態で前記受光手段により得られる光量分布との差分を求めることで差分分布を求め、当該差分分布に基づいて、前記表示画面に過度の圧力が加わっているかどうかを判断する判断手段と、
前記判断結果に応じて通知する通知手段と
を備えることを特徴とする。

本発明の目的を達成するために、例えば本発明の座標入力方法は以下の構成を備える。

すなわち、受光手段と、座標入力領域の周辺部に設けられ、入射光を再帰的に反射する反射手段と、前記座標入力領域に投光する発光手段と、前記受光手段から得られる光量分布に基づいて、指示手段の前記座標入力領域における座標位置を求める計算手段とを備え、表示画面上に前記座標入力領域が位置するように、当該表示画面に設けられる座標入力装置が行う座標入力方法であって、
予め前記座標入力領域内に前記指示手段が存在しない状態で前記受光手段により得、保持している光量分布と、前記座標入力領域内に前記指示手段が存在している状態で前記受光手段により得られる光量分布との差分を求めることで差分分布を求め、当該差分分布に基づいて、前記表示画面に過度の圧力が加わっているかどうかを判断する判断工程と、
前記判断結果に応じて通知する通知工程と
を備えることを特徴とする。

本発明の構成により、過度の圧力が表示画面に加わった場合に、情報入力者に警告を通知することができる。また、受光部のセンサの受光許容範囲を超えた光の入力があった場合における、指示具の座標位置の誤検出を避けることができる。

以下添付図面を参照して、本発明を好適な実施形態に従って詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に係る座標入力装置の構成を示す図である。同図において、１Ｌ及び１Ｒは、投光部３０及び検出部４０（図５参照）を有するセンサユニットであり、両者は互いに所定距離離されて設置されている。センサユニット１Ｌ及び１Ｒは、制御・演算を行う制御・演算ユニット２に接続され、制御信号を制御・演算ユニット２から受信すると共に、検出した信号を制御・演算ユニット２に送信する。

３は、図２に示すように、入射光を到来方向に反射する再帰反射面を有する再帰性反射部材であり、左右それぞれのセンサユニット１Ｌ及び１Ｒから略９０°範囲に投光された光を、センサユニット１Ｌ及び１Ｒに向けて再帰反射する。反射された光は、結像光学系とラインCCD等によって構成されたセンサユニット１Ｌ及び１Ｒによって１次元的に検出され、その光量分布が制御・演算ユニット２に送信される。

４は座標入力領域であり、ＰＤＰやリアプロジェクタ、ＬＣＤパネルなどの表示装置の表示画面で構成されることで、インタラクティブな入力装置として、利用可能となっている。

このような構成において、座標入力領域４に指等の指示具による入力指示がなされると、センサユニット１Ｌ及び１Ｒの投光部３０から投光された光が遮られ、再帰性反射部材３による反射光が得られなくなるため、入力指示位置のみ反射光量が得られなくなる。

制御・演算ユニット２は、センサユニット１Ｌ及び１Ｒが検出する光量変化から、指示具によって入力指示された部分の遮光範囲を検出し、その遮光範囲内での検出点を特定して、センサユニット１Ｌ及び１Ｒそれぞれに対する指示具の角度を算出する。そして、算出された角度及びセンサユニット間の距離等から、座標入力領域４上の指示具の指示位置を算出し、表示装置に接続されているパーソナルコンピュータ等の外部端末に、ＵＳＢ等のインタフェースを経由して座標値を出力する。

このようにして、指などの指示具を用いて、画面上に線を描画したり、アイコンの操作する等のＰＣの操作が可能になる。以下、各部についてより詳細に説明する。

＜センサユニットの詳細説明＞
まず、センサユニット１Ｌ及び１Ｒ内の投光部３０の構成について、図３を用いて説明する。

図３は本実施形態のセンサユニットの投光部の構成例を示す図である。

図３（ａ）は投光部３０を上（座標入力領域４の入力面に対し垂直方向）から見た場合を示している。３１は赤外光を発する赤外ＬＥＤであり、赤外ＬＥＤ３１から発光した光は投光レンズ３２によって略９０°範囲に光が投光される。

図３（ｂ）は投光部３０を横（座標入力領域４の入力面に対し水平方向）から見た場合を示している。この方向では、赤外ＬＥＤ３１からの光は上下方向に制限された光束として投光され、主に、再帰性反射部材３に対して光が投光されるように構成されている。

次に、センサユニット１Ｌ及び１Ｒの検出部４０の構成について、図４を用いて説明する。

図４は本実施形態のセンサユニットの検出部の構成例を示す図である。図４では、センサユニット１Ｌ及び１Ｒの検出部４０を座標入力領域４の入力面に対して垂直方向から見た場合を示している。

検出部４０は、複数の受光素子（画素）からなる１次元のラインＣＣＤ４１及び集光光学系としての集光用レンズ４２及び４３、入射光の入射方向を制限する絞り４４、可視光など余分な光の入射を防止する赤外フィルタ４５から構成されている。

投光部３０からの光は、再帰性反射部材３によって反射され、赤外フィルタ４５、絞り４４を抜けて、集光用レンズ４２及び４３によって入力面の略９０°範囲の光がラインＣＣＤ４１の検出面にその入射角に依存した画素上に結像される。これにより、入射角の角度毎の光量分布が得られる。つまり、ラインＣＣＤ４１を構成する各画素の画素番号が角度情報を表すことになる。

次に、図３の投光部３０及び図４の検出部４０を有するセンサユニット１Ｌ及び１Ｒの構成について、図５を用いて説明する。

図５は本実施形態のセンサユニットの構成例を示す図である。

図５では、入力面と水平方向からの見たときの、図３（ａ）の投光部３０と図４の検出部４０を重ねて、センサユニット１Ｌ（１Ｒ）を構成した場合を示している。ここで、投光部３０と検出部４０の光軸間の距離は、再帰性反射部材３の角度特性から充分検出可能な範囲に設定されていればよい。

＜反射部材について＞
再帰性反射部材３は、入射角度に対する反射特性を有してる。この反射特性としては、例えば、再帰性反射部材３がテープ状に平坦に構成された場合には、図６に示すように、再帰性反射部材３への入射光の入射角度が４５度を超えるあたりから得られる反射光量が減少し、指示具がある場合にはその変化が充分に取れないことになる。

反射光量は、光量分布（照明強度および距離）、再帰性反射部材３の反射率（入射角度、反射部材の幅）、センサユニット１Ｌ及び１Ｒ内の結像系照度（ｃｏｓｉｎｅ４乗則）によって決まる。

反射光量が不足する場合に、その不足を解決する方法としては、投光部３０の照明強度を上げることが考えられる。しかしながら、反射光量分布が均一で無い場合で、高光量部分の光をセンサユニットが受光したときには、センサユニット内のラインＣＣＤ４１でその部分が蝕和することがあり、照明強度を上げるには限界がある。裏返せば、再帰性反射部材３の反射光量分布をなるべく均一にすることで低光量部分への反射光量の増大も望むことができる。

そこで、本実施形態では、再帰性反射部材３への入射光の入射角度方向に対する反射光量の均一化を計るために、図７に示すような複数の三角柱からなる再帰性反射部材を構成する。このようにすることで、入射角度に対する反射特性を改善することができる。

尚、各三角柱の角度は、再帰性反射部材の反射特性から決定すればよく、また、そのピッチは、センサユニット内のラインＣＣＤ４１の検出分解能以下に設定することが望ましい。

＜制御・演算ユニットの説明＞
制御・演算ユニット２とセンサユニット１Ｌ及び１Ｒの間では、主に、検出部４０内のラインＣＣＤ４１用のＣＣＤ制御信号、ＣＣＤ用クロック信号と出力信号及び発光部３０の赤外ＬＥＤ３１の駆動信号がやり取りされている。

ここで、制御・演算ユニット２の詳細構成について、図８を用いて説明する。

図８は本実施形態の制御・演算ユニットの詳細構成を示すブロック図である。

ＣＣＤ制御信号は、ワンチップマイコン等で構成される演算制御回路（ＣＰＵ）８３から出力され、ラインＣＣＤ４１のシャッタタイミングやデータの出力制御等が行われる。また、ＣＣＤ用のクロック信号は、クロック発生回路（ＣＬＫ）８７からセンサユニット１Ｌ及び１Ｒに送信されると共に、各センサユニット内部のラインＣＣＤ４１との同期をとって各種制御を行うために、演算制御回路８３にも入力されている。

投光部３０の赤外ＬＥＤ３１を駆動するためのＬＥＤ駆動信号は、演算制御回路８３からＬＥＤ駆動回路８４Ｌ及び８４Ｒを介して、対応するセンサユニット１Ｌ及び１Ｒの投光部３０の赤外ＬＥＤ３１に供給されている。

センサユニット１Ｌ及び１Ｒそれぞれの検出部４０のラインＣＣＤ４１からの検出信号は、制御・演算ユニット２の対応するＡ／Ｄコンバータ８１Ｌ及び８１Ｒに入力され、演算制御回路２からの制御によって、デジタル値に変換される。この変換されたデジタル値は、メモリ８２に記憶され、指示具の角度計算に用いられる。そして、この計算された角度から座標値が算出され、外部端末にシリアルインタフェース８８（例えば、ＵＳＢ、ＲＳ２３２Ｃインタフェース等）を介して出力される。

＜光量分布検出の説明＞
図９は本実施形態の制御信号のタイミングチャートである。

図９において、９１〜９３はＣＣＤ制御信号であり、ＳＨ信号９１の間隔で、ラインＣＣＤ４１のシャッタ解放時間が決定される。ＩＣＧＬ信号９２及びＩＣＧＲ信号９３は、センサユニット１Ｌ及び１Ｒそれぞれのセンサユニットへのゲート信号であり、内部のラインＣＣＤ４１の光電変換部の電荷を読出部へ転送する信号である。

９４、９５はセンサユニット１Ｌ及び１Ｒそれぞれの投光部３０の駆動信号である。ここで、ＳＨ信号９１の最初の周期で、センサユニット１Ｌの投光部３０を点灯（投光期間９６Ｌ）するために、ＬＥＤＬ信号９４がＬＥＤ駆動回路８４Ｌを経て投光部３０に供給される。また、ＳＨ信号９１の次の周期で、センサユニット１Ｒの投光部３０を点灯（投光期間９６Ｒ）するために、ＬＥＤＲ信号９５がＬＥＤ駆動回路８４Ｒを経て投光部３０に供給される。

そして、センサユニット１Ｌ及び１Ｒの双方の投光部３０の駆動が終了した後に、センサユニット１Ｌ及び１Ｒの双方の検出部（ラインＣＣＤ４１）の検出信号が読み出される。

ここで、センサユニット１Ｌ及び１Ｒの双方から読み出される検出信号は、座標入力領域４への指示具による入力がない場合には、それぞれのセンサユニットからの出力として、図１０のような光量分布が得られる。もちろん、このような光量分布がどのシステムでも必ず得られるわけではなく、再帰性反射部材３の特性や投光部３０の特性、また、経時変化（反射面の汚れなど）によって、光量分布は変化する。

図１０においては、レベルＡが最大光量であり、レベルＢが最低光量となっている。

つまり、再帰性反射部材３からの反射光がない状態では、センサユニット１Ｌ及び１Ｒで得られる光量レベルがレベルＢ付近になり、反射光量が増えるほど、レベルＡに光量レベルが遷移する。このようにして、センサユニット１Ｌ及び１Ｒから出力された検出信号は、逐次、対応するＡ／Ｄコンバータ８１Ｌ及び８１ＲでＡ／Ｄ変換され、演算制御回路８３にデジタルデータとして取り込まれる。

これに対し、座標入力領域４への指示具による入力がある場合には、センサユニット１Ｌ及び１Ｒからの出力として、図１１のような光量分布が得られる。

この光量分布のＣ部分では、指示具によって再帰性反射部材３からの反射光が遮られているため、その部分（遮光範囲）のみ反射光量が低下していることがわかる。

そして、本実施形態では、指示具による入力がない場合の図１０の光量分布と、指示具による入力がある場合の図１１の光量分布の変化に基づいて、センサユニット１Ｌ及び１Ｒに対する指示具の角度を算出する。

具体的には、図１０の光量分布を初期状態として予めメモリ８２に記憶しておき、センサユニット１Ｌ及び１Ｒそれぞれの検出信号のサンプル期間に、図１１のような光量分布の変化があるか否かを、そのサンプル期間中の光量分布と初期状態の光量分布との差分によって検出する。そして、光量分布に変化がある場合には、その変化部分を指示具の入力点としてその入力角度を決定する演算を行う。

＜角度計算の説明＞
センサユニット１Ｌ及び１Ｒに対する指示具の角度計算にあたっては、まず、指示具による遮光範囲を検出する必要がある。

上述したように、センサユニット１Ｌ及び１Ｒが検出する光量分布は、経時変化等の要因で一定ではないため、その初期状態の光量分布は、例えば、システムの起動時毎にメモリ８２に記憶することが望ましい。これにより、例えば、再帰性反射部材３の再帰反射面がほこりなどで汚れていて完全に光を反射できないような場合を除いて、常に、座標入力装置の最新の初期状態の光量分布をメモリ８２に管理することが可能になる。

以下、センサユニット１Ｌ及び１Ｒの一方（例えば、センサユニット１Ｌ）による指示具の角度計算について説明するが、他方（センサユニット１Ｒ）でも同様の角度計算を行うことは言うまでもない。

電源投入時、入力のない状態で、まず、センサユニット１Ｌ内の投光部３０からの投光を停止している状態で、検出部４０の出力である光量分布をＡ／Ｄ変換して、この値をＢａｓ＿ｄａｔａ［Ｎ］としてメモリ８２に記憶する。

尚、この値は、検出部（ラインＣＣＤ４１）のバイアスのばらつき等を含んだデータであり、図１０のレベルＢ付近のデータとなる。ここで、ＮはラインＣＣＤ４１を構成する画素の画素番号であり、有効な入力範囲（有効範囲）に対応する画素番号が用いられる。

次に、投光部３０からの投光を行っている状態で、検出部４０の出力である光量分布をＡ／Ｄ変換して、この値をＲｅｆ＿ｄａｔａ［Ｎ］としてメモリ８２に記憶する。

尚、この値は、例えば、図１０の実線で示されるデータとなる。

そして、このメモリ８２に記憶されたＢａｓ＿ｄａｔａ［Ｎ］とＲｅｆ＿ｄａｔａ［Ｎ］とを用いて、まずは、指示具による入力の有無、かつ遮光範囲の有無の判定を行う。

ここで、センサユニット１Ｌ（ラインＣＣＤ４１）の出力のサンプル期間内のＮ番目の画素の画素データをＮｏｒｍ＿ｄａｔａ［Ｎ］とする。

まず、遮光範囲を特定するために、画素データの変化の絶対量によって、遮光範囲の有無を判定する。これは、ノイズ等による誤判定を防止し、所定量の確実な変化を検出するためである。

具体的には、画素データの変化の絶対量を、ラインＣＣＤ４１の各々の画素において以下の計算を行い、予め決定してある閾値Ｖｔｈａと比較する。

Norm_data_a[N]＝Norm_data[N]−Ref_data[N] （１）
ここで、Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ＿ａ［Ｎ］は、ラインＣＣＤ４１の各画素における絶対変化量である。

この処理は、ラインＣＣＤ４１の各画素の絶対変化量Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ＿ａ［Ｎ］を算出し、それを閾値Ｖｔｈａと比較するだけなので、その処理時間をさほど必要とせず、入力の有無の判定を高速に行うことが可能である。そして、特に、閾値Ｖｔｈａを初めて超えた画素が所定数を超えて検出された場合に、指示具の入力があると判定する。

次に、より高精度に指示具による入力を検出するために、画素データの変化の比を計算して入力点の決定を行う方法について、図１２を用いて説明する。

図１２において、１２１は再帰性反射部材３の再帰反射面とする。ここで、Ａ領域が汚れなどにより、その反射率が低下していたとすると、このときのＲｅｆ＿ｄａｔａ［Ｎ］の画素データ分布（光量分布）は、図１３（ａ）のように、Ａ領域に対応する部分の反射光量が少なくなる。この状態で、図１２のように、指示具１２００が挿入され、ほぼ再帰性反射面１２１の上半分を覆ったとすると、反射光量は略半分となるため、図１３（ｂ）の太線で示した分布Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ［Ｎ］が観測されることになる。

この状態に対して、（１）式を適用すると、その画素データ分布は、図１４（ａ）のようになる。ここで、縦軸は初期状態との差分電圧になっている。

この画素データに対して、閾値Ｖｔｈａを適用すると、本来の入力範囲をはずれてしまうような場合がある。もちろん、閾値Ｖｔｈａの値を下げればある程度検出可能であるが、ノイズなどの影響を受ける可能性がある。

そこで、画素データの変化の比を計算することとすると、Ａ領域及びＢ領域とも反射光量は最初の半分であるので、次式で比を計算することができる。

Norm_data_r[N]＝Norm_data_a[N]／(Bas_data[N]−Ref_data[N]) （２）
この計算結果を示すと、図１４（ｂ）のように、画素データの変化が比であらわされるため、再帰性反射部材３の反射率が異なる場合でも、等しく扱うことが可能になり、高精度に検出が可能になる。

この画素データに対して、閾値Ｖｔｈｒを適用して、遮光範囲に対応する画素データ分布の立ち上がり部と立ち下がり部に対応する画素番号を取得し、この両者の中央を指示具による入力に対応する画素とすることで、より正確な指示具の入力位置を決定することができる。

尚、図１４（ｂ）は、説明のために模式的に描いたもので、実際にはこのような立ち上がりにはなっておらず、画素毎に異なるデータレベルを示している。

以下、式（２）を画素データに適用した場合の検出結果の詳細について、図１５を用いて説明する。

図１５は本実施形態の検出結果の詳細を示す図である。

図１５において、指示具による遮光範囲を検出するための閾値Ｖｔｈｒに対して、その閾値Ｖｔｈｒを横切る画素データ分布の立ち上がり部分がＮｒ番目の画素、立ち下がり部分がＮｆ番目の画素である場合、両者の画素の中心画素Ｎｐは、
Np＝Nr＋(Nf−Nr)／2 （３）
と計算することが可能である。但し、この計算では、画素間隔が最小の分解能になってしまう。

そこで、より細かく検出するために、それぞれの画素のデータレベルとその一つ前の隣接画素のデータレベルを用いて、閾値Ｖｔｈｒを横切る仮想の画素番号を計算する。

ここで、Ｎｒ番目の画素のデータレベルをＬｒ、Ｎ_ｒ−１番目の画素のデータレベルをＬ_ｒ−１とする。また、Ｎｆ番目の画素のデータレベルをＬｆ、Ｎ_ｆ−１番目の画素のデータレベルをＬ_ｆ−１とすれば、それぞれの仮想画素番号Ｎｒｖ，Ｎｆｖは、
Nrv＝N_ｒ−１＋(Vthr−L_ｒ−１)／(Lr−L_ｒ−１) （４）
Nfv＝N_ｆ−１＋(Vthr−L_ｆ−１)／(Lf−L_ｆ−１) （５）
と計算できる。そして、これらの仮想画素番号Ｎｒｖ，Ｎｆｖの仮想中心画素Ｎｐｖは、
Npv＝Nrv＋(Nfv−Nrv)／2 （６）
で決定される。

このように、閾値Ｖｔｈｒを越えるデータレベルの画素の画素番号とその隣接する画素番号と、それらのデータレベルから、閾値Ｖｔｈｒを横切る仮想的な仮想画素番号を計算することで、より分解能の高い検出を実現できる。

次に、以上の処理によって得られた遮光範囲の中心点を示す中心画素番号から、実際の指示具の座標値を計算するためには、この中心画素番号を角度情報に変換する必要がある。

後述する実際の座標算出処理では、角度そのものよりもその角度における正接（ｔａｎｇｅｎｔ）の値を求めるほうが都合がよい。ここで、画素番号からｔａｎθへの変換には、テーブル参照や変換式を用いる。

ここで、画素番号とｔａｎθとの関係について、図１６を用いて説明する。

図１６は本実施形態の画素番号に対するｔａｎθ値の関係を示す図である。

この図１６に基づいて、画素番号からｔａｎθを求めるための近似式を定義し、その近似式（変換式）を用いて画素番号からｔａｎθへの変換を行うことが可能となる。

ここで、変換式は例えば高次の多項式を用いると精度を確保できるが、この多項式の次数などは、座標入力装置の計算能力および精度スペック等を鑑みて決定すればよい。

例えば、５次多項式を用いる場合には、係数が６個必要になるので、出荷時などに、この係数データをメモリ８２に記憶しておけばよい。

ここで、５次多項式の係数をＬ５，Ｌ４，Ｌ３，Ｌ２，Ｌ１，Ｌ０とすると、ｔａｎθは
ｔａｎθ＝（Ｌ５×Ｎｐｒ＋Ｌ４）×Ｎｐｒ＋Ｌ３）×Ｎｐｒ＋Ｌ２）×Ｎｐｒ＋Ｌ１）×Ｎｐｒ＋Ｌ０ （７）
で示すことができる。

これをセンサユニット１Ｌ及び１Ｒそれぞれの検出部４０のラインＣＣＤ４１で検出する画素番号に対して行えば、それぞれから対応する角度データ（ｔａｎθ）を決定できる。もちろん、上記例では、画素番号から直接ｔａｎθを求めるように構成しているが、画素番号から角度そのものを求め、その後、ｔａｎθを求めるような構成であっても良い。

＜座標計算方法の説明＞
次に、画素番号から変換された角度データ（ｔａｎθ）から、指示具の位置座標を算出する。

ここで、座標入力領域４上に定義する座標とセンサユニット１Ｌ及び１Ｌとの位置関係について、図１７を用いて説明する。

図１７は本実施形態の座標入力領域上に定義する座標とセンサユニット１Ｌ及び１Ｌとの位置関係を示す図である。

図１７では、座標入力領域４の座標入力範囲の下辺左右に、それぞれのセンサユニット１Ｌ及び１Ｒが取り付けられており、その間の距離はＤｓで示されている。

座標入力領域４の中央が原点位置であり、Ｐ０はセンサユニット１Ｌ及び１Ｒそれぞれのセンサユニットの角度０の交点である。

それぞれの角度をθ_Ｌ、θ_Ｒとして、それぞれｔａｎθ_Ｌ、ｔａｎθ_Ｒを上記（７）式を用いて算出する。

このとき点Ｐ（ｘ，ｙ）座標は
ｘ＝Ｄｓ×（ｔａｎθ_Ｌ＋ｔａｎθ_Ｒ）／（１＋（ｔａｎθ_Ｌ×ｔａｎθ_Ｒ）） （８）
ｙ＝−Ｄｓ×（ｔａｎθ_Ｒ−ｔａｎθ_Ｌ−（２×ｔａｎθ_Ｌ×ｔａｎθ_Ｒ））／（１＋（ｔａｎθ_Ｌ×ｔａｎθ_Ｒ））＋Ｐ０Ｙ （９）
で計算される。

ところで、上記構成を備える本実施形態に係る座標入力装置は、一般にＰＣ等に用いられるＣＲＴや液晶画面等の表示装置の表示画面上に取り付けられることで表示画面上での情報の入力を可能にするものである。即ち、この場合、上記座標入力領域４が表示装置の表示画面上に設けられることになる。

この表示画面は一般にはガラスやアクリルで構成されることが多く、そのため、この表示画面上を指示具を用いて押下したり、押下しながら移動させたりして情報を入力する際に表示画面に圧力がかかってしまうために、表示画面において情報入力位置近傍に「たわみ」が生じてしまう。この圧力が過度なものであった場合、表示画面が破損して情報入力者がけがなどを負う可能性がある。

そこで本実施形態に係る座標入力装置は、センサユニットが検出した光量分布に従って、表示画面に過度の圧力が加わっているか否かを検出し、過度な圧力が加わっている場合には情報入力者に警告を通知するために、警告を示す信号を表示装置に情報を出力する外部端末に出力する。

図１９は、表示画面に「たわみ」が生じることにより、ラインＣＣＤ４１が検出する光量分布を示す図である。同図においてＡで示す点線は図１０で示した光量分布、即ち、座標入力領域４への指示具による入力がないときの、ラインＣＣＤ４１からの出力を示す。またＡ’は表示画面に対して指示具を用いて情報を入力する際に圧力がかかった場合に、ラインＣＣＤ４１が検出する光量分布を示す。Ａ’で示す光量分布は、表示画面にかかる圧力や、圧力をかける位置、即ち「たわみ方」に応じて変化するものである。

図２０は、Ａで示した光量分布とＡ’で示した光量分布との差分を示す差分分布を示す図である。センサユニットの投光部３０から投光され、表示画面で反射し、ＣＣＤ４１によって検出された光は、同図に示す差分分布において、負の値を取る範囲（同図２００１，２００２で示す範囲）の部分に現れる。ここで、所定の閾値Ｖｔｈ２（＜０）を予めメモリ８２にセットしておき、ＣＰＵ８３は差分分布においてこの閾値以下の値を取る範囲が存在するか否かをチェックし、存在する場合には、表示画面が一定以上のレベルでたわんでいる、即ち、指示具により表示画面に過度な圧力を加えていると判断する。

過度な圧力を加えていると判断した場合にはＣＰＵ８３は、表示画面に各種の情報を表示する外部端末に警告を示す信号を出力する。この信号は外部端末によって「過度な圧力が表示画面に加えられている」というメッセージをこの表示画面に表示させるための信号である。従って外部端末はこの信号を受信すると、自身が保持している警告のメッセージのデータに従ってこの表示画面、若しくは他の表示画面にこの警告のメッセージを表示する。

なお、この信号として直接警告のメッセージのテキスト文のデータ（例えば「過度の圧力が表示画面に加えられています」というメッセージのデータ）を予めメモリ８２に格納しておき、過度な圧力が加えられているとＣＰＵ８３が判断した場合にはこのデータを外部端末に出力するようにしてもよい。その場合、外部端末はこのデータに従って、この表示画面、若しくは他の表示画面にこの警告のメッセージを表示する。

なお、警告の信号や警告のデータの出力先は、その使用用途に応じて他の装置であっても良いことはいうまでもない。

また、表示画面に過度の圧力が加えられているか否かを判断する手法としてはこのほかにも、差分分布において、所定値（図２０では０）以下の値を取る部分（図２０では斜線部分で示す部分Ｓ）のサイズ、若しくは部分Ｓに含まれる夫々の分布値の平均値が所定値以上である場合に、表示画面に過度の圧力が加えられていると判断するようにしても良い。当然、この説明における「所定値」のデータは予めメモリ８２に格納しておく。

図１８は、本実施形態に係る座標入力装置が、指示具の座標位置を求めるための処理のフローチャートである。なお同図のフローチャートに従った処理はＣＰＵ８３が行うものである。

まず、座標入力装置の電源が投入されると、ステップＳ１０２で、制御・演算ユニット２のポート設定、タイマ設定等の座標入力装置に係る各種初期化を行う。

ステップＳ１０３で、ラインＣＣＤ４１の初期読込動作の初期読込回数を設定する。

尚、この初期読込動作は、座標入力装置の起動時におけるラインＣＣＤ４１の不要電荷除去を行うのための動作である。ラインＣＣＤ４１では、動作させていないときに不要な電荷を蓄積している場合があり、その電荷が蓄積されている状態で座標入力動作を実行すると、検出不能になったり、誤検出の原因となる。そこで、これを避けるために、ステップＳ１０４では、投光部３０による投光を停止している状態で、所定回数の読込動作を実行し、これにより、不要電荷の除去を行う。

ステップＳ１０４で、ラインＣＣＤ４１の読込動作を実行する。ステップＳ１０５で、所定回数以上の読込を実行したか否かを判定する。所定回数以上の読込を実行していない場合（ステップＳ１０５でＮＯ）、ステップＳ１０４に戻る。一方、所定回数以上の読込を実行した場合（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６で、第１リファレンスデータとして、投光部３０による投光を停止している状態でのラインＣＣＤ４１の画素データ（Ｂａｓ＿ｄａｔａ［Ｎ］）を取り込む。ステップＳ１０７で、その第１リファレンスデータをメモリ８２に記憶する。

次に、ステップＳ１０８で、第２リファレンスデータとして、投光部３０からの投光を行っている状態でのラインＣＣＤ４１の画素データ（Ｒｅｆ＿ｄａｔａ［Ｎ］）を取り込む。ステップＳ１０９で、その第２リファレンスデータをメモリ８２に記憶する。

ここまでの処理が、電源投入時の初期動作になり、以降の処理から指示具による入力における動作になる。

ステップＳ１１０では、座標入力サンプリング状態で、ラインＣＣＤ４１の通常読込動作を実行して、画素データ（Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ［Ｎ］）を取り込む。 ステップＳ１１１では、第２リファレンスデータ（Ｒｅｆ＿ｄａｔａ［Ｎ］）と画素データ画素データ（Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ［Ｎ］）の差分を計算し、差分分布を得る。

ステップＳ１１２では、差分分布において閾値Ｖｔｈ２以下の値を取る範囲が存在するか否かをチェックし、存在する場合には、表示画面が一定以上のレベルでたわんでいる、即ち、指示具により表示画面に過度な圧力を加えていると判断するので、処理をステップＳ１２２に進め、表示画面に各種の情報を表示する外部端末に警告を示す信号を出力する。

一方、ステップＳ１１２におけるチェックで、差分分布において閾値Ｖｔｈ２以下の値を取る範囲が存在しない場合には、表示画面が一定以上のレベルでたわんでいない、即ち、指示具により表示画面に過度な圧力を加えていないと判断するので、処理をステップＳ１２３に進め、ステップＳ１１３で、ステップＳ１１１で得た差分分布に基づいて、指示具による入力の有無を判定する。

入力がない場合（ステップＳ１１３でＮＯ）、ステップＳ１１０に戻る。一方、入力がある場合（ステップＳ１１３でＹＥＳ）、ステップＳ１１４に進む。

尚、このときの繰り返し周期を１０［ｍｓｅｃ］程度に設定すれば、１００回／秒のサンプリングになる。

ステップＳ１１４で、式（２）により、画素データの変化の比を計算する。ステップＳ１１５で、ステップＳ１１５で計算した比に対して閾値で立ち上がり部、立下り部を決定し、式（４）〜（６）を用いて、遮光範囲の中心点を示す中心画素番号を求める。

ステップＳ１１６では、決定された中心画素番号から（７）式よりＴａｎθを計算する。

ステップＳ１１７では、センサユニット１Ｌ及び１Ｒに対するＴａｎθ値から、指示具の入力座標Ｐ（ｘ，ｙ）を（８）、（９）式を用いて算出する。

次に、ステップＳ１１８で、指示具による入力がタッチダウン入力であるか否かを判定する。例えば指示具にスイッチが備わっており、そのスイッチの押下を示す信号をＣＰＵ８３が受けると、ＣＰＵ８３はこれに従ってダウンフラグのセット（ステップＳ１１９）、ダウンフラグの解除（ステップＳ１２０）の処理を行う。

その他にも例えば、指示具による入力機能として、マウスのボタンを押下せずにカーソルを移動させる状態に相当する近接入力状態と、マウスの左ボタンを押下した状態に相当するタッチダウン状態を設定している場合に、その指示具による入力状態がどちらの状態であるかを判定する。この２種類の入力状態は、例えば、ステップＳ１１４で算出した画素データの変化の比の最大値が、所定値（例えば、０．５）以上である場合にはタッチダウン状態とし、所定値未満である場合には近接入力状態と判定する。あるいは、専用の指示具などを用いる場合には、画素データではなく、他の手段をもちいてもよい。例えば、指示具先端にスイッチなどを設け、その状態を、電波や光などを用いて送受信し、タッチダウンなどの判定を行ってもよい。

このような判定方法に基づいて、ステップＳ１１８で、指示具による入力がタッチダウン入力である場合（ステップＳ１１８でＹＥＳ）、ステップＳ１１９に進み、タッチダウン入力であることを示すダウンフラグをセットする。一方、指示具による入力がタッチダウン入力でない場合（ステップＳ１１８でＮＯ）、ステップＳ１２０に進み、ダウンフラグを解除する。

ステップＳ１２１で、ダウンフラグの状態と算出した座標値を外部端末へ出力する。そして、外部端末では、受信した座標値とダウンフラグの状態に基づいて、例えば、カーソルの移動、マウスボタン状態の変更を行う。

尚、ステップＳ１２１の処理が終了したら、ステップＳ１１０に戻り、以降、電源ＯＦＦまで、上記の処理を繰り返す。

以上説明したように、本実施形態によれば、過度の圧力が表示画面に加わった場合に、この過度の圧力による表示画面の「たわみ」をセンサユニットが自身が発光した光を検出し、解析することで検出することができ、また、検出した際には警告を示す信号を出力するので、過度の圧力が表示画面に加わっても、表示画面上で情報を入力している情報入力者はこれに気づくことができ、表示画面の破損による事故を未然に防ぐことができる。

なお、本実施形態に係る座標入力装置は、表示画面に過度の圧力が加わった場合には、情報入力者に表示によって警告を通知していたが、その他の手段により、警告を通知しても良い。例えば音声にて情報入力者に警告を通知する場合、外部端末は座標入力装置から警告を示す信号を受けると、自身が保持している音声データに従って警告の内容を発声させるようにしても良いし、警告の内容を外部端末が発声するための音声データをこの外部端末に送信するようにしても良い。

［第２の実施形態］
第１の実施形態では、ＣＣＤ４１から入力される光に基づく光量分布において、座標入力領域４全体に対して、差分分布を作成していた。本実施形態では、指示具により指示されたとおぼしき箇所近傍について差分分布を求める。

図２１は、指示具により局所的にたわんだ表示画面（座標入力領域４）に対してセンサユニットの投光部３０が投光した光をセンサユニットの検出部４０（ＣＣＤ４１）が検出した場合に、検出した光の光量分布と、座標入力領域４への指示具による入力がないときの、ラインＣＣＤ４１からの出力に従った光量分布との差分分布を示す図である。

同図に示すように、表示画面が局所的にたわんでいる場合、同図２１００で示す領域内の分布値はラインＣＣＤ４１の受光許容値であるＢの値を下回っている。

このように、表示画面において局所的に過度な圧力が加わった場合や、若しくは表示画面の反射率が高い場合などは、ラインＣＣＤ４１が検出する光はその受光許容値の範囲を超えてしまう場合が発生する。この場合、ラインＣＣＤ４１の出力値が飽和していまい、正しい光量分布を出力することができない、これにより当然求めるべき指示具の座標位置は大きな誤差を含むものとなり、正確な座標位置を求めることができない。

従って、このように、差分分布において、所定の閾値（ここではラインＣＣＤ４１の受光許容値）を超える分布値が存在した場合には、ＣＰＵ８３は上述の指示具の座標位置を求める処理を中断する。

これにより、ラインＣＣＤ４１の出力値が飽和しても、飽和した値を用いた指示具の座標位置を求める処理を行わないことから、この問題に対処することができる。

［その他の実施形態］
本発明の目的は、前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記録媒体（または記憶媒体）を、システムあるいは装置に供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ）が記録媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成されることは言うまでもない。この場合、記録媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコードを記録した記録媒体は本発明を構成することになる。

また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、前述した実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているオペレーティングシステム（ＯＳ）などが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。

さらに、記録媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張カードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張カードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵなどが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。

本発明を上記記録媒体に適用する場合、その記録媒体には、先に説明したフローチャートに対応するプログラムコードが格納されることになる。

本発明の第１の実施形態に係る座標入力装置の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る再帰反射部材の動作を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係るセンサユニットの投光部の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るセンサユニットの検出部の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るセンサユニットの構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る再帰反射部材への入射角度に対する再帰反射特性を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る再帰反射部材の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る制御・演算ユニットの詳細構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る制御信号のタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態に係るセンサユニットによって得られる光量分布の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る入力がなされた場合にセンサユニットによって得られる光量分布の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る入力点の決定を行う方法を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係るセンサユニットによって得られる光量分布の光量変化を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係るセンサユニットによって得られる光量分布における光量変化量と光量変化比を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る検出結果の詳細を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る画素番号に対するｔａｎθ値の関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る座標入力領域上に定義する座標とセンサユニット１Ｌ及び１Ｌとの位置関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る座標入力装置が、指示具の座標位置を求めるための処理のフローチャートである。 表示画面に「たわみ」が生じることにより、ラインＣＣＤ４１が検出する光量分布を示す図である。 Ａで示した光量分布とＡ’で示した光量分布との差分を示す差分分布を示す図である。 指示具により局所的にたわんだ表示画面（座標入力領域４）に対してセンサユニットの投光部３０が投光した光をセンサユニットの検出部４０（ＣＣＤ４１）が検出した場合に、検出した光の光量分布と、座標入力領域４への指示具による入力がないときの、ラインＣＣＤ４１からの出力に従った光量分布との差分分布を示す図である。

Claims (9)

1. 受光手段と、座標入力領域の周辺部に設けられ、入射光を再帰的に反射する反射手段と、前記座標入力領域に投光する発光手段と、前記受光手段から得られる光量分布に基づいて、指示手段の前記座標入力領域における座標位置を求める計算手段とを備え、表示画面上に前記座標入力領域が位置するように、当該表示画面に設けられる座標入力装置であって、
   予め前記座標入力領域内に前記指示手段が存在しない状態で前記受光手段により得、保持している光量分布と、前記座標入力領域内に前記指示手段が存在している状態で前記受光手段により得られる光量分布との差分を求めることで差分分布を求め、当該差分分布に基づいて、前記表示画面に過度の圧力が加わっているかどうかを判断する判断手段と、
   前記判断結果に応じて通知する通知手段と
   を備えることを特徴とする座標入力装置。
2. 前記判断手段とは、前記差分分布において第１の閾値以下である部分が存在するかどうかを判断することを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
3. 前記判断手段とは、前記差分分布において第１の閾値以下である部分のサイズが所定値以上であるかどうかを判断することを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
4. 前記通知手段は、前記表示画面に過度の圧力が加わっている旨を示す警告のメッセージを前記表示画面に表示させるために、前記表示画面に各種の情報を出力する外部端末に通知することを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
5. 前記通知手段は、前記表示画面に過度の圧力が加わっている旨を示す警告を外部装置に発声させるために、外部端末に通知することを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
6. 前記チェック手段によるチェックの結果、前記差分分布において、前記第１の閾値よりも小さい値である第２の閾値以下である部分が存在する場合、前記計算手段による指示具の前記座標入力領域における座標位置を求める処理を中断させる制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の座標入力装置。
7. 受光手段と、座標入力領域の周辺部に設けられ、入射光を再帰的に反射する反射手段と、前記座標入力領域に投光する発光手段と、前記受光手段から得られる光量分布に基づいて、指示手段の前記座標入力領域における座標位置を求める計算手段とを備え、表示画面上に前記座標入力領域が位置するように、当該表示画面に設けられる座標入力装置が行う座標入力方法であって、
   予め前記座標入力領域内に前記指示手段が存在しない状態で前記受光手段により得、保持している光量分布と、前記座標入力領域内に前記指示手段が存在している状態で前記受光手段により得られる光量分布との差分を求めることで差分分布を求め、当該差分分布に基づいて、前記表示画面に過度の圧力が加わっているかどうかを判断する判断工程と、
   前記判断結果に応じて通知する通知工程と
   を備えることを特徴とする座標入力方法。
8. コンピュータに請求項７に記載の座標入力方法を実行させることを特徴とするプログラム。
9. 請求項８に記載のプログラムを格納する、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体。

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