JP2005106560A - 超音波距離測定装置又は超音波型座標入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波の直接波と紙面による反射波の干渉による距離計算あるいはペン座標のずれを防止した超音波距離測定装置を提供すること。
【解決手段】このため、本発明では、超音波を送信する送信手段１と、超音波を受信して電気信号に変換する受信手段２と、送信手段１から超音波を送信して受信手段２に伝搬するまでの時間を計測する時間計測手段と、時間計測結果に基づいて送信手段と受信手段との距離を算出する距離計測手段９とを有する超音波距離測定装置において、受信手段で検出された複数の超音波の波から１つあるいは複数の波を選択する複数の超音波選択手段３、４と、選択された波に基づいて時間を計測する複数の時間計測手段５、６と、選択した波に応じて複数の時間計測手段の計測結果を補正する時間補正手段７と、複数の計測時間から１つの計測時間を生成する時間生成手段８とを有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波の伝搬時間を計測することにより距離を測定する超音波距離測定装置、又は、この原理を用いてペンで紙等に文字や図形を手書きしたとき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。

図１２に示すように、筆記面１００上のペン１０１から超音波と、赤外線等の電磁波を発信し、筆記面に赤外線センサ１０４と２個以上の超音波センサ１０５−１、１０５−２を受信機１０３に固定配置し、ペン１０１より出力された赤外線を受信してから同じくペン１０１より出力された超音波を受信するまでの時間、すなわち、超音波が空間を伝搬する時間からペンと超音波センサ間の距離計測を行い、２個以上の超音波センサによる三角測量により、筆記面１００上でのペン１０１の２次元座標を求める技術がある（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

これらの従来技術では、図１３に示すように、受信機での超音波の検出は、超音波センサで検出された超音波バースト波形に対して適当な閾値を超えた信号が検出されたことで、超音波の検出を行っている。

例えば、正側の閾値ＴＨに対して、正負も含めて２つ目の波Ｗ２が閾値ＴＨと交差するタイミングを検出している。

しかし、超音波センサで受信される超音波信号は、図１３に示す如く、徐々に振幅の増大するバースト波となっている。そのため、例えばＷ２の交差点でタイミングを検出すると、振幅が比較的小さいため、信号にノイズが重量した時にタイミングばらつきが発生し、高分解能なタイミング測定ができないという問題があった。

そこで本発明者は、例えば、正側の閾値ＴＨに対して、正負も含めて６つ目の波Ｗ６のような振幅の大きな波が閾値ＴＨと交差するタイミングを使用すれば、交差する傾斜が急峻であるために、タイミングばらつきが小さくなることにもとづき、特願２００２−２３３８６（以下先願という）で、所定の閾値ＴＨと交差する回数を計測して、所定回数交差したときのタイミングを用いること（図１３に示す先願方式１）を提案した。さらに前記先願において、１つのタイミングでなく、複数のタイミングで加算平均すること（図１３に示す先願方式２）でさらにタイミングばらつきを低減することを提案した。
米国特許第４８１４５５２号明細書 特開２００１−２３６１７３号公報 特開２００２−２１５３１６号公報

前記先願により、特にペンと受信機の距離が離れて超音波信号が減衰しているときでも、超音波距離測定ばらつきを低減することが可能である。しかし逆に先願では距離が短い時に、距離測定値に再現性のある誤差が載り、座標計算したときに、ペン座標が歪むという問題があることが判明した。本発明者がその原因を調査したところ、超音波の直接波と紙面による反射波が干渉していることが原因であることが分かった。

ペン１０１に搭載された超音波送信器１０６と受信機１０３に搭載された超音波センサ１０５−１、１０５−２は、実装上の都合から筆記面１００上に位置している紙面に置くことはできず、図１４に示す如く、紙面１０７から超音波送信器１０６はＨ１、超音波センサ１０５−１、１０５−２はＨ２（Ｈ１、Ｈ２は例えば数ｍｍ程度）浮いた状態になる。

そのため、図１４の実線で示す超音波送信器１０６からの直接波とは別に、点線で示す紙面１０７で一度反射した波つまり紙面反射波も超音波センサ１０５−１、１０５−２に届く。

この影響をシミュレーションにより実験した。シミュレーションによれば、図１５に示す如く、直接波Ａと位相の少し遅れた反射波が超音波センサに届くと、超音波センサではそれぞれの波を合成した合成波Ｃが検出される。そのために合成波Ｃの位相が直接波Ａに比べて変化する。

そこで、超音波送信器と超音波センサの高さをいずれも６．５ｍｍとし、超音波用波数を８０ＫＨｚとし、超音波送信器と超音波センサの距離を変化させたとき、バースト波の第２波Ｗ２とバースト波の第６波Ｗ６のタイミングずれを計算したところ、図１６に示すような結果となり、第２波Ｗ２に比べて、第６波Ｗ６のタイミングずれの量が大きいことがわかった。このシミュレーションは、実際の実験結果とかなり良く一致していた。

すなわち、従来のものでは、タイミングばらつきを抑えるために、最初の正値の波Ｗ２の代わりに後方の第６波Ｗ６を使用するようにしたため、タイミングずれが発生するという問題があることがわかった。したがって本発明の目的はこのような問題を改善した超音波距離測定装置又は超音波型座標入力装置を提供することである。

本発明の前記目的は、下記（１）〜（５）により達成することができる。

（１）超音波を送信する送信手段と、超音波を受信して電気信号に変換する受信手段と、前記送信手段から超音波を送信して受信手段に伝搬するまでの時間を計測する時間計測手段と、時間計測結果に基づいて送信手段と受信手段との距離を算出する距離計測手段とを有する超音波距離測定装置において、
受信手段で検出された複数の超音波の波から１つあるいは複数の波を選択する複数の超音波選択手段と、
選択された波に基づいて時間を計測する複数の前記時間計測手段と、
選択した波に応じて複数の時間計測手段の計測結果を補正する時間補正手段と、
複数の計測時間から１つの計測時間を生成する時間生成手段と
を有することを特徴とする超音波距離測定装置。

（２）超音波を送信あるいは受信する超音波トランスデューサを有する移動体と、超音波を受信あるいは送信する複数の超音波トランスデューサを有する固定体と、移動体あるいは固定体の超音波トランスデューサから超音波を送信して固定体あるいは移動体の超音波トランスデューサに超音波が伝播する時間を計測する複数の時間計測手段と、時間計測結果に基づいて送信側トランスデューサと受信側トランスデューサとの距離を算出する複数の距離計測手段と、複数の距離から固定体に対する移動体の座標を計算する座標計算手段とを有する超音波型座標入力装置において、
受信手段で検出された複数の超音波の波から１つあるいは複数の波を選択する複数の超音波選択手段と、
選択された波に基づいて時間を計測する複数の前記時間計測手段と、
選択した波に応じて複数の時間計測手段の計測結果を補正する時間補正手段と、
複数の計測時間から１つの計測時間を生成する時間生成手段と
を有することを特徴とする超音波型座標入力装置。

（３）受信信号の波形が所定の閾値と交差する個数を計測し、最初に交差した交点から数えて所定の回数後の波を選択する第一の超音波選択手段と、
所定の時刻から、第一の超音波選択手段で選択した波が所定の閾値と交差する時刻までの時間を計測する第一の時間計測手段と、
受信信号の波形が所定の閾値と交差する回数を計測し、最初に交差した交点から数えて第一の超音波選択部の所定回数よりも多い所定回数の波を選択する第二の超音波選択手段と、
所定の時刻から、前記第二の超音波選択手段で選択した波が所定の閾値と交差する時刻までの時間を計測する第二の時間計測手段と、
測定距離が規定の距離よりも短い時には前記第一の時間計測手段の測定値を使用し、測定距離が規定の距離よりも長い時には前記第二の時間計測手段の測定値を使用する時間生成手段を有することを特徴とする前記（１）記載の超音波距離測定装置又は前記（２）記載の超音波型座標入力装置。

（４）受信信号の波形が所定の閾値と交差する回数を計測し、最初に交差した交点から数えて所定の回数後の波を選択する第一の超音波選択手段と、
所定の時刻から、前記第一の超音波選択手段で選択した波が所定の閾値と交差する時刻までの時間を計測する第一の時間計測手段と、
受信信号の波形が所定の閾値と交差する回数を計測し、最初に交差した交点から数えて所定回数分の波を選択する第二の超音波選択手段と、
所定の時刻から、前記第二の超音波選択手段で選択したそれぞれの波が所定の閾値と交差する時刻までの時間を計測し、それぞれの計測時間を加算平均した時間を求める第二の時間計測手段と、
測定距離が規定の距離よりも短い時には前記第一の時間計測部の測定値を使用し、測定距離が規定の距離よりも長い時には前記第二の時間計測部の測定値を使用する時間生成手段を有することを特徴とする前記（１）記載の超音波距離測定装置又は前記（２）記載の超音波型座標入力装置。

（５）所定の条件の時に、前記第一の時間計測手段の計測結果と、前記第二の時間計測手段の計測結果との差からオフセット値の補正値を求めることを特徴とする前記（１）記載の超音波距離測定装置又は前記（２）記載の超音波型座標入力装置。

（１）請求項１の発明によれば、入力面で超音波が反射して干渉波が生じても、超音波送信部と超音波受信部との距離が近いときは干渉の影響の少ない前の方の波を使用し、遠いときは振幅の大きな、タイミングずれのほとんど発生しない後ろの波を使用できるので、距離が近いときでも遠いときでも広い、例えば距離測定範囲にわたって距離測定ばらつきの低減と距離測定歪みの低減をはかった正確な超音波距離測定装置を提供できる。

（２）請求項２の発明によれば、入力面で超音波が反射して干渉波が生じても、ペンの如き移動体と超音波受信部との距離が近いときは干渉の影響の少ない前の方の波を使用し、遠いときは振幅の大きな、タイミングずれのほとんど発生しない後ろの波を使用して座標を求めるので、距離の近いときでも遠いときでも、広い、例えば筆記範囲にわたって位置ばらつきの低減と位置歪みの低減をはかった正確な超音波型座標入力装置を提供できる。

（３）請求項３の発明によれば、前の方の波と後ろの方の波を正確に識別し、これにもとづき距離計測または座標入力演算を行うので、距離の近いときでも遠いときでも広い範囲において誤差の少ない、正確な距離計測または座標入力を行うことができる。

（４）請求項４の発明によれば、後ろの方の波について計測時間の加算平均にもとづき距離計測または座標入力を行うので、距離の遠いときでもばらつきの更にすくない距離計測または座標入力を行うことができる。

（５）請求項５の発明によれば、移動体に設けられた超音波送信部の発振周波数特性に少しばらつきがあっても、これを補正できるので、移動体を新しいものに取替えられても、その出力に段差等のばらつきのない距離測定または座標入力を行うことができる。

図１６から明らかなように、超音波送信器と超音波センサとの間が５０ｍｍ以下と小さいことには波形Ｅの如く、第６波Ｗ６のタイミングずれが非線型特性を示し、しかもそのずれの値が大きいことがわかる。しかし、このように超音波送信器と超音波センサの距離が小さい時には、超音波信号は充分に大きいため、第２波Ｗ２を使用してもタイミングばらつきは小さい。一方、超音波送信器と超音波センサの距離が８０ｍｍ以上に大きい時には、図１６の波形Ｅより明らかな如く、タイミングずれはほとんど発生しない。このような場合にこそ、振幅の大きな後ろの波、例えば第６波Ｗ６を使用することに意味がある。

そこで本発明では、図１に示す如く、筆記面上を移動する移動体に超音波送信部１を設け、受信機側に超音波受信部２、第１超音波選択部３、第２超音波選択部４、第１時間計測部５、第２時間計測部６、時間補正部７、時間生成部８、距離計測部９を設ける。

移動体の移動にもとづき超音波が超音波受信部２に受信されたとき、超音波受信部２で検出された、図１に示す複数の波からなる検出超音波波形の波から特定の波、例えば正側の閾値に対して、正負も含めて２つ目の波Ｗ２を選択する第１超音波選択部３と、６つ目の波Ｗ６を選択する第２超音波選択部４と、選択したそれぞれの波に基づいて時間を計測する第１時間計測部５と、第２時間計測部６と、複数の時間計測結果から計測時間のオフセット、例えばＷ２に対してＷ６は２波長分のオフセットを補正する時間補正部７と、さらに複数の時間計測結果から１つの時間、例えば近距離ならばＷ２の測定結果を遠距離ならばＷ６の測定結果を選択する時間生成部８を有し、この生成結果から距離を計測する距離計測部９を有するものである。

なお図１において、超音波受信部２〜距離計測部９をもう１系統設け、この２つの距離計測部の出力により、後述する手法にもとづき超音波送信部１の存在する座標値を求める超音波距離測定装置を提供することができる。

以下に本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例を図２〜図５により説明する。

位置を入力するペン構成の一例を図２に示す。ペン２０のペン先２１にはボールペン芯が設けられており、筆記時のボールペン芯と筆記面の接触を検出するためのペンタッチスイッチ２２が設けられている。ペン２０の先端には、さらに円筒状の超音波送信器２３と赤外線を発光する赤外線発光ダイオード２４が設けられている。

この円筒状の超音波送信器２３はポリフッ化ビニリデン製の円筒状の圧電フィルムにより構成される。円筒状にするのは、指向性を３６０度にすることにより、ペン２０が回転しても超音波が同じように送信して、後述する受信機の超音波センサに届くようにするためである。

赤外線発光ダイオード２４は指向性１２０度のものを３個配置し、やはりペン２０が回転しても赤外線が同じように、後述する受信機の赤外線センサに届くように構成されている。さらに、ペン２０の内部には、電池２５と、超音波送信器２３及び、赤外線発光ダイオード２４を駆動する駆動回路２６が搭載されている。

このペン２０に搭載されている前記駆動回路２６を含む内部ブロック図を図３に示す。駆動回路２６にはタイマ２７、発光ダイオード駆動回路２８、超音波駆動回路２９が設けられる。筆記時におけるボールペン芯と筆記面との接触によりペンタッチスイッチ２２が押されると、タイマ２７が動作して、一定時間間隔、例えば１０ｍｓ間隔で発光ダイオード駆動回路２８と超音波駆動回路２９が駆動され、赤外線発光ダイオード２４から赤外線パルスが、超音波送信器２３から超音波パルス（実際は図１に示すバースト状波形）が送信される。そしてこれらの赤外線パルス、バースト状の超音波パルスは受信機３０により受信される。

図４に受信機３０の構造を示す。前面には２個の超音波センサ３１、３２と、１個の赤外線センサ３４が配置されている。そして受信機３０の本体下部はクリップ３４に構成され、図４では省略した紙に受信機３０の本体を固定できる。超音波センサ３１、３２も、超音波送信器２３と同様に、ポリフッ化ビニリデン製の圧電フィルムから構成されている。

受信機３０の内部ブロック図を図５に示す。受信機３０には、ペン２０から出力された赤外線があらかじめ定められた閾値より大きくなったことを検出する赤外線検出部４１と、ペン２０から出力された超音波があらかじめ定められた閾値より大きくなったことを検出する超音波検出部４２、４３と、クロックを発生するクロック源５０と、クロック源５０の出力したクロックをカウントするカウンタ５１と、超音波検出部４２から出力されたパルスのうち、先頭パルス（Ｗ１）及び所定の回数計数したパルス、この例の場合では３個目のパルス（Ｗ６）を選択出力するパルス選択ロジック手段５２と、超音波検出部４３から出力されたパルスのうち、先頭パルス（Ｗ１）及び所定の回数計数したパルス、この例の場合では３個目のパルス（Ｗ６）を選択出力するパルス選択ロジック手段５３と、パルス選択ロジック手段５２の出力信号に応じてカウンタ５１のカウント値を保持するラッチ５４、５５と、パルス選択ロジック手段５３の出力信号に応じてカウンタ５１のカウント値を保持するラッチ５６、５７と、コンピュータ５８が具備されている。

コンピュータ５８には、Ｔａ２タイミング補正部５９、Ｔａ１・Ｔａ２タイミング選択部６０、第１距離計算部６１、Ｔｂ２タイミング補正部６２、Ｔｂ１・Ｔｂ２タイミング選択部６３、第２距離計算部６４、座標計算部６５、補正値修正部６６等の機能部が設けられている。なおこれらＴａ２タイミング補正部５９〜補正値修正部６６は、コンピュータをこれらの機能を遂行するプログラム制御することによりコンピュータが各機能部として動作するものである。

ペン２０から送信された赤外線パルスは、受信機において赤外線検出部４１の赤外線センサ３３で検出され、増幅回路４４で増幅され、あらかじめ適宜定められた閾値電圧ｃとコンパレータ４５で比較され、閾値電圧ｃを越えたとき赤外線パルスの検出されたことを示す赤外線検出信号がカウンタ５１に送出される。

ところで、超音波が受信機に伝搬されるタイミングは、クロック源５０から出力される適当なクロック、例えば４８ＭＨｚのクロックをカウンタ５１によりカウントすることにより生成している。ペン２０からの赤外線が赤外線センサ３３で検出され、コンパレータ４５から赤外線検出信号がカウンタ５１に送出されるとカウンタ５１はカウンタリセットされ、クロック源５０から出力されるクロックのカウントを開始する。

ペン２０から発生した超音波は音速で伝搬するため、赤外線に比較して遅れて伝搬し、受信機の超音波検出部４２の超音波センサ３１で検出され、増幅回路４６で増幅され、あらかじめ適宜定められた閾値電圧ａとコンパレータ４７で比較され、閾値電圧ａを越えたとき検出信号が出力される。超音波は、図１、図１３に示す如く、バースト状なので、超音波の正負いずれかの１つの波に対して１つのパルスが発生する。ここでは、図１３に示す如く、正の波Ｗ２、Ｗ４・・・でパルスが発生する。

パルス選択ロジック手段５２は、図５に示す如く、入力パルスの先頭パルスＰａ１、及び所定の回数計数したパルス、ここでは３個目のパルスＰａ２を切り出す。先頭パルスＰａ１の立ち上がりエッジでカウンタ５１のカウント値Ｔａ１がラッチされ、ラッチ５４に保持される。このラッチされたカウント値Ｔａ１は、赤外線がペン２０から届いてから、超音波の第２波Ｗ２が超音波センサ３１に届くまでの時間、すなわちペン２０から超音波の第２波Ｗ２が超音波センサ３１まで伝搬する時間である。

さらに３番目のパルスＰａ２の立ち上がりエッジでカウンタ５１のカウント値Ｔａ２がラッチされ、ラッチ５５に保持される。この値Ｔａ２は、赤外線が届いてから超音波の第６波Ｗ６が超音波センサ３１に届くまでの時間、すなわちペン２０から超音波の第６波Ｗ６が超音波センサ３１まで伝搬する時間である。

この実施例では、座標検出のため、超音波検出系統がもう一系統具備されている。すなわち、超音波センサ３２、増幅回路４８、コンパレータ４９を備えた超音波検出部４３と、パルス選択ロジック手段５３と、ラッチ５６、５７でもう一系統の超音波検出系統が設けられている。これらの超音波検出部４３、パルス選択ロジック手段５３、チッチ５６、５７は、前記超音波検出部４２、パルス選択ロジック５２、ラッチ５４、５５と同様に構成されている。したがってラッチ５６、５７には、ペン２０から超音波の第２波Ｗ２、第６波Ｗ６が、超音波センサ３２まで伝搬する時間を示すカウンタ５１のカウント値Ｔｂ１、Ｔｂ２が保持される。

各ラッチ５４、５５、５６、５７に保持された、これらのカウント値Ｔａ１、Ｔａ２、Ｔｂ１、Ｔｂ２はコンピュータ５８に入力され、後述されるように処理されて距離や座標が計測される。

コンピュータ５８における処理フローを図６（Ａ）により説明する。

Ｓ１．ペン２０の出力した赤外線を赤外線センサ３３で検出し、増幅回路４４により増幅された信号の大きさが閾値電圧ｃを越えたとき、コンパレータ４５はカウンタ５１に対してカウントリセット信号を出力し、カウンタ５１をリセットする。それからパルス選択ロジック手段５２は、ペン２０から出力される超音波の正の波Ｗ２とＷ６を選択し、正の波Ｗ２に対応した出力Ｐａ１と、正の波Ｗ６に対応した出力Ｐａ２を出力する。これにより、ラッチ５４には正の波Ｗ２が検出されたときのカウンタ５１のカウント値Ｔａ１が保持され、ラッチ５５には正の波Ｗ６が検出されたときのカウンタ５１のカウント値Ｔａ２が保持され、これらのカウント値Ｔａ１、Ｔａ２がコンピュータ５８に送出される。コンピュータ５８では、第１距離計算部６１がまず前記カウント値Ｔａ１に音速Ｖを乗じてペン２０と超音波センサ３１との距離を求める。音速Ｖは、３４７ｍ／ｓ（２５℃時）であるので、
Ｖ＝３４７×１０³ ／４８×１０⁶ ＝７．２３×１０^-3ｍｍ／クロック
である。この距離が規定距離Ｌａ１よりも大きいか小さいかをＴａ１・Ｔａ２タイミング選択部６０が判断する。

Ｓ２．この距離が規定距離Ｌａ１よりも小さければ、干渉によりタイミングずれのある第６波Ｗ６を使用するよりも、タイミングずれの少ない第２波Ｗ２を使用した方が良いので、使用タイミングとしてＴａ１を採用する。なお、規定距離Ｌａ１はこの例では実験により８０ｍｍにしている。

Ｓ３．また計算距離が規定距離Ｌａ１よりも大きければ、第６波Ｗ６のタイミングずれは小さいため、振幅が大きくなることでタイミングばらつきが低減される第６波Ｗ６をタイミングとして使用する。但し、これらＴａ１とＴａ２との間には、約２波長分のずれがあるため、このずれを補正するための補正値Ｔａｃを減じて使用タイミングＴａとしてＴａ２を使用すること、つまり
Ｔａ＝Ｔａ２−Ｔａｃ
として使用タイミングＴａを計算することになる。この計算はコンピュータ５８のＴａ２タイミング補正部５９が行う。補正値Ｔａｃは、超音波周波数が８０ＫＨｚであることから、
Ｔａｃ＝２×４８×１０⁶ ／８０×１０³ ＝１２００
である。

Ｓ４．このようにして採用したタイミングＴａに音速Ｖを乗じてペン２０と超音波センサ３１との距離Ｌａを求める。

Ｓ５．前記Ｓ１〜Ｓ４と同様の処理が超音波検出部４３、パルス選択ロジック手段５３、ラッチ５６、５７についても行われ、超音波センサ３２についてもペン２０との距離Ｌｂを求める。この場合、コンピュータ５８では、第２距離計算部６４、Ｔｂ１、Ｔｂ２タイミング選択部６３、Ｔｂ２タイミング補正部６２がそれぞれ前記第１距離計算部６１、Ｔａ１・Ｔａ２タイミング選択部６０、Ｔａ２タイミング補正部５９と同様の処理を行う。

Ｓ６．このようにして得たペン２０と超音波センサ３１、３２との距離Ｌａ、Ｌｂから、コンピュータ５８の座標計算部６５が後述するように、ペン２０の座標（ｘ、ｙ）を求める。

このペンの座標（ｘ、ｙ）の計算について説明する。

図６（ｂ）に示す如く、いま超音波センサ３１を原点（０、０）とし、超音波センサ３２が（Ｌ０、０）となる座標系を取ると、ペン２０の座標（ｘ、ｙ）は、
ｘ² ＋ｙ² ＝Ｌａ²
（ｘ−Ｌ０）² ＋ｙ² ＝Ｌｂ²
であるから、これをｘ、ｙについて解けば、

として、ペン座標が求められる。さらに紙の向き等に合わせて、ユーザの都合のよいように、ペン座標（ｘ、ｙ）を適当に回転変換、スケール変換、平行移動等の座標変換をすればよい。

ところでペン毎に、超音波周波数は多少ばらつくため、前記補正値Ｔａｃが正確でないと、距離Ｌａ１付近で、Ｔａ１とＴａ２を切り替えたときに段差が生じてしまう。そこで本実施例では、図７に示す如く、ペンが変わった時に、Ｔａ１×Ｖの距離が規定値Ｌａ１よりも大きく、規定値Ｌａ２よりも小さい時に、新しく補正値Ｔａｃ＝Ｔａ２−Ｔａ１を計算し、補正値Ｔａｃを更新している。距離Ｌａ２はここでは１２０ｍｍとしている。

この補正値更新処理は、コンピュータ５８の補正値修正部６６が行う。その動作を図７により説明する。

Ｓ１０．ペンで文字や図形等を入力するとき、新しいペンの場合、ユーザはこれを入力する。

Ｓ１１．コンピュータ５８では、新ペンであることが入力されたとき、ラッチ５４に保持されたタイミングを示すカウント値Ｔａ１に音速Ｖを乗じたＴａ１×Ｖが規定値Ｌａ１より大きいか小さいかを判断し、大きいときは、今度は規定値Ｌａ２より小さいかを判断する。ここでＬａ１＜Ｌａ２である。

Ｓ１２．そしてＬａ２より小さければＴａｃ＝Ｔａ２−Ｔａ１を計算し、補正値Ｔａｃとして新しく保持する。

この実施例では、タイミング値はＴａ１（Ｔｂ１）かＴａ２（Ｔｂ２）のいずれか一方のみ使用するが、例えば、距離がＬａ１（Ｌｂ１）より小さい時はＴａ１（Ｔｂ１）、距離がＬａ２（Ｌｂ２）より大きい時はＴａ２（Ｔｂ２）を使用し、その中間であれば、Ｔａ１（Ｔｂ１）とＴａ２（Ｔｂ２）の両方を使用し、距離に応じて近い方から遠い方に移動するに従ってＴａ１（Ｔｂ１）からＴａ２（Ｔｂ２）に徐々に切り替わるようにしてもよい。

この場合、
Ｔａ＝（Ｔａ１−Ｔａ２＋Ｔａｃ）（Ｌａ２−Ｔａ１×Ｖ）／（Ｌａ２−Ｌａ１）＋
Ｔａ２−Ｔａｃ
の式で計算すればよい。これは、Ｔａ１×ＶがＬａ１の時はＴａ＝Ｔａ１、Ｔａ１×ＶがＬａ２の時はＴａ＝Ｔａ２−Ｔａｃで、Ｔａ１×ＶがＬａ１とＬａ２の時にはＴａはＴａ１とＴａ２−Ｔａｃの間の値を持つ。

本発明の実施例２を図８及び図９にもとづき説明する。図８は本発明の実施例２の受信機の内部ブロック図を示し、図９はその動作説明図である。

図８において他図と同記号部は同一部を示し、７０、７１はそれぞれラッチ、７２はコンピュータ、７３はＴａタイミング補正部、７４は第１タイミング選択部、７５は第１距離計算部、７６はＴｂタイミング補正部、７７は第２タイミング選択部、７８は第２距離計算部、７９は座標計算部である。

前記実施例１では、常に第２波Ｗ２と第６波Ｗ６の両方のタイミングを保持していたが、実施例２ではコンピュータ７２からの指示により、第２波Ｗ２、第４波Ｗ４、第６波Ｗ６のいずれかのタイミングを選択して保持するように構成されている。選択することにより、全てのタイミングを保持するよりもハードウェアを簡素化している。

どのタイミングを選択するかは、ペンのストローク（ペンダウンからペンアップまでの一筆書きの部分）ごとに決めている。すなわち、一般的には、ペンのストロークは小さいために、そのストロークの開始時に、ペンがどの範囲にあるのか判定し、受信機の近く（Ｌａ１以内）にあれば第２波Ｗ２を、遠く（Ｌａ２以上）にあれば第６波Ｗ６を、その中間では第４波Ｗ４を使用する。ストロークの間では、使用する波の切替は行われないため、切替によるわずかなずれがあっても、ストロークに誤差が載ることはない。

図８の動作を図９のフローチャートにより説明する。

Ｓ１．ペンが筆記面と接触している間は、赤外線は一定間隔、たとえば１０ｍｓ間隔で赤外線が検出されるが、ペンが筆記面から離れるとペンから赤外線を出さなくなるので、１０ｍｓ間隔で赤外線は来なくなる。これにより、コンピュータはストロークの終了を判断できる。次にペンが筆記面と接触すると、再び赤外線がペンから発せられセンサで検出されるため、ストロークの開始と認識される。

Ｓ２．コンピュータ７２はストロークの開始を認識すると、タイミング選択部７４がパルス選択ロジック手段５２を制御して、とりあえず第２波Ｗ２を選択出力させ、ラッチ７０にタイミングを示すカウンタ５１のカウント値Ｔａをラッチし、これを第１距離計算部７５で音速Ｖを乗じて距離計算する。

Ｓ３．第１距離計算部７５では、この距離計算した値が規定値Ｌａ１より小さいか、規定値Ｌａ１と規定値Ｌａ２の間か、規定値Ｌａ２よりも大きいか判断し、これをタイミング選択部７４とＴａタイミング補正部７３に通知する。規定値Ｌａ１より小さいときはタイミング選択部７４は使用する波Ｗ２を選択し、Ｔａタイミング補正部７３は補正値Ｔａｃ＝０を設定する。規定値Ｌａ１とＬａ２との間の場合は、タイミング選択部７４は使用する波Ｗ４を選択し、Ｔａタイミング補正部７３は補正値Ｔａｃ＝Ｔａｃ１（ここでは１波長分６００）を設定する。そして規定値Ｌａ２より大きい場合には、使用する波Ｗ６を選択し、補正値Ｔａｃとして２波長分Ｔａｃ２（ここでは１２００）を設定する。

Ｓ４．これらの設定値Ｔａ及びＴａｃにより第１距離計算部７５はペンから超音波検出部４２の超音波センサまでの距離Ｌａを、Ｌａ＝（Ｔａ−Ｔａｃ）×Ｖで求める。

超音波検出部４３、パルス選択ロジック手段５４、ラッチ７１、コンピュータ７２のＴｂタイミング選択部７６、第２タイミング選択部７７、第２距離計算部７８においても同様な処理が行われ、ペンから超音波検出部４２の超音波センサまでの距離Ｌｂを求めることができる。そしてこれらＬａ、Ｌｂにより、前記の如く、ペンの座標値を得ることができる。

ストロークの開始時には、ストロークの開始を示す第１点は波の選択に使用するため、実際の距離計算には使用しないが、ストロークの開始時は、ペンはほとんど停止しているため問題はない。波選択後は選択した波のタイミングを示すカウント値Ｔａを得て、設定済の補正値Ｔａｃを減算して速度Ｖを乗することで距離Ｌａ、Ｌｂが簡単に得られる。

実施例２では、同じストロークの途中で波の切替がないので、同一ストローク中に段差のない、きれいな座標出力を得ることができる。

本発明の実施例３を図１０及び図１１にもとづき説明する。図１０は本発明の実施例３の受信機の内部ブロック図を示し、図１１はその動作説明図である。

図１０において他図と同記号部は同一部を示し、８１、８２はそれぞれパルス選択ロジック手段、８３、８４はそれぞれラッチ、８５は加算器、８６は除算器、８７、８８はそれぞれラッチ、８９は加算器、９０は除算器、９１はコンピュータ、９２はＴａ２タイミング補正部、９３はＴａ３タイミング補正部、９４はＴａ１・Ｔａ２・Ｔａ３タイミング選択部、９５は第１距離計算部、９６はＴｂ２タイミング補正部、９７はＴｂ３タイミング補正部、９８はＴｂ１・Ｔｂ２・Ｔｂ３タイミング選択部、９９は第２距離計算部、１００は座標計算部である。

実施例３では、ペンと受信機の距離が近い時には第２波Ｗ２のタイミングを使用し、距離が遠い時には第６波Ｗ６〜第１２波Ｗ１２のタイミングの加算平均値を使用してタイミングばらつきを低減し、中間の距離の場合には第６波Ｗ６のタイミングを使用する。

パルス選択ロジック手段８１は、図１０に示す如く、入力パルスに対して、１個目のパルスＰａ１（Ｗ２に対応するもの）、３個目のパルスＰａ２（Ｗ６に対応するもの）、３個目から連続して４個のパルスＰａ３（Ｗ６〜Ｗ１２に対応するもの）、この４個のパルスＰａ３の出力の直後に発生するパルスＰａ４を生成するものである。

前記実施例１と同様に、第２波Ｗ２が超音波検出部４２の超音波センサに伝播したタイミングを示すカウンタ５１のカウント値Ｔａ１、第６波Ｗ６が超音波検出部４２の超音波センサに伝播したタイミングＴａ２をパルス選択ロジック手段８１の出力パルスＰａ１、Ｐａ２によりラッチ８３、ラッチ８４に保持する。

さらに加算器８５は、赤外線が赤外線検出部４１の赤外線センサに到達したときに生ずるカウントリセット信号によりリセットされ、その後前記連続した４個のパルスＰａ３が入力される毎に、その立ち上がりエッジで、そのときのカウンタ５１のカウント値をそれまでに加算した値に加える。すなわち、最初に第６波Ｗ６が到達した時のカウント値Ｔａ６が入り、次にその値に第８波Ｗ８が到達した時のカウント値Ｔａ８が加算される。さらに第１０波Ｗ１０のタイミングを示すカウント値Ｔａ１０、第１２波Ｗ１２のタイミングを示すカウント値Ｔａ１２が順次加算され、結果、Ｔａ６＋Ｔａ８＋Ｔａ１０＋Ｔａ１２が加算器８５で加算保持される。

この後、前記パルスＰａ４によりこの加算値が除算器８６で除算され、前記Ｔａ６〜Ｔａ１２の加算値の平均値Ｔａ３＝（Ｔａ６＋Ｔａ８＋Ｔａ１０＋Ｔａ１２）／４が保持される。他方の超音波検出部４３についてもパルス選択ロジック手段８２、ラッチ８７、８８、加算器８９、除算器９０等が同様動作する。

そしてこれらのタイミング値Ｔａ１、Ｔａ２、平均値Ｔａ３、タイミング値Ｔｂ１、Ｔｂ２、平均値Ｔｂ３はコンピュータ９１に取込まれる。コンピュータ９１の処理フローを図１１に示す。

Ｓ１．ペン２０の出力した赤外線を赤外線検出部４１で検出し、カウントリセット信号を出力して、カウンタ５１をリセットし、加算器８５、加算器８９をそれぞれリセットする。それからパルス選択ロジック手段８１は、ペン２０から出力される超音波の第２波Ｗ２にもとづき、出力パルスＰａ１を送出し、ラッチ８１にカウンタ５１のカウント値Ｔａ１を保持する。このＴａ１はコンピュータ９１に送出され、第１距離計算部９５において音速Ｖが乗算される。このようにして第２波Ｗ２のタイミングを示すカウント値Ｔａ１から計算した距離Ｔａ１×Ｖがあらかじめ定められた規定の距離Ｌａ１より大きいか小さいか、またあらかじめ定められた規定の距離Ｌａ２より大きいか小さいかをＴａ１・Ｔａ２・Ｔａ３タイミング選択部９４で判断する。

Ｓ２．第２波Ｗ２から計算した距離Ｔａ１×Ｖが規定の距離Ｌａ１より小さければ、タイミングを示すカウント値ＴａとしてＴａ１を採用する。距離Ｔａ１×Ｖが距離Ｌａ１より大きく規定の距離Ｌａ２よりも小さければタイミングを示すカウント値ＴａとしてＴａ２を採用する。このとき２波長分ずれているために補正値Ｔａｃ１＝１２００を使用してＴａ２を補正する。さらに距離Ｔａ１×Ｖが距離Ｌａ２よりも大きければ、タイミングを示すカウント値Ｔａとして前記Ｔａ６〜Ｔａ１２の加算値の平均値Ｔａ３を採用する。この加算値の平均値Ｔａ３は、Ｗ２に対して２波長、３波長、４波長、５波長分遅いタイミングの平均を取るので、平均して３．５波長遅くなるため、補正値Ｔａｃ２は、
Ｔａｃ２＝３．５×４８×１０⁶ ／８０×１０³ ＝２１００
とする。これらの補正はＴａ２タイミング補正部９２、Ｔａ３タイミング補正部９３で行う。

Ｓ３．そして補正されたカウント値Ｔａ（Ｔａ１を採用したときは補正なし）に対し、音速Ｖを乗じてペンと超音波センサとの距離Ｌａを求める。この距離計算は距離計算部９５により行われる。

Ｓ４．同様にして入力ペンと超音波検出部４３の超音波センサとの距離Ｌｂを求める。

Ｓ５．そしてこのようにして得た距離Ｌａ、Ｌｂにより、前記と同様にしてペンの座標位置を求めることができる。

具体例１と同様に、補正値Ｔａｃ１、Ｔａｃ２、Ｔｂｃ１、Ｔｂｃ２は前もって決めた値を使用してもよいし、切替時に段差が生じないように、ある距離範囲で更新してもよい。さらに両方の値を使用して徐々に切替てもよい。

なお、前記説明では、全てペンから同期用の赤外線と超音波が発生するものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、赤外線や超音波の向きを入れ換えてもよい。すなわち固定部から赤外線を出力してペンが赤外線を検出したらペンから超音波を送信するようにしてもよい。また固定部から超音波を出力してペンが超音波の各波を検出するたびに赤外線を固定部に送信するようにしてもよい。このときには、固定部で２つの超音波送信器から交互に超音波を送信する。

さらに固定部から赤外線と超音波を送信し、ペンで受信してペンから外部のコンピュータに有線や無線で測定結果を送るようにしてもよいし、さらには、ペンに測定結果を一時的に保存するようなメモリを付けて、筆記中は測定結果をペンに保存し、後でコンピュータに測定結果を送ってもよい。また赤外線の部分は可視光や電波を使用してもよいし、有線にして電気信号をそのまま送ってもよい。

本発明により、紙面で超音波が反射して干渉波が生じても、ペンと受信機が近いときには、干渉の影響の少ない前の波を使用し、ペンと受信機が遠いときには、ばらつきを抑えるために、振幅の大きな後ろの波や平均値を使用できるので、広い筆記範囲にわたって位置ばらつきの低減と位置歪みの低減を両立することができる。

本発明を実施する装置の原理構成図である。 実施例で使用するペン構成である。 ペンの内部ブロック図である。 実施例で使用する受信機の構造である。 実施例１の受信機の内部ブロック図である。 実施例１のコンピュータの動作フローチャート及び座標説明図である。 実施例１のＴａｃ更新のフローチャートである。 実施例２の受信機の内部ブロック図である。 実施例２のコンピュータの動作フローチャートである。 実施例３の受信機の内部ブロック図である。 実施例３のコンピュータの動作フローチャートである。 ペンの使用例である。 従来技術説明図である。 直接波と紙面反射波との干渉説明図である。 直接波と反射波の合成波形である。 合成波形によるタイミング誤差シミュレーション結果説明図である。

符号の説明

１ 超音波送信部
２ 超音波受信部
３ 第１超音波選択部
４ 第２超音波選択部
５ 第１時間計測部
６ 第２時間計測部
７ 時間補正部
８ 時間生成部
９ 距離計測部

Claims (5)

1. 超音波を送信する送信手段と、超音波を受信して電気信号に変換する受信手段と、前記送信手段から超音波を送信して受信手段に伝搬するまでの時間を計測する時間計測手段と、時間計測結果に基づいて送信手段と受信手段との距離を算出する距離計測手段とを有する超音波距離測定装置において、
   受信手段で検出された複数の超音波の波から１つあるいは複数の波を選択する複数の超音波選択手段と、
   選択された波に基づいて時間を計測する複数の前記時間計測手段と、
   選択した波に応じて複数の時間計測手段の計測結果を補正する時間補正手段と、
   複数の計測時間から１つの計測時間を生成する時間生成手段と
   を有することを特徴とする超音波距離測定装置。
2. 超音波を送信あるいは受信する超音波トランスデューサを有する移動体と、超音波を受信あるいは送信する複数の超音波トランスデューサを有する固定体と、移動体あるいは固定体の超音波トランスデューサから超音波を送信して固定体あるいは移動体の超音波トランスデューサに超音波が伝播する時間を計測する複数の時間計測手段と、時間計測結果に基づいて送信側トランスデューサと受信側トランスデューサとの距離を算出する複数の距離計測手段と、複数の距離から固定体に対する移動体の座標を計算する座標計算手段とを有する超音波型座標入力装置において、
   受信手段で検出された複数の超音波の波から１つあるいは複数の波を選択する複数の超音波選択手段と、
   選択された波に基づいて時間を計測する複数の前記時間計測手段と、
   選択した波に応じて複数の時間計測手段の計測結果を補正する時間補正手段と、
   複数の計測時間から１つの計測時間を生成する時間生成手段と
   を有することを特徴とする超音波型座標入力装置。
3. 受信信号の波形が所定の閾値と交差する回数を計測し、最初に交差した交点から数えて所定の回数後の波を選択する第一の超音波選択手段と、
   所定の時刻から、第一の超音波選択手段で選択した波が所定の閾値と交差する時刻までの時間を計測する第一の時間計測手段と、
   受信信号の波形が所定の閾値と交差する回数を計測し、最初に交差した交点から数えて第一の超音波選択部の所定回数よりも多い所定回数の波を選択する第二の超音波選択手段と、
   所定の時刻から、前記第二の超音波選択手段で選択した波が所定の閾値と交差する時刻までの時間を計測する第二の時間計測手段と、
   測定距離が規定の距離よりも短い時には前記第一の時間計測手段の測定値を使用し、測定距離が規定の距離よりも長い時には前記第二の時間計測手段の測定値を使用する時間生成手段を有することを特徴とする請求項１記載の超音波距離測定装置又は請求項２記載の超音波型座標入力装置。
4. 受信信号の波形が所定の閾値と交差する回数を計測し、最初に交差した交点から数えて所定の回数後の波を選択する第一の超音波選択手段と、
   所定の時刻から、前記第一の超音波選択手段で選択した波が所定の閾値と交差する時刻までの時間を計測する第一の時間計測手段と、
   受信信号の波形が所定の閾値と交差する回数を計測し、最初に交差した交点から数えて所定回数分の波を選択する第二の超音波選択手段と、
   所定の時刻から、前記第二の超音波選択手段で選択したそれぞれの波が所定の閾値と交差する時刻までの時間を計測し、それぞれの計測時間を加算平均した時間を求める第二の時間計測手段と、
   測定距離が規定の距離よりも短い時には前記第一の時間計測部の測定値を使用し、測定距離が規定の距離よりも長い時には前記第二の時間計測部の測定値を使用する時間生成手段を有することを特徴とする請求項１記載の超音波距離測定装置又は請求項２記載の超音波型座標入力装置。
5. 所定の条件の時に、前記第一の時間計測手段の計測結果と、前記第二の時間計測手段の計測結果との差からオフセット値の補正値を求めることを特徴とする請求項１記載の超音波距離測定装置又は請求項２記載の超音波型座標入力装置。

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