JP2005165830A - 光学式座標入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電池レスペンで、ペンダウン検出を高感度（小ストローク）で実現する。
【解決手段】 再帰反射光遮断方式で、ペン先端部分の遮光部材を独自の再帰反射材で構成する。それは、ビーズとアルミ蒸気膜等の反射面よりなる反射層とビーズを保持し圧力によりビーズと反射層との距離を変化させる弾性を有する樹脂層とにより構成され、通常は反射層はビーズの焦点距離より長い位置に保持され再帰反射は起きないが、ペン先がスクリーンにタッチすることにより加圧され、反射層がビーズの焦点距離に来るように調整されており再帰反射が発生し、光源からの光がペンに設けた円錐反射部材を介してセンサに再帰反射光が返される。検出側では、ＣＣＤ信号の光量分布の遮光部分による座標計算とは別に、光量が増した部分を検出してペンアップを判断する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、座標入力装置、より詳しくは、入力面に指示具や指によって指示して座標を入力することにより、接続されたコンピュータを制御したり、文字や図形などを書き込むために用いられる座標入力装置であって、その性能を改善する技術に関するものである。

特に本発明は、入力面周囲に再帰反射材を設け、指示具等による遮光状態を検知することにより指示位置座標を入力する再帰性反射光遮光方式の座標入力装置に関する。

従来より、この種の装置としては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特許文献１などに見られるように、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し、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、知られている。

また、国内件においても特許文献２や、特許文献３などにあるように、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が開示されている。

これらの装置において、例えば特許文献２では、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、また、特許文献３では、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する構成が示されている。

また、先の特許文献１においては、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が示されている。
米国特許第4507557号明細書 特開2000-105671号公報 特開2001-1472642号公報

以上の従来の遮光部分を検出する方式においては、遮光される光線に入力面に垂直方向に上記再帰反射部材の幅に略等しい一定の幅を持っており、指等によるＳＷ入力の場合にはそれほど問題とはならないが、指示具（ペン）により、文字等を入力する場合、ペンアップとダウンのタイミングが鈍感になり、尾引きという問題が生じる。これを解決するために、指示具の先端部に入力面との接触により敏感にスイッチ動作する公知技術である市販のタクトスイッチ等により指示具（ペン）先スイッチ手段を設け、この指示具（ペン）先スイッチ信号に基づきペンアップとダウンのタイミングをとることが考えられる。しかし、上記指示具（ペン）先スイッチを設ける場合は、このスイッチ情報を本体側の座標演算制御回路に送信するための手段が必要であり、そのためには、指示具（ペン）に電源（電池）を内蔵し、更に、赤外線、或いは電波、超音波等の送信手段を具える必要があるので指示具（ペン）が大型化、重量化し、本体側にはその受信手段が必要となるという不都合があった。

本発明では、入力領域の任意の位置を指または指示具等にて、座標入力する座標入力装置において、上記課題を解決するために、座標入力領域面の角部に複数の受光検出手段が設けられ、前記座標入力領域の周辺部に設けられ再帰的に入射光を反射する再帰反射手段と該再帰性反射手段に光を投影する投光手段と、指示した際の指示具等の遮光による該受光検出手段が検出した前記再帰反射手段で反射された前記投光手段からの光の光量変化から、指示具等が指示した方向を検出する角度検出手段を有し、導出した複数の角度情報に基づき、該指示具等が指示した座標入力領域面に於ける位置座標を算出する光学式座標入力装置であって、前記指示具は、前記座標入力面に接触することによる押圧で変位する先端部材と、ガラスまたは樹脂製の透明ビーズ単層及びこの透明ビーズ単層を固定するために充填された樹脂よりなるビーズ層と、反射層と、該ビーズ層と反射層の距離が上記指示具先端部の前記座標入力面との接触時には変位して該ビーズ層の焦点距離となり非接触時には該ビーズ層の焦点距離より大きくなるように変位する中間変位層と、を具え、上記指示具先端部材の前記座標入力面との接触時に、前記投光手段からの光がビーズ層、中間変位層、及び上記ビーズ層の焦点距離に配置された反射層、により再帰反射されることによる前記投光手段からの光の光量変化から、上記指示具の前記座標入力面への接触状態を検出する手段を有する構成とした。

本発明により、指示具（ペン）に電池及び通信手段を搭載することなく簡単な構成で、指示具の入力面に対する接触をわずかな変位で敏感に検知し、主に再帰性反射光遮光方式特有の指示具（ペン）文字入力時のペンアップとダウンのタイミングが鈍感になる尾引きという問題の解決することができる。

以上の様に、本発明では、座標入力領域面の角部に複数の受光検出手段が設けられ、前記座標入力領域の周辺部に設けられ再帰的に入射光を反射する再帰反射手段と該再帰性反射手段に光を投影する投光手段と、指示した際の指示具等の遮光による該受光検出手段が検出した前記再帰反射手段で反射された前記投光手段からの光の光量変化から、指示具等が指示した方向を検出する角度検出手段を有し、導出した複数の角度情報に基づき、該指示具等が指示した座標入力領域面に於ける位置座標を算出する光学式座標入力装置であって、前記指示具は、前記座標入力面に接触することによる押圧で変位する先端部材と、ガラスまたは樹脂製の透明ビーズ単層及びこの透明ビーズ単層を固定するために充填された樹脂よりなるビーズ層と、反射層と、該ビーズ層と反射層の距離が上記指示具先端部の前記座標入力面との接触時には変位して該ビーズ層の焦点距離となり非接触時には該ビーズ層の焦点距離より大きくなるように変位する中間変位層と、を具え、上記指示具先端部材の前記座標入力面との接触時に、前記投光手段からの光がビーズ層、中間変位層、及び上記ビーズ層の焦点距離に配置された反射層、により再帰反射されることによる前記投光手段からの光の光量変化から、上記指示具の前記座標入力面への接触状態を検出する手段を有する構成としたので、指示具（ペン）に電池及び通信手段を搭載することなく簡単な構成で、指示具の入力面に対する接触をわずかな変位で敏感に検知し、主に再帰性反射光遮光方式特有の指示具（ペン）文字入力時のペンアップとダウンのタイミングが鈍感になる尾引きという問題の解決することができる。特に、遮光による座標検出と再帰反射特性の変化検知によるペンアップ・ダウン検出を同一システムの中で効果的に実現できることに特徴がある。更に、本発明の再帰反射特性の変化は、いわゆる反射面の面積を変化させたり、或いは、反射面に対する覆い部材の変化により発生させるものではなく、再帰反射特性そのもののスイッチングを微小変位により実現するものであるので、工業的な実現可能性が高く、機械的な稼動部分が少ないので信頼性も高いものとなる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

（第一の実施例）
本発明に係る座標入力装置の概略構成について図１を用いて説明する。

図中１L、１Rは投光手段および検出手段を有するセンサユニットであり、所定の距離離れて設置されている。センサユニットは制御・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・演算ユニットから受け取ると共に、検出した信号を制御・演算ユニットに送信する。３は図５の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反射手段であり、左右それぞれのセンサユニットから略90°範囲に投光された光を、センサユニットに向けて再帰反射する。

反射された光は、集光光学系とラインCCD等によって構成されたセンサユニットの検出手段によって1次元的に検出され、その光量分布が制御・演算ユニットに送られる。

５は座標入力面であり、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４或いはその表示画面４の前面に配置する略透明な板材である前面板４‘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、入力領域に図に示すペン状の指示具6などによる入力指示がなされると、上記投光手段から投光された光が遮られ、再帰反射による反射光が得られなくなるため、入力指示位置のみ光量が得られなくなる。

メインユニットの演算制御手段は、左右のセンサユニットの光量変化から、入力指示された部分の遮光範囲を検出し、同範囲内での検出点を特定してそれぞれの角度を算出する。算出された角度および、センサユニット間の距離等から、入力エリア上の座標位置を算出する。

上記指示具6は、図２で示す様に、先端部がビーズ層6-1、反射層6-2、中間変位層6-3、指示具先端部材6-4、円錐反射部材6-5等により構成されており、指示具６が座標入力面に接触することにより先端部が再帰反射特性を発生し、上記投光手段からの光を直接上記検出手段に再帰反射する。この光量変動（増加）を、上記指示具による遮光状態と同時に検出することにより、制御・演算ユニット２でペンアップ状態を検出する。この指示具先端部の構造及びこれに伴うペンアップ・ペンダウン状態検出に関しては、後に詳述する。

また、この指示具６の指示具先端部材6-4は、スイッチ手段を形成すると同時に遮光部分でもあるので、充分な遮光範囲が確保されるように太さ形状が規定される。更に、指示具先端部材6-4自体が直接反射しないように暗い色であることが望ましい。

本発明の座標入力装置においては、上記算出された座標情報の他に、上記の指示具先端部の機能により、ペンダウン・アップに関する情報を得ることができるので、このペンダウン・アップに関する情報も合わせて送出する。これは、一般に、ＰＣ等に座標コマンドを送出する際に一般には、マウスのデータフォーマットが広く適応されているが、ここでいうペンダウンとは、マウスモードに於ける左ボタンスイッチに対応する信号である。つまり、座標情報のみの場合、ペンアップの状態だとカーソルは移動するが、カーソル位置に対応するコマンドは選択されず、ペンダウン状態になって初めてコマンドが選択されるのは、周知の事実である。これが、指示具（ペン）で文字を書く場合には、ペンダウン状態で筆記記述される。

この座標情報及びペンダウン情報は、表示装置に接続されているPCなどに、USBなどのインタフェースを経由して出力する。尚、本発明は、上記の様に表示装置に接続されているPCなどに出力する場合に留まらず、図１に示すような、座標入力装置の制御・演算ユニット2からは、座標情報及び上記ペン先スイッチ情報、更に、あとで述べる近接情報（プロキシミティ情報）等を座標情報を含む情報の処理を行うとともに該表示装置の制御を行う表示制御ユニットに出力し、この表示制御装置で上記ペンアップ・ダウン情報を上記算出座標の属する領域に応じて異なる判定基準により該指示に伴うペンダウン情報を生成する構成でも良い。

このようにして、指示具などによって、画面上に線を描画したり、スイッチ、アイコンの操作するなどPCの操作が可能になる。

以降各部分毎に詳細説明を行う。

＜本発明の主眼とする指示具先端部に関する説明＞
本発明に於ける指示具6の概略の構成は上述のとおりであるが、詳細な構造を図２及び図３、図４を用いて説明する。指示具6の先端部がビーズ層6-1、反射層6-2、中間変位層6-3、指示具先端部材6-4、円錐反射部材6-5等により構成されており、指示具６が座標入力面に接触することにより先端部が再帰反射特性を発生し、上記投光手段からの光を直接上記検出手段に再帰反射する。ビーズ層6-1は、ガラスまたは樹脂製の透明ビーズが単層に配置され、更にこの透明ビーズ単層を固定するために充填された樹脂よりなる。このビーズ層6-1の機能は、図３に示すように、前記１L、１Rのセンサユニットの投光手段から不図示の指示具先端部の透明窓（光が赤外光である場合は、その赤外光の波長域を透過する材質の窓）を透過した光が上記円錐反射部材6-5で反射してビーズ層6-1に入射した際にビーズのレンズ効果により屈折するものであり、ビーズは、真球度が高く透明なものであればガラス、樹脂いずれでも良く、このビーズは全体を含有する状態で透明樹脂バインダ材で固定されている。このビーズ層による焦点の位置は、ビーズサイズ及び屈折率、ビーズ層の厚さ及びバインダ材の屈折率により決定される。ビーズは望ましくはガラスの粒径約40〜60μｍ程度で揃っているものを用いるが、機能上の構成を簡便にするために0.1ｍｍ以上の大型のものを用いてもよい。ビーズの屈折率は、ビーズの全体を含有する状態で透明樹脂バインダ材で固定されるので焦点位置をビーズ球面にできるだけ近づけるためには高屈折率であることがのぞましく、例えば2.2程度のものを用いるが、焦点位置がビーズ球面から遠くなるが、屈折率がそれ以下のものでも良い。尚、本実施例では、透明樹脂バインダ材はビーズの全体を含有する状態構成するが、ビーズの入射光側には包含せず、空中に接する構造でも良いが、この場合は、気体の屈折率との関係で、上記包含構造に比べてビーズの屈折率を小さくすることができる。上記透明樹脂バインダ材の材質は透明であれば特に限定されるものではないが、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂、ポリフッカビニリデン樹脂、ポリエステル、ポリイミド、ポリオレフィン樹脂、塩化ビニル樹脂、及びこれらのブレンド材等である。以上の様にビーズ層の材質、形状が定まると、図３の（ａ）で示されるように入射光に対する焦点位置が定まる。今、ビーズの端部と焦点位置までの距離をｄとする。
また、このビーズ層６−１は、図４で示されるように、指示具６の筐体側面に固定される。もちろん、ビーズ層６−１が中間変位層６−３からの圧力を受け止めることのできる構造なら、これに限るものではない。

ビーズ層6−1の下部に中間変位層6−3を介して反射層6−2が設けられる。反射層６−２はアルミの蒸着膜、或いは、銀等の電極塗膜或いはその他光学的に反射特性を持つもので形成される。中間変位層6−3は、図３及び図４に示されるようにビーズ層6−1と反射層６−２との中間に透明な変形可能な部材で構成される。具体的には、シリコン樹脂、アクリル樹脂等のゲル状態の部材、透明ゴム部材、或いは、その他透明で弾性を有するものである。或いは、空間でも良いが、その為には、その空間を密閉して、空気バネ層とするか、別途バネ特性を有するものを具える。そして、この中間変位層6−3は図２、図４で示されるように、指示具先端部材６−４が座標入力面5に接触した際に、ビーズ層６−１は固定されているので、加圧部材６−６を通して加圧、圧縮されて変位して変形し、軸方向の厚みが減少する。この際の変形は体積がほぼ一定であるので、図４に示す幅方向に予め空間を設けておき、幅方向の増加に対応する構造とする。この圧縮による中間変位層6−3の厚みの減少は、不図示のストッパーにつきあたり、厚みがビーズと反射層の距離ｄになる位置、つまり、ちょうど前記ビーズ層６−１の焦点位置に前記反射層６−２が来る位置で停止する。この状態では、図３で示すように、入射光は、ビーズ層６−１で屈折して焦点位置にある反射層６−２で反射して、再びビーズ層６−１で屈折して、入射と同方向に反射し、再帰反射部材３と同等の特性である再帰反射特性を発生する。従って、円錐反射部材６−５で反射して光の方向が座標入力面５と略平行になった光は上記検出手段で検出され光量増加が検知される。

指示具6が座標入力面5に接触している場合に限り上記の様に指示具6先端部が再帰性反射特性を発揮するのでペンダウン状態が検出光量増加により検知される。この検知方法に関しては後述する。そして、指示具6の先端が座標入力面5から離れた状態となると、圧力が開放された中間変位層６−３は変位し、弾性により指示具の軸方向の厚みを増し、図３で示すビーズと反射層の距離ｄ‘となり、反射層６−２の位置がビーズ層の焦点距離から外れるので図に示す様に入射光は散乱して、再帰反射特性は発生せず、従って、上記検出手段では光量変化（増加）は検出されない。これにより、ペンアップ状態を検出する。反射層６−２がビーズ層の焦点位置からわずかでもずれると急激に再帰反射効率が低下するので、上記中間変位層６−３の変位量は数十μｍ程度で、ペンアップ・ペンダウン状態検出が可能であり、指示具の先端スイッチのストロ―クは、0.1ｍｍ以下が使い勝手の上で理想とされているが、本発明の指示具構成により非常に敏感なタッチによるペンアップ・ペンダウン状態検出が可能となる。つまり、市販のビーズ等を用いた再帰反射材は、ビーズの焦点位置に反射層を配置することにより再帰性反射特性を維持しており、常にその特性は一定に保たれるが、本発明に於いては、特に、反射層が焦点距離からわずかでも外れた場合の再帰反射特性の急激な散乱による低下を実測して確認し、この現象に着目することにより、焦点調節機構として、中間変位層6−3を設けて、これらの構造全体でスイッチ機能として作用させようとするものである。

以上の実施例においては、平面の反射層の例を示したが、更に望ましくは、図３（ｃ）に示すように、反射面をビーズの球面に対応させた球面で構成する。これにより、より広範囲の入射角の入射光に対して再帰反射特性を発揮することができる。平面、曲面いずれの反射面の場合にも、指示具6に入射する前記投光手段からの光は、座標入力面５に対し平行光のみならず斜めからの入射光に対しても、また、指示具が傾いた状態に対しても、本発明の指示具構成であれば、ペンダウン時に再帰反射特性が発揮され上記検出手段で光量増加が検知される。また、上記実施例では、指示具6の不図示の透明窓からの入射光をビーズ層に光線方向を変更するため円錐状の反射部材６−５を用いたが、さらに入射角度を広げるために、曲面により構成される反射部材６−５‘を用いても良い。更には、反射部材ではなく、プリズム部材により投射光を上記ビーズ層に屈折して入射、そして再帰光を放射させる構成としても良い。

＜センサユニットの詳細説明＞
図６はセンサユニットにおける投光手段の構成例である。

3−1は投光手段を上から（入力面に対し垂直方向）から見た図である。図中31は赤外光を発する赤外LEDであり、発光した光は投光レンズ３２によって、略90°範囲に光を投光する。一方、3−2は同じ構成を横から見た図であり、（入力面に対し水平方向）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、再帰反射手段3に対して光が投光されるようになっている。

図１０はセンサユニットにおける検出手段を入力面に対して垂直方向から見た図である。

検出手段は、1次元のラインCCD４１および集光光学系としてのレンズ４２，４３および、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ー４５からなっている。

投光手段からの光は再帰反射部材によって反射され、赤外フィルター４５、絞り４４を抜けて、集光用レンズ４２，４３によって入力面の略90°範囲の光がCCDの検出面にその入射角に依存した画素上に結像され、角度ごとの光量分布を示している。つまり画素番号が角度情報を表すことになる。

図８は入力面と水平方向からの見たときの、上記投光手段と検出手段を重ねて、センサユニット１としたときの構成である。

投光手段と検出手段の光軸間の距離は再帰反射部材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＞
図１の再帰反射部材３は入射角度に対する反射特性を有している。

図９にあるように再帰性反射テープが平坦に構成された場合には、反射部材からの角度が４５度を超えるあたりから得られる反射光量が減少し、遮蔽物があったばあいにその変化が充分に取れない事になる。

反射光量は、光量分布（照明強度および距離）、反射部材の反射率（入射角度、反射部材の幅）、結像系照度（cosine 4乗則）によって決まる。

光量が足りない場合に、照明強度を上げることが考えられるが、反射分布が均一で無い場合には、強い部分の光を受光したときに、受光手段である、ＣＣＤでその部分が飽和することがあり、照明強度を上げるには限界がある。

裏返せば反射部材の反射の分布をなるべく均一にする事で低光量部分への入射光量の増大も望む事ができる。

角度方向に対して均一化を計るために、再帰反射部材３を貼り付ける部材を図７のように三角柱を並べた形とし、この上に再帰反射部材３を設置している。このようにする事で、角度特性を改善する事ができる。尚三角柱の角度は再帰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CCDでの検出分解能以下に設定するのが、望ましい。

＜制御・演算ユニットの説明＞
図１の制御・演算ユニットとセンサユニット１L,,1Rの間では、CCDの制御信号、CCD用クロック信号とCCDの出力信号、および、LEDの駆動信号がやり取りされている。

図１１は制御・演算ユニットのブロック図である。CCD制御信号は、ワンチップマイコンなどで構成される演算制御回路８３から出力されており、CCDのシャッタタイミングや、データの出力制御などをおこなっている。CCD用のクロックはクロック発生回路８７からセンサユニットに送られると共に、CCD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。

LED駆動信号は演算制御回路83からLED駆動回路84L,84Rをへて、センサユニットの赤外LEDに供給されている。

センサユニットの検出手段であるCCDからの検出信号は、制御・演算ユニットのADコンバータ81L,81Rに入力され、演算制御回路からの制御によって、デジタル値に変換される。

変換されたデジタル値は82メモリに記憶され、角度計算に用いられる。
計算された角度から、座標値が求められ外部PCなどにシリアルインタフェース88などを介して出力される。

＜光量分布検出の説明＞
図１２は制御信号のタイミングチャートである。

９１，９２，９３がCCD制御用の制御信号であり、９１SH信号の間隔で、CCDのシャッタ解放時間が決定される。９２、９３はそれぞれ左右のセンサへのゲート信号であり、CCD内部の光電変換部の電荷を読み出し部へ転送する信号である。

９４、９５は左右のLEDの駆動信号であり、SHの最初の周期で一方のLEDを点灯するために94の駆動信号がLED駆動回路を経てLEDに供給される。次の周期でもう一方のLEDが駆動される。双方のLEDの駆動が終了した後に、CCDの信号が左右のセンサから読み出される。

読み出される信号は、入力がない場合には、それぞれのセンサからの出力として、図１３のような光量分布が得られる。もちろん、このような分布がどのシステムでも必ず得られるわけではなく、再帰反射シートの特性やLEDの特性、また、計時変化（反射面の汚れなど）によって、分布は変化する。

同図においては、Aのレベルが最大光量であり、Bのレベルが最低のレベルとなる。

つまり反射光のない状態では、得られるレベルがB付近になり、反射光量が増えるほどAのレベルの方向になっている。この様にCCDから出力されたデータは、逐次AD変換されCPUにデジタルデータとして取り込まれる。

図１４−１は指示具等で入力を行った、つまり、反射光を遮った場合の出力の例である。

Ｃの部分が指示具等で反射光が遮られたためその部分のみ、光量が低下している。

検出は、この光量分布の変化から行う。

具体的には、図１３のような入力の無い初期状態を予め記憶しておいて、それぞれのサンプル期間に図１４−１のような変化があるか初期状態との差分によって検出し、変化があったらその部分を入力点として入力角度を決定する演算を行う。

更に、本発明においては、前述の通り、指示具６を座標入力板５に接触した場合には、指示具６の先端部に再帰反射特性が発生し、従って、図１４−２に示すように、指示具６自体の遮光による光量低下部分Cとは別に、再帰反射による光量増加部分Dが生じる。このCの部分とDの部分の発生状況は、指示具６の構造により変化する。つまり、まず、指示具６の先端部の遮光に係わる部分と再帰反射に係わる部分との面積割合により影響する。本実施例においては、図２に示すように、センサユニット１L或いは１Rの投射手段からの投射光の座標入力面５に対して垂直な方向の幅をEとすると、指示具６の先端部の遮光範囲はほぼEに近いが、指示具６の円錐反射材６−５へ入射する投射光の範囲はE‘であり、Eより小さい範囲である。本実施例においては、円錐反射材６−５のビーズ層６−１への指示具軸方向への投影面積はほぼ等しく、更に、ビーズ層６−１と指示具先端部材６−４が座標入力領域に接触している場合の中間変位層６−３、反射層６−２の面積は等しく構成される。更に、円錐反射部材６−５によりビーズ層６−１へ反射される投射光は、図２中Fで示されるごく一部の円錐の稜部分近傍領域のみが反射される。更に、再帰反射効率は、各層のロスにより若干低下する。従って、面積割合E'／E、及び、円錐反射部材６−５及びその他のロスにより再帰反射光による光量増加部分Dは、指示具６自体の遮光による光量低下部分Cより範囲レベルとも小さくなり、図１４−２に示すようにD＜Cとなる。従って、角度計算を光量低下部分Cで検出し、ペンアップ、ダウンを光量低下部分Dで検出することができる。

＜角度計算出の説明＞
角度計算にあたっては、まず、遮光範囲を検出する必要がある。

先にも述べた用に、光量分布は計時変化などで一定ではないため、システムの起動時などに記憶する事が望ましい。そうする事で、例えば、再帰反射面がほこりなどで汚れていても、完全に反射しないような場合を除いて使用可能になる。

以降一方のセンサのデータについて説明するが、他方でも同様の処理を行っている。

電源投入時、入力の無い状態で、まず投光手段から照明すること無しにCCDの出力をAD変換して、これをBas_data[N]として、メモリに記憶する。これは、CCDのバイアスのばらつき等を含んだデータとなり、図１３のBのレベル付近のデータとなる。ここで、Nは画素番号であり、有効な入力範囲に対応する画素番号がもちいられる。

次に、投光手段から照明した状態での光量分布を記憶する。図１３の実線で表されたデータであり、Ref_data[N]とする。

これらのデータを用いてまずは入力が成されたか、遮光範囲があるかどうかの判定を行う。

あるサンプル期間のデータをNorm_data[N]とする。

まず遮光範囲を特定するために、データの変化の絶対量によって、有無を判定する。これは、ノイズなど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。

変化の絶対量をおのおの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]は各画素における絶対変化量である。

この処理は、差をとり比較するだけなので、処理時間をさほど使わないので、入力の有無の判定を高速に行う事が可能である。

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ときに入力があったと判定する。この判定により、後でも述べるが、座標入力面との近接情報（プロキシミティ情報）が決定される。図１５で１２１を再帰反射面とすると、この再帰反射面の幅（図中Ｄ）（図２のEと同じ）が、ほぼ指示具等（図中Ｃ）による遮光の対象となる光線領域である。従って、指示具等（図中Ｃ）の先端が入力面に近づくにつれ、Norm_data_a[N]は大きくなり、ある距離以下になると上記閾値Vthaを越えて、入力があったと判定され、この時点でプロキシミティがＩＮとなる。この上記閾値Vthaを越える最短距離がプロキシミティの距離であり、閾値Vthaを小さくすれば、プロキシミティの距離は大きくなり、近接入力範囲は広くなるがノイズに弱くなる。厳密には、上記Norm_data_a[N]の値は、遮光面に影響するので指示具等（図中Ｃ）の先端と入力面との距離だけでなく、指示具の形状、寸法、太さにも影響するが、指示具は形状が既定値であり一定の範囲に納まるので、同一条件では、上記プロキシミティ距離との関係は成り立つ。

更に、近接入力範囲が広いと言うことは、指示具或いは指操作時に入力面から少し離した程度ではまだ入力状態が続くことになり、文字を書く際のペンダウン信号としてこのプロキシミティ信号を使うことは、入力面からの高さ方向の距離に鈍感であり、尾引きが発生し、甚だ不都合である。従って、以下に述べるように入力面からの高さ方向の距離に敏感なペンダウン信号の発生の基準を別途設ける必要がある。閾値Vthaを大きくすれば、対ノイズ特性は向上するが、それだけプロキシミティの距離が小さくなり、指のみを入力対象としたスイッチ操作には適するが、従来のマウス操作によるカーソル移動操作が出来なくなり、操作性が低下する。本発明は、プロキシミティを必要なだけ充分確保した上で座標算出を行い、同時に指示具先端に入力面からの高さ方向の距離に敏感なペンダウン信号の発生手段を具える構成である。

次により高精度に検出するために、変化の比を計算して入力点の決定を行う。

ここでは、まず、指示具6の指示具先端部材６−４が座標入力面５に接触しないで、単純に、プロキシミティの状態に於ける座標計算時の入力点の決定に関して説明を行う。

ここでA領域が汚れなどにより反射率が低下していたとすると、このときのRef _data[N]の分布は、図１６の１６−1のように、A領域の反射光量が少なくなる。この状態で、図１５のように指示具等が挿入され、ほぼ再帰反射部材の半分を覆ったとすると、反射光量は略半分となるため、図１６,１６−２の太線で示した分布Norm_data[N]が観測される。

この状態に対して、（１）を適用すると、図１７の１７−１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。

このデータに対して、閾値を適用すると、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、変化の比を計算することとすると、A領域 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。

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１７,１７−２のようになり、変動比であらわされるため、反射率が異なる場合でも、等しく扱う事が可能になり、高精度に検出が可能になる。

このデータに対して、閾値Vｔｈｒを適用して、その立ち上がり部と立下り部の画素番号から、両者の中央を入力画素として、角度を求める。

図１７，１７−２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、画素ごとに異なるレベルを示している。

図１８は比計算を終わったあとの検出の例である。いま閾値Vthrで検出すると遮光領域の立ちあがり部分は、Nr番目の画素で閾値を越えたとする。さらに、Nｆ番の画素でVthrを下まわったとする。

このまま中心画素Npを
Np = Nr + (Nf-Nr)/2 (3)
のように計算してもよいが、そうすると、画素間隔が最小の分解能になってしまう。

より細かく検出するために、それぞれの画素のレベルとその一つ前の画素のレベルを用い閾値を横切った仮想の画素番号を計算する。

今NrのレベルをLr Nr-1番画素のレベルをLr-1とする。また、NfのレベルをLf、Nf-1番がそのレベルをLf-1とすれば、それぞれの仮想画素番号Nrv,Nfvは、
Nrv ＝ Nr-1 + ( Vthr Lr-1 ) / ( Lr Lr-1 ) (4)
Nfv ＝ Nf-1 + ( Vthr Lf-1 ) / ( Lf Lf-1 ) (5)
と計算でき、仮想中心画素Npv
Npv = Nrv + (Nfv-Nrv)/2 (6)
で決定される。

このように、画素番号とそのレベルから仮想的な画素番号を計算することで、より分解能の高い検出ができる。

得られた中央画素番号から、実際の座標値を計算するためには、角度情報に変換する必要がある。

後述する実際の座標計算では、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。

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。

図１９は、画素番号に対するtanθ値をプロットしたものである。このデータに対して近似式を求め、その近似式を用いて画素番号、tanθ変換を行う。

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次数などは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。

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、出荷時などにこのデータを不揮発性メモリなどに記憶しておけばよい。

今５次多項式の係数をL5,L4,L3,L2,L1,L0としたとき、
tanθは
tanθ ＝ (L5 *Npr + L4) *Npr + L3) *Npr + L2) *Npr + L1) *Npr + L0 (7)
であらわす事ができる。

同様なことを各々のセンサに対して行えば、それぞれの角度データを決定できる。

もちろん、上記例ではtanθを求めているが、角度そのものを求め、その後tanθを求めても構わない。

＜座標計算方法の説明＞
得られた角度データから座標を算出する。

図１７が画面座標との位置関係を示す図である。

入力範囲の下辺左右にそれぞれのセンサユニットが取り付けられており、その間の距離はDsであらわされている。

画面中央が画面の原点位置であり、P0は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θL、θRとして、それぞれtanθL,tanθRを上記多項式を用いて算出する。

このとき点Pのｘ、ｙ座標は
x = Ds * (tanθL+ tanθR) / (1+( tanθL * tanθR) ) (8)
y = - Ds * (tanθR tanθL (2* tanθL* tanθR)) / (1+( tanθL * tanθR))+P0Y (9)
で計算される。

以上で、プロキシミティ時（ペンダウン時も含む）の入力点に対応する画素番号そしてそれに対応する角度計算、そして座標計算について説明したが、次に本発明のペンアップ・ダウン検出に関して説明する。指示具６の指示具先端部材６−４が座標入力面５と接触していない場合つまりペンアップの状態では、図１４−１のような光量分布であるが、接触して指示具６の先端部が前述の様に再帰反射特性を発揮した場合には、図１４−２の様に、指示具６の遮光部分Cの中に再帰反射光Dの光量分布が発生することになる。ここで、上記一定の閾値Vthrに対して、まず指示具６の遮光部分Cに関して立上がり部分aで越え、次に再帰反射光Dに関して立下りbで下回り、そしてcの立上がりで越え、最後に遮光部分Cに関して立下り部分dで下回る。この立上がり、立下りの数、画素番号はメモリに記憶しておく。一定の閾値との比較に於いて、立上がり、立下りがそれぞれ１個と判定した場合は上記再帰反射光Dの光量分布が無いと判断できるので、ペンアップと判定し、立上がり、立下りがそれぞれ２個と判定した場合は、再帰反射光Dの光量分布が発生していると判断できるのでペンダウン状態であると判定する。尚、更に望ましくは、前述の通り、ノイズの影響を避けるため、上記の立上がり、立下りを求めるのは、変化の比に対して行い、この比に対して閾値Vthrを適応して求める。座標算出は、いずれも最初の立上がりaと最後の立下りd（ペンアップ状態の場合は上記説明の立上がりと立下り２個のみ）に関して比計算で仮想画素を算出し、仮想中心画素を算出し、座標計算を行う。つまり、立上がりと立下りを予め記憶し区別してこれを用いることにより、指示具の遮光による光量変化と前記指示具の再帰反射特性の変化による光量変化の判別を行う。

図２１はデータ取得から座標計算までの工程を示したフローチャートである。

S101で、電源投入されると、演算制御回路などのポート設定、タイマ設定などさまざまな初期化が行われるS102。S103は立ち上げ時のみに行う不要電荷除去のための準備である。CCDなどの光電変換素子において、動作させていないときに不要な電荷が蓄積している場合があり、そのデータをそのままリファレンスデータとして用いると、検出不能になったり、誤検出の原因となる。それを避けるために、最初に照明無しで、複数回データの読み出しを行っている。S103ではその読み込み回数を設定しており、S10４で照明無しで、所定回数データを読み出すことで、不要電荷の除去を行っている。

S105は所定回数繰り返すための判断文である。

S106はリファレンスデータとしての照明無しでのデータの取り込みであり、上記Bas_dataに相当する。

ここで取り込んだデータは、メモリに記憶され、以降計算に用いられる。

これともう一つのリファレンスデータである、照明したときの初期光量分布に相当するデータRef_dataを取り込みS108,これもメモリーに記憶する。

このステップまでが、電源投入時の初期設定動作になり、次から通常の取り込み動作になる。S110で上記説明したように光量分布を取り込み、S111でRef_dataとの差分値で遮光部分の有無を判定する。無いと判定されたときには、S110にもどりまた取り込みを行う。

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

S112で遮光領域が有りと判定されたら、S11３で式（２）の処理により比を計算する。S112で遮光領域が有りと判定すれば、前述の様に実質的にプロキシミティ（近接入力）（更に後のステップでペンダウンと判定されればペンダウン状態）であるとの判定を意味する。従って、この段階以降で座標算出は開始され少なくともペンダウンがない場合でも算出座標値に基づくカーソル移動が発生することを意味する。得られた比に対して閾値で立ち上がり部、立下り部を決定し、その数をメモリに記憶するS114。次に（４）、（５）、（６）式で中心を計算する。この際、計算に用いるのは、前述の通り、最初の立上がり部と最後の立下り部であるS115。得られた中心値から近似多項式よりTanθを計算し、左右のセンサユニットでのTanθ値からｘ、ｙ座標を（８）、（９）式を用いて算出するS116。次に、S117にて指示具が座標入力面に接触したか否かの判定、つまり、ペンアップ・ダウンの判定を行う。上記閾値との比較に於いて立下り部と立下り部の数が１の場合は、ペンアップと判定し、この数が１より多い場合、つまり２の場合にはペンダウウンと判定する。これは、前述の通りマウスモードに於ける左ボタンスイッチに対応するペン（タッチ）ダウン状態か、マウスのボタンを押下せずにカーソルを移動させている状態の近接入力（プロキシミティ）状態かの判定を行っている。この結果にしたがって、ダウンフラグのセットS118あるいはリセットS119を行う。

座標値とダウン状態が決定されたので、そのデータをホストPCへ送信するS120。これは、USB、RS232などのシリアル通信で送っても良いし、任意のインタフェースで送ればよい。送られたPC側では、ドライバーがデータを解釈し、カーソルの移動、マウスボタン状態の変更などを座標値、フラグなどを参照して行うことで、PC画面の操作が可能になる。

S120の処理が終了したら、S110の動作に戻り、以降電源OFFまでこの処理を繰り返す事になる。

尚、上記実施例において、上記ビーズ層、反射層、中間変位層よりなる再帰反射特性部は、指示具先端部より一定の距離をおいた部位に構成され、一方その他の先端部は遮光部とすることにより、遮光による座標検出と再帰反射特性の変化によるペンアップ・ダウン検出を両立することができる。

（第二の実施例）
上記本発明の構成では、指示具６の先端部分に円錐反射部材を設けて投射光をこの部材でほぼ90°方向転換して、ビーズ層６−１、反射層６−２に投射し、座標入力面５からの接触による圧力は、指示具先端部材６−４を通じて中間変位層６−３に伝達される構造としたが、図２２に示すように、投射光が直接ビーズ層６−１、反射層６−２に投射し、さらに、座標入力面５からの接触による圧力は、座標入力面５に接触する構造のビーズ層６−１から中間変位層６−３に伝達される構造としても良い。この指示具６先端構造は、反射層６−２或いは、この反射層６−２の保持部材はは、不図示ではあるが、指示具６の側部筐体に固定され、この反射層６−２の外側に中間変位層６−３、その外側にビーズ層６−１が配置され、指示具６の先端部材を構成するビーズ層６−１が座標入力面５に接触した時の圧力により中間変位層6−3の厚みの減少し、不図示のストッパーにつきあたり、厚みがビーズと反射層の距離ｄになる位置、つまり、ちょうど前記ビーズ層６−１の焦点位置に前記反射層６−２が来る位置で停止する。この状態では、図２２で示すように、座標入力面５と略平行な投射手段からの光は、ビーズ層６−１で屈折して焦点位置にある反射層６−２で反射して、再びビーズ層６−１で屈折して、図の様に指示具６の先端部としてペン先形状のテーパーの斜面ではあるが、再帰反射特性を発生して、入射と同方向に反射し、座標入力面５と略平行になった光は上記検出手段で検出され光量増加が検知されペンアップ状態が検出される。指示具６が、座標入力板５に接触しない場合には、圧力が開放された中間変位層６−３は変位し、弾性により指示具の軸方向の厚みを増し、反射層６−２の位置がビーズ層の焦点距離から外れるので入射光は散乱して、再帰反射特性は発生せず、従って、上記検出手段では光量変化（増加）は検出されない。これにより、ペンアップ状態を検出する。この場合、遮光作用は十分に発揮され、座標検出に影響は及ぼさない。尚、ビーズ層６−１、中間変位層６−３、反射層６−２に関する基本的な材質、特性は、前記実施例と同様であるので省略する。本第２の実施例によると、再帰反射特性部が円錐反射部材等の中間部材を介さないので光量のロスを抑えることが出来、再帰反射特性部が座標入力面５に近いので、より必要とされる座標入力面５の周囲に設けられる反射手段３の幅を小さく出来き、装置全体に対する制限を減少できると共に、指示具６を手で持つ際に、握る指による影響を排除することができる。

更に、上記第２の実施例において、上記ビーズ層、反射層、中間変位層よりなる再帰反射特性部の面積を指示部先端部前面ではなく、一部のみで構成し、その他の先端部は遮光部としてもよい。

（第三の実施例）
上記実施例においては、図１４−２で示すような、指示具６の先端部の再帰反射特性による光量増加分布が検出された場合に、一つの閾値に対して、立上がり、立下りを検出し、座標算出とペンアップ・ダウン検出とを行ったが、先端部の再帰反射特性による光量増加分布領域は、遮光領域と変動挙動が異なることを考慮し、座標検出用の閾値とペンアップ・ダウン検出用の閾値とを異なる値で判定することとしても良い。例えば、大小２つの閾値を設定した場合、閾値が大きい方のみに関する立上がり、立下りは２点、閾値が小さい方に関する立上がり、立下りは４点、とすると、前記２点は、座標検出に関する検出画素、そして、この２点を除いた残り２点は再帰性反射光に関する検出画素で、これをもってペンダウンと判定するのに用いる、というようにしてもよい。

更に、遮光による検出光量分布、そして特に、再帰反射光に関する検出光量分布は、指示具とセンサユニットとの距離の影響が大きいことを考慮し、上記閾値をセンサユニットからの距離により変動させても良い。この距離は、座標値により求める。つまり、センサユニットに近い場合に、指示具の再帰反射光が大きくなるので閾値を大きく、この距離が遠くなるにつれて指示具の再帰反射光が小さくなるので閾値を小さくする。この様に、再帰反射光に対する閾値をセンサユニットからの距離に応じて変化させることにより、本発明に於いてより正確にペンアップ・ダウンの検出を行うことができる。

以上より、本発明は、単に指示具からの再帰反射特性変化による再帰反射光を検出するのみに目的があるのではなく、指示具による遮光による光分布変化による座標検出と再帰反射光を検出によるペンアップ・ダウン検出とを両立させることに本発明の特徴が存在する。

本発明に係る座標入力装置の概略構成、及び、指示具先端部構成 本発明に係る座標入力装置の概略構成、及び、指示具先端部構成 本発明に係る座標入力装置の概略構成、及び、指示具先端部構成 本発明に係る座標入力装置の概略構成、及び、指示具先端部構成 再帰反射面を有する反射手段の構成図 センサユニットにおける投光手段の構成例 センサユニットにおける検出手段を入力面に対して垂直方向から見た図 入力面と水平方向からの見たときの、上記投光手段と検出手段を重ねて、センサユニット１としたときの構成 再帰性反射テープが平坦に構成された場合の反射光量と反射角の関係 三角柱を並べた形の再帰反射部材 制御・演算ユニットのブロック図 制御信号のタイミングチャート 光量分布を示す図 指示具などで入力を行った、つまり、反射光を遮った場合、及び、更に再帰反射がある場合の光量分布 遮光状態を示す図 反射光量分布図 反射光量分布図 比計算を終わったあとの検出の例 画素番号に対するtanθ値をプロットした図 画面座標との位置関係を示す図 データ取得から座標計算までの工程を示したフローチャート 第２の実施例を示す図

符号の説明

１ センサユニット
２ 制御・演算ユニット
３ 反射手段（再帰性反射シート）
５ 座標入力領域
６ 指示具
６−１ ビーズ層
６−２ 反射層
６−３ 中間変位層
６−４ 指示具先端部材
６−５ 円錐反射部材

Claims (4)

1. 座標入力領域面の角部に複数の受光検出手段が設けられ、
   前記座標入力領域の周辺部に設けられ再帰的に入射光を反射する再帰反射手段と
   該再帰性反射手段に光を投影する投光手段と、
   指示した際の指示具等の遮光による該受光検出手段が検出した前記再帰反射手段で反射された前記投光手段からの光の光量変化から、指示具等が指示した方向を検出する角度検出手段を有し、導出した複数の角度情報に基づき、該指示具等が指示した座標入力領域面に於ける位置座標を算出する光学式座標入力装置であって、
   前記指示具は、前記座標入力面に接触することによる押圧で変位する先端部材と、
   ガラスまたは樹脂製の透明ビーズ単層及びこの透明ビーズ単層を固定するために充填された樹脂よりなるビーズ層と、反射層と、該ビーズ層と反射層の距離が上記指示具先端部の前記座標入力面との接触時には変位して該ビーズ層の焦点距離となり非接触時には該ビーズ層の焦点距離より大きくなるように変位する中間変位層と、を具え、
   上記指示具先端部材の前記座標入力面との接触時に、前記投光手段からの光がビーズ層、中間変位層、及び上記ビーズ層の焦点距離に配置された反射層、により再帰反射されることによる前記投光手段からの光の光量変化から、上記指示具の前記座標入力面への接触状態を検出する手段を有することを特徴とする座標入力装置。
2. 上記請求項１に於いて、上記投光手段からの光を上記ビーズ層等に入射し、更に、ビーズ層等からの再帰反射光を上記受光検出手段に投射する、光反射手段、或いは、屈折手段を有することを特徴とする座標入力装置。
3. 上記請求項１に於いて、上記ビーズ層が前記座標入力面と接触する先端部材を構成することを特徴とする座標入力装置。
4. 上記請求項１に於いて、前記指示具の遮光による光量変化と前記指示具の再帰反射特性の変化による光量変化の判別手段を有することを特徴とする座標入力装置。
   

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