JP2012212342A - 電子ペン及びこれを用いたプロジェクタシステム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で超音波のスクリーンからの反射波を低減する電子ペンを提供し、電子ペンの位置検出精度を向上するプロジェクタシステムを実現すること。
【解決手段】電子ペン２は、先端部にペン先２３を有する長軸状の筐体２０と、筐体のペン先２３より内側に設けられた超音波を発生する超音波送信部２２と、超音波送信部２２に隣接して設けられた赤外線を発生する赤外線送信部２１と、超音波送信部２２から発生された超音波のうちペン先２３側に向う成分を反射する超音波ガイド２４を備える。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、スクリーンに映像を投射するとともに電子ペンを用いたインタラクティブ操作が可能なプロジェクタシステムに関するものである。

近年、パソコンの映像をプロジェクタでスクリーン（ホワイトボード）に投射するとともに、付属の電子ペンなどを用いてスクリーン上に直接文字や図形の手書き入力が可能なインタラクティブ機能を搭載したプロジェクタシステムが発表されている。その際、スクリーン上の電子ペンの位置を検出するために各種の方式が用いられている。特許文献１には、電子ペンから赤外光と超音波を発生させ、プロジェクタには、電子ペンから発せられた赤外光と超音波を検出して電子ペンの位置を取得する信号処理器を搭載した構成が記載されている。この構成によれば、電子ペンの位置を検出するための特別の機能を持たないスクリーンでも使用できることになる。

また特許文献２には、電子ペンから発せられる超音波が反射物にあたって生じる反射波の発生を抑制するために、送信した超音波を受信する超音波受信部の方位を検出し、該超音波受信部の方位から離れた方位への超音波の送信を抑制する手段を電子ペン内に設けた構成が記載されている。

特開２００５−１１５８７０号公報 特開２００７−０５８４２５号公報

超音波を用いた位置検出方式では、電子ペンから発せられた赤外線と超音波を、赤外線センサと所定距離離れた２個の超音波受信器で検出して、赤外線を検知してから２個の超音波受信器が検出するまでの音波の到達時間から、三角測量の原理により電子ペンの位置を算出する。特許文献１の構成ではこの超音波受信器はプロジェクタに取付けられ、プロジェクタはスクリーンから所定距離離れた例えば天井に設置される。よって、超音波受信器には電子ペンから直線ルートで到達する超音波だけでなく、スクリーン等で反射された超音波が重畳して受信される。両者は到達距離が異なるので電子ペンの位置検出に誤差が生じ、インタラクティブ機能における描画性能が劣化する。

特許文献２の技術によれば、電子ペンが超音波受信器の方位を検出し、超音波受信器の方位から離れた方位への超音波の送信を抑制することで反射波の発生を抑制している。この構成では、電子ペンには、超音波受信器の方位を検出するための方位検出部や複数の超音波送信部のうち一部の超音波送信部からの超音波の送信を抑制する超音波抑制部を備える必要があり、電子ペンの構造が複雑になる。

本発明の目的は、簡単な構造で超音波のスクリーンからの反射波を低減する電子ペンを提供し、電子ペンの位置検出精度を向上するプロジェクタシステムを実現することである。

本発明の電子ペンは、先端部にペン先を有する長軸状の筐体と、前記筐体の前記ペン先より内側に設けられた超音波を発生する超音波送信部と、前記超音波送信部に隣接して設けられた赤外線を発生する赤外線送信部と、前記超音波送信部から発生された超音波のうち前記ペン先側に向う成分を反射する超音波ガイドを備える。

本願発明によれば、電子ペンから送信された超音波のスクリーンからの反射波を簡単な構造で低減することができる。これにより、インタラクティブ機能における描画性能に優れた低コストのプロジェクタシステムを実現できる。

本発明によるプロジェクタシステムの一実施例を示すシステム構成図。 本発明の電子ペンの第１の実施例を示す側面図。 超音波ガイドを示す図。 赤外線と超音波を用いたペン座標検出の原理を示す図。 超音波の反射波発生を説明する図（従来の電子ペン）。 超音波の反射波発生を説明する図（実施例１の電子ペン）。 本発明の電子ペンの第２の実施例を示す側面図。 本発明の電子ペンの第３の実施例を示す側面図。 電子ペンにポインティングデバイスを追加した例。 超音波マイクで得られる出力波形を示す図（従来の電子ペン）。 超音波マイクで得られる出力波形を示す図（実施例１の電子ペン）。 超音波マイクで得られる出力波形を示す図（実施例２の電子ペン）。 プロジェクタシステムの描画性能を示す図（従来の電子ペン）。 プロジェクタシステムの描画性能を示す図（実施例１の電子ペン）。 プロジェクタシステムの描画性能を示す図（実施例２の電子ペン）。

本発明は、電子ペンのペン先に超音波送信部を設け、前記超音波送信部から放射される超音波の音波強度が超音波マイクへの直視方向に指向性を持つようにするとともに、不要な反射波を防止するために、超音波の放射角を狭くする。以下の実施例においては、超音波ガイドにより、スクリーンに法線方向の垂直面の超音波の放射角を狭めるとともに、音波強度を高めるようにしている。以下に図面を用いて具体的に説明する。

図１は、本発明によるプロジェクタシステムの一実施例を示すシステム構成図である。
プロジェクタシステムは、プロジェクタ１と電子ペン２とパーソナルコンピュータ（以下、「パソコン」と略す）３とスクリーン４を備えて構成される。プロジェクタ１はパソコン３に接続され、パソコン３から供給される映像信号３１をもとにスクリーン４に映像を投射表示する。電子ペン２は、スクリーン４上で文字や図形などを手書き入力したりパソコン３に対するマウス操作を行うための入力デバイスである。電子ペン２は座標入力や操作信号のため赤外線５０と超音波５１，５２の信号を発生する。電子ペン２から発せられた赤外線と超音波の信号は、プロジェクタ１に取付けたペン座標検出部５が検出して、電子ペン２の位置（スクリーン４上の２次元座標、以下「ペン座標」と呼ぶ）を算出する。ペン座標検出部５には、赤外線信号５０を検出するための赤外線センサ１０と超音波信号５１，５２を検出する２個の超音波マイク（受信器）１１，１２を有する。２個の超音波マイク（受信器）１１，１２は、プロジェクタ１内に所定距離Ｓだけ離れた位置に設ける。算出したペン座標の情報はパソコン３へマウス信号３２として通知される。パソコン３は、受信したペン座標の情報（マウス信号３２）に基づき描画信号を生成し、プロジェクタ１を介してスクリーン４へ文字や図形を描画させる。

図２Ａと図２Ｂは、本発明の電子ペンの第１の実施例を示す図で、図２Ａは側面図、図２Ｂは電子ペンに取り付ける超音波ガイド２４（ペン先側から見た図）を示す。

電子ペン２は、先端部にペン先２３を有する長軸状の筐体２０と、ペン先２３の内側に隣接して赤外線送信部２１と超音波送信部２２とを有する。ペン先２３をスクリーン４等へ押し当てると、赤外線送信部２１から例えば波長９５０ｎｍの赤外線を、超音波送信部２２から例えば周波数４０ｋＨｚの超音波を発生し、これらは電子ペン２の周囲に同心状に放射される。

本実施例では、超音波送信部２２のペン先２３側に、超音波を反射する超音波ガイド２４を取り付けている（図２Ａでは超音波ガイド２４の断面を示す）。超音波ガイド２４は傘形状の透明な円板で、中心にはペン先２３を通すための取付穴２４ａが設けられている。超音波ガイド２４の材料としては例えばポリカーボネートが好適である。超音波ガイド２４により、超音波送信部２２から発せられた超音波のうち、ペン先側すなわちスクリーン４へ向う成分を反射し、超音波マイクへ１１，１２の直視方向に指向性を持つようにする。超音波ガイド２４として透明材料を用いるのは、赤外線送信部２１から発せられた赤外線が超音波ガイド２４により遮断されることなくプロジェクタ１の赤外線センサ１０に到達させるためであり、またユーザが文字や図形を手書き入力する際にペン先２３の位置を視認するのを妨げないためである。超音波ガイド２４の断面形状は中心から周辺に向い湾曲させた形状としたが、これは電子ペン２の姿勢すなわち軸方向がスクリーン４に直交する方向から多少傾いても、スクリーン４へ向う超音波成分を確実に反射させるためである。また超音波ガイド２４の周辺の一部に平坦部分２４ｂを設け、電子ペン２が転がることを防止している。

このように本実施例の電子ペン２では、先端部に超音波ガイド２４を取り付けるという簡単な構造で超音波の放射方向を規制できるので、低コストで実用性の高い電子ペンを提供する。

次に本実施例の電子ペン２及びプロジェクタシステムの動作を説明する。
図３は、赤外線と超音波を用いたペン座標検出の原理を示す図である。
電子ペン２のペン先２３をスクリーン４へ押し当てると、赤外線送信部２１から赤外線の基準パルスが、超音波送信部２２から超音波のバーストパルスが同時に発生して伝播する。プロジェクタ１に設けたペン座標検出部５の赤外線センサ１０と超音波マイク１１，１２は、伝播してきたこれらの赤外線と超音波を検出する。赤外線センサ１０は赤外線５０を検出して、符号１００で示す信号を出力する。超音波マイク１１，１２は超音波５１，５２を検出して、符号１１０，１２０で示す信号を出力する。赤外線５０は赤外線センサ１０に瞬時に到達するが、超音波５１，５２は赤外線５０より伝播速度が遅いため赤外線よりも遅れて超音波マイク１１，１２に到達する。そのとき超音波マイク１１，１２は距離Ｓだけ離れた異なる位置に配置しているので、遅延時間はそれぞれｔ１，ｔ２となる。

ペン座標検出部５はこの遅延時間ｔ１，ｔ２をもとに超音波マイク１１，１２から電子ペン２までの距離ｄ１，ｄ２を算出し、かつマイク間の距離Ｓとマイク１１，１２からスクリーン４までの距離（既知）を用いて、スクリーン４上の電子ペン２の座標（ペン座標）を算出する。電子ペン２からは赤外線パルス１００と超音波バーストパルス１１０，１２０とが一定の時間間隔（例えば１６ｍｓｅｃ間隔）で間欠的に送出されるので、算出したペン座標をつなぐことで文字や図形の手書き入力が可能となる。このような三角測量においては、マイク間の距離Ｓが大きいほどペン座標の算出精度が高くなる。よって、超音波マイク１１，１２はプロジェクタ１の投射面の両端位置に設けるのが好ましい。

図４Ａと図４Ｂは、超音波の反射波発生を説明する図である。図４Ａは比較のために従来の電子ペンを用いた場合、図４Ｂは本実施例の電子ペンを用いた場合を示す。

プロジェクタ１を天吊り状態に設置しスクリーン４に対し映像光４０を投射する。電子ペン２をスクリーン４へ押し当てると超音波送信部２２から超音波が発生し、プロジェクタ１に設けた超音波マイク１１（１２）に伝播する。図４Ａの従来構造の電子ペン２’の場合には、電子ペンから超音波マイク１１（１２）に直線ルートで到達する直接波５１（５２）だけでなく、一旦スクリーン４で反射して到達する不要な反射波５１’（５２’）が存在する。そのため超音波マイク１１（１２）は２つの波を受信し、出力信号１１０（１２０）の波形が乱れるとともに、検出する遅延時間ｔ１（ｔ２）に誤差が生じることになる。

これに対し図４Ｂの本実施例の電子ペン２の場合には、電子ペン２には超音波ガイド２４を設けている。超音波送信部２２から発せられた超音波のうち、ペン先側すなわちスクリーン４へ向う成分は超音波ガイド２４により反射される。その結果、電子ペン２から超音波マイク１１（１２）に到達する波は、直線ルートで到達する直接波５１（５２）のみとなる。あるいは不要な反射波５１’（５２’）が存在しても大幅に低減される。これにより出力信号１１０（１２０）の波形は本来の直接波５１（５２）のみに基づくものとなり、遅延時間ｔ１（ｔ２）の検出精度が向上する。

図５は、本発明の電子ペンの第２の実施例を示す側面図である。
本実施例の電子ペン２は、超音波送信部２２を挟んで軸方向に対向する２枚の超音波ガイド２４，２５を取り付けた構成としている（図５では超音波ガイド２４，２５の断面を示す）。ペン先２３側の超音波ガイド２４（第１のガイド）は実施例１（図２）の形状と同様である。これに対向する赤外線送信部２１側の超音波ガイド２５（第２のガイド）も傘形状の透明な円板で、中心には超音波送信部２２を通すための取付穴を有する。第２のガイド２５の断面形状は第１のガイド２４とは逆方向に湾曲させ、両者に挟まれた空間をホーン形状としている。

本実施例の電子ペン２によれば、第１のガイド２４は超音波送信部２２から発せられた超音波のうち、ペン先側へ向う成分を反射する。一方第２のガイド２５は、超音波送信部２２から発せられた超音波のうち、筐体２０側へ向う成分を反射する。これにより、スクリーン４で反射される反射波をなくす（低減する）だけでなく、超音波送信部２２から発する超音波の放射角を狭くする。すなわち、超音波マイク１１（１２）への指向性を改善し、超音波マイクに直線ルートで到達する直接波５１（５２）の強度を高める効果がある

図６は、本発明の電子ペンの第３の実施例を示す側面図である。
本実施例の電子ペン２は、超音波送信部２２を挟んで軸方向に対向する２枚の超音波ガイド２４，２５を電子ペン２に内蔵した構成としている。すなわち、実施例２（図５）における２枚の超音波ガイド２４，２５を、それらの周辺部が筐体２０の外周からはみ出さないように埋め込んだ構造としている。２枚の超音波ガイド２４，２５の断面形状は互いに逆方向に湾曲させ、両者に挟まれた空間をホーン形状としている。超音波送信部２２から発せられた超音波は、２枚の超音波ガイド２４，２５に挟まれた空洞から外部へ伝播する。なお、本実施例における超音波ガイド２４，２５は、不透明な材質でも構わない。

本実施例の電子ペン２によれば、実施例２と同様に、スクリーン４で反射される反射波をなくす（低減する）とともに、超音波送信部２２から発する超音波の指向性を改善する効果がある。さらに、超音波ガイド２４，２５が筐体の外周からはみ出していないので、ユーザが文字や図形を手書き入力する際にペン先２３の位置を視認するのを何ら妨げることがなく、電子ペン２の使い勝手が向上する。

以上の各実施例１〜３において、以下の変形が可能である。
実施例１〜３では、超音波ガイドにより超音波を反射して指向性を持たせるとともに、音波強度を高める構成とした。他の方法として、超音波ガイドの表面に超音波を吸収する吸音材を設け、不要な方向に放射された超音波を吸収する構成としても良い。

図７は、電子ペンにポインティングデバイスを追加した例を示す図である。ここでは実施例１（図２）の電子ペン２の後端部に、ポインティングデバイス２６を組み込んだ構造としている。他の実施例でも同様である。ポインティングデバイス２６は、パソコン３に対する多様な入力操作を行うもので、従来のマウスやトラックボールに相当する。具体的には、電子ペンでの手書き入力の際、消しゴムや、ペンの太さやペンの色の選択などの機能を持たせることで、インタラクティブ操作がより充実するものとなる。ポインティングデバイス２６からの入力操作は、赤外線送信部２１や超音波送信部２２から赤外線や超音波の信号となってプロジェクタ１に送信される。その場合にも、超音波ガイド２４を取り付けた電子ペン２を用いることで、操作時の誤動作をなくすことができる。

次に、上記実施例の電子ペンの効果を具体的に示す。
図８Ａ〜図８Ｃは、本実施例の効果を超音波マイクで得られる出力波形で確認したもので、図８Ａは従来構造の電子ペンの場合、図８Ｂは実施例１の電子ペンの場合、図８Ｃは実施例２の電子ペンの場合を比較している。試験方法は、スクリーン４内の上部位置に電子ペン２を押し当てて超音波（バーストパルス）を送信し、プロジェクタ１内の超音波マイク１１，１２でこれを受信した時の各超音波マイク１１，１２から得られる出力波形を示す。

従来構造の電子ペン（超音波ガイドなし）の場合には、直接波とみられる主信号の後に、反射波とみられる副信号が続いている（図８Ａ）。これに対して実施例１の電子ペン（超音波ガイド１枚）の場合には、反射波による副信号が低減している（図８Ｂ）。さらに実施例２（超音波ガイド２枚）の場合には、反射波による副信号が低減するとともに、直接波による主信号のレベルが増大している。

図９Ａ〜図９Ｃは、本実施例の効果をプロジェクタシステムの描画性能で確認したもので、図９Ａは従来構造の電子ペンの場合、図９Ｂは実施例１の電子ペンの場合、図９Ｃは実施例２の電子ペンの場合を比較している。試験方法は、スクリーン４内を電子ペン２にて縦線及び横線からなるテスト図形を書いたときの、スクリーン４に描画された図形を示す。

従来構造の電子ペン（超音波ガイドなし）の場合には、図形の途中部分（線の一部）が欠落し、他の位置に誤って描画される現象（誤描写）が多数みられる（移動先を矢印で示す）（図９Ａ）。これに対して実施例１の電子ペン（超音波ガイド１枚）の場合には、誤描写が少なくなり（図９Ｂ）、実施例２（超音波ガイド２枚）の場合には、誤描写はほとんど見られない（図９Ｃ）。

以上のように、本実施例の電子ペンを用いることで、電子ペンの位置検出精度が向上し、インタラクティブ機能における描画性能に優れたプロジェクタシステムを実現できる。また、本実施例の電子ペンは、簡単な構造で超音波の伝播方向を規制できるので、低コストのプロジェクタシステムを実現できる。

１…プロジェクタ、
２…電子ペン、
３…パーソナルコンピュータ（パソコン）、
４…スクリーン、
５…ペン座標検出部、
１０…赤外線センサ、
１１，１２…超音波マイク、
２０…電子ペンの筐体、
２１…赤外線送信部、
２２…超音波送信部、
２３…ペン先、
２４，２５…超音波ガイド、
２６…ポインティングデバイス。

Claims (7)

1. 先端部にペン先を有する長軸状の筐体と、
   前記筐体の前記ペン先より内側に設けられた超音波を発生する超音波送信部と、
   前記超音波送信部に隣接して設けられた赤外線を発生する赤外線送信部と、
   前記超音波送信部から発生された超音波のうち前記ペン先側に向う成分を反射する超音波ガイドを備えたことを特徴とする電子ペン。
2. 請求項１に記載の電子ペンにおいて、
   前記超音波ガイドは、前記超音波送信部の前記ペン先側に傘形状の円板を取付けたものであることを特徴とする電子ペン。
3. 請求項１に記載の電子ペンにおいて、
   前記超音波ガイドは、前記超音波送信部を挟んで軸方向に対向する２枚の傘形状の円板を取付けたものであることを特徴とする電子ペン。
4. 請求項２または３に記載の電子ペンにおいて、
   前記超音波ガイドは、前記筐体の外周面内に内蔵されていることを特徴とする電子ペン。
5. 請求項２または３に記載の電子ペンにおいて、
   前記超音波ガイドは、透明材料で形成されていることを特徴とする電子ペン。
6. パーソナルコンピュータに接続して該パーソナルコンピュータの映像をプロジェクタからスクリーンに投射するプロジェクタシステムであって、
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電子ペンと、
   前記プロジェクタに取り付けられ、前記電子ペンから送信された赤外線と超音波を赤外線センサと２個の超音波マイクで検出し、該検出信号から前記電子ペンの前記スクリーン上の座標を算出するペン座標検出部と、を含み、
   前記電子ペンの前記スクリーン上の座標を前記パーソナルコンピュータに通知することを特徴とするプロジェクタシステム。
7. 請求項６に記載のプロジェクタシステムにおいて、
   前記ペン座標検出部に設ける前記２個の超音波マイクは、前記プロジェクタの投射面の両端に配置することを特徴とするプロジェクタシステム。

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