JP3053476B2

JP3053476B2 - 位置測定装置

Info

Publication number: JP3053476B2
Application number: JP31493591A
Authority: JP
Inventors: 保二小川
Original assignee: Wacom Co Ltd
Current assignee: Wacom Co Ltd
Priority date: 1991-11-28
Filing date: 1991-11-28
Publication date: 2000-06-19
Anticipated expiration: 2015-06-19
Also published as: JPH05149713A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学的手段を使用して
位置指示手段により指示された位置を測定する位置測定
装置に関し、特に、位置を規定するパターン光を時間的
に変位させることにより位置測定を可能にした座標入力
装置等に使用される位置測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の位置測定装置には、例え
ばＰＳＤ位置測定装置、光ディジタイザ、走査方向識別
装置等、数多くの装置が提供されている。

【０００３】このＰＳＤ位置測定装置は、発光素子を持
つ位置指示器を測定位置におき、この位置指示器の発光
素子からの光を受光して位置を測定するものである。か
かるＰＳＤ位置測定装置としては、例えば、「ポジショ
ンセンサ」（Ｃ２３９９；浜松ホトニクス株式会社製）
が市販されている。

【０００４】また、上記光ディジタイザは、測定したい
図形等が記載された記録媒体上に、蛍光塗料で一定のパ
ターンを描いた透明平板を載置し、この透明板上に位置
測定用カーソルを載置し、このカーソル内の投光手段か
ら光を上記平板に投光し、その反射光を前記カーソル内
の反射光検出手段で検出し、かつ前記カーソルを測定し
たい図形等に沿って移動させることにより当該図形等の
位置を測定するものである（特公平２−18722 号）。

【０００５】さらに、走査方向識別装置は、光吸収ゾー
ンと光反射ゾーン交互に両隣の帯幅を異ならせるととも
に所定数の帯幅を組にし、かつ帯幅を走査方向によって
異ならせて複数並列配置したパッドを設け、このパッド
に投光手段から光を投射し、その反射光を光検出器で検
出し、その検出信号から走査方向を特定するものである
（特開平３−209513号) 。

【０００６】

【発明が解決しようとする問題点】上述した従来のＰＳ
Ｄ位置測定装置は、ＰＳＤを非分割センサで構成してあ
り、そのＰＳＤの出力がアナログ信号であるので、測定
位置をデジタル表示するときや、コンピュータ・システ
ムに入力するときには、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）
変換器を使用する必要があり、部品点数が多く、かつ高
価になる。

【０００７】また、上記従来の光デジタイザは、測定す
る物体位置にパターンを載置しなければならず、かつパ
ターンも特殊な塗料を使用して作成しなければならず、
その装置を作成する上で特殊な部品を多く必要とし、か
つ組立工数がかかるとともに、使用方法も複雑な手順が
必要である。

【０００８】さらに、上述した走査方向識別装置は、そ
の走査する方向を識別するだけであり、位置の測定をす
ることができないものであった。

【０００９】本発明の目的は、上述した問題点を解消
し、特殊な部品を不要とし、パターン像を位置指示器の
可動領域に投影し、かつ変位させることで測定位置を算
出でき、測定する物体位置にパターンを載置する必要が
無い位置測定装置を提供することにある。

【００１０】

【問題点を解決するための手段】上記目的を達成するた
めに、本発明の位置測定装置は、位置指示手段で位置
入力系に指定した位置を光学的手段を使用して測定する
位置測定装置であって、該位置入力系中の位置を規定す
るパターン像を発生し、該位置指示手段に投影する投影
手段と、該投影手段から投影される前記パターン像を前
記位置指示手段において走査可能に変位させる手段と、
前記位置指示手段における前記パターン像から位置コー
ドを検出する光学的検出手段とを備えたことを特徴とす
る。

【００１１】また、本発明の位置測定装置は、位置指示
手段で位置入力面に指定した位置を光学的手段を使用し
て測定する位置測定装置であって、該位置入力面上の位
置を規定する直交するパターン像を発生し、該位置指示
手段に投影する投影手段と、該投影手段から投影される
前記パターン像を前記位置指示手段において走査可能に
変位させる手段と、前記位置指示手段における前記パタ
ーン像から位置コードを検出する光学的検出手段とを備
えたことを特徴とする。

【００１２】

【作用】位置を規定するパターン像を時間的に変位させ
て位置指示手段に投影し、そのパターン光の変位を光学
的検出手段で検出することにより得られる信号で当該位
置を特定する。

【００１３】また、位置を規定するパターン像をＸ，Ｙ
直交に配置し、これを４５度方向に駆動するレンズで位
置指示手段に投射し、そのパターン像の変位を光学的検
出手段で検出することによりＸ，Ｙ直交系の位置を得
る。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照して説明す
る。

【００１５】図１は、本発明の第一実施例の要部ブロッ
ク構成図を示す。

【００１６】図１に示す実施例は、位置入力系５中の位
置を規定するパターン像を時間的に変位させて位置指示
噐１に投影できるダイナミック・パターン投影器３と、
ダイナミック・パターン投影器３から位置入力系５に展
開されたダイナミック・パターン像光の前記位置指示器
１により指示された位置における変化を検出する光検出
手段７とを備えている。本第一実施例では光検出手段７
を前記位置指示器１に装着して設けている。また、前記
ダイナミック・パターン投影器３は、前記パターン像を
発生させるパターン投影手段３１、及び前記パターン像
の投影位置を時間的に変位させる手段（以下、「偏向手
段」と言う）３２からなる。

【００１７】このパターン投影手段３１は、面発光手段
３１１、パターンフィルム３１２、レンズ３１３からな
る。この面発光手段３１１は、図示しないがＬＥＤと集
光レンズ等で構成される。また、面発光手段３１１は、
この実施例では、ＬＥＤを発光手段として使用したが、
他の照明装置を使用して面状に光が出るようにすればよ
い。この面発光手段３１１の光の出射面には、パターン
・フィルム３１２が設けてある。このパターン３１２
は、後に詳細に説明するが、不透明なフィルム、ガラス
板等に絶対位置を定義する透明なスリットからなるパタ
ーンを設けている。前記面発光手段３１１からの光は、
パターン・フィルム３１２を透過して偏向手段３２に入
射される。

【００１８】上述した偏向手段３２は、駆動機構３２１
からなり、この実施例では、レンズ３１３を時間的に変
位させる（矢印の方向に移動させる）駆動機構３２１か
らなる。前記レンズ３１３は、パターン・フィルム３１
２からの光を位置入力系５に投光する。このレンズ３１
３は、図に矢印で示した横方向に移動可能（即ち、変位
可能）になっており、駆動機構３２１により時間的に変
位させられる。駆動機構３２１は、例えばスピーカの振
動コーン等、前後に機械変移を行う装置で構成すればよ
く、レンズ３１３を同一直線上で位置が変位するように
駆動できるものなら他のものでもよい。

【００１９】また、光検出手段７は、フォトダイオー
ド、フォトトランジスタ等の光センサで構成され、この
光検出手段７は、前記投光された光を受光し、その強度
に応じた電気信号として出力する。

【００２０】図２は、本発明の実施例で使用する前記位
置入力系中の位置を規定するパターンが描かれたパター
ン・フィルムの構成例を示す説明図である。

【００２１】図２において、パターン・フィルム３１２
は、不透明なフィルム状の板体にスリット状のパターン
３１５を、細い線３１５ａを“０”、太い線３１５ｂを
“１”としてデジタル符号化して描いたものである。太
さを同じくして透過度により差別化することとする他の
実施例も可能である。この“０”と“１”のパターン
は、データ伝送のフレーム同期信号等でよく使用される
Ｍ系列の並びである。Ｍ系列の特徴は、連続するＮビッ
トが全て異なる点にあり、（２^N−１）ビット長のビッ
トパターンになることが一般に知られている。図２で
は、説明を分かりやすくするために、Ｎ＝４としてパタ
ーン３１５を描いている。したがって、この場合、連続
する４（＝Ｎ）ビット符号は（２⁴−１）＝１５通りの
相異なるものが得られることになる。

【００２２】即ち、上記ビット系列の最初から順に連続
する４ビットをとると、（１１０１）、（１０１１）、
（０１１０）、（１１００）、（１００１）、（００１
０）、（０１０１）、（１０１０）、（０１００）、
（１０００）、（００００）、（０００１）、（００１
１）、（０１１１）及び（１１１０）のように１５通り
の相異なるビット符号が得られる。

【００２３】このように構成された第一実施例の動作を
図１及び図２をもとに、図３〜図５を参照しながら説明
する。

【００２４】図３は、本第一実施例におけるレンズの変
位と（図３ａ）と、このレンズの変位に対する光検出手
段７で検出される光強度の関係（図３ｂ）を示したもの
である。図３（ａ）は横軸に時間を、縦軸にレンズ変位
を、図３（ｂ）は横軸に時間を、縦軸に光強度をそれぞ
れ示している。

【００２５】面発光手段３１１からの光は、パターン・
フィルム３１２のスリット状のパタン３１５を通してレ
ンズ３１３に入射される。ここで、図１に矢印で示すよ
うにレンズ３１３が水平方向（図３（ａ）では垂直方
向）に時間に伴って変位されると、位置入力系５に投光
された当該パターン像の位置も時間的に変位する。位置
入力系５におけるパターン像が時間的に直線状に変化す
ると、光検出手段７はパターン像の一部を直線的に走査
するのと同一の光の強度変化を受けることになる。

【００２６】即ち、レンズ３１３が駆動機構３２１によ
り位置入力系５に対して水平方向に直線的に変化したと
すると（図３（ａ）参照）、投影パターン像も直線的に
変化する。このときに、点状の位置指示噐１即ち光検出
手段７の上を通過する光は、前記パターン３１５の
“０”と“１”に対応するパルス幅の変化（図３（ｂ）
参照）となって表れる。この実施例で使用するパターン
像は、上述の如く前記光の強度変化が位置座標コードと
なるものを使用しているから、光検出手段７の出力信号
のパルス列の中で、光検出手段７の変化の中心点に近い
Ｎ個（本実施例では４個）のパルス列が、その位置指示
器１即ち光検出手段７における点の位置座標コードであ
る。

【００２７】実際の例としては、Ｎ＝１２のＭ系列パタ
ーンを３５〔mm〕のスライド・フィルムとして作成し、
レンズ３１３の最大変位量を０．１〔mm〕とすれば、分
解能が読み取り範囲の全長に対して１／４０００程度と
なる１次元位置測定装置を作ることが可能である。すな
わち、読み取り範囲を２０センチメートルとした場合、
０．０５ミリメータの分解能を得られる。

【００２８】ここで、２次元の位置を測定する場合は、
本第一実施例のダイナミック・パターン投影器を２台使
用し、各々パターンの方向が直角となるように配置し、
面発光手段３１１の電源を時分割に切り換えることによ
り、２次元の位置を測定することができる。

【００２９】図４及び図５は、第一実施例が距離測定も
行うことができる原理を説明するための図である。図４
に示すように、レンズ３１３を実線から点線に示す位置
へ移動させたときに、図５に示すように、前記Ａ点と、
これとは距離の異なるＢ点の光の強度の変化が異なるこ
とがわかる。つまり、レンズ３１３に近いＡ点の方のパ
ルス間隔（図５（ａ）参照）方が、Ｂ点のパルス間隔
（図５（ｂ）参照）より狭くなる。したがって、図示垂
直方向の移動に応じてパルスの間隔が一義的に決定され
ることから、これらパルスの間隔を計測することによ
り、位置指示器までの距離を求めることができることに
なる。

【００３０】図６は、本発明の第二実施例の要部ブロッ
ク構成図である。

【００３１】図６に示す第二本実施例では、基本的に、
偏向手段３２が前記第一実施例と異なる。この偏向手段
３２は、駆動機構３２１によりパターン・フィルム３１
２を駆動するようにしている。また、本第二実施例では
位置指示器と光検出手段７とは異なる位置に配置され、
光検出手段７は位置指示器１からの反射光を検出する点
が異なる。

【００３２】ここで、第一実施例と同一構成要素と同一
部品には、同一の符号を付して説明を省略する。

【００３３】また、この第二実施例では、レンズ３１３
を通したパターン光をビームスプリッタ３４１を通過さ
せて位置入力系５に投影し、このパターン光を位置指示
器１に取りつけたコーナーキューブ７１で反射させて、
その反射光をレンズ３４２で集光して光検出手段７に導
入するようにしている。第一実施例では、光検出手段７
を位置指示器１側に備えていたため、検出データをコン
ピュータシステム等の上位システムに転送するために
は、位置指示器１とコンピュータ等をケーブルで接続す
るか、位置指示器１に電波等を発生する装置を組み込ん
で無線通信をするかによる必要があるが、第二実施例に
あっては光検出手段７を位置指示器１に設けずに、ダイ
ナミックパターン投影器３側に設けることとしたため、
位置指示器１がケーブルに接続されずに、かつ電子部品
を一切有しない構成となっている。

【００３４】この第二実施例は、上述の如くパターン・
フィルム３１２を駆動し、スリツト状のパターン３１５
のパターン像を時間的に水平方向に変位させ光検出手段
７に該パターンの一部を検出させ第一実施例と同様に位
置指示器で指定された位置を検出している。

【００３５】図７は、本発明の第三実施例の要部ブロッ
ク構成図を示す。

【００３６】本実施例は、直交する２つのパターン３１
２Ｘ，３１２Ｙを４５度の方向で直線的に変位すること
により、１つの駆動機構３２１でＸＹ直交系の２次元位
置を測定することができるようにした点に特徴がある。

【００３７】この第三実施例では、まず、パターン投影
手段３１は、光源である赤外発光ダイオード３１８Ｘ，
３１８Ｙと、レンズ３１４Ｘ，３１４Ｙと、ビームスプ
リッタ３１５とからなる。また、偏向手段３２は、レン
ズ３１３を駆動機構３２１により４５度の方向で駆動す
るようにしている。レンズ３１３からのパターン光は、
ビームスプリッタ３４１を介して位置指示器１に取りつ
けたコーナ・キューブ７１を含む位置入力系（位置入力
面）５に投影される。コーナ・キューブ７１で反射され
た光は、ビームスプリッタ３４１により、レンズ３４
２、赤外線透過フィルタ３４３を介して光検出手段７に
与えられるようになっている。

【００３８】赤外発光ダイオード３１８Ｘ，３１８Ｙ
は、制御装置９により発光される。制御装置９は、ダイ
オード駆動用発振器９１、切換器９２、駆動機構駆動用
発振器９３、バンドバスフィルタ９４、信号処理器９
５、制御信号発生器９６からなる。

【００３９】図８は、第三実施例で使用するレンズの駆
動機構３２１の詳細を示す説明図である。

【００４０】図９は、第三実施例による光検出手段７で
のパターン走査を示す説明図である。

【００４１】図８において、駆動機構３２１のスピーカ
の振動コーンは、レンズ３１３を直交するパターンＸ，
パターンＹを斜め４５度で位置駆動できるよう結合され
ている。該レンズ３１３は、駆動が容易になるようにク
ッション材３３２で固定されている。ここで、斜めの４
５度の位置で直線駆動を行うと、位置指示点では、例え
ば、Ｘ方向のパターン３１２Ｘが投影された時を考える
と、図９の矢印のようにパターン３１２Ｘに対しレンズ
が４５度で直線走査される。次に、Ｙ方向パターン３１
２Ｙが投影された時も同様に走査される。その結果、検
出されるパルスが９０度で走査した場合に比較して時間
軸上で（２）^1/2なり、引き延ばされるが、位置座標コ
ードの読み取りは可能である。

【００４２】図１０は、この第三実施例の動作タイミン
グチャートである。

【００４３】この第三実施例の特徴ある動作を図７乃至
図１０を参照して説明する。

【００４４】まず、駆動機構３２１が駆動機構駆動用発
振器９３により、図１０（ａ）に示すように正弦波で駆
動されると、図１０（ｂ），（ｃ）に示すように当該正
弦波の直線性が最もよい部分で、切換器９２により赤外
発光ダイオード３１８Ｘ，３１８Ｙを交互に点灯させ
る。また、赤外発光ダイオード３１８Ｘ，３１８Ｙの電
源は、４５５〔ｋHz〕の発振器９１により振幅変調され
ている。

【００４５】このような電源で駆動された赤外発光ダイ
オード３１８Ｘから発した光は、レンズ３１４Ｘで平行
光線になり、パターン・フィルム３１２Ｘを通してＸ方
向のパターン像光となる。また、同様に上述の電源で駆
動される赤外発光ダイオード３１８Ｙから発した光は、
レンズ３１４Ｙで平行光線になり、パターン・フィルム
３１２Ｙを通してＹ方向のパターン像光となる。これら
のパターン像光は、ビーム・スプリッタ３１５で同一範
囲の位置入力系５に一致するように合成され、駆動機構
３２１によって駆動されるレンズ３１３を通過し、位置
入力系５の被測定点にあるコーナ・キューブ７１に入射
される。この際に、レンズ３１３の駆動機構３２１は発
振器９３により４００〔Hz〕で正弦波駆動される。

【００４６】コーナ・キューブ７１より入射光と同一の
方向に反射された反射光は、ビーム・スプリッタ３４１
で入射光と分離されて、レンズ３４２で集光され、図１
０（ｄ）に示すように赤外透過フィルタ３４３を介して
光検出手段７で受光される。光検出手段７の前面の赤外
透過フィルタ３４３は、周囲光を除去するために、赤外
発光ダイオード３１８Ｘおよび３１８Ｙで発光される波
長のみを通過させて光検出手段７に入力される。

【００４７】また、赤外発光ダイオード３１８Ｘ，３１
８Ｙの電源は４５５〔ｋHz〕の発振器９１により振幅変
調されている。この為、光検出手段７の出力に４５５
〔ｋHz〕を中心周波数とするバンドパスフィルタ９４を
挿入して、周囲光の除去を行っうことにより、Ｓ／Ｎを
よくしている。

【００４８】このようにして光検出手段７で検出された
信号は、バンドパスフィルタ９４で処理されて信号処理
器９５により所定のパルスとされて出力コネクタ９７か
ら取り出すことができる。このパルスは、位置を表すパ
ルスビット列（位置座標コード）となっているので、こ
のパルスを計測することにより当該コーナ・キューブ７
１（即ち、位置指示器１）の位置を特定できる。

【００４９】この実施例では、ＸＹ平面の位置を測定す
ることができる他、測定点には単にコーナ・キューブ７
１を置くだけであり、測定が簡単になる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように本願発明は、位置指
示器で測定位置を指示する位置入力系中の位置座標コー
ドを表すダイナミック・パターン像光を使用し、このパ
ターン像光を該位置指示器において走査可能に時間的に
変位させ、このパターン像光の変位を光検出手段によっ
て検出することにより、位置指示器で指示された位置の
デジタル化座標コードが直接かつ連続して検出でき、高
い精度と分解能を持つ位置測定装置を極めて経済的に得
れることができる効果がある。

【００５１】また、本願発明によれば、ＸＹ方向に直交
させてパターン・フィルムを配置し、これらＸＹ方向に
直交させた位置指示器で測定位置を指示する位置入力系
中の位置座標コードを表すパターン像光を該位置指示器
において走査可能に時間的に変位させ、このパターン像
光の変位を光検出手段によって検出することにより、Ｘ
Ｙ直交平面の位置指示器で指示され位置のデジタル化座
標コードが直接かつ連続して検出でき、高い精度と分解
能を持つ位置測定装置を極めて経済的に得られ、更に、
パターン像を位置指示器の可動領域に投影し、かつ変位
させることで測定位置を算出できるので、測定する物体
位置にパターンを載置する必要が無い等の優れた効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例を示す構成図である。

【図２】同第一実施例で得られるパターンの例を説明す
るための図である。

【図３】同第一実施例で得られる信号の例を示す説明図
である。

【図４】同第一実施例が距離測定できる原理を説明する
ための図である。

【図５】同第一実施例が距離測定できる原理を説明する
ための波形図である。

【図６】本発明の第二実施例を示す構成図である。

【図７】本発明の第三実施例を示す構成図である。

【図８】同第三実施例で使用する駆動機構の説明図であ
る。

【図９】同第三実施例におけるレンズ駆動方向とパター
ンの関係の説明図である。

【図１０】同第三実施例で得られる信号を説明するため
のタイムチャートである。

【符号の説明】

１位置指示器３ダイナミック・パターン投影
器５位置入力系７光検出手段９制御装置３１パターン投影手段３２偏向手段７１コーナ・キューブ９１ダイオード駆動用発振器９２切換器９３駆動機構駆動用発振器９４バンドバスフィ
ルタ９５信号処理器９６制御信号発生器３１１
面発光手段３１２パターン・フィルム３１２Ｘパターン・
フィルム３１２Ｙパターン・フィルム３１４ビームスプ
リッタ３１５ビーム・スプリッタ３１８Ｘ赤外発光ダ
イオード３１８Ｙ赤外発光ダイオード３２１駆動機構
３３１レンズ３３２クッション材３４１
レンズ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】位置指示手段で位置入力面に指定した位
置を光学的手段を使用して測定する位置測定装置であっ
て、該位置入力面上の位置を規定する第１のパターン像を発
生し、該位置指示手段に投影する第１のパターン像発生
投影装置と、該位置入力面上の位置を規定する第１のパターン像と直
交する第２のパターン像を発生し、該位置指示手段に投
影する第２のパターン像発生投影装置と、前記第１及び第２のパターン像発生撮像装置を交互に切
り替える装置と、該第１および第２のパターン像発生投影手段から前記位
置指示手段に投影される前記第１パターン像及び第２の
パターン像を走査可能に変位させる手段と、前記位置指示手段における前記パターン像から位置コー
ドを検出する光学的検出手段と、を備えたことを特徴とする位置測定装置。
【請求項２】前記投影手段は、前記各々パターン像の各々のパターンを規定したパター
ンフィルムと、当該各々のパターンフィルムをそれぞれ照射する面発光
手段と、当該パターンフィルムにより規定された前記各々のパタ
ーン像を前記位置指示手段に投射するレンズと、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の位置測定装
置。
【請求項３】前記変位させる手段は、前記レンズを駆
動機構でＸＹ直交軸のいずれかの方向に対して４５度の
角度で駆動する様に構成されたことを特徴とする請求項
２に記載の位置測定装置。