JP3871524B2 - 座標入力装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，コンピュータシステムにおいて，画面上の位置を指定したり，手書き文字や図形などの軌跡を入力するための超音波を利用した座標入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータの画面上の位置を指定したり，手書き文字や図形などの軌跡を入力するための座標入力装置は，いろいろな原理を利用したものが提案されている。そのうち超音波利用の座標入力装置は，入力ペンから超音波を発生し，複数の受信器でその超音波を受信し，入力ペンから受信器までに要した超音波伝播時間と超音波速度とから複数の受信器と入力ペンとの間の距離を求め，入力ペンの座標を演算して，コンピュータに入力する。
【０００３】
このような超音波利用の座標入力装置は，抵抗膜方式や電磁誘導式のタッチパネルのように，入力面に特別の構成を設ける必要がなく，コンピュータの表示画面，机上の紙，黒板などの様々な入力面上から座標入力を行うことができる。
【０００４】
提案されている超音波利用の座標入力装置は，入力面上に少なくとも２個の受信器を設け，ある同期信号に同期して入力面内の入力ペンから送出される超音波を２個の受信器で受信し，それぞれの距離から入力面内の座標を求める。従って，入力面それぞれに２個の受信器を設ける必要がある。
【０００５】
また，例えば特開平９−１７９６８４号公報（１９９７年７月１１日公開）には，３個の超音波受信器を共通に設けて，入力ペンの三次元空間内の座標値を検出することで，複数の入力面からの入力をそれぞれ区別して座標入力することが記載されている。この超音波利用の座標入力装置は，任意の入力面からの座標入力を可能にする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，上記の超音波利用の座標入力装置は，三次元空間内に位置する複数の入力面からの入力を許可するために，３個の超音波受信器を必要とする。上記の従来例では，あらゆる入力面からの座標入力を可能にするために，３個の超音波受信器とそれぞれの受信波の伝播時間を検出する受信回路を設ける必要があり，コストアップを招いている。
【０００７】
本発明者が検討したところ，あらゆる入力面からの座標入力の要求は必ずしも多くなく，既設の黒板，既設の机の上，コンピュータの表示画面などある程度決められた入力面からの座標入力ができれば，需要を十分に満たすことができることが判明した。
【０００８】
そこで，本発明の目的は，２個の超音波受信器だけで複数の入力面からの座標入力を可能にする座標入力装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために，本発明の一つの側面は，超音波送出器を有する入力デバイスと，前記複数の入力面に直交しない方向に並べて配置され前記超音波送出器から送出された超音波を受信する２個の超音波受信器と，前記入力デバイスと超音波受信器との間の同期をとる同期手段と，前記２個の超音波受信器と前記複数の入力面との位置関係を設定する入力面設定部と，前記２個の超音波受信器により受信される超音波信号の前記入力デバイスからの伝播時間に従って入力デバイスと前記２個の超音波受信器までのそれぞれの距離を生成し，当該２つの距離にしたがって前記設定された複数の入力面の入力座標を生成する入力座標生成部とを有する座標入力装置である。
【００１０】
上記の発明によれば，２個の超音波受信器を複数の入力面に共通に設け，更に，複数の入力面を２個の超音波受信器を結ぶ線とは直交しない面に限定することで，十分実用に耐えられる座標入力装置を提供することができる。２個の超音波受信器を結ぶ線と入力面とが直交する場合，入力面内の入力デバイスから２個の超音波受信器までの距離が，複数通り存在することになり，入力デバイスの座標を特定することができなくなるからである。
【００１１】
更に，上記の発明では，２個の超音波受信器によって，入力面内の入力デバイスの座標を求めるために，２個の超音波受信器と前記複数の入力面との位置関係をあらかじめ初期設定する。この位置関係があらかじめ設定されれば，複数の入力面内の入力デバイスの位置を，入力デバイスから２つの超音波受信器までの距離により求めることができる。
【００１２】
好ましい実施例では，このような設定は，座標入力装置を使用する前に初期値設定として行われ，コンピュータのメモリ内に設定値として記録される。例えば，入力面を２次元座標面とし入力面に垂直な方向を第３の座標軸とする三次元座標を設定し，当該三次元座標系における２個の超音波受信器の座標値を，入力面毎に初期設定する。それぞれの入力面の三次元座標系における２個の超音波受信器の座標値が設定されることにより，その後の入力面内の入力デバイスの座標値が，入力デバイスと２個の超音波受信器との間の距離から求められる。
【００１３】
好ましい実施例では，２個の超音波受信器と入力面との距離が複数の入力面間で異なるように，複数の入力面の位置が設定される。そして，入力面の範囲をそれぞれの三次元座標系において初期設定しておくことで，入力デバイスの座標値が初期設定された入力面の範囲内か否かをチェックすることで，いずれの入力面からの座標入力かを検出することができる。
【００１４】
上記の目的を達成するために，本発明の別の側面は，複数の入力面からの座標入力を可能にする座標入力装置において，
超音波送出器を有する入力デバイスと，
前記複数の入力面に直交しない方向に並べて配置され，前記超音波送出器から送出された超音波を受信する２個の超音波受信器と，
前記入力デバイスと超音波受信器との間の同期をとる同期手段と，
前記２個の超音波受信器と前記複数の入力面との位置関係を設定する入力面設定部と，
前記２個の超音波受信器により受信される超音波信号の前記入力デバイスからの伝播時間に従って，前記入力デバイスから前記２個の超音波受信器までのそれぞれの距離を生成し，当該２つの距離にしたがって前記設定された複数の入力面内の入力座標を生成する入力座標生成部とを有することを特徴とする。
【００１５】
上記の発明において，より好ましい実施例では，前記入力面設定部は，前記入力面上に二次元座標（Ｘ，Ｙ）をとり当該入力面に直交する方向に第３の座標軸（Ｚ）をとった場合の三次元座標系における，前記２個の超音波受信器の座標値を，前記複数の入力面それぞれに対して設定し，
前記入力座標生成部は，前記２つの距離にしたがって，前記三次元座標系における前記入力デバイスの座標値を生成することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して本発明の実施の形態例を説明する。しかしながら，かかる実施の形態例が，本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１７】
図１は，本実施の形態例における２個の超音波受信器と複数の入力面との関係を示す図である。図１には，表示画面２を有するノート型のパーソナルコンピュータ１と，それに接続されるマウス３とが示される。そして，このコンピュータ１に対して，複数の入力面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３上で入力デバイス４を移動させると，それぞれの入力面内の座標がコンピュータ１に入力され，コンピュータの表示画面２内の所望の位置を入力したり入力デバイス４の軌跡を表示したりすることができる。
【００１８】
本実施の形態例における座標入力装置は，超音波送出器を有する入力デバイス４と，所定の箇所に取り付けられ超音波送出器から送出された超音波を受信する２個の超音波受信器Ｒ１，Ｒ２とを有する。入力デバイス４は，超音波送出器が設けられていれば良いが，例えば後述するペン型の入力デバイスが好ましい。
【００１９】
更に，超音波信号が送出されるタイミングを特定するために，同期手段が設けられる。例えば，入力デバイス４から赤外線が送出され，受信器Ｒ１，Ｒ２の近傍に設けた図示しない受光素子によりその同期タイミングが検出される。
【００２０】
入力デバイス４から送出された超音波信号は，受信器Ｒ１，Ｒ２に受信され，上記同期手段との時間差により入力デバイス４からそれぞれの受信器Ｒ１，Ｒ２までの距離Ｌａ，Ｌｂが求められる。この距離Ｌａ，Ｌｂから入力デバイス４の入力面内の位置が検出される。
【００２１】
本実施の形態例では，２個の超音波受信器を利用して，三次元空間内に配置される複数の入力面からの座標入力を可能にする。三次元空間内の入力デバイスの位置を検出するためには，原理的には３個の超音波受信器が必要である。本実施の形態例では，コスト削減の為に，入力面の位置に一定の制限を与えて，２個の超音波受信器により複数の入力面内の位置を検出できるようにする。
【００２２】
かかる一定の制限は，２個の超音波受信器を結ぶ線と入力面とが直交しないようにすることである。両者は，できるだけ９０度から離れた関係を持つことが好ましい。２個の超音波受信器を結ぶ線と入力面とが直交すると，入力面内の入力デバイスと２個の超音波受信器との距離の組合せから，入力面内の位置が一義的に特定されないからである。更に，一定の制限は，複数の入力面と２個の超音波受信器との位置関係が，あらかじめ設定されることである。例えば，入力面上に設定した三次元座標系における２個の超音波受信器の座標値が，初期設定される。或いは，別の例では，超音波受信器から入力面に下ろした垂線の長さが，あらかじめ設定される。若しくは，超音波受信器を原点とする座標系における入力面の位置が初期設定される。この初期設定値により，入力面内の入力デバイスの座標は，未知数が２個になり，２個の超音波受信器であってもその座標値を検出することが可能になる。
【００２３】
複数の入力面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３と２個の超音波受信器Ｒ１，Ｒ２との位置関係の初期設定について説明する。両者の位置関係を設定する方法は，（１）それぞれの入力面に対して入力面を二次元座標面とする三次元座標系を設定し，その三次元座標系における超音波受信器Ｒ１，Ｒ２の座標値を設定する，（２）超音波受信器Ｒ１，Ｒ２に対して三次元座標系を設定し，その三次元座標系における複数の入力面の座標値と傾きなどを設定する等が考えられる。むろん，任意の三次元座標系を設定して，その中における超音波受信器と入力面の位置を設定してもよい。
【００２４】
本実施の形態例では，上記の（１）の方法により両者の位置関係が設定される。第１に，入力面Ｓ１に対して，入力面Ｓ１上にＸ１，Ｙ１軸を，入力面Ｓ１に直交する方向にＺ１軸を設定し，この三次元座標系X1-Y1-Z1における超音波入力器Ｒ１，Ｒ２の座標値を初期設定する。
【００２５】
図２は，入力面と超音波受信器との位置関係の設定方法を説明する図である。上記の通り，入力面Ｓ１に対して，三次元座標系X1-Y1-Z1が設定される。これは，例えばオペレータが，入力面内にX1,Y1の座標軸を記入することにより行われる。そして，X1,Y1の二次元座標内の既知の３点，例えば，原点P10（0,0,0)，X1軸上の点P11（x11,0,0)，Y1軸上の点P12(0,y11,0)から，入力デバイスにより超音波を発信し，図示されるとおり，それぞれの点P10,P11,P12と超音波受信器R1,R2との距離La10,Lb10，La11,Lb11，La12,Lb12を求める。
【００２６】
そこで，超音波受信器R1,R2の未知の座標値を，R1（xa1,ya1,za1)，R2（xb1,yb1,zb1)とすると，
点P10と受信器R1,R2との距離La10,Lb10に対して，
xa12＋ya12＋za12＝La102 （１）
xb12＋yb12＋zb12＝Lb102 （２）
点P11と受信器R1,R2との距離La11,Lb11に対して，
（x11−xa1）2＋ya12＋za12＝La112 （３）
（x11−xb1）2＋yb12＋zb12＝Lb112 （４）
点P12と受信器R1,R2との距離La12,Lb12に対して，
xa12＋（y11−ya1）2＋za12＝La122 （５）
xb12＋（y11−yb1）2＋zb12＝Lb122 （６）
となり，６個の未知数，R1（xa1,ya1,za1)，R2（xb1,yb1,zb1)は，上記（１）〜（６）の６式の連立方程式から解くことができる。
【００２７】
図１の入力面Ｓ２，Ｓ３と超音波受信器R1,R2との関係も，同様にして求めることができる。そして，各入力面に対する超音波受信器の座標値が，初期値として設定され，後述する座標入力制御部により記憶される。
【００２８】
図１に戻り，それぞれの入力面の座標系における超音波受信器の座標値
R1（xa1,ya1,za1)，R2（xb1,yb1,zb1)
R1（xa2,ya2,za2)，R2（xb2,yb2,zb2)
R1（xa3,ya3,za3)，R2（xb3,yb3,zb3)
が初期設定された状態で，入力面Ｓ１上の任意の位置P1（x1,y1,0）から入力デバイスが超音波を発信して座標入力を行うと，２個の超音波受信器R1,R2までの距離La1,Lb1がそれぞれ検出される。その結果，次の式が成り立つ。
【００２９】
（x1−xa1）2＋（y1―ya1）2＋za12＝La12 （７）
（x1−xb1）2＋（y1―yb1）2＋zb12＝Lb12 （８）
この連立方程式を解くことで，入力座標値P1（x1,y1,0）が求められる。入力面Ｓ２，Ｓ３上での入力座標も，同様にして求めることができる。
【００３０】
本実施の形態例では，どの複数の入力面から座標値を入力しても自動的に検出できるようにするために，入力面と超音波受信器との距離が，お互いに重なり合わない範囲に，各入力面の位置を制限する。即ち，初期設定の段階で，入力面の領域範囲がそれぞれ入力デバイスにより設定される。
【００３１】
図２に示される通り，初期設定において，Ｘ，Ｙ座標の最小となる入力点P13と，最大となる入力点P14とから，入力デバイスにより座標入力が行われる。上記の通り，点P13からの超音波発信により点P13の座標値（x13,y13,0）が求められ，同様に点P14からの超音波発信により点P14の座標値（x14,y14,0)が求められる。これらの２つの座標値を初期設定しておくことにより，入力面Ｓ１上での入力座標値（x1,y1,0）を求めたとき，次の関係が満たされるとき，入力面Ｓ１からの座標入力であると判定することができる。
【００３２】
x13＜x1＜x14 （９）
y13＜y1＜y14 （１０）
上記の判定方法を利用するためには，入力面と超音波受信器との距離が，お互いに重なり合わない範囲に，各入力面の位置を制限する。即ち，入力面Ｓ２，Ｓ３を２個の超音波受信器R1,R2を結ぶ線を中心に回転して入力面Ｓ１のX1−Y1の二次元座標面上に投影した領域Ｓ２’，Ｓ３’が，入力面Ｓ１の領域と重ならないように制限する。
【００３３】
そうすることにより，任意の入力面からの座標入力が行われた時，上記（９）（１０）の関係が満たされた場合は，入力面Ｓ１からの座標入力であると判定することができる。前記投影した領域Ｓ２’，Ｓ３’が入力面Ｓ１の領域と重なる場合は，上記（９）（１０）が満たされる場合でも，入力面Ｓ２，Ｓ３からの入力された可能性もある。従って，初期設定の段階で，各入力面の座標値の最小点と最大点の座標入力が行われた時に，上記領域の重なりが判定され，重なる場合は何らかの警告が出力されることが好ましい。尚，入力範囲が矩形でない場合も，矩形の集合として同じように考えれば良い。但し，入力デバイスからの座標入力のたびに，どの入力面からの入力かを座標入力装置に与えるようにするのであれば，上記の領域の重なりを禁止する必要はない。
【００３４】
以上，本実施の形態例の初期設定をまとめると，２個の超音波受信器が所定の位置に設置され，それらを結ぶ線と直交しない方向に複数の入力面が設置される。そして，オペレータは，それぞれの入力面から既知の３点から入力デバイスにより超音波を発信し，入力面の三次元座標系における２個の超音波受信器の座標値が求められ，初期設定される。次に，各入力面における座標の最小点と最大点の座標入力を行い，入力面の領域を初期設定する。この時，領域が重ならないように適宜警報が出力され，オペレータはそれに応答して，入力面の位置を変更する。上記初期設定が終了後，オペレータは各入力面上で，座標入力を行う。座標入力装置は，入力デバイスと２個の超音波受信器との距離から，入力面の二次元座標を求める。そして，求めた二次元座標値が初期設定された入力面の領域範囲か否かをチェックし，どの入力面からの入力かを自動判別する。
【００３５】
図３は，本実施の形態例におけるより簡略化された入力面の例を示す図である。この例は，部屋の中の２つの壁上（垂直面）に入力面Ｓ１，Ｓ２が，１つの机上（水平面）に入力面Ｓ３が設置される。そして，２個の超音波受信器R1,R2は，それらを結ぶ線が入力面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３のいずれとも直交することが禁止されるので，図３の例では，受信器R1,R2は，第１の入力面Ｓ１上であって，垂直線に対して４５度の角度上に並ぶように設置される。受信器を結ぶ線と入力面とのなす角度が９０度から離れるほど，高精度に入力面内の位置を検出することができる。
【００３６】
更に，理解を容易にするために，入力面Ｓ１の三次元座標X1,Y1,Z1を，受信器Ｒ１を原点とし入力面Ｓ１をX1,Y1軸とするように設定し，入力面Ｓ２の三次元座標X2,Y2,Z2は，受信器Ｒ１から入力面Ｓ２に垂線を下ろした点を原点とし入力面Ｓ２をX2,Y2軸とするように設定し，更に，入力面Ｓ３の三次元座標X3,Y3,Z3は，受信器Ｒ１から入力面Ｓ３に垂線を下ろした点を原点とし入力面Ｓ２をX3,Y3軸とするように設定する。それぞれのＺ軸は，入力面に垂直になる。
【００３７】
このように各入力面の三次元座標軸が設定されると，入力面Ｓ１の三次元座標X1,Y1,Z1における受信器R1,R2の座標値は，
R1（0，0，0），R2（ｅ，−ｅ，0）
になる。また，受信器Ｒ１から第２の入力面Ｓ２までの垂線の長さをｇとすると，入力面Ｓ２の三次元座標X2,Y2,Z2における受信器R1,R2の座標値は，
R1（0，0，−ｇ），R2（０，−ｅ，−ｇ−ｅ）
になる。更に，受信器Ｒ１から第３の入力面Ｓ３までの垂線の長さをｈとすると，入力面Ｓ３の三次元座標X3,Y3,Z3における受信器R1,R2の座標値は，
R1（0，0，ｈ），R2（ｅ，0，ｈ−ｅ）
になる。これらの位置関係を示す受信器の座標値は，初期値として記録される。
【００３８】
上記の受信器の座標値は，図２で説明した通り，それぞれの入力面内の既知の３点から超音波を発信することにより，求められる。或いは，予め長さｅ，ｇ，ｈが分かっている場合は，直接座標値を入力することも可能である。
【００３９】
そして，第１の入力面Ｓ１内の入力座標P1（x1,y1,0）は，２個の超音波受信器R1,R2までの距離をLa1,Lb1とすると，前述の（７）（８）式と同様に，
x12＋y12＝La12
（x1−ｅ）2＋（y1＋ｅ）2＝Lb12
となり，この連立方程式を解くことで，入力座標P1（x1,y1,0）が求められる。
【００４０】
同様に，第２の入力面Ｓ２内の入力座標P2（x2,y2,0)は，２個の超音波受信器R1,R2までの距離をLa2,Lb2とすると，前述の（７）（８）式と同様に，
x22＋y22＋ｇ2＝La22
x22＋（y2＋ｅ）2＋（ｇ＋ｅ）2＝Lb22
となり，この連立方程式を解くことで，入力座標P2（x2,y2,0）が求められる。
【００４１】
同様に，第３の入力面Ｓ３内の入力座標P3（x3,y3,0)は，２個の超音波受信器R1,R2までの距離をLa3,Lb3とすると，前述の（７）（８）式と同様に，
x32＋y32＋ｈ2＝La32
（x3−ｅ）2＋y32＋（ｈ−ｅ）2＝Lb32
となり，この連立方程式を解くことで，入力座標P3（x3,y3,0）が求められる。
【００４２】
図３の例の場合も，入力面Ｓ１の領域と，直線Ｒ１−Ｒ２を中心にして入力面Ｓ２，Ｓ３を回転して，入力面Ｓ１上に投影した面Ｓ２’，Ｓ３’（図示せず）の領域とが，お互いに重なり合わないように各入力面を設置することで，いずれの入力面からの座標入力かを自動認識することができる。
【００４３】
図４は，入力デバイス４の構成例を示す図である。図４（Ａ）に示された入力デバイスは，ペン構成の入力デバイスである。ペン内にはペン先端に出し入れ可能なボールペン芯１６が設けられ，筆記時におけるボールペン芯１６と筆記面との接触を検出するための感圧スイッチ１９が設けられる。ペンの先端にはさらに，円筒状の超音波発信器１７と赤外線LED１８が設けられる。円筒状の超音波発信器１７は，例えばポリフッ化ビニリデン製の円筒状の圧電フィルムからなり，円筒形であるため，３６０度の指向性を持たせることができ，ペンが回転しても超音波が全方位に同じように発信して超音波受信器に届くことができる。赤外線LED１８は，指向性180度のものを対角線上に2個配置し，やはりペンが回転しても赤外線が同じように受信器近傍に設けた図示しないフォトディテクタＰＤに届くようになっている。さらに，駆動回路２０と，充電電池２１と，コンピュータの図示しないホルダにある時にホルダ側電極と接触して充電電池に充電できる電極と，ホルダにある時に超音波を発生する信号をコンピュータからから送出する信号を伝える電極が付いている。ホルダについては，後述する。
【００４４】
図４（Ｂ）には，ペン型の入力デバイスの内部ブロック図が示される。ボールペン芯１６と筆記面との接触，または，後述する芯が中に入っている時のペン先と筆記面との接触を検知する接触検知スイッチ１９により接触が検知されると，タイマ２３により生成される一定周期で，LED駆動回路２４と超音波駆動回路２５がそれぞれ活性化され，赤外線LED１８から赤外線が，超音波発信器１７から超音波パルスがそれぞれ送出される。この送出の周期は，人間の手によるペンの動きが安定的に検出できる程度の時間であり，例えば周波数100Hz程度に設定されている。さらに，後述する通り，ホルダ接触電極２２経由でコンピュータ側からの信号で超音波パルスを発生することもできる。
【００４５】
上記の赤外線LED１８と，超音波受信器近傍に設けられた赤外線受信器ＰＤとで，超音波送出の同期手段を構成する。赤外線の受信時と超音波受信時との時間差が，ペン型の入力デバイスと超音波受信器との間の超音波伝播時間に該当する。
【００４６】
図５は，ペン型入力デバイスのボールペン芯の出し入れ機構を示す図である。ペンの横に設けられた切換レバー２７をスライドさせることで，ボールペン芯１６をペン先から出し入れすることができる。接触検出スイッチ１９，２６は，ボールペン芯の根元とペン先に付いている。芯１６が出ている状態(a)では，芯の根元のスイッチ１９により芯と筆記面との接触を検知する。芯が入っている状態(b)では，スイッチ２６によりペン先と筆記面との接触を検知する。ボールペン芯により実際の図面を描くことができる入力面では，ボールペン芯が先端部に突出し，描画できない入力面では，その面が汚れてしまうため芯を中に入れて使用する。
【００４７】
図６は，コンピュータに内蔵されたもしくは超音波受信器Ｒ１，Ｒ２と一体に配置された超音波受信部のブロック図である。また，図７は，超音波受信部でのタイミングチャート図である。超音波受信器Ｒ１，Ｒ２は，ペン型入力デバイスからの超音波パルスSA1,SA2を，赤外線受光素子PDは赤外線パルスIRをそれぞれ検出する。ペン型入力デバイスからの超音波パルスSA1,SA2は，超音波受信器Ｒ１，Ｒ２で検出後，入力アンプ３２で増幅される。
【００４８】
受信された超音波受信波は，図７に示されるような波形となる。そこで，コンパレータ３３で適当な閾値rt1よりも大きいかどうかが検出され，受信波が閾値rt1を越えるタイミングでフリップフロップ３４がONされる。さらに，零クロスコンパレータ３５で受信波のゼロクロスが検出され，フリップフロップ３４とゼロクロスコンパレータ３５の出力の論理積３６により，受信波が閾値rt1を越えた次の零クロス位置が検出される。この時刻が，超音波パルスの到達時刻となる。そこで，赤外線同期信号ＩＲの受信時刻から超音波パルスの到達までの超音波伝搬時間T1が，タイマ３７により検出される。 受信器Ｒ２に関しても同様に伝搬時間T2が検出される。
【００４９】
これらの伝播時間T1,T2は，後述する座標入力制御部４０に供給される。そして，座標入力制御部４０は，超音波伝搬時間T1,T2から入力座標を求める。
【００５０】
図８は，座標入力制御部の構成図である。座標入力制御部４０は，前述の受信部３０が生成した超音波伝播時間T1,T2から入力面上の入力座標を生成する入力座標生成部４２と，入力座標生成部４２により生成された入力座標が供給される表示制御部４４と，入力面の初期設定時に初期設定値を入力して記録する入力面設定部４１とを有する。
【００５１】
図３に戻って，座標入力装置の初期設定について再度説明する。図９は，入力面の初期設定のフローチャート図であり，図１０は，それにより設定された入力面設定データの例を示す図である。
【００５２】
最初に，超音波受信器Ｒ１，Ｒ２を，２つを結ぶ線が入力面として利用したい面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に対して直交しない位置に設置する。図１に示された例では，入力面Ｓ１が設けられた壁（同じ面）上に，両者を結ぶ線が水平線に対して４５度傾いた状態で設置される（Ｓ１１）。更に，入力面毎に，入力面上にＸ−Ｙ座標を，入力面に垂直にＺ軸を有する三次元座標系を設定する。そして，入力面内の既知の３点から入力デバイスにより超音波IRを発信すると，受信部３０がそれぞれの伝搬時間Ｔ１，Ｔ２を求め，入力面設定部４１が，前述の通り，各入力面の三次元座標系における超音波受信器R1,R2の座標値を求めて，メモリ４３に記憶する（Ｓ１２）。上記の既知の３点は，例えば原点とＸ，Ｙ軸上の所定の点とあらかじめ設定されているものとする。
【００５３】
図３の例では，入力面Ｓ１の座標系X1−Y1−Z1に対して，
R1（0，0，0），R2（ｅ，−ｅ，0）が設定され，
第２の入力面Ｓ２の座標系X2−Y2−Z2に対して，
R1（0，0，−ｇ），R2（0，−ｅ，−ｇ−ｅ）が設定され，
第３の入力面Ｓ３の座標系X3−Y3−Z3に対して，
R1（0，0，ｈ），R2（ｅ，0，ｈ−ｅ）が設定される。
【００５４】
次に，各入力面内の座標の最小点と最大点から入力デバイスにより超音波を発信すると，入力座標生成部４２が両点の座標値を求め，この求められた座標値が，各入力面の範囲としてメモリ４３に記憶される（Ｓ１３）。
【００５５】
第１の入力面Ｓ１では，点P13（x13,y13）と点P14（x14,y14)の座標値が記憶され，第２の入力面Ｓ２では，点P23（x23,y23）と点P24（x24,y24）の座標値が記憶され，第３の入力面Ｓ３では，点P33（x33,y33）と点P34（x34，y34)とが記憶される。これらの点は，既知であれば，キーボードから入力しても良い。
【００５６】
この場合，前述の通り，入力面の領域が２個の超音波受信器との距離の関係から，互いに重なり合わないことが確認される。重なり合うことが検出されると，入力面の移動がオペレータに知らされる。
【００５７】
初期値設置の最後は，各入力面とコンピュータ１の表示画面との変換パラメータの設定である（Ｓ１４）。入力面とコンピュータの表示画面２との間には，回転成分と，オフセット成分と，スケール成分において，異なることが予想される。従って，それらのパラメータをあらかじめ求めておくことで，入力面の座標値をコンピュータの表示画面２内の座標値に変換することができる。
【００５８】
この変換パラメータを求めるためには，例えば，入力面の既知の３点とコンピュータの表示画面の既知の３点との対応をとれば良い。例えば，コンピュータの表示画面２内の既知の３点に入力座標位置を移動させ，それぞれの位置で座標入力を行う。入力デバイスからの超音波発信により，各入力面での二次元座標値が求められる。そして，両面の座標値の関係から，入力面上の座標（x1，y1)から表示画面２内の座標値（xd，yd)への変換式が，以下の通り求められる。
【００５９】
xd＝a1・x1＋b1・y1＋x01
yd＝c1・x1＋d1・y1＋y02
この場合，a1,b1,c1,d1は，両座標系間の回転パラメータとスケールパラメータであり，x01，y01はオフセットパラメータである。これらのパラメータ値も初期値として各入力面毎に記憶される。尚，工程Ｓ１２で使用した既知の３点を利用すれば，超音波を再発信せずに済むためより簡単になる。
【００６０】
以上，入力面設定部４１により，図１０に示される通り，各入力面毎に初期値が設定され，記憶される。
【００６１】
その後，各入力面から入力デバイス４により座標入力を行う場合は，入力デバイス４からの赤外線同期信号と超音波から，受信部３０が超音波の伝播時間T1,T2を求め，入力座標生成部４２が，伝播時間T1,T2から各入力面上の二次元座標を計算し，各入力面の座標値と各入力面の範囲とを比較してどの入力面からの座標入力かを検出する。そして，前述の変換式によって入力面上の二次元座標をコンピュータの表示画面内の二次元座標に変換する。その求められた二次元座標値が表示制御部４４に与えられる。表示制御部４４は，例えばフレームメモリ内の二次元座標値に対応する位置に，所定の表示を行う。そして，その状態が表示部４５に表示される。
【００６２】
次に，図１１〜図１４にしたがって，本実施の形態をノート型パソコンに適用した場合について説明する。図１１は，ノート型パソコン１と入力面との関係を示す図である。この例での入力面は，ノート型パソコン１のディスプレイ面Ｓ１と，キーボード手前の筐体の上面Ｓ２と，筐体を置く机の面Ｓ３である。ペンタイプの入力デバイス４によりディスプレイ面Ｓ１上で筆記すると，入力デバイス４の位置が検出されディスプレイに反映される。即ち，いわゆるタッチパネル方式と同様になる。筐体上面Ｓ２で入力デバイス４により筆記すると，筐体上面Ｓ２での位置が検出されディスプレイに反映される。従って，筐体上面に組み込まれたタブレットと同じ機能を果たす。さらに，ペン先端は出し入れ可能なボールペン芯となっており，机上に置いた紙にボールペンで筆記すると，その位置が検出される。その結果，紙に筆記されるのと同じ文字または画像をコンピュータに入力することができる。
【００６３】
２個の超音波受信器Ｒ１，Ｒ２は，ディスプレイＳ１の上辺の左右端に配置され，上辺の中央に赤外線受信器（フォトダイオードPD）が配置される。入力面Ｓ２の筐体上面にはペンホルダ４６が設けられ，ペン４を使用しない時にはペンホルダ内に置いておく。ペンホルダに置くと，パソコン１からペン内の充電池に充電されるようになっている。また，ペンホルダ４６に入力ペン４が置かれている時には，パソコン１からのホルダ接触電極経由の指令で超音波を送出できるようになっている。後述するとおり，入力面Ｓ２の既知の位置から超音波を送出して受信器Ｒ１，Ｒ２までの距離を求めることにより，ノート型パソコンのディスプレイの傾き角度を自動的に検出することができる。
【００６４】
ディスプレイの入力面Ｓ１上の位置は，二次元座標であるので２個の超音波受信器Ｒ１，Ｒ２により求めることが可能である。一方，超音波受信器Ｒ１，Ｒ２と異なる面である入力面Ｓ２，Ｓ３は，それぞれの三次元座標系が初期設定で設定され，それぞれの座標系における受信器R1,R2の座標値が求められる。更に，初期設定では，入力面S1,S2,S3の範囲も設定され，それら入力面と表示画面の座標変換パラメータも設定される。かかる初期設定が終われば，ペン型の入力デバイス４により，いずれの入力面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３からも座標入力を行うことができる。
【００６５】
図１２は，入力面での入力デバイスの位置の検出を説明する図である。図１２（ａ）は，ディスプレイの入力面Ｓ１上の点Ｐ１に入力デバイス４が位置する場合である。入力デバイスから受信器Ｒ１，Ｒ２までの超音波伝播時間T1,T2が検出されると，超音波の速度Ｖとすると，それぞれの距離La1,Lb1は，伝播時間T1,T2と速度Ｖとの積により求められる。ディスプレイが入力面の場合は，三次元座標系を特定する必要はなく，単に二次元座標を考えれば良い。
【００６６】
今仮に，受信器Ｒ１の位置を二次元座標X1-Y1の原点とすると，ディスプレイ面Ｓ１の幅をＷとすれば，受信器Ｒ２の座標は（Ｗ，０）になる。したがって，入力面Ｓ１上の点Ｐ１（x1，y1）は，
x12＋y12 = La12
(x1−W)2 ＋ y12 = Lb12
の連立方程式をx1,y1について解けば，次の通り点Ｐ１の座標値x1，y1が求められる。
【００６７】
x1 = (La12 − Lb12 + W2)／2W （１１）
y1=−（La12−x12）1/2 （１２）
ここで，入力面S1の縦長をD1とすると，０＜x1＜Ｗ，−D1 ＜y１＜０ の場合には入力ペン４は第１の入力面S1にあることが判明する。
【００６８】
次に，図１２（ｂ）によって入力ペンが第２の入力面S2上の点P2にある場合を説明する。この場合，入力面S2の三次元座標系X2-Y2-Z2は，受信器R1から入力面S2に垂線を降ろした点を原点として，両受信器Ｒ１，Ｒ２を結ぶ方向をＸ軸，水平方向にＹ軸，垂直方向にZ軸とするように設定されている。そして，受信器Ｒ１から第２の入力面Ｓ２までの垂線の長さがＨ１であるので，初期設定により，第２の入力面Ｓ２の三次元座標X2-Y2-Z2における受信器R1,R2の座標値は，R1（0,0,H1），R2（W,0,H1)に設定される。また，第２の入力面S2の範囲は，０＜x2＜Ｗ，−D1cosθ−D2＜y2＜−D1cosθに設定される。
【００６９】
従って，入力面Ｓ２上の点P2(x2,y2,0)は,
x22＋y22＋H12 = La22
(x2−W)2 ＋ y22 ＋ H12 = Lb22
の連立方程式をx2，y2について解けば
x2= (La22 − Lb22 + W2)／2W （１３）
y2= − （La22−x22−H12）1/2 （１４）
と求められる。
【００７０】
さらに，第３の入力面S3の三次元座標系X3-Y3-Z3におけるR1,R2の位置は，R1（0,0,H1+D3），R2（W,0,H1+D3)と設定される。また，入力面S3の範囲は，入力面S1，S2以外の範囲に設定される。そして，入力面S3上の点P3（x3,y3,0)も，上記と同様に以下の通り求められる。
【００７１】
x3= (La32 − Lb32 + W2)／2W （１５）
y3= − [La32−x32−（H1＋D3）2｝1/2 （１６）
この実施の形態では，入力面S1,S2,S3の区別は，それぞれの座標系で求めた座標値が，初期設定した入力面の範囲にはいるか否かにより行われる。即ち，
０＜x1＜Ｗ， −D1 ＜y1＜０なら，入力面Ｓ１，
０＜x2＜Ｗ，−D1cosθ−D2＜y2＜−D1cosθなら，入力面Ｓ２，
上記以外なら，入力面Ｓ３，
と判断される。
【００７２】
距離H1は，ノート型パソコンのディスプレイ部の角度θによって変化する。ノート型パソコンの角度θは，通常いろいろな角度で使えるようになっている。そのため，ノートパソコンのディスプレイ部を開いて角度θが決まった時点で，前述の初期設定を行う必要がある。それにより，角度θと距離H1が校正される。
【００７３】
また，音速Vは温度で変化し温度T(℃)の時
V=331.5+0.6×T [m/s]
で表せるため，温度が変化すると検出される入力点の位置がずれる。そこで，距離H1と同時に音速Vの測定(校正)も行うことが好ましい。
【００７４】
本実施の形態例では，入力ペン４がペンホルダ４６内に保持されている時にこの距離H1を測定することができる。図１３は，かかる測定を説明する図である。図１３において，入力ペンをペンホルダ４６に入れている状態で，ペンの超音波発信部の位置がディスプレイ部の左下隅からDx,Dyの距離にあるとすると，入力面S2の座標系X2-Y2-Z2で，ペン位置Ph(x2,y2,０)は（Dx，−Dy−D1cosθ，０），受信器R1,R2の位置は，R1(０，０，D1sinθ），R2(ｗ，０，D1sinθ）であるので，これらの間の距離La2,Lb2についての連立方程式に代入すれば，
(VT1)2=Dx2+(Dy+D1cosθ)2+(D1sinθ)2
(VT2)2=(Dx−W)2+(Dy+D1cosθ)2+(D1sinθ)2
であるから，これをVとθについて解けば
V=｛(W2−2WDx)／(T22−T12)｝1/2
θ=arccos [[(VT1)2−Dx2−D12−Dy2]／2D1D2]
となる。
【００７５】
すなわち，ペンホルダにある時にパソコンからペンホルダ同期信号が発生され，ホルダ接触電極経由で超音波駆動回路に信号を送り超音波パルスが送出され，受信部Ｒ１，Ｒ２で同期信号から超音波パルス到達までの時間T1,T2を測定することで，受信器Ｒ１，Ｒ２と入力面S2の関係，受信器Ｒ１，Ｒ２と入力面S2の距離H1=D1sinθ，を測定(校正または初期設定)することができる。
【００７６】
ノート型パソコンのディスプレイ部が開いた時点で，校正を一度行っておけばよいが，使用中に角度が変化したり，温度が大きく変化した時には再度校正し直す必要がある。その場合，いちいち入力ペンをペンホルダに入れなくても，オペレータが校正をしたい時にパソコンに校正指定を出し，入力ペンでペンホルダの指定位置Phを入力すれば，同じ計算で校正を行うことができる。もちろん，この時には，受信器は赤外線PDで同期させる。
【００７７】
さらに，入力ペンとは別個に常時位置Phに超音波発信器を内蔵しておくと，入力ペンを使用して座標入力している間でも常時校正を行うことができる。但し，その時には，入力ペンからの超音波と校正用発信器からの超音波が干渉しないように，入力ペンが空中にあって特定時間(例えば１秒)のあいだ赤外線や超音波の信号が送出されていないことを確認して校正するようにすればよい。
【００７８】
さらに，ノートパソコンのディスプレイ部とキーボード部とのヒンジ部に角度センサを組込み，直接角度θを測定してもよい。
【００７９】
さらに，表示部の特定位置，例えば，受信器位置と机上との高さH1+D3を距離センサで直接測定してもよい。その場合に，受信器Ｒ２を送信器として使用して超音波を発生させ，机面で反射した超音波を受信器で受信する超音波距離計を構成すれば，新たなセンサは不要になる。
【００８０】
図１４は，距離Ｈ２を求める別の方法を示す図である。この方法では，入力面Ｓ３上の既知の距離離れた2点の座標入力を行う。入力面S3上の点P3(x3,y3,0)とP4(x4,y4,0)が距離L34離れているとして，各点から受信器R1までの距離La3,La4及び受信器R2までの距離Lb3,Lb4が校正時に測定されると，
x32＋y32＋H22 = La32
(x3−W)2 ＋ y32 ＋ H22 = Lb32
x4 2＋y42＋H22 = La42
(x4−W)2 ＋ y42 ＋ H22 = Lb42
(x3−x4)2 ＋ (y3−y4)2 = L342
の関係が成り立つ。
【００８１】
未知数x3,x4,y3,y4,H2に対して5個の式があるので，これらを解けば第３の入力面Ｓ３と受信器Ｒ１との距離H2を求めることができる。例えば，紙に距離L34離して2点を印刷しておき，その紙を机上に適当に置き，その紙の2点を指定することで距離H2の校正ができる。この紙が，三次元座標系に対して回転や位置ずれがある場合は，紙に印刷した二次元座標軸の原点と一方の座標軸上の既知の点とから超音波を送出することで，距離H2に加えて，三次元座標と二次元座標との関係も初期設定することができる。
【００８２】
また，上記の実施の形態例では，入力ペンに赤外線発光素子LEDを付けているが，受信ユニットに赤外線発光素子LEDを設け，入力ペンにその受光素子PDを付けて，入力ペンが同期信号の赤外線を受信したら超音波を発信するようにしても良い。
【００８３】
また，受信ユニットに超音波送出器を2個，入力ペンに超音波受信器を1個付けても良い。この場合は，2個の超音波発信が混ざり合わないように発信を交互におこなえば良く，先ず，第１の発信器と入力ペンとの距離L1を測定し，次に第２の発信器と入力ペンとの距離L2を測定すれば良い。また，本実施の形態例では赤外線で同期をとっているが，無線や入力ペンに設けた有線で同期をとるようにしてもよい。
【００８４】
尚，図１１の例では，受信器R1とR2を結ぶ線が常に入力面と平行であるが，図１，３にて説明した通り，平行でなくても上記関係式を変形すれば同じように求めることができる。
【００８５】
以上の実施の形態例では，赤外線を同期手段に利用して，１個の超音波送出器と２個の超音波受信器，或いは２個の超音波送出器と１個の超音波受信器とを利用して，複数の入力面上での入力デバイスからの座標入力を可能にした。同期手段は，無線や有線によっても実現できる。更に，同期手段として超音波を利用することも可能である。
【００８６】
以下の例は，入力デバイスに超音波送出器を設け，２個の超音波受信器を所定の位置に設け，更に同期手段として追加の超音波受信器を利用する。そして，同期用の超音波受信器と２個の受信器との超音波受信時間差を利用することにより，複数の入力面からの入力座標を検出する。２個の超音波受信器の位置と複数の入力面との関係は，前述した実施の形態例と同じである。従って，以下の例では，合計で３個の超音波受信器が必要になる。しかし，赤外線を利用した同期手段が不要になるので，トータルのコストは従来例より低くなる。
【００８７】
図１５は，超音波を同期手段に利用した座標入力装置を示す図である。図１１と同様にノート型パソコンのディスプレイ部の上部両端に２個の超音波受信器Ｒ１，Ｒ２を設けると共に，更に，同期手段用の超音波受信器Ｒｓをその間に設ける。そして，入力ペン４から送出する超音波の同期用受信器Ｒｓまでの伝播時間と，両端の２個の受信器Ｒ１，Ｒ２までの伝播時間との差を利用して，入力面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３での入力ペンの位置を検出する。
【００８８】
図１６は，上記の入力ペンである入力デバイスの構成を示す図である。図４と対応する箇所には同じ引用番号を与えている。図１５の例では，入力ペンには同期手段としての赤外線発光素子LEDを設ける必要がない。従って，入力ペン４には超音波発信器１７が接触検知スイッチ１９とホルダ接触電極２２により駆動される。接触検知スイッチ１９がボールペン芯１６が入力面に押しつけられたことを検出すると，タイマ２３から一定周期でトリガ信号が発生され，超音波駆動回路２４が超音波発信器１７を駆動する。また，ホルダ接触電極２２が駆動信号を受信した時も，同様に超音波発信器１７が駆動される。
【００８９】
図１７は，２個の超音波受信器Ｒ１，Ｒ２と同期用の超音波受信器Ｒｓが受信した超音波を処理する受信部の構成図である。図１８は，受信した超音波のタイミングチャート図である。図１７の受信部は，図６に示した受信部における赤外線受光素子PDの代わりに，超音波受信器Ｒｓと，それに伴う入力アンプ32s，コンパレータ33s，フリップフロップ33s，ゼロクロスコンパレータ35s，及びANDゲート36sが設けられている。これらの動作は，超音波受信器Ｒ１，Ｒ２に対応する回路と同じである。
【００９０】
従って，図１８に示される通り，受信器Ｒ１，Ｒ２が受信する超音波は，それぞれ所定の閾値を越えた後のゼロクロス点のタイミングが検出され，検出信号Trg1,Trg2が生成される。また，受信器Ｒｓが受信する超音波のタイミングも同様に検出され，同期用検出信号Trgsが生成される。そして，タイマ37aでは第１の受信器Ｒ１の受信タイミングＴrg1と同期用受信器Ｒｓの受信タイミングＴrgsとの差Ｔ１が計測される。また，タイマ37bでは第２の受信器Ｒ２の受信タイミングＴrg2と同期用受信器Ｒｓの受信タイミングＴrgsとの差Ｔ２が計測される。このタイミング差Ｔ１，Ｔ２にしたがって，座標入力制御部４０で入力ペンの入力座標が求められる。
【００９１】
図１９は，入力ペンの位置の検出を説明する図である。最初に図１９（ａ）の入力面Ｓ１の場合について説明する。２点との距離差が一定な点の軌跡は双曲線になるので，２点R1,Rsとの距離差と２点R2,Rsとの距離差によりそれぞれ特定される２つの双曲線の交点が，入力ペンの位置と考えることができる。そこで，入力面Ｓ１の場合，受信器R1,Rsとの距離差K1及び受信器R2,Rsとの距離差K2は，
K1=L1−Ls=VT1
K2=Ls−L3=VT2
であり，同期用受信器Rsを三次元座標系の原点とすると，入力点P1(x1,y1)は，２つの双曲線の式である
(x1+W/4)2 (4K12−W2)／4K12 + y12 = (4K12−W2)／16
(x1−W/4)2 (4K22−W2)／4K22 + y12 = (4K22−W2)／16
をx1,y1について解けば求まる。
【００９２】
また, 入力面S2,S3の場合も同様に，入力点Ｐ２（x2,Y2)，Ｐ３(x3,y3)が，２つの双曲線の式から求められる。
【００９３】
この実施の形態例でも，２つの超音波受信器Ｒ１，Ｒ２を結ぶ線と直交しない入力面が利用可能である。その場合の初期設定，高さＨ１の校正方法は，前述の実施の形態例と同じである。また，受信器R1,R2,Rsは一直線上に等間隔で並んで設けられ，その直線は常に入力面と平行であるが，本実施の形態はそれに限定するものではなく，受信器R1,R2,Rsが一直線上になくてもよい。また，いずれの受信器を同期用としても良い。
【００９４】
図２０は，ノート型パソコンに取り付けられた座標入力装置の変形例である。この例では，２個の超音波受信器Ｒ1,Ｒ2をノートパソコン１の表示部とキーボード部の境界付近に配置する。この場合，入力面は表示部Ｓ１と机上Ｓ２が利用可能である。２つの受信器R1,R2は，表示部である第１の入力面Ｓ１とは同一の面上にあり，更に２つの受信器R1,R2から机上の第２の入力面Ｓ２までの高さは，表示部の傾きが変化してもほぼキーボード部の厚さである。したがって，表示部の傾きが変化してもその傾きを校正する必要がない。
【００９５】
但し，この例では，キーボード部の表面は，受信器R1,R2からの距離が表示部と区別できないため，入力面としては利用することができない。但し，オペレータからコンピュータに対して，入力面をどこにするかを予め指示する機能をアプリケーションプログラムとして設けることができれば，座標入力生成部が表示部とキーボード部とを区別できるので，両方の面を入力面に利用することは可能である。
【００９６】
図２１は，更に，ノート型パソコンに取り付けられた座標入力装置の変形例である。この例では，２つの超音波受信器R1,R2と赤外線受光素子PDとが取り付けられ，内部に受信部３０，入力座標生成部４２，入力面設定部４１及び初期設定値記録手段４３など（図８参照）を有する受信ユニット４６が利用される。この受信ユニット４６が，例えばノート型パソコン１の表示部の左上に取り付けられ，前述の原理により３つの入力面S1,S2,S3からの入力座標が検出される。
【００９７】
図２２は，デスクトップ型パソコンに利用される座標入力装置の変形例である。この例では，ＣＲＴディスプレイ４７の上部左の位置に受信ユニット４６が取り付けられる。そして，入力面は，表示部Ｓ１とキーボード４８の手前の机上の面Ｓ２が利用される。
【００９８】
図２３は，会議室に利用される座標入力装置の例である。会議室の黒板Ｓ１の上部両端に２個の超音波受信器R1,R2が設けられ，その中央に赤外線受光器PDが設けられる。そして，床面ＳＦに並べられた複数の机上面Ｓ２〜Ｓ７も入力面として利用される。黒板Ｓ１は，コンピュータのスクリーンであっても良いし，プロジェクタの表示画面であっても良い。
【００９９】
この場合は，机上面Ｓ２〜Ｓ７が同一面上に配置されるので，床面ＳＦから机の高さシフトした面内における，それぞれの机上面Ｓ２〜Ｓ７の領域が予め登録される必要がある。それにより，それぞれの机上面での二次元座標が入力座標として図示しないコンピュータに記録される。
【０１００】
［入力ペンの構成例］
図２１で説明したとおり，本発明は，ノート型パソコンの表示画面に受信ユニット４６を取り付け，表示画面Ｓ１と筆記面Ｓ３の初期設定を行うことにより，入力ペンを表示画面Ｓ１上または筆記面Ｓ３上でそれぞれの面に押しつけることで，パソコンに座標入力することができる。その場合，ノート型パソコン１の表示画面は，多くの場合液晶表示パネルが使用される。
【０１０１】
通常の液晶表示パネルの表面には薄いガラス板が設けられているため，通常の入力ペンでパネル表面にタッチすると表面のガラス板を損傷するおそれがあり，入力ペンがパネル表面のガラス板を損傷しないようにすることが必要である。パネル表面を保護するためにガラス板を厚くすることが考えられるが，特殊な構造の表示パネルとなり好ましくない。一方，紙などの筆記面には，筆記面に筆跡が残るようにボールペン芯などの筆記機能をもつ芯を有する入力ペンが適している。従って，入力ペンは，液晶表示パネル面Ｓ１と筆記面Ｓ３とで，異なる構成にする必要がある。
【０１０２】
本実施の形態における入力ペンは，上記の点を考慮して，紙などの筆記面用に，ボールペンなどの筆記できる芯を利用し，接触検知スイッチのストローク（ペン先を押し込んで止まるまでの芯の移動量）を比較的小さくて，筆記面への筆記を容易にする構成にする。一方，入力ペンは，液晶表示パネル用に，パネル表面を損傷しないように，柔らかいペン先を有し，且つ接触検知スイッチのストロークを長くし，パネル表面をタッチした時の押しつけ圧力が比較的弱い構成を有する。つまり，入力ペンのペン先が液晶表示パネル表面よりも固ければ，入力時にペン先がパネル表面に損傷を与えてしまうので，ペン先を柔らかくする。また，ペン先のパネル表面への押しつけ圧力が強いと，パネル表面のガラス板に大きな力がかかり，ガラス板が割れたりひびがはいったりするおそれがあるので，押しつけ圧力を弱くする。そして，接触検知スイッチがオンするためのペン先のストロークが短いと，例えペン先の押しつけ圧力が弱くても，ペン先がストロークだけ移動した後は大きな圧力がパネル表面にかかってしまうので，ストロークは比較的長いことが望まれる。
【０１０３】
図２４は，本実施の形態例における入力ペンの構成図である。図２４（Ａ）は入力ペン全体の構成図，図２４（Ｂ）は筆記面用のペン先構成図，図２４（Ｃ）は表示パネル表面用のペン先構成図である。図２４の入力ペン４は，一方の先端部に筆記面用のボールペン芯１６が設けられ，他方の先端部に表示パネル表面用のタッチ芯５０が設けられる。図２４（Ａ）に示されるとおり，入力ペン４の本体４ａには，駆動回路２０，駆動用電池２１，赤外線LED１８がそれぞれ設けられている。そして，一方の先端に，ボールペン芯１６と第１の超音波発信器17aが，他方の先端に，タッチ芯５０と第２の超音波発信器17bがそれぞれ設けられる。超音波発信器１７は，それぞれ円筒状のポリフッ化ビニリデン製の圧電フィルムで構成され，３６０°の指向性を有する。また，赤外線LED１８は，例えば指向性１２０°のLEDを１２０°おきに３個配置して，３６０°の指向性を実現している。３６０°の指向性を持たせることにより，入力ペンが回転しても，赤外線と超音波が受信ユニットに確実に到達することができる。
【０１０４】
図２４（Ｂ）に示されるとおり，筆記面用のペン先の構成は，ボールペン芯１６を収納する芯ホルダ５４が，入力ペンの本体４ａ内に収納され，第１のばね52aにより下向きに圧力がかけられていて，第１の接触検知スイッチ19aの部分で上向きに止められている。ボールペン芯自体は，筆記することでインクが消耗して取り替える必要があるので，芯ホルダ５４に脱着可能に収納される。そして，芯ホルダ５４の上端とペン本体４ａとの距離が，比較的短い第１のストローク56aを確保できる程度に設計されている。従って，入力ペン４のボールペン芯１６を筆記面に押しつけると，芯ホルダ５４の側面の突起と接触検知スイッチ19aとが離れて，ボールペン芯１６の筆記面への接触を検知することができる。ペン先を筆記面に押しつけると，第１のばね52aが縮められ，押しつけ圧力が発生する。そして，第１のストローク56aだけ芯ホルダ５４が移動すると，その上端部がペン本体４ａに達して，入力ペン使用者の押しつけ圧力がそのままペン先に伝えられる。
【０１０５】
第１のストローク56aは，使用者の書き心地が悪くならないように，0.5mm以下が望ましく，例えば0.2mm程度にすることで使用者はストロークを殆ど感じずに通常のボールペン感覚で筆記できる。また，第１のばね52aの押しつけ圧力は，１gf程度と非常に小さく設定される。
【０１０６】
図２４（Ｃ）に示されるとおり，タッチ芯５０の先端には，表示パネル表面の損傷を防止するために柔らかい材料による先端保護部５１が設けられている。そして，タッチ芯５０の形状は，ボールペン芯の芯ホルダ５４に類似して，側面突起部が第２の接触検知スイッチ19bで上向きに止められ，第２のばね52bにより下向きに圧力がかけられている。そして，タッチ芯５０の上端とペン本体４ａとの距離が，比較的長い第２のストローク56bを有する程度に設計されている。
【０１０７】
第２のストローク56bは，入力ペン使用者がパネル表面にタッチ芯５０の先端が接触して内側に引き込まれるのを感知できるように，比較的長く，例えば２mm以上に設定されていることが好ましく，例えば３mm程度がより好ましい。また，第２のばね52bは，表示パネル表面に損傷を与えないように，例えば１０gf以下の押しつけ圧力を有することが望ましく，例えば３gfの押しつけ圧力がより好ましい。第２のストローク56bが比較的長く，第２のばね52bの圧力が，パネル表面を損傷しない程度に小さいが，使用者に接触を感知させる程度に大きいので，タッチ芯５０がパネル表面に接触して第２のストローク56b以下の距離だけペン本体４ａ側に後退する間に，使用者はタッチ芯の接触を感知することができる。
【０１０８】
入力ペンのペン先が筆記面やパネル面に接触して，接触検知スイッチ１９がそれを検知すると，前述のとおり，タイマーによる一定周期で赤外線LED１８より赤外線が送出され，更に超音波発信器１７より超音波が送出される。その後の受信ユニットによる入力ペン座標の検出は，前述の通りである。
【０１０９】
入力ペンのペン先と超音波発信器との間にある程度の距離が存在する場合に，入力ペンを傾けて筆記面や表示パネル面に座標入力を行うと，入力位置に誤差が発生する。つまり，超音波発信器から受信ユニットまでの距離により入力座標が求められるので，超音波発信器とペン先との間の距離が大きくなると，入力座標に誤差が生じる。
【０１１０】
その場合，図２４の入力ペンは，超音波発信器17a,17bがペン本体4aの上下に設けられているので，２つの超音波発信器を利用して，上記誤差をなくすことができる。
【０１１１】
図２５に示すように，ペン４と受信器Ｒを含む平面を考える。ペン先Ｐに対して，第１の超音波送信器Taがペン先Ｐから距離aにあり，さらに，第２の超音波送信器Tbが第１の超音波送信器Taから距離b離れているとする。この時，第１の超音波送信器Taから受信器Ｒまでの距離をLa，第２の超音波送信器Tbから受信器Ｒまでの距離をLbとする。そして，三角形RPTb と三角形RTaTbとを考えると，
L2 ＝Lb2＋(a＋b) 2−2(a＋b)Lb cosθ
La2＝Lb2＋b2−2 b Lb cosθ
となる。したがって，ペン先Ｐから受信器Ｒまでの距離Ｌは，
L＝｛a2＋ab＋La2 (a＋b)/b−Lb2 a/b｝1/2
となる。
【０１１２】
ボールペン芯の先端から第１の超音波送信器までの距離とタッチ芯の先端から第２の超音波送信器までの距離をいずれも a にしておけば，どちらの芯を使用しても上式により，ペン先端Ｐと受信器Ｒまでの距離を正確に求めることができる。
【０１１３】
図２６は，受信ユニットＲにより検出される赤外線同期信号と超音波受信波とを示す図である。図２４のボールペン芯が使用される場合は，第１の接触検知スイッチ19aが接触を検知した時は，赤外線発信後，第１の超音波発信器17aからパルスを発信し，更に遅延時間Tp後，第２の超音波発信器17bからパルスを発信する。受信器では，赤外線同期信号IRを受信した後，第１の超音波発信器からの超音波SA1,SA2の到達時間T1,T2を検出し，続けて第２の超音波発信器からの超音波SA1,SA2の到達時間T3,T4を検出する。到達時間T3,T4から遅延時間Tpを減算すれば，第２の超音波発信器からの実際のパルス到達時間が求まる。あとは，上記の計算式により，ペン先Ｐから受信器Ｒまでの距離Ｌを求めることができる。ペン先の芯が入力面に接触し続ける場合は，第１及び第２の超音波発信器が，交互に超音波パルスを送出する。
【０１１４】
図２７は，入力ペンの別の構成例を示す図である。この例は，図２８（Ａ）に示されるように，入力ペン４の一端にのみ入力芯１６と超音波発信器１７とが設けられ，図２７（Ｂ）（Ｄ）に示されるように，筆記面用のボールペン芯１６と表示パネル面用のタッチ芯５０とが交換可能にペン本体４ａに取り付けられる。図２８（Ｃ）は，タッチ芯５０を収納するタッチ芯ホルダ５８を示す。この例では，超音波発信器を１個設けるだけでよい。
【０１１５】
図２８（Ｂ）に示される構成は，図２４（Ｂ）と同じであり，ボールペン芯１６は，芯ホルダ５４内に脱着可能に収納されている。ボールペンのインクが消耗するとボールペン芯１６を取り替える必要がある。そして，芯ホルダ５４は，ペン本体４ａ内に収納され，第１のばね52aにより下向きに圧力をかけられ，側面の突起により接触検知スイッチ１９で上向きに止められている。そして，芯ホルダ５４は，第１のストローク56aだけ上下に移動可能である。第１のストロークの距離や第１のばねの圧力は，図２４の場合と同じである。
【０１１６】
一方，図２７（Ｃ）に示されるように，タッチ芯５０は，タッチ芯ホルダ５８に収納され，図２７（Ｄ）に示されるように，タッチ芯ホルダ５８が，芯ホルダ５４に脱着可能に収納される。そして，タッチ芯ホルダ５８内に収納されたタッチ芯５０は，第２のばね52bにより下向きに圧力をかけられ，側面の突起により上向きに止められている。そして，タッチ芯ロッド６０が十分な長さを有し，比較的長い第２のストローク56bが確保されている。タッチ芯５０の先端には先端保護部５１が取り付けられている。タッチ芯ホルダ５８が芯ホルダ５４に収納されると，図２７（Ｄ）に示されるように，第２のばね52bにより小さい圧力が表示パネル面に与えられ，第２のストローク56bと第１のストローク56aの合計ストロークの範囲で，タッチ芯先端がペン本体内に後退する。ストローク範囲が十分長いので，ペン使用者は，その範囲のタッチ芯先端移動中に，入力ペンの表示パネル面への接触を感知することができる。
【０１１７】
図２７の入力ペンにおいても，超音波発信器をペン本体の上端に設けることができる。そうすることにより，図２５，２６で説明したとおり，超音波発信器１７とペン先との距離が長いことによる誤差をなくすことができる。
【０１１８】
図２８は，入力ペンの別の構成例を示す断面図である。図２８（Ａ）が筆記面用のボールペン芯１６が収納された状態の断面図，図２８（Ｂ）が表示パネル面用のタッチ芯５０が収納された状態の断面図である。この例では，ボールペン芯１６とタッチ芯５０とが同じ芯ホルダ５４に脱着可能に収納され，ボールペン芯１６を装着した時は比較的短い第１のストローク56aになり，タッチ芯５０を装着した時は比較的長い第２のストローク56bになる。その為に，芯ホルダ５４の中央部に中心方向に弾性力を有するストッパ６０が設けられ，ボールペン芯１６の上端16pは太くてストッパ６０を外側に押し拡げて，ペン本体4aの段差で止まるようになり，タッチ芯５０の上端50pは細くてストッパ６０が内側にしぼみ，芯ホルダ５４の上端がペン本体4aの穴の上端で止まるようになっている。その結果，第１のストローク56aは短く，第２のストローク56bは長くなる。この例では，ボールペン芯とタッチ芯を装着すると，自動的に対応するストロークになる。また，ばね52aにてタッチ芯装着時の押し下げ圧力が決まるので，ばね52aは，表示パネル面に損傷を与えない程度で，使用者に接触を感知させる程度の弾性力に設定される。
【０１１９】
図２８の入力ペンは，ペン本体4aに設けられた手動スイッチによりストローク長さが変更されるようにすることもできる。
【０１２０】
図２９は，入力ペンの更に別の構成例を示す断面図である。この例は，ボールペン芯にタッチ芯を取り付けることで，表示パネル面での座標入力を行う。図２９（Ａ）に示されるとおり，ボールペン芯１６が芯ホルダ５４に収納され，更に芯ホルダ５４がペン本体４ａ内に収納されているスライド部６２内に収納される。スライド部６２には，ストッパ６４を有して，ボールペン芯１６を使用する時に芯ホルダ５４の上端との間に第１のストローク56aを形成する機能と，タッチ芯を取り付けた時に，タッチ芯の先端が超音波発信器１７から離れすぎないようにペン本体４ａに後退するスライド機能とを有する。
【０１２１】
図２９（Ａ）は，筆記面用の入力ペンであり，スライド部６２のスライドスイッチ６６を下側にスライドさせることで，ペン本体４ａの側部突起６５によりストッパ６４が内側に押し込められ，ストッパ６４と芯ホルダ５４の上端との間に第１のストローク56aが形成される。この例では，接触検知スイッチ１９は，スライド部６２に設けられている。
【０１２２】
図２９（Ｂ）は，タッチ芯５０を保持するタッチ芯ホルダ５８を示す。このタッチ芯ホルダ５８が，スライド部６２の先端部の溝６８に装着される。そして，図２９（Ｃ）に示されるとおり，スライド部６２のスライドスイッチ６６を手動で上側にスライドされ，それに伴い，ストッパ６４が爪６５から外れて弾性力により外側に拡がり，第２のストローク56bがタッチ芯５０のロッドの長さにより決定される。スライド部６２が上側にスライドすることで，ペン本体先端の超音波発信器１７がタッチ芯５０の先端に近接する位置になる。図２９（Ｄ）は，タッチ芯５０が表示パネル面に接触して，内側に後退した状態である。ストッパ６４が外側に開いているので，芯ホルダ５４の上端がストッパ６４より高い位置まで移動している。
【０１２３】
図３０は，更に，入力ペンの別の構成例を示す断面図である。この例は，筆記面用のボールペン芯と表示パネル面用のタッチ芯とがノック式多色ボールペンの如くスライド72a,72bを押すことにより，切り換えられる構成を有する。ペン本体４ａ内にボールペン芯１６を収納した芯ホルダ54aとタッチ芯５０を収納した芯ホルダ52bとが，並べて収納されている。厳密には，ボールペン芯１６が内側芯ホルダ54cに脱着可能に収納され，その内側芯ホルダ54cがばね52aにより外側芯ホルダ54a内で下向きに押し下げられ，接触検知スイッチ19aにより上側にストップされている。内側芯ホルダ54cの上端部形状により第１のストローク56aが形成される。同様に，タッチ芯５０も，芯ホルダ54b内に収納され，ばね52bにより下向きに押し下げられ，接触検知スイッチ19bにより上側にストップされている。そして，タッチ芯５０の上端部形状により比較的長い第２のストローク56bが形成される。ボールペン芯側とタッチ芯側のばねの弾性力は，上記の例と同じである。
【０１２４】
芯ホルダ54a,54bは，それぞればね68a,68bにより上側に押し上げられており，段差からなるラッチ70a,70bと，ノッチ71a,71bと，スライド72a,72bとが設けられている。そして，図３０（Ａ）の状態からスライド72bを押し下げることで，タッチ芯側のノッチ71bが押し下げられ，ボールペン芯側のノッチ71aを外側に押し広げる，ラッチ70aが固定部７４の下端から外れ，ばね68aにより上側に戻される。一方，タッチ芯側のラッチ70bが固定部７４の下端に止められて，タッチ芯５０の先端がペン先端から突出した状態になる。これが，図３０（Ｂ）の状態である。この状態で，スライド72aを下側にスライドすることで，図３０（Ａ）の状態になる。
【０１２５】
図３１は，更に，入力ペンの別の構成例を示す断面図である。この例は，ボールペン芯１６と中空のタッチ芯５０とが同軸構造になっている。これにより，図３０のペン本体より細くすることができる。また，ボールペン芯１６とタッチ芯５０とが，入力ペンの傾きによって自動的に出し入れされる構成になっている。机の上の筆記面から座標入力する場合は，ペン本体が垂直方向になり，ノート型ＰＣの表示パネル面から座標入力する場合は，ペン本体が水平方向になる。その傾きを検出して，ボールペン芯とタッチ芯とが出し入れされる。
【０１２６】
ボールペン芯１６は，ボールペン芯用の内側芯ホルダ54cに脱着可能に収納され，内側芯ホルダ54cが更に外側芯ホルダ54aに収納されている。ばね52aにより内側芯ホルダ54cが下側に押し下げられ，接触検知スイッチ19aで上向きに止められている。そして，第１のストローク56aが形成されている。また，タッチ芯５０は，ペン本体４ａに収納され，ばね52bにより下側に押し下げられ，接触検知スイッチ19bで上向きに止められている。
【０１２７】
図３１（Ａ）に示されるように，ペン本体が垂直方向にある場合は，下側に下がる錘７６によりストッパ７８の下端が支点８０を中心にして内側に移動し，外側芯ホルダ54aの上端をストップさせる。これにより第１のストローク56aが形成される。図３１（Ｂ）に示されるとおり，ペン本体が水平方向にある場合は，ばね52dの上側弾性力により錘７６が下側に下がらず，ストッパ７８の下端が外側に押し拡げられ，外側芯ホルダ54cがばね52cの上側弾性力により上側に移動する。その結果，中空のタッチ芯５０がペン下端から突出する。この状態で，比較的長い第２のストローク56bが形成される。図３１（Ｃ）は，タッチ芯５０が表示パネル面に接触して内側に引き込まれた状態を示す。
【０１２８】
上記の例において，錘７６とばね52dによりペンの傾きを検出したが，加速度センサのような傾きセンサを利用して自動的にボールペン芯とタッチ芯とを出し入れしても良い。または，手動によりボールペン芯とタッチ芯を出し入れしてもよい。その場合でも，ボールペン芯とタッチ芯とが同軸構造になっているので，ペン本体を細くすることができる。
【０１２９】
図２１では，受信ユニット４６がノート型ＰＣの表示パネルの外周に取り付ける。この場合，筆記用紙面Ｓ３から座標入力する場合，入力中に筆記用紙の位置がずれてしまうと，受信ユニット４６との相対的な位置が変化して，改めて初期設定をする必要がある。
【０１３０】
そこで，受信ユニット４６がノート型ＰＣの表示パネルに固定的に取り付けられたり，筆記用紙に固定的に取り付けられたりすることができれば，上記の筆記用紙の位置ずれに伴う初期設定のやり直しが不要になる。
【０１３１】
図３２は，複数の入力面に対して自在に固定することができる受信ユニットを示す三方位図である。図３２（Ａ）が平面図，（Ｃ）が正面図，（Ｂ）が側面図である。この受信ユニットは，本体８２に表示パネルや筆記用紙を突き当てる凹部からなる突き当てエッジ８４が設けられ，更に，表示パネルや筆記用紙を挟むためのクリップ８６，ばね８７が設けられている。クリップ８６の先端部８８に表示パネルや筆記用紙が挟まれる。本体８２の両端には超音波受信器Ｒ１，Ｒ２が設けられ，その間の中心位置に赤外線受光素子ＰＤが設けられる。
【０１３２】
図３３は，図３２の受信ユニットの使用例を示す図である。受信ユニット４６は，クリップを利用して，ノート型パソコンの表示パネル９０の左上角に取り付けられる。表示パネル９０の角部が突きエッジ８４に整合して，位置合わせが容易に行われる。これにより，表示面Ｓ１と筆記面Ｓ３でのペン入力が可能になる。更に，受信ユニット４６を筆記用紙９２の左上角に取り付けることにより，筆記用紙９２が位置ずれしても，受信ユニット４６が固定されているので，改めてキャリブレーションを行う必要はない。なお，入力ペンの使用者が左利きの場合は，受信ユニット４６は，表示パネルの右上角，筆記用紙の右上角にそれぞれ取り付けるのが好ましい。そうすることにより，超音波パルスや赤外線が入力ペンを持った手により遮られることが防止される。
【０１３３】
図３４は，別の受信ユニットの構成図である。図３４（Ａ）が平面図，図３４（Ｂ）が側面図である。この受信ユニットの特徴は，超音波受信器Ｒ１，Ｒ２と赤外線受光素子ＰＤとが設けられる本体８２が，略三角形の形状をなし，本体８２が回転軸９０を中心にして回転自在にクリップ本体86aに取り付けられている。クリップ本体86aは，略正方形をなし，その角部が一部薄く加工されて突き当てエッジ８４がクリップ本体86aに対して直線上に形成されている。突き当てエッジ８４を直線形状にすることで，受信ユニットが表示パネルの側面や筆記用紙の側面に取り付け可能になる。
【０１３４】
図３５は，液晶表示パネルに受信ユニットを取り付けた状態を示す図である。表示パネルの左辺上部（位置Ａ）や上辺左部（位置Ｂ）に取り付けることで，右利きの利用者が保持する入力ペンからの赤外線や超音波を受信することができる。但し，位置Ａと位置Ｂとでは，クリップ本体に対する受信ユニット本体８２の位置が９０°異なっている。同様に，表示パネルの上辺右部（位置Ｃ）や左辺上部（位置Ｄ）に取り付けることで，左利きの利用者が保持する入力ペンからの赤外線や超音波を受信することができる。但し，この場合も位置Ｃと位置Ｄとでは，クリップ本体に対する受信ユニット本体８２の位置が９０°異なっている。いずれの場合も，２この超音波受信器を結ぶ線が入力面に対して略４５°になるように，回転方向が調整されることが，入力座標の精度を高くするうえで望ましい。
【０１３５】
図３６は，筆記用紙に受信ユニットを取り付けた状態を示す図である。図３６（Ａ）（Ｂ）は，横長の紙面９２に対して受信ユニット４６をそれぞれ左辺上部と上辺左部に取り付けた例である。いずれの場合も，クリップ本体に対して受信ユニット本体を適宜回転させ，２個の超音波受信器の面が横長方向を向くように設定される。また，図３６（Ｃ）（Ｄ）は，縦長の紙面９３に受信ユニットをそれぞれ取り付けた例であり，この場合も受信ユニット本体を適宜回転させて，超音波受信器の面が縦長方向を向くように調整される。
【０１３６】
上記の入力ペンは超音波発信器を有し，受信ユニット側に超音波受信器が設けられている。しかし，入力ペン側に超音波受信器を設け，入力面に取り付けられるユニットに２個の超音波発信器を設けても，同様に座標入力をすることができる。
【０１３７】
以上の実施の形態例をまとめると，以下の付記の通りである。
【０１３８】
（付記１）複数の入力面からの座標入力を可能にする座標入力装置において，
超音波送出器を有する入力デバイスと，
前記複数の入力面に直交しない方向に並べて配置され，前記超音波送出器から送出された超音波を受信する２個の超音波受信器と，
前記入力デバイスと超音波受信器との間の同期をとる同期手段と，
前記２個の超音波受信器と前記複数の入力面との位置関係を設定する入力面設定部と，
前記２個の超音波受信器により受信される超音波信号の前記入力デバイスからの伝播時間に従って，前記入力デバイスから前記２個の超音波受信器までのそれぞれの距離を生成し，当該２つの距離にしたがって前記設定された複数の入力面内の入力座標を生成する入力座標生成部とを有することを特徴とする座標入力装置。
【０１３９】
（付記２）付記１において，
前記入力面設定部は，前記入力面上に二次元座標（Ｘ，Ｙ）をとり当該入力面に直交する方向に第３の座標軸（Ｚ）をとった場合の三次元座標系における，前記２個の超音波受信器の座標値を，前記複数の入力面それぞれに対して設定し，前記入力座標生成部は，前記２つの距離にしたがって，前記三次元座標系における前記入力デバイスの座標値を生成することを特徴とする座標入力装置。
【０１４０】
（付記３）付記２において，
前記入力面設定部は，前記入力面上の既知の二次元座標を有する３点における前記入力デバイスからの超音波送出に応答して，前記２個の超音波受信器の座標値を生成することを特徴とする座標入力装置。
【０１４１】
（付記４）付記２において，
前記入力面設定部は，前記入力面内の二次元座標系と表示画面内の二次元座標系との関係を設定し，
前記入力座標生成部は，前記第１の座標値から前記関係にしたがって前記表示画面内の二次元座標系における第２の座標値を生成し，当該第２の座標値を入力座標として出力することを特徴とする座標入力装置。
【０１４２】
（付記５）付記４において，
前記入力面設定部は，前記表示画面内の所定の３点に対応する前記入力面内の３点における前記入力デバイスからの超音波送出に応答して，前記入力面と表示画面の二次元座標系の関係を生成することを特徴とする座標入力装置。
【０１４３】
（付記６）付記１において，
前記設定される複数の入力面は，前記超音波受信器からの距離がそれぞれ異なる位置に制限され，
前記入力座標生成部は，前記入力面上の位置にある前記入力デバイスから前記超音波受信器までの距離に従って，当該入力デバイスが入力しようとする入力面を特定し，前記入力デバイスの入力座標を生成することを特徴とする座標入力装置。
【０１４４】
（付記７）付記１において，
前記同期手段は，前記入力デバイスから送出される超音波信号を受信し，前記三次元座標内の既知の位置に設置される同期用超音波受信器を有し，
前記入力座標生成部は，前記入力デバイスから送出される超音波信号が前記２個の超音波受信器のいずれか一方と前記同期用超音波受信器とまでに伝播する時間の第１の差と，前記送出された超音波信号が前記２個の超音波受信器のいずれか他方と前記同期用超音波受信器とまでに伝播する時間の第２の差とにしたがって，前記入力デバイスの前記三次元座標内の位置を生成することを特徴とする座標入力装置。
【０１４５】
（付記８）付記１乃至７のいずれかにおいて，
前記２個の超音波受信器がコンピュータの表示画面の面内に設置可能であり，
前記複数の入力面は，前記表示画面及び当該表示画面が載置された第１の面を少なくとも含むことを特徴とする座標入力装置。
【０１４６】
（付記９）複数の入力面からの座標入力を可能にする座標入力装置において，
超音波受信器を有する入力デバイスと，
前記複数の入力面に直交しない方向に並べて配置され，前記超音波受信器に超音波を送出する２個の超音波送出器と，
前記入力デバイスと超音波送出器との間の同期をとる同期手段と，
前記２個の超音波送出器と前記複数の入力面との位置関係を設定する入力面設定部と，
前記超音波受信器により受信される超音波信号の前記入力デバイスからの伝播時間に従って前記入力デバイスから前記２個の超音波送出器までのそれぞれの距離を生成し，当該２つの距離にしたがって前記設定された複数の入力面内の入力座標を生成する入力座標生成部とを有することを特徴とする座標入力装置。
【０１４７】
（付記１０）付記９において，
前記入力面設定部は，前記入力面上に二次元座標（Ｘ，Ｙ）をとり当該入力面に直交する方向に第３の座標軸（Ｚ）をとった場合の三次元座標系における，前記２個の超音波送出器の座標値を，前記複数の入力面それぞれに対して設定し，前記入力座標生成部は，前記２つの距離にしたがって，前記三次元座標系における前記入力デバイスの座標値を生成することを特徴とする座標入力装置。
【０１４８】
（付記１１）付記１または９において，
前記入力デバイスは，
ペン型の本体と，
前記本体の先端に，第１の引き込みストロークを有して設けられ，入力面に筆記可能な筆記手段を有する第１の入力芯と，
前記本体の先端またはその他端に，前記第１の引き込みストロークよりも長い第２の引き込みストロークを有して設けられ，引き込まれた時に前記入力面に対して前記第１の入力芯よりも弱い押し下げ圧力で接触する第２の入力芯とを有することを特徴とする座標入力装置。
【０１４９】
（付記１２）付記１において，
前記２個の超音波受信器を有する受信ユニットに，入力面材料を挟み込むクリップが設けられ，入力面材料の一端に当該受信ユニットが固定されることを特徴とする座標入力装置。
【０１５０】
（付記１３）付記９において，
前記２個の超音波送出器を有する送出ユニットに，入力面材料を挟み込むクリップが設けられ，入力面材料の一端に当該受信ユニットが固定されることを特徴とする座標入力装置。
【０１５１】
（付記１４）超音波を送受信することで，少なくとも表示パネル面と筆記面とを含む複数種類の入力面から入力座標をコンピュータ入力する座標入力装置において，
ペン型の入力デバイスと，
当該入力デバイスとの間で超音波を送受信する受信ユニットとを有し，
前記入力デバイスは，
ペン型の本体と，
前記本体の先端に，第１の引き込みストロークを有して設けられ，入力面に筆記可能な筆記手段を有する第１の入力芯と，
前記本体の先端またはその他端に，前記第１の引き込みストロークよりも長い第２の引き込みストロークを有して設けられ，引き込まれた時に入力面に対して前記第１の入力芯よりも弱い押し下げ圧力で接触する第２の入力芯とを有することを特徴とする座標入力装置。
【０１５２】
（付記１５）付記１４において，
前記本体の先端と他端にそれぞれ超音波送出器を設けて，前記第１または第２の芯が入力面に接触した時に，前記２つの超音波送出器が交互に超音波を送出することを特徴とする座標入力装置。
【０１５３】
（付記１６）付記１４において，
前記第１の入力芯と第２の入力芯とが，前記本体の先端部に取り替え可能に装着されることを特徴とする座標入力装置。
【０１５４】
（付記１７）付記１４において，
前記第１の入力芯が前記本体の先端部に取り付けられ，前記第２の入力芯が当該第１の入力芯の先端位置に着脱自在に取り付けられることを特徴とする座標入力装置。
【０１５５】
（付記１８）付記１４において，
前記第１の入力芯と第２の入力芯とが，前記本体内部に並列して設けられ，当該本体の先端部に一方の入力芯が突出し，他方の入力芯がそれより引き込まれることを特徴とする座標入力装置。
【０１５６】
（付記１９）付記１４において，
前記第１の入力芯と第２の入力芯とが，前記本体内部に同軸上に設けられ，当該本体の先端部に一方の入力芯が突出し，他方の入力芯がそれより引き込まれることを特徴とする座標入力装置。
【０１５７】
（付記２０）付記１９において，
前記本体の傾きに応じて，いずれか一方の入力芯が突出することを特徴とする座標入力装置。
【０１５８】
【発明の効果】
以上，本発明によれば，複数の入力面からの座標入力を可能にする座標入力装置を，同期手段と２個の超音波受信器により構成できるので，コストダウンを可能にする。
【０１５９】
以上，本発明の保護範囲は，上記の実施の形態例に限定されるものではなく，特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態例における２個の超音波受信器と複数の入力面との関係を示す図である。
【図２】入力面設定方法を説明する図である。
【図３】本実施の形態例における２個の超音波受信器と複数の入力面との関係を示す図である。
【図４】入力デバイスの構成例を示す図である。
【図５】ペン型入力デバイスのボールペン芯の出し入れ機構を示す図である。
【図６】超音波受信部のブロック図である。
【図７】超音波受信部でのタイミングチャート図である。
【図８】座標入力制御部の構成図である。
【図９】入力面の初期設定のフローチャート図である。
【図１０】入力面設定データの例を示す図である。
【図１１】ノート型パソコン１と入力面との関係を示す図である。
【図１２】入力面での入力デバイスの位置の検出を説明する図である。
【図１３】距離Ｈ１を求める方法を示す図である。
【図１４】距離Ｈ２を求める別の方法を示す図である。
【図１５】超音波を同期手段に利用した座標入力装置を示す図である。
【図１６】図１５の入力ペンである入力デバイスの構成を示す図である。
【図１７】２個の超音波受信器Ｒ１，Ｒ２と同期用の超音波受信器Ｒｓが受信した超音波を処理する受信部の構成図である。
【図１８】図１５において受信した超音波のタイミングチャート図である。
【図１９】図１５における入力ペンの位置の検出を説明する図である。
【図２０】ノート型パソコンに取り付けられた座標入力装置の変形例である。
【図２１】ノート型パソコンに取り付けられた座標入力装置の変形例である。
【図２２】デスクトップ型パソコンに利用される座標入力装置の変形例である。
【図２３】会議室に利用される座標入力装置の例である。
【図２４】本実施の形態例における入力ペンの構成図である。
【図２５】ペン４と受信器Ｒを含む平面を示す図である。
【図２６】受信ユニットＲにより検出される赤外線同期信号と超音波受信波とを示す図である。
【図２７】入力ペンの別の構成例を示す図である。
【図２８】入力ペンの別の構成例を示す断面図である。
【図２９】入力ペンの更に別の構成例を示す断面図である。
【図３０】入力ペンの更に別の構成例を示す断面図である。
【図３１】入力ペンの更に別の構成例を示す断面図である。
【図３２】複数の入力面に対して自在に固定することができる受信ユニットを示す三方位図である。
【図３３】図３２の受信ユニットの使用例を示す図である。
【図３４】別の受信ユニットの構成図である。
【図３５】液晶表示パネルに受信ユニットを取り付けた状態を示す図である。
【図３６】筆記用紙に受信ユニットを取り付けた状態を示す図である。
【符号の説明】
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 入力面
Ｒ１，Ｒ２ 超音波受信器
Ｒｓ 同期用超音波受信器
ＰＤ 赤外線受光素子
４ 入力デバイス，入力ペン
１７ 超音波発信器，超音波送出器
１８ 赤外線発光素子，LED
３０ 受信部
４０ 座標入力制御部
４１ 入力面設定部
４２ 入力座標生成部
【発明の属する技術分野】
本発明は，コンピュータシステムにおいて，画面上の位置を指定したり，手書き文字や図形などの軌跡を入力するための超音波を利用した座標入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータの画面上の位置を指定したり，手書き文字や図形などの軌跡を入力するための座標入力装置は，いろいろな原理を利用したものが提案されている。そのうち超音波利用の座標入力装置は，入力ペンから超音波を発生し，複数の受信器でその超音波を受信し，入力ペンから受信器までに要した超音波伝播時間と超音波速度とから複数の受信器と入力ペンとの間の距離を求め，入力ペンの座標を演算して，コンピュータに入力する。
【０００３】
このような超音波利用の座標入力装置は，抵抗膜方式や電磁誘導式のタッチパネルのように，入力面に特別の構成を設ける必要がなく，コンピュータの表示画面，机上の紙，黒板などの様々な入力面上から座標入力を行うことができる。
【０００４】
提案されている超音波利用の座標入力装置は，入力面上に少なくとも２個の受信器を設け，ある同期信号に同期して入力面内の入力ペンから送出される超音波を２個の受信器で受信し，それぞれの距離から入力面内の座標を求める。従って，入力面それぞれに２個の受信器を設ける必要がある。
【０００５】
また，例えば特開平９−１７９６８４号公報（１９９７年７月１１日公開）には，３個の超音波受信器を共通に設けて，入力ペンの三次元空間内の座標値を検出することで，複数の入力面からの入力をそれぞれ区別して座標入力することが記載されている。この超音波利用の座標入力装置は，任意の入力面からの座標入力を可能にする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，上記の超音波利用の座標入力装置は，三次元空間内に位置する複数の入力面からの入力を許可するために，３個の超音波受信器を必要とする。上記の従来例では，あらゆる入力面からの座標入力を可能にするために，３個の超音波受信器とそれぞれの受信波の伝播時間を検出する受信回路を設ける必要があり，コストアップを招いている。
【０００７】
本発明者が検討したところ，あらゆる入力面からの座標入力の要求は必ずしも多くなく，既設の黒板，既設の机の上，コンピュータの表示画面などある程度決められた入力面からの座標入力ができれば，需要を十分に満たすことができることが判明した。
【０００８】
そこで，本発明の目的は，２個の超音波受信器だけで複数の入力面からの座標入力を可能にする座標入力装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために，本発明の一つの側面は，超音波送出器を有する入力デバイスと，前記複数の入力面に直交しない方向に並べて配置され前記超音波送出器から送出された超音波を受信する２個の超音波受信器と，前記入力デバイスと超音波受信器との間の同期をとる同期手段と，前記２個の超音波受信器と前記複数の入力面との位置関係を設定する入力面設定部と，前記２個の超音波受信器により受信される超音波信号の前記入力デバイスからの伝播時間に従って入力デバイスと前記２個の超音波受信器までのそれぞれの距離を生成し，当該２つの距離にしたがって前記設定された複数の入力面の入力座標を生成する入力座標生成部とを有する座標入力装置である。
【００１０】
上記の発明によれば，２個の超音波受信器を複数の入力面に共通に設け，更に，複数の入力面を２個の超音波受信器を結ぶ線とは直交しない面に限定することで，十分実用に耐えられる座標入力装置を提供することができる。２個の超音波受信器を結ぶ線と入力面とが直交する場合，入力面内の入力デバイスから２個の超音波受信器までの距離が，複数通り存在することになり，入力デバイスの座標を特定することができなくなるからである。
【００１１】
更に，上記の発明では，２個の超音波受信器によって，入力面内の入力デバイスの座標を求めるために，２個の超音波受信器と前記複数の入力面との位置関係をあらかじめ初期設定する。この位置関係があらかじめ設定されれば，複数の入力面内の入力デバイスの位置を，入力デバイスから２つの超音波受信器までの距離により求めることができる。
【００１２】
好ましい実施例では，このような設定は，座標入力装置を使用する前に初期値設定として行われ，コンピュータのメモリ内に設定値として記録される。例えば，入力面を２次元座標面とし入力面に垂直な方向を第３の座標軸とする三次元座標を設定し，当該三次元座標系における２個の超音波受信器の座標値を，入力面毎に初期設定する。それぞれの入力面の三次元座標系における２個の超音波受信器の座標値が設定されることにより，その後の入力面内の入力デバイスの座標値が，入力デバイスと２個の超音波受信器との間の距離から求められる。
【００１３】
好ましい実施例では，２個の超音波受信器と入力面との距離が複数の入力面間で異なるように，複数の入力面の位置が設定される。そして，入力面の範囲をそれぞれの三次元座標系において初期設定しておくことで，入力デバイスの座標値が初期設定された入力面の範囲内か否かをチェックすることで，いずれの入力面からの座標入力かを検出することができる。
【００１４】
上記の目的を達成するために，本発明の別の側面は，複数の入力面からの座標入力を可能にする座標入力装置において，
超音波送出器を有する入力デバイスと，
前記複数の入力面に直交しない方向に並べて配置され，前記超音波送出器から送出された超音波を受信する２個の超音波受信器と，
前記入力デバイスと超音波受信器との間の同期をとる同期手段と，
前記２個の超音波受信器と前記複数の入力面との位置関係を設定する入力面設定部と，
前記２個の超音波受信器により受信される超音波信号の前記入力デバイスからの伝播時間に従って，前記入力デバイスから前記２個の超音波受信器までのそれぞれの距離を生成し，当該２つの距離にしたがって前記設定された複数の入力面内の入力座標を生成する入力座標生成部とを有することを特徴とする。
【００１５】
上記の発明において，より好ましい実施例では，前記入力面設定部は，前記入力面上に二次元座標（Ｘ，Ｙ）をとり当該入力面に直交する方向に第３の座標軸（Ｚ）をとった場合の三次元座標系における，前記２個の超音波受信器の座標値を，前記複数の入力面それぞれに対して設定し，
前記入力座標生成部は，前記２つの距離にしたがって，前記三次元座標系における前記入力デバイスの座標値を生成することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して本発明の実施の形態例を説明する。しかしながら，かかる実施の形態例が，本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１７】
図１は，本実施の形態例における２個の超音波受信器と複数の入力面との関係を示す図である。図１には，表示画面２を有するノート型のパーソナルコンピュータ１と，それに接続されるマウス３とが示される。そして，このコンピュータ１に対して，複数の入力面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３上で入力デバイス４を移動させると，それぞれの入力面内の座標がコンピュータ１に入力され，コンピュータの表示画面２内の所望の位置を入力したり入力デバイス４の軌跡を表示したりすることができる。
【００１８】
本実施の形態例における座標入力装置は，超音波送出器を有する入力デバイス４と，所定の箇所に取り付けられ超音波送出器から送出された超音波を受信する２個の超音波受信器Ｒ１，Ｒ２とを有する。入力デバイス４は，超音波送出器が設けられていれば良いが，例えば後述するペン型の入力デバイスが好ましい。
【００１９】
更に，超音波信号が送出されるタイミングを特定するために，同期手段が設けられる。例えば，入力デバイス４から赤外線が送出され，受信器Ｒ１，Ｒ２の近傍に設けた図示しない受光素子によりその同期タイミングが検出される。
【００２０】
入力デバイス４から送出された超音波信号は，受信器Ｒ１，Ｒ２に受信され，上記同期手段との時間差により入力デバイス４からそれぞれの受信器Ｒ１，Ｒ２までの距離Ｌａ，Ｌｂが求められる。この距離Ｌａ，Ｌｂから入力デバイス４の入力面内の位置が検出される。
【００２１】
本実施の形態例では，２個の超音波受信器を利用して，三次元空間内に配置される複数の入力面からの座標入力を可能にする。三次元空間内の入力デバイスの位置を検出するためには，原理的には３個の超音波受信器が必要である。本実施の形態例では，コスト削減の為に，入力面の位置に一定の制限を与えて，２個の超音波受信器により複数の入力面内の位置を検出できるようにする。
【００２２】
かかる一定の制限は，２個の超音波受信器を結ぶ線と入力面とが直交しないようにすることである。両者は，できるだけ９０度から離れた関係を持つことが好ましい。２個の超音波受信器を結ぶ線と入力面とが直交すると，入力面内の入力デバイスと２個の超音波受信器との距離の組合せから，入力面内の位置が一義的に特定されないからである。更に，一定の制限は，複数の入力面と２個の超音波受信器との位置関係が，あらかじめ設定されることである。例えば，入力面上に設定した三次元座標系における２個の超音波受信器の座標値が，初期設定される。或いは，別の例では，超音波受信器から入力面に下ろした垂線の長さが，あらかじめ設定される。若しくは，超音波受信器を原点とする座標系における入力面の位置が初期設定される。この初期設定値により，入力面内の入力デバイスの座標は，未知数が２個になり，２個の超音波受信器であってもその座標値を検出することが可能になる。
【００２３】
複数の入力面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３と２個の超音波受信器Ｒ１，Ｒ２との位置関係の初期設定について説明する。両者の位置関係を設定する方法は，（１）それぞれの入力面に対して入力面を二次元座標面とする三次元座標系を設定し，その三次元座標系における超音波受信器Ｒ１，Ｒ２の座標値を設定する，（２）超音波受信器Ｒ１，Ｒ２に対して三次元座標系を設定し，その三次元座標系における複数の入力面の座標値と傾きなどを設定する等が考えられる。むろん，任意の三次元座標系を設定して，その中における超音波受信器と入力面の位置を設定してもよい。
【００２４】
本実施の形態例では，上記の（１）の方法により両者の位置関係が設定される。第１に，入力面Ｓ１に対して，入力面Ｓ１上にＸ１，Ｙ１軸を，入力面Ｓ１に直交する方向にＺ１軸を設定し，この三次元座標系X1-Y1-Z1における超音波入力器Ｒ１，Ｒ２の座標値を初期設定する。
【００２５】
図２は，入力面と超音波受信器との位置関係の設定方法を説明する図である。上記の通り，入力面Ｓ１に対して，三次元座標系X1-Y1-Z1が設定される。これは，例えばオペレータが，入力面内にX1,Y1の座標軸を記入することにより行われる。そして，X1,Y1の二次元座標内の既知の３点，例えば，原点P10（0,0,0)，X1軸上の点P11（x11,0,0)，Y1軸上の点P12(0,y11,0)から，入力デバイスにより超音波を発信し，図示されるとおり，それぞれの点P10,P11,P12と超音波受信器R1,R2との距離La10,Lb10，La11,Lb11，La12,Lb12を求める。
【００２６】
そこで，超音波受信器R1,R2の未知の座標値を，R1（xa1,ya1,za1)，R2（xb1,yb1,zb1)とすると，
点P10と受信器R1,R2との距離La10,Lb10に対して，
xa12＋ya12＋za12＝La102 （１）
xb12＋yb12＋zb12＝Lb102 （２）
点P11と受信器R1,R2との距離La11,Lb11に対して，
（x11−xa1）2＋ya12＋za12＝La112 （３）
（x11−xb1）2＋yb12＋zb12＝Lb112 （４）
点P12と受信器R1,R2との距離La12,Lb12に対して，
xa12＋（y11−ya1）2＋za12＝La122 （５）
xb12＋（y11−yb1）2＋zb12＝Lb122 （６）
となり，６個の未知数，R1（xa1,ya1,za1)，R2（xb1,yb1,zb1)は，上記（１）〜（６）の６式の連立方程式から解くことができる。
【００２７】
図１の入力面Ｓ２，Ｓ３と超音波受信器R1,R2との関係も，同様にして求めることができる。そして，各入力面に対する超音波受信器の座標値が，初期値として設定され，後述する座標入力制御部により記憶される。
【００２８】
図１に戻り，それぞれの入力面の座標系における超音波受信器の座標値
R1（xa1,ya1,za1)，R2（xb1,yb1,zb1)
R1（xa2,ya2,za2)，R2（xb2,yb2,zb2)
R1（xa3,ya3,za3)，R2（xb3,yb3,zb3)
が初期設定された状態で，入力面Ｓ１上の任意の位置P1（x1,y1,0）から入力デバイスが超音波を発信して座標入力を行うと，２個の超音波受信器R1,R2までの距離La1,Lb1がそれぞれ検出される。その結果，次の式が成り立つ。
【００２９】
（x1−xa1）2＋（y1―ya1）2＋za12＝La12 （７）
（x1−xb1）2＋（y1―yb1）2＋zb12＝Lb12 （８）
この連立方程式を解くことで，入力座標値P1（x1,y1,0）が求められる。入力面Ｓ２，Ｓ３上での入力座標も，同様にして求めることができる。
【００３０】
本実施の形態例では，どの複数の入力面から座標値を入力しても自動的に検出できるようにするために，入力面と超音波受信器との距離が，お互いに重なり合わない範囲に，各入力面の位置を制限する。即ち，初期設定の段階で，入力面の領域範囲がそれぞれ入力デバイスにより設定される。
【００３１】
図２に示される通り，初期設定において，Ｘ，Ｙ座標の最小となる入力点P13と，最大となる入力点P14とから，入力デバイスにより座標入力が行われる。上記の通り，点P13からの超音波発信により点P13の座標値（x13,y13,0）が求められ，同様に点P14からの超音波発信により点P14の座標値（x14,y14,0)が求められる。これらの２つの座標値を初期設定しておくことにより，入力面Ｓ１上での入力座標値（x1,y1,0）を求めたとき，次の関係が満たされるとき，入力面Ｓ１からの座標入力であると判定することができる。
【００３２】
x13＜x1＜x14 （９）
y13＜y1＜y14 （１０）
上記の判定方法を利用するためには，入力面と超音波受信器との距離が，お互いに重なり合わない範囲に，各入力面の位置を制限する。即ち，入力面Ｓ２，Ｓ３を２個の超音波受信器R1,R2を結ぶ線を中心に回転して入力面Ｓ１のX1−Y1の二次元座標面上に投影した領域Ｓ２’，Ｓ３’が，入力面Ｓ１の領域と重ならないように制限する。
【００３３】
そうすることにより，任意の入力面からの座標入力が行われた時，上記（９）（１０）の関係が満たされた場合は，入力面Ｓ１からの座標入力であると判定することができる。前記投影した領域Ｓ２’，Ｓ３’が入力面Ｓ１の領域と重なる場合は，上記（９）（１０）が満たされる場合でも，入力面Ｓ２，Ｓ３からの入力された可能性もある。従って，初期設定の段階で，各入力面の座標値の最小点と最大点の座標入力が行われた時に，上記領域の重なりが判定され，重なる場合は何らかの警告が出力されることが好ましい。尚，入力範囲が矩形でない場合も，矩形の集合として同じように考えれば良い。但し，入力デバイスからの座標入力のたびに，どの入力面からの入力かを座標入力装置に与えるようにするのであれば，上記の領域の重なりを禁止する必要はない。
【００３４】
以上，本実施の形態例の初期設定をまとめると，２個の超音波受信器が所定の位置に設置され，それらを結ぶ線と直交しない方向に複数の入力面が設置される。そして，オペレータは，それぞれの入力面から既知の３点から入力デバイスにより超音波を発信し，入力面の三次元座標系における２個の超音波受信器の座標値が求められ，初期設定される。次に，各入力面における座標の最小点と最大点の座標入力を行い，入力面の領域を初期設定する。この時，領域が重ならないように適宜警報が出力され，オペレータはそれに応答して，入力面の位置を変更する。上記初期設定が終了後，オペレータは各入力面上で，座標入力を行う。座標入力装置は，入力デバイスと２個の超音波受信器との距離から，入力面の二次元座標を求める。そして，求めた二次元座標値が初期設定された入力面の領域範囲か否かをチェックし，どの入力面からの入力かを自動判別する。
【００３５】
図３は，本実施の形態例におけるより簡略化された入力面の例を示す図である。この例は，部屋の中の２つの壁上（垂直面）に入力面Ｓ１，Ｓ２が，１つの机上（水平面）に入力面Ｓ３が設置される。そして，２個の超音波受信器R1,R2は，それらを結ぶ線が入力面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３のいずれとも直交することが禁止されるので，図３の例では，受信器R1,R2は，第１の入力面Ｓ１上であって，垂直線に対して４５度の角度上に並ぶように設置される。受信器を結ぶ線と入力面とのなす角度が９０度から離れるほど，高精度に入力面内の位置を検出することができる。
【００３６】
更に，理解を容易にするために，入力面Ｓ１の三次元座標X1,Y1,Z1を，受信器Ｒ１を原点とし入力面Ｓ１をX1,Y1軸とするように設定し，入力面Ｓ２の三次元座標X2,Y2,Z2は，受信器Ｒ１から入力面Ｓ２に垂線を下ろした点を原点とし入力面Ｓ２をX2,Y2軸とするように設定し，更に，入力面Ｓ３の三次元座標X3,Y3,Z3は，受信器Ｒ１から入力面Ｓ３に垂線を下ろした点を原点とし入力面Ｓ２をX3,Y3軸とするように設定する。それぞれのＺ軸は，入力面に垂直になる。
【００３７】
このように各入力面の三次元座標軸が設定されると，入力面Ｓ１の三次元座標X1,Y1,Z1における受信器R1,R2の座標値は，
R1（0，0，0），R2（ｅ，−ｅ，0）
になる。また，受信器Ｒ１から第２の入力面Ｓ２までの垂線の長さをｇとすると，入力面Ｓ２の三次元座標X2,Y2,Z2における受信器R1,R2の座標値は，
R1（0，0，−ｇ），R2（０，−ｅ，−ｇ−ｅ）
になる。更に，受信器Ｒ１から第３の入力面Ｓ３までの垂線の長さをｈとすると，入力面Ｓ３の三次元座標X3,Y3,Z3における受信器R1,R2の座標値は，
R1（0，0，ｈ），R2（ｅ，0，ｈ−ｅ）
になる。これらの位置関係を示す受信器の座標値は，初期値として記録される。
【００３８】
上記の受信器の座標値は，図２で説明した通り，それぞれの入力面内の既知の３点から超音波を発信することにより，求められる。或いは，予め長さｅ，ｇ，ｈが分かっている場合は，直接座標値を入力することも可能である。
【００３９】
そして，第１の入力面Ｓ１内の入力座標P1（x1,y1,0）は，２個の超音波受信器R1,R2までの距離をLa1,Lb1とすると，前述の（７）（８）式と同様に，
x12＋y12＝La12
（x1−ｅ）2＋（y1＋ｅ）2＝Lb12
となり，この連立方程式を解くことで，入力座標P1（x1,y1,0）が求められる。
【００４０】
同様に，第２の入力面Ｓ２内の入力座標P2（x2,y2,0)は，２個の超音波受信器R1,R2までの距離をLa2,Lb2とすると，前述の（７）（８）式と同様に，
x22＋y22＋ｇ2＝La22
x22＋（y2＋ｅ）2＋（ｇ＋ｅ）2＝Lb22
となり，この連立方程式を解くことで，入力座標P2（x2,y2,0）が求められる。
【００４１】
同様に，第３の入力面Ｓ３内の入力座標P3（x3,y3,0)は，２個の超音波受信器R1,R2までの距離をLa3,Lb3とすると，前述の（７）（８）式と同様に，
x32＋y32＋ｈ2＝La32
（x3−ｅ）2＋y32＋（ｈ−ｅ）2＝Lb32
となり，この連立方程式を解くことで，入力座標P3（x3,y3,0）が求められる。
【００４２】
図３の例の場合も，入力面Ｓ１の領域と，直線Ｒ１−Ｒ２を中心にして入力面Ｓ２，Ｓ３を回転して，入力面Ｓ１上に投影した面Ｓ２’，Ｓ３’（図示せず）の領域とが，お互いに重なり合わないように各入力面を設置することで，いずれの入力面からの座標入力かを自動認識することができる。
【００４３】
図４は，入力デバイス４の構成例を示す図である。図４（Ａ）に示された入力デバイスは，ペン構成の入力デバイスである。ペン内にはペン先端に出し入れ可能なボールペン芯１６が設けられ，筆記時におけるボールペン芯１６と筆記面との接触を検出するための感圧スイッチ１９が設けられる。ペンの先端にはさらに，円筒状の超音波発信器１７と赤外線LED１８が設けられる。円筒状の超音波発信器１７は，例えばポリフッ化ビニリデン製の円筒状の圧電フィルムからなり，円筒形であるため，３６０度の指向性を持たせることができ，ペンが回転しても超音波が全方位に同じように発信して超音波受信器に届くことができる。赤外線LED１８は，指向性180度のものを対角線上に2個配置し，やはりペンが回転しても赤外線が同じように受信器近傍に設けた図示しないフォトディテクタＰＤに届くようになっている。さらに，駆動回路２０と，充電電池２１と，コンピュータの図示しないホルダにある時にホルダ側電極と接触して充電電池に充電できる電極と，ホルダにある時に超音波を発生する信号をコンピュータからから送出する信号を伝える電極が付いている。ホルダについては，後述する。
【００４４】
図４（Ｂ）には，ペン型の入力デバイスの内部ブロック図が示される。ボールペン芯１６と筆記面との接触，または，後述する芯が中に入っている時のペン先と筆記面との接触を検知する接触検知スイッチ１９により接触が検知されると，タイマ２３により生成される一定周期で，LED駆動回路２４と超音波駆動回路２５がそれぞれ活性化され，赤外線LED１８から赤外線が，超音波発信器１７から超音波パルスがそれぞれ送出される。この送出の周期は，人間の手によるペンの動きが安定的に検出できる程度の時間であり，例えば周波数100Hz程度に設定されている。さらに，後述する通り，ホルダ接触電極２２経由でコンピュータ側からの信号で超音波パルスを発生することもできる。
【００４５】
上記の赤外線LED１８と，超音波受信器近傍に設けられた赤外線受信器ＰＤとで，超音波送出の同期手段を構成する。赤外線の受信時と超音波受信時との時間差が，ペン型の入力デバイスと超音波受信器との間の超音波伝播時間に該当する。
【００４６】
図５は，ペン型入力デバイスのボールペン芯の出し入れ機構を示す図である。ペンの横に設けられた切換レバー２７をスライドさせることで，ボールペン芯１６をペン先から出し入れすることができる。接触検出スイッチ１９，２６は，ボールペン芯の根元とペン先に付いている。芯１６が出ている状態(a)では，芯の根元のスイッチ１９により芯と筆記面との接触を検知する。芯が入っている状態(b)では，スイッチ２６によりペン先と筆記面との接触を検知する。ボールペン芯により実際の図面を描くことができる入力面では，ボールペン芯が先端部に突出し，描画できない入力面では，その面が汚れてしまうため芯を中に入れて使用する。
【００４７】
図６は，コンピュータに内蔵されたもしくは超音波受信器Ｒ１，Ｒ２と一体に配置された超音波受信部のブロック図である。また，図７は，超音波受信部でのタイミングチャート図である。超音波受信器Ｒ１，Ｒ２は，ペン型入力デバイスからの超音波パルスSA1,SA2を，赤外線受光素子PDは赤外線パルスIRをそれぞれ検出する。ペン型入力デバイスからの超音波パルスSA1,SA2は，超音波受信器Ｒ１，Ｒ２で検出後，入力アンプ３２で増幅される。
【００４８】
受信された超音波受信波は，図７に示されるような波形となる。そこで，コンパレータ３３で適当な閾値rt1よりも大きいかどうかが検出され，受信波が閾値rt1を越えるタイミングでフリップフロップ３４がONされる。さらに，零クロスコンパレータ３５で受信波のゼロクロスが検出され，フリップフロップ３４とゼロクロスコンパレータ３５の出力の論理積３６により，受信波が閾値rt1を越えた次の零クロス位置が検出される。この時刻が，超音波パルスの到達時刻となる。そこで，赤外線同期信号ＩＲの受信時刻から超音波パルスの到達までの超音波伝搬時間T1が，タイマ３７により検出される。 受信器Ｒ２に関しても同様に伝搬時間T2が検出される。
【００４９】
これらの伝播時間T1,T2は，後述する座標入力制御部４０に供給される。そして，座標入力制御部４０は，超音波伝搬時間T1,T2から入力座標を求める。
【００５０】
図８は，座標入力制御部の構成図である。座標入力制御部４０は，前述の受信部３０が生成した超音波伝播時間T1,T2から入力面上の入力座標を生成する入力座標生成部４２と，入力座標生成部４２により生成された入力座標が供給される表示制御部４４と，入力面の初期設定時に初期設定値を入力して記録する入力面設定部４１とを有する。
【００５１】
図３に戻って，座標入力装置の初期設定について再度説明する。図９は，入力面の初期設定のフローチャート図であり，図１０は，それにより設定された入力面設定データの例を示す図である。
【００５２】
最初に，超音波受信器Ｒ１，Ｒ２を，２つを結ぶ線が入力面として利用したい面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に対して直交しない位置に設置する。図１に示された例では，入力面Ｓ１が設けられた壁（同じ面）上に，両者を結ぶ線が水平線に対して４５度傾いた状態で設置される（Ｓ１１）。更に，入力面毎に，入力面上にＸ−Ｙ座標を，入力面に垂直にＺ軸を有する三次元座標系を設定する。そして，入力面内の既知の３点から入力デバイスにより超音波IRを発信すると，受信部３０がそれぞれの伝搬時間Ｔ１，Ｔ２を求め，入力面設定部４１が，前述の通り，各入力面の三次元座標系における超音波受信器R1,R2の座標値を求めて，メモリ４３に記憶する（Ｓ１２）。上記の既知の３点は，例えば原点とＸ，Ｙ軸上の所定の点とあらかじめ設定されているものとする。
【００５３】
図３の例では，入力面Ｓ１の座標系X1−Y1−Z1に対して，
R1（0，0，0），R2（ｅ，−ｅ，0）が設定され，
第２の入力面Ｓ２の座標系X2−Y2−Z2に対して，
R1（0，0，−ｇ），R2（0，−ｅ，−ｇ−ｅ）が設定され，
第３の入力面Ｓ３の座標系X3−Y3−Z3に対して，
R1（0，0，ｈ），R2（ｅ，0，ｈ−ｅ）が設定される。
【００５４】
次に，各入力面内の座標の最小点と最大点から入力デバイスにより超音波を発信すると，入力座標生成部４２が両点の座標値を求め，この求められた座標値が，各入力面の範囲としてメモリ４３に記憶される（Ｓ１３）。
【００５５】
第１の入力面Ｓ１では，点P13（x13,y13）と点P14（x14,y14)の座標値が記憶され，第２の入力面Ｓ２では，点P23（x23,y23）と点P24（x24,y24）の座標値が記憶され，第３の入力面Ｓ３では，点P33（x33,y33）と点P34（x34，y34)とが記憶される。これらの点は，既知であれば，キーボードから入力しても良い。
【００５６】
この場合，前述の通り，入力面の領域が２個の超音波受信器との距離の関係から，互いに重なり合わないことが確認される。重なり合うことが検出されると，入力面の移動がオペレータに知らされる。
【００５７】
初期値設置の最後は，各入力面とコンピュータ１の表示画面との変換パラメータの設定である（Ｓ１４）。入力面とコンピュータの表示画面２との間には，回転成分と，オフセット成分と，スケール成分において，異なることが予想される。従って，それらのパラメータをあらかじめ求めておくことで，入力面の座標値をコンピュータの表示画面２内の座標値に変換することができる。
【００５８】
この変換パラメータを求めるためには，例えば，入力面の既知の３点とコンピュータの表示画面の既知の３点との対応をとれば良い。例えば，コンピュータの表示画面２内の既知の３点に入力座標位置を移動させ，それぞれの位置で座標入力を行う。入力デバイスからの超音波発信により，各入力面での二次元座標値が求められる。そして，両面の座標値の関係から，入力面上の座標（x1，y1)から表示画面２内の座標値（xd，yd)への変換式が，以下の通り求められる。
【００５９】
xd＝a1・x1＋b1・y1＋x01
yd＝c1・x1＋d1・y1＋y02
この場合，a1,b1,c1,d1は，両座標系間の回転パラメータとスケールパラメータであり，x01，y01はオフセットパラメータである。これらのパラメータ値も初期値として各入力面毎に記憶される。尚，工程Ｓ１２で使用した既知の３点を利用すれば，超音波を再発信せずに済むためより簡単になる。
【００６０】
以上，入力面設定部４１により，図１０に示される通り，各入力面毎に初期値が設定され，記憶される。
【００６１】
その後，各入力面から入力デバイス４により座標入力を行う場合は，入力デバイス４からの赤外線同期信号と超音波から，受信部３０が超音波の伝播時間T1,T2を求め，入力座標生成部４２が，伝播時間T1,T2から各入力面上の二次元座標を計算し，各入力面の座標値と各入力面の範囲とを比較してどの入力面からの座標入力かを検出する。そして，前述の変換式によって入力面上の二次元座標をコンピュータの表示画面内の二次元座標に変換する。その求められた二次元座標値が表示制御部４４に与えられる。表示制御部４４は，例えばフレームメモリ内の二次元座標値に対応する位置に，所定の表示を行う。そして，その状態が表示部４５に表示される。
【００６２】
次に，図１１〜図１４にしたがって，本実施の形態をノート型パソコンに適用した場合について説明する。図１１は，ノート型パソコン１と入力面との関係を示す図である。この例での入力面は，ノート型パソコン１のディスプレイ面Ｓ１と，キーボード手前の筐体の上面Ｓ２と，筐体を置く机の面Ｓ３である。ペンタイプの入力デバイス４によりディスプレイ面Ｓ１上で筆記すると，入力デバイス４の位置が検出されディスプレイに反映される。即ち，いわゆるタッチパネル方式と同様になる。筐体上面Ｓ２で入力デバイス４により筆記すると，筐体上面Ｓ２での位置が検出されディスプレイに反映される。従って，筐体上面に組み込まれたタブレットと同じ機能を果たす。さらに，ペン先端は出し入れ可能なボールペン芯となっており，机上に置いた紙にボールペンで筆記すると，その位置が検出される。その結果，紙に筆記されるのと同じ文字または画像をコンピュータに入力することができる。
【００６３】
２個の超音波受信器Ｒ１，Ｒ２は，ディスプレイＳ１の上辺の左右端に配置され，上辺の中央に赤外線受信器（フォトダイオードPD）が配置される。入力面Ｓ２の筐体上面にはペンホルダ４６が設けられ，ペン４を使用しない時にはペンホルダ内に置いておく。ペンホルダに置くと，パソコン１からペン内の充電池に充電されるようになっている。また，ペンホルダ４６に入力ペン４が置かれている時には，パソコン１からのホルダ接触電極経由の指令で超音波を送出できるようになっている。後述するとおり，入力面Ｓ２の既知の位置から超音波を送出して受信器Ｒ１，Ｒ２までの距離を求めることにより，ノート型パソコンのディスプレイの傾き角度を自動的に検出することができる。
【００６４】
ディスプレイの入力面Ｓ１上の位置は，二次元座標であるので２個の超音波受信器Ｒ１，Ｒ２により求めることが可能である。一方，超音波受信器Ｒ１，Ｒ２と異なる面である入力面Ｓ２，Ｓ３は，それぞれの三次元座標系が初期設定で設定され，それぞれの座標系における受信器R1,R2の座標値が求められる。更に，初期設定では，入力面S1,S2,S3の範囲も設定され，それら入力面と表示画面の座標変換パラメータも設定される。かかる初期設定が終われば，ペン型の入力デバイス４により，いずれの入力面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３からも座標入力を行うことができる。
【００６５】
図１２は，入力面での入力デバイスの位置の検出を説明する図である。図１２（ａ）は，ディスプレイの入力面Ｓ１上の点Ｐ１に入力デバイス４が位置する場合である。入力デバイスから受信器Ｒ１，Ｒ２までの超音波伝播時間T1,T2が検出されると，超音波の速度Ｖとすると，それぞれの距離La1,Lb1は，伝播時間T1,T2と速度Ｖとの積により求められる。ディスプレイが入力面の場合は，三次元座標系を特定する必要はなく，単に二次元座標を考えれば良い。
【００６６】
今仮に，受信器Ｒ１の位置を二次元座標X1-Y1の原点とすると，ディスプレイ面Ｓ１の幅をＷとすれば，受信器Ｒ２の座標は（Ｗ，０）になる。したがって，入力面Ｓ１上の点Ｐ１（x1，y1）は，
x12＋y12 = La12
(x1−W)2 ＋ y12 = Lb12
の連立方程式をx1,y1について解けば，次の通り点Ｐ１の座標値x1，y1が求められる。
【００６７】
x1 = (La12 − Lb12 + W2)／2W （１１）
y1=−（La12−x12）1/2 （１２）
ここで，入力面S1の縦長をD1とすると，０＜x1＜Ｗ，−D1 ＜y１＜０ の場合には入力ペン４は第１の入力面S1にあることが判明する。
【００６８】
次に，図１２（ｂ）によって入力ペンが第２の入力面S2上の点P2にある場合を説明する。この場合，入力面S2の三次元座標系X2-Y2-Z2は，受信器R1から入力面S2に垂線を降ろした点を原点として，両受信器Ｒ１，Ｒ２を結ぶ方向をＸ軸，水平方向にＹ軸，垂直方向にZ軸とするように設定されている。そして，受信器Ｒ１から第２の入力面Ｓ２までの垂線の長さがＨ１であるので，初期設定により，第２の入力面Ｓ２の三次元座標X2-Y2-Z2における受信器R1,R2の座標値は，R1（0,0,H1），R2（W,0,H1)に設定される。また，第２の入力面S2の範囲は，０＜x2＜Ｗ，−D1cosθ−D2＜y2＜−D1cosθに設定される。
【００６９】
従って，入力面Ｓ２上の点P2(x2,y2,0)は,
x22＋y22＋H12 = La22
(x2−W)2 ＋ y22 ＋ H12 = Lb22
の連立方程式をx2，y2について解けば
x2= (La22 − Lb22 + W2)／2W （１３）
y2= − （La22−x22−H12）1/2 （１４）
と求められる。
【００７０】
さらに，第３の入力面S3の三次元座標系X3-Y3-Z3におけるR1,R2の位置は，R1（0,0,H1+D3），R2（W,0,H1+D3)と設定される。また，入力面S3の範囲は，入力面S1，S2以外の範囲に設定される。そして，入力面S3上の点P3（x3,y3,0)も，上記と同様に以下の通り求められる。
【００７１】
x3= (La32 − Lb32 + W2)／2W （１５）
y3= − [La32−x32−（H1＋D3）2｝1/2 （１６）
この実施の形態では，入力面S1,S2,S3の区別は，それぞれの座標系で求めた座標値が，初期設定した入力面の範囲にはいるか否かにより行われる。即ち，
０＜x1＜Ｗ， −D1 ＜y1＜０なら，入力面Ｓ１，
０＜x2＜Ｗ，−D1cosθ−D2＜y2＜−D1cosθなら，入力面Ｓ２，
上記以外なら，入力面Ｓ３，
と判断される。
【００７２】
距離H1は，ノート型パソコンのディスプレイ部の角度θによって変化する。ノート型パソコンの角度θは，通常いろいろな角度で使えるようになっている。そのため，ノートパソコンのディスプレイ部を開いて角度θが決まった時点で，前述の初期設定を行う必要がある。それにより，角度θと距離H1が校正される。
【００７３】
また，音速Vは温度で変化し温度T(℃)の時
V=331.5+0.6×T [m/s]
で表せるため，温度が変化すると検出される入力点の位置がずれる。そこで，距離H1と同時に音速Vの測定(校正)も行うことが好ましい。
【００７４】
本実施の形態例では，入力ペン４がペンホルダ４６内に保持されている時にこの距離H1を測定することができる。図１３は，かかる測定を説明する図である。図１３において，入力ペンをペンホルダ４６に入れている状態で，ペンの超音波発信部の位置がディスプレイ部の左下隅からDx,Dyの距離にあるとすると，入力面S2の座標系X2-Y2-Z2で，ペン位置Ph(x2,y2,０)は（Dx，−Dy−D1cosθ，０），受信器R1,R2の位置は，R1(０，０，D1sinθ），R2(ｗ，０，D1sinθ）であるので，これらの間の距離La2,Lb2についての連立方程式に代入すれば，
(VT1)2=Dx2+(Dy+D1cosθ)2+(D1sinθ)2
(VT2)2=(Dx−W)2+(Dy+D1cosθ)2+(D1sinθ)2
であるから，これをVとθについて解けば
V=｛(W2−2WDx)／(T22−T12)｝1/2
θ=arccos [[(VT1)2−Dx2−D12−Dy2]／2D1D2]
となる。
【００７５】
すなわち，ペンホルダにある時にパソコンからペンホルダ同期信号が発生され，ホルダ接触電極経由で超音波駆動回路に信号を送り超音波パルスが送出され，受信部Ｒ１，Ｒ２で同期信号から超音波パルス到達までの時間T1,T2を測定することで，受信器Ｒ１，Ｒ２と入力面S2の関係，受信器Ｒ１，Ｒ２と入力面S2の距離H1=D1sinθ，を測定(校正または初期設定)することができる。
【００７６】
ノート型パソコンのディスプレイ部が開いた時点で，校正を一度行っておけばよいが，使用中に角度が変化したり，温度が大きく変化した時には再度校正し直す必要がある。その場合，いちいち入力ペンをペンホルダに入れなくても，オペレータが校正をしたい時にパソコンに校正指定を出し，入力ペンでペンホルダの指定位置Phを入力すれば，同じ計算で校正を行うことができる。もちろん，この時には，受信器は赤外線PDで同期させる。
【００７７】
さらに，入力ペンとは別個に常時位置Phに超音波発信器を内蔵しておくと，入力ペンを使用して座標入力している間でも常時校正を行うことができる。但し，その時には，入力ペンからの超音波と校正用発信器からの超音波が干渉しないように，入力ペンが空中にあって特定時間(例えば１秒)のあいだ赤外線や超音波の信号が送出されていないことを確認して校正するようにすればよい。
【００７８】
さらに，ノートパソコンのディスプレイ部とキーボード部とのヒンジ部に角度センサを組込み，直接角度θを測定してもよい。
【００７９】
さらに，表示部の特定位置，例えば，受信器位置と机上との高さH1+D3を距離センサで直接測定してもよい。その場合に，受信器Ｒ２を送信器として使用して超音波を発生させ，机面で反射した超音波を受信器で受信する超音波距離計を構成すれば，新たなセンサは不要になる。
【００８０】
図１４は，距離Ｈ２を求める別の方法を示す図である。この方法では，入力面Ｓ３上の既知の距離離れた2点の座標入力を行う。入力面S3上の点P3(x3,y3,0)とP4(x4,y4,0)が距離L34離れているとして，各点から受信器R1までの距離La3,La4及び受信器R2までの距離Lb3,Lb4が校正時に測定されると，
x32＋y32＋H22 = La32
(x3−W)2 ＋ y32 ＋ H22 = Lb32
x4 2＋y42＋H22 = La42
(x4−W)2 ＋ y42 ＋ H22 = Lb42
(x3−x4)2 ＋ (y3−y4)2 = L342
の関係が成り立つ。
【００８１】
未知数x3,x4,y3,y4,H2に対して5個の式があるので，これらを解けば第３の入力面Ｓ３と受信器Ｒ１との距離H2を求めることができる。例えば，紙に距離L34離して2点を印刷しておき，その紙を机上に適当に置き，その紙の2点を指定することで距離H2の校正ができる。この紙が，三次元座標系に対して回転や位置ずれがある場合は，紙に印刷した二次元座標軸の原点と一方の座標軸上の既知の点とから超音波を送出することで，距離H2に加えて，三次元座標と二次元座標との関係も初期設定することができる。
【００８２】
また，上記の実施の形態例では，入力ペンに赤外線発光素子LEDを付けているが，受信ユニットに赤外線発光素子LEDを設け，入力ペンにその受光素子PDを付けて，入力ペンが同期信号の赤外線を受信したら超音波を発信するようにしても良い。
【００８３】
また，受信ユニットに超音波送出器を2個，入力ペンに超音波受信器を1個付けても良い。この場合は，2個の超音波発信が混ざり合わないように発信を交互におこなえば良く，先ず，第１の発信器と入力ペンとの距離L1を測定し，次に第２の発信器と入力ペンとの距離L2を測定すれば良い。また，本実施の形態例では赤外線で同期をとっているが，無線や入力ペンに設けた有線で同期をとるようにしてもよい。
【００８４】
尚，図１１の例では，受信器R1とR2を結ぶ線が常に入力面と平行であるが，図１，３にて説明した通り，平行でなくても上記関係式を変形すれば同じように求めることができる。
【００８５】
以上の実施の形態例では，赤外線を同期手段に利用して，１個の超音波送出器と２個の超音波受信器，或いは２個の超音波送出器と１個の超音波受信器とを利用して，複数の入力面上での入力デバイスからの座標入力を可能にした。同期手段は，無線や有線によっても実現できる。更に，同期手段として超音波を利用することも可能である。
【００８６】
以下の例は，入力デバイスに超音波送出器を設け，２個の超音波受信器を所定の位置に設け，更に同期手段として追加の超音波受信器を利用する。そして，同期用の超音波受信器と２個の受信器との超音波受信時間差を利用することにより，複数の入力面からの入力座標を検出する。２個の超音波受信器の位置と複数の入力面との関係は，前述した実施の形態例と同じである。従って，以下の例では，合計で３個の超音波受信器が必要になる。しかし，赤外線を利用した同期手段が不要になるので，トータルのコストは従来例より低くなる。
【００８７】
図１５は，超音波を同期手段に利用した座標入力装置を示す図である。図１１と同様にノート型パソコンのディスプレイ部の上部両端に２個の超音波受信器Ｒ１，Ｒ２を設けると共に，更に，同期手段用の超音波受信器Ｒｓをその間に設ける。そして，入力ペン４から送出する超音波の同期用受信器Ｒｓまでの伝播時間と，両端の２個の受信器Ｒ１，Ｒ２までの伝播時間との差を利用して，入力面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３での入力ペンの位置を検出する。
【００８８】
図１６は，上記の入力ペンである入力デバイスの構成を示す図である。図４と対応する箇所には同じ引用番号を与えている。図１５の例では，入力ペンには同期手段としての赤外線発光素子LEDを設ける必要がない。従って，入力ペン４には超音波発信器１７が接触検知スイッチ１９とホルダ接触電極２２により駆動される。接触検知スイッチ１９がボールペン芯１６が入力面に押しつけられたことを検出すると，タイマ２３から一定周期でトリガ信号が発生され，超音波駆動回路２４が超音波発信器１７を駆動する。また，ホルダ接触電極２２が駆動信号を受信した時も，同様に超音波発信器１７が駆動される。
【００８９】
図１７は，２個の超音波受信器Ｒ１，Ｒ２と同期用の超音波受信器Ｒｓが受信した超音波を処理する受信部の構成図である。図１８は，受信した超音波のタイミングチャート図である。図１７の受信部は，図６に示した受信部における赤外線受光素子PDの代わりに，超音波受信器Ｒｓと，それに伴う入力アンプ32s，コンパレータ33s，フリップフロップ33s，ゼロクロスコンパレータ35s，及びANDゲート36sが設けられている。これらの動作は，超音波受信器Ｒ１，Ｒ２に対応する回路と同じである。
【００９０】
従って，図１８に示される通り，受信器Ｒ１，Ｒ２が受信する超音波は，それぞれ所定の閾値を越えた後のゼロクロス点のタイミングが検出され，検出信号Trg1,Trg2が生成される。また，受信器Ｒｓが受信する超音波のタイミングも同様に検出され，同期用検出信号Trgsが生成される。そして，タイマ37aでは第１の受信器Ｒ１の受信タイミングＴrg1と同期用受信器Ｒｓの受信タイミングＴrgsとの差Ｔ１が計測される。また，タイマ37bでは第２の受信器Ｒ２の受信タイミングＴrg2と同期用受信器Ｒｓの受信タイミングＴrgsとの差Ｔ２が計測される。このタイミング差Ｔ１，Ｔ２にしたがって，座標入力制御部４０で入力ペンの入力座標が求められる。
【００９１】
図１９は，入力ペンの位置の検出を説明する図である。最初に図１９（ａ）の入力面Ｓ１の場合について説明する。２点との距離差が一定な点の軌跡は双曲線になるので，２点R1,Rsとの距離差と２点R2,Rsとの距離差によりそれぞれ特定される２つの双曲線の交点が，入力ペンの位置と考えることができる。そこで，入力面Ｓ１の場合，受信器R1,Rsとの距離差K1及び受信器R2,Rsとの距離差K2は，
K1=L1−Ls=VT1
K2=Ls−L3=VT2
であり，同期用受信器Rsを三次元座標系の原点とすると，入力点P1(x1,y1)は，２つの双曲線の式である
(x1+W/4)2 (4K12−W2)／4K12 + y12 = (4K12−W2)／16
(x1−W/4)2 (4K22−W2)／4K22 + y12 = (4K22−W2)／16
をx1,y1について解けば求まる。
【００９２】
また, 入力面S2,S3の場合も同様に，入力点Ｐ２（x2,Y2)，Ｐ３(x3,y3)が，２つの双曲線の式から求められる。
【００９３】
この実施の形態例でも，２つの超音波受信器Ｒ１，Ｒ２を結ぶ線と直交しない入力面が利用可能である。その場合の初期設定，高さＨ１の校正方法は，前述の実施の形態例と同じである。また，受信器R1,R2,Rsは一直線上に等間隔で並んで設けられ，その直線は常に入力面と平行であるが，本実施の形態はそれに限定するものではなく，受信器R1,R2,Rsが一直線上になくてもよい。また，いずれの受信器を同期用としても良い。
【００９４】
図２０は，ノート型パソコンに取り付けられた座標入力装置の変形例である。この例では，２個の超音波受信器Ｒ1,Ｒ2をノートパソコン１の表示部とキーボード部の境界付近に配置する。この場合，入力面は表示部Ｓ１と机上Ｓ２が利用可能である。２つの受信器R1,R2は，表示部である第１の入力面Ｓ１とは同一の面上にあり，更に２つの受信器R1,R2から机上の第２の入力面Ｓ２までの高さは，表示部の傾きが変化してもほぼキーボード部の厚さである。したがって，表示部の傾きが変化してもその傾きを校正する必要がない。
【００９５】
但し，この例では，キーボード部の表面は，受信器R1,R2からの距離が表示部と区別できないため，入力面としては利用することができない。但し，オペレータからコンピュータに対して，入力面をどこにするかを予め指示する機能をアプリケーションプログラムとして設けることができれば，座標入力生成部が表示部とキーボード部とを区別できるので，両方の面を入力面に利用することは可能である。
【００９６】
図２１は，更に，ノート型パソコンに取り付けられた座標入力装置の変形例である。この例では，２つの超音波受信器R1,R2と赤外線受光素子PDとが取り付けられ，内部に受信部３０，入力座標生成部４２，入力面設定部４１及び初期設定値記録手段４３など（図８参照）を有する受信ユニット４６が利用される。この受信ユニット４６が，例えばノート型パソコン１の表示部の左上に取り付けられ，前述の原理により３つの入力面S1,S2,S3からの入力座標が検出される。
【００９７】
図２２は，デスクトップ型パソコンに利用される座標入力装置の変形例である。この例では，ＣＲＴディスプレイ４７の上部左の位置に受信ユニット４６が取り付けられる。そして，入力面は，表示部Ｓ１とキーボード４８の手前の机上の面Ｓ２が利用される。
【００９８】
図２３は，会議室に利用される座標入力装置の例である。会議室の黒板Ｓ１の上部両端に２個の超音波受信器R1,R2が設けられ，その中央に赤外線受光器PDが設けられる。そして，床面ＳＦに並べられた複数の机上面Ｓ２〜Ｓ７も入力面として利用される。黒板Ｓ１は，コンピュータのスクリーンであっても良いし，プロジェクタの表示画面であっても良い。
【００９９】
この場合は，机上面Ｓ２〜Ｓ７が同一面上に配置されるので，床面ＳＦから机の高さシフトした面内における，それぞれの机上面Ｓ２〜Ｓ７の領域が予め登録される必要がある。それにより，それぞれの机上面での二次元座標が入力座標として図示しないコンピュータに記録される。
【０１００】
［入力ペンの構成例］
図２１で説明したとおり，本発明は，ノート型パソコンの表示画面に受信ユニット４６を取り付け，表示画面Ｓ１と筆記面Ｓ３の初期設定を行うことにより，入力ペンを表示画面Ｓ１上または筆記面Ｓ３上でそれぞれの面に押しつけることで，パソコンに座標入力することができる。その場合，ノート型パソコン１の表示画面は，多くの場合液晶表示パネルが使用される。
【０１０１】
通常の液晶表示パネルの表面には薄いガラス板が設けられているため，通常の入力ペンでパネル表面にタッチすると表面のガラス板を損傷するおそれがあり，入力ペンがパネル表面のガラス板を損傷しないようにすることが必要である。パネル表面を保護するためにガラス板を厚くすることが考えられるが，特殊な構造の表示パネルとなり好ましくない。一方，紙などの筆記面には，筆記面に筆跡が残るようにボールペン芯などの筆記機能をもつ芯を有する入力ペンが適している。従って，入力ペンは，液晶表示パネル面Ｓ１と筆記面Ｓ３とで，異なる構成にする必要がある。
【０１０２】
本実施の形態における入力ペンは，上記の点を考慮して，紙などの筆記面用に，ボールペンなどの筆記できる芯を利用し，接触検知スイッチのストローク（ペン先を押し込んで止まるまでの芯の移動量）を比較的小さくて，筆記面への筆記を容易にする構成にする。一方，入力ペンは，液晶表示パネル用に，パネル表面を損傷しないように，柔らかいペン先を有し，且つ接触検知スイッチのストロークを長くし，パネル表面をタッチした時の押しつけ圧力が比較的弱い構成を有する。つまり，入力ペンのペン先が液晶表示パネル表面よりも固ければ，入力時にペン先がパネル表面に損傷を与えてしまうので，ペン先を柔らかくする。また，ペン先のパネル表面への押しつけ圧力が強いと，パネル表面のガラス板に大きな力がかかり，ガラス板が割れたりひびがはいったりするおそれがあるので，押しつけ圧力を弱くする。そして，接触検知スイッチがオンするためのペン先のストロークが短いと，例えペン先の押しつけ圧力が弱くても，ペン先がストロークだけ移動した後は大きな圧力がパネル表面にかかってしまうので，ストロークは比較的長いことが望まれる。
【０１０３】
図２４は，本実施の形態例における入力ペンの構成図である。図２４（Ａ）は入力ペン全体の構成図，図２４（Ｂ）は筆記面用のペン先構成図，図２４（Ｃ）は表示パネル表面用のペン先構成図である。図２４の入力ペン４は，一方の先端部に筆記面用のボールペン芯１６が設けられ，他方の先端部に表示パネル表面用のタッチ芯５０が設けられる。図２４（Ａ）に示されるとおり，入力ペン４の本体４ａには，駆動回路２０，駆動用電池２１，赤外線LED１８がそれぞれ設けられている。そして，一方の先端に，ボールペン芯１６と第１の超音波発信器17aが，他方の先端に，タッチ芯５０と第２の超音波発信器17bがそれぞれ設けられる。超音波発信器１７は，それぞれ円筒状のポリフッ化ビニリデン製の圧電フィルムで構成され，３６０°の指向性を有する。また，赤外線LED１８は，例えば指向性１２０°のLEDを１２０°おきに３個配置して，３６０°の指向性を実現している。３６０°の指向性を持たせることにより，入力ペンが回転しても，赤外線と超音波が受信ユニットに確実に到達することができる。
【０１０４】
図２４（Ｂ）に示されるとおり，筆記面用のペン先の構成は，ボールペン芯１６を収納する芯ホルダ５４が，入力ペンの本体４ａ内に収納され，第１のばね52aにより下向きに圧力がかけられていて，第１の接触検知スイッチ19aの部分で上向きに止められている。ボールペン芯自体は，筆記することでインクが消耗して取り替える必要があるので，芯ホルダ５４に脱着可能に収納される。そして，芯ホルダ５４の上端とペン本体４ａとの距離が，比較的短い第１のストローク56aを確保できる程度に設計されている。従って，入力ペン４のボールペン芯１６を筆記面に押しつけると，芯ホルダ５４の側面の突起と接触検知スイッチ19aとが離れて，ボールペン芯１６の筆記面への接触を検知することができる。ペン先を筆記面に押しつけると，第１のばね52aが縮められ，押しつけ圧力が発生する。そして，第１のストローク56aだけ芯ホルダ５４が移動すると，その上端部がペン本体４ａに達して，入力ペン使用者の押しつけ圧力がそのままペン先に伝えられる。
【０１０５】
第１のストローク56aは，使用者の書き心地が悪くならないように，0.5mm以下が望ましく，例えば0.2mm程度にすることで使用者はストロークを殆ど感じずに通常のボールペン感覚で筆記できる。また，第１のばね52aの押しつけ圧力は，１gf程度と非常に小さく設定される。
【０１０６】
図２４（Ｃ）に示されるとおり，タッチ芯５０の先端には，表示パネル表面の損傷を防止するために柔らかい材料による先端保護部５１が設けられている。そして，タッチ芯５０の形状は，ボールペン芯の芯ホルダ５４に類似して，側面突起部が第２の接触検知スイッチ19bで上向きに止められ，第２のばね52bにより下向きに圧力がかけられている。そして，タッチ芯５０の上端とペン本体４ａとの距離が，比較的長い第２のストローク56bを有する程度に設計されている。
【０１０７】
第２のストローク56bは，入力ペン使用者がパネル表面にタッチ芯５０の先端が接触して内側に引き込まれるのを感知できるように，比較的長く，例えば２mm以上に設定されていることが好ましく，例えば３mm程度がより好ましい。また，第２のばね52bは，表示パネル表面に損傷を与えないように，例えば１０gf以下の押しつけ圧力を有することが望ましく，例えば３gfの押しつけ圧力がより好ましい。第２のストローク56bが比較的長く，第２のばね52bの圧力が，パネル表面を損傷しない程度に小さいが，使用者に接触を感知させる程度に大きいので，タッチ芯５０がパネル表面に接触して第２のストローク56b以下の距離だけペン本体４ａ側に後退する間に，使用者はタッチ芯の接触を感知することができる。
【０１０８】
入力ペンのペン先が筆記面やパネル面に接触して，接触検知スイッチ１９がそれを検知すると，前述のとおり，タイマーによる一定周期で赤外線LED１８より赤外線が送出され，更に超音波発信器１７より超音波が送出される。その後の受信ユニットによる入力ペン座標の検出は，前述の通りである。
【０１０９】
入力ペンのペン先と超音波発信器との間にある程度の距離が存在する場合に，入力ペンを傾けて筆記面や表示パネル面に座標入力を行うと，入力位置に誤差が発生する。つまり，超音波発信器から受信ユニットまでの距離により入力座標が求められるので，超音波発信器とペン先との間の距離が大きくなると，入力座標に誤差が生じる。
【０１１０】
その場合，図２４の入力ペンは，超音波発信器17a,17bがペン本体4aの上下に設けられているので，２つの超音波発信器を利用して，上記誤差をなくすことができる。
【０１１１】
図２５に示すように，ペン４と受信器Ｒを含む平面を考える。ペン先Ｐに対して，第１の超音波送信器Taがペン先Ｐから距離aにあり，さらに，第２の超音波送信器Tbが第１の超音波送信器Taから距離b離れているとする。この時，第１の超音波送信器Taから受信器Ｒまでの距離をLa，第２の超音波送信器Tbから受信器Ｒまでの距離をLbとする。そして，三角形RPTb と三角形RTaTbとを考えると，
L2 ＝Lb2＋(a＋b) 2−2(a＋b)Lb cosθ
La2＝Lb2＋b2−2 b Lb cosθ
となる。したがって，ペン先Ｐから受信器Ｒまでの距離Ｌは，
L＝｛a2＋ab＋La2 (a＋b)/b−Lb2 a/b｝1/2
となる。
【０１１２】
ボールペン芯の先端から第１の超音波送信器までの距離とタッチ芯の先端から第２の超音波送信器までの距離をいずれも a にしておけば，どちらの芯を使用しても上式により，ペン先端Ｐと受信器Ｒまでの距離を正確に求めることができる。
【０１１３】
図２６は，受信ユニットＲにより検出される赤外線同期信号と超音波受信波とを示す図である。図２４のボールペン芯が使用される場合は，第１の接触検知スイッチ19aが接触を検知した時は，赤外線発信後，第１の超音波発信器17aからパルスを発信し，更に遅延時間Tp後，第２の超音波発信器17bからパルスを発信する。受信器では，赤外線同期信号IRを受信した後，第１の超音波発信器からの超音波SA1,SA2の到達時間T1,T2を検出し，続けて第２の超音波発信器からの超音波SA1,SA2の到達時間T3,T4を検出する。到達時間T3,T4から遅延時間Tpを減算すれば，第２の超音波発信器からの実際のパルス到達時間が求まる。あとは，上記の計算式により，ペン先Ｐから受信器Ｒまでの距離Ｌを求めることができる。ペン先の芯が入力面に接触し続ける場合は，第１及び第２の超音波発信器が，交互に超音波パルスを送出する。
【０１１４】
図２７は，入力ペンの別の構成例を示す図である。この例は，図２８（Ａ）に示されるように，入力ペン４の一端にのみ入力芯１６と超音波発信器１７とが設けられ，図２７（Ｂ）（Ｄ）に示されるように，筆記面用のボールペン芯１６と表示パネル面用のタッチ芯５０とが交換可能にペン本体４ａに取り付けられる。図２８（Ｃ）は，タッチ芯５０を収納するタッチ芯ホルダ５８を示す。この例では，超音波発信器を１個設けるだけでよい。
【０１１５】
図２８（Ｂ）に示される構成は，図２４（Ｂ）と同じであり，ボールペン芯１６は，芯ホルダ５４内に脱着可能に収納されている。ボールペンのインクが消耗するとボールペン芯１６を取り替える必要がある。そして，芯ホルダ５４は，ペン本体４ａ内に収納され，第１のばね52aにより下向きに圧力をかけられ，側面の突起により接触検知スイッチ１９で上向きに止められている。そして，芯ホルダ５４は，第１のストローク56aだけ上下に移動可能である。第１のストロークの距離や第１のばねの圧力は，図２４の場合と同じである。
【０１１６】
一方，図２７（Ｃ）に示されるように，タッチ芯５０は，タッチ芯ホルダ５８に収納され，図２７（Ｄ）に示されるように，タッチ芯ホルダ５８が，芯ホルダ５４に脱着可能に収納される。そして，タッチ芯ホルダ５８内に収納されたタッチ芯５０は，第２のばね52bにより下向きに圧力をかけられ，側面の突起により上向きに止められている。そして，タッチ芯ロッド６０が十分な長さを有し，比較的長い第２のストローク56bが確保されている。タッチ芯５０の先端には先端保護部５１が取り付けられている。タッチ芯ホルダ５８が芯ホルダ５４に収納されると，図２７（Ｄ）に示されるように，第２のばね52bにより小さい圧力が表示パネル面に与えられ，第２のストローク56bと第１のストローク56aの合計ストロークの範囲で，タッチ芯先端がペン本体内に後退する。ストローク範囲が十分長いので，ペン使用者は，その範囲のタッチ芯先端移動中に，入力ペンの表示パネル面への接触を感知することができる。
【０１１７】
図２７の入力ペンにおいても，超音波発信器をペン本体の上端に設けることができる。そうすることにより，図２５，２６で説明したとおり，超音波発信器１７とペン先との距離が長いことによる誤差をなくすことができる。
【０１１８】
図２８は，入力ペンの別の構成例を示す断面図である。図２８（Ａ）が筆記面用のボールペン芯１６が収納された状態の断面図，図２８（Ｂ）が表示パネル面用のタッチ芯５０が収納された状態の断面図である。この例では，ボールペン芯１６とタッチ芯５０とが同じ芯ホルダ５４に脱着可能に収納され，ボールペン芯１６を装着した時は比較的短い第１のストローク56aになり，タッチ芯５０を装着した時は比較的長い第２のストローク56bになる。その為に，芯ホルダ５４の中央部に中心方向に弾性力を有するストッパ６０が設けられ，ボールペン芯１６の上端16pは太くてストッパ６０を外側に押し拡げて，ペン本体4aの段差で止まるようになり，タッチ芯５０の上端50pは細くてストッパ６０が内側にしぼみ，芯ホルダ５４の上端がペン本体4aの穴の上端で止まるようになっている。その結果，第１のストローク56aは短く，第２のストローク56bは長くなる。この例では，ボールペン芯とタッチ芯を装着すると，自動的に対応するストロークになる。また，ばね52aにてタッチ芯装着時の押し下げ圧力が決まるので，ばね52aは，表示パネル面に損傷を与えない程度で，使用者に接触を感知させる程度の弾性力に設定される。
【０１１９】
図２８の入力ペンは，ペン本体4aに設けられた手動スイッチによりストローク長さが変更されるようにすることもできる。
【０１２０】
図２９は，入力ペンの更に別の構成例を示す断面図である。この例は，ボールペン芯にタッチ芯を取り付けることで，表示パネル面での座標入力を行う。図２９（Ａ）に示されるとおり，ボールペン芯１６が芯ホルダ５４に収納され，更に芯ホルダ５４がペン本体４ａ内に収納されているスライド部６２内に収納される。スライド部６２には，ストッパ６４を有して，ボールペン芯１６を使用する時に芯ホルダ５４の上端との間に第１のストローク56aを形成する機能と，タッチ芯を取り付けた時に，タッチ芯の先端が超音波発信器１７から離れすぎないようにペン本体４ａに後退するスライド機能とを有する。
【０１２１】
図２９（Ａ）は，筆記面用の入力ペンであり，スライド部６２のスライドスイッチ６６を下側にスライドさせることで，ペン本体４ａの側部突起６５によりストッパ６４が内側に押し込められ，ストッパ６４と芯ホルダ５４の上端との間に第１のストローク56aが形成される。この例では，接触検知スイッチ１９は，スライド部６２に設けられている。
【０１２２】
図２９（Ｂ）は，タッチ芯５０を保持するタッチ芯ホルダ５８を示す。このタッチ芯ホルダ５８が，スライド部６２の先端部の溝６８に装着される。そして，図２９（Ｃ）に示されるとおり，スライド部６２のスライドスイッチ６６を手動で上側にスライドされ，それに伴い，ストッパ６４が爪６５から外れて弾性力により外側に拡がり，第２のストローク56bがタッチ芯５０のロッドの長さにより決定される。スライド部６２が上側にスライドすることで，ペン本体先端の超音波発信器１７がタッチ芯５０の先端に近接する位置になる。図２９（Ｄ）は，タッチ芯５０が表示パネル面に接触して，内側に後退した状態である。ストッパ６４が外側に開いているので，芯ホルダ５４の上端がストッパ６４より高い位置まで移動している。
【０１２３】
図３０は，更に，入力ペンの別の構成例を示す断面図である。この例は，筆記面用のボールペン芯と表示パネル面用のタッチ芯とがノック式多色ボールペンの如くスライド72a,72bを押すことにより，切り換えられる構成を有する。ペン本体４ａ内にボールペン芯１６を収納した芯ホルダ54aとタッチ芯５０を収納した芯ホルダ52bとが，並べて収納されている。厳密には，ボールペン芯１６が内側芯ホルダ54cに脱着可能に収納され，その内側芯ホルダ54cがばね52aにより外側芯ホルダ54a内で下向きに押し下げられ，接触検知スイッチ19aにより上側にストップされている。内側芯ホルダ54cの上端部形状により第１のストローク56aが形成される。同様に，タッチ芯５０も，芯ホルダ54b内に収納され，ばね52bにより下向きに押し下げられ，接触検知スイッチ19bにより上側にストップされている。そして，タッチ芯５０の上端部形状により比較的長い第２のストローク56bが形成される。ボールペン芯側とタッチ芯側のばねの弾性力は，上記の例と同じである。
【０１２４】
芯ホルダ54a,54bは，それぞればね68a,68bにより上側に押し上げられており，段差からなるラッチ70a,70bと，ノッチ71a,71bと，スライド72a,72bとが設けられている。そして，図３０（Ａ）の状態からスライド72bを押し下げることで，タッチ芯側のノッチ71bが押し下げられ，ボールペン芯側のノッチ71aを外側に押し広げる，ラッチ70aが固定部７４の下端から外れ，ばね68aにより上側に戻される。一方，タッチ芯側のラッチ70bが固定部７４の下端に止められて，タッチ芯５０の先端がペン先端から突出した状態になる。これが，図３０（Ｂ）の状態である。この状態で，スライド72aを下側にスライドすることで，図３０（Ａ）の状態になる。
【０１２５】
図３１は，更に，入力ペンの別の構成例を示す断面図である。この例は，ボールペン芯１６と中空のタッチ芯５０とが同軸構造になっている。これにより，図３０のペン本体より細くすることができる。また，ボールペン芯１６とタッチ芯５０とが，入力ペンの傾きによって自動的に出し入れされる構成になっている。机の上の筆記面から座標入力する場合は，ペン本体が垂直方向になり，ノート型ＰＣの表示パネル面から座標入力する場合は，ペン本体が水平方向になる。その傾きを検出して，ボールペン芯とタッチ芯とが出し入れされる。
【０１２６】
ボールペン芯１６は，ボールペン芯用の内側芯ホルダ54cに脱着可能に収納され，内側芯ホルダ54cが更に外側芯ホルダ54aに収納されている。ばね52aにより内側芯ホルダ54cが下側に押し下げられ，接触検知スイッチ19aで上向きに止められている。そして，第１のストローク56aが形成されている。また，タッチ芯５０は，ペン本体４ａに収納され，ばね52bにより下側に押し下げられ，接触検知スイッチ19bで上向きに止められている。
【０１２７】
図３１（Ａ）に示されるように，ペン本体が垂直方向にある場合は，下側に下がる錘７６によりストッパ７８の下端が支点８０を中心にして内側に移動し，外側芯ホルダ54aの上端をストップさせる。これにより第１のストローク56aが形成される。図３１（Ｂ）に示されるとおり，ペン本体が水平方向にある場合は，ばね52dの上側弾性力により錘７６が下側に下がらず，ストッパ７８の下端が外側に押し拡げられ，外側芯ホルダ54cがばね52cの上側弾性力により上側に移動する。その結果，中空のタッチ芯５０がペン下端から突出する。この状態で，比較的長い第２のストローク56bが形成される。図３１（Ｃ）は，タッチ芯５０が表示パネル面に接触して内側に引き込まれた状態を示す。
【０１２８】
上記の例において，錘７６とばね52dによりペンの傾きを検出したが，加速度センサのような傾きセンサを利用して自動的にボールペン芯とタッチ芯とを出し入れしても良い。または，手動によりボールペン芯とタッチ芯を出し入れしてもよい。その場合でも，ボールペン芯とタッチ芯とが同軸構造になっているので，ペン本体を細くすることができる。
【０１２９】
図２１では，受信ユニット４６がノート型ＰＣの表示パネルの外周に取り付ける。この場合，筆記用紙面Ｓ３から座標入力する場合，入力中に筆記用紙の位置がずれてしまうと，受信ユニット４６との相対的な位置が変化して，改めて初期設定をする必要がある。
【０１３０】
そこで，受信ユニット４６がノート型ＰＣの表示パネルに固定的に取り付けられたり，筆記用紙に固定的に取り付けられたりすることができれば，上記の筆記用紙の位置ずれに伴う初期設定のやり直しが不要になる。
【０１３１】
図３２は，複数の入力面に対して自在に固定することができる受信ユニットを示す三方位図である。図３２（Ａ）が平面図，（Ｃ）が正面図，（Ｂ）が側面図である。この受信ユニットは，本体８２に表示パネルや筆記用紙を突き当てる凹部からなる突き当てエッジ８４が設けられ，更に，表示パネルや筆記用紙を挟むためのクリップ８６，ばね８７が設けられている。クリップ８６の先端部８８に表示パネルや筆記用紙が挟まれる。本体８２の両端には超音波受信器Ｒ１，Ｒ２が設けられ，その間の中心位置に赤外線受光素子ＰＤが設けられる。
【０１３２】
図３３は，図３２の受信ユニットの使用例を示す図である。受信ユニット４６は，クリップを利用して，ノート型パソコンの表示パネル９０の左上角に取り付けられる。表示パネル９０の角部が突きエッジ８４に整合して，位置合わせが容易に行われる。これにより，表示面Ｓ１と筆記面Ｓ３でのペン入力が可能になる。更に，受信ユニット４６を筆記用紙９２の左上角に取り付けることにより，筆記用紙９２が位置ずれしても，受信ユニット４６が固定されているので，改めてキャリブレーションを行う必要はない。なお，入力ペンの使用者が左利きの場合は，受信ユニット４６は，表示パネルの右上角，筆記用紙の右上角にそれぞれ取り付けるのが好ましい。そうすることにより，超音波パルスや赤外線が入力ペンを持った手により遮られることが防止される。
【０１３３】
図３４は，別の受信ユニットの構成図である。図３４（Ａ）が平面図，図３４（Ｂ）が側面図である。この受信ユニットの特徴は，超音波受信器Ｒ１，Ｒ２と赤外線受光素子ＰＤとが設けられる本体８２が，略三角形の形状をなし，本体８２が回転軸９０を中心にして回転自在にクリップ本体86aに取り付けられている。クリップ本体86aは，略正方形をなし，その角部が一部薄く加工されて突き当てエッジ８４がクリップ本体86aに対して直線上に形成されている。突き当てエッジ８４を直線形状にすることで，受信ユニットが表示パネルの側面や筆記用紙の側面に取り付け可能になる。
【０１３４】
図３５は，液晶表示パネルに受信ユニットを取り付けた状態を示す図である。表示パネルの左辺上部（位置Ａ）や上辺左部（位置Ｂ）に取り付けることで，右利きの利用者が保持する入力ペンからの赤外線や超音波を受信することができる。但し，位置Ａと位置Ｂとでは，クリップ本体に対する受信ユニット本体８２の位置が９０°異なっている。同様に，表示パネルの上辺右部（位置Ｃ）や左辺上部（位置Ｄ）に取り付けることで，左利きの利用者が保持する入力ペンからの赤外線や超音波を受信することができる。但し，この場合も位置Ｃと位置Ｄとでは，クリップ本体に対する受信ユニット本体８２の位置が９０°異なっている。いずれの場合も，２この超音波受信器を結ぶ線が入力面に対して略４５°になるように，回転方向が調整されることが，入力座標の精度を高くするうえで望ましい。
【０１３５】
図３６は，筆記用紙に受信ユニットを取り付けた状態を示す図である。図３６（Ａ）（Ｂ）は，横長の紙面９２に対して受信ユニット４６をそれぞれ左辺上部と上辺左部に取り付けた例である。いずれの場合も，クリップ本体に対して受信ユニット本体を適宜回転させ，２個の超音波受信器の面が横長方向を向くように設定される。また，図３６（Ｃ）（Ｄ）は，縦長の紙面９３に受信ユニットをそれぞれ取り付けた例であり，この場合も受信ユニット本体を適宜回転させて，超音波受信器の面が縦長方向を向くように調整される。
【０１３６】
上記の入力ペンは超音波発信器を有し，受信ユニット側に超音波受信器が設けられている。しかし，入力ペン側に超音波受信器を設け，入力面に取り付けられるユニットに２個の超音波発信器を設けても，同様に座標入力をすることができる。
【０１３７】
以上の実施の形態例をまとめると，以下の付記の通りである。
【０１３８】
（付記１）複数の入力面からの座標入力を可能にする座標入力装置において，
超音波送出器を有する入力デバイスと，
前記複数の入力面に直交しない方向に並べて配置され，前記超音波送出器から送出された超音波を受信する２個の超音波受信器と，
前記入力デバイスと超音波受信器との間の同期をとる同期手段と，
前記２個の超音波受信器と前記複数の入力面との位置関係を設定する入力面設定部と，
前記２個の超音波受信器により受信される超音波信号の前記入力デバイスからの伝播時間に従って，前記入力デバイスから前記２個の超音波受信器までのそれぞれの距離を生成し，当該２つの距離にしたがって前記設定された複数の入力面内の入力座標を生成する入力座標生成部とを有することを特徴とする座標入力装置。
【０１３９】
（付記２）付記１において，
前記入力面設定部は，前記入力面上に二次元座標（Ｘ，Ｙ）をとり当該入力面に直交する方向に第３の座標軸（Ｚ）をとった場合の三次元座標系における，前記２個の超音波受信器の座標値を，前記複数の入力面それぞれに対して設定し，前記入力座標生成部は，前記２つの距離にしたがって，前記三次元座標系における前記入力デバイスの座標値を生成することを特徴とする座標入力装置。
【０１４０】
（付記３）付記２において，
前記入力面設定部は，前記入力面上の既知の二次元座標を有する３点における前記入力デバイスからの超音波送出に応答して，前記２個の超音波受信器の座標値を生成することを特徴とする座標入力装置。
【０１４１】
（付記４）付記２において，
前記入力面設定部は，前記入力面内の二次元座標系と表示画面内の二次元座標系との関係を設定し，
前記入力座標生成部は，前記第１の座標値から前記関係にしたがって前記表示画面内の二次元座標系における第２の座標値を生成し，当該第２の座標値を入力座標として出力することを特徴とする座標入力装置。
【０１４２】
（付記５）付記４において，
前記入力面設定部は，前記表示画面内の所定の３点に対応する前記入力面内の３点における前記入力デバイスからの超音波送出に応答して，前記入力面と表示画面の二次元座標系の関係を生成することを特徴とする座標入力装置。
【０１４３】
（付記６）付記１において，
前記設定される複数の入力面は，前記超音波受信器からの距離がそれぞれ異なる位置に制限され，
前記入力座標生成部は，前記入力面上の位置にある前記入力デバイスから前記超音波受信器までの距離に従って，当該入力デバイスが入力しようとする入力面を特定し，前記入力デバイスの入力座標を生成することを特徴とする座標入力装置。
【０１４４】
（付記７）付記１において，
前記同期手段は，前記入力デバイスから送出される超音波信号を受信し，前記三次元座標内の既知の位置に設置される同期用超音波受信器を有し，
前記入力座標生成部は，前記入力デバイスから送出される超音波信号が前記２個の超音波受信器のいずれか一方と前記同期用超音波受信器とまでに伝播する時間の第１の差と，前記送出された超音波信号が前記２個の超音波受信器のいずれか他方と前記同期用超音波受信器とまでに伝播する時間の第２の差とにしたがって，前記入力デバイスの前記三次元座標内の位置を生成することを特徴とする座標入力装置。
【０１４５】
（付記８）付記１乃至７のいずれかにおいて，
前記２個の超音波受信器がコンピュータの表示画面の面内に設置可能であり，
前記複数の入力面は，前記表示画面及び当該表示画面が載置された第１の面を少なくとも含むことを特徴とする座標入力装置。
【０１４６】
（付記９）複数の入力面からの座標入力を可能にする座標入力装置において，
超音波受信器を有する入力デバイスと，
前記複数の入力面に直交しない方向に並べて配置され，前記超音波受信器に超音波を送出する２個の超音波送出器と，
前記入力デバイスと超音波送出器との間の同期をとる同期手段と，
前記２個の超音波送出器と前記複数の入力面との位置関係を設定する入力面設定部と，
前記超音波受信器により受信される超音波信号の前記入力デバイスからの伝播時間に従って前記入力デバイスから前記２個の超音波送出器までのそれぞれの距離を生成し，当該２つの距離にしたがって前記設定された複数の入力面内の入力座標を生成する入力座標生成部とを有することを特徴とする座標入力装置。
【０１４７】
（付記１０）付記９において，
前記入力面設定部は，前記入力面上に二次元座標（Ｘ，Ｙ）をとり当該入力面に直交する方向に第３の座標軸（Ｚ）をとった場合の三次元座標系における，前記２個の超音波送出器の座標値を，前記複数の入力面それぞれに対して設定し，前記入力座標生成部は，前記２つの距離にしたがって，前記三次元座標系における前記入力デバイスの座標値を生成することを特徴とする座標入力装置。
【０１４８】
（付記１１）付記１または９において，
前記入力デバイスは，
ペン型の本体と，
前記本体の先端に，第１の引き込みストロークを有して設けられ，入力面に筆記可能な筆記手段を有する第１の入力芯と，
前記本体の先端またはその他端に，前記第１の引き込みストロークよりも長い第２の引き込みストロークを有して設けられ，引き込まれた時に前記入力面に対して前記第１の入力芯よりも弱い押し下げ圧力で接触する第２の入力芯とを有することを特徴とする座標入力装置。
【０１４９】
（付記１２）付記１において，
前記２個の超音波受信器を有する受信ユニットに，入力面材料を挟み込むクリップが設けられ，入力面材料の一端に当該受信ユニットが固定されることを特徴とする座標入力装置。
【０１５０】
（付記１３）付記９において，
前記２個の超音波送出器を有する送出ユニットに，入力面材料を挟み込むクリップが設けられ，入力面材料の一端に当該受信ユニットが固定されることを特徴とする座標入力装置。
【０１５１】
（付記１４）超音波を送受信することで，少なくとも表示パネル面と筆記面とを含む複数種類の入力面から入力座標をコンピュータ入力する座標入力装置において，
ペン型の入力デバイスと，
当該入力デバイスとの間で超音波を送受信する受信ユニットとを有し，
前記入力デバイスは，
ペン型の本体と，
前記本体の先端に，第１の引き込みストロークを有して設けられ，入力面に筆記可能な筆記手段を有する第１の入力芯と，
前記本体の先端またはその他端に，前記第１の引き込みストロークよりも長い第２の引き込みストロークを有して設けられ，引き込まれた時に入力面に対して前記第１の入力芯よりも弱い押し下げ圧力で接触する第２の入力芯とを有することを特徴とする座標入力装置。
【０１５２】
（付記１５）付記１４において，
前記本体の先端と他端にそれぞれ超音波送出器を設けて，前記第１または第２の芯が入力面に接触した時に，前記２つの超音波送出器が交互に超音波を送出することを特徴とする座標入力装置。
【０１５３】
（付記１６）付記１４において，
前記第１の入力芯と第２の入力芯とが，前記本体の先端部に取り替え可能に装着されることを特徴とする座標入力装置。
【０１５４】
（付記１７）付記１４において，
前記第１の入力芯が前記本体の先端部に取り付けられ，前記第２の入力芯が当該第１の入力芯の先端位置に着脱自在に取り付けられることを特徴とする座標入力装置。
【０１５５】
（付記１８）付記１４において，
前記第１の入力芯と第２の入力芯とが，前記本体内部に並列して設けられ，当該本体の先端部に一方の入力芯が突出し，他方の入力芯がそれより引き込まれることを特徴とする座標入力装置。
【０１５６】
（付記１９）付記１４において，
前記第１の入力芯と第２の入力芯とが，前記本体内部に同軸上に設けられ，当該本体の先端部に一方の入力芯が突出し，他方の入力芯がそれより引き込まれることを特徴とする座標入力装置。
【０１５７】
（付記２０）付記１９において，
前記本体の傾きに応じて，いずれか一方の入力芯が突出することを特徴とする座標入力装置。
【０１５８】
【発明の効果】
以上，本発明によれば，複数の入力面からの座標入力を可能にする座標入力装置を，同期手段と２個の超音波受信器により構成できるので，コストダウンを可能にする。
【０１５９】
以上，本発明の保護範囲は，上記の実施の形態例に限定されるものではなく，特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態例における２個の超音波受信器と複数の入力面との関係を示す図である。
【図２】入力面設定方法を説明する図である。
【図３】本実施の形態例における２個の超音波受信器と複数の入力面との関係を示す図である。
【図４】入力デバイスの構成例を示す図である。
【図５】ペン型入力デバイスのボールペン芯の出し入れ機構を示す図である。
【図６】超音波受信部のブロック図である。
【図７】超音波受信部でのタイミングチャート図である。
【図８】座標入力制御部の構成図である。
【図９】入力面の初期設定のフローチャート図である。
【図１０】入力面設定データの例を示す図である。
【図１１】ノート型パソコン１と入力面との関係を示す図である。
【図１２】入力面での入力デバイスの位置の検出を説明する図である。
【図１３】距離Ｈ１を求める方法を示す図である。
【図１４】距離Ｈ２を求める別の方法を示す図である。
【図１５】超音波を同期手段に利用した座標入力装置を示す図である。
【図１６】図１５の入力ペンである入力デバイスの構成を示す図である。
【図１７】２個の超音波受信器Ｒ１，Ｒ２と同期用の超音波受信器Ｒｓが受信した超音波を処理する受信部の構成図である。
【図１８】図１５において受信した超音波のタイミングチャート図である。
【図１９】図１５における入力ペンの位置の検出を説明する図である。
【図２０】ノート型パソコンに取り付けられた座標入力装置の変形例である。
【図２１】ノート型パソコンに取り付けられた座標入力装置の変形例である。
【図２２】デスクトップ型パソコンに利用される座標入力装置の変形例である。
【図２３】会議室に利用される座標入力装置の例である。
【図２４】本実施の形態例における入力ペンの構成図である。
【図２５】ペン４と受信器Ｒを含む平面を示す図である。
【図２６】受信ユニットＲにより検出される赤外線同期信号と超音波受信波とを示す図である。
【図２７】入力ペンの別の構成例を示す図である。
【図２８】入力ペンの別の構成例を示す断面図である。
【図２９】入力ペンの更に別の構成例を示す断面図である。
【図３０】入力ペンの更に別の構成例を示す断面図である。
【図３１】入力ペンの更に別の構成例を示す断面図である。
【図３２】複数の入力面に対して自在に固定することができる受信ユニットを示す三方位図である。
【図３３】図３２の受信ユニットの使用例を示す図である。
【図３４】別の受信ユニットの構成図である。
【図３５】液晶表示パネルに受信ユニットを取り付けた状態を示す図である。
【図３６】筆記用紙に受信ユニットを取り付けた状態を示す図である。
【符号の説明】
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 入力面
Ｒ１，Ｒ２ 超音波受信器
Ｒｓ 同期用超音波受信器
ＰＤ 赤外線受光素子
４ 入力デバイス，入力ペン
１７ 超音波発信器，超音波送出器
１８ 赤外線発光素子，LED
３０ 受信部
４０ 座標入力制御部
４１ 入力面設定部
４２ 入力座標生成部
Claims (6)
- 複数の入力面からの座標入力を可能にする座標入力装置において，
超音波送出器を有する入力デバイスと，
前記複数の入力面に直交しない方向に並べて配置され，前記超音波送出器から送出された超音波を受信する２個のみの超音波受信器と，
前記入力デバイスと超音波受信器との間の同期をとる同期手段と，
前記２個の超音波受信器と前記複数の入力面との位置関係を設定する入力面設定部と，
前記２個の超音波受信器により受信される超音波信号の前記入力デバイスからの伝播時間に従って，前記入力デバイスから前記２個の超音波受信器までのそれぞれの距離を生成し，当該２つの距離にしたがって前記設定された複数の入力面内の入力座標を生成する入力座標生成部とを有することを特徴とする座標入力装置。 - 請求項１において，
前記入力面設定部は，前記入力面上に二次元座標（Ｘ，Ｙ）をとり当該入力面に直交する方向に第３の座標軸（Ｚ）をとった場合の三次元座標系における，前記２個の超音波受信器の座標値を，前記複数の入力面それぞれに対して設定し，
前記入力座標生成部は，前記２つの距離にしたがって，前記三次元座標系における前記入力デバイスの座標値を生成することを特徴とする座標入力装置。 - 請求項２において，
前記入力面設定部は，前記入力面上の既知の二次元座標を有する３点における前記入力デバイスからの超音波送出に応答して，前記２個の超音波受信器の座標値を生成することを特徴とする座標入力装置。 - 請求項２において，
前記入力面設定部は，前記入力面内の二次元座標系と表示画面内の二次元座標系との関係を設定し，
前記入力座標生成部は，第１の座標値から前記関係にしたがって前記表示画面内の二次元座標系における第２の座標値を生成し，当該第２の座標値を入力座標として出力することを特徴とする座標入力装置。 - 請求項１において，
前記設定される複数の入力面は，前記超音波受信器からの距離がそれぞれ異なる位置に制限され，
前記入力座標生成部は，前記入力面上の位置にある前記入力デバイスから前記超音波受信器までの距離に従って，当該入力デバイスが入力しようとする入力面を特定し，前記入力デバイスの入力座標を生成することを特徴とする座標入力装置。 - 請求項１において，
前記入力デバイスは，
ペン型の本体と，前記本体の先端に，第１の引き込みストロークを有して設けられ，入力面に筆記可能な筆記手段を有する第１の入力芯と，
前記本体の先端またはその他端に，前記第１の引き込みストロークよりも長い第２の引き込みストロークを有して設けられ，引き込まれた時に前記入力面に対して前記第１の入力芯よりも弱い押し下げ圧力で接触する第２の入力芯とを有することを特徴とする座標入力装置。
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