JP4146188B2 - 超音波型座標入力装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力ペンで文字や図形を手書き入力したときの運筆軌跡をコンピュータに入力するための座標入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、コンピュータに手書きの文字や絵を入力したり、表示装置の画面上のＧＵＩ（絵やアイコン等から成るユーザインターフェース）をマウスに代って入力操作するために、表示装置の画面上に感圧式のフィルムを貼着し、その表示装置の画面上を一般にスタイラスペンと呼ばれる入力ペンを用いて直接入力操作して、入力ペン等による運筆軌跡や接触による選択指示をコンピュータに入力し、その入力結果を同じ表示装置の画面上に表示する技術が実用化している。
【０００３】
また、格子状の電極を液晶ディスプレイの背面に配置し、電磁誘導によって入力ペンの位置を求める技術がある。この方式は、液晶ディスプレイの表面から多少離れている入力ペンの位置でも検知する程度の電磁誘導の感度を備えているため、入力ペンを空中で動かしてその移動の軌跡を入力することができる。したがって、空中での入力ペンの位置によって表示画面上のカーソルを動かすことを行なえば、表示画面の厚みや画面を見る角度から生じる視差等によって入力ペンの先端と画面上の所望の位置との間に多少の位置ずれがあっても、入力ペンを近づけていくことによって補正できるため使い勝手が良くなっている。このような使い方を、近接入力、ホバリング、フライングポイント等と呼ぶ場合がある。
【０００４】
また、画面上でなく机上に座標入力用のタブレットと呼ばれる専用の板部材を置き、このタブレット上で入力ペンで筆記して、その運筆軌跡の座標をコンピュータに入力する技術がある。この場合、ユーザはコンピュータの表示画面を見ながらタブレットへの入力操作を行うため、入力ペンでタブレットにタッチするまで、入力ペンの位置が分からない。これでは使いにくいため近年では電磁誘導方式のタブレットを使用し近接入力できるようにしている。
【０００５】
また、電磁誘導方式に代わって入力ペンの位置座標を求める方法として超音波方式がある。この方式は２通り有り、先ず一つは、有線又は赤外線等で超音波パルスを発信するタイミングを固定側に通知した後入力ペンから空中に超音波パルスを発信する。そして、固定して配置した２個の超音波センサで、その超音波を受信し、それぞれの受信時間に基づいて入力ペンまでの距離を測定し、三角測量によって入力ペンの位置を取得するものである。
【０００６】
また、他の一つは、超音波パルスを発信するタイミング通知装置が無く、超音波パルスが発信されるタイミングが固定側で分からない場合であり、この場合は３個の超音波センサを使用し、各センサまでパルスが届く時間差から距離差を求め、双曲線航法の原理で入力ペンの位置を求めるものである。
【０００７】
いずれにしても、２個又は３個の超音波センサを配置すれば入力ペンの位置座標を取得することができるため、電磁誘導方式に比べて簡単な構成で済みしたがって装置を低価格で提供することができるという利点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した感圧式のフィルムを貼着したものは、表示画面の表面つまり感圧式フィルム表面に接触するまで、入力ペンの位置が分からない（表示画面に接触軌跡が表示されない）ため、実際に入力ペンを表示画面の表面に接触させたとき、前述したように表示画面の厚みや画面を見る角度から生じる視差等で、入力ペンの先端位置と表示画面上の所望の位置とがずれている場合が多い。
【０００９】
このように位置ずれがあると、何かの都合で途中でペン先を表示画面から離して、次に前の入力した線に連続させて線を入力しようとしたとき、正しく線が連続せず、したがって、文字や絵を正確に描きにくいといった問題が発生する。また、ＧＵＩなどの画面への入力操作ミス等の問題も発生する。
【００１０】
また、上述した電磁誘導方式では、電磁誘導用の格子状の電極が表示画面の視野を妨げないように、その電極を表示画面の背面に形成する必要がある。このため、表示画面全体の構造が複雑となり、構造が複雑になる分、設計上の制約が発生して設計の自由度が失われるという問題があった。また、構造が複雑になった分だけ通常の液晶ディスプレイに比べて装置価格が大幅に上昇するという問題もいあった。
【００１１】
また、従来の超音波方式は、確かに構成が簡単で装置価格が安価ではあるが、入力ペンが入力面に接触している時のみ超音波パルスを発生するようにしているため、電磁誘導方式に見られる近接入力のような、入力ペンの空中での移動軌跡を入力することができないという不満が残るものであった。
【００１２】
本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、超音波を使用して入力ペンの位置座標を取得すると共に、入力ペンのペン先が入力面に接触中か空中に在るかを弁別し且つ入力ペンの入力面接触軌跡のみでなく空中移動軌跡をも入力できる超音波型座標入力装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
以下に、本発明に係わる超音波型座標入力装置の構成を述べる。
本発明の超音波型座標入力装置は、超音波の送信又は受信を行なう超音波圧電素子を有する移動体と、該移動体の特定部分が座標入力面と接触していることを検知する接触検知手段と、超音波の受信又は送信を行う少なくとも２個の超音波圧電素子を有する固定体と、上記超音波の伝搬時間に基づいて上記固定体に対する上記移動体の位置を求める位置検知手段と、を有する超音波型座標入力装置であって、上記移動体の上記特定部分が上記座標入力面と接触していない場合に上記移動体による座標入力を行なうか否かを判別する判別手段と、上記移動体の上記特定部分が上記座標入力面と接触しているか否かの信号を上記移動体から上記固定体に発信する発信手段と、を備えて構成される。
【００１４】
上記発信手段は、例えば請求項２記載のように、上記移動体の上記特定部分が上記座標入力面と接触しているか否かに応じて上記超音波を変調させて発信するように構成される。
【００１５】
また、この超音波型座標入力装置は、例えば請求項３記載のように、上記移動体において光を含む電磁波を送信する電磁波送信手段と、上記固定体において光を含む電磁波を受信する電磁波受信手段と、上記電磁波の送受信によって上記超音波発生のタイミングを取得するタイミング取得手段と、を更に備え、上記電磁波送信手段は、上記移動体の上記特定部分が上記座標入力面と接触しているか否かに応じて上記電磁波を変化させて送信するように構成される。
【００１６】
上記判別手段は、例えば請求項４記載のように、上記移動体と上記座標入力面との距離を検出する距離検出手段を備え、該距離検出手段により検出される距離が所定の距離以内である場合を、上記移動体の上記特定部分が上記座標入力面と接触していない場合でも上記移動体による座標入力を行なう条件とするように構成される。
【００１７】
上記距離検出手段は、例えば請求項５記載のように、上記固定部から発信される高さ方向に指向性を有する超音波又は光を含む電磁波からなる距離判別信号を発信する距離判別信号発信手段を備えて構成される。
【００１８】
これにより、超音波を使用して入力ペンの位置座標を取得すると共に、入力ペンのペン先が入力面に接触中か空中に在るかを弁別し且つ入力ペンの入力面接触軌跡のみでなく空中移動軌跡をも入力できる超音波型座標入力装置を提供することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、上記移動体は、例えば入力ペン１等から成り、上記特定部分は、例えばペン先４等から成り、上記座標入力面は、例えば筆記面３等から成り、上記接触検知手段は、例えばペンタッチスイッチ１５等から成り、上記固定体は、例えば受信機２等から成り、上記位置検知手段及び上記判別手段は、例えば超音波センサ７、赤外線センサ２４等から成り、上記発信手段は、例えば超音波発信器５等から成り、上記電磁波発信手段は、例えば赤外線発信部６等から成り、上記電磁波受信手段は、例えば赤外線センサ２４等から成り、上記タイミング取得手段は、例えばタイマ２７、２８等から成り、上記距離検出手段は、例えば距離検出装置８等から成り、そして上記距離判別信号発信手段は、例えば赤外線センサ２４と置き換えられる赤外線発信装置又は超音波発信器等から成る。
【００２０】
図１は、本発明の超音波型座標入力装置の基本構成と機能を説明する図である。本発明の超音波型座標入力装置は、同図に示す入力ペン１及び受信機２からなる。受信機２は、筆記面３の四つの角のいずれか１つの角に固定配置される。筆記面３は、液晶ディスプレイ、タブレット、机の面、机上に広げた紙等の均一で偏平な面で形成されていれば何でもよい。
【００２１】
上記の受信機２は、後述するコンピュータに有線又は無線で接続されており、筆記面３への入力ペン１による接触入力軌跡のデータ又は空中入力軌跡のデータをコンピュータに送信する。
【００２２】
上記入力のために使用される入力ペン１は、同図に使用中の入力ペン１ａで示すようにその先端が筆記面３に接触しているか、同じく同図に使用中の入力ペン１ｂで示すようにその先端が筆記面３から離隔しているかのどちらかである。
【００２３】
通常では、この使用中の状態で 入力ペン１ａ又は１ｂのペン先４の位置を受信機２に特定させるために、入力ペン１ａ又は１ｂから超音波発信器５により超音波Ｕｗを発信した場合、２個の超音波センサ７（７−１、７−２）を結ぶ直線Ｌｓを回転中心とした円弧Ａｓで示す３次元位置しか特定できない。
【００２４】
つまり、使用中の入力ペン１ａのようにそのペン先４が筆記面３にあるとすれば、円弧Ａｓと筆記面３が交わる点がペン先４のある位置であるが、使用中の入力ペン１ｂのようにそのペン先４が筆記面３から図の距離ｈで示すように離隔して空中にあるとすれば、そのペン先４は円弧Ａｓ上に在ることは分かっても、円弧Ａｓ上のどの位置に在るかは分からない。
【００２５】
そこで、本発明の超音波型座標入力装置においては、受信機２に距離検出装置８を設ける。この距離検出装置８は、入力ペン１の例えば赤外線発信部６から発信される赤外線を一定範囲に絞って検出することによりペン先４が筆記面３から所定の距離以内（接触も含む）にあるか否かを検出する。
【００２６】
受信機２は、この距離検出に基づいて、入力ペン１のペン先４が筆記面３から上記の所定距離よりも離れている場合には空中移動軌跡の入力を中止し、入力ペン１のペン先４が筆記面３から上記の所定距離以内に在るときのみ入力ペン１のペン先４が筆記面３から垂直方向の上空にある（又は筆記面３に接触している）と仮定して空中移動軌跡（又は接触移動軌跡）を入力するようにする。
【００２７】
また、上記の入力ペン１には、人の手に持たれていることを検出する把持検出装置が設けられている。この入力ペン１が電池で駆動される構成の場合、入力ペン１から常に超音波を発信していると、超音波の発信は比較的大きな電力を消費するものであるため電池寿命が短くなってしまう。したがって、このような構成のときは、把持検出装置により入力ペン１が人の手に持たれている（使用中である）ことが検出されているときのみ、入力ペン１から超音波を発信するようにして、電池寿命が長くなるようにすることができる。
【００２８】
図２(a) は、第１の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの構成を透視的に示す図であり、同図(b)は、その内部回路の構成を示すブロック図である。同図(a) に示すように、入力ペン１は、筒体９、この筒体９の上方に収容された電池１１、電池１１の直下に配設されている駆動回路１２、この駆動回路１１よりも下方（ペン先４寄り）になる把持部の所定の位置に貼着されて配設されている指タッチスイッチ１３、ペン先４に連動する内部シャフト１４、この内部シャフト１４の上端に連結されたペンタッチスイッチ１５、把持部の直下に配置された３個の赤外線ＬＥＤ（LightEmitting Diode）から成る赤外線発信部６、及び筒体９のペン先４のある細い先端部を取り囲んで筒状に配設された超音波発信器５を備えている。
【００２９】
指タッチスイッチ１３は、感圧式のタッチスイッチであり、入力ペン１の把持部が人の指で把持されることにより、電気抵抗が変化して、これにより入力ペン１が人に把持されたことが検出される。
【００３０】
ペンタッチスイッチ１５は、常時開スイッチで構成され、ペン先４が筆記面３に接触して、ペン先４に連動する内部シャフト１５により上方に押し込まれることによりスイッチが閉じるようになっている。これにより、ペン先４が筆記面３に接触したことが検出される。
【００３１】
上記赤外線発信部６の３個の赤外線ＬＥＤは、それぞれ１２０度の指向性を有する赤外線ＬＥＤであり、３個合わせて３６０度方向に所定の赤外線信号を発信することができる。これにより、使用中の入力ペン１のペン先４が筆記面３から上記所定の距離以内にあるときは、使用中の入力ペン１がどのように回転しても、赤外線発信部６から発信される赤外線信号は受信部２に受信されるようになっている。
【００３２】
また、筒状に配設された超音波発信器５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で構成されている。円筒状であるので、これから発信される超音波信号は３６０度の指向性を有している。したがって、この場合も使用中の入力ペン１がどのように回転しても、超音波発信器５から発信される超音波信号は受信部２に受信されるようになっている。
【００３３】
この入力ペン１が、使用のため人の手に把持されると、把持されたことが指タッチスイッチ１３により検出され、この検出信号は、同図(b) に示すように、内部回路２０のタイマ２１に出力される。タイマ２１は、予め定められた所定の期間を計時して得られる入力ペン１の位置座標を検出させるためのタイミング信号を、ＬＥＤ駆動回路２２と超音波駆動回路２３とに出力する。
【００３４】
そのタイミング信号により、一方のＬＥＤ駆動回路２２は赤外線発信部６を発光駆動して３個の赤外線ＬＥＤから所定周期の赤外線パルス信号を発信させ、他方の超音波駆動回路２３は超音波発信器５を発振駆動して所定周期の超音波パルス信号を発信させる。
【００３５】
そして、入力ペン１のペン先４が筆記面３に接触したことがペンタッチスイッチ１５により検出されたときは、この検出信号は、同図(b) に示すように内部回路２０のＬＥＤ駆動回路２２に出力される。ＬＥＤ駆動回路２２は上記の検出信号が入力されたことに応じて、３個の赤外線ＬＥＤから発信される赤外線信号のパルス数を変更するように赤外線発信部６を制御する。
【００３６】
なお、上記の指タッチスイッチ１３は、感圧式と限るものではなく、手の接触によって静電容量が変化する方式のものや、使用者の指で押されるような機械的なスイッチを設けるようにしてもよい。また、一般に入力ペン１は、非使用時には水平に横たえられた状態であり、使用時にはやや斜めに立った状態になるから、傾斜センサを配設し、入力ペン１の姿勢を検出するようにして、非使用時と使用時との判断を行うようにしてもよい。
【００３７】
ただし、非使用時に入力ペン１をペン立てに差し込んで置くような使い方をするときは、ペン立て側に、傾斜センサが働かないようにする又はその検出信号を無効にするような装置を配設する必要がある。
【００３８】
図３(a) は、上記第１の実施の形態における超音波型座標入力装置の受信機２の平面図であり、同図(b)は、その正面図、同図(c) は、その側面図である。なお平面図と側面図は内部の構成を透視的に破線で示している。
【００３９】
受信機２は、図３(a),(b),(c)に示すように、図１にも示した超音波センサ７−１、７−２と距離検出装置８を備えている。距離検出装置８は受信機２の内部のほぼ中央に配設された赤外線センサ２４と、赤外線遮蔽部２５とから成る。上記の超音波センサ７−１及び７−２も、ポリフッ化ビニリデン製の円筒状の圧電フィルムで構成されており、いかなる方向からも受信機２に向けて送信される超音波信号を受信することができる。
【００４０】
また、距離検出装置８は、図３(a),(b) に示すように、上下に薄く水平方向広い幅の開口を有し奥行き方向に谷状に深く切り込まれた溝が形成され、その溝の谷となる部分に赤外線センサ２４が配置されている。溝の上下面及び谷を形成する横の斜面は赤外線遮蔽部２５を形成している。これにより、赤外線センサ２４の受光特性は、水平方向では同図(a)の破線矢印ａ１及びａ２で示す９０度の範囲の指向性を持ち、垂直方向では同図(c) に破線矢印ｂ１及びｂ２で示す約１０度の指向性しか持っていない。
【００４１】
図４(a) 〜(f)は、上記赤外線センサ２４の垂直方向の約１０度しかない指向性について具体的に説明する図である。同図(a) の位置では入力ペン１の赤外線発信部６から発信される赤外線は赤外線センサ２４で検出されないため、同図(a)の位置での入力ペン１の空中の移動軌跡は入力されない。入力ペン１を同図(b)の位置まで下ろすと、赤外線発信部６から発信される赤外線が赤外線センサ２４で検知されて入力ペン１の空中又は接触の移動軌跡が入力される。
【００４２】
受信機２から離れた位置の同図(c),(d) や、入力ペン１が傾いた時の同図(e),(f) の場合についても同様であり、赤外線センサ２４のおよそ１０度の指向性の範囲内にある同図(d)又は同図(f) の場合にのみ赤外線発信部６から発信される赤外線パルスが赤外線センサ２４で検知されて、この赤外線パルスに同期して入力ペン１から発信される超音波信号によって、入力ペン１の空中又は接触の移動軌跡が入力される。
【００４３】
他方、同図(a),(c),(e)の場合は赤外線パルスの同期信号が受信機２によって検出されないから、受信機２では超音波パルスの検出は行わず、したがって、入力ペン１の空中移動軌跡の入力は行われない。
【００４４】
図５は、上記受信機２の内部回路のブロック図である。赤外線センサ２４で入力ペン１からの赤外線パルスを検出し、超音波センサ７−１及び７−２で入力ペン１からの超音波パルスを受信する。赤外線センサ２４で検出された赤外線パルスは赤外線カウンタ２６、タイマ２７及び２８に入力される。
【００４５】
赤外線カウンタ２６は入力された赤外線パルスのパルス数を計数して、その計数により得られた赤外線パルス数の検出信号Ｎｉをコンピュータ２９に通知する。一方のタイマ２７は、入力された赤外線パルスの立ち上がりのエッジに同期して計時を開始し、アンド回路３１から入力される後述する零クロス検出信号に基づいて計時を終了し、計時開始から終了までの時間データＴ１をコンピュータ２９に通知する。他方のタイマ２８は、これも入力された赤外線パルスの立ち上がりのエッジに同期して計時を開始し、アンド回路３２から入力される後述する零クロス検出信号に基づいて計時を終了し、計時開始から終了までの時間データＴ２をコンピュータ２９に通知する。
【００４６】
また、超音波センサ７−１で受信された超音波パルスは、入力アンプ３３で増幅されてコンパレータ３４及び零クロスコンパレータ３５にぞれぞれ入力される。コンパレータ３４は入力された超音波パルスを、予め設定されている後述する閾値ｒｔ１と比較し、超音波パルスの振幅が閾値ｒｔ１以上であるとき信号“真”をフリップフロップ３６を介して上記のアンド回路３１に出力する。
【００４７】
他方、零クロスコンパレータ３５は、超音波パルスの零クロスを検出たびに信号“真”をアンド回路３１に出力する。アンド回路３１は両入力端子に信号“真”が入力すると、この信号“真”を零クロス検出信号としてタイマ２７に出力する。
【００４８】
超音波センサ７−２で受信された超音波パルスも同様に、入力アンプ３７で増幅され、コンパレータ３８及び零クロスコンパレータ３９にぞれぞれ入力される。コンパレータ３８は入力された超音波パルスを、予め設定されている後述する閾値ｒｔ２と比較し、超音波パルスの振幅が閾値ｒｔ２以上であるとき信号“真”をフリップフロップ４１を介して上記のアンド回路３２に出力する。
【００４９】
他方、零クロスコンパレータ３９は、超音波パルスの零クロスを検出たびに信号“真”をアンド回路３２に出力する。アンド回路３２は両入力端子に信号“真”が入力すると、この信号“真”を零クロス検出信号としてタイマ２８に出力する。
【００５０】
図６(a) は、上記赤外線カウンタ２６に入力されて計数され、コンピュータ２９に通知される赤外線パルスの波形と、入力アンプ２７で増幅されてコンパレータ３４又は３８及び零クロスコンパレータ３５又は３９に入力される超音波パルスの波形を示す図である。
【００５１】
同図(a) は入力ペン１のペン先４が筆記面３に接触しているときの、入力ペン１の赤外線発信部６から発信される赤外線信号ａ−１と、同じく入力ペン１の超音波発信器５から発信されれた超音波信号ａ−２及びａ−３を示している。
【００５２】
また、同図(b) は、入力ペン１のペン先４が筆記面３から離れており且つ筆記面３から図４に示す所定の距離以内に在るときの、入力ペン１の赤外線発信部６から発信される赤外線信号ｂ−１と、同じく入力ペン１の超音波発信器５から発信されれた超音波信号ｂ−２及びｂ−３を示している。なお、本例では、超音波信号ａ−２、ａ−３、ｂ−２及びｂ−３のパルスの波形は、異なる検出時刻又は検出条件によって分けて示しているだけであり、いずれも同一の波形である。
【００５３】
図６(a) において、赤外線信号ａ−１のパルス波形のエッジの立ち上がり時刻ｔ０に同期して、図５のタイマ２７及び２８が起動し、それぞれ図６(a)に示す時間Ｔ１及びＴ２の計時が開始される。
【００５４】
図５に示すコンパレータ３４及び３８には、図６(a) に示す適宜の閾値ｒｔ１及びｒｔ２が設定されており、コンパレータ３４及び３８は、入力された超音波信号ａ−２及びａ−３のパルス波形の示す値が閾値ｒｔ１及びｒｔ２の値よりも大きいかそれぞれ比較し、大きいと信号“真”を出力してフリップフロツプ３１及び３２をオンにする。
【００５５】
他方、上記と並行して零クロスコンパレータ３５及び３９により超音波信号ａ−２及びａ−３のパルス波形の零クロスが監視され、零クロスが検出されと信号“真”が出力される。
【００５６】
アンド回路３１によるフリップフロツプ３１からの入力と零クロスコンパレータ３５からの入力の両方の論理積により、閾値ｒｔ１を越えた次の零クロス位置が超音波信号ａ−２のパルス到達時刻として検出され、この超音波信号ａ−２のパルス到達時刻を示す零クロス検出信号がアンド回路３１からタイマ２７に出力されてタイマ２７による計時が停止する。
【００５７】
これにより、赤外線同期信号（立ち上がりエッジ信号）による時刻ｔ０から超音波センサ７−１への超音波パルスの到達までの超音波伝搬時間Ｔ１がタイマ２７で検出され、コンピュータ２９に通知される。
【００５８】
同様に、アンド回路３２によるフリップフロツプ４１からの入力と零クロスコンパレータ３９からの入力の両方の論理積により、閾値ｒｔ２を越えた次の零クロス位置が超音波信号ａ−３のパルス到達時刻として検出され、この超音波信号ａ−３のパルス到達時刻を示す零クロス検出信号がアンド回路３２からタイマ２８に出力されてタイマ２８による計時が停止する。
【００５９】
これにより、赤外線同期信号（立ち上がりエッジ信号）による時刻ｔ０から超音波センサ７−２への超音波パルスの到達までの超音波伝搬時間Ｔ２がタイマ２８で検出され、コンピュータ２９に通知される。
【００６０】
上述した赤外線カウンタ２６による赤外線パルス数の検出信号Ｎｉ、タイマ２７からのパルス到達時刻を示す出力値Ｔ１、タイマ２８からのパルス到達時刻を示す出力値Ｔ２は、上述したようにコンピュータ２９に送信され、この後は、コンピュータ２９により信号処理プログラムに従っての処理が実行される。例えば筆記面３への接触移動軌跡の生成、又は筆記面３から離隔した空中移動軌跡の生成などの処理である。
【００６１】
本例では、入力ペン１が筆記面３に接触しているときには、図６(a) に示すように赤外線パルスは１個発生し、入力ペン１が筆記面３から離れて空中にあるときには、図６(b) に示すように赤外線パルスは２個発生するように構成されている。これにより、コンピュータ２９では、赤外線カウンタ２６から送信される赤外線パルス数の検出信号Ｎｉによって、入力ペン１が筆記面３に接触しているか離れているかを認識することができ、更に、入力ペン１が筆記面３から離れて空中にあるときには、図４に示したように入力ペン１のペン先４が筆記面３から空中移動軌跡の入力に適する所定の距離以内にあるかについても認識することができる。
【００６２】
また、空中移動軌跡を入力するタイミング（図４で入力ペン１の位置が検出される範囲）を受信機２で判別するのではなく、入力ペン１側に機械的なスイッチを設けて、そのスイッチを使用者が押した時のみ超音波パルスを受信して空中移動軌跡の座標を検出するようにしてもよい。
【００６３】
ここで、コンピュータ２９により、入力ペン１つまりそのペン先４の移動軌跡の座標を求める処理において、上記の超音波伝搬時間Ｔ１及びＴ２からペン先４の座標を求める方法を説明する。
【００６４】
音速をＶ、受信器間距離をＷ、入力ペン１のペン先４の位置をＰ、超音波センサ７−１の位置をＲ１、超音波センサ７−２の位置をＲ２とし、位置Ｐから位置Ｒ１までの距離をＬ１、及び位置Ｐから位置Ｒ２までの距離をＬ２とすると、
Ｌ１＝Ｖ×Ｔ１
Ｌ２＝Ｖ×Ｔ２
Ｒ１を原点とし、Ｒ２を（Ｗ，０）となる座標系を取ると、入力ペン１の位置Ｐの座標（ｘ，ｙ）は、
ｘ2 ＋ｙ2 ＝Ｌ１2
（ｘ−Ｗ）2 ＋ｙ2 ＝Ｌ２2
であるから、これをｘ及びｙについて解けば、
【００６５】
【数１】
【００６６】
として、入力ペン１の位置Ｐの座標が求まる。さらに、筆記面３に固有の座標系を持たせる場合には、上記座標系を移動、及び、回転変換すればよい。
図７(a) は、第２の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの内部回路の構成を示すブロック図であり、同図(b)は、その超音波駆動回路の構成を示す図である。なお、同図(a) には、図２(b) に示した構成と同一の構成部分には図２(b) と同一の番号を付与して示している。本例の入力ペンの内部回路４５の構成では、超音波駆動回路４６の構成が、図２に示した超音波駆動回路２３の構成と異なる。また、ペンタッチスイッチ１５は、図２のようにＬＥＤ駆動回路２２に接続するのではなく、図７(a)に示すように超音波駆動回路４６に接続される。
【００６７】
上述した第１の実施の形態では、筆記面３との接触時または離隔時との区別を入力ペン１から発信する赤外線パルスの数で示すようにしているが、この第２の実施の形態では、赤外線パルスは単に超音波パルスの発信タイミングを示すだけとし、筆記面３との接離状態は、超音波の周波数で表すようにしている。
【００６８】
一般に座標入力装置に使用されている超音波は４０〜１００ｋＨｚの超音波であり本例においても８０ｋＨｚの超音波を基準として、この周波数を変調させて筆記面３との接離状態を示すようにしている。
【００６９】
図７(a) に示す入力ペン１の内部回路４５の超音波駆動回路４６は、同図(b)に示すように、電池電源４７に対しスイッチＳ１を介して並列に接続されたコイルＬ、コンデンサＣｐ、及びこれらにスイッチＳ２を介して並列に接続されたコンデンサＣｃから構成されている。なお、コンデンサＣｐは圧電フィルムからなる圧電素子であり、同図(a)の超音波発信機１７を形成している。そして、コンデンサＣｃは、補正用の通常のコンデンサである。
【００７０】
同図(a),(b)において、指タッチスイッチ１３により入力ペン１の把持が検出され、タイマス２１が起動して、一定周期のトリガがＬＥＤ駆動回路２２及び超音波駆動回路４６に入力する毎に、一方のＬＥＤ駆動回路２２は赤外線発信部６を駆動して、図６(a)に示したような１回の赤外線パルスを赤外線ＬＥＤから発生させるように制御する。
【００７１】
他方の超音波駆動回路４６は、スイッチＳ２はペンタッチスイッチ１５に連動するスイッチであり、入力ペン１のペン先４が筆記面３に接触するとペンタッチスイッチ１５に連動して閉じるようになっている。したがって、入力ペン１のペン先４が筆記面３に接触してスイッチＳ２が閉じているときは、コイルＬ、コンデンサＣｐ、及びコンデンサＣｃからなる共振回路が構成される。この共振回路はコンデンサが二つある分だけ、やや長い周期の共振を引き起こす。
【００７２】
具体的には、この回路の共振周波数は、
【００７３】
【数２】
【００７４】
で決まるため、高電圧の共振を起こすとこの周波数の超音波が圧電フィルム（コンデンサＣｐ）から発生する。本例では、このときの周波数は７０ｋＨｚ程度に設定される。
【００７５】
一方、入力ペン１のペン先４が筆記面３から離隔してスイッチＳ２が開いているときは、コイルＬとコンデンサＣｐのみからなる共振回路が構成される。この共振回路はコンデンサが一つのみである分だけ、やや短い周期の共振を引き起こす。
【００７６】
具体的には、この回路の共振周波数は、
【００７７】
【数３】
【００７８】
で決まるため、高電圧の共振を起こすとこの周波数の超音波が圧電フィルム（コンデンサＣｐ）から発生する。本例では、このときの周波数は１００ｋＨｚ程度に設定される。
【００７９】
スイッチＳ１は超音波を発信する直前にオンの状態になりコイルＬに電流が徐々に増加しながら流れ、やがてコイルＬには一定の電流が流れている状態になる。ここで、タイマ２１からのトリガにより、スイッチＳ１が開いて電流を遮断すると、コイルＬに逆起電力が発生して、上述した共振回路による共振高電が圧電フィルムからなるコンデンサＣｐに発生する。これにより、コンデンサＣｐすなわち超音波発信機１７から上述した所定の周期（７０ｋＨｚ又は１００ｋＨｚ）の超音波パルスが発信される。
【００８０】
図８は、上記の入力ペン１の回路構成に対応する受信機２側の内部構成を示すブロック図である。なお、同図において、図５と同一の構成部分には図５と同一の番号を付与して示している。図８に示す受信機２の内部構成では、図５に示した内部構成の赤外線カウンタ２６が除去され、代わってカウンタ４８が追加されている。
【００８１】
図９(a),(b)は上記の構成において 上記赤外線センサ２４で受信されてタイマ２７及びタイマ２８に入力される赤外線パルスの波形と、これに同期して入力ペン１から発信され超音波センサ７−１及び７−２により受信される超音波パルスの波形を示す図であり、同図(a)は入力ペン１のペン先４が筆記面３に接触しているとき、同図(b) は入力ペン１のペン先４が筆記面３から離隔しているときの波形をそれぞれ示している。
【００８２】
本例の場合も、図８において赤外線センサ２４で受信された赤外線パルスの同期信号はタイマ２７とタイマ２８に入力される。本例の場合は赤外線パルスは同期をとるためだけに使用されるのでパルスは、図９(a),(b) の赤外線信号ａ−１又はｂ−１に示すように、１回だけ出力される。
【００８３】
また、図８に示す超音波センサ７−２からタイマ２８までの一連の動作と、タイマ２８からコンピュータ２９に出力される時間データＴ２の機能は、図５の場合と同様であり、これにより、図８に示す零クロスコンパレータ３９と図９(a),(b) に示す閾値ｒｔ２とにより検出される超音波信号ａ−３及びｂ−３に示す超音波パルスの到達時刻Ｔ２の検出は、周波数に違いはあるものの、図５(a),(b)に示した超音波信号ａ−３及びｂ−３の場合と同様である。
【００８４】
ここで図５の場合と異なるのは、図８の超音波センサ７−１で検出された図９(a),(b) に示す超音波信号ａ−２又はｂ−２に対する図８の零クロスコンパレータ３５と新たに追加されたタイマ４８の動作である。
【００８５】
先ず、零クロスコンパレータ３５と閾値ｒｔ１とにより検出され、アンド回路３１から出力される超音波パルス到達検出信号は、タイマ２７の計時を停止させると共にタイマ４８の計時を開始させる。これにより、図９(a),(b) の超音波信号ａ−２又はｂ−２に示すように、超音波パルス到達時刻Ｔ１からタイマ４８による計時Ｔｆが開始される。
【００８６】
そして、その超音波パルスの次の零クロスの検出信号が図８に示すように零クロスコンパレータ３５からタイマ４８に入力されることによりタイマ４８の計時が停止する。これにより、図９(a),(b) の超音波信号ａ−２又はｂ−２に示すように、超音波信号の１周期の時間Ｔｆが検出される。これにより超音波の周波数が算出される。
【００８７】
前述したように、入力ペン１のペン先４が筆記面３に接触しているときは超音波の周期は長く、７０ｋＨｚと周波数は低い（図９(a) の超音波信号ａ−２参照）。そして、入力ペン１のペン先４が筆記面３から離隔しているときは超音波の周期は短く、１００ｋＨｚと周波数は高い（図９(b)の超音波信号ｂ−２参照）。これにより、コンピュータ２９は、入力ペン１のペン先４が筆記面３に接触しているか離隔しているかを判断することができる。
【００８８】
勿論、この場合も赤外線センサ２４の受信範囲の指向性は図４に示した場合と同様であり、したがって、入力ペン１から発信される超音波パルスも、筆記面３から一定の距離以内にあるときに限定されている。
【００８９】
なお、本例に示す入力ペンの筆記面への接離を超音波の周波数で区別する方式は、赤外線を使用しない超音波のみで入力ペン位置を求める方式にも有効に適用できるものである。
【００９０】
図１０は、第３の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの内部回路の構成を示すブロック図である。なお、本例の入力ペン１の内部回路２０の構成は、図２(b) に示した構成と同一である。ただし、外部のペンタッチスイッチ１５の接続が、図２のようにＬＥＤ駆動回路２２に接続するのではなく、図１０に示すようにタイマ２１に接続される。
【００９１】
図１１(a),(b)は、上記のタイマ２１から出力されるタイミング信号を示す図であり、同図(a) は入力ペン１のペン先４が筆記面３に接触している場合の位置座標サンプリングのタイミング信号を示しており、同図(b)は入力ペン１のペン先４が筆記面３から離隔して場合の位置座標サンプリングのタイミング信号を示している。
【００９２】
同図(a) に示すタイミング信号の間隔Ｔｓ１は例えば１０ｍｓｅｃ（ミリ秒）であり、同図(b)に示すタイミング信号の間隔Ｔｓ２は例えば３０ｍｓｅｃである。このように、第３の実施の形態では、赤外線パルスの発光周期Ｔｓ（Ｔｓ１、Ｔｓ２）を変化させて、筆記面３に接触中と筆記面３から離隔した空中とを区別する。
【００９３】
図１２は、上記の入力ペン１の回路構成に対応する受信機２側の内部構成を示すブロック図である。なお、同図において、図５と同一の構成部分には図５と同一の番号を付与して示している。この図１２に示す受信機２の内部構成では、図５に示した内部構成の赤外線カウンタ２６に代わって周期タイマ４９が配置されている点だけが異なっている。
【００９４】
周期タイマ４９は、赤外センサ２４から入力される図１１(a),(b) に示す１００Ｈｚ又は３０Ｈｚのパルスを計数して、その周期信号Ｔｓをコンピュータ２９に出力する。その他の動作およびタイマ２７及びタイマ２８からコンピュータ２９に出力される時間信号Ｔ１及びＴ２は、図６(a),(b)で説明した場合と同様である。
【００９５】
上述したように、本例では、ペンタッチスイッチ１５による筆記面３へのペン先４の接触の有無によって発生する赤外線パルスの間隔を変化させるようにしている。そして、入力ペン１による筆記面３に接触して行う筆記時には正確な入力軌跡が必要であるため上記のように１０ｍｓｅｃの間隔Ｔ１つまり１００Ｈｚ周期で、時間信号Ｔ１及びＴ２に基づいて位置座標を測定する。
【００９６】
そして、空中移動軌跡の入力では、筆記面３に接触するまでの間にずれを補正すれば良いので、それ程の精度は必要としない。したがって、本例では上記のように３０ｍｓｅｃの間隔Ｔ２つまり３３Ｈｚに周波数を落として、位置座標の測定間隔を長くしている。一般に、入力ペン１による入力では、接触筆記している時間よりも空中で遊ばせている時間の方が長いものであるから、この空中にあるときの超音波パルスのサンプリング間隔を長くすることによって入力ペン１の電池の消耗を大幅に減らすことができる。
【００９７】
なお、このようなペンタッチスイッチ１５による筆記面３へのペン先４の接触の有無の弁別には、上記のように赤外線パルスの間隔を変化させることに限ることなく、超音波パルスの間隔を変化させるようにしてもよい。
【００９８】
ただし、この場合は、超音波は赤外線と異なり、入力ペン１が筆記面３上を急速に移動したときなどには距離が変化することによってパルス間隔が変動する。したがって、接触の有無を弁別するために２種類の超音波のパルス間隔を相違させるには、超音波パルスの筆記面３上で発生し得るパルス間隔の変動範囲よりも大きく相違させるように設定する必要がある。
【００９９】
例えば、筆記面３の有効範囲が３０ｃｍ四方である場合、入力ぺン１が距離０から上記のサンプリングで距離３０ｃｍまで移動したとすると、超音波センサへの超音波の到達時間は「３０ｃｍ／音速」を演算して、およそ１ｍｓｅｃ変化する。この１ｍｓｅｃが上記の筆記面３上で発生し得る超音波パルスの変動範囲である。
【０１００】
このため、接触の有無を弁別するための２種類の超音波パルスの間隔が１ｍｓｅｃ以内であると、ペン位置の変化をパルス間隔の変化として誤って検出する虞がある。したがって、接触の有無を弁別するための２種類の超音波パルスの間隔を１ｍｓｅｃよりも長くなるようにすれば、上記のように誤ることなく、パルス間隔の変化であることを正しく検出することができる。
【０１０１】
図１３は、第４の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの内部回路の構成を示すブロック図である。なお、同図において、図２(b) に示した構成と同一の構成部分には図２(b) と同一の番号を付与して示している。
【０１０２】
本例では、入力ペン１と筆記面３との距離を入力ペン１側で測定する。この測定には、通常の距離センサを使用しても良いが、もともとも、超音波パルスの反射を利用して距離測定が可能であるので、入力ペン１に超音波発信器５として配置されている圧電フィルムをそのまま使用して、空中に在るときは、入力ペン１の先端部から超音波パルスを出した後に圧電フィルムを超音波センサとして使用し、筆記面３での反射波を検出し、超音波パルスの送信から反射波が戻ってくるまでの時間から、往復距離を測定し、この測定結果を二分して、入力ペン１のペン先４と筆記面までの距離を算出する。
【０１０３】
図１４は、上記入力ペン１のペン先４から筆記面３までの測定距離と予め設定されている空中有効範囲との関係を示す図である。上記のように測定された入力ペン１（１ａ、１ｂ）のペン先４と筆記面までの距離が、入力ペン１ｂのように一定の有効距離Ｈよりも離れていれば、入力（位置座標の検出）は行われない。そして、入力ペン１ａのように一定の有効距離Ｈ以下であれば、筆記面３に近接しているので通常の入力ペン１の位置座標の検出を行う。
【０１０４】
この入力ペン１の内部回路５０は、図１３に示すように、図２(b) の構成に、入力アンプ５１、コンパレータ５２、タイマ５３、及び距離測定部５４が加えられており、更に、タイマ２１とＬＥＤ駆動回路２２との間に、スイッチングを行うゲート５５が設けられている。また、上述したように図２(b)の超音波発信器５は超音波送受信器５′として機能を変更されている。
【０１０５】
先ず、タイマ２１からの一定周期のタイミング信号で超音波駆動回路２３とタイマ５３が起動される。タイマ５３は計時を開始し、超音波駆動回路２３は超音波送受信器５′を駆動して超音波パルスを発信させる。この超音波パルスは筆記面３より反射して、この反射パルスは超音波送受信器５′により受信され、入力アンプ５１で増幅されて、コンパレータ５２に入力される。
【０１０６】
コンパレータ５２は上記入力された信号が所定の閾値以上の信号であるとき、これを超音波パルスの反射波として検出し、その検出信号をタイマ５３に出力する。タイマ５３は検出信号を入力されて計時を停止し、超音波パルス送信から反射波検出までの測定時間データを、距離判定部５４に出力する。距離判定部５４は、入力された測定時間データから入力ペン１のペン先４と筆記面までの距離を算出し、その算出した距離と上述した一定の有効距離Ｈと比較する。そして、算出した距離が有効距離Ｈ以下であれば、入力ペン１のペン先４が筆記面３に有効な距離だけ近接していると判定し、ゲート５５を開いてＬＥＤ駆動回路２２により赤外線発信部６を駆動して赤外線ＬＥＤに位置座標検出のタイミング信号となる赤外線パルスを発生させる。
【０１０７】
図１５は、第５の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの構成を示すブロック図である。なお、同図において、図２(b) に示した構成と同一の構成部分には図２(b) と同一の番号を付与して示している。
【０１０８】
図１５に示す入力ペン１の内部回路５６は、図２(b) に示した構成から外部の指タッチスイッチ１３を除去し、代わってタイマ５７を回路内に追加している。この内部回路５６の入力ペン１では、ペン先４が筆記面３に接触してペンタッチスイッチ１５から一度タッチ信号が出力されると、タイマ２１と共にタイマ５７が起動される。
【０１０９】
タイマ２１は他の実施の形態と同様に動作して、一定のタイミングごとに赤外線パルスと超音波パルスを、赤外線発信部６及び超音波発信器５からそれぞれ発信させる。
【０１１０】
他方のタイマ５７は、予め定められて設定されている一定時間を計測し、その計測が終了するとタイマ２１に空中発信停止信号を出力する。タイマ２１は、ペン先４が筆記面３に接触中でペンタッチスイッチ１５からの接触検出信号の入力があるときは、停止せずにタイミング信号の出力を継続し、ペン先４が空中にあってペンタッチスイッチ１５からの接触検出信号の入力が無いときはタイミング信号の出力を停止する。
【０１１１】
これにより、入力ペン１のペン先４が筆記面３に一度接触すれば、それから一定時間の間は、入力ペン１が筆記面３に接触しているか離隔して空中にあるかに拘わりなく、位置座標の検出が受信機２によって行われる。
【０１１２】
例えば、タイマ５７を３分間に設定しておくと、一度入力ペン１で筆記面３をタッチすれば、その後３分間は空中移動軌跡を入力することができる。入力ペン１が３分以上空中にあると、位置座標の入力が停止してしまうので、空中入力を継続したい場合には、再度ペン先４で筆記面３をタッチすれば（筆記面３に限ることなく例えば指の爪などの堅いものにペン先４を押し付けてもよいが）、位置座標の入力を復活させることができる。指タッチスイッチ１３が不要な分だけ、入力ペン１の構成が簡単になって経済的である。
【０１１３】
尚、本説明では、全て入力ペン１から赤外線パルスと超音波パルスを発信するものとして説明しているが、赤外線パルスの発信は、入力ペン１から行うと限るものではなく、受信機２の距離検出装置８から入力ペン１に向けて発信するようにしてもよい。その場合は距離検出装置８には赤外線センサ２４に代えて、指向性９０度以上の赤外線ＬＥＤを配置し、入力ペン１の赤外線発信部６に代えて、例えば１２０度の指向性を有する赤外線センサを３個取り付けた発信部を配設するようにする。
【０１１４】
この場合も、入力ペン１が距離検出装置８からの赤外線のタイミング信号を受信できる範囲は図４の場合と同様である。そして、入力ペン１は、距離検出装置８からの赤外線のタイミング信号を受信して超音波信号を発信するようにする。こうすると、入力ペン１は赤外線のタイミング信号を受信するための待機状態の電力と、その赤外線のタイミング信号を受信したときだけ超音波信号を発信すればよいので、例えば図４の(a),(c),(e) に示した移動軌跡入力圏外に在るときには超音波信号を発信しなくなる。このほうが、より一層、電池１１の消耗を低減させることができる。
【０１１５】
また、超音波パルスの発信も同様に入力ペン１から行うと限るものではない。入力ペン１の超音波発信器も受信機２の超音波センサも共に同じ圧電素子であり従って外部の構成はそれぞれ同じままで、内部回路を変更するだけで超音波の発信と受信を入れ替えることができる。この場合は距離を示す時間データは入力ペン１からコンピュータ２９に送信される。
（付記１）超音波の送信又は受信を行なう超音波圧電素子を有する移動体と、該移動体の特定部分が座標入力面と接触していることを検知する接触検知手段と、超音波の受信又は送信を行う少なくとも２個の超音波圧電素子を有する固定体と、前記超音波の伝搬時間に基づいて前記固定体に対する前記移動体の位置を求める位置検知手段と、を有する超音波型座標入力装置であって、
前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触していない場合に前記移動体による座標入力を行なうか否かを判別する判別手段と、
前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触しているか否かの信号を前記移動体から前記固定体に発信する発信手段と、
を備えたことを特徴とする超音波型座標入力装置。
（付記２）前記発信手段は、前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触しているか否かに応じて前記超音波を変調させて発信することを特徴とする付記１記載の超音波型座標入力装置。
（付記３）前記発信手段が行う前記超音波の変調は、該超音波の繰り返し周期を変化させる変調であることを特徴とする付記２記載の超音波型座標入力装置。
（付記４）前記発信手段が行う前記超音波の変調は、該超音波の周波数を変化させる変調であることを特徴とする付記２記載の超音波型座標入力装置。
（付記５）前記移動体において光を含む電磁波を送信する電磁波送信手段と、
前記固定体において光を含む電磁波を受信する電磁波受信手段と、
前記電磁波の送受信によって前記超音波発生のタイミングを取得するタイミング取得手段と、
を更に備えて、
前記電磁波送信手段は、前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触しているか否かに応じて前記電磁波を変化させて送信することを特徴とする付記１記載の超音波型座標入力装置。
（付記６）前記判別手段は、前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面に接触してから所定時間を計時するタイマを備え、該タイマによる前記所定時間の計時中を、前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触していない場合でも前記移動体による座標入力を行なう条件とすることを特徴とする付記１記載の超音波型座標入力装置。
（付記７）前記判別手段は、前記移動体が人手に保持されていることを検出する保持検出手段を備え、該保持検出手段により前記移動体が人手に保持されていることを検出中を、前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触していない場合でも前記移動体による座標入力を行なう条件とすることを特徴とする付記１記載の超音波型座標入力装置。
（付記８）前記保持検出手段は、前記移動体に配設されたタッチスイッチであることを特徴とする付記７記載の超音波型座標入力装置。
（付記９）前記保持検出手段は、前記移動体に配設された姿勢検出センサであることを特徴とする付記７記載の超音波型座標入力装置。
（付記１０）前記判別手段は、前記移動体と前記座標入力面との距離を検出する距離検出手段を備え、該距離検出手段により検出される距離が所定の距離以内である場合を、前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触していない場合でも前記移動体による座標入力を行なう条件とすることを特徴とする付記１記載の超音波型座標入力装置。
（付記１１）前記距離検出手段は、前記固定部に受信または発信される高さ方向に指向性を有する超音波又は光を含む電磁波からなる距離判別信号を受信または発信する距離判別信号検出手段を備えていることを特徴とする付記１０記載の超音波型座標入力装置。
（付記１２）前記距離判別信号の指向性は、前記固定部に設けられた高さ方向の指向性を制限する電磁波遮蔽物によって形成されることを特徴とする付記１１記載の超音波型座標入力装置。
（付記１３）前記距離検出手段は、前記座標入力面に対し前記移動体から超音波を発信する超音波送信手段と、該超音波送信手段から発信され前記座標入力面で反射した超音波を前記移動体側で検出する反射超音波検出手段と、を備えていることを特徴とする付記１０記載の超音波型座標入力装置。
【０１１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、入力ペンが筆記面に接触しているか空中にあるかを判断し且つ入力ペンが空中にあるときは入力に有効な所定距離以内に近接しているかを判断して、その判断に基づいて赤外線又は超音波の発信周期を変更するので、この変更により電池の電力消費を低減させることができるようになって経済的である。
【０１１７】
また、電磁誘導を用いずに筆記面から離れている入力ペンの移動軌跡を入力することができるので、構造が簡単で低価格で空中移動軌跡も入力できる使い易い超音波型座標入力装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波型座標入力装置の基本構成と機能を説明する図である。
【図２】 (a) は第１の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの構成を透視的に示す図、(b)はその内部回路の構成を示すブロック図である。
【図３】第１の実施の形態における超音波型座標入力装置の受信機の平面図、(b) はその正面図、(c) はその側面図である。
【図４】 (a) 〜(f) は第１の実施の形態における受信機の赤外線センサの垂直方向の約１０度の狭い指向性について具体的に説明する図である。
【図５】第１の実施の形態における受信機の内部回路のブロック図である。
【図６】 (a),(b) は第１の実施形態において受信機の赤外線センサに入力される赤外線パルスの波形と超音波センサに入力される超音波パルスの波形を示す図である。
【図７】 (a) は第２の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの内部回路の構成を示すブロック図、(b)はその超音波駆動回路の構成を示す図である。
【図８】第２の実施の形態における入力ペンの回路構成に対応する受信機側の内部構成を示すブロック図である。
【図９】 (a),(b) は第２の実施形態において受信機の赤外線センサに入力される赤外線パルスの波形と超音波センサに入力される超音波パルスの波形を示す図である。
【図１０】第３の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの構成を示すブロック図である。
【図１１】 (a),(b) は第３の実施の形態における入力ペンのタイマから出力される位置座標検出のタイミング信号を示す図である。
【図１２】第３の実施の形態における入力ペンの回路構成に対応する受信機の内部構成を示すブロック図である。
【図１３】第４の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの内部回路の構成を示すブロック図である。
【図１４】第４の実施の形態における入力ペンのペン先から筆記面までの測定距離と予め設定されている空中有効範囲との関係を示す図である。
【図１５】第５の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの内部回路の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 入力ペン
１ａ、１ｂ 使用中の入力ペン
２ 受信機
３ 筆記面
４ ペン先
５ 超音波発信器
５′ 超音波送受信器
６ 赤外線発信部
７（７−１、７−２） 超音波センサ
８ 距離検出装置
９ 筒体
１１ 電池
１２ 駆動回路
１３ 指タッチスイッチ
１４ 内部シャフト
１５ ペンタッチスイッチ
２０ 入力ペンの内部回路
２１ タイマ
２２ ＬＥＤ駆動回路
２３ 超音波駆動回路
２４ 赤外線センサ
２５ 赤外線遮蔽部
２６ 赤外線カウンタ
２７、２８ タイマ
２９ コンピュータ
３１、３２ アンド回路
３３、３７ 入力アンプ
３４、３８ コンパレータ
３５、３９ 零クロスコンパレータ
３６、４１ フリップフロップ
ｒｔ１、ｒｔ２ 閾値
Ｎｉ 赤外線パルス数検出信号
Ｔ１、Ｔ２ 計時開始から終了までの時間データ
４５ 入力ペンの内部回路
４６ 超音波駆動回路
４７ 電池電源
４８ タイマ
４９ 周期タイマ
５０ 入力ペンの内部回路
５１ 入力アンプ
５２ コンパレータ
５３ タイマ
５４ 距離測定部
５５ ゲート
５６ 入力ペンの内部回路
５７ タイマ
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力ペンで文字や図形を手書き入力したときの運筆軌跡をコンピュータに入力するための座標入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、コンピュータに手書きの文字や絵を入力したり、表示装置の画面上のＧＵＩ（絵やアイコン等から成るユーザインターフェース）をマウスに代って入力操作するために、表示装置の画面上に感圧式のフィルムを貼着し、その表示装置の画面上を一般にスタイラスペンと呼ばれる入力ペンを用いて直接入力操作して、入力ペン等による運筆軌跡や接触による選択指示をコンピュータに入力し、その入力結果を同じ表示装置の画面上に表示する技術が実用化している。
【０００３】
また、格子状の電極を液晶ディスプレイの背面に配置し、電磁誘導によって入力ペンの位置を求める技術がある。この方式は、液晶ディスプレイの表面から多少離れている入力ペンの位置でも検知する程度の電磁誘導の感度を備えているため、入力ペンを空中で動かしてその移動の軌跡を入力することができる。したがって、空中での入力ペンの位置によって表示画面上のカーソルを動かすことを行なえば、表示画面の厚みや画面を見る角度から生じる視差等によって入力ペンの先端と画面上の所望の位置との間に多少の位置ずれがあっても、入力ペンを近づけていくことによって補正できるため使い勝手が良くなっている。このような使い方を、近接入力、ホバリング、フライングポイント等と呼ぶ場合がある。
【０００４】
また、画面上でなく机上に座標入力用のタブレットと呼ばれる専用の板部材を置き、このタブレット上で入力ペンで筆記して、その運筆軌跡の座標をコンピュータに入力する技術がある。この場合、ユーザはコンピュータの表示画面を見ながらタブレットへの入力操作を行うため、入力ペンでタブレットにタッチするまで、入力ペンの位置が分からない。これでは使いにくいため近年では電磁誘導方式のタブレットを使用し近接入力できるようにしている。
【０００５】
また、電磁誘導方式に代わって入力ペンの位置座標を求める方法として超音波方式がある。この方式は２通り有り、先ず一つは、有線又は赤外線等で超音波パルスを発信するタイミングを固定側に通知した後入力ペンから空中に超音波パルスを発信する。そして、固定して配置した２個の超音波センサで、その超音波を受信し、それぞれの受信時間に基づいて入力ペンまでの距離を測定し、三角測量によって入力ペンの位置を取得するものである。
【０００６】
また、他の一つは、超音波パルスを発信するタイミング通知装置が無く、超音波パルスが発信されるタイミングが固定側で分からない場合であり、この場合は３個の超音波センサを使用し、各センサまでパルスが届く時間差から距離差を求め、双曲線航法の原理で入力ペンの位置を求めるものである。
【０００７】
いずれにしても、２個又は３個の超音波センサを配置すれば入力ペンの位置座標を取得することができるため、電磁誘導方式に比べて簡単な構成で済みしたがって装置を低価格で提供することができるという利点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した感圧式のフィルムを貼着したものは、表示画面の表面つまり感圧式フィルム表面に接触するまで、入力ペンの位置が分からない（表示画面に接触軌跡が表示されない）ため、実際に入力ペンを表示画面の表面に接触させたとき、前述したように表示画面の厚みや画面を見る角度から生じる視差等で、入力ペンの先端位置と表示画面上の所望の位置とがずれている場合が多い。
【０００９】
このように位置ずれがあると、何かの都合で途中でペン先を表示画面から離して、次に前の入力した線に連続させて線を入力しようとしたとき、正しく線が連続せず、したがって、文字や絵を正確に描きにくいといった問題が発生する。また、ＧＵＩなどの画面への入力操作ミス等の問題も発生する。
【００１０】
また、上述した電磁誘導方式では、電磁誘導用の格子状の電極が表示画面の視野を妨げないように、その電極を表示画面の背面に形成する必要がある。このため、表示画面全体の構造が複雑となり、構造が複雑になる分、設計上の制約が発生して設計の自由度が失われるという問題があった。また、構造が複雑になった分だけ通常の液晶ディスプレイに比べて装置価格が大幅に上昇するという問題もいあった。
【００１１】
また、従来の超音波方式は、確かに構成が簡単で装置価格が安価ではあるが、入力ペンが入力面に接触している時のみ超音波パルスを発生するようにしているため、電磁誘導方式に見られる近接入力のような、入力ペンの空中での移動軌跡を入力することができないという不満が残るものであった。
【００１２】
本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、超音波を使用して入力ペンの位置座標を取得すると共に、入力ペンのペン先が入力面に接触中か空中に在るかを弁別し且つ入力ペンの入力面接触軌跡のみでなく空中移動軌跡をも入力できる超音波型座標入力装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
以下に、本発明に係わる超音波型座標入力装置の構成を述べる。
本発明の超音波型座標入力装置は、超音波の送信又は受信を行なう超音波圧電素子を有する移動体と、該移動体の特定部分が座標入力面と接触していることを検知する接触検知手段と、超音波の受信又は送信を行う少なくとも２個の超音波圧電素子を有する固定体と、上記超音波の伝搬時間に基づいて上記固定体に対する上記移動体の位置を求める位置検知手段と、を有する超音波型座標入力装置であって、上記移動体の上記特定部分が上記座標入力面と接触していない場合に上記移動体による座標入力を行なうか否かを判別する判別手段と、上記移動体の上記特定部分が上記座標入力面と接触しているか否かの信号を上記移動体から上記固定体に発信する発信手段と、を備えて構成される。
【００１４】
上記発信手段は、例えば請求項２記載のように、上記移動体の上記特定部分が上記座標入力面と接触しているか否かに応じて上記超音波を変調させて発信するように構成される。
【００１５】
また、この超音波型座標入力装置は、例えば請求項３記載のように、上記移動体において光を含む電磁波を送信する電磁波送信手段と、上記固定体において光を含む電磁波を受信する電磁波受信手段と、上記電磁波の送受信によって上記超音波発生のタイミングを取得するタイミング取得手段と、を更に備え、上記電磁波送信手段は、上記移動体の上記特定部分が上記座標入力面と接触しているか否かに応じて上記電磁波を変化させて送信するように構成される。
【００１６】
上記判別手段は、例えば請求項４記載のように、上記移動体と上記座標入力面との距離を検出する距離検出手段を備え、該距離検出手段により検出される距離が所定の距離以内である場合を、上記移動体の上記特定部分が上記座標入力面と接触していない場合でも上記移動体による座標入力を行なう条件とするように構成される。
【００１７】
上記距離検出手段は、例えば請求項５記載のように、上記固定部から発信される高さ方向に指向性を有する超音波又は光を含む電磁波からなる距離判別信号を発信する距離判別信号発信手段を備えて構成される。
【００１８】
これにより、超音波を使用して入力ペンの位置座標を取得すると共に、入力ペンのペン先が入力面に接触中か空中に在るかを弁別し且つ入力ペンの入力面接触軌跡のみでなく空中移動軌跡をも入力できる超音波型座標入力装置を提供することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、上記移動体は、例えば入力ペン１等から成り、上記特定部分は、例えばペン先４等から成り、上記座標入力面は、例えば筆記面３等から成り、上記接触検知手段は、例えばペンタッチスイッチ１５等から成り、上記固定体は、例えば受信機２等から成り、上記位置検知手段及び上記判別手段は、例えば超音波センサ７、赤外線センサ２４等から成り、上記発信手段は、例えば超音波発信器５等から成り、上記電磁波発信手段は、例えば赤外線発信部６等から成り、上記電磁波受信手段は、例えば赤外線センサ２４等から成り、上記タイミング取得手段は、例えばタイマ２７、２８等から成り、上記距離検出手段は、例えば距離検出装置８等から成り、そして上記距離判別信号発信手段は、例えば赤外線センサ２４と置き換えられる赤外線発信装置又は超音波発信器等から成る。
【００２０】
図１は、本発明の超音波型座標入力装置の基本構成と機能を説明する図である。本発明の超音波型座標入力装置は、同図に示す入力ペン１及び受信機２からなる。受信機２は、筆記面３の四つの角のいずれか１つの角に固定配置される。筆記面３は、液晶ディスプレイ、タブレット、机の面、机上に広げた紙等の均一で偏平な面で形成されていれば何でもよい。
【００２１】
上記の受信機２は、後述するコンピュータに有線又は無線で接続されており、筆記面３への入力ペン１による接触入力軌跡のデータ又は空中入力軌跡のデータをコンピュータに送信する。
【００２２】
上記入力のために使用される入力ペン１は、同図に使用中の入力ペン１ａで示すようにその先端が筆記面３に接触しているか、同じく同図に使用中の入力ペン１ｂで示すようにその先端が筆記面３から離隔しているかのどちらかである。
【００２３】
通常では、この使用中の状態で 入力ペン１ａ又は１ｂのペン先４の位置を受信機２に特定させるために、入力ペン１ａ又は１ｂから超音波発信器５により超音波Ｕｗを発信した場合、２個の超音波センサ７（７−１、７−２）を結ぶ直線Ｌｓを回転中心とした円弧Ａｓで示す３次元位置しか特定できない。
【００２４】
つまり、使用中の入力ペン１ａのようにそのペン先４が筆記面３にあるとすれば、円弧Ａｓと筆記面３が交わる点がペン先４のある位置であるが、使用中の入力ペン１ｂのようにそのペン先４が筆記面３から図の距離ｈで示すように離隔して空中にあるとすれば、そのペン先４は円弧Ａｓ上に在ることは分かっても、円弧Ａｓ上のどの位置に在るかは分からない。
【００２５】
そこで、本発明の超音波型座標入力装置においては、受信機２に距離検出装置８を設ける。この距離検出装置８は、入力ペン１の例えば赤外線発信部６から発信される赤外線を一定範囲に絞って検出することによりペン先４が筆記面３から所定の距離以内（接触も含む）にあるか否かを検出する。
【００２６】
受信機２は、この距離検出に基づいて、入力ペン１のペン先４が筆記面３から上記の所定距離よりも離れている場合には空中移動軌跡の入力を中止し、入力ペン１のペン先４が筆記面３から上記の所定距離以内に在るときのみ入力ペン１のペン先４が筆記面３から垂直方向の上空にある（又は筆記面３に接触している）と仮定して空中移動軌跡（又は接触移動軌跡）を入力するようにする。
【００２７】
また、上記の入力ペン１には、人の手に持たれていることを検出する把持検出装置が設けられている。この入力ペン１が電池で駆動される構成の場合、入力ペン１から常に超音波を発信していると、超音波の発信は比較的大きな電力を消費するものであるため電池寿命が短くなってしまう。したがって、このような構成のときは、把持検出装置により入力ペン１が人の手に持たれている（使用中である）ことが検出されているときのみ、入力ペン１から超音波を発信するようにして、電池寿命が長くなるようにすることができる。
【００２８】
図２(a) は、第１の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの構成を透視的に示す図であり、同図(b)は、その内部回路の構成を示すブロック図である。同図(a) に示すように、入力ペン１は、筒体９、この筒体９の上方に収容された電池１１、電池１１の直下に配設されている駆動回路１２、この駆動回路１１よりも下方（ペン先４寄り）になる把持部の所定の位置に貼着されて配設されている指タッチスイッチ１３、ペン先４に連動する内部シャフト１４、この内部シャフト１４の上端に連結されたペンタッチスイッチ１５、把持部の直下に配置された３個の赤外線ＬＥＤ（LightEmitting Diode）から成る赤外線発信部６、及び筒体９のペン先４のある細い先端部を取り囲んで筒状に配設された超音波発信器５を備えている。
【００２９】
指タッチスイッチ１３は、感圧式のタッチスイッチであり、入力ペン１の把持部が人の指で把持されることにより、電気抵抗が変化して、これにより入力ペン１が人に把持されたことが検出される。
【００３０】
ペンタッチスイッチ１５は、常時開スイッチで構成され、ペン先４が筆記面３に接触して、ペン先４に連動する内部シャフト１５により上方に押し込まれることによりスイッチが閉じるようになっている。これにより、ペン先４が筆記面３に接触したことが検出される。
【００３１】
上記赤外線発信部６の３個の赤外線ＬＥＤは、それぞれ１２０度の指向性を有する赤外線ＬＥＤであり、３個合わせて３６０度方向に所定の赤外線信号を発信することができる。これにより、使用中の入力ペン１のペン先４が筆記面３から上記所定の距離以内にあるときは、使用中の入力ペン１がどのように回転しても、赤外線発信部６から発信される赤外線信号は受信部２に受信されるようになっている。
【００３２】
また、筒状に配設された超音波発信器５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で構成されている。円筒状であるので、これから発信される超音波信号は３６０度の指向性を有している。したがって、この場合も使用中の入力ペン１がどのように回転しても、超音波発信器５から発信される超音波信号は受信部２に受信されるようになっている。
【００３３】
この入力ペン１が、使用のため人の手に把持されると、把持されたことが指タッチスイッチ１３により検出され、この検出信号は、同図(b) に示すように、内部回路２０のタイマ２１に出力される。タイマ２１は、予め定められた所定の期間を計時して得られる入力ペン１の位置座標を検出させるためのタイミング信号を、ＬＥＤ駆動回路２２と超音波駆動回路２３とに出力する。
【００３４】
そのタイミング信号により、一方のＬＥＤ駆動回路２２は赤外線発信部６を発光駆動して３個の赤外線ＬＥＤから所定周期の赤外線パルス信号を発信させ、他方の超音波駆動回路２３は超音波発信器５を発振駆動して所定周期の超音波パルス信号を発信させる。
【００３５】
そして、入力ペン１のペン先４が筆記面３に接触したことがペンタッチスイッチ１５により検出されたときは、この検出信号は、同図(b) に示すように内部回路２０のＬＥＤ駆動回路２２に出力される。ＬＥＤ駆動回路２２は上記の検出信号が入力されたことに応じて、３個の赤外線ＬＥＤから発信される赤外線信号のパルス数を変更するように赤外線発信部６を制御する。
【００３６】
なお、上記の指タッチスイッチ１３は、感圧式と限るものではなく、手の接触によって静電容量が変化する方式のものや、使用者の指で押されるような機械的なスイッチを設けるようにしてもよい。また、一般に入力ペン１は、非使用時には水平に横たえられた状態であり、使用時にはやや斜めに立った状態になるから、傾斜センサを配設し、入力ペン１の姿勢を検出するようにして、非使用時と使用時との判断を行うようにしてもよい。
【００３７】
ただし、非使用時に入力ペン１をペン立てに差し込んで置くような使い方をするときは、ペン立て側に、傾斜センサが働かないようにする又はその検出信号を無効にするような装置を配設する必要がある。
【００３８】
図３(a) は、上記第１の実施の形態における超音波型座標入力装置の受信機２の平面図であり、同図(b)は、その正面図、同図(c) は、その側面図である。なお平面図と側面図は内部の構成を透視的に破線で示している。
【００３９】
受信機２は、図３(a),(b),(c)に示すように、図１にも示した超音波センサ７−１、７−２と距離検出装置８を備えている。距離検出装置８は受信機２の内部のほぼ中央に配設された赤外線センサ２４と、赤外線遮蔽部２５とから成る。上記の超音波センサ７−１及び７−２も、ポリフッ化ビニリデン製の円筒状の圧電フィルムで構成されており、いかなる方向からも受信機２に向けて送信される超音波信号を受信することができる。
【００４０】
また、距離検出装置８は、図３(a),(b) に示すように、上下に薄く水平方向広い幅の開口を有し奥行き方向に谷状に深く切り込まれた溝が形成され、その溝の谷となる部分に赤外線センサ２４が配置されている。溝の上下面及び谷を形成する横の斜面は赤外線遮蔽部２５を形成している。これにより、赤外線センサ２４の受光特性は、水平方向では同図(a)の破線矢印ａ１及びａ２で示す９０度の範囲の指向性を持ち、垂直方向では同図(c) に破線矢印ｂ１及びｂ２で示す約１０度の指向性しか持っていない。
【００４１】
図４(a) 〜(f)は、上記赤外線センサ２４の垂直方向の約１０度しかない指向性について具体的に説明する図である。同図(a) の位置では入力ペン１の赤外線発信部６から発信される赤外線は赤外線センサ２４で検出されないため、同図(a)の位置での入力ペン１の空中の移動軌跡は入力されない。入力ペン１を同図(b)の位置まで下ろすと、赤外線発信部６から発信される赤外線が赤外線センサ２４で検知されて入力ペン１の空中又は接触の移動軌跡が入力される。
【００４２】
受信機２から離れた位置の同図(c),(d) や、入力ペン１が傾いた時の同図(e),(f) の場合についても同様であり、赤外線センサ２４のおよそ１０度の指向性の範囲内にある同図(d)又は同図(f) の場合にのみ赤外線発信部６から発信される赤外線パルスが赤外線センサ２４で検知されて、この赤外線パルスに同期して入力ペン１から発信される超音波信号によって、入力ペン１の空中又は接触の移動軌跡が入力される。
【００４３】
他方、同図(a),(c),(e)の場合は赤外線パルスの同期信号が受信機２によって検出されないから、受信機２では超音波パルスの検出は行わず、したがって、入力ペン１の空中移動軌跡の入力は行われない。
【００４４】
図５は、上記受信機２の内部回路のブロック図である。赤外線センサ２４で入力ペン１からの赤外線パルスを検出し、超音波センサ７−１及び７−２で入力ペン１からの超音波パルスを受信する。赤外線センサ２４で検出された赤外線パルスは赤外線カウンタ２６、タイマ２７及び２８に入力される。
【００４５】
赤外線カウンタ２６は入力された赤外線パルスのパルス数を計数して、その計数により得られた赤外線パルス数の検出信号Ｎｉをコンピュータ２９に通知する。一方のタイマ２７は、入力された赤外線パルスの立ち上がりのエッジに同期して計時を開始し、アンド回路３１から入力される後述する零クロス検出信号に基づいて計時を終了し、計時開始から終了までの時間データＴ１をコンピュータ２９に通知する。他方のタイマ２８は、これも入力された赤外線パルスの立ち上がりのエッジに同期して計時を開始し、アンド回路３２から入力される後述する零クロス検出信号に基づいて計時を終了し、計時開始から終了までの時間データＴ２をコンピュータ２９に通知する。
【００４６】
また、超音波センサ７−１で受信された超音波パルスは、入力アンプ３３で増幅されてコンパレータ３４及び零クロスコンパレータ３５にぞれぞれ入力される。コンパレータ３４は入力された超音波パルスを、予め設定されている後述する閾値ｒｔ１と比較し、超音波パルスの振幅が閾値ｒｔ１以上であるとき信号“真”をフリップフロップ３６を介して上記のアンド回路３１に出力する。
【００４７】
他方、零クロスコンパレータ３５は、超音波パルスの零クロスを検出たびに信号“真”をアンド回路３１に出力する。アンド回路３１は両入力端子に信号“真”が入力すると、この信号“真”を零クロス検出信号としてタイマ２７に出力する。
【００４８】
超音波センサ７−２で受信された超音波パルスも同様に、入力アンプ３７で増幅され、コンパレータ３８及び零クロスコンパレータ３９にぞれぞれ入力される。コンパレータ３８は入力された超音波パルスを、予め設定されている後述する閾値ｒｔ２と比較し、超音波パルスの振幅が閾値ｒｔ２以上であるとき信号“真”をフリップフロップ４１を介して上記のアンド回路３２に出力する。
【００４９】
他方、零クロスコンパレータ３９は、超音波パルスの零クロスを検出たびに信号“真”をアンド回路３２に出力する。アンド回路３２は両入力端子に信号“真”が入力すると、この信号“真”を零クロス検出信号としてタイマ２８に出力する。
【００５０】
図６(a) は、上記赤外線カウンタ２６に入力されて計数され、コンピュータ２９に通知される赤外線パルスの波形と、入力アンプ２７で増幅されてコンパレータ３４又は３８及び零クロスコンパレータ３５又は３９に入力される超音波パルスの波形を示す図である。
【００５１】
同図(a) は入力ペン１のペン先４が筆記面３に接触しているときの、入力ペン１の赤外線発信部６から発信される赤外線信号ａ−１と、同じく入力ペン１の超音波発信器５から発信されれた超音波信号ａ−２及びａ−３を示している。
【００５２】
また、同図(b) は、入力ペン１のペン先４が筆記面３から離れており且つ筆記面３から図４に示す所定の距離以内に在るときの、入力ペン１の赤外線発信部６から発信される赤外線信号ｂ−１と、同じく入力ペン１の超音波発信器５から発信されれた超音波信号ｂ−２及びｂ−３を示している。なお、本例では、超音波信号ａ−２、ａ−３、ｂ−２及びｂ−３のパルスの波形は、異なる検出時刻又は検出条件によって分けて示しているだけであり、いずれも同一の波形である。
【００５３】
図６(a) において、赤外線信号ａ−１のパルス波形のエッジの立ち上がり時刻ｔ０に同期して、図５のタイマ２７及び２８が起動し、それぞれ図６(a)に示す時間Ｔ１及びＴ２の計時が開始される。
【００５４】
図５に示すコンパレータ３４及び３８には、図６(a) に示す適宜の閾値ｒｔ１及びｒｔ２が設定されており、コンパレータ３４及び３８は、入力された超音波信号ａ−２及びａ−３のパルス波形の示す値が閾値ｒｔ１及びｒｔ２の値よりも大きいかそれぞれ比較し、大きいと信号“真”を出力してフリップフロツプ３１及び３２をオンにする。
【００５５】
他方、上記と並行して零クロスコンパレータ３５及び３９により超音波信号ａ−２及びａ−３のパルス波形の零クロスが監視され、零クロスが検出されと信号“真”が出力される。
【００５６】
アンド回路３１によるフリップフロツプ３１からの入力と零クロスコンパレータ３５からの入力の両方の論理積により、閾値ｒｔ１を越えた次の零クロス位置が超音波信号ａ−２のパルス到達時刻として検出され、この超音波信号ａ−２のパルス到達時刻を示す零クロス検出信号がアンド回路３１からタイマ２７に出力されてタイマ２７による計時が停止する。
【００５７】
これにより、赤外線同期信号（立ち上がりエッジ信号）による時刻ｔ０から超音波センサ７−１への超音波パルスの到達までの超音波伝搬時間Ｔ１がタイマ２７で検出され、コンピュータ２９に通知される。
【００５８】
同様に、アンド回路３２によるフリップフロツプ４１からの入力と零クロスコンパレータ３９からの入力の両方の論理積により、閾値ｒｔ２を越えた次の零クロス位置が超音波信号ａ−３のパルス到達時刻として検出され、この超音波信号ａ−３のパルス到達時刻を示す零クロス検出信号がアンド回路３２からタイマ２８に出力されてタイマ２８による計時が停止する。
【００５９】
これにより、赤外線同期信号（立ち上がりエッジ信号）による時刻ｔ０から超音波センサ７−２への超音波パルスの到達までの超音波伝搬時間Ｔ２がタイマ２８で検出され、コンピュータ２９に通知される。
【００６０】
上述した赤外線カウンタ２６による赤外線パルス数の検出信号Ｎｉ、タイマ２７からのパルス到達時刻を示す出力値Ｔ１、タイマ２８からのパルス到達時刻を示す出力値Ｔ２は、上述したようにコンピュータ２９に送信され、この後は、コンピュータ２９により信号処理プログラムに従っての処理が実行される。例えば筆記面３への接触移動軌跡の生成、又は筆記面３から離隔した空中移動軌跡の生成などの処理である。
【００６１】
本例では、入力ペン１が筆記面３に接触しているときには、図６(a) に示すように赤外線パルスは１個発生し、入力ペン１が筆記面３から離れて空中にあるときには、図６(b) に示すように赤外線パルスは２個発生するように構成されている。これにより、コンピュータ２９では、赤外線カウンタ２６から送信される赤外線パルス数の検出信号Ｎｉによって、入力ペン１が筆記面３に接触しているか離れているかを認識することができ、更に、入力ペン１が筆記面３から離れて空中にあるときには、図４に示したように入力ペン１のペン先４が筆記面３から空中移動軌跡の入力に適する所定の距離以内にあるかについても認識することができる。
【００６２】
また、空中移動軌跡を入力するタイミング（図４で入力ペン１の位置が検出される範囲）を受信機２で判別するのではなく、入力ペン１側に機械的なスイッチを設けて、そのスイッチを使用者が押した時のみ超音波パルスを受信して空中移動軌跡の座標を検出するようにしてもよい。
【００６３】
ここで、コンピュータ２９により、入力ペン１つまりそのペン先４の移動軌跡の座標を求める処理において、上記の超音波伝搬時間Ｔ１及びＴ２からペン先４の座標を求める方法を説明する。
【００６４】
音速をＶ、受信器間距離をＷ、入力ペン１のペン先４の位置をＰ、超音波センサ７−１の位置をＲ１、超音波センサ７−２の位置をＲ２とし、位置Ｐから位置Ｒ１までの距離をＬ１、及び位置Ｐから位置Ｒ２までの距離をＬ２とすると、
Ｌ１＝Ｖ×Ｔ１
Ｌ２＝Ｖ×Ｔ２
Ｒ１を原点とし、Ｒ２を（Ｗ，０）となる座標系を取ると、入力ペン１の位置Ｐの座標（ｘ，ｙ）は、
ｘ2 ＋ｙ2 ＝Ｌ１2
（ｘ−Ｗ）2 ＋ｙ2 ＝Ｌ２2
であるから、これをｘ及びｙについて解けば、
【００６５】
【数１】
として、入力ペン１の位置Ｐの座標が求まる。さらに、筆記面３に固有の座標系を持たせる場合には、上記座標系を移動、及び、回転変換すればよい。
図７(a) は、第２の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの内部回路の構成を示すブロック図であり、同図(b)は、その超音波駆動回路の構成を示す図である。なお、同図(a) には、図２(b) に示した構成と同一の構成部分には図２(b) と同一の番号を付与して示している。本例の入力ペンの内部回路４５の構成では、超音波駆動回路４６の構成が、図２に示した超音波駆動回路２３の構成と異なる。また、ペンタッチスイッチ１５は、図２のようにＬＥＤ駆動回路２２に接続するのではなく、図７(a)に示すように超音波駆動回路４６に接続される。
【００６７】
上述した第１の実施の形態では、筆記面３との接触時または離隔時との区別を入力ペン１から発信する赤外線パルスの数で示すようにしているが、この第２の実施の形態では、赤外線パルスは単に超音波パルスの発信タイミングを示すだけとし、筆記面３との接離状態は、超音波の周波数で表すようにしている。
【００６８】
一般に座標入力装置に使用されている超音波は４０〜１００ｋＨｚの超音波であり本例においても８０ｋＨｚの超音波を基準として、この周波数を変調させて筆記面３との接離状態を示すようにしている。
【００６９】
図７(a) に示す入力ペン１の内部回路４５の超音波駆動回路４６は、同図(b)に示すように、電池電源４７に対しスイッチＳ１を介して並列に接続されたコイルＬ、コンデンサＣｐ、及びこれらにスイッチＳ２を介して並列に接続されたコンデンサＣｃから構成されている。なお、コンデンサＣｐは圧電フィルムからなる圧電素子であり、同図(a)の超音波発信機１７を形成している。そして、コンデンサＣｃは、補正用の通常のコンデンサである。
【００７０】
同図(a),(b)において、指タッチスイッチ１３により入力ペン１の把持が検出され、タイマス２１が起動して、一定周期のトリガがＬＥＤ駆動回路２２及び超音波駆動回路４６に入力する毎に、一方のＬＥＤ駆動回路２２は赤外線発信部６を駆動して、図６(a)に示したような１回の赤外線パルスを赤外線ＬＥＤから発生させるように制御する。
【００７１】
他方の超音波駆動回路４６は、スイッチＳ２はペンタッチスイッチ１５に連動するスイッチであり、入力ペン１のペン先４が筆記面３に接触するとペンタッチスイッチ１５に連動して閉じるようになっている。したがって、入力ペン１のペン先４が筆記面３に接触してスイッチＳ２が閉じているときは、コイルＬ、コンデンサＣｐ、及びコンデンサＣｃからなる共振回路が構成される。この共振回路はコンデンサが二つある分だけ、やや長い周期の共振を引き起こす。
【００７２】
具体的には、この回路の共振周波数は、
【００７３】
【数２】
で決まるため、高電圧の共振を起こすとこの周波数の超音波が圧電フィルム（コンデンサＣｐ）から発生する。本例では、このときの周波数は７０ｋＨｚ程度に設定される。
【００７５】
一方、入力ペン１のペン先４が筆記面３から離隔してスイッチＳ２が開いているときは、コイルＬとコンデンサＣｐのみからなる共振回路が構成される。この共振回路はコンデンサが一つのみである分だけ、やや短い周期の共振を引き起こす。
【００７６】
具体的には、この回路の共振周波数は、
【００７７】
【数３】
で決まるため、高電圧の共振を起こすとこの周波数の超音波が圧電フィルム（コンデンサＣｐ）から発生する。本例では、このときの周波数は１００ｋＨｚ程度に設定される。
【００７９】
スイッチＳ１は超音波を発信する直前にオンの状態になりコイルＬに電流が徐々に増加しながら流れ、やがてコイルＬには一定の電流が流れている状態になる。ここで、タイマ２１からのトリガにより、スイッチＳ１が開いて電流を遮断すると、コイルＬに逆起電力が発生して、上述した共振回路による共振高電が圧電フィルムからなるコンデンサＣｐに発生する。これにより、コンデンサＣｐすなわち超音波発信機１７から上述した所定の周期（７０ｋＨｚ又は１００ｋＨｚ）の超音波パルスが発信される。
【００８０】
図８は、上記の入力ペン１の回路構成に対応する受信機２側の内部構成を示すブロック図である。なお、同図において、図５と同一の構成部分には図５と同一の番号を付与して示している。図８に示す受信機２の内部構成では、図５に示した内部構成の赤外線カウンタ２６が除去され、代わってカウンタ４８が追加されている。
【００８１】
図９(a),(b)は上記の構成において 上記赤外線センサ２４で受信されてタイマ２７及びタイマ２８に入力される赤外線パルスの波形と、これに同期して入力ペン１から発信され超音波センサ７−１及び７−２により受信される超音波パルスの波形を示す図であり、同図(a)は入力ペン１のペン先４が筆記面３に接触しているとき、同図(b) は入力ペン１のペン先４が筆記面３から離隔しているときの波形をそれぞれ示している。
【００８２】
本例の場合も、図８において赤外線センサ２４で受信された赤外線パルスの同期信号はタイマ２７とタイマ２８に入力される。本例の場合は赤外線パルスは同期をとるためだけに使用されるのでパルスは、図９(a),(b) の赤外線信号ａ−１又はｂ−１に示すように、１回だけ出力される。
【００８３】
また、図８に示す超音波センサ７−２からタイマ２８までの一連の動作と、タイマ２８からコンピュータ２９に出力される時間データＴ２の機能は、図５の場合と同様であり、これにより、図８に示す零クロスコンパレータ３９と図９(a),(b) に示す閾値ｒｔ２とにより検出される超音波信号ａ−３及びｂ−３に示す超音波パルスの到達時刻Ｔ２の検出は、周波数に違いはあるものの、図５(a),(b)に示した超音波信号ａ−３及びｂ−３の場合と同様である。
【００８４】
ここで図５の場合と異なるのは、図８の超音波センサ７−１で検出された図９(a),(b) に示す超音波信号ａ−２又はｂ−２に対する図８の零クロスコンパレータ３５と新たに追加されたタイマ４８の動作である。
【００８５】
先ず、零クロスコンパレータ３５と閾値ｒｔ１とにより検出され、アンド回路３１から出力される超音波パルス到達検出信号は、タイマ２７の計時を停止させると共にタイマ４８の計時を開始させる。これにより、図９(a),(b) の超音波信号ａ−２又はｂ−２に示すように、超音波パルス到達時刻Ｔ１からタイマ４８による計時Ｔｆが開始される。
【００８６】
そして、その超音波パルスの次の零クロスの検出信号が図８に示すように零クロスコンパレータ３５からタイマ４８に入力されることによりタイマ４８の計時が停止する。これにより、図９(a),(b) の超音波信号ａ−２又はｂ−２に示すように、超音波信号の１周期の時間Ｔｆが検出される。これにより超音波の周波数が算出される。
【００８７】
前述したように、入力ペン１のペン先４が筆記面３に接触しているときは超音波の周期は長く、７０ｋＨｚと周波数は低い（図９(a) の超音波信号ａ−２参照）。そして、入力ペン１のペン先４が筆記面３から離隔しているときは超音波の周期は短く、１００ｋＨｚと周波数は高い（図９(b)の超音波信号ｂ−２参照）。これにより、コンピュータ２９は、入力ペン１のペン先４が筆記面３に接触しているか離隔しているかを判断することができる。
【００８８】
勿論、この場合も赤外線センサ２４の受信範囲の指向性は図４に示した場合と同様であり、したがって、入力ペン１から発信される超音波パルスも、筆記面３から一定の距離以内にあるときに限定されている。
【００８９】
なお、本例に示す入力ペンの筆記面への接離を超音波の周波数で区別する方式は、赤外線を使用しない超音波のみで入力ペン位置を求める方式にも有効に適用できるものである。
【００９０】
図１０は、第３の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの内部回路の構成を示すブロック図である。なお、本例の入力ペン１の内部回路２０の構成は、図２(b) に示した構成と同一である。ただし、外部のペンタッチスイッチ１５の接続が、図２のようにＬＥＤ駆動回路２２に接続するのではなく、図１０に示すようにタイマ２１に接続される。
【００９１】
図１１(a),(b)は、上記のタイマ２１から出力されるタイミング信号を示す図であり、同図(a) は入力ペン１のペン先４が筆記面３に接触している場合の位置座標サンプリングのタイミング信号を示しており、同図(b)は入力ペン１のペン先４が筆記面３から離隔して場合の位置座標サンプリングのタイミング信号を示している。
【００９２】
同図(a) に示すタイミング信号の間隔Ｔｓ１は例えば１０ｍｓｅｃ（ミリ秒）であり、同図(b)に示すタイミング信号の間隔Ｔｓ２は例えば３０ｍｓｅｃである。このように、第３の実施の形態では、赤外線パルスの発光周期Ｔｓ（Ｔｓ１、Ｔｓ２）を変化させて、筆記面３に接触中と筆記面３から離隔した空中とを区別する。
【００９３】
図１２は、上記の入力ペン１の回路構成に対応する受信機２側の内部構成を示すブロック図である。なお、同図において、図５と同一の構成部分には図５と同一の番号を付与して示している。この図１２に示す受信機２の内部構成では、図５に示した内部構成の赤外線カウンタ２６に代わって周期タイマ４９が配置されている点だけが異なっている。
【００９４】
周期タイマ４９は、赤外センサ２４から入力される図１１(a),(b) に示す１００Ｈｚ又は３０Ｈｚのパルスを計数して、その周期信号Ｔｓをコンピュータ２９に出力する。その他の動作およびタイマ２７及びタイマ２８からコンピュータ２９に出力される時間信号Ｔ１及びＴ２は、図６(a),(b)で説明した場合と同様である。
【００９５】
上述したように、本例では、ペンタッチスイッチ１５による筆記面３へのペン先４の接触の有無によって発生する赤外線パルスの間隔を変化させるようにしている。そして、入力ペン１による筆記面３に接触して行う筆記時には正確な入力軌跡が必要であるため上記のように１０ｍｓｅｃの間隔Ｔ１つまり１００Ｈｚ周期で、時間信号Ｔ１及びＴ２に基づいて位置座標を測定する。
【００９６】
そして、空中移動軌跡の入力では、筆記面３に接触するまでの間にずれを補正すれば良いので、それ程の精度は必要としない。したがって、本例では上記のように３０ｍｓｅｃの間隔Ｔ２つまり３３Ｈｚに周波数を落として、位置座標の測定間隔を長くしている。一般に、入力ペン１による入力では、接触筆記している時間よりも空中で遊ばせている時間の方が長いものであるから、この空中にあるときの超音波パルスのサンプリング間隔を長くすることによって入力ペン１の電池の消耗を大幅に減らすことができる。
【００９７】
なお、このようなペンタッチスイッチ１５による筆記面３へのペン先４の接触の有無の弁別には、上記のように赤外線パルスの間隔を変化させることに限ることなく、超音波パルスの間隔を変化させるようにしてもよい。
【００９８】
ただし、この場合は、超音波は赤外線と異なり、入力ペン１が筆記面３上を急速に移動したときなどには距離が変化することによってパルス間隔が変動する。したがって、接触の有無を弁別するために２種類の超音波のパルス間隔を相違させるには、超音波パルスの筆記面３上で発生し得るパルス間隔の変動範囲よりも大きく相違させるように設定する必要がある。
【００９９】
例えば、筆記面３の有効範囲が３０ｃｍ四方である場合、入力ぺン１が距離０から上記のサンプリングで距離３０ｃｍまで移動したとすると、超音波センサへの超音波の到達時間は「３０ｃｍ／音速」を演算して、およそ１ｍｓｅｃ変化する。この１ｍｓｅｃが上記の筆記面３上で発生し得る超音波パルスの変動範囲である。
【０１００】
このため、接触の有無を弁別するための２種類の超音波パルスの間隔が１ｍｓｅｃ以内であると、ペン位置の変化をパルス間隔の変化として誤って検出する虞がある。したがって、接触の有無を弁別するための２種類の超音波パルスの間隔を１ｍｓｅｃよりも長くなるようにすれば、上記のように誤ることなく、パルス間隔の変化であることを正しく検出することができる。
【０１０１】
図１３は、第４の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの内部回路の構成を示すブロック図である。なお、同図において、図２(b) に示した構成と同一の構成部分には図２(b) と同一の番号を付与して示している。
【０１０２】
本例では、入力ペン１と筆記面３との距離を入力ペン１側で測定する。この測定には、通常の距離センサを使用しても良いが、もともとも、超音波パルスの反射を利用して距離測定が可能であるので、入力ペン１に超音波発信器５として配置されている圧電フィルムをそのまま使用して、空中に在るときは、入力ペン１の先端部から超音波パルスを出した後に圧電フィルムを超音波センサとして使用し、筆記面３での反射波を検出し、超音波パルスの送信から反射波が戻ってくるまでの時間から、往復距離を測定し、この測定結果を二分して、入力ペン１のペン先４と筆記面までの距離を算出する。
【０１０３】
図１４は、上記入力ペン１のペン先４から筆記面３までの測定距離と予め設定されている空中有効範囲との関係を示す図である。上記のように測定された入力ペン１（１ａ、１ｂ）のペン先４と筆記面までの距離が、入力ペン１ｂのように一定の有効距離Ｈよりも離れていれば、入力（位置座標の検出）は行われない。そして、入力ペン１ａのように一定の有効距離Ｈ以下であれば、筆記面３に近接しているので通常の入力ペン１の位置座標の検出を行う。
【０１０４】
この入力ペン１の内部回路５０は、図１３に示すように、図２(b) の構成に、入力アンプ５１、コンパレータ５２、タイマ５３、及び距離測定部５４が加えられており、更に、タイマ２１とＬＥＤ駆動回路２２との間に、スイッチングを行うゲート５５が設けられている。また、上述したように図２(b)の超音波発信器５は超音波送受信器５′として機能を変更されている。
【０１０５】
先ず、タイマ２１からの一定周期のタイミング信号で超音波駆動回路２３とタイマ５３が起動される。タイマ５３は計時を開始し、超音波駆動回路２３は超音波送受信器５′を駆動して超音波パルスを発信させる。この超音波パルスは筆記面３より反射して、この反射パルスは超音波送受信器５′により受信され、入力アンプ５１で増幅されて、コンパレータ５２に入力される。
【０１０６】
コンパレータ５２は上記入力された信号が所定の閾値以上の信号であるとき、これを超音波パルスの反射波として検出し、その検出信号をタイマ５３に出力する。タイマ５３は検出信号を入力されて計時を停止し、超音波パルス送信から反射波検出までの測定時間データを、距離判定部５４に出力する。距離判定部５４は、入力された測定時間データから入力ペン１のペン先４と筆記面までの距離を算出し、その算出した距離と上述した一定の有効距離Ｈと比較する。そして、算出した距離が有効距離Ｈ以下であれば、入力ペン１のペン先４が筆記面３に有効な距離だけ近接していると判定し、ゲート５５を開いてＬＥＤ駆動回路２２により赤外線発信部６を駆動して赤外線ＬＥＤに位置座標検出のタイミング信号となる赤外線パルスを発生させる。
【０１０７】
図１５は、第５の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの構成を示すブロック図である。なお、同図において、図２(b) に示した構成と同一の構成部分には図２(b) と同一の番号を付与して示している。
【０１０８】
図１５に示す入力ペン１の内部回路５６は、図２(b) に示した構成から外部の指タッチスイッチ１３を除去し、代わってタイマ５７を回路内に追加している。この内部回路５６の入力ペン１では、ペン先４が筆記面３に接触してペンタッチスイッチ１５から一度タッチ信号が出力されると、タイマ２１と共にタイマ５７が起動される。
【０１０９】
タイマ２１は他の実施の形態と同様に動作して、一定のタイミングごとに赤外線パルスと超音波パルスを、赤外線発信部６及び超音波発信器５からそれぞれ発信させる。
【０１１０】
他方のタイマ５７は、予め定められて設定されている一定時間を計測し、その計測が終了するとタイマ２１に空中発信停止信号を出力する。タイマ２１は、ペン先４が筆記面３に接触中でペンタッチスイッチ１５からの接触検出信号の入力があるときは、停止せずにタイミング信号の出力を継続し、ペン先４が空中にあってペンタッチスイッチ１５からの接触検出信号の入力が無いときはタイミング信号の出力を停止する。
【０１１１】
これにより、入力ペン１のペン先４が筆記面３に一度接触すれば、それから一定時間の間は、入力ペン１が筆記面３に接触しているか離隔して空中にあるかに拘わりなく、位置座標の検出が受信機２によって行われる。
【０１１２】
例えば、タイマ５７を３分間に設定しておくと、一度入力ペン１で筆記面３をタッチすれば、その後３分間は空中移動軌跡を入力することができる。入力ペン１が３分以上空中にあると、位置座標の入力が停止してしまうので、空中入力を継続したい場合には、再度ペン先４で筆記面３をタッチすれば（筆記面３に限ることなく例えば指の爪などの堅いものにペン先４を押し付けてもよいが）、位置座標の入力を復活させることができる。指タッチスイッチ１３が不要な分だけ、入力ペン１の構成が簡単になって経済的である。
【０１１３】
尚、本説明では、全て入力ペン１から赤外線パルスと超音波パルスを発信するものとして説明しているが、赤外線パルスの発信は、入力ペン１から行うと限るものではなく、受信機２の距離検出装置８から入力ペン１に向けて発信するようにしてもよい。その場合は距離検出装置８には赤外線センサ２４に代えて、指向性９０度以上の赤外線ＬＥＤを配置し、入力ペン１の赤外線発信部６に代えて、例えば１２０度の指向性を有する赤外線センサを３個取り付けた発信部を配設するようにする。
【０１１４】
この場合も、入力ペン１が距離検出装置８からの赤外線のタイミング信号を受信できる範囲は図４の場合と同様である。そして、入力ペン１は、距離検出装置８からの赤外線のタイミング信号を受信して超音波信号を発信するようにする。こうすると、入力ペン１は赤外線のタイミング信号を受信するための待機状態の電力と、その赤外線のタイミング信号を受信したときだけ超音波信号を発信すればよいので、例えば図４の(a),(c),(e) に示した移動軌跡入力圏外に在るときには超音波信号を発信しなくなる。このほうが、より一層、電池１１の消耗を低減させることができる。
【０１１５】
また、超音波パルスの発信も同様に入力ペン１から行うと限るものではない。入力ペン１の超音波発信器も受信機２の超音波センサも共に同じ圧電素子であり従って外部の構成はそれぞれ同じままで、内部回路を変更するだけで超音波の発信と受信を入れ替えることができる。この場合は距離を示す時間データは入力ペン１からコンピュータ２９に送信される。
（付記１）超音波の送信又は受信を行なう超音波圧電素子を有する移動体と、該移動体の特定部分が座標入力面と接触していることを検知する接触検知手段と、超音波の受信又は送信を行う少なくとも２個の超音波圧電素子を有する固定体と、前記超音波の伝搬時間に基づいて前記固定体に対する前記移動体の位置を求める位置検知手段と、を有する超音波型座標入力装置であって、
前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触していない場合に前記移動体による座標入力を行なうか否かを判別する判別手段と、
前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触しているか否かの信号を前記移動体から前記固定体に発信する発信手段と、
を備えたことを特徴とする超音波型座標入力装置。
（付記２）前記発信手段は、前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触しているか否かに応じて前記超音波を変調させて発信することを特徴とする付記１記載の超音波型座標入力装置。
（付記３）前記発信手段が行う前記超音波の変調は、該超音波の繰り返し周期を変化させる変調であることを特徴とする付記２記載の超音波型座標入力装置。
（付記４）前記発信手段が行う前記超音波の変調は、該超音波の周波数を変化させる変調であることを特徴とする付記２記載の超音波型座標入力装置。
（付記５）前記移動体において光を含む電磁波を送信する電磁波送信手段と、
前記固定体において光を含む電磁波を受信する電磁波受信手段と、
前記電磁波の送受信によって前記超音波発生のタイミングを取得するタイミング取得手段と、
を更に備えて、
前記電磁波送信手段は、前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触しているか否かに応じて前記電磁波を変化させて送信することを特徴とする付記１記載の超音波型座標入力装置。
（付記６）前記判別手段は、前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面に接触してから所定時間を計時するタイマを備え、該タイマによる前記所定時間の計時中を、前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触していない場合でも前記移動体による座標入力を行なう条件とすることを特徴とする付記１記載の超音波型座標入力装置。
（付記７）前記判別手段は、前記移動体が人手に保持されていることを検出する保持検出手段を備え、該保持検出手段により前記移動体が人手に保持されていることを検出中を、前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触していない場合でも前記移動体による座標入力を行なう条件とすることを特徴とする付記１記載の超音波型座標入力装置。
（付記８）前記保持検出手段は、前記移動体に配設されたタッチスイッチであることを特徴とする付記７記載の超音波型座標入力装置。
（付記９）前記保持検出手段は、前記移動体に配設された姿勢検出センサであることを特徴とする付記７記載の超音波型座標入力装置。
（付記１０）前記判別手段は、前記移動体と前記座標入力面との距離を検出する距離検出手段を備え、該距離検出手段により検出される距離が所定の距離以内である場合を、前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触していない場合でも前記移動体による座標入力を行なう条件とすることを特徴とする付記１記載の超音波型座標入力装置。
（付記１１）前記距離検出手段は、前記固定部に受信または発信される高さ方向に指向性を有する超音波又は光を含む電磁波からなる距離判別信号を受信または発信する距離判別信号検出手段を備えていることを特徴とする付記１０記載の超音波型座標入力装置。
（付記１２）前記距離判別信号の指向性は、前記固定部に設けられた高さ方向の指向性を制限する電磁波遮蔽物によって形成されることを特徴とする付記１１記載の超音波型座標入力装置。
（付記１３）前記距離検出手段は、前記座標入力面に対し前記移動体から超音波を発信する超音波送信手段と、該超音波送信手段から発信され前記座標入力面で反射した超音波を前記移動体側で検出する反射超音波検出手段と、を備えていることを特徴とする付記１０記載の超音波型座標入力装置。
【０１１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、入力ペンが筆記面に接触しているか空中にあるかを判断し且つ入力ペンが空中にあるときは入力に有効な所定距離以内に近接しているかを判断して、その判断に基づいて赤外線又は超音波の発信周期を変更するので、この変更により電池の電力消費を低減させることができるようになって経済的である。
【０１１７】
また、電磁誘導を用いずに筆記面から離れている入力ペンの移動軌跡を入力することができるので、構造が簡単で低価格で空中移動軌跡も入力できる使い易い超音波型座標入力装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波型座標入力装置の基本構成と機能を説明する図である。
【図２】 (a) は第１の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの構成を透視的に示す図、(b)はその内部回路の構成を示すブロック図である。
【図３】第１の実施の形態における超音波型座標入力装置の受信機の平面図、(b) はその正面図、(c) はその側面図である。
【図４】 (a) 〜(f) は第１の実施の形態における受信機の赤外線センサの垂直方向の約１０度の狭い指向性について具体的に説明する図である。
【図５】第１の実施の形態における受信機の内部回路のブロック図である。
【図６】 (a),(b) は第１の実施形態において受信機の赤外線センサに入力される赤外線パルスの波形と超音波センサに入力される超音波パルスの波形を示す図である。
【図７】 (a) は第２の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの内部回路の構成を示すブロック図、(b)はその超音波駆動回路の構成を示す図である。
【図８】第２の実施の形態における入力ペンの回路構成に対応する受信機側の内部構成を示すブロック図である。
【図９】 (a),(b) は第２の実施形態において受信機の赤外線センサに入力される赤外線パルスの波形と超音波センサに入力される超音波パルスの波形を示す図である。
【図１０】第３の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの構成を示すブロック図である。
【図１１】 (a),(b) は第３の実施の形態における入力ペンのタイマから出力される位置座標検出のタイミング信号を示す図である。
【図１２】第３の実施の形態における入力ペンの回路構成に対応する受信機の内部構成を示すブロック図である。
【図１３】第４の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの内部回路の構成を示すブロック図である。
【図１４】第４の実施の形態における入力ペンのペン先から筆記面までの測定距離と予め設定されている空中有効範囲との関係を示す図である。
【図１５】第５の実施の形態における超音波型座標入力装置の入力ペンの内部回路の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 入力ペン
１ａ、１ｂ 使用中の入力ペン
２ 受信機
３ 筆記面
４ ペン先
５ 超音波発信器
５′ 超音波送受信器
６ 赤外線発信部
７（７−１、７−２） 超音波センサ
８ 距離検出装置
９ 筒体
１１ 電池
１２ 駆動回路
１３ 指タッチスイッチ
１４ 内部シャフト
１５ ペンタッチスイッチ
２０ 入力ペンの内部回路
２１ タイマ
２２ ＬＥＤ駆動回路
２３ 超音波駆動回路
２４ 赤外線センサ
２５ 赤外線遮蔽部
２６ 赤外線カウンタ
２７、２８ タイマ
２９ コンピュータ
３１、３２ アンド回路
３３、３７ 入力アンプ
３４、３８ コンパレータ
３５、３９ 零クロスコンパレータ
３６、４１ フリップフロップ
ｒｔ１、ｒｔ２ 閾値
Ｎｉ 赤外線パルス数検出信号
Ｔ１、Ｔ２ 計時開始から終了までの時間データ
４５ 入力ペンの内部回路
４６ 超音波駆動回路
４７ 電池電源
４８ タイマ
４９ 周期タイマ
５０ 入力ペンの内部回路
５１ 入力アンプ
５２ コンパレータ
５３ タイマ
５４ 距離測定部
５５ ゲート
５６ 入力ペンの内部回路
５７ タイマ
Claims (4)
- 超音波の送信又は受信を行なう超音波圧電素子を有する移動体と、該移動体の特定部分が座標入力面と接触していることを検知する接触検知手段と、超音波の受信又は送信を行う少なくとも２個の超音波圧電素子を有する固定体と、前記超音波の伝搬時間に基づいて前記固定体に対する前記移動体の位置を求める位置検知手段と、を有する超音波型座標入力装置であって、
前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触していない場合に前記移動体による座標入力を行なうか否かを判別する判別手段と、
前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触しているか否かの信号を前記移動体から前記固定体に発信する発信手段と、
を備え、
前記判別手段は、前記移動体と前記座標入力面との距離を検出する距離検出手段を備え、該距離検出手段により検出される距離が所定の距離以内である場合を、前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触していない場合でも前記移動体による座標入力を行なう条件とする、
ことを特徴とする超音波型座標入力装置。 - 前記発信手段は、前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触しているか否かに応じて前記超音波を変調させて発信することを特徴とする請求項１記載の超音波型座標入力装置。
- 前記移動体において光を含む電磁波を送信する電磁波送信手段と、
前記固定体において光を含む電磁波を受信する電磁波受信手段と、
前記電磁波の送受信によって前記超音波発生のタイミングを取得するタイミング取得手段と、
を更に備え、
前記電磁波送信手段は、前記移動体の前記特定部分が前記座標入力面と接触しているか否かに応じて前記電磁波を変化させて送信することを特徴とする請求項１記載の超音波型座標入力装置。 - 前記距離検出手段は、前記固定部に受信または発信される高さ方向に指向性を有する超音波又は光を含む電磁波からなる距離判別信号を受信または発信する距離判別信号検出手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の超音波型座標入力装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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