JP4151130B2 - 位置検出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、縦方向及び横方向にそれぞれ複数のアンテナがマトリックス状に配列されたタブレット上の指示された位置を検出する位置検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
複数のアンテナがマトリックス状に配列されたタブレットと呼ばれる平面部材と、タブレット上の位置を指示するためのタッチペンとを備え、タッチペンが指示した位置を検出することができる位置検出装置が、従来より知られている。
【0003】
図6は、位置検出装置を幼児学習用玩具として使用される電子装置に適用した場合の使用例を示す図である。図6(a)において、玩具1は、ブックタブレット2a及びフロントタブレット2bを有し、ブックタブレット2a上には、所定の絵本4が載置される。そして、遊戯者が、タッチペン5を、絵本4に触れさせるか、接近させるかによって、その位置の図形、文字及び記号などが選択され、図6(b)に示すように、選択された図形などをモニタ6に表示させることができる。
【0004】
さらに、遊戯者が、タッチペン5により、好きな図形や文字をフロントタブレット2b上で描くと、タッチペン5でなぞられた軌跡をモニタ6に表示させることもできる。
【0005】
図7は、タッチペン5によりタブレット上の位置を検出する原理を説明するための図である。図7に示すように、タブレット2は、横方向に配列された複数のアンテナ20Xと、縦方向に配列された複数のアンテナ20Yとを有する。そして、アンテナ駆動部8は、検出制御回路9の制御に基づいて、横方向のアンテナ20Xに対して、右から左のアンテナの順に、縦方向のアンテナ20Yに対して、上から下のアンテナの順に、これらのアンテナを駆動し、アンテナから電波を順次放射させる。
【0006】
各アンテナから放射される電波は、タッチペン5に内蔵された受信アンテナ(図示せず)によって受信される。このとき、受信される各電波のレベルのうち、タッチペン5の指示位置に最も近い受信アンテナから放射された電波のレベルが最も大きくなる。そして、検出制御回路9は、縦方向及び横方向それぞれに対して、最大レベルに対応する位置を、タッチペンの指示位置として検出することができる。
【0007】
図8は、タッチペン5のブロック構成図である。図8において、タブレット2のアンテナから放射される電波は、タッチペン5の先端部分に内蔵された受信アンテナ51によって受信される。受信信号は、バッファアンプ52によって増幅され、さらに、セラミックフィルタ53を通過する。セラミックフィルタ53は、単一の周波数を通過させ、それ以外の周波数を遮断する特性を有し、ノイズ除去に用いられる。
【0008】
さらに、受信信号は、アナログ回路54に含まれる比較回路により、所定のしきい値レベルで比較されたレベル信号に変換される。そして、レベル信号は、遅延時間調整回路55、コネクタを経由して、タッチペン5の指示位置を検出するための演算回路(図示せず)に入力される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
遅延時間調整回路55が設けられるのは、以下の理由による。セラミックフィルタ53は遅延を有し、その遅延時間は個々にばらつきがある。このため、複数のタッチペン5によって別々に、タブレット2上の同じ位置を指示した場合に、内蔵されたセラミックフィルタ53の遅延時間のばらつきにより、異なる指示位置が検出されてしまう。例えば、タッチペン5が、タブレットの中央を指示している場合であっても、検出される指示位置は、縦方向及び横方向ともに、アンテナの駆動方向にずれてしまう。このとき、セラミックフィルタ53の遅延時間のばらつきにより、そのずれ幅が各タッチペン5毎に異なってしまう。このような不都合を防止するために、遅延時間調整回路53によって、セラミックフィルタ53の遅延時間のばらつきを調整し、タッチペン内部全体の遅延時間が、全てのタッチペン5で一定になるように調整される。
【0010】
しかしながら、遅延時間調整回路53の付加により、タッチペン5のコストは上昇し、ひいては位置検出装置全体のコストが上昇する。
【0011】
従って、本発明の目的は、セラミックフィルタ53の遅延時間を調整する必要のない、即ち、遅延時間調整回路55を必要としない安価の位置検出装置を提供することにある。
【0012】
さらに詳しくは、本発明の目的は、遅延時間調整回路55を用いることなく、複数の各タッチペンによる同一指示位置に対する検出位置が一定になる位置検出装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための、本発明の位置検出装置の構成は、縦方向及び横方向にそれぞれ複数配列されたアンテナを有する平面部材と、縦方向に配列されたアンテナを、縦方向における正方向及び負方向に順次駆動し、横方向に配列されたアンテナを、横方向における正方向及び負方向に順次駆動することによって、アンテナから電波を順次放射させる制御部と、平面部材上で、順次放射された電波を受信する受信部と、受信された電波のレベルに基づいて、受信部の平面部材上での位置を検出する検出部とを備え、検出部は、縦方向及び横方向の正方向に順次放射される電波のレベルから検出される位置と、負方向に順次放射される電波のレベルから検出される位置との平均値を受信部の位置として検出することを特徴とする。
【0015】
これにより、遅延時間調整回路による調整なく、検出部によって検出される受信部の位置のばらつきをなくすことができ、しかも、受信部の正確な位置を検出することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、本発明の技術的範囲が、本実施の形態に限定されるものではない。
【0017】
図1は、本発明の実施の形態における位置検出装置のブロック構成図である。図1では、学習用玩具としての電子装置に適用される位置検出装置が例示される。図1において、位置検出装置は、マトリックス状にアンテナが配列された2つのタブレット(ブックタブレット2a、フロントタブレット2b)2と、タッチペン5が、演算駆動部10とつながっている。演算駆動部10は、後に詳述するように、タブレット2のアンテナの駆動と、タッチペン5で受信される受信レベルに基づいて、タッチペンの指示位置(座標)の演算を行う。
【0018】
カートリッジコネクタ12には、例えば、ブックタブレット2aに載置される絵本に対応する画像処理プログラムなどを格納したカートリッジROM(図示せず)が差し込まれ、これらのプログラムは、CPU11によって処理される。
【0019】
CPU11は、上記プログラムと演算駆動部10により求められたタッチペン5の座標とに基づいて、座標に対応する画像処理を行い、画像信号を生成する。画像信号はモニタに出力され、所定の画像がモニタ画面に表示される。例えば、求められた座標を含む絵本上の図形、文字及び記号などなどがモニタに表示される。なお、RAM13は、CPU11での処理において、一時的にデータを記憶するためのメモリである。
【0020】
図2は、演算駆動部10のブロック構成図である。また、図3は、タブレット2の断面図及びタッチペン5における受信信号及びレベル信号の例を示す図である。具体的には、図3(a)は、図1のA−A'線の断面図であり、横方向に配列された8本のアンテナ(20a〜20h)のうち、タブレット2の表面カバー21上から、アンテナ20d上をタブレット5が指示している状態が示されている。さらに、図3(b)〜(e)は、図3(a)の状態におけるタッチペン5の受信信号及びレベル信号を示す図である。図3を参照しながら、図2の演算駆動部10の動作について説明する。
【0021】
図2において、コントローラ101は、アップダウンカウンタ(以下、単にカウンタという)102のアップカウント及びダウンカウントの制御、タッチペン5からのレベル信号の立ち下がり及び立ち上がりエッジの検出、レベル信号とクロック103からのクロック信号との同期制御などを行う。
【0022】
カウンタ2からの駆動信号は、タブレット2に供給される。そして、カウンタ102がアップカウントすると、図3(a)のアンテナ20a〜20hは、アンテナ20a、20b、20c、…、20hの順(右方向)に所定カウント(例えば16カウント)毎に順次電波を放射する。図3(b)に、その時のタッチペン5による受信信号(実線)が示される。タッチペン5は、アンテナ20dに最も近い位置にあるので、タッチペン5の受信レベルは、アンテナ20dから放射される電波に対して最も高くなる。しかしながら、受信信号は、タッチペン5内のセラミックフィルタ53を通過することにより遅延する。セラミックフィルタ53通過後の受信信号は、点線Nに示されるように、実線Mと比較して、右方向にずれる。従って、図3(c)に示されるように、タッチペン5内の比較回路でしきい値レベル(th)で比較されることによって出力されるレベル信号もずれたままである。そして、コントローラ101からの制御信号に基づいて、このレベル信号の立ち下がりエッジa及び立ち上がりエッジbに対応するカウンタの値は、それぞれX座標データラッチ104a及び104bに保持される。
【0023】
右方向の電波放射が終了すると、次に、左方向の電波放射が行われる。即ち、カウンタ102はダウンカウントし、電波は、アンテナ20h、20g、20f、…、20aの順に順次16カウント毎に放射される。図3(d)に、その時のタッチペン5による受信信号(実線)が示される。タッチペン5は、アンテナ20dに最も近い位置にあるので、タッチペン5の受信レベルは、図3(b)と同様に、アンテナ20dから放射される電波に対して最も高くなる。そして、左方向に順次電波を放射しているので、セラミックフィルタ53通過後の受信信号は、点線N'に示されるように、実線M'と比較して左方向にずれる。従って、図4(e)に示されるように、比較回路から出力されるレベル信号も左方向にずれる。このレベル信号の立ち下がりエッジc及び立ち上がりエッジdのカウンタの値は、それぞれX座標データラッチ104c及び104dに保持される。
【0024】
X座標データラッチ104a、104b、104c及び104dに保持されたカウンタ値は、X座標用演算器106aに入力される。X座標用演算器106aは、右方向放射におけるX座標X(R)、左方向放射におけるX座標X(L)をそれぞれ、
X(R)=(aのカウンタ値+bのカウンタ値)/2 …(1)
X(L)=(cのカウンタ値+dのカウンタ値)/2 …(2)
により求める。即ち、立ち下がりエッジと立ち上がりエッジとの間の中心位置をタッチペン5の指示位置として求める。そして、求められたX座標X(R)、X(L)は、X座標レジスタ107aに保持される。
【0025】
しかしながら、上述したように、求められたX座標X(R)、X(L)は、それぞれ右方向及び左方向にずれた座標であって、タッチペン5が指示している真の座標X(D)ではない。そこで、その真の座標X(D)を求めるために、さらに次の演算を行う。
【0026】
X(D)=(X(R)+X(L))/2 …(3)
即ち、右方向放射及び左方向放射におけるずれ量は同じであるので、真の座標X(D)は、X座標X(R)とX(L)の平均値、即ちX座標X(R)とX(L)間の中心座標として求めることができる。なお、この(3)式による演算は、本実施の形態においては、図1のCPU11により行われるが、演算駆動部10内に、(3)式の演算を行う別の演算器が設けられてもよい。
【0027】
Y座標についても、X座標と同様である。横方向の電波放射が終了すると、次に縦方向の電波放射が行われる。カウンタ102がアップカウント及びダウンカウントすることにより、電波は、縦方向に配列されたアンテナから、上方向及び下方向の双方向に順次放射される。そして、タッチペン5からのレベル信号の立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジは、それぞれ、Y座標データラッチ105a、105b、105c及び105dに保持され、Y座標演算器106bが式(1)及び(2)と同様の演算を行うことによって、上方向放射におけるY座標Y(R)と下方向放射におけるY座標Y(L)が求められる。
【0028】
求められたY座標Y(R)とY(L)は、Y座標レジスタ107bに保持される。そして、それらは、プロセッサ11が上記(3)式と同様の演算を行うことにより、真のY座標Y(D)が求められる。
【0029】
このように、アンテナ20からの電波の順次放射を、従来の一方向だけでなく、双方向とすることにより、遅延による座標のずれを相殺することができるので、遅延を調整することなく、常に正確な座標を求めることができる。
【0030】
従って、従来タッチペン5内に内蔵されていた遅延調整回路が不要となるので、その調整の手間の削減と、コスト削減を図ることができる。
【0031】
なお、電波の順次放射を、従来の一方向から双方向とすることで、位置検出に必要な時間が従来より2倍となるが、アンテナの本数を従来の本数のほぼ半分とすることにより、位置検出時間を従来と同じに維持することができる。
【0032】
アンテナの本数を削減すると、アンテナ間の間隔が広くなり、位置検出の精度が粗くなることが懸念されるが、本発明の実施の形態では、アンテナの駆動信号レベルを上げることによって(例えば2倍)、電波の出力レベルを増し、受信信号のレベルも上げる。そして、受信信号をレベル信号に変換する際の、比較回路におけるしきい値レベル(th)を高くすることにより、従来と同等の精度を維持することができる。例えば、従来は、全てアナログ処理による位置検出を行っていたため、2.5Vのサイン波信号をアンテナに供給することにより電波を放射させていたが、本発明の実施の形態においては、位置検出をデジタル処理で行うため、5Vの矩形波信号がアンテナに供給される。
【0033】
また、電波の出力レベルが上げられ、且つ、アンテナ間の間隔が拡大したことで、タッチペン5がアンテナ上を指示してしていない場合、受信信号波形の歪みが顕著に現れる場合がある。図4は、受信信号の歪みを説明するための図である。図4(a)は、タッチペン5がアンテナ上を指示している場合の受信信号であって、歪みはない。また、図4(b)は、タッチペン5がアンテナ間のちょうど中央を指示している場合の受信信号波形であって、この場合も、両側のアンテナからの距離が等距離なので、歪みは発生しない。一方、図4(c)、(d)は、タッチペン5がアンテナ上から少しずれた位置を指示している場合の受信信号の例であって、ピークに対して左右対称の形状とならない歪んだ波形となる。このように、受信信号波形に歪みが生じると、座標の検出位置にずれが生じる。
【0034】
受信信号の歪みが生じる原因は、タッチペン5とその両側にあるアンテナからのそれぞれの距離の差が大きくなり、一方のアンテナによる受信レベルと、他のアンテナによる受信レベルとの差が拡大するからである。従来、アンテナ間隔は比較的狭く(アンテナ本数が多いため)、且つ電波の出力レベルも比較的低かったため、この受信レベルの差は小さく、受信信号の歪みは、問題にならない程度に小さかった。本発明の実施の形態においては、このような問題を解決するために、タッチペン5と両側のアンテナとの距離差を小さくするために、アンテナとそれを覆う表面カバー21との間にスペーサ22が配置される。図5は、アンテナ20と表面カバー21との間にスペーサ22が配置されたタブレット2の部分断面図である。これにより、タッチペン5と両側のアンテナ20との距離差が縮小するので、受信信号の歪みを抑えることができる。
【0035】
また、アンテナと表面カバーとの間に電波を減衰させるシートを挟むことによって、受信信号の歪みを防止することもできる。
【0036】
このように、位置検出の精度を下げることなく、アンテナ本数を従来より減らすことによって、タブレットのコストも削減することができるので、遅延調整回路の削減とともに、位置検出装置全体のコスト削減が達成される。
【0037】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、タッチペンに内蔵されるセラミックフィルタの遅延を調整することなく、タッチペンの正確な指示位置を求めることが可能となるので、遅延調整回路が不要となり、位置検出装置のコスト削減を図ることができる。
【0038】
また、アンテナとタッチペンの先端部分との間に所定の間隔を設けることにより、アンテナの本数を削減し、アンテナ間の距離が拡大した場合に生じやすい受信信号の歪みを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における位置検出装置のブロック構成図である。
【図2】演算駆動部10のブロック構成図である。
【図3】タブレット2の断面図及びタッチペン5における受信信号及びレベル信号の例を示す図である。
【図4】受信信号の歪みを説明するための図である。
【図5】アンテナ20と表面カバー21との間にスペーサ22が配置されたタブレット2の部分断面図である。
【図6】位置検出装置を幼児学習用玩具として使用される電子装置に適用した場合の使用例を示す図である。
【図7】タッチペン5によりタブレット上の位置を検出する原理を説明するための図である。
【図8】タッチペン5のブロック構成図である。
【符号の説明】
2 タブレット
5 タッチペン
6 モニタ
10 演算駆動部
11 CPU
20 アンテナ
21 表面カバー
22 スペーサ
101 コントローラ
102 アップダウンカウンタ
104 X座標データラッチ
105 Y座標データラッチ
106 演算器
107 レジスタ
Claims (4)
- 縦方向及び横方向にそれぞれ複数配列されたアンテナを有する平面部材と、
該縦方向に配列されたアンテナを、縦方向における正方向及び負方向に順次駆動し、該横方向に配列されたアンテナを、横方向における正方向及び負方向に順次駆動することによって、該アンテナから電波を順次放射させる制御部と、
該平面部材上で、該順次放射された電波を受信する受信部と、該受信された電波のレベルに基づいて、該受信部の該平面部材上での位置を検出する検出部とを備え、
前記検出部は、縦方向及び横方向の正方向に順次放射される電波のレベルから検出される位置と、負方向に順次放射される電波のレベルから検出される位置との平均値を前記受信部の位置として検出することを特徴とする位置検出装置。 - 請求項1において、
前記平面部材は、前記アンテナと前記受信部との間に所定間隔を生成するスペーサを有することを特徴とする位置検出装置。 - 所定の本に描かれた文字、図形、記号などの情報を出力する電子装置において、
縦方向及び横方向にそれぞれ複数配列されたアンテナを有し、該アンテナ上に該本が載置される載置台と、
該縦方向に配列されたアンテナを、縦方向における正方向及び負方向に順次駆動し、該横方向に配列されたアンテナを、横方向における正方向及び負方向に順次駆動することによって、該アンテナから電波を順次放射させる制御部と、
該本上の位置を指示し、該指示した位置で該順次放射された電波を受信するペン状体と、該受信された電波のレベルに基づいて、該ペン状体の位置を検出する検出部と、
該検出された位置に対応する該情報を出力する出力部とを備え、
前記検出部は、縦方向及び横方向の正方向に順次放射される電波のレベルから検出される位置と、負方向に順次放射される電波のレベルから検出される位置との平均値を前記受信部の位置として検出することを特徴とする電子装置。 - 請求項3において、
前記載置台は、前記アンテナと前記受信部との間に所定間隔を生成するスペーサを有することを特徴とする電子装置。
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