JP4354650B2

JP4354650B2 - 超音波飛行時間から算出された距離変動の追跡方法および追跡システム

Info

Publication number: JP4354650B2
Application number: JP2000570748A
Authority: JP
Inventors: ツロターザヒ; シェンホルツギデオン; サーバーロン
Original assignee: ペガサステクノロジーズリミテッド
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1999-09-03
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2019-09-03
Also published as: CN1322337A; CA2343307A1; DE69932935D1; DE69932935T2; US6265676B1; EP1110194A1; CN1122248C; ATE337593T1; AU5703999A; JP2002525583A; KR20010075027A; WO2000016291A1; EP1110194B1; EP1110194A4

Description

【０００１】
【発明の分野と背景】
本発明はデジタイザシステムに関するものであり、特に、超音波飛行時間デジタイザシステムの処理アルゴリズムと、そのようなアルゴリズムを利用するシステムに関するものである。
【０００２】
二次元または三次元デジタイザシステムでは、距離の測定に超音波飛行時間測定を利用することは周知である。そのようなシステムでは、複数箇所の受信器が受信する超音波パルスを送信する１つの送信器を利用している。別の構成では、複数の送信器と１つの受信器を利用している。いずれの場合においても、送信器から受信器までのパルスの飛行時間を測定することによって、それらの間の距離を算出することができる。受信器および送信器の同期化は、配線接続または無線電磁結合によって達成できる。
【０００３】
受信された各超音波パルスの始まりの部分を識別することは容易ではない。パルスの生成に一般に利用される変換器素子の反応特性ならびに転送中の信号の分散により、パルスは、その最大振幅に達する前に何サイクルかにわたって増大する。その結果、バックグラウンドノイズを越えてパルス信号を確実に識別できるように設定されたはずの閾値レベルが、パルスの別の段階で引き起こされることがある。送信器−受信器間の距離および種々の環境条件により、時には第１のサイクル中、時には第２のサイクル中、時には第３のサイクル中に閾値を超えて、著しく不正確になることもある（図１および２参照）。約４０ｋＨｚという一般的な使用周波数と音速３３０ｍ／ｓを利用する場合、各サイクルは約８ｍｍの距離に相当する。そのような誤差範囲は、書込手段、コンピュータマウス等のデジタイザなどの一般的な用途においては容認しえないものである。
【０００４】
また、従来の超音波デジタイザシステムは、そのハードウェア構成がやや適応性に欠けている。通常、任意の用途毎に所定の受信器機構が作製され、そして、電子構成要素がコントロールボックスに集められる。そのような機構では、システムをより大きな寸法の用途に対応させる適応性は、ほとんどまたは全く残らない。
【０００５】
このように、送信器から受信器への圧力波の一連のパルスの飛行時間測定値から算出される距離の変化を正確に追跡するシステムと方法が必要とされている。任意の所望面積をカバーするように受信器装置の個数を増加させることができるモジュール方式の受信器システムを提供することも非常に有利である。
【０００６】
【発明の開示】
本発明は、超音波飛行時間デジタイザシステムの処理アルリズムおよびそのようなアルゴリムズを採用するシステムである。
【０００７】
本発明の教示によれば、送信器から受信器への、任意の波長および波周期を有する圧力波振動の一連のパルスの飛行時間測定値から算出された距離Ｄの変動を追跡する方法であって、（ａ）任意の同期性基準を満足する連続圧力波パルスによってもたらされる少なくとも２つの飛行時間測定値を得ることによって同期動作の状態を識別する段階と、（ｂ）連続する飛行時間測定値を監視して、先行する少なくとも二つの飛行時間測定値に基づいて外挿法によって算出された予測飛行時間値に対して少なくとも波周期の半分を超えてずれているシフト飛行時間測定値を識別する段階と、（ｃ）シフト飛行時間を補正して、予測飛行時間値から波周期内の半分以内にある補正飛行時間測定値を得るために必要な、波周期の整数倍に相当するシフト係数を識別する段階と、（ｄ）シフト飛行時間測定値から算出された距離Ｄを、シフト係数と圧力波長との積によって補正する段階と、を有する方法が提供される。
【０００８】
本発明の別の特徴によれば、前記飛行時間測定は、信号が任意の閾値を超えた後の受信信号の最初の零交差を識別することなどにより、サイクル内の予め決められたポイントを識別するように構成された技術によって行われる。
【０００９】
本発明のさらに別の特徴によれば、シフト係数が予め定められた最大値、一般に３未満、を超えるシフト飛行時間測定値は無視される。
【００１０】
本発明のさらに別の特徴によれば、前記補正飛行時間測定値は、後続の飛行時間測定に対して実施される監視段階の先行の飛行時間測定値として利用される。
【００１１】
本発明のさらに別の特徴によれば、同期動作の状態は、連続飛行時間測定値が波周期ｋの半分未満の変動を呈する連続圧力波パルスから導き出される少なくとも３つの飛行時間測定値を求めることによって識別される。
【００１２】
本発明のさらに別の特徴によれば、同期動作の状態は、実質的に直線的に変動する連続圧力波パルスから導き出される少なくとも３つの飛行時間測定値を求めることによって識別される。
【００１３】
本発明のさらに別の特徴によれば、予測飛行時間値は、先行の少なくとも２つの距離測定値の幾何学的外挿、好ましくは先行の３つの飛行時間測定値に適した二次多項式の外挿によって算出される。
【００１４】
本発明のさらに別の特徴によれば、少なくとも１回の補足シフト試験が実施され、補正段階は該補足シフト試験に応じて選択的に実施される。
【００１５】
補足シフト試験は、正および負の信号振幅閾値を超える順序を判断する段階を含むこともできるし、あるいは、（ａ）信号振幅閾値を超えた後に生じる少なくとも１つのピーク信号振幅を判断する段階と、（ｂ）該ピーク信号振幅と先行のパルスの対応ピーク信号振幅との違いが予め定められた比率を超えているかどうか算出する段階と、を含むこともできる。
【００１６】
本発明のさらに別の特徴によれば、送信器が、製図用具と表面との間の有効接触を識別する接触スイッチを含む製図用具と関連付けられており、有効接触の識別を受けて一連のパルスが開始され、当該方法は、前記接触スイッチが前記有効接触を示すのをやめた後の任意の遅延時間のあいだ、一般に少なくとも約１／２秒のあいだ、一連のパルスの送信を継続し、それにより断続的な接触のあいだ同期動作状態を維持する段階をさらに有する。
【００１７】
本発明の教示によれば、タイミング情報と、受信器によって受信される、任意の波長と波周期とを有する圧力波振動の一連のパルスに対応する受信信号とを処理し、前記パルスの飛行時間測定値から算出される距離Ｄの変動を追跡するシステムであって、（ａ）受信信号を処理して各パルス毎に有効到着時間を導き出す信号プロセッサと、（ｂ）前記信号プロセッサと関連付けられ、タイミング情報と有効到着時間とから各パルス毎に飛行時間を導き出すように構成されたタイミングモジュールと、（ｃ）タイミングモジュールと関連付けられており、少なくとも２つの連続圧力波パルスが予め定められた同期性基準を満足するときに、飛行時間を分析して同期動作の状態を識別するように構成された同期動作モジュールと、（ｄ）タイミングモジュールと関連付けられており、連続する飛行時間測定値を監視し、先行する少なくとも二つの飛行時間測定値に基づいて外挿法によって算出された予測飛行時間値に対して少なくとも波周期の半分を超えてずれているシフト飛行時間測定値を識別するように構成された監視モジュールと、（ｅ）監視モジュールと関連付けられており、シフト飛行時間測定値を補正して予測飛行時間値から波周期の半分以内にある対応飛行時間測定値を得るために必要な、波周期の整数倍に対応するシフト係数を識別するように構成されたシフト係数モジュールと、（ｆ）タイミングモジュールと関連付けられており、シフト飛行時間測定値から算出された距離Ｄをシフト係数と圧力波長との積によって補正するように構成された補正モジュールと、を含むシステムも提供される。
【００１８】
本発明のさらに別の特徴によれば、予め定められた同期性基準は、第１、第２、および第３の連続パルスからそれぞれ算出された第１、第２、および第３の飛行時間測定値について、第１および第２の飛行時間測定値間の差と前記第２および第３の飛行時間測定値間の差がいずれも波周期の半分未満であるか、または、連続する圧力波パルスから導き出される少なくとも３つの飛行時間測定値が実質的に直線的に変動することを含む。
【００１９】
本発明のさらに別の特徴によれば、信号プロセッサは、サイクル内の予め決められたポイントを有効到着時間として識別するように構成されている。このポイントは、一般に、受信信号が任意の閾値を超えた後の該信号の最初の零交差に対応している。
【００２０】
本発明のさらに別の特徴によれば、信号プロセッサが、少なくとも１つの補足シフト試験を実施し、、補正モジュールが、距離Ｄを補足シフト試験に応じて選択的に補正するように構成される。この試験は、正および負の信号振幅閾値を超える順序を判断する段階を含むこともできるし、あるいは、（ａ）信号振幅閾値を超えた後に生じる少なくとも１つのピーク信号振幅を判断する段階と、（ｂ）該ピーク信号振幅と先行のパルスの対応ピーク信号振幅との違いが予め定められた比率を超えているかどうか算定する段階と、を含むこともできる。
【００２１】
本発明のさらに別の特徴によれば、監視モジュールが、先行の少なくとも２つの距離測定値の幾何学的外挿によって、一般には、先行の３つの飛行時間測定値に適した二次多項式の外挿によって、予測飛行時間値を算出する。
【００２２】
本発明の教示によれば、本体と作用先端部とを有する手持式製図用具の有効ストロークをデジタル化するシステムと組み合わせて使用する送信装置であって、（ａ）開口部を備え、製図用具の本体の一部を、その作用先端部が開口部から突出した状態で受け入れるように構成されたハウジングと、（ｂ）作用先端部に加えられる圧力に由来する、製図用具とハウジングとの間の相対的な動きによって開くように配置されているノーマルクローズスイッチと、（ｃ）製図用具をスイッチが閉状態になる前方位置に偏倚させるように配置されている一次ばねと、を有する送信装置も提供される。
【００２３】
本発明のさらに別の特徴によれば、一次ばねよりも弱く、製図用具を後方に押し、製図用具をハウジング内で停止させておくよう配置された二次ばねも設けられる。
【００２４】
本発明のさらに別の特徴によれば、一次ばねと関連付けられており、製図用具の後方端部をハウジング内で中心に位置合わせするように形作られた受面を提供するセンタリング要素も設けられる。
【００２７】
【好適実施形態の説明】
本発明は、超音波飛行時間デジタイザシステムの処理アルリズムおよび対応システムである。本発明は、電磁同期信号の情報をコード化するための単純な技術を提供するものでもある。
【００２８】
本発明によるシステム、アルゴリズム、および技術の原理と作用は、図面および添付の説明を参照することによってさらに良く理解されるであろう。
【００２９】
本発明の技術およびシステムに進む前に、本発明は、受信器から送信器までの距離を圧力波パルスの飛行時間によって測定する任意の状況に対して適用可能であることに注意すべきである。最小限の場合、これは、単純な送信器／受信器対のこともありうる。しかしながら、一般に、そのようなシステムは、二次元測定の場合は少なくとも２つの受信器、または三次元測定の場合は少なくとも３つの受信器を利用する。あるいは、複数の送信器を１つの受信器と組み合わせて使用することもできる。いずれの場合においても、本発明の技術は主として、１つのシステム内の任意の送信器／受信器対に適用できる、１つの送信器から送出されて１つの受信器によって受信される信号の処理に関するものである。
【００３０】
ここで図面を参照すると、図１と図２は、いくつかのサイクルを通じて振幅が成長する２つの超音波パルスの始まりを示すものである。先述したように、パルス振幅包絡腺の種々の段階で固定振幅閾値を超えることがある。ここに示す例では、図１では、パルスの第２のサイクルのときに閾値を超えているが、図２では、パルスの第３のサイクルのときに超えている。図示のようなサイクル間の移行は、測定距離における重大な不連続、すなわち「ジャンプ」を生じることがしばしばある。
【００３１】
この問題に対処するために、本発明は、送信器から受信器への圧力波の一連のパルスの飛行時間測定値から算出される距離Ｄの変動を追跡する方法を提供する。一般的な観点から言うと、当該方法は、予め定められたいくつかの同期性基準を満足する連続圧力波パルスによってもたらされる少なくとも２つの飛行時間測定値を得ることによって同期動作の状態を識別することを含む。同期性基準の好適な組合せの１つは、連続飛行時間測定値が波周期ｋの半分未満の変動を呈する連続圧力波パルスから導き出される少なくとも３つの飛行時間測定値の組合せである。図３を参照すると、このように、ｔ_１のときに得られた第１の飛行時間を利用して、測定値について±ｋ／２の範囲を定める。これに続くｔ_２のときの飛行時間測定値と、この範囲と比較する。連続する２つの測定値のぞれぞれが、その先行の読取値の当該範囲内にあれば、システムの動作は同期していると定義される。
【００３２】
但し、これらの同期動作の基準は、絶対的に必要なものでもないし、限定的なものでもないことに注意されたい。したがって、例えば、別の基準を「同期動作」と定義させることによって、前述の基準を補うことが望ましい場合もある。一例において、連続する３つの測定値にわたるＤの変化が測定値間で±ｋ／２を超えていても、Ｄの直線変化が同期動作と見なされることもある。
【００３３】
同期動作に入った後、連続する飛行時間測定値が監視され、先行するいくつかの飛行測定値から算出された予測飛行時間の２／ｋの範囲外にある第１の飛行時間測定値を識別する。この場合、ｔ_４において、第１のいわゆる「シフト飛行時間」２６が生じている。予測飛行時間値は、何通りもの方法で算出できる。この計算は、好ましくは、先行の少なくとも２つの距離測定値の幾何学的外挿に基づくものであることが好ましい。特に効果的な一実施態様において、該外挿は、先行の３つの飛行時間測定値に適した二次多項式に基づく。
【００３４】
次に、当該方法は、先行する飛行時間測定値から波周期の半分以内にある補正飛行時間測定値を得るためにシフト飛行時間測定値を補正するのに必須の、波周期ｋの整数倍に相当するにシフト係数を識別する。この場合、−１のシフト係数が必要とされている。次に、シフト飛行時間測定値から算出される距離Ｄを、シフト係数と圧力波長との積によって補正し、シフト飛行時間測定値２６を補正後の測定値２８にマッピングする。通常、予測値に対する新たなずれが生じるまでは同一のシフト係数によって後続の測定値を補正すべきであると想定される。
【００３５】
この方法で使用されるシフト係数が何らかの妥当な値に限定されるべきであることは、明らかである。複数の波長の測定距離の予測不能の急激な変化は、検出サイクル中の複数のシフトよりも、音の干渉や瞬間的な動作異常によって生じることの方がずっと多いようである。一般に、次の検出までに１サイクルだけ、またはせいぜい２サイクルの変化があると予想される。
【００３６】
その後、補正値２８が後続の飛行時間値の予測に利用されることに注意されたい。最初の計算は、先行の測定に使用したものと同じシフト係数とする。しかしながら、ここに示すように、同じシフト係数を使用して計算された後続の自動補正測定値３２が、予測値の波長の半分よりも大きい場合には、逆シフト係数を使って該測定値を予測値３０に戻す。
【００３７】
本方法は、概念的には、検出サイクル間の移行による不連続の問題に対して特に簡便な解決策を提供するものである。パルス間の時間が十分に短く、パルス間の移動距離が常にｋ／２未満であるとすると、ｋ／２を超えるジャンプは、検出サイクル間で移行が生じたことを示す強い兆候である。原則として、各ステップを先行の測定値に基づく所要範囲内に導くように累積的にそのようなジャンプを補正することによって、当該問題に対する完全な解決策を提供しなくてはならない。実際には、送信器装置の過度の加速といった特定の状況が、誤った補正を招くことがある。そのような問題事例に対処するために、以下に記載の種々の改良を施すことが好ましい。
【００３８】
この種の問題に対処するための本発明に対する改良は、２つの範疇に細分される。第１に、検出プロセスを標準化して安定させ、それによって異常測定値の比率を減少させる措置を取る。第２に、他の選択肢として、または好ましくは同時に、前述の主アルゴリズムに基づく測定値の「補正」は、補正を検証するように考案された少なくとも１つの補足シフト試験の実施を条件とすることもできる。
【００３９】
検出プロセスの標準化と安定化に関し、本発明による飛行時間測定は、サイクル内の予め定められたポイントを識別するように構成された技術によって行われることが好ましい。この種の最も単純な技術は、信号が任意の閾値を超えた後の受信信号の、最初の零交差を識別することである。
【００４０】
補足シフト試験については、何通りもの可能方法が存在しており、そのそれぞれを単独で使用してもよいし、他と組合せて使用してもよい。
【００４１】
第１の補足シフト試験を、図４Ａと４Ｂに示す。図４Ａは第１のサイクルのポイント４２で正の閾値４０を超える信号を示し、図４Ｂは第２のサイクルのポイント４４で超過を呈する。これらの２つの事例は、本発明により、対応する負の閾値４６を追加して、正および負の信号振幅閾値を超える順序を判断することによって区別されることが好ましい。したがって、図４Ａでは、ポイント４３で負の閾値４６を超える前に正の閾値を超えている。他方、図４Ｂでは、最初にポイント４５で負の閾値４６を超えている。この順序の切換わりは、検出サイクルに変化が生じたことを示すものと解釈される。
【００４２】
他方、図５Ａと５Ｂに、この最後の方法だけで必ずしも十分ではないことを示す。特に、図５Ａは、ポイント４８における負の検出後にポイント５０における正の検出があったことを示す。他方、図５Ｂは、ポイント５２における正の検出後にポイント５４における負の検出があったことを示す。ただし、いずれの場合も信号の第１のサイクルのときに信号が検出されている。
【００４３】
この欠点に対処するために、図４Ａおよび４Ｂの順序を基礎とするアルゴリズムの別の選択肢として、または更なる改善として、少なくも１つの補足シフト試験は、信号振幅閾値を超えた後に生じる少なくとも１つのピーク信号振幅を判断し、このピーク振幅と先行の検出の対応振幅とを比較することを含むことが好ましい。このように、図５Ａと５Ｂを連続パルスの検出に利用すると、検出後に測定されたピーク信号振幅Ａ１およびＡ２のは、それぞれ、大きさが比較的近い。他方、図４Ａおよび４Ｂの連続パルスでは、第２のピーク振幅Ａ２は、Ａ１よりもずっと大きい。したがって、連続する検出で得られたピーク振幅測定値間の任意の予め定められた値を超える比率は、検出サイクルの変化の兆候と考えることができる。正−負閾値超過の反転および検出後のピーク振幅の大きな変動という、一緒に利用される対の基準により、擬似検出サイクル移行用の特に頑強な確認アルゴリズムを提供できる。
【００４４】
ここで図６に進むと、前述のアルゴリズムを広範囲なやり方で実現できることが分かるであろう。本発明のシステムは、一般に、広範囲な形態で実現できるいくつかのモジュールから構成されている。これらは、以下に述べるシステムの機能を実施するソフトウェアプログラムであるソフトウェアモジュールを含む。これらのソフトウェアモジュールは、これらのモジュールを実行させるコンピュータのオペレーティングシステムと互換性のある、ＣまたはＣ＋＋などの適切なプログラミング言語で書かれていなくてはならない。そのようなプログラミング言語の厳密な選択は、当業者によって容易に行われうる。以下、「コンピュータ」という用語は、ＤＯＳ、Ｗｉｎｄｏｗｓ（商標）、ＯＳ／２（商標）またはＬｉｎｕｘなどのオペレーティングシステムを有するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を；マッキントッシュ（Ｍａｃｋｉｎｔｏｓｈ）（商標）コンピュータ；オペレーティングシステムとしてＪＡＶＡ（商標）−ＯＳを有するコンピュータ；サンマイクロシステムズ（ＳｕｎＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ）（商標）およびシリコングラフィックス（ＳｉｌｉｃｏｎＧｒａｐｈｉｃｓ）（商標）などのグラフィカルワークステーション、およびＡＩＸやサンマイクロシステムズ（ＳｕｎＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ）（商標）のＳＯＬＡＲＩＳなどいくつかのバージョンのＵＮＩＸオペレーティングシステムを有する他のコンピュータ；いずれか他の公知の入手可能なオペレーティングシステム；ならびに計算用ハードウェアとオペレーティングシステムとの他の適切な組合せ、をそれだけに限らず含むものとする。以下、”Ｗｉｎｄｏｗｓ（商標）”という用語は、Ｗｉｎｄｏｗｓ９５（商標）、Ｗｉｎｄｏｗｓ３．ｘ（商標）（ただし”ｘ”は”１”などの整数）、ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ（商標）、Ｗｉｎｄｏｗｓ９８（商標）、ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ（商標）、マイクロソフト社（ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＩｎｃ．）（米国ワシントン州シアトル）によるこれらのオペレーティングシステムの新またはアップグレードバージョン、ならびにマイクロソフト社の他のオペレーティングシステムをそれだけに限らず含むものとする。
【００４５】
また、モジュールは、ハードウェア単体として実現することもできるし、ＲＯＭ（読取り専用メモリ）チップに焼き付けられたソフトウェアプログラミング命令を含む「ファームウェア」として知られるハードウェアとソフトウェアとの組合せとして実現することもできる。種々のモジュールは、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、または必要に応じた任意の種類の他の記憶装置などであってもよい。的確な実現は当業者に容易に実施可能である。いずれの場合でも、本願明細書では、モジュールは、厳密に物理的に別個の実態としてでなく機能するように記載されている。
【００４６】
図６および７に記載の特に有利な一具現例では、デジタイザシステムは、任意の面積をカバーする一連の任意所要長に結合できるいくつかのモジュール式受信器装置１００を利用して実現されている。一般に少なくとも２つ、好ましくは少なくとも４つの装置が使用される。当該面積の各サブセクションから受信するように「視界」を重複させた状態で２台の装置が最適に配置されるように偶数の装置を配置して使用することが有利であることが分かっている。
【００４７】
さらに詳細には、図６の具現例において、受信器装置１００は、前述の本発明の技術による圧力波パルスの飛行時間測定値から算出された距離Ｄの変動を追跡するように構成されている。このように、受信器装置１００は、超音波受信器１０３からの信号を処理して、該信号が任意の閾値を超えた後の該受信信号の最初の零交差と一般に考えられている各パルスの有効到着時間を導き出すための信号プロセッサ１０２を有する。次に、タイミングモジュール１０４が、一般に赤外線受信器から送出されたタイミング入力１０５から導き出されることが好ましい有効到着時間とパルスタイミング情報とから、各パルスの飛行時間を導き出す。その後、同期動作モジュール１０６、監視モジュール１０８、シフト係数モジュール１１０、および補正モジュール１１２が飛行時間値を処理し、検出サイクルにおける変更によりジャンプの調整を行う。具体的には、同期動作モジュール１０６が飛行時間を分析して動機動作の状態を識別し、監視モジュール１０８が連続する飛行時間測定値を監視してシフト飛行時間測定値を識別する。次に、シフト係数モジュール１１０が、予測飛行時間測定値から波周期の半分以内にある補正飛行時間測定値を得るためにシフト飛行時間測定値を補正するのに必須の、波周期ｋの整数倍に対応するシフト係数を識別する。一般に、シフト係数モジュール１１０は、シフト係数が２、好ましくは１を超える任意のシフト飛行時間測定値を異常と指定するように構成されている。それに応じて、補正モジュールが、シフト飛行時間測定値から算出された距離を補正する。次に補正値Ｄは、監視モジュール１０８にフィードバックされて先行の飛行時間測定値として用いられることが好ましい。
【００４８】
先述した補足シフト試験に関していうと、当該試験は、信号プロセッサ１０２の一部として実施されることが好ましい。選択肢として、あるいは追加的に、独立した補足シフト試験モジュール１１４を設けることもできる。
【００４９】
前述のような受信器装置１００のモジュール式結合を容易化するために、コンピュータなどの外部装置との距離測定に関する通信を、出力モジュール１１６で管理することが好ましい。出力モジュール１１６は、以下に説明するように、多数の装置を共通のデータライン上に接続できるようにする送信シーケンスを制御する、入力、出力、およびリセットトリガ接続を有することが好ましい。出力モジュール１１６は、ＲＳ２３２インタフェースなどの所望の接続フォーマットで実現することもできる、データ出力接続と、任意にデータ入力接続も提供する。
【００５０】
図７に、いくつかの受信装置１００を、共通データライン１２２と１２４を備えているシステム１２０に組合わせる方法を概略的に示す。各装置のトリガ出力は次の装置のトリガ入力に接続され、第１の装置（「チャネル１」）のトリガ入力は接地されている。ＩＲ同期ライン１２８に沿ってＩＲ受信器１２６から各装置１００のＩＲ信号タイミングモジュール１０５に供給される出力は、トリガリセットを生成する。このトリガリセットは、装置に次の受信圧力波パルスを待たせ、そのトリガ出力を「高」に設定させるのに有効である。圧力波信号の受信および対応する距離測定値の計算後、各受信器装置１００は、そのトリガ入力が「低」（すなわち、接地）になるまで待機し、次に、その距離測定データを送信し、そして送信直後に、そのトリガ出力を低にする。その結果、各チャネルがそのデータを送信し、そして次のチャネルの送信を引き起こす連鎖応答が生じる。外部装置は、トリガ出力と入力の接続によって指定され、必ず永久接地されているチャネルから開始する送信順序によって、どの受信器装置からどのデータがきたか容易に識別する。データ送信に別の識別情報を含むこともできる。
【００５１】
前述の構造は、大きな構造融通性と単純性を提供するものである点に注意されたい。各受信器装置１００が自己のかなり単純な信号処理と計算しか実施しないため、装置の内部構造は単純かつ低価格で実現される。また、すべての受信器装置が全く同じであるので、生産費用が最小となる。
【００５２】
システムのモジュール性により、受信器装置の追加以外の構造変更を行うことなく、大面積をカバーするようにシステムを拡張することができる。三角アルゴリズム（ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を外部装置で実施するのに必要な対応変更は些細なものである。希望があれば、外部装置を、存在している受信器装置の数に自動対応するようにプログラムすることもできる。
【００５３】
最後に図８を参照すると、この図は、手持式製図用具６２の有効ストロークをデジタル化するシステムと組合せて使用する送信装置６０の好適構造を示している。送信器装置６０は、製図用具６２の本体の少なくとも一部を、その作用先端部を開口部６６から突出させた状態で受け入れるように構成されたハウジング６４を含んでいる。送信器装置６０の特別の特徴は、ノーマルクローズスイッチ６８の使用によって、表面に対する製図用具先端部の有効接触を識別することである。「ノーマルクローズスイッチ」という用語は、スイッチによって普段は完成している回路が断線することによって動きを検出するスイッチ構造を指すために使用される。この場合、ノーマルクローズスイッチ６８は、作用先端部に加えられる圧力に由来する、製図用具６２とハウジング６４との間の相対的な動きによって開くように配置されている。スイッチ６８が閉状態になる前方位置に製図用具６２を偏倚させるように一次ばね７０が配置されている。
【００５４】
予め定められた移動距離後に切換を行う従来のマイクロスイッチとは異なり、ノーマルクローズスイッチの使用により、製図用具とハウジングとの間の相対的な移動の始まりを検出することによって、表面との接触を速やかに検出できる。
【００５５】
一次ばね７０よりも弱い二次ばね７２が、製図用具６２を後方に押すように、すなわち、作用点が後退しやすいように配置されることが好ましい。ばね７０および７２の抵抗と位置合わせは、製図用具をハウジング６４内で適切に位置合わせされた状態に停止させておくのに役立ち、長さ範囲の製図用具をハウジングが受け入れることを可能にする。同時に、より強い一次ばね７０は、製図用具６２の作用先端部に接触力がかかっていないときにはいつも確実にスイッチ６８をその閉状態に戻す。
【００５６】
ここに記載した例では、ノーマルクローズスイッチ６８がハウジング６４の着脱式カバー部６４ａに配置されている。しかしながら、当業者であれば、スイッチが別の場所、たとえば開口部６６の近くに位置する別の具現例も使用できることが分かるであろう。
【００５７】
送信器装置６０の別の好適な特徴は、一般に一次ばね７０と関連付けられ、製図用具６２の後方端部をハウジング６４の円筒中空部内で中心に位置合わせするように形作られた受面７６を提供するセンタリング要素７４である。これにより、製図用具をその外形寸法とは無関係にハウジング６４内で確実に位置合わせすることができ、回避されなければスイッチ６８の動作を妨害する可能性のある、製図用具とハウジング６４との間の摩擦接触を防止する。受面７６は、ばね７０および７２の作用下で、ほとんどのマーカータイプの製図用具の後方端部に共通の軸方向の凹部の中で自己センタリングする先細の突出部７８と一緒に形成されることが好ましい。
【００５８】
送信器装置の回路に関しては、一般にかなり単純で、圧力波の同期脈動送信と電磁送信器のみを必要とする。電磁信号は、ペンの色、１つ以上のスイッチの状態など、別の情報を任意に搬送するこができる。
【００５９】
送信器実現における明確な問題は、短い有効ストロークのあいだ同期性の維持に関する。無駄な連続送信を回避するために、ペンまたはイレーザなどの製図用具は、一般に、製図用具と表面との間の有効接触を識別する接触スイッチを利用する。そして、有効接触が形成されたときに一連の超音波パルスが開始される。本発明を効果的に機能させるには「同期動作」を確率する必要があるが、短い接触ストロークに通常は起因する超音波送信器の停止と開始の繰り返しにより、たびたび同期性が失われる。
【００６０】
この問題に対処するために、一連のパルスの送信は、接触スイッチが有効接触を示すのをやめた後、任意の遅延時間、一般に少なくとも約１／２秒のあいだ継続されることが好ましい。このように、同期動作の状態は、断続的な接触のあいだ保たれている。その後、接触スイッチの状態は、存在する場合には配線接続を通じて、または好ましくは送信器装置から対応する電磁受信器への電磁結合を介して、別々にベースユニットに伝えられる。後者の場合、圧力波信号および電磁信号の送信はいずれも遅延期間のあいだ継続される。
【００６１】
以上の説明は例として用いられるものに過ぎず、本発明の精神および範囲内で他の多数の実施形態が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
ここで、単なる一例として添付図面を参照しながら本発明を説明する。
【図１】パルスの第２のサイクルのときに閾値を超えるパルスの開始部分の、超音波信号の振幅対時間のプロット図である。
【図２】パルスの第３のサイクルのときに閾値を超えるパルスの開始部分の、超音波信号の振幅対時間のプロット図である。
【図３】本発明によるアルゴリズムの第１の態様を示す、連続パルスの距離対時間のプロット図である。
【図４Ａ】本発明による正負閾値法の使用を示す、パルスの開始部分の超音波信号の振幅対時間のプロット図である。
【図４Ｂ】本発明による正負閾値法の使用を示す、パルスの開始部分の超音波信号の振幅対時間のプロット図である。
【図５Ａ】さらに別のパルスの開始部分の超音波信号の振幅対時間のプロット図であり、最大検出振幅を採用することによる図４Ａおよび４Ｂの閾値法での改善点を示す。
【図５Ｂ】さらに別のパルスの開始部分の超音波信号の振幅対時間のプロット図であり、最大検出振幅を採用することによる図４Ａおよび４Ｂの閾値法での改善点を示す。
【図６】圧力波パルスの飛行時間測定値から算出される距離Ｄの変動を追跡する、本発明の技術により作製され機能するシステムの受信器モジュールのブロック図である。
【図７】図６のモジュールを複数含むシステムのブロック図である。
【図８】手持式製図用具の有効ストロークをデジタル化するシステムと組合せて使用する、本発明の教示にしたがって作製され機能する送信器装置の略断面図である。

Claims

送信器から受信器への、任意の波長および波周期を有する圧力波振動の一連のパルスの飛行時間測定値から算出された距離Ｄの変動を追跡する方法であって、
（ａ）任意の同期性基準を満足する連続圧力波パルスによってもたらされる少なくとも２つの飛行時間測定値を得ることによって同期動作の状態を識別する段階と、
（ｂ）連続する飛行時間測定値を監視して、先行する少なくとも二つの飛行時間測定値に基づいて外挿法によって算出された予測飛行時間値に対して少なくとも波周期の半分を超えてずれているシフト飛行時間測定値を識別する段階と、
（ｃ）前記シフト飛行時間測定値を補正して、前記予測飛行時間値から波周期の半分以内にある補正飛行時間測定値を得るために必要な、波周期の整数倍に相当するシフト係数を識別する段階と、
（ｄ）前記シフト飛行時間測定値から算出された距離Ｄを、前記シフト係数と圧力波波長との積によって補正する段階と、
を有する方法。
前記飛行時間測定が、サイクル内の予め決められたポイントを識別するように構成された技術によって行われる、請求項１に記載の方法。
前記の飛行時間測定が、受信信号が任意の閾値を超えた後の、該信号の最初の零交差を確認することによって行われる、請求項２に記載の方法。
前記シフト係数が予め定められた最大値を超えるときにそのときのシフト飛行時間測定値を無視する段階をさらに有する、請求項１に記載の方法。
前記予め定められた最大値が３未満である、請求項４に記載の方法。
前記補正飛行時間測定値を、後続の飛行時間測定に対して実施される前記監視段階の先行の飛行時間測定値として利用する、請求項１に記載の方法。
同期動作の状態が、連続飛行時間測定値が波周期ｋの半分未満の変動を呈する連続圧力波パルスから導き出される少なくとも３つの飛行時間測定値を求めることによって識別される、請求項１に記載の方法。
同期動作の状態が、実質的に直線的に変動する連続圧力波パルスから導き出される少なくとも３つの飛行時間測定値を求めることによって識別される、請求項１に記載の方法。
前記予測飛行時間値が、先行の３つの飛行時間測定値に適する二次多項式の外挿によって算出される、請求項１に記載の方法。
少なくとも１回の補足シフト試験を実施する段階をさらに含み、前記補正段階が、前記補足シフト試験に応じて選択的に実施される、請求項１に記載の方法。
前記少なくとも１つの補足シフト試験が、正および負の信号振幅閾値を超える順序を判断する段階を含む、請求項１０に記載の方法。
前記少なくとも１つの補足シフト試験が、
（ａ）信号振幅閾値を超えた後に生じる少なくとも１つのピーク信号振幅を判断する段階と、
（ｂ）前記ピーク信号振幅と先行のパルスの対応ピーク信号振幅との違いが、予め定められた比率を超えているかどうか算出する段階と、
を有する、請求項１０に記載の方法。
前記送信器が表面との間の有効接触を識別する接触スイッチを含む製図用具と関連付けられ、前記有効接触の識別を受けて一連のパルスが開始され、前記接触スイッチが前記有効接触を示すのをやめた後の任意の遅延時間のあいだ、前記一連のパルスの送信を継続し、それにより断続的な接触のあいだ前記同期動作の状態を維持する段階をさらに有する、請求項１に記載の方法。
前記任意の遅延時間が少なくとも約１／２秒である、請求項１３に記載の方法。
タイミング情報と、受信器によって受信される、任意の波長と波周期とを有する圧力波振動の一連のパルスに対応する受信信号とを処理し、前記パルスの飛行時間測定値から算出される距離Ｄの変動を追跡するシステムであって、
（ａ）受信信号を処理して各パルス毎に有効到着時間を導き出す信号プロセッサと、
（ｂ）前記信号プロセッサと関連付けられており、前記タイミング情報と前記有効到着時間とから各パルス毎に飛行時間を導き出すように構成されたタイミングモジュールと、
（ｃ）前記タイミングモジュールと関連付けられており、少なくとも２つの連続圧力波パルスが予め定められた同期性基準を満足するときに、前記飛行時間を分析して同期動作の状態を識別するように構成された同期動作モジュールと、
（ｄ）前記タイミングモジュールと関連付けられており、連続する飛行時間測定値を監視し、先行する少なくとも二つの飛行時間測定値に基づいて外挿法によって算出された予測飛行時間値に対して少なくとも波周期の半分を超えてずれているシフト飛行時間測定値を識別するように構成された監視モジュールと、
（ｅ）前記監視モジュールと関連付けられており、前記シフト飛行時間測定値を補正して前記予測飛行時間値から波周期の半分以内にある対応飛行時間測定値を得るために必要な、波周期の整数倍に対応するシフト係数を識別するように構成されたシフト係数モジュールと、
（ｆ）前記タイミングモジュールと関連付けられており、前記シフト飛行時間測定値から算出された距離Ｄを前記シフト係数と前記圧力波長との積によって補正するように構成された補正モジュールと、
を有するシステム。
前記予め定められた同期性基準は、第１、第２、および第３の連続パルスからそれぞれ算出された第１、第２、および第３の飛行時間測定値について、前記第１および第２の飛行時間測定値間の差と前記第２および第３の飛行時間測定値間の差がいずれも波周期の半分未満である、請求項１５に記載のシステム。
前記予め定めされた同期性基準は、連続する圧力波パルスから導き出される少なくとも３つの飛行時間測定値が実質的に直線的に変動することを含む、請求項１５に記載のシステム。
前記信号プロセッサが、サイクル内の予め決められたポイントを前記有効到着時間として識別するように構成された、請求項１５に記載のシステム。
前記予め決められたポイントが、前記信号が任意の閾値を超えた後の受信信号の最初の零交差に対応している、請求項１８に記載のシステム。
前記シフト係数モジュールは、前記シフト係数が予め決められた最大値を超える任意のシフト飛行時間測定値を異常と指定するように構成された、請求項１５に記載のシステム。
前記予め定められた最大値が３未満である、請求項２０に記載のシステム。
前記監視モジュールが、前記補正飛行時間測定値を後続の飛行時間測定値を監視するための先行の飛行時間測定値として利用するように構成された、請求項１５に記載のシステム。
前記信号プロセッサが、少なくとも１つの補足シフト試験を実施するように構成されており、前記補正モジュールが、前記距離Ｄを前記補足シフト試験に応じて選択的に補正するように構成された、請求項１５に記載のシステム。
前記少なくとも１つの補足シフト試験が、正および負の信号振幅閾値を超える順序を判断する段階を含む、請求項２３に記載のシステム。
前記少なくとも１つの補足シフト試験が、
（ａ）信号振幅閾値を超えた後に生じる少なくとも１つのピーク信号振幅を判
断する段階と、
（ｂ）前記ピーク信号振幅と先行のパルスの対応ピーク信号振幅との違いが、予め定められた比率を超えているかどうか算出する段階と、を含む、請求項２３に記載のシステム。
前記監視モジュールが、前記予測飛行時間値を、先行の３つの飛行時間測定値に適する二次多項式の外挿によって算出する、請求項１５に記載のシステム。