JP4583946B2

JP4583946B2 - 電子ペン

Info

Publication number: JP4583946B2
Application number: JP2005014121A
Authority: JP
Inventors: 修司村山
Original assignee: NEC Display Solutions Ltd
Current assignee: Sharp NEC Display Solutions Ltd
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2025-01-21
Also published as: JP2006202110A

Description

本発明は電子ペンに関し、特に指示部の先端と超音波発信部との間隔が調整可能な電子ペンに関する。

近年、超音波受信部を有する２個以上の信号処理器と、赤外光受光部を有する１個の信号処理器と、赤外光発光部と超音波発生部を持つ電子ペンとを組み合わせた座標入力装置が見られるようになった。これは信号処理器をホワイトボード上などの互いに離れた場所に取り付け、電子ペンの超音波発生部から発信された超音波がそれぞれの超音波受信部で受信されるまでの所要時間に基づいて電子ペンからそれぞれの超音波受信部までの距離を算定することで三角測量の原理によって電子ペンの位置を取得し、パソコンで座標として取り込むものである（特許文献１参照）。その仕組みとしては、例えばホワイトボードにプロジェクタから映像を投影して説明者が電子ペンを用いて説明する場合に、信号処理器をホワイトボードの２箇所以上の隅部に取り付け、パソコンの映像をプロジェクタでホワイトボードに投射し、投射映像の特定の位置（例えば４隅）を電子ペンで指定することで投射映像の基準位置を前記信号処理器に覚えこませ、その後は電子ペンの位置と先に覚えこませた特定の位置とを比較することで座標を算出し、算出された座標をパソコンに渡して映像内のマウスカーソルなどを動かす処理を行う。電子ペンは超音波信号と赤外線などの光線のパルスとを同時に発信する特徴をもっており、受信機が赤外線などの光線を受信してから２箇所の超音波受信部が超音波を受信するまでの時間を計測することによって、三角測量の原理によってペンの位置を検出することができる。

一方、近年プロジェクタの短焦点化が図られ、投射表示距離を非常に短くできるプロジェクタが増え、最近、開口構造を有する筐体に投射ミラーを備え、さらに超短焦点にできるプロジェクタが開発されている。図９は従来例の電子黒板とプロジェクタとの模式的斜視図である。プロジェクタ５３０の投射ミラー５３１から、電子黒板５５０に映像が投射されるが、この場合も信号処理器５４０は電子黒板５５０の２箇所以上の隅部に取り付けられて電子ペン５０の位置を検出することが行なわれている。
特開２００１−１２５７４１号公報

図９の電子黒板５５０とプロジェクタ５３０では、信号処理器５４０からの信号をプロジェクタ５３０まで伝送する必要があることから、後述の図１に示すような超音波受信部と赤外線受光部がプロジェクタに設けられた受信部付プロジェクタも開発されている。この場合通常電子ペン１０を用いて投射面５１上の指示された位置の座標を取得することには問題がないが、プロジェクタ３０の超音波受信部４１と投射面５１との間隔がある範囲になると電子ペン１０の超音波発信部１６から超音波受信部４１まで直接伝わる超音波と、電子ペン１０の超音波発信部１６から投射面５１に反射して超音波受信部４１まで伝わる超音波とが干渉しあって超音波が受信できなくなる現象がみられるという問題があった。

本発明の目的は、受信部におけるスクリーン面からの反射超音波による正規超音波の干渉を回避できる電子ペンを提供することにある。

本発明の電子ペンは、
超音波を発信する超音波発信部を備えた電子ペンであって、
電子ペンで指し示す位置を含む面と超音波発信部との間の距離が調整可能な構造を有することを特徴とする。前記距離が、超音波発信部と超音波発信部から発信された超音波を受信する超音波受信部との間の距離に対応して調整される。超音波発信部は電子ペンの本体部に固定されており、先端部を有する指示部が本体部に対して伸縮手段により伸縮可能に取り付けられていてもよい。

第１の態様では、本体部は、基部およびその基部と係合してその基部に対して回転可能な伸縮操作部を有し、基部と伸縮操作部とには内部に中空部が設けられており、指示部は基部内部に設けられた中空部内を回転することなく摺動可能な外形を有し、伸縮手段は伸縮操作部の中空部に設けられた雌ねじと、その雌ねじと係合するように指示部の外面に設けられた雄ねじであり、本体部に挿入された指示部が伸縮操作部の回転により伸縮動作を行う。伸縮操作部は基部の先端部側に設けられていてもよく、超音波発信部は伸縮操作部に設けられていてもよい。

第２の態様では、本体部には中空部が内部に設けられており、指示部は本体部の中空部内を摺動可能な外形を有し、伸縮手段は本体部外面から内面に貫通するように軸中心と平行方向に設けられた所定の長さの開口と、その開口と係合して軸中心と平行方向に摺動可能で本体部の外部から操作可能な指示部に設けられた突起部である。指示部を複数の所定の位置で本体部にクリックするクリック機構を有してもよく、超音波発信部は基部の先端部側に設けられていてもよい。

投射面に接触する電子ペンの先端と超音波発信部との間隔を調整することによって超音波の直行波経路と反射波波経路の距離差を調整できる。

本発明は、超音波発信部と超音波受信部との距離に対応して、電子ペンで指し示す位置を含む面と超音波発信部との間隔を調整することによって超音波の直行波経路と反射波波経路の距離差を調整できるので、直行波の波形と反射波の波形との関係を干渉しない状態に調整することができ、干渉による位置情報取得の不具合を防止することができるという効果がある。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１はプロジェクタと投射面と電子ペンとの関係を示す模式的斜視図である。ここでは、投射面５１が電子黒板５０に形成されているものとして説明するが、電子黒板５０が単なるスクリーンであっても本発明の電子ペン１０は有効に利用できる。

プロジェクタ３０は不図示の表示パネルと、表示パネルから出力される画像を制御する画像制御部と、映像を直接電子黒板５０に投射する投射ミラー３１と、表示パネルから出力された画像を投射ミラー３１に導光する光学系と、電子ペン位置検出部とを備えている。

電子ペン位置検出部は、電子ペン１０の超音波発信部１６から発信された超音波をそれぞれが受信する第１の超音波受信部４１、第２の超音波受信部４２、および電子ペン１０の赤外線発光部１７で発光した赤外線を受光する赤外線受光部４３を有する。ここでは、プロジェクタを投射ミラー型として説明するがこれに限定されるものではなく、投射レンズ型であっても同様に適応できる。また、赤外線は可視光線などの光線や電磁波であってもよい。

まず、上述の超音波受信部４１で超音波が受信できなくなる原理を図１と図２を参照して説明する。図２は、図１の電子黒板付プロジェクタの超音波の干渉を説明するための模式的側面図である。電子ペン１０の超音波発信部１６から超音波信号７１が所定のタイミングで出力される。出力された超音波はプロジェクタ３０の超音波受信部４０で受信される。この際、超音波の通る経路として超音波発信部１６から直接超音波受信部４０に到達する直行波経路７４と投射面５１の反射点７６で反射して超音波受信部４０に到達する反射波経路７５がある。ここで直行波経路７４と反射波経路７５の距離差が超音波の一波長の半分であった場合、ちょうど超音波受信部４０の位置で直行波と反射波との波形が打ち消しあって合成波の波高が低くなり受信が非常に困難、もしくは受信不可能となる。

図３は超音波受信部で受信した超音波の信号レベルの模式図である。超音波発信素子の特性により、発信開始直後から時間とともに受信信号レベルが増加する。通常、超音波の検出は第１波と第３波の波高の間にしきい値を設けることにより、検出を行う。

図４は直行波と反射波の経路距離差がちょうど半波長となったときの超音波受信部の信号レベルを表す模式図であり、（ａ）はそれぞれの超音波波形であり、（ｂ）は合成波の波形である。この場合、直行波８１と反射波８２は打ち消しあってしまい、超音波受信部４０では図４（ｂ）の合成波８３となって、第１波と第３波の間に設けられたしきい値により第３波を検出することは困難となり、正しい到達時間を把握することができない。

図５は直行波と反射波の経路距離差がちょうど１．５波長となったときの超音波受信部の信号レベルを表す模式図であり、（ａ）はそれぞれの超音波波形であり、（ｂ）は合成波の波形である。反射波８２の信号レベルは同時刻の直行波８１の信号レベルと比較して小さいため、図５（ｂ）の合成波８３の波形は直行波８１に近いものとなり、第１波と第３波の間に設けられたしきい値により第３波を検出することができ、正常に受信することが可能となる。

実施例によれば、４０ｋＨｚ（波長８．５ｍｍ）の超音波を使用し、投射面５１から超音波発信部１６までの距離が１２ｍｍ、投射面５１から超音波受信部４０の距離が２５６ｍｍの場合、投射面５１に投影した超音波発信部１６と超音波受信部４０との距離（図２中のＬ₀）が１３５０ｍｍを超えたところから受信が困難となる状態が現れた。この条件で直行波経路７４と反射波経路７５の長さを算出すると、
直行波経路７４は１３７１．９ｍｍ（＝√（（２５６−１２）²＋１３５０²）
反射波経路７５は１３７６．３ｍｍ（＝√（（２５６＋１２）²＋１３５０²）
となり、その差は４．４ｍｍ、つまり４０ｋＨｚの波長の半分である４．２５ｍｍに非常に近く、直行波経路７４と反射波経路７５を通る超音波が超音波受信部４０上でお互いに打ち消しあっていることが数値的に確認できる。

ここでこの受信不可能な状態を回避するために直行波経路７４と反射波経路７５の距離差を変化させる方法を検討すると、上記の投射面５１から超音波受信部４０の距離２５６ｍｍや投射面５１に投影した超音波発信部１６と超音波受信部４０との距離１３５０ｍｍはプロジェクタの光学特性に依存する値であるため変更することができないため、投射面５１と超音波発信部１６の距離を変化させることにより直行波経路７４と反射波経路７５の距離差を変化させることができることに着目してそれに対応した電子ペンの構成を発明した。

次に、本発明の実施の形態の電子ペンについて図面を参照して説明する。図６は本発明の第１の実施の形態の電子ペンの模式的説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は側面断面図である。

電子ペン１０は、基部１１１と基部１１１の一端に回転可能に係合された伸縮操作部１１２とからなる本体部１１と、投射面５１上の位置を指定するための先端部１２１を有する指示部１２とから構成される。

指示部１２は円柱状の外形を有し、基部１１１に設けられた中空孔１１３に摺動可能に挿入され、回転は指示部１２の回転防止用突起１２１が基部１１１の中空孔１１３に設けられた回転抑止溝１１４に係合することで抑止されている。

伸縮操作部１１２は、伸縮操作部１１２と基部１１１とに設けられた係合部１１５で基部１１１の先端に回転可能に取り付けられており、内部に設けられた伸縮手段であるねじ部１４の雌ねじが指示部１２の外面に設けられたねじ部１４の雄ねじと係合しており、伸縮操作部１１２を基部１１１に対して回転させることで指示部１２が本体部１１に対して伸縮する。通常、超音波発信部１６は先端部１２ａの近傍に配置するため伸縮操作部１１２に内装されており、赤外線発光部１７も伸縮操作部１１２に内装されていてもよい。この構成は１例であり、例えば伸縮操作部１１２が基部１１１に固定されており指示部１２自体を本体部１１に対して回転させることでねじ部１４を介して指示部１２が本体部１１に対して伸縮してもよく、伸縮操作部１１２を基部１１１の後端に設けてもよいが、この場合は超音波発信部１６は先端部１２１に近い基部１１１に設ける必要がある。

このような構成とすることによって、基部１１１に対して伸縮操作部１１２を回転させることで、先端部１２１と超音波発信部１６との間隔を任意に変化させることができ、上述の受信不可能な状態を回避することができる。

図７は第１の実施の形態の応用例の電子ペンを説明するための模式的外形図であり、（ａ）は第１の回転角度の場合、（ｂ）は第２の回転角度の場合、（ｃ）は第３の回転角度の場合を示す。図２において投射面５１のサイズが変化すると、それに対応して投射面５１とプロジェクタ３０との距離が変化するとともに超音波発信器１６と超音波受信部４０との距離が変化するので、それに伴って干渉を避けるための電子ペン１０の先端部１２ａと超音波発信部１６との間隔も変化させる必要があり、それに対応するため投射面５１のサイズに対応した先端部１２ａと超音波発信部１６との間隔を予め定めており、（ａ）の第１の回転角度はＳサイズの投射面５１に対応した回転角度であり、伸縮操作部１１２のマーカー１１６が基部１１１のＳの投射面サイズ表示１１７と一致しており、（ｂ）の第２の回転角度はＭサイズの投射面５１に対応した回転角度であり、伸縮操作部１１２のマーカー１１６が基部１１１のＭの投射面サイズ表示１１７と一致しており、（ｃ）の第３の回転角度はＬサイズの投射面５１に対応した回転角度であり、伸縮操作部１１２のマーカー１１６が基部１１１のＬの投射面サイズ表示１１７と一致している。本来ならばプロジェクタ３０と投射面５１上の電子ペン１０の距離に応じてペン先繰り出し量を調整するべきだが、操作者にとってはその距離に応じてペン先繰り出し量を調整することは一般に面倒と考えられる。投射面５１上の電子ペン１０からプロジェクタ３０の超音波受信部４０までの水平距離と投射面５１のサイズとは比例関係にあるため、視覚的に分かりやすい投射面５１のサイズによって電子ペン１０のペン先繰り出し量の調整を行うことができる。

上述の実施例において、ペン先を５ｍｍ伸ばした場合、
経路３１は１３７１．０ｍｍ（＝√（（２５６−１７）²＋１３５０²）
経路３２は１３７７．３ｍｍ（＝√（（２５６＋１７）²＋１３５０²）
となるので、その差は６．３ｍｍとなり超音波の波長４．２５ｍｍの１．５倍となり、１．５波長の位相差となる。つまりペン先を伸ばすと経路差が半波長となる位置を画面の外側にすることができる。

図７には、投射面サイズ表示１１７のＳ、Ｍ、Ｌの各表示をマーカー１１６に合わせた場合のペン先繰り出し量を示している。マーカー１１６を投射面サイズ表示１１７のＳ、Ｍ、Ｌに合わせることにより電子ペン１０の先端部１２１から超音波発信部４０までの距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が変わり超音波の直行波８１と反射波８２の距離関係を調整することができ、直行波８１と反射波８２の経路差が半波長とならないようにすることができる
図８は、本発明の第２の実施の形態の電子ペンの模式的説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は側面断面図である。電子ペン２０は、本体部２１と、投射面５１上の位置を指定するための先端部２２１を有する指示部２２とから構成される。第１の実施の形態とは本体部と指示部の相対位置を変化させるための機構が異なるだけで、その他の動作や機能は同じなので、本体部と指示部の相対位置を変化させるための機構を中心に説明し、動作や機能の説明は省略する。

本体部２１は筒状の形態で内部に指示部２２と係合する中空孔２１３を有し、壁部を貫通して指示部２２の伸縮操作部２１２が挿入される開口部２１８が設けられ、先端部に超音波発信部２６と赤外線発光部２７が設けられている。

指示部２２は円柱状の外形を有し、本体部２１に設けられた中空孔２１３に摺動可能に挿入され、回転は指示部２２の伸縮操作部２１２が本体部２１の中空孔２１３に設けられ開口部２１８に外部からの操作が可能なように係合することで抑止されている。また、本体部２１の中空孔２１３の内面と指示部２２の外面との間には位置決めのためのクリック動作を行わせるためのクリック機構２１９が設けられている。指示部２２と本体部２１の間の摩擦が大きく容易に移動しなければクリック機構２１９は設けられなくてもよい。伸縮操作部２１２を本体部２１に対して摺動させることで指示部２２が本体部２１に対して伸縮する。本体部２１と伸縮操作部２１２には第１の実施の形態の応用例と同様に投射面サイズ表示とマーカーとが設けられていてもよい。

このような構成とすることによって、本体部２１に対して伸縮操作部２１２を前後させることで、先端部２２１と超音波発信部２６との間隔を任意に変化させることができ、上述の受信不可能な状態を回避することができる。

プロジェクタと投射面と電子ペンとの関係を示す模式的斜視図である。図１の電子黒板付プロジェクタの超音波の干渉を説明するための模式的側面図である。超音波受信部で受信した超音波の信号レベルの模式図である。直行波と反射波の経路距離差がちょうど半波長となったときの超音波受信部の信号レベルを表す模式図であり、（ａ）はそれぞれの超音波波形であり、（ｂ）は合成波の波形である。直行波と反射波の経路距離差がちょうど１．５波長となったときの超音波受信部の信号レベルを表す模式図であり、（ａ）はそれぞれの超音波波形であり、（ｂ）は合成波の波形である。本発明の第１の実施の形態の電子ペンの模式的説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は側面断面図である。第１の実施の形態の応用例の電子ペンを説明するための模式的外形図であり、（ａ）は第１の回転角度の場合、（ｂ）は第２の回転角度の場合、（ｃ）は第３の回転角度の場合を示す。本発明の第２の実施の形態の電子ペンの模式的説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は側面断面図である。従来例の電子黒板とプロジェクタとの模式的斜視図である。

符号の説明

１０、２０、５０電子ペン
１１、２１本体部
１２、２２指示部
１４ねじ部
１６、２６、５１６超音波発信部
１７、２７、５１７赤外線発光部
３０、５３０プロジェクタ
３１、５３１反射ミラー
４０超音波受信部
４１第１の超音波受信部
４２第２の超音波受信部
４３赤外線受光部
５０、５５０電子黒板
７１、７２超音波信号
７３赤外線パルス
７４超音波直行波経路
７５超音波反射波波経路
７６反射点
８１直行波
８２反射波
８３合成波
８４基準値
８５しきい値
１１１基部
１１２、２１２伸縮操作部
１１３、２１３中空孔
１１４回転抑止溝
１１５係合部
１１６マーカー
１１７投射面サイズ表示
１２１、２２１先端部
１２２回転防止用突起
２１８開口部
２１９クリック機構
５４０信号処理器

Claims

超音波を発信する超音波発信部を備えた電子ペンであって、
前記電子ペンで指し示す位置を含む面と前記超音波発信部との間の距離が調整可能な構造を有し、
前記距離が、前記超音波発信部と前記超音波発信部から発信された超音波を受信する超音波受信部との間の距離に対応して調整されることを特徴とする電子ペン。
前記電子ペンで指し示す位置を含む面と前記超音波発信部との間の距離は、位置を指し示す先端部と前記超音波発信部との間隔を変化させて調整可能な構造とされ、
前記先端部と前記超音波発信部との間隔が３つ以上の複数の異なる間隔に調整可能である、請求項１記載の電子ペン。
前記超音波発信部は前記電子ペンの本体部に固定されており、前記先端部を有する指示部が前記本体部に対して伸縮手段により伸縮可能に取り付けられている、請求項２に記載の電子ペン。
前記本体部は、基部および該基部と係合して該基部に対して回転可能な伸縮操作部を有し、前記基部と前記伸縮操作部とには内部に中空部が設けられており、前記指示部は前記基部内部に設けられた前記中空部内を回転することなく摺動可能な外形を有し、前記伸縮手段は前記伸縮操作部の前記中空部に設けられた雌ねじと、該雌ねじと係合するように前記指示部の外面に設けられた雄ねじであり、前記本体部に挿入された前記指示部が前記伸縮操作部の回転により伸縮動作を行う、請求項３に記載の電子ペン。
前記伸縮操作部は前記基部の前記先端部側に設けられている、請求項４に記載の電子ペン。
前記超音波発信部は前記伸縮操作部に設けられている、請求項５に記載の電子ペン。
前記本体部には中空部が内部に設けられており、前記指示部は前記本体部の中空部内を摺動可能な外形を有し、前記伸縮手段は前記本体部外面から内面に貫通するように軸中心と平行方向に設けられた所定の長さの開口と、該開口と係合して軸中心と平行方向に摺動可能で前記本体部の外部から操作可能な前記指示部に設けられた突起部である、請求項３に記載の電子ペン。
前記指示部を複数の所定の位置で前記本体部にクリックするクリック機構を有する、請求項７に記載の電子ペン。
前記超音波発信部は前記本体部の前記先端部側に設けられている、請求項７に記載の電子ペン。