JP5120128B2 - 手書き筆跡入力システム - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも赤外線信号と超音波信号を発する電子ペンと、前記赤外線信号と前記超音波信号を受信し、その到達時間差から電子ペンの位置座標を計算する手段とを備えた手書き筆跡入力システムに関する。

従来、赤外線信号もしくは超音波信号を用いた電子ペンの位置検出技術が知られている。例えば、特開昭６２−１７５８２１号公報（特許文献１参照）及び米国特許第４，８１４，５５２号明細書（特許文献２参照）などに、電子ペンから超音波信号、もしくは赤外線信号と超音波信号を発し、それらの信号を受信部で受信して、超音波信号の飛行時間を基に電子ペンの位置座標を計算する技術が開示されている。

これらの位置検出技術を利用した手書き筆跡入力システムは、例えば以下のようなものである。筆記者は、電子ペンを用いて文字や図形を筆記する。このとき、電子ペンは例えばボールペンを内蔵し、紙のような被記録媒体を被筆記面として、被記録媒体上に筆跡が記録されるようにしてもよいし、電子ペンは例えばスタイラスを内蔵し、液晶ディスプレイの表面を含む任意の面を被筆記面としてもよい。少なくとも電子ペンのペン先が被筆記面と接触している間、電子ペンから赤外線信号と超音波信号が繰り返し発信され、受信部が電子ペンから発信された赤外線信号と超音波信号とを受信して、赤外線信号の到達時刻と超音波信号の到達時刻の差から超音波信号の飛行時間を測定し、座標演算部が超音波信号の飛行時間から電子ペンの位置座標データを演算する。

位置座標データから筆跡データへの変換は、位置座標データに、筆記者が筆記した筆跡であることに由来する運筆データといった特徴を表現する情報を付加したり、それらの特徴に基づいて個別の位置座標データに修正を加えたりする処理を指し、例えば、以下のような処理のうちの任意のものを含む。位置座標データにそれを受信した時刻に関する情報を付加する。位置座標データの取得間隔に基づいて、筆記速度を計算したり、一連の位置座標の集合を、筆記された順序及び速度を情報として含む一つのストロークデータと識別したりする。一つのストロークデータを構成する連続する位置座標データを、滑らかな線を描くように修正する。また、ストロークデータの外接矩形の抽出及び統合や筆記位置の制限などの条件に基づいて、ストロークデータを、やはり筆記された順序などの情報を含む文字グループデータにグループ分けする、などである。

手書き筆跡入力システムの計測精度が良ければ、利用できる分野も広がり、例えば筆跡を電子機器の画面上に表示されたり、文字識別処理などを通じてコードデータ化して利用されたり、筆跡形状、運筆速度、止め、はね、はらいといった筆記特性を含む筆記者の文字の特徴の抽出、署名認証などの任意の目的に使用されたりする。また、手書き筆跡入力システム全体に電源を供給するような構成であれば、屋外での使用も可能になり大幅に利用用途が増える。また、筆跡データをワープロなどで使う文字データに変換する文字識別変換ソフトと組み合わせて使用することで、文字データと同時に、自筆による文字、絵や記号なども容易に入力することができる入力手段として注目されている。

手書き筆跡入力システムの計測精度を上げる為には、精度良く超音波の到達時刻を計測することが重要であり、そのために超音波の１周期目の立上り部分を正確に検出する必要があるが、ノイズによる誤検出を避けるために、波形の振幅が一定の閾値を越えた時刻から一定の間隔を補正した時刻を超音波の到達時刻としている。
この場合、検出対象物までの距離が短い場合は受信した超音波信号の振幅も十分に大きく、一定の閾値で１周期目を検出することが出来るが、検出対象物の距離が遠くなると、受信した超音波の振幅も小さくなり、一定の閾値では２周期目を検出してしまうことがある。その結果１周期分の誤差が出てしまう。

精度良く超音波の受信時間を計算する方法として、特開平８−２５４４５４号公報では、測定対象物に対して超音波信号を送信し、その反射して戻ってくる超音波信号を受信して、その超音波信号の送信から受信までの時間計測をして、測定対象物までの距離測定をする装置において、この超音波信号の受信は、その波形に現われる複数のピーク点を検出し、これらのピーク点を結ぶ仮想包絡線が波形のゼロレベルと交差するゼロクロス点を検知する。そして、超音波信号の送信の波形の１周期目の立上り時点から受信の波形のゼロクロス点までの経過時間を測定し、該測定値に所定のオフセット時間を加算して、その加算結果に基づいて、測定対象までの距離を算出し、計測精度を向上させている。
しかし、上記手書き筆跡入力システムは、超音波信号を受信する際、受信機で受信された超音波信号は、電気信号に変換されたのち増幅器で増幅されて、Ａ／Ｄ変換回路を介して出力される超音波信号の波形データを格納している。したがって、大量のメモリが必要になり、かつ、この波形データを生成するために、高速で高分解能のＡ／Ｄ変換器が必要となり、コスト高を招く可能性があるとともに、波形のピーク点を抽出する等の処理を行うために、大量の波形データのメモリを用いて処理を行う必要があり、時間を要する可能性がある。

特開昭６２−１７５８２１号公報 米国特許第４，８１４，５５２号 特開平８−２５４４５４号公報

本発明は上記の問題を解決する為になされたもので、低コストであって、位置座標の検出にかかる時間も短く、計測精度のよい手書き筆跡入力システムを実現することを目的とする。

本発明の手書き筆跡入力システムにおいては、少なくとも、赤外線発生素子を含む赤外線発生回路と、超音波発生素子、を含む超音波発生回路と、これらの回路から発信する赤外線信号及び超音波信号を制御する信号発信部と、被記録媒体上に直接軌跡を残すことが可能な機能を有する筆記部と、該筆記部が筆記状態であるか否かを判別するスイッチとから成る電子ペン、並びに少なくとも、一つ以上の赤外線受信部と、二つ以上の超音波受信部を有し、前記赤外線信号と前記超音波信号の前記赤外線受信部又は前記超音波受信部への到達を計測し、前記超音波信号から生成された入力信号のピーク値を一定時間出力し続けるピークホールド回路と、該ピークホールド回路の入力信号と出力信号の差分信号を生成する減算回路とを有する赤外線超音波測定部、並びに該赤外線超音波測定部から得られた前記赤外線信号と前記超音波信号の到達時間差及び音速を用いて前記電子ペンと前記超音波受信部との間の距離を計算し、該距離を用いて前記電子ペンの位置座標データを計算する座標演算部、並びに前記電子ペンの位置座標データを筆跡データに変換する機能を有する変換処理部とから成る受信機による手書き筆跡入力システムであって、前記赤外線超音波測定部は、前記電子ペンからの赤外線信号受信時に前記ピークホールド回路をオンの制御をして超音波信号のピークを維持し、前記電子ペンと前記受信機との最大計測距離と想定した時間計測後、前記ピークホールド回路をオフの制御にする手段を備え、前記差分信号がコンパレータの閾値を超えたことを検出した時刻から、前記超音波信号の到達した時刻に補正する手段を有することを特徴とする手書き筆跡入力システムを第1の要旨とし、第２のコンパレータの閾値によって前記ピークホールド回路の出力信号がＧＮＤ近傍のノイズかを判断することを特徴とする請求項１記載の手書き筆跡入力システムを第２の要旨とする。

本発明に於ける受信機は、少なくとも、一つ以上の赤外線受信部と、二つ以上の超音波受信部を有し、赤外線信号と超音波信号の赤外線受信部又は超音波受信部への到達を計測する赤外線超音波測定部、並びにこの赤外線超音波測定部から得られた赤外線信号と超音波信号の到達時間差及び音速を用いて電子ペンと超音波受信部との間の距離を計算し、この距離を用いて電子ペンの位置座標データを計算する座標演算部、並びに電子ペンの位置座標データを筆跡データに変換する機能を有する変換処理部などにより構成されている。
第１の発明の受信機には、超音波を受信するために必要な超音波受信部、アンプ、フィルタ回路、コンパレータ、タイマ、フラッシュメモリ、ＣＰＵ、ＲＡＭ、温度センサのほかにピークホールド回路と減算回路が具備されている。超音波信号から生成された入力信号とピークホールド回路の出力信号との差分信号を減算回路で生成し、この差分信号が所定の閾値を超えたことをコンパレータが検出した時刻から、超音波信号の到達時刻に補正することで、精度の良い位置座標を得ることが出来る。
第２の発明の受信機には、超音波を受信するために必要な超音波受信部、アンプ、フィルタ回路、コンパレータ、第２のコンパレータ、タイマ、フラッシュメモリ、ＣＰＵ、ＲＡＭ、温度センサのほかにピークホールド回路と減算回路が具備されている。第２のコンパレータの閾値によってピークホールド回路の出力信号がＧＮＤ近傍のノイズかを判断する。ノイズでないと判断したならば、第1の発明と同様に、超音波信号から生成された入力信号とピークホールド回路の出力信号との差分信号を減算回路で生成し、この差分信号が所定の閾値を超えたことをコンパレータが検出した時刻から半周期前に戻し、超音波信号の到達時刻に補正することで、精度の良い位置座標を得ることが出来る。

このように、本発明は複雑な回路を搭載する必要がなく、送信部である電子ペンと受信機との距離が遠く、超音波信号全体の振幅が小さくなった場合でも、超音波信号の到達時刻を精度良く、高速に計測できる。このとき、超音波信号の波形の振幅を絶えず計測したり、波形データをメモリに保存しておいたりする必要もないため、大量のメモリや高速で高分解能なＡ／Ｄ変換器を必要とせずコスト高を招く恐れがない。更に、消費電力も小さくなり、電源には乾電池を使用することも可能であり、モバイルでも使用することが出来る。

尚、ピークホールド回路の構成の一例として、入力用オペアンプ、出力用オペアンプ、ダイオード、コンデンサ、アナログスイッチ等からなっている。この入力用オペアンプと出力用アンプの間には、ダイオードとコンデンサとアナログスイッチを配置する。入力信号は、入力用オペアンプを介し、ダイオードとコンデンサにより、入力信号がコンデンサにチャージしている電圧以上の場合には、さらに入力信号レベルにまでコンデンサにチャージをし、出力用オペアンプによってこの電圧信号を出力する。また、アナログスイッチを制御することによって、コンデンサにチャージしている入力信号の電圧をリセットする。ここで、ピークホールド回路では、漏れ電流の発生があり、この漏れ電流によってコンデンサにチャージされている電圧が徐々に降下する。入力信号のピーク電圧を長い時間維持しようとすると、この漏れ電流による降下時間を遅らせるために、コンデンサの容量を大きくする必要がある。しかし、コンデンサの容量を大きくすると、コンデンサの容量と２つのオペアンプ間の入力までの抵抗成分による時定数が大きくなり、ピークホールド回路出力信号が、より高い電圧の入力信号に追随できずに、入力信号より振幅の小さい出力信号となってしまう。このため、超音波信号から生成された入力信号によるピークホールド回路の出力信号から、超音波信号から生成された入力信号を引く減算回路を用いて差分信号を生成することによって、入力信号電圧の振幅より大きい振幅を持つ差分信号電圧を得ることが出来る。コンパレータが所定の閾値を超えた差分信号を検出した時刻を、超音波信号の到達時刻に補正することで、位置座標を得ることが出来る。ピークホールド回路のコンデンサ容量が、小さすぎるとピーク電圧の維持時間が短くなり、反対に容量が大きすぎると入力信号に追随できなくなり、どちらの場合も必要な位置座標精度が得られなくなってしまう。従って、ピークホールド回路のコンデンサ容量は適宜設計されなければならない。

また、超音波信号の入力にフィルタを搭載しているにも関わらず、超音波信号にノイズが混入してしまう場合がある。しかし、超音波信号から生成された入力信号とピークホールド回路の出力信号との差分信号を生成することで、超音波信号から生成された入力信号に比べてＧＮＤを中心に＋側または−側のどちらかに大きな電圧を得ることができるため、コンパレータの閾値をＧＮＤ近傍のノイズの電圧より離れた位置に設定ができる。特に、ピークホールド回路のコンデンサ容量を大きくした場合、超音波信号より高い高周波のノイズには、ピークホールド回路の出力信号は追従しないため、ローパスフィルタと同等の機能を果たし、ノイズの混入を抑えることができる。

以下、添付図面に従って、本発明に係る手書き筆跡入力システムの好ましい実施の形態について詳説する。図１は、本実施の形態になる手書き筆跡入力システムの一例を示す斜視図である。同図において、受信機２は、二つの超音波受信部と一つの赤外線受信部と赤外線受信回路と超音波受信回路を有する赤外線超音波測定部、電子ペンの位置座標データを計算する座標演算部、位置座標データを筆跡データに変換する変換処理部の構成要素から成る。また、受信機２は通信インターフェース５を介してコンピュータ６と接続されており、受信機２の変換処理部から電子ペン１の筆跡データをコンピュータ６に送信することで、コンピュータ６は搭載したディスプレイに筆跡を表示したり、文字認識処理したり、記憶装置に保存したりすることが出来る。

図２の電子ペン１のブロック図を用いて、電子ペン１の構造について説明する。電子ペン１の基本的な構成は、超音波発生素子１０により超音波信号を発信させることのできる超音波発生回路１１、赤外線発生素子８により赤外線信号を発信させることのできる赤外線発生回路９、超音波信号、赤外線信号を繰り返し発信する間隔を制御する信号発信部１３、及びペン先の筆記部３、この筆記部３が被記録媒体４に接触しながら文字や図を描いたときの筆記状態と非筆記状態に対応してオン・オフするペンスイッチ１４、及び携帯性、筆記のしやすさを考慮して、無線方式で使用できるようにするために電子ペン全体に電源を供給する電池１５から成る。本実施の形態では、筆記部３は被記録媒体上４に直接軌跡を残すことが可能な機能を設けたボールペンやシャープペンシルなどであるが、例えば筆記部３はスタイラスを内蔵し、ディスプレイの表面などを含む任意の面を被筆記媒体としてもよい。

赤外線発生回路９の内部には、トランジスタもしくはＦＥＴと赤外線発生素子８を配置し、トランジスタもしくはＦＥＴを制御することにより赤外線発生素子８の発光をオンまたはオフすることができる。このとき電子ペンの円筒軸に対して全方向に赤外線信号を発信するように赤外線発生素子８の指向角度を考慮して、複数個配置することが好ましい。

また、図３に電子ペン内部の超音波発生回路１１の回路図を示す。超音波発生回路１１は、コイル１６、昇圧用トランジスタ１７、ダイオード１８、抵抗１９、２０及び超音波発生素子１０であるピエゾ素子１２でＬＣ共振回路を構成している。少なくとも、電子ペン１の筆記部３が被記録媒体４に接触して筆記状態でいる期間、ペンスイッチ１４がオンになり、超音波信号を発信するために２つの工程が行われる。第１の工程は、超音波発生部１１の内部の昇圧用トランジスタ１７をオンにし、コイル１６を昇圧させる工程である。このとき、ピエゾ素子１２を振幅させるのに十分な電力をチャージする必要がある。
第２の工程は、第１の工程の昇圧用トランジスタ１７をオフにし、コイル１６に逆起電力を発生させ、この逆起電力によって、コイル１６とピエゾ素子１２に自己発振を起こし、ピエゾ素子１２を振幅させて超音波を発信させる工程である。この２つの工程を行うことで、超音波信号が発信される。
また、一定の時間後、例えば自己発振を２周期した後、再び第１の工程を繰り返すことで、コイル１６とピエゾ素子１２に自己発振を止める事ができ、超音波の振幅を抑えることができる。このように再び第１の工程を繰り返すことで、計測に不要な超音波信号の残渣部分を抑えることができ、反射波などの影響を最小限にすることができる。

上記のような発信方法をすることにより、ピエゾ素子１２には図４に示すような電圧がかかる。第１の工程で昇圧用トランジスタ１７に電力がチャージされ、第２の工程（ａの位置）でその電力がピエゾ素子１２に流れるため、このとき最大電圧がかかる。その後、電圧が徐々に減り２周期した後（ｂの位置）、第１の工程が繰り返されることで、ピエゾ素子１２にかかる電圧はなくなる。
このような電圧がかけられたピエゾ素子１２からは図５のような超音波が発信される。始めピエゾ素子１２は静摩擦力の影響により、十分に振動できていないが、次第に振幅が大きくなる。その後は最大振幅まで達するが、電圧が下がるので残渣として徐々に減衰していく波形になる。また、超音波発生後再び第１の工程を繰り返すとピエゾ素子の振幅の減少が早くなり、残渣も更に小さくなる。

少なくとも電子ペン１の筆記部３が被記録媒体４に接触して筆記状態でいる期間、ペンスイッチ１４がオンになり、信号発信部１３は赤外線信号と超音波信号を一定の繰り返し間隔で発信させる事で、筆記状態中の電子ペン１の位置座標を発信することができる。赤外線信号と超音波信号の一定の繰り返し間隔が短いほど正確な筆跡を表現することができ、例えば１２ｍ秒の間隔で繰り返し発信するとよい。

次に、本発明の第1要旨について、図６の受信機の内部のブロック図を用いて、受信機２の構造について説明する。受信機２は、赤外線受信部３０と、超音波受信部３１、３２と、アンプ３３、フィルタ回路３６、コンパレータ３９からなる赤外線受信回路５２と、アンプ３４、フィルタ回路３７、ピークホールド回路２６、減算回路５５、コンパレータ４０からなる超音波受信回路５３と、アンプ３５、フィルタ回路３８、ピークホールド回路２７、減算回路５６、コンパレータ４１からなる超音波受信回路５４とを有する赤外線超音波測定部４２と、ＣＰＵ４３、タイマ４４、フラッシュメモリ４５、ＲＡＭ４６、温度センサ６１から成る座標演算部４７と、ＣＰＵ４８、ＲＡＭ４９からなる変換処理部５０、コンピュータ６と接続するための通信インターフェース５と、受信機２の全体に電源を供給することができる電池５１から構成されている。超音波受信回路５３、５４は、超音波受信部３１、３２が同時に超音波信号を受信しても処理ができるように、超音波受信部の数だけ設置した方が良い。本実施の形態では、座標演算部４７と変換処理部５０は、機能で分けて説明しているが、座標演算部４７と変換処理部５０のＣＰＵやＲＡＭは共通であっても良い。

次に、座標演算部のフラッシュメモリ４５に保存している補正値について説明する。本発明の手書き筆跡入力システムにおいては、超音波信号の到達時刻と、超音波信号から生成された入力信号とピークホールド回路の出力信号との差分信号がコンパレータの所定の閾値を最初に超えたと検出した時刻とから、この２つ時刻の時間差の値を求めておき、この時間差の値を座標演算部４７のフラッシュメモリ４５に補正値として保存しておく。簡易的な補正値としては、超音波信号の５／８周期の時間値である。より正確な座標が必要な場合には、距離による超音波受信波形の減衰の影響による誤差を考慮し、計測する範囲内の距離に応じて２つの時刻の時間差の値をフラッシュメモリ４５に複数の補正値として保存することもできる。また、電子ペン１からの赤外線信号と超音波信号との送信間隔の時間差の値もフラッシュメモリ４５に保存しておく。同様に、計測する範囲内における適正なコンパレータ４０、４１に使用する閾値も保存しておく。

赤外線受信部３０は、赤外線受信素子が配置されており、電子ペン１の赤外線発生回路９の赤外線発生素子８から放射された赤外線信号を受信するものである。そのため、赤外線受信素子の波長は、赤外線発生素子８の波長と同等のものが望ましい。
超音波受信部３１、３２は、電子ペン１の超音波発生回路１１の内部のピエゾ素子１２と同様のもので構成されており、超音波発生回路１１から発信された超音波信号を受信するものである。電子ペン１が発信する超音波信号を遮られることなく受信できるように、受信機２に開口部を設けて配設する。

受信機２の赤外線信号の受信について説明する。赤外線受信部３０で受信した赤外線信号はアンプ３３で増幅されて、フィルタ回路３６にて、外来ノイズの部分を遮断し、その後、コンパレータ３９で所定の閾値以上の信号を検出したときを検出し、座標演算部４７のＣＰＵ４３は、コンパレータ３９が信号を検出したとき、タイマ４４よりその時点の時刻を読み込み、この時刻を赤外線信号の到達の時刻としてＲＡＭ４６に保存する。コンパレータ３９の閾値の設定はＣＰＵ４３によって、図示していないがＤ／Ａ回路等を介して設定することが可能である。

次に電子ペン１から発信された超音波信号を二つの超音波受信部３１、３２で受信する。ここで超音波受信回路５３、５４の回路構成は同じなので、超音波受信部３１と超音波受信回路５３を用いて説明する。超音波受信部３１にて超音波信号を受信し、アンプ３４で信号を増幅させ、フィルタ回路３７に送る。外来ノイズを受信した場合でも、外来ノイズの部分を遮断できるように、フィルタ回路３７は、電子ペン１が発信する超音波信号と同じ周波数帯域の信号を通過させるフィルタであることが好ましい。フィルタ回路３７からの信号は、超音波信号から生成されたピークホールド回路２６の入力信号となり、さらに減算回路５５にてピークホールド回路２６の入力信号と出力信号の差分信号を生成し、コンパレータ４０にて差分信号と閾値とを比較する。コンパレータ４０からはコンパレータ信号を出力する。このときの計測波形の概念図を図７〜図１０に示す。

ピークホールド回路２６では、ＣＰＵ４３によってオンとオフの制御が行え、オンの期間、超音波信号のピークを維持することができる。このピークホールド回路２６のオンの期間は、ＣＰＵ４３が電子ペン１からの赤外線信号を受信時に、ＣＰＵ４３からオンの制御を出力し、電子ペン１と受信機２との最大計測距離４００ｍｍと想定した場合には、温度による影響も考慮すると少なくとも約２ｍｓ間計測後に、ＣＰＵ４３からオフの制御を出力することが好ましい。ただし、電子ペン１からの赤外線信号と超音波信号との送信間隔に時間差がある場合には、その時間差を加えて、オンの期間を変更することが必要である。
減算回路５５では、ピークホールド回路２６の出力信号の電圧から入力信号の電圧を減算している。
コンパレータ４０が、所定の閾値以上の差分信号の電圧を検出したとき、ＣＰＵ４３は、タイマ４４よりその時点の時刻を読み込み超音波信号の到達時刻としてＲＡＭ４６に保存する。尚、コンパレータ４０の閾値の設定はＣＰＵ４３によって、図示していないがＤ／Ａ回路等を介して設定することが可能である

座標演算部４７のＣＰＵ４３は、ＲＡＭ４６に保存している受信機の赤外線受信部３０における赤外線信号の到達時刻と、二つの超音波受信部３１、３２における超音波信号の到達時刻との到達時間差及び補正値及び温度センサ６１の温度を用いて電子ペンから超音波受信部３１、３２までの距離を計算する。電子ペンの位置座標は、電子ペンと二つの超音波受信部３１、３２の位置を頂点とする三角形を想定して、三辺測量法の理論を用いて計算する。ＣＰＵ４８は、計算された電子ペンの位置座標データを変換処理部５０のＲＡＭ４９に保存する。
変換処理部５０のＣＰＵ４８は、ＲＡＭ４９に保存してある電子ペンの位置座標データを座標の取得間隔に基づいて一連の集合体のストロークデータとして認識する。このストロークデータを構成する連続した位置座標データを繋げて滑らかな線を描くように修正し、筆跡データとしてコンピュータ６に送信する。本実施の形態では、コンピュータ６に接続した状態で筆記を行ったが、受信機２から通信インターフェース５とコンピュータ６を切り離して、受信機２は電池５１の電力を使って、屋外などのコンピュータのないところでも使用できる。この場合、変換処理部５０のＲＡＭ４９には、位置座標データを残しても良いし、筆跡データに変換したものを残しても良い。受信機２を再度コンピュータ６に接続した際に、変換処理部５０のＣＰＵ４８は、ＲＡＭ４９にあるデータをコンピュータ６に送信する。

ここで、図７〜図１０を説明する。電子ペン１の内部のピエゾ素子の機械インピーダンスやＬＣ共振回路のコイルの抵抗などの回路構成の影響により超音波受信波形は異なるが、図７では、２周期目に最大値となるような超音波受信波形の受信時にアンプとフィルタ回路により超音波信号から生成されたピークホールド回路の入力信号の波形と、ピークホールド回路の出力信号の波形と、減算回路におけるピークホールド回路の出力信号の電圧から入力信号の電圧を減算した差分信号の波形と、差分信号を入力し所定の閾値と比較してコンパレータから生成されるコンパレータ出力信号の波形を表している。すなわち、最初にコンパレータの所定の閾値を超えたと検出した時刻から補正値を引いた時刻を、超音波信号の到達時刻とするまでの過程を表すタイミングチャートである。最初に入力するピークホールド回路の入力信号の波形の電圧の振幅に対して、最初の差分信号の波形の電圧の振幅が大きいため、差分信号の方がコンパレータの所定の閾値と比較しやすい。

同様に図８では、電子ペン１と受信機２との距離が離れ、計測範囲内の限界の場合を表している。超音波受信波形全体の振幅が小さくなり、２周期目に最大値となるような超音波受信波形を受信時にアンプとフィルタ回路により超音波信号から生成されたピークホールド回路の入力信号の波形と、ピークホールド回路の出力信号の波形と、減算回路におけるピークホールド回路の出力信号の電圧から入力信号の電圧を減算した差分信号の波形と、差分信号を入力し所定の閾値と比較してコンパレータから生成されるコンパレータ出力信号の波形を表している。すなわち、最初にコンパレータの所定の閾値を超えたと検出した時刻から補正値を引いた時刻を、超音波信号の到達時刻とするまでの過程を表すタイミングチャートである。最初に入力するピークホールド回路の入力信号の波形の電圧の振幅に対して、最初の差分信号の波形の電圧の振幅が大きいため、差分信号の方がコンパレータの所定の閾値と比較しやすい。

同様に図９では、超音波受信波形以前にノイズが混入した場合の超音波受信波形の受信時に、２周期目に最大値となるような超音波受信波形を受信し、アンプとフィルタ回路により超音波信号から生成されたピークホールド回路の入力信号の波形と、ピークホールド回路の出力信号の波形と、減算回路におけるピークホールド回路の出力信号の電圧から入力信号の電圧を減算した差分信号の波形と、差分信号を入力し所定の閾値と比較してコンパレータから生成されるコンパレータ出力信号の波形を表している。すなわち、最初にコンパレータの所定の閾値を超えたと検出した時刻から補正値を引いた時刻を、超音波信号の到達時刻とするまでの過程を表すタイミングチャートである。ノイズの影響は、コンパレータの閾値を高く設定することができるため、排除することが容易である。

同様に図１０では、２周期目に最大値となるような超音波受信波形の受信時にアンプとフィルタ回路により超音波信号から生成されたピークホールド回路の入力信号の波形と、ピークホールド回路の出力信号の波形であるが、出力信号を３〜５ｍｓ期間維持しているときの波形と、減算回路におけるピークホールド回路の出力信号の電圧から入力信号の電圧を減算した差分信号の波形と、差分信号を入力し所定の閾値と比較してコンパレータから生成されるコンパレータ出力信号の波形を表している。すなわち、最初にコンパレータの所定の閾値を超えたと検出した時刻から補正値を引いた時刻を、超音波信号の到達時刻とするまでの過程を表すタイミングチャートである。差分信号の電圧のプラス側の振幅が図７の差分信号に比べて低下が認められるが、波形の計測への影響はない。

次に、本発明の第２要旨について、図１１の受信機の内部のブロック図を用いて、受信機２の構造について説明する。受信機２は、第1要旨からコンパレータ４０、４１を外し、コンパレータ５７、５８、５９、６０を新たに追加した構造である。受信機２は、赤外線受信部３０と、超音波受信部３１、３２と、アンプ３３、フィルタ回路３６、コンパレータ３９からなる赤外線受信回路５２と、アンプ３４、フィルタ回路３７、ピークホールド回路２６、減算回路５５、コンパレータ５７、５９からなる超音波受信回路５３と、アンプ３５、フィルタ回路３８、ピークホールド回路２７、減算回路５６、コンパレータ５８、６０からなる超音波受信回路５４とを有する赤外線超音波測定部４２と、ＣＰＵ４３、タイマ４４、フラッシュメモリ４５、ＲＡＭ４６、温度センサ６１から成る座標演算部４７と、ＣＰＵ４８、ＲＡＭ４９からなる変換処理部５０、コンピュータ６と接続するための通信インターフェース５と、受信機２の全体に電源を供給することができる電池５１から構成されている。超音波受信回路５３、５４は、超音波受信部３１、３２が同時に超音波信号を受信しても処理ができるように、超音波受信部の数だけ設置した方が良い。本実施の形態では、座標演算部４７と変換処理部５０は、機能で分けて説明しているが、座標演算部４７と変換処理部５０のＣＰＵやＲＡＭは共通であっても良い。

次に、座標演算部のフラッシュメモリ４５に保存している補正値について説明する。本発明の手書き筆跡入力システムにおいては、超音波信号の到達時刻と、超音波信号から生成された入力信号とピークホールド回路の出力信号との差分信号がコンパレータの所定の閾値を最初に超えたと検出した時刻とから、この２つ時刻の時間差の値を求めておき、この時間差の値を座標演算部４７のフラッシュメモリ４５に補正値として保存しておく。簡易的な補正値としては、超音波信号の１／２周期の時間値である。より正確な座標が必要な場合には、距離による超音波受信波形の減衰の影響による誤差を考慮し、計測する範囲内の距離に応じて２つの時刻の時間差の値をフラッシュメモリ４５に複数の補正値として保存することもできる。また、電子ペン１からの赤外線信号と超音波信号との送信間隔の時間差の値もフラッシュメモリ４５に保存しておく。同様に、計測する範囲内における適正なコンパレータ５９、６０に使用する閾値も保存しておく。

赤外線受信部３０は、赤外線受信素子が配置されており、電子ペン１の赤外線発生回路９の赤外線発生素子８から放射された赤外線信号を受信するものである。そのため、赤外線受信素子の波長は、赤外線発生素子８の波長と同等のものが望ましい。
超音波受信部３１、３２は、電子ペン１の超音波発生回路１１の内部のピエゾ素子１２と同様のもので構成されており、超音波発生回路１１から発信された超音波信号を受信するものである。電子ペン１が発信する超音波信号を遮られることなく受信できるように、受信機２に開口部を設けて配設する。

受信機２の赤外線信号の受信について説明する。赤外線受信部３０で受信した赤外線信号はアンプ３３で増幅されて、フィルタ回路３６にて、外来ノイズの部分を遮断し、その後、コンパレータ３９で所定の閾値以上の信号を検出したときを検出し、座標演算部４７のＣＰＵ４３は、コンパレータ３９が信号を検出したとき、タイマ４４よりその時点の時刻を読み込み、この時刻を赤外線信号の到達の時刻としてＲＡＭ４６に保存する。コンパレータ３９の閾値の設定はＣＰＵ４３によって、図示していないがＤ／Ａ回路等を介して設定することが可能である。

次に電子ペン１から発信された超音波信号を二つの超音波受信部３１、３２で受信する。ここで超音波受信回路５３、５４の回路構成は同じなので、超音波受信部３１と超音波受信回路５３を用いて説明する。超音波受信部３１にて超音波信号を受信し、アンプ３４で信号を増幅させ、フィルタ回路３７に送る。外来ノイズを受信した場合でも、外来ノイズの部分を遮断できるように、フィルタ回路３７は、電子ペン１が発信する超音波信号と同じ周波数帯域の信号を通過させるフィルタであることが好ましい。
フィルタ回路３７からの信号は、超音波信号から生成されたピークホールド回路２６の入力信号となり、さらに減算回路５５にてピークホールド回路２６の入力信号と出力信号の差分信号を生成し、コンパレータ５７にて差分信号と出力信号とを、コンパレータ５９にて出力信号と閾値とを比較する。コンパレータ５７かコンパレータ出力信号を出力し、コンパレータ５９からは第２のコンパレータ出力信号を出力する。このときの計測波形の概念図を図１２〜図１５に示す。

ピークホールド回路２６では、ＣＰＵ４３によってオンとオフの制御が行え、オンの期間、超音波信号のピークを維持することができる。このピークホールド回路２６のオンの期間は、ＣＰＵ４３が電子ペン１からの赤外線信号を受信時に、ＣＰＵ４３からオンの制御を出力し、電子ペン１と受信機２との最大計測距離４００ｍｍと想定した場合には、温度による影響も考慮すると少なくとも約２ｍｓ間計測後に、ＣＰＵ４３からオフの制御を出力することが好ましい。ただし、電子ペン１からの赤外線信号と超音波信号との送信間隔の時間差がある場合には、その時間差を加えて、オンの期間を変更することが必要である。
減算回路５５では、ピークホールド回路２６の出力信号の電圧から入力信号の電圧を減算している。
コンパレータ５９において、ピークホールド回路２６の出力信号の電圧が所定の閾値以上であり、かつ、コンパレータ５７において、差分信号の電圧がピークホールド回路２６の出力信号の電圧を超えたと検出したとき、ＣＰＵ４３は、タイマ４４よりその時点の時刻を読み込み超音波信号の到達時刻としてＲＡＭ４６に保存する。尚、コンパレータ５９の閾値の設定はＣＰＵ４３によって、図示していないがＤ／Ａ回路等を介して設定することが可能である。

座標演算部４７のＣＰＵ４３は、ＲＡＭ４６に保存している受信機の赤外線受信部３０における赤外線信号の到達時刻と、二つの超音波受信部３１、３２における超音波信号の到達時刻との到達時間差及び補正値及び温度センサ６１の温度を用いて電子ペンから超音波受信部３１、３２までの距離を計算する。電子ペンの位置座標は、電子ペンと二つの超音波受信部３１、３２の位置を頂点とする三角形を想定して、三辺測量法の理論を用いて計算する。ＣＰＵ４８は、計算された電子ペンの位置座標データを変換処理部５０のＲＡＭ４９に保存する。
変換処理部５０のＣＰＵ４８は、ＲＡＭ４９に保存してある電子ペンの位置座標データを座標の取得間隔に基づいて一連の集合体のストロークデータとして認識する。このストロークデータを構成する連続した位置座標データを繋げて滑らかな線を描くように修正し、筆跡データとしてコンピュータ６に送信する。本実施の形態では、コンピュータ６に接続した状態で筆記を行ったが、受信機２から通信インターフェース５とコンピュータ６を切り離して、受信機２は電池５１の電力を使って、屋外などのコンピュータのないところでも使用できる。この場合、変換処理部５０のＲＡＭ４９には、位置座標データを残しても良いし、筆跡データに変換したものを残しても良い。受信機２を再度コンピュータ６に接続した際に、変換処理部５０のＣＰＵ４８は、ＲＡＭ４９にあるデータをコンピュータ６に送信する。

ここで、図１２〜図１５を説明する。電子ペン１の内部のピエゾ素子の機械インピーダンスやＬＣ共振回路のコイルの抵抗などの回路構成の影響により超音波受信波形は異なるが、図１２では、２周期目に最大値となるような超音波受信波形の受信時にアンプとフィルタ回路により超音波信号から生成されたピークホールド回路の入力信号の波形と、ピークホールド回路の出力信号の波形と、減算回路におけるピークホールド回路の出力信号の電圧から入力信号の電圧を減算した差分信号の波形と、差分信号の電圧とピークホールド回路の出力信号の電圧とを入力して比較するコンパレータから生成されるコンパレータ出力信号の波形と、ピークホールド回路の出力信号の電圧と所定の閾値と比較して第２のコンパレータから生成される第２のコンパレータ出力信号の波形を表している。すなわち、コンパレータにおいて差分信号の電圧がピークホールド回路の出力信号の電圧を超え、第２のコンパレータにおいてピークホールド回路の出力信号の電圧が所定の閾値を超えたと検出した検出した時刻から補正値を引いた時刻を、超音波信号の到達時刻とするまでの過程を表すタイミングチャートである。最初に入力するピークホールド回路の入力信号の波形の電圧の振幅に対して、最初の差分信号の波形の電圧の振幅が大きく、ＧＮＤ近傍でないため、差分信号の方がピークホールド回路の出力信号と比較しやすい。

同様に図１３では、電子ペン１と受信機２との距離が離れ、計測範囲内の限界の場合を表している。超音波受信波形全体の振幅が小さくなり、２周期目に最大値となるような超音波受信波形を受信時にアンプとフィルタ回路により超音波信号から生成されたピークホールド回路の入力信号の波形と、ピークホールド回路の出力信号の波形と、減算回路におけるピークホールド回路の出力信号の電圧から入力信号の電圧を減算した差分信号の波形と、差分信号の電圧とピークホールド回路の出力信号の電圧とを入力して比較するコンパレータから生成されるコンパレータ出力信号の波形と、ピークホールド回路の出力信号の電圧と所定の閾値と比較して第２のコンパレータから生成される第２のコンパレータ出力信号の波形を表している。すなわち、コンパレータにおいて差分信号の電圧がピークホールド回路の出力信号の電圧を超え、第２のコンパレータにおいてピークホールド回路の出力信号の電圧が所定の閾値を超えたと検出した時刻から補正値を引いた時刻を、超音波信号の到達時刻とするまでの過程を表すタイミングチャートである。最初に入力するピークホールド回路の入力信号の波形の電圧の振幅に対して、最初の差分信号の波形の電圧の振幅が大きく、ＧＮＤ近傍でないため、差分信号の方がピークホールド回路の出力信号と比較しやすい。

同様に図１４では、超音波受信波形以前にノイズが混入した場合の超音波受信波形の受信時に、２周期目に最大値となるような超音波受信波形を受信し、アンプとフィルタ回路により超音波信号から生成されたピークホールド回路の入力信号の波形と、ピークホールド回路の出力信号の波形と、減算回路におけるピークホールド回路の出力信号の電圧から入力信号の電圧を減算した差分信号の波形と、差分信号を入力し所定の閾値と比較してコンパレータから生成されるコンパレータ出力信号の波形を表している。すなわち、コンパレータにおいて差分信号の電圧がピークホールド回路の出力信号の電圧を超え、第２のコンパレータにおいてピークホールド回路の出力信号の電圧が所定の閾値を超えたと検出した時刻から補正値を引いた時刻を、超音波信号の到達時刻とするまでの過程を表すタイミングチャートである。ノイズによる影響によりコンパレータから誤信号が発生するが、第２コンパレータによりノイズの影響を排除できる。

同様に図１５では、２周期目に最大値となるような超音波受信波形の受信時にアンプとフィルタ回路により超音波信号から生成されたピークホールド回路の入力信号の波形と、ピークホールド回路の出力信号の波形であるが、出力信号を３〜５ｍｓ期間維持しているときの波形と、減算回路におけるピークホールド回路の出力信号の電圧から入力信号の電圧を減算した差分信号の波形と、差分信号を入力し所定の閾値と比較してコンパレータから生成されるコンパレータ出力信号の波形を表している。すなわち、コンパレータにおいて差分信号の電圧がピークホールド回路の出力信号の電圧を超え、第２のコンパレータにおいてピークホールド回路の出力信号の電圧が所定の閾値を超えたと検出した時刻から補正値を引いた時刻を、超音波信号の到達時刻とするまでの過程を表すタイミングチャートである。差分信号の電圧のプラス側の振幅が図１２の差分信号に比べて低下が認められるが、超音波受信波形の計測への影響はない。

以下、実施例及び比較例により、本発明を説明する。本発明は、以下の実施例に限定されるものでなく、本発明の技術範囲において、種々の変形例を含むものである。
（実施例１）
図１のように配置された手書き筆跡入力システムを使用した。ただし、電子ペン１の超音波発生部は８０ｋＨｚの共振周波数となるようなＬＣ共振回路設け、赤外線信号と超音波信号の繰り返し発信間隔を１０ｍｓとする。受信機２は図６のブロック図に示す構成を成し、コンパレータ４０、４１の閾値を１Ｖとし、電子ペン１から赤外線信号と超音波信号との送信間隔の時間差１００μｓとし、ピークホールド信号の維持時間３ｍｓ、アンプ倍率２４００倍、フィルタはバンドパスフィルタを使用し適用周波数は８０±５ｋＨｚとした。補正値を８０ｋＨｚの５/８波長分、約７．８１μｓとした。このときの、計測した温度は２０℃であった。また、オシロスコープ等の計測機器を用いて計測したフィルタ後のノイズの振幅は、電子ペン１と受信機２の近傍で最大±０．２５０Ｖ、遠距離で最大±０．１２５Ｖであった。
そして、電子ペン１は二つの超音波受信部から均等に約１００ｍｍと３００ｍｍの位置に固定して設置し、約２秒間、電子ペンを静止した筆記状態にして、受信機２で位置座標の計測をおこなった。この動作を１０回繰り返したときの座標演算部で生成された位置座標データを評価した結果、１００ｍｍ、３００ｍｍ、の位置ともに１０回とも誤差±１ｍｍ以内に電子ペンの位置座標を検出することができた。

（実施例２）
図１のように配置された手書き筆跡入力システムを使用した。ただし、電子ペン１の超音波発生部は８０ｋＨｚの共振周波数となるようなＬＣ共振回路設け、赤外線信号と超音波信号の繰り返し発信間隔を１０ｍｓとする。受信機２は図１１のブロック図に示す構成を成し、コンパレータ５９、６０の閾値を０．５０Ｖとし、電子ペン１から赤外線信号と超音波信号との送信間隔の時間差１００μｓとし、ピークホールド信号の維持時間３ｍｓ、アンプ倍率２４００倍、フィルタはバンドパスフィルタを使用し適用周波数は８０±５ｋＨｚとした。補正値を８０ｋＨｚの１／２波長分、６．２５μｓとした。このときの、計測した温度は２０℃であった。また、オシロスコープ等の計測機器を用いて計測したフィルタ後のノイズの振幅は、電子ペン１と受信機２の近傍で最大±０．２５０Ｖ、遠距離で最大±０．１２５Ｖであった。
そして、上記の実施例２のシステムを用いて、実施例１と同様の評価を行った。その結果、１００ｍｍ、３００ｍｍ、の位置ともに１０回とも誤差±１ｍｍ以内に電子ペンの位置座標を検出することができた。

（比較例１）
図１のように配置された手書き筆跡入力システムを使用した。ただし、電子ペン１の超音波発生部は８０ｋＨｚの共振周波数となるようなＬＣ共振回路設け、赤外線信号と超音波信号の繰り返し発信間隔を１０ｍｓとする。ただし、受信機２は、図６のブロック図の超音波受信回路５３、５４よりピークホールド回路及び減算回路を取り除いた構成であり、このブロック図を図１６に示す。
この図１６のブロック図の構成において、コンパレータ４０、４１の閾値を０．５Ｖとし、電子ペン１から赤外線信号と超音波信号との送信間隔の時間差１００μｓとし、アンプ倍率２４００倍、フィルタはバンドパスフィルタを使用し適用周波数は８０±５ｋＨｚとした。補正値を８０ｋＨｚの０波長分、約０μｓとした。このときの、計測した温度は２０℃であった。また、オシロスコープ等の計測機器を用いて計測したフィルタ後のノイズの振幅は、電子ペン１と受信機２の近傍で最大±０．２５０Ｖ、遠距離で最大±０．１２５Ｖであった。
上記の比較例１のシステムを用いて、実施例１と同様の評価を行った。その結果、１００ｍｍの位置では１０回とも誤差±１ｍｍ以内に電子ペンの位置座標を検出することができたが、３００ｍｍの位置では、１０回とも３０４ｍｍ±１ｍｍの距離を示した。これは、３００ｍｍの位置ではコンパレータで検出した周期が２周期目だったため、１周期分長めに計算されたのが原因である。

（比較例２）
図１のように配置された手書き筆跡入力システムを使用した。ただし、電子ペン１の超音波発生部は８０ｋＨｚの共振周波数となるようなＬＣ共振回路設け、赤外線信号と超音波信号の繰り返し発信間隔を１０ｍｓとする。ただし、受信機２は、図１６のブロック図の超音波受信回路５３、５４のコンパレータ４０、４１の代わりにゼロクロス回路２８、２９にした構成であり、このブロック図を図１７に示す。赤外線信号の到達時間の検出及び、超音波受信波形を処理しフィルタ回路からの超音波信号の出力までの方法は実施例１と同様である。また、ゼロクロス回路は、フィルタ回路から出力する超音波信号のプラスの電圧を入力するとプラスのデジタル信号を座標演算部４７に出力し、超音波信号のマイナスの電圧を入力すると０Ｖのデジタル信号を座標演算部４７に出力する。座標演算部４７のＣＰＵ４３は、ゼロクロス回路からの最初のプラスの電圧の入力時にタイマ４４よりを超音波信号の到達時間とする。この超音波信号の到達時間の検出以降の処理は、実施例１と同様に行う。このブロック図を図２０に示す。
この図２０のブロック図の構成において、電子ペン１から赤外線信号と超音波信号との送信間隔の時間差１００μｓとし、アンプ倍率２４００倍、フィルタはバンドパスフィルタを使用し適用周波数は８０±５ｋＨｚとした。補正値を８０ｋＨｚの０波長分、約０μｓとした。このときの、計測した温度は２０℃であった。また、オシロスコープ等の計測機器を用いて計測したフィルタ後のノイズの振幅は、電子ペン１と受信機２の近傍で最大±０．２５０Ｖ、遠距離で最大±０．１２５Ｖであった。
上記の比較例２のシステムを用いて、実施例１と同様の評価を行った。その結果、１００ｍｍの位置の各１０回の座標の検出位置が１００ｍｍ以下のいずれかの位置を示し、３００ｍｍの位置の各１０回の座標の検出位置が３００ｍｍ以下のいずれかの位置を示した。これは、ノイズを超音波信号であると誤認識することが原因である。

実施例１、実施例２、比較例１、比較例２の評価結果を比較すると、実施例１、実施例２のシステムは、正確に全ての座標を検出できた。
以上のことから、本発明は有効であることが確認された。

手書き筆跡入力システムの斜視図 電子ペンのブロック図 超音波発生回路の内部ブロック図 ピエゾ素子にかかる電圧 電子ペンの超音波の発信波形の一例 実施例１における受信機のブロック図 実施例１における受信機の計測波形概念図 実施例１における受信機の計測波形概念図 実施例１における受信機の計測波形概念図 実施例１における受信機の計測波形概念図 実施例２における受信機のブロック図 実施例２における受信機の計測波形概念図 実施例２における受信機の計測波形概念図 実施例２における受信機の計測波形概念図 実施例２における受信機の計測波形概念図 比較例１における受信機のブロック図 比較例２における受信機のブロック図

符号の説明

１ 電子ペン
２ 受信機
３ 筆記部
４ 被記録媒体
５ 通信インターフェース
６ コンピュータ
８ 赤外線発生素子
９ 赤外線発生回路
１０ 超音波発生素子
１１ 超音波発生回路
１２ ピエゾ素子
１３ 信号発信部
１４ ペンスイッチ
１５、５１ 電池
１６ コイル
１７ トランジスタ
１８ ダイオード
１９、２０ 抵抗
２６、２７ ピークホールド回路
２８、２９ ゼロクロス回路
３０ 赤外線受信部
３１、３２ 超音波受信部
３３、３４、３５ アンプ
３６、３７、３８ フィルタ回路
３９、４０、４１、５７、５８、５９、６０ コンパレータ
４２ 赤外線超音波測定部
４３、４８ ＣＰＵ
４４ タイマ
４５ フラッシュメモリ
４６、４９ ＲＡＭ
４７ 座標演算部
５０ 変換処理部
５２ 赤外線受信回路
５３、５４ 超音波受信回路
５５、５６ 減算回路
６１ 温度センサ

Claims (2)

1. 少なくとも、赤外線発生素子を含む赤外線発生回路と、超音波発生素子、を含む超音波発生回路と、これらの回路から発信する赤外線信号及び超音波信号を制御する信号発信部と、被記録媒体上に直接軌跡を残すことが可能な機能を有する筆記部と、該筆記部が筆記状態であるか否かを判別するスイッチとから成る電子ペン、並びに少なくとも、一つ以上の赤外線受信部と、二つ以上の超音波受信部を有し、前記赤外線信号と前記超音波信号の前記赤外線受信部又は前記超音波受信部への到達を計測し、前記超音波信号から生成された入力信号のピーク値を一定時間出力し続けるピークホールド回路と、該ピークホールド回路の入力信号と出力信号の差分信号を生成する減算回路とを有する赤外線超音波測定部、並びに該赤外線超音波測定部から得られた前記赤外線信号と前記超音波信号の到達時間差及び音速を用いて前記電子ペンと前記超音波受信部との間の距離を計算し、該距離を用いて前記電子ペンの位置座標データを計算する座標演算部、並びに前記電子ペンの位置座標データを筆跡データに変換する機能を有する変換処理部とから成る受信機による手書き筆跡入力システムであって、前記赤外線超音波測定部は、前記電子ペンからの赤外線信号受信時に前記ピークホールド回路をオンの制御をして超音波信号のピークを維持し、前記電子ペンと前記受信機との最大計測距離と想定した時間計測後、前記ピークホールド回路をオフの制御にする手段を備え、前記差分信号がコンパレータの閾値を超えたことを検出した時刻から、前記超音波信号の到達した時刻に補正する手段を有することを特徴とする手書き筆跡入力システム。
   
2. 第２のコンパレータの閾値によって前記ピークホールド回路の出力信号がＧＮＤ近傍のノイズかを判断することを特徴とする請求項１記載の手書き筆跡入力システム。

Images