JP5981810B2 - 座標入力装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、座標入力領域の指示位置を検出する座標入力装置に関する。

座標入力面に、指示具（例えば、専用入力ペン、指等）によって指示し座標入力することで、接続されたコンピュータの制御、文字や図形などの入力をおこなう座標入力装置が存在する。

従来、この種の座標入力装置としては、各種方式のものが提案、または製品化されており、特殊な器具などを用いずに画面上でパーソナルコンピュータ等の端末の操作が簡単にできることから、広く利用されている。

座標入力方式としては、抵抗膜を用いたもの、超音波を用いたものなどさまざまなものがあるが、光を用いたものとして、例えば、特許文献１がある。この特許文献１では、座標入力領域の外側に再帰反射部材を設け、座標入力領域の角端部に光を投光する投光部と光を受光する受光部とを配置している。そして座標入力領域内において指等の光を遮蔽する遮蔽物と受光部間の角度を検出し、その結果に基づいて遮蔽物の座標を決定する構成が開示されている。

特許文献２では、微分等の波形処理演算によって受光部が受光する遮蔽物による遮光部分のピークを検出し、受光部に対する遮光部分の角度を検出して遮蔽物の座標を算出する構成が示されている。

また、特許文献３では、特定のレベルパターンとの比較によって遮光部位の一方の端と他方の端を検出し、それらの座標の中心を検出する構成が示されている。
また、特許文献４ではセンサ部の取り付け角度のずれを、基準点等を設けることなしに検出する為に、センサ間での直接光と再帰反射部以外で反射した正規反射光から求める校正が示されている。

上述した座標入力装置のシステムとして、フロントプロジェクタ等により座標入力装置の入力面に画像を投影し、投影画像に対して直接的に入力が可能な構成とする場合が考えられる。

一方、フロントプロジェクタの小型化が進んだことから、フロントプロジェクタを会議室等へ持ち込み、投影画像を利用して会議を行うケースが増えてきている。これに伴い、フロントプロジェクタを持ち込んだ会議室で、座標入力装置も一緒に利用して会議を行いたい要望が増えてきている。この為、持ち運びが可能で簡単に設置できる着脱式の座標入力装置が求められる様になってきた。また、会議室の状況（参加者の人数や会議室の広さ等）によって、座標入力装置がさまざまな投影サイズに対応する事も望まれている。

米国特許第４５０７５５７号公報 特開２０００−１０５６７１号公報 特開２００１−１４２６４２号公報 特許第３９６４０７９号公報

着脱式の装置構成とするために、センサユニットを再帰反射部材の両端に構成したバー状のユニット（以下センサバー）を、２つを１組として座標入力領域を構成することが考えられる。このとき、センサバーを上下に配置したり、左右に配置したり、センサバー間の距離を変更することにより、ある程度自由な画面サイズに対応する事が可能となる。

各センサユニット間の距離は可変となる為、絶対座標は求める事は出来ないが、各センサユニットの相対的な位置関係から、相対的な座標を求める事は出来る。センサユニットの相対的な座標を求める手順を、図６を使って説明する。

この図で、４つのセンサユニットを１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄとし、仮にセンサユニット１Ａの座標を(0, 0）、センサユニット１Ｃの座標を（1, 0）とする。センサユニット１Ａと１Ｃを結んだ直線と、センサユニット１Ａと１Ｂ、センサユニット１Ｃと１Ｂを結んだ直線とがなす角度をそれぞれθ１、θ４とした時、この２つの角度からセンサユニット１Ｂの座標を算出する事ができる。また、センサユニット１Ａと１Ｃを結んだ直線と、センサユニット１Ｄと１Ｃ、１Ａと１Ｄを結んだ直線とがなす角度をそれぞれθ２、θ３とすると、この２つの角度からセンサユニット１Ｄの座標を算出する事が求まる。

対向するセンサユニットの角度測定は、センサバー４Ａのセンサユニットからの赤外投光をセンサバー４Ｂのセンサユニットで受光する事により測定する。同様にセンサバー４Ｂのセンサユニットからの赤外投光をセンサバー４Ａのセンサユニットで受光する事により測定する。

ここで、同一センサバー内のセンサユニットは、視野範囲の制限から同一センサバー内にセンサユニットの位置を直接観測する事が出来ない。この為、取り付け等によるセンサユニット間のズレを補正する為、センサ間を結んだ直線に対して垂直方向の角度を測定し、これを基準として角度を測定する事により、センサユニット間の角度補正を行う。つまり、θ３はセンサユニット１Ａで測定したセンサユニット１Ｃの角度とセンサユニット１Ａの基準の角度の差を９０度から引くことにより求まる。また、θ４はセンサユニット１Ｃで測定したセンサユニット１Ａの角度とセンサユニット１Ｃの基準の角度の差を９０度から引くことにより求まる。

さて、座標検出領域のサイズに対して更なる自由度を与えるには、センサバーに伸縮機構を持たせることである。しかし、この場合には、更なる問題に直面する。すなわち、伸縮自在にするわけであるから、大小の差はあっても、その伸縮する部分にはガタが発生し、その結果、同じセンサバー内の２つのセンサユニットの基準の角度にずれが生じる点である。これを、図７を使って説明する。

図７において、センサユニット１Ａの基準の角度は、センサバー４Ａ（センサユニット１Ａと１Ｄを結ぶ直線）に対して直角の方向を示す。しかし、センサバーの伸縮機構によるガタがあると、センサユニットの基準の角度とセンサユニット１Ａ，１Ｄ間を結ぶ直線が直角でなくなり、基準の角度は誤差ｅ1を持つ。この為、この基準の角度から求めたセンサユニット１Ｄの座標は実際の位置からずれた位置７０１として算出される虞があり、正しい座標検出の妨げとなる。同様に、センサユニット１Ｂの座標にもセンサバーのガタつきによる基準の角度の誤差によってずれた位置が算出される問題もある。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、座標入力領域のサイズに対して自由度を持たせるだけでなく、高い精度で座標を検出を可能にする技術を提供しようとするものである。

上記目的を達成するための一手段として、本発明の座標入力装置は以下の構成を備える。
互いに対向するように配置される第１、第２のセンサバーを有する座標入力装置であって、
ここで、前記第１，第２のセンサバーそれぞれは、長手方向に伸縮する機構を有すると共に、相手側のセンサバーのセンサユニットからの投光された光を反射する再帰反射部を前記長手方向に沿って有し、前記第１のセンサバーは、投光及び受光を行うための第１、第２のセンサユニットをその両端部に有すると共に、前記第２のセンサバーは、投光及び受光を行うための第３、第４のセンサユニットをその両端部に有する；
前記第１のセンサユニットから前記第４のセンサユニットに向かう角度、前記第２のセンサユニットから前記第４のセンサユニットに向かう角度、前記第４のセンサユニットから見て前記第１のセンサユニットと前記第２のセンサの成す角度から、前記第１のセンサバーの折れ曲がりによる前記第１のセンサユニットに対する前記第２のセンサユニットの相対位置の誤差を調整し、
前記第３のセンサユニットから前記第１のセンサユニットに向かう角度、前記第４のセンサユニットから前記第１のセンサユニットに向かう角度、前記第１のセンサユニットから見て前記第３のセンサユニットと前記第４のセンサユニットの成す角度から、前記第２のセンサバーの折れ曲がりによる前記第４のセンサユニットに対する前記第３のセンサユニットの相対位置の誤差を調整する調整手段とを有する。

本発明の構成によれば、座標入力領域のサイズに対して自由度を持たせるだけでなく、高い精度で座標の検出が可能になる。

本発明の構成を説明する平面図。 センサユニットの構成の説明図。 制御・演算ユニットのブロック図。 発光のタイミングチャート。 光量分布の説明図。 センサユニット座標算出の説明図。 センサバーの筺体の折れ曲がりによる誤差の説明図。 座標入力領域の説明図。 座標算出の説明図。 基準角度補正の説明図。 センサバー伸縮機構の説明図。 センサバーの筺体の折れ曲がりの説明図。 センサバー伸縮機構の説明図。 センサバーの筺体の折れ曲がりの説明図。 センサバーの位置調整に係る処理手順を示すフローチャート。

以下、添付の図面を参照して、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態において示す構成は一例に過ぎず、本発明は図示された構成に限定されるものではない。

［実施形態１］
＜装置構成の概略説明＞
先ず、実施形態に係る座標入力装置の概略構成について図１を用いて説明する。

図１において、１Ａ〜１Ｄは赤外線を投光する投光部および赤外光を受光する受光部を有するセンサユニットである。各センサユニットから出ている破線矢印は、それぞれのセンサユニットが受光することができる赤外光の視野角を表している。センサユニットは制御・演算を行う制御・演算ユニット２Ａ、２Ｂに２個ずつ接続され、制御信号を制御・演算ユニットから受け取ると共に、受光部で受光した信号を制御・演算ユニットに送信する。

３Ａ，３Ｂは、再帰反射部であって、入射光を到来方向に反射する再帰反射面を有し、それぞれのセンサユニットの投光部から投光された赤外光を、投光したセンサユニットに向けて再帰的に反射する。反射された赤外光は、センサユニットの受光部によって１次元的に受光され、その受光データが制御・演算ユニットに送られる。

４Ａ、４Ｂは上記説明したセンサユニット、制御・演算ユニット等を収納し、伸縮自在であり、且つ、再帰反射部を具備するセンサバー（第１，第２のセンサバー）である。センサバー４Ａ、４Ｂが設置固定される対象物は、その表面が適度に平坦であれば良く、その種類を問わないし、設置方法も設置対象物に応じたものとすれば良い。ただし、設置固定の容易性から、実施形態におけるセンサバー４Ａ、４Ｂの設置固定対象物はホワイトボードとする。多くのホワイトボードはマグネットを固定可能とするため、強磁性体の板（例えば鉄板）を内蔵していることに鑑み、実施形態におけるセンサバー４Ａ、４Ｂはマグネットを内蔵し、それを利用してホワイトボードに設置固定するものとした。

５は座標を入力する座標入力領域である。この座標入力領域５は、各センサバーの両端部に設けられたセンサユニット１Ａ〜１Ｄにより検出される領域である。座標入力領域５の縦横比や大きさは、センサバー４Ａ，４Ｂの伸縮の度合、並びに、の設置条件により任意の縦横比、大きさとなる。

本実施形態において、再帰反射部３Ａ、３Ｂは、座標入力領域５の２辺に構成されており、センサユニット１Ａ、１Ｄは、２辺の再帰反射部のうち一方の再帰反射部３Ｂに対して投光した赤外光の反射光を受光する。同様に、センサユニット１Ｂ、１Ｃは、もう一方である再帰反射部３Ａに対して投光した赤外光の反射光を受光する。

なお、現実には、センサバー４Ａ，４Ｂをホワイトボードに設置固定し、そのホワイトボード上にプロジェクタ等で画面を投影表示した後、ユーザがその投影画像の４隅を指示して有効な座標検出領域を規定し、その座標検出領域が図示の座標入力領域５として機能することになる。従って、図示の座標入力領域５の境界が視覚的な実線で示されるわけではない。

上記構成において、座標入力領域５で指などによる入力指示がなされると、上記センサユニット１Ａ〜１Ｄの投光部から投光された赤外光が遮られ、入力指示方向のみ再帰反射による反射光が得られなくなる。

制御・演算ユニット２Ａ、２Ｂは、１Ａ〜１Ｄのセンサユニットの光量変化から、入力指示された部分の遮光範囲を検出し、同範囲内での検出点を特定してそれぞれの角度を算出する。制御・演算ユニット２Ａ、２Ｂは双方に通信する通信手段を有し、それぞれで算出された角度情報の交換を行い、入力エリア上の指などの指示位置の座標を算出する。そしてプロジェクタ等の表示装置に接続されているＰＣなどに、ＵＳＢなどのインタフェースを経由して入力位置の座標値を出力する。

このようにして、指などによって、画面上に線の描画やアイコンの選択などのＰＣの操作が可能になる。以降各部分毎に詳細説明を行う。

＜センサユニットの詳細説明＞
センサユニット１Ａ〜１Ｄの構成について、図２を用いて説明する。各センサユニットは同じ構造であるので、ここではセンサユニット１Ａについて説明する。センサユニット１Ａは、大きく分けて投光部と受光部から構成される。

図２は本発明の実施形態のセンサユニット１Ａの詳細構成を示す図である。

図２（ａ）は、センサユニットの投光部を示している。１０１は、赤外光を発する赤外ＬＥＤであり、投光レンズ１０２によって、所定範囲に赤外光を投光する。図２（ｂ）は、センサユニットの受光部を示している。受光部は、１次元のラインＣＣＤ１０３、集光光学系としての集光レンズ１０４、入射光の入射方向を概略制限する絞り１０５、及び可視光等の余分な光（外乱光）の入射を防止する赤外フィルター１０６からなる。図２（ｃ）は、図１のセンサユニット１Ａ，１Ｂ側から見た断面図である。センサユニット１Ａの赤外ＬＥＤ１０１Ａからの赤外光は、投光レンズ１０２Ａにより、座標入力面に略平行に制限された光束として、主に再帰反射部３Ｂに対して投光される。同様に、センサユニット１Ｂの赤外ＬＥＤ１０１Ｂからの赤外光は、投光レンズ１０２Ｂにより、主に再帰反射部３Ａに対して投光される。

本実施形態の場合、投光部と受光部は、座標入力面である座標入力領域５の垂直方向に対し重ねた配置構成となっている。そして、正面方向（座標入力面に対し垂直方向）から見て、投光部の発光中心と受光部の基準位置（つまり、角度を計測するための基準点位置に相当し、本実施形態にあっては絞り１０５の位置）が一致する構造となっている。また、投光部により投光された座標入力面に略平行な光束であって、面内方向に所定角度方向に投光されている赤外光は、再帰反射部３により赤外光の到来方向に反射される。そして、赤外フィルター１０６Ａ（１０６Ｂ）、絞り１０５Ａ（１０５Ｂ）、集光レンズ１０４Ａ（１０４Ｂ）を経て、ラインＣＣＤ１０３の検出素子面上に集光、結像することになる。従って、ラインＣＣＤ１０３の出力信号は、反射光の入射角に応じた光量分布を出力することになるので、ラインＣＣＤ１０３を構成する各画素の画素番号が角度情報を示すことになる。

尚、図２（ｃ）に示す投光部と受光部の距離Ｌは、投光部から再帰反射部３までの距離に比べて十分に小さな値であり、距離Ｌを有していても十分な反射光を受光部で検出することが可能な構成となっている。

以上説明したように、センサユニット１Ａ〜１Ｄは、投光部と、各々の投光部で投光された赤外光を各々検出する受光部を有する構成である。

＜制御・演算ユニットの説明＞
図１の制御・演算ユニット２Ａ、２Ｂとセンサユニット１Ａ〜１Ｄの間では、ＣＣＤの制御信号、ＣＣＤ用クロック信号とＣＣＤの出力信号、および、ＬＥＤの駆動信号がやり取りされている。なお、制御・演算ユニット２Ａは、センサユニット１Ａ，１Ｄと接続されていて、同様に制御・演算ユニット２Ｂは、センサユニット１Ｂ，１Ｃと接続されている。

図３は制御・演算ユニットのブロック図である。なお、本実施形態では、制御・演算ユニット２Ａ、２Ｂは、いずれも同様の回路構成となっている。

ＣＣＤ制御信号は、ワンチップマイコンなどで構成されるＣＰＵ４１から出力されており、ＣＣＤのシャッタタイミングや、データの出力制御などを行っている。ＣＣＤ用のクロックはクロック発生回路であるＣＬＫ４２からセンサユニットに送信されるとともに、ＣＣＤとの同期をとって、各種制御を行うために、ＣＰＵ４１にも入力されている。なお、ＬＥＤ駆動信号はＣＰＵ４１から、センサユニットの赤外ＬＥＤに供給されている。

センサユニットのＣＣＤからの出力信号は、制御・演算ユニットのＡ／Ｄコンバータ４３に入力され、ＣＰＵ４１からの制御によって、デジタル値に変換される。変換されたデジタル値はメモリ４４に記憶され、角度計算に用いられる。そして、計算された角度から、座標値が求められ外部ＰＣなどにシリアルインタフェース４８を介して出力される。なお、シリアルインタフェース４８は、制御・演算ユニット２Ａ、２Ｂのいずれか１つがＰＣと接続される。

ここで、図１に示したように、本実施形態においては、２つのセンサバーが配置された構成となっている。

２つのセンサバー４Ａ、４Ｂ内の制御・演算ユニット２Ａと２Ｂ間の通信には、無線の通信手段が用いられる。本実施形態では、赤外線通信インタフェース４６を介して、サブＣＰＵ４５で処理されたデータにより、制御・演算ユニット間のやりとりが行われる。

なお、制御・演算ユニット２Ａ、２Ｂは、角度算出までを行うスレーブと、スレーブからの角度情報を受信し、その情報と自ユニットからの角度情報から座標を算出するマスタの２種類の動作をする。本実施形態の場合は、制御・演算ユニット２Ａがスレーブで、制御・演算ユニット２Ｂがマスタとして動作する。なお、各制御・演算ユニットは、マスタ・スレーブのどちらにもなりうるが、不図示のディップスイッチなどで、ＣＰＵのポートに切替え信号を入力することで切替えることが可能となっている。

＜光量分布検出の説明＞
図４はセンサユニットを制御する制御信号のタイミングチャートである。

５１，５２，５３がＣＣＤ制御用の制御信号であり、ＳＨ信号５１の間隔で、ＣＣＤのシャッタ時間が決定される。信号５２は制御・演算ユニット２Ａからセンサユニット１Ａ、１Ｄへの、信号５３は制御・演算ユニット２Ｂからセンサユニット１Ｂ、１Ｃへのゲート信号であり、ＣＣＤ１０８内部の光電変換部の電荷を読み出し部へ転送する信号である。

信号５４、５５はＬＥＤの駆動信号であり、信号ＳＨ５１の最初の周期でセンサバー４Ａのセンサユニット１Ａ、１Ｄの投光部にあるＬＥＤを点灯するために信号ＬＥＤＵ５４の駆動信号がＬＥＤ駆動回路を経てＬＥＤに供給される。そして、次の周期でセンサバー４Ｂのセンサユニット１Ｂ、１Ｃの投光部にあるＬＥＤを点灯するために信号ＬＥＤＤ５５の駆動信号がＬＥＤ駆動回路を経てＬＥＤに供給される。双方のＬＥＤの駆動が終了した後に、ＣＣＤの信号がセンサから読み出される。したがって、センサバー４Ａと４Ｂでは、異なるタイミング（５６Ｕと５６Ｄ）で赤外光が投光され、再帰反射部３Ａ、３Ｂで反射した赤外光がＣＣＤで受光されることになる。

読み出される信号は、指などによる座標入力がない場合には、それぞれのセンサユニットからの出力として、図５（ａ）のような光量分布が得られる。もちろん、このような分布がどのシステムでも必ず得られるわけではなく、再帰反射部材の反射特性や投光部の投光特性、受光部の受光特性、計時変化（反射面の汚れなど）等によって分布は変化する。

同図においては、Ａのレベルが最大光量であり、Ｂのレベルが最低のレベルとなる。つまり反射光のない状態では、得られるレベルがＢ付近になり、反射光量が増えるほどＡのレベルの方向になっている。この様にＣＣＤから出力されたデータは、逐次Ａ／Ｄ変換されＣＰＵにデジタルデータとして取り込まれる。

図５（ｂ）は指などで座標入力を行った、つまり、赤外光を遮った場合のＣＣＤ出力の例である。Ｃの部分が指などで赤外光が遮られたため、その部分のみ光量が低下している。座標入力の検出は、この光量分布の変化から行う。

具体的には、図５（ａ）のような座標入力の無い初期状態を予め記憶しておき、それぞれのサンプル期間に図５（ｂ）のような変化があるか初期状態との差分によって検出し、変化があった場合その部分を座標入力点として入力角度を決定する演算を行う。

＜角度計算の説明＞
角度計算にあたっては、まず、遮光範囲を検出する必要がある。

先述したように、光量分布は経時変化などで一定ではないため、システムの起動時などに記憶する事が望ましい。そうする事で、例えば、再帰反射面がほこりなどで汚れていても、完全に反射しないような場合を除いて使用可能になる。

以降一つのセンサのデータについて説明するが、全てのセンサで同様の処理を行っている。

座標入力の無い状態で、投光部から赤外光を投光することなしにＣＣＤの出力を取込み、これをＢａｓ＿Ｄａｔａ［Ｎ］として、メモリに記憶する。これは、ＣＣＤのバイアスのばらつき等を含んだデータとなり、図５（ａ）のＢのレベル付近のデータとなる。ここで、Ｎは画素番号をあらわす。

次に、座標入力の無い状態で、投光部から赤外光を投光した状態でのＣＣＤの出力を取込み、Ｒｅｆ＿Ｄａｔａ［Ｎ］としてメモリに記憶する。これは図５（ａ）の実線で表されたデータである。

これらのデータを用いて、最初に座標入力がされた（遮光範囲がある）かどうかを、データの変化の絶対量によって判定する。これは、ノイズ等による誤判定を防止し、所定量の確実な変化を検出するためである。

あるサンプル期間のＣＣＤの出力をＣｕｒ＿Ｄａｔａ［Ｎ］とする。変化の絶対量を各々の画素において以下の計算を行い、予め決定してある閾値Ｖｔｈａと比較する。
Dif_Data[N] = Cur_Data[N] - Ref_Data[N] …(1)
ここで、Ｄｉｆ＿Ｄａｔａ［Ｎ］は各画素における絶対変化量である。

この処理は、差を取り閾値と比較するだけなので処理時間をさほど使わず、座標入力の有無の判定を高速に行う事が可能である。なお、Ｖｔｈａを超えた画素が所定数以上検出されたときに座標入力があったと判定する。

次に、より高精度に座標入力を検出するために、変化量の比を計算して入力点の決定を行う。
Nrm_Data[N] = Dif_Data[N] / (Bas_Data[N] - Ref_Data[N]) …(2)
このデータに対して、閾値Ｖｔｈｒを適用して、その立ち上がり部と立下り部の画素番号から、両者の中央を入力画素として、角度を求める。

図５（ｃ）は比計算を終わったあとの検出の例である。いま閾値Ｖｔｈｒで検出すると遮光領域の立ち上がり部分は、Ｎｒ番目の画素で閾値を超えたとする。さらに、Ｎｆ番の画素でＶｔｈｒを下まわったとする。
このまま中心画素Npを
Np = Nr + (Nf - Nr) / 2 …(3)
のように計算してもよいが、そうすると、画素間隔が最小の分解能になってしまう。より細かく中心画素を検出するために、それぞれの画素のレベルとその一つ前の画素のレベルを用い閾値を横切った仮想の画素番号を計算する。

今、ＮｒのレベルをＬｒ,Ｎｒ−１番画素のレベルをＬｒ−１とする。また、ＮｆのレベルをＬｆ、Ｎｆ−１番がそのレベルをＬｆ−１とすれば、それぞれの仮想画素番号Ｎｒv，Ｎｆvは、
Nrv = Nr-1 + ( Vthr - Lr-1 ) / ( Lr -Lr-1 ) … (4)
Nfv = Nf-1 + ( Vthr - Lf-1 ) / ( Lf -Lf-1 ) … (5)
と計算でき、仮想中心画素Npv
Npv = Nrv + ( Nfv - Nrv ) / 2 (6)
で決定される。

このように、画素番号とそのレベルから仮想的な画素番号を計算することで、より分解能の高い検出ができる。

上記のようにして得られた中央画素番号から、実際の座標値を計算するためには、画素番号を角度情報に変換する必要がある。

後述する実際の座標計算では、角度そのものよりもその角度における正接（ｔａｎｇｅｎｔ）の値を求めるほうが都合がよい。なお、画素番号から、tａnθへの変換には、テーブル参照や変換式を用いる。

変換式は例えば高次の多項式を用いると精度を確保できるが次数などは計算能力および精度スペック等を鑑みて決定すればよい。

ここで、５次多項式を用いる場合の例を示す。多項式の係数は各センサユニットのＣＣＤの画素番号と角度の関係を実測し、それに対する近似式となることから、センサユニット毎に異なる値となる。５次多項式を用いる場合には係数が６個必要になり、出荷時などにこのセンサユニット固有のデータを不揮発性メモリなどに記憶しておく。今、５次多項式の係数をＬ５，Ｌ４，Ｌ３，Ｌ２，Ｌ１，Ｌ０としたとき、tａnθは
tanθ = ((((L5 * Npr + L4) * Npr + L3) * Npr + L2) * Npr + L1) * Npr + L0 …(7)
であらわす事ができる。

もちろん、上記例ではtａnθを求めているが、角度そのものを求め、その後tａnθを求めても構わない。

＜センサ座標算出の説明＞
次にセンサバーにガタがある場合のセンサユニット１Ａ〜１Ｄのセンサ座標の算出方法を、図１０を用いて説明する。

図１０（ａ）において、各センサユニットは、センサバー４に対して垂直（直交）方向の角度を予め測定し、基準角度として保持している。また、センサユニット間の角度を測定する為に、センサユニット１Ａと１Ｄの投光部から赤外光を投光し、センサユニット１Ｂと１Ｃで受光する。同様に、センサユニット１Ｂと１Ｃの投光部から赤外光を投光し、センサユニット１Ａと１Ｄで受光する。

ここで、センサユニット１Ａの座標を（０，０）、センサユニット１Ｃの座標を（１，０）とし、センサユニット１Ａと１Ｃとを結ぶ線より下方をｙ座標のプラスの領域、上方向をマイナス領域とした時、センサユニット１Ｄの誤差を軽減した座標は下記の手順で求める事が出来る。

θ２はセンサユニット１Ｃで測定したセンサユニット１Ａと１Ｄの角度の差分である。また、θ３は、センサユニット１Ａで測定したセンサユニット１Ｃの角度とセンサユニット１Ａの基準角度との差分θｂを、９０度から引く事で求まる角度である。θａはセンサユニット１Ｄで測定したセンサユニット１Ｃの角度とセンサユニット１Ｄの基準角度との差分θｃを９０度から引く事で求まる。ここで、θ２、θ３、θａはセンサユニット１Ａ、１Ｃ、１Ｄで構成される三角形の内角であるため、その合計は１８０度となるはずである。しかし、センサバーの筺体折れ曲がりによる誤差θｅ１とθｅ２を含んでいる事から、
θ２＋θ３＋θa−１８０＝θｅ１＋θｅ２
となる。ここで、θｅ１とθｅ２それぞれの角度は不明であるが、『θｅ１＋θｅ２』は、上式のごとく、実測したθ２、θ３、θａの合算から「１８０」を減じることで求めることができる。

ここで、θ３の真の値をθ３’と定義すると、
θ３＝θ３’＋θｅ１
と表わせる。既知の値『θｅ１＋θｅ２』をθｖ１と表わし、センサバーの折れ曲がり位置が、その長手方向のほぼ中央部にあるとみなせる場合、θｅ１≒θｅ２となる。

故に、θ３’は次式で近似できる。
θ３’＝θ３−θｅ１≒θ３−１／２＊θｖ１
として求めることができる。

ここで、センサユニット１Ａの座標を（０、０）、１Ｃの座標を（１，０）としているわけであるから（センサユニット１Ａ、１Ｃを結ぶ線分が水平線であって、その間の距離が“１”としている）、センサユニット１Ｄの座標（ＸＤ、ＹＤ）は次式で得られる。
ＸＤ＝ｔａｎθ２／（ｔａｎθ２＋ｔａｎθ３’）
＝ｔａｎθ２／（ｔａｎθ２＋ｔａｎ（θ３−１／２＊θｖ１））
ＹＤ＝ＸＤ＊ｔａｎ（θ３−１／２・θｖ１）
なお、ここではセンサーユニットＡを原点（０，０）としているので、調整対象はセンサーユニット１Ｄとなるが、センサーユニット１Ａの位置を相対的に移動させても構わない。

同様にセンサ１Ｂの座標を求める事が出来る。図１０（ｂ）において、θ１はセンサユニット１Ａで測定したセンサユニット１Ｂと１Ｃの角度の差分で求まる。また、θ４はセンサユニット１Ｃで測定したセンサユニット１Ａの角度とセンサユニット１Ｃの基準角度との差分θｉを９０度から引く事で求まる。θｈはセンサユニット１Ｂで測定したセンサユニット１Ａの角度とセンサユニット１Ｄの基準角度との差分θｊを９０度から引く事で求まる。ここで、θ１、θ４、θｈはセンサユニット１Ａ、１Ｂ、１Ｃで構成される三角形の内角であるため、その合計は１８０度となるはずである。しかし、センサバーの筺体の折れ曲がりによる誤差θｅ３とθｅ４がある事から、
θ１＋θ４＋θｈ−１８０＝θｅ３＋θｅ４
となる。ここで、θｅ３とθｅ４それぞれの角度は分からないが、『θｅ３＋θｅ４』は上記の如く、実測したθ１＋θ４＋θｈから１８０度を減じて求めることができる。

ここで、θ４の真の値をθ４’と定義すると、
θ４＝θ４’＋θｅ４
と表わせる。既知の値『θｅ３＋θｅ４』をθｖ２と表わし、センサバーの折れ曲がり位置が、その長手方向のほぼ中央部にあるとみなせる場合、θｅ３≒θｅ４となる。

故に、θ４’は次式で近似できる。
θ４’＝θ４−θｅ４≒θ４−１／２＊θｖ２

今、センサユニット１Ａの座標を（０、０）と１Ｃの座標を（１，０）としているわけであるから、センサユニット１Ｂの座標（ＸＢ、ＹＢ）は次式で得られる。
ＸＢ＝ｔａｎ（θ４−１／２×θｖ２）／（ｔａｎθ１＋ｔａｎ（θ４−１／２＊θｖ２））
ＹＢ＝−ＸＢ×ｔａｎθ１
ここで、Ｙ座標の値ＹＢが負の値となるのは、センサユニット１Ｂが、センサユニット１Ａと１Ｃを結ぶ線分の上方向に位置するためである。

上記は、センサ座標を求める時には、センサユニット１Ａとセンサユニット１Ｃを結んだ直線をｘ軸とした。しかし、指示具による座標を求める場合はセンサユニット１Ａとセンサユニット１Ｂを結んだ直線をｘ軸とする為、求めたセンサ座標をセンサユニット１Ａのセンサ座標を中心に角度θ３’だけ反時計周りに回転させる。以下の説明では、この座標回転を行った後の座標系、すなわち、センサユニット１Ａの座標を（０、０）、センサユニット１Ｂの座標を（１、０）として説明することとする。

＜座標計算方法の説明＞
上記で得られた角度データとセンサユニット座標から指示座標を算出する方法を説明する。

図８は、各センサユニットの組み合わせで座標計算可能な座標入力領域５の座標検出範囲を示している。

図８に示すように、各センサユニットの投光および受光範囲が交わる領域が座標計算可能な領域となる。したがって、センサユニット１Ａ，１Ｄで座標計算可能な範囲は、図８（ａ）の斜線の範囲９１である。同様にセンサユニット１Ａ，１Ｂで座標計算可能な範囲は、図８（ｂ）の斜線の範囲９２、センサユニット１Ｂ，１Ｃで座標計算可能な範囲は、図８（ｃ）の斜線の範囲９３、センサユニット１Ｃ，１Ｄで座標計算可能な範囲は、図８（ｄ）の斜線の範囲９４となる。

次に、図９を用いて各領域の座標計算方法を説明する。

図９はセンサバーの配置図であり、センサユニット１Ａの座標を（0, 0）、センサユニット１Ｂの座標を（1, 0）、センサユニット１Ｃの座標を（XC, YC）、センサユニット１Ｄの座標を（XD, YD）としている。センサユニット１Ａと１Ｂを結ぶ直線を出力する座標のｘ軸とすると、センサユニット１Ａのｘ軸方向はセンサユニット１Ｂの角度となり、θpaはこの角度と遮光位置の角度の差分となる。センサユニット１Ｂのｘ軸方向はセンサユニット１Ａの方向となり、θpbはこの角度と遮光位置の角度の差分となる。センサユニット１Ｃのｘ軸方向はセンサユニット１Ｃからみたセンサユニット１Ａの角度からセンサユニット１Ａからみたセンサユニット１Ｂと１Ｃの角度の差分を引いた角度となる。そして遮光位置の角度とこのｘ軸方向の角度の差分がθpcとなる。センサユニット１Ｄのｘ軸方向は、センサユニット１Ｄから見たセンサユニット１Ｂの角度から、センサユニット１Ｂから見たセンサユニット１Ａと１Ｄの角度の差分を引いた角度となる。そして遮光位置の角度とこのｘ軸方向の角度の差分がθpdとなる。

センサユニットの組み合わせにより、４つの領域の座標を計算する事ができる。
・センサユニット１Ａと１Ｂの組み合わせの場合：
xpt=tanθpb/(tanθpa+tanθpb) …(8)
ypt=xpa*tanθpa …(9)
・センサユニット１Ｃと１Ｄの組み合わせの場合：
xpb=(YD-YC+XD*tanθpd+XC*tanθpc)/(tanθpd+tanθpc) …(10)
ypb=YC-(xpb-XC)*tanθpd …(11)
・センサユニット１Ｂと１Ｃの組み合わせの場合：
xpl=(tanθpb+XC*tanθpc-YC)/(tanθpb+tanθpc) …(12)
ypl=(1-xpl)*tanθpb …(13)
・センサユニット１Ａと１Ｄの組み合わせの場合：
xpr=(YD+XD*tanθpd)/(tanθpa+tanθpd) …(14)
ypr=xpr*tanθpa …(15)

以上説明したように本実施形態によれば、座標入力領域の自由度を増すため、センサバーを伸縮自在な構造にする。そして、その際に、その伸縮部に仮に「ガタ」が発生し、センサバーが多少折れ曲がるようになったとしても、その折れ曲がりの度合に応じて各センサユニットの位置を修正することにより、正確な座標を検出することができる。

なお、実施形態では、センサの折れ曲がりの位置を、センサバーの長手方向の中央位置するものとして説明したが、その折れ曲がり位置は中央位置から多少ずれた位置にあっても、上記のような処理で十分な精度で座標検出が行えることが確認された。

上記実施形態１では、２つのセンサバーそれぞれが互いに独立したＣＰＵを有し、互いに通信し合うものとして説明した。しかしながら、２つのセンサバーが高速な通信インタフェースで接続できるのであれば、４つのセンサにかかる制御は１つのＣＰＵで行ってもよい。この場合、２つのセンサバーの一方に全体の制御を司るＣＰＵを有し、他方のセンサバーにはそのＣＰＵからの指示に従い投光と受光結果を送信する回路を設ければ良い。

以上、実施形態１に係る原理を説明したが、各センサの位置調整は、操作者が一対のセンサバーをホワイトボードに対向するように設置、固定した後、センサバーに設けられた不図示の座標入力領域５の設定の開始指示するスイッチを操作した場合、その領域５を決定する前段階で行えば良いであろう。

以下、図１５のフローチャートに従い、上記実施形態における座標入力領域設定に係る処理を説明する。なお、ここでは、センサバー４Ａ（第１のセンサバー）内の制御・演算ユニット２Ａがマスターとなり、センサバー４Ｂ（第２のセンサバー）内の制御・演算ユニット２Ｂがスレーブとなった場合における、制御・演算ユニット２Ａの処理を中心に説明する。

先ず、ステップＳ１にて、座標入力領域設定が指示されたか否かを判定する。座標入力領域５の設定が指示された場合、その座標入力領域５の設定に先立ち、実施形態のように伸縮自在なセンサバーとすることによる誤差調整処理（Ｓ２乃至Ｓ４）を行う。

先ず、ステップＳ２では、第１の角度検出処理を行う。この第１の角度検出処理の具体的な一例は次の通りである。

先ず、制御・演算ユニット２Ａは、相手側であるセンサバー４Ｂに対し、センサユニット１Ｃを投光を実行するように指示する。そして、センサバー４Ａ自身のセンサユニット１Ａ、１Ｄにてセンサユニット１Ｃの角度θ３、θａ（図１０（ａ）参照）を検出する。この後、今度はセンサユニット１Ａ、１Ｄによる投光を開始し、センサバー４Ｂのセンサユニット１Ｃに対して、センサユニット１Ａ，１Ｄの成す角度θ２を測定させ、その結果を受信する。この結果、制御・演算ユニット２Ａは、図１０（ａ）におけるθ３、θａ、θ２を得ることができる。

先ず、ステップＳ３では、第２の角度検出処理を行う。この第２の角度検出処理の具体的な一例は次の通りである。

先ず、制御・演算ユニット２Ａは、センサバー４Ｂに対し、センサユニット１Ｂ、１Ｃを投光を実行するように指示する。そして、センサバー４Ａ自身のセンサユニット１Ａにて、センサユニット１Ｂ、１Ｃの存在する方向を検出させ、その成す角度θ１（図１０（ｂ）参照）を検出する。この後、制御・演算ユニット２Ａは、センサユニット１Ａを投光を行ない、センサバー４Ｂに対し、センサユニット１Ｂ、１Ｃそれぞれからセンサユニット１Ａの方向である角度θｈ、θ４（図１０（ｂ）参照）の検出を行なわせ、その結果を受信する。この結果、制御・演算ユニット２Ａは、図１０（ｂ）におけるθ１、θｈ、θ４を得ることができる。

この後、制御・演算ユニット２Ａは、ステップＳ４にて、センサユニット１Ａの座標を（０、０）と見なし、センサユニット１Ｃの座標を（１、０）と見なし、センサバーの折れ曲がりに対処したセンサユニット１Ｂ、１Ｃの相対位置の調整を行う。このあと、センサユニット１Ａの座標を（０、０）、センサユニット１Ｂの座標を（１、０）とする回転変換を行ない、その結果を、センサバー４Ｂに送信する。また、このとき、センサバー４Ｂの制御・演算ユニット２Ｂに対し、『θｅ３＋θｅ４』もしくは『（θｅ３＋θｅ４）／２』を通知して、角度のズレを通知する。

上記の結果、センサバー４Ａ，４Ｂの折れ曲がりの影響を最小にした各センサユニットの位置合せが完了したことになり、処理はステップＳ５に進んで、いよいよ座標入力領域５の設定処理を行う。この座標入力領域５の設定では、プロジェクタを利用して、ホワイトボード上に画面を表示し、その四隅を指示入力することで、座標入力の有効領域を決定することになる。

［実施形態２］
センサバーを伸縮自在にする場合、ガタが発生するとしても、その位置がセンサバーの長手方向の中央位置になるようにすることが望ましい（折れ曲がる位置から両端のセンサーユニットまでの距離が等しいことが望ましい）。理由は、センサユニット１Ａの基準角度に対する９０度の方向とセンサ間を結ぶ直線の誤差ｅ１と、センサ１Ｄの基準角度に対する９０度の方向とセンサ間を結ぶ直線の誤差ｅ２が等しくできるからである。そこで、本実施形態では、仮にガタが発生するとしても、積極的に、その位置がセンサバーの中央位置にする方法を説明する。

図１１はセンサバーの概略構成を示しており、図１１（ａ）はセンサバー４Ａが縮んだ状態、図１１（ｂ）はセンサバー４Ａが伸びた状態である。図１１において、１Ａ、１Ｄはセンサユニット、４Ａはセンサバーである。１１０１はセンサバーの伸縮機構を格納しているセンサバー筺体連結部である。１１０２Ａ、１１０２Ｂはセンサ１Ａ、１Ｂを格納するセンサバー筺体伸縮部である。１１０３は外側パイプ、１１０４Ａ、１１０４Ｂは内側パイプで、外側パイプ１１０３の内径と内側パイプ１１０４Ａ、１１０４Ｂの外形が略勘合の関係にある。外側パイプ１１０３はセンサバー筺体連結部１１０１に固定され、内側パイプ１１０４Ａ、１１０４Ｂはセンサバー筺体伸縮部１１０２Ａ、１１０２Ｂに固定される。センサバーの長さを伸縮させようとすると、外側パイプと１１０３と内側パイプ１１０４Ａ、１１０４Ｂが勘合関係を維持した状態でスライドする。

本実施形態にあっては、これらのパイプを金属製とする事で、伸縮動作時のセンサバーの伸縮方向や機械的強度を得ている。金属製パイプの一端は絞り加工が施され、押しつぶされた状態となり、その部分で筺体ケースに機械的に結合されると共に、センサユニット１Ａ、１Ｄが装着される。１１０５はピニオン、１１０６Ａ、１１０６Ｂはラックで、これによりセンサバー筺体連結部１１０１に対するセンサバー筺体伸縮部１１０２Ａと１１０２Ｂの伸縮量を等しくしている。１１０７Ａと１１０７Ｂはパイプガタを片寄せする為の負性ばねである。

図１２は上記構成におけるセンサバー４Ａの伸縮時の状態を示している。ラック１１０６Ａ、１１０６Ｂとピニオン１１０５によりセンサバー筺体連結部１１０１から伸びるセンサバー筺体伸縮部１１０２Ａ、１１０２Ｂの長さは、伸縮状態によらず常に等しくなる。また、負性ばね１１０７Ａ、１１０７Ｂにより外パイプ１１０３に対して内パイプ１１０４Ａ、１１０４Ｂが同じ方向に押される。この為、伸縮状態のよらず外パイプ１１０３に対する内パイプ１１０４Ａと１１０４Ｂの角度はほぼ等しくなる。つまりセンサバー筺体連結部１１０１とセンサバー筺体伸縮部１１０２Ａ、１１０２Ｂの角度θ１とθ２、θ３とθ４が等しくなる。この事から、センサバー４Ａの筺体の折れ曲がりによるセンサユニットの基準角度の誤差をほぼなくすことが可能となる。

［実施形態３］
実施形態３では、センサユニット１Ａと１Ｄの基準角度の誤差が、センサバーの伸縮部を一番伸ばした時（最大伸長時）に最小となる様、伸縮部を一番伸ばした時にセンサバーの長手方向の中心でセンサバーの筺体が折れ曲がる構成を示す。

図１３（Ａ）（Ｂ）は、センサバーの概略構成を示しており、上側筺体ケース１３０１、及び下側筺体ケース１３０２で構成される。１３０３は外側パイプ、１３０４は内側パイプで有り、外側パイプ１３０３の内径と内側パイプ１３０４の外形が略勘合の関係にある。外側パイプ１３０３は上側筺体１３０１に固定され、内側パイプ１３０４は下側筺体１３０２に固定される。上側筺体１３０１と下側筺体１３０２とでセンサバーの長さを伸縮させようとすると、外側パイプ１３０３と内側パイプ１３０４が勘合関係を維持した状態でスライドする（図１３（Ｂ）参照）。本願発明にあっては、これらのパイプを金属製とする事で、伸縮動作時のセンサバーの伸縮方向や機械的強度を得ている。金属製パイプの一端は絞り加工が施され、押しつぶされた状態となり、その部分で筺体ケースに機械的に結合されると共に、センサユニット１Ａ、１Ｂが装着される。

図１４はセンサバーの上側筺体１３０１と下側筺体１３０２の伸縮時の位置関係を示す図で、図１４（Ａ）はセンサバーが最も縮んだ状態となる。図１４（Ｂ）と（Ｃ）はセンサバーが最も伸びた状態で、この時上側筺体１３０１と下側筺体１３０２は伸縮部の勘合部分のスペースによって、わずかにセンサバーが折れ曲がる様子を表している。この時、センサバーの筺体の折れ曲がりの中心は、勘合部分の中心となるが、これがセンサバー内のセンサユニットの中心となるよう、勘合部分を配置している。

この実施形態では、センサバーを縮めた状態で持ち運び、座標入力装置として使用する場合はセンサバーを伸ばして使う事を想定している。これにより、実使用状態でのセンサバーの筺体の折れ曲がりによるセンサユニットの基準角度の誤差をほぼなくすことが可能となる。

（その他の実施例）
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

Claims (5)

1. 互いに対向するように配置される第１、第２のセンサバーを有する座標入力装置であって、
   ここで、前記第１，第２のセンサバーそれぞれは、長手方向に伸縮する機構を有すると共に、相手側のセンサバーのセンサユニットからの投光された光を反射する再帰反射部を前記長手方向に沿って有し、前記第１のセンサバーは、投光及び受光を行うための第１、第２のセンサユニットをその両端部に有すると共に、前記第２のセンサバーは、投光及び受光を行うための第３、第４のセンサユニットをその両端部に有する；
   前記第１のセンサユニットから前記第４のセンサユニットに向かう角度、前記第２のセンサユニットから前記第４のセンサユニットに向かう角度、前記第４のセンサユニットから見て前記第１のセンサユニットと前記第２のセンサの成す角度から、前記第１のセンサバーの折れ曲がりによる前記第１のセンサユニットに対する前記第２のセンサユニットの相対位置の誤差を調整し、
   前記第３のセンサユニットから前記第１のセンサユニットに向かう角度、前記第４のセンサユニットから前記第１のセンサユニットに向かう角度、前記第１のセンサユニットから見て前記第３のセンサユニットと前記第４のセンサユニットの成す角度から、前記第２のセンサバーの折れ曲がりによる前記第４のセンサユニットに対する前記第３のセンサユニットの相対位置の誤差を調整する調整手段と、
   を有することを特徴とする座標入力装置。
2. 各センサは、自身が固定されたセンサバーの長手方向に対して直交する方向を基準の軸とし、当該基準の軸に対する他方のセンサバーに固定されたセンサの存在する方向の角度を検出することを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
3. 前記第１，第２のセンサバーの長手方向に伸縮する機構は、両端部に設けられたセンサが、センサバーの中心位置から等しい距離となることを維持しながら移動が可能に構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の座標入力装置。
4. 前記第１，第２のセンサバーは、最大伸長時の折れ曲がる位置が、両端のセンサから等しい距離に位置することを特徴とする請求項２に記載の座標入力装置。
5. 互いに対向するように配置される機構を有する第１、第２のセンサバーを有する座標入力装置の制御方法であって、
   ここで、前記第１，第２のセンサバーそれぞれは、長手方向に伸縮する機構を有すると共に、相手側のセンサバーのセンサユニットからの投光された光を反射する再帰反射部を前記長手方向に沿って有し、前記第１のセンサバーは、投光及び受光を行うための第１、第２のセンサユニットをその両端部に有すると共に、前記第２のセンサバーは、投光及び受光を行うための第３、第４のセンサユニットをその両端部に有する；
   前記第１のセンサユニットから前記第４のセンサユニットに向かう角度、前記第２のセンサユニットから前記第４のセンサユニットに向かう角度、前記第４のセンサユニットから見て前記第１のセンサユニットと前記第２のセンサの成す角度から、前記第１のセンサバーの折れ曲がりによる前記第１のセンサユニットに対する前記第２のセンサユニットの相対位置の誤差を調整し、
   前記第３のセンサユニットから前記第１のセンサユニットに向かう角度、前記第４のセンサユニットから前記第１のセンサユニットに向かう角度、前記第１のセンサユニットから見て前記第３のセンサユニットと前記第４のセンサユニットの成す角度から、前記第２のセンサバーの折れ曲がりによる前記第４のセンサユニットに対する前記第３のセンサユニットの相対位置の誤差を調整する、
   ことを特徴とする座標入力装置の制御方法。

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