JPH09160708A - ペン入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 入力ペンに操作ボタンを設けずに描画開始位
置等を入力することができ、しかも多数のスタイラスペ
ンを使用しても滑らかな描画入力を行うことができるペ
ン入力装置を提供する。 【解決手段】 入力ペン（１）の先端を表示部（５０）
の表示面上に当接させることにより所定量だけ入力ペン
本体内に引き込まれるペン芯（２）を設けるとともに、
この入力ペンに内蔵された圧電素子（３）から発生され
た超音波を表示部の表示面に設けられた複数の超音波受
信素子（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）で受信して、この複
数の超音波受信素子の受信出力に基づきペン芯を入力ペ
ン本体内に引き込む前のペン芯の先端の３次元的位置を
演算し、この演算されたの３次元的位置が表示部（５
０）の表示面の後ろか否かにより入力ペンによる表示モ
ードを切り換える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は手書き入力機能を
有するコンピュータシステム等におけるペン入力装置に
関し、特に入力ペンに操作ボタンを設けずに描画開始位
置等を入力できるようにして操作性の向上を図ったペン
入力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、手書き入力機能を有するコンピュ
ータシステム等における入力装置としては、 １）赤外線方式によるもの ２）感圧方式によるもの ３）静電容量方式によるもの ４）電磁方式によるもの ５）超音波方式によるもの 等が知られている。

【０００３】ここで、１）の赤外線方式によるものとし
ては、赤外線線を発光するライトペンによるスポット位
置を半導体位置検出素子を用いて検出するもの、入力面
に複数の赤外線発光素子および受光素子を配設して、赤
外線発光素子から発光された赤外線が指、入力ペン等に
より遮られた位置を受光素子の出力から判別することに
より指示位置を検出するもの等が知られている。

【０００４】また、２）の感圧方式によるものとして
は、複数のＸ軸電極が配設された電極シートと複数のＹ
軸電極が配設された支持体とをドットスペーサを介在さ
せて重ね合わせた感圧パネルを用いたもの、平行する２
枚のプレートを３次元スプリングを介して重ね合わせ、
指、入力ペン等により触れた位置の電流の変化を検出す
ることにより指示位置を検出するもの等が知られてい
る。

【０００５】また、３）の静電容量方式によるものとし
ては、２枚のガラス上に蒸着形成された導電性の膜をそ
れぞれＸ軸、Ｙ軸電極パターンとしてこの２枚のガラス
を電極パターン形成面を向かい合わせて張り合わせた静
電容量結合方式パネルを用いたもの等が知られている。

【０００６】更に、４）の電磁方式によるものとして
は、入力面に複数のセンサアンテナコイルを配設すると
ともに、入力ペンにはコイルとコンデンサからなる共振
回路を内蔵させ、まず上記複数のセンサアンテナコイル
に交流電流を流すことにより電磁誘導を利用して上記入
力ペンの共振回路に電流を流し、次に上記複数のセンサ
アンテナコイルに流した交流電流をを切り、この状態で
上記上記入力ペンの共振回路に流れる電流により発生す
る磁界を上記複数のセンサアンテナコイルで検出するこ
とにより入力ペンの指示位置を検出するもの等が知られ
ている。

【０００７】また、５）の超音波方式によるものとして
は、 ａ）ガラス基板上に超音波表面弾性波を発生する超音波
振動素子および超音波受信素子を配設し、指等の弾性波
吸収体の存在を上記超音波受信素子の受信信号の変化か
ら検出する超音波表面弾性波方式によるもの ｂ）特開昭６４−１０３１９号に開示されているよう
に、スクリーンパネルの表面に少なくとも２つの超音波
送受信機のセットを実装し、上記各セットの超音波送受
信機から送出された超音波が上記スクリーンパネルで所
望の位置を指示しているスタイラスペンで反射され該セ
ットの超音波送受信機で受信されるまでの時間から上記
スタイラスペンで指示されている上記スクリーンパネル
上の位置を演算算出するようにしたもの ｃ）実開昭６４−７３４０号に開示されているように、
同一平面上の既知な３点以上の点にマイクロホンを配設
するとともに、上記平面上の任意の座標位置に置くこと
のできる発音体を設け、上記マイクロホンの中の２つの
マイクロホンに発生する電圧の時間差から上記発音体を
含む双曲線の位置を決定し、この双曲線の２本以上の交
点から上記発音体の座標位置を決定するようにしたもの
等が知られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の１）〜４）の入力装置はいずれも構造が複雑であり、
製造コストが高価になるという問題がある。また、任意
サイズ、種類の入力面（ディスプレイ）への適用が困難
である。

【０００９】また、５）のａ）のものもその製造が難し
く、製造コストが高価になるという問題があり、１）〜
４）と同様に任意サイズ、種類の入力面（ディスプレ
イ）への適用が困難であるという問題がある。

【００１０】更に、５）のｂ）のものは、操作者の手な
どとスタイラスペンとの区別が不可能であり、それに起
因して誤動作を引き起こす可能性が高いという問題があ
る。また、５）のｃ）のものは、例えばスタイラスペン
の２次元座標上での指示位置を検出するためには、少な
くとも３個のマイクロホンを配設する必要があり、その
処理も複雑になるという問題がある。

【００１１】そこで、スタイラスペンに所定の送信タイ
ミングで超音波を送出する超音波発信手段を設け、この
スタイラスペンから送出される超音波を受信側に配設さ
れた複数の超音波受信素子で受信し、更にこの受信側に
おいて上記スタイラスペンからの超音波送信タイミング
を認識できるようにし、これにより複数の超音波受信素
子におけるでスタイラスペンからの超音波受信タイミン
グ、すなわちスタイラスペンから超音波が送信されてか
ら上記複数の超音波受信素子でその超音波を受信するま
での時間を計測することにより、その計測結果から上記
スタイラスペンによる指示位置を検出する構成が考えら
れている。

【００１２】しかし、上記構成において、例えば、スタ
イラスペンのよる描画画像を手書き入力として入力する
ような場合には、その手書き入力の開始位置を受信側に
知らせる必要がある。

【００１３】この場合は、スタイラスペンに描画ボタン
を設け、この描画ボタンの操作を上記超音波を用いて受
信側に知らせるように構成される。具体的には、上記ス
タイラスペンからの超音波送信タイミングをスタイラス
ペンの位置検出用と描画ボタンの操作検出用とに区別
し、この区別を受信側であらかじめ認識できるようにし
て行われる。

【００１４】しかし、この構成によると、 １）スタイラスペンに描画ボタンを設ける必要がある ２）描画ボタンの操作検出用の超音波送信タイミングを
設けることにより、スタイラスペンの位置検出用の超音
波送信タイミングの発生間隔が長くなり滑らかな描画デ
ータが得られなくなる ３）複数のスタイラスペンを同時に使用可能にするマル
チペン機能を採用する場合においては、２）の不都合は
更に顕著になるという問題が生じる。

【００１５】一般に、例えば、スタイラスペンによる描
画結果を表示するディスプレイサイズを７０インチ程度
とした場合、滑らかな描画の表示を可能にするためには
およそ２５ｍｓｅｃ程度の間隔でスタイラスペンの位置
を検出する必要があり、また、スタイラスペンからの超
音波送信タイミングの間隔は６ｍｓｅｃ程度必要である
が、描画ボタンの操作検出用の超音波送信タイミングを
設けるとスタイラスペンの位置の検出間隔は１２ｍｓｅ
ｃとなり、滑らかな描画の表示を可能にするには、同時
に２本のスタイラスペンしか使用できない。

【００１６】そこで、この発明は、入力ペンに操作ボタ
ンを設けずに描画開始位置等を入力することができ、し
かも多数のスタイラスペンを使用しても滑らかな描画入
力を行うことができるようにしたペン入力装置を提供す
ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ため、この発明は、所定の入力面に対する入力ペン
（１）による指示位置を入力するペン入力装置におい
て、前記入力ペンに内蔵される超音波発信手段（６）
と、前記所定の入力面に対して所定の位置関係で配設さ
れ、前記超音波発信手段から送出された超音波を受信す
る複数の超音波受信素子（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）
と、所定周期の同期信号を発生する同期信号発生手段
（３５）と、前記入力ペンに設けられ、前記同期信号発
生手段から発生される同期信号に基づき、前記超音波発
信素子から送出される超音波の送信タイミングを制御す
る送信タイミング制御手段（１１）と、前記同期信号発
生手段から発生される同期信号を基準として前記複数の
超音波受信素子による前記超音波の受信タイミングをそ
れぞれ検出する受信タイミング検出手段（７０）と、前
記入力ペンに設けられ、該入力ペンの先端を前記表示装
置の表示面上に当接させることにより前記入力ペンのペ
ン芯を所定量だけ前記入力ペン本体内に引き込むペン芯
移動手段（２、３、４）と、前記受信タイミング検出手
段で検出した前記複数の超音波受信素子による前記超音
波の受信タイミングおよび前記入力ペンのペン芯を前記
入力ペン本体内に引き込む前の前記超音波発信手段から
前記ペン芯の先端までの距離に基づき前記所定の入力面
に対する前記ペン芯を前記入力ペン本体内に引き込む前
の前記ペン芯の先端の３次元的位置を演算する演算手段
（４０）と、前記所定の入力面に対する前記演算手段で
演算された前記ペン芯の先端の３次元的位置から前記入
力ペンによる入力開始位置を判別する判別手段（４３）
とを具備することを特徴とする。

【００１８】ここで、前記所定の入力面は、前記入力ペ
ンにより描画された画像を表示する表示装置（５０）の
表示画面上に設定され、前記判別手段は、前記演算手段
で演算された前記ペン芯の先端の３次元的位置が前記表
示装置の表示画面の後ろ側にあるときは前記入力ペンに
よる描画の開始点として判別するように構成することが
できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】この発明のペン入力装置において
は、先端を表示装置の表示面上に当接させることにより
入力ペンのペン芯を所定量だけ入力ペン本体内に引き込
むペン芯移動手段を設けた入力ペンを用いる。入力ペン
の先端の３次元的位置を複数の超音波受信素子の受信出
力に基づき検出する。ここで、ペン芯の先端の３次元的
位置が所定の入力面の後ろ側にあると検出された場合
は、入力ペンの先端が表示装置の表示面上に当接されて
いることを意味するので、この検出に基づき、例えば描
画の開始点として判別する。

【００２０】このような構成によると、入力ペンに操作
ボタンを設けずに描画開始位置等を入力することが可能
になる。

【００２１】以下、この発明に係わるペン入力装置の実
施例を添付図面を参照して詳細に説明する。

【００２２】図１は、この発明に係わるペン入力装置を
適用して構成した情報処理装置の一実施例の概略構成を
ブロック図で示したものである。

【００２３】図１において、この実施例の情報処理装置
は入力ペン（以下これをスタイラスペンという）１を用
いて表示部５０の表示画面上で指示された指示位置に対
応する画像を表示部５０の表示画面上に表示するもので
ある。

【００２４】この実施例において、スタイラスペン１に
は後に詳述するようにその先端から超音波を出力する超
音波発信手段が設けられており、この超音波発信手段か
ら送出される超音波に基づき表示部５０の表示画面上に
おける指示位置を検出してこの指示位置に対応する画像
を表示部５０の表示画面上に表示する。

【００２５】すなわち、この実施例の情報処理装置はス
タイラスペン１から発生された超音波を受信する３個の
超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃこの３個の超音
波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃの受信出力を処理す
る超音波受信部３０、この超音波受信部３０の処理結果
に基づきスタイラスペン１による指示位置を演算してこ
の指示位置に対応する画像の表示部５０における表示制
御を行う演算処理部４０を具備して構成される。

【００２６】この実施例の情報処理装置の外観は、例え
ば図２に示すように構成されており、表示部５０の表示
画面に対して所定の位置関係で３個の超音波受信素子３
１ａ、３１ｂ、３１ｃが配設されており、また上記超音
波受信部３０および演算処理部４０はこの情報処理装置
本体１００内に内蔵されている。

【００２７】また、表示部５０の表示画面の近傍には、
図２に示すように、スタイラスペン１の不使用時にこの
スタイラスペン１を収容するためのペンホルダ３４が設
けられている。ここで、このペンホルダ３４には、後に
詳述するように、このスタイラスペンから送出される超
音波の送出タイミングと超音波受信部３０における超音
波受信処理との同期をとるための同期回路が設けられて
いる。

【００２８】また、この実施例において、スタイラスペ
ン１はコードレスのスタイラスペンとして構成され、こ
のスタイラスペン１の駆動電源はスタイラスペン１に内
蔵された二次電池が用いられており、上記ペンホルダ３
４はこの二次電池を充電するためのアダプタとしての機
能も有している。

【００２９】まず、この実施例における３個の超音波受
信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃの受信出力に基づき表示
部５０の表示画面上に対するスタイラスペン１による指
示位置を３次元的に検出する原理を説明する。

【００３０】図３は、表示部５０の表示画面に対して所
定の位置関係で配設された３個の超音波受信素子３１
ａ、３１ｂ、３１ｃとスタイラスペン１による指示位置
の関係を示したものである。

【００３１】今、３次元的に配設された３つの超音波受
信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃに固定された３次元座標
系Ｘ−Ｙ−Ｚを考える。

【００３２】ここで、超音波受信素子３１ａは、この３
次元座標系Ｘ−Ｙ−Ｚの原点に配設されており、超音波
受信素子３１ｂは、この３次元座標系Ｘ−Ｙ−ＺのＹ軸
上の点（０、Ｌｙ、０）に配設され、超音波受信素子３
１ｃは、３次元座標系Ｘ−Ｙ−ＺのＺ軸上の点（０、
０、Ｌｚ）に配設されているとする。

【００３３】また、スタイラスペン１による指示位置
が、この３次元座標系Ｘ−Ｙ−Ｚ上の点（ｘ、ｙ、ｚ）
であるとするとし、超音波受信素子３１ａから点（ｘ、
ｙ、ｚ）までの距離がｎ、超音波受信素子３１ｂから点
（ｘ、ｙ、ｚ）までの距離がｍ、超音波受信素子３１ｃ
から点（ｘ、ｙ、ｚ）までの距離がｌであるとすると、 ｌ² ＝（Ｌｚ−ｚ）² ＋ｎ² −ｚ² …（１） ｎ² ＝ｘ² ＋ｙ² ＋ｚ² …（２） ｍ² ＝ｘ² ＋（Ｌｙ−ｙ）² ＋ｚ² …（３） の関係が成立する。この式（１）〜（３）からｘ、ｙ、
ｚについて解くと ｘ＝±ＳＱＲＴ［ｎ² −｛（Ｌｙ² ＋ｎ² −ｍ² ）／２Ｌｙ｝² −｛（Ｌｚ² ＋ｎ² −ｌ² ）／２Ｌｚ｝² ］ …（４） ｙ＝（Ｌｙ² ＋ｎ² −ｍ² ）／２Ｌｙ …（５） ｚ＝（Ｌｚ² ＋ｎ² −ｌ² ）／２Ｌｚ …（６） ただし、ＳＱＲＴ（Ａ）はＡの平方根を示す。

【００３４】となる。ここでＬｙおよびＬｚは、超音波
受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃの配設位置によって決
定される既知の値であるので、超音波受信素子３１ａか
ら点（ｘ、ｙ、ｚ）までの距離ｎ、超音波受信素子３１
ｂから点（ｘ、ｙ、ｚ）までの距離ｍ、超音波受信素子
３１ｃから点（ｘ、ｙ、ｚ）までの距離ｌがわかれば、
３次元的に配設された３つの超音波受信素子３１ａ、３
１ｂ、３１ｃに固定された３次元座標系Ｘ−Ｙ−Ｚ上に
おけるスタイラスペン１による指示位置（ｘ、ｙ、ｚ）
を求めることができる。

【００３５】図４は、この実施例で用いるスタイラスペ
ン１の構造を示したものである。図４に示すように、こ
の実施例で用いるスタイラスペン１は、その内部にスプ
リング４により弾性的に支持され、摺動可能に配設され
たペン芯２が配設されており、このペン芯２の先端部２
ａを図１に示した表示部５０の表示面に当接させると、
図５に示すように、このペン芯２の先端部２ａがスタイ
ラスペン１の内部に移動するように構成されている。

【００３６】また、図６に示すように、このスタイラス
ペン１の内部には超音波を発生する圧電素子６が固定配
設されており、またスタイラスペン１の先端部にはこの
圧電素子６から発生された超音波を反射させる略円錐型
の超音波反射部７が固定配設されており、更に、このス
タイラスペン１の上記超音波反射部７の配設箇所に対応
する箇所には、上記超音波反射部７で反射された超音波
を外部に送出するための超音波通過窓８が設けられてい
る。

【００３７】なお、図４乃至図６において、３はペン芯
２の移動を規制するストッパであり、また５はこのスタ
イラスペン１の圧電素子６からの超音波の発生を制御す
る制御回路である。この制御回路５内には、この制御回
路５を駆動する電源である２次電池が設けられている。

【００３８】図４乃至図６の構成において、圧電素子６
で発生された超音波は超音波反射部７で反射されて、超
音波通過窓８を通って外部に送出される。ここで、圧電
素子６および超音波反射部７はスタイラスペン１に対し
て固定的に配設されるが、ペン芯２はスタイラスペン１
に対して摺動可能に配設されている。

【００３９】すなわち、ペン芯２の先端部２ａを表示部
５０の表示面に当接させると図５に示したように、この
ペン芯２はスプリング４の弾性力に抗してストッパ３に
当接するまでスタイラスペン１の内部に移動するが、ペ
ン芯２をの先端部２ａ表示部５０の表示面から離すとス
プリング４の弾性力により図４に示す状態に復帰するよ
うに構成されている。

【００４０】ここで、圧電素子６から超音波通過窓８ま
での距離はＬａに設定されており、また、図４に示すペ
ン芯２の先端部２ａを表示部５０の表示面に当接させな
い状態における超音波通過窓８からペン芯２の先端部２
ａの先端までの距離はＬｂ＋Ｌｃ、図５に示すペン芯２
の先端部２ａを表示部５０の表示面に当接させた状態に
おける超音波通過窓８からペン芯２の先端部２ａの先端
までの距離はＬｂに設定されている。

【００４１】図７は、ペン芯２の先端部２ａを表示部５
０の表示面に当接させない場合と、ペン芯２の先端部２
ａを表示部５０の表示面に当接させた場合における圧電
素子６および超音波反射部７の配設位置および超音波通
過窓８からペン芯２の先端部２ａの先端までの距離の変
化の様子を示したものである。

【００４２】すなわち、図７において、ペン芯２の先端
部２ａを表示部５０の表示面に当接させない場合は、圧
電素子６からペン芯２の先端部２ａまでの距離はＬａ＋
Ｌｂ＋Ｌｃになり、ペン芯２の先端部２ａを表示部５０
の表示面に当接させると、圧電素子６からペン芯２の先
端部２ａまでの距離はＬａ＋Ｌｂになる。

【００４３】この実施例においては、このＬａ＋Ｌｂ＋
ＬｃとＬａ＋Ｌｂの距離差を利用してこのスタイラスペ
ン１による、例えば描画開始点を指示するように構成さ
れている。

【００４４】すなわち、この実施例においては、後述す
るように、超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃの超
音波受信出力に基づき図４に示した状態におけるこのス
タイラスペン１の先端部２ａの表示部５０の表示面に対
する３次元座標座標を算出するように構成されており、
ここで、スタイラスペン１の先端部２ａが表示部５０の
表示面に当接された場合は、その算出３次元座標座標
は、表示部５０の表示面より距離Ｌｃだけ中に入った位
置になる。そこで、この場合は、スタイラスペン１の先
端部２ａが表示部５０の表示面に当接されたとして、こ
の点を例えば描画開始点として検出するように構成され
ている。

【００４５】ところで、この実施例において、超音波受
信素子３１ａからスタイラスペン１による指示位置
（ｘ、ｙ、ｚ）までの距離ｎ、超音波受信素子３１ｂか
らスタイラスペン１による指示位置（ｘ、ｙ、ｚ）まで
の距離ｍ、超音波受信素子３１ｃからスタイラスペン１
による指示位置（ｘ、ｙ、ｚ）までの距離ｌを、図６に
示した圧電素子６で発生されスタイラスペン１の先端、
すなわち超音波通過窓８から送出される超音波を用いて
検出する。

【００４６】具体的には、この距離ｎ、距離ｍ、距離ｌ
の検出は、スタイラスペン１の先端から出力される超音
波が超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃで検出する
までの時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃを検出することにより行わ
れる。

【００４７】ところで、上述したように、この実施例で
はスタイラスペン１内に内蔵された圧電素子６から発生
された超音波をスタイラスペン１の先端部に配設された
反射部７で反射させて超音波通過窓８を通って外部に送
出するように構成されているので、上記時間Ｔａ、Ｔ
ｂ、Ｔｃは、圧電素子６から発生された超音波が超音波
受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃで検出するまでの時間
となる。

【００４８】すなわち、上記時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃには
圧電素子６から発生された超音波が超音波通過窓８に到
達するまでの時間を含んでいる。したがって、圧電素子
６から超音波が超音波通過窓８までの距離はＬａである
から、超音波の空間伝達速度をＣとすると、上記距離
ｎ、距離ｍ、距離ｌは ｎ＝Ｃ×Ｔａ−Ｌａ …（７） ｍ＝Ｃ×Ｔｂ−Ｌａ …（８） ｌ＝Ｃ×Ｔｃ−Ｌａ …（９） により求めることができる。

【００４９】この時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃを検出する処理
は、図１に示す超音波受信部３０における受信処理部３
２で行われる。

【００５０】図８は、この図１に示す超音波受信部３０
における受信処理部３２の具体的構成を示したものであ
る。この実施例では、スタイラスペン１の不使用時にこ
のスタイラスペン１を収納するペンホルダ３５が設けら
れており、このペンホルダ３５には、後に詳述するよう
に、スタイラスペン１の超音波発信手段から出力される
超音波の出力タイミングと受信処理部３２における受信
処理との同期をとる同期回路３５が設けられている。

【００５１】この同期回路３５は、受信処理部３２に設
けられた基本クロック生成回路３２４から出力される基
本クロックを計数し、その計数値が一定の値になる毎に
スタイラスペン１の超音波発信手段から出力される超音
波の出力タイミングを制御する同期信号を出力するよう
に構成されている。

【００５２】また、スタイラスペン１には、上記基本ク
ロック生成回路３２４と同一の周波数の基本クロックを
生成する後に説明する基本クロック生成回路（オシレー
タ）が設けられており、この基本クロック生成回路は、
このスタイラスペン１がペンホルダ３５に収納されたと
きに、上記同期回路３５から出力される同期信号を入力
して、上記受信処理部３２に設けられた基本クロック生
成回路３２４との同期を確立し、このスタイラスペン１
をペンホルダ３５から取り出した後は、上記同期回路３
５と同様にこの受信処理部３２に設けられた基本クロッ
ク生成回路３２４との同期して動作する基本クロック生
成回路から出力される基本クロックを計数し、図９に示
すようにその計数値が一定の値になる毎にスタイラスペ
ン１の超音波発信手段から送出される超音波送出タイミ
ングを制御するように構成されている。

【００５３】すなわち、スタイラスペン１をペンホルダ
３５に収納すると、スタイラスペン１の超音波発信手段
からの超音波送出タイミングと受信処理部３２における
受信処理との同期がとられ、スタイラスペン１の超音波
発信手段からの超音波送出タイミングは同期回路３５か
ら受信処理部３２に加えられる同期信号のタイミングと
一致することになる。

【００５４】同期回路３５から受信処理部３２に加えら
れる同期信号は、受信処理部３２のカウンタ３２１、３
２２、３２３のリセット端子に加えられ、カウンタ３２
１、３２２、３２３はこの同期信号に同期してクリアさ
れる。

【００５５】また、カウンタ３２１、３２２、３２３の
計数入力端子には基本クロック生成回路３２４から出力
される基本クロックが入力され、またこのカウンタ３２
１、３２２、３２３の計数停止を制御する制御入力端子
には、スタイラスペン１の先端から出力される超音波を
受信したときに超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃ
からそれぞれ出力される受信クロックが入力されてい
る。

【００５６】すなわち、カウンタ３２１、３２２、３２
３は、スタイラスペン１の先端からの超音波送出タイミ
ングで同時にリセットされ、それぞれ超音波受信素子３
１ａ、３１ｂ、３１ｃから受信クロックが入力されるま
で基本クロック生成回路３２４から出力される基本クロ
ックを計数し、その結果、カウンタ３２１、３２２、３
２３の計数値は、スタイラスペン１の先端から出力され
る超音波が超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃで検
出するまでの時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃに対応するものにな
る。

【００５７】図１０は、このカウンタ３２１、３２２、
３２３による時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃの検出動作をタイミ
ングチャートで示したものである。

【００５８】すなわち、スタイラスペン１の基本クロッ
ク生成回路は図１０の（ａ）に示す基本クロックを生成
し、図１０の（ｂ）に示す同期信号の立上がりに同期し
てスタイラスペン１の先端から超音波を出力するための
図１０の（ｃ）に示す送信クロックを発生し、この送信
クロックに同期してスタイラスペン１の超音波を発生す
る圧電素子６を駆動するための図１０の（ｄ）に示す超
音波駆動信号を発生する。この超音波駆動信号によりス
タイラスペン１の圧電素子６が駆動され、スタイラスペ
ン１の先端からはこの送信クロックが生じている間だけ
超音波が出力される。

【００５９】このスタイラスペン１の先端から出力され
た超音波は超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃで受
信され、超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃからは
この超音波の受信に対応して図１０の（ｅ）に示すよう
な受信クロックが出力される。

【００６０】そこで、カウンタ３２１、３２２、３２３
では、図１０の（ｂ）に示す同期信号の立上がりタイミ
ングから図１０の（ｅ）に示す受信クロックの立上がり
タイミングまでの時間Ｔ、すなわち時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔ
ｃを基本クロック生成回路３２４から出力される基本ク
ロック（図１０の（ａ）に示す基本クロックと同一のク
ロック）を計数することにより求めることができる。

【００６１】このカウンタ３２１、３２２、３２３で計
数されたスタイラスペン１の先端から出力される超音波
が超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃで検出するま
での時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃは、受信時間保持回路３２
５、３２６、３２７でそれぞれ保持され、通信部３３を
介して図１に示した演算処理部４０に伝えられる。

【００６２】演算処理部４０は、この通信部３３を介し
て伝えられた時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃを通信部４１を介し
て受取り、演算部４２においてこの時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔ
ｃに基づきスタイラスペン１、２により指示された指示
位置を演算算出する。

【００６３】この演算部４２においては、まず、前述し
た式（７）〜（９）に基づき、スタイラスペン１、２か
ら超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃまでの距離
ｎ、ｍ、ｌを算出する。

【００６４】そして、この算出した距離ｎ、ｍ、ｌおよ
び前述した式（４）〜（６）に基づき、超音波受信素子
３１ａ、３１ｂ、３１ｃに固定された３次元座標系Ｘ−
Ｙ−Ｚ上におけるスタイラスペン１による指示位置
（ｘ、ｙ、ｚ）を算出し、更に図６に示した距離Ｌｂ＋
Ｌｃの補正を行うことにより、このスタイラスペン１の
先端部２ａの表示部５０の表示面に対する３次元座標座
標を算出する。

【００６５】この補正は、表示部５０の表示面に対する
法線と３次元座標系のＹ軸とが平行な位置関係にあると
ものとして、上記指示位置（ｘ、ｙ、ｚ）に対して上記
距離Ｌｂ＋Ｌｃに対応する補正値を加減算すればよい。

【００６６】例えば、これを簡単な例で示すと、図１１
に示すように、表示部５０の表示面に対する法線が、図
３に示したＸ−Ｙ−Ｚ座標系のＹ軸と平行な関係にあっ
た場合は、距離Ｌｂ＋ＬｃをＹ軸の座標値から減ずれば
よい。ここで、この距離Ｌｂ＋Ｌｃは可能な限り小さく
する必要がある。すなわち、この距離Ｌｂ＋Ｌｃが大き
くなると、スタイラスペン１の傾きにより正確な補正が
できなくなる。

【００６７】また、判定部４３においては、上記演算部
４２で算出されたスタイラスペン１の先端部２ａの表示
部５０の表示面に対する３次元座標座標に基づきスタイ
ラスペン１の先端部２ａが表示部５０の表示面に当接さ
れているか否か、すなわちスタイラスペン１のペン芯２
が内部に移動しているか否かを判定する。

【００６８】すなわち、判定部４３においては、演算部
４２で算出されたスタイラスペン１の先端部２ａの表示
部５０の表示面に対する３次元座標座標が図１２に示す
ように表示部５０の表示面５０ａの内側の点Ｐである場
合は、スタイラスペン１の先端部２ａが表示部５０の表
示面に当接されていると判定する。

【００６９】表示制御部４４では、演算部４２による演
算結果および判定部４３による判定結果に基づき表示部
５０における表示を制御する。

【００７０】すなわち、表示制御部４４では、演算部４
２により演算されたスタイラスペン１の先端部２ａの位
置に基づき表示部５０の表示面上にカーソルを表示し、
判定部４３によりスタイラスペン１の先端部２ａが表示
部５０の表示面に当接されていると判定された場合は、
この点を、例えば、このスタイラスペン１による描画の
開始点として認識してこのスタイラスペン１による描画
に対応する画像を表示部５０の表示面上に表示する。

【００７１】次に、図１に示した超音波受信部３０およ
び演算処理部４０の具体的詳細構成について説明する。

【００７２】図１３は、スタイラスペン１の内部回路構
成を示したものである。図１３において、このスタイラ
スペン１は、このスタイラスペン１からの超音波の送信
タイミングを制御する送信タイミング制御部１１、オペ
アンプ１６を有し送信タイミング制御部１１から出力さ
れた超音波駆動クロックを増幅するアンプ部１５、超音
波送出器１８を有しアンプ部１５から出力される超音波
駆動信号により超音波を送出する送出部１７を具備して
いる。

【００７３】ここで、超音波送出器１８は、図６および
図７に示した超音波を発生する圧電素子６に対応する。

【００７４】ところで、この実施例においては、後に詳
述する複数のスタイラスペンを同時使用可能なマルチペ
ン機能および複数の表示モードを切替可能なマルチモー
ド機能を可能にしているので、送信タイミング制御部１
１は、基本クロックを生成するオシレータ（基本クロッ
ク生成部）１３からの基本クロックに応じてこのスタイ
ラスペン１からの超音波送信タイミング制御の状態遷移
を制御するシーケンサ１２を有している。

【００７５】図１４は、図１に示した超音波受信部３０
および演算処理部４０の具体的構成を示したものであ
る。

【００７６】図１４において、超音波受信部３０は、受
信処理部３２、通信部３３から構成される。

【００７７】ここで、超音波受信部３０は図１に示した
超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃから構成される
受信センサ部３１からの超音波受信出力を入力処理す
る。

【００７８】受信処理部３２には、アンプ部６０、受信
タイミング制御部７０からなり、アンプ部６０にはオペ
アンプ６１が設けられ、受信センサ部３１から出力され
る微小信号を受信タイミング制御部７０で処理できる信
号に増幅する。

【００７９】また、受信タイミング制御部７０には、カ
ウンタ、レジスタ７１、シーケンサ７２、オシレータ７
３、ＳＣＣ（シリアル通信制御部）初期化部７４が設け
られている。

【００８０】ここで、カウンタ、レジスタ７１は、図８
に示したカウンタ３２１、３２２、３２３および受信時
間保持回路３２５、３２６、３２７に対応し、オシレー
タ７３は基本クロックを生成する図８に示した基本クロ
ック生成回路３２４に対応する。

【００８１】また、シーケンサ７２は、オシレータ７３
から出力される基本クロックに基づきこの受信タイミン
グ制御部７０の受信タイミング制御の遷移状態を制御す
るものである。このシーケンサ７２は、図８に示したペ
ンホルダ３４の同期回路３５からの同期信号（リセット
信号）によりリセットされ、図１３に示したシーケンサ
１２に同期して受信タイミング制御部７０における受信
タイミング制御の遷移状態を制御する。

【００８２】また、通信部３３には、ＳＣＣ（シリアル
通信制御部）３３１およびＲＳ２３２Ｃインタフェース
を駆動するための２３２Ｃドライバ３３２が設けられて
おり、受信タイミング制御部７０から出力された信号を
シリアルポートを用いて演算処理部４０に転送する。

【００８３】演算処理部４０は、図１に示した演算処理
部４０に対応するもので、所定のアプリケーションが搭
載され、スタイラスペン１の指示位置に対応した表示を
制御するウインドウ処理部（Ｗｉｎ ｆｏｒ Ｐｅ
ｎ）、マウスドライバ等を有し、ＲＳ２３２Ｃインタフ
ェースを介して超音波受信部３０の通信部３３に接続さ
れるパーソナルコンピュータから構成される。

【００８４】図１５は、上記構成において１本のスタイ
ラスペンＰｅｎ＃１を用いた場合の図１３に示した送信
タイミング制御部１１のシーケンサ１２による超音波送
信タイミング制御の制御例を示したものである。

【００８５】この場合、この１本のスタイラスペンＰｅ
ｎ＃１において、図１３に示す送信タイミング制御部１
１のシーケンサ１２からは、時間Ｔ間隔の超音波駆動信
号がアンプ部１５を介して送出部１７に与えられ、これ
によりこの１本のスタイラスペンＰｅｎ＃１の送出部１
７の超音波送出器からは、図１５に示すように、時間Ｔ
間隔で各超音波送出期間ｔの超音波を発生する。

【００８６】ここで、この図１５に示す場合において
は、時間Ｔの超音波発生間隔を１フレーム＃１として、
各フレーム＃１にこの１本のスタイラスペンＰｅｎ＃１
が割り当てられるように構成されている。

【００８７】すなわち、この場合、この１本のスタイラ
スペンＰｅｎ＃１に割り当てられた時間Ｔの超音波発生
間隔からなるフレーム＃１が繰り返されることになる。

【００８８】図１４に示した受信タイミング制御部７０
のシーケンサ７２では、この図１５に示した各フレーム
＃１に同期して超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃ
で受信した受信信号を処理を行い、演算処理部４０では
この１本のスタイラスペンＰｅｎ＃１の位置を演算算出
する。

【００８９】ところで、この実施例においては、図１２
で説明したように図１に示した判別部４３において、こ
のスタイラスペンの演算算出位置に基づきこのスタイラ
スペンの先端部２ａが表示部５０の表示面に当接されて
いるか否かを判別することができるので、この場合、こ
の１本のスタイラスペンＰｅｎ＃１の位置を時間Ｔの超
音波発生間隔で知ることができ、ここで、この時間Ｔ
が、例えば６ｍｓｅｃであるとすると、６ｍｓｅｃ間隔
でスタイラスペンの位置を知ることができるので、滑ら
かな描画を行うのに充分な時間間隔でスタイラスペンの
位置情報を得ることができる。

【００９０】図１６は、図１４および図１４に示した構
成において、２本のスタイラスペンＰｅｎ＃１およびＰ
ｅｎ＃２を用いた場合の図１３に示した送信タイミング
制御部１１のシーケンサ１２による超音波送信タイミン
グ制御の制御例を示したものである。

【００９１】この場合、この２本のスタイラスペンＰｅ
ｎ＃１およびＰｅｎ＃２において、図１３に示す送信タ
イミング制御部１１のシーケンサ１２からは、時間Ｔ間
隔の超音波駆動信号が交互にアンプ部１５を介して送出
部１７に与えられ、これによりこの２本のスタイラスペ
ンＰｅｎ＃１およびＰｅｎ＃２の送出部１７の超音波送
出器からは、図１６に示すように、時間Ｔ間隔で各超音
波送出期間ｔの超音波を交互に発生する。

【００９２】ここで、この図１６に示す場合において
は、時間Ｔの超音波発生間隔を１フレーム＃１として、
各フレーム＃１にこの２本のスタイラスペンＰｅｎ＃１
およびＰｅｎ＃２が交互に割り当てられる。

【００９３】すなわち、この場合、このスタイラスペン
Ｐｅｎ＃１に割り当てられた時間Ｔの超音波発生間隔か
らなるフレーム＃１およびスタイラスペンＰｅｎ＃２に
割り当てられた時間Ｔの超音波発生間隔からなるフレー
ム＃１が繰り返されることになる。

【００９４】そして、図１４に示した受信タイミング制
御部７０のシーケンサ７２では、この図１６に示した各
フレーム＃１に同期して超音波受信素子３１ａ、３１
ｂ、３１ｃで受信した受信信号を処理を行い、演算処理
部４０ではこの２本のスタイラスペンＰｅｎ＃１および
Ｐｅｎ＃２の位置をそれぞれ演算算出する。

【００９５】ここで、この実施例においては、図１２で
説明したように図１に示した判別部４３において、この
２本のスタイラスペンＰｅｎ＃１およびＰｅｎ＃２のそ
れぞれの演算算出位置に基づきこの２本のスタイラスペ
ンＰｅｎ＃１およびＰｅｎ＃２の先端部２ａが表示部５
０の表示面に当接されているか否かを判別することがで
きるので、この場合、各スタイラスペンＰｅｎ＃１の位
置を時間２の超音波発生間隔で知ることができ、ここ
で、この時間Ｔが、例えば６ｍｓｅｃであるとすると、
１２ｍｓｅｃ間隔で各スタイラスペンの位置を知ること
ができるので、滑らかな描画を行うのに充分な時間間隔
でスタイラスペンの位置情報を得ることができる。

【００９６】図１７は、図１４および図１４に示した構
成において、２本のスタイラスペンＰｅｎ＃１およびＰ
ｅｎ＃２を用い、各スタイラスペンによる描画開始点等
を各スタイラスペンに設けられたスイッチのオン、オフ
により検出して、このスイッチのオン、オフを示す情報
を超音波発生間隔Ｔの他のフレームに割り当てて送出す
る構成を採用した場合における図１３に示した送信タイ
ミング制御部１１のシーケンサ１２による超音波送信タ
イミング制御の制御例を参考までに示したものである。

【００９７】この場合、各スタイラスペンＰｅｎ＃１お
よびＰｅｎ＃２に対してフレーム＃１とフレーム＃２の
２フレームが割り当てられて、フレーム＃１は常時超音
波を送出するスタイラスペンＰｅｎ＃１およびＰｅｎ＃
２の位置検出用のフレームとして用いられ、フレーム＃
２は、上記スイッチがオンした場合にのみ超音波を送出
するスイッチのオン、オフ検出用のフレームとして用い
られる。

【００９８】すなわち、この場合、このスタイラスペン
Ｐｅｎ＃１に割り当てられたそれぞれ時間Ｔの超音波発
生間隔からなるフレーム＃１およびフレーム＃２と、ス
タイラスペンＰｅｎ＃２に割り当てられたそれぞれ時間
Ｔの超音波発生間隔からなるフレーム＃２が繰り返され
ることになる。

【００９９】この場合、この時間Ｔが、例えば６ｍｓｅ
ｃであるとすると、各スタイラスペンの位置を知ること
ができる時間間隔は２４ｍｓｅｃとなり、滑らかな描画
を行うのに要求される時間間隔のぎりぎりの時間間隔で
しかでスタイラスペンの位置情報を得ることができず、
例えば使用するスタイラスペンの数が３本以上になると
滑らかな描画を行うことができない。

【０１００】しかし、この発明のペン入力装置において
は、図１に示した判別部４３において、各スタイラスペ
ンのそれぞれの演算算出位置に基づき各スタイラスペン
の先端部２ａが表示部５０の表示面に当接されているか
否かを判別することができるので、例えば３本のスタイ
ラスペンを用いた場合でも、上記時間Ｔが、例えば６ｍ
ｓｅｃであるとすると、１８ｍｓｅｃ間隔で各スタイラ
スペンの位置を知ることができるので、滑らかな描画を
行うのに充分な時間間隔で各スタイラスペンの位置情報
を得ることができる。

【０１０１】なお、上記実施例においては、スタイラス
ペンの先端部２ａが表示部５０の表示面に当接されてい
るか否かの判別結果に応じて、このスタイラスペンの描
画開始点を識別するように構成したが、このスタイラス
ペンの先端部２ａが表示部５０の表示面に当接されてい
るか否かの判別結果に応じて、このスタイラスペンによ
る他の表示モードを切り換えるように構成してもよい。

【０１０２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、入力ペンに該入力ペンの先端を表示装置の表示面上
に当接させることにより入力ペンのペン芯を所定量だけ
入力ペン本体内に引き込むペン芯移動手段を設け、この
入力ペンに内蔵された超音波発信手段から送出された超
音波を上記表示装置の表示面に設けられた複数の超音波
受信素子で受信し、演算手段によりこの複数の超音波受
信素子の受信出力に基づきペン芯を入力ペン本体内に引
き込む前のペン芯の先端の３次元的位置を演算し、この
演算されたの３次元的位置に基づき入力ペンによる表示
モードを切り換えるように構成したので、入力ペンに操
作ボタンを設けずに描画開始位置等を入力することがで
き、しかも多数のスタイラスペンを使用しても滑らかな
描画入力を行うことが可能になるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に係わるペン入力装置を適用して構
成した情報処理装置の一実施例の概略構成を示すブロッ
ク図。

【図２】 図１に示した情報処理装置の外観を示す斜視
図。

【図３】 図１に示した表示部の表示画面に対して所定
の位置関係で配設された３個の超音波受信素子とスタイ
ラスペンによる指示位置の関係を示した図。

【図４】 図１に示した実施例で用いるスタイラスペン
の概略構造を示したもので、このスタイラスペンのペン
芯の先端部を表示部の表示面に当接させていない状態を
示す図。

【図５】 図１に示した実施例で用いるスタイラスペン
の概略構造を示したもので、このスタイラスペンのペン
芯の先端部を表示部の表示面に当接させた状態を示す
図。

【図６】 図４および図５に示したスタイラスペンの超
音波送出構造を説明するための図。

【図７】 図４乃至図６に示したスタイラスペンのペン
芯が表示部の表示面に当接させない場合と、ペン芯を表
示部の表示面に当接させた場合とにおける圧電素子およ
び超音波反射部の配設位置および超音波通過窓からペン
芯の先端部の先端までの距離の変化の様子を示した図。

【図８】 図１に示した超音波受信部における受信処理
部の具体的構成を示したブロック図。

【図９】 図８に示したスタイラスペンにおける基本ク
ロックと超音波送出タイミングとの関係を示すタイミン
グチャート。

【図１０】 図８に示したカウンタによる超音波受信時
間の検出動作を示すタイミングチャート。

【図１１】 図９に示した超音波通過窓からペン芯の先
端までの距離の補正処理を説明する図。

【図１２】 図１に示した判別部によるスタイラスペン
の先端部が表示部の表示面に当接されているか否かを判
別する処理を説明するための図。

【図１３】 図１に示したスタイラスペンの内部回路の
具体的構成例を示したブロック図。

【図１４】 図１に示した超音波受信部および演算処理
部の具体的構成を示したブロック図。

【図１５】 図１３および図１４に示した構成において
１本のスタイラスペンを用いた場合における送信タイミ
ング制御部のシーケンサによる超音波送信タイミング制
御の一例を示したタイミングチャート。

【図１６】 図１３および図１４に示した構成において
２本のスタイラスペンを用いた場合における送信タイミ
ング制御部のシーケンサによる超音波送信タイミング制
御の一例を示したタイミングチャート。

【図１７】 図１４および図１４に示した構成におい
て、２本のスタイラスペンを用い、各スタイラスペンに
よる描画開始点等を各スタイラスペンに設けられたスイ
ッチのオン、オフにより検出して、このスイッチのオ
ン、オフを示す情報を他のフレームに割り当てて送出う
する構成を採用した場合における送信タイミング制御部
のシーケンサによる超音波送信タイミング制御の制御例
を示す図。

【符号の説明】

１…スタイラスペン、３０…超音波受信部、３１ａ，３
１ｂ，３１ｃ…超音波受信素子、３２…受信処理部、３
３…通信部、４０…演算処理部、４１…通信部、５０…
表示部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の入力面に対する入力ペンによる指
   示位置を入力するペン入力装置において、 前記入力ペンに内蔵される超音波発信手段と、 前記所定の入力面に対して所定の位置関係で配設され、
   前記超音波発信手段から送出された超音波を受信する複
   数の超音波受信素子と、 所定周期の同期信号を発生する同期信号発生手段と、 前記入力ペンに設けられ、前記同期信号発生手段から発
   生される同期信号に基づき、前記超音波発信素子から送
   出される超音波の送信タイミングを制御する送信タイミ
   ング制御手段と、 前記同期信号発生手段から発生される同期信号を基準と
   して前記複数の超音波受信素子による前記超音波の受信
   タイミングをそれぞれ検出する受信タイミング検出手段
   と、 前記入力ペンに設けられ、該入力ペンの先端を前記表示
   装置の表示面上に当接させることにより前記入力ペンの
   ペン芯を所定量だけ前記入力ペン本体内に引き込むペン
   芯移動手段と、 前記受信タイミング検出手段で検出した前記複数の超音
   波受信素子による前記超音波の受信タイミングおよび前
   記入力ペンのペン芯を前記入力ペン本体内に引き込む前
   の前記超音波発信手段から前記ペン芯の先端までの距離
   に基づき前記所定の入力面に対する前記ペン芯を前記入
   力ペン本体内に引き込む前の前記ペン芯の先端の３次元
   的位置を演算する演算手段と、 前記所定の入力面に対する前記演算手段で演算された前
   記ペン芯の先端の３次元的位置から前記入力ペンによる
   入力開始位置を判別する判別手段とを具備することを特
   徴とするペン入力装置。
2. 【請求項２】 前記所定の入力面は、 前記入力ペンにより描画された画像を表示する表示装置
   の表示画面上に設定され、 前記判別手段は、 前記演算手段で演算された前記ペン芯の先端の３次元的
   位置が前記表示装置の表示画面の後ろ側にあるときは前
   記入力ペンによる描画の開始点として判別することを特
   徴とする請求項１記載のペン入力装置。