WO2012098962A1

WO2012098962A1 - 座標入力装置、および該座標入力装置を備えた表示装置ならびに座標入力方法

Info

Publication number: WO2012098962A1
Application number: PCT/JP2012/050320
Authority: WO
Inventors: 忠史川村; 小川　裕之
Original assignee: シャープ株式会社
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2012-07-26

Abstract

　座標入力装置（１）は、表示画面上においてユーザが近接または接触している対象物に向けて、擬似雑音符号によりスペクトラム拡散変調された電波を送信する少なくとも１つの送信アンテナ（２）と、送信アンテナ（２）と兼ねることが可能であり、対象物からの反射波を受信する少なくとも３つの受信アンテナ（３ａ～３ｃ）と、対象物の位置座標を検出する検出部（１２）とを備えている。検出部（１２）は、受信アンテナ（３ａ～３ｃ）ごとに、電波が送信されてから反射波を受信するまでの伝搬時間に基づき、送信アンテナ（２）と対象物との距離、および、受信アンテナ（３ａ～３ｃ）と対象物との距離の総和を求め、さらにその求めた総和に基づき、対象物の位置座標を検出する。

Description

座標入力装置、および該座標入力装置を備えた表示装置ならびに座標入力方法

　本発明は、アンテナを備えた座標入力装置、および該座標入力装置を備えた表示装置ならびに座標入力方法に関する。

　近年では、携帯電話、パーソナルコンピュータ、および音楽プレーヤ等の電子機器において、タッチパネルを搭載したタブレットタイプの電子機器が急増している。これらの電子機器では、キーボードあるいはボタンといった、従来のユーザインターフェイスによる入力操作ではなく、表示画面に種々の操作ボタンを表示し、指またはペン等で所望の操作ボタンを押下することによって、電子機器に対して対話形式で入力操作を行う。

　タッチパネルを備えた従来の電子機器を図２１に示す。図２１に示すように、タッチパネルを搭載した電子機器６０には、一般的に液晶表示装置等の表示装置の表示画面７０にタッチパネルが設けられている。ユーザがタッチパネル（表示画面７０）上で操作ボタン位置に指２０またはペン２１等でタッチすると、タッチ位置の座標が検知されて、その操作ボタンが押されたものと判定されるように構成されている。

　最近では、さらに（１）指とペンとに対応することができ、（２）表示装置の表示パネルと一体化することができ、（３）表示画面への近接と接触との区別ができる電子機器が求められている。例えば、特許文献１では、近接または接触している複数の導体の位置を検出する技術が開示されている。具体的には、本文献に開示されているタッチパネル装置は、複数の電極を所定の本数結合して接続した状態で導体の近接または接触位置の検出を行い、その後、検出した位置付近の電極を個別に接続し、その他の領域は複数の電極を所定の本数結合して接続した状態で導体の位置検出を行うようにしている。これによって、位置検出を高精度かつ短時間で行うことができると共に、複数の導体が近接または接触した場合でもこれらの位置検出を行うことができる。

日本国公開特許公報「特開２００９－２５８９０３号公報（２００９年１１月５日公開）」

　しかしながら、上述した特許文献１に開示されている技術では、（１）指とペンとに対応することができ、（２）表示装置の表示パネルと一体化することができ、（３）表示画面への近接と接触との区別ができる電子機器を実現し難い。なぜならば、特許文献１に開示されているタッチパネル装置においては、導体の近接位置または接触位置を検出することはできるが、導体が表示画面から離れている場合の解像度が不足していたり、ノイズが大きいため安定性に欠けていたりする等の理由から、導体の表示画面からの距離の絶対値を検出することは事実上困難なためである。

　そこで、本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、（１）指とペンとに対応することができ、（２）表示装置の表示パネルと一体化することができ、（３）表示画面への近接と接触との区別ができる座標入力装置および該座標入力装置を備えた表示装置ならびに座標入力方法を提供することにある。

　本発明の一態様に係る座標入力装置は、上記課題を解決するために、表示画面上においてユーザが近接または接触している対象物に向けて、擬似雑音符号によりスペクトラム拡散変調された電波を送信する少なくとも１つの送信アンテナと、上記送信アンテナと兼ねることが可能であり、上記対象物からの上記電波の反射波を受信する少なくとも３つの受信アンテナと、上記受信アンテナごとに、上記電波が上記送信アンテナから送信されてから、該受信アンテナに受信されるまでの伝搬時間を測定する測定部と、上記受信アンテナごとに、上記伝搬時間に基づき、上記電波が上記送信アンテナから送信されてから、該受信アンテナに受信されるまでの伝搬距離を求める算出部と、上記受信アンテナごとに、上記伝搬距離に基づき、上記対象物が存在し得る楕円面または球面を求める特定部と、上記受信アンテナごとに求めた上記楕円面または上記球面が上記表示画面側において互いに交わる交点を、上記対象物の位置座標として検出する検出部とを備えていることを特徴としている。

　上記の構成によれば、ユーザが対象物を表示画面に近接または接触させると、送信アンテナから送信されている電波は該対象物に反射する。各受信アンテナはその反射波を受信する。そこで、本発明の一態様に係る座標入力装置においては、受信アンテナごとに、送信アンテナから送信された電波が対象物に反射して受信アンテナが受信するまでの伝搬時間に基づいて、送信アンテナ、対象物、および、受信アンテナを結ぶ距離を求めている。そして、その求めた距離に基づいて、対象物の位置座標を検出する。特に、本発明の一態様の係る座標入力装置は、受信アンテナを少なくとも３つ備えているため、対象物の位置座標のｘ座標、ｙ座標、および、ｚ座標を容易に求めることができる。すなわち、対象物が近接しているのか、あるいは接触しているのかを判断することが可能である。

　また、本発明の一態様に係る表示装置においては、上記の課題を解決するために、上述したいずれかの座標入力装置を備えていることを特徴としている。

　上記の構成によれば、（１）指とペンとに対応することができ、（２）表示装置の表示パネルと一体化することができ、（３）表示画面への近接と接触との区別ができる表示装置を提供することができる。

　また、本発明の一態様に係る座標入力方法においては、上記の課題を解決するために、少なくとも１つの送信アンテナによって、表示画面上においてユーザが近接または接触している対象物に向けて、擬似雑音符号によりスペクトラム拡散変調された電波を送信するステップと、上記送信アンテナと兼ねることが可能な少なくとも３つの受信アンテナによって、上記対象物からの上記電波の反射波を受信するステップと、上記受信アンテナごとに、上記電波が上記送信アンテナから送信されてから、該受信アンテナに受信されるまでの伝搬時間を測定するステップと、上記受信アンテナごとに、上記伝搬時間に基づき、上記電波が上記送信アンテナから送信されてから、該受信アンテナに受信されるまでの伝搬距離を求めるステップと、上記受信アンテナごとに、上記伝搬距離に基づき、上記対象物が存在し得る楕円面または球面を求めるステップと、上記受信アンテナごとに求めた上記楕円面または上記球面が上記表示画面側において互いに交わる交点を、上記対象物の位置座標として検出するステップとを備えていることを特徴としている。

　上記の方法によれば、ユーザが対象物を近接または接触した位置を精度良く検出することができる。

　本発明の他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分分かるであろう。また、本発明の利点は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。

　本発明によれば、（１）指とペンとに対応することができ、（２）表示装置の表示パネルと一体化することができ、（３）表示画面への近接と接触との区別ができる座標入力装置および該座標入力装置を備えた表示装置ならびに座標入力方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る座標入力装置の要部構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る座標入力装置の一構成例を示す図である。本発明の一実施形態に係る表示パネルに対象物を近接させた状態を示す図である。本発明の一実施形態に係る送信アンテナが送信した電波のＰＮコード、受信アンテナが受信した電波のＰＮコード、ならびに、その相関出力を示す図である。本発明の一実施形態に係る送信アンテナおよび受信アンテナそれぞれの対象物までの距離を示す概略図である。対象物の位置座標の検出原理を示す概略図である。本発明の他の実施形態に係る座標入力装置の要部構成を示すブロック図である。本発明の他の実施形態に係る座標入力装置の一構成例を示す図である。本発明の一実施形態に係る表示パネルに対象物を近接させた状態を示す図である。送受信アンテナと対象物との距離の算出原理を示す概略図である。本発明の他の実施形態に係る各送受信アンテナと対象物との距離を示す概略図である。対象物の位置座標の検出原理を示す概略図である。本発明のさらに別の実施形態に係る座標入力装置の一構成例を示す図である。発信器から９５０ＭＨｚの電波信号を発した場合の電界分布のシミュレーション結果を示す図である。本発明のさらに別の実施形態に係る送信アンテナとして複数のアンテナを用いる場合の一構成例を示す図である。本発明のさらに別の実施形態に係る送信アンテナとして線状のアンテナを用いる場合の一構成例を示す図である。発信器から９５０ＭＨｚの電波信号を発した場合の電界分布のシミュレーション結果を示す図である。本発明のさらに別の実施形態に係る導波板内の電波の伝搬経路を示す概略図である。表示パネルの表面に、ＩＴＯドットが格子状に等間隔に並べられたガラス板を設ける場合の一構成例を示す図である。図中の（ａ）は、表示パネルの表面にガラス板のみを設けた場合の電界分布を示す図であり、図中の（ｂ）は、表示パネルの表面にアンテナパターンを設けた場合の電界分布を示す図である。タッチパネルを備えた従来の電子機器を概略的に示す図である。

　以下では、本発明に係る座標入力装置の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

　〔第１の実施形態〕
　（座標入力装置１の構成）
　まず、第１の実施形態に係る座標入力装置の構成について、図１および図２を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る座標入力装置１の要部構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態に係る座標入力装置１の一構成例を示す図である。

　本実施形態に係る座標入力装置１は、電波を送信する少なくとも１つの送信アンテナと、送信アンテナが送信した電波を受信する少なくとも３つの受信アンテナとを備える装置である。図１では、１つの送信アンテナ２と、３つの受信アンテナ３ａ～３ｃとを備えている座標入力装置１を示している。また、座標入力装置１は、送信アンテナ２および受信アンテナ３ａ～３ｃ（以下、受信アンテナ３とも称す）以外に、変調部５、復調部６、発信器７，８、ＰＮ符号作成器９、検波回路１１、および、検出部１２（測定部、算出部、演算部、特定部）を備えている。

　変調部５は、発信器７から発せられた電波（搬送波）を擬似雑音符号（ＰＮコード）でスペクトラム拡散変調する拡散器であり、送信アンテナ２は変調部５によって変調された電波を送信している。上記のＰＮコードは、発信器８からのクロック信号に基づいて、ＰＮ符号作成器９が出力している。一方、復調部６は、ＰＮコードの自己相関特性を利用して、受信アンテナ３ａ～３ｃが受信した電波への該ＰＮコードの同期を行うと共に、受信した電波の復調を行う逆拡散器である。

　座標入力装置１は、図２に示すように、液晶表示装置等の表示装置３０の表示パネル５０に搭載される。ここで、ユーザが指またはペン等の対象物１５で表示装置３０の表示パネル５０に近接または接触した場合、送信アンテナ２が対象物１５に向けて送信した電波の反射波を各受信アンテナ３が受信する。各受信アンテナ３が受信した電波は復調部６にて復調された後、検波回路１１にて検波される。検出部１２においては、検波された信号に基づいて、対象物１５の近接位置あるいは接触位置を検出する。具体的な検出方法については、以下に説明する。

　（座標検出方法）
　対象物の近接位置または接触位置の検出方法について、図３～６を参照して説明する。図３は、表示パネル５０にユーザの指２０等の対象物１５を近接させた状態を示す図である。図４は、送信アンテナ２が送信した電波のＰＮコード、受信アンテナ３ａ～３ｃが受信した電波のＰＮコード、ならびに、その相関出力を示す図である。図５は、送信アンテナ２および受信アンテナ３ａ～３ｃそれぞれの対象物１５までの距離を示す概略図である。図６は、対象物１５の位置座標の検出原理を示す概略図である。

　上述したように、座標入力装置１は表示装置３０の表示パネル５０に搭載されるが、図３に示すように、送信アンテナ２および受信アンテナ３ａ～３ｃは表示パネル５０に設けられた導波板１３に搭載してもよい。送信アンテナ２からは、変調部５によって変調された電波が送信されており、ユーザの指２０等の対象物１５が表示パネル５０に近接すると、送信アンテナ２からの電波は対象物１５によって反射される。各受信アンテナ３は、それぞれ対象物１５からの反射波を受信し、受信アンテナ３ごとに、受信した反射波は復調部６にて復調された後、検波回路１１にて検波される。

　検出部１２においては、検波回路１１にて検波された信号から、送信アンテナ２が送信した電波のＰＮコードと、各受信アンテナ３が受信した反射波のＰＮコードとの間で相関演算を行った結果の信号（相関出力）を生成する。検出部１２では、さらに相関出力に基づいて、送信アンテナ２が電波を送信してから受信アンテナ３が反射波を受信するまでの伝搬時間を求め、その伝搬時間から、受信アンテナ３ごとに、該受信アンテナ３と対象物１５との距離、および、送信アンテナ２と対象物１５との距離の総和を算出する。なお、受信アンテナ３ごとに、該受信アンテナ３と対象物１５との距離、および、送信アンテナ２と対象物１５との距離の総和を算出する処理は、例えば、特開２０００－５６０１２号公報あるいは特開２００１－５５１６３号公報に開示されている処理方法を適用可能である。

　例えば、特開２０００－５６０１２号公報に開示されている処理方法を以下に簡単に説明する。図４には、送信アンテナ２が送信した電波のＰＮコードと、１つの受信アンテナ３が受信した電波のＰＮコードと、その相関出力を示している。上述したように、ＰＮコードはクロック信号に基づいて出力されており、図中のＰＮコードにおいて黒く塗りつぶされている点がＰＮコードのスタート時点である。

　図４に示すように、受信アンテナ３が受信した電波のＰＮコードは、送信アンテナ２が送信した電波のＰＮコードと比較して、電波が送信アンテナ２から送信されてから、対象物１５に反射して受信アンテナ３に受信されるまでの伝搬時間に相当する遅延時間ｔを有する。したがって、検出部１２からの相関出力においては、遅延時間ｔに応じた時間で相関波形のピークが出現する。例えば、特開２０００－５６０１２号公報に開示されている処理方法では、コンボルバを用いているため、相関波形のピークは、ｔ／２だけ遅延した時点に出現する。ここで、遅延時間ｔは、次式（１）で表される。

　ｔ＝Ｄ／Ｃ　　　…（１）
　なお、Ｄ：受信アンテナ３から対象物１５までの距離、および、送信アンテナ２から対象物１５までの距離の総和、Ｃ：光の速度である。

　上記の式（１）に基づけば、距離の総和Ｄは、次式（２）で表すことができる。

　Ｄ＝ｔＣ　　　　…（２）
　ＰＮコードのスタート時点と、相関波形のピークの時点とを比較することによって、前者に対する後者の遅延時間を検出することができるので、ｔ／２は求まる。すなわち、遅延時間ｔが求まるので、式（２）から距離の総和Ｄを算出することができる。このようにして、送信アンテナ２が電波を送信してから受信アンテナ３が反射波を受信するまでの伝搬時間に基づいて、受信アンテナ３と対象物１５との距離、および、送信アンテナ２と対象物１５との距離の総和を求めることができる。

　以上では、伝搬時間の具体的な算出方法を挙げたが、本実施形態に係る座標入力装置１において適用し得る算出方法はこれに限定されるわけではない。伝搬時間を算出することができれば、いかなる手法を用いてもよい。

　以上の処理を、受信アンテナ３ごとに行う。したがって、図５に示すように、送信アンテナ２から対象物１５までの距離をＤ１、受信アンテナ３ａ～３ｃから対象物１５までの距離をそれぞれＤ２～Ｄ４とすると、Ｄ１＋Ｄ２、Ｄ１＋Ｄ３、および、Ｄ１＋Ｄ４が求まる。この際、送信アンテナ２ならびに受信アンテナ３ａの位置は既知であり、なおかつ、Ｄ１＋Ｄ２が定まっている。そのため、図６に示すように、送信アンテナ２の位置および受信アンテナ３ａの位置を焦点とする楕円面であって、送信アンテナ２から楕円面上の任意の点までの距離と、受信アンテナ３ａから楕円面上の該任意の点までの距離との総和がＤ１＋Ｄ２となる楕円面Ｑ１上に対象物１５はあることになる。同様に、送信アンテナ２の位置および受信アンテナ３ｂの位置を焦点とする楕円面Ｑ２上に対象物１５はあり、送信アンテナ２の位置および受信アンテナ３ｃの位置を焦点とする楕円面Ｑ３上に対象物１５はあることになる。

　したがって、３つの楕円面Ｑ１～Ｑ３の交点が対象物１５の位置となる。ただし、楕円面Ｑ１～Ｑ３の交点は２つあるが、２つの交点のうち、表示パネル５０の表示画面側に位置する交点が対象物１５の位置である。この交点の位置座標（ｘ座標、ｙ座標、ｚ座標）を求めれば、対象物１５の位置座標（ｘ座標、ｙ座標、ｚ座標）が求まる。ここで、楕円面Ｑ１～Ｑ３の交点は、楕円面Ｑ１～Ｑ３の方程式を連立させることによって求めることができる。例えば、表示パネル５０の中心を原点とした３次元空間を想定し、楕円面Ｑ１～Ｑ３の方程式を定め、それらを連立することによって交点の座標を求めてもよい。あるいは、表示パネル５０の四隅のいずれかを原点とした３次元空間を想定して楕円面Ｑ１～Ｑ３の方程式を定めてもよいし、特に限定はない。いずれにしても、楕円面Ｑ１～Ｑ３の方程式を定めることが可能であり、なおかつ、それらの交点の座標から、表示パネル５０上の位置を特定することができればよい。

　（作用効果）
　このように、本実施形態に係る座標入力装置１においては、送信アンテナ２から送信された電波が対象物１５に反射して受信アンテナ３が受信するまでの伝搬時間に基づいて、送信アンテナ２、対象物１５、および、受信アンテナ３を結ぶ距離を求めている。これによって、対象物１５が存在し得る楕円面が特定される。これを受信アンテナ３ごとに行うことによって、対象物１５が存在し得る３つの楕円面が特定される。これら３つの楕円面の交点が対象物１５の位置となるので、交点の座標を求めることによって対象物１５の位置座標を求めることができる。特に、受信アンテナ３を少なくとも３つ備えているため、対象物１５の位置座標のｘ座標、ｙ座標、および、ｚ座標を容易に求めることができる。すなわち、対象物１５が近接しているのか、あるいは接触しているのかを判断することが可能である。

　また、本実施形態に係る座標入力装置１では、空気と誘電率の差があるものであれば、表示パネル５０に近接または接触したことを検知することができる。すなわち、本実施形態に係る座標入力装置１は、指２０またはペン２１等、空気との誘電率の差があるものであれば、いかなるものにも対応することができる。

　すなわち、本発明によれば、（１）指とペンとに対応することができ、（２）表示装置の表示パネルと一体化することができ、（３）表示画面への近接と接触との区別ができる座標入力装置を提供することができる。

　なお、受信アンテナ３ａ～３ｃは、対象物１５からの反射波だけでなく、送信アンテナ２からの電波を直接受信してしまう場合がある。しかし、この場合は、送信アンテナ２および受信アンテナ３の位置は定まっているため、送信アンテナ２から直接送信された電波を予め排除することが可能である。なお、対象物の検出位置の距離がたまたま受信アンテナ３の距離と同じになると区別が付かなくなる。この場合は、区別が付かなくなる点は１点だけなのでその点を排除するために、受信アンテナ３を３個から４個に増やすことで対処することができる。このように、本実施形態に係る座標入力装置１は、少なくとも３つの受信アンテナ３を備えていればよく、４つ以上の受信アンテナ４を備えていてもよい。

　ところで、電波を送信し、その反射波を利用して対象物１５の位置を特定する技術は、例えば、ＧＰＳ（グローバル・ポジショニング・システム）等の衛星による測位技術、あるいは、ロランおよびデッカ等の船舶の電波航法に用いられる双曲線航法等に一般的に適用されている。本実施形態に係る座標入力装置１では、上記の技術と比較して、対象物１５とアンテナ（送信アンテナ２、受信アンテナ３）との距離が著しく小さくなっている。そのため、従来の技術では、電波の伝搬距離が長いことによる時間的な誤差、あるいは、伝搬途中の不均一性を補正する必要があるが、本実施形態においてはこれらの誤差は無視することができ、回路構成も簡単になる。その代わり、検出精度を高めていく工夫が望まれる。そこで、本実施形態においては、搬送波の周波数を高くすると共に、変調周波数も高くし、スペクトラム拡散を用いている。例えば、搬送波の周波数は、０．３～３ＧＨｚのマイクロ波帯であることが好ましく、好適には２．４ＧＨｚである。また、変調周波数は、２００ＭＨｚであることが好ましい。これによって、検出精度を約１ｍｍ以下に抑えることができる。

　〔第２の実施形態〕
　（座標入力装置１ａの構成）
　続いて、第２の実施形態に係る座標入力装置の構成について、図７および図８を参照して説明する。図７は、本実施形態に係る座標入力装置１ａの要部構成を示すブロック図である。図８は、本実施形態に係る座標入力装置１ａの一構成例を示す図である。

　上述した第１の実施形態に係る座標入力装置１では、送信アンテナ２と受信アンテナ３とはそれぞれ別のアンテナとして設けていたが、受信アンテナ３は送信アンテナ２を兼ねていてもよい。そこで、本実施形態に係る座標入力装置１ａは、送信アンテナと受信アンテナとを兼ねた少なくとも３つの送受信アンテナを備えている。図７では、３つの送受信アンテナ４ａ～４ｃを備えている座標入力装置１ａを示している。送受信アンテナ４ａ～４ｃにはそれぞれ方向性結合器１０が設けられており、これによって、送受信アンテナ４ａ～４ｃは、電波を送信しながらも電波を受信することができる。また、座標入力装置１ａは、送受信アンテナ４ａ～４ｃ（以下、送受信アンテナ４とも称す）以外に、変調部５、復調部６、発信器７，８、ＰＮ符号作成器９、検波回路１１、および、検出部１２を備えている。これらの部材の機能は、上述した第１の実施形態と同様であるため、ここではその説明は省略する。ただし、変調部５では、送受信アンテナ４ごとに、互いに異なる擬似雑音符号（ＰＮコード）で発信器７から発せられた電波（搬送波）を変調している。したがって、送受信アンテナ４ａ～４ｃはそれぞれ互いに異なるＰＮコードで変調された電波を送信している。

　座標入力装置１は、図８に示すように、液晶表示装置等の表示装置３０ａの表示パネル５０に搭載される。ここで、ユーザが指またはペン等の対象物１５で表示装置３０ａの表示パネル５０に近接または接触した場合、各送受信アンテナ４が対象物１５に向けて送信した電波の反射波を各送受信アンテナ４自身が受信する。各送受信アンテナ４が受信した電波は復調さ、検波された後、対象物１５の近接位置あるいは接触位置の検出に用いられる。具体的な検出方法については、以下に説明する。

　なお、図７には、変調部５および復調部６に送受信アンテナ４ａ～４ｃを接続する構成を示したが、必ずしもこれに限定されるわけではない。例えば、変調部５および復調部６に１つの送受信アンテナ４を接続した座標入力装置を３組用いる構成も可能である。

　（座標検出方法）
　対象物の近接位置または接触位置の検出方法について、図９～１２を参照して説明する。図９は、表示パネル５０にユーザの指２０等の対象物１５を近接させた状態を示す図である。図１０は、送受信アンテナ４と対象物１５との距離の算出原理を示す概略図である。図１１は、各送受信アンテナ４と対象物１５との距離を示す概略図である。図１２は、対象物１５の位置座標の検出原理を示す概略図である。

　上述したように、座標入力装置１は表示装置３０ａの表示パネル５０に搭載されるが、図９に示すように、送受信アンテナ４ａ～４ｃは表示パネル５０に設けられた導波板１３に搭載してもよい。各送受信アンテナ４からは、変調部５によって変調された電波が送信されており、ユーザの指２０等の対象物１５が表示パネル５０に近接すると、送受信アンテナ４からの電波は対象物１５によって反射される。各送受信アンテナ４は、それぞれ対象物１５からの反射波を受信し、送受信アンテナ４ごとに、受信した反射波は復調部６にて復調された後、検波回路１１にて検波される。

　検出部１２においては、検波回路１１にて検波された信号から、送受信アンテナ４ごとに、該送受信アンテナ４が送信した電波のＰＮコードと、自身が受信した反射波のＰＮコードとの間で相関演算を行った結果の信号（相関出力）を生成する。検出部１２では、さらに相関出力に基づいて、送受信アンテナ４が電波を送信してから反射波を受信するまでの伝搬時間を求め、その伝搬時間から、送受信アンテナ４ごとに、該送受信アンテナ４と対象物１５との距離を算出する。なお、送受信アンテナ４ごとに、該送受信アンテナ４と対象物１５との距離を算出する処理は、第１の実施形態と同様に、例えば、特開２０００－５６０１２号公報あるいは特開２００１－５５１６３号公報に開示されている処理方法を適用可能である。

　例えば、特開２０００－５６０１２号公報に開示されている処理方法を以下に簡単に説明する。図１０に示すように、送受信アンテナ４が受信した電波のＰＮコードは、自身が送信した電波のＰＮコードと比較して、電波が送受信アンテナ４から送信されてから、対象物１５に反射して送受信アンテナ４が受信するまでの伝搬時間に相当する遅延時間ｔを有する。すなわち、自身が送信した電波が対象物１５との間（距離Ｌ）を往復するまでの伝搬時間に相当する遅延時間ｔを有する。したがって、検出部１２からの相関出力においては、遅延時間ｔに応じた時間で相関波形のピークが出現する。例えば、特開２０００－５６０１２号公報に開示されている処理方法では、コンボルバを用いているため、相関波形のピークは、ｔ／２だけ遅延した時点に出現する。ここで、遅延時間ｔは、次式（３）で表される。

　ｔ＝２Ｌ／Ｃ　　　…（３）
　なお、Ｌ：送受信アンテナ４と対象物１５との距離、Ｃ：光の速度である。

　上記の式（３）に基づけば、距離Ｌは、次式（４）で表すことができる。

　Ｌ＝Ｃ（ｔ／２）　…（４）
　ＰＮコードのスタート時点と、相関波形のピークの時点とを比較することによって、前者に対する後者の遅延時間を検出することができるので、ｔ／２は求まる。すなわち、式（４）から距離Ｌを算出することができる。このようにして、送受信アンテナ４が電波を送信してから反射波を受信するまでの伝搬時間に基づいて、送受信アンテナ４と対象物１５との距離を求めることができる。

　以上の処理を、送受信アンテナ４ごとに行う。したがって、図１１に示すように、送受信アンテナ４ａ～４ｃから対象物１５までの距離をそれぞれＬ１～Ｌ３とすると、Ｌ１、Ｌ２、および、Ｌ３が求まる。この際、送受信アンテナ４ａ～４ｃの位置は既知であり、なおかつ、Ｌ１が定まっている。そのため、図１２に示すように、送受信アンテナ４ａの位置を中心とする球面であって、送受信アンテナ４ａから球面上の任意の点までの距離がＬ１となる球面Ｐ１上に対象物１５はあることになる。同様に、送受信アンテナ４ｂの位置を中心とする球面Ｐ２上に対象物１５はあり、送受信アンテナ４ｃの位置を中心とする球面Ｐ３上に対象物１５はあることになる。

　したがって、３つの球面Ｐ１～Ｐ３の交点が対象物１５の位置となる。ただし、球面Ｐ１～Ｐ３の交点は２つあるが、２つの交点のうち、表示パネル５０の表示画面側に位置する交点が対象物１５の位置である。この交点の位置座標（ｘ座標、ｙ座標、ｚ座標）を求めれば、対象物１５の位置座標（ｘ座標、ｙ座標、ｚ座標）が求まる。ここで、球面Ｐ１～Ｐ３の交点は、球面Ｐ１～Ｐ３の方程式を連立させることによって求めることができる。例えば、表示パネル５０の中心を原点とした３次元空間を想定し、球面Ｐ１～Ｐ３の方程式を定め、それらを連立することによって交点の座標を求めてもよい。あるいは、表示パネル５０の四隅のいずれかを原点とした３次元空間を想定して球面Ｐ１～Ｐ３の方程式を定めてもよいし、特に限定はない。いずれにしても、球面Ｐ１～Ｐ３の方程式を定めることが可能であり、なおかつ、それらの交点の座標から、表示パネル５０上の位置を特定することができればよい。

　なお、送受信アンテナ４ａ～４ｃは、対象物１５からの反射波だけでなく、自身が送信した電波を直接受信してしまう場合がある。しかし、この場合は、直接受信した電波は最も伝搬距離が短いので、対象物１５からの反射波との区別をつけることが可能である。

　上述した第１の実施形態に係る座標入力装置１は、最も単純で回路構成も簡単であるが、アンテナ（送信アンテナ２、受信アンテナ３）の数が多い。アンテナは、特性インピーダンスを調整することによって、電波をスムーズに放出（反射をなくす）したり、受信感度を向上させたりすることができるが、座標入力装置１においては、上記の調整が難しいアンテナは適用し難い。そこで、本実施形態に係る座標入力装置１ａは、回路構成が複雑ではあるが、各送受信アンテナ４は独立しているので、アンテナの調整が簡単であり、大型化が容易である。

　なお、第１の実施形態では送信アンテナ２および受信アンテナ３が独立している構成を示し、第２の実施形態では送信アンテナおよび受信アンテナが統合されている構成を示したが、必ずしもこれに限定されるわけではない。例えば、図１３に示すように、１つの送受信アンテナ４と、２つの受信アンテナ３ａ，３ｂとを備えた表示装置３０ｂとすることも可能である。この場合は、送受信アンテナ４が送信した電波を、送受信アンテナ４自身と、２つの受信アンテナ３ａ，３ｂとが受信する。そして、送受信アンテナ４は、自身が受信した電波に基づき、対象物１５が存在し得る球面を特定する。一方、受信アンテナ３ａ，３ｂでは、それぞれ受信した電波に基づき、対象物１５が存在し得る楕円面を特定する。次いで、特定した球面、ならびに、２つの楕円面の交点を求めることによって、対象物１５の位置を求めることができる。このように、送受信アンテナ４および受信アンテナ３の双方を備えた構成によっても、対象物１５の位置を検出することができる。このような構成にすると、第１の実施形態ほどアンテナの調整は難しくはなく、なおかつ、第２の実施形態ほど回路構成が複雑ではないので、コストと調整精度とのバランスがとれた座標入力装置が得られる。

　〔他の実施形態〕
　以下には、本発明の他の実施形態として、座標入力装置１の構成を一部変更した形態を示す。

　（アンテナの変形例）
　送信アンテナ２の形式としては、グランドプレーン、ダイポール、パッチアンテナ、またはスパイラルアンテナ等、種々のアンテナを用いることができる。例えば、９５０ＭＨｚに合わせたスパイラスアンテナは、電波の放射源をできるだけ小さい点にするために好適に用いられる。

　しかしながら、図１４に示すように、送信アンテナ２として一般的なアンテナを用いると、送信アンテナ２近傍の電界に歪みが生じてしまうという問題がある（図中の点線）。なお、本図では、図を見やすくするために、送信アンテナ２近傍の等電界線は省略している。送信アンテナ２近傍の電界が歪んでしまうと、対象物が送信アンテナ２近傍に近接または接触していても、近接位置または接触位置の正確な位置座標を検出することができず、検出精度に影響を及ぼしてしまう。座標入力装置１においては、座標の補正を容易に行うことができるので、電界の歪みを自身で補正することができるが、以下の方法によって均一な電界分布を形成することもできる。例えば、複数のアンテナ、あるいは、線状のアンテナを配置することによって、均一な電界分布を形成することができる。

　送信アンテナ２として、複数のアンテナを用いる場合の具体的な構成例を図１５に示す。図１５では、送信アンテナ２ａ～２ｃが、１つの送信アンテナとして機能している。具体的には、独立した送信アンテナ２ａ～２ｃを並列につなぎ、移相器２８，２９にて位相調整することによって、放射されたときの位相をそろえている。位相は、固定されていてよく、座標入力装置を作成する際に、送信アンテナ２ａ～２ｃが同位相となるように移相器２８，２９を設定すればよい。

　また、送信アンテナ２として、線状のアンテナを用いる場合の具体的な構成例を図１６に示す。図１６では、送信アンテナ２として線状の送信アンテナ２ｄを用いているが、該送信アンテナ２ｄは、スパイラルアンテナを解いて細長い線状のアンテナとなるようにしている。この場合、送信アンテナ２ｄ近傍の電界が平行となるように、スパイラルアンテナを適度に伸ばす必要がある。

　以上のように、複数の送信アンテナ２ａ～２ｃを用いたり、線状の送信アンテナ２ｄを用いたりすることによって、アンテナ近傍の電界の乱れを少なくすることができる。結果、対象物が送信アンテナ２近傍に近接または接触していても、近接位置または接触位置の正確な位置座標を検出することができる。なお、図示はしていないが、送受信アンテナ４を複数の送受信アンテナで構成したり、線状の送受信アンテナを用いたりする構成にすることも可能である。

　電界の歪みを防ぐ方法として、表示パネル５０の表面に無給電アンテナを格子状（一次元方向および二次元方向）に等間隔に並べる方法もある。その具体的な構成例を図１７に示す。図１７では、無給電アンテナが格子状に等間隔に並べられた無給電アンテナアレイ２２を表示パネル５０の表面に配置している。この場合、送信アンテナ２から放射された電波は、無給電アンテナの周りで強くなるので、送信アンテナ２近傍の電界の歪みを補正することができる。

　（導波板１３の変形例）
　座標入力装置１は、表示装置３０の表示パネル５０上に搭載されるが、図３および図９に示したように、表示パネル５０に設けられた導波板１３上に搭載してもよい。例えば、図１８に示すように、表示パネル５０の表面に高い誘電率を持つ誘電体、あるいは、金属薄膜からなる導波板１３を配した場合、導波板１３の近傍に電波が集中する。これは、誘電率が高い部分に電波が集中するためである。したがって、誘電率が高い物質を表示パネル５０上に配することによって、電波を表面近傍に集中させることができるので、対象物１５の検出距離ｄ１を短くし、検出感度を向上させることができる。導波板１３の下に表示装置３０が配されるので、導波板１３としては、透明な樹脂またはガラス板等を用いるのが好ましい。なお、導波板１３を用いると、送信アンテナ２からの電波の伝搬経路は導波板１３を経由するものになるが、何ら問題なく対象物１５の位置検出を行うことができる。

　ここで、表示パネル５０の表面に、導波板１３としてガラス板を設け、さらにその上に無給電アンテナアレイ２２としてＩＴＯドットを形成したアンテナパターンを設けた場合を図１９に示す。

　図１９に示すように、ガラス板３１上にＩＴＯドット３３を格子状に等間隔に並べたアンテナパターン３２を表示パネル５０の表面に設けている。その結果、表示パネル５０の表面近傍に電波が集中し、正面に放出される電波の指向性が強くなり、表示パネル５０からの距離の検出精度が上がる。

　特に、表示パネル５０の表面にガラス板３１のみを設けた場合に比較して、表示パネル５０の表面にアンテナパターン３２を設けた場合の方が、表面に電波を集中させることができる。そこで、表示パネル５０の表面に導波板１３としてガラス板３１のみを設けた場合と、ガラス板３１上に無給電アンテナアレイ２２を配したアンテナパターン３２を設けた場合とに形成される電界分布を図２０に示す。図２０中の（ａ）は、前者の場合の電界分布であり、図２０中の（ｂ）は、後者の場合の電界分布である。これらの図では、図を見やすくするために、送信アンテナ２近傍の等電界線は省略している。

　図２０中の（ａ）に示すように、表示パネル５０の表面にガラス板３１のみを設けた場合は、送信アンテナ２によって形成される電界には、歪みが生じている（図中の点線）。これに対して、図２０中の（ｂ）に示すように、表示パネル５０の表面にアンテナパターン３２を設けた場合は、送信アンテナ２によって形成される電界の歪みを補正することができる。したがって、対象物１５が送信アンテナ２近傍に近接または接触していても、近接位置または接触位置の正確な位置座標を検出することができる。

　このように、表示パネル５０の表面に導波板１３を設け、さらにその上に無給電アンテナアレイ２２を設けることによって、表示パネル５０の表面に電波を集中させることができると共に、送信アンテナ２近傍の電界の湾曲を緩和させることができる。このような構成のアンテナパターン３２としては、例えば、樹脂またはガラス板等の導波板１３にＩＴＯ等を無給電アンテナアレイ２２として堆積させたもの等が挙げられる。表示装置３０が液晶表示装置である場合は、液晶パネルを構成するガラス板の上には構造上ＩＴＯが存在するので、アンテナパターン３２（導波板１３、無給電アンテナアレイ２２）と液晶パネルとを兼ねることができる。

　なお、以上では、第１の実施形態に係る座標入力装置１の構成を変更した場合を想定して説明したが、第２の実施形態に係る座標入力装置１ａの構成に対しても同様な変更を実施することが可能なのは言うまでもない。

　本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

　〔実施形態の総括〕
　以上のように、本発明の一態様に係る座標入力装置では、空気と誘電率の差があるものであれば、表示画面に近接または接触したことを検知することができる。すなわち、本発明の一態様に係る座標入力装置は、指またはペン等、空気との誘電率の差があるものであれば、いかなるものにも対応することができる。

　すなわち、本発明の一態様によれば、（１）指とペンとに対応することができ、（２）表示装置の表示パネルと一体化することができ、（３）表示画面への近接と接触との区別ができる座標入力装置を提供することができる。

　また、本発明の一態様に係る座標入力装置においては、１つの上記送信アンテナと、３つの上記受信アンテナとを備えており、上記特定部は、上記受信アンテナごとに、該受信アンテナの位置と上記送信アンテナの位置とを焦点とする上記楕円面であって、該受信アンテナから上記楕円面上の任意の点までの距離、および、上記送信アンテナから上記任意の点までの距離の総和が上記伝搬距離となる上記楕円面を求めることを特徴としている。

　上記の構成によれば、送信アンテナ、対象物、および、受信アンテナを結ぶ距離を求めることによって、対象物が存在し得る楕円面が特定される。これを受信アンテナごとに行うことによって、対象物が存在し得る３つの楕円面が特定される。これら３つの楕円面の交点が対象物の位置となるので、交点の座標を求めることによって対象物の位置座標を求めることができる。

　また、本発明の一態様に係る座標入力装置においては、上記送信アンテナを兼ねている３つの上記受信アンテナを備え、３つの上記受信アンテナは、それぞれ互いに異なる擬似雑音符号によりスペクトラム拡散変調された電波を送信し、上記特定部は、上記受信アンテナごとに、該受信アンテナの位置を中心とする上記球面であって、該受信アンテナから上記球面上の任意の点までの距離が上記伝搬距離の半分となる上記球面を求めることを特徴としている。

　上記の構成によれば、送信アンテナ、対象物、および、受信アンテナを結ぶ距離（正確には、対象物と受信アンテナとの間の往復距離）を求めることによって、対象物が存在し得る球面が特定される。これを受信アンテナごとに行うことによって、対象物が存在し得る３つの球面が特定される。これら３つの球面の交点が対象物の位置となるので、交点の座標を求めることによって対象物の位置座標を求めることができる。

　また、本発明の一態様に係る座標入力装置においては、３つの上記受信アンテナを備え、３つの上記受信アンテナのうち、いずれか１つが上記送信アンテナを兼ねており、上記特定部は、上記送信アンテナを兼ねている上記受信アンテナについて、該受信アンテナの位置を中心とする上記球面であって、該受信アンテナから上記球面上の任意の点までの距離が、上記伝搬距離の半分となる上記球面を求めると共に、他の上記受信アンテナごとに、該受信アンテナの位置と上記送信アンテナの位置とを焦点とする上記楕円面であって、該受信アンテナから上記楕円面上の任意の点までの距離、および、上記送信アンテナから上記任意の点までの距離の総和が上記伝搬距離となる上記楕円面を求めることを特徴としている。

　上記の構成によれば、送信アンテナを兼ねている受信アンテナについては、対象物と受信アンテナとの間の往復距離を求めることによって、対象物が存在し得る球面が特定される。また、他の受信アンテナについては、送信アンテナ、対象物、および、受信アンテナを結ぶ距離を求めることによって、対象物が存在し得る２つの球面が特定される。これら１つの球面と２つの楕円面との交点が対象物の位置となるので、交点の座標を求めることによって対象物の位置座標を求めることができる。

　また、本発明の一態様に係る座標入力装置においては、上記受信アンテナが受信した上記反射波を復調する復調部と、復調した上記反射波に含まれる上記擬似雑音符号と、上記電波に含まれる上記擬似雑音符号との相関演算を行う演算部とをさらに備え、上記測定部は、復調した上記反射波に含まれる上記擬似雑音符号と、上記電波に含まれる上記擬似雑音符号との相関に基づき、該電波に含まれる上記擬似雑音符号に対する該反射波に含まれる上記擬似雑音符号の遅延時間を上記伝搬時間として測定することを特徴としている。

　上記の構成によれば、送信アンテナが送信した電波、ならびに、受信アンテナが受信した反射波に基づき、電波が送信されてから上記反射波を受信するまでの伝搬時間を求めることができる。

　また、本発明の一態様に係る座標入力装置においては、上記送信アンテナは、同位相となるように調整された複数のアンテナによって構成されていることを特徴としている。

　また、本発明の一態様に係る座標入力装置においては、上記送信アンテナは、線状のアンテナであることを特徴としている。

　上記の構成によれば、送信アンテナとして複数のアンテナを用いたり、線状のアンテナを用いたりすることによって、アンテナ近傍の電界分布の乱れを少なくすることができる。結果、対象物が送信アンテナ近傍に近接または接触していても、近接位置または接触位置の正確な位置座標を検出することができる。

　また、本発明の一態様に係る座標入力装置においては、上記表示画面に、格子状に等間隔に並べられた無給電アンテナをさらに備えていることを特徴としている。

　上記の構成によれば、送信アンテナから放射された電波は、無給電アンテナの周りで強くなるので、送信アンテナ近傍の電界の歪みを補正することができる。また、無給電アンテナを設けた場合では、表示画面の表面近傍に電波が集中し、正面に放出される電波の指向性が強くなり、表示画面からの距離の検出精度が上がる。

　発明の詳細な説明の項においてなされた具体的な実施形態または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する請求の範囲内で、いろいろと変更して実施することができるものである。

　本発明は、携帯電話、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、携帯ゲーム機、およびパーソナルコンピュータ等の機器において、表示画面に近接または接触することによって操作を行い場合に、これらの機器の表示装置に好適に用いられる。

１，１ａ，１ｂ　座標入力装置
２，２ａ～２ｄ　送信アンテナ
３，３ａ～３ｃ　受信アンテナ
４，４ａ～４ｃ　送受信アンテナ（受信アンテナ）
５　変調部
６　復調部
７，８　発信器
９　ＰＮ符号作成器
１０　方向性結合器
１１　検波回路
１２　検出部
１３　導波板
１５　対象物
２０　指
２１　ペン
２２　無給電アンテナアレイ
２８，２９　移相器
３０，３０ａ，３０ｂ　表示装置
３１　ガラス板
３２　アンテナパターン
３３　ＩＴＯドット
５０　表示パネル
６０　電子機器
７０　表示画面

Claims

　表示画面上においてユーザが近接または接触している対象物に向けて、擬似雑音符号によりスペクトラム拡散変調された電波を送信する少なくとも１つの送信アンテナと、
　上記送信アンテナと兼ねることが可能であり、上記対象物からの上記電波の反射波を受信する少なくとも３つの受信アンテナと、
　上記受信アンテナごとに、上記電波が上記送信アンテナから送信されてから、上記対象物に反射して該受信アンテナに受信されるまでの伝搬時間を測定する測定部と、
　上記受信アンテナごとに、上記伝搬時間に基づき、上記電波が上記送信アンテナから送信されてから、上記対象物に反射して該受信アンテナに受信されるまでの伝搬距離を求める算出部と、
　上記受信アンテナごとに、上記伝搬距離に基づき、上記対象物が存在し得る楕円面または球面を求める特定部と、
　上記受信アンテナごとに求めた上記楕円面または上記球面が上記表示画面側において互いに交わる交点を、上記対象物の位置座標として検出する検出部とを備えていることを特徴とする座標入力装置。
　１つの上記送信アンテナと、
　３つの上記受信アンテナとを備えており、
　上記特定部は、上記受信アンテナごとに、該受信アンテナの位置と上記送信アンテナの位置とを焦点とする上記楕円面であって、該受信アンテナから上記楕円面上の任意の点までの距離、および、上記送信アンテナから上記任意の点までの距離の総和が上記伝搬距離となる上記楕円面を求めることを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
　上記送信アンテナを兼ねている３つの上記受信アンテナを備え、
　３つの上記受信アンテナは、それぞれ互いに異なる擬似雑音符号によりスペクトラム拡散変調された電波を送信し、
　上記特定部は、上記受信アンテナごとに、該受信アンテナの位置を中心とする上記球面であって、該受信アンテナから上記球面上の任意の点までの距離が上記伝搬距離の半分となる上記球面を求めることを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
　３つの上記受信アンテナを備え、
　３つの上記受信アンテナのうち、いずれか１つが上記送信アンテナを兼ねており、
　上記特定部は、
　　上記送信アンテナを兼ねている上記受信アンテナについて、該受信アンテナの位置を中心とする上記球面であって、該受信アンテナから上記球面上の任意の点までの距離が、上記伝搬距離の半分となる上記球面を求めると共に、
　　他の上記受信アンテナごとに、該受信アンテナの位置と上記送信アンテナの位置とを焦点とする上記楕円面であって、該受信アンテナから上記楕円面上の任意の点までの距離、および、上記送信アンテナから上記任意の点までの距離の総和が上記伝搬距離となる上記楕円面を求めることを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
　上記受信アンテナが受信した上記反射波を復調する復調部と、
　復調した上記反射波に含まれる上記擬似雑音符号と、上記電波に含まれる上記擬似雑音符号との相関演算を行う演算部とをさらに備え、
　上記測定部は、復調した上記反射波に含まれる上記擬似雑音符号と、上記電波に含まれる上記擬似雑音符号との相関に基づき、該電波に含まれる上記擬似雑音符号に対する該反射波に含まれる上記擬似雑音符号の遅延時間を上記伝搬時間として測定することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の座標入力装置。
　上記送信アンテナは、同位相となるように調整された複数のアンテナによって構成されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の座標入力装置。
　上記送信アンテナは、線状のアンテナであることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の座標入力装置。
　上記表示画面に、格子状に等間隔に並べられた無給電アンテナをさらに備えていることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の座標入力装置。
　請求項１～８のいずれか１項に記載の座標入力装置を備えていることを特徴とする表示装置。
　少なくとも１つの送信アンテナによって、表示画面上においてユーザが近接または接触している対象物に向けて、擬似雑音符号によりスペクトラム拡散変調された電波を送信するステップと、
　上記送信アンテナと兼ねることが可能な少なくとも３つの受信アンテナによって、上記対象物からの上記電波の反射波を受信するステップと、
　上記受信アンテナごとに、上記電波が上記送信アンテナから送信されてから、該受信アンテナに受信されるまでの伝搬時間を測定するステップと、
　上記受信アンテナごとに、上記伝搬時間に基づき、上記電波が上記送信アンテナから送信されてから、該受信アンテナに受信されるまでの伝搬距離を求めるステップと、
　上記受信アンテナごとに、上記伝搬距離に基づき、上記対象物が存在し得る楕円面または球面を求めるステップと、
　上記受信アンテナごとに求めた上記楕円面または上記球面が上記表示画面側において互いに交わる交点を、上記対象物の位置座標として検出するステップとを備えていることを特徴とする座標入力方法。