(57)【要約】  デジタルペンから離れた場所に設けられた表示画面と、デジタルペンが指し示す方向との交点に対するペン入力を行うことができるようにする。デジタルペンシステムは、自身の方向に関する情報を含む信号を定期的に送信する棒状のデジタルペンと、当該信号に基づいてデジタルペンの３次元空間における位置と方向を検出することにより、デジタルペンの長手方向への延長線と表示装置の表示画面との交点を算出し、表示装置に対して当該交点の位置にペン入力を行わせる受信装置と、を備えている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自身の方向に関する情報を含む信号を定期的に送信する棒状のデジタルペンと、
前記信号に基づいて前記デジタルペンの３次元空間における位置と方向を検出することにより、前記デジタルペンの長手方向への延長線と表示装置の表示画面との交点を算出し、該表示装置に対して該交点の位置にペン入力を行わせる受信装置と、を備えているデジタルペンシステム。
【請求項２】
前記デジタルペンは、送信タイミングを表す電磁波信号を送出する電磁波送信部と、
前記電磁波信号の送出と同時に自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成する超音波駆動部と、
前記超音波駆動信号により駆動され、前記超音波駆動信号の基本周波数よりも高い周波数の超音波信号を送信する超音波送信部と、をさらに備えている、請求項１に記載のデジタルペンシステム。
【請求項３】
前記受信装置は、前記電磁波信号を検出する電磁波受信部と、
同一直線上にない少なくとも３つの超音波検出部を有し、該少なくとも３つの超音波検出部を介して前記超音波信号を受信する超音波受信部と、
前記超音波駆動信号と同一の波形をモデル波形とし、受信した超音波信号と該モデル波形との間で相関値を算出し、算出された相関値の主ピーク値を検出し、前記電磁波信号の検出時刻と該主ピーク値の検出時刻に基づいて超音波伝播時間を算出する伝播時間算出部と、をさらに備えている、請求項２に記載のデジタルペンシステム。
【請求項４】
前記デジタルペンは、少なくとも４軸の方向を特定する角度センサをさらに備え、当該角度センサに基づいて自身の方向を特定する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のデジタルペンシステム。
【請求項５】
前記角度センサは、加速度センサを備えている、請求項４に記載のデジタルペンシステム。
【請求項６】
前記角度センサは、３軸加速度センサ及び２軸加速度センサを備えている、請求項５に記載のデジタルペンシステム。
【請求項７】
前記角度センサは、ジャイロセンサを備えている、請求項４乃至６のいずれか１項に記載のデジタルペンシステム。
【請求項８】
前記超音波送信部は、圧電素子又は磁歪素子を備えている、請求項２乃至７のいずれか１項に記載のデジタルペンシステム。
【請求項９】
前記超音波送信部の送信面は、ほぼ球面形状である、請求項２乃至８のいずれか１項に記載のデジタルペンシステム。
【請求項１０】
前記超音波受信部は、圧電素子若しくは磁歪素子又はマイクロフォンを備えている、請求項３乃至９のいずれか１項に記載のデジタルペンシステム。
【請求項１１】
前記少なくとも３つの超音波検出部のうちの少なくとも２つの位置が固定されている、請求項３乃至１０のいずれか１項に記載のデジタルペンシステム。
【請求項１２】
前記少なくとも３つの超音波検出部は、前記表示画面又はその延長面上に設けられている、請求項３乃至１１のいずれか１項に記載のデジタルペンシステム。
【請求項１３】
前記デジタルペンは、前記交点の位置を指し示すレーザポインタを備えている、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のデジタルペンシステム。
【請求項１４】
前記レーザポインタと超音波及び／又は電磁波の発生タイミングとを連動させ、前記レーザポインタの軌跡を前記表示画面に表示する、請求項１３に記載のデジタルペンシステム。
【請求項１５】
前記擬似ランダム信号は、Ｍ系列信号である、請求項２乃至１４のいずれか１項に記載のデジタルペンシステム。
【請求項１６】
デジタルペンが、自身の方向に関する情報を含む信号を定期的に送信する工程と、
受信装置が、前記信号に基づいて前記デジタルペンの３次元空間における位置と方向を検出することにより、前記デジタルペンの長手方向への延長線と表示装置の表示画面との交点を算出し、該表示装置に対して該交点の位置にペン入力を行わせる工程と、を含むペン入力方法。
【請求項１７】
前記デジタルペンが、送信タイミングを表す電磁波信号を送出する工程と、
前記電磁波信号の送出と同時に自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成する工程と、
前記超音波駆動信号により駆動され、前記超音波駆動信号の基本周波数よりも高い周波数の超音波信号を送信する工程と、を含む、請求項１６に記載のペン入力方法。
【請求項１８】
前記受信装置が、前記電磁波信号を検出する工程と、
同一直線上にない少なくとも３つの超音波検出部を介して前記超音波信号を受信する工程と、
前記超音波駆動信号と同じ波形をモデル波形とし、受信した超音波信号と該モデル波形との間で相関値を算出し、算出された相関値の主ピーク値を検出し、前記電磁波信号の検出時刻と該主ピーク値の検出時刻に基づいて超音波伝播時間を算出する工程と、を含む、請求項１７に記載のペン入力方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願についての記載］
本発明は、日本国特許出願：特願２００９−２３３８９４号（２００９年１０月０７日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は、デジタルペンシステム及びペン入力方法に関し、特に、３次元自由空間におけるペン操作に基づいて、表示装置に対する入力を可能とするデジタルペンシステム及びペン入力方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１において、超音波を用いた位置検出方法に基づく電子ペン（デジタルペン）システムが記載されている。このデジタルペンシステムは、一定周期で一定波形の超音波信号と赤外線トリガー信号を送信するデジタルペンと、送信された２つの信号を受信する受信部とを有し、受信部はトリガー信号の到達時点と超音波の到達時点とから電子ペンの位置を特定する。【０００３】
特許文献２において、超音波信号と赤外線信号に基づいて、表示パネル上における２次元的なペン入力を可能とする無線ペン（デジタルペン）システムが記載されている。【０００４】
特許文献３において、受信信号のＳＮ比を向上することができる距離検出装置が記載されている。【０００５】
特許文献４において、超音波の伝播時間を測定することにより距離を測定する距離測定装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６１１８２０５号明細書
【特許文献２】特開２００４−１９２１４２号公報
【特許文献３】特開２００５−２４９７７０号公報
【特許文献４】特開平０８−１８４６７１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】柏木濶著、「Ｍ系列とその応用」、昭晃堂、１９９６年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１から４及び非特許文献１の全開示内容はその引用をもって本書に繰込み記載する。
以下の分析は、本発明によってなされたものである。
特許文献１に記載された、デジタルペンシステムによると、３次元空間における電子ペンの位置を検出することができる。しかしながら、かかるデジタルンシステムにおいては、デジタルペンの向きが不明であるため、デジタルペンから離れた場所に設けられた表示画面と、デジタルペンが指し示す方向との交点に対するペン入力を行うことができない。【０００９】
そこで、デジタルペンから離れた場所に設けられた表示画面と、デジタルペンが指し示す方向との交点に対するペン入力を行うことができるようにすることが課題となる。本発明の目的は、かかる課題を解決するデジタルペンシステム及びペン入力方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の視点に係るデジタルペンシステムは、
自身の方向に関する情報を含む信号を定期的に送信する棒状のデジタルペンと、
前記信号に基づいて前記デジタルペンの３次元空間における位置と方向を検出することにより、前記デジタルペンの長手方向への延長線と表示装置の表示画面との交点を算出し、該表示装置に対して該交点の位置にペン入力を行わせる受信装置と、を備えている。【００１１】
本発明の第２の視点に係るペン入力方法は、
デジタルペンが、自身の方向に関する情報を含む信号を定期的に送信する工程と、
受信装置が、前記信号に基づいて前記デジタルペンの３次元空間における位置と方向を検出することにより、前記デジタルペンの長手方向への延長線と表示装置の表示画面との交点を算出し、該表示装置に対して該交点の位置にペン入力を行わせる工程と、を含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るデジタルペンシステム及びペン入力方法によると、デジタルペンから離れた場所に設けられた表示画面と、デジタルペンが指し示す方向との交点に対するペン入力を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るデジタルペンシステムの構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るデジタルペンシステムの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るデジタルペンシステムの構成を示すブロック図である。
【図４】Ｍ系列データで位相変調された超音波駆動信号の波形を一例として示す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係るデジタルペンシステムの構成を概略的に示す図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係るデジタルペンシステムにおけるデジタルペンの構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の展開形態のデジタルペンシステムは、上記第１の視点に係るデジタルペンシステムであることが好ましい。
【００１５】
第２の展開形態のデジタルペンシステムは、デジタルペンが、少なくとも４軸の方向を特定する角度センサをさらに備え、当該角度センサに基づいて自身の方向を特定することが好ましい。
【００１６】
第３の展開形態のデジタルペンシステムは、角度センサが、加速度センサを備えていることが好ましい。
【００１７】
第４の展開形態のデジタルペンシステムは、角度センサは、３軸加速度センサ及び２軸加速度センサを備えていることが好ましい。
【００１８】
第５の展開形態のデジタルペンシステムは、角度センサは、ジャイロセンサを備えていることが好ましい。
【００１９】
第６の展開形態のデジタルペンシステムは、デジタルペンが、送信タイミングを表す電磁波信号を送出する電磁波送信部と、
電磁波信号の送出と同時に自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成する超音波駆動部と、
超音波駆動信号により駆動され、超音波駆動信号の基本周波数よりも高い周波数の超音波信号を送信する超音波送信部と、をさらに備え、
受信装置が、電磁波信号を検出する電磁波受信部と、
同一直線上にない少なくとも３つの超音波検出部を有し、超音波検出部を介して超音波信号を受信する超音波受信部と、
超音波駆動信号と同一の波形をモデル波形とし、受信した超音波信号とモデル波形との間で相関値を算出し、算出された相関値の主ピーク値を検出し、電磁波信号の検出時刻と主ピーク値の検出時刻に基づいて超音波伝播時間を算出する伝播時間算出部と、をさらに備えていることが好ましい。
【００２０】
第７の展開形態のデジタルペンシステムは、超音波送信部が、圧電素子又は磁歪素子を備えていることが好ましい。
【００２１】
第８の展開形態のデジタルペンシステムは、超音波送信部の送信面が、ほぼ球面形状であることが好ましい。
【００２２】
第９の展開形態のデジタルペンシステムは、超音波受信部が、圧電素子若しくは磁歪素子又はマイクロフォンを備えていることが好ましい。
【００２３】
第１０の展開形態のデジタルペンシステムは、少なくとも３つの超音波検出部のうちの少なくとも２つの位置が固定されていることが好ましい。
【００２４】
第１１の展開形態のデジタルペンシステムは、少なくとも３つの超音波検出部が、表示画面又はその延長面上に設けられていることが好ましい。
【００２５】
第１２の展開形態のデジタルペンシステムは、デジタルペンが、上記交点の位置を指し示すレーザポインタを備えていることが好ましい。
【００２６】
第１３の展開形態のデジタルペンシステムは、レーザポインタと超音波及び／又は電磁波の発生タイミングとを連動させ、レーザポインタの軌跡を表示画面に表示することが好ましい。
【００２７】
第１４の展開形態のデジタルペンシステムは、擬似ランダム信号が、Ｍ系列信号であることが好ましい。
【００２８】
第１５の展開形態のペン入力方法は、上記第２の視点に係るペン入力方法であることが好ましい。
【００２９】
第１６の展開形態のペン入力方法は、
デジタルペンが、送信タイミングを表す電磁波信号を送出する工程と、
電磁波信号の送出と同時に自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成する工程と、
超音波駆動信号により駆動され、超音波駆動信号の基本周波数よりも高い周波数の超音波信号を送信する工程と、を含むことが好ましい。
【００３０】
第１７の展開形態のペン入力方法は、
受信装置が、前記電磁波信号を検出する工程と、
同一直線上にない少なくとも３つの超音波検出部を介して超音波信号を受信する工程と、
超音波駆動信号と同じ波形をモデル波形とし、受信した超音波信号とモデル波形との間で相関値を算出し、算出された相関値の主ピーク値を検出し、電磁波信号の検出時刻と主ピーク値の検出時刻に基づいて超音波伝播時間を算出する工程と、を含むことが好ましい。
【００３１】
（実施形態１）
本発明の第１の実施形態に係るデジタルペンシステムについて、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るデジタルペンシステムの構成を概略的に示す図である。図１を参照すると、デジタルペンシステムは、デジタルペン４０と受信装置５０を有している。デジタルペンシステムにより、表示装置８０の表示画面７０に対する入力を可能とする。
【００３２】
デジタルペン４０は、自身の方向に関する情報を含む信号を定期的に送信する棒状体（ペン体）である。受信装置５０は、当該信号に基づいてデジタルペン４０の３次元空間における位置と方向を検出することにより、デジタルペン４０の長手方向への延長線と所定の表示画面７０との交点を算出して該交点の位置に描画を行う。
【００３３】
デジタルペン４０は、少なくとも４軸の方向を特定する角度センサ（非図示）をさらに備え、当該角度センサに基づいて自身の方向を特定することが好ましい。また、角度センサは、加速度センサを備えていることが好ましい。一例として、角度センサは、３軸加速度センサ及び２軸加速度センサを備えていてもよい。さらに、角度センサは、ジャイロセンサを備えていてもよい。
【００３４】
図２は、本実施形態のデジタルペンシステムの構成を示すブロック図である。図２を参照すると、デジタルペン４０は、電磁波送信部４６、超音波駆動部４３及び超音波送信部４４を有している。一方、受信装置５０は、電磁波受信部５３、超音波受信部５１及び伝播時間算出部５６を有している。
【００３５】
電磁波送信部４６は、送信タイミングを表す電磁波信号を送出する。超音波駆動部４３は、電磁波信号の送出と同時に自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成する。超音波送信部４４は、超音波駆動信号により駆動され、超音波駆動信号の基本周波数よりも高い周波数の超音波信号を送信する。
【００３６】
電磁波受信部５３は、上記の電磁波信号を検出する。超音波受信部５１は、同一直線上にない少なくとも３つの超音波検出部（非図示）を有し、当該超音波検出部を介して上記の超音波信号を受信する。伝播時間算出部５６は、上記の超音波駆動信号と同じ波形をモデル波形とし、受信した超音波信号と当該モデル波形との間で相関値を算出し、算出された相関値の主ピーク値を検出し、上記の電磁波信号の検出時刻と当該主ピーク値の検出時刻に基づいて超音波伝播時間を算出する。
【００３７】
受信装置５０は、デジタルペン４０から送信された電磁波信号と超音波信号に基づいて、デジタルペン４０であるペンの３次元的な位置と方向を決定することができる。したがって、本実施形態のデジタルペンシステムによると、ペンから離れた場所に設けられた表示画面７０のペンによって指し示された箇所に描画を行うことができる。
【００３８】
デジタルペン４０は、デジタルペン４０の長手方向への延長線と表示画面７０との交点の位置を指し示すレーザポインタを備えていることが好ましい。これにより、デジタルペンシステムの利用者による入力操作が容易となる。
【００３９】
（実施形態２）
本発明の第２の実施形態に係るデジタルペンシステムについて、図面を参照して説明する。図３は、本実施形態のデジタルペンシステムの構成を示すブロック図である。
【００４０】
図３を参照すると、デジタルペンシステムは、デジタルペン１０と、受信装置２０を有している。受信装置２０は、デジタルペン１０から離れた所定の位置に設置されている。
【００４１】
デジタルペン１０は、スイッチ１９、制御部１１、Ｍ系列生成部１２、超音波駆動部１３、超音波送信部１４、赤外線駆動部１５、及び、赤外線送信部１６をさらに有している。
【００４２】
Ｍ系列生成部１２は、制御部１１から供給されるＭ系列初期条件と特性多項式に基づいて、Ｍ系列を生成する。Ｍ系列生成部１２は、例えば、４次の特性多項式ｆ（ｘ）＝ｘ４＋ｘ＋１、又は、ｆ（ｘ）＝ｘ４＋ｘ３＋１の性質を有する４ビットシフトレジスタを備え、系列長が１５ビットのビット列を生成する。４ビットの初期条件を変更することにより、データの並びが巡回的にシフトした１５通りの異なるデータが得られる。なお、Ｍ系列生成部１２は、Ｍ系列ビット列を格納したメモリを参照して、Ｍ系列を生成するようにしてもよい。
【００４３】
図４は、Ｍ系列により位相変調された超音波駆動信号の波形を一例として示す。図４を参照すると、１５ビットのＭ系列データ「１００１１０１０１１１１０００」の各１ビットは、基本波の１周期に対応している。０の場合は反転位相とし、１の場合は順位相としている。変調波は、基本波の１５周期分の長さを有する。なお、Ｍ系列の詳細な説明は、非特許文献１に記載されている。
【００４４】
なお、超音波の変調方式として、擬似ランダム信号であって自己相関性の高いＭ系列信号を用いて位相変調を行う方式について記載したが、その他の変調方式を用いた場合においても同様な効果がもたらされる。さらに、変調の基本となる信号系列は、擬似ランダム信号であって自己相関性が高い信号系列であればよく、Ｇｏｌｄ系列信号であっても同様の効果がもたらされる。
【００４５】
デジタルペン１０に設けられたスイッチ１９が押されると、制御部１１は、まず時間計測の基準となるトリガー信号とＭ系列に対する４ビットの初期条件を、赤外線駆動部１５とＭ系列生成部１２に送信する。
【００４６】
赤外線駆動部１５は、制御部１１からの信号に基づき赤外線駆動信号を生成する。
【００４７】
赤外線送信部１６は、赤外線駆動信号によって駆動され、デジタルペン１０から赤外線を送出する。
【００４８】
Ｍ系列生成部１２は、制御部１１から供給された初期条件に基づいてＭ系列ビット列を生成して超音波駆動部１３に供給する。
【００４９】
超音波駆動部１３は、受信したＭ系列により超音波信号を位相変調して、超音波駆動信号として超音波送信部１４に供給する。
【００５０】
超音波送信部１４は、超音波駆動信号によって駆動され、赤外線送信部１６の送信タイミングに同期して、Ｍ系列位相変調された超音波信号を送出する。なお、超音波送信部１４は、一例として、圧電素子又は磁歪素子を有していてもよい。
【００５１】
このとき、赤外線信号と超音波信号は、デジタルペン１０から受信装置２０に向けて同時に送出される。デジタルペンシステムは、スイッチ１９が押下されている期間にわたって、上記の動作を一定の周期で繰り返す。
【００５２】
制御部１１をＣＰＵによって構成する場合には、各信号波形として矩形波が用いられる。時間計測の基準となる赤外線トリガー信号は、受信装置２０におけるサンプリングに対する時間ズレを小さくし、計測誤差を最小にするために、矩形波であることが好ましい。一方、超音波送信部１４を圧電素子又は磁歪素子によって構成する場合には、圧電素子そのものがＬ、Ｃ成分を含むことから、駆動波形が矩形波であっても、超音波信号は擬似的に正弦波となる。送信側の波形は、上記のデジタルペン１０の特性を考慮し、正弦波、矩形波、三角波又は台形波のいずれであってもよい。
【００５３】
受信装置２０は、超音波受信部２１、サンプリング部２２、赤外線受信部２３、検出部２４、メモリ２５、及び、伝播時間算出部２６を有している。伝播時間算出部２６は、さらに、超音波音圧測定ブロック及び超音波周波数測定ブロック（非図示）を有している。
【００５４】
超音波受信部２１は、デジタルペン１０から送信された超音波信号を受信して電気信号に変換する。超音波受信部２１は、例えば、圧電素子若しくは磁歪素子又はマイクロフォンであってもよい。
【００５５】
サンプリング部２２は、超音波信号を一定間隔でサンプルし、位相変調Ｍ系列超音波データとしてメモリ２５に格納する。
【００５６】
赤外線受信部２３は、デジタルペン１０からの赤外線信号を受信し、これを電気信号に変換する。
【００５７】
検出部２４は、赤外線受信部２３の出力からトリガーパルスを検出すると、トリガーパルスの到来時刻をメモリ２５に格納する。また、検出部２４は、Ｍ系列初期条件データを検出してメモリ２５に格納する。
【００５８】
なお、Ｍ系列初期条件を赤外線信号に含ませる代わりに、Ｍ系列に対する所定の初期条件に基づいて生成された位相変調Ｍ系列超音波モデル波形を予めメモリ２５に格納しておいて、赤外線トリガー信号が到来した場合には、伝播時間算出部２６が、このＭ系列超音波モデル波形を読出すようにしてもよい。
【００５９】
伝播時間算出部２６は、メモリ２５からトリガーパルス到来を示すデータを読出すと、格納されているＭ系列初期データからＭ系列モデル波形を生成する。伝播時間算出部２６は、さらに、デジタルペン１０と同様に、生成したモデル波形を超音波で位相変調し、送信側の超音波駆動信号と同一の波形の位相変調超音波Ｍ系列モデル波形を生成する。
【００６０】
伝播時間算出部２６は、この位相変調超音波Ｍ系列モデル波形と、メモリ２５に格納されている位相変調超音波受信波形との間で相関処理を行う。伝播時間算出部２６は、相関値の最初のピークを検出した場合には、トリガーパルス到達時刻からこの相関値ピークを検出した時点までの経過時間（すなわち、デジタルペン１０から受信装置２０に至るまでの超音波信号の伝播時間）を算出する。
【００６１】
伝播時間算出部２６は、メモリ２５に格納されているトリガー検出時刻をサンプリング開始時刻（ｔ）に設定し、位相変調Ｍ系列超音波データをメモリ２５から読み出し、読み出したデータと、先に生成した位相変調Ｍ系列超音波モデル波形との間で、式（１）に基づきサンプリング開始時刻ｔにおける相関値Ｃ（ｔ）を算出する。
2011043415.tif 000003
【００６２】
式（１）において、整数ｉはサンプリング時刻変数であり、整数Ｎはモデル波形のサンプリング数、ｒ（ｉ）はサンプリング時刻ｉのモデル波形の値、ｆ（ｉ＋ｔ）はサンプリング時刻（ｉ＋ｔ）の受信波形の値である。
【００６３】
伝播時間算出部２６は、得られた相関値からピーク値を探索する。ピーク値が検出されない場合には、サンプリング開始時刻（ｔ）を単位量１だけインクリメントし、同様にピーク値探索を繰り返す。
【００６４】
伝播時間算出部２６は、相関ピーク値が検出された場合には、メモリ２５から、検出時点における変数ｔに対応するサンプリング時刻を読み出す。最後に、伝播時間算出部２６は、トリガー検出時刻とピーク値検出時刻から、デジタルペン１０から受信装置２０に至る超音波の伝播時間を算出する。赤外線トリガーパルスを受信したサンプリング時刻を０とし、サンプリング周期をＤＴとすると、超音波伝播時間は、ｔ×ＤＴによって与えられる。
【００６５】
以上の方法によると、超音波伝播時間の計測結果に基づいて、デジタルペンの描画を実現することができる。
【００６６】
（実施形態３）
本発明の第３の実施形態に係るデジタルペンシステムについて、図面を参照して説明する。図５は、本実施形態に係るデジタルペンシステムの構成を概略的に示す図である。
【００６７】
図５を参照すると、デジタルペンシステムは、デジタルペン１０、赤外線受信部２３、超音波検出部２８、信号処理部６１、ＰＣ（Personal Computer）６２、及び、表示装置８０を備えている。
【００６８】
表示装置８０は、例えば、ＬＣＤ、ＰＤＰ又は有機ＥＬディスプレイであってもよい。超音波検出部２８は、表示装置８０の表示画面上又はプロジェクタの投影面上に少なくとも３個設けられている。デジタルペン１０は、超音波送信部及び赤外線送信部を内蔵している。信号処理部６１は、赤外線受信部２３及び超音波検出部２８から、それぞれ赤外線信号及び超音波信号を受信してＰＣ６２に送信する。ＰＣ６２は、受信装置２０（図３）の各部（２２〜２６）の処理を実行する。
【００６９】
デジタルペン１０からの赤外線信号を赤外線受信部２３が受信した時点を基準時刻として、少なくとも３個の超音波検出部２８がデジタルペン１０からの超音波信号を受信し、Ｍ系列信号の相関計算後に決定される到達時間の時間差に基づいて、デジタルペン１０の超音波送信部１４を構成する超音波発信源（例えば、圧電素子、磁歪素子）と、少なくとも３個の超音波検出部２８との間の距離を計測することができる。
【００７０】
このとき、少なくとも３個の超音波検出部２８が設置されている表示装置８０の表示画面７０又はプロジェクタの投影画面を基準とする３次元の位置データを入力することが可能となる。なお、モニタ一体型のＰＣ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、携帯端末等においても、同様の機能を実現することができる。
【００７１】
このとき、空間上において文字等を入力することや、３次元物体の表面をトレースすることによって、３次元物体の形状を入力することも可能となる。したがって、接触／非接触、任意形状入力による認証に用いることもできる。また、超音波を使用することで、いわゆるペースメーカー等に悪影響を及ぼすことがないため、デジタルペン１０を医療現場における移動物体に取り付け、超音波受信部２１及び赤外線受信部２３を建物内に設置しておけば、医薬品や各種物資の物流管理や、患者、医師、看護師等の所在確認に応用することもできる。
【００７２】
（実施形態４）
本発明の第４の実施形態に係るデジタルペンシステムについて、図面を参照して説明する。図６は、本実施形態に係るデジタルペンシステムにおけるデジタルペンの構成を概略的に示す図である。
【００７３】
図６を参照すると、デジタルペン１０は、自身の向き（角度情報）を計測するセンサを有する。このとき、デジタルペン１０の超音波発信源の位置を、超音波検出部２８が少なくとも３個設置されている表示画面７０を基準として特定することができ、表示画面７０のデジタルペン１０によって指し示された位置に文字等を入力することができる。
【００７４】
デジタルペン１０の形状は任意である。しかし、文字入力を行うためには、ペン形状であることが好ましい。一例としてデジタルペンが円筒形状である場合には、３軸の角度センサを用いたとしても、表示画面に対する回転角を特定しなければ、円筒軸方向と表示画面との交点を特定することができない。回転角は、１軸の角度センサによって計測することができる。
【００７５】
そこで、３軸の角度センサ３１を円筒軸上に設け、さらに、１軸の角度センサ３２の中心を円筒軸に合わせ、その角度検出方向を円筒軸に垂直とすることにより、円筒形状の回転角を補正することができ、デジタルペン１０の指し示す方向を特定することができる。
【００７６】
なお、３軸の角度センサ３１は、超音波送信部１４の中心に設けることが好ましい。一方、角度補正用の角度センサ３２は、一例として、円筒軸上に設けることができる。また、これらの角度情報については、超音波発振直前の赤外線信号に重畳して送信してもよいし、超音波発振後の一定時間後に赤外線信号として送信してもよい。さらに、角度情報は、他の無線装置を介して送信してもよいし、有線を介して送信してもよい。
【００７７】
以上述べたように、少なくとも３個の超音波検出部２８が設置された表示画面に対するデジタルペン１０の超音波送信部１４の空間上の絶対位置が決まった状態において、デジタルペン１０の角度情報に基づいて、表示画面とデジタルペン１０の円筒軸との交点を特定することができる。したがって、３次元空間上におけるデジタルペンシステムを構築することができる。
【００７８】
なお、赤外線受信部２３は、表示画面上に限らず、赤外線を受信することができる任意の場所に設けることができる。特に、表示装置８０がＰＤＰである場合には、画面からの赤外線放射が大きいため、赤外線受信部２３を画面から離れた場所に設けることが好ましい。
【００７９】
また、デジタルペン１０の軸線上にレーザポインタを搭載すれば、レーザポインタによって指し示された位置に描画を行うことができるため、入力の操作性が向上する。
【００８０】
また、少なくとも３個の超音波検出部２８から構成される平面と、デジタルペン１０の軸線上の交点に描画を行うため、少なくとも３個の超音波検出部２８を含む、予め曲率が既知の曲面に対しても、正確な描画を行うことが可能となる。したがって、学校の大教室に設けられている擬似円筒面に対しても、描画を行うことができる。さらに、超音波検出部２８の個数を増やした場合には、円筒会議場において、３６０度の描画を行うこともできる。
【００８１】
また、かかるシステム構成によると、フロントプロジェクタを使用する場合において、描画を行うために投影空間に人が入ることにより影が生じて描画が困難となったり、描画者以外の視線が遮らえることがなくなる。したがって、デジタルペンシステムの利用者にとって、より快適な操作が可能となる。
【００８２】
なお、デジタルペン１０と表示画面７０との距離が長くなった場合には、デジタルペン１０の角度のわずかな変化により交点は大きく移動するため、描画が困難となる。かかる場合には、デジタルペン１０と表示画面７０との距離に応じて、交点の移動率を変更するようにしてもよい。このとき、描画の操作性が向上する。
【００８３】
また、デジタルペン１０を空間上で移動させることによる指先の震えの影響を回避するために、地球ゴマと同様の慣性アクチュエータをデジタルペンに挿入するか、又は、移動方向に反力を加える若しくは反力が加わっているような錯覚を与える触力覚アクチュエータをデジタルペン１０に設けることが好ましい。これにより、デジタルペン１０を小型に保ちつつ、操作性を向上させることができる。
【００８４】
以上、本発明を上記実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態の構成に制限されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正、特に開示した各要素の選択又は組合せを含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００８５】
１０、４０  デジタルペン
１１  制御部
１２  Ｍ系列生成部
１３、４３  超音波駆動部
１４、４４  超音波送信部
１５  赤外線駆動部
１６  赤外線送信部
１９  スイッチ
２０、５０  受信装置
２１、５１  超音波受信部
２２  サンプリング部
２３  赤外線受信部
２４  検出部
２５  メモリ
２６、５６  伝播時間算出部
２８  超音波検出部
３１、３２  角度センサ
４６  電磁波送信部
５３  電磁波受信部
６１  信号処理部
６２  ＰＣ（Personal Computer）
７０  表示画面
８０  表示装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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