(57)【要約】【課題】本発明は指示平面上への照射光を反射する再帰光学系を用い座標指示手段による座標指示位置を正確に検出する超音波光座標入力装置を提供する。【解決手段】超音波光座標入力装置１は、情報表示部２が再帰光学系６で囲まれ、スタイラスペン３で位置指定されると、受信ユニット４の光学ユニット２１から光信号を照射し、スタイラスペン３が超音波信号を送信し、受信ユニット４が超音波信号を検出ユニット２２で受信し、また再帰光学系６で光信号が反射されて戻ってくる再帰光を受信する。中央制御処理部５が、光学ユニット２１での光信号の照射タイミングと検出ユニット２２の超音波信号の受信時間から超音波信号の伝搬距離を算出し、光信号照射時の検出ユニット２２の受信する光信号の再帰光の受光光量分布情報からスタイラスペン３の検出方向情報を算出し、算出した伝搬距離と検出方向情報からスタイラスペン３の指示座標位置を算出する。【選択図】          図１
2004227063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指示平面上の所定の位置が指示されると超音波信号を送信する超音波信号送信手段を有する座標指示手段と、当該座標指示手段から送信される超音波信号を受信する超音波信号受信手段を有する受信手段と、当該受信手段の受信する超音波信号に基づいて前記座標指示手段の指示する指示座標位置を検出する演算制御手段と、を備えた超音波光座標入力装置であって、前記指示平面は、当該指示平面上の所定の厚さ領域の光を再帰光として反射する再帰光学手段で所定範囲が囲まれており、前記受信手段は、前記再帰光学手段で囲まれている所定範囲に所定の光信号を照射する光照射手段と、当該光照射手段から照射された前記光信号が前記再帰光学手段で反射されて戻ってくる再帰光を受信する再帰光受信手段と、を有し、前記座標指示手段は、前記光照射手段からの前記光信号を受信する光信号受信手段と、当該光信号受信手段が前記光信号を受信すると、前記超音波信号として当該光信号に対応した所定の超音波信号を前記超音波信号送信手段に送信させる送信制御手段と、を有し、前記演算制御手段は、前記光照射手段による前記光信号の照射タイミングと前記超音波信号受信手段による前記超音波信号の受信時間から前記超音波信号の伝搬距離を算出するとともに、当該超音波信号に対応する前記光信号照射時の前記再帰光受信手段の受信する当該光信号の再帰光の受光光量分布情報から前記座標指示手段の検出方向情報を算出し、当該算出した伝搬距離と検出方向情報から前記座標指示手段の指示座標位置を算出することを特徴とする超音波光座標入力装置。
【請求項２】
前記座標指示手段は、当該座標指示手段が前記指示平面に接触していることを検出する接触検出手段を備え、当該接触検出手段が前記指示平面に接触していることを検出している間は前記送信制御手段が前記超音波信号に当該接触を示す所定の接触信号を重畳させて送信し、前記受信手段の前記超音波信号受信手段は、前記接触信号の重畳された超音波信号を受信して当該接触信号を抽出することを特徴とする請求項１記載の超音波光座標入力装置。
【請求項３】
前記座標指示手段は、所定の情報の選択操作を行う情報選択手段を備え、前記送信制御手段が、当該情報選択手段による情報選択操作内容を示す所定の操作情報信号を前記超音波信号に重畳させて送信し、前記受信手段の前記超音波信号受信手段は、前記操作情報信号の重畳された超音波信号を受信して当該操作情報信号を抽出することを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波光座標入力装置。
【請求項４】
前記座標指示手段の前記送信制御手段は、前記光信号受信手段の受信する前記光信号の光強度が所定の規定光強度以上であるときにのみ、前記超音波信号送信手段に前記超音波信号を送信させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波光座標入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波光座標入力装置に関し、詳細には、紙面上への入力情報の取得、パーソナルコンピュータ、アミューズメント用入力装置、携帯端末等の画面上のカーソル等の移動指示やストロークデータの入力用の２次元座標領域等への入力を正確に行う超音波光座標入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平７−２８７６３２号公報
従来、光および超音波を検出して、指示座標位置を検出する座標入力装置としては、例えば、特許文献１に記載されている座標検出装置がある。
【０００３】
この座標検出装置は、図１２に示すように、コンピュータ１０１にキーボード１０２とレシーバ本体１０３が接続され、テーブル１０４上で操作される操作ペン１０５の２次元座標を検出して、コンピュータ１０１の画面上に描画したり、コマンド操作を可能としている。
【０００４】
レシーバ本体１０３は、超音波発振子１０６と光センサ１０７を備え、操作ペン１０５は、レシーバ本体１０３の超音波発振子１０６からの超音波を受信するマイクロフォン１０８、赤外線ＬＥＤ１０９及びスイッチ１１０を備えている。
【０００５】
この座標検出装置は、Ｘ−Ｙ平面に平行なテーブル１０４上で操作ペン１０５が移動されると、赤外線ＬＥＤ１０９から光センサ１０７に向かう照射光の光軸とＹ軸とのなす角度と光量分布の変化で角度を求める。また、レシーバ本体１０３側、例えば、コンピュータ１０１の電源がオンされていると、レシーバ本体１０３の超音波発振子１０６から超音波が出力され、この超音波を操作ペン１０５のマイクロフォン１０８が受信する。操作ペン１０５は、超音波をマイクロフォン１０８が受信しているとき、スイッチ１１０の操作がオンされていると、スイッチ信号に基づいてパルス幅を決定して、このパルス信号で赤外線ＬＥＤ１０９が発光する。赤外線ＬＥＤ１０９が発光すると、この赤外線をレシーバ本体１０３の光センサ１０７で受信して、操作ペン１０５の方向を検出し、超音波の送信タイミングから光の受光時間を検出して、超音波の伝搬速度と受光時間から距離を、さらに、受光方向から指示位置を算出することで、座標位置を測定する。
【０００６】
そして、この従来の座標検出装置は、レシーバ本体１０３、すなわち、コンピュータ１０１の電源がオンになっていると、操作ペン１０５が超音波を受信可能な範囲にあると、常に操作ペン１０５からの光信号が送信される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の座標検出装置にあっては、レシーバ本体１０３、すなわち、コンピュータ１０１の電源がオンになっていると、操作ペン１０５が超音波を受信可能な範囲にあると、常に操作ペン１０５からの光信号が送信されるため、例えば、指示画面から操作ペン１０５を不必要に離さないと、不用意な指示動作が行われ、意図した操作以外でも反応してしまい、利用性が悪いという問題があった。また、超音波の多重反射による誤動作に対処する必要もあり、回路等が複雑になる等の問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、高精度で安定した位置検出を行う超音波光座標入力装置を提供することを目的としている。
【０００９】
具体的には、請求項１記載の発明は、平面上の所定の厚さ領域の光を再帰光として反射する再帰光学手段で所定範囲が囲まれ座標指示手段で位置指定される指示表面上に、受信手段の光照射手段から所定の光信号を照射し、光照射手段からの光信号を座標指示手段の光信号受信手段で受信すると、超音波信号として当該光信号に対応した所定の超音波信号を座標指示手段から送信し、受信手段が、座標指示手段から送信される超音波信号を超音波信号受信手段で受信するとともに、光照射手段から照射した光信号が、再帰光学手段で反射されて戻ってくる再帰光を再帰光受信手段で受信し、演算制御手段が、光照射手段による光信号の照射タイミングと超音波信号受信手段による超音波信号の受信時間から超音波信号の伝搬距離を算出するとともに、当該超音波信号に対応する光信号照射時の再帰光受信手段の受信する当該光信号の再帰光の受光光量分布情報から座標指示手段の検出方向情報を算出し、当該算出した伝搬距離と検出方向情報から座標指示手段の指示座標位置を算出することにより、指示平面上の所定の厚さ領域の光のみを反射する再帰光学手段で反射されて受信手段に戻ってくる再帰光のうち当該指示平面近くで指示操作される座標指示手段で遮られる光の影を利用して、座標指示手段の有無と指示座標位置を検出して、従来のように、指示平面から離れた状態での不用意な指示動作を検出するという誤動作を防止するとともに、正確に指示座標位置を検出し、利用性の良好な高精度で安定した超音波光座標入力装置を提供することを目的としている。
【００１０】
請求項２記載の発明は、座標指示手段が指示平面に接触していることを接触検出手段が検出している間だけ、座標指示手段から超音波信号に当該接触を示す所定の接触信号を重畳させて送信し、受信手段の超音波信号受信手段が、接触信号の重畳された超音波信号から当該接触信号を抽出することにより、座標指示手段が指示平面に接触しているか離れているかで指示状態を区別して、操作者の意図する指示状態を簡単に区別し、より一層利用性の良好な高精度で安定した超音波光座標入力装置を提供することを目的としている。
【００１１】
請求項３記載の発明は、座標指示手段の所定の情報の選択操作を行う情報選択手段による情報選択操作内容を示す所定の操作情報信号を、座標指示手段から超音波信号に重畳させて送信し、受信手段の超音波信号受信手段が、操作情報信号の重畳された超音波信号から当該操作情報信号を抽出することにより、情報選択手段を使用した操作者による情報の選択操作を簡単に座標指示手段から受信手段に通知して、操作者の意図する指示状態を簡単に区別し、より一層利用性の良好な高精度で安定した超音波光座標入力装置を提供することを目的としている。
【００１２】
請求項４記載の発明は、座標指示手段の送信制御手段が、光信号受信手段の受信する光信号の光強度が所定の規定光強度以上であるときにのみ、超音波信号送信手段に超音波信号を送信させることにより、指示動作の範囲を限定し、誤動作等を適切に防止して安定した動作を行う超音波光座標入力装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の超音波光座標入力装置は、指示平面上の所定の位置が指示されると超音波信号を送信する超音波信号送信手段を有する座標指示手段と、当該座標指示手段から送信される超音波信号を受信する超音波信号受信手段を有する受信手段と、当該受信手段の受信する超音波信号に基づいて前記座標指示手段の指示する指示座標位置を検出する演算制御手段と、を備えた超音波光座標入力装置であって、前記指示平面は、当該指示平面上の所定の厚さ領域の光を再帰光として反射する再帰光学手段で所定範囲が囲まれており、前記受信手段は、前記再帰光学手段で囲まれている所定範囲に所定の光信号を照射する光照射手段と、当該光照射手段から照射された前記光信号が前記再帰光学手段で反射されて戻ってくる再帰光を受信する再帰光受信手段と、を有し、前記座標指示手段は、前記光照射手段からの前記光信号を受信する光信号受信手段と、当該光信号受信手段が前記光信号を受信すると、前記超音波信号として当該光信号に対応した所定の超音波信号を前記超音波信号送信手段に送信させる送信制御手段と、を有し、前記演算制御手段は、前記光照射手段による前記光信号の照射タイミングと前記超音波信号受信手段による前記超音波信号の受信時間から前記超音波信号の伝搬距離を算出するとともに、当該超音波信号に対応する前記光信号照射時の前記再帰光受信手段の受信する当該光信号の再帰光の受光光量分布情報から前記座標指示手段の検出方向情報を算出し、当該算出した伝搬距離と検出方向情報から前記座標指示手段の指示座標位置を算出することにより、上記目的を達成している。
【００１４】
上記構成によれば、平面上の所定の厚さ領域の光を再帰光として反射する再帰光学手段で所定範囲が囲まれ座標指示手段で位置指定される指示表面上に、受信手段の光照射手段から所定の光信号を照射し、光照射手段からの光信号を座標指示手段の光信号受信手段で受信すると、超音波信号として当該光信号に対応した所定の超音波信号を座標指示手段から送信し、受信手段が、座標指示手段から送信される超音波信号を超音波信号受信手段で受信するとともに、光照射手段から照射した光信号が、再帰光学手段で反射されて戻ってくる再帰光を再帰光受信手段で受信し、演算制御手段が、光照射手段による光信号の照射タイミングと超音波信号受信手段による超音波信号の受信時間から超音波信号の伝搬距離を算出するとともに、当該超音波信号に対応する光信号照射時の再帰光受信手段の受信する当該光信号の再帰光の受光光量分布情報から座標指示手段の検出方向情報を算出し、当該算出した伝搬距離と検出方向情報から座標指示手段の指示座標位置を算出するので、指示平面上の所定の厚さ領域の光のみを反射する再帰光学手段で反射されて受信手段に戻ってくる再帰光のうち当該指示平面近くで指示操作される座標指示手段で遮られる光の影を利用して、座標指示手段の有無と指示座標位置を検出して、従来のように、指示平面から離れた状態での不用意な指示動作を検出するという誤動作を防止することができるとともに、正確に指示座標位置を検出することができ、利用性を向上させることができるとともに、高精度で安定した指示座標位置の検出動作を行うことができる。
【００１５】
この場合、例えば、請求項２に記載するように、前記座標指示手段は、当該座標指示手段が前記指示平面に接触していることを検出する接触検出手段を備え、当該接触検出手段が前記指示平面に接触していることを検出している間は前記送信制御手段が前記超音波信号に当該接触を示す所定の接触信号を重畳させて送信し、前記受信手段の前記超音波信号受信手段は、前記接触信号の重畳された超音波信号を受信して当該接触信号を抽出するものであってもよい。
【００１６】
上記構成によれば、座標指示手段が指示平面に接触していることを接触検出手段が検出している間だけ、座標指示手段から超音波信号に当該接触を示す所定の接触信号を重畳させて送信し、受信手段の超音波信号受信手段が、接触信号の重畳された超音波信号から当該接触信号を抽出するので、座標指示手段が指示平面に接触しているか離れているかで指示状態を区別して、操作者の意図する指示状態を簡単に区別することができ、より一層利用性を向上させることができるとともに、高精度で安定した指示座標位置の検出動作を行うことができる。
【００１７】
また、例えば、請求項３に記載するように、前記座標指示手段は、所定の情報の選択操作を行う情報選択手段を備え、前記送信制御手段が、当該情報選択手段による情報選択操作内容を示す所定の操作情報信号を前記超音波信号に重畳させて送信し、前記受信手段の前記超音波信号受信手段は、前記操作情報信号の重畳された超音波信号を受信して当該操作情報信号を抽出するものであってもよい。
【００１８】
上記構成によれば、座標指示手段の所定の情報の選択操作を行う情報選択手段による情報選択操作内容を示す所定の操作情報信号を、座標指示手段から超音波信号に重畳させて送信し、受信手段の超音波信号受信手段が、操作情報信号の重畳された超音波信号から当該操作情報信号を抽出するので、情報選択手段を使用した操作者による情報の選択操作を簡単に座標指示手段から受信手段に通知して、操作者の意図する指示状態を簡単に区別することができ、より一層利用性を向上させることができるとともに、高精度で安定した指示座標位置の検出動作を行うことができる。
【００１９】
さらに、例えば、請求項４に記載するように、前記座標指示手段の前記送信制御手段は、前記光信号受信手段の受信する前記光信号の光強度が所定の規定光強度以上であるときにのみ、前記超音波信号送信手段に前記超音波信号を送信させるものであってもよい。
【００２０】
上記構成によれば、座標指示手段の送信制御手段が、光信号受信手段の受信する光信号の光強度が所定の規定光強度以上であるときにのみ、超音波信号送信手段に超音波信号を送信させるので、指示動作の範囲を限定することができ、誤動作等を適切に防止して安定した動作を行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００２２】
図１〜図１０は、本発明の超音波光座標入力装置の第１の実施の形態を示す図であり、図１は、本発明の超音波光座標入力装置の第１の実施の形態を適用した超音波光座標入力装置１の操作者側から見た構成図である。
【００２３】
図１において、超音波光座標入力装置１は、情報表示部２、情報表示部２の表面上で操作者により操作される指示座標部材としての座標入力用のスタイラスペン３、スタイラスペン３を介して操作者と対向する所定位置に設定された受信ユニット４及び中央制御処理部５等を備えている。
【００２４】
情報表示部（指示平面）２は、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）あるいはＣＲＴ（陰極線管：Ｃａｔｈｏｄｅ  Ｒａｙ  Ｔｕｂｅ）の情報表示を行うものであり、この情報表示部２に表示されるコマンド操作や情報表示部２の画面への描画等がスタイラスペン３で行われる。
【００２５】
情報表示部２は、その受信ユニット４の配設されている側の面以外の３辺に、図２に示すような再帰光学系（再帰光学手段）６が配置されており、再帰光学系６は、図２に示すように、再帰反射テープ１０が用いられていて、テープ表面に反射面が相互に直交関係を有する小さな三角錐状の凹面鏡窪み１１が配置されている。再帰光学系６は、情報表示部２の表示画面上の所定の薄い厚さ領域の光を反射する。
【００２６】
受信ユニット（受信手段）４は、光学ユニット（光照射手段、再帰光受信手段）２１と検出ユニット（超音波信号受信手段）２２を備えており、光学ユニット２１は、図３に示すように、光源２３、プリズム２４、投光レンズ２５及び受光部２６等を備えている。
【００２７】
光源２３は、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ  ）またはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）等が用いられ、プリズム２４の一側面側からプリズム２４方向に赤外光を出射する。
【００２８】
プリズム２４は、光源２３から出射された赤外光を光路変換して、プリズム２４の上面に配置されている投光レンズ２５方向に反射し、投光レンズ２５は、プリズム２４から入射される赤外光を図３に実線矢印で示す方向に、図１に破線矢印で示すように、情報表示部２の表面全面を覆う範囲に扇状に投射させる。
【００２９】
この投光レンズ２５から投光された赤外光は、情報表示部２上に位置するスタイラスペン３に照射されるとともに、再帰光学系６にも照射され、再帰光学系６で反射された戻り光が、図３に破線矢印で示すように、投光レンズ２５に再帰光として入射される。投光レンズ２５は、この戻り光（再帰光）をプリズム２４の下部に配置されている受光部２６に結像させるようにプリズム２４に入射させ、プリズム２４は投光レンズ２５からの戻り光を透過させて受光部２６に結像させる。
【００３０】
受光部２６は、一次元ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ  ）イメージセンサが用いられており、投光レンズ２５による戻り光の焦点位置に、その画素配列がレンズ光軸に垂直な配置になる状態で配置されている。受光部２６は、入射される戻り光を光電変換して、受光信号を出力する。
【００３１】
再び、図１において、検出ユニット２２は、マイクロフォン等の超音波受信器６１（図８参照）と超音波受信器６１の受信した信号を処理する受信回路（図８参照）等を備えており、後述するスタイラスペン３からの超音波信号を受信する。
【００３２】
スタイラスペン（座標指示手段）３は、図４に示すように、ペン内部に、制御部３１、送信部３２、信号処理部３３を備えているとともに、その先端部、図５に示すように、中心軸付近の所定位置に少なくとも１つ以上の受光素子（光信号受信手段）３４と受信回路３５が設けられており、当該受光素子３４よりもスタイラスペン３の基端側の所定位置に、超音波振動子（図示略）を備えたスピーカ部３６が設けられている。このスタイラスペン３は、図示しないバッテリで駆動される。
【００３３】
スタイラスペン３は、上記受信ユニット４の光学ユニット２１から情報表示部２の表面上に扇状に赤外光が照射されている状態で、所望の座標が指示操作されると、受光素子３４が当該赤外光（光ビーム）の一部を検出して、信号処理部３３を介して制御部３１に検出信号として通知される。制御部３１は、赤外光の検出信号が入力されると、送信部３２を介して超音波振動子を駆動させて、所定の超音波信号をスピーカ部３６から所定の方向（本実施の形態の場合、全方位に拡散する方向）に送信する。上記制御部３１と送信部３２は、送信制御手段として機能している。
【００３４】
そして、このスピーカ部３６からの超音波信号の送信においては、制御部３１の制御下で、送信部３２が、図６に示すように、搬送信号４０に所定の変調信号４１を重畳させて、超音波振動子を駆動することで、直接変調する。例えば、図６の場合、搬送信号４０に、「１」、「０」、「１」、「１」・・・等の変調信号４１を重畳させている。この場合に送信する信号のフレームは、図７に示すように、受信側である受信ユニット４の検出ユニット２２で同期を取るためのプリアンブル５１、プリアンブル５１に続く送信側であるスタイラスペン３に固有の識別信号に基づく識別情報（送信側ＩＤ）５２、識別情報５２に続くバッテリー情報等のデータ信号５３及びフレームの終了を知らせるリターンコード（ＣＲ）信号５４からなっている。
【００３５】
そして、上記受信ユニット４は、図８に示すように回路ブロック構成されており、上記検出ユニット２２が、超音波受信器６１、増幅器６２、バンドパスフィルタ６３、検波部６４、同期部６５、判定器６６及び復号部６７等を備え、上記光学ユニット２１が、受光部２６、増幅器７１、Ａ／Ｄ変換器７２、画素値記憶部７３及び演算部７４等を備えている。
【００３６】
検出ユニット２２は、上記スタイラスペン３のスピーカ部３６からの超音波信号を超音波受信器６１で受信して増幅器６２で増幅し、バンドパスフィルタ６３で搬送波４０を取り出すフィルタ処理を施した後、検波部６４で搬送信号４０か変調信号４１を抽出する。その後、検出ユニット２２は、同期部６５で同期を取った後、変調信号４１を復号部６７で復調して、中央制御処理部５に出力する。
【００３７】
中央制御処理部５は、超音波信号の変調信号４１の受信を検出すると、光学ユニット２１の光源２３で光信号（赤外光）を照射した時間情報と超音波信号を受信した時間情報を比較し、当該両時間の時間差から各回路の遅延時間等を差し引いた超音波信号の伝播時間を算出する。
【００３８】
いま、超音波光座標入力装置１の設置されている環境温度時、例えば、室温時の音速をＶｓとすると、超音波信号の伝播距離Ｈは、次式で求めることができ、この伝播距離Ｈの算出を、中央制御処理部５が行う。
【００３９】
Ｈ＝Ｖｓ×〔超音波信号の伝播時間〕・・・（１）
この場合、受信ユニット４に温度センサを設けて、上記環境温度を監視し、当該温度センサの検出する環境温度から中央制御処理部５の内部メモリに予め記憶されている環境温度と音速のテーブルから音速Ｖｓを取得して、上記演算式から伝播速度Ｈを演算してもよい。
【００４０】
一方、光学ユニット２１の受光部２６は、上述のように、その画素配列がレンズ光軸に垂直な配置になる状態で配置されたＣＣＤが用いられており、投光レンズ２５及びプリズム２４を通して結像される戻り光（再帰光）を各画素位置毎に光電変換して、受光信号を増幅器７１に出力する。光学ユニット２１は、この受光信号を増幅器７１で増幅した後、Ａ／Ｄ変換器７２で量子化して、受光部２６の各画素上でのスポット光量を示す受光データとして画素値記憶部７３に記憶し、演算部７４が画素値記憶部７３に記憶されている受光部２６の各画素毎の受光データを比較して画素番号とともに一旦画素値記憶部７３に格納する。
【００４１】
演算部７４は、超音波信号を検出した際、図９に各画素毎の受光強度を示すように、スタイラスペン３による再帰光の減少による最小受光値（図９では、８０ｃ）を判定した後、当該最小受光値を与えた画素とその近傍の複数の画素の受光データ（図９では、８０ａ〜８０ｆの６つの画素の受光データ）から受光強度分布に対する受光位置を変数とする受光強度分布曲線を近似計算（例えば、３次曲線による近時計算）を行って求め、当該受光強度分布曲線から最小受光強度を与える受光部２６での位置Ｐ（スタイラスペン３の結像位置）を算出する。
【００４２】
そして、演算部７４でスタイラスペン３による情報表示部２での指示点を算出するが、この指示点の算出においては、図１０に示すように、情報表示部２の表示画面の直交する２辺をＸｄ軸及びＹｄ軸（以降、表示座表系という。）とし、受信ユニット４によるセンサー座標系を光信号送受信部である光学ユニット２１の光学系の光学中心を原点として、Ｘ軸、Ｙ軸それぞれを、表示座標系のそれぞれの軸に平行に仮定する。
【００４３】
そして、演算部７４は、この光学系の焦点距離及び受光部２６の情報表示部２の表示画面上での位置Ｐからレンズ系光軸に対するスタイラスペン３が存在する方向の傾きを計算し、その後、レンズ系光軸とセンサ座標系との設置上の傾きを考慮に入れて、図１０に示すように、スタイラスペン３の位置方向ベクトルＶを算出する。
【００４４】
ここで、指示位置Ｓ（超音波信号を発生するスピーカ部３６の位置）は、スピーカ部３６の位置がスタイラスペン３のペン先に十分近いと、情報表示部２の表示画面上における指示座標位置であるとみなせるため、求める指示座標位置Ｓは、検出ユニット２２の超音波受信部６１の位置をＵとすると、位置Ｕ（センサー座標系での座標値であって、超音波光座標入力装置１の製造値に既定値として設定されていて、超音波光座標入力装置１で既知となっている。）を中心とする半径Ｈの円周と直径ｔＶ（ｔは、所定の変数）との交点として求めることができる。
【００４５】
そこで、中央制御処理部５は、上記関係から、所定の変数ｔに関する二次方程式を解き、その解として、指示位置Ｓの座標値を算出する。
【００４６】
この場合、二次方程式の解は、２点存在するが、受信ユニット４の前面が検出対象であることから、一時的に指示位置Ｓの座標値を決定することができる。
【００４７】
そして、受信ユニット４と表示座標とは既知の線形な関係（相対位置が設計段階で既知である）ため、中央制御処理部５は、対応する変換行列による線形変換演算により、表示座標への変換を行い、求める表示座標系での指示位置Ｓｄを算出する。なお、この変換行列は、予め中央制御処理部５の内部メモリに記憶されている。
【００４８】
次に、本実施の形態の作用を説明する。本実施の形態の超音波光座標入力装置１は、再帰光を効率的に利用して、指示座標位置を正確に検出する。
【００４９】
すなわち、超音波光座標入力装置１は、電源が投入されると、中央制御処理部５で時間管理された所定のタイミングで、受信ユニット４の光学ユニット２１から、図１に破線矢印で示すように、赤外光が、情報表示部２の表示画面に概略平行な面内を扇状に照射され、情報表示部２には、受信ユニット４の配設されている側の面以外の３辺に、情報表示部２の表示画面上の所定の薄い厚さ領域の赤外線を反射する再帰光学系６が図２に示したように配置されている。
【００５０】
この状態で、利用者が、スタイラスペン３の先端部で情報表示部２の表示画面の所望の座標を指示操作すると、このスタイラスペン３は、その先端部の受光素子３４が、受信ユニット４の光学ユニット２１から照射された赤外光の一部を検出して、制御部３１が、受光素子３４の赤外光の検出を認識すると、送信部３２を介して超音波振動子を駆動させて、超音波信号をスピーカ部３６から所定の方向（本実施の形態の場合、全方位に拡散する方向）に送信させる。
【００５１】
このとき、制御部３１は、送信部３２に、図６に示したように、搬送信号４０に変調信号を重畳させた超音波信号を送信させる。
【００５２】
受信ユニット４は、その検出ユニット２２の超音波受信器６１が、スタイラスペン３から送信されてくる超音波信号を受信し、増幅器６２で増幅して、バンドパスフィルタ６３でフィルタ処理を施した後、検波部６４で搬送信号４０か変調信号４１を抽出する。その後、検出ユニット２２は、同期部６５で同期を取った後、変調信号４１を復号部６７で復調して、中央制御処理部５に出力する。
【００５３】
中央制御処理部５は、超音波信号の変調信号４１の受信を検出すると、光学ユニット２１の光源２３で光信号（赤外光）を照射した時間情報と超音波信号を受信した時間情報を比較し、当該両時間の時間差から各回路の遅延時間等を差し引いた超音波信号の伝播時間を算出して、上記式（１）に基づいて、超音波信号の伝播距離Ｈを算出する。
【００５４】
一方、光学ユニット２１は、受光部２６の受光した戻り光（再帰光）の受光信号を増幅器７１で増幅した後、Ａ／Ｄ変換器７２で量子化して、受光部２６の各画素上でのスポット光量を示す受光データとして画素値記憶部７３に記憶し、演算部７４が画素値記憶部７３に記憶されている受光部２６の各画素毎の受光データを比較して画素番号とともに一旦画素値記憶部７３に格納する。演算部７４は、超音波信号を検出すると、上述のように、表示部２の表示画面の周囲に配設された再帰光学系６で反射されて戻ってくる再帰光がスタイラスペン３で減少されることによる最小受光値（図９では、８０ｃ）を判定した後、当該最小受光値を与えた画素とその近傍の複数の画素の受光データ（図９では、８０ａ〜８０ｆの６つの画素の受光データ）から受光強度分布に対する受光位置を変数とする受光強度分布曲線を近似計算を行って求め、当該受光強度分布曲線から最小受光強度を与える受光部２６での位置Ｐ（スタイラスペン３の結像位置）を算出する。
【００５５】
そして、演算部７４は、この光学系の焦点距離及び受光部２６の情報表示部２の表示画面上での位置Ｐからレンズ系光軸に対するスタイラスペン３が存在する方向の傾きを計算し、その後、レンズ系光軸とセンサ座標系との設置上の傾きを考慮に入れて、図１０に示したように、スタイラスペン３の位置方向ベクトルＶを算出する。
【００５６】
いま、この指示位置Ｓは、スピーカ部３６の位置がスタイラスペン３のペン先に十分近く、情報表示部２の表示画面上における指示位置座標であるとみなせるため、求める指示座標位置Ｓは、検出ユニット２２の超音波受信部６１の位置をＵとすると、位置Ｕを中心とする半径Ｈの円周と直径ｔＶとの交点として求めることができる。
【００５７】
そこで、中央制御処理部５は、上記関係から、所定の変数ｔに関する二次方程式を解き、その解として、指示位置Ｓの座標値を算出する。
【００５８】
そして、中央制御処理部５は、受信ユニット４と表示座標を対応させる変換行列による線形変換演算を行って、指示位置Ｓｄの表示座標への変換を行い、求める表示座標系での指示位置Ｓｄを算出する。
【００５９】
この場合、変換行列は、例えば、情報表示部２が、液晶ディスプレイ等の場合には、システム側が表示座標上既知の位置に複数（少なくとも、異なる位置３点）のマーカーを順次表示し、表示されたマーカーを個別にスタイラスペン３で指示し、センサ座標形状の指示座標と上記指示されたマーカーの表示座標位置との対応関係から変換行列要素の再計算を行って、補正処理することで、受信ユニット４の位置変化に柔軟に対応することができる。
【００６０】
このように、本実施の形態の超音波光座標入力装置１は、平面上の所定の厚さ領域の光を再帰光として反射する再帰光学系６で囲まれスタイラスペン３で位置指定される情報表示部２の表示画面上に、受信ユニット４の光学ユニット２１から所定の光信号を照射し、光学ユニット２１からの光信号をスタイラスペン３の受光素子３４で受信すると、超音波信号として当該光信号に対応した所定の超音波信号をスタイラスペン３から送信し、受信ユニット４が、スタイラスペン３から送信される超音波信号を検出ユニット２２で受信するとともに、光学ユニット２１から照射した光信号が、再帰光学系６で反射されて戻ってくる再帰光を光学ユニット２１の受光部２６で受信し、中央制御処理部５が、光学ユニット２１による光信号の照射タイミングと検出ユニット２２による超音波信号の受信時間から超音波信号の伝搬距離を算出するとともに、当該超音波信号に対応する光信号照射時の受光部２６の受信する当該光信号の再帰光の受光光量分布情報からスタイラスペン３の検出方向情報を算出し、当該算出した伝搬距離と検出方向情報からスタイラスペン３の指示座標位置を算出している。
【００６１】
したがって、情報表示部２の表示画面上の所定の厚さ領域の光のみを反射する再帰光学部６で反射されて受信ユニット４に戻ってくる再帰光のうち当該情報表示部２の表示画面の近くで指示操作されるスタイラスペン３で遮られる光の影を利用して、スタイラスペン３の有無と指示座標位置を検出して、従来のように、指示平面２から離れた状態での不用意な指示動作を検出するという誤動作を防止することができるとともに、正確に指示座標位置を検出することができ、利用性を向上させることができるとともに、高精度で安定した指示座標位置の検出動作を行うことができる。
【００６２】
図１１は、本発明の超音波光座標入力装置の第２の実施の形態を適用したスタイラスペン９０の正面概略構成図である。
【００６３】
なお、本実施の形態は、上記第１の実施の形態の超音波光座標入力装置１と同様の超音波光座標入力装置に適用したものであり、本実施の形態の説明においては、必要に応じて上記第１の実施の形態で用いた符号をそのまま用いて説明する。
【００６４】
図１１において、スタイラスペン（座標指示手段）９０は、上記第１の実施の形態の光座標入力装置１のスタイラスペン３と同様に、制御部３１、送信部３２、信号処理部３３、受光素子３４、受信回路３５及びスピーカ部３６を備えているとともに、ボタン９１、検出部９２及び感圧スイッチ９３を備えている。
【００６５】
ボタン（情報選択手段）９１は、マウス上のクリックボタン等と同様の機能を有しており、オン／オフ操作されて、所定の情報の選択操作が行われる。
【００６６】
検出部９２は、ボタン９１のオン操作を検出してオン操作検出信号を制御部３１に出力する。
【００６７】
制御部３１は、検出部９２からオン操作検出信号が入力されると、送信部３２に、ボタン９１がオン操作されている旨の情報信号（操作情報信号）を、図７に示した超音波信号の変調信号の識別情報５２の後のデータ信号５３に挿入して送信させる。
【００６８】
感圧スイッチ（接触検出手段）９３は、スタイラスペン９０のペン先が情報表示部２の表示画面に接触しているか否かを検出し、接触していることを検出すると、接触検出結果を制御部３１に出力する。
【００６９】
制御部３１は、感圧スイッチ９３からスタイラスペン９０のペン先が情報表示部２の表示画面に接触していることを示す接触検出信号が入力されているときに、検出部９２からボタン９１がオン操作されていることを示すオン操作検出信号が入力されると、上述のように、送信部３２に、ボタン９１がオン操作されている旨の情報信号を超音波信号の変調信号のデータ信号５３に挿入させて送信させる。
【００７０】
そして、上記受信ユニット４の検出ユニット２２は、この超音波信号の変調信号のデータ信号５３に挿入されている情報信号からボタン９１の操作の有無を検出し、この検出結果を中央制御処理部５に出力して、各種処理を行う。
【００７１】
したがって、例えば、光座標入力装置１をコンピュータ等に接続し、情報表示部２の表示画面上で、ＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ  Ｕｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）操作等に必要なクリック動作（マウス操作での左右ボタンクリックやスクロール操作等のクリック動作等）をスタイラスペン９０のボタン９１の操作で行うことで、マウスと同様のＧＵＩ操作環境を、情報表示部２の表示画面でスタイラスペン９０を操作することで実現することができる。
【００７２】
また、スタイラスペン９０のペン先が情報表示部２の表示画面に接触していることを感圧スイッチ９３が検出しているときにのみ、ボタン９１がオン操作されている旨の情報信号を超音波信号の変調信号のデータ信号５３に挿入して送信しているので、利用者が不用意に情報表示部２の表示画面から離した空中でボタン操作９１を行っても、ボタン９１がオン操作されている旨の情報信号が送信されないため、誤動作を確実に防止することができる。
【００７３】
さらに、スタイラスペン９０は、感圧スイッチ９３がスタイラスペン９０のペン先が情報表示部２の表示画面に接触していることを検出すると、当該スタイラスペン３が指示平面２に接触していることを感圧スイッチ９３が検出している間だけ、スタイラスペン３から超音波信号に当該接触を示す所定の接触信号を重畳させて送信してもよい。
【００７４】
この場合も、受信ユニット４の検出ユニット２２は、この超音波信号の変調信号のデータ信号５３に挿入されている情報信号からスタイラスペン９０が情報表示部２の表示画面に接触していることを検出し、この検出結果を中央制御処理部５に出力して、各種処理を行う。
【００７５】
なお、スタイラスペン９０では、ボタン９１と感圧スイッチ９３の両方が設けられているが、いずれか一方のみが設けられていてもよい。
【００７６】
このように、本実施の形態の超音波光座標入力装置１は、スタイラスペン３が情報表示部２の表示画面に接触していることを感圧スイッチ９３が検出している間だけ、スタイラスペン９０から超音波信号に当該接触を示す所定の接触信号を重畳させて送信し、受信ユニット４の検出ユニット２２が、接触信号の重畳された超音波信号から当該接触信号を抽出している。
【００７７】
したがって、スタイラスペン９０が情報表示部２の表示画面に接触しているか離れているかで指示状態を区別して、操作者の意図する指示状態を簡単に区別することができ、より一層利用性を向上させることができるとともに、高精度で安定した指示座標位置の検出動作を行うことができる。
【００７８】
また、本実施の形態の超音波光座標入力装置１は、スタイラスペン９０の所定の情報の選択操作を行うボタン９１による情報選択操作内容を示す所定の操作情報信号を、スタイラスペン９０から超音波信号に重畳させて送信し、受信ユニット４の検出ユニット２２が、操作情報信号の重畳された超音波信号から当該操作情報信号を抽出している。
【００７９】
したがって、ボタン９１を使用した操作者による情報の選択操作を簡単にスタイラスペン９０から受信ユニット４に通知して、操作者の意図する指示状態を簡単に区別することができ、より一層利用性を向上させることができるとともに、高精度で安定した指示座標位置の検出動作を行うことができる。
【００８０】
以上、本発明者によってなされた発明を好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００８１】
例えば、上記各実施の形態において、スタイラスペン３、９０から超音波信号を送信する場合、受光素子３４が受光する受信ユニット４の光学ユニット２１からの赤外光の受光光量が一定量以上であるときにのみ、超音波信号を送信するようにしてもよい。
【００８２】
このようにすると、外乱光等による不用意な座標指示動作を抑制することができるとともに、スタイラスペン９０のバッテリの不必要な消耗を防止することができる。
【００８３】
また、例えば、上前記受信ユニット４及びスタイラスペン３、９０の受光素子３４に光源２３の波長以外の光の入射を防止する光学フィルタを設けてもよい。
【００８４】
このようにすると、外乱光等の光ノイズを低減することができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００８５】
さらに、スタイラスペン３、９０を識別するのに、上記各実施の形態では、スタイラスペン３に固有の識別信号に基づく識別情報（送信側ＩＤ）５２をスタイラスペン３、９０から送信する超音波信号の変調信号に挿入しているが、所定の発振器による搬送波に対して、受信側で対応するバンドパスフィルタにより受信信号を検出することで識別するようにしてもよい。
【００８６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の超音波光座標入力装置によれば、平面上の所定の厚さ領域の光を再帰光として反射する再帰光学手段で所定範囲が囲まれ座標指示手段で位置指定される指示表面上に、受信手段の光照射手段から所定の光信号を照射し、光照射手段からの光信号を座標指示手段の光信号受信手段で受信すると、超音波信号として当該光信号に対応した所定の超音波信号を座標指示手段から送信し、受信手段が、座標指示手段から送信される超音波信号を超音波信号受信手段で受信するとともに、光照射手段から照射した光信号が、再帰光学手段で反射されて戻ってくる再帰光を再帰光受信手段で受信し、演算制御手段が、光照射手段による光信号の照射タイミングと超音波信号受信手段による超音波信号の受信時間から超音波信号の伝搬距離を算出するとともに、当該超音波信号に対応する光信号照射時の再帰光受信手段の受信する当該光信号の再帰光の受光光量分布情報から座標指示手段の検出方向情報を算出し、当該算出した伝搬距離と検出方向情報から座標指示手段の指示座標位置を算出するので、指示平面上の所定の厚さ領域の光のみを反射する再帰光学手段で反射されて受信手段に戻ってくる再帰光のうち当該指示平面近くで指示操作される座標指示手段で遮られる光の影を利用して、座標指示手段の有無と指示座標位置を検出して、従来のように、指示平面から離れた状態での不用意な指示動作を検出するという誤動作を防止することができるとともに、正確に指示座標位置を検出することができ、利用性を向上させることができるとともに、高精度で安定した指示座標位置の検出動作を行うことができる。
【００８７】
請求項２記載の発明の超音波光座標入力装置によれば、座標指示手段が指示平面に接触していることを接触検出手段が検出している間だけ、座標指示手段から超音波信号に当該接触を示す所定の接触信号を重畳させて送信し、受信手段の超音波信号受信手段が、接触信号の重畳された超音波信号から当該接触信号を抽出するので、座標指示手段が指示平面に接触しているか離れているかで指示状態を区別して、操作者の意図する指示状態を簡単に区別することができ、より一層利用性を向上させることができるとともに、高精度で安定した指示座標位置の検出動作を行うことができる。
【００８８】
請求項３記載の発明の超音波光座標入力装置によれば、座標指示手段の所定の情報の選択操作を行う情報選択手段による情報選択操作内容を示す所定の操作情報信号を、座標指示手段から超音波信号に重畳させて送信し、受信手段の超音波信号受信手段が、操作情報信号の重畳された超音波信号から当該操作情報信号を抽出するので、情報選択手段を使用した操作者による情報の選択操作を簡単に座標指示手段から受信手段に通知して、操作者の意図する指示状態を簡単に区別することができ、より一層利用性を向上させることができるとともに、高精度で安定した指示座標位置の検出動作を行うことができる。
【００８９】
請求項４記載の発明の超音波光座標入力装置によれば、座標指示手段の送信制御手段が、光信号受信手段の受信する光信号の光強度が所定の規定光強度以上であるときにのみ、超音波信号送信手段に超音波信号を送信させるので、指示動作の範囲を限定することができ、誤動作等を適切に防止して安定した動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波光座標入力装置の第１の実施の形態を適用した超音波光座標入力装置の利用者側から見た構成図。
【図２】図１の再帰光学系の部分斜視図。
【図３】図１の光学ユニットの斜視図。
【図４】図１のスタイラスペンの正面概略構成図。
【図５】図４のスタイラスペンの先端部分の拡大構成図。
【図６】図４及び図５のスタイラスペンの送信する超音波信号の構成図。
【図７】図６の超音波信号の変調信号のフレーム構成の一例を示す図。
【図８】図１の受信ユニットの回路ブロック構成図。
【図９】図８の受光ユニットの受光部が受光して演算部が各画素毎の受光強度に基づいてスタイラスペンによる再帰光の減少による最小受光値から受光強度分布曲線を求める動作説明図。
【図１０】図９の受光強度分布曲線に基づいてスタイラスペンの位置方向ベクトルの算出処理の説明図。
【図１１】本発明の超音波光座標入力装置の第２の実施の形態を適用した超音波光座標入力装置に用いられるスタイラスペンの正面概略構成図。
【図１２】従来の座標検出装置の斜視図。
【符号の説明】
１  超音波光座標入力装置
２  情報表示部
３  スタイラスペン
４  受信ユニット
５  中央制御処理部
６  再帰光学系
１０  再帰反射テープ
１１  凹面鏡窪み
２１  光学ユニット
２２  検出ユニット
２３  光源
２４  プリズム
２５  投光レンズ
２６  受光部
３１  制御部
３２  送信部
３３  信号処理部
３４  受光素子
３５  受信回路
３６  スピーカ部
４０  搬送信号
４１  変調信号
５１  プリアンブル
５２  識別情報（送信側ＩＤ）
５３  データ信号
５４  リターンコード（ＣＲ）信号
６１  超音波受信器
６２  増幅器
６３  バンドパスフィルタ
６４  検波部
６５  同期部
６６  判定器
６７  復号部
７１  増幅器
７２  Ａ／Ｄ変換器
７３  画素値記憶部
７４  演算部
９０  スタイラスペン
９１  ボタン
９２  検出部
９３  感圧スイッチ
【図１】
2004227063.tif 000003
【図２】
2004227063.tif 000004
【図３】
2004227063.tif 000005
【図４】
2004227063.tif 000006
【図５】
2004227063.tif 000007
【図６】
2004227063.tif 000008
【図７】
2004227063.tif 000009
【図８】
2004227063.tif 000010
【図９】
2004227063.tif 000011
【図１０】
2004227063.tif 000012
【図１１】
2004227063.tif 000013
【図１２】
2004227063.tif 000014