(57)【要約】【課題】  正確な電子スタイラスの先端位置の判定を可能とする。【解決手段】  電子スタイラスシステム１００は電子スタイラス１０２とベース受信ユニット１０４とを備える。電子スタイラス１０２は、第１の超音波送信機１１８と、第２の超音波送信機１２０と、電磁送信機１２２と、筆記先端１１２とを備える。ベース受信機ユニット１０４は、第１の超音波受信機１３０と、第２の超音波受信機１３２と、電磁受信機１３８とを備える。ベースユニット１０４の超音波受信機は、電子スタイラス１０２の超音波送信機から送信された信号を受信するように動作可能である。同様に、ベースユニット１０４の電磁受信機は、スタイラス１０２の電磁送信機から送信された信号を受信するように動作可能である。２つの超音波受信機に対する２つの超音波送信機の位置を使用して、所与の基準点に対する電子スタイラス１０２の先端１１２の位置が判定される。【選択図】  図１
2004246904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筆記先端と、第１の超音波送信機と、第２の超音波送信機と、電磁送信機と、前記第１の超音波送信機および前記第２の超音波送信機並びに前記電磁送信機に動作可能に接続されたコントローラと
を含むスタイラス本体を備え、
前記コントローラは、前記第１の超音波送信機、前記第２の超音波送信機、前記電磁送信機からの信号送信を制御する
ことを特徴とする電子スタイラス。
【請求項２】
前記コントローラは、前記第１の超音波送信機と前記第２の超音波送信機に交互に超音波信号を送信させる
ことを特徴とする請求項１に記載の電子スタイラス。
【請求項３】
前記コントローラは、前記第１の超音波送信機および前記第２の超音波送信機から前記超音波信号が送信されるのとほぼ同時に、前記電磁送信機に電磁信号を送信させる
ことを特徴とする請求項２に記載の電子スタイラス。
【請求項４】
前記筆記先端および前記コントローラに動作可能に接続された先端接触スイッチをさらに備え、
前記先端接触スイッチは、所定の圧力が前記筆記先端にいつ加えられたかを前記コントローラに示す
ことを特徴とする請求項３に記載の電子スタイラス。
【請求項５】
前記コントローラは、前記所定の圧力が前記筆記先端に加えられたことを前記先端接触スイッチが示したときだけ、前記第１の超音波送信機および前記第２の超音波送信機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４に記載の電子スタイラス。
【請求項６】
前記電磁送信機は、前記第１と第２の超音波送信機のうち現在どちらが超音波信号を送信しているかを示す信号を送信する
ことを特徴とする請求項５に記載の電子スタイラス。
【請求項７】
前記第１および第２の超音波送信機によって送信される前記超音波信号は、２０ｋＨｚよりも高い周波数で送信される
ことを特徴とする請求項３に記載の電子スタイラス。
【請求項８】
前記第１および第２の超音波送信機によって送信される前記超音波信号は、約３０ｋＨｚと１００ｋＨｚとの間の周波数で送信される
ことを特徴とする請求項３に記載の電子スタイラス。
【請求項９】
前記第１および第２の超音波送信機によって送信される前記超音波信号は、約８０ｋＨｚの周波数で送信される
ことを特徴とする請求項３に記載の電子スタイラス。
【請求項１０】
前記電磁送信機は赤外線送信機を含む
ことを特徴とする請求項３に記載の電子スタイラス。
【請求項１１】
前記第１の超音波送信機によって送信される前記超音波信号の中にスタイラス識別子が符号化されている
ことを特徴とする請求項３に記載の電子スタイラス。
【請求項１２】
前記先端接触スイッチはゼロ運動抵抗スイッチを含む
ことを特徴とする請求項３に記載の電子スタイラス。
【請求項１３】
前記電子スタイラスは、前記スタイラス先端に動作可能に接続された、インクを含んだインク筒を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の電子スタイラス。
【請求項１４】
芯を保持する機構を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の電子スタイラス。
【請求項１５】
スタイラス本体と、スタイラス先端と、第１の超音波送信機と、第２の超音波送信機と、電磁送信機と、前記第１の超音波送信機および前記第２の超音波送信機並びに前記電磁送信機に動作可能に接続されたスタイラスコントローラと
を含む電子スタイラスと、
第１の超音波受信機と、第２の超音波受信機と、赤外線受信機と、メモリと、前記第１の超音波受信機および前記第２の超音波受信機および前記赤外線受信機並びに前記メモリに動作可能に接続されたベースコントローラと
を含むベースユニットと
を備えたことを特徴とする電子スタイラスシステム。
【請求項１６】
前記スタイラス先端および前記スタイラスコントローラに動作可能に接続された先端接触スイッチをさらに備え、
前記先端接触スイッチは、所定の圧力が前記スタイラス先端にいつ加えられたかを示す
ことを特徴とする請求項１５に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項１７】
前記スタイラスコントローラは、前記第１と第２の超音波送信機に交互に超音波信号を送信させる
ことを特徴とする請求項１６に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項１８】
前記スタイラスコントローラは、前記所定の圧力が前記スタイラス先端に加えられていることを前記先端接触スイッチが示したときだけ、前記第１および第２の超音波送信機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１７に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項１９】
前記スタイラスコントローラは、前記第１と第２の超音波送信機のうち現在どちらが超音波信号を送信しているかを示す信号を前記電磁送信機に送信させる
ことを特徴とする請求項１８に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項２０】
前記第１の超音波送信機、前記第２の超音波送信機、前記スタイラス先端は、前記電子ペン内で互いに対して固定された位置にある
ことを特徴とする請求項１９に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項２１】
前記第１の超音波受信機および前記第２の超音波受信機は、前記ベースユニット内で互いに対して固定された位置にある
ことを特徴とする請求項２０に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項２２】
前記ベースユニットは、前記コントローラに動作可能に接続されたメモリをさらに含む
ことを特徴とする請求項２１に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項２３】
前記ベースコントローラは時間値のセットを計算するように動作可能であり、
前記時間値のセットは、前記第１の超音波送信機と前記第１の超音波受信機との間、前記第１の超音波送信機と前記第２の超音波受信機との間、前記第２の超音波送信機と前記第１の超音波受信機との間、前記第２の超音波送信機と前記第２の超音波受信機との間を超音波信号が移動するのに必要な時間を含む
ことを特徴とする請求項２２に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項２４】
コントローラは、前記時間値のセットを前記メモリに記憶する
ことを特徴とする請求項２３に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項２５】
前記コントローラは、前記第１および第２の超音波受信機において前記第１および第２の超音波送信機から受信された超音波信号と、前記電磁受信機において前記電磁送信機から受信された電磁信号とを使用して前記時間値のセットを判定する
ことを特徴とする請求項２４に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項２６】
前記ベースユニットは、前記時間値のセットを前記ベースユニットからコンピューティングデバイスに伝達するように動作可能なデータ転送ポートを含む
ことを特徴とする請求項２５に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項２７】
前記ベースコントローラは、前記時間値のセットを使用して距離値のセットを判定するように動作可能であり、
前記距離値のセットは、前記第１の超音波送信機と前記第１の超音波受信機との間の距離、前記第１の超音波送信機と前記第２の超音波受信機との間の距離、前記第２の超音波送信機と前記第１の超音波受信機との間の距離、前記第２の超音波送信機と前記第２の超音波受信機との間の距離を含む
ことを特徴とする請求項２５に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項２８】
前記ベースコントローラは、前記時間値のセットと、前記電子ペン内での前記第１の超音波送信機および前記第２の超音波送信機並びに前記スタイラス先端の相対位置と、前記ベースユニット内での前記第１の超音波受信機および前記第２の超音波受信機の相対位置とを使用して、所定位置に対する前記スタイラス先端の位置を判定するように動作可能である
ことを特徴とする請求項２５に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項２９】
前記所定位置は、前記ベースユニット内の前記第１の超音波受信機の位置を含む
ことを特徴とする請求項２８に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項３０】
前記ベースコントローラは、前記距離値のセットと、前記電子ペン内での前記第１の超音波送信機および前記第２の超音波送信機並びに前記スタイラス先端の相対位置と、前記ベースユニット内での前記第１の超音波受信機および前記第２の超音波受信機の相対位置とを使用して、所定位置に対する前記スタイラス先端の位置を判定するように動作可能である
ことを特徴とする請求項２５に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項３１】
前記所定位置は、前記ベースユニット内の前記第１の超音波受信機の位置を含む
ことを特徴とする請求項３０に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項３２】
前記ベースコントローラは、前記スタイラス先端の位置を前記メモリに記憶するように動作可能である
ことを特徴とする請求項３０に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項３３】
前記ベースユニットは、前記スタイラス先端の位置を前記ベースユニットからコンピューティングデバイスに伝達するように動作可能なデータ転送ポートを含む
ことを特徴とする請求項３２に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項３４】
前記ベースユニットは、前記メモリに記憶されたコントローラ実行可能命令をさらに含み、
前記コントローラは、前記実行可能命令に応答して前記時間値のセットを判定する
ことを特徴とする請求項２５に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項３５】
前記スタイラスコントローラに動作可能に接続された機能スイッチをさらに含み、
前記機能スイッチは、第１の状態および第２の状態を有し、前記第１および第２の状態は、前記ペンを操作するユーザによって選択可能である
ことを特徴とする請求項３４に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項３６】
前記スタイラスコントローラは、前記機能スイッチの状態が中に符号化された電磁信号を前記電磁送信機に送信させるように動作可能である
ことを特徴とする請求項３５に記載の電子スタイラスシステム。
【請求項３７】
所与の基準点に対して電子スタイラス内の第１の超音波送信機の位置軌跡を判定するステップと、
前記所与の基準点に対して前記電子スタイラス内の第２の超音波送信機の位置軌跡を判定するステップと、
判定した前記第１の超音波送信機の位置軌跡と、判定した前記第２の超音波送信機の位置軌跡と、前記スタイラス内での前記第１の超音波送信機および前記第２の超音波送信機並びに筆記先端の相対位置とを使用して、前記所与の基準点に対する前記電子スタイラス内の前記筆記先端の位置を判定するステップと
を備えることを特徴とする方法。
【請求項３８】
前記所与の基準点は、第１の超音波受信機と第２の超音波受信機とを含む電子スタイラスベース受信機ユニット内に位置する
ことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記所与の基準点は、前記ベース受信機ユニットの前記第１の超音波受信機の位置にある
ことを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記基準点に対する前記第１の超音波受信機の位置軌跡は、前記第１の超音波送信機と前記第１の超音波受信機との間の距離（ｄ１１）を計算し、前記第１の超音波送信機と前記第２の超音波受信機との間の距離（ｄ１２）を計算することによって判定される
ことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記基準点に対する前記第２の超音波受信機の位置軌跡は、前記第２の超音波送信機と前記第１の超音波受信機との間の距離（ｄ２１）を計算し、前記第２の超音波送信機と前記第２の超音波受信機との間の距離（ｄ２２）を計算することによって判定される
ことを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記ベースユニットの前記第１の超音波受信機および第２の超音波受信機は、前記ベースユニット内で互いに固定された距離の位置にあり、
前記第１の超音波受信機と前記第２の超音波受信機との間の前記固定された距離は、前記所与の基準点に対する前記スタイラスの先端の位置を判定する際に使用される
ことを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４３】
座標系に対してスタイラスの先端の位置を判定する方法であって、
前記スタイラスは、前記スタイラス内の第１の固定された位置にある第１の超音波送信機と、前記スタイラス内の第２の固定された位置にある第２の超音波送信機とを有し、
前記座標系に対して前記第１の超音波送信機の第１の位置軌跡を判定するステップと、
前記座標系に対して前記第２の超音波送信機の第２の位置軌跡を判定するステップと、
前記第１の超音波送信機の第１の傾斜角を判定するステップと、
前記第２の超音波送信機の第２の傾斜角を判定するステップと、
前記第１の位置軌跡、前記第２の位置軌跡、前記第１の傾斜角、前記第２の傾斜角、第１の超音波受信機および第２の超音波受信機並びに前記スタイラスの先端の互いに対する位置を使用して、前記座標系に対する前記スタイラスの先端の位置を判定するステップと
を備えることを特徴とする方法。
【請求項４４】
判定した前記スタイラスの先端の位置を記憶するステップ
をさらに備えることを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
判定した前記スタイラスの先端の位置をコンピューティングデバイスに送信するステップ
をさらに備えることを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
電子ペン内の第１の超音波送信機とベースユニット内の第１の超音波受信機との間の距離を判定するステップと、
前記電子ペン内の前記第１の超音波送信機と前記ベースユニット内の第２の超音波受信機との間の距離を判定するステップと、
前記電子ペン内の第２の超音波送信機と前記ベースユニット内の前記第１の超音波受信機との間の距離を判定するステップと、
前記電子ペン内の前記第２の超音波送信機と前記ベースユニット内の前記第２の超音波受信機との間の距離を判定するステップと、
判定した各距離を不揮発性メモリに記憶するステップと
を備えることを特徴とする方法。
【請求項４７】
前記第１の超音波送信機と前記第１の超音波受信機との間の距離を判定するステップは、
前記電子ペン内の電磁送信機から電磁信号を発信するステップと、
前記ベースユニット内の第１の電磁受信機において前記電磁信号を受信するステップと、
前記第１の超音波送信機から超音波信号を発信するステップと、
前記第１の超音波受信機において前記超音波信号を受信するステップと、
前記電磁信号が受信されたときと前記超音波信号が受信されたときとの時間差に基づいて、前記第１の超音波送信機と前記第１の超音波受信機との間の距離を計算するステップと
を備えたことを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記第１の超音波送信機と前記第１の超音波受信機との間の距離は、前記ベースユニット内のマイクロコントローラを使用して判定される
ことを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記第１の超音波送信機と前記第１の超音波受信機との間の距離は、前記ベースユニット内の不揮発性メモリに記憶される
ことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
記憶された、前記第１の超音波送信機と前記第１の超音波受信機との間の距離は、コンピューティングデバイスに送信される
ことを特徴とする請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
座標系に対してスタイラスの先端の位置を判定する方法であって、
前記スタイラスは、前記スタイラス内の第１の固定された位置にある第１の超音波送信機と、前記スタイラス内の第２の固定された位置にある第２の超音波送信機とを有し、
電子スタイラス内の第１の超音波送信機とベースユニット内の第１の超音波受信機との間の距離を受け取るステップと、
前記電子スタイラス内の前記第１の超音波送信機と前記ベースユニット内の第２の超音波受信機との間の距離を受け取るステップと、
前記電子スタイラス内の第２の超音波送信機と前記ベースユニット内の前記第１の超音波受信機との間の距離を受け取るステップと、
前記電子スタイラス内の前記第２の超音波送信機と前記ベースユニット内の前記第２の超音波受信機との間の距離を受け取るステップと、
受け取った前記距離を使用して、前記座標系に対する前記スタイラスの先端の位置を判定するステップと
を備えることを特徴とする方法。
【請求項５２】
スタイラス内に位置する第１の超音波送信機と、ベースユニット内に位置する２つの超音波受信機のそれぞれとの間の距離を受け取るステップと、
スタイラス内に位置する第２の超音波送信機と、前記２つの超音波受信機のそれぞれとの間の距離を受け取るステップと、
受け取った前記距離、前記２つの超音波送信機間の固定された距離、前記２つの超音波受信機関の固定された距離、前記超音波送信機のうちの一方に対する前記スタイラスの先端の位置を使用して、前記ベースユニットに対する前記電子スタイラスの先端の位置を判定するステップと
を備えることを特徴とする方法。
【請求項５３】
電子ペン内の第１の送信機とベースユニット内の第１の超音波受信機との間を超音波信号が移動するのに必要な時間を示す時間値を受け取るステップと、
前記第１の送信機と前記ベースユニット内の第２の超音波受信機との間を超音波信号が移動するのに必要な時間を示す第２の時間値を受け取るステップと、
前記電子ペン内の第２の送信機と前記第１の超音波受信機との間を超音波信号が移動するのに必要な時間を示す第３の時間値を受け取るステップと、
前記第２の送信機と前記第２の超音波受信機との間を超音波信号が移動するのに必要な時間を示す第４の時間値を受け取るステップと、
前記各時間値、前記２つの超音波送信機間の固定された距離、前記２つの超音波受信機間の固定された距離、前記超音波送信機のうちの一方に対する前記スタイラスの先端の位置を使用して、前記ベースユニットに対する前記電子スタイラスの先端の位置を判定するステップと
を備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子スタイラス及びスタイラスの先端の位置を判定する方法に関し、より詳細には、電子スタイラスの使用中に電子スタイラスの先端の位置を正確に突き止めて記録するための、電子スタイラス及び電子スタイラスシステム並びにスタイラスの先端の位置を判定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラップトップコンピュータは、デスクトップコンピュータが利用不可能であるか実用的ではない場所で移動または仕事をしなければならない人々が使用するためのものとして、ますます普及しつつある。今日のラップトップは、多くのデスクトップと同じほど強力かつ機能豊富であることが多い。例えば、今や多くのラップトップには、大型の表示装置およびフルサイズのキーボードが装備されるようになっている。ラップトップコンピュータは、適切な状況では非常に有用だが、離れた場所やスペースの限られた場所で使用するには大きすぎ、かつ／または重すぎることが多い。さらに、ラップトップコンピュータの電池寿命は通常は約２〜４時間にすぎず、このことがリモート位置でのラップトップコンピュータの有用性をさらに制限している。最後に、データ入力しか必要とされない状況では、ラップトップコンピュータでは単に行き過ぎである場合がある。
【０００３】
移動データ入力のためのラップトップコンピュータに対する代替の１つは、携帯情報端末（ＰＤＡ）である。データ入力にコンピュータキーボードを使用するラップトップとは異なり、ＰＤＡでは一般にスタイラスを採用し、スタイラスを使用してＰＤＡの画面上に筆記する。次いで筆記は取り込まれ、ＰＤＡ中の手書き認識ソフトウェアを使用して処理される。残念ながら、ほとんどのＰＤＡの画面は比較的小さく、したがって、一度に入力および閲覧できるテキストまたはデータの量は限られている。さらに、多くのＰＤＡでは、ユーザが手書きテキストを入力する際に特別な文字体系を学習して利用する必要がある。
【０００４】
移動データ入力のためのラップトップとＰＤＡの両方に対する最近の代替は、いわゆるペンベースのテキスト入力システム、すなわちデジタルペンである。デジタルペンは通常、ユーザが一綴りの紙の上に筆記または描画することを可能にし、この筆記または描画をペン内のメモリに、またはＰＤＡなど付属デバイス内のメモリに取り込む。この場合、筆記または描画は、後で手書き認識などの処理のために従来型のコンピュータに転送することができる。
【０００５】
デジタルペンがテキストまたは筆記を取り込む方法にはいくつかある。このような方法の１つは、ペン内に位置する小さなカメラを使用して、テキストまたはデータが筆記されているときにそれらを取り込むものである。これらの「カメラベース」のペンでは、一連の微小なドットが紙全体に間隔を空けて配置された特殊用紙を使用する必要がある。ユーザが紙の上にペンで筆記するのに伴って、ペンの先端付近にある小さなカメラがドットパターンの画像を取り込む。次いで、ペン内のプロセッサが、取り込まれた画像を使用して、画像が取り込まれた瞬間にペンの点がページ上のどこにあったかを数学的に判定する。画像から画像へのドットパターンの変化を調べることにより、ペンは、ペン先端があった位置の仮想軌跡を生み出す。このデータから、ペンが紙全体にわたって取った経路の記録を生成することができる。
【０００６】
残念ながら、これらの「カメラベース」のデジタルペンには、いくつかの欠点がある。これらの欠点のうちで最も顕著なものは、ペンが機能するために特殊な「ドット付き」用紙を使用しなければならないことである。この特殊用紙は、標準的な紙よりも高価である。さらに、この特殊用紙はしばしば入手困難である。したがって、カメラベースのデジタルペンを実際的に使用するには、この特殊用紙を常に携帯していなければならない。
【０００７】
これらのカメラベースのデジタルペンに対する代替の１つは、超音波タイプのデジタルペンである。現在の超音波タイプのデジタルペンは、単一の超音波送信機をペン内で使用し、この超音波送信機は、通常は一綴りの紙に留められているか取り付けられている超音波受信機ユニットに、超音波信号を送信する。超音波受信機ユニットは通常、ペンから送信された信号を受信するための２つの超音波受信機を備える。単純な二次元の三角測量技法を用いて、１枚の紙などの二次元平面上におけるペン先端の位置を判定することができる。
【０００８】
残念ながら、これらの超音波タイプのデジタルペンは、筆記中および描画中のペン先端の正確な位置を判定する際にあまり精度がよくない。このように精度を欠く主な理由は、ペン内の超音波送信機の位置に関係がある。超音波送信機のサイズおよびペンの寸法のため、超音波送信機は、ペン先端からいくらか離れた位置になければならない。このことは、ペンが紙に対して完全に垂直の向きに保持されているときは問題ではない。このように保持されていれば、送信機は、ペン先端の上で一直線に整列し、したがって二次元平面でペン先端と同じ位置に整列する。しかし、ペンが傾いているときは、送信機はもはやペン先端の上で一直線に整列しない。それどころか送信機は、二次元空間でペン先端からいくらか離れた位置にあることになる。受信機はペン先端の位置ではなく送信機の位置を記録するので、ペンが傾いているときには不正確な先端位置が記録されることになるが、ペンの傾きは筆記中に必然的に生じる。
【０００９】
尚、出願人が知っている先行技術として、記載すべき先行技術文献情報は特に見あたらない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、ペンベースの移動データ取込みシステムであって、送信機の位置ではなくペン先端の位置を正確に記録し、特殊用紙を使用する必要のないシステムが必要とされている。
【００１１】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、正確な電子スタイラスの先端位置の判定を可能とする、電子スタイラス及びスタイラスの先端の位置を判定する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本明細書に、電子スタイラスの先端位置を正確に判定するための様々なシステムおよび方法の実施形態について述べる。一実施形態によれば、電子スタイラスシステムが、電子スタイラスおよびベース受信ユニットを備える。電子スタイラスは、複数の超音波送信機と、電磁送信機と、筆記先端とを備える。ベース受信機ユニットは、複数の超音波受信機と、電磁受信機とを備える。ベースユニットの超音波受信機は、電子スタイラスの超音波送信機から送信された信号を受信するように動作可能である。同様に、ベースユニットの電磁受信機は、スタイラスの電磁送信機から送信された信号を受信するように動作可能である。
【００１３】
別の実施形態は、所与の基準点に対する電子スタイラスの先端位置を突き止める方法に関する。この実施形態によれば、まず、所与の基準点に対して、電子スタイラス内の２つの超音波送信機の位置を判定する。次いで、判定した２つの超音波送信機の位置と電子スタイラスの様々な幾何形状とを使用して、所与の基準点に対する電子スタイラスの先端位置を判定する。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明によれば、ペンベースの移動データ取込みシステムにおいて、送信機の位置ではなくペン先端の位置を正確に記録できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明を適用できる実施形態を詳細に説明する。理解しやすくするため、各図に共通の同一要素を示すのには同一の参照番号を可能な限り使用している。
【００１６】
以下の記述では、添付の特許請求の範囲に詳述する要素を組み込んだ電子スタイラスシステムおよび方法の具体的な実施形態について述べる。法定要件を満たすため、実施形態は詳細に述べる。ただし、この記述自体は、本特許の範囲を限定するものではない。そうではなく、特許請求する本発明を他の方式で実施して、この文書に述べる要素に類似する異なる要素または要素の組合せを他の現在または将来の技術と共に含めることもできると企図している。
【００１７】
一般に、述べられている実施形態は、従来の筆記用紙などの上でスタイラスを使用して筆記または描画が行われている間に、スタイラスの先端の位置を正確に取り込んで記録するためのシステムおよび方法に関する。本明細書に述べる様々な実施形態によれば、本明細書で電子スタイラスと呼ぶスタイラスは、少なくとも２つの超音波送信機および少なくとも１つの電磁送信機を備え、各送信機は、スタイラスが筆記および描画に使用されているときに信号を送信する。ベースユニットが少なくとも２つの超音波受信機および少なくとも１つの電磁受信機を備えており、次いでこのベースユニットを使用して、電子ペンから送信された超音波信号および電磁信号を受信する。これらの超音波信号および電磁信号を、ペン内の超音波送信機の間の固定された距離と、ベースユニット内の超音波受信機の間の固定された距離と、ペン内のスタイラス先端の位置と共に使用して、筆記または描画動作中のスタイラス先端の正確な位置を判定する。
【００１８】
次に、電子スタイラスの形状および使用に関係するシステムおよび方法、電子スタイラスシステム、およびこの使用方法について、添付の図面に示すいくつかの実施形態を参照しながら詳細に述べる。以下の記述では、これらの実施形態を十分に理解するために、多くの具体的な詳細を述べる。ただし、これらの実施形態は、これらの具体的な詳細のいくつかまたはすべてを含まなくてもよく、これらがなくても実施できることは、当業者には明らかであろう。他の場合では、これらの実施形態の記述を不必要に曖昧にしないために、周知の工程ステップや電気的または機械的システムについては詳細に述べない。
【００１９】
まず図１に目を向けると、本発明の一実施形態による例示的な電子スタイラスシステム１００が示されている。電子スタイラスシステム１００は、電子スタイラス１０２と、関連する電子スタイラスベースユニット１０４（ベースユニット）を備える。図示の電子スタイラスシステム１００は、１枚または一綴りの紙などの筆記材料１０６と、テーブル上面やその他の硬い面などの筆記面１０８とを含む例示的な動作環境にある。
【００２０】
図１に示すように、電子スタイラス１０２は、スタイラス本体１１０と、スタイラス本体１１０の一方の端に位置する筆記先端またはスタイラス先端１１２とを備える。一実施形態では、電子スタイラス１０２は、インクまたは芯（黒鉛）を保持してスタイラス先端１１２から出すための機構１１４を備える。例えば、機構１１４は、スタイラス本体１１０内に配置されてスタイラス先端１１２に動作可能に接続されたインクカートリッジまたは芯ディスペンサを備えるものとすることができる。この実施形態では、次いでスタイラスおよびインク（芯）を従来方式で使用して、筆記材料１０６上に筆記または描画することができる。電子スタイラス１０２のこうした従来の使用法は、それだけで実施することもでき、あるいは後述するように超音波信号および／または電磁信号の送信と共に実施することもできる。他の実施形態では、スタイラス先端１１２は、インクも芯も出さず、単に筆記または描画のストロークを電子的に取り込むためのスタイラスとしてのみ機能することができる。例えば、この電子スタイラスは、タブレットＰＣ（personal computer）またはＰＤＡにおける電磁デジタイザの代わりとして使用することができる。
【００２１】
電子スタイラス１０２には、第１の超音波送信機１１８および第２の超音波送信機１２０も含まれる。超音波送信機１１８と１２０は両方とも、水平面と垂直面の両方で信号を送信する全方向タイプの超音波送信機であることが好ましい。超音波送信機１１８および１２０は、人間の耳の聴度限界である約２０ｋＨｚよりも高い音波または信号を生成する。一実施形態では、超音波送信機１１８および１２０は、約３０〜１２０ｋＨｚの間、より具体的には約８０ｋＨｚの音波を送信する。超音波送信機から送信される音波は、様々なデータを含むか、または様々なデータがその中に符号化されたものとすることができる。例えば一実施形態では、一方または両方の超音波送信機１１８および／または１２０から送信される音波は、スタイラス識別番号など、超音波信号を送信している特定の電子スタイラスを識別するデータを含むか組み入れることになる。他の実施形態では、超音波送信機１１８および／または１２０から送信される音波は、他のタイプのデータを含むか組み入れることもできる。
【００２２】
図１に示すように、第１および第２の超音波送信機１１８および１２０は、相互から所定距離だけ離れてスタイラス本体１１０中に組み込まれているか保持されている。第１および第２の超音波送信機１１８および１２０とスタイラス先端１１２はすべて、スタイラス本体１１０中の単一の軸１１６に沿って整列または配向されていることが好ましい。スタイラス本体１１０には、電磁送信機１２２も組み込まれているか保持されている。
【００２３】
一実施形態では、電磁送信機１２２は、マイクロ波よりも高く可視スペクトルよりも低い周波数範囲を有する電磁波を送信するように動作可能な赤外線（ＩＲ）送信機である。明確にするために、電磁送信機１２２を、以下では電磁送信機１２２ではなくＩＲ送信機１２２と呼ぶ。ただし、別法として電磁送信機１２２は、ＩＲスペクトル以外の周波数範囲を有する波を送信するように動作可能な他のタイプの電磁送信機を構成してもよいことを理解されたい。ＩＲ送信機１２２から送信されるＩＲ信号は、様々なデータを含むか、または様々なデータがその中に符号化されたものとすることができる。例えば一実施形態では、ＩＲ送信機１２２から送信される信号は、ＩＲ送信機識別番号など、ＩＲ信号を送信している特定の電子スタイラスを識別するデータを含むか組み入れることになる。さらに、後述するように、ＩＲ送信機１２２から送信される信号は、超音波送信機１１８と１２０のどちらが現在送信しているか、または送信しようとしているかを指定する情報を含むこともできる。他の実施形態では、ＩＲ送信機１２２から送信される信号は、その他のデータを含むか組み入れることもできる。
【００２４】
超音波送信機およびＩＲ送信機に加えて、電子スタイラス１０２はまた、スタイラスインジケータランプ１２４および機能スイッチ１２６も備えることができ、これらは両方ともスタイラス本体１１０中に組み込まれているか保持されている。一実施形態では、スタイラスインジケータランプ１２４は、電子スタイラス１０２の低電力状態を示すように機能する可視ＬＥＤ（発光ダイオード）を備える。他の実施形態では、スタイラスインジケータランプ１２４は、電子スタイラス１０２のその他の動作機能または状態を示すこともできる。
【００２５】
一実施形態では、機能スイッチ１２６は、スタイラスのユーザが電子スタイラスシステム１００の様々な動作機能を選択することのできる手段を提供する。例えば一実施形態では、機能スイッチ１２６は、スタイラス１０２のユーザが選択することのできる２つの動作状態を有する。この実施形態では、２つの状態は、スタイラスコントローラが機能スイッチからの信号を受信または検出することのない静止状態と、スタイラスコントローラが機能スイッチからの信号を受信または検出するインジケータ状態とを含むものとすることができる。例えばこの実施形態では、第２の状態を用いて、ページ変更など、ペンの動作における何らかの中断点または描写点を示すことができる。コントローラはこの場合、機能スイッチの状態が符号化された信号をＩＲ送信機１２２から送信させるように動作可能とすることができる。
【００２６】
前述のように、電子スタイラス１０２を従来方式で使用して、インクまたは芯（黒鉛）を用いて筆記材料上に筆記または描画することができる。また前述のように、本発明によれば、電子スタイラス１０２を使用して、第１の超音波送信機１１８、第２の超音波送信機１２０、およびＩＲ送信機１２２を介して超音波信号およびＩＲ信号をベースユニット１０４に送信することもできる。
【００２７】
次に図２に目を向けると、電子スタイラス１０２の様々な例示的な動作構成要素２００が示されている。図２に示すように、また電子スタイラス１０２の一実施形態によれば、動作構成要素２００は、スタイラスマイクロコントローラ２０２、第１の超音波ドライバモジュール２０４、第２の超音波ドライバモジュール２０６、ＩＲドライバモジュール２０８、スタイラスインジケータランプドライバモジュール２１０、スタイラス先端接触スイッチ２１２、機能スイッチ１２６を含むことができる。図示のように、各ドライバモジュール２０４、２０６、２０８、２１０、ならびにスタイラス先端接触スイッチ２１２および機能スイッチ１２６は、マイクロコントローラ２０２に動作可能に接続されている。さらに、各ドライバモジュールは、関連する超音波送信機、ＩＲ送信機、またはインジケータランプにも接続されている。具体的には、第１の超音波ドライバモジュール２０４は第１の超音波送信機１１８に接続され、第２の超音波ドライバモジュール２０６は第２の超音波送信機１２０に接続され、ＩＲドライバモジュール２０８はＩＲ送信機１２２に接続され、スタイラスインジケータランプドライバモジュール２１０はスタイラスインジケータランプ１２４に接続されている。
【００２８】
動作時、各超音波ドライバモジュールは、スタイラスマイクロコントローラ２０２から信号を受け取って、それぞれに関連する超音波送信機を駆動する高振幅電気パルスを生成するように動作可能である。同様に、ＩＲドライバモジュール２０８は、スタイラスマイクロコントローラ２０２から信号を受け取って、ＩＲ送信機１２２を駆動するための適切な信号を生成するように動作可能である。スタイラスインジケータランプドライバモジュール２１０は、スタイラスマイクロコントローラ２０２から信号を受け取って、スタイラスインジケータランプ１２４を駆動するための適切な信号を生成するように動作可能である。一実施形態では、スタイラスインジケータランプ１２４は可視ＬＥＤを備える。
【００２９】
スタイラス先端接触スイッチ２１２は、筆記材料１０６上でスタイラス１０２を使用して筆記または描画が行われているときなど、スタイラス先端１１２が硬い面と接触しているときを示すように動作可能である。スタイラス先端接触スイッチ２１２は、スタイラス先端１１２が硬い面と接触しているときにそれに力が加わるような形で、スタイラス本体１１０中に配置されている。例えば図１に示すように、一実施形態では、スタイラス先端接触スイッチ２１２は、スタイラス先端１１２を通してインクまたは芯を出す機構１１４の端部に配置されている。このようにして配置されると、スタイラス先端１１２が筆記材料１０６と接触しているとき、機構１１４を通してスタイラス先端接触スイッチ２１２に力が加わることになる。他の実施形態では、スタイラス先端接触スイッチ２１２は、スタイラス先端１１２が硬い面と接触しているときにスタイラス先端接触スイッチ２１２に力が加わることになる限り、スタイラス本体内の他の位置に配置してもよい。
【００３０】
指定の大きさの力がスタイラス先端接触スイッチ２１２に加わると、スタイラス先端接触スイッチ２１２は係合状態に入る。この係合状態では、スタイラス先端接触スイッチ２１２は、スタイラスの先端１１２が筆記材料としっかりと接触していることをマイクロコントローラ２０２に示す。理解されるように、この圧力スイッチは、係合状態を示す信号を生成してもよく、あるいはスイッチの中を電流が通るようにすることによって係合状態を示してもよい。スタイラス先端接触スイッチ２１２は、適したいくつかのスイッチタイプまたはセンサタイプとすることができる。例えば一実施形態では、スタイラス先端接触スイッチ２１２はゼロ運動抵抗スイッチ（zero-movement resistive switch）を構成し、これは当技術分野で圧力スイッチとも呼ばれる。別の実施形態では、接触スイッチ２１２はアナログまたはデジタル圧力センサを構成する。
【００３１】
理解されるように、スタイラスマイクロコントローラ２０２は、ソフトウェアおよび／またはファームウェアに組み込まれた命令に従って、それに接続された様々な構成要素を操作または制御する。より具体的には、マイクロコントローラ２０２を制御するソフトウェアおよび／またはファームウェアは、マイクロコントローラ２０２から第１の超音波ドライバモジュール２０４、第２の超音波ドライバモジュール２０６、ＩＲドライバモジュール２０８、スタイラスインジケータランプドライバモジュール２１０に送信される信号の、タイミング、継続時間、タイプを決定する。同様に、ソフトウェアおよび／またはファームウェアは、スタイラス先端接触スイッチ２１２および機能スイッチ１２６から受け取った信号に対してマイクロコントローラ２０２がどのように応答するかを決定する。
【００３２】
一実施形態によれば、マイクロコントローラ２０２は、スタイラス先端接触スイッチ２１２が係合状態にあるときには第１と第２の超音波送信機から交互に超音波信号を送信させるように動作し、スタイラス先端１１２が筆記材料１０６と接触していることを示す。すなわちマイクロコントローラ２０２は、スタイラス先端接触スイッチ２１２が係合状態にある間、一方の超音波送信機から、次いで他方の超音波送信機から、交互に信号を送信させるように動作する。さらにこの実施形態によれば、マイクロコントローラ２０２は、第１および第２の超音波送信機がいつ、またどちらの超音波送信機が超音波信号を現在送信しているか、または送信しようとしているかを示すデータを、ＩＲ送信機から送信させるようにも動作する。
【００３３】
例えば一実施形態によれば、スタイラス先端接触スイッチ２１２が係合状態に入り、スタイラス先端１１２が筆記材料１０６と接触していることを示すまで、スタイラスマイクロコントローラ２０２は待機状態を維持する。接触スイッチが係合状態に入ったと判定されると、次いでマイクロコントローラ２０２はＩＲドライバモジュール２０８に信号を送り、ＩＲドライバモジュール２０８は、対応する信号を、同報通信されるようにＩＲ  ＬＥＤ１２２に送る。一実施形態では、ＩＲドライバモジュール２０８に送られるこの信号、およびＩＲ  ＬＥＤ１２２から同報通信される対応する信号は、第１の超音波送信機１１８が同報通信しているか同報通信しようとしていることを指定する。マイクロコントローラ２０２からＩＲドライバモジュール２０８に信号を送るのと同時に、またはほぼ同時に、マイクロコントローラ２０２は、第１の超音波送信機ドライバモジュール２０４に信号を送る。第１の超音波ドライバモジュール２０４は、対応する信号を、同報通信されるように第１の超音波送信機１１８に送る。
【００３４】
次に、マイクロコントローラ２０２はドライバモジュール２０８に信号を送り、ドライバモジュール２０８は、対応する信号を、同報通信されるようにＩＲ  ＬＥＤ１２２に送る。一実施形態では、ＩＲドライバモジュール２０８に送られるこの信号、およびＩＲ  ＬＥＤ１２２から同報通信される対応する信号は、第２の超音波送信機１２０が同報通信しているか同報通信しようとしていることを指定する。マイクロコントローラ２０２からＩＲドライバモジュール２０８に信号を送るのと同時に、またはほぼ同時に、マイクロコントローラ２０２は、第１の超音波送信機ドライバモジュール２０４に信号を送るのを停止し、第２の超音波ドライバモジュール２０６に信号を送る。第２の超音波ドライバモジュール２０６は、対応する信号を、同報通信されるように第２の超音波送信機１２０に送る。ＩＲモジュール２０８および第１の超音波ドライバモジュール２０４に、次いでＩＲモジュール２０８および第２の超音波ドライバモジュール２０６に交互に信号を送るこのプロセスを、スタイラス接触スイッチ２１２がもはや係合状態でなくなるまで継続する。すなわち、スタイラス先端１１２がもはや筆記材料１０６と十分に接触していない状態になるまで、マイクロコントローラから信号を送り続ける。
【００３５】
別の実施形態によれば、マイクロコントローラ２０２は、スタイラスの使用中ずっと、第１と第２の超音波送信機から交互に超音波信号を送信させるように動作する。「ホバー」モードと呼ばれるこの動作モードでは、スタイラス先端接触スイッチ２１２は使用しない。そうではなく、接触スイッチの状態に関係なくスタイラス先端の位置を追跡し続ける。
【００３６】
ここで図１に戻るが、図示のように、ベースユニット１０４は本体部分１２８を備え、本体部分１２８は、第１の超音波受信機１３０および第２の超音波受信機１３２を備える。第１と第２の超音波受信機１３０と１３２は両方とも、電子スタイラス１０２の第１の超音波送信機１１８と第２の超音波送信機１２０の両方から送信された超音波信号を検出するように動作可能である。例えば図１に示すように、スタイラス１０２の第１の超音波送信機１１８が第１の超音波信号１３４を送信するのが示されており、第１の超音波信号１３４は、第１の超音波受信機１３０と第２の超音波受信機１３２の両方によって受信される。同様に、スタイラス１０２の第２の超音波送信機１２０が第２の超音波信号１３６を送信するのが示されており、第２の超音波信号１３６は、第１の超音波受信機１３０と第２の超音波受信機１３２の両方によって受信される。
【００３７】
ベースユニット１０４の本体部分１２８には、電子スタイラス１０２の電磁送信機１２２からの電磁信号１４０を検出するように動作可能な電磁受信機１３８もある。一実施形態では、電磁受信機１３８は、マイクロ波よりも高く可視スペクトルよりも低い周波数範囲を有する波を検出するように動作可能な赤外線（ＩＲ）受信機である。明確にするために、電磁受信機１３８を、以下では電磁受信機１３８ではなくＩＲ受信機１３８と呼ぶ。ただし、別法として電磁受信機１３８は、電磁送信機１２２から送信された、ＩＲスペクトル以外の周波数範囲を有する波を検出するように動作可能な他のタイプの電磁受信機を構成してもよいことを理解されたい。
【００３８】
超音波受信機１３０および１３２とＩＲ受信機１３８に加えて、ベースユニット１０４はデータ転送ポート１４２も備える。後でより詳しく述べるが、データ転送ポート１４２は、様々なタイプのデータをベースユニットから別のコンピューティングデバイスまたはコンピューティングプロセスに転送することのできる機構を提供する。一実施形態によれば、データ転送ポート１４２は物理的または配線式の接続ポートを備えており、この接続ポートにケーブルをプラグ接続して、ベースユニット１０４を別のコンピューティングデバイスに物理的かつ電気的に接続することができる。限定ではなく例として、データ転送ポート１４２は、パラレル、シリアル、ＳＣＳＩ（ｓｍａｌｌ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｓｙｓｔｅｍ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）、Ｆｉｒｅｗｉｒｅ（ＩＥＥＥ１３９４（Institute of Electrical and Electronics Engineers１３９４））、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）、イーサネット（登録商標）など、任意の数の周知の通信規格およびプロトコルに準拠したデータ通信ポートを構成するものとすることができる。
【００３９】
別の実施形態によれば、データ転送ポート１４２は無線接続ポートを構成し、これによってベースユニット１０４は別のコンピューティングデバイスまたはコンピューティングプロセスに通信する、あるいはそれと通信することができる。限定ではなく例として、データ転送ポート１４２は、ＩＥＥＥ８０２．ｘ無線ネットワーキング規格、「Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（商標）」規格、またはその他の規格や知的所有権のある無線技術に従って動作する無線データ通信送信機または送受信機を備えることができる。別の実施形態によれば、データ転送ポート１４２は、フラッシュＲＡＭ（random access memory）、メモリスティック、マイクロドライブ、ミニディスク、その他の形のリムーバブル不揮発性記憶装置など、リムーバブルメモリデバイスを備える。
【００４０】
次に図３に目を向けると、ベースユニット１０４の様々な例示的な動作構成要素３００が示されている。一実施形態によれば、動作構成要素３００は、前述の第１の超音波受信機１３０、第２の超音波受信機１３２、ＩＲ受信機１３８、データ転送ポート１４２を含む。さらに、ベースユニット１０４の動作構成要素３００は、ベースユニットマイクロコントローラ３０２、第１の受信機モジュール３０４、第２の受信機モジュール３０６、メモリ３０８も含む。メモリ３０８は、離散的なメモリデバイスとしてもよく、あるいはマイクロコントローラ３０２に組み込まれていてもよい。
【００４１】
図３に示すように、ベースユニットマイクロコントローラ３０２は、第１の受信機モジュール３０４を介して第１の超音波受信機１３０に動作可能に接続され、第２の受信機モジュール３０６を介して第２の超音波受信機１３２に動作可能に接続されている。さらに、ベースユニットマイクロコントローラ３０２は、メモリ３０８、データ転送ポート１４２、赤外線受信機１３８にも動作可能に接続されている。一般にベースユニットマイクロコントローラ３０２は、第１および第２の受信機モジュール３０４および３０６で受け取られた超音波信号と、赤外線受信機モジュール１３８で受け取られた赤外線信号とを受け取って処理するように動作可能である。マイクロコントローラ３０２がこれらの信号を処理する方式については、後でより詳細に述べる。
【００４２】
図示のように、各受信機モジュール３０４および３０６は、第１の超音波受信機１３０および第２の超音波受信機１３２からそれぞれ受け取った超音波信号がベースユニットマイクロコントローラ３０２によって受け取られる前にそれらを処理するための、いくつかの構成要素を備える。例えば一実施形態では、各受信機モジュール３０４および３０６は、増幅器３１０および３２０、自動利得制御（ＡＧＣ）３１２および３２２、コンパレータ３１４および３２４、しきい値信号生成器３１６および３２６、単安定マルチバイブレータ３１８および３２８を備える。受信機モジュール３０４と３０６の構成要素は同一なので、次に、第１の受信機モジュール３０４の動作だけについて述べる。第２の受信機モジュール３０６の動作は第１の受信機モジュール３０４の動作と同一になることは理解されるであろう。
【００４３】
第１の受信機モジュール３０４に関して、超音波信号が第１の超音波受信機１３０で受信されると、第１の超音波受信機１３０は対応する第１の信号３１１を生成し、この第１の信号３１１は増幅器（ＡＭＰ１）３１０で受け取られる。次いで増幅器３１０は、第１の信号３１１を所定の大きさだけ増幅して、増幅信号３１３を生成する。次に、ＡＧＣ３１２が増幅信号３１３を受け取り、対応する利得制御信号３１５を生成する。次に、利得制御信号３１５はコンパレータ３１４に送られ、そこで、しきい値信号生成器（Ｔｈ１）３１６から提供された所定のしきい値信号３１７と比較される。コンパレータ３１４で、利得制御信号３１５がしきい値信号３１７よりも大きいと判定された場合は、コンパレータ３１４によってトリガ信号３１９が生成され、次いでこのトリガ信号３１９は、単安定マルチバイブレータ３１８によって受け取られる。次いで単安定マルチバイブレータ３１８は、単安定マルチバイブレータ３１８への入力で受け取った各パルスについて、固定継続時間の信号パルス３２１を生成する。次いで、単安定マルチバイブレータ３１８からのこの単安定信号３２１は、処理のためにベースユニットマイクロコントローラ３０２で受け取られる。
【００４４】
述べた受信機モジュール３０４および３０６の具体的な構成要素および機能は、例示にすぎないことを理解されたい。受信機モジュール３０４に関して述べた特定の要素および機能は変わる場合もあることは、当業者なら理解するであろう。受信機モジュール３０４および３０６に必要とされるのは、第１および第２の超音波受信機１３０および１３２によって受信された信号を、ベースユニットマイクロコントローラ３０２が受け取って使用することができるように、処理または条件付けすることだけである。換言すれば、受信機モジュール３０４および３０６に必要とされるのは、第１および第２の超音波受信機１３０および１３２とベースユニットマイクロコントローラ３０２との間に適切なインタフェースを提供することだけである。
【００４５】
前述のように、一般にベースユニットマイクロコントローラ３０２は、受け取った超音波信号および赤外線信号を処理するように動作可能である。具体的には、マイクロコントローラ３０２は、超音波信号が第１の超音波送信機１１８と第２の超音波送信機１２０のどちらかから第１の超音波受信機１３０と第２の超音波受信機１３２のどちらかに移動するのに必要な時間（時間値）を判定するように動作可能である。理解されるように、これらの時間値は、いくつかの方式で計算および記憶することができる。例えば時間値は、マイクロコントローラ３０２内のカウンタ値として計算することができる。次いでこれらの時間値を飛行時間（ＴＯＦ）計算で使用して、超音波送信機と受信機との間の距離を判定することができる。ＴＯＦ計算は、空中を通る音速を用いて、超音波信号の送信機とその信号の受信機との間の距離を計算するものである。
【００４６】
一実施形態によれば、ベースユニットは、時間値だけを計算して記憶する。次いで、これらの時間値はメモリ３０８に記憶され、いくらか後でデータ転送ポート１４２を使用して外部コンピューティングデバイスに転送される。別の実施形態では、ベースユニットマイクロコントローラ３０２は、飛行時間（ＴＯＦ）計算を実施して、超音波送信機と受信機との間の距離を判定するように動作可能である。次いでこれらのＴＯＦ値はメモリ３０８に記憶され、いくらか後でデータ転送ポート１４２を使用して外部コンピューティングデバイスに転送される。別の実施形態では、マイクロコントローラ３０２は、これから論じる方法により、スタイラス１０２の先端１１２の正確な位置を判定するように動作可能である。
【００４７】
所与の環境における正確な音速は変わる場合があることは理解されるであろう。具体的には、音速はとりわけ、音が空中を移動する際の空気の温度および湿度レベルに依存する。したがって、様々な実施形態で、スタイラス１０２またはベースユニットは、湿度および／または温度などの環境条件を測定するためのセンサを備えるものとすることができる。次いでこれらの測定された環境条件を用いて、ＴＯＦ値の計算で使用するための音速に関するより正確な値を計算することができる。
【００４８】
次に、所与の点に対するスタイラス１０２の先端１１２の正確な位置を判定するための例示的な方法について述べる。一実施形態によれば、スタイラス１０２の先端１１２の位置は、ベースユニット１０４上の点に対して判定される。前述のようにこの方法は、全部または一部をベースユニットマイクロコントローラ３０２中で実施してもよく、あるいは全部または一部を外部コンピューティングデバイス中で実施してもよい。この方法では、先に論じた時間値を利用して、超音波送信機１１８および１２０と超音波受信機１３０および１３２との間の距離を確定する。この情報、ならびに超音波送信機１１８と１２０との間の固定された距離、超音波受信機１３０と１３２との間の固定された距離、スタイラス先端と超音波受信機のうちの少なくとも一方との間の距離から、ベースユニット１０４に対するスタイラス１０２の先端１１２の位置を非常に正確に判定することができる。
【００４９】
ＴＯＦ測定値を使用して超音波送信機１１８および１２０と超音波受信機１３０および１３２との間の距離を計算することに関し、超音波パルスが温度および湿度条件に応じて約３４０ｍ／秒で移動することは理解されるであろう。さらに、ＩＲ信号が、超音波信号と同時に、あるいは超音波信号よりも固定時間だけ先または後に送信されることになる。限定ではなく例として、ＩＲ信号は、超音波信号よりも１から５マイクロ秒先または後に送信される場合がある。電子スタイラスのＩＲ送信機から送信されたＩＲ信号は、ほぼ瞬時にベースユニット１０４のＩＲ受信機に到着することは理解されるであろう。すなわち、超音波信号が電子スタイラス１０２とベースユニット１０４との間を移動するのにかかる時間に対し、ＩＲ信号が電子スタイラス１０２とベースユニット１０４との間を移動するのは、実際上は瞬時となる。
【００５０】
このことを念頭に置くと、所与の超音波送信機と所与の超音波受信機との間の距離は、次のように判定することができる。まず、ＩＲ送信機１２２からＩＲ受信機１３８にＩＲ信号を発信する。ＩＲ信号の送信と同時に、この所与の超音波送信機と所与の超音波受信機との間で超音波信号を送信する。次いで、マイクロコントローラまたは単純なタイミング回路を使用して、単にＩＲ信号の受信と超音波信号の受信との間の時間を計算することによって時間（ｔ）を判定することができる。次いで、以下の式（１）を使用して、この所与の超音波送信機と所与の超音波受信機との間の距離（ｄ）を計算することができる。
式（１）    ｄ＝ｖｓ×ｔ  
式（１）で、ｖｓは音速に等しい。
【００５１】
所与の点に対するスタイラス先端１１２の位置を判定するための動作についての考察を続ける前に、まず、スタイラス先端１１２の位置を判定する際に考慮することのできる様々な専門語、寸法、基準座標系を確立しておくことが有用であろう。次に図４に目を向けると、ｘｙｚ座標系の原点４０２が第１の超音波受信機１３０の位置にあるのが示されている。図示のように、ｘ軸４０４は、第１の超音波受信機１３０および第２の超音波受信機１３２を通る。ｙ軸４０６は、第１の超音波受信機１３０を通り、ｘ軸４０４と共に、筆記面１０８および筆記材料１０６とほぼ平行な面を形成している。この場合、ｚ軸４０８は、第１の超音波受信機１３０の位置にある原点４０２を通り、ｘ軸４０４とｙ軸４０６の両方に対して垂直に延びる。図４に示すｘｙｚ座標系の配向は便宜的に選択したものであり、他の配向のｘｙｚ座標系を用いてもよいことは、当業者なら理解するであろう。加えて、座標系の原点は、第１の超音波受信機以外の位置に確立してもよい。さらに、非デカルト座標系など、他の座標系を用いてもよい。
【００５２】
図４にはまた、本発明によりスタイラス先端１１２の位置を判定する際に使用することのできる様々な寸法も示す。例えば、第１と第２の超音波受信機１３０と１３２の間の距離をＬ４１２として示す。第１と第２の超音波送信機１１８と１２０の間の距離をＰ４１４として示す。第１の超音波送信機１１８とスタイラス先端１１２との間の距離をＰ’４１６として示す。
【００５３】
前述のように、上記の式（１）を使用して、超音波受信機と超音波送信機との間の距離を判定することができる。図４には、これらの距離に関係する変数も以下のように示す。第１の超音波送信機１１８と第１の超音波受信機１３０との間の距離をｄ１１４１８として示す。第１の超音波送信機１１８と第２の超音波受信機１３２との間の距離をｄ１２４２０として示す。第２の超音波送信機１２０と第１の超音波受信機１３０との間の距離をｄ２１４２２として示す。第２の超音波送信機１２０と第２の超音波受信機１３２との間の距離をｄ２２４２４として示す。
【００５４】
座標系および適切な専門語を確立したところで、次に、スタイラス先端１１２の位置を判定するための例示的な方法について述べる。ここで図５に目を向けると、フローチャート５００が示されている。フローチャート５００は、スタイラス先端が筆記材料１０６と接触しているときに、図４に関して上述したｘｙｚ座標系に対して電子スタイラス１０２のスタイラス先端１１２の正確な位置を判定する際に実施することのできる例示的な動作を示している。図６〜８に、図５に示す様々な動作がどのように電子スタイラスシステム１００と物理的および空間的に関係するかを示す。
【００５５】
前述のように、一実施形態では、フローチャート５００に示す動作の全部または一部をベースユニットマイクロコントローラ３０２中で、またはマイクロコントローラ３０２によって実施することができる。他の実施形態では、動作は他のマイクロコントローラ、プロセッサ、コンピューティングデバイス、またはコンピューティングシステム中で実施することができる。動作（operations）は、（１）プロセッサによって実施される一連のステップとして、および（２）相互接続されたマシンのモジュール（modules）として実施することができる。実施は、性能および／または適用例の要件に応じて選択できる問題である。したがって、本明細書に述べる実施形態を構成する動作（operations）は、動作（operations）、ステップ（steps）、オブジェクト（objects）、またはモジュール（modules）として、様々に呼ばれる。
【００５６】
図５に示すように、動作５００の開始時、第１の軌跡判定動作５０２で超音波送信機１１８の軌跡（「第１の軌跡」）を判定する。本明細書では、第１の軌跡６０２（図６）は、中心点Ｐ１６０４から等距離にある同一平面上の点の円であり、半径Ｒ１６０６を有する。図６に示すように、第１の軌跡６０２は、第１の超音波送信機１１８と第１の超音波受信機１３０との間の距離ｄ１１４１８、および第１の超音波送信機１１８と第２の超音波受信機１３２との間の距離ｄ１２４２０が計算された場合に、第１の超音波送信機１１８が存在する可能性のあるすべての点を含む。第１の軌跡６０２がある平面は、ｙ軸４０６に平行であり、ｘ軸４０４に垂直である。第１の中心点Ｐ１６０４は、第１の軌跡６０２によって規定される平面がｘ軸４０４と交差する点である。図６に示すように、第１の中心点Ｐ１６０４は、ｘ軸４０４上の原点４０２から距離Ｘ１６０８のところに位置する。
【００５７】
前述のことから理解されるように、第１の軌跡６０２は、距離Ｘ１６０８および半径Ｒ１６０６を定めることによって規定することができる。したがって一実施形態によれば、第１の軌跡判定動作５０２は、Ｘ１６０８およびＲ１６０６を判定することを含む。一実施形態によれば、Ｘ１６０８およびＲ１６０６の判定は、したがって第１の軌跡６０２の判定は、以下の式（２）〜（４）を使用して行うことができる。
【００５８】
【数１】
2004246904.tif 000003
【００５９】
当業者には理解されるように、式（２）〜（４）をソフトウェアおよび／またはファームウェア中で実施する方式はいくつかある。したがって、第１の軌跡判定動作５０２は、式（２）〜（４）に関するいずれか１つの特定の実装形態に限定されるものではない。
【００６０】
次に、第２の軌跡判定動作５０４で、第２の超音波送信機１２０の軌跡（「第２の軌跡」）を判定する。第１の軌跡６０２と同様、第２の軌跡７０２（図７）は、中心点Ｐ２７０４から等距離にある同一平面上の点の円であり、半径Ｒ２７０６を有する。図７に示すように、第２の軌跡７０２は、第２の超音波送信機１２０と第１の超音波受信機１３０との間の距離ｄ２１４２２、および第２の超音波送信機１２０と第２の超音波受信機１３２との間の距離ｄ２２４２４が計算された場合に、第２の超音波送信機１２０が存在する可能性のあるすべての点を含む。この場合もやはり、第２の軌跡７０２がある平面は、ｙ軸４０６に平行であり、ｘ軸４０４に垂直である。第２の中心点Ｐ２７０４は、第２の軌跡７０２によって規定される平面がｘ軸４０４と交差する点である。図７に示すように、第２の中心点Ｐ２７０４は、ｘ軸４０４上の原点４０２から距離Ｘ２７０８のところに位置する。
【００６１】
第２の軌跡７０２は、距離Ｘ２７０８および半径Ｒ２７０６を定めることによって規定することができる。したがって一実施形態によれば、第２の軌跡判定動作５０４は、Ｘ２７０８およびＲ２７０６を判定することを含む。一実施形態によれば、Ｘ２７０８およびＲ２７０６の判定は、したがって第２の軌跡７０２の判定は、以下の式（５）〜（７）を利用して行うことができる。
【００６２】
【数２】
2004246904.tif 000004
【００６３】
式（２）〜（４）と同様、式（５）〜（７）をソフトウェアおよび／またはファームウェア中で実施する方式はいくつかある。したがって、第２の軌跡判定動作５０４は、式（５）〜（７）に関するいずれか１つの特定の実装形態に限定されるものではない。
【００６４】
第２の軌跡判定動作５０４に続いて、傾斜角判定動作５０６で、第１の傾斜角θ１８０４および第２の傾斜角θ２８０２を判定する。図８に示すように、角度θ１８０４は、第１の超音波送信機１１８が第１の軌跡６０２上で位置する角度であって、ｚ軸から測定した角度を表す。同様に、角度θ２８０２は、第２の超音波送信機１２０が第２の軌跡７０２上で位置する角度であって、ｚ軸から測定した角度を表す。この実施形態では、角度θ１およびθ２は、原点から正のｘ方向で見た場合に、ｚ軸４０８から時計回りに測定した角度として表される。第２の角度θ２８０２と第１の角度θ１８０４の差はβとして表すことができ、β＝θ２−θ１である。
【００６５】
一実施形態によれば、傾斜角判定動作５０６は、以下の式（８）〜（１４）を利用して行うことができる。
【００６６】
【数３】
2004246904.tif 000005
式（９）を解く際、Ｐは、スタイラスの第１の超音波送信機１１８と第２の超音波送信機１２０との間の距離８０８であることに留意されたい。また、式１０には２つの解があることにも留意されたい。ただし、後述する式（１６）の解だけが有効と見なされるべきである。
【００６７】
動作５００が行われている場合はスタイラス先端１１２が筆記材料１０６と接触しているはずなので、次いで、以下の式を使用して値θ２およびθ１を判定することができる。
【００６８】
【数４】
2004246904.tif 000006
【００６９】
式（１１）を解く際、Ｐ’は、スタイラスの第１の超音波送信機１１８と先端１１２との間の距離８０６であることに留意されたい。
【００７０】
【数５】
2004246904.tif 000007
【００７１】
式（１２）を解く際、変数φは、計算目的のみで使用する一時的な変数であることに留意されたい。すなわち、φは、物理的に測定可能な角度に直接対応するものではない。
【００７２】
式（１０）に関してβには２つの解βおよび−βがあったので、式（１２）も同様に、以下のように２つのφの値について解くことができる。
【００７３】
【数６】
2004246904.tif 000008
【００７４】
次いで、以下のように、式（１３）を使用してθ１について解くことができる。  
式（１３）    θ１＝φまたはφ＋π
式（１２）に関してφには２つの解φ１およびφ２があったので、式（１３）は、以下のように４つのθ１の値について解くことができる。  
式（１３−１）    θ１１＝φ１
式（１３−２）    θ１２＝φ２
式（１３−３）    θ１３＝φ１＋π
式（１３−４）    θ１４＝φ２＋π
θ１について解いた後、式（１４）でθ２について解くことができる。  
式（１４）    θ２＝θ１＋β
式（１２）に関してθ１には４つの解θ１１、θ１２、θ１３、θ１４があったので、式（１３）は、４つのθ２の値について解くことができ、正と負のβ（βおよび−β）のそれぞれに２つの値が対応する。
【００７５】
当業者には理解されるように、式（８）〜（１４）をソフトウェアおよび／またはファームウェア中で実施する方式はいくつかある。したがって、傾斜角判定動作５０６は、式（８）〜（１４）に関するいずれか１つの特定の実装形態に限定されるものではない。
【００７６】
次に、位置判定動作５０８で、ｘ軸およびｙ軸に関してスタイラス先端１１２の位置を判定する。すなわち、位置判定動作５０８で、原点４０２に対するスタイラス先端１１２の位置を指定する（ｘ，ｙ）座標の対を判定する。一実施形態によれば、位置判定動作５０８は、以下の式（１５）〜（１６）を利用して行うことができる。より具体的には、ｘの値は、以下のように式（１５）を使用して判定することができる。  
式（１５）    ｘ＝（１＋λ）Ｘ１−λＸ２
式（１５）を満たすｘの値は、ただ１つである。当業者には理解されるように、式（１５）をソフトウェアおよび／またはファームウェア中で実施する方式はいくつかある。さらに、式（２）〜（１４）からの適切な式を組み合わせ、代用して、他の形の式（１５）に到達する方式もいくつかある。
【００７７】
ｙの値は、以下のように式（１６）を使用して判定することができる。  
式（１６）    ｙ＝（１＋λ）Ｒ１ｓｉｎ（θ１）−λＲ２ｓｉｎ（θ２）
前述のように、θ１について４つの可能な値があり、θ２について４つの可能な値がある。しかし、式（１６）中のｙについて解く中で、負でないｙの値をもたらすと共に角度θ２が｜θ２｜＜９０度を満たす結果だけが、有効と見なされることになる。
【００７８】
理解されるように、式（１６）をソフトウェアおよび／またはファームウェア中で実施して解く方式はいくつかある。どのように実施して解いても、この場合、負でないｙの解だけが有効と見なされる。この負でないｙの解が、判定されたｘの値と共に、ペン先端のｘｙ座標を構成する。
【００７９】
位置判定動作５０８に続いて、スタイラス先端位置記憶動作５１０で、スタイラス先端の位置（ｘ，ｙ）をスタイラス先端位置ファイルに記憶する。動作５００の各々がベースユニット１０４中で実施される場合は、これらの位置はベースユニット１０４のメモリ３０８に記憶される。
【００８０】
動作５００のいくつかまたはすべてがベースユニット１０４の外部のコンピューティングデバイスまたはプロセス中で実施される一実施形態では、これらの位置は、ベースユニット１０４の外部にあるコンピューティングデバイスまたはプロセスからアクセス可能なメモリに記憶される。理解されるように、動作５００が何度か実施された後には、スタイラス先端位置ファイルは、所与の期間にわたるスタイラス先端１１２の位置を指定するいくつかの点を含むことになる。
【００８１】
動作５００の各々がベースユニット１０４中で実施され、位置がベースユニット１０４のメモリ３０８に記憶される一実施形態では、スタイラス先端位置送信動作５１２を用いて、スタイラス先端位置ファイルに記録されたスタイラス先端位置をベースユニット１０４の外部のコンピューティングデバイスまたはコンピューティングプロセスに送信することができる。一実施形態では、スタイラス先端位置ファイルをコンピューティングデバイスまたはコンピューティングプロセスに送信することは、ファイルが作成されてからいくらか後で行うことになる。例えば、コンピューティングデバイスまたはプロセスからリモートにある位置で電子スタイラスシステムが使用されている間に、スタイラス先端位置を記憶する。次いで、好都合なときに、スタイラス先端位置ファイルをコンピューティングデバイスまたはプロセスに送信することができる。あるいは、スタイラス先端位置ファイルをコンピューティングデバイスまたはコンピューティングプロセスに送信することは、リアルタイムで行ってもよい。前述のように、スタイラス先端位置ファイルは、データ転送ポート１４２を介して外部コンピューティングデバイスまたはコンピューティングプロセスに送信することができる。やはり前述のように、データ転送ポート１４２は、物理的または配線式の接続ポート、無線接続ポート、あるいはリムーバブル不揮発性メモリデバイスを備えるものとすることができる。
【００８２】
動作５００の各々がベースユニット１０４の外部のコンピューティングデバイスまたはコンピューティングプロセス中で実施される一実施形態では、超音波送信機と超音波受信機との間の測定距離が、あるいは超音波送信機と超音波受信機との間を超音波信号が移動するのに要する測定時間が、メモリに記憶される。次いで、これらの距離または時間の測定値、あるいはこれらの距離または時間の一連の測定値は、動作５００に従った処理のために外部コンピューティングデバイスまたはコンピューティングプロセスに送信される。
【００８３】
本明細書に示した様々な実施形態は、構造上の特徴および／または方法上のステップに特有の言葉で述べた。ただし、添付の特許請求の範囲に定義する本発明は、述べた特定の特徴またはステップに必ずしも限定されないことを理解されたい。そうではなく、これらの特定の特徴およびステップは、特許請求する本発明の実施に関する代表的な形として開示するものである。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明を適用できる実施形態の、電子スタイラスと電子スタイラスベースモジュールとを備える電子スタイラスシステムの斜視図である。
【図２】本発明を適用できる実施形態の、図１に示した電子スタイラスの様々な動作構成要素を示すブロック図である。
【図３】本発明を適用できる実施形態の、図１に示した電子スタイラスベースモジュールの様々な動作構成要素を示すブロック図である。
【図４】本発明を適用できる実施形態の、図１の電子スタイラスシステムの斜視図であって、図１に示した電子スタイラスの先端の位置を判定する際に使用される様々な寸法を示す図である。
【図５】本発明を適用できる実施形態の、図１に示した電子スタイラスの先端の位置を判定するための動作を示す図である。
【図６】本発明を適用できる実施形態の、図１の電子スタイラスシステムの斜視図であって、図１に示した電子スタイラスの先端の位置を判定する際に使用または計算される様々なパラメータおよび測定値を示す図である。
【図７】本発明を適用できる実施形態の、図１の電子スタイラスシステムの斜視図であって、図１に示した電子スタイラスの先端の位置を判定する際に使用または計算される他の様々なパラメータおよび測定値を示す図である。
【図８】本発明を適用できる実施形態の、図１の電子スタイラスシステムの斜視図であって、図１に示した電子スタイラスの先端の位置を判定する際に使用または計算される他のパラメータおよび測定値を示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
１００  電子スタイラスシステム
１０２  電子スタイラス
１０４  スタイラスベースユニット
１０６  筆記材料
１０８  筆記面
１１０  スタイラス本体
１１２  スタイラス先端
１１４  インクまたは芯（黒鉛）を保持してスタイラス先端１１２から出すための機構
１１６  スタイラス本体１１０中の単一の軸
１１８  第１の超音波送信機
１２０  第２の超音波送信機
１２２  電磁送信機
１２２  ＩＲ送信機
１２４  スタイラスインジケータランプ
１２６  機能スイッチ
１２８  ベースユニットの本体部分
１３０  第１の超音波受信機
１３２  第２の超音波受信機
１３４  第１の超音波信号
１３６  第２の超音波信号
１３８  電磁受信機
１３８  ＩＲ受信機
１４０  電磁信号
１４２  データ転送ポート
２００  電子スタイラス１０２の動作構成要素
２０２  スタイラスマイクロコントローラ
２０４  第１の超音波ドライバモジュール
２０６  第２の超音波ドライバモジュール
２０８  ＩＲドライバモジュール
２１０  スタイラスインジケータドライバモジュール
２１２  スタイラス先端接触スイッチ
３００  ベースユニット１０４の動作構成要素
３０２  ベースユニットマイクロコントローラ
３０４  第１の受信機モジュール
３０６  第２の受信機モジュール
３０８  メモリ
３１０  増幅器
３１１  第１の信号
３１２  自動利得制御
３１３  増幅信号
３１４  コンパレータ
３１５  利得制御信号
３１６  しきい値信号生成器
３１７  しきい値信号
３１８  単安定マルチバイブレータ
３１９  トリガ信号
３２０  増幅器
３２１  単安定信号
３２２  自動利得制御
３２４  コンパレータ
３２６  しきい値信号生成器
３２８  単安定マルチバイブレータ
４０２  ｘｙｚ座標系の原点
４０４  ｘ軸
４０６  ｙ軸
４０８  ｚ軸
４１２  第１と第２の超音波受信機１３０と１３２の間の距離Ｌ
４１４  第１と第２の超音波送信機１１８と１２０の間の距離Ｐ
４１６  第１の超音波送信機１１８とスタイラス先端１１２との間の距離Ｐ’
４１８  第１の超音波送信機１１８と第１の超音波受信機１３０との間の距離ｄ１１
４２０  第１の超音波送信機１１８と第２の超音波受信機１３２との間の距離ｄ１２
４２２  第２の超音波送信機１２０と第１の超音波受信機１３０との間の距離ｄ２１
４２４  第２の超音波送信機１２０と第２の超音波受信機１３２との間の距離ｄ２２
６０２  第１の軌跡
６０４  第１の中心点Ｐ１
６０６  半径Ｒ１
６０８  ｘ軸４０４上の原点４０２からの距離Ｘ１
７０２  第２の軌跡
７０４  第２の中心点Ｐ２
７０６  半径Ｒ２
７０８  ｘ軸４０４上の原点４０２からの距離Ｘ２
８０２  第２の傾斜角θ２
８０４  第１の傾斜角θ１
８０６  第１の超音波送信機１１８と先端１１２との間の距離Ｐ’
８０８  第１の超音波送信機１１８と第２の超音波送信機１２０との間の距離Ｐ
【図１】
2004246904.tif 000009
【図２】
2004246904.tif 000010
【図３】
2004246904.tif 000011
【図４】
2004246904.tif 000012
【図５】
2004246904.tif 000013
【図６】
2004246904.tif 000014
【図７】
2004246904.tif 000015
【図８】
2004246904.tif 000016