(57)【要約】【課題】複数の入力状態の各入力状態において、効率良くかつ適切に座標入力することができる座標入力装置及びその制御方法、座標入力指示具、プログラムを提供する。【解決手段】座標入力ペン４の位置座標を算出し、その算出された位置座標の内、座標入力面と座標入力ペン４との距離に関する所定座標に基づいて、位置座標を変更する。そして、その変更された位置座標を出力する。【選択図】　図１６
2004062657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
座標入力面に対する座標入力指示具の位置座標を算出する座標入力装置であって、
前記座標入力指示具の位置座標を算出する算出手段と、
前記算出手段により算出された位置座標の内、前記座標入力面と前記座標入力指示具との距離に関する所定座標に基づいて、前記位置座標を変更する変更手段と、
前記変更手段によって変更された位置座標を出力する出力手段と
を備えることを特徴とする座標入力装置。
【請求項２】
前記変更手段は、前記座標入力面と前記座標入力指示具との距離に関する座標に基づいて、前記位置座標値に所定係数を乗算することで、該位置座標を変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
【請求項３】
前記変更手段によって変更された位置座標を補間する補間手段と
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
【請求項４】
前記座標入力指示具は、前記座標入力面に対して超音波を発生して位置入力を行なう超音波発生手段を更に備える
ことを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
【請求項５】
ＸＹ平面及び該ＸＹ画面に対してＺ軸を定義した座標入力面に対する座標入力指示具の位置座標を算出する座標入力装置であって、
前記座標入力指示具の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出する算出手段と、
前記座標入力指示具が有する所定スイッチの動作状態を判定する判定手段と
前記判定手段の判定結果に基づいて、前記算出手段で算出された（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標値の内のＺ座標値と所定値とを比較する比較手段と、
前記判定手段の判定結果、あるいは前記判定手段の判定結果及び前記比較手段の比較結果に基づいて、前記算出手段で算出された位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の出力を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする座標入力装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記判定手段の判定結果、あるいは前記判定手段の判定結果及び前記比較手段の比較結果に基づいて、前記算出手段で算出された位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の座標出力形態を決定する
ことを特徴とする請求項５に記載の座標入力装置。
【請求項７】
前記座標出力形態は、前記算出手段で算出された位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の内の少なくとも（Ｘ，Ｙ）座標値を出力する第１座標出力形態と、
前記算出手段で算出された所定位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、前記座標入力指示具の移動に伴って、その後、前記算出手段で算出される位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）との差分である差分座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を出力する第２座標出力形態と
を備えることを特徴とする請求項６に記載の座標入力装置。
【請求項８】
前記制御手段は、前記判定手段の判定結果、あるいは前記判定手段の判定結果及び前記比較手段の比較結果に基づいて、前記位置座標の出力の有無を決定する
ことを特徴とする請求項５に記載の座標入力装置。
【請求項９】
前記判定手段の判定の結果、前記所定スイッチが動作状態にある場合には、前記制御手段は、前記算出手段で算出された位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の内の少なくとも（Ｘ，Ｙ）座標値を出力する
ことを請求項５に記載の座標入力装置。
【請求項１０】
前記判定手段の判定の結果、前記所定スイッチが動作状態にない場合で、かつ前記比較手段の比較の結果、前記Ｚ座標値が所定値以下である場合には、前記制御手段は、前記算出手段で算出された位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の内の少なくとも（Ｘ，Ｙ）座標値を出力する
ことを特徴とする請求項５に記載の座標入力装置。
【請求項１１】
前記算出手段で算出された所定位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を第１位置座標として記憶する記憶手段と、
前記記憶手段で記憶された第１位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、前記座標入力指示具の移動に伴って、その後、前記算出手段で算出される位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）との差分を算出する差分算出手段とを更に備え、
前記判定手段の判定の結果、前記所定スイッチが動作状態にない場合で、かつ前記比較手段の比較の結果、前記Ｚ座標値が所定値以上である場合には、前記制御手段は、前記差分算出手段によって得られる差分座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を出力する
ことを特徴とする請求項５に記載の座標入力装置。
【請求項１２】
前記算出手段の座標算出サンプリングレートに基づいて、前記座標入力指示具による入力が連続入力状態であるか否かを判定する連続入力状態判定手段とを更に備え、
前記所定位置座標は、前記連続入力判定手段の判定結果に基づく連続入力状態中の有効な座標値の最初の座標値である
ことを特徴とする請求項１１に記載の座標入力装置。
【請求項１３】
前記判定手段の判定の結果、前記所定スイッチが動作状態にある場合で、かつ前記比較手段の比較の結果、前記座標値が所定値である場合には、前記制御手段は、前記算出手段で算出された位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を出力しない
ことを請求項５に記載の座標入力装置。
【請求項１４】
ＸＹ平面及び該ＸＹ画面に対してＺ軸を定義した座標入力面を有する座標入力装置の座標入力指示具であって、
先端部に押圧可能な第１スイッチと、
当該座標入力指示具の筐体部に配置された少なくとも２個の第２及び第３スイッチと、
前記第２及び第３スイッチの少なくとも一方が動作状態にある場合に、第１制御信号を生成し、該第２及び第３スイッチの両方が動作状態にある場合に第２制御信号を生成する生成手段と
を備えることを特徴とする座標入力指示具。
【請求項１５】
前記生成手段は、更に、前記第１スイッチが動作状態にある場合に、前記第１制御信号を生成する
ことを特徴とする請求項１４に記載の座標入力指示具。
【請求項１６】
前記第２及び第３スイッチは、前記筐体部の軸に対し平行に隣接するように配置されている
ことを特徴とする請求項１４に記載の座標入力指示具。
【請求項１７】
前記第２及び第３スイッチは、前記筐体部の軸に沿って隣接するように配置されている
ことを特徴とする請求項１４に記載の座標入力指示具。
【請求項１８】
座標入力面に対する座標入力指示具の位置座標を算出する座標入力装置の制御方法であって、
前記座標入力指示具の位置座標を算出する算出工程と、
前記算出工程により算出された位置座標の内、前記座標入力面と前記座標入力指示具との距離に関する所定座標に基づいて、前記位置座標を変更する変更工程と、
前記変更工程によって変更された位置座標を出力する出力工程と
を備えることを特徴とする座標入力装置の制御方法。
【請求項１９】
ＸＹ平面及び該ＸＹ画面に対してＺ軸を定義した座標入力面に対する座標入力指示具の位置座標を算出する座標入力装置の制御方法であって、
前記座標入力指示具の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出する算出工程と、
前記座標入力指示具が有する所定スイッチの動作状態を判定する判定工程と
前記判定工程の判定結果に基づいて、前記算出工程で算出された（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標値の内のＺ座標値と所定値とを比較する比較工程と、
前記判定工程の判定結果、あるいは前記判定工程の判定結果及び前記比較工程の比較結果に基づいて、前記算出工程で算出された位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の出力を制御する制御工程と
を備えることを特徴とする座標入力装置の制御方法。
【請求項２０】
座標入力面に対する座標入力指示具の位置座標を算出する座標入力装置の制御をコンピュータに機能させるためのプログラムであって、
前記座標入力指示具の位置座標を算出する算出工程のプログラムコードと、
前記算出工程により算出された位置座標の内、前記座標入力面と前記座標入力指示具との距離に関する所定座標に基づいて、前記位置座標を変更する変更工程のプログラムコードと、
前記変更工程によって変更された位置座標を出力する出力工程のプログラムコードと
を備えることを特徴とするプログラム。
【請求項２１】
ＸＹ平面及び該ＸＹ画面に対してＺ軸を定義した座標入力面に対する座標入力指示具の位置座標を算出する座標入力装置の制御をコンピュータに機能させるためのプログラムであって、
前記座標入力指示具の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出する算出工程のプログラムコードと、
前記座標入力指示具が有する所定スイッチの動作状態を判定する判定工程のプログラムコードと
前記判定工程の判定結果に基づいて、前記算出工程で算出された（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標値の内のＺ座標値と所定値とを比較する比較工程のプログラムコードと、前記判定工程の判定結果、あるいは前記判定工程の判定結果及び前記比較工程の比較結果に基づいて、前記算出工程で算出された位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の出力を制御する制御工程のプログラムコードと
を備えることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、座標入力面に対する座標入力指示具の位置座標を算出する座標入力装置及びその制御方法、座標入力指示具、プログラムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、あるいはプロジェクタ等の表示装置の表示面に、座標を入力することができる座標入力装置を重ねて配置し、操作者が行った指示具によるポインティングあるいは筆跡を表示装置に表示し、あたかも、紙と鉛筆のような関係を実現することができる装置が知られている。
【０００３】
座標入力装置としては、抵抗膜方式をはじめ、静電方式、ガラス等の座標入力面に超音波を伝播させる超音波方式等の透明な入力板を有する方式や、光学方式、あるいは空中に音波を放射することで位置を検出する方式、さらには電磁誘導（電磁授受）方式のように表示装置の裏側に座標算出のための機構を配置し、表示装置の前面に透明な保護板を配置して、入出力一体の情報機器を構成している物もある。
【０００４】
このような情報機器は、携帯性を有する小型の電子手帳に始まり、ペン入力コンピュータ等、表示装置の大型化に伴って、比較的大きなサイズのペン入力コンピュータ等の情報機器も見られるようになった。その他、フロントプロジェクタ、リアプロジェクタ、あるいはＰＤＰ等の大型表示装置と組み合わせて、例えば、プレゼンテーション装置、ＴＶ会議システム等に利用され始めている。また、大型の液晶ディスプレイやＰＤＰディスプレイ等の表示装置は、現在も画質の改善、低コスト化が進められている他、衛星放送等のデジタル化に伴い、テレビの仕様形態も過渡期の状態に入りつつある。
【０００５】
また、これらの大型の表示装置は、例えば、オフィスにおいて使われていたホワイトボード、あるいは電子黒板にとって変わり、パーソナルコンピュータ内にあらかじめ用意した資料用データを大型の表示装置に表示させることで、会議用途、打ち合わせ用途に使われ始めている。その場合、大型の表示装置に表示された情報は、ホワイトボードの如く、操作者、あるいは出席者により表示情報を更新するために、直接画面をタッチすることで、パーソナルコンピュータを制御して、例えば、表示画面の表示内容を切り替えることができるように構成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の大型の入出力一体型システムを考慮した場合には、下記の課題があった。
【０００７】
即ち、大勢の参加者を想定した打ち合わせ、あるいはネットワークを介した使用環境を考慮すれば、操作者が直接画面をタッチすることでパソコンを制御するばかりではなく、例えば、質問者がその場で遠隔操作により、画面を操作したり、その場で必要に応じてネットワークより情報を引き出せるような構成になるのが好ましい形態であると言える。
【０００８】
従来のこの種の装置では、画面から離れて入力（遠隔操作）する場合は、コンピュータを操作するマウスと同じように前回の座標に対する差分値でカーソルの移動量を算出する相対座標方式の装置であった。
【０００９】
従って、画面に表示されている現状のカーソル位置を操作者が確認し、その位置から所望の位置までカーソルを移動させて、さらに図形等を描画しながらカーソルを移動させる動作をさせていた。
【００１０】
即ち、座標入力指示具上のボタンを押して座標入力装置本体へ発信する信号のオン／オフを切り替えるシステムである場合、そのスイッチを切り替える動作をさせて、カーソル移動、描画（カーソル移動）、停止、カーソル移動、描画（カーソル移動）、という動作の繰り返しで描画操作をしていた。
【００１１】
しかしながら、カーソルの移動量に対して、操作する（手を動かす）ストローク量は、画面から入力位置が離れていても１対１（すなわち、入力装置を１０ｃｍ動かせば、画面上のカーソルも１０ｃｍ動くということ）であって、画面に対して相対的に長いストロークを入力する場合、即ち、発信停止動作をさせないで一筆の動作を操作者がさせる場合には、画面と入力位置が離れていて操作者の目には相対的に画面サイズが小さく見えているにも関わらず、大きな動作をせざるを得ないために非常に入力しにくいものであった。
【００１２】
一方では、十字キー等を操作することによって画面に表示されているカーソルを移動させるシステムもあるが、カーソルを移動させるということにおける操作性には優れているが、文字や図形を描画するには必ずしも適しているとは言えないものであった。
【００１３】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、複数の入力状態の各入力状態において、効率良くかつ適切に座標入力することができる座標入力装置及びその制御方法、座標入力指示具、プログラムを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明による座標入力装置は以下の構成を備える。即ち、
座標入力面に対する座標入力指示具の位置座標を算出する座標入力装置であって、
前記座標入力指示具の位置座標を算出する算出手段と、
前記算出手段により算出された位置座標の内、前記座標入力面と前記座標入力指示具との距離に関する所定座標に基づいて、前記位置座標を変更する変更手段と、
前記変更手段によって変更された位置座標を出力する出力手段と
を備える。
【００１５】
また、好ましくは、前記変更手段は、前記座標入力面と前記座標入力指示具との距離に関する座標に基づいて、前記位置座標値に所定係数を乗算することで、該位置座標を変更する。
【００１６】
また、好ましくは、前記変更手段によって変更された位置座標を補間する補間手段と
を更に備える。
【００１７】
また、好ましくは、前記座標入力指示具は、前記座標入力面に対して超音波を発生して位置入力を行なう超音波発生手段を更に備える。
【００１８】
上記の目的を達成するための本発明による座標入力装置は以下の構成を備える。即ち、
ＸＹ平面及び該ＸＹ画面に対してＺ軸を定義した座標入力面に対する座標入力指示具の位置座標を算出する座標入力装置であって、
前記座標入力指示具の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出する算出手段と、
前記座標入力指示具が有する所定スイッチの動作状態を判定する判定手段と
前記判定手段の判定結果に基づいて、前記算出手段で算出された（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標値の内のＺ座標値と所定値とを比較する比較手段と、
前記判定手段の判定結果、あるいは前記判定手段の判定結果及び前記比較手段の比較結果に基づいて、前記算出手段で算出された位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の出力を制御する制御手段と
を備える。
【００１９】
また、好ましくは、前記制御手段は、前記判定手段の判定結果、あるいは前記判定手段の判定結果及び前記比較手段の比較結果に基づいて、前記算出手段で算出された位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の座標出力形態を決定する。
【００２０】
また、好ましくは、前記座標出力形態は、前記算出手段で算出された位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の内の少なくとも（Ｘ，Ｙ）座標値を出力する第１座標出力形態と、
前記算出手段で算出された所定位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、前記座標入力指示具の移動に伴って、その後、前記算出手段で算出される位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）との差分である差分座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を出力する第２座標出力形態と
を備える。
【００２１】
また、好ましくは、前記制御手段は、前記判定手段の判定結果、あるいは前記判定手段の判定結果及び前記比較手段の比較結果に基づいて、前記位置座標の出力の有無を決定する。
【００２２】
また、好ましくは、前記判定手段の判定の結果、前記所定スイッチが動作状態にある場合には、前記制御手段は、前記算出手段で算出された位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の内の少なくとも（Ｘ，Ｙ）座標値を出力する。
【００２３】
また、好ましくは、前記判定手段の判定の結果、前記所定スイッチが動作状態にない場合で、かつ前記比較手段の比較の結果、前記Ｚ座標値が所定値以下である場合には、前記制御手段は、前記算出手段で算出された位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の内の少なくとも（Ｘ，Ｙ）座標値を出力する。
【００２４】
また、好ましくは、前記算出手段で算出された所定位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を第１位置座標として記憶する記憶手段と、
前記記憶手段で記憶された第１位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、前記座標入力指示具の移動に伴って、その後、前記算出手段で算出される位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）との差分を算出する差分算出手段とを更に備え、
前記判定手段の判定の結果、前記所定スイッチが動作状態にない場合で、かつ前記比較手段の比較の結果、前記Ｚ座標値が所定値以上である場合には、前記制御手段は、前記差分算出手段によって得られる差分座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を出力する。
【００２５】
また、好ましくは、前記算出手段の座標算出サンプリングレートに基づいて、前記座標入力指示具による入力が連続入力状態であるか否かを判定する連続入力状態判定手段とを更に備え、
前記所定位置座標は、前記連続入力判定手段の判定結果に基づく連続入力状態中の有効な座標値の最初の座標値である。
【００２６】
また、好ましくは、前記判定手段の判定の結果、前記所定スイッチが動作状態にある場合で、かつ前記比較手段の比較の結果、前記座標値が所定値である場合には、前記制御手段は、前記算出手段で算出された位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を出力しない。
【００２７】
上記の目的を達成するための本発明による座標入力指示具は以下の構成を備える。即ち、
ＸＹ平面及び該ＸＹ画面に対してＺ軸を定義した座標入力面を有する座標入力装置の座標入力指示具であって、
先端部に押圧可能な第１スイッチと、
当該座標入力指示具の筐体部に配置された少なくとも２個の第２及び第３スイッチと、
前記第２及び第３スイッチの少なくとも一方が動作状態にある場合に、第１制御信号を生成し、該第２及び第３スイッチの両方が動作状態にある場合に第２制御信号を生成する生成手段と
を備える。
【００２８】
また、好ましくは、前記生成手段は、更に、前記第１スイッチが動作状態にある場合に、前記第１制御信号を生成する。
【００２９】
また、好ましくは、前記第２及び第３スイッチは、前記筐体部の軸に対し平行に隣接するように配置されている。
【００３０】
また、好ましくは、前記第２及び第３スイッチは、前記筐体部の軸に沿って隣接するように配置されている。
【００３１】
上記の目的を達成するための本発明による座標入力装置の制御方法は以下の構成を備える。即ち、
座標入力面に対する座標入力指示具の位置座標を算出する座標入力装置の制御方法であって、
前記座標入力指示具の位置座標を算出する算出工程と、
前記算出工程により算出された位置座標の内、前記座標入力面と前記座標入力指示具との距離に関する所定座標に基づいて、前記位置座標を変更する変更工程と、
前記変更工程によって変更された位置座標を出力する出力工程と
を備える。
【００３２】
上記の目的を達成するための本発明による座標入力装置の制御方法は以下の構成を備える。即ち、
ＸＹ平面及び該ＸＹ画面に対してＺ軸を定義した座標入力面に対する座標入力指示具の位置座標を算出する座標入力装置の制御方法であって、
前記座標入力指示具の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出する算出工程と、
前記座標入力指示具が有する所定スイッチの動作状態を判定する判定工程と
前記判定工程の判定結果に基づいて、前記算出工程で算出された（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標値の内のＺ座標値と所定値とを比較する比較工程と、
前記判定工程の判定結果、あるいは前記判定工程の判定結果及び前記比較工程の比較結果に基づいて、前記算出工程で算出された位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の出力を制御する制御工程と
を備える。
【００３３】
上記の目的を達成するための本発明によるプログラムは以下の構成を備える。即ち、
座標入力面に対する座標入力指示具の位置座標を算出する座標入力装置の制御をコンピュータに機能させるためのプログラムであって、
前記座標入力指示具の位置座標を算出する算出工程のプログラムコードと、
前記算出工程により算出された位置座標の内、前記座標入力面と前記座標入力指示具との距離に関する所定座標に基づいて、前記位置座標を変更する変更工程のプログラムコードと、
前記変更工程によって変更された位置座標を出力する出力工程のプログラムコードと
を備える。
【００３４】
上記の目的を達成するための本発明によるプログラムは以下の構成を備える。即ち、
ＸＹ平面及び該ＸＹ画面に対してＺ軸を定義した座標入力面に対する座標入力指示具の位置座標を算出する座標入力装置の制御をコンピュータに機能させるためのプログラムであって、
前記座標入力指示具の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出する算出工程のプログラムコードと、
前記座標入力指示具が有する所定スイッチの動作状態を判定する判定工程のプログラムコードと
前記判定工程の判定結果に基づいて、前記算出工程で算出された（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標値の内のＺ座標値と所定値とを比較する比較工程のプログラムコードと、前記判定工程の判定結果、あるいは前記判定工程の判定結果及び前記比較工程の比較結果に基づいて、前記算出工程で算出された位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の出力を制御する制御工程のプログラムコードと
を備える。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
【００３６】
＜実施形態１＞
＜システム構成の説明（図１）＞
図１は本発明の各実施形態の座標入力装置を利用した座標入力システムの概略図である。
【００３７】
図１の座標入力システムは、リアプロジェクション表示装置１０１に座標入力装置を内蔵して構成したシステムの一例である。
【００３８】
この座標入力システムは、座標入出力一体型のシステムであり、座標入力装置に接続されたコンピュータが出力する各種の情報をリアプロジェクション表示装置１０１の画面１０２に表示する。加えて、指示具であるところの座標入力ペン４は、画面１０２を直接タッチすることで座標データを入力することができる。
【００３９】
この座標データは、アイコンの操作（コンピュータの操作）に使用したり、カーソルの移動、図形の描画（カーソルの軌跡）等として使用することができる。
【００４０】
座標入力装置は、座標入力ペン４の位置を計算して座標データとしてコンピュータに送出し、コンピュータは、リアプロジェクション表示装置１０１の画面１０２にフィードバックさせる。但し、本座標入力システムでは、座標入力ペン４で画面１０２を指示してマウスの如きにコンピュータを操作するだけではなく、画面１０２から離れた場所からコンピュータを遠隔操作することも可能な装置である。
【００４１】
リアプロジェクション装置１０１の画面１０２は、コンピュータが生成するウィンドウ情報（例えば、ウインドウ１０３）等の画面情報を表示する。操作者は、先述したとおり、座標入力ペン４で画面１０２を直接タッチして入力することも可能であるが、図１に示すように画面１０２から離れた場所での入力も可能である。
【００４２】
ここで、仮想的な座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を操作者が操作する位置に構成し、概略ＸＹ平面１０５に、軌跡１０６を仮想的に描画したとする。この場合、リアプロジェクション装置１０１の画面１０２には、操作者が操作した座標入力ペン４の軌跡１０６に対応する線１０４が画面１０２上のウインドウ１０３に表示されることになる。
【００４３】
このように、本発明の座標入力システムは、会議等で操作者が画面１０２から離れている場合などでも、コンピュータを遠隔操作したり、表示されている内容を編集したりすることができる。
【００４４】
＜座標入力装置の構成に関する説明（図２、図３）＞
座標入力装置は、先述した通り、ペン型の指示具を用いて座標入力面の任意の点を指示すると、その入力点の座標を検出して、接続されたコンピュータに座標データを出力する。本実施形態では、座標入力装置として超音波方式の座標入力装置を構成する場合について説明する。
【００４５】
図２は本発明の実施形態１の座標入力装置の座標入力ペンの基本構成を示す図である。
【００４６】
座標入力ペン４は、画面１０２にペン先を押し当てることでペン先スイッチ４１がオンになり超音波の発振が開始される。また、遠隔操作する場合は、ペンサイドスイッチ４２ａあるいは４２ｂを押すことで超音波の発振が開始される。
【００４７】
図３は本発明の実施形態１の座標入力装置の機能構成を示すブロック図である。
【００４８】
座標入力ペン４において、３０２は、不図示のバッテリで動作する発振子３０３を駆動する駆動回路である。この駆動回路３０２は、発振子３０３を所定のタイミングで駆動するように制御している。そして、発振子３０３から発振された超音波信号は、座標入力装置本体３０４の内部回路のうち、複数の超音波センサ３０５で検出される。検出された超音波信号は、波形処理回路３０６で所定のレベルまで増幅されて、検出タイミング信号としてＣＰＵ３０７に入力される。
【００４９】
こうして、複数の超音波センサで検出されたタイミング信号が揃ったらＣＰＵ３０７は、時間情報から距離情報に変換して、さらに三角測量の原理で座標入力ペン４の座標位置を算出する。
【００５０】
尚、この座標計算は、ＲＯＭ３１２に格納されている座標算出プログラム３０７をＣＰＵ３０７が呼び出すことによって実行される。そして、算出された座標データは、メモリ３１０に格納される。また、座標データは、逐次無線インターフェース３１１によって、外部のコンピュータに転送される。更に、必要に応じて、座標データから得られる軌跡を文字認識エンジン３１２で文字認識し、その認識結果をコマンドあるいはテキストデータとして、メモリ３１０に格納することができる。
【００５１】
実施形態１の座標入力システムの構成は、上述した構成以外にも種々の構成を採用することができる。例えば、指示具はペン状に限定されず、いわゆる指示棒状であってもよい。また、座標入力方式は、超音波方式に限らず、赤外線利用方式、抵抗膜方式、電磁誘導方式、あるいは静電結合方式等も採用することができる。
【００５２】
但し、実施形態１のようなＸＹＺ軸の３次元の座標を算出することが可能な座標入力装置ではなく、２次元の座標を算出する座標入力装置の場合においては、例えば、赤外線の反射光を用いることで距離を測定できる機能を付加するなどして、画面と座標入力装置の間の距離（距離に関する座標）を算出できる機能を別に有するならば、本発明に適用できることは言うまでもない。
【００５３】
また、表示装置は、リアプロジェクタ装置に限定されず、フロントプロジェクタ、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ等、コンピュータの情報を表示することができるものであれば、どのようなものでも良い。
【００５４】
更に、座標入力装置３０４と外部のコンピュータ間の接続は、無線インターフェース３１１に限定されず、有線インターフェースであっても良い。
【００５５】
＜座標入力装置の動作に関する説明（図４、図５）＞
以下、座標入力ペン４による入力例をあげて、実施形態１における座標入力装置の入力方法について説明する。
【００５６】
図４は本発明の実施形態１の画面１０２上のカーソル１０４が表示されているときの入力例を示す図である。
【００５７】
ここでは、操作者が、点Ａから点Ｂまで線を描画（描画は、マウスの左クリックを押しながら移動させたのと同様に、座標情報とスイッチ情報がコンピュータに送信されることによって描かれる。）したい場合、座標入力ペン４のペンサイドスイッチ４２ａあるいは４２ｂの動作と、座標入力ペン４の状態（超音波発振か停止かのいずれかの状態）と座標入力装置の座標出力モードに関して図４を用いて説明する。
【００５８】
図４において、１の状態では、カーソル１０４が画面１０２上に表示されているのみで、座標入力ペン４の、ペン先スイッチ４１、ペンサイドスイッチ４２ａ、４２ｂはいずれも押されていない。
【００５９】
２の状態では、描画を開始したい点Ａにカーソル１０４を移動させる。即ち、ペンサイドスイッチ４２ａをオンにして、超音波を発振するモードにし、カーソル１０４を点Ａに移動させる。
【００６０】
３の状態では、ペンサイドスイッチ４２ａ及び４２ｂをオンにして点Ａから点Ｂまでカーソル１０４を移動させる動作をする。即ち、この状態は描画されている状態であり、画面１０２上には、カーソル１０４の軌跡が表示される。
【００６１】
４の状態では、点Ｂまで軌跡が表示されてカーソル１０４が移動したならば、ペンサイドスイッチ４２ｂをオフ（指をはなす）にする。
【００６２】
以上のようにして、座標情報とスイッチ情報を入力することによって、マウスの如きにコンピュータを操作することができる。
【００６３】
尚、スイッチ情報は、赤外線や電波で本体に送信してもよいし、発振の間隔をスイッチごとに可変させることによって、本体側で検出してもよい。
【００６４】
ここで、図１に示すような遠隔操作をする場合、即ち、画面１０２から距離が離れた場所から入力する場合、図１のような３次元の座標軸ＸＹＺを規定すると、Ｚ軸の距離が画面１０２に対して大きくなるにしたがって、操作者が見る相対的な画面１０２の大きさ（入力しようとする画面１０２）は小さく見える。
【００６５】
しかしながら、遠隔操作でＸＹ座標を入力するためには、画面１０２上のカーソル１０４の移動距離と同じだけの操作者の入力ストロークが必要となるため、操作者の感覚では、小さいストロークで入力できる感覚にもかかわらず、画面１０２上でのカーソルの移動距離が小さいために、非常に不自然な入力となってしまう。
【００６６】
また、表示装置自体も大型化のものも多く、人間の手が届かない画面サイズの表示装置も珍しくはない。そのため、遠隔操作の場合に画面１０２に反映されるストロークと入力位置でのストロークが１対１であると、そもそも画面１０２に入力できないという不具合が生じてしまう。
【００６７】
そこで、実施形態１では、遠隔操作する場合には、座標入力ペン４とＺ軸間の距離に従って、操作者のストロークが自然な長さになるように、ＸＹ座標の変更（座標系の拡大動作）を実行する。
【００６８】
以下、このＸＹ座標の変更について、図５を用いて説明する。
【００６９】
図５は本発明の実施形態１の座標入力装置の座標系の拡大動作を説明するための図である。
【００７０】
図５に示すように、いま、画面１０２上の座標系をＸＹとして、図形５０２を描画したい場合に、遠隔操作で入力する場合の実際の操作者が空間上に描くストロークは仮想曲線５０１のように入力される。
【００７１】
即ち、座標の出力は、始点Ｐ（ｘ０，ｙ０）からの相対座標で描画され、画面への出力は、仮想曲線５０１の相対座標に対して所定の倍率ｋｎを掛けた値を計算して、画面１０２へ表示させる。これにより、操作者は画面１０２から離れて遠隔操作による描画の入力でも、自然な描画が可能となる。
【００７２】
尚、倍率はＺ軸座標、即ち、画面１０２から操作者の座標入力ペン４の入力位置までの距離に対して決定され、あらかじめメモリ３０１に設定および格納されたテーブル（図１４）を参照して決定する。
【００７３】
また、倍率ｋｎで拡大された相対座標値で示した画面１０２に表示される曲線は、駆動間隔および座標算出サンプリング間隔によっては、間引かれたようになってしまうので、ＣＰＵ３０７によって、例えば、前回の座標算出サンプリングの相対座標値との平均値を算出する等の補間計算を実行してから、コンピュータに送信することによって滑らかな曲線とすることができる。
【００７４】
＜座標入力装置の詳細な構成の説明＞
上述した動作をする座標入力装置の構成をより詳細に説明する。
【００７５】
図６は本発明の実施形態１の３次元（空間）座標計測可能な座標入力装置の概略構成を示す図である。
【００７６】
４は指示具であるところの座標入力ペンであり、操作者による座標入力動作により空中に音波を発生するように構成されている。発生した音波は複数の検出センサ３（実施形態１の場合、４個の検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄを使用する）により検出され、後述する方法により信号波形検出回路２で処理される。その後、演算制御回路１によって、座標入力ペン４の音波発生源の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出するように構成されている。
【００７７】
演算制御回路１は、座標入力装置全体を制御するとともに、得られる座標データを基に、ディスプレイ駆動回路５を介して、表示装置６に表示されているカーソルを移動したり、あるいは筆記等の手書き情報を表示装置６に表示、追記できるように構成されている。
【００７８】
以上のように、座標入力装置と表示装置を組み合わせることで、あたかも『紙と鉛筆』のような関係を実現することができるマンマシンインターフェースを提供することが可能となる。
【００７９】
次に、座標入力ペン４の構成について、図７を用いて説明する。
【００８０】
図７は本発明の実施形態１の座標入力ペンの構成を示す図である。
【００８１】
特に、図７（ａ）は座標入力ペン４の外観図であり、図７（ｂ）は座標入力ペン４の機能構成図である。
【００８２】
座標入力ペン４内に内蔵された音波発生源４３は、ペン電源４５、およびタイマと発振回路並びに座標入力ペン４に具備されている複数のスイッチ情報を検知して制御する制御回路、各種データを記憶するメモリ等で構成された駆動回路４４によって駆動される。
【００８３】
音波発生源４３は、例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の圧電性素子で構成される。このＰＶＤＦは、フィルム状で、所定サイズの円環状に構成することで、所望周波数で駆動効率が最大になるようになっている。音波発生源４３の駆動信号は、タイマによって発せられる所定の周期で繰り返すパルス信号であって、発振回路により所定のゲインで増幅された後、音波発生源４３に印加される。この電気的な駆動信号は、音波発生源４３によって機械的な振動に変換され、空中にそのエネルギーが放射されることになる。
【００８４】
尚、実施形態１における座標入力ペン４は、そのペン先端部を押圧することで動作するペン先スイッチ（ＳＷ）４１、並びに座標入力ペン４の筐体に設けられた複数のペンサイドスイッチ（ＳＷ）４２ａ、４２ｂを具備する。
【００８５】
駆動回路４４は、所定周期毎（例えば、１０ｍｓｅｃ毎、その場合、１秒間あたりに音波を１００回放射するので、本座標入力装置の座標算出サンプリングレートは、１００回／秒となる）に、座標入力ペン４内の音波発生源４３を駆動させる信号を出力し、空中に音波を放射することになる。
【００８６】
この音波は、音波発生源４３と各検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄ迄の距離に各々応じて遅延し、到達、検出されることになる。この検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄは、例えば、ＰＺＴ等の厚み振動を行う圧電振動子で、前面に音響整合層を設けている。この音響整合層は、シリコンゴム等を薄層化したもので、気体との音響インピーダンスの整合をとり、高感度で広帯域特性が得られ、かつパルス応答性のよい超音波信号の送受信が可能となっている。
【００８７】
この種の座標入力装置は、座標入力ペン４の音波発生源４３と各検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄ間の距離を、音波の既知の音速と、その到達時間の積により各々導出し、各検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄの位置情報を用いて幾何学的に音波発生源４３の位置情報を得ることを基本としたシステムである。そこで、この音波の到達時間を検出する到達時間検出方法について、図８、図９を用いて説明する。
【００８８】
図８は本発明の実施形態１の音波の到達時間検出方法を説明するためのタイミングチャートであり、図９は本発明の実施形態１の音波の到達時間検出を実現する検出回路のブロック図である。
【００８９】
５１は駆動回路４４で発生した駆動信号であり、駆動信号５１を発生するとともにスタート信号を生成する。このスタート信号は、例えば、座標入力ペン４内に内蔵されている赤外ＬＥＤ等（不図示）を介して、そのスタート信号を演算制御回路１に送信し、演算制御回路１内のタイマ１２（図６参照）をスタートさせる。
【００９０】
一方、空中に放射された音波は、音波発生源４３と検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄ間の距離に応じて遅延し、検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄで検出されることになる。５３は前置増幅回路６０で所定レベルまで増幅された各検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄで検出された検出信号を示す。この検出信号５３を、絶対値回路及び低域通過フィルタ等により構成されるエンベロープ検出回路６１で処理を行い、検出信号のエンベロープ５４のみが取り出される。
【００９１】
このエンベロープ５４に着目すると、その波形が伝播する音速は群速度Ｖｇであり、このエンベロープ５４の特異な点、例えば、エンベロープ５４のピークや変曲点を検出すると、群速度Ｖｇに関わる遅延時間ｔｇが得られる。エンベロープ５４のピークあるいは変曲点を検出するエンベロープ特異点検出回路６２は、微分回路、ゼロクロスコンパレータを用いて容易に検出が可能である。
【００９２】
実施形態１では、２階微分することによって信号５５を形成し、閾値レベル５２と検出信号５３で比較されたゲート信号を参照してエンベロープ５４の変曲点を検出する（信号５６）。この信号５６を用いて前述したスタート信号により動作しているタイマ１２をストップさせれば、群速度Ｖｇに関わる群遅延時間Ｔｇを検出することが可能である。
【００９３】
また、厳密に言えば、この群遅延時間Ｔｇには、波形処理に関わる回路の遅延分が含まれるが、後述する方法により、その影響は完全に除去される。よって、ここでは説明を簡略化するために、回路遅延時間は無いものとして説明を加える。
【００９４】
以上のことから、音波発生源４３と検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄ間の距離Ｌは次式で求めることができる。
【００９５】
Ｌ＝Ｖｇ×Ｔｇ　　　　　　　　　　　　　　（１）
一方、より高精度な距離Ｌの計算を行う場合には、検出信号波形の位相情報より、音波が到達する時間を導出する。その詳細について説明すれば、検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄの出力信号５３は、帯域通過フィルタ６４により余分な周波数成分を除いた後、Ｔｐ信号検出回路６６に入力される。Ｔｐ信号検出回路６６は、ゼロクロスコンパレータ、マルチバイブレータ等で構成される。そして、帯域通過フィルタ６４によって出力された信号のゼロクロス点に関わる信号を、所定の閾値レベル５２と比較するゲート信号発生回路６５が生成するゲート信号５７と比較し、信号５８を生成する。
【００９６】
その後に、前述した群遅延時間Ｔｇを検出する信号５６をゲート信号（ゲート信号発生回路６３が生成）として参照し、このゲート信号５６の期間内において、帯域通過フィルタ６４で出力される信号波形の位相が、例えば、負側から正側にクロスする最初のゼロクロス点を出力する信号５９を生成する。
【００９７】
そして、この信号５９を用いて、前述したスタート信号により動作しているタイマ１２をストップさせれば、位相速度Ｖｐに関わる位相遅延時間Ｔｐを検出することが可能である
尚、厳密にいえば、この位相遅延時間Ｔｐには、波形処理に関わる回路の遅延分が含まれるが、後述する方法により、その影響は完全に除去される。よって、ここでは説明を簡略化するために、回路遅延時間は無いものとして説明を加える。
【００９８】
以上のことから、音波発生源４３と検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄ間の距離Ｌは次式で求めることができる。
【００９９】
Ｌ＝Ｖｐ×Ｔｐ　　　　　　　　　　　　　　（２）
ここで、エンベロープ特異点検出回路６２に基づきゲート信号発生回路６３で生成するゲート信号５６を用いる効果について説明する。
【０１００】
検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄによって検出される信号レベルは、次の要因によって変動する。
【０１０１】
１）　音波発生源４３、検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄの電気−機械変換効率
２）　音波発生源４３と検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄ間の距離
３）　音波が伝播する空中の温度、湿度等の環境変動
４）　音波発生源４３の音波放射に関する指向性、並びに検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄの感度指向性
項目１）は部品公差により発生する要因であり、装置を大量生産する場合には十分な留意が必要である。また、項目２）は音波の減衰に関する項目であり、音波発生源４３と検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄ間の距離が大きくなるにつれて、空気中を伝播する音波の信号レベルは指数関数的に減衰することが一般的によく知られている他、その減衰定数も項目３）による環境で変化する。
【０１０２】
さらには、項目４）は、本発明は座標入力装置として動作するので、筆記具であるところの座標入力ペン４は、操作者による筆記動作で常にその姿勢が変化、つまり、ペン保持角度が変動するので、その変動によっても大きくレベルが変化する。さらには、検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄの感度指向性により、座標入力ペン４と検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄの成す角度が変動しても検出レベルが変動する。
【０１０３】
この時、例えば、検出レベルがより小さくなったと仮定した場合には、前述した閾値レベル（例えば、信号５２）が固定であるために、信号５８が信号５８’に変化することは十分に有り得る現象となる。つまり、たとえ同一地点での座標入力動作を行っても、例えば、座標入力ペン４の保持角度（向き）が異なれば、検出信号５３のレベルが異なることになるので、ゲート信号５７の発生する時間がそれに依存することになる。しかしながら、本発明はエンベロープ５４の特異点に基づくゲート信号５６を参照しているので、検出信号レベルに依存することなく、安定して信号５９を得ることが可能となっている。
【０１０４】
次に、実施形態１の演算制御回路１の概略構成について、図１０を用いて説明する。
【０１０５】
図１０は本発明の実施形態１の演算制御回路の概略構成を示すブロック図である。
【０１０６】
１１は演算制御回路１及び本座標入力装置全体を制御するマイクロコンピュータであり、内部カウンタ、操作手順を記憶したＲＯＭ、そして計算等に使用するＲＡＭ、定数等を記憶する不揮発性メモリ等によって構成されている。前述した通り、駆動回路４４により座標入力ペン４内の音波発生源４３の駆動タイミングと同期したスタート信号が、座標入力ペン４に内蔵された赤外ＬＥＤ等（不図示）により光信号として放射され、その信号をスタート信号検出回路１７で検波することによって、演算制御回路１内のタイマ１２（例えば、カウンタなどにより構成されている）をスタートさせる。
【０１０７】
このように構成することで、座標入力ペン４内の音波発生源４３を駆動する駆動タイミングと、演算制御回路１内のタイマ１２との同期が得られるので、音波発生源４３で発生した音波が各検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄ各々に到達するのに要する時間を測定することが可能となる。
【０１０８】
信号波形検出回路２より出力される各検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄよりの振動到達タイミング信号（信号５９）は、検出信号入力ポート１３を介してラッチ回路１５＿ａ〜ｄに各々入力される。ラッチ回路１５＿ａ〜ｄの各々は、対応する検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄよりの振動到達タイミング信号を受信すると、その時のタイマ１２の計時値をラッチする。
【０１０９】
このようにして座標検出に必要な全ての検出信号の受信がなされたことを判定回路１４が判定すると、マイクロコンピュータ１１にその旨の信号を出力する。マイクロコンピュータ１１がこの判定回路１４からの信号を受信すると、ラッチ回路１５＿ａ〜ｄから各々の検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄまでの振動到達時間をラッチ回路１５＿ａ〜ｄより読み取り、所定の計算を行なって、座標入力ペン４の座標位置を算出する。
【０１１０】
その算出結果を、Ｉ／Ｏポート１６を介してディスプレイ駆動回路５に出力し、表示装置６の対応する位置に、例えば、ドット等を表示することができる。また、Ｉ／Ｏポート１６を介してインターフェース回路（不図示）に、座標位置情報を出力することによって、外部機器に座標値を出力することができる。
【０１１１】
一方、前述のごとく検出信号レベルの大小に依存せず、精度良く距離Ｌを求める方法について、図１１、図１２を用いて説明する。
【０１１２】
尚、上述の図８、図９の構成による音波の到達時間を検出する到達時間検出方法を第１到達時間検出方法とし、これに対し、図１１、図１２の構成による音波の到達時間を検出する到達時間検出方法を第２到達時間検出方法とする。
【０１１３】
図１１、図１２を用いて説明すると、７１は駆動回路４４で発生した駆動信号であり、駆動信号７１を発生するとともにスタート信号を生成する。このスタート信号は、例えば、座標入力ペン４内に内蔵されている赤外ＬＥＤ等（不図示）を介して、その信号を演算制御回路１に送信し、演算制御回路１内のタイマ１２をスタートさせる。
【０１１４】
一方、空中に放射された音波は、音波発生源４３と検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄ間の距離に応じて遅延し、検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄで検出されることになる。７３は前置増幅回路８０で所定レベルまで増幅された検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄで検出された検出信号を示す。この検出信号７３を、絶対値回路及び低域通過フィルタ等により構成されるエンベロープ検出回路８１で処理を行い、検出信号のエンベロープ７４のみが取り出される。
【０１１５】
このエンベロープ７４に着目すると、その波形が伝播する音速は群速度Ｖｇであり、このエンベロープ７４の特異な点、例えば、エンベロープ７４のピークや変曲点を検出すると、群速度Ｖｇに関わる遅延時間ｔｇが得られる。エンベロープ７４のピークあるいは変曲点を検出するエンベロープ特異点検出回路８２は、微分回路、ゼロクロスコンパレータを用いて容易に検出が可能である。
【０１１６】
実施形態１では、２階微分することによって信号７５を形成し、閾値レベル７２と信号７３で比較されたゲート信号を参照してエンベロープ７４の変曲点を検出する（信号７６）。この信号７６を用いて前述したスタート信号により動作しているタイマ１２をストップさせれば、群速度Ｖｇに関わる群遅延時間ＴｇをＴｇ信号検出回路８７で検出することが可能である。
【０１１７】
同様に、この群遅延時間Ｔｇには、波形処理に関わる回路の遅延分が含まれるが、説明を簡略化するために、回路遅延時間は無いものとして説明を加える。
【０１１８】
以上のことから、音波発生源４３と検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄ間の距離Ｌは（１）式で求めることができる。
【０１１９】
一方、検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄの出力信号７３は、音波発生源４３の発振する複数の周波数に適合する帯域幅の共振周波数を有する帯域通過フィルタ８４により余分な周波数成分を除いた後、Ｔｐ信号検出回路８６に入力される。Ｔｐ信号検出回路８６は、ゼロクロスコンパレータ、マルチバイブレータ等で構成され、帯域通過フィルタ８４によって出力された信号のゼロクロス点に関わる信号を、所定の閾値レベルと比較するゲート信号発生回路８５が生成するゲート信号７７と比較し、信号７８を生成する。
【０１２０】
その後に、帯域通過フィルタ８４で出力される信号波形の位相が、例えば、負側から正側にクロスする最初のゼロクロス点を出力するパルス信号７９（Ｔｐ信号）を生成する。そして、このＴｐ信号７９を用いて、前述したスタート信号により動作しているタイマ１２をストップさせれば、位相速度Ｖｐに関わる位相遅延時間Ｔｐ＿２を検出することが可能である。
【０１２１】
しかしながら、この信号７９は、前述したとおり信号７３の信号レベルによって変化する。例えば、信号レベルがより低下した場合には、固定閾値で比較されるゲート信号のために、ゲート信号発生位置が変化し、例えば、信号７８’となる。しかしながら、この位相遅延時間Ｔｐ＿２と第１到達時間検出方法で求められたＴｐ信号の差分は、検出信号波形７３の位相周期の整数倍であって、必ず以下の関係が成立する。
【０１２２】
Ｔｐ＝Ｔｐ＿２＋ｎ×Ｔ　　　　　　　（３）
ここで、ｎは整数、Ｔは検出信号波形の位相周期であり、既知の値である。式（３）を式（２）に代入し、式（１）を用いれば
ｎ＝Ｉｎｔ　［　（Ｖｇ×Ｔｇ−Ｖｐ×Ｔｐ＿２）／λｐ＋０．５　］　　（４）
ここで、λｐは音波の波長であって、位相速度Ｖｐと周期Ｔの積に等しい。よって、整数ｎが既知となり、式（２）、式（３）を用いて距離Ｌの導出が高精度に可能となる。
【０１２３】
尚、上述の説明において、図８の信号５６と信号５９の時間差Δ、および図１１の信号７６と信号７８の時間差Δが存在するが、空中を伝播する音波の群速度Ｖｇと位相速度Ｖｐは等しく、この時間差Δは固定量となる。従って、回路遅延と同様に後述する方法で、その影響は完全に除去されるので、ここでは、Δ＝０として説明している。
【０１２４】
以上説明したように、第１到達時間検出方法に比べ、第２到達時間検出方法は、位相遅延時間の検出点が検出信号波形５３、７３のより先頭部分に位置することにあり、このような構成とすることで、反射波による影響をより軽微なものにすることができる。
【０１２５】
よって、実施形態１においては、群遅延時間Ｔｇの検出点を特定するために、エンベロープのピーク（１階微分）でなく、より前方に位置する変曲点（２階微分）を検出点としている。さらには、第１到達時間検出方法よりも第２到達時間検出方法のほうが位相遅延時間Ｔｐの検出点が、検出信号波形のより先頭部に位置しているので、前述した反射波の影響を受けにくく、より高精度に座標算出を可能とする優れた構成であると言える。
【０１２６】
さらに、第２到達時間検出方法の群遅延時間Ｔｇは、先に述べた演算方法により整数ｎを算出するため式（４）にのみ使用され、かつ式（４）で演算上、整数化（四捨五入相当）を実行することになるので、例えば、反射波の影響による群遅延時間Ｔｇの誤差が検波する信号波形の位相の半周期以内（長さに換算して、半波長以内）であれば、その結果に影響することが無い。従って、第２到達時間検出方法は、より反射波の影響を除去することができる優れた構成であると言える。
【０１２７】
しかしながら、群遅延時間Ｔｇ、位相遅延時間Ｔｐの両者を検出しなければならない第２到達時間検出方法に比べ、第１到達時間検出方法は位相遅延時間Ｔｐのみでの音波の到達時間検出が可能であり、コスト的にはより有利な構成となっている。従って、どちらの到達時間検出方法を採用するかは、目的とする製品形態の仕様によって選択することになる。
【０１２８】
以上述べた実施形態において、検出された時間には、音波発生源４３と各検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄまで音波が到達する時間に加えて、回路等による電気的な処理時間も含まれる。従って、ここでは、音波が伝播する時間以外に余分に計測される時間を除去する方法について説明する。
【０１２９】
ラッチ回路によってラッチされた群遅延時間Ｔｇ、もしくは位相遅延時間Ｔｐには、各々群回路遅延時間ｅｔｇ、位相回路遅延時間ｅｔｐを含む。この回路遅延時間は、時間計測毎に同一の値を必ず含む。そこで、ある計測回路によって、音波発生源４３と検出センサ３間を伝播する際に計測された時間をｔ＊、その計測回路における回路遅延時間をｅ、実際に音波が音波発生源４３と検出センサ３間を伝播したのに要した時間をｔとすれば、
ｔ＊＝ｔ＋ｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）
となる。
【０１３０】
一方、音波発生源４３と検出センサ３間の距離が既知の距離Ｌｉｎｉにおける時間計測値をｔｉｎｉ＊とし、その計測回路における回路遅延時間をｅ、実際に音波が伝播した時間をｔｉｎｉとすれば、
ｔｉｎｉ＊＝ｔｉｎｉ＋ｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（６）
となる。よって、
ｔ＊−ｔｉｎｉ＊＝ｔ−ｔｉｎｉ　　　　　　　　　　　　　　　　　（７）
となる。ここで、音波の音速をＶとすれば、
2004062657.tif 000003
となる。
【０１３１】
よって、求めるべき任意の音波発生源４３と検出センサ３間の距離Ｌは、
Ｌ＝Ｖ×ｔ＝Ｖ×（ｔ＊−ｔｉｎｉ＊）＋Ｌｉｎｉ　　　　　　　　　（９）
となる。
【０１３２】
上記、既知の距離Ｌｉｎｉ、及びその距離における時間計測値ｔｉｎｉ＊（第１到達時間検出方法においては位相遅延時間Ｔｐｉｎｉ＊、第２到達時間検出方法においては群遅延時間Ｔｇｉｎｉ＊及び位相遅延時間Ｔｐｉｎｉ＊）を、出荷時やリセット時に演算制御回路１の不揮発性メモリ等の記憶媒体に記憶することによって、任意の距離における音波発生源４３と検出センサ３間の距離を精度良く算出することが可能となる。また、前述したように、図８の信号５６と信号５８の時間差Δ、および図１１の信号７６と信号７８の時間差Δについても固定量（一般に空中を伝播する音波の群速度Ｖｇと位相速度Ｖｐは等しい）であるので、上記の方法によりその影響を除去することが可能である。
【０１３３】
次に、図１３に示すような座標系に検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄが配置された場合、音波発生源４３の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求める方法について説明する。
【０１３４】
上記の方法により正確に求められた音波発生源４３と各検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄまでの距離を各々Ｌａ〜Ｌｄ、Ｘ方向の検出センサ間距離をＸｓ−ｓ、Ｙ方向の検出センサ間距離をＹｓ−ｓとすれば、
【０１３５】
2004062657.tif 000004
となる。同様にして、
【０１３６】
2004062657.tif 000005
となる。
【０１３７】
以上示したように、少なくとも３個の音波発生源４３と検出センサ３までの距離が測定できれば、容易に音波発生源４３の位置（空間）座標を求めることが可能となる。本発明では、検出センサ３を４個用いており、例えば、距離が最も遠い情報を使わず（この場合、検出センサ３で出力される信号は、距離が遠いために信号レベルが最も小さくなっている）、残り３個の距離情報のみで、座標を算出することで、信頼性の高い座標算出を可能としている。
【０１３８】
また、この距離が遠い検出センサの距離情報を活用することで、出力された座標値の信頼性が高いもの否かを判定することも可能である。
【０１３９】
具体的な方法としては、例えば、距離情報Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃで算出された座標値と、距離情報Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄで算出された座標値は同一の値を出力するはずであり（距離情報の組み合わせを変更して演算する）、両者が一致しない場合には、いずれかの距離情報が不正、つまり、誤検出したことになるので、その場合には、座標値を出力しないといった信頼性を向上させる構成も実施可能となる。
【０１４０】
次に、本発明の空間座標を算出することが可能な座標入力装置の動作モードについて説明する。
【０１４１】
本発明の座標入力ペン４は、図７（ａ）に示したように、ペン先ＳＷ４１、及び２個のペンサイドＳＷ４２ａ、４２ｂを具備してなり、各ＳＷの動作モードについて図１４、図１５を用いて説明を加える。また、座標入力ペン４の動作モードに対応した検出回路側（本体側）の動作モードについて図１４、図１６を用いて説明する。
【０１４２】
図７の駆動回路４４内のメモリには、図１５に示す処理を実行する動作プログラムが記憶されていて、駆動回路４４内の制御回路（ＣＰＵ）は、ペン先ＳＷ４１及びペンサイドＳＷ４２ａ、４２ｂの操作に従って、動作プログラムを実行する。
【０１４３】
操作者が、座標入力ペン４を握って座標入力面（この場合、図１３に示すように、表示装置６のスクリーン面にＸＹ平面（ｚ＝０）が設定されている）を押圧することで、ペン先ＳＷ４１は動作する。
【０１４４】
尚、以下の説明で、ペン先ＳＷ４１が動作する入力を「ペン入力」と呼ぶ。また、直接、表示装置６の表面に接触はしていない、ペン先ＳＷ４１が動作していない状態において、比較的その表示装置６の近傍で、座標入力動作をする場合を「近接入力」と呼ぶ。更に、表示装置６から離れたところで座標入力動作をする場合を「遠隔入力」と呼ぶ。
【０１４５】
まず、ステップＳ１０２で、メモリに記憶されている各種データを初期化するために、メモリクリアを実行する。ステップＳ１０３で、ペン先ＳＷ４１がＯＮであるか否かを判定する。この判定は、操作者が、座標入力ペン４を握って座標入力面（表示装置６のスクリーン面にＸＹ平面（ｚ＝０）が設定されている）を押圧の有無で判定する。
【０１４６】
ステップＳ１０３において、ＯＮでない場合（ステップＳ１０３でＮＯ）、ステップＳ１１２に進む。一方、ＯＮである場合（ステップＳ１０３でＹＥＳ）、ステップＳ１０５に進み、駆動間隔Ｔ＝Ｔ１（例えば、１００回／秒）に設定する。そして、ステップＳ１０６で、設定された駆動周波数及び駆動間隔で駆動回路４４により音波発生源４３を動作させ、音波が空中に放射されるように動作する。即ち、この時の動作は、図１４のペン入力モード（Ｍｏｄｅ＝１）となる。
【０１４７】
ステップＳ１０７で、ペン先ＳＷ４１の状態を検知する動作を実行して、ペン先ＳＷ４１がＯＮであるか否かを判定する。ＯＮである場合（ステップＳ１０７でＹＥＳ）、操作者が筆記動作を続けているとみなして、ステップＳ１０６の音波発生源４３を駆動する動作を繰り返す。一方、ＯＮでない場合（ステップＳ１０７でＮＯ）、即ち、操作者が座標入力面から座標入力ペン４を離した場合は、ステップＳ１０８に進む。
【０１４８】
ステップＳ１０８で、所定時間（例えば、１０秒）、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）をセットする。そして、ステップＳ１０９で、駆動間隔Ｔ＝Ｔ１１（例えば、５０回／秒）に設定する。ステップＳ１１０で、設定された駆動周波数及び駆動間隔で駆動回路４により音波発生源４３を動作させる。ステップＳ１１１で、タイマがゼロ（Ｔｉｍｅｒ＝０）であるか否かを判定する。ゼロでない場合（ステップＳ１１１でＮＯ）、ゼロになるまで、ステップＳ１１０及びステップＳ１１１の動作を繰り返す。このとき、図１４に示す動作モードは近接入力モード（Ｍｏｄｅ＝２）であって、ペン先ＳＷ４１がＯＮからＯＦＦに遷移したときに、この近接入力モードに移行する。一方、ゼロである場合（ステップＳ１１１でＹＥＳ）、ステップＳ１０２に戻る。
【０１４９】
一方、座標入力面から離れて（例えば、画面から４００ｍｍ以上）操作する遠隔入力の場合は、前回の座標値に対する今回の座標値の差分を出力する相対座標となる。従って、操作者は、まず、画面上に表示されている現在のカーソルの位置を入力したい位置まで移動させて（いわゆる、マウスのドラッグ）、アイコンをクリックしたり、描画の動作をさせる（いわゆる、マウスの左クリック）。特に、実施形態１では、図７のペンサイドＳＷ４２ａを押すことによって、カーソルを移動させて、同時に、ペンサイドＳＷ４２ｂを押すことで、アイコンのクリックや描画の動作を実現する。
【０１５０】
ステップＳ１０３において、ペンサイドＳＷ４１がＯＮでない場合（ステップＳ１０３でＮＯ）、ステップＳ１１２に進み、ペンサイドＳＷ４２ａがＯＮであるか否かを判定する。ＯＮでない場合（ステップＳ１１２でＮＯ）、ステップＳ１０２に戻る。一方、ペンサイドＳＷ４２ａがＯＮである場合（ステップＳ１１２でＹＥＳ）、即ち、操作者が、座標入力面から離れて操作する場合には、ステップＳ１１３に進む。
【０１５１】
次に、ステップＳ１１３で、ペンサイドＳＷ４２ｂがＯＮであるか否かを判定する。ＯＮである場合（ステップＳ１１３でＹＥＳ）、ステップＳ１１８に進む。一方、ＯＮでない場合（ステップＳ１１３でＮＯ）、ステップＳ１１５に進む。このステップＳ１１２及びステップＳ１１３の判定によって、図１４の遠隔入力１モード（Ｍｏｄｅ＝３）か遠隔入力２モード（Ｍｏｄｅ＝４）の判定を実行する。
【０１５２】
ここで、ペンサイドＳＷ４２ａがＯＮで、かつペンサイドＳＷ４２ｂがＯＦＦである場合は、遠隔入力１モード（Ｍｏｄｅ＝３）とみなして、ステップＳ１１５で、駆動間隔Ｔ＝Ｔ２（例えば、３０回／秒）に設定する。そして、ステップＳ１１６で、設定された駆動周波数及び駆動間隔で駆動回路４により音波発生源４３を動作させ、ステップＳ１１２に戻る。
【０１５３】
一方、ペンサイドＳＷ４２ａがＯＮで、かつペンサイドＳＷ４２ｂがＯＮである場合は、遠隔入力２モード（Ｍｏｄｅ＝４）とみなして、ステップＳ１１８で、駆動間隔Ｔ＝Ｔ２１（例えば、４０回／秒）に設定する。そして、ステップＳ１１９で、設定された駆動周波数及び駆動間隔で駆動回路４により音波発生源４３を動作させる。
【０１５４】
ステップＳ１２０で、ペンサイドＳＷ４２ｂの状態を検知する動作を実行して、ペンサイドＳＷ４２ｂがＯＮであるか否かを判定する。ＯＮである場合（ステップＳ１２０でＹＥＳ）、遠隔入力２モード（Ｍｏｄｅ＝４）が継続しているとみなして、ステップＳ１１９の音波発生源４３を駆動する動作を繰り返す。一方、ＯＮでない場合（ステップＳ１２０でＮＯ）、ステップＳ１０２に戻る。
【０１５５】
尚、各動作モード（Ｍｏｄｅ＝１〜４）における駆動間隔Ｔは、駆動間隔：Ｔ１＜Ｔ１１＜Ｔ２１＜Ｔ２を満足する設定を実行することで、効率の良い座標入力装置を構成することができる。
【０１５６】
即ち、ペン入力モード（Ｍｏｄｅ＝１）、近接入力モード（Ｍｏｄｅ＝２）、遠隔入力２モード（Ｍｏｄｅ＝４）、遠隔入力１モード（Ｍｏｄｅ＝３）の順番で操作者が高速に入力をすることを考慮すると上記駆動間隔にすることで、座標入力ペン４の消費電力を抑えることができ、電源寿命の点で有利である。
【０１５７】
次に、検出回路側（本体側）での動作について説明すると、図１６において、ステップＳ１２１の待機状態から、ステップＳ１２２で、検出センサ３が座標入力ペン４からの信号を検出したか否かを判定する。信号を検出していない場合（ステップＳ１２２でＮＯ）、ステップＳ１２１に戻る。一方、信号を検出した場合（ステップＳ１２２でＹＥＳ）、ステップＳ１２３に進み、座標入力ペン４の位置座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出する。
【０１５８】
次に、ステップＳ１２４で、駆動間隔Ｔ＝Ｔ１であるか否かを判定する。Ｔ＝Ｔ１でない場合（ステップＳ１２４でＮＯ）、ステップＳ１２８に進む。一方、Ｔ＝Ｔ１である場合（ステップＳ１２４でＹＥＳ）、ステップＳ１２５に進み、駆動間隔Ｔ＝Ｔ１１であるか否かを判定する。Ｔ＝Ｔ１１でない場合（ステップＳ１２５でＮＯ）、ステップＳ１２６に進み、Ｍｏｄｅ＝１に設定して、ペン入力モードの動作を実行する。一方、Ｔ＝Ｔ１１である場合（ステップＳ１２５でＹＥＳ）、ステップＳ１２７に進み、Ｍｏｄｅ＝２に設定して、近接入力モードの動作を実行する。
【０１５９】
そして、ステップＳ１３３で、絶対座標値（Ｘ，Ｙ）を出力する。
【０１６０】
一方、ステップＳ１２４において、Ｔ＝Ｔ１でない場合、前回の座標算出サンプリングに計算した座標値Ｘ，Ｙとの差分値（相対座標）（ΔＸ，ΔＹ）を算出する。そして、ステップＳ１２９では、ステップＳ１２３で算出したＺの値から、相対座標に対する倍率ｋｎをメモリに格納されたテーブル（図１４）から算出する。
【０１６１】
次に、ステップＳ１３０で、駆動間隔Ｔ＝Ｔ２であるか否かを判定する。Ｔ＝Ｔ２である場合（ステップＳ１３０でＹＥＳ）、ステップＳ１３１に進み、Ｍｏｄｅ＝３に設定して、遠隔入力１モードの動作を実行する。一方、Ｔ＝Ｔ２でない場合（ステップＳ１３０でＮＯ）、ステップＳ１３２に進み、Ｍｏｄｅ＝４に設定して、遠隔入力２モードの動作を実行する。
【０１６２】
そして、ステップＳ１３４で、相対座標値（ｋｎΔＸ，ｋｎΔＹ）を出力する。
【０１６３】
ここで、各動作モードとその動作モードに基づく位置座標の出力形式について説明する。まず、ペン先ＳＷ４１がＯＮ状態の場合は、ペン入力モード（Ｍｏｄｅ＝１）は、算出される座標値は絶対座標値（Ｘ、Ｙ、０）であって、その値を直接外部機器に出力することで、操作者は筆記動作が可能となる。
【０１６４】
一方、ペン先ＳＷ４１がＯＦＦ状態の場合は、少なくとも操作者によるＸＹ平面内（Ｚ＝０）での座標入力が行われていない状態を意味するが、その場合であっても、画面上に表示されているカーソルを移動する等の動作を行えることが好ましい。そのため、ペン先ＳＷ４１がＯＮ状態からＯＦＦ状態に遷移したときには、一定時間、ペン先ＳＷ４１を座標入力面に押しつけなくても（ペン先ＳＷ４１がＯＮ状態でなくても）座標の入力が可能な近接入力モード（Ｍｏｄｅ＝２）を有している。
【０１６５】
さらに、実施形態１の座標入力装置は、座標入力面（ＸＹ平面）から離れて入力する（Ｚ＞０であることを示す）ことが可能であり、ペンサイドＳＷ４２ａが押されることで遠隔入力１モード（Ｍｏｄｅ＝３）、また、ペンサイドＳＷ４２ａ，ペンサイドＳＷ４２ｂが同時に押されることで、遠隔入力２モード（Ｍｏｄｅ＝４）に設定されて、座標入力ペン４の動きによってカーソルを移動し、その移動状態を記録（筆跡）として残すことが可能となる。
【０１６６】
以上説明したように、実施形態１によれば、操作者は遠隔入力の際、現状位置するカーソルの位置から、スムーズに所望の位置にカーソルを移動することが可能となる。また、その座標入力が連続して行われている一連の間は、座標入力ペン４のＸ方向の移動量、Ｙ方向の移動量は、画面上からの距離によって、カーソルの移動量と相対的に座標値を変更させて出力するので、遠隔操作であっても、操作感を向上させるとともに文字を入力したり、図形を描画したりすることも可能となる。
【０１６７】
＜実施形態２＞
従来の座標入力装置において、抵抗膜方式、静電方式等の座標入力装置は、完全に透明な入力板を構成することが困難であり、表示装置の画像の質を低下させる。
【０１６８】
さらには、ガラス等の伝播体に超音波を伝播させて座標を算出する超音波方式では、例えば、室内で用いる際の蛍光灯の映りこみを防止するために、そのガラスの表面を光学的に処理する必要があり、画像の画質を維持すると言う点で大幅なコストアップが避けられない。
【０１６９】
また、電磁誘導方式は、表示面の裏側にマトリックス上の電極を配置し、入力ペンとの間で電磁的な信号の送受を行う。そのため、表示装置が大型化し装置の厚みが増すと、原理的に座標算出が困難なものとなる上に、会議用途、あるいはプレゼン用途といった大型の座標入力装置を構成する場合には、非常にコストの高い装置となってしまう。
【０１７０】
また、大型の表示システムを採用した場合には、大勢の聴衆による同時視聴が想定され、画像の視野角、あるいはコントラスト等は十分な性能が要求される。従って、これらの大型表示システムと座標入力装置を組み合わせる場合には、十分に低コストで精度良く座標算出が可能となるばかりでなく、表示装置の画質を劣化させないと言うことが重要な要件となる。
【０１７１】
さらには、この種の大型の入出力一体のシステムを考慮した場合、大勢の参加者を想定した打ち合わせ、あるいはネットワーク時代を考慮すれば、操作者が直接画面をタッチすることでパーソナルコンピュータ等の端末を制御するばかりでなく、例えば、質問者がその場で遠隔操作（ディスプレイより離れた位置で操作）により、画面を操作したり、必要に応じてネットワークより情報を引き出せるような構成になるのが好ましい形態と言える。
【０１７２】
実際に操作者がこのシステムを使用する場合を考えてみると、上述したように、ディスプレイ上の入力面を直接タッチすることで筆跡を残したり、各種の動作を実行するペン入力状態、ディスプレイ上の入力面の近傍において、指示具を動作させてカーソルの移動等を行う近接入力状態、及びディスプレイより離れた位置で動作させる遠隔入力状態の３状態に大別することができる。
【０１７３】
まず、ペン入力状態では、操作者による指示具の移動に伴なってその筆跡が忠実に再現されることが重要な仕様となる。また、近接入力の場合も、表示面であるところのディスプレイと指示具の距離は小さな値であり、指示具を移動することで、例えば、ディスプレイに表示されているカーソルを忠実に移動することが要求される。
【０１７４】
一方、遠隔入力の場合において要求される仕様はだいぶ異なり、例えば、レーザポインタを用いた大会議室、ホール等におけるプレゼンテーションを想定して説明を加えれば、まず、操作者は所望の所定点を指示しようとしてレーザポインタの向きを直感的に保持してレーザを照射することになる。しかしながら、その最初に照射されたレーザの照射位置は、操作者が意図した所望の所定点位置とはだいぶ異なる位置になるのが通例である。
【０１７５】
従って、操作者はその照射されたレーザの位置を確認しながら、レーザの向きを修正して目的を達成することができる。言い換えれば、このフィードバックループ（現認→向き修正→視認〉が無ければ、遠隔操作による所定位置を指し示すことは困難な状況にある。
【０１７６】
さらには、遠隔操作の場合には操作者は、画面を斜めにみて操作する場合も想定される。
【０１７７】
つまり、ディスプレイの表示面をＸＹ平面、その垂線方向をＺ軸とし、原点をディスプレイの表示面の中心部とすれば、表示面の範囲は、Ｘ≦｜Ｘｓ−ｓ／２｜、Ｙ≦｜Ｙｓ−ｓ／２｜、Ｚ＝０となる（図１３参照）。しかしながら、操作者の指示具の位置はディスプレイの斜め方向に位置していることから、必ずしもＸ≦｜Ｘｓ−ｓ／２｜、Ｙ≦｜Ｙｓ−ｓ／２｜の位置にあるとは限らない。
【０１７８】
つまり、表示面をＺ軸方向に投影してできる空間の領域外に、指示具が位置することは、多くの場合ありえる。このように、ペン入力状態、あるいは近接入力状態においては、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の座標検出エリアはほぼ表示装置の表示画面のサイズ程度であればよかったものが、遠隔操作状態を考慮すれば、それはより大きな値となり、しかも絶対的な精度を保証しなければならない。
【０１７９】
さらには、大画面ディスプレイであることを考慮し、例えば、カーソルを隅部から対角線方向の隅部まで大移動させようとする場合、ペン入力状態あるいは近接入力状態では、手の動作のみならず、人間の移動（例えば、歩行、あるいは姿勢を変化させる等を含む）を伴ないながら目的を達成するが、この移動は、ホワイトボード等の筆跡の記入等を鑑みれば人間の操作としては許容できる程度である。しかしながら、遠隔操作の場合には、その場において所定の筆跡を記入することが望まれ、人間の移動を伴なわずに所定の操作を実行できるようにする課題がある。
【０１８０】
さらには、これらの動作を実現するためには、座標入力ペンには、複数のスイッチ手段が必要となるが、そのスイッチ手段の動作の割り付けを十分考慮しなければ、例えば、操作者が右利きか左利きかで、専用の指示具を用意する必要が有るだろうし、あるいは、スイッチ手段の動作割付を操作者自身が変更できるような仕組みが必要となり、その操作の煩雑さによる使い勝手、操作性の低下、あるいは装置のコスト上昇の原因となる課題が生じる。
【０１８１】
そこで、実施形態２では、操作者の利き腕に左右されることなく、操作性の良い座標入力ペンを提供し、かつ入力面に押圧して文字等の情報を追記するペン入力状態、あるいは入力面から離れた位置で同様の操作を行うことができる近接入力状態、及び遠隔操作入力状態を実現するとともに、その操作性を大幅に改善する座標入力装置について説明する。
【０１８２】
図１７は本発明の実施形態２の３次元（空間）座標計測可能な座標入力装置の概略構成を示す図である。
【０１８３】
尚、実施形態２の図１７の座標入力装置において、実施形態１の図６の座標入力装置と同一の構成要素については、同一の参照番号を付加し、その詳細については省略する。
【０１８４】
図１７において、座標入力ペン４は、操作者による座標入力動作により空中に音波を発生する共に、超音波の放射タイミング、あるいは座標入力ペン４のスイッチ情報等を伝送するための赤外光を放射するように構成されている。放射された赤外光は光検出センサ７で受光されると共に、同時に放射される音波は複数の検出センサ３により検出され、信号波形検出回路２で処理される。その後、演算制御回路１によって、座標入力ペン４の音波発生源の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出するように構成されている。
【０１８５】
尚、本発明においては、超音波の伝達時間を基に筆記具であるところの座標入力ペン４の位置座標を検出する方式について説明しているが、３次元（空間）座標計測可能な座標入力装置であれば、本発明の趣旨とするところは実施が可能であり、座標算出原理（例えば、光学的な方法により３次元計測可能とする座標入力装置〉について限定されるものでない。
【０１８６】
次に、座標入力ペンの構成について、図１８を用いて説明する。
【０１８７】
図１８は本発明の実施形態２の座標入力ペンの構成を示す図である。
【０１８８】
尚、実施形態２の図１８の座標入力ペンにおいて、実施形態１の図７の座標入力ペンと同一の構成要素については、同一の参照番号を付加し、その詳細については省略する。
【０１８９】
実施形態２の座標入力ペン４では、音波発生源４３からの機械的な振動のエネルギーが放射されるときに、そのタイミングに同期して、赤外ＬＥＤ４６を介して光信号が放射される。
【０１９０】
尚、図１８において、上段が座標入力ペン４の側面図、下段が座標入力ペン４の上面図を示している。また、座標入力ペン４においては、座標入力ペン４のペン先ＳＷ４１、音波発生源４３及び赤外ＬＥＤ４６を座標入力ペン４の先端部、先端部以外の駆動回路４４、ペン電源４５を内蔵する構造を筐体部と称し、この筐体部の表面にペンサイドＳＷ４２ａ、４２ｂが、その筐体部の軸に対し平行に隣接するように配置されている。
【０１９１】
座標入力ペン４のペン先ＳＷ４１、または複数あるペンサイドＳＷ４２ａ、４２ｂのいずれかがＯＮ状態になると、所定の周期で超音破信号と光信号の両者が放射されることになる。光信号は、超音波を放射するタイミングと同期した信号であり、超音波放射タイミングを光検出センサ７５を介して演算制御回路１が検知して、音波発生源である座標入力ペン４の位置座標を算出する。一方、光信号には座標入力ペン４の状態（例えば、どのスイッチがＯＮ状態となっているか、あるいはペンを識別するためのコード等）を示す信号が重畳されて出力されている。
【０１９２】
その情報を伝送する方法は、例えば、連続するパルス列からなるリーダ部と、これに続くコード（メーカーＩＤ等）とからなるヘッダ部をまず出力し、その後、ペンＩＤや前述したペンスイッチ信号等の制御信号等からなる送信データ列が予め定義された順序と形式に従って、その情報を順次出力する。この方法はよく知られた方法（例えば、赤外線を利用したリモコン等）でり、ここでの詳述は省略する。
【０１９３】
次に、座標入力ペン４の各ＳＷの動作モードについて図１９、図２０を用いて説明を加える。
【０１９４】
操作者が、座標入力ペン４を握って座標入力面（この場合、図１３に示すように、表示装置６のスクリーン面にＸＹ平面（Ｚ＝０）が設定されている）を押圧することで、ペン先ＳＷ４１が動作する。まず、ステップＳ２０１で、ペン先ＳＷ４１がＯＮであるか否かを判定する。ＯＮでない場合（ステップＳ２０２でＮＯ）、ステップＳ２０３に進む。一方、ＯＮである場合（ステップＳ２０２でＹＥＳ）、ステップＳ２０６に進み、第１の所定周期で（例えば、５０回／秒）で駆動回路４４により音波発生源４３が動作し、その第一の所定周期で音波（第１制御信号）が空中に放射されるように動作する。この時、本発明の座標入力装置によって算出される座標値は、絶対座標値（Ｘ、Ｙ、０）であって、その値を直接、外部装置等に出力することで、操作者は筆記動作が可能となる（ペンダウン状態）。
【０１９５】
尚、ペン先ＳＷ４１がＯＮ状態とは、座標入力面である表示装置６上に座標入力ペン４が位置し、操作者によってまさに座標入力が行われ、筆跡を入力しようとする状態（ペンダウン状態）であり、画面上に表示された筆跡は、操作者による筆記動作に対して忠実に行われる。また、例えば、ペン先ＳＷ４１を所定時間内に２回動作させた場合、座標入力装置の座標算出サンプリングレートを参照しながら、信号を受信した時間、間隔、あるいは座標を算出しているタイミング等を監視することとで、マウスのダブルクリック動作を認識するように構成されている。
【０１９６】
一方、ペン先ＳＷ４１がＯＮでない場合（ステップＳ２０２でＮＯ）、つまり、ＯＦＦの場合は、少なくとも操作者によるＸＹ平面内（ｚ＝０）での座標入力が行われていない状態を意味するが、その場合であっても、画面上に表示されているカーソルを移動する等の動作（ペンアップ状態）を行えることが好ましい。この動作を実現するために、本発明の座標入力ペン４には、ペンサイドＳＷ４２ａ、４２ｂが設けられている。
【０１９７】
そして、ステップＳ２０３〜ステップＳ２０５でそれぞれ、ペンサイドＳＷ４２ａ、４２ｂがＯＮであるか否かを判定する。この判定結果に基づいて、少なくともペンサイドＳＷのどちらか一方がＯＮ状態の場合は、ステップＳ２０７に進み、第二の所定周期（例えば、４０回／秒）で音波（第２制御信号）が空中に放射される（ペンアップ状態）。一方、入力面から離れていても（ｚ＞０）、座標入力ペン４の動きによってカーソルを移動し、その移動状態を記録（筆跡）として残したいような場合には、ペンサイドＳＷ４２ａ、４２ｂの両方を押圧することで、ステップＳ２０７に進み、第一の所定周期で音波（第１制御信号）が空中に放射されるように動作し、ペンダウン状態となる。
【０１９８】
このように、ペン先ＳＷ４１がＯＦＦ状態、かつ少なくともどちらかのペンサイドＳＷ４２ａ、４２ｂが動作状態となる具体的想定使用例は、操作者が座標入力面であるところの表示装置６から離れた位置で、画面を制御しようとしている場合であって、例えば、離れた位置でカーソルを所望の位置に移動したり、筆跡を入力しようとする場合である。
【０１９９】
つまり、少なくとも一方のサイドスイッチ４２ａ、４２ｂが動作している場合は、操作者は画面上に示されているカーソルを移動することができる状態（ペンアップ状態）を実現することができる。また、その両者が動作している場合には、カーソルの移動を筆跡として残すことができるような状態（ペンダウン状態）を実現することができる。
【０２００】
つまり、座標入力装置が座標を算出する際に、ペンの状態（ペンアップ状態、ペンダウン状態）を情報として同時に出力することができるように構成してあるので、その情報を基にパーソナルコンピュータ等の外部機器に格納されている制御ソフト、あるいはアプリケーショシソフト等によって、所望の動作を実現することができる。
【０２０１】
また、『少なくとも一方のペンサイドスイッチ』あるいは『両者のペンサイドスイッチ』の状態を区別した意図は、利き腕を考慮した結果である。つまり、図１８に示すように、座標入力ペン２のペンサイドＳＷ４２ａ、４２ｂは、座標入力ペン４の対称軸に対称に、しかも隣接するように配置してあるので、右利き、左利きの区別無く、同一の動作で同一の効果が得られるように構成している。
【０２０２】
また、ペンサイドＳＷ４２ａ、４２ｂの他の実施形態としては、２段スイッチ、つまり、スイッチのキートップを押圧することによって２段目のスイッチが動作するスイッチを用いることによって、同様の効果も得られる。
【０２０３】
さらには、図２１に示すように、座標入力ペン４の筐体部の軸に沿って隣接するようにペンサイドＳＷ４２ａ、４２ｂを配置することで、同様の効果を得ることができる。
【０２０４】
さらには、『少なくとも一方のペンサイドスイッチ』あるいは『両者のペンサイドスイッチ』の状態が機能するように、ペンサイドＳＷ４２ａ、４２ｂへの割付を行っているために、操作者の手のサイズ等による固有の仕様に関して、目的を実現させるためのスイッチ動作の自由度が増す結果、操作者個人の違いによる操作性の向上にも寄与している。
【０２０５】
さらには、筐体部に３個のペンサイドスイッチを設けて、上述した動作のほかに制御信号を追加するような場合には、『３個のうちのいずれか１個のペンサイドスイッチ』、『３個のうちのいずれか２個のペンサイドスイッチ』、『３個のペンサイドスイッチ全て』の状態で動作する制御信号を各スイッチ手段に割り付けることで、同様の効果を得られる。
【０２０６】
先に述べたように、ペン先ＳＷ４１がＯＦＦ状態、かつ少なくともどちらかのサイドＳＷ４２ａ、４２ｂが動作状態となる状態は、操作者が座標入力面であるところの表示装置６から離れた位置で、画面を制御しようとしている場合（遠隔入力状態）である。
【０２０７】
この『遠隔入力』について考察してみれば、表示面である画面から離れた位置での遠隔操作であっても、その距離が短くなれば短くなるほど、所望の位置を直感的に行うことが可能となる（距離がゼロとなる状態は、ペン先ＳＷ４１が押圧されて動作状態となり、ペン入力状態となる）。逆に、操作者が意図した所望の位置を指し示そうとする場合に、操作者が画面から離れば離れるほど、例えば、表示されるカーソルの位置は所望の位置と離れた位置に表示されるようになる。その理由は、レーザポインタを用いたプレゼンテーションを想定すれば理解が得られやすい。
【０２０８】
つまり、レーザポインタを使って遠くの所定点を指示する場合、まず、最初のレーザ発射時（１点目）においては、とんでもない位置を指示することが良く見られる。人間は、このレーザの照射位置を視認して、相対的にレーザポインタの向きを修正することによって、所望の位置にレーザの照射位置を移動することができる。
【０２０９】
つまり、視認、修正、視認と言う行為を通じて目的を達成することが可能となり、『ちゃんと指示しているのに照射位置がおかしい（レーザが壊れている）』と感じるのでなく、修正作業により人間の能力（こっちの方角だと思って指し示す能力）の不備を補間することができる。
【０２１０】
以上の考察に基づけば、遠隔入力の場合には、最初の１点目を入力する際のペンの位置は重要な要素でなく、その位置から座標入力ペン４を移動させることによって、その移動量分だけカーソルを移動できれば、操作性の良い遠隔入力が行える。
【０２１１】
つまり、人間の動作で実現する座標入力ペン４の移動量、方向を忠実に再現できる仕組みが得られれば、遠隔操作により表示されている画面の情報を制御したり、筆跡を追記すること等が可能となる。さらには、この仕組みを備えることによって、次のような利点も得られる。
【０２１２】
会議等によるプレゼンテーショシを想定した場合、ペン入力あるいは近接入力を実行するのは、説明者、あるいは議事進行を務める司会者である。一方、画面から離れた位置にいるのは、画面に表示されている内容を視覚し、発表を聞いている大勢の聞き手である。
【０２１３】
つまり、大勢の聞き手が画面を見ることができる位置に表示画面が配置され、発表内容に対して質問あるいは提案することになるが、聞き手が、その場（表示画面より離れている位置）において、例えば、ネットワークを介して別の情報、証拠を表示したり、発表者の資料に情報を追記したりする場面が想定される。
【０２１４】
この場合、聞き手はその場所において全ての所望の操作ができることが好ましい形態であり、実施形態２では、それを実現可能なものとする。
【０２１５】
例えば、図１３を参照して説明すれば、表示装置６の表示エリアをＺ軸方向に投影してできる空間（Ｚ軸を中心とした角柱状の空間）の領域外に、大勢の聞き手が配置されることは十分に有りえる想定である。そして、その空間外で座標入力ペン４を操作して３次元位置座標を検出しても、表示画面の領域外となるので、表示画面上でのカーソル等の操作を実現することができない。
【０２１６】
そこで、最初の１点目の座標値を記憶して、以後の座標値をその記憶した座標値の差分値として出力するように構成する。言い換えれば、最初の一点目の座標値を検出しても、例えば、表示されているカーソルは何ら移動せず、以後の座標値の差分値を算出することで、その差分量だけカーソルが移動するように構成する。
【０２１７】
このように構成することで、表示装置６の表示エリアをＺ軸方向に投影してできる空間の空間外に座標入力ペン４があっても、先に述ベた遠隔操作における快適な操作環境を実現可能とする。
【０２１８】
次に『最初の１点目の座標値』の定義について説明する。
【０２１９】
座標入力装置は、所定周期で座標値を検出して出力するように構成されており、座標算出サンプリングレート（単位時間あたりの座標算出可能回数）を参照すれば、連綻的に座標入力が行われているのかいないのかを判定することが可能である。
【０２２０】
連続的に入力されている状態とは、ペン先ＳＷ４１、ペンサイドＳＷ４２ａ、４２ｂの少なくともその１つがＯＮ状態となって、所定周期で座標入力ペン４から超音波が放射される状態である。つまり、例えば、前述した超音波放射タイミングに同期した光信号の周期をカウントすることで、その状態を判別することが可能である。そして、『最初の１点目の座標値』とは、この連続した期間内における最初に有効となった座標値のことであり、以後、この期間内における座標値は全てこの最初の座標値と比較されてその差分値が出力されるようになる。
【０２２１】
尚、上述の有効となる『最初の１点目の座標値』とは、連続して座標入力が行われている最初の１点目に限定されるものではなく、連続入力期間中に最初に有効となった座標値を意味する。つまり、座標入力装置の種類によっては、最初に入力した座標値に信頼性が乏しい方式のものがあり（例えば、連続入力期間中の最初の３点目まで出力せず、安定した座標検出が可能となる４点目から有効な座標値として出力するような形態の座標検出方法を採用している座標入力装置）、その場合には、連続入力期間中に、例えば、有効となった最初の座標値（この場合では、４点目）を記憶すればよいことになる。
【０２２２】
具体的な想定例を図２２を用いて説明する。
【０２２３】
図２２（ａ）は表示されているカーソルを表示画面の隅の位置▲１▼（表示されているカーソルの現状位置）から対角方向の偶の位置▲３▼まで移動する場合の例である。遠隔操作者は、まず、任意の位置でペンサイドＳＷ４２ａ、４２ｂのどちらかを動作させ、▲３▼の方向へ座標入力ペン４を移動させる。
【０２２４】
カーソルの移動は先の任意の位置から指示具が移動した移動量と方向が再現されて移動するが、操作者が仮に腕の操作だけでなく、『歩行を伴なわなければ』、『姿勢を変えなければ』もうこれ以上▲３▼の方向にカーソルを移動することができなくなってしまった状態に陥ったとする（カーソルの位置は▲２▼）。
【０２２５】
その時、操作者は動作させていたペンサイドＳＷを解除し、例えば、操作者は先に述べた任意の位置の方向に座標入力ペン４を戻して再度、ペンサイドＳＷを動作させる。この時、ペンサイドＳＷの解除と共に、所定周期で放射している超音波の放射が停止するので、連続的に入力されている状態がリセットされたと判断できる。
【０２２６】
これにより、先に述べたように、再度、ペンサイドＳＷを動作させても（座標入力ペン４の位置は移動している）、カーソルの位置は▲２▼の場所のままである。操作者が再びペンサイドＳＷを動作させて、カーソルの位置を視認しながら座標入力ペン４を移動することによって、▲３▼の方向へカーソルを移動し、目的を達成できる。
【０２２７】
図２２（ｂ）は、文字を筆記しようとする例であり、まず、図２２（ａ）の例を用いてカーソルを▲２▼の所望位置に移動する。この時、ペンサイドＳＷをＯＦＦ状態としても良いが、そのままＯＮ状態としてもどちらでも良い。ペンサイドＳＷをＯＦＦ状態とする場合は、書こうとする文字がその大きさからいって、『歩行を伴なわなければ』、『姿勢を変えなければ』と言う状態が想定される場合である。一方、ＯＮ状態のままである場合は、腕の動作等で十分入力が可能な場合と想定できる。
【０２２８】
前者の場合、『い』と言う文字を入力する際の『最初の１点目の座標』は、位置▲２▼を指し示した際の座標入力ペン４の位置座標である。後者のそれは、位置▲１▼を指し示した際の座標入力ペン４の位置座標である。カーソルを▲２▼の位置に移動した後、ペンサイドＳＷ４２ａ、４２ｂの両者を動作（ペンダウン状態）させて、座標入力ペン４の移動によりカーソルを▲３▼の位置に移動し、座標入力ペン４の移動量、方向に応じた筆跡を画面上に残す。
【０２２９】
▲３▼の位置において、操作者はペンサイドＳＷ４２ａ、４２ｂのいずれか一方を解除し（ペンアップ状態：残りのいずれか一方のサイドＳＷは動作状態にあるので、所定周期で超音波信号が放射されている）、▲４▼の位置にカーソルを移動して、再びペンサイドＳＷの両者を動作（ペンダウン）させて、カーソルを▲５▼の位置に移動することで、その筆跡を画面上に残す。
【０２３０】
操作者は、カーソルを視認しながら座標入力ペン４の移動動作により最初の▲２▼の位置まではカーソルを移動する必要があるが、その後の『い』と言う文字の筆記には、カーソルを視認しなくても座標入力ペン４の絶対的な移動量、つまり、直感的な手、腕の操作で文字入力を行うことができる。
【０２３１】
つまり、連続入力期間中の最初の有効な座標値を基準とすることで、その連続期間中に出力される座標値は相対的になるが、操作者からみれば、その期間中はカーソルの移動量と手、腕の動作が対応しており、直感的な、例えば、文章入力動作を実現することがでさる。
【０２３２】
以上の処理について、図２３を用いて説明する。
【０２３３】
図２３は本発明の実施形態２の座標入力装置の動作を説明するフローチャートである。
【０２３４】
尚、図２３のフローチャートは、図１９の動作モードに基づいて動作する。
【０２３５】
ステップＳ３０２で、座標検出に必要な情報（後述するが、実施形態２では、例えば、座標入力ペン４で放射された超音波信号が検出センサ３で受信されたか否かを判定する）である有効信号を検出したか否かを判定する。有効信号を検出していない場合（ステップＳ３０２でＮＯ）、検出するまで待機する。一方、有効信号を検出した場合（ステップＳ３０２でＹＥＳ）、ステップＳ３０３に進み、座標入力ペン４の３次元位置座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）（絶対座標値）を算出する。
【０２３６】
ステップＳ３０４で、超音波放射タイミングと同期した光信号によって伝送されてくる座標入力ペン４に具備されているペン先ＳＷ４１の状態を判断する。ここでは、ペン先ＳＷ４１が動作状態、つまり、ペン先ＳＷ４１が押圧されてペン入力状態（ＯＮ）であるか否かを判定する。ペン入力状態である場合（ステップＳ３０４でＹＥＳ）、ステップＳ３１１に進み、ステップＳ３０３で得られている３軸の座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の少なくとも２軸の座標値（Ｘ，Ｙ）を出力して、座標入力ペン４の移動動作に伴なう、例えば、その筆跡を表示画面上に表示する。
【０２３７】
一方、ステップＳ３０４で、ペン先ＳＷ４１がペン入力状態でない場合（ステップＳ３０４でＮＯ）、ステップＳ３０５に進み、算出されているＺ軸方向の座標値Ｚと所定値１とを比較して、近接入力状態にあるか否かを判定する。近接入力状態である場合、つまり、Ｚ座標値が所定値１以下である場合（ステップＳ３０５でＹＥＳ）、ステップＳ３１１に進み、ステップＳ３０３で得られている３軸の座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の少なくとも２軸の座標値（Ｘ，Ｙ）を出力する。
【０２３８】
一方、ステップＳ３０５において、近接入力状態でない場合、つまり、Ｚ座標値が所定値１より大きい場合（ステップＳ３０５でＮＯ）、ステップＳ３０６に進み、算出されているＺ軸方向の座標値Ｚと所定値２とを比較して、遠隔入力状態にあるか否かを判定する。遠隔入力状態にない場合、つまり、Ｚ座標値が所定値２未満である場合（ステップＳ３０６でＮＯ）、何も動作しないで、処理を終了する。
【０２３９】
一方、ステップＳ３０６において、遠隔入力状態である場合、つまり、Ｚ座標値が所定値２以上である場合（ステップＳ３０６でＹＥＳ）、ステップＳ３０７に進み、すでに算出されている座標値（ステップＳ３０３で得られる座標値）を『最初の１点目の座標値』（Ｘ１ｓｔ，Ｙ１ｓｔ）として、不揮発性メモリに記憶する。
【０２４０】
ステップＳ３０８で、座標入力装置の座標算出サンプリングレートに基づく、例えば、光信号（所定周期で動作する超音波放射タイミングと同期した信号）の受信タイミングを監視することによって、連続的に座標入力が実行されているか否かを判定する。連続的に座標入力が実行されている場合（ステップＳ３０８でＹＥＳ）、ステップＳ３０９に進み、その絶対座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出する。その後、ステップＳ３１０で、ステップＳ３０７で記憶した座標値（Ｘ１ｓｔ，Ｙ１ｓｔ）とを比較して、その差分値である相対座標値（ΔＸ，ΔＹ）を出力して、ステップＳ３０８に戻る。
【０２４１】
一方、ステップＳ３０８において、連続的に座標入力が実行されていない場合（ステップＳ３０８でＮＯ）、不揮発性メモリを解放して処理を終了し、再び、ステップＳ３０２において、有効信号の検出待ち状態となる。
【０２４２】
尚、実施形態２において、ステップＳ３０５における所定値１及びステップＳ３０６における所定値２は、同一値であっても良いし、異なっていても良い。例えば、所定値１＝１００ｍｍ、所定値２＝１０００ｍｍと設定すれば、Ｚ座標値が１００〜１０００ｍｍの間は動作をしないようにすることができる。また、この設定は、用途に合わせて適宜行えばよい。
【０２４３】
以上、座標入力装置として画面上を直接タッチして座標を入力して筆跡を追記したり、あるいはパーソナルコンピュータを制御する場合と、それと同様に画面から離れた地点で同様な操作を行うための遠隔操作について、座標入力ペン４に具備されている各種スイッチの割り付け、及びそのスイッチのいずれかが動作することで、定期的に音波が放射され、同時にこの音波の放射と同期した信号、並びに座標入力ペン４の状態（ペンアップ／ダウン状態、ペンのＩＤ番号等）を伝送する光信号が放射される。
【０２４４】
次に、放射された音波、光波による信号処理、並びに座標算出原理について説明を加える。
【０２４５】
実施形態２の座標入力装置は、実施形態１と同様、座標入力ペン４の音波発生源４３と各検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄ間の距離を、音波の既知の音速と、その到達時間の積により各々導出し、各検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄの位置情報を用いて幾何学的に音波発生源４３の位置情報を得ることを基本としたシステムである。そこで、この音波の到達時間を検出する到達時間検出方法について、図２４、図２５を用いて説明する。
【０２４６】
図２４は本発明の実施形態２の音波の到達時間検出方法を説明するためのタイミングチャートであり、図２５は本発明の実施形態２の音波の到達時間検出を実現する検出回路のブロック図である。
【０２４７】
１１０１は駆動回路４４で発生した音波発生源４３の駆動信号であり、それと同期して赤外ＬＥＤ４６からの超音波発生のタイミング情報を伝送するためのスタート信号が光信号として放射される。この光信号は光検出センサ７を介して検出され、周波数検波回路２１０、制御信号検出回路２１１を介して、超音波発生のタイミング、あるいは座標入力ペン４の状態（例えば、ペンアップ／ペンダウン状態等）を演算制御回路１に送信し、演算制御回路１内のタイマ３０３（図２６）をスタートさせる。
【０２４８】
一方、空中に放射された音波は、音波発生源４３と検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄ間の距離に応じて遅延し、検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄで検出されることになる。１１０２は前置増幅回路２０１で所定レベルまで増幅された各検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄで検出された検出信号を示す。この検出信号１１００を、絶対値回路及び低域通過フィルタ等により構成されるエンベロープ検出回路２０３で処理を行い、検出信号１１０３のエンペロープ１１１３をまず抽出する。
【０２４９】
このエンベロープ１１１３に着目すると、その波形が伝播する音速は群速度Ｖｇであり、このエンベロープ１１１３の特異な点、例えば、エンペロープ１１１３のピークやエンベロープの変曲点を検出すると、Ｔｇ信号検出回路２０７により生成される信号１１０７により、カウント動作を継続しているタイマ３０３をストップさせれば、群速度Ｖｇに関わる遅延時間ｔｇが得られる。エンベロープ特異点検出回路２０６は、微分回路、ゼロクロスコンパレータを用いて容易に、このエンベロープ１１１３のピークあるいは変曲点を検出することが可能である。
【０２５０】
実施形態２では、２階微分することによって信号１１０６を形成し、閾値レベル１１０４と検出信号１１０３で比較されたゲート信号を参照してエンベロープ１１１３の変曲点を検出する（信号１１０７）。
【０２５１】
これにより、音波発生源４３と検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄ間の距離Ｌは、実施形態１で説明した（１）式で求めることができる。
【０２５２】
一方、より高精度な距離Ｌの計算を行なう場合には、検出信号波形の位相情報より、音波が到達する時間を導出する。その詳細について説明すれば、検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄの出力信号１１０２は、帯域通週フィルタ２０８により余分な周波数成分を除いた後、Ｔｐ信号検出回路２０９に入力される。Ｔｐ信号検出回路２０９は、ゼロクロスココンパレータ、マルチバイブレータ等で構成される。そして、帯域通過フィルタ２０８によって出力された信号１１０８のゼロクロス点に関わる信号１１０９を生成する。
【０２５３】
更に、所定の閾値レベル１１０４と比較するゲート信号発生回路２０５が生成するゲート信号１１０５と比較し、ゲート信号１１０５の期間内において、帯域通過フィルタ２０８で出力される信号波形の位相が、例えば、負側から正側にクロスする最初のゼロクロス点を出力する信号１１１０を生成する。同様にして、この信号１１１０を用いて、前述したスタート信号により動作しているタイマ３０３をストップさせれば、位相速度Ｖｐに関わる位相遅延時間Ｔｐを検出することが可能である。
【０２５４】
以上のことから、音波発生源４３と検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄ間の距離Ｌは、次式で求めることができる。
【０２５５】
Ｌ＝Ｖｐ×Ｔｐ＋ｎ×λｐ　　　　　　　　　　　　　　（１４）
ここでλｐは音波の波長、ｎは整数である。（１４）式の右辺第２項（ｎ×λｐ）の持つ意味は、仮に音波の検出レベルが小さくなった場合には、それに応じてエンベロープ１１１３のレベルも低下することになる。そのため、このエンペロープ１１１３と閾値レベル１１０４とを比較して生成されるゲート信号１１０５のゲート信号発生期間は、例えば、信号１１１１のようになる。
【０２５６】
つまりゲート信号発生期間は、検出信号１１０２の信号レベルに依存することになる。信号レベルが変化する一番の要因は、音波発生源４３と検出センサ３３＿Ｓａ〜Ｓｄ間の距離であり、その信号レベルは距離に応じて指数関数的に減少することが良く知られている。
【０２５７】
従って、信号１１１０によって位相遅延時間Ｔｐを本来検出すべきなのに、信号レベルが低くなった結果、ゲー卜信号１１０５の発生期間が変化し、信号１１１２により位相遅延時間Ｔｐが検出されることが起こりえる。
【０２５８】
但し、信号１１１０と信号１１１２の時間差は、検出信号１１０８の１周期分に相当するので、距離に換算すれば音波の波長と言うことになる。つまり、位相遅延時間Ｔｐ、位相速度Ｖｐにょり導出される距離Ｌは、信号レベルに応じて波長の整数倍の誤差を含むことになるので、式（１４）の右辺第二項はその補正項となる。
【０２５９】
一方、式（１）、式（１４）で各々導出される距錐Ｌは、本来同じ値となるべきものである。従って、式（１）、式（１４）を連立させれば、整数ｎは次式で求めることができる。
【０２６０】
ｎ＝Ｉｎｔ　［　（Ｖｇ×Ｔｇ−Ｖｐ×Ｔｐ）／λｐ＋０．５　］　　（１５）
式（１５）において整数化を実行しているのは、群遅延時間Ｔｇに基づく距離演算は、位相遅延時間Ｔｐに基づく距離演算に比べ、その性能が劣化するので、この差分を吸収するためである。仮に、位相遅延時間Ｔｐに基づく距離演算に誤差が無いものと仮定すれば、群遅延時間Ｔｇに基づく距離演算に半波長以下の誤差が含まれても、式（１５）による整数ｎの演算は正確に行われるので、式（１４）による正確な距維導出が可能となる。
【０２６１】
次に、実施形態２の演算制御回路１の概略構成について、図２６を用いて説明する。
【０２６２】
図２６は本発明の実施形態２の演算制御回路の概略構成を示すブロック図である。
【０２６３】
ここでは、説明を簡略化するために、複数ある検出センサ３のその１つについて、その構成要素及びその動作概略を以下に説明する。
【０２６４】
３０１は演算制御回路１及び本座標入力装置重体を制御するマイクロコンピュータであり、内部カウンタ、操作手順を記憶したＲＯＭ、そして計算等に使用するＲＡＭ、定数等を記憶する不揮発性メモリ等によって構成されている。前述した通り、駆動回路４４により座標入力ペン４内の音波発生源４３の駆動タイミングと同期したスタート信号が、制御信号検出回路２１１より入力されると、演算制御回路１内のタイマ３０３（例えば、カウンタなどにより構成されている）をスタートさせる。
【０２６５】
このように構成することで、座標入力ペン４内の音波発生源４３を駆動する駆動タイミングと、演算制御回路１内のタイマ３０３との同期が得られるので、音波発生源４３で発生した音波が各検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄ各々に到達するのに要する時間を測定することが可能となる。
【０２６６】
信号波形検出回路２より出力される各検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄよりの振動到達タイミング信号（信号１１０７及び信号１１１０）は、検出信号入力ポート３０６を介してラッチ回路３０４＿ａ、３０４＿ｂに各々入力される。ラッチ回路３０４＿ａ、３０４＿ｂは、対応する検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄよりの振動到達タイミング信号を受信すると、その時のタイマ３０３の計時値をラッチする。
【０２６７】
このようにして、座標検出に必要な全ての検出信号の受信がなされたことを判定回路３０５が判定すると、マイクロコンピュータ３０１にその旨の信号を出力する。マイクロコンピュータ３０１がこの判定回路３０５からの信号を受信すると、ラッチ回路３０４＿ａ、３０４＿ｂから各々の検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄまでの振動到達時間をラッチ回路３０４＿ａ、３０４＿ｂより読み取り、所定の計算を行なって、座標入力ペン４の座標位置を算出する。
【０２６８】
その算出結果を、Ｉ／Ｏポート３０７を介してディスプレイ駆動回路５に出力し、表示装置６の対応する位置に、例えば、ドット等を表示することができる。また、Ｉ／Ｏポート３０７を介しインターフェース回路（不図示）に、座標位置情報あるいは座標入力ペン４の状態信号（ペンアップ／ダウン状態、ペンＩＤ等）を出力することによって、外部機器に座標値あるいは制御信号を出力することができる。
【０２６９】
尚、実施形態２において、検出された時間には、実施形態１でも説明したように、音波発生源４３と各検出センサ３＿Ｓａ〜Ｓｄまで音波が到達する時間に加えて、回路等による電気的な処理時間も含まれる。その場合、実施形態２でも、実施形態１で説明した音波が伝播する時間以外に余分に計測される時間を除去する方法を適用することができる。また、音波発生源４３の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）も、実施形態１で説明したような方法で求めることができる。
【０２７０】
以上説明したように、実施形態２によれば、３次元入力可能な座標入力装置の最適な座標出力形態を設けることで、『ペン入力状態』、『近接入力状態』、『遠隔入力状態』の各々にあっても、操作者の利き腕を区別することなく、あるいは座標入力ペン４を握った時の個人差に対する操作性の低下を極力排除し、操作性の良い入力手段を安価に提供することができる。
【０２７１】
＜実施形態３＞
実施形態２において、ペン入力状態とは、ペン先が大画面ディスプレイの表示面であるところをタッチすることによって、所望の筆記情報、あるいは制御装置である外部機器を操作するものである。そのため、座標入力ペン４の先端部には、ペン先を接触させることで動作するペン先ＳＷ４１が配置されている。
【０２７２】
つまり、筆記時に座標入力面をタッチすることでペン先ＳＷ４１を動作させることで座標入力が可能となり、例えば、このペン先ＳＷ４１を手等で動作させれば、当然座標を検知する状態になる。具体的な想定例として、プレゼンテーション等を聞いている聞き手が、その座標入力ペン４のペン先ＳＷ４１を何らかの拍子（例えば、ペン先ＳＷ４１を知らずに、あるいは作為的に動作させた場合、あるいはそのペン先ＳＷ４１の先端を無意識の内に机等の物体をたたいたりした場合）に動作させると、話し手が意図している座標値と異なる座標値が検出されてしまう。
【０２７３】
これによって、話し手の意図する筆記情報が得られなかったり、あるいは意図する制御ができなくなる場合が生じる。
【０２７４】
そこで、実施形態３は、実施形態２を応用して、座標入力装置に対する座標入力動作において、特に、ペン入力状態における誤操作の有無を確認する処理を行なうような構成について説明する。このような構成の場合の座標入力装置の動作について、図２７を用いて説明する。
【０２７５】
図２７は本発明の実施形態３の座標入力装置の動作を説明するフローチャートである。
【０２７６】
尚、実施形態３の図２７のフローチャートにおいて、実施形態２の図２３のフローチャートと同一の処理については、同一のステップ番号を付加し、その詳細については省略する。また、図２７のフローチャートは、図２８の動作モードに基づいて動作する。
【０２７７】
ステップＳ３０４で、超音波放射タイミングと同期した光信号によって伝送されてくる座標入力ペン４に具備されているペン先ＳＷ４１の状態を判断する。ここでは、ペン先ＳＷ４１が動作状態、つまり、ペン先ＳＷ４１が押圧されてペン入力状態（ＯＮ）であるか否かを判定する。ペン入力状態である場合（ステップＳ３０４でＹＥＳ）、ステップＳ３１２に進み、検出した座標値のＺ座標値＝０であるか否かを判定する。換言すれば、座標入力面上を座標入力ペン４がタッチすることで、ペン先ＳＷ４１が動作していることを確認する。
【０２７８】
ステップＳ３１２において、Ｚ座標値＝０である場合（ステップＳ３０４でＹＥＳ）、ステップＳ３１１に進み、ステップＳ３０３で得られている３軸の座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の少なくとも２軸の座標値（Ｘ，Ｙ）を出力して、座標入力ペン４の移動動作に伴なう、例えば、その筆跡を表示画面上に表示する。
【０２７９】
一方、Ｚ座標値＝０でない場合（ステップＳ３０４でＮＯ）、ペン先ＳＷ４１が動作しているにもかかわらず、指示具４が座標入力面に位置していないと判定できるので（得られている座標値は、操作者の誤操作によって得られた座標値）、外部機器等への座標値出力は行なわず、処理を終了して、ステップＳ３０２に戻って有効信号の検出待ち状態となる。
【０２８０】
一方、ステップＳ３０４で、ペン先ＳＷ４１がペン入力状態でない場合（ステップＳ３０４でＮＯ）、ステップＳ３１５で、算出されているＺ軸方向の座標値Ｚと所定値１とを比較して、近接入力状態にあるか否かを判定する。近接入力状態である場合、つまり、Ｚ座標値が所定値１以下である場合（ステップＳ３１５でＹＥＳ）、ステップＳ３１１に進み、ステップＳ３０３で得られている３軸の座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の少なくとも２軸の座標値（Ｘ，Ｙ）を出力する。
【０２８１】
一方、ステップＳ３１５において、近接入力状態でない場合、つまり、Ｚ座標値が所定値１より大きい場合（ステップＳ３１５でＮＯ）、ステップＳ３１６に進み、算出されているＺ軸方向の座標値Ｚと所定値２とを比較して、遠隔入力状態にあるか否かを判定する。遠隔入力状態にない場合、つまり、Ｚ座標値が所定値２以下である場合（ステップＳ３１６でＮＯ）、何も動作しないで、処理を終了する。
【０２８２】
一方、ステップＳ３１６において、遠隔入力状態である場合、つまり、Ｚ座標値が所定値２より大きい場合（ステップＳ３１６でＹＥＳ）、ステップＳ３０７に進み、すでに算出されている座標値『最初の１点目の座標値』（Ｘ１ｓｔ，Ｙ１ｓｔ）として、不揮発性メモリに記憶する。
【０２８３】
尚、実施形態２において、ステップＳ３０５における所定値１及びステップＳ３０６における所定値２は、同一値であっても良いし、異なっていても良い。例えば、所定値１＝１００ｍｍ、所定値２＝１０００ｍｍと設定すれば、Ｚ座標値が１００〜１０００ｍｍの間は動作をしないようにすることができるが、この設定は用途に合わせて適宜行えばよい。
【０２８４】
以上説明したように、実施形態３によれば、算出された座標値の有効性を判定するので、操作者による誤操作を防止し、使い勝手の良い座標入力装置を構成することができる。
【０２８５】
また、３次元入力可能な座標入力装置の座標出力形態を、座標入力ペン４によるスイッチ情報と算出された座標値に基づいて、『ペン入力状態』、『近接入力状態』、『遠隔入力状態』の各々にあっても、操作性の低下を極力排除し、操作性の良い入力手段を安価に提供することができる。
【０２８６】
以上、実施形態例を詳述したが、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用しても良いし、また、一つの機器からなる装置に適用しても良い。
【０２８７】
尚、本発明は、前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラム（実施形態では図に示すフローチャートに対応したプログラム）を、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータが該供給されたプログラムコードを読み出して実行することによっても達成される場合を含む。
【０２８８】
従って、本発明の機能処理をコンピュータで実現するために、該コンピュータにインストールされるプログラムコード自体も本発明を実現するものである。つまり、本発明は、本発明の機能処理を実現するためのコンピュータプログラム自体も含まれる。
【０２８９】
その場合、プログラムの機能を有していれば、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラム、ＯＳに供給するスクリプトデータ等、プログラムの形態を問わない。
【０２９０】
プログラムを供給するための記録媒体としては、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＭＯ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ、ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ−Ｒ）などがある。
【０２９１】
その他、プログラムの供給方法としては、クライアントコンピュータのブラウザを用いてインターネットのホームページに接続し、該ホームページから本発明のコンピュータプログラムそのもの、もしくは圧縮され自動インストール機能を含むファイルをハードディスク等の記録媒体にダウンロードすることによっても供給できる。また、本発明のプログラムを構成するプログラムコードを複数のファイルに分割し、それぞれのファイルを異なるホームページからダウンロードすることによっても実現可能である。つまり、本発明の機能処理をコンピュータで実現するためのプログラムファイルを複数のユーザに対してダウンロードさせるＷＷＷサーバも、本発明に含まれるものである。
【０２９２】
また、本発明のプログラムを暗号化してＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に格納してユーザに配布し、所定の条件をクリアしたユーザに対し、インターネットを介してホームページから暗号化を解く鍵情報をダウンロードさせ、その鍵情報を使用することにより暗号化されたプログラムを実行してコンピュータにインストールさせて実現することも可能である。
【０２９３】
また、コンピュータが、読み出したプログラムを実行することによって、前述した実施形態の機能が実現される他、そのプログラムの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳなどが、実際の処理の一部または全部を行ない、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現され得る。
【０２９４】
さらに、記録媒体から読み出されたプログラムが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵなどが実際の処理の一部または全部を行ない、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現される。
【０２９５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数の入力状態の各入力状態において、効率良くかつ適切に座標入力することができる座標入力装置及びその制御方法、座標入力指示具、プログラムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の各実施形態の座標入力装置を利用した座標入力システムの概略図である。
【図２】本発明の実施形態１の座標入力装置の座標入力ペンの基本構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態１の座標入力装置の機能構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態１の画面上のカーソルが表示されているときの入力例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態１の座標入力装置の座標系の拡大動作を説明するための図である。
【図６】本発明の実施形態１の３次元（空間）座標計測可能な座標入力装置の概略構成を示す図である。
【図７】本発明の実施形態１の座標入力ペンの構成を示す図である。
【図８】本発明の実施形態１の音波の到達時間検出方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図９】本発明の実施形態１の音波の到達時間検出を実現する検出回路のブロック図である。
【図１０】本発明の実施形態１の演算制御回路の概略構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の実施形態１の音波の別の到達時間検出方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図１２】本発明の実施形態１の別の音波の到達時間検出を実現する検出回路のブロック図である。
【図１３】本発明の実施形態１の座標系を説明するための図である。
【図１４】本発明の実施形態１の座標入力ペンの動作モードを説明するための図である。
【図１５】本発明の実施形態１の座標入力ペンの動作を説明するフローチャートである。
【図１６】本発明の実施形態１の座標入力装置の動作を説明するフローチャートである。
【図１７】本発明の実施形態２の３次元（空間）座標計測可能な座標入力装置の概略構成を示す図である。
【図１８】本発明の実施形態２の座標入力ペンの構成を示す図である。
【図１９】本発明の実施形態２の座標入力ペンの動作モードを説明するための図である。
【図２０】本発明の実施形態２の座標入力ペンの動作を説明するフローチャートである。
【図２１】本発明の実施形態２の別の座標入力ペンの構成を示す図である。
【図２２】本発明の実施形態２の座標入力ペンの操作例を説明するための図である。
【図２３】本発明の実施形態２の座標入力装置の動作を説明するフローチャートである。
【図２４】本発明の実施形態２の音波の到達時間検出方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図２５】本発明の実施形態２の音波の到達時間検出を実現する検出回路のブロック図である。
【図２６】本発明の実施形態２の演算制御回路の概略構成を示すブロック図である。
【図２７】本発明の実施形態３の座標入力装置の動作を説明するフローチャートである。
【図２８】本発明の実施形態３の座標入力ペンの動作モードを説明するための図である。
【符号の説明】
１　演算制御回路
２　信号波形検出回路
３　検出センサ
４　座標入力ペン
６　表示装置
４１　ペン先ＳＷ
４２ａ、４２ｂ　ペンサイドＳＷ
４３　音波発生源
４４　駆動回路
４５　ペン電源
４６　赤外ＬＥＤ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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