(57)【要約】【課題】検査を容易にし、信頼性の高い座標入力装置を提供する他、操作環境の変化（特に温湿度対策）に対しても安定した性能を発揮できるように構成する。【解決手段】光学式座標入力装置において、複数の角度検出センサを固定するフレーム部材を有し、各種性能検査実施後、フレーム部材を機器に組み込む事で、検査時と同等の性能を有する状態を保持できるように構成した。さらには、フレーム部材の対称軸を座標入力エリアの中心位置に配置する事で、操作環境の変動による座標算出精度の劣化を抑制する構成とした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
座標入力有効領域の角部に少なくとも２個の受光検出手段が設けられ、該受光手段が検出した光量分布の変化から、指または指示具等が指示した方向を検出する角度検出手段を有し、導出した複数の角度情報に基づき、前述指または指示具等が指示した位置座標を算出する光学式座標入力装置であって、前記２個の受光手段の位置関係を決める長板状のフレーム部材が、前記固定された２個の受光手段の対称軸上に第一位置決手段、及び長板の長辺方向にのみ自由度を有する第二位置決め手段を有し、前記第一位置決手段を配置した前記対称軸が、該座標入力装置の座標入力有効領域の中心位置上に配置される事を特徴とする座標入力装置。
【請求項２】
請求項１記載の座標入力装置は、前記座標入力有効領域の周辺部に設けられ再帰的に入射光を反射する再帰反射手段と、該再帰性反射手段に光を投影する投光手段とを有し、指または指示具等により指示する事で前記投光手段の光を遮蔽することによって起こる光量分布の変化を受光手段が検知し、指または指示具等が指示した方向を検出する角度検出手段を有する事を特徴とする座標入力装置。
【請求項３】
請求項１記載の座標入力装置のフレーム部材は、表示手段のスクリーン手段を固定する固定手段を兼ねる事を特徴とする座標入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、座標入力装置、より詳しくは、入力面に指示具や指によって指示して座標を入力することにより、接続されたコンピュータを制御したり、文字や図形などを書き込むために用いられる座標入力装置であって、その性能を改善する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の装置としてはタッチパネルとして、各種方式のものが提案、または製品化されており、特殊な器具などを用いずに、画面上でＰＣなどの操作が簡単にできるため、広く用いられている。
【０００３】
方式としては、抵抗膜を用いたもの、また、超音波を用いたものなど、さまざまなものがあるが、光を用いたものとして、特許文献１などに見られるように、座標入力面外側に再帰性反射シートを設け、光を照明する手段からの光を再帰反射シートで反射し、受光手段により光量分布を検出する構成において、入力領域内にある、指などで遮蔽された領域の角度を検出し、遮蔽位置つまり入力位置の座標を決定するものが、知られている。
また、国内件においても、特許文献２や、特許文献３などにあるように、再帰反射部材を入力領域周辺に構成し、再帰反射光が遮光される部分の座標を検出する装置が開示されている。
【０００４】
これらの装置において、例えば特許文献２では、微分などの波形処理演算によって遮光部分のピークを検出することにより、遮光部分の角度を検出し、また、特許文献３では、特定のレベルパターンとの比較によって遮光部位の一方の端と他方の端を検出しそれらの中心を検出する構成が示されている。
【０００５】
この種の遮光部分の角度を導出し、それに基づき遮光部分の位置座標を検出する光学式座標入力装置の座標算出について説明を加えれば、図１３に示すが如く、座標入力有効エリア４の水平方向にＸ軸、垂直方向にＹ軸を、そして座標入力有効エリア４の中央を原点位置に配置するものとし、入力範囲４の上辺左右に角度検出のセンサユニット１Ｌ、及びセンサユニット１ＲをＹ軸に対称に取り付け、そのセンサユニット間の距離をＤｓとする。また図示されている様に、センサユニット１のＣＣＤの受光面は、その法線方向がＸ軸と４５°の角度を成すように配置され、その法線方向を０°と定義する。この時角度の符号は、左側に配置されたセンサユニット１Ｌの場合には、時計回りの方向を『＋』方向に、また右側に配置されたセンサユニット１Ｒの場合には、反時計回りの方向を『＋』方向と定義する。さらには、図中Ｐｏは前述した各センサの法線方向の交点位置であり、Ｙ軸方向の原点からの距離をＰｏｙと定義する。この時、それぞれのセンサユニット１で得られた角度をθＬ、θＲとして、検出すべき点Ｐの座標Ｐ（ｘ，ｙ）は、
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で与えられる。つまり、遮光部位を検知する事で得られる角度θＬ、θＲ、及びセンサ間の距離Ｄｓを用いて座標算出が可能となる。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第４５０７５５７号明細書
【特許文献２】
特開２０００−１０５６７１号公報
【特許文献３】
特開２００１−１４７２６４２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記説明した様に、複数の角度センサを用いて遮光部位の位置座標を高精度に求めるためには、角度検出の精度／分解能が要求されるばかりでなく、角度センサ間の距離を正確に設定しなければならない。つまり、座標入力有効エリアの大きさ、センサと有効エリアの位置関係、センサ間距離の大きさ等にもよるが、設定したセンサ間距離と実際のセンサ間の距離に誤差Δが発生すると、少なくともその座標入力装置の座標算出精度は誤差Δとほぼ等しい値、低下する。特に、この種の座標入力装置を表示装置の表示画面に重ねて配置し、入出力一体の装置（例えば指示具の筆跡を表示装置に表示させる事で、あたかも紙と鉛筆の様な関係の操作環境を実現する入出力一体型装置）を構成する様な場合、操作性に優れる座標入力装置の座標算出精度は、最悪でも表示装置の画素ピッチ程度が要求される。
【０００８】
一例として、表示装置の表示サイズを対角７０インチ、縦横比９：１６とすれば、表示領域は、ほぼ縦×横＝８７０ｍｍ×１５５０ｍｍとなり、表示機の解像度をＷＸＧＡ（７２０×１２８０ドット）とすれば、画素ピッチは約１．２ｍｍ、従って、座標入力装置に要求される精度は最悪であっても±１．２ｍｍであり、それ以上に高精度な数字が要求される。
【０００９】
一方、上記の様に大型の表示装置が使われる場合には、当然の事ながら座標入力有効エリア４の領域も拡大し、センサ間距離Ｄｓもそれに応じて大きな値となる。同様に表示サイズを対角７０インチ、縦横比９：１６とすれば、センサ間距離は、図１３が如く配置すると、少なくとも約１６００ｍｍにも達する。従って、要求される座標入力装置の座標算出精度を鑑み、座標算出精度劣化要因が複数あること（例えば、上記のセンサ間距離の設定誤差に加え、センサの角度算出精度／分解能等々）を考慮して、センサ間距離設定要因で発生する誤差を例えば±０．２ｍｍに設定するものとすれば、表示装置のフレームにタップ加工等を施して角度センサを取り付ける際の公差は、１６００ｍｍ±０．２ｍｍと言う事になる。実際に１６００ｍｍの距離を公差±０．２（距離に対する公差は、０．２／１６００＝０．０１３％）で加工する機械的加工は容易でない。
【００１０】
一方、公差が大きく（位置関係にうるさくない）、加工的に容易な方法で取り付けて、取り付け後にセンサ間の距離を計測して、その計測値をセンサ間距離Ｄｓに採用する方法も考えられる。つまり、機械加工は容易となる方法であるが、加工／組み立て後の計測工程が必須となり、コスト的に十分に有利な方法と言う事はやはりできない。
【００１１】
また実際に製造する場合の工程について考えてみれば、角度検出センサの組み立て、及びその検査は、容易に行えるのに対し、座標入力装置の性能検査は、例えば表示装置の筐体にそのセンサを組み込んでからでないと実施できない。つまり、座標入力装置の機能を実現するためには、センサ間距離Ｄｓにてセンサが固定され、その状態で演算必要な所定数を計測、メモリした後に座標算出が始めて行われるようになるので、座標算出に関する性能検査は、前記組立工程後にしか実施できない。
【００１２】
その結果、表示装置への組み込み完了後に不良が発見された場合には、センサユニット組立工程での再検査、或いはセンサユニット間の距離を再測定、あるいは、所定数の再測定／再メモリ等の処置が必要となり、工程管理上、複雑な作業を強いられる結果となる。つまり、センサ単体では、座標入力装置の性能を評価する事ができないという、重大な課題を有することになる。
【００１３】
さらには、設定されるセンサ間距離Ｄｓと実際のセンサ間距離が精度良く行えた場合を仮に想定した場合であっても、熱の影響を十分に考慮しなけばならない。通常この種の入出力一体の装置は、オフィス向けに使用されることから、その使用温度環境は比較的安定した環境を想定できる（５℃〜４０°くらいを想定すれば十分）。
【００１４】
従って、通常動作温度を２２℃として２２℃±１８℃を使用環境と考える。概念的に今仮に表示装置等の筐体がアルミニウム材で構成されているものと想定し、前述の角度センサ間の距離が１６００ｍｍにて固定されているものと仮定すれば、アルミニウム材の線膨張係数はほぼ３×１０−５であるから、±１８℃の操作環境でアルミニウム材の熱変形は、ほぼ１６００ｍｍ±０．８５ｍｍということになる。この数値（±０．８５ｍｍ）は先に説明したセンサ間距離Ｄｓを設定する設定誤差Δ（例えば±０．２ｍｍ）よりも、十分に大きな値となるので、その熱膨張による座標入力装置の座標算出精度の劣化は、十分に考慮しなければならない課題を有する。
【００１５】
本発明は、以上の点に着目して成されたもので、検査を容易にし、信頼性の高い座標入力装置を提供する他、操作環境の変化（特に温湿度対策）に対しても安定した性能を発揮できるように構成する座標入力装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、本願発明の座標入力装置は、座標入力有効領域の角部に２個の受光検出手段が設けられ、該受光手段が検出した光量分布の変化から、指または指示具等が指示した方向を検出する角度検出手段を有し、導出した複数の角度情報に基づき、前述指または指示具等が指示した位置座標を算出する光学式座標入力装置であって、前記２個の受光手段の位置関係を決める長板状のフレーム部材を有する。このフレーム部材を設けることで、受光手段の位置関係（例えば受光手段間の距離Ｄｓ、受光手段が向いてる方向等々）が固定されるので、例えば、このフレーム部材を所定の位置に位置決めできる測定検査治具に固定して、各種性能検査を実施すれば、測定検査治具上で実現した性能を、そのまま保持したまま、このフレーム部材を所望の表示装置に重ねて配置する事が可能となる。言い換えれば、座標入力装置を表示装置に重ねて配置するような入出力一体の装置に有っては、表示装置に受光手段を取り付け後、座標算出に必要な各種パラメータを設定して、はじめて座標検出機能を実現できる従来例に比べ、本構成によるフレーム部材を用いる事で、測定検査治具を用いて座標算出に必要な各種パラメータを設定でき、さらには受光手段の性能検査、座標算出の性能検査を同一検査治具、つまり同一工程で容易に行えるので、不良発生時等の管理が容易に行えるようにできる。
【００１７】
前記フレーム部材には、固定された２個の受光手段の対称軸上に第一位置決手段を設け、その対称軸が、該座標入力装置の座標入力有効領域の中心位置上に配置されるように構成する事で、熱によるフレーム部材の熱収縮があった場合でも、該対称軸が座標入力有効領域の中心位置上に存在するように構成するとともに、該対称軸の垂線方向にのみフレーム部材が伸縮するように、フレーム部材の長手方向のみの自由度を有する第二位置決め手段を設けることで、熱によるフレーム部材の伸縮があった場合でも、精度劣化の影響を抑制し、操作性の良い装置を提供できるように構成した。
【００１８】
さらには、該座標入力装置を表示装置と一体に構成する入出力一体の装置にあっては、例えば画像投光手段であるところのスクリーン、或いは画像表示手段であるところのガラス部材、あるいは、液晶やプラズマディスプレイ等のパネルそのものを固定する固定手段が、該受光手段を固定するフレーム部材が兼ねる事によって、装置のローコスト化を実現できるように構成した。
【００１９】
すなわち、本発明の技術内容は以下の構成を備えることにより前記課題を解決できた。
【００２０】
（１）座標入力有効領域の角部に少なくとも２個の受光検出手段が設けられ、該受光手段が検出した光量分布の変化から、指または指示具等が指示した方向を検出する角度検出手段を有し、導出した複数の角度情報に基づき、前述指または指示具等が指示した位置座標を算出する光学式座標入力装置であって、前記２個の受光手段の位置関係を決める長板状のフレーム部材が、前記固定された２個の受光手段の対称軸上に第一位置決手段、及び長板の長辺方向にのみ自由度を有する第二位置決め手段を有し、前記第一位置決手段を配置した前記対称軸が、該座標入力装置の座標入力有効領域の中心位置上に配置される事を特徴とする座標入力装置。
【００２１】
（２）前記（１）記載の座標入力装置は、前記座標入力有効領域の周辺部に設けられ再帰的に入射光を反射する再帰反射手段と、該再帰性反射手段に光を投影する投光手段とを有し、指または指示具等により指示する事で前記投光手段の光を遮蔽することによって起こる光量分布の変化を受光手段が検知し、指または指示具等が指示した方向を検出する角度検出手段を有する事を特徴とする座標入力装置。
【００２２】
（３）前記（１）１記載の座標入力装置のフレーム部材は、表示手段のスクリーン手段を固定する固定手段を兼ねる事を特徴とする座標入力装置。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
まず、本発明に係る座標入力装置の概略構成について図２を用いて説明する。
【００２５】
図中１Ｌ、１Ｒは投光手段および検出手段を有するセンサユニット１であり、本実施例の場合、図示の如く座標入力有効領域４のＸ軸に平行に、かつＹ軸に対称な位置に所定距離はなれて配置されている。センサユニット１は制御・演算ユニット２に接続され、制御信号を制御・演算ユニット２から受け取ると共に、検出した信号を制御・演算ユニット２に送信する。３は入射光を到来方向に反射する再帰反射面を有する反射手段であり、左右それぞれのセンサユニット１から略９０°範囲に投光された光を、センサユニット１に向けて再帰反射する。
【００２６】
反射された光は、集光光学系とラインＣＣＤ等によって構成されたセンサユニット１の検出手段によって１次元的に検出され、その光量分布が制御・演算ユニットに送られる。
【００２７】
前述した座標入力有効領域４は、ＰＤＰやリアプロジェクタ、ＬＣＤパネルなどの表示装置の表示画面で構成することで、インタラクティブな入力装置として、利用可能となる。
【００２８】
このように構成することで、入力領域に指などによる入力指示がなされると、上記投光手段から投光された光が、指等の指示手段によって遮られ、センサユニット１の検出手段ではその部位のみの光（再帰反射による反射光）を検出する事ができなくなり、その結果、どの方向からの光が検出できなかったかを判別することが可能となる。つまり制御・演算ユニット２の演算制御手段は、左右のセンサユニット１の光量変化から入力指示された部分の遮光範囲を検出し、その遮光範囲の情報から遮光位置の方向（角度）をそれぞれ導出する。さらに、前記導出された方向（角度）、及びセンサユニット１Ｌ、及び１Ｒ間の距離情報等から、入力エリア上の座標位置を算出すると共に、表示装置に接続されているＰＣなどに、ＵＳＢなどのインタフェースを経由して座標値を出力する。
【００２９】
このようにして、指等の指示具によって、画面上に線を描画したり、表示画面上のアイコン操作によりＰＣの制御等が可能となる。
【００３０】
以降、各部分毎にその構成、動作について詳細説明を行う。
【００３１】
〈センサユニット１の詳細説明〉
図３はセンサユニット１中における投光手段の構成例を示したものである。
【００３２】
図３−１は投光手段を正面方向（座標入力面に対し垂直方向）から見た図であり、図中３１は赤外光を発する赤外ＬＥＤであり、発光した光は投光レンズ３２によって、略９０°範囲に光を投光する。一方、図３−２は同じ構成を横から見た側面図であり（入力面に対し水平方向）、この方向では、赤外ＬＥＤ３１からの光は上下方向に制限された光束として投光され、主に、再帰反射手段３に対して光が投光されるように構成されている。
【００３３】
図４はセンサユニット１中における検出手段を図示したのものであり、図３と同様に、図４−１は正面方向（座標入力面に対して垂直方向）から、また図４−２はその側面図である。なお正面図４−１中の破線部分は、側面図４−２に示される前述したセンサユニット１中の投光手段の配置を示すものである。本実施例の場合、投光手段と検出手段を重ねて配置しており、その距離Ｌは、投光手段から再帰反射手段３までの距離に比べて十分に小さな値であり、距離Ｌを有していても十分な再帰反射光を検出手段で検知することが可能な構成となっている。
【００３４】
また、図４−２において本願発明の検出手段は、１次元のラインＣＣＤ４１および集光光学系としてのレンズ４２，４３および、入射光の入射方向を制限する絞り４４、可視光など余分な光の入射を防止する赤外フィルター４５からなり、投光手段で投光された光は、再帰反射部材３によって反射され、前述赤外フィルター４５、絞り４４を抜けて集光用レンズ４２，４３によって、ＣＣＤの検出面上に集光される。
【００３５】
同様に図４−１において説明を加えると、前述した略９０°方向に投光された投光手段の光は、再帰反射部材３によって反射され、前述赤外フィルター４５、絞り４４を抜けて集光用レンズ４２，４３によって、反射光の入射角に応じたＣＣＤ４１の画素上に結像することになる。従って、ＣＣＤ４１の出力信号は、反射光の入射角に応じた光量分布を出力することになるので、ＣＣＤ４１画素番号が角度情報を示すことになる。
【００３６】
〈制御・演算ユニットの説明〉
図２の制御・演算ユニット２とセンサユニット１Ｌ、センサユニット１Ｒの間では、ＣＣＤの制御信号、ＣＣＤ用クロック信号、ＣＣＤの出力信号、および、ＬＥＤの駆動信号がやり取りされている。
【００３７】
図５は制御・演算ユニットのブロック図である。ＣＣＤ制御信号は、ワンチップマイコンなどで構成される演算制御回路８３から出力されており、ＣＣＤのシャッタタイミングや、データの出力制御などを行っている。ＣＣＤ用のクロックはクロック発生回路８７からセンサユニットに送られると共に、ＣＣＤとの同期をとって、各種制御を行うために、演算制御回路８３にも入力されている。
【００３８】
ＬＥＤ駆動信号は演算制御回路８３からＬＥＤ駆動回路８４Ｌ、８４Ｒをへて、センサユニット１中の赤外ＬＥＤ３１に供給されている。
【００３９】
センサユニット１の検出手段であるＣＣＤ４１からの検出信号は、制御・演算ユニット２中のＡＤコンバータ８１Ｌ、８１Ｒに入力され、演算制御回路８３からの制御によって、デジタル値に変換される。変換されたデジタル値は必要に応じてメモリ８２に記憶され、後述する方法で角度算出、さらには座標値が求められ、その結果を外部ＰＣなどにシリアルインタフェース８８などを介して出力される。
【００４０】
〈光量分布検出の説明〉
図６は制御信号のタイミングチャートである。
【００４１】
９１，９２，９３がＣＣＤ制御用の制御信号であり、９１Ｓｈ信号の間隔で、ＣＣＤのシャッタ解放時間が決定される。９２、９３はそれぞれ左右のセンサへのゲート信号であり、ＣＣＤ内部の光電変換部の電荷を読み出し部へ転送する信号である。
【００４２】
９４、９５は左右のＬＥＤの駆動信号であり、Ｓｈの最初の周期で一方のＬＥＤ（センサユニット１Ｌ中のＬＥＤ）を点灯するために９４の駆動信号がＬＥＤ駆動回路（この場合ＬＥＤ駆動回路８４Ｌ）を経てＬＥＤに供給される。次の周期でもう一方のＬＥＤ（この場合、センサユニット１Ｒ中のＬＥＤ）が駆動される。双方のＬＥＤの駆動が終了した後に、ＣＣＤの信号が左右のセンサから読み出される。
【００４３】
読み出される信号は、例えば指、或いは指示具等による入力がない場合、つまり遮光部分が無い場合には、それぞれのセンサからの出力として、図７−１のような光量分布が得られる。もちろん、このような分布がどのシステムでも必ず得られるわけではなく、再帰反射シートの特性（前述した再帰反射部材の入射角による再帰反射特性）やＬＥＤを含む投光手段の特性、また、経時変化（反射面の汚れなど）によって、この分布は変化する。
【００４４】
図７−１において、Ａのレベルが最大光量を検出した時のレベルであり、Ｂのレベルが最低レベルであるものとし、従って、反射光のない状態では、得られるレベルはＢ付近になり、反射光量が増えるほどＡのレベルに近づく事になる。この様にＣＣＤから出力されたデータは、逐次ＡＤ変換されＣＰＵにデジタルデータとして取り込まれる。
【００４５】
図７−２は指などで入力を行った、つまり、反射光を遮った場合の出力の例である。Ｃの部分が指などで反射光が遮られたため、その部分のみ光量が低下している。
【００４６】
検出は、この光量分布の変化を検知して行うものであり、具体的に説明すれば、まず図７−１のような入力の無い初期状態（以後、初期状態で得られたデータを初期データと言う）を予めメモリ８２に記憶しておき、それぞれのサンプル期間で得られるデータと予め記憶しておいた初期データとの差分を算出する事で、図７−２のような変化があるかどうかを判別する。
【００４７】
〈角度計算の説明〉
角度計算にあたっては、まず、遮光範囲を検出する必要がある。
【００４８】
先にも述べた用に、光量分布は経時変化などで一定ではないため、システムの起動時などに前述した初期データを記憶する事が望ましい。つまり、工場等の出荷時に初期データを設定し、そのデータの更新が、逐次行われなければ、例えば所定の位置の再帰反射面にゴミが付着した場合、その部分での再帰反射効率が低下するので、あたかもその位置（センサから見た方向）で座標入力動作が行われた、すなわち誤検出してしまうと言う重大な結果を引き起こす。従って、システムの起動時などに前述した初期データを記憶する事で、再帰反射面が経時的にほこり等で汚れて再帰反射効率が落ちていても、その状態を初期状態として設定しなおすことができるので、誤動作をする事が無くなると言う優れた利点が得られる様になる。
【００４９】
さて、電源投入時、入力の無い（遮光部分が無い）状態で、まず投光手段から照明すること無しにＣＣＤの出力をＡＤ変換して、これをＢａｓ＿ｄａｔａ［Ｎ］として、メモリ８２に記憶する。これは、ＣＣＤ４１のバイアスのばらつき等を含んだデータとなり、図７−１のＢのレベル付近のデータとなる。ここで、Ｎは画素番号であり、有効な入力範囲に対応する画素番号が用いられる。次に、投光手段から照明した状態での光量分布を記憶する。図７−１の実線で表されたデータであり、Ｒｅｆ＿ｄａｔａ［Ｎ］とし、初期データの記憶を完了する。
【００５０】
これらのデータを用いてまずは入力が成されたか、遮光範囲があるかどうかの判定を行う。
【００５１】
あるサンプル期間のデータをＮｏｒｍ＿ｄａｔａ［Ｎ］とする。まず遮光範囲を特定するために、データの変化の絶対量によって、有無を判定する。これは、ノイズなどによる誤判定を防止し、所定量の確実な変化を検出するためである。変化の絶対量を各々の画素において以下の計算を行い、予め決定してある閾値Ｖｔｈａと比較する。
【００５２】
2004326232.tif 000004
従って、Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ＿ａ［Ｎ］は各画素における絶対変化量に相当する事になる。
【００５３】
この処理は、差をとり比較するだけなので、処理時間をさほど使わないので、入力の有無の判定を高速に行う事が可能である。
【００５４】
Ｖｔｈａを初めて超えた画素が所定数を超えて検出されたときに入力があったと判定する。
【００５５】
次により高精度に検出するために、変化の比を計算して入力点の決定を行う。図８で２１０を再帰反射面とする。ここでα領域が汚れなどにより反射率が低下していたとすると、このときのＲｅｆ＿ｄａｔａ［Ｎ］の分布は、図９−１のように、領域αの反射光量が少なくなる。この状態で、図８のように指などの指示具５が挿入され、ほぼ再帰反射部材の半分を覆ったとすると、反射光量は略半分となるため、図９−２の太線で示した分布Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ［Ｎ］が観測される。この状態に対して、式（３）を適用すると、図１０−１のようになる。ここで、縦軸は初期状態との差分電圧になっている。
【００５６】
このデータに対して、閾値Ｖｔｈａと比較すると、本来の入力範囲をはずれてしまうような場合（図１０−１の破線領域）がある。もちろん、閾値Ｖｔｈａをより小さな値に設定する事で、ある程度の検出は可能となるが、ノイズなどの影響を受ける可能性が大きくなり、座標算出性能を劣化させると言う弊害が発生する。そこで、指示具５によって遮られる光量は、α領域、β領域ともに最初の半分（α領域ではＶ１レベル相当、β領域ではレベルＶ２相当）であるので、次式で変化の比を計算する。
【００５７】
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この計算結果を示すと、図１０−２のようになり、変動比であらわされるため、反射率が異なる場合でも、等しく扱う事が可能になり、このデータに対して、閾値Ｖｔｈｒを別途設定して、その立ち上がり部と立下り部の画素番号から、例えば両者の中央を入力画素として、高精度に画素情報が取得可能となる。
【００５８】
ところで、図１０−２は説明のために模式的に描いたものであり、実際の検出信号波形は詳細に表示すると、図１１の様になる。いま閾値Ｖｔｈｒと比較して遮光領域の立ちあがり部分は、Ｎｒ番目の画素で閾値Ｖｔｈｒを越えたとし、Ｎｆ番の画素で閾値Ｖｔｈｒを下まわったと仮定する。この時、出力すべきＣＣＤの画素番号Ｎｐを、先に説明した様に、立ち上がり部と立下り部の画素番号の中央値として
2004326232.tif 000006
のように計算してもよいが、そうすると、ＣＣＤの画素間隔が出力画素番号の分解能になる。そこで、より高分解能に検出するために、画素の出力レベル情報を用いて演算を行う。
【００５９】
図１１において、画素番号ＮｒのＣＣＤ出力レベルをＬｒ画素番号Ｎｒ−１の出力レベルをＬｒ−１とする。同様に、画素番号Ｎｆの出力レベルをＬｆ、画素番号Ｎｆ−１の出力レベルをＬｆ−１とする。このとき検出すべき画素番号を、それぞれのＮｒｖ、Ｎｆｖとすれば、
2004326232.tif 000007
と計算すれば、出力レベルに応じた仮想の画素番号、つまりＣＣＤの画素番号よりも細かい画素番号を取得でき、出力される仮想中心画素Ｎｐｖは、
2004326232.tif 000008
で決定される。
【００６０】
このように、画素番号とその画素の出力レベルから仮想的な画素番号を計算することで、より分解能の高い検出が可能となる。
【００６１】
〈ＣＣＤ画素情報から角度情報への変換〉
さて、得られた中央画素番号から、実際の座標値を計算するためには、前述の画素番号を角度情報に変換する必要がある。
【００６２】
図１２は得られた画素番号と角度θの関係をプロットしたものである。この関係の近似式
θ＝ｆ（Ｎ）                            （９）
を求め、この近似式よりデータの変換を行う。本願発明では、１次近似式を用いて近似できる様に、先に説明したセンサユニット１中の検出手段のレンズ群を構成するが、レンズの光学的収差等により、より高次な近似式を用いたほうが、より高精度に角度情報を得る事が可能となる場合がある。どのようなレンズ群を採用するかは、製造コストと密接に関連し、レンズ群の製造原価を下げる事によって一般的に発生する光学的な歪を、より高次の近似式を用いて補正する場合には、それなりの演算能力（演算速度）を要求されるので、目的とする製品に要求される座標算出精度を鑑みながら、その両者を適宜設定すれば良い。
【００６３】
〈座標計算方法の説明〉
図１３は画面座標との位置関係を示す図である。座標入力崇高エリア４の水平方向にＸ軸、垂直方向にＹ軸を、そして座標入力有効エリア４の中央を原点位置に配置するものとし、入力範囲４の上辺左右にセンサユニット１Ｌ、及びセンサユニット１ＲをＹ軸に対称に取り付け、そのセンサユニット間の距離をＤｓとする。また図示されている様に、センサユニット１のＣＣＤの受光面は、その法線方向がＸ軸と４５°の角度を成すように配置され、その法線方向を０°と定義する。この時角度の符号は、左側に配置されたセンサユニット１Ｌの場合には、時計回りの方向を『＋』方向に、また右側に配置されたセンサユニット１Ｒの場合には、反時計回りの方向を『＋』方向と定義する。さらには、図中Ｐ０は前述した各センサの法線方向の交点位置であり、Ｙ軸方向の原点からの距離をＰ０ｙと定義する。この時、それぞれのセンサユニット１で得られた角度をθＬ、θＲとして、検出すべき点Ｐの座標Ｐ（ｘ，ｙ）は、
2004326232.tif 000009
で得られる。
【００６４】
さて、図１４はデータ取得から座標計算までの工程を示したフローチャートであり、本願発明の座標入力装置の一連の処理工程を詳述する。
【００６５】
まずＳ１０１で電源投入が行われると、Ｓ１０２で演算制御回路などのポート設定、タイマ設定などさまざまな初期化が行われる。Ｓ１０３は立ち上げ時のみに行う不要電荷除去のための準備である。ＣＣＤなどの光電変換素子においては、動作させていない時に不要な電荷が蓄積している場合があり、そのデータをそのままリファレンスデータとして用いると、検出不能、あるいは誤検出の原因となる。それを避けるために、前述した投光手段の照明無しの状態で、ＣＣＤからのデータをＳ１０３で予め設定された回数読み出す（Ｓ１０４）ことにより、ＣＣＤに蓄積されていた不要電荷の除去を行っている。Ｓ１０５は所定回数繰り返すための判断文である。Ｓ１０６は投射手段の照明無しの状態でのデータの取り込みであり、リファレンスデータとして上述したＢａｓ＿ｄａｔａ［Ｎ］の取得に相当し、Ｓ１０７にてメモリに記憶され、以降の計算に用いられる。
【００６６】
Ｓ１０８では、投射手段で照明したときの初期光量分布に相当するリファレンスデータＲｅｆ＿ｄａｔａ［Ｎ］の取り込みを行い、Ｓ１０９にて同様にメモリに記憶する。
【００６７】
以上のステップまでが、電源投入時の初期設定動作と言う事になるが、この初期設定動作は、リセットスイッチ等により操作者の意図によって動作するように構成しても良い事は言うまでも無く、この初期設定動作を経て、通常の取り込み動作状態に移行することになる。
【００６８】
まずＳ１２１にて、発光ペン８の発光の有無を示す座標取得禁止信号５１１をチェックする。この信号がアクティブであれば非アクティブになるまでチェックを繰り返し、非アクティブになったらＳ１１０に進み、光量分布を取り込む。取り込んだあとに再び座標取得禁止信号をチェックし（Ｓ１２２）、非アクティブであれば次に進み、そうでなければＳ１２１に戻る。
【００６９】
信号が正常に取得できたら、Ｓ１１１でＲｅｆ＿ｄａｔａとの差分値で遮光部分の有無を判定する。無いと判定されたときには、Ｓ１１０に戻りまた取り込みを行う。
【００７０】
このとき、この繰り返し周期を１０［ｍｓｅｃ］程度に設定すれば、１００回／秒のサンプリングになる。
【００７１】
Ｓ１１２で遮光領域が有りと判定されたら、Ｓ１１３で式（４）の処理により比を計算する。Ｓ１１４にて、得られた比に対して閾値で立ち上がり部、立下り部を決定し、（６）、（７）、（８）式で画素番号を計算する。得られた画素番号から近似多項式より例えばｔａｎθを算出し（Ｓ１１５）、左右のセンサユニットでのｔａｎθ値からｘ、ｙ座標を（１）、（２）式を用いて算出し（Ｓ１１６）、そのデータをホストＰＣ等の外部機器へ送信する（Ｓ１１７）。その手段は、ＵＳＢ、ＲＳ２３２などのシリアル通信等、任意のインタフェースで送れば良く、処理終了後Ｓ１２１の動作に戻り、以降電源ＯＦＦ、もしくは、操作者の意図によってリセット状態が設定されるまで、この処理を繰り返す事になる。
【００７２】
以上、本願発明の実施形態として、光を遮蔽する事によって、その遮光位置の方向（角度）をまず検知し、その後の演算で遮光位置の座標値を導出する方法を示したが、本願発明はこれに限定されるものでなく、例えば、指示具による座標入力動作により、指示具から光を放射し、受光手段によりその発光位置（方向／角度）を検知することで、その指示具の位置座標を検出する座標入力装置／座標入力方法に適用しても良い事は言うまでもない。
【００７３】
〈フレーム部材の説明〉
以上、遮光により指示具の位置座標を算出する座標入力装置の概略について説明してきたが、座標算出に関して、より詳細な説明を加える事にする。先にも述べたが、座標算出原理から、センサユニット１は遮光部位の角度を検出し、センサユニット間の距離Ｄｓを用いて遮光部位の位置座標を算出している。そして、図１３に示すが如く、センサユニット１Ｌ、１Ｒを配置し、両センサを結ぶ線分（本発明にあっては、この線分は座標入力装置のＸ軸に平行）と４５°の方向がセンサユニット１中のＣＣＤ画素の法線方向となるように設定し、両センサユニットの法線方向の交点を点Ｐｏと定義する。
【００７４】
図中点Ｐｏに遮蔽物を配置した時検出される、それぞれのセンサユニットの画素番号をそれぞれθＬｐｏ、θＲｐｏとする。このθＬｐｏ、θＲｐｏの値は、センサユニットを配置した時の実際のセンサ間距離Ｄｓ、さらにはセンサユニット１Ｌ、１Ｒの配置（向き／角度）に機械的な誤差が含まれていなければ、所定の数値を出力するはずであるが、装置を大量に生産する場合には、部品公差等によってばらつく。よって何らかの手段によってこのばらつきを吸収しなければ、精度良く座標算出する事ができない。
【００７５】
そこで本願発明では、図１（Ａ）に示すが如く、センサユニットを位置決めする事ができるフレーム部材６を有し、フレーム部材６は、フレーム部材に対してセンサユニットを位置決めする位置決め用丸穴２０１Ｌ、２０１Ｒ、センサユニットを固定するためのネジ手段２０２Ｌ、２０２Ｒを有する。課題の項でも述べたが、例えばこの位置決め用丸穴２０１間の距離１６００ｍｍに対する公差±０．２ｍｍは、フレーム部材６の構造が板状で単純な構成であることから、容易に機械加工で実現可能である。図４におけるセンサユニットにおいて、図中２０３は円柱状のボスであり、そのボス中心が絞り４４の中心と一致するように配置されているので、ボス２０３を位置決め穴２０１に勘合させた時には、そのボス中心が位置決め穴２０１に必ず一致するように構成される。そして、図１３における点Ｐｏの位置に遮蔽物を配置した時に、所定のＣＣＤ画素番号が出力されるように、センサユニットの向き（角度）を調節して、ネジ手段２０２を利用してセンサユニットはフレーム手段６に固定される事になる。
【００７６】
さて、図１２に示されるように、ＣＣＤ画素番号と角度θの関係が１次である場合には、次の様な方法でも、先に述べたバラツキの影響を除去する事が容易に可能である。すなわち、フレーム部材６のセンサユニット位置決め穴２０１を用いてセンサユニット１を位置決めし、センサユニットの向きを調整することなく、ネジ手段２０２にてセンサユニットを固定する。このとき厳密には、点Ｐｏはセンサユニット１中のＣＣＤ画素の法線方向となっていないが、仮にセンサユニット１が設計通りに配置されたとして計算される点Ｐｏの位置座標は、幾何学的に容易に計算できるので、その位置座標で遮光した時に検出されるＣＣＤ画素番号を、例えば制御ユニット２中のメモリ手段等に記憶する。そして任意の位置での遮光によって検出されるＣＣＤ画素番号と、前記設計上の点Ｐｏにおいて検出される画素番号の差分を算出する事で、容易に角度換算が行えるようになる（図１２における線形性が得られていて、かつ点Ｐｏの位置座標が既知であるため）。
【００７７】
以上述べたように、フレーム部材６を用いることによって、センサユニットが位置決めされ、位置調整、もしくは位置情報をメモリする事で、座標算出が可能となり、座標入力装置としての性能検査（例えば、座標算出精度）等が可能となる。検査終了後、このフレーム部材６を、例えば表示装置に取り付ける事で、検査時と同等の性能が保証される。従って、従来の様にセンサユニットを例えば表示装置の筐体に取り付けて、必要な調整、或いは検査を実施して、不良判定を行う方法に比べて、製造／検査工程を簡略化、低コスト化する事が可能となった。
【００７８】
さらには、課題の項でも説明した通り、センサユニット間の距離Ｄｓが使用中に変化すれば、座標算出精度は低下する。特に上記が如くフレーム部材６によって複数のセンサユニットを位置決めした場合には、熱変形の影響を考慮しておく必要がある。そこで本願発明の第２実施例では、図１（Ｂ）に示すが如く、センサユニット１Ｌと１Ｒを配置した際の対称軸上に、フレーム部材を取り付ける際の位置決め手段２０４を設けた。
【００７９】
さらには、センサユニット１Ｌ、１Ｒの絞り中心を結ぶ線分に平行な方向のみ自由度を有する長丸状の位置決め手段２０５Ｌ、及び２０５Ｒを設け、これらの位置決め手段を利用して、例えば表示装置の筐体にネジ締結等により固定される（ここでは詳細な記述を省略するが、長丸状の位置決め手段個所では、長丸の長手方向に自由な移動が可能な方法で固定される）。従って、初期温度から温度が上昇すると、フレーム部材の対称軸上にある位置決め部材の位置は、前述筐体に対して移動することは無いが、長丸を用いた位置決め手段個所では、長丸の長手方向にフレーム部材がずれ、結果的にセンサ間距離Ｄｓがより大きくなる結果となる（もちろん、温度が下がった場合には、センサ間距離Ｄｓはより小さくなる）。この時、本願発明では図２に示すが如く、先に述べた左右のセンサユニットの対称軸が、座標入力有効領域４の略中心を通過するように構成してあるので、熱による影響で、フレーム部材の伸縮、言い換えれば熱の影響でセンサユニット間の距離Ｄｓが変化したとしても、センサユニットを装着したフレーム部材、座標入力有効エリア対称性から、座標入力エリアの中心部では座標算出精度の劣化はほとんど起こらず、入力領域が左右周辺部に移動するにつれて、その影響が徐々に現れるようになってくる。操作者がこの種の座標入力装置を用いて作業することを想定すれば、座標入力有効エリアの周辺部分を使う事はほとんどまれであり、作業の大半は表示領域のより中心部分を用いるのが通例である。従って、熱の影響による座標算出精度の劣化が、中心部分でほとんど無いという事は、非常に操作性に優れるという利点を有する事になる。
【００８０】
本願発明の第三実施例について図１５を用いて説明すれば、図１５（Ａ）は座標入力有効領域４と略一致した表示エリアを有する入出力一体機器のモジュールを模式的に示したものであり、図中Ｙ軸における断面図を図１５（Ｂ）に示すものである。この断面図について説明すれば、複数のセンサユニット１を位置決めし固定するフレーム部材６が、表示装置の筐体９にネジ１０で固定されている。７は表示装置の表示面を兼ねる座標入力装置の座標入力面で、例えば表示装置としてリアプロジェクタを用いれば、フレネルレンズ、レンチキュラーレンズ、保護板等からなるスクリーン部材７という事になる。図示が如く、フレーム部材６を筐体９に締結する事によって、フレーム部材６がスクリーン部材を挟み込んで、スクリーン部材を筐体９に固定するのに利用されている。なお部材８はフレーム部材６とスクリーン部材７の圧接力を調整、スクリーン部材の保護、あるいは両者間のすべり特性を改善する機能を有する、例えばフェルト材からなる。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明した様に、複数のセンサユニットを位置決めするフレーム部材を有することで、各種性能検査を実施した測定治具上の性能をそのまま保持したまま、このフレーム部材を所望の表示装置に重ねて配置する事が可能となり信頼性の高い座標入力装置を提供できるようになった他、製造／検査工程を簡略化でき、コスト的にも有利となる利点が得られる様になった。さらには熱等によるフレーム部材の熱収縮があった場合でも、精度劣化の影響を極力排除し、操作性の良い座標入力装置が構成できる様になった。
【００８２】
さらには、該座標入力装置を表示装置と一体に構成する入出力一体の装置にあっては、例えば画像投光手段であるところのスクリーン、或いは画像表示手段であるところのガラス部材、あるいは、液晶やプラズマディスプレイ等のパネルそのものを固定する固定手段が、該受光手段を固定するフレーム部材が兼ねる事によって、装置のローコスト化を実現できる優れた利点も得られる様になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一、第二実施例を説明する説明図
【図２】座標入力装置の概略構成図
【図３】センサユニット１中の投光手段を説明する説明図
【図４】センサユニット１中の検出手段を説明する説明図
【図５】制御・演算ユニット２のブロック図
【図６】発光のタイミングチャートを示す図
【図７】光量分布の一例を示す図
【図８】経時変化の例の説明図
【図９】光量変化の説明図
【図１０】光量変化量と光量変化率の説明図
【図１１】遮光範囲検出の説明図
【図１２】画素番号Ｎと角度θの関係の説明図
【図１３】座標算出の説明図
【図１４】制御のフローチャート
【図１５】第３実施例を説明する説明図
【符号の説明】
１Ｌ，１Ｒ  センサユニット
２  制御ユニット
３  再帰反射部材
４  座標入力有効領域
５  遮光部材
６  フレーム部材
７  スクリーン部材
【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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