(57)【要約】【課題】空気中を伝播する超音波を検出して発振源の座標を算出する座標入力装置において、反射波及び衝撃音ノイズを判定して座標の信頼性を向上させる。【解決手段】発振源からの検出波形と参照波形の相関係数を算出して、該変位データ列のパターンから当該検出波形の正当性の判定を実行する。また、入力位置によって相関係数を算出する参照範囲を変更することによってオンスクリーン時の入力はサンプリングスピードの向上、スクリーンから離れた位置での入力時には信頼性の向上を実現する。【選択図】        図１
2004272343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力面を構成する表示面に対して位置入力を行う超音波入力手段と、前記表示面の周辺部に設けられた複数の振動検出手段と、前記超音波入力手段から発生した超音波を前記複数の振動検出手段が受信した受信タイミングに基づいて当該超音波入力手段の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ座標）を獲得する座標入力装置において、
前記振動検出手段が検出する信号を所定の範囲のデータ列に変換するデータ変換手段と、
前記データ変換手段によって変換されたデータ列を格納するメモリ手段と、
前記メモリ手段に格納されたデータ列と所定の範囲の参照信号である参照データ列との相関係数を算出する相関係数算出手段と、
前記相関係数の値によって前記振動検出手段が検出する信号の正当性を判定する判定手段と、を有することを特徴とする座標入力装置。
【請求項２】
前記相関係数算出手段は、当該データ列に対して、前記所定の範囲の参照波形のサンプリング数と同じ回数のシフトをさせて連続的に相関係数を算出することを特徴とする請求項１記載の座標入力装置。
【請求項３】
前記判定手段は、前記振動検出手段が検出する信号のうち前記超音波入力手段から発生した超音波の反射波について判定することを特徴とする請求項１または請求項２記載の座標入力装置。
【請求項４】
前記判定手段は、前記振動検出手段が検出する信号のうち前記超音波入力手段から発生した超音波以外の音波について判定することを特徴とする請求項１または請求項２記載の座標入力装置。
【請求項５】
前記判定手段は、所定範囲内の連続した相関係数データ列のパターンによって判定することを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか記載の座標入力装置。
【請求項６】
前記判定手段は、所定範囲内の連続したサイン波形状となる相関係数データ列の周期によって判定することを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか記載の座標入力装置。
【請求項７】
前記相関係数算出手段で算出する相関係数を算出するために使用するデータ列の参照範囲を前記超音波入力手段の発振をオンオフするスイッチによって変更することを特徴とする請求項１ないし請求項６いずれか記載の座標入力装置。
【請求項８】
前記相関係数算出手段で算出する相関係数を算出するために使用するデータ列の参照範囲を前記超音波入力手段の位置座標のうちＺ座標の値によって変更することを特徴とする請求項１ないし請求項６いずれか記載の座標入力装置。
【請求項９】
前記判定手段の判定結果にしたがって、座標の出力を制御する手段を有することを特徴とする請求項１ないし請求項８いずれか記載の座標入力装置。
【請求項１０】
前記判定手段の判定結果にしたがって、操作者に警告表示をする手段を有することを特徴とする請求項１ないし請求項９いずれか記載の座標入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示システムと組み合わせて使用することにより、入出力一体の装置を構成することができる座標入力装置及びその制御方法に関する。特に、入力ペンから入力された超音波を入力面に複数設けられたセンサにより検出し、この超音波の伝達時間に基づいて、当該入力ペンの位置を算出する座標入力装置及びその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、コンピュータが出力する各種情報を表示する表示装置と、座標入力面を有し、この画面上にペンで任意に指示した点の座標を検出して座標データをコンピュータに出力する座標入力装置とから構成された情報入出力装置がある。
【０００３】
この情報入出力装置を構成する表示装置には、ＣＲＴ，ＬＣＤ，ＰＤＰ，プロジェクタ等があり、近年は、液晶の表示性能技術の向上や設置面積の観点から、ＬＣＤ，ＰＤＰ等のフラットパネルが、表示装置市場でのシェアを拡大している。
【０００４】
一方、座標入力装置は、タッチパネルやタブレットと呼ばれ、ペン型の入力装置を用いて座標入力面の入力可能領域の任意の点を指示すると、その入力点の座標を検出し、接続されたコンピュータに座標データを出力し、入力点を表示装置で表示することができる装置である。入力点を検出する方式としては、抵抗膜方式、電磁誘導方式、超音波方式が特に知られており、ユーザーが価格、用途に見合った選択ができるように多種多様化してきている。
【０００５】
これらの情報入出力装置は、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、パソコン内に予め用意した資料用データを大画面ディスプレイ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、表示用ディスプレイ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、パソコンを制御して、例えば表示スクリーン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と言う問題が生じる。さらには、ガラス等の伝播体を必要と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。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ので、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欠点を有する。
【０００７】
また、大型の表示システムを採用した場合には、大勢の聴衆が鑑賞することが想定され、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措置を組み合わせる場合には、十分な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因となる。
【０００８】
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ソコン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であると言える。
【０００９】
ところで、空中に放射する超音波は減衰が激しく、しかもその減衰は超音波周波数の２乗に比例するため、実用的にはある程度低い周波数帯域の超音波を利用する。しかしながら、それでも振動センサにより検出された信号は、微弱なものであり、そのまま信号処理を行うのには適していないため、前置増幅器を用いて増幅するのが一般的である。
【００１０】
このような空中超音波を利用した座標入力装置においては、検出信号レベルが非常に大きく変化する。要因としては、振動伝達距離、ペンの入力角度、各部品ばらつき等があげられる。通常、検出した信号を有効と判断するためのしきい値は、前記要因による変動幅と、不要反射波のレベル、電磁的なノイズレベル、電源電圧を考慮して決定される。
【００１１】
また、不要反射波に関しては、図２に示すような入力面からの反射が主たる要因ではあるが、機器を構成する筐体や入力面から離れたところから入力する場合は、入力手段の極近接にある例えば机や壁などの不特定多数の反射物が存在する。
【００１２】
このような反射波は、超音波入力手段から信号検出手段までの振動伝達経路において直接波と反射波の信号の経路差が大きい場合は、超音波検出後の処理に影響しないが、経路差が得られない場合には、反射波と直接波が重畳した検出信号を処理してしまうために誤検出となり、座標算出の精度劣化の要因となってしまう。
【００１３】
例えば使用周波数が４０ｋＨｚであれば、直接波と反射波は、数十ｍｍ（数波長）の伝播経路差があれば、反射波と直接波の分離ができると考えられるが、該経路差を確保するためには、超音波入力手段の発振源の位置や検出センサの構成等において機器の設計自由度がなくなってしまうという課題がある。
【００１４】
すなわち、上記課題を解決できない場合は、直接波と反射波が十分な経路差が得られるように、ユーザー側に機器の設置場所について制限を設けたり、或いは入力者にもその入力形態に制限をすることによって座標算出精度の劣化を解消するなどの対策を強要させることとなってしまうなど、非常に使いづらい装置となってしまう。
【００１５】
一方で、座標入力装置の操作環境（空間）における音波に着目してみると、あらゆる場所、あらゆる状況で使用することが想定されるため、様々な音波が空間中に発生していると考えられる。例えば、聴衆者の拍手や指を擦り合わせる音、何か物を床に落とした音、金属を擦り合わせたり何かにぶつけたりする音、スプレー音、など不特定多数の音波発生要因（以下、衝撃音ノイズという）が挙げられる。
【００１６】
一般的にこの種の座標入力装置における振動センサ（圧電性の超音波検出素子）は、可聴帯域の周波数帯域を外し、かつ空間の伝播効率を考慮した周波数特性となるように設計されている。したがって、使用周波数は数十ｋＨｚとして、さらに、微小信号を扱うために、比較的高めのＱ値の周波数応答特性を有するように設計して感度を向上させている。
【００１７】
したがって、本来検出すべきところのペンから発振された超音波信号以外の音波であっても、振動センサの共振周波数と近い周波数成分を含む音波であればその音波は振動センサで検出してしまう。さらに、先述した反射波とは性質が異なり、超音波を発振するタイミング信号とは全くの非同期となるために、何時いかなるタイミングで振動センサが検出してしまうか不明である。ゆえに衝撃音ノイズをそのまま信号処理して、座標を算出すると当然ながら所望の座標値とは異なった座標出力値となってしまう。
【００１８】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、反射波や衝撃音ノイズの影響を軽減して、信頼性を向上させた座標入力装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本出願に係る発明は、下記の構成を備える。
【００２０】
（１）入力面を構成する表示面に対して位置入力を行う超音波入力手段と、前記表示面の周辺部に設けられた複数の振動検出手段と、前記超音波入力手段から発生した超音波を前記複数の振動検出手段が受信した受信タイミングに基づいて当該超音波入力手段の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ座標）を獲得する座標入力装置において、前記振動検出手段が検出する信号を所定の範囲のデータ列に変換するデータ変換手段と、前記データ変換手段によって変換されたデータ列を格納するメモリ手段と、前記メモリ手段に格納されたデータ列と所定の範囲の参照信号である参照データ列との相関係数を算出する相関係数算出手段と、前記相関係数の値によって前記振動検出手段が検出する信号の正当性を判定する判定手段と、を有することを特徴とする座標入力装置。
【００２１】
（２）前記相関係数算出手段は、当該データ列に対して、前記所定の範囲の参照波形のサンプリング数と同じ回数のシフトをさせて連続的に相関係数を算出することを特徴とする前記（１）記載の座標入力装置。
【００２２】
（３）前記判定手段は、前記振動検出手段が検出する信号のうち前記超音波入力手段から発生した超音波の反射波について判定することを特徴とする前記（１）または（２）記載の座標入力装置。
【００２３】
（４）前記判定手段は、前記振動検出手段が検出する信号のうち前記超音波入力手段から発生した超音波以外の音波について判定することを特徴とする前記（１）または（２）記載の座標入力装置。
【００２４】
（５）前記判定手段は、所定範囲内の連続した相関係数データ列のパターンによって判定することを特徴とする前記（１）ないし（４）いずれか記載の座標入力装置。
【００２５】
（６）前記判定手段は、所定範囲内の連続したサイン波形状となる相関係数データ列の周期によって判定することを特徴とする前記（１）ないし（４）いずれか記載の座標入力装置。
【００２６】
（７）前記相関係数算出手段で算出する相関係数を算出するために使用するデータ列の参照範囲を前記超音波入力手段の発振をオンオフするスイッチによって変更することを特徴とする前記（１）ないし（６）いずれか記載の座標入力装置。
【００２７】
（８）前記相関係数算出手段で算出する相関係数を算出するために使用するデータ列の参照範囲を前記超音波入力手段の位置座標のうちＺ座標の値によって変更することを特徴とする前記（１）ないし（６）いずれか記載の座標入力装置。
【００２８】
（９）前記判定手段の判定結果にしたがって、座標の出力を制御する手段を有することを特徴とする前記（１）ないし（８）いずれか記載の座標入力装置。
【００２９】
（１０）前記判定手段の判定結果にしたがって、操作者に警告表示をする手段を有することを特徴とする前記（１）ないし（９）いずれか記載の座標入力装置。
【００３０】
したがって、反射波や衝撃音ノイズの影響を軽減して、信頼性を向上させた座標入力装置を提供することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
＜第一の実施例＞
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。
【００３２】
＜システム構成の説明（図２）＞
図２は、本発明の座標入力装置を利用したシステムの概略図である。
【００３３】
本システムは、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。この装置は、入出力一体型のシステムで、接続されたコンピュータが出力する各種の情報を画面１０２に表示するとともに、ペン２１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。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。
【００３４】
座標入力装置は、ペン２１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が、ペン２１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。
【００３５】
図中１０２は、リアプロジェクション装置１０１の画面であり、コンピュータのウィンドウ情報等が表示されている。操作者は、先述したとおり、ペン２１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２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。いま仮想的な座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を操作者が操作する位置に構成し、図のような概略ＸＹ平面１０５に１０６のような線を仮想的に描画したとする。そのとき、リアプロジェクション装置１０１の画面１０２には、操作者が操作したペン２１の軌跡１０６と対応する線１０４が表示されることになる。
【００３６】
したがって、会議などで操作者が画面から離れている場合など、コンピュータを遠隔操作したり、表示されている内容に上書きをしたりすることができるので、非常に有効な装置となる。
【００３７】
＜座標入力装置の構成に関する説明（図３、図４）＞
座標入力装置は、先述した通り、ペン型の入力装置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装置である。本実施例では、座標入力装置として超音波方式の座標入力装置を構成した場合について図３および図４を用いて説明する。
【００３８】
図３は本発明の実施例における入力ペン及び入力ペンから発振される超音波信号を検出する振動センサを説明するための図である。この入力ペン２１は、画面にペン先を押し当てることで２６のスイッチ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、スイッチ２７を押すことで超音波の発振が開始される。
【００３９】
入力ペン２に内蔵された振動子２５は、振動子駆動回路２４により駆動される。電気的な駆動信号は振動子２５によって機械的な超音波振動に変換され、空気中に放射される。振動子２５は、例えばＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）など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。空気中に放射された超音波は、円錐形金属の反射材２１１で反射され、振動センサ６ａで検出され、後述の処理をすることによって検出タイミングを獲得する。
【００４０】
振動子駆動回路２４は振動子２５の共振周波数の所定の発数でパルス駆動すると同時に、赤外ＬＥＤ等の発光素子２２に所定の周波数で変調した発光タイミング信号を送信する。
【００４１】
ここで、振動子駆動回路２４は、電池２３を電源として動作する。電池２３は、アルカリ乾電池等の１次電池、またはニッケル水素電池等の２次電池で構成されていて、交換可能となっている。振動子駆動回路２４は、電池２３の電圧を電源電圧として動作して、振動子２５のパルス駆動電圧も電源電圧と同じ電圧値で駆動される。出力レベルを上げたい場合は、振動子２５の駆動は、昇圧トランス等で電源電圧よりも高い電圧で駆動することも可能である。
【００４２】
図４は、超音波方式の座標入力装置を構成を示す回路ブロック図である。
【００４３】
図中、３０１は入力ペン２１の内部構成を図示している。振動子駆動回路２４は、振動子２５を所定のタイミングで駆動するように制御する。そして、振動子２５から発振された超音波信号は、座標入力装置本体２０３の内部回路３０４のうち、振動センサ３０５で検出される。検出された超音波信号は、波形検出回路３０６に構成される増幅器で所定のレベルまで増幅されたあと、Ａ／Ｄコンバータにて所定のレートでサンプリングされて、演算制御回路３０７が制御するタイミングでメモリ３１０に格納される。また、入力ペン２１からの同期信号は、同期信号検出回路３１２で検出されたあと、スタートタイミング信号として演算制御回路３０７に入力される。複数の超音波センサで検出された信号が揃ったら演算制御回路３０７は、メモリ３１０から逐次データを読み出し、ＲＡＭに格納してある信号処理プログラム３０９および座標算出プログラム３０８でメモリ３１０に格納してある波形データから後述する処理によって算出する時間情報を得て、さらに距離情報に変換し、後述する座標算出式にて入力ペン２１の座標位置を算出する。そして、算出された座標データは、インターフェース３１１を介して外部のコンピュータに転送される。
【００４４】
ここで、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本願の発明が有効であることは言うまでもない。
【００４５】
＜座標入力装置の詳細な構成の説明＞
上述した座標入力装置の構成と信号処理プログラム３０９及び座標算出プログラム３０８の動作をより詳細に説明する。
【００４６】
図５は本実施例に於ける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ものである。図中２１は筆記具であるところの入力ペンであって、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（本実施例の場合、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波形検出回路３０６で処理された後、演算制御回路３０７によって、入力ペン２１の発信源位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出するように構成されている。演算制御回路３０７は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、インターフェース３１１を介して、ディスプレイ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ディスプレイ６に表示、追記できるように構成されている。以下、図面に基づき、本願発明の詳細を説明する。
【００４７】
＜本体検出回路の説明＞
さて、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出力サンプリングレートは、１００回／秒となる）に駆動回路２４は、入力ペン２１内の振動子２５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が、その音波は音源と各検出センサ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、また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。
【００４８】
この種の座標入力装置は、入力ペン２１の音波発信源と各検出センサ３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、各検出センサの位置情報を用いて幾何学的に前述音波発信源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方法について説明する。
【００４９】
＜検出方式に関する説明＞
図６は本実施形態における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７は信号処理プログラム３０９で実行される動作のフローチャートである。符号６１は駆動回路２４で発生した駆動信号であり、駆動信号６１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入力ペン２１内に内蔵されている赤外ＬＥＤ２２等を介して、その信号を演算制御回路３０７に送信し、演算制御回路３０７内のタイマをスタートさせる。一方、空中に放射された音波は、前述振動子２５と振動センサ３間の距離に応じて遅延し、振動センサ３で検出されることになる。そして、波形検出回路３０６内の増幅回路で所定レベルまで増幅された後、Ａ／Ｄコンバータで所定のビット幅（レベル方向）およびサンプリングレート（時間軸）でアナログ・ディジタル変換を実行する。そして、外部メモリ回路９３に格納されたサンプリングデータは演算制御回路３０７によって適宜読み出しされて演算に使用される。
【００５０】
いま、図６の６２のような波形データ（所定サンプリングのディジタルデータ）がメモリ３１０に格納されている場合、以下の処理をして超音波信号の到達時間を計測する。
【００５１】
図７は、演算制御回路３０７で実行されるプログラムの内容を示したフローチャートである。まず、Ｓ１２２でＡ／Ｄコンバータで獲得したデータに対して、ノイズ等と区別して所望の信号のみをデータ列として獲得するために閾値Ａ０（図６の６２１）以上の出力値を持つアドレスの範囲を十分に含むデータ列Ｓ０を取得する。次にＳ１２３でデータ列Ｓ０に対して、高周波成分を除去するためにフィルタ処理をし、さらにエンベロープ信号６３を取得する。次にＳ１２４で１階微分信号Ｓ１として波形６４を取得する。次にＳ１２５で１階微分信号Ｓ１に対して閾値Ａ以上でかつレベルが最小値となるアドレスＳ１ａを取得する。この処理は、微分処理すると微小な差が強調されてノイズとして出現する場合があるので、信号に対して十分高い閾値が必要となる。次にＳ１２６でアドレスＳ１ａ〜Ｓ１ａ＋ｋの範囲（図６の６４１）でレベルが最大値となるアドレスＳ１ａ＿ｍａｘを取得する。次にアドレスＳ１ａ＿ｍａｘのレベルを規格化処理するため、Ｓ１２７で規格化係数Ｒを計算する。いま規格化レベルをα（図６の６３１）、アドレスＳ１ａ＿ｍａｘのレベルをＶｍとすると規格化係数Ｒは、
Ｒ＝α／Ｖｍ
となる。そしてＳ１２８で規格化係数Ｒを１階微分信号データ列Ｓ１に乗算することによって、規格化処理信号Ｓｓの計算を実行する。
【００５２】
Ｓｓ＝Ｓ１＊Ｒ
規格化処理信号Ｓｓ（図６の６５）は、Ｓ１２９でアドレスＳ１ａ＿ｍａｘから前方へ所定のアドレス幅（図６の６５２）において、閾値Ｂ以下でかつレベルが最大値となるアドレスＳｓｔを取得する。そして、Ｓ１３０でアドレスＳｓｔを検出時間、すなわちＴＧに換算する。
【００５３】
この得られたＴＧは、群速度Ｖｇに関わる遅延時間Ｔｇであり、振動子２５と振動センサ３間の距離Ｌは次式で求めることができる。
【００５４】
Ｌ＝Ｖｇ×Ｔｇ                            （１）
＜座標算出式の説明＞
さて今、図７の様な座標系に振動センサ３＿Ｓａ〜３＿Ｓｄが配置された時、振動子２５の位置座標（ｘ、ｙ、ｚ）を求める方法について説明する。上記の方法により正確に求められた振動子２５と各振動センサ３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
【００５５】
2004272343.tif 000003
【００５６】
以上示したように少なくとも３個の振動子２５と振動センサ３までの距離が測定できれば、容易に振動子２５の位置（空間）座標を求めることが可能となる。本願発明の実施例では、振動センサを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、振動センサ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。また、この距離が遠いセンサの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か判定することも可能である。具体的方法としては、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、と言った信頼性を向上させる構成も実施可能となる。
【００５７】
＜反射波および衝撃音ノイズの判定に関する説明＞
この種の超音波方式の座標入力装置には、不要反射波に関する課題が存在する。スクリーン１０２上での入力に対しては、図２に示すような入力面からの反射が主たる要因である。この場合、入力ペン２１の振動子２５の取付け位置や、振動センサ６ａ及びそれを構成する筐体２１２の構造などから十分に回避が可能であるが、しかしながら、スクリーン入力面から離れたところから入力する場合は、入力手段の極近接にある例えば机や壁などの不特定多数の反射物が存在するため回避手段を構成することは非常に困難である。
【００５８】
このような反射波は、入力ペン２１から振動センサ３までの振動伝達経路において直接波と反射波の信号の経路差が大きい場合は、超音波検出後の処理に影響しないが、経路差が得られない場合（本実施例においては、図６の６３の信号波形の変曲点に影響する場合）には、反射波と直接波が重畳した検出信号を処理してしまうために誤検出となり、座標算出の精度劣化の要因となってしまう。
【００５９】
一方で、座標入力装置の操作環境（空間）における音波に着目すると、さまざまな音波発生要因（聴衆者の拍手や指を擦り合わせる音、固い物を床に落とした音、金属を擦り合わせたりぶつけたりする音、スプレー音など）が存在する。これらの衝撃音ノイズは、上記の反射波とは性質が異なり、超音波を発振するタイミング信号とは全くの非同期となるために、何時いかなるタイミングで振動センサ３が検出してしまうか不明である。ゆえに衝撃音ノイズをそのまま信号処理して、座標を算出すると当然ながら所望の座標値とは異なった座標出力値となってしまう。
【００６０】
これらの課題を解決するために、本実施例の座標入力装置は、検出された波形データとあらかじめメモリに格納してある参照データから算出される相関係数によって、得られた波形データの正当性を判定する。
【００６１】
図９は、この相関係数を算出する手順について説明する図である。振動センサ３で検出された波形データは、Ａ／Ｄコンバータでサンプリングされ、メモリ３１０に８２のような波形データとして格納されている。格納するデータ範囲は、閾値８２１を超えるレベルが存在するアドレスを十分に含む所定範囲内であればよい。
【００６２】
そして、ペン先スイッチ２６がオンの場合は、スクリーン上の入力なので、先に説明したように反射波が波形データの前方まで重畳する要因が少ない。したがって、スクリーンの有効エリア内の入力であるならば、相関係数を算出する参照範囲を８２２の範囲に設定する。また、操作スイッチ２７がオンの場合には、参照範囲を８２３まで拡大する。操作スイッチがオンの場合には、スクリーンから離れた位置での入力となるので、反射要因が多数存在するため、座標算出のために使用しない波形データに関しても反射波の判定をして、操作者に反射波がある場合は、事前に警告などの措置を講じることが可能となる。
【００６３】
しかしながら、参照波形と検出した波形データの立上りアドレスを一致させて１つの相関係数を算出することは、レベル変動やノイズなどの影響で非常に困難であるため、以下のような動作をさせる。
【００６４】
すなわち、図９の（３）の参照波形は、（１）の対象波形１から、（２）の対象波形２まで、上述の参照範囲の間のサンプリング数だけ、相関係数を算出する動作をさせる。したがって、算出した相関係数は、参照範囲のサンプル数だけ計算結果が存在し、概略（４）に示すような波形となって存在する。この相関係数の変位データ列８６を周期８６１やレベル（波形のピークの遷移）８６２などから判定することによって、波形データ８２の正当性を判定する処理を行う。
【００６５】
このように参照範囲をスイープすることによって、レベル変動などの要因によって、波形の立上り情報が一致していなくても相関係数の変位データ列を参照することによって、得られた波形データの正当性を判定することが可能となる。
【００６６】
そして、判定の結果が、反射波や衝撃音ノイズが存在すると判定された場合には、当該座標値データの出力を行わないように演算制御回路で制御したり、操作者に反射波や衝撃音ノイズが存在する旨の警告表示を行ったりすることができる。
【００６７】
さらに、相関係数を算出する参照範囲を入力ペンの状態によって変更する効果について述べれば、スクリーン上の入力では、細かい入力動作をすることが想定されるため、十分な精度、分解能、応答速度が必要となる。スクリーンから離れた位置からの入力は、上記ほどの性能は必要ないが様々な状況および環境において入力されることが考えられるので座標値データの信頼性が重要となる。したがって、スクリーン上の入力時には、相関係数を算出する参照範囲を座標算出に必要とするデータ範囲とすることで、サンプリングスピードの向上に貢献することができる。また、スクリーンから離れた位置からの入力時には、参照範囲を拡大して、座標値データの信頼性の向上に貢献することができる。
【００６８】
以上の動作は、信号処理プログラム３０９にて実行される。図１は、上記動作を説明するためのフローチャートである。
【００６９】
まず、Ｓ１２２でＡ／Ｄコンバータ出力データに対して閾値Ａ０以上の範囲をカバーするデータ列Ｓ０を取得する。Ｓ１２３でペン先ＳＷの状態を判定する。ペン先ＳＷがオンの場合は、オンスクリーン入力すなわち入力面に直接入力ペンを押し当てて入力しているとみなし、相関係数を算出する範囲として参照範囲１を決定する。また、Ｓ１２３でペン先ＳＷがオフの場合は、Ｓ１２５で遠隔入力すなわちスクリーンから離れた位置での入力しているとみなし、相関係数を算出する範囲として参照範囲１よりも範囲を拡大した参照範囲２を決定する。Ｓ１２６で、Ｓ１２４或いはＳ１２５で決定された参照範囲の参照波形のデータ列をメモリからロードする。ここで、参照波形は、基準となるデータ列として予めメモリに格納されている波形データであって、工場出荷時に設定してもよいし、操作者が入力したデータを記憶させてもよい。また、参照する波形は理論値に基づいた波形（例えば、所定周波数のサイン波）でもよい。さらに、振動センサごとに波形を記憶させてもよいし、共通のデータとして１つのデータを用いてもよい。
【００７０】
そして、Ｓ１２７でデータ列Ｓ０の先頭アドレスＳａをセットし、このときのフラグｎ＝０をセットする。つぎに、Ｓ１２８で、参照波形とデータ列Ｓ０のアドレスＳａから参照範囲の区間の相関係数を算出する。
【００７１】
ここで、相関係数は次式から算出される。いま相関係数を求める２つのデータ列をそれぞれＸ，Ｙとし、各データ列のレベルの平均値をそれぞれμｘ，μｙとすると、共分散は、各データ要素に対応する平均値から、データ要素の偏差を求め、その積の平均（＝偏差積和／データ要素数）から求められる。したがって、共分散δ（Ｘ，Ｙ）は、
δ（Ｘ，Ｙ）＝１／ｎΣ（ｘｉ−μｘ）＊（ｙｉ−μｙ）
となる。そして、標準偏差をσｘ，σｙとすると、求めるべき相関係数ρｘ，ｙは、
ρｘ，ｙ＝ＣＯＶ（Ｘ，Ｙ）／σｘ＊σｙ
（−１≦ρ≦１）となる。
【００７２】
そして、この相関係数を算出する動作は、Ｓ１２９でｎ＝参照範囲のサンプル数（要素数）となるまで繰り返し実行される。すなわち、Ｓ１３０で先頭アドレスＳａおよびフラグｎをプラス１することによって、データ列Ｓ０の参照範囲をシフトさせて、Ｓ１２８の相関係数を算出するステップを繰り返す。Ｓ１２９でフラグｎが参照範囲のサンプル数と等しくなった場合は、相関係数の算出を終了し、Ｓ１３１で得られた相関係数の変位データ列としてメモリに格納する。
【００７３】
そして、Ｓ１３２で先述したように相関係数のデータ列の周期やレベル形状から反射波或いは衝撃音ノイズの判定を実行する。その結果が、Ｓ１３３で反射波が信号に重畳している、或いは、衝撃音ノイズを検出していると判定された場合は、Ｓ１３４でインターフェースを介して、ホストコンピュータにその旨の信号を出力し、例えば表示装置に反射波が存在することを操作者に知らしめて、設置場所あるいは入力状態の注意を促すことができる。また、著しい反射波が重畳する場合（例えばデータ列のピークよりも前方に周期の乱れが存在する場合など）や衝撃音ノイズを検出した場合は、座標データを出力しない処理をすることも可能である。
【００７４】
＜他の実施例＞
先述の実施例では、相関係数を算出する参照範囲をペン先スイッチのオン／オフおよび操作スイッチのオン／オフで適宜切り替える動作をさせていた。本願の座標入力装置は、３次元（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の座標を算出することが可能となっているので、Ｚ座標を算出してその値によって、参照範囲を適宜切り替えてもよい。
【００７５】
図１０は、上記動作を説明するためのフローチャートであり、Ｓ２０２でＡ／Ｄコンバータ出力データに対して閾値Ａ０以上の範囲をカバーするデータ列Ｓ０を取得したら、Ｓ２０３で前回のＺ座標データをメモリからロードする。演算制御回路では、Ｓ２０４で得られた当該Ｚ座標データから、参照範囲を決定し、Ｓ２０５で決定された参照範囲の参照波形データ列をロードする。そして、先述の実施例の通り、相関係数データ列を算出し、そのデータ列パターンなどから、当該波形データの正当性を判定する。
【００７６】
ここで、上記の処理において、Ｚ座標がゼロの場合は、超音波の入力はスクリーン上の入力と見なすことができる。そして、Ｚ座標が大きくなるにしたがって、超音波の入力位置はスクリーンから遠くなることを意味しているが、このＺ座標にしたがって、相関係数を計算する参照範囲を変更することによって、先述の実施例と同様の効果を得ることができる。なお、Ｚ座標と参照範囲の対応は、あらかじめメモリにテーブルとして格納しておいて、Ｚ座標にしたがって逐次参照範囲の読み出しが実行される。
【００７７】
こうして、得られた相関係数のデータ列に対する判定は、先述した周期やレベル形状から判定する判定手法に限定されるものではなく、例えば、相関係数の正のピークおよび負のピークの位置関係や、相関係数の絶対値から判定してもよい。
【００７８】
また、反射波の判定結果が、当該検出する超音波信号に重畳している場合は、インターフェースを介してホストコンピュータにその旨の信号を出力するばかりではなく、その反射波が連続して発生する場合には、座標値自体を補正してもよい。
【００７９】
こうして、反射波や衝撃音ノイズの影響を判定して、信頼性を向上させた座標入力装置を提供することができる。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、入力面を構成する表示面に対して位置入力を行う超音波入力手段と、前記表示面の周辺部に設けられた複数の振動検出手段と、前記超音波入力手段から発生した超音波を前記複数の振動検出手段が受信した受信タイミングに基づいて当該超音波入力手段の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ座標）を獲得する座標入力装置において、前記振動検出手段が検出する信号を所定の範囲のデータ列に変換するデータ変換手段と、前記データ変換手段によって変換されたデータ列を格納するメモリ手段と、前記メモリ手段に格納されたデータ列と所定の範囲の参照信号である参照データ列との相関係数を算出する相関係数算出手段と、前記相関係数の値によって前記振動検出手段が検出する信号の正当性を判定する判定手段を有し、前記超音波入力手段から発生した超音波の反射波、あるいは、前記超音波入力手段から発生した超音波以外の音波について判定するので、座標データの信頼性を向上させた座標入力装置を提供することができる。
【００８１】
さらに、相関係数を算出する参照範囲を入力ペンの入力位置によって変更する手段を有するので、スクリーン上の入力時には、相関係数を算出する参照範囲を座標算出に必要とするデータ範囲とすることで、サンプリングスピードの向上に貢献することができる。また、スクリーンから離れた位置からの入力時には、参照範囲を拡大して、座標値データの信頼性の向上に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】信号処理プログラム３０９で実行する動作を説明するためのフローチャートである。
【図２】本発明に係る座標入力装置のシステムの一例を示す図である。
【図３】入力ペン及び振動センサの概略構成を示す図である。
【図４】座標入力装置の概略回路の構成を示す図である。
【図５】座標入力装置の概略構成図を示す図である。
【図６】振動伝達時間の計測処理を説明するタイミングチャートである。
【図７】振動伝達時間の計測処理を説明するフローチャートである。
【図８】座標系を説明する説明図である。
【図９】相関係数の算出方法について説明する図である。
【図１０】相関係数の算出方法および動作について説明するフローチャートである。
【符号の説明】
２、２１  入力ペン
３  振動センサ
５  ディスプレイ装置
８  スクリーン
３０６  波形検出回路
３０７  演算制御回路
３１２  同期信号受信回路
【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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