(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、赤外線発生素子を含む赤外線発生回路と、超音波発生素子、を含む超音波発生回路と、これらの回路から発信する赤外線信号及び超音波信号を制御する信号発信部と、被記録媒体上に直接軌跡を残すことが可能な機能を有する筆記部と、該筆記部が筆記状態であるか否かを判別するスイッチとから成る電子ペン、並びに少なくとも、一つ以上の赤外線受信部と、二つ以上の超音波受信部を有し、前記赤外線信号と前記超音波信号の前記赤外線受信部又は前記超音波受信部への到達を計測する赤外線超音波測定部、並びに該赤外線超音波測定部から得られた前記赤外線信号と前記超音波信号の到達時間差及び音速を用いて前記電子ペンと前記超音波受信部との間の距離を計算し、該距離を用いて前記電子ペンの位置座標データを計算する座標演算部、並びに前記電子ペンの位置座標データを筆跡データに変換する機能を有する変換処理部とから成る手書き筆跡入力システムであって、前記赤外線超音波測定部は複数のピークホールド回路を有し、超音波信号の最大値に対する所定の閾値を超えた後の半周期以内の極大値の比率から、所定の閾値を超えた時刻を超音波信号の到達した時刻に補正する手段を有することを特徴とする手書き筆跡入力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも赤外線信号と超音波信号を発する電子ペンと、前記赤外線信号と前記超音波信号を受信し、その到達時間差から電子ペンの位置座標を計算する手段とを備えた手書き筆跡入力システムであって、超音波信号の最大値に対する、所定の閾値を超えた後の半周期以内の極大値の比率から、所定の閾値を超えた時刻を超音波信号の到達した時刻に補正することにより、電子ペンの位置座標の正確さを向上させた手書き筆跡入力システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、赤外線信号もしくは超音波信号を用いた電子ペンの位置検出技術が知られている。例えば、特開昭６２−１７５８２１号公報（特許文献１参照）及び米国特許第４，８１４，５５２号明細書（特許文献２参照）などに、電子ペンから超音波信号、もしくは赤外線信号と超音波信号を発し、それらの信号を受信部で受信して、超音波信号の飛行時間を基に電子ペンの位置座標を計算する技術が開示されている。
【０００３】
これらの位置検出技術を利用した手書き筆跡入力システムは、例えば以下のようなものである。筆記者は、電子ペンを用いて文字や図形を筆記する。このとき、電子ペンは例えばボールペンを内蔵し、紙のような被記録媒体を被筆記面として、被記録媒体上に筆跡が記録されるようにしてもよいし、電子ペンは例えばスタイラスを内蔵し、液晶ディスプレイの表面を含む任意の面を被筆記面としてもよい。少なくとも電子ペンのペン先が被筆記面と接触している間、電子ペンから赤外線信号と超音波信号が繰り返し発信され、受信部が電子ペンから発信された赤外線信号と超音波信号とを受信して、赤外線信号の到達時刻と超音波信号の到達時刻の差から超音波信号の飛行時間を測定し、座標演算部が超音波信号の飛行時間から電子ペンの位置座標データを演算する。
【０００４】
位置座標データから筆跡データへの変換は、位置座標データに、筆記者が筆記した筆跡であることに由来する運筆データといった特徴を表現する情報を付加したり、それらの特徴に基づいて個別の位置座標データに修正を加えたりする処理を指し、例えば、以下のような処理のうちの任意のものを含む。位置座標データにそれを受信した時刻に関する情報を付加する。位置座標データの取得間隔に基づいて、筆記速度を計算したり、一連の位置座標の集合を、筆記された順序及び速度を情報として含む一つのストロークデータと識別したりする。一つのストロークデータを構成する連続する位置座標データを、滑らかな線を描くように修正する。また、ストロークデータの外接矩形の抽出及び統合や筆記位置の制限などの条件に基づいて、ストロークデータを、やはり筆記された順序などの情報を含む文字グループデータにグループ分けする、などである。
【０００５】
手書き筆跡入力システムの計測精度が良ければ、利用できる分野も広がり、例えば筆跡を電子機器の画面上に表示されたり、文字識別処理などを通じてコードデータ化して利用されたり、筆跡形状、運筆速度、止め、はね、はらいといった筆記特性を含む筆記者の文字の特徴の抽出、署名認証などの任意の目的に使用されたりする。また、手書き筆跡入力システム全体に電源を供給するような構成であれば、屋外での使用も可能になり大幅に利用用途が増える。また、筆跡データをワープロなどで使う文字データに変換する文字識別変換ソフトと組み合わせて使用することで、文字データと同時に、自筆による文字、絵や記号なども容易に入力することができる入力手段として注目されている。
【０００６】
手書き筆跡入力システムの計測精度を上げる為には、精度良く超音波の到達時刻を計測することが重要であり、そのために超音波の１周期目の立上り部分を正確に検出する必要があるが、ノイズによる誤検出を避けるために、波形の振幅が一定の閾値を越えた時刻から一定の間隔を補正した時刻を超音波の到達時刻としている。
この場合、検出対象物までの距離が短い場合は受信した超音波信号の振幅も十分に大きく、一定の閾値で１周期目を検出することが出来るが、検出対象物の距離が遠くなると、受信した超音波の振幅も小さくなり、一定の閾値では２周期目を検出してしまうことがある。その結果１周期分の誤差が出てしまう。
【０００７】
精度良く超音波の受信時間を計算する方法として、特開平８−２５４４５４号公報では、測定対象物に対して超音波信号を送信し、その反射して戻ってくる超音波信号を受信して、その超音波信号の送信から受信までの時間計測をして、測定対象物までの距離測定をする装置において、この超音波信号の受信は、その波形に現われる複数のピーク点を検出し、これらのピーク点を結ぶ仮想包絡線が波形のゼロレベルと交差するゼロクロス点を検知する。そして、超音波信号の送信の波形の１周期目の立上り時点から受信の波形のゼロクロス点までの経過時間を測定し、該測定値に所定のオフセット時間を加算して、その加算結果に基づいて、測定対象までの距離を算出し、計測精度を向上させている。
【０００８】
【特許文献１】特開昭６２−１７５８２１号公報
【特許文献２】米国特許第４，８１４，５５２号
【特許文献３】特開平８−２５４４５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記特許文献３記載の手書き筆跡入力システムは、超音波信号を受信する際、受信機で受信された超音波信号は、電気信号に変換されたのち増幅器で増幅されて、Ａ／Ｄ変換回路を介して出力される超音波信号の波形データを格納している。したがって、大量のメモリが必要になり、かつ、この波形データを生成するために、高速で高分解能のＡ／Ｄ変換器が必要となり、コスト高を招く可能性があるとともに、波形のピーク点を抽出する等の処理を行うために、大量の波形データのメモリを用いて処理を行う必要があり、時間を要する可能性がある。
本発明は上記の問題を解決する為になされたもので、低コストであって、位置座標の検出にかかる時間も短く、計測精度のよい手書き筆跡入力システムを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の手書き筆跡入力システムにおいては、予め、超音波受信波形を専用の裝置を使用して計測し、最大値に対する周期毎の極大値の比率、及び、超音波信号の到達時刻から各周期の超音波信号の所定の閾値を超えた時刻までの時間を求めておき、これらの値は座標演算部のＲＡＭに保存される。
また、本発明の受信機には超音波を受信するために必要な超音波受信部、アンプ、フィルタ回路、コンパレータ、タイマ、メモリ、ＣＰＵ、ＲＡＭのほかにピークホールド回路が具備されている。コンパレータが所定の閾値を超えた超音波信号を検出した時刻から、超音波信号の最大値、及び、半周期以内の極大値を、ピークホールド回路で計測する。この超音波信号の最大値に対する半周期以内の極大値の比率に基づいて、予め座標演算部のＲＡＭに保存されている前述の値を参照することにより、コンパレータで検出された所定の閾値を超えた超音波信号が、何周期目の超音波信号であるかを判断し、検出された所定の閾値を超えた超音波信号の時刻を超音波信号の到達時刻へ補正することで、精度の良い位置座標を得ることができる。
尚、超音波受信信号の最大値を求める方法としては、上記のようにピークホールド回路を用いて計測しても良いが、超音波信号は一定の比率で減衰するため、予め、超音波受信波形を専用の裝置を使用して計測するときに、電子ペンの距離を変えて減衰の仕方を計測し、その近似式を座標演算部のＲＡＭに保存することで、コンパレータで検出した時刻の超音波受信信号の最大値を計算しても良い。
【発明の効果】
【００１１】
このように、本発明は複雑な回路を搭載する必要がなく、送信部である電子ペンと受信機との距離が遠く、超音波信号全体の振幅が小さくなった場合でも、超音波信号の到達時刻を精度良く、高速に計測できる。  
このとき、超音波信号の波形の振幅を絶えず計測したり、波形データをメモリに保存しておいたりする必要もないため、大量のメモリや高速で高分解能なＡ／Ｄ変換器を必要とせずコスト高を招く恐れがない。更に、消費電力も小さくなり、電源には乾電池を使用することも可能であり、モバイルでも使用することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面に従って、本発明に係る手書き筆跡入力システムの好ましい実施の形態について詳説する。図１は、本実施の形態になる手書き筆跡入力システムの一例を示す斜視図である。同図において、受信機２は、二つの超音波受信部と一つの赤外線受信部と赤外線受信回路と超音波受信回路を有する赤外線超音波測定部、電子ペンの位置座標データを計算する座標演算部、位置座標データを筆跡データに変換する変換処理部の構成要素から成る。また、受信機２は通信インターフェース５を介してコンピュータ６と接続されており、受信機２の変換処理部から電子ペン１の筆跡データをコンピュータ６に送信することで、コンピュータ６は搭載したディスプレイに筆跡を表示したり、文字認識処理したり、記憶装置に保存したりすることが出来る。
【００１３】
図２の電子ペンのブロック図を用いて、電子ペンの構造について説明する。電子ペン１の基本的な構成は、超音波発生素子１０により超音波信号を発信させることのできる超音波発生回路１１、赤外線発生素子８により赤外線信号を発信させることのできる赤外線発生回路９、超音波信号、赤外線信号を繰り返し発信する間隔を制御する信号発信部１６、及びペン先の筆記部３、この筆記部３が被記録媒体４に接触しながら文字や図を描いたときの筆記状態と非筆記状態に対応してオン・オフするペンスイッチ１４、及び携帯性、筆記のしやすさを考慮して、無線方式で使用できるようにするために電子ペン全体に電源を供給する電池１５から成る。本実施の形態では、筆記部３は被記録媒体上４に直接軌跡を残すことが可能な機能を設けたボールペンやシャープペンシルなどであるが、例えば筆記部３はスタイラスを内蔵し、ディスプレイの表面などを含む任意の面を被筆記媒体としてもよい。
【００１４】
赤外線発生回路９の内部には、トランジスタもしくはＦＥＴと赤外線発生素子８を配置し、トランジスタもしくはＦＥＴを制御することにより赤外線発生素子８の発光をオンまたはオフすることができる。このとき電子ペンの円筒軸に対して全方向に赤外線信号を発信するように赤外線発生素子８の指向角度を考慮して、複数個配置することが好ましい。  
【００１５】
また、図３に電子ペン内部の超音波発生回路１１の回路図を示す。超音波発生回路１１は、コイル１６、昇圧用トランジスタ１７、ダイオード１８、抵抗１９、２０及び超音波発生素子１０であるピエゾ素子１２でＬＣ共振回路を構成している。少なくとも、電子ペン１の筆記部３が被記録媒体４に接触して筆記状態でいる期間、ペンスイッチ１４がオンになり、超音波信号を発信するために２つの工程が行われる。第１の工程は、超音波発生部１１の内部の昇圧用トランジスタ１７をオンにし、コイル１６を昇圧させる工程である。このとき、ピエゾ素子１２を振幅させるのに十分な電力をチャージする必要がある。
第２の工程は、第１の工程の昇圧用トランジスタ１７をオフにし、コイル１６に逆起電力を発生させ、この逆起電力によって、コイル１６とピエゾ素子１２に自己発振を起こし、ピエゾ素子１２を振幅させて超音波を発信させる工程である。この２つの工程を行うことで、超音波信号が発信される。
また、一定の時間後、例えば自己発振を２周期した後、再び第１の工程を繰り返すことで、コイル１６とピエゾ素子１２に自己発振を止める事ができ、超音波の振幅を抑えることができる。このように再び第１の工程を繰り返すことで、計測に不要な超音波信号の残渣部分を抑えることができ、反射波などの影響を最小限にすることができる。
【００１６】
上記のような発信方法をすることにより、ピエゾ素子１２には図４に示すような電圧がかかる。第１の工程で昇圧用トランジスタ１７に電力がチャージされ、第２の工程（ａの位置）でその電力がピエゾ素子１２に流れるため、このとき最大電圧がかかる。その後、電圧が徐々に減り２周期した後（ｂの位置）、第１の工程が繰り返されることで、ピエゾ素子１２にかかる電圧はなくなる。
このような電圧がかけられたピエゾ素子１２からは図５のような超音波が発信される。始めピエゾ素子１２は静摩擦力の影響により、十分に振動できていないが、次第に振幅が大きくなる。その後は最大振幅まで達するが、電圧が下がるので残渣として徐々に減衰していく波形になる。また、超音波発生後再び第１の工程を繰り返すとピエゾ素子の振幅の減少が早くなり、残渣も更に小さくなる。
【００１７】
少なくとも電子ペンの筆記部３が被記録媒体４に接触して筆記状態でいる期間、ペンスイッチ１４がオンになり、信号発信部１３は赤外線信号と超音波信号を一定の繰り返し間隔で発信させる事で、筆記状態中の電子ペンの位置座標を発信することができる。赤外線信号と超音波信号の一定の繰り返し間隔が短いほど正確な筆跡を表現することができ、例えば１２ｍｓの間隔で繰り返し発信するとよい。
【００１８】
次に、図６の受信機の内部のブロック図を用いて、受信機２の構造について説明する。受信機２は、赤外線受信部３０と、超音波受信部３１、３２と、アンプ３３、フィルタ回路３６、コンパレータ３９からなる赤外線受信回路５２と、アンプ３４、フィルタ回路３７、コンパレータ４０、ピークホールド回路２６、２７からなる超音波受信回路５３と、アンプ３５、フィルタ回路３８、コンパレータ４１、ピークホールド回路２８、２９からなる超音波受信回路５４とを有する赤外線超音波測定部４２と、ＣＰＵ４３、タイマ４４、フラッシュメモリ４５、ＲＡＭ４６から成る座標演算部４７と、ＣＰＵ４８、ＲＡＭ４９からなる変換処理部５０、コンピュータ６と接続するための通信インターフェース５と、受信機２の全体に電源を供給することができる電池５１から構成されている。超音波受信回路５３、５４は、超音波受信部３１、３２が同時に超音波信号を受信しても処理ができるように、超音波受信部の数だけ設置した方が良い。本実施の形態では、座標演算部４７と変換処理部５０は、機能で分けて説明しているが、座標演算部４７と変換処理部５０のＣＰＵやＲＡＭは共通であっても良い。
【００１９】
次に、予め座標演算部のＲＡＭに保存させておく補正値について説明する。
本発明の手書き筆跡入力システムにおいては、予め、超音波受信波形を専用の装置を使用して計測し、超音波信号の最大値に対する周期毎の極大値の比率、及び、超音波信号の到達時刻から各周期の超音波信号の所定の閾値を超えた時刻までの時間を求めておき、これらの値を座標演算部４７のＲＡＭ４６に保存しておく。
超音波受信波形は距離により減衰するが、いずれの周期においても同じ比率で減衰するため、波形の計測はある特定の距離の１箇所で良く、距離が近くで計測するほど環境の影響を受けにくいため正確に計測できる。
【００２０】
例えば図７のように２周期目に最大値となるような波形である場合、１周期目の極大値ｃを２周期目の最大値ｄで除算した値ｅを１周期目の比率として座標演算部４７のＲＡＭ４６に保存する。また、補正値としてコンパレータが１周期目を検出した場合の補正値ｆ、コンパレータが２周期目を検出した場合の補正値ｇを保存する。
波形を計測する場合、超音波信号は環境によって振幅の大きさが変動することがあるが、その変動の大きさは極大値ｃ、最大値ｄに比べて小さいため、１周期目の比率である値ｅに与える影響は少ないが、確実性の面から値ｅを例えば１００回計測したときの最大値より少し大きな値にすることで、振幅の変動があっても何周期目かを間違わずに判定できる。
また、所定の閾値とは、少なくとも電子ペンが筆記範囲における最も遠い位置で超音波信号を発信した時の最大値より小さい値で、ノイズよりも大きい値に設定する。このとき、この範囲内でなるべく小さい値に設定することで、検出する超音波信号は１周期目に近い周期を検出でき、例えば１周期目と２周期目の極大値が近い値になった場合でも、コンパレータは１周期目を検出したと判断することができる。
【００２１】
同様に、例えばピエゾ素子の機械インピーダンスやＬＣ共振回路のコイルの抵抗などの回路構成の影響により超音波受信波形は異なる。図８のように３周期目に最大値になるような波形である場合、１周期目の極大値ｈを３周期目の最大値ｊで除算した値ｋ、２周期目の極大値ｉを３周期目の最大値ｊで除算した値ｌを各周期の比率として座標演算部４７のＲＡＭ４６に保存し、また補正量として、コンパレータが１周期目を検出した場合の補正値ｍ、コンパレータが２周期目を検出した場合の補正値ｎ、コンパレータが３周期目を検出した場合の補正値ｏを保存する。
【００２２】
赤外線受信部３０は、赤外線受信素子が配置されており、電子ペン１の赤外線発生回路９の赤外線発生素子８から放射された赤外線信号を受信するものである。そのため、赤外線受信素子の波長は、赤外線発生素子８の波長と同等のものが望ましい。
超音波受信部３１、３２は、電子ペン１の超音波発生回路１１の内部のピエゾ素子１２と同様のもので構成されており、超音波発生回路１１から発信された超音波信号を受信するものである。電子ペン１が発信する超音波信号を遮られることなく受信できるように、受信機２に開口部を設けて配設する。
【００２３】
受信機２の赤外線信号の受信について説明する。赤外線受信部３０で受信した赤外線信号はアンプ３３で増幅されて、フィルタ回路３６にて、外来ノイズの部分を遮断し、その後、コンパレータ３９で所定の閾値以上の信号を検出したときを検出し、座標演算部４７のＣＰＵ４３は、コンパレータ３９が信号を検出したとき、タイマ４４よりその時点の時刻を読み込み、この時刻を赤外線信号の到達の時刻としてＲＡＭ４６に保存する。
【００２４】
次に電子ペン１から発信された超音波信号を二つの超音波受信部３１、３２で受信する。ここで超音波受信回路５３、５４の回路構成は同じなので、超音波受信部３１と超音波受信回路５３を用いて説明する。超音波受信部３１にて超音波信号を受信し、アンプ３４で信号を増幅させ、フィルタ回路３７に送る。外来ノイズを受信した場合でも、外来ノイズの部分を遮断できるように、フィルタ回路３７は、電子ペンが発信する超音波信号と同じ周波数帯域の信号を通過させるフィルタであることが好ましい。コンパレータ４０で所定の閾値以上の信号を検出したときを検出し、座標演算部４７のＣＰＵ４３は、コンパレータ４０が信号を検出したとき、タイマ４４よりその時点の時刻を読み込み、この時刻を超音波信号の到達の時刻としてＲＡＭ４６に保存する。
これと同時にピークホールド回路２６、２７をオンにする。その後、半周期後にピークホールド回路２６をオフにして、この期間の超音波信号の極大値をＲＡＭ４６に保存する。また、ピークホールド回路２７は所定の周期数後にオフにして、この期間の超音波信号の最大値をＲＡＭ４６に保存する。
その後、ＣＰＵ４３は、ＲＡＭ４６に保存されたピークホールド回路２６とピークホールド回路２７の値の比率と、予め保存してある超音波信号の最大値に対する周期毎の極大値の比率とを照らし合わせて、ピークホールド回路２６の値が超音波信号の何周期目に相当するのか判断して、超音波信号の到達時刻までの補正値を決めてＲＡＭ４９に保存する。
このように、ピークホールド回路をオンにする期間を所定の周期数に設定することで、通常、超音波の反射波は波形の最初の部分には現れない為、反射波などの影響を受けずに、ピエゾ素子が最大振幅したときの超音波信号を計測することができる。このピークホールド回路をオンにする期間は、例えば予め、超音波受信波形を専用の装置を使用して計測するときに、最大値が何周期目にあるかを計測しておき、その周期数を所定の周期数として座標演算部４７のＲＡＭ４６に保存しても良いし、例えば、コンパレータ４０で所定の閾値以上の信号を検出した時刻から５周期目までと固定してもよい。
【００２５】
例えば、波形を計測できる専用の装置で図７のような波形を計測した場合、予め受信機２の座標演算部４７のＲＡＭ４６には１周期目の比率として値ｅ、補正値として補正値ｆ、補正値ｇが保存されている。図９はこの受信機２に電子ペン１から超音波信号を受信したときのアンプ、フィルタ回路を通過した後の波形の一例である。この超音波信号にコンパレータ４０で設定している閾値αで検出する。検出した時刻ｐから半周期以内の極大値ｑをピークホールド回路２６で検出しＲＡＭ４６に保存する。これと同時にピークホールド回路２７では超音波信号の最大値ｒを検出しＲＡＭ４６に保存する。その後、ＣＰＵ４３は、極大値ｑを最大値ｒで除算した値ｓと値ｅを比較して、値ｓが値ｅより小さ場合は、１周期目を検出したと判断して補正値ｆをＲＡＭ４９保存する。逆に値ｉが値ｅより大きかった場合は２周期目を検出した判断して補正値ｇをＲＡＭ４９保存する。
【００２６】
同様に、例えば、波形を計測できる専用の装置で図８のような波形を計測した場合、予め受信機２の座標演算部４７のＲＡＭ４６には１周期目の比率として値ｋ、２周期目の比率として値ｌ、補正値として補正値ｍ、補正値ｎ、補正値ｏが保存されている。図１０はこの受信機２に電子ペン１から超音波信号を受信したときのアンプ、フィルタ回路を通過した後の波形の一例である。この超音波信号にコンパレータ４０で設定している閾値αで検出する。検出した時刻ｓから半周期以内の極大値ｔをピークホールド回路２６で検出しＲＡＭ４６に保存する。これと同時にピークホールド回路２７では超音波信号の最大値ｕを検出しＲＡＭ４６に保存する。  
その後、ＣＰＵ４３は、極大値ｔを最大値ｕで除算した値ｖが値ｋより小さければコンパレータが１周期目を検出したと判断して補正値ｍ、値ｖが値ｋから値ｌの間ならコンパレータが２周期目を検出した判断して補正値ｎ、値ｖが値ｌより大きければコンパレータが３周期目を検出した判断して補正値ｏをＲＡＭ４９に保存する。  
【００２７】
座標演算部４７のＣＰＵ４３は、ＲＡＭ４６に保存している受信機の赤外線受信部３０における赤外線信号の到達時刻と、二つの超音波受信部３１、３２における超音波信号の到達時刻との到達時間差及び、補正値を用いて電子ペンから超音波受信部３１、３２までの距離を計算する。電子ペンの位置座標は、電子ペンと二つの超音波受信部３１、３２の位置を頂点とする三角形を想定して、三辺測量法の理論を用いて計算する。ＣＰＵ４８は、計算された電子ペンの位置座標データを変換処理部５０のＲＡＭ４９に保存する。
変換処理部５０のＣＰＵ４８は、ＲＡＭ４９に保存してある電子ペンの位置座標データを座標の取得間隔に基づいて一連の集合体のストロークデータとして認識する。このストロークデータを構成する連続した位置座標データを繋げて滑らかな線を描くように修正し、筆跡データとしてコンピュータ６に送信する。本実施の形態では、コンピュータ６に接続した状態で筆記を行ったが、受信機２から通信インターフェース５とコンピュータ６を切り離して、受信機２は電池５１の電力を使って、屋外などのコンピュータのないところでも使用できる。この場合、変換処理部５０のＲＡＭ４９には、位置座標データを残しても良いし、筆跡データに変換したものを残しても良い。受信機２を再度コンピュータ６に接続した際に、変換処理部５０のＣＰＵ４８は、ＲＡＭ４９にあるデータをコンピュータ６に送信する。
【００２８】
超音波受信回路の中にピークホールド回路が１つしか設置できない場合、予め、超音波受信波形を専用の装置を使用して計測するときに、電子ペンの距離を変えて減衰の仕方を計測し、その近似式を座標演算部４７のＲＡＭ４６に保存することで、補正が可能となる。電子ペン１のピエゾ素子１２は円筒形の形状をしており、電子ペン１から発信された超音波信号は被記録媒体４の全体に広がりながら減衰していくため、受信機２から電子ペン１までの距離が遠くなるほど受信した超音波信号の振幅は一定の比率で小さくなる。このとき受信電圧をＶ、コンパレータ４０で所定の閾値以上の信号を検出した時刻をＴとすると、超音波信号の最大値は数式１で示すことができる。つまり、ピークホールド回路が１つの場合においても、コンパレータで検出した時刻から、その位置での超音波信号の最大値を予想し、コンパレータで所定の閾値以上の信号を検出した時刻から半周期後のピークホールド回路２６の値と予想された超音波信号の最大値から、コンパレータが超音波信号の何周期目を検出したか判断できる。
【００２９】
【数１】
0005141380.tif 000002
【００３０】
数式１の定数γ、δを求めるためには、予め電子ペンから発信された超音波信号の最大値を電子ペンの距離を変えて計測する必要がある。この計測値の近似式を求める事で、γ、δを求めることができる。また、ＣＰＵの計算能力が足りないときは、所定の閾値で確実に１周期目を検出できる距離の超音波信号の最大値の計測は行わず、比較的遠い位置だけを計測して、直線近似をしても良い。
【００３１】
また、超音波信号の最大値に合わせて、次に受信する超音波信号を検出するためのコンパレータの閾値を再設定するという方法もある。まず、予め受信機２のコンパレータ４０の閾値の初期値をαとする。超音波信号を検出した場合、超音波信号の最大値から所定の比率を次に受信する超音波信号の閾値とする。つまり、超音波信号を検出する毎にコンパレータの閾値を再設定する。超音波信号の繰り返し発信間隔の間では、超音波の振幅に大きな変化はない為、このようにコンパレータの閾値を設定することで、毎回同じ超音波信号の周期目を検出することができ、補正値も同じ値が使用できる。
このように設定した手書き筆跡入力システムを図１１を用いて説明する。まず、受信機２は電子ペン１から発信された超音波信号をコンパレータの閾値αで検出し、超音波信号の最大値ｗをピークホールド回路２７で計測する。次に最大値ｕからｘ％の値ｙを新しい閾値として再設定し、次に電子ペン１から発信された超音波信号を検出する。このようにコンパレータ４０の閾値を、超音波信号を毎回同じ周期目を検出できるように設定するため、補正値は常に一定の補正値ｚとなる。
この場合、最初の超音波信号は補正できないが、手書き筆跡入力システムにおいて、最初の位置とは電子ペンが被記録媒体に接触した直後の位置なので大きな問題にはならない。また、この場合、赤外線信号と超音波信号の一定の繰り返し間隔は短いほうが、電子ペンの移動距離も短いため、超音波の振幅の増減も少なく、精度が良く計算できる。
【実施例】
【００３２】
以下、実施例及び比較例により、本発明を説明する。本発明は、以下の実施例に限定されるものでなく、本発明の技術範囲において、種々の変形例を含むものである。
（実施例１）
図１のように配置された手書き筆跡入力システムを使用した。ただし、電子ペン１の超音波発生部は８０ｋＨｚの共振周波数となるようなＬＣ共振回路設け、赤外線信号と超音波信号の繰り返し発信間隔を１０ｍｓとする。受信機２は図６のブロック図に示す構成を成し、コンパレータの閾値は４０ｍＶ、ピークホールド回路は全部で４つ使用する。
予め、電子ペンから５０ｍｍ離れた所に超音波の波形を計測できる装置をおき、超音波信号を１００回計測したところ、１周期目の最大値は９０ｍＶ、２周期目の最大値は１８０ｍＶ、３周期目の最大値は２３０ｍＶで、この３周期目が超音波信号の最大値であったため、ピークホールド回路２６の値をピークホールド回路２７の値で除算した結果が４０％未満の場合は１周期目を検出したので補正値は６２５μｓとする。また４０％以上８０％未満の場合は２周期目を検出したので補正値は１６２５μｓとする。また８０％以上の場合は３周期目を検出した補正値は２６２５μｓとする。また、超音波信号の最大値が３周期目にあるのでピークホールド回路２７をオンにする期間を３周期として、これらを座標演算部４７のＲＡＭ４６に保存する。
電子ペン１は二つの超音波受信部から均等に約１００ｍｍと３００ｍｍの位置に固定して設置し、約２秒間、電子ペンを静止した筆記状態にして、受信機２で位置座標の計測をおこなった。この動作を１０回繰り返したときの座標演算部で生成された位置座標データを評価した結果、１００ｍｍ、３００ｍｍ、の位置ともに１０回とも正確に電子ペンの位置座標を検出することができた。
【００３３】
（実施例２）
超音波受信回路の中のピークホールド回路２７、２９は使用せず、ピークホールド回路２６、２８だけ使用して、超音波信号の最大値は計算結果から想定する。予め、超音波受信波形を専用の装置を使用して計測し、電子ペン１の距離を２０ｍｍから３００ｍｍの位置まで１０ｍｍ間隔で最大値の大きさを計測する。計測値を累乗近似した結果、数式２の計算結果が得られた。その計算式を座標演算部４７のＲＡＭ４６に保存する。それ以外は、実施例１と同じ構成とする。
電子ペン１は二つの超音波受信部から均等に約１００ｍｍと３００ｍｍの位置に固定して設置し、約２秒間、電子ペンを静止した筆記状態にして、受信機２で位置座標の計測をおこなった。この動作を１０回繰り返したときの座標演算部で生成された位置座標データを評価した結果、１００ｍｍ、３００ｍｍ、の位置ともに１０回とも正確に電子ペンの位置座標を検出することができた。
【００３４】
【数２】
0005141380.tif 000003
【００３５】
（実施例３）
超音波受信回路の中のピークホールド回路２６、２８は使用せず、ピークホールド回路２７、２９だけ使用して、最初に受信した超音波信号の最大値から６０％の値を次の超音波信号を検出するコンパレータ４０、４１の閾値に設定する。このときコンパレータで検出した時刻を超音波信号の２周期目であると判断して、補正値は１６２５μｓとして、コンパレータの検出時刻を補正する。それ以外は実施例１と同じ構成とする。
電子ペン１は二つの超音波受信部から均等に約１００ｍｍと３００ｍｍの位置に固定して設置し、約２秒間、電子ペンを静止した筆記状態にして、受信機２で位置座標の計測をおこなった。この動作を１０回繰り返したときの座標演算部で生成された位置座標データを評価した結果、１００ｍｍ、３００ｍｍ、の位置ともに１０回とも正確に電子ペンの位置座標を検出することができた。
【００３６】
（比較例１）
受信機２が、図８のブロック図に示す構成を成すがピークホールド回路は使用しない。それ以外は実施例１と同じ構成とする。
実施例１と同様の構成とした。つまり、コンパレータが超音波を検出したときの時刻からの補正値は６２５μｓとして補正する。それ以外は、実施例１と同じ構成とする。
上記の比較例１のシステムを用いて、実施例１と同様の評価を行った。その結果、１００ｍｍの位置では１０回とも正確に電子ペンの位置座標を検出することができたが、３００ｍｍの位置では、１０回とも約３０４ｍｍの距離を示した。これは、３００ｍｍの位置ではコンパレータで検出した周期が２周期目だったため、１周期分長めに計算されたのが原因である。
【００３７】
（比較例２）
受信機２は超音波信号の波形に現われる複数のピーク点を検出し、これらのピーク点を結ぶ仮想包絡線が波形のゼロレベルと交差するゼロクロス点を検知する。そして、超音波信号の送信の波形の１周期目の立上り時点から受信の波形のゼロクロス点までの経過時間を測定し、該測定値に所定のオフセット時間を加算して、その加算結果に基づいて、測定対象までの距離を算出する構成とする。
上記の比較例２のシステムを用いて、実施例１と同様の評価を行った。その結果、１００ｍｍ、３００ｍｍ、の位置ともに１０回とも正確に電子ペンの位置座標を検出することができた。
【００３８】
実施例１、実施例２、実施例３、比較例１、比較例２の評価結果を比較すると、比較例１のシステム以外は、正確に全ての座標を検出できた。また手書き筆跡入力システム全体の構成を比較すると、比較例２のシステムだけは大容量のメモリを使用し、消費電力も多く、他のシステムに比べて大規模なシステムが必要であった。
以上のことから、本発明は有効であることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】手書き筆跡入力システムの斜視図
【図２】電子ペンのブロック図
【図３】超音波発生回路の内部ブロック図
【図４】ピエゾ素子にかかる電圧
【図５】電子ペンの超音波の発信波形の一例
【図６】実施例における受信機のブロック図
【図７】２周期目が最大値の波形の一例
【図８】３周期目が最大値の波形の一例
【図９】２周期目が最大値の受信波形の一例
【図１０】３周期目が最大値の受信波形の一例
【図１１】ピークホールド回路が１つの場合の検出方法の説明図
【符号の説明】
【００４０】
１  電子ペン
２  受信機
３  筆記部
４  被記録媒体
５  通信インターフェース
６  コンピュータ
８  赤外線発生素子
９  赤外線発生回路
１０  超音波発生素子
１１  超音波発生回路
１２  ピエゾ素子
１３  信号発信部
１４  ペンスイッチ
１５、５１  電池
１６  コイル
１７  トランジスタ
１８  ダイオード
１９、２０  抵抗
２６、２７、２８、２９  ピークホールド回路
３０  赤外線受信部
３１、３２  超音波受信部
３３、３４、３５  アンプ
３６、３７、３８  フィルタ回路
３９、４０、４１  コンパレータ
４２  赤外線超音波測定部
４３、４８  ＣＰＵ
４４  タイマ
４５  フラッシュメモリ
４６、４９  ＲＡＭ
４７  座標演算部
５０  変換処理部
５２  赤外線受信回路
５３、５４  超音波受信回路
【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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【図１１】
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