(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦方向及び横方向にそれぞれ複数配列されたアンテナを有する平面部材と、
該縦方向に配列されたアンテナを、縦方向における正方向及び負方向に順次駆動し、該横方向に配列されたアンテナを、横方向における正方向及び負方向に順次駆動することによって、該アンテナから電波を順次放射させる制御部と、
該平面部材上で、該順次放射された電波を受信する受信部と、該受信された電波のレベルに基づいて、該受信部の該平面部材上での位置を検出する検出部とを備え、
前記検出部は、縦方向及び横方向の正方向に順次放射される電波のレベルから検出される位置と、負方向に順次放射される電波のレベルから検出される位置との平均値を前記受信部の位置として検出することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記平面部材は、前記アンテナと前記受信部との間に所定間隔を生成するスペーサを有することを特徴とする位置検出装置。
【請求項３】
所定の本に描かれた文字、図形、記号などの情報を出力する電子装置において、
縦方向及び横方向にそれぞれ複数配列されたアンテナを有し、該アンテナ上に該本が載置される載置台と、
該縦方向に配列されたアンテナを、縦方向における正方向及び負方向に順次駆動し、該横方向に配列されたアンテナを、横方向における正方向及び負方向に順次駆動することによって、該アンテナから電波を順次放射させる制御部と、
該本上の位置を指示し、該指示した位置で該順次放射された電波を受信するペン状体と、該受信された電波のレベルに基づいて、該ペン状体の位置を検出する検出部と、
該検出された位置に対応する該情報を出力する出力部とを備え、
前記検出部は、縦方向及び横方向の正方向に順次放射される電波のレベルから検出される位置と、負方向に順次放射される電波のレベルから検出される位置との平均値を前記受信部の位置として検出することを特徴とする電子装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記載置台は、前記アンテナと前記受信部との間に所定間隔を生成するスペーサを有することを特徴とする電子装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、縦方向及び横方向にそれぞれ複数のアンテナがマトリックス状に配列されたタブレット上の指示された位置を検出する位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数のアンテナがマトリックス状に配列されたタブレットと呼ばれる平面部材と、タブレット上の位置を指示するためのタッチペンとを備え、タッチペンが指示した位置を検出することができる位置検出装置が、従来より知られている。
【０００３】
図６は、位置検出装置を幼児学習用玩具として使用される電子装置に適用した場合の使用例を示す図である。図６（ａ）において、玩具１は、ブックタブレット２ａ及びフロントタブレット２ｂを有し、ブックタブレット２ａ上には、所定の絵本４が載置される。そして、遊戯者が、タッチペン５を、絵本４に触れさせるか、接近させるかによって、その位置の図形、文字及び記号などが選択され、図６（ｂ）に示すように、選択された図形などをモニタ６に表示させることができる。
【０００４】
さらに、遊戯者が、タッチペン５により、好きな図形や文字をフロントタブレット２ｂ上で描くと、タッチペン５でなぞられた軌跡をモニタ６に表示させることもできる。
【０００５】
図７は、タッチペン５によりタブレット上の位置を検出する原理を説明するための図である。図７に示すように、タブレット２は、横方向に配列された複数のアンテナ２０Ｘと、縦方向に配列された複数のアンテナ２０Ｙとを有する。そして、アンテナ駆動部８は、検出制御回路９の制御に基づいて、横方向のアンテナ２０Ｘに対して、右から左のアンテナの順に、縦方向のアンテナ２０Ｙに対して、上から下のアンテナの順に、これらのアンテナを駆動し、アンテナから電波を順次放射させる。
【０００６】
各アンテナから放射される電波は、タッチペン５に内蔵された受信アンテナ（図示せず）によって受信される。このとき、受信される各電波のレベルのうち、タッチペン５の指示位置に最も近い受信アンテナから放射された電波のレベルが最も大きくなる。そして、検出制御回路９は、縦方向及び横方向それぞれに対して、最大レベルに対応する位置を、タッチペンの指示位置として検出することができる。
【０００７】
図８は、タッチペン５のブロック構成図である。図８において、タブレット２のアンテナから放射される電波は、タッチペン５の先端部分に内蔵された受信アンテナ５１によって受信される。受信信号は、バッファアンプ５２によって増幅され、さらに、セラミックフィルタ５３を通過する。セラミックフィルタ５３は、単一の周波数を通過させ、それ以外の周波数を遮断する特性を有し、ノイズ除去に用いられる。
【０００８】
さらに、受信信号は、アナログ回路５４に含まれる比較回路により、所定のしきい値レベルで比較されたレベル信号に変換される。そして、レベル信号は、遅延時間調整回路５５、コネクタを経由して、タッチペン５の指示位置を検出するための演算回路（図示せず）に入力される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
遅延時間調整回路５５が設けられるのは、以下の理由による。セラミックフィルタ５３は遅延を有し、その遅延時間は個々にばらつきがある。このため、複数のタッチペン５によって別々に、タブレット２上の同じ位置を指示した場合に、内蔵されたセラミックフィルタ５３の遅延時間のばらつきにより、異なる指示位置が検出されてしまう。例えば、タッチペン５が、タブレットの中央を指示している場合であっても、検出される指示位置は、縦方向及び横方向ともに、アンテナの駆動方向にずれてしまう。このとき、セラミックフィルタ５３の遅延時間のばらつきにより、そのずれ幅が各タッチペン５毎に異なってしまう。このような不都合を防止するために、遅延時間調整回路５３によって、セラミックフィルタ５３の遅延時間のばらつきを調整し、タッチペン内部全体の遅延時間が、全てのタッチペン５で一定になるように調整される。
【００１０】
しかしながら、遅延時間調整回路５３の付加により、タッチペン５のコストは上昇し、ひいては位置検出装置全体のコストが上昇する。
【００１１】
従って、本発明の目的は、セラミックフィルタ５３の遅延時間を調整する必要のない、即ち、遅延時間調整回路５５を必要としない安価の位置検出装置を提供することにある。
【００１２】
さらに詳しくは、本発明の目的は、遅延時間調整回路５５を用いることなく、複数の各タッチペンによる同一指示位置に対する検出位置が一定になる位置検出装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための、本発明の位置検出装置の構成は、縦方向及び横方向にそれぞれ複数配列されたアンテナを有する平面部材と、縦方向に配列されたアンテナを、縦方向における正方向及び負方向に順次駆動し、横方向に配列されたアンテナを、横方向における正方向及び負方向に順次駆動することによって、アンテナから電波を順次放射させる制御部と、平面部材上で、順次放射された電波を受信する受信部と、受信された電波のレベルに基づいて、受信部の平面部材上での位置を検出する検出部とを備え、検出部は、縦方向及び横方向の正方向に順次放射される電波のレベルから検出される位置と、負方向に順次放射される電波のレベルから検出される位置との平均値を受信部の位置として検出することを特徴とする。
【００１５】
これにより、遅延時間調整回路による調整なく、検出部によって検出される受信部の位置のばらつきをなくすことができ、しかも、受信部の正確な位置を検出することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、本発明の技術的範囲が、本実施の形態に限定されるものではない。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態における位置検出装置のブロック構成図である。図１では、学習用玩具としての電子装置に適用される位置検出装置が例示される。図１において、位置検出装置は、マトリックス状にアンテナが配列された２つのタブレット（ブックタブレット２ａ、フロントタブレット２ｂ）２と、タッチペン５が、演算駆動部１０とつながっている。演算駆動部１０は、後に詳述するように、タブレット２のアンテナの駆動と、タッチペン５で受信される受信レベルに基づいて、タッチペンの指示位置（座標）の演算を行う。
【００１８】
カートリッジコネクタ１２には、例えば、ブックタブレット２ａに載置される絵本に対応する画像処理プログラムなどを格納したカートリッジＲＯＭ（図示せず）が差し込まれ、これらのプログラムは、ＣＰＵ１１によって処理される。
【００１９】
ＣＰＵ１１は、上記プログラムと演算駆動部１０により求められたタッチペン５の座標とに基づいて、座標に対応する画像処理を行い、画像信号を生成する。画像信号はモニタに出力され、所定の画像がモニタ画面に表示される。例えば、求められた座標を含む絵本上の図形、文字及び記号などなどがモニタに表示される。なお、ＲＡＭ１３は、ＣＰＵ１１での処理において、一時的にデータを記憶するためのメモリである。
【００２０】
図２は、演算駆動部１０のブロック構成図である。また、図３は、タブレット２の断面図及びタッチペン５における受信信号及びレベル信号の例を示す図である。具体的には、図３（ａ）は、図１のA−A'線の断面図であり、横方向に配列された８本のアンテナ（20ａ〜20h）のうち、タブレット２の表面カバー２１上から、アンテナ20d上をタブレット５が指示している状態が示されている。さらに、図３（ｂ）〜（ｅ）は、図３（ａ）の状態におけるタッチペン５の受信信号及びレベル信号を示す図である。図３を参照しながら、図２の演算駆動部１０の動作について説明する。
【００２１】
図２において、コントローラ１０１は、アップダウンカウンタ（以下、単にカウンタという）１０２のアップカウント及びダウンカウントの制御、タッチペン５からのレベル信号の立ち下がり及び立ち上がりエッジの検出、レベル信号とクロック１０３からのクロック信号との同期制御などを行う。
【００２２】
カウンタ２からの駆動信号は、タブレット２に供給される。そして、カウンタ１０２がアップカウントすると、図３（ａ）のアンテナ20a〜20hは、アンテナ20a、20b、20c、…、20hの順（右方向）に所定カウント（例えば１６カウント）毎に順次電波を放射する。図３（ｂ）に、その時のタッチペン５による受信信号（実線）が示される。タッチペン５は、アンテナ20dに最も近い位置にあるので、タッチペン５の受信レベルは、アンテナ20dから放射される電波に対して最も高くなる。しかしながら、受信信号は、タッチペン５内のセラミックフィルタ５３を通過することにより遅延する。セラミックフィルタ５３通過後の受信信号は、点線Nに示されるように、実線Mと比較して、右方向にずれる。従って、図３（ｃ）に示されるように、タッチペン５内の比較回路でしきい値レベル（ｔｈ）で比較されることによって出力されるレベル信号もずれたままである。そして、コントローラ１０１からの制御信号に基づいて、このレベル信号の立ち下がりエッジａ及び立ち上がりエッジｂに対応するカウンタの値は、それぞれＸ座標データラッチ１０４ａ及び１０４ｂに保持される。
【００２３】
右方向の電波放射が終了すると、次に、左方向の電波放射が行われる。即ち、カウンタ１０２はダウンカウントし、電波は、アンテナ20h、20g、20f、…、20aの順に順次１６カウント毎に放射される。図３（ｄ）に、その時のタッチペン５による受信信号（実線）が示される。タッチペン５は、アンテナ20dに最も近い位置にあるので、タッチペン５の受信レベルは、図３（ｂ）と同様に、アンテナ20dから放射される電波に対して最も高くなる。そして、左方向に順次電波を放射しているので、セラミックフィルタ５３通過後の受信信号は、点線Ｎ'に示されるように、実線M'と比較して左方向にずれる。従って、図４（ｅ）に示されるように、比較回路から出力されるレベル信号も左方向にずれる。このレベル信号の立ち下がりエッジｃ及び立ち上がりエッジｄのカウンタの値は、それぞれＸ座標データラッチ１０４ｃ及び１０４ｄに保持される。
【００２４】
Ｘ座標データラッチ１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ及び１０４ｄに保持されたカウンタ値は、Ｘ座標用演算器１０６ａに入力される。Ｘ座標用演算器１０６ａは、右方向放射におけるＸ座標Ｘ(R)、左方向放射におけるＸ座標Ｘ(L)をそれぞれ、
Ｘ(R)＝（ａのカウンタ値＋ｂのカウンタ値）／２ …（１）
Ｘ(L)＝（ｃのカウンタ値＋ｄのカウンタ値）／２ …（２）
により求める。即ち、立ち下がりエッジと立ち上がりエッジとの間の中心位置をタッチペン５の指示位置として求める。そして、求められたＸ座標Ｘ(R)、Ｘ(L)は、Ｘ座標レジスタ１０７ａに保持される。
【００２５】
しかしながら、上述したように、求められたＸ座標Ｘ(R)、Ｘ(L)は、それぞれ右方向及び左方向にずれた座標であって、タッチペン５が指示している真の座標Ｘ(Ｄ)ではない。そこで、その真の座標Ｘ(D)を求めるために、さらに次の演算を行う。
【００２６】
Ｘ(D)＝（Ｘ(R)＋Ｘ(L)）／２  …（３）
即ち、右方向放射及び左方向放射におけるずれ量は同じであるので、真の座標Ｘ(D)は、Ｘ座標Ｘ(R)とＸ(L)の平均値、即ちＸ座標Ｘ(R)とＸ(L)間の中心座標として求めることができる。なお、この（３）式による演算は、本実施の形態においては、図１のＣＰＵ１１により行われるが、演算駆動部１０内に、（３）式の演算を行う別の演算器が設けられてもよい。
【００２７】
Ｙ座標についても、Ｘ座標と同様である。横方向の電波放射が終了すると、次に縦方向の電波放射が行われる。カウンタ１０２がアップカウント及びダウンカウントすることにより、電波は、縦方向に配列されたアンテナから、上方向及び下方向の双方向に順次放射される。そして、タッチペン５からのレベル信号の立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジは、それぞれ、Ｙ座標データラッチ１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ及び１０５ｄに保持され、Ｙ座標演算器１０６ｂが式（１）及び（２）と同様の演算を行うことによって、上方向放射におけるＹ座標Ｙ(R)と下方向放射におけるＹ座標Ｙ(L)が求められる。
【００２８】
求められたＹ座標Ｙ(R)とＹ(L)は、Ｙ座標レジスタ１０７ｂに保持される。そして、それらは、プロセッサ１１が上記（３）式と同様の演算を行うことにより、真のＹ座標Ｙ(D)が求められる。
【００２９】
このように、アンテナ２０からの電波の順次放射を、従来の一方向だけでなく、双方向とすることにより、遅延による座標のずれを相殺することができるので、遅延を調整することなく、常に正確な座標を求めることができる。
【００３０】
従って、従来タッチペン５内に内蔵されていた遅延調整回路が不要となるので、その調整の手間の削減と、コスト削減を図ることができる。
【００３１】
なお、電波の順次放射を、従来の一方向から双方向とすることで、位置検出に必要な時間が従来より２倍となるが、アンテナの本数を従来の本数のほぼ半分とすることにより、位置検出時間を従来と同じに維持することができる。
【００３２】
アンテナの本数を削減すると、アンテナ間の間隔が広くなり、位置検出の精度が粗くなることが懸念されるが、本発明の実施の形態では、アンテナの駆動信号レベルを上げることによって（例えば２倍）、電波の出力レベルを増し、受信信号のレベルも上げる。そして、受信信号をレベル信号に変換する際の、比較回路におけるしきい値レベル（ｔｈ）を高くすることにより、従来と同等の精度を維持することができる。例えば、従来は、全てアナログ処理による位置検出を行っていたため、2.5Vのサイン波信号をアンテナに供給することにより電波を放射させていたが、本発明の実施の形態においては、位置検出をデジタル処理で行うため、5Vの矩形波信号がアンテナに供給される。
【００３３】
また、電波の出力レベルが上げられ、且つ、アンテナ間の間隔が拡大したことで、タッチペン５がアンテナ上を指示してしていない場合、受信信号波形の歪みが顕著に現れる場合がある。図４は、受信信号の歪みを説明するための図である。図４（ａ）は、タッチペン５がアンテナ上を指示している場合の受信信号であって、歪みはない。また、図４（ｂ）は、タッチペン５がアンテナ間のちょうど中央を指示している場合の受信信号波形であって、この場合も、両側のアンテナからの距離が等距離なので、歪みは発生しない。一方、図４（ｃ）、（ｄ）は、タッチペン５がアンテナ上から少しずれた位置を指示している場合の受信信号の例であって、ピークに対して左右対称の形状とならない歪んだ波形となる。このように、受信信号波形に歪みが生じると、座標の検出位置にずれが生じる。
【００３４】
受信信号の歪みが生じる原因は、タッチペン５とその両側にあるアンテナからのそれぞれの距離の差が大きくなり、一方のアンテナによる受信レベルと、他のアンテナによる受信レベルとの差が拡大するからである。従来、アンテナ間隔は比較的狭く（アンテナ本数が多いため）、且つ電波の出力レベルも比較的低かったため、この受信レベルの差は小さく、受信信号の歪みは、問題にならない程度に小さかった。本発明の実施の形態においては、このような問題を解決するために、タッチペン５と両側のアンテナとの距離差を小さくするために、アンテナとそれを覆う表面カバー２１との間にスペーサ２２が配置される。図５は、アンテナ２０と表面カバー２１との間にスペーサ２２が配置されたタブレット２の部分断面図である。これにより、タッチペン５と両側のアンテナ２０との距離差が縮小するので、受信信号の歪みを抑えることができる。
【００３５】
また、アンテナと表面カバーとの間に電波を減衰させるシートを挟むことによって、受信信号の歪みを防止することもできる。
【００３６】
このように、位置検出の精度を下げることなく、アンテナ本数を従来より減らすことによって、タブレットのコストも削減することができるので、遅延調整回路の削減とともに、位置検出装置全体のコスト削減が達成される。
【００３７】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、タッチペンに内蔵されるセラミックフィルタの遅延を調整することなく、タッチペンの正確な指示位置を求めることが可能となるので、遅延調整回路が不要となり、位置検出装置のコスト削減を図ることができる。
【００３８】
また、アンテナとタッチペンの先端部分との間に所定の間隔を設けることにより、アンテナの本数を削減し、アンテナ間の距離が拡大した場合に生じやすい受信信号の歪みを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における位置検出装置のブロック構成図である。
【図２】演算駆動部１０のブロック構成図である。
【図３】タブレット２の断面図及びタッチペン５における受信信号及びレベル信号の例を示す図である。
【図４】受信信号の歪みを説明するための図である。
【図５】アンテナ２０と表面カバー２１との間にスペーサ２２が配置されたタブレット２の部分断面図である。
【図６】位置検出装置を幼児学習用玩具として使用される電子装置に適用した場合の使用例を示す図である。
【図７】タッチペン５によりタブレット上の位置を検出する原理を説明するための図である。
【図８】タッチペン５のブロック構成図である。
【符号の説明】
２  タブレット
５  タッチペン
６  モニタ
１０  演算駆動部
１１  ＣＰＵ
２０  アンテナ
２１  表面カバー
２２  スペーサ
１０１  コントローラ
１０２  アップダウンカウンタ
１０４  Ｘ座標データラッチ
１０５  Ｙ座標データラッチ
１０６  演算器
１０７  レジスタ
【図１】
0004151130.tif 000002
【図２】
0004151130.tif 000003
【図３】
0004151130.tif 000004
【図４】
0004151130.tif 000005
【図５】
0004151130.tif 000006
【図６】
0004151130.tif 000007
【図７】
0004151130.tif 000008
【図８】
0004151130.tif 000009