(57)【要約】  【課題】  従来の手書き筆跡入力システムに於いては、受信部にて検出した超音波信号の振幅が小さい場合などに、到達時刻の計測精度が低下したり、波形データ計測に大量のメモリや高速で高分解能のＡ／Ｄ変換器が必要となり、コスト高になったりなどの欠点があった。【解決手段】  超音波信号が閾値を超えたときの前後のメモリに保存しているゼロクロス点に対応した時刻の時間差を基準周期として、メモリに記憶している基準周期に対応するゼロクロス点から、基準周期分だけ遡り、遡った時刻に所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しなくなるまで、基準周期分だけ遡り続け、最後に一致したゼロクロス点の時刻を超音波信号の超音波受信部への到達時刻とすることで、問題を解決することが出来た。【選択図】  図１
2009085635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、赤外線発光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制御手段と、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光部と、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光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、少なくとも、前記超音波受信部において受信した超音波信号の波形の立ち上がり、または、立ち下がりのゼロクロス点を計測するゼロクロス検出部と、前記超音波信号の波形の振幅が所定の閾値を超えたことを検出する振幅比較部とを有し、
前記座標演算部は、前記ゼロクロス点の時刻を逐次記憶する時刻記憶部と、前記超音波信号の波形の振幅が所定の閾値を超えたときの前後のゼロクロス点に対応した時刻の時間差を基準周期とし、前記時刻記憶部に記憶している前記基準周期に対応するゼロクロス点から、前記基準周期分だけ遡り、遡った時刻に所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しなくなるまで、前記基準周期分だけ遡り続け、最後に一致したゼロクロス点の時刻を前記超音波信号の前記超音波受信部への到達時刻として抽出する手段と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、前記電子ペンが超音波信号を発信し、赤外線超音波測定部において受信した超音波信号のゼロクロス点の時刻を逐次記憶し、記憶した時刻より超音波信号の到達時間を適切に抽出することにより、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座標検出において、超音波信号を精度良く受信する技術が知られている。例えば、特開２００３−２２２６７５号広報（特許文献１）では、送信部より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、超音波信号の到達時間を基に送信部と受信部間の距離計算する際に、受信部において超音波信号の到達時間を精度良く計測し、送信部と受信部間の距離計算に反映する技術が開示されている。
【０００３】
この距離計測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。筆記時に、ペンに装着した超音波送信部から送信された超音波信号を固定配置された２つの超音波センサにて受信し、測定した２つの距離計測から座標位置を測定することで、用紙上での文字の記入などに伴うペンの動きが情報処理機器に入力される。このとき、２つの距離計測を精度良くするために、超音波信号を送信する送信部と、少なくとも１個以上の超音波信号を受信して電気信号に変換する受信部（超音波センサ）と、受信部からの超音波信号の受信波形が所定の閾値と交差する回数を計測し、最初に交差した交点から数えて所定の回数後の交差タイミングを検出するタイミング検出部と、送信部による超音波の送信開始から検出された交差タイミングまでの時間を計測する時間計測部と、計測された時間に基づいて距離を算出する距離計測部を備える必要がある。そして、受信した超音波信号の波形による到達時間測定の分解能は、閾値と交差する波形の傾きに依存しており、振幅が大きいほど傾きが急峻になるため高い時間分解能が得られ、振幅が大きいほど閾値と交差するタイミングのばらつきは小さくなる。そこで、閾値と交差する波形の傾きが急峻となる振幅が大きい波との交差タイミングを検出して、伝播時間の計測精度を向上させている。
また、２つの距離計測を精度良くするために、超音波信号を送信する送信部と、少なくとも１個以上の超音波信号を受信して電気信号に変換する受信部（超音波センサ）と、受信部からの超音波信号の受信信号の波形が所定の閾値と交差する回数を計測し、最初に交差した交点から数えて所定回数後の交点から所定回数分の各交差タイミングを検出するタイミング検出部と、送信部による超音波信号の送信開始から検出された各交差タイミングまでの時間を各々計測して加算平均した時間を求める時間計測部と、加算平均した時間に基づいて距離を算出する距離計測部とを、備える必要がある。そして、閾値と交差する波形の傾きが急峻となる複数の交差タイミングを加算平均することにより実効的な時間分解能を更に向上させている。
【０００４】
また、特開平８−２５４４５４号公報（特許文献２）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が開示されている。この超音波信号の受信については、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第１波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。
【０００５】
同様に、特開平５−０３４１９２号公報（特許文献３）では、被測定物に超音波信号を伝搬させてその伝搬時間などを測定する装置が開示されている。この超音波信号の送波器の出力タイミングに基づいて超音波信号の受波器で受信される超音波の伝搬時間を算定するため、受信した超音波信号を順次記憶する波形記憶部と、この記憶された超音波信号の波形データによりゼロクロス点を検出するゼロクロス位置検出部と、このゼロクロス位置検出部と超音波信号の受波器の出力タイミングに基づいて受信した超音波信号の伝搬時間を算定する伝搬時間演算部とを有し、そして、ゼロクロス位置検出部が、波形記憶部の超音波信号の波形データから隣接する波同士の振幅比を求める振幅比演算機能と、この演算される振幅比の内の最大振幅比にかかる波形データを基準波として選定する基準波選定機能と、この選定された基準波に基づいてゼロクロス点を特定するゼロクロス点特定機能とを備えることによって、受信した超音波信号のゼロクロス点を特定し、超音波信号の伝搬時間を高精度に算定している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２２２６７５号公報
【特許文献２】特開平８−２５４４５４号公報
【特許文献３】特開平５−０３４１９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１では、超音波信号を送信する送信部と、超音波信号を受信する受信部との距離が遠く、全体の振幅が小さくなった場合、最初に交差した交点から数えて所定の回数後の交差タイミングを検出するタイミング検出部の所定の回数が同じでも、受信した最初の数波の超音波信号の波形の振幅が閾値より小さくなり、最大振幅の波形より後の波形を検出する可能性がある。このため、受信部にて検出した超音波信号の波形の中で大きい振幅の波形の位置が本来あるべき位置から変わってしまい精度低下を招く可能性がある。
また、上記特許文献２と特許文献３では、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、波形の振幅即ち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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、少なくとも、赤外線発光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制御手段と、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光部と、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光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、少なくとも、前記超音波受信部において受信した超音波信号の波形の立ち上がり、または、立ち下がりのゼロクロス点を計測するゼロクロス検出部と、前記超音波信号の波形の振幅が所定の閾値を超えたことを検出する振幅比較部とを有し、前記座標演算部は、前記ゼロクロス点の時刻を逐次記憶する時刻記憶部と、前記超音波信号の波形の振幅が所定の閾値を超えたときの前後のゼロクロス点に対応した時刻の時間差を基準周期とし、前記時刻記憶部に記憶している前記基準周期に対応するゼロクロス点から、前記基準周期分だけ遡り、遡った時刻に所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しなくなるまで、前記基準周期分だけ遡り続け、最後に一致したゼロクロス点の時刻を前記超音波信号の前記超音波受信部への到達時刻として抽出する手段とを有することを特徴とする手書き筆跡入力システムを要旨とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の手書き筆跡入力システムは、電子ペンの超音波発信部から発信する超音波信号を受信するために、ピエゾ素子、アンプ、フィルタ回路、コンパレータ、ゼロクロス回路、タイマ、メモリ、ＣＰＵなどからなっている。
ピエゾ素子にて受信された超音波信号は、アンプにて増幅され、帯域フィルタにて不要な周波数のノイズを除去される。ノイズを除去された超音波信号がゼロクロス点を通過した時に、そのときの時刻をメモリに逐次保存する。そして、超音波信号が閾値を超えたときの前後のメモリに保存しているゼロクロス点に対応した時刻の時間差を基準周期として、メモリに記憶している基準周期に対応するゼロクロス点から、基準周期分だけ遡り、遡った時刻に所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しなくなるまで、基準周期分だけ遡り続け、最後に一致したゼロクロス点の時刻を超音波信号の超音波受信部への到達時刻としている。
このように、本発明では、振幅の閾値を超えた波が何波長目かに依らず、超音波信号の受信機への到達時刻を抽出することが出来るため、送信部である電子ペンと受信機との距離が遠く、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計測し抽出できる。
また、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】
【００１０】
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。
【００１１】
図２の電子ペンのブロック図を用いて、電子ペン１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と、赤外線発光素子８より赤外線信号を発信する赤外線発生回路９と、超音波信号、赤外線信号を一定の間隔で発信できるように制御する制御手段とを含む信号発信部１３、及びペン先の筆記部３、及びこの筆記部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。
【００１２】
超音波発生回路１１の内部には、コンデンサとコイルと超音波発生素子１０を配置し、超音波発生素子１０には、ピエゾ素子を使用する。このピエゾ素子の形状は円筒形であることが多い。これは、筆記者が電子ペン１をどの向きに持って使用しても、電子ペン１のピエゾ素子は被記録媒体４上のどの方向にも一様に超音波信号を発信することが好ましいためである。この構成において、円筒形のピエゾ素子自身も共振周波数を持つ。このとき超音波発生回路１１のＬＣ共振回路の共振周波数ｆ０は、回路の構成を調整し、ピエゾ素子の共振周波数と可能な限り近くすることが好ましい。ピエゾ素子の共振周波数は、ピエゾフィルムの特性、及び円筒の直径などによって定まり、超音波は周波数が低いほど距離による減衰が小さいこと、一方で周波数が高いほど座標分解能が高くなることなどを考慮して、共振周波数を決定する。電子ペンを使った手書き筆跡入力システムの場合、数十ｋＨｚ程度がよく、８０ｋＨｚ付近が好ましく用いられる。
【００１３】
赤外線発生回路９の内部には、トランジスタもしくはＦＥＴと赤外線発光素子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光素子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１の円筒軸に対して全方向に赤外線を発光するように赤外線発光素子８の指向角度を考慮して、赤外線発光素子８は複数個配置することが好ましい。
【００１４】
次に、図３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、赤外線受光部３０と、超音波受信部３１、３２と、アンプ３３、フィルタ回路部３６、コンパレータ３９からなる赤外線受光回路５２と、アンプ３４、フィルタ回路部３７、コンパレータ４０、ゼロクロス回路２６からなる超音波受信回路５３と、アンプ３５、フィルタ回路部３８、コンパレータ４１、ゼロクロス回路２７からなる超音波受信回路５３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。
【００１５】
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。
赤外線受光部３０は、赤外線受光素子が配置されており、電子ペン１の赤外線発生回路１２の赤外線発光素子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、赤外線受光素子の波長は、赤外線発光素子８の波長と同等のものが望ましい。
【００１６】
赤外線信号の受光について説明する。赤外線受光部３０で受光した赤外線信号はアンプ３３で増幅されて、フィルタ回路部３６に送られる。外来ノイズを受光した場合でも、外来ノイズの部分を遮断できるようにフィルタ回路部３６は、電子ペン１が受光する赤外線信号と同じ周波数帯域の信号を通過させるフィルタが好ましい。例えば、電子ペン１の赤外線発光素子８の波長が９４０ｎｍの場合、９４０ｎｍの波長をピークとする帯域通過フィルタを設計するとよい。その後、コンパレータ３９で所定の閾値以上の信号を受信したときを検出し、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。
その後、コンパレータ３９で特定の閾値以上の信号の受信を検出すると、座標演算部４７のＣＰＵ４３は、タイマ４４より信号の受信の検出時の時刻を読み込み、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。コンパレータ３９で特定の閾値以上の信号の受信を検出する際、赤外線信号の先頭の１波形分の受信ができなくとも、赤外線信号の到達時刻とする。これは、ペン１からの赤外線信号の速度が、超音波信号の速度より遥かに速いため、赤外線信号の１波形は、誤差内と判断できる。
【００１７】
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３３で信号を増幅させ、フィルタ回路部３５で外来ノイズを除去した後、ゼロクロス回路２６にて信号の立ち上がり、または、立ち下がりのゼロクロス点を計測し、座標演算部４７のＣＰＵ４３は、ゼロクロス回路２６にて信号の立ち上がり、または、立ち下がりのゼロクロス点を計測したとき、タイマ４４よりその時点の時刻を読み込み、これをゼロクロス点の時刻としてＲＡＭ４６に保存する。これを繰り返して、その都度ゼロクロス点の時刻を逐次ＲＡＭ４６に保存する。ここで、フィルタ回路部３５で外来ノイズを除去した後、コンパレータ４０で所定の閾値以上の信号の受信を検出した場合には、座標演算部４７のＣＰＵ４３は、ゼロクロス回路２６により次のゼロクロス点を計測し、そのゼロクロス点の時刻をＲＡＭ４６へ保存した後、この逐次保存動作を終了する。座標演算部４７のＣＰＵ４３は、コンパレータ４０において超音波信号の波形の振幅が所定の閾値を超えたときの前後のＲＡＭ４６に保存しているゼロクロス点に対応した時刻の時間差を基準周期とし、ＲＡＭ４６に記憶している基準周期に対応するゼロクロス点から、基準周期分だけ遡り、遡った時刻と所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しなくなるまで、基準周期分だけ遡り続け、最後に一致したゼロクロス点の時刻を超音波信号の超音波受信部への到達時刻として抽出する。電子ペン１の超音波発生回路１１に部品のバラツキが±１０％であるため、所定の誤差としては、電子ペン１の共振周波数の±２０％以内とし、好ましくは±１０％以内とする。
【００１８】
そして、座標演算部４７のＣＰＵ４３は、ＲＡＭ４６に保存している赤外線受光部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音速を用いて電子ペン１から超音波受信部３１、３２までの距離を計算する。電子ペン１の位置座標は、電子ペン１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。ＣＰＵ４３は、計算された電子ペン１の位置座標データを変換処理部５０のＲＡＭ４９に保存する。また、通信インターフェース５を介して、コンピュータ６と接続している場合には、変換処理部５０のＲＡＭ４９に保存している内容をコンピュータ６に送信することも可能である。
【００１９】
図４は、受信した超音波信号をアンプによって増幅し、フィルタ回路によってフィルタリングした後の計測波形と、コンパレータに設定している閾値αと、計測波形を用いてゼロクロス回路にて生成する波形を示した図である。計測波形のプラス時に、ゼロクロス回路よりプラスの信号が発生し、それ以外は０Ｖの信号が発生するようにデジタル信号に変換して波形を出力している。このデジタル信号の立ち上がり即ち超音波信号の立ち上がりをゼロクロス点として、このときのタイマの時刻をＲＡＭに保存する。また、計測波形が、コンパレータの閾値αを超えたときの前後のゼロクロス点に対応した時刻ｔ３とｔ４の時間差を基準周期ｄｔ３とし、基準周期ｄｔ３と、ＲＡＭに保存している基準周期ｄｔ３に対応するゼロクロス点から、基準周期分ｄｔ３だけ遡り、遡った時刻と所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しなくなるまで、基準周期分だけ遡り続ける。この場合、基準周期分ｄｔ３の古い方の時刻ｔ３に対して、基準周期分ｄｔ３を引いたときの時刻ｔ３−ｄｔ３と所定の誤差内で一致するゼロクロス点として時刻ｔ２が存在する。さらに時刻ｔ２より基準周期分ｄｔ３を引いたときの時刻ｔ２−ｄｔ３と所定の誤差内で一致するゼロクロス点として時刻ｔ１が存在する。同様に時刻ｔ１より基準周期分ｄｔ３を引いたときの時刻ｔ１−ｄｔ３に所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しない。これより、時刻ｔ１を超音波信号の到達時刻として抽出する。即ち、基準周期と、ＲＡＭに記憶している基準周期に対応するゼロクロス点から、新たに存在するゼロクロス点に対して基準周期分だけ遡り、遡った時刻と所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しなくなるまで、基準周期分だけ遡り続け、最後に一致したゼロクロス点の時刻を超音波信号の到達時刻として抽出する。
【００２０】
また、別の抽出方法として次のように行う方法もある。基準周期分ｄｔ３の古い方の時刻ｔ３に対して、基準周期分ｄｔ３を引いたときの時刻ｔ３−ｄｔ３×１と所定の誤差内で一致するゼロクロス点として時刻ｔ２が存在する。さらに時刻ｔ３−ｄｔ３×１より基準周期分ｄｔ３を引いたときの時刻ｔ３−ｄｔ３×２と所定の誤差内で一致するゼロクロス点として時刻ｔ１が存在する。同様に時刻ｔ３−ｄｔ３×２より基準周期分ｄｔ３を引いたときの時刻ｔ３−ｄｔ３×３に所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しない。これより、時刻ｔ１を超音波信号の到達時刻として抽出する。即ち、基準周期と、ＲＡＭに記憶している基準周期に対応するゼロクロス点から、基準周期の古いゼロクロス点の時刻より基準周期のＮ周期分だけ遡り、遡った時刻と所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しなくなるまで、基準周期分だけ遡り続け、最後に一致したゼロクロス点の時刻を超音波信号の到達時刻として抽出する。
【００２１】
また、図５は、受信した超音波信号をアンプによって増幅し、フィルタ回路によってフィルタリングした後の計測波形と、コンパレータに設定している閾値αと、計測波形を用いてゼロクロス回路にて生成する波形を示した図である。図４と変わるところは、計測波形のマイナス時に、ゼロクロス回路よりプラスの信号が発生し、それ以外は０Ｖの信号が発生するようにデジタル信号に変換して波形を出力している点である。このデジタル信号の立ち上がり即ち超音波信号の立ち下がりをゼロクロス点とし、このときのタイマの時刻をＲＡＭに保存する。また、計測波形が、コンパレータの閾値αを超えたときの前後のゼロクロス点に対応した時刻ｔ３’とｔ４’の時間差を基準周期ｄｔ３’とし、基準周期ｄｔ３’と、ＲＡＭに保存している基準周期ｄｔ３’に対応するゼロクロス点から、基準周期分ｄｔ３’だけ遡り、遡った時刻と所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しなくなるまで、基準周期分だけ遡り続ける。この場合、基準周期分ｄｔ３’の古い方の時刻ｔ３’に対して、基準周期分ｄｔ３’を引いたときの時刻ｔ３’−ｄｔ３’と所定の誤差内で一致するゼロクロス点として時刻ｔ２’が存在する。さらに時刻ｔ２’より基準周期分ｄｔ３’を引いたときの時刻ｔ２’−ｄｔ３’と所定の誤差内で一致するゼロクロス点として時刻ｔ１’が存在する。同様に時刻ｔ１’より基準周期分ｄｔ３’を引いたときの時刻ｔ１’−ｄｔ３’ に所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しない。これより、時刻ｔ１’を超音波信号の到達時刻として抽出する。即ち、基準周期と、ＲＡＭに記憶している基準周期に対応するゼロクロス点から、新たに存在するゼロクロス点に対して基準周期分だけ遡り、遡った時刻に所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しなくなるまで、基準周期分だけ遡り続け、最後に一致したゼロクロス点の時刻を超音波信号の到達時刻として抽出する。
【００２２】
また、別の抽出方法として次のように行う方法もある。基準周期分ｄｔ３’の古い方の時刻ｔ３’に対して、基準周期分ｄｔ３’を引いたときの時刻ｔ３’−ｄｔ３’×１と所定の誤差内で一致するゼロクロス点として時刻ｔ２’が存在する。さらに時刻ｔ３’−ｄｔ３’×１より基準周期分ｄｔ３’を引いたときの時刻ｔ３’−ｄｔ３’×２と所定の誤差内で一致するゼロクロス点として時刻ｔ１’が存在する。同様に時刻ｔ３’−ｄｔ３’×２より基準周期分ｄｔ３’を引いたときの時刻ｔ３’−ｄｔ３’×３に所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しない。これより、時刻ｔ１’を超音波信号の到達時刻として抽出する。即ち、基準周期と、ＲＡＭに記憶している基準周期に対応するゼロクロス点から、基準周期の古いゼロクロス点の時刻より基準周期のＮ周期分だけ遡り、遡った時刻に所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しなくなるまで、基準周期分だけ遡り続け、最後に一致したゼロクロス点の時刻を超音波信号の到達時刻として抽出する。
【００２３】
ここで、図４に示す超音波信号の計測波形に1周期分のノイズが混入した場合の処理を図１１を用いて説明する。受信した超音波信号をアンプによって増幅し、フィルタ回路によってフィルタリングした後の計測波形と、コンパレータに設定している閾値αと、計測波形を用いてゼロクロス回路にて生成する波形を示した図である。電子ペン１の超音波発生回路１１より発振する超音波信号の共振周波数８０ｋＨｚの周期より長い周期または短い周期のノイズが、フィルタ回路にて不要な周波数のノイズとして除去される。しかし、電子ペン１の超音波発生回路１１の超音波信号の共振周波数のバラツキを考慮し、ある程度の周波数の帯域をもたせるため、８０ｋＨｚの周期に近い信号は、フィルタ回路を通過する。そのため、８０ｋＨｚの周期に近い周期ｄｅ１の１周期分のノイズは、超音波信号とともに、フィルタ回路を通過する。そして、フィルタ回路通過後の周期ｄｅ１のノイズと超音波信号の波形のプラス時に、ゼロクロス回路よりプラスの信号が発生し、それ以外は０Ｖの信号が発生するようにデジタル信号に変換して波形を出力する。このデジタル信号の立ち上がり即ち超音波信号の立ち上がりをゼロクロス点として、このときのタイマの時刻をＲＡＭに保存する。
また、フィルタ回路通過後の超音波信号の波形が、コンパレータの閾値αを超えたときの前後のゼロクロス点に対応した時刻ｔ３とｔ４の時間差を基準周期ｄｔ３とし、基準周期ｔ３と、ＲＡＭに保存している基準周期ｄｔ３に対応するゼロクロス点から、基準周期分ｄｔ３だけ遡り、遡った時刻に所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しなくなるまで、基準周期分だけ遡り続ける。この場合、基準周期分ｄｔ３の古い方の時刻ｔ３に対して、基準周期分ｄｔ３を引いたときの時刻ｔ３−ｄｔ３と所定の誤差内で一致するゼロクロス点として時刻ｔ２が存在する。さらに時刻ｔ２より基準周期分ｄｔ３を引いたときの時刻ｔ２−ｄｔ３と所定の誤差内で一致するゼロクロス点として時刻ｔ１が存在する。同様に時刻ｔ１より基準周期分ｄｔ３を引いたときの時刻ｔ１−ｄｔ３に所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しない。時刻ｅ１にはゼロクロス点が存在するが、時刻ｔ１−ｄｔ３と所定の誤差内で一致しないため、時刻ｔ１を超音波信号の到達時刻として抽出する。即ち、基準周期と、ＲＡＭに記憶している基準周期に対応するゼロクロス点から、新たに存在するゼロクロス点に対して基準周期分だけ遡り、遡った時刻に所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しなくなるまで、基準周期分だけ遡り続け、最後に一致したゼロクロス点の時刻を超音波信号の到達時刻として抽出する。
【００２４】
また、別の抽出方法として次のように行う方法もある。基準周期分ｄｔ３の古い方の時刻ｔ３に対して、基準周期分ｄｔ３を引いたときの時刻ｔ３−ｄｔ３×１と所定の誤差内で一致するゼロクロス点として時刻ｔ２が存在する。さらに時刻ｔ３−ｄｔ３×１より基準周期分ｄｔ３を引いたときの時刻ｔ３−ｄｔ３×２と所定の誤差内で一致するゼロクロス点として時刻ｔ１が存在する。同様に時刻ｔ３−ｄｔ３×２より基準周期分ｄｔ３を引いたときの時刻ｔ３−ｄｔ３×３に所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しない。時刻ｅ１にはゼロクロス点が存在するが、時刻ｔ３−ｄｔ３×３と所定の誤差内で一致しないため、時刻ｔ１を超音波信号の到達時刻として抽出する。即ち、基準周期と、ＲＡＭに記憶している基準周期に対応するゼロクロス点から、基準周期の古いゼロクロス点の時刻より基準周期のＮ周期分だけ遡り、遡った時刻と所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しなくなるまで、基準周期分だけ遡り続け、最後に一致したゼロクロス点の時刻を超音波信号の到達時刻として抽出する。
【００２５】
図４と図５では、超音波信号の最初の波形がプラス側になるかマイナス側になるかが予め分かっている場合には使い分ける必要があるが、分からない場合には、ゼロクロス回路から図４と図５に説明している２種類の波形を出力し、その２種類の波形のそれぞれより超音波信号の到達時刻を抽出し、さらに、２種類の波形の超音波信号の到達時刻の早い時刻をこの超音波信号の到達時刻として抽出することができる。これにより、精度ある超音波信号の到達時刻の計測を行うことができ、結果として精度ある電子ペン１の位置座標の計測を行うことができる。
【実施例】
【００２６】
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の超音波発生回路１１の超音波信号の周波数を８０ｋＨｚに、赤外線発生回路の赤外線の波長を９４０ｎｍに設定し、信号発信部１３の超音波信号及び赤外線信号の発信間隔は１００回／秒となるように設定した。また、受信機２が、図３のブロック図に示す構成を成し、電子ペン１から受信した超音波信号は、超音波信号の最初の波形がプラス側になる波形としており、図３のブロック図の各ゼロクロス回路２８、２９から出力する波形は、図４に示す波形になる。また、フィルタ回路部３７、３８は、８０ｋＨｚをピークとする帯域通過フィルタとし、フィルタ回路部３３は、９４０ｎｍの波長をピークとする帯域通過フィルタとしている。受信機２とコンピュータ６は切り離し、受信機２は内部電池５１の電力を使って使用した。超音波信号の到達時間を抽出する方法は、基準周期と、ＲＡＭに記憶している基準周期に対応するゼロクロス点から、新たに存在するゼロクロス点に対して基準周期分だけ遡り、遡った時刻と所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しなくなるまで、基準周期分だけ遡り続け、最後に一致したゼロクロス点の時刻を超音波信号の到達時刻として抽出する方法を使用する。
電子ペン１は二つの超音波受信部から均等に約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。この動作を位置を変えて１０回繰り返したときの座標演算部４７で生成された位置座標データを評価した結果、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。
【００２７】
（実施例２）
超音波信号を抽出する方法以外は実施例１と同様の構成とした。
超音波信号の到達時間を抽出する方法としては、基準周期と、ＲＡＭに記憶している基準周期に対応するゼロクロス点から、基準周期の古いゼロクロス点の時刻より基準周期のＮ周期分だけ遡り、遡った時刻と所定の誤差内で一致するゼロクロス点が存在しなくなるまで、基準周期分だけ遡り続け、最後に一致したゼロクロス点の時刻を超音波信号の到達時刻として抽出する方法を使用する。
上記の実施例１のシステムを用いて、実施例１と同じテストを行った。その結果、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、実施例１と同等の結果を得る事が確認できた。
【００２８】
（実施例３）
受信機２が、図６のブロック図に示す構成を成し、ゼロクロス回路２８、２９から図７に示している２種類の波形ａ、ｂを出力し、その２種類の波形のそれぞれより超音波信号の到達時刻を抽出し、さらに、２種類の波形の超音波信号の到達時刻の早い時刻をこの超音波信号の到達時刻として抽出する様成した以外は、実施例１と同様の構成にて同様の評価を行った。
その結果、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、実施例１と同等の結果を得る事が確認できた。
【００２９】
（実施例４）
超音波信号に１００ｋＨｚの１波形のノイズが混入している以外は実施例１と同様の構成とした。
上記の実施例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、図１１に示すように、ノイズの周期ｄｅ１の除去が行え、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、実施例１と同等の結果を得る事が確認できた。
【００３０】
（比較例１）
受信機２が、図８のブロック図に示す構成を成し、ゼロクロス回路を使用せず、コンパレータ４０、４１の閾値を閾値αより小さい値βとした以外は、実施例１と同様の構成とした。
図８のブロック図において、超音波受信部３１および超音波受信回路５３と、超音波受信部３２および超音波受信回路５４は同様な動作をするので、超音波受信部３１および超音波受信回路５３を用いて、コンパレータ４０を使用したときの超音波信号の到達時間の抽出について説明する。
超音波受信部３１にて受信した超音波信号を、アンプ３４にて増幅させ、フィルタ回路３７で外来ノイズを除去した後、信号の計測波形が閾値βより大きいときに、コンパレータ４０からプラスの信号が発生し、それ以外は０Ｖの信号が発生するようにデジタル信号に変換して波形を出力している。信号の立ち上がり時に、座標演算部４７のＣＰＵ４３は、タイマ４３の時刻をＲＡＭ４６に保存する。そして、ＲＡＭ４６に保存している最初の超音波信号の時刻を、超音波信号の超音波受信部３１への到達時刻として抽出する。
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、図９に示すように、コンパレータ４０のＴ１の時間に相当する最初の超音波信号の約１波長を取り落としたため、電子ペンの位置座標を正確に検出することができなかった。
【００３１】
（比較例２）
コンパレータ４０、４１の閾値をβより０Ｖに近い閾値γとした以外は比較例１と同様の構成とした。
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、図１０に示すように、コンパレータ４０のΔＴの時間に相当する最初の超音波信号の遅れが発生し、電子ペンの位置座標を正確に検出することができなかった。
【００３２】
（比較例３）
超音波信号に１００ｋＨｚの１波形のノイズが混入している以外は比較例１と同様の構成とした。
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、図１２に示すように、ノイズの影響によりコンパレータ４０のΔＴ’の時間に相当する最初の超音波信号の進みが発生し、電子ペンの位置座標を正確に検出することができなかった。
【００３３】
上記のように、実施例１、実施例２、実施例３、実施例4、比較例１、比較例２、比較例３のいずれも超音波信号の到達時間計測のための回路構成は比較的簡単であり、かつ、計測に使用するＲＡＭの記憶容量も少なくて済む。しかし、比較例１、比較例２、比較例３に対して、実施例１、実施例２、実施例３、実施例4では、ＲＡＭに記憶しているゼロクロス点の時刻から超音波信号の到達時刻を抽出する方法を使用しているため、電子ペンの位置座標を正確に検出することができた。よって、手書き筆跡入力システムにおける記憶容量や位置座標の正確さの面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】
【００３４】
【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】実施例における受信機のブロック図
【図４】実施例における超音波信号の計測波形の概念図
【図５】実施例における別の超音波信号の計測波形の概念図
【図６】実施例における別の受信機のブロック図
【図７】実施例における別の超音波信号の計測波形の概念図
【図８】比較例における受信機のブロック図
【図９】比較例における超音波信号の計測波形の概念図
【図１０】比較例における別の超音波信号の計測波形の概念図
【図１１】実施例における別の超音波信号の計測波形の概念図
【図１２】比較例における別の超音波信号の計測波形の概念図
【符号の説明】
【００３５】
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  赤外線発光素子
９  赤外線発生回路
１０  超音波発生素子
１１  超音波発生回路
１３  信号発信部
１４  ペンスイッチ
１５、５１  電池
２６、２７  コンパレータ
２８、２９  ゼロクロス回路
３０  赤外線受光部
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  赤外線受光回路
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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【図１２】
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