JP2003029917A - 座標入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波方式の座標入力装置で超音波の反射波
の影響を排除ないし軽減して座標算出精度を向上する。 【解決手段】 座標の入力点からの超音波を検出したセ
ンサの検出信号１２からそのエンベロープ１２１に対応
する信号１３が取り出され、それを４階微分した信号１
６が生成される。更に、信号１３のレベルが参照レベル
信号１３１以上である間だけ有効になるゲート信号１３
２と信号１６の比較によりエンベロープ１２１による超
音波検出タイミングを示すｔｇ信号１７が生成される。
一方、検出信号１２からその位相１２２を示す位相信号
１９が生成され、これと信号１７を反転したゲート信号
１７１との比較により位相１２２による超音波検出タイ
ミングを示すｔｐ信号２０が生成される。ｔｇ信号１７
とｔｐ信号２０による超音波検出タイミングのそれぞれ
に基づき入力点の座標が算出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、任意に指示された
座標入力点の座標を検出する座標入力装置に関し、特
に、超音波を利用して座標の検出を行なう超音波方式の
座標入力装置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、その表示画面を座標入力面とし
て表示画面上で入力ペン（ペン型の座標入力点指示手
段）により任意に指示された座標入力点（以下、入力点
と略す）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、
近年では、ＬＣＤやＰＤＰ等のフラットパネルが表示性
能の向上や設置スペースの観点から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、入力ペンを用いて座標入力面の入力
可能領域の任意の入力点を指示（タッチ）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、コンピュータが入力点を表示装置で表
示できるようにした装置である。

【０００５】入力点の座標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、用途に応じて選択できるように多
種多様化してきている。特に、超音波方式は、電磁的な
ノイズに強く、コスト的にも安価であるという特徴を有
しているので、積極的な開発が進められている。

【０００６】超音波方式には振動伝達板方式と空中超音
波方式がある。振動伝達板方式では、座標入力面を構成
する振動伝達板に対して、超音波を発生する振動子を備
えた入力ペンで指示された入力点から入力され振動とし
て伝わる超音波を振動伝達板の周辺部に設けられた複数
の超音波センサ（振動センサ）により検出し、その検出
タイミングに基づいて入力点の座標（２次元座標）を算
出する。

【０００７】空中超音波方式では、座標入力面上の入力
点を指示する入力ペンから空中に放射された超音波を座
標入力面の周辺部に設けられた複数の超音波センサによ
り検出し、その検出タイミングに基づいて入力点の座標
を算出する。この方式では、座標入力面における入力点
のみならず、座標入力面から離れた空間内の入力点の３
次元座標を検出することもできる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の空中超音波方式
の座標入力装置では、空中に放射された超音波の減衰が
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、それでも超音波センサが超音
波を検出して出力する超音波検出信号は、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。

【０００９】この座標入力装置においては、超音波検出
信号のレベルが非常に大きく変動し、その影響を受けて
座標算出精度が劣化するという問題がある。その検出信
号のレベル変動の要因としては、超音波の伝達距離、入
力ペンの角度、各部品のばらつき等がある。通常、検出
信号を有効と判断するためのしきい値は、前記要因によ
るレベルの変動幅と、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。

【００１０】また、不要反射波に関しては、図２に示す
ような座標入力装置の座標入力面からの反射波が主たる
ものであるが、座標入力装置の座標入力面から離れたと
ころから入力する場合は、入力ペンの極く近くに位置す
る例えば机などの不特定多数の物体からの反射波が存在
する。

【００１１】このような反射波は、超音波を放射する入
力ペンの位置、すなわち座標の入力点から超音波センサ
までの超音波の伝達経路において直接波と反射波の伝達
経路の距離の差（以下、伝達経路差という）が大きい場
合は、超音波検出後の処理に影響しない。例えば使用周
波数が４０ｋＨｚの場合、伝達経路差が数十mm（数波
長）あれば、反射波と直接波を分離でき、前記の処理に
影響しない。

【００１２】しかし、伝達経路差が十分に得られない場
合には、反射波と直接波が重畳した超音波を検出してそ
の検出信号を処理してしまうため、誤検出となり、座標
算出精度が劣化してしまう。

【００１３】一方、数十mmというような伝達経路差を確
保するとなると、入力ペンの超音波を発生する振動子の
位置や超音波センサの構成等において装置の設計の自由
度がなくなってしまうという問題がある。なお、この反
射波の影響と超音波検出信号のレベル変動の影響による
問題は、程度の差はあれ、振動伝達板方式の装置にも云
える。

【００１４】本発明は上記のような問題に鑑みてなされ
たものであり、超音波方式の座標入力装置において、反
射波の影響および超音波検出信号のレベル変動の影響を
軽減ないし排除して、安定した座標算出精度が得られる
構成を提供することを課題としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明によれば、超音波発生手段を備えた座標入力
点指示手段により座標の入力点が指示されたときに前記
超音波発生手段から発せられた超音波を異なる複数の位
置に配置された複数の超音波検出手段により検出し、そ
の検出タイミングに基づいて前記入力点の座標を算出す
る座標入力装置において、前記超音波検出手段が出力す
る超音波検出信号から該信号のエンベロープに対応する
エンベロープ信号を取り出すエンベロープ検出手段と、
前記エンベロープ信号を４階以上微分して微分信号を出
力する微分手段と、前記エンベロープ信号の信号レベル
が所定の閾値レベルを上回る間だけ有効になる第１のゲ
ート信号を生成する第１のゲート信号生成手段と、前記
微分信号と第１のゲート信号を比較し、その比較結果に
基づいて前記超音波検出信号のエンベロープから検出し
た超音波検出タイミングを示す第１の検出タイミング信
号を生成する第１の検出タイミング信号生成手段と、前
記第１の検出タイミング信号が有効な間だけ有効になる
第２のゲート信号を生成する第２のゲート信号生成手段
と、前記超音波検出信号から該信号の位相を示す位相信
号を生成する位相信号生成手段と、前記第２のゲート信
号と前記位相信号を比較し、その比較結果に基づき前記
超音波検出信号の位相から検出した超音波検出タイミン
グを示す第２の検出タイミング信号を生成する第２の検
出タイミング信号生成手段を有し、前記第１と第２の検
出タイミング信号による超音波検出タイミングのそれぞ
れに基づいて前記入力点の座標を算出する構成を採用し
た。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明の実施
の形態を説明する。ここでは、２つの実施形態を説明す
る。

【００１７】［第１の実施形態］本発明の第１の実施形
態として、空中超音波方式の座標入力装置で、座標入力
面上で指示された入力点の２次元座標（ｘ，ｙ）を算出
する装置の実施形態を図１〜図７により説明する。

【００１８】＜全体構成の説明（図１）＞まず、本実施
形態の装置の全体構成を図１により説明する。

【００１９】図１において、１は演算制御回路であり、
座標入力装置全体を制御すると共に、座標入力面上で指
示された入力点の座標を算出してコンピュータ等のホス
ト装置４にシリアルケーブル等を通じて出力する。

【００２０】２は光送受信回路であり、後述する入力ペ
ン２１から発光される光信号を検出したり、また、入力
ペン２１の動作を制御する光信号としての入力ペン制御
信号を送信したりする。

【００２１】３は信号処理回路であり、光送受信回路２
で検出された光信号を処理し、そのデータを演算制御回
路１に出力したり、演算制御回路１から出力される入力
ペン制御信号をパルス列に変換し、光送受信回路２に出
力したりする。

【００２２】５はプロジェクタ等の画像投射装置であ
り、ホスト装置４が出力する各種の画像情報による画像
をアクリルや塩化ビニル等からなるスクリーン８に投射
する。スクリーン８の表面が表示面であるとともに座標
入力装置の座標入力面となっている。

【００２３】２１は、装置の使用者が座標入力面上の所
望の入力点を指示して座標入力を行なうためのペン型の
座標入力点指示手段としての入力ペンである。この入力
ペン２１による座標入力は、座標入力面としてのスクリ
ーン８の表面において符号７で示す有効エリア内の所望
の入力点を入力ペン２１のペン先で指示する（タッチす
る）ことで行う。

【００２４】スクリーン８の表面において有効エリア７
の外側の周辺部の四隅には、超音波による機械的振動を
電気信号に変換して超音波を検出する圧電素子などから
なる超音波センサ６ａ〜６ｄが固定されている。

【００２５】９は、センサ信号処理回路であり、各超音
波センサ６ａ〜６ｄが超音波を検出して出力する超音波
検出信号を処理して、各センサ６ａ〜６ｄの超音波の検
出タイミング（各センサへの超音波の到達タイミング）
を示す検出タイミング信号を生成し、それぞれを演算制
御回路１に出力する。

【００２６】演算制御回路１は、その信号による各セン
サの超音波の検出タイミングに基づいて、入力ペン２１
により指示された座標入力面上の入力点の２次元座標
（ｘ、ｙ）を後述のように算出し、ホスト装置４に出力
する。

【００２７】ホスト装置４は入力された座標の情報を画
像情報として画像投射装置５に出力し、それにより画像
投射装置５が画像をスクリーン８に投射し、スクリーン
８の入力点の位置にドットなどが表示される。

【００２８】＜入力ペン２１と超音波センサ６ａ〜６ｄ
の説明（図２）＞次に、入力ペン２１及び超音波センサ
６ａ〜６ｄについて図２により説明する。

【００２９】図２において、入力ペン２１に内蔵された
超音波発生手段としての振動子２５は振動子駆動回路２
４により駆動される。同回路２４からの電気的な駆動信
号は振動子２５によって機械的な超音波振動に変換さ
れ、その超音波がアルミ等の金属で構成される円錐形の
反射材２７で反射され、超音波通過窓２８から空気中に
放射される。

【００３０】振動子２５は、厚さ方向に振動する圧電振
動子の前面に音響整合層２６を設けたものである。音響
整合層２６はシリコンゴム等を薄層化したもので、空気
との音響インピーダンスの整合をとり、高感度で広帯域
特性が得られるようにし、またパルス応答性のよい超音
波信号の送信を可能としている。

【００３１】超音波通過窓２８から空気中に放射された
超音波は、超音波センサ６ａ〜６ｄ（図２では６ａのみ
図示）上に設けられた金属からなる円錐形の反射材２１
１で反射されて超音波センサ６ａ〜６ｄで検出され、そ
の超音波検出タイミング（超音波到達タイミング）に基
づいて後述のように入力点の座標が算出される。

【００３２】振動子駆動回路２４は、振動子２５をその
共振周波数の所定の発数でパルス駆動すると同時に、入
力ペン２１に設けられた赤外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。

【００３３】なお、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次電池であり、
交換可能となっている。振動子駆動回路２４は、電池２
３の出力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、昇圧トランス等を介して
振動子２５を電源電圧よりも高い電圧で駆動することも
可能である。しかし、消費電流が大きくなるので、電池
寿命の観点では不利である。

【００３４】＜全体の動作の説明＞次に座標入力装置全
体の動作について説明する。上述のように、入力ペン２
１内の振動子駆動回路２４は、振動子２５を駆動するの
と同時に発光素子２２に所定の周波数で変調した発光タ
イミング信号を出力し、それに応じた光信号を発光させ
る。その光信号が光送受信回路２で検出され、信号処理
回路３で復調処理された後、演算制御回路１に対して、
超音波センサ６ａ〜６ｄに伝達される超音波の伝達時間
の計時をスタートさせるスタートタイミング信号として
入力される。

【００３５】演算制御回路１は、信号処理回路３からの
スタートタイミング信号により内部タイマ（カウンタで
構成されている）による振動伝達時間の計時を開始させ
る。そして、入力ペン２１の振動子２５から発生した超
音波は、座標入力面上で入力ペン２１により指示された
入力点（厳密に云うと振動子２５の位置）から超音波セ
ンサ６ａ〜６ｄ迄の距離に応じた伝達時間だけ遅延して
各超音波センサに到達して検出され、その検出信号が各
超音波センサからセンサ信号処理回路９に入力される。

【００３６】センサ信号処理回路９は各超音波センサ６
ａ〜６ｄからの検出信号に対して後述する信号処理を行
ない、各超音波センサの超音波検出タイミング（各超音
波センサへの超音波の到達タイミング）を示す超音波検
出タイミング信号を生成し、演算制御回路１に入力す
る。

【００３７】演算制御回路１はその信号のそれぞれが入
力された時点で内部タイマで計時されている時間を各超
音波センサ６ａ〜６ｄまでの超音波の伝達時間とし、そ
のデータに基づいて入力ペン２１で指示された入力点の
座標を算出する。そして、演算制御回路１は、算出した
入力点の座標情報をホスト装置４に入力し、ホスト装置
４は入力された座標情報に基づいて画像投射装置５によ
る画像の表示を制御したりする。

【００３８】＜演算制御回路１の説明（図３）＞次に、
演算制御回路１の構成と動作を図３のブロック図により
説明する。図中３１は演算制御回路１及び本座標入力装
置全体を制御するマイクロコンピュータであり、制御処
理を行う主体となるＣＰＵ３１１、その制御プログラム
を格納したＲＯＭ３１２、ワーキングエリアとして計算
等に使用するＲＡＭ３１３、及び定数等を記憶する不図
示の不揮発性メモリ等によって構成されている。

【００３９】３２ａ〜３２ｄは不図示の基準クロックを
カウントして計時を行なうタイマを構成するカウンタで
あり、超音波センサ６ａ〜６ｄのそれぞれに対応し、そ
れぞれへの超音波の伝達時間の計時を行なう。カウンタ
３２ａ〜３２ｄは、入力ペン２１において振動子２５の
駆動開始と同時に発光素子２２から発せられる光信号が
光送受信回路２で検出され、信号処理回路３を介してス
タートタイミング信号が演算制御回路１に入力される
と、起動されて計時のカウントを開始する。これによっ
て、計時開始と振動子２５からの超音波の発生との同期
が取られ、超音波センサ６ａ〜６ｄにより超音波が検出
されるまでの入力点からの超音波の伝達時間を測定でき
ることになる。

【００４０】超音波センサ６ａ〜６ｄが超音波を検出す
ると、その検出信号がセンサ信号処理回路９に入力さ
れ、各超音波センサ６ａ〜６ｄの超音波検出タイミング
信号が生成され、検出タイミング信号入力回路３４を介
してカウンタ３２ａ〜３２ｄに入力される。そして、カ
ウンタ３２ａ〜３２ｄ内において超音波検出タイミング
信号の入力時点での時間のカウント値のデータが各超音
波センサ６ａ〜６ｄへの超音波伝達時間のデータとして
不図示のラッチ回路にラッチされる。

【００４１】そして、超音波センサ６ａ〜６ｄの全ての
超音波検出タイミング信号の受信がなされたことを判定
回路３３が判定すると、マイクロコンピュータ３１にそ
の旨の信号を出力する。その信号に応じて、マイクロコ
ンピュータ３１は、カウンタ３２ａ〜３２ｄのラッチ回
路から各超音波センサ６ａ〜６ｄまでの伝達時間の計時
データを読み取る。そして、この計時データに基づいて
後述の演算を行なってスクリーン８上の入力ペン２１に
よる入力点の座標を算出する。

【００４２】なお、上記の超音波検出タイミング信号に
は、実際には後述のように超音波センサ６ａ〜６ｄの検
出信号のエンベロープの処理により生成されるタイミン
グ信号と、位相の処理により生成されるタイミング信号
があり、このそれぞれにより２種類の伝達時間が計時さ
れ、それぞれに基づいて入力点の座標が算出される。

【００４３】マイクロコンピュータ３１は、このように
算出した座標の情報をＩ／Ｏポート３５を介してホスト
装置４に出力する。ホスト装置４は、入力された座標情
報に応じて画像情報を画像投射装置５に出力し、スクリ
ーン８上の入力ペン２１による入力点の位置にドット等
を表示させることができる。あるいはＩ／Ｏポート３５
と他の外部機器用のインターフェース回路を介して、他
の外部機器に座標情報を出力することができる。

【００４４】＜センサ信号処理回路９と信号処理の説明
（図４，図５）＞次に、センサ信号処理回路９の構成、
その信号処理、及びそれに基づく各超音波センサ６ａ〜
６ｄまでの超音波伝達時間の検出について図４のブロッ
ク図と図５のタイミングチャート図により説明する。な
お、以下では超音波センサ６ａのためのセンサ信号処理
回路９の構成と信号処理について説明するが、他の超音
波センサ６ｂ〜６ｄについても図４と同じ構成がそれぞ
れに設けられ、それぞれで全く同様の信号処理がなされ
ることは勿論である。

【００４５】既に説明したように、入力ペン２１による
入力点から超音波センサ６ａへの超音波の伝達時間の計
時は、信号処理回路３から演算制御回路１へのスタート
タイミング信号の出力によりカウンタ３２ａで開始され
る。このとき、入力ペン２１内の振動子駆動回路２４か
ら振動子２５へ駆動信号１１が印加される。図５に示す
ように、駆動信号１１は短い（例えば１発の）矩形パル
スである。駆動信号１１を短いパルスとする理由は、検
出すべき超音波（直接波）と不要反射成分との干渉（重
畳）による誤検出を防ぎ、装置全体の小型化を図るため
である。

【００４６】この駆動信号１１によって、入力ペン２１
の振動子２５が駆動され、超音波が空中に放射される。
その超音波は入力ペン２１の入力点（厳密に云うと振動
子２５の位置）から超音波センサ６ａまでの距離に応じ
た伝達時間をかけて空中を進行した後に超音波センサ６
ａで検出される。

【００４７】このときに超音波を検出した超音波センサ
６ａの検出信号を図５中で符号１２で示してある。この
検出信号１２が図４に示すセンサ信号処理回路９の超音
波センサ６ａ用の構成に入力され、まず前置増幅回路４
０１で増幅された後、図５に示す検出信号１２の波形の
エンベロープ（包絡線）１２１と位相１２２のそれぞれ
についてエンベロープ検出回路４０２以下の信号処理系
とバンドパスフィルタ４０８以下の信号処理系で別々に
処理される。

【００４８】まず、エンベロープ１２１については、エ
ンベロープ検出（検波）回路４０２により検出信号１２
からその波形のエンベロープ１２１に対応するエンベロ
ープ信号１３が検波により取り出される。そのエンベロ
ープ信号１３はゲート信号生成回路４０６に入力され
る。ゲート信号生成回路４０６は、エンベロープ信号１
３と参照レベル信号１３１を比較して、エンベロープ信
号１３の信号レベルが参照レベル信号１３１の所定の参
照レベル（閾値レベル）を上回る間だけ有効（ローレベ
ル）になるゲート信号１３２を出力する。

【００４９】また、エンベロープ信号１３はエンベロー
プ４階微分回路４０４に入力されて４階微分され、４階
微分信号１６が生成される。この４階微分信号１６がゲ
ート信号１３２とともに、微分信号コンパレータ４０５
に入力される。

【００５０】このコンパレータ４０５は、４階微分信号
１６とゲート信号１３２を比較し、ゲート信号１３２が
開いている有効な間、すなわちエンベロープ信号１３の
信号レベルが参照レベル信号１３１以上の間であってゲ
ート信号１３２がローレベルの間で、４階微分信号１６
の波形が破線で示すゼロレベル以下になる間だけ有効
（ハイレベル）になるｔｇ信号１７を生成する。このｔ
ｇ信号１７が最初に有効になる最初の立ち上がり時点
は、ゲート信号１３２が有効な間で、４階微分信号１６
の波形が最初に正側から負側へゼロレベルにクロスする
ゼロクロス点に対応している。すなわち、ｔｇ信号１７
は、ゲート信号１３２が有効な間における４階微分信号
１６の波形の最初のゼロクロス点を検出信号１２のエン
ベロープ１２１による超音波の検出点として検出して、
その検出時点で有効になる信号であり、これがエンベロ
ープ１２１から検出した超音波の検出タイミングを示す
超音波検出タイミング信号として演算制御回路１に入力
される。

【００５１】演算制御回路１では、ｔｇ信号１７の入力
時点でカウンタ３２ａのカウント値のデータがラッチさ
れ、そのカウント値による時間、すなわち入力ペン２１
の振動子２５の駆動信号１１の立ち上がり時点からｔｇ
信号１７の最初の立ち上がり時点までの時間ｔｇが検出
信号１２のエンベロープ１２１から検出した超音波セン
サ６ａまでの超音波の伝達時間とされる。

【００５２】一方、超音波センサ６ａの検出信号１２の
位相１２２についての処理では、まず検出信号１２が狭
帯域のバンドパスフィルタ４０８によって所定幅の周波
数成分の信号１８にされ、さらにスライス回路４０９に
よって、所定の振幅レベル以下に波形がスライス（波形
のレベル圧縮）される。そして、スライス回路４０９の
出力信号が検出信号１２の位相を示す位相信号１９とし
て位相信号コンパレータ４１０に入力される。

【００５３】また、微分信号コンパレータ４０５から出
力されるｔｇ信号１７がゲート信号生成回路４０７に入
力されて反転され、ゲート信号１７１が生成される。こ
のゲート信号１７１はｔｇ信号１７に対応し、ｔｇ信号
１７が有効（ハイレベル）な間だけ開く（有効なローレ
ベルになる）信号である。このゲート信号１７１も位相
信号コンパレータ４１０に入力される。

【００５４】コンパレータ４１０は、位相信号１９とゲ
ート信号１７１を比較して、ゲート信号１７１が開いて
いる有効なローレベルの間（ｔｇ信号１７が有効な間）
の位相信号１９の部分を取り出し、それを位相１２２か
ら検出した超音波検出タイミングを示す超音波検出タイ
ミング信号であるｔｐ信号２０として出力する。

【００５５】このｔｐ信号２０が演算制御回路１に入力
される。このｔｐ信号２０のパルスの内で最初のパルス
の立ち上がり時点、すなわちｔｐ信号２０が最初に有効
になる時点が位相１２２から検出した超音波の検出時点
とされ、この時点でカウンタ３２ａのカウント値のデー
タがラッチされ、そのカウント値による時間、すなわち
入力ペン２１の振動子２５の駆動信号１１の立ち上がり
時点からｔｐ信号２０の最初のパルスの立ち上がり時点
までの時間ｔｐが位相１２２から検出した超音波センサ
６ａまでの超音波の伝達時間とされる。

【００５６】＜入力点と超音波センサ間の距離算出の説
明＞次に、上記のようにして計時された超音波の伝達時
間ｔｇ，ｔｐに基づいて演算制御回路１で行なわれる入
力ペン２１の入力点と超音波センサ６ａ〜６ｄの間の距
離の算出について説明する。なお、以下では、座標入力
面上で入力ペン２１のペン先により指示される入力点の
位置と振動子２５の位置を実質的に同一と見なして説明
する。

【００５７】本実施形態の装置で用いられている超音波
は、空中を伝わるため、超音波センサ６ａ〜６ｄの検出
信号１２の波形のエンベロープ１２１と位相１２２の関
係は、超音波の伝達距離に関わらず一定である。ここで
エンベロープ１２１の進む速度、即ち群速度をＶｇ、そ
して位相１２２の進む速度、即ち位相速度をＶｐとす
る。この群速度Ｖｇ及び位相速度Ｖｐから入力ペン２１
の入力点と超音波センサ６ａ間の距離を検出することが
できる。

【００５８】まず、エンベロープ１２１にのみ着目する
と、その速度はＶｇであり、エンベロープ１２１の波形
上の特定点（本実施形態ではゲート信号１３２が開いて
いる間の４階微分信号１６の最初のゼロクロス点）の検
出時点までの超音波の伝達時間を先述したｔｇとして、
入力ペン２１による入力点と超音波センサ６ａの間の距
離ｄは、 ｄ＝Ｖｇ・ｔｇ (1) で与えられる。この式は超音波センサ６ａのみに関する
ものであるが、同じ式により他の３つの超音波センサ６
ｂ〜６ｄと入力点の距離も同様にして表すことができ
る。

【００５９】しかし、距離ｄに対する時間ｔｇの線形性
が良いとはいえないので、より高精度な座標決定をする
ために、先述のように検出信号１２の位相１２２から検
出した超音波検出タイミングによる超音波伝達時間ｔｐ
に基づく処理を行なう。この伝達時間ｔｐと位相速度Ｖ
ｐから、超音波センサ６ａと入力点の間の距離ｄは、 ｄ＝ｎ・λｐ＋Ｖｐ・ｔｐ (2) となる。ここでλｐは超音波の波長、ｎは整数である。
前記(1)式と(2)式から上記の整数ｎは、以下の(3),
(3)′式により求めることができる。

【００６０】 ｎ＝int［（Ｖｇ・ｔｇ−Ｖｐ・ｔｐ）／λｐ＋１／２］ (3) Ｖ＝Ｖｇ＝Ｖｐより ｎ＝int［Ｖ・（ｔｇ−ｔｐ）／λｐ＋１／２］ (3)′ ここで、エンベロープによる伝達時間ｔｇの距離ｄに対
する線形性が良いとは言えず、式(3)′において整数化
を実行しているのはこのためである。正確な整数ｎを求
めるための必要十分条件は次の式(4)から導出される式
(5)に示され、 ｎ*＝Ｖ・（ｔｇ−ｔｐ）／λｐ (4) ΔＮ＝ｎ*−ｎ≦０．５ (5) つまり、発生する誤差量が±１／２波長以内であれば、
エンベロープによる伝達時間ｔｇの線形性が良くなくて
も、整数ｎを正確に決定することができる事を示すもの
である。上記のようにして求めたｎを(2)式に代入する
ことで、入力ペン２１の入力点と超音波センサ６ａ間の
距離ｄを精度良く算出することができる。他の超音波セ
ンサ６ｂ〜６ｄのそれぞれと入力点の間の距離も全く同
様にして精度良く算出することができる。

【００６１】＜座標算出の説明（図６）＞次に、上記の
ように算出した入力点と超音波センサ６ａ〜６ｄの間の
距離に基づく入力点の座標の算出について図６により説
明する。

【００６２】図６に示すスクリーン８の表面、すなわち
座標入力面において四隅の符号Ｓａ〜Ｓｄの位置に４つ
の超音波センサ６ａ〜６ｄを設けると、先に説明した超
音波検出タイミングによる伝達時間に基づいて、演算制
御回路１で入力ペン２１の入力点Ｐから各々の超音波セ
ンサ６ａ〜６ｄの位置Ｓａ〜Ｓｄまでの直線距離ｄａ〜
ｄｄを算出することができる。

【００６３】更に演算制御回路１において、直線距離ｄ
ａ〜ｄｄに基づき、入力点Ｐの座標（ｘ，ｙ）を３平方
の定理から次の式(6),(7)から求めることができる。

【００６４】 ｘ＝（ｄａ＋ｄｄ）・（ｄａ−ｄｄ）／２Ｘ (6) ｙ＝（ｄａ＋ｄｂ）・（ｄａ−ｄｂ）／２Ｙ (7) ここでＸ，Ｙはそれぞれ超音波センサ６ａ，６ｄ間の距
離と超音波センサ６ａ，６ｂ間の距離である。以上のよ
うにして入力ペン２１の入力点の座標をリアルタイムで
算出することができる。

【００６５】なお、上記計算は入力点Ｐと３つの超音波
センサの間の距離情報を用いて可能であるが、本実施形
態では４個の超音波センサが設置されているので、残り
の１個の超音波センサと入力点Ｐ間の距離情報を上記の
計算で算出した座標の確からしさの検証に用いてもよ
い。

【００６６】また、例えば入力点Ｐとの距離Ｌが最も大
きくなった超音波センサの距離情報（距離Ｌが大きくな
るので超音波検出信号レベルが低下しノイズの影響を受
ける確率が大きくなる）を用いず、残りの３個の超音波
センサの距離情報で座標を算出しても良い。

【００６７】また、後述する理由により、ある超音波セ
ンサの近傍の入力点の座標算出では、その超音波センサ
の距離情報は用いず、他の３個の距離情報用いて算出す
るようにしてもよい。

【００６８】また、本実施形態では４個の超音波センサ
を配置しているが、製品スペックに応じてセンサの個数
が設定されることは言うまでもない。

【００６９】以上のような本実施形態によれば、図５に
示したように超音波センサの超音波検出信号１２のエン
ベロープ１２１による超音波検出時点であるｔｇ信号１
７の最初の立ち上がり時点と、位相１２２による超音波
検出時点であるｔｐ信号２０の最初のパルスの立ち上が
り時点は、エンベロープ信号１３のピークより前であ
る。すなわち、検出信号１２のエンベロープ１２１のピ
ークより前の部分は、超音波の反射波の成分が重畳して
いないか、重畳していても少ないが、そのピークより前
の部分の処理で超音波検出タイミングが得られるので、
反射波の影響を排除ないし低減して、超音波検出を高精
度に行なえる。したがって伝達時間ｔｇ，ｔｐの計時を
高精度に行なえ、それに基づく、入力点と超音波センサ
間の距離の算出、座標算出を高精度に行なうことができ
る。

【００７０】このような本実施形態の装置の性能を実験
で確認した結果を図７により説明する。図７は、本実施
形態と従来例のそれぞれの装置の構成で先述したエンベ
ロープによる超音波の検出と伝達時間ｔｇの計時に基づ
いて入力ペンの入力点と超音波センサの間の距離Ｌを測
定（算出）した結果の距離Ｌと測定誤差ΔＬの関係を示
している。

【００７１】なお従来例では、図４のセンサ信号処理回
路の構成において、エンベロープ４階微分回路４０４の
代わりに、エンベロープ１２１の変曲点を検出する変曲
点検出回路（２階微分回路）を用い、その出力信号（図
５中に符号１５で示してある）においてゲート信号１３
２が開いている間の最初のゼロクロス点の時点を超音波
検出時点としている。

【００７２】図７からわかるように、本実施形態では、
従来例に比べて、概ね距離Ｌの全般において測定誤差Δ
Ｌが極めて小さく、良好な線形性が得られる。この良好
な線形性は、前述した(5)式のΔＮのマージンが大きく
なることを示すものである。したがって、本実施形態に
よれば入力点の座標を高精度に算出することができる。

【００７３】なお、図７に示す本実施形態の測定結果に
おいて、距離Ｌが１００mmより小さい部分、すなわち入
力点が超音波センサに近接した場合に非線形な部分が認
められるが、この現象は入力点が超音波センサに近接し
た場合に超音波センサの超音波検出信号の波形が変形す
ることから生じている。この現象に対しては、入力点が
４つの超音波センサ６ａ〜６ｄの内の１つのセンサに近
接している場合は、そのセンサは使用せずに他のセンサ
の超音波検出信号に基づいて座標を算出するなどして対
応することができる。

【００７４】また、本実施形態では、超音波の位相によ
る伝達時間ｔｐを検出するために、位相信号１９をその
まま用いず、位相信号１９においてゲート信号１７１が
有効な間の部分に相当するｔｐ信号２０を用いて伝達時
間ｔｐを検出しているので、超音波センサの検出信号１
２のレベル変動の影響を軽減ないし排除することができ
る。例えば、位相信号１９の最初のパルスの立ち上がり
時点を超音波の検出時点とすると、検出信号１２の信号
レベルの変動により、位相信号１９の最初のパルスの発
生時点が前後にずれるので、それによる超音波の検出時
点も前後にずれてしまうが、ｔｐ信号２０ではそのよう
なことがない。

【００７５】なお、以上説明した実施形態において、図
５のゲート信号１７１が開いている間の位相信号１９の
部分としてのｔｐ信号２０において最初のパルスの立ち
上がり時点を位相１２２による超音波検出時点とした
が、同パルスの立ち下がり時点、或いは例えば２発目な
どの他の順番のパルスの立ち上がり時点ないし立下り時
点を超音波検出時点としてもよい。どの時点を超音波検
出時点とするかは座標検出のサンプリングレート等の装
置のスペックに応じて決定する。

【００７６】また、エンベロープ信号１３をエンベロー
プ４階微分回路４０４で４階微分してエンベロープの４
階微分信号１６を生成するものとしたが、５階以上微分
してエンベロープの５階以上の微分信号を生成するもの
としてもよい。ただし、階数を大きくすると、回路のノ
イズマージンが減少すると同時に回路における信号の遅
延等も問題になるので、反射波の影響を考慮して適宜決
定する。

【００７７】以上では、空中超音波方式の座標入力装置
の実施形態を説明したが、他の超音波方式である振動伝
達板方式の装置にも本発明に係る構成を適用できること
は勿論である。

【００７８】［第２の実施形態］次に、本発明の第２の
実施形態として、空中超音波方式の座標入力装置で、座
標入力面上ないし座標入力面から離れた空間で指示され
た入力点の３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する装置の
実施形態について図８〜図１３により説明する。

【００７９】本実施形態の装置のハードウェアの構成
は、入力ペン２１の構成が後述のように若干異なる以外
は、先述した第１の実施形態と共通とし、入力ペン２１
以外の構成の説明は省略する。また、本実施形態の装置
の座標入力動作において、入力ペン２１の振動子２６の
駆動から入力点（入力ペン２１の振動子２５の位置）と
超音波センサ６ａ〜６ｄの距離の算出までは、第１の実
施形態と共通として、その説明も省略し、前記の距離に
基づく入力点の３次元座標の算出から説明する。

【００８０】＜３次元座標の算出の説明（図８）＞図８
に示すように、周囲の４方に超音波センサ６ａ〜６ｄが
配置されたスクリーン８の表面、すなわち表示面かつ座
標入力面をＸ軸とＹ軸が直交して通るＸＹ平面とし、ス
クリーン８の表面に垂直でＸ軸とＹ軸に直交する軸をＺ
軸とする。

【００８１】この３次元座標系において、前述した方法
により求められた入力ペン４の入力点（入力ペン２１の
振動子２５の位置）と各超音波センサ６ａ，６ｂ，６
ｃ，６ｄの距離を各々Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ、Ｘ軸方
向の超音波センサどうしの距離をＸs-s、Ｙ軸方向の超
音波センサどうしの距離をＹs-sとすれば、

【００８２】

【数１】 である。同様にして、

【００８３】

【数２】 である。したがって、上記の式（９），（１０），（１
１）の演算を演算制御回路１のマイクロコンピュータ３
１が行なうことにより、入力ペン４の入力点の３次元座
標（ｘ，ｙ，ｚ）を算出することができる。

【００８４】ところで、上記の式（９），（１０），
（１１）からわかるように、入力ペン２１の入力点と３
個の超音波センサとの距離（ここではＬａ，Ｌｂ，Ｌ
ｃ）が測定できれば、入力点の３次元座標を求めること
が可能となる。

【００８５】これに対して、本実施形態では、超音波セ
ンサを４個用いているので、例えば、入力点からの距離
が最も遠い超音波センサの距離情報を使わず（この場
合、そのセンサの超音波検出信号は、距離が遠いために
信号レベルが最も低くなっている）、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
出が可能になる。

【００８６】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、３個の
距離情報の組み合わせを変更して演算すると、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なはず
であり、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いう方法により信頼性を向
上させる構成も実施可能である。

【００８７】＜入力ペンの構成の説明（図９）＞次に本
実施形態の入力ペン２１の構成を図９により説明する。
図９に示す本実施形態の入力ペン２１の内部構成は、第
１の実施形態の図２で先述した構成と共通とし、発光素
子２２，電池２３，振動子駆動回路２４，振動子２５な
どが設けられ、これらの動作も共通とする。

【００８８】この内部構成に加えて、本実施形態の入力
ペン２１では、図９に示すように、先端部にペン先スイ
ッチ４１が設けられ、側面に２つのペンサイドスイッチ
４２ａ，４２ｂが設けられている。これらのスイッチの
オン、オフに応じて次に述べるように入力ペンの動作モ
ードが切り換えられる。

【００８９】＜動作モードの説明（図１０〜図１３）＞
次に、本実施形態の座標入力装置の動作モードについて
図１０〜図１３により説明する。本実施形態では、図１
０の表に示すように、入力ペン２１のペン先スイッチ４
１とペンサイドスイッチ４２ａ，４２ｂのオン、オフに
応じて、超音波発生源である振動子２５の駆動モードが
後述する第１または第２の駆動モードに切り換えられ、
それにより入力ペン２１で筆記入力がなされるペンダウ
ン状態と、カーソル移動などがなされるペンアップ状態
に切り換えられる。

【００９０】また、入力ペン２１による入力動作のモー
ドとして、入力ペン２１を座標入力面としてのスクリー
ン８の表面に直接に接触させて筆記入力などを行なう直
接入力モードと、入力ペン２１をスクリーン８に接触さ
せずに、スクリーン８からＺ軸方向に第１の所定距離、
例えば３００ｍｍ以内のスペース内で座標入力を行なう
近接入力モードと、スクリーン８からＺ軸方向に前記第
１の所定距離よりも大きな第２の所定距離、例えば１０
００ｍｍ以上離れたスペースで座標入力を行なう遠隔入
力モードに分けられる。

【００９１】そして、算出した座標値のデータを出力す
る出力座標モードが直接入力モードと近接入力モードで
は絶対座標モード、遠隔入力モードでは相対座標モード
に切り換える。絶対座標モードでは、１回のサンプリン
グ毎に算出した３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）の内のｘ座標
とｙ座標の値のデータをそのまま絶対座標データとして
出力する。相対座標モードでは、１回のサンプリング毎
に、そのサンプリングで算出したｘ，ｙ座標の算出値
と、前回のサンプリングで算出したｘ，ｙ座標の算出値
との差分の値Δｘ，Δｙを求め、そのデータを相対座標
データとして出力する。

【００９２】まず、各スイッチ４１，４２ａ，４２ｂに
より切り換えられる動作モードの詳細について説明す
る。

【００９３】図１０の表に示すように、ペン先スイッチ
４１とペンサイドスイッチ４２ａ，４２ｂのオン、オフ
に応じて、振動子２５が第１の駆動モードまたは第２の
駆動モードで駆動される。第１の駆動モードでは、図１
２のタイミングチャートに示す振動子２５の駆動信号９
０２の周期、すなわちこの信号を生成するための駆動タ
イミング信号９０１の周期であって座標入力のサンプリ
ング周期が例えば５０回／秒とされ、第２の駆動モード
では、これと異なる周期例えば４０回／秒とされる。

【００９４】そして、座標入力装置の本体側では各超音
波センサ６ａ〜６ｄが検出する音波の周期、すなわち振
動子２５の駆動周期であるサンプリング周期の相違によ
り、マイクロコンピュータ３１が振動子２５の駆動モー
ドを判別し、第１の駆動モードでは、入力ペン２１の動
作モードがそれによる座標入力動作で文字などの筆記入
力を行なえるペンダウン状態であると認識して、そのた
めの座標入力処理を行なう。また、第２の駆動モードで
は、入力ペン２１による座標入力動作によりディスプレ
イ６の表示画面上でカーソルの移動などを行なえるペン
アップ状態であると認識して、そのための座標入力処理
を行なう。

【００９５】なお、筆記入力を行なうペンダウン状態で
は、カーソル移動などの入力を行なうペンアップ状態に
おけるよりも詳細な座標データを入力することが好まし
い（筆跡をより忠実に再現するため）ので、ペンダウン
状態（第１の駆動モード）のサンプリング周期をペンア
ップ状態（第２の駆動モード）より短く設定している。

【００９６】このような振動子２５の駆動モードの切り
換えの制御は、入力ペン２１の振動子駆動回路２４を構
成する制御回路により図１１のフローチャートに示す手
順で行なわれる。すなわち、ステップＳ２０１で制御の
処理をスタートした後、ステップＳ２０２，Ｓ２０３，
Ｓ２０４，Ｓ２０５で順次ペン先スイッチ４１、ペンサ
イドスイッチ４２ａ，４２ｂがオンか否か判定し、ペン
先スイッチ４１がオンされている場合、及びペンサイド
スイッチ４２ａ，４２ｂが共にオンされている場合はス
テップＳ２０７で振動子２５を第１の駆動モードで駆動
し、ペンダウン状態とする。また、ペンサイドスイッチ
４２ａ，４２ｂのいずれか一方のみがオンされている場
合はステップＳ２０６で振動子２５を第２の駆動モード
で駆動し、ペンアップ状態とする。そしてステップＳ２
０８で処理を終了する。また、各スイッチ４１，４２
ａ，４２ｂがいずれもオンされていなければそのまま処
理を終了する。

【００９７】このような制御により、実際の入力ペン２
１の操作に応じた動作は以下のようになる。

【００９８】すなわち、まず操作者が入力ペン２１を握
って座標入力面（この場合、図９に示す様に、ＸＹ平面
（ｚ＝０）が設定されたスクリーン８の表面）の所望の
座標入力点を押圧すると、ペン先スイッチ４１がオンす
る。この場合、振動子駆動回路２４により振動子２５が
第１の駆動モードで例えば５０回／秒の周期で駆動さ
れ、その周期で音波が空中に放射される。

【００９９】そして、座標入力装置本体側で入力ペン２
１の動作モードはペンダウン状態と認識され、操作者は
座標入力面を入力ペン２１でなぞることによって文字な
どの筆記入力を行なうことができる。なお、出力座標モ
ードは絶対座標モードとされ、算出された座標入力点
（振動子２５の位置）の３次元座標ｘ，ｙ，ｚ（ｚ＝
０）の内のｘ座標とｙ座標の値のデータがそのまま出力
され、それにより筆記入力がなされる。

【０１００】一方、ペン先スイッチ４１がオフ状態の場
合は、入力ペン２１がスクリーン８から離れており、少
なくとも操作者によるＸＹ平面（ｚ＝０）内での座標入
力が行われていない状態を意味する。その場合であって
も、入力ペン２１の操作により、スクリーン８上に表示
されているカーソルを移動する等の動作を行えることが
好ましい。そのため、ペンサイドスイッチ４２ａ，４２
ｂのいずれか一方のみを押圧してオンすることで、振動
子２５が第２の駆動モードで例えば４０回/秒の周期で
駆動され、その周期で音波が空中に放射され、装置本体
側でペンアップ状態と認識される。そしてペンアップ状
態で、入力ペン２１の動きに伴う座標入力によってカー
ソルを移動するなどの動作を行なうことができる。

【０１０１】また、入力ペン２１が座標入力面から離れ
ていても（ｚ＞０）、筆記入力を行ないたい場合には、
ペンサイドスイッチ４２ａ，４２ｂの両方を押圧してオ
ンすることにより、振動子２５が第１の駆動モードで駆
動されてペンダウン状態となり、筆記入力が可能とな
る。

【０１０２】なお、図９に示すように、ペンサイドスイ
ッチ４２ａ，４２ｂは、入力ペン２１の側面において互
いに周方向に約９０度の角度をなすようにして隣接して
配置されている。これにより、操作者が入力ペン２１を
握ったときに、操作者の右利き、左利きに関係なく、そ
のペンサイドスイッチ４２ａ，４２ｂの一方に親指、他
方に人差し指を自然に触れられるようになっている。そ
して、ペンサイドスイッチ４２ａ，４２ｂのいずれの一
方のみをオンしても同一の動作モード（第２の駆動モー
ド、ペンアップ状態）に切り換えられるので、操作者の
利き腕に関係なく動作モードの切り換え操作を簡単に行
なえ、使い勝手がよい。

【０１０３】また、ペンサイドスイッチを１つとして２
段階に切り換えられるものとしてもよい。つまり、軽く
押圧した場合に１段階目の切り換えがなされ（ペンアッ
プ状態）、さらに強く押圧することで２段階目の切り換
えがなされる（ペンダウン状態）構成であって、この場
合も利き腕に関係なく、使い勝手の良い入力ペン２１を
実現することが可能となる。

【０１０４】ところで、以上では、振動子２５の第１と
第２の駆動モードで、その駆動信号の周期（サンプリン
グ周期）を異ならせるものとしたが、その周期は同じと
して駆動信号の変調形態を異なるものとし、例えば第１
の駆動モードでは駆動信号を図１２中で符号９０２で示
す波形、第２の駆動モードでは符号９０６で示す波形に
変調するものとしてもよい。ここでは駆動信号９０６は
駆動信号９０２のパルスを周期Ｐｔで２回発生するもの
としている。

【０１０５】これにより、装置本体側の各超音波センサ
６ａ〜６ｄの超音波の検出信号は第１の駆動モードでは
信号９０３、第２の駆動モードでは信号９０７となり、
例えばピークホールド回路を用いて検出信号９０３ない
し９０７のエンベロープ９０４ないし９０８のピークを
検出し、ピーク検出信号９０５ないし９０９を生成する
ことにより、第１と第２の駆動モードを判別することが
できる。

【０１０６】また、振動子２５の第１と第２の駆動モー
ドによって、その駆動信号を９０２或いは９２０の様に
パルス幅（周波数）を異なるものとして、放射する音波
の周波数を変更してもよい。これにより超音波センサ６
ａ〜６ｄの検出信号が９０３あるいは９２１のように周
波数が異なるものとなり、それをゼロレベルとコンパレ
ートした信号（一方の信号９２２のみ図示）のパルスの
周期Ｔを検出することで、第１と第２の駆動モードを区
別することも可能である。

【０１０７】さらには、第１と第２の駆動モードで、発
光素子２２から送信（発光）するスタート信号としての
光信号の変調形態を異なるものとして、光送受信回路２
で光信号を検波して第１と第２の駆動モードを区別して
も良い。

【０１０８】ただし、２番目に説明した駆動信号を９０
２或いは９０６のように変調する方法は図２に示した反
射波の影響を受ける。すなわち、振動子２５の駆動信号
が第１の駆動モードの駆動信号９０２であっても、反射
波の影響により、超音波センサ６ａ〜６ｄの超音波の検
出信号の波形が第２の駆動モードに対応した超音波検出
信号９０７のような波形になることが有る。つまり、超
音波センサ６ａ〜６ｄには最初に直接波が到達し、続い
て直接波と反射波の経路差に応じて反射波が到達するこ
とになるが、直接波と反射波の経路差がちょうど波長の
整数倍の時、両者の信号が重畳され、音波検出信号の波
形に信号９０７のように第１と第２のピークが形成され
る場合がある。

【０１０９】従って、この場合には、第１の駆動モード
だが反射波の影響で検出信号９０７が形成されたのか、
第２の駆動モードで駆動信号を信号９０６にしたために
検出信号９０７が得られたのかを区別することができな
い。これを区別するためには、例えば、ピーク検出信号
９０９のパルスの周期Ｐｔを監視するとともに、各超音
波センサ６ａ〜６ｄで検出される直接波と反射波の経路
差が全て異なるため、全センサの信号を比べて判定する
などの処理を必要とする。

【０１１０】この様な反射波の影響を考慮すると、第１
と第２の駆動モードで駆動信号を９０２または９０６の
様に変調するよりも、駆動周波数を異ならせる（信号９
０２と９２０）方法が優れ、さらには最初に述べた駆動
周期、すなわちサンプリング周期を変更する方法は、反
射波の影響を全く無視できる優れた方法であると言え
る。

【０１１１】次に、出力座標モードについて説明する。

【０１１２】上述のように、ペンサイドスイッチ４２
ａ，４２ｂを操作することで、入力ペン２１が座標入力
面としてのスクリーン８の表面から離れていても、座標
を入力して、カーソルを移動したり（ペンアップ状
態）、あるいは筆記入力したり（ペンダウン状態）する
ことができる。この様な場合（入力ペン２１がスクリー
ン８の表面に接触しておらず、ペン先スイッチ４１がオ
フしている状態）において、スクリーン８の比較的近傍
で入力ペン２１で座標入力動作をする場合（以後、近接
入力と言う）と、スクリーン８からかなり離れたところ
で座標入力動作をする場合（以後、遠隔入力と言う）と
では操作上、要求される仕様が異なる。

【０１１３】まず、近接入力の場合、表示面を構成する
スクリーン８と入力ペン２１のＺ軸方向の距離は比較的
小さな値であり、入力ペン２１を移動することで、例え
ばスクリーン８に表示されているカーソルを直感的に、
しかもダイレクトに所望の位置に移動することが可能で
ある。もちろん、所望の位置に対する実際のカーソルの
位置ずれは、直接にスクリーン８の表面に入力する場合
（ペン先スイッチ４１がオン状態）に比べ大きくなる
が、十分実用の範囲内と言うことができる。

【０１１４】しかしながら、遠隔入力の場合は、そのず
れ量が大きくなることは明らかであり、例えば表示され
ているカーソルを所望の位置に移動させるためには、ま
ず操作者は直感的に座標を入力することになるが、所望
の位置からのずれ量は大きく、そのずれ量を視認しなが
ら、入力ペン２１を徐々に移動して、カーソル位置を徐
々に所望の位置に移動していくことになる。言い換えれ
ば、直感によりまず所望位置に入力ペン２１を位置さ
せ、その応答（例えばカーソルの表示位置）を視認する
ことで、人間の脳が手に位置修正動作を指示し、その動
作に伴ってカーソルを徐々に移動させ所望位置にカーソ
ルを移動させる、つまり操作者による視覚情報に基づき
操作者の脳が補正動作を行うループを繰り返して、目的
を達成することになる。

【０１１５】この様に、スクリーン８に表示されている
画像情報（ＸＹ平面上に座標系を有する画像情報）に対
して、何らかの遠隔入力操作を行おうとする場合、操作
者が一連の座標入力を行おうとする際の最初の１点目の
座標値と前述の画像情報の座標値は、一致させることが
できない。このことは、例えばＯＨＰ等により表示され
ている表示画像上の任意の点を指示する道具としてレー
ザポインタが普及しているが、やはりレーザ発光時の最
初の１点目は、どこを指示するか解らず、指示されたポ
イント位置を見ながら、位置修正動作をして所望の位置
にレーザを照射することができる様になることを考えれ
ば明らかである。

【０１１６】さて、このレーザポインタを使った通常の
プレゼン、打ち合わせ等を想定すれば、操作者が直接所
望の位置を指示することが困難である事に加え、聞き手
からすれば、レーザポインタの指示位置が不連続に、し
かも突然移動するので、その指示位置を探す（ポインタ
が照射されていない場合でも探してしまう）ことに気を
とられ、発表内容の理解を手助けする道具としては十分
な仕様とはなっていない。

【０１１７】一方、指示棒は所望の位置を指示する古典
的な道具と言えるが、聞き手からすれば、操作者による
指示棒の動作が視覚的に予測でき、レーザポインタによ
る指示手段よりも、発表内容に集中できると言う点で
は、良い道具と言える。ただし、指示棒の長さには限度
が有るので、操作範囲が限られる点が欠点である。

【０１１８】このような問題を解決するために、本実施
形態の座標入力装置では、前述のように入力ペン２１に
よる入力動作のモードを直接入力モード、近接入力モー
ド、遠隔入力モードに区別し、出力座標モードを直接入
力モードと近接入力モードでは絶対座標モードとし、遠
隔入力モードでは相対座標モードとする。

【０１１９】この出力座標モードの切り換えは、演算制
御回路１のマイクロコンピュータ３１により、図１３の
フローチャートに示す制御手順で以下のようになされ
る。

【０１２０】すなわち、まずステップＳ３０１で処理を
開始するが、ここで、遠隔入力モードで前述したサンプ
リング周期、例えば５０回／秒ないし４０回／秒で連続
して座標入力動作がなされているかどうかを示すフラグ
が０（連続して座標入力動作がなされていないことを示
す）に初期化される。

【０１２１】次に、ステップＳ３０２において、上記の
サンプリング周期（２つある場合は長いほうの周期）の
期間内に、座標算出に必要で有効な信号、すなわち有効
なスタート信号と、各超音波センサ６ａ〜６ｄの検出信
号から生成された有効な超音波検出タイミング信号を受
信したか判定し、受信していなければステップＳ３１２
で上記フラグを０にリセットした後、処理を終了する
（ステップＳ３１３）。

【０１２２】一方、ステップＳ３０２で有効な信号を受
信した場合には、ステップＳ３０３でペンダウン状態か
ペンアップ状態かを判定する。すなわち先述した振動子
２５の駆動モードが第１と第２の駆動モードのいずれで
あるか判定する。この判定は、先述のように、駆動モー
ドにより異なる駆動信号のサンプリング周期、周波数あ
るいは変調形態、あるいはスタート信号の変調形態など
を検出して行なう。

【０１２３】次に、ステップＳ３０４において、そのと
きにカウンタ３２ａ〜３２ｄのラッチ回路にラッチされ
ている各超音波センサ６ａ〜６ｄへの超音波の伝達時間
のデータに基づいて振動子２５の位置、すなわち入力点
の３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）の値を前述した演算方法で
算出する。

【０１２４】次に、ステップＳ３０５で上記フラグが１
にセットされているか否か判定し、１の場合、すなわち
今遠隔入力モードで座標入力動作が連続してなされてい
る場合はステップＳ３１１に進むが、そうでない場合は
ステップＳ３０６に進む。

【０１２５】ステップＳ３０６では、ステップＳ３０４
で算出した座標値の内のＺ座標の値が第１の所定値、例
えば３００ｍｍ以下か否か判定し、その所定値以下であ
れば近接入力モードであるものと認識して、ステップＳ
３０７に進み、出力座標モードを絶対座標モードとし
て、ステップＳ３０４で算出した３次元座標（ｘ，ｙ，
ｚ）の内のｘ座標とｙ座標のデータをそのまま出力し、
その後、処理を終了する。ここでｚ座標のデータも出力
するようにしてもよい。なお、直接入力モードではペン
先スイッチ４１がオンすることによりｚ＝０が検出され
るので、このときもｘ座標とｙ座標のデータをそのまま
出力するようにする。

【０１２６】一方、ステップＳ３０６でｚ座標値が第１
の所定値以下でないと判定した場合には、ステップＳ３
０８でｚ座標値が第２の所定値、例えば１０００ｍｍ以
上であるか否か判定し、その所定値以上でない場合は処
理を終了するが、その所定値以上の場合にはステップＳ
３０９に進む。

【０１２７】ステップＳ３０９では、遠隔入力モードと
判断し、ステップＳ３０４で算出した３次元座標（ｘ，
ｙ，ｚ）の内のｘ座標とｙ座標の値のデータを座標値
（ X１st,Y１st ）としてメモリに格納する。その後、
ステップＳ３１０でフラグを１にセットした後、ステッ
プＳ３０２に戻りステップＳ３０２以下の処理を繰り返
す。

【０１２８】ここで前述と同様にステップＳ３０２で有
効信号の検出、ステップＳ３０３でペンアップ、ダウン
状態の判定、ステップＳ３０４で３次元座標（ｘ，ｙ，
ｚ）の算出を行ない、ステップＳ３０５でフラグが１か
否かの判定を行うが、ステップＳ３１０からの繰り返し
の場合は、ステップＳ３０５でフラグが１となる。この
場合、遠隔入力モードであって座標入力動作が連続して
なされていると認識して、ステップＳ３１１に進む。

【０１２９】ステップＳ３１１では、ステップＳ３０４
で算出した３次元座標値、すなわち今回のサンプリング
で得た３次元座標値の内のｘ座標値およびｙ座標値と、
ステップＳ３０９でメモリに格納しておいた前回のサン
プリングで得たｘ座標値のＸ１stおよびｙ座標値のＹ１
stとの差分（Δｘ，Δｙ）を算出して出力する。なお、
ここで今回のサンプリングで得た３次元座標値の内のｘ
座標値およびｙ座標値のデータをあらためてｘ座標値Ｘ
１st，ｙ座標値Ｙ１ｓｔのデータとしてメモリに格納し
ておく。その後、ステップＳ３０２に戻り、ステップＳ
３０２以下の処理を繰り返す。

【０１３０】なお、ステップＳ３０７の後と、ステップ
Ｓ３０８の判定でＮｏの場合、およびステップＳ３１２
の後は処理を終了するが、その後、この処理を再びスタ
ートする。ステップＳ３０８の判定でＮｏの場合と、ス
テップＳ３１２の後の場合は、適当な時間を置いて再ス
タートすればよいが、ステップＳ３０７の後の場合は直
ちに再スタートする必要がある。

【０１３１】以上のような処理により、直接入力と近接
入力では絶対座標（ｘ，ｙ）を出力し、遠隔入力では相
対座標（Δｘ，Δｙ）を出力することができる。これに
より、操作者は、遠隔入力の際に、現在位置するカーソ
ルの位置から、スムーズに所望の位置にカーソルを移動
することが可能となり、しかも、その座標入力が連続し
て行われている一連の間は、カーソルのＸ方向の移動
量、Ｙ方向の移動量は、入力ペン２１の両方向の移動量
と１対１に絶対的に対応しているので、遠隔操作であっ
ても、文字を入力したりすることも可能となる。

【０１３２】ところで、以上では算出した３次元座標の
内の１軸（以上ではＺ軸）の座標情報に応じて、残り２
軸（以上ではＸ軸とＹ軸）の座標情報の出力形態を異な
らせるようにしたが、１軸（例えばＺ軸）の座標情報に
応じて、例えばマウスボタンのクリックと同様のスイッ
チ動作を行なわせることもできる。例えば、フラグによ
って判定できる連続的な座標入力動作において、入力ペ
ン２１を任意の位置からＺ軸方向に急速に移動させた
後、元の位置に急速に戻す動作をした場合、マウスのク
リックと同等の操作をしたと判定する。その動作を２回
続けてすれば、ダブルクリックがなされたと判定する。

【０１３３】このようなスイッチ動作の判定は、座標入
力装置が算出する３次元座標の内のｚ座標値の急激な変
化で行われ、このスイッチ動作で例えば表示画面の遠隔
操作などを行なうことができる。このスイッチ動作の方
法と、前述した出力座標モードの切り換え方法と併用す
ることも可能である。

【０１３４】なお、以上のように１軸（例えばＺ軸）の
座標情報に応じて、他の２軸（例えばＸ軸とＹ軸）の座
標情報の出力形態を異ならせたり、マウスのクリック動
作と同様の処理を行なったりする構成は、空中超音波方
式の座標入力装置に限らず、３次元座標の検出が可能な
他の方式、例えば光学式などの座標入力装置にも適用す
ることができる。

【０１３５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、超音波方式の座標入力装置において、超音波
検出手段の超音波検出信号を処理して超音波の検出タイ
ミング信号を生成する回路の構成を工夫することによ
り、座標の入力点から超音波検出手段までの超音波の直
接波と反射波の伝達経路差を大きく確保できなくても、
反射波の影響を排除ないし軽減することができるととも
に、超音波検出信号のレベル変動の影響も排除ないし軽
減することができ、それにより安定して高精度に座標算
出を行なうことができるとともに、装置の設計の自由度
も得られるという優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における座標入力装置
の全体の構成を示すブロック図である。

【図２】同装置の入力ペンと超音波センサの構成と超音
波の伝達の様子などを示す説明図である。

【図３】同装置の演算制御回路の構成を示すブロック図
である。

【図４】同装置のセンサ信号処理回路の超音波センサ１
個分の構成を示すブロック図である。

【図５】センサ信号処理回路の信号処理に関わる各信号
の波形とタイミングを示すタイミングチャート図であ
る。

【図６】入力点の２次元座標の算出方法を説明するため
の説明図である。

【図７】実施形態と従来例の構成で実験した結果の入力
点と超音波センサ間の距離と測定誤差の関係を示すグラ
フ図である。

【図８】本発明の第２の実施形態による座標入力装置で
座標入力を行なう３次元座標系を示す説明図である。

【図９】同装置の入力ペンの外観を示す側面図及び背面
図である。

【図１０】同装置の各種モードと、入力ペンの各スイッ
チのオン、オフ及びｚ座標の算出値の対応関係を示す表
図である。

【図１１】入力ペンの各スイッチのオン、オフに応じた
入力ペンの振動子の駆動モードの切り換えの処理手順を
示すフローチャート図である。

【図１２】駆動モードにより振動子の駆動信号の変調形
態や周波数を変更する様子を示すタイミングチャート図
である。

【図１３】出力座標モードの切り換えに関わる演算制御
回路のマイクロコンピュータの制御手順を示すフローチ
ャート図である。

【符号の説明】

１ 演算制御回路 ２ 光送受信回路 ３ 信号処理回路 ４ ホスト装置 ５ 画像投射装置 ６ａ〜６ｄ 超音波センサ ８ スクリーン ９ センサ信号処理回路 ２１ 入力ペン ２５ 振動子 ３１ マイクロコンピュータ ３２ａ〜３２ｄ カウンタ ４１ ペン先スイッチ ４２ａ，４２ｂ ペンサイドスイッチ ４０２ エンベロープ検出回路 ４０４ エンベロープ４階微分回路 ４０５ 微分信号コンパレータ ４０６，４０７ ゲート信号生成回路 ４０８ バンドパスフィルタ ４０９ スライス回路 ４１０ 位相信号コンパレータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉村 雄一郎 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 5B068 AA04 AA32 BB21 BC03 BD02 BD11 BD22 BD25 BE03 BE06 BE15 CC11 EE04 EE06

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波発生手段を備えた座標入力点指示
   手段により座標の入力点が指示されたときに前記超音波
   発生手段から発せられた超音波を異なる複数の位置に配
   置された複数の超音波検出手段により検出し、その検出
   タイミングに基づいて前記入力点の座標を算出する座標
   入力装置において、 前記超音波検出手段が出力する超音波検出信号から該信
   号のエンベロープに対応するエンベロープ信号を取り出
   すエンベロープ検出手段と、 前記エンベロープ信号を４階以上微分して微分信号を出
   力する微分手段と、 前記エンベロープ信号の信号レベルが所定の閾値レベル
   を上回る間だけ有効になる第１のゲート信号を生成する
   第１のゲート信号生成手段と、 前記微分信号と第１のゲート信号を比較し、その比較結
   果に基づいて前記超音波検出信号のエンベロープから検
   出した超音波検出タイミングを示す第１の検出タイミン
   グ信号を生成する第１の検出タイミング信号生成手段
   と、 前記第１の検出タイミング信号が有効な間だけ有効にな
   る第２のゲート信号を生成する第２のゲート信号生成手
   段と、 前記超音波検出信号から該信号の位相を示す位相信号を
   生成する位相信号生成手段と、 前記第２のゲート信号と前記位相信号を比較し、その比
   較結果に基づき前記超音波検出信号の位相から検出した
   超音波検出タイミングを示す第２の検出タイミング信号
   を生成する第２の検出タイミング信号生成手段を有し、 前記第１と第２の検出タイミング信号による超音波検出
   タイミングのそれぞれに基づいて前記入力点の座標を算
   出することを特徴とする座標入力装置。
2. 【請求項２】 前記第１の検出タイミング信号は、前記
   第１のゲート信号が有効な間で前記微分信号の波形がゼ
   ロレベル以下になる間だけ有効になる信号であることを
   特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
3. 【請求項３】 前記第１の検出タイミング信号の最初に
   有効になる時点を前記超音波検出信号のエンベロープか
   ら検出した超音波検出時点とすることを特徴とする請求
   項２に記載の座標入力装置。
4. 【請求項４】 前記第２の検出タイミング信号は、前記
   第２のゲート信号が有効な間の前記位相信号の部分に相
   当する信号であることを特徴とする請求項１に記載の座
   標入力装置。
5. 【請求項５】 前記第２の検出タイミング信号の最初に
   有効になる時点を前記超音波検出信号の位相から検出し
   た超音波検出時点とすることを特徴とする請求項４に記
   載の座標入力装置。