| 【発明の名称】 |
超音波座標入力装置およびインタラクティブボード |
| 【発明者】 |
【氏名】北田 貴司
【氏名】渡辺 一弘
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| 【要約】 |
【課題】超音波を直接することにより超音波受信ユニットを小さくでき、安価で、操作性のよい、しかも正確な座標入力が行える超音波座標入力装置およびインタラクティブボードを提供すること。
【解決手段】超音波振動子を備えたスタイラスと、超音波受信手段で受信された受信信号に対して信号処理しタイミング信号を生成する受信信号処理部と、このタイミング信号に基づきスタイラスの位置座標を決定する座標算出ユニットとを備えた超音波座標入力装置であり、超音波受信手段のケース７の受信開口部１３を圧電振動子であるコーン８のサイズに比べて小さくした。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】超音波送出手段を備えたスタイラスと、前記超音波送出手段から送出される超音波を受信する複数の超音波受信手段と、前記超音波受信手段で受信された受信信号に対して信号処理しタイミング信号を生成する受信信号処理部と、このタイミング信号に基づきスタイラスの位置座標を決定する座標算出ユニットとを備え、前記超音波受信手段の受信開口部が、圧電振動子サイズに比べて小さいことを特徴とする超音波座標入力装置。
【請求項２】前記座標算出ユニットは、受信信号にかける受信ゲインまたはスライスレベルを過去の算出座標に応じて選択することを特徴とする請求項１記載の超音波座標入力装置。
【請求項３】筆記具を用いて文字、図形当の画像の書き込みを行い、またプロジェクタで投影した文字、図形等の画像を写し出すためのシート材と、前記シート材上に書き込まれた画像を読み込むためのスキャナと、前記スキャナで読み込んだ画像やプロジェクタで投射した画像を記録紙に出力する出力部と、超音波座標入力装置と、パソコンに接続され、前記スキャナと前記出力部と前記超音波座標装置とを制御する制御部とを備え、前記超音波座標入力装置が、超音波送出手段を備えたスタイラスと、前記超音波送出手段から送出される超音波を受信する複数の超音波受信手段と、前記超音波受信手段で受信された受信信号に対して信号処理しタイミング信号を生成する受信信号処理部と、このタイミング信号に基づきスタイラスの位置座標を決定する座標算出ユニットから成り、前記超音波受信手段の受信開口部が、圧電振動子サイズに比べて小さいことを特徴とするインタラクティブボード。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、手書き入力機能を有するコンピューターシステムや電子黒板における超音波座標入力装置およびインタラクティブボードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１０は、従来の超音波座標入力装置の構成図である。図１０において、１は座標入力面、２Ａ、２Ｂは超音波受信センサ、２１Ａ、２１Ｂは反射部材、５は超音波振動子６を備えたスタイラスである。
【０００３】このように構成された超音波座標入力装置においては、スタイラス５に備えた超音波振動子６から所定の周期にて超音波を送出し、これが反射部材２１Ａ、２１Ｂにて反射され、超音波受信センサ２Ａ、２Ｂに導かれる。これにより、超音波受信センサ２Ａ、２Ｂで受信した超音波信号に基づいてタイミング信号が生成され、超音波伝播時間を計測することでスタイラス５と超音波受信センサ２Ａ、２Ｂとの距離を計測することができる。
【０００４】ここで従来の超音波座標入力装置で使用される超音波受信センサ２Ａ、２Ｂの構成を説明する。図１１（ａ）は従来の超音波座標入力装置の超音波受信センサの構成を示す断面図、図１１（ｂ）は従来の超音波座標入力装置の超音波受信センサの構成を示す斜視図、図１２は従来の超音波座標入力装置の超音波受信センサ受信感度の指向性を示す図である。図１１において、超音波受信センサの外形形状を円筒形とすると、７はケース、８はコーン、９は圧電振動子、１０は絶縁物、１１は電気端子、１２は保護スクリーンであり、超音波の入射口である受信開口部に相当する。ここで、コーン８と圧電振動子９の長さをＬ１、受信開口部の直径をＬ４とすると、各方向からの超音波を受信できるようにするため、Ｌ１＜Ｌ４なる関係である。そのため受信センサ感度の角度依存性は、図１２に示すように正面方向に比べて４５°傾いた方向から入射される超音波の受信感度は、−６ｄＢ程度落ちることになる。
【０００５】従って、このような超音波受信センサを図１０に示すような座標入力装置に応用するために、略円錐状の反射部材２１Ａ、２１Ｂに反射してそれぞれの超音波受信センサ２Ａ、２Ｂで受信することにより、それぞれの超音波受信センサ２Ａ、２Ｂにとっては、その正面方向からの超音波の受信となるため、受信の入射角依存をなくすことができる。このため、受信した超音波受信信号強度は、伝播減衰による距離だけに依存することになるので、簡単な回路構成でタイミング信号が生成することができる。
【０００６】このような超音波座標入力装置では、座標入力面１にパソコンの表示画面をプロジェクタにより投影することで、表示画面に対してスタイラス５を用いて指示することで表示画面を切り替えたり、表示されている画面に加筆や修正を描いたりすることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記超音波座標入力装置で用いられている反射による受信という形態では、反射部材が必要なためその分装置が高価になり、また図１０に示すように座標入力面１に対して受信系が大きく飛び出すことになるので、スタイラスを持つ物にとって邪魔になるので操作性が悪くなるという課題があった。
【０００８】また、反射部材と超音波受信センサとの距離に応じて反射部材と超音波受信センサ間に存在する反射波の影響度が異なるため超音波受信信号強度が変化してしまうので厳密に反射部材と超音波受信センサとの距離を管理しなければならないといった課題や、さらにスタイラスが反射部材の近傍にある場合、超音波受信センサには反射部材から反射された超音波よりも直接スタイラスから送出された超音波の方が早く到達してしまうため、正確なタイミング信号生成が行われなくなりその結果誤った座標を算出してしまうという課題もあった。
【０００９】本発明は上記従来の課題を解決するもので、安価で、正確な座標入力が行え、かつ操作性の向上を図ることができる超音波座標入力装置およびインタラクティブボードを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、超音波送出手段を備えたスタイラスと、前記超音波送出手段から送出される超音波を受信する複数の超音波受信手段と、前記超音波受信手段で受信された受信信号に対して信号処理しタイミング信号を生成する受信信号処理部と、このタイミング信号に基づきスタイラスの位置座標を決定する座標算出ユニットとを備え、前記超音波受信手段の受信開口部が、圧電振動子サイズに比べて小さいことを特徴とする超音波座標入力装置である。
【００１１】本発明によれば、安価で、正確な座標入力が行え、かつ操作性の向上を図ることができる超音波座標入力装置およびインタラクティブボードを実現できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】請求項１記載の超音波座標入力装置は、超音波送出手段を備えたスタイラスと、超音波送出手段から送出される超音波を受信する複数の超音波受信手段と、超音波受信手段で受信された受信信号に対して信号処理しタイミング信号を生成する受信信号処理部と、このタイミング信号に基づきスタイラスの位置座標を決定する座標算出ユニットとを備え、超音波受信手段の受信開口部が、圧電振動子サイズに比べて小さいことを特徴とする。
【００１３】これにより、超音波受信手段の受信感度が超音波入射角に関係なく均一になるので、所定入力領域内において直接超音波を受信しても、受信した超音波受信信号強度は、スタイラスとの距離だけに依存することになる。
【００１４】また、請求項２記載の超音波座標入力装置は、請求項１記載の超音波座標入力装置において位置座標算出ユニットは受信信号にかける受信ゲインまたはスライスレベルを過去の算出座標に応じて選択することを特徴とするものである。
【００１５】これにより、超音波受信手段の受信感度の超音波入射角依存性が改善され、所定入力領域内において直接超音波を受信しても、受信した超音波受信信号強度はスタイラスとの距離と、多少のスタイラスとなす角度に依存することになる。
【００１６】また、請求項３記載のインタラクティブボードは、筆記具を用いて文字、図形当の画像の書き込みを行い、またプロジェクタで投影した文字、図形等の画像を写し出すためのシート材と、前記シート材上に書き込まれた画像を読み込むためのスキャナと、スキャナで読み込んだ画像やプロジェクタで投射した画像を記録紙に出力する出力部と、請求項１記載の超音波座標入力装置と、パソコンに接続され、スキャナと出力部と超音波座標装置とを制御する制御部とを備えている。
【００１７】この構成により、インタラクティブボードをプロジェクタとパソコンとを同じに用いれば、画像が投影されたシート材上で表示を見ながらパソコン操作が行われ、またパソコンやプロジェクタがなくても、電源をＯＮにすることなしに筆記具によるシート材での書き込みが行なえ、必要であれば電源をＯＮにしてシート材上の書き込み画像のコピー出力が行える。
【００１８】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形態１における超音波座標入力装置を示す構成図である。図１において、１は座標入力面、２Ａ、２Ｂは超音波受信センサ、３Ａ、３Ｂは受信信号処理部、４は座標算出ユニット、５は超音波振動子６を備えたスタイラスである。
【００１９】この超音波座標入力装置において、スタイラス５に備えた超音波振動子６から所定の周期にて超音波を送出し、これを超音波受信センサ２Ａ、２Ｂにて受信し、それぞれの超音波受信信号に対して受信信号処理部３Ａ、３Ｂにて信号処理されタイミング信号が生成される。座標算出ユニット４ではこのタイミング信号に基づいて超音波伝播時間を計測することでスタイラス５と超音波受信センサ２Ａ、２Ｂとの距離を計測し、座標を算出することができる。
【００２０】次に超音波受信センサ２Ａ、２Ｂの構成を説明する。図２（ａ）は本発明の実施の形態１における超音波受信センサの構成を示す断面図、図２（ｂ）は本発明の実施の形態１における超音波受信センサの構成を示す斜視図、図３は本発明の実施の形態１における超音波受信センサ受信感度の指向性を示す図である。図２（ａ）、（ｂ）において、超音波受信センサの外形形状は円筒形であって、７はケース、８はコーン、９は圧電振動子、１０は絶縁物、１１は電気端子である。１２は保護スクリーンであり、超音波の入射口である受信開口部１３になっている。ここで保護スクリーン１２が網目状に構成されていた場合に、１つの網目サイズを受信開口部１３とするのではなく、保護スクリーン１２全体を受信開口部１３とする。ここで、コーン８と圧電振動子９の長さをＬ１、受信開口部１３の直径をＬ２とすると、Ｌ１＞Ｌ２なる関係である。そのため受信センサは、図３に示すように正面方向に対して、±４５°以内であれば、どの方向から超音波が入射されても超音波の受信感度は均一となる。
【００２１】従って、図１に示すように超音波受信センサ２Ａ、２Ｂを座標入力面１の上側両端にそれぞれ設置すれば、受信した超音波受信信号強度は超音波受信センサ２Ａに対して超音波振動子６を備えたスタイラス５がＡ、Ｂ、Ｃのいずれにあってもその角度には影響されずに、距離だけに依存することになるので、受信信号処理部３Ａにて時間とともに増幅度が変わるアンプを用いれば常に超音波受信信号強度を一定にすることができる。これにより、この超音波信号を所定レベルの電圧と比較することで正確なタイミング信号を生成することができる。また、超音波を直接受信するので、従来の技術に見られた超音波受信センサ２Ａ、２Ｂ近傍の座標を正確に検出できないため、ここを座標検出有効領域外とする必要もなくなった。
【００２２】以上説明したように本実施の形態によれば、直接スタイラスからの超音波を超音波受信センサにて受信できるので受信ユニットを小さくすることができ、また超音波受信信号強度を一定にすることができるので簡単な処理回路にて正確な座標算出が行える超音波座標入力装置を実現できる。
【００２３】（実施の形態２）図４は本発明の実施の形態２における超音波座標入力装置を示す構成図である。図４において、全体の構成は実施の形態１と同様であるので、説明は省略する。
【００２４】この超音波座標入力装置においては、スタイラス５に備えた超音波振動子６から所定の周期にて超音波を送出し、これを超音波受信センサ２Ａ、２Ｂにて受信し、それぞれの超音波受信信号に対して受信信号処理部３Ａ、３Ｂにて信号処理されタイミング信号が生成される。座標算出ユニット４ではこのタイミング信号に基づいて超音波伝播時間を計測することでスタイラス５と超音波受信センサ２Ａ、２Ｂとの距離を計測し、座標を算出することも実施の形態１と同様である。
【００２５】次に超音波受信センサ２Ａ、２Ｂの構成を説明する。図５（ａ）は本発明の実施の形態２における超音波受信センサの構成を示す断面図、図５（ｂ）は本発明の実施の形態２における超音波受信センサの構成を示す斜視図、図６は本発明の実施の形態２における超音波受信センサ受信感度の指向性を示す図、図７は本発明の実施の形態２における座標算出ユニットでの制御を示すフローチャートである。
【００２６】図５（ａ）、（ｂ）において、超音波受信センサの外形形状は円筒形であって、７はケース、８はコーン、９は圧電振動子、１０は絶縁物、１１は電気端子である。１２は保護スクリーンであり、超音波の入射口である受信開口部１３に相当する。ここで、コーン８と圧電振動子９の長さをＬ１、受信開口部１３の直径をＬ３、実施の形態１で示した超音波受信センサの受信開口部の直径をＬ２とすると、Ｌ１＞Ｌ３＞Ｌ２なる関係である。そのため感度は、図６に示すように従来の超音波受信センサと実施の形態１の超音波受信センサの中間の指向性となる。従って、実施の形態１で説明した位置に本超音波受信センサを設置しても、受信した超音波受信信号強度は、距離だけに依存するだけでなく、スタイラスと超音波受信センサとの成す角度にも依存することになる。
【００２７】そこで、座標算出ユニット４は、図７に示すステップで制御を行う。まず、ステップ０にて、直前に算出した座標（Ｘ，Ｙ）を保持する。続いてステップ１にて、保持した座標が、図４に示す領域Ｒ１にあるかどうか判断する。ここで領域Ｒ１は、超音波受信センサの正面方向領域、領域Ｒ２は、正面方向から傾いた領域Ｒ１に隣接する領域とする。また領域Ｒ１とＲ３、領域Ｒ２とＲ４は、正面方向に対して対称な領域である。もし、領域Ｒ１にあるならば、引き続いてスタイラス５は領域Ｒ１ある可能性が高いのでステップ２に進む。
【００２８】ステップ２では、所定のゲイン特性１を選択して、これを受信波形に適用する。もし、ステップ１にて保持した座標が、図４に示す領域Ｒ２にあるならば、引き続いてスタイラスは領域Ｒ２にある可能性が高いのでステップ３に進み、所定のゲイン特性２を選択して、これを受信波形に適用する。
【００２９】以上のステップにより、スタイラス５が存在する可能性が高い領域に応じてゲイン特性を選択するため、超音波受信センサの感度に多少の指向性があっても、それを相殺するゲイン特性が用いることにより、受信した超音波受信信号強度は、距離だけに依存することにできる。しかも、実施の形態１に比べて、受信開口部が大きいため見かけ上の超音波受信センサの感度が良いことになるので超音波受信信号強度が強くなり、受信信号処理部３のＳＮ比がよいというメリットがある。
【００３０】また、従来の超音波受信センサで直接超音波を受信した場合に比べて、感度の角度依存性が少ないため分割領域数を少なくすることができるので、スタイラス５が存在する領域を高い確率で予想することができるし、スタイラス５が異なる領域間を行き来する回数も減る。従って多くのゲイン特性を保有することがなくなるので処理回路が簡単になるとともに、正確な座標算出も行える。
【００３１】本実施の形態では、超音波信号強度を一定にするため、座標算出ユニット４が受信ゲイン特性を選択し、これを受信信号処理部３Ａ、３Ｂにて超音波受信信号に対して処理し、これと所定レベルの電圧と比較することでタイミング信号を生成したが、超音波受信信号と比較する所定電圧の方を選択することでタイミング信号を生成してもよい。
【００３２】以上説明したように本実施の形態によれば、直接スタイラスからの超音波を超音波受信センサにて受信できるので受信ユニットを小さくすることができ、また領域に応じて受信ゲインを選択することで超音波信号強度を一定にすることができるので簡単な処理回路にて正確な座標算出が行える超音波座標入力装置を提供することができる。
【００３３】（実施の形態３）図８は本発明の実施の形態３におけるインタラクティブボードを示す構成図である。図８において、２１はインタラクティブボード、１４は筆記具を用いて文字、図形等の画像の書き込みが行なえ、またプロジェクタ（図示せず）で投影した画像を写し出せるシート材、１５はシート材１４を図中Ａの方向に回転搬送するための駆動ローラ、１６は駆動ローラ１５とともに回転する従動ローラ、１７はシート材１４上書き込み画像を読み込むためのスキャナ、１８はスキャナ１７で読み込んだ画像やプロジェクタで投影した画像を記録紙に出力する出力部としての感熱プリンタ、１９はパソコン（図示せず）に接続され、スキャナ１７と感熱プリンタ１８と後述する超音波座標入力装置とを制御する制御部である。
【００３４】超音波座標入力装置は、２０Ａ、２０Ｂは超音波受信センサ２Ａ、２Ｂと受信信号処理部３Ａ、３Ｂとを含んだ超音波受信ユニット、超音波振動子６を備えたスタイラス５等から構成される。プロジェクタで投影した画像はパソコンの画面（モニタ）に表示される内容であり、これを記録紙に出力するには、投影されている画像データをパソコンからインタラクティブボード２１に送出し、これを制御部１９が受信し、感熱プリンタ１８を制御して記録紙に出力する。
【００３５】以上のように構成されたインタラクティブボード２１についてその動作を説明する。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の実施の形態３におけるインタラクティブボードの使用形態説明図である。
【００３６】まず、図９（ａ）に示すインタラクティブボード２１では、パソコンＰＣとプロジェクタＰＪとを用いてプロジェクタＰＪからの画像をインタラクティブボード２１のシート材１４上に投影すれば、シート材１４に投影された画像を見ながら、スタイラス５を用いて、インタラクティブボード２１側から表示画面を切り替えたり、文字や線、絵などを書いたりといったパソコン操作を行なうことができる。これはスタイラス５に備えた超音波振動子６から所定の周期にて超音波を送出し、これを超音波受信ユニット２０Ａ、２０Ｂにて受信してタイミング信号が生成される。制御部１９ではこのタイミング信号に基づいて超音波伝播時間を計測することでスタイラス５と超音波受信ユニット２０Ａ、２０Ｂとの距離を計測し、座標を算出することができるので、この座標情報をパソコンＰＣに転送することで、スタイラス５の位置に応じたパソコン操作が可能となる。このようなインタラクティブボード２１は、パソコン教室でのトレーニングや、プレゼンテーションに利用することができ、さらには、相互のパソコンを公衆回線を介して接続することにより、遠隔地の会議システムとしても利用することができる。
【００３７】次に、図９（ｂ）に示すインタラクティブボード２１では、パソコンＰＣと接続することにより、マーキング機能の付いたスタイラス５を用いてインタラクティブボード２１上に議事録等を書き込むと同じにパソコンＰＣにもこのスタイラス５の書き込んだ座標情報を取り込むことができる。これはスタイラス５に備えた超音波振動子６から所定の周期にて超音波を送出し、これを超音波受信ユニット２０Ａ、２０Ｂにて受信してタイミング信号が生成される。制御部１９ではこのタイミング信号に基づいて超音波伝播時間を計測することでスタイラス５と超音波受信ユニット２０Ａ、２０Ｂとの距離を計測し、座標を算出することができるので、この座標情報をパソコンＰＣに転送することで、スタイラス５の位置に応じた座標情報を取り込むことができる。このようなインタラクティブボード１１は、相互のパソコンを公衆回線を介して接続することにより、遠隔地の会議システムとしても利用することができる。
【００３８】さらに図９（ｂ）に示すインタラクティブボード２１では、座標検出部として超音波を利用するのでなく、スキャナ１７を使用してパソコンＰＣに書き込んだ座標情報を取り込むことができる。これは、マーキング機能の付いたスタイラス５を用いてシート材１４上に議事録等の書き込みを行ない、必要になればインタラクティブボード２１の電源をＯＮにして制御部１９を動作させ、駆動ローラ１５及び従動ローラ１６によりシート材１４を回転搬送させ、スキャナ１７によりシート材１４上に書き込まれた画像を読み込み、この画像をパソコンＰＣに転送する。この場合には、遠隔地の会議システムとしても利用した場合に、相手側に検討した途中経過を知らせることなく、結果のみを転送できるといった使い方が可能である。
【００３９】最後に、さらに図９（ｃ）に示すインタラクティブボード２１では、パソコンＰＣやプロジェクタＰＪと接続しなくても、またインタラクティブボードの電源をＯＮにすることなくマーキング機能の付いたスタイラス５や筆記具を用いてインタラクティブボード２１上に議事録等を書き込み、必要であればその後にインタラクティブボード２１の電源をＯＮにして議事録をコピー出力することができる。
【００４０】これは、マーキング機能の付いたスタイラス５や筆記具を用いてシート材１４上に議事録等の書き込みを行ない、必要になればインタラクティブボード２１の電源をＯＮにして制御部１９を動作させ、駆動ローラ１５及び従動ローラ１６によりシート材１４を回転搬送させ、スキャナ１７によりシート材１４上に書き込まれた画像を読み込み、この読み込んだ画像を感熱プリンタ１６で出力する。このようなインタラクティブボード２１は、スタンドアローンで動作させることができるので、会議を容易に開始することができるし、また必要最低限の時のみインタラクティブボード２１の電源をＯＮにすればよいので省エネルギーにもつながる。
【００４１】以上説明したように、本実施の形態によれば、パソコンＰＣやプロジェクタとのシステムを構成して使用したり、スタンドアローンで使用したりというように、会議の目的やシステム環境に応じて各種使用形態が可能となる。
【００４２】
【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の超音波座標入力装置によれば、超音波受信手段での受信指向性がなくなるので直接超音波を受信することができる。従って超音波受信手段を含む受信ユニットを小さくできるため操作性の向上が図れ、また反射部材やその設置のための調整作業が不要になるため安価で、さらに正確な座標入力が行える。
【００４３】請求項２記載の超音波座標入力装置によれば、請求項１記載の座標算出ユニットが受信波形にかける受信ゲインまたはスライスレベルを過去の算出座標に応じて選択することにより、超音波受信手段での受信指向性がなくなるので直接超音波を受信することができる。また超音波受信手段を含む受信ユニットを小さくできるため操作性の向上が図れ、また反射部材やその設置のための調整作業が不要になるため安価で、さらに十分なＳＮで超音波受信信号を受信できるため正確な座標入力が行える。
【００４４】請求項３記載のインタラクティブボードによれば、プロジェクタとパソコンを同じに用いれば、画像が投影されたシート材上で表示を見ながらパソコン操作を行なうことができ、またパソコンやプロジェクタがなくても電源をＯＮにすることなく筆記具によるシート材での書き込みを行なうことができ、必要であれば電源をＯＮにしてシート材上の書き込み画像のコピー出力を行なうことができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年１０月２４日（２０００．１０．２４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９７４４５
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００２−１３２４３７（Ｐ２００２−１３２４３７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年５月１０日（２００２．５．１０） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−３２３６８３（Ｐ２０００−３２３６８３） |
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