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JP4552308B2 - 超音波座標入力装置およびインタラクティブボード - Google Patents
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JP4552308B2 - 超音波座標入力装置およびインタラクティブボード - Google Patents

超音波座標入力装置およびインタラクティブボード Download PDF

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Description

【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、この受信信号処理部が生成したタイミング信号に基づき前記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は、少なくとも、超音波の入射口である円形の開口部を有するケースと、前記開口部に対向して前記ケース内に設置されたコーン及び圧電振動子と、前記圧電振動子に接続された電気端子とを有し、前記開口部の直径が、前記コーン及び前記圧電振動子の前記開口部に対向する長さより短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、この受信信号処理部が生成した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、超音波受信手段は、少なくとも、超音波の入射口である円形の開口部を有するケースと、開口部に対向してケース内に設置されたコーン及び圧電振動子と、圧電振動子に接続された電気端子とを有し、開口部の直径が、コーン及び圧電振動子の開口部に対向する長さより短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。
【0016】
また、請求項記載のインタラクティブボードは、筆記具を用いて文字、図形の画像の書き込みを行えるとともに、パソコンが接続されたプロジェクタ投影した文字、図形等の画像を写し出せる部材と、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、この受信信号処理部が生成した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とともに、この決定されたスタイラスの位置座標をパソコンに転送する制御手段とを備え、超音波受信手段は、少なくとも、超音波の入射口である円形の開口部を有するケースと、開口部に対向してケース内に設置されたコーン及び圧電振動子と、圧電振動子に接続された電気端子とを有し、開口部の直径が、コーン及び圧電振動子の開口部に対向する長さより短いことを特徴とする
【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。
【0044】
請求項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る
【図面の簡単な説明】
【図1】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
【図2】(a)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
(b)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】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
【図4】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
【図5】(a)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
(b)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】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】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
【図8】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
【図9】(a)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(b)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(c)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
【図10】従来の超音波座標入力装置の構成図
【図11】(a)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
(b)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】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
【符号の説明】
2A、2B 超音波受信センサ
4 座標算出ユニット
5 スタイラス
6 超音波振動子
8 コーン
13 受信開口部
20A、20B 超音波受信ユニット
21 インタラクティブボード

Claims (2)

  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、この受信信号処理部が生成したタイミング信号に基づき前記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は、少なくとも、超音波の入射口である円形の開口部を有するケースと、前記開口部に対向して前記ケース内に設置されたコーン及び圧電振動子と、前記圧電振動子に接続された電気端子とを有し、前記開口部の直径が、前記コーン及び前記圧電振動子の前記開口部に対向する長さより短いことを特徴とする超音波座標入力装置。
  2. 筆記具を用いて文字、図形の画像の書き込みを行えるとともに、パソコンが接続されたプロジェクタ投影した文字、図形等の画像を写し出せる部材と、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、この受信信号処理部が生成したタイミング信号に基づき前記スタイラスの位置座標を決定するとともに、この決定された前記スタイラスの位置座標を前記パソコンに転送する制御手段とを備え、前記超音波受信手段は、少なくとも、超音波の入射口である円形の開口部を有するケースと、前記開口部に対向して前記ケース内に設置されたコーン及び圧電振動子と、前記圧電振動子に接続された電気端子とを有し、前記開口部の直径が、前記コーン及び前記圧電振動子の前記開口部に対向する長さより短いことを特徴とするインタラクティブボード。
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