電子ペン装置
【課題】 長時間使用する場合であっても、描画性能が維持される電子ペン装置を提供する。
【解決手段】 本発明の電子ペン装置１０は、電子ペン１１が、電磁波送信手段と、超音波送信手段とを備える送信部を有し、受信部１２が、電磁波受信手段と、少なくとも２つの超音波受信手段と、超音波が前記超音波送信手段から前記超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間を算出するデータ処理手段とを備え、データ処理装置１４が、前記超音波送信手段と前記超音波受信手段との距離を計算して前記電子ペン１１の位置を算出し、画像表示装置１３上に電子ペン１１の位置を表示し、前記超音波受信手段が、画像表示装置１３の表示面側に配置され、移動手段１５により、画像表示装置１３に対して相対的に移動可能であり、前記移動が、画像表示装置１３の表示面に対する垂直方向の移動を含むことを特徴とする。
【解決手段】 本発明の電子ペン装置１０は、電子ペン１１が、電磁波送信手段と、超音波送信手段とを備える送信部を有し、受信部１２が、電磁波受信手段と、少なくとも２つの超音波受信手段と、超音波が前記超音波送信手段から前記超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間を算出するデータ処理手段とを備え、データ処理装置１４が、前記超音波送信手段と前記超音波受信手段との距離を計算して前記電子ペン１１の位置を算出し、画像表示装置１３上に電子ペン１１の位置を表示し、前記超音波受信手段が、画像表示装置１３の表示面側に配置され、移動手段１５により、画像表示装置１３に対して相対的に移動可能であり、前記移動が、画像表示装置１３の表示面に対する垂直方向の移動を含むことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ペン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を用いてその伝搬時間を測定し、電子ペン等の座標入力装置等の位置検出を行う方法や装置（電子ペン装置）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この電子ペン装置は、一定波形の超音波信号と赤外線トリガー信号とを一定周期で送信する電子ペンと、電子ペンから送信された２つの信号を受信する受信部とを備える。この電子ペン装置では、前述の受信部が、赤外線トリガー信号の到達時点と超音波信号の到達時点とから電子ペンの位置を特定する。
【０００３】
前述の電子ペン装置を、企業における会議や学校での授業向け等に適用する場合、大画面のものを使用する必要があるため、多くの場合、プロジェクタとプロジェクタにより投影されるスクリーンが用いられている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、スクリーン投影型の電子ペン装置では、描画時に電子ペンを操作する人の影がスクリーンに映りこんでしまう。
【０００４】
一方、近年の薄型テレビの大画面化や地上波デジタル放送への対応により、学校向けに大型の画像表示装置（例えば、プラズマディスプレイパネルや液晶ディスプレイパネル等）が導入されてきている。また、企業における会議システムにおいても、机の中に埋め込まれた大型の画像表示装置が導入されてきている。これらに伴い、企業での会議や学校での授業向け等に、大型の画像表示装置を、電子ペン装置に適用する要望が高まってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６１１８２０５号明細書
【特許文献２】特開２００５−１２８６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
画像表示装置を電子ペン装置に適用すると、特に、大型の画像表示装置を用いた場合、時間が経つにつれて応答速度や応答精度等の描画性能が低下する場合がある。
【０００７】
本発明の目的は、長時間使用する場合であっても、描画性能が維持される電子ペン装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明の電子ペン装置は、
送信部を有する電子ペンと、受信部と、画像表示装置と、データ処理装置と、移動手段とを備え、
前記送信部が、
超音波の送信タイミングを表す電磁波信号を送信する電磁波送信手段と、
前記超音波を送信する超音波送信手段とを備え、
前記受信部が、
前記電磁波送信手段が送信する電磁波信号を受信する電磁波受信手段と、
前記超音波送信手段が送信する超音波を受信する超音波受信手段と、
前記受信した超音波から超音波到達時点を検出し、前記電磁波信号を送信した時点と前記検出された超音波到達時点とから、超音波が前記超音波送信手段から前記超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間を算出するデータ処理手段とを備え、
前記超音波受信手段が、少なくとも２つ備えられており、
前記少なくとも２つの超音波受信手段は、相互に離れて配置され、
前記データ処理装置が、
算出した前記超音波伝搬時間と前記超音波受信手段相互の距離とに基づき、前記超音波送信手段と前記超音波受信手段との距離を計算して前記電子ペンの位置を算出し、前記画像表示装置上に前記電子ペンの位置を表示し、
前記超音波受信手段が、
前記画像表示装置の表示面側に配置され、
前記移動手段により、前記画像表示装置に対して相対的に移動可能であり、
前記移動が、前記画像表示装置の表示面に対する垂直方向の移動を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、長時間使用する場合であっても、描画性能が維持される電子ペン装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の電子ペン装置の実施形態１における一例の構成を示す平面図である。
【図２】本発明の電子ペン装置の実施形態１における一例の構成を示す側面図である。
【図３】本発明の電子ペン装置の実施形態１における一例の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の電子ペン装置の実施形態１における一例の構成を示すブロック図に信号の流れを表示した図である。
【図５】本発明の電子ペン装置の実施形態１において用いられるＭ系列データにより位相変調された超音波駆動信号の波形図の一例である。
【図６】超音波受信手段のプラズマディスプレイパネルからの位置と超音波受信ゲインとの関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、関連技術の電子ペン装置の一例の構成を示す平面図である。（ｂ）は、プラズマディスプレイパネルの使用時間とプラズマディスプレイパネルの表面温度との関係を示すグラフである。（ｃ）は、プラズマディスプレイパネルの使用時間と超音波受信手段の受信ゲインとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の電子ペン装置について、詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。
【００１２】
（実施形態１）
図１から４に、本実施形態の電子ペン装置の一例の構成を示す。図１は、本実施形態の電子ペン装置の平面図である。図２は、本実施形態の電子ペン装置の側面図である。図３および４は、本実施形態の電子ペン装置のブロック図である。図１から４において、同一部分には、同一符号を付している。図１から４に示すとおり、この電子ペン装置１０は、電子ペン１１と、受信部１２と、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）１３と、データ処理装置１４と、アクチュエータ１５と、温度センサ１６と、位置センサ１７とを備えている。データ処理装置１４は、受信部１２、ＰＤＰ１３、アクチュエータ１５、温度センサ１６および位置センサ１７に電気的に接続されている。受信部１２は、アクチュエータ１５上に搭載されて、ＰＤＰ１３の表示面側で、ＰＤＰ１３表面の外側に配置されている。受信部１２は、アクチュエータ１５によりＰＤＰ１３の表示面に対して、垂直方向（図２の矢印方向）に移動可能である。
本実施形態でのＰＤＰ１３は、本発明における「画像表示装置」に相当する。本実施形態でのアクチュエータ１５は、本発明における「移動手段」に相当する。本実施形態での温度センサ１６は、本発明における「温度測定手段」に相当する。本実施形態での位置センサ１７は、本発明における「移動距離測定手段」に相当する。
【００１３】
電子ペン１１は、送信部１００と、スイッチ１１１とを備えている。送信部１００は、制御回路１０１と、Ｍ系列波形生成回路１０２と、超音波駆動回路１０３と、超音波送信器１０４と、赤外線駆動回路１０５と、赤外線送信器１０６とを備えている。制御回路１０１は、Ｍ系列波形生成回路１０２、赤外線駆動回路１０５およびスイッチ１１１に電気的に接続されている。Ｍ系列波形生成回路１０２は、超音波駆動回路１０３に電気的に接続されている。超音波駆動回路１０３は、超音波送信器１０４に電気的に接続されている。赤外線駆動回路１０５は、赤外線送信器１０６に電気的に接続されている。
本実施形態での制御回路１０１、Ｍ系列波形生成回路１０２、超音波駆動回路１０３および超音波送信器１０４は、本発明における「超音波を送信する超音波送信手段」に相当する。本実施形態での制御回路１０１、赤外線駆動回路１０５および赤外線送信器１０６は、本発明における「超音波の送信タイミングを表す電磁波信号を送信する電磁波送信手段」に相当する。
【００１４】
受信部１２は、超音波受信器２０１−１および２０１−２と、サンプリング回路２０２と、赤外線受信器２０３と、検出回路２０４と、メモリ２０５と、データ処理回路２０６とを備えている。超音波受信器２０１−１および２０１−２は、サンプリング回路２０２に電気的に接続されている。赤外線受信器２０３は、検出回路２０４に電気的に接続されている。サンプリング回路２０２および検出回路２０４は、メモリ２０５に電気的に接続されている。メモリ２０５は、データ処理回路２０６に電気的に接続されている。データ処理回路２０６は、データ処理装置１４に電気的に接続されている。
本実施形態での超音波受信器２０１−１および２０１−２、並びにサンプリング回路２０２は、本発明における「超音波送信手段が送信する超音波を受信する超音波受信手段」に相当する。本実施形態での赤外線受信器２０３および検出回路２０４は、本発明における「電磁波送信手段が送信する電磁波信号を受信する電磁波受信手段」に相当する。超音波受信器２０１−１と超音波受信器２０１−２とは、相互に離れて配置されている。
なお、本実施形態の電子ペン装置では、受信部１２は、ＰＤＰ１３の下方に配置されているが、本発明は、この例に限定されず、その配置位置は、ＰＤＰ１３の表示面側であればよく、例えば、ＰＤＰ１３の上方に配置されても、側方に配置されてもよい。
【００１５】
制御回路１０１は、例えば、中央演算処理回路（ＣＰＵ）を備える。制御回路１０１が実行する制御は、後述する。なお、本実施形態の電子ペン装置を構成する電子ペンが、例えば、操作部、表示部、メモリ等を備える場合には、制御回路１０１は、例えば、これらの部材と電気的に接続されていてもよい。
【００１６】
超音波送信器１０４は、例えば、圧電素子または磁歪素子等から構成される。前記圧電素子は、電圧駆動型であり消費電力が小さい。前記圧電素子としては、例えば、セラミック系圧電素子、ポリフッ化ビニリデン等のフィルム状の圧電素子等があげられる。これらの中でも、ポリフッ化ビニリデン等のフィルム状の圧電素子が、機械的なＱが低く残留振動が短いため、変調波に追従した超音波を発信できるため好ましい。超音波受信器２０１−１および２０１−２は、例えば、圧電素子、磁歪素子またはマイクロフォン等から構成される。前記圧電素子としては、例えば、前述のものがあげられる。
【００１７】
赤外線送信器１０６としては、例えば、発光ダイオードが用いられる。赤外線受信器２０３としては、例えば、フォトダイオードが用いられる。
【００１８】
本発明において、画像表示装置とは、例えば、熱源を有するディスプレイを示す。本実施形態の電子ペン装置では、画像表示装置として、プラズマディスプレイパネルが用いられているが、本発明は、この例に限定されない。前記画像表示装置は、例えば、プラズマディスプレイパネル、ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイパネル等の画素自体が発光するディスプレイであってもよい。また、前記画像表示装置は、例えば、蛍光管やＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の光源を備える液晶ディスプレイパネル等であってもよい。前記画像表示装置表面は、硬質材料で構成されていることが好ましい。このようにすることで、例えば、電子ペンによる適度な押圧を確保しつつ、画像表示装置表面の傷付きを防止可能である。前記硬質材料としては、例えば、ガラスやハードコート層が表面に形成された透明樹脂等があげられる。
【００１９】
データ処置装置１４は、例えば、後述する制御を実行するソフトウエアを具備するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）である。
【００２０】
アクチュエータ１５は、従来公知のものを用いることができ、例えば、ステッピングモータ等があげられる。なお、本発明における移動手段は、アクチュエータに限定されない。
【００２１】
本実施形態の電子ペン装置では、前述のとおり、超音波受信器２０１−１および２０１−２を備える受信部１２は、アクチュエータ１５により、ＰＤＰ１３の表示面に対して、垂直方向（図２の矢印方向）に移動可能である。この結果、本実施形態の電子ペン装置では、長時間使用する場合であっても、応答速度や応答精度等の描画性能が維持される。この効果が奏されるメカニズムは、以下のとおりである。なお、以下のメカニズムは推定であり、本発明を何ら制限ないし限定するものではない。
【００２２】
すなわち、超音波は、空気の粗密波として伝搬するため、伝搬媒体となる空気の流れの影響を受けて、その指向性が変化する場合がある。例えば、プラズマディスプレイパネルや、液晶ディスプレイパネル等の画像表示装置を用いる場合には、特に、大型のものを使用すると、例えば、その表面温度が５０℃を超えることがある。このように画像表示装置の表面温度が高くなると、その表面の空気の流れが、例えば、上昇気流のような挙動を示す。この空気の流れにより、超音波の伝搬方向が画像表示装置の表面から離れる方向に変化（指向性の変化）してしまうと推定される。このため、例えば、使用時間の経過に伴い、画像表示装置の表面温度が上昇することで、超音波受信手段における受信感度が低下し、応答速度や応答精度等の描画品質が劣化する。さらに、この描画品質の劣化は、超音波受信手段から遠い位置で顕著である。
【００２３】
図７を用いて、前記受信感度の低下を具体的に説明する。図７（ａ）に示す電子ペン装置７０は、５０インチサイズのプラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）７３を画像表示装置とする。このＰＤＰ７３の画面長辺の両側に、それぞれ超音波送信手段（電子ペン）７０１と超音波受信手段を備える受信部７２とを設置する。同図における符号７０２は、ＰＤＰ７３の表面温度を測定する位置を示す。図７（ｂ）は、使用時間と温度測定位置７０２におけるＰＤＰ７３の表面温度との関係を示すグラフである。図示のとおり、使用時間が経つにつれて、ＰＤＰ７３表面の温度が上昇している。図７（ｃ）は、使用時間と超音波受信手段での超音波受信ゲインとの関係を示すグラフである。図示のとおり、時間が経つにつれて、超音波受信ゲインが大きく下がっている。このように、画像表示装置表面の温度上昇による空気の流れの変化（上昇気流）が、超音波の指向性（伝搬方向）を変化させ、超音波受信手段における超音波受信ゲインを低下させていると推定される。
【００２４】
ＰＤＰ１３の表面温度が上昇した状態で、超音波受信器２０１−１および２０１−２を備える受信部１２を、ＰＤＰ１３表面に対して垂直方向（図２において、矢印の方向）に移動させた場合の受信部１２の位置と、前記超音波受信器での超音波受信ゲインとの関係を図６に示す。図示のとおり、受信部１２をＰＤＰ１３表面から垂直方向に離していくと、受信部１２のＰＤＰ１３表面からの高さが、超音波送信器１０４（電子ペン１１）のＰＤＰ１３表面からの高さより高い位置で、一旦超音波受信ゲインが大きくなりその後低下に転じる。このような現象は、本発明者等が初めて見出したものである。これは、超音波送信器１０４（電子ペン１１）から送信される超音波の指向性が、ＰＤＰ１３表面に対して平行であるところ、ＰＤＰ１３表面の温度上昇により発生した上昇気流によって、超音波の指向性が変化したためと推定される。
なお、例えば、プロジェクタを投影するスクリーンを用いる場合には、その表面温度がほとんど上昇しないため、温度変化による描画性能の低下はほとんど起こらない。
【００２５】
前述のとおり、超音波の指向性の変化は、例えば、プラズマディスプレイパネル表面の温度変化（温度分布）によると推定される。このため、ＰＤＰ１３の温度を測定する温度センサ１６から得られる温度情報に基づき、アクチュエータ１５の移動を制御することが好ましい。このようにすることで、ＰＤＰ１３の表面温度に応じて受信部１２を最適な位置に移動させることができる。この制御の詳細は、後述する。温度センサ１６は、従来公知のものを用いることができる。なお、本発明において、温度測定手段は、温度センサに限定されず、例えば、温度計等であってもよい。
【００２６】
アクチュエータ１５の移動距離は、例えば、アクチュエータをステッピングモータとした場合、駆動パルス数により制御することも可能であるが、位置センサ１７によるフィードバック制御を行えば、より最適な位置を維持することができる。この制御の詳細は、後述する。位置センサ１７は、例えば、従来公知のものを用いることができる。
【００２７】
つぎに、本実施形態の電子ペン装置の使用方法を説明する。
【００２８】
本実施形態の電子ペン装置では、電子ペン１１のスイッチ１１１が押されると、制御回路１０１は、まず時間計測の基準となるトリガー信号とＭ系列の４ビット初期条件データとを、赤外線駆動回路１０５に供給し（ａ１）、Ｍ系列の４ビット初期条件データを、Ｍ系列波形生成回路１０２に供給する（ｂ１）。前述のとおり、制御回路１０１はＣＰＵ等を備えるため、例えば、各信号波形には矩形波が用いられる。
【００２９】
赤外線駆動回路１０５は、制御回路１０１からの信号に基づき赤外線駆動用信号を生成する（ａ２）。赤外線送信器１０６は、この赤外線駆動回路１０５からの赤外線駆動用信号により駆動され、赤外線を電子ペン１１から空間に送出する（ａ３、電磁波送信工程）。前記赤外線は、赤外線受信器でのサンプリングに対する時間ズレを小さくして計測誤差を最小にするために、矩形波であることが好ましい。前記赤外線は、例えば、複数の電子ペンを用いる場合には、電子ペン毎に重複を生じないように帯域分割されたものを用いてもよい。このようにすることで、受信部において、電子ペンを一意に識別可能となる。
なお、本実施形態の電子ペン装置では、コストメリットの観点から、超音波を送信するタイミングを表す電磁波信号として赤外線を用いているが、本発明は、この例に限定されず、前記電磁波信号は、例えば、電波等であってもよい。電波を用いる場合には、例えば、電波発信器と電波受信器として電波受信アンテナとが用いられる。
【００３０】
Ｍ系列波形生成回路１０２は、制御回路１０１からの前記初期条件データに基づきＭ系列ビット列を生成し、これを超音波駆動回路１０３に供給する（ｂ２）。超音波駆動回路１０３は、このＭ系列ビット列により超音波信号を位相変調し、超音波駆動信号として濾波器（図示せず）を経由して超音波送信器１０４に供給する（ｂ３）。超音波送信器１０４は、この超音波駆動信号により駆動され、赤外線送信器１０６の送信タイミングに同期して、Ｍ系列位相変調された超音波信号を空間に送出する（ｂ４、超音波送信工程）。前記超音波信号の波形は、特に制限されない。前記超音波信号の波形としては、例えば、正弦波、矩形波、三角波、台形波等があげられる。なお、超音波送信器が圧電素子等で構成されている場合には、圧電素子がＬ、Ｃ成分を含むため、例えば、超音波駆動波形が矩形波であっても、超音波送信器から送出される超音波は、擬似的な正弦波となる。
このようにして、赤外線信号と超音波信号は電子ペンから同時に受信部に向けて送出される。実際に電子ペンとして機能させるためには、スイッチが押されている間、一定周期で前述の動作を繰り返す。
【００３１】
前記Ｍ系列としては、例えば、４次の特性多項式ｆ（ｘ）＝ｘ４＋ｘ＋１、あるいはｆ（ｘ）＝ｘ４＋ｘ３＋１の性質を有する４ビットシフトレジスタを有し、系列長が１５ビットのビット列があげられる。４ビットの初期条件を変更することにより、データの並びが巡回的にシフトした１５通りの異なるデータを得ることができる。図５に、Ｍ系列データにより位相変調された超音波駆動信号の波形の一例を示す。図示のとおり、この超音波信号の波形は、１５ビットのＭ系列データ「１００１１０１０１１１１０００」の各１ビットを基本波の１周期に対応させている。０の場合は反転位相とし、１の場合は順位相として、変調波は基本波１５周期分の長さとなる。なお、Ｍ系列の詳細は、柏木濶著「Ｍ系列とその応用」（１９９６年３月２５日，昭晃堂）等に記述されている。
なお、本実施形態の電子ペン装置では、超音波の変調方式として擬似ランダム信号で自己相関性の高いＭ系列信号を用いて位相変調を行った場合を示しているが、本発明は、この例に限定されない。超音波の変調方式は、特に限定されず、例えば、いわゆるＧｏｌｄ系列信号であってもよい。
【００３２】
赤外線受信器２０３は、電子ペン１１からの赤外線信号を受信し（ａ３）、これを電気信号に変換し、トリガーパルスとして出力する（ｃ１）。検出回路２０４は、赤外線受信器２０３の出力からトリガーパルスを検出するとトリガーパルスの到達時刻をメモリ２０５に格納する（ｃ２、電磁波受信工程）。また、検出回路２０４は、前記Ｍ系列の初期条件データを検出するとこれをメモリ２０５に格納する（ｃ３）。
なお、本実施形態の電子ペン装置では、前記赤外線信号に前記Ｍ系列の初期条件データを含ませているが、本発明は、この例に限定されない。前記Ｍ系列の初期条件データを赤外線信号に含ませる代わりに、例えば、所定のＭ系列の初期条件データに基づき生成した位相変調Ｍ系列超音波モデル波形をメモリ２０５に予め格納しておいてもよい。そして、赤外線信号が到達すると、データ処理回路２０６がこの位相変調Ｍ系列超音波モデル波形を、メモリ２０５から読出すようにしてもよい。
【００３３】
前述のとおり、超音波受信器２０１−１と超音波受信器２０１−２とは、相互に離れて配置されている。超音波受信器２０１−１および２０１−２は、電子ペン１１から送信された超音波信号を受信し（ｂ４）、これを電気信号に変換し、サンプリング回路２０２に出力する（ｄ１、ｄ２）。サンプリング回路２０２は、超音波受信器２０１−１と２０１−２とから出力される電気信号（超音波信号）を一定間隔でサンプルし、位相変調Ｍ系列超音波データ波形としてメモリ２０５に格納する（ｄ３、超音波受信工程）。
【００３４】
この超音波信号の受信ゲインを大きくするために、前述のとおり、本実施形態の電子ペン装置では、アクチュエータ１５により超音波受信器２０１−１および２０１−２を備える受信部１２を、ＰＤＰ１３の表示面に対して垂直方向（図２の矢印方向）に移動させる（移動工程）。本実施形態の電子ペン装置では、温度センサ１６がＰＤＰ１３の表面温度を測定し、温度センサ１６からデータ処理装置１４にＰＤＰ１３の表面温度の情報が出力される（ｈ、温度測定工程）。データ処理装置１４は、この温度情報に基づいて、アクチュエータ１５の移動距離を算出し、算出された移動距離をアクチュエータ１５に指示する（ｊ）。このとき、例えば、ＰＤＰ１３の画面サイズの情報、ＰＤＰ１３の表面温度とアクチュエータ１５の移動距離とを対応させた温度変化テーブル等を、予めデータ処理装置１４に入力しておき、これらの情報を参照して（情報参照工程）、アクチュエータ１５の移動距離を算出してもよい。なお、前記温度情報は、例えば、データ処理回路２０６に出力してもよい。また、前記温度変化テーブルの情報は、例えば、実際に測定された温度とアクチュエータの移動距離とに基づいて更新してもよい。
【００３５】
本実施形態の電子ペン装置では、例えば、前述の超音波の指向性の変化に対応して、常に大きな超音波受信ゲインを得ることができる位置に、超音波受信器２０１−１および２０１−２を備える受信部１２を移動させることができる。この結果、長時間使用する場合であっても、描画性能を維持することができる。
【００３６】
なお、本実施形態の電子ペン装置では、アクチュエータ１５により送信部１２を、ＰＤＰ１３に対して垂直方向に移動させることで、前記超音波受信手段に相当する超音波受信器２０１−１および２０１−２等を移動させる。ただし、本発明は、この例に限定されず、前記超音波受信手段を移動させられればよい。前記アクチュエータは、例えば、送信部内に搭載され、前記送信部内で、前記超音波受信手段を移動させてもよい。また、前記移動は、前記垂直方向のみの移動に限定されず、大きな超音波受信ゲインを得られる方向であればよい。このため、前記移動は、前記垂直方向の移動を含めばよく、例えば、前記垂直方向を含む斜め方向の移動であってもよい。
また、本実施形態の電子ペン装置では、送信部をアクチュエータにより移動させることで、前記超音波受信手段を画像表示装置に対して相対的に移動させているが、本発明は、この例に限定されない。例えば、画像表示装置を移動させることで、前記超音波受信手段を前記画像表示装置に対して相対的に移動させてもよい。また、前記超音波受信手段および前記画像表示装置の両方を移動させることで、前記超音波受信手段を前記画像表示装置に対して相対的に移動させてもよい。
【００３７】
データ処理回路２０６は、メモリ２０５からトリガーパルス到達を示すデータを読出し（ｅ１）、格納されているＭ系列の初期条件データからＭ系列モデル波形を生成する。このモデル波形を超音波駆動回路１０３での位相変調と同様に超音波で位相変調し、超音波駆動回路１０３から超音波送信器１０４に供給した超音波駆動信号と同じ波形の位相変調超音波Ｍ系列モデル波形を生成する。ついで、データ処理回路２０６は、この位相変調超音波Ｍ系列モデル波形とメモリ２０５に格納されている位相変調Ｍ系列超音波データ波形との間で相関処理を行う（ｅ２）。この相関処理の結果、データ処理回路２０６は、相関値の最初のピークを検出すると、トリガーパルス到達時刻からこの相関値ピークを検出した時点までの経過時間、すなわち、電子ペン１１から送信された超音波信号が受信部１２に到達するまでの伝搬時間を算出する（データ処理工程）。
【００３８】
具体的には、例えば、メモリ２０５に格納されているトリガー検出時刻をサンプリング開始時刻（ｔ）に設定し、データ処理回路２０６が位相変調Ｍ系列超音波データ波形をメモリ２０５から読出し、この読み出したデータ波形と前述の位相変調Ｍ系列超音波モデル波形との間で下記数式（１）に基づきサンプリング開始時刻（ｔ）における相関値Ｃ（ｔ）を算出する。なお、この具体例は、例示であって、本発明を何ら限定ないし制限しない。
【数１】
ｉ：サンプリング時刻変数（整数値）
Ｎ：モデル波形のサンプリング数
ｒ（ｉ）：サンプリング時刻ｉのモデル波形の値
ｆ（ｉ＋ｔ）：サンプリング時刻（ｉ＋ｔ）の受信波形の値
つぎに、得られた相関値からピーク値を探索する。ピーク値が検出されなければ、サンプリング開始時刻（ｔ）を単位量１だけインクリメントし、同様にピーク値探索を繰り返す。相関ピーク値が検出されると、前記相関ピーク値の検出時点における変数ｔに対応するサンプリング時刻をメモリ２０５から読み出す。つぎに、データ処理回路２０６はトリガー検出時刻と相関ピーク値検出時刻とから、電子ペン１１から送信された超音波信号が受信部１２に到達するまでの伝搬時間を算出する。例えば、赤外線トリガーパルスを受信したサンプリング時刻を０とし、サンプリング周期をＤＴとすると、超音波伝搬時間はｔ×ＤＴとして算出できる。この超音波伝搬時間計算を２個の超音波受信器に対して行う。
【００３９】
データ処理回路２０６に電気的に接続されたデータ処理装置１４は、算出した超音波伝搬時間と超音波受信器相互の間隔長とに基づき、三角測量の原理を適用して、電子ペン１１に備えられた超音波送信器１０４（超音波送信手段）と、超音波受信手段との距離を計算して電子ペン１１の位置を算出する（ｆ）。このようにすることで、電子ペン１１の位置を、２個の超音波受信手段と超音波送信手段によって決定される平面上に、超音波受信手段からの相対位置として決定することが可能となる。算出された電子ペン１１の位置情報は、プラズマディスプレイパネル１３上に表示される（ｇ）。このとき、本実施形態の電子ペン装置では、位置センサ１７がアクチュエータ１５の移動量（超音波受信手段の移動距離）を測定し、位置センサ１７からデータ処理装置１４にアクチュエータ１５の移動量の情報が出力される（ｉ、移動距離測定工程）。データ処理装置１４は、この移動量情報に基づき、ＰＤＰ１３上において表示される電子ペン１１の位置を補正する（位置補正工程）。このようにすることで、描画性能をより最適な状態で維持可能となる。本実施形態でのデータ処置装置１４は、本発明における「位置補正手段」を兼ねている。
なお、電子ペンのプラズマディスプレイパネル（画像表示装置）上への位置変換については、例えば、データ処理装置が具備するソフトウエアにより実行される。また、この際の画面サイズと実際の距離との位置変換については、超音波受信手段（受信部）の位置により変化するため、予め数点のキャリブレーションが必要となる。
【００４０】
前述のとおり、本実施形態の電子ペン装置では、赤外線受信器２０３を備える受信部１２が、ＰＤＰ１３表面上より外側に配置されている（図１および２において、ＰＤＰ１３の下方）。このようにすることで、本実施形態のように、例えば、電磁波として赤外線を用いる場合でも、画像表示装置から放射される赤外線によるノイズを回避し、時間基準となるトリガー信号の誤差発生を回避することができる。この結果、本実施形態の電子ペン装置では、より良好な描画性能が得られる。なお、プラズマディスプレイパネルから放射される赤外線は、バースト波に近い特性を示すため、その影響を信号処理等によって除去することは困難である。このため、特に、画像表示装置として、プラズマディスプレイパネルを用いる場合には、前述のように赤外線受信器を配置することで、トリガー信号の誤差発生をより回避することができる。ただし、本発明は、この効果により何ら限定ないし制限されない。
【００４１】
以上、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は必ずしも、上記実施形態に制限されるものでなく、その技術的思想の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含む形態を含めることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０、７０ 電子ペン装置
１１ 電子ペン
１２、７２ 受信部
１３、７３ プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ、画像表示装置）
１４ データ処理装置
１５ アクチュエータ（移動手段）
１６ 温度センサ（温度測定手段）
１７ 位置センサ（移動距離測定手段）
１００ 送信部
１０１ 制御回路
１０２ Ｍ系列波形生成回路
１０３ 超音波駆動回路
１０４ 超音波送信器
１０５ 赤外線駆動回路
１０６ 赤外線送信器
１１１ スイッチ
２０１−１、２０１−２ 超音波受信器
２０２ サンプリング回路
２０３ 赤外線受信器
２０４ 検出回路
２０５ メモリ
２０６ データ処理回路
７０１ 超音波送信手段
７０２ 温度測定位置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ペン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を用いてその伝搬時間を測定し、電子ペン等の座標入力装置等の位置検出を行う方法や装置（電子ペン装置）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この電子ペン装置は、一定波形の超音波信号と赤外線トリガー信号とを一定周期で送信する電子ペンと、電子ペンから送信された２つの信号を受信する受信部とを備える。この電子ペン装置では、前述の受信部が、赤外線トリガー信号の到達時点と超音波信号の到達時点とから電子ペンの位置を特定する。
【０００３】
前述の電子ペン装置を、企業における会議や学校での授業向け等に適用する場合、大画面のものを使用する必要があるため、多くの場合、プロジェクタとプロジェクタにより投影されるスクリーンが用いられている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、スクリーン投影型の電子ペン装置では、描画時に電子ペンを操作する人の影がスクリーンに映りこんでしまう。
【０００４】
一方、近年の薄型テレビの大画面化や地上波デジタル放送への対応により、学校向けに大型の画像表示装置（例えば、プラズマディスプレイパネルや液晶ディスプレイパネル等）が導入されてきている。また、企業における会議システムにおいても、机の中に埋め込まれた大型の画像表示装置が導入されてきている。これらに伴い、企業での会議や学校での授業向け等に、大型の画像表示装置を、電子ペン装置に適用する要望が高まってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６１１８２０５号明細書
【特許文献２】特開２００５−１２８６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
画像表示装置を電子ペン装置に適用すると、特に、大型の画像表示装置を用いた場合、時間が経つにつれて応答速度や応答精度等の描画性能が低下する場合がある。
【０００７】
本発明の目的は、長時間使用する場合であっても、描画性能が維持される電子ペン装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明の電子ペン装置は、
送信部を有する電子ペンと、受信部と、画像表示装置と、データ処理装置と、移動手段とを備え、
前記送信部が、
超音波の送信タイミングを表す電磁波信号を送信する電磁波送信手段と、
前記超音波を送信する超音波送信手段とを備え、
前記受信部が、
前記電磁波送信手段が送信する電磁波信号を受信する電磁波受信手段と、
前記超音波送信手段が送信する超音波を受信する超音波受信手段と、
前記受信した超音波から超音波到達時点を検出し、前記電磁波信号を送信した時点と前記検出された超音波到達時点とから、超音波が前記超音波送信手段から前記超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間を算出するデータ処理手段とを備え、
前記超音波受信手段が、少なくとも２つ備えられており、
前記少なくとも２つの超音波受信手段は、相互に離れて配置され、
前記データ処理装置が、
算出した前記超音波伝搬時間と前記超音波受信手段相互の距離とに基づき、前記超音波送信手段と前記超音波受信手段との距離を計算して前記電子ペンの位置を算出し、前記画像表示装置上に前記電子ペンの位置を表示し、
前記超音波受信手段が、
前記画像表示装置の表示面側に配置され、
前記移動手段により、前記画像表示装置に対して相対的に移動可能であり、
前記移動が、前記画像表示装置の表示面に対する垂直方向の移動を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、長時間使用する場合であっても、描画性能が維持される電子ペン装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の電子ペン装置の実施形態１における一例の構成を示す平面図である。
【図２】本発明の電子ペン装置の実施形態１における一例の構成を示す側面図である。
【図３】本発明の電子ペン装置の実施形態１における一例の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の電子ペン装置の実施形態１における一例の構成を示すブロック図に信号の流れを表示した図である。
【図５】本発明の電子ペン装置の実施形態１において用いられるＭ系列データにより位相変調された超音波駆動信号の波形図の一例である。
【図６】超音波受信手段のプラズマディスプレイパネルからの位置と超音波受信ゲインとの関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、関連技術の電子ペン装置の一例の構成を示す平面図である。（ｂ）は、プラズマディスプレイパネルの使用時間とプラズマディスプレイパネルの表面温度との関係を示すグラフである。（ｃ）は、プラズマディスプレイパネルの使用時間と超音波受信手段の受信ゲインとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の電子ペン装置について、詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。
【００１２】
（実施形態１）
図１から４に、本実施形態の電子ペン装置の一例の構成を示す。図１は、本実施形態の電子ペン装置の平面図である。図２は、本実施形態の電子ペン装置の側面図である。図３および４は、本実施形態の電子ペン装置のブロック図である。図１から４において、同一部分には、同一符号を付している。図１から４に示すとおり、この電子ペン装置１０は、電子ペン１１と、受信部１２と、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）１３と、データ処理装置１４と、アクチュエータ１５と、温度センサ１６と、位置センサ１７とを備えている。データ処理装置１４は、受信部１２、ＰＤＰ１３、アクチュエータ１５、温度センサ１６および位置センサ１７に電気的に接続されている。受信部１２は、アクチュエータ１５上に搭載されて、ＰＤＰ１３の表示面側で、ＰＤＰ１３表面の外側に配置されている。受信部１２は、アクチュエータ１５によりＰＤＰ１３の表示面に対して、垂直方向（図２の矢印方向）に移動可能である。
本実施形態でのＰＤＰ１３は、本発明における「画像表示装置」に相当する。本実施形態でのアクチュエータ１５は、本発明における「移動手段」に相当する。本実施形態での温度センサ１６は、本発明における「温度測定手段」に相当する。本実施形態での位置センサ１７は、本発明における「移動距離測定手段」に相当する。
【００１３】
電子ペン１１は、送信部１００と、スイッチ１１１とを備えている。送信部１００は、制御回路１０１と、Ｍ系列波形生成回路１０２と、超音波駆動回路１０３と、超音波送信器１０４と、赤外線駆動回路１０５と、赤外線送信器１０６とを備えている。制御回路１０１は、Ｍ系列波形生成回路１０２、赤外線駆動回路１０５およびスイッチ１１１に電気的に接続されている。Ｍ系列波形生成回路１０２は、超音波駆動回路１０３に電気的に接続されている。超音波駆動回路１０３は、超音波送信器１０４に電気的に接続されている。赤外線駆動回路１０５は、赤外線送信器１０６に電気的に接続されている。
本実施形態での制御回路１０１、Ｍ系列波形生成回路１０２、超音波駆動回路１０３および超音波送信器１０４は、本発明における「超音波を送信する超音波送信手段」に相当する。本実施形態での制御回路１０１、赤外線駆動回路１０５および赤外線送信器１０６は、本発明における「超音波の送信タイミングを表す電磁波信号を送信する電磁波送信手段」に相当する。
【００１４】
受信部１２は、超音波受信器２０１−１および２０１−２と、サンプリング回路２０２と、赤外線受信器２０３と、検出回路２０４と、メモリ２０５と、データ処理回路２０６とを備えている。超音波受信器２０１−１および２０１−２は、サンプリング回路２０２に電気的に接続されている。赤外線受信器２０３は、検出回路２０４に電気的に接続されている。サンプリング回路２０２および検出回路２０４は、メモリ２０５に電気的に接続されている。メモリ２０５は、データ処理回路２０６に電気的に接続されている。データ処理回路２０６は、データ処理装置１４に電気的に接続されている。
本実施形態での超音波受信器２０１−１および２０１−２、並びにサンプリング回路２０２は、本発明における「超音波送信手段が送信する超音波を受信する超音波受信手段」に相当する。本実施形態での赤外線受信器２０３および検出回路２０４は、本発明における「電磁波送信手段が送信する電磁波信号を受信する電磁波受信手段」に相当する。超音波受信器２０１−１と超音波受信器２０１−２とは、相互に離れて配置されている。
なお、本実施形態の電子ペン装置では、受信部１２は、ＰＤＰ１３の下方に配置されているが、本発明は、この例に限定されず、その配置位置は、ＰＤＰ１３の表示面側であればよく、例えば、ＰＤＰ１３の上方に配置されても、側方に配置されてもよい。
【００１５】
制御回路１０１は、例えば、中央演算処理回路（ＣＰＵ）を備える。制御回路１０１が実行する制御は、後述する。なお、本実施形態の電子ペン装置を構成する電子ペンが、例えば、操作部、表示部、メモリ等を備える場合には、制御回路１０１は、例えば、これらの部材と電気的に接続されていてもよい。
【００１６】
超音波送信器１０４は、例えば、圧電素子または磁歪素子等から構成される。前記圧電素子は、電圧駆動型であり消費電力が小さい。前記圧電素子としては、例えば、セラミック系圧電素子、ポリフッ化ビニリデン等のフィルム状の圧電素子等があげられる。これらの中でも、ポリフッ化ビニリデン等のフィルム状の圧電素子が、機械的なＱが低く残留振動が短いため、変調波に追従した超音波を発信できるため好ましい。超音波受信器２０１−１および２０１−２は、例えば、圧電素子、磁歪素子またはマイクロフォン等から構成される。前記圧電素子としては、例えば、前述のものがあげられる。
【００１７】
赤外線送信器１０６としては、例えば、発光ダイオードが用いられる。赤外線受信器２０３としては、例えば、フォトダイオードが用いられる。
【００１８】
本発明において、画像表示装置とは、例えば、熱源を有するディスプレイを示す。本実施形態の電子ペン装置では、画像表示装置として、プラズマディスプレイパネルが用いられているが、本発明は、この例に限定されない。前記画像表示装置は、例えば、プラズマディスプレイパネル、ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイパネル等の画素自体が発光するディスプレイであってもよい。また、前記画像表示装置は、例えば、蛍光管やＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の光源を備える液晶ディスプレイパネル等であってもよい。前記画像表示装置表面は、硬質材料で構成されていることが好ましい。このようにすることで、例えば、電子ペンによる適度な押圧を確保しつつ、画像表示装置表面の傷付きを防止可能である。前記硬質材料としては、例えば、ガラスやハードコート層が表面に形成された透明樹脂等があげられる。
【００１９】
データ処置装置１４は、例えば、後述する制御を実行するソフトウエアを具備するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）である。
【００２０】
アクチュエータ１５は、従来公知のものを用いることができ、例えば、ステッピングモータ等があげられる。なお、本発明における移動手段は、アクチュエータに限定されない。
【００２１】
本実施形態の電子ペン装置では、前述のとおり、超音波受信器２０１−１および２０１−２を備える受信部１２は、アクチュエータ１５により、ＰＤＰ１３の表示面に対して、垂直方向（図２の矢印方向）に移動可能である。この結果、本実施形態の電子ペン装置では、長時間使用する場合であっても、応答速度や応答精度等の描画性能が維持される。この効果が奏されるメカニズムは、以下のとおりである。なお、以下のメカニズムは推定であり、本発明を何ら制限ないし限定するものではない。
【００２２】
すなわち、超音波は、空気の粗密波として伝搬するため、伝搬媒体となる空気の流れの影響を受けて、その指向性が変化する場合がある。例えば、プラズマディスプレイパネルや、液晶ディスプレイパネル等の画像表示装置を用いる場合には、特に、大型のものを使用すると、例えば、その表面温度が５０℃を超えることがある。このように画像表示装置の表面温度が高くなると、その表面の空気の流れが、例えば、上昇気流のような挙動を示す。この空気の流れにより、超音波の伝搬方向が画像表示装置の表面から離れる方向に変化（指向性の変化）してしまうと推定される。このため、例えば、使用時間の経過に伴い、画像表示装置の表面温度が上昇することで、超音波受信手段における受信感度が低下し、応答速度や応答精度等の描画品質が劣化する。さらに、この描画品質の劣化は、超音波受信手段から遠い位置で顕著である。
【００２３】
図７を用いて、前記受信感度の低下を具体的に説明する。図７（ａ）に示す電子ペン装置７０は、５０インチサイズのプラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）７３を画像表示装置とする。このＰＤＰ７３の画面長辺の両側に、それぞれ超音波送信手段（電子ペン）７０１と超音波受信手段を備える受信部７２とを設置する。同図における符号７０２は、ＰＤＰ７３の表面温度を測定する位置を示す。図７（ｂ）は、使用時間と温度測定位置７０２におけるＰＤＰ７３の表面温度との関係を示すグラフである。図示のとおり、使用時間が経つにつれて、ＰＤＰ７３表面の温度が上昇している。図７（ｃ）は、使用時間と超音波受信手段での超音波受信ゲインとの関係を示すグラフである。図示のとおり、時間が経つにつれて、超音波受信ゲインが大きく下がっている。このように、画像表示装置表面の温度上昇による空気の流れの変化（上昇気流）が、超音波の指向性（伝搬方向）を変化させ、超音波受信手段における超音波受信ゲインを低下させていると推定される。
【００２４】
ＰＤＰ１３の表面温度が上昇した状態で、超音波受信器２０１−１および２０１−２を備える受信部１２を、ＰＤＰ１３表面に対して垂直方向（図２において、矢印の方向）に移動させた場合の受信部１２の位置と、前記超音波受信器での超音波受信ゲインとの関係を図６に示す。図示のとおり、受信部１２をＰＤＰ１３表面から垂直方向に離していくと、受信部１２のＰＤＰ１３表面からの高さが、超音波送信器１０４（電子ペン１１）のＰＤＰ１３表面からの高さより高い位置で、一旦超音波受信ゲインが大きくなりその後低下に転じる。このような現象は、本発明者等が初めて見出したものである。これは、超音波送信器１０４（電子ペン１１）から送信される超音波の指向性が、ＰＤＰ１３表面に対して平行であるところ、ＰＤＰ１３表面の温度上昇により発生した上昇気流によって、超音波の指向性が変化したためと推定される。
なお、例えば、プロジェクタを投影するスクリーンを用いる場合には、その表面温度がほとんど上昇しないため、温度変化による描画性能の低下はほとんど起こらない。
【００２５】
前述のとおり、超音波の指向性の変化は、例えば、プラズマディスプレイパネル表面の温度変化（温度分布）によると推定される。このため、ＰＤＰ１３の温度を測定する温度センサ１６から得られる温度情報に基づき、アクチュエータ１５の移動を制御することが好ましい。このようにすることで、ＰＤＰ１３の表面温度に応じて受信部１２を最適な位置に移動させることができる。この制御の詳細は、後述する。温度センサ１６は、従来公知のものを用いることができる。なお、本発明において、温度測定手段は、温度センサに限定されず、例えば、温度計等であってもよい。
【００２６】
アクチュエータ１５の移動距離は、例えば、アクチュエータをステッピングモータとした場合、駆動パルス数により制御することも可能であるが、位置センサ１７によるフィードバック制御を行えば、より最適な位置を維持することができる。この制御の詳細は、後述する。位置センサ１７は、例えば、従来公知のものを用いることができる。
【００２７】
つぎに、本実施形態の電子ペン装置の使用方法を説明する。
【００２８】
本実施形態の電子ペン装置では、電子ペン１１のスイッチ１１１が押されると、制御回路１０１は、まず時間計測の基準となるトリガー信号とＭ系列の４ビット初期条件データとを、赤外線駆動回路１０５に供給し（ａ１）、Ｍ系列の４ビット初期条件データを、Ｍ系列波形生成回路１０２に供給する（ｂ１）。前述のとおり、制御回路１０１はＣＰＵ等を備えるため、例えば、各信号波形には矩形波が用いられる。
【００２９】
赤外線駆動回路１０５は、制御回路１０１からの信号に基づき赤外線駆動用信号を生成する（ａ２）。赤外線送信器１０６は、この赤外線駆動回路１０５からの赤外線駆動用信号により駆動され、赤外線を電子ペン１１から空間に送出する（ａ３、電磁波送信工程）。前記赤外線は、赤外線受信器でのサンプリングに対する時間ズレを小さくして計測誤差を最小にするために、矩形波であることが好ましい。前記赤外線は、例えば、複数の電子ペンを用いる場合には、電子ペン毎に重複を生じないように帯域分割されたものを用いてもよい。このようにすることで、受信部において、電子ペンを一意に識別可能となる。
なお、本実施形態の電子ペン装置では、コストメリットの観点から、超音波を送信するタイミングを表す電磁波信号として赤外線を用いているが、本発明は、この例に限定されず、前記電磁波信号は、例えば、電波等であってもよい。電波を用いる場合には、例えば、電波発信器と電波受信器として電波受信アンテナとが用いられる。
【００３０】
Ｍ系列波形生成回路１０２は、制御回路１０１からの前記初期条件データに基づきＭ系列ビット列を生成し、これを超音波駆動回路１０３に供給する（ｂ２）。超音波駆動回路１０３は、このＭ系列ビット列により超音波信号を位相変調し、超音波駆動信号として濾波器（図示せず）を経由して超音波送信器１０４に供給する（ｂ３）。超音波送信器１０４は、この超音波駆動信号により駆動され、赤外線送信器１０６の送信タイミングに同期して、Ｍ系列位相変調された超音波信号を空間に送出する（ｂ４、超音波送信工程）。前記超音波信号の波形は、特に制限されない。前記超音波信号の波形としては、例えば、正弦波、矩形波、三角波、台形波等があげられる。なお、超音波送信器が圧電素子等で構成されている場合には、圧電素子がＬ、Ｃ成分を含むため、例えば、超音波駆動波形が矩形波であっても、超音波送信器から送出される超音波は、擬似的な正弦波となる。
このようにして、赤外線信号と超音波信号は電子ペンから同時に受信部に向けて送出される。実際に電子ペンとして機能させるためには、スイッチが押されている間、一定周期で前述の動作を繰り返す。
【００３１】
前記Ｍ系列としては、例えば、４次の特性多項式ｆ（ｘ）＝ｘ４＋ｘ＋１、あるいはｆ（ｘ）＝ｘ４＋ｘ３＋１の性質を有する４ビットシフトレジスタを有し、系列長が１５ビットのビット列があげられる。４ビットの初期条件を変更することにより、データの並びが巡回的にシフトした１５通りの異なるデータを得ることができる。図５に、Ｍ系列データにより位相変調された超音波駆動信号の波形の一例を示す。図示のとおり、この超音波信号の波形は、１５ビットのＭ系列データ「１００１１０１０１１１１０００」の各１ビットを基本波の１周期に対応させている。０の場合は反転位相とし、１の場合は順位相として、変調波は基本波１５周期分の長さとなる。なお、Ｍ系列の詳細は、柏木濶著「Ｍ系列とその応用」（１９９６年３月２５日，昭晃堂）等に記述されている。
なお、本実施形態の電子ペン装置では、超音波の変調方式として擬似ランダム信号で自己相関性の高いＭ系列信号を用いて位相変調を行った場合を示しているが、本発明は、この例に限定されない。超音波の変調方式は、特に限定されず、例えば、いわゆるＧｏｌｄ系列信号であってもよい。
【００３２】
赤外線受信器２０３は、電子ペン１１からの赤外線信号を受信し（ａ３）、これを電気信号に変換し、トリガーパルスとして出力する（ｃ１）。検出回路２０４は、赤外線受信器２０３の出力からトリガーパルスを検出するとトリガーパルスの到達時刻をメモリ２０５に格納する（ｃ２、電磁波受信工程）。また、検出回路２０４は、前記Ｍ系列の初期条件データを検出するとこれをメモリ２０５に格納する（ｃ３）。
なお、本実施形態の電子ペン装置では、前記赤外線信号に前記Ｍ系列の初期条件データを含ませているが、本発明は、この例に限定されない。前記Ｍ系列の初期条件データを赤外線信号に含ませる代わりに、例えば、所定のＭ系列の初期条件データに基づき生成した位相変調Ｍ系列超音波モデル波形をメモリ２０５に予め格納しておいてもよい。そして、赤外線信号が到達すると、データ処理回路２０６がこの位相変調Ｍ系列超音波モデル波形を、メモリ２０５から読出すようにしてもよい。
【００３３】
前述のとおり、超音波受信器２０１−１と超音波受信器２０１−２とは、相互に離れて配置されている。超音波受信器２０１−１および２０１−２は、電子ペン１１から送信された超音波信号を受信し（ｂ４）、これを電気信号に変換し、サンプリング回路２０２に出力する（ｄ１、ｄ２）。サンプリング回路２０２は、超音波受信器２０１−１と２０１−２とから出力される電気信号（超音波信号）を一定間隔でサンプルし、位相変調Ｍ系列超音波データ波形としてメモリ２０５に格納する（ｄ３、超音波受信工程）。
【００３４】
この超音波信号の受信ゲインを大きくするために、前述のとおり、本実施形態の電子ペン装置では、アクチュエータ１５により超音波受信器２０１−１および２０１−２を備える受信部１２を、ＰＤＰ１３の表示面に対して垂直方向（図２の矢印方向）に移動させる（移動工程）。本実施形態の電子ペン装置では、温度センサ１６がＰＤＰ１３の表面温度を測定し、温度センサ１６からデータ処理装置１４にＰＤＰ１３の表面温度の情報が出力される（ｈ、温度測定工程）。データ処理装置１４は、この温度情報に基づいて、アクチュエータ１５の移動距離を算出し、算出された移動距離をアクチュエータ１５に指示する（ｊ）。このとき、例えば、ＰＤＰ１３の画面サイズの情報、ＰＤＰ１３の表面温度とアクチュエータ１５の移動距離とを対応させた温度変化テーブル等を、予めデータ処理装置１４に入力しておき、これらの情報を参照して（情報参照工程）、アクチュエータ１５の移動距離を算出してもよい。なお、前記温度情報は、例えば、データ処理回路２０６に出力してもよい。また、前記温度変化テーブルの情報は、例えば、実際に測定された温度とアクチュエータの移動距離とに基づいて更新してもよい。
【００３５】
本実施形態の電子ペン装置では、例えば、前述の超音波の指向性の変化に対応して、常に大きな超音波受信ゲインを得ることができる位置に、超音波受信器２０１−１および２０１−２を備える受信部１２を移動させることができる。この結果、長時間使用する場合であっても、描画性能を維持することができる。
【００３６】
なお、本実施形態の電子ペン装置では、アクチュエータ１５により送信部１２を、ＰＤＰ１３に対して垂直方向に移動させることで、前記超音波受信手段に相当する超音波受信器２０１−１および２０１−２等を移動させる。ただし、本発明は、この例に限定されず、前記超音波受信手段を移動させられればよい。前記アクチュエータは、例えば、送信部内に搭載され、前記送信部内で、前記超音波受信手段を移動させてもよい。また、前記移動は、前記垂直方向のみの移動に限定されず、大きな超音波受信ゲインを得られる方向であればよい。このため、前記移動は、前記垂直方向の移動を含めばよく、例えば、前記垂直方向を含む斜め方向の移動であってもよい。
また、本実施形態の電子ペン装置では、送信部をアクチュエータにより移動させることで、前記超音波受信手段を画像表示装置に対して相対的に移動させているが、本発明は、この例に限定されない。例えば、画像表示装置を移動させることで、前記超音波受信手段を前記画像表示装置に対して相対的に移動させてもよい。また、前記超音波受信手段および前記画像表示装置の両方を移動させることで、前記超音波受信手段を前記画像表示装置に対して相対的に移動させてもよい。
【００３７】
データ処理回路２０６は、メモリ２０５からトリガーパルス到達を示すデータを読出し（ｅ１）、格納されているＭ系列の初期条件データからＭ系列モデル波形を生成する。このモデル波形を超音波駆動回路１０３での位相変調と同様に超音波で位相変調し、超音波駆動回路１０３から超音波送信器１０４に供給した超音波駆動信号と同じ波形の位相変調超音波Ｍ系列モデル波形を生成する。ついで、データ処理回路２０６は、この位相変調超音波Ｍ系列モデル波形とメモリ２０５に格納されている位相変調Ｍ系列超音波データ波形との間で相関処理を行う（ｅ２）。この相関処理の結果、データ処理回路２０６は、相関値の最初のピークを検出すると、トリガーパルス到達時刻からこの相関値ピークを検出した時点までの経過時間、すなわち、電子ペン１１から送信された超音波信号が受信部１２に到達するまでの伝搬時間を算出する（データ処理工程）。
【００３８】
具体的には、例えば、メモリ２０５に格納されているトリガー検出時刻をサンプリング開始時刻（ｔ）に設定し、データ処理回路２０６が位相変調Ｍ系列超音波データ波形をメモリ２０５から読出し、この読み出したデータ波形と前述の位相変調Ｍ系列超音波モデル波形との間で下記数式（１）に基づきサンプリング開始時刻（ｔ）における相関値Ｃ（ｔ）を算出する。なお、この具体例は、例示であって、本発明を何ら限定ないし制限しない。
【数１】
ｉ：サンプリング時刻変数（整数値）
Ｎ：モデル波形のサンプリング数
ｒ（ｉ）：サンプリング時刻ｉのモデル波形の値
ｆ（ｉ＋ｔ）：サンプリング時刻（ｉ＋ｔ）の受信波形の値
つぎに、得られた相関値からピーク値を探索する。ピーク値が検出されなければ、サンプリング開始時刻（ｔ）を単位量１だけインクリメントし、同様にピーク値探索を繰り返す。相関ピーク値が検出されると、前記相関ピーク値の検出時点における変数ｔに対応するサンプリング時刻をメモリ２０５から読み出す。つぎに、データ処理回路２０６はトリガー検出時刻と相関ピーク値検出時刻とから、電子ペン１１から送信された超音波信号が受信部１２に到達するまでの伝搬時間を算出する。例えば、赤外線トリガーパルスを受信したサンプリング時刻を０とし、サンプリング周期をＤＴとすると、超音波伝搬時間はｔ×ＤＴとして算出できる。この超音波伝搬時間計算を２個の超音波受信器に対して行う。
【００３９】
データ処理回路２０６に電気的に接続されたデータ処理装置１４は、算出した超音波伝搬時間と超音波受信器相互の間隔長とに基づき、三角測量の原理を適用して、電子ペン１１に備えられた超音波送信器１０４（超音波送信手段）と、超音波受信手段との距離を計算して電子ペン１１の位置を算出する（ｆ）。このようにすることで、電子ペン１１の位置を、２個の超音波受信手段と超音波送信手段によって決定される平面上に、超音波受信手段からの相対位置として決定することが可能となる。算出された電子ペン１１の位置情報は、プラズマディスプレイパネル１３上に表示される（ｇ）。このとき、本実施形態の電子ペン装置では、位置センサ１７がアクチュエータ１５の移動量（超音波受信手段の移動距離）を測定し、位置センサ１７からデータ処理装置１４にアクチュエータ１５の移動量の情報が出力される（ｉ、移動距離測定工程）。データ処理装置１４は、この移動量情報に基づき、ＰＤＰ１３上において表示される電子ペン１１の位置を補正する（位置補正工程）。このようにすることで、描画性能をより最適な状態で維持可能となる。本実施形態でのデータ処置装置１４は、本発明における「位置補正手段」を兼ねている。
なお、電子ペンのプラズマディスプレイパネル（画像表示装置）上への位置変換については、例えば、データ処理装置が具備するソフトウエアにより実行される。また、この際の画面サイズと実際の距離との位置変換については、超音波受信手段（受信部）の位置により変化するため、予め数点のキャリブレーションが必要となる。
【００４０】
前述のとおり、本実施形態の電子ペン装置では、赤外線受信器２０３を備える受信部１２が、ＰＤＰ１３表面上より外側に配置されている（図１および２において、ＰＤＰ１３の下方）。このようにすることで、本実施形態のように、例えば、電磁波として赤外線を用いる場合でも、画像表示装置から放射される赤外線によるノイズを回避し、時間基準となるトリガー信号の誤差発生を回避することができる。この結果、本実施形態の電子ペン装置では、より良好な描画性能が得られる。なお、プラズマディスプレイパネルから放射される赤外線は、バースト波に近い特性を示すため、その影響を信号処理等によって除去することは困難である。このため、特に、画像表示装置として、プラズマディスプレイパネルを用いる場合には、前述のように赤外線受信器を配置することで、トリガー信号の誤差発生をより回避することができる。ただし、本発明は、この効果により何ら限定ないし制限されない。
【００４１】
以上、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は必ずしも、上記実施形態に制限されるものでなく、その技術的思想の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含む形態を含めることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０、７０ 電子ペン装置
１１ 電子ペン
１２、７２ 受信部
１３、７３ プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ、画像表示装置）
１４ データ処理装置
１５ アクチュエータ（移動手段）
１６ 温度センサ（温度測定手段）
１７ 位置センサ（移動距離測定手段）
１００ 送信部
１０１ 制御回路
１０２ Ｍ系列波形生成回路
１０３ 超音波駆動回路
１０４ 超音波送信器
１０５ 赤外線駆動回路
１０６ 赤外線送信器
１１１ スイッチ
２０１−１、２０１−２ 超音波受信器
２０２ サンプリング回路
２０３ 赤外線受信器
２０４ 検出回路
２０５ メモリ
２０６ データ処理回路
７０１ 超音波送信手段
７０２ 温度測定位置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信部を有する電子ペンと、受信部と、画像表示装置と、データ処理装置と、移動手段とを備え、
前記送信部が、
超音波の送信タイミングを表す電磁波信号を送信する電磁波送信手段と、
前記超音波を送信する超音波送信手段とを備え、
前記受信部が、
前記電磁波送信手段が送信する電磁波信号を受信する電磁波受信手段と、
前記超音波送信手段が送信する超音波を受信する超音波受信手段と、
前記受信した超音波から超音波到達時点を検出し、前記電磁波信号を送信した時点と前記検出された超音波到達時点とから、超音波が前記超音波送信手段から前記超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間を算出するデータ処理手段とを備え、
前記超音波受信手段が、少なくとも２つ備えられており、
前記少なくとも２つの超音波受信手段は、相互に離れて配置され、
前記データ処理装置が、
算出した前記超音波伝搬時間と前記超音波受信手段相互の距離とに基づき、前記超音波送信手段と前記超音波受信手段との距離を計算して前記電子ペンの位置を算出し、前記画像表示装置上に前記電子ペンの位置を表示し、
前記超音波受信手段が、
前記画像表示装置の表示面側に配置され、
前記移動手段により、前記画像表示装置に対して相対的に移動可能であり、
前記移動が、前記画像表示装置の表示面に対する垂直方向の移動を含むことを特徴とする電子ペン装置。
【請求項２】
前記移動手段が、アクチュエータであることを特徴とする請求項１記載の電子ペン装置。
【請求項３】
さらに、前記画像表示装置表面の温度を測定する温度測定手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載の電子ペン装置。
【請求項４】
さらに、前記超音波受信手段の相対的な移動距離を測定する移動距離測定手段と、
前記移動距離に基づき、前記画像表示装置上において表示される前記電子ペンの位置を補正する位置補正手段とを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電子ペン装置。
【請求項５】
前記超音波送信手段が、
前記電磁波信号の送信と同時に自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成する手段を備え、
前記超音波駆動信号により駆動され、前記超音波駆動信号の基本周波数より高い周波数の超音波を送信し、
前記データ処理手段が、
前記超音波駆動信号と同じ波形をモデル波形とし、検出された超音波波形と前記モデル波形との間で相関値を算出し、算出された相関値の主ピーク値を検出し、前記電磁波信号の検出時点と前記主ピーク値の検出時点とから超音波伝搬時間を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電子ペン装置。
【請求項６】
前記電磁波受信手段が、前記画像表示装置表面の外側に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電子ペン装置。
【請求項７】
前記画像表示装置表面が、硬質材料で構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電子ペン装置。
【請求項１】
送信部を有する電子ペンと、受信部と、画像表示装置と、データ処理装置と、移動手段とを備え、
前記送信部が、
超音波の送信タイミングを表す電磁波信号を送信する電磁波送信手段と、
前記超音波を送信する超音波送信手段とを備え、
前記受信部が、
前記電磁波送信手段が送信する電磁波信号を受信する電磁波受信手段と、
前記超音波送信手段が送信する超音波を受信する超音波受信手段と、
前記受信した超音波から超音波到達時点を検出し、前記電磁波信号を送信した時点と前記検出された超音波到達時点とから、超音波が前記超音波送信手段から前記超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間を算出するデータ処理手段とを備え、
前記超音波受信手段が、少なくとも２つ備えられており、
前記少なくとも２つの超音波受信手段は、相互に離れて配置され、
前記データ処理装置が、
算出した前記超音波伝搬時間と前記超音波受信手段相互の距離とに基づき、前記超音波送信手段と前記超音波受信手段との距離を計算して前記電子ペンの位置を算出し、前記画像表示装置上に前記電子ペンの位置を表示し、
前記超音波受信手段が、
前記画像表示装置の表示面側に配置され、
前記移動手段により、前記画像表示装置に対して相対的に移動可能であり、
前記移動が、前記画像表示装置の表示面に対する垂直方向の移動を含むことを特徴とする電子ペン装置。
【請求項２】
前記移動手段が、アクチュエータであることを特徴とする請求項１記載の電子ペン装置。
【請求項３】
さらに、前記画像表示装置表面の温度を測定する温度測定手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載の電子ペン装置。
【請求項４】
さらに、前記超音波受信手段の相対的な移動距離を測定する移動距離測定手段と、
前記移動距離に基づき、前記画像表示装置上において表示される前記電子ペンの位置を補正する位置補正手段とを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電子ペン装置。
【請求項５】
前記超音波送信手段が、
前記電磁波信号の送信と同時に自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成する手段を備え、
前記超音波駆動信号により駆動され、前記超音波駆動信号の基本周波数より高い周波数の超音波を送信し、
前記データ処理手段が、
前記超音波駆動信号と同じ波形をモデル波形とし、検出された超音波波形と前記モデル波形との間で相関値を算出し、算出された相関値の主ピーク値を検出し、前記電磁波信号の検出時点と前記主ピーク値の検出時点とから超音波伝搬時間を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電子ペン装置。
【請求項６】
前記電磁波受信手段が、前記画像表示装置表面の外側に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電子ペン装置。
【請求項７】
前記画像表示装置表面が、硬質材料で構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電子ペン装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１０７９１９（Ｐ２０１１−１０７９１９Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６１３７８（Ｐ２００９−２６１３７８）
【出願日】平成２１年１１月１６日（２００９．１１．１６）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１６日（２００９．１１．１６）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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