３次元情報検出装置
【課題】操作性を向上させることができ、検出時間の短縮および検出精度の向上が可能な３次元情報検出装置を提供すること。
【解決手段】指示装置２００の３次元空間における位置および方向をセンサ装置１００によって検出する。指示装置は、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３と、これらに所定周波数の信号を供給する発振回路２１１、２１２、２１３とを備える。センサ装置１００は、複数のセンサコイルと、３つの指示コイルのそれぞれに信号を供給したときに得られる各センサコイルの出力レベルを検出する増幅回路１２２、発振器１２４、１２６、１２８、周波数切替器１３０、周波数変換器１３２、帯域通過フィルタ１３４、検波回路１３６、サンプルホールド回路１３８、アナログ−デジタル変換器１４０と、検出された出力レベルに基づいて指示装置２００の位置および方向を算出するＣＰＵ１５０とを備える。
【解決手段】指示装置２００の３次元空間における位置および方向をセンサ装置１００によって検出する。指示装置は、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３と、これらに所定周波数の信号を供給する発振回路２１１、２１２、２１３とを備える。センサ装置１００は、複数のセンサコイルと、３つの指示コイルのそれぞれに信号を供給したときに得られる各センサコイルの出力レベルを検出する増幅回路１２２、発振器１２４、１２６、１２８、周波数切替器１３０、周波数変換器１３２、帯域通過フィルタ１３４、検波回路１３６、サンプルホールド回路１３８、アナログ−デジタル変換器１４０と、検出された出力レベルに基づいて指示装置２００の位置および方向を算出するＣＰＵ１５０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元空間における位置および方向に関する情報を検出する３次元情報検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、タブレット上に置かれた位置指示器の位置を検出する座標検出装置（例えば、特許文献１参照。）や、３次元情報センサ装置内の複数のセンサコイルと離れて配置された指示装置の３次元位置を検出する３次元情報検出装置（例えば、特許文献２参照。）が知られている。
【０００３】
特許文献１の座標検出装置では、位置指示器内に指示コイルとコンデンサからなる同調回路が設けられており、タブレットに設けられた複数のセンサコイルと同調回路の指示コイルとの間で電磁結合によって信号の送受信を行い、センサコイル側で受信した信号を解析することにより位置指示器の位置検出が行われる。
【０００４】
また、特許文献２の３次元情報検出装置では、指示装置内に設けられた３つの指示コイルに対して順番に周波数信号を供給し、３次元情報センサ装置において複数のセンサコイルの出力を検出することで指示装置の３次元位置および方向を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−３０２１５３号公報（第２−３頁、図３−４）
【特許文献２】特開２００３−１９６０１５号公報（第５−１６頁、図１−４１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に開示された座標検出装置では、センサコイルから位置検出器内の指示コイルに向けて信号を送信した後にこの指示コイルからセンサコイルに信号を送信しているため、センサコイルと指示コイル間の信号の送受信に時間がかかるという問題がある。特に、位置検出器の３次元情報を得るため位置検出器内に設ける指示コイルの数を増やそうとすると、複数の指示コイルのそれぞれと複数のセンサコイルとの間で信号を送受信することになるためさらに時間がかかることになり、位置検出の周期が長くなって位置検出精度の低下につながるため好ましくない。また、センサコイルから指示コイルに対して信号を送信することにより指示コイルに接続されたコンデンサを充電することで、反対に指示コイルからセンサコイルに向けて送信する信号の電力を得ているため、位置検出器がセンサコイルから離れている場合にはセンサコイルの出力レベルが極端に小さくなって検出精度が低下するという問題がある。さらに、位置検出器内に複数の指示コイルを設ける場合を考えると、１つのセンサコイルから送信された信号を複数の指示コイルで同時に受信することになるため、指示コイルを順番に切り替えて１つの指示コイルからセンサコイルへ向けて信号を送信することができず、検出精度の低下につながることになる。
【０００７】
一方、特許文献２に開示された３次元情報検出装置では、指示装置内の３つの指示コイルに信号ケーブルを介して直接信号を送信しているため、指示装置において送信動作に先立って受信動作を行う必要がなく、指示装置から３次元情報センサ装置に向けた信号の送信間隔を短くすることができるため、信号の送信に時間がかかることはない。また、３つの指示コイルにおける信号の出力レベルを一定に維持することができるため、センサコイル側の出力レベルの低下による検出精度の低下を防止することができる。
【０００８】
しかし、特許文献２に開示された３次元情報検出装置では、３次元情報センサ装置内の送信回路から信号ケーブルを介して指示装置内の３つの指示コイルに向けて、３次元情報センサ装置内の受信回路と同期した信号を送信しており、信号ケーブルが必要になることから指示装置の操作を阻害し、操作性が悪いという問題があった。この特許文献２には、指示装置内に電源回路や信号発生回路を設けてもよい旨の記載が含まれるが、３次元情報センサ装置内の受信回路とこの信号発生回路との間で同期をとるために信号ケーブルを介して３次元情報センサ装置と指示装置との間を接続する必要があることに変わりはなく、操作性の改善にはつながらない。
【０００９】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、操作性を向上させることができ、検出時間の短縮および検出精度の向上が可能な３次元情報検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明の３次元情報検出装置は、指示装置の３次元空間における位置および方向をセンサ装置によって検出する。指示装置は、３以上の複数の指示コイルと、これら複数の指示コイルのそれぞれに所定周波数の信号を供給する駆動手段とを備えている。また、センサ装置は、複数のセンサコイルと、複数の指示コイルのそれぞれに信号を供給したときに得られる複数のセンサコイルの出力レベルを検出する出力レベル検出手段と、出力レベル検出手段によって検出された出力レベルに基づいて指示装置の位置および方向を３次元情報として算出する３次元情報算出手段とを備えている。
【００１１】
指示装置内に、複数の指示コイルに信号を供給する駆動手段を設けており、指示コイルからの信号送信に先立ってセンサコイルからの信号送信を行う必要がないため、信号の送信に要する時間を短くすることができる。また、センサコイルとの相対的位置に関係なく常に一定の信号を指示コイルから送信することができ、センサコイルの出力レベルを大きくして位置および方向の検出精度の向上を図ることができる。
【００１２】
また、出力レベル検出手段を周波数変換器、フィルタ、検波回路を備えるヘテロダイン構成により実現することにより、高い検出精度を確保することができる。特に、周波数変換器で低い周波数に変換することにより、Ｑが低いフィルタを用いてノイズの影響を除去することが容易となる。
【００１３】
また、複数の指示コイルのそれぞれを平面状に巻回するとともに、一の指示コイルの中心線に対して他の指示コイルの配置が非対称となるように複数の指示コイルを配置することにより、指示装置の位置および方向を確実に検出することができる。また、複数の指示コイルの少なくとも２つを、指示装置の筐体内の最も離れた位置に離間して配置することにより、高い検出精度で指示装置の位置および方向を検出することができる。
【００１４】
また、指示装置とセンサ装置との間が物理的に分離され、これらの間が信号ケーブルを介して接続されていないため、指示装置を利用者が操作した場合に、信号ケーブルが利用者の操作を阻害することがなく、操作性を向上させることができる。
【００１５】
また、複数の指示コイルに供給される信号の周波数を指示コイル毎に異ならせる場合には、センサコイルの出力と指示コイルとの対応付けが容易になる。このため、複数の指示コイルのそれぞれに並行して信号を供給した場合であっても、センサコイルの出力に含まれる各指示コイルに対応する成分を分離抽出することができる。
【００１６】
また、複数の指示コイルのそれぞれに順番に異なる周波数の信号を供給する場合には、センサ装置側に、複数の指示コイルのそれぞれから信号が送信されるタイミングを検出するタイミング検出手段を備えることにより、センサコイルの出力に含まれる各指示コイルに対応する成分を分離抽出することができる。また、指示コイルを順番に選択的に駆動することにより、指示装置側における電力消費を抑制することができる。
【００１７】
また、複数の指示コイルに供給される信号の周波数を複数の指示コイルについて同じにするとともに、複数の指示コイルのそれぞれに順番に信号を供給する場合には、センサ装置側に、複数の指示コイルのそれぞれから信号が送信されるタイミングを検出するタイミング検出手段を備えることにより、センサコイルの出力に含まれる各指示コイルに対応する成分を分離抽出することができる。また、この場合も指示装置側における電力消費を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一実施形態の３次元情報検出装置の概略的な全体構成を示す図である。
【図２】指示装置の構成を示す図である。
【図３】センサ装置の構成を示す図である。
【図４】指示装置の位置および方向を検出する全体動作の手順を示す流れ図である。
【図５】一連の動作によって取り込まれる検波出力データの説明図である。
【図６】指示コイルの配置の一例を示す図である。
【図７】指示コイルの配置の他の例を示す図である。
【図８】４つの指示コイルを用いる場合の配置の一例を示す図である。
【図９】センサコイルの変形例を示す図である。
【図１０】センサコイルの変形例を示す図である。
【図１１】周波数シンセサイザの構成を示す図である。
【図１２】３つの指示コイルから順番に信号を送信する場合の指示装置の変形例を示す図である。
【図１３】受信側において同期をとる動作手順を示す流れ図である。
【図１４】３つの指示コイルから順番に単一周波数の信号を送信する場合の指示装置の変形例を示す図である。
【図１５】３つの指示コイルから順番に単一周波数の信号を送信する指示装置に対応する処理部の変形例を示す図である。
【図１６】３つの指示コイルから順番に単一周波数の信号を送信する指示装置を用いる場合に受信側において同期をとる動作手順を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を適用した一実施形態の３次元情報検出装置について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、一実施形態の３次元情報検出装置の概略的な全体構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の３次元情報検出装置は、センサ装置１００と指示装置２００を含んで構成されている。
【００２１】
センサ装置１００は、指示装置２００の３次元空間内での位置および方向（図１に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸上の位置と、傾きθと方位φによって特定される方向）を検出する処理を行っており、机上、床上、壁面などに配置されたタブレット１１０と、このタブレット１１０と信号線を介して接続された処理部１２０を備えている。また、指示装置２００は、利用者が携帯可能であって、所定形状の筐体を有している。この指示装置２００は、タブレット１１０や処理部１２０とは物理的に分離しており、これらの間は信号ケーブルを介して接続されていない。
【００２２】
図２は、指示装置２００の構成を示す図である。指示装置２００は、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３と、３つの発振回路２１１、２１２、２１３を備えている。３つの指示コイル２０１、２０２、２０３は、指示装置２００の筐体内に配置されている。配置の具体例については後述する。発振回路２１１は、周波数ｆ１で発振動作を行い、その発振信号が指示コイル２０１に入力される。同様に、発振回路２１２は、周波数ｆ２で発振動作を行い、その発振信号が指示コイル２０２に入力される。発振回路２１３は、周波数ｆ３で発振動作を行い、その発振信号が指示コイル２０３に入力される。これら３つの発振器２１１、２１２、２１３は、常時発振動作を行っており、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３からは同時に３種類の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の信号が送信されている。
【００２３】
図３は、センサ装置１００の構成を示す図である。図３に示すように、タブレット１１０は、水平方向（Ｘ軸方向）に整列配置された１２個のセンサコイルＸ１〜Ｘ１２と、垂直方向（Ｙ軸方向）に整列配置された１２個のセンサコイルＹ１〜Ｙ１２と、選択回路１１２とを備えている。
【００２４】
センサコイルＸ１は、導線が所定回数矩形形状に巻回されたループコイルであって、矩形形状の長辺がＹ軸に平行になるように配置されている。同様に、水平方向に整列配置された他のセンサコイルＸ２〜Ｘ１２のそれぞれも導線が所定回数矩形形状に巻回されたループコイルであって、矩形形状の長辺がＹ軸に平行になるように配置されている。これら１２個のセンサコイルＸ１〜Ｘ１２は、部分的に重複するように水平方向にずらして配置されている。
【００２５】
一方、センサコイルＹ１は、導線が所定回数矩形形状に巻回されたループコイルであって、矩形形状の長辺がＸ軸に平行になるように配置されている。同様に、垂直方向に整列配置された他のセンサコイルＹ２〜Ｙ１２のそれぞれも導線が所定回数矩形形状に巻回されたループコイルであって、矩形形状の長辺がＸ軸に平行になるように配置されている。これら１２個のセンサコイルＹ１〜Ｙ１２は、部分的に重複するように垂直方向にずらして配置されている。
【００２６】
選択回路１１２は、２４個のセンサコイルＸ１〜Ｘ１２、Ｙ１〜Ｙ１２の１つを順番に選択し、選択したセンサコイルの始端および終端（図３において、符号Ａが付されたＸ１Ａ、Ｙ１Ａ等が始端を、符号Ｂが付されたＸ１Ｂ、Ｙ１Ｂ等が終端をそれぞれ示している）の間に現れる電圧を出力する。例えばセンサコイルＸ１、Ｘ２、・・・、Ｘ１２、Ｙ１、Ｙ２、・・・、Ｙ１２の順に選択され、その後、センサコイルＸ１に戻って同じ順番でこの選択動作が繰り返される。
【００２７】
また、図３に示すように、処理部１２０は、増幅回路１２２、発振器１２４、１２６、１２８、周波数切替器１３０、周波数変換器１３２、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１３４、検波回路１３６、サンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ）１３８、アナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ）１４０、ＣＰＵ１５０を備えている。
【００２８】
増幅回路１２２は、選択回路１１２の出力電圧を増幅する。発振器１２４は、周波数（ｆ１＋ｆ０）で発振動作を行う。発振器１２６は、周波数（ｆ２＋ｆ０）で発振動作を行う。発振器１２８は、周波数（ｆ３＋ｆ０）で発振動作を行う。周波数切替器１３０は、３つの発振器１２４、１２６、１２８のそれぞれから出力される発振信号のいずれかを選択する周波数切替を行う。この周波数切替はＣＰＵ１５０からの指示に応じて行われ、例えば、発振器１２４、１２６、１２８の順番に各発振信号が切り替えられ、一巡すると最初からこの切替動作が繰り返される。
【００２９】
周波数変換器１３２は、周波数混合回路（ミキサ）であって、増幅回路１２２の出力信号と周波数切替器１３０の出力信号が入力されており、これら２つの信号を混合して出力する。具体的には、周波数切替器１３０の出力信号の周波数をＦ１、増幅回路１２２の出力信号の周波数をＦ２とすると、これらの信号の和成分（Ｆ１＋Ｆ２）に相当する信号と差成分（Ｆ１−Ｆ２）に相当する信号が周波数変換器１３２から出力される。
【００３０】
帯域通過フィルタ１３４は、周波数変換器１３２から出力される信号の中から周波数ｆ０近傍の成分（中間周波数信号）を通過させて出力する。検波回路１３６は、帯域通過フィルタ１３４から出力される中間周波信号に対してＡＭ検波を行い、周波数ｆ０の信号レベルに対応する電圧を出力する。
【００３１】
上述した発振器１２４、１２６、１２８、周波数切替器１３０、周波数変換器１３２、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１３４、検波回路１３６によってヘテロダイン検波回路が構成されている。指示装置２００内の指示コイル２０１には発振器２１１から周波数ｆ１の信号が、指示コイル２０２には発振器２１２から周波数ｆ２の信号が、指示コイル２０３には発振器２１３から周波数ｆ３の信号がそれぞれ入力されるため、それぞれの指示コイル２０１、２０２、２０３からは周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の信号が送信される。これらの信号がセンサコイルＸ１に到達すると、センサコイルＸ１の始端と終端の間には、これら３つの周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の成分を有する電圧が現れる。周波数切替器１３０によって発振周波数（ｆ１＋ｆ０）の発振器１２４が選択されている場合を考えると、周波数変換器１３２からは、増幅回路１２２から出力される周波数ｆ１に対応する和成分（２ｆ１＋ｆ０）と差成分（ｆ０）に相当する２種類の信号と、周波数ｆ２に対応する和成分（ｆ１＋ｆ２＋ｆ０）と差成分（ｆ１−ｆ２＋ｆ０）に相当する２種類の信号と、周波数ｆ３に対応する和成分（ｆ１＋ｆ３＋ｆ０）と差成分（ｆ１−ｆ３＋ｆ０）に相当する２種類の信号が出力される。帯域通過フィルタ１３４は、これら６種類の信号の中から周波数ｆ１に対応する差成分（ｆ０）のみを通過させる。同様に、周波数切替器１３０によって発振周波数（ｆ２＋ｆ０）の発振器１２６が選択されている場合には、帯域通過フィルタ１３４は、これら６種類の信号の中から周波数ｆ２に対応する差成分（ｆ０）のみを通過させる。周波数切替器１３０によって発振周波数（ｆ３＋ｆ０）の発振器１２８が選択されている場合には、帯域通過フィルタ１３４は、これら６種類の信号の中から周波数ｆ３に対応する差成分（ｆ０）のみを通過させる。
【００３２】
このようにして、周波数切替器１３０によって３つの発振器１２４、１２６、１２８を順番に選択して周波数切替器１３０から周波数変換器１３２に向けて出力する信号の周波数を切り替えることにより、センサコイルＸ１の出力に含まれる３つの周波数成分（ｆ１、ｆ２、ｆ３）に対応する信号の中から帯域通過フィルタ１３４を通過させる成分を切り替えることができる。
【００３３】
特に、中間周波数ｆ０（例えば４５５ｋＨｚ）を３種類の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３（例えば２ＭＨｚ近傍）よりも低くすることにより、Ｑ（＝ｆ０／Ｂ、Ｂは−３ｄＢにおけるバンド幅）が低い帯域通過フィルタ１３４を用いることができ、センサコイルＸ１の出力の中から周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３近傍の狭い周波数帯域の成分のみを抽出して、ノイズの影響を除去することが可能となる。他のセンサコイルについても同様である。
【００３４】
サンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ）１３８は、検波回路１３６の出力電圧を所定時間保持する。アナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ）１４０は、サンプルホールド回路１３８によって保持された電圧を所定ビット数のデジタルデータに変換する。
【００３５】
ＣＰＵ１５０は、メモリやハードディスク装置（ともに図示せず）に格納された所定のプログラムを実行することにより、アナログ−デジタル変換器１４０の出力データ（検波出力データ）に基づいて指示装置２００の３次元空間における位置および方向（３次元情報）を算出する動作と、そのために必要なセンサ装置１００の各部を制御する動作を行う。
【００３６】
上述した発振回路２１１、２１２、２１３が駆動手段に、増幅回路１２２、発振器１２４、１２６、１２８、周波数切替器１３０、周波数変換器１３２、帯域通過フィルタ１３４、検波回路１３６、サンプルホールド回路１３８、アナログ−デジタル変換器１４０が出力レベル検出手段に、ＣＰＵ１５０が３次元情報算出手段にそれぞれ対応する。
【００３７】
本実施形態の３次元情報検出装置はこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。図４は、指示装置２００の位置および方向を検出する全体動作の手順を示す流れ図である。この動作手順は所定の時間間隔（例えば２０ｍｓ毎）で繰り返される。
【００３８】
まず、ＣＰＵ１５０は、選択回路１１２にセンサコイルＸ１を選択する指示を送る。この指示に応じて、選択回路１１２からは、センサコイルＸ１の始端、終端間に現れる電圧が処理部１２０内の増幅回路１２２に向けて出力され、増幅回路１２２で増幅されて周波数変換器１３２に入力される（ステップ１００）。また、ＣＰＵ１５０は、周波数切替器１３０に発振器１２４を選択する指示を送る。この指示に応じて、周波数切替器１３０では発振器１２４が選択されるため、発振器１２４から出力される周波数（ｆ１＋ｆ０）の発振信号が周波数切替器１３０を介して周波数変換器１３２に入力される（ステップ１０１）。
【００３９】
周波数変換器１３２では、発振器１２４から入力される周波数（ｆ１＋ｆ０）の発振信号と、増幅回路１２２から入力される信号とを混合して周波数変換を行う。また、帯域通過フィルタ１３４は、周波数変換器１３２から出力される信号の中から周波数ｆ０近傍の中間周波数信号を抽出する。検波回路１３６は、帯域通過フィルタ１３４から出力される中間周波信号をＡＭ検波する。
【００４０】
次に、ＣＰＵ１５０は、サンプルホールド回路１３８に指示を送って検波回路１３６の出力電圧を保持し、この保持した電圧に対応する検波出力データをアナログ−デジタル変換器１４０から取り込む（ステップ１０２）。このようにして、センサコイルＸ１から出力される信号に含まれる周波数ｆ１に対応する検波出力データの取り込みが行われる。
【００４１】
同様にして、センサコイルＸ１から出力される信号に含まれる周波数ｆ２、ｆ３に対応する検波出力データの取り込みが行われる。すなわち、ＣＰＵ１５０から周波数切替器１３０に発振器１２６を選択する指示を送ることにより、周波数切替器１３０では発振器１２６から出力される周波数（ｆ２＋ｆ０）の発振信号が選択される（ステップ１０３）。これにより、検波回路１３６からは周波数ｆ２に対応する信号が出力され、センサコイルＸ１から出力される信号に含まれる周波数ｆ２に対応する検波出力データがＣＰＵ１５０に取り込まれる（ステップ１０４）。
【００４２】
また、ＣＰＵ１５０から周波数切替器１３０に発振器１２８を選択する指示を送ることにより、周波数切替器１３０では発振器１２８から出力される周波数（ｆ３＋ｆ０）の発振信号が選択される（ステップ１０５）。これにより、検波回路１３６からは周波数ｆ３に対応する信号が出力され、センサコイルＸ１から出力される信号に含まれる周波数ｆ３に対応する検波出力データがＣＰＵ１５０に取り込まれる（ステップ１０６）。
【００４３】
このようにしてセンサコイルＸ１に関する検波出力データの取り込みが終了すると、次に、ＣＰＵ１５０は、検波出力データを取り込んでいない他のセンサコイルがあるか否かを判定する（ステップ１０７）。他のセンサコイルがある場合には肯定判断が行われ、ステップ１００に戻って、次のセンサコイルについて同様の処理が繰り返される。
【００４４】
また、全てのセンサコイルについて検波出力データの取り込みが終了すると、ステップ１０７の判定において否定判断が行われる。次に、ＣＰＵ１５０は、取り込んだ各センサコイルに対応する検波出力データに基づいて、指示装置２００の３次元空間における位置および方向を算出する（ステップ１０８）。
【００４５】
図５は、一連の動作によって取り込まれる検波出力データの説明図である。図５において、「コイル選択信号」は、ＣＰＵ１５０から選択回路１１２に入力されるセンサコイルの選択指示の内容を示しており、例えば、コイル選択信号が「Ｘ１」のときに選択回路１１２によってセンサコイルＸ１が選択される。また、「周波数選択信号」は、ＣＰＵ１５０から周波数切替器１３０に入力される発振器の選択指示の内容を示しており、周波数選択信号が「ｆ１」のときに周波数切替器１３０によって発振周波数（ｆ１＋ｆ０）の発振器１２４が選択され、周波数選択信号が「ｆ２」のときに周波数切替器１３０によって発振周波数（ｆ２＋ｆ０）の発振器１２６が選択され、周波数選択信号が「ｆ３」のときに周波数切替器１３０によって発振周波数（ｆ３＋ｆ０）の発振器１２８が選択される。また、「ＢＰＦ出力」は帯域通過フィルタ１３４の出力波形を、「検波出力」は検波回路１３６の出力波形をそれぞれ示している。
【００４６】
図５に示すように、検波回路１３６の出力波形、すなわち、ＣＰＵ１５０に取り込まれる検波出力データとして、センサコイルＸ１〜Ｘ１２、Ｙ１〜Ｙ１２と３つの周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３との組み合わせに対応する合計７２（＝２４×３）個の検出レベル値が含まれるパターンデータが得られる。このパターンデータの内容（７２個の検出レベル値）は、指示装置２００内の３つの指示コイル２０１、２０２、２０３とタブレット１１０内の２４個のセンサコイルＸ１〜Ｘ１２、Ｙ１〜Ｙ１２との相対的な位置関係によって決まる固有の関係を有する。したがって、この固有の関係を予め調べておくことにより、ＣＰＵ１５０は、得られたパターンデータに基づいて、指示装置２００内の指示コイル２０１、２０２、２０３の位置や方向、すなわち、これらの指示コイル２０１、２０２、２０３が備わった指示装置２００の３次元空間における位置および方向を算出することができる。
【００４７】
なお、上述した固有の関係は、実際に検出レベル値を測定する場合の他、計算によって求めるようにしてもよい。具体的には、例えばニューラルネットワーク技術による学習によって（例えば、指示装置２００の３次元空間における位置および方向を変更した複数箇所で実際に上記のパターンデータを取得し、位置および方向との対応を学習させることによって）、上述した固有の関係を求めるようにすれば、複雑なアルゴリズムや計算を行うことなく、上述した固有の関係を求めることができる。
【００４８】
ところで、本発明では、指示装置２００の３次元空間における位置および方向と、得られるパターンデータとが１対１の関係にあることが重要であり、そのためには、指示コイル２０１、２０２、２０３の配置を工夫する必要がある。例えば、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３のそれぞれが平面状に巻回されているものとする。配置の一例としては、一の指示コイルの中心線（指示コイルの中心を通り、この指示コイルが巻回された平面と垂直な向きを有する中心線）に対して他の指示コイルの配置が非対称となるように３つの指示コイル２０１、２０２、２０３を配置すればよい。
【００４９】
図６は、指示コイル２０１、２０２、２０３の配置の一例を示す図である。図６（Ａ）に示す例では、指示コイル２０１と指示コイル２０２が所定の立方体（巻枠）の周囲に互いに直交する向きに巻回され、他の指示コイル２０３がこの立方体とは離れた位置に配置されている。また、指示コイル２０１、２０２、２０３の中の一の指示コイルに着目したときに残り２つの指示コイルの配置がこの一の指示コイルの中心線に対して非対称となるように３つの指示コイル２０１、２０２、２０３が配置されている。図６（Ｂ）に示す例では、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３が近接配置されている。図６（Ｃ）に示す例では、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３が所定の立方体（巻枠）の周囲に配置されている。なお、図６（Ｂ）、（Ｃ）に示す例においても、一の指示コイルの中心線に対して他の指示コイルの配置が非対称となるように３つの指示コイル２０１、２０２、２０３が配置されている。
【００５０】
図７は、指示コイル２０１、２０２、２０３の配置の他の例を示す図である。指示装置２００の３次元空間における位置が同じであって方向のみを変えた場合を考えると、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３はできるだけ離れて配置されている方がパターンデータに大きな変化が生じやすくなる。図７に示す例では、指示装置２００の筐体が直方体であるものとし、互いに直交する３つの面をＡ、Ｂ、Ｃとする。指示コイル２０１が面Ａ上に、指示コイル２０２が面Ｂ上に、指示コイル２０３が面Ｃ上に配置されている。また、少なくとも２つのセンサコイル（図７に示す例では、センサコイル２０１と２０２あるいはセンサコイル２０１と２０３）は、筐体の最も離れた２箇所に配置されていることが望ましい。
【００５１】
このように、指示装置２００内に、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３に信号を供給する発振回路２１１、２１２、２１３を設けており、センサコイル側から信号を受信した後に指示コイルからの信号送信を行う必要がないため、信号の送信に要する時間を短くすることができる。また、センサコイルとの相対的位置に関係なく常に一定の信号を指示コイルから送信することができ、センサコイルの出力レベルを大きくして位置および方向の検出精度の向上を図ることができる。
【００５２】
また、指示装置２００とセンサ装置１００との間が物理的に分離され、これらの間が信号ケーブルを介して接続されていないため、指示装置２００を利用者が操作した場合に、信号ケーブルが利用者の操作を阻害することがなく、操作性を向上させることができる。
【００５３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、指示装置２００内に３つの指示コイル２０１、２０２、２０３を備え、それぞれに周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の信号を個別入力したが、４つ以上の指示コイルを備え、それぞれに４種類以上の周波数の信号を個別に入力するようにしてもよい。
【００５４】
図８は、４つの指示コイルを用いる場合の配置の一例を示す図である。図８に示すように、２つの指示コイル２０１、２０２が第１の立方体（巻枠）の周囲に互いに平行にならないように巻回され、他の２つの指示コイル２０３、２０４が第２の立方体（巻枠）の周囲に互いに平行にならないように巻回されている。また、２つの指示コイル２０１、２０２と２つの指示コイル２０３、２０４は、互いに離れて配置されている。例えば、２つの指示コイル２０１、２０２が巻回された第１の立方体と２つの指示コイル２０３、２０４が巻回された第２の立方体とが指示装置２００の筐体の最も離れた位置に配置されている。なお、一の指示コイルの中心線に対して他の指示コイルの配置が非対称となるように４つの指示コイル２０１、２０２、２０３、２０４が配置されている。
【００５５】
また、上述した実施形態では、矩形形状の１２個のセンサコイルＸ１〜Ｘ１２と、１２個のセンサコイルＹ１〜Ｙ１２とを互いに直交する向きに重ねて配置したが、各センサコイルの形状や配置はこれに限定されない。すなわち、取得するパターンデータに基づいて指示装置２００の３次元空間における位置と方向を算出可能なものであれば、どのようなものであってもよい。但し、複数、望ましくは３以上である必要がある。
【００５６】
図９および図１０は、センサコイルの変形例を示す図である。図９に示す例では、四角形形状のタブレット１１０の四隅のそれぞれに正方形のセンサコイルＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４が互いに重複しないように配置されている。図１０に示す例では、四角形形状のタブレット１１０の四隅のそれぞれに正方形のセンサコイルＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４が互いに部分的に重複するように配置されている。なお、各センサコイルの形状は矩形形状や正方形形状に限らず、三角形や円形などその他の形状であってもよい。特に、ニューラルネットワーク技術による学習を利用して指示装置２００の位置と方向を算出する場合には、センサコイルの形状が複雑になっても特に不都合はないため、タブレット１１０上の配置等の都合で適宜形状を決めることができる。また、全てのセンサコイルを同じ形状にする必要はなく、一部が異なる形状であったり、複数の異なる形状のセンサコイルを組み合わせるようにしてもよい。
【００５７】
また、上述した実施形態では、図６あるいは図７に示すように、指示コイル２０１、２０２、２０３の形状を円形あるいは四角形としたが、その他の形状にしてもよい。特に、指示装置２００の筐体を上下、左右あるいは所定方向に１８０度回転させた場合に、得られるパターンデータが異なるようにするために、対称軸をもたない形状（例えば、３辺の長さが異なる三角形形状）にしてもよい。
【００５８】
また、上述した実施形態では、３つの発振器１２４、１２６、１２８と周波数切替器１３０とを用いて３種類の周波数の信号を順番に周波数変換器１３２に入力するようにしたが、３種類の発振器１２４、１２６、１２８を用いる代わりに、周波数シンセサイザを用いて３種類の信号を生成するようにしてもよい。
【００５９】
図１１は、周波数シンセサイザの構成を示す図である。図１１に示す周波数シンセサイザ１６０は、電圧制御型発振器（ＶＣＯ）１６１、可変分周器１６２、位相比較器（ＰＤ）１６３、基準周波数発振器１６４、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１６５を含んで構成されている。可変分周器１６２の分周比ｎをＣＰＵ１５０によって設定することにより、基準周波数発振器１６４から出力される基準周波数信号のｎ倍の周波数の信号が電圧制御型発振器１６１から出力される。したがって、分周比ｎを可変することにより、異なる３つの周波数ｆ１＋ｆ０、ｆ２＋ｆ０、ｆ３＋ｆ０を順番に生成することが可能となる。
【００６０】
また、上述した実施形態では、指示装置２００内の３つの指示コイル２０１、２０２、２０３のそれぞれに３種類の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の信号を並行して入力することにより、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３から各センサコイルに向けて同時に信号が送信されるようにしたが、各センサコイルの出力信号の中からこれら３種類の周波数成分を抽出して検波出力を得る動作は各周波数について順番に行われる。したがって、指示装置２００内の３つの指示コイル２０１、２０２、２０３から信号を送信する動作も順番に行うようにしてもよい。
【００６１】
図１２は、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３から順番に信号を送信する場合の指示装置の変形例を示す図である。図１２に示す指示装置２００Ａは、図２に示した指示装置２００に対して切替制御部２２０が追加された点が異なっている。切替制御部２２０は、３つの発振回路２１１、２１２、２１３を順番に選択して動作させる制御を行う。選択状態にない２つの発振回路は、非動作状態あるいは消費電力を抑えた状態（例えば発振信号の振幅を抑制した状態）に制御される。これにより、並行して３つの発振回路２１１、２１２、２１３を動作させる場合に比べて消費電力を低減することができる。
【００６２】
ところで、図１２に示した指示装置２００Ａを用いて３種類の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の信号を順番に送信する場合には、受信側において同期をとってこれらの信号を順番に受信する必要がある。
【００６３】
図１３は、受信側において同期をとる動作手順を示す流れ図である。図１３に示す流れ図は、図４に示した流れ図に対して、ステップ１０１とステップ１０２の間にステップ２００の動作を追加した点が異なっている。このステップ２００では、周波数ｆ１の信号を検出したか否かがＣＰＵ１５０によって判定される。検出されない場合には否定判断が行われ、この判定動作が繰り返される。このステップ２００に先だって実行されるステップ１０１の動作では、発振器１２４から出力される周波数（ｆ１＋ｆ０）の発振信号が周波数切替器１３０を介して周波数変換器１３２に入力されるため、検波回路１３６では周波数ｆ１に対応する中間周波信号に対する検波が行われる。したがって、ＣＰＵ１５０は、アナログ−デジタル変換器１４０から出力される検波出力データを監視することにより、具体的には検波出力データの値が所定値を超えたときに周波数ｆ１の信号が検出されたものと判断することができる。周波数ｆ１の信号の検出開始タイミングがわかれば、そのタイミングで同期をとることにより、３つの周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の信号を順番に受信することができる。ステップ２００を実行するＣＰＵ１５０がタイミング検出手段に対応する。なお、ステップ２００の判定動作は必ずしも毎回行う必要はない。例えば、２４個のセンサコイルＸ１〜Ｘ１２、Ｙ１〜Ｙ１２についての処理を行う際に１回あるいは数回行うようにしてもよい。
【００６４】
また、上述した実施形態では、指示装置２００内の３つの指示コイル２０１、２０２、２０３から各センサコイルに向けて同時に信号を送信する場合を想定していたため、信号の送信元となる指示コイルを識別するために３種類の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の信号を用いたが、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３から順番に信号を送信する場合であって、受信側で同期をとることができる場合には、単一周波数の信号を３つの指示コイル２０１、２０２、２０３を切り替えて順番に送信するようにしてもよい。
【００６５】
図１４は、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３から順番に単一周波数の信号を送信する場合の指示装置の変形例を示す図である。図１４に示す指示装置２００Ｂは、図２に示した指示装置２００に対して、３つの発振回路２１１、２１２、２１３を１つの発振回路２１１と切替制御部２２２に置き換えた点が異なっている。切替制御部２２２は、周波数ｆ１で発振動作を行う発振回路２１１の出力先としての指示コイル２０１、２０２、２０３を順番に切り替える制御を行う。これにより、並行して３つの発振回路２１１、２１２、２１３を動作させる場合に比べて消費電力を低減することができる。
【００６６】
図１５は、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３から順番に単一周波数の信号を送信する指示装置２００Ｂに対応する処理部の変形例を示す図である。図１５に示す処理部１２０Ａは、図３に示した処理部１２０に対して、発振器１２６、１２８と周波数切替器１３０を省略した点が異なっている。すなわち、処理部１２０Ａでは、発振器１２４から出力される周波数ｆ１＋ｆ０の信号が直接周波数変換器１３２に入力されている。この例では、発振器の数を３から１に減らすとともに周波数切替器１３０が不要になるため、構成および制御手順の簡略化が可能になる。また、図１１に示す周波数シンセサイザ１６０を用いる必要もなくなり、周波数切替に必要な引き込み時間を確保する必要もないことから、周波数切替に要する時間を短くすることができる。
【００６７】
図１６は、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３から順番に単一周波数の信号を送信する指示装置２００Ｂを用いる場合に受信側において同期をとる動作手順を示す流れ図である。図１３に示した動作手順では周波数ｆ０の信号を検出するステップ２００を追加することによって受信側で同期をとっていたが、３つの指示コイルから送信する信号の周波数を同じにした場合にはこの手法で同期をとることはできないため、別の方法で同期を確立する必要がある。図１６に示す動作手順に含まれるステップ１００、１０７、１０８は、図４に示した動作手順と同じであり、以下では、ステップ１００とステップ１０７の間に行われるステップ３００、３０１、３０２、３０３の動作について説明する。
【００６８】
いずれかのセンサコイルが選択された後（ステップ１００）、ＣＰＵ１５０は、開始タイミングを検出したか否かを判定する（ステップ３００）。例えば、指示装置２００Ｂでは、指示コイル２０１、２０２、２０３を順番に選択して周波数ｆ１の信号を送信するタイミングに先だって、これら３つの指示コイル２０１、２０２、２０３を同時に駆動し、並行して周波数ｆ１の信号を送信する。このようにして３つの指示コイル２０１、２０２、２０３を同時に駆動することにより、順番に選択する場合に比べて周波数ｆ１の信号の送信出力を上げることができるため、受信側で周波数ｆ１の信号の検波レベル値を監視することにより、この信号の送信タイミングを開始タイミングとして検出することができる。なお、必ずしも３つのセンサコイルを同時に駆動する場合に限らず、２つのセンサコイルを同時に駆動したり、いずれか１つのセンサコイルのみを送信出力を上げて駆動するようにしてもよい。
【００６９】
開始タイミングが検出されるとステップ３００の判定において肯定判断が行われる。開始タイミングがわかれば、この開始タイミングを基準にしてそれ以後に行われる３つのセンサコイル２０１、２０２、２０３の切替タイミングがわかるため、それぞれのセンサコイルから信号が送信されるタイミングに合わせて検波出力データを取り込むことができる（ステップ３０１、３０２、３０３）。ステップ３００を実行するＣＰＵ１５０がタイミング検出手段に対応する。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明によれば、指示装置内に、３つの指示コイルに信号を供給する駆動手段を設けており、センサコイル側から信号を受信した後に指示コイルからの信号送信を行う必要がないため、信号の送信に要する時間を短くすることができる。また、センサコイルとの相対的位置に関係なく常に一定の信号を指示コイルから送信することができ、センサコイルの出力レベルを大きくして位置および方向の検出精度の向上を図ることができる。さらに、指示装置とセンサ装置との間が物理的に分離され、これらの間が信号ケーブルを介して接続されていないため、指示装置を利用者が操作した場合に、信号ケーブルが利用者の操作を阻害することがなく、操作性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００７１】
１００ センサ装置
１１０ タブレット
１１２ 選択回路
１２０ 処理部
１２２ 増幅回路
１２４、１２６、１２８ 発振器
１３０ 周波数切替器
１３２ 周波数変換器
１３４ 帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）
１３６ 検波回路
１３８ サンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ）
１４０ アナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ）
１５０ ＣＰＵ
２００ 指示装置
２０１、２０２、２０３ 指示コイル
２１１、２１２、２１３ 発振回路
２２０、２２２ 切替制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元空間における位置および方向に関する情報を検出する３次元情報検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、タブレット上に置かれた位置指示器の位置を検出する座標検出装置（例えば、特許文献１参照。）や、３次元情報センサ装置内の複数のセンサコイルと離れて配置された指示装置の３次元位置を検出する３次元情報検出装置（例えば、特許文献２参照。）が知られている。
【０００３】
特許文献１の座標検出装置では、位置指示器内に指示コイルとコンデンサからなる同調回路が設けられており、タブレットに設けられた複数のセンサコイルと同調回路の指示コイルとの間で電磁結合によって信号の送受信を行い、センサコイル側で受信した信号を解析することにより位置指示器の位置検出が行われる。
【０００４】
また、特許文献２の３次元情報検出装置では、指示装置内に設けられた３つの指示コイルに対して順番に周波数信号を供給し、３次元情報センサ装置において複数のセンサコイルの出力を検出することで指示装置の３次元位置および方向を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−３０２１５３号公報（第２−３頁、図３−４）
【特許文献２】特開２００３−１９６０１５号公報（第５−１６頁、図１−４１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に開示された座標検出装置では、センサコイルから位置検出器内の指示コイルに向けて信号を送信した後にこの指示コイルからセンサコイルに信号を送信しているため、センサコイルと指示コイル間の信号の送受信に時間がかかるという問題がある。特に、位置検出器の３次元情報を得るため位置検出器内に設ける指示コイルの数を増やそうとすると、複数の指示コイルのそれぞれと複数のセンサコイルとの間で信号を送受信することになるためさらに時間がかかることになり、位置検出の周期が長くなって位置検出精度の低下につながるため好ましくない。また、センサコイルから指示コイルに対して信号を送信することにより指示コイルに接続されたコンデンサを充電することで、反対に指示コイルからセンサコイルに向けて送信する信号の電力を得ているため、位置検出器がセンサコイルから離れている場合にはセンサコイルの出力レベルが極端に小さくなって検出精度が低下するという問題がある。さらに、位置検出器内に複数の指示コイルを設ける場合を考えると、１つのセンサコイルから送信された信号を複数の指示コイルで同時に受信することになるため、指示コイルを順番に切り替えて１つの指示コイルからセンサコイルへ向けて信号を送信することができず、検出精度の低下につながることになる。
【０００７】
一方、特許文献２に開示された３次元情報検出装置では、指示装置内の３つの指示コイルに信号ケーブルを介して直接信号を送信しているため、指示装置において送信動作に先立って受信動作を行う必要がなく、指示装置から３次元情報センサ装置に向けた信号の送信間隔を短くすることができるため、信号の送信に時間がかかることはない。また、３つの指示コイルにおける信号の出力レベルを一定に維持することができるため、センサコイル側の出力レベルの低下による検出精度の低下を防止することができる。
【０００８】
しかし、特許文献２に開示された３次元情報検出装置では、３次元情報センサ装置内の送信回路から信号ケーブルを介して指示装置内の３つの指示コイルに向けて、３次元情報センサ装置内の受信回路と同期した信号を送信しており、信号ケーブルが必要になることから指示装置の操作を阻害し、操作性が悪いという問題があった。この特許文献２には、指示装置内に電源回路や信号発生回路を設けてもよい旨の記載が含まれるが、３次元情報センサ装置内の受信回路とこの信号発生回路との間で同期をとるために信号ケーブルを介して３次元情報センサ装置と指示装置との間を接続する必要があることに変わりはなく、操作性の改善にはつながらない。
【０００９】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、操作性を向上させることができ、検出時間の短縮および検出精度の向上が可能な３次元情報検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明の３次元情報検出装置は、指示装置の３次元空間における位置および方向をセンサ装置によって検出する。指示装置は、３以上の複数の指示コイルと、これら複数の指示コイルのそれぞれに所定周波数の信号を供給する駆動手段とを備えている。また、センサ装置は、複数のセンサコイルと、複数の指示コイルのそれぞれに信号を供給したときに得られる複数のセンサコイルの出力レベルを検出する出力レベル検出手段と、出力レベル検出手段によって検出された出力レベルに基づいて指示装置の位置および方向を３次元情報として算出する３次元情報算出手段とを備えている。
【００１１】
指示装置内に、複数の指示コイルに信号を供給する駆動手段を設けており、指示コイルからの信号送信に先立ってセンサコイルからの信号送信を行う必要がないため、信号の送信に要する時間を短くすることができる。また、センサコイルとの相対的位置に関係なく常に一定の信号を指示コイルから送信することができ、センサコイルの出力レベルを大きくして位置および方向の検出精度の向上を図ることができる。
【００１２】
また、出力レベル検出手段を周波数変換器、フィルタ、検波回路を備えるヘテロダイン構成により実現することにより、高い検出精度を確保することができる。特に、周波数変換器で低い周波数に変換することにより、Ｑが低いフィルタを用いてノイズの影響を除去することが容易となる。
【００１３】
また、複数の指示コイルのそれぞれを平面状に巻回するとともに、一の指示コイルの中心線に対して他の指示コイルの配置が非対称となるように複数の指示コイルを配置することにより、指示装置の位置および方向を確実に検出することができる。また、複数の指示コイルの少なくとも２つを、指示装置の筐体内の最も離れた位置に離間して配置することにより、高い検出精度で指示装置の位置および方向を検出することができる。
【００１４】
また、指示装置とセンサ装置との間が物理的に分離され、これらの間が信号ケーブルを介して接続されていないため、指示装置を利用者が操作した場合に、信号ケーブルが利用者の操作を阻害することがなく、操作性を向上させることができる。
【００１５】
また、複数の指示コイルに供給される信号の周波数を指示コイル毎に異ならせる場合には、センサコイルの出力と指示コイルとの対応付けが容易になる。このため、複数の指示コイルのそれぞれに並行して信号を供給した場合であっても、センサコイルの出力に含まれる各指示コイルに対応する成分を分離抽出することができる。
【００１６】
また、複数の指示コイルのそれぞれに順番に異なる周波数の信号を供給する場合には、センサ装置側に、複数の指示コイルのそれぞれから信号が送信されるタイミングを検出するタイミング検出手段を備えることにより、センサコイルの出力に含まれる各指示コイルに対応する成分を分離抽出することができる。また、指示コイルを順番に選択的に駆動することにより、指示装置側における電力消費を抑制することができる。
【００１７】
また、複数の指示コイルに供給される信号の周波数を複数の指示コイルについて同じにするとともに、複数の指示コイルのそれぞれに順番に信号を供給する場合には、センサ装置側に、複数の指示コイルのそれぞれから信号が送信されるタイミングを検出するタイミング検出手段を備えることにより、センサコイルの出力に含まれる各指示コイルに対応する成分を分離抽出することができる。また、この場合も指示装置側における電力消費を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一実施形態の３次元情報検出装置の概略的な全体構成を示す図である。
【図２】指示装置の構成を示す図である。
【図３】センサ装置の構成を示す図である。
【図４】指示装置の位置および方向を検出する全体動作の手順を示す流れ図である。
【図５】一連の動作によって取り込まれる検波出力データの説明図である。
【図６】指示コイルの配置の一例を示す図である。
【図７】指示コイルの配置の他の例を示す図である。
【図８】４つの指示コイルを用いる場合の配置の一例を示す図である。
【図９】センサコイルの変形例を示す図である。
【図１０】センサコイルの変形例を示す図である。
【図１１】周波数シンセサイザの構成を示す図である。
【図１２】３つの指示コイルから順番に信号を送信する場合の指示装置の変形例を示す図である。
【図１３】受信側において同期をとる動作手順を示す流れ図である。
【図１４】３つの指示コイルから順番に単一周波数の信号を送信する場合の指示装置の変形例を示す図である。
【図１５】３つの指示コイルから順番に単一周波数の信号を送信する指示装置に対応する処理部の変形例を示す図である。
【図１６】３つの指示コイルから順番に単一周波数の信号を送信する指示装置を用いる場合に受信側において同期をとる動作手順を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を適用した一実施形態の３次元情報検出装置について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、一実施形態の３次元情報検出装置の概略的な全体構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の３次元情報検出装置は、センサ装置１００と指示装置２００を含んで構成されている。
【００２１】
センサ装置１００は、指示装置２００の３次元空間内での位置および方向（図１に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸上の位置と、傾きθと方位φによって特定される方向）を検出する処理を行っており、机上、床上、壁面などに配置されたタブレット１１０と、このタブレット１１０と信号線を介して接続された処理部１２０を備えている。また、指示装置２００は、利用者が携帯可能であって、所定形状の筐体を有している。この指示装置２００は、タブレット１１０や処理部１２０とは物理的に分離しており、これらの間は信号ケーブルを介して接続されていない。
【００２２】
図２は、指示装置２００の構成を示す図である。指示装置２００は、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３と、３つの発振回路２１１、２１２、２１３を備えている。３つの指示コイル２０１、２０２、２０３は、指示装置２００の筐体内に配置されている。配置の具体例については後述する。発振回路２１１は、周波数ｆ１で発振動作を行い、その発振信号が指示コイル２０１に入力される。同様に、発振回路２１２は、周波数ｆ２で発振動作を行い、その発振信号が指示コイル２０２に入力される。発振回路２１３は、周波数ｆ３で発振動作を行い、その発振信号が指示コイル２０３に入力される。これら３つの発振器２１１、２１２、２１３は、常時発振動作を行っており、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３からは同時に３種類の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の信号が送信されている。
【００２３】
図３は、センサ装置１００の構成を示す図である。図３に示すように、タブレット１１０は、水平方向（Ｘ軸方向）に整列配置された１２個のセンサコイルＸ１〜Ｘ１２と、垂直方向（Ｙ軸方向）に整列配置された１２個のセンサコイルＹ１〜Ｙ１２と、選択回路１１２とを備えている。
【００２４】
センサコイルＸ１は、導線が所定回数矩形形状に巻回されたループコイルであって、矩形形状の長辺がＹ軸に平行になるように配置されている。同様に、水平方向に整列配置された他のセンサコイルＸ２〜Ｘ１２のそれぞれも導線が所定回数矩形形状に巻回されたループコイルであって、矩形形状の長辺がＹ軸に平行になるように配置されている。これら１２個のセンサコイルＸ１〜Ｘ１２は、部分的に重複するように水平方向にずらして配置されている。
【００２５】
一方、センサコイルＹ１は、導線が所定回数矩形形状に巻回されたループコイルであって、矩形形状の長辺がＸ軸に平行になるように配置されている。同様に、垂直方向に整列配置された他のセンサコイルＹ２〜Ｙ１２のそれぞれも導線が所定回数矩形形状に巻回されたループコイルであって、矩形形状の長辺がＸ軸に平行になるように配置されている。これら１２個のセンサコイルＹ１〜Ｙ１２は、部分的に重複するように垂直方向にずらして配置されている。
【００２６】
選択回路１１２は、２４個のセンサコイルＸ１〜Ｘ１２、Ｙ１〜Ｙ１２の１つを順番に選択し、選択したセンサコイルの始端および終端（図３において、符号Ａが付されたＸ１Ａ、Ｙ１Ａ等が始端を、符号Ｂが付されたＸ１Ｂ、Ｙ１Ｂ等が終端をそれぞれ示している）の間に現れる電圧を出力する。例えばセンサコイルＸ１、Ｘ２、・・・、Ｘ１２、Ｙ１、Ｙ２、・・・、Ｙ１２の順に選択され、その後、センサコイルＸ１に戻って同じ順番でこの選択動作が繰り返される。
【００２７】
また、図３に示すように、処理部１２０は、増幅回路１２２、発振器１２４、１２６、１２８、周波数切替器１３０、周波数変換器１３２、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１３４、検波回路１３６、サンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ）１３８、アナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ）１４０、ＣＰＵ１５０を備えている。
【００２８】
増幅回路１２２は、選択回路１１２の出力電圧を増幅する。発振器１２４は、周波数（ｆ１＋ｆ０）で発振動作を行う。発振器１２６は、周波数（ｆ２＋ｆ０）で発振動作を行う。発振器１２８は、周波数（ｆ３＋ｆ０）で発振動作を行う。周波数切替器１３０は、３つの発振器１２４、１２６、１２８のそれぞれから出力される発振信号のいずれかを選択する周波数切替を行う。この周波数切替はＣＰＵ１５０からの指示に応じて行われ、例えば、発振器１２４、１２６、１２８の順番に各発振信号が切り替えられ、一巡すると最初からこの切替動作が繰り返される。
【００２９】
周波数変換器１３２は、周波数混合回路（ミキサ）であって、増幅回路１２２の出力信号と周波数切替器１３０の出力信号が入力されており、これら２つの信号を混合して出力する。具体的には、周波数切替器１３０の出力信号の周波数をＦ１、増幅回路１２２の出力信号の周波数をＦ２とすると、これらの信号の和成分（Ｆ１＋Ｆ２）に相当する信号と差成分（Ｆ１−Ｆ２）に相当する信号が周波数変換器１３２から出力される。
【００３０】
帯域通過フィルタ１３４は、周波数変換器１３２から出力される信号の中から周波数ｆ０近傍の成分（中間周波数信号）を通過させて出力する。検波回路１３６は、帯域通過フィルタ１３４から出力される中間周波信号に対してＡＭ検波を行い、周波数ｆ０の信号レベルに対応する電圧を出力する。
【００３１】
上述した発振器１２４、１２６、１２８、周波数切替器１３０、周波数変換器１３２、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１３４、検波回路１３６によってヘテロダイン検波回路が構成されている。指示装置２００内の指示コイル２０１には発振器２１１から周波数ｆ１の信号が、指示コイル２０２には発振器２１２から周波数ｆ２の信号が、指示コイル２０３には発振器２１３から周波数ｆ３の信号がそれぞれ入力されるため、それぞれの指示コイル２０１、２０２、２０３からは周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の信号が送信される。これらの信号がセンサコイルＸ１に到達すると、センサコイルＸ１の始端と終端の間には、これら３つの周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の成分を有する電圧が現れる。周波数切替器１３０によって発振周波数（ｆ１＋ｆ０）の発振器１２４が選択されている場合を考えると、周波数変換器１３２からは、増幅回路１２２から出力される周波数ｆ１に対応する和成分（２ｆ１＋ｆ０）と差成分（ｆ０）に相当する２種類の信号と、周波数ｆ２に対応する和成分（ｆ１＋ｆ２＋ｆ０）と差成分（ｆ１−ｆ２＋ｆ０）に相当する２種類の信号と、周波数ｆ３に対応する和成分（ｆ１＋ｆ３＋ｆ０）と差成分（ｆ１−ｆ３＋ｆ０）に相当する２種類の信号が出力される。帯域通過フィルタ１３４は、これら６種類の信号の中から周波数ｆ１に対応する差成分（ｆ０）のみを通過させる。同様に、周波数切替器１３０によって発振周波数（ｆ２＋ｆ０）の発振器１２６が選択されている場合には、帯域通過フィルタ１３４は、これら６種類の信号の中から周波数ｆ２に対応する差成分（ｆ０）のみを通過させる。周波数切替器１３０によって発振周波数（ｆ３＋ｆ０）の発振器１２８が選択されている場合には、帯域通過フィルタ１３４は、これら６種類の信号の中から周波数ｆ３に対応する差成分（ｆ０）のみを通過させる。
【００３２】
このようにして、周波数切替器１３０によって３つの発振器１２４、１２６、１２８を順番に選択して周波数切替器１３０から周波数変換器１３２に向けて出力する信号の周波数を切り替えることにより、センサコイルＸ１の出力に含まれる３つの周波数成分（ｆ１、ｆ２、ｆ３）に対応する信号の中から帯域通過フィルタ１３４を通過させる成分を切り替えることができる。
【００３３】
特に、中間周波数ｆ０（例えば４５５ｋＨｚ）を３種類の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３（例えば２ＭＨｚ近傍）よりも低くすることにより、Ｑ（＝ｆ０／Ｂ、Ｂは−３ｄＢにおけるバンド幅）が低い帯域通過フィルタ１３４を用いることができ、センサコイルＸ１の出力の中から周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３近傍の狭い周波数帯域の成分のみを抽出して、ノイズの影響を除去することが可能となる。他のセンサコイルについても同様である。
【００３４】
サンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ）１３８は、検波回路１３６の出力電圧を所定時間保持する。アナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ）１４０は、サンプルホールド回路１３８によって保持された電圧を所定ビット数のデジタルデータに変換する。
【００３５】
ＣＰＵ１５０は、メモリやハードディスク装置（ともに図示せず）に格納された所定のプログラムを実行することにより、アナログ−デジタル変換器１４０の出力データ（検波出力データ）に基づいて指示装置２００の３次元空間における位置および方向（３次元情報）を算出する動作と、そのために必要なセンサ装置１００の各部を制御する動作を行う。
【００３６】
上述した発振回路２１１、２１２、２１３が駆動手段に、増幅回路１２２、発振器１２４、１２６、１２８、周波数切替器１３０、周波数変換器１３２、帯域通過フィルタ１３４、検波回路１３６、サンプルホールド回路１３８、アナログ−デジタル変換器１４０が出力レベル検出手段に、ＣＰＵ１５０が３次元情報算出手段にそれぞれ対応する。
【００３７】
本実施形態の３次元情報検出装置はこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。図４は、指示装置２００の位置および方向を検出する全体動作の手順を示す流れ図である。この動作手順は所定の時間間隔（例えば２０ｍｓ毎）で繰り返される。
【００３８】
まず、ＣＰＵ１５０は、選択回路１１２にセンサコイルＸ１を選択する指示を送る。この指示に応じて、選択回路１１２からは、センサコイルＸ１の始端、終端間に現れる電圧が処理部１２０内の増幅回路１２２に向けて出力され、増幅回路１２２で増幅されて周波数変換器１３２に入力される（ステップ１００）。また、ＣＰＵ１５０は、周波数切替器１３０に発振器１２４を選択する指示を送る。この指示に応じて、周波数切替器１３０では発振器１２４が選択されるため、発振器１２４から出力される周波数（ｆ１＋ｆ０）の発振信号が周波数切替器１３０を介して周波数変換器１３２に入力される（ステップ１０１）。
【００３９】
周波数変換器１３２では、発振器１２４から入力される周波数（ｆ１＋ｆ０）の発振信号と、増幅回路１２２から入力される信号とを混合して周波数変換を行う。また、帯域通過フィルタ１３４は、周波数変換器１３２から出力される信号の中から周波数ｆ０近傍の中間周波数信号を抽出する。検波回路１３６は、帯域通過フィルタ１３４から出力される中間周波信号をＡＭ検波する。
【００４０】
次に、ＣＰＵ１５０は、サンプルホールド回路１３８に指示を送って検波回路１３６の出力電圧を保持し、この保持した電圧に対応する検波出力データをアナログ−デジタル変換器１４０から取り込む（ステップ１０２）。このようにして、センサコイルＸ１から出力される信号に含まれる周波数ｆ１に対応する検波出力データの取り込みが行われる。
【００４１】
同様にして、センサコイルＸ１から出力される信号に含まれる周波数ｆ２、ｆ３に対応する検波出力データの取り込みが行われる。すなわち、ＣＰＵ１５０から周波数切替器１３０に発振器１２６を選択する指示を送ることにより、周波数切替器１３０では発振器１２６から出力される周波数（ｆ２＋ｆ０）の発振信号が選択される（ステップ１０３）。これにより、検波回路１３６からは周波数ｆ２に対応する信号が出力され、センサコイルＸ１から出力される信号に含まれる周波数ｆ２に対応する検波出力データがＣＰＵ１５０に取り込まれる（ステップ１０４）。
【００４２】
また、ＣＰＵ１５０から周波数切替器１３０に発振器１２８を選択する指示を送ることにより、周波数切替器１３０では発振器１２８から出力される周波数（ｆ３＋ｆ０）の発振信号が選択される（ステップ１０５）。これにより、検波回路１３６からは周波数ｆ３に対応する信号が出力され、センサコイルＸ１から出力される信号に含まれる周波数ｆ３に対応する検波出力データがＣＰＵ１５０に取り込まれる（ステップ１０６）。
【００４３】
このようにしてセンサコイルＸ１に関する検波出力データの取り込みが終了すると、次に、ＣＰＵ１５０は、検波出力データを取り込んでいない他のセンサコイルがあるか否かを判定する（ステップ１０７）。他のセンサコイルがある場合には肯定判断が行われ、ステップ１００に戻って、次のセンサコイルについて同様の処理が繰り返される。
【００４４】
また、全てのセンサコイルについて検波出力データの取り込みが終了すると、ステップ１０７の判定において否定判断が行われる。次に、ＣＰＵ１５０は、取り込んだ各センサコイルに対応する検波出力データに基づいて、指示装置２００の３次元空間における位置および方向を算出する（ステップ１０８）。
【００４５】
図５は、一連の動作によって取り込まれる検波出力データの説明図である。図５において、「コイル選択信号」は、ＣＰＵ１５０から選択回路１１２に入力されるセンサコイルの選択指示の内容を示しており、例えば、コイル選択信号が「Ｘ１」のときに選択回路１１２によってセンサコイルＸ１が選択される。また、「周波数選択信号」は、ＣＰＵ１５０から周波数切替器１３０に入力される発振器の選択指示の内容を示しており、周波数選択信号が「ｆ１」のときに周波数切替器１３０によって発振周波数（ｆ１＋ｆ０）の発振器１２４が選択され、周波数選択信号が「ｆ２」のときに周波数切替器１３０によって発振周波数（ｆ２＋ｆ０）の発振器１２６が選択され、周波数選択信号が「ｆ３」のときに周波数切替器１３０によって発振周波数（ｆ３＋ｆ０）の発振器１２８が選択される。また、「ＢＰＦ出力」は帯域通過フィルタ１３４の出力波形を、「検波出力」は検波回路１３６の出力波形をそれぞれ示している。
【００４６】
図５に示すように、検波回路１３６の出力波形、すなわち、ＣＰＵ１５０に取り込まれる検波出力データとして、センサコイルＸ１〜Ｘ１２、Ｙ１〜Ｙ１２と３つの周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３との組み合わせに対応する合計７２（＝２４×３）個の検出レベル値が含まれるパターンデータが得られる。このパターンデータの内容（７２個の検出レベル値）は、指示装置２００内の３つの指示コイル２０１、２０２、２０３とタブレット１１０内の２４個のセンサコイルＸ１〜Ｘ１２、Ｙ１〜Ｙ１２との相対的な位置関係によって決まる固有の関係を有する。したがって、この固有の関係を予め調べておくことにより、ＣＰＵ１５０は、得られたパターンデータに基づいて、指示装置２００内の指示コイル２０１、２０２、２０３の位置や方向、すなわち、これらの指示コイル２０１、２０２、２０３が備わった指示装置２００の３次元空間における位置および方向を算出することができる。
【００４７】
なお、上述した固有の関係は、実際に検出レベル値を測定する場合の他、計算によって求めるようにしてもよい。具体的には、例えばニューラルネットワーク技術による学習によって（例えば、指示装置２００の３次元空間における位置および方向を変更した複数箇所で実際に上記のパターンデータを取得し、位置および方向との対応を学習させることによって）、上述した固有の関係を求めるようにすれば、複雑なアルゴリズムや計算を行うことなく、上述した固有の関係を求めることができる。
【００４８】
ところで、本発明では、指示装置２００の３次元空間における位置および方向と、得られるパターンデータとが１対１の関係にあることが重要であり、そのためには、指示コイル２０１、２０２、２０３の配置を工夫する必要がある。例えば、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３のそれぞれが平面状に巻回されているものとする。配置の一例としては、一の指示コイルの中心線（指示コイルの中心を通り、この指示コイルが巻回された平面と垂直な向きを有する中心線）に対して他の指示コイルの配置が非対称となるように３つの指示コイル２０１、２０２、２０３を配置すればよい。
【００４９】
図６は、指示コイル２０１、２０２、２０３の配置の一例を示す図である。図６（Ａ）に示す例では、指示コイル２０１と指示コイル２０２が所定の立方体（巻枠）の周囲に互いに直交する向きに巻回され、他の指示コイル２０３がこの立方体とは離れた位置に配置されている。また、指示コイル２０１、２０２、２０３の中の一の指示コイルに着目したときに残り２つの指示コイルの配置がこの一の指示コイルの中心線に対して非対称となるように３つの指示コイル２０１、２０２、２０３が配置されている。図６（Ｂ）に示す例では、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３が近接配置されている。図６（Ｃ）に示す例では、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３が所定の立方体（巻枠）の周囲に配置されている。なお、図６（Ｂ）、（Ｃ）に示す例においても、一の指示コイルの中心線に対して他の指示コイルの配置が非対称となるように３つの指示コイル２０１、２０２、２０３が配置されている。
【００５０】
図７は、指示コイル２０１、２０２、２０３の配置の他の例を示す図である。指示装置２００の３次元空間における位置が同じであって方向のみを変えた場合を考えると、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３はできるだけ離れて配置されている方がパターンデータに大きな変化が生じやすくなる。図７に示す例では、指示装置２００の筐体が直方体であるものとし、互いに直交する３つの面をＡ、Ｂ、Ｃとする。指示コイル２０１が面Ａ上に、指示コイル２０２が面Ｂ上に、指示コイル２０３が面Ｃ上に配置されている。また、少なくとも２つのセンサコイル（図７に示す例では、センサコイル２０１と２０２あるいはセンサコイル２０１と２０３）は、筐体の最も離れた２箇所に配置されていることが望ましい。
【００５１】
このように、指示装置２００内に、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３に信号を供給する発振回路２１１、２１２、２１３を設けており、センサコイル側から信号を受信した後に指示コイルからの信号送信を行う必要がないため、信号の送信に要する時間を短くすることができる。また、センサコイルとの相対的位置に関係なく常に一定の信号を指示コイルから送信することができ、センサコイルの出力レベルを大きくして位置および方向の検出精度の向上を図ることができる。
【００５２】
また、指示装置２００とセンサ装置１００との間が物理的に分離され、これらの間が信号ケーブルを介して接続されていないため、指示装置２００を利用者が操作した場合に、信号ケーブルが利用者の操作を阻害することがなく、操作性を向上させることができる。
【００５３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、指示装置２００内に３つの指示コイル２０１、２０２、２０３を備え、それぞれに周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の信号を個別入力したが、４つ以上の指示コイルを備え、それぞれに４種類以上の周波数の信号を個別に入力するようにしてもよい。
【００５４】
図８は、４つの指示コイルを用いる場合の配置の一例を示す図である。図８に示すように、２つの指示コイル２０１、２０２が第１の立方体（巻枠）の周囲に互いに平行にならないように巻回され、他の２つの指示コイル２０３、２０４が第２の立方体（巻枠）の周囲に互いに平行にならないように巻回されている。また、２つの指示コイル２０１、２０２と２つの指示コイル２０３、２０４は、互いに離れて配置されている。例えば、２つの指示コイル２０１、２０２が巻回された第１の立方体と２つの指示コイル２０３、２０４が巻回された第２の立方体とが指示装置２００の筐体の最も離れた位置に配置されている。なお、一の指示コイルの中心線に対して他の指示コイルの配置が非対称となるように４つの指示コイル２０１、２０２、２０３、２０４が配置されている。
【００５５】
また、上述した実施形態では、矩形形状の１２個のセンサコイルＸ１〜Ｘ１２と、１２個のセンサコイルＹ１〜Ｙ１２とを互いに直交する向きに重ねて配置したが、各センサコイルの形状や配置はこれに限定されない。すなわち、取得するパターンデータに基づいて指示装置２００の３次元空間における位置と方向を算出可能なものであれば、どのようなものであってもよい。但し、複数、望ましくは３以上である必要がある。
【００５６】
図９および図１０は、センサコイルの変形例を示す図である。図９に示す例では、四角形形状のタブレット１１０の四隅のそれぞれに正方形のセンサコイルＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４が互いに重複しないように配置されている。図１０に示す例では、四角形形状のタブレット１１０の四隅のそれぞれに正方形のセンサコイルＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４が互いに部分的に重複するように配置されている。なお、各センサコイルの形状は矩形形状や正方形形状に限らず、三角形や円形などその他の形状であってもよい。特に、ニューラルネットワーク技術による学習を利用して指示装置２００の位置と方向を算出する場合には、センサコイルの形状が複雑になっても特に不都合はないため、タブレット１１０上の配置等の都合で適宜形状を決めることができる。また、全てのセンサコイルを同じ形状にする必要はなく、一部が異なる形状であったり、複数の異なる形状のセンサコイルを組み合わせるようにしてもよい。
【００５７】
また、上述した実施形態では、図６あるいは図７に示すように、指示コイル２０１、２０２、２０３の形状を円形あるいは四角形としたが、その他の形状にしてもよい。特に、指示装置２００の筐体を上下、左右あるいは所定方向に１８０度回転させた場合に、得られるパターンデータが異なるようにするために、対称軸をもたない形状（例えば、３辺の長さが異なる三角形形状）にしてもよい。
【００５８】
また、上述した実施形態では、３つの発振器１２４、１２６、１２８と周波数切替器１３０とを用いて３種類の周波数の信号を順番に周波数変換器１３２に入力するようにしたが、３種類の発振器１２４、１２６、１２８を用いる代わりに、周波数シンセサイザを用いて３種類の信号を生成するようにしてもよい。
【００５９】
図１１は、周波数シンセサイザの構成を示す図である。図１１に示す周波数シンセサイザ１６０は、電圧制御型発振器（ＶＣＯ）１６１、可変分周器１６２、位相比較器（ＰＤ）１６３、基準周波数発振器１６４、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１６５を含んで構成されている。可変分周器１６２の分周比ｎをＣＰＵ１５０によって設定することにより、基準周波数発振器１６４から出力される基準周波数信号のｎ倍の周波数の信号が電圧制御型発振器１６１から出力される。したがって、分周比ｎを可変することにより、異なる３つの周波数ｆ１＋ｆ０、ｆ２＋ｆ０、ｆ３＋ｆ０を順番に生成することが可能となる。
【００６０】
また、上述した実施形態では、指示装置２００内の３つの指示コイル２０１、２０２、２０３のそれぞれに３種類の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の信号を並行して入力することにより、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３から各センサコイルに向けて同時に信号が送信されるようにしたが、各センサコイルの出力信号の中からこれら３種類の周波数成分を抽出して検波出力を得る動作は各周波数について順番に行われる。したがって、指示装置２００内の３つの指示コイル２０１、２０２、２０３から信号を送信する動作も順番に行うようにしてもよい。
【００６１】
図１２は、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３から順番に信号を送信する場合の指示装置の変形例を示す図である。図１２に示す指示装置２００Ａは、図２に示した指示装置２００に対して切替制御部２２０が追加された点が異なっている。切替制御部２２０は、３つの発振回路２１１、２１２、２１３を順番に選択して動作させる制御を行う。選択状態にない２つの発振回路は、非動作状態あるいは消費電力を抑えた状態（例えば発振信号の振幅を抑制した状態）に制御される。これにより、並行して３つの発振回路２１１、２１２、２１３を動作させる場合に比べて消費電力を低減することができる。
【００６２】
ところで、図１２に示した指示装置２００Ａを用いて３種類の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の信号を順番に送信する場合には、受信側において同期をとってこれらの信号を順番に受信する必要がある。
【００６３】
図１３は、受信側において同期をとる動作手順を示す流れ図である。図１３に示す流れ図は、図４に示した流れ図に対して、ステップ１０１とステップ１０２の間にステップ２００の動作を追加した点が異なっている。このステップ２００では、周波数ｆ１の信号を検出したか否かがＣＰＵ１５０によって判定される。検出されない場合には否定判断が行われ、この判定動作が繰り返される。このステップ２００に先だって実行されるステップ１０１の動作では、発振器１２４から出力される周波数（ｆ１＋ｆ０）の発振信号が周波数切替器１３０を介して周波数変換器１３２に入力されるため、検波回路１３６では周波数ｆ１に対応する中間周波信号に対する検波が行われる。したがって、ＣＰＵ１５０は、アナログ−デジタル変換器１４０から出力される検波出力データを監視することにより、具体的には検波出力データの値が所定値を超えたときに周波数ｆ１の信号が検出されたものと判断することができる。周波数ｆ１の信号の検出開始タイミングがわかれば、そのタイミングで同期をとることにより、３つの周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の信号を順番に受信することができる。ステップ２００を実行するＣＰＵ１５０がタイミング検出手段に対応する。なお、ステップ２００の判定動作は必ずしも毎回行う必要はない。例えば、２４個のセンサコイルＸ１〜Ｘ１２、Ｙ１〜Ｙ１２についての処理を行う際に１回あるいは数回行うようにしてもよい。
【００６４】
また、上述した実施形態では、指示装置２００内の３つの指示コイル２０１、２０２、２０３から各センサコイルに向けて同時に信号を送信する場合を想定していたため、信号の送信元となる指示コイルを識別するために３種類の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の信号を用いたが、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３から順番に信号を送信する場合であって、受信側で同期をとることができる場合には、単一周波数の信号を３つの指示コイル２０１、２０２、２０３を切り替えて順番に送信するようにしてもよい。
【００６５】
図１４は、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３から順番に単一周波数の信号を送信する場合の指示装置の変形例を示す図である。図１４に示す指示装置２００Ｂは、図２に示した指示装置２００に対して、３つの発振回路２１１、２１２、２１３を１つの発振回路２１１と切替制御部２２２に置き換えた点が異なっている。切替制御部２２２は、周波数ｆ１で発振動作を行う発振回路２１１の出力先としての指示コイル２０１、２０２、２０３を順番に切り替える制御を行う。これにより、並行して３つの発振回路２１１、２１２、２１３を動作させる場合に比べて消費電力を低減することができる。
【００６６】
図１５は、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３から順番に単一周波数の信号を送信する指示装置２００Ｂに対応する処理部の変形例を示す図である。図１５に示す処理部１２０Ａは、図３に示した処理部１２０に対して、発振器１２６、１２８と周波数切替器１３０を省略した点が異なっている。すなわち、処理部１２０Ａでは、発振器１２４から出力される周波数ｆ１＋ｆ０の信号が直接周波数変換器１３２に入力されている。この例では、発振器の数を３から１に減らすとともに周波数切替器１３０が不要になるため、構成および制御手順の簡略化が可能になる。また、図１１に示す周波数シンセサイザ１６０を用いる必要もなくなり、周波数切替に必要な引き込み時間を確保する必要もないことから、周波数切替に要する時間を短くすることができる。
【００６７】
図１６は、３つの指示コイル２０１、２０２、２０３から順番に単一周波数の信号を送信する指示装置２００Ｂを用いる場合に受信側において同期をとる動作手順を示す流れ図である。図１３に示した動作手順では周波数ｆ０の信号を検出するステップ２００を追加することによって受信側で同期をとっていたが、３つの指示コイルから送信する信号の周波数を同じにした場合にはこの手法で同期をとることはできないため、別の方法で同期を確立する必要がある。図１６に示す動作手順に含まれるステップ１００、１０７、１０８は、図４に示した動作手順と同じであり、以下では、ステップ１００とステップ１０７の間に行われるステップ３００、３０１、３０２、３０３の動作について説明する。
【００６８】
いずれかのセンサコイルが選択された後（ステップ１００）、ＣＰＵ１５０は、開始タイミングを検出したか否かを判定する（ステップ３００）。例えば、指示装置２００Ｂでは、指示コイル２０１、２０２、２０３を順番に選択して周波数ｆ１の信号を送信するタイミングに先だって、これら３つの指示コイル２０１、２０２、２０３を同時に駆動し、並行して周波数ｆ１の信号を送信する。このようにして３つの指示コイル２０１、２０２、２０３を同時に駆動することにより、順番に選択する場合に比べて周波数ｆ１の信号の送信出力を上げることができるため、受信側で周波数ｆ１の信号の検波レベル値を監視することにより、この信号の送信タイミングを開始タイミングとして検出することができる。なお、必ずしも３つのセンサコイルを同時に駆動する場合に限らず、２つのセンサコイルを同時に駆動したり、いずれか１つのセンサコイルのみを送信出力を上げて駆動するようにしてもよい。
【００６９】
開始タイミングが検出されるとステップ３００の判定において肯定判断が行われる。開始タイミングがわかれば、この開始タイミングを基準にしてそれ以後に行われる３つのセンサコイル２０１、２０２、２０３の切替タイミングがわかるため、それぞれのセンサコイルから信号が送信されるタイミングに合わせて検波出力データを取り込むことができる（ステップ３０１、３０２、３０３）。ステップ３００を実行するＣＰＵ１５０がタイミング検出手段に対応する。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明によれば、指示装置内に、３つの指示コイルに信号を供給する駆動手段を設けており、センサコイル側から信号を受信した後に指示コイルからの信号送信を行う必要がないため、信号の送信に要する時間を短くすることができる。また、センサコイルとの相対的位置に関係なく常に一定の信号を指示コイルから送信することができ、センサコイルの出力レベルを大きくして位置および方向の検出精度の向上を図ることができる。さらに、指示装置とセンサ装置との間が物理的に分離され、これらの間が信号ケーブルを介して接続されていないため、指示装置を利用者が操作した場合に、信号ケーブルが利用者の操作を阻害することがなく、操作性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００７１】
１００ センサ装置
１１０ タブレット
１１２ 選択回路
１２０ 処理部
１２２ 増幅回路
１２４、１２６、１２８ 発振器
１３０ 周波数切替器
１３２ 周波数変換器
１３４ 帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）
１３６ 検波回路
１３８ サンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ）
１４０ アナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ）
１５０ ＣＰＵ
２００ 指示装置
２０１、２０２、２０３ 指示コイル
２１１、２１２、２１３ 発振回路
２２０、２２２ 切替制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指示装置の３次元空間における位置および方向をセンサ装置によって検出する３次元情報検出装置において、
前記指示装置は、３以上の複数の指示コイルと、これら複数の指示コイルのそれぞれに所定周波数の信号を供給する駆動手段とを備え、
前記センサ装置は、複数のセンサコイルと、前記複数の指示コイルのそれぞれに信号を供給したときに得られる前記複数のセンサコイルの出力レベルを検出する出力レベル検出手段と、前記出力レベル検出手段によって検出された出力レベルに基づいて前記指示装置の位置および方向を３次元情報として算出する３次元情報算出手段とを備えることを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記出力レベル検出手段は、
前記センサコイルで受信した信号に対して、この信号の周波数よりも低い周波数に変換する周波数変換器と、
前記周波数変換器から出力される信号の中から所定の中間周波数の成分を抽出するフィルタと、
前記フィルタを通して信号を検波する検波回路と、
を備えることを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記複数の指示コイルのそれぞれは平面状に巻回されており、
一の前記指示コイルの中心線に対して他の前記指示コイルの配置が非対称となるように前記複数の指示コイルが配置されていることを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記複数の指示コイルの少なくとも２つは、前記指示装置の筐体内の最も離れた位置に離間して配置されていることを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記指示装置は、信号ケーブルを介して前記センサ装置と接続されていないことを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記複数の指示コイルに供給される信号の周波数は、前記指示コイル毎に異なっていることを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記駆動手段は、前記複数の指示コイルのそれぞれに並行して異なる周波数の信号を供給することを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項８】
請求項６において、
前記センサ装置は、前記複数の指示コイルのそれぞれから信号が送信されるタイミングを検出するタイミング検出手段をさらに備え、
前記駆動手段は、前記複数の指示コイルのそれぞれに順番に異なる周波数の信号を供給することを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記センサ装置は、前記複数の指示コイルのそれぞれから信号が送信されるタイミングを検出するタイミング検出手段をさらに備え、
前記複数の指示コイルに供給される信号の周波数は、前記複数の指示コイルについて同じであり、
前記駆動手段は、前記複数の指示コイルのそれぞれに順番に同じ周波数の信号を供給することを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項１】
指示装置の３次元空間における位置および方向をセンサ装置によって検出する３次元情報検出装置において、
前記指示装置は、３以上の複数の指示コイルと、これら複数の指示コイルのそれぞれに所定周波数の信号を供給する駆動手段とを備え、
前記センサ装置は、複数のセンサコイルと、前記複数の指示コイルのそれぞれに信号を供給したときに得られる前記複数のセンサコイルの出力レベルを検出する出力レベル検出手段と、前記出力レベル検出手段によって検出された出力レベルに基づいて前記指示装置の位置および方向を３次元情報として算出する３次元情報算出手段とを備えることを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記出力レベル検出手段は、
前記センサコイルで受信した信号に対して、この信号の周波数よりも低い周波数に変換する周波数変換器と、
前記周波数変換器から出力される信号の中から所定の中間周波数の成分を抽出するフィルタと、
前記フィルタを通して信号を検波する検波回路と、
を備えることを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記複数の指示コイルのそれぞれは平面状に巻回されており、
一の前記指示コイルの中心線に対して他の前記指示コイルの配置が非対称となるように前記複数の指示コイルが配置されていることを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記複数の指示コイルの少なくとも２つは、前記指示装置の筐体内の最も離れた位置に離間して配置されていることを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記指示装置は、信号ケーブルを介して前記センサ装置と接続されていないことを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記複数の指示コイルに供給される信号の周波数は、前記指示コイル毎に異なっていることを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記駆動手段は、前記複数の指示コイルのそれぞれに並行して異なる周波数の信号を供給することを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項８】
請求項６において、
前記センサ装置は、前記複数の指示コイルのそれぞれから信号が送信されるタイミングを検出するタイミング検出手段をさらに備え、
前記駆動手段は、前記複数の指示コイルのそれぞれに順番に異なる周波数の信号を供給することを特徴とする３次元情報検出装置。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記センサ装置は、前記複数の指示コイルのそれぞれから信号が送信されるタイミングを検出するタイミング検出手段をさらに備え、
前記複数の指示コイルに供給される信号の周波数は、前記複数の指示コイルについて同じであり、
前記駆動手段は、前記複数の指示コイルのそれぞれに順番に同じ周波数の信号を供給することを特徴とする３次元情報検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−１３９４４（Ｐ２０１１−１３９４４Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５７６５７（Ｐ２００９−１５７６５７）
【出願日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【出願人】（０００１３９４０３）株式会社ワコム (118)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【出願人】（０００１３９４０３）株式会社ワコム (118)
【Ｆターム（参考）】
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