JPH07287632A

JPH07287632A - 座標検出装置

Info

Publication number: JPH07287632A
Application number: JP8063594A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Ono; 秀三小野
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1994-04-19
Filing date: 1994-04-19
Publication date: 1995-10-31

Abstract

(57)【要約】【目的】小型化に好適で高精度な座標検出装置を提供
する。【構成】所定位置に設置されたレシーバ本体１２の前
面に超音波発振子１４と光センサ１５を近接した状態で
配設すると共に、オペレータによって手動操作される操
作ペン１３にマイクロフォン１６とＬＥＤ１７を近接し
た状態で配設し、超音波発振子１４から出力される超音
波がマイクロフォン１６に到達するまでの時間データに
基づいて、レシーバ本体１２から操作ペン１３までの距
離を演算し、ＬＥＤ１７から発せられる赤外光を光セン
サ１５の両分割部１５ａ，１５ｂに照射したときに出力
される出力データに基づいて、レシーバ本体１２に対す
る操作ペン１３の角度を演算するように構成した。ま
た、前記マイクロフォン１６が超音波発振子１４からの
超音波を受信すると、その振動を電気信号に変換したパ
ルス信号によって前記ＬＥＤ１７が起動するように構成
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は座標検出装置に係り、特
に、オペレータの操作により平面上の２次元座標を検出
し、その座標データに基づいて表示画面上の特定の場所
を指示する座標検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】グラフィック・ディスプレイ装置等にお
いては、表示画面上のカーソルを移動制御するポインテ
ィングデバイスとして、マウスやトラックボールと称せ
られる装置が知られているが、これらの装置は、回転自
在なボールと該ボールの回転を検出する２組のエンコー
ダ等を必要とするため、機構部品が多くなり、小型化に
も難点がある。一方、特開昭６１−２６０３２２号公報
に記載されているように、光源とこの光源からの光を受
光する光センサとを利用して、オペレータが手動操作す
る操作体の２次元座標を検出し、その座標データに基づ
いてカーソルを移動制御するようにした光学式の座標検
出装置が知られている。

【０００３】図６と図７はかかる光学式座標検出装置の
検出原理を示す説明図であり、これらの図において、１
は光源、２，３は光センサである。光源１はペン等の操
作体４に固定されており、オペレータがこの操作体４を
テーブル等の平坦面上で移動することにより、該平坦面
に平行なＸ−Ｙ平面上を移動する。光センサ２，３はそ
れぞれ２分割フォト・ディテクタからなり、これら光セ
ンサ２，３はテーブル等の所定位置に設置されたレシー
バ本体５に距離ｄだけ隔てた状態で固定されている。図
７に示すように、一方の光センサ２の前方には開口を有
する絞り部６が配設されており、この絞り部６の開口中
心に直交する光軸をＹ軸とすると、光センサ２はＸ方向
に分割されている。図示省略してあるが、他方の光セン
サ３も同様に構成されている。

【０００４】前記光源１から発せられた光は、絞り部６
の開口を透過して光センサ２の分割受光部に照射され、
両分割受光部から照射面積に比例した電流が検出され
る。操作体４をＸ−Ｙ平面上で移動すると、光センサ２
の両分割受光部に照射される光量分布が変化するため、
両分割受光部からの検出電流に基づいて、光源１から光
センサ２に向かう照射光の光軸とＸ軸とのなす角度θ₁
を求めることができる。同様にして、光センサ３の両分
割受光部からの検出電流に基づいて、光源１から光セン
サ３に向かう照射光の光軸とＸ軸とのなす角度θ₂を求
めることができる。また、両光センサ２，３間の距離ｄ
は既知であるため、これらθ₁，θ₂，ｄを基に三角測量
を行うことにより、光源１の平面座標（Ｘ₀，Ｙ₀）を求
めることができる。したがって、このようにして演算し
た平面座標（Ｘ₀，Ｙ₀）を操作体４の座標データとして
図示せぬコンピュータ等に送信することにより、表示画
面上のカーソルを操作体４の動きに合わせて移動するこ
とができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した従
来の光学式座標検出装置は、レシーバ本体５に２分割フ
ォト・ディテクタからなる光センサ２と光センサ３とを
所定距離ｄを置いて固定し、これら光センサ２，３と操
作体４に固定された光源１とで形成される三角形を三角
測量することにより、光源１の平面座標を算出するよう
に構成されているため、２個の光センサ２，３が近接し
た状態でレシーバ本体５に配置されていると、光源１の
平面座標を高精度に算出することができなくなる。この
ため、両光センサ２，３間の距離ｄを充分に大きく設定
する必要があり、それによってレシーバ本体５の小型化
が妨げられるという問題があった。また、光源１から発
せられた光を２個の光センサ２，３で受光するようにな
っているため、それぞれの光センサ２，３が有する検出
能力の誤差にバラツキがあると、光源１の平面座標の検
出精度に悪影響を及ぼすことになる。このため、使用す
る２個の光センサ２，３の特性を揃える必要があり、か
かる選別作業は極めて煩雑であるため、組立作業性が悪
いという問題もあった。

【０００６】なお、上記した光源１と光センサ２，３の
代わりに１個の超音波発振子と２個のマイクロフォンを
用い、超音波の伝播時間を利用して測距を行う超音波式
の座標検出装置も知られているが、このものも２個のマ
イクロフォンの計測データを三角測量して超音波発振子
の平面座標を算出するため、同様の問題があった。

【０００７】本発明は、このような従来技術の実情に鑑
みてなされたもので、その第１の目的は、小型化に好適
で高精度な座標検出装置を提供することにあり、その第
２の目的は、消費電力の少ない座標検出装置を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記した本発明の第１の
目的は、超音波発振部および光検出部が設けられた第１
の検出体と、超音波レシーバ部および発光部が設けられ
た第２の検出体と、前記超音波発振部から出力される超
音波が前記超音波レシーバ部に到達するまでの時間に基
づいて、前記第１および第２の検出体間の相対距離を演
算する距離検出手段と、前記発光部から発せられる光が
前記光検出部に照射される受光面積に基づいて、前記第
１および第２の検出体間の相対角度を演算する角度検出
手段と、前記距離検出手段と前記角度検出手段の演算結
果に基づいて、前記第１および第２の検出体間の相対座
標を演算する座標検出手段とを備えることによって達成
される。

【０００９】また、上記した本発明の第２の目的は、前
記発光部が前記超音波レシーバ部の振動を電気信号に変
換したパルス信号によって発光するように構成すること
で達成される。

【００１０】

【作用】例えば第１の検出体を所定位置に設置し、オペ
レータが第２の検出体を第１の検出体に向けて水平面上
で移動すると、第１の検出体に設けられた超音波発振部
から出力される超音波は第２の検出体に設けられた超音
波レシーバ部に受信され、距離検出手段は超音波発振部
からの超音波が超音波レシーバ部に到達するまでの時間
に基づいて、第１および第２の検出体間の相対距離を演
算する。超音波レシーバ部が超音波発振部からの超音波
を受信すると、その振動を電気信号に変換したパルス信
号によって第２の検出体に設けられた発光部が起動され
るため、該発光部から発せられる光は第１の検出体に設
けられた光検出部に受光され、角度検出手段は光検出部
に照射される光の受光面積に基づいて、第１および第２
の検出体間の相対角度を演算する。座標検出手段は、こ
のようにして求められた相対距離と相対角度に基づい
て、第２の検出体間の平面座標を演算し、これを座標デ
ータとしてコンピュータに入力する。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図に基づいて説明す
る。図１は本発明の実施例に係る座標検出装置を使用し
たグラフィック・ディスプレイ装置の全体構成を示す斜
視図であり、同図において、１０はコンピュータ、１１
は該コンピュータ１０にケーブルを介して接続されたキ
ーボード装置、１２は同じくコンピュータ１０にケーブ
ルを介して接続されたレシーバ本体、１３はオペレータ
によって手動操作される操作ペンであり、第１の検出体
であるレシーバ本体１２と第２の検出体である操作ペン
１３とで座標検出装置を構成している。１４は超音波発
振部としての超音波発振子、１５は光検出部としての光
センサであり、これら超音波発振子１４と光センサ１５
は前記レシーバ本体１２の前面に近接した状態で配設さ
れている。１６は超音波レシーバ部としてのマイクロフ
ォン、１７は発光部としての赤外線ＬＥＤ、１８ａ，１
８ｂはスイッチであり、これらマイクロフォン１６とＬ
ＥＤ１７およびスイッチ１８ａ，１８ｂは前記操作ペン
１３の所定位置に近接した状態で配設されている。

【００１２】図２は前記光センサ１５の検出動作を示す
説明図、図３は該光センサ１５の平面図であり、これら
の図に示すように、光センサ１５の前方には矩形状の開
口を有する絞り部１９が配設されている。光センサ１５
はＰＤやＰＳＤあるいはＣＣＤ等の２分割フォト・ディ
テクタからなり、本実施例の場合、２つの分割部１５
ａ，１５ｂを有する２分割ＰＤ（フォトダイオード）が
使用されている。前記絞り部１９の開口中心に直交する
光軸をＹ軸とすると、光センサ１５の両分割部１５ａ，
１５ｂはＸ軸方向に分割されている。前記ＬＥＤ１７か
ら発せられる赤外光は、絞り部１９の開口を透過し、光
センサ１５の両分割部１５ａ，１５ｂに対してそれぞれ
矩形スポット光Ｓ₁，Ｓ₂として照射される。これらスポ
ット光Ｓ₁，Ｓ₂は、両分割部１５ａ，１５ｂの受光検知
領域から外れない大きさに設定されており、絞り部１９
の前方には必要に応じて外光成分を遮断する可視光カッ
トフィルタ（図示せず）が付設される。

【００１３】図１に示すように、操作ペン１３をＸ−Ｙ
平面に平行なテーブル２０等の上で移動すると、操作ペ
ン１３に設けられたＬＥＤ１７は図２のＸ−Ｙ方向に移
動し、ＬＥＤ１７から光センサ１５に向かう照射光の光
軸とＹ軸とのなす角度θが変化する。それに伴って両分
割部１５ａ，１５ｂにおけるスポット光Ｓ₁，Ｓ₂の光量
分布が変化し、両分割部１５ａ，１５ｂからスポット光
Ｓ₁，Ｓ₂の照射面積に比例した電流が検出されるため、
これらの電流値に基づいて角度θを演算することがで
き、例えば両分割部１５ａ，１５ｂから検出される電流
値が等しい場合はθ＝０度が求められる。

【００１４】次に、操作ペン１３の２次元座標を算出す
る方法について図４を用いて説明する。図４において、
Ａ点は前述したマイクロフォン１６とＬＥＤ１７の位置
を示し、これらマイクロフォン１６とＬＥＤ１７は操作
ペン１３の上下方向（Ｚ軸方向）に位置ずれしているだ
けであるため、いずれもＡ点にあると見做せる。また、
Ｂ点は前述した超音波発振子１４と光センサ１５の位置
を示し、これら超音波発振子１４と光センサ１５もレシ
ーバ本体１２の上下方向に位置ずれしているだけである
ため、いずれもＢ点にあると見做せる。

【００１５】Ａ点の平面座標を（Ｘ₀，Ｙ₀）、Ｙ軸と
Ａ，Ｂ点を結ぶ直線とがなす角度をθ、Ａ点からＢ点ま
での距離をＬとすると、Ｘ₀＝Ｌ×ｓｉｎθ …… Ｙ₀＝Ｌ×Ａｒｋｃｏｓθ…… として表せられる。ここで、前述したように、光センサ
１５の両分割部１５ａ，１５ｂから検出される電流値に
基づいて、ＬＥＤ１７から光センサ１５に向かう照射光
の光軸とＹ軸とのなす角度θが求められる。また、距離
Ｌは、超音波発振子１４から出力された超音波がマイク
ロフォン１６に到達するまでの時間から求められる（Ｌ
＝音速×時間……）。したがって、このようにして求
めたθとＬを上記，式に代入することにより、測定
点であるＡ点の平面座標（Ｘ₀，Ｙ₀）、すなわち、操作
ペン１３の２次元座標を算出することができる。

【００１６】図５は座標検出装置で使用される処理回路
を示すブロック図であり、同図において、２１はＣＰ
Ｕ、２２はカウンタ、２３は発振器、２４，２５はドラ
イバ、２６はフィルタ／ＡＭＰ部、２７はパルス発生
器、２８，２９はＡＭＰ、３０は加算器、３１はＡ／Ｄ
変換器であり、図１に対応する部分には同一符号を付し
てある。

【００１７】図５に示すように、図示せぬ電源スイッチ
が投入されて検出動作が開始されると、ＣＰＵ２１はカ
ウンタ２２にリセット信号を供給してカウンタ２２をク
リアし、カウンタ２２が計数を開始する。カウンタ２２
がスタートすると、カウンタ２２は発振器２３によって
決定される所定の周波数でドライバ２４を駆動するた
め、ドライバ２４の駆動によりレシーバ本体１２側の超
音波発振子１４から超音波が出力され、この超音波は空
気中を伝搬して操作ペン１３側のマイクロフォン１６に
到達する。マイクロフォン１６で受信された超音波は、
フィルタ／ＡＭＰ部２６でノイズ成分が除去され増幅さ
れた後、パルス発生器２７に入力される。パルス発生器
２７では、スイッチ１８ａまたはスイッチ１８ｂがＯＮ
動作されていると、それらのスイッチ信号に基づいてパ
ルス幅を決定し、このパルス信号によってドライバ２５
を駆動してＬＥＤ１７を起動する。ＬＥＤ１７が起動さ
れると、ＬＥＤ１７から発せられた赤外光は、再び空気
中を伝搬してレシーバ本体１２側の光センサ１５に到達
し、光センサ１５の両分割部１５ａ，１５ｂに対してそ
れぞれ矩形スポット光Ｓ₁，Ｓ₂として照射される。

【００１８】これらの分割部１５ａ，１５ｂではスポッ
ト光Ｓ₁，Ｓ₂の照射面積に比例した電流値を出力し、こ
のようにして出力された検出電流は、それぞれＡＭＰ２
８，２９によって増幅された後、加算器３０を経てカウ
ンタ２２にストップ信号として入力される。このストッ
プ信号によりカウンタ２２は計数を停止し、超音波発振
子１４からマイクロフォン１６への到達時間としての計
数値がカウンタ２２からＣＰＵ２１に送出され、ＣＰＵ
２１に内蔵された距離検出手段は、前述したようにこの
計数値と前記式に基づいて超音波発振子１４からマイ
クロフォン１６までの距離Ｌを算出する。一方、光セン
サ１５の両分割部１５ａ，１５ｂからの検出電流は、そ
れぞれＡＭＰ２８，２９によって増幅された後、Ａ／Ｄ
変換器３１に入力される。このＡ／Ｄ変換器３１でデジ
タル値に変換された検出電流はＣＰＵ２１に送出され、
ＣＰＵ２１に内蔵された角度検出手段は、前述したよう
にこれらの電流値に基づいてＬＥＤ１７から光センサ１
５に向かう照射光の光軸とＹ軸とのなす角度θを算出す
る。さらに、ＣＰＵ２１に内蔵された座標検出手段は、
このようにして求めた距離Ｌと角度θおよび前記，
式とに基づいて、測定点の平面座標（Ｘ₀，Ｙ₀）、すな
わち操作ペン１３の２次元座標を算出し、これを操作ペ
ン１３の座標データとしてデータメモリに格納する。ま
た、ＣＰＵ２１は、ＬＥＤ１７の発光時間の長さに基づ
いてスイッチ１８ａまたはスイッチ１８ｂがＯＮされた
ことを検出し、このスイッチ検出信号と前記座標データ
とを外部インターフェイスを介してコンピュータ１０に
送信し、例えばスイッチ１８ａがＯＮの場合は表示画面
上の「メニュー選択」を行い、スイッチ１８ｂがＯＮの
場合は表示画面上に「描画」を行う。

【００１９】このように上記実施例に係る座標検出装置
は、超音波発振子１４から出力される超音波をマイクロ
フォン１６で受信して操作ペン１３の距離を演算する距
離検出手段と、ＬＥＤ１７から発せられる赤外光を光セ
ンサ１５の両分割部１５ａ，１５ｂで受光して操作ペン
１３の角度を演算する角度検出手段、およびこれら距離
検出手段と角度検出手段の演算値から操作ペン１３の平
面座標を演算する座標検出手段とを備えており、これら
の距離検出と角度検出とは異種の検出方法（音と光）を
用いて互いに独立して行われるため、それぞれの演算処
理を高速化できると共に、検出精度を高めることができ
る。また、レシーバ本体１２側に設けた超音波発振子１
４と光センサ１５とは互いに検出原理が異なるため、こ
れら超音波発振子１４と光センサ１５とを近接させるこ
とができ、その結果、レシーバ本体１２の小型化が可能
になる。しかも、これら超音波発振子１４と光センサ１
５の特性を揃える必要がないため、組立作業性を高める
ことができる。さらに、ＬＥＤ１７がマイクロフォン１
６の振動を電気信号に変換したパルス信号によって発光
するように構成されているため、ＬＥＤ１７を常時発光
させる必要がなくなり、電池の消費電力を大幅に低減す
ることができる。

【００２０】なお、上記実施例では、第１の検出体であ
るレシーバ本体１２をテーブル２０等の所定位置に固定
し、第２の検出体である操作ペン１３をオペレータによ
って手動操作する場合について説明したが、これら第１
および第２の検出体を逆にし、オペレータによって手動
操作される第１の検出体側に超音波発振子１４と光セン
サ１５を設け、所定位置に固定した第２の検出体側にマ
イクロフォン１６とＬＥＤ１７を設けることも可能であ
る。ただし、その場合は、図５に示す回路構成部を第１
の検出体と第２の検出体とに適宜振り分けたり、第１お
よび第２の検出体に赤外線やＦＭ等によるワイヤレス送
信手段を設け、第１の検出体を極力小型化する必要があ
る。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
音と光という異種の検出方法を利用して、第１および第
２の検出体間の相対距離と相対角度とを演算するように
構成したため、各検出素子を第１および第２の検出体に
それぞれ近接して配置することができ、小型化に好適な
座標検出装置を提供することができる。しかも、各検出
素子の特性を揃える必要がないため、組立作業性を高め
ることができると共に、距離と角度の演算処理を高速か
つ高精度に行うことができる。また、本発明によれば、
発光部が超音波レシーバ部の振動を電気信号に変換した
パルス信号によって発光するように構成したため、第２
の検出体側において発光部を常時発光させる必要がな
く、消費電力の少ない座標検出装置を提供することこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る座標検出装置を使用した
グラフィック・ディスプレイ装置の全体構成を示す斜視
図である。

【図２】図１の座標検出装置に備えられる光センサの検
出動作を示す説明図である。

【図３】該光センサの平面図である。

【図４】図１の座標検出装置に備えられる操作ペンの２
次元座標を算出する方法を示す説明図である。

【図５】図１の座標検出装置で使用される処理回路を示
すブロック図である。

【図６】従来の光学式座標検出装置の検出原理を示す説
明図である。

【図７】図６の座標検出装置に備えられる光センサの検
出動作を示す説明図である。

【符号の説明】

１０コンピュータ１２レシーバ本体（第１の検出体）１３操作ペン（第２の検出体）１４超音波発振子（超音波発振部）１５光センサ（光検出部）１６マイクロフォン（超音波レシーバ部）１７ＬＥＤ（発光部）１８ａ，１８ｂスイッチ１９絞り部２１ＣＰＵ２２カウンタ２３発振器２４，２５ドライバ２６フィルタ／ＡＭＰ部２７パルス発生器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波発振部および光検出部が設けられ
た第１の検出体と、超音波レシーバ部および発光部が設
けられた第２の検出体と、前記超音波発振部から出力さ
れる超音波が前記超音波レシーバ部に到達するまでの時
間に基づいて、前記第１および第２の検出体間の相対距
離を演算する距離検出手段と、前記発光部から発せられ
る光が前記光検出部に照射される受光面積に基づいて、
前記第１および第２の検出体間の相対角度を演算する角
度検出手段と、前記距離検出手段と前記角度検出手段の
演算結果に基づいて、前記第１および第２の検出体間の
相対座標を演算する座標検出手段とを備えたことを特徴
とする座標検出装置。
【請求項２】請求項１の記載において、前記発光部が
前記超音波レシーバ部の振動を電気信号に変換したパル
ス信号によって発光することを特徴とする座標検出装
置。