JP3262297B2

JP3262297B2 - 光学式座標入力装置

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Publication number: JP3262297B2
Application number: JP12343293A
Authority: JP
Inventors: 保二小川
Original assignee: Wacom Co Ltd
Current assignee: Wacom Co Ltd
Priority date: 1993-04-27
Filing date: 1993-04-27
Publication date: 2002-03-04
Anticipated expiration: 2017-03-04
Also published as: JPH06309084A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学式座標入力装置に関
し、特に、光学系および受光部等を含む座標情報読取り
装置を備えたスタイラスペンと、２次元座標情報を含む
パターンを備えた受動ディジタル化タブレットとで構成
され、タブレットの表面に対して手書き入力を行える光
学式座標入力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光学式座標入力装置としては、特
開昭６１−４３３２８号（特公平２−１８７２２号）に
開示される光デジタイザや特開平３−３７７０７号に開
示されるスタイラスロケータおよびデータ入力システム
が存在する。

【０００３】前者の光デジタイザは、紙に描かれた図形
を読み取って入力する場合において、Ｍ系列の格子状パ
ターンが描かれた透明板を紙の上に配置し、さらに２次
元ＣＣＤ素子等による光学的読取り装置を内蔵するカー
ソルをその透明板の上に配置するように構成され、透明
板の上にてカーソルを上記図形をなぞって移動しカーソ
ルで図形各部の位置を指定すると、上記パターンの一部
が光学的読取り装置で読み取られることによって指定し
た位置の座標が求められ、これにより図形を読み取るこ
とができる。

【０００４】後者のスタイラスロケータおよびデータ入
力システムは、タブレットと、このタブレット上で走査
されかつタブレット表面で定義されるＸＹ座標面の任意
な位置の座標値を光学的に読み取る光スタイラスを備え
る。タブレットは受動デジタル化タブレットであり、そ
の表面には２次元座標面の座標情報を示す２進コードを
含む光検出可能パターン（タブレット・アドレス・セ
ル）が記録されている。また光スタイラスには照明用光
源と光学系と受光素子が内蔵され、光スタイラスでタブ
レット表面上の位置を指定するとタブレット・アドレス
・セルによる２進コードが読み取られ、専用コンピュー
タで光スタイラスで指定された位置の座標が決定され
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特開昭６１−４３３２
８号に開示される光デジタイザでは、位置指示器はカー
ソル型でかつコード付きの構成を有し、さらにカーソル
型位置指示器の内部には照明用光源を備えると共に複数
の光学フィルタを用いて照射および反射に用いる光の周
波数を所定のものに設定している。従って、構造的に複
雑であると共に、製作コストが高くなる。なおその実施
例では、１次元Ｍ系列を直交させた格子状パターンを用
いたものが記載されているが、受光素子のセル数が多く
必要となり、座標検出処理が複雑となって高価となる。

【０００６】特開平３−３７７０７号に開示されるスタ
イラスロケータおよびデータ入力システムでは、受動デ
ィジタル化タブレットの表面に記録された光検出可能パ
ターンはタブレット・アドレス・セルの複数の離散セル
によって形成され、かつ光スタイラスによって座標位置
を読み取るには受光素子の視野に少なくとも１つのタブ
レット・アドレス・セルを含む必要があるので、セル数
が多く必要となり、装置が高価になる。

【０００７】本発明の目的は、簡素な構造を有する受動
ディジタル化タブレットを有し、安価に作ることができ
経済性が高い光学式座標入力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】本発明に係る光学式座標
入力装置は、２次元座標情報を含むＭ平面の並びを有す
る、ディジタルコード化された大小のドットからなるド
ットパターンが表面に記録されたタブレットと、このタ
ブレットの表面上で指示した位置に対応するドットパタ
ーンの一部を光学的に読み取る光学的装置およびこの光
学的装置で読み取られた一部のドットパターンに関する
信号を生成する変調器と発振器と送信コイルからなる信
号生成手段を含む位置指示器と、一部のドットパターン
に関する信号を受け取り、この信号から得られる一部の
ドットパターンに係るパターン像に基づいて座標コード
を算出し、この座標コードを位置指示器によって指示さ
れた位置の２次元座標情報として抽出する座標情報抽出
手段とから構成される。

【０００９】前記の構成において、好ましくは、座標情
報抽出手段は、一部のドットパターンに係るパターン像
に基づき画素配列領域上の各画素の出力レベルについて
大きなドットに対応して大きい数値を取得しかつ小さな
ドットに対応して小さい数値を取得する手段と、当該数
値に関する画像空間を拡大する手段と、数値に関する画
像空間に平滑化オペレータを適用して数値を平滑化する
手段と、平滑化した数値に関する画像空間に含まれる数
値から大きな数値を選択して頂上テーブルを作成する手
段と、頂上テーブルに含まれる例えば４つの数値を用い
て座標コードを生成する手段を含む。

【００１０】前記の構成において、好ましくは、タブレ
ットは信号を受信する受信部を有する。

【００１１】前記の構成において、好ましくは、受信部
は復調器を備える。さらに受信部はタブレットの表面周
囲に設けられた受信コイルを備えることを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明では、Ｍ平面の並び特性を有する微細な
例えば大小のドットからなるパターンを表面に記録した
受動ディジタル化タブレットを用いて簡素な構造のタブ
レットを形成し、このタブレットに対して、前記パター
ンを部分的に読み取る作用を有する光学的装置および読
み取ったパターン情報を含む信号を生成する信号生成手
段を備えた光学式位置指示器を用いて位置の指定を行う
ことにより、座標入力を行うことができる。この座標入
力では、光学的装置で読み取った部分的パターンの情報
に基づいて座標情報抽出手段で部分的パターンに含まれ
る座標コードを抽出する。座標情報抽出手段で実行され
る座標コード抽出のための処理は、タブレット面上で一
義的に座標を算出するための演算処理である。こうし
て、タブレット面上にて位置指示器で指定された位置に
対応する部分的なパターン情報に基づいて当該位置の座
標位置を求めるための座標コードを抽出し、座標コード
に対応する２次元座標を得ることが可能である。また位
置指示器の中に送信部を備え、その変調および共振によ
る送信作用で、タブレット側の受信部に対し読み取った
一部のパターン情報を与え、この送信では特徴のある受
信アンテナを利用して比較的に低い周波数の指向性が高
くない電磁波を利用することができる。

【００１３】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００１４】図１は、スタイラスペンの内部構造を示す
縦断面図である。このスタイラスペンの内部には、ペン
入力コンピュータの入力手段（ペン型位置指示器）の構
成として、光学的装置、変調器、発振器、送信部等が設
けられる。ここで「光学的装置」とは、導光用光学系と
受光素子を含み、後述するタブレットの表面に描画等で
記録された２次元座標情報を含むパターンを部分的に読
み込むためのパターン像読取り器を意味する。

【００１５】スタイラスペン１の構成を説明する。スタ
イラスペン１はペンハウジング２の先部内に送信コイル
３を備える。送信コイル３は、後述する共振回路のイン
ダクタンス要素であり、送信作用を有する。送信コイル
３はその内側空間にフェライトコア４を有し、送信コイ
ル３はフェライトコア４に巻かれている。フェライトコ
ア４の軸部には孔が形成され、この孔には芯体５が挿通
状態で配置される。芯体５は、挿通状態にてその軸方向
に前進または後退する。芯体５は、その先部がペン先端
部から外に突出し、スタイラスペン１の先部を位置座標
タブレットの表面に当接させる時、その筆圧を筆圧検出
装置６に伝える働きを有する。従って芯体５は筆圧伝達
手段として機能する。筆圧検出装置６は伝達された筆圧
を検出し、その検出信号を回路プリント基板７上の発振
器８に与える。発振器８は、上記送信コイル３をインダ
クタンス要素として利用する共振回路を含み、筆圧検出
装置６から検出信号を与えられると、例えば共振回路の
発振周波数を変化させる回路構成を有する。回路プリン
ト基板７には、さらにＣＣＤエリアセンサ等の受光素子
９と変調器１０とサイドスイッチ１１が設けられる。ス
タイラスペン１は発振器８および送信コイル等によって
コードレスタイプのスタイラスペンとして機能する。サ
イドスイッチ１１はペンハウジング２の外側に延設され
る。回路プリント基板７の後には電池等の電源１２が配
置され、回路プリント基板７上の各回路部に電力を供給
している。

【００１６】次に、光学的装置の構成を説明する。ペン
ハウジング２の上部前側には、導光路（光経路）を形成
するための導光路ハウジング１３がペンハウジング２と
一体的に形成される。導光路ハウジング１３内には、前
端の窓部に傾向プリズム１４、中央の所要位置に集光レ
ンズ１５、奥に反射板１６をそれぞれ設けている。反射
板１６の下方の回路プリント基板７の上の位置には受光
面（視野）１７を有する受光素子９が設けられる。受光
面１７は平面的（２次元的）に配列された多数の画素で
形成される。スタイラスペン１の先端部における導光路
ハウジング１３の前部には、傾向プリズム１４で形成さ
れた外光（外からの光）を取り入れるための窓が形成さ
れることになる。ペン先端部から前記窓を通じて入った
外光は傾向プリズム１４で導光路の長手方向へ案内さ
れ、集光レンズ１５で集光され、反射板１６で反射され
て受光素子９の受光面１７に入る。受光素子９で受光さ
れた光は、各画素の光電変換作用に基づき光強度に比例
した電気信号として出力される。受光素子９の出力信号
は変調器１０に与えられる。なお上記構成では外光を取
り入れる構成としたが、内部に照明用光源を備え、タブ
レット面に照射光を与えその反射光を取り込むように構
成することもできる。

【００１７】図１においてスタイラスペン１の先端部前
方に配置された１８はタブレットである。タブレット１
８は、それ自身積極的にスタイラスペン１に対して作用
を与えない受動ディジタル化タブレットである。スタイ
ラスペン１の先端部が臨むタブレット１８の表面には所
定のパターンが描画等で記録されている。このパターン
は、Ｍ平面の並びを有するパターンであり、タブレット
１８の表面において絶対位置を定める２次元（ＸＹ）座
標の情報を含むドットパターンである。スタイラスペン
１をタブレット１８の表面に接近させると、その先部の
窓（傾向プリズム１４）を通して受光素子９の受光面１
７にパターンの一部の像を映すことができる。受光素子
９の受光面１７で検出された一部のパターンは、タブレ
ット表面上スタイラスペン１で指定された位置の座標に
関するコードを表し、この座標コードによって２次元位
置座標を得ることができる。１９はタブレット１８の表
面から到来する光線が受光素子９の受光面１７まで導か
れる軌跡を示す。

【００１８】図２に示すように受光素子９の視野である
受光面１７で検出されたパターン像は各画素の光電変換
作用により電気信号として出力され、変調器１０に供給
される。変調器１０はその出力信号で次段の発振器８で
設定される発振出力（発振周波数や振幅等）を変化させ
る。変調器１０の出力信号は、入力された前記パターン
像に関する情報（ドット情報）を含んでおり、従って受
光素子９で検出されたパターン像に関する情報に基づい
て発振器８の出力信号を変調させることになる。発振器
８の出力において受光素子９で検出されたパターン像に
関する信号が生成される。なお上記実施例ではコードレ
ススタイレスペンの場合の信号を生成するための構成に
ついて説明したが、コード付きスタイレスペンの場合に
は、発振器や変調器は不要となり、任意の形式の信号送
出部が、信号を生成するための手段となる。

【００１９】受光素子９の受光面１７に映る像は一般的
に可視光による像であるが、受光面１７の前に赤外線通
過フィルタを設けることにより、赤外線のみを利用する
ように構成することができる。赤外線を利用する構成に
よれば、外乱を除去することができ、パターン像を正確
に得ることができる。

【００２０】フェライトコア４に巻かれた送信コイル３
は前述の通り共振回路を形成するインダクタンス要素と
して利用され、また筆圧検出装置６の検出信号は変調器
１０および電源コントローラ２１に供給される。１１は
サイドスイッチであり、オン操作による信号は変調器１
０および電源コントローラ２１に供給される。こうして
筆圧情報およびオン操作情報が変調器１０を介して発振
信号に含まれる。１２は電源である。筆圧検出装置６が
筆圧を検出し、またはサイドスイッチ１１がオン状態に
なると、電源コントローラ２１を介して電源１２から変
調器１０および発振器８に対し駆動用直流電力が供給さ
れて変調器１０と発振器８が能動状態になると共に、変
調器１０に操作情報が与えられる。送信コイル３および
コンデンサ（図示せず）からなる共振回路を含む発振器
８からは発振信号が出力される。この発振信号によって
比較的に低い周波数の電磁波が周囲空間に発生する。送
信コイル３から周囲空間に出力される電磁波は、変調器
１０から出力される変調信号で振幅変調等で変調されて
おり、受光素子９の受光面（視野）１７で検出されたパ
ターン像に関する情報を含んでいる。後述するように、
タブレット１８の表面に描かれたパターンによれば、そ
の各部分によって各部分が対応する位置の座標情報を含
んでいるので、送信コイル３から出力される電磁波には
スタイラスペン１で指定された箇所の座標情報が含まれ
ている。

【００２１】図３は、タブレット１８側の構成および回
路構成を示す。タブレット１８はその上側平面１８ａの
形状が矩形であり、上側表面１８ａに２次元座標面が定
義され、スタイラスペン１で表面１８ａ上の任意の箇所
を指定してその指定位置の座標を得るようにしている。
表面１８ａの上にはパターンが描かれている。パターン
の一部を拡大して示すと図４のようになる。このパター
ンはＭ平面と呼ばれる２次元系列を利用したものであ
る。Ｍ平面については宮川洋、岩垂好裕、今井秀樹共
著、１９７３年、昭晃堂発行「符号理論」に詳しい。こ
のＭ平面の並びによるパターンは、例えば微細な小さい
丸（ドット）と大きい丸（ドット）とで形成されるディ
ジタルコード化されたドットパターンである。図４にお
いて破線で示した四角２４は、受光素子９の視野すなわ
ち受光面１７の領域に対応してる。図４で示した例で
は、３つの大丸と１つの小丸が受光素子９の視野に入っ
ている。図示したＭ平面のパターンは、２×２個の丸か
らなる部分パターンが重複しない特性を有している。従
って２×２の部分パターンに基づいてこの部分パターン
が存在するタブレット面上の位置の座標を求めることが
できる。パターンを描く丸は極めて微小なものであり、
その大きさに基づいてタブレット表面上のＸＹ座標の分
解能が決まる。なお図示例では、説明の便宜上ドット数
を減少させたものを示しているが、実際には、例えば１
２．５ｃｍ四方の座標読取り面に対してドット間の補正
を行わない状態で、０．５ｍｍの分解能を得ようとする
ならば、２５０×２５０のドットが必要となり、また任
意のアドレスを得るためには４×４ドットを読み込む必
要がある。このときの受光素子の画素数は、３２×３２
程度が適切であり、補間演算を行えば０．１ｍｍの分解
能を得ることができる。

【００２２】タブレット１８の表面周囲には受信コイル
２５が設けられる。タブレット１８の表面においてスタ
イラスペン１で適当な位置を指定しサイドスイッチ１１
をオン操作すると、発振器８が発振動作を行うと共に、
変調器１０と発振器８により、受光素子９の受光面１７
に映った指定位置に対応するパターンの一部によって表
される像パターン（座標コードを含む）に基づき前記発
振器の出力が変調される。かかる発振作用に基づき送信
コイル３から放射される電磁波２８は受信コイル２５で
受信される。受信コイル２５で受信される電磁波には前
記の像パターンを含み、その結果、前記座標コードを含
んでいる。受信コイル２５の像パターンを含む出力信号
は復調器２６に入力される。復調器２６は受信コイル２
５の出力信号の中から像パターンを取り出す。また復調
器２６は筆圧情報とサイドスイッチ情報をも取り出す。
復調器２６の像パターンを表す信号は座標情報抽出手段
２７に供給され、ここで像パターンを表す信号から座標
コードすなわち座標情報を抽出する。抽出された座標コ
ードに基づいてタブレット１８の２次元表面１８ａにお
ける位置座標を一義的に定めることができる。座標情報
抽出手段２７で抽出された座標コード（座標情報）は情
報処理装置２９に供給され、復調器２６で取り出された
前記の筆圧情報とサイドスイッチ情報も同様に情報処理
装置２９に供給される。

【００２３】次に図５〜図１１を参照して、座標情報抽
出手段２７において、受光素子９の受光面１７で検出さ
れたパターン像に基づいて座標コードを抽出するための
演算手法を説明する。説明は、図１１のフローチャート
に従って行う。

【００２４】図５において、破線で示された領域は受光
素子９の受光面１７を表しているとする。破線で示され
た受光面１７に対して、複数の大丸と小丸で形成された
パターンの一部の像が図示された状態で投影されたとす
る。このパターンの一部は、説明の便宜上、受光面１７
内のものとさらにその外側に位置するものを示してい
る。受光面１７内におけるパターン像に対応して受光面
１７を表す破線矩形領域の中に数字が記されている。大
丸に対応する箇所には相対的に大きな値の数値が記さ
れ、小丸に対応する箇所に相対的に小さい値の数値が記
されている。数値のそれぞれが１つの画素に対応し、そ
の値の大きさが検出した像に対応する出力信号のレベル
である。受光面１７を表す破線矩形領域における数字の
記載で明らかなように、この実施例の説明では、受光素
子９の受光面１７の画素配列は９×９の画素で形成され
る。図５に示す受光面１７のパターン像の情報（９×９
個の数値で表される画素情報）が変調器１０、発振器
８、送信コイル３、受信コイル２５、復調器２６を通し
て座標情報抽出手段２７に送られる。座標情報抽出手段
２７は、図１１に示すフローチャートに従ってパターン
像の情報に基づき座標コードを抽出する。

【００２５】上記の技術的前提の下で、図１１に示すス
テップＳ１が実行され、９×９の画素情報を読込み、バ
ッファメモリＢＵＦ（１８×１８）に各画素の数値を格
納する。このとき格納箇所は４倍に増加しているので、
互いに隣接する４か所の画素配列要素に同じ数値を格納
する。このように、数値が格納されたＢＵＦ（１８×１
８）の格納状態を図６示す。図６で明らかなように、受
光素子９の受光面１７のパターン画像（数値像）は例え
ば４倍に拡大されている。次に、例えば図７に示すよう
な適当な平滑化オペレータを用いてＢＵＦ（１８×１
８）の格納内容に対して重畳積分を施し、平滑化を実行
する（ステップＳ２）。この結果、ＢＵＦ（１８×１
８）における数値の格納状態は図８に示すようになる。
次のステップＳ３では、図８の数値格納状態を有するＢ
ＵＦ（１８×１８）において、数値が最大の要素（頂上
要素）を探し、そのアドレスと数値を頂上テーブルに書
き込み、その後で当該要素とその近傍の要素の値を０と
する。次に再び数値が最大の要素を探し、同じことを繰
り返す。この操作をすべての要素が０になるまで繰り返
す。図９は頂上テーブルに書き込まれた頂上要素のデー
タ状態を示し、図１０は頂上テーブルに書き込まれた各
頂上要素の位置（アドレス）と数値をＢＵＦ（１８×１
８）の平面上で示したものである。図９に示す頂上テー
ブルにおいて、アドレスが受光素子９の受光面１７の中
心（座標で表すと（8.5, 8.5）になる点）にもっとも近
い４つの頂上要素を選出する（ステップＳ４）。この４
つの頂上要素を図１０において数値に丸を付すことによ
り示している。４つの要素の数値が例えば４０以上であ
れば“１”を割り当てかつ例えば３９以下であれば
“０”を割り当て、さらに、アドレスの若い順番に割り
当てた数値“１”，“０”を並べることにより座標コー
ドを生成する。こうして座標コードを抽出することがで
きる。

【００２６】前述の図１１で説明された座標情報抽出手
段で実施される各ステップは、それぞれマイコンで機能
実現手段として実現される。

【００２７】前記実施例ではペン型位置指示器を有する
座標入力装置について説明したが、カーソル型の位置指
示器に適用することもできる。Ｍ平面の並びを有するパ
ターンの一部から座標コードを取り出す手法は、図１１
に示した方法に限定されるものではない。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、座標情報を含むように形成されたＭ平面の並びの
パターン等を利用してタブレットを形成し、他方、スタ
イラスペンには指定された位置の当該パターンを部分的
に読み取り、読み取ったパターン像に基づいて指令され
た位置の２次元座標を求めるように構成したため、座標
入力装置の構成が簡易となり、安価に作製することがで
き、経済性を高めることができる。また位置指示器とタ
ブレット側との間の信号のやり取りを、位置指示器内の
送信部とタブレット表面周囲に配置した受信アンテナと
を利用したため、比較的に周波数の低いかつ指向性の弱
い電磁波を用いて行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光学式座標入力装置のスタイラス
ペンの内部構造を示す縦断面図である。

【図２】スタイラスペン内部に設けられた電気回路の構
成を示す回路図である。

【図３】タブレット側に設けられた電気的構成を示す回
路図である。

【図４】Ｍ平面の系列を示すドットパターンの一部を示
す図である。

【図５】受光素子の受光面で捕らえられたパターン像の
数値画像を示す図である。

【図６】数値画像を４倍に拡大した図である。

【図７】平滑化オペレータの数値パターンの一例を示す
図である。

【図８】図６に示した数値画像を平滑化オペレータで平
滑化することで得られた数値画像である。

【図９】頂上テーブルのデータ内容を示す図である。

【図１０】頂上テーブルに格納された要素を配置した平
面を示す図である。

【図１１】読み取ったパターン像から座標コードを抽出
する過程を説明するフローチャートである。

【符号の説明】

１スタイラスペン２ペンハウジング３送信コイル４フェライトコア６筆圧検出装置８発振器９受光素子１０変調器１１サイドスイッチ１３導光路ハウジング１４傾向プリズム１６反射板１７受光面１８タブレット２５受信コイル２６復調器２７座標情報抽出手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06F 3/03 310 G06F 3/03 380

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２次元座標情報を含むＭ平面の並びを有
する、ディジタルコード化された大小のドットからなる
ドットパターンが表面に記録されたタブレットと、前記タブレットの表面上で指示した位置に対応する前記
ドットパターンの一部を光学的に読み取る光学的装置
と、この光学的装置で読み取られた前記一部のドットパ
ターンに関する信号を生成する、変調器と発振器と送信
コイルからなる信号生成手段とを含む位置指示器と、前記一部のドットパターンに関する信号を受け取り、こ
の信号から得られる前記一部のドットパターンに係るパ
ターン像に基づいて座標コードを算出し、この座標コー
ドを前記位置指示器によって指示された位置の２次元座
標情報として抽出する座標情報抽出手段と、を備えることを特徴とする光学式座標入力装置。
【請求項２】請求項１記載の光学式座標入力装置にお
いて、前記座標情報抽出手段は、前記一部のドットパタ
ーンに係るパターン像に基づき画素配列領域上の各画素
の出力レベルについて大きなドットに対応して大きい数
値を取得しかつ小さなドットに対応して小さい数値を取
得する手段と、前記数値に関する画像空間を拡大する手
段と、前記数値に関する前記画像空間に平滑化オペレー
タを適用して前記数値を平滑化する手段と、平滑化した
前記数値に関する前記画像空間に含まれる数値から大き
な数値を選択して頂上テーブルを作成する手段と、前記
頂上テーブルに含まれる数値を用いて前記座標コードを
生成する手段を含むことを特徴とする光学式座標入力装
置。
【請求項３】請求項１記載の光学式座標入力装置にお
いて、前記位置指示器は前記光学的装置で読み取られた
前記一部のドットパターンに関する信号を前記送信コイ
ルで送信し、前記タブレットは前記信号を受信する受信
部を有することを特徴とする光学式座標入力装置。
【請求項４】請求項３記載の光学式座標入力装置にお
いて、前記受信部は復調器を備えることを特徴とする光
学式座標入力装置。
【請求項５】請求項３または４記載の光学式座標入力
装置において、前記受信部は前記タブレットの表面周囲
に設けられた受信コイルを備えることを特徴とする光学
式座標入力装置。