专利名称：具有超声波控制器的电子笔的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子笔、电子白板系统以及投影仪系统，特别涉及用于发射超声波的电子笔的机构。
现有技术使用超声波和红外线的电子白板系统被广泛地使用。图1说明了常规电子白板系统的构造的示意图。电子白板系统101包括电子笔102，超声波传感器3a、3b，红外线传感器4a、4b，以及连接到超声波传感器3a、3b和红外线传感器4a、4b的坐标计算器5。在诸如屏幕、墙、和白板那样的书写表面S上提供超声波传感器3a、3b和红外线传感器4a、4b。在书写表面S的角6a处彼此邻近地成对布置超声波传感器3a和红外线传感器4a。类似地，在角6b处彼此邻近地成对布置超声波传感器3b和红外线传感器4b。
图2是常规电子笔的示意图。电子笔102是一种笔形状的发射设备，其被提供具有纵轴C的细长外壳20。超声波发射器121和红外线发射器122布置在外壳20的书写侧顶部附近并且分别以同心模式发射超声波和红外线。因此，当用户以平常的方式握着电子笔102而不注意环绕纵轴C的电子笔102的方向时，超声波传感器3a、3b和红外线传感器4a、4b能够接收超声波和红外线。该电子笔的构造公开于日本专利未决公开No.2004-192199和No.237950/99。此外，日本专利未决公开No.203043/99公开了一种具有超声波发射器的电子笔，其中环绕电子笔的纵轴以相同的间隔提供所述超声波发射器。在本申请中，术语“方向”表示电子笔关于其纵轴的角度或旋转方向。
当电子笔102的顶部按压书写表面S时，分别从超声波发射器121和红外线发射器122同时发射超声波和红外线。图3是沿着图2中的线3-3截取的剖面图。如图3中虚线所示，超声波和红外线从电子笔102的顶部以同心圆模式进行传播。超声波传感器3a、3b接收由图1中虚线所示且从电子笔102的顶部扩展的超声波。红外线传感器4a、4b接收由图1中点划线所示且从电子笔102的顶部扩展的红外线。图4是解释红外线和超声波的到达时间的差的概念图。作为光的红外线瞬时到达红外线传感器4a(或4b)。另一方面，作为声波且传播慢于红外线的超声波在红外线到达红外线传感器4a之后到达超声波传感器3a(或3b)。坐标计算器5测量时间延迟t1并且基于时间延迟t1计算角6a和电子笔102(的顶部)之间的距离D1(参见图1)，该时间延迟是接收到超声波时的时间与接收到红外线时的时间之间的差。通过红外线传感器3b和超声波传感器4b执行相同的处理以计算角6b与电子笔102(的端部)之间的距离D2(参见图1)。坐标计算器5通过使用计算出的距离D1、D2基于三角测量原理来确定电子笔102相对于预定参考点的坐标。由于如图4所示那样以规则的间隔间断地发射超声波和红外线，所以通过电子笔102写到书写表面上的文字或图形信息通过结合已经确定的坐标而能够被再现为电子数据。
近年来，已经开发了如图5A和5B所示的电子白板系统或投影仪系统，其被提供具有反射镜光学系统的超短焦距投影仪。图5A是从屏幕前面看的投影仪系统的示意图，图5B是从屏幕的侧面看的示意图。投影仪67具有红外线传感器65和超声波传感器66a、66b。投影仪67还具有未示出的坐标计算器，用于基于从电子笔62发射的红外线脉冲63被红外线传感器65接收到的时间与超声波64a、64b被超声波传感器66a、66b接收到的时间之间的差以及基于由投影仪67测量到的投影仪67与屏幕61之间的距离，来计算屏幕61上的电子笔62与投影仪67之间的三维距离。由于在投影仪67上彼此相邻地布置红外线传感器65和超声波传感器66a、66b，这与图1实例不同，所以单个红外线传感器65足以提供参考时间，用于测量红外线的到达时间和超声波的到达时间之间的差。该类型的电子白板系统具有以下优点不需要屏幕，在实际中，能够使用房间中的墙等等，因为超声波传感器和红外线传感器位于投影仪中。此外，不需要将超声波传感器/红外线传感器连接到个人电脑的装置。参见日本专利未决公开No.2005-115870关于该电子白板系统的详述。
然而，由于从超声波发射器发射的超声波在三维中实际上同心地传播，所以存在以下可能性，即在不同于超声波传感器的方向的方向上发射的超声波被物体反射并且作为反射波到达超声波传感器。结果，在以下条件下检测笔的坐标的电子白板系统由于反射波而不能够精确地检测坐标，所述条件为超声波沿着直线直接从超声波发射器到达超声波传感器。例如，如果被反射的超声波延迟到达超声波传感器，并且在同一时间，稍后发射的下一超声波沿着直线到达超声波传感器，那么存在以下可能要被检测的超声波脉冲不能够被正确地识别。当超声波的脉冲沿着直线到达超声波传感器时也将出现相似的问题，然后被反射的超声波到达超声波传感器，并且然后下一脉冲沿着直线到达超声波传感器。在该情况中，反射波被错误地识别为将要到达超声波传感器的下一超声波脉冲。在常规的电子白板系统中，如图1所示，能够通过将罩盖附接到超声波传感器以提供具有方向性的超声波传感器，来减少反射波的影响，因为超声波传感器位于与屏幕大致相同的平面上。然而，罩盖将增加超声波传感器的尺寸以及成本。另一方面，在使用超短焦距投影仪的电子白板系统或投影仪系统中，如图5所示，难以通过使用罩盖来提供具有方向性的超声波传感器，因为远离屏幕或投影表面来布置超声波传感器。在电子白板系统中，难以提供具有特定方向的方向性的超声波传感器，因为投影仪和投影表面之间的距离根据要投影的图像的尺寸而不同。
发明内容
本发明的目的是提供一种电子笔、电子白板系统、以及投影仪系统，它们能够防止从超声波发射器发射的超声波的反射，从而提高计算电子笔的坐标的精度，特别是对于难以提供具有方向性的超声波传感器的电子笔。
根据本发明的一种电子笔，包括外壳，其具有纵轴和沿着纵轴的书写侧顶部；至少一个超声波发射器，在外壳的书写侧顶部附近布置超声波发射器；以及控制器，用于检测传感器方向和用于控制超声波的发射。传感器方向是示出外壳围绕纵轴的旋转方向的指标，旋转方向指向用于接收从超声波发射器发射的超声波的超声波传感器。控制器选择性地激活一部分超声波发射器，使得从指向传感器方向的方向发射超声波。
在所有的方向上从超声波发射器发射超声波。因此，在不同于超声波传感器方向的方向上发射的超声波可以被周围的地板、墙、或障碍物反射并且比直接到达超声波传感器的超声波稍后到达超声波传感器。然而，根据本发明的电子笔检测笔的传感器方向，并且防止或限制在不同于超声波传感器的方向的方向上的超声波的发射。结果，被周围地板、墙或障碍物反射的并且到达超声波传感器的超声波的发射能够被减少。
根据本发明的另一实施例，一种电子白板系统，包括上述的电子笔；至少两个超声波传感器，其被彼此远离地布置在书写表面上，通过电子笔在书写表面上书写信息；用于接收红外线的红外线传感器，红外线传感器布置为邻近书写表面上的各个超声波传感器；以及坐标计算器，用于通过对于每对红外线传感器和超声波传感器计算红外线传感器接收到红外线的时间与超声波传感器接收到超声波的时间之间的差，来计算电子笔在书写表面上的坐标。
根据本发明的又一实施例，一种投影仪系统，包括上述的电子笔；其中电子笔进一步包括用于与所述超声波发射器发射的超声波的发射同步地发射红外线的红外线发射器；以及投影仪装置，其用于将图像投影到书写表面上，通过电子笔在书写表面上书写信息。投影仪装置包括至少两个超声波传感器；用于接收红外线的至少一个红外线传感器，红外线传感器被布置为与每个超声波传感器相邻；以及坐标计算器，用于通过对于每个超声波传感器计算红外线传感器接收到红外线的时间与超声波传感器接收到超声波的时间之间的差，来计算电子笔的三维坐标。
如上所解释的那样，根据本发明，由于防止或限制了远离超声波传感器的方向的方向上发射的超声波，所以能够以更高的精度来计算电子笔的坐标。
从参考示出了本发明的实施例的附图而进行的以下描述中，本发明上述的和其他目的、特征和优点将变得显而易见。
图1是说明常规电子白板系统的构造的示意图；图2是常规电子笔的示意图；图3示出从电子笔发射的超声波和红外线的发射的概念图；图4示出了红外线与超声波到达时间之间的差别的概念图；图5A和5B是使用超短焦距投影仪的电子白板系统(投影仪系统)的示意图；图6是根据本发明的第一实施例的电子笔的示意图；图7是沿着根据本发明的第一实施例的图6中的线7-7截取的电子笔的示意图；图8是图6所示电子笔的与超声波的发射有关的主要部件的方框图；图9是示出了图6所示的电子笔的操作的概念图；图10是从书写侧的顶部来看的根据本发明的第二实施例的电子笔的顶部附近的剖面图；图11是图10所示电子笔的与超声波的发射有关的主要部件的方框图；图12是图10中的部分A的放大图，其示出了按压体没有按压超声波发射器的状态；图13是图10中的部分A的放大图，其示出了按压体按压超声波发射器的状态；以及图14根据本发明的第三实施例的电子笔的端部的侧视图，其示出了超声波发射器周围的构造。
具体实施例方式
(第一实施例)除了电子笔的构造之外，本发明的电子白板系统与常规电子白板系统相似。具体地说，参考图1，电子白板系统1具有电子笔2，至少两个超声波传感器3a、3b，红外线传感器4a、4b，以及坐标计算器5。在书写表面S的左侧的角6a、6b处彼此远离地布置超声波传感器3a、3b，其中信息通过电子笔2写在书写表面S上。在书写表面S上，与各个超声波传感器3a、3b相邻近地布置用于接收红外线的红外线传感器4a、4b。连接到超声波传感器3a、3b和红外线传感器4a、4b的坐标计算器5基于红外线传感器4a接收到红外线的时间与超声波传感器3a接收到超声波的时间之间的差，来计算角6a和电子笔2之间的距离D1。类似地，坐标计算器5基于红外线传感器4b接收到红外线的时间与超声波传感器3b接收到超声波的时间之间的差来计算角6b和电子笔2之间的距离D2。坐标计算器5进一步使用距离D1、D2来计算书写表面S上的电子笔2的坐标。操作的细节参考现有技术以及图3和4。
图6是电子笔的示意图。电子笔2具有细长的圆柱形外壳20，其具有纵轴C；超声波发射器21a-21d(图6仅示出了21a)，用于发射超声波；以及用于发射红外线的红外线发射器22。控制器23位于外壳20中。指示器29位于外壳20的书写侧的顶部24。超声波发射器21a-21d连接到控制器23。
图7是沿着图6中的线7-7截取的电子笔的顶部附近的剖面图。在环绕电子笔2的纵轴C的方向25a-25d上，在外壳20的书写侧的顶部24附近以90°的间隔布置超声波发射器或超声波发射器单元21a-21d。如在本实施例中这样，超声波发射器的数量不限于4个。类似地，不限制超声波发射器的构造，只要其具有小尺寸并且能够产生超声波。作为一个实例，超声波发射器可以具有由压电元件制成的振动器26，以及围绕振动器26的振动片27a。与电子笔2的书写侧的顶部24附近的超声波发射器21a-21d同轴布置的红外线发射器22与超声波发射器21a-21d发射的超声波的发射同步地发射红外线。
图8是与超声波的发射有关的电子笔的主要部件的方框图。控制器23包括传感器检测部件23a和发射器选择部件23b。传感器检测部件23a检测指向超声波传感器3a、3b的电子笔2的方向。该方向或传感器方向是电子笔2关于外壳20的纵轴C的角度或旋转方向，并且示出了当用户手持电子笔2时超声波3a、3b关于电子笔2所在的方向。传感器检测部件23a可以具有未示出的球和未示出的多个传感器的组合，但并非限于此，其中所述球沿着与外壳20的纵轴C相垂直的平面在外壳20内部的未示出的空间中自由移动，并且所述多个传感器用于检测与球的接触。传感器检测部件23a进一步具有未示出的部件，用于执行确定电子笔的方向的功能。将在稍后描述的该功能也可以通过发射器选择部件23b或通过坐标计算器5而不是传感器检测部件23a来执行。发射器选择部件23b对位于超声波传感器3a、3b附近的方向上的一部分超声波发射器进行选择性触发。
将进一步详细描述控制器23的操作。假设书写表面S是大致垂直的平面(屏幕、墙等等)。参考图9，超声波传感器3a、3b位于书写表面S的角6a、6b处。为了方便，关于作为0°的垂直向上方向顺时针定义角θ。由于在书写表面S的左上侧和左下侧的角6a、6b的方向上布置超声波传感器3a、3b，所以用270°来表示超声波传感器3a、3b的位置，从而通过超声波传感器3a、3b接收超声波。预先将有关超声波传感器3a、3b的位置的信息输入到电子笔2。然而，如以上所述那样，由于不是始终地将超声波传感器3a、3b布置在左侧，所以可以由用户手动地将有关超声波传感器的位置的信息设置为例如0°、90°、180°或270°。
当用户将电子笔2按压于书写表面S时，同时以期望的方向牢固地握住电子笔2，触发传感器检测部件23a。作为选择，当指示器29检测到比预定值大的压力时，可以触发传感器检测部件23a。具有上述结构的传感器检测部件23a操作如下。当球移动到180°侧时，传感器检测部件23a通过分析球附近的传感器的响应来确定电子笔2指向180°的方向。在图9中，传感器检测部件23a判定超声波发射器21b附近的方向指向180°。然后，传感器检测部件23a基于有关确定的电子笔2的方向以及有关上述超声波传感器的位置的信息，来确定电子笔2指向超声波传感器的方向。在图9中，传感器检测部件23a判定指向超声波传感器3a、3b的方向是从超声波发射器21b附近再顺时针旋转90°的方向。换句话说，传感器检测部件23a判定超声波传感器3a、3b位于超声波发射器21c附近。以此方式，传感器检测部件23a检测到哪一个超声波发射器接近地指向超声波传感器。
发射器选择部件23b从传感器检测部件23a接收结果，并且仅触发超声波发射器21c。换句话说，发射器选择部件23b控制超声波发射器21a-21d，使得相对远离超声波传感器3a、3b的方向而定位的超声波发射器21a、21b、21d不被触发，以便防止由超声波发射器21a、21b、21d发射超声波。从而，能够防止在不期望的方向上的超声波的发射，并且因此减少被墙等等反射的超声波的影响。
(第二实施例)除了超声波发射器和控制器的构造之外，第二实施例与第一实施例相似。图10是从书写侧的顶部看时顶部附近的电子笔的剖面图。在电子笔7的书写侧的顶部附近的纵轴C周围提供一个超声波发射器71。在说明性的实施例中，超声波发射器71包括振动器76，其关于电子笔7的纵轴C同轴地布置；以及环绕振动器76的振动片77。
图11是与超声波的发射有关的电子笔的主要部件的方框图。控制器73包括传感器检测部件73a和超声波限制器73b，传感器检测部件73a用于检测指向超声波传感器3a、3b的电子笔7的方向。传感器检测部件73a具有与第一实施例中的传感器检测部件23a相似的构造。超声波限制器73b包括按压体78a-78d，按压体选择部件81、以及按压体驱动部件79a-79d。每个按压体驱动部件与相应的按压体相关联。如图10所示，以90°的间隔并且以方向75a-75d在超声波发射器71周围提供按压体78a-78d。按压体选择部件81选择远离超声波传感器3a、3b的方向的按压体，其通过传感器检测部件73a来检测。按压体驱动部件79a-79d驱动被选择的按压体。按压体驱动部件79a-79d连接到按压体选择部件81。如在本发明中这样，按压体的数量和按压体驱动部件的数量不限于4个。图12和13是图10中的部分A的部分放大图。图12示出了按压体没有按压超声波发射器的状态，图13示出了按压体按压超声波发射器的状态。因为其他按压体和按压体驱动部件的构造和操作与按压体78a和按压体驱动部件79a的相似，所以解释将集中于按压体78a和按压体驱动部件79a。通过缝隙82在电子笔7的径向上引导按压体78a。按压体驱动部件79a具有轴86，其一端连接到按压体78a而另一端连接到永久磁铁84，并且可旋转地支撑在枢轴83处；以及布置在永久磁铁84两侧的电磁铁85a、85b。永久磁铁84根据电磁铁85a、85b中流动的电流的方向而移动，所述电流的方向取决于来自于按压体选择部件81的信号。结果，按压体78a在图12所示的释放位置与图13所示的按压位置之间沿着缝隙82移动。这样，按压体驱动部件79a机械地限制了一部分超声波发射器71的振动。在图10中，按压体78a、78b、78d按压超声波发射器71的相应部分以限制振动，并且防止了从按压体78a、78b、78d以它们任意的方向发射的不期望的超声波的发射。
这样，根据第二实施例，机械地按压一部分超声波发射器71，并且被按压部分的振动被限制。因此，在按压部分中产生的超声波的振幅被减少，从而减少了反射波的影响。
(第三实施例)除了电子笔的控制器的构造之外，第三实施例与第二实施例相似。具体地说，第三实施例与第二实施例不同之处在于其利用重力来按压按压体。图14是说明超声波发射器周围的构造的电子笔的顶部的侧视图。在电子笔9的书写侧顶部94附近绕纵轴C提供超声波发射器91。控制器包括多个按压体98a-98d，其绕着超声波发射器91以90°的间隔布置；以及支持构件99a-99d，用于支持按压体98a-98d。附图中省略了按压体98d和支持构件99d。支持构件99a-99d具有摆，并且按压体98a-98d借助于重力而在垂直向下的方向上自由移动。由于以90°的相同间隔来布置4个按压体98a-98d，所以在垂直向上的方向附近的方向上定位的至少一个按压体按压超声波发射器，而与电子笔9的方向无关。
这样，根据第三实施例，由于通过摆状结构来支持按压体，所以压力被施加到一部分超声波发射器，即垂直的上面部分，并且在这些部分能够防止超声波。对于如图5所示的具有在较低位置并且远离投影表面布置的超声波传感器的电子白板系统，第三实施例是有效的。特别地，从位于上面方向的天花板反射的不期望的波的影响能够被有效地减少。
在上述实施例中，在屏幕上布置超声波传感器和红外线传感器。然而，也能够如现有技术的解释那样，在投影仪装置上安装超声波传感器和红外线传感器，以便三维地计算屏幕上的电子笔与投影仪装置之间的距离。在该实施例中，可以在投影仪装置的面向投影侧的外表面上布置超声波传感器和红外线传感器，并且可以在投影仪中提供用于计算三维距离的坐标计算器。其他的构造可以与上述的相同。
尽管详细示出和描述了本发明的一定优选实施例，但是应该理解在不脱离权利要求的精神或范围的情况下可以进行各种改变和修改。
权利要求
1.一种电子笔，包括外壳，其具有纵轴和沿着所述纵轴的书写侧顶部；至少一个超声波发射器，所述超声波发射器布置在所述外壳的所述书写侧顶部附近；以及控制器，用于检测传感器方向和用于控制超声波的发射，其中传感器方向是示出所述外壳关于所述纵轴的旋转方向的指标，所述旋转方向指向用于接收从所述超声波发射器发射的超声波的超声波传感器，并且其中所述控制器选择性地激活一部分所述超声波发射器，使得从指向所述传感器方向的方向发射超声波。
2.根据权利要求1的电子笔，其中所述超声波发射器包括所述外壳的所述纵轴周围的多个超声波发射单元，所述超声波发射单元布置在彼此不同的方向上，并且其中所述控制器包括用于检测所述传感器方向的传感器检测部件；以及单元选择部件，用于选择性地触发一部分所述超声波发射单元，使得仅触发在相对靠近所述传感器方向的方向上布置的所述超声波发射单元，其中由所述传感器检测部件来检测所述传感器方向。
3.根据权利要求1的电子笔，其中环绕所述外壳的所述纵轴来布置所述超声波发射器，并且其中所述控制器包括用于检测所述传感器方向的传感器检测部件；以及超声波限制器，用于限制一部分所述超声波发射器的操作，其中所述一部分超声波发射器位于相对远离所述传感器方向的方向上，其中由所述传感器检测部件来检测所述传感器方向。
4.根据权利要求3的电子笔，其中所述超声波限制器包括多个按压体，其以彼此不同的方向布置在所述超声波发射器周围，按压体选择部件，用于选择位于相对远离所述传感器方向的方向上的所述按压体，其中由所述传感器检测部件来检测所述传感器方向，以及按压体驱动部件，用于将各个按压体按压于所述超声波发射器，其中由所述按压体选择部件来选择所述按压体。
5.根据权利要求1的电子笔，其中环绕所述外壳的所述纵轴来布置所述超声波发射器，并且其中所述控制器包括多个按压体，其以彼此不同的方向布置在所述超声波发射器周围；以及支持构件，用于支持所述各个按压体，使得所述按压体在垂直向下的方向上自由移动，并且至少一个所述按压体按压所述超声波发射器，其中至少一个所述按压体位于垂直向上的方向附近。
6.根据权利要求1的电子笔，进一步包括红外线发射器，用于与所述超声波发射器发射的超声波的发射同步地发射红外线。
7.一种电子白板系统，包括根据权利要求1的电子笔，其中电子笔进一步包括用于与所述超声波发射器发射的超声波的发射同步地发射红外线的红外线发射器；至少两个超声波传感器，其彼此远离地布置在书写表面上，由所述电子笔在所述书写表面上书写信息；用于接收红外线的红外线传感器，所述红外线传感器与所述书写表面上的各个超声波传感器相邻地布置；以及坐标计算器，用于通过对每对所述红外线传感器和所述超声波传感器计算所述红外线传感器接收到红外线的时间与所述超声波传感器接收到超声波的时间之间的差，来计算所述电子笔在所述书写表面上的坐标。
8.一种投影仪系统，包括根据权利要求6的电子笔；以及投影仪装置，其被构造为将图像投影到书写表面上，由所述电子笔在所述书写表面上书写信息；其中所述投影仪装置包括至少两个超声波传感器；用于接收红外线的至少一个红外线传感器，与每个超声波传感器相邻地布置所述红外线传感器；以及坐标计算器，用于通过对每个超声波传感器计算所述红外线传感器接收到红外线的时间与所述超声波传感器接收到超声波的时间之间的差，来计算所述电子笔的三维坐标。
9.一种电子笔，包括外壳，其具有纵轴和沿着所述纵轴的书写侧顶部；至少一个超声波发射器，所述超声波发射器布置在所述外壳的所述书写侧顶部附近；并且其中传感器方向被检测，其中传感器方向是示出所述外壳关于所述纵轴的旋转方向的指标，所述旋转方向指向用于接收从所述超声波发射器发射的超声波的超声波传感器，并且其中选择性地激活一部分所述超声波发射器，使得从指向所述传感器方向的方向上发射超声波。
全文摘要
本发明提供一种具有超声波控制器的电子笔。根据本发明的电子笔具有外壳，其具有纵轴和沿着纵轴的书写侧顶部；至少一个超声波发射器，超声波发射器布置在外壳的书写侧顶部附近；以及控制器，用于检测传感器方向和用于控制超声波的发射。传感器方向是示出外壳关于纵轴的旋转方向的指标，旋转方向指向用于接收从超声波发射器发射的超声波的超声波传感器。控制器选择性地激活一部分超声波发射器，使得从指向传感器方向的方向上发射超声波。本发明能够防止从超声波发射器发射的超声波的反射，从而提高计算电子笔的坐标的精度，特别是对于难以提供具有方向性的超声波传感器的电子笔尤为有效。
文档编号G06F3/033GK1920760SQ20061009971
公开日2007年2月28日 申请日期2006年6月29日 优先权日2005年8月23日
发明者富家修 申请人:日本电气视象技术株式会社