专利名称：电子笔和使用该电子笔的投影系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及在屏幕上投影影像并能够实现使用电子笔的交互操作的投影系统。
背景技术：
近年来，公开了具有交互功能的投影系统，利用投影仪将个人电脑的影像投影到屏幕(白板)上，并能够使用附带的电子笔等在屏幕上直接进行文字或图形的手写输入。为了检测此时屏幕上的电子笔的位置，人们使用了各种方式。在专利文献I中，记载了一种从电子笔产生红外光和超声波，在投影仪中安装了检测从电子笔发出的红外光和超声波以获取电子笔的位置的信号处理器的结构。通过该结构，在不具有用于检测电子笔的位置的特殊功能的屏幕上也能够使用。此外，专利文献2中记载了一种结构，为了抑制从电子笔产生的超声波遇到反射 物而产生反射波，在电子笔内设置对用于接收发送来的超声波的超声波接收部的方位进行检测，抑制从该超声波接收部的方位偏离的方位上的超声波的发送的单元。专利文献I :日本特开2005-115870号公报专利文献2 日本特开2007-058425号公报
发明内容
在使用了超声波的位置检测方式中，利用红外线传感器和分开一定距离的2个超声波接收器来检测从电子笔发出的红外线与超声波，依据三角测量的原理，根据从检测到红外线至2个超声波接收器检测到超声波为止的声波的到达时间，来计算电子笔的位置。在专利文献I的结构中，该超声波接收器安装在投影仪上，投影仪设置在距离屏幕一定距离的例如天花板上。因此，超声波接收器中不仅接收到从电子笔经由直线路径到达的超声波，也叠加地接收到被屏幕等反射的超声波。由于两者的到达距离不同，电子笔的位置检测会产生误差，导致交互功能中的绘画功能劣化。通过专利文献2的技术，电子笔检测超声波接收器的方位，通过抑制从超声波接收器的方位偏离的方位上的超声波的发送，来抑制反射波的产生。在该结构中，电子笔中需要配备用于检测超声波接收器的方位的方位检测部，和抑制来自多个超声波发送部中的一部分超声波发送部的超声波的发送的超声波抑制部，电子笔的结构变得复杂。本发明的目的在于，提供一种以简单的结构减少超声波的来自屏幕的反射波的电子笔，实现提高了电子笔的位置检测精度的投影系统。本发明的电子笔，其特征在于，包括前端部具有笔尖的长轴状的壳体；设置在上述壳体的上述笔尖的内侧的用于产生超声波的超声波发送部；与上述超声波发送部邻接设置的用于产生红外线的红外线发送部；和将从上述超声波发送部产生的超声波中前往上述笔尖侧的成分反射的超声波引导部。通过本发明，能够以简单的结构减少从电子笔发送来的超声波的来自屏幕的反射波。由此，能够实现交互功能中的绘画性能优良的低成本的投影系统。
图I是表示本发明的投影系统的一个实施例的系统结构图。图2A是表示本发明的电子笔的第一实施例的侧视图。图2B是表不超声波引导部的图。图3是表不使用红外线和超声波检测笔坐标的原理的图。图4A是说明超声波的反射波的产生的图(以往的电子笔)。图4B是说明超声波的反射波的产生的图(实施例I的电子笔)。图5是表示本发明的电子笔的第二实施例的侧视图。 图6是表示本发明的电子笔的第三实施例的侧视图。图7是在电子笔中增加交互设备的例子。图8A是表示由超声波麦克风(ultrasound mic)所获得输出波形的图(以往的电子笔)。图8B是表示由超声波麦克风所获得输出波形的图(实施例I的电子笔)。图8C是表示由超声波麦克风所获得输出波形的图(实施例2的电子笔)。图9A是表示投影系统的绘画性能的图(以往的电子笔)。图9B是表示投影系统的绘画性能的图(实施例I的电子笔)。图9C是表示投影系统的绘画性能的图(实施例2的电子笔)。附图标记说明I......投影仪2......电子笔3……个人计算机(个人电脑)4......屏幕5……笔坐标检测部10……红外线传感器11、12……超声波麦克风20......电子笔的壳体21……红外线发送部22……超声波发送部23......笔尖24,25……超声波引导部26......定位设备
具体实施例方式本发明在电子笔的笔尖设置超声波发送部，使得从上述超声波发送部放射(辐射)的超声波的声波强度在前往超声波麦克风的直视方向上具有指向性，并且，为了防止不必要的反射波,使超声波的放射角度变窄。在下面的实施例中，利用超声波引导部，使在屏幕法线方向的垂直面上的超声波的放射角变窄，并提高声波强度。下面利用附图进行具体说明。
实施例I图I是表示本发明的投影系统的一个实施例的系统结构图。投影系统包括投影仪I、电子笔2、个人计算机(下面简称为“个人电脑”)3和屏幕4。投影仪I与个人电脑3连接，基于从个人电脑3提供的影像信号31在屏幕4上投影显示影像。电子笔2是用于在屏幕4上手写输入文字或图形，或者对个人电脑3进行鼠标操作的输入设备。电子笔2产生红外线50和超声波51、52的信号,用于坐标输入或操作信号。从电子笔2发出的红外线和超声波的信号，由安装在投影仪I上的笔坐标检测部5检测，计算出电子笔2的位置(屏幕4上的二维位置，下面称为“笔坐标”)。笔坐标检测部5中具有用于检测红外线信号50的红外线传感器10和用于检测超声波信号51、52的2个超声波麦克风(接收器)11、12。2个超声波麦克风(接收器)11、12设置在投影仪I内相互分开一定距离S的位置。计算出的笔坐标的信息作为鼠标信号32通知给个人电脑3。个人电脑3基于接收到的笔坐标的信息(鼠标信号32)生成绘画信号，通过投影仪I在屏幕4上绘画文字或者图形。
图2A和图2B是表示本发明的电子笔的第一实施例的图，图2A为侧视图，图2B表示安装在电子笔上的超声波引导部24(从笔尖侧观察的图)。电子笔2包括在前端部具有笔尖23的长轴状的壳体20，和与笔尖23的内侧邻接着设置的红外线发送部21和超声波发送部22。将笔尖23按压到屏幕4等时，从红外线发送部21产生例如波长950nm的红外线，从超声波发送部22产生例如频率40kHz的超声波，它们同心圆状地向电子笔2的周围放射。本实施例中，超声波发送部22的笔尖23侧安装了反射超声波的超声波引导部24(图2A中表示了超声波引导部24的截面)。超声波引导部24为伞状的透明圆板，中心设有用以通过笔尖23的安装孔24a。作为超声波引导部24的材料，例如优选聚碳酸酯。通过超声波引导部24，将从超声波发送部22发出的超声波中前往笔尖侧即屏幕4的成分反射，使其在前往超声波麦克风11、12的直视方向上具有指向性。作为超声波引导部24使用透明材料，是为了使从红外线发送部21发出的红外线不被超声波引导部24屏蔽，能够到达投影仪I的红外线传感器10，也是为了用户手写输入文字或图形时不妨碍识别笔尖23的位置。超声波引导部24的截面形状为从中间向周边弯曲的形状，其目的在于，即使电子笔2的姿势即轴方向从与屏幕4正交的方向少量倾斜，也能够可靠地使前往屏幕4的超声波成分反射。此外，超声波引导部24的周边的一部分设有平坦部分24b，用以防止电子笔2转动。这样，本实施例的电子笔2，能够通过在前端部安装超声波引导部24这样简单的结构来限制超声波的放射方向，提供了低成本、实用性高的电子笔。下面说明本实施例的电子笔2和投影系统的动作。图3是表示利用红外线和超声波来检测坐标的原理的图。当电子笔2的笔尖23按压屏幕4时，同时从红外线发送部21产生红外线的基准脉冲、从超声波发送部22产生超声波的猝发脉冲并传播。设置在投影仪I上的笔坐标检测部5的红外线传感器10和超声波麦克风11、12，检测传播来的上述红外线和超声波。红外线传感器10检测红外线50，输出由符号100所示的信号。超声波麦克风11、12检测超声波51、52，输出由符号110、120所示的信号。红外线50瞬间到达红外线传感器10，而超声波51、52由于传播速度比红外线50慢，所以迟于红外线到达超声波麦克风11、12。此时由于超声波麦克风11、12配置在相互分开距离S的位置上，因此延迟时间分别是tl、t2。笔坐标检测部5基于该延迟时间tl、t2，计算从超声波麦克风11、12到电子笔2的距离dl、d2，并根据麦克风间的距离S和从麦克风11、12到屏幕4的距离(已知)，计算出屏幕4上的电子笔2的坐标(笔坐标)。由于红外线脉冲100和超声波猝发脉冲110、120从电子笔2以一定的时间间隔(例如16msec间隔)间断地发送，因此通过连接计算出的坐标，使得文字和图形的手写输入变得可能。在这种三角测量中，麦克风之间的距离S越大，笔坐标的计算精度越高。因此，超声波麦克风11、12优选设置在投影仪I的投影面的两端位置上。
图4A和图4B是说明超声波的反射波的产生的图。图4A是为了比较而表示的使用以往的电子笔的情况，图4B是表示使用本实施例的电子笔的情况。将投影仪I设置成悬挂在天花板上状态，使之向屏幕4投影影像光40。当将电子笔2按压在屏幕4上时，从超声波发送部22产生超声波，传播到设在投影仪I上的超声波麦克风11(12)。在图4A的现有结构的电子笔2’的情况下，不仅存在从电子笔沿直线路径到达超声波麦克风11 (12)的直接波51 (52)，还存在经屏幕4 一次反射后到达的不需要的反射波51’(52’)。因此，超声波麦克风11(12)接收到2个波，导致输出信号110(120)的波形变得紊乱，并且检测出的延迟时间tl(t2)中产生误差。与此不同，在图4B的本实施例的电子笔2的情况下，电子笔2设有超声波引导部24。从超声波发送部22发出的超声波中前往笔尖侧即屏幕4的成分被超声波引导部24反射。其结果，从电子笔2到达超声波麦克风11(12)的波，只存在沿直线路径到达的直接波51(52)。或者，即使存在不需要的反射波51’(52’)，也被大幅度地减少。由此，输出信号110(120)的波形仅基于原本的直接波51 (52)，提高了延迟时间tl(t2)的检测精度。实施例2图5是表示本发明的电子笔的第二实施例的侧视图。本实施例的电子笔2采用安装了隔着超声波发送部22在轴方向上相对的2个超声波引导部24、25的结构(图5中表示超声波引导部24、25的截面)。笔尖23侧的超声波引导部24(第一引导部)与实施例1(图2)的形状相同。与其相对的红外线发送部21侧的超声波引导部25(第二引导部)也是伞状的透明圆板，中心具有用以通过超声波发送部22的安装孔。第二引导部25的截面形状与第一引导部24相比，在相反方向上弯曲，夹在两者之间的空间呈喇叭(horn)状。通过本实施例的电子笔2，第一引导部24将从超声波发送部22发出的超声波中前往笔尖侧的成分反射。另一方面，第二引导部25将从超声波发送部22发出的超声波中前往壳体20侧的成分反射。由此，不仅消除(减少)了被屏幕4反射的反射波，还使从超声波发送部22发出的超声波的放射角变窄。即，具有改善了前往超声波麦克风11(12)的指向性、提高了沿直线路径到达超声波麦克风的直接波51 (52)的强度的效果。实施例3图6是表示本发明的电子笔的第三实施例的侧视图。本实施例的电子笔2采用将隔着超声波发送部22在轴方向上相对的2个超声波引导部24、25内置于电子笔2中的结构。即，采用将实施例2(图5)中的2个超声波引导部24、25埋入电子笔2中，使它们不从壳体20的外周部突出的结构。2个超声波引导部24、25的截面形状相互向相反方向弯曲，夹在两者之间的空间呈喇叭状。从超声波发送部22发出的超声波，从夹在2个超声波引导部24、25之间的空洞向外部传播。此外，本实施例中的超声波引导部24、25可以是不透明材质。通过本实施例的电子笔2，与实施例2同样地，具有不仅消除(减少)了被屏幕4反射的反射波，并且也改善了从超声波发送部22发出的超声波的指向性的效果。另外，由于超声波引导部24、25不从壳体的外周突出，所以在用户手写输入文字或图形时毫不妨碍对笔尖23的位置的识别，提高了电子笔2的易用性。上述各实施例I 3能够有如下的变形。实施例I 3中，采用通过超声波引导部反射超声波来使其具有指向性，并提高声波强度的结构。作为别的方法，也可以采用在超声波引导部的表面设置吸收超声波的材料来吸收向不必要的方向放射的超声波的结构。图7是表示在电子笔中追加定位设备(pointing device)的例子的图。在此,采用在实施例1(图2)的电子笔2的后端部嵌入定位设备26的结构。其它的实施例也是一样的。定位设备26对个人电脑3进行多种输入操作，相当于以往的鼠标和轨迹球。具体地，通过在使用电子笔手写输入时使其具有橡皮擦、笔的粗细选择或笔的颜色选择等功能，使得交互操作变得更充实。来自定位设备26的输入操作，从红外线发送部21或超声波发送部22作为红外线或超声波的信号发送到投影仪I中。这种情况下，通过使用安装了超声波引导部24的电子笔2，能够消除操作时的误动作。下面具体地展示上述实施例的电子笔的效果。图8A 图8C是根据由超声波麦克风得到的输出波形确认本实施例的效果的图，对图8A中以往的电子笔的情况、图8B中实施例I的电子笔的情况、图8C中实施例2的电子笔的情况进行比较。实验方法是将电子笔2按压在屏幕4中的上部位置，发送超声波(猝发脉冲)，表示其被投影仪I中的超声波麦克风11、12接收到时的各超声波麦克风11、12所得到的输出波形。在以往的结构的电子笔(无超声波引导部)的情况下，被视为反射波的副信号位于被视为直接波的主信号之后(图8A)。与此不同，在实施例I的电子笔(I个超声波引导部)的情况下，基于反射波的副信号减少(图SB)。此外，在实施例2(2个超声波引导部)的情况下，基于反射波的副信号减少，基于直接波的主信号的电平增大。图9A 图9C是根据投影系统的绘画性能来确认本实施例的效果的图，对图9A中以往的电子笔的情况、图9B中实施例I的电子笔的情况、图9C中实施例2的电子笔的情况进行比较。实验方法是展示利用电子笔2在屏幕4上绘画由纵线和横线构成的测试图形时在屏幕4上画出的图形。在以往结构的电子笔(无超声波引导部)的情况下，可观察到多处图形的中间部分(线的一部分)缺失、在其它位置错误描绘的现象(错误描绘)(移动方向由箭头示出)(图9A)。与此不同，实施例I的电子笔(I个超声波引导部)的情况下，错误描绘减少(图9B)，实施例2 (2个超声波引导部)的情况下，几乎未观察到错误描绘(图9C)。如上所述，通过使用本实施例的电子笔，能够提高电子笔的位置检测精度，能够实现交互功能中的绘画功能优良的投影系统。此外，由于本实施例的电子笔能够以简单的结构限制超声波的传播方向，因此能够实现低成本的投影系统。权利要求
1.一种电子笔,其特征在于,包括 前端部具有笔尖的长轴状的壳体； 设置在所述壳体的所述笔尖的内侧的用于产生超声波的超声波发送部； 与所述超声波发送部邻接设置的用于产生红外线的红外线发送部；和 将从所述超声波发送部产生的超声波中前往所述笔尖侧的成分反射的超声波引导部。
2.如权利要求I所述的电子笔，其特征在于 所述超声波引导部，是在所述超声波发送部的所述笔尖侧安装了伞状的圆板而得的。
3.如权利要求I所述的电子笔，其特征在于 所述超声波引导部，是安装了隔着所述超声波发送部在轴方向上相对的2个伞状的圆、板而得的。
4.如权利要求2或3所述的电子笔，其特征在于 所述超声波引导部内置于所述壳体的外周面内。
5.如权利要求2或3所述的电子笔，其特征在于 所述超声波引导部由透明材料形成。
6.一种投影系统，与个人计算机连接，将该个人计算机的影像从投影仪投影到屏幕上，其特征在于，包括 如权利要求I至5中任一项所述的电子笔；和 安装在所述投影仪上，利用红外线传感器和2个超声波麦克风检测从所述电子笔发送来的红外线和超声波，并根据该检测信号计算所述电子笔在所述屏幕上的坐标的笔坐标检测部， 将所述电子笔在所述屏幕上的坐标通知所述个人计算机。
7.如权利要求6所述的投影系统，其特征在于 设置于所述笔坐标检测部的所述2个超声波麦克风配置在所述投影仪的投影面的两端。
全文摘要
本发明提供电子笔和使用该电子笔的投影系统，该电子笔以简单的结构减少超声波的来自屏幕的反射波，该投影系统提高了电子笔的位置检测精度。电子笔(2)包括在前端部具有笔尖(23)的长轴状的壳体(20)、设置在壳体的笔尖(23)的内侧的用于产生超声波的超声波发送部(22)、与超声波发送部22邻接设置的用于产生红外线的红外线发送部(21)和将从超声波发送部(22)产生的超声波中前往笔尖(23)侧的成分反射的超声波引导部(24)。
文档编号G06F3/041GK102736746SQ20121008274
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月26日 优先权日2011年3月31日
发明者堀田宣孝, 小野寺信二, 松泽俊彦 申请人:日立民用电子株式会社