JP2001109567A - 座標入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動入力方式の座標入力装置において、振動
入力手段がコードレスで、簡単安価な構成で高精度に座
標入力を行えるようにする。 【解決手段】 振動入力ペン２１の発光素子２２がペン
２１の振動の発振と同時に光信号を発光する。光信号は
装置本体側の光検出回路２で検出され、検出信号が信号
処理回路３で処理されてスタートタイミング信号が生成
され、この信号が演算制御回路１に入力されると、同回
路１内で振動伝達板８上の振動入力点から振動センサ６
ａ〜ｄまでの振動伝達時間の計時が開始され、計時の結
果に基づいて入力点の座標が算出される。信号処理回路
３に、光検出回路２の検出信号のレベルを検出するレベ
ル検出手段が設けられ、演算制御回路１に、そのレベル
検出手段により検出されたレベルに応じてスタートタイ
ミング信号のタイミングを補正する補正手段が設けられ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は座標入力装置、特に
座標入力面を形成する振動伝達板に対し振動入力手段を
点接触させて入力された振動を前記振動伝達板に複数設
けられた振動センサにより検出し、振動入力点から前記
振動センサまでの振動伝達時間に基づき、振動入力点の
座標を算出する座標入力装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超音波振動を利用した座標入力装置とし
て、例えば特公平５−６０６１５号に開示されているよ
うに、振動入力手段としての振動入力ペンを振動伝達板
に点接触させ、入力された振動が振動伝達板上を伝達
し、振動伝達板上に設けられた複数の振動センサに到達
するまでの遅延時間（振動伝達時間）をもとに、振動入
力ペンを接触させた振動入力点の位置の座標を算出する
ものがある。

【０００３】この超音波振動による座標入力装置の振動
入力ペンをコードレスのものとして構成するには、振動
入力ペンと座標入力装置本体とで、ペン側の発振タイミ
ングと本体側回路内の振動伝達時間を計時するカウンタ
のスタートタイミングの同期を無線で取る必要がある。
この同期を無線で取る方式として光同期方式がある。こ
の光同期方式の座標入力装置の構成では、振動入力ペン
側に発光素子を配置し、これが振動入力ペンの振動の発
振と同時に発光する光信号を装置本体側の受光素子で検
出し、その検出信号を増幅、比較回路等で処理して、カ
ウンタをスタートさせる同期信号としてのスタートタイ
ミング信号を生成し、この信号によりカウンタをスター
トさせていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来装置において、時間データから座標値を算出する装置
では、時間検出精度が座標算出精度に大きく影響するに
もかかわらず、光信号を検出した検出信号のレベル（以
下、光信号の検出レベルという）によって、時間データ
が変化してしまうという問題があった。その理由は、以
下の通りである。

【０００５】装置本体側での光信号の検出レベルは、振
動入力ペン側の発光素子と装置本体側の受光素子との間
の距離と受光角度によって大きく変化する。通常、光信
号の検出信号を処理してスタートタイミング信号として
扱う場合、その検出信号を増幅器により増幅した後、フ
ィルタで所定の周波数成分をピックアップしてコンパレ
ータに入力し、既定値のしきい値と比較して大きければ
コンパレータからタイミング信号が出力される。しかし
ながら、受光素子やフィルタの特性で、コンパレータに
入力される信号の波形の立ち上がり（または立ち下が
り）のスピードが俊敏でないために、コンパレータで検
出するタイミングが検出レベルによって変化してしま
う。その結果、同期信号の検出時間が変化するために座
標算出精度に大きな影響があった。

【０００６】光信号を座標入力装置の振動伝達時間の計
時のタイミング同期に利用する場合、特に音速が数千メ
ートルの超音波を利用した座標入力装置では、座標算出
精度を0.3mm程度以下で保証しようとすると、少なくと
も100nsec以下の検出精度が必要となる。これは数MHzの
高速伝送を行えば可能となるが、周波数の高速化は消費
電力が増大するために電池駆動の振動入力ペンには非常
に不利であるとともに復調側の回路も複雑になってしま
う。

【０００７】そこで本発明の課題は、上記振動入力方式
の座標入力装置における問題を解決し、振動入力手段が
コードレスで構成でき、かつ簡単安価な構成で高精度に
座標入力を行える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】上記の課題を解決するた
め、本発明によれば、振動伝達板により形成される座標
入力面上の任意の入力点に振動入力手段を点接触させて
入力された振動を前記振動伝達板に複数設けられた振動
センサにより検出し、前記入力点から前記振動センサま
での振動伝達時間に基づき、入力点の位置の座標を算出
する座標入力装置であって、前記振動入力手段に設けら
れ、該振動入力手段の振動の発振と同時に光信号を発光
する発光手段と、座標入力装置本体側で前記光信号を検
出する光検出手段と、該光検出手段の検出信号を処理し
てスタートタイミング信号を生成する信号処理手段を有
し、該信号処理手段により生成されたスタートタイミン
グ信号により前記振動伝達時間の計時を開始する座標入
力装置において、前記光検出手段が前記光信号を検出し
た検出信号のレベルを検出するレベル検出手段と、該レ
ベル検出手段により検出された前記検出信号のレベルに
応じて前記スタートタイミング信号のタイミングを補正
する補正手段を設けた構成を採用した。

【０００９】また、より具体的な構成として、前記発光
手段が発光する光信号は、所定の周波数で変調された矩
形波信号であり、前記信号処理手段は、前記光検出手段
の検出信号から前記周波数の成分を取り出す第１のフィ
ルタ手段と、該第１のフィルタ手段の出力信号のエンベ
ロープを取り出す第２のフィルタ手段と、該第２のフィ
ルタ手段の出力信号のレベルが所定の第１の参照レベル
より高いか否かを検出する第１のレベル比較手段と、前
記第１のフィルタ手段の出力信号のレベルが所定の第２
の参照レベルより高いか否かを検出する第２のレベル比
較手段と、前記第１のレベル比較手段により前記第２の
フィルタ手段の出力信号のレベルが前記第１の参照レベ
ルより高いことが検出され、かつ前記第２のレベル比較
手段により前記第１のフィルタ手段の出力信号のレベル
が前記第２の参照レベルより高いことが所定回数検出さ
れた時点で前記スタートタイミング信号を生成する信号
生成手段から構成され、前記レベル検出手段は、前記第
２のフィルタ手段の出力信号のピークレベルを保持する
レベル保持手段と、該レベル保持手段の出力信号の電圧
をＡ／Ｄ変換して前記検出信号のレベルを示すデータを
出力するＡ／Ｄ変換手段からなる構成を採用した。

【００１０】また、さらに具体的な構成として、前記補
正手段は、前記光検出手段の検出信号のレベルのデータ
と前記スタートタイミング信号のタイミングの補正時間
のデータを対応付けたデータテーブルを格納した記憶手
段と、前記レベル検出手段により検出された前記検出信
号のレベルに対応する前記補正時間のデータを前記記憶
手段のデータテーブルから読み出す読み出し手段と、該
読み出し手段により読み出された補正時間のデータによ
り前記タイミング信号のタイミングを補正するタイミン
グ補正手段からなる構成を採用した。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明の実施
の形態を説明する。

【００１２】［第１の実施形態］本発明の第１の実施形
態を図１〜９により説明する。

【００１３】〈座標入力装置の全体構成の説明（図
１）〉まず、本実施形態に於ける振動入力方式の座標入
力装置の全体構成を図１により説明する。なお、図１の
構成で振動入力ペン２１以外は座標入力装置の本体側に
設けられる。

【００１４】図１中で１は、装置全体を制御すると共
に、振動入力点の位置座標を算出する演算制御回路であ
る。

【００１５】２は光検出回路であって、後述する振動入
力ペン２１の発光素子２２から発光される光信号を検出
するものである。

【００１６】３は信号処理回路であって、光検出回路２
で光信号を検出した検出信号を処理し、後述する振動伝
達時間の計時を開始するスタートタイミング信号を生成
するものである。

【００１７】８は、座標入力面を形成する振動伝達板で
あり、アクリルやガラス板等の透明部材からなり、この
振動伝達板８が割れたときの飛散を防止するＰＥＴ等か
らなるフィルム（ラミネート）が上面に粘着層を介して
貼り合わされている。振動入力ペン２１による座標入力
は、この振動伝達板８上をタッチすることで行う。実際
には、図１中に実線で示す符号Ａの座標入力有効エリア
内の任意の入力点に振動入力ペン２１の先端を点接触さ
せる事で行う。

【００１８】長方形の振動伝達板８の四隅には、圧電素
子等、機械的振動を電気信号に変換する振動センサ６ａ
〜６ｄが固定されている。また、振動伝達板の外周部に
は、その外周縁で反射した振動が中央部に戻るのを防止
（減衰）させるための防振材７が設けられている。

【００１９】９は信号波形検出回路であり、各振動セン
サ６ａ〜６ｄの出力信号を処理して各振動センサが振動
を検出した旨の振動到達タイミング信号（後述するｔｇ
信号及びｔｐ信号）を生成し、演算制御回路１に出力す
るものである。

【００２０】１１は液晶表示器等のドット単位の表示が
可能なディスプレイであり、振動伝達板８の背後に配置
されている。このディスプレイ１１はディスプレイ駆動
回路１０の駆動により振動入力ペン２１によりなぞられ
た位置にドットを表示し、それを透明部材からなる振動
伝達板８を透して見る事が可能になっている。

【００２１】〈振動入力ペンの説明（図２）〉次に、振
動入力ペンの構成を図２により説明する。

【００２２】図２において、振動入力ペン２１に内蔵さ
れた振動子２６は、振動子駆動回路２５により駆動され
る。その電気的な駆動信号は振動子２６によって機械的
な超音波振動に変換され、ペン先２７に伝達され、この
ペン先２７が前述の振動伝達板８に点接触することによ
って振動伝達板８に振動が入射される。

【００２３】ここで振動子２６の振動周波数は、ガラス
などの振動伝達板８に板波を発生する事が出来る値に選
択される。なお、この振動子２６の振動周波数は、これ
に限定されることなく、例えば振動伝達板８を伝播する
表面波を検出波として利用する場合、振動伝達板８の厚
みに対して十分高い値（振動伝達板８を伝播する波の波
長λが板の厚みに対して十分小さくなるような周波数
値）に設定すれば良い。

【００２４】また、振動子駆動回路２５は振動子２６の
駆動、すなわち振動の発振と同時に発光素子駆動回路２
４に発光タイミング信号を送信し、これに応じて発光素
子駆動回路２４は発光素子２２を所定の周波数で変調し
た駆動信号で駆動する。発光素子２２は、後述の装置本
体側の受光素子６０１の分光感度のピーク波長に合わせ
て選択する。変調する周波数は、回路を簡略化するため
に、振動子２６を駆動する周波数と同じにしてもよい。

【００２５】なお、振動入力ペン２１内の全ての回路の
電源は、電池、電源用ＩＣ、コンデンサ等で構成される
電源回路２３によって供給される。

【００２６】〈光信号検出によるスタートタイミング信
号生成の説明（図３、図４）〉上述のように、振動入力
ペン２１内の振動子駆動回路２５は、振動子２６を駆動
するのと同時に発光素子駆動回路２４に発光タイミング
信号を送信し、これに応じて発光素子駆動回路２４によ
り発光素子２２が駆動され、所定の周波数で変調した信
号を光信号として出力（発光）する。その光信号は、光
検出回路２で検出され、その検出信号が信号処理回路３
で処理され、演算制御回路１に対し、振動センサ６ａ〜
６ｄに伝達される超音波振動の伝達時間の計時のスター
トタイミング信号として入力される。その光信号の発
光、及びスタートタイミング信号の生成のための回路構
成と信号波形処理の詳細について図３及び図４により以
下に説明する。なお、図３は光検出回路２及び信号処理
回路３の構成を示すブロック図であり、図４は発光素子
２２から発光される光信号と光検出回路２及び信号処理
回路３の波形処理について説明するためのタイミングチ
ャート図である。

【００２７】振動入力ペン２１内の振動子駆動回路２５
は、駆動信号として、図４中に７３で示すように例えば
２発の矩形パルスを振動子２６に印加する。それと同時
に、発光素子駆動回路２４は、発光素子２２を７１のよ
うに周期ｔ１で駆動する。７１は、発光素子駆動回路２
４が発光素子２２を駆動する駆動信号に対応して発光素
子２２が出力する矩形波の光信号である。ここで周期ｔ
１は、振動センサ６ａ〜６ｄのそれぞれと振動伝達板８
の座標入力有効エリアＡ内の最遠点との距離を振動が伝
播する遅延時間と後述の信号処理に要する時間以上の間
隔に設定する。

【００２８】７２は、発光素子２２の光信号７１を拡大
表示したものである。信号７１の各矩形パルスは、所定
の周波数で変調され、例えば７２に示すように５発のパ
ルスに変調される。ここで、変調周波数は、振動子２６
の駆動周波数と同じとすることで、回路が簡略化され
る。なお、信号７２における時間ｔ２は、次に述べる光
検出回路２において光信号を検出した検出信号の１発目
の立ち下がり及び２発目の立ち上がり特性により適宜設
定される。

【００２９】一方、光検出回路２は、フォトダイオード
等からなる受光素子６０１と増幅回路６０２からなる。
受光素子６０１は、分光感度のピーク波長が振動入力ペ
ン２１の発光素子２２に合わせて選択されており、さら
に蛍光灯等の外乱光を抑制するためのフィルタが外装と
なっているため、振動入力ペン２１からの光信号以外の
波長光以外に関しては、無視できる程度のレベルしか検
出されない構成となっている。光信号を受光した受光素
子６０１の検出信号は、増幅回路６０２で所定の増幅度
で増幅される。その増幅度は、装置の大きさ、特に振動
入力ペン２１と受光素子６０１の距離に対して必要な検
出レベルで設定される。

【００３０】さらに、光検出回路２で得られた検出信号
は、信号処理回路３に入力される。信号処理回路３にお
いて、入力された検出信号は上述した光信号の変調の周
波数成分を取り出すためのバンドパスフィルタ６０３を
通過して、エンベロープ信号を取り出すためにローパス
フィルタ６０４に入力される。

【００３１】７４は、光検出回路２で得られた検出信号
がバンドパスフィルタ６０３を通過した信号波形を示
す。７５は、さらに信号７４がローパスフィルタ６０４
を通過した信号波形を示す。ローパスフィルタ６０４を
通過した信号７５は、第１コンパレータ６０５に入力さ
れ、所定レベル（電圧）の参照信号７５１とレベルの高
低を比較される。この参照信号７５１のレベルは、信号
７４の波形の１発目がノイズレベルより十分に大きく後
述の参照信号７４１よりも確実に大きくなるように設定
される。

【００３２】第１コンパレータ６０５は、信号７５と参
照信号７５１の比較により、信号７５のレベルが参照信
号７５１より高いときにハイレベルになる信号７５２を
ゲート信号生成回路６０６に出力する。そして、ゲート
信号生成回路６０６は、信号７５２からゲート信号７５
３を生成する。なお、このゲート信号７５３は、信号７
４の２ブロック目のキャリア信号にのみゲートが開くよ
うに一定間隔のディレイタイムを有する。このディレイ
タイムは、振動センサ６ａ〜６ｄのそれぞれから振動伝
達板８の座標入力有効エリアＡの最近点までの距離を超
音波振動が伝播する遅延時間以下に設定される。

【００３３】一方、バンドパスフィルタ６０３通過後の
信号７４は、スライス回路６０７にも入力され、ここか
ら更に第２コンパレータ６０８に入力される。第２コン
パレータ６０８は、入力信号７４のレベルをノイズレベ
ルで規定される所定レベルの参照信号７４１と比較し、
信号７４のレベルが参照信号７４１より高いときにハイ
レベルになる信号７４２を出力する。

【００３４】そして、ゲート信号７５３及び第２コンパ
レータ６０８の出力信号７４２は、スタートタイミング
信号生成回路６０９に入力され、そこでゲート信号７５
３の間の信号７４２の安定している２発目を検出点とし
てスタートタイミング信号７６が生成される。すなわ
ち、第１コンパレータ６０５によりローパスフィルタの
出力信号７５のレベルが参照信号７５１より高いことが
検出され、かつ第２コンパレータ６０８によりバンドパ
スフィルタ６０３の出力信号７４のレベルが参照信号７
４１より高いことが２回検出された時点でスタートタイ
ミング信号７６が生成される。

【００３５】このように生成されたスタートタイミング
信号７６は、演算制御回路１に入力され、後述のタイミ
ング補正を施された後、振動センサで検出される超音波
振動の伝達時間の計時のスタートタイミング信号として
使用される。

【００３６】このようにしてスタートタイミングを検出
することにより、一般的な検出方法であるローパスフィ
ルタ出力の所定検出点で検出するよりも、検出光のレベ
ルの変動及びノイズに強い構成とすることができる。な
お、キャリア信号の検出点として、上記は２発目として
いるが、キャリア信号の立ち上がり特性によっては、３
発目以降を検出してもよく、ジッタ等が少なく時間的に
安定した箇所を検出点とすればよい。

【００３７】一方、ローパスフィルタ６０４通過後の信
号７５は、レベル検出回路６１０にも入力される。レベ
ル検出回路６１０は、ピークホールド回路等から構成さ
れ、ローパスフィルタ６０４通過後の信号７５のピーク
レベルを保持し、その出力信号がＡ／Ｄコンバータ６１
１に入力される。Ａ／Ｄコンバータ６１１は所定のタイ
ミングで取り込みを開始し、このサンプリングによって
得られたレベル検出回路６１０の出力信号の電圧が、Ａ
／Ｄコンバートされ、光信号の検出レベルを示す検出レ
ベルデータとして演算制御回路１に入力される。ここで
得られた検出レベルデータは、前述のスタートタイミン
グ信号生成回路６０９が出力するスタートタイミング信
号のタイミング補正に使用する。

【００３８】〈演算制御回路及びスタートタイミング信
号の補正の説明（図５,６）〉次に、演算制御回路１の
詳細及び上記のように生成されたスタートタイミング信
号の補正について図５,６により説明する。

【００３９】演算制御回路１は、前述の信号処理回路３
から出力されるスタートタイミング信号を補正し、その
補正したタイミングにより内部のタイマとしてのカウン
タによる振動伝達時間の計時を開始させる。

【００４０】一方、振動入力ペン２１より発生した振動
は振動伝達板８上の振動入力点から振動センサ６ａ〜６
ｄ迄の距離に応じて遅延して到達する。信号波形検出回
路９は各振動センサ６ａ〜６ｄからの信号を検出して、
後述する波形検出処理により各振動センサヘの振動到達
タイミングを示す信号を生成するが、演算制御回路１は
各センサ毎のこの信号を入力し、各々の振動センサ６ａ
〜６ｄまでの振動到達時間を検出し、それに基づいて振
動入力ペン２１による振動入力点の位置座標を算出す
る。また、演算制御回路１は、この算出された振動入力
点の座標情報を元にディスプレイ駆動回路１０を駆動し
てディスプレイ１１による表示を制御したり、あるいは
シリアル、パラレル通信によって不図示の外部機器に座
標出力を行なう。

【００４１】図５は演算制御回路１の構成を示すブロッ
ク図であり、ここに示す各構成要素及びその動作を以下
に説明する。

【００４２】図中３１は演算制御回路１及び本座標入力
装置全体を制御するマイクロコンピュータであり、内部
カウンタ、制御手順のプログラムを記憶したＲＯＭ、そ
して計算等に使用するＲＡＭ、定数等を記憶する不揮発
性メモリ等によって構成されている。

【００４３】スタートタイミング信号の補正は、補正回
路３６で実行される。マイクロコンピュータ３１内の不
図示のメモリには、光信号の検出レベル（具体的にはロ
ーパスフィルタ６０４の出力信号７５のピークレベル）
のデータとスタートタイミング信号のタイミングの補正
時間データを対応付けたデータテーブルがあらかじめ記
憶されている。マイクロコンピュータ３１は、信号処理
回路３のＡ／Ｄコンバータ６１１から入力される検出レ
ベルデータにしたがって、その検出レベルに対応する補
正時間のデータを前記メモリのデータテーブルから読み
出し、補正回路３６に出力する。補正回路３６は、入力
された補正時間のデータに従って、信号処理回路３のス
タートタイミング信号生成回路６０９から入力されるス
タートタイミング信号のタイミングを補正する。

【００４４】ここで、上記光信号の検出レベル、すなわ
ち信号処理回路３のレベル検出回路６１０で検出される
信号レベルと、スタートタイミング信号生成回路６０９
から出力されるスタートタイミング信号のタイミングに
は図６に示すような関係がある。図６から明らかなよう
に検出レベルが大きくなると、スタートタイミング信号
のタイミングが遅くなる（検出点が後ろになる）ことが
分かる。したがって、本実施形態では、検出されたタイ
ミングに上記テーブルの補正時間の値を付加する補正を
行うものとし、補正回路３６は、信号処理回路３から入
力されたスタートタイミング信号をマイクロコンピュー
タ３１から与えられた補正時間だけ遅延させる遅延回路
としてカウンタ、タイマ素子などを用いて構成される。
すなわち、補正後のスタートタイミング信号のタイミン
グは、図６の検出レベルが最大値のときのタイミングに
設定される。

【００４５】このようにして補正することにより、光信
号の検出レベルの変動に依存せず、受光素子の応答特性
や、増幅器及びバンドパスフイルタにおける光検出信号
の立ち上がり（ないし立ち下がり）特性にも依存しない
で、スタートタイミングを高精度に検出することができ
るため、高精度な絶対時間を必要とする座標入力装置の
計時のスタートタイミングとして使用することができ
る。

【００４６】一方、図５において３２ａ〜３２ｄは不図
示の基準クロックをカウントして振動伝達時間を計時す
るカウンタであって、振動子駆動回路２５に振動入力ペ
ン２１内の振動子２６の駆動を開始させるための信号と
同時に出力される光信号が、光検出回路２で検出され、
信号処理回路３によりスタートタイミング信号として処
理され、さらに補正回路３６でタイミングが補正された
後、カウンタ３２ａ〜３２ｄに入力されると、その計時
を開始する。これによって、計時開始と振動センサ６ａ
〜６ｄによる振動検出の同期が取られ、振動センサによ
り振動が検出されるまでの遅延時間（振動伝達時間）が
測定できることになる。

【００４７】信号波形検出回路９より出力される各振動
センサ６ａ〜６ｄよりの振動到達タイミング信号は、検
出信号入力回路３４を介してカウンタ３２ａ〜３２ｄに
入力される。カウンタ３２ａ〜３２ｄのそれぞれは、各
振動センサ６ａ〜６ｄに対応しており、各センサの振動
到達タイミング信号の入力に応じて、それぞれの振動伝
達時間の計時値がそれぞれに付設された不図示のラッチ
回路にラッチされる。

【００４８】こうして全ての振動センサの振動到達タイ
ミング信号の受信がなされたことを判定回路３３が判定
すると、マイクロコンピュータ３１にその旨の信号を出
力する。マイクロコンピュータ３１は、この判定回路３
３からの信号を受信すると、カウンタ３２ａ〜３２ｄの
それぞれのラッチ回路から各々の振動センサまでの振動
伝達時間を読み取り、それに基づいて後述する計算を行
なって、振動伝達板８上の振動入力ペン２１による振動
入力点の位置座標を算出する。

【００４９】そして、Ｉ／Ｏポート３５を介してディス
プレイ駆動回路１０に算出した座標情報を出力すること
により、例えばディスプレイ１１の入力点に対応する位
置にドット等を表示することができる。あるいはＩ／Ｏ
ポート３５を介し不図示の外部機器とのインターフェー
ス回路に、座標情報を出力することによって、外部機器
に座標値を出力することができる。

【００５０】〈振動伝達時間検出の説明（図７,８）〉
次に、振動センサ６ａ〜６ｄまでの振動到達タイミング
を検出して振動伝達時間を計測するための信号波形検出
回路９の構成と、同回路における信号処理について図
７,８により説明する。図７は、信号波形検出回路９の
構成を示すブロック図である。図８は信号波形検出回路
９に入力される振動センサの振動検出波形と、それに基
づく振動到達タイミング検出と振動伝達時間の計測処理
を説明するためのタイミングチャート図である。なお、
以下では振動センサ６ａの場合に付いて説明するが、そ
の他の振動センサ６ｂ〜６ｄについても全く同様であ
る。

【００５１】振動センサ６ａへの振動伝達時間の計時
は、信号処理回路３から演算制御回路１へのスタートタ
イミング信号の出力とほぼ同時（前述した補正時間の遅
延がある）に開始することは既に説明した。このとき、
振動入力ペン２１内の振動子駆動回路２５から振動子２
６へは図８中の駆動信号５１が印加されている。駆動信
号５１は、短い（例えば２発の）矩形パルスである。こ
の信号５１によって駆動される振動入力ペン２１から振
動伝達板８に伝達された超音波振動は、振動入力点から
振動センサ６ａまでの距離に応じた時間をかけて進行し
た後、短い検出波形として振動センサ６ａで検出され
る。駆動信号５１を短いパルスとする理由は、振動伝達
板８の主に端面での不要反射成分と検出すべき振動との
干渉（重畳）による誤検出を防ぎ、装置全体の小型化を
図るためである。図８中の５２で示す信号は振動センサ
６ａが検出した信号波形を示している。

【００５２】振動センサ６ａが検出した信号波形５２
は、５２１で示される群信号と５２２で示される位相信
号についてそれぞれ以下に述べる手順によって処理され
る。

【００５３】まず、群信号５２１については、不要振動
に関して除去するためにハイパスフィルタ４０２を通過
後の信号を処理する。反射波の影響を受けやすいのは群
信号５２１の処理であるために、エンベロープ検出のみ
に、ハイパスフィルタ４０２通過後の短いままの検出信
号を利用する。

【００５４】ハイパスフィルタ４０２通過後の検出信号
はエンベロープ検出回路４０３に入力され、これからエ
ンベロープ５３が取り出される。取り出されたエンベロ
ープ信号５３は、ゲート信号生成回路４０６に入力され
る。ゲート信号生成回路４０６は入力されたエンベロー
プ信号５３を適当な振幅に減衰した上で、一定のオフセ
ットを加えて参照レベル信号５３１を生成する。ゲート
信号生成回路４０６では、エンベロープ信号５３をエン
ベロープ変曲点検出回路４０４により２階微分した２階
微分出力波形５４も入力され、それと参照レベル信号５
３１とを比較することでゲート生成信号５５を出力す
る。

【００５５】エンベロープ変曲点検出回路４０４が出力
する２階微分出力波形５４はＴｇコンパレータ４０５に
も入力される。

【００５６】単安定マルチバイブレータ４０７はゲート
信号生成回路４０６から入力されたゲート生成信号５５
の立ち上がりタイミングから所定のパルス幅のゲート信
号５６を生成し、Ｔｇコンパレータ４０５及びＴｐコン
パレータ４１０に出力する。

【００５７】Ｔｇコンパレータ４０５は、ゲート信号５
６と２階微分出力波形５４とを入力とし、ゲート信号５
６が開いている間の２階微分出力波形５４のゼロクロス
点をエンベロープの変曲点として検出してｔｇ信号（エ
ンベロープ遅延時間信号）５９を生成する。得られたｔ
ｇ信号は、第１の振動到達タイミング信号として、演算
制御回路１に供給されることになる。そして、前述した
補正されたスタートタイミング信号のタイミングからｔ
ｇ信号のタイミングまでの時間がエンベロープの振動伝
達時間ｔｇとして計時されることになる。

【００５８】一方、位相信号について、波形５２２は、
狭帯域なバンドパスフィルタ４０８によって所定幅の周
波数成分の信号にされ、さらにスライス回路４０９によ
って、所定の振幅レベル以下に波形がスライス（波形の
レベル圧縮）される。その出力である位相信号５７とゲ
ート信号５６とがＴｐコンパレータ４１０に入力される
と、Ｔｐコンパレータ４１０は、ゲート信号５６の開い
ている間の位相信号（スライス回路４０９の出力信号５
７）の所定の順番にあたる立ち上がりのゼロクロス点を
検出し、その検出信号であるｔｐ信号（位相遅延時間信
号）が第２の振動到達タイミング信号として演算制御回
路１に供給されることになる。図８の例では、ｔｐ信号
は２番目の立ち上がりゼロクロス点の信号である。そし
て、前述した補正されたスタートタイミング信号のタイ
ミングからｔｐ信号のタイミングまでの時間が位相の振
動伝達時間ｔｐとして計時されることになる。

【００５９】ところで、ゲート生成信号５６を出力する
ための参照レベル信号５３１は、振動入力ペン２１と振
動センサ６ａの距離に応じて駆動パルス５１に同期した
可変レベルとしてもよく、距離により検出レベルの変動
幅が大きい場合は可変レベルとすることで検出点が安定
するのでさらに有効である。

【００６０】〈振動入力ペンと振動センサ間の距離算出
の説明〉次に、振動入力ペンと振動センサ間の距離、厳
密に言うと振動伝達板８上で振動入力ペン２１を接触さ
せた振動入力点と振動センサ６ａ〜６ｄの距離の算出に
ついて説明する。

【００６１】本実施形態の装置で用いられている振動は
板波であるため、振動伝達板８内での伝達距離に対して
図８の検出波形のエンベロープ５２１と位相５２２の関
係は振動伝達中に、その伝達距離に応じて変化する。こ
こでエンベロープ５２１の進む速度、即ち群速度をＶ
ｇ、そして位相５２２の進む速度、即ち位相速度をＶｐ
とする。この群速度Ｖｇ及び位相速度Ｖｐから振動入力
ペン２１と振動センサ６ａ間の距離を検出することがで
きる。

【００６２】まず、エンベロープ５２１にのみ着目する
と、その速度はＶｇであり、ある特定の波形上の点（例
えば変曲点）を検出すると、振動入力ペン２１及び振動
センサ６ａの間の距離は、エンベロープの振動伝達時間
（群遅延時間）をｔｇとして、 ｄ＝Ｖｇ・ｔｇ （１） で与えられる。この式は１つの振動センサ６ａに関する
ものであるが、同じ式により他の３つの振動センサ６ｂ
〜６ｄと振動入力ペン３の距離も同様にして表すことが
できる。

【００６３】更に、より高精度な座標決定をするため
に、位相信号の検出に基づく処理を行なう。位相波形信
号５２２から先述のように得た位相の振動伝達時間ｔｐ
より、振動センサと振動入力ペンの距離は、 ｄ＝ｎ・λｐ＋Ｖｐ・ｔｐ （２） となる。ここでλｐは弾性波の波長、ｎは整数である。

【００６４】前記（１）式と（２）式から上記の整数ｎ
は、次の（３）式により求めることができる。

【００６５】 ｎ＝ｉｎｔ［（Ｖｇ・ｔｇ−Ｖｐ・ｔｐ）／λｐ＋１／２］ （３） 先にも述べた様に、本実施形態では検出波として板波を
用いているので、群遅延時間ｔｇの距離に対する線形性
が良いとは言えず、式（３）において整数化を実行して
いるのはこのためである。正確な整数ｎを求めるための
必要十分条件は、次の式（４）から導出される式（５）
に示され、 ｎ^*＝（Ｖｇ・ｔｇ−Ｖｐ・ｔｐ）／λｐ （４） ΔＮ＝ｎ^*−ｎ≦０．５ （５） である。

【００６６】つまり、発生する誤差量が±１／２波長以
内であれば、群遅延時間ｔｇの線形性が良くなくても、
整数ｎを正確に決定することができる事を示すものであ
る。上記のようにして求めたｎを（２）式に代入するこ
とで、振動入力ペン２１と振動センサ６ａ間の距離ｄを
精度良く測定することができる。

【００６７】尚、以上説明した回路は振動センサ６ａに
対するものであり、他の振動センサにも同じ回路が設け
られている。

【００６８】ところで、本実施形態における前述したス
タートタイミング信号に対する補正は、時間情報に対す
る補正であるが、スタートタイミング信号生成回路６０
９の出力するスタートタイミング信号を補正せずにその
まま用いて、上述の処理にて振動入力ペンと各振動セン
サの距離を演算してから、距離の補正値（補正時間デー
タに超音波振動の音速を乗じた距離情報）を加算または
減算しても同様の結果が得られる。

【００６９】〈座標算出の説明（図９）〉次に、上述の
ように算出した振動入力ペンの振動入力点と振動センサ
間の距離に基づく振動入力点の位置座標の算出について
図９により説明する。

【００７０】今、図９に示すように、長方形の振動伝達
板８上の四隅の符号Ｓａ〜Ｓｄの位置に４つの振動セン
サ６ａ〜６ｄを設けると、先に説明した振動伝達時間に
基づいて、振動入力ペン２１の振動入力点の位置Ｐから
各々の振動センサ６ａ〜６ｄの位置までの直線距離ｄａ
〜ｄｄを求めることができる。更に演算制御回路１でこ
の直線距離ｄａ〜ｄｄに基づき、入力点の位置Ｐの座標
（ｘ，ｙ）を３平方の定理から次の（６）,（７）式の
ようにして求めることができる。

【００７１】 ｘ＝（ｄａ＋ｄｄ）・（ｄａ−ｄｄ）／２Ｘ （６） ｙ＝（ｄａ＋ｄｂ）・（ｄａ−ｄｂ）／２Ｙ （７） ここでＸ，Ｙはそれぞれ振動センサ６ａ，６ｄ間の距
離、振動センサ６ａ，６ｂ間の距離であり、以上のよう
にして振動入力ペン２１の入力点の位置座標をリアルタ
イムで検出することができる。

【００７２】なお、上記計算では３つの振動センサまで
の距離情報を用いて計算しているが、本実施形態では４
個のセンサが設置されているので、残りのセンサ１個の
距離情報を用いて出力座標の確からしさの検証に用いる
ことができる。もちろん、例えば振動入力ペンと振動セ
ンサ間の距離Ｌが最も大きくなったセンサの距離情報
（距離Ｌが大きくなるので検出信号レベルが低下しノイ
ズの影響を受ける確率が大きくなる）を用いず、残りの
センサ３個で座標を算出しても良い。また本実施形態で
は４個のセンサを配置し、３個のセンサで座標を算出し
ているが、幾何学的には２個以上のセンサで座標算出が
可能であり、製品スペックに応じてセンサの個数が設定
されることは言うまでもない。

【００７３】以上のような本実施形態によれば、振動入
力ペン２１から振動の発振と同時に出力される光信号を
座標入力装置本体側で検出して振動伝達時間の計時のス
タートタイミングを決定しているので、振動入力ペン２
１をコードレスのものとして構成できる。しかも、座標
入力装置本体側において振動入力ペン２１からの光信号
の検出レベルに応じてスタートタイミング信号のタイミ
ングを補正するので、その検出レベルの変動、光信号を
検出する受光素子及びその検出信号を処理する回路の特
性に関わらず、スタートタイミングを高精度に検出で
き、振動伝達時間を高精度に計時し、入力点の座標算出
を高精度に行うことができる。そして、座標算出精度を
上げるために使用する超音波振動の周波数を高速化する
必要がなく、振動入力ペンの消費電力を低減して電池駆
動のために有利であり、装置本体側の回路構成も簡単で
安価にできる。

【００７４】[第２の実施形態]上述した第１の実施形態
においては、振動入力ペン２１からの光信号は、振動セ
ンサ６ａ〜６ｄが検出する超音波振動の遅延時間(伝達
時間）の計測のスタートタイミング信号の生成に利用し
た。これに対して、第２の実施形態として、振動入力ペ
ン２１からの光信号を算出した座標の確からしさを求め
る処理に利用して、座標の算出は、各振動センサで検出
された振動伝達時間データの差分データを利用して算出
する実施形態について図１０〜１２により説明する。な
お、以下では、本実施形態において第１の実施形態と異
なる点のみ説明する。その異なる点以外は第１の実施形
態と共通とし、その説明は省略する。

【００７５】本実施形態における振動伝達時間の差分デ
ータによる座標計算は、一つの基準となる振動センサを
決めて、この振動センサと他の振動センサの振動伝達時
間の時間差から、振動入力点の座標値を計算する。基準
となる振動センサは、例えば図１０に示す振動伝達板８
の座標入力面の各領域１〜８ごとに異なった振動センサ
を用いる。なお、図１０においてＳａ〜Ｓｄはそれぞれ
振動センサ６ａ〜６ｄの位置を示している。

【００７６】図１０における領域１〜８の境界は、互い
に向かい合う振動センサの中点で分割される。各領域に
おいて、図１１の表に示すように、基準の振動センサと
他の振動センサの差分をｔｅｒｍ０,１,２に定義し、ま
た、その領域でのｘ,ｙ座標の符号をｓｎｘ,ｓｎｙで定
義する。そして、下記の（８）〜（１１）の式により入
力点の座標を計算する。

【００７７】

【数１】

【００７８】上記式は、領域によって計算順序が異な
る。領域２，３，６，７では、まず、式（８）を用いて
ｘ０を計算する。得られたｘ０を式（１１）に代入し、
ｙｎ座標を得る。ここで、得られたｘ，ｙ座標は精度が
低いので、さらに、得られたｙｎを式（１０）に代入し
ｘｎを計算する。これを３回繰り返し、データを収束さ
せる。同様に領域１，４，５，８では、式（９）から計
算し、式（１０）、式（１１）と同様に繰り返し計算を
実行する。

【００７９】次に、求めた座標の確からしさを算出す
る。座標の確からしさは、得られた座標値から、各セン
サまでの距離を逆算し、その距離と測定された距離との
差がなければ、その座標値は正しいとみなせる。判定
は、振動伝達板８に配置されている振動センサの数だけ
実行され、本実施形態においては４センサあるので、４
センサすべてに対して、逆算距離との比較を行い、一つ
でもしきい値以上の値が異なるときは、検出誤差を含ん
でいると判定し、座標データを出力しない。このとき逆
算距離と比較参照される距離データは、第１の実施形態
と同様に光信号の検出信号を処理してタイミングを補正
したスタートタイミングにより計時を開始した振動伝達
時間に基づく距離データである。

【００８０】図１２は、本実施形態において、演算制御
回路１により行われる上記の差分時間データ取得から座
標出力までの処理手順を表したフローチャートである。
その処理動作を以下に説明する。

【００８１】図１２のステップ１０１では、演算制御回
路１は自らをリセットし初期値を設定する。

【００８２】ステップ１０２では、１つの振動センサを
基準として各センサで計測された振動伝達時間の差分時
間データを取得する。

【００８３】ステップ１０３では、各センサの差分時間
データが揃ったか判定し、揃っていない場合はステップ
１０２に戻り、ステップ１０２，１０３の処理を繰り返
す。また、ステップ１０３で差分時間データが揃った
ら、ステップ１０４で差分距離の計算を行い、さらにス
テップ１０５で前記の差分距離から入力点の座標を計算
する。

【００８４】続いて、算出した座標の確からしさの判定
のために、ステップ１０６で算出した座標から各センサ
までの距離を逆算して求める。

【００８５】一方、ステップ１０１での初期値設定後、
ステップ１０２〜１０６と別にステップ１０９から１１
４の処理を並行して以下のように行う。

【００８６】すなわち、まずステップ１０９では、第１
の実施形態で説明したように、振動入力ペン２１からの
光信号の検出を行う。

【００８７】そして、光信号が検出され、信号処理回路
３からスタートタイミング信号と光信号の検出レベルデ
ータが入力されたら、ステップ１１０で前述したように
光信号の検出レベルに応じてスタートタイミング信号の
タイミングを補正する。

【００８８】次に、ステップ１１１で補正したスタート
タイミング信号により振動伝達時間の計時を開始し、ス
テップ１１２で前述した信号波形検出回路９からのｔ
ｇ,ｔｐの遅延時間信号の入力により、各センサまでの
振動伝達時間を取得する。

【００８９】次に、ステップ１１３で各センサまでの振
動伝達時間のデータが揃ったか判定し、揃っていなけれ
ば、ステップ１１２に戻り、ステップ１１２,１１３の
処理を繰り返す。

【００９０】一方、各センサまでの振動伝達時間のデー
タが揃ったら、ステップ１１４で振動伝達時間のデータ
により振動入力点と各センサの距離を計算する。

【００９１】次に、ステップ１０７において、ステップ
１０６で得られた距離とステップ１１４で得られた距離
を比較し、その差が所定のしきい値以下か否か判定す
る。

【００９２】そして、距離差がしきい値より大きければ
ステップ１０８で座標を出力しないための処理を行う。
また、距離差がしきい値以下であれば、ステップＳ１１
５においてステップ１０５で得られた座標を正しいもの
として出力する。ステップ１０８及び１１５の後は、本
処理のルーチンを終了し、他の処理を行う不図示のメイ
ンルーチンへリターンする。

【００９３】以上のような本実施形態によれば、ステッ
プ１１０でのスタートタイミング信号のタイミング補正
により、ステップ１１４での振動入力点と各振動センサ
間の距離計算を高精度に行え、これに基づいてステップ
１０７での距離差の判定、すなわち算出座標の確からし
さの判定を正確に行うことができる。

【００９４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、振動入力方式の座標入力装置において、振動
入力手段に設けられた発光手段が振動入力手段の振動の
発振と同時に発光する光信号を座標入力装置本体側で検
出し、その検出信号を処理して生成したスタートタイミ
ング信号により、座標入力面上の振動入力点から振動セ
ンサまでの振動伝達時間の計時を開始するので、振動入
力手段をコードレスのものとして構成することができ
る。しかも、光信号を検出した検出信号のレベルに応じ
てスタートタイミング信号のタイミングを補正するの
で、比較的簡単で安価に実施でき消費電力も少ない構成
により、スタートタイミングを高精度に検出して振動伝
達時間の計時を高精度に行え、座標入力を高精度に行う
ことができるという優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における座標入力装置
の全体構成を示すブロック図である。

【図２】同装置の振動入力ペンの構成を示す概略構成図
である。

【図３】同装置の光検出回路とその検出信号を処理する
信号処理回路の構成を示すブロック図である。

【図４】同装置の振動入力ペンの発光素子から発光され
る光信号と上記光検出回路及び信号処理回路の信号波形
処理について説明するためのタイミングチャート図であ
る。

【図５】同装置の演算制御回路の構成の詳細を示すブロ
ック図である。

【図６】同装置における光信号の検出レベルと検出タイ
ミングの関係を示すグラフ図である。

【図７】同装置の信号波形検出回路の構成の詳細を示す
ブロック図である。

【図８】同信号波形検出回路に入力される振動センサの
振動検出波形と、それに基づく振動到達タイミング検出
と振動伝達時間の計測処理を説明するためのタイミング
チャート図である。

【図９】同装置における振動入力点の位置座標の算出方
法を説明するための説明図である。

【図１０】第２の実施形態における振動伝達板の座標入
力面の領域の区分を示す説明図である。

【図１１】座標入力面の各領域における基準の振動セン
サとの差分、及びｘ,ｙ座標の正負の符号の定義を示す
表図である。

【図１２】第２の実施形態における振動伝達時間の差分
時間データ取得から座標出力までの処理手順を表したフ
ローチャートである。

【符号の説明】

１ 演算制御回路 ２ 光検出回路 ３ 信号処理回路 ６ａ〜６ｄ 振動センサ ７ 防振材 ８ 振動伝達板 ９ 信号波形検出回路 １０ ディスプレイ駆動回路 １１ ディスプレイ ２１ 振動入力ペン ２２ 発光素子 ３１ マイクロコンピュータ ３６ 補正回路 ６０１ 受光素子 ６０３ バンドパスフィルタ ６０４ ローパスフィルタ ６０５ 第１コンパレータ ６０８ 第２コンパレータ ６０９ スタートタイミング信号生成回路 ６１０ レベル検出回路 ６１１ Ａ／Ｄコンバータ

フロントページの続き (72)発明者 柳澤 亮三 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 小林 克行 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 吉村 雄一郎 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 5B068 AA04 AA36 BB21 BC03 BD02 BD09 BD11 BD25 BE08 DD00 5B087 AA02 BC03 BC16 CC02 CC26 CC47 DJ05

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動伝達板により形成される座標入力面
   上の任意の入力点に振動入力手段を点接触させて入力さ
   れた振動を前記振動伝達板に複数設けられた振動センサ
   により検出し、前記入力点から前記振動センサまでの振
   動伝達時間に基づき、入力点の位置の座標を算出する座
   標入力装置であって、 前記振動入力手段に設けられ、該振動入力手段の振動の
   発振と同時に光信号を発光する発光手段と、 座標入力装置本体側で前記光信号を検出する光検出手段
   と、 該光検出手段の検出信号を処理してスタートタイミング
   信号を生成する信号処理手段を有し、 該信号処理手段により生成されたスタートタイミング信
   号により前記振動伝達時間の計時を開始する座標入力装
   置において、 前記光検出手段が前記光信号を検出した検出信号のレベ
   ルを検出するレベル検出手段と、 該レベル検出手段により検出された前記検出信号のレベ
   ルに応じて前記スタートタイミング信号のタイミングを
   補正する補正手段を設けたことを特徴とする座標入力装
   置。
2. 【請求項２】 前記発光手段が発光する光信号は、所定
   の周波数で変調された矩形波信号であり、 前記信号処理手段は、 前記光検出手段の検出信号から前記周波数の成分を取り
   出す第１のフィルタ手段と、 該第１のフィルタ手段の出力信号のエンベロープを取り
   出す第２のフィルタ手段と、 該第２のフィルタ手段の出力信号のレベルが所定の第１
   の参照レベルより高いか否かを検出する第１のレベル比
   較手段と、 前記第１のフィルタ手段の出力信号のレベルが所定の第
   ２の参照レベルより高いか否かを検出する第２のレベル
   比較手段と、 前記第１のレベル比較手段により前記第２のフィルタ手
   段の出力信号のレベルが前記第１の参照レベルより高い
   ことが検出され、かつ前記第２のレベル比較手段により
   前記第１のフィルタ手段の出力信号のレベルが前記第２
   の参照レベルより高いことが所定回数検出された時点で
   前記スタートタイミング信号を生成する信号生成手段か
   ら構成され、 前記レベル検出手段は、 前記第２のフィルタ手段の出力信号のピークレベルを保
   持するレベル保持手段と、 該レベル保持手段の出力信号の電圧をＡ／Ｄ変換して前
   記検出信号のレベルを示すデータを出力するＡ／Ｄ変換
   手段からなることを特徴とする請求項１に記載の座標入
   力装置。
3. 【請求項３】 前記補正手段は、 前記光検出手段の検出信号のレベルのデータと前記スタ
   ートタイミング信号のタイミングの補正時間のデータを
   対応付けたデータテーブルを格納した記憶手段と、 前記レベル検出手段により検出された前記検出信号のレ
   ベルに対応する前記補正時間のデータを前記記憶手段の
   データテーブルから読み出す読み出し手段と、該読み出
   し手段により読み出された補正時間のデータにより前記
   タイミング信号のタイミングを補正するタイミング補正
   手段からなることを特徴とする請求項１または２に記載
   の座標入力装置。