JP2535626B2 - 座標入力装置 - Google Patents

座標入力装置

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    • G06F3/043—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means using propagating acoustic waves
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    • Y10S367/907—Coordinate determination

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は座標入力装置に係り、特に振動ペンから入力
された弾性波振動を振動伝達板に複数設けられたセンサ
により検出して、振動ペンによる振動入力点の座標を検
出する座標入力装置に関するものである。
［従来の技術］ 従来より手書きの文字、図形などをコンピュータなど
の処理装置に入力する装置として、各種の入力ペンおよ
びタブレツトなどを用いた座標入力装置が知られてい
る。この種の装置では、入力された文字、図形などから
なる画像情報は、CRTデイスプレイなどの表示装置やプ
リンタなどの記録装置に表示・出力される。このような
座標入力装置のうち、タブレツト型の座標入力装置にお
ける座標検出方法として、次にあげる各種の方式が知ら
れている。
（１）抵抗膜と対向配置されたシート材とにより構成さ
れ、押圧された点の抵抗値の変化によりその座標値を検
出する方式。
（２）対向配置された導電シートなどの電磁ないし静電
誘導をもとに座標位置を検出する方式。
（３）入力ペンからタブレツトに伝達される超音波振動
をもとに、入力ペンの座標位置を検出する方式。
［発明が解決しようとする課題］ しかし、これらの方式を採用した従来の座標入力装置
には次のような欠点がある。
すなわち、上述の抵抗膜利用タイプのもの（の場
合）は抵抗体の均一性がそのまま図形入力の精度を左右
するので、特に均一性の優れた抵抗体を必要とし、その
ため非常に高価となる。また、ｘ座標用とｙ座標用の２
枚の抵抗膜が必要となるので、座標入力面の透明度が低
下してしまう。このため、原稿等に重ねて使用する場合
などは、原稿面が見にくくなるという欠点もある。
次に、電磁誘導を利用したタイプのもの（の場合）
は、電線がマトリツクス状に配設されているので座標入
力面が透明にはならず、原稿や表示器などに重ねて用い
るには不適当である。
さらに、従来の超音波方式の座標入力装置では（の
場合）、入力ペンで発生した振動が伝播媒体中を伝播し
て変換素子に到達するまでの遅延時間を検出する方式で
あつたため、この方式では遅延時間を検出するために基
準となる時間（例えば入力ペンで振動が発生した時間）
を知る必要がある。このため、入力ペンにおける振動が
発生した時間情報を絶えず到達遅延時間を検出する回路
に入力する必要があつたため、振動を発生する入力ペン
は、ケーブルなどによつて本体と接続される必要があつ
た。従つて、この座標入力装置を用いて文字、図形など
を入力する場合、操作性が悪くなり、また、その信号を
電波などで送信した場合はペン中に発信機などを内蔵す
る必要があり、通常の筆記具と同じような形状、重量、
操作性を実現するのは困難であつた。ところが、超音波
方式は上記問題を克服すれば、上記の他の方式の欠点を
有しておらず、また機械的構造が比較的簡略であるから
低コストの装置を提供できる。
本発明は上記従来例に鑑みてなされたもので、超音波
振動を利用した座標入力装置において、振動入力ペンと
座標位置検出側との間での信号の授受を不要にして振動
ペンと座標位置検出側との接続ケーブルをなくすことに
より、低コストで操作性をよくした座標入力装置を提供
することを目的とする。
［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために本発明の座標入力装置は以
下の様な構成からなる。即ち、 振動伝達板と、前記振動伝達板を伝達された振動入力
ペンよりの弾性波振動をもとに、前記振動入力ペンによ
り指示された前記振動伝達板の座標位置を検出して出力
する座標入力装置であつて、前記振動入力ペンは第１の
周波数で振動した後、所定時間をおいて前記第１の周波
数と異なる第２の周波数で振動を発生する振動発生手段
を備え、前記振動伝達板を伝達された前記第１と第２の
周波数の振動の間の到達遅延時間を検出する検出手段
と、前記到達遅延時間及び前記振動伝達板を伝播する前
記第１と第２の周波数振動の群速度により、前記振動入
力ペンによる前記振動伝達板上の指示座標位置を算出す
る算出手段とを有する。
［作用］ 以上の構成において、振動入力ペンは第１の周波数で
振動した後、所定時間をおいて前記第１の周波数と異な
る第２の周波数で振動を発生する。この入力ペンより、
振動伝達板を伝達された第１と第２の周波数の振動の間
の到達遅延時間を検出し、その到達遅延時間及び振動伝
達板を伝播する第１と第２の周波数振動の群速度によ
り、振動伝達板上における振動入力ペンの指示座標位置
を算出するように動作する。
［実施例］ 以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例を詳
細に説明する。
［タブレツトの説明 （第１図）］ 第１図（Ａ）は本実施例の振動ペン３の構成を示すブ
ロツク図、第１図（Ｂ）は本実施例の情報入出力装置の
概略構成を示すブロツク図である。
第１図（Ｂ）において、情報入出力装置は振動伝達板
８からなる入力タブレツトに振動ペン３によつて座標入
力を行なわせ、入力された座標情報に従って、入力タブ
レツトに重ねて配置されたCRTなどからなる表示器11に
入力画像を表示するものである。
図において、８は振動伝達板で、アクリル、ガラス板
などからなり、振動ペン３から伝達される振動をその角
部に３個設けられた振動センサ６に伝達している。本実
施例では、振動ペン３から振動伝達板８を介して振動セ
ンサ６に伝達された超音波振動の伝達時間を計測するこ
とにより、振動ペン３の振動伝達板８上での座標を検出
することができる。
振動伝達板８は振動ペン３から伝達された振動が周辺
部で反射されて中央部の方向に戻るのを防止するため
に、その周辺部分をシリコンゴムなどから構成された反
射防止材７によつて支持されている。
振動伝達板８はCRT（あるいは液晶表示器など）な
ど、ドツト表示が可能な表示器11上に配置され、振動ペ
ン３によりなぞられた位置にドツト表示を行なうように
なつている。すなわち、検出された振動ペン３の座標に
対応した表示器11上の位置にドツト表示が行なわれ、振
動ペン３により入力された点、線などの要素により構成
される画像は、あたかも紙に書き込みを行なつたように
振動ペンの軌跡の後に現れるように、表示器11に表示さ
れる。
また、このような構成によれば表示器11にメニユー表
示を行ない、振動ペン３によりそのメニユー項目を選択
させたり、プロンプトを表示させて所定の位置に振動ペ
ン３を接触させるなどの入力方式を用いることもでき
る。
第１図（Ａ）において、振動伝達板８に超音波振動を
伝達させる振動ペン３は、内部に圧電素子などから構成
した振動子４を有しており、振動子４の発生した超音波
振動を、先端が尖つたホーン部５を介して振動伝達板８
に伝達する。
振動ペン３には振動子４の駆動のための振動子駆動回
路２、および電池などからなる振動子駆動電源Ｂを内蔵
し、従来例とは異なり入力タブレツトあるいは装置本体
側と電気的な同期信号の授受を行なわない。振動子駆動
回路２が発生する電気的な駆動信号は、振動子４によつ
て機械的な超音波振動に変換され、ホーン部５を介して
振動板８に伝達される。
振動伝達板８の角部に設けられた振動センサ６も圧電
素子などの機械−電気変換素子により構成される。３つ
の振動センサ６の各々の出力信号は信号波形検出回路９
に入力され、後段の演算制御回路１により処理可能な検
出信号に変換される。演算制御回路１は振動伝達時間の
測定処理を行ない、振動ペン３の振動伝達板８上での座
標位置を検出する。
検出された振動ペン３の座標情報は演算制御回路１に
おいて、表示器11による出力方式に応じて処理される。
すなわち、演算制御回路１は入力座標情報に基づいてビ
デオ信号処理装置10を介して表示器11の出力動作を制御
する。
［信号波形の説明 （第２図）］ 第２図（Ａ）は振動ペン３中の振動子４を駆動する振
動子駆動波形を示している。
図示のように、振動子駆動回路２は周波数f1及びf2の
所定の長さの矩形波パルス列を振動子４に入力すること
ができるようになつている。つまり、振動子駆動回路２
は振動子４に所定長さの周波数f1の矩形波パルス列を入
力した後、一定時間T0後に周波数f2の所定長さの矩形波
パルス列を振動子４に入力する。このようにして入力さ
れた電気エネルギーは、第２図（Ｂ）で示すように、振
動子４で機械エネルギーに変換され、振動伝達板８を介
して振動センサ６で再び電気エネルギーに変換されて出
力される。
第２図（Ｃ）は、この時に振動センサ６から出力され
る検出信号波形を示している。21は周波数f1部分が伝達
された波形信号を示し、22は周波数f2部分が伝達された
波形信号を示している。
時間T0は、先に入力された周波数f1のパルス列で形成
される検出信号波形と、周波数f2のパルス列で形成され
る検出信号波形とが干渉してお互いに歪まないように設
定される。またパルス列の長さおよび駆動電圧の大きさ
は、検出信号波形が充分に得られるようにそれぞれ設定
されている。
［振動子駆動回路の説明 （第５図）］ 第５図（Ａ）は振動子駆動回路２の具体的な構成を示
すブロツク図、第５図（Ｂ）はそのタイミングチャート
である。
第５図（Ａ）において、発信器（OSC）501は、周波数
faおよびfbの源発振出力を行なう。クロックfb（第５図
（Ｂ）のタイミングチャートの511）は、分周回路502に
よりfc（タイミングチャートの512）の周波数に分周さ
れた後、fbとfcの切換回路504に入力される。一方、OSC
501から出力されるもう１つのクロックfaは、別の分周
回路503によって、タイミングチャート513で示されるク
ロツクに分周される。さらにこのクロツク513により、
切換回路504が周波数fbとfcのクロツクを交互に選択し
て、シフトレジスタ505に出力する。
シフトレジスタ505は、クロツク513が変化した直後に
数クロツク（本実施例の場合は4.5クロツク）のパルス
列を出力するように構成されており、このパルス列514
の周波数はfb及びfcの周波数に依存する。この結果、シ
フトレジスタ505からは、第５図（Ｂ）のタイミングチ
ャートに示すようにクロツク513が変化する直後に、ク
ロツク514で示される周波数f1とf2のクロツクが交互に
出力されることになる。なお、506はドライブ回路で、
シフトレジスタ505から出力されるクロツク514を振動子
４の駆動に最適な電気信号レベルに変換する。
ここで、振動伝達板８を伝わる板波の性質について述
べておく。
振動伝達板８を伝わる板波の伝播速度は板の材質、板
厚、波の周波数によつて決定されることが良く知られて
いる。本実施例の座標入力装置において、振動伝達板８
の材質及び板厚は一定であるから、周波数が異なれば振
動伝達板８を伝播する板波の伝播速度は必ず異なる。い
ま、周波数f1で発生した振動の振動伝達板８を伝わる板
波の群速度をvg1,周波数f2でのそれをvg2とする。これ
らの値はあらかじめ求めておき定数として用いる。
［振動伝達原理の説明 （第３図）］ 第３図は振動伝達板８を伝播する振動伝達の原理を説
明するための図で、周波数f1のパルス列が発生した時間
Ｔを基準に考えると、周波数f1のパルス列で発生した波
は伝達板上を伝わつてセンサ６で検出され、そのセンサ
出力はC32のようになる。この波の特異な点、例えばエ
ンベロープC33を形成して、そのピーク点を到達遅延時
間とすれば、その時間はT2となる。
C34は振動入力ペン３から出力される周波数f2のパル
ス列を示し、C35はセンサ６により検出されて出力され
るセンサ出力を示している。ここで、周波数f2のパルス
列は周波数f1のパルス列より時間T0だけ遅れて発生され
るが、センサ６上ではその到達遅延時間がT1として検出
される。ここで、周波数f2のパルス列が発生してから実
際にセンサ６に到達するまでの到達遅延時間は（T3−
T0）であるので、次に示す方法により距離を計算する。
振動ペン３とセンサ６の距離をｌとすれば、 ｌ＝vg1T2 … ｌ＝vg2（T3−T0） … ここで測定が可能なのは時間T1だけであり、T0は定数
である。
上式を変形して、 T2＝l/vg1 … また、T3＝T2＋T1 … 〜を利用してｌについて解くと つまり、周波数f1が発生する時刻を求めることができ
なくても、周波数が異なる２つの入力パルス列の時間差
T0と、それらの検出波形の到達遅延時間の差T1とが分か
れば、振動入力ペン３による入力点とセンサ６との間の
距離が算出可能であることを示している。
このようにして、振動ペン３による入力点と振動セン
サ６までの距離を算出できれば、これに基づいて、振動
伝達板８上の直交座標値を求めることができる。
従って、従来のように振動ペン３の振動入力タイミン
グを検知せずに、入力ペン３とセンサ６との距離判定が
可能になるので、入力ペン３と装置間でいかなる信号授
受をも行なう必要がない座標入力装置を実現することが
できる。
第４図は入力ペン３の振動伝達板８上における直交座
標を求めるための原理図で、振動伝達板８の角部に３つ
の振動センサ６を符号S1からS3の位置に配置した場合、
入力点から振動センサ６までの直線距離d1,d2,d3を式
に基づき算出すれば、これら直線距離d1〜d3から、振動
ペン３の位置Ｐの座標（x,y）を３平方の定理から次式
のようにして求めることができる。
ｘ＝X/2＋（d1＋d2）（d1−d2）/2X… ｙ＝Y/2＋（d1＋d3）（d1−d3）/2Y… ここでX,Yは、S2,S3の位置の振動センサ６と原点（位
置S1（0,0））のセンサ６との間の、それぞれX,Y軸に沿
つた距離である。
以上のようにして、振動ペン３の位置座標を検出する
ことができる。上記処理を繰り返すことにより、リアル
タイムで振動ペン３による入力座標位置を順次検出でき
る。
以上説明したように本実施例によれば、振動ペン３の
入力タイミングを検出装置側で知る必要なく、振動入力
ペン３による座標入力位置を検出できるので、振動伝達
板８を有する装置本体側と振動ペン３の間でタイミング
情報を授受しなくてもよくなる。これにより、振動ペン
３と装置本体とを接続するワイヤが不要になるためワイ
ヤレス化でき、入力時の操作性を著しく向上できる。
なお、以上の説明では、透明な振動伝達板を用いるこ
とで、表示器や原稿と重ねて使用される装置の場合で説
明したが、表示器や原稿に重ねて使用する必要がない場
合には不透明な金属などの材質を用いても構わないこと
はもちろんである。
［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、振動ペンの振動
入力タイミング情報を知る必要がなくなり振動入力ペン
と装置本体との間の信号授受を省略でき、振動入力ペン
のワイヤレス化が可能となる。この結果、装置の操作性
を著しく向上できるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図（Ａ）は実施例の振動ペンの概略構成を示すブロ
ツク図、 第１図（Ｂ）は本実施例の情報入出力装置の概略構成を
示すブロツク図、 第２図（Ａ）は振動ペンより出力される振動周波数の波
形例を示す図、 第２図（Ｂ）は振動ペンによる座標位置指示の状態を示
す図、 第２図（Ｃ）はセンサにより検出された振動ペンよりの
伝達波形例を示す図、 第３図は本実施例における振動伝達の原理を説明するた
めの図、 第４図は振動ペンの振動伝達板上における直交座標を求
めるための原理図、 第５図（Ａ）は実施例の振動ペンの振動子駆動回路の具
体的な構成を示す図、そして 第５図（Ｂ）は第５図（Ａ）の各部の信号のタイミング
チャートである。 図中、１……演算制御回路、２……振動子駆動回路、３
……振動ペン、４……振動子、５……ホーン部、６……
振動センサ、８……振動伝達板、Ｂ……振動子駆動電
源、９……信号波形検出回路、10……ビデオ信号処理装
置、11……表示器、501……発振器、502,503……分周回
路、504……切換回路、505……シフトレジスタ、506…
…ドライブ回路である。
フロントページの続き (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 (72)発明者 田中 淳 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 谷石 信之介 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 鴨野 武志 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

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】振動伝達板と、前記振動伝達板を伝達され
    た振動入力ペンよりの弾性波振動をもとに、前記振動入
    力ペンにより指示された前記振動伝達板の座標位置を検
    出して出力する座標入力装置であつて、 前記振動入力ペンは第１の周波数で振動した後、所定時
    間をおいて前記第１の周波数と異なる第２の周波数で振
    動を発生する振動発生手段を備え、 前記振動伝達板を伝達された前記第１と第２の周波数の
    振動の間の到達遅延時間を検出する検出手段と、 前記到達遅延時間及び前記振動伝達板を伝播する前記第
    １と第２の周波数振動の群速度により、前記振動入力ペ
    ンによる前記振動伝達板上の指示座標位置を算出する算
    出手段と、 を有することを特徴とする座標入力装置。
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