JP2537542B2

JP2537542B2 - 座標入力装置

Info

Publication number: JP2537542B2
Application number: JP28240688A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎吉村; 信之介谷石; 潔兼子; 武志鴨野; 克行小林; 亮三柳沢
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1988-11-10
Publication date: 1996-09-25
Anticipated expiration: 2011-09-25
Also published as: JPH02129713A

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、特に振動ペンから入力された
機械的振動を振動伝達板上の所定位置に設けられた振動
センサにより検出して振動伝達板上での振動伝達時間か
ら前記振動ペンによる振動伝達板への振動入力位置を検
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
タブレットなどを用いた座標入力装置が知られている。
この種の方式では入力された文字、図形などからなる画
像情報はCRTディスプレイなどの表示装置やプリンタな
どの記録装置に出力される。

この種の装置では、振動入力ペンからタブレットに伝
達される超音波振動を振動伝達板に入力し、入力点から
振動伝達板の所定部位に設けられた振動センサにより検
出し、各センサへの振動伝達時間により入力点の座標を
同定する構成が知られている。超音波方式では、入力タ
ブレットの構造が比較的簡単であり、装置の構成が簡単
安価であるとともに、タブレットを透明材料から構成
し、表示器、原稿に重ねて使用できるという利点があ
る。

［発明が解決しようとする課題］上記のような振動方式の座標入力装置の振動センサで
は、振動伝達板に設けられた複数の振動センサの出力ゲ
インがほぼ一定になるのが望ましいのはもちろんであ
る。このため、従来では、振動センサの機械的振動に関
する共振周波数がばらつかないように考慮するのが普通
であった。

しかし、振動センサの共振周波数と他の条件、たとえ
ば振動ペンの振動子の駆動周波数との関係が厳密に考慮
されることはなく、振動子の駆動周波数の振動センサの
共振周波数をほぼ一致させておく程度の設定が行なわれ
るのみであった。

ところが、上記のように振動子の駆動周波数と振動セ
ンサの共振周波数をほぼ一致させる、つまり振動センサ
が検出する振動の周波数帯域と振動子の駆動周波数帯域
をほぼ等しくするか、あるいは振動センサの共振周波数
を振動子の駆動周波数よりも低く設定した場合には、振
動センサの検出波形には振動子の駆動周波数よりも低い
振動センサの共振成分が含まれることになり、この影響
で波形が歪み、振動検出タイミングを正確に行なえず座
標検出精度が低下するという問題を生じる。たとえば、
複数の振動センサの共振周波数がばらついていると、複
数の振動センサの検出波形が揃わず、各振動センサに同
じ波形処理系を用いた場合には検出タイミングに狂いが
生じる。

全ての振動センサの共振周波数のばらつきを完全に揃
えるのは、高度な生産管理、調整工程などが必要であ
り、コスト高になるという問題がある。

また、振動センサの共振帯域のＱを下げ、振動センサ
の共振周波数のばらつきの影響を避けることも考えられ
るが、振動センサにダンピング材を取り付けるなどの措
置が必要で同じくコスト高になるという問題があった。

本発明の課題は、以上の問題に鑑み、振動センサの共
振周波数の影響を簡単安価な手段により確実に排除し正
確な座標演算を行なえるようにすることにある。

［課題を解決するための手段］以上の課題を解決するために、本発明においては、振
動ペンから入力された振動を振動伝達板に複数設けられ
た振動センサにより検出して前記振動ペンの振動伝達板
上での座標を検出する座標入力装置において、前記振動
センサの機械的な共振周波数を、前記振動ペンが振動伝
達板に入力する振動周波数を中心とした使用振動周波数
帯域よりも高く設定し、かつ、該使用振動周波数帯域に
おいて振動センサの機械的な振動特性をブロードに設定
する構成を採用した。

［作用］以上の構成によれば、振動センサの共振周波数を、振
動伝達板に入力される振動周波数よりも高く設定される
ため、実際に座標演算に用いられる振動周波数帯域に関
しては振動センサの振動検出特性をブロードなものにで
きる。

［実施例］以下、図面に示す実施例に基づき、本発明を詳細に説
明する。

第１図は本発明を採用した情報入出力装置の構造を示
している。第１図の情報入出力装置は振動伝達板８から
なる入力タブレットに振動ペン３によって座標入力を行
なわせ、入力された座標情報にしたがって入力タブレッ
トに重ねて配置されたCRTからなる表示器11′に入力画
像を表示するものである。

図において符号８で示されたものはアクリル、ガラス
板などからなる振動伝達板で振動ペン３から伝達される
振動を３個の振動センサ６に伝達する。

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防振材
７によって支持されている。防振材７の境界面からの反
射波の影響を軽減するため、装着された防振材７の境界
面上あるいはごく近傍に装着する。装着方法は接着、圧
接などいずれの方法でもよい。

振動伝達板８はCRT（あるいは液晶表示器など）な
ど、ドッ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ット表示を行なうよう
になっている。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′上の位置にドット表示が行なわ
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ったよ
うに振動ペンの軌跡の後に現れる。

また、このような構成によれば表示器11′にはメニュ
ー表示を行ない、振動ペンによりそのメニュー項目を選
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。

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ったホ
ーン部５を介して振動伝達板８に伝達する。

第２図（Ａ）は振動ペン３の構造を示している。振動
ペン３に内蔵された振動子４は、振動子駆動回路２によ
り駆動される。振動子４の駆動信号は第１図の演算およ
び制御回路１から低レベルのパルス信号として供給さ
れ、低インピーダンス駆動が可能な振動子駆動回路２に
よって所定のゲインで増幅された後、振動子４に印加さ
れる。

電気的な駆動信号は振動子４によって機械的な超音波
振動に変換され、ホーン部５を介して振動伝達板８に伝
達される。

振動子４の振動周波数はアクリル、ガラスなどの振動
伝達板８に板波を発生させることができる値に選択され
る。また、振動子駆動の際、振動伝達板８に対して第２
図の垂直方向に振動子４が主に振動するような振動モー
ドが選択される。また、振動子４の振動周波数を振動子
４の共振周波数とすることで効率のよい振動変換が可能
である。

上記のようにして振動伝達板８に伝えられる弾性波は
板波であり、表面波などに比して振動伝達板８の表面の
傷、障害物などの影響を受けにくいという利点を有す
る。

再び、第１図において、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。

本実施例では、振動センサ６の共振周波数を次のよう
に設定する。

たとえば振動子の駆動周波数Ａを400KHzとした場合、
振動センサ６の共振周波数Ｂは第２図（Ｂ）に示すよう
にそれよりも高い500KHzに設定する。

第２図（Ｂ）から明らかなように、振動伝達板８上を
伝達される400KHzを中心とした振動周波数帯域に関して
は、振動センサ６の機械的な周波数特性はほぼ等しい。

従って、このように振動センサ６の共振周波数を実際
に使用される周波数帯域よりも充分高く設定しておけ
ば、仮に振動センサ６を構成する圧電素子の共振周波数
Ｂが±50KHz程度ばらついてたとしても、実際に振動伝
達板８上を伝達される帯域に関してはほぼフラットな特
性を実現できる。

また、振動センサ６の共振周波数が、温度などの他の
条件により変動しても、同様に実際に用いられる帯域の
検出には影響を及ぼすことがない。また、原点位置の補
正などの目的で振動子４の駆動周波数を変化させるよう
な制御を行なっても、振動センサ６の出力信号が振動セ
ンサ６の共振周波数に影響されることもない。

従来のように、振動センサ６の共振周波数Ｂと、実際
に伝達される振動周波数Ａの帯域がほぼ等しい、あるい
は振動センサ６の共振周波数Ｂの方が低かったりする
と、前述のように振動センサの検出波形に振動子の駆動
周波数よりも低い振動センサの共振成分が含まれること
になり、この影響で波形が歪み、振動検出タイミングを
正確に行なえず座標検出精度が低下するという問題を生
じるが、上記のように振動センサ６の共振周波数を実際
の使用帯域よりも高く設定しておけば後述の波形処理を
正確に行ない、座標演算の精度を大きく向上できる。

なお、実際に伝達される振動周波数Ａと振動センサ６
の共振周波数Ｂの設定（400および500KHz）はあくまで
も一例であり、各周波数Ａ、Ｂがこの周波数値に限定さ
れないのはもちろんである。

次に、振動波形の検出系、および座標検出系の構成、
動作につき説明する。

第１図の３つの振動センサ６の各々の出力信号は波形
検出回路９に入力され、後述の波形検出処理により演算
制御回路１により処理可能な検出タイミング信号に変換
される。この検出タイミング信号は演算制御回路１に入
力される。

演算制御回路１は波形検出回路から入力された検出タ
イミングにより各センサへの振動伝達時間を検出し、さ
らにこの振動伝達時間から振動ペン３の振動伝達板８上
での座標入力位置を検出する。

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。

第３図は第１図の演算制御回路１の構造を示してい
る。ここでは主に振動ペン３の駆動系および振動センサ
６による振動検出系の構造を示している。

マイクロコンピュータ11は内部カウンタ、ROMおよびR
AMを内蔵している。駆動信号発生回路12は第１図の振動
子駆動回路２に対して所定周波数の駆動パルスを出力す
るもので、マイクロコンピュータ11により座標演算用の
回路と同期して起動される。

カウンタ13の計数値はマイクロコンピュータ11により
ラッチ回路14にラッチされる。

一方、波形検出回路９は、振動センサ６の出力から後
述のようにして振動伝達時間を計測するための検出信号
のタイミング情報を出力する。これらのタイミング情報
は入力ポート15にそれぞれ入力される。

波形検出回路９から入力されるタイミング信号は入力
ポート15に入力され、ラッチ回路14内の各振動センサ６
に対応する記憶領域に記憶され、その結果がマイクロコ
ンピュータ11に伝えられる。

すなわち、カウンタ13の出力データのラッチ値として
振動伝達時間が表現され、この振動伝達時間値により座
標演算が行なわれる。このとき、判定回路16は複数の振
動センサ６からの波形検出のタイミング情報がすべて入
力されたかどうかを判定し、マイクロコンピュータ11に
報知する。

表示器11′の出力制御処理は入出力ポート17を介して
行なわれる。

第４図は第１図の波形検出回路９に入力される検出波
形と、それに基づく振動伝達時間の計測処理を説明する
ものである。第４図において符号41で示されるものは振
動ペン３に対して印加される駆動信号パルスである。こ
のような波形により駆動された振動ペン３から振動伝達
板８に伝達された超音波振動は振動伝達板８内を通って
振動センサ６に検出される。

振動伝達板８内を振動センサ６までの距離に応じた時
間tgをかけて進行した後、振動は振動センサ６に到達す
る。第４図の符号42は振動センサ６が検出した信号波形
を示している。本実施例において用いられる板波は分散
性の波であり、そのため検出波形のエンベロープ421と位相422の関係
は振動伝達距離に応じて変化する。

ここで、エンベロープの進む速度を群速度Vg、位相速
度をVpとする。この群速度および位相速度の違いから振
動ペン３と振動センサ６間の距離を検出することができ
る。

まず、エンベロープ421のみに着目すると、その速度
はVgであり、ある特定の波形上の点、たとえばピークを
第４図の符号43のように検出すると、振動ペン３および
振動センサ６の間の距離ｄはその振動伝達時間をtgとし
てｄ＝Vg・tg …（１）この式は振動センサ６の１つに関するものであるが、同
じ式により他の２つの振動センサ６と振動ペン３の距離
を示すことができる。

さらに、より高精度な座標値を決定するためには、位
相信号の検出に基づく処理を行なう。第４図の位相波形
422の特定の検出点、たとえば振動印加から、ピーク通
過後のゼロクロス点までの時間をtpとすれば振動センサ
と振動ペンの距離は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。

前記の（１）式と（２）式から上記の整数ｎはｎ＝［（Vg・tg−Vp・tp）／λｐ＋1/N］ …（３）と示される。ここでＮは０以外の実数であり、適当な数
値を用いる。たとえばＮ＝２とし、群遅延時間tgのゆら
ぎが±1/2波長以内であれば、ｎを決定することができ
る。

上記のようにして求めたｎを（２）式に代入すること
で、振動ペン３および振動センサ６間の距離を正確に測
定することができる。

第３図に示した２つの振動伝達時間tgおよびtpの測定
のため、波形検出回路９はたとえば第５図に示すように
構成することができる。

第５図において、振動センサ６の出力信号は前述の増
幅回路51により所定のレベルまで増幅される。

増幅された信号はエンベロープ検出回路52に入力さ
れ、検出信号のエンベロープのみが取り出される。抽出
されたエンベロープのピークのタイミングはエンベロー
プピーク検出回路53によって検出される。ピーク検出信
号はモノマルチバイブレータなどから構成された信号検
出回路54によって所定波形のエンベロープ遅延時間検出
信号Tgが形成され、演算制御回路１に入力される。

また、このTg信号のタイミングと、遅延時間調整回路
57によって遅延された元信号から検出回路58により位相
遅延時間検出信号Tpが形成され、演算制御回路１に入力
される。

すなわち、Tg信号は単安定マルチバイブレータ55によ
り所定幅のパルスに変換される。また、コンパレートレ
ベル供給回路56はこのパルスタイミングに応じてtp信号
を検出するためのしきい値を形成する。この結果、コン
パレートレベル供給回路56は第３図の符号44のようなレ
ベルとタイミングを有する信号44を形成し、検出回路58
に入力する。

すなわち、単安定マルチバイブレータ55およびコンパ
レートレベル供給回路56は位相遅延時間の測定がエンベ
ロープピーク検出後の一定時間のみしか作動しないよう
にするためのものである。

この信号はコンパレータなどから構成された検出回路
58に入力され、第４図のように遅延された検出波形と比
較され、この結果符号45のようなtp検出パルスが形成さ
れる。

以上に示した回路は振動センサ６の１つ分のもので、
他のそれぞれのセンサに対しても同じ回路が設けられ
る。センサの数を一般化してｈ個とすると、エンベロー
プ遅延時間Tg1〜ｈ、位相遅延時間TP1〜ｈのそれぞれｈ
個の検出信号が演算制御回路１に入力される。

第３図の演算制御回路では上記のTg1〜ｈ、Tp1〜ｈ信
号を入力ポート15から入力し、各々のタイミングをトリ
ガとしてカウンタ13のカウント値をラッチ回路14に取り
込む。前記のようにカウンタ13は振動ペンの駆動と同期
してスタートされているので、ラッチ回路14にはエンベ
ロープおよび位相のそれぞれの遅延時間を示すデータが
取り込まれる。

第６図のように振動伝達板８の角部に３つの振動セン
サ６を符号S1からS3の位置に配置すると、第４図に関連
して説明した処理によって振動ペン３の位置Ｐから各々
の振動センサ６の位置までの直線距離d1〜d3を求めるこ
とができる。さらに演算制御回路１でこの直線距離d1〜
d3に基づき振動ペン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 …（４）ｙ＝Y/2＋（d1＋d3）（d1−d3）/2Y …（５）ここで、Ｘ、ＹはS2、S3の位置の振動センサ６と原点
（位置S1）のセンサのＸ、Ｙ軸に沿った距離である。

以上のようにして振動ペン３の位置座標をリアルタイ
ムで検出することができる。

［発明の効果］以上から明らかなように、本発明によれば、振動セン
サの共振周波数、振動ペンの振動周波数を中心とした使
用振動周波数帯域よりも高く設定し、使用振動周波数帯
域において振動センサの振動特性をブロードなものにし
ているので、振動センサのばらつき、あるいは環境条件
の変化により、振動センサの共振特性にばらつきがあっ
ても、振動センサは、振動ペンより振動伝達板を介して
入力される振動周波数の信号を安定してまた確実に検出
することができ、安定性のある高精度な座標検出が保証
される。また、振動センサの共振特性を揃えるための高
度な品質管理が不要になり、装置の構成を簡単安価にで
きる、という優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を採用した情報入出力装置の構成を示し
た説明図、第２図（Ａ）は第１図の振動ペンの構造を示
した説明図、第２図（Ｂ）は第１図の振動センサの特性
を示した線図、第３図は第１図の演算制御回路の構造を
示したブロック図、第４図は振動ペンと振動センサの間
の距離測定を説明する検出波形を示した波形図、第５図
は第１図の波形検出回路の構成を示したブロック図、第
６図は振動センサの配置を示した説明図である。１……演算制御回路３……振動ペン、４……振動子６……振動センサ８……振動伝達板 11……マイクロコンピュータ 13……カウンタ 14……ラッチ回路 15、17……入力ポート

フロントページの続き (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 (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)発明者柳沢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 (56)参考文献特開昭63−100527（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】振動ペンから入力された振動を振動伝達板
に複数設けられた振動センサにより検出して前記振動ペ
ンの振動伝達板上での座標を検出する座標入力装置にお
いて、前記振動センサの機械的な共振周波数を、前記振動ペン
が振動伝達板に入力する振動周波数を中心とした使用振
動周波数帯域よりも高く設定し、かつ、該使用振動周波
数帯域において振動センサの機械的な振動特性をブロー
ドに設定することを特徴とする座標入力装置。