JP2654396B2 - 座標入力装置 - Google Patents

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
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。

この種の装置のタブレットの座標検出においては次に
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の抵抗値変化を検
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
導を検出する方式。

３）入力ペンからタブレットに伝達される超音波振動を
検出する方式。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記のような従来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、精度、分解能の割に
は比較的高価なものとなる。Ｘ座標用とＹ座標用の２枚
の抵抗膜が必要となるので、透明度が落ちてしまうとい
う欠点もある。

また、電磁誘導利用タイプのものは、電線がマトリク
ス状に配設されているので透明にはならず、原稿、表示
器などに重ねて用いるには不適当である。

さらに、従来の超音波振動を用いる座標入力装置で
は、入力ペンで発生した振動が振動伝達板中を伝播して
変換素子に到達するまでの遅延時間を検出する方式が用
いられている。この方式において、表面波を用いると、
入力ペンで座標を入力する際に振動伝達板上に手をつい
たり、物を置いたりした場合、また振動伝達板の表面に
傷などがあった場合に表面波がその部分を通過すること
ができず、表面波がセンサに到達することができず、座
標検出が行なえなくなるという欠点がある。

一方、薄い板状のものを伝播する板波は、上述の現象
が表面波ほど顕著ではなく、伝播媒体上に手をついた場
合でも、振動は多少減衰するものの通過することができ
る。従って、この方式による座標入力装置を構成するた
めには、表面波を用いるものよりも板波を用いた方がよ
り安定した座標検出を行なえることはいうまでもない。

板波は有限の厚さを伝わる波であり、ラム波とも呼ば
れるが、装置の構成、大きさ、重量、入力振動のエネル
ギー（消費電力に大きく影響する）などを考慮すると、
例えば振動伝達板は、その材料をアルミニウムとする
と、その厚さはコンマ数mmからせいぜい２〜3mm程度で
ある。従って、座標入力装置が大型化すれば振動伝達板
も大きくなり、例えば座標を入力する際などに入力面が
大きく変形して操作性が悪くなるばかりでなく、機械的
な強度を恒久的に保つことができない。

［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板波振動を伝達する振動伝達板を
有する振動伝達部材を備え、前記振動伝達部材に複数設
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
伝達部材上での座標を検出する座標入力装置において、
振動伝達部材を接触載置する支持面を有する支持台を設
け、前記支持台の支持面で前記振動伝達部材の、座標入
力領域内、且つ、前記振動ペンからの入力面と反対面を
受けて支持し、前記支持台の振動伝達速度が前記振動伝
達板の振動伝達速度よりも遅く設定される構成を採用し
た。

［作 用］ 以上の構成によれば、振動伝達板と直接、面により接
触し振動伝達板を支持する支持部材の振動伝達速度が、
振動伝達板の振動伝達速度よりも遅く設定されているの
で、振動センサに伝達される振動波成分は支持部材を伝
達される振動の干渉に影響されることがない。また、支
持部材により振動伝達板を支持するため、入力面の強度
が保証される。

［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座標入力装置の全体構造を
示している。第１図の装置は振動伝達板８から成る入力
タブレットに振動ペン３によって座標入力を行なうため
のものである。

図において符号８で示されたものは、前記の振動伝達
板で振動ペン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に伝達する。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。

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。

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は駆動信号は第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、表面波などにより比して振動伝達板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。

第２図は本発明による座標入力装置の振動伝達板周辺
の支持構造を示している。第２図において符号８は入力
タブレットとしての振動伝達板で、アルミニウム合金な
どの金属板からなり、その厚みは板波を少ない入力エネ
ルギー（振動子の消費電力）で効率よく伝達させるため
数mm以内としてある。符号７は振動ペン３によって入力
された振動が振動伝達板８を端面で反射し、直線振動セ
ンサに入力される波に干渉するのを防止する反射防止
材、符号31は座標入力有効エリアに対して反射防止材７
の外側で振動伝達板を位置決めし、支持部材30とともに
ネジ（32）止めにより振動伝達板８を固定する入力タブ
レットの上ケースである。支持部材30は薄い振動伝達板
８を補強し、入力面の強度を保証する。

振動伝達板８の周辺部の上ケース31の内側に相当する
振動伝達板８の裏面には、振動センサ６が固定されてお
り、この振動センサ６により振動ペン３から入力された
振動が検出される。

本実施例では、振動伝達板８の振動伝達速度よりも支
持部材30の振動伝達速度の方が遅くなるように支持部材
30の材質（プラスチックなどを用いる）、厚みなどを選
択してある。以下、この理由を説明する。

第３図は振動伝達板８と、支持部材30を伝わる振動を
模式的に示したものである。ここで、振動伝達板８上に
振動ペン３から振動がＡ点で加えられたとする。その
時、Ａ点における振動の様子を、横軸に時間軸をとって
示すと第３図の符号2Aのようになる。また、その振動が
支持部材30を通過すると、符号2Bのような振動が励起さ
れる。入力された振動伝達板８の振動の先頭がある時間
の後にＣ点に到達したとすれば、その波形は同様にして
第３図符号2Cに示すようになる。

ここで、本実施例と異なり、支持部材30を伝播する波
が振動伝達板８中を伝わる速度よりも速ければ点Ｄの位
置まで進んで符号2Dのように、遅ければ符号2Eのように
なる。これらの支持部材30を伝わる波は逆に振動伝達板
８に影響を及ぼし、符号2Dのような現象が起これば直線
振動伝達板８を伝播してきた波2Cに影響を及ぼす。

振動伝達板に取り付けられた振動センサ６が検出する
検出信号波形は、符号2Dのような状態では出力レベルは
小さいが、まず途中まで支持部材30を通過し、途中から
振動伝達板８を通過してきた波を検出し、次に振動伝達
板８だけを伝播してきた波を検出することになる。つま
り、支持部材30の振動伝達速度の方が速いと、振動伝達
板８、支持部材30で伝達される波が干渉しあって、振動
センサ６で検出すべき振動伝達板８上の振動波形を歪ま
せ、座標入力装置自体の精度の低下を招くことになる。

逆に、本実施例のように支持部材30中の振動伝達速度
が振動伝達板８中の伝達速度よりも遅ければ、Ｃ点で検
出される波形は、振動伝達板８を設けても影響を受ける
ことはなく、振動センサ６で検出される信号の歪みを小
さくでき、正確な振動検出タイミングを得ることがで
き、従って、後述の座標検出処理においては、正確な振
動伝達時間に基づき正確な座標値を得ることができる。

以上の説明は、振動伝達板８上のある点における現象
について述べたものであるが、支持部材30と振動伝達板
８が同様に接触していれば連続的に支持部材30と振動伝
達板８の伝達波形の干渉が生じる。しかし、その場合で
も、支持部材30を通過する波の速度が振動伝達板８のそ
れよりも遅ければ、本来検出すべき振動波2Cは影響を受
けず、振動センサ６により正確な振動検出波形を得るこ
とができる。

なお、振動伝達板８としてはガラス、支持部材30とし
てはアクリルなどの透明な材質を用いてよい。これらの
部材に透明な材料を用いる場合には、入力タブレットの
下部に原稿を置いてトレースするような用途に用いた
り、あるいはタブレットの下部に表示器を配置し、タブ
レットから入力された軌跡を表示することが考えられ
る。特に、表示器を用いる場合には、手書きの文字、図
形などを入力位置に同一サイズで表示することにより、
紙に書込を行なうのと同じような良好な操作性を実現で
きる。また、支持部材30および振動伝達板８の結合構造
がネジ止めに限定されないのはもちろんである。

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。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、後段の演算制御回路１に
よって処理可能な検出信号に変換される。演算制御装置
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。

第４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。以下、振動検
出および座標入力処理につき説明する。

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。

第５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５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。

駆動伝達板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５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５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は群の振動伝達時間を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５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５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６図に示すように
構成することができる。

第６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信号と、遅延時間調整回路57によって遅
延された元信号からコンパレータ検出回路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。

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１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７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５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、振動伝達
部材の入力面と反対の面に振動伝達部材を接触載置する
支持台が設けられるので、入力面の強度が保証されると
ともに、この支持台の振動伝達速度が振動伝達板の駆動
伝達速度よりも遅く設定されるので、振動センサに伝達
される板波の振動成分は、支持台を介して伝達される板
波振動の干渉に影響されることなく、振動センサは歪み
のない振動波形を検出でき、正確な座標検出が保証され
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座標入力装置の構成を示す説
明図、第２図は本発明を採用した座標入力装置における
振動伝達板と支持部材の構成を示した説明図、第３図は
振動伝達板の支持構造の作用を説明した説明図、第４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
５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６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７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、51……前置増幅器 15、16……入力ポート 30……支持部材 52……エンベロープ検出回路 54、58……信号検出回路 59……A/D変換回路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動ペンから入力された板波振動を伝達す
   る振動伝達板を有する振動伝達部材を備え、前記振動伝
   達部材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部材上での座標を検出する座標入力
   装置において、 振動伝達部材を接触載置する支持面を有する支持台を設
   け、前記支持台の支持面で前記振動伝達部材の、座標入
   力領域内、且つ、前記振動ペンからの入力面と反対面を
   受けて支持し、前記支持台の振動伝達速度が前記振動伝
   達板の振動伝達速度よりも遅く設定されることを特徴と
   する座標入力装置。