JP2654397B2 - 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、精度分解能のわりに
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、前記支持台の音響インピーダンスが前記
振動伝達部材と異なり、かつ前記支持台の減衰比が前記
振動伝達部材よりも大き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音響インピーダン
スが前記振動伝達板と異なり、しかも支持部材の振動減
衰比が前記振動伝達板よりも大きく設定されているの
で、振動伝達板上を伝播する振動エネルギーが、支持部
材に入射する量を極力おさえることができ、たとえ支持
部材に入射した振動エネルギーがあったとしても、いち
速く減衰させることができる。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を尖ったホー
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。

第２図は本発明による座標入力装置の振動伝達板の支
持方法を示している。

第２図において符号８は振動伝達板、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を伝播して
端面で反射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、裏板30とネジ（32）止めで振動伝達板
８を固定する上ケースである。振動伝達板８は、小さな
入力エネルギーにより板波を効率よく伝達させるため、
アルミニウム合金を用いて数mm以内の厚みに構成してあ
る。

支持部材30は振動伝達板８と面により接触しており、
振動伝達板８の強度を保証する。また、本実施例では、
支持部材30が振動伝達板８の振動伝達に悪影響を与えな
いように、支持部材30の音響インピーダンスを振動伝達
板８のそれと異ならせ、また支持部材30の方が振動減衰
が大きく設定してある。

このために、支持部材30はたとえばABS樹脂から構成
する。支持部材30は振動伝達板８と比較して固有音響イ
ンピーダンスρｅ（ρ：密度、c:音速度）が大きく異な
るため、たとえ両者が接触していても振動ペンで振動伝
達板８に入力された振動エネルギーが両者の境界面で反
射し、支持部材30を透過しにくいという特徴を有する。

また、支持部材30に透過したごとく一部分の振動エネ
ルギーは、振動伝達板８に比べて減衰比が大きいという
支持部材30の材質の特性から、その振動エネルギーはよ
り早く吸収・減衰され、振動伝達板８上を伝播する振動
に大きな影響を与えることはない。つまり、振動伝達板
８上の振動を歪ませることがなく、振動検出タイミング
を決定づける後述の波形検出の制度を低下させることが
なく、高精度な座標入力が可能となる。

このように、振動伝達板８に比べて支持部材30の材質
を音響インピーダンスρｃが異なり、しかもより減衰比
の大きなものとすることで、振動伝達板８と支持部材30
を接触させてもこの方式による座標入力装置の原理を損
なうことがなく、また入力面を大型化した場合において
も振動伝達板８の変形を最小限にし、入力タブレットに
充分な強度を与えることができるようになった。

ここで留意すべきことは、振動伝達板８と支持部材30
はあくまでも接触しているだけである、ということであ
る。つまり、ミクロ的に見れば、両者の接触面には表面
粗さによる凹凸によって空気層（気体層）が存在してお
り、両者の接触面は音響的には不連続である。従って、
例えば両者間を接着するような場合や、液体層（例えば
水、グリースなど）を充填するような場合には音響的に
より整合された状態となり、振動エネルギーのロス、つ
まり振動伝達板８から支持部材30に伝播する振動エネル
ギーが結果的に多くなってしまう。従って、両者は接触
配置されている状態が最も好ましく、ミクロ的に見てそ
の両者の接触部分については両者の音響インピーダンス
を変えることで音響的不連続点を作り、振動エネルギー
のロスを最小限にすることができる。

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、
紙に書込み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。

また、上記構成に加え、支持部材の材質、形状の選定
により支持部材30の振動伝達速度を振動伝達板８よりも
遅く設定することが考えられる。支持部材30の振動伝達
速度が振動伝達板８よりも遅ければ、支持部材30中を伝
達される振動が振動伝達板８中の振動に干渉する可能性
をより小さくすることができる。

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。以下、振動検
出および座標値の演算につき説明する。

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。

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４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ではエンベ
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、この支持台の音響インピーダンスを振動
伝達部材と異なるようにし、しかも支持台の減衰率を振
動伝達部材よりも大きくなるように設定しているので、
振動伝達部材上を伝播する振動エネルギーが、支持台に
入射する量を極力抑えることができ、たとえば支持台に
入射した振動エネルギーがあったとしても、これを効率
的に減衰されることが可能になる。また支持台により振
動伝達部材を支持することにより入力面の強度が保証さ
れるなど、種々の効果が得られる。

【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
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、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、前記支持台の音響インピーダンスが前記
   振動伝達部材と異なり、かつ前記支持台の減衰比が前記
   振動伝達部材よりも大きく設定されることを特徴とする
   座標入力装置。