JP3059563B2 - 座標入力装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば弾性振動伝達遅
延時間を利用して振動源の位置を特定し、座標入力を行
わせる座標入力装置及び方法に関するものである。

【０００２】

【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表示，出力され
る。このような座標入力装置のうち、タブレット型の座
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。

【０００３】（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。

【０００４】（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ともに座標位置を検出する方式。

【０００５】（３）入力ペンからタブレットに伝達され
る超音波振動を基に、入力ペン座標位置を検出する方
式。

【０００６】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。

【０００７】すなわち、上述の抵抗膜利用タイプのもの
（１の場合）は低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、均一性の優れた低抗体を必要とし、
そのため特に高精度を必要とする装置は非常に効果とな
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、原稿が見に
くくなるという欠点もある。

【０００８】次に、電磁誘導を利用したタイプのもの
（２の場合）は、電線がマトリッ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。またこの方式による
装置の座標検出精度は、マトリックス状に配設されてい
る電線の位置、つまり加工精度により直接左右されるの
で、高精度な入力装置では非常に高価なものとなる。

【０００９】これらの方式に比べて超音波による方式
は、入力面であるタブレット上を伝播してくる波の遅延
時間を検出して位置座標を算出する方式であり、タブレ
ット上にマトリックス状電線等の細工がなんら施されて
いないので、コスト的に安価な装置を提供することが可
能である。しかもタブレットに透明な板硝子を用いれば
他の方式に比べて透明度の高い座標入力装置を構成する
ことができる。

【００１０】しかしながら、超音波による方式は次のよ
うな欠点を有する。入力ペンによりタブレットに入射さ
れた振動は、減衰しながらもタブレット中を伝播し、い
ずれタブレットの端面に到達し、反射する。この反射波
はたとえ端面に防振材等を取り付けて振動を抑制しよう
としても完全に取りきることはできない。従って、波の
到達遅延時間を計測するのに必要な直接波（入力ペンと
振動を検出するためのセンサとの間を最短で伝わってく
る波）と反射波とが重畳し、重畳した部分からセンサで
出力される検出信号波形が歪むと言う問題が生じる。こ
の歪は波が伝播してくる時間を計測する際に誤差を生じ
させ、座標検出精度を大幅に低下させる。この問題を解
決するためには直接波で形成される検出信号波形の中の
遅延時間検出ポイントに、いかなる場合でも反射波が重
ならない構成とする必要がある。このためにセンサを反
射波の影響を受けない位置に設定していた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この解
決法は、反射波が戻ってくる時間をかせぐために直接波
と反射波との経路差を大きくすることでこの課題を解決
するものであり、この結果装置全体の大きさ、つまり座
標を入力することができる有効エリアに対して座標入力
面の大きさが大きくなるという新たな欠点を生じさせて
いた。

【００１２】また、振動伝達板上を伝播する波の音速が
速くなればなるほど、座標算出の分解能が低下するとい
う問題が生じる。つまり時間を計測するためのカウンタ
の分解能が同じであれば、扱う波の音速が遅ければ遅い
ほど距離測定の分解能が向上すると言うことを意味す
る。従って、速度の速い波を用いてその遅延時間より距
離を求める場合、算出距離の分解能を保つためにそれ相
応の時間分解能を持つカウンタ（カウンタ周波数を高く
する）を使用することになり、コストが高く、消費電力
も大きいといった欠点があった。

【００１３】本発明は上記従来例に鑑みてなされたもの
で、小型で精度が高く、低コスト・低消費電力を実現で
きる座標入力装置及び方法を提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】及び

【作用】上記目的を達成するために本発明の座標入力装
置は次のような構成からなる。すなわち、振動を伝播す
る座標入力面に複数の振動センサを配設し、振動を発生
する座標指示具と前記センサそれぞれとの距離を振動の
到達時間から計測し、前記座標指示具による前記座標入
力面での指示点を座標値として演算出力する座標入力装
置であって、前記座標入力面を伝わってきた第１の周波
数の振動から該振動の位相速度に係わる遅延時間を計測
する手段と、前記座標入力面を伝わってきた、前記第１
の周波数より高い第２の周波数の振動から該振動の群速
度に係わる遅延時間を計測する手段と、前記計測された
群速度と位相速度とに基づいて前記座標指示具の座標位
置を算出する手段とを備える。また、本発明の座標入力
方法は次のような構成からなる。すなわち、複数の振動
センサを配設した振動を伝播する座標入力面において、
振動を発生する座標指示具と前記センサそれぞれとの距
離を振動の到達時間から計測し、前記座標指示具による
前記座標入力面での指示点を座標値として演算出力する
座標入力方法であって、前記座標入力面を伝わってきた
第１の周波数の振動から該振動の位相速度に係わる遅延
時間を計測する工程と、前記座標入力面を伝わってき
た、前記第１の周波数より高い第２の周波数の振動から
該振動の群速度に係わる遅延時間を計測する工程と、前
記計測された群速度と位相速度とに基づいて前記座標指
示具の座標位置を算出する工程とを備える。

【００１５】

【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。 ［実施例１］図１は本実施例に於ける座標入力装置の構
造を示している。図中、１は装置全体を制御すると共
に、座標位置を算出する演算制御回路である。２は振動
子駆動回路であって、振動ペン３内のペン先を振動させ
るものである。８はアクリルやガラス板等、透明部材か
らなる振動伝達板であり、振動ペン３による座標入力
は、この振動電圧板８上をタッチすることで行う。つま
り、図示に実線で示す符号Ａの領域（以下、有効エリ
ア）内を振動ペン３で指定する事で、振動ペン３で発生
した振動が振動伝達板８に入射され、入射されたこの振
動を計測，処理することで振動ペン３の位置座標を算出
することができるようにしたものである。

【００１６】伝播してきた波が振動伝達板８の端面で反
射し、その反射波が中央部に戻るのを防止（減少）する
ために、振動伝達板８の外周には防振材７が設けられ、
図１に示すように防振材の内側近傍に圧電素子等、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。９は各振動センサ６ａ〜６ｄで振動を検
出した信号を演算制御回路１に出力する信号波形検出回
路である。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、振動伝達板の背後に配置して
いる。そしてディスプレイ駆動回路１０の駆動により振
動ペン３によりなぞられた位置にドットを表示し、それ
を振動伝達板８（透明部材からなる）を透してみる事が
可能になっている。

【００１７】図２は振動ペン３をより詳しく図示したも
のである。振動子駆動回路から入力される信号でもっ
て、振動ペン３に内蔵された振動子４を振動させ、その
振動エネルギーをホーン５で集中させて、振動伝達板８
に伝達する。

【００１８】＜振動子駆動回路の説明＞図３は振動ペン
３の振動子４を駆動する振動子駆動回路２の具体的な構
成を示すブロック図、図４はそのタイミングチャートで
ある。

【００１９】図３において、発信器（ＯＳＣ）２０１で
発振する周波数ｆｂ（図４のタイミングチャートの信号
２１１）のクロックは、分周回路２０２によりｆｃ（タ
イミングチャートの信号２１２）の周波数に分周された
後、ｆｂとｆｃの切り替え回路２０４に入力される。ま
た、ＯＳＣ２０１から出力されるクロックｆｂは、別の
分周回路２０３によってタイミングチャートの信号２１
３で示されるクロックに分周される。さらにこのクロッ
ク２１３は切り替え回路２０４に入力され、切り替え回
路２０４はクロック２１３にしたがってクロックｆｂと
クロックｆｃを交互に選択し、シフトレジスタ２０５に
入力する。この信号が図４の信号２１５であり、クロッ
ク２１３と共に周波数ｆｂからｆｃに変わる。シフトレ
ジスタ２０５は、クロック２１３が変化した直後に数周
期（本実施例の場合４周期）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２１４の周波数はｆｂ
及びｆｃの周波数に依存する。

【００２０】この結果、シフトレジスタ２０５からは、
図４のタイミングチャートに示すようにクロック２１３
が変化する直後に、クロック２１４で示される周波数ｆ
１とｆ２のクロックが交互に出力されることになる。な
お２０６はドライブ回路で、シフトレジスタ２０５から
出力されるクロック２１４を振動子４の駆動に最適な電
気信号レベルに変化する。本実施例の場合矩形波による
パルス列で振動子を駆動しているが、駆動波形をサイン
波等としても問題はない。

【００２１】ここで振動子４は異なる二つの周波数で駆
動されるが、この二つの周波数を振動ペン３の共振周波
数とすることで効率よく振動ペン３のペン先から所望の
周波数の振動を得ることができる。つまり振動子を振動
ペン３に組み込んだ状態において、その共振特性を調
べ、例えば基本共振周波数と２次共振周波数を駆動周波
数とすることで効率よく振動を得ることができる。

【００２２】＜演算制御回路の説明＞上述した構成に於
いて、演算制御回路１は所定周期毎（例えば５ｍｓ毎）
に振動子駆動回路２をスタートさせ、前述の通り振動ペ
ン３内の振動子４を駆動させる信号を出力すると共に、
その内部タイマ（カウンタで構成されている）による計
時を開始させる。そして、振動ペン３より発生した振動
は振動伝達板８上を伝播し、振動センサ６ａ〜６ｄ迄の
距離に応じて遅延して到達する。

【００２３】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
り各振動センサへ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
の検出、そして振動ペンの座標位置を算出する。また演
算制御回路１は、この算出された振動ペン３の位置情報
を基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外部機器に座標出力を行なう（不
図示）。

【００２４】図５は実施例の演算制御回路１の概略構成
を示すブロック図で、各構成要素及びその動作概略を以
下に説明する。

【００２５】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，操作手順を記憶した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。３３は不図示の基準クロック
を計時するタイマ（例えばカウンタなどにより構成され
ている）であって、振動子駆動回路２に振動ペン３内の
振動子４の駆動を開始させるためのスタート信号を入力
すると、その計時を開始する。これによって、計時開始
とセンサによる振動検出の同期がとられ、センサ（６ａ
〜６ｄ）により振動が検出されるまでの遅延時間が測定
できることになる。

【００２６】その他各構成要素となる回路は順を追って
説明する。

【００２７】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
出信号入力ポート３５を介してラッチ回路３４ａ〜３４
ｄに入力される。ラッチ回路３４ａ〜３４ｄのそれぞれ
は、各振動センサ６ａ〜６ｄに対応しており、対応する
センサよりのタイミング信号を受信すると、その時のタ
イマ３３の計時値をラッチする。こうして全ての検出信
号の受信がなされたことを判定回路３６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がこの判定回路３６からの信
号を受信すると、ラッチ回路３４ａ〜３４ｄから各々の
振動センサまでの振動到達時間をラッチ回路より読み取
り、所定の計算を行なって、振動伝達板８上の振動ペン
３の座標位置を算出する。そして、Ｉ／Ｏポート３７を
介してディスプレイ駆動回路１０に算出した座標位置情
報を出力することにより、例えばディスプレイ１１の対
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３７を介しインターフェース回路に、座
標位置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。

【００２８】＜板波の性質（図６，図７）＞図６は板上
を伝播する弾性波（板波）速度の一般的な性質を示した
ものである。板波の位相速度Ｖｐ及び群速度Ｖｇは、板
の厚さｄと波の周波数ｆとの積（以後ｆｄ値と呼ぶ）に
依存していることが良く知られている。ｆｄ値が比較的
低い周波数帯域では、群速度Ｖｇと位相速度Ｖｐとは共
にｆｄ値が大きくなればなるほど速くなっていることが
わかる。本実施例では振動伝達板８上を伝播してくる板
波の周波数はそれぞれ数百ＫHz、板厚は１．６mm程度で
あり、前述のｆｄ値が比較的低い領域となっている。従
って高い周波数で発生した板波は、低い周波数で発生し
た板波よりも、その群速度・位相速度とも速いことがわ
かる。

【００２９】図７は図６の比較的ｆｄ値の小さい領域
（ｆｄ＝０．３〜１．０MHz ＊mm）の詳細図である。
今、この板波を用いて、その到達遅延時間から距離を算
出することを考える。板波は明らかに群速度と位相速度
が異なるために、波が伝播する距離によって位相の情報
が全体の波形（エンベロープ）に対して異なる。図８は
その様子を示したものであり、ある点における検出信号
波形と、そこからある距離Ｌの検出信号波形はエンベロ
ープのピークと位相のピークとが一致している（図８
（Ａ））のに対して、距離がΔＬだけ変化するとエンベ
ロープのピークと位相のピークとが一致しなくなる（図
８（Ｂ））。つまり伝播距離が増すに連れて、検出信号
波形の中の位相が常に正方向から始まる（図８（Ａ））
のではなく、だんだん位相がずれて負方向から始まる
（図８（Ｂ））様になり、さらに距離がずれると基の状
態に戻るという周期的な現象を繰り返すことになる。こ
のとき位相速度に関わる位相遅延時間Ｔｐを、例えば位
相レベルが初めて一定レベル以上となったところを検出
点としてそこまでの時間を計測するものとすれば、距離
と位相遅延時間との関係は階段状になる。

【００３０】一方、群速度に関わる群遅延時間Ｔｇは、
エンベロープと位相との関係が距離に依存して変化する
ために、位相情報から検出することはできない。そこ
で、位相情報により形成される波形の包絡線（エンベロ
ープ）を取り出し、その波形のピーク等の特異点を検出
点として群遅延時間Ｔｇを計測しなければならない。こ
のときここで問題となるのは群遅延時間Ｔｇの検出点は
位相遅延時間Ｔｐの検出点よりも時間軸上で遅い点に位
置しているということである。つまり、群遅延時間Ｔｇ
の検出点は検出信号波形の先頭部分ではなく、先頭部分
よりも時間的に遅い波形のピーク付近であるということ
である。もし振動センサ６が振動伝達板８の端面付近に
存在しているものとすれば、検出信号波形の先頭部分は
端面で反射し、その反射波が直接波と重畳し（検出信号
波形が歪む）、直接波により形成されるピーク値を正し
く検出することができなくなる問題が生じる。

【００３１】いま、仮に直接波の先頭部分からＫ波長目
に直接波による検出信号波形のピーク値が形成されるも
のと仮定する。また、この波の群速度をＶｇ１，周波数
をｆ１とすれば先頭からピーク値（検出ポイント）まで
の時間は、 ｔ_point ＝Ｋ・１／ｆ１＝Ｋ／ｆ１ …（１） であり、この時間に群が進む距離Ｌ_d は、 Ｌ_d ＝ｔ_point ・Ｖｇ１＝（Ｋ・Ｖｇ１）／ｆ１ …（２） である。したがって、反射波が直接波のピークに重畳し
ないようにするためには、振動センサ６と振動伝達板８
の端面との距離をＬ_d ／２以上としなければならない。
この結果、座標を入力することができる有効エリアに比
べて振動伝達板８の大きさが大きくなり、しいては装置
全体が大きくなるという問題が生じる。

【００３２】このような問題は位相遅延時間の検出ポイ
ントについても言えるが、検出ポイントを検出信号波形
の中の先頭付近（（１）式のＫの値がより小さいことを
示す）に設定できるので、振動伝達板８の大きさを決定
するのは群遅延時間検出ポイントの位置であると言え
る。

【００３３】再び図７に戻って、周波数と群速度の関係
について考える。この関係より、板厚が一定の場合に
は、ある微小範囲で（３）式が近似的に成立するものと
仮定する。

【００３４】 Ｖｇ１＝αｆ１＋β ；（α，βは正の定数） …（３） （３）式を（２）式に代入すると、 Ｌ_d ＝Ｋ・（α＋β／ｆ１） …（４） 従って、板波を用いた場合、周波数を高くすることで
Ｌ_d の値を小さくすることができる。今（３）式はある
微小範囲で考えたが、前述の比較的ｆｄ値の小さな領域
では、ｆｄ値と群速度Ｖｇ・位相速度Ｖｐとの関係はそ
れぞれ一様単調増加、かつ上に凸（傾きが単調減少）の
関係であり、このｆｄ値の範囲内で周波数を高くすれば
するほどＬ_d の値を小さくすることができる。

【００３５】このとき周波数を高くすることで生じる弊
害について考える。超音波を用いた座標入力装置は、振
動ペン３からセンサ６ａ〜ｄまでの各距離を算出するこ
と、つまり波の伝播時間を計測し、その波の速度との積
を求めることで座標算出を行うことを基本としている。
従って、座標検出分解能は、距離算出分解能と密接な関
係にある。距離算出分解能は、遅延時間を計測するカウ
ンタの時間分解能と波の速度に依存している。つまり、
カウンタの時間分解能が同じであれば、より速度の遅い
波を使うことで、距離算出分解能は改善される。

【００３６】前述の通り振動伝達板８の不要な部分を小
さくするために周波数の高い波を用いた場合、それと共
に速度が速くなるので、距離算出分解を保つためには時
間分解能のより高いカウンタを用いなければならず、コ
ストが高くなること、消費電力が大きくなることなどの
欠点が生じる。そこで、群遅延時間の計測には周波数の
高い板波を用い、位相遅延時間の計測には周波数が遅く
速度が遅い板波を用いる。群遅延時間Ｔｇと位相遅延時
間Ｔｐとから座標を算出する方法についてこれ以降に述
べるが、後述の通り群遅延時間は直接距離算出には用い
られていないので、カウンタの時間分解能は群遅延時間
検出には要求されないという特徴が座標算出アルゴリズ
ムにはある。

【００３７】＜振動伝搬時間検出の説明（図９，図１
０）＞以下、振動センサ３までの振動到達時間を計測す
る原理に付いて説明する。

【００３８】図９は信号波形検出回路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
するための図である。尚、以下、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，６ｃ，
６ｄについても全く同じである。振動センサ６ａへの振
動伝達時間の計測は、振動子回路２へスタート信号の出
力と同時に開始することは既に説明した。この時、振動
子回路２から振動子４へは駆動信号４１が印加されてい
る。この信号４１によって振動ペン３から振動伝達板８
に伝達された超音波振動は、振動センサ６ａまでの距離
に応じた時間をかけて信号した後、振動センサ６ａで検
出される。

【００３９】図示の４２で示す信号は振動ペンを駆動す
る信号の周波数が高い時に発生した波を振動センサ６ａ
が検出した検出信号波形と、一定時間（図中ｔｃ）後に
駆動された周波数の低い駆動信号で得られる検出信号波
形とを示したものである。先に説明したように、この実
施例で用いられている振動は板波であるため振動伝達板
８内での伝播距離に対して検出波形のエンベロープ４２
１と位相４２２、及びエンベロープ４２５と位相４２６
の関係は振動伝達中に、その伝達距離に応じてそれぞれ
変化する。ここで周波数の高い駆動で得られたエンベロ
ープ４２１の進む速度、即ち、群速度をＶｇとする。ま
た、周波数の低い駆動で得られた位相（図中４２６）の
進む速度をＶｐとする。これらの群速度Ｖｇ及び位相速
度Ｖｐから振動ペン３と振動センサ６ａ間の距離を検出
することができる。

【００４０】まず、エンベロープ４２１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
えばピークを検出すると、エンベロープ４３を微分（信
号４４）してそのゼロクロス点を群遅延時間検出点とす
る。振動ペン３及び振動センサ６ａの間の距離は、その
振動伝達時間をｔｇとして、 ｄ＝Ｖｇ・ｔｇ …（５） で与えられる。この式は振動センサ６ａの一つに関する
ものであるが、同じ式により他の３つの振動センサ６ｂ
〜６ｄと振動ペン３の距離も同様にして表すことができ
る。

【００４１】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４２６の特定の検出点、例えば振動印加から、ある所
定の信号レベル４５後に位相が最初から負から正へと変
換するゼロクロス点までの時間をｔｐ′４８（信号４６
に対し所定幅の窓信号４７を生成し、位相信号４２６と
比較することで得る）とすれば、実際に波が伝播した時
間ｔｐは、 ｔｐ＝ｔｐ′−ｔｃ …（６） である。従って、振動センサと振動ペンの距離は、 ｄ＝ｎ・λｐ＋Ｖｐ・ｔｐ …（７） となる。ここでλｐは弾性波の波長（駆動周波数の低い
状態で得られる波の波長）、ｎは整数である。

【００４２】前記（５）式と（７）式から上記の整数ｎ
は、 ｎ＝ｉｎｔ［（Ｖｇ・ｔｇ−Ｖｐ・ｔｐ）／λｐ＋１／Ｎ］ …（８） と表される。

【００４３】ここで、Ｎは“０”以外の実数であり、適
当な値を用いる。例えば、Ｎ＝２とすれば±１／２波長
以内のｔｇ等の変動であれば、ｎを決定することができ
る。つまり、Ｔｇの検出にはマージンがあり、（８）式
でその誤差は吸収されてしまうので、群遅延時間検出に
は高分解能のカウンタは必要がない。このようにして求
めたｎを（７）式に代入することで、振動ペン３及び振
動センサ６ａ間の距離を精度良く測定することができ
る。（７）式から明らかなように、計測する位相遅延時
間Ｔｐは、周波数が低く速度の遅い波を用いて計測され
ているので、高分解能で距離を算出することができる。
また、上述した２つの振動伝達時間ｔｇおよびｔｐ′の
測定のための信号４３及び４８の生成は、信号波形検出
回路９により行なわれるが、この信号波形検出回路９は
図１０に示すように構成される。

【００４４】図１０は実施例の信号波形検出回路９の構
成を示すブロック図である。図１０において、振動セン
サ６ａの出力信号は、前置増幅回路５１により所定のレ
ベルまで増幅された後、絶対値回路及び、低域通過フィ
ルタ等により構成されるエンベロープ検出回路５２に入
力される。

【００４５】エンベロープ検出回路５２で取り出された
信号は、エンベロープピーク検出回路５３によってその
ピークポイントが検出される。その後モノマルチバイブ
レータ等から構成されたｔｇ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である信号ｔ
ｇ（図９信号４３）が形成され、演算制御回路１に入力
される。

【００４６】群遅延時間ｔｇが検出された後（第一の駆
動周波数と第二の駆動周波数のインターバルはｔｃ）、
より低い周波数で振動ペン３が駆動され、やはりそれに
よって出力される検出信号波形が出力される。

【００４７】本実施例では信号到達を検知するために、
やはり検出信号波形のエンベロープ４２５を取り出して
いる。５５は信号検出回路であり、エンベロープ検出回
路５２で検出されたエンベロープ信号４２５中の所定レ
ベルの閾値信号４５を越える部分のパルス信号４６を形
成する。５６は単安定マルチバイブレータであり、パル
ス信号４６の最初の立ち上がりでトリガされた所定時間
幅のゲート信号４７を開く。５７はｔｐ′コンパレータ
であり、ゲート信号４７の開いている間の位相信号４２
６の最初の立ち上がりのゼロクロス点を検出し、位相遅
延時間信号ｔｐ′４８が演算制御回路１に供給されるこ
とになる。なお、図１０のブロック図上は、駆動周波数
が高い場合に得られる検出信号波形で位相情報４２２に
関わる位相遅延時間の出力と、及び駆動周波数が低い場
合得られる検出信号波形でエンベロープ４２５に関わる
群遅延時間の出力とが得られることになるが、本来必要
とされるエンベロープ４２１に関わる群遅延時間ｔｇと
位相情報４２２に関わる位相遅延時間ｔｐ′は演算制御
回路で選択されても良いし、ｔｇ検出を行った後、例え
ばエンベロープ検出回路５２の前後でスイッチを用いて
回路を切り替えても良いことは言うまでもない。また以
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、本実施例では設けられ
ている。

【００４８】＜座標位置算出の説明（図１１）＞次に実
際に振動ペン３による振動伝達板８上の座標位置検出の
原理を説明する。

【００４９】今、振動伝達板８上の４辺の中点近傍に４
つの振動センサ６ａ〜６ｄを符号Ｓ１〜Ｓ４の位置に設
けると、先に説明した原理に基づいて、振動ペン３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、振動ペン３の
位置Ｐの座標（ｘ，ｙ）の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。

【００５０】 ｘ＝（ｄａ＋ｄｂ）・（ｄａ−ｄｂ）／２Ｘ …（９） ｙ＝（ｄｃ＋ｄｄ）・（ｄｃ−ｄｄ）／２Ｙ …（１０） ここで、Ｘ，Ｙはそれぞれ振動センサ６ａ，６ｂ間の距
離、振動センサ６ｃ，６ｄ間の距離である。

【００５１】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。このように群遅
延時間を、位相遅延時間の測定に用いる振動よりも高い
周波数の振動を用いて測定することで、座標を入力する
ことができる有効エリアに対して直接はと反射波との経
路差を稼ぐための余分な領域を小さくすることが可能と
なった。しかもこの様な構成とすることで、座標を算出
するために直接必要な位相遅延時間は、位相速度が遅い
（周波数が低い）波を用いて得られるので、分解能を上
げるために高周波のクロックに対応した高価で消費電力
の大きな装置とせずとも距離算出の分解能を低下させる
ことなく、装置の小型化を実現することができる。

【００５２】

【他の実施例】

［実施例２］第２の実施例として、図１・図２の様に実
施例１とほぼ同じ構成の座標入力装置の説明をする。た
だし、図１３に示した様に、信号波形検出回路５の構成
が異なっており、また、図１２のタイミングチャートの
様に、振動子駆動回路２は２つの周波数を発生するもの
でなく、単一周波数のパルスを振動ペンに与え、振動子
４を駆動する。ここで振動子４は周波数の高いパルス的
な信号で駆動される。振動子４の基本共振周波数は例え
ば４００ＫHzであり、振動ペン３に組み込むことによっ
て全体的に周波数帯域の広い振動特性となる。この振動
子をインパルス駆動することで、振動ペン３のペン先か
らはいろいろな周波数成分を含む振動が振動伝達板に入
射される。

【００５３】＜板波の性質＞既に説明したとおり、図６
は板上を伝播する弾性波（板波）速度の一般的な性質を
示したものである。板波の位相速度Ｖｐ及び群速度Ｖｇ
は、板の厚さｄと波の周波数ｆとの積（以後ｆｄ値と呼
ぶ）に依存していることが良く知られている。ｆｄ値が
比較的低い周波数帯域では、群速度Ｖｇと位相速度Ｖｐ
とは共にｆｄ値が大きくなればなるほど速くなってい
る。本実施例では振動伝達板８上を伝播してくる板波の
周波数帯域は数十ＫHzから数百Hz、板厚は１．６mm程度
であり、前述のｆｄ値が比較的低い領域となっている。
従ってセンサ６で検出される振動波形は、時間軸上で比
較すると、信号波形の先頭部分は伝播速度が早い周波数
の高い波で構成されており、時間が立つに連れて徐々に
周波数の低い板波がセンサ６に到達し、それがセンサで
電気的に変換され、より先に到達していた周波数の高い
波と上場して出力されることになる。センサで出力され
た信号を中心周波数の異なる帯域通過フィルタを通して
処理することにより、速度の異なる波を検出することが
できる。つまり帯域追加フィルタの中心周波数を高くす
れば速度の早い波を検出することができ、帯域通過フィ
ルタの中心周波数が低くなるにつれて、速度はそれと共
に遅くなっていく。

【００５４】また、第１の実施例で述べた通り、周波数
ｆ１の直接波の先頭からＫ波長目を検出したときに、先
頭から検出点までに振動が伝わる距離Ｌ_d は、 Ｌ_d ＝Ｋ・（α＋β／ｆ１） …（４） と表される。

【００５５】従って、板波を用いた場合、周波数を高く
することでＬ_d の値を小さくすることができる。今
（３）式はある微小範囲で考えたが、前述の比較的ｆｄ
値の小さな領域では、ｆｄ値と群速度Ｖｇ・位相速度Ｖ
ｐとの関係はそれぞれ一様単調増加、かつ上に凸（傾き
が単調減少）の関係であり、このｆｄ値の範囲内で周波
数を高くすればするほどＬ_d の値を小さくすることがで
きる。ただ、高周波数の振動を用いると高分解能のカウ
ンタを用いなければならないため、群遅延時間の測定に
は周波数の高い板波を用い、位相遅延時間の計測には周
波数が遅く速度が遅い板波を用いる。群遅延時間Ｔｇと
位相遅延時間Ｔｐとから座標を算出する方法についてこ
れ以降に述べるが、後述の通り群遅延時間は直接距離算
出には用いられていないので、カウンタの時間分解能は
群遅延時間検出には要求されないという特徴が座標算出
アルゴリズムにはある。

【００５６】＜振動伝搬時間の説明（図１２・図１３）
＞以下、振動センサ３までの振動到達時間を計測する原
理について説明する。

【００５７】図１２は信号波形検出回路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
明するための図である。尚、以下、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，６
ｃ，６ｄについても全く同じである。振動センサ６ａへ
の振動伝達時間の計測は、振動子回路２へスタート信号
の出力と同時に開始することは既に説明した。この時、
振動子回路２から振動子４へは駆動信号４１が印加され
ている。この信号４１によって振動ペン３から振動伝達
板８に伝達された超音波振動は、振動センサ６ａまでの
距離に応じた時間をかけて信号した後、振動センサ６ａ
で検出される。

【００５８】図示の４２で示す信号は振動センサ６ａが
検出した信号を、中心周波数の高い第１の帯域通過フィ
ルタで処理したときに得られる検出信号波形を示してい
る。先に説明したようにこの実施例で用いられている振
動は板波であるため、振動伝達板８内での伝播距離に対
して検出波形のエンベロープ４２１と位相４２２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４２１の進む速度、即ち、群速度をＶｇ
とする。また４４で示す信号は振動センサ６ａが検出し
た信号を、中心周波数が第１帯域通過フィルタそれより
も低い第２の帯域通過フィルタで処理したときに得られ
る検出信号波形を示している。このとき位相４４２の進
む速度、即ち位相速度をＶｐとする。これらの群速度Ｖ
ｇ及び位相速度Ｖｐから振動ペン３と振動センサ６ａ間
の距離を検出することができる。まず、エンベロープ４
２１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、例えば変曲点や図示４３で示す信号の
ようにピークを検出すると、振動ペン３及び振動センサ
６ａの間の距離は、その振動伝達時間をｔｇとして、 ｄ＝Ｖｇ・ｔｇ …（５） で与えられる。この式は振動センサ６ａの一つに関する
ものであるが、同じ式により他の３つの振動センサ６ｂ
〜６ｄと振動ペン３の距離も同様にして表すことができ
る。

【００５９】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ずく処理を行なう。位相波形信
号４２２の特定の検出点、例えば振動印加から、ある所
定の信号レベル４６後に位相が最初に負から正へと変化
するゼロクロス点までの時間をｔｐ４９（信号４７に対
し所定幅の窓信号４８を生成し、位相信号４４２と比較
することで得る）とすれば、振動センサと振動ペンの距
離は、 ｄ＝ｎ・λｐ＋Ｖｐ・ｔｐ …（６） となる。ここでλｐは弾性波の波長（第二の帯域通過フ
ィルタにより検出されている波の波長）、ｎは整数であ
る。

【００６０】前記（５）式と（６）式から上記の整数ｎ
は、 ｎ＝int ［（Ｖｇ・ｔｇ−Ｖｐ・ｔｐ）／λｐ＋１／Ｎ］ …（７） と表される。

【００６１】ここで、Ｎは“０”以外の実数であり、適
当な値を用いる。例えば、Ｎ＝２とすれば±１／２波長
以内のｔｇ等の変動であれば、ｎを決定することができ
る。つまりＴｇの検出にはマージンがあり、（７）式で
その誤差は吸収されてしまうもので、群遅延時間検出に
は高分解能のカウンタは必要がない。このようにして求
めたｎを（６）式に代入することで、振動ペン３及び振
動センサ６ａ間の距離を精度良く測定することができ
る。（６）式から明らかなように、計測する位相遅延時
間Ｔｐは、周波数が低く速度の遅い波を用いて計測され
ているので、高分解能で距離を算出することができる。
また上述した２つの振動伝達時間ｔｇおよびｔｐの測定
のための信号４３及び４９の生成は、信号波形検出回路
９により行われるが、この信号波形検出回路９は図８に
示すように構成される。

【００６２】図１３は実施例の信号波形検出回路９の構
成を示すブロツク図である。図１３において、振動セン
サ６ａの出力信号は、前記増幅回路５１により所定のレ
ベルまで増幅される。本実施例では帯域通過フィルタと
してバンドパスフィルタを使用しており、前述の増幅さ
れた信号は、帯域通過フィルタ５１１及び帯域通過フィ
ルタ５１２により検出信号の余分な周波数成分が除かれ
る。その後例えば、絶対値回路及び、低域通過フィルタ
等により構成されるエンベロープ検出回路５２１及びエ
ンベロープ検出回路５２２に、それぞれ信号が入力され
る。ここで帯域通過フィルタ５１１の通過中心周波数は
帯域通過フィルタ５１２のそれよりも高く設定されてい
る。

【００６３】エンベロープ検出回路５２１で取り出され
た信号は、エンベロープピーク検出回路５３によってそ
のピークポイントが検出される。その後モノマルチバイ
ブレータ等から構成されたｔｇ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である信号
ｔｇ（図７信号４３）が形成され、演算制御回路１に入
力される。

【００６４】一方、５５は信号検出回路であり、エンベ
ロープ検出回路５２２で検出されたエンベロープ信号４
４１中の所定レベルの閾値信号４６を越える部分のパル
ス信号４７を形成する。５６は単安定マルチバイブレー
タであり、パルス信号４７の最初の立ち上がりでトリガ
された所定時間幅のゲート信号４８を開く。５７はｔｐ
コンパレータであり、ゲート信号４８の開いている間の
位相信号４４２の最初の立ち上がりのゼロクロス点を検
出し、位相遅延時間信号ｔｐ４９が演算制御回路１に供
給されることになる。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。

【００６５】以上のような原理で振動センサ６と振動ペ
ン３で入波した位置との距離を求めることができ、その
距離から実施例１の＜座標位置算出の説明＞で述べたと
おりに座標を算出して出力することができる。

【００６６】このように、群遅延時間を、位相遅延時間
の測定に用いる振動よりも高い周波数の振動を用いて測
定することで、座標を入力することができる有効エリア
に対して直接波と反射波との経路差を稼ぐための余分な
領域を小さくすることが可能となった。しかもこの様な
構成とすることで、座標を算出するために直接必要な位
相遅延時間は、位相速度が遅い（周波数が低い）波を用
いて得られるので、分解能を上げるために高周波のクロ
ックに対応した高価で消費電力の大きな装置とせずとも
距離算出の分解能を低下させることなく装置の小型化を
実現することができる。

【００６７】尚、本発明は、複数の機器から構成される
システムに適用しても、１つの機器から成る装置に適用
しても良い。また、本発明はシステム或は装置にプログ
ラムを供給することによって達成される場合にも適用で
きることは言うまでもない。

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る座標
入力装置及び方法は、小型で精度が高く、低コスト・低
消費電力を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】座標入力装置の概略説明図である。

【図２】振動ペンの説明図である。

【図３】振動子駆動回路のブロック図である。

【図４】振動子駆動回路のタイミングチャートである。

【図５】演算制御回路の構成を示すブロック図である。

【図６】板波速度を説明する図である。

【図７】板波速度を説明する図である。

【図８】検出信号波形の模式図である。

【図９】信号処理のタイミングチャートである。

【図１０】信号波形検出回路の構成を示すブロック図で
ある。

【図１１】座標位置算出のための説明図である。

【図１２】実施例２の信号処理のタイミングチャートで
ある。

【図１３】実施例２の信号波形検出回路の構成を示すブ
ロック図である。

【符号の説明】

１ 演算制御回路、 ２ 振動子駆動回路、 ３ 振動ペン、 ６ センサ、 ７ 防振材、 ８ 振動伝達板、 ９ 信号波形検出回路、 ２０１ 発信機、 ２０２・２０３ 文集回路、 ２０４ 切り替え回路、 ２０５ シフトレジスタ、 ２０６ ドライブ回路である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 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 (56)参考文献 特開 平３−141419（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−194616（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06F 3/03 340 G06F 3/03 380

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動を伝播する座標入力面に複数の振動
   センサを配設し、振動を発生する座標指示具と前記セン
   サそれぞれとの距離を振動の到達時間から計測し、前記
   座標指示具による前記座標入力面での指示点を座標値と
   して演算出力する座標入力装置であって、 前記座標入力面を伝わってきた第１の周波数の振動から
   該振動の位相速度に係わる遅延時間を計測する手段と、 前記座標入力面を伝わってきた、前記第１の周波数より
   高い第２の周波数の振動から該振動の群速度に係わる遅
   延時間を計測する手段と、 前記計測された群速度と位相速度とに基づいて前記座標
   指示具の座標位置を算出する手段とを備えることを特徴
   とする座標入力装置。
2. 【請求項２】 前記座標指示具は、前記第１の周波数の
   振動と前記第２の周波数の振動とを、所定周期で交互に
   発生す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】 前記第１の周波数を中心周波数とする第
   １の帯域フィルタと、前記第２の周波数を中心周波数と
   する第２の帯域フィルタとを更に備え、前記座標指示手
   段は前記第１の周波数と第２の周波数とをカバーする帯
   域幅の振動を発生し、前記センサの出力信号から前記第
   １の帯域フィルタで前記第１の周波数の振動を、第２の
   帯域フィルタで前記第２の周波数の振動を取り出すこと
   を特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
4. 【請求項４】 複数の振動センサを配設した振動を伝播
   する座標入力面において、振動を発生する座標指示具と
   前記センサそれぞれとの距離を振動の到達時間から計測
   し、前記座標指示具による前記座標入力面での指示点を
   座標値として演算出力する座標入力方法であって、 前記座標入力面を伝わってきた第１の周波数の振動から
   該振動の位相速度に係わる遅延時間を計測する工程と、 前記座標入力面を伝わってきた、前記第１の周波数より
   高い第２の周波数の振動から該振動の群速度に係わる遅
   延時間を計測する工程と、 前記計測された群速度と位相速度とに基づいて前記座標
   指示具の座標位置を算出する工程とを備えることを特徴
   とする座標入力方法。
5. 【請求項５】 前記座標指示具は、前記第１の周波数の
   振動と前記第２の周波数の振動とを、所定周期で交互に
   発生することを特徴とする請求項４に記載の座標入力方
   法。
6. 【請求項６】 前記座標指示具は前記第１の周波数と第
   ２の周波数とをカバーする帯域幅の振動を発生し、前記
   センサの出力信号から前記第１の周波数を中心周波数と
   する第１の帯域フィルタで前記第１の周波数の振動を、
   前記第２の周波数を中心周波数とする第２の帯域フィル
   タで前記第２の周波数の振動を取り出すことを特徴とす
   る請求項４に記載の座標入力方法。