JP3171467B2 - 座標入力装置および座標入力方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は振動ペンから入力された
振動を振動伝達板に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
入力装置および座標入力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。

【０００３】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。

【０００４】（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。

【０００５】（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。

【０００６】（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、入力ペンの座標位置を検出する方
式。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
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
（１）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、均一性の優れた抵抗体を必要とし、そのた
め特に高精度を必要とする装置は非常に高価となる。

【０００８】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。

【０００９】次に、電磁誘導を利用したタイプのもの
（２）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。

【００１０】これらの方式に比べて超音波による方式
（３）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。

【００１１】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。

【００１２】しかしながら従来の超音波方式の座標入力
装置では、入力ペンで発生した振動が入力ポイントから
センサまでタブレット上を伝播してくる到達遅延時間を
検出して位置座標を算出する方式であったために、基準
となる時間、つまり入力ペンから振動が発生した時間を
知る必要がある。

【００１３】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
する必要があり、振動を発生する入力ペンは、ケーブル
などによって本体と接続される必要があった。従ってこ
の座標入力装置を用いて文字、図形などを入力する場
合、操作性が悪くなる。

【００１４】またその信号を電波などで送信した場合に
は、ペン中に発信器などを内蔵する必要があり、通常の
筆記具と同じ様な形状、重量、操作性を実現するのは困
難であった。

【００１５】本発明の課題は、上記問題を解決し、超音
波振動を利用した座標入力において、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すること
で、振動ペンと座標位置検出側との接続ケーブルを無く
し、操作性を向上させるとともに、低コストで実施でき
る座標入力装置および座標入力方法を提供することにあ
る。

【００１６】

【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
装置および座標入力方法において、所定周波数の駆動信
号により発生され、振動ペンから振動伝達板に入力され
た振動を前記振動センサにより検出し、前記駆動信号に
起因し、前記振動センサにより検出された信号の第１の
所定周波数成分、および前記第１の所定周波数成分と同
一の駆動信号に起因し、前記振動センサにより検出され
た信号の、前記第１の所定周波数成分とは異なる第２の
所定周波数成分を抽出し、前記第１の周波数成分の周波
数の振動の振動伝達板上での第１の伝達速度、前記第２
の周波数成分の周波数の振動の振動伝達板上での第２の
伝達速度、および、前記第１の周波数成分および前記第
２の周波数成分の抽出時間差から前記振動ペンから振動
センサまでの距離を検出し、この検出距離に基づき前記
振動ペンの位置を算出する構成を採用した。

【００１７】

【作用】以上の構成によれば、異なる信号成分の振動伝
達板上での伝達時間差に基づき、振動伝達距離が検出さ
れるため、入力ペンと検出回路部の振動入力タイミング
を同期させる信号の授受の必要がなくなる。

【００１８】

【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。

【００１９】図１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。

【００２０】図１の情報入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。

【００２１】図において、符号８で示されたものはガラ
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検出信号波形
を処理することにより振動ペン３の伝達板８上での座標
を検出する。

【００２２】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によって支持されている。

【００２３】振動伝達板８はＣＲＴ（あるいは液晶表示
器など）、ドット表示が可能な表示器ｌｌ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
うようになっている。

【００２４】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ったように振
動ペンの軌跡の後に現れる。

【００２５】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。

【００２６】振動ペン３には振動子４の駆動のための駆
動回路２、及び電池などからなる電源Ｂを内蔵し、従来
のように入力タブレット、あるいは装置本体側との電気
的な同期信号の授受を行わない。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。

【００２７】また、振動子４の駆動周波数を振動子４の
共振周波数とすることで、エネルギーの効率良い電気−
機械変換が可能である。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。

【００２８】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に入力され処理可能な検出信号に変換され
る。演算制御回路１は波形検出回路９で処理された結果
を基に、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。

【００２９】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ｌｌ
の出力動作を制御する。

【００３０】図２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は所定時間おきに振動子４に所定長さの矩形波
パルス列を入力し、振動子４により機械的エネルギーに
変換される。この振動は振動伝達板８上を弾性波振動と
して伝達され、振動センサ６により検出される。

【００３１】このようにして、振動子４に入力された電
気エネルギーは、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。

【００３２】さて、上記のようにして電気−機械変換さ
れた後、また、機械−電気変換された信号、つまりセン
サ６で検出される信号は、図３に示すように単一の周波
数のスペクトラムとはならない。

【００３３】これは振動子４に入力された電気的な駆動
周波数に対して、振動子４、ホーン部５を含めた振動ペ
ンの機械的な応答が単一周波数とはならず、種々の振動
モードが応答するためである。また振動子４にホーン部
５等を負荷することによりダンピングされ全体的に帯域
の広い機械的エネルギーが振動ペン４の先から出力され
ている。従って、センサ６で出力される電気信号は、種
々の周波数成分が混じりあった合成波として検出され
る。

【００３４】図４は板上を伝播する弾性波（板波）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の積に依
存していることが良く知られている。先にも述べたとお
り、振動伝達板８上を伝播してくる板波は電気的な駆動
信号に対してダンピングされており周波数帯域の広い信
号となっている。

【００３５】従ってセンサ６で検出される信号波形は、
時間軸上で比ベてみると、信号波形の先頭部分は伝播速
度が速い周波数の高い波で構成されており、時間がたつ
に連れて徐々に周波数の低い板波がセンサ６に到達して
電気的に変換されて、先に到達していた周波数の高い波
と重畳して出力されることになる。

【００３６】図５は、センサ６で出力された同一の電気
出力信号をバンド幅が４０ＫＨｚで中心周波数の異なる
バンドパスフィルタを通して処理し、振動ペン４とセン
サ６の間の距離と波の到達遅延時間の関係から群速度Ｖ
ｇをそれぞれ求めた結果である。バンドパスフィルタの
中心周波数が高ければ群速度Ｖｇは速くなり、バンドパ
スフィルタの中心周波数が低くなれば群速度Ｖｇはそれ
と共に低くなっていることがわかる。

【００３７】従ってセンサ６で出力される信号は同じで
あっても、その信号をある中心周波数を設定したバンド
パスフィルタで処理することにより、その中心周波数に
対応した特定の速度の板波を検出することが可能とな
る。さて本発明の実施例において、この座標入力装置は
第一のバンドパスフィルタと、中心周波数が第一のバン
ドパスフィルタよりも低い第二のバンドパスフィルタを
用いて、センサ６で出力した信号を処理する。

【００３８】ここで第一のバンドパスフィルタを用いて
処理された信号波形によって算出される波の速度をＶ１
とし第二のバンドパスフィルタで処理された信号波形に
よって算出された波の速度をＶ２とする。また、振動ペ
ン３から振動センサ６のいずれかに板波が到達し、それ
ぞれ処理されて検出されるまでの時間をそれぞれｔ１、
ｔ２とし、振動ペン３とその振動センサ６までの距離を
ιとすれば、 Δt = ｔ１−ｔ２ …（１） ι = Ｖ1・ｔ１= Ｖ2・ｔ２ = Ｖ２・（ｔ１＋Δｔ）…（２） したがって、 （Ｖ1−Ｖ2）・ｔ１ = Ｖ２・Δｔ すなわち、 ｔ１ = （Ｖ２・Δｔ）／（Ｖ1−Ｖ2） …（３） この（３）式は、第一のバンドパスフィルタによって処
理された到達遅延時間と第二のバンドパスフィルタによ
って処理された到達遅延時間の差、および第一、第二の
バンドパスフィルタにより処理された検出信号波形によ
って算出される速度Ｖ１、Ｖ２をあらかじめ測定してお
けば、従来のように振動ペン３の振動入力タイミングを
知る必要がないことを示すものである。つまり、時間ｔ
1を計測しなくても、速度の異なる２つの波の到達時間
差Δｔを計測することにより、距離ｌを算出することが
可能となるのである。従って、振動を発生する振動ペン
と、検出回路の同期を取る必要が無く、振動ペンをコー
ドレス化することができるという優れた効果がある。

【００３９】以上から信号波形検出回路９は、図８に示
すように構成すればよい（ここでは、同様に構成された
３つの振動センサ６のための回路のうち１チャンネル分
のみを示してある）。すなわち、振動センサ６から出力
され、前置増幅器９１で増幅された信号を特定周波数抽
出回路としての第一のバンドパスフィルタ９２を介して
信号処理回路９４に入力し、後述の検出基準に基づきそ
の波の到達遅延タイミングを検出し、カウンタ９６をス
タートさせる。また、同時に中心周波数が第一のバンド
パスフィルタ９２よりも低い特定周波数抽出回路として
の第二のパンドパスフィルタ９３を介して信号処理回路
９５に入力し同様にして到達遅延タイミングを検出し、
そのタイミングでカウンタ９６をストップさせ、両者の
波の到達時間の差Δｔを計測する。

【００４０】信号処理回路９４、９５は、下記の動作か
ら明らかなようにエンベロープのピークを検出するエン
ベロープピーク検出回路として構成される。

【００４１】図６は、信号検出回路９により行われる信
号処理のタイムチャートについて示している。

【００４２】図において符号４１は振動ペン中の振動子
を駆動する駆動波形、符号４２は振動伝達板を伝わって
きた振動を振動センサ６で検出したときの検出信号波
形、符号４２Ａ、４２Ｂはそれぞれ第一のバンドパスフ
ィルタ９２、第二のバンドパスフィルタ９３でそれぞれ
処理した後の信号波形である。

【００４３】これ以降の信号処理は、信号処理回路９
４、９５により行なわれる。

【００４４】まず、符号４３Ａ、４３Ｂはそれぞれのバ
ンドパスフィルタ９２、９３を経た各検出信号波形の包
絡線であり、それぞれの波の遅延時間を決定するため
に、まず、検出信号波形の包絡線から微分波形４４Ａ、
４４Ｂを得て、さらにゼロクロス信号４５Ａ、４５Ｂ
（包絡線のピークに相当）を検出する。

【００４５】そして第一のパンドパスフィルタ９２によ
り、処理された検出信号より遅延時間差を測定するカウ
ンタ９６をスタートさせ、第二のバンドパスフィルタ９
３で処理された検出信号よりこのカウンタ９６をストッ
プさせ遅延時間の差△ｔの測定を終了する。

【００４６】信号波形検出回路９は、上記△ｔを演算制
御回路１に出力する。この遅延時間の差△ｔより式
（２）、（３）より入力ペンとセンサーの距離ιを求め
ることができる。図７は入力ペンとセンサーの距離を用
いて振動ペン３の位置Ｐの座標（ｘ、ｙ）を求めるため
の説明図である。

【００４７】本実施例の場合、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の位置に配置して
おり、入力点から振動センサ６までの直線距離ι１、ι
２、ι３を式（２）（３）に基づき算出すれば、３平方
の定理より次式のようにして座標（ｘ、ｙ）を求めるこ
とができる。

【００４８】 ｘ=Ｘ／２＋（ι１＋ι２）（ι１−ι２）／２Ｘ …（４） ｙ=Ｙ／２＋（ι１＋ι３）（ι１−ι３）／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６のＸ、Ｙ軸に沿った距離であ
る。このようにして振動ぺン３の位置座標を検出するこ
とが可能となり、上記処理を繰り返すことによりリアル
タイムで入力座標を順次検出できる。

【００４９】以上のように、本実施例によれば、振動ペ
ンの入力タイミングを検出装置側で知る必要なく座標演
算を行えるため、振動伝達板を有する装置本体側と振動
ペンの間でタイミング情報を授受しなくてもよく、振動
ペンをワイヤレス化でき、入力時の操作性を著しく向上
できる。検出制御系には、バンドパスフィルタを用いた
簡単安価な回路を使用でき、また、ケーブルなどの部材
が必要なくなるため、装置のコストダウンを図れる。

【００５０】以上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を説明した
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かまわない。

【００５１】

【発明の効果】以上から明らかなように、本発明によれ
ば、振動ペンから入力された振動を振動伝達板に設けら
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および座標入力方
法において、所定周波数の駆動信号により発生され、振
動ペンから振動伝達板に入力された振動を前記振動セン
サにより検出し、前記駆動信号に起因し、前記振動セン
サにより検出された信号の第１の所定周波数成分、およ
び前記第１の所定周波数成分と同一の駆動信号に起因
し、前記振動センサにより検出された信号の、前記第１
の所定周波数成分とは異なる第２の所定周波数成分を抽
出し、前記第１の周波数成分の周波数の振動の振動伝達
板上での第１の伝達速度、前記第２の周波数成分の周波
数の振動の振動伝達板上での第２の伝達速度、および、
前記第１の周波数成分および前記第２の周波数成分の抽
出時間差から前記振動ペンから振動センサまでの距離を
検出し、この検出距離に基づき前記振動ペンの位置を算
出する構成を採用しているので、同一の駆動信号に起因
する異なる信号成分の抽出時間差に基づき振動伝達距離
を検出することにより、入力ペンと検出回路部の振動入
力タイミングを同期させる信号の授受の必要がなくな
り、また、振動ペンと振動伝達板を含む装置本体との信
号授受がなくなり振動ペンのワイヤレス化が可能とな
り、しかも、同一の駆動信号に起因する異なる信号成分
を抽出して用いるようにしているため、簡単安価に実施
でき、座標入力の際の操作性を著しく向上することがで
きる優れた座標入力装置および座標入力方法を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による座標入力装置の構造を示した説明
図である。

【図２】図１の装置の振動子駆動波形および検出信号波
形を示した説明図である。

【図３】図１の装置の検出信号スペクトラムを示した説
明図である。

【図４】板波の一般的性質を示した線図である。

【図５】バンドパスフィルタの中心周波数と板波群速度
の関係を示した線図である。

【図６】図１の装置の振動検出を示したタイミングチャ
ート図である。

【図７】振動センサ配置を示した説明図である。

【図８】信号波形検出回路の構成を示した説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 演算制御回路 ３ 振動ペン ４ 振動子 Ｂ 振動子駆動電源 ６ 振動センサ ８ 振動伝達板 ９ 信号波形検出回路 １０ ビデオ信号処理装置 １１ 表示器 ９１ 前置増幅器 ９２、９３ バンドパスフィルタ ９４、９５ 信号処理回路 ９６ カウンタ

───────────────────────────────────────────────────── 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 柳澤 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 (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 (56)参考文献 特開 平３−141419（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06F 3/03 340

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動ペンから振動伝達板に入力された振
   動を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、所定周波数の駆動信号で振動ペンを駆動する振動発生手
   段と、 前記振動発生手段により発生され、振動伝達板に入力さ
   れた振動を検出する振動センサと、 前記駆動信号に起因し、前記振動センサにより検出され
   た信号の第１の所定周波数成分を抽出する第一の周波数
   抽出手段と、 前記第１の所定周波数成分と同一の駆動信号に起因し、
   前記振動センサにより検出された信号の、前記第１の所
   定周波数成分とは異なる第２の所定周波数成分を抽出す
   る第２の周波数抽出手段とを有し、 前記第１の周波数成分の周波数の振動の振動伝達板上で
   の第１の伝達速度、前記第２の周波数成分の周波数の振
   動の振動伝達板上での第２の伝達速度、および、前記第
   １の周波数抽出手段および前記第２の周波数抽出手段に
   よる各周波数成分の抽出時間差から 前記振動ペンから振
   動センサまでの距離を検出し、この検出距離に基づき前
   記振動ペンの位置を算出する手段を有することを特徴と
   する座標入力装置。
2. 【請求項２】 振動ペンから振動伝達板に入力された振
   動を検出して前記振動ペンの振動伝達板上での座標を検
   出する座標入力方法において、所定周波数の駆動信号により発生され、振動ペンから振
   動伝達板に入力された振動を前記振動センサにより検出
   し、 前記駆動信号に起因し、前記振動センサにより検出され
   た信号の第１の所定周波数成分、および前記第１の所定
   周波数成分と同一の駆動信号に起因し、前記振動センサ
   により検出された信号の、前記第１の所定周波数成分と
   は異なる第２の所定周波数成分を抽出し、 前記第１の周波数成分の周波数の振動の振動伝達板上で
   の第１の伝達速度、前記第２の周波数成分の周波数の振
   動の振動伝達板上での第２の伝達速度、および、前記第
   １の周波数成分および前記第２の周波数成分の抽出時間
   差から 前記伝達時間差から前記振動ペンから振動センサ
   までの距離を検出し、この検出距離に基づき前記振動ペ
   ンの位置を算出することを特徴とする座標入力方法。