JPH01161423A - 座標入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
動を振動伝達板に設けられた振動センサにより検出して
入力振動の振動伝達板上での振動伝達時間から前記振動
ペンの振動伝達板とでの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やタブレ
ットなどが知られている。中でも、弾性波を用いた座標
入力装置は機械振動を発生する振動ペンによって振動伝
達板に機械振動先入力し、この伝達板に取り付けられた
振動センサによって入力振動を検出し、その遅延時間か
ら入力点の座標を決定する。この種の方式は、入力タブ
レットの構造が比較的簡単であり、簡単安価な装置を提
供できる利点がある。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の振動検出方式の座標入力装置では、入力タブレッ
トとしての振動伝達板の周囲にはゴムなどの材質からな
る防振材が装着される。この防振材は振動伝達板の端部
で反射する弾性波が中央方向に戻り、振動センサが検出
すべき直接波の検出に影響を与えないようにするための
防振材である。

また従来では、振動センサを防振材と振動伝達板の境界
部分の辺部に装着する構造が知られているが、このよう
な構造では、防振材と振動伝達板との境界近傍でしかも
振動センサまでの振動伝達距離が長い位置、たとえば振
動伝達板の角部領域において振動入力を行なうと、防振
材の振動減衰作用により充分な検出信号の振幅を得られ
ないという問題があった。このため、振動伝達板の角部
領域では振動ペンの筆圧を大きくしないと正確な座標入
力を行なえないという不都合があった。

また、振動伝達板の実質サイズに比してかなり小さい有
効入カニリアを設定しなければならず、装置の小型化、
あるいは限られたサイズ内での入カニリアの拡大は非常
に困難であった。

［問題点を解決するための手段］ 以上の問題点を解決するために１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の角部を除く周
辺部分に設けられた振動センサにより検出して入力振動
の振動伝達板上での振動伝達時間から前記振動ペンの振
動伝達板上での位置を検出する座標入力装置において、
前記振動伝達板周辺に装着された防振材を設け、この防
振材の振動伝達板中心部から周辺方向に向かう幅を前記
振動センサ装着領域において振動センサ非装着領域より
も大きく設定した構成を採用した。

［作　用］ 以上の構成によれば、振動伝達板周辺部の防振材の幅を
振動センサ装着償域で大きく、振動センサの非装着領域
で小さく構成することにより、振動伝達板の角部におけ
る防振材の振動減衰の影響を小さくすることができ、振
動ペンにより振動伝達板の角部で振動入力を行なった場
合でも充分な振幅を有する検出信号を振動伝達板の辺部
の振動センサによって得ることができる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づき、本発明の詳細な説明
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
などから長方形に構成された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。

本実施例では振動センサ６の装着場所は、図示のように
長方形の振動伝達板８の４辺のうち長い方の２辺の辺部
にある。一方の辺部に２個、他方の辺部に１個、計３個
の振動センサが後述する座標演算の都合上直角を成して
装着されている。

他の演算方法を取る場合は、必ずしもセンサ位置が直角
をなす必要はない。１辺上に装着された２個の振動セン
サ間の距離は、座標検出精度分解能などを考慮して決定
される。

振動センサ６は防振材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。装着方法は圧着、接着いずれによって
もよい。

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は、第１図に示すように防振材の周辺方向への
幅がセンサ装着部分から振動伝達板の角部へ向かうにつ
れ連続的に減少する形状のものが振動伝達板周縁部に装
着されている。このような形状による利点は後に詳述す
る。

振動伝達板８はＣＲＴ（あるいは液晶表示器など）など
、ドツ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ツ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’上の位置にドツト表示が行なわ
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。３つの振動センサ６の各々の出力信号
は波形検出回路６に入力され、後段の演算制御回路ｌに
より処理可能な検出信号に変換される。演算制御回路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。

検出された振動ペン３の座標情報は演算制御回路ｌ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ｌ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ＲＡＭ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、座標検出のための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ボート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ボ
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１
１に報知する。

表示器１１′の出力制御処理は入出力ボート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
のような波形にょ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０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４２
１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＃ｉｄはその振動伝達時間を
ｔｇとしてｄ夕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４
２２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・入ｐ＋Ｖｐ・ｔｐ　　　　　　・串・（２）と
なる、ここで入ｐ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−Ｖｐφｔｐ）／入ｐ＋１／Ｎｌ
・（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、±ｌ／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ｌに入力される。

また、このＴｇ倍信号タイミングと、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倍信号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ｔ
ｐ倍信号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４−
４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５７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５
８に入力され、承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Ｔｇｌ−ｈ、位相遅延時間ＴＰＩ〜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Ｔｇｌ〜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でこの直線圧１１１ｄｌ−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　＋　（ｄｌ＋　ｄ２）　　（ｄｌ−ｄ
２）　／２Ｘ　　＝　（４）ｙ　−Ｙ／２　＋　（ｄｉ
÷ｄ３）　　（ｄｌ−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Ｓりのセンサの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。

ここで、第１図のように防振材７の形状を設定する利点
につき第７図、第８図を参照して説明する。第７図は振
動伝達板８の周縁部に一定幅の防振材７を装着した構成
を、第８図は第１図のように防振材７の幅を辺部の振動
センサ６の装着領域で大きく、また角部の振動センサ６
の非装着領域で小さくした構成を示している。

両図において振動センサ６は防振材７の装着境界上に設
置される。図中符号Ｂは、上記振動センサ６に関して防
振材７の減衰の影響をある一定レベル以上受ける領域、
符号Ａは前記領域Ｂにおける境界と防振材７の境界とが
成す角度であり、符号Ｃ（破線の内側）は上記領域Ｂを
除いた場合の長方形の有効入カニリアを示す。もちろん
、システムで要求される検出精度の度合によってこの有
効入カニリアの大きさは変化する。

第７図のように振動伝達板８の中心部から周辺方向への
幅を一定にした防振材７を装着した場合には、各振動セ
ンサ６に対してその防振材７の減衰特性によって定まる
ある一定の角度Ａをもって振動振幅減衰領域Ｂが存在し
、この領域Ｂで振動ペン３で入力しても充分な検出レベ
ルが得られず、小さな有効入力領域となる。この領域Ｂ
は特に振動伝達板８の角部で大きくなる。

一方、第８図のように振動センサ６装着部から角部にか
けて周辺方向の幅が連続的に減少する形状の防振材７を
装着する構成では、振動センサ６が装着される辺部にお
いて角度Ａは第７図と同じでも領域Ｂは周辺側に移動す
る。このことは他の辺についても同様で、振動伝達板８
の角部で入力を行なった場合の振動検出信号の振幅は大
幅に増加する。

従って、有効入カニリアも第７図の従来構成に比して大
きく増加する。センサ非装着辺に関しては、第８図では
角部での振動検出信号の振幅を増加させるために角部で
の防振材の幅を減少させたが、幅を変えない形状でもよ
い。

また、第８図のように防振材を構成することで、センサ
を防振材境界に設けることによって防振材境界で発生す
る反射波の影響を低減させることができる。

さらに、特に角部における入力においては防振材の幅が
角部になるに従って減少し、防振材境界面が外側へ傾斜
することによって反射波が周辺に散乱され、および振動
伝達経路も長くなることによって減衰し、その影響が低
減されるという効果がある。

本実施例において使用した防振材７は塩化ビニル系のも
のであるが、この防振材７に関して伝達経路のなす角度
θと振動検出レベルの関係を第９図のように振動伝達距
離ｄｉを一定に保って測定した結果を第１Ｏ図に示す。

第１０図に示されるように、この材質の防振材では、振
動ペン−振動センサと防振材境界との角度を１００以上
にすれば、この防振材の減衰の影響を受けない充分な検
出レベルが得られ、その角度ＡはＡ＝１５°となる。防
振材は他の材質のものでもよく、それぞれ特有の角度Ａ
をもつことになる。

なお、第１１図、第１２図のように振動センサ６装着部
分のみの幅を４角形、円形状に段階的に大きくした防振
材７を用いても上記同様の効果を得ることができる。ま
た、第１３図のように防振材境界による反射を考慮して
、第１１図の振動センサ６装着部分の形状に、テーパ状
の非装着部分を組み合わせるようにしてもよい。

また、第１４図のように振動センサ６を防振材７の装着
領域内に設けた場合に適用しても、上記同様の効果を得
ることができる。第１４図では振動センサ６を取り付け
ていない防振材７の短辺の幅は一定にしである。このよ
うな構造でも上記同様の効果を得ることができる。

また、振動伝達板周辺部のどの位置に装着した振動セン
サに対しても１本発明の防振材構成とすることによって
振動伝達板の角部で入力を行なった場合の振動検出レベ
ルを改善することができる。

以上では３個の振動センサを用いる例を示したが、振動
センサの数は、座標演算のための式を変更すればいくつ
であってもよいのはいうまでもない。

［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の角部を除く周辺部分に
設けられた振動センサにより検出して入力振動の振動伝
達板上での振動伝達時間から前記振動ペンの振動伝達板
上での位置を検出する座標入力装置において、前記振動
伝達板周辺に装着された防振材を設け、この防振材の振
動伝達板中心部から周辺方向に向かう幅を前記振動セン
サ装着領域において振動センサ非装着領域よりも大きく
設定した構成を採用しているので、振動ペンにより振動
伝達板の角部で振動入力を行なった場合でも充分な振幅
を有する検出信号を振動伝達板の辺部の振動センサによ
って得ることができ、振動伝達板の全領域において高精
度な座標検出を行なうことができる。また、防振材によ
る振動減衰を低減でき、振動伝達板の大きさが制限され
ている場合には入力領域を広くとることができ、逆に従
来と同じ入力領域が必要な場合には、装置全体を小型化
することができるなどの優れた効果がある。

【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した
説明図、第２図は第１図の振動ペンの構造を示した説明
図、第３図は第１図の演算制御装置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牽示した波形図、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、第７図は従来の形状の防
振材構造を示した説明図、第８図は本発明の防振材の構
造を示した説明図、第９図は振動センサへの振動伝達経
路と防振材の角度を示した説明図、第１０図は振動伝達
経路と防振材の角度と検出レベルとの関係を示す線図、
第１１図〜第１４図はそれぞれ異なった防振材の構造を
示した説明図である。 ｌ・・・演算制御回路　　　　３・・・振動ペン４・・
・振動子　　　　　　　６・・・振動センサ７・・・防
振材　　　　　　　８・・・振動伝達板１５．１６・・
・入力ボート５１・・・前置増幅器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 第５図 第６図 第７図 第８０ 第１１図 だ刃傷λの鮒岨ｎ 第１２図 ＝ 蝿社〜易幾ｅΔＺ会Σ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 振動ペンから入力された振動を振動伝達板の角部を除く
   周辺部分に設けられた振動センサにより検出して入力振
   動の振動伝達板上での振動伝達時間から前記振動ペンの
   振動伝達板上での位置を検出する座標入力装置において
   、前記振動伝達板周辺に装着された防振材を設け、この
   防振材の振動伝達板中心部から周辺方向に向かう幅を前
   記振動センサ装着領域において振動センサ非装着領域よ
   りも大きく設定したことを特徴とする座標入力装置。