JPH012124A - 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］ 本発明は座標入力袋こ、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］ 座標入力装置として、従来より各種の入力装置が知られ
ている。この種の装置では、所定の入力面上に座標系を
設定し、所定方式の入力部材により入力面に入力を行な
い、入力面上の座標系における座標情報を検出する。

検出方式としては、抵抗膜や導電膜を対向配置すること
により入力タブレットを構成し、指やペンなどの筆記具
により対向配置された膜を接触させるもの、あるいは超
音波ペンなどによる入力部材を用い、振動伝達板などか
ら構成された入力タブレットに超音波振動を入力し、タ
ブレット上、に発生される弾性波の振動伝達時間から座
標値を検出する方式などが知られている。

タブレットを構成するガラス、その他の振動伝達板には
、伝達される振動の伝達時間を計算するために、機械振
動を電気信号に変換するため圧電素子などから構成され
た複数の振動センサが設けられる。

振動入力タイミングがわかっていれば、振動センサへの
振動の到達タイミングを検出することによってそのセン
サへの振動伝達時間を知ることができる。振動伝達板上
での振動伝達速度は一定と考えることができるので、振
動伝達時間から振動センサと入力点の間の直線距離を得
ることができる。各センサと入力点の直線距離がわかれ
ば、３平方の定理などにより入力点の座標値を決定でき
る。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来では、振動検出タイミングを決定するには、振動セ
ンサが出力する検出信号波形のピーク値を検出する方法
が用いられていた。

ところが、振動伝達板が有限の面積を有し、その端部領
域でかならずなにがしかの反射波が発生する。したがっ
て、振動センサに入力される振動波形は直接波と反射波
の合成波となる。

特に座標入力点とセンサおよび振動伝達板の端部の位置
関係によっては、直接波と反射波の経路差が非常に小さ
くなり、両者の干渉によって検出信号波形が大きく歪む
、この影響により、検出タイミングにずれが生じ、座標
検出精度が低下するという問題があった。

この点に鑑みて、振動伝達板の端部を防振材などで支持
する技術も知られているが、完全に反射波を除去するこ
とは困難で、振動伝達波のサイズよりも有効入力面の面
積を小さくして直接波と反射波がタイムラグを持ってセ
ンナに到達するようにし、干渉による検出タイミングの
ずれが生じないようにしなければならなかった。

したがって、必要な有効入力面の面積を確保するため、
かなり振動伝達板の面積を大きく設定しなければならず
、装置が大型化する、あるいは有効入力面の面積が限定
されるという問題があった。

［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、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おいて、複数の位相が
互いに異なるパルス列の合成信号により前記振動ペンの
振動子を駆動する駆動制御手段を設けた構成を採用した
。

［作　用］ 以上の構成によれば、位相の異なる駆動パルス列が振動
子の減衰振動を減衰させるように作用するので、振動セ
ンサにおいて直接波と反射波が干渉をうけた場合でも検
出信号波形のピーク値のずれを防止し、振動伝達時間の
誤差に起因する座標検出誤差を低減できる。また、位相
の異なるパルスを組み合わせることにより振動センサで
の検出波形を所望の形状に制御でき、振動伝達板上での
反射波などのノイズの影響を除去するのに適した砺出タ
イミング、あるいは波形上の特定の点を設定することが
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
０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。

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°Ｌ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古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（Ａ）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ｌ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
、障害物などの影テを受けにくいという利点を有する。

第２図（Ｂ）は、振動子４の駆動信号波形を示している
。振動子４は図示のようなパルス波形により駆動される
。従来では、第２図（Ｄ）に示すような等間隔のパルス
列（１，０，１、・・・）により振動子４を駆動してい
たが、本実施例では第１群の等間隔のパルス列（１０１
０１００１０１００００１０）と、それに続＜１８０’
位相がずれた第２群のパルス列により駆動信号を構成し
ている。図示（７）　Ｊ：うなパルス列は所定時間毎に
振動子４に入力される。

このような駆動信号を用いる利点については後に詳述す
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。

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
Ｊａ＠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、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
のタイミング情報および、筆圧検出のための信号レベル
情報を出力する。これらのタイミングおよびレベル情報
は入力ボート１５および１７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カポ
−）１５に入力され、判定回路１６によりラッチ回路１
４内の計数値と比較され、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。

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。

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の間の距離ｄはその振
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ＩＭ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、たとえば摂動印加から、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　＊　ｔ　ｐ　　　　・・−（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　　ｌＩｔｇ　　−Ｖｐ　　＊　ｔｐ）／
入　ｐ　＋　１／Ｎ１−（３）と示される。こ゛こでＮ
はＯ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、±１７２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。

ｔ５４図に示した２つの振動伝達時ｒＭ１ｔｇおよびｔ
ｐ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の出力信号は前置増幅回
路５１により所定のレベルまでＪ′ｆｆ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／曳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３Ｎ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４４
のようなしベルとタイミングを有する信号４４を形成し
、検出回路５８に入力する。

すなわち、？ｉｔ安定マルチバイブレータ５５およびコ
ンパレータレベル供給回路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、第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
のそれぞれのセジサに対しても同じ回路が設けられる。

センナの数を一般化してｈ個と２すると、エンベロープ
遅延時間Ｔｇｌ−ｈ、位相遅延時間Ｔｐｌ−ｈのそれぞ
れｈ個の検出信号が演算制御回路ｌに入力される。

なお、第４ｒｇＪに示したエンベローフ’波形４２１は
前後が非対称な波形で、特に減衰部が急峻である。この
ようなエンベロープは第２図（Ａ）ないし第４図の符号
４１のような駆動パルスの構成により生じる。駆動パル
スの構成と検出波形の関係は後に詳述する。

第３図の演算制御回路では上記のＴｇｌ〜ｈ、Ｔｐｌ〜
ｈ信号を入力ボート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は振動子ペ
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３１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２１Ｐから
各々の振動センサ６の位ｎまでの直線距離ｄｉ−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　　／　　２　　＋（ｄｉ　　＋　　ｄ
２）（ｄｉ　　−ｄ２）／　　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Ｓｔ）のセンサのｘ、
Ｙ＠に沿った距離である。

以Ｈ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。

さて１本実施例では、前述のように第２図（Ｂ）に示す
ような位相が１８０°異なる連続した２つのパルス列か
らなる駆動信号により振動ペン３の振動子４を駆動して
いる。

第２図（Ｃ）、（Ｅ）はそれぞれ第２図（Ｂ）の本実施
例と第２図（Ｄ）の従来例において振動センサ６のひと
つにより得られる検出信号波形を示している。両者を比
較してみると、本実施例の駆動パルス列の方が検出振動
波形の期間りにおける減衰が急峻であることがわかる。

これは、第２図（Ｂ）の最初のパルス列が検出点に到達
した後、遅れて到達する１８０°位相がずれたパルス列
が検出点近傍の振動を打ち消すように作用するからであ
る。

第２図（Ｅ）のような従来の検出波形では、期間りの減
衰がゆるや、かで、またレベルも大きいので、直接波、
反射波の経路長の差が小さいなどの理由でこの減衰部に
反射波が干渉すると直接波のピークよりも大きなピーク
値が生じてしまうことが考えられる。

ところが、第２図（Ｃ）のような検出信号波形によれば
、減衰部のレベルが小さく、また迅速に減衰が生じるの
で、反射波が合成されても直接波よりも大きなピーク値
を生じることがなく、したがって振動検出タイミングに
ずれが生じることがない。

このようにして、正確な振動伝達時間を得ることができ
、座標検出精度を高精度に保つことかナサができる。

また、反射波の検出波形が直接波の検出波形のレベルの
高い部分に合成される可能性は、振動伝達板８の有効な
入力範囲と反射波の生じる部分、たとえば防振材７と振
動伝達板８の境界部、あるいは振動伝達板８の端縁が近
いほど高くなる。これは反射波と直接波の伝達経路長が
近くなるためである。

従来では・前述のように反射波と直接波の伝達経路長の
、差をなるべく大きくして直接波と反射波の合成を避け
るため、有効入力範囲をタブレットのカバーで囲むなど
して制限していたが、本実施例によれば直接波とそれよ
り遅れて到達する反射波が重畳してもかまわない時間の
範囲を拡大できるので、有効入力範囲をタブレットの端
部により近づける、すなわち拡大することができる。ま
たは、逆に同一有効入力面積であれば、装置全体を小型
化できること、あるいは同一装置のサイズでより大きな
有効入力面精を獲得できることを意味する。

上記実施例では、第２図（Ｂ）のように、１群目のパル
ス列（第２図（Ｂ）の場合３個図示）と、それに続く１
８０°位相がずれたほぼ同数（第２図（Ｂ）の場合２個
図示）の２群目のパルスを振動ペン３の振動子４に与え
るようにしているが、位相の異なる複数群のパルスを振
動子にグーえる場合、その構成は上記に限定されず、任
意である。

たとえば、第７図（Ａ）のようにそれぞれ１８０°位相
がずれた３群のパルス列を用いるようにしてもよい。

０′ｓ７図（Ａ）　（７）場合、１群目は２個、２群目
は１個、３群目は２個のそれぞれ１８０°位相がずれた
パルス群の連続によって振動ペン３の振動子駆動パルス
が構成されている。

このような駆動パルスを用いる場合、振動センサ６の１
つによる検出波形は第７図（Ｂ）のようになる、すなわ
ち、１群目のパルス群により期間ＡＩにおいてエンベロ
ープが立ち上がり、期間Ｄ１において２群目の１個のパ
ルスによりそれが減衰される。続いて完全に波形が減衰
しない内に１群目と位相が等しい３群目のパルス群が到
来するノテ、エンベロープビークＰｋが生じ、以後第２
図（Ｅ）の従来例とほぼ同様の速度で期間Ｄ２において
波形の減衰が生じる。

このような検出波形によれば、期間Ｄ１に生じるエンベ
ロープの変曲点を検出することにより振動検出タイミン
グを決定することができる。

第７図（Ａ）のような駆動パルスにより、第７図（Ｂ’
、）のように検出波形の前部に変曲点を設け。

この変曲点のタイミングを検出点とすることにより、振
動検出タイミングを検出波形に対して前方に移動するこ
とにより、直接波よりも遅れて検出点に到達する反射波
がエンベロープ波形に影響を与え、振動検出タイミング
に誤差を生じる危険性をより低減できる。

第７図（Ｂ）の減衰期間Ｄ１の波形減衰速度、あるいは
その深さは、駆動信号を構成する位相が異なるパルス群
のパルス数、その他によって検出が容易になるように種
々変更が可能なことはもちろんである。

［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おいて、複数の位相が互いに異
なるパルス列の合成信号により前記振動ペンの振動子を
駆動する駆動制御手段を設けた構成を採用しているので
、位相の異なる駆動パルス列が振動子の減衰振動を減衰
させるように作用するので、振動センサにおいて直接波
と反射波が干渉をうけた場合でも検出信号波形のピーク
値のずれを防止し、振動伝達時間の誤差に起因する座標
検出誤差を低減できる。したがって、振動伝達板上での
反射波の影響を除去するため、従来のように振動伝達板
の有効入力面の面積を限定したり、あるいは必要な有効
入力面の面積を得るために装置全体を大型化する必要が
ない。

また、位相の異なるパルスを組み合わせることにより振
動センサでの検出波形を所望の形状に制御でき、振動伝
達板上での反射波などのノイズの影響を除去するのに適
した検出タイミング、あるいは波形上の特定の点を設定
することができる。

したがって、高精度な座標検出を行なえる信頼性が高く
小型軽ｔｉＳ：な優れた座標入力装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を採用した情報入出力装置の構成を示し
た説明図、第２図（Ａ）は第１図の振動ペンの構造を示
した説明図、第２図（Ｂ）、（Ｃ）は本発明における振
動子駆動波形および検出波形をそれぞれ示した波形図、
第２図（Ｄ）、（Ｅ）は従来の振動子駆動波形および検
出波形をそれぞれ示した波形図、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図は振動セれぞれ示した波形図であ
る。 ｌ・・・演算制御回路　３・・・振動ペン４・・・振動
子　　　　６・・・振動センサ８・・・振動伝達板　　
５１・・・前置増幅器１５・・・入力ボート ５２・・・エンベロープ検出回路 ５４．５８・・・信号検出回路

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おいて、複数の位相
   が互いに異なるパルス列の合成信号により前記振動ペン
   の振動子を駆動する駆動制御手段を設けたことを特徴と
   する座標入力装置。