JPH01236320A - 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］ 従来より超音波振動を媒介として座標入力を行なう方式
が知られている。たとえばこの座標入力方式、ガラス、
金属その他の振動伝達材料からなる入力タブレットの角
部などの所定位置に複数個振動センサを設け、振動子を
有する入力ペンによりタブレットに振動入力を行ない、
各振動センサへの振動伝達時間を測定することにより、
タブレット上の振動伝達速度に基づき入力点〜センサ間
の距離を測定し、この距離情報に基づいて入力点の座標
が決定される。

この種の装置では、ガラス、プラスチック、金属などの
振動伝達板上で伝達される弾性波のうち縦波成分を検出
するように、振動伝達板の厚み部分に圧電素子などから
なる振動センサを取り付ける構造が知られている。

このような構成によれば、分散などの影響をうけず最も
最初に到達する弾性波を検出することができる。

従来のこの種の座標入力装置では、振動センサの出力信
号（複数のパルスで構成される）の中の先頭波のピーク
位置を検出する、あるいは、一定のしきい値による比較
により発生させたパルス信号を検出した時点で縦波の伝
播遅延時間を検出していた。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記に示す従来例では、振動ペンを振動
伝達板に押し付ける筆圧の違いによって、あるいは振動
ペンと変換素子の間の距離によって伝播する波のエネル
ギーが減衰してしまうために、出力される検出信号波形
の振幅レベルが大きく変化してしまうという問題があっ
た。

たとえば、センサ出力信号レベルがあるしきい値より大
きくなった場合には、前述の方法で伝播遅延時間を検出
しても、その検出タイミングはセンサ出力信号の先頭波
であるとは限らず、筆圧あるいは振動ペンの位置によっ
ては検出信号波形の中の第２波、もしくはそれ以降の波
により振動検出タイミングが形成されてしまうことがあ
る。

これにより、演算される振動ペンと変換素子の間の距離
は真の値より縦波のｎ波長（ｎは整数）分だけ長く計算
され、座標検出精度が低下する場合が生じる。また、し
きい値を充分低く設定すれば先頭波を検出することによ
り、ある程度この問題は回避できるが、逆にＳ／Ｎ比が
低下し、誤検出を起こす危険性もある。

本発明の課題は、以上の問題を解決し、適正な振動検出
タイミングを形成することにより座標人力精度を向上さ
せることである。

［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、機械
的振動を発生する振動ペンにより入力された弾性波を振
動伝達板の所定位置に振動伝達板上の弾性波振動の縦波
成分を検出できるように配置した機械的振動を電気信号
に変換する振動センサで検出し、検出した゛電気信号に
基づいて前記弾性波の振動伝達板上での伝達時間を計測
し、計測した振動伝達時間に基づき振動ペンによる振動
入力点の座標を検出する座標入力装置において、前記振
動センサの出力信号のエンベロープ信号を抽出する手段
と、このエンベロープ抽出手段により抽出されたエンベ
ロープ信号を微分する手段と、この微分手段により得ら
れた微分信号のゼロクロスタイミングを検出する手段と
、前記振動ペンによる振動入力から前記ゼロクロスタイ
ミング検出手段によるゼロクロス検出タイミングまでを
振動伝達時間として計測するとともに計測された振動伝
達時間から入力点の座標を演算する手段を設けた構成を
採用した。

［作　用］ 以−ヒの構成によれば、筆圧、振動伝達距離により変化
する振動センサの出力信号レベルに限定されることなく
、エンベロープ信号の微分処理により必ず検出波形の所
定部位を検出し、振動伝達距離に応じた正確な振動伝達
時間を計測でき、正確な座標演算が可能になる。

［実施例］ 以下、第１図から第６図に示す実施例に基づき、本発明
の詳細な説明する。

第１図において、符号８はガラス、プラスチックなどか
ら成る振動伝達板で、振動伝達板８の４つの角部は図示
のように切りとられており、この角部の３つの位置に３
つのピエゾ素子などからなる振動センサ６が固定されて
いる。

振動伝達板８は上記のように透明材料からなり、ＣＲＴ
、ＬＣＤパネルなどからなるデイスプレィ５が配置され
ており、操作者は、振動伝達板８を介してデイスプレィ
５の表示内容を読み取ることができる。このため、デイ
スプレィ５に振動ペン３で入力した画像、文字などをそ
のままのサイズで表示したり、デイスプレィ５にキーボ
ードのキー配列面を表示して振動ペン３により操作させ
るなど、種々の利用が可能になっている。

振動ペン３は内部にピエゾ素子などの振動子を有し、こ
の振動子は振動ペン駆動回路２により駆動される。振動
ペン３の駆動タイミングはマイクロプロセッサなどから
なる演算制御回路ｌにより決定される。

本実施例では、振動ペン３の振動子と振動ペンの伝達系
が持つ共振周波数により振動ペン３を駆動するものとす
る。

この振動ペン３から発せられた振動が振動伝達板８中を
振動センサ６との間を距離に応じた遅延時間をもって伝
播する。この振動を振動センサ６で検出する。

振動センサ６の検出信号は信号検出回路９に入力されて
おり、信号検出回路９では振動入力から各振動センサへ
のそれぞれの振動伝達時間を計測し、演算制御回路ｌに
出力する。

演算制御回路１では、振動ペン駆動回路２を介して振動
ペン３を駆動するごとに信号検出回路９をリセットして
各振動センサへの振動伝達時間を計１！ＩＩＩさせるよ
う制御を行なう。

演算制御回路１は入力された振動伝達時間から入力点の
座標値を算出し、これにもとづいてデイスプレィ駆動回
路１０を介してデイスプレィ５の表示出力を制御する。

第２図に第１図の信号検出回路９のブロック図を示す。

ここでは、１つの振動センサ６に接続される回路を示し
ているが、残りの振動センサについても同様の回路が接
続されているものとする。

振動センサ６の出力信号は前置増幅器６０に入力され、
所定の利得で増幅され、増幅された出力信号１２は公知
の構成を有するエンベロープ検出回路６１に入力される
。

エンベロープ検出回路６１の出力信号１３は微分回路６
２に入力される。微分回路６２はＣＲ時定数、オペアン
プなどを用いて構成されるもので、微分された出力信号
１４は信号検出回路６３に入力される。

信号検出回路６３はＯレベルのしきい値を持つコンパレ
ータなどから構成されたゼロクロス検出回路からなり、
信号検出回路６３の出力信号１５は演算制御回路１に入
力される。

この信号検出回路６３の出力信号１５は、後述する信号
波形検出回路の波形処理によって、振動検出タイミング
の情報を持つパルス信号となる。

演算制御回路１はこの信号１５を用いて振動伝達時間を
測定する。

第３図に演算制御回路ｌの構成を示す。

第３図において、マイクロコンピュータ４１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４２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４１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４３の計数値はマイクロコンピュータ４１によ
りラッチ回路４４にラッチされる。

先の振動検出タイミングの情報をもつ信号１５はセンサ
ごとに入力ポート４５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４５に入力され、チー２千回路４４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４１に伝えられる。

すなわち、カウンタ４３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４６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４
１に報知する。なお、デイスプレィ５の出力制御処理は
入出力ボート４７を介して行なわれる。

次に以上の構成における動作につき説明する。

振動ペン３は第４図の符号１１のような矩形波により駆
動される。

振動伝達板８に入力された振動は振動伝達板８中を距離
に応じた時間をかけて進行し、振動センサ６の１つによ
り検出され、振動センサ６に接続された微分回路６２か
ら第４図の符号１２のような出力波形が得られる。

この際、第１図のようなセンサ配置を行なうことにより
、進行方向に平行に振動する縦波成分を検出できる。縦
波成分は分散性がないので、図示のように横波成分より
も速く振動センサ６に到達する。また、振動ペン３の振
動子と振動ペンの伝達系が持つ共振周波数（本実施例で
は４サイクルのパルス列）で振動子を共振させているた
め、出力される検出信号波形１２は縦波が到達し始める
とその後順次増大していき、その後減衰して次に横波が
到達するというエンベロープ変化が生じる。

検出波形１２は第２図のエンベロープ検出回路６１に入
力され、符号１３のようなエンベロープ検出波形が形成
される。

エンベロープ信号１３を微分回路６２により１同機分す
ると、符号１４のような波形が得られる。

この微分信号１４を信号検出回路６３に入力し、最初の
ゼロクロスタイミングを検出すると、信号検出回路６３
の出力に符号１５のようなタイミング信号を得ることが
できる。

微分信号のゼロクロス点とは、いいかえれば、微分前の
エンベロープ信号の変化率がＯとなるピークタイミング
であるから、タイミング信号１５は検出波形１２の最初
のピークタイミングに相当するタイミング情報を有して
いることがわかる。

タイミング信号１５は演算制御回路ｌに入力され、カウ
ンタ４３、ラッチ４４により振動入力からタイミング信
号１５までの時間ｔが検出される。この時間ｔをその振
動センサ６への振動伝達時間として扱い、入力点から振
動センサ６までの直線距離を算出できる。直線距離から
座標値への変換については後述する。

第５図に以上のような振動検出タイミング決定による効
果を示す。

第５図において符号２１は振動ペン３の筆圧が充分に高
い場合、あるいは振動ペン３と振動センサ６の距離が比
較的短い場合の振動センサ６の検出波形で、充分な信号
レベルを有している。

ここで、従来のように、充分なＳ／Ｎ比を確保できる高
さのしきい値２１′により位相波形を比較し、振動検出
タイミング信号Ｔを得る場合を考えてみる。

第５図のように充分なレベルを有する検出波形２１の場
合には、縦波の先頭波２１″の信号レベルはしきい値２
１′を越えており、距離に応じた遅延時間Ｔを正確に検
出することができる。

一方、第５図の符号２２のように、振動ペン３の筆圧が
低くなって振動ペン３の振動エネルギーを充分に振動伝
達板に入力できなくなった場合、あるいは振動ペンと振
動センサの距離が比較的長くなり、振動伝達板上を振動
ペンで入力された振動が伝播していく間に振動が減衰し
てしまい、振動センサから出力される信号レベルが小さ
くなった場合には次のような問題が生じる。

検出波形２２の場合には、最初に到達した縦波の先頭波
２２′のレベルがしきい値２１′より小さくなり、検出
される遅延時間はＴ′となる。

つまり、真の遅延時間Ｔに対して検出される遅延時間は
Ｔ′となり、Δｔだけの誤差を生じることになる。従っ
て、従来例では振動ペンの筆圧、振動ペンと振動センサ
の距離によってΔを時間分の誤検出を行ってしまうこと
になる。図示の例では、先頭波２２′の次の波で検出タ
イミングが得られているが、筆圧、伝達距離による信号
の減衰度によっては、検出タイミングはさらに遅れる可
能性がある。

この問題を解決する一方法としては、前述のようにしき
い値２１′をより低く設定することが考えられるが、こ
の場合、Ｓ／Ｎ比が悪くなり、やはり誤検出の原因とな
る。

一方、上記実施例によれば、振動ペン３の振動子と振動
ペンの伝達系の共振により、検出信号波形１２は縦波が
到達し始めると順次増大していき、その後減衰して次に
横波が到達する。

縦波は分散性がないので、周波数が一定であればそのエ
ンベロープのピークを検出タイミングとしても、そこで
得られる遅延時間は距離と比例関係にあり、検出ポイン
ト位ごは振幅レベルとは関係がない、したがって筆圧や
センサとの距離が変化した場合においても、振幅レベル
は変化するが、第５図に符号ｔで示すように最初のエン
ベロープピークのタイミングで得た振動伝達時間ｔは信
号の減衰にかかわらず正確に距離に応じた値となる。こ
のため、この振動伝達時間ｔを用いて正確な座標演算を
行なうことができる。

ここで、上記のようにして得られた遅延時間ｔを用いて
振動ペン３による入力点の座標を求める方法について述
べる。

上記のようにして得られた遅延時間ｔはエンベロープの
ピークを検出しているため、真の遅延時間ｔＲよりΔｔ
′だけ長い、従ってこの値を知る必要があるが、この値
は縦波の速度をＶとすれば、ある入力点からセンサまで
の距＃ｌにおいて １＝Ｖ　φ　ｔＲ＝Ｖ（ｔ−Δｔ　　′）　　　・・・
　（１）と表されるので、ある距＃ｌが既知であればΔ
　ｔ　　′　＝ｔ−ｔＲ・・・　（２）と考えることが
できる。旧式のｔは上記座標入力装置で計測された実際
の時間、ｔＲはｌ／Ｖで求められる理論値である。

実際には、この方法によれば、Δｔ′の項の中に含まれ
る前述の項ばかりでなく、回路上の遅延時間をも校正す
ることになる。このようにして求められるｔＲを演算制
御回路ｌ中のＲＯＭ上に記憶しておけば、常に真の遅延
時間ｔＲを求めることができる。

（１）、（２）式による演算を演算制御回路ｌにより行
なえば、入力点〜振動センサ６までの直線距離を算出す
ることができる。直線距離が求められれば、直交座標へ
の変換はたとえば次のようにして行なえる。

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Ｓｌから５３の位置に配置した場合には、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ｆｉｄｌ−
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＋　（ｄｌ＋ｄ２）（ｄｉ−ｄ２）／２Ｘ　
　　　　　・・・（４） ｙ＝Ｙ／２＋　（ｄｌ＋ｄ３）（ｄｉ−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。

上記実施例において、装２の仕様などに応じてさらに高
精度、高分解能の座標入力装置を構成するには、分散性
のない縦波の位相に着目することが理想的である。前述
のとおり、先頭波に着目すると振動ペンの筆圧などに大
きく影響されるので、たとえばエンベロープのピークを
検出し、そのタイミングからセンサ出力波形のゼロクロ
ス点を検出する回路を能動化し、検出信号波形の位相が
ゼロクロスしたタイミングまでを遅延時間ｔとして検出
するようにしてもよい。

また、上記実施例において、振動ペンと振動センサの距
離が短くなると縦波と横波の到達遅延時間の差が小さく
なり、両者が重なりあってくる。

従って、検出タイミングはセンサの出力波形のより前部
にあるのが好ましいと考えられる。そこで、第１図にお
いて微分信号１４をさらに微分し、その最初のゼロクロ
ス点、すなわち検出波形１２の最初の変曲点を検出し、
このタイミングを振動検出タイミングとしてもよい。

［発明の効果］ 以−ヒから明らかなように、本発明によれば、機械的振
動を発生する振動ペンにより入力された弾性波を振動伝
達板の所定位置に振動伝達板上の弾性波振動の縦波成分
を検出できるように配置した機械的振動を電気信号に変
換する振動センサで検出し、検出した電気信号に基づい
て前記弾性波の振動伝達板上での伝達時間を計測し計測
した振動伝達時間に基づき振動ペンによる振動入力点の
座標を検出する座標入力装置において、前記振動センサ
の出力信号のエンベロープ信号を抽出する手段と、この
エンベロープ抽出手段により抽出されたエンベロープ信
号を微分する手段と、この微分手段により得られた微分
信号のゼロクロスタイミングを検出する手段と、前記振
動ペンによる振動入力から前記ゼロクロスタイミング検
出手段によるゼロクロス検出タイミングまでを振動伝達
時間として計測するとともに計測された振動伝達時間か
ら入力点の座標を演算する手段を設けた構成を採用して
いるので、筆圧、振動伝達距離により変化する振動セン
サの出力信号レベルに限定されることなく、エンベロー
プ信号の微分処理により必ず検出波形の所定部位を検出
し、振動伝達距離に応じた正確な振動伝達時間を計測す
ることができるため、振動ペンの筆圧、振動ペンの入力
位置による振動伝達距離の変化にかかわらず常時高精度
な座標入力が可能であるという優れた効果がある。

【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図の信号波形検出回路の構成を示
したブロック図、第３図は第１図の演算制御回路の構成
を示したブロック図、第４図は第２図の信号波形検出回
路の作用を示した波形図、第５図は本発明による効果を
示した波形図、第６図はセンサ配とおよび座標演算方法
を示した説明図である。 ■・・・演算制御回路　３・・・振動ペン４・・・振動
子　　　　６・・・振動センサ１３・・・カウンタ　　
１４・・・ラッチ８・・・振動伝達板　　６０・・・前
置増幅器６１・・・エンベローフ検出回路 ６２・・・微分回路　　６３・・・信号検出回路（検出
８路） ５＠募制＠Ｅ胃各のアロー７７圓 第３図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）機械的振動を発生する振動ペンにより入力された弾
   性波を振動伝達板の所定位置に振動伝達板上の弾性波振
   動の縦波成分を検出できるように配置した機械的振動を
   電気信号に変換する振動センサで検出し、検出した電気
   信号に基づいて前記弾性波の振動伝達板上での伝達時間
   を計測し計測した振動伝達時間に基づき振動ペンによる
   振動入力点の座標を検出する座標入力装置において、前
   記振動センサの出力信号のエンベロープ信号を抽出する
   手段と、このエンベロープ抽出手段により抽出されたエ
   ンベロープ信号を微分する手段と、この微分手段により
   得られた微分信号のゼロクロスタイミングを検出する手
   段と、前記振動ペンによる振動入力から前記ゼロクロス
   タイミング検出手段によるゼロクロス検出タイミングま
   でを振動伝達時間として計測するとともに計測された振
   動伝達時間から入力点の座標を演算する手段を設けたこ
   とを特徴とする座標入力装置。