JPH02125325A - 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
前記信号ペンの指示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、手書き文字や図形等をコンピュータの処理装
置に入力させるデバイスとして、入力ペンとタブレット
よりなる座標入力装置がある。

座標検出に係る方式にも様々なものが挙げられるが、そ
の中の１つに弾性波を用いたものがある。

この方式では、振動伝達板（タブレットの座標入力面を
なしている）上に入力ペンを接触させ、その入力ペンか
ら発生する振動を振動伝達板の所定位置に設けられた複
数の振動センサで検出する。そして、各振動センサで検
出されるまでの遅延時間から、入力ペンによる指示座標
位置を算出するものである。

この方式の座標入力装置の最大の利点は、入力タブレッ
トの構造が非常に簡単であり、且つ低コストで提供でき
ることにある。

［発明が解決しようとしている課題］ ここで、従来の振動検出方式の座標入力装置の構成例を
第１３図に示す。

図示の如く、従来では、振動伝達板１３１の大きさに対
し、周辺部からの反射波Ｂ−１，２の影響を避ける為、
ペン１３３−１．２がこの反射波の影響を受けないで座
標を入力できる有効領域Ｃを設けていた。すなわち、実
際の座標入力領域は有効領域Ｃに限られていた。

この有効領域Ｃは振動伝達板１３１の大きさと比べて、
かなり小さなものとなっていた。つまり、第１３図にお
いて、例えば振動センサ１３４−１に関しては、振動ペ
ン１３３−１の位置から入力する場合、直接波Ａ−１と
反射波Ｂ−１の伝播時間差が波形検出に影響を及ぼさな
いように一定の大きさ以上になる様に直接波Ａ−１と反
射波Ｂ−１の伝播経路差を設ける必要がある。従って、
図示の様に振動ペン１３３−１を下辺の防振材境界から
一定距離ａだけ離した位置から入力しなければならなか
った。

同様に、振動ペン１３３−２の位置においては、左辺防
振材境界から所定の距離すだけ離さなければならなかっ
た。上記の値ａ、ｂは各センサに於て振動ペンがコーナ
一部に位置する時の値が最大となり、この値ａｍａｘ　
＊　ｂ、、ａｔの距離だけ、防振材境界部から内側の領
域を有効入力領域とする必要がある。換言すれば、所望
の入力領域がある場合はその領域からａｍｍｘ　ｇ　ｔ
）６ａ１分だけ大きなサイズの振動伝達材が必要となり
、装置全体が大きなものになってしまうという欠点があ
った。

本発明はかかる従来技術に鑑みなされたものであり、装
置本体の大きさに対して座標入力に係る有効領域の割合
を大きし、装置の大型化を防ぐことを可能にした座標入
力装置を提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］及び［作用］この課題を
解決するために本発明は以下に示す構成を備える。

すなわち、 振動ペンから入力された振動を振動伝達板上の所定位置
に設けられた複数の振動センサで検出し、各振動センサ
による振動検出までにかかる時間により前記信号ペンの
座標位置を検出する座標入力装置において、前記振動伝
達板の座標入力領域から外れる端辺近傍を曲げ返した構
造とする。

［実施例］ 以下、添付図面に従って本発明に係る実施例を詳細に説
明する。

く装置構成の説明（第１図、第２図）〉第１図（ａ）は
本実施例にお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伝達板８上
をタッチさせることで行う、また、振動伝達板８はその
周辺部が第１図（ｂ）に示す如く、裏、側に曲げ返され
ており（折ってはいない）、その曲げ返された端部には
反射した振動が中央部に戻るのを防止（減少）させるた
めの反射防止材７が設けられている。そして、その境界
に振動センサ６ａ〜６ｃが夫々固定されている。これら
振動センサ６ａ〜６Ｃは圧電素子等、機械的振動を電気
信号に変換する素子から構成されている。尚、振動伝達
板８の作用等の詳細は後述する。

９は各振動センサ６ａ〜６ｃで振動を検出した旨の信号
を演算制御回路１に出力する信号波形検出回路であるが
、その詳細も後述する。１１はＣＲＴ（或いは液晶表示
器）等のドツト単位の表示が可能なデイスプレィであり
、振動伝達板８の背後に配置している。そして、デイス
プレィ駆動回路１０の駆動により振動ペン３によりなぞ
られた位置にドツトを表示し、それを振動伝達板８（透
明部材よるなるので）より見ることが可能になっている
。すなわち、検出された振動ペン３の座標に対応したデ
イスプレィ１１上の位置にドツト表示が行われ、振動ベ
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。

また、このような構成によればデイスプレィ１１にはそ
のメニュー表示を行ない、振動ペン３によりその項目を
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。

第２図に実施例の振動ペン３の構造（断面図）を示す。

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の駆動信号は演算制御回路
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（ペン先）５を介して振動伝達
板８に伝達される。

尚、ここで、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。

く演算制御回路の説明（第３図）〉 上述した構成において、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に振動ベン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
のタイマ（カウンタで構成されている）による計時を開
始返せる。そして、振動ペン３より発生した振動は振動
センサ６ａ〜６ｃまでの距離に応じて遅延して、到達す
る。振動波形検出回路９は各振動センサ６ａ〜６ｃ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ｌは各センサ毎のこの信号を入力し、各
々の振動センサ６ａ〜６Ｃまでの振動到達時間の検出、
そして振動ベンの座標位置を算出する。

そして、演算制御回路１はこの算出された振動ペン３の
座標位置情報を基に、デイスプレィ駆動回路１０を駆動
して、デイスプレィ１１による表示動作を制御する。

第３図に実施例における演算制御回路１の内部構成を示
し、各構成要素及びその動作概要を以下に説明する。

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、
動作手順を記憶したＲＯＭ、そしてワークエリアに使用
するＲＡＭ等を内蔵している。３３は不図示の基準クロ
ックを計時するタイマ（カウンタ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
を駆動を開始させるためのスタート信号を出力すること
で、その計時を開始する。すなわち、これによって、計
時開始と振動発生の時期の同期が取られることになる。

その地番構成要素となる回路は順を追って説明する。

信号波形検出回路９を介して得られた各振動センサ６ａ
〜６Ｃの振動到達のタイミング信号は検出信号入力ボー
ト３５を介して、ラッチ回路３４８〜３４ｃに入力され
る。ラッチ回路３４ａ〜３４ｃは振動センサ６ａ〜６Ｃ
に対応しており、各々は対応する振動センサの信号であ
るタイミング信号を受信すると、その時点でのタイマ３
３の計時値をラッチする。そして、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が判定回路３６からこの信号を受信
したときには、ラッチ回路３４８〜３４ｃから各々の振
動センサまでの振動到達時間を読み取り、所定の計算を
経て、振動ベン３による振動伝達板８上の座標位置を算
出する。

そして、Ｉ１０ボート３７を介してデイスプレィ駆動回
路１０に算出した座標位置情報を出力することにより、
例えばデイスプレィの対応する位置にドツト等を表示す
る。

く振動伝播時間検出の説明（第４図、第５図）〉以下、
振動センサまでの振動到達時間の計測の原理を説明する
。

第４図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な説明するための
図である。尚、以下では、振動センサ６ａを用いて説明
するが、その他の振動センサ６ｂ、６ｃ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、振動子駆動
回路２へのスタート信号の出力でもって開始することは
既に説明した。

このとき、振動子駆動回路２から振動子４へは信号４１
が印加されている。

この信号によって、振動ベン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ｔｇをかけて進行した後、振動センサ６ａで検出
される。図示の４２で示す信号は振動センサ６ａが検出
した信号波形を示している。

ところで、実施例で用いられている振動は板波であり、
そのため振動伝達板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、すなわち、群
速度なＶｇ、そして位相４２２の位相速度なＶｐとする
。この群速度Ｖｇおよび位相速度Ｖｐの違いから振動ペ
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
を図示の４３で示す信号のように検出すると、振動ペン
３および振動センサ６ａの間の距離ｄはその振動伝達時
間をｔｇとしてｄ＝Ｖｇ−ｔｇ　　　　　　　・・・■
この式は振動センサ６ａ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６ｂ、６ｃと振動ペ
ン３の距離も同様の原理で表わされる。

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う。

位相波形信号４２２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・λｐ＋Ｖｐ−ｔｐ　　・・・■となる。ここで
λｐは弾性波の波長、ｎは整数である。

前記、■式と０式から上記の整数ｎは ｎ＝　［（Ｖｇ−ｔｇ−Ｖｐ−ｔｐ）／λｐ＋１／Ｎ］
　　　　　　・・・■ と表される。

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、群遅延時間ｔｇのゆらぎが±１／
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０式に代入することで、振動ペ
ン３および振動センサ６ａ間の距離、ひいては振動ペン
３と振動センサ６ｂ、６ｃ間の距離を正確に測定するこ
とができる。

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４５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は第５図に示すように
構成される。

第６図において、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（信号５３）が形成され、演算制御回
路１に入力される。

また、この信号Ｔｇは単安定マルチバイブレータ５５．
コンパレートレベル供給回路５６を経て、遅延時間調整
回路５７によって遅延された元信号と比較するため、コ
ンパレータＴｐ検出回路５８に供給される。そして、こ
のコンパレータＴｐ検出回路５８からは位相遅延時間信
号Ｔｐ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６ｂ、６ｃにも同じ回路が設けら
れる。

そこで、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’ｒｐｔ−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。

そして、演算制御回路ｌでは上記のＴｇｌ〜ｈ、’ｒｐ
ｔＮｈ信号を入力ボート３５から入力し、各々のタイミ
ングをトリガとしてタイマ３３の計時値（カウント値）
をラッチ回路３４ａ〜３４Ｃに取り込む、タイマ３３は
振動ペンの駆動に同期してスタートされているので、ラ
ッチ回路３４〜３４ｃには、各振動センサ６ａ〜６Ｃの
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
ータがラッチされることになる。

く座標位置算出の説明（第６図）〉 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。

今、振動伝達板８上の振動センサ６ａの座標をＳ　、　
（０，Ｏ）、すなわち、原点とし、振動センサ６ｂ、６
ｃの座標位置をＳ　ｂ（ｘ、ｏ）、　Ｓ　ｃ（０，Ｙ）
とする、そして、振動ペンの座標Ｐ（ｘ、ｙ）とする。

そして、先に説明した原理に基づいて、振動ペン３と各
振動センサ６ａ〜６Ｃまでの距離を夫々ｄ、〜ｄｃとす
ると、求めるＰ（ｘ、ｙ）は三平方の定理より、次式の
如くなる。

ここで、“Ｘ“及び“Ｙ“は振動センサ６ａからの振動
センサ６ｂ、６ｃの横及び縦方向の距離である。

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とになる。

く振動伝達板の説明（第７図、第８図）〉次に、実施例
における進度伝達板８の作用を従来のそれと対比して説
明する。

第７図（ａ）に、従来の振動伝達板７０及びセンサ６−
１〜３の構成による有効領域Ｃを示す。

この有効領域Ｃに基づいて、その振動伝達板７０の各コ
ーナ一部を除いて示したのが第７図（ｂ）の振動伝達板
７１である。ここで、振動伝達板７１の端面（あるいは
防振材装着境界）からの振動反射波の影響は、第７図（
ａ）の場合と同様である。従って、第７図（ａ）の場合
と同様、有効領域Ｃを確保できる。これは、例えば、振
動ペン３−３の位置に於て反射波の伝播経路がＤよりＥ
の方が長いことからも明らかである。

本実施例のいては、第７図（ｂ）の有効領域外の部分を
裏面に曲げ返し、第７図（ｃ）のように振動伝達板７２
を構成する。ここに於ても、反射波の経路は第７図（ｂ
）と同様であり、同じ有効領域となり、従って、平面投
影面積は有効領域と実質的に等しくできることになる。

換言すれば、座標入力装置本体（タブレット）の全面積
に対する座標入力の有効面積の占める割合を大きくする
ことが可能となる。従って、同じ有効領域の大きさを持
つタブレットであれば、実施例の方式によるものの方が
格段に小型化されていることになる。

尚、振動伝達板７２の曲げ返し部分は、文字通り、第８
図（ａ）の如く曲げるのであって、“曲げ”に対するＲ
（径）は大きければ大きいほど良い、従って、例えば第
８図（ｂ）の如く、急（鋭角）な折り曲げは望ましくな
い。これは、その折り曲げた部分Ｆで振動を反射するか
らであり、板波振動境界条件が急激に変化し、従って固
有音響インピーダンスの急変が起こることによる。従っ
て、曲げ返し部に於ても、反射箇所となる折り目がない
ことが望ましい。

く他の実施例の説明（第９図〜第１２図）〉前述した実
施例では、第１図（ｂ）の如く、反射波の影響を受けな
い構成である防振座装着境界或いはその近傍に振動セン
サを装着する構成のままで曲げ返した構成であるが、こ
れに限定されるものではない。

例えば、第９図の様に、振動伝達板８の折り返し部分を
さらに大きくとることにより、各振動センサを有効領域
近傍に装着することもできる。従って先の実施例の同様
の効果を達成することが可能となる。尚、この曲げ返し
部分の大きさであるが、振動センサ６ａ〜６Ｃから振動
伝達板８周辺部までの距離を反射波の影響の及ばない程
度にすることが望ましい。

これにより、振動センサ近傍に防振材が存在する場合に
比べて、防振材による直接波の減衰、或いは、防振材境
界による反射波の干渉、更には、上記２つの影響を含ん
だ振動センサへの入射方向による検出波形の指向性等の
悪影響を除いた構成とすることができる。

また、振動伝達板の形状作成は通常のプレス加工でも、
しぼり加工で勿論構わなし、その他の加工方法であって
もよいことは勿論である。

更には、例えば第１０図に示す様に、Ｙ方向でのみ曲げ
返す様にしても良い。この場合、Ｙ方向のサイズ縮小を
行なことが比較的簡単な加工等で行なえるだけでなく、
図示の様な振動センサの配置の場合には、防振材と振動
センサ位置が近いことによる悪影響を受けないですむと
いう効果が得られる。

更にまた、振動伝達板の表側が第１１図（ａ）そして裏
側が第１１図（ｂ）の様に、一体的な箱状にしても良い
、この構造においても、振動は裏側の伝達板へまわり込
むことにより、反射波の影響を受けずに小型化が可能で
ある。さらに、この形状の振動伝達板は、製品としての
外装ケースとの兼用も可能である。第１１図（ｂ）の１
１１で示す様に、裏側の振動伝達板の中央部に、残響防
止及び振動の回り込み防止の為の防振材を装着する。第
１１図（Ｃ）は端部の断面図である。

また、他の実施例としては、第１２図の様に、振動伝達
板を三層構造とすることが考えられる。

中間層にスポンジ等の振動絶縁層Ｆを挟んだ構成にし、
端部において上層と下層な湾曲部において連結させるわ
けである。そして、裏面の中央部には防振材を装着する
。この構成により、前記本発明の実施例と同様の作用を
するだけでなく、より薄型で小型の振動伝達板を形成で
きる。

以上、説明した様に本実施例によれば、座標入力装置の
座標入力に係る有効領域の占める割合を大きくすること
ができ、座標入力装置を小型化することが可能となる。

尚、実施例で説明した曲げ返しする位置は、少なくとも
座標入力に係る有効領域とし、且つ、曲げ返される部分
の大きさを有効領域に反射波が悪影響を及ぼすことがな
い大きさとした。勿論、この状態が一番有効的であるが
、従来技術を解決するためには、単に端辺近傍を曲げる
ことで達成できるからである。

［発明の効果］ 以上説明した様に本発明によれば、装置本体の大きさに
対して座標入力に係る有効領域の割合を太きしたので、
装置の大型化を防ぐことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本実施例の座標入力装置のブロック構成
図、 第１図（ｂ）は実施例における振動伝達板の端部の断面
図、 第２図は振動ペンの構造を示す図。 第３図は実施例における演算制御回路の内部構成を示す
図、 第４図は振動ペンと振動センサとの間の距離測定を説明
するための図、 第５図は実施例における信号波形検出回路の一部構成内
容を示す図、 第６図は座標位置算出の原理を説明するための図、 第７図（ａ）〜（ｃ）は本実施例における振動伝達板の
構造を説明するための図、 第８図（ａ）、（ｂ）は振動伝達板の端部の好／不都合
を説明するための断面図、 第９図は他の実施例における振動伝達板の端部の構造を
示す断面図、 第１０図は他の実施例の振動伝達板の外観斜視図、 第１１図（ａ）〜（ｃ）及び第１２図は他の実施例にお
ける振動伝達板を示す図、 第１３図は従来の振動伝達板とその有効領域を説明する
ための図である。 図中、１・・・演算制御回路、２・・・振動子駆動回路
、３・・・振動ペン、４・・・振動子、６８〜６ｃ・・
・振動センサ、７・・・防振材、８・・・振動伝達板、
３１・・・マイクロコンピュータ、３３・・・タイマ、
３４ａ〜３４ｃ・・・ラッチ回路、３５・・・検出信号
入力ボート、３６・・・判定回路、３７・・・Ｉ１０ボ
ートである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 振動ペンから入力された振動を振動伝達板上の所定位置
   に設けられた複数の振動センサで検出し、各振動センサ
   による振動検出までにかかる時間により前記信号ペンの
   座標位置を検出する座標入力装置において、 前記振動伝達板の座標入力領域から外れる端辺近傍を曲
   げ返した構造とすることを特徴とする座標入力装置。