JPH02130618A - 座標入力装置における有効領域決定方法 - 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複数の振動センサにより検
出し、各振動センサまでの振動伝達時間から前記振動ペ
ン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、手書き文字や図形等の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
から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する課題］ しかしながら、これまでのこの方式を採用した座標入力
装置においては、振動を検出するセンサの位置や、振動
ペンの駆動条件、更には伝播速度等を考慮してはいす、
振動伝達板の寸法等の確固たる技術が確立していなかっ
たため、これら各条件の変動に対応できないという問題
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、少
なくとも座標入力の有効エリアに対する振動伝達板の大
きさ、振動センサの配置位置等の条件を規定でき、且つ
高精度の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に設けられた
複数の振動センサにより検出し、各振動センサまでの振
動伝達時間から前記振動ペン位置を検出する座標入力装
置において、 前記振動伝達板は、 座標の入力及び検出が有効となる有効エリアと、少なく
とも前記有効エリアの境界を前記振動ペンで指定したと
き、当該前記振動ペンから発生した振動の直接波と振動
伝達板端部で反射した反射波との各々の振動センサへの
夫々の伝播経路の差が少なくとも振動センサで検出され
た電気信号の先頭から当該電気信号の検出点までに要す
る時間てに基づく伝播距離以上になる様な有効エリア外
領域を備えるものである。

［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。

〈装置構成の説明（第１図）〉 第１図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、ｌ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、実際には、図示の実
線で示す符号Ａの領域（以下、有効エリアという）内を
振動ベン３で指定することを行なう、そして、この振動
伝達板８の外周には、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、そ
の境界に圧電素子等、機械的振動を電気信号に変換する
振動センサ６ａ〜６ｃが図示の位置に固定されている。

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。

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ＩＯの駆
動により振動ベン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（透明部材よりなるので）を
透して見ることが可能になっている。すなわち、検出さ
れた振動ベン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ベ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、振動ベン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
動ベン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図に実施例の振動ベン３の構造（断面図）を示す。

振動ベン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によつ゛Ｃ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。

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。

尚、以上の構成における実施例の振動伝達板８の寸法及
び反射防止材７の装着位置、更には振動センサ６ａ〜６
ｃの配置位置等の特定に係る原理の詳細は後述する。

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ｌは所定周期毎（
例えばＳｍｓ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
始させる。そして、振動ベン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ベン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ｌ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Ｒ　ＡＭ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に振動ベン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３４ａ〜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を説明するための
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
速度を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スると、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（
信号５３で所定幅の窓信号４４を生成し、位相信号４２
２と比較することで得る）と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／Ｎｌ
　　　　　　・・・■ と表される。

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λばＮ＝２とし、±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５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（
信号４４を発生させる）、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９ 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Ｔｐｌ−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
ｔ−ｈ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）〉 次に実際に振動ベン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ｓ上の振動センサ６ａの座標をＳ、（０
，０）、すなわち、原点とし、振動センサ６ｂ、６ｃの
座標位置を５ｂ（Ｘ、０）、　５ｃ（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ベン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。

く有効領域の特定の説明（第７図〜第９図）〉次に、有
効エリアＡの特定が如何にしてなされるかを説明する。

実施例では、第４図に示したｔｇ及びｔｐを検出するが
、このｔｇ及びｔｐの検出点に反射波等がかかるが干渉
をおこし、・正確なｔｇ及びｔｐの値が検出できなくな
る。尚、反対派とは振動伝達板８の端で反射する振動波
である。

従って、本装置の振動伝達板８の有効エリアＡは、その
エリア内のいかなる箇所を振動ベン３で指定しても、振
動センサ６ａ〜６Ｃで検出されるｔｇ、ｔｐにその反射
波がかからない様になっている。

換言すれば、有効エリアＡの外に伝播していつて反射し
てくる反射波の伝達経路と振動センサ６ａ〜６ｃに直接
伝播する直接波との伝達経路差が、検出波の波頭からｔ
ｐ検出点までの時間て（第７図参照）に群速度Ｖｇを乗
じた距離より大きくなる様にした。

尚、ここでは、τを決める検出点をｔｐ検出点にしたが
、これはｔｐ＞ｔｇの場合であって、検出方式によりｔ
ｐ＞ｔｇとなる場合はｔｇ検出点を基準とする。

第８図に本実施例の振動伝達板８を示す。

先に説明した様に、実施例の振動センサ６ａ〜６ｃは振
動伝達板８の反射防止材７との境界に装着されている。

そして、仕様等による有効エリアＡの寸法ａ×ｂを決定
し、その周囲の縦横に図示の如く、Ｗｌ。

Ｗｔの未使用領域を取り、その外周に反射防止材７を装
着する。これによって、有効エリアＡに持つ振動伝達板
８のサイズが決定される。

ここで、直接波の伝播経路をＤＩ、反射波のそれをＲ１
とすると、先に説明した条件は次式となる。

Ｒｔ　　−ＤＩ　　＞Ｖｇ　　・　τ となる。従って、Ｖｇに対応した振動伝達板サイズとす
る。また、Ｖｇは駆動周波数、駆動パルス数、振動伝達
板の板厚に依存する。

ところで、第８図に示す様に、長辺部上にセンサ６ａ〜
６ｃを配置して対称型とし、振動センサ６ａを注目した
場合、直接波と反射波との伝播経路差Ｒ−Ｄが最小にな
る、つまり反射の影響が最大になる入力点はは、以下の
場合である。

先ず、振動伝達板８の横方向においては、注目振動セン
サ６ａに近い方の側部の最大距離点、つまり、図示のＤ
　、、　Ｒ２を生成する角部Ｐである。

また、振動伝達板８の縦方向に対しては、最大距離点と
なる図示のＤＩ、Ｒ１を生成する角部Ｑである。これに
より、Ｗ、、Ｗ、を決定することができる。

本実施例では、反射防振材７の装着境界で生じる反射波
について考慮しており、各振動センサの配置は対称型で
あるので左右のｗｌ、及び上下のＷ２はそれぞれ等しい
。

また、上記条件よりＷ２　、Ｗ、は次の式により求まる
。但し、反射影響の限界点をＲ−Ｄ＝Ｖｇ・てとした。

先ず、最初に、Ｗ２の最小値は、Ｒ１にＶｇ・てを加え
た距離が、反射派の経路り、に等しくなる場合である。

ＤＩ＝ｆ］７「しＴＴ汀７ ＲＩ＝　Ｓ”＋　（ａ＋３Ｗ＝）　”であるから、（＋
　ａη２　　＋Ｖｇ”ｒ）”　＝（ａ＋３Ｗ＝）２＋Ｓ
”という関係を満足するＷ２を求めれば良い。

尚、ここでＳ＝Ｄ、／２＋ｂ／２であり、簡単に説明す
れば、この“Ｓ”はセンサ６ａ　（６ｂ）の有効エリア
Ａの右端（左端）を原点としたときの、その構成分の値
を意味する。

同様に、Ｄ２＝　　　−＋ａ＋ｗ２ Ｒ２：　　　−＋　　、＋３＋２　であるから、（Ｄ　
２＋ｖｇ　ｊ　１：　）”＝　Ｒ，２を満足するＷｌを
得れば良い。

因に、Ｗｌは先に算出されたＷ２を用いて表わすと、次
の様になる。

（ｂ−ｓ）　２＋２　　　　　ａ＋、　　　　＋　　　
　−ｓ　　　　−Ｖｇ　・　ｃ＋（Ｖｇ　・　　ｒ）　
　２）く他の実施例の説明（第９図）〉 上述した実施例におでは、長辺側に振動センサ６ａ〜６
ｃを装着した場合を示したが、第９図に示す様に、短辺
側に振動センサ６ａ〜６ｃを設けても良いことは勿論で
ある。

但し、この場合には直接波経路Ｄ３．反射波経路Ｒ３よ
り、Ｄｓ＋Ｖｇ・ｘ＝　Ｒｓ　ｆ７）関係からＷｌを求
める。そして、Ｗ２はＤ４◆Ｖｇ・て＝Ｒ４の関係から
求める（この場合には、−０３＝０４）。

更に、駆動パルス数によりＶｇが変動するだけでなく、
でも変動する。駆動パルス数をＮｐとするとてとの間に
次の関係が成り立つ。

て＝　（Ｎｐ十〇）・”ｒｐ ここでＴｐは振動の周期、αは定数であり、振動伝達板
の寸法、振動ペン３、振動センサ６の時により影響する
が、−度決定すればそれ以降は−定である。従って、駆
動周波数が一定になればてはＮｐの関数となる。

また、前述した実施例において、では防振材の特性によ
り減少させられる。防振材装着境界により生じる反射波
の振幅レベルは、振動伝達板端面で生じる反射波の数％
であり、これにより直接波に与える影響度合が軽減され
、それを時間軸上で表現した値をβ、防振材の特性を考
慮したのをτ′とすると て　　　＝　で　−β で表わされ、これにより前記振動伝達板寸法を決定する
ことにより、より小型化が実現する。

以上、説明した様に本実施例によれば、振動ペンより発
生して固定された振動センサへ伝播する直接波と反射波
の関係で、少なくとも反射波が直接波検出を妨害するこ
とがない範囲で、最大の座標有効エリアを持たせること
が可能となる。換言すれば、与えられた有効エリアを持
つ高精度の座標入力装置を、最小の振動伝達板の寸法で
提供することが可能となる。

も座標入力の有効エリアに対する振動伝達板の大きさ、
振動センサの配置位置等の条件を規定でき、且つ高精度
の座標入力装置を提供できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例の座標入力装置のブロック構成図、 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図は直接波に対する反射波の許容遅延時間てを説明
するための図、 第８図は実施例における振動伝達板と座標入力の有効領
域との関係を示す図、 第９図は他の実施例における振動伝達板と座標入力の有
効領域との関係を示す図である。 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、６ａ〜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
人力ボート、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に設けられた
   複数の振動センサにより検出し、各振動センサまでの振
   動伝達時間から前記振動ペン位置を検出する座標入力装
   置において、 前記振動伝達板は、 座標の入力及び検出が有効となる有効エリアと、 少なくとも前記有効エリアの境界を前記振動ペンで指定
   したとき、当該前記振動ペンから発生した振動の直接波
   と振動伝達板端部で反射した反射波との各々の振動セン
   サへの夫々の伝播経路の差が、少なくとも振動センサで
   検出された電気信号の先頭から当該電気信号の検出点ま
   でに要する時間τに基づく伝播距離以上になる様な有効
   エリア外領域を備えることを特徴とする座標入力装置。