JPH02135520A - 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】 ［産業上の利用分野コ 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］ 従来より手書きの文字、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およびタ
ブレットなどを用いた座標入力装置が知られている。こ
の種の方式では入力された文字、図形などからなる画像
情報はＣＲＴデイスプレィなどの表示装置やプリンタな
どの記録装置に出力される。

この種の座標入力装置では、プラスチックや金属などの
振動伝達板を入力タブレットとして用い、この振動伝達
板に圧電素子などの振動子を内蔵した振動ペンにより超
音波振動を発生して振動伝達板に入力し、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ものが知られている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来装置では、振動伝達板に振動入力を行
なう振動ペンは通常の筆記具とほぼ同様の形状、すなわ
ち円柱状のペン軸を用いていた。

つまり、従来の振動ペンは円形の断面を有し、その中心
軸に関して対称的な形状を有しているため、操作者は振
動ペンを握って振動入力を行なう場合その中心軸に関し
て任意の回転方向でペンを握っていた。

このため、ペン先に設けられる振動伝達板に振動入力を
行なうためのホーンの中心軸がずれて装着されている場
合、またこのホーンと振動子（圧電素子など）の中心軸
がずれて結合されている場合、あるいは振動子自身に円
周方向に関する振動伝達の指向性が存在する場合など、
種々の要因によって振動ペン先端で得られる振動は軸方
向の振動ばかりではなく、たわみ振動やねじり振動など
種々の振動形態が複雑に合成されたものとなる。

このような振動を振動伝達板に入力すると、その入力点
から等距離にある円周上の各検出点で検出される信号波
形はそれぞれ異なったものとなってしまう０通常、振動
の検出タイミングはエンベロープや位相の所定の位置を
検出することによって行なわれているため、振動の伝達
方向によって異なりた撮動伝達時間が検出される恐れが
あり、従って振動伝達方向に依存した座標検出誤差が生
じるという問題があった。

［課題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、前記振動ペン
による座標入力操作時の姿勢が前記振動伝達板に関して
ほぼ一定となるように規制する手段を前記振動ペンに設
けた構成を採用した。

［作用］ 以上の構成によれば、座標入力操作時の振動ペンの振動
伝達板に対する姿勢がほぼ一定になるように規制される
ため、もし振動ペンの振動出力に指向性があっても振動
伝達板上の振動センサに対して入力される振動の特性を
ほぼ均一にできる。

［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′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。

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によフて機械的な超音波振
動に変換され、ホーン部５を介して振動伝達板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の表面の偏
、障害物などの影響を受けにくいという利点を有する。

第２図（Ａ）は第１図（Ａ）の振動ベン３の外形を示し
ている。図示のように振動ベン３の全体的な形状はほぼ
円柱形を基本としたものであるが、第２図（Ａ）の振動
ベン３ではペン軸の外周の一部に突条１９を設けである
。この突条１９はちょうど操作者が振動ベン３を握った
場合に、例えば親指と人指し指でつままれた場合に最も
収まりがよいような曲面をその側面に形成する。

このような突条１９を設けておくことによって、操作者
は振動ベン３を握る時突条１９が最も自分の手の中で収
まりがよい位置となるように振動ベン３を握る。つまり
、操作者は振動ベン３の突条１９が自分の体に対して所
定の方向を向くように振動ベン３を持つ。操作者が振動
伝達板８に対向する姿勢はほぼ一定であると考えること
ができるので、振動ベン３は常にほぼ一定の姿勢で振動
伝達板８に対して接触する。

つまり、第２図（Ｂ）において符号ＥＩを振動伝達板８
の有効入力面とし、この有効入力面ＥＩの外側の５Ｏ１
Ｓ１、Ｓ２の３つの位置に振動センサ６を配置した場合
、Ａ〜Ｃの３つの地点で座標入力を行なったとしても、
振動ベン３の姿勢はその鍵穴型の断面を３つの地点Ａ−
Ｃの位置に示すようにほぼ一定となる。

ここで、このような構成における利点につき考察する。

振動ベン３の中心軸に関する振動子４、ホーン５の位置
ずれ、あるいは振動子４の指向性などによって振動ベン
３の円周方向の振動伝達特性に偏りがあると、第２図（
Ｂ）の地点Ａで座標入力を行なったとして、位置ＳＯ〜
Ｓ２で観測される波の速度は振動ベン３からの振動伝達
方向に応じて異なったものとなる。この速度の偏差は振
動ベン３の円周方向に連続的に生じ得る。

今、地点Ａで発生した振動が５１の方向にｖｌの速度で
、またＳ２の方向にｖｌの速度で進行するとする。振動
ベン３の向きが常に一定であれば、地点Ａからの入力で
は位置Ｓ１、Ｓ２までの距離は正しく算出される。とこ
ろが、今ここで位置Ｓ１、Ｓ２、Ａが一直線上にあるも
のと仮定して、振動ベン３の向きが第２図（Ｂ）の地点
Ａのものと１８０°その中心軸の周りに回転したとする
。この場合には、位置Ｓ１、Ｓ２における波の速度はｖ
ｌ、ｖｌと逆転する。

この時算出される入力点Ａと位置Ｓ１の距離は、後述の
メモリに格納された速度ｖ１とｖｌの波の到達時間ｔの
積で表される。この結果生じる誤差Δは次の式で示され
る。

Δ＝ｖｌ　ｔ−ｖ２ｔ＝　（ｖｌ−ｖｌ）ｔ・・・（Ａ
）従って、算出される最大誤差は振動ベン３で発生し、
伝達方向によって生じる最大速度と最小速度の差と遅延
時間の積となる。

ここで突条１９によフて常に一定方向で振動ベン３が握
られるとして、地点Ａ−Ｃの３つの場所で入力を行なう
と、位置ＳＯの振動センサ６に対する振動ベン３から見
た振動の伝達方向は地点Ｂではθ１、地点Ｃではθ２と
いう角度だけずれる。言い換えれば、位置ＳＯのセンサ
から見れば地点Ｂ、Ｃにおける入力では地点Ａでの入力
より０１、θ２だけ振動ベンが回転したのと同じである
。

つまり、第２図（Ａ）の構成によれば、振動ベン３の中
心軸を中心とした姿勢の誤差は各振動センサに関してθ
１＋０２以下に抑えることができ、従来のように操作者
が任意の回転位置で振動ペンを握った場合に比べて振動
伝達方向に関する振動伝達速度の誤差を著しく小さくで
き、座標検出精度を大きく向上できる。

以上では、振動ペン３のペン軸に単なる突条を設ける例
を示したが、第２図（Ｃ）に示すように、この突条をあ
る種の操作部材、例えばスイッチ１９′として構成して
もよい、このスイッチ１９′は、例えば座標入力期間の
みＯＮとされ、そのＯＮ期間のみ振動ペンの振動子を駆
動するように使用できる。あるいは、スイッチ１９′が
ＯＦＦの期間では入力座標の取り込みを禁止するような
制御も考えられる。また、スイッチ１９′は電源スィッ
チなどとしても利用できる。

また以上では、振動ペン３の姿勢を規制するため、突条
な用いているが、逆にペン軸の操作者の指が当る部分を
凹ませておいても上記同様の効果を得られる。

次に波形検出系および座標演算系の構造につき詳細に説
明する。

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９に入力され、後述の波形検出処理によ
り、各センサへの振動到着タイミングを検出する。この
検出タイミング信号は演算制御回路１に入力される。

演算制御回路１は波形検出回路から入力された検出タイ
ミングにより各センサへの振動伝達時間を検出し、さら
にこの振動伝達時間から振動ペン３の振動伝達板８上で
の座標入力位置を検出する。

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１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ポート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。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
振動ベン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、振動ベン３お
よび振動センサ６の間の距１１ｉｄ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
動ベン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
サと振動ベンの距離は ｄ＝ｎ・λｐ＋Ｖｐ−ｔｐ　　　　　　・・・（２）と
なる。ここでλｐ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　−Ｖｐ−ｔｐ）　／λｐ　＋　１／Ｎ
　］　・・・（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、
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（２）式に代入することで
、振動ベン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ク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１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”ｒｐ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
のようなレ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、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ク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”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。

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・ンのタイミン
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の位置までの直線路１１ｄｌ〜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＋　（ｄ　１　＋ｄ　２）（ｄ　１−ｄ　
２）　／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３１）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。

［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、前記振動ペンによる座
標入力操作時の姿勢が前記振動伝達板に関してほぼ一定
となるように規制する手段を前記振動ペンに設けた構成
を採用しているので、座標入力操作時の振動ペンの振動
伝達板に対する姿勢がほぼ一定になるように規制される
ため、もし振動ペンの振動出力に指向性があっても振動
伝達板上の振動センサに対して入力される振動の特性を
ほぼ均一にでき、振動波形検出に基づく座標検出を高精
度に行なえるという優れた利点がある。

【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図は振動センサの配置を
示した説明図である。 １・・・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１５．１６・・・入力ボート 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 妨采の言にｅｐ躬 第２図（Ｂ） ；＃Ｍ’ｌ＃［］＃／）ヅｂ−、ｑｖ 第３図 ｉ〔難堝り釘上示しｂ皮什釦ａ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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、前記振
   動ペンによる座標入力操作時の姿勢が前記振動伝達板に
   関してほぼ一定となるように規制する手段を前記振動ペ
   ンに設けたことを特徴とする座標入力装置。