JPH0475045A

JPH0475045A - 座標入力装置

Info

Publication number: JPH0475045A
Application number: JP2189244A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Yoshimura; 雄一郎吉村; Shinnosuke Taniishi; 谷石　信之介; Katsuyuki Kobayashi; 克行小林; Ryozo Yanagisawa; 柳沢　亮三; Kiyoshi Kaneko; 潔兼子; Takeshi Kamono; 武志鴨野; Atsushi Tanaka; 淳田中
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-07-17
Filing date: 1990-07-17
Publication date: 1992-03-10
Also published as: EP0467296A2; EP0467296B1; US5142106A; EP0467296A3; DE69122998D1; DE69122998T2

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、特に振動伝達板上の振動伝達時
間から指示点座標を検出する座標入力装置であって、振
動伝達板端部に防振材を設ける構造を有する座標入力装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来より、振動伝達板に圧電素子などを内蔵した振動ペ
ンにより振動入力を行い、振動伝達板に設けた複数のセ
ンサにより入力振動を検出し、振動伝達時間を計測する
ことにより入力点の座標を検出する座標入力装置が知ら
れている。

このような座標入力装置では、振動伝達板の端部で入力
振動が反射し、その反射波により振動センサによる検出
に誤差を生じないように、振動伝達板の端部を防振材に
より支持する構造が用いられる。

従来の防振材は主として騒音防止用に開発されたもので
、空気音対策用と、固体音対策用に大きく分類される。

したがって、従来の防振材を上記のような用途に用いる
には固体音対策用のものカベ用いられる。従来の固体音
対策用の制振材としては、第８図（Ａ）に示すような薄
板用制振シート、あるいは塗料などがあった。

第８図（Ａ）において、８′　は制振されるべき振動板
、７は制振シートである。振動板８′は薄鋼板、アルミ
板などの金属板、あるいは樹脂板、カラス板などから構
成される。

このような構成では、振動している振動板８′↓二制振
シート７を張り付けることにより制振シート７の振動減
衰を利用して板８′の振動を減少させ、騒音を減少させ
ることができる。

市販されている制振シート７の材質には、ポリ塩化ビニ
ール樹脂、アタクチックポリプロピレン、ポリエチレン
ビニルアセチレート、スチレンブタジェンゴム、シリコ
ンゴム、セメントペーストなどがあり、さらにこれらに
可塑剤、安定剤、軟化剤、鉛、鉄などの金属粉、ケイ砂
、アスファルトなどを添加、あるいは混合したものが用
いられる。これらの材質の成形形状としてはスポンジ状
の多孔質形状がある。

上記のような従来の制振シートは主として振動する板金
体に装着することにより板金体の振動を抑止するように
考えられている。

したがって、前記のように、振動伝達板の端部での反射
波を抑止するために第８図（Ｂ）のように振動伝達板８
の周辺に装着して用いても充分に反射波を減少させるこ
とができない。

第８図（Ｂ）は前記振動伝達板周辺部に前記制振シート
を装着した場合の振動伝播を示す図、第８図（Ｃ）は第
８図（Ｂ）の断面図の一部であり、反射波の様子を示す
図である。

図において符号８は振動伝達板、７は前記制振シート、
３は加振源である振動ペン、Ａは前記振動ペン３と前記
振動伝達板８との接触点である加振点から伝播する振動
を示す波、Ｂは振動伝達板端面ての反射波、Ｃは制振シ
ート装着境界面での反射波をそれぞれ模式的に示したも
のである。

従来の制振シート７は、前述のとおり板金体に発生して
いる振動（固有振動つまり共振振動も含む）に対しては
制振効果は大きいが、第８図（Ｂ）のように、制振シー
トが装着されない領域で加振し、そこから伝播する進行
波としての振動に対しては充分な制振効果が得られない
ため、第８図（Ｃ）のように制振シート７装着部分りに
おいて若干減衰させるものの振動伝達板端面での反射波
Ｂを充分抑えることができない。

更に、従来の制振シート７を装着することにより、新た
に、制振シート装着界面で反射波Ｃが発生した。従って
、弾性波を用いる座標入力装置の振動伝達板の周辺部に
従来の制振シートを装着しただけでは、前記２つの反射
波が発生し、加振源からの直接波を検出する際にノイズ
となって検出精度を下げてしまう。

以上の振動伝達板に装着した防振材（制振シート）の従
来例を考えると、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於ける、振動センサ（以下単にセ
ンサと言う）と振動伝達板周辺部に装着する防振材の位
置関係に関しては次の２点に留意する必要がある。一つ
は、防振材の減衰が振動伝播に与える影響であり、もう
一つは、防振材装着面により発生する反射波の影響であ
る。従来よりこの２つに関して、本願出願人はそれぞれ
次に示す提案を行なった。特願昭６２６７８５６号公報
「座標入力装置」に於いては、センサを防振材から一定
距離（２波長）以上離すことにより、防振材の減衰が振
動伝播に与える影響を小さくするという提案をしており
、また特願昭６１２５１５９８号公報「座標入力装置」
に於いてはセンサを防振材から一定距離（反射干渉距離
）以上はなして装着し、更に、特願昭６１−２５１５９
９号公報「座標入力装置」に於いては防振材装着境界面
上にセンサを装着することにより防振材装着面により発
生する反射波の影響を軽減するという提案を行なった。

〔発明が解決しようとしている課題〕

しかしながら、上記従来例ではセンサを防振材から一定
距離以上離して装着する場合には装置全体の外形が大き
くなりすぎ、また防振材装着境界面上にセンサを装着す
る場合には、防振材とセンサを振動伝達板の同一面上に
装着できず、装置の厚みが大きくなる等の欠点があった
。

〔課題を解決するための手段〕

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於て、振動伝達板周辺部に装着す
る防振材の装着境界面と防振材の装着境界面と振動セン
サの中心との距離がセンサの直径の０．５倍から１．０
倍未満の範囲となるようにセンサを防振材からペン入力
側に離して装着することにより、防振材の減衰が振動伝
播に与える影響を小さくでき、防振材装着面により発生
する反射波の影響を軽減して検出精度を向上でき、且つ
、装置全体の外形の小型化が可能となる。

〔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、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て行う。

また、実際には図示の実線で示す符号への領域（以下、
有効エリアという）内を振動ペン３て指定することを行
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）させるための防振
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。

上記振動伝達板周辺部に装着する防振材の装着境界面と
防振材の装着境界面より入力側に装着する振動センサの
中心との距離がセンサの直径の０．５倍から１．０倍未
満の範囲となるようにセンサ及び防振材を構成する。本
発明に使用する振動センサは振動を検出する手段なら形
状、材質を問わないが、本実施例では直径２　、０　ｍ
　ｍの円柱形状の圧電素子を用いた。従って、上記セン
サ中心と振動伝達板周辺部に装着する防振材の装着境界
面との距離は、第１図（ｂ）に示すように１．ｏｍｍか
ら２．０ｍｍ未満の範囲となるように構成する。詳しく
は後で述べる。

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ＣＲ，Ｔ（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
された振動ペン３の座標に対応したデイスプレィｌｌ上
の位置にドツト表示が行われ、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セで所定の位置に振
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
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（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（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。

〈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Ｓｍｓ毎）に振動子駆動回路２に振動ペン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、振動ペン３より発生した振動は振動
センサ６ａ〜６ｃまて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１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
して振動ペ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。

その他各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ポー
ト３５を介して、ラッチ回路３４ａ〜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
動センサまての振動到達時間を読み取り、所定の計算を
経て、振動ペン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ポート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。

〈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て検出
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てあり、
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の位相速度を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（
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＝ｎＩＩλｐ＋■ｐａｔｐ　　　　　　　　・・・■
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、±ｌ／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ク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。

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〜ｈ１位相遅延時間Ｔｐ１〜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
。

そして、演算制御回路１では上記のＴｇｌ−ｈ、　Ｔｐ
ｌ〜ｈ信号を入力ポート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。

〈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５ａ（Ｏ
，Ｏ）、すなわち、原点とし、振動センサ６ｂ、　６ｃ
の座標位置をＳ、　（Ｘ、　Ｏ）、ｓ、（ｏ、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ユ〜ｄ０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がらの振動
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。

〈本発明の防振材とセンサの構成の説明〉従来例のとこ
ろで述べたように、防振材による減衰の影響を少なくす
るにはできるだけセンサをペン入力側に防振材から離す
必要があり、また、防振材装着境界による反射波の影響
を少な（するためには、逆にてきるだけ、センサ中心を
防振材装着境界面上に近づけなくてはいけない。（逆に
センサを防振材から離して反射波の影響を軽減するため
には、かなり大きな距離を離さなければならず、装置全
体の外形がかなり大きなものになってしまう。）本発明
では、実験結果より、センサ中心と防振材の装着境界面
との距離の最適値を求め、その距離範囲に於いてセンサ
と防振材の位置を構成する。表１に、センサ中心と防振
材の装着境界面との距離（以後Ｓ−Ｂ距離と言う）を１
　、１−　］　、　７　ｍ　ｍの範囲で変動させた場合
と、１．１〜２　、　Ｏｍ　ｍの範囲で変動させた場合
の定数とペン−センサ距離計算値ｄの変動値を示した。

表１　センサ中心と防振材の装着境界面との距離（Ｓ−
Ｂ距離）の定数・精度に与える影響（防振材とペン走査
方向との成す角度Ｉ８°）ｄ：前記振動伝播時間検出の
説明のところで述べたセンサとペンの距離計算値尚、定数Ｖｇ及び前記ｎ値にはＳ−Ｂ距離変動範囲の影
響がなかったので省いた。この実施例においては、伝播
体としては、約１　、１　ｍ　ｍのガラス板、駆動周波
数的２６０ＫＨｚの条件で行い、また、防振材とペン走
査方向との成す角度は、Ｓ−Ｂ距離変動の影響が大きく
できる低角度（１８°）で行った。

表１を見てわかるように、Ｓ−Ｂ距離変動範囲が１．１
〜１　、７　ｍ　ｍでは、定数及びｄの変動はほとんど
わずかであるが、Ｓ−Ｂ距離変動範囲が１．１〜２．Ｏ
ｍｍに広がると定数及びｄの変動は急に大きくなり、座
標検出精度に悪影響を及ぼす。これは、Ｓ−Ｂ距離が大
きくなるにつれて、防振材境界面よりの反射波の干渉の
影響を受けるからである。また、逆に、Ｓ−Ｂ距離を１
．０ｍｍより小さくすると、センサと防振材が（伝播体
の同じ側に装着した場合）接触してしまい、不都合が生
じる。従って、本発明では、第７図（ａ）、（ｂ）に示
すように振動伝達板周辺部に装着する防振材の装着境界
面と防振材の装着境界面より入力側に装着する振動セン
サの中心の距離がｌ　、　Ｏｍ　ｍから２．０ｍｍ未満
の範囲となるように構成することにより、高精度な検出
をすることができる。

尚、本発明の構成に於いては、上記〈本発明の防振材と
センサの構成の説明〉の伝播体・駆動周波数に関する条
件以外の板厚・駆動周波数の条件でもよい。

〔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於いて
、振動伝達板周辺部に装着する防振材の装着境界面と防
振材の装着境界面と振動センサの中心との距離がセンサ
の直径の０．５倍から１．０倍未満の範囲となるように
センサを防振材からペン入力側に離して装着することに
より、防振材の減衰が振動伝播に与える影響を小さ（で
き、防振材装着面により発生する反射波の影響を軽減し
て検出精度を向上でき、且つ、装置全体の外形の小型化
が可能となる。

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図は本発明のセンサ中心と防振材の装着境界面との
位置関係の説明図（（ｂ）は、断面図）。

第８図は従来例の説明図。

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７−１・・・下層防振材７−２・・・上層防振材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・・・検出信号入力ポート３６・・・判定回路３７・・・Ｉ１０ポート ■′；３０ヲ３（Ｓシ回％）

Claims

【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、上記振動伝達板周辺部に装着する防
振材の装着境界面と上記防振材の装着境界面より入力側
に装着する上記振動センサの中心との距離がセンサの直
径の０．５倍から１．０倍未満の範囲であることを特徴
とする座標入力装置。
（２）上記振動伝達板周辺部に装着する防振材の装着境
界面と上記防振材の装着境界面より入力側に装着する上
記振動センサの中心との距離が、１．０ｍｍから２．０
ｍｍ未満の範囲であることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の座標入力装置。