JPH0476721A - 情報入出力装置 - 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〕 本発明は情報入力装置、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とと
もに、検出した座標に基づく画像情報を表示出力する情
報入出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。

この種の装置のタブレットの座標検出においては次にあ
げる各種の方式が知られている。

ｌ）抵抗膜と対向配置されたシート材の抵抗値変化を検
出する方式。

２）対向配置された導電シートなどの電磁ないし静電誘
導を検出する方式。

３）入力ペンからタブレットに伝達される超音波振動を
検出する方式。

上記の１）、２）の方式では、抵抗膜や導体膜を用いる
ので透明なタブレットを形成するのが困難である。一方
、３）の方式ではタブレットをアクリル板やカラス板な
どの透明材料から構成できるので、液晶表示器などに入
力タブレットを重ねて配置し、あたかも紙に画像を書き
込むよう感覚で使用できる操作感覚のよい情報入出力装
置を構成できる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

また、上記の１）〜３）のいずれの従来方式においても
検出されるのは入力ペンのタブレット上での座樵情報の
みてあり、人間の手書き作業の際にペンに入力される筆
圧情報を検出することはできなかった。したがって、普
通の筆記具で行われている筆圧の大小による線や点など
の画像構成要素の濃淡や、太細の書き分けなどの制御を
出力画像に反映させるのは従来方式では不可能であった
。

特に、上記のように表示器と入力タブレットを重ねて用
いる場合に筆圧情報に基づいて画像の出力制御を行えれ
ば、操作感覚はより通常の筆記や描画作業のものに近づ
けることができると考えられる。

さらに、筆圧情報に基づいて画像の出力制御を行っても
筆圧情報が連続的情報であれば、例えば画像の濃淡を表
示する際に、微妙に濃淡のチャタリング的むらが発生す
る場合があり、画像がかえって見にくくなったりするこ
とがある。

〔問題点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上での座
標を検出するとともに、検出した座標に基づく画像情報
を所定の出力方式で出力する情報入出力装置において、
前記振動ペンの振動伝達板に対する筆圧を検出する手段
を設け、この筆圧検出手段により検出した筆圧情報に応
じて前記情報出力の際の出力条件を制御する構成を採用
した。

さらに上述の問題を解決するために筆圧情報を段階的に
判別する回路を設け、しかも筆圧不感帯域を各筆圧段階
の開に設けることによりチャタリング的要素を無（した
。

〔作用〕

以上の構成によれば、振動ペンの座標検出を介して入力
された画像を出力する際、検出した筆圧に応じて画像構
成要素の濃淡や、太線の書き分けなどの制御を出力画像
に反映させることができると同時に、チャタリング的な
筆圧に応じた画像の濃淡が生ずることなく操作感覚の良
い情報入出力装置を提供できる。

〔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い
、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がら伝達される振
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
。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
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表示器ＩＩ’　　にはメ
ニュー表示を行い、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％式％ 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は先端が尖ったホーン
部５を介して振動伝達板８に伝達される。

第２図は振動ペン３の構造を示している。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５を介して振動板８に伝達され
る。

振動子４の振動周波数はアクリル、カラスなどの振動伝
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８の表面の傷
、損害物などの影響を受けにくいという利点を有する。

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６に入力され、後段の演算制御回路ｌに
より処理可能な検出信号に変換される。演算制御回路１
は波形検出回路９における振動伝達時間の測定処理に基
づき、振動ペン３の振動伝達板８上での座標位置を検出
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’　　に応じた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ｌＯ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１】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、座標検出のための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および、筆圧検出の
ための信号レベル情報を出力する。これらのタイミング
およびレベル情報は入力ポート１５および１６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１５に入力され、判定回路１７によりラッチ回路１
４内の計数値と比較され、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われる。

表示器１１’　の出力制御処理は入出力ポート１８を介
して行われる。

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（振動伝達時間の計数処理を説明するも
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から駆動伝達
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
いから振動ペン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、振動ペン３お
よび振動センサ６の間の距離ｄはその振動伝達時間をｔ
ｇ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と振動ペン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う。第４図の位相波形４２
２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十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とすれば、±
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
、振動ペン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４図に示した２つの振動伝達時間ｔｇおよびｔｐの測
定は第１図の波形検出回路９により行われる。

波形検出回路９は第５図に示すように構成される。

第５図の波形検出回路は筆圧検出のため、後述のように
振動センサ６の出力波形のレベル情報も処理する。

第５図において、振動センサ６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、遅延時間調整回路５７によって遅延された元信号
からコンパレータ検出回路５８により位相遅延時間検出
信号Ｔｐが形成され、演算制御回路１に入力される。

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。

第３図の演算制御回路では上記のＴｇｌｈ、Ｔｐｌ〜ｈ
信号を入力ポート１５から入力し、各々のタイミングを
トリガとしてカウンタ１３のカウント値をラッチ回路１
４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１
４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Ｓｌ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の位置までの直進距離ｄ１〜ｄ３を求
めることができる。さらに演算制御回路ｌでこの直進距
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。

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Ｘ１Ｙ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。

一方、第５図の波形検出回路は筆圧情報を振動センサ６
による検出信号のピークレベルとして取り出す回路が設
けられている。この構成は筆圧の大小により振動センサ
６に伝達される振動の振幅が変化することを利用してい
る。

第５図の前置増幅回路５１で増幅された信号は、Ａ／Ｄ
変換回路５９に入力され、常時その振幅情報が所定ステ
ップの量子化されたデジタル信号に変換され、変換され
たデータはラッチ回路５１０に入力されている。ラッチ
回路５１０はエンベロープピーク検出回路５３がピーク
検出タイミングで出力するタイミング信号に同期して入
力データをラッチする。したがって、ラッチされたデー
タはデジタル化されたピークレベルを表現するものとな
る。この様にして複数段階の筆圧情報を得ることが出来
る。

このラッチされたデータをさらに、複数の段階に判別す
る機能を有した判別回路５１１を通して、振動ペン３の
筆圧情報を段階別に分けられた筆圧情報に置き変える。

判別回路５１１ではエンベロープピークレベルが例えば
０〜２００ｍＶは筆圧０とする、エンベロープピークレ
ベルが２０１ｍＶ〜５００　ｍ　Ｖは筆圧１とする、エ
ンベロープピークレベルが５５０　ｍ　Ｖ〜７００ｍＶ
は筆圧２とする、と言った様に段階的に筆圧を判別する
範囲を有している。この段階的な範囲設定は、周囲の条
件によりどんな範囲を設定しても良いことは言うまでも
ない。また、上述の様に筆圧１と筆圧２の間に５０　ｍ
　Ｖの不感帯域を有している。この様に筆圧を複数段階
に判別し、しかも各段階の間に不感帯域を有する構成を
持っている。この不感帯域にエンベロープピークレベル
があると、筆圧が無い状態と同じに判別され筆圧情報あ
るいは座標情報もしくはそのいずれも演算しないしくみ
になっている。

本発明では、判別回路５１１をラッチ回路５１０の後に
入れたが、エンベロープ検出回路５２）エンベロープピ
ーク検出回路５３、前置増幅回路５１等の別の場所の後
に入れても良いことは言うまでもない。

したがって、演算制御回路１ではビデオ信号処理装置１
０（第１図）を介して、振動ペン３の座標位置にドツト
表示を行う場合、入力ポート１６（第３図）から得た振
動検出信号のピークレベルに応じて筆圧情報を知り、こ
れに基づいて表示出力の際の濃淡、あるいは線の太い、
細いの別を区別する出力制御を行うことができる。

たとえば、振動ペン３により振動伝達板８がなぞられた
際、リアルタイムで検出した振動ペン３の座標点に連続
してドツトを連続的に表示して直線、あるいは曲線の表
示を行うが、その際同様にリアルタイムで取り込んだ筆
圧情報に基づいて表示する直線、曲線の濃度を連続的に
変化させる。濃度の表現はＣＲＴの場合、輝度制御を変
更することで行える。また、ドツト表示の際のドツト数
を変更することにより線の太さを連続的に変化させるこ
ともできる。同様の制御は直線、曲線の描画に限定され
ることなく、点などの画像要素を入力、表示する場合で
も同じである。

以下に上記の様にして取得した筆圧情報を表示に反映さ
せる構成を詳細に示す。

第７図は、第１図のビデオ信号処理装置１０の構成を表
わしている。図中７０はビデオ信号を発生するＣＲＴ制
御装置（ＣＲＴＣ）、７１は画像情報を記憶しておく画
像メモリ、１．１１’　　はそれぞれ前述演算制御回路
、ＣＲＴデイスプレィである。画像メモリ７１は演算制
御回路１とＣＲＴＣ７０が共有する形になっており、ど
ちらかでもアクセスできるが、演算制御回路ｌとＣＲＴ
Ｃ７０が同時に画像メモリ７１をアクセスしようとした
場合には画面がちらつかないようにＣＲＴＣ７０のアク
セスを優先させ、演算制御回路１に対してウェイトをか
ける必要があり、この処理を７２ａのバスアービターが
行っている。

さて、ＣＲＴＣ７０は画像メモリ７１に記憶されている
画像情報を順次読み出してきて該画像情報に対応するビ
デオ信号を発生してＣＲＴＩＩ’　　に画像の表示を行
うようになっている。この時、表示画面の表示位置と画
像メモリの記憶番地の関係は第８図に示すように、表示
画面の最左上の画素を０とし、走査線の方向に画素を数
えていったときに、ｎ番目とｎ＋１番目の画素に対応す
る画像情報が画像メモリのｎ　／　２番地に記憶されて
いる。ここでｎ／２番地の８ビツトのうち上位４ビツト
はｎ番目の画素に対応する情報、下位４ビツトはｎ＋１
番目の画素に対応する情報である。係る４ビツトの情報
は１１番目あるいはｎ＋１番目の画素の濃度に関する情
報であり、第９図に示すとおり白（００００）から黒（
１１１１）まで１６段階に画素の濃淡を表示することが
できるものである。

従って、前述Ａ／Ｄ変換回路５９に４ビツトの分解能を
持ったものを使用すれば、筆圧を１５段階（４ビツト１
６段階のうち１つの段階は筆圧Ｏを表わす）に分けて検
知することができ、係る４ビツトの情報を表示しようと
する画面の位置に対応した画像メモリの番地の書き込む
ことで、筆圧に応じた濃淡の点をＣＲＴＩｌ’　の画面
上に表示することができる。

ところで、ＣＲＴＣ７０およびＣＲＴＩＩ’　　は−回
の主走査につきｍ個の点が表示できるものである。そこ
で、前述Ａ／Ｄ変換回路５９に２ビツトの分解能を持っ
たものを使用すれば、筆圧を３段階（２ビツト４段階の
うち１つは筆圧Ｏを（無表示）を表わす）を３段階に分
けて検知することができ、第１０図（Ａ）〜（Ｃ）に示
すように１段階目の筆圧のときにはｎ番目の画素に、２
番目の筆圧のときにはｎ、ｎ＋１．ｎ−１、ｎ十ｍ、ｎ
−ｍ番目の画素に、さらに３段階目の筆圧のときにはｎ
、ｎ＋１、ｎ−１、ｎ＋ｍＳｎ−ｍ、ｎ＋ｍ＋ｌＳｎ＋
ｍ−１、ｎ　−ｍ　＋　１、ｎ−ｍ　−１番目の画素に
黒（１１１１）の表示を行えば、筆圧に応じた太細の点
をＣＲＴＩＩ’　　の画面上に表示することができる。

以上の構成によれば、振動ペン３による文字、図形など
の画像の入力時に筆圧に応じて入力画像の要素の濃淡、
太細を制御できるので、操作者の表現の幅を従来に比し
て大きく拡大することができるとともに、また通常の筆
記具と同様の操作感覚で用いることができる優れた情報
入力装置を提供できる。

上記実施例では、振動伝達板８による入力タブレットを
ＣＲＴによる表示器１１’　　に重ねて用いる構成を示
したが、入力タブレットと表示器はこのように重ねて配
置される必要はなく、別体であってもかまわない。また
、表示器は液晶表示器などの他の表示方式のものであっ
てもよい。

さらに、入力された画像情報を表示出力する場合のみな
らず、記録装置などにより記録出力する場合でも同様の
技術を実施できる。これは他の処理装置や外部記憶装置
に入力された画像データを出力する場合でも同様である
。その場合には筆圧情報が入力画像の座標情報とともに
所定のフォーマットで出力される。

〔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
検出するとともに、検出した座標に基づく画像情報を所
定の出力方式で出力する情報入出力装置において、前記
振動ペンの振動伝達板に対する筆圧を検出する手段を段
階的に各段階の間に筆圧不覚帯域を含んで設け、この筆
圧検出手段により検出した筆圧情報に基づき前記情報出
力の際の出力条件を制御する構成を採用しているので、
振動ペンの座標検出を介して入力された画像構成要素の
濃淡や、太細の書き分けなどの制御をチャタリング的状
態を生ずることな（、出力画像に反映させることができ
、普通の手書き作業と変わらない操作感覚を有する優れ
た情報入力装置を提供できる。

【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
たブロック図、 第２図は第１図の振動ペンの構造を示した説明図、第３
図は第１図の演算制御装置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、第７図はビ
デオ信号処理装置のブロック図、第８図は画像メモリの
説明図、 第９図は濃度分解の様子を示した表口、第１０図（Ａ）
〜（Ｃ）はそれぞれ筆圧の表示出力状態を示した説明図
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・・・入力ポート 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 ９１・・・ピークホールド回路 ９２・・・加算回路 ９３・・・コンパレータ ５１０・・・ラッチ回路 第４−い ７５諸げ十笑記ｒ）ｔ７ｐｔフイ色罵りを形ち汗Ｊｔ＝
＊翫汁ンα］第５町 ッｔｉｄｔ巴日兇ΩつＱ’７つ犯 第６ 廂 蒐’７Ｅｌ ｅ・’ｒ’＊４％−ＩＪＥＨ＆、１ｎｒｏ、７［１堝勤
ｔ！ソ月聞１の故−因 一一一１ｆ□　　　７Ｙ′ ｎｏｎ＠＋：４ｎａａｍ釦＝ｉＴｒ（ 第Ｃ １度６ 荀１０図 マＢ＆衆杯組の説明胆 （Ａ） （Ｉ３） （Ｃ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）座標入力ペンのタブレット上の位置を検出して座
   標情報を出力する装置に於て、該座標入力ペンの筆圧を
   検出する手段を設け、該筆圧を検出する手段に、筆圧を
   複数段階に判別する手段を有し、複数の筆圧を判別する
   際、各段階の間に筆圧不感帯域を設け、この筆圧検出手
   段により検出した筆圧情報に応じて前記情報出力の際の
   出力条件を制御することを特徴とする情報入出力装置。
2. （２）特許請求の範囲第（１）項に於て、座標入力ペン
   が振動ペンであり、入力された振動を振動伝播体に複数
   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
   播体上での座標を検出することを特徴とする情報入出力
   装置。