JPH0519946A

JPH0519946A - 座標入力装置

Info

Publication number: JPH0519946A
Application number: JP3175008A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Yoshimura; 雄一郎吉村; Kiyoshi Kaneko; 潔兼子; Atsushi Tanaka; 淳田中; Katsuyuki Kobayashi; 克行小林; Masaki Tokioka; 正樹時岡
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-07-16
Filing date: 1991-07-16
Publication date: 1993-01-29
Anticipated expiration: 2015-12-04
Also published as: JP3113699B2; US5362930A

Abstract

(57)【要約】【目的】振動伝達体８を伝わって検出される振動か
ら、板波対称波と板波非対称波との干渉によるゆがみを
除き、高精度の位置座標検出を行う。【構成】振動ペン３で振動伝達体８を押さえると、ペ
ン３の振動をセンサ６ａａ’・６ｂｂ’・６ｃｃ’で検
知してペンで押さえた座標を決定する。その際、各振動
センサは６ａと６ａ’との様に対向して装着され、伝達
体８の両面で振動を検出する。センサ６ａと６ａ’で検
出される信号は、同一位相の板波対称波と位相が１８０
度ずれた板波非対称波とが重なった振動である。双方の
信号は差動回路１２に入力され、その差信号が信号波形
検出回路９に入力される。差信号では、対称波はキャン
セルされ、非対称波は２倍に増幅されているため、波形
のゆがみによる振動検出の精度低下を防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば振動伝達板上の
振動伝達時間から指示点座標を検出する座標入力装置等
に関するものである。

【０００２】

【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点の座標を検出する座標
入力装置が知られている。

【０００３】このような座標入力装置では、図１１に示
すように振動を検出するため振動伝達板８の周辺部で圧
電素子により構成されるセンサ６を振動伝達板表面に垂
直に装着していた。

【０００４】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、従
来のセンサ構成で検出される検出波形は２つのモードが
重なった歪んだ波形であり、精度低下の原因となってい
た。これは、次の様に説明される。

【０００５】板状の振動体を伝播する振動は、周波数と
振動板の板厚により伝播速度が決定される、板波と言わ
れる振動であり、図１２で模式的に示す板波対称波（縦
波が主成分、図１２（ａ））と板波非対称波（横波が主
成分、図１２（ｂ））の２つのモードが存在する。従来
の上記図１１のセンサ構成で、振動モードが振動伝達板
８の表面に垂直方向である圧電素子（従って横波が主成
分の板波非対称波を検出）の径が、波長に比べて無視で
きない大きさ（一般に波長の１／１０以上）である場合
は、振動伝達板表面に平行方向の振動（従って縦波が主
成分の板波対称波）も上記非対称波と同時に検出してし
まう。従って、圧電素子で構成されるセンサ６からの検
出信号は２つのモードが重なった歪んだ波形で検出され
るという問題が発生した。

【０００６】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、２つのモードの振動が干渉し合うことによる検出信
号への影響を軽減し、より高精度な座標検出をすること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の座標入力装置は次のような構成からなる。

【０００８】振動伝達時間を計って振動源の座標を特定
する座標入力装置であって、板様の振動伝達体と、該振
動伝達体に配置した振動検知手段と、該振動検知手段で
検知された信号から単一の振動モードを分離する分離手
段とを備える。

【０００９】

【作用】上記構成により、振動源より発せられ振動検知
手段で検知された振動から単一の振動モードを分離し、
分離したモードの振動の伝達時間を計って、振動源の座
標を特定する。

【００１０】

【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（図１）］図１は本実施例における座
標入力装置の構造を示している。

【００１１】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はアクリルや硝子板等の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）内を振動ペン３で指定することを行う。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、その境界には機械的振動を電気信号に変換する圧
電素子等の振動センサ６ａ〜６ｃが図示の位置に固定さ
れている。センサ装着部の断面図をセンサ６ａ・６ａ’
に関して（６ｂ・６ｂ’及び６ｃ・６ｃ’も同じ）図１
（ｂ）に示す。図示のごとく、振動伝達板８を挟むよう
に板８の同一位置の表裏にセンサ６ａと６ａ’（６ｂと
６ｂ’及び６ｃと６ｃ’も同じ）が装着される。センサ
６ａ・６ａ’からの電気信号はその差分をとるべく差動
回路１２に送られ、更にその差分信号を信号波形検出回
路９に送り、各振動センサ６ａ・６ａ’〜６ｃ・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。１１はＣＲＴ（あるいは液晶表示器）等のドツト単
位の表示が可能なデイスプレイであり、振動伝達板８の
背後に配置している。そして、デイスプレイ駆動回路１
０の駆動により振動ペン３によりなぞられた位置にドッ
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イ１
１上の位置にドット表示が行われ、振動ペン３により入
力された点や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。

【００１２】また、このような構成によればデイスプレ
イ１１にはメニュー表示を行い、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。

【００１３】図２に実施例の振動ペン３の構造（断面
図）を示す。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】ここで、振動子４の振動周波数は、アクリ
ルやガラス等の振動伝達板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２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。

【００１７】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、表面波などに比べて振動伝達板
の表面の傷や障害物などの影響を受けにくいという利点
を有する。

【００１８】なお、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・６ａ’〜６ｃ・６ｃ’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（図３）］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６ａａ’〜６ｃｃ’
（６ａと６ａ’とを対にして６ａａ’と表記する）まで
の距離に応じて遅延して到達する。信号波形検出回路９
は各振動センサ６ａａ’〜６ｃｃ’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。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６
ａａ’〜６ｃｃ’までの振動到達時間の検出し、そして
振動ペンの座標位置を算出する。

【００１９】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、デイスプレイ１１に
よる表示動作を制御する。

【００２０】図３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。

【００２１】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
部カウンタや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。

【００２２】その他各構成要素となる回路は順を追って
説明する。

【００２３】差動回路１２及び信号波形検出回路９を介
して得られた各振動センサ６ａａ’〜６ｃｃ’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６ａａ’〜６ｃｃ’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３３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、Ｉ／Ｏポート３７を介してデイスプレイ
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、例えばデイスプレイの対応する位置にドット等を
表示する。

【００２４】［差動回路及び振動伝播時間検出の説明
（図４〜図９）］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。

【００２５】図４〜図７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６ａａ’を用いて説明するが、その他の振動センサ６
ｂｂ’と６ｃｃ’についても全く同じである。

【００２６】振動センサ６ａ及び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。

【００２７】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。

【００２８】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６ａａ’
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６ａａ’で検出される。

【００２９】振動伝達板の表に装着されたセンサ６ａで
検出される信号波形を図５、裏に装着されたセンサ６
ａ’で検出される信号波形を図６に示す。前記で述べた
ように、振動モードが振動伝達板表面に垂直方向である
圧電素子（従って横波が主成分の板波非対称波を検出）
の径が、波長と比較して無視できない大きさである場
合、振動伝達板表面に平行方向の振動（従って縦波が主
成分の板波対称波）も上記非対称波と同時に検出してし
まう為、センサ６ａ・６ａ’で検出される信号波形は図
５・図６に示した通り２つのモードが重なった歪んだ波
形が検出される（ここで、対称波６２は非対称波６１よ
り伝播速度が速いので図示の通り時間軸ｔ上前方に検出
される）。但し、本発明の実施例のセンサ構成は、振動
伝達板の表裏両面に装着されているので、センサ６ａの
信号波形（図５）とセンサ６ａ’の信号波形（図６）は
対称波は同位相、非対称波は逆位相で、しかも同振幅で
検出される。

【００３０】本実施例に於て、上記センサ６ａの信号波
形（図５）とセンサ６ａ’の信号波形（図６）はその差
分をとるべく差動回路１２（例えば図８に示す差動増幅
器）へ送られる。図８の回路では、センサ６ａ・６ａ’
の入力に対し、その差分が出力信号として端子８４から
出力される。従って、この回路の出力信号は図７に示す
ように同位相の対称波成分は打ち消され、検出すべき逆
位相の非対称波成分は２倍に強められて検出される。つ
まり、作動回路１２の出力信号波形としては２つのモー
ドが重なりによる歪みの無い波形が得られ、以下説明す
る回路に於て高精度な距離・座標検出が可能になる。

【００３１】図８に示した差動回路の出力波形は図４の
４２にも示した。

【００３２】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。

【００３３】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及び位相速度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。

【００３４】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及び振動センサ６ａａ’の間の距離ｄ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６ａａ’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６ｂｂ’・６ｃｃ’と
振動ペン３の距離も同様の原理で表わされる。

【００３５】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。

【００３６】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４３で所定幅の窓信号４４を生成し、位
相信号４２２と比較することで得る）とすれば振動セン
サと振動ペンの距離は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。

【００３７】前記（１）式と（２）式から上記の整数ｎ
はｎ＝［（Ｖｇ・ｔｇーＶｐ・ｔｐ）／λｐ＋１／Ｎ］ …（３）と表される。

【００３８】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、±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、振動ペン３及び振
動センサ６ａａ’間の距離、ひいては振動ペン３と振動
センサ６ｂｂ’、振動ペン３と６ｃｃ’間の距離を正確
に測定することができる。

【００３９】上述した２つの振動伝達時間ｔｇ及びｔｐ
の測定のための信号４３及び４５は信号波形検出回路９
により生成されるが、この信号波形検出回路９は図５に
示すように構成される。

【００４０】図５において、センサ６ａと６ａ’との差
分である差動回路１２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。ピーク検出回路はモノマルチバイ
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４３）が形成され、演算制御回路１に入力
される。

【００４１】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）とコンパレートレ
ベル供給回路５６を経て、遅延時間調整回路５７によっ
て遅延された元比較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。

【００４２】なお、以上説明した回路は振動センサ６ａ
ａ’に対するものであり、他の振動センサ６ｂｂ’・６
ｃｃ’にも同じ回路が設けられている。

【００４３】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Ｔｇ１〜ｈ、位相遅延時間Ｔ
ｐ１〜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。

【００４４】そして、演算制御回路１では上記のＴｐ１
〜ｈ・Ｔｐ１〜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
ウンタ値）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６
ａａ’〜６ｃｃ’の各差分信号のエンベロープ及び位相
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（図６）］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。

【００４５】いま、振動伝達板８上の振動センサ６ａ
ａ’の座標をｓa （０，０）すなわち原点とし、振動セ
ンサ６ｂｂ’・６ｃｃ’のそれぞれの座標位置をＳb
（Ｘ，０）・Ｓc （０，Ｙ）とする。そして、振動ペン
の座標をＰ（ｘ，ｙ）とする。

【００４６】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６ａａ’〜６ｃｃ’までの距離をそれぞ
れｄa 〜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。

【００４７】ｘ＝Ｘ／２＋｛（ｄa ＋ｄb ）・（ｄa −ｄb ）｝／２Ｘｙ＝Ｙ／２＋｛（ｄa ＋ｄc ）・（ｄa −ｄc ）｝／２Ｘここで、”Ｘ”及び”Ｙ”は振動センサ６ａａ’からの
振動センサ６ｂｂ’・６ｃｃ’への横及び縦方向の距離
である。

【００４８】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。

【００４９】

【他の実施例】上記の実施例に於ては差動回路を用いた
例を示したが、同位相の対称波成分が打ち消され、検出
すべき逆位相の非対称波成分が２倍に強められて検出さ
れる手段であれば、他の手段、例えば振動伝達板を挟ん
で裏表に装着される２つのセンサの取り出し電極の極性
をお互いに逆にし、それぞれの出力信号を加算回路に接
続する等の手段でもよい。

【００５０】また、上記本発明の実施例に於ては差動回
路を前置増幅回路５１の前に設置したが、差動回路を前
置増幅回路５１の後に設置し、前置増幅回路５１により
所定レベルまで増幅された信号に対し前記処理を行って
もよい。

【００５１】以上のような装置によって、２つのモード
の振動が干渉する影響を軽減し、高精度な位置座標検出
が可能となる。

【００５２】更に、本発明により、時間軸上の負方向
（前方）で発生する前記２つのモードの波形干渉を軽減
することができる為、時間軸上の負方向（前方）に前記
Ｔｇ及びＴｐの検出点を設けることが可能となり、時間
軸上の正方向（後方）での反射波の影響を受けることな
く、高精度な位置座標検出が可能となる。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る座標入
力装置は、２つのモードの振動が干渉し合うことによる
検出信号への影響を軽減し、より高精度な位置座標の検
出をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の座標入力装置のブロツク構成図

【図２】振動ペンの構造を示す図

【図３】実施例における演算制御回路の内部構成を示す
図

【図４】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

【図５】

【図６】振動センサでの検出信号波形を示す図

【図７】差動回路１２の出力信号波形を示す図

【図８】実施例における作動回路の図

【図９】実施例における信号波形検出回路の構成を示す
図

【図１０】座標位置算出の原理を説明するための図

【図１１】従来例の説明図

【図１２】板波を説明する為の模式図

【符号の説明】

１…演算制御回路２…振動子駆動回路３…振動ペン４…振動子６ａａ’〜６ｃｃ’…振動センサ７…防振材８…振動伝達板１２…差動回路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…Ｉ／Ｏポート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林克行東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者時岡正樹東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動伝達時間を計って振動源の座標を特
定する座標入力装置であって、板様の振動伝達体と、該振動伝達体に配置した振動検知手段と、該振動検知手段で検知された信号から単一の振動モード
を分離する分離手段と、を備える事を特徴とする座標入
力装置。
【請求項２】前記振動検知手段は第１の検出手段と前
記振動伝達体を挟んで第１の振動伝達体に対向する第２
の検出手段とを備え、前記分離手段は前記第１の検出手段で検出された信号と
前記第２の検出手段で検出された信号との差分を取るこ
とを特徴とする請求項１の座標入力装置。