JPH0560615B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、弾性波を用いた座標検出装置で、特
に弾性波中の板波を用いて座標位置を検出する入
力装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来、弾性波を利用したこの種の装置では、増
幅演算回路等からスタート信号がパルス発生器に
出力され、これに応じてパルス発生器はパルス電
気信号を発生し、これにより駆動された圧電素子
により発生した振動を座標入力用の、例えば振動
ペンのペン先（ホーン）を通して振動伝播体に弾
性波として伝播させていた。これをセンサ用の圧
電素子により圧電電圧として検出し、スタート信
号と同期させて、それぞれのセンサ用圧電素子に
より検出されるまでの遅延時間を繰り返し測定
し、振動発振源（ペン先）の位置座標を検出して
いた。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、その振動ペンと弾性波を受信する圧電
素子との間に物、傷或いは手等が存在すると、そ
の障害物により弾性波が減衰してしまい、算出し
た座標位置が違つてしまうことがあり、更に又測
定不能等の障害が起きるという問題があつた。

そこで、障害物による減衰がすくない板波を使
用することが考えられる。しかし、その弾性波が
伝播していく際群速度と位相速度が違うため、受
信したパルス群中の所定パルスをスレツシユホー
ルドレベルを設けて検出した場合、位相速度に対
して±1/2波長分（１波長分）の誤差が出てしま
うという欠点があつた。

本発明は上記従来技術に鑑みなされたものであ
り、精度が高く、且つ使い勝手の良い座標入力装
置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ この問題を解決するために本発明は以下の様な
構成からなる。

すなわち、座標入力盤上の所望の位置を指定
し、前記座標入力盤を付勢して弾性波を発生する
位置指定手段と、前記座標入力盤の所定位置に固
定され前記弾性波を受信し、その強度に対応した
電気信号を発生する複数の受信手段と、前記電気
信号から前記弾性波の群速度の伝播時間を検出す
る第１の検出手段と、前記電気信号から前記弾性
波の位相速度の伝播時間を検出する第２の検出手
段と、該第１、第２の検出手段により検出した伝
播時間値から前記位置指定手段により指定された
座標位置を算出する算出手段とを備える。

［作用］ かかる本発明の構成において、第１、第２の導
出手段により導出された伝播時間を基に、振動入
力手段の座標位置を導出する。

［実施例］ 以下、添付図面に従つて本発明に係る実施例を
詳細に説明する。

［全体構成図の説明］ 第１図は本実施例に係る座標入力装置の全体構
成図である。

図中、１は本装置全体を制御し、座標位置を算
出する演算制御部であり、必要に応じて外部のホ
ストコンピユータ等へ検出した座標位置を送信す
る。２は後述する圧電素子４にパルス信号を送信
する振動子駆動回路である。３は座標を入力する
入力ペンであり、内部に振動子駆動回路２から送
られてくるパルス信号により振動する圧電素子４
と、この圧電素子４からの振動を拡張するペン先
（以下、ホーンという）５を備えている。６ａ〜
６ｃは入力ペン３で伝播媒体８（例えばガラス）
上を位置指定した際に伝播する弾性波を受信して
電気信号に変換する圧電素子である。７は弾性波
の伝播媒体８端部での反射を無くするための反射
防止材であり、例えばシリコンゴムなどからな
る。９は圧電素子６ａ〜６ｃで弾性波を受信して
発生した電気信号を基に、遅延時間を検出する信
号を発生する受信波形検出部である。尚、この受
信波形検出部９の詳細については後述する。１０
は演算制御部１でもつて入力ペン３のホーン５の
接触点の座標位置を算出し、その情報を受けて後
述するデイスプレイ１１上の位置に例えば点を表
示させるためのデイスプレイ駆動部である。１１
はデイスプレイであり、伝播媒体８と重ねること
により、入力ペン３で入力した情報をリアルタイ
ムで表示（あたかも、筆記具で紙に記入している
のと同じ様に）する。

以上の説明した構成における本実施例の処理動
作の概要を以下に説明する。

先ず、入力ペン３を伝播媒体８上を指示したと
きに発生する弾性波を圧電素子６ａ〜６ｃでそれ
ぞれ受信し、その強度に対応した電気信号（以
下、検出信号という）に変換する。この検出信号
を受けて受信波形検出回路９で受信信号を発生
し、この信号を基に演算制御部１で、入力ペン３
と伝播媒体８との接触点の位置座標を演算し、そ
の位置座標データをデイスプレイ駆動回路１０に
出力し、デイスプレイ１１に表示するものであ
る。

［受信波形の説明（第２図、第３図）］ このときの、振動子駆動回路２から発生した電
気パルス信号と、センサ用の圧電素子６ａ（他の
圧電素子６ａ，６ｂについても全く同じであるの
で、以後圧電素子６ａについてのみ説明する）で
変換された検出波形を第２図に示す。

図中、１２は振動子駆動回路２から入力ペン３
内の圧電素子４に出力される信号であり、数個の
パルスでもつて駆動する。尚、パルス幅は、振動
子の共振周波数に合せて設定する。これを受けて
圧電素子４は振動し、その振動がホーン５を介し
て増幅されて弾性波として伝播媒体８を付勢して
伝播させる。このときの伝播遅延時間を検出する
わけである。尚、このときの弾性波として本実施
例では板波を使用するものとする。板波を利用す
るのは、伝播媒体８上に傷があつたり、物（例え
ば手など）が置いてあつたりした場合にも、ほと
んど影響がなく、センサ用の圧電素子６ａで板波
を検出できるからである。

また、第２図で１４はセンサ用の圧電素子６ａ
で検出した検出信号であり、１３の破線部は検出
信号１４の包絡線である。この板波による検出信
号１４の波形は群速度と位相速度が違うので、常
に一定の形にならない。この原因としては、検出
信号１４の包絡線１３の全体の形が、伝播する速
度（群速度）と圧電素子４を駆動する信号１２に
対応した周波数に対する伝播速度（位相速度）と
が異なるため、入力ペン３とセンサ用の圧電素子
６ａの距離によつて、検出信号１４の位相が包絡
線１３の全体の形に対して、それぞれ違つた位相
が出てきてしまうからである。従つて、遅延時間
を検出する時には、この群速度、位相速度の違い
によつて生ずる誤差を小さくする方法で検出しな
ければならないわけである。

ここで、伝播遅延時間を検出する方法について
詳述する。

前述した様に、検出信号１４の検出波（パル
ス）の群れのどの部分を検出して、入力ペン３の
位置からセンサ用の圧電素子６ａ〜６ｃへの伝播
遅延時間とするかで、検出した遅延時間に対する
誤差が±1/2波長分となつてしまう。

この例として、検出信号１４に対して、あるス
レツシユホールドレベルを設けて受信信号を発生
させた場合を第３図に示す。図中、１５，１７は
検出信号であり、この間に入力ペン３は微小な距
離を動いたものである。また１６，１８はそれぞ
れ検出信号１５，１７をスレツシユホールドレベ
ルでもつて比較されて発生した所定長の受信信号
である。前述した様に小さい波の位置（位相）が
入力ペン３と圧電素子６ａとの距離で変化するた
め、同じレベルの閾値（スレツシユホールドレベ
ル）でもつて受信信号１６，１８を発生した場
合、たとえその間の移動距離が微小であつても、
検出遅延時間は約１波長分動いてしまうことがあ
る。第３図では“ｘ”が結局誤差（実際は“ｘ”
から微小移動距離を引いた値が誤差）となつてし
まうことになる。

この誤差分を無くすために、検出波の群れの速
度（群速度）と、検出波の速度（位相速度）の２
つを基に遅延時間を検出して、座標位置を出すわ
けである。この検出方法として本実施例では、検
出信号１４から包絡線１３を求め、この包絡線１
３のピークを検出し、この検出にかかるまでの群
速度に基づいた遅延時間をTgとする。また、こ
の検出した群速度に対応する遅延時間Tgは、検
出波の波の集まりをひとつの波としているため、
分解能（精度）としては、検出波よりも落ちる。
しかし、大まかな距離を検出はできる。従つて、
このTgを検出した後の最初に来る検出波のひと
つのゼロクロスした点を検出するものであり、こ
の検出にかかるまでにかかる伝播遅延時間をTp
とする。この群速度、位相速度を利用して得た伝
播遅延時間Tg，Tpから座標位置を演算すること
で誤差の少ない分解能（精度）の高い検出ができ
ることになる。

［受信波形検出回路と、その動作説明（第４図、
第５図）］ 第４図は受信波形検出回路９の内部構成を示し
た図である。尚、ここで示すのはセンサ用の圧電
素子６ａに対するものであり、他の圧電素子６
ｂ，６ｃに対しても全く同じものである。

図中、１９は圧電素子６ａで検出した検出信号
を増幅する前置増幅回路、２０は前置増幅回路１
９で増幅された信号から包絡線を検出する包絡線
検出回路（例えばローパスフイルター）、２１は
包絡線検出回路２０で検出された包絡線のピーク
を検出する包絡線ピーク検出回路（例えば微分回
路）、２２は群速度を利用して包絡線ピーク検出
回路２１より検出した群速度の伝播遅延時間Tg
を表わす信号を出力するTg信号検出回路（例え
ば、ゼロクロスコンパレータ）、２３は群速度遅
延時間Tgの信号からある時間ゲートを開く（窓
を開く）単安定マルチバイブレータ、２４はマル
チバイブレータ２３でつくられた時間にコンパレ
ータ２６へのコンパレートレベルを与えるコンパ
レートレベル供給回路、２５は上述した各回路
（２０〜２４）内で処理するときにロスした時間
を調整する遅延時間調整回路であり、ここを通つ
た信号とコンパレートレベル供給回路２４で発生
したコンパレートレベルとを比較することにより
発生した位相速度に対する信号が検出されるまで
の遅延時間Tpを検出する。

以上の処理動作を第５図のタイミングチヤート
で説明する。

図中、５０は振動子駆動回路２より出力された
信号であり、５１はセンサ用の圧電素子６ａによ
り検出され、前置増幅回路１９でもつて増幅され
た信号を示す。この信号５１の包絡線５２を発生
するために包絡線検出回路２０を介する。次に包
絡線５２の一次微分を包絡線ピーク検出回路２１
を経て信号５３を得、ゼロクロス点を検出した信
号５４を発生する。この信号５４の立ち上りまで
の時間値をTg信号検出回路２２で検出して演算
制御部１に出力すると共に、単安定マルチバイブ
レータ２３に出力し、所定長（例えば位相速度波
長の1.5倍）のハイレベルのパルス信号５５を発
生させる。次にこのパルス信号５５の反転したパ
ルス信号５６をコンパレートレベル供給回路２４
で作り、コンパレータであるTp検出回路２６の
入力側の一端に出力する。また、遅延時間調整回
路２５では上述した各回路内で遅れた時間分（予
め設定されている）だけ遅れて、前置増幅回路１
９よりの信号５１をコンパレータであるTp検出
回路２６の入力側のもう一端に出力する。Tp検
出回路２６では信号５６と信号５１とを比較する
ことにより信号５７を発生させる。この信号５７
が検出されるまでの時間を位相速度に基づいた伝
播遅延時間Tpとするのである。これらの、Tg，
Tp両方を利用して、演算して座標位置を検出す
るのであるが、この座標位置の検出方法の一例を
一次元的に見た場合で詳述する。

［距離計算の説明（第６図、第７図）］ 前述したように、群速度に基づいた伝播遅延時
間Tgは、検出波の包絡線からの検出であるため、
検出波のひとつの波から検出した伝播遅延時間と
比較すると、精度は落ちてしまう。従つて、検出
波の中のひとつから検出した位相速度に基づく伝
播遅延時間Tpから、入力ペン３と伝播媒体８と
の接触点からセンサ用の圧電素子６ａまでの距離
を算出した方がTgから算出するよりも精度は上
がることになる。しかし、検出波の一つ一つの波
は、前述したように位相が動いてしまう。従つ
て、第２図の検出信号１４中でレベルの一番高い
ピークのパルスを検出していつた場合の伝播距離
と伝播時間の関係は第６図のTpの様になる。即
ち、入力ペン３がセンサ用圧電素子６ａから連続
的に離れていくと第７図ａの信号→第７図ｂの信
号→第７図ｃの信号とそのピークの位置は変化す
る。つまり、ある距離ではパルスａの波がピーク
であつたが、しだいにｂがピークになつてしま
い、更にはｃがピークになるといつた動きにな
る。また、入力ペン３を逆の動きにすれば、ピー
クの動きも逆になる。このピークの動きが第６図
のTpの様な段階上の動きになるわけである。又、
ａ，ｂ，ｃ各パルスの波のゼロクロス点について
も同じ動きとなる。

伝播距離を算出するとき、遅延時間を係数して
算出する。このため、第６図を見るとわかる様に
Tp1つの伝播遅延時間に対して距離の値が２つ出
てしまうが、Tgを基準にしたTpの値を読み取れ
ば、１つの伝播距離ができることにある。この
Tpを基にした精度の高い値で算出できる具体例
を示すと次の様になる。

前述した様に、Tg，Tpを検出した場合、第６
図に於る、tg₁の範囲にあるTgに対するtp₁の範
囲にあるTpのとき、tg₂の範囲にあるTgに対す
るtp₂の範囲にあるTpのとき…という様に順次、
１つのTpを検出することができ、これから距離
を算出していけばよい。

即ち、第６図に於て伝播距離ｌ、検出波（位相
速度）の１波長をλ、位相速度をvpとすると ｌ＝vp・Tp＋ｎ・λ となり、この式に基づいた距離ｌが検出できるこ
とになる。

但し、ここでいう“ｎ”は、 Tgがtg₁の範囲の時 ｎ＝０ tg₂，tg₃の範囲の時 ｎ＝１ tg₄，tg₅の範囲の時 ｎ＝２ … 従つて、前述の様にTg，Tpを検出したら、こ
の様な変換を、例えば演算制御部１内のテーブル
に持たせ、これを利用することにより、演算制御
部１に於てTgをｎに変換して、vp，Tp，ｎ，λ
の各々のパラメータの値を代入してｌを演算すれ
ばよい。上記例の様な方法でそれぞれのセンサ用
の圧電素子６ａ〜６ｃを使つて検出し、ｘ、ｙ座
標位置を演算するのである。

［他の受信波形検出回路とその動作説明（第８
図、第９図）］ また、本実施例では群速度検出に於て、検出波
の包絡線の１回微分し、ゼロクロス点を検出する
ことで位相速度に基づく遅延時間Tpを検出した
が、例えば検出波形に対して２回微分をした波形
のゼロクロス点を検出することも可能である。こ
れは、１回微分でのゼロクロス点の検出、つまり
包絡線のピーク点の検出時よりも、急峻な検出点
が得られ、包絡線のピーク検出よりも精度の上が
つた検出ができる。

この具体例として第８図及び第９図に従つて説
明する。第８図は受信波形検出回路９の内部構成
を示す他の実施例であり、第９図はそのときのタ
イミングチヤートである。

図中、８６は包絡線検出回路２０で検出された
包絡線の２回微分処理を行なう２回微分回路であ
り、その他第４図と同じ番号が付いた回路の説明
は省略する。

さて、包絡線検出回路２０で包絡線５２を発生
させた後、２回微分回路８６で先ず第１回の微分
波形９０を発生させ、更に２回目の微分波形９１
を発生させる。この２回微分波形のゼロクロス点
を検出するためにTg信号検出回路２２でもつて
信号９２を発生させる。この信号を演算制御部１
に送信すると共に、単安定マルチバイブレータ２
３に出力して所定長のハイレベルのパルス信号９
３を発生させる。次にこのパルス信号９３の反転
したパルス信号９４をコンパレートレベル供給回
路２４で作り、コンパレータであるTp検出回路
２６の入力側の一端に出力する。また、遅延時間
調整回路２５では各回路内で遅くれた時間分（予
め設定されている）だけ遅れて、前置増幅回路１
９よりの信号５１をコンパレータであるTp検出
回路２６の入力側のもう一端に出力する。Tp検
出回路２６では信号９４と信号５１とを比較する
ことにより信号９５を発生させる。この信号９５
が検出されるまでの時間を位相速度に基づいた伝
播遅延時間Tpとするのである。これら、Tg，
Tp両方を利用して、演算して座標位置を検出す
ることになるが、その演算方法は先に説明したも
のと重複するものであるから説明は省略する。

以上説明したように本実施例によれば、弾性波
の板波を利用して、群速度と位相速度を合わせて
測定した座標位置を演算することでデイジタイザ
としての分解能（精度）を上げることができる。
また、透明な伝播媒体（ガラス）を使用すること
が可能となり、入出力一体型デイジタイザを構成
することも可能となる。

また、Tg，Tp，ｌの関係をテーブル（第１図
の演算制御部１内に示すテーブルエリア）として
持つことで信号処理時間は短縮でき、かつ精度の
高い検出ができる効果がある。

更に受信波形９内の単安定マルチバイブレータ
２３及びコンパレートレベル供給回路２４で検出
窓をつけることで誤検出等の影響を受けず、精度
の高い位置座標の検出をすることができる効果が
ある。更にまた遅延時間調整回路２５を持つこと
で包絡線と検出波からの正確なTgとTpが検出で
き、精度の高い位置座標の検出をすることができ
る効果がある。

また、本実施例では位相速度に基づく遅延時間
Tpを検出する時にゼロクロス点を検出していた
が、ピークを検出する様にすると入力ペンの筆圧
及び検出波のＳ／Ｎなどから影響を受けてしまう
のに対し、それらの影響を受けずに正確なTpが
検出でき、精度の高い位置座標を検出することが
可能だからである。

尚、遅延時間調整回路２５は演算制御部１で始
めから遅延時間分を係数しておけばよく、必ずし
も必要である回路ではない。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、群速度と
位相速度を合わせて測定した座標位置を演算する
ことでデイジタイザとしての分解能を上げること
ができる様になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例に係る座標入力装置の全体構
成図、第２図は入力ペンへの振動駆動波形と弾性
波の検出波形を示す図、第３図は一定のスレツシ
ホールドレベルでもつて伝播遅延時間を検出した
時において、誤差が発生する原理を説明する図、
第４図は本実施例における受信波形検出回路の内
部構成を示す図、第５図は第４図の各ブロツクで
の波形の推移を説明するための図、第６図は、群
速度に基づいた伝播遅延時間Tgと位相速度に基
づいた伝播遅延時間Tpとによるの距離と時間の
関係を示す図、第７図ａ〜ｃは位相速度波形の推
移を示す図、第８図は他の実施例の受信波形検出
回路の内部構成を示す図、第９図は第８図の各ブ
ロツクでの波形の推移を説明するための図であ
る。 図中、１……演算制御部、２……振動子駆動回
路、３……入力ペン、４……圧電素子、５……ホ
ーン、６ａ〜６ｃ……受信用の圧電素子、７……
反射防止部材、８……伝播媒体、９……受信波形
検出回路、１０……デイスプレイ駆動回路、１１
……デイスプレイ、１９……前置増幅回路、２０
……包絡線検出回路、２１……包絡線ピーク検出
回路、２２……Tg信号検出回路、２３……単安
定マルチバイブレータ、２４……コンパレートレ
ベル供給回路、２５……遅延時間調整回路、２６
……コンパレータTp検出回路、８０……２回微
分回路である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 振動を入力するための振動入力手段と、 該振動入力手段を接触することで入力された振
   動を伝播する振動伝播部材と、 該振動伝播部材に設けられ、前記振動入力手段
   により入力された振動を検出する振動検出手段
   と、 該振動検出手段により検出された振動の群速度
   に基づく信号の伝播遅延時間を導出する第１導出
   手段と、 前記振動検出手段により検出された振動の位相
   速度に基づく信号の伝播遅延時間を導出する第２
   導出手段と、 前記第１導出手段及び前記第２導出手段によつ
   て導出された伝播遅延時間に基づいて、前記振動
   入力手段による振動入力点と前記振動検出手段間
   の距離を導出する距離導出手段を有することを特
   徴とする入力装置。 ２ 前記距離導出手段により導出された距離に基
   づいて、前記振動入力点の座標を導出する座標導
   出手段を有する特許請求の範囲第１項記載の入力
   装置。