JPH0562772B2 - - Google Patents

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振動セ
ンサにより検出した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、図形などをコンピユー
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ツトなどを用いた座標入力装
置が知られている。この種の装置のタブレツトの
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。

(1) 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ツトに伝達される超音波
振動を検出する方式。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記の各従来方式は次のような問題点を有して
いる。

まず、(1)の抵抗膜方式は抵抗膜の均一性が検出
精度を決定するので、均一性の高い高価な抵抗膜
を必要とすること、あるいはタブレツトを透明化
できないので表示器などに重ねて使用できないな
どの欠点がある。

(2)の誘導方式も透明化が困難で、しかもマトリ
クス状の電極を多数設けるため大型なタブレツト
を構成するのが困難である。

一方、(3)の超音波方式では、タブレツトとし
て、圧電素子などの振動センサを設けたアクリ
ル、ガラス板などの透明材料から成る振動伝達板
を用いることができる。

ところが、この超音波方式ではタブレツトの振
動伝達板上の傷や障害物などによつて検出精度が
低下する問題がある。

そこで、弾性波のうち板波によつてタブレツト
の振動伝達板を振動させ、振動伝達板の傷や障害
物の影響を小さくする技術が提案されている。こ
の種の従来の弾性波を用いた方式では、振動伝達
板の周辺部からの弾性波の反射を防止するため、
振動伝達板がシリコンゴムなどの防振材料から構
成された反射防止材により支持される。

ところが、このような構造でも振動伝達板と反
射防止材との境界面からの反射波が検出振動に合
成され、歪みを生じて検出精度が低下する問題が
あつた。

本発明では、他の方式に比して透明化が容易で
比較的安価に構成できるという種々の利点を有す
る超音波振動方式において、上記の検出誤差の問
題を改善することを目的とする。

［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、振動入力手段を接触することで振動伝達部
材に伝達された板波振動を、前記振動伝達部材に
設けられた振動検出素子により検出し、前記振動
入力手段の前記振動伝達部材への接触座標位置を
導出する座標入力装置において、前記振動伝達部
材の固有音響インピーダンスが変化する境界面か
ら、板波振動の群速度に当該板波振動の波頭から
検出点までの時間を乗じて導かれる距離の２分の
１より大きな距離離した、前記振動伝達部材面に
前記振動検出素子を配置した構成を採用した。

［作用］ 以上の構成によれば、振動伝達部材の固有音響
インピーダンスが変化する境界面からの反射波が
検出波形に合成されて歪みを生じることがなく、
振動検出に基づく座標検出精度を大きく向上でき
る。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳
細を説明する。

第１図は本発明を採用した座標入力装置の構造
を示している。第１図の座標入力装置は、ドツト
マトリクス方式などの液晶表示器によるデイスプ
レイ１１′とともに文字、図形、画像などの入出
力装置を構成する。

図において符号８で示されるものはアクリル、
ガラス板などから成る振動伝達板で、振動ペン３
から伝達される振動が周辺部で反射されるのを防
止するため、シリコンゴムなどから構成された反
射防止材７に支持されている。振動伝達板８の角
部には３子の振動センサ６が取り付けられてお
り、振動ペン３から伝達される弾性波を検出す
る。

振動伝達板８が液晶デイスプレイなどから構成
されたデイスプレイ１１′上に配置され、情報入
出力装置を構成する。デイスプレイ１１′には振
動伝達板８を介して入力された文字、図形をフイ
ードバツクさせたり、あるいは振動伝達板に対す
る入力操作のプロンプトを表示させたりする。

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
を先端が尖つたホーン部５を介して振動伝達板８
に伝達する。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
ンス駆動の可能な振動子駆動回路２によつて所定
の利得で増幅され、振動子４に印刷される。電気
的な駆動信号は、振動子４によつて機械的な振動
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周波数が選
択される。また、振動子４は、振動伝達板８に対
して、第２図の垂直方向に主に振動するような動
作モードが選択される。振動子の振動周波数は、
振動子４の共振周波数に選択することで効率の良
い振動発生を行うことができる。

上記のようにして振動伝達板８に伝えられる弾
性波は板波と呼ばれる波であり、表面波などに比
べて表面の傷、障害物などの影響を受けにくいと
いう利点を持つ。振動伝達板８内を伝播する波
は、その距離に応じた時間遅れて振動伝達板８の
３つの角部に設けられた振動センサ６に到達す
る。従つて、振動センサ６により振動を測定し、
その遅延時間を計測することによつて、振動伝達
板８上での振動ペン３の位置を検出することがで
きる。

再び第１図において、圧電素子などから構成さ
れた振動センサ６の出力信号は、波形検出回路９
に入力され、マイクロコンピユータおよびメモリ
などから構成された演算制御回路１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、
上記の遅延時間の演算処理に基づいて、振動伝達
板８上での振動ペン３の位置を検出する。第１図
のデイスプレイ１１′は、演算制御回路１により
デイスプレイ駆動回路１０を介して駆動される。

第３図は第１図の演算制御回路の構造を示して
いる。ここでは、第１図のデイスプレイ１１′の
駆動回路の制御系を除き、振動ペンの振動発生お
よび振動伝達板からの振動検出を処理する回路の
みが示されている。

マイクロコンピユータ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
て駆動パルスを発生するもので、マイクロコンピ
ユータ１１により演算用の回路と同期してスター
トされる。カウンタ１３の計数値は、マイクロコ
ンピユータ１１によりラツチ回路１４にラツチさ
れる。

波形検出回路９から入力される検出信号は、入
力ポート１５に入力され、ラツチ回路１４内の計
数値と判定回路１６により比較され、その結果が
マイクロコンピユータ１１に伝えられる。デイス
プレイ１１′の駆動、あるいはコンピユータシス
テムなど他の処理装置との入出力は、入出力ポー
ト１７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、それに基づく遅延時間の計測処理を
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によつて発生される超音波信号は振動伝達板
８内を弾性波として伝達され、振動センサ６によ
り検出されて、第４図の符号４２のような検出波
形を形成する。検出波形は、振動ペンから振動伝
達板８を介して振動センサに伝えられるまでに時
間tgだけ遅延している。本実施例において用いら
れる板波に於ては振動伝達板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
の関係が変化する。

エンベロープの進む速度を群速度Vg、位相の
速度を位相速度vpとする。

この群速度および位相速度の中から振動ペン３
とセンサ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、ある特定の点、例えばエンベ
ロープのピークを第４図の符号４３のように検出
すると、振動ペンおよび振動センサ６の間の距離
ｄは、その遅延時間をtgとして、 ｄ＝vg・tg ……(1) で与えられる。上記の式は振動センサ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
動センサおよび振動ペンの間の距離を測定するこ
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４２２の特定の検出点、例えばピーク
通過後のゼロ・クロス点の遅延時間を第４図のよ
うにtpとすれば、振動センサと振動ペンとの距離
ｄ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。

ｎ＝［（vg・tv−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。例えばＮ＝２とすれば、エン
ベロープの検出精度が±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、振動ペンおよび
センサ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つの遅延時間tgおよびtpに基
づく距離測定は、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６の出力
信号は前置増幅回路５１により増幅され、低レベ
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、エンベロープのみが
取り出されて、さらにエンベロープピーク検出回
路５３によつて検出信号のエンベロープのピーク
のタイミングが検出される。ピーク信号検出はモ
ノマルチバイブレータ回路などから構成された信
号検出回路５４によつて所定の波形のTg信号が
形成され、演算制御回路１に入力される。また、
このTg信号と遅延時間調整回路５７により遅延
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Tp検出信号が形成され、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個分に対するものであり、他のそ
れぞれの振動センサについても同様の回路が設け
られる。センサの数は一般化したｈ個とすると、
演算制御回路１に対してはエンベロープ遅延時間
Tg₁〜ｈ、Tp₁〜ｈの検出信号が入力される。

第３図の演算制御回路では、上記のTg₁〜ｈ、
Tp₁〜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
ント値をラツチ回路１４に取り込む。上記のよう
にカウンタ１３に振動子の駆動と同期してスター
トされているので、ラツチ回路１４にはエンベロ
ープおよび位相のそれぞれの遅延時間のデータが
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
動センサを符号S₁〜S₃のように配置すると、第４
図に関連して説明した処理によつて、振動ペンの
位置Ｐから各々の振動センサまでの直線距離d₁〜
d₃を求めることができる。振動ペン３の位置Ｐの
座標（ｘ、ｙ）は３平方の定理から、 ｘ＝Ｘ／２＋（d₁＋d₂）（d₁−d₂）／2X ……(4) ｙ＝Ｙ／２＋（d₁＋d₃）（d₁−d₃）／2Y ……(5) となる。ここでＸ、ＹはS₂、S₃の位置の振動セン
サの原点のセンサからの距離である。

以上の演算を演算制御装置１により行なうこと
により、振動ペンの位置座標をリアルタイムで検
出することができる。

以上の実施例では、振動センサ６は振動伝達板
８の３つの角部に設けているが、このような構成
では、反射防止材により反射波が低減されている
とはいえ、２つの異なる音響インピーダンスを有
する振動伝達板８と反射防止材７の角の２つの境
界面からの反射波によつて、振動センサ６の検出
波形に歪みを生じる問題がある。

そこで、以下に示す実施例では第７図に示すよ
うに、振動センサ６を３辺の中央位置に設ける。
このような構成によれば、弾性波の反射を生じる
反射防止材７との境界面は振動センサ１つに対し
て１つとなり、反射波の処理がより容易になる。

ここで振動センサ６の振動伝達板８上での位置
とそれに応じた反射波の影響を第８図、第９図に
示す。ここでは、説明を簡単にするため反射防止
材を設けない場合を考える。

第８図ＡからＣに示すように振動センサ６を振
動伝達板８端縁の境界面８２からの距離を変えて
装着した場合には、第９図ＡからＣのように検出
波形が異なつてくる。第８図ＡからＣに明らかな
ように境界面８２と振動センサ６の距離が大きく
なるにしたがつて符号ａで示す振動ペン３からの
直接波と、符号ｂの反射波の距離の差が大きくな
る。

したがつて、第８図Ａのように振動センサ６が
境界面から離れている場合には、反射波の経路ｂ
は直接波の経路ａよりも長いので、第９図ANJ
示すように反射波ｂは直接波ａよりかなり遅れて
振動センサ６に到達する。振動ペン３からの振動
入力時間が短ければ第９図Ａのように反射波は直
接波に重ならないので、振動入力時間に対応した
時間ｔだけ波形検出を行なえば反射波の影響を完
全に除去することができる。第９図Ａにおいて
a′は直接波の検出波形、b′は反射波の検出波形
で、ｏはそれぞれの波頭、Ｓは前記の検出処理に
よる検出時点、t1は直接波と反射波の波頭ｏ間の
遅延時間、tsは直接波の波頭から検出時点Ｓまで
の時間を示している。

ところが、第８図Ｂに示すように振動センサ６
と境界面８２の距離を近付けると、直接波と反射
波の経路の長さの差が小さくなるので、検出波形
は第９図Ｂに示すように直接波と間接波が重畳さ
れた波形となり、直接波と反射波の干渉によつて
歪みを生じてしまう。この場合には直接波と間接
波の波頭間の遅延時間t1は短く、この間のみしか
純粋な直接波の波形を得ることができない。上記
の歪みは前記の波形検出に基づく座標検出精度に
大きく影響する。

第９図Ｂの場合には検出時点Ｓではまだ波形が
歪んでいないが、第８図Ｃのように振動センサ６
を配置すると、第９図Ｃのようにさらに遅延時間
t1が短くなるので、ts＞t1となり、検出時点Ｓで
は検出波形がすでに歪んでしまつている。このよ
うな検出波形では精度のよい座標検出を望まな
い。

したがつて、精度のよい検出をおこなうために
は次の条件が必要である。

t1＞ts ……(6) 今、振動伝達板８中の板波の群速度をVgとし、
第８図の距離ａ、ｂに対応させると、上式は t1・Vg＝ｂ−ａ＞Vg・ts ……(7) であればよいことがわかる。つまり、振動センサ
６は反射境界面８２から最低Vg・ts／２以上の
距離を離して配置すればよい。ここでこのVg・
ts／２＝Ｌとし、このＬを反射干渉距離と呼ぶこ
とにする。

第８図では反射境界面８２と直角な直線上に振
動センサ６と振動ペン３が並ぶ場合を示したが、
実際には振動ペン３は第１０図に符号Ｄ，Ｅで示
すような位置をとり得る。図から明らかなよう
に、振動ペン３が位置Ｄにある場合より位置Ｅに
ある場合の方が反射波と直接波の伝達距離差ｂ−
ａが小さくなる。

したがつて、 ｂ−ａ≧Vg・ts ……(8) となるような振動ペン３の振動伝達板８上での位
置、すなわち、有効な直接波の伝達領域は反射境
界面８２と平行にならないことがわかる。たとえ
ば、振動センサ６の反射境界面８２からの距離に
応じた上記条件を満足する有効な直線波の伝達可
能な領域の違いを第１１図Ａ〜Ｄに示す。

第１１図Ａのように振動センサ６と反射境界面
８２の距離が反射干渉距離Ｌだけしか離れていな
い場合には、有効な伝達範囲８４は直線状にな
る。ところが、振動センサ６を反射境界面８２か
ら反射干渉距離Ｌ以上に第１１図Ｂ〜Ｄのように
離してゆくと、直接波の有効な伝達範囲８４は扇
状に広がつてゆく。つまり、第１１図Ｄのように
振動センサ６を反射干渉距離から充分離すことに
より、反射波の干渉を避けるとともに、広い振動
検出範囲を実現できる。

有効伝達範囲８４を拡大するには、Ｌを小さく
し、振動センサ６をなるべく振動伝達板８の縁部
に取り付ければよい。このためにはＬ＝Vg・ts
を構成するVgないしtsを小さくするのが望まし
い。たとえば、第４図の検出方式において、エン
ベロープのピークおよびピーク通過後のゼロクロ
ス点により振動伝達の遅延時間Tg、Tpを検出す
る場合、その検出をより検出波形の波頭に近い時
点で行なうようにすれば第９図における検出点ま
での時間tsを短くでき、反射干渉距離を短くでき
る。

第１２図は長方形の振動伝達板８に１つの振動
センサ６を第１０図のように装着した場合の有効
座標入力範囲を示したものである。

第１３図は第１２図の入力範囲を実際に取り付
けられる４個の振動センサ６に対する有効座標入
力範囲を重ねて示したものである。第１３図のよ
うに、実際の有効座標入力範囲１５０は第１２図
の振動センサ６を振動伝達板８のそれぞれの辺の
中央に設けた場合の有効伝達範囲８４の重なり領
域である。

各振動センサ６は反射干渉距離Ｌよりも充分大
きな距離をとつて配置されるが、その設置位置は
第１３図の有効座標入力範囲１５０の外側にな
る。したがつて、振動伝達板８を透明材料とし表
示器と重ねて用いる場合には、有効座標入力範囲
１５０を除く範囲を遮光部材などで遮るような構
成とすれば振動センサ６が表示器の視認を防止す
ることがない。

このことは、同じ入力面積を実現する振動伝達
板８の大きさを小さくでき、装置全体を小型に構
成できることを意味する。

第１４図は振動伝達板８を反射防止材７を介し
て支持する場合の構成を示している。この構成で
は振動伝達板８の周縁は反射防止材７により覆わ
れている。このような構成では反射波はかなり反
射防止材７により吸収されるので、その影響は反
射防止材７を設けない場合に比して大きく低減さ
れるが、反射防止材７と振動伝達板８は音響イン
ピーダンスが大きく異なるので、その境界面８２
が反射面となり、この面においてわずかに反射が
生じる。

したがつて、第１４図の構成においても、振動
伝達板８の端縁の反射境界面８２を振動伝達板８
と反射防止材７の境界面に置き換えるだけで上記
と同様に反射波の影響を低減できる。

このような構成によれば、反射波は反射防止材
７により低減されるとともに、上記の反射防止効
果が期待できるので、反射波の影響による検出波
形の歪みをほぼ完全に除去できる。

また、上記構成によれば有効な座標入力範囲を
拡大することができる。このことを第１５図を用
いて説明する。

第１５図Ａ〜Ｃは反射防止材７を設けた場合の
検出波形で、第１５図Ａは直接波ａが反射波ｂの
干渉を受けていない場合、第１５図Ｂは直接波の
検出時点Ｓから反射波ｂが干渉をおよぼしている
場合を示したものである。第１５図Ｃは反射波ｂ
（第１５図Ａ）を拡大して示しており、図におい
てｈは前述の検出回路の検出しきい値である。

図示のように、第１４図のような構成によれば
反射波の振幅が小さいので直接波ａに影響する部
分が第１５図Ｂのように時間trだけ短い。この時
間trは検出時点Ｓにおける検出回路の反射波ｂの
許容変動レベルｈにより定まるもので、第１５図
Ｃの波頭と波形がしきい値ｈを越えるまでの時間
である。したがつて、この場合の有効な振動伝達
板距離は、 t1・Vg＝ｂ−ａ＞Vg（ts−tr） ……(9) を満足するような振動ペンの位置である。すなわ
ち、この場合も反射干渉距離から充分に距離をと
つて振動センサ６を配置するが、Vg・trが短く
なつたぶんだけ有効座標入力範囲は大きくなる。
この場合の反射干渉距離はVg・（ts−tr）で示さ
れる。

振動センサ６を振動伝達板８の辺部に設ける場
合、第６図に示した座標演算の方法は多少異なつ
てくるが、座標軸の平行移動などによりセンサが
一直線上に並ばない限り(4)、(5)式と同等の計算式
により座標演算を行なうことができる。

［発明の効果］ 以上から明らかなように、本発明によれば、振
動入力手段を接触することで振動伝達部材に伝達
された板波振動を、前記振動伝達部材に設けられ
た振動検出素子により検出し、前記振動入力手段
の前記振動伝達部材への接触座標位置を導出する
座標入力装置において、前記振動伝達部材の固有
音響インピーダンスが変化する境界面から、板波
振動の群速度に当該板波振動の波頭から検出点ま
での時間を乗じて導かれる距離の２分の１より大
きな距離離した、前記振動伝達部材面に前記振動
検出素子を配置した構成を採用しているので、振
動伝達部材の上記境界面での反射波による振動検
出波形の歪みを防止し、座標検出精度を大きく向
上できるとともに、有効な座標入力範囲を拡大で
き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座標入力装置の構成
を示した説明図、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図の演算制御回
路の構造を示したブロツク図、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ツク図、第６図は振動センサ
の配置を示した説明図、第７図は本発明による座
標検出装置の異なる構成を示した説明図、第８図
Ａ〜Ｃはそれぞれ振動センサの取り付け位置によ
る反射波の影響を示した説明図、第９図Ａ〜Ｃは
第８図Ａ〜Ｃに対応して反射波の検出波形に対す
る影響を説明する波形図、第１０図は振動ペンの
位置による、振動伝達経路の違いを示した説明
図、第１１図Ａ〜Ｄはそれぞれ有効な直接波の伝
達範囲を示した説明図、第１２図および第１３図
はそれぞれ本発明における有効座標検出範囲を示
した説明図、第１４図は反射防止材を設ける場合
の有効な振動伝達範囲を示した説明図、第１５図
Ａ〜Ｃは第１４図の構成における振動検出波形を
示した波形図である。 １……演算制御回路、３……振動ペン、４……
振動子、６……振動センサ、７……反射防止材、
８……振動伝達板、９……波形検出回路、５１…
…前置増幅器、５２……エンベロープ検出回路、
５４，５８……信号検出回路、８２……反射境界
面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 振動入力手段を接触することで振動伝達部材
   に伝達された板波振動を、前記振動伝達部材に設
   けられた振動検出素子により検出し、前記振動入
   力手段の前記振動伝達部材への接触座標位置を導
   出する座標入力装置において、 前記振動伝達部材の固有音響インピーダンスが
   変化する境界面から、板波振動の群速度に当該板
   波振動の波頭から検出点までの時間を乗じて導か
   れる距離の２分の１より大きな距離離した、前記
   振動伝達部材面に前記振動検出素子を配置したこ
   とを特徴とする座標入力装置。