JPH0586569B2 - - 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比が容易で
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振
動入力面或はその裏面に反射防止部材が設けら
れ、当該反射防止部材の座標入力面側の端面に前
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、反射防止部材の端面に前
記振動検出素子を配置することにより、固有音影
インビーダンスが変化する反射防止部材の端面で
の反射波が検出波形に合成されて生じる歪みを低
減でき、振動検出に基づく座標検出精度を向上で
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個の振動センサ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に印加される。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、ガラス板
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
れる板波におい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４２
２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。

前記の(1)式と(2)式より、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。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などから構成された信号検
出回路５４によつて所定波形の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Tg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てｈ個とすると、演算
制御部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は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から充分離した位置に装着
した場合と、第８図Ｂのように境界面８２に近い
位置に装着した場合とでは第９図Ａ，Ｂのように
検出波形が異なつてくる。

第８図Ａのように振動センサ６が境界面から離
れている場合には振動ペン３からの直接波と反射
波はそれぞれａ，ｂのように異なる経路をとる。
この場合、ｂの経路はａよりも長いので、第９図
Ａに示すように反射波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。

ところが、第８図Ｂに示すように振動センサ６
を境界面８２の近傍に配置すると、直接波と反射
波の経路の長さはほとんど変らないので、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、歪みを生じてしまう。この歪
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。

上記から明らかなように、反射波による歪みを
避けるには、振動センサ６を反射境界面から離す
場合にはその距離は長い方が好ましいことがわか
る。ところが、振動センサ６を反射境界面、すな
わち、振動伝達板８の周辺から内側に追い込む
と、それだけ座標検出範囲が小さくなるという問
題がある。

そこで、本実施例では、振動センサ６を振動伝
達板８の辺部に設ける場合、反射境界面から振動
センサ６を離すのではなく、振動伝達板８の端縁
の反射境界面上に直接取り付ける。この構成をよ
り詳細に示したのが第１０図、第１１図である。

第１０図のように振動センサ６を振動伝達板８
の端縁の境界面に接して圧接、接着などの方法で
固定することにより、第１１図に示すように反射
波はｂの経路をとおつて振動伝達板８中央部に戻
り、振動センサ６には到達せず、反射波により検
出波形が歪むことがない。

このような構成では反射境界面８２からの反射
波を検出しないように振動センサ６と振動伝達板
８の接触面積をできるだけ小さくするのが好まし
い。したがつて、振動センサ６が第１０図のよう
な円柱状のものである場合には、振動センサ６の
直径は振動波形に比して充分小さくするのがよ
い。

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。図示のよう
に、本実施例によれば振動センサ６を反射境界面
１２０に装着した場合、境界面１２０による反射
はないので、有効座標入力範囲は反射境界面１２
１〜１２３それぞれに対応する境界緯線１４１〜
１４３により形成され、１つの反射境界面の分だ
け有効入力範囲が広くなる。

第１３図は第１２図の入力範囲を実際に取り付
けられる３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。この構成では
角部ｃの領域で反射波が重なつて検出精度が低下
する。しかし、このように複数の振動センサ６を
設ける場合でも、反射領域の重なる度合が小さく
なり有効座標入力範囲を振動センサ６を第８図の
ように境界面から離して配置する場合よりも拡大
することができる。

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の境界面８
２が反射面となり、この面においてわずかな反射
が生じる。この境界面での反射波の影響を避ける
には、振動センサ６を振動伝達板８と反射防止材
７により構成される境界面８２に接して取り付け
ればよい。

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。

上記実施例では振動センサ６を円柱状の圧電素
子から形成したが、第１５図、第１６図にそれぞ
れ示すように半円形の圧電素子、あるいは先端に
ホーン部を有する先細の振動センサを用いる場合
にも同等の効果を期待できる。

振動センサ６を振動伝達板８の辺辺に設ける場
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
１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。

［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振動入力
面或はその裏面に反射防止部材が設けられ、当該
反射防止部材の座標入力面側の端面に前記振動検
出素子を配置した構成を採用しているので、固有
音響インピーダンスが変化する反射防止部材と振
動伝達部材の境界面により構成される反射面にお
いて生じるわずかな反射波の影響をも低減し、こ
の反射波が検出波形に合成されて生じる歪みを低
減できるので座標検出精度を大きく向上でき、ま
た、有効座標検出範囲を拡大し装置を小型軽量に
構成できるなどの優れた利点がある。

【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図の演算制御装
置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，Ｂは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，Ｂは第８図
Ａ，Ｂ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図は振動センサの取り
付け構造を示した斜視図、第１１図は第１０図の
構成における振動の反射状態を示した説明図、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図から
第１６図はそれぞれ本発明における異なる振動セ
ンサの構造および取り付け構造を示した斜視図で
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、１２…
…反射境界面、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。

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振動入力面或はその裏面に
   反射防止部材が設けられ、当該反射防止部材の座
   標入力面側の端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。