JPH06149455A - 座標入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】振動検出信号の処理を正確に行ない、高精度の
座標検出を行なうことのできる座標入力装置を提供す
る。 【構成】振動伝達板に振動ペンによって振動を与える
と、センサから信号がエンベロープ検出回路２９に入力
される。検出されたエンベロープ信号はエンベロープ補
正回路３０に入力され、エンベロープの立ち上がりから
ピークに至るまでの時間とピークレベルとの比が一定の
値になるように、補正される。この補正されたエンベロ
ープ信号を基に群遅延時間と位相遅延時間とが測定さ
れ、それら遅延時間により振動が入力された座標位置が
算出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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。

【０００２】

【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
力ペン及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ディスプレイなどの表示装置
やプリンタなどの記録装置に出力される。

【０００３】この種の座標入力装置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。

【０００４】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。

【０００５】２）対向配置された電極などの電磁ないし
静電を検出する方式。

【０００６】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。

【０００７】上記の１），２）の方式では、抵抗膜や導
電体等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
板やガ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な間隔で使用できる操作感覚の
良い情報入出力装置を構成できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記超音波
方式では、振動ペンから振動センサに振動が伝達される
間に振動伝達番板の障害物、たとえば操作者の指，紙，
あるいはゴミなどによって信号強度が低下することがあ
る。また、操作者の筆圧によっても検出できる振動の強
度はかなり異なってくる。さらに、センサとペンの距離
が大きくなれば、振動は減衰してしまう。特に振動の伝
達過程で発生する分散により検出信号の波形の変形が距
離が大きくなればなるほど大きくなる。

【０００９】したがって、障害物，筆圧などの条件によ
って振動検出信号レベルがいちじるしく低下した場合に
は、座標検出が不可能となったり、検出精度が大きく低
下することがある。

【００１０】本発明は上記従来例に鑑みて成されたもの
で、振動検出信号の処理を正確に行ない、高精度の座標
検出を行なうことのできる座標入力装置を提供すること
を目的とする。

【００１１】

【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。振
動伝達板に入力された振動を振動検出手段により検出し
て前記振動伝達板における伝播遅延時間に基づいて振動
が入力された位置の座標を出力する座標入力装置であっ
て、前記検出振動の包絡線を取り出す手段と、前記包絡
線の立ち上がり部からピーク部までの時間と振幅レベル
との比が、予め設定された比となるように前記包絡線の
波長を補正する手段と、前記補正された包絡線に基づい
て伝播遅延時間を検出する手段とを備える。

【００１２】

【作用】以上の構成によれば、振動伝達板に伝えられた
振動の包絡線を取り出し、その包絡線を、立ち上がり部
からピークまでの時間／レベル比が一定な信号に補正
し、その信号により振動の伝播遅延時間を検出してそれ
に基づいて座標位置を算出する。

【００１３】

【実施例】以下、添付図面を参照にして本発明の実施例
である座標入力装置を詳細に説明する。

【００１４】図１は本実施例の座標入力装置のエンベロ
ープ補正回路のブロック図である。また、図２は本実施
例の座標入力装置の構造を示している。図２の装置は座
標検出のみならず、入力情報の表示も行う。すなわち、
図示した情報入力装置は振動伝達板４からなる入力タブ
レットに振動ペン５によって座標入力を行わせ、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
された液晶ディスプレイからなる表示器に入力画像を表
示するものである。

【００１５】＜全体構成の説明＞図２において、アクリ
ルやガラスなどからなる振動伝達板４は、振動ペン５か
ら伝達される振動をその角部に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５から振動伝達板４
を介して振動センサ６に伝達された超音波振動の伝達遅
延時間を計測することにより、振動ペン５の振動伝達板
４上での座標を検出する。

【００１６】振動伝達板４は、振動ペン５から伝達され
た振動が周辺部で反射されるのを防止するために、その
周辺部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。

【００１７】振動伝達板４は液晶ディスプレイあるいは
ＣＲＴディスプレイなど、ドット表示が可能な表示器８
上に配置され、振動ペン５によりなぞられた位置にドッ
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５の座標に対応した表示器８上の位置にドット
表示が行なわれ、振動ペン５により入力された点，線な
どの要素により構成された画像はあたかも紙に書き込み
を行なったように振動ペン５の軌跡の後に現れる。

【００１８】また、このような構成によれば、表示器８
にメニュー表示を行ない、振動ペン５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５を接触させるなどの入力方式を用いる
こともできる。

【００１９】振動伝達板４に超音波振動を伝達させる振
動ペン５は、内部に圧電素子などから構成した振動子９
を有しており、振動子９の発生した超音波振動を、先端
が尖ったホーン部１０を介して振動伝達板４に伝達す
る。

【００２０】＜振動ペンの説明＞図３は振動ペン５の構
造を示している。振動ペン５に内蔵された振動子９は、
振動子駆動回路１１により駆動される。振動子９の駆動
信号は図２の演算制御回路１２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１１によって所定のゲインで増幅された後、
振動子９に印加される。

【００２１】電気的な駆動信号は振動子９によって機械
的な超音波振動に変換され、ホーン部１０を介して振動
伝達板４に伝達される。

【００２２】振動子９の振動周波数はアクリやガラスな
どの振動伝達板４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、振動子９の振動周
波数を振動子９の共振周波数とすることで効率の良い振
動変換が可能である。

【００２３】上記のように構成された振動ペン５から振
動伝達板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４の表面の傷，障害物などの影響を
受けにくいという利点を有する。

【００２４】＜演算制御回路の説明＞再び、図２におい
て、振動伝達板４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。振
動センサ６の出力信号は、信号波形検出回路１３に入力
され、後段の演算制御回路１２により処理可能な検出信
号に変換される。演算制御回路１２は振動伝達時間の測
定処理を行ない、振動ペン５の振動伝達板４上での座標
位置を検出する。

【００２５】検出された振動ペン５の座標情報は演算制
御回路１２において表示器８による出力方式に応じて処
理される。すなわち、演算制御回路１２は入力座標情報
に基ずいてビデオ信号処理装置等を介して表示器８の出
力動作を制御する。図４は図２の演算制御回路１２の構
造を示している。ここでは主に振動ペン５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。

【００２６】マイクロコンピュータ１５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１６は図２の振動子駆動回路１１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１５により座標演算用の回路と同期して起動される。

【００２７】カウンタ１７の計数値はラッチ回路１８に
よりラッチされる。

【００２８】一方、波形検出回路１３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のタイミング情報を出力す
る。このタイミング情報は入力ポート１９に入力され
る。

【００２９】波形検出回路１３から入力されるタイミン
グ信号は入力ポート１９に入力され、判定回路２０によ
りラッチ回路１８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１５に伝えられる。すなわち、カウ
ンタ１７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なわ
れる。

【００３０】表示器８の出力制御処理は入出力ポート２
１を介して行なわれる。

【００３１】＜振動伝達時間の計測処理の説明＞図５は
図２の波形検出回路１３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とを説明するものであ
る。図５において、符号２２で示される波形は振動ペン
５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５から振動伝達板４内
を通って振動センサ６に検出される。

【００３２】振動は、振動伝達板４内を振動センサ６ま
での距離に応じた時間ｔ_g をかけて進行した後、振動セ
ンサ６に到達する。図５の符号２３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４内
での伝達距離に対して検出波形のエンベロープ２３１と
位相２３２の関係は振動伝達中に伝達距離に応じて変化
する。

【００３３】ここで、エンベロープの進む速度を群速度
Ｖ_g ，位相速度をＶ_p とする。この群速度および位相速
度の違いから振動ペン５と振動センサ６間の距離を検出
することができる。

【００３４】まず、エンベロープ２３１のみに着目する
と、その速度はＶ_g であり、ある特定の波形上の点、た
とえばピークを図５の符号２４，２５のように検出する
と、振動ペン５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＝Ｖ_g ・ｔ_g …（１） この式は振動センサ６の１つの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５の距離
を示すことができる。

【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なう。図５の
位相波形２３２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、図５の
符号２６，２７のように検出し、その時間をｔ_p とすれ
ば振動センサ６と振動ペン５の距離は ｄ＝ｎ・λ_P ＋Ｖ_p ・ｔ_p …（２） となる。ここでλ_P は弾性波の波長、ｎは整数である。

【００３６】前記の（１）式と（２）式から上記の整数
ｎは ｎ＝int[（ｖ_g ・ｔ_g −Ｖ_p ・ｔ_p ）／λ_p ＋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。

【００３７】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５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。

【００３８】図５に示した２つの振動伝達時間ｔ_g およ
びｔ_p の測定は図２の波形検出回路１３により行なわれ
る。

【００３９】＜波形検出回路の説明＞波形検出回路１３
は図６に示すように構成される。

【００４０】図６において、振動センサ６の出力信号は
前置増幅回路２８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２９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
プピーク補正回路３０によって補正検出される。ピーク
検出信号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３１によって所定波形のエンベロープ遅延
時間検出信号ｔ_g が形成され、演算制御回路１２に入力
される。

【００４１】また、このｔ_g 信号と、遅延時間調整回路
３２によって遅延された元信号からコンパレータ検出回
路３３により位相遅延時間検出信号ｔ_P が形成され、演
算制御回路１２に入力される。

【００４２】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ｔ_g1〜ｔ_gh，位相遅延時間ｔ_p1〜ｔ
_phのそれぞれｈ個の検出信号が演算制御回路１２に入力
される。

【００４３】＜演算制御回路の説明＞図４の演算制御回
路では上記のｔ_g1〜ｔ_gh，ｔ_p1〜ｔ_ph信号を入力ポート
１９から入力し、各々のタイミングをトリガとしてカウ
ンタ１７のカウンタ値を、ラッチ回路１８に取り込む。
前記のようにカウンタ１７は振動ペン５の駆動と同期し
てスタートされているので、ラッチ回路１８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。

【００４４】図７のように振動伝達板４の角部の３つの
振動センサ６を符号Ｓ₁ からＳ₃ の位置に配置すると、
図５ｉ関連して説明によって振動ペン５の位置Ｐから各
々の振動センサ６の位置までの直線距離ｄ₁ 〜ｄ₃ を求
めることができる。さらに演算制御回路１２でこの直線
距離ｄ₁ 〜ｄ₃ に基づき振動ペン５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。

【００４５】 ｘ＝Ｘ／２＋（ｄ₁ ＋ｄ₂ ）（ｄ₁ −ｄ₂ ）／２Ｘ …（４） ｙ＝Ｙ／２＋（ｄ₁ ＋ｄ₃ ）（ｄ₁ −ｄ₃ ）／２Ｙ …（５） 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Ｘ，Ｙ軸に沿った距離である。

【００４６】以上のようにして振動ペン５の位置座標を
リアルタイムで検出することができる。

【００４７】＜検出信号の補正の説明＞振動ペン５から
振動センサ６までの距離ｄが大きくなると図６に説明し
たエンベロープは、振動の減衰とともピークは小さくな
り、さらに超音波の分散の影響を受けて形状が代わって
しまう。図８は伝播距離によって異なる従来の信号波形
を表したもので、図に示すように、遠距離を伝播する検
出波のエンベロープのピークは、距離の近いところの検
出波に比べて、エンベロープの立ち上がり部を基準にし
て後方へとずれている。

【００４８】この様子は、図８の符号２３，２４，３
８，３９および記号ｅ_o1，ｅ_p1，ｅ_o2，ｅ_p2に示され
る。ここで、記号ｅ_o ，ｅ_p は、それぞれエンベロープ
の立ち上がり部，エンベロープのピーク部に対応する。
以上説明したように、ｔ_P ，ｔ_gの検出ポイントが時間
的に後方へずれてしまい、検出座標の精度を低下させ
る。さらに、図８によると、エンベロープの立ち上がり
部からピーク部までの時間とレベルの比ｔ_e ／Ｖ_r が、
従来は変化していた。つまり、 ｔ_e1／Ｖ_r1≠ｔ_e2／Ｖ_r2 である。

【００４９】本実施例の座標入力装置でのエンベロープ
の変形の様子を図９に示す。図９に示す様に、エンベロ
ープの立ち上がり部からピーク部までの時間とレベルの
比ｔ _e ／Ｖ_r は常に等しい。つまり、 ｔ_e1／Ｖ_r1＝ｔ_e2′／Ｖ_r2＝Ｃ である。この比は、予め設定された比である。この比Ｃ
は、複数のセンサから等距離の位置を検出したときの比
であるとか、適当に選んでよいことは言うまでもない。
本実施例では、エンベロープ補正をするとき、エンベロ
ープピークレベルＶ_r2を一定にして、エンベロープ立ち
上がり部ｅ₀₂からエンベロープピーク部ｅ _p2までの時間
ｔ_e2をｔ_e2′に変化させて比を等しくしている。

【００５０】すなわち、図１において、図９の信号波形
３８がエンベロープピーク検出回路１に入力されるとピ
ークレベルＶ_r2が検出され、その値と比常数Ｃとを基
に、立ち上がり部からピークまでの時間ｔ_e2′がエンベ
ロープ形状補正回路２によって算出されて信号は計４３
が生成される。その波形より、補正エンベロープピーク
検出回路３によってそのピークが検出され、その信号に
基づいて補正後の群遅延時間ｔ_g2′及び位相遅延時間ｔ
_p2′が得られ、演算制御回路１２により座標位置の算出
がなされることになる。

【００５１】

【他の実施例】前述の実施例によれば、検出波形のエン
ベロープの立ち上がり部は、非常に判定しずらい。そこ
で本実施例では、図１０に示す様に、閾値Ｖ₀ とエンベ
ロープのクロス点ｅ₀₁′，ｅ₀₂″をエンベロープ立ち上
がり部とし、エンベロープ立ち上がり部ｅ₀₁′，ｅ₀₂″
からそれぞれピーク部ｅ_p1′，ｅ_p2″までの比を前述の
比Ｃとする。このことにより、ノイズ等でエンベロープ
立ち上がり部を検出することの不安定さが解消され、確
実に検出できる。このように検出されたエンベロープを
使って前述の方法で座標検出をする。

【００５２】以上から明らかな様に、本実施例において
は、振動ペンから振動センサに振動が伝達される間でゴ
ミや障害物による信号の強度の低下、操作者の筆圧によ
る信号強度の低下、振動の分散による信号波形の変形な
どに起因して生ずる座標検出座標の精度劣化をなくすこ
とができる。

【００５３】尚、本発明は、複数の機器から構成される
システムに適用しても、１つの機器から成る装置に適用
しても良い。また、本発明はシステム或は装置にプログ
ラムを供給することによって達成される場合にも適用で
きることは言うまでもない。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかる座
標入力装置は、振動検出信号の処理を正確に行ない、高
精度の座標検出を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のエンベロープ補正回路のブロック図で
ある。

【図２】実施例の座標入力装置の説明図である。

【図３】振動ペンの説明図である。

【図４】演算制御回路のブロック図である。

【図５】距離測定を示した波形図である。

【図６】波形検出回路のブロック図である。

【図７】振動センサ取付位置の説明図である。

【図８】従来の分散の影響のある波形図である。

【図９】エンベロープ波補正を行なった波形図である。

【図１０】エンベロープの立ち上がり部を検出する実施
例を示した図である。

【符号の説明】

４…振動伝達板、 ５…振動ペン、 ６…振動センサ、 １２…演算制御回路、 １３…信号波形回路、 ３０…エンベロープ補正回路である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動伝達板に入力された振動を振動検出
   手段により検出して前記振動伝達板における伝播遅延時
   間に基づいて振動が入力された位置の座標を出力する座
   標入力装置であって、 前記検出振動の包絡線を取り出す手段と、 前記包絡線の立ち上がり部からピーク部までの時間と振
   幅レベルとの比が、予め設定された比となるように前記
   包絡線の波長を補正する手段と、 前記補正された包絡線に基づいて伝播遅延時間を検出す
   る手段と、 を備えることを特徴とする座標入力装置。
2. 【請求項２】 前記包絡線の立ち上がり部は、前記包絡
   線のレベルが所定の値に達した点であることを特徴とす
   る請求項１記載の座標入力装置。