JPH07334292A - 超音波座標入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 座標指示器から発した電磁波信号及び超音波
信号双方を利用して、容易に座標値を算出する。 【構成】 座標指示器に超音波信号及び電磁波信号を同
時に発生させる回路を設け、本体側で受信した電磁波信
号から指数曲線信号を発生させ、超音波信号と比較させ
ることにより座標計算を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、座標指示器から同時に
発せられる電磁波と超音波との伝達時間差より指示点座
標を検出する超音波座標入力装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の座標入力装置は、一般にペン形状
やカーソル形状等の座標指示器を用い、タブレット状の
入力点座標をコイルによる電磁誘導により座標検出する
もの、あるいは、抵抗膜により、押下されたタブレット
状の１点の抵抗値の変化により、当該部分の座標検出を
するもの、または、ペンやカーソルから伝達される超音
波振動の所定位置までの伝達時間により、座標検出する
もの等が知られている。

【０００３】以下、従来例として超音波振動を利用した
座標入力装置について図５を参照し、以下に座標検出動
作を説明する。図５は、座標入力装置の簡単な回路構成
を示すブロック図であり、座標指示器とタブレットとが
ワイヤで接続された超音波座標入力装置の場合、制御信
号を出力するＣＰＵ５０３からは最低２つのカウンター
５１７Ａ、５１７Ｂと駆動回路５０４とを同時にスター
トさせるための開始信号を出力する。

【０００４】一方、駆動回路５０４は、前記ＣＰＵ５０
３からの開始信号を受けて圧電素子５０５に駆動信号を
出力し、これを振動させる。 前記駆動回路からの駆動
信号により圧電素子５０５で発生した振動エネルギー
は、ホーン５０１を介して振動伝達板５０２に入射され
る。

【０００５】前記振動伝達板５０２に入射された振動エ
ネルギーは超音波の振動波として振動伝達板５０２を介
して伝搬され、前記振動伝達板５０２に設けられた少な
くとも２つのセンサー５０７Ａ、５０７Ｂでそれぞれ検
出される。センサー５０７Ａ、５０７Ｂで検出された各
超音波信号はセンサー５０７Ａ、５０７Ｂに対応して設
けられた前置増幅回路５０８Ａ、５０８Ｂを介してそれ
ぞれ増幅され、波形検出回路５１１Ａ、５１１Ｂに入力
される。

【０００６】前記波形検出回路５１１Ａ、５１１Ｂで
は、各センサーで検出した超音波信号を波形処理し、所
定の波形成分の到達タイミングを検出すると同時に、前
記波形検出回路５１１Ａ、５１１Ｂからはカウンター５
１７Ａ、５１７Ｂを停止させるための信号が出力され、
カウンター５１７Ａ、５１７Ｂは停止する。

【０００７】一方、これらカウンタの動作状況はＣＰＵ
５０３で監視されており、前記ＣＰＵ５０３では前記カ
ウンタの停止と共にカウンタ値、換言すれば、超音波信
号の各センサー間の超音波検出時間情報から入力点の座
標を算出する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
超音波振動を利用した座標入力装置には、以下の課題が
あった。 （１）座標指示器がタブレットに対してワイヤレス方式
である場合は、少なくともセンサ、前置増幅回路、波形
検出回路及びカウンタがそれぞれ３セット必要となり、
この結果、回路構成ならびに、超音波信号の検出が複雑
となり、処理時間が長くなることが考えられる。 （２）ワイヤレス方式の場合、振動伝達板の板面に対す
る操作者の手の置き方、座標指示器の持ち方、操作時の
振動伝達板への押圧、温度あるいは設置条件等の使用環
境により、座標値を誤検出する可能性があった。 （３）座標指示器がワイヤ接続方式の場合は、操作性が
悪く、コストもかかり、ＣＰＵからは、定期的に開始信
号を発生する必要があることから消費電流が大きくなっ
てしまう。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、超音波を発生
させる手段と、該超音波に同期して発生する電磁波から
なる基準信号発生手段と、前記超音波信号を検出する検
出手段と、前記電磁波を検出する手段と、超音波の距離
特性および温度特性を考慮した超音波に対する基準信号
を生成する手段と、前記超音波の検出信号からノイズ信
号カットする信号処理手段と、超音波信号と基準信号と
を比較する比較手段と、基準信号受信時以降、前記超音
波信号が前記基準信号に対して信号レベルが大きくなっ
た最初の時点からゼロクロスまでの時間を算出する手段
とを備えることにより、簡単な回路構成で高速処理かつ
高精度な超音波座標入力装置を実現するものである。

【００１０】

【作用】本発明の超音波座標入力装置は、座標指示器に
設けられた起動スイッチを操作することにより、制御回
路から開始信号が昇圧回路に出力され、電池電圧を昇圧
する。同時に、前記制御回路からの一定周期の超音波お
よび電磁波発生パルスを前記昇圧電圧レベルで駆動回路
を介して圧電素子およびコイルに印加することにより座
標指示器から超音波および電磁波を発生する。

【００１１】発せられた超音波および電磁波は、検出手
段として設けられたセンサあるいはコイルで検出する。
超音波においては、前置増幅回路、フィルター、超音波
増幅回路等により信号処理を施し、一方、電磁波におい
ては、受信した電磁波を電磁波増幅回路により増幅し、
波形整形回路による波形整形を行って基準信号としての
波形生成を施し、前記超音波増幅回路からの出力と比較
回路で比較し、起動スイッチを操作後、最初に検出した
電磁波信号をスタート信号とし、前記超音波信号が基準
信号より大きくなった最初の時点で、かつ超音波信号が
ゼロクロスした時点を最後とした電磁波に対する超音波
の遅延時間をカウンタにより算定し、既知の複数のセン
サー等の検出手段間の距離と各センサー毎の超音波信号
の遅延時間から超音波発信源の位置を特定し、発振源で
ある座標指示器の座標値を算出する超音波座標検出装置
を得るものである。

【００１２】

【実施例】

（実施例１）図１は、本発明の好適な実施例を示す機能
ブロック図である。図面において、座標指示器側はスイ
ッチＳＷ、電池１、昇圧回路２、制御回路３、駆動回路
４、圧電素子５、コイル６により構成されている。

【００１３】動作を説明すれば、電池１を電源とし、昇
圧回路２を介して制御回路３には部分的に常時電源が供
給されている。スイッチＳＷがオンの状態になると、制
御回路３からは周期的な所定のパルス幅の信号が駆動回
路４に出力されると共に、昇圧回路２に対してスタート
信号が出力され、前記昇圧回路２からは駆動回路４に対
して圧電素子５およびコイル６を駆動するためのドライ
ブ電圧が発生する。

【００１４】前記制御回路３からの信号を入力した駆動
回路４は、前記昇圧回路２の出力電圧レベルで圧電素子
５とコイル６に同時に供給する。一方、制御回路３に
は、座標指示器の消費電流低減のために、一定時間スイ
ッチがオンになっている場合に作動するオートパワーオ
フ回路を有すると共に、スイチッチオフ後、一定の時間
経過しないとスイッチオン動作をしないタイマー回路
と、座標指示器の傾きや操作ミスによるスイッチのオフ
タイミングが速まることを防ぐためにある一定のオフデ
ィレイ回路とを有している。

【００１５】さらに、昇圧回路２はドライブ電圧の立ち
上がり特性を改善し、座標指示器の応答性を良くするた
め、複数段の回路構成となっており、該昇圧回路の第１
段目からは前記制御回路３に対して常時電源を供給して
いる。一方、最終段の昇圧は、スイッチＳＷにより起動
される。

【００１６】次に、本体側は超音波信号を検出するため
の２つのセンサー７Ａ、７Ｂ、該センサー７Ａ、７Ｂに
接続された前置増幅回路８Ａ、８Ｂ、該前置増幅回路８
Ａ、８Ｂに接続されたフィルター９Ａ，９Ｂ、該フィル
ター９Ａ，９Ｂに接続された超音波増幅回路１０Ａ，１
０Ｂ、比較回路１１Ａ，１１Ｂと、電磁波を検出するた
めのコイル１２、電磁波増幅回路１３、波形整形回路
４、波形生成回路１５、制御回路１６、カウンタ１７と
で構成されている。

【００１７】次に、動作を説明すれば、まず、座標指示
器のスイッチＳＷをオンすることにより座標指示器の圧
電素子５からは超音波信号が、またコイル６からは電磁
波信号がそれぞれ出力され、超音波信号は、本体に組み
込まれたセンサー７により検出され、電磁波信号はコイ
ル１２により検出される。しかしながら、検出された超
音波信号は信号レベルが低いため、ノイズによる誤動作
が発生する可能性がある。したがって、検出信号は前置
増幅回路８Ａ，８Ｂにより増幅され、さらに、該当する
超音波周波数以外の信号を除去するためのフィルター９
Ａ，９Ｂに入力される。さらに、これら信号の飽和を防
止するため、超音波増幅回路１０Ａ，１０Ｂで再度増幅
される。

【００１８】一方、電磁波信号は、例えばＰＣＢ等にパ
ターン形成されたコイル１２を介して受信するが、コイ
ル１２には並列に図示しないコンデンサを接続し、雑音
フィルターを構成している。次に、電磁波の信号レベル
を高めるために電磁波増幅回路１３を介して差動増幅
し、その出力を波形整形回路１４によりパルス信号に変
換し、このパルスのたち下がりをカウンタ１７Ａ，１７
Ｂのスタート信号としている。

【００１９】また、パルス信号は、座標指示器の位置、
傾き、方向により、パルス幅、パルス数が変化するた
め、制御回路１６により一定のパルス幅の１パルスに変
換している。波形生成回路１５では、前記制御回路１６
から出力信号を、一定のバイアスを持った指数曲線信号
に変換している。これは、超音波信号の空気中の伝搬に
おける距離に対し、指数曲線的に振幅レベルが変化する
ためであると同時に、雑音により誘導されたゼロクロス
を排除するためでもある。

【００２０】前記指数曲線信号は前記比較回路１１Ａ，
１１Ｂに入力され、前記超音波信号と比較される。ま
た、ゼロクロス検出は、前記比較回路１１において超音
波信号と基準電圧との比較によって行われる。すなわ
ち、超音波信号レベルが前記指数曲線信号レベルより大
きくなった最初の時点以降の超音波のゼロクロス時点で
カウンタ１７は停止し、カウンタ値が制御回路１６にフ
ィードバックされる。制御回路１６ではカウンタ値から
超音波信号の遅延時間を確認し、センサー７Ａ，７Ｂが
配置された既知の距離と前記カウンタ値から入力点、す
なわち座標値を算出する。

【００２１】次に、図３に基づいて説明すれば、センサ
ー７Ａ、７Ｂ間の既知の距離とは、”ｙ”のことであ
り、入力点”Ｐ”から各センサー間の距離”ｘ１”、”
ｘ２”は、前記カウンタ値と超音波の１秒あたりの空気
中の遅延時間から算定できる。この”ｙ”、”ｘ
１”、”ｘ２”により、入力点”Ｐ”の座標が決定され
る。

【００２２】次に、前記比較回路１１の回路概念と信号
波形ならびにタイミングチャートをそれぞれ図２
（Ａ）、図２（Ｂ）に示す。すなわち、超音波信号１８
と指数曲線信号１９の信号振幅は比較器２３で比較さ
れ、その結果、比較器２３から出力される信号がスレッ
シュ信号２１となる。また、超音波信号１８と基準電位
との信号振幅を比較器２２で比較し、該比較器２２の出
力がゼロクロス信号２０となる。一方、タイミングチャ
ートにおいて、指数曲線信号１９は、図１の波形整形回
路１４からの出力信号の立ち下がりで最大振幅となり、
以降指数曲線的に減衰する。

【００２３】超音波信号１８は、前記指数曲線信号１９
に対して一定の遅延時間後に現れ、”Ａ”点にて指数曲
線信号１９より大きい振幅となり、”Ｂ”点にてゼロク
ロスしている。スレッシュ信号２１は、超音波信号１８
が指数曲線信号１９より大きい時に”Ｈ”となり、ゼロ
クロス信号２０は、基準電位以下のときに”Ｈ”とな
る。カウンタ停止は、スレッシュ信号２１の最初の立ち
上がり後のゼロクロス信号２０の立ち上がりである。こ
の指数曲線信号１９の立ち上がりからゼロクロス信号２
０の最初の立ち上がり迄の時間”Ｘ”がカウンタ値から
制御回路にて算出される。

【００２４】上記構成に基づいた本発明によれば、カウ
ンタ１７のビット数を増やし、クロックのスピードを早
くすることで入力点の座標の分解能を向上できるばかり
でなく、電磁波信号ならびに超音波信号のサンプリング
発生周期を短くすることで座標指示器の追従性を良くす
ることができ、切り換え回路を具備することでタブレッ
トのサイズに併せてサンプリング周期と前記カウンタ値
をＳ／Ｗで切り換えることも可能となる。

【００２５】（実施例２）図４は、本発明の他の実施例
を開示するものであり、実施例１に対してセンサー２０
７をさらに増設すると共に、回路の縮小をはかるために
２チャンネル単位での切り替えを可能にした例である。

【００２６】これに対して複数のセンサー２０７分の信
号処理回路をもって何れかのセンサが超音波信号を誤検
出した場合でも、常に安定した座標検出が可能となる。
すなわち、本発明の基本構成において、座標検出は２つ
のセンサの検出信号によって行われるが、操作ミスある
いは誤動作等を考慮すると、さらに１つ乃至複数のセン
サを設け、これらのセンサーのうち、何れかのセンサー
が信号検出不能になった時、リアルタイムに他のセンサ
ーに切り換えて、確実な信号検出を行うことができる。

【００２７】図４において、切り換え回路２０４の”Ｓ
ＥＬ”信号にて選択されたセンサー２０７の内、１つも
しくは２つが操作者の手の置き方や座標指示器の持ち方
等により誤検出した場合に、次のサンプリング時以降
に、”ＳＥＬ”信号を切り換えて別の２つのセンサー２
０７の組み合わせにより座標検出することにより、前記
課題を解決できる。また、常時特定のセンサー２０７が
誤検出している場合は、アラーム等により操作者に認識
させ、センサー２０７の交換を促すことも可能である。

【００２８】さらに、センサー２０７と対応する同数の
信号処理回路を設ければ任意のセンサー２０７の組合せ
にて座標検出が可能となる。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、座標指示器には超音波信号と
電磁波信号とを同時に発生させるための電磁波信号およ
び超音波信号の発生回路を持ち、本体側の受信側には、
前記超音波信号と電磁波信号とをそれぞれ受信するセン
サーおよびコイルを持ち、電磁波信号からは指数曲線信
号を発生する回路を、また超音波信号のための信号処理
回路をされぞれ持ち、これら超音波信号と前記電磁波信
号に基づいた指数曲線信号を比較した結果から座標計算
を行う制御回路を持つことにより、以下の効果を有す
る。 （１）２つだけのセンサーによる超音波検出ができるた
め、回路の縮小化、コスト低減化、処理の簡素化が実現
できる。 （２）耐環境性に優れている。（内外の雑音を排除でき
る。） （３）操作性、信頼性、低消費電力化が実現できる。 （４）高分解能が実現でき、追従性がよくなる。 （５）座標入力面のサイズに合わせた座標検出性能の最
適化が可能。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波座標入力装置の構成の１例を示
す機能ブロック図である。

【図２】超音波信号入力検出部の回路説明図ならびにタ
イミングチャートである。

【図３】座標算定のための説明図である。

【図４】第２の実施例の機能ブロック図である。

【図５】従来の実施例を示す機能ブロック図である。

【符号の説明】

１ 電池 ２ 昇圧回路 ３、１６ 制御回路 ４ 駆動回路 ５ 圧電素子 ６、１２ コイル ７ センサー ８ 前置増幅回路 ９ フィルタ １０ 超音波増幅回路 １１ 比較回路 １３ 電磁波増幅回路 １４ 波形整形回路 １５ 波形生成回路 １７ カウンタ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電池等の駆動エネルギー源を有し、超音
   波信号および電磁波信号を同時に出力する座標指示器
   と、超音波信号を検出するセンサーにより前記座標指示
   器からの超音波信号を検出した後、該超音波信号を増幅
   する前置増幅回路と、該前置増幅回路で増幅された超音
   波信号の内、不要信号のみを除去するフィルター回路
   と、該フィルター回路からの出力信号を増幅する超音波
   増幅回路と、コイルで検出された電磁波信号を増幅する
   電磁波増幅回路と、該電磁波増幅回路からの出力信号を
   デジタル信号に変換する波形整形回路と、該波形整形回
   路からの出力信号を規定のパルス信号に変換する制御回
   路と、該制御回路からの出力信号を基準として指数曲線
   を発生する波形生成回路と、前記超音波増幅回路からの
   出力信号と波形生成回路からの出力信号を入力し、これ
   ら２つの信号を比較する比較回路と、前記制御回路から
   の出力信号を基準信号として、前記比較回路からの出力
   信号により電磁波信号の超音波信号に対する遅延時間を
   カウントするカウンタ回路とを有する超音波座標入力装
   置。
2. 【請求項２】 電磁波信号に対し、超音波の伝達特性お
   よび温度特性に最適な一定のバイアスを持つ指数曲線波
   形を発生させる波形生成回路を有し、該波形生成回路か
   ら出力される波形信号に対して超音波信号の最初の最大
   振幅以降、最初のゼロクロス時点をポイントとして座標
   算出することを特徴とする請求項１記載の超音波座標入
   力装置。
3. 【請求項３】 超音波検出用センサーは、少なくとも３
   つ以上設けられ、切替え回路を介して切り換えられるこ
   とを特徴とする請求項１記載の超音波座標入力装置。
4. 【請求項４】 センサーは、少なくとも常時２つが使用
   状態にあることを特徴とする請求項３記載の超音波座標
   入力装置。