JPH0758451B2 - 座標入力装置 - 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、振動入力手段により入力
された振動を振動伝達板に設けられた複数の振動センサ
により検出し、振動伝達板上での振動伝達時間から振動
入力点の座標を導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およびタ
ブレットなどを用いた座標入力装置が知られている。

この種の装置の入力タブレットの座標検出において、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
る方式が知られている。この方式では、入力タブレット
に、ガラスなどの透明材料からなる振動伝達板を用いる
ことができるので、その下部に表示器を配置し、入力さ
れた画情報をあたかも紙に書き込んだように表示した
り、プロンプトを表示したりできるという利点がある。

［発明が解決しようとする問題点］ 第７図は、従来の超音波振動方式の座標入力装置の構成
を示している。図において、符号８はガラス、アクリル
板などの振動伝達板で、その周辺部は反射防止材７によ
り支持されている。この反射防止材７は振動ペン３から
の入力振動が振動伝達板の周辺部で反射して検出波形に
影響を与えるのを防止するためのものである。

振動伝達板８の周辺部の所定位置には圧電素子などから
構成した振動センサ６が固定されており、振動ペン３か
ら入力された振動を検出する。各振動センサ６への振動
伝達（遅延）時間は各振動センサと振動入力点の距離に
比例するから、各々の振動センサ６への振動伝達時間
と、振動センサ６の配置から振動伝達板８上での振動ペ
ン３による振動入力点の座標を検出することができる。

ところが、上記のように反射防止材７を設ける構成にお
いても全く反射波が発生しないわけではなく、振動伝達
板８と反射防止材７の境界面、あるいは振動伝達板８の
端面においてわずかながら弾性波の反射が生じる。

図において符号ａ〜ｃは、直接波の経路と振動伝達板８
と反射防止材７の境界面、あるいは振動伝達板８の端面
において発生する反射波が図中左下の振動センサ６に到
達する経路を示している。各経路ａ〜ｃの全長は、特に
図中に斜線で示した振動伝達板８の入力面の周辺部ｄで
はほぼ似通った長さとなる。この場合、振動ペン３に設
けられた振動子の振動が、高周波で連続した一群のパル
スであると、振動センサ６に対して直接波と、反射波の
合成波が入力され、振動検出タイミングが影響を受け
る。第８図はこの様子を示している。

第８図の最上段は振動ペン３の振動子に印加される駆動
波形である。第８図の２段目は経路ａを通る直接波の検
出波形、３段目は経路ｂを通る反射波の検出波形をそれ
ぞれ独立して示している。実際には反射波は振動センサ
６に検出される際合成されて第８図の４段目のような波
形になる。

振動検出タイミングは、エンベロープ信号を形成し、こ
れを所定の基準値と比較することにより検出される。２
段目の直接波のみのエンベロープ波形はその右側に示す
ようにピークを１個のみもつものとなるが、第８図４段
目の検出波形では、その右側に示すようにピークを２個
持つエンベロープ波形が形成されてしまう。ここでは、
経路ｂの反射波のみについて示したが、経路ｃの反射波
がさらに合成されるとエンベロープ波形のピークはさら
に多くなる。

このため、正確な振動伝達時間が決定できず、振動伝達
板８の周辺部ｄでは座標検出精度が低下するという問題
がある。したがって、この領域ｄを入力タブレットの外
装により覆い、入力面として用いないようにする装置も
知られている。

第９図は従来の振動伝達板８の端部の支持構造を示して
いる。

図示のように、振動伝達板８の周辺部はコの字型の反射
防止材７により支持されている。反射防止材７は入力タ
ブレットのシャーシ112と外装113の間に挟持されてい
る。

振動センサ６はシャーシ112により支持され、その先端
の振動増幅用のホーン部6aを介して振動伝達板８に当接
している。

さらに、外装113は振動伝達板８の周辺部、すなわち座
標検出精度が反射波により低下する第７図の領域ｄに対
応する部分を覆うように張り出している。振動伝達板８
の周辺部を覆う外装113は振動伝達板８に触れないよ
う、僅かな間隙をおいて配置される。

このような構成では、振動伝達板８周辺部とこれを覆う
外装113の間にゴミなどの異物が入りやすく、振動セン
サ６に入力される振動を遮断して座標検出が不可能にな
る恐れがある。

また、振動伝達板８の周辺部に張り出した外装113は操
作者の操作上の荷重などにより容易に変形し、振動伝達
板８に接触して新たな振動の反射境界面を形成してしま
うという問題がある。

［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
動入力手段により入力された振動を振動伝達板に設けら
れた複数の振動センサにより検出し、振動伝達板上での
振動伝達時間から振動入力点の座標を導出する座標入力
装置において、前記振動伝達板と、前記振動伝達板の周
辺の所定領域を覆うように張り出した外装部と、該外装
部の下面に設けられ、振動伝達板より大きな表面粗さを
有する当接面により振動伝達板と当接するスペーサ部材
とを設けた構成を採用した。

［作 用］ 以上の構成によれば、振動伝達板周辺部に張り出した外
装部と振動伝達板が直接当接することが防止されるとと
もに、振動伝達板と外装部の間に異物が入り込むのを確
実に防止できる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づき、本発明を詳細に説明
する。

第１図（Ａ）は本発明を採用した座標入力装置を用いる
情報入出力装置の構造を示している。第１図（Ａ）の情
報入出力装置は振動伝達板８からなる入力タブレットに
振動ペン３によって座標入力を行なわせ、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
CRTからなる表示器11′に入力画像を表示するものであ
る。

図において符号８で示されたものはアクリル、ガラス板
などからなる振動伝達板で振動ペン３から伝達される振
動をその角部に３個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３から振動伝達板８を介して
振動センサ６に伝達された超音波振動の伝達時間を計測
することにより振動ペン３の振動伝達板８上での座標を
検出する。

振動伝達板８は振動ペン３から伝達された振動が周辺部
で反射されて中央部の方向に戻るのを防止するためのそ
の周辺部分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。

第１図（Ｂ）に振動伝達板８周辺部の構造を示す。

振動伝達板８の周辺部はコの字型の反射防止材７により
支持されている。反射防止材７は入力タブレットのシャ
ーシ112と外装113の間に挟持されている。

振動センサ６はシャーシ112により支持され、その先端
の振動増幅用のホーン部6aを介して振動伝達板８に当接
している。

さらに、外装113は振動伝達板８の周辺部、すなわち座
標検出精度が反射波により低下する第７図の領域ｄに対
応する部分を覆うように張り出しており、この張り出し
部端部の下面にはスペーサ114が設けられ、スペーサ114
の下面は振動伝達板８の上面に当接している。スペーサ
114は外装113の縁部の下面全体にわたって設けられる。

プラスチックなどからなるスペーサ114の下面114aはサ
ンドブラスト加工などにより表面粗さを増してある。

このような構成によれば、スペーサ114は振動伝達板８
にその下面114aの粗い面により当接しているから、振動
伝達板８に振動ペン３から入力される弾性波はスペーサ
114との当接面を新たな振動反射面とすることなく振動
センサ６に到達できる。

また、スペーサ114によって振動伝達板８が外装113によ
り覆われている部分の間隙内に入り込もうとする異物を
阻止できるとともに、外装113が外力により変形して振
動伝達板８に直接当接することが防止される。

したがって、振動伝達板８と外装113の間に入り込んだ
異物により座標検出が不可能になったり、座標検出精度
が低下したりする問題がなくなる。

さらに、振動伝達板８はCRT（あるいは液晶表示器な
ど）など、ドット表示が可能な表示器11′上に配置さ
れ、振動ペン３によりなぞられた位置にドット表示を行
なうようになっている。すなわち、検出された振動ペン
３の座標に対応した表示器11′上の位置にドット表が行
なわれ、振動ペン３により入力された点、線などの要素
により構成される画像はあたかも紙に書き込みを行なっ
たように振動ペンの軌跡の後に現れる。

また、このような構成によれば表示器11′にはメニュー
表示を行ない、振動ペン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３を接触させるなどの入力方式を用いることもでき
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ったホー
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
ピーダンス駆動が可能な振動子駆動回路２によって所定
のゲインで増幅された後、振動子４に印加される。

電気的な駆動信号は振動子４によって機械的な超音波振
動に変換され、ホーン部５を介して振動板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ことができる値に選択され
る。また、振動子駆動の際、振動伝達板８に対して第２
図の垂直方向に振動子４が主に振動するような振動モー
ドが選択される。また、振動子４の振動周波数を振動子
４の共振周波数とすることで効率のよい振動変換が可能
である。

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
波であり、表面波などに比して振動伝達板８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。

再び、第１図（Ａ）において、振動伝達板８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〜電気交換
素子により構成される。３つの振動センサ６の各々の出
力信号は波形検出回路６に入力され、後段の演算制御回
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は振動伝達時間の測定処理を行ない、振動ペン３
の振動伝達板８上での座標位置を検出する。

検出された振動ペン３の座標情報は演算制御回路１にお
いて表示器11′による出力方式に応じて処理される。す
なわち、演算制御回路は入力座標情報に基づいてビデオ
信号処理装置10を介して表示器11′の出力動作を制御す
る。

以下に座標検出回路の構成および動作を詳細に示す。

第３図は第１図（Ａ）の演算制御回路１の構造を示して
いる。ここでは主に振動ペン３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。

マイクロコンピュータ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11により座標演算用の回
路と同期して起動される。

カウンタ13の計数値はマイクロコンピュータ11によりラ
ッチ回路14にラッチされる。

一方、波形検出回路９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
るための検出信号のタイミング情報および、筆圧検出の
ための信号レベル情報を出力する。これらのタイミング
およびレベル情報は入力ポート15および16にそれぞれ入
力される。

波形検出回路９から入力されるタイミング信号は入力ポ
ート15に入力され、判定回路17によりラッチ回路14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11
に伝えられる。すなわち、カウンタ13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。

表示器11′の出力制御処理は入出力ポート18を介して行
なわれる。

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、それに基づく振動伝達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で示されるものは振動
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から振動伝達板
８に伝達された超音波振動は振動伝達板８内を通って振
動センサ６に検出される。

振動伝達板８内を振動センサ６までの距離に応じた時間
tgをかけて進行した後、振動は振動センサ６に到達す
る。第４図の符号42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、そのため検出波形のエンベロープ421と
位相422の関係は振動伝達距離に応じて変化する。

ここで、エンベロープの進む速度を群速度Vg、位相速度
をVpとする。この群速度および位相速度の違いから振動
ペン３と振動センサ６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V
gであり、ある特定の波形上の点、たとえばピークを第
４図の符号43のように検出すると、振動ペン３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tgとして ｄ＝Vg・tg …（１） この式は振動センサ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６と振動ペン３の距離
を示すことができる。

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なう。第４図の位相波形42
2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tpとすれば振動センサと
振動ペンの距離は 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）式から上記の整数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。たとえばＮ＝２とし、±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３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。

第４図に示した２つの振動伝達時間tgおよびtpの測定は
第１図の波形検出回路９により行なわれる。波形検出回
路９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52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検出回路
53によって検出される。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54によって
所定波形のエンベロープ遅延時間検出信号Tg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によって遅延
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
延時間検出信号Tp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Tg1〜ｈ、位相遅延時間Tp1〜ｈのそれぞれｈ個の
検出信号が演算制御回路１に入力される。

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のカウント値をラッチ回路14に取り込
む。前記のようにカウンタ13は振動子ペンの駆動と同期
してスタートされているので、ラッチ回路14にはエンベ
ロープおよび位相のそれぞれの遅延時間を示すデータが
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
６を符号S1からS3の位置に配置すると、第４図に関連し
て説明した処理によって振動ペン３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１でこの直線距離d1〜d3
に基づき振動ペン３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。

ｘ＝X/2＋（d1＋d2）（d1−d2）/2X …（４） ｙ＝Y/2＋（d1＋d3）（d1−d3）/2Y …（４） 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。

以上のようにして振動ペン３の位置座標をリアルタイム
で検出することができる。

なお、第１図（Ｂ）に示した振動伝達板８の支持構造に
換えて、第１図（Ｃ）、（Ｄ）に示すような支持構造も
考えられる。

第１図（Ｃ）の構造では、スペーサ114の下面114a、上
面114bの両面の表面粗さをサンドブラスト加工などによ
り増してある。このような構造によれば、外装113の張
り出し部に外力を加えた場合、各部材が１点で強固に固
定されていないから、圧力が加わっても弾性波の反射境
界面を生じにくいという利点を得られる。また、スペー
サ114の表裏の区別をなくすことができるから組立性も
良好である。

第１図（Ｄ）の構造では、スペーサ114と反射防止材７
を一体化したスペーサ部材116を設けている。スペーサ
部材116は、前述の反射防止材７、あるいはスペーサ114
と同一ないし相当する材料から構成する。

スペーサ部材116のコの字の上側部分は外装113に沿って
張り出し、振動伝達板８の周辺部分を覆っている。そし
てスペーサ部材116は縁部のコの字部分で振動伝達板８
を縁部に密着して振動伝達板８を保持するとともに、外
装113の張り出し部の下面では表面粗さの大きい下面部
分116aにより振動伝達板８に当接する。

このような構造によれば、上記と同様の効果を得ること
ができる他、部品点数を削減し、構造を簡略化すること
ができ、組立性を向上させ、コストを低減できるという
優れた効果がある。

［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
段により入力された振動を振動伝達板に設けられた複数
の振動センサにより検出し、振動伝達板上での振動伝達
時間から振動入力点の座標を導出する座標入力装置にお
いて、前記振動伝達板と、前記振動伝達板の周辺の所定
領域を覆うように張り出した外装部と、該外装部の下面
に設けられ、振動伝達板より大きな表面粗さを有する当
接面により振動伝達板と当接するスペーサ部材とを設け
た構成を採用しているので、振動伝達板周辺部に張り出
した外装部と振動伝達板が直接当接することが防止され
るとともに、振動伝達板と外装部の間に異物が入り込む
のを確実に防止でき、常時正確な座標検出を可能とする
ことができるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明を採用した情報入出力装置の構成
を示した説明図、第１図（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ第１
図（Ａ）の装置における振動伝達板の支持構造の異なる
構造を示した断面図、第２図は第１図（Ａ）の振動ペン
の構造を示した説明図、第３図は第１図（Ａ）の演算制
御回路の構造を示したブロック図、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（Ａ）の波形検出回路の構成を
示したブロック図、第６図は振動センサの配置を示した
説明図、第７図は従来の座標入力装置の構成を示した説
明図、第８図は第７図の装置における振動検出を示した
波形図、第９図は従来の振動伝達板の支持構造を示した
断面図である。 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、51……前置増幅器 15、16……入力ポート 52……エンベロープ検出回路 54、58……信号検出回路 59……A/D変換回路 112……シャーシ、113……外装 114……スペーサ、116……スペーサ部材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動入力手段により入力された振動を振動
   伝達板に設けられた複数の振動センサにより検出し、振
   動伝達板上での振動伝達時間から振動入力点の座標を導
   出する座標入力装置において、 前記振動伝達板と、 前記振動伝達板の周辺の所定領域を覆うように張り出し
   た外装部と、 該外装部の下面に設けられ、振動伝達板より大きな表面
   粗さを有する当接面により振動伝達板と当接するスペー
   サ部材とを設けたことを特徴とする座標入力装置。
2. 【請求項２】前記スペーサ部材と前記外装部の当接面の
   表面粗さを大きくしたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の座標入力装置。
3. 【請求項３】前記振動伝達板の端縁を支持する反射防止
   材が設けられ、前記反射防止材と前記スペーサ部材が一
   体化されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の座標入力装置。