JPH0776901B2 - 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、特に振動伝達板上の振動伝達時
間から指示点座標を検出する座標入力装置であって、振
動伝達板を防振材を介して支持する構造を有する座標入
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。

この種の装置のタブレッ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。

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ットに伝達される超音波振動
を検出する方式。

上記の１）、２）の方式では、抵抗膜や導体膜を用いる
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したがって、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感覚で使用できる操作感覚のよ
い情報入出力装置を構成できる。

［発明が解決しようとする問題点］ 一方、以上の超音波方式では、振動を媒介として座標検
出を行なうので、特有の諸問題がある。

まず、タブレットに表面波を発生させ、これを座標検出
に用いる方式では、タブレットの振動伝達板の傷、ある
いはその上の障害物により反射波が発生し、座標検出精
度を低下させる。また、振動伝達板の傷の問題を回避す
るため、固体中ではなく、空気中で振動を伝達させる方
式も考えられているが、この方法でも伝播路の障害物に
より振動伝達特性が変化するので、精度上の問題を生じ
る。

また、弾性波のうち、板波を利用する方式は、伝達板の
傷や障害物に関する妨害に強いが、速度分散が生じるか
ら、あるしきい値による検出では振動波長に依存した誤
差を生じるという問題がある。

また、弾性波振動を振動伝達板上で伝達させる方式で
は、振動伝達板の端縁で反射波が生じる。これが直接波
と合成されると、検出波形に歪みを生じ、検出精度を低
下させる問題がある。

そこで、振動伝達板の周辺部を高分子材料などから構成
した防振材により支持する構造が考えられている。従来
のこの方式では、防振材の近傍に振動入力を行なうと、
検出レベルが著しく低下し、これにより座標検出精度も
低下してしまうという問題があった。

［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、振動ペ
ンから入力された振動を振動伝達板に設けられた振動セ
ンサにより検出して、振動入力点の座標を検出する座標
入力装置において、前記振動伝達板の周辺部に防振材を
設け、前記防振材において前記振動伝達板の中心に向か
う端面から前記中心側へ、前記防振材による前記振動の
振幅減衰の影響を受けない距離として、前記振動の２波
長以上の距離をおいた位置に前記振動センサを装着した
構成を採用した。

［作用］ このような構成によれば、振動センサより振動伝達板の
中心側で入力された振動は防振材による振幅減衰の影響
を受けずに振動センサに検出される。したがって、防振
材の振動振幅減衰の影響による座標検出不能、検出精度
低下の問題を防止することができる。

［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、ドットマトリクス方式
などの表示方式を有するディスプレイ11′とともに文
字、図形、画像などの情報入出力装置を構成する。

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
動をその辺部に３個設けられた振動センサ６に伝達す
る。この振動センサ６の配置については後述する。

本実施例における振動ペンを用いる座標検出では、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には、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、合成樹脂などで構成された防振材７が装着されてい
る。

振動伝達板８はCRT（あるいは液晶表示器）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示が行なわれ、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〜電気変換素子に
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。

第３図は第１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、そのため振動伝達板８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の関係は振
動伝達中に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とすれば、±1/2波長いな
いであれば、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図の波形検
出回路は筆圧検出のため、後述のように振動センサ６の
出力波形のレベル情報も処理する。

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つの分のもので、
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Tg1〜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しめすデータ
が取り込まれる。

たとえば、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 ……（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。

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。第１図のように振動センサ６
を振動伝達板８の３辺の中央位置に設けても、原点を移
動して第６図と同様な演算を行なうことによって振動ペ
ンの位置座標を検出できる。

第７図（Ａ）、（Ｂ）は防振材７の有無による振動伝達
特性の違いを示したものである。第７図（Ａ）は防振材
７が設けられていない場合、また第７図（Ｂ）は防振材
７が設けられている場合で、防振伝達板８は両面の防振
材７により挟持されている。防振材７、振動伝達板８は
支持部材112により保持されている。第７図（Ａ）、
（Ｂ）の下部には異なる時刻において振動伝達板８で伝
達される２つの超音波波形が拡大して示されている。

防振材７を設けてない場合には、第７図（Ａ）のように
振幅は減衰しない。一方、防振材７が設けられている場
合には第７図（Ｂ）のように、振動伝達板８の周辺部で
振動の減衰が生じる（第７図（Ａ）、（Ｂ）では距離に
応じた振動の減衰は省略してある）。

特に、第７図（Ｂ）のように防振材７を設けると、防振
材７から２波長以内の距離の領域、すなわち、第７図
（Ａ）、（Ｂ）の符号113の破線よりも左側の領域で
は、防振材７により振動が拘束され、大きな振幅の減衰
が生じる。第８図（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ第７図
（Ａ）、（Ｂ）の構成においてそれぞれ検出される振動
波形を示している。第８図（Ｂ）の検出波形の振幅ｂは
第８図（Ａ）の振幅ａよりも大幅に減衰している。

したがって、前述のような検出方式を採用した場合に
は、エンベロープ（第４図の符号421）の検出精度が著
しく低下し、座標検出が不可能になったり、精度が低下
したりする。逆に位置113よりも右側の領域では、弾性
波の振幅はほどんど減衰せず、正確な座標検出が可能で
ある。

このことを第９図〜第11図を参照して説明する。

第９図、第10図は防振材７からの距離と、弾性波の振幅
が減少する範囲の関係を２次元的に示している。第９図
は振動ペン３、振動センサ６、防振材７、振動伝達板８
と振動伝達経路の関係を斜視図として、また第10図は上
面図として示している。

振動ペン３により振動入力を行なうと、振動伝達板８に
弾性波が伝達され、符号115の経路を通って振動センサ
６に伝達される。ここで、Ｃは経路115を中心とした弾
性波の２波長分以内の領域を示している。

まず、防振材７の端面を符号Ａの位置に設定すると、領
域Ｃが防振材７と重なる部分Ｄが生じ、この領域では防
振材による拘束により大きな振動の減衰が生じる。振動
ペン３を防振材境界面からの距離を一定にして振動セン
サ６から離せばこの傾向は強まるので、振動伝達板８の
角部分では部分Ｄの影響をさらに大きくなる。

一方、防振材７の境界面を符号Ｂの位置に設定すれば、
領域Ｃと防振材７が重ならないので、振幅の減衰は生じ
ない。

従って、第11図のように振動センサ６を位置113（第９
図、第10図のＢの位置に対応）よりも防振材７から離れ
た位置に設けるようにすれば、振幅の減衰による座標検
出不能、ないし座標検出精度の低下を生じることなく、
正確な座標検出が可能である。

ただし、振動ペン３を位置113よりも防振材７に近い側
に符号Ｆのように移動してしまうと、防振材７と、振動
伝達経路から２波長以内の領域Ｃが符号Ｄのように防振
材７と重なるため、座標検出精度が保証される領域もや
はり位置113よりも内側となる。すなわち、位置Ｅより
も内側で振動ペン３により座標入力を行なった場合にの
み、良好な検出特性が確保される。

第11図のように振動センサ６を配置した場合の振動セン
サ６、防振材７、振動伝達板８の位置関係を第12図に示
す。前記の構成では振動センサ６を３個設けた例を示し
たが、ここでは振動センサ６の装着が可能な振動伝達板
８の４辺中央部の４つの位置を示している。振動センサ
６は振動伝達板８の各辺に関して防振材７の端部から２
波長以上離れた位置113、ないしこれよりも内側に配置
される。振動センサ６の設定数は一直線上に配置されな
い最低３個で、それ以上の数のセンサを設けてもよい。

ここで、防振材７から２波長以内の範囲を決定する根拠
となる測定結果を第13図、第14図に示しておく。

第13図は振動伝達特性測定時の振動ペン３、振動センサ
６、防振材７の位置関係を示したものである。この実験
では、振動ペン３、振動センサ６を結ぶ線分を防振材７
の端縁と平行にし、振動ペン３、振動センサ６を結ぶ線
分と防振材７端縁の距離Ｇをかえて防振センサ６による
検出振幅レベルを測定した。ここでは、防振材７を主と
して塩化ビニルを用いた樹脂、振動伝達板８を1mm厚の
ガラス板を構成し、振動周波数として400kHzを用いた。
このときの伝達弾性波の波長は約4.5mmに相当する。

結果は第14図に示すように、距離Ｇが大きくなるにつれ
て振動センサ６による検出振幅レベルは大きくなり、距
離Ｇが伝達弾性波の２波長に達する点において、防振材
７が無い時と同一の検出振幅レベルが得られた。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、振動
ペンから入力された振動を振動伝達板に設けられた振動
センサにより検出して、振動入力点の座標を検出する座
標入力装置において、前記振動伝達板の周辺部に防振材
を設け、前記防振材において前記振動伝達板の中心に向
かう端面から前記中心側へ、前記防振材による前記振動
の振幅減衰の影響を受けない距離として、前記振動の２
波長以上の距離をおいた位置に前記振動センサを装着し
た構成を採用したので、防振材の振動振幅減衰の影響に
よる座標検出不能あるいは検出精度低下の問題を防止
し、正確な座標検出が行なえるという優れた効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を採用した情報入出力装置の座標入力部
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
（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ防振材７の有無による振動波
形の違いを示した説明図、第８図（Ａ）、（Ｂ）はそれ
ぞれ第７図（Ａ）、（Ｂ）の構成において検出される振
動波形を示した線図、第９図は振動ペン、振動センサ、
防振材の位置関係を示した斜視図、第10図は第９図の上
面図、第11図は有効な振動センサの配置範囲および座標
入力範囲を示した上面図、第12図は本発明における振動
センサ、防振材、振動伝達板の位置関係を示した説明
図、第13図は本発明の寄り処となる実験の様子を示した
説明図、第14図は第13図の状態での検出振幅レベルを示
した線図である。 １……演算制御回路、３……振動ペン ４……振動子、６……振動センサ ７……防振材 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 91……ピークホールド回路 92……加算回路、93……コンパレータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動ペンから入力された振動を振動伝達板
   に設けられた振動センサにより検出して、振動入力点の
   座標を検出する座標入力装置において、 前記振動伝達板の周辺部に防振材を設け、前記防振材に
   おいて前記振動伝達板の中心に向かう端面から前記中心
   側へ、前記防振材による前記振動の振幅減衰の影響を受
   けない距離として、前記振動の２波長以上の距離をおい
   た位置に前記振動センサを装着したことを特徴とする座
   標入力装置。