JPH0789312B2 - 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］ ところが、上記の超音波振動方式では、環境条件、特に
温度による振動伝達特性の変化により振動検出精度およ
びこれに基づく座標検出精度が低下したりばらついたり
する問題があった。たとえば、振動伝達板として用いら
れるガラスなどの振動伝達速度はそれほど大きく変動し
ないが、振動ペン、振動センサに用いられる圧電素子の
共振周波数の変動は伝達される振動の群速度、位相速度
に大きく影響されるので、位相検出、エンベロープ検出
に基づく振動伝達時間の測定精度もこれに影響される。

［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、 振動入力手段から入力された板波を振動伝達部材に複数
設けられた振動検出手段により検出して、前記振動伝達
部材で伝達される板波の群速度、位相速度並びに各々の
速度に係る板波の伝達遅延時間から前記振動入力手段の
前記振動伝達部材上での座標を導出する座標入力装置に
おいて、 前記複数の振動検出手段のうちのいずれかを振動発生用
の振動子として用い、他の振動検出手段によりその振動
を検出して、板波の群速度、位相速度の各々に係る伝達
遅延時間の測定を行う測定手段と、 前記測定手段により所定条件における板波の群速度、位
相速度の各々に係る伝達遅延時間の測定を行い、この測
定結果に基づいて群速度、位相速度、および波長につい
ての座標導出に必要な定数を決定する定数決定手段と、 前記定数決定手段により決定された定数と前記測定手段
により測定された板波の群速度、位相速度の各々に係る
伝達遅延時間に基づいて、座標の導出を行う制御手段と
を有する構成を採用した。

［作用］ 以上の構成によれば、振動伝達部材で伝達される板波の
群速度、位相速度並びに各々の速度に係る板波の伝達遅
延時間から振動入力手段の振動伝達部材上での座標を導
出するに際して、複数の振動検出手段のうちのいずれか
を振動発生用の振動子として用い、他の振動検出手段に
よりその振動を検出して、板波の群速度、位相速度の各
々に係る伝達遅延時間を測定し、測定された所定条件に
おける板波の群速度、位相速度の各々に係る伝達遅延時
間に基づき群速度、位相速度、および波長についての座
標導出に必要な定数を決定することができる。

［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情報入出力装置の構造を示し
ている。第１図の装置は座標検出のみならず、入力情報
の表示も行なう。すなわち、図示した情報入力装置は振
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にそ
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。

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。

図示のように、振動ペン３はペン軸状のケースを有し、
その先端部にはホーン部５が固定される。ホーン部５は
振動子４の振動を効率よく振動伝達板８に伝達させるた
め、エクスポネンシャル形状となっている。すなわち、
ホーン部５の断面積は根本から先端に向かって指数関数
的に変化するように構成されている。また、ホーン部５
の音響インピーダンスは振動子４と共振系を構成するよ
うに設定されている。

振動ペン３の振動子４は、振動子駆動回路２により所定
の周波数で駆動される。

駆動回路２が発生す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。

上記のように構成された振動ペン３から振動伝達板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。

また、後述の定数設定処理のため、図の左下の検出座標
の原点に対応する振動センサ６はスイッチ22の切り換え
により振動子駆動回路２の出力信号を印加できるように
構成してある。すなわち、この振動センサ６は振動子と
して用いられる。スイッチ22はマニュアル処理、あるい
は後述のタイミングにより演算制御回路１により必要に
応じて自動的に切り換えられる。

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ディス
プレイ駆動回路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図の演算制御回路１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。マイクロコンピュータ11は駆動信号発
生回路12に前記の振動子駆動回路２の駆動を開始させる
スタート信号を与えるとともに、振動開始に同期して振
動伝達時間を計測するためのカウンタ13をスタートさせ
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を出力する。

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16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17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波板は分散
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−Vg・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 …（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。

以上の構成において、振動センサ６の１つを用いて環境
条件に依存した振動伝達特性を測定し、座標演算に役立
てる方式につき説明する。

ガラスにおける振動伝達速度の温度変化は、実験による
と1mm厚のガラスで約0.006％／℃程度また圧電素子の共
振周波数の変化は0.3％／℃であった。上記データから
わかるように、ガラスの温度に応じた振動伝達速度変化
はほとんど無視してよいが、圧電素子の共振周波数の変
化により、ガラスの振動伝達速度はガラスの厚みｔと、
周波数ｆの積について第７図のように変化する。

ｆ・ｔに関する装置の使用範囲Ｗ近傍で、たとえば20℃
の変化があったとすると、共振周波数ｆは６％変化す
る。第７図から明らかなように、厚みｔと周波数ｆの積
ｆ・ｔが６％変化すると、振動伝達速度は１％の変化を
生じる。すなわち、振動ペン３と振動センサ６の距離が
実質100mmの場合には1mmの誤差が現れる。前記の群速度
Vg、位相速度Vp、波長λｐをあらかじめ測定により求め
た固定値として設定した場合、ペンとセンサの距離が離
れれば離れるほど誤差が大きくなる。

したがって、本実施例では、上記定数Vg、Vp、λｐの値
を実測し、これを座標演算に用いることにする。

これらの定数Vg、Vp、λｐを測定するには、振動センサ
６の一つをスイッチ22を切り換えて振動子として用い、
他の振動センサ６によりその振動を検出する。振動子と
して用いる振動センサと、検出用のセンサの距離ｄはわ
かっているから、この距離ｄを検出した振動伝達時間で
除することによりVgを求めることができる。すなわち、 Vg＝d/tg …（６） である。

次に（２）式におけるλｐであるが、検出波形の立ち上
りのゼロクロスをtpr、立下りのゼロクロスをtpfとすれ
ば、 λｐ＝Vp・2|tpr−tpf| …（７） である。したがって（２）式は、 Tp＝2|tpr−tpf|とすると、 ｄ＝ｎ・Vp・Tp＋Vp・tp …（８） となる。ここで、ｎは（３）式に関して前述したよう
に、測定されているｄの誤差が±1/2波長以内の精度で
測定に用いる振動センサ６の間の距離が保たれていれ
ば、前もって測定された振動センサ６間の距離に応じた
既知のｎを用いることができる。したがって、Vp、λｐ
は Vp＝d/（ｎ・Tp＋tp） …（９） λｐ＝ｄ・Tp/（ｎ・Tp＋tp） …（10） となり、（６）、（７）、（８）式よりVg、Vp、λｐを
求めることができる。

以上のようにして求めた各定数Vg、Vp、λｐを前述の座
標演算に用いることにより、主として温度変化に依存す
る振動伝達特性変化による検出誤差を補正することがで
きる。

上記の定数設定処理を行なうタイミングに関しては種々
の実施例が考えられる。まず、装置の電源を投入した際
に行なう方法、また、所定回数の座標検出サンプリング
（100回から1000回程度）ごとに行なう方法、また振動
ペンが（所定時間以上）振動伝達板から離れている状態
で行なう方法などが考えられている。

上記の測定、および定数設定を行なう場合には、振動ペ
ン３と振動センサの圧電素子の振動入力条件をなるべく
等しくするために、両者の圧電素子に同じものを用いる
のがよい。

上記実施例では、振動伝達板８による入力タブレットを
CRTによる表示器11′に重ねて用いる構成を示したが、
入力タブレットと表示器はこのように重ねて配置される
必要はなく、別体であってもかまわない。また、表示器
は液晶表示器など他の表示方式のものであってもよい。

［発明の効果］ 以上から明らかなように、本発明によれば、振動伝達部
材で伝達される板波の群速度、位相速度並びに各々の速
度に係る板波の伝達遅延時間から振動入力手段の振動伝
達部材上での座標を導出するに際して、複数の振動検出
手段のうちのいずれかを振動発生用の振動子として用
い、他の振動検出手段によりその振動を検出して、板波
の群速度、位相速度の各々に係る伝達遅延時間を測定
し、測定された所定条件における板波の群速度、位相速
度の各々に係る伝達遅延時間に基づき群速度、位相速
度、および波長についての座標導出に必要な定数を決定
するようにしているため、座標導出に必要な定数条件を
実測により決定でき、環境条件にかかわらず正確な座標
入力精度を維持できる優れた座標入力装置を提供するこ
とができる。

【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構成を示し
た説明図、第２図は本発明による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図は振動伝達
特性の変化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、５……ホーン部 ６……振動センサ、８……振動伝達板 15……入力ポート、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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動入力手段から入力された板波を振動伝
   達部材に複数設けられた振動検出手段により検出して、
   前記振動伝達部材で伝達される板波の群速度、位相速度
   並びに各々の速度に係る板波の伝達遅延時間から前記振
   動入力手段の前記振動伝達部材上での座標を導出する座
   標入力装置において、 前記複数の振動検出手段のうちのいずれかを振動発生用
   の振動子として用い、他の振動検出手段によりその振動
   を検出して、板波の群速度、位相速度の各々に係る伝達
   遅延時間の測定を行う測定手段と、 前記測定手段により所定条件における板波の群速度、位
   相速度の各々に係る伝達遅延時間の測定を行い、この測
   定結果に基づいて群速度、位相速度、および波長につい
   ての座標導出に必要な定数を決定する定数決定手段と、 前記定数決定手段により決定された定数と前記測定手段
   により測定された板波の群速度、位相速度の各々に係る
   伝達遅延時間に基づいて、座標の導出を行う制御手段と
   を有することを特徴とする座標入力装置。
2. 【請求項２】電源投入時、所定回数の座標出力を行った
   時、或いは振動入力操作が行われていないことを条件と
   して前記測定手段による測定を行なうことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の座標入力装置。
3. 【請求項３】前記振動入力手段内に設置された振動発生
   素子と前記振動検出手段が同一の特性を有する圧電素子
   からな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。