JPH0922327A - 座標入力装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】入力ペンと本体とがワイヤレスであって、しか
も簡単な構成で高精度な座標入力を実現する。 【解決手段】振動が入力されると、振動伝達板上の４箇
所のセンサで振動を検出し、１つのセンサを基準とした
振動の遅延時間差を測定する（ｓ２）。その時間差を基
に座標値を算出し（ｓ３）、基準領域内であればその座
標値に基づいて、振動源からセンサまでの振動の遅延時
間を算出する（ｓ７）。その後タイマで振動源からセン
サまでの振動の遅延時間を測定し、本体タイマをリセッ
トして本体とペンとの同期をとる（ｓ８）。この後振動
が入力されると、遅延時間を基に座標値を算出し（ｓ１
１）、それが基準領域内にあれば遅延時間差による座標
も算出する（ｓ１５）。両座標値を比較し、所定量以上
ずれていれば（ｓ１７）、ずれに応じてタイマをリセッ
トして再同期させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は座標入力装置、特に
入力ペンから指示された点の座標を決定する座標入力装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波を利用した振動入力ペンを
用いる座標入力装置は、振動入力ペンからの振動が所定
の位置に置かれた振動検出部まで到着する遅延時間を計
時し、該計時時間に基づき振動入力ペンの座標位置を出
力する。この装置の演算制御回路は、遅延時間を計時す
るためのカウンタを振動入力ペンの振動タイミングで同
時にスタートさせ、振動検出部が振動入力ペンからの振
動を検出するまでの時間をカウントしている。

【０００３】従って、振動発生源である振動入力ペンと
本体回路は信号ケーブルでつながれ、振動入力ペン内の
例えば圧電素子に駆動パルスを供給するとともに、信号
の同期をとる構成となっている。

【０００４】あるいは、例えば振動入力ペン内に、振動
子駆動回路，電源等を有すると共に、光，電波等を利用
して本体との同期を得る方式もある。しかしながら、こ
の構成は本体とペンとの同期をとる必要があることか
ら、回路構成が複雑になり、コストアップの原因となる
ばかりか、ペン自身が重くなり、操作性が低下するとい
う課題がある。

【０００５】これらの点を鑑み、入力ペンのコードレス
化を実現する方法として、ペンから発した振動を検出す
るまでの遅延時間を直接利用せず、複数の位置で振動を
検出し、基準となる検出位置で振動を検出してから、他
の位置で振動を検出するまでの時間差を利用する方法が
考えられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法では、基準となる検出位置における振動の遅延時間と
その他の検出位置における遅延時間との差が小さい場合
には、得られる座標値が不正確な値になりがちであると
いう問題点があった。

【０００７】本発明は上記従来例に鑑みてなされたもの
で、入力ペンを装置本体から独立したコードレス化を実
現するとともに、座標入力面の全面にわたって正確な座
標入力を行うことができる座標入力装置およびその制御
方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【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成る。
すなわち、入力された振動を伝達する振動伝達体と、振
動源から入力された振動が前記振動伝達体上の複数の検
出箇所それぞれに到達するまでの時間差を測定し、測定
された時間差に基づく第１の算出手順に従って振動源の
座標値を算出する第１の座標算出手段と、前記第１の算
出手段により算出された座標値に基づいて、前記振動源
から前記検出箇所各々まで振動が到達するのに要する遅
延時間を算出する遅延算出手段と、所定の周期で計時を
再開する計時手段と、該計時手段により計時を開始して
から、前記各検出位置において振動を検出するまでの遅
延時間を測定する遅延測定手段と、前記遅延算出手段と
前記遅延測定手段のそれぞれにより得られた遅延時間を
比較し、その差分に応じて前記計時手段が計時を再開す
るタイミングを調整する手段と、前記遅延測定手段によ
り測定された遅延時間に基づく第２の算出手順に従って
振動源の座標値を算出する第２の座標算出手段とを備え
る。

【０００９】また、本発明の座標入力装置の制御方法は
次のような構成から成る。即ち、振動源から入力された
振動が前記振動伝達体上の複数の検出箇所それぞれに到
達するまでの時間差を測定し、測定された時間差に基づ
く第１の算出手順に従って振動源の座標値を算出する第
１の座標算出工程と、前記第１の算出工程により算出さ
れた座標値に基づいて、前記振動源から前記検出箇所各
々まで振動が到達するのに要する遅延時間を算出する遅
延算出工程と、タイマが計時を開始してから、前記各検
出位置において振動を検出するまでの遅延時間を測定す
る遅延測定工程と、前記遅延算出工程と前記遅延測定工
程のそれぞれにより得られた遅延時間を比較し、その差
分に応じて前記タイマが計時を開始するタイミングを調
整する工程と、前記遅延測定工程により測定された遅延
時間に基づく第２の算出手順に従って振動源の座標値を
算出する第２の座標算出工程とを備える。

【００１０】

【発明の実施の形態】まず図２を用いて、本実施形態に
於ける座標入力装置の概略校正を説明する。図中、演算
制御回路１は、装置全体を制御すると共に座標位置を算
出する。振動子駆動回路２は振動ペン３に内蔵されてお
り、振動ペン３内の振動子４を駆動しペン先５を振動さ
せるものである。振動伝達板８はアクリルやガラス板
等、透明部材からなり、振動ペン３による座標入力は、
この振動伝達板８上をタッチすることで行う。つまり、
図示に実線で示す符号Ａの領域（以下有効エリア）内を
振動ペン３で指定する事で、振動ペン３で発生した振動
が振動伝達板８に入射され、この入射された振動が振動
ペン３から各センサまで到達する時間、または各センサ
に到達する時間差を基に振動ペン３の位置座標を算出す
ることができるようにしたものである。

【００１１】また、伝播してきた波が振動伝達板８の端
面で反射し、その反射波が中央部に戻るのを防止（減
少）するために、振動伝達板８の外周には防振材７が設
けられ、図２に示すように防振材の内側近傍に圧電素子
等、機械的振動を電気信号に変換させる振動センサ６ａ
〜６dが固定されている。信号波形検出回路９は、各振
動センサ６ａ〜６ｄで検出された振動の信号を演算制御
回路１に出力する。ディスプレイ１１は液晶表示器等の
ドット単位の表示が可能でディスプレイであり、振動伝
達板の背後に配置している。そしてディスプレイ駆動回
路１０の駆動により振動ペン３によりなぞられた位置に
ドットを表示し、それを振動伝達板８（透明部材からな
る）を透かしてみる事が可能になっている。

【００１２】図３に示すように、振動ペン３に内蔵され
た振動子４は、ペン電源２１，ペンタイマ２２と発振回
路２３とで構成された振動子駆動回路２によって駆動さ
れる。振動子４の駆動信号は、ペンタイマ２２によって
任意の一定周期で繰り返し発せられるパルス信号が発振
回路２３によって所定のゲインで増幅された後、印加さ
れる。本実施形態の場合、後述する方法により座標の算
出を可能とするので、本体とペンとの同期のために信号
ケーブルや光等を利用した通信を不要とし、操作性に優
れ、しかも回路構成を簡略にでき、電池寿命，コスト等
の点で利点を有する構成となっている。ペンタイマ２２
と発信回路２３は同じく振動ペンに内蔵された電池等で
構成されるペン電源２１によって電力が供給される。電
気的な駆動信号は振動子４によって機械的な振動に変換
され、ペン先５を介して振動伝達板８に伝達される。

【００１３】ここで振動子４の振動周波数はガラスなど
の振動伝達板８に板波を発生することができる値に選択
される。また、振動子４の振動周波数をペン先５を含ん
だ共振周波数とする事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、表面波などに比べて振動伝達板の表面の
傷，障害物等の影響を受けにくいという利点を有する。

【００１４】本実施形態の振動伝達板８はガラス等の透
明部材で構成され、液晶等の表示装置と重ね合わせてあ
たかも紙と鉛筆のような操作環境を提供しているが、振
動伝達板８は振動を伝達できる材質、例えばアルミニウ
ム，鉄，銅といった金属（合金）で構成されていても良
いことは言うまでもない。

【００１５】＜演算制御回路の説明＞上述した構成にお
いて、所定周期毎（例えば５ｍｓ毎）に振動子駆動回路
２は、振動ペン３内の振動子４を駆動させる信号を出力
する。そして、振動ペン３より発生した振動は振動伝達
板８上を伝播し、振動センサ６ａ〜６ｄ迄の距離に応じ
て遅延して到達する。

【００１６】信号波形検出回路９は各振動センサ６ａ〜
６ｄからの信号を検出して、後述する波形検出処理によ
り基準となる振動センサ６ａと、６ｂ〜６ｄへの振動到
達タイミングの各時間差を示す信号等を生成するが、演
算制御回路１には各センサの組合せ毎のこの時間信号が
入力され、基準となる振動センサ例えば６ａとそれ以外
の振動センサ６ｂ〜６ｄまでの振動到達時間の差を計時
し、そして振動ペンの座標位置を算出する。この到達遅
延時間差より座標を算出する第１の座標算出手順は、項
を改めて説明する。

【００１７】また演算制御回路１は、この算出された振
動ペン３の位置情報を基にディスプレイ駆動回路１０を
駆動して、ディスプレイ１１による表示を制御したり、
あるいはシリアル，パラレル通信によって外部機器に座
標出力を行なう（不図示）。図４は実施形態の演算制御
回路１の概略構成を示すブロック図で、各構成要素及び
その動作概略を以下に説明する。

【００１８】図中、マイクロコンピュータ３１は演算制
御回路１及び本座標入力装置全体を制御するものであ
り、内部カウンタ，操作手順を記憶したＲＯＭ、そして
計算等に使用するＲＡＭ、定数等を記憶する不揮発性メ
モリ等によって構成されている。タイマ３３は不図示の
基準クロックを計時するもので、例えばカウンタなどに
より構成されている。

【００１９】検出信号入力ポート３５には、到達遅延時
間差より座標を算出する第１の算出手順が用いられる場
合には、基準となるセンサ（本実施形態では振動センサ
６ａ）と、その他の振動センサ６ｂ〜６ｄとの振動伝達
遅延時間差信号が入力される。従ってタイマ３３を用い
てセンサ６ａと６ｂ〜６ｄ間の振動が検出されるまでの
遅延時間の差を測定することになる。一方、入力ペン３
から各センサ６ａ〜６ｄに振動が到達するまでの遅延時
間（以後遅延絶対時間と呼ぶ）より座標を算出する第３
の算出手順が用いられる場合には、後述する方法でタイ
マ３３とペンタイマ２２とを同期させ、振動入力ペン３
が振動を発生するタイミングを得ることができるので、
検出信号入力ポート３５には振動伝達遅延絶対時間信号
が入力されることになる。

【００２０】その他各構成要素となる回路は順を追って
説明する。

【００２１】信号波形検出回路９より出力される信号
は、検出信号入力ポート３５を介してラッチ回路３４ｂ
〜３４ｄに入力される。検出信号入力ポート３５に振動
伝達遅延絶対時間が入力される場合には、ラッチ回路３
４ａ〜３４ｄのそれぞれは、各振動センサ６ａ〜６ｄに
対応しており、対応するセンサの到達遅延絶対時間信号
のタイマ３３の計時値をラッチする。一方、検出信号入
力ポート３５に振動伝達遅延時間差信号が入力される場
合には、ラッチ回路３４ａ〜３４ｄのそれぞれは、基準
センサ６ａと振動センサ６ｂ〜６ｄの各々の差を計測す
るように対応しており、到達遅延時間差信号のタイマ３
３の計時値をラッチするよう構成される（この場合ラッ
チ回路３４ａは機能しない）ほか、センサ６ａ〜６ｄの
後述する△ｔｇｔｐ信号、つまり群遅延時間ｔｇと位相
遅延時間ｔｐの検出時間差を各々計測するように構成さ
れる。

【００２２】このようにして全ての信号の受信がなされ
たことを判定回路３６が判定すると、マイクロコンピュ
ータ３１にその旨の信号を出力する。マイクロコンピュ
ータ３１がこの判定回路３６からの信号を受信すると、
ラッチ回路から各々の時間情報をラッチ回路より読取
り、所定の計算を行なって、振動伝達板８上の振動ペン
３の座標位置を算出する。そして、Ｉ／Ｏポート３７を
介してディスプレイ駆動回路１０に算出した座標位置情
報を出力することにより、例えばディスプレイ１１の対
応する位置にドットなどを表示することができる。ある
いはＩ／Ｏポート３７を介しインターフェース回路に、
座標位置情報を出力することによって、外部機器に座標
値を出力することができる。

【００２３】＜振動伝搬時間検出の説明（図５，図６）
＞以下、振動センサ６までの振動到達時間を計測する原
理について説明する。

【００２４】図５は信号処理について説明するタイミン
グチャートであり、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ための図である。以下、振動
センサ６ａと６ｂの差を検出する場合についてまず説明
するが、その他の振動センサ６ｃ，６ｄについても全く
同じである。

【００２５】信号波形検出回路９と後述のようにして同
期がとられている状態で振動子駆動回路２から振動子４
へ駆動信号４１が印加されている。この信号４１によっ
て、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、振動センサ６ａまでの距離に応じた時間ｔｇａ
（図５参照、この値は後述する方法で知ることができ
る）をかけて進行した後、振動センサ６ａで検出され
る。

【００２６】図示の４２で示す信号は振動センサ６ａが
検出した信号波形を示している。この実施形態で用いら
れている振動は板波であるため振動伝達板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４２
２の関係は振動伝達中に、その伝達距離に応じて変化す
る。ここでエンベロープ４２１の進む速度、即ち、群速
度をＶｇ、そして位相４２２の位相速度をＶｐとする。
この群速度Ｖｇ及び位相速度Ｖｐから振動ペン３と振動
センサ６ａ間の距離を検出することができる。

【００２７】まず、エンベロープ４２１にのみ着目する
と、その速度はＶｇであり、ある特定の波形上の点、例
えばエンベロープ４２１の２回微分波形４２３のゼロク
ロス点、すなわちエンベロープ波形の変曲点を検出する
と、振動ペン３及び振動センサ６ａの間の距離ｄａは、
その振動伝達時間をｔｇａとして、 ｄａ＝Ｖｇ・ｔｇａ …（１） で与えられる。この式は振動センサ６ａの一つに関する
ものであるが、同じ式により他の３つの振動センサ６ｂ
〜６ｄと振動ペン３の距離も同様にして表すことができ
る。振動センサ６ａと振動ペン３との距離ｄａとセンサ
６ｂとペン３との距離ｄｂとの距離差△ｄｂは、同様に
検出されるセンサ６ｂについての振動到達タイミング４
３（ｔｇｂ）との差、すなわち振動伝達時間の差４３１
（△ｔｇｂ）により、次式で与えられる。

【００２８】 △ｄｂ＝Ｖｇ・ｔｇｂ−Ｖｇ・ｔｇａ＝Ｖｇ・△ｔｇｂ …（２） 更に、より高精度な座標決定をするために、位相信号の
検出に基づく処理を行なう。位相波形信号４２２の特定
の検出点、例えば振動印加から、ある所定の信号レベル
４４後のゼロクロス点までの時間をｔｐａ（コンパレー
ト後の信号４７の最初の立ち上がり点に対し所定幅の窓
信号４８を生成し、位相信号４２２と比較することで得
る）とすれば、振動センサと振動ペンの距離は、 ｄａ＝ｎａ・λｐ＋Ｖｐ・ｔｐａ …（３） となる。ここでλｐは弾性波の波長、ｎａは整数であ
る。ここでも、センサ６ａと６ｂの距離差△ｄｂを、同
様に検出したセンサ６ｂのゼロクロス点ｔｐｂとの差；
△ｔｐｂで表すと、 △ｄｂ＝ｎｂ・λｐ＋Ｖｐ・ｔｐｂ−（ｎａ・λｐ＋Ｖｐ・ｔｐａ） ＝（ｎｂ−ｎａ）・λｐ＋Ｖｐ・（ｔｐｂ−ｔｐａ） ＝ｎｂ’・λｐ＋Ｖｐ・△ｔｐｂ …（４） となる。ｎｂ’は、ｎｂやｎａと同様整数である。

【００２９】前記（２）式と（４）式から上記の整数ｎ
ｂは、 ｎｂ’＝int[（Ｖｇ・△ｔｇｂ−Ｖｐ・△ｔｐｂ)／λｐ＋１／Ｎ] …（５） と表される。

【００３０】ここで、Ｎは“０”以外の実数であり、適
当な値を用いる。例えば、Ｎ＝２とすれば±１／２波長
以内のｔｇ等の変動であれば、ｎｂ’を決定することが
できる。上記のようにしてもとめたｎｂ’を（４）式に
代入することで、振動ペン３及び振動センサ６ａ間の距
離と、ペン３とセンサ６ｂ間の距離の差△ｄｂを精度良
く測定することができる。上述した２つの振動伝達時間
の差△ｔｇ及び△ｔｐの測定のため信号４３１及び４９
１の生成は、信号波形検出回路９により行われるが、こ
の信号波形検出回路９は図６に示すように構成される。

【００３１】図６は実施形態の信号波形検出回路９の構
成の一部を示すブロック図である。図６は、振動センサ
６ａと６ｂの到達遅延時間差△ｔｇｂ，△ｔｐａを検出
する部分を示しており、センサ６ａと６ｃ，６ａと６ｄ
についての同じ回路構成要素を信号波形検出回路９は含
んでいる。図６において、振動センサ６ａ，６ｂの出力
信号は、前置増幅回路５１ａ，５１ｂにより所定のレベ
ルまで各々増幅される。増幅された信号は、帯域通過フ
ィルタ５１１ａ，５１１ｂにより検出信号の余分な周波
数成分が除かれ、例えば、絶対値回路及び、低域通過フ
ィルタ等により構成されるエンベロープ検出回路５２
ａ，５２ｂに各々入力され、検出信号のエンベロープの
みが取り出される。エンベロープ変曲点のタイミング
は、エンベロープ変曲点検出回路５３ａ，５３ｂによっ
て各々検出される。変曲点検出回５３ａ，５３ｂはモノ
マルチバイブレータ等から構成された△ｔｇ信号検出回
路５４によて２センサ間のエンベロープ遅延時間検出信
号である信号△ｔｇ（図５信号４３１）が形成され、演
算制御回路１に入力される。

【００３２】一方、信号検出回路５５ａ，５５ｂは、セ
ンサ６ａについて説明すれば、振動センサ６ａで検出さ
れた信号波形４２中の所定レベルの閾値信号４６を越え
る部分のバル信号４７を形成する。単安定マルチバイブ
レータ５６ａは、パルス信号４７の最初の立ち上がりで
トリガされた所定時間幅のゲート信号４８を開く。△ｔ
ｐ信号検出回路５７は、ゲート信号４８の開いている間
の位相信号４２２の最初の立ち上がりのゼロクロス点を
検出し、同様に振動センサ６ｂについて検出した信号が
入力されれば、２センサ間の位相遅延時間差信号△ｔｐ
（図５信号４９１）を演算制御回路１に供給することに
なる。尚、以上説明した回路は振動センサ６ａと６ｂに
対するものであり、他の２通りの振動センサの組合せに
も同じ回路が設けられている。

【００３３】以上、センサ間の時間差を求める構成につ
いて述べたが、この回路を用いて、絶対時間を計測する
ことも可能である。後述するように振動入力ペンが駆動
されるタイミングと本体のタイマとの同期が維持される
ため、マイクロコンピュータ３１は、振動入力ペンが駆
動されるタイミング信号を△ｔｇ信号検出回路５４，△
ｔｐ信号検出回路５７に出力し（信号線は不図示）、そ
の信号とセンサａで検出する信号との差分信号を△ｔｇ
信号検出回路５４，△ｔｐ信号検出回路５７が各々生成
することで、図５に示される遅延時間ｔｇａを得ること
ができる。この様な処理は各センサについて実行され、
各センサまでの到達遅延絶対時間を得ることができる。

【００３４】一方、本実施形態では図５、符号４５で示
されるような△ｔｇｔｐａ信号を生成するように構成さ
れ、エンベロープ変曲点検出回路５３ａ、単安定マルチ
バイブレータ５６ａ等の出力信号が△ｔｇｔｐ信号検出
回路５８ａに入力され、その出力信号が演算制御回路１
に入力されることになる。 ＜第１の座標算出手順の説明＞まず、上記構成の装置を
駆動しても座標を算出できる方式について図７を用いて
説明する。

【００３５】図に示されるように、座標入力面である振
動伝達板に４つの振動センサ６ａ〜６ｄを符号Ｓ１〜Ｓ
４の位置に設け、振動発生源である振動ペンの位置Ｐか
ら各々の振動センサ６ａ〜６ｄの位置までの直線距離ｄ
ａ〜ｄｄとする。今、ペンと本体は同期が得られていな
いので、直接距離ｄａ〜ｄｄを求めることができない
が、センサ６ａとペン３との距離ｄａとその他のセンタ
とペン３との距離ｄｂ〜ｄｄの距離差△ｄｂ〜△ｄｄを
求めることはできる。つまり、振動ペンからの振動発生
タイミングが既知でなくても、例えばセンサ６ａとセン
サ６ｂに波が到達する時間差は計測が可能であり、その
結果として距離ｄａと距離ｄｂの差を求める可能とな
る。従ってこれらの直線距離差△ｄｂ〜△ｄｄに基づ
き、振動ペン３の位置Ｐの座標（ｘ，ｙ）を３平方の定
理から次のようにして求めることができる。

【００３６】まず、算出される△ｄｂ〜△ｄｄでｄｂ〜
ｄｄを表すと、 ｄｂ＝△ｄｂ＋ｄａ …（６） ｄｃ＝△ｄｃ＋ｄａ …（７） ｄｄ＝△ｄｄ＋ｄａ …（８） となる。各センサとペンとの距離を３平方の定理で表す
と、 ｄａ^2＝ｘ^2＋ｙ^2 …（９） ｄｂ^2＝（△ｄｂ＋ｄａ）^2＝ｘ^2＋（Ｙ−ｙ）^2 …（１０） ｄｃ^2＝（△ｄｃ＋ｄａ）^2＝（Ｘ−ｘ）^2＋（Ｙ−ｙ）^2 …（１１） ｄｄ^2＝（△ｄｄ＋ｄａ）^2＝（Ｘ−ｘ）^2＋Ｙ^2 …（１２） となる。ここでＸ（大文字），Ｙ（大文字）はそれぞれ
振動センサ６ａ，６ｄ間の距離、振動センサ６ａ，６ｂ
間の距離である。なお、ｘ^yはｘのｙ乗を意味する。

【００３７】次に、｛式（１０）−式（９）｝，｛式
（１１）−式（１２）｝より、 △ｄｂ^2＋２ｄａ・△ｄｂ＝Ｙ^2−２Ｙ・ｙ …（１３） △ｄｃ^2−△ｄｄ^2＋２ｄａ・（△ｄｃ−△ｄｄ）＝Ｙ^2−２Ｙ・ｙ …（１４） となり、両式の差をとってｄａを求めると次式となる。

【００３８】 ｄａ＝−(△ｄｂ^2＋△ｄｄ^2−△ｄｃ^2)／(△ｄｄ＋△ｄｂ−△ｄｃ) …（１５） この式が成り立つのは右辺分母がゼロでないときであ
り、ゼロの時の解き方は後で述べる。式（１５）を、
（１４）に代入してｙを次式のように求まる。

【００３９】 ｙ＝Ｙ／２−△ｄｂ^2／２Ｙ ＋△ｄｂ・(△ｄｂ^2＋△ｄｄ^2−△ｄｃ^2)/(△ｄｄ＋△ｄｂ−△ｄｃ)/Ｙ …（１６） 同様な方法でｘを求めると、 ｘ＝Ｘ／２−△ｄｄ^2／２Ｘ ＋△ｄｄ・(△ｄｂ^2＋△ｄｄ^2−△ｄｃ^2)/(△ｄｄ＋△ｄｂ−△ｄｃ)/Ｘ …（１７） となる。但し、（１７）が成り立つのも、 △ｄｄ＋△ｄｂ−△ｄｃ≠０ …（１８） の時である。

【００４０】では、（１８）式の条件を満たさない時に
ついて検討する。（６）〜（８）式を代入すると、右辺
が０の時とは、 ｄｄ＋ｄｂ＝ｄｃ＋ｄａ …（１９） であり、これは、ｘ＝Ｘ／２またはｙ＝Ｙ／２の時であ
り、ｄａ＝ｄｄかつｄｂ＝ｄｃあるいはｄａ＝ｄｂかつ
ｄｃ＝ｄｄの時にのみ成立する。

【００４１】（１８）式が成立しないと判定した時は、
座標算出処理上サブルーチンに飛んで、ｘあるいはｙの
２次方程式をたてて解くことになる。

【００４２】まず、ｘ＝Ｘ／２の時、すなわち、△ｄｂ
＝△ｄｃの場合、（９）〜（１２）式は次の２式とな
る。

【００４３】 ｄａ^2＝Ｘ^2／４＋ｙ^2 …（２０） （△ｄｂ＋ｄａ）^2＝Ｘ^2／４＋（Ｙ−ｙ）^2 …（２１） 式（２１）−（２０）より求めたｄａを（２０）に代入
して、ｙは次式で求まる。

【００４４】 ｙ＝（Ｙ±√(Ａ)）／２ …（２２） ここで、 Ａ＝△ｄｂ^2・（１＋Ｘ^2／(Ｙ^2−△ｄｂ^2)） …（２３） 式（２２）の符号は△ｄｂ＞０の時“−”で、△ｄｂ＜
０の時“＋”である。同様に、ｙ＝Ｙ／２の時は、ｘは
次の通り求まる。

【００４５】 ｘ＝（Ｘ±√(Ｂ)）／２ …（２４） ここで、 Ｂ＝△ｄｄ^2・（１＋Ｙ^2／(Ｘ^2−△ｄｄ^2)） …（２５） 但し、（２４）の符号は△ｄｄ＞０の時“−”で、△ｄ
ｄ＜０の時“＋”である。

【００４６】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。

【００４７】この様な計算処理を行うことで、ペン３で
発生した振動のタイミング情報が無くてもペンの入力位
置を算出することができる。

【００４８】＜基準距離および基準遅延時間の算出手順
の説明（図７）＞図７は、前項で説明した本願第１の算
出手順であるところの差分時間より座標を算出するため
の説明図である。この図を用いて、第１の算出手順で得
られた座標値をもとに、入力位置から各振動センサまで
の振動伝達遅延時間を算出するための第２の算出手順に
ついて説明する。

【００４９】座標入力点は、差分時間から得られる第１
の算出手順によりその座標がＰ（ｘ，ｙ）と得られてい
る。従って、この座標値より各センサまでの距離を逆算
することができる。

【００５０】例えば、センサａまでの距離ｄａ０を求め
れば、３平方の定理により、 ｄａ０^2＝ｘ^2＋ｙ^2 …（２７） 従って、距離ｄａ０が既知となり、距離ｄａ０伝播する
波の群遅延時間ｔｇ０は群速度Ｖｇを用いて ｔｇａ０＝ｄａ０／Ｖｇ …（２８） で得られ、また位相遅延時間ｔｐａ０は、 ｔｐａ０＝ｔｇａ０＋△ｔｇｔｐａ …（２９） となる。つまり、既知の基準距離ｄａ０に対して基準遅
延時間ｔｇａ０，ｔｐａ０が得られることになる。今第
１の算出手順により得られた座標値より、センサまで波
が伝播する時間を求めたが、他のセンサ全てについて同
様の処理を実行することで、各センサに対する基準距
離，基準遅延時間を求めることができる。

【００５１】この求められた基準遅延時間ｔｇａ０，ｔ
ｐａ０が基準距離ｄａ０の時に出力されるように、前述
演算制御回路１は信号を生成する。そして第３の算出手
順により計測を行なう場合には、その信号が前述した△
ｔｇ信号検出回路５４，△ｔｐ信号検出回路５７に入力
され、波の伝播遅延絶対時間を計測するように構成され
る。

【００５２】＜第２の座標算出手順の説明＞計測される
波の伝播遅延絶対時間を用いて、入力ペンとセンサ間の
距離、例えばセンサ６ａとの距離ｄａは計測された伝播
遅延絶対時間ｔｇａを用いて一般に、下式のように示さ
れる。

【００５３】 ｄａ＝Ｖｇ（ｔｇａ−ｔｇａ０）＋ｄａ０ …（３０） ただしｄａ０は第２の算出手順により求められた既知の
基準距離であり、ｔｇａ０は基準距離ｄａ０で設定され
た基準群遅延時間である。

【００５４】より高精度な距離計算を行なうために、位
相遅延時間ｔｐを用いて、次式によって距離を算出する
ことも可能である。

【００５５】 ｄａ＝Ｖｐ（ｔｐａ−ｔｐａ０）＋ｄａ０＋Ｎ・λｐ …（３１） ここでｔｐａ０は基準距離ｄａ０で設定された基準位相
遅延時間であり、λｐは振動の波長、Ｎは整数である。
整数Ｎは式（３０）と式（３１）から Ｎ＝int[｛Ｖｇ(ｔｇa−ｔｇa０)−Ｖｐ(ｔｐa−ｔｐa０)｝／λｐ＋０.５] …（３２） となる。上記のようにしてもとめた整数Ｎを用いて、入
力ペン−センサ６ａ間の距離ｄａを式（３１）で求める
ことが可能となる。

【００５６】もちろん他のセンサについて同様の計算を
行えば、各センサまでの距離を各々求めることができ、
従って以下に示すような幾何学的な計算により入力ペン
３の位置を算出することができる。

【００５７】再び図７を用いて説明すれば、例えばセン
サ６ａ，６ｄを用いてｘ座標を算出すれば、 ｘ＝（ｄａ^2−ｄｄ^2＋Ｘ^2）／２Ｘ …（３３） 同様にセンサ６ａ，６ｂを用いてｙ座標を算出すれば、 ｙ＝（ｄａ^2−ｄｂ^2＋Ｙ^2）／２Ｙ …（３４） このようにして、入力ペン３の位置を求めることができ
る。上記の計算では、３個のセンサまでの距離情報が得
られれば位置座標の算出が可能であるが、本実施形態で
は４個のセンサを用いて各々のセンサまでの距離を算出
することが可能となっているが、上記の位置座標を算出
する際にはそのセンサは選択的に用いられる。つまり、
一定の条件、例えば距離が最も大きくなるセンサの情報
を用いずに距離算出を行なう等の条件により用いられる
センサは選択され、そうすることで、より高精度な座標
算出が可能となる。

【００５８】＜座標算出方法の選択手段についての説明
＞先に説明したように、本願発明の座標入力装置は、入
力座標を算出するために、第１の座標算出手順と第２の
座標算出手順とを有する。第１の座標算出手順は数学的
な特異点、すなわち式（１８）が満たされずに△ｄｄ＋
△ｄｂ−△ｄｃ＝０となる点を有し、特異点の近傍領域
では座標算出精度が極端に低下する。

【００５９】図１は、第１及び第２の座標算出手順の選
択について説明するフローチャートである、図に従って
説明する。

【００６０】ステップｓ１は装置の電源投入時に始めて
座標を入力する状態を示すものであり、この場合には、
第１の算出手順による特異点とならない位置を操作者は
指示する。操作者は正確にその位置を指示する必要はな
く、特異点近傍でないという条件さえ成立していれば良
い。つまり、そのようにすることで、ステップｓ２，ｓ
３において、正確な座標位置を第１の算出手順により導
出することが可能となる。特異点の位置は、ｘ＝Ｘ／２
あるいはｙ＝Ｙ／２であり、座標入力面を田型に４等分
した各領域の中央部付近を選んで入力すれば特異点近傍
を避けることができる。

【００６１】ステップｓ５は実際に操作者が特異点近傍
でないという条件を満たして座標を入力しているかを識
別するものであり、操作者の入力ミスで特異点近傍に座
標が入力されていた場合には、ステップｓ１からの処理
を再実行する。この判定は ｜△ｄｄ＋△ｄｂ−△ｄｃ｜＜δ …（２７） を満たす領域を特異点近傍領域と判定することで行う。
ここで、値δは正確な座標を得るために十分な値を選
ぶ。以後、この特異点近傍以外の領域を基準領域と定義
する。

【００６２】ステップｓ６，ｓ７，ｓ８は基準距離およ
び基準遅延時間の算出手順に相当するステップであり、
第１の算出手順より算出された座標値より、基準遅延時
間を算出する。また、この時タイマ３３により測定した
遅延時間ｔｇａ，ｔｐａを、式（２８）（２９）から得
られた基準遅延時間ｔｇａ０，ｔｐａ０と比較すること
で、装置本体の演算制御回路１と振動入力ペンの振動子
駆動回路２とずれを知ることができる。装置本体のタイ
マのタイミングをこのずれだけ補正すれば、装置本体と
入力ペンとの同期を取ることができる。ステップｓ８で
はタイマ３３を前記タイミングのずれの分だけずらして
リセットすることでタイマ３３をペンタイマ２２に同期
させる。

【００６３】このようにして、振動が実際に伝播する時
間を計測することが可能となるので、ステップｓ９から
ｓ１２までのステップで第２の座標算出手順により座標
が算出される。すなわち、ステップｓ９で座標が指示さ
れると、その絶対遅延時間をステップｓ１０で測定し、
ステップｓ１１で第２の座標算出手順で指示された点の
座標を求め、ステップｓ１２でそれを出力する。第２の
算出手順は、第１の算出手順のような数学的特異点が存
在せず、全領域に渡って座標を精度良く算出することが
できる。

【００６４】第２の座標算出手順は、演算制御回路１と
振動子駆動回路２の同期が常に得られていることを前提
として計算処理されているので、例えば、使用中に何等
かの要因でその同期が取れなくなると座標算出精度が極
端に低下する。そこでそのような場合を想定して、同期
がとれているかどうかを確認する処理を行う。

【００６５】ステップｓ１３はそのような確認の処理を
実行するか判定するものであり、例えば所定時間経過
後、又は座標が所定回数入力された後などの所定の条件
をみたすことで、座標値を比較して同期を確認するステ
ップｓ１４の処理へと分岐する。

【００６６】ステップｓ１４は、ステップｓ１１で計算
された座標値が、それを第１の算出手順で計算した場合
に特異点近傍となる可能性があるかどうかを判定する。
特異点近傍領域の可能性がある場合にはステップｓ９以
降の処理を実行して、基準領域内の座標が出力されてい
ることを確認する。第３の算出手順は、各センサまでの
絶対遅延時間を各々検出して座標を算出しているので、
各センサ間の到達遅延時間差を求めることは容易に実行
できる。従って、ステップｓ１１の計算に用いた各々の
センサまでの絶対遅延時間から差分時間を導出し、ステ
ップｓ１５において第１の座標算出手順により座標値を
算出することが可能となる。

【００６７】ステップｓ１６では、ステップｓ１１で算
出された座標値と、ステップｓ１５で算出された座標値
との比較を行い、両者の値が所定値以内に収まっていな
いときには、ステップｓ１５において第１の算出手順で
求められた座標値を用いてステップｓ６以降の処理を実
行し、演算制御回路１と振動子駆動回路２の同期をとり
直す。また両者の値がほぼ一致している状態では、ステ
ップｓ９に戻り、第３の算出手順による座標入力を続行
する。

【００６８】この様な処理を実行することで、入力ペン
３と本体（演算制御回路１）との同期を得ることが可能
となり、その結果として高精度で座標を算出することが
可能となるほか、信号線等を用いて入力ペン３と本体
（演算制御回路１）とを結ぶ必要がなく、コードレスで
操作性の良い装置を実現することができる。

【００６９】

【第２実施形態】第１実施形態は、第１の座標算出手順
と、第２の座標算出手順の２つの座標算出手順を有す
る。第１の算出手順では、その座標算出過程に於て数学
的特異点が存在し、その領域での座標算出精度が低下す
ることがある。従って、前述した基準領域内では高精度
で座標算出を行えるが、入力位置によっては精度が低下
することがある。一方、第２の算出手順は、第１の算出
手順の結果に基づき計算が可能となるものである。従っ
て、基準領域内では第１の算出手順のみで座標出力を行
い、特異点近傍のみ第２の算出手順で対応することによ
り、高精度で座標算出を行うことも可能となる。

【００７０】つまり、通常は第１の算出手順で座標を算
出し、その算出結果が特異点近傍であるときに第２の算
出手順により座標を算出し直すようにすることで、高精
度で座標を算出することができる装置を構成することも
可能となる。この場合には、特異点近傍領域付近に限っ
て第２の座標算出手順を用いるため、基準領域内の入力
については装置本体と入力ペンとの同期を調整する必要
が無くなり、高速化が図れる。

【００７１】図８は本実施形態のフローチャートであ
る。ステップＳ８０１で座標が指示されると、基準セン
サに対する遅延時間の差Δｔｂ，Δｔｃ，Δｔｄをステ
ップＳ８０２で測定し、それに基づいてステップＳ８０
３で第１の座標算出手順により座標値を求め、ステップ
Ｓ８０４でその値を出力する。その際に、式（２７）が
満たされるかステップＳ８０５で判定し、みたされれ
ば、すなわち基準領域内であれば、本体とペンとの同期
を調整するかステップＳ８０６で判定する。これは、所
定時間ごとに行うよう、タイマやカウンタ等で所定の時
間を計測し、それが経過したならばステップＳ８０７に
進むようにしておけばよい。ステップＳ８０３で算出さ
れた座標値を基にして、ステップＳ８０７，Ｓ８０８で
基準遅延時間を算出し、それをもとに第１実施形態と同
じ要領で本体のタイマ３３をステップＳ８０９でリセッ
トし、本体とペンとを同期させる。

【００７２】一方、基準領域内の座標入力ではないと判
定した場合には、ステップＳ８１０で振動を再びサンプ
リングし、ステップＳ８１１で絶対遅延時間を測定し
て、ステップＳ８１２で第２の座標算出手順により座標
値を算出して出力する。

【００７３】以上のようにすることで、本体とペンとが
接続されていなくとも両者間の同期を保持し、高精度の
座標入力を実現することが出来る。

【００７４】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
きることはいうまでもない。

【００７５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る座標
入力装置およびその制御方法によれば、振動入力ペンを
コードレス化でき、操作性，筆記性の良い装置を実現で
きる。また入力ペンには同期を得るための通信手段を必
要とせず、回路等が簡略化され、コスト的にも有利な構
成が可能となった。さらに、この様な構成とすること
で、座標入力有効エリアの全領域に渡って高精度な座標
算出が可能となる優れた結果が得られる。

【００７６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態に於ける座標算出手順のフローチャ
ートである。

【図２】座標入力装置の概略構成図である。

【図３】振動ペン３の概略構成図である。

【図４】演算制御回路のブロック図である。

【図５】信号処理のタイミングチャートである。

【図６】信号検出回路のブロック図である。

【図７】座標入力装置の座標系を示す図である。

【図８】実施の形態における座標算出手順のフローチャ
ートである。

【符号の説明】

１ 演算制御回路 ２ 振動子駆動回路 ３ 振動入力ペン ４ 振動子 ５ ペン先 ６ａ〜６ｄ 振動センサ ７ 防振材 ８ 振動伝達板 ９ 信号波形検出回路

フロントページの続き (72)発明者 佐藤 肇 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 吉村 雄一郎 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 柳沢 亮三 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力された振動を伝達する振動伝達体
   と、 振動源から入力された振動が前記振動伝達体上の複数の
   検出箇所それぞれに到達するまでの時間差を測定し、測
   定された時間差に基づく第１の算出手順に従って振動源
   の座標値を算出する第１の座標算出手段と、 前記第１の算出手段により算出された座標値に基づい
   て、前記振動源から前記検出箇所各々まで振動が到達す
   るのに要する遅延時間を算出する遅延算出手段と、 所定の周期で計時を再開する計時手段と、 該計時手段により計時を開始してから、前記各検出位置
   において振動を検出するまでの遅延時間を測定する遅延
   測定手段と、 前記遅延算出手段と前記遅延測定手段のそれぞれにより
   得られた遅延時間を比較し、その差分に応じて前記計時
   手段が計時を再開するタイミングを調整する手段と、 前記遅延測定手段により測定された遅延時間に基づく第
   ２の算出手順に従って振動源の座標値を算出する第２の
   座標算出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】 前記第２の座標算出手段により算出され
   た座標を出力する手段を更に備えることを特徴とする請
   求項１に記載の座標入力装置。
3. 【請求項３】 前記第１の座標算出手段により算出され
   た座標値が所定の領域内にあるか判定し、判定結果に応
   じて、前記第１の座標算出手段により算出された座標値
   か、前記第２の座標算出手段により算出された座標値か
   いずれかを出力する手段を更に備えることを特徴とする
   請求項１に記載の座標入力装置。
4. 【請求項４】 振動源から入力された振動が前記振動伝
   達体上の複数の検出箇所それぞれに到達するまでの時間
   差を測定し、測定された時間差に基づく第１の算出手順
   に従って振動源の座標値を算出する第１の座標算出工程
   と、 前記第１の算出工程により算出された座標値に基づい
   て、前記振動源から前記検出箇所各々まで振動が到達す
   るのに要する遅延時間を算出する遅延算出工程と、 タイマが計時を開始してから、前記各検出位置において
   振動を検出するまでの遅延時間を測定する遅延測定工程
   と、 前記遅延算出工程と前記遅延測定工程のそれぞれにより
   得られた遅延時間を比較し、その差分に応じて前記タイ
   マが計時を開始するタイミングを調整する工程と、 前記遅延測定工程により測定された遅延時間に基づく第
   ２の算出手順に従って振動源の座標値を算出する第２の
   座標算出工程とを備えることを特徴とする座標入力装置
   の制御方法。
5. 【請求項５】 前記第２の座標算出工程により算出され
   た座標を出力する工程を更に備えることを特徴とする請
   求項４に記載の座標入力装置の制御方法。
6. 【請求項６】 前記第１の座標算出工程により算出され
   た座標値が所定の領域内にあるか判定し、判定結果に応
   じて、前記第１の座標算出工程により算出された座標値
   か、前記第２の座標算出手段により算出された座標値か
   いずれかを出力する工程を更に備えることを特徴とする
   請求項４に記載の座標入力装置の制御方法。