JPS5832437B2 - 座標検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、座標検出装置に関し、詳しくは、弾性波の遅
延時間を計数することにより位置座標を求める座標入力
装置に関するものである。

従来、弾性波の放射点から検出点までの伝播に要する遅
延時間を計数して、音速と遅延時間の積を求めることに
より放射点から検出点までの距離を求め、放射点あるい
は検出点の位置座標を求める座標入力装置としては、弾
性波の伝播のさせ方により大別して３つの方式がある。

その第１は、空中を伝播させる方式、第２はガラスなど
の固体表面を伝播する表面弾性波（レーレ−波）を用い
る方式、第３は弾性波の波長に比して薄い板厚の均一等
方性基板を伝播する板波弾性波（ラム波）を用いる方式
である。

第１の方式の典型は「ソニック・ペン」で、検出すべき
位置座標を指示する入力ペンの先端で放電させ、発生す
る弾性波（音波）が空中を伝播し座標検出平面の２辺に
設けた棒状マイクロホンにより音波を検出するものであ
る。

座標検出平面に手などの障害物があると、音波の伝播を
妨げ座標検出動作に障害となるため、操作性に難がある
。

第２の方式では、原理的に伝播媒質の表面状態により表
面弾性波の伝播が左右される。

入力ペンには東電素子が内蔵されていて、固体表面の座
標検出平面の２辺より励振された弾性波を同平面上の任
意の点に押しつけられた入力ペンにより受信し、電気信
号に変換して弾性波の検出を行い、任意点の座標を読取
る。

入力ペンによる座標指示中、手などを座標検出平面に置
くと動作に障害が生じることがある。

また、用紙を座標検出面に置いて、文字や図形を描きな
がら文字や図形を構成する座標を求めて行くような実用
上重要な座標検出方式をとることは不可能である。

このように、第２の方式は座標検出装置としては、操作
性、機能の点でかなり制限を受けるものと言わねばなら
ない。

次に、第３の方式では、弾性波の波長が比較的長いこと
、弾性波は座標検出平面となる平板の表面のみならず、
平板の内部をも伝播するので表面状態にほとんど左右さ
れず、用紙を座標検出平面上に置いてボールペンと圧電
素子を結合した入力ペンにより文字や図形を描きながら
座標検出を行うことができる。

また、手などを置いても動作に支障をきたすことはない
。

このように第３の方式は、計算機など情報処理機械への
図形や文字の座標入力方式として機能、操作性において
他方式に比し非常に優れていると考えられる。

しかし、この方式を実用化する上で、解決しなければな
らぬ技術的問題点が残されている。

それは、百数十キロヘルツ程度の低い周波数の弾性波を
用いるため、弾性波の検出法として、数メガヘルツから
数十メガヘルツの高周波を用いる表面弾性伎方式のよう
に幅の狭い弾性波振動パルスの包絡線を検出する方法は
、遅延時間検出精妾上採用することはできない。

第３の方式の板波弾性波では、弾性波振動パルスの幅が
広く、振動パルス幅を遅延時間検出の単位にとることは
できないのである。

そこで、弾性波振動パルスの波頭を精度良く検出する方
式を考案しなければならない。

ところで、従来の波頭検出方式では、適当に設けた閾値
を、弾性波パルスの検出信号の振幅が越えた時点を単純
に波頭到着時点とみなし、検出パルスを発生していたた
め、第１図ａに示すように、入力ペンの座標検出板に対
する押下モの変動により検出信号の振幅が変動した場合
、検出パルス１４の発生時点が第１図すに示すように変
動して、同一位置にもかかわらず、押下正により異なる
遅延時間が計数され、異なる座標値を得るという欠点が
あった。

本発明の目的は、板波を用いた座標検出装置において、
波頭検出を精変良く行うために、人力ペンの押下モの変
動に対して安定な検出信号の雰交さ点を遅延時間検出点
とすることができる座標検出装置を提供することにあり
、閾値を２個設けることによって検出信号の第１ピーク
のみをとらえるようにしたものである。

以下、図面について詳細に説明する。

第２図は、板波を用いた座標検出装置の構成例を示した
ものである。

座標検出平板１は、ＸおよびＹ両軸の端部に各々Ｘ軸側
正電素子２およびＹ軸用玉電素子３を接着したアクリル
板である。

圧電素子としては、例えばＰＺＴＥ電セラミックが使用
できる。

Ｘ軸周正電素子２およびＹ軸用壓電素子３は、それぞれ
Ｘ軸駆動回路４およびＹ軸駆動回路５によって交互にパ
ルス１駆動され、アクリル板中に機械振動、すなわち板
波を交互にＸ軸方向およびＹ軸方向に放射する。

板波は、主に正電素子の形状、材質によって決まる振動
同波数を有し、座標検出平板１の弾性定数と厚さによっ
て決まる一定の伝播姿態をとり、一定の速度で伝播する
。

Ｘ軸周正電素子２をパルス駆動すると、板波はＸ軸方向
に一定の速度で伝播し、この板波を座標検出平板１に押
しつけられた入力ペン７にて検出し、パルス駆動から検
出するまでの時間間隔を後述する方法にて計数し、ペン
位置のＸ座標を得る。

次いで、Ｙ軸側正電素子３をパルス駆動し、Ｘ軸の場合
と同様の処理にてペン位置のＹ座標を得る。

なお、圧電素子２および３の長さを各各座標検出領域６
の各辺の長さよりも大きくしておくことにより、アクリ
ル板中を伝播する板波は、Ｘ軸方向に平行あるいはＹ軸
方向に平行に伝播する平面波とみなすことができ、上記
座標検出動作を正確に行うことができる。

入力ペン７は、黄銅製円錐形ホーン８の細端部にボール
ペン９をモスし、ホーンの太端部に振動検出用圧電素子
１０が接着された構造であり、伝播してきた板波をボー
ルペン９の先端が受信し、ホーン８を介して効率よく伝
送し、圧電素子１０に振動を与える。

与えられた振動は、正電素子１０にて電気信号に変換さ
れ増幅回路１１によって増幅された後、座標検出回路１
２に入力される。

第３図は、本発明が適用される座標検出装置の座標検出
平板１と入力ペン７を除いた実施例のブロック図である
。

Ｘ軸およびＹ軸駆動回路４，５と増幅器１１以外の部分
は、第２図の座標検出回路１２を構成するものである。

基準クロックパルス発生器４１の出力パルスは分周回路
４２にて分周され、その分周出力によりフリップフロッ
プ回路４３は適当な繰り返し周期にてセット・リセット
を繰り返す。

この繰り返し周期は、Ｘ座標およびＹ座標の検出周期に
より設定される。

分周回路４２の出力は、Ｘ軸１駆動回路４およびＹ軸駆
動回路５に供給され、Ｘ軸駆動回路４およびＹ軸駆動回
路５はフリップ・フロップ回路４３の状態に応じて交互
に動作し、各々Ｘ軸周上型素子２あるいはＹ軸用匡電素
子３を駆動する。

一方、分周回路４２の出力は、計数回路４４、検出信号
閾値処理回路４５にも供給され、それぞれ初期状態に設
定するとともに動作を開始せしめる。

計数回路４４は、圧電素子２，３を駆動してから実際に
板波が座標検出平板１の座標検出領域６に到達するまで
の遅延時間や、板波が入力ペン７の先端部に達してから
上型素子１０にて検出されるまでの遅延時間を位置座標
決定用の全体の伝播遅延時間から取り除くためのもので
ある。

入力ペン７内の正電素子１０にて電気信号に変換された
信号は、増幅器１１にて増幅された後、検出信号閾値処
理回路４５に入力される。

検出信号閾値処理回路４５は、後述する閾値処理により
板波の正しい検出時点を示す検出パルスと正しい検出動
作が行われたことを示すペンダウン信号を出力する。

フリップ・フロップ回路４６は、計数回路４４のキャリ
ー出力にてセットされ、検出信号閾値処理回路４５の検
出パルスにてリセットされ、位置座標を決定するための
伝播遅延時間の間セットされている。

計数回路４７はフリップ・フロップ回路４６がセットさ
れている間、基準クロックパルスを計数し、計数結果を
出力する。

例えば基準クロックパルスの周波数をｆ（ＭＨｚ）、所
望の座標分解能をｎ（本／ｍｍ）、板波の音速をＣ（ｍ
ｍ／μｓ）とすると、ｆ＝ｎＸｃに設定しておけば、計
数回路４７の計数結果は入力ペン位置のライン番号を示
しており、計数回路４７の計数結果を１ ／ ｎ倍した
値はペン位置の絶対座標（単位ｍｍ）を示すことになる
。

例えば３ｍｍ厚のアクリル板に板波の基底モード（ラム
波対称波）を伝播させたとき、音速の実測値としてｃ＝
２．３５（Ｋｍ／Ｓ ） −２，３５（ｍｍ／ μｓ
）が得られ、ｎ−４（本／ｍｍ）とするとクロック周波
数ｆは９．４ （ＭＨｚ ）となる。

第４図は、本発明における検出信号閾値処理回路４５の
一実施例を示す図である。

また、第５図は第４図に示した検出信号閾値処理回路の
各構成部における入出力信号の関係を示し、本発明の詳
細な説明するタイムチャートである。

第５図には、本発明装置で処理する典型的な検出信号Ｖ
ｓ（増幅器１１の出力）の波形例を示しており、特に波
形の波頭部分Ａを詳しく表わしている。

本発明では波頭部分Ａの中、前１駆的な振幅の小さな最
初のうねりを除いて、第５図に示すように、主要なピー
クに第１ピーク（■）、第２ピーク（■）および第３ピ
ーク（■）と順次番号をつけることとする。

Ｅｌ〈Ｅ２となるＥｌとＥ２の２つの閾値を設け、Ｅｌ
が第１ピークを、Ｅ２が第２ピークを検出した場合のみ
正しく板波が検出されたものとし、確実な入力ペンの座
標検出平面への押下接触を示すペンダウン信号を出力す
るものとする。

押下モが小さい場合、第６図に示すように、閾値Ｅ１が
第２ピークをとらえ、第１ピークをとらえた場合に比較
して大きな遅延時間を与え、座標値に誤差を与えること
になるが、この時間値Ｅ２の値を適当に大きくとってお
けば、閾値Ｅ２はどのピークもとらえることがないよう
にすることができ、論理回路処理によりペンダウン信号
を出力しないようにすることができる。

このような正常なペンダウンの判定処理は、第１ピーク
と第２、第３ピーク以後の各ピークとのレベル差が、第
２、第３ピーク以後の各ピーク相互間のレベル差より大
きいことを利用して行われるもので、第１ピークが板波
検出信号波形の包絡線の立上り区間に存在することによ
る。

以上のペンダウン処理により、常に第１ピークによる座
標検出が行われ押下玉の変動により座標検出動作の途中
で検出座標が飛ぶということが避けられる。

また、座標検出が行われるためには、２つの閾値処理を
経る必要があるので、孤立的な雑音信号を誤検出する可
能性も著しく小さくなるという利点も生じる。

上記のペンダウン処理の代替手段としては、従来の座標
検出装置で用いられているように押下モで動作する機械
的なマイクロスインチなど特別なペンダウン検出素子を
入力ペンに装備して、一定の押下モが加えられないとペ
ンダウン信号が出力しないようにしておき、ペンダウン
信号が出力中は板波検出信号波形の第１ピークが閾値Ｅ
１を常に越えて第１ピークによる正しい座標検出動作を
行わしめるようにしてもよい。

次に、第４図と第５図を用いて本発明による座標検出動
作をさらに詳しく説明する。

第４図で、５１は増幅器１１の出力である検出信号Ｖｓ
の雰交さ点を立上りおよび立下り点とするパルス列Ｖｏ
を出力する比較器である。

５１は、パルス列Ｖｏの立下り点において単一パルスＶ
ｏは検力する単一パルス発生器である。

パルスＶｏは検出信号Ｖｓの各ピークの２つの雰交さ点
の中、後に生じる雰交さ点の発生時点を示し、遅延時間
計数回路の計数停止時点の候補を与える。

５２は、閾値Ｅ１と検出信号Ｖｓの比較を行い、第１ピ
ークの検出出力を含むパルス列■１を出力する比較器で
ある。

フリップフロップ５３がノセツド状態で、そのＱ端子出
力ＶｉがＶｉ＝１（Ｑ＝Ｏ、Ｑ＝１ ）であるとき、比
較器５２の出力■１はＡＮＤゲートを通過してフリップ
フロップ５４をセットし、検出有効信号Ｖｕを出力せし
める。

検出有効信号Ｖｕは遅延時間計数停止点を指示する候補
信号列Ｖｅの中からＡＮＤゲートにおいて遅延時間計数
停止信号を検出し、所望の検出パルスＶｄを発生せしめ
る。

このとき同時に、パルス信号Ｖｅの立下り時点でフリッ
プフロップ５４をリセットして検出有効信号Ｖｕを停止
せしめ、後続のパルスＶｅによる検出パルスの発生を抑
える。

また、検出パルスＶｄはフリップフロップ５３をセット
し、その出力ＶｉをＶ１＝０（Ｑ−１、Ｑ＝０）とし、
比較器５２の出力■１のＡＮＤゲート通過を阻止し、検
出有効信号Ｖｕの発生を抑えて上記検出パルスＶｄの新
たな発生を抑える。

このようにして得られた検出パルスＶｄは、第１ピーク
の所望の雰交さ点を与え、第３図のフリップフロップ４
６に入力され、計数回路４７の遅延時間計数動作を停止
せしめ、板波の伝播遅延時間の正しい安定した計数結果
を与えることになる。

一方、検出パルスＶｄは、単安定マルチバイブレーク５
５にも入力され、検出信号Ｖｓの第２ピークの発生する
時間領域に相当するパルス幅のパルス信号Ｖｍを発生せ
しめる。

５６は閾値Ｅ２と検出信号Ｖｓを比較し、第２ピークの
検出出力を含むパルス列■２を出力する比較器である。

出力■２とパルス信号ＶｍをＡＮＤゲートに入力すると
、第１ピークの雰交さ時点を示す検出パルスＶｄに引き
続き生じる第２ピークの検出出力が抽出される。

このＡＮＤゲート出力は確実なペンダウンが行われたこ
とを示し、フリップフロップ５７をセットして、その出
力にペンダウン信号Ｖｐを生せしめる。

以上の動作は、フリップフロップ５３．５７を第３図の
分周回路４２の出力によりリセットすることにより繰り
返し行われ、検出信号閾値処理回路４５はＸ軸方向およ
びＹ軸方向に伝播する板波の検出パルスを交互に出力し
、第３図について説明したようにフリップフロップ４６
を駆動してＸ座標およびＹ座標の計数を交互に行わしめ
る。

以上説明したように、本発明によれば、板波弾性波の伝
播遅延時間の計数の停止点を板波弾性波の波頭部の主要
なピークの雰交さ点にとっているから、入力ペンの押下
モの変動によらない安定した遅延時間の計数が可能とな
る。

また、大小２つの閾値を用いることによって常に同一ピ
ークのみについて遅延時間の計数が行われるようにした
ため、押下モの変動による座標値の飛びがなくなるとい
う利点が生じるとともに、孤立点雑音を除去できるとい
う利点が生じる。

また、この方法は、入力ペンにペンダウン検出素子を装
備する必要がないので、入力ペンの構造が簡単になり、
安価に製造できるという利点も生ずる。

このような本発明による利点によって、座標検出平板の
構成が簡単で安価であり、操作性がよいという特徴を有
する板波弾性波の遅延時間検出方式に基づく座標検出装
置の動作信頼性および安定性が向上し、本発明装置は計
算機への安価な図形入力装置として今後大いに期待され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の板波弾性波を用いた座標検出装置の遅延
時間検出動作を説明する図、第２図は座標検出装置の典
型的な構成例を示す図、第３図は座標検出装置の動作を
説明するブロック図、第４図は本発明装置の検出信号閾
値処理回路の一実施例を示す図、第５図は本発明装置の
検出信号闇値処理回路の動作を説明するタイムチャート
、第６図は座標検出されない場合の閾値と弾性波検出信
号の関係を示す図である。 １：座標検出平板、２：Ｘ軸周正電素子、３：Ｙ軸周正
電素子、４：Ｘ軸１駆動回路、５：Ｙ軸１駆動回路、６
：座標検出領域、７：人力ペン、８：黄銅製円錐形ホー
ン、９：ボールペン、１０：振動検出用モミ素子、１１
：増幅器、１２：座標検出回路、４１：基準クロックパ
ルス発生器、４２：分周回路、４３：フリップフロップ
回路、４４：計数回路、４５：検出信号閾値処理回路、
４６：フリップフロップ回路、４７：計数回路、５１：
比較器、５１′：単一パルス発生器、５２：比較器、５
３：フリップフロップ回路、５４：フリップフロップ回
路、５５：単安定マルチバイブレーク、５６：比較器、
５７：フリップフロップ回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 均一な入力平板を伝わる板波弾性波の平板端部の放
   射位置から平板に押付けられた匣電素子を内蔵する入力
   ペンによる弾性波検出位置までの伝播遅延時間を計数し
   、上記入力ペンの位置座標を検出する座標検出装置にお
   いて、入力平板端部に装着された正電素子をパルス駆動
   することによって得られる高周波パルス状の板波弾性波
   の波頭部を検出するため、伝播遅延時間の計数の基準と
   なる入力ペン出力の弾性波検出信号の雰交さ点を検出す
   る閾値雰の第１の比較器と、Ｅｌ〈Ｅ２なる大小２つの
   閾値Ｅ１．Ｅ２を設定し、板波弾性波の波頭部で最初に
   生起する第１のピークを検出するための閾値Ｅ１を有す
   る第２の比較器と、板波弾性波の波頭部で２番目に生起
   する第２のピークを検出するための閾値Ｅ２を有する第
   ３の比較器により板波弾性波検出信号閾値処理回路を構
   成し、上記第１の比較器の雰交さ検出出力と上記第２の
   比較器の出力とから伝播遅延時間計数の基準となる検出
   パルスを発生させ、また上記第２の比較器の出力と上記
   第３の比較器の出力によりそれぞれ波頭部の第１のピー
   クと第２のピークの生起を検知し、かつ両ピークが前後
   連続して生起することを検知してペンダウン信号を発生
   させることを特徴とする座標検出装置。