JPS63100529A - 座標入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、弾性波の伝播遅延時間により座標位置を検出
する座標人力装置に関し、特に検出精度の向上を図った
ものである。

［従来の技術］ 従来、座標位置を入力するディジタイザなどと称される
座標入力装置としては、例えば次のようなものが知られ
ている。

■　−面を抵抗体としてＸ座標用と、Ｘ座標用のそれぞ
れの抵抗膜を重ね、それぞれの抵抗膜に電圧または電流
を印加し、ペンや指先で加圧された点（座標人力点）に
対して、電圧または電流の比等を測定して、その点の座
標位置を検出入力する抵抗膜利用タイプのもの。

■　ペン先から局所的な磁界パルスを発生させておき、
このペン先をパネルにマトリクス状に配線しである電極
線のいずれかに近づけて、電磁結合させ、電極線に生ず
る電流を測定することによりペン先の座標位置を検出入
力する電磁銹導利用タイプのもの。

■　超音波を利用するタイプのものとして、超音波の伝
播媒体による表面波の伝播遅延時間を検出して位置座標
を測定するもの、あるいは超音波を空気中に伝え、その
超音波の伝播時間を計測するものなどがある。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、これらの従来装置には次のような欠点がある。

すなわち、上述の０項の抵抗膜利用タイプのものは抵抗
体の均一性がそのまま図形入力の精度を左右するので、
特に均一性の優れた抵抗体を必要とし、そのため非常に
高価となる。また、Ｘ座標用とｙ座標用の２枚の抵抗膜
が必要となるので、透明度が落ちてしまうという欠点も
ある。

次に、上述の０項の電磁誘導利用タイプのものは、電線
がマトリクス状に配設されているので透明にはならない
。

さらに、上述の０項の超音波利用タイプのように表面波
や音波を利用したものであると、音波の送信部と受信部
の間に疵や物体、例えば手などの障害物が存在すると、
その障害物によって測定点が誤って検出されたり、測定
できないなどの障害が生ずる欠点がある。一方、弾性波
の板波を用いた従来の座標入力装置の場合には、分散が
起きてしまい、その弾性波の群速度と位相速度が異なる
のでエンベロープのピークの検出や所定の閾値（スレッ
ショルド）での検出では、±１７２彼長分０誤差が生じ
てしまうという欠点があった。

そこで、本発明は上述の欠点を除去し、透明で、かつ精
度の高い、使い勝手の良い座標人力装置を提供すること
を目的とする。

［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成するため、本発明は機械的振動を発生
する振動ベンを振動伝播媒体からなる信号入力板に接触
させ、振動伝播媒体に伝播された弾性波を振動伝播媒体
の所定位置に配設した機械的振動を電気信号に変換する
変換素子で検出し、検出した電気信号に基づいて弾性波
の伝播遅延時間を計測することにより振動ペンの位置座
標を検出する座標入力装置において、電気信号の波形の
正側と負側の両側に設けた所定のスレッショルドレベル
により伝播遅延時間を示す２ｆ！１の信号を検出する検
出手段を具備し、検出した２　ｆｉの信号と弾性波の位
相速度に基づいて座標位置を検出することを特徴とする
。

［作　用コ 本発明では、センサから得られる検出波形の正側と負側
の両方に設けたスレッショルドレベルで伝播遅延時間を
示す信号を検出し、検出した２つの信号と位相速度に基
づいて振動ペンの座標位置を検出するようにしたので、
精度の高い座標位置の検出ができる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実ｉｈ例の座標人力装置の全体構成
を示す。本図において、１は本発明に係る演算および制
御を行う演算制御回路であり、例えばマイクロコンピュ
ータやＲＡＭ等から構成される。２は振動子駆動回路で
あり、演算制御回路１から°の同期信号に応じて振動子
駆動用のパルス信号を発生する。３は座標人力用の撮動
ベンであり、Ｓ動子駆動回路２からのパルス信号により
伸縮振動する例えば圧電素子の如き振動子４と、その振
動子４の振動の振幅を拡大する先が尖ったホーン５と、
これらを支持する棒状軸部とから構成されている。

６は撮動受信用のセンサ、７は反射防止材、８は撮動を
伝播し、かつ透明な例えばガラスの如き伝播媒体である
。センサ６は信号人力板を構成する伝播媒体８の複数の
所定箇所（本例では３隅）に配設され、伝播媒体８を伝
播したベン３の振動波（板波弾性波）を機械電気変換し
て、電気信号として取り出す例えば圧電素子からなる。

反射防止材７は例えばシリコンゴムなとで形成され、ベ
ン３からの振動を吸収して、その振動が伝播媒体８の端
部で反射するのを阻止する。

９は受信波形検出回路であり、センサ６で受信された信
号を後述のように処理して、ベン３からセンサ６までの
伝播媒体８内を伝播してきた弾性波の伝播時間を示す信
号にし、演算制御回路１に出力する。演算制御回路１で
は３箇所のセンサ６から受信波形検出回路９を介して送
られてくる伝播時間を示す信号から伝播遅延時間を検出
し、この伝播遅延時間に基づいて所定の演算式によりペ
ン３の接触している座標位置を算出する。

１０は透明な伝播媒体（例えば、ガラス）８の下部に一
体に配設して文字・画像等を表示するデイスプレィ１１
を駆動するデイスプレィ駆動回路である。演算制御回路
１で算出されたペン３の座標情報はほぼリアルタイムで
デイスプレィ駆動回路１０を通じてデイスプレィ１１に
表示できるので、ペン３で描いた文字や図形等を瞬時に
そのままデイスプレィ１１に表示できる。

第２図は第１図の実施例における信号の波形およびタイ
ミングを示す。第２図において、１２は振動子駆動回路
２から振動子４に印加される駆動パルス信号であり、こ
のパルス信号１２のパルス幅は振動子４の共振周波数と
する。１４はセンサ６から出力されるセンサ信号（受信
信号）、１５はこの信号１４を！Ａ埋して得られる受信
波形検出回路９の出力信号である。

ペン３の先端を伝播媒体であるガラス板８に接すると、
第２図に示すようなパルス信号１２により駆動された振
動子４の振動は、ホーン５を通ってその振幅が増幅され
、ガラス板８に伝わる。そして、その振動は弾性波（超
音波）となり、ガラス８内を伝播する。この時、弾性波
として板波を利用する。このように板波を利用すると、
ガラス板８の表面に疵や物が置かれても、はとんど影響
が無く、センサ６は波形の弾性波信号を受信することが
できて、位置座標を容易に検出することができるからで
ある。

ところで、この板波による振動波形は、分散により群速
度と位相速度とが違うため、一定の形にならない。すな
わち、第２図の１３で示す全体の形（エンベロープ）が
伝播する速度（群速度）と、駆動パルス信号１２に対応
した周波数の全体の波形１３を伝播するキャリアとなる
センサ出力信号１４の伝播速度（位相速度）とが異なる
ので、ペン３とセンサ６間の距離によってキャリアとな
る信号１４の位相が全体の波形１３に対して、それぞれ
違ったものとなるという現象が生ずるからである。従っ
て、伝播遅延時間を検出する時に、その検出波形の位相
速度によって伝播されている第２図の１４の波形を検出
し、検出された波形に対応する第２図の１５の信号を演
算制御回路１に供給して遅延時間をもとにペン３の位置
から各センサ６までの距離を演算し、この演算結果から
Ｘとｙの座標を演算し、その結果得られたＸとＹの位置
座標の情報をデイスプレィ駆動回路ｌＯへ伝送してデイ
スプレィ１１上に点、線等の画像で表示する。以上のよ
うな構成により、手書入力による人出カ一体型のディジ
タイザを士是イ共できる。

次に、伝播遅延時間を検出する本実施例での具体的手段
について詳述する。

上述したように、第２図の１８号１４の小さい波の群の
どの部分を検出して、ペン３の位置から各センサ６まで
の伝播遅延時間とするかによって検出した遅延時間の誤
差が±１７２波長程度生ずることがある。

例えば、信号１４に対してあらかじめ定めた所定の閾値
（スレッシボルド）Ｓを設けて、第３図のＢに示すよう
な検出信号１５として抽出すると、上述したように分散
の影響で小さい波の位置（位相）がペン３とセンサ６の
距離で変化するので、第３図のＡ−Ｄで示すように、ペ
ン３の移動距離がごく微小であっても、検出遅延時間が
約１波長λ分動いてしまうことがある。そこで、本実施
例ではこの１波長の誤差分を無くすために、小さな波の
群の速度（群速度）を利用して伝播遅延時間を検出し、
検出したその時間を基に座標位置を算出する。

例えば、第４図に示すように、検出波形（検出信号の波
形）１４′　　に対してゼロクロスに近いレベルにスレ
ッショルド（閾値）を設けてコンパレートをし、２３′
　で示す信号を得る。この信号２３′　の例えば４ケ目
の立上りを検出波形１４’　の伝播遅延時間７ｐ−ｒ（
ｐｈａｓｅ−ｒｉｓｅ）を示す信号２４′　　として検
出する。

この検出により得られるペン３と１つのセンサ６間の距
ｔｌｔｘと伝播遅延時間Ｔｐ−ｒとの関係を示すと、例
えば第５図のようになる。すなわち、第５図中のある１
つの検出ポイントＴｐ−ｒ・１に対して、Ａ、Ｂの２つ
の距離データが出現するので、これを補正する必要があ
る。

第４図で示した検出方法では、スレッショルドを検出波
形１４′　の正側からゼロクロスに近いレベルに設けて
いるが、本実施例ではさらに、検出波形１４′　の負側
からゼロクロスに近いレベルに第２のスレッショルドを
設けてコンパレートをし、第６図の２５’　で示す信号
を得る。この２５′　の信号の正側の時と同じ４ケ目の
、今度は立下りを検出波形１４′　の伝播遅延時間Ｔｐ
−ｆ　（ｐｈａｓｅ−ｆａｌ１）を示す信号２６′　　
として検出する。

上述したと同様に検出伝播遅延時間Ｔｐ−ｆに対するペ
ン３と１つのセンサ６間の距！ｌｉｘの関係を示すと、
例えば第７図に示すようになる。すなわち、第５図で示
したＴｐ−ｒ・１に対して得た２つの距離データＡとＢ
に対してＴｐ−ｆ・１が検出され、このＴｐ−ｆ・１に
対する１つの距離データＣが得られる。

このように、ひとつの検出波形１４’　からの４ケ目の
立ち上りと、立ち下りの時間を検出し、この２つの検出
時間に基づいて精度の高い、階段状でない直線性を持っ
た距離−伝播遅延時間の関係を求める。次に、その検出
過程の一例を説明する。

例えば、メモリ機能を有する演算制御回路１内にＴｐ−
ｒに対する距離情報をテーブルＩＡ（第１図参照）にし
て格納しておく、ただし、第７図の斜線の部分では、上
述したようにひとつのＴｐ−ｒに対して２つの距離デー
タが出てしまうので、Ｔｐ−ｆを判断基準にして、２つ
の距離データのいずれかを選択採用する。

ここで、Ｔｐ−ｒとＴｐ−ｆは必ず検出波形１４’　の
ｌ／２波長分の時間ｔ、のずれがある。また、第７図の
斜線部分の中では、Ｔｐ−ｒに対して＋ｔ、か、あるい
は−１，の時間ずれが起きる。従って、第７図の例で説
明すると、７ｐ・「・ｌに対する距１１！ｔＡと距ｆｉ
Ｂのどちらを採用するかの判断は、　Ｔｐ−ｆ−１がＴ
ｐ−ｒ−１に対して、−ｉｌの時間であるから、このＴ
ｐ−ｒ−１は距離Ｂに相当するとして距１１１Ｂを検出
する。また、第７図の斜線部具外の検出は、Ｔｐ−ｒに
対する距離をそのまま上述の演算制御回路１内のテーブ
ル１＾から引き出し、距離を検出する。

また、第７図におけるＡ点の距離が正確な位置だとした
場合は、Ｔｐ−ｒ・１に対して検出されるＴｐ−ｆはＴ
ｐ−ｆ−２となる。このときは、Ｔｐ−ｆ・２＝　Ｔｐ
−ｒ−１十ｔ１となるから、Ａ点と判断する。

第８図は上述の伝播遅延時間の検出処理を実行する受信
波形検出回路の具体的な構成例を示す。

第８図に示すように、センサ６で受信した検出波形１４
を前置増幅回路２１である程度増幅し、増幅した波形１
４′　をさらに時間変化増幅回路２２で遅延時間に応じ
て検出波形１４′　の振幅の変化を補正して振幅による
検出誤差を少なくした波形２２′　を得る。この波形２
２′　を正側にコンパレートレベルを有する正側コンパ
レータ２３と負側にコンパレートレベルを有する負側コ
ンパレータ２５とを通して、それぞれの出力２３’　、
　２５’　をいくつか目のパルス（前述の例では４ケ目
のパルス）に対して信号がでるカウンタ２４，２８で第
６図に示すＴｐ−ｒ２４’　　とＴｐ−ｆ２６　’　の
信号を得る。

次に、これらのカウンタ出力２４’　、　２６’　を演
算制御回路１に入力して、あらかじめ記憶されている内
部テーブルｌ＾（第１図参照）を参照して精度の高い距
ｌａｘを検出する。

このように、分散性を有する位相速度を検出することに
より距＠Ｘを計測することにより各センサ６からペン３
までの位置座標を検出してその座標情報をデイスプレィ
１１に表示したり外部装置等へ出力できる。

第９図は上述の時間変化増幅回路２２の構成例を示す、
ガラス８上では、第１０図の実線２７で示すように遅延
時間に対して振幅電圧が減少するという振幅変化をする
ので、第１θ図の破線２８で示すような増幅率を有する
増幅回路で前置増幅回路２１の出力１４′　を補正して
校正する。そのためＦＥＴ（電界効果トランジスタ）の
ドレインとソース間の抵抗１（＋ｘｓの特性と振幅の変
化がエクスポネシャルの曲線に近い変化であるので、コ
ンデンサＣと抵抗Ｒにおける充・放電の特性を利用して
第９図のように構成をした。また、時間変化のスタート
信号はベン３の駆動信号と同期して演算制御回路１から
送られる。

なお、第８図の実施例ではＴｐ・「を基準にしているが
、Ｔｐ−ｆを基準にしてもよいことは勿論である。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれば、センサから得ら
れる検出波形の正側と負側の両方に設けたスレッショル
ドレベルで伝播遅延時間を示す信号を検出し、検出した
２つの信号と位相速度に基づいて振動ペンの座標位置を
検出するようにしたので、精度の高い座標位置の検出が
できる。

また、本発明では弾性波の板波を利用して、分散による
群速度と位相速度の違いによって生ずる検出誤差を、で
きるだけ少なくし検出波の立ち上りと立ち下がりと位相
速度とを利用して座標位置を演算出力するようにしてい
るので、ディジタイザとしての分解能（精度）を上げる
ことができ、ひいては入出カ一体型の透明ディジタイザ
を容易に構成することができる。

また、本発明によれば時間変化増幅回路を付加すること
で、遅延時間の検出誤差を少なくすることができる。

また、本発明では伝播遅延時間を計測するカウンタのパ
ルス数の設定によりＳ／Ｎの良い検出波のパルスを選ぶ
ことができ、検出誤差の少ない検出ができる。

さらにまた、本発明によれば伝播遅延時間を計測するカ
ウンタでＳ／Ｎの良い、なるべく先頭に近いパルス数を
選ぶようにしているので、ガラスの如き伝播媒体の端面
あるいは反射防止材からの反射の影響を少なくすること
ができ、結果としてディジタイザの有効面積を広くでき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の座標人力の装置の全体構成
を示すブロック図、 第２図は第１図の振動子の駆動パルス信号とセンサの出
力信号と、伝播遅延時間検出信号の波形および出力タイ
ミングを示す波形図、 第３図は一定のスレッショルドで伝播遅延時間検出信号
の波形を検出した時には検出誤差が出てしまうという原
理を示す波形図、 第４図は正側のスレッショルドを持たせた検出波形を示
す波形図、 第５図は第４図の検出波形から得られる振動ペンとセン
サ間の距離と伝播遅延時間の関係を示す特性図、 第６図は正と負の両側のスレッショルドを持たせた検出
波形魯示す波形図、 第７図は第６図の検出波形から得らｎる振動ペンとセン
サ間の距離と伝播遅延時間の関係を示す特性図、 第８図は第１図の受信波形検出回路の構成を示すブロッ
ク図、 第９図は第８図の時間変化増幅回路の構成例を示す回路
図、 第１θ図は検出波形の減衰特性を示す特性図である。 １・・・演算制御回路、 ２・・・振動子駆動回路、 ３・・・ペン（振動ペン）、 ４・・・振動子、 ５・・・ホーン、 ６・・・センサ、 ７・・・反射防止材、 ８・・・伝播媒体（ガラス）、 ９・・・受信波形検出回路、 １０・・・デイスプレィ駆動回路、 １１・・・デイスプレィ、 ２１・・・前置増幅回路、 ２２・・・時間変化増幅回路、 ２３・・・正側コンパレータ、 ２４・・・カウンタ、 ２５・・・負側コンパレータ、 ２６・・・カウンタ。 実力社イダ１」の有１号／）夕友形ｔ′ばひ゛タイミン
ク１示す疲形区第２図 突花イタ１コのイ占号え亀理を客艦明する々吟のン支ポ
園第３図 大方とイ列ｉフひ勺“ｒ′１変イヒ３贈＠回国４シの回
ア各１招第９図 ４才やミ出〃廻４箋／）；ＡＪｊ　椅ヰ生、そホす４纜
ｔノｔ’ｊト］第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）機械的振動を発生する振動ペンを振動伝播媒体から
   なる信号入力板に接触させ、前記振動伝播媒体に伝播さ
   れた弾性波を前記振動伝播媒体の所定位置に配設した機
   械的振動を電気信号に変換する変換素子で検出し、検出
   した前記電気信号に基づいて前記弾性波の伝播遅延時間
   を計測することにより前記振動ペンの位置座標を検出す
   る座標入力装置において、 前記電気信号の波形の正側と負側の両側に設けた所定の
   スレッショルドレベルにより前記伝播遅延時間を示す２
   種の信号を検出する検出手段を具備し、 検出した前記２種の信号と前記弾性波の位相速度に基づ
   いて前記座標位置を検出することを特徴とする座標入力
   装置。