JPS63106822A - 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】 ｒＦＩＦＸ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ととして各種の入力ベンおよびタ
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）入力ベンからタブ１／ツｉ・に伝達される超音波振
動を検出する方式。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記の各従来方式は次のような問題点を有している。

まず、１）の抵抗膜方式は抵抗膜の均一性が検出精面を
決定するので、均一・性の高い高価な抵抗膜を必要とす
ること、あるいはタブレットを透明化できないので表示
器などに重ねて使用できないなどの欠点がある。

２）の誘導方式も透明化が困難で、しかもマトリクス状
の電極を多数設けるため大型なタブレットを構成するの
が困難である。

一方、３）の超音波方式では、タブレットとじて、圧電
素子などの振動センサを設けたアクリル、ガラス板など
の透明材料から成る振動伝達板を用いることができる。

ところが、この超音波方式ではタブレットの振動伝達板
」二の傷や障害物などによって検出精度が低下する問題
がある。

そこで、弾性波のうち板波によってタブレットの振動伝
達板を振動させ、振動伝達板の傷や障害物の影響を小さ
くする技術が提案されている。この種の従来の弾性波を
用いた方式では、振動伝達板の周辺部からの弾性波の反
射を防止するため、振動伝達板がシリコンゴムなどの防
振材料から構成された反射防止材により支持される。

ところが、このような構造でも振動伝達板と反射防止材
との境界面からの反射波が検出振動に合成され、歪みを
生じて検出精度が低下する問題があった。

本発明では、他の方式に比して透明化が容易で比較的安
価に構成できるという種々の利点を有する超音波振動方
式において、上記の検出誤差の問題を改善することを目
的とする。

［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
た振動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おいて、前記振動
伝達板端縁の固有音響インピーダンスが変化する境界面
トないしこの境界面に接した位置に前記振動センサを設
ける構成を採用した。

［作　用］ 以上の構成によれば、振動伝達板固有音響インピーダン
スが変化する境界面からの反射波が検出波形に合成され
て歪みを生じることがなく、振動検出に基づく座標検出
精度を大きく向上できる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
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、ドツトマトリクス方式
などの液晶表示器によるディスプレイ１１′とともに文
字、図形、画像などの入出力装置を構成する。

図において符号８で示されるものはアクリル、ガラス板
などから成る振動伝達板で、振動ペン３から伝達される
振動が周辺部で反射されるのを防止するため、シリコン
ゴムなどから構成された反射防止材７に支持されている
。振動伝達板８の角部には３個の振動センサ６が取り付
けられており、振動ペン３から伝達される弾性波を検出
する。

振動伝達板８が液晶ディスプレイなどから構成されたデ
ィスプレイ１１′上に配置され、情報入出力装置を構成
する。ディスプレイ１１′には振動伝達板８を介して入
力された文字、図形をフィードバックさせたり、あるい
は振動伝達板に対する入力操作のプロンプトを表示させ
たりする。

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
動の可能な振動子駆動回路２によって所定の利得で増幅
され、振動子４に印加される。電気的な駆動信号は、振
動子４によって機械的な振動に変換され、ホーン部５を
介して振動伝達板８に伝達される。

振動子４の振動周波数は、アクリル、ガラ、Ａどの振動
伝達板８に板波を発生させる周波数が選択される。また
、振動子４は、振動伝達板８に対して、第２図の垂直方
向に−Ｌに振動するような動作モードが選択される。振
動子の振動周波数は、振動−ｆ４の共振周波数に選択す
ることで効率の良い振動発生を行うことができる。

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
波と呼ばれる波であり、表面波などに比べて表面の傷、
障害物などの影響を受けにくいという利点を持つ。振動
伝達板８内を伝播する波は、その距離に応じた時間遅れ
て振動伝達板８の３つの角部に設けられた振動センサ６
に到達する。従−）で、振動センサ６により振動を測定
し、その遅延時間を計測することによって、振動伝達板
８上での振動ペン３の位置を検出することができる。

再び第１図において、圧電素子などから構成された振動
センサ６の出力信号は、波形検出回路９に入力され、マ
イクロコンピュータおよびメモリなどから構成された演
算制御回路ｌ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、上記の遅延時間の演算処理に基づい
て、振動伝達板８上での振動ペン３の位置を検出する。

第１図のディスプレイ１１　′は、演算制御回路ｌによ
りディスプレイ駆動回路１０を介して駆動される。

第３図は第１図の演算制御回路の構造を示している。こ
こでは、第１図のディスプレイ１１′の駆動回路の制御
系を除き、振動ペンの振動発生および振動伝達板からの
振動検出を処理する回路のみが示されている。

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に対して駆動パルスを発生する
もので、マイクロコンピュータ１１により演算用の回路
と同期してスタートされる。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。

波形検出回路９から入力される検出信号は、入カポ−）
１５に入力され、ラッチ回路１４内の計数値と判定回路
１６により比較され、その結果がマイクロコンピュータ
−１に伝えられる。ディスプレイ１１′の駆動、あるい
はコンピュータシステムなど他の処理装置との入出力は
、入出力ボート１７を介して行われる。

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、それに基づく遅延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によって発生される超音波信号
は振動伝達板８内を弾性波として伝達され、振動センサ
６により検出されて、第４図の符号４２のような検出波
形を形成する。検出波形は、振動ペンから振動伝達板８
を介して振動センサに伝えられるまでに時間ｔｇだけ遅
延している。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
が変化する。

エンベロープの進む速度を群速度Ｖｇ、位相の速度を位
相速度ｖｐとする。

この群速度および位相速度の中から振動ペン３とセンサ
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ｖｇであり、ある
特定の点、例えばエンベロープのピークを第４図の符号
４３のように検出すると、振動ペンおよび振動センサ６
の間の距離ｄは、その遅延時間をｔｇとして、 ｄ＝ｖｇ−ｔｇ　　　　　　　　　　　　番φ會（１）
で与えられる。上記の式は振動センサ６の１つに関する
ものであるが、同じ式により他の２つの振動センサおよ
び振動ペンの間の距離を測定することができる。

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う。第４図の位相波形４２
２の特定の検出点、例えばピーク通過後のゼロ・クロス
点の遅延時間を第４図のようにｔｐとすれば、振動セン
サと振動ペンとの距離ｄは、 ｄ＝ｎ　　争　入　ｐ　＋ｖｐｅ　　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（］、　）式と（２）式より、上記の整数ｎは、 ｎ＝［（マｇ”ｔｇ−マｐ・ｔｐ）　／λｐ＋−］　　
　　・・・（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。例えばＮ＝２とすれば、
エンベロープの検出精度が士局波長以内であれば、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（
２）式に代入することで、振動ペンおよびセンサ間の距
離を正確に測定することができる。

第４図に示した２つの遅延時間ｔｇおよびｔｐに基づく
距離測定は、第１図の波形検出回路９により行われる。

波形検出回路は第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
により増幅され、低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、エンベロ
ープのみが取り出されて、さらにエンベロープピーク検
出回路５３によって検出信号のエンベロープのピークの
タイミングが検出される。ピーク信号検出はモノマルチ
バイブレーク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Ｔｇ倍信号形成され、演算制御回路１に
入力される。また、このＴｇ倍信号遅延時間調整回路５
７により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ＴＴ）検出信号が形成され、演
算制御回路１に入力される。以りに示した回路は振動セ
ンサ６の１個分に対するものであり、他のそれぞれの振
動センサについても同様の回路が設けられる。センサの
数は一般化してｈ個とすると、演算制御部１に対しては
エンベロープ遅延時間Ｔｇ、　−ｈ　。

ＴＰＩ〜ｈの検出信号が入力される。

第３図の演算制御回路では、上記のＴｇｌ〜ｈ。

ＴＰＩ〜ｈ信号を入力ボート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。上記のようにカウンタ１３は
振動子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
延時間の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
を符号Ｓ１〜Ｓ３のように配置すると、第４図に関連し
て説明した処理によって、振動ペンの位置Ｐから各々の
振動センサまでの直線距離ｄ　１−　ｄ　３を求めるこ
とができる。振動ペン３の位置Ｐの座標（ｘ　、　ｙ）
は３平方の定理から、となる。ここでＸ、ＹはＳ２．Ｓ
３の位置の振動センサの原点のセンサからの距離である
。

以上の演算を演算制御装置１により行なうことにより振
動ペンの位置座標をリアルタイムで検出することができ
る。

以」二の実施例では、振動センサ６は振動伝達板８の３
つの角部に設けているが、このような構成では、反射防
止材により反射波が低減されているとはいえ、２つの異
なる音響インピーダンスを有する振動伝達板８と反射防
止材７の角の２つの境界面からの反射波によって、振動
センサ６の検出波形に歪みを生じる問題がある。

そこで、以下に示す実施例では第７図に示すように、振
動センサ６を３辺の中央位置に設ける。

このような構成によれば、弾性波の反射を生じる反射防
１Ｌ材７との境界面は振動センサ１つに対して１つとな
り、反射波の処理がより容易になる。

ここで振動センサ６の位置とそれに応じた反射波の影響
を第８図、第９図に示す。ここでは、説明を簡単にする
ため反射防１ト材を設けない場合を考える。

第８図（Ａ）に示すように振動センサ６を振動伝達板８
端縁の境界面８２から光分離した位置に装着した場合と
、第８図（Ｂ）のように境界面８２に近い位置に装着し
た場合とでは第９図（Ａ）、（Ｂ）のように検出波形が
異なって〈る。

第８図（Ａ）のように振動センサ６が境界面から離れて
いる場合には振動ベン３かもの直接波と反射波はそれぞ
れａ、ｂのように異なる経路をとる。この場合、ｂの経
路はａよりも長いので、第９図（Ａ）に示すように反射
波すは直接波ａよりかなり遅れて振動センサ６に到達す
る。振動ベン３からの振動入力時間が短ければ第９図（
Ａ）のｊ：うに反射波は直接波に重ならないので、振動
入力時間に対応した時間ｔだけ波形検出を行なえば反射
波の影ｉを完全に除去することができる。

ところが、第８図（Ｂ）に示すように振動センサ６を境
界面８２の近傍に配置すると、直接波と反射波の経路の
長さはほとんど変らないので、検出波形は第９図（Ｂ）
に示すように直接波と間接波が重畳された波形となり、
歪みを生じてしまう。この歪みは前記の波形検出に基づ
く座標検出精度に大きく影響する。

−１−記から明らかなように、反射波による歪みを避け
るには、振動センサ６を反射境界面から離す場合にはそ
の距離は授い方が好ましいことがわかる。ところが、振
動センサ６を反射境界面、すなわち、振動伝達板８の周
辺から内側に追い込むと、それだけ座標検出範囲が小さ
くなるという問題がある。

そこで、本実施例では、振動センサ６を振動伝達板８の
辺部に設ける場合、反射境界面から振動センサ６を離す
のではなく、振動伝達板８の端縁の反射境界面上に直接
取り付ける。この構成をより詳細に示したのが第Ｊ、　
０図、第１１図である。

第１０図のように振動センサ６を振動伝達板８の端縁の
境界面に接して圧接、接着などの方法で固定することに
より、第１１図に示すように反射波は１〕の経路をとお
って振動伝達板８中央部に戻り、振動センサ６には到達
せず、反射波により検出波形が歪むことがない。

このような構成では反射境界面８２からの反射波を検出
しないように振動センサ６と振動伝達板８の接触面積を
できるだけ小さくするのが好ましい。したがって、振動
センサ６が第１０図のような円柱状のものである場合に
は、振動センサ６の直径は振動波形に比して充分小さく
するのがよい。

第１２図は長方形の振動伝達板８に１つの振動センサ６
を第１０図のように装着した場合の有効座標入力範囲を
示したものである。図示のように、本実施例によれば振
動センサ６を反射境界面１２０に装着した場合、境界面
１２０による反射はないので、有効座標入力範囲は反射
境界面１２１〜１２３それぞれに対応する境界緯線１４
１〜１４．３により形成され、１つの反射境界面の分だ
け有効入力範囲が広くなる。

第１３図は第１２図の入力範囲を実際に取り付けられる
３個の振動センサ６に対する有効座標入力範囲を重ねて
示したものである。この構成では角部Ｃの領域で反射波
が重なって検出精度が低下する。しかし、このように複
数の振動センサ６を設ける場合でも、反射匍城の重なる
度合が小さくなり有効座標入力範囲を振動センサ６を第
８図のように境界面から離して配置する場合よりも拡大
することができる。

このことは、同じ入力面積を実現する振動伝達板８の大
きさを小さくでき、装置全体を小型に構成できることを
意味する。

第１４図は振動伝達板８を反射時ＩＦ材７を介して支持
する場合の構成を示している。この構成では振動伝達板
８の周縁は反射防止材７により覆われている。このよう
な構成では反射波はかなり反射防止材７により吸収され
るので、その影響は反射防止材７を設けない場合に比し
て大きく低減されるが、反射防止材７と振動伝達板８の
境界面８２が反射面となり、この面においてわずかな反
射が生じる。この境界面での反射波の影響を避けるには
、振動センサ６を振動伝達板８と反射防止材７により画
成される反射面１２に接して取り付ければよい。

果が期待できるので、反射波の影響による検出波形の歪
みをほぼ完全に除去できる。

上記実施例では振動センサ６を円柱状の圧電素子から形
成したが、第１５図、第１６図にそれぞれ示すように半
円形の圧電素子、あるいは先端にホーン部を有する先細
の振動センサを用いる場合にも同等の効果を期待できる
。

振動センサ６を振動伝達板８の辺部に設ける場合、第６
図に示した座標演算の方法は多少異なってくるが、座標
軸の平行移動などによりセンサが１直線上に並ばない限
り（４）、（５）式と同等の計算式により座標演算を行
なうことができる。

［効　果］ 以上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複数設けられた振動セ
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おいて、前記振動伝達板端
縁の固有音響インピーダンスが変化する境界面上ないし
この境界面に接した位置に前記振動センサを設ける構成
を採用しているので、振動伝達板の端縁の境界面での反
射波による振動検出波形の歪みを防止し、座標検出精度
を大きく向上できる、また有効座標検出範囲を拡大して
装置を小型に構成できるなどの優れた利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を採用した座標入力装置の構成を示した
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図は本発明による座
標検出装置の異なる構成を示した説明図、第８図（Ａ）
、（Ｂ）は振動センサの取り付は位置による反射波の影
響を示した説明図、第９図（Ａ）：（Ｂ）は第８図（Ａ
）、（Ｂ）に対応して反射波の検出波形に対する影響を
説明する波形図、第１０図は振動センサの取り伺は構造
を示した斜視図、第１Ｊ図は第１０図の構成における振
動の反射状態を示した説明図、第１２図および第１３図
はそれぞれ本発明における有効座標検出範囲を示した説
明図、第１４図から第１６図はそれぞれ本発明における
異なる振動センサの構造および取りイ１け構造を示した
斜視図である。 ■・・・演算制御回路　　３・・・振動ペン４・・・振
動子　　　　　６・・・振動センサ７・・・反射防止材
　　　８・・・振動伝達板９・・・波形検出回路　１２
・・・反射境界面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 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）振動ペンから入力された振動を振動伝達板に複数設
   けられた振動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おいて、前
   記振動伝達板端縁の固有音響インピーダンスが変化する
   境界面上ないしこの境界面に接した位置に前記振動セン
   サを設けることを特徴とする座標入力装置。 ２）前記振動伝達板の周縁が反射防止材により支持され
   、反射防止材と振動伝達板との境界面上ないしこの境界
   面に接した位置に前記振動センサが設けられることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の座標入力装置。