JPS63118826A - 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
人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人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１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）人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、振動ペンから振
動センサに振動が伝達される間に振動伝達板上の障害物
、たとえば操作者の指１紙、あるいはゴミなどによって
信号強度が低下することがある。また、当然、センサと
ペンの距離が大きくなれば、それだけ振動は減衰してし
まう、さらに、操作者の筆正によっても検出できる振動
の強度はかなり異なってくる。

したがって、特に障害物、筆圧などの条件によって振動
検出信号のレベルが著しく低下した場合には座標検出が
不可能となったり、検出精度が低下することが考えられ
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振動伝達板における振動遅延時
間から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、前記振動ペンの出力振動レベル
を制御する操作手段を前記振動ペンに設けた構成を採用
した。

［作　用］ 以上の構成によれば、操作者は自分の筆圧、振動伝達板
上の紙などの障害物の有無に応じて適切に振動ペンの出
力を調節でき、これに基づいて正確な座標演算を行なう
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、カラス板
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
０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−ヒでの座標を
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８′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
、ドツト表示が可能な表示５１１　’上に配置され、振
動ペン３によりなぞられた位置にドツト表示を行なうよ
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’上の位置にドツト表示が行な
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パにはメニュ
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（Ａ）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ｌ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が可能な振動子駆動回路２によっ
て所定のゲインで増幅された後、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
（Ａ）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。

第２図（Ｂ）は上記の振動子駆動回路２の具体的な構造
を示している０本実施例では、振動ペン３の振動子の駆
動電圧をスイッチにより複数段階に切り換えることがで
きるようにしである０図において、符号２６で示されて
いるものはＰＮＰ。

ＮＰＮのトランジスタおよびダイオードから構成された
低インピーダンス駆動のためのバッファアンプで、入力
される駆動信号パルスに応じて振動ペン３の振動子を士
Ｖｃｃの振幅を有する駆動波形により駆動する。

本実施例では電源電圧＋Ｖｃｃ、−Ｖｃｃは抵抗２２．
２３および２４．２５によりそれぞれ分圧されており、
スイッチ２１により士Ｖｃｃ、あるいは各抵抗による分
圧値のいずれかを駆動電圧として選択できるようになっ
ている。

すなわち５本実施例では、スイッチ２１により振動ペン
３の駆動エネルギーを２段階に切り換えることができる
。

スイッチ２１および抵抗２１〜２５は可変抵抗器などか
ら構成することも考えられる。この場合には、振動ペン
３による振動伝達板８に対する入力振動強度を連続的に
可変することができる。

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ｌ
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丑での座標位置を検出する。

検出された振動ペン３の座標情報は演算制御回路ｌ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ビデ
オ信号処理装置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ｌの構造を示している。

ここでは主に振動ペン３の駆動系および振動センサ６に
よる振動検出系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。駆動信号発生回路１２は第１
図の振動子駆動回路２に対して所定周波数の駆動パルス
を出力するもので、マイクロコンピュータ１１により座
標演算用の回路と同期して起動される。

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。

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。このタ
イミング情報は入力ポート１５に入力される。

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１
４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
データのラン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ボート１７を介し
て行なわれる。

第４図は８１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０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Ｖｇ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１ｌｌｄはその振動
伝達時間をｔｇとしてｄ＝Ｖｇφｔｇ　　　　　　　　
　　・・・（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４
２２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＝ｎｅλｐ＋Ｖｐ　ＩＩｔ　ｐ　
　　　　・（，２）となる、ここで入ｐ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　・ｔ　ｇ−Ｖｐｌｌｔ　ｐ）／入ｐ　＋　１７
Ｎｌ　　　　　・・・（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ｌに入力される。

また、このＴｇ倍信号、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ｌ
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Ｔｇｌ〜ｈ１位相遅延時間Ｔｐｌ−ｈのそれぞれ
ｈ個の検出信号が演算制御回路ｌに入力される。

第３図の演算制御回路では上記のＴｇｌ−ｈ、Ｔｐｌ〜
ｈ信号を入力ポート１５から入カレ、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ｌｉＰから
各々の振動センサ６の位置までの直線距離ｄｉ−ｄ３を
求めることができる。さらに演算制御回路ｌでこの直線
距離ｄｉ〜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。

ここでＸ、ＹはＳ２、Ｓ３の位置の振動センサ６と原点
（位１ｉｓ　１）のセンサのＸ、Ｙ軸に沿った距離であ
る。

以北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。

さらに、第５図の構成ではエンベロープ検出回路５２が
検出したエンベロープの振幅はレベル検出回路７１にも
入力される。レベル検出回路７１は入力信号を所定のし
きい値と比較するコンパレータ回路から構成される。レ
ベル検出回路７１は複数のしきい値と入力信号を比較す
るものである。

すなわち、本実施例では、第７図に示す工うに、座標演
算を行なえる最上限および最下限めしきい値ｖｔｈ、ｖ
ｔ＋と入力信号８２のエンベロープ８２１を比較する。

そして、入力値が上限ないし下限を越えている場合には
表示器、ブザーなどから構成された警報回路７２によっ
て警報を行ない、前記の振動ペン３のスイッチ２１を切
り換えるよう操作者に促す。

たとえば、警報回路７２は振動ペン３のスイッチ２１の
操作方向を支持するＬＥＤなどから構成し、検出信号レ
ベルが下限のしきい値よりも低い場合には電源電圧上Ｖ
ｃｃが大きくなるよう、また検出信号レベルが上限のし
きい値よりも大きい場合には電源電圧上Ｖｃｃが小さく
なるようにスイッチ２１を切り換えさせる。

このような構成により、振動伝達板８上に紙などの障害
物が存在し、振動の減衰が大きい場合でも振動ペン３の
出力切り換えにより、座標検出に充分な信号強度を得る
ことができる。また、筆圧などにより、信号強度が大き
すぎる場合にも同様に操作者に振動ペン３の出力調整を
行なわせて座標検出に適当な信号強度を得ることができ
る。

特に、第８図に符号９２で示すように、検出波形が上限
のしきい値ｖｔｈを越えている場合には、増幅部などで
波形がクリップしてしまい、その歪みによって正確な波
形検出が行なえなくなるため、Ｌ記のような警告を行な
うことは非常に重要である。つまり、振動伝達板８上に
紙などの障害物を載せて用いることができるように、振
動ペン３の出力レベルの範囲を大きくしておくと、第８
図符号９２のように過大な入力が行なわれる可能性も高
くなるからである。

以上では、警告により操作者に振動ペン３の出力調整を
行なわせる構成を示したが、検出信号のレベルに応じて
振動ペン３の出力を自動的に変更することも考えられる
。このような構成によれば操作者は振動ペン３の調整を
気にすることなく入力作業に集中できる。

第９図は自動的に振動ペン３の出力調整を行なう回路例
を示している。ここではレベル検出回路７１は、演算制
御回路ｌに対して検出エンベロープのレベルに応じて信
号線１０１．１０２゜１０３に制御信号を出力する。こ
こで、信号線１０１はイネーブル信号を伝達するもので
、演算制御回路ｌにそのまま座標演算を続行させるため
、信号線１０２，１０３はそれぞれディスエーブルハイ
、およびディスエーブルローの信号を与える。ディスエ
ーブルハイ信号は、検出信号レベルがしきい値ｖｔｈを
越える場合に出力され、ディスエーブルロー信号は検出
信号レベルがしきい（１ｉｖｔｔよりも低い場合に出力
される。

演算制御回路１は、両ディスエーブル信号のいずれかを
受は取った場合に座標演算を中止し、ディスエーブルハ
イ信号を受は取ると振動子駆動回路２の振動ペン３の駆
動電圧を下げるよう、またディスエーブルロー信号を受
は取ると振動ペン３の駆動電圧を上げるように制御を行
なう、振動ペン３の駆動電圧の制御はトランジスタなど
により直接印加電圧を制御したり、あるいは第２図（Ｂ
）のスイッチ２１をアナログスイッチなどから構成し、
これを切り換えてもよい。

このような構成により、面倒な操作を必要とすることな
く高精度な振動ペン３の出力レベル制御を行なうことが
できる。

上記実施例では、検出レベルに応じて振動ペン３の出力
を自動調整するようにしているが、振動ペン３の出力で
はなく第５図の前置増幅器５１の増幅率を調整すること
によっても同様の効果を得ることができる。第１Ｏ図は
その際の回路例を示している。

第１０図において、演算制御回路およびレベル検出回路
７１は第９図と同様に接続されている。

ただし、この場合、演算制御回路ｌは振動ペン３ではな
く前置増幅器５１を構成するオペアンプｌ１６のゲイン
を制御する。

前置増幅器５１は非反転増幅器として機能するよう接続
されたオペアンプ１１６により構成されており、このオ
ペアンプ１１Ｂの反転入力端子に接続されたバイアス回
路は演算制御回路１によりＦＥＴ１１５を介して制御さ
れる。

ＦＥＴＩ　１５のゲートには電源電圧Ｖｃｃを分圧する
抵抗回路１１３が接続されており、抵抗回路１１３の分
圧値はスイッチ１１４により選択することができる。ス
イッチ１１４の切り換えは演算制御回路ｌにより制御さ
れる。

上記構成では、演算制御回路ｌは検出レベルが低すぎる
場合には、スイッチ１１４をｂ側の低電圧とし、ＦＥＴ
１１５の導通量を減少させてオペアンプ１１６のゲイン
を上げる。一方、検出レベルが高すぎる場合にはスイッ
チ１１４を高電圧側に切り換えてＦＥＴの導通量を増加
させオペアンプ１１６のゲインを下げる。

以上の構成においても、＠９図の場合と同様の効果を得
ることができる。第１Ｏ図の実施例においても自動的に
ゲイン制御を行なわず、警告によって操作者が前置増幅
器５１のゲインを制御する構成が考えられる。

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−Ｌ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セン
サにより検出して振動伝達板における振動遅延時間から
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、前記振動ペンの出力振動レベルを制御
する操作手段を前記振動ペンに設けた構成を採用してい
るので、前記操作手段により常に適切な信号レベルが得
られるよう振動ペンの出力を調整することにより正確な
振動検出信号処理を可使とし、これに基づいて高精度な
座標検出を行なえ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（Ａ）は第１図の振動ペンの構造を示
した説明図、第２図ＣＢ）は振動ペンの駆動回路の構成
を示した回路図、第３図は第１図の演算制御装置の構造
を示したブロック図、第４図は振動ペンと振動センナの
間の距ｆＩ＆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図は検出レベルの識別を示した波形図、第８図は過
大入力時の検出波形のクリップ状態を示した波形図、第
９図、第１θ図は本発明による異なる実施例をそれぞれ
示したブロック図である。 ｌ・・・演算制御回路　　３・・・振動ペン４・・・振
動子　　　　　６・・・振動センサ８・・・振動伝達板 １５・・・入力ボート 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 ５９・・・Ａ／Ｄ変挽変格 回路・・・レベル検出回路 ７２・・・警報回路 ９１・・・ピークホールド回路 ９２・・・加算回路　　　９３・・・コンパレータ１１
６・・・オペアンプ ２Ｌノ （喪主８路） 潰扉制御口路の７０．７７図 第３図 第４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
   けられたセンサにより検出して振動伝達板における振動
   遅延時間から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、前記振動ペンの出力振動
   レベルを制御する操作手段を前記振動ペンに設けたこと
   を特徴とする座標入力装置。 ２）前記振動センサの検出信号レベルを測定する手段と
   、測定された信号レベルに応じて前記操作手段を操作す
   るよう促す警告を発生する手段を設けたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の座標入力装置。