JPS63136126A - 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
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１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入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、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）入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屯ねて配置し、あたかも紙に
画像を書き込むよｌ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、環境条件、特に
温度による振動伝達特性の変化により振動検出精度およ
びこれに基づく座標検出精度が低下したりばらついたり
する問題があった。たとえば、振動伝達板として用いら
れるガラスなどの振動伝達速度はそれほど大きく変動し
ないが、振動ペン、振動センサに用いられる圧電素子の
共振周波数の変動は伝達される振動の群速度、位相速度
に犬きく影響されるので、位相検出、エンベロープ検出
に基づく振動伝達時間の測定精度もこれに影響される。

［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、所定条件による振動伝達時間の
測定を行ない、これに基づいて前記座標検出に必要な定
数を決定する構成を採用した。

［作　用］ 以上の構成によれば、座標検出に必要な定数を振動伝達
時間の実測に基づいて設定するので、環境条件に応じて
適切な定数設定を行ない、常時正確な座標検出を行なう
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情報入出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１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、ガラス
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側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上での座標を
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１
Ｆ材７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器１１’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’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。

図示のように、振動ペン３はペン軸状のケースを有し、
　その先端部にはホーン部５が固定される。ホーン部５
は振動子４の振動を効率よく振動伝達板８に伝達させる
ため、エクスポネンシャル形状となっている。すなわち
、ホーン部５の断面積は根本から先端に向かって指数関
数的に変化するように構成されている。また、ホーン部
５の音響インピーダンスは振動子４と共振系を構成する
ように設定されている。

振動ペン３の振動子４は、振動子駆動回路２により所定
の周波数で駆動される。

駆動回路２が発生す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＠２図
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。

一１―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上での座標位置を検出する。

また、後述の定数設定処理のため、図の左下の検出座標
の原点に対応する振動センサ６はスイッチ２２の切り換
えにより振動子駆動回路２の出力信号を印加できるよう
に構成しである。すなわち、この振動センサ６は振動子
として用いられる。スイッチ２２はマニュアル処理、あ
るいは後述のタイミングにより演算制御回路１により必
要に応じて自動的に切り換えられる。

検出された振動ペン３の座標情報は演算制御回路１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ディ
スプレイ駆動回路ｌＯ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。

マイクロコンピュータｔｉは内部カウンタ、ＲＯＭおよ
びＲＡＭを内蔵している。マイクロコンピュータ１１は
駆動信号発生回路１２に前記の振動子駆動回路２の駆動
を開始させるスタート信号を与えるとともに、振動開始
に同期して振動伝達時間を計測するためのカウンタ１３
をスタートさせる。

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。

波形検出回路９から入力されるタイミング信号は入カポ
−）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
データのラッ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ｔｔ’の出力制御処理は入出力ポート１７を介し
て行なわれる。

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−Ｈ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Ｊｌｌｌｄはその振動伝達
時間をｔｇとしてｄ＝Ｖｇ＠ｔ　ｇ　　　　　　　　　
、−（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〈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＝ｎｅ入ｐ＋Ｖｐ　１１ｔ　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−ＶｐＩＩｔ　ｐ）／λｐ　＋　ｌ　
／　Ｎ　］・・・（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、±１７２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／す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１に入力される。

七 また、このｉｇ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−ｈ、位相遅延時間ｔＰ１−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、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Ｓｔから５３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の位置Ｐから各
々の振動センサ６の位置までの直線比ｇｌｄｌ−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＃ｄ１〜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。

ｘ＝Ｘ／２＋　（ｄｌ＋ｄ２）（ｄｉ−ｄ２）／２Ｘ　
　　　・・・（４） ｙ＝Ｙ／２＋　（ｄｌ＋ｄ３）（ｄｉ−ｄ３）／２Ｙ　
　　　・・・（５） ここでＸ、ＹはＳ２、Ｓ３の位置の振動センサ６と原点
（位１ｓＩ）のセンサのＸ、Ｙ軸に沿った距離である。

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。

以上の構成において、振動センサ６の１つを用いて環境
条件に依存した振動伝達特性を測定し、座標演算に役立
てる方式につき説明する。

ガラスにおける振動伝達速度の温度変化は、実験による
と１　ｍｍ厚のガラスで約ｏ、ｏｏｅ％／℃程度また圧
電素子の共振周波数の変化は０．３％／℃であった。上
記データかられかるように、ガラスの温度に応じた振動
伝達速度変化はほとんど無視してよいが、圧電素子の共
振周波数の変化により、ガラスの振動伝達速度はガラス
の厚みｔと、周波数ｆの積について第７図のように変化
する。

ｆ・ｔに関する装置の使用範囲Ｗ近傍で、たとえば２０
℃の変化があったとすると、共振周波数ｆは６％変化す
る。第７図から明らかなように、厚みｔと周波数ｆの積
ｆ・ｔが６％変化すると、振動伝達速度は１％の変化を
生じる。すなわち、振動ペン３と振動センサ６の距離が
実質１００ｍｍの場合には１ｍｍの誤差が現れる。前記
の群速度Ｖｇ、位相速度Ｖｐ、波長入Ｐをあらかじめ測
定により求めた固定値として設定した場合、ペンとセン
サの距離が離れれば離れるほど誤差が大きくなる。

したがって、本実施例では、上記定数Ｖｇ、Ｖｐ、入ｐ
の値を実測し、これを座標演算に用いることにする。

これらの定数Ｖｇ、Ｖｐ、入、を測定するには、振動セ
ンサ６の一つをスイッチ２２を切り換えて振動子として
用い、他の振動センサ６によりその振動を検出する。振
動子として用いる振動センサと、検出用のセンサの距離
ｄはわかっているから、この距＃ｄを検出した振動伝達
時間で除することによりＶｇを求めることができる。す
なわち、 Ｖｇ＝ｄ／１ｇ　　　　　　　　　　　　　　・・・（
６）である。

ぐ 次に（２）式におけるんｐであるが、検出軸−形シ−♂
よりの ミ丙ｒ石′クロスをｔｐｒ、立渠りのゼロクロスをｔｐ
ｆとすれば、 入ｐ＝Ｖｐ・２１ｔｐｒ−ｔｐｆｌ　　　−（７）であ
る、したがって（２）式は、 Ｔｐ＝２１　ｔ　ｐｒ−ｔ　ｐｆ　ｌとすると、ｄ＝ｎ
＊Ｖｐ＊Ｔｐ＋Ｖｐｅｔｐ　　　　…（ａ）となる、こ
こで、ｎは（３）式に関して前述したように、測定され
ているｄの誤差が±１／２波長以内の精度で測定に用い
る振動センサ６の間の距離が保たれていれば、前もって
測定された振動センサ６間の距離に応じた既知のｎを用
いることができる。したがって、Ｖｐ、入ｐは Ｖｐ＝ｄ／　　（ｎ　　争　Ｔｐ＋ｔｐ）　　　　　　
　　−（９）入ｐ＝ｄ＠Ｔｐ／　（ｎ・Ｔｐ＋ｔｐ）　
　−（１０）となり、（８）　、　（７）　、　（８）
式よりＶｇ、Ｖｐ、λｐを求めることができる。

以上のようにして求めた各定数Ｖｇ、Ｖｐ、入ｐを前述
の座標演算に用いることにより２主として温度変化に依
存する振動伝達特性変化による検出誤差を補正すること
ができる。

上記の定数設定処理を行なうタイミングに関しては種々
の実施例が考えられる。まず、装置の電源を投入した際
に行なう方法、また、所定回数の座標検出サンプリング
（１００回から１０００回程度）ごとに行なう方法、ま
た振動ペンが（所定時間以上）振動伝達板から離れてい
る状態で行なう方法などが考えられる。

上記の測定、および定数設定を行なう場合には、振動ペ
ン３と振動センサの圧電素子の振動入力条件をなるべく
等しくするために、両者の圧電素子に同じものを用いる
のがよい。

Ｌ記実施例では、振動伝達板８による入カタブレットを
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」二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、所定条件による振動伝達時間の測定を
行ないこれに基づいて前記座標検出に必要な定数を決定
する構成を採用しているので、座標検出に必要な定数を
振動伝達時間の実測により設定できるので環境条件にか
かわらず正確な座標入力精度を維持できる優れた座標入
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図は本発明による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図は振動伝達
特性の変化を示した線図である。 １・・・演算制御回路　３・・・振動ペン４・・・振動
子　　　　５・・・ホーン部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・・・エンベローフ検出回路 ５４．５８・・・信号検出回路 代理人　　弁理士　加　藤　卓：　　１第５図 第６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、所定条件による振動伝達
   時間の測定を行ないこれに基づいて前記座標検出に必要
   な定数を決定することを特徴とする座標入力装置。 ２）前記振動伝達板に設けられた振動センサのうちいず
   れかを振動子として用い、他の振動センサにより振動を
   検出して前記振動伝達時間の測定を行なうことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の座標入力装置。 ３）前記定数設定処理をあらかじめ定めたタイミングで
   行なうことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第
   ２項に記載の座標入力装置。