JPS63234313A - 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Ｊ 本発明は座標入力装置、特に振動伝達板上の振動伝達時
間から指示点座標を検出する座標入力装置であって、振
動伝達板を防振材を介して支持する構造を有する座標入
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。

ｌ）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。

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］ 一方、以上の超音波方式では、振動を媒介として座標検
出を行なうので、特有の諸問題がある。

まず、タブレットに表面波を発生させ、これを座標検出
に用いる方式では、タブレットの振動伝達板の傷、ある
いはその上の障害物により反射波が発生し、座標検出精
度を低下させる。また、振動伝達板の傷の問題を回避す
るため、固体中ではなく、空気中で振動を伝達させる方
式も考えられているが、この方法でも伝播路の障害物に
より振動伝達特性が変化するので、精度上の問題を生じ
る。

また、弾性波のうち、板波を利用する方式は、伝達板の
傷や障害物に関する妨害に１強いが、速度分散が生じる
から、あるしきい値による検出では振動波長に依存した
誤差を生じるという問題がある。

また、弾性波振動を振動伝達板上で伝達させる方式では
、振動伝達板の端縁で反射波が生じる。

これが直接波と合成されると、検出波形に歪みを生じ、
検出精度を低下させる問題がある。

そこで、振動伝達板の周辺部を高分子材料などから構成
した防振材により支持する構造が考えられている。従来
のこの方式では、防振材の近傍に振動入力を行なうと、
検出レベルが著しく低下し、これにより座標検出精度も
低下してしまうという問題があった。

ｃ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
伝達板の周辺部に設けられた防振材から前記座標検出用
の振動の２波長以上の距離をおいた位置に前記振動セン
サを配置する構成を採用した。

［作　用］ 以上の構成によれば、振動伝達板の周辺部の防振材近傍
に振動入力を行なった場合でも弾性波が減衰することが
なくなる。

［実施例１ 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図の座標入力装置は、ドツトマトリクス方式
などの表示方式を有するディスプレイ１１′とともに文
字、図形、画像などの情報入出力装置を構成する。

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
動をその辺部に３個設けられた振動センサ６に伝達する
。この振動センサ６の配置については後述する。

本実施例における振動ペンを用いる座標検出では、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には、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
、合成樹脂などで構成された防振材７が装着されている
。

振動伝達板８はＣＲＴ（あるいは液晶表示器）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ｉ、振動伝達板８に対して第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。

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上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ビデ
オ信号処理装ＭｌＯ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１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を内蔵してシ）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および、筆圧検出の
ための信号レベル情報を出力する。これらのタイミング
およびレベル情報は入力ポート１５および１６にそれぞ
れ入力される。

波形検出回路９から入力されるタイミング信号は入力ボ
ート１５に入力され、判定回路１７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
データのラッチイ直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ポート１８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の間の距離ｄはその振動伝達時間をｔ
ｇとして ｄ＝Ｖｇ−ｔｇ　　　　　　　　　　　　・・・（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１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ｄ＝ｎ＊　　λ　ｐ＋Ｖｐ　　・　
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（１）式と（２）式から上記の整数ｎはｎｘ［（
Ｖｇｌｌｔ　ｇ−Ｖｐ＠ｔ　ｐ）／Ａｐ＋１／Ｎ］・・
・（３） と示される。ここでＮはＯ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波艮い
ないであれば、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図の波形検出回
路は筆圧検出のため、後述のように振動センサ６の出力
波形のレベル情報も処理する。

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。

また、このＴｇ信号と、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から入力し、各々のタイミング
をトリガとしてカウンタ１３の力＊ＬＡＪリ ラント値をラッチ回路１４に取り込む、５遍Ｆ証」ｒ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しめずデータが取り込まれ
る。

たとえば、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Ｓｌ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
置Ｐから各々の振動センサ６の位置までの直線距離ｄｌ
−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。

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
（位置Ｓｌ）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。第１図のように振動センサ６
を振動伝達板８の３辺の中央位置に設けても、原点を移
動して第６図と同様な演算を行なうことによって振動ペ
ンの位置座標を検出できる。

第７図（Ａ）、ＣＢ）は防振材７の有無による振動伝達
特性の違いを示したものである。第７図（Ａ）は防振材
７が設けられていない場合、また第７図（’　Ｂ　）は
防振材７が設けられている場合で、振動伝達板８は両面
の防振材７゛により挟持されている。防振材７．振動伝
達板８は支持部材１１２により保持されている。第７図
（Ａ）、（Ｂ）の下部には異なる時刻において振動伝達
板８で伝達される２つの超音波波形が拡大して示されて
いる。

防振材７を設けない場合には、第７図（Ａ）のように振
幅は減衰しない、一方、防振材７が設けられている場合
には第７図（Ｂ）のように、振動伝達板８の周辺部で振
動の減衰が生じる（第７図（Ａ）、（Ｂ）では距離に応
じた振動の減衰は省略しである）。

特に、第７図（Ｂ）のように防振材７を設けると、防振
材７から２波長以内の距離の領域、すなわち、第７図（
Ａ）、（Ｂ）の符号１１３の破線よりも左側の領域では
、防振材７により振動が拘束され、大きな振幅の減衰が
生じる。第８図（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ第７図（Ａ）
、（Ｂ）の構成においてそれぞれ検出される振動波形を
示している。第８図（Ｂ）の検出波形の振幅すは第８図
（Ａ）の振幅ａよりも大幅に減衰している。

したがって、前述のような検出方式を採用した場合には
、エンベロープ（第４図の符号４２１）の検出精度が著
しく低下し、座標検出が不可能になったり、精度が低下
したりする。逆に位置１１３よりも右側の領域では、弾
性波の振幅はほとんど減衰せず、正確な座標検出が可能
である。

このことを第９図〜第１１図を参照して説明する。

第９図、第１０図は防振材７からの距離と１弾性波の振
幅が減少する範囲の関係を２次元的に示している。第９
図は振動ペン３、振動センサ６、防振材７．振動伝達板
８と振動伝達経路の関係を斜視図として、また第１０図
は上面図として示している。

振動ペン３により振動入力を行なうと、振動伝達板８に
弾性波が伝達され、符号１１５の経路を通って振動セン
サ６に伝達される。ここで、Ｃは経路１１５を中心とし
た弾性波の２波長分以内の領域を示している。

まず、防振材７の端面を符号Ａの位置に設定すると、領
域Ｃが防振材７と重なる部分りが生じ、この領域では防
振材による拘束により大きな振動の減衰が生じる。振動
ペン３を防振材境界面からの距離を一定にして振動セン
サ６から離せばこの傾向は強まるので、振動伝達板８の
角部分では部分りの影響はさらに大きくなる。

一方、防振材７の境界面を符号Ｂの位置に設定すれば、
領域Ｃと防振材７が重ならないので、振幅の減衰は生じ
ない。

従って、第１１図のように振動センサ６を位置１１３（
第９図、第１０図のＢの位置に対応）よりも防振材７か
ら離れた位置に設けるようにすれば、振幅の減衰による
座標検出精度、ないし座標検出精度の低下を生じること
なく、正確な座標検出が可能である。

ただし、振動ペン３を位置１１３よりも防振材７に近い
側に符号Ｆのように移動してしまうと、防振材７と、振
動伝達経路から２波長以内の領域Ｃが符号りのように防
振材７と重なるため、座標検出精度が保証される領域も
やはり位置１１３よりも内側となる。すなわち、位置Ｅ
よりも内側で振動ペン３により座標入力を行なった場合
にのみ、良好な検出特性が確保される。

第１１図のように振動センサ６を配置した場合の振動セ
ンサ６、防振材７、振動伝達板８の位置関係を第１２５
４に示す、前記の構成では振動センサ６を３個設けた例
を示したが、ここでは振動センサ６の装着が可能な振動
伝達板８の４辺中央部の４つの位置を示している。振動
センサ６は振動伝達板８の各辺に関して防振材７の端部
かも２波長以上離れた位置１１３、ないしこれよりも内
側に配置される。振動センサ６の設定数は一直線上に配
置されない最低３個で、それ以上の数のセンサを設けて
もよい。

ここで、防振材７から２波長以内の範囲を決定する根拠
となる測定結果を第１３図、第１４図に示しておく。

第１３図は振動伝達特性測定時の振動ペン３、振動セン
サ６、防振材７の位置関係を示したものである。この実
験では、振動ペン３゛、振動センサ６を結ぶ線分を防振
材７の端縁と平行にし、振動ペン３、振動センサ６を結
ぶ線分と防振材７端縁の距離Ｇをかえて振動センサ６に
よる検出振幅レベルを測定した。ここでは、防振材７を
主として塩化ビニルを用いた樹脂、振動伝達板８を１ｍ
ｍ厚のガラス板から構成し、振動周波数として４００ｋ
Ｈｚを用いた。このときの伝達弾性波の波長は約４．５
ｍｍに相当する。

結果は第１４図に示すように、距離Ｇが大きくなるにつ
れて振動センサ６による検出振幅レベルは大きくなり、
距離Ｇが伝達弾性波の２波長に達する点において、防振
材７と同一の検出振幅レベルが得られた。

［発明の効果］ 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りでの座
標を検出する座標入力範囲において、前記振動伝達板の
周辺部に設けられた防振材から前記座標検出用の振動の
２波長以上の距離をおいた位置に前記振動センサを配置
する構成を採用しているので、防振材７による振動減衰
による座標検出不能、あるいは精度低下といった問題を
生じることなく確実な振動検出が行なえるという優れた
効果がある。

【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座標入力部
の構成を牛斡孝≠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（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ防振材７の有無による
振動波形の違いを示した説明図、第８図（Ａ）、（Ｂ）
はそれぞれ第７図（Ａ）、（Ｂ）の構成において検出さ
れる振動波形を示した線図、第９図は振動ペン、振動セ
ンサ、防振材の位置関係を示した斜視図、第１θ図は第
９図の上面図、第１１図は有効な振動センサの配置範囲
および座標入力範囲を示した上面図、第１２図は本発明
における振動センサ、防振材、振動伝達板の位置関係を
示した説明図、第１３図は本発明の寄り処となる実験の
様子を示した説明図、第１４図は第１３図の状態での検
出振幅レベルを示した線図である。 ■・・・演算制御回路　　３・・・振動ペン４・・・振
動子　　　　　６・・・振動センサ７・・・防振材 ８・・・振動伝達板　　　５１・・・前置増幅器１５．
１６・・・入力ポート ５２・・・エンベロープ検出回路 ５４．５８・・・信号検出回路 ５９・・・Ａ／Ｄ変換回路 ９１・・・ピークホールド回路 ９２・・・加算回路　　　９３・・・コンパレータ第５
図 第６図

Claims (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
   動伝達板の周辺部に設けられた防振材から前記座標検出
   用の振動の２波長以上の距離をおいた位置に前記振動セ
   ンサを配置することを特徴とする座標入力装置。