JPS63280322A - 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、特に振動ペンから振動伝達板に
入力された振動を振動伝達板に設けられた複数の振動セ
ンサにより検出し、振動ペンから各振動センサへの振動
伝達時間ないし距離を測定し各々の振動センサへの振動
伝達時間ないし距離に基づいて振動入力点の座標を検出
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あ
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。

この種の装置では、振動入力ペンからタブレットに伝達
される超音波振動を振動伝達板に入力し、入力点から振
動伝達板の所定部位に設けられた振動センサにより検出
し、各センサへの振動伝達時間により入力点の座標を検
出する構成が知られている。

このような超音波振動を用いる方式では、人力タブレッ
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、液晶表示器などに入力タブレットを重ねて配に
し、あたかも紙に画像を書さ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］ 第８図は従来の超音波振動方式の座標入力装置の構造を
示している。

図示のように、入力タブレットは、周辺部を反射波防止
用の防振材７７により支持された振動伝達板７８によっ
て構成される。振動伝達板７８の角蔀には複数の（ここ
では３個）の圧電素子などから成る振動センサ７６が設
けられている。

一方、タブレットに振動入力を行なう振動ペン７３は、
圧電素子などから成る振動子７４とこの振動子の振動を
振動伝達板７８に入力するためのホーン部７５を有する
。振動ペン７３は、後述の座標検出処理に同期して振動
子駆動回路７２により駆動される。

振動ペン７３により振動伝達板７８の所望位置に振動入
力を行なうと、この振動は振動伝達板７８上を距離に応
じた伝達時間を費やして伝達され各センサ７６に到達す
る。この場合、センサと入力点の距離は、振動伝達板７
８に固有の振動伝達速度と、伝達時間の積により求める
ことができる。

振動センサ７６の出力は図示した３系統の処理回路に入
力され、振動伝達時間が検出される。３系統の処理回路
は全く同一の構成を有している。

ここで、最下段の回路につき説明する。

振動センサ７６の出力は前置増幅器８０に入力され、所
定のゲインで増幅された後、振動波形検出回路８３に入
力される。波形検出回路８３は主として検出信号のエン
ベロープを検出し、それが所定のレベルを越えることで
振動のセンサへの入力を検出する。

波形検出回路８３の検出信号はラッチ回路８６に入力さ
れ、ラッチ回路８６は検出信号の入力のタイミングで、
あらかじめ振動ペン７３による振動入力に同期してスタ
ートされていた計時カウンタ７９の出力データを取り込
む。

したがって、各々の振動センサ７６の後段に接続された
ラッチ回路８６〜８８には、入力振動が各センサに入力
されるまでの振動伝達時間データが格納される。

前記のように、入力点と振動センサの距離は、振動の振
動伝達板７８中での伝達速度と時間により求められるが
、振動の伝達速度は一定の定数であるから、各ラッチ回
路８６〜８８にラッチされたデータはそのまま距離情報
と考えることもできる。

各ラッチ回路８６〜８８にチー２チされた時間、または
距離情報はマイクロプロセッサなどにより構成された制
御装ｆｆ１７１に入力され、振動伝達板７８上に設定さ
れた座標系上の座標情報に変換される。直交座標系を用
いる場合には、ラッチされたセンサと入力点の直線距離
に対応した情報を３平方の定理などに基づき演算処理す
ることにより座標情報を算出できる。

以上のようにして座標検出が行なわれ、検出された座標
情報はコンピュータシステムなど他の情報処理装置に入
力され、表示、記録出力、画像編集など種々の処理に利
用される。

上記のような処理系では、検出される座標情報は、所定
の単位系での表示などを必要とする場合を除いて、内部
的にはどのような単位系で表現されていてもよい、たと
えば、ラッチ回路にラッチされる時間情報は、振動伝達
速度という定数を乗じることなく、そのまま距離情報と
して扱ってもよい。

したがって、各振動センサ７６の後段にそれぞれ接続さ
れる処理回路は振動伝達時間検出回路としても、また入
力点、センサ間の直線距離検出回路としても考えること
ができる。

従来では、複数の振動センサにそれぞれ独立した上記の
時間ないし距離検出回路が接続され、各センサの出力を
処理していたから、センサの数が多くするほど回路構成
が複雑になるという問題があった。

とくに、上記の時間、ないし距離検出回路は、アナログ
処理系で構成されるから、集積回路により小型軽量化、
コストダウンを行なうことが困難であり、それらをセン
サの数に対応した数だけ設けなければ成らないのは大き
な負担である。

［問題点を解決するための手段〕 そこで本発明においては、振動ペンから振動伝達板に入
力された振動を振動伝達板に設けられた複数の振動セン
サにより検出し、振動ペンから各振動センサへの振動伝
達時間ないし距離を測定し各々の振動センサへの振動伝
達時間ないし距離に基づいて振動入力点の座標を検出す
る座標入力装置において、前記振動センサの出力を入力
し上記座標検出処理の少なくとも一部を行なう処理回路
を前記振動センサよりも少ない数設け、前記振動センサ
のいずれかの出力信号を時分割処理により切り換えて前
記処理回路に入カレ、座標検出処理を行なう構成を採用
した。

［作　用］ 以上の構成によれば、振動センサの出力を処理する時間
ないし距離検出系を複数の振動センサに関して共通化す
ることができ、装置の構成を簡略化することができる。

［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検出装との構造を示して
いる。第１図の装置の入力タブレットは、第８図と同様
にシリコンゴムなどの防振材７で支持されるとともに、
３個の振動センサ６を有するガラス、アクリルなどの材
質から構成された振動伝達板８により構成される。

振動ペン３も第８図の構成と同様に、振動子４、ホーン
部５により構成され、振動子駆動回路２により駆動され
る。

第２図は振動ペン３の構造を詳細に示している。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。

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。

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
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。

本実施例では、３つの振動センサ６の各々の出力信号は
それぞれ前置増幅器１１−１３に入力される。

その後段の処理回路は、３つのセンツに関して共通化さ
れている。すなわち、前置増幅器１１〜１３の出力は、
それらのいずれか１つのみがアナログスイッチなどから
構成されたスイッチ９を介して振動波形検出回路１０に
入力される。波形検出回路ｌＯの後段には、計時カウン
タ１４の出力を波形検出信号によりラッチするラッチ回
路１５が設けられている。

マイクロプロセッサなどから構成される装置置１は、波
形検出回路１０が１つの振動波形を検出する度にスイッ
チ９の接続を変更し、用いる振動センサを切り換えて振
動伝達時間ないし距離検出を行なう。

このような構成によれば、振動伝達時間、ないし距離の
測定を時分割により各振動センサ６に関して充分に短い
時間間隔で行なえば、振動ペン３の位置を連続的に検出
することも可能である。

図から明らかなように、検出系の構造は第８図の従来例
に比して大幅に簡略化される。とくに振動センサの出力
を処理する振動伝達時間、ないし距離検出を行なうアナ
ログ処理系の部品点数はほぼ１／３に減少される。

以下、座標検出系の構成、および動作につき詳述する。

第３図は第１図の制御装置ｌの周辺構造を示している。

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。

制御装置１の主要部を構成するマイクロコンピュータ３
１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３２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３１により座標演算用の回路と同期し
てトリガされる。　　　− 計時カウンタ１４は、振動ペンの駆動に同期してマイク
ロコンピュータ３１により起動される。

波形検出回路１０から出力される振動検出タイミングの
情報を有する波形検出信号は、前記のようにラッチ回路
１５をトリガするとともに、１つのセンサを用いた振動
伝達時間、ないし距離の検出処理の終了を示す信号とし
てマイクロコンピュータ３１に入力される。

マイクロコンピュータ３１は、この信号により１つのセ
ンサに関する検出処理が終了したものと見なし、ラッチ
回路１５のラッチデータを内部のレジスタ、メモリなど
に取り込んだ後、スイッチ９を切り換えて別の振動セン
サを振動伝達時間、ないし距離の検出系に接続し、計時
カウンタ１４をリセットしてから振動ペン３を駆動し、
その振動が検出されるのを待つ、各振動センサは、第３
図では符号Ｓ１〜Ｓ３により示されている。

３つのセンサ５ＩＮＳ３に関して、入力点からセンサま
での振動伝達時間ないし距離がラッチ回路１５から取り
込まれると、マイクロコンピュータ３１は３つのデータ
から座標情報を算出し、入出力ボート３３を介して外部
の情報処理装置に座標データを出力する。

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。未実施例において用いられる板波は分
散性の波であり、そのため検出波形のエンベロープ４２
１と位相４２２の関係は振動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＊　　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１位相値
号の検出に基づく処理を行なう、第４図の位相波形４２
２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−＝ｎｓ　　λｐ＋Ｖｐ　　＊　　ｔ　　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”　　ｔｇ−Ｖｐ　＠　ｔｐ）／入ｐ＋ｉ／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とし、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。

ところで、エンベロープ波形４２１はピークに達した後
、減衰を始め、ｔｗ時間後に振幅がＯになる。したがっ
て、ｔｇあるいはｔｐを検出した後、すぐにスイッチ９
によりセンサを切り換えて振動ペン３の駆動を行なうと
、あらたなペン駆動による振動と、減衰中の振動が干渉
し、ｔｇ、ｔｐを正しく計測することができなくなる。

したがって、第３図の時間ｔｗ以上の待ち時間を経てか
らスイッチ９を切り換えて新たな振動ペンの駆動をおこ
なわなければならない。

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ｆｆ１１図の波形検出回路１０により行なわれる。

波形検出回路１０は第５図に示すように構成される。

第５図において、不図示の＠置Ｐａ幅回路により増幅さ
れた振動センサ６（Ｓｌ−３３）のいずれかの出力信号
は、スイッチ９を経てエンベロープ検出回路５１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微分回
路などから構成されるエンベロープピーク検出回′ｔＰ
、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
入力され、所定波形のエンベロープ遅延時間検出信号Ｔ
ｇが形成され、これが制御装置ｌに入力される。

また、このＴｇ倍信号、遅延時間調整回路５２によって
遅延された元信号から信号検出回路５７により位相遅延
時間検出信号Ｔｐが形成され、制御装置１に入力される
。検出回路５７はモノマルチバイブレータ５５．レベル
供給回路５６によってＴｇ検出後のある一定期間しか作
動しないように調整されており、これにより、エンベロ
ープピーク後のゼロクロス点の検出が行なえるようにな
っている。

ここで、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個の検出信号が制御装置ｌに入力される。

制御装置１は各振動センサによる検出処理それぞれにつ
いて、上記のＴｇｌ−ｈ、　Ｔｐｉ−ｈ信号を順次入力
し、各々のタイミングをトリガとしてカウンタ１４のカ
ウント値をラッチ回路１５に取り込む、前記のように、
カウンタ１４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１５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
。

ラッチされた振動伝達時間、ないし距離に対応するデー
タは１次の時分割処理に先だって制御装ｒ１１のメモリ
、レジスタなどにバッファされる。

３つの各センサについて振動伝達時間、ないし距離のデ
ータがそろえば、次のような処理により座標情報を形成
できる・ 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ｉＰ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でこの直線圧１１１ｉｄｌ−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３１）のセンサのｘ、Ｙ軸に沿った距離である。

直交座標系を用いない場合には、異なる処理を用いても
よい。

以上のようにして振動ベン３の位置座標を検出すること
ができる０以上のように、各々の振動センサを時分割に
より処理する場合でも、振動伝達板８の振動伝達速度に
も依存するが、センサの駆動、検出処理を充分短い時間
間隔で行なうことにより充分精度の高い検出処理を行な
える。

ただし、振動ペン３の軌跡をリアルタイムで検出するよ
うな場合には、時分割処理ではどうしても誤差が生じる
が、予想される筆記速度、振動伝達板８のサイズ、振動
伝達速度、あるいは装置の用途によっては充分実施が可
能な範囲内に誤差を収めることができる。

以下に、時分割処理において振動ペン３が移動する場合
に生じる座標検出誤差の管理につき考察する。

上記構成によれば、同一座標の検出のために、複数回振
動ベン３を駆動するが、この間に振動ペン３が移動しな
ければ座標検出誤差は生じない。

ここで上記実施例のように、振動センサが３個第６図の
ような位置に配置される場合を考えてみる。

１つの座標データを取り込むため、３回振動ベン３を駆
動する処理に要する時間ｔｄは、振動伝達時間、すなわ
ち、センサから入力点までの距離に応じて変化する。

第６図の場合、時間ｔｄが最大になるのは、振動ペン３
の位置が点Ａにある場合である。このとき最大処理時間
ｔｄｍａｘは ・・・（６） により示される。

一方、筆記速度の上限をｖｗ、座標検出精度の許容誤差
を±Δｅとすると１次の関係が望まれる。

・・・（７） 一般に弾性波のエンベロープ速度ｖｇは、振動伝達板の
材質、および振動周波数により定まる。

また、第３図の減衰時間ｔｗは振動ペン３の駆動パルス
の数に依存する。

したがって、（８）式にしたがって、所望の許容誤差±
Δｅを設定できるように、振動伝達板８の材質、サイズ
、振動ペン３の駆動周波数、パルス数を選択すれば、上
記の時分割方式によっても充分な精度範囲を確保するこ
とができる。

以上に示したように、上記の実施例によれば。

複数の振動センサの出力を共通の処理系により時分割処
理することにより、装置の構成を大幅に簡略化するとと
もに、充分な検出精度を保つことができる。

上記のような振動伝達時間、あるいは距離検出系では、
ラッチ回路に取り込まれるカウンタ出力データは検出系
での信号遅延時間を含んでいる。

多くの場合、回路中での遅延時間は上記のような検出系
では無視できないオーダーとなるので、検出データは補
正が必要である。

このような補正はソフトウェア的な手段、ハードウェア
的な手段のいずれによって行なってもよいが、従来例の
ように複数系統の検出系をセンサごとに有する場合には
補正処理、あるいは回路は非常に複雑になる。

ところが、上記実施例によれば、検出系は複数のセンサ
について共通であるから上記補正処理は非常に簡単にな
る。

以上では、振動センサを１直線上に並ばないように３個
設けるというもっとも簡単な構成を例示したが、時間検
出処理に関する若干の誤差はどうしても避けられないか
ら、より多数のセンサを用いて振動伝達距離ないし時間
をそれぞれについて検出し、それらの平均値から座標を
算出することにより、検出精度を向上させることが考え
られる。

第７図は、このような実施例を示したものである。

第７図では振動伝達板８の４隅に４個、また振動伝達板
８の各辺の中央に４個の振動センサ６を設けている。振
動伝達板８の角部、および辺部の各４個のセンサの出力
はそれぞれ前置増幅器２１〜２８に入力される。

前置増幅器２１〜２４および２５〜２８の２つのグルー
プの出力は、それぞれスイッチ６１．６２に入力され、
同時に処理を行なう２系統の検出系に選択的に入力され
る。２つの検出処理系は、前述と同様に振動波形検出回
路６３．６５およびラッチ回路６４．６６から構成され
る。

すなわち、４隅、４辺のセンサの出力はそれぞれ同時に
動作する２つの時分割処理系で処理される。８個のセン
ナの出力を１系統の処理系に入力する方式も考えられる
が、その場合には最大処理時間ｔ　ｄｍａｘが許容検出
誤差±Δｅを満足できなくなることが考えられるから、
上記のように２系統の同時に動作する時分割処理系を用
いることにより、処理時間を短縮できる。

以上の構成によれば、制御装置ｌにおいて、２つの処理
系により同時に得た振動伝達時間、ないし距離情報を平
均化するなどの処理を行なうことにより座標検出精度を
大Ｓ〈向上することができる。

８個のセンサを第８ｒｇＪのような従来方式で用いる場
合には、各センサの後段に接続される処理系も８個必要
で、構成は著しく複雑になるとともに、その調整作業が
面倒になるが、本実施例によれば、処理系の数は８個の
センサに対してたった２つであり、低コストでより正確
な処理を行なうことが可能になる。

以上では、振動センサを３個、あるいは８個、振動伝達
時間、ないし距離検出系を１系統ないし２系統用いる例
を示したが、これらの数は上記実施例によって限定され
るものではなく、種々の数の組み合せを用いることがで
きる。

［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
ら振動伝達板に入力された振動を振動伝達板に設けられ
た複数の振動センサにより検出し、振動ペンから各振動
センサへの振動伝達時間ないし距離を測定し各々の振動
センサへの振動伝達時間ないし距離に基づいて振動入力
点の座標を検出する座標入力装置において、前記振動セ
ンナの出力を入力し上記座標検出処理の少なくとも一部
を行なう処理回路を前記振動センサよりも少ない数設け
、前記振動センサのいずれかの出力信号を時分割処理に
より切り換えて前記処理回路に入力し、座標検出処理を
行なう構成を採用しているので、振動センサの出力を処
理する時間ないし距離検出系を複数の振動センサに関し
て共通化することができ、装置の構成を大幅に簡略化す
ることができるとともに、充分な検出精度で座標検出を
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図は異なる座標入力装置
の実施例を示した説明図、第８図は従来の座標入力袋と
の構成を示した説明図である。 １・・・制御装置　　　　　３・・・振動ペン４・・・
振動子　　　　　　６・・・振動センサ８・・・振動伝
達板 ９．６１．６２・・・スイッチ １０・・・振動波形検出回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 振動ペンから振動伝達板に入力された振動を振動伝達板
   に設けられた複数の振動センサにより検出し、振動ペン
   から各振動センサへの振動伝達時間ないし距離を測定し
   各々の振動センサへの振動伝達時間ないし距離に基づい
   て振動入力点の座標を検出する座標入力装置において、
   前記振動センサの出力を入力し上記座標検出処理の少な
   くとも一部を行なう処理回路を前記振動センサよりも少
   ない数設け、前記振動センサのいずれかの出力信号を時
   分割処理により切り換えて前記処理回路に入力し、座標
   検出処理を行なうことを特徴とする座標入力装置。