JPH0614310B2 - 座標入力装置 - Google Patents

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］ 座標入力装置として、従来より各種の入力装置が知られ
ている。この種の装置では、所定の入力面上に座標系を
設定し、所定方式の入力部材により入力面に入力を行な
い、入力面上の座標系における座標情報を検出する。

検出方式としては、抵抗膜や導電膜を対向配置すること
により入力タブレットを構成し、指やペンなどの筆記具
により対向配置された膜を接触させるもの、あるいは超
音波ペンなどによる入力部材を用い、振動伝達板などか
ら構成された入力タブレットに超音波振動を入力し、タ
ブレット上に発生される弾性波の振動伝達時間から座標
値を検出する方式などが知られている。

タブレットを構成するガラス、その他の振動伝達板に
は、伝達される振動の伝達時間を計算するために、機械
振動を電気信号に変換するため圧電素子などから構成さ
れた複数の振動センサが設けられる。

振動入力タイミングがわかっていれば、振動センサへの
振動の到達タイミングを検出することによってそのセン
サへの振動伝達時間を知ることができる。振動伝達板上
での振動伝達速度は一定と考えることができるので、振
動伝達時間から振動センサと入力点の間の直線距離を得
ることができる。各センサと入力点の直線距離がわかれ
ば、３平方の定理などにより入力点の座標値を決定でき
る。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来では、振動検出タイミングを決定するには、振動セ
ンサが出力する検出信号波形のピーク値を検出する方法
が用いられていた。

ところが、振動伝達板が有限の面積を有し、その端部領
域でかならずなにがしかの反射波が発生する。したがっ
て、振動センサに入力される振動波形は直接波と反射波
の合成波となる。

特に座標入力点とセンサおよび振動伝達板の端部の位置
関係によっては、直接波と反射波の経路差が非常に小さ
くなり、両者の干渉によって検出信号波形が大きく歪
む。この影響により、検出タイミングにずれが生じ、座
標検出精度が低下するという問題があった。

この点に鑑みて、振動伝達板の端部を防振材などで支持
する技術も知られているが、完全に反射波を除去するこ
とは困難で、振動伝達板のサイズよりも有効入力面の面
積を小さくして直接波と反射波がタイムラグを持ってセ
ンサに到達するようにし、干渉による検出タイミングの
ずれが生じないようにしなければならなかった。

したがって、必要な有効入力面の面積を確保するため、
かなり振動伝達板の面積を大きく設定しなければなら
ず、装置が大型化する、あるいは有効入力面の面積が限
定されるという問題があった。

［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
動発生手段を有する振動入力手段から入力された振動
を、振動伝達部材に設けられた振動検出手段により検出
して、前記振動入力手段の入力座標を検出する座標入力
装置において、同位相のパルス列と逆位相のパルス列と
から構成され、同位相のパルス列で励起された振動の減
衰部分を急激に減衰させるように前記逆位相のパルス列
が印加される駆動信号により、前記振動発生手段を駆動
する駆動手段を有する構成を採用した。

［作用］ 以上の構成によれば、振動検出手段において直接波と反
射波が干渉を受けた場合でも検出信号波形のピーク値の
ずれを防止でき、また、振動発生手段の駆動に互いに逆
位相のパルス列を組み合わせることにより、振動検出手
段での検出波形を所望の形状に制御できる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づき、本発明を詳細に説明
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図の情報入出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個設けられた振動センサ６に伝達す
る。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止
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、ドッ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ット表示を行なうよ
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′上の位置にドット表示を行な
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（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。

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。

第２図（Ｂ）は、振動子４の駆動信号波形を示してい
る。振動子４は図示のようなパルス波形により駆動され
る。従来では、第２図（Ｄ）に示すような等間隔のパル
ス列（１、０、１、…）により振動子４を駆動していた
が、本実施例では第１群の等間隔のパルス列（１０１０
１００１０１００００１０）と、それに続く１８０°位
相がずれた第２群のパルス列により駆動信号を構成して
いる。図示のようなパルス列は所定時間毎に振動子４に
入力される。

このような駆動信号を用いる利点については後に詳述す
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。

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、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１７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１１′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。本実施例において用いられる板波は検
出波形のエンベロープ４２１と位相４２２の関係が振動
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・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、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＝ｎ・λｐ＋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 ｎ＝［（Ｖｇ・ｔｇ−Ｖｐ・ｔｐ）／λｐ＋１／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、±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（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
定のため、波形検出回路９はたとえば第５図に示すよう
に構成することができる。

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信号のタイミングと、遅延時間調整回路
５７によって遅延された元信号から検出回路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１
に入力される。

すなわち、Ｔｇ信号は単安定マルチバイブレータ５５に
より所定幅のパルスに変換される。また、コンパレート
レベル供給回路５６はこのパルスタイミングに応じてｔ
ｐ信号を検出するためのしきい値を形成する。この結
果、コンパレータレベル供給回路５６は第３図の符号４
４のようなレベルとタイミングを有する信号４４を形成
し、検出回路５８に入力する。

すなわち、単安定マルチバイブレータ５５およびコンパ
レータレベル供給回路５６は位相遅延時間の測定がエン
ベロープピーク検出後の一定時間のみしか作動しないよ
うにするためのものである。

この信号はコンパレータなどから構成された検出回路５
８に入力され、第４図のように遅延された検出波形と比
較され、この結果符号４５のようなｔｐ検出パルスが形
成される。

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Ｔｇ１〜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１に入力される。

なお、第４図に示したエンベロープ波形４２１は前後が
非対称な波形で、特に減衰部が急峻である。このような
エンベロープは第２図（Ｂ）ないし第４図の符号４１の
ような駆動パルスの構造により生じる。駆動パルスの構
成と検出波形の関係は後に詳述する。

第３図の演算制御回路では上記のＴｇ１〜ｈ、Ｔｐ１〜
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のカウンタ値をラッチ回路
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の位置Ｐから各
々の振動センサ６の位置までの直線距離ｄ１〜ｄ３を求
めることができる。さらに演算制御回路１でこの直線距
離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＋（d1＋d2）（d1−d2）／2X…(4) ｙ＝Ｙ／２＋（d1＋d3）（d1−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Ｓ１）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。

さて、本実施例では、前述のように第２図（Ｂ）に示す
ような位相が１８０°異なる連続した２つのパルス列か
らなる駆動信号により振動ペン３の振動子４を駆動して
いる。

第２図（Ｃ）、（Ｅ）はそれぞれ第２図（Ｂ）の本実施
例と第２図（Ｄ）の従来例において振動センサ６のひと
つにより得られる検出信号波形を示している。両者を比
較してみると、本実施例の駆動パルス列の方が検出振動
波形の期間Ｄにおける減衰が急峻であることがわかる。

これは、第２図（Ｂ）の最初のパルス列が検出点に到達
した後、遅れて到達する１８０°位相がずれたパルス列
が検出点近傍の振動を打ち消すように作用するからであ
る。

第２図（Ｅ）のような従来の検出波形では、期間Ｄの減
衰がゆるやかで、またレベルも大きいので、直接波、反
射波の経路長の差が小さいなどの理由でこの減衰部に反
射波が干渉すると直接波のピークよりも大きなピーク値
が生じてしまうことが考えられる。

ところが、第２図（Ｃ）のような検出信号波形によれ
ば、減衰部のレベルが小さく、また迅速に減衰が生じる
ので、反射波が合成されても直接波よりも大きなピーク
値を生じることがなく、したがって振動検出タイミング
にずれが生じることがない。

このようにして、正確な振動伝達時間を得ることがで
き、座標検出精度を高精度に保つことができる。

また、反射波の検出波形が直接波の検出波形のレベルの
高い部分に合成される可能性は、振動伝達板８の有効な
入力範囲と反射波の生じる部分、たとえば防振材７と振
動伝達板８の境界部、あるいは振動伝達板８の端縁が近
いほど高くなる。これは反射波と直接波の伝達経路長が
近くなるためである。

従来では、前述のような反射波と直接波の伝達経路長の
差をなるべく大きくして直接波と反射波の合成を避ける
ため、有効入力範囲をタブレットのカバーで囲むなどし
て制限していたが、本実施例によれば直接波とそれより
遅れて到達する反射波が重畳してもかまわない時間の範
囲を拡大できるので、有効入力範囲をタブレットの端部
により近づける、すなわち拡大することができる。また
は、逆に同一有効入力面積であれば、装置全体を小型化
できること、あるいは同一装置のサイズでより大きな有
効入力面積を獲得できることを意味する。

上記実施例では、第２図（Ｂ）のように、１群目のパル
ス列（第２図（Ｂ）の場合３個図示）と、それに続く１
８０°位相がずれたほぼ同数（第２図（Ｂ）の場合２個
図示）の２群目のパルスを振動ペン３の振動子４に与え
るようにしているが、位相の異なる複数群のパルスを振
動子に与える場合、その構成は上記に限定されず、任意
である。

たとえば、第７図（Ａ）のようにそれぞれ１８０°位相
がずれた３群のパルス列を用いるようにしてもよい。

第７図（Ａ）の場合、１群目は２個、２群目は１個、３
群目は２個のそれぞれ１８０°位相がずれたパルス群の
連続によって振動ペン３の振動子駆動パルスが構成され
ている。

このような駆動パルスを用いる場合、振動センサ６の１
つによる検出波形は第７図（Ｂ）のようになる。すなわ
ち、１群目のパルス群により期間Ａ１においてエンベロ
ープが立ち上がり、期間Ｄ１において２群目の１個のパ
ルスによりそれが減衰される。続いて完全に波形が減衰
しない内に１群目と位相が等しい３群目のパルス群が到
来するので、エンベロープピークＰｋが生じ、以後第２
図（Ｅ）の従来例とほぼ同様の速度で期間Ｄ２において
波形の減衰が生じる。

このような検出波形によれば、期間Ｄ１に生じるエンベ
ロープの変曲点を検出することにより振動検出タイミン
グを決定することができる。第７図（Ａ）のような駆動
パルスにより、第７図（Ｂ）のように検出波形の前部に
変曲点を設け、この変曲点のタイミングを検出点とする
ことにより、振動検出タイミングを検出波形に対して前
方に移動することにより、直接波よりも遅れて検出点に
到達する反射波がエンベロープ波形に影響を与え、振動
検出タイミングに誤差を生じる危険性をより低減でき
る。

第７図（Ｂ）の減衰期間Ｄ１の波形減衰速度、あるいは
その深さは、駆動信号を構成する位相が異なるパルス群
のパルス数、その他によって検出が容易になるように種
々変更が可能なことはもちろんである。

［発明の効果］ 以上から明らかなように、本発明によれば、同位相のパ
ルス列と逆位相のパルス列とから構成され、同位相のパ
ルス列で励起された振動の減衰部分を急激に減衰させる
ように前記逆位相のパルス列が印加される駆動信号によ
り、前記振動発生手段を駆動するようにしており、振動
検出手段において直接波と反射波が干渉を受けた場合で
も検出信号波形のピーク値のずれを防止し、振動伝達時
間の誤差に起因する座標検出誤差を低減できる。したが
って、従来のように振動伝達部材の有効入力面の面積を
限定したり、あるいは必要な有効入力面の面積を得るた
めに装置を大型化したりする必要がない。

また、振動発生手段の駆動に互いに逆位相のパルス列を
組み合わせることにより、振動検出手段での検出波形を
所望の形状に制御でき、振動伝達部材上での反射波など
のノイズの影響を除去するのに適した検出タイミング、
あるいは波形上の特定点を設定することができる。した
がって、高精度な座標検出を行なえる信頼性が高く、小
型軽量な優れた座標入力装置を提供できる。

【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（Ｂ）、（Ｃ）は本発明における振
動子駆動波形および検出波形をそれぞれ示した波形図、
第２図（Ｄ）、（Ｅ）は従来の振動子駆動波形および検
出波形をそれぞれ示した波形図、第３図は第１図の演算
制御回路の構造を示したブロツク図、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
たブロツク図、第６図は振動センサの配置を示した説明
図、第７図（Ａ）、（Ｂ）は異なる実施例における振動
子駆動波形をそれぞれ示した波形図である。 １…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、５１…前置増幅器 １５…入力ポート ５２…エンベロープ検出回路 ５４、５８…信号検出回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動発生手段を有する振動入力手段から入
   力された振動を、振動伝達部材に設けられた振動検出手
   段により検出して、前記振動入力手段の入力座標を検出
   する座標入力装置において、 同位相のパルス列と逆位相のパルス列とから構成され、
   同位相のパルス列で励起された振動の減衰部分を急激に
   減衰させるように前記逆位相のパルス列が印加される駆
   動信号により、前記振動発生手段を駆動する駆動手段を
   有することを特徴とする座標入力装置。