JPH01189713A - 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、特に振動伝達板上での振動伝達
時間に基づき振動伝達板上での指示点座標を検出する座
標入力装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来より、種々の入力方式の座標入力装置が知られてい
る。特に、抵抗膜、電極膜などを用いた入力タブレット
を使用する方式の他、振動伝達板上での振動伝達時間に
基づき振動伝達板上での指示点座標を検出する検出方式
が考えられている。

この方式は機械的構造が比較的簡略であり、入力タブレ
ットにガラスなどの透明材料を使用でき、表示器などと
重ねて使用できるなどの利点を有する。

従来、弾性波を用いた指示点座標を検出する座標入力装
置として、第９図に示すような構成のものが考えられて
いる。第９図の座標入力装置は振動伝達板７８から成る
入力タブレットに振動ペン７３によって座標入力を行な
い、入力された座標情報をこの座標入力装置が接続され
ている情報処理装置（例えばパーソナルコンピュータな
ど）に出力するものである。

振動ペン７３は振動伝達板７８に弾性波を入力するため
のもので、圧電素子などからなる振動子７４、振動伝達
板７８に対する入力振動を増幅するホーン７５、および
その支持体から構成される。また、符号７２はこのペン
の振動子７４の駆動回路である。符号７６は振動伝達板
７８中を伝わってくる弾性波を検出するための圧電素子
（センサ）である。符号７７は振動伝達板７８の端面で
の反射を防止する防振材である。

振動センサ７６は振動伝達板７８の角部などの所定位置
に３つ配置されており、それぞれの出力は前置増幅回路
８０〜８２を介して振動検出回路８３〜８５に入力され
る。振動検出回路８３〜８５は、波形処理などにより、
各センサ位置での振動検出タイミングを決定する。

振動検出回路８３〜８５が振動を検出すると、そのタイ
ミングで計時カウンタ７９の計時情報がラッチ回路８６
〜８８にラッチされる。

ラッチ回路８６〜８８の計時情報はマイクロプロセッサ
などからなる制御装置７１に入力され、これらの時間情
報に基づき振動ペン７３の入力座標が決定される。座標
演算の概要を以下に示す。

振動ペン７３から入力された弾性波は振動伝達板７８中
をある伝達速度Ｖで伝わってくるから、ペンの指示点と
センサ間の距離ｌは １＝ｖＩＩｔ　　　　　　・・・（１）　　　（ｔは振
動伝達時間） となる。■は伝達板に用いる材料および振動の周波数な
どで決定される定数であるから、ｌを知るためにはｔを
計測すればよい。振動検出回路８３〜８５、ラッチ回路
８６〜８８、および計時カウンタ７９はこの伝達時間ｔ
を計測するための回路である。伝達時間は振動センサ７
６の検出信号のピークタイミングを振動検出回路８３〜
８５によって取り出し、このタイミングで計時カウンタ
７９の計時情報をラッチ回路８６〜８８にラッチするこ
とで得られる。

制御回路７１は振動ペン７３を駆動するのと同時に計時
カウンタ７９を０からスタートさせる。

振動ペン７３で発生した振動は、距離に応じた時間、す
なわち伝達時間ｔを経て振動センサ７６に到達する。振
動センサ７６によって振動は電気信号に変換され、前置
増幅回路８０〜８３を経て振動検出回路８３〜８５に至
る。振動検出回路は振動の伝達を検知すると、振動検出
信号をラッチ回路８６〜８８へ出力する。ラッチ回路は
、該振動検出信号をトリガとして計時カウンタ７９の出
力を取り込む。振動の伝達を検出するには弾性波の縦波
成分を先頭波として検出する方法、横波成分のエンベロ
ープ（包絡線）をとってそのピーク点を検出する方法な
どが知られている。

制御回路７１はこのように計測した伝達時間から（１）
式に基づいてそれぞれのセンサとペンの距離を算出し、
後は幾何学的計算を行なって座標値を得るものである。

また、ペンの駆動を行なってから最大伝達時間（すなわ
ち、座標入力の有効エリア内においてセンサ・入力点間
の距離が最大である時の伝達時間）、回路遅延時間など
より決定される時間を過ぎても振動が検出されない場合
にはペンアップの時であるから、伝達時間の計測を打ち
切り、前記振動ペン７３の駆動からの制御を繰り返す。

以上の動作を繰り返して指示点座標を検出する。

センサの数は、２個以」−あれば座標値を算出すること
が可能である。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来例ではセンサを複数個備えなけ
ればならなかった。このことは、単にセンサの数が増え
るばかりでなく、後段に接続される振動伝達時間を計測
する回路もセンサの数だけ備える必要があることを意味
している。従って、センサの数が増えれば増えるほど、
構成が複雑になって低コスト化にも自ずから限界があっ
た。

センサの数は前述のように２個以上であればよいが、一
般には演算精度の確保並びに座標演算の速度などの問題
から３〜４個以上備えるのが普通で、上記の点に鑑みて
従来より少ないセンサ数で同様の精度および速度で座標
検出を行なうことのできる座標入力装置の出現が望まれ
ていた。

また、従来でも精度や速度があまり必要でない場合には
２個のセンサを用いる方式が採用されているが、より少
ないセンサ、すなわちただ１個のセンサを用いるだけで
座標検知が行なえれば非常にシンプルに座標入力装置を
構成することができ、このような装置の出現もまた強く
希望されていた。

本発明の課題はより少ないセンサ数で座標入力を行なえ
るようにすることである。

［課題を解決するための手段］ 以上の課題を解決するために、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振動伝達板上での振動伝達時間から
前記振動ペンの振動入力点の座標を検出する座標入力装
置において、前記振動ペンの入力点から伝達された直接
波を検出する第１の振動検出手段と、前記振動伝達板の
端面で反射した反射波を検出する第２の振動検出手段と
、前記第１の振動検出手段により検出された直接波の伝
達時間を計測する第１の計測手段と、前記第２の振動検
出手段により検出された反射波の伝達時間を計測する第
２の計測手段と、第１および第２の計測手段により計測
された直接波および反射波の伝達時間から直接波および
反射波の伝達経路が形成する幾何学的条件に基づき入力
点の座標を算出する手段を設けた構成を採用した。

［作　用］ 以上の構成によれば゛、直接波および反射波、すなわち
異なる伝達経路を通る振動の伝達時間と、伝達経路が形
成する幾何学的条件から入力座標を検出する。座標値を
数学的に算定するには、特定の３角形が振動伝達板上の
所定位置に形成される必要がある。従来では、少なくと
も現実の２個のセンサと入力点によりこの３角形が形成
されていたが、本発明においては直接波により３角形の
１辺が、また反射点で折れ曲がる反射波により仮想的な
もう１つのセンサ位置が形成されることにより他の２辺
が少なくとも形成され、座標演算に必要な３角形を形成
できる。このためセンサは原理的には１個であっても座
標演算が可能となる。

［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図は本発明を実施した座標入力装置の構成図である
。図中符号８は振動を弾性波として伝える振動伝達板、
符号６は弾性波を検出する圧電素子からなる振動センサ
６である。振動センサ６は振動伝達板８端部の１点に１
つのみ設けられる。

符号７は振動伝達板８の端面での反射を防止する防振材
であり、第１図に示すように振動伝達板８の４つの辺の
うち３辺での反射を防止するように取り付けられている
。従来装置と異なり、このような構造により防振材７が
設けられていない振動伝達板８の１辺において振動ペン
３から入力された弾性波の反射を許す。

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図の制御装置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。

一方、振動センサ６からの検出信号は前置増幅回路９に
より増幅され、直接波検出回路１０および反射波検出回
路１１に入力される。直接波検出回路１０および反射波
検出回路１１はそれぞれの波形成分の到達タイミングを
検出し、この検出出力によりラッチ回路１２、ラッチ回
路１３に計時カウンタ１４の計時情報をラッチさせる。

直接波、反射波の伝達経路に関しては後に詳述する。

計時カウンタ１４にラッチされた計時情報、すなわち、
直接波、反射波の到達時間情報はマイクロコンピュータ
その他からなる制御装置ｌに入力される。制御装置ｌは
ラッチされた上記時間情報から後述のようにして入力点
の座標を算定し、他の情報処理装置、たとえばパーソナ
ルコンピュータなどに入力する。

第３図は振動ペン３の入力点Ｐから直接振動センサ６に
到達する直接波ａと振動伝達板８の左端面での反射を経
て到達する反射波すの経路を示している。

次に、第４図を用いて制御装置ｌが各回路に対して行な
う制御の詳細を述べる。図中符号３１はマイクロコンピ
ュータであり、ＲＯＭ、ＲＡＭおよび内部カウンタを内
蔵している。

マイクロコンピュータ３１はまずクリア信号をラッチ回
路１２．１３および計時カウンタ１４に対して送り、こ
のクリア信号によってラッチ回路１２．１３はラッチ内
容をクリアする。また、計時カウンタ１４はカウント値
をクーリアした後、スタート信号入力待ちの状態となる
。

次にマイクロコンピュータ３１より駆動信号発生回路３
２および計時カウンタ１４にスタート信号が送られる。

このスタート信号によって、駆動信号発生回路３２では
振動子４の共振周波数の繰り返し周期を持つパルス列を
発生して振動子駆動回路２に出力する。

また、計時カウンタ１４は必要とされる分解能に対応し
た周期のクロックに対してカウントを開始する。駆動信
号発生回路３２から出力された信号は振動子駆動回路２
で増幅され、ペンの振動子４を駆動する。

さて、ペンの振動によって発生した弾性波は、振動伝達
板８中を第２図で示したようなａ、ｂ２つの経路を伝達
して振動センサ６に至る。振動はここで電気信号に変換
され、前置増幅回路９を経て直接波検出回路ｌＯ１反射
波検出回路１１へ至る。

直接波検出回路１０ではａの経路で伝達した振動、すな
わち直接波を検出し、この検出信号はラッチ回路Ａ１２
に出力される。ま′た、反射波検出回路１１ではｂの経
路で伝達した振動、すなわち反射波を検出し、この検出
信号をラッチ回路Ｂ１３に出力する。

ラッチ回路１２．１３はそれぞれの検出信号をトリガと
して計時カウンタ１４の出力を取り込む。２つの検出信
号はマイクロコンピュータ３１に対しても出力される。

マイクロコンピュータ３１はこの検出信号に基づいてそ
れぞれのラッチ回路に保持されたデータを取り込む。

このようにして、直接波および反射波の伝達時間を計測
することができる。マイクロコンピュータ３１は直接波
伝達時間、反射波伝達時間のデータから座標値を検出し
、入出力ポート３３（例えばＲ３−２３２Ｃポートなど
からなる）を介してホストの情報処理装置に転送する。

続いて、連続して入力される次の入力点の座標値を求め
るべく、前述したラッチ回路１２．１３お□よび計時カ
ウンタ１４のクリア動作からの制御を繰り返す。

さて、ペンの駆動を行なってから（すなわちスタート信
号を出力してから）最大伝達時間、回路遅延時間などよ
り決定される時間を過ぎても直接波および反射波が検出
されない場合には振動ペン３が振動伝達板８から離れて
いる状態、すなわちペンアップの時であるから、伝達時
間の計測を打ち切って前述クリア動作からの制御を繰り
返す。

以上説明してきた制御および処理を行なうことによって
、指示点座標をリアルタイムに検出することができる。

第５図は振動波形とそれに基づく伝達時間の計測処理を
説明する波形図である。

第５図中、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って駆動された振動ペン３かも振動
伝達板８に伝達された超音波振動（弾性波振動）は、振
動伝達板８内を第３図のａ、ｂの２つの経路をそれぞれ
の距離に応じた時間だけかけて進行し、振動センサ６に
到達する。第５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。直接波の経路の長さをａｌ、反
射波の経路の長さをｂｌとすると ｂｌ≧ａｌ　　　　　　・・・（２） であるから、符号４２に示すとおり直接波が先に到達し
、次に反射波が到達する。

ここで符号４３に示すように、振動波形の包結線（以下
エンベロープと呼ぶ）に着目し、エンベロープ波形上の
ある特定点、例えばピークを符号４４および４５のよう
に検出し、それぞれの伝達時間なｔａ、ｔｂとする。さ
らに、エンベロープ波形の振動伝達板８中を進む速度を
ｖｇとすると、直接波、反射波の経路の長さａｌ、ｂｌ
はそれぞれ以下の式で求めることができる。

ａｌ＝ｖｇＩＩｔａ　　…（３） ｂｌ＝ｖｇ＠ｔｂ　　　−（４） 上記直接波の伝達経路ａｌと反射波の伝達経路ｂｌとか
ら入力点座標を計算することができる。

座標算出のための幾何学的演算については後述する。

ところで、直接波、反射波の経路長ａｌとｂｌの差が小
さくなってくると直接波と反射波が干渉し合い、振動セ
ンサ６では例えば符号４６に示すような波形が検出され
る。このような場合には、直接波と反射波のエンベロー
プピークを正しく検出することができなくなる。

従って、振動伝達板８中でａｌとｂｌの差が小さくなる
領域、すなわち反射が成される端面の近傍、はぼエンベ
ロープの立ち上がりからピークまでの時間の３部程度の
時間に対応する距離の部分（本実施例の場合、第２図の
左端の部分）は座標人力のタブレット面として使用しな
いようにする。たとえば、装置外装などによりこの部分
を覆ってしまうことにより入力を禁止することができる
。

第５図に示した２つの伝達時間ｔａおよびｔｂの測定は
、第１図の直接波検出回路１０、反射波検出回路１１お
よびラッチ回路１２．１３によって行なわれる。

第６図に直接波検出回路１０、反射波検出回路ｌｌの構
造を詳細に示す。

第６図において振動センサ６の出力信号は前置増幅回路
９を経て絶対値回路およびローパスフィルタから構成さ
れるエンベロープ検出回路５１に入力され、振動波形の
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は次段の微分回路５２に入力さ
れる。エンベロープのピークのタイミングを知るには、
この微分信号の立ち上がりゼロクロスを検出すればよい
。

符号５３はこのゼロクロス°を検出するためのコア６ ン パレータ 力されたピーク検出信号はフリップフロップ５４に保持
され、制御装置１、ラッチ回路Ａ１２に出力される。

コンパレータ５３は直接波のピークだけでなく反射波の
ピークも検出するが、ブリ・ンプフロツプ５４によって
、反射波のピーク検出出力は制御装置１、ラッチ回路Ａ
１２に出力されない。従って、ラッチ回路Ａ１２には伝
達時間ｔａの情報が保持される。

微分回路５２による微分信号は，コンパレータ５６にも
出力される。コンパレータ５６もコンパレータ５３と同
様、微分信号の立ち上がりゼロクロスを検出するのであ
るが、コンパレートレベル供給回路５５からコンパレー
トレベル信号が出力されないと動作しない。

コンパレートレベル供給回路５５は前述フリップフロッ
プ５７の出力に基づいてコンパレートレベル信号を出力
する。すなわち、コンパレータ５６では、反射波のピー
クのみが検出される。このピーク検出信号はフリップフ
ロップ５７に保持され、制御装置１、ラッチ回路Ｂ１３
に出力される。従って、ラッチ回路１３には伝達時間ｔ
ｂの情報が保持される。

なお、エンベロープ検出回路５１および微分回路５２は
直接波検出回路１０、反射波検出回路１１に独立して備
えてもよい。

次に、上記伝達時間ｔａ、ｔｂより座標値を幾何学的な
手法により計算する方法について述べる。この座標演算
は制御装置１により行なわれる。

第７図に示すとおり、反射波の経路ｂｉの長さは反射が
成される端面を対称軸として、振動センサ６と線対称の
位置Ｑと指示点Ｐとを結ぶ線分ＰＱの長さに等しい。よ
って、反射波の伝達時間ｔｂは、Ｑの位置においた架空
のセンサへの振動伝達時間と見なすことができる。つま
り、反射波を用いることで架空のセンサをもう１つ設け
たと同じ効果を得ることができ、座標演算に必要な３角
形を形成することができる。

従って、振動伝達板８の左上角を原点、また振動センサ
６の位置を（０、０）とすると、指示点Ｐ　（ｘ　、　
ｙ）の座標値は ｘ＝−（ｂｌ＋ａｌ）（ｂｌ−ａｔ）　　−−・Ｃ５）
ｒｘ （ただしく３）、（４）式よりａｌ＝ｖｇ＊ｔａ、ｂｌ
＝ｖｇφｔｂ） と求めることができる。

以上説明してきたように、本発明によれば、反射波を用
いることにより、センサがひとつでも振動伝達板８上に
座標演算に必要な３角形という幾何学的構造を形成する
ことができ、座標演算が可能となる。従って、従来では
最低２つ必要であった振動センサおよびこの出力を処理
する回路を減　少でき、従来に比べて座標入力装置の構
造を著しく簡略化することができる。

上記では弾性波の横波成分（板波）の検出方法を用いて
本発明を説明したが、縦波成分を先頭波として検出する
方法を用いて直接波、反射波の検出を行なうこともでき
る。

第８図に、本発明の第２の実施例を示す。前述の実施例
と異なる点は、センサが１個ではなく、２個備えられて
いる点である。２つのセンサのうち、上端に配置された
ものをＳＯ１下端に配置されたものをＳｌとする。各セ
ンサの反射が生じる振動伝達板８の辺からの距離ｒ　ｘ
　／　２は等しく設定されている。センサが設けられる
辺の距離はｒｙとする。

本実施例のようにセンサを２個備えた場合には、４つの
伝達時間情報を計測することができる。

すなわち、指示点ＰからセンサＳＯへの直接経路ａｌｏ
の伝達時間ｔａＯ１反射経路ｂｌｏの伝達時間ｔｂｏ、
指示点ＰからセンサＳ１への直接経路ａｌｌの伝達時間
ｔａｌ、反射経路ｂｌｌの伝達時間ｔｂｌである。ｔｂ
ｏ、ｔｂｌはそれぞれセンサＳＯ，Ｓ１への線対称な位
置ＱおよびＲへの伝達時間と見なすことができるから、
（Ｘ。

ｙ）の座標値は ！＝　　−（ｂ１０＋ａｌＯ）（ｂｌＯ−ａｌＯ）　　
　　−（７）ｒｘ ２　　２ｒｙ または ！＝　−（ｂ１１＋ａｌｌ）（ｂｌｌ−ａｌｌ）　　　
　　　　・・・（９）ｒｘ ２　　２ｒｙ ただし、 ａｌＯ＝ｖｇ＠　ｔａｏ　　　　　　　　　　・・・　
（１１）ａ　ｌ　　ｌ＝ｖｇ＠ｔ　ａｔ　　　　　　　
　　　−（１２）ｂｌＯ＝ｖｇ・　ｔ　ｂＯ・・・　（
１３）ｂｌｌ＝ｖｇ＊ｔｂｌ　　　　　　　　　　・・
・（Ａ４）また、センサＳＯ，Ｓ１の位置はそれぞれ（
ｒｘ／２．０）、（ｒｘ／２．ｒＹ）とする。

前述の実施例においては、座標値を計算するのに（６）
式のような平方根の計算をしなければならないために演
算精度の確保が難しく、またマイクロコンピュータの演
算時間も長くなりがちである。

しかしながら、本実施例においては四則演算を行なうの
みで座標値を計算することができるので、より高精度壷
高速な座標検出を行なうことが可能である。

また、従来では本実施例と同等の性能を実現するために
は、３〜４個のセンサが必要であったが、本実施例にお
いては２個のセンサを備えるだけでよい。従来方式で、
センサを２個のみ用いる場合には平方根計算が必要であ
り、第８図の構成における程の演算精度、速度を得るの
は困難である。　　［発明の効果］ 以上から明らかなように、本発明によれば、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
により検出し振動伝達板上での振動伝達時間から前記振
動ペンの振動入力点の座標を検出する座標入力装置にお
いて、前記振動ペンの入力点から伝達された直接波を検
出する第１の振動検出手段と、前記振動伝達板の端面で
反射した反射波を検出する第２の振動検出手段と、前記
第１の振動検出手段により検出された直接波の伝達時間
を計測する第１の計測手段と、前記第２の振動検出手段
により検出された反射波の伝達時間を計測する第２の計
測手段と、第１および第２の計測手段により計測された
直接波および反射波の伝達時間から直接波および反射波
の伝達経路が形成する幾何学的条件に基づき入力点の座
標を算出する手段を設けた構成を採用しているので、振
動センサの数を１個にまで減少することが可能となり、
処理系および振動伝達板の構造を簡略化することができ
、装置の製造コストを低減することが可能であるという
優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による座標入力装置のブロック図、第２
図は振動ペンの構造を示した説明図、第３図は振動セン
サ配置の説明図、第４図は振動検出回路のブロック図、
第５図は座標演算を説明する波形図、第６図は波形検出
系のブロック図、第７図は振動センサ配置と座標演算を
示した説明図、第８図は異なる実施例におけるセンサ配
置を示す説明図、第９図は従来の座標入力装置のブロッ
ク図である。 ■・・・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 １０・・・直接波検出回路 １１・・・反射波検出回路 １２．１３・・・ラッチ回路 １４・・・計時カウンタ ５３．５６・・・コンパレータ ５４・・・フリップフロップ ５５・・・エンベローフ検出回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）振動ペンから入力された振動を振動伝達板に設けら
   れたセンサにより検出し振動伝達板上での振動伝達時間
   から前記振動ペンの振動入力点の座標を検出する座標入
   力装置において、前記振動ペンの入力点から伝達された
   直接波を検出する第１の振動検出手段と、前記振動伝達
   板の端面で反射した反射波を検出する第２の振動検出手
   段と、前記第１の振動検出手段により検出された直接波
   の伝達時間を計測する第１の計測手段と、前記第２の振
   動検出手段により検出された反射波の伝達時間を計測す
   る第２の計測手段と、第１および第２の計測手段により
   計測された直接波および反射波の伝達時間から直接波お
   よび反射波の伝達経路が形成する幾何学的条件に基づき
   入力点の座標を算出する手段を設けたことを特徴とする
   座標入力装置。