JPH01201714A - 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】 ［＆楽土の利用分野］ 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、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
情報はパーソナルコンピュータなどの情報処理装置に入
力される、あるいはＣＲＴデイスプレィなどの表示装置
やプリンタなどの記録装置に出力される。

従来では、種々の検出方式により座標検出が行なわれて
いるが、特に、振動伝達板からなる入力タブレットに振
動ペンを用いて超音波振動を入力し、振動伝達板上での
振動伝達時間から入力点の座標を検出する方式がある。

振動伝達板の所定位置には複数の振動センサが設けられ
、これらの振動センサへ振動が入力されるまでの伝達時
間により入力点からセンサへの直線距離が算定され、さ
らに算定された直線距離から所定の座標系における座標
値が算出される。

このような超音波振動を用いる検出方式では、装置の構
造が比較的簡単である、入力タブレットにガラスなどの
透明材料を用いることができるので原稿や表示装置に入
力タブレットを重ねて使用できるなどの利点がある。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記従来例では、振動伝達板に振動を加える振
動ペンの入力時の傾斜角度が座標人力精度に影ツを与え
る問題がある。

振動ペン内部には圧電素子などからなる振動子が設けら
れ、この振動子の振動はペン先のホーン部などを介して
振動伝達板に入力される０通常、振動ペンは汗通の筆記
具などと同様にタブレットに対しである程度傾斜した状
態で操作されるため、振動子の振動は振動伝達板の厚み
方向に対しであるベクトル方向をもって入力されること
になる。

このため、振動ペンの入力点から振動センサまで振動伝
達板中を伝播する過程において、振動の位相が逆転して
しまい、振動センサの振動検出タイミングに　誤差を生
じ、座標検出精度を低下させるという問題があった。

従来装置ｄでは、振動ペンの入力時の姿勢を認識する手
段は設けられておらず、従って振動ペン３の姿勢により
検出座標の有効性を判定することも不可能であった◆ 本発明は以上の問題に鑑みてなされたもので、振動ペン
の入力時の姿勢を検出し、装置の制御に役立てるように
することを課題としている。

［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
を伝達される振動の縦波成分を検出する手段と、この検
出手段の出力信号の位相の状態に応じて振動ペンの入力
時の姿勢を検出する制御手段を設けた構成を採用した。

［作用］ 以」−の構成によれば、振動伝達板に伝達される振動の
縦波成分から振動ペンの入力時の姿勢を検出することが
できるから、振動ペンの姿勢に応じて種々の動作が可能
になる。

［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、カラス板
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
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ｌ卜するために
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人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。

」二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ｌ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ｌＯを介して表示器１１”の出力動作を
制御する。

また、本実施例では、振動伝達板８の２つの角部の位置
には厚み方向に振動センサ１０２．１０２が設けられて
いる。振動センサ１０２は振動センサ６と同様に圧電素
子などから構成される。

振動センサ１０２の出力は振動ペン角度検出回路１０１
に入力され、振動センサ１０２への振動伝達時間の情報
が演算制御回路ｌに与えられる。振動ペン角度検出回路
１０１の構造については後述する。

振動センサ１０２は振動伝達板８に入力された振動の縦
波成分を主として検出する。一方、先の座標検出のため
の振動センサ６は主として横波成分を検出する。演算制
御回路ｌでは吟振動センサ１０２が検出した縦波成分の
位相状態に基づき振動ペン３の入力時の傾斜角度を検出
し、振動センサ６側で得られたペンの傾斜角度に基づき
種々の制御を行なう、この制御に関しては後述する。

：ｊＳ３図は第１図の演算制御回路ｌ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。振動センサ１
０２側の出力を用いた座標値補正に関しては後述する。

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。これら
のタイミング情報は入力ポート１５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カポ
−）１５に入力され、ラッチ回路１４内の各振動センサ
６に対応する記憶領域に記憶され、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。このとき、判定回路１６は複数の
振動センサ６からの波形検出のタイミング情報がすべて
入力されたかどうかをＩ定し、マイクロコンピュータ１
１に報知する。

表示器１１′の出力制御処理は人出力ボート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ａ１４処理を説明す
るものである。：ｈ’Ｓ４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偉いから
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　　争　　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拳入ｐ＋Ｖｐ番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＝［（Ｖｇｌｌｔｇ−Ｖｐｌｌｔｐ）　／入Ｐ　＋ｌ
／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３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５１２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の出力信号は前述の増幅
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ｌに入力される。

また、このＴｇ倍信号タイミングと、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倍信号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倍信号検出するためのしきい値を形成する。この結果
、コンパレートレベル供給回路５６は第３図の符号４４
のようなし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
レートレベル供給回路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Ｔｇｌ−ｈ、位相遅延時間”ｒｐｔ−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ｆｆ１Ｐか
ら各々の振動センサ６の位置までの直線孔ｔｌｌＩｄｌ
〜ｄ３を求めることができる。

さらに演算制御回路ｌでこの直線孔＃ｄｌ−ｄ３に基づ
き振動ペン３の位Ｕｐ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　　令　（ｄｉ　　＋　　ｄ２　　）（ｄｉ
　　−ｄ２　　）　　／２Ｘ−（４）！＝Ｙ／２◆（ｄ
ｉ◆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。

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。

次に、入力時の振動ペン３の傾斜角度を検出する構成に
つき説明する。

第７図に振動センサ１０２の検出波形を示す。

前述のように、この検出波形は振動ペン３で入力された
振動の縦波成分である。

第７図は、同一の入力点から振動ペン３を垂直に立てて
入力した場合の検出波形１Ｏ−３と、振動ペン３を約４
５°程度傾は命入力した検出波形１０４を示している０
図から明らかなように、このように傾斜角度を換えると
振動ペン３の角度により検出波形の位相が完全に逆転す
るまではいかないが、かなりずれることがわかる。

従って、第８図のようにしきい値１０５．１０６を設け
て検出波形１０３，１０４の位相関係を比較すれば、ペ
ンの傾斜角度に応じた検出量を作れる。つまり、ペンを
垂直に立てた場合はしきい値１０５で得られた信号１０
７の方が、しきい値１０Ｂで得られた信号１０８よりも
時間的に早く得られている。ペンを約４５°程度傾けた
場合は、逆にしきい値１０６で得られた信号１１０の方
がしきい値１０５で得られた信号１０９よりも早く得ら
れている。どの時間差の検出によって、ペンの傾きを検
出できる。

従って、第１図振動ペン角度検出回路１０１は第９図に
示すように構成される。第９図では１つの振動センサ１
０２側の振動ペン角度検出回路の構成を主に示している
。

図示のように振動センサ６の出力は前置増幅器１１１を
介して２つの比較器１１２．１１３に入力される。これ
らの比較器１１２．１１３は上記のしきい値１０５．１
０６と入力信号を比較する。比較器１１２．１１３の出
力によりフリップフロップ１１４，１１５がそれぞれセ
ットされる。フリップフロップ１１４．１１５の出力は
フリップフロップ１１６のクリアおよびクロック入力端
子にそれぞれ入力される。従って、フリップフロップ１
１６はフリップフロップ１１４．１１５の出力により、
それぞれリセット、セットされる。

もうひとつの振動センサ１０２側にも上記と同様の回路
が設けられ、これらの回路の出力はＯＲゲート１１７を
介して演算制御回路ｌに入力される。

第１０図は振動ペンを垂直、あるいはそれに近い状態岳
４で゛入力を行なった場合の第９図の各素子の動作を示
している。

この場合、振動センサ１０２から前置増幅器Ｉｌｌで得
た信号１０３を比較器１１２，１１３を通して信号１０
７，１０８を得る。それぞれの最初のパルスの立ち上が
りでフリー２プフロツプ１１４．１１５の出力に信号１
２０．１２１を得る。

この場合、フリップ７０ツブ１１５の出力が後から蒔立
ち上がっているため、フリップフロップ１１６はセット
され、その出力はハイレベルとなる。

一方、振動ペン３がある程度傾斜した状態で入力が行な
われると、比較器１１２，１１３の検出タイミングが位
相反転により第１１図のように逆転する。これによりフ
リップフロップ１１４．１１５は第１１図の符号１２３
，１２４のようにセットされる。この場合には４−フリ
ップフロラ２プ１１４が後からセットされるため、フリ
ップフロップ１１６は符号１２５のようにリセットされ
る。

以上のようにして振動ペン３の傾斜状態により、第１０
図、第１１図の信号１２２（垂直ないしそれに近い場合
）、ないし１２５（傾斜している場合）の波形がフリッ
プフロップ１１６により形成される。従って、ＯＲゲー
ト１１７を介して演算制御回路ｌにいずれかの振動セン
サ１０２を介して振動ペン３の垂直状態が検出された場
合にはハイレベルの信号が、またいずれの振動センサ１
０２も振動ペン３の垂直状態を検出していない場合には
ローレベルの信号が出力される。

振動センサ６で検出している伝播遅延時間も当然ペン角
度にある程度影響を受けているので、前記のように検出
したペン角度の検出信号に基づいて伝播１！延時間の真
偽を判定することによって、座標計算の際の精度を向上
できる。

たとえば、振動ペン３が垂直以外の体勢で入力された座
標値を無視したり、あるいは振動ペン３が垂直以外の体
勢で入力された座標値のかわりにその前後の座標値（ｘ
ｉ、ｙ１）および（ｘ２、ｙ２）の平均値（ｘｌ＋ｘ２
／２、ｙｌ＋ｙ２／２）を採用するような補間処理微行
なってもよい。

あるいは、振動ペン３が垂直でない場合には、ブザー音
などを発生して操作者に注意を促すようにしてもよい。

また、振動ペン３の傾斜角度による縦波の位相反転は、
傾斜方向によっても異なる。このことを利用して、座標
用センサとペン傾斜角度検出用センサを逐次切り換えて
、ペン傾斜角度検出で位相逆転がないセンサで座標演算
を行なうようにしてもよい。

また、検出した振動ペン３の傾斜角度に基づき、入力モ
ードの切換を行なうこともできる０例えば振動ペン３が
垂直状態では文字入力モード、４５°程度に傾斜させた
場合には編集モードのページめくり、メニュー選択など
の動作を行なうようにしてもよい。

さらに、以上では２つの振動センサ１０２を右利き用、
左利き用の傾斜センサとして用いているが、１個だけで
振動ペンの傾斜検出を行なってもよい。

一ヒ記実施例では、ペン角度の判定をフリップフロップ
などを用いてハードウェア的に行なっていたが、比較器
１１２，１１３からの信号を直接マイクロプロセッサな
どのソフトウェア演算により処理してもかまわない。

また、縦波弾性波を使用する装置では、座標位置演算用
のセンサからの信号そのままをペン角度判定に使用する
こともできる９例えば、４つの振動センサを座標演算の
ための縦波センサとして振動伝達板８の厚み部分に設け
た装置では、座標位置計算は少なくとも２つのセンナで
計算できるから、４つのセンサのうち２つを座標位置計
算、他の２つをペン傾斜角度のセンサとして使用し、座
標計算の補正に用いることも考えられる。このような構
成では、従来とほぼ同じハードウェア構成により、振動
ペン３の傾斜角度に基づく種々の制御が可能になる。

以上では振動ペンの角度を検出する振動センサを２個用
いた例を示したが、このセンサの数は１個でも良く、ま
た２個よりも多くてもかまわない。

［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、前記振動伝達板を伝達
される振動の縦波成分を検出する手段と、この検出手段
の出力信号の位相の状態に応じて振動ペンの入力時の姿
勢を検出する制御手段を設けた構成を採用しているので
、振動伝達板に伝達される振動の縦波成分から振動ペン
の入力時の姿勢を検出することができるから、振動ペン
の姿勢に応じて座標値を補正する、振動ぺ５論定の姿勢
により入力された情報を無視する、振動ペンの姿勢によ
り入力モードを切り換えるなどの種々の処理が可能にな
るという優れた利点がある。

【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図は振動ペン角度検
出のための振動センサの出力信号を示した波形図、第８
図は振動ペン角度の判定処理の説明図、第９図は第１図
のペン角度検出回路のブロック図、第１０図、第１１図
はペン角度検出回路の動作を示したタイミングチャート
図である。 １・・・演算制御回路　３・・・振動ペン４・・・振動
子　　　　６．１０２・・・振動センサ８・・・振動伝
達板 １０１・・・振動ペン角度検出回路 １１１・・・前置増幅器 １１２．１１３・・・比較器 １１４〜１１６・・・フリップフロップ１１７・・・Ｏ
Ｒゲート ０突出ｒｍ＞ 涜扉制＠［］路のアＤ、、７０ 第３図 第５図 第６図 第８２ △拳し杢ａ時のダイミレゲラ【−目ｊ 第１０図 〜し不資鶴時のダイミンブナダ、ト回 第１１図

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おいて、前記振
   動伝達板を伝達される振動の縦波成分を検出する手段と
   、この検出手段の出力信号の位相の状態に応じて振動ペ
   ンの入力時の姿勢を検出する制御手段を設けたことを特
   徴とする座標入力装置。