JPH0315921A - 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、特に振動伝達部材に入力された
振動を振動伝達部材に設けられた複数の振動センサによ
り検出し、振動伝達部材上での振動到達時間を測定しそ
の測定結果に基づき振動伝達部材上での振動入力点の座
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Ｊ 従来、パーソナルコンピュータ、電卓あるいは複写機な
どのＯＡ機器などに用いられる座標入力装置として、超
音波振動を利用するものが知られている．このような超
音波を用いた座標入力装置の一例を、第６図に示す． 図において符号ｌは超音波の振動伝達部材となる座標入
力面で、ガラス、アルミ板などが用いられる． 振動伝達板ｌには圧電素子からなる振動センサ２ａ〜２
ｃが固定されており、圧電素子からなる振動センサを内
蔵する入力ベン４から発せられた超音波信号を振動伝達
板ｌを通して受信する．入力ペン４は同様の圧電素子に
よる振動子を内蔵し、振動伝達板ｌ上の所望の座標に振
動を入力する。

ここでは３個のセンサを用いた例が示してあるが、原理
的には入力面の１辺に２個のセンサを配置すれば、指示
点の座標を算出することができる． 振動伝達板ｌの縁部には、振動の反射により振動センサ
２ａ〜２ｃにノイズが入力されるのを防止するため、防
振材３が取り付けられている．以上のような構成では、
入力ベン４から各振動センサ２ａ〜２ｃまでの直線距離
を算出し、これに基づき入力点の直交座標系における座
標値を算出する． 入力ペン４から矩形波パルス列を入力すると、センサ２
ａ〜２ｃからの出力信号は第７図に示すようになる．こ
こで振動到達時間を信号波形のエンベローブのピークと
してｔｇとすると、原理的には距離γ＝ｖｇ−ｔｇ　　
（ｖｇ　・振動の群速度ｔｇ：振動センサを介して検出
された座標入力面ｌ上での振動伝達時間）の式によって
γを算出することができる． しかし、エンベローブ（の頂上）で時間を検出するとい
う方法をとると、信号出力の大きさやフィルタ特性の影
響である程度のゆらぎΔｔｇがどうしても発生する．一
般には、特定の位相ゼロクロス点を検出して時間を決定
する方がよりゆらぎの少ない値を得ることができる．そ
こで，たとえば群遅延時間ｔｇ決定直後の位相やゼロク
ロスというように検出点を規定してその時間を位相遅延
時間ｔｐとして観測し、γ＝ｖｇ−ｔｐとしてγを算出
すれば，より高精度な距離計測が行なえる． しかし、この方法は用いる超音波が波動として群速度ｖ
ｇと位相速度ｖｐが等しい性質を有する場合に限られる
。これは、群速度ｖｇと位相速度ｖｐが異なると、距離
γとともに群の中での位相がずれてしまうため、ある１
つの位相だけを追い続けることが不可能となるからであ
る。

このような例は、横波において見られるが、この場合の
距離γの算出方法を次に説明する．前述と同様、群遅延
時間ｔｇ決定直後の位相ゼロクロスというように検出点
を規定した場合，位相遅延時間セｐとしては，第８図の
ように階段状に不連続なものが観測される． 位相遅延時間ｔｐの段々は位相の検出点の移動を示すも
ので、格段のつなぎ目はＴだけ平行移動したものとなる
．群速度ｖｇと位相速度ｖｐが等しく、常に一定の検出
点を観測できる場合にはこのような階段はできず、符号
ａのように直線性をもつ位相遅延時間ｔｐが得られる．
したがって，階段状に得られるｔｐをもとの直線ａに変
換すればよいことになる．つまり第８図において直線ａ
で示されるｔｐａは， ｊ’　＄］ａ　帰（　Ｖ　ｐ　／　Ｖ　ｇ　）　ｔ　ｇ
　＋　ｉ　０ｆであるが、ｔｇはブレが大きいので ｔｐｉ＝　（ｖｇ　／ｖｐ　）　　ｔｇ　＋　ｉｏｆ−
ｔｐ　’＝ｎＴ　　　（ｎは整数） という性質を利用して ｔｐａ＝ｔｐ＋Ｔ−ＩＮＴ　　（ｔｐｉ＋０．５）＝ｔ
ｐ　＋Ｔ−ＩＮＴ　　［　｛　（ｖｇ／ｖｐ　）ｔｇ＋
ｉｏｆ−ｔｐ）／Ｔ 十〇．５］ とする手続をとればよい． 結局、γは次式で求められる。

γ：ｖｐ−ｔｐａ−γＯｆ 以上で述べたような方式で群および位相遅延時間ｔｇ．
ｔｐ検出を行なう場合の従来構成を、第９図に示す．こ
の例は群遅延時間ｔ４としてセンサ出力のエンベローブ
波形の２回微分ゼロクロス点、つまり変曲点を検出する
場合である．第９図において，符号２は振動伝達部材か
らなる座標入力面ｌ上の所定位置に設置された圧電素子
による振動センサで、入力ペン４から座標入力面ｌ上の
所望の位置に入力された超音波振動を受信する． 入力ペン４はマイクロプロセッサなどから構成された制
御部９により所定のタイミングで間欠的に駆動される．
制御部９の演算プログラムはＲＯＭＩＯに格納される． 次にこれを初段の前置増幅器５で増幅し、その後絶対値
回路１０６、ローパスフィルタ１０７によって全波整流
、エンベローブの波形変換を行なう。そしてこのエンペ
ローブ波形に対して微分回路１０８，１０９を２回通し
て２回の微分波形を得、そのゼロクロス点をＴｇ検出ゲ
ート回路１１３の出力と比較することによりＴｇコンパ
レータ１１０によって検出してその時刻を群遅延時間ｔ
ｇとする． 一方、ｔｇ検出に伴って位相遅延時間ｔｐ検出用のゲー
ト回路ｌｌｌがオンし、その直後のセンサ出力ゼロクロ
ス点をＴｇコンバレー夕回路１１２によって検出し、そ
の時刻を位相遅延時間ｔｐとする． 各振動センサから得られる遅延時間ｔ　ｇｌ．ｔ　ｐｉ
．　　ｔ　ｇ２、ｔｐ２、ｔｇ３、ｔｐ３を用いた上記
の式による入力ペン４〜振動センサ２までの振動伝達距
離の演算およびこれに基づく座標演算は、制御部９によ
り行なわれる． 以上のような信号処理によって１つのセンサに対して群
遅延時間ｔｇ、位相遅延時間ｔｐが検出されるわけであ
るが、実際の超音波座標入力装置においては少なくとも
２個の、また精度向上の目的で検出情報の冗長性を高め
るためには３個以上の複数のセンサが設置されることに
なる．［発明が解決しようとする課題］ しかし，上記従来例では設置されるセンサの数が増せば
、それに伴って対応する信号処理系のチャンネル、すな
わち，第９図における振動伝達時間検出回路８も図示の
ように追加していかなければならない．したがって、信
号処理系にかかる部品数がセンサ数に比例して増加しコ
スト高となるとともに装置の小型軽量化が困難となる，
チャンネル間のクロストークによって精度が落ちる、あ
るいは信号処理系のチャンネル間の特性バラツキによっ
て精度が落ちるなどの問題が生じる．本発明の課題は、
以上の問題を解決し、簡単安価に構成でき、入力精度の
高い座標入力装置を提供することにある． ［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
伝達部材に入力された振動を振動伝達部材に設けられた
複数の振動センサにより検出し、振動伝達部材上での振
動到達時間を測定しその測定結果に基づき振動伝達部材
上での振動入力点の座標を検出する座標入力装置におい
て、振動センサの出力信号から前記振動到達時間を検出
する手段と、この振動到達時間検出手段の出力に応じて
振動入力点の座標を演算する手段と、前記複数のうち少
なくとも２つの振動センサの出力信号のうちいずれかを
時分割で選択して前記振動到達時間検出手段に入力する
切換手段を設けた構成を採用した． ［作　用］ 以上の構成によれば、振動センサの出力信号を時分割で
切り換えて振動到達時間検出に用いるため、信号処理系
の数を減少できる． ［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． 星±１遍池 第１図は本発明を株用した第１の実施例である．本実施
例は振動到達時間検出のための信号処理回路中，センサ
出力直後の初段増幅器以外の全てを全センサで共有とし
た場合を示す．ここでは、第６図と同様に振動センサを
装着した座標入力面および入力ペンを用いるものとする
．第ｌ図において、符号２０〜２３は座標入力面に装着
される振動センサで、ここでは座標入力面上の所定の４
ケ所に図示の４つの振動センサが装着されるものとする
． 各振動センサ２０〜２３の出力は，前置増幅器５により
それぞれ所定の増幅比により増幅される．この前置増幅
器はＳＮ比を上げるためできる限りセンサに近く設置す
る必要があり、そのため一般には各センサの直下に個別
に設置される．しかし，センサより充分な大きさの出力
が得られる場合には、精度などの兼ね合いでこの前置増
幅器ち共有化することは可能である． 符号６は、各振動センサ２０〜２３の出力を時分割で振
動到達時間検出回路８に入力するためのアナログマルチ
ブレクサである．振動到達時間検出回路８は第９図の符
号１０６から１１３の回路ブロックにより構成される． マルチブレクサ６は、各振動センサ２の出力を増幅する
前置増幅器５の出力を複数入力してそのうちの所望の１
つをセンサ選択信号７の制御によって出力する．ここで
は４つのセンサのうちの１つを特定するために、２ビッ
トの選択信号７を用いている． 力信号を選択して振動到達時間検出回路８に出力する．
選択信号７は入力端子Ａ，Ｂに入力されており、この端
子Ａ．Ｈの信号の論理レベルを第０、ｌにそれぞれ制御
すると入力端子ｘ２が選択され、センサ２２の出力が振
動到達時間検出回路８に入力される． マルチブレクサ６の制御はマイクロプロセッサなどから
構成された制御部９により行なわれる．制御部９はＲＯ
ＭＩＯに格納された制御プログラムによりマルチブレク
サ６を制御し、センサの選択を行なう． 制御部９の制御プログラムを第３図に示す．図示のよう
に、制御部９はステップＳｌ，Ｓ３、Ｓ５、Ｓ７におい
て入力ベン４を駆動し、ステップＳ２、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ
８において暴龜忍センサ２０、２ｌ、２２、２３をマル
チブレクサ６の制御を介して順に選択し、振動到達時間
検出回路８から群および位相遅延時間ｔｇ．ｔｐを入力
し、ステップＳ９において入力ペン４の指示座標を算出
する． 各群および位相遅延時間ｔｇ．ｔｐは、検出されるごと
に不図示のメモリなどに順次格納され、ステップＳ９で
の演算に使用される．ステップＳ９では、前述の演算式
により入力ベン４から各センサ２０〜２３までの直綿距
離が求められ、その後幾何学的な演算により座標入力面
ｌ上での座標値が算出される． 第３図の各ステップの遷移時間は予想される操作者の入
力ベン４の操作速度に応じて充分短く設定するのはいう
までもない． また、本実施例ではチャンネル切り替えにマルチプレク
サを使用しているが、トランジスタを用いてスイッチン
グ回路を形成してもよい．以上の構成によれば、各振動
センサの信号処理系を共通化することで、回路構成を著
しく簡易なものとし、装置の小型軽量化、あるいはコス
トダウンに大きく貢献できる． また、上記構成によれば、各センサの信号処理系が共通
で、各センサについて時分割で信号処理が行なわれるの
で、従来のように各信号チャンネルのクロストークや特
性のバラッキにより演算精度が低下するという問題がな
く、高精度な座標入力が可能である． 第２実施例 第４図に本発明による第２の実施例を示す。

超音波振動を用いる座標入力装置においては，指示座標
算出に際してより正確な値を導くために設置センサの数
を増して冗長性を上げるという手段がとられる場合があ
るが、冗長性を上げる手段として同時にペンの駆動周波
数を変化させるという方法もある． この場合には伝達される超音波信号の周波数も当然変化
するので、周波数特性が伝達振動に適合した回路を用い
なければならない。

本実施例では、ペンを４４０ｋＨＺと ８００ｋＨｚの２つの周波数で駆動することを考える。

本実施例では，座標入力面ｌに振動センサ２０〜２３を
固定するが、振動センサ２０、２ｌには共振周波数が４
　４　０　ｋ　Ｈ　ｚ、振動センサ２２、２３には８０
０ｋＨｚのものを用いる．振動センサ２０、２１の出力
はマルチブレクサ６０によりそのいずれかが選択されて
振動到達時間検出回路８０に入力される。また、振動セ
ンサ２２、２３の出力はマルチブレクサ６ｌによりその
いずれかが選択されて振動到達時間検出回路８ｌに入力
される． 振動到達時間検出回路８０、８ｌは、伝達振動の周波数
、４　４　０　ｋ　Ｈ　ｚ、８００ｋＨｚに対応した演
算パラメータを使用して群および位相遅延時間ｔｇ，ｔ
ｐを決定する．振動到達時間検出回路８０、８Ｉは主と
して各周波数に依存した信号強度を補正して群および位
相遅延時間ｔｇ．ｔｐを求めるように構成される． マルチブレクサ６０．６１の信号選択は，制御部９によ
り前記実施例と同様の方法で制御される． 第５図に制御部９の制御プログラムを示す．第５図は、
ステップＳｌ−５９のそれぞれは第３図のものと同じで
あるが、その配置が異なっている．すなわち，ステップ
ＳＬ−３４ｉ５よびステップＳ５〜Ｓ８はそれぞれ並行
に実行され、ステップＳ２、Ｓ４．Ｓ６、Ｓ８で取り込
まれた群および位相遅延時間ｔｇ．ｔｐによりステップ
Ｓ９で指示座標の演算が行なわれる． ステップＳ２、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８では、マルチブレクサ
６０、６ｌがそれぞれ振動センサ２０と２１、２２と２
３の出力を選択して振動到達時間検出回路８０、８ｌに
それぞれ入力する．振動到達時間検出回路８０、８ｌで
は５それぞれのセンサで検出される信号周波数に適した
増幅、エンベーロープ検出などの処理を行ない各遅延時
間の算出を行なう。

このように，座標検出に異なる振動周波数を用いる場合
でも、同じ周波数を取り扱う信号処理系を共通化するこ
とにより、前述の実施例と同様の小型軽量化、コストダ
ウン、あるいは入力精度向上効果を期待できる． ［発明の効果］ 以上から明らかなように，本発明によれば、振動伝達部
材に入力された振動を振動伝達部材に設けられた複数の
振動センサにより検出し，振動伝達部材上での振動到達
時間を測定しその測定結果に基づき振動伝達部材上での
振動入力点の座標を検出する座標入力装置において、振
動センサの出力信号から前記振動到達時間を検出する手
段と、この振動到達時間検出手段の出力に応じて振動入
力点の座標を演算する手段と、前記複数のうち少なくと
も２つの振動センサの出力信号のうちいずれかを時分割
で選択して前記振動到達時間検出手段に入力する切換手
段を設けた構成を株用しているので，振動センサの出力
信号を時分割で切り換えて振動到達時間検出に用いるこ
とにより信号処理系の数を減少でき、装置の構成を簡単
安価、小型軽量にでき，またクロストークや信号処理系
のバラツキによる入力精度低下のない優れた座標入力装
置を提供できる．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成を示すブロック図，
第２図は第１図のマルチブレクサの人出力制御を示した
説明図、第３図は第１実施例における座標入力処理手順
のフローチャート図、第４図は本発明の第２実施例の構
成を示すブロック図、第５図は第２実施例における座標
計算のフローチャート図，第６図は超音波方式の座標入
力装置の入力部の説明図、第７図はセンサがらの出力信
号の波形図、第８図は振動到達時間の距離依存性を示す
線図、第９図は従来の座標入カ装置ハードウェア構成を
示したブロック図である。 ｌ・・・座標入力面　　２・・・振動センサ４・・一人
カベン　　　５・・・前置増幅器６・・・マルチブレク
サ ８−・・振動到達時間検出回路 ９・・・制御部　　１０・・−ＲＯＭ 一，ユ兵っ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）振動伝達部材に入力された振動を振動伝達部材に設
   けられた複数の振動センサにより検出し、振動伝達部材
   上での振動到達時間を測定しその測定結果に基づき振動
   伝達部材上での振動入力点の座標を検出する座標入力装
   置において、振動センサの出力信号から前記振動到達時
   間を検出する手段と、 この振動到達時間検出手段の出力に応じて振動入力点の
   座標を演算する手段と、 前記複数のうち少なくとも２つの振動センサの出力信号
   のうちいずれかを時分割で選択して前記振動到達時間検
   出手段に入力する切換手段を設けたことを特徴とする座
   標入力装置。 ２）前記切換手段により出力信号を選択される少なくと
   も２つの振動センサの振動伝達特性がほぼ同等であるこ
   とを特徴とする請求項第１項に記載の座標入力装置。