JPH03217926A

JPH03217926A - 座標入力装置

Info

Publication number: JPH03217926A
Application number: JP2011876A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Sekiya; 関谷　利幸
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-01-23
Filing date: 1990-01-23
Publication date: 1991-09-25

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、例えば超音波の伝播を利用して座標指示具に
より指示された座標位置を入力する座標入力装置に関す
るものである。

［従来の技術］超音波を利用した距離計測の応用装置の１つに超音波座
標入力装置がある。これは、内部に圧電素子が組み込ま
れ、先端より所望の超音波信号を発信する座標指示用の
ペンから発せられた超音波信号を、タブレットなどの伝
播体を通して伝播させる。この伝播信号を伝播体の端部
に設けられた複数個のセンサにより検知し、各センサへ
の到達時間を計測することによりペンと各センサ間の距
離を求めて、ペンにより指示された伝播体上の座標位置
を算出している。

［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、超音波信号の伝播時間を
もとにペンとセンサ間の距離を計算し、これより指示点
座標値を求める方式であるため、伝播時間の正確さが座
標精度そのものとなる。このため、何らかの外因等で伝
播時間が揺らぐと、検出された座標位置に誤差が発生す
る。このような〜伝播時間の揺らぎの原因としては、指
示動作直後のペンのぶれ、ペンを押下する筆圧の変動な
どの指示状態の不安定さが考えられる。また、ペン先が
一点に固定されずブレていれば、信号到達時間は微妙に
ずれて誤差が生じる。また、例えペン先がほぼ一点に置
かれていたとしても、ペンの押圧角度、筆圧などが変動
するような不安定な状態においては、センサの出力信号
のゲインや波形などが変動し、それに伴って同様に信号
到゜達時間が変動し、検出した座標位置に誤差が生じることになる。

本発明は上記従来例に鑑みてなされたもので、各センサ
における信号到達時間の変動を調べることにより、座標
入力値の精度を高めるようにした座標入力装置を提供す
ることを目的とする。

また、座標指示具により指示された座標値の計算結果の
変動を調べることにより、例えば指示動作初期時に生じ
やすい手ぶれ、等圧変動などに起因する座標測定誤差を
除去して、正確に指示された座標位置を検出できる座標
入力装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段コ上記目的を達成するために本発明の座標入力装、置は以
下の様な構成からなる。即ち、座標指示具により発せられる信号が伝播体各所に設定さ
れた複数のセンサのそれぞれ到達する伝播時間より指示
点座標を認識するような座標入力装置であって、前記座
標指示具より前記センサヘの信号到達時間を計測する計
測手段と、前記計測手段により所定時間間隔で信号到達
時間を計測し、各時間における信号到達時間の差が所定
時間内にあるかを判別する判別手段と、前記判別手段に
より所定回数連続して前記所定時間内にあることが判別
されると、前記信号到達時間を基に前記座標指示具によ
り指示された座標値を算出する算出手段とを有する。

［作用］以上の構成において、座標指示具よりセンサヘの信号到
達時間を計測する計測手段により、所定時間間隔で信号
到達時間を計測し、各時間における信号到達時間の差が
所定時間内にあるかを判別する。こうして、所定回数連
続して所定時間内にあることが判別されると、その信号
到達時間を基に、座標指示具により指示された座標値を
算出するように動作する。

［実施例］以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細
に説明する。

［座標入力装置の説明　（第１図〜第７図）］第１図は
実施例の座標入力装置の概略構成を示すブロック図であ
る。

第１図において、１は装置全体を制御するとともに、座
標位置を検出する演算制御回路で、例えばマイクロプロ
セッサ等のＣＰＵ３　１、ＣＰＵ３１の制御プログラム
や各種データを記憶しているＲＯＭ３　１　ａ，ＣＰＵ
３　１のワークエリアとして使用されるＲＡＭ３　ｌ　
ｂなどを備えている。２は圧電素子駆動回路で、ベン９
に内蔵されている圧電素子を駆動して超音波信号を発生
させる。３は信号波形検出回路で、センサ１０ａ〜１０
ｃよりのセンサ信号を入力し、そのピーク値または変曲
点などを求めて演算制御回路１に出力している。

これにより、演算制御回路１は信号到達時間ｔ．を求め
ることができる。

９は座標指示具（入力ペン）であり、内部に圧電素子が
組込まれており、先端より所望の超音波信号を発振する
。１０ａ〜１０ｃは伝播体ｌ１の周辺に設けられたセン
サで、ベン９から発せられた超音波信号を伝播体１１を
介して受信する。ｌ１は伝播体で、超音波信号の伝播媒
体となり、アルミやガラス等が用いられる。ｌ２は防振
材でセンサ１０にペン９からの直接波以外の反射波が混
入しないように、伝播体ｌ１の周辺に設置されている。

以上の様な構成の超音波座標入力装置において、複数の
センサとペン９により指示された指示点との距離より指
示点の座標値が計算される。

センサ１０のそれぞれと指示点の距離ｒの算出方法には
様々なものがあるが、基本的にはベン９から発せられた
超音波信号のセンサ到達時間より計算される。例えば第
２図で示されるような受信信号波形に対して、第３図の
ブロック図で示された信号波形処理により、全波整流、
エンベローブをとり、そのピーク位置または変曲点等を
信号の郡到達時間ｔ．と規定する。これにより、ｒ　Ｆ
Ｖｇ　　’　ｔｇ　＋　（オフセット値）より、距離ｒ
を計算をすることができる。

しかし、このようにエンベローブをもとに到達時間の検
出を行うと、信号出力の大きさやフィル夕の特性の影響
により、ある程度の揺らぎがどうしても発生する。この
ため、さらにより高い精度が要求される場合には、適当
な座標位置での位相を検知して、位相到達時間ｔ，を求
めることにより、より細かい精度を出している。

このように、超音波信号の到達時間（ｔ．，ｔｐ）を計
測するときの信号波形検出回路３の構成を第４図に示し
、そのときの各出力波形例を第５図に示す。

第４図において、゛１０はセンサで、ノイズ混入を防ぐ
ため、センサｌＯのごく近傍に前置増幅器ｌ９が設置さ
れている。こうして増幅された受信信号は、絶対値回路
２０、ローバスフィルタ２１により片側エンベローブ波
形（第５図の５０）に変換され、そのエンベローブ波形
に対し、微分回路２２、２３を用い２回の微分処理を行
う。そのゼロクロスポイント（エンベローブ波形変曲点
）をコンバレータ２４により抽出し、群到達時間ｔ８と
する。但し、エンベローブ波形の変曲点であるゼロクロ
スポイントのみを取り出すために、１回目の微分波形の
大きさをもとにゲート回路によりｔ．検出用の窓信号（
第５図の波線５１）を設定し、コンパレータ出力との積
をとって、その最初の立上がりをｔｇ　　（第５図の５
２）とする。

同様に、１ｐ信号はｔ．検出信号をもとにしてゲート回
路２７によりｔ，検出用の窓信号（第５図の波線５３）
を設定し、センサ出力信号に対するコンパレータ出力と
の積をとり、その最初の立下がりをｔｐ　　（第５図の
５４）とする。

以上の様な検出方法を用いる場合の、ベン９とセンサ１
０間の距離ｒの算出方法を、次に説明する。

群速度Ｖ．と位相速度ｖｐが等しい場合にはｒ＝ｖ，　
　・ｔ，＋（オフセット値）により求めることができる
が、■．≠Ｖ，の場合には、距離ｒとともに郡の中の位
相がずれるために、ｔ，として第６図に示すような階段
状のものが観測され変換作業が必要となる．これらの段は位相の検出ポイントの移動を示すもので、
各段のっなぎめは信号の周期Ｔだけ平行移動したもので
ある。■．とＶ．が等しく常に一定の位相検出ポイント
を観測できる場合には、このような階段はできず、直線
ａのよりなｔ，が得られる。従って、階段状に得られる
ｔ９を元の直線に変換してやればよい。つまり、ｔ　ｐａ師　（　ＶＨ／Ｖｔｓ）ｔｇ−ｔｏｅ　　　　
（　　ｔｏｆ：オフヤットイ直）であるが、ｔ１は揺ら
ぎが大きいので、？ｐｔ＝ｎＴＬＥ（Ｖｇ／ＶＪｔｇ−
ｔａｒ　　ｔｐ（ここで、ｎは整数値である）．という性質を利用して、ｔｐａ＝　ｔｐ　＋ＴＩ　Ｉ　ｎ　ｔ　［　｛（　ｖｇ
／ｖｐ）　ｔｇ−ｔａｒ−ｔｐ　｝／Ｔ＋０．５１としてｔ■を求め、距離ｒを次式より計算する。

ｒ　”　Ｖ　ｐ　　＋．　ｊ　ｐ　　ｒ　ｏｆｒｏｆは
オフセット値である。

このような座標検出処理を行うのが、第７図のブロック
図に示された演算制御回路１である。

［演算制御回路の説明　（第７図）］第７図は本実施例における演算制御回路１の内部構成を
示すブロック図で、各構成要素及びその動作概要を以下
に説明する。

図中、３１は演算制御回路１及び本座標入力装置全体を
制御するマイクロコンピュータであり、内部カウンタ、
ＲＯＭ３　１　ａ，そしてＲＡＭ３ｌｂなどを内蔵して
いる。３３は必要とされる分解能から選択された基準ク
ロツクを計時するタイマ（カウンタより構成されている
）であって、ベン９内の圧電素子の駆動を開始させるた
めのスタート信号を圧電素子駆動回路２に出力すること
により計時を開始する。これによって、信号波形を検出
するまでの時間の計時開始と、ベン９による信号発生タ
イミングとの同期が取られることになる。

その他、各構成要素となる回路は順を追って説明する。

先ず、ＣＰＵ３　ｔはタイマ３３等にリセット信号を出
力し、それらを一旦クリアする。この後、圧電素子駆動
回路２にベン９内の圧電素子を駆動させる旨の信号を出
力する。この結果、タイマ３３はその計時を開始する。

こうして、ベン９より発生した超音波はセンサ１０ａ〜
１０ｃの各々の距離に応じた時間だけ遅延して到達する
．そして、信号波形検出回路３を介して得られた各セン
サ１０ａ〜’１０ｃよりの到達のタイミング信号は、検
出信号入力ボート３５を介して、ラッチ回路３４ａ，〜
３４ｃに入力される。ラッチ回路３４ａ〜３４ｃのそれ
ぞれは、各センサ１０ａ〜１０ｃに対応しており、各々
は対応するセンサの信号であるタイミング信号を受信す
ると、その時点でのタイマ３３の計時値をラッチする．
そして、全ての検出信号の受信がなされたことを判定回
路３６が判定すると、ＣＰＵ３　１にその旨の信号を出
力する。これにより、ＣＰＵ３　１はラッチ回路３４ａ
〜３４ｃに記憶されている各々のセンサまでの信号到達
時間を読み取る。その後、所定の計算を経て、ベン９に
よる伝播板１１上の座標位置を算出する。

なお、最大遅延時間を過ぎても、判定回路３６より信号
到達を示す信号が入力されないときは、ペン９による座
標入力がなかったものとして座標位置の演算を行わず、
先のリセット処理以降の処理を実行する。

［動作説明　（第１図〜第８図）］第８図は本実施例の座標入力装置における処理を示すフ
ローチャートで、この処理は無入力状態からベン９が押
下されて座標位置が指示されることにより開始される。

なお、この処理を実行する制御プログラムはＲＯＭ３　
１　ａに記憶されている。

まずステップＳ１で、サンプリング回数カウンタＣｎ　
（’ＲＡＭ３ｌｂに含まれている）をリセットする。次
に、複数あるセンサのうち、例えばセンサｌｏａの群到
達時間ｔｇ．を取り込み、これを比較用ｔ８として、Ｒ
ＡＭ３　ｌ　ｂのＲｔに格納する。次にステップＳ３で
、一定時間間隔で同じくセンサ１’　Ｏ　ａのｔＨａを
取り込み、これをＤｔに格納する。そしてステップＳ４
でＲｔの値とＤｔの値とを比較し、その差が所定値ｆ２
１以下におさまっていた場合にはペン状態安定と判断し
てステップＳ５に進む。ステップＳ５と８６で、ペン安
定状態が２０回連続して検出できるかを調べ、ペン安定
状態が２０回連続して検出され、安定と判断された場合
はステップＳ７に進み、全センサ（ｌＯａ〜１０ｃ）の
（ｔｇ．ｔ．）を取り込み、Ｘ−ｙの座標計算を行なう
。

また、ステップＳ４でＲｔとＤｔの差が１２１以上にな
ったときは、何らかのベン押圧異常が起きたと判断して
ステップＳ１に戻り、前述した処理を再度実行する。

以上説明したように本実施例によれば、ベン９の押圧が
安定しているかどうかを、１つのセンサよりの群到達時
間ｔ．のみで判別するため、判別アルゴリズムが非常に
簡単なものとなる。また、群速度の取込み時間間隔、あ
るいは取込み回数の設定等の自由度を大きくして判別で
きる効果がある。

なお、本実施例においては１つのセンサの変動のみを調
べる方法を示したが２個以上のセンサの変動を見るよう
にすれば、アルゴリズムは少々複雑になるが、ペン安定
の検出としての信頼性が増すことはいうまでもない。

［他の実施例　（第９図、第１０図）］次に、本発明の
第２の実施例を第９図に示すフローチャートを用いて説
明する。

無入力状態からペンが指示されると、このフローチャー
トが実施される。本実施例の特徴はペンの安定状態を調
べる対象として、指示点の座標値の計算結果の変動を見
るところにある。まず、ステップＳｌｌでサンプリング
回数Ｃ。を“０”にリセットする。次にステップＳ１２
で、センサ１０ａ〜１０ｃの全ての（ｔｇ，ｔｔ）を取
り込んで、指示点の座標値を計算する。これを比較用（
ｘ．ｙ）としてＲＡＭ３　ｌｂの（Ｒｘ．Ｒｙ）に格納
する。

次にステップＳ１３に進み、一定時間間隔を開けてステ
ップＳ１２と同様にして（ｔｇ．ｔｐ）を取り込んで座
標計算を実行する。そしてステップＳ１４に進み、ステ
ップＳ１２で記憶された（Ｒｘ．Ｒｙ）の値とステップ
Ｓ１３で求めた（ｘ，ｙ）との差を求める。この差が所
定値以下のときはステップＳ１５に進み、ステップＳ１
５とＳ１６において、２０回にわたりＸ座標値、ｙ座標
値と（Ｒｘ，Ｒｙ）との差が一定値以下の場合にペン状
態安定と判断する。一方、ステップＳ１４で座標値（ｘ
，ｙ）と（Ｒｘ．Ｒｙ）との差（　ｌ　ｘ−Ｒｘ　ｌ　
＜Ｔ　或はｌ　ｙ−Ｒｙｌ　＜　Ｔ　）が所定値（Ｔ）
以上となった場合には、何らかの異常が起きたと判断し
てステップＳｌｌに戻り、前述の動作を再度実行する。

ステップＳ１４〜Ｓ１６で２０回連続して座標値の差が
所定値以内と判別されて、ペン９が安定と判断された場
合にはステップＳ１７に進み、（Ｒｘ，Ｒｙ）または最
後に測定された座標値（ｘ．ｙ）を指示点の座標値とし
て外部へ出力することとなる。

また、指示点の座標値として、それまで計算された（こ
の実施例では２０回分）ｘ−ｙの平均値をとるようにす
れば、指示点座標値としてより安定した結果を外部へ出
力することができる。

そのような実施例を第ｌＯ図に示す。

ここでは計算された座標値をステップＳ２５で積算し、
最終的にステップＳ２７でサンプリング数（ここでは２
０回）で割って平均値を算出し、その結果を出力してい
る。

これら第２及び第３の実施例においては、座標値を毎回
計算するため、前述した第１の実施例よりも１回のサイ
クルにかかる時間が比較的長くかかるためサンプリング
数が制限される。例えば、（ｔｇ，ｔｐ）を取込んで座
標値（ｘ．ｙ）計算をするのに３０ｍｓ程度を要する場
合、５回サンプリングすると１５０ｍｓとなるが、一点
ごとの入力を前提とするならば、この程度でも問題にな
らない。

以上説明したようにこれら実施例によれば、座標入力動
作時に、１つもしくは２つ以上のセンサの信号到達時間
の安定性あるいは（ｘ，ｙ）座標計算値の安定性を調べ
、ペン状態の安定を確認してからの（ｘ，ｙ）座標値を
外部に出力することができるため、ペン操作初期などの
ペン状態の不安定などから生じる精度の低下を防止でき
る。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば、各センサにおける
信号到達時間の変動を調べることにより、座標入力値の
精度を高めることができる効果がある。

また、座標指示具により指示された座標値の計算結果の
変動を調べることにより、例えば指示動作初期時に生じ
やすい手ぶれ、等圧変動などに起因する座標測定誤差を
除去して、正確に指示された座標位置を検出できる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の座標入力装置の構成を示すブロック図
、第２図はセンサにより検出される信号波形例を示す図、第３図はセンサにより検出された信号の処理系統を示す
ブロック図、第４図は信号波形検出回路の構成を示すブロック図、第５図は信号波形検出回路の各部の信号波形例を示す図
、第６図はセンサとペンとの距離ｒの計算を説明した図、第７図は実施例の演算制御回路の構成を示すブロック図
、第８図は第１の実施例の座標検出処理を示すフローチャ
ート、第９図は第２の実施例の座標検出処理を示すフローチャ
ート、そして第１０は第３の実施例の座標検出処理を示すフローチャ
ートである。図中、１・・・演算制御回路、２・・・圧電素子駆動回
路、３・・・信号波形検出回路、９・・・ペン、１０ａ
〜１０ｃ・・・センサ、１１・・・伝播体、１２・・・
防振材、ｌ３・・・初段アンプ、ｌ９・・・前置増幅器
、２０・・・絶対値回路、２１・・・ローバスフィルタ
、２２・・・１次微分、２３・・・２次微分、２４・・
・Ｔｇコンパレータ、２５・・・Ｔｐコンパレータ、２
６・・・Ｔｇゲート回路、２７・・・Ｔｐゲート回路，
３１・・・ＣＰＵ，３ｌａ−ＲＯＭ，３１ｂ・・・ＲＡＭ，３３・・・タイマ、３４・・・ラッチ回路、３６・・・判定回路である。特許出願人キヤノン株式会社こ、一区第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）座標指示具により発せられる信号が伝播体各所に
設定された複数のセンサのそれぞれ到達する伝播時間よ
り指示点座標を認識するような座標入力装置であつて、前記座標指示具より前記センサへの信号到達時間を計測
する計測手段と、前記計測手段により所定時間間隔で信号到達時間を計測
し、各時間における信号到達時間の差が所定時間内にあ
るかを判別する判別手段と、前記判別手段により所定回
数連続して前記所定時間内にあることが判別されると、
前記信号到達時間を基に前記座標指示具により指示され
た座標値を算出する算出手段と、を有することを特徴とする座標入力装置。
（２）前記算出手段は各センサよりの信号到達時間の平
均値を求め、前記平均値を基に前記座標指示具により指
示された座標値を算出するようにしたことを特徴とする
請求項第１項に記載の座標入力装置。
（３）座標指示具により発せられる信号が伝播体各所に
設定された複数のセンサのそれぞれ到達する伝播時間よ
り指示点座標を認識するような座標入力装置であつて、前記座標指示具より前記センサへの信号到達時間を計測
する計測手段と、前記信号到達時間をもとに前記座標指示具により指示さ
れた座標位置を算出する座標位置算出手段と、前記計測主手段及び前記座標位置算出手段により所定時
間間隔で座標位置を計測し、各時間における座標位置の
差が所定範囲内にあるかを判別する判別手段と、前記判別手段により所定回数連続して前記座標位置が前
記所定範囲内にあることが判別されると、前記座標位置
を前記指示具により指示された座標値として出力する出
力手段と、を有することを特徴とする座標入力装置。
（４）前記出力手段は、さらに前記所定時間間隔で計測
された座標値の平均を求める手段を備えることを特徴と
する請求項第３項に記載の座標入力装置。