JPH03276221A - 超音波座標入力装置 - 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］ 本発明は超音波座標入力装置、さらに超音波の伝播を利
用する距離計測技術を取り入れた各種応用装置一般に関
するものである。

［従来の技術］ 超音波距離計測の応用装置として考案されたものの一つ
に、超音波座標入力装置がある。以後この装置を例にと
って本発明についての説明を行なう。

第８図は一般に考案されている超音波座標入力装置の概
観概略図である。１は座標指示具（以後ペンと呼ぶ）で
あり、内部に圧電素子が組み込まれていて先端より所望
の超音波信号を発信する発信器である。２ａ、２ｂ、２
ｃはセンサであり、ペンから発せられた超音波信号を伝
播体３を介して受信する受信器である。３は伝播体で超
音波の伝播媒体となるガラス、アルミ他等が用いられる
。４は防振材でセンサ２ａ〜２ｃにペン１からの直接波
以外の反射波が混入しないようにする目的で設定されて
いる。以上のような構成をとる超音波座標入力装置にお
いて、２個以上の複数の各センサと指示点の距離より指
示点の座標が計算される。

センサと指示点の距離算出方法はさまざまなものが考案
されているが、基本的にはペンから発せられた超音波信
号のセンサまでの到達時間によって算出する。群速度と
位相速度が異なる横超音波を用いる場合、受信波形に対
しエンベロープをとり群到達時間を求めて大まかな距離
計算を行い、さらに精度を求められる場合には適当な位
置の位相を検知し、位相到達時間を求めてより細かい精
度を出している。

次に、群到達時間と位相到達時間の２つの時間情報から
ペン・センサ間の距離γを算出する手続きを説明する。

まず、第９図で示すような電圧をペン内の圧電素子に印
加した場合、センサの受信信号は第１０図で示すように
なる。これに対しそのピーク位置を群到達時間ｔ８とし
て検出する場合には第１１図のようにセンサ出力信号に
対して初段増幅器５．全波整流器６．ローパスフィルタ
７、微分回路８の各回路を通し、微分信号のゼロクロス
をコンパレータ９によって検出し、その時刻を群到達時
間ｔ１として認識する。

これにより、γ＝ｖ、・ｔ、からγを算出することがで
きるが、エンベロープをもとに時間を検出するという方
法によるため、信号出力の大きさやフィルタ特性の影響
でどうしてもある程度のゆらぎ△ｔが発生する。従って
一般には、特定の位相ゼロクロスポイントを検出して時
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、群到達時間ｔ、決定直後の位相ゼロクロスポイ
ントというように検出ポイントを規定すると、■８≠■
、であり距離γと共に群の中の位相がずれるため、位相
到達時間１ｐとして第１２図に示すような階段状のもの
が観測される。この段は位相の検出ポイントの移動を示
すもので、各段のつなぎ目は信号の同期Ｔだけ平行移動
したものとなる。Ｖｇ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のような位相到達時間ｔ２が得られる。

従って、階段状に得られる１ｐを元の直線ａに変換すれ
ばよい。

つまり ｔｐＩｌ師　（ｖｇ／ｖｐ）　ｊｇ−ｔｏｆ（ｔ、、：
オフセラトイ直）であるが、群到達時間ｔ９はゆらぎが
大きいのでｔｐｌ　＝　（ｖｇ／ｖｐ）　ｔｇ−ｔａｒ
−ｊｐ　　（ｎは整数）という性質を利用して、 ｔｐａ　　”ｔｐｌＴＸ　　Ｉｎｔ（ｔｐｔ／Ｔ＋０．
５）＝ｔｔ＋Ｔｘ　　Ｉｎｔ［（（ｖｇ／ｖｔ）ｔｇ−
ｔａｆ−ｔ、）／Ｔ＋ｏ、ｓ］とする手続きをとればよ
い。

このｔ−を用い、ペン・センサ間距離γは次式％式％ ｒ　”　Ｖｐ４ｐａ−ｒｏｔ　　（ｒｏｔ：オフセット
値）＝　Ａｔ、＋Ｂ　　Ｘ　Ｉｎｔ（Ｃｔ、＋Ｄｔ、＋
Ｅ＋０．５）＋ＦＡ　：　Ｖ。

Ｂ：ｖ、　・Ｔ＝λ Ｃ：　　（ｖｇ／ｖｐ　）／Ｔ＝ｆ・（ｖ、／ｖ、）Ｄ
　　：　　−１／Ｔ−ｆ Ｅ　　：　　−ｔ、ｒ／Ｔ Ｆ　　：　　−ｍａｒ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　・・・０以上説明した手法により、ペン１から伝
播体３を媒してセンサ２ａ〜２Ｃに至る超音波振動の群
到達時間ｔ、と位相到達時間ｔ、とが測定されるわけで
ある。複数センサを用いる座標入力装置においては、こ
れら１．．１．はセンサの数だけ測定することになり、
第８図に示した座標入力装置の例では、の３つのセンサ
２ａ〜２Ｃを用いている。これによって、測定される群
及び位相到達時間も、それぞれｊ　ｇ−、ｊ　ｔｂ、　
ｔ□。及びｔ□＋　ｊ　ｐ　ｂ　＋　ｊ　ｐ　ｃと３つ
ずつ存在することになる。

ところで、これら複数の群及び位相到達時間を測定する
方法としては、（１）１つのセンサに対して１つのｔｚ
、ｔｏ測定回路を設ける方法と、（２）複数のセンサを
切り替えて１つの測定回路で測定する方法とが考えられ
ている。（１）の方法においては、１回の超音波振動の
入力で同時に複数のセンサの１．．１．測定ができるた
め手書き入力のようにペンが動く場合の入力に対し高精
度で、かつ、高速に処理することができる。

また、（２）の方法においては、測定回路が１つでよい
ため、大幅なコスト・ダウンができるというメリットが
ある。

［発明が解決しようとしている課題］ しかしながら、上記（２）の従来例においては、センサ
切替え時にノイズが発生してこれが測定回路に入力され
るため、このノイズ信号でｔｇ、ｔｐを規定してしまい
、正しい座標入力ができない場合があった。

本発明は、前記従来の欠点を除去し、センサ切替え後、
時間を遅らせて超音波信号の到達時間の実測定を開始す
る手段を設けることにより、センサ切替えに起因するノ
イズによるｔｇ、ｔｐの誤測定を排除する高信頼度の超
音波距離計測装置を提供する。

［課題を解決するための手段］ この課題を解決するために、本発明の超音波距離計測装
置は、超音波振動の伝播による距離の計測に基づいて座
標を入力する超音波座標入力装置であって、 超音波伝播媒体の複数個所に配置された超音波受信器か
らの入力信号を順次選択する入力選択手段と、該入力選
択手段により選択された入力信号に基づいて距離を計測
する距離計測手段とを備え、 前記距離計測手段は、前記入力選択手段によるセンサ切
り換え時に、所定時間経過後に距離計測を開始する。

ここで、前記距離計測手段は、超音波発振源の超音波振
動の開始を所定時間遅延させる。

又、前記距離計測手段は、距離計測を超音波振動の到達
から所定時間を遅らせて開始する。

［作用］ かかる構成において、前記入力選択手段によるセンサ切
り換え時に、前記距離計測手段が所定時間経過後に距離
計測を開始することにより、センサ切替えに起因するノ
イズによる１、、１ｐの誤測定を排除する。

［実施例］ 以下添付図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１図は本実施例の超音波距離測定装置の構成を示すブ
ロック図である。図中、１００はペン１を駆動するペン
駆動回路、１０１は第９図に示したようなペン１の駆動
波形を生成する駆動波形生成回路、２００はセンサより
の受信信号からｔ、及びｔ、を検出するｔ、・ｔ、検出
回路、２０１はｔ、及びｔ、信号に基づいて超音波の伝
播時間を策定するためのカウンタ回路である。

２０２はＣＰＵ３００の指示に従って、センサ２ａ〜２
ｃを切り賛える切り替え回路である。

又、３００は駆動波形生成回路１０１の波形生成の制御
及びカウンタ回路２０１の出力からの距離の計算を行う
ＣＰＵで、切り替え回路２０２がセンサを切り替えた後
ペン駆動を所定時間ウェイトするためのタイマ３００ａ
を有している。

３０１はＣＰＵ３００の制御プログラムを格納するＲＯ
Ｍ、３０２は補助記憶用のＲＡＭであり、４００は計算
された距離に基づいて、例えば座標等を出力する出力部
である。

第２図は本実施例の超音波座標入力装置の動作手順を示
すフローチャートである。

ステップＳ２１で超音波の到達時間を測定するセンサな
選択すると、ステップＳ２２でウェイトをかけ、一定時
間経過ののちにステップＳ２３でペン１を駆動して超音
波を発生する。このときのペン駆動のスタートにより、
カウンタ回路２０１の２個のタイマカウンタ回路（第４
図に詳説）が到達時間の測定を開始する。このカウンタ
の一方は、ｔ、規定信号の立上りを検知してストップし
、他の一方はｔ、規定信号の最初の立下りを検知してス
トップするようハード回路構成されている。ステップＳ
２４は、これらのカウンタがストップするまでの開広の
処理を待つためのもので、カウンタがストップしてデー
タ規定が完了したことを検知すると次の処理に進むよう
構成されている。

ステップＳ２５は全センサのｔ８及びｔ、が規定された
か否かを判断するステップで、全センサデータの測定が
完了するまでステップＳ２１〜Ｓ２５の処理をくり返す
。ステップＳ２５で全センサデータの測定完了が確認さ
れると、ステップＳ２６に進んでそのデータを用いた座
標演算が行われ、その結果に基づきステップＳ２７で表
示を行う。

第３図にこのときの駆動信号波形、検出信号波形、ｔ、
規定信号波形及びｔ、規定信号波形のタイムチャートを
示す。図中、上からペン駆動信号、検出信号、ｔｆ規定
信号、ｔ、規定信号である、検出信号において、センサ
切替時に発生するノイズを切替えノイズと記しであるが
、これはセンサを切替えることによって、その切替え時
点にｔ、・ｔ、検出回路２００の検出信号ラインに飛び
込むノイズである。このノイズ信号は、ｔ、・ｔ２回路
２００における所定の処理を行われ、ｔ１規定信号出力
及びｔ、規定信号出力を行う。これが図中「ノイズによ
るｔ５規定信号」及び「ノイズによるｔ、規定信号」で
ある。

従来、ペン駆動信号は、図中破線のように、センサ切替
え後にただちに出力されて、この出力と同時に１．．１
．測定カウンタが作動していた。これにより、「ノイズ
による１、規定信号」の立上り及び「ノイズによるｔ、
規定信号」の最初の立下りをもって図中の「誤ったｔ□
」及び「誤ったｔｐＪを規定してしまい、正しい座標検
出が出来ない場合があった。

そこで本実施例では、図中実線のようにペン駆動信号出
力をセンサ切替後一定時間経過ののち行うようにし、そ
れと同時に到達時間測定用のカウンタを作動させるよう
にしたことによって、切替えノイズによる誤測定を防ぎ
、常時正規の１、．１．測定を行えるようにしたもので
ある。

図中、センサ検出信号と示しであるのは、切替えたセン
サによって受は取られた超音波信号である。この信号は
、ｔ、・ｔ、検出回路２００を通って所定の処理を行わ
れ、「検出信号によるｔ、規定信号」及び「検出信号に
よるｔ、規定信号」を出力し、前者の立上りでｔ、を後
者の立下りでｔ、を規定し、カウンタ回路２０１のカウ
ンタをストップする。これによって図に示されるごとく
、切替えノイズによる信号とは無関係な１．．１．の測
定が行われ、常に正常な座標入力が行われる。

ここで、第４図について説明する。第４図はｔ６及びｔ
、を測定するカウンタ回路２０１のブロック図である。

図中、３００は前述の本制御回路の制御及び座標演算１
表示等の制御を行う制御回路（ＣＰＵ）である、１００
はＣＰＵ３００の信号に基づき、実際にペンを駆動する
ペン駆動回路である。タイマ・カウンタ回路３３．３４
はタイマ・カウンタ回路で、それぞれｔ、及びｔ。

をカウント測定する。３３．３４は５ＴＲＴ（スタート
）、５ＴＰ（ストップ）端子、ＲＤ（リード）端子、Ｒ
ＳＴ　（リセット）端子等を有しており０．５ＴＲＴ端
子にＣＰＵ３０ｏからのペン駆動信号を入力することに
よって、その立上りをもってカウンタをスタートし、Ｓ
ＴＰ端子に入力されるｔ、規定信号の立よりあるいはｔ
。

規定信号の立下りを検知してカウンタをストップするよ
う構成されている。ここで、カウントされたデータはＣ
ＰＵ３００の制御により、ＲＤ端子に信号が入力される
とＤＡＴＡ端子からＣＰＵ３００に送られるようになっ
ており、ＣＰＵ３００は上記データを受は取ると、ＲＳ
Ｔ端子に信号を入力してタイマ・カウンタ回路を初期状
態にリセットするようになっている。

尚、本実施例では、ソフト・タイマを用いてセンサ切替
えからカウンタ・スタートまでの間にウェイトをかける
ことにより。１．．１．の誤測定を防止するようにして
いるが、ソフト・タイマのかわりにハード・タイマを用
いても同様に実施することが可能である。

［他の実施例］ ここでは、ダミー・カウントを用いる方法について説明
する。すなわち、センサ切替え直後からカウントされた
１回目のカウント・データは無視し、タイマ・カウンタ
回路をリセット、そのままの状態（センサを切替えない
状態）で２回目のペン駆動を行い、その時のデータを採
用するようにしたものである。すなわち、１回目のデー
タは空読みし、２回目のデータで測定する方法であるが
、実施に際しての空読みの回数については、実際の検出
波形を見て設定すればよい。

第５図に、この場合の制御手順のフローチャートを示す
。これは、空読み１回の例である。

ステップ５４１でセンサを切替え、ステップＳ４２で読
取り回数データをリセットする。

ステップＳ４３でペン駆動してタイマ・カウンタをスタ
ートし、ステップ４４でデータの規定が完了するまで待
つ。データ測定の完了はｔ、。

１ｐ規定信号の状態により検知すればよい。

続いて、ステップＳ４５で読取り回数を＋１し、ステッ
プＳ４６で測定回数をチエツク、１回目の測定であれば
ステップＳ４３に戻って、タイマ・カウントをリセット
し、再びステップＳ４３〜Ｓ４６の処理を行う。

また、２回目の測定であった場合は、この時のデータを
有効とし、ＲＡＭ３０２にデータ保存する。次にステッ
プＳ４７により、全センサデータがそろうまで上記処理
を繰り返し、全センサデータが入手されたならば、ステ
ップＳ４８で座標値を演算してステップＳ４９で表示等
の処理を行う。

次に、測定回路の検出信号入力ラインの信号をモニタし
、切替えノイズによる信号の変動がおさまったことを確
認してから実際の測定を行うようにした例を説明する。

第６図のように１゜ｔ、検出回路の検出信号入力ライン
上に、高速のＡ／Ｄコンバータ２０３を並列接続し、こ
の出力を第１図のＣＰＵ３００に入力する。ＣＰＵ３０
０では、この入力が一定値におさまるまで、あるいは（
微小ノイズの影響を考えて）ある許容値内におさまるま
でＡ／Ｄコンバータ２０３の出力の読取りを繰り返し、
その後に実際のｔ、。

１、測定を開始する。

この時の制御手順を示したのが第７図のフローチャート
である。ステップＳ５１〜Ｓ５４で示したルーチンが本
実施例の特徴であり、他は第２図と類似なので説明は省
く。先ず、ステップＳ５１でセンサ切替え後の検出信号
入力ライン上の信号のＡ／Ｄ変換値を読み取り、これを
Ｄｌとする。

続いて、ステップＳ５２で同信号の２回目のＡ／Ｄ変換
値を読取り、これをＤ２とする。ステップＳ５３でＤＩ
＝Ｄ２であるか（又は、ＤｌとＤ２の一差が許容値中に
あるか）を確認し、Ｄ＋＝Ｄ２でない場合は、ステップ
Ｓ５４でＤ２をＤｌに移動しステップＳ５２に戻る。こ
れにより、ＤＩ＝Ｄ２どなるまで、ステップＳ５２〜Ｓ
５４のループをまわり、Ｄ＋＝Ｄｚとなった時、検出信
号入力ライン上の信号変動がおちついたものと判断して
、ペン駆動を開始して実際の１．．１゜測定を始めるよ
うに制御される。尚、以上の例では、相連なる２つのＡ
／Ｄ変換値が等しくなったときに検出信号入力ラインの
安定としたが、比較するＡ／Ｄ変換値の数はこれに限る
ものではない。

以上説明したように、センサ切替え機能を有した超音波
座標入力装置において、センサ切替え後、信号入力ライ
ンの信号変動がおさまったのちに実際に使用する座標入
力のための諸データ測定を開始するようにしたことによ
り、センサ切替え方式のメリットである低コストを維持
したまま、切替えノイズによる誤座標入力を防げる効果
がある。

［発明の効果］ 本発明により、センサ切替え後、時間を遅らせて超音波
信号の到達時間の実測定を開始する手段を設けることに
より、センサ切替えに起因するノイズによる１、、１．
の誤測定を排除する高信頼度の超音波距離計測装置を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例の超音波座標入力装置の構成を示すブ
ロック図、 第２図は実施例の制御手順を示すフローチャート、 第３図は本実施例を説明するための信号のタイムチャー
ト、 第４図は１．．１ｐ測定用のカウンタ回路ノブロック図
、 第５図は他の実施例の制御手順を示すフローチャート、 第６図は更に他の実施例の信号検出部位のブロック図、 第７図は更に他の実施例の制御手順を示すフローチャー
ト、 第８図は超音波座標入力装置の概略構成図、第９図はペ
ン駆動信号を示す図、 第１０図゛はセンサ受信信号を示す図、第１１図は１．
．１．規定する検出系の概略構成図、 第１２図は距離算出方法を説明する図である。 図中、１・・・座標指示具（ペン）、２ａ〜２ｃ・・・
センサ、３・・・伝播体、４・・・防振材、５・・・初
段増幅器、６・・・全波整流回路、７・・・ローパス・
フィルタ、８・・・微分回路、ｌｏｏ・・・ペン駆動回
路、１０１・・・駆動波形生成回路、２００・・・ｔヨ
　・ｔ、検出回路、２０１・・・カウンタ回路、２０２
−・・切り替え回路、３００−ＣＰ　Ｕ、３００　ａ−
＝タイマ、３０１　・ＲＯＭ、　３０２・・・ＲＡＭ、
４００・・・出力部である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波振動の伝播による距離の計測に基づいて座
   標を入力する超音波座標入力装置であつて、 超音波伝播媒体の複数個所に配置された超音波受信器か
   らの入力信号を順次選択する入力選択手段と、 該入力選択手段により選択された入力信号に基づいて距
   離を計測する距離計測手段とを備え、前記距離計測手段
   は、前記入力選択手段によるセンサ切り換え時に、所定
   時間経過後に距離計測を開始することを特徴とする超音
   波座標入力装置。
2. （２）前記距離計測手段は、超音波発振源の超音波振動
   の開始を所定時間遅延させることを特徴とする請求項項
   第１項記載の超音波座標入力装置。
3. （３）前記距離計測手段は、距離計測を超音波振動の到
   達から所定時間を遅らせて開始することを特徴とする請
   求項第１項記載の超音波座標入力装置。