JPH0342712A - 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に関し、特に弾性波の伝播遅延時
間により座標を決定する座標入力装置に関する。

［従来の技術］ 本件出願人は、この種の座標入力装置を既に提案してい
る（特願昭６３−２８３８６１号）。

この装置では、振動センサによる検出信号のエンベロー
プ信号に基づく伝播遅延時間の検出系と、検出信号その
ものに基づく伝播遅延時間の検出系とを別個に設けてい
た。特に後者の検出系においては、検出信号そのものを
所定閾値と比較し、例えば該検出信号が最初に所定閾値
を越えた部分で所定幅のゲート信号を開き、更に該ゲー
ト信号中における前記検出信号の最初の立ち上がりのゼ
ロクロス点を検出することにより、検出信号の伝播遅延
時間１ｐを検出していた。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、振動センサは外乱ノイズを拾うことがある。ま
た振動センサの検出信号に対して他の回路、例えばデジ
タル信号処理系等のノイズが混入することもある。従っ
て、このような不安定な検出信号に基づいてゲート信号
を開くと、入力座標の決定も不安定になる。

本発明は上述した従来技術の欠点を除去するものであり
、その目的とする所は、入力座標の安定な検出が行える
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］ 本発明の座標入力装置は上記の目的を達成するために、
振動発生手段を有する振動ペンと、該振動ペンを接触さ
せることにより弾性波（板波）を生じかつ伝播する伝播
部材と、該伝播部材に設けられた振動センサを備え、前
記弾性波の伝播遅延時間より座標を決定する座標入力装
置において、振動センサの検出信号をフィルタ処理する
フィルタ手段と、前記フィルタ手段の出力信号の最初の
立ち上がりに基づき所定のゲート信号を発生するゲート
信号発生手段と、前記ゲート信号発生手段のゲート信号
中の所定の検出信号に基づき当該検出信号の伝播遅延時
間を検出する時間検出手段を備えることをその概要とす
る。

また好ましくは、前記フィルタ手段はローパスフィルタ
手段であることをその一態様とする。

また好ましくは、前記ゲート信号発生手段は前記フィル
タ手段の出力信号と所定閾値とを比較することによりゲ
ート信号を発生することをその一態様とする。

また好ましくは、前記ゲート信号発生手段は前記フィル
タ手段の出力信号の１次又は２次微分出力信号と所定閾
値とを比較することによりゲート信号を発生することを
その一態様とする。

［作用］ かかる構成において、フィルタ手段は振動センサの検出
信号をフィルタ処理する。好ましくは、前記フィルタ手
段はローパスフィルタ手段である。ゲート信号発生手段
は前記フィルタ手段の出力信号の最初の立ち上がりに基
づき所定のゲート信号を発生する。好ましくは、前記ゲ
ート信号発生手段は前記フィルタ手段の出力信号と所定
閾値とを比較することによりゲート信号を発生する。ま
た好ましくは、前記ゲート信号発生手段は前記フィルタ
手段の出力信号の１次又は２次微分出力信号と所定閾値
とを比較することによりゲート信号を発生する。そして
、時間検出手段は前記ゲート信号発生手段のゲート信号
中の所定の検出信号に基づき当該検出信号の伝播遅延時
間を検出する。

［実施例の説明］ 以下、添付図面に従って本発明による実施例を詳細に説
明する。

［第１実施例］ 第１実施例はフィルタ手段の出力信号と所定閾値とを比
較することによりゲート信号を発生する場合に関する。

第■図は第１実施例の座標入力装置のブロック構成図で
ある。図において、３は振動ペンであり、使用者が手に
持って振動伝達板８上の位置に座標入力を行う。振動ペ
ン３は内部に圧電素子等から成る振動子４を有しており
、該振動子４が発生する超音波振動をその先端の尖った
ホーン部５を介して振動伝達板８に伝達する。２は振動
子駆動回路であり、振動子４を超音波パルス駆動する。

８は振動伝達板であり、振動ペン３から受けた超音波振
動（板波）を該伝達板８の角部に設けられた圧電素子等
から成る振動センサ６ａ〜６Ｃに伝達する。振動伝達板
８は例えばアクリル板、ガラス板等から成っている。７
は反射防止材であり、振動伝達板８を支持すると共に、
該伝達板８を伝搬した超音波振動がその周辺部で反射し
て中央部の方向に逆戻りするのを防止する。反射防止材
７は例えばシリコンゴム等から成っている。

９は信号波形検出回路であり、振動センサ６ａ〜６ｃが
夫々検出した超音波振動の検出信号に応じて対応する検
出タイミング信号を出力する。１は演算・制御回路であ
り、実施例装置の主制御及び入力座標の演算を行う。即
ち、振動子駆動回路２に超音波パルス信号を送ると共に
、内部タイマをスタートさせ、かつ信号波形検出回路９
から入力した各検出タイミング信号に基づいて前記パル
ス信号を送った時点から夫々の振動センサ６ａ〜６ｃに
振動が伝わるまでの振動伝播時間を検出し、該検出した
振動伝播時間情報に基づき振動ペン３の振動伝達板８上
での入力座標（ｘ、ｙ）を求める。

更に、演算・制御回路１は、求めた入力座標（ｘ、ｙ）
を様々に利用する。例えば、演算・制御回路１は求めた
入力座標（ｘ、ｙ）に基づきデイスプレィ駆動回路１０
を介してデイスプレィ１１′の出力動作を様々に制御す
る。この場合、振動伝達板８は、好ましくはＣＲＴや液
晶表示器等のドツト表示可能なデイスプレィ１１′上に
重ねられており、例えば振動ペン３によりなぞられた位
置にドツト表示を行う。即ち、振動ペン３の位置に対応
したデイスプレィ１１′上の位置にドツト表示が行われ
、振動ペン３を動かせば、点や線等の要素により構成さ
れる画像があたかも紙に書いたように振動ペン３の軌跡
に従って現われる。あるいは、デイスプレィ１１′上に
メニュー表示を行い、振動ペン３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を接触させる等の情報入力方式を用いるこ
ともできる。

第２図は第１実施例の振動ペン３の構造を示す図である
。尚、第１図と同一構成には同一番号を付しである。図
において、演算・制御回路１からは低レベル（例えば５
Ｖ等）の超音波パルス信号が送られる。振動子駆動回路
２は、出力の低インピーダンス駆動が可能な増幅回路で
あり、低レベルの入力パルス信号を所定ゲインで増幅し
て振動子４に印加する。振動子４はこの電気的駆動信号
を機械的超音波振動に変換し、該超音波振動はホーン部
５を介して振幅増幅され、振動伝達板８に伝達される。

匍、振動子４の振動周波数はアクリル板やガラス板等か
ら成る振動伝達板８に板波を発生させることができる範
囲で選択される。

また振動子４を駆動する際には、該振動子４が振動伝達
板８の面に対して主に垂直方向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
になる。このように、振動伝達板８に伝えられる弾性波
は板波であるから、表面波に比して振動伝達板８の表面
の傷、障害物等の影響を受けにくいという利点が有る。

第３図は第１実施例の演算・制御回路１のブロック構成
図である。図において、１１はマイクロコンピュータ（
ＣＰＵ）であり、各種の演算及び制御を行う。ｌｌａば
ＣＰＵＩＩが実行する不図示の制御プログラムを記憶し
ているＲＯＭ、１１ｂはＣＰＵ１１がワークエリアとし
て使用するＲＡＭである。１２は駆動信号発生回路であ
り、ＣＰＵＩＩからのスタート信号に同期して、振動子
駆動回路２に対する所定周波数の駆動パルス信号を出力
する。また、ＣＰＵＩＩからのスタート信号はタイマカ
ウンタ１３による時間計数動作を開始させる。

一方、信号波形検出回路９は各振動センサ６ａ〜６Ｃの
検出出力をキャッチして振動伝播時間を計測するための
各種の検出タイミング信号（タイミングパルス信号）を
出力する。これらの信号は、後述するエンベロープ信号
の検出タイミング信号ｔｇｉ〜ｔ２ｏ及び位相信号の検
出タイミング信号ｔｐａ〜ｔｐｃである。これらの検出
タイミング信号は振動ペン３と各振動センサ６ａ〜６ｃ
との間の距離に応じたタイミングで発生し、検出信号入
力ポート１５にはパラレル配線で入力する。

１４はラッチ回路であり、各検出タイミング信号の入力
に応じてカウンタ１３の内容（振動伝播時間）をラッチ
し、各振動センサ６ａ〜６ｃに対応する記憶領域に夫々
保持する。１６は判定回路であり、全振動センサ６ａ〜
６ｃからの検出タイミング信号が入力されたか否かを判
定し、入力された時はその旨をＣＰＵＩＩに報知する。

これによりＣＰＵ１１は各振動センサ６ａ〜６ｃに関す
る振動伝播時間に基づき振動ペン３が置かれた座標（ｘ
、ｙ）の演算を行う。１７はＩ１０ポートであり、外部
回路である所の、例えばデイスプレィ１１′の制御はこ
のＩ１０ボート１７を介して行う。

尚、実施例の各電子回路の動作遅延時間、及び振動伝達
の最大遅延時間等により決定される最大時間を過ぎても
判定回路１６からの報知信号が無い時はＣＰＵＩＩは座
標演算を行わずにリセット信号を出力して上記の動作を
繰り返す。

第４図は第１実施例の振動伝達の態様を説明するタイミ
ングチャートである。図において、信号４１は駆動信号
発生回路１２が発生した超音波パルス信号であり、散発
のパルスより成っている。これに従って振動子４が超音
波振動し、該超音波振動はホーン部５を介して振動伝達
板８に伝わる。更にこの超音波振動は振動伝達板８を伝
播し、夫々の振動センサ６ａ〜６Ｃに検出される。信号
４２は例えば振動センサ６ａが検出した信号であり、振
動伝播の距離ｄに応じた分だけ遅れている。

ところで、本実施例の板波は分散性の波であるから、検
出波形４２２（以下、位相信号４２２とも言う）と該検
出波形４２２から抽出したエンベロープ信号４２１との
相対関係（位相）は振動の伝播距離ｄに応じて変化する
。具体的に言うと、例えば振動ペン３が振動センサ６ａ
から連続的に離れていくとすると、これをシンクロスコ
ープで見た場合は、始めは位相信号４２２のｈの側に最
大のピークが有り、次に最大のピークは図示の如くｉの
側に移り、更に振動ペン３が離れていくと最大のピーク
はｊの側に移る。また、振動ペン３の動きを逆にすると
最大のピークの動きも逆になる。

今、エンベロープ信号４２１の進む速度を群速度Ｖｇと
定義し、位相信号４２２の進む速度を位相速度ｖｐと定
義すると、振動ペン３と各振動センサ６ａ〜６Ｃとの間
の距離ｄは群速度■、と位相速度Ｖｐとに基づいて以下
の如く求める。

まずエンベロープ信号４２１にのみ着目する。

群速度■１による伝播時間の検出はエンベロープ信号４
２１上のある特徴点、例えばエンベロープ信号４２１の
ピーク点の到着を検出することで行う。仮に、位相信号
４２２の連続する２つのピーク値の比較によりエンベロ
ープ信号４２１のピーク点を検出するという方式を採る
と、エンベロープ信号４２１のピーク点の検出時点は少
なくとも位相信号４２２の１波長分を遅延することにな
る。信号４３はこの場合のエンベロープ信号４２１のピ
ーク点の検出タイミング信号であり、パルス信号４１の
発生時点から該ピーク点検出までの時間ｔ、は群速度Ｖ
ｇによる振動伝播時間である。また群速度Ｖ３は既知で
あるから、振動ペン３と各振動センサ６ａ〜６０間の距
離ｄは（１）式で求まる。

ｄ＝Ｖ、　・ｔ２　　　　　　　　　・・・（１）とこ
ろで、エンベロープ信号４２１は位相信号４２２の波の
集まりを一つの波としているため、分解能（精度）とし
ては、位相信号４２２の波による場合よりも落ちる。一
方、加えた特定のパルス振動に対応する位相信号４２２
の特定の波が常に検出できるなら（ｄ＝Ｖ、・ｔ、）に
よって正確な距離ｄが求まる。しかし、このような特定
の波を常に検出するのは困難である。そこで、エンベロ
ープ信号４２１と位相信号４２２との間の位相に着目す
る。

例えば、パルス信号４１の発生時点から位相信号４２２
上のある特定点、即ち、エンベロープ信号４２１につい
ての前記ピーク検出時点より所定幅の閾値信号４４を形
成し、この区間中に最初に現われる位相信号４２２の最
初の立ち上がりのゼロクロス点、を検出してパルス信号
４５を得たとする。このパルス信号４５が得られるまで
の時間をｔ、とすると、振動ペン３と各振動センサ６ａ
〜６０間の距離を（２）式で求めることができる。

ｄ＝ｎ−丸、＋Ｖｐ　−ｔｐ　　　　　・・・（２）こ
こで、尤ｐ　＝弾性波の波長 ｎ：整数 （２）式において、整数ｎの値は、上記の如く位相信号
４２２の最大のピーク位置がｈの側からｊの側に移動す
るにつれて０，１，２．・・・と変化する。これは位相
信号４２２の最大のピーク位置の移動につれて、そのエ
ンベロープ信号４２１のピーク検出時点がずれるので、
これにより振動伝播時間ｔ、の検出に使用される位相信
号４２２の波もｈの側からｊの側に移動するからである
。

そこで、（１）式及び（２）式に鑑み、かつ位相信号４
２２中のある波形が使用されている場合を基準として、
そこから、エンベロープ信号４２１のピーク検出時点と
現在使用している位相信号の波との位相のずれが所定値
を越えない範囲で現在使用中の波を使用するとすると、
ｎの値は（３）式に従って更新すれば良い。

元、　　　　　　　　　Ｎ ・・・　（３） ここで、記号［］はガウス記号である。またＮは゛Ｏ゛
以外の実数であり、適当な数値を用いる。例えばＮ＝２
とすれば、エンベロープピークの検出精度の±１／２波
長毎にｎの値を更新できる。即ち、ｎの値は、Ｏ＝　［
−１／２＋１／２］０＝　［０＋１／２］　、　１＝　
［１／２＋ｉ／２］の如く更新される。こうして（３）
式で求めたｎを（２）式に代入して正確な距離ｄを求め
ることができる。

さて、今の例ではエンベロープ信号４２１のピーク検出
には少なくとも位相信号４２２の１波長以上の遅延時間
上〇を含むから、エンベロープ信号は実質信号４２１′
の如く遅れたことになり、これを位相信号検出の基準と
するのはあまり好ましくない。そこで、第１実施例の位
相信号の検出方法を以下に述べる。

第５図は第１実施例の信号波形検出回路のブロック構成
図である。図において、５１は前置増幅回路であり、振
動センサ６の出力信号を所定レベルまで増幅する。５２
はエンベロープ検出回路であり、増幅された信号からエ
ンベロープ信号を取り出す（第６図）。５３はエンベロ
ープピーク検出回路であり、エンベロープ信号のピーク
を検出して、その検出タイミングで１ｇ信号検出回路５
４をトリガする。ｔ１信号検出回路５４は例えばモノマ
ルチバイブレーク回路で構成される。演算・制御回路１
ばｔ、検出パルス信号を受信したタイミングにおけるカ
ウンタ１３の出力に基づき群速度■、による振動伝播時
間ｔ、を得る。

一方、５５は信号検出回路であり、エンベロープ検出回
路５２で検出されたエンベロープ信号４２１中の所定レ
ベルのスレッショルド信号４６を超える部分のパルス信
号４７を形成する。５６は単安定マルチバイブレークで
あり、パルス信号４７の最初の立ち上りでトリガされた
所定時間幅のゲート信号４８を開く。５７は１ｐコンパ
レータであり、ゲート信号４８が開いている間の位相信
号４２２の最初の立ち上りのゼロクロス点を検出して時
間１ｐの検出信号４９を出力する。

第６図は第１実施例のエンベロープ検出回路５２のブロ
ック構成図である。図において、５２１は絶対値回路で
あり、前置増幅された検出信号とその反転増幅信号をゲ
インを揃えて合成し、絶対値信号を出力する。５２２は
ローパスフィルタ（Ｌ、Ｐ、Ｆ）であり、絶対値信号の
低周波成分を通過させる。この例ではエンベロープ信号
４２１が出力される。これにより検出信号中のノイズ成
分が除去され、常に安定な基準ゲート信号を提供できる
。

こうして、演算・制御回路１は最初の検出パルス信号４
９の発生タイミングにおけるカウンタ１３の出力に基づ
き位相速度■２による伝達時間ｔ、を求める。かかる波
形検出回路９の構成は振動センサ６ａ〜６ｃの系毎に設
けられており、もって座標入力点から各振動センサ６ａ
〜６ｃまでの正確な距離が求められる。

ところで、かかる方式では振動ペン３による筆圧、振動
伝達距離等による検出信号４２２のレベル変化も考慮し
なくてはならない。即ち、上記の如くスレッショルド信
号４６のレベルを固定したので、検出信号４２２のレベ
ルが変化するとエンベロープ信号４２１のレベルも変化
し、　３ 最初の検出パルス信号４９の発生位置も変化する。例え
ばエンベロープ信号４２１のレベルが低いと時間ｔｐの
検出信号４９は１波長分遅れてしまう。しかし、この遅
れは常に１波長の整数倍数で起こる。そこで、演算・制
御部ｌでこの遅れを補正する。例えば時間ｔｇの検出信
号に対して２波長以内の時間に１ｐの検出信号４９が検
出された時は該時間１ｐの検出信号４９をそのまま使用
する。しかし、２波長以上のずれがある時は時間１ｇの
検出信号４３に対して２波長以内の時間になるように補
正する。即ち、実際に検出した時間１ｐに対して波長の
整数倍を加えた値が前記２波長以内の時間に含まれるよ
うに補正し、結果の時間ｔ、を演算に使用する。

尚、上記補正は２波長以内で判断したが、１波長又は３
波長としてもよい。

　４ 演算・制御部１は各検出タイミング信号ｔヨ、〜ｔ２゜
及びｔ　ｐ　ａ　□　ｔ　ｐ　ｃに従い、カウンタ１３
の内容をラッチ回路１４に取り込む。ＣＰＵＩＩはこれ
らの値により（２）式及び（３）式に従って振動ペン３
と各振動センサ間の距離ｄ８〜ｄｅを求める。尚、振動
センサの数は２個以上であれば任意である。

第７図は第１実施例の座標演算処理を説明する図である
。図において、振動伝達板８の角部には３つの振動セン
サ６ａ〜６Ｃが設けられており、各振動センサの座標は
６ａ＝Ｓ、（０、Ｏ）。

６ｂ”Ｓｓ　（０，Ｙ）　、　６Ｃ＝８２　（Ｘ、　Ｏ
）とする。そして３平方の定理に従えば、入力点Ｐの座
標（ｘ、ｙ）は（４）式及び（５）式で求まる。

　Ｘ （４） ２　　　　　　　　　２Ｙ ・・・　（５） 上述の動作を繰り返す事により、入力座標をリアルタイ
ムに検出できる。

［第２実施例］ 第２実施例はフィルタ手段の出力信号の１次微分出力信
号と所定閾値とを比較することによりゲート信号を発生
する場合に関する。尚、以下、特別に説明しない部分に
ついては第１実施例と同等である。

第８図は第２実施例の信号波形検出回路のブロック構成
図、第９図は第８図の動作タイミングチヤードである。

第２実施例ではエンベロープ信号４２１を微分回路５３
１で微分して１次微分信号４２３を形成し、該微分信号
４２３と所定閾値４６を比較することにより、ゲート信
号形成の安定化を図っている。この微分回路５３１は例
えばバイパスフィルタである。従って、微分信号４２３
はエンベロープ信号よりも更にフィルタ処理（ノイズ除
去）された信号である。そのため、より誤検出防止に効
果がある。

［第３実施例］ 第３実施例はフィルタ手段の出力信号の２次微分出力信
号と所定閾値とを比較することによりゲート信号を発生
する場合に関する。

第１０図は第３実施例の信号波形検出回路のブロック構
成図、第１１図は第１０図の動作タイミングチャートで
ある。

　７ 第３実施例ではエンベロープ信号４２１を微分回路５３
１，５３２で２回微分して２次微分信号４２４を形成し
、該微分信号４２４と所定閾値４６を比較することによ
り、ゲート信号形成の安定化を図っている。この微分回
路５３２は例えばバイパスフィルタである。従って、微
分信号４２４は第２実施例よりも更にフィルタ処理（ノ
イズ除去）された信号である。そのため、より誤検出防
止に効果がある。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明によれば、フィルタ処理した検出
信号に基づきゲート信号を形成するので、高精度で安定
な座標入力装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例の座標入力装置のブロック　８ 構成図、 第２図は第１実施例の振動ベン３の構造を示す図、 第３図は第１実施例の演算・制御回路１のブロック構成
図、 第４図は第１実施例の振動伝達の態様を説明するタイミ
ングチャート、 第５図は第１実施例の信号波形検出回路のブロック構成
図、 第６図は第１実施例のエンベロープ検出回路５２のブロ
ック構成図、 第７図は第１実施例の座標演算処理を説明する図、 第８図は第２実施例の信号波形検出回路のブロック構成
図、 第９図は第８図の動作タイミングチャート、第１０図は
第３実施例の信号波形検出回路のブロック構成図、 第１１図は第１０図の動作タイミングチャートである。 図中、１・・・演算・制御回路、２・・・振動子駆動回
路、３・・・振動ペン、４・・・振動子、５・・・ホー
ン部、６ａ〜６Ｃ・・・振動センサ、７・・・反射防止
材、８・・・振動伝達板、９・・・信号波形検出回路、
１０・・・デイスプレィ駆動回路、１１・・・ＣＰＵ、
ｌｌａ・・・ＲＯＭ、ｌｌｂ・・・ＲＡＭ、１１′・・
・デイスプレィである。 ３

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）振動発生手段を有する振動ペンと、該振動ペンを
   接触させることにより弾性波（板波）を生じかつ伝播す
   る伝播部材と、該伝播部材に設けられた振動センサを備
   え、前記弾性波の伝播遅延時間より座標を決定する座標
   入力装置において、振動センサの検出信号をフィルタ処
   理するフィルタ手段と、 前記フィルタ手段の出力信号の最初の立ち上がりに基づ
   き所定のゲート信号を発生するゲート信号発生手段と、 前記ゲート信号発生手段のゲート信号中の所定の検出信
   号に基づき当該検出信号の伝播遅延時間を検出する時間
   検出手段を備えることを特徴とする座標入力装置。
2. （２）前記フィルタ手段はローパスフィルタ手段である
   ことを特徴とする請求項第１項記載の座標入力装置。
3. （３）前記ゲート信号発生手段は前記フィルタ手段の出
   力信号と所定閾値とを比較することによりゲート信号を
   発生することを特徴とする請求項第２項記載の座標入力
   装置。
4. （４）前記ゲート信号発生手段は前記フィルタ手段の出
   力信号の１次又は２次微分出力信号と所定閾値とを比較
   することによりゲート信号を発生することを特徴とする
   請求項第２項記載の座標入力装置。