JPH0562770B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、弾性波の伝播遅延時間により座標位
置を検出する座標入力装置に関し、特に検出精度
の向上を図つたものである。

［従来の技術］ 従来、座標位置を入力するデイジタイザなどと
称される座標入力装置としては、例えば次のよう
なものが知られている。

一面を抵抗体としてｘ座標用と、ｙ座標用の
それぞれの抵抗膜を重ね、それぞれの抵抗膜に
電圧または電流を印加し、ペンや指先で加圧さ
れた点（座標入力点）に対して、電圧または電
流の比等を測定して、その点の座標位置を検出
入力する抵抗膜利用タイプのもの。

ペン先から局所的な磁界パルスを発生させて
おき、このペン先をパネルにマトリクス状に配
線してある電極線のいずれかに近づけて、電磁
結合させ、電極線に生ずる電流を測定すること
によりペン先の座標位置を検出入力する電磁誘
導利用タイプのもの。

超音波を利用するタイプのものとして、超音
波の伝播媒体による表面波の伝播遅延時間を検
出して位置座標を測定するもの、あるいは超音
波を空気中に伝え、その超音波の伝播時間を計
測するものなどがある。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、これらの従来装置には次のような欠点
がある。

すなわち、上述の項の抵抗膜利用タイプのも
のは抵抗体の均一性がそのまま図形入力の精度を
左右するので、特に均一性の優れた抵抗体を必要
とし、そのため非常に高価となる。また、ｘ座標
用とｙ座標用の２枚の抵抗膜が必要となるので、
透明度が落ちてしまうという欠点もある。

次に、上述の項の電磁誘導利用タイプのもの
は、電線がマトリクス状に配設されているので透
明にはならない。

さらに、上述の項の超音波利用タイプのよう
に表面波や音波を利用したものであると、音波の
送信部と受信部の間に疵や物体、例えば手などの
障害物が存在すると、その障害物によつて測定点
が誤つて検出されたり、測定できないなどの障害
物が生ずる欠点がある。一方、弾性波の板波を用
いた従来の座標入力装置の場合には、弾性波の群
速度と位相速度が異なるのでエンベローブのピー
クの検出や所定の閾値（スレツシヨルド）での検
出では、±1/2波長分の誤差が生じてしまうという
欠点があつた。

そこで、本発明は上述の欠点を除去し、透明
で、かつ精度の高い、使い勝手の良い座標入力装
置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明は、振動を入
力するための振動入力手段と、該振動入力手段を
接触することで入力された振動を伝播する振動伝
播部材と、該振動伝播部材に設けられ、前記振動
入力手段により入力された振動を検出する振動検
出手段と、該振動検出手段により検出された振動
によつて形成される、位相速度に基づく信号の波
形において設定された正側及び負側のしきい値に
基づいて、当該位相速度に基づく信号の正側のし
きい値に対応する伝播遅延時間と負側のしきい値
に対応する伝播遅延時間を導出する導出手段と、
該導出手段により導出された正側及び負側のしき
い値に対応する伝播遅延時間と、当該正側及び負
側のしきい値に対応する伝播遅延時間の前後関係
に基づいて、前記振動伝播部材の振動入力点の座
標を導出する座標導出手段とを有することを特徴
とする。

また、本発明は好ましくはその一態様として、
前記振動検出手段から出力される、伝播遅延時間
に応じて変化する位相速度に基づく信号のレベル
を補正するために、伝播遅延時間に応じて増幅率
が変化する増幅手段を、前記振動検出手段と前記
導出手段の間に設けたことを特徴とすることがで
きる。

［作用］ 発明の座標入力装置では、振動入力手段を接触
することで入力された振動を振動伝播部材により
伝播し、該振動伝播部材に設けられた振動検出手
段でその振動を検出する。そして、本発明では振
動検出手段により検出された振動によつて形成さ
れる、位相速度に基づく信号の波形において設定
された正側及び負側のしきい値に基づいて、当該
位相速度に基づく信号の正側のしきい値に対応す
る伝播遅延時間と負側のしきい値に対応する伝播
遅延時間を導出手段により導出し、導出されたそ
の正側及び負側のしきい値に対応する伝播遅延時
間と、当該正側及び負側のしきい値に対応する伝
播遅延時間の前後関係に基づいて、座標導出手段
により上記振動伝播部材の振動入力点の座標を導
出するので、精度の高い座標データの入力ができ
る。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。

第１図は本発明の一実施例の座標入力装置の全
体構成を示す。本図において、１は本発明に係る
演算および制御を行う演算制御回路であり、例え
ばマイクロコンピユータやRAM等から構成され
る。２は振動子駆動回路であり、演算制御回路１
からの同期信号に応じて振動子駆動用のパルス信
号を発生する。３は座標入力用の振動ペンであ
り、振動子駆動回路２からのパルス信号により伸
縮振動する例えば圧電素子の如き振動子４と、そ
の振動子４の振動の振幅を増大する先が尖つたホ
ーン５と、これらを支持する棒状軸部とから構成
されている。

６は駆動受信用のセンサ、７は反射防止材、８
は振動を伝播し、かつ透明な例えばガラスの如き
伝播媒体である。センサ６は信号入力板を構成す
る伝播媒体８の複数の所定箇所（本例では３隅）
に配設され、伝播媒体８を伝播したペン３の振動
波（板波弾性波）を機械電気変換して、電気信号
として取り出す例えば圧電素子からなる。反射防
止材７は例えばシリコンゴムなどで形成され、ペ
ン３からの振動を吸収して、その振動が伝播媒体
８の端部で反射するのを阻止する。

９は受信波形検出回路であり、センサ６で受信
された信号を後述のように処理して、ペン３から
センサ６までの伝播媒体８内を伝播してきた弾性
波の伝播時間を示す信号にし、演算制御回路１に
出力する。演算制御回路１では３箇所のセンサ６
から受信波形検出回路９を介して送られてくる伝
播時間を示す信号から伝播遅延時間を検出し、こ
の伝播遅延時間に基づいて所定の演算式によりペ
ン３の接触している座標位置を算出する。

１０は透明な伝播媒体（例えば、ガラス）８の
下部に一体に配設して文字・画像等を表示するデ
イスプレイ１１を駆動するデイスプレイ駆動回路
である。演算制御回路１で算出されたペン３の座
標情報はほぼリアルタイムでデイスプレイ駆動回
路１０を通じてデイスプレイ１１に表示できるの
で、ペン３で描いた文字や図形等を瞬時にそのま
まデイスプレイ１１に表示できる。

第２図は第１図の実施例における信号の波形お
よびタイミングを示す。第２図において、１２は
振動子駆動回路２から振動子４に印加される駆動
パルス信号であり、このパルス信号１２の周波数
は振動子４の共振周波数とする。１４はセンサ６
から出力されるセンサ信号（受信信号）、１５は
この信号１４を処理して得られる受信波形検出回
路９の出力信号である。

ペン３の先端を伝播媒体であるガラス板８に接
すると、第２図に示すようなパルス信号１２によ
り駆動された振動子４の振動は、ホーン５を通つ
てその振幅が増幅され、ガラス板８に伝わる。そ
して、その振動は弾性波（超音波）となり、ガラ
ス８内を伝播する。この時、弾性波として板波を
利用する。このように板波を利用すると、ガラス
板８の表面に疵や物が置かれても、ほとんど影響
が無く、センサ６は波形の弾性波信号を受信する
ことができて、位置座標を容易に検出することが
できるからである。

ところで、この板波による振動波形は、群速度
と位相速度とが違うため、一定の形にならない。
すなわち、第２図の１３で示す全体の形（エンベ
ロープ）が伝播する速度（群速度）と、駆動パル
ス信号１２に対応した周波数の全体の波形１３を
伝播するキヤリアとなるセンサ出力信号１４の伝
播速度（位相速度）とが異なるので、ペン３とセ
ンサ６間の距離によつてキヤリアとなる信号１４
の位相が全体の波形１３に対して、それぞれ違つ
たものとなるという現象が生ずるからである。従
つて、伝播遅延時間を検出する時に、その検出波
形の位相速度によつて伝播されている第２図の１
４の波形を検出し、検出された波形に対する第２
図の１５の信号を演算制御回路１に供給して遅延
時間をもとにペン３の位置から各センサ６までの
距離を演算し、この演算結果からｘとｙの座標を
演算し、その結果得られたＸとＹの位置座標の情
報をデイスプレイ駆動回路１０へ伝送してデイス
プレイ１１上に点、線等の画像で表示する。以上
のような構成により、手書入力による入出力一体
型のデイジタイザを提供できる。

次に、伝播遅延時間を検出する本実施例での具
体的手段について詳述する。

上述したように、第２図の信号１４の小さい波
の群のどの部分を検出して、ペン３の位置から各
センサ６までの伝播遅延時間とするかによつて検
出した遅延時間の誤差が±1/2波長程度生ずるこ
とがある。

例えば、信号１４に対してあらかじめ定めた所
定の閾値（スレツシヨルド）Ｓを設けて、第３図
のＢに示すような検出信号１５として抽出する
と、上述したように分散の影響で小さい波の位置
（位相）がペン３とセンサ６の距離で変化するの
で、第３図のＡ〜Ｄで示すように、ペン３の移動
距離がごく微小であつても、検出遅延時間が約１
波長λ分動いてしまうことがある。そこで、本実
施例ではこの１波長の誤差分を無くすために、小
さな波の群の速度（群速度）を利用して伝播遅延
時間を検出し、検出したその時間を基に座標位置
を算出する。

例えば、第４図に示すように、検出波形（検出
信号の波形）１４′に対してゼロクロスに近いレ
ベルにスレツシヨルド（閾値）を設けてコンパレ
ートをし、２３′で示す信号を得る。この信号２
３′の例えば４ケ目の立上りを検出波形１４′の伝
播遅延時間Tp・ｒ（phase・rise）を示す信号２
４′として検出する。

この検出により得られるペン３と１つのセンサ
６間の距離ｘと伝播遅延時間Tp・ｒとの関係を
示すと、例えば第５図のようになる。すなわち、
第５図中のある１つの検出ポイントTp・ｒ・１
に対して、Ａ、Ｂの２つの距離データが出現する
ので、これを補正する必要がある。

第４図で示した検出方法では、スレツシヨルド
を検出波形１４′の正側からゼロクロスに近いレ
ベルに設けているが、本実施例ではさらに、検出
波形１４′の負側からゼロクロスに近いレベルに
第２のスレツシヨルドを設けてコンパレートを
し、第６図の２５′で示す信号を得る。この２
５′の信号の正側の時と同じ４ケ目の、今度は立
下りを検出波形１４′の伝播遅延時間Tp・ｆ
（phase・fall）を示す信号２６′として検出する。

上述したと同様に検出伝播遅延時間Tp・ｆに
対するペン３と１つのセンサ６間の距離ｘの関係
を示すと、例えば第７図に示すようになる。すな
わち、第５図で示したTp・ｒ・１に対して得た
２つの距離データＡとＢに対してTp・ｆ・１が
検出され、このTp・ｆ・１に対する１つの距離
データＣが得られる。このように、ひとつの検出
波形１４′からの４ケ目の立ち上りと、立ち下り
の時間を検出し、この２つの検出時間に基づいて
精度の高い、階段状でない直線性を持つた距離−
伝播遅延時間の関係を求める。次に、その検出過
程の一例を説明する。

例えば、メモリ機能を有する演算制御回路１内
にTp・ｒに対する距離情報をテーブル１Ａ（第１
図参照）にして格納しておく。ただし、第７図の
斜線の部分では、上述したようにひとつのTp・
ｒに対して２つの距離データが出てしまうので、
Tp・ｆを判断基準にして、２つの距離データの
いずれかを選択採用する。

ここで、Tp・ｒとTp.fは必ず検出波形１４′の
１／２波長分の時間t₁のずれがある。また、第７図
の斜線部分の中では、Tp・ｒに対して＋t₁か、
あるいは−t₁の時間ずれが起きる。従つて、第７
図の例で説明すると、Tp・ｒ・１に対する距離
Ａと距離Ｂのどちらを採用するかの判断は、
Tp・ｆ・１がTp・ｒ・１に対して、−t₁の時間
であるから、このTp・ｒ・１は距離Ｂに相当す
るとして距離Ｂを検出する。また、第７図の斜線
部以外の検出は、Tp・ｒに対する距離をそのま
ま上述の演算制御回路１内のテーブル１Ａから引
き出し、距離を検出する。

また、第７図におけるＡ点の距離が正確な位置
だとした場合は、Tp・ｒ・１に対して検出され
るTp・ｆはTp・ｆ・２となる。このときは、
Tp・ｆ・２＝Tp・ｒ・１＋t₁となるから、Ａ点
と判断する。

第８図は上述の伝播遅延時間の検出処理を実行
する受信波形検出回路の具体的な構成例を示す。
第８図に示すように、センサ６で受信した検出波
形１４を前置増幅回路２１である程度増幅し、増
幅した波形１４′をさらに時間変化増幅回路２２
で遅延時間に応じて検出波形１４′の振幅の変化
を補正して振幅による検出誤差を少なくした波形
２２′を得る。この波形２２′を正側にコンパレー
トレベルを有する正側コンパレータ２３と負側に
コンパレートレベルを有する負側コンパレータ２
５とを通して、それぞれの出力２３′，２５′をい
くつか目のパルス（前述の例では４ケ目のパル
ス）に対して信号がでるカウンタ２４，２６で第
６図に示すTp・ｒ２４′とTp・ｆ２６′の信号を
得る。

次に、これらのカウンタ出力２４′，２６′を演
算制御回路１に入力して、あらかじめ記憶されて
いる内部テーブル１Ａ（第１図参照）を参照して
精度の高い距離ｘを検出する。

このように、分散性を有する位相速度を検出す
ることにより距離ｘを計測することにより各セン
サ６からペン３までの位置座標を検出してその座
標情報をデイスプレイ１１に表示したり外部装置
等へ出力できる。

第９図は上述の時間変化増幅回路２２の構成例
を示す。ガラス８上では、第１０図の実線２７で
示すように遅延時間に対して振幅電圧が減少する
という振幅変化をするので、第１０図の破線２８
で示すような増幅率を有する増幅回路で前置増幅
回路２１の出力１４′を補正して校正する。その
ためFET（電界効果トランジスタ）のドレインと
ソース間の抵抗R_DSの特性と振幅の変化がエクス
ポネシヤルの曲線に近い変化であるので、コンデ
ンサＣと抵抗Ｒにおける充・放電の特性を利用し
て第９図のように構成をした。また、時間変化の
スタート信号はペン３の駆動信号と同期して演算
制御回路１から送られる。

なお、第８図の実施例ではTp・ｒを基準にし
ているが、Tp・ｆを基準にしてもよいことは勿
論である。

以上説明したように、本発明の実施例によれ
ば、センサが得られる検出波形の正側と負側の両
方に設けたスレツシヨルドレベルで伝播遅延時間
を示す信号を検出し、検出した２つの信号と位相
速度に基づいて振動ペンの座標位置を検出するよ
うにしたので、精度の高い座標位置の検出ができ
る。

また、本発明の実施例では弾性波の板波を利用
して、群速度と位相速度の違いによつて生ずる検
出誤差を、できるだけ少なくし検出波の立ち上り
と立ち下がりと位相速度とを利用して座標位置を
演算出力するようにしているので、デイジタイザ
としての分解能（精度）を上げることができ、ひ
いては入出力一体型の透明デイジタイザを容易に
構成することができる。

また、本発明の実施例によれば時間変化増幅回
路を付加することで、遅延時間の検出誤差を少な
くすることができる。

また、本発明の実施例では伝播遅延時間を計測
するカウンタのパルス数の設定によりＳ／Ｎの良
い検出波のパルスを選ぶことができ、検出誤差の
少ない検出ができる。

さらにまた、本発明の実施例によれば伝播遅延
時間を計測するカウンタでＳ／Ｎの良い、なるべ
く先頭に近いパルス数を選ぶようにしているの
で、ガラスの如き伝播媒体の端面あるいは反射防
止材からの反射の影響を少なくすることができ、
結果としてデイジタイザの有効面積を広くでき
る。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、振動検
出手段により検出された振動によつて形成され
る、位相速度に基づく信号の波形において設定さ
れた正側及び負側のしきい値に基づいて、当該位
相速度に基づく信号の正側のしきい値に対応する
伝播遅延時間と負側のしきい値に対応する伝播遅
延時間を導出手段により導出し、導出されたその
正側及び負側のしきい値に対応する伝播遅延時間
と、当該正側及び負側のしきい値に対応する伝播
遅延時間の前後関係に基づいて、座標導出手段に
より上記振動伝播部材の振動入力点の座標を導出
するので、精度の高い座標データの入力ができる
という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の座標入力の装置の
全体構成を示すブロツク図、第２図は第１図の振
動子の駆動パルス信号とセンサの出力信号と、伝
播遅延時間検出信号の波形および出力タイミング
を示す波形図、第３図は一定のスレツシヨルドで
伝播遅延時間検出信号の波形を検出した時には検
出誤差が出てしまうという原理を示す波形図、第
４図は正側のスレツシヨルドを持たせた検出波形
を示す波形図、第５図は第４図の検出波形から得
られる振動ペンとセンサ間の距離と伝播遅延時間
の関係を示す特性図、第６図は正と負の両側のス
レツシヨルドを持たせた検出波形を示す波形図、
第７図は第６図の検出波形から得られる振動ペン
とセンサ間の距離と伝播遅延時間の関係を示す特
性図、第８図は第１図の受信波形検出回路の構成
を示すブロツク図、第９図は第８図の時間変化増
幅回路の構成例を示す回路図、第１０図は検出波
形の減衰特性を示す特性図である。 １……演算制御回路、２……振動子駆動回路、
３……ペン（振動ペン）、４……振動子、５……
ホーン、６……センサ、７……反射防止材、８…
…伝播媒体（ガラス）、９……受信波形検出回路、
１０……デイスプレイ駆動回路、１１……デイス
プレイ、２１……前置増幅回路、２２……時間変
化増幅回路、２３……正側コンパレータ、２４…
…カウンタ、２５……負側コンパレータ、２６…
…カウンタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 振動を入力するための振動入力手段と、 該振動入力手段を接触することで入力された振
   動を伝播する振動伝播部材と、 該振動伝播部材に設けられ、前記振動入力手段
   により入力された振動を検出する振動検出手段
   と、 該振動検出手段により検出された振動によつて
   形成される、位相速度に基づく信号の波形におい
   て設定された正側及び負側のしきい値に基づい
   て、当該位相速度に基づく信号の正側のしきい値
   に対応する伝播遅延時間と負側のしきい値に対応
   する伝播遅延時間を導出する導出手段と、 該導出手段により導出された正側及び負側のし
   きい値に対応する伝播遅延時間と、当該正側及び
   負側のしきい値に対応する伝播遅延時間の前後関
   係に基づいて、前記振動伝播部材の振動入力点の
   座標を導出する座標導出手段とを有することを特
   徴とする座標入力装置。 ２ 前記振動検出手段から出力される、伝播遅延
   時間に応じて変化する位相速度に基づく信号のレ
   ベルを補正するために、伝播遅延時間に応じて増
   幅率が変化する増幅手段を、前記振動検出手段と
   前記導出手段の間に設けたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の座標入力装置。