JPH0562773B2 - - Google Patents

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、振動伝達板に入
力された振動を振動伝達板に複数設けられたセン
サにより検出して振動伝達板における振動遅延時
間から振動入力点の振動伝達板上での座標を検出
する座標入力装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来より手書きの文字、図形などをコンピユー
タなどの処理装置に入力する装置として各種の入
力ペンおよびタブレツトなどを用いた座標入力装
置が知られている。この種の方式では入力された
文字、図形などからなる画像情報はCRTデイス
プレイなどの表示装置やプリンタなどの記録装置
に出力される。

この種の装置のタブレツトの座標検出において
は次にあげる各種の方式が知られている。

(1) 抵抗膜と対向配置されたシート材の抵抗値変
化を検出する方式。

(2) 対向配置された導電シートなどの電磁ないし
静電誘導を検出する方式。

(3) 入力ペンからタブレツトに伝達される超音波
振動を検出する方式。

上記(1)、(2)の方式では、抵抗膜や導体膜を用い
るので透明なタブレツトを形成するのが困難であ
る。一方、(3)の方式ではタブレツトをアクリル板
やガラス板などの透明材料から構成できるので、
したがつて、液晶表示器などに入力タブレツトを
重ねて配置し、あたかも紙に画像を書き込むよう
な感覚で使用できる操作感覚のよい情報入出力装
置を構成できる。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、上記の超音波振動方式では、振動ペ
ンという特殊な入力ペンを必要とする問題があ
る。すなわち、振動検出側との同期を取るための
信号線、電源電圧を供給するための信号線などが
ついた振動ペンを引きまわして入力作業を行なう
のはかなりわずらわしく、指や普通のペンにより
入力を行なえる他の方式に比べて操作性が劣ると
いう問題がある。

［問題点を解決するための手段］ 以上の問題点を解決するために、本発明の座標
入力装置においては、第１の振動伝達部材と、該
第１の振動伝達部材と同一の材質から形成され、
略同一の厚みを有する第２の振動伝達部材と、前
記第１の振動伝達部材に設けられた振動検出手段
と、前記第２の振動伝達部材に設けられた振動発
生手段と、前記第１の振動伝達部材或は第２の振
動伝達部材を押圧することで、前記第１の振動伝
達部材と第２の振動伝達部材とを接触させたと
き、前記第１の振動伝達部材の振動検出手段によ
り検出される振動に基づき、前記第１の振動伝達
部材或は第２の振動伝達部材の押圧点の座標を導
出する導出手段とを有する構成を採用した。

［作用］ 以上の構成によれば、振動ペンなどの特殊な部
材を用いることなく、指や普通ペン、鉛筆などに
より第１ないし第２の振動伝達部材を押圧して両
者を接触させ、第２の振動伝達部材の振動発生手
段から第１の振動伝達部材に接触点を介して入力
される振動を第１の振動伝達部材の振動検出手段
により検出し、それに基づき押圧点の座標を導出
することができる。

［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。

第１図Ａ，Ｂは本発明を採用した座標入力装置
の構造を示している。第１図の装置は振動ペンな
どの特殊な部材を用いることなく、直接タブレツ
トを指、鉛筆などで操作することによつて座標入
力を行なえるように考えられている。第１図Ｂは
タブレツトを分解した状態、第１図Ａは組み上げ
た状態を示している。

第１図Ａ，Ｂにおいて符号８ａで示されたもの
はアクリル、ガラス板などからなる振動伝達板で
伝達される振動をその角部に２個設けられた振動
センサ６に伝達する。振動伝達板８ａは伝達され
た振動が周辺部で反射されて中央部の方向に戻る
のを防止するためにその周辺部分をシリコンゴム
などから構成された反射防止材７によつて支持さ
れている。

振動伝達板８ａの角部に設けられた振動センサ
６は圧電素子などの機械〜電気変換素子により構
成される。２つの振動センサ６の各々の出力信号
は波形検出回路９に入力され、後段の演算制御回
路１により処理可能な検出信号に変換される。

本実施例では振動伝達板８ａに振動を入力する
部材として、振動伝達板８ｂを設けている。振動
伝達板８ｂは振動伝達板８ａと同様の材質を反射
防止材７により支持したもので、その一隅には圧
電素子などからなる２つの振動子４が設けられて
いる。この振動子４は振動子駆動回路２により駆
動される。

振動子４の振動周波数はアクリル、ガラスなど
の振動伝達板８ａ，８ｂに板波を発生させること
ができる値に選択される。板波を振動伝達に用い
ると、表面波などに比して振動伝達板８ａの表面
の傷、障害物などの影響を受けにくいという利点
を得られる。

振動子４を設けられた振動伝達板８ｂは、振動
センサ６を有する振動伝達板８ａの下に第２図Ｂ
に示すようにスペーサ８ｃを介して所定距離して
対向配置される。

振動子４の振動は、操作者が指Ｆによつて上面
側の振動伝達板８ｂを第２図Ａのように押下して
変形させ、下側の振動伝達板８ａと接触させるこ
とにより下側の振動伝達板８ａに伝達される。上
側の振動伝達板８ｂの振動は振動伝達板８ａ，８
ｂの接触点Ｐを介して振動伝達板８ａに伝達され
る。したがつて、上記の振動センサ６を用いて振
動検出を行ない、その振動遅延時間を測定するこ
とで、指による操作により上記接触点Ｐの座標を
検出することができる。

上記の振動子４は、同時に駆動せず、時分割に
より駆動してそれぞれの振動子を用いて得られる
振動伝達時間に基づいて座標演算が行なわれる。

演算制御回路１は信号波形検出回路９の出力か
ら振動伝達時間の測定処理を行ない、振動伝達板
８ａ上での上記入力点Ｐの座標位置を検出する。

以下、演算制御回路１の構成および座標演算処
理につき詳述する。

第３図は第１図の演算制御回路１の構造、すな
わち振動伝達板８ｂの振動子４の駆動系および振
動伝達板８ａの振動センサ６による振動検出系の
構造を示している。

マイクロコンピユータ１１は内部カウンタ、
ROMおよびRAMを内蔵している。駆動信号発
生回路１２は第１図の振動子駆動回路２に対して
所定周波数の駆動パルスを出力するもので、マイ
クロコンピユータ１１により座標演算用の回路と
同期して起動される。

カウンタ１３の計算値はマイクロコンピユータ
１１によりラツチ回路１４にラツチされる。

一方、第１図の波形検出回路９は、振動センサ
６の出力から信号波形の解析（後述）に基づい
て、座標検出のための振動伝達時間を計測するた
めの検出信号のタイミング情報を出力する。この
タイミング情報は入力ポート１５にそれぞれ入力
される。

波形検出回路９から入力されるタイミング信号
は入力ポート１５に入力され、判定回路１６によ
りラツチ回路１４内の計数値と比較され、その結
果がマイクロコンピユータ１１に伝えられる。す
なわち、カウンタ１３の出力データのラツチ値と
して振動伝達時間が表現され、この振動伝達時間
値により座標演算が行なわれる。

第４図は第１図の波形検出回路９に入力される
検出波形と、それに基づく振動伝達時間の計測処
理を説明するものである。第４図において符号４
１で示されるものは振動伝達板８ｂの振動子４に
対して印加される駆動信号パルスである。

振動伝達板８ｂから振動伝達板８ａに伝達され
た振動は、振動伝達板８ａ内を振動センサ６まで
の距離に応じた時間tgを費して進行した後、振動
は振動センサ６に到達する。第４図の符号４２は
振動センサ６が検出した信号波形を示している。
本実施例において用いられる板波は分散性の波で
あり、そのため振動伝達板８ａ内での伝播距離に
対して検出波形のエンベロープ４２１と位相４２
２の関係は振動伝達中に伝達距離に応じて変化す
る。

ここでエンベロープの進む速度を群速度Vg、
位相速度をVpとする。この群速度および位相速
度の違いから振動入力点Ｐと振動センサ６間の距
離を検出することができる。

まず、エンベロープ４２１のみに着目すると、
その速度はVgであり、ある特定の波形上の点、
たとえばピークを第４図の符号４３のように検出
すると、振動入力点Ｐおよび振動センサ６の間の
距離ｄはその振動伝達時間をtgとして ｄ＝Vg・tg ……(1) となる。

この式は振動センサ６の１つに関するものであ
るが、同じ式により他の２つの振動センサ６と振
動入力点Ｐの距離を示すことができる。

さらに、より高精度な座標値を決定するために
は、位相信号の検出に基づく処理を行なう。第４
図の位相波形４２２の特定の検出点、たとえば振
動印加から、ピーク通過後のゼロクロス点までの
時間をtpとすれば振動センサと振動入力点の距離
ｄは ｄ＝ｎ・λp＋Vp・tp ……(2) となる。ここでλpは弾性波の波長、ｎは整数で
ある。

前記の(1)式と(2)式から上記の整数ｎは ｎ＝［（Vg・tg−Vp・tp）／λp＋１／Ｎ］ ……(3) と示される。ここでＮは０以外の実数であり、適
当な数値を用いる。たとえばＮ＝２とすれば、±
１／２波長以内であれば、ｎを決定することができ
る。上記のようにして求めたｎを決定することが
できる。

上記のようにして求めたｎを(2)式に代入するこ
とで、振動入力点Ｐおよび振動センサ６間の距離
を正確に測定することができる。

第１図の構成では振動子４が２個設けられてい
るので、上記の距離測定は、まず一方の振動子４
を駆動してその振動子により得られる距離情報を
演算し、続いてもう一方の振動子を駆動してその
振動子により得られる距離情報を演算する。

第４図に示した２つの振動伝達時間tgおよびtp
の測定は第１図の波形検出回路９により行なわれ
る。波形検出回路９は第５図に示すように構成さ
れる。

第５図において、振動センサ６の出力信号は前
置増幅回路５１により所定のレベルまで増幅され
る。増幅された信号はエンベロープ検出回路５２
に入力され、検出信号のエンベロープのみが取り
出される。抽出されたエンベロープのピークのタ
イミングはエンベロープピーク検出回路５３によ
つて検出される。ピーク検出信号はモノマルチバ
イブレータなどから構成された信号検出回路５４
によつて所定波形のエンベロープ遅延時間検出信
号Tgが形成され、演算制御回路１に入力される。

また、このTg信号と、遅延時間調整回路５７
によつて遅延された元信号からコンパレータ検出
回路５８により位相遅延時間検出信号Tpが形成
され、演算制御回路１に入力される。

以上に示した回路は振動センサ６の１つ分のも
ので、他のそれぞれのセンサに対しても同じ回路
が設けられる。センサの数を一般化してｈ個とす
ると、エンベロープ遅延時間Tg1〜ｈ、位相遅延
時間Tp1〜ｈのそれぞれｈ個の検出信号が演算制
御回路１に入力される。

第３図の演算制御回路では上記のTg1〜ｈ、
Tp1〜ｈ信号を入力ポート１５から入力し、各々
のタイミングをトリガとしてカウンタ１３のカウ
ント値をラツチ回路１４に取り込む。前記のよう
にカウンタ１３は振動子の駆動と同期してスター
トされているので、ラツチ回路１４にはエンベロ
ープおよび位相のそれぞれの遅延時間を示すデー
タが取り込まれる。

第６図のように振動伝達板８ａの角部の振動セ
ンサ６および振動子４が配置される位置を符号Ｓ
１からＳ３とし、各位置Ｓ１〜Ｓ３と入力点Ｐの
直線距離をd₁〜d₃とする。このとき、直線距離d₁
〜d₃に基づき振動入力点Ｐの位置Ｐの座標（ｘ、
ｙ）は３平方の定理から次式のように示される。

ｘ＝Ｘ／２＋（d₁＋d₂）（d₁−d₂）／2X ……(4) ｙ＝Ｙ／２＋（d₁＋d₃）（d₁−d₃）／2Y ……(5) ここでＸ、ＹはS2、Ｓ、の位置の振動センサ
６と原点Ｓ１のセンサのＸ、Ｙ軸に沿つた距離で
ある。

ここで、距離d₁からd₃の和、差をそれぞれ、Ａ
＝d₁＋d₂、Ｂ＝d₁−d₂、Ｃ＝d₁＋d₃、Ｄ＝d₁−d₃
と定義しておく。

一方、第１図に示すように、振動伝達板８ｂの
振動子４は第６図の原点位置S1および位置S2に、
また振動センサは位置S2、S3にそれぞれ装着さ
れているものとする。

この場合、第６図から明らかなように、Ｓ２，
Ｓ３の各位置において振動センサ６により得られ
る距離情報は、振動が振動伝達板８ａ，８ｂの両
方を伝わるのでそれぞれ次のようになる。

まず、位置S1の振動子を振動させた場合、 S2：d₁＋d₂＝Ａ また、位置S3では位置S1、S2の２つの振動子
の振動を入力するので、位置S1の振動子に関し
て S3：d₁＋d₃＝Ｃ 位置S2の振動子に関して S3：d₂＋d₃＝Ｉ したがつて、位置S3における２つの取得情報
Ｃ、ＩからＢ＝d₁−d₂、Ｄ＝d₁−d₃の各値を得る
ことができ、これらＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを(4)、(5)式に
代入することでリアルタイムで振動入力点Ｐの座
標（ｘ、ｙ）を決定することができる。

上記のＩ、Ａ、Ｃの値はそれぞれ前記(2)、(3)式
から算出されるので、振動伝達板８ａ，８ｂに関
して群速度Vg、位相速度Vpは等しくなければな
らない。いいかえれば、振動伝達板８ａ，８ｂの
媒質としての特性が等しくなければならないの
で、振動伝達板８ａ，８ｂは同一の材質から同じ
厚みに形成される必要がある。

その他には制約がないので、振動伝達板８ａ，
８ｂはガラス、アクリルなどの透明板から構成
し、CRTデイスプレイなどの表示器上に重ねて
用いることが考えられる。この場合には、検出さ
れた振動入力点の座標に対応して表示器上にドツ
ト表示を行ない、指などにより入力された点、線
などの要素により構成される画像をあたかも紙に
書き込みを行なつたように表示させることができ
る。

また、このような構成によれば表示器にメニユ
ー表示を行ない、指によりそのメニユー項目を選
択させたり、プロンプトを表示させて所定の位置
に指を接触させるなどの入力方式を用いることも
できる。

あるいは、振動伝達板が透明でなくてもよい場
合には材質として金属などを用いても構わない。

振動センサ６ないし、振動子４の振動伝達板８
ａ，８ｂに対する取り付け位置は上記に限定され
ることなく種々選択することができる。ただし、
座標演算の方法は異なつてくる。

第７図は異なる振動センサ６および振動子４の
配置を示している。本実施例では第８図の振動伝
達板８ｂの位置S1からS3にそれぞれ振動子４を
設け、また振動伝達板８ａのセンサを第８図の位
置S2、S3およびS4に設けた。

このような構成においては、振動遅延時間から
求めた直線距離にもとづく座標演算式は次のよう
になる。

ｘ＝Ｘ／２＋（d₁＋d₂）（d₁−d₂）／2X ……(4) （前記(4)式）あるいは ＝Ｘ／２＋（d₃＋d₄）（d₃−d₄）／2X ……(6) かつ ｙ＝Ｙ／２＋（d₁＋d₃）（d₁−d₃）／2Y ……(5) （前記(5)式）あるいは ＝Ｙ／２＋（d₂＋d₄）（d₂−d₄）／2Y ……(7) 上記(4)、(6)式のいずれかからｘ座標、(5)、(7)式
のいずれかからｙ座標を求めることができる。
(4)、(6)ないし(5)、(7)式のいずれか一方のみを用い
てもよいが、ここでは(4)、(6)式によりそれぞれ求
めたｘの平均値を検出ｘ座標、(5)、(7)式によりそ
れぞれ求めたｙの平均値を検出ｙ座標とする。

上記の座標演算に必要なデータは、(4)から(7)式
を全て用いるので、 前記の距離d₁、d₂およびd₁、d₃の和、差からな
るＡ〜Ｄに加え、Ｅ＝d₃＋d₄、Ｆ＝d₃−d₄、Ｇ＝
d₂＋d₄、Ｈ＝d₂−d₄が必要になる。

一方、各振動センサで得られる距離情報は次の
ようになる。

まず、位置S1の振動子を用いて、位置S2、S3
のセンサにより S2：d₁＋d₂＝Ａ S3：d₁＋d₃＝Ｃ 位置S2の振動子を用いて、位置S3、S4にセン
サにより S3：d₂＋d₃＝Ｉ S4：d₂＋d₄＝Ｇ 位置S3の振動子を用いて、位置S4のセンサに
より S4：d₃＋d₄＝Ｅ これらの各組み合せから残りのＤ、Ｂ、Ｆ、Ｈ
を算出することができる。したがつて、得られた
各値を前記(4)〜(7)式に代入してｘ、ｙを２種類得
て、それらをそれぞれ平均することにより最終的
な入力点Ｐの座標（ｘ、ｙ）を得ることができ
る。

このような異なる振動伝達経路を用いる平均値
方式によれば、座標検出精度を大きく向上でき
る。たとえば１つの振動センサに向かう振動伝達
経路が障害物などにより阻害されていても、一方
の振動センサに向かう経路が正常であれば検出が
不可能になつたり、精度が低下することがない。

上記では振動センサ、振動子をそれぞれ２箇所
づつ設ける構成、あるいは３箇所づつ設ける構成
を例示したが、センサ、振動子の数はもつと減ら
すこともできる。

たとえば、第９図、第１０図に示すように、位
置Ｓ１に振動子を１個、位置S1、S2にそれぞれ
振動子を１個ずつ設ける構成が考えられる。

このばあい、座標演算式は ｘ＝１／2X＋（d₁＋d₂）（d₁−d₂）／2X ……(8) ｙ＝√₁ ²−² ……(9) となる。一方、位置S1、S2のセンサではそれぞ
れ S1：2d₁ S2：d₁＋d₂ の情報を得られるので、位置S1のセンサから距
離d₁を、また２つのセンサの取得情報の組み合せ
からd₁−d₂を得、上記(8)、(9)式に代入することで
入力点Ｐの座標（ｘ、ｙ）を得る。この実施例で
は、センサおよび振動子は振動伝達板の一辺の両
端部に配置される必要がある。対角線状に配置す
るとセンサ、振動子のなす対角線のいずれの側か
ら振動が伝えられたかを決定できないから座標検
出は不可能である。

このような方式によれば、部品点数を減少する
とともに、演算を簡略化して処理速度を向上させ
ることができる。

以上のように、振動子、振動センサの数、配置
には種々を考えることができる。上記実施例では
振動子を上側の振動伝達板８ｂに設けているが、
振動子が下側、センサは上側の振動伝達板に設け
られていても同様の構成が可能である。

第９図、第１０図の構成に加えて第１１図のよ
うに上側の振動伝達板８ｂ上をさらに別の振動伝
達板８ｄにより覆つてもよい。

また、第１２図のように振動子、振動センサが
３枚以上の対向配置された振動伝達板に分けて配
置されていても同様の座標入力を行なうことがで
きる。ここでは、第９図、第１１図のセンサ、振
動子の配置において、センサの１つをもつとも上
側の振動伝達板８ｄに設けている。この方式でも
(8)、(9)式に基づいて同様の座標演算を行なうこと
ができる。

［発明の効果］ 以上から明らかなように、本発明の座標入力装
置によれば、第１の振動伝達部材と、該第１の振
動伝達部材と同一の材質から形成され、略同一の
厚みを有する第２の振動伝達部材と、前記第１の
振動伝達部材に設けられた振動検出手段と、前記
第２の振動伝達部材に設けられた振動発生手段
と、前記第１の振動伝達部材或は第２の振動伝達
部材を押圧することで、前記第１の振動伝達部材
と第２の振動伝達部材とを接触させたとき、前記
第１の振動伝達部材の振動検出手段により検出さ
れる振動に基づき、前記第１の振動伝達部材或は
第２の振動伝達部材の押圧点の座標を導出する導
出手段とを有する構成を採用しているので、振動
入力ペンなどの手段を必要とすることなく、手、
鉛筆などの手段により座標入力を行なうことがで
きる優れた座標入力装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ，Ｂはそれぞれ本発明を採用した座標
入力装置の構成を示した説明図、第２図Ａは座標
入力操作を示した説明図、第２図Ｂは振動伝達板
の配置を示した説明図、第３図は第１図の演算制
御回路の構造を示したブロツク図、第４図は振動
入力点と振動センサの間の距離測定を説明する検
出波形を示した波形図、第５図は第１図の波形検
出回路の構成を示したブロツク図、第６図は振動
センサの配置を示した説明図、第７図および第８
図は異なる実施例における振動センサと振動子の
配置をそれぞれ示した説明図、第９図および第１
０図はさらに異なる振動センサと振動子の配置を
それぞれ示した説明図、第１１図、第１２図はそ
れぞれさらに異なつた振動センサと振動子の配置
を示した説明図である。 １……演算制御回路、４……振動子、６……振
動センサ、８ａ，８ｂ……振動伝達板、１５……
入力ポート、５１……前置増幅器、５２……エン
ベロープ検出回路、５４，５８……信号検出回
路、５９……Ａ／Ｄ変換回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の振動伝達部材と、 該第１の振動伝達部材と同一の材質から形成さ
   れ、略同一の厚みを有する第２の振動伝達部材
   と、 前記第１の振動伝達部材に設けられた振動検出
   手段と、 前記第２の振動伝達部材に設けられた振動発生
   手段と、 前記第１の振動伝達部材或は第２の振動伝達部
   材を押圧することで、前記第１の振動伝達部材と
   第２の振動伝達部材とを接触させたとき、前記第
   １の振動伝達部材の振動検出手段により検出され
   る振動に基づき、前記第１の振動伝達部材或は第
   ２の振動伝達部材の押圧点の座標を導出する導出
   手段とを有することを特徴とする座標入力装置。