JPH0586568B2 - - 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
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、その弾性波の
群速度と位相速度が異なるのでエンベロープのピ
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］ かかる目的を達成するために、本発明は、複数
のピークレベルを有するパルス信号列からなる変
調駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、前記
駆動信号出力手段から出力されたパルス信号列が
印加されることで、振動を発生する振動発生素子
を有する振動入力手段と、該振動入力手段を接触
することで、前記振動発生素子より発生された振
動を伝播する振動伝播部材と、該信号伝播部材に
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の包絡線信号を出力する包絡
線出力手段と、該包絡線出力手段から出力された
包絡線信号を２回微分した微分信号を出力する微
分手段と、該微分手段により出力され前記微分信
号のゼロクロス点に基づいて、前記駆動信号出力
手段により変調駆動信号が出力されてから前記包
絡線信号の変曲点が検出されるまでの伝播遅延時
間を求め、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。

〔作 用〕

本発明では、弾性波の板波の群速度と位相速度
の両方を測定して、それらの速度に基づいて座標
位置を演算することにより分解能を向上させ、か
つ振動ペンを駆動する信号の駆動波形に変調をか
けるようにしたので、検出手段から得られる検出
波形の先頭近くで変曲点を持たせ、この変曲点を
検出する際に反射波の影響を受けにくくすること
ができ、それにより反射する面から検出波形の検
出点までの距離をより近くすることができて、正
確な位置座標検出ができる有効面積が広い座標入
力装置を提供することができる。

［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の振動の振幅を拡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は振動受信用のセンサ、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信号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のパルス
幅は振動子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は、この群速
度と位相速度の違いによつて出てくる誤差をでき
るだけ小さくする方法で検出する必要がある。

次に、伝播遅延時間を検出する具体的手段につ
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）と、小さな波の各々の速度（位相速
度）の２つを基にして伝播遅延時間を検出し、こ
の遅延時間により座標位置を算出する。

例えば、受信波形検出回路９において第２図の
センサ出力信号１４からエンベロープ１３を検出
し、このエンベロープ１３のピークを検出する。
このピークを群速度に基づいた遅延時間Tgの信
号とする。この検出した遅延時間Tgの信号の分
解能としての精度は、小さな波の群の集まりをひ
とつの波として測定しているので、小さな波を検
出した場合よりも落ちる。しかし、この遅延時間
Tgの信号も振動発生位置の座標についてのおお
まかな距離の検出はできる。

そこで、本実施例ではこの遅延時間Tgの信号
を検出した後の最初に来る小さな波のひとつのゼ
ロクロスした立ち上がり点を検出し、この検出し
た立ち上り点を伝播遅延時間Tpのパルス信号と
する。このように群速度と位相速度とを利用して
得た伝播遅延時間TgおよびTpの各々の信号の立
上りと駆動パルス信号の最初のパルスの立上りと
から演算制御回路１で座標位置を演算すると誤差
の少ない分解能（精度）の高い座標位置検出がで
きる。

第４図は各センサ６の中のある１つのセンサ６
に対する上述の伝播遅延時間Tg・Tpを表わす信
号を検出する受信波形検出回路９の構成例を示
す。また、第５図は第４図の回路の出力信号の波
形を示す。ここで、６′は第１図の複数のセンサ
６の中のひとつを示す。１９はこのセンサ６′で
受信した信号を増幅する前置増幅回路、２０は前
置増幅回路１９で増幅された信号１４からエンベ
ロープ１３を検出するエンベロープ検出回路、２
１はエンベロープ検出回路２０で検出されたエン
ベロープ１３のピークを検出するためエンベロー
プを微分するエンベロープピーク検出回路（例え
ば、微分回路）である。

２２はエンベロープ１３を微分した信号２１′
がゼロクロスとなる点、すなわち上述の群速度を
利用して変出した伝播遅延時間Tgを表わす信号
２２′を出力するTg信号検出回路（例えばゼロク
ロスコンパレータ）、２３は伝播遅延時間Tgを表
わす信号２２′の立上りからある一定時間だけゲ
ートを開く（いわゆる窓をつくる）単安定マルチ
バイブレータ回路、２４は単安定マルチバイブレ
ータ２３でつくられたゲートが開いている時間に
コンパレータ２６のコンパレートレベルを与える
コンパレートレベル供給回路である。２５はエン
ベロープ検出回路２０、エンベロープピーク検出
回路２１、Tg信号検出回路２２、単安定マルチ
バイブレータ２３、コンパレートレベル供給回路
２４の各回路を通つて遅れた時間分を調整する遅
延時間調整回路である。この遅延時間調整回路２
５を通つた信号とコンパレートレベル供給回路２
４で作られたコンパレートレベルとをコンパレー
タ２６に入力して得られる信号２６′を位相速度
信号に基づいた伝播遅延時間Tpを表わす検出信
号とする。

これらの伝播遅延時間Tg，Tpを表わす信号２
２′および２６′の両方を利用して演算制御回路１
で演算して座標位置を検出する。この座標位置の
検出手順の一例を次に詳述する。

上述したように、駆動パルス信号１２の出力時
からのカウントにより群速度に基づいた伝播遅延
時間Tgが求められるがこの時間は、検出波のエ
ンベロープからの検出であるので、検出波のひと
つの波から伝播遅延時間と比較すると、検出精度
は落ちてしまう。従つて検出波の中のひとつから
検出した伝播遅延時間Tpからペン３とセンサ６
の距離を算出した方が群速度に基づいた伝播時間
Tgから算出するよりも精度ははるかに上がる。

しかし、検出波のひとつひとつの波は、上述し
たように位相が動いてしまう。従つて、第２図の
信号１４の中でレベルの一番高いピークを検出し
ていくと、伝播距離ｌと伝播時間ｔの関係は第６
図のTpi（但し、ｉ＝１，２，……）で示すよう
になる。すなわち、ペン３の先端位置がセンサ６
から連続的に離れていくと、第７図のＡ→Ｂ→Ｃ
で示すような順序でピークの変化をする。すなわ
ち、ある距離ではａの波がピークであつたが、し
だいにｂの波がピークになつてしまう。次はＣの
波がピークになるといつたような動きになる。ペ
ン３を逆の動きにすれば、そのピークの動きもま
た、上述と逆になる。このピークの動きを伝播時
間ｔと伝播距離ｌの関数として示すと、第６図の
Tpiで示すような階段状の動きの曲線となる。ま
た、ａ，ｂ，ｃの波のゼロクロス点についても同
じような動きとなる。

ところで、伝播距離を算出するときは遅延時間
を計数して算出するので、第６図のTpiの場合
は、ひとつの伝播遅延時間ｔに対しての伝播距離
ｌは２つの値が出てしまう。従つて、伝播遅延時
間Tgを基準にした伝播遅延時間Tpの値を読み取
れば、ひとつの伝播距離がTpを基にした精度の
高い値で算出できる。この具体例を示すとつぎの
ようになる。

上述したようにして伝播遅延時間Tg，Tpを検
出したとすると、第６図におけるtg₁の範囲にあ
るTg₁に対してのtp₁の範囲にあるTp₁，tg₂の範
囲にあるTg₂に対してのtp₂の範囲にあるTp₂，
tg₃の範囲にあるTg₃に対しての……というよう
に順次１つのセンサ６に対するひとつのTpを検
出することができ、このTpiを基に距離を算出し
ていけばよい。すなわち、第６図において伝播距
離をｌ、検出波の１波長をλ、位相速度をυpと
すると、次式(1)が成立する。

ｌ＝υpTp＋nλ ……(1) この上式(1)に基づいた距離ｌが検出できる。但
し、ｎはTgがtg₁の範囲の時は、ｎ＝０、 Tgがtg₂，tg₃の範囲の時は、ｎ＝１、 Tgがtg₄，tg₅の範囲の時は、ｎ＝２、 ： ： ： ： ： ： Tgがtg₂，tg_2i+1の範囲の時は、ｎ＝ｉ、 従つて、上述のように伝播遅延時間Tg，Tpを
検出したら、例えば上式(1)に基づくデータ変換を
演算制御回路１の内部テーブル１Ａ（第１図参照）
に持たせ、このテーブル１Ａを利用して、演算制
御回路１においてTgをｎの値に変換して、位相
速度υp、伝播遅延時間Tp、定数ｎ、波長λの
各々の値を(1)式に代入してｌを演算する。このよ
うな演算により複数個のセンサ６を使つてセンサ
出力信号を検出し、ｘとｙの座標位置を演算出力
する。

また、本実施例では第１図の振動子駆動回路２
において、振動子駆動信号（駆動パルス信号）の
波形に変調をかけて、検出信号（センサ出力信
号）の波形に変曲点を与えるようにしている。そ
して、その変曲点を検出して、この変曲点の検出
信号を群速度による群伝播遅延時間Tgを示す信
号として上述のTgの信号の代わりに使用する。
以下、上述と同様に、位相速度による位相伝播遅
延時間Tpを示す信号を検出し、さらにこれらの
Tg，Tpの値から演算して、真の位置座標を検出
する。

第１０図において、Ａの波形は、通常の振動子
駆動信号の波形であり、第２図における１２の波
形と同じである。このＡの振動子駆動信号の波形
で振動子４を駆動するとセンサ６で検出された波
形は、第１０図のＢで示すようになり、上述した
検出方式では、このＢの波形のエンベロープのピ
ークから群伝播遅延時間Tgを検出し、このTgか
ら位相伝播遅延時間Tpを検出して、位置座標を
演算しているが、本実施例では、振動子駆動信号
の波形を例えば第１０図のＣで示すような変調を
かけた波形にしてペン３の振動子４を駆動する
と、センサ６で得られる検出信号は第１０図のＤ
で示すような波形となる。

このＤの検出信号の波形を第４図に示すような
受信波形検出回路９を通して、エンベロープを１
回微分した波形の最初の立上りゼロクロス点を検
出し、このゼロクロス点の信号を群伝播遅延時間
Tgを示す信号とする。以下、上述したと同様に
位相伝播遅延時間Tpを示す信号を検出し、演算
制御回路１によりそのTg，Tpの値から演算し
て、より精度の高い位置座標を算出する。

このように、振動子駆動信号に変調をかけるこ
とによつて、伝播媒体であるガラス８の端面ある
いは、反射防止材７の壁面からの反射の影響を受
ける範囲を少なくすることができる。

すなわち、第１０図のＢに示すような検出波の
波形の場合、反射が起こると、その波形の後方か
ら反射波が重なつて行き、波形が乱れて正確な群
伝播遅延時間Tgと位相伝播遅延時間Tpとが検出
できなくなつていく。従つて、反射波による影響
を極力少なくするためには、検出波（検出信号の
波形）の先頭に近いところで伝播時間Tgおよび
Tpを検出しなければならない。本実施例では第
１０図のＤで示すような波形により変曲点を検出
波の先頭に近づけた所にしているので、反射の影
響を受けずに位置座標を正確に検出することがで
きる。

なお、反射防止材７でも、完全に反射波を吸収
できるわけではなく、若干の反射がこの反射防止
材７でも起こり、検出波形に影響を及ぼすことが
ある。

第１１図は上述の変調処理を実行する振動子駆
動回路２の構成の一例を示す。第１１図におい
て、１は演算制御回路１から振動子駆動回路２に
出力される振動子駆動信号であり、第１２図に示
すようなパルス波形を有する。また、２７は分周
回路であり、信号１′を1/4分周した波形の信号２
７′（第１２図参照）を出力する。２８は同期回
路であり、信号１′，２７′の波形の立上りをそろ
える。２９はAND回路（論理積回路）であり、
信号１′と２７′の論理積をとつて第１２図の２
９′で示す波形の信号を得る。３０は係数回路で
あり、信号２９′および１′にあらかじめ定めた
別々の増幅率で増幅する。３１は増幅駆動回路で
あり、２つの係数回路３０，３０の出力を加算し
て、駆動電圧まで増幅し、ペン３の振動子を駆動
する駆動信号３１′の波形（第１２図参照）を出
力する。

第１０図のＣおよび第１２図の３１′で示すも
のは、変調をかけた駆動波形の一例を示すもので
あり、これと違つた変調をかけた駆動波形でも本
発明の適用は可能である。

なお、第４図の遅延時間調整回路２５は演算制
御回路１であらかじめ遅延時間調整分を始めから
計数しておくようにすれば、必要の無い回路であ
る。また、TgとTpの関係を示す数値を内部テー
ブルに持つてこのテーブル１Ａ（第１図参照）か
ら精度の高いTpの値から精度の高いTg′を再度
取り直し、Tg′は、連続的な直線となるから、こ
のTg′の値を用いて直接ｘ，ｙ座標位置を演算す
ることもできる。

また、第８図および第９図に示すように、群速
度検出において、エンベロープピーク検出の代り
に、検出波のエンベロープの２回微分をした波形
のゼロクロス点を検出することにより群速度を検
出することも可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、弾性波
の板波の群速度と位相速度の両方を測定して、そ
れらの速度に基づいて座標位置を演算することに
より分解能を向上させ、かつ振動ペンを駆動する
信号の駆動波形に変調をかけるようにしたので、
検出手段から得られる検出波形の先頭近くで変曲
点を持たせ、この変曲点を検出する際に反射波の
影響を受けにくくすることができ、それにより反
射する面から検出波形の検出点までの距離をより
近くすることができて、正確な位置座標検出がで
きる有効面積が広い座標入力装置を提供すること
ができる。

また、本発明によれば、群伝播遅延時間Tg、
位相伝播遅延時間Tp、伝播距離ｌの関係をテー
ブルにあらかじめ記憶させ、このテーブルを用い
るようにすれば信号処理時間が短縮でき、かつ精
度の高い検出ができる。

さらに、本発明によれば、単安定マルチバイブ
レータとコンパレートレベル供給回路により検出
窓をつけることで誤検出等の影響を受けず精度の
高い位置座標の検出をすることができる。

また、本発明によれば、遅延調整回路を設ける
ことにより、エンベロープと検出波から正確な群
遅延時間Tgと位相遅延時間Tpが検出でき、精度
の高い位置座標の検出をすることができる。

また、本発明によれば位相遅延時間Tpを検出
する時には検出波のピークを検出するのではな
く、ゼロクロスを検出することにより、ピークを
検出する場合の筆圧、検出波のＳ／Ｎなどからの
影響を受けずに、正確な位相遅延時間Tpが検出
でき精度の高い位置座標を検出することができ
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図は第１図の受信波形検出回路の構成例を示す
ブロツク図、第５図は第４図の回路の出力信号の
波形および出力タイミングを示す波形図、第６図
は伝播遅延時間TgとTpの距離と時間の関係を示
す特性図、第７図Ａ，Ｂ，Ｃは検出波のピーク近
傍のピークとゼロクロス点を拡大して示す説明
図、第８図は本発明実施例の変形例を示すブロツ
ク図、第９図は第８図の回路の出力信号の波形お
よび出力タイミングを示す波形図、第１０図は通
常の駆動波形による検出波形と変調をかけた駆動
波形による検出波形とを示す波形図、第１１図は
変調駆動波形を出力する本発明実施例の振動子駆
動回路の構成例を示すブロツク図、第１２図は第
１１図の回路の出力信号の波形を示す波形図であ
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、２０……エンベロープ検出回路、２１…
…エンベロープピーク検出回路、２２……Tg信
号検出回路、２３……単安定マルチバイブレー
タ、２４……コンパレートレベル供給回路、２５
……遅延時間調整回路、２６……コンパレータ
（TP検出回路）、２７……分周回路、２８……同
期回路、２９……AND回路、３０……係数回路、
３１……増幅駆動回路、２１１……２回微分回
路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数のピークレベルを有するパルス信号列か
   らなる変調駆動信号を出力する駆動信号出力手段
   と、 前記駆動信号出力手段から出力されたパルス信
   号列が印加されることで、振動を発生する振動発
   生素子を有する振動入力手段と、 該振動入力手段を接触することで、前記振動発
   生素子より発生された振動を伝播する振動伝播部
   材と、 該信号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の包絡線
   信号を出力する包絡出力手段と、 該包絡線出力手段から出力された包絡線信号を
   ２回微分した微分信号を出力する微分手段と、 該微分手段により出力された前記微分信号のゼ
   ロクロス点に基づいて、前記駆動信号出力手段に
   より変調駆動信号が出力されてから前記包絡線信
   号の変曲点が検出されるまでの伝播遅延時間を求
   め、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。