JPH0758457B2

JPH0758457B2 - 座標入力装置

Info

Publication number: JPH0758457B2
Application number: JP31850887A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎吉村; 信之介谷石; 克行小林; 重樹森; 淳田中; 潔兼子; 範之鈴木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-12-18
Filing date: 1987-12-18
Publication date: 1995-06-21
Anticipated expiration: 2010-06-21
Also published as: JPH01161423A

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、振動ペンから入力された
振動を振動伝達板に設けられた振動センサにより検出し
て、振動入力点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、手書き文字、図形などをコンピュータなどの
処理装置に入力する装置として各種の入力ペンやタブレ
ットなどが知られている。中でも、弾性波を用いた座標
入力装置は機械振動を発生する振動ペンによって振動伝
達板に機械振動を入力し、この伝達板に取り付けられた
振動センサによって入力振動を検出し、その遅延時間か
ら入力点の座標を決定する。この種の方式は、入力タブ
レットの構造が比較的簡単であり、簡単安価な装置を提
供できる利点がある。

［発明が解決しようとする問題点］従来の振動検出方式の座標入力装置では、入力タブレッ
トとしての振動伝達板の周囲にはゴムなどの材質からな
る防振材が装着される。この防振材は振動伝達板の端部
で反射する弾性波が中央方向に戻り、振動センサが検出
すべき直接波の検出に影響を与えないようにするための
防振材である。

また従来では、振動センサを防振材と振動伝達板の境界
部分の辺部に装着する構造が知られているが、このよう
な構造では、防振材と振動伝達板との境界近傍でしかも
振動センサまでの振動伝達距離が長い位置、たとえば振
動伝達板の角部領域において振動入力を行なうと、防振
材の振動減衰作用により充分な検出信号の振幅を得られ
ないという問題があった。このため、振動伝達板の角部
領域では振動ペンの筆圧を大きくしないと正確な座標入
力を行なえないという不都合があった。

また、振動伝達板の実質サイズに比してかなり小さい有
効入力エリアを設定しなければならず、装置の小型化、
あるいは限られたサイズ内での入力エリアの拡大は非常
に困難であった。

［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、本発明においては、振
動ペンから入力された振動を振動伝達板に設けられた振
動センサにより検出して、振動入力点の座標を検出する
座標入力装置において、前記振動伝達板の周縁全周に防
振材を装着し、前記振動センサを前記防振材の装着部分
にかかる領域に設け、前記防振材の振動伝達板中心部か
ら周辺部方向に向かう幅を、前記振動センサの装着領域
において非装着領域よりも大きく設定した構成を採用し
た。

［作用］以上の構成によれは、振動伝達板周縁部の防振材の幅を
振動センサ装着領域で大きく、振動センサの非装着領域
で小さく構成することにより、振動伝達板の角部におけ
る防振材の振動減衰の影響を小さくすることができ、振
動ペンにより振動伝達板の角部で振動入力を行なった場
合でも充分な振幅を有する検出信号を振動伝達板の辺部
の振動センサによって得ることができる。

［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図は本発明を採用した情報入出力装置の構造を示し
ている。

第１図の情報入出力装置は振動伝達板８からなる入力タ
ブレットに振動ペン３によって座標入力を行なわせ、入
力された座標情報にしたがって入力タブレットに重ねて
配置されたCRTからなる表示器11′に入力画像を表示す
るものである。

図において符号８で示されたものはアクリル、ガラス板
などから長方形に構成された振動伝達板で振動ペン３か
ら伝達される振動を３個の振動センサ６に伝達する。

本実施例では振動センサ６と装着場所は、図示のように
長方形の振動伝達板８の４辺のうち長い方の２辺の辺部
にある。一方の辺部に２個、他方の辺部に１個、計３個
の振動センサが後述する座標演算の都合上直角を成して
装着されている。

他の演算方法を取る場合は、必ずしもセンサ位置が直角
をなす必要はない。１辺上に装着された２個の振動セン
サ間の距離は、座標検出精度分解能などを考慮して決定
される。

振動センサ６は防振材境界面からの反射波の影響を軽減
するため、装着された防振材７の境界面上あるいはごく
近傍領域に装着する。装着方法は圧着、接着いずれによ
ってもよい。

振動伝達板８は振動ペン３から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防振材７
によって支持されている。

防振材７は、第１図に示すように防振材の周辺方向への
幅がセンサ装着部分から振動伝達板の角部へ向かうにつ
れ連続的に減少する形状のものが振動伝達板周縁部に装
着されている。このような形状による利点は後に詳述す
る。

振動伝達板８はCRT（あるいは液晶表示器など）など、
ドット表示が可能な表示器11′上に配置され、振動ペン
３によりなぞられた位置にドット表示を行なうようにな
っている。すなわち、検出された振動ペン３の座標に対
応した表示器11′上の位置にドット表示が行なわれ、振
動ペン３により入力された点、線などの要素により構成
されている画像はあたかも紙に書き込みを行なったよう
に振動ペンの軌跡の後に現れる。

また、このような構成によれば表示器11′にはメニュー
表示を行ない、振動ペン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を接触させるなどの入力方式を用いることもでき
る。

振動伝達板８に超音波振動を伝達させる振動ペン３は、
内部に圧電素子などから構成した振動子４を有してお
り、振動子４の発生した超音波振動を先端が尖ったホー
ン部５を介して振動伝達板８に伝達する。

第２図は振動ペン３の構造を示している。振動ペン３に
内蔵された振動子４は、振動子駆動回路２により駆動さ
れる。振動子４の駆動信号は第１図の演算および制御回
路１から低レベルのパルス信号として供給され、低イン
ピーダンス駆動が可能な振動子駆動回路２によって所定
のゲインで増幅された後、振動子４に印加される。

電気的な駆動信号は振動子４によって機械的な超音波振
動に変換され、ホーン部５を介して振動板８に伝達され
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８に板波を発生させることができる値に選択され
る。また、振動子駆動の際、振動伝達板８に対して第２
図の垂直方向に振動子４が主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
である。

上記のようにして振動伝達板８に伝えられる弾性波は板
波であり、表面波などに比して振動伝達板８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有す
る。

再び、第１図において、振動伝達板８の角部に設けられ
た振動センサ６も圧電素子などの機械〜電気変換素子に
より構成される。３つの振動センサ６の各々の出力信号
は波形検出回路６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。演算制御回路１
は振動伝達時間の測定処理を行ない、振動ペン３の振動
伝達板８上での座標位置を検出する。

検出された振動ペン３の座標情報は演算制御回路１にお
いて表示器11′による出力方式に応じて処理される。す
なわち、演算制御回路は入力座標情報に基づいてビデオ
信号処理装置10を介して表示器11′の出力動作を制御す
る。

第３図は第１図の演算制御回路１の構造を示している。
ここでは主に振動ペン３の駆動系および振動センサ６に
よる振動検出系の構造を示している。

マイクロコンピュータ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、マイクロコンピュータ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の計数値はマイクロコンピュータ11によりラ
ッチ回路14にラッチされる。

一方、波形検出回路９は、振動センサ６の出力から後述
のようにして、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。これら
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、ラッチ回路14内の各振動センサ６に
対応する記憶領域に記憶され、その結果がマイクロコン
ピュータ11に伝えられる。

すなわち、カウンタ13の出力データのラッチ値として振
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。このとき、判定回路16は複数の振動
センサ６からの波形検出のタイミング情報がすべて入力
されたかどうかを判定し、マイクロコンピュータ11に報
知する。

表示器11′の出力制御処理は入出力ポート17を介して行
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41で示されるものは振動
ペン３に対して印加される駆動信号パルスである。この
ような波形により駆動された振動ペン３から振動伝達板
８に伝達された超音波振動は振動伝達板８内を通って振
動センサ６に検出される。

振動伝達板８内を振動センサ６までの距離に応じた時間
tgをかけて進行した後、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におい
て、検出波形のエンベロープ421と位相422の関係は振動
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
ペン３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V
g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、振動ペンおよび振動
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）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と振動ペン３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42
2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
振動ペンの距離は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とし、±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（２）式に代入すること
で、振動ペン３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３図に示した２つの振動伝達時間tgおよびtpの測定の
ため、波形検出回路９はたとえば第５図に示すように構
成することができる。

第５図において、振動センサ６の出力信号は前述の増幅
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によって検出される。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によっ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信号のタイミングと、遅延時間調整回路57
によって遅延された元信号から検出回路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。

すなわち、Tg信号は単安定マルチバイブレータ55により
所定幅のパルスに変換される。また、コンパレートレベ
ル供給回路56はこのパルスタイミングに応じてtp信号を
検出するためのしきい値を形成する。この結果、コンパ
レートレベル供給回路56は第３図の符号44のようなレベ
ルとタイミングを有する信号44を形成し、検出回路57に
入力する。

すなわち、単安定マルチバイブレータ55およびコンパレ
ートレベル供給回路56は位相遅延時間の測定がエンベロ
ープピーク検出後の一定時間のみしか作動しないように
するためのものである。

この信号はコンパレータなどから構成された検出回路58
に入力され、第４図のように遅延された検出波形と比較
され、この結果符号45のようなtp検出パルスが形成され
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のカウント値をラッチ回路14に取り込
む。前記のようにカウンタ13は振動ペンの駆動と同期し
てスタートされているので、ラッチ回路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８の角部に３つの振動センサ
６を符号S1からS3の位置に配置すると、第４図に関連し
て説明した処理によって振動ペン３の位置Ｐから各々の
振動センサ６の位置までの直線距離d1〜d3を求めること
ができる。さらに演算制御回路１でこの直線距離d1〜d3
に基づき振動ペン３の位置Ｐの座標（ｘ、ｙ）を３平方
の定理から次式のようにして求めることができる。

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、S3の位置の振動センサ６と原点（位
置S1）のセンサのＸ、Ｙ軸に沿った距離である。

以上のようにして振動ペン３の位置座標をリアルタイム
で検出することができる。

ここで、第１図のように防振材７の形状を設定する利点
につき第７図、第８図を参照して説明する。第７図は振
動伝達板８の周縁部に一定幅の防振材７を付着した構成
を、第８図は第１図のように防振材７の幅を辺部の振動
センサ６の装着領域で大きく、また角部の振動センサ６
の非装着領域で小さくした構成を示している。

両図において振動センサ６は防振材７の装着境界上に設
置される。図中符号Ｂは、上記振動センサ６に関して防
振材７の減衰の影響をある一定レベル以上受ける領域、
符号Ａは前記領域Ｂにおける境界と防振材７の境界とが
成す角度であり、符号Ｃ（破線の内側）は上記領域Ｂを
除いた場合の長方形の有効入力エリアを示す。もちろ
ん、システムで要求される検出精度の度合によってこの
有効入力エリアの大きさは変化する。

第７図のように振動伝達板８の中心部から周辺方向への
幅を一定にした防振材７を装着した場合には、各防振セ
ンサ６に対してその防振材７の減衰特性によって定まる
ある一定の角度Ａをもって振動振幅減衰領域Ｂが存在
し、この領域Ｂで振動ペン３で入力しても充分な検出レ
ベルが得られず、小さな有効入力領域となる。この領域
Ｂは特に振動伝達板８の角部で大きくなる。

一方、第８図のように振動センサ６装着部から角部にか
けて周辺方向の幅が連続的に減少する形状の防振材７を
装着する構成では、振動センサ６が装着される辺部にお
いて角度Ａは第７図と同じでも領域Ｂは周辺側に移動す
る。このことは他の辺についても同様で、振動伝達板８
の角部で入力を行なった場合の振動検出信号の振幅は大
幅に増加する。

従って、有効入力エリアも第７図の従来構成に比して大
きく増加する。センサ非装着辺に関しては、第８図では
角部での振動検出信号の振幅を増加させるために角部で
の、防振材の幅を減少させたが、幅を変えない形状でも
よい。

また、第８図のように防振材を構成することで、センサ
を防振材境界に設けることによって防振材境界で発生す
る反射波の影響を低減させることができる。

本実施例において使用した防振材７は塩化ビニル系のも
のであるが、この防振材７に関して伝達経路のなす角度
θと振動検出レベルの関係を第９図のように振動伝達距
離diを一定に保って測定した結果を第10図に示す。

第10図に示されるように、この材質の防振材では、振動
ペン〜振動センサと防振材境界との角度を15゜以上にす
れば、この防振材の減衰の影響を受けない充分な検出レ
ベルが得られ、その角度ＡはＡ＝15゜となる。防振材は
他の材質のものでもよく、それぞれ特有の角度Ａをもつ
ことになる。

なお、第11図、第12図のように振動センサ６装着部分の
みの幅を４角形、円形状に段階的に大きくした防振材７
を用いても上記同様の効果を得ることができる。また、
第13図のように防振材境界による反射を考慮して、第11
図の振動センサ６装着部分の形状に、テーパ状の非装着
部分を組み合わせるようにしてもよい。

また、第14図のように振動センサ６を防振材７の装着領
域内に設けた場合に適用しても、上記同様の効果を得る
ことができる。第14図では振動センサ６を取り付けてい
ない防振材７の短辺の幅は一定にしてある。このような
構造でも上記同様の効果を得ることができる。

また、振動伝達板周辺部のどの位置に装着した振動セン
サに対しても、本発明の防振材構成とすることによって
振動伝達板の角部で入力を行なった場合の振動検出レベ
ルを改善することができる。

以上では３個の振動センサを用いる例を示したが、振動
センサの数は、座標演算のための式を変更すればいくつ
であってもよいのはいうまでもない。

［発明の効果］以上から明らかなように、本発明によれば、振動ペンか
ら入力された振動を振動伝達板に設けられた振動センサ
により検出して、振動入力点の座標を検出する座標入力
装置において、前記振動伝達板の周縁全周に防振材を装
着し、前記振動センサを前記防振材の装着部分にかかる
領域に設け、前記防振材の振動伝達板中心部から周辺部
方向に向かう幅を、前記振動センサの装着領域において
非装着領域よりも大きく設定した構成を採用しているの
で、振動ペンにより振動伝達板の角部で振動入力を行な
った場合でも充分な振幅を有する検出信号を振動伝達板
の辺部の振動センサによって得ることができ、振動伝達
板の全領域において高精度な座標検出を行なうことがで
きる。また、防振材による振動減衰を低減でき、振動伝
達板の大きさが制限されている場合には入力領域を広く
とることができ、逆に従来と同じ入力領域が必要な場合
には、装置全体を小型化することができるなどの優れた
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は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図は第１図の振動ペンの構造を示した説明
図、第３図は第１図の演算制御装置の構造を示したブロ
ック図、第４図は振動ペン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
波形検出回路の構造を示したブロック図、第６図は振動
センサの配置を示した説明図、第７図は従来の形状の防
振材構造を示した説明図、第８図は本発明の防振材の構
造を示した説明図、第９図は振動センサへの振動伝達経
路と防振材の角度を示した説明図、第10図は振動伝達経
路と防振材の角度と検出レベルとの関係を示す線図、第
11図〜第14図はそれぞれ異なった防振材の構造を示した
説明図である。１……演算制御回路、３……振動ペン４……振動子、６……振動センサ７……防振材、８……振動伝達板 15、16……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

フロントページの続き (72)発明者森重樹東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者田中淳東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者兼子潔東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者鈴木範之東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動ペンから入力された振動を振動伝達板
に設けられた振動センサにより検出して、振動入力点の
座標を検出する座標入力装置において、前記振動伝達板の周縁全周に防振材を装着し、前記振動
センサを前記防振材の装着部分にかかる領域に設け、前
記防振材の振動伝達板中心部から周辺部方向に向かう幅
を、前記振動センサの装着領域において非装着領域より
も大きく設定したことを特徴とする座標入力装置。