JPH0792724B2 - 座標入力装置 - 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、特に振動ペンから入力された振
動を振動伝達板に複数設けられた振動センサにより検出
して前記振動ペン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］ 座標入力装置として、従来より各種の入力装置が知られ
ている。この種の装置では、所定の入力面上に座標系を
設定し、所定方式の入力部材により入力面に入力を行な
い、入力面上の座標系における座標情報を検出する。

検出方式としては、抵抗膜や導電膜を対向配置すること
により入力タブレットを構成し、指やペンなどの筆記具
により対向配置された膜を接触させるもの、あるいは超
音波ペンなどによる入力部材を用い、振動伝達板などか
ら構成された入力タブレットに超音波振動を入力し、タ
ブレット上での振動伝達時間から座標値を検出する方式
などが知られている。

超音波振動を利用する方式はタブレットをアクリル板や
ガラス板などの透明材料から構成できるので、液晶表示
器などに入力タブレットを重ねて配置し、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。

超音波方式では、振動伝達板に圧電素子などから成る振
動センサを複数個設け、振動ペンから入力される超音波
振動を検出し、その振動伝達時間から入力座標を演算に
より決定する。

振動伝達板に設けられる振動センサの数は、最低２個で
ある。ただし、この場合には、振動センサが２つとも振
動伝達板の辺部などに設けられ、２つの振動センサを結
ぶ線の一方の側でのみ入力が行なわれなければならな
い。

振動センサが２つの場合には、ハードウエアは簡単であ
るが、計算が複雑になりやすく、マイクロプロセッサな
どにより演算処理が長くなる傾向がある。そこで、それ
ほどハードウエアが複雑ではなく、また計算も簡単に行
なえるため、振動伝達板の角に振動センサを３個設ける
方式が一般的である。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、上記のように２個、あるいは３個など必要最
少限のセンサ数を用いる場合には、有効入力面が大きく
なればなるほど、センサ間距離が大きくなり、従って、
入力時におけるセンサまでの振動伝達距離が長くなる。

たとえば、センサが３つの角部にそれぞれ取り付けられ
ている場合、センサの設けられていない入力面の角部か
ら振動入力が行なわれる場合、振動伝達距離は最大とな
り、振動センサに伝達される振動の減衰が最も大きくな
る。このため、振動センサの出力を増幅するアンプのゲ
インを大きくとらなければならない。一方、振動入力点
が１つのセンサの真上の場合（振動センサを振動伝達板
の裏側に設けた場合）には、上記の最も減衰度が大きい
場合に比べて振動センサに入力される振動強度は数十な
いし数百倍になる。

このように、振動センサ出力を増幅するアンプは入力レ
ベルが低い場合にも充分な出力を得、しかも最大入力レ
ベルにおいてもクリップすることがない広いダイナミッ
クレンジを持っている必要がある。このように良質なア
ンプは非常にコスト高であるという問題がある。逆に充
分なダイナミックレンジを確保できないアンプであれ
ば、入力面を縮小するなど装置全体の性能、機能が制限
されてくる。

また、仮に良質なアンプを構成した場合でも、アンプの
ダイナミックレンジを広くするためには、電源電圧を高
くする必要があり、そのためには電源電圧を昇圧する等
の構成を必要とし、コストがかかるという問題があっ
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、本発明によれば、振動
ペンから入力された振動を振動伝達板に複数設けられた
振動センサにより検出した前記振動ペンの振動伝達板上
での座標を検出する座標入力装置において、 前記複数の振動センサから得られた信号のそれぞれのレ
ベルが所定値以上か否か比較する比較手段と、 前記比較手段による比較の結果、レベルが前記所定値以
上であった振動センサの信号を無効として除外する除外
手段と、 前記除外手段により除外されなかった残りの振動センサ
から得られた信号を用いて座標を算出する演算手段 を有する構成を採用した。

［作用］ このような構成によれば、複数の振動センサから得られ
た信号のそれぞれのレベルが所定値以上か否か比較し、
その結果、レベルが所定値以上であった振動センサの信
号を無効として除外し、除外されなかった残りの振動セ
ンサから得られた信号を用いて座標を算出する。したが
って、前記レベルの所定値を、振動センサの出力信号を
増幅するアンプのダイナミックレンジに応じて適当に設
定すれば、アンプの飽和により波形が歪んだ振動センサ
の信号が座標算出に用いられることがなく、歪みのない
信号を用いて座標検出を高精度に行なうことができる。

［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
などからなる振動伝達板で、振動ペン３から伝達される
振動をその４つの辺部の中央にそれぞれ１個、および中
央部に１個設けられた振動センサ６に伝達する。

これらの振動センサ６は振動ペン３から振動伝達板８を
介して入力された振動を検出するためのものである。入
力点から振動センサ６までの超音波振動の伝達時間を計
測することにより振動ペン３の振動伝達板８上での座標
が検出されるが、本実施例では常時５つのセンサが全て
用いられるわけではなく、後述の方法により座標演算に
適したセンサが選択的に用いられる。

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反射防止
材７によって支持されている。

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。

振動子４の駆動信号は演算制御回路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。

振動伝達板８に設けられた各振動センサ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。振動センサ
６の各々の出力信号は波形検出回路９に入力される。波
形検出回路９は振動センサ６の出力信号の波形処理によ
り検出タイミングを決定する。演算制御回路１は波形検
出回路９の出力するタイミング信号に基づき振動伝達時
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。振動伝達時間の測定にはカウン
タ1bが用いられる。

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２図は本実施例で用いた座標入力装置のセンサの配置
図である。図においてＳ（ｘ、ｙ）、Ｐ（ｘ、ｙ）はそ
れぞれ各振動センサ６の配置位置および振動入力点の座
標を示している。また、符号Ａは座標入力が有効になる
領域（入力面端部の反射波などにより定まる）を示して
いる。

本構成において、図中Ｐ点において弾性波が発生させら
れた場合、最初にその振動が達するセンサはS4であり、
以下S0、S3、S1、S2の順となる。したがって、その振動
がセンサに到達する時間は t4≦t0≦t3≦t1≦t2 …（１） となる。ここでもし、座標算出のために必要な最低限の
センサしかなければ、座標入力点Ｐの位置によっては、
Ｐ点から入力された振動がセンサに到達するまでに減衰
し、ノイズレベルにまで落ちてしまうことで、伝播体の
大きさによって起こり得る。したがって、おのずと振動
伝達板８の大きさが制限されるという欠点があった。

以上の理由により、より多くの振動センサ６を振動伝達
板８に取り付け、その中からあるポイントにおける座標
算出に必要なセンサを選び出し、振動伝達板８が大型化
した場合においても座標を検出できるようにすることが
考えられる。

本実施例の場合、振動伝達板８の各辺の中央に１個ず
つ、また振動伝達板８の中央部に１つ振動センサ６を設
けてあるが、これは座標検出を３つのセンサで行なう場
合、振動入力ポイントＰの位置によらず、振動入力ポイ
ントと３ヶ所のセンサとの距離のうち最大の長さを最も
小さくすることができるからである。

振動入力ポイントからセンサまで、板波弾性波の到達時
間ｔは演算制御回路１によりカウンタ1bを用いてカウン
トされる。その距離ｄは弾性波の進行速度をｖとして、
ｖ×ｔによって求めることができるので、各センサ座標
S0〜S4までの振動伝達時間t0、t1、t2、t3、t4に相当す
る距離をそれぞれd0、d1、d2、d3、d4とする。

第３図は、演算制御回路１中のROM1aに格納された本実
施例の座標入力装置の処理フローチャートである。

まず、ステップS1で初期化によって内部クロック、フリ
ップフロップなどの初期化を行なう。

ステップS2では振動ペン３の振動子の駆動とカウンタを
スタートする。

ステップS3で全てのセンサからの弾性波の検出信号を受
信波形検出回路９から受信する。ここで所定時間内に検
出信号の受信がない場合は、ステップS11から本処理を
抜けて他の処理に移る。

次に、ステップS4で受信した検出信号のレベルを比較す
る。この時、もし第４図のように振動入力ポイントがセ
ンサのごく近傍にきた場合、このセンサから得られる出
力信号はアンプの飽和入力レベルによっては飽和する。

この飽和入力レベルの設定値は、センサからどの程度ま
で振動入力ポイントが近づいたら出力信号が飽和してし
まうかということに対応しており、振動伝達板の大き
さ、センサの配置、アンプのコストなどによって適宜変
更される。

第３図において、ステップS5で出力信号が飽和したセン
サが存在する場合、ステップS12でそのセンサからの信
号を無視することにする。

検出信号レベルに同一値がある場合（センサS1＝センサ
S3の場合など）、ステップS6からステップS13に移行
し、あらかじめ決められた規則（例えば「同一値センサ
の若い方を座標検出に必要なセンサとする」など）にし
たがって同一の信号レベルを得たセンサの内いずれを用
いるかを決める。

ステップS7では座標検出に必要なセンサ番号を決定し、
ステップS8において、以上決定されたセンサによって座
標演算を行なう。ここで、座標演算に用いる計算式の一
例を以下に示す。

出力信号の飽和したセンサがない場合： ここで、（２）式においてdx＝d2の場合α＝１、dx＝d4
の場合α＝−１、また（３）式においてdy＝d1の場合β
＝１、dy＝d3の場合β＝−１となる。

一方、飽和したセンサが存在する場合（本実施例の場合
センサS1、S2、S3、S4は座標入力有効エリアＡの外側に
あるので、センサS0だけが飽和し得る）は、残りの４つ
のセンサを用いて となる。

この場合、振動入力源とセンサ間の距離の最大値が隅部
のセンサ間距離、つまりS1−S2間、S2−S3間、S3−S4
間、S4−S1間の距離以下になるようにアンプのアッパリ
ミットを設定してやれば、振動入力源とセンサの最大距
離は上述のセンサ間距離以下とすることができる。

再び第３図において、ステップS8で演算を行ない、座標
がこのようにして決定されると、ステップS9で座標をRA
Mに記憶して、外部のディスプレイ駆動回路10などに出
力して１つのサイクルを終了する。

以下、これをサンプリング数にしたがって繰り返す。な
お、ディスプレイ駆動回路10などへの出力は、RAMなど
に記憶された座標の示す点のディスプレイ11上への表示
であってもよいし、他の装置に対する座標値データの送
信であってもよい。

以上のように、本実施例によれば、振動伝達板に最低限
必要な数よりも多く振動センサ６を設け、振動センサ６
から得られる信号レベルに応じて座標演算に用いるセン
サを決定するようにしているので、あるセンサの出力が
飽和してしまう、あるいは検出レベルが充分でないよう
な場合にも、他のセンサを用いて確実に座標演算を行な
うことができる。また、適切な出力レベルを有する振動
センサ６を選択して座標演算に用いることができるの
で、ダイナミックレンジが狭い比較的安価な増幅器を振
動センサ６の出力信号の増幅に利用することができる。
また、振動減衰に関する振動伝達距離の制限を緩和で
き、座標入力面の面積を容易に大きくすることができ
る。

前述のように、振動入力源とセンサ間の距離が大きくな
れば、センサに到達する振動は減衰のために小さくな
る。１つの方法として、振動入力源となる振動ペン中の
振動子から発生する振動エネルギーを増加する方法が考
えられる。また、振動子の駆動電圧を大きくしたり、振
動子を大きくすることなどによって振動伝播到達時間を
延ばすことも考えられる。ただし、いずれも振動伝達板
の大きさには制限があり、コスト的に有利とはならな
い。本実施例では５つのセンサを取り付けることによっ
て座標検出を行なっていたが、振動伝達板の大きさによ
ってそれ以上であっても構わない。より多くのセンサを
設けることにより、同じセンサ、アンプ、振動子を用い
て大面積の入力面にも容易に対応できるようになる。

また、座標入力エリア内に本実施例ではセンサが１つ取
り付けられていたが、これも振動伝達板の大きさによっ
て複数個であっても構わない。つまり、センサの個数お
よび位置によって座標を検出するアルゴリズムを変更す
ることによって、座標位置を検出することができる。

［発明の効果］ 以上の説明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複数設けられた
振動センサにより検出して前記振動ペンの振動伝達板上
での座標を検出する座標入力装置において、複数の振動
センサから得られた信号のそれぞれのレベルが所定値以
上か否か比較し、その結果、レベルが所定値以上であっ
た振動センサの信号を無効として除外し、除外されなか
った残りの振動センサから得られた信号を用いて座標を
算出する構成を採用したので、前記レベルの所定値を、
振動センサの出力信号を増幅するアンプのダイナミック
レンジに応じて適当に設定すれば、アンプの飽和により
波形が歪んだ振動センサの信号が座標算出に用いられる
ことがなく、歪みのない信号を用いて座標検出を高精度
に行なうことができる。そして、前記レベルの所定値を
低くすることによって、アンプの電源電圧を低くしてダ
イナミックレンジを小さくしても、高精度に座標検出を
行なうことができ、安価なアンプを用いることができる
とともに、電源電圧の昇圧等の構成が不要であり、比較
的低電圧で動作可能であって低コストで信頼性の高い座
標入力装置を提供することができる。また上記の構成を
採用することで、振動センサの感度、振動センサの後段
のアンプのダイナミックレンジにより入力面のサイズな
どが限定される問題がないという優れた効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

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
た説明図、第２図は振動センサの配置および座標検出処
理を示した説明図、第３図は第１図の演算制御装置の制
御手順を示したフローチャート図、第４図は振動センサ
の配置および座標検出処理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 ８……振動伝達板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動ペンから入力された振動を振動伝達板
   に複数設けられた振動センサにより検出して前記振動ペ
   ンの振動伝達板上での座標を検出する座標入力装置にお
   いて、 前記複数の振動センサから得られた信号のそれぞれのレ
   ベルが所定値以上か否か比較する比較手段と、 前記比較手段による比較の結果、レベルが前記所定値以
   上であった振動センサの信号を無効として除外する除外
   手段と、 前記除外手段により除外されなかった残りの振動センサ
   から得られた信号を用いて座標を算出する演算手段 を有することを特徴とする座標入力装置。
2. 【請求項２】前記除外手段により除外されなかった残り
   の振動センサから得られた信号のそれぞれから更に座標
   算出に使用する振動センサの信号を選択する選択手段を
   有することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   座標入力装置。