JPH0922326A

JPH0922326A - 座標入力装置

Info

Publication number: JPH0922326A
Application number: JP16977495A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Tanaka; 淳田中; Yuichiro Yoshimura; 雄一郎吉村; Katsuyuki Kobayashi; 克行小林; Masaki Tokioka; 正樹時岡; Hajime Sato; 肇佐藤; Ryozo Yanagisawa; 亮三柳沢
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-07-05
Filing date: 1995-07-05
Publication date: 1997-01-21

Abstract

(57)【要約】【課題】コンパクトな座標入力装置を実現する。【解決手段】振動伝播体８上の隅付近には、辺に沿って
指向性のある振動センサ６ａ，６ｂが配設されている。
振動ペン３で振動を印加すると、センサはその振動を検
出するが、センサは指向性があるため、入力点の方向に
よってセンサの出力信号はその値が変わる。２つの方向
の違うセンサを組合わせてあるため、それらの出力比が
入力点の方向と対応する。また、振動を入力してから検
出するまでの遅延時間と振動の伝達速度とから、入力点
のまでの距離も求まり、その距離と方向とを、入力点の
座標値として出力することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は座標入力装置、特に
振動ペンから入力された弾性波振動を振動伝達板に設け
られたセンサにより検出し、振動ペンによる振動入力点
の座標を検出する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超音波による座標入力装置は、特公平５
−６２７７１などで、提案されているように、入力面で
あるタブレット上に複数の振動検出手段（センサ）を設
置し振動入力手段により、入力された振動を検出し、そ
の伝播に要した時間と伝播速度より、センサと振動入力
手段までの、距離を算出し、入力位置座標を検出する方
式である。そのためタブレット上にマトリックス状電
線、等の細工がなんら施されていないので、コスト的に
安価な装置を提供することが可能である。しかもタブレ
ットに透明な板硝子を用いれば他の方式に比べて透明度
の高い座標入力装置を構成することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
座標算出は、図７に示すように、複数の場所に設置され
たセンサ（７ａ〜７ｄ）によって、その伝播遅延時間を
測定し速度から距離算出を行い、センサ間の距離をもと
に幾何学的に座標算出を行っていた。例えば、ｘ座標はｘ＝（ｄａ^２−ｄｂ^２／２Ｘ）のように算出される（ただしｘ^ｙにおいては、ｙは指
数を表す）。

【０００４】そのため、伝播体周辺に複数のセンサを設
置する場所が必要であり、また端面反射を打ち消すため
のエリアを必要とするため、入力エリア以外に、ある程
度以上のスペースが必要となり、大きなものになってし
まって携帯型の装置等には使いにくいといった問題があ
った。

【０００５】本発明は上記従来例に鑑みてなされたもの
で、座標入力面を有効に使用でき、コンパクトな座標入
力装置を提供することを目的とする。また、コンパクト
であるとともに、安価な座標入力装置を提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の座標入力装置は次のような構成から成る。す
なわち、入力された振動を伝播する伝播部材と、前記伝
播部材に伝播する振動を検出する、指向性を有する振動
検出手段と、前記振動検出手段によって検出された振動
から、振動入力点の方向を導出する方向導出手段と、前
記振動検出手段によって検出された振動の伝播時間を計
測し、振動入力点までの距離を導出する距離導出手段
と、前記振動入力点の方向及び距離に基づいて振動入力
点座標を出力する出力手段とを備える。

【０００７】又は、入力された振動を伝播する伝播部材
と、前記伝播部材に伝播する振動を前記振動伝播体上の
少なくとも２ヶ所の検出点で検出する、指向性を有する
振動検出手段と、前記振動検出手段によって検出された
振動から、前記各検出点における振動入力点の方向を導
出する方向導出手段と、前記各検出点における振動入力
点の方向に基づいて振動入力点座標を出力する出力手段
とを備える。

【０００８】上記構成により、振動入力点から伝播する
振動を検出して振動入力点までの方向と距離とを導出
し、それを求める座標値として出力する。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本実施形態における座標入
力装置の構造を示している。図中、１は装置全体を制御
すると共に、座標位置を算出する演算制御回路である。
振動子駆動回路２は振動ペン３内に配置され、振動子４
を振動させることでペン先を振動させる。振動伝達体８
はアクリルやガラス板等、透明部材からなる。振動ペン
３による座標入力は、この振動伝達板８上をタッチする
ことで行う。振動伝達板８の外周には、反射した振動が
中央部に戻るのを防止（減少）させるための防振材７が
設けられ、本実施形態では左上部に機械的振動を電気信
号に変換する振動センサ６ａ〜６ｂが固定されている。

【００１０】検出回路５は振動センサ６ａ〜６ｂで検出
した振動を処理し、結果を演算制御回路１に出力する。
振動ペン３に内蔵された振動子４は、振動子駆動回路２
によって駆動される。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振動子駆
動回路２によって所定ゲインで増幅された後、振動子４
に印加される。

【００１１】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、ペン先を介して振動伝達板
８に伝達される。

【００１２】振動子４の振動周波数をペン先を含んだ共
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。

【００１３】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、表面波等に比して振動伝達板の
表面の傷、障害物等の影響を受けにくいという利点を有
する。

【００１４】上述した構成に於いて、演算制御回路１は
所定周期毎（例えば１０ｍｓ毎）に振動子駆動回路２振
動ペン３内の振動子４を駆動させる信号を出力すると共
に、その内部タイマ（カウンタで構成されている）によ
る計時を開始させる。そして、振動ペン３より発生した
振動は振動センサ６ａ〜６ｂまでの距離に応じて遅延し
て到達する。

【００１５】振動センサ６ａ〜６ｂは、各々に入射する
角度に対して指向性を有している。図中、破線が指向性
方向を示す。各センサの長軸方向の長さは、概ね伝播す
る振動の半波長に等しく、この軸方向から振動入力に対
して、出力が最高になるように構成されている。これら
振動センサを、図２に示したように、指向する方向が９
０度をなすように配置した場合、その入射角度によっ
て、それぞれのセンサ出力の大きさが異なって出力され
ることになる。

【００１６】図２中、矢印１の方向から振動が入射した
場合には、各センサの指向性によりセンサ６ａの出力が
大きく、センサ６ｂの出力はそれに比して小さく出力さ
れる。逆に、矢印３の方向から入射した場合には、セン
サ６ｂの出力の方が大きくなる。それぞれの中央である
矢印２の方向からの振動入射に対しては、両センサの出
力はほぼ同程度の値となる。

【００１７】振動波形検出回路５は各振動センサ６ａ〜
６ｂからの信号を検出して、後述する波形検出処理によ
り各振動センサへの入射角および振動到達タイミングを
示す信号を生成するが、演算回路１はこの角度および、
振動到達時間から振動ペンの座標位置を算出する。また
演算制御回路１は、この算出された振動ペン３の位置情
報を、シリアル或は、パラレル通信によって外部機器
（ホスト機器等）に座標出力を行う（不図示）。

【００１８】図３は実施形態の検出回路５の概略構成を
示すブロック図で、各構成要素及びその動作概略を以下
に説明する。

【００１９】図中、増幅回路３１ａ，３１ｂはセンサ出
力を所定のゲインで増幅する。増幅されたセンサ出力
は、絶対値回路や低域通過フィルタなどで形成される包
絡線検出回路３２ａ，３２ｂにて、エンベロープ検出さ
れる。検出されたエンベロープは、ピークホールド回路
３３ａ，３３ｂによって、ピークホールドされる。この
ピークホールド回路は、次回の検出のためのリセット信
号が演算制御回路１から送られてくるまで、或は、後段
でのＡ／Ｄ変換が終了するまで、信号を保持する。保持
された２つのセンサからの電圧値は、公知の除算回路等
で構成された電圧比出力回路３４に入力される。電圧比
出力回路３４では、各々の出力電圧の比を出力する。一
般に弾性波を用いた座標入力回路等では、入力時の筆圧
によってかなりのレベル変動が生じる。そのため、各セ
ンサ出力の電圧値のみからでは、角度を特定できない。
そのために、本実施形態では、２つのセンサ出力の出力
電圧比をもって角度情報として検出している。検出され
た電圧比は、Ａ／Ｄコンバータ３５によって、デジタル
値に変換され、演算制御回路１内のマイクロコンピュー
タに入力される。マイクロコンピュータは、この値をも
とに、振動の入射角度を算出する。入射角度の算出は、
あらかじめ角度毎に作成しておいたテーブルを参照して
もよいし、或は角度に対する比出力を、最大から最小ま
での数値に規格化し、それに対応する計算値で表わして
もよく、適宜設計事項として各種算出方式を選択すれば
よい。

【００２０】例えば、図２においては、センサ６ａ，６
ｂの出力グラフ（ａ），（ｂ），（ｃ）が示されてい
る。これは、それぞれ振動の入射方向１，２，３それぞ
れに対応している。グラフ（ａ）の出力比が得られれ
ば、振動の入射方向は矢印１の方向であるし、グラフ
（ｂ）の出力比が得られれば矢印２の方向から入射した
振動であると判定される。このように出力比のグラフを
数値化し、それと入射角度を対応させた表を予め作成し
ておけばよい。

【００２１】また、電圧比出力回路３４も、本実施形態
では除算器を用いた構成にしているが、これを用いず
に、例えば図３で、センサ６ａ，６ｂそれぞれについて
の検出系毎に、Ａ／Ｄ変換器を設けても同様に構成でき
る。

【００２２】本実施形態では、上記検出角度と、伝播遅
延時間を用いて、座標算出する方法について説明する。

【００２３】＜振動伝搬時間検出の説明（図４，図５）
＞以下、振動センサ３までの振動伝達時間を計測する原
理について説明する。

【００２４】図４は振動波形検出回路５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
するための図である。尚以下、振動センサ６ａで距離算
出する場合について説明する。距離算出は、信号レベル
の大きい方を用いるというように、切り換えて行っても
よいし、又、両者の平均を用いてもよい。その様な場合
６ｂの検出についても全く同じである。

【００２５】振動センサ６ａへの振動伝達時間の計測
は、振動子駆動回路２へのスタート信号の出力と同時に
開始する。これら計測は、いわゆるデジタル回路で構成
されたカウンタによって実現は容易である。振動子駆動
回路２から振動子４へは駆動信号４１が印加されてい
る。この駆動信号４１によって、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、振動センサ６ａまで
の距離に応じた時間ｔｇをかけて進行した後、振動セン
サ６ａで検出される。図示の信号４２は振動センサ６ａ
が検出した信号波形を示している。

【００２６】この実施形態で用いられている振動は板波
であるため、振動伝達板８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４２２の関係は振動
伝達中にその伝達距離に応じて変化する。ここでエンベ
ロープ４２１の進む群速度をＶｇ、そして位相４２２の
位相速度をＶｐとする。この群速度Ｖｇ及び位相速度Ｖ
ｐから振動ペン３と振動センサ６ａ間の距離を検出する
ことができる。

【００２７】まず、エンベロープ４２１にのみ着目する
と、その速度はＶｇであり、波形上のある特定の点、例
えば変曲点を、エンベロープ４２１の２階微分信号４３
のゼロクロス点により検出すると、振動ペン３及び振動
センサ６ａの間の距離は、その変曲点までの振動伝達時
間を図示４９のｔｇとして、ｄ＝Ｖｇ・ｔｇ …（１）で与えられる。もちろんこの距離だけを用いて座標決定
することは可能である。しかし、より高精度な座標決定
をする為に、位相信号の検出に基づく処理を行う。

【００２８】位相波形信号４２２の特定の検出点、例え
ば振動印加から、ある所定の信号レベル４４１に達した
後のゼロクロス点までの時間をｔｐ４７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。なお、ｔｐ４７は、所定の信号レベルを越えた
ことを示す信号４５に対し所定幅の窓信号４４を生成
し、位相信号４２２を、後述の帯域通過フィルタ５１１
に入力して得られる窓信号４４と比較することで得る。
ここでλｐは弾性波の波長、ｎは整数である。

【００２９】前記（１）式と（２）式から上記の整数ｎ
は、ｎ＝［（Ｖｇ・ｔｇ−Ｖｐ・ｔｐ）／λｐ＋１／Ｎ］ …（３）と表される。

【００３０】ここで、Ｎは“０”以外の実数であり、適
当な値を用いる。例えば、Ｎ＝２とすれば±１／２波長
以内のｔｇ等の変動であれば、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及び振動センサ６ａ間の距離を精度良
く測定することができる。上述した２つの振動伝達時間
ｔｇおよびｔｐの測定のため信号４３及び４５の生成
は、振動波形検出回路５により行われるが、この振動波
形検出回路５は図５に示すように構成される。

【００３１】図５は実施形態の振動波形検出回路５の構
成を示すブロック図である。

【００３２】図５において、振動センサ６ａ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、帯域通過フィルタ５１１により
検出信号の余分な周波数成分が除かれ、例えば、絶対値
回路及び、低域通過フィルタ等により構成されるエンベ
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。又、この回路では、ｔｇ，ｔｐ
検出回路で用いられる窓信号の出力も行われる。エンベ
ロープのタイミングは、２回微分回路５３によって検出
される。ピーク検出回路はモノマルチバイブレータなど
から構成されたｔｇ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である信号ｔｇ（図４
信号４３）が形成され、演算制御回路１に入力される。

【００３３】一方、ｔｐ信号検出回路５５は、エンベロ
ープ検出回路５２で検出された窓信号をもとに、信号４
４の位相信号４７のゼロクロス点を検出し、位相遅延時
間信号ｔｐが演算制御回路１に供給されることになる。
この信号により、遅延時間を測定し、センサから振動入
力点までの距離を算出する。

【００３４】遅延時間内の、誤差成分等は、特公平５−
６２７７１号の記載などの公知の方法により、行えば、
精度のよい距離検出が可能になる。

【００３５】このように、振動入力点までの距離ｄが分
かれば、例えば極座標のまま出力するなら、座標点を角
度θとともに、（θ，ｄ）で出力することも可能である
し、又、直交座標系に座標変換して（ｘ，ｙ）として出
力することも可能である。

【００３６】

【第２実施形態】図６は本発明のもうひとつの実施形態
を示す図であり、上部角部ではなく、中央部に、３つの
異方性を有するセンサを配したものである。

【００３７】この場合には、６Ａ，６Ｂ，６Ｃのレベル
比から角度を算出すればよい。

【００３８】図６では、各センサの背面からの入射と、
開口方向から入射する振動との差を設けるために、セン
サの背面方向に、防振作用を持つ部材６Ｄ（樹脂、ゴム
材等からなる）を設け、指向性をより強調するように構
成してある。

【００３９】以上説明においては、角柱のセンサを用い
て説明してきたが、もちろん指向性を有するセンサであ
れば、円、楕円、その他のどのような形状でも構わな
い。

【００４０】又、分極方向を制御することで、異方性を
生じせしめ、利用することも可能である。

【００４１】

【第３実施形態】第２実施形態においては、検出された
角度と、伝播遅延時間より得られる距離から座標を求め
る例について説明してきた。ここでは、遅延時間を用い
ずに角度のみから座標算出を求める例について説明す
る。

【００４２】図８は第１の実施形態と同様の機構を右上
角にも設け、２箇所で角度検出を行った例であり、両セ
ンサ間の距離（座標）が既知であれば、両者の角度が交
差する点を計算することで座標値が得られる。

【００４３】例えば、センサ間の距離をＸ、各々で検出
された角度をθ，φとすれば、図８のような座標系にお
いて、ｘ＝Ｘ・ｔａｎφ／（ｔａｎθ＋ｔａｎφ）ｙ＝Ｘ／（１／ｔａｎθ−１／ｔａｎφ）で計算される。

【００４４】このように構成することで、伝播遅延時間
を計測するための構成が不要となり、回路構成が簡単に
なり、安価な装置を提供できるという効果が、さらに得
られる。

【００４５】また、検出回路を左右のセンサで時分割に
用いても、更に低コスト化が図れる。

【００４６】尚、本発明は、複数の機器から構成される
システムに適用しても、１つの機器から成る装置に適用
しても良い。また、本発明はシステム或は装置にプログ
ラムを供給することによって達成される場合にも適用で
きることは言うまでもない。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、入射
角度に対する異方性を有するセンサを複数用い出力の比
を検出することで、筆圧等のレベル変動に関係無く、角
度検出が行え、センサ設置箇所を少なくできるため、無
効エリアをあまり必要とせず、コンパクトな座標入力装
置を提供できる。

【００４８】また、角度検出のみで、座標算出する構成
を取れば、回路の簡素化が図れ、低コストという大きな
メリットがある。

【００４９】

【図面の簡単な説明】

【図１】座標入力装置のブロック構成図である。

【図２】入射角度とレベルの説明図である。

【図３】検出回路ブロック図である。

【図４】信号処理のタイムチャートである。

【図５】遅延時間検出回路のブロック図である。

【図６】他の実施形態を示す図である。

【図７】従来の座標算出の説明図である。

【図８】座標算出の説明図である。

【符号の説明】

１演算制御回路２振動子駆動回路３振動入力ペン４振動子５検出回路６ａ〜６ｂ振動センサ７防振材８振動伝達板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者時岡正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)発明者佐藤肇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)発明者柳沢亮三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】入力された振動を伝播する伝播部材と、前記伝播部材に伝播する振動を検出する、指向性を有す
る振動検出手段と、前記振動検出手段によって検出された振動から、振動入
力点の方向を導出する方向導出手段と、前記振動検出手段によって検出された振動の伝播時間を
計測し、振動入力点までの距離を導出する距離導出手段
と、前記振動入力点の方向及び距離に基づいて振動入力点座
標を出力する出力手段と、を備えることを特徴とする座
標入力装置。
【請求項２】前記振動検出手段は、それぞれの指向す
る方向が所定の角度を成すように配置した指向性を有す
る少なくとも２つの振動センサを含み、前記方向導出手
段は、前記各出力センサが振動を検出したその出力比に
基づいて方向を導出することを特徴とする請求項１に記
載の座標入力装置。
【請求項３】前記距離導出手段は、振動が入力されて
から検出されるまでの遅延時間と振動の伝播する速度と
に基づいて振動入力点までの距離を導出することを特徴
とする請求項１又は２に記載の座標入力装置。
【請求項４】前記振動入力点の方向と距離とで表され
た極座標系を、直交座標系に変換する変換手段を更に備
え、前記出力手段は直交座標系で振動入力点の座標を出
力することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載
の座標入力装置。
【請求項５】前記振動伝播体は矩形形状であり、前記
振動検出手段は、前記振動伝播体の隅部付近に、指向す
る方向がそれぞれ直交する矩形の辺に沿うように配置さ
れた２つのセンサを含むことを特徴とする請求項２に記
載の座標入力装置。
【請求項６】前期振動伝播体は矩形形状であり、前記
振動検出手段は、前記振動伝播体の１辺の中央付近に、
指向する方向がそれぞれ９０度ずつ異なるように配置さ
れた３つの振動センサを含むことを特徴とする請求項２
に記載の座標入力装置。
【請求項７】入力された振動を伝播する伝播部材と、前記伝播部材に伝播する振動を前記振動伝播体上の少な
くとも２ヶ所の検出点で検出する、指向性を有する振動
検出手段と、前記振動検出手段によって検出された振動から、前記各
検出点における振動入力点の方向を導出する方向導出手
段と、前記各検出点における振動入力点の方向に基づいて振動
入力点座標を出力する出力手段と、を備えることを特徴
とする座標入力装置。
【請求項８】前記振動検出手段は、各検出点につい
て、それぞれの指向する方向が所定の角度を成すように
配置した指向性を有する少なくとも２つの振動センサを
含み、前記方向導出手段は、前記各出力センサが振動を
検出したその出力比に基づいて方向を導出することを特
徴とする請求項７に記載の座標入力装置。