JPS5816509B2 - 弾性波を用いた座標検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、弾性波を用いた座標検出装置に関し、詳しく
は、弾性波の遅延時間を計数することにより、位置座標
を求める座標入力装置に関するものである。

従来、弾性波の放射点から検出点までの伝播に要する遅
延時間を計数して、音速と遅延時間の積を求めることに
より放射点から検出点までの距離を求め、放射点あるい
は検出点の位置座標を求める座標入力装置としては、弾
性波の伝播のさせ方により大別して３つの方式がある。

その第１は空中を伝播させる方式、第２はガラスなどの
固体表面を伝播する表面弾性波（レーレ−波）を用いる
方式、第３は弾性波の波長に比して薄い板厚の均一等方
性基板を伝播する板波弾性波（ラム波）を用いる方式で
ある。

第１の方式の典型は「ソニック・ペン」で検出すべき位
置座標を指示する入力ペンの先端で放電させ、発生する
弾性波（音波）が空中を伝播し座標検出平面の２辺に設
けた棒状マイクロホンにより音波を検出するものである
。

座標検出平面に手などの障害物があると、音波の伝播を
妨げ座標検出動作に障害となるため、操作性に難がある
。

第２の方式では原理的に伝播媒質の表面状態により表面
弾性波の伝播が左右される。

入力ペンには圧電素子が内蔵されていて、固体表面の座
標検出平面の２辺より励振された弾性波を同平面上の任
意の点に押しつけられた入力ペンにより受信、電気信号
に変換して弾性波の検出を行い、任意点の座標を読取る
。

入力ペンによる座標指示中、手などを座標検出平面に置
くと動作に障害が生じることがある。

また用紙を座標検出面に置いて文字や図形を描きながら
文字や図形を構成する座標を求めて行くよ５な実用上重
要な座標検出方式をとることは不可能である。

このように第２の方式は座標検出装置としては操作性、
機能の点でかなり制限を受けるものと言わねばならない
。

次に、第３の方式では弾性波の波長が比較的長いこと、
弾性波は座標検出平面となる平板の表面のみならず平板
の内部をも伝播するので表面状態にほとんど左右されず
、用紙を座標検出平面上に置いてボールペンと圧電素子
を結合した入力ペンにより文字や図形を描きながら座標
検出を行うことができる。

また手などを置いても動作に支障をきたすことはない。

このように第３の方式は、計算機など情報処理機械への
図形や文字の座標入力方式として機能、操作性において
他方式に比し非常に優れていると考えられる。

しかし、この方式を実用化する上で、解決しなければな
らぬ技術的問題点が残されている。

それは百数十キロヘルツ程度の低い周波数の弾性波を用
いるため、弾性波の伝播する座標検出平板の端部におけ
る反射波を十分小さく抑えるための平板端部における無
反射終端処理が困難であることである。

これは弾性波の波長が長いため、適当な大きさの無反射
終端では十分弾性波が吸収されないためである。

そこで、従来考えられた対策は、アクリル板のような弾
性波の減衰定数の大きな板材を用いることである。

減衰定数が大きいから、座標の検出周期を実用上杵され
るだけ十分長くとっておけば、反射波は座標検出平板内
で多重反射を繰り返すうちに、座標検出周期内で十分減
衰して次の座標検出動作には影響がないほどに十分小さ
くすることができる。

また、アクリル板のように減衰定数の大きな高分子材料
では一般に音速が小さく、座標検出精度を上げられると
いう利点もある。

しかし、高減衰材料には以上の利点がある反面、弾性波
の検出信号の振幅が検出座標に依存して、減衰のため変
動するという問題点がある。

これは、従来弾性波を閾値処理により検出する場合、検
出動作の安定性を損ねる要因となっていた。

本発明の目的は、このような問題点を解決するため、高
減衰材料を座標検出平板として板波弾性波を用いる座標
検出装置において、弾性波の減衰を閾値処理において補
償することにより、安定かつ高精度で板波弾性波を検出
することができる座標検出装置を提供することにある。

本発明の弾性波を用いた座標検出装置は、弾性波の減衰
特性に一致して、遅延時間とともに指数関数１に減衰す
る閾値発生回路を設けることを特徴としている。

以下、本発明の実施例を、図面により説明する。

第１図は、板波を用いた座標検出装置の構成図である。

座標検出平板１は、ＸおよびＹ両軸の端部に各各Ｘ軸用
圧電素子２およびＹ軸片圧電素子３を接着したアクリル
板であり、圧電素子２，３としてはＰＺＴ圧電セラミッ
クが使用できる。

Ｘ軸片圧電素子２およびＹ軸片圧電素子３は、それぞれ
Ｘ軸駆動回路４およびＹ軸駆動回路５によって交互にパ
ルス駆動され、アクリル板中に機械振動すなわち板波を
交互にＸ軸方向およびＹ軸方向に放射する。

板波は主に圧電素子の形状、材質によって決まる振動周
波数を有し、座標検出平板１０弾性定数と厚さによって
決まる一定の伝播姿態をとり、一定の速度で伝播する。

Ｘ軸片圧電素子２をパルス駆動すると、板波はＸ軸方向
に一定の速度で伝播し、この板波を座標検出平板１に押
しつけられた入力ペン７にて検出し、パルス駆動から検
出するまでの時間間隔を後述する方法にて計数し、ペン
位置のＸ座標を得る。

次いで、Ｙ軸片圧電素子３をパルス駆動し、Ｘ軸の場合
と同様の処理にてペン位置のＸ座標を得る。

なお、圧電素子２および３の長さを各々座標検出領域６
の各辺の長さよりも大きくしておくことにより、アクリ
ル板中を伝播する板波は、Ｘ軸方向に平行あるいはＹ軸
方向に平行に伝播する平面波とみなすことができ、上記
座標検出動作を正確に行うことができる。

入力ペン７は、黄銅製円錐形ホーン８の細端部にボール
ペン９を圧入し、ホーンの太端部に振動検出用圧電素子
１０が接着された構造であり、伝播してきた板波をボー
ルペン９の先端が受信し、ホーン８を介して効率よく伝
送し、圧電素子１０に振動を与える。

与えられた振動は、圧電素子１０にて電気信号に変換さ
れ増幅回路１１によって増幅された後、座標検出回路１
２に入力される。

第２図は、本発明が適用される座標検出装置の座標検出
平板１と入力ペン７を除いた実施例のブロック図である
。

Ｘ軸およびＹ軸駆動回路４，５と増幅器１１以外の部分
は、第１図の座標検出回路１２を構成するものである。

基準クロックパルス発生器４１の出力パルスは、分周回
路４２にて分周され、その分周出力によりフリップフロ
ップ回路４３は適当な繰り返し周期にてセット・リセッ
トを繰り返す。

この繰り返し周期は、Ｘ座標およびＸ座標の検出周期に
より設定される。

分周回路４２の出力は、Ｘ軸駆動回路４およびＸ軸駆動
回路５に供給され、Ｘ軸駆動回路４およびＸ軸駆動回路
５はフリップフロップ回路４３の状態に応じて交互に動
作し、各々Ｘ軸片圧電素子２あるいはＹ軸用電素子３を
駆動する。

一方、分周回路４２の出力は計数回路４４、検出信号閾
値処理回路４５にも供給され、それぞれ初期状態に設定
するとともに動作を開始せしめる。

計数回路４４は、圧電素子２，３を駆動してから実際に
板波が座標検出平板１の座標検出領域６に到達するまで
の遅延時間や、板波が入力ペン７の先端部に達してから
圧電素子１０にて検出されるまでの遅延時間を位置座標
決定用の全体の伝播遅延時間から取り除くためのもので
ある。

入力ペン７内の圧電素子１０にて電気信号に変換された
信号は、増幅器１１にて増幅された後、検出信号閾値処
理回路４５に入力される。

検出信号閾値処理回路４５は、後述する閾値処理により
板波の正しい検出時点を示す検出パルスと、正しい検出
動作が行われたことを示すペンダウン信号を出力する。

ノリツブフロップ回路４６は、計数回路４４のキャリー
出力にてセットされ、検出信号閾値処理回路４５の検出
パルスにてリセットされ、位置座標を決定するための伝
播遅延時間の間セットされている。

計数回路４７は、フリップフロップ回路４６がセットさ
れている間、基準クロックパルスを計数し、計数結果を
出力する。

例えば、基準クロックパルスの周波数をｆ（ＭＨｚ美所
望の座標分解能をｎ（本／ｍｍ）、板波の音速をｅ（ｍ
ｍ／μｓ）とすると、ｆ ＝ ｎ Ｘ ｃに設定してお
けば、計数回路４７の計数結果は入力ペン位置のライン
番号を示しており、計数回路４７の計数結果を１７ ｎ
倍した値はペン位置の絶対座標（単位能）を示すことに
なる。

例えば、３ｍ１ｒｔ厚のアクリル板に板波の基底モード
（ラム波対称波）を伝播させたとき、音速の実測値とし
てｃ ＝ ２．３５ （ｋｍ／ Ｓ ） ＝２．３５
Ｃｍｍ／ ｐ Ｓ ）が得られ、ｎ＝４（本／ｍｍ）と
するとクロック周波数ｆは９．４ （ＭＨｚ ＞となる
。

第３図は検出信号閾値処理回路４５の一実施例を示す図
である。

また、第４図は第３図に示した検出信号閾値処理回路の
各構成部における入力出信号の関係を示し、閾値処理に
よる弾性波の検出動作を説明するタイムチャートである
。

第４図には、本発明装置で処理する典型的な検出信号Ｖ
８（増幅器１１の出力）の波形例を示しており、特に波
形の波頭部分Ａを詳しく表わしている。

座標検出平板端部の圧電素子の駆動回路および入力ペン
に続く弾性波の検出増幅器では直流成分は遮断され、ま
た平板を伝わる板波基底モード以外の高次モードおよび
高域雑音を遮断するため、検出増幅器の高域利得は十分
抑えられているので、パルス駆動によって生じる板波弾
性波の横比波形は、一般に第４図に示すような高周波パ
ルス状になり、検出信号ｖ８は数個のピーク値を持つよ
うになる。

本発明では波頭部分Ａの中、前駆的な振幅の小さな最初
のうねりを除いて、第４図に示すように、主要なピーク
に第１ピーク（■）、第２ピーク（■）および第３ピー
ク（■）と順次番号をつけることとする。

Ｅｌ〈Ｅ２となるＥｌとＥ３の２つの閾値を設け、Ｅｌ
が第１ピークを、Ｅ２が第２ピークを検出した場合のみ
正しく板波が検出されたものとし、確実な入力ペンの座
標検出平面への押下接触を示すペンダウン信号を出力す
るものとする。

押下圧が小さい場合、第５図に示すように、閾値Ｅ１が
第２ピークをとらえ、第１ピークをとらえた場合に比較
して大きな遅延時間を与え、座標値に誤差を与えること
になるが、この時閾値Ｅ３ の値を適当に大きくとって
おけば、閾値Ｅ２はどのピークもとらえることがないよ
うにすることができ、論理回路処理によりペンダウン信
号を出力しないようにすることができる。

このような正常なペンダウンの判定処理は、第１ピーク
と第２、第３ピーク以後の各ピークとのレベル差が、第
２、第３ピーク以後の各ピーク相互間のレベル差より大
きいことを利用して行われるもので、第１ピークが板波
検出信号波形の包絡線の立上り区間に存在することによ
る。

以上のペンダウン処理により、常に第１ピークによる座
標検出が行われ押下圧の変動により座標検出動作の途中
で検出座標が飛ぶということが避けられる。

また、座標検出が行われるためには、２つの閾値処理を
経る必要があるので、孤立的な雑音信号を誤検出する可
能性も著しく小さくなるという利点も生じる。

上記のペンダウン処理の代替手段としては、従来の座標
検出装置で用いられているように押下圧で動作する機械
的なマイクロスイッチなど特別なぺ、ダウン検出素子を
入力ペンに装備して、一定の押下圧が加えられないとペ
ンダウン信号が出力しないようにしておき、ペンダウン
信号が出力中は板波検出信号波形の第１ピークが閾値Ｅ
１を常に越えて第１ピークによる正しい座標検出動作を
行わしめるようにしてもよい。

次に、第３図と第４図を用いて座標検出動作をさらに詳
しく説明する。

第３図で、５１は増幅器１１の出力である検出信号Ｖ８
の番受さ点を立上りおよび立下り点とするパルス列Ｖ。

を出力する比較器である。５１′はパルス列Ｖ。

の立下り点において単一パルスＶ。

を出力する単一パルス発生器である。パルスＶ。

は検出信号Ｖ８の各ピークの２つの客受さ点の中、後に
生じる客受さ点の発生時点を示し、遅延時間計数回路の
計数停止時点の候補を与える。

５２は、閾値Ｅ１と検出信号Ｖ８の比較を行い、第１ピ
ークの検出出力を含むパルス列Ｖｌを出力する比較器で
ある。

フリップフロップ５３がリセット状態で、その互端子出
力ＶｉがＶｉ＝１（Ｑ＝Ｏ１Ｑ＝１）であるとき、比較
器５２の出力ＶｌはＡＮＤゲートを通過してフリップフ
ロップ５４をセットし、検出有効信号Ｖｕを出力せしめ
る。

検出有効信号ｖｕは遅延時間計数停止時点を指示す。

る候補信号列Ｖ。

の中からＡＮＤゲートにおいて遅延時間計数停止信号を
検出し、所望の検出パルスＶｄを発生せしめる。

このとき同時に、パルス信号ｖｅの立下り時点でノリツ
ブフロップ５４をリセットして検出有効信号Ｖｕを停止
せしめ、後、続のパルスＶ。

による検出パルスの発生を抑える。また、検出パルスＶ
ｄはフリップフロップ５３をセットし、その出力Ｖｉを
Ｖｉ ＝０ （Ｑ＝１、ｑ＝０）とし、比較器５２の出
力ＶｌのＡＮＤゲート通過を阻止し、検出有効信号Ｖｕ
の発生を抑えて・上記検出パルスＶｄの新たな発生を抑
える。

このようにして得られた検出パルスＶｄは、第１ピーク
の所望σ客受さ点を与え、第２図のノリツブフロップ４
６に入力され、計数回路４γの遅延時間計数動作を停止
せしめ、板波の伝播遅延時間の正しい安定した計数結果
を与えることになる。

一方、検出パルスＶｄは、単安定マルチバイブレータ５
５にも入力され、検出信号ｖ８の第２ピークの発生する
時間領域に相当するパルス幅のパルス信号ｖｍを発生せ
しめる。

５６は閾値Ｅ ２ と検出信号Ｖ８を比較し、第２ピー
クの検出出力を含むパルス列Ｖ２を出力する比較器であ
る。

出力Ｖ２とパルス信号Ｖｍ をＡＮＤゲートに入力する
□と、第１ピークの客受さ時点を示す検出パルスｖｄに
引き続き生じる第２ピークの検出出力が抽出される。

このＡＮＤゲート出力は確実なペンダウンが行われたこ
とを示し、フリップフロップ５７を七ソトシて、その出
力にペンダウン信号Ｖ、を生せしめる。

以上の動作は、フリップ７０ツブ５３．５７を第２図分
周回路４２の出力によりリセットすることにより繰り返
し行われ、検出信号閾値処理回路４５はＸ軸方向および
Ｙ軸方向に伝播する板波の検出パルスを交互に出力し、
第２図について説明したようにフリップフロップ４６を
駆動してＸ座標およびＸ座標の計数を交互に行わしめる
。

以上の閾値処理は、一定の押下圧の下で一定の振幅の検
出信号ｖ８が得られる場合のみ正しく行われるが、板波
に伝播による減衰が伴う場合は圧電素子２，３から遠（
離れた位置における検出信号ｖ８の振幅は伝播による減
衰のため同じ押下圧でも圧電素子２，３に近い位置にお
ける検出信号の振幅よりも小さくなり、ちょうど第５図
に示した押下圧の小さい場合と同様に遠い位置では板波
な検出できないことがある。

本発明はこの点に鑑み、閾値Ｅ１．Ｅ２を座標検出位置
の圧電素子２゜３からの距離に応じて変わるようにした
ものである。

ところで、板波弾性波は伝播距離およびこれと等価な伝
播遅延時間に対して指数関数的に減衰することが実験的
に確認されている。

したがって、閾値Ｅ１．Ｅ２として遅延時間に対して指
数関数的に減衰する信号を供給してやればよい。

このような信号は、第６図に実施例を示すような充放電
回路によって実現でき、板波の衰衰定数と放電時定数Ｃ
Ｒの逆数を一致させれば、検出位置にかかわらず、一定
押下圧の下では板波の検出信号の振幅と閾値Ｅ１．Ｅ２
との関係を一定に保つことができる。

第６図で、充放電回路の入力Ｖ。ｉは第２図の分周回路
４２の出力・々ルスと同期しており、入力Ｖ。

ｉの・ぐルス幅Ｔは板波が座標検出領域６の始端に達す
るまでの遅延時間に等しくとってあり、充放電回路の出
力は座標検出領域の始端から終端に向って板波の振幅に
比例して指数関数的に減衰するようになっている。

第７図は、第３図に示した検出信号閾値処理回路におい
て比較器５２．５６の閾値Ｅ１．Ｅ２として上記の指数
関数的に減衰する信号を供給する場合の実施例を示した
ものである。

５８−１．５８−２は第６図に示した充放電回路で出力
段に出力振幅の調整回路を付加されており、それぞれ指
数関数的に減衰する閾値Ｅ、、Ｅ２を供給する。

５１３−１．５Ｂ−２の入力は分周回路４２（第２図）
の出力で駆動される単安定マルチバイブレータ５９の出
力Ｖ。

ｉで、そのパルス幅Ｔは回路定数の調整により自由に設
定でき、第６図に示したような所望の閾値信号を５８−
１、５ ［２より出力せしめる。

以上説明したように、本発明によれば、閾値が遅延時間
に対して指数関数的に減衰するようにしたため、板波弾
性波の伝播遅延に伴う減衰にもかかわらず安定した板波
弾性波の検出が可能となり、減衰は犬といが音速が小さ
い板材を座標検出平板とする、反射波の影響の少ない、
座標検出精度の高い安定な座標検出装置を実現すること
ができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は座標検出装置の典型的な構成例を示す図、第２
図は座標検出装置の動作を説明するブロック図、第３図
は座標検出装置の検出信号閾値処理回路の構成例を示す
図、第４図は検出信号閾値処理回路の動作を説明するタ
イムチャート、第５図は座標検出されない場合の閾値と
弾性被検出信号の関係を示す図、第６図は本発明装置に
おける遅延時間と共に指数関数的に減衰する閾値信号を
供給する充放電回路の実施例を示す図、第７図は本発明
装置の検出信号閾値処理回路中の比較器に指数関数的に
減衰する閾値を供給するための回路の実施例を示す図で
ある。 １：座標検出平板、２：Ｘ軸周圧電素子、３：Ｘ軸周圧
電素子、４：Ｘ軸駆動回路、５：Ｙ軸駆動回路、６：座
標検出領域、７：入カベ／、８：黄銅製円錐形ホーン、
９：ボールペン、１０：振動検出用圧電素子、１１：増
幅器、１２：座標検出回路、４１：基準クロック−ぐル
ス発生器、４２：分周回路、４３：フリップフロップ回
路、４４：計数回路、４５：検出信号閾値処理回路、４
６：フリップフロップ回路、４７：計数回路、５１：比
較器、５１′：単一パルス発生器、５２：比較器、５３
．５４：フリップフロップ回路、５５：単安定マルチバ
イブレーク、５６：比較器、５７：フリップフロップ回
路、５Ｂ−１，５８−２：充放電回路、５９：単安定マ
ルチバイブレーク。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 板波弾性波の放射位置から入力ペンによる弾性波検
   出位置までの伝播遅延時間を計数して、上記入力ペンの
   位置座標を検出するため、座標検出平板端部の圧電素子
   をパルス駆動することにより得られる高周波パルス状の
   板波弾性波の波頭部を形成する大小２つのピークを、閾
   値が大小異なる２つの比較器により検出して、弾性波の
   波頭部を検出する座標検出装置において、一定の減衰定
   数を有する座標検出平板を設け、該座標検出平板を伝播
   する板波弾性波の減衰特性に一致して伝播遅延時間とと
   もに指数関数的に減衰する大小２つの閾値発生手段を、
   上記大小２つの閾値に対応して設け、波頭検出のための
   上記２つの比較器に指数関数的に伝播時間とともに減衰
   する閾値を供給することを特徴とする弾性波を用いた座
   標検出装置。