JPS636619A

JPS636619A - 入力装置

Info

Publication number: JPS636619A
Application number: JP61149742A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Kaneko; 潔兼子; Atsushi Tanaka; 淳田中; Yuichiro Yoshimura; 雄一郎吉村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-06-27
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1988-01-12
Also published as: JPH0560615B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、弾性波を用いた座標検出装置で、特に弾性波
中の板波を用いて座標位置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、弾性波を利用したこの種の装置では、増幅演算回
路等からスタート信号がパルス発生器に出力され、これ
に応じてパルス発生器はパルス電気信号を発生し、これ
により駆動された圧電素子により発生した振動を座標人
力用の、例えば振動ペンのペン先（ホーン）を通して振
動伝播体に弾性波として伝播させていた。これをセンサ
用の圧電素子により圧電電圧として検出し、スタート信
号と同期させて、それぞれのセンサ用圧電素子により検
出されるまでの遅延時間を繰り返し測定し、振動発振源
（ペン先）の位置座標を検出していた。

［発明が解決しようとする問題点コしかし、その振動ペンと弾性波を受信する圧電素子との
間に物、傷或いは手等が存在すると、その障害物により
弾性波が減衰してしまい、算出した座標位置が違ってし
まうことがあり、更に又測定不能等の障害が起きるとい
う問題があった。

そこで、障害物による減衰がすくない板波を使用するこ
とが考えられる。しかし、その弾性波が伝播していく際
に分散が起きてしまい、且つ群速度と位相速度が違うた
め、受信したパルス群中の所定パルスをスレッシュホー
ルドレベルを設けて検出した場合、位相速度に対して±
１／２波長分（１波長分）の誤差が出てしまうという欠
点があった。

本発明は上記従来技術に鑑みなされたものであり、精度
が高く、且つ使い勝手の良い座標入力装置を提供するこ
とにある。

［問題点を解決するための手段］この問題を解決するために本発明は以下の様な構成から
なる。

すなわち、座標入力盤上の所望の位置を指定し、前記座
標入力盤を付勢して弾性波を発生する位置指定手段と、
前記座標入力盤の所定位置に固定され前記弾性波を受信
し、その強度に対応した電気信号を発生する複数の受信
手段と、前記電気信号から前記弾性波の群速度の伝播時
間を検出する第１の検出手段と、前記電気信号から前記
弾性波の位相速度の伝播時間を検出する第２の検出手段
と、該第１、第２の検出手段により検出した伝播時間値
から前記位置指定手段により指定された座標位置を算出
する算出手段とを備える。

［作用］かかる本発明の構成において、第１、第２の検出手段に
より検出された伝播時間を基に、位置指定手段の座標位
置を算出手段により算出する。

以下、余白［実施例］以下、添付図面に従って本発明に係る実施例を詳細に説
明する。

［全体構成図の説明］第１図は本実施例に係る座標入力装置の全体構成図であ
る。

図中、１は本装置全体を制御し、座標位置を算出する演
算制御部であり、必要に応じて外部のホストコンピュー
タ等へ検出した座標位置を送信する。２は後述する圧電
素子４にパルス信号を送信する振動子駆動回路である。

３は座標を入力する人力ペンであり、内部に振動子駆動
回路２から送られてくるパルス信号により振動する圧電
素子４と、この圧電素子４からの振動を拡張するペン先
（以下、ホーンという）５を備えている。６ａ〜６ｃは
人力ペン３で伝播媒体８（例えばガラス）上を位置指定
した際に伝播する弾性波を受信して電気信号に変換する
圧電素子である。７は弾性波の伝播媒体８端部での反射
を無くするための反射防止材であり、例えばシリコンゴ
ムなどからなる。９は圧電素子６ａ〜６ｃで弾性波を受
信して発生した電気信号を基に、遅延時間を検出する信
号を発生する受信波形検出部である。尚、この受信波形
検出部９の詳細については後述する。１゜は演算制御部
１でもって入力ペン３のホーン５の接触点の座標位置を
算出し、その情報を受けて後述するデイスプレィ１１上
の位置に例えば点を表示させるためのデイスプレィ駆動
部である。１１はデイスプレィであり、伝播媒体８と重
ねることにより、人力ペン３で人力した情報をリアルタ
イムで表示（あたかも、筆記具で紙に記入しているのと
同じ様に）する。

以上の説明した構成における本実施例の処理動作の概要
を以下に説明する。

先ず、人力ペン３を伝播媒体８上を指示したときに発生
する弾性波を圧電素子６ａ〜６ｃでそれぞれ受信し、そ
の強度に対応した電気信号（以下、検出信号という）に
変換する。この検出信号を受けて受信波形検出回路９で
受信信号を発生し、この信号を基に演算制御部１で、人
力ペン３と伝播媒体８との接触点の位置座標を演算し、
その位置座標データをデイスプレィ駆動回路１０に出力
し、デイスプレィ１１に表示するものである。

［受信波形の説明（第２図、第３図）コこのときの、振
動子駆動回路２から発生した電気パルス信号と、センサ
用の圧電素子６ａ（他の圧電素子６ａ、６ｂについても
全く同じであるので、以後圧電素子６ａについてのみ説
明する）で変換された検出波形を第２図に示す。

図中、１２は振動子駆動回路２から入力ペン３内の圧電
素子４に出力される信号であり、数個のパルスでもって
駆動する。尚、パルス幅は、振動子の共振周波数に合せ
て設定する。これを受けて圧電素子４は振動し、その振
動がホーン５を介して増幅されて弾性波として伝播媒体
８を付勢して伝播させる。このときの伝播遅延時間を検
出するわけである。尚、このときの弾性波として本実施
例では板波を使用するものとする。板波を利用するのは
、伝播媒体８上に傷があったり、物（例えば手など）が
置いてあったりした場合にも、はとんど影響がなく、セ
ンサ用の圧電素子６ａで板波を検出できるからである。

また、第２図で１４はセンサ用の圧電素子６ａで検出し
た検出信号であり、１３の破線部は検出信号１４の包絡
線である。この板波による検出信号１４の波形は分散に
より群速度と位相速度が違うので、常に一定の形になら
ない。この原因としては、検出信号１４の包絡線１３の
全体の形が、伝播する速度（群速度）と圧電素子４を駆
動する信号１２に対応した周波数に対する伝播速度（位
相速度）とが異なるため、人力ペン３とセンサ用の圧電
素子６ａの距離によって、検出信号１４の位相が包絡線
１３の全体の形に対して、それぞれ違った位相が出てき
てしまうからである。従って、遅延時間を検出する時に
は、この群速度、位相速度の違いによって生ずる誤差を
小さくする方法で検出しなければならないわけである。

ここで、伝播遅延時間を検出する方法について詳述する
。

前述した様に、検出信号１４の検出波（パルス）の群れ
のどの部分を検出して、入力ペン３の位置からセンサ用
の圧電素子６ａ〜６Ｃへの伝播遅延時間とするかで、検
出した遅延時間に対する誤差が±１／２波長分となって
しまう。

この例として、検出信号１４に対して、あるスレッシュ
ホールドレベルを設けて受信信号を発生させた場合を第
３図に示す。図中、１５．１７は検出信号であり、この
間に入力ベン３は微小な距離を動いたものである。また
１６．１８はそれぞれ検出信号１５．１７をスレッシュ
ホールドレベルでもって比較されて発生した所定長の受
信信号である。前述した様に分散の影響で小さい波の位
置（位相）が入力ベン３と圧電素子６ａとの距離で変化
するため、同じレベルの閾値（スレッシュホールドレベ
ル）でもって受信信号１６．１８を発生した場合、たと
えその間の８動距離が微小であっても、検出遅延時間は
約１波長分動いてしまうことがある。第３図では“Ｘ”
が結局誤差（実際は“Ｘ”から微小移動距離を引いた値
が誤差）となってしまうことになる。

この誤差分を無くすために、検出波の群れの速度（群速
度）と、検出波の速度（位相速度）の２つを基に遅延時
間を検出して、座標位置を出すわけである。この検出方
法として本実施例では、検出信号１４から包絡線１３を
求め、この包絡線１３のピークを検出し、この検出にか
かるまでの群速度に基づいた遅延時間をＴｇとする。ま
た、この検出した群速度に対応する遅延時間Ｔｇは、検
出波の波の集まりをひとつの波としているため、分解能
（精度）としては、検出波よりも落ちる。

しかし、大まかな距離の検出はできる。従って、このＴ
ｇを検出した後の最初に来る検出波のひとつのゼロクロ
スした点を検出するものであり、この検出にかかるまで
にかかる伝播遅延時間をＴＰとする。この群速度、位相
速度を利用して得た伝播遅延時間Ｔｇ、”ｒｐから座標
位置を演算することで誤差の少ない分解能（精度）の高
い検出ができることになる。

［受信波形検出回路と、その動作説明（第４図、第５図）］第４図は受信波形検出回路９の内部構成を示した図であ
る。尚、ここで示すのはセンサ用の圧電素子６ａに対す
るものであり、他の圧電素子６ｂ、　　６ｃに対しても
全く同じものである。

図中、１９は圧電素子６ａで検出した検出信号を増幅す
る前置増幅回路、２０は前置増幅回路１９で増幅された
信号から包絡線を検出する包絡線検出回路（例えばロー
パスフィルター）、２１は包絡線検出回路２０で検出さ
れた包絡線のピークを検出する包絡線ビーク検出回路（
例えば微分回路）、２２は群速度を利用して包絡線ピー
ク検出回路２１より検出した群速度の伝播遅延時間Ｔｇ
を表わす信号を出力するＴｇ信号検出回路（例えば、ゼ
ロクロスコンパレータ）、２３は群速度遅延時間Ｔｇの
信号からある時間ゲートを開く（窓を開＜）ｊ１１安定
マルチバイブレータ、２４はマルチバイブレータ２３で
つくられた時間にコンパレータ２６へのコンパレートレ
ベルを与えるコンパレートレベル供給回路、２５は上述
した各回路（２０〜２４）内で処理するときにロスした
時間を調整する遅延時間調整回路であり、ここを通った
信号とコンパレートレベル供給回路２４で発生したコン
パレートレベルとを比較することにより発生した位相速
度に対する信号が検出されるまでの遅延時間Ｔｐを検出
する。

以上の処理動作を第５図のタイミングチャートで説明す
る。

図中、５０は振動子駆動回路２より出力された信号であ
り、５１はセンサ用の圧電素子６ａにより検出され、前
置増幅回路１９でもって増幅された信号を示す。この信
号５１の包絡線５２を発生するために包絡線検出回路２
０を介する。次に包絡線５２の一次微分を包絡線ビーク
検出回路２１を経て信号５３を得、ゼロクロス点を検出
した信号５４を発生する。この信号５４の立ち上りまで
の時間値をＴｇ信号検出回路２２で検出して演算制御部
１に出力すると共に、単安定マルチバイブレータ２３に
出力し、所定長（例えば位相速度波長の１．５倍）のハ
イレベルのパルス信号５５を発生させる。次にこのパル
ス信号５５の反転したパルス信号５６をコンパレ−トレ
ベル供給回路２４で作り、コンパレータであるＴｐ検出
回路２６の入力端の一端に出力する。また、遅延時間調
整回路２５では上述した各回路内で遅れた時間分（予め
設定されている）だけ遅れて、前置増幅回路１９よりの
信号５１をコンパレータであるＴｐ検出回路２６の入力
側のもう一端に出力する。Ｔｐ検出回路２６では信号５
６と信号５１とを比較することにより信号５７を発生さ
せる。この信号５７が検出されるまでの時間を位相速度
に基づいた伝播遅延時間Ｔｐとするのである。これらの
、Ｔｇ、　Ｔｐ両方を利用して、演算して座標位置を検
出するのであるが、この座標位置の検出方法の一例を一
次元的に見た場合で詳述する。

［距離計算の説明（第６図、第７図）］前述したように
、群速度に基づいた伝播遅延時間Ｔｇは、検出波の包絡
線からの検出であるため、検出波のひとつの波から検出
した伝播遅延時間と比較すると、精度は落ちてしまう。

従って、検出波の中のひとつから検出した位相速度に基
づく伝播遅延時間”ｒｐから、入力ペン３と伝播媒体８
との接触点からセンサ用の圧電素子６ａまでの距離を算
出した方がＴｇから算出するよりも精度は上がることに
なる。しかし、検出波の一つ一つの波は、前述したよう
に分散の影響で位相が励いてしまう。従って、第２図の
検出信号１４中でレベルの一番高いピークのパルスを検
出していった場合の伝播距離と伝播時間の関係は第６図
の’ｒｐの様になる。即ち、入力ベン３がセンサ用圧電
素子６ａから連続的に離れていくと第７図（ａ）の信号
−第７図（ｂ）の信号−第７図（Ｃ）の信号とそのピー
クの位置は変化する。つまり、ある距蔑ではパルスａの
波がピークであったが、しだいにｂがピークになってし
まい、更にはＣがピークになるといった動きになる。ま
た、入力ベン３を逆の動きにすれば、ピークの動きも逆
になる。このピークの動ぎが第６図のＴｐの様な階段上
の動きになるわけである。又、ａ、ｂ、ｃ各パルスの波
のゼロクロス点についても同じ動きとなる。

伝播距離を算出するとき、遅延時間を係数して算出する
。このため、第６図を見るとわかる様にＴｐｌつの伝播
遅延時間に対して距離の値が２つ出てしまうが、Ｔｇを
基準にしたＴｐの値を読み取れば、１つの伝播距離がで
ることになる。このＴｐを基にした精度の高い値で算出
できる具体例を示すと次の様になる。

前述した様に、Ｔｇ、”ｒｐを検出した場合、第６図に
於る、ｔｇｌの範囲にあるＴｇに対するｔｐｌの範囲に
あるＴｐのとき、ｔｇ２の範囲にあるＴｇに対するｔＰ
２の範囲にあるＴｐのとき・・・という様に順次、１つ
のＴｐを検出することができ、これから距離を算出して
いけばよい。

即ち、第６図に於て伝播距離旦、検出波（位相速度）の
１波長をλ、位相速度をｖｐとすると旦＝ｖｐ嘩Ｔｐ＋
ｎ・λ となり、この式に基づいた距離文が検出できることにな
る。

但し、ここでいう“ｎ”は、Ｔｇがｔｇｘの範囲の時　　　　　ｎ＝０ｔｇ２、ｔｇ
３の範囲の時　ｎ＝１ｔｇ３、ｔｇ４の範囲の時　ｎ＝２従って、前述の様にＴｇ、”ｒｐを検出したら、この様
な変換を、例えば演算制御部１内のテーブルに持たせ、
これを利用することにより、演算制御部１に於てＴｇを
ｎに変換して、ｖｐ、Ｔｐ。

ｎ、λの各々のパラメータの値を代入して文を演算すれ
ばよい。上記例の様な方法でそれぞれのセンサ用の圧電
素子６ａ〜６Ｃを使って検出し、ｘ、ｙ座標位置を演算
するのである。

［他の受信波形検出回路とその動作説明（第８図、第９図）コまた、本実施例では群速度検出に於て、検出波の包絡線
の１回微分し、ゼロクロス点を検出することで位相速度
に基づく遅延時間Ｔｐを検出したが、例えば検出波形に
対して２回微分をした波形のゼロクロス点を検出するこ
とも可能である。これは、１回微分でのゼロクロス点の
検出、つまり包絡線のピーク点の検出時よりも、急峻な
検出点が得られ、包絡線のピーク検出よりも精度の上が
った検出ができる。

この具体例として第８図及び第９図に従って説明する。

第８図は受信波形検出回路９の内部構成を示す他の実施
例であり、第９図はそのときのタイミングチャートであ
る。

図中、８０は包絡線検出回路２０で検出された包絡線の
２回数分処理を行なう２回数分回路であり、その他第４
図と同じ番号が付いた回路の説明は省略する。

さて、包絡線検出回路２０で包絡線５２を発生させた後
、２回数分回路８０で先ず第１回の微分波形９０を発生
させ、更に２回目の微分波形９１を発生させる。この２
回数分波形のゼロクロス点を検出するためにＴｇ信号検
出回路２２でもって信号９２を発生させる。この信号を
演算制御部１に送信すると共に、単安定マルチバイブレ
ータ２３に出力して所定長のハイレベルのパルス信号９
３を発生させる。次にこのパルス信号９３の反転したパ
ルス信号９４をコンパレートレベル供給回路２４で作り
、コンパレータであるＴｐ検出回路２６の入力側の一端
に出力する。また、遅延時間調整回路２５では各回路内
で遅くれた時間分（予め設定されている）だけ遅れて、
前置増幅回路１９よりの信号５１をコンパレータである
Ｔｐ検出回路２６の入力端のもう一端に出力する。Ｔｐ
検出回路２６では信号９４と信号５１とを比較すること
により信号９５を発生させる。この信号９５が検出され
るまでの時間を位相速度に基づいた伝播遅延時間Ｔｐと
するのである。これら、Ｔｇ。

Ｔｐ両方を利用して、演算して座標位置を検出すること
になるが、その演算方法は先に説明したものと重複する
ものであるから説明は省略する。

以上説明したように本実施例によれば、弾性波の板波を
利用して、その特性である分散による群速度と位相速度
を合わせて測定して座標位置を演算することでディジタ
イザとしての分解能（精度）を上げることができる。ま
た、透明な伝播媒体（ガラス）を使用することが可能と
なり、入出カー体型ディジタイザを構成することも可能
となる。

また、Ｔｇ、Ｔｐ、ｌの関係をテーブル（第１図の演算
制御部１内に示すテーブルエリア）として持つことで信
号処理時間は短縮でき、かつ精度の高い検出ができる効
果がある。

更に受信波形９内の単安定マルチバイブレータ２３及び
コンパレートレベル供給回路２４で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効果がある。更にまた遅延時間調整
回路２５を持つことで包絡線と検出波からの正確なＴｇ
とＴｐが検出でき、精度の高い位置座標の検出をするこ
とができる効果がある。

また、本実施例では位相速度に基づく遅延時間Ｔｐを検
出する時にゼロクロス点を検出していたが、ピークを検
出する様にすると人力ペンの筆圧及び検出波のＳ／Ｎな
どから影響を受けてしまうのに対し、それらの影響を受
けずに正確なＴｐが検出でき、精度の高い位置座標を検
出することが可能だからである。

尚、遅延時間調整回路２５は演算制御部１で始めから遅
延時間分を係数しておけばよく、必ずしも必要である回
路ではない。

また、Ｔｇ、Ｔｐの関係の数値をテーブルに持って、精
度の高いＴｐの値から再度テーブルから精度の高いＴ′
ｇを取り直し、Ｔｇ、Ｔ”ｇは連続的な直線であるから
、Ｔ′ｇ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。

以下、余白［発明の効果］以上説明したように未発明によれば、分散による群速度
と位相速度を合わせて測定して座標位置を演算すること
でディジタイザとしての分解能を上げることができる様
になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例に係る座標入力装置の全体構成図、第２図は人力ペンへの掘勤駆動波形と弾性波の検出波形
を示す図、第３図は一定のスレッシホールドレベルでもって伝播遅
延時間を検出した時において、誤差が発生する原理を説
明する図、第４図は本実施例における受信波形検出回路の内部構成
を示す図、第５図は第４図の各ブロックでの波形の推穆を説明する
ための図、第６図は、群速度に基づいた伝播遅延時間Ｔｇと位相速
度に基づいた伝播遅延時間Ｔｐとによる第８図は他の実
施例の受信波形検出回路の内部構成を示す図、第９図は第８図の各ブロックでの波形の推穆を説明する
ための図である。図中、１・・・演算制御部、２・・・振動子駆動回路、
３・・・入力ペン、４・・・圧電素子、５・・・ホーン
、６ａ〜６ｃ・・・受信用の圧電素子、７・・・反射防
止部材、８・・・伝播媒体、９・・・受信波形検出回路
、１０・・・デイスプレィ駆動回路、１１・・・デイス
プレィ、１９・・・前置増幅回路、２０・・・包絡線検
出回路、２１・・・包絡線ピーク検出回路、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、８０・・・２回数分回路である。特許出願人　　　キャノン株式会社；ン、ツノｔこ−１゛第４図第５図第６図（ａ）　　　　　　　　　　　　（ｂ）（Ｃ）第８図第９図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）座標入力盤上の所望の位置を指定し、前記座標入
力盤を付勢して弾性波を発生する位置指定手段と、前記
座標入力盤の所定位置に固定され前記弾性波を受信し、
その強度に対応した電気信号を発生する複数の受信手段
と、前記電気信号から前記弾性波の群速度の伝播時間を
検出する第１の検出手段と、前記電気信号から前記弾性
波の位相速度の伝播時間を検出する第２の検出手段と、
該第１、第２の検出手段により検出した伝播時間値から
前記位置指定手段により指定された座標位置を算出する
算出手段とを備えることを特徴とする座標入力装置。
（２）弾性波は板波であることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の座標入力装置。
（３）第１の検出手段は受信手段により受信した電気信
号の包絡線を微分したときのゼロクロス点を検出するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の座標入力装
置。
（４）微分の回数は１回或いは２回であることを特徴と
する特許請求の範囲第３項記載の座標入力装置。
（５）第２の検出手段は第１の検出手段により検出され
た点から所定長の信号を発生させ、該所定長の信号と受
信手段により受信された電気信号との比較結果発生した
時点でもつて検出することを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の座標入力装置。