JPH0562769B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は圧電素子による弾性波を用いて座標を
入力する座標入力装置に関し、特に座標検出精度
の向上を図つたものである。

［従来の技術］ 従来、この種の座標入力装置は、一般に、振動
発生源として圧電素子を組み込んだ振動ペンを振
動伝播体からなる信号入力板に接触させ、これに
より伝播された板波弾性波を、上述の信号入力板
に装着した圧電素子を含むセンサにより機械振動
を電気信号として検出し、これより上述の振動ペ
ンの位置座標を検出している。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、従来のこの種の座標入力装置に
おいては、振動ペンの圧電素子を駆動する電気信
号の周波数（以下、駆動周波数と称する。）と、
振動ペンの共振周波数、さらには、センサの共振
周波数との一致について考慮されたものはなかつ
た。駆動周波数と振動ペンおよびセンサの共振周
波数とがずれている場合には、座標の検出効率が
悪いばかりでなく、検出信号波形が歪んだものと
なるので、この検出信号波形から位置座標を検出
する際に検出精度が悪くなるという問題があつ
た。

そこで、本発明は、上述の問題点に鑑み、駆動
周波数と振動ペン及びセンサの共振周波数とを一
致させて、歪のない信号波形を効率良く検出する
ことができ、それにより高精度な位置座標検出を
可能にする座標入力装置を提供することを目的と
する。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明は、振動発生
素子を有する振動入力手段を接触することで、振
動伝達部材に伝達された振動を、前記振動伝播部
材に設けられた振動検出素子により検出し、前記
振動入力手段の前記振動伝達部材への接触座標位
置を導出する座標入力装置において、前記振動伝
達部材に板波を発生させることのできる、前記振
動発生素子の駆動信号の周波数と、前記振動入力
手段の共振周波数と、前記振動検出素子の共振周
波数を、略等しく或は一致させたことを特徴とす
る。

［作用］ 本発明では、振動発生素子を有する振動入力手
段を振動伝達部材に接触することで、振動伝達部
材に伝達された振動を振動検出素子により検出
し、この検出により振動入力手段の振動伝達部材
への接触座標位置を導出する。特に、本発明の座
標入力装置においては、振動伝達部材に板波を発
生させることのできる振動発生素子の駆動信号の
周波数と、振動入力手段の共振周波数と、振動検
出素子の共振周波数を、略等しく或は一致させる
ようにしたので、振動検出素子から歪のない信号
波形を効率よく得ることができ、これにより高精
度な座標データの入力が可能となる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。

第１図は本発明の一実施例の座標入力装置全体
の概略構成を示す。第１図において、１は振動ペ
ンであり、振動発生源としての圧電素子２と、こ
の圧電素子に接続して先端の尖つたホーン３とを
有している。４は振動伝播体５からなるタブレツ
ト形の信号入力板、６はホーン３と振動伝播体５
との接触点である。

７は振動検出用の圧電素子を含むセンサであ
り、信号入力板４の振動伝播体５の複数箇所（例
えば、３箇所）の隅または角に装着されている。

８はセンサ７からの検出出力をとり出すリード
線、９は振動伝播体５の下部に装着した反射防止
用の振動吸収材であり、上述の信号入力板４は振
動伝播体５、センサ７、リード線８および、振動
吸収材９で構成されている。１０は振動ペン１の
圧電素子２に印加する駆動パルスを発生するパル
ス発生器、１１はパルス発生器１０へスタート信
号を出力し、センサ７からの出力信号を基に、弾
性波の振動ペン１からセンサ７までの伝播遅延時
間を計測して、振動ペン１の接点６の位置座標を
演算検出する増幅演算回路である。

さらに、振動ペン１の圧電素子２を駆動する電
気信号の駆動周波数と、圧電素子２の共振周波数
と、ホーン３の共振周波数と、センサ７の圧電素
子の共振周波数とをあらかじめほぼ等しく、又は
互いに近い値に一致させて固定する。また、セン
サ７を圧電素子とホーンとから構成した場合はそ
のホーンの共振周波数もほぼ一致させる。例え
ば、後述のように、駆動周波数と振動ペン１セン
サ７の共振周波数とのそれぞれの差が振動ペン
１、センサ７の共振周波数と***振周波数との差
以内に設定する。

また、振動ペン１の圧電素子２とホーン３およ
びセンサ７の圧電素子とホーンの振動方向は、例
えば圧電素子の縦方向、或いは厚み方向にし、振
動伝播体５を伝播する弾性波としては例えば横波
成分を主とする板波非対称モードを用いる。

以上の構成に於て、まず、増幅演算回路１１か
らスタート信号をパルス発生器１０に出力する。
このスタート信号に応じてパルス発生器１０はパ
ルス電気信号を発生する。このパルス電気信号の
周波数は高くなればなるほど分解能が増すが同時
に減衰率も増加するので50［ｋHz］〜５［ＭHz］、
さらに好ましくは200［ｋHz］〜１［ＭHz］の範囲
のものが適当である。このパルス電気信号が加え
られた振動ペン１の圧電素子２は伸縮し、振動を
発生する。この振動はホーン３により拡大され、
接触点６において振動伝播体５に振動が伝わり、
板波弾性波として伝播する。振動伝播体５の素材
としては例えばガラス・アクリル等の透明な板が
考えられる。振動伝播体５を伝播した板波弾性波
は振動検出用の３箇所のセンサ７の圧電素子で圧
電電圧として検出され、リード線８を通じて増幅
演算回路１１に送られる。

増幅演算回路１１では、上述のスタート信号と
同期させて上述の振動伝播に要した遅延時間を検
出する。この検出は１秒間に50〜300回程度繰り
返し行なうのが好ましい、振動の信号波形の検出
は、その波形の包絡線のピークあるいは、搬送波
のピークを基にして行なう。このようにして得ら
れた３箇所の振動検出用センサ７についての遅延
時間を用いて振動ペン１の位置座標を例えば、以
下のようにして計算する。

すなわち、第２図に示すように振動ペン１の位
置座標を（ｘ、ｙ）とし、３つの振動検出用セン
サ７のそれぞれの座標を（x₁、y₁）＝（０、０）、
（x₂、y₂）＝（x₂、０）、（x₃、y₃）＝（０、y₃）とす
ると、振動ペン１の位置座標（ｘ、ｙ）は次式
(1)、(2)により求まる。

ｘ＝x₂／２＋v²／2x₂（t₁＋t₂）（t₁−t₂） ……(1) ｙ＝y₃／２＋v²／2y₃（t₁＋t₃）（t₁−t₃） ……(2) 但し、t₁〜t₃は弾性波の伝播時間、ｖは弾性波
の伝播程度である。従つて、上式(1)、(2)に基ずく
計算を、増幅演算回路１１で順次行なうことによ
り振動ペン１の移動する位置座標が正確に得られ
る。

また、振動伝播体５中の振動が振動吸収材９に
到達すると、弾性波はここで振幅が減衰する。こ
の振動吸収材９の材質としては、減衰率が大き
く、且つ振動伝播体５のガラスとの固有音響イン
ピーダンスとの整合の為に例えば、シリコンゴム
に金属粉を混入したものを用いる。さらに、振動
伝播体５の板厚は例えば0.3〜2.0mmのものを用い
ることが望ましい。すなわち、その板厚が薄くな
るほど伝播及び検出される弾性波の振幅は大きく
なるが、材料強度が落ちるからである。

ここで、上述のパルス発生器１０から発生させ
るパルス電気信号の周波数（駆動周波数）を振動
ペン１の共振周波数及びセンサ７の共振周波数に
できるだけ近く、さらに好ましくはそれら三者の
周波数を互いに一致させて設定すると、センサ７
から歪のない検出信号波形を得ることができ、位
置検出の高精度化に効果的となる。

第３図は駆動周波数と振動ペン１の共振周波数
とサンサ７の共振周波数とが互いにずれた不一致
の場合の周波数特性を示し、第４図は駆動周波数
と振動ペン１の共振周波数とセンサ７の共振周波
数とが互いにそろつた一致の場合の周波数特性を
示す。

第３図および第４図において、１２及び１６は
駆動周波数を示す位置、１３及び１７は振動ペン
１の周波数特性曲線、１４及び１８はセンサ７の
周波数特性曲線、１５及び１９は検出信号の周波
数スペクトル曲線である。第３図に示す様に、駆
動周波数１２及び振動ペン１の周波数特性曲線１
３とセンサ７の周波数特性曲線１４に於るそれぞ
れのピーク、すなわち各共振周波数が一致しない
で、ずれていると、センサ７から検出される信号
（検出信号）の周波数スペクトル１５はピークが
複数個現れ、検出信号はいくつもの周波数成分を
同レベルで含むことになる。従つて、検出信号波
形は第５図に示す様に、歪んだものとなり、この
波形を高精度に検出することは極めて困難とな
る。

一方、第４図に示す様に、駆動周波数１６及び
振動ペン１の周波数特性曲線１７とセンサ７の周
波数特性曲線１８に於るそれぞれのピーク、すな
わち各共振周波数が互いに一致してそろつている
本実施例のような場合には、検出される信号（検
出信号）の周波数スペクトル１９には一致した周
波数にピークが１つ現れることとなる。その単一
周波数成分を含んだ検出信号の波形は、第６図に
示す様に、歪のないものとなるので、この波形に
より高精度な位置座標検出が可能となる。又、こ
の場合には検出信号波形の振幅も大きく得られる
ので検出効率が良くなり、Ｓ／Ｎ比も向上する。

尚、振動ペン１に於る圧電素子２とホーン３の
接合状態により微妙に振動ペン１の共振周波数は
変化するので、上述のように圧電素子２及びホー
ン３のそれぞれの共振周波数を互いに近い値に、
さらに好ましくは一致させるとともに、その接合
の際の接着剤の厚さ等の接着条件を駆動周波数及
びセンサ７の共振周波数と一致するようにあらか
じめ調整するのが好ましい。

また、板波弾性波として、主に横波成分からな
る非対称モードを用いて、振動ペン１及びセンサ
７の圧電素子の駆動モードを縦方向振動、或は厚
み方向振動にし、振動ペン１及びセンサ７の共振
周波数を一致するようにすると好ましい。なぜな
ら、その振動伝播体５を伝播する弾性波として
は、縦波成分を主とする板波対称モードより大き
な振幅レベルが得られる横波成分を主とする板波
非対称モードを用いる方がその検出が容易となる
ので好ましいからである。

本実施例では、センサ７として振動検出用の圧
電素子を用いたが、点領域により振動を検出でき
るより高精度な検出が可能な、圧電素子とホーン
により構成されるセンサを用いてもよい。この場
合も、振動ペン１の場合と同様に、圧電素子とホ
ーンの接合に注意して、センサ７の共振周波数が
駆動周波数及び振動ペン１の共振周波数と一致す
るように設定する。又、縦方向振動すなわち厚み
方向駆動モードの圧電素子を用いる場合には、振
動ペン１及びセンサ７のホーンも縦振動に於て駆
動周波数及び圧電素子の共振周波数と共振周波数
が一致するように設定する。

また、本実施例に於ては、一例としてセンサ７
を３個用いたが、４個以上用いても良い。その場
合は、そのセンサ７の個数に合つた位置計算を行
うことにより、さらに高精度化され得る。

さらに、本実施例の上述の説明に於て、駆動周
波数と振動ペン１及びセンサ７の共振周波数とが
互いに近いと、検出信号の周波数成分が一つだけ
のピークを持つようになると述べたが、その互い
に近い周波数の差の許容値としては、各共振周波
数と***振周波数の差±ａ以内である。この限界
（許容範囲）の状態を示したのが第７図である。
第７図において２０は例えば振動ペン１の周波数
特性曲線、２１は例えばセンサ７の周波数特性曲
線、２２および２４はそれぞれ振動ペン１および
センサ７の共振周波数、２３および２５はそれぞ
れ振動ペン１およびセンサ７の***振周波数であ
る。できるだけ大きな振幅レベルが得られる方が
好ましく、かつ第６図のような波形を得る必要か
ら、振動ペン１とセンサ７の共振周波数のずれは
性格が正反対の共振周波数と***振周波数の差±
ａ以内であることが検出効率上望ましいわけであ
る。この周波数のずれの許容範囲は、駆動周波数
に於ても同様である。

［効果］ 以上説明したように、本発明によれば、振動伝
達部材に波紋を発生させることのできる振動発生
素子の駆動信号の周波数と、振動入力手段の共振
周波数と、振動検出素子の共振周波数を、略等し
く或は一致させたので、振動検出素子から歪のな
い信号波形を効率よく得ることができ、これによ
り高精度な座標データの入力が可能となる効果が
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の座標入力装置の全
体の概略構成を示す模式図、第２図は本発明実施
例の位置座標算出方法を示す説明図、第３図は駆
動周波数と共振周波数が不一致の場合の周波数特
性を示す周波数特性図、第４図は本発明実施例に
おける駆動周波数と共振周波数が一致した場合の
周波数特性を示す特性図、第５図は第３図の周波
数不一致の場合の検出信号の波形を示す波形図、
第６図は第４図の周波数一致の場合の検出信号の
波形図、第７図は本発明実施例における周波数ず
れの許容範囲を示す説明図である。 １……振動ペン、２……圧電素子、３……ホー
ン、４……信号入力板、５……振動伝播体、６…
…接点、７……センサ（圧電素子）、８……リー
ド線、９……反射防止用振動吸収材、１０……パ
ルス発生器、１１……増幅演算回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 振動発生素子を有する振動入力手段を接触す
   ることで、振動伝達部材に伝達された振動を、前
   記振動伝播部材に設けられた振動検出素子により
   検出し、前記振動入力手段の前記振動伝達部材へ
   の接触座標位置を導出する座標入力装置におい
   て、 前記振動伝達部材に板波を発生させることので
   きる、前記振動発生素子の駆動信号の周波数と、
   前記振動入力手段の共振周波数と、前記振動検出
   素子の共振周波数を、略等しく或は一致させたこ
   とを特徴とする座標入力装置。