JPS63104123A - 座標入力装置 - Google Patents

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］ 従来より手書きの文字、図形などをコンピュータなどの
処理装置に入力する装置として各種の入力ペンおよびタ
ブレットなどを用いた座標入力装置が知られている。こ
の種の装置のタブレットの座標検出においては、振動発
生素子を設けた振動ペンによって振動伝達板に発生され
る超音波振動をタブレットの振動伝達板の複数箇所に設
けられた振動センサにより検出し、振動の遅延時間に応
じて振動ペンによる入力座標を検出する方式が知られて
いる。

この方式は、抵抗膜の抵抗値、導電膜の静電誘導などを
用いてタブレット上での入力ペンの位者を測定する方式
に比べ、振動伝達板を透明材料などから構成して表示器
などに重ねて用いることができるという利点がある。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記の超音波方式では、振動子とセンサを逆に取り付け
る、すなわちタブレット側に振動子を設け、振動ペン側
に振動センサを設ける構成も考えられているが、この構
成ではタブレットのＸ軸およびＹ軸からの距離を測定す
るためにＸ、Ｙ軸位置に設けられた振動子を時分割駆動
しなければ成らないという問題がある。

したがって、振動子を振動ペン側に取り付ける構成が一
般的である。

従来より考えられている振動ペンは、筆記具型のボディ
に圧電素子などの電気〜機械変換素子による振動子を取
り付け、この振動をペン先に設けられたホーン部を介し
て振動伝達板に伝える構造を有する。

ホーン部は振動子の振動を有効に振動伝達板に伝えるた
めに、先が尖った円錐状、あるいは指数関数カーブによ
る断面を有するエクスポネンシャル型のものが知られて
いる。ホーン部の材質としては金属、セラミックなどが
考えられる。

振動ペンの振動子とホーン部が効率のよい振動伝達を行
なうためには、ホーン各部の寸法は次に示す共振条件式
を満足しなければならない。

α−ａ Ｄｌ：ホーン大端部直径 Ｄ２：ホーン小端部直径 、Ｉｌ：半波長共振するホーンの長さ α　：波長定数＝ω／Ｃ Ｃ：ホーン材料中での音速度 ｆ　：ホーンの共振周波数 ω　：ホーンの共振角周波数＝２πｆ ホーン部の振幅拡大率はＤＩ／Ｄ２により定まるが、筆
圧に対するペン先の強度を考えるとＤ２の値はそれほど
小さくできない、したがって、ホーン部先端の振動入力
面は円形の平面に形成されることが多い。

このような振動入力面によれば、入力面が振動伝達板に
垂直に接触した場合に入力面の面積がそのまま有効振動
入力面積となる。

一方、振動ペンから入力された振動は振動伝達板に取り
付けられた複数の振動センサに伝達され、振動の伝達時
間を測定することにより各センサまでの距離が測定され
、これに基づいて座標検出が行なわれる。

このような測定方式において、上記のように振動ペンか
ら、ある入力面積をもって振動が入力されると、微視的
にみれば入力振動は振動ペンの振動入力面内の複数の入
力点から入力された板波振動の合成波となる。

したがって、振動伝達板のセンサに到達する板波の遅延
時間は振動ペンの先端の直径の長さだけばらつくことに
なり、検出精度をペン先のホーンの直径以下にすること
ができない。

上記ではペン先が垂直に振動伝達板に接触される場合を
考えたが、実際には振動ペンは普通の筆記具と同じよう
にさまざまな角度で用いられる。

したがって、振動ペンがどのような角度で用いられても
均一な座標検出特性を得られなければならないが、上記
のようなホーン部の入力面の構造では振動ペンが垂直位
置から少しでもずれるとホーン先端面の縁部の一点から
振動入力が行なわれることになる。

したがって、振動伝達板上で振動ペンにより曲線を描き
、連続的に座標入力を行なう場合には検出座標の誤差が
ばらついてしまい、連続的な座標の検出が行なえないと
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、本発明においては、振
動発生素子を設けた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、前記振動ペンの振動伝達板に対する有効振動入
力面の最大幅を座標検出分解能よりも小さく設定した構
成を採用した。

［作　用〕 以上の構成によれば、振動ペンの角度が一定でなくても
振動ペンから振動伝達板に常に座標検出分解能以下の一
点を介して振動が伝達される。したがって、振動ペンが
どのような角度で振動伝達板に接触しても検出分解能以
下の検出誤差は生じない。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第１図は本発明を採用した座標入力装置の構造を示して
いる。ｔｉＩＪｌｌ１４の座標入力装置は、ドツトマト
リクス方式などの液晶表示器によるディスプレイ１１′
とともに文字、図形、画像などの入出力装置を構成する
。

図において符号８で示されるものはアクリル、ガラス板
などから成る振動伝達板で、振動ペン３から伝達される
振動が周辺部で反射されるのを防止するため、シリコン
ゴムなどから構成された反射防止材７に支持されている
。振動伝達板８の角部には３個の振動センサ６が取り付
けられており、振動ペン３から伝達される弾性波を検出
する。

振動伝達板８が液晶ディスプレイなどから構成されたデ
ィスプレイ１１′上に配訝され、情報入出力装置を構成
する。ディスプレイ１１′には振動伝達板８を介して入
力された文字、図形をフィードバックさせたり、あるい
は振動伝達板に対する入力操作のプロンプトを表示させ
たりする。

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。第２図は振動ペ
ン３の構造を示している。振動ペン３に内蔵された振動
子４は、振動子駆動回路２により駆動される。振動子４
の駆動信号は、第１図の演算および制御回路ｌ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
動の可能な振動子駆動回路２によって所定の利得で増幅
され、振動子４に印加される。電気的な駆動信号は、振
動子４によって機械的な振動に変換され、ホーン部５を
介して振動伝達板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周波数が選択される。また
、振動子４は、振動伝達板８に対して、第２図の垂直方
向に主に振動するような動作モードが選択される。振動
子の振動周波数は、振動子４の共振周波数に選択するこ
とで効率の良い振動発生を行うことができる。

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
波と呼ばれる波であり、表面波などに比べて表面の傷、
障害物などの影響を受けにくいという利点を持つ、振動
伝達板８内を伝播する波は、その距離に応じた時間遅れ
て振動伝達板８の３つの角部に設けられた振動センサ６
に到達する。従って、振動センサ６により振動を検出し
、その遅延時間を測定することによって、振動伝達板８
．上での振動ペン３の位置を検出することができる。

再び第１図において、圧電素子などから構成された振動
センサ６の出力信号は、波形検出回路９に入力され、マ
イクロコンピュータおよびメモリなどから構成された演
算制御回路１により処理可能な検出信号に変換される。

演算制御回路１は、上記の遅延時間の演算処理に基づい
て、振動伝達板８上での振動ペン３の位置を検出する。

第１図のディスプレイ１１”は、演算制御回路ｌにより
ディスプレイ駆動回路ｌＯを介して駆動される。

第３図は第１図の演算制御回路の構造を示している。こ
こでは、第１図のディスプレイ１１′の駆動回路の制御
系を除き、振動ペンの振動発生および振動伝達板からの
振動検出を処理する回路のみが示されている。

マイクロコンピュータ１１は内部カウンタ、ＲＯＭおよ
びＲＡＭを内蔵している。駆動信号発生回路１２は、第
１図の振動子駆動回路２に対して駆動パルスを発生する
もので、マイクロコンピュータ１１により演算用の回路
と同期してスタートされる。カウンタ１３の計数値は、
マイクロコンピュータ１．１によりラッチ回路１４にラ
ッチされる。

波形検出回路９から入力される検出信号は、入カポ−）
１５に入力され、ラッチ回路１４内の計数値と判定回路
１６により比較され、その結果がマイクロコンピュータ
１１に伝えられる。ディスプレイ１１’の駆動、あるい
はコンピュータシステムなど他の処理装置との入出力は
、入出力ボート１７を介して行われる。

第４図は第１図の波形検出回路９に入力される検出波形
と、それに基づく遅延時間の計測処理を説明するもので
ある。第４図において符号４１は振動ペン３に対して印
加される駆動信号パルスである。このような波形により
、駆動された振動ペン３によって発生される超音波信号
は振動伝達板８内を弾性波として伝達され、振動センサ
６により検出されて、第４図の符号４２のような検出波
形を形成する。検出波形は、振動ペンから振動伝達板８
を介して振動センサに伝えられるまでに時間ｔｇだけ遅
延している０本実施例において用いられる板波は１分散
性の波であり、そのため振動伝達板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
が変化する。

エンベロープの進む速度を群速度Ｖｇ、位相の速度を位
相速度マｐとする。

この群速度および位相速度の中から振動ペン３とセンサ
間の距離を検出することができる。まず、エンベロープ
４２１のみに着目すると、その速度はマｇであり、ある
特定の点、例えばエンベロープのピークを第４図の符号
４３のように検出すると、振動ペンおよび振動センサ６
の間の距離ｄは、その遅延時間をｔｇとして、 ８３７ｇ”ｔｇ　　　　　　　　　　　　・・・（１）
で与えられる。上記の式は振動センサ６の１つに関する
ものであるが、同じ式により他の２つの振動センサおよ
び振動ペンの間の距離を測定することができる。

さらに、より高精度な座標値を決定するためには、位相
信号の検出に基づく処理を行う、第４図の位相波形４２
２の特定の検出点１例えばピーク通過後のゼロ争クロス
点の遅延時間を第４図のようにｔｐとすれば、振動セン
サと振動ペンとの距離ｄは、 ｄ＝ｎｅλｐ　＋ｖｐＩＩｔｐ　　　　　　　−（２）
となる、ここでλｐは弾性波の波長、ｎは整数である。

前記の（１）式と（２）式より、上記の整ｆｉｎは、 ｎ＝［（マｇ”ｔｇ−マｐ−ｔｐ）／λｐ＋−］　　　
　　・・・（３）と示される。ここでＮは０以外の実数
であり、退出な数値を用いる０例えばＮ＝＝２とすれば
、エンベロープの検出精度が土掻波長以内であれば、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、振動ペンおよびセンサ間の
距離を正確に測定することができる。

第４図に示した２つの遅延時間ｔｇおよびｔｐに基づく
距離測定は、第１図の波形検出回路９により行われる。

波形検出回路は第５図に示すように構成される。第５図
において、振動センサ６の出力信号は前置増幅回路５１
により増幅され、低レベルまで増幅される。増幅された
信号はエンベロープ検出回路５２に入力され、エンベロ
ープのみが取り出されて、さらにエンベロープピーク検
出回路５３によって検出信号のエンベロープのピークの
タイミングが検出される。ピーク信号検出はモノマルチ
バイブレータなどから構成された信号検出回路５４によ
って所定波形のｔｇ倍信号形成され、演算制御回路１に
入力される。また、このＴｇ信号と遅延時間調整回路５
７により遅延された元信号から、コンパレータ検出回路
５８により位相遅延時間Ｔ、検出信号が形成され、演算
制御回路１に入力される０以上に示した回路は振動セン
サ６の１個分に対するものであり、他のそれぞれの振動
センサについても同様の回路が設けられる。センサの数
は一般化してｈ個とすると、演算制御部１に対してはエ
ンベロープ遅延時間ｔｇｔ〜ｈ。

Ｔｐｌ＃ｈの検出信号が入力される。

第３図の演算制御回路では、上記のＴｇｌ　−ｈ　。

↑ｐ１〜ｈ信号を入力ボート１５から入力し、各々のタ
イミングをトリガとしてカウンタ１３のカウント値をラ
ッチ回路１４に取り込む、上記のようにカウンタ１３は
振動子の駆動と同期してスタートされているので、ラッ
チ回路１４にはエンベローブおよび位相のそれぞれの遅
延時間のデータが取り込まれる。

第６図のように振動伝達板８の角部に３つの振動センサ
を符号Ｓ、−ｓ３のように配置すると、第４図に関連し
て説明した処理によって、振動ペンの位置Ｐから各々の
振動センサまでの直線距離ｄｌ＃ｄ３を求めることがで
きる。振動ペン３の位置Ｐの座標（ｘ、ｙ）は３平方の
定理から、となる。ここでＸ、ＹはＳ２．Ｓ３の位置の
振動センサの原点のセンサからの距離である。

以上のようにして、演算制御回路ｌにより演算を行うこ
とにより振動ペンの位置座標をリアルタイムで検出する
ことができる。

以上の構成によれば、振動伝達板８に弾性波の板波とし
て超音波振動を伝達するので、振動伝達板８の傷や障害
物による妨害を低減し、高精度な座標検出を行なうこと
ができる。

本実施例ではさらに第７図に示すように振動ペン３の先
端部を構成することにより、ペン先の角度に依存した座
標検出誤差のばらつきが生じるのを防止する。

第７図において符号７１は振動ペン３のボディで、その
先端部にはホーン部５がねじ止めなどの方法により固定
されている。

ホーン部５の基材７３はアルミニウムなどの金属で、ホ
ーン部５の後端部にはボディ７１内において圧電素子な
どから構成された振動子４が固定されている。ホーン部
５の全体の形状は、従来と同じく円錐ないしエクスポネ
ンシャル型など有効な振動伝達を行なえる形状とする。

ホーン部５の材質および形状は振動子４の振動周波数に
共振するように決定される。

ホーン部５の先端部の振動入力面は、図示のように曲面
により構成される。

振動有効入力面の曲面は、要求される座標検出分解能、
あるいは振動伝達板の材質などに応じて第８図に示すよ
うに適切な曲率を選択して構成する。曲面の形成はホー
ン部５先端を研削する、あるいは曲面構造のチップをホ
ーン部本体に近い音響インピーダンスを有する材質から
形成し、これをホーン部５の先端部に接着などにより固
定することが考えられる。

以上のような構成によれば、ホーン部５の振動入力面は
、振動ペン３がどのような角度で振動伝達板８に接触し
ても、常に一点で振動伝達板８と接触することになる。

したがって、従来のようにホーン部５先端部が平面で構
成される場合のように振動ペン３の角度によって有効振
動入力面の面積が変化することがない。

第９図は、従来の平面型の振動入力面を有する振動ペン
３により振動伝達板８に発生される振動の伝達状態を示
している。

第９図のように振動ペン３のホーン部５の先端の振動入
力面が振動伝達板８に垂直に接触している場合には、振
動子の振動はホーン部５の振動入力面上のさまざまな点
から振動伝達板８に入力される。ここで、ホーン部５の
２つの縁部３１．３２から入力される振動成分に着目す
ると、それぞれの縁部から振動伝達板８に入力される振
動波形は符号９１．９２のようになる。これらの振動が
図の右側の振動検出点Ｐに伝達されるとすると、振動波
形９２の成分の方が９１の成分よりも速く検出点に到達
する。このときの波形９１の伝達時間はｔｇｌ、波形９
２の伝達時間はｔｇ２で、ｔｇｌ＞ｔｇ２である。この
時間差（位相差）は検出点Ｐで検出される波形を歪ませ
、座標検出精度を悪化させる。

ところが、上記のようにホーン部５の振動入力面を曲面
とし、ホーン部５と振動伝達板８の接触面の面積が座標
検出分解能よりも小さく設定されていれば、第８図に示
すようにホーン部５と振動伝達板８が一点により接触す
るため、第９図のように振動伝達板８に異なる位相の振
動が入力されることがなく、検出点Ｐでは歪みのない単
一波長に近い振動波形を検出することができ、振動伝達
時間を正確に測定できるから座標検出精度を向上させる
ことができる。

また、上記のような曲面構造によれば、振動ペン３を第
８図のように傾斜させてもホーン部５の有効振動入力面
の面積は変らないので、操作者のくせによって入力誤差
が生じることがなく、また曲線の座標を連続的に入力す
る場合などにおいても振動ペン３の傾斜が変化して、入
力中に誤差のばらつきを生じて連続座標の入力が不可能
となることもない。

上記実施例では、ホーン部の振動入力面を曲面構造とし
たが、振動人力面の形状は曲面に限らず、有効振動入力
面の幅が検出分解能よりも小さくなればどのような形状
であってもかまわない。

以上の実施例に加えて、振動センサを上記同様のホーン
部を介して振動伝達板８に取り付け、振動検出側でも振
動の伝達を一点で行なうようにすれば、検出波形の歪み
をより小さくすることができ、座標検出精度を大きく向
上させることができる。

［効　果］ 以上から明らかなように、本発明によれば、振動発生素
子を設けた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、
前記振動ペンの振動伝達板に対する有効振動入力面の最
大幅を座標検出分解能よりも小さく設定した構成を採用
しているので、振動ペンから振動伝達板に対して常に座
標検出分解能よりも小さな一点を介して振動を伝達させ
ることができ、歪みのない振動検出に基づいて精度の高
い座標検出を行なうことができる優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を採用した座標入力装置の構成を示した
説明図、第２図は第１図の振動ペンの構造を示した説明
図、第３図は第１図の演算制御Ｓ跡 置の構造を示したブロック図、第４図は振動ペンと振動
センサの間の距＃測定を説明する検出波形を示した波形
図、第５図は第１図の波形検出回路の構成を示したブロ
ック図、第６図は振動センサの配置を示した説明図、第
７図は振動ペンの構造を示した断面図、第８図は振動ペ
ンのホーン部の作用を示した説明図、第９図は従来の振
動ペンからの振動伝達状態を示した波形図である。 １・・・演算制御回路　　３・・・振動ペン４・・・振
動子　　　　　５・・・ホーン部６・・・振動センサ　
　　８・・・振動伝達板９・・・波形検出回路　　５１
・・・前置増幅器５２・・・エンベローフ検出回路 ５４．５８・・・信号検出回路 ９１・・・ピークホールド回路 ７１・・・ボディ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）振動発生素子を設けた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、前記振動ペンの振動伝達板に対する有効
   振動入力面の最大幅を座標検出分解能よりも小さく設定
   したことを特徴とする座標入力装置。 ２）前記有効振動入力面を含む振動ペンの振動入力面を
   曲面とした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。