JP3093236B2

JP3093236B2 - 座標入力用振動ペン

Info

Publication number: JP3093236B2
Application number: JP11197990A
Authority: JP
Inventors: 克行小林; 雄一郎吉村; 淳田中; 信之介谷石; 亮三柳沢; 潔兼子; 武志鴨野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1990-04-27
Publication date: 2000-10-03
Anticipated expiration: 2015-10-03
Also published as: JPH0410023A

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位置座標を検出す
る座標入力装置に使用する振動ペンに関するものであ
る。

［従来の技術］従来、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
伝達板上での位置座標を検出する座標入力装置用の振動
ペンの振動発生源として電気機械変換素子である圧電素
子が、用いられていた。圧電素子の振動モードは代表的
なものとして分極方向と振動方向が直角なモード（K31
モード）と、分極方向と振動方向が平行なモード（K33
モード）がある。第７図（ａ）は、K31モードの円筒形
圧電素子を用いた例である。円筒型圧電素子41に対し、
電極バネS361と電極バネG371はある一部で、ある圧接力
で導通されている。第７図（ｂ）はK31モードの円柱形
圧電素子を用いた例である。この場合、圧電素子の振動
方向は径方向であり、ホーン部52に効率良く振動エネル
ギーを伝達するためには、どうしても接着をする必要が
あった。第７図（ｃ）は、K33モードの円柱形圧電素子
を用いた例である。この場合圧電素子の電極は素子の両
端面であり、電極ピン72、電極板71で電力を供給されて
いる。電極板71はホーン部72が導電性部材（例えばアル
ミ等の金属）であれば、必要としないが、この場合金属
ホーンにより入力面である伝播体を傷付けるという欠点
があり、特願昭62−273963号のようにホーンを樹脂で構
成する場合には必要となってくる。従来この電極板71は
効率良く振動を伝えるためにこの樹脂ホーン72に接着し
て用いられていた。

［発明が解決しようとしている課題］しかしながら、上記従来例では以下のような欠点を有
していた。K31モード、円筒形圧電素子の場合、電極を
側面から圧接、もしくはハンダ等の手段により取り出し
ていたので、圧電素子の物理的振動特性が変化し、圧電
素子の軸芯に対して均一な振動特性が得られなくなる。
その結果、振動ペンのペン先から発せられる振動が、伝
播体中に入射した時に、その伝播体中に励起された波の
速度が方向により異なった現象となって現われ指向性が
生じ、結果として精度の良い座標入力装置を構成するこ
とができなくなるという欠点を有す。

また、K31モード円筒形、K33モード円柱形の場合にお
いて、振動伝達効率を上げるために、また素子に電力を
供給するために必ず接着という手段を用いていた。座標
入力装置の精度を保つためには振動入力ペンの共振特性
を均一にする必要があり、接着層の厚さ管理等のために
生産性を低下させるばかりか、接着層に気泡ができた場
合、また接着が部分的に不完全になった場合等において
前述の指向性が現われ、歩留りを低下させるという欠点
を有していた。

［課題を解決するための手段（及び作用）］上記課題を解決するために、本発明は、ペン先部材を
振動させて振動伝達板に振動を伝達し、前記振動伝達板
上で位置を指示するための座標入力用振動ペンであっ
て、振動方向と分極方向が一致する振動子と、前記振動
子の振動方向がホーン部材の軸方向と一致するように、
かつ前記振動子の軸芯と前記ホーン部材の軸芯とが一致
するように位置決めする位置決め部材と、前記ホーン部
材と前記振動子の間に介在した電極板の両面にグリース
等の粘性部材を塗布し、前記電極板を介して前記振動子
を前記ホーン部材に圧接するとともに前記振動子の一方
の電極と電気的導通をとる圧接部材と、前記位置決め部
材及び電極板を介して前記振動子の他方の電極との電気
的導通をとる導通手段とからなることを特徴とする座標
入力用振動ペンを提供することで、振動子に電力を供給
し、振動子で発生した振動エネルギーを効率よくホーン
部材に伝達するとともに、接着という手段を用いずに軸
対象な座標入力用振動ペンを構成することができるの
で、座標入力用振動ペンの指向性という問題を排除する
ことができ、しかも生産性をも向上させることができ
る。

［実施例］以下、図面に示す実施例に基づき、本発明を詳細に説
明する。

第１図は本発明を採用した情報入出力装置の構造を示
している。第１図の情報入出力装置は振動伝達板８から
なる入力タブレツトに振動ペン３によって座標入力を行
なわせ、入力された座標情報にしたがって入力タブレツ
トに重ねて配置されたCRTからなる表示器11′に入力画
像を表示するものである。

図において符号８で示されたものはアクリル、ガラス
板などからなる振動伝達板で振動ペン３から伝達される
振動をその角部に３個設けられた振動センサ６に伝達す
る。本実施例では振動ペン３から振動伝達板８を介して
振動センサ６に伝達された超音波振動の伝達時間を計測
することにより振動ペン３の振動伝達板８上での座標を
検出する。

振動伝達板８は振動ペン３から伝達された振動が周辺
部で反射されて中央部の方向に戻るのを防止するために
その周辺部分をシリコンゴムなどから構成された反射防
止材７によって支持されている。

振動伝達板８はCRT（あるいは液晶表示器など）な
ど、ドツト表示が可能な表示器11′上に配置され、振動
ペン３によりなぞられた位置にドツト表示を行なうよう
になっている。すなわち、検出された振動ペン３の座標
に対応した表示器11′上の位置にドツト表示が行なわ
れ、振動ペン３により入力された点、線などの要素によ
り構成される画像はあたかも紙に書き込みを行なったよ
うに振動ペンの軌跡の後に現われる。

また、このような構成によれば表示器11′にはメニユ
ー表示を行ない、振動ペンによりそのメニユー項目を選
択させたり、プロンプトを表示させて所定の位置に振動
ペン３を接触させるなどの入力方式を用いることもでき
る。

振動伝達板８に超音波振動を伝達させるペン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、前記の振動子駆動回路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１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が可能な振動子駆動回路２に
よって所定のゲインで増幅された後、振動子４に印加さ
れる。

電気的な駆動信号は振動子４によって機械的な超音波
振動に変換され、ホーン部５を介して振動板８に伝達さ
れる。

第２図の振動子４は、円柱状のもので、２−（ｂ）図
の様に、K33モードの振動子である。

該振動子４は、位置決め部材32と、すきま嵌合でホー
ン部５に対し軸芯が合う様に位置決めされている。また
位置決め部材32及びホーン部５は、ペン先保護部材33と
それぞれ外径ですきま嵌合され、それぞれ軸芯が合う様
に位置決めされている。振動子４のグランド側電極は、
電極板34,位置決め部材32,導通リング38,電極バネG37を
通して、回路につながれている。また振動子４の信号側
電極は、電極ピン35,電極バネS36を通して回路につなが
れている。さらに、ペン筐体31とペン先保護部材33は、
導通リング38でネジ部を介して一体になっている。この
とき、ペン先はペン先保護部材33でペン筐体31に支持さ
れていることになる。

本実施例において電極板34は厚さ0.02mmの銅箔を用い
ており、電極板34は、その両面をグリースを介してホー
ン部５と振動子４により、はさみつけられており、電極
バネS36により電極ピン35を介して、圧着固定されてい
る。本実施例においては導通を取るために電極板４は位
置決め部材32を介してネジによる圧接力でも固定されて
いる。

第２図に示す様に、振動ペン３の構造は完全に軸芯に
対称形となり、ハンダ付けなどによる振動子４の共振特
性が変化したり、あるいはハンダ付けでなくとも一部で
圧接して電極を取り出したときの共振特性（モード）の
変化によるペンの指向性が現われることはない。さら
に、ペン先をネジ部をゆるめることで簡単に交換でき
る。

このようにして振動伝達板８に伝達される振動の特性
が画一的なものになるので、後述の座標検出処理のため
の振動検出信号の波形を一定の形状に制御することがで
き、座標検出精度を大きく向上できる。

再び、第１図において、振動伝達板８の角部に設けら
れた振動センサ６も圧電素子などの機械〜電気変換素子
により構成される。３つの振動センサ６の各々の出力信
号は波形検出回路６に入力され、後段の演算制御回路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は振動伝達時間の測定処理を行ない、振動ペン３の振
動伝達板８上での座標位置を検出する。

検出された振動ペン３の座標情報は演算制御回路１に
おいて表示器11′による出力方式に応じて処理される。
すなわち、演算制御回路は入力座標情報に基づいてビデ
オ信号処理装置10を介して表示器11′の出力動作を制御
する。

第３図は第１図の演算制御回路１の構造を示してい
る。ここでは主に振動ペン３の駆動系および振動センサ
６による振動検出系の構造を示している。

マイクロコンピユータ11は内部カウンタ、ROMおよびR
AM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に対して所定周波数の駆動パルスを出力す
るもので、マイクロコンピユータ11により座標演算用の
回路と同期して起動される。

カウンタ13の計数値はマイクロコンピユータ11により
ラツチ回路14にラツチされる。

一方、波形検出回路９は、振動センサ６の出力から後
述のようにして、座標検出のための振動伝達時間を計測
するための検出信号のタイミング情報および、筆圧検出
のための信号レベル情報を出力する。これらのタイミン
グおよびレベル情報は入力ポート15および17にそれぞれ
入力される。

波形検出回路９から入力されるタイミング信号は入力
ポート15に入力され、判定回路16によりラツチ回路14内
の計数値と比較され、その結果がマイクロコンピユータ
11に伝えられる。すなわち、カウンタ13の出力データの
ラツチ値として振動伝達時間が表現され、この振動伝達
時間値により座標演算が行なわれる。

表示器11′の出力制御処理は入出力ポート18を介して
行なわれる。

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、それに基づく振動伝達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で示されるものは振
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から振動伝達
板８に伝達された超音波振動は振動伝達板８内を通って
振動センサ６に検出される。

振動伝達板８内を振動センサ６までの距離に応じた時
間tgをかけて進行した後、振動は振動センサ６に到達す
る。第４図の符号42は振動センサ６が検出した信号波形
を示している。本実施例において用いられる板波は分散
性の波であり、そのため検出波形のエンベロープ421と
位相422の関係は振動伝達距離に応じて変化する。

ここで、エンベロープの進む速度を群速度Vg、位相速
度をVpとする。この群速度および位相速度の違いから振
動ペン３と振動センサ６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Vgであり、ある特定の波形上の点、たとえばピークを
第４図の符号43のように検出すると、振動ペン３および
振動センサ６の間の距離ｄはその振動伝達時間をtgとし
てｄ＝Vg・tg ……（１）この式は振動センサ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６と振動ペン３の距離
を示すことができる。

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なう。第４図の位相波形
422の特定の検出点、たとえば振動印加から、ピーク通
過後のゼロクロス点までの時間をtp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。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）式から上記の整数ｎはｎ＝［（Vg・tg−Vp・tp）／λｐ＋1/N］ ……（３）と示される。ここでＮは０以外の実数であり、適当な数
値を用いる。たとえばＮ＝２とし、±1/2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３および振動センサ６間の距離を正確に測
定することができる。

第３図に示した２つの振動伝達時間tgおよびtpの測定
のため、波形検出回路９はたとえば第５図に示すように
構成することができる。

第５図において、振動センサ６の出力信号は前述の増
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。抽出
されたエンベロープのピークのタイミングはエンベロー
プピーク検出回路53によって検出される。ピーク検出信
号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エンベロープ遅延時間検出
信号Tgが形成され、演算制御回路１に入力される。

また、このTg信号のタイミングと、遅延時間調整回路
57によって遅延された元信号から検出回路58により位相
遅延時間検出信号Tpが形成され、演算制御回路１に入力
される。

すなわち、Tg信号は単安定マルチバイブレータ55によ
り所定幅のパルスに変換される。また、コンパレートレ
ベル供給回路56はこのパルスタイミングに応じてtp信号
を検出するための閾値を形成する。この結果、コンパレ
ートレベル供給回路56は第３図の符号44のようなレベル
とタイミングを有する信号44を形成し、検出回路57に入
力する。

すなわち、単安定マルチバイブレータ55およびコンパ
レートレベル供給回路56は位相遅延時間の測定がエンベ
ロープピーク検出後の一定時間のみしか作動しないよう
にするためのものである。

この信号はコンパレータなどから構成された検出回路
58に入力され、第４図のように遅延された検出波形と比
較され、この結果符号45のようなtp検出パルスが形成さ
れる。

以上に示した回路は振動センサ６の１つ分のもので、
他のそれぞれのセンサに対しても同じ回路が設けられ
る。センサの数を一般化してｈ個とすると、エンベロー
プ遅延時間Tg1〜ｈ、位相遅延時間Tp1〜ｈのそれぞれｈ
個の検出信号が演算制御回路１に入力される。

第３図の演算制御回路では上記のTg1〜ｈ、Tp1〜ｈ信
号を入力ポート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のカウント値をラツチ回路14に取り
込む。前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、ラツチ回路14にはエンベロ
ープおよび位相のそれぞれの遅延時間を示すデータが取
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６を符号S1からS3の位置に配置すると、第４図に関連
して説明した処理によって振動ペン３の位置Ｐから各々
の振動センサ６の位置までの直線距離d1〜d3を求めるこ
とができる。さらに演算制御回路１でこの直線距離d1〜
d3に基づき振動ペン３の位置Ｐの座標（x,y）を３平方
の定理から次式のようにして求めることができる。

ｘ＝X/2＋（d1＋d2）（d1−d2）/2X ……（４）ｙ＝Y/2＋（d1＋d3）（d1−d3）/2Y ……（５）ここでＸ、ＹはS2、S3の位置の振動センサ６と原点（位
置S1）のセンサのＸ、Ｙ軸に沿った距離である。

以上のようにして振動ペン３の位置座標をリアルタイ
ムで検出することができる。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、ペン先部材を
振動させて振動伝達板に振動を伝達し、前記振動伝達板
上で位置を指示するための座標入力用振動ペンであっ
て、振動方向と分極方向が一致する振動子と、前記振動
子の振動方向がホーン部材の軸方向と一致するように、
かつ前記振動子の軸芯と前記ホーン部材の軸芯とが一致
するように位置決めする位置決め部材と、前記ホーン部
材と前記振動子の間に介在した電極板の両面にグリース
等の粘性部材を塗布し、前記電極板を介して前記振動子
を前記ホーン部材に圧接するとともに前記振動子の一方
の電極と電気的導通をとる圧接部材と、前記位置決め部
材及び電極板を介して前記振動子の他方の電極との電気
的導通をとる導通手段とからなることを特徴とする座標
入力用振動ペン提供することで、振動子に電力を供給
し、振動子で発生した振動エネルギーを効率よくホーン
部材に伝達するとともに、接着という手段を用いずに軸
対象な座標入力用振動ペンを構成することができるの
で、座標入力用振動ペンの指向性という問題を排除する
ことができ、しかも生産性をも向上させることができる
という優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を採用した情報入出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図の演算制御回路の構造を示したブ
ロツク図、第４図は振動ペンと振動センサの間の距離測
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ツク図、第６図は振
動センサの配置を示した説明図、第７図（ａ）〜（ｃ）
は従来例の説明図である。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 15,16……入力ポート 51……前置増幅器 52……エンベロープ検出回路 54,58……信号検出回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷石信之介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 (72)発明者兼子潔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)発明者鴨野武志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 (56)参考文献特開昭64−8428（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−25232（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06F 3/03 340 G06K 11/06

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ペン先部材を振動させて振動伝達板に振動
を伝達し、前記振動伝達板上で位置を指示するための座
標入力用振動ペンであって、振動方向と分極方向が一致する振動子と、前記振動子の振動方向がホーン部材の軸方向と一致する
ように、かつ前記振動子の軸芯と前記ホーン部材の軸芯
とが一致するように位置決めする位置決め部材と、前記
ホーン部材と前記振動子の間に介在した電極板の両面に
グリース等の粘性部材を塗布し、前記電極板を介して前
記振動子を前記ホーン部材に圧接するとともに前記振動
子の一方の電極と電気的導通をとる圧接部材と、前記位置決め部材及び電極板を介して前記振動子の他方
の電極との電気的導通をとる導通手段と、からなることを特徴とする座標入力用振動ペン。
【請求項２】前記位置決め部材が振動子の軸に対し軸対
象な形状であることを特徴とする請求項１記載の座標入
力用振動ペン。
【請求項３】前記電極板が振動子の軸に対し軸対象な形
状であることを特徴とする請求項１記載の座標入力用振
動ペン。