JPH01114924A - 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
の種の方式では入力された文字、図形などからなる画像
情報はＣＲＴデイスプレィなどの表示装置やプリンタな
どの記録装置に出力される。

この種の装置のタブレットの座標検出においては次にあ
げる各種の方式が知られている。

１）抵抗膜と対向配置されたシート材の抵抗値変化を検
出する。

２）対向配置された導電シートなどの電磁ないし静電誘
導を検出する方式。

３）入力ペンからタブレットに伝達される超音波′振動
を検出する方式。

上記の１）、２）の方式では、抵抗膜や導体膜を用いる
ので透明なタブレットを形成するのが困難である。一方
、３）の方式ではタブレットをアクリル板やガラス板な
どの透明材料から構成できるので、液晶表示器などに入
力タブレットを重ねて配置し、あたかも紙に画像を書き
込むような感覚で使用できる操作感覚のよい情報入出力
装置を構成できる。

このとき、超音波振動をアクリル板やガラス板等の振動
伝達板に入力する振動入力ペンのペン先材質は、振動伝
達効率の良いアルミ等の材質が一般的に使用されている
。

〔発明が解決しようとしている問題点〕しかしながら、
振動伝達効率は良いが、アルミ材では振動伝達板である
アクリル板、ガラス板あるいは透明性を要しないとき使
用されるアルミ板等の金属板等に対し、傷を付けたり、
あるいはペン先材のアルミペン先自身が摩耗してしまう
。

振動伝達板が傷付くと商品として、外観上使用出来ない
。また、ペン先が摩耗してしまうと振動ホーンとしての
機能を失ってしまうばかりか、検出波形を乱してしまい
、高精度な座標検出が出来な（なる。

本発明では、上記の伝達板の傷付き、ペン先の摩耗等の
問題を改善することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段（及び作用）〕以上に鑑
み、本発明によれば振動発生手段を有する振動ペンから
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、振動ペンのペン先材質に
樹脂を採用した。

ペン先材質に樹脂を使用することにより、振動伝達板の
傷付きは完全になくなり、かつ樹脂耐摩耗性に富むため
ペン先自身の寿命は飛躍的に伸びるばかりか、書き味を
改善し、ペンの傾斜に対しても安定した検出波形を得る
ことが出来、高精度の座標検出装置を提供し得る。

〔実施例〕

以下、図面に示す実施例に基づき、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。第１図の情報入出力装置は振動伝達板８からなる
入力タブレットに振動ペン３によって座標入力を行わせ
、入力された座標情報にしたがって入力タブレットに重
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りたよう
に振動ペンの軌跡の後に現れる。

また、このような構成によれば表示器１１′にはメニュ
ー表示を行い、振動ペンによりそのメニュー項目を選択
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％式％ 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。

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ことができる値に選択される
。また、振動子駆動の際、振動伝達板８に対して第２図
の垂直方向に振動子４が主に振動するような振動モード
が選択される。また、振動子４の振動周波数を振動子４
の共振周波数とすることで効率のよい振動変換が可能で
ある。

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
波であり、表面波などに比して振動伝達板８の表面の傷
、障害物などの影響を受けに（いという利点を有する。

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、マイクロコンピュータ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ュータ１１によ
りラッチ回路１４にラッチされる。

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１６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１７によりラッチ回路１
４内の計数値と比較され、その結果がマイクロコンピュ
ータ１１に伝えられる。すなわち、カウンタ１３の出力
データのラッ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、そのため振動伝達板８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
関係は振動伝達中に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ｖｇ１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ｔ
ｇとして ｄ＝ｖｇＩＩｔｇ・・・曲間・・聞・・凹曲曲間・・曲
間・・へ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（処理を行う。第４図の位相波形４２
２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＝ｎφλｐ＋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）式から上記の整数ｎはｎ　＝　
［（Ｖｇ−ｔｇ−Ｖｐ　＠　ｔｐ）　／λｐ＋ＶＮ］・
−・−・・−・・−・−（３）と示される。ここでＮは
Ｏ以外の実数であり、適当な数値を用いる。たとえばＮ
＝２とすれば、土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４図に示した２つの振動伝達時間ｔｇおよびｔｐの測
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９は第５図に示すように構成される。

第５図の波形検出回路は筆圧検出のため、後述のように
振動センサ６の出力波形のレベル情報も処理する。

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倍信号、遅延時間調整回路５７によって
遅延された元信号からコンパレータ検出回路５８により
位相遅延時間検出信号Ｔｐが形成され、演算制御回路１
に入力される。

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Ｔｇｌ〜ｈ１位相遅延時間Ｔｐｌ〜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Ｔｇｌ〜ｈ、Ｔｐｌ〜
ｈ信号を入力ボート１５から入力し、各々のタイミング
をトリがとしてカウンタ１３のカウント値をラッチ回路
１４に取り込む。前記のようにカウンタ１３は振動子ペ
ン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にはエンベロープおよび位相のそれぞれの遅延時
間をしめず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＋　（ｄｌ＋ｄ２）　（ｄｉ　−ｄ２）　／
２Ｘ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（
４））ｒ＝Ｙ／２＋　（ｄｌ＋ｄ３）　（ｄｉ　−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ＳＬ）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。

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、障害
物による妨害を低減し、高精度な座標検出を行うことが
できる。

次にホーン部５の材質を決定する比較検討を以下に記す
。

一般にホーンは、振動子の振動を増幅する効果がある。

このホーンは、次のような共振条件式によって設計され
る（式６）。

（記号の説明は図１０中に示す） 従ってホー、ン先端で効率の良い振幅を得るためには、
そのホーン形状を保つ必要がある。また座標を入力した
場合においても、伝播体であるガラス面を傷つけてはな
らない。従ってホーンを組み込んだペン先を構成する材
料には次のような条件が必要となって（る。

１）振動子の振動を伝播体に伝えることができる２）伝
播体に対する耐摩耗性が良い ３）伝播体に傷をつけない 材料試験について説明する。

まず、振動子の振動をガラス板に入力することができる
かどうか材料の検討を行った。今回検討を行った材料は
、アルミニウム、セラミックス、樹脂である。アルミニ
ウムは、音響特性がガラスに比較的近（（音響インピー
ダンスρＣニアルミニウムρｃ＝１．７Ｘ１０’、ガラ
スｐ　ｃ＝　１．８１　Ｘ　１０’）振動伝達特性が良
いものと考えられる。この他アルミニウムに表面処理を
施したものについても検討した。セラミックスは、今回
アルミナセラミックスを用いた。一般には樹脂は振動を
減衰させる傾向にあるが、樹脂のかたさをパラメーター
に、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネイト
、ポリアセタールの４種類について検討した。

振動子の振動をガラスに入力出来るかどうかの実験方法
を以下に記す。

上記材料のホーンを設計製作し、ホーンと圧電素子を５
００ｇ重の加重で圧着した。圧電素子を４００ＫＨｚパ
ルス駆動し、ガラス板を伝ってきた板波弾性波をセンサ
ーで出力した。その時得られる出力信号を測定し、得ら
れる振幅を比較した。

出力される検出信号波形の振幅は、アルミニウムの場合
が最も大きかった。またアルミニウムに表面処理を施し
たものについてもほぼ同等の振幅が得られた。アルミニ
ウムにテフロンをコーティングしたものについては、ア
ルミニウムの振幅に比べて１０〜１５％程度低下した。

ポリアミドイミドは、アルミニウムに比べて約３０％し
か振幅が得られなかったが、検出信号波形の検出ポイン
トを特定するのには、十分な振幅が得られていた。−方
アルミナセラミックス、ポリアミド、ポリカーボネイト
、ポリアセタールについては、出力信号の振幅がほとん
ど得られなかった。現在のところホーンとして使用し得
る材料は、アルミニウムとポリアミドイミドだけである
が、今後材料の振動特性に対する物性の検討を行うこと
により、最適な材料を決定したい。

次に耐摩耗試験について記す。

座標入力ペン内に組み込まれた振動子の振動を伝播体に
入力すると、ペン先は伝播体とのこすりにより摩耗する
。前述した通り恒久的にホーンと振動子の系の振動特性
を保つためには、ホーンの形状が変化することは好まし
くない。つまりペン先は、ガラスに対する耐摩耗性が良
（しかもガラス表面を傷つけない材料を選ぶ必要がある
。

実験方法は前述の実験結果を踏まえアルミニウム、アル
ミニウムにテフロンをコーティングしたもの、芳香族ポ
リアミドイミドの３種類の材料についてホーンを設計し
耐摩耗試験を行った。負荷加重を２００ｇ重とし、ガラ
スに対するこすり速度を平均７２　ｍ　ｍ　／　ｓ　ｅ
　ｃ　、サイン関数的に速度を変化させたときの摩耗量
を繰り返し数をパラメータとして測定した。なおｌサイ
クルあたりの走行距離は、１ｃｒｒｒ中にＩＩ　Ｗ　ｓ
という文字を書いた場合の約２．５文字に相当する。

耐摩耗試験結果を第８図に示す。アルミニウムは摩耗量
が大きく、１万回程度の繰り返しで１　ｍ　ｍ以上にも
達する。またガラス面にも傷をつけ、本デジタイザーの
座標入力ペンのペン先の材料として不向きである。また
アルマイト処理を施したものについては若干耐摩耗性が
改善されたが、製品レベルにはない。アルミニウムにテ
フロンをコーティングしたものは、耐摩耗性が飛躍的に
向上した。

しかしコーティングした膜が破れると、その摩耗量は急
激に増大する。テフロンコーテイング膜はひっかき等に
より簡単に傷がついたり剥離してしまうので、製品とし
て使用する場合において経時的な安定性を保証すること
ができない。一方、芳香族ポリアミドイミドは、ガラス
に対して耐摩耗性という点で非常によい特性を持つもの
と考えられる。従って振動伝達の実験結果と耐摩耗試験
結果とから芳香族ポリアミドイミドが実際に使用し得る
材料である（表１）。

表１材料比較 表１中　Ｏは実用可能 ×は実用不可能、あるいは実用上好ましくない次に芳香
族ポリアミドイミドの構造式を数種示す。

その他にもいろんな構造は考えられる。また、添加物及
び充填物としては、酸化チタン、黒鉛、フッ素樹脂、ガ
ラス繊維、二硫化モリブデン等が入っていてもかまわな
い。

〔発明の効果〕

以上説明してきた様に、芳香族ポリアミドイミドをペン
先に使うことで振動伝達板を傷付けることな（、振動を
伝達し、かつペン先自身のすりへり等がなくなるばかり
か、耐久的に安定した検出信号を得られるため、常に高
精度な座標入力装置が実現する。また書き味についても
飛躍的な向上が見られる。さらに芳香族ポリアミドイミ
ドを使うことでペン先を射出成型等の工法で安価に製品
化することが出来、従来のアルミ材削り出しだとどうし
ても高価になってしまっていた。

この様に芳香族ポリアミドイミドをペン先に使うことで
高精度で耐久性のある、かつ安価な座標入力装置を提供
し得る。

【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
ロック図、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図は耐摩耗試験の
説明図、第８図は耐摩耗試験の結果を示す図、第９図は
半波長共振ホーンの条件を示す図である。 工・・・・・・演算制御回路 ３・・・・・・振動ペン ４・・・・・・振動子 ６・・・・・・振動センサ ８・・・・・・振動伝達板 ５１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・前置増幅器１５．１６・・・・・・・・・・・・・
・・・・入力ボート５２・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・エンベロープ検出回路５４．５
８・・・・・・・・・・・・・・・・・信号検出回路５
９・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・Ａ／Ｄ変換回路９１・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・ピークホールド回路９２・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・加算回
路９３・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・コンバレータω　　： 半波＆共振ホ・ 共叛角同浪我（−２１テ） せ料中での雀迩曳 ｊ良長定牧　こ−ω１０〕 −ン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）振動発生手段を有する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入力ペン先部材
   が樹脂であることを特徴とする座標入力装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項に於いて、前記樹脂は熱可
   塑性ポリアミドイミドであることを特徴とする座標入力
   装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項に於いて、前記樹脂は、芳
   香族ポリアミドイミドであることを特徴とする座標入力
   装置。