JPH02129714A - 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
動を振動伝達板上の所定位置に設けられた振動センサに
より検出して振動伝達板上での振動伝達時間から前記振
動ペンによる振動伝達板への振動入力位置を検出する座
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。

この種の装置では、振動入力ペンからタブレットに伝達
される超音波振動を振動伝達板に入力し、入力点から振
動伝達板の所定部位に設けられた振動センサにより検出
し、各センサへの振動伝達時間により入力点の座標を同
定する構成が知られている。超音波方式では、入力タブ
レットの構造が比較的簡単であり、装置の構成が簡単安
価であるとともに、タブレットを透明材料から構成し、
表示器、原稿に重ねて使用できるという利点がある。

［発明が解決しようとする課題］ 従来では、振動伝達板に振動入力を行なうための振動ペ
ンの振動発生部は第７図に示すように構成されている。

第７図（Ａ）、（Ｂ）において符号４′は円柱型の圧電
素子で、振動伝達板に効率よく振動伝達を行なうための
ホーン５に接着、圧接などの方法で固着される。

振動伝達板に伝達される波は板波のａモードが座標検出
のための波形処理に都合がよいことが知られており、圧
電素子４′は、不図示の振動伝達板にこの板波を発生で
きるように図の垂直方向の振動モードを有する。特に従
来では、圧電素子４′は、分極方向と振動方向（図中の
矢印方向）が平行なに３３モードのものを用いている。

第７図の構造では、信号入力のための電極は圧電素子４
′の上下面に設けられ、その一方はホーン５と接触して
いるので、電気的な電極の取り出しが非常に困難である
。圧電素子４′はに３３モードであるため、図示のよう
な振動方向では電極は第７図（Ｂ）の符号Ａ、Ｂのよう
に圧電素子４′の上下面である。特に下面の電極Ｂはホ
ーン５との接触面であるから、この面からの電極取り出
しは符号Ｃのように素子の側面に電極を引き出しておく
ことが多い。

ところが、符号Ｃのように電極を引き出すと、分極の乱
れが生じ単一モードの振動を発生させるのが困難になり
、振動波形の歪みなどにより振動検出タイミングのずれ
が発生し、座標検出精度が低下する。また、電極の側面
への引出しは素子の製造コストを増大させる問題がある
。

本発明の課題は、以上の問題を解決し、所望の単一の振
動モードによる機械振動を振動伝達板に入力でき、しか
も振動ペンの振動子の電極取り出し構造を容易にできる
座標入力装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 以上の課題を解決するために、本発明においては、振動
ペンから入力された振動を振動伝達板上の所定位置に設
けられた振動センサにより検出して振動伝達板上での振
動伝達時間から前記振動ペンによる振動伝達板への振動
入力位置を検出する座標入力装置において、前記振動ペ
ンに設けられる振動発生用の振動子を分極方向に対して
振動方向が直角な圧電素子から構成し、この圧電素子の
振動方向を振動ペンのペン軸方向にほぼ一致させるとと
もに圧電素子の駆動信号入力を圧電素子の側方の分極面
から行なう構成を採用した。

［作用］ 以上の構成によれば、分極面と異なる面に電極の引出し
を行なう必要なく圧電素子の側方から駆動電極を引き出
すことができる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づき、本発明の詳細な説明
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
る入力タブレットに振動ペン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３個の振動センサ６に伝達する。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防振材７によって支持され
ている。防振材７の境界面からの反射波の影響を軽減す
るため、振動センサ６は防振材７の境界面上あるいはご
く近傍に装着する。装着方法は接着、圧接などいずれの
方法でもよい。

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
ー表示を行ない、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を介して振動伝達効率に伝達する。

第２図（Ａ）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くいという利点を有する。

第２図（Ｂ）に本実施例における振動子４の構造を示す
。

本実施例では、振動子４を分極方向に対して振動方向が
直角な長さ方向の振ｉ１］（Ｋ３１モード）を発生する
中空の円筒型の圧電素子から構成する。振動子４から発
生される振動の方向は矢印ｖ１の方向である。

素子の分極は、この振動方向と直角、すなわち、外周面
りと内周面Ｅの間で行なわれている。

電極は上記分極方向から明らかなように、第２図（Ｃ）
に示すように、素子の外周面りおよび内周面已に設けれ
ばよく、素子の上面ないし底面がホーンと固定されてい
ても容易に電極の取り出しを行なうことができる。駆動
信号入力のための電極の取り出し方法としては、圧接式
の接触電極などを振動子４の外周面Ｄ、内周面Ｅの両側
から圧接する、あるいはハンダ付けによりリード線を外
周面Ｄ、内周面Ｅに取り付けることが考えられる。

以上の構成によれば、駆動信号入力のための電極を分極
が行なわれる対向面と異なる面に取り出す必要がないた
め、分極の乱れを生じることがなく、振動子４により単
一モードの振動のみを発生することができ、従って、後
述の波形検出および座標演算において、正確に波形検出
タイミングを決定でき高精度な座標入力を行なうことが
できるようになる。

さらに、上記構成によれば、振動子４のホーン接触面と
電極面が別の面となるので、ホーン５の接触面を自由に
加工できる。たとえば、振動子４のホーン５との接触面
の表面あらさを調節することにより、振動伝達効率を向
上することが考えられるが、このような加工を自由に行
なうことができる。

以上では中空円筒型の圧電素子を例示したが、第２図（
Ｄ）に示すように直方体形状の圧電素子を振動子４とし
て用いてもよい。この場合には、振動子４の分極方向は
素子の側方の対向面Ｆ、Ｆの間の方向で、電極もこの面
Ｆ、Ｆに設ける。このような構造によっても、第２図（
Ｂ）、（Ｃ）の場合と同様に容易に電極の取り出しを行
なうことがてきる。

また、第２図（Ｅ）に符号Ｇ、Ｈで示す位置に、素子の
端面に外周面Ｄ、内周面Ｅの電極を弓ぎ出しておけば、
より容易にリート線や接触電極を用いて素子との電気的
結合をとることがてぎる、この構成によれば、接触電極
などにより振動子４に対して不必要な横方向の応力を与
えることがないという利点を有する。また振動子４の側
面には接触電極、リード線などの部材を配置する必要が
ないので、振動ベン３をより小型軽量にできるという利
点もある。

次に、振動波形の検出系、および座標検出系の構成、動
作につき説明する。

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ｍ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９に入力され、後述の波形検出処理によ
り演算制御回路１により処理可能な検出タイミング信号
に変換される。この検出タイミング信号は演算制御回路
１に入力される。

演算制御回路１は波形検出回路から入力された検出タイ
ミングにより各センサへの振動伝達時間を検出し、さら
にこの振動伝達時間から振動ベン３の振動伝達板８上で
の座標入力位置を検出する。

検出された振動ベン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。

ここでは主に振動ベン３の駆動系および士辰動センサ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
タイミング情報を出力する。これらのタイミング情報は
入力ボート１５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ボ
ート１５に入力され、ラッチ回路１４内の各振動センサ
６に対応する記憶領域に記憶され、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
標演算が行なわれる。このとき、判定回路１６は複数の
振動センサ６からの波形検出のタイミング情報がすべて
入力されたかどうかを判定し、マイクロコンピュータ１
１に報知する。

表示器１１°の出力制御処理は人出力ポート１７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
動ベン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ベン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４
２１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
振動ベン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、振動ベン３お
よび振動センサ６の間の距１１１１ｄ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
振動ベン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４
２２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
ナと振動ベンの距離は 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とし、群遅延時間ｔｇのゆ
らぎが±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
、振動ベン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ｔ
　ｐ　４８号を検出するためのしきい値を形成する。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５８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５
８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のよつな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Ｔｇｌ〜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。前記のようにカウンタ１３は振動ベン
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ベン３の位置Ｐから各
々の振動センサ６の位置までの直線比［ｄｌ〜ｄ３を求
めることかてきる。

さらに演算制御回路１でこの直線距１ｌｉＩｔｄ１〜ｄ
３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＋　（ｄ　１　＋ｃｉ　２）（ｄ　１−ｄ　
２）　／２Ｘ・・・　（４） 、ｙ＝Ｙ／２＋　　（ｄｌ＋ｄ３）（ｄｉ−ｄ３）／２
Ｙ・・・　（５） ここでＸ、ＹはＳ２．３３の位置の振動センサ６と原点
（位置Ｓｔ）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とる。

［発明の効果］ 以上から明らかなように、本発明によれば、振動ペンか
ら入力された振動を振動伝達板上の所定位置に設けられ
た振動センサにより検出して振動伝達板上での振動伝達
時間から前記振動ペンによる振動伝達板への振動入力位
置を検出する座標入力装置において、前記振動ペンに設
けられる振動発生用の振動子を分極方向に対して振動方
向が直角な圧電素子から構成し、この圧電素子の振動方
向を振動ペンのペン軸方向にほぼ一致させるとともに圧
電素子の駆動信号入力を圧電素子の側方の分極面から行
なう構成を採用しているので、分極面と異なる面に電極
の引出しを行なう必要なく圧電素子の側方から駆動′Ｗ
Ｘ極を引き出すことができる。このため、圧電素子の製
造コストを低減し、簡単安価な構造により圧電素子の電
極取り出しを行なうことができる。しかも、圧電素子の
分極の乱れを生じることがなく、単一の振動モードで振
動子を振動させることができ、不要な振動成分のカップ
リングによって振動伝達板に入力される振動波形が歪む
のを防止できる。これにより、振動伝達板に入力される
振動が振動センサに到達するタイミングを振動センサの
出力信号の波形処理により正確に行なうことができ、高
精度な座標検出を行なえ、また、振動子の振動取り出し
面と、駆動信号の入力面が別になるため、振動取り出し
面に振動伝達効率を向上させるなどの目的で自由に加工
を施すことができるなどの優れた利点がある。

【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（Ａ）は第１図の振動ペンの構造を示
した説明図、第２図（Ｂ）は振動ペンに用いられる振動
子の構造を示した斜視図、第２図（Ｃ）は第２図（Ａ）
の素子の構造を説明する断面図、第２図（Ｄ）、（Ｅ）
は異なる振動子の構造を示した斜視図、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（Ａ）、（Ｂ）は従来の振動ペンの構
造を示した説明図である。 １・・・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 １１・・・マイクロコンピュータ １３・・・カウンタ　　１４・・・ラッチ回路１５．１
７・・・入カボート ｊｈｔｎ’３ｒｌｉ″１ｕｔｒ＋斜視ｆＺｊ第２図（Ｂ
） ↑ε１１１′ｌ坊へ断ｅＤ躬 第２図（Ｃ） ψ４を乃本肯ｊ）とε示しｒて斜視６ろ第２図（Ｅ） 芦ｒＪ麹敞言、床斜糀躬 第２図（Ｄ） ；疫柩枦陀辻江凸蓄すのフ゛ｏ−７フ肪第５図 ↑鵠ｎゼオ取７４イ仏置のδ全明Ｍ 第６図 Ｖ巨隨酒１）定を示しヒ７意斤知乙 第４図 掻采／ｌｔａぺ〉牝婦郭ハざ酢ｎｉ 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）振動ペンから入力された振動を振動伝達板上の所定
   位置に設けられた振動センサにより検出して振動伝達板
   上での振動伝達時間から前記振動ペンによる振動伝達板
   への振動入力位置を検出する座標入力装置において、前
   記振動ペンに設けられる振動発生用の振動子を分極方向
   に対して振動方向が直角な圧電素子から構成し、この圧
   電素子の振動方向を振動ペンのペン軸方向にほぼ一致さ
   せるとともに圧電素子の駆動信号入力を圧電素子の側方
   の分極面から行なうことを特徴とする座標入力装置。