JPH0410022A - 座標入力用振動ペン - 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円柱形の圧電素子を用いた場合、
圧電素子に電力を供給するための電極は、円柱の両端面
に取りつけられている。素子の機械的エネルギーをホー
ン部材に伝達するために電極の一方とホーン端面を接着
あるいは圧着して使用している。このため、一方の素子
の電極は完全にホーンにかくされてしまい、電力を供給
するためにさまざまな工夫かされている。第７図は従来
例を示したものであるが、第７図（ａ）はホーンが鋼な
どの導電性部材で構成されている場合に、一方の電極を
ホーンから取り出す方法であり、通常カシメ、ハンダ等
により行なわれている。第７図（ｂ）、（Ｃ）はホーン
が導電性でない場合に良く用いられる方法で、圧電素子
の一端の電極を素子の側面もしくは反対側端面にまでひ
きのばして電気的導通を得る方法である。

〔発明が解決しようとしている課題） しかしなから、上記従来例では以下のような欠点があっ
た。

第７図（ａ）のようにホーンが鋼などの導電性部材で構
成されている場合は、座標入力時にホーン先端部が入力
面であるガラス板、アルミ板等の表面を傷つけてしまい
、それがひどくなると入力面上を伝わる板波の伝播特性
に影響を与え、座標入力装置自身の精度の低下を引き起
こす。また、この問題を解決するためにホーンを樹脂で
構成した場合、第７図（ｂ）、（Ｃ）のように圧電素子
のｔ８ｉを側面もしくは反対の端面までひぎ出す必要が
あり、この工程によりコストが大幅に上昇するばかりで
なく、分極時の絶縁耐圧による制約、電極位置による分
極方向の不均一等により圧電素子の特性が変化したり電
気−機械結合係数が低下するという欠点がある。

〔課題を解決するための手段（及び作用）〕本発明は上
記事情に鑑みてなされたもので、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
座標入力装置の入力ペンにおいて、振動を発生する振動
発生素子と前記振動発生素子から発生された振動を伝達
する絶縁部材からなるホーン部材と、前記ホーン部材と
前記振動発生素子の間に介在されたｔｇ１部材と、前記
振動発生素子を前記ホーン部材に対して位置決め固定す
る固定部材と、前記振動発生素子を前記電極部材に対し
て押圧して圧接する圧接部材を設けることにより、圧電
素子の性能を低下させることなく、しかも低コストな素
子を用いて素子をハンダ等の手段を用いないで駆動回路
に容易に電気的に接続することができるようにしたもの
である。

〔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人出刃装置の構造を示し
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、カラス板
などからなる振動伝達板で振動ベン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
ることにより振動ベン３の振動伝達板８上での座標を検
出する。

振動伝達板８は振動ベン３から伝達された振動が周辺部
で反射さね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
ベン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、振動ベン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ベン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
ＫＳ５を介して振動伝達板８に伝達する。

第２図は振動ベン３の構造を示している。振動ベン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（ａ）の振動子４は円柱状のもので、第２図（ｂ
）の様にに３３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ビン３５、電極バネ３６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。

第２図（ａ）に示す様に、振動ベン３の構造は完全に軸
芯に対し対称形となり、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て
も一部で圧接して電極を取り出した時の振動特性の変化
による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ので、たとえペ
ン先が摩耗したり破損した場合においても安い単価でメ
ンテナンスが行なえるというメリットもある。この時、
電極板３４はホーン部に接着等で一体化したり、あるい
は振動子に接着等で一体化しても良いことは言うまでも
ない。

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
の振動検圧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
より処理可能な検圧信号に変換される。演算制御回路１
は振動伝達時間の測定処理を行ない、振動ベン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！ｌ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ボ
ート１５に入力され、判定回路１６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か表現され、この
振動伝達時間値により座標演算か行なわれる。

表示器１１′の出力制御処理は入圧カボート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４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４２
１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の間の距離ｄはその振動伝達時間をｔ
ｇ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とすれば振動センサ
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
てあり、適当な数値を用いる。たとえばＮ＝２とし、±
１／２波長以内であれは、ｎを決定することがてきる。

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診る。

第５図において、振動センサ６の出力信号は前述のｑｉ
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か取り出される。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にょって検出される。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傷信号タイミングと、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傷信号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（９）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侶号を入力ポート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は振動子の
駆動と同期してスタートされているので、ラッチ回路１
４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Ｈｄ１〜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１１ｉｄｌ〜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＋　　（ｄ　１　＋ｄ　２）　　（ｄ　１−
ｄ　２）　／２Ｘ　　　　　　　　　　　　　・・・（
４）ｙ＝Ｙ／２＋（ｄｔ＋ｄ３）　　（ｄｉ−ｄ３）／
２Ｙ　　　　　　　　　　　　　・・・（５）、ｍ、１
ｍでＸ、ＹはＳ２、Ｓ３の位置の振動センサ６と原点（
位置ｓＢ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、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の入力ペンにおいて振動を発生する
振動発生素子と、前記振動発生素子から発生された振動
を伝達する絶縁部材からなるホーン部材と、前記ホーン
部材と前記振動発生素子の間に介在された電極部材と、
前記振動発生素子を前８己ホーン部材に対して位置決め
固定する固定部材と、前記振動発生素子を前記電極部材
に対して圧接する圧接部材を設けることにより、圧電素
子の性能を低下させることなく、しかも低コストな素子
を用いて素子をハンダ等の手段を用いないで駆動回路に
容易に電気的に接続することができるようになフたので
、振動子の振動特性を安定化することができ、しかも効
率の良い振動が得られるようになフた。この結果、振動
検出に基づく座標検出精度が向上するというすぐれた効
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、 ′ｔＳ２図（ａ）、（ｂ）は第１図の振動ヘンの構造を
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、 ′Ｍ５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
）〜（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・・・撮動子 ５・・・ホーン部 ６・・・振動センサ ８・・・振動伝達板 ５１・・・前置増幅器 １５．１６・・・入力ポート ５２・・・エンベロープ検出回路 ５４． ８・・・信号検出回路 系５図 ’、　賛’ｄａ　ＩＪ播牟回路のフ゛口・ツク図第１−
Ｉ−図 ソ巨狽０１１定仝示しａ江りし図 シ皮所豫幸剣出回ソ＆０ブｂ・ブグ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、振動入力ペンより振動伝達板に入力した振動を検出
   して、振動入力点の座標を検出する座標入力装置に用い
   る振動入力用ペンに於て、 振動を発生する振動発生素子と、前記振動発生素子から
   発生された振動を伝達するホーン部材と、前記ホーン部
   材と前記振動発生素子の間に介在された電極部材と、前
   記振動発生素子を前記ホーン部材に対して位置決め固定
   する固定部材と、前記振動発生素子を前記電極部材に対
   して圧接する圧接部材とを有することを特徴とする振動
   入力用ペン。