JPH0578850B2

JPH0578850B2 -

Info

Publication number: JPH0578850B2
Application number: JP61248450A
Authority: JP
Inventors: Shinnosuke Taniishi; Katsuyuki Kobayashi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-10-21
Filing date: 1986-10-21
Publication date: 1993-10-29
Also published as: JPS63103317A

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、図形などをコンピユー
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ツ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ツトの
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
化を検出する方式。

(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ツトに伝達される超音波
振動を検出する方式。

［発明が解決しようとする問題点］上記の各従来方式は次のような問題点を有して
いる。

まず、(1)の抵抗膜方式は抵抗膜の均一性が検出
精度を決定するので、均一性の高い高価な抵抗膜
を必要とすること、あるいはタブレツトを透明化
できないので表示器などに重ねて使用できないな
どの欠点がある。

(2)の誘導方式も透明化が困難で、しかもマトリ
クス状の電極を多数設けるため大型なタブレツト
を構成するのが困難である。

一方、(3)の超音波方式では、タブレツトとし
て、圧電素子などの振動センサを設けたアクリ
ル、ガラス板などの透明材料から成る振動伝達板
を用いることができる。

ところが、この超音波方式ではタブレツトの振
動伝達板上の傷や障害物などによつて検出精度が
低下する問題がある。

そこで、弾性波のうち板波によつてタブレツト
の振動伝達板を振動させ、振動伝達板の傷や障害
物の影響を小さくする技術が提案されている。と
ころが、この方式では振動ペンの筆圧、あるいは
傾きなどの条件により振動の縦波成分が振動セン
サの検出波形に影響し、精度よく振動検出に基づ
く座標入力を行えないという問題があつた。

本発明では、他の方式に比して透明化が容易で
比較的安価に構成できるという種々の利点を有す
る超音波方式において、上記の検出誤差の問題を
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］以上の問題点を解決するために、本発明におい
ては、振動入力手段を接触することで振動伝達部
材に伝達された板波振動を前記振動伝達部材に設
けられた振動検出手段により検出し、検出された
板波振動の横波成分に基づいて前記振動入力手段
の前記振動伝達部材への接触座標位置を導出する
座標入力装置において、前記振動入力手段は、板
波振動を発生する振動発生素子と、該振動発生素
子から発生された板波振動を前記振動伝達部材に
伝達するためのホーン部材と、前記板波振動の縦
波成分を除去するために前記ホーン部材の先端部
に均一な膜厚でコーテイングされたフツソ樹脂、
シリコン樹脂或は高分子ポリエチレン樹脂を設け
た構成を採用した。

［作用］以上の構成によれば、振動ペンが傾斜している
場合でも、振動ペンの振動伝達部材に設けられた
弾性材層により振動伝達板の水平方向に加わる力
を吸収することができるので、座標検出精度を低
下させる振動伝達板の縦波成分を除去することが
できる。

［実施例］以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳
細を説明する。

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イスプ
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が液晶デイスプレイなどから構成
されたデイスプレイ１１′上に配置され、情報入
出力装置を構成する。デイスプレイ１１′には振
動伝達板８を介して入力された文字、図形をフイ
ードバツクさせたり、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
を先端が尖つたホーン部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
ンス駆動の可能な振動子駆動回路２によつて所定
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によつて機械的な振動
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。従つて、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つて、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、マイクロコンピユータおよびメモリ
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
のデイスプレイ１１′は、演算制御回路１により
デイスプレイ駆動回路１０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図のデイスプレイ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。

マイクロコンピユータ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
ユータ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
ンピユータ１１によりラツチ回路１４にラツチさ
れる。

波形検出回路９から入力される検出信号は、入
力ポート１５に入力され、ラツチ回路１４内の計
数値と判定回路１６により比較され、その結果が
マイクロコンピユータ１１に伝えられる。デイス
プレイ１１′の駆動、あるいはコンピユータシス
テムなど他の処理装置との入出力は、入出力ポー
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によつ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。本実施例において用いら
れる板波は、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vp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vg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、ｄ＝vg・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422の特定の検出点、例えばピーク通
過後のゼロ・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＝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)式より、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。例えばＮ＝２とすれば、エン
ベロープの検出精度が±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つの庭延時間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によつ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によつて所定波形のTg信号が形成さ
れ、演算制御回路１に入力される。また、この
Tg信号と遅延時間調整回路５７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Tp検出信号が形成され、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T_g1〜
ｈ、T_p1〜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T_g1〜ｈ、
T_p1〜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。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S₁〜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つて、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d₁〜
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、ｘ＝Ｘ／２＋（d₁＋d₂）（d₁−d₂）／2X …(4) ｙ＝Ｙ／２＋（d₁＋d₃）（d₁−d₃）／2Y …(5) 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１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、振動伝達板
８の縦波成分が振動センサ６の検出波形に与える
影響を小さくする。

第７図において符号７１は振動ペン３のボデイ
で、その先端部にはホーン部５がねじ部７６を介
して結合されている。

ホーン部５の基材７３はアルミニウムなどの金
属性で、ホーン部５とボデイ７１の間には圧電素
子などから構成された振動子４が固定されてい
る。

さらに基材７３の円錐状に尖つた先端部は弾性
を有する樹脂層７５によりコーテイングされてい
る。この樹脂層の厚みは約300μｍとする。

いま、振動伝達板８に第８図に示すように振動
ペン３の先端のホーン部５が押し付けられたとす
ると、樹脂層７５の密度が筆圧によつて変化す
る。すなわち、第８図のベクトルFv方向に樹脂
層７５の密度が見かけ上増大することになり、ベ
クトルF_H方向に対する樹脂層の密度との間に差
が出てくる。

この密度の差は力FvとF_Hの伝播率の差となり、
振動ペン３を傾けた状態においても筆圧Ｆのうち
垂直方向成分Fvは効率よく振動伝達板８に伝達
されるが、水平方向成分F_Hは樹脂層７５に吸収
されてしまい、ほとんど振動伝達板８に伝達され
ない。

このことは振動伝達板８に発生する弾性波の板
波のうち、縦波弾性波成分の発生がほとんどなく
なり、横波弾性波成分のみが振動伝達板８に対し
て伝達されることを意味する。

したがつて、従来この種の座標検出装置におい
て検出精度を阻害していた弾性板波の縦波成分を
ほとんど除去でき、座標検出精度を大きく向上さ
せることができる。

実験によると、樹脂層７５の材質としてはフツ
素樹脂、シリコーン樹脂、高分子ポリエチレンな
どの樹脂が上記の縦波成分吸収に適していること
がわかつた。

樹脂層７５の弾性は膜厚に応じて適切な振動吸
収特性を得られるように決定すればよい。また、
膜厚の選択によつて所定筆圧以下の領域で振動ペ
ンの発生する振動を吸収することができるから、
膜厚の選択によつて入力振動のしきい値を設定す
ることもできる。

第９図、第１０図は樹脂層の有無による振動セ
ンサ６の検出信号の違いを示したものである。

第９図は樹脂層を設けない従来の振動ペンによ
る振動検出信号を示している。図において符号
W_Hは縦波成分で、後に続く主成分の横波にかさ
なりあつて横波のみの場合と異なる時間軸方向に
非対称な信号波形が形成される。これにより前述
のエンベロープ検出に誤差が生じ、正確な座標検
出が行えなくなる。

一方、第７図、第８図に示すように樹脂層を設
けた振動ペン３では、第１０図に示すように縦波
成分がほとんど除去され振動センサ６に横波成分
のみを検出させることができ、高精度な座標検出
を行うことができる。

［効果］以上から明らかなように、本発明によれば、振
動入力手段を接触することで振動伝達部材に伝達
された板波振動を前記振動伝達部材に設けられた
振動検出手段により検出し、検出された板波振動
の横波成分に基づいて前記振動入力手段の前記振
動伝達部材への接触座標位置を導出する座標入力
装置において、前記振動入力手段は、板波振動を発生する振動
発生素子と、該振動発生素子から発生された板波
振動を前記振動伝達部材に伝達するためのホーン
部材と、前記板波振動の縦波成分を除去するため
に前記ホーン部材の先端部に均一な膜厚でコーテ
イングされたフツソ樹脂、シリコン樹脂或は高分
子ポリエチレン樹脂を設けた構成を採用している
ので、振動ペンが傾斜している場合であつても、
振動ペンの振動伝達部材に設けられた弾性材層に
より振動伝達板の水平方向に加わる力を吸収する
ことができるので、振動伝達板の縦波成分を除去
することができ、座標検出の精度を向上させるこ
とができる。また、弾性材層の特性を選択するこ
とにより座標入力時の筆圧管理を行うこともでき
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図の演算制御装
置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図は振動ペンの構造
を詳細に示した断面図、第８図は振動ペン先の樹
脂層の作用を示した説明図、第９図は従来の樹脂
層なしの振動ペンからの振動波形を示した波形
図、第１０図は樹脂層つきの振動ペンによる振動
波形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、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
……エンベロープ検出回路、５４，５８……信号
検出回路、９１……ピークホールド回路、７１…
…ボデイ、７３……ホーン部、７５……樹脂層。

Claims

【特許請求の範囲】１振動入力手段を接触することで振動伝達部材
に伝達された板波振動を前記振動伝達部材に設け
られた振動検出手段により検出し、検出された板
波振動の横波成分に基づいて前記振動入力手段の
前記振動伝達部材への接触座標位置を導出する座
標入力装置において、前記振動入力手段は、板波振動を発生する振動
発生素子と、該振動発生素子から発生された板波
振動を前記振動伝達部材に伝達するためのホーン
部材と、前記板波振動の縦波成分を除去するため
に前記ホーン部材の先端部に均一な膜厚でコーテ
イングされたフツソ樹脂、シリコン樹脂或は高分
子ポリエチレン樹脂を設けたことを特徴とする座
標入力装置。