JPH10307670A - 座標入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で、スイッチ信号あるいは筆圧検
知信号を発生することができる座標入力装置を提供す
る。 【解決手段】 振動入力ペン３により振動伝達板上に入
力された弾性波振動が振動センサに到達するまでの遅延
時間に基づき振動入力点の座標位置が算出される。振動
入力ペンには振動子４が内蔵され、この振動子は、第１
の電極バネ１３６により軸方向に沿った第１の位置に保
持される振動伝達部材５に、第２の電極バネ１３７によ
り付勢力を受けて取り付けられる。ペン先に力が印加さ
れたとき振動伝達部材が軸方向に沿って付勢力に抗して
第２の位置に移動する。このとき振動子４に加わる応力
が変化するので、この応力の変化を検出してスイッチ信
号あるいは筆圧検知信号を形成する。簡単な構成でスイ
ッチ信号を発生できる操作性の良いペン先スイッチを構
成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、座標入力装置、特
に振動入力ペンから入力された弾性波振動を振動伝達板
に複数設けられたセンサにより検出し、振動入力ペンか
ら振動伝達板に入力された弾性波振動の伝達時間を基づ
き振動入力ペンによる振動入力点の座標を検出する座標
入力装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、座標入力装置として様々な方
式のものが提案されており、その方式専用の専用ペンが
用いられる場合が多く見受けられる。また、この種の入
力ペンでは、操作性の向上を目的としたペンスイッチ
が、例えばペン筺体の側面に設けられる従来例が良く知
られている。

【０００３】このペンスイッチを装備した入力ペンを、
超音波を利用した座標入力装置に採用した具体的な実施
形態として、特開平０１−１１２４１８号公報、あるい
は特開平０５−１８９１２８号公報などが知られてい
る。

【０００４】前者は、操作者の筆圧に応じてペン先がス
ライドしてスイッチを動作させるものであり、その場合
であっても、内蔵された振動素子に圧力変化等の影響が
ないように構成され、高精度に座標算出ができるように
構成されている。一方、後者は入力ペンをコードレスに
した場合に有効な構成で、スイッチがＯＮされると、振
動を発生させるための駆動信号を変調させ、センサで検
出される信号波形の変形を検知してスイッチがどのよう
な状態にあるかを検出できるようにしたものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では以下のような欠点があった。

【０００６】従来の特開平０１−１１２４１８号公報に
示される入力ペンは、スイッチのＯＮ／ＯＦＦを判定す
るための信号をペンケーブルを介して行う必要が有り、
操作性が低下する。すなわち、この種の座標入力装置は
ペンで発生した振動の発生タイミングを信号検出側で検
知する必要が有り、ペンケーブルを介してその信号の授
受を行っていた。従って、ペンケーブルに内蔵される配
線は、駆動信号供給用のケーブルが１対、最低限必要と
なり、更にペンスイッチ信号用のケーブルが加わること
で、ケーブル自体が太くなり、操作性を低下させること
になる。

【０００７】この改善策として、特開平０５−１８９１
２８号公報は、ペンスイッチの動作により、振動を発生
させる駆動信号を変調し、その駆動波形で得られる信号
を処理して、スイッチの状態を検出するようにしてい
る。この結果、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ情報は、センサ
で検出される信号波形に重畳されることになるので、ペ
ンケーブルにはスイッチ用の配線をしなくても済み、操
作性が改善されるという利点が得られる。

【０００８】さらに、この従来例では、ペンで発生した
振動の発生タイミングを信号検出側で検知する別手段を
設けることで、ペンケーブルを無くし、操作性の良いコ
ードレスペンを実現している。しかしながら、コードレ
スペンとすることで、振動を発生させる手段に電源を供
給する電池手段は、ペン自身が備える必要が有り、その
容量は自ずと限界が有る。従って、電池の寿命を考慮す
れば、消費電力を極力小さくすることが望まれるが、前
述のスイッチのＯＮ／ＯＦＦ情報を振動を介して授受す
る構成では、回路をこれ以上簡素化することができなか
った。つまり、ペン内の電池寿命を伸ばすことがこれ以
上できないという欠点を有し、ユーザに多大なランニン
グコストの負担を強いる欠点を有していた。

【０００９】従って、本発明は、このような問題点を解
決するためになされたもので、簡単な構成で、スイッチ
信号を発生することが可能な座標入力装置を提供するこ
とを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、振動入力ペンにより振動伝達板上に入
力された弾性波振動が振動検出手段に到達するまでの遅
延時間に基づき振動入力点の座標位置を算出する座標入
力装置において、ペン先に印加される力に応じて振動子
に加わる応力が変化するように振動子を取り付けた振動
入力ペンと、振動伝達板に配置され、振動子で発生した
弾性波振動を検出する振動検出手段と、振動検出手段に
より検出された振動の振動特性に基づき前記応力の変化
を検出する手段とを備え、検出された応力の変化からス
イッチ信号あるいは筆圧検知信号を形成する構成を採用
した。

【００１１】このような構成では、ペン先に印加させる
力に応じて振動子に加わる応力が変化するように振動子
が取り付けられているので、応力の変化を検出すること
によりペン先に印加された力を知ることができ、従って
スイッチ信号あるいは筆圧検知信号を簡単に形成するこ
とが可能になり、操作性のよいペン先スイッチを構成す
ることができる。

【００１２】このスイッチ信号あるいは筆圧検知信号に
より、所定の筆圧が印加されたとき、例えば、ペン先で
指示されたメニューあるいはアイコンをオンあるいはオ
フさせることが可能になる。またスイッチ信号ないし筆
圧検知信号により、例えば筆圧が強いときには、表示が
濃くなるように、筆圧に応じて表示を切り替えることも
可能になる。

【００１３】具体的には、ペン先に力が印加されると、
振動子の応力が変化し、それにより検出される振動の位
相周期が変化するので、この位相周期の変化を検出する
ことにより応力の変化が検出される。

【００１４】好ましくは、振動子は、第１の付勢手段に
より軸方向に沿った第１の位置に保持される移動部材
に、第２の付勢手段により軸方向に付勢力を受けて取り
付けられ、ペン先に力が印加されたとき移動部材が軸方
向に沿って付勢力に抗して第２の位置に移動することに
より振動子に加わる応力が変化するように構成される。

【００１５】この場合、第１と第２の付勢手段を、振動
子の電力供給用電極を兼ねるようにすると、余分の部材
を付加する必要がないので、安価な構成となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に従って本発明に
係わる実施の形態を詳細に説明する。

【００１７】＜ペン構成（図１）＞図１は本発明の一実
施形態に係わる振動入力ペンの要部構造を説明するため
の図である。図１において、振動入力ペン３に内蔵され
た振動子４は、後述する振動子駆動回路２により駆動さ
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、振動伝達部材５を介してペン先１
２に伝達され、ペン先１２と後述の振動伝達板が接触す
ることによって振動伝達板に振動が入射される。

【００１８】振動子４は円板状、あるいは円柱状のもの
を使用し、本実施形態では分極方向と振動方向が平行な
厚み振動モード、あるいは縦方向振動モードが利用され
ていて、接着により振動伝達部材５の大端面に取り付け
られている。前述の振動伝達部材５は、本実施形態の場
合アルミニウム製（音波を効率良く伝達することが目的
であって、ステンレス等の他の金属であっても良い）で
あって、ホルダー１３（ホルダーの外周に例えばゴムを
被覆して、グリップ感を向上させても良いことはいうま
でもない）によってその軸芯が一致するように位置決め
される。振動伝達部材５は、軸方向にスライドできる構
成となっていて、スライド量はボルト１３５によって決
められる。

【００１９】振動子４の一方の電極は振動伝達部材５、
電極バネ１３６を介して振動子駆動回路２に接続され、
他方の電極は、電極バネ１３７を通して振動子駆動回路
２に接続されている。電極バネ１３６の先端１３６ａ
は、湾曲して振動伝達部材５の大端面の外周に形成され
た溝５ａに嵌合し、これにより電極バネ１３６と振動伝
達部材５のバネフックが形成される。

【００２０】ペン先１２は、振動伝達部材５の小端面と
その軸が一致するように位置決めされ、ネジ締結され
る。このようにネジ締結することでユーザ自身が市場に
おいて、ペン先摩耗等に対して適宜ペン先を交換できる
ように構成される。

【００２１】図１において、振動伝達部材５の位置は、
ペン先部分に負荷（例えば筆圧）がかかっていない状態
で、電極バネ１３７の付勢力によって振動伝達部材５が
図で左方に押圧され、ホルダー１３の小径部に当接して
所定位置に位置決めされている状態を示している。

【００２２】座標入力時、操作者によって所定筆圧以上
の筆圧がペン先に負荷された場合、電極バネ１３６の先
端１３６ａが振動伝達部材５の溝５ａから脱合してバネ
フックが解除される。バネフック解除に必要な負荷をＦ
１、振動伝達部材５が図１の状態からバネフック解除さ
れた状態になり、振動伝達部材５がボルト１３５の左端
に突き当たった状態までスライドした時発生する電極バ
ネ１３７の反力をＦ２と仮定したとき、本実施形態では
Ｆ１＞Ｆ２となるように設定されている。

【００２３】また、電極バネ１３６は、振動子４への電
力供給部材を兼ねているので、電極バネ１３６と振動伝
達部材５間には、所定の接触圧が作用しているので、バ
ネフックが解除された状態では、電極バネ１３６と振動
伝達部材５間には接触圧に対応する摩擦力Ｆ３のみが作
用する。この摩擦力の値は、上記Ｆ１、Ｆ２に比べ十分
小さいので、バネフックが解除されると、振動伝達部材
５はボルト１３５に突き当たった状態にいっきに移動す
る。逆にこの状態から筆圧等による負荷が解除される
と、電極バネ１３７で発生している反力Ｆ２が摩擦力Ｆ
３より十分大きいので、反力Ｆ２によって振動伝達部材
５は移動し、最終的には図１の状態、すなわち振動伝達
部材５がホルダー１３の小径部に当接するとともに、電
極バネ１３６の先端１３６ａが振動伝達部材５の溝５ａ
に嵌合しバネフックがセットされる。

【００２４】以上述べたように、振動伝達部材５の位置
は、筆圧負荷の有無によって図１の状態、及び振動伝達
部材５がボルト１３５に突き当たった状態のいずれかで
あり、反力Ｆ２は直接振動子４に作用しているので、振
動子４に発生する応力という観点で論じれば、その応力
は２値の状態と成り得ることが理解される。

【００２５】さて、振動発生源である振動子４に加わる
応力が変化するよう構成されることが示されたが、振動
子４に加わる応力が変化することで、発生する振動の特
性が変化する。従って、その振動特性の変化を検出する
ことで、振動伝達部材５がどの位置に有るかを検出でき
る。このことは、ペン先に所定値以上の筆圧が負荷され
ているかを検知することができることを意昧し、本実施
形態では、後述する方法でその振動特性の変化を検知
し、筆圧負荷の有無を判定してそれをスイッチ信号を発
生させるスイッチ手段として用いている。

【００２６】このように、本実施形態ではバネ力を調整
することで、振動伝達部材５の位置が２値となるように
し、スイッチ手段として用いているが、別の目的で、本
実施形態を活用することができる。例えば、図１におい
て電極バネ１３６と振動伝達部材５で構成されているバ
ネフックを無くすと、振動伝達部材５のスライド量はペ
ン先筆圧に応じた量だけスライドする。つまり、ペン先
筆圧に応じた分だけ振動子４に加わる応力が変化するこ
とになるので、その時発生する振動の振動特性をモニタ
すれば、筆圧がどの程度負荷されているかを検知でき、
これにより筆圧検知手段として機能させることができ
る。

【００２７】いずれの実施形態においても、振動伝達部
材５の移動量は、ペン入力操作に支障がない程度に適宜
設計され、操作性の良い振動入力ペン３を構成してい
る。

【００２８】＜装置全体の構成（図２）＞図２は、本実
施形態における座標入力装置の装置全体の構成について
説明する説明図である。図中１は装置全体を制御すると
共に、座標位置を算出する演算制御回路である。２は振
動子駆動回路であって、振動入力ペン３内に内蔵されて
いる振動子４を振動させるものであり、振動伝達部材
５、ペン先１２を介して発生した振動を振動伝達板８に
入力する。振動伝達板８はアクリルやガラス板等の透明
部材からなり、振動入力ペン３による座標入力は、この
振動伝達板８上の座標入力有効エリア（以下有効エリ
ア、図中実線で示す符号Ａの領域）をタッチすることで
行う。また振動入力ペン３で入力された振動が振動伝達
板８の端面で反射し、振動が中央部に戻るのを防止（反
射波を減衰）するための防振材７が、振動伝達板８の外
周に設けられている。

【００２９】図示されるように振動伝達板８の周辺部に
は圧電素子等、機械的振動を電気信号に変換する振動セ
ンサ６ａ〜６ｄが固定されている。振動センサからの信
号は不図示の増幅回路で増幅された後、信号波形検出回
路９に送られ、信号処理を行いその結果を演算制御回路
１に出力し、座標を算出する。なお信号波形検出回路
９、演算制御回路１については、その詳細を別途後述す
ることとする。

【００３０】１１は液晶表示器等のドット単位の表示が
可能なディスプレイであり、振動伝達板の背後に配置さ
れる。そしてディスプレイ駆動回路１０の駆動により振
動入力ペン３によりなぞられた位置にドットを表示し、
それを振動伝達板８（例えばガラス等の透明部材からな
る場合）を透してみることが可能になっている。

【００３１】振動入力ペン３に内蔵された振動子４は、
振動子駆動回路２によって駆動される。振動子４の駆動
信号は演算制御回路１から低レベルのパルス信号として
供給され振動子駆動回路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、ペン
先１２を介して振動伝達板８に伝達される。

【００３２】ここで振動子４の振動周波数はガラスなど
の振動伝達板８に板波を発生することができる値に選択
される。

【００３３】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、表面波などに比ベて振動伝達板
の表面の傷、障害物等の影響を受けにくいという利点を
有する。

【００３４】＜演算制御回路の説明（図３）＞上述した
構成において、演算制御回路１は所定周期毎（例えば５
ｍｓ毎）に振動子駆動回路２に振動入力ペン（振動発生
源）３内の振動子４を駆動させる信号を出力すると共
に、その後述するタイマ（カウンタ３３ａ〜３３ｃで構
成されている）による計時を開始させる。そして、振動
入力ペン３より発生した振動は振動センサ６ａ（６ｂ、
６ｃ、６ｄ）までの距離に応じ、遅廷して到達する。

【００３５】信号波形検出回路９は各振動センサ６ａ〜
６ｄからの信号を検出して、後述する波形検出処理によ
り各振動センサへの振動到達タイミングを示す信号を生
成する。演算制御回路１はこの信号を入力し、振動セン
サ６ａ〜６ｄまでの振動到達時間の検出、そして振動入
力ペン３と振動センサ６ａ〜６ｄ間の距離を算出する。

【００３６】また演算制御回路１は、シリアル、パラレ
ル通信等によってＩ／Ｏポート３７を介し外部機器ない
し外部回路（不図示）に対し、この算出された振動入力
ペン３と振動センサ６ａ〜６ｄの距離情報を出力する。

【００３７】図３は本実施形態の演算制御回路１の概略
構成を示すブロック図で、各構成要素及びその動作概略
を以下に説明する。

【００３８】図中３１は演算制御回路１及び本距離測定
装置全体を制御するマイクロコンピュータであり、内部
カウンタ、操作手順を記憶したＲＯＭ、そして距離計算
等に使用するＲＡＭ、距離計算に必要な定数（例えば板
波の周波数ｆ、位相速度Ｖｇ、群速度Ｖｐ）等を記憶す
る不揮発性メモリ等によって構成されている。

【００３９】３３ａ〜３３ｃは不図示の基準クロックを
計時するタイマであり、例えばカウンタなどにより構成
される。振動子駆動回路２に振動入力ペン３内の振動子
４の駆動を開始させるためのスタート信号を入力する
と、位相遅延時間ｔｐを計時するためのカウンタ３３
ａ、および群遅延時間ｔｇを計時するためのカウンタ３
３ｂが、その計時を開始する。これによって、計時開始
と振動入力ペン３の振動発生タイミングの同期がとら
れ、振動センサにより振動が検出されるまでの遅延時間
が測定できることになる。

【００４０】その他各構成要素となる回路は順を追って
説明する。信号波形検出回路９より出力される振動セン
サ６ａよりの振動到達タイミング信号（板波の位相速度
Ｖｐに関わる位相遅延時間ｔｐ、および群速度Ｖｇに関
わる群遅延時間ｔｇの到達タイミング信号）が、検出信
号入力回路３５を介してカウンタ３３ａ、３３ｂに各々
入力される。カウンタ３３ａ、３３ｂは、振動センサよ
りのタイミング信号を受信すると、カウンタをストップ
させ、その時の計時値をラッチする。判定回路３６はこ
れらのタイミング信号が出力されたと判定すると、マイ
クロコンピュータ３１にその旨の信号を出力する。マイ
クロコンピュータ３１がこの判定回路３６からの信号を
受信すると、振動到達時間をカウンタより読み取り、所
定の計算を行なって、振動伝達板８上の振動入力ペン３
とセンサ６ａ間の距離を算出し、その情報より後述する
方法で座標値を計算し、Ｉ／Ｏポート３７を介して外部
情報機器等にその座標情報を出力する。

【００４１】一方、位相遅延時間ｔｐの到達タイミング
信号は、カウンタ３３ｃのスタート信号としてカウンタ
３３ｃに入力され、カウンタ３３ｃはそれにより動作を
開始し、一方後述する検出信号波形の周期を測定するた
めの信号Ｔｐ＊によりカウンタをストップし、そのカウ
ンタ値をマイクロコンピュータに出力する。

【００４２】またカウンタ３３ｃは、カウンタ３３ａ、
３３ｂと同一のスタート信号を用いても良く、この時、
検出信号波形の位相周期は、後述する位相遅延時間ｔｐ
のタイミング信号より１周期遅れた到達タイミング信号
を形成することでカウンタ３３ａとカウンタ３３ｃの差
として求めることができる。またカウンタを１ヶのみ使
用して、到達タイミング信号を不図示のラッチ回路にま
ず入力し、各々の到達タイミング信号におけるカウンタ
値をラッチすることで同様の動作をさせることができ
る。

【００４３】＜振動伝搬時間検出の説明（図４、図５）
＞図４は、信号波形検出回路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た
めの図である。

【００４４】振動センサ６ａへの振動伝達時間の計測
は、振動子駆動回路２へのスタート信号の出力と同時に
開始することは既に説明した。この時、振動子駆動回路
２から振動子４へは駆動信号４１が印加されている。こ
の信号４１によって、振動入力ペン３から振動伝達板８
に伝達された超音波振動は、振動センサ６ａまでの距離
に応じた時間をかけて進行した後、振動センサ６ａで検
出される。図示の４２で示す信号は、振動センサ６ａが
検出した信号波形を示している。

【００４５】この実施形態で用いられている振動は前述
のとおり板波であるため、検出波形のエンベロープ４２
１の伝播する速度（群速度Ｖｇ）と位相４２２の伝播す
る速度（位相速度Ｖｐ）が異なる。従って、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４２
１と位相４２２の関係は振動伝達中に、その伝達距離に
応じて変化する。本実施形態では、この群速度Ｖｇに基
づく群遅延時間ｔｇ、及び位相速度Ｖｐに基づく位相遅
延時間ｔｐから、振動入力ペン３と振動センサ６ａ間の
距離をまず導出している。

【００４６】図５は、信号波形検出回路９のブロック図
であり、図４とあわせて群遅延時間ｔｇ、位相遅延時間
ｔｐを検出するための手段について説明する。

【００４７】振動センサ６ａの出力信号４２は、前置増
幅回路５１により所定のレベルまで増幅された後、帯域
通過フィルタ５１１により検出信号の余分な周波数成分
が除かれ、図４の位相信号４４となる。この信号のエン
ベロープに着目すると、その波形が伝播する音速は群速
度Ｖｇであり、ある特定の波形上の点、例えばエンベロ
ープのピークやエンベロープの変曲点を検出すると、群
速度Ｖｇに関わる遅延時間ｔｇが得られる。そこで前置
増幅回路５１で増幅され、帯域通過フィルタ５１１を通
過した信号は、例えば、絶対値回路及び、低域通過フィ
ルタ等により構成される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４５のみが取り出され
る。さらにこのエンベロープ４５に対して予め設定され
ている閾値レベル４４１を越える部分のゲート信号４６
が、マルチバイプレータ等で構成されたゲート信号発生
回路５６により形成される。

【００４８】群速度Ｖｇに関わる群遅延時間ｔｇを検出
するためには、先に述べたようにエンベロープのピー
ク、もしくは変曲点等を検出すればよい。そこで、本実
施形態の場合、エンベロープの最初の変曲点（図４の下
段に示すように信号４３の立ち下がりゼロクロス点）を
検出している。そのために、エンベロープ検出回路５２
で出力された信号４５は、エンベロープ変曲点検出回路
５３に入力され、エンベロープ４５の２回微分波形４３
が形成される。この微分波形信号４３は前述のゲート信
号４６との比較結果より、マルチバイブレータ等から構
成されたｔｇ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であるｔｇ信号４９が形成さ
れ、演算制御回路１に入力される。

【００４９】一方、位相速度Ｖｐに関わる位相遅延時間
ｔｐについて説明すると、５７は位相遅延時間ｔｐを検
出するためのゼロクロスコンパレータ、マルチバイブレ
ータ等で構成されたｔｐ、Ｔｐ＊信号検出回路であり、
ゲート信号４６が開いている間の位相信号４４の最初の
立ち上がりのゼロクロス点（位相が負から正へ変化する
最初の点）を検出し、位相遅延時間ｔｐの信号４７が演
算制御回路１に供給される。

【００５０】さらにｔｐ、Ｔｐ＊信号検出回路５７で
は、振動センサ６ａで出力される検出信号波形の位相周
期を求めるために、前述の位相遅延時間ｔｐの検出点か
ら一周期後のゼロクロス点を検出しこの点と位相遅廷時
間ｔｐ検出点間の時間Ｔｐ＊を示す信号４８が生成され
る。

【００５１】この時間Ｔｐ＊は、振動発生源である振動
入力ペン３内の振動子４に加えられる応力によって変化
するので、常時、この時間Ｔｐ＊をモニタすることで振
動伝達部材５の位置を検知することができ、その値の変
化より、スイッチ信号を発生させるペン先スイッチ手段
として、あるいは筆圧検知信号を発生させる筆圧検知手
段として動作させることが可能となり、その処理はマイ
クロコンピュータ３１が時間Ｔｐ＊をパラメータとし
て、演算処理を行う。

【００５２】上記スイッチ手段あるいは筆圧検知手段に
より、所定の筆圧が印加されたとき、例えば、ペン先で
指示されたメニューあるいはアイコンをオンあるいはオ
フさせることが可能になる。またこれらの手段により、
例えば筆圧が弱いときには、表示が濃くなるように、筆
圧に応じて表示を切り替えることも可能になる。

【００５３】このように振動入力ペン３、検出回路等を
構成することで、非常に簡単な構成でペン先スイッチを
構成でき、ペン本体の太さを細くすることが可能となる
ので、操作性の良いペンを実現することができる。

【００５４】以上、振動センサ６ａについて説明を行な
ったが、その他の振動センサ６ｂ〜６ｃについても全く
同様の構成で有ってもよいし、前述の位相遅延時間ｔｐ
の検出点から一周期後のゼロクロス点を検出し、この点
と位相遅廷時間ｔｐ検出点間の時間Ｔｐ＊を示す信号４
８は、ある特定のセンサのみからの信号に基づいて生成
するようにしてもよい。

【００５５】また振動特性を検知する手段は、前述の時
間Ｔｐ＊を検出する方式のみならず、例えばＦＦＴ（高
速フーリエ変換）手段等の構成であってもよいし、前述
の時間Ｔｐ＊を各センサで検出し、その平均値をもって
判定する構成、あるいは１周期後の時間Ｔｐ＊でなく、
２周期後、あるいは３周期後の時間を計測してもよく、
さらには時間系列的に出力されてくる時間Ｔｐ＊の加重
平均等ソフト的な処理を加えて振動特性の変化を検知す
る方法であってもよい。

【００５６】＜振動入力ペンとセンサ間の距離算出の説
明（図６）＞このようにして得られた群遅延時間ｔｇと
位相遅延時間ｔｐとから振動入力ペンと各センサまでの
距離をそれぞれ算出する方法について説明する。図６は
本実施形態により得られる群遅延時間ｔｇ、位相遅延時
間ｔｐとペン−センサ間距離Ｌの関係をそれぞれ模式的
に示したものである。本実施形態では検出波として板波
を用いているので、群遅延時間ｔｇは線形性が良いとは
言えない。従って振動入力ペン３及び振動センサ６ａの
間の距離Ｌを（１）式に示されるように群遅延時間ｔｇ
と群速度Ｖｐの積として求めた場合、精度良く距離Ｌを
求めることができない。

【００５７】 Ｌ＝Ｖｇ・ｔｇ …（１） そこで、より高精度な座標決定をするために、線形性の
優れる位相遅延時間ｔｐに基づき（２）式により演算処
理を行なう。

【００５８】 Ｌ＝Ｖｐ・ｔｐ＋ｎ・λｐ …（２） ここでλｐは弾性波の波長、ｎは整数である。つまり
（２）式、右辺第１項は、図６において距離Ｌ0を示す
ものであり、求めたい距離Ｌと距離Ｌ0の差は図から明
らかなように波長の整数倍（時間軸上で階段の幅Ｔ＊
は、信号波形４４の１周期、従ってＴ＊＝１／周波数、
また距離で表せば階段の幅は波長λｐ）となっている。
従って整数ｎを求めることによって精度良くペン−セン
サ間距離Ｌを正確に求めることができる。そこで前述の
（１）式と（２）式から上記の整数ｎは、（３）式によ
り求めることができる。

【００５９】 ｎ＝ｉｎｔ［（Ｖｇ・ｔｇ−Ｖｐ・ｔｐ）／λｐ＋１／２］ …（３） 先にも述べたように、検出波として板波を用いているの
で、群遅延時間ｔｇの距離に対する線形性が良いとは言
えず、式（３）において整数化を実行しているのはこの
ためである。正確な整数Ｎを求めるための必要十分条件
は式（４）から導出される式（５）に示され、 ｎ＊＝（Ｖｇ・ｔｇ−Ｖｐ・ｔｐ）／λｐ …（４） ΔＮ＝ｎ＊−ｎ≦０．５ …（５） つまり、発生する誤差量が±１／２波長以内であれば、
群遅延時間ｔｇの線形性が良くなくても、整数ｎを正確
に決定することができることを示すものである。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
入力ペン３及び振動センサ６ａ間の距離Ｌを精度良く測
定することができる。

【００６０】この式は振動セシサ６ａの一つに関するも
のであるが、同じ式により他の３つの振動センサ６ｂ〜
６ｄと振動入力ペン３の距離も同様にして得ることがで
きる。

【００６１】＜回路遅廷時間補正の説明＞ラッチ回路に
よってラッチされた振動伝達時間は、位相回路遅延時間
ｅｔｐおよび群回路遅延時間ｅｔｇ（図６参照、またこ
れらの時間は回路遅延時間の他に振動入力ペン３のペン
先５中を振動が伝播する時間等をも含む）を含んでい
る。これらにより生じる誤差は、振動入力ペン３から振
動伝達板８、振動センサ６ａ〜６ｄへと行なわれる振動
伝達の際に必ず同じ量が含まれる。

【００６２】そこで、例えば図７の原点Ｏの位置から、
例えば振動センサ６ａまでの距離をＲａ（＝ｓｑｒ
｛（Ｘ／２）の２乗＋（Ｙ／２）の２乗｝、図７参照）
とし、原点Ｏにて振動入力ペン３で入力を行ない実測さ
れた原点Ｏからセンサ６ａまでの実測される振動伝達時
間をｔｇ０＊、ｔｐ０＊、また原点Ｏからセンサまで伝
播体上を波が実際伝播するのにかかる伝達時間をｔｇ
０、ｔｐ０とすれば、 ｔｇ０＊＝ｔｇ０＋ｅｔｇ …（６） ｔｐ０＊＝ｔｐ０＋ｅｔｐ …（７） の関係がある。

【００６３】一方、任意の入力点Ｐ点での実測値ｔｇ
＊、ｔｐ＊は同様に、 ｔｇ＊＝ｔｇ＋ｅｔｇ …（８） ｔｐ＊＝ｔｐ＋ｅｔｐ …（９） となる。この（６）式と（８）式、（７）式と（９）式
の差を各々求めると、 ｔｇ＊−ｔｇ０＊＝（ｔｇ＋ｅｔｇ）−（ｔｇ０＋ｅｔｇ）＝ｔｇ−ｔｇ０ …（１０） ｔｐ＊−ｔｐ０＊＝（ｔｐ＋ｅｔｐ）−（ｔｐ０＋ｅｔｐ）＝ｔｐ−ｔｐ０ …（１１） となり各伝達時間に含まれる位相回路遅延時間ｅｔｐお
よび群回路遅延時間ｅｔｇが除去され、距離Ｒａを波が
伝播する時間と距離ｄａを波が伝播する時間の正確な時
間差を求めることができ、よって前記（１）、（２）、
（３）式を用いれば、距離Ｒａと距離ｄａの距離差を求
めることができる。つまり ｔｇ＝ｔｇ＊−ｔｇ０＊ …（１２） ｔｐ＝ｔｐ＊−ｔｐ０＊ …（１３） として（１）、（２）、（３）式を用いて距離を計算
し、その値に振動センサ６ａから原点Ｏまでの距離Ｒａ
を加えることで、振動入力ペン３と振動センサ６ａまで
の距離を正確に求めることができる。従って振動センサ
６ａから原点Ｏまでの距離Ｒａ、及びその点で計測され
た時間ｔｇ０＊、ｔｐ０＊をあらかじめ不揮発性メモリ
等に記憶しておけば、振動入力ペン３と振動センサ６ａ
間の距離を決定できる。他のセンサ６ｂ〜６ｄについて
も同様に求めることができる。

【００６４】＜座標位置算出の説明（図７）＞次に実際
に振動入力ペン３による振動伝達板８上の座標位置検出
の原理を説明する。

【００６５】今図７に示されるように、振動伝達板８上
の４隅に４つの振動センサ６ａ〜６ｄを符号Ｓ１〜Ｓ４
の位置に設けると、先に説明した原理に基づいて、振動
入力ペン３の位置Ｐから各々の振動センサ６ａ〜６ｄの
位置までの直線距離ｄａ〜ｄｄを求めることができる。
更に演算制御回路１でこの直線距離ｄａ〜ｄｄに基づ
き、振動入力ペン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。

【００６６】 ｘ＝（ｄａ＋ｄｂ）・（ｄａ−ｄｂ）／２Ｘ （１４） ｙ＝（ｄａ＋ｄｃ）・（ｄａ−ｄｃ）／２Ｙ （１５） ここでＸ、Ｙはそれぞれ振動センサ６ａ、６ｂ間の距
離、振動センサ６ｃ、６ｄ間の距離であり、以上のよう
にして振動入力ペン３の位置座標をリアルタイムで検出
することができる。

【００６７】また、上記計算では３つのセンサまでの距
離情報を用いて計算しているが、本実施形態では４個の
センサが設置されており、残りのセンサ１個の距離情報
を用いて出力座標の確からしさの検証に用いている。も
ちろん、例えば最もペン−センサ間距離Ｌが大きくなっ
たセンサの距離情報（距離Ｌが大きくなるので検出信号
レベルが低下しノイズの影響を受ける確率が大きくな
る）を用いず残りのセンサ３個で座標を算出してもよ
い。また本実施形態では４個のセンサを配置し、３個の
センサで座標を算出しているが、幾何学的には２個以上
のセンサで座標算出が可能であり、製品スペックに応じ
てセンサの個数が設定されることはいうまでもない。

【００６８】＜他の実施形態＞上述した実施形態と同様
の技術分野で、振動入力ペンをコードレスとする構成
が、図８に示されている。この構成では、ペンをコード
レスとすることで、上述した実施形態のように振動発生
タイミングをコードを介して知ることができないので、
複数設けたセンサで検出される振動の到達時間の差分を
各々検知し、その差分時間で座標を算出するように構成
されている（もちろん、振動発生タイミングを検知する
ために、赤外線等を使って、振動入力ペンと本体回路の
同期を得る手段等について複数の公知例が知られてい
る）。

【００６９】図８に示す通り、コードレスペンを実現す
ることで、操作性の著しい向上が得られるが、振動入力
ペン３の振動子４を駆動して機械的な振動を発生させる
ためには、振動入力ペン３内に駆動回路２、及び電源
（電池）１４を具備する必要がある。もちろん、電池の
容量には限界が有るので電池の寿命を考慮すれば、駆動
回路の消費電力はできる限り小さく、更には操作するの
に最適なペン形状とするためにそれなりの大きさの電池
にする必要がある。もちろん、充電式電池を内蔵するこ
とも可能であるが、やはり、回路の消費電力は極力小さ
くして充電時間、回数を低減することが重要である。

【００７０】このような状況において、アプリケーショ
ン用途に対しペンに何等かのスイッチ手段を内蔵する必
要が生じた場合には、そのスイッチ手段をドライブする
回路が必要になる。具体的な公知技術として、スイッチ
のＯＮ／ＯＦＦで振動子４の駆動波形を変化させて、そ
の時検出される信号波形の変化を検知して、スイッチの
ＯＮ／ＯＦＦを区別する構成が、特開平０５−１８９１
２８に示されている。しかしながら、前記消費電力とい
う観点で論じれば、駆動信号を変調するための回路手段
が必要であり、スイッチ無しの構成のペンに比べ消費電
力の増大は止むを得ない。

【００７１】本発明の振動入力ペンの具体的構成は、上
述した実施形態に示されている通り、内蔵されている回
路は、座標算出のために用いる振動子駆動回路２（この
実施形態の場合、振動子駆動回路２は、所定周期毎（例
えば５ｍｓｅｃ毎）に駆動信号を振動子４に加えるよう
に構成してある）のみであり、スイッチの有無に関わら
ず、その回路構成が同一であるがために、スイッチを設
けることによる消費電力の増大はない。つまり、必要最
小限の消費電力で振動入力ペン３より、座標算出用の信
号、並びにスイッチング情報を重畳させることができる
ので、内蔵している電池１４の寿命を長時間保つことが
できる優れた効果が得られる。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、ペン
先に印加させる力ないし筆圧に応じて振動子に加わる応
力が変化するように振動子が取り付けられているので、
応力の変化を検出することによりペン先に印加された力
ないし筆圧を知ることができ、スイッチ信号あるいは筆
圧検知信号を簡単に形成することが可能になる。

【００７３】また、振動発生源となる振動入力ペンがコ
ードレスとなった場合には、入力ペン内の回路にスイッ
チのための回路構成が全くなく、このことはスイッチを
採用することで発生する消費電力の増大が全くないこと
を意味し、振動入力ペン内に装着される電池寿命を長時
間保ち、あるいは、電池の小型化を可能とするので、メ
ンテナンス、あるいはペン操作性という観点で優れた効
果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】振動入力ペンの概略構成を示した構成図であ
る。

【図２】座標入力装置の構成を示すブロック図である。

【図３】図２の演算制御回路の内部構成を示すブロック
図である。

【図４】座標検出のための信号処理を示すタイムチャー
トである。

【図５】信号波形検出回路の構成を示すブロック図であ
る。

【図６】ペン−センサ間距離と遅延時間の関係を示す線
図である。

【図７】座標算出を説明する説明図である。

【図８】座標入力装置の他の実施形態の構成を示す構成
図である。

【符号の説明】

１ 演算制御回路 ２ 振動子駆動回路 ３ 振動入力ペン ４ 振動子 ５ 振動伝達部材 ６ａ〜６ｄ 振動センサ ７ 防振材 ８ 振動伝達板 ９ 信号波形検出回路 １２ ペン先 １３６、１３７ 電極バネ

フロントページの続き (72)発明者 田中 淳 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 吉村 雄一郎 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

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動入力ペンにより振動伝達板上に入力
   された弾性波振動が振動検出手段に到達するまでの遅延
   時間に基づき振動入力点の座標位置を算出する座標入力
   装置において、 ペン先に印加される力に応じて振動子に加わる応力が変
   化するように振動子を取り付けた振動入力ペンと、 振動伝達板に配置され、振動子で発生した弾性波振動を
   検出する振動検出手段と、 振動検出手段により検出された振動の振動特性に基づき
   前記応力の変化を検出する手段とを備え、 検出された応力の変化からスイッチ信号あるいは筆圧検
   知信号を形成することを特徴とする座標入力装置。
2. 【請求項２】 振動の位相周期に基づき前記応力の変化
   を検出することを特徴とする請求項１に記載の座標入力
   装置。
3. 【請求項３】 前記振動子は、第１の付勢手段により軸
   方向に沿った第１の位置に保持される移動部材に、第２
   の付勢手段により軸方向に付勢力を受けて取り付けられ
   ており、ペン先に力が印加されたとき移動部材が軸方向
   に沿って付勢力に抗して第２の位置に移動することによ
   り振動子に加わる応力が変化することを特徴とする請求
   項１または２に記載の座標入力装置。
4. 【請求項４】 第１と第２の付勢手段が、振動子の電力
   供給用電極を兼ねることを特徴とする請求項１から３ま
   でのいずれか１項に記載の座標入力装置。