JPS6133525A - 弾性波を利用した位置標定装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 °本発明は、弾性波を利用した位置標定装置に関する。

〔発明の背景〕

従来の超音波を利用した位置標定装置として、弾性表面
波を、利用した例がある。例えば、特開昭５５−１６２
１３７号公報「圧成形座標入力装置」がある。この従来
例は、プラスチックやガラス等による入力盤の直交する
２辺の表面に矩形平板の゛圧電素子をそれぞれ接着し、
これら圧を素子にパルス信号を交互に印加し弾性表面波
を発生させる。、この弾性波を入力盤に当接した入力ペ
ンが検出し、この弾性波の発生から検出までの時間を計
数する。

この計数値をもって入力ペンの位置を標定できる。

然るに、弾性表面波の場合、検出された波はなだらかな
包絡線をもって立ち上っていること、入力盤の表面に触
手することによって波形が変化すること、表面波の前に
縦波が到達することなどのために信号到達時間を精度よ
く検出することが難しい。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、位置標定を精度よく実現してなる弾性
波利用の位置標定装置を提供するものである。

〔発明の概要〕

本発明は、表示ペン（入力部材に弾性波発生機−を持た
せ、この表示ペンの当接する印字部を固定音響伝播媒体
によって構成し、且つ伝播媒体の周辺端部に縦波検出部
を設けた位置標定装置を提供するものである。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の位置標定装置の実施例図でおる。固体
音響伝播媒体１は、ガラスの如き透明板より成る。この
固体音響伝播媒体１の裏面には、表示部９を接着させた
。表示ペン（入力部材）３は、内部に縦波弾性波発生機
能を持つ。表示ペン３の先端は、尖った形状をなし、こ
の先端突部から縦波弾性波が放射する。先端を尖頭化し
たことによって、弾性波放射エネルギー密度が極めて大
となり、弾性波の放射効率がよくなる。透明板１０周辺
端部には、縦波検出部２ａ、　２ｂ、２Ｃ。

２ｄを設けた。この縦波検出部２８〜２ｄは、透明板１
を介して伝播してくる縦波弾性波を検出し電気信号とし
て出力する。

表示部９は、任意の図形・文字を表示可能とするもので
あり、例えば液晶表示部よ構成る。表示部９は、表示ド
ライバ８の指示のもとに表示ペン３が透明板１上を描画
した時のノ（ターンを表示する−従って、表示ペン３で
描画しながらその描画したパターンを表示部９に即座に
表示できる。描画から表示までの時間は短時間であり、
作業者にとっては表示ペンによって描画しなか、らその
描画したパターンの表示を観察できることになる。

描画から表示までの処癲は、先頭波検出回路５、バルサ
４、時間差計数回路６、座標演算回路７、表示ドライバ
８によって行う。

ここで、バルサ４は、周期的にパルスを発生する。この
パルスは、表示ペン３及び時間差計数回路６に入力する
。表示ペン３では、縦波弾性波の発生トリガとなり、パ
ルスを受ける毎に縦波弾性波を放射する。時間差計数回
路６はバルサ４からのパルスを受けとってから反射波が
到達するまでの時間を計数する。

先頭波検出回路５は、検出部２３〜２ｄの検出反射波の
先頭波を検出する。

座標演算回路７は、時間差計数回路６の検出時゛間差を
受けて表示ペン３の位置を演算する。表示ドライバ８は
、この位置を表示させるべく表示部９を駆動する。

動作を説明する。

バルサ４は、周期的にパルスを表示ペン４、時間差計数
回路６に送る。表示ペンに送る）（ルスは縦波弾性波を
発生させるに必要な電力を持つ。時間差計数回路６に送
るパルスは単なる発生時刻の計数始期を指定するもので
ある故、微小振幅でよい。

表示ペン３は、バルサ４のパルス励起により縦波弾性波
をそのパルスを受けとる毎に発生する。

表示べ／３は、作業者によって描画を受け、その描画の
過程でパルスを受けとる毎に縦波弾性波をペン先端部よ
り透明板１に放射する。このペン先端部より放射された
縦波弾性波は、透明板１を伝播し検出部２３〜２ｄに到
達する。）くルサ４からのパルス発生から弾性波の放射
までの時間は極めてｉ時間であり、無視できる。従って
、・クルス発生から各検出部２ａ〜２ｄに弾性波が到達
するまでの時間は、各検出部と表示ペン３との距離に比
例する。１回のパルスによって発生する弾性波に対して
各検出部で検出に必要な弾性波は、先頭波であり、この
先頭、波対応電気信号は先頭波検出回路５で検出できる
。

時間差検出回路６は、パルスの送出から検出先頭波まで
の時間差を検出する。この時間差は、各検出部２８〜２
ｄ対応に求まる。座標演算回路７は、この各検出部２ａ
〜２ｄについての時間差からその時の表示ペン３の位置
を算出する。算出した表示ペン３の位置を表示部９に表
示すべく表示ドライバ８を駆動させ、表示部９に表示ペ
ン３の指示を行い、表示させる。かくして、表示ペン３
の移動に追従して表示がなされる。

第２図は、表示ペン３を中心とする具体的な実施例を示
す。表示ペン３は、円錐形状の先端部１０、該先端部に
弾性波を放射する弾性波発生部３ｂ、円筒状外枠３Ｃよ
９成る。弾性波発生部３ｂは、先端部１０の平坦部３ｄ
に接着固定させておく。弾性波発生部３ｂには、外部か
より−ド墓３　ａをノ・ンダ付けした。このリード線３
ａを介してパルサ４からのパルスが弾性波発生部３ｂに
印加する。

弾性波発生部３ｂは圧電素子より成る。弾性波発生ｍ３
ｂは、パルスの印加により弾性波１１を先端部１０に向
って放射する。弾性波１１は先端部１０をその円錐状形
状の尖った尖頭部に向って伝播し、該尖頭部を通して透
明板１に放射する。

透明板１では、尖頭部を中心としてその周囲方向１１．
１３へと伝播する。この、伝播波は検出部２で検出され
る。

固体中を伝播する弾性波は、縦波、横波、表面波など種
々のモードよ９成る。伝播速度の最も速いものは縦波で
あり、この縦波を先頭波として検出する。

第３図は、リード線３ａに印加されるバルサ４のパルス
を（ａ）図、検出部２で検出した検出波を（ｂ）図に示
す。Φ）図から明らかなように、先頭にくる縦波を先頭
波として検出し、その後にくる横波は検出対象から除く
。

第４図は、前記表示ペン３より透明板１（表示板９は図
面上省略した）に弾性波が放射され伝播してゆく状況を
説明する図である。表示ペン３にして励起パルスを受け
とると、弾性波を放射する。

この弾性波は、厚み方向の振動成分と径方向の振動成分
を持ち、この２つの波は、先端部１０の内部を伝播して
ゆく。弾性波は、表示ペン３の尖頭部１２の媒体１との
接触点より媒体１中に入り込む。この時、モード変換が
起り、図示の如く縦波成分と横波成分の両方が混在した
弾性波となり、この弾性波おら媒体１を伝播してゆく。

縦波成分は、横波成分の約２倍の速度を有しており、検
出部２では、縦波成分が先ず検出でき、これを位置検出
用として利用する。縦波弾性波を位置検出用として利用
する理由の詳細は以下となる。

先ず、本発明者等が、透明板１を伝播する縦波成分の周
波数は、表示ペン３の先端部１０を伝播する弾性波発生
部３ｂの径方向振動成分の周波数とほぼ一致するとの事
実の発見したことに基づく。

透明板１を伝播する弾性波は、前述の如く縦波成分と横
波成分が混在した複雑な波形となるが、最初に検出部２
に到達する弾性波には横波成分は含まれず、従って、非
常に単純な縦波成分のみが検出できる（第３図）。横波
成分の混在した弾性波は表示ペン３と検出部２との距離
を変化させると、波形、特に振幅が複雑に変化し、該距
離に相当した伝播遅延時間の計数は困難である。これに
対し、上記縦波成分のみの場合は、表示ペンと検出部２
との距離を変化させても、減衰の影響を除き、複雑な振
幅変化はみられない。この波形を用いることにより、距
離に相当した伝播遅延時間の計数が充分可能である。更
に、縦波は、透明板１の内部を伝播するため、透明板１
の表面に手をついてもほとんど影響を受けない。

然るに、縦波成分の振幅は、横波成分に比べて非常に小
さく、これを精度よく検出するためには、表示ペン３か
ら透明板１への弾性波の入射効率を大きくする必要があ
る。

この点に着目し、本発明者等は前記の新事実に従って、
表示ペン３の弾性波発生部３ｂの径方向共振周波数と透
明板１の側面に接着する検出部２の厚み方向共振周波数
又は径方向共振周波数とを一致させるように、検出部２
及び弾性波発生部３ｂを設計する。更に、表示ペン３の
先端部１゜と透明板１との音響インピーダンスのマツチ
ングをとる。これにより、伝播遅延時間の計数が十分可
能なだけの振幅を有する安定な縦波波形を得た。

検出部２及び弾性波発生部３ｂは、チタン酸ジルコン酸
鉛からなる圧電上２ミックスで構成した場合、縦波を安
定に得ることができた。更に、先端部１０としては、透
明板１をソーダライムガラスで形成する場合、該ガラス
か又はＡｔを用いるとよい。

第５図は検出部２を透明板１の表面に設置した実施例で
ある。この場合には、検出部としての圧電素子の径方向
の共振周波数を使用するのが効果的である。特に１透明
板１の厚みから薄い場合に効果がある。

なお、いずれの場合も、使用する圧電素子は厚み方向と
径方向の共振周波数の差が大きい方が効果的である。両
者の周波数が近似している場合には、両波の干渉により
どちらも所定の共振周波数が得られないからである。

上記実施例では、表示部９との結合の事例でおるが、位
置標定結果は必ずしも表示させる必要はなく、計算機等
に入力させてもよい。従って、単なる入力装置としての
機能を果すことになる。更に、透明板１を代りに不透明
梗であってもよい。

表示ペンの尖頭部は、鋭利な程よい。平坦部とした場合
には、位置特定がしにくくなること、マツチングもしに
くいこと等の欠点がある。

さて、座標演算回路７による演算例を第６図、第７図で
説明する。今、第６図に示す如く、検出部２ａの位置を
座標原点とする。Ｐ（ｘ、ｙ）が表示ペンの指示点とす
る。更に、検出部２ｂ。

２Ｃ，２ｄの位置を（ａ＋　０）ｓ　　（ａｓ　ｂ）ｅ
（ｏ、ｂ）とする。弾性波の速度をＶとすると、第７図
に示す受波パルスまでの時間巾’、１　ｓ　　”＊　＊
を寥・　ｔ４と距＠ｉｓ　ｅ　Ａｘ　ｓ　ｉｓ　＃　ｔ
ａとの開極は以下となる。

ここから、ｘ、ｙは、 又は、 となる。゛座標演算回路７では、（３）式又は（４）式
により（”ｐｙ）を求めることとなる。

第８図は、計算機の入力装置としての実施例を示す。本
実施例では、表示部９を排し、且つ入力部材１として、
不透明材を利用した。表示部９を設けていないため、透
明か不透明かは問わないためである。従って、透明部材
であってもよい。この入力部材１は、弾性波伝播媒体で
ある必要がある。更に、表示ドライバ８０代りに、計算
機（マイクロプロセッサ）１５を設けた。

この計算機１５は、演算回路７の座標出力を取込み、入
力データとして必要な処理を行う。この入力データは、
表示ペン１の表示文字、図形等の描画画像である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、効率的に縦波弾性の先頭波を検出でき
るため、他のモード波の影響を受けることなく精度よい
位置標定を行うことができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例図、第２図は表示ペンの実施例
図、第３図は波形図、第４図は弾性波伝播例を説明する
図、第５図は検出部の他の取りつけの一例を示す図、第
６図は座標標定の説明図、第７図はそのタイムチャート
、第８図は他の実施何色である。 １・・・固体音音伝播媒体、２ａ〜２ｄ・・・弾性波検
出部（受信用圧電素子）、３・・・表示ペン、３ｂ・・
・弾性波発生部、１０・・・先端部、４・・・バルサ、
５・・・先頭波検出回路、６・・・時間差計数回路、７
・・・座標演算回路、８・・・表示ドライバ、９・・・
表示部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、弾性波を伝播させる平板状媒体部と、該媒体部の端
   部又は表面の一部に設けた縦波弾性波検出部と、先端が
   尖つた形状をなすと共に上記平板状媒体部の表面の任意
   の位置に該先端が自在に圧着され、その先端から縦波弾
   性波を放射する縦波弾性波入力部材と、上記縦波弾性波
   の放射により上記検出部で検出した弾性波対応電気信号
   を上記入力部材の圧着位置の標定化情報として外部に取
   出す手段と、より成る弾性波を利用した位置標定装置。 ２、上記入力部材での弾性波発生は該部材内に設けた送
   波用圧電素子によつて行い、上記縦波弾性波検出部は受
   波用圧電素子で形成すると共に該受波用圧電素子は平面
   状媒体部の側面に取付けてなると共に、送波用圧電素子
   の径方向共振周波数を受波用圧電素子の径方向又は厚み
   方向の共振周波数と等しく又は近い値に選んでなる特許
   請求の範囲第１項記載の位置標定装置。 ３、上記入力部材での弾性波発生は該部材内に設けた送
   波用圧電素子によつて行い、上記縦波弾性波検出部は受
   波用圧電素子で形成すると共に該受波用圧電素子は平面
   状媒体部の表面に取付けてなると共に、送波用圧電素子
   の径方向共振周波数を受波用圧電素子の径方向共振周波
   数と等しく又は近い値に選んでなる特許請求の範囲第１
   項記載の位置標定装置。 ４、上記送波用圧電素子と受波用圧電素子の各々の厚み
   方向共振周波数と径方向共振周波数とは異なる値とした
   特許請求の範囲第２項又は第３項の位置標定装置。