JPH02128214A - 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
標人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、振動伝達板に振動人力を行なうための振動ベ
ンは第７図に示すように構成されている。第７図におい
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ドのものを用いている。

板波ａモードを発生させるには、振動伝達板の厚みの実
用域である０、５〜１．Ｏｎ＋ｍ程度では、振動周波数
は３００　ｋＨｚ〜５００　Ｋ）１ｚに選択される。こ
の範囲の周波数を効率よく発生させるには、圧電素子４
′の共振周波数もこの周波数帯域に合わせるのが普通で
ある。第７図のように、円柱型のに３３モードの素子で
は、この共振帯域を実現するためにその長さｌと直径ｒ
が制限される。

直径ｒは必要な出力振幅により決定され、約φ４〜６１
１Ｉｎが好ましいが、長さ１はその材質の周波数定数に
より決まり、−数的なセラミックなどの材料では上記周
波数帯域では直径ｒとほぼ同じになってしまうことが多
い。

ここで問題なのは、円柱型の圧電素子で直径ｒと長さＬ
がほぼ等しい素子では、必要な振動方向であるペン軸方
向（第７図上下方向）以外に素子の径方向（両方向とも
矢印により図示）の振動もカップリングされ、純粋な縦
方向の振動がペン先から得られなくなることである。こ
れにより、振動伝達板に入力される振動に他のモードが
混在し、検出波形が歪み、振動検出タイミングが影響さ
れて高精度な座標検出が不可能になる。

さらに、第７図の構造では、信号人力のための電極は圧
電素子４′の上下面に設けられ、その−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
難であるという問題があった。

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
けられた振動センナ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
振動方向が直角な長さ方向の振動を発生する中空な筒型
の圧電素子から構成し、この圧電素子の分極が素子の筒
形状の外面および内面の間で形成されている構成を採用
した。

［作用］ 以上の構成によれば、素子の厚み方向の振動成分を極め
て小さくでき、単一の振動モードで振動子を振動させる
ことができるから、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。

［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撮動ベン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によフて支持され
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は装着された防振材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
と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
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、検出された振動ベン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
うに振動ベ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、振動ベ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
ベン３を接触させるなどの人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
部５を介して振動伝達板８に伝達する。

第２図（Ａ）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、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。

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動（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。その長さは℃、外径
はｒｌ、内径はｒ２．厚み（ｒｌ　−ｒ２　）はｔとな
っている。発生される振動の方向は矢印ｖｉ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
Ａと内周面Ｂの間で行なわれている。

つまり、このような中空円筒状の素子は第２図（Ｃ）に
示すように厚みｔの平板状の圧電素子を丸め、端面Ｃ％
Ｄを結合したものと等価であると考えることができ、長
さλと厚みｔがｔ（ｉであれば単一長さ方向ｖｉの振動
を得ることができる。

すなわち、第７図に示したような中空ではない円柱型の
素子ではφ＝４の底面をもつ形状となり、これでは直径
ｒと１がほぼ等しくなり、径方向の振動の結合による不
要な振動成分が振動伝達板に入力されてしまうのに対し
、例えば、ｒｌ＝５、ｒ２＝３１、ｕ＝５　（例えばｍ
ｍ）とすると、ｔ＝１であり、ｔ＜Ｘを実現でき、充分
な振幅を有するペン軸方向の振動成分のみを振動伝達板
に入力することができる。

従フて、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。

また、電極は上記分極方向から明らかなように、素子の
外周面Ａおよび内周面Ｂ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。

また、第２図（Ｄ）に符号Ｅ％Ｆで示す位置に、素子の
端面に外周面Ａ、内周面Ｂの電極を引き出しておけば、
より容易にリード線や接触電極を用いて素子との電気的
結合をとることができる。

なお、以上では中空円部型の圧電素子を例示したが、第
２図（Ｅ）に示すように中空の角筒形状の圧電素子を振
動子４として用いても上記同様の効果があることはいう
までもない。角筒の角の数は図示の４つに限定されない
ことももちろんである。

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９に人力され、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ペン３の振動伝達板８上で
の座標入力位置を検出する。

検出された振動ペン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。

ここでは主に振動ペン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
入力ポート１５にそれぞれ人力される。

波形検出回路９から人力されるタイミング信号は入力ポ
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
人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°の出力制御処理は入出力ボート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ｖｇ１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
振動ペン３と振動センサ６問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ｌａｄはその振動伝達時間を
ｔｇとしてｄミＶ　ｇ−ｔ　ｇ　　　　　　　　　　　
−（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 ｄｅｎ　・λｐ＋Ｖｐ　Ｔ　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＋ｔ／Ｎ
ｌ・・・　（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”ｒｐが形成され、演算制御回路
１に人力される。

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
レベル供給回路５６はこのパルスタイミングに応じてｔ
ｐ傷信号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〜ｈ１位相遅延時間Ｔｐｔ〜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Ｔ　ｇ’ｌ〜ｈ、Ｔｐ
ｌ〜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りて振動ペン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！１ｄ１〜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１１ｄｌ〜ｄ３に基
づき振動ペン３の位置Ｐの座標（Ｘ　Ｓｙ）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＋　（ａ　１−＋−ｄ３）（ａ　ｔ−ｄ３）
／２ｙ・・・（５） ここでＸ、ＹはＳ２、Ｓ３の位置の振動センサ６と原点
（位置Ｓ１）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診る。

［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撮動伝達
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
向が直角な長さ方向の振動を発生する中空な筒型の圧電
素子から構成し、この圧電素子の分極が素子の筒形状の
外面および内面の間で形成されている構成を採用してい
るので、素子の厚み方向の振動成分を極めて小さくでき
、単一の振動モードで振動子を振動させることができる
から、不要な振動成分のカップリングによって振動伝達
板に人力される振動波形が歪むのを防止できる。このた
め、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る
という優れた利点がある。

【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斜視図、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図は従来の振動ペンの構造を示した斜視
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　　
５１・・・前置増幅器１５．１６・・・入力ポート 揚動釦ｍ話・Ｉ斜贋ｒ 第２図 ビｌ瞳靜１度を示しとに座子翅ａ 第４図 シ皮手う本矢１じＣ〕番ｊのフ゛０−、７１凸第５図 ｉｉ、ｆｉｔ；すＪＬ（？Ｉｔ’；Ｌａ　のｆ、Ｆｌ、
ｅｐ、Ｗ第６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長さ方向の振動を発生する中
   空な筒型の圧電素子から構成し、この圧電素子の分極が
   素子の筒形状の外面および内面の間で形成されているこ
   とを特徴とする座標入力装置。