JPH0474212A - 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、特に振動伝達板上の振動伝達時
間から指示点座標を検出する座標入力装置であって、振
動伝達板端部に防振材を設ける構造を有する座標入力装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来より、振動伝達板に圧電素子などを内蔵した振動ペ
ンにより振動入力を行い、振動伝達板に設けた複数のセ
ンサにより入力振動を検出し、振動伝達時間を計測する
ことにより入力点の座標を検出する座標入力装置が知ら
れている。

このような座標入力装置では、振動伝達板の端部て入力
振動が反射し、その反射波により振動センサによる検出
に誤差を生じないように、振動伝達板の端部を防振材に
より支持する構造が用いられる。

従来の防振材は主として騒音防止用に開発されたもので
、空気量対策用と、固体音対策用に大きく分類される。

したがって、従来の防振材を上記のような用途に用いる
には固体音対策用のものが用いられる。従来の固体音対
策用の制振材としては、第７図（Ａ）に示すような薄板
用制振シート、あるいは塗料などがあった。

第７図（Ａ）において、８′　は制振されるべき振動板
、７は制振シートである。振動板８′は薄鋼板、アルミ
板などの金属板、あるいは樹脂板、ガラス板などから構
成される。

このような構成では、振動している振動板８′に制振ン
ート７を張り付けることにより制振ンート７の振動減衰
を利用して板８′の振動を減少させ、騒音を減少させる
ことができる。

市販されている制振シート７の材質には、ポリ塩化ビニ
ール樹脂、アククチツクポリプロピレン、ポリエチレン
ヒニルアセチレート、スチレンブタジェンゴム、ソリコ
ンゴム、セメントペーストなどがあり、さらにこれらに
可塑剤、安定剤、軟化剤、鉛、鉄などの金属粉、ケイ砂
、アスファルトなどを添加、あるいは混合したものが用
いられる。これらの材質の成形形状としてはスポンジ状
の多孔質形状がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記のような従来の制振シートは主とし
て振動する板金体に装着することにより板金体の振動を
抑止するように考えられている。

したがって、前記のように、振動伝達板の端部ての反射
波を抑止するために第７図（Ｂ）のように振動伝達板８
の周辺に装着して用いても充分に反射波を減少させるこ
とができなかった。

第７図（Ｂ）は前記振動伝達板周辺部に前記制振ノート
を装着した場合の振動伝播を示す図、第７図（Ｃ）は第
７図（Ｂ）の断面図の一部であり、反射波の様子を示す
図である。

図において符号８は振動伝達板、７は前記制振シト、３
は加振源である振動ペン、Ａは前記振動ペン３と前記振
動伝達板８との接触点である加振点から伝播する振動を
示す波、Ｂは振動伝達板端面ての反射波、Ｃは制振ンー
ト装着境界面での反射波をそれぞれ模式的に示したもの
である。

従来の制振シート７は、前述のとおり板金体に発生して
いる振動（固有振動つまり共振振動も含む）に対しては
制振効果は大きいが、第７図（Ｂ）のように、制振シー
トが装着されない領域で加振し、そこから伝播する進行
波としての振動に対しては充分な制振効果が得られない
ため、第７図（Ｃ）のように制振シート７装着部分りに
おいて若干減衰させるものの振動伝達板端面ての反射波
Ｂを充分抑えることができない。

更に、従来の制振シート７を装着することにより、新た
に、制振シート装着界面で反射波Ｃが発生した。従って
、弾性波を用いる座標入力装置の振動伝達板の周辺部に
従来の制振シートを装着しただけては、前記２つの反射
波が発生し、加振源からの直接波を検出する際にノイズ
となって検出精度を下げるという欠点があった。

また、以前具なる特性を持つ２種類以上の防振材を組み
合わせて振動伝達板の周辺部に装着した構成の提案もな
されているが、単一材料で、しかも材料特性を数値で特
定していなかった。

〔課題を解決するための手段〕

以上の課題を解決する為に、本発明では、振動ペンから
入力された振動を振動伝達板に設けられた複数のセンサ
により検出し、各振動センサまでの振動伝達時間から前
記振動ペン位置を検出する座標入力装置に於いて、比重
１．１以下・硬度（ＪＩＳＡ）２０以下・更に反発弾性
（Ｒｂ）５０％以下の材料特性の防振材を前記振動伝達
板の周辺部に装着することにより、振動伝達板端面及び
防振材装着面での反射波を軽減でき、振動検出時のノイ
ズを低減して、検出精度を向上できる。

〔実施例〕

以下、添付図面に従って本発明に係る実施例を詳細に説
明する。

〈装置構成の説明（第１図）〉 第１図は本実施例における座標入力装置の構造を示して
いる。

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、振動ペン３内のペン先を振動させるものである。８
はアクリルやガラス板等、透明部材からなる振動伝達板
であり、振動ペン３による座標入力はこの振動伝達板８
上をタッチさせることて行う。

また、実際には、図示の実線で示す符号Ａの領域（以下
、有効エリアという）内を振動ペン３て指定することを
行なう。そして、この振動伝達板８の外周には、反射し
た振動が中央部に戻るのを防止（減少）させるための防
振材７が設けられ、その境界に圧電素子等、機械的振動
を電気信号に変換する振動センサ６ａ〜６Ｃが図示の位
置に固定されている。

上記防振材は、比重１．１以下・硬度（ＪＩＳＡ、）　
２０以下・更に反発弾性（Ｒｂ）５０％以下の材料特性
を持つものであるが、詳しくは後で述べる。

９は各振動センサ６ａ〜６Ｃて振動を検出した旨の信号
を演算制御回路１に出力する信号波形検出回路である。

１１はＣＲＴ（或いは液晶表示器）等のドツト単位の表
示が可能なデイスプレィであり、振動伝達板８の背後に
配置している。そして、デイスプレィ駆動回路１０の駆
動により振動ペン３によりなぞられた位置にドツトを表
示し、それを振動伝達板８（透明部材よりなるので）を
透して見ることが可能になっている。すなわち、検出さ
れた振動ペン３の座標に対応したデイスプレィ１１上の
位置にドツト表示が行われ、振動ペン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デイスプレィ】ｌにはそ
のメニュー表示を行ない、振動ペン３によりその項目を
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。

第２図に実施例に振動ペン３の構造（断面図）を示す。

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、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（ペン先）５を介して振動伝達
板８に伝達される。

ここで、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て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
波てあり、表面波などに比して振動伝達板の表面の傷、
障害物などの影響を受けにくいという利点を有する。

尚、以上の構成における実施例の振動伝達板８の寸法及
び反射防止材７の装着位置、更には振動センサ６ａ〜６
ｃの配置位置等の特定に係る原理の詳細は後述する。

〈演算制御回路の説明（第３図）〉 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　ｍ　ｓ毎）に振動子駆動回路２に振動ペン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
内部のタイマ（カウンタで構成されている）による計時
を開始させる。そして、振動ペン３より発生した振動は
振動センサ６ａ〜６ｃまでの距離に応じて遅延して到達
する。振動波形検出回路９は各振動センサ６ａ〜６ｃ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
が、演算制御回路１は各センサ毎のこの信号を入力し、
各々の振動センサ６ａ〜６ｃまでの振動到達時間の検出
、そして振動ペンの座標位置を算出する。

そして、演算制御回路１はこの算出された振動ペン３の
座標位置情報を基に、デイスプレィ駆動回路１０を駆動
して、デイスプレィ１１による表示動作を制御する。

第３図に実施例における演算制御回路１の内部構成を示
し、各構成要素及びその動作概要を以下に説明する。

図中、３１は演算制御回路１及び本座標入力装置全体を
制御するマイクロコンピュータであり、内部カウンタ、
動作手順を記憶したＲＯＭ、そしてワクエリアに使用す
るＲＡＭ等を内蔵している。３３は不図示の基準クロッ
クを計時するタイマ（カウンタより構成されている）で
あって、振動子駆動回路２に振動ペン３内の振動子４を
駆動を開始させるだめのスタート信号を出力することて
、その計時を開始する。すなわち、これによって、計時
開始と振動発生の時期の同期が取られることになる。

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を介して得られた各振動センサ６ａ
〜６Ｃの振動到達のタイミング信号は検出信号入力ポー
ト３５を介して、ラッチ回路３４ａ〜３４ｃに入力され
る。ラッチ回路３４ａ〜３４ｃは振動センサ６ａ〜６ｃ
に対応しており、各々は対応する振動センサの信号であ
るタイミング信号を受信すると、その時点でのタイマ３
３の計時値をラッチする。そして、全ての検出信号の受
信がなされたことを判定回路３６が判定すると、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が判定回路３６からこの信号を受信
したときには、ラッチ回路３４ａ〜３４ｃから各々の振
動センサまての振動到達時間を読み取り、所定の計算を
経て、振動ペン３による振動伝達板８上の座標位置を算
出する。そして、Ｉ１０ポート３７を介してデイスプレ
ィ駆動回路１０に算出した座標位置情報を出力すること
により、例えばデイスプレィの対応する位置にドツト等
を表示する。

〈振動伝播時間検出の説明（第４図、第５図）〉以下、
振動センサまての振動到達時間の計測の原理を説明する
。

第４図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。尚、以下ては、振動センサ６ａを用いて説明
するか、その他の振動センサ６ｂ。

６ｃについても全く同じである。

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でもって開始することは
既に説明した。

このとき、振動子駆動回路２から振動子４へは信号４１
が印加されている。

この信号によって、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、振動センサ６ａまでの距離に応じ
た時間ｔｇをかけて進行した後、振動センサ６ａて検出
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。

ところで、実施例で用いられている振動は板波てあり、
そのため振動伝達板８内での伝播距離に対して検出波形
のエンベロープ４２１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。

ここで、エンベロープ４２１の進む速度、すなわち、群
速度をＶｇ、そして位相４２２の位相速度をＶｐとする
。この群速度Ｖｇおよび位相速度Ｖｐの違いから振動ペ
ン３と振動センサ６ａ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
を図示の４３で示す信号のように検出すると、振動ペン
３および振動センサ６ａの間の距離ｄはその振動伝達時
間をｔｇとして ｄ二Ｖｇ−ｔｇ　　　　　　　　　　　　　・・・■こ
の式は振動センサ６ａ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６ｂ、　６ｃと振動ペ
ン３の距離も同様の原理で表わされる。

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。

位相波形信号４２２の特定の検出点、たとえば振動印加
から、ピーク通過後のセロクロス点までの時間をｔｐ（
信号５３で所定幅の窓信号４４を生成し、位相信号４２
２と比較することで得る）とれば振動センサと振動ペン
の距離は ｄ＝ｎ＋λｐ＋Ｖｐ脅ｔｐ　　　　　　　　　・・・■
となる。ここでλｐは弾性波の波長、ｎは整数である。

前記、■式と０式から上記の整数ｎは ｎ＝　［（Ｖｇ４ｇ−Ｖｐ−ｔｐ）　／λｐ＋１／Ｎ］
　　　　　　＋＋＋■と表される。

ここでＮは０以外の実数であり、適当な数値を用いる。

たとえばＮ二２とし、±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０
式に代入することで、振動ペン３および振動センサ６ａ
間の距離、ひいては振動ペン３と振動センサ６ｂ、６ｃ
間の距離を正確に測定することができる。

上述した２つの振動伝達時間ｔｇおよびｔｐの測定のた
めの信号４３及び４５は信号波形検出回路９により行わ
れるが、この信号波形検出回路９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６ａの出力信号は前置増幅
回路５１により所定のレヘルまて増幅される。

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。ピーク検出回
路はモノマルチバイブレータなどから構成された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
間検出信号である信号Ｔｇ（信号５３）が形成され、演
算制御回路１に入力される。

また、この信号Ｔｇは単安定マルチバイブレータ５５（
信号４４を発生させる）、コンパレートレベル供給回路
５６を経て、遅延時間調整回路５７によって遅延された
元信号と比較するため、コンパレータＴｐ検出回路５８
に供給される。そして、このコンパレータＴｐ検出回路
５８からは位相遅延時間信号Ｔｐが演算制御回路１に供
給されることになる。

尚、以上説明した回路は振動センサ６ａに対するもので
あり、他の振動センサ６ｂ、　６ｃにも同じ回路が設け
られる。

そこで、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個の検出信号か演算制御回路ｌに入力される
。

そして、演算制御回路１では上記のＴｇｌ〜ｈ、　Ｔｐ
ｌ〜ｈ信号を入力ポート３５から入力し、各々のタイミ
ングをトリがとしてタイマ３３の計時値（カウント値）
をラッチ回路３４ａ〜３４ｃに取り込む。タイマ３３は
振動ペンの駆動に同期してスタートされているので、ラ
ッチ回路３４〜３４ｃには、各振動センサ６ａ〜６Ｃの
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
ータがラッチされることになる。

〈座標位置算出の説明（第６図）〉 次に実際に振動ペン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。

今、振動伝達板８上の振動センサ６ａの座標を５ａ（０
，Ｏ）、すなわち、原点とし、振動センサ６ｂ、　６ｃ
の座標位置をＳ　ｂ　（Ｘ、　　Ｏ）、ｓｏ　（ｏ、ｙ
）とする。そして、振動ペンの座標Ｐ（ｘ、ｙ）とする
。

そして、先に説明した原理に基づいて、振動ペン３と各
振動センサ６ａ〜６ｃまての距離を夫々ｄａ〜ｄｃとす
ると、求めるＰ（ｘ、ｙ）は三平方の定理より、次式の
如くなる。

二こで、“Ｘ”及び“Ｙ”は振動センサ６ａがらの振動
センサ６ｂ、６ｃの横及び縦方向の距離である。

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ことになる。

〈本発明の防振材の材料特性の説明〉 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
れた振動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於ける防振材に
要求される特性は２つあり、１つは振動伝達板８の振動
を大きな効率で吸収し、防振材内部でその振動を減衰さ
せることであり、もつ１つは、防振材の装着により新た
に反射波を発生させないことである。

まず第一の要件の防振材内部でその振動を減衰の大きな
材料とは、損失係数ｔａｎδの大きな材料であることは
周知の事実である。しかし、実際に材料のｔａｎδを測
定するには大ががりな装置が必要となる。そこで本発明
ではｔａｎδと同等な特性を示し比較的測定が容易な反
発弾性（Ｒｂ）により防振材の特性を規定した。ちなみ
に反発弾性（Ｒｂ）は に比例する。表１に反発弾性の異なる材料を防振材とし
て使用した場合の減衰率を示した。

表　　１ これより反発弾性の小さい材料Ｂの方が減衰率が大きい
ことがわかる。ところで、振動伝達板端面での反射波を
軽減するには最低７０％の減衰率が必要である。なぜな
ら、減衰率が７０％の場合、振動伝達板端面ての反射波
を往復で約１０％以下（（１−０，７）　ｘ　（１−０
，７）　＝０．０９）に軽減でき、検出精度に与える影
響は小さいからである。従って、減衰率を７０％以上と
するために表１の結果より本発明の防振材の反発弾性は
５０％以下とする。

防振材に要求される第二の特性について述べる。

防振材の装着によりその境界面により生ずる反射波の振
幅は、その防振材の音響インピーダンスが増加するに従
い太き（なる。例えば、音響インピーダンスが最小の場
合が、何も装着しない状態であり、当然、反射波は生じ
ない。また、振動伝達板の厚みが２倍になるところでは
、反射波が生じるが、これは、振動伝達板に音響インピ
ーダンスの大きな物質を装着したのと同様な状態である
。従って装着境界面で発生する反射波を減少させるため
には、防振材の音響インピーダンスは小さいことが望ま
しい。ところで、 音響インピーダンス−ρＣ 牛ρ＋ａｖてＰ−コ逼 ａαう］２〕 ρ、比重、Ｅ＊　複素弾性率、ａ　定数そして、硬度は
Ｅ＊とおおよそ比例する。従って、防振材の音響インピ
ーダンスを小さくするには、比重と硬度を小さくすれば
よい。表２に、音響インピーダンスつまり比重と硬度が
異なる２種類の材料を防振材として使用した場合の防振
材装着面での反射率を示した。

表　　２ これより、比重と硬度の小さい材料Ａ′　の方が反射率
が小さいことがわかる。ところで、第一の要件で述べた
ように検出精度に大きな影響を与えないためには、防振
材装着面での反射率は、１０％以下でなければならない
。従って、表２の結果より本発明の防振材の比重は１．
１以下、硬度（ＪＩＳＡ）は２０以下である。

ところで、前記表１と２の材料ＡとＡ′とＢとＢ′はそ
れぞれ同一材料である。材料Ｂは、反発伸反性が大きく
、減衰率が大きいものの、比重、硬度がいずれも大きい
ため反射率が大きくなっており、振動伝達板上での座標
を検出する座標入力装置に於ける防振材としてふされし
くない。このように、反発伸反性と比重、硬度がいずれ
も本発明の数値条件を満たすのはむずかしい。本発明に
於いては材料Ａのような数値条件を満たす材料を実現す
る為に樹脂基材料中に多量の油性の可塑材を含有させた
。この可塑材としては、ナフテン系・パラフィン系・シ
リコン系・アロカロイト系オイルあるいは前記数値条件
を満たすなら他の材料でもよい。

１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に設けられた複数のセン
サにより検出し、各振動センサまての振動伝達時間から
前記振動ペン位置を検出する座標入力装置に於いて、比
重１．１以下・硬度（ＪＩＳＡ）２０以下・更に反発弾
性（Ｒｂ）　５０％以下の材料特性の防振材を前記振動
伝達板の周辺部に装着することにより、振動伝達板端面
及び防振材装着面での反射波を軽減でき、検出波形に歪
を与えず、高精度の座標入力装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例の座標入力装置のブロック構成図。 第２図は振動ペンの構造を示す図。 第３図は実施例における演算制御回路の内部構成を示す
図。 第４図は振動ペンと振動センサとの間の距離測定を説明
するための図。 第５図は実施例における信号波形検出回路の一部構成内
容を示す図。 第６図は座標位置算出の原理を説明するための図。 第７図は従来例の説明図。 図中、 ｌ・・・演算制御回路 ２・・・振動子駆動回路 ３・・・振動ペン ４・・・振動子 ６ａ〜６ｃ・・・振動センサ ７・・・防振材 ７−１・・・下層防振材 ７−２・・・上層防振材 ８・・・振動伝達板 ３１・・・マイク ３３・・・タイマ ３４ａ〜３４ｃ・・・ラッチ回路 ３５・・・検出信号入力ポート ３６・・・判定回路 ３７・・・Ｉ１０ポート ロコンピュータ （Ｓシ回給） 宇ヴω 窒ｂ口

Claims (2)

【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に設け
   られた複数のセンサにより検出し、各振動センサまでの
   振動伝達時間から前記振動ペン位置を検出する座標入力
   装置に於いて、前記振動伝達板の周辺部に装着する防振
   材が、比重１．１以下・硬度（ＪＩＳＡ）２０以下の材
   料特性であることを特徴とする座標入力装置。
2. （２）前記第（１）項記載に於いて、前記振動伝達板の
   周辺部に装着する防振材が、反発弾性（Ｒｂ）５０％以
   下の材料特性であることを特徴とする座標入力装置。