JPH065496B2

JPH065496B2 - 超音波応用タブレツト

Info

Publication number: JPH065496B2
Application number: JP60122468A
Authority: JP
Inventors: 久雄岡田; 弌也佐藤; 荘二佐々木; 正則田辺; 寛児川上; 茂猪瀬; 希雄須藤; 英夫埋橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-06-07
Filing date: 1985-06-07
Publication date: 1994-01-19
Anticipated expiration: 2009-01-19
Also published as: JPS61281324A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、コンピュータ等の情報入力を手書きで行うた
めの超音波応用タブレットに関する。

〔発明の背景〕

従来、手書き入力装置として用いられる弾性波応用タブ
レットの書き込み装置い於いて、問題点の一つとして入
力ペンの傾斜角による標定位置の変動がある。特に、弾
性波の伝搬時間を用いて標定を行う方式の場合には、入
力ペンの傾斜角によって位相角が変化するため、本質的
に免れえない問題とされていた。

従来、弾性波のうち表面波を用いた書き込み装置におい
て層状構造によるものが提案されている。例えば、特開
昭50-50830では弾性表面波を用いた接触型位置エンコー
ダで、表面波を伝える第一のシートの下に第二のシート
をもつ構造になっており、この第二のシート材はバルク
波を減衰させることが目的であるためバルク波減衰率の
大きな材料が用いられる。このように、他の目的で複合
化された書き込み板については、本発明で提案するよう
な入力ペン傾斜の影響を無くすために必要な材質の考慮
は払われていない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、通常の手書き入力で座標検出が可能で
あり、また、入力ペンからの超音波の入射角度あるいは
入力ペンの回転角度によって生ずる検出波の波形変化を
低減し特に位相の逆転を防止することによって、高精度
化を可能とした超音波応用タブレットを提供することに
ある。

〔発明の概要〕

本発明による縦波方式の原理とペン傾斜の問題について
説明する。

第１図は縦波を用いた超音波応用タブレットの構成を示
す。書き込み部は入力ペン１と書込み装置２とから構成
されている。該書込み装置２は書込み板３とその各コー
ナーに設置された受波子４（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）とから成
っている。前記入力ペン１は送波子１ａ、ペン先１ｂ、
握り１ｃから成っており、パルス励振回路５によってパ
ルス電圧が印加され、該入力ペン１のペン先１ｂより縦
波超音波が放射される。前記書込み板２に入射された縦
波超音波は前記書込み板３を伝播し、前記受波子４（ａ
〜ｄ）にて検出され、波形整形回路６に入力される。該
波形整形６の出力は、時間計数回路７に入力されて、超
音波入射点から各受波子までの伝播時間が計測される。
該時間計数回路７の出力は座標演算回路８に入力され
て、位置標定演算を行ったのち、標定結果が表示装置９
にて表示される。

前記波形整形回路６に入力された縦波超音波が入力ペン
１の傾斜角度によって変化する状況を第２図に示す。同
図は書込み板３に両端に受波子Ａ及びＢを設置し、その
中間点Ｐから入力ペン１により縦波超音波を入射した時
の両受波子にて検出される波形を示す。同図（ａ）は入
力ペン１を垂直においた時の検出波形を示し、第１到着
波Ｆは受波子Ａ及びＢに同位相で検出される。これに対
し、同図（ｂ），（ｃ），（ｄ）は入力ペン１を受波子
Ａ側に徐々に傾斜していった時の検出波形を示す。受波
子Ｂにおける第１到着波Ｆは、若干のレベル変化にある
ものの位相的変化は見られないのに対し、受波子Ａにお
ける第１到着波Ｆは、レベルの変化と共に位相が変化
し、傾斜角大の（ｄ）では位相が反転してしまう。従っ
て、第１到着波Ｆに着目して伝播時間を計測する場合、
例えばピーク点に着目した場合に傾斜角θによって伝播
時間が変動することになり、標定誤差の要因となる。

ペンを傾斜させた場合に、検出波の波形が変化する現象
は、媒体１０に入射された超音波の媒体面に平行な成分
が、入力ペンの傾斜の影響を受けているためであること
がシミュレーションによる解析で証明される。その結果
を第３図に示す。第３図（ａ）のように入力ペン１が媒
体面に垂直な場合には、媒体内で広がる波の位相はペン
を中心として対称であることがわかる。しかし、第３図
（ｂ）のように入力ペン１が傾斜すると、ペンが傾斜し
た側の媒体１０の表面付近の領域で波の位相が逆転し、
位相がペンを中心として非対称となることがわかる。さ
らに、詳しく解析するとこの位相が逆転する領域は、入
力ペンの傾斜が大きくなるにつれて拡大してくる。これ
らのことから、入力ペン１の傾斜、すなわち媒体１０に
入射する超音波の媒体面に平行な成分が、媒体内の媒体
面に平行な波成分の位相に直接影響を及ぼしていること
がわかる。この現象のため、ペンが傾斜すると検出波の
波形が変化するのである。

しかし、よく注意して見ると、ペンが傾斜した側の位相
がすべて逆転しているのではないということがわかる。
つまり、超音波の入射点下方の媒体表面から深いとこ
ろ、特に波の位相を表わす矢印の渦が生じている深さ以
下での波の位相はペンを中心として対称になっているの
である。このことから、この位相が対称な波を非対称な
波より早く検出素子に導くことができれば、ペンの傾斜
の影響を低減でき、検出波の波形変化、特に位相の逆転
を防止できる。

〔発明の実施例〕

本発明は上述のような発想によって生れたもので、その
実施例を第４図に示す。前記書込み装置２において、書
込み板３を少なくとも２層からなる構造とし、超音波を
伝搬させる伝搬層媒体３ａの上に該伝搬層媒体より縦波
速度（超音波の縦波成分の伝搬速度のこと）の遅い材質
からなる入力層媒体３ｂを設け、前記伝搬層媒体３ａ側
に受波子４（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を取りつけた構造とす
る。

第５図は、本発明による効果をシミュレーションによっ
て確認した図である。この解析で用いた材料は表１に示
すものである。第５図から媒体を２層化すると、ペンが
傾斜した場合でも位相が対称化された領域ができ、本発
明の考え方が正しいことが証明された。さらに、詳しい
解析によってこの位相が対称化された同相領域は、ペン
の傾斜を一定とした場合は音波の遅い入力層が厚くなる
につれて大きくなり、また入力層の厚さを一定とした場
合はペンの傾斜が小さいほど同相領域が大きくなるが、
前記書込み板３の面に平行な方向の同相領域の長さが、
前記伝搬層媒体３ａを伝わる超音波の波長に対して約半
波長の長さになると、それ以後は入力層を厚くしても同
相領域の増加は見られないことが判った。それは、波の
１波長は、第２図の波形で説明すると、波形の山の部分
と谷の部分のように、また第３図の矢印で説明すると、
矢印が右向きの成分と左向きの成分のように、それぞれ
位相が逆の成分が、波長の略半分ずつから成り立ってお
り、一方の成分が半分以上に長くなり過ぎることが無い
ためである。

従って、その同相領域の長さが前記伝搬層媒体３ａを伝
わる超音波の波長に対して約半波長の長さになったとい
うことは、入力ペン１の傾斜による位相の逆転をほぼ完
全に防止できるということである。

このことから、入力層媒体３ｂの厚さはむやみやたらに
厚くする必要はないことがわかる。また、入力層の音波
を遅くすれば、同じ効果を得るための層の厚さは薄くで
きることもわかった。

実用面から考えると、実用上の最大のペン傾斜時におい
て、この位相が対称化された同相領域の長さが、前記伝
搬層媒体３ａを伝わる超音波の波長の半分あれば、実際
に超音波応用タブレットを使用したときでの入力ペン１
の傾斜による標定位置の変動は発生しなくなる。

従って、実用上、考えられる最大のペン傾斜角を設定し
たときに、その同相領域の長さが、伝搬層媒体３ａでの
超音波の波長の半分になるように、超音波伝搬速度が遅
い入力層媒体３ｂの材質や厚さが決定される。具体的に
は、超音波の周波数が400ｋHzで表１の材料を用いた場
合、入力ペンの最大傾斜が４０°であれば入力層の厚さ
は1.2mmあればよく、最大傾斜が３０°であれば入力層
の厚さは0.8mmあればよいことがわかった。

以上に示したようにタブレットを構成することによっ
て、ペンの傾斜による波形変動を低減し、特に位相の逆
転を防止することが可能となり、高精度に位置評定でき
る超音波応用タブレットが実現できる。

また、表１に示した材料は透明であり、このような透明
な材料で構成したタブレットを、液晶表示装置やＣＲＴ
等の表示面に積層すれば、入力面と表示面を一体化した
超音波応用タブレットが実現できるメリットがある。透
明な材料で縦波速度の異なる材料は多々あり、それらの
組み合わせが可能である。又、同一材質で、音響的に２
層になっている材料を用いても同様な効果を得ることが
可能である。

以上は透明な書込み板について述べたが、勿論不透明な
材料でも効果的には全く同じである。例えば前記伝搬層
媒体としてアルミニウム（縦波速度：6260ｍ／ｓ）を用
い、入力層媒体としてベークライト（（縦波速度：2590
ｍ／ｓ）を用いることによって、ペンの傾斜の影響を無
くすことができる。

次に、他の実施例について説明する。第６図は書込み装
置の複合化構造の応用を示すもので、書込み板３の伝搬
層媒体３ａと入力層媒体３ｂの中間の中間層媒体３ｃを
設け、該中間層媒体として縦波速度が前記伝搬層媒体と
前記入力層媒体の縦波速度の中間の速さをもつものを用
いることを特徴としている。

次に、この実施例の効果について説明する。

上記した第４図の実施例では、超音波の伝搬速度が遅い
材料を用いれば、ペンの傾斜による位相逆転を防止する
のに必要な入力層の厚さが薄くできる旨説明している。

しかし、一方で、伝搬層媒体３ａでの縦波成分の伝搬速
度と、入力層媒体３ｂでの縦波成分の伝搬速度とに差が
有り過ぎると、入力層媒体３ｂから伝搬層媒体３ａへの
超音波の伝達率が低下してしまうという問題が生じる。

しかして、２種の媒体間での縦波成分の伝搬速度に差が
あり過ぎて、超音波の伝達率が低い場合でも、これらの
媒体間に、その縦波成分の伝搬速度が、一方の媒体と他
方の媒体の中間の速さを有する中間媒体を介在させれ
ば、超音波の伝達率の低下を抑えることができる。

そこで、この第６図の実施例では、中間層媒体３ｃを設
けたものであり、従って、この実施例によれば、超音波
の伝達率を高く保つことができ、この結果、第１図に示
してある受波子４で検出される信号のレベルを大きくす
ることができる。

従って、この第６図の実施例は、書込み板３の寸法が大
きくなっても充分に超音波を検出することができ、大型
のタブレットにも容易に対応できるという効果がある。

また、第７図は前記２つの実施例と異なり、入力ペンに
改良を加えたものである。同図の拡大図に示すように、
入力ペン１のペン先１ｂの先端部に接触用小片１１を設
け、該接触用小片材として縦波速度が前記書込み板３の
縦波速度より遅い材料を用いることを特徴とする。この
場合、ペン先１ｂの材質としては、その縦波速度が前記
接触用小片の縦波速度より速いものを用いることが望ま
しい。以上、本実施例も効果的には第４図の場合と同じ
で、入力ペンの傾斜の影響を無くすことができる。

前述の複合化書き込み板の製法としては、音速の異なる
複数の板を貼り合わせる方法、例えば、ガラス板の上に
ポリカーボネイト板とかアクリル板などを貼り合わせる
合板方法がある。又、別の方法として、同一材において
製造過程で素材の物理的性質、例えば比重の違いなどを
用いて音響特性上２層化媒体を作る製法がある。

〔発明の効果〕本発明によれば、超音波応用タブレットにおいて、ペン
の傾斜によって生ずる検出板の波形変化を低減でき、特
に位相の逆転が防止できるので、高精度なタブレットが
可能となる。また、波形変化を特別な検出器や付加回路
を用いて補正を行うタブレットに比べて、簡単に構成で
きる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、縦波を用いた超音波応用タブレットの原理構
成図、第２図は、入力ペンを傾斜した時の受波子に検出
される波形の状況、第３図は入力ペンから書込み板内に
入射される超音波挙動のシミュレーション結果、第４図
は本発明による複合化書込み装置を示す一実施例、第５
図は複合化による効果を示すシュミレーション結果、第
６図は本発明による複合化書き込み装置の他の実施例、
第７図は入力ペン側に改良を加えた本発明による他の実
施例を夫々示す。１…入力ペン、２…書込み装置、３…書込み板、４…受
波子、５…パルス励振回路、６…波形整形回路、７…時
間計数回路、８…座標演算回路、９…表示装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田辺正則茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者川上寛児茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者猪瀬茂栃木県下都賀郡大平町富田800番地株式会社日立製作所栃木工場内 (72)発明者須藤希雄栃木県下都賀郡大平町富田800番地株式会社日立製作所栃木工場内 (72)発明者埋橋英夫栃木県下都賀郡大平町富田800番地株式会社日立製作所栃木工場内 (56)参考文献特開昭63−103317（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気信号に励振され超音波を発生させる送
波子と、その超音波を一点から放射させるペン先を備え
た入力ペンと、該入力ペンからの超音波を伝搬させる書
込み板と、該書込み板の端部に設けられ伝搬した超音波
を電気信号に変換する受波子とからなる書込み装置と、
該書込み装置の検出信号から前記入力ペンの位置を標定
して表示装置に表示する信号処理装置とからなる超音波
応用タブレットにおいて、前記書込み装置の書込み板
を、超音波を伝搬させる伝搬層媒体と、その上に設けた
入力層媒体の少なくとも２層で構成し、該入力層媒体と
して、その中での超音波の縦波成分の伝搬速度が、前記
伝搬層媒体内での超音波の縦波成分の伝搬速度よりも遅
い速度となる材料で作成したものを用い、前記伝搬層媒
体側に前記受波子を取付けたことを特徴とする超音波応
用タブレット。
【請求項２】前記第１項の構成による超音波応用タブレ
ットにおいて、前記書込み板を構成する伝搬層媒体と入
力層媒体の間に、その中での超音波の縦波成分の伝搬速
度が、前記伝搬層媒体内での超音波の縦波成分の伝搬速
度と、前記入力層媒体内での超音波の縦波成分の伝搬速
度の中間の速度となる材料で作成された中間層媒体が設
けられていることを特徴とする超音波応用タブレット。
【請求項３】電気信号に励振され超音波を発生させる送
波子と、その超音波を放射させるペン先を備えた入力ペ
ンと、該入力ペンからの超音波を伝搬させる書込み板
と、該書込み板の端部に設けられ伝搬した超音波を電気
信号に変換する受波子とからなる書込み装置と、該書込
み装置の検出信号から前記入力ペンの位置を標定して表
示装置に表示する信号処理装置とからなる超音波応用タ
ブレットにおいて、前記入力ペンのペン先に、該ペンに
より前記書込み板に書込みを行なうとき、このペンと書
込み板の間に位置するようにして接触用小片を設け、該
接触用小片として、その中での超音波の縦波成分の伝搬
速度が、前記伝搬層媒体内での超音波の縦波成分の伝搬
速度よりも遅い速度となる材料で作成したものを用いた
ことを特徴とする超音波応用タブレット。