JPH0746301B2

JPH0746301B2 - 座標入力装置

Info

Publication number: JPH0746301B2
Application number: JP27396387A
Authority: JP
Inventors: 信之介谷石; 雄一郎吉村; 潔兼子; 淳田中; 克行小林; 重樹森; 範之鈴木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-10-28
Filing date: 1987-10-28
Publication date: 1995-05-17
Anticipated expiration: 2010-05-17
Also published as: US5726686A; JPH01114924A; EP0314149B1; DE3884335D1; EP0314149A2; EP0314149A3; DE3884335T2

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
振動を振動伝達板に複数設けられた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、図形などをコンピユータなどの
処理装置に入力する装置として各種の入力ペンおよびダ
ブレツ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デイスプレイ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。

この種の装置のタブレツトの座標検出においては次にあ
げる各種の方式が知られている。

１）抵抗膜と対向配置されたシート材の抵抗値変化を検
出する。

２）対向配置された導電シートなどの電磁ないし静電誘
導を検出する方式。

３）入力ペンからタブレツトに伝達される超音波振動を
検出する方式。

上記の１）,2）の方式では、抵抗膜や導体膜を用いるの
で透明なタブレツトを形成するのが困難である。一方、
３）の方式ではタブレツトをアクリル板やガラス板など
の透明材料から構成できるので、液晶表示器などに入力
タブレツトを重ねて配置し、あたかも紙に画像を書き込
むような感覚で使用できる操作感覚のよい情報入出力装
置を構成できる。このとき、超音波振動をアクリル板や
ガラス板等の振動伝達板に入力する振動入力ペンのペン
先材質は、振動伝達効率の良いアルミ等の材質が一般的
に使用されている。

〔発明が解決しようとしている問題点〕

しかしながら、振動伝達効率は良いが、アルミ材では振
動伝達板であるアクリル板、ガラス板あるいは透明性を
要しないとき使用されるアルミ板等の金属板等に対し、
傷を付けたり、あるいはペン先材のアルミペン先自身が
摩耗してしまう。

振動伝達板が傷付くと商品として、外観上使用出来な
い。また、ペン先が摩耗してしまうと振動ホーンとして
の機能を失ってしまうばかりか、検出波形を乱してしま
い、高精度な座標検出が出来なくなる。

本発明では、上記の伝達板の傷付き、ペン先の摩耗等の
問題を改善することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段（及び作用）〕

以上に鑑み、本発明によれば振動発生手段を有する振動
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
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おいて、振動ペンのペン
先材質に樹脂を採用した。

ペン先材質に樹脂を使用することにより、振動伝達板の
傷付きは完全になくなり、かつ樹脂耐摩耗性に富むため
ペン先自身の寿命は飛躍的に伸びるばかりか、書き味を
改善し、ペンの傾斜に対しても安定した検出波形を得る
ことが出来、高精度の座標検出装置を提供し得る。

〔実施例〕

以下、図面に示す実施例に基づき、本発明を詳細に説明
する。

第１図は本発明を採用した座標入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
入力タブレツトに振動ペン３によって座標入力を行わ
せ、入力された座標情報にしたがって入力タブレツトに
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振動ペン３から伝達される振
動をその角部に３個設けられた振動センサ６に伝達す
る。本実施例では振動ペン３から振動伝達板８を介して
振動センサ６に伝達された超音波振動の伝達時間を計測
することにより振動ペン３の振動伝達板８上での座標を
検出する。

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反射防
止材７によって支持されている。

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、振動ペン
３によりなぞられた位置にドツト表示を行うようになっ
ている。すなわち、検出された振動ペン３の座標に対応
した表示器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
３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′にはメニユー
表示を行い、振動ペン３によりそのメニユー項目を選択
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。

振動伝達板８に超音波振動を伝達させる振動ペン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図は振動ペン３の構造を示している。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を介して振動伝達板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。

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に入力され、後段の演算制御回路１に
より処理可能な検出信号に変換される。演算制御回路１
は振動伝達時間の測定処理を行い、振動ペン３の振動伝
達板８上での座標位置を検出する。

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１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。

マイクロコンピユータ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、マイクロコンピユータ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ユータ11によりラ
ツチ回路14にラツチされる。

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、座標検出のための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および、筆圧検出の
ための信号レベル情報を出力する。これらのタイミング
およびレベル情報は入力ポート15および16にそれぞれ入
力される。

波形検出回路９から入力されるタイミング信号は入力ポ
ート15に入力され、判定回路17によりラツチ回路14内の
計数値と比較され、その結果がマイクロコンピユータ11
に伝えられる。すなわち、カウンタ13の出力データのラ
ツ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われる。

表示器11′の出力制御処理は入出力ポート18を介して行
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の振動
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Vg、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V
g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、振動ペン３および振
動センサ６の間の距離ｄはその振動伝達時間をtgとしてｄ＝Vg・tg ……（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と振動ペン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う。第４図の位相波形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
動ペンの距離はｄ＝ｎ・λｐ＋Vp・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＋1/N］ ……（３）と示される。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＝２とすれば、±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、振動ペン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４図に示した２つの振動伝達時間tgおよびtpの測定は
第１図の波形検出回路９により行われる。波形検出回路
９は第５図に示すように構成される。第５図の波形検出
回路９は筆圧検出のため、後述のように振動センサ６の
出力波形のレベル情報も処理する。

第５図において、振動センサ６の出力信号は前置増幅回
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信号と、遅延時間調整回路57によって遅延
された元信号からコンパレータ検出回路58により位相遅
延時間検出信号Tpが形成され、演算制御回路１に入力さ
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Tg1〜ｈ、位相遅延時間Tp1〜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Tg1〜ｈ、Tp1〜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のカウント値をラツチ回路14に取り込
む。前記のようにカウンタ13は振動子ペンの駆動と同期
してスタートされているので、ラツチ回路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しめすデータ
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って振動ペン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離d1〜d3を求めること
ができる。さらに演算制御回路１でこの直線距離d1〜d3
に基づき振動ペン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。

ｘ＝X/2＋（d1＋d2）（d1−d2）/2X ……（４）ｙ＝Y/2＋（d1＋d3）（d1−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S
1）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きる。

以上の構成によれば、振動伝達板８に弾性波の板波とし
て超音波振動を伝達するので、振動伝達板８の傷、障害
物による妨害を低減し、高精度な座標検出を行うことが
できる。

次にホーン部５の材質を決定する比較検討を以下に記
す。

一般にホーンは、振動子の振動を増幅する効果がある。
このホーンは、次のような共振条件式によって設計され
る（式６）。

従ってホーン先端で効率の良い振幅を得るためには、そ
のホーン形状を保つ必要がある。また座標を入力した場
合においても、伝播体であるガラス面を傷つけてはなら
ない。従ってホーンを組み込んだペン先を構成する材料
には次のような条件が必要となってくる。

１）振動子の振動を伝播体に伝えることができる２）伝播体に対する耐摩耗性が良い３）伝播体に傷をつけない材料試験について説明する。

まず、振動子の振動をガラス板に入力することができる
かどうか材料の検討を行った。今回検討を行った材料
は、アルミニウム、セラミツクス、樹脂である。アルミ
ニウムは、音響特性がガラスに比較的近く（音響インピ
ーダンスρc:アルミニウムρｃ＝1.7×10⁷、ガラスρｃ
＝1.81×10⁷）振動伝達特性が良いものと考えられる。
この他アルミニウムに表面処理を施したものについても
検討した。セラミツクスは、今回アルミナセラミツクス
を用いた。一般には樹脂は振動を減衰させる傾向にある
が、樹脂のかたさをパラメーターに、ポリアミド、ポリ
アミドイミド、ポリカーボネイト、ポリアセタールの４
種類について検討した。

振動子の振動をガラスに入力出来るかどうかの実験方法
を以下に記す。

上記材料のホーンを設計製作し、ホーンと圧電素子を50
0g重の加重で圧着した。圧電素子を400KHzパルス駆動
し、ガラス板を伝ってきた板波弾性波をセンサーで出力
した。その時得られる出力信号を測定し、得られる振幅
を比較した。

出力される検出信号波形の振幅は、アルミニウムの場合
が最も大きかった。またアルミニウムに表面処理を施し
たものについてもほぼ同等の振幅が得られた。アルミニ
ウムにテフロンをコーテイングしたものについては、ア
ルミニウムの振幅に比べて10〜15％程度低下した。ポリ
アミドイミドは、アルミニウムに比べて約３％しか振幅
が得られなかったが、検出信号波形の検出ポイントを特
定するのには、十分な振幅が得られていた。一方アルミ
ナセラミツクス、ポリアミド、ポリカーボネイト、ポリ
アセタールについては、出力信号の振幅がほとんど得ら
れなかった。

次に耐摩耗試験について記す。

座標入力ペン内に組み込まれた振動子の振動を伝播体に
入力すると、ペン先は伝播体とのこすりにより摩耗す
る。前述した通り恒久的にホーンと振動子の系の振動特
性を保つためには、ホーンの形状が変化することは好ま
しくない。つまりペン先は、ガラスに対する耐摩耗性が
良くしかもガラス表面を傷つけない材料を選ぶ必要があ
る。

実験方法は前述の実験結果を踏まえアルミニウム、アル
ミニウムにテフロンをコーテイングしたもの、芳香族ポ
リアミドイミドの３種類の材料についてホーンを設計し
耐摩耗試験を行った。負荷加重を200g重とし、ガラスに
対するこすり速度を平均72mm/sec、サイン関数的に速度
を変化させたときの摩耗量を繰り返し数をパラメータと
して測定した。なお１サイクルあたりの走行距離は、１
cm²中に“W"という文字を書いた場合の約2.5文字に相当
する。

耐摩耗試験結果を第８図に示す。アルミニウムは摩耗量
が大きく、１万回程度の繰り返しで1mm以上にも達す
る。またガラス面にも傷をつけ、本デジタイザーの座標
入力ペンのペン先の材料として不向きである。またアル
マイト処理を施したものについては若干耐摩耗性が改善
されたが、製品レベルにはない。アルミニウムにテフロ
ンをコーテイングしたものは、耐摩耗性が飛躍的に向上
した。しかしコーテイングした膜が破れると、その摩耗
量は急激に増大する。テフロンコーテイング膜はひっか
き等により簡単に傷がついたり剥離してしまうので、製
品として使用する場合において経時的な安定性を保証す
ることができない。一方、芳香族ポリアミドイミドは、
ガラスに対して耐摩耗性という点で非常によい特性を持
つものと考えられる。従って振動伝達の実験結果と耐摩
耗試験結果とから芳香族ポリアミドイミドが実際に使用
し得る材料である（表１）。

次に芳香族ポリアミドイミドの構造式を数種示す。

その他にもいろんな構造は考えられる。また、添加物及
び充填物としては、酸化チタン、黒鉛、フツ素樹脂、ガ
ラス繊維、二硫化モリブデン等が入っていてもかまわな
い。

〔発明の効果〕

以上説明してきた様に、芳香族ポリアミドイミドをペン
先に使うことで振動伝達板を傷付けることなく、振動を
伝達し、かつペン先自身のすりへり等がなくなるばかり
か、耐久的に安定した検出信号を得られるため、常に高
精度な座標入力装置が実現する。また書き味についても
飛躍的な向上が見られる。さらに芳香族ポリアミドイミ
ドを使うことでペン先を射出成型等の工法で安価に製品
化することが出来、従来のアルミ材削り出しだとどうし
ても高価になってしまっていた。

この様に芳香族ポリアミドイミドをペン先に使うことで
高精度で耐久性のある、かつ安価な座標入力装置を提供
し得る。

【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図は第１図の振動ペンの構造を示した説
明図、第３図は第１図の演算制御回路の構造を示したブ
ロツク図、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ツク図、第６図は振
動センサの配置を示した説明図、第７図は耐摩耗試験の
説明図、第８図は耐摩耗試験の結果を示す図、第９図は
半波長共振ホーンの条件を示す図である。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 52……エンベロープ検出回路 54,58……信号検出回路 59……A/D変換回路 91……ピークホールド回路 92……加算回路 93……コンパレータ

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者小林克行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)発明者森重樹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)発明者鈴木範之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

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動発生手段を有する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
る座標入力装置において、前記振動ペンのペン先部材がポリアミドイミド系樹脂の
材料から構成されることを特徴とする座標入力装置。