JPS6314219A

JPS6314219A - 座標入力ペン

Info

Publication number: JPS6314219A
Application number: JP61156231A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Yoshimura; 雄一郎吉村; Atsushi Tanaka; 淳田中; Kiyoshi Kaneko; 潔兼子
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-07-04
Filing date: 1986-07-04
Publication date: 1988-01-21

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】［産業上の利用分野コ本発明は座標入力ペン、特に弾性波を伝播させて、その
弾性波発生位置を検出する座標入力装置に使用する座標
入力ペンに関するものである。

［従来の技術］弾性波を使用した座標入力装置では、入力ペンから発生
し、伝播してきた弾性波を、予め座標入力盤に固定され
た複数の受信素子（圧電素子）でもって、その強度に対
応した電気信号に変換し、その信号を検出するまでの遅
延時間を計時することにより、入力ペンで指定した位置
を算出していた。

［発明が解決しようとする問題点］ここで使用される入力ペンは、電気信号を受けて振動す
る振動素子と、その振動を拡大して振動伝播体にその振
動を伝える為の振動伝達部（以下、ホーンという）とか
ら構成されているが、単に振動素子からの振動をホーン
に伝えるために、振動素子或いはホーンの大端面が入力
ペンのホルダー（ハウジング）に支持されていた。この
構造ではホルダーへの支持部で振動が押さえられ、振動
のロスが大きい。また、時に振動素子でもってホルダー
に支持すると筆圧が振動素子にかかり、受信素子でもっ
て変換された電気信号への影響が出て、入力ペンでもっ
て指定された位置検出の精度及び分解能の低下を招くこ
とになる。

また、従来までの入力ペンの構造は、単に振動素子から
の振動をホーンに伝えるために、振動素子或いはホーン
の大端面が入力ペンのホルダー（ハウジング）に支持さ
れていた。この構造ではホルダーへの支持部で振動が押
さえられ、振動のロスが大きい。また、更に振動素子で
もってホルダーに支持すると筆圧が振動素子にかかり、
受信素子でもって変換された電気信号への影響が出て、
入力ペンでもって指定された位置検出の精度及び分解能
の低下を招くことになる。

更には入力ペンは小型であるので、支持部材をホーン傾
斜面に設けることは製作上極めて困難なものであった。

本発明は上記従来技術に鑑みなされたものであり、振動
素子からの振動のロスを最小域に押させることを可能と
すると共に、かかる不具合を解決する座標入力ペンを提
供することにある。

［問題点を解決するための手段］この問題を解決するために本発明は以下の要な構成から
なる。

すなわち、所定周期のパルス信号を入力し、該周期に同
期して振動する振動素子と、該振動素子に接続され、前
記振動をペン先に伝える振動伝達部と、該振動伝達部を
入力ペンのハウジングに支持する支持部材からなる座標
入力ペンであって、前記支持部は前記伝達部が振動する
ときの節位置を支持する座標入力ペンである。

［作用コかかる本発明の構成において、振動素子の振動を伝達す
る振動伝達部の節位置でもって支持するした座標入力ペ
ンで位置指定する。

以下、余白［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。

まず、本実施例における座標入力装置の概要について説
明する。

第３図は本実施例の座標入力装置の構成図である。

図中、１は振動ベン（座標入力ペン）であり、パルス発
生器１０よりの所定周期の信号でもって振動する振動素
子２（第２図参照）及びその振動を増幅する振動伝達部
（以下、ホーンという）３により構成される。４はタブ
レット型の信号入力板であり、５は振動伝播体である。

６はホーン３と振動伝播体５との接触点である。また、
７ａ〜７ｃは振動検出用の圧電素子であり弾性波の強度
に対応した電気信号を発生する。８はリード線、９は弾
性波の反射防止用の振動吸収材、１１はパルス信号発生
器１０にパルス信号に発生指示すると共に、リード線８
からの電気信号を入力し、接触点６の位置座標を検出す
る増幅演算回路である。尚、座標位置が検出されたとき
、その位置データを増幅演算回路１１内に設けられたデ
ータ格納エリアに格納し、不図示の所定の装置（ホスト
コンピュータや表示装冒等）に出力する。

上述した構成に於ける動作を説明すると、先ず増幅演算
回路１１からスタート信号がパルス発生器１０に出力さ
れ、これに応じてパルス発生器１０はパルス電気信号を
発生する。この周波数は高くなるほど分解能は増すが、
減衰率も増すという点で、３００〜５００ＫＨｚが妥当
である。この電気信号を受けて振動ペン１の振動素子２
はその振動数でもって伸縮（振動）する。この振動はホ
ーン３により拡大され、接触点６において振動伝播体５
に振動が伝わり板波弾性波として伝播することになる。

尚、振動伝播体５の素材はガラス・アクリル等の透明な
板が考えられる。

さて伝播した板波弾性波は振動検出用に設けられた３個
所の圧電素子７ａ〜７ｃで圧電電圧として検出され、リ
ード線８を介して増幅演算回路１１に出力される。また
このとき、増幅演算回路１１から発生したスタート信号
と同期させて振伝揺に要した遅延時間をそれぞれ検出す
る。以上の動作を例えば１秒間に５０〜１５０回繰り返
して行い、得られた３箇所の振動検出用圧電素子７ａ〜
７ｃにおける遅延時間を用いて振動ベン１の接触点６の
位置座標を計算するわけである。

尚、この計算方法を以下に示す。

第４図に示すように振動ベン１の振動伝播体５との接触
点６の座標位置を（ｘ、ｙ）とし、３つの振動検出用の
圧電素子７ａ〜７ｃのそれぞれの座標Ｐａ〜ＰｃをＰａ　（ｘｌ、ｘｌ）＝　（ｏ　　、ｏ　　）Ｐｂ（Ｘ
２．Ｘ２）＝（Ｘ２，０　　）Ｐｃ　（Ｘ３．Ｘ３）＝
　（０、ｙ３）とすると、振動ベン１の位置座標（ｘ、
ｙ）は次式の様にして求められる。

但し、１．〜ｔ３：弾性波の伝播時間 ■＝弾性波の伝播速度以上の計算を、増幅演算回路１１で行うことにより接触
点６の座標位置が検出されるわけてある。

尚、振動伝播体５中の振動が振動吸収材９に到達すると
、弾性波はここで振幅が減衰する。この振動吸収材９の
材質として本実施例では、減衰率が大きく且つガラスと
の固有音響インピーダンスとの整合の為シリコンゴムに
金属粉を混入したものを用いるものとして説明するがこ
れに限定されるものではない。また振動伝播体５の板厚
であるが、これは０．３〜２．０ｍｍが妥当である。と
いうのは板圧が薄くなるほど伝播及び検出される弾性波
の振幅は大きくなるが、材料強度が落るためである。

以上の様な座標入力ベンにおける振動ペン１のホーン３
の一例として第５図を用いて説明する。

尚、図中、３ｂがホーンであって、ホーン３ｂはコニカ
ル（円錐）形状であり、材質は例えばアルミニウムから
なるものである。

また図中、Ａはホーン３ｂの大端面で、その直径をり、
、Ｂは小端面でその直径をＤ２とし、旦はホーン３ｂの
長さである。ここで、共振周波数ｆを４００［にＨ４Ｆ
とすると、Ｄ　、−５，０［ｍｍｌ　、　Ｄ　２，１０．５　［ｍ
ｍｌ　、　ｎ　−８，１５［ｚｍ］となるが、これは以
下に示す共振条件式（１）より導かれる。

但し、α＝波長定数（＝Ｗ／Ｃ）である。

大端面Ａの直径り、は半波長に近いかそれ以上大きくな
ると、半径方向の共振が起ったりするので、あまり大き
くしない。

更には３００〜５００　［ＫＨ２］に共振する振動素子
２の直径との関係で、Ｄｌは５［■］前後が望ましい。

またホーン３ｂの拡大率はＤＩ／Ｄ２で決り、この場合
には約４．３となる。

いずれにせよ、このホーン３ｂでもって、座標入力ベン
１を形成すると、振動素子２の振動周期と共振すること
になる。

また、以上の説明ではホーン３をコニカル形状のホーン
３ｂに応用した場合を説明したが、例えば第１図（ａ）
、（ｂ）に示すホーン３ａの様に、その長で方向の断面
形状をエクスポネンシャル関数的にしても構わない。

尚、図中、Ａはホーン３ａの大端面、Ｂはホーン３ａの
小端面、Ｃは接線された直線部、Ｄｌはホーン３ａの大
端面直径、Ｄ２はホーン３ａの小端面直径、旦１はホー
ン３ａの直線部Ｃの長さ、旦２はホーン３ａのエクスポ
ネンシャル部の長さ、Ｘは大端面Ａからの所定距離、Ｄ
Ｘは距’２ｒ’Ｊ　ｘの位置におけるホーン３ａの直径
、また１２はホーン３ａを入力ペン１に支持するフラン
ジ（入力ベン１に支持する支持部）である。

また、本実施例のホーンは小型であるため、第５図のホ
ーン３ｂに示す様な直線部Ｃがない場合、傾斜面にフラ
ンジを付けることになり、加工上極めて困難であり、結
果的にコスト高になり、本実施例の意図するところでは
ない。

そこで、本実施例におけるホーン３ａは、フランジ１２
の位置を直線部Ｃの振動振幅の節に位置する様にした（
第１図（ｂ））。

その理由は、振動幅の節を支持するのが最も振動エネル
ギーのロスが少なくて済み、最も効率が良いからである
。またホーン３ａと直線部Ｃとを一体成型し、振動振幅
の節位置にフランジ１２を設けることにした。この様に
すると加工が簡単であり、コスト低減を図ることが可能
となるからである。

さて、第１図（ａ）のホーン３ａにおいて、共振周波数
ｆを４００［ＫＨ２］とすると、Ｄｌ−５，０［ｍｍ］
、　Ｄ２−０．５［ｍｍｌ、　ｌ　ｌ　−４，０［１Ｉ
ｌｌＯ］。

’ｌ　２−６．１５　［ｍｍｌ　、Ｄｘ−Ｊｅ−βｌｌ
［ｍｍ］のβ（指数）が０．３７４となる。この数値は
以下の、（２）式の共振条件式、及び（３）式の振動節
面の位置ＸＮを求める式、及び（４）式の振幅拡大率を
求める式より導き出せる。ここで使われる、主要な記号
をまとめると次のとおりである。

Ｓｌ：ホーンの大端面積Ｓ２：ホーンの小端面積Ｄｌ：ホーンの大端部直径Ｄ２：ホーンの小端部直径文１：ホーンの直線部の長さ旦２：ホーンのエクスポネンシャル部の長さα　：波長
定数＝　ｗ　／　ｃＣ；ホーン材料中での音速度（アルミナ棒中の縦波：　
５．０４Ｘ　１０３　［ｍ／５ｅｃｌｆ　：ホーンの共
振周波数Ｗ　：ホーンの共振角遅波数＝２πｆＸ　：大端面Ａからの距離ｘＮ　：振動節面の位置ｊａｎ　（６文、）＝ α＝　Ｗ　／　ｃである。

ｊａｎ（ａ　ＸＮ）＝　　１　／ｊａｎ（ａ　ｌ　ｌ）
　　　−（３）（α旦１〉π／２のとき直線部に依存）
また、第２図は第１図に示したフランジ１２を支持した
ホーン３ａを入力ペン１のホルダー（ハウジング）１３
に固定した場合を示す図である。

この入力ペン１を手で持って座標入力盛（振動伝播体５
）上を指定することになる。尚、振動素子２はパルス発
生器１０よりの信号を受けて振動し、その振動がホーン
３ａに伝わり、受信素子である圧電素子７８〜７ｂによ
ってそれぞれの遅延時間を測定することで入力ペン１で
もって指定された座標位置を算出することになる。

以上、説明した様に本実施例によれば、入力ベンのホー
ンを駆動周波数及び振動素子（振動素子２）との共振周
波数とを一致させることができることになり、設定した
周波数の弾性波を振動伝播体に伝播させることが可能と
なる。従って受信用の圧電素子により変換される電気信
号の波形の乱れがなくなり、高精度、高分解能の座標入
力装置を形成することができる。

また、ホーンに直線部を一体成型し、振動の節位置にフ
ランジを設け、入力ベンのホルダー固定することにより
、振動素子から発声する振動を効率良く伝えることが可
能となる。また、且つ振動素子に筆圧が直接かからない
ので、振動振幅への影Ｇがなくなり、受信素子でもって
変換された電気信号の乱れをなくすことができ、高分解
能、高精度の座標入力装置を形成する座標入力ペンとな
る。

また、ホーンの傾斜部にフランジを取付けるのではなく
、ホーンと一体成型された直線部に、フランジを取付け
ることにより加工性が増し、コスト低減を図ることが可
能となるし、且つフランジをより薄くすることにより振
動の伝達効率を良くすることもできる様になる。

尚、本実施例においては、ホーンをアルミニウムでもっ
て形成すると述べたが、アルミニウムの表面を強化処理
を施したもの、或いは他の金属を用いて作成しても良い
が、圧電素子や振動伝播体がガラスのときには、それら
との固有インピーダンスが近いものであれば、これに限
定されるものではない。

また、本実施例においてフランジ１２とホーン３ａとは
別体となっていたが、これらを一体成型することにより
、ホーンが正確、且つ安定してホルダーに固定されるこ
とになり、しかも安価に加工できるというメリットがあ
る。

また、本実施例では駆動周波数と振力周波数とを一致さ
せる（共振）ためにホーンをコニカル、エクスポネンシ
ャルの２つの形状を説明したが、例えばカテノイダル形
ホーン、大端面に直線部が接続されたコニカル形ホーン
やステップコニカル形、ステップエクスポネンシャル形
、単純ステップ形等でもよい。

尚、本実施例ではホーンを１／２波長で共振させる様に
説明したが、ホーンを振動素子と合わせて全体で１／２
波長で共通する様にしても良く、その形状も駆動周波数
の値でもって変化することはいうまでもない。

以下、余白［発明の効果］以上説明した如く本発明によれば、度標入力ペンの振動
伝達部が振動素子と共振することにより、設定した周波
数の弾性波を振動伝播体に伝播させることが可能となる
。従って受信用の圧電素子により変換される電気信号の
波形の乱れがなくなり、高精度、高分解能の座標入力装
置を形成する座標入力ペンとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本実施例のホーンの形状を示す図、第１図（ｂ）は本実施例のホーンにフランジを取付けた
状態を示す図、第２図は本実施例の入力ペンのペン先近傍の断面図、第３図は本実施例の座標入力装置の全体プロツり図、第４図は振動ペンと弾性派を検出するまでの遅延時間と
の関係を示す図、第５図は本実施例の他のホーンの形状を示す図である。図中、１・・・入力ペン、２・・・撮動素子、３．３ａ
、３ｂ・・・ホーン、４・・・信号入力盤、５・・・振
動伝播体、６・・・接触点、７ａ〜７Ｃ・・・弾性波検
出用の圧電素子、８・・・リード線、９・・・振励吸収
材、１０・・・パルス信号発生器、１１・・・幅演算回
路である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）所定周期のパルス信号を入力し、該周期に同期し
て振動する振動素子と、該振動素子に接続され、前記振
動をペン先に伝える振動伝達部と、該振動伝達部を入力
ペンのハウジングに支持する支持部材からなる座標入力
ペンであつて、前記支持部は前記伝達部が振動するとき
の節位置を支持することを特徴とする座標入力ペン。
（２）振動伝達部は振動素子の振動に共振することを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の座標入力ペン。
（３）振動伝達部はペン先に向つて細くなる形状であつ
て、前記振動伝達部の小端面及び大端面の径と長さは共
振の条件式によつて求めることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の座標入力ペン。
（４）振動伝達部のペン先方向の断面の形状はエクスポ
ネンシヤル、コニカル或いはカテノイド形状からなるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項記載の
座標入力ペン。
（５）支持部材は振動伝達部と一体成型されていること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の座標入力ペン
。