JPS636621A

JPS636621A - 座標入力ペン

Info

Publication number: JPS636621A
Application number: JP61149744A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Yoshimura; 雄一郎吉村; Kiyoshi Kaneko; 潔兼子; Atsushi Tanaka; 淳田中; Shinnosuke Taniishi; 谷石　信之介
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-06-27
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1988-01-12

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〕従来のこの種の装置において使用する振動ペンのペン先
は金属製であり、入力盤がガラス等の硬い部材からなる
場合、その入力盤に振動ペンを接続させて使用すると、
ホーン（ペン先）の先端が摩耗して変形してしまうこと
が多々あった。

第７図（ａ）はホーンの先端が正常であるときを示し、
第７図（ｂ）はホーンの先端が摩耗し変形している状態
を示している。尚、図中、７ｏはホーン（ペン先）であ
り、２は入力盤である振動伝播体、３はホーン７０と振
動伝播体２との接触点である。

ところで、弾性波を用いて、座標位置指定した位置座標
（接触点３の位置）を求めるには、接触点３から放射線
状に伝播する弾性波が、所定の位置に設けられた少なく
とも２つの振動検出用の圧電素子によって検出されるま
での遅延時間を夫々計時することにより、その接触点３
の振動伝播体２上の位置を算出するものである。

［発明が解決しようとする問題点コ従って先に説明した如く、ホーン（ペン先）が変形した
場合、ホーンの共振周波が変化するため、ホーンの先端
より伝播する撮動周波数に“ずれ“が生じてしまうこと
になる。更には、ホーンの先端が変形した不均一になり
、振動ペンを一様に移動しても、接触点が一様に移動し
ないばかりか、ホーンの先端から電波する振動が不安定
になり、接触点３（振動ペンのペン先）の位置検出の精
度を低下させる要因となっていた。

また、寸法精度の高い金属製のホーンを製作する場合に
は個々に切削加工せねばならず、結果的にコスト高とな
り生産性が悪いものであった。

本発明は、かかる従来技術に鑑みなされたものであり、
座標入力ペンのペン先であるホーンの耐摩耗性を向上さ
せることにより、精度の良い座標位置を算出することが
できる座標入力ペンを提倶することにある。

また、ホーンの生産性を向上されることを可能にするこ
とをもその目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］この間通を解決するために、本発明は以下の様な構成か
らなる。

すなわち、座標入力盤上の所望の位置を指定し前記座標
入力盤を付勢して弾性波を発生する座標入力ペンであっ
て、少なくとも前記座標入力ペンのペン先がセラミック
スよりなる。

［作用］かかる本発明の構成において、セラミックスのペン先か
らなる座標入力ペンを用いて座標位置を指定することに
なる。

［実施例］以下、添付図面に従って本発明に係る実力へ例を詳細に
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、５は振動ペン（座標入力ペン）てあり、パルス発
生器１０よりの信号でちって振動する圧電素子６（第２
図参照）及びその振動を増幅するホーン１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、２は振動
伝播体である。３はホーン１と振動伝播体２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
り弾性波を電気信号に変換する。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
からの電気信号を受信し、接触点３の位置座標を検出す
る幅演算回路である。

上述した構成に於ける動作を説明すると、先ず増４Ｉｉ
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５の圧電素
子６はその振動数でもって伸縮（振動）する。この振動
はホーン１により拡大され、接触点３において振動伝播
体２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２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７８〜７ｃ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に送られる。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
同期させて振動伝播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秒間に例えば５０〜１５０回
繰り返し行い、得られた３箇所の振動検出用圧電素子７
ａ〜７ｃにおける遅延時間を用いて振動ペン５の接触点
３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２図に示すように振動ペン５の位置座標を（ｘ、ｙ）
とし、３つの振動検出用の圧電素子７８〜７Ｃのそれぞ
れの座標Ｐａ〜ＰｃをＰａ　（ｘｚ、Ｘｌ）＝　（ｏ　
　、Ｏ）Ｐｂ　（Ｘ２．Ｘ２）＝　（Ｘ２．Ｏ）Ｐｃ　
（Ｘ３．Ｘ３）＝　（０、ｙａ）とすると、振動ペン５
の位置座標（ｘ、ｙ）は次式の用にして求められる。

但し、ｔ１〜ｔ３：弾性波の伝播時間Ｖ−弾性波の伝播速度以上の計算を、増幅演算回路１１で行うことにより振動
ペン５の位置座標が得られるわけである。

尚、振動伝播２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９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い説明するがこ
れに限定されるものではない。また振動伝播体２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。

以上の様な本実施例の座標入力装置における振動ペン５
のホーン１をセラミックスで製作した場合を第１図及び
第２図に従って説明する。

第２図は振動ペン５の先端近傍の断面図である。図中、
６は、パルス信号を受信すると、その信号の周波数に対
応して振動する圧電素子であり、この振動がフランジ１
２に固着或いはフランジ１２と一体成形されたホーン１
に伝わり、弾性波となって、振動伝播体２に伝わるわけ
である。

セラミック材としては一具体例として本実施例では、ア
ルミナの成形粉体を焼結して得られる焼結体を用いるも
のとする。アルミナは高強度で寸法精度の良い高密度焼
結体を比較的容易に製造でき、セラミックスの中でも最
も汎用性のある材料の１つである。

また、本実施例ではホーン１の形状をエクスポネンシャ
ル形とした。エクスポネンシャル形とは、そのカーブが
指数関数的に変化する形状をいい、第１図及び第２図に
示すホーン１がそれである。

尚、図中、Ａはホーンの大端面、Ｂはホーンの小端面、
Ｃは接線された直線部、Ｄｌはホーンの大端面直径、Ｄ
２はホーンの小端面直径、旦１はホーンの直線部の長さ
、旦２はホーン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、Ｄｘは距ａＸの位置におけるホ
ーンの直径である。

また、フランジ１２はホーン１の振動振幅の節にくるよ
うにするのが望ましい。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、効率が良
いからである。アルミナ製のフランジは、強度が大きい
ので厚みを薄くし支持部による振動エネルギーのロスを
少なくできるというメリットがある。

さて、共振周波数ｆを４００［ＫＨｚ　］　、Ｄ１−５
．０［ｍｍｌ　。

Ｄ２−０．５　［ｍｍ］　　とすると、１１−６．１４
　［ｍｍ］　、　ｌ　２−１２．２９　［ｍｍ］　、Ｄ
ｘ−Ｊｅ−／”　［ｍｍ］のβ（指数）が０．１８７と
なる。この数値は以下の、（１）式の共振条件式、及び
（２）式の振動節面の位置ＸＮを求める式、及び（３）
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！１１：ホーンの直線部の長さ！１２：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：　
９．６５ｘ　１０３　［ｍ／５ｅｃｌｆ　：ホーンの共
振周波数Ｗ　：ホーンの共振角週波数＝２πｆＸ　：大端面Ａからの距離ｘＮ：振動節面の位置ｊａｎ（α・旦１）＝但し、上記（１）式に於て α＝　Ｗ　／　ｃである。

ｔａｎ　（ａ−ｘ　ｓ）　＝　１　／　ｊａｎ　（ａ・
ｌ　＋）　　−（２）（α・見、〉π／２のとき直線部
に依存）上記の様にホーン１を１／２波長共振で設計す
る場合、音速はアルミナ中の方が金属中よりかなり速い
（アルミナ：約９８００＋ｎ／ｓｅｃ　、アルミ５００
０／Ｓｅ　ｃ）ので、ホーン１の長さはアルミナの方が
長くなる。ところで、ホーンの大端面直径Ｄ１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
こるのであまり大きくできない。その意味でホーン１の
長さが長いアルミナ製の方が金属製より大端面の直径が
大きくできる。従って、ホーン１大端面に装着する振動
子（圧電素子６）の寸法設計の自由度が増し、様々な周
波数特性をもった振動子を採用できるというメリットが
ある。

；＝第１図に示したホーン１の製造工程を第５図に示す。

尚、ここでは原料がアルミナの場合の−具体例として説
明する。

先ず原料であるアルミナを微粉砕し、添加物（不純物）
とを混合し、造粒する。造粒したら成型され焼成される
。そして、最後に加工して完成となる。

尚、添加物は焼結の促進剤、粒成長制御材としての金属
・非金属及び成型助成剤として有機化合物等である。ま
た成形には加圧、押出、鋳込、射出等の成形がある。こ
の製造工程は一例で、他の製造工程によっても高強度微
細結晶組織の高強度アルミナ焼結体のフランジ−体止ホ
ーン部の製造は可能であり、また、材料が異なると、製
造工程も異なる。また、加工工程を省いても成形１８及
び焼成１９の段階でホーン部が製造できれば、コスト低
減にもつながる。

以上のようにアルミナ焼結てホーンを製作することによ
り、ホーンの硬度、強度が金属に比べて大きなものとな
り、ホーン先端の変形がほとんどなくなる。上記アルミ
ナセラミックスに於て、強度を大きくする為には、成形
粉体の平均粒子経を小さくし、焼結体の気孔率を小さく
し、不純物量を抑えることが好ましい。

尚、材質として、本実施例では特にアルミナ（八１２０
３）で説明したが、この他にジルコニア（２ｒ０２　）
　、チタニア（Ｔｉ０２　）　、炭化珪素（Ｓｉｎ）　
、Ｓｉ３Ｎ４等の焼結体でもよく、また、焼結体のみな
らずガラス等であってもよい。

更に、ホーンの形状は本実施例で示した他の形状のもの
でも良い。

また支持部材であるフランジを設けないホーンでもよい
。

さらにホーンの形状は、コニカル（円錐）形、エクスポ
ネンシャル形、カテノイダル形（けんすい線状）ホーン
の大端面に直線部が接続されたもの、接続されないもの
いずれでもよく、また、単純ステップ（段付）形、ステ
ップ二二カル形、ステップエキスポネンシャル形等のホ
ーンでもよい。

尚、本実施例では、セラミック類のホーン部を振動ペン
に用いたが、振動伝播体に装着して振動検出用（センナ
部）に用いてもよい。第６図はその一具体例で、６０は
セラミック類のホーン、６１は振動検出用圧電素子、２
は振動伝播体、８はリード線、９は振動吸収材である。

大端面に圧電素子７を装着したホーン１の先端を振動伝
播体２の表面に接触させ固定し、振動伝播体２を伝播し
てきた撮動を検出する。

以上説明したように、本実施例によれは、ホーン部をセ
ラミック類、得に成形粉体を焼結した高強度焼結体製に
することにより、金属性のホーンに比べて先端の摩耗、
変形は減少し、ホーンから良好な振動が発生し、高精度
・高分解な位置座標検出を可能にした。また、ホーンを
セラミックにすることにより温度特性が改善され、安定
性が増大した。

さらに、鋳込法等により成型できるので、フランジをホ
ーンと一体化した複雑な形状のホーン部を寸法精度良く
製造でき、金属の切削加工による製造より生産性を向上
させ低コスト化を図れる。

しかも、セラミック類のフランジの強度は大きくなるの
で、フランジ厚を金属性に比べて薄くてき、支持による
撮動伝達のロスを減少できる。

また、はとんどのセラミック粉体焼結体はその音速（伝
播速度）は金属より速いのでホーンの長さは長くなる。

従って、ホーン大端面直径を大きくでき、様々な周波数
特性を持った振動子をそのホーン大端面に装着できる。

ホーン大端面直径が大きくできるということは、このホ
ーン大端面直径の寸法の自由度が増すことを意味するも
のであり、従って振幅拡大率の設定範囲が広くなり、ま
た、ホーン大端面に装着する振動子の形状の自由度も大
きくなるという効果がある。

［発明の効果］以上説明した如く本発明によれば、耐摩耗性に優れ、常
に正確な位置指定を行なうことができる座標入力ベンを
得ることが可能となる。

また、金属の切削加工による製造より生産性を向上させ
低コスト化を図れ、しかも、セラミック製のフランジの
強度は大きくなるので、フランジ厚を金属性に比べて薄
くでき、支持による振動伝達のロスを減少できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例のホーンの断面図、第２図は本実施例の振動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ブロック図、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図はホーンの製造工程を示す図、第６図は弾性波検出のための圧電素子近傍の断面図、第７図（ａ）は正常ホーンを示す図、第７図（ｂ）は摩耗したホーンを示す図である図中、１
・・・ホーン、２・・・振動伝播体、３・・・接触点、
４・・・信号入力盤、５・・・振動ペン、６・・・圧電
素子、７ａ〜７ｃ・・・弾性波検出用の圧電素子、８・
・・リード線、９・・・振動吸収材、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）座標入力盤上の所望の位置を指定し前記座標入力
盤を付勢して弾性波を発生する座標入力ペンであつて、
少なくとも前記座標入力ペンのペン先がセラミックスよ
りなることを特徴とする座標入力ペン。
（２）ペン先の長手方向のカーブはエクスポネンシヤル
関数的であ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）ペン先を支持する位置は振動がペン中を伝播する
ときの節の位置であ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。