JPH0614309B2 - 座標入力装置 - Google Patents

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、図形などをコンピュータなどの
処理装置に入力する装置として各種の入力ペンおよびタ
ブレッ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ディ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ッ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
出する方式。

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ッ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
ので透明なタブレットを形成するのが困難である。一
方、３）の方式ではタブレッ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したがって、液晶表
示器などに入力タブレットを重ねて配置し、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
い座標入力装置を構成できる。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記の超音波振動方式では振動をタブレットに入力する
ために、圧電素子などから構成される振動子を内蔵した
振動ペンが用いられる。効率のよい振動伝達を行なうた
めに、振動ペンの振動子の振動をホーン部材を介して振
動伝達板に伝える方式が考えられている。

振動子の振動をホーンを介して伝達する場合、振動伝達
効率を損なわないようにするにはホーンと振動子が発振
周波数に対して共振系を構成していなければならないの
で、振動子とホーンの結合面は平面となるように考えら
れている。

また、振動子とホーンの結合方式としては接着が考えら
れるが、このような振動系に接着剤を介在させると、接
着剤の量、質によっては振動が吸収されてしまったり、
あるいは製品ごとに接着剤の量によって振動伝達特性の
ばらつきが生じたりする問題が考えられる。このような
特性のばらつきは座標検出精度に大きく影響するので、
重大である。ばらつきをなくすためには振動ペンの完成
後に検査を行なえばよいが、接着状態を一定に管理する
のはかなり困難であり、歩留りが低下する可能性があ
る。

接着以外の方法としては、バネなどによる圧着が考えら
れるが、この方式では結合面が前記のように平面となっ
ているので、振動子とホーンの結合位置精度を高度に保
持できないばかりか、使用中に位置ずれを生じて検出精
度を低下させる可能性もある。

［問題点を解決するための手段］ 以上の問題点を解決するために、本発明によれば、 振動入力手段を接触することで振動伝達部材に伝達され
た振動を、前記振動伝達部材に設けられた振動検出手段
により検出し、前記振動入力手段の前記振動伝達部材へ
の接触座標位置を導出する座標入力装置において、 前記振動入力手段は、 振動を発生する振動発生素子と、 該振動発生素子からの振動を前記振動伝達部材に伝達す
るホーン部材と、 前記ホーン部材に前記振動発生素子を圧接するバネ部材
を有し、 前記ホーン部材の前記振動発生素子と接合する大端面
に、前記ホーン部材と前記振動発生素子を位置決め固定
する位置決め部材を一体形成するとともに 前記バネ部材には、前記振動発生素子の前記ホーン部材
との接合面に対向する後端面に対して嵌合する位置決め
部が形成される構成を採用した。

［作用］ ホーン部材の大端面に一体に形成された位置決め部材、
および前記ホーン部材に前記振動発生素子を圧接するバ
ネ部材の振動発生素子の後端面に対して嵌合する位置決
め部により、ホーン部材と振動発生素子を確実に位置決
め固定することができる。

［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情報入出力装置の構造を示し
ている。第１図の装置は座標検出のみならず、入力情報
の表示も行なう。すなわち、図示した情報入力装置は振
動伝達板８からなる入力タブレットに振動ペン３によっ
て座標入力を行なわせ、入力された座標情報にしたがっ
て入力タブレッ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、ドッ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ット表示を行なうよ
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′上の位置にドット表示が行な
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なった
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表示器１１′にはメニュ
ー表示を行ない、振動ペンによりそのメニュー項目を選
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ホーン部５を介し
て振動伝達板８に伝達する。

第２図（Ａ）は振動ペン３の構造を示している。

図において、符号２１は振動ペン３のペン軸状のケース
で、その先端部にはホーン部５が固定される。ホーン部
５は振動子４の振動を効率よく振動伝達板８に伝達させ
るため、エクスポネンシャル形状となっている。すなわ
ち、ホーン部５の断面積は根本から先端に向かって指数
関数的に変化するように構成されている。また、ホーン
部５の音響インピーダンスは振動子４と共振系を構成す
るように設定されている。

第２図（Ａ）において、ホーン部５の後端の振動子４と
の結合部の中央部には位置決め部材として凸部２６が設
けられている。この凸部２６は円柱状の振動子４の前端
に設けられたほぼ同一の内径を有する凹部と嵌合するよ
うに構成されている。

凸部２６は、ホーン部５と一体形成してもよいが、また
ホーン部５よりも充分質量が小さな材質から別体に構成
し、ホーン部５に圧入するように構成してもよい。

本実施例では振動子４とホーン部５は接着により固定せ
ず、ホーン部５に固定されたバネ２４により圧接され
る。振動子４の後端部にはホーン部５と同様に位置決め
部として凸部２３が設けられており、この凸部はバネ２
４の中央部に設けられた穴に嵌合してバネ２４と振動子
４がずれないように両者を位置決め保持する。

以上の構成によれば、ホーン部５、振動子４が位置決め
部としての凸部２６を介して位置決めされ、さらにバネ
２４により圧接固定されること、またバネ２４と振動子
４も位置決め部としての凸部２３を介して位置決めされ
ることにより、振動子４およびホーン部５を位置ずれを
生じることなく、正確な位置関係で相互に固定できる。
しかも、上記構成では、接着による固定を行なわないの
で、接着剤により振動が吸収されたり、振動ペン３の振
動伝達特性にばらつきを生じたりすることもない。

また、位置決め部としての凸部２３、２６を充分小さな
質量に形成すれば、振動子４、ホーン部５間の振動伝達
を損なうことがない。

振動ペン３の振動子４とホーン部５の結合構造として
は、上記構成に限定されることなく、第２図（Ｂ）、
（Ｃ）に示すような構造を用いてもよい。

第２図（Ｂ）の構造では、円柱状の振動子４が用いられ
ており、この振動子４の両端部を保持するようにホーン
部５の後端部と、バネ２４の圧接部に凹部２７Ａ、２７
Ｂをそれぞれ設けたものである。各凹部２７Ａ、２７Ｂ
は振動子４の直径とほぼ同一の内径を有し、振動子４と
嵌合される。

また、第２図（Ｃ）の場合には振動子４が中空の筒状に
構成され、その長さ方向に設けられた中空部２８の前端
部および後端部に嵌合するようにホーン部５およびバネ
２４の圧接部に凸部２９Ａ、２９Ｂをそれぞれ設けてい
る。

以上のような構造によっても前記と全く同様の効果を得
ることができる。

振動ペン３の振動子４は、振動子駆動回路２により所定
の周波数で駆動される。

駆動回路２が発生す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（Ａ）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。

上記のように構成された振動ペン３から振動伝達板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６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ない、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。

マイクロコンピュータ１１は内部カウンタ、ＲＯＭおよ
びＲＡＭを内蔵している。マイクロコンピュータ１１は
駆動信号発生回路１２に前記の振動子駆動回路２を駆動
開始させるスタート信号を与えるとともに、振動開始に
同期して振動伝達時間を計測するためのカウンタ１３を
スタートさせる。

カウンタ１３の計数値はマイクロコンピュータ１１によ
りラッチ回路１４にラッチされる。

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を出力する。

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１６によりラッチ回路１
４内の計数値と比較され、その結果がマイクロコンピュ
ータ１１に伝えられる。すなわち、カウンタ１３の出力
データのラッ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なわれる。

表示器１１′の出力制御処理は入出力ポート１８を介し
て行なわれる。

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は振
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の関係が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Ｖｇ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ｔ
ｇ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なう。第４図の位相波形４
２２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により行なわれる。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Ｔｇ１〜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のカウンタ値をラッチ回路
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、ラッチ回
路１４にはエンベロープおよび位相のそれぞれの遅延時
間を示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。

ここでＸ、ＹはＳ２、Ｓ３の位置の振動センサ６と原点
（位置Ｓ１）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の位置座標をリアタイムで
検出することができる。

上記実施例では、振動伝達板８による入力タブレットを
ＣＲＴによる表示器１１′に重ねて用いる構成を示した
が、入力タブレットと表示器はこのように重ねて配置さ
れる必要はなく、別体であってもかまわない。また、表
示器は液晶表示器など他の表示方式のものであってもよ
い。

［発明の効果］ 以上から明らかなように、本発明によれば、ホーン部材
の大端面に一体に形成された位置決め部材、および前記
ホーン部材に前記振動発生素子を圧接するバネ部材の振
動発生素子の後端面に対して嵌合する位置決め部によ
り、ホーン部材と振動発生素子を位置決め固定するよう
にしているので、振動伝達を損なう接着剤を用いること
なく、簡単な作業で振動発生素子をホーン部材に確実に
固定でき、振動発生素子とホーン部材の位置ずれを生じ
ることなく、長期にわたって正確な座標入力精度を維持
できる優れた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（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明によ
る振動ペンの異なる構造を示した断面図、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
した説明図である。 １…演算制御回路、３…振動ペン ４…振動子、５…ホーン部 ６…振動センサ、８…振動伝達板 １５…入力ポート、２１…ケース ２３、２６、２９Ａ、２９Ｂ…凸部 ２４…バネ、２７Ａ、２７Ｂ…凹部 ５１…前置増幅器 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

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動入力手段を接触することで振動伝達部
   材に伝達された振動を、前記振動伝達部材に設けられた
   振動検出手段により検出し、前記振動入力手段の前記振
   動伝達部材への接触座標位置を導出する座標入力装置に
   おいて、 前記振動入力手段は、 振動を発生する振動発生素子と、 該振動発生素子からの振動を前記振動伝達部材に伝達す
   るホーン部材と、 前記ホーン部材に前記振動発生素子を圧接するバネ部材
   を有し、 前記ホーン部材の前記振動発生素子と接合する大端面
   に、前記ホーン部材と前記振動発生素子を位置決め固定
   する位置決め部材を一体形成するとともに 前記バネ部材には、前記振動発生素子の前記ホーン部材
   との接合面に対向する後端面に対して嵌合する位置決め
   部が形成されることを特徴とする座標入力装置。