JPH0786805B2 - 振動入力ペン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は振動入力ペン、特に所定部材に対して振動入力
を行なう振動入力ペン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。そ
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極ないし静電誘
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、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情報入出
力装置を構成できる。

［発明が解決しようとする問題点］ この種の装置では、振動センサを設けた振動伝達板から
構成される入力タブレットに対して振動入力を行なうた
めに振動ペンが用いられる。

振動ペン内部には、圧電素子などから構成された振動子
が内蔵され、振動子が発生した振動を振動ペン先端のホ
ーンなどの伝達部を介して振動伝達板に入力するように
なっている。振動子はペンの内部に所定の方法で固定
し、しかも駆動信号を入力するために振動子の電極とケ
ーブルの先端を所定の方法で電気的に接続してペン外部
に導出しなければならない。

従来では、振動子は振動ペン内部に接着によって固定さ
れ、電極の導出はリード線を振動子の電極にハンダ付け
することによって行なわれていた。ところが、振動ペン
に組み込まれる振動子の大きさはそれほど大きくなく、
接着剤およびハンダの付着量によって振動の伝達特性が
著しく変化して座標検出精度に大きな影響を与えるとい
う問題があった。入力精度が重視される用途では、場合
によっては組み上げた振動ペンと振動伝達板各々につい
て所定の振動の入出力特性が得られるように調整を行な
わなければならないことも考えられる。また、上記のよ
うな接着剤、ハンダによって生じるばらつきをカバーで
きるような座標入力制御を行なわなければならず、必然
的に装置の制御部が複雑、高価になる。

この点に鑑みて、振動ペン内部の振動子と、振動ペン先
端のホーン部の結合を接着によらずバネ等による弾性部
材により圧着することが考えられている。またハンダな
どを用いず、振動子の駆動電極の導出を行なう構造とし
て振動子に対して導出電極を圧接する構造が考えられ
る。

この時振動ペンが落下などの衝撃により大きな力を受け
た場合、振動子が圧接された状態なのでペン先端と振動
子と位置関係が瞬間的にずれる場合がある。もし導出電
極が振動ペン自身に固定されていると、電極が曲った
り、振動子が位置ずれを生じたりして振動子とこれに圧
接される電極の位置関係が狂ってしまう。振動子に対す
る圧接物の位置変化は当然振動系の振動伝達特性を狂わ
せるので、振動検出に基づく座標検出精度が劣化すると
いう問題がある。

［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、本発明においては、 所定部材に対して振動入力を行う振動入力ペンにおい
て、 振動子と、 この振動子が当接しペン先を構成するホーン部材と、 前記振動子の駆動電極に圧接し振動子に駆動信号を供給
する電極部材と、 前記振動子に嵌合し前記電極部材の前記振動子の駆動電
極に対する圧接位置を一定に保つと共に、前記振動子お
よび前記ホーン部材を同軸上に配するスリーブと、 該スリーブを介して、前記振動子を前記ホーン部材に圧
接保持する弾性部材と、 を設けた構成を採用した。

［作 用］ 以上の構成によれば、電極が振動子の駆動電極と圧接さ
れるので、ハンダなどを用いずに駆動電極の導出が可能
である。しかも、電極の振動子に対する圧接位置が一定
に制御されるので、振動系の振動伝達特性が変化すると
いう問題がない。

［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図の情報入出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（Ａ）、（Ｂ）は本実施例による振動ペンの先端
部の構造を示した断面図および分解斜視図である。以
下、第２図（Ａ）、（Ｂ）を参照して振動ペン３の先端
部の構造を詳細に説明する。

両図において、振動子４は図示のように中空の円筒状の
もので、その分極は円筒の内側と外側の方向に形成され
ている。従って、電界はこの方向に印加され、圧電横効
果によって円筒の長さの方向に振動が発生される。振動
子４は後述の機構によってペンホルダ25の先端に接着、
あるいはネジ込みの方法で固定されたホーン５に圧接さ
れる。

振動子４の後半部は臼型のスリーブ24内部に収納され
る。スリーブ24の底部の中央には円形の透孔24bが設け
られている。また、スリーブ24の外周面には、その長さ
方向に長方形の切欠24a、24aが設けられている。スリー
ブ24の後部には、金属材料などの導電材から成る電極部
材23が組み込まれる。電極部材23は曲げ加工などによっ
て構成されたリング状の基部23bと、基部23b上に対向し
て設けられた外側電極23a、23aから構成されている。外
側電極23a、23aはそれぞれ、スリーブ24の切欠部24a、2
4aの内部に収納され、第２図（Ａ）に示すように振動子
４の外側の電極に圧接される。

一方、振動子４の内側の電極は電極部材21によって露出
される。電極部材21はストレートな後部21cと中央部の
コイルバネ部分21bおよび内側電極21aから構成される。
また、電極部材23は電極部材21のコイル部分21bと同心
円状に形成されたコイルバネ部分22bとストレート部分2
2cから構成される導出部材22によって導出される。

第２図（Ａ）の完成状態において、スリーブ24に収納さ
れた振動子４は電極部材21および導出部材22のコイルバ
ネ部分21b、22bによってペンホルダ25先端のホーン５の
後端部に圧接される。この時、電極部材21の内側電極21
aと電極部材23の外側電極23aが振動子４の内側、外側の
電極にそれぞれ圧接している。

また、同心円状に配置された電極部材21と導出部材22の
コイルバネ部分21b、22bは互いに接触しないように支持
される。すなわち、コイルバネ部分21bはスリーブ24の
後端部中央に設けられた凹部24c内部に位置決めされ、
コイルバネ部分22bと接触しないようになっている。

従って、振動子４の内側、外側の電極はそれぞれ電極部
材21および電極部材23とこれに圧接される導出部材22に
よって外部に導出される。電極部材21と導出部材22の後
部のストレート部分21c、22cにそれぞれリード線、ある
いは回路基板などをハンダ付けその他の方法で取り付け
れば、各電極部材を介して駆動信号を振動子４に入力す
ることができる。

電極部材21および導出部材22はそれぞれ駆動信号を入力
するための導体として機能するとともに、同時に振動子
４を所定の位置に位置決めし、しかもホーン５に所定の
圧接力で圧接させる働きを有する。すなわち、電極部材
21のコイルバネ部分21bおよび導出部材22のコイルバネ
部分22bの弾性力によって、スリーブ24および振動子４
はペン先端のホーン方向に付勢力を受ける。スリーブ24
はペンホルダ25内部に嵌合されており、振動子４がペン
ホルダ25およびホーン５の中心から外れることがないよ
うに位置決めする。

さらに、本実施例ではコイルバネ部分21b、22bを介して
内側電極21a、外側電極23aが支持されている。単に内
側、外側の電極21a、23aを振動子４に圧接するのみであ
れば、このような構造は必要がない。

コイルバネ部分21b、22bを設けず、内側および外側の電
極21a、23aがその揺動方向の圧接力のみで振動子４の電
極に圧接する構造では、振動ペン３が落下などの衝撃に
より大きな力を受けた場合、電極が曲ったり、振動子４
が位置ずれを生じたりして振動子４とこれに圧接される
電極の位置関係が狂ってしまう問題がある。振動子４に
対する圧接物の位置変化は当然振動系の振動伝達特性を
狂わせるので、振動検出に基づく座標検出精度が劣化す
るという問題がある。

ところが、本実施例によれば、コイルバネ部分21b、22b
が振動子４ないしスリーブ24を後方から圧接するように
作用し、内側および外側の電極21a、23aは特に軸方向に
沿って振動子４の所定の位置に常に圧接するように追従
する。振動ペン３に落下などの際に大きな衝撃が加えら
れた場合、コイルバネ部分21b、22bの作用により電極21
a、23aが振動子４の所定位置に接触するよう追従するの
で、振動子４とこれに圧接される電極の位置関係が狂う
ことがない。したがって、振動系の振動伝達特性に狂い
を生じることがなく、常に正確な座標入力を行なうこと
ができる。

もちろん、上記構成によれば、従来のように振動子４を
固定する接着剤、あるいは駆動電極の導出のためのハン
ダなどを振動子４およびその周辺の振動系に付着させる
必要がないから、これらの材料の付着量により振動伝達
特性に狂いを生じたり、製品ごにバラツキを生じたりす
る問題がない。

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の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。
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。

マイクロコンピュータ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、マイクロコンピュータ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
るための検出信号タイミング情報を出力する。これらの
タイミング情報は入力ポート15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、ラッチ回路14内の各振動センサ６に
対応する記憶領域に記憶され、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
演算が行われる。このとき、判定回路16は複数の振動セ
ンサ６からの波形検出のタイミング情報がすべて入力さ
れたかどうかを判定し、マイクロコンピュータ11に報知
する。

表示器11′の出力制御処理は入出力ポート17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分散
性の波であり、そのため検出波形のエンベロープ421と
位相422の関係は振動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をVg、位相速
度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なう。第４図の位相波形42
2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以外で実数であり、適当な数
値を用いる。たとえばＮ＝２とし、±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（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３図に示した２つの振動伝達時間tgおよびtpの測定の
ため、波形検出回路９はたとえば第５図に示すように構
成することができる。

第５図において、振動センサ６の出力信号は前述の増幅
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信号のタイミングと、遅延時間調整回路57
によって遅延された元信号から検出回路59により位相遅
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。

すなわち、Tg信号は単安定マルチバイブレータ55により
所定幅のパルスに変換される。また、コンパレートレベ
ル供給回路56はこのパルスタイミングに応じてtp信号を
検出するためのしきい値を形成する。この結果、コンパ
レートレベル供給回路56は第３図の符号44のようなレベ
ルとタイミングを有する信号44を形成し、検出回路57に
入力する。

すなわち、単安定マルチバイブレータ55およびコンパレ
ートレベル供給回路56は位相遅延時間の測定がエンベロ
ープピーク検出後の一定時間のみしか作動しないように
するためのものである。

この信号はコンパレータなどから構成された検出回路58
に入力され、第４図のように遅延された検出波形と比較
され、この結果符号45のようなtp検出パルスが形成され
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のカウント値をラッチ回路14に取り込
む。前記のようにカウンタ13は振動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。

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の位置座標をリアルタイム
で検出することができる。

［発明の効果］ 以上から明らかなように本発明によれば、所定部材に対
して振動入力を行う振動入力ペンにおいて、振動子と、
この振動子が当接しペン先を構成するホーン部材と、前
記振動子の駆動電極に圧接し振動子に駆動信号を供給す
る電極部材と、前記振動子に嵌合し前記電極部材の前記
振動子の駆動電極に対する圧接位置を一定に保つと共
に、前記振動子および前記ホーン部材を同軸上に配する
スリーブと、該スリーブを介して、前記振動子を前記ホ
ーン部材に当接保持する弾性部材と、を設けた構成を採
用しているので、内側、および外側の電極が圧接により
振動子の内、外周の駆動電極と圧接されるので、ハンダ
などを用いずに駆動電極の導出が可能である。しかも、
内側、外側の電極の振動子に対する圧接位置が一定に制
御されるので、振動系の振動伝達特性が変化するという
問題がなく、つねに一定の振動入力条件で振動入力を行
なえるという優れた利点がある。

【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）は第１図の振動ペンの構造を示
した断面図、第２図（Ｂ）は振動ペンの構造を示した分
解斜視図、第３図は第１図の演算制御回路の構造を示し
たブロック図、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ック図、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 ６……振動センサ、８……振動伝達板 21……電極部材、21a……内側電極 21b、22b……コイルバネ部分 23……電極部材、23a……外側電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定部材に対して振動入力を行う振動入力
   ペンにおいて、 振動子と、 この振動子が当接しペン先を構成するホーン部材と、 前記振動子の駆動電極に圧接し振動子に駆動信号を供給
   する電極部材と、 前記振動子に嵌合し前記電極部材の前記振動子の駆動電
   極に対する圧接位置を一定に保つと共に、前記振動子お
   よび前記ホーン部材を同軸上に配するスリーブと、 該スリーブを介して、前記振動子を前記ホーン部材に圧
   接保持する弾性部材と、 を設けたことを特徴とする振動入力ペン。
2. 【請求項２】前記スリーブが、前記電極部材の内側ない
   し外側電極部材と一体形成されることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の振動入力ペン。