(57)【要約】【課題】指示具に超音波発信源を用いた座標入力装置で、発振子の指向性を改善することにより使い勝手を向上させる。【解決手段】圧電フィルムを円柱形になした発振子において、該円柱の軸方向に駆動領域を複数に分け、隣接する駆動領域間を所定の抵抗値をもった抵抗層で接続し、該駆動領域の一つに駆動回路を接続して駆動することにより該発振子の指向性を向上させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空中に超音波を発する指示具と、
該指示具から発した超音波を受信する複数の受信手段と、
該受信手段にて受信した信号をもとに指示具の位置を検出する位置検出装置において、
該指示具は圧電性フィルムの両面に電極を付加したの部材を円筒形になした超音波発振素子を備え、
該円筒形の超音波発振素子は複数の駆動領域に分割され、該分割された領域は隣接した駆動領域と、
夫々所定の抵抗値を持った抵抗領域で接続されることを特徴とする座標位置検出装置。
【請求項２】
請求項１の複数の駆動領域は、前記円筒形の軸方向に垂直な面と円筒面からなる周方向の境界線によって規定されることを特徴とする座標位置検出装置。
【請求項３】
請求項１の抵抗領域は、前記円筒形の軸方向に垂直な面と円筒面からなる周方向の境界線によって規定されることを特徴とする座標位置検出装置。
【請求項４】
請求項１の発振素子は、円筒形の内側に各駆動領域共通の負側電極を備えることを特徴とする座標位置検出装置。
【請求項５】
請求項１の発振素子は、円柱軸方向、真ん中の駆動領域の正側電極と、
請求項４の負側電極に夫々一つの信号線引出し部を備え、該電極の組に対してのみ駆動回路を接続し、他の駆動領域は前記抵抗領域を介して間接的に駆動することを特徴とする座標位置検出装置。
【請求項６】
請求項１の抵抗領域の抵抗値Ｒは、該抵抗領域を介して駆動される後段の駆動領域の容量Ｃに対して、
２０ｄｅｇ＜ＡＴＡＮ（ωＲＣ）＜８０ｄｅｇ
の条件を満たすように設定されることを特徴とする座標位置検出装置。
【請求項７】
請求項１の発振子は全ての駆動領域の正側電極と、
請求項４の負側電極に夫々一つの信号線引出し部を備え、
駆動回路を該正側電極を選択して接続することにより、該発振子の円中軸方向の指向性を制御することを特徴とする座標位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスクリーン、ホワイトボード等の二次元平面を対象とする二次元座標入力装置、ないし指示具の三次元位置を検出する三次元座標入力装置に関し特に、指示具より超音波を発し、該超音波が複数の受信装置に達する時間をもとに座標を算出する座標位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、指示具より超音波を発し、これを複数のセンサで受信し、前記超音波の到達時間により座標を算出するという発明は多数存在し、特に、二次元平面の座標入力装置を想定しているものとしては、特許文献１、特許文献２、三次元座標を想定している物は特許文献３、特許文献４、特許文献５などがある。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第４０１２５８８号明細書
【特許文献２】
米国特許第４８６２１５２号明細書
【特許文献３】
特開平８−６７０３号公報
【特許文献４】
特開平９−１６７０４６号公報
【特許文献５】
特公平７−６２８２０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の発明における指示具の超音波発振子としては、まずスクリーンないし本体から離れた位置で操作することを前提とした発明においては、ＰＺＴ等の多結晶体ないし単結晶体の素材を平面状に成した発振子を使用している。また、スクリーン上ないし近傍、その他二次元平面上の座標入力を想定した発明については、圧電フィルムを円筒形になした発振子を用いている。
【０００５】
これらの問題点として、まず前者においては、まず多結晶体ないし単結晶体の素材であるがゆえに、空気との音響インピーダンスが大きく異なる。このため電気音響変換効率が低い。
【０００６】
また共振のＱが高いため駆動回路とのマッチングがとりにくいなどの問題がある。
【０００７】
後者においては、フィルム状の圧電素子を使うので空気との音響インピーダンスの差は少なく、上記の問題は解決できているが、新たに、指向性という点でな問題がある。すなわち後者のような円柱状の発振子は、主として円筒軸に直角な面内の方向に指向性があり、軸の前方なし後方に対しての指向性は劣る。このため座標入力装置として実際に使用する場合に、スクリーン等、想定している二次元平面と指示具の円筒軸方向との角度が直角から大きく異なったときに、超音波信号の受信に支障をきたすという弊害が発生しうる。
【０００８】
本発明は、以上の点に着目して成されたもので、指示具に超音波発信源を用いた座標入力装置で、発振子の指向性を改善することにより使い勝手を向上させる座標位置検出装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その指示具において圧電フィルムを円筒形になした超音波発振子をそなえ、なおかつ、そのその発振子の円筒軸の前後方向の指向性を改善する手段を提案し、スクリーン等の、二次元平面を想定した座標入力装置の使い勝手を大幅に改善するものである。
【００１０】
さらに本発明では、該円筒形発振子の前方への指向性の改善効果をえる手段により、スクリーンないし本体から離れた位置で操作することを想定した座標入力装置においてへの応用も提案するものである。
【００１１】
本発明においては，前記円筒形の振動子を軸方向に複数の領域に分け、これらを位相差をもって発信させることにより、指向性を制御するというものである。
【００１２】
とくに、この位相差の順番を適宜選択することにより、同一の発信子であっても前記、スクリーン等の二次元平面内を想定した座標入力装置においては円筒軸に対し前後方向の指向性を改善し、スクリーンないし本体から離れた位置で操作することを想定する座標入力装置においては円筒軸に対し前方の指向性を改善するというように、どちらにも使用可能であり共用できるものである。
【００１３】
すなわち、本発明の技術内容は以下の構成を備えることにより前記課題を解決できた。
【００１４】
（１）空中に超音波を発する指示具と、該指示具から発した超音波を受信する複数の受信手段と、該受信手段にて受信した信号をもとに指示具の位置を検出する位置検出装置において、該指示具は圧電性フィルムの両面に電極を付加したの部材を円筒形になした超音波発振素子を備え、該円筒形の超音波発振素子は複数の駆動領域に分割され、該分割された領域は隣接した駆動領域と、夫々所定の抵抗値を持った抵抗領域で接続されることを特徴とする
座標位置検出装置。
【００１５】
（２）前記（１）の複数の駆動領域は、前記円筒形の軸方向に垂直な面と円筒面からなる周方向の境界線によって規定されることを特徴とする座標位置検出装置。
【００１６】
（３）前記（１）の抵抗領域は、前記円筒形の軸方向に垂直な面と円筒面からなる周方向の境界線によって規定されることを特徴とする座標位置検出装置。
【００１７】
（４）前記（１）の発振素子は、円筒形の内側に各駆動領域共通の負側電極を備えることを特徴とする座標位置検出装置。
【００１８】
（５）前記（１）の発振素子は、円柱軸方向、真ん中の駆動領域の正側電極と、前記（４）の負側電極に夫々一つの信号線引出し部を備え、該電極の組に対してのみ駆動回路を接続し、他の駆動領域は前記抵抗領域を介して間接的に駆動することを特徴とする座標位置検出装置。
【００１９】
（６）前記（１）１の抵抗領域の抵抗値Ｒは、該抵抗領域を介して駆動される後段の駆動領域の容量Ｃに対して、
２０ｄｅｇ＜ＡＴＡＮ（ωＲＣ）＜８０ｄｅｇ
の条件を満たすように設定されることを特徴とする座標位置検出装置。
【００２０】
（７）前記（１）の発振子は全ての駆動領域の正側電極と、前記（４）の負側電極に夫々一つの信号線引出し部を備え、駆動回路を該正側電極を選択して接続することにより、該発振子の円中軸方向の指向性を制御することを特徴とする座標位置検出装置。
【００２１】
（実施例１）
以下、図面をもとに実施例の説明を行う。
【００２２】
図１は本実施例の構成を最もよく表す図である。
【００２３】
また図１の断面図を図５−１に示す。
【００２４】
まず、本実施例において前提としている座標入力装置について図２、図３をもとに簡単に、説明する。
【００２５】
＜座標入力装置の説明＞
本座標入力装置はペン状の指示具と本体部分、画像表示装置部分で構成される。まず、指示具は主として超音波の発信源１０２、それを保持する部材１１２、振動駆動回路、指示具を快適に握るための筐体、ペン先スイッチ等で構成される。
【００２６】
一方本体部は、超音波を受信するセンサーユニット１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄ、タイミングセンサー１０９、タイミング信号検知回路１０４、信号波形検出回路１０８、演算制御回路１０５等で構成される。
【００２７】
また、本体部は何らかの大型ディスプレイ１０６にとりつけられ、とくに、センサーユニット１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄは該画像表示装置の枠の部分の所定の位置に厳密に設置される。
【００２８】
指示具はおよそ本体部に向けて所定の周波数の超音波を発信する。具体的には座標検出周期（例えば５ｍＳ）ごとに例えば４０ＫＨｚの信号を間欠的に本体部に向かって発信する。本体部は該超音波信号の到達時間をもとに、該超音波信号の発信源の位置、すなわち指示具の先端部の座標を検出する。
【００２９】
また、指示具は電磁波、赤外線等を利用して本体側にタイミング信号と、モード信号をおくる。例えばペン先スイッチのＯＮ／ＯＦＦの情報などもこれを利用しておくられる。
【００３０】
本実施例が想定する座標入力装置では、指示具から超音波信号と電磁波によるタイミング信号とを発信し、前記タイミング信号の到達時間を基準としたときの前記超音波信号が前記各超音波センサ１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄに到達する時間の差Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄから、指示具と（正確には発信子）と各超音波センサ間の距離Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄをもとめ、この４つの距離のうちの少なくとも３つから指示具（正確には発信子）のＸＹ座標を求める。
【００３１】
さらに本体部において、上記の信号検出、座標演算を前記座標検出周期ごとに行い、この結果をコンピューター等に転送する。
【００３２】
＜発信子の構成＞
本発明は指示具上の超音波発信子１０２に関するものである。従来より、本実施例のようなスクリーン等の二次元平面を想定した座標入力装置においては、発信子の指向性として該二次元面内方向に超音波が広がるものが望まれている。その結果、図４−１に示すような円筒形状の発信子が使われることが多い。このような発信子は、予め延伸処理された圧電フィルムの両面に電極を付加したフィルム状の物体を、図４−１，４−２に示すように円柱状に成し該円柱の軸方向を前記指示具の軸方向に一致させるよう配置することによって発信子として用いる。
【００３３】
このとき、該円柱状の圧電フィルムは、その厚み方向（すなわち、円柱の円周方向）に電極をかけたとき、フィルムとしての長手方向すなわち該円柱状のフィルムの円周方向に延び縮みするような圧電性を持つようにつくられている。
【００３４】
このようなフィルム材として例えばＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）が使用されている。
【００３５】
以上のような円柱状発信子の場合、図４−１，４−２にしめすように円周方向に指向性を持っている。
【００３６】
然るに、実際に座標入力装置として用いる場合、指示具が、座標入力装置として想定している二次元平面に対して常に垂直で用いられるわけでなく、使用者の位置、描画する領域等により前記指示具の方向は前記二次元平面に垂直な方向から大幅にずれること現実的に頻繁に発生する。
【００３７】
本発明はこの様な場合を鑑み、前記円筒形の発信子の指向性を該円柱の軸方向にたいして前後方向に一定量広げることを意図したものである。
【００３８】
すなわち、従来の円筒形の発振子から超音波が発する様子を図４−１矢印のように表現すると、本実施例では図７−１の矢印のような超音波の広がりを実現する手段を提案するものである。
【００３９】
本実施例における振動子は図１に示すように３つの駆動領域に分かれている。また、夫々の駆動領域は抵抗領域で隔てられ電気的には所定の抵抗値を介して互いに接続されている。
【００４０】
本実施例における発信子の断面図を図５−１に示す。本実施例における発振子は円周方向には一様な形状をしている。また負側の電極は、各駆動領域共通である。また抵抗領域は、電極を蒸着等の手段によって形成した後にさらにその上に形成されている。
【００４１】
＜駆動のしかた＞
本発振子を電気的に表現したのが図５−２である。
【００４２】
円柱状の発振子は正確には共振回路で置き換えるべきものであるが、ここでは近似としてコンデンサーで置き換える。
【００４３】
図５−２で、Ｃ０は駆動領域０の部分の容量、Ｃ１は駆動領域１の部分の容量、Ｃ２は駆動領域２の部分の容量、Ｒ１は抵抗領域１の抵抗値、Ｒ２は抵抗領域２の抵抗値である。
【００４４】
本実施例では図５−２に示すように、駆動回路から直接に駆動されるのは、真ん中の駆動領域０に相当するＣ０のみである。駆動領域１（コンデンサーＣ１）は抵抗Ｒ１を介して駆動される。
【００４５】
また同様に、駆動領域２（コンデンサーＣ２）は抵抗Ｒ２を介して駆動される。このとき、駆動信号の角周波数をωとすると、夫々の駆動領域１，２に掛かる電圧は駆動領域０にかかる電圧に比べて、
φ１＝ｔａｎ（Ｒ１／（１／ωＣ１））        式１−１
φ２＝ｔａｎ（Ｒ２／（１／ωＣ２））        式１−２
で示されるような位相遅れが発生する。
【００４６】
このような位相遅れの大きさを適宜設定することにより、図５−１に示される駆動領域１，２の振動を駆動領域０の振動に対して遅らせる。
【００４７】
これにより、駆動領域０から発する超音波と駆動領域１から発する超音波の合成波の進行方向は円柱軸前方に傾き、同様に駆動領域０から発する超音波と駆動領域２から発する超音波の合成波の進行方向は円柱軸後方に傾く。
【００４８】
この結果として本実施例における円柱状超音波発振子の軸方向指向性が改善される。
【００４９】
以下、実際の寸法をもとに、指向性の改善の具合を概算してみる。
【００５０】
本実施例では各パラメータを以下のように設定している
発振子の寸法
フィルム厚  ｔｈ＝３０μ
圧電フィルムの比誘電率：εｒ＝１３
円柱の大きさ  長さ：Ｌ０＝１９ｍｍ、太さ：φ８
駆動領域０、１、２の軸方向長さ
Ｌ０＝５ｍｍ、Ｌ１＝５ｍｍ、Ｌ２＝５ｍｍ
従って各駆動領域の面積は
Ｓ１＝１２５．７ｍｍ＊ｍｍ
Ｓ２＝１２５．７ｍｍ＊ｍｍ
抵抗領域の１、２の円柱軸方向長さ
Ｌ１１＝２ｍｍ、Ｌ２２＝２ｍｍ
抵抗領域の設定抵抗値
Ｒ１＝２６ｋΩ、Ｒ２＝２６ｋΩ
駆動領域の駆動重心間距離
ｄ０１＝７ｍｍ、ｄ０２＝７ｍｍ
駆動周波数
ｆ＝４０ＫＨｚ
空中の音速
ｖ＝３３０ｍ／ｓ  （従って  λ＝８．２５ｍｍ）
真空の誘電率
ε０＝８．８５４＊ｅｘｐ（−１２）
【００５１】
まずＣ１，Ｃ２を求める。
2004265184.tif 000003
このとき
φ１＝ｔａｎ（Ｒ１／（１／ωＣ１））＝４５ｄｅｇ
φ２＝ｔａｎ（Ｒ２／（１／ωＣ２））＝４５ｄｅｇ
このとき、駆動領域０から発する超音波と駆動領域１から発する超音波との合成波の進行方向の傾き角θ１、駆動領域０から発する超音波と駆動領域２から発する超音波との合成波の進行方向の傾き角θ２は、
θ１＝  （φ１／３６０）×λ／ｄ０１＝  ８．４ｄｅｇ    式３−１
θ２＝−（φ１／３６０）×λ／ｄ０２＝−８．４ｄｅｇ    式３−２
となる。
【００５２】
従って、この場合の実際の指向性としては前後方向にそれぞれ１０ｄｅｇ以上の改善が見られることが考えられる。
【００５３】
（実施例２）
本発明における第２の実施例を図６−１，７−２に示す。
【００５４】
本実施例は、指示具とスクリーンないし本体部が離れていて、遠隔操作により指示具の２次元座標ないし３次元座標位置を検出する座標入力装置を想定している。
【００５５】
このような場合、前方に指向性のある発振子が必要である。この点では、例えば平板上のＰＺＴなどを使用すべきであるが、前述のように、ＰＺＴなど固体材料の発振子は共振のＱが大きすぎる、空気との音響インピーダンスの違いが、大きすぎるなどの難点があり、実施例１と同様、圧電フィルムを円柱状になした発振子を用いることも多い。
【００５６】
本実施例は該円柱状発振子の指向性を、指示具前方に大幅にシフトすることにより使い勝手を大幅に改善することを実現している。
【００５７】
本実施例における発振子の構造は基本的には実施例１と同様であり、各パラメータも同一である。異なる点は図６−２の等価回路に示すように、直接駆動回路から駆動する領域として、円柱軸方向において後方に位置する駆動領域２を選んでいることである。すなわち、＋側のリード線接続部が駆動領域２に形成されている。
【００５８】
このようにすると、
駆動領域２から発する超音波と駆動領域０から発する超音波との合成波の進行方向の傾き角θ１＿０、
駆動領域０から発する超音波と駆動領域１から発する超音波との合成波の進行方向の傾き角θ０＿２は、
θ１＿０＝８．４度
θ０＿２＝８．４度
となる従って、指示具上の発振子の指向性は前方に改善される平板型ほどではないが、発振パワーの多くの部分を前方に放射することとなり、従来より遠方からの操作、従来よりノイズに対して安定した操作が可能となる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明は、その指示具において圧電フィルムを円筒形になした超音波発振子をそなえ、なおかつ、そのその発振子の円筒軸の前後方向の指向性を改善する手段を提案し、スクリーン等の、二次元平面を想定した座標入力装置の使い勝手を大幅に改善するものである。
【００６０】
さらに本発明では、該円筒形発振子の前方への指向性の改善効果をえる手段により、スクリーンないし本体から離れた位置で操作することを想定した座標入力装置においての応用も提案するものである。
【００６１】
さらに本発明においては、用途ごとに駆動回路との接続の仕方を変えることにより、前者、後者とも同一の発振子を使用することを可能とならしめるものである。
【００６２】
前記円筒形の振動子を軸方向に複数の領域に分け、これらを位相差をもって発信させることにより、指向性を制御するというものである。
【００６３】
とくに、この位相差の順番を適宜選択することにより、同一の発信子であっても、前記、スクリーン等の二次元平面内を想定した座標入力装置、においては円筒軸に対し前後方向の指向性を改善し、スクリーンないし本体から離れた位置で操作することを想定する座標入力装置においては円筒軸に対し前方の指向性を改善するというように、どちらにも使用可能であり共用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施例外観図
【図２】実施例において想定する座標入力装置を示す図
【図３】本実施例における指示具外観を示す図
【図４−１】従来例を示す図
【図４−２】従来例を示す図
【図４−３】従来例を示す図
【図５−１】第１の実施例説明図
【図５−２】第１の実施例説明図
【図６−１】第２の実施例説明図
【図６−２】第２の実施例説明図
【図７−１】第１の実施例説明図
【図７−２】第２の実施例説明図
【符号の説明】
１０２  発信源
１０４  タイミング信号検知回路
１０５  演算制御回路
１０６  大型ディスプレイ
１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄ  センサーユニット
１０８  信号波形検出回路
１０９  タイミングセンサー
１１２  保持する部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図４−３】
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【図５−１】
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【図５−２】
2004265184.tif 000011
【図６−１】
2004265184.tif 000012
【図６−２】
2004265184.tif 000013
【図７−１】
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【図７−２】
2004265184.tif 000015