(57)【要約】【課題】部品点数を減少させ、製造コストを低減し、実装が容易で、かつ筆記具の持ち方に制限をつけることなくペン先の座標を正確に入力可能な座標入力装置を提供すること。【解決手段】圧電膜１４の内側に電極１３を形成し、圧電膜１４の外側に電極１５と電極１６とを形成した超音波素子を筆記具１に設ける。電極１５と電極１３とを用いて超音波を送信する場合と、電極１６と電極１３とを用いて超音波を送信する場合とで、超音波受信器３，４にそれぞれ超音波が到達するまでにかかる伝播時間を測定し、伝播時間の差から筆記具１の座標面に対する傾きを算出し、ペン先１７の正確な位置を算出して座標入力する。【選択図】　　　図１
2004070887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と第２電極とが圧電膜を介して対向する超音波素子を筆記具に配設し、該超音波素子と所定の座標面上に固定された固定超音波素子との間で超音波の送受信に要する伝播時間を測定して前記筆記具の座標面上の位置を算出する座標入力装置であって、
前記第１電極は、前記筆記具のペン先近傍に位置する下側第１電極と、前記下側第１電極に比して前記ペン先から遠い上側第１電極とを有し、
前記下側第１電極と前記上側第１電極とを切り替えて前記超音波の送信位置を切替制御する送信制御部と、
前記下側第１電極を用いた場合の前記超音波の伝播時間と、前記上側第１電極を用いた場合の前記超音波の伝播時間とをもとに前記筆記具の前記座標面に対する傾きを算出する傾斜算出部と、
を備えたことを特徴とする座標入力装置。
【請求項２】
前記下側第１電極および前記上側第１電極は、前記圧電膜の同一面上に導電体を印刷して形成し、前記下側第１電極、前記上側第１電極、前記圧電膜および前記第２電極は、前記筆記具の長手方向に平行な円筒形状であることを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
【請求項３】
前記上側第１電極は、前記ペン先に対して反対側に引き出された端子部を備え、前記上側第１電極が形成する円筒形状は、当該円筒形状の軸方向に平行な開口部を有し、前記下側第１電極は、前記上側第１電極の開口部に印刷した配線を介して前記ペン先に対して反対側に引き出された端子部を備えることを特徴とする請求項２に記載の座標入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、筆記具を用いて用紙上に文字や図形を手書きした場合の軌跡をコンピュータに文字データ、あるいは図形データとして入力するための座標入力装置に関し、特に、筆記具の傾きを簡易な構成で検出し、筆記具のペン先の座標を正確に入力可能な座標入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のコンピュータの普及に伴い、鉛筆などの筆記具を使用して用紙に文字を手書きするよりもキーボードを使用して電子文書を作成することが多くなってきている。しかし、簡単なメモ書きをおこなう場合には、キーボード入力するよりも実際に文字などを用紙に手書きする方が簡便である。
【０００３】
このため、会議などをおこなう場合には各自メモ帳などを持参し、鉛筆などを使ってメモ帳などに手書き入力するのが依然として一般的であるが、作成したメモの配布や管理を考えると、かかるメモは電子化されていることが望ましい。特に、手書き文字をイメージスキャナなどで読み取ることとすると電子化に要する処理が煩雑であり、タッチパネルやタブレットなどを利用すると持ち運びに不便であるので、簡易に手書き文字を電子データとして入力することが望まれている。
【０００４】
これらのことから、従来、一対の超音波受信器を用紙上に配設し、筆記具から発信する超音波をこれらの超音波受信器によって受信して、その超音波の伝播時間から三角測量を用いて筆記具の位置を算出し、座標の入力をおこなう座標入力装置が知られている。この座標入力装置では、筆記具のペン先の動きを正確に入力するため、筆記具に設ける超音波素子をなるべくペン先の近傍に近づけることが望ましい。これは、筆記具に設けた超音波素子の距離が同一であっても、筆記具の傾きによって、ペン先の位置が変化するためである。
【０００５】
たとえば図１４に示すように、ペン先位置Ｐが同一の場所であっても、筆記具を垂直に支持する場合（１０１）と傾けて支持した場合（１０１ａ）とで筆記具に設けた超音波素子１０２の位置が変化し、超音波素子１０２と超音波受信器１０３との距離が変化する。この距離の変化がペン先の位置の誤差となるため、正確な座標入力が困難となる。
【０００６】
この誤差の発生を防止するため、座標入力装置では、筆記具に複数の超音波素子を設けてそれぞれの超音波素子の位置を測定し、複数の超音波素子の位置から筆記具の傾きを算出してペン先の位置を正確に入力する技術が考案されている。たとえば特開昭５４−４２１２５号公報や特表２００２−５０９３１７号公報には、ペン先に２個の超音波素子を付け、それぞれの超音波素子が発信する超音波の伝播時間を測定してそれぞれの超音波素子の位置を求め、超音波素子の位置関係からペン先の位置を補正する技術が開示されている。なお、筆記具に複数の超音波素子を設ける場合、超音波素子ごとにタイミングや周波数を変更することで、それぞれの超音波素子が発信する超音波を識別する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の座標入力装置では、筆記具に複数の超音波素子を形成するため、必要な部品点数および組立コストが超音波素子の数に従って増大するという問題点があった。さらに、指で持つ位置には超音波素子を配置することができないため、超音波素子の実装が困難になり、かつ筆記具の持ち方に制限が生じるという問題点があった。
【０００８】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、部品点数を減少させ、製造コストを低減し、実装が容易で、かつ筆記具の持ち方に制限をつけることなくペン先の座標を正確に入力可能な座標入力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】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る座標入力装置は、第１電極と第２電極とが圧電膜を介して対向する超音波素子を筆記具に配設し、該超音波素子と所定の座標面上に固定された固定超音波素子との間で超音波の送受信に要する伝播時間を測定して前記筆記具の座標面上の位置を算出する座標入力装置であって、前記第１電極は、前記筆記具のペン先近傍に位置する下側第１電極と、前記下側第１電極に比して前記ペン先から遠い上側第１電極とを有し、前記下側第１電極と前記上側第１電極とを切り替えて前記超音波の送信位置を切替制御する送信制御部と、前記下側第１電極を用いた場合の前記超音波の伝播時間と、前記上側第１電極を用いた場合の前記超音波の伝播時間とをもとに前記筆記具の前記座標面に対する傾きを算出する傾斜算出部と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、座標入力装置は、圧電膜の一方の面に形成する電極を上側第１電極と下側第１電極とに分割し、上側第１電極と下側第１電極とを切り替えて超音波を発生させることで超音波の発生位置を制御し、超音波の発生位置の違いから生じる伝播時間の差をもとに筆記具の傾きを算出し、ペン先の正確な位置を座標入力している。
【００１１】
また、本発明に係る座標入力装置は、上記の発明において、前記下側第１電極および前記上側第１電極は、前記圧電膜の同一面上に導電体を印刷して形成することを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、圧電膜の表面に導電体を印刷することで電極を形成し、この印刷時のパターンによって上側第１電極と下側第１電極とを形成している。
【００１３】
また、本発明に係る座標入力装置は、上記の発明において、前記下側第１電極、前記上側第１電極、前記圧電膜および前記第２電極は、前記筆記具の長手方向に平行な円筒形状であることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、上側第１電極および下側第１電極は筆記具の長手方向に平行な円筒形状であり、円筒形状の径を伸縮させることで超音波を発生する。
【００１５】
また、本発明に係る座標入力装置は、上記の発明において、前記上側第１電極は、前記ペン先に対して反対側に引き出された端子部を備え、前記上側第１電極が形成する円筒形状は、当該円筒形状の軸方向に平行な開口部を有し、前記下側第１電極は、前記上側第１電極の開口部に印刷した配線を介して前記ペン先に対して反対側に引き出された端子部を備えることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、上側第１電極の円筒形状は円筒形状の軸方向に平行な開口部を有し、この開口部に配線をおこなうことで、下側第１電極に接続する端子と、上側第１電極に接続する端子とを同一方向に引き出している。
【００１７】
また、本発明に係る座標入力装置は、上記の発明において、前記下側第１電極は、前記ペン先側に引き出された端子部を備え、前記下側第１電極が形成する円筒形状は、当該円筒形状の軸方向に平行な開口部を有し、前記上側第１電極は、前記下側第１電極の開口部に印刷した配線を介して前記ペン先側に引き出された端子部を備えることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、下側第１電極の円筒形状は円筒形状の軸方向に平行な開口部を有し、この開口部に配線をおこなうことで、上側第１電極に接続する端子と、下側第１電極に接続する端子とを同一方向に引き出している。
【００１９】
また、本発明に係る座標入力装置は、上記の発明において、前記上側第１電極および前記下側第１電極は、前記圧電膜の外側に形成されることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、上側第１電極および下側第１電極を圧電膜の外側に形成し、第２電極を圧電膜の内側に形成して、上側第１電極と下側第１電極とを切り替えて超音波の発信位置を制御するようにしている。
【００２１】
また、本発明に係る座標入力装置は、上記の発明において、前記上側第１電極および前記下側第１電極は、前記圧電膜の内側に形成されることを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、上側第１電極および下側第１電極を圧電膜の内側に形成し、第２電極を圧電膜の外側に形成して、上側第１電極と下側第１電極とを切り替えて超音波の発信位置を制御するようにしている。
【００２３】
また、本発明に係る座標入力装置は、上記の発明において、前記第２電極は、前記筆記具のペン先近傍に位置する下側第２電極と、前記下側第２電極に比して前記ペン先から遠い上側第２電極とを有し、前記送信制御部は、前記下側第１電極と前記下側第２電極とを用いる場合と、前記上側第１電極と前記下側第２電極とを用いる場合とを切り替えることを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、第１電極を上側第１電極と下側第１電極とに分割し、さらに第２電極を上側第２電極と下側第２電極とに分割することで、圧電膜の両側の電極をそれぞれ切り替えて超音波の発信位置を制御するようにしている。
【００２５】
また、本発明に係る座標入力装置は、上記の発明において、前記上側第１電極と前記下側第１電極との間に、前記圧電膜の振動を押止する押止部材を備えたことを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、上側第１電極と下側第１電極との間に押止部材を設け、上側第１電極を用いた場合の圧電膜の振動と、下側第１電極を用いた場合の圧電膜の振動とを峻別可能としている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明に係る座標入力装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２８】
まず、本実施の形態に係る座標入力装置の概要構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る座標入力装置の概要構成を説明する説明図である。図１において、座標入力装置は、筆記具１、超音波受信器３，４、座標算出器２を備えている。また、筆記具１は、ケース１１に電極１３，１５，１６および圧電膜１４によって形成される超音波素子を備えている。
【００２９】
この超音波素子は、圧電膜１４の一方の面に電極１３を形成し、電極１３を形成した面の裏面に電極１５，１６を形成している。したがって、この超音波素子は、電極１５および電極１３を用いて圧電膜１４に電圧を印加する場合と、電極１６および電極１３を用いて圧電膜１４に電圧を印加する場合とで超音波の発信位置が異なることとなる。
【００３０】
電極１５を用いる場合の超音波の発信位置と電極１６を用いる場合の超音波の発信位置との差は、超音波が超音波受信器３，４にそれぞれ到達するまでに要する伝播時間の差となる。座標算出器２内部の伝播時間測定部２１は、電極１５を用いる場合の超音波の伝播時間と、電極１６を用いる場合の超音波の伝播時間とをそれぞれ算出する。さらに座標算出器２内部の傾斜算出部２２は、伝播時間の差から電極１５，１６の位置関係、すなわち筆記具１の座標面に対する傾斜を算出する。したがって、座標算出器２内部の座標算出部２３は、電極１５，１６までの距離、および筆記具１の傾きからペン先１７の先端部の座標を算出することができる。
【００３１】
なお、筆記具１には、超音波の発信時のタイミングを制御するため、赤外線放射部１２を設けている。この赤外線放射部１２は、赤外線発光ダイオード１２ａ，１２ｂを含む複数の赤外線発光ダイオードを有し、筆記具の回転に関わらず、全方位に赤外線を放射可能である。
【００３２】
つぎに、図２を参照し、筆記具１の内部構成について説明する。図２は、筆記具１の概要構成を示す概要構成図である。図２に示すように、筆記具１は、その内部に電池３１、駆動回路３２およびペンタッチスイッチ３３を有する。ペンタッチスイッチ３３は、ペン先１７に連動しており、ペン先１７が筆記面に接触した場合にオン状態となる。駆動回路３２は、ペンタッチスイッチ３３がオン状態となった場合に、電池３１を電源として用い、超音波素子から超音波を送信する。
【００３３】
つぎに、図３〜図５を参照し、筆記具１における超音波素子の構成について説明する。図３は、超音波素子の展開図であり、図４は、超音波素子の組立図であり、図５は、超音波素子の断面図である。図３に示すように、超音波素子は、圧電膜１４の一方の面に電極１５および電極１６を形成し、電極１５，１６を形成した面の裏面に電極１３を形成している。この電極１３，１５，１６の形成は、圧電膜１４のそれぞれの面に導電体をパターン印刷によって付着させることでおこなう。
【００３４】
ここで、電極１５は、開口部Ａを設けてパターン印刷される。電極１６に電源を供給する配線をこの開口部Ａに設けることで、電極１６の端子１６ａは、電極１５の端子１５ａと同一方向に引き出すことが可能となる。さらに、電極１３の端子１３ａを端子１５ａ，１６ａと同一方向に引き出すことで、超音波素子の端子を全て同一方向に引き出すことができる。
【００３５】
このように、圧電膜の同一面に形成する電極の一方に開口部を設け、この開口部に配線をおこなうことで、超音波素子の端子を全て同一方向に引き出すことができる。したがって、筆記具における配線を簡略化し、超音波素子に係る構成を小型化するとともに組立コストを低減することができる。この時、特に端子を引き出す方向は、駆動回路３２が実装されている側、すなわちペン先に対して反対側が望ましい。
【００３６】
電極を印刷した圧電膜は、図４に示すように円筒形状に組み立てる。この円筒形の径によって、送信に適する超音波の周波数が決定される。たとえば、超音波素子の直径が６ｍｍである場合、出力する超音波の周波数は８０ｋＨｚ程度が適切な周波数となる。この超音波素子の径は、必要な周波数および実装の簡便さによって任意に定めればよい。
【００３７】
さらに、円筒形に組み立てた超音波素子の断面図を図５に示す。図５において、圧電膜１４はその両端を固定軸３４，３５によって固定する。また、電極１３のさらに内側に間隙３７，３８を設けている。この構成で電極１５と電極１３との間に電圧を印加した場合、圧電膜１４は円周方向に収縮する。しかしながら、圧電膜１４を円筒形に固定し、かつ、電極１３の内側に間隙３７を設けているので、圧電膜１４の収縮は、円筒形状の径の縮小として実現され、圧電膜１４の表面から超音波が発生することとなる。
【００３８】
同様に、電極１６と電極１３との間に電圧を印加した場合、圧電膜１４は円周方向に収縮する。この圧電膜１４の収縮は、圧電膜１４を円筒形に固定し、かつ電極１３の内側に間隙３８を設けているので、円筒形状の径の縮小として実現され、圧電膜１４の表面から超音波が発生することとなる。
【００３９】
ここで、間隙３７と間隙３８との間は、押止部材３６によって仕切られている。押止部材３６は、圧電膜１４に接触してその振動を停止させる。したがって、電極１５によって発生した圧電膜１４の振動が電極１６側に波及することを防止し、電極１６によって発生した振動が電極１５側に波及することを防止することができる。
【００４０】
なお、この押止部材３６は、電極１５を用いる場合の超音波の発生位置と、電極１６を用いる場合の超音波の発生位置とを峻別するために設けている。したがって、圧電膜１４の材質や厚さの選択によって、超音波の発生位置の峻別が可能であれば、かならずしも押止部材３６の配設を必要とするものではない。押止部材３６を設けない場合、間隙３７および間隙３８が単一の間隙によって実現された簡易な構成とすることができ、筆記具１の製造コストの低減を図ることができる。
【００４１】
このように、電極１５と電極１３との間に電圧を印加した場合、および電極１５と電極１３との間に電圧を印加した場合に、圧電膜１４は超音波を発生する。しかしながら、電極１５と電極１６との位置の違いから、電極１５を用いて電圧を印加した場合と、電極１６を用いて電圧を印加した場合とでは超音波の発生位置が異なることとなる。すなわち、この超音波素子では、電極１５と電極１６とを切り替えることで、超音波の発生位置を２つの場所から任意に選択することができる。
【００４２】
つぎに、筆記具１における超音波の発生およびその制御について詳細に説明する。図６に示すように、駆動回路３２は、その内部にタイマ４１、赤外線駆動回路４２、および超音波駆動回路４３を備えている。この赤外線駆動回路４２は赤外線放射部１２に接続され、超音波駆動回路４３は、超音波発信器４４に接続される。
【００４３】
駆動回路３２は、ペンタッチスイッチ３３がオン状態となった場合に、タイマ４１が出力する周期信号をもとに、赤外線駆動回路４２および超音波駆動回路４３を一定周期で動作させる。したがって、赤外線放射部１２は一定の周期で赤外線を放出し、同様に、超音波発信器４４は、一定周期で超音波を送信することとなる。なお、タイマ４１が出力する周期信号の周期は、人間の手による筆記具１の動きを安定して検出可能な範囲で任意に設定し、たとえば１００Ｈｚ程度の値とすればよい。
【００４４】
図７に、超音波駆動回路４３の一例を示す。図７に示したコンデンサＣ１は、電極１５，１３および圧電膜１４によって形成され、コンデンサＣ２は、電極１６，１３および圧電膜１４によって形成される。また、電源４５は、電池３１をもちいて実現する。図７において、スイッチＳ１がオン状態となると、コイルＬ１に徐々に増加する電流が流れる。ここでスイッチＳ１をオフ状態とすると、逆起電力が発生し、コンデンサＣ１に高電圧が印加される。このコンデンサＣ１は、電極１５，１３および圧電膜１４によって形成されているので、高電圧の印加によって圧電膜１４が収縮して超音波が発生する。
【００４５】
同様に、スイッチＳ２がオン状態となると、コイルＬ２に徐々に増加する電流が流れる。ここで、スイッチＳ２をオフ状態とすると、逆起電力が発生し、コンデンサＣ２に高電圧が印加される。このコンデンサＣ２は、電極１６，１３および圧電膜１４によって形成されているので、高電圧の印加によって圧電膜１４が収縮して超音波が発生する。
【００４６】
超音波駆動回路４３は、このように、スイッチＳ１，Ｓ２を切り替えることで、電極１５と電極１６とを切り替えて超音波を出力することができる。具体的には、駆動回路３２は、赤外線放射部１２から赤外線を放射すると同時に電極１５をもちいて超音波を送信し、さらに所定時間Ｔ０経過後に電極１６を用いて超音波を送信する。
【００４７】
つぎに、図８〜１１を参照し、筆記具１が送信した超音波の受信側における処理について説明する。図８は、超音波を受信する受信装置の概要構成を示す概要構成図であり、図９は、超音波の伝播時間を測定する伝播時間測定部２１の回路構成を示す回路図であり、図１０は、筆記具１が送信する超音波の波形を説明する説明図であり、図１１は、超音波の伝播時間から筆記具１のペン先の座標を算出する算出方法を説明する説明図である。
【００４８】
筆記具１が送信した超音波は、超音波受信器３および超音波受信器４によって受信され、座標算出器２によって筆記具１の座標が算出される。なお、超音波受信器３，４および座標算出器２は、図８に示すように、受信装置５１の筐体内に配設する。また、受信装置５１は、赤外線放出部１２が放出した赤外線を受信する赤外線受信器５２を備えている。
【００４９】
赤外線受信器５２は、赤外線放射部１２によって放射された赤外線同期信号を受信した場合に、図９に示すように、タイマ７１，７２，７４をスタートさせる。一方で、超音波受信器３は、電極１５を用いて送信された超音波を受信し、受信波８１として入力アンプ６１に送出する。入力アンプ６１は、受信波８１を適度な大きさに増幅し、コンパレータ６３および零クロスコンパレータ６４に出力する。コンパレータ６３は、増幅された受信波８１と閾値ｒｔ１とを比較し、受信波８１が閾値ｒｔ１を超えた場合にフリップフロップ６７をオン状態とする。さらに、零クロスコンパレータ６４によって零クロス（Ｚ点）を検出し、フリップフロップ６７と零クロスコンパレータ６４との論理積（アンド）によってタイマ７２およびタイマ７３をストップさせる。したがって、タイマ７２は、電極１５が超音波を発信してから超音波受信器３に到達するまでの伝播時間Ｔ１を測定することとなる。タイマ７２は、この測定した伝播時間Ｔ１を傾斜算出部２２に送出する。
【００５０】
同様に、超音波受信器４は、電極１５を用いて送信された超音波を受信し、受信波８２として入力アンプ６２に送出する。入力アンプ６２は、受信波８２を適度な大きさに増幅し、コンパレータ６５および零クロスコンパレータ６６に出力する。コンパレータ６５は、増幅された受信波８２と閾値ｒｔ２とを比較し、受信波８２が閾値ｒｔ２を超えた場合にフリップフロップ６８をオン状態とする。さらに、零クロスコンパレータ６６によって零クロス（Ｚ点）を検出し、フリップフロップ６８と零クロスコンパレータ６６との論理積（アンド）によってタイマ７４およびタイマ７５をストップさせる。したがって、タイマ７４は、電極１５が超音波を発信してから超音波受信器４に到達するまでの伝播時間Ｔ２を測定することとなる。タイマ７４は、この伝播時間Ｔ２を傾斜算出部２２に送出する。
【００５１】
さらに、タイマ７１は、赤外線受信器５２によってスタートした後、所定時間Ｔ０経過後にフリップフロップ６７およびフリップフロップ６８を初期化し、さらにタイマ７３およびタイマ７５をスタートさせる。この所定時間Ｔ０は、電極１５を用いて超音波を送信した後、電極１６を用いて超音波を送信するまでの間隔であるので、フリップフロップ６７，６８の初期化およびタイマ７２およびタイマ７５のスタートは、電極１６を用いた超音波が発生すると同時におこなわれることとなる。
【００５２】
超音波受信器３は、電極１６を用いて送信された超音波を受信し、受信波８１として入力アンプ６１に送出する。入力アンプ６１は、受信波８１を適度な大きさに増幅し、コンパレータ６３および零クロスコンパレータ６４に出力する。コンパレータ６３は、増幅された受信波８１と閾値ｒｔ１とを比較し、受信波８１が閾値ｒｔ１を超えた場合にフリップフロップ６７をオン状態とする。さらに、零クロスコンパレータ６４によって零クロス（Ｚ点）を検出し、フリップフロップ６７と零クロスコンパレータ６４との論理積（アンド）によってタイマ７２およびタイマ７３をストップさせる。したがって、タイマ７３は、電極１６が超音波を発信してから超音波受信器３に到達するまでの伝播時間Ｔ３を測定することとなる。タイマ７３は、この測定した伝播時間Ｔ３を傾斜算出部２２に送出する。
【００５３】
同様に、超音波受信器４は、電極１６を用いて送信された超音波を受信し、受信波８２として入力アンプ６２に送出する。入力アンプ６２は、受信波８２を適度な大きさに増幅し、コンパレータ６５および零クロスコンパレータ６６に出力する。コンパレータ６５は、増幅された受信波８２と閾値ｒｔ２とを比較し、受信波８２が閾値ｒｔ２を超えた場合にフリップフロップ６８をオン状態とする。さらに、零クロスコンパレータ６６によって零クロス（Ｚ点）を検出し、フリップフロップ６８と零クロスコンパレータ６６との論理積（アンド）によってタイマ７４およびタイマ７５をストップさせる。したがって、タイマ７５は、電極１６が超音波を発信してから超音波受信器４に到達するまでの伝播時間Ｔ４を測定することとなる。タイマ７５は、この伝播時間Ｔ４を傾斜算出部２２に送出する。
【００５４】
傾斜算出部２２は、伝播時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４および筆記具１における電極１５，１６の位置関係から、筆記具１の座標面に対する傾斜を算出し、ペン先１７の先端部の正確な位置を得ることができる。この実施例においては、傾斜算出部２２によってペン先１７の先端部から超音波受信器３，４までの距離をそれぞれ算出し、座標算出部２３によってペン先１７の座標を算出する。
【００５５】
図１１は、ペン先１７の先端部から超音波受信器３，４までの距離の算出を説明する説明図である。図１１において、「Ｒ１」は超音波受信器３の位置を示し、「Ｐ」はペン先１７の先端部の位置を示す。また、「Ｐ１」は筆記具１の中心軸上に存在する電極１６の中心であり、「Ｐ２」は筆記具１の中心軸上に存在する電極１５の中心である。さらに、「Ｐ」から「Ｐ１」までの距離は「ａ」、「Ｐ１」から「Ｐ２」までの距離は「ｂ」である。また、電極１６，１５の半径を「ｒ」とし、超音波が発生する電極上の位置をそれぞれ「Ｓ１」、「Ｓ２」とする。
【００５６】
ここで、「Ｒ１」から「Ｓ１」、「Ｓ２」までの距離「ｄ１」、「ｄ３」は、音速Ｖ、伝播時間Ｔ１，Ｔ３をもちいて
ｄ１＝Ｖ×Ｔ１、ｄ３＝Ｖ×Ｔ３
とあらわせる。
【００５７】
一方、∠Ｒ１Ｓ２Ｓ１を「α２」とすると、
ΔＲ１Ｓ２Ｓ１から、（ｄ１）２＝ｂ２＋（ｄ３）２−２×ｂ×（ｄ３）×ｃｏｓ
α２であり、
ΔＲ１Ｓ２Ｐ１から、（ｅ３）２＝ｒ２＋（ｄ３）２−２×ｒ×（ｄ３）×ｃｏｓ
（α２＋９０）、これを変形し、（ｅ３）２＝ｒ２＋（ｄ３）２±ｒ×（ｄ３）×（１−ｃｏｓ２α２）１／２　である。
したがって、（ｅ３）２＝ｒ２＋（ｄ３）２±ｒ×（ｄ３）×｛１−（ｂ２＋（ｄ３）２−（ｄ１）２）２／（２ｂ（ｄ３））２｝１／２となる。
【００５８】
さらに、ΔＲ１Ｓ２Ｓ０から、（ｅ５）２＝（ａ＋ｂ）２＋（ｄ３）２−２（
ａ＋ｂ）×（ｄ３）×ｃｏｓα２、これを変形し、（ｅ５）２＝（ａ＋ｂ）２＋（ｄ３）２−（ａ＋ｂ）×｛ｂ２＋（ｄ３）２−（ｄ１）２｝／ｂ　となる。
【００５９】
また、∠Ｒ１Ｓ１Ｓ０を「α１」とすると、
ΔＲ１Ｓ１Ｓ０から、（ｅ５）２＝ａ２＋（ｄ１）２−２ａ×（ｄ１）×ｃｏｓα
１であり、
ΔＲ１Ｐ２Ｐ１から、（ｅ１）２＝ｒ２＋（ｄ１）２−２×ｒ×（ｄ１）×ｃｏｓ
（α１＋９０）、これを変形し、（ｅ１）２＝ｒ２＋（ｄ１）２±ｒ×（ｄ１）×（１−ｃｏｓ２α１）１／２　である。
したがって、（ｅ１）２＝ｒ２＋（ｄ１）２±ｒ×（ｄ１）×｛１−（ａ２＋（ｄ１）２−（ｅ５）２）２／（２ａ（ｄ１））２｝１／２となる。
【００６０】
以上により、「Ｐ１」から「Ｒ１」までの距離「ｅ１」、および「Ｐ２」から「Ｒ１」までの距離「ｅ２」が算出できる。ここで、∠Ｒ１Ｐ２Ｐを「β」とすると、
ΔＲ１Ｐ２Ｐ１から、（ｅ１）２＝ｂ２＋（ｅ３）２−２×ｂ×（ｅ３）ｃｏｓβ
であり、
ΔＲ１Ｐ２Ｐから、（ｆ１）２＝（ａ＋ｂ）２＋（ｅ３）２―２（ａ＋ｂ）×（ｅ３）×ｃｏｓβ、これを変形し、（ｆ１）２＝（ａ＋ｂ）２＋（ｅ３）２―（ａ＋ｂ）×（ｂ２＋（ｅ３）２−（ｅ１）２）／ｂとして、「Ｒ１」から「Ｐ」までの距離「ｆ１」、すなわち、ペン先１７の先端から超音波受信器３までの距離を求めることができる。
【００６１】
同様に、筆記具１の中心軸と超音波受信器４とを含む平面上で、ペン先１７の先端部「Ｐ」から超音波受信器の位置「Ｒ２」までの距離「ｆ２」を算出する。傾斜算出部２２は、算出した「ｆ１」および「ｆ２」の値を座標算出部２３に出力し、座標算出部２３によってペン先１７の先端部「Ｐ」の座標を算出する。
【００６２】
座標算出部２３は、まず、「Ｒ１」、「Ｒ２」および「Ｐ」を含む平面に、「Ｒ１」を原点とし、「Ｒ２」の座標を（Ｗ，０）とする座標系をとる。この座標系において、ペン先１７の先端部「Ｐ」の座標を（ｘ，ｙ）とすると、ｘ，ｙには、
ｘ２＋ｙ２＝ｆ１２
（ｘ−Ｗ）２＋ｙ２＝ｆ２２
の関係が成立する。
【００６３】
したがって、ｘ，ｙの値は、
ｘ＝（ｆ１２−ｆ２２＋Ｗ２）／２Ｗ
ｙ＝−（ｆ１２−ｘ２）１／２
として求めることができる。
【００６４】
このように、位置の異なる２つの電極１５，１６を切り替えて超音波を発信し、伝播時間の差を用いることで座標面に対する筆記具１の傾きを補正し、ペン先１７の先端部と超音波受信器との距離を算出することができるので、ペン先１７の先端部の座標を正確に入力することができる。
【００６５】
上述してきたように、本実施の形態では、圧電膜１４の一方の面に形成する電極を２つに分割し、電極の切替によって超音波の発信位置を切り替え、超音波の伝播時間の差からペン先１７の先端部の位置を算出するようにしているので、超音波素子の部品点数を減少させ、製造コストを低減し、実装を簡易にすることができる。また、超音波素子の構造を簡易かつ小型にすることで、筆記具の持ち方に対する制限をなくし、筆記具の使用感を向上することができる。
【００６６】
さらに、分割した電極の一方に開口部Ａを設けてパターン印刷し、この開口部に配線を設けることで分割した電極の端子を同一方向に引き出すようにしているので、筆記具の構成をさらに簡易かつ小型化している。
【００６７】
なお、本実施の形態においては、電極の端子を全てペン先から遠い側に引き出していたが、この発明の実施はこれに限定されるものではなく、電極の端子を全てペン先から近い側に引き出すようにしてもよい。この端子の引き出し方向は、筆記具の設計に合わせて任意に選択することができる。
【００６８】
また、本実施の形態においては、圧電膜１４の外側の電極を２つに分割し、内側の電極を共有化していたが、本発明の実施はこれに限定されるものではなく、圧電膜の両面の電極をそれぞれ分割してもよいし、また、圧電膜の内側の電極を分割し、外側の電極を共有化するようにしてもよい。
【００６９】
図１２は、圧電膜の両側の電極をそれぞれ分割した場合の超音波素子を示す図である。図１２において、圧電膜１４は、外側の面に電極１５および電極１６を形成し、内側の面に電極９１および電極９２を形成している。したがって、この超音波素子では、電極１５および電極９１を用いて圧電膜１４に電圧を印加する場合と、電極１６および電極９２を用いて圧電膜１４に電圧を印加する場合とを切り替えることで超音波の発生位置を切り替えることとなる。
【００７０】
また、図１３は、圧電膜の内側の電極を分割した場合の超音波素子を示す図である。図１３において、圧電膜１４は、外側の面に電極９３を形成し、内側の面に電極９１および電極９２を形成している。したがって、この超音波素子では、電極９１および電極９３を用いて圧電膜１４に電圧を印加する場合と、電極９２および電極９３を用いて圧電膜１４に電極を印加する場合とを切り替えることで超音波の発生位置を切り替えることとなる。
【００７１】
さらに、本実施の形態では、筆記具１に設けた超音波素子から超音波を発信し、固定した受信装置５１で受信するように構成しているが、超音波素子は同一の構成で超音波の送信と受信とを行うことができるので、固定した装置から超音波を発信し、筆記具１に設けた超音波素子で受信するように構成してもよい。
【００７２】
また、本実施の形態では、筆記具１に設けた赤外線放射部１２から放射した赤外線を受信装置５１に設けた赤外線受信器５２によって受信することで、超音波送受信の同期を取っていたが、この発明の実施はこれに限定されるものではなく、受信装置５１に赤外線放射部を設け、筆記具１に赤外線受信部を設けて、受信装置５１が放射した赤外線を筆記具１によって受信して超音波送受信の同期を取るようにしてもよい。また、受信装置５１と筆記具１とをケーブルによって物理的に接続して超音波送受信の同期を取るようにしてもよい。
【００７３】
（付記１）第１電極と第２電極とが圧電膜を介して対向する超音波素子を筆記具に配設し、該超音波素子と所定の座標面上に固定された固定超音波素子との間で超音波の送受信に要する伝播時間を測定して前記筆記具の座標面上の位置を算出する座標入力装置であって、
前記第１電極は、前記筆記具のペン先近傍に位置する下側第１電極と、前記下側第１電極に比して前記ペン先から遠い上側第１電極とを有し、
前記下側第１電極と前記上側第１電極とを切り替えて前記超音波の送信位置を切替制御する送信制御部と、
前記下側第１電極を用いた場合の前記超音波の伝播時間と、前記上側第１電極を用いた場合の前記超音波の伝播時間とをもとに前記筆記具の前記座標面に対する傾きを算出する傾斜算出部と、
を備えたことを特徴とする座標入力装置。
【００７４】
（付記２）前記下側第１電極および前記上側第１電極は、前記圧電膜の同一面上に導電体を印刷して形成することを特徴とする付記１に記載の座標入力装置。
【００７５】
（付記３）前記下側第１電極、前記上側第１電極、前記圧電膜および前記第２電極は、前記筆記具の長手方向に平行な円筒形状であることを特徴とする付記１または２に記載の座標入力装置。
【００７６】
（付記４）前記上側第１電極は、前記ペン先に対して反対側に引き出された端子部を備え、前記上側第１電極が形成する円筒形状は、当該円筒形状の軸方向に平行な開口部を有し、前記下側第１電極は、前記上側第１電極の開口部に印刷した配線を介して前記ペン先に対して反対側に引き出された端子部を備えることを特徴とする付記３に記載の座標入力装置。
【００７７】
（付記５）前記下側第１電極は、前記ペン先側に引き出された端子部を備え、前記下側第１電極が形成する円筒形状は、当該円筒形状の軸方向に平行な開口部を有し、前記上側第１電極は、前記下側第１電極の開口部に印刷した配線を介して前記ペン先側に引き出された端子部を備えることを特徴とする付記３に記載の座標入力装置。
【００７８】
（付記６）前記上側第１電極および前記下側第１電極は、前記圧電膜の外側に形成されることを特徴とする付記３〜５のいずれか一つに記載の座標入力装置。
【００７９】
（付記７）前記上側第１電極および前記下側第１電極は、前記圧電膜の内側に形成されることを特徴とする付記３〜５のいずれか一つに記載の座標入力装置。
【００８０】
（付記８）前記第２電極は、前記筆記具のペン先近傍に位置する下側第２電極と、前記下側第２電極に比して前記ペン先から遠い上側第２電極とを有し、前記送信制御部は、前記下側第１電極と前記下側第２電極とを用いる場合と、前記上側第１電極と前記下側第２電極とを用いる場合とを切り替えることを特徴とする付記１〜７のいずれか一つに記載の座標入力装置。
【００８１】
（付記９）前記上側第１電極と前記下側第１電極との間に、前記圧電膜の振動を押止する押止部材を備えたことを特徴とする付記１〜８のいずれか一つに記載の座標入力装置。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、座標入力装置は、圧電膜の一方の面に形成する電極を上側第１電極と下側第１電極とに分割し、上側第１電極と下側第１電極とを切り替えて超音波を発生させることで超音波の発生位置を制御し、超音波の発生位置の違いから生じる伝播時間の差をもとに筆記具の傾きを算出し、ペン先の正確な位置を座標入力しているので、部品点数を減少させ、製造コストを低減し、実装が容易で、かつ筆記具の持ち方に制限をつけることなくペン先の座標を正確に入力可能な座標入力装置を提供することができるという効果を奏する。
【００８３】
また、本発明によれば、圧電膜の表面に導電体を印刷することで電極を形成し、この印刷時のパターンによって上側第１電極と下側第１電極とを形成しているので、ペン先の座標を正確に入力可能な座標入力装置をさらに簡易に製造可能とし、製造コストを低減することができるという効果を奏する。
【００８４】
また、本発明によれば、上側第１電極および下側第１電極は筆記具の長手方向に平行な円筒形状であり、円筒形状の径を伸縮させることで超音波を発生するので、簡易な構成でペン先の座標を正確に入力可能な座標入力装置を提供することができるという効果を奏する。
【００８５】
また、本発明によれば、上側第１電極の円筒形状は円筒形状の軸方向に平行な開口部を有し、この開口部に配線をおこなうことで、下側第１電極に接続する端子と、上側第１電極に接続する端子とを同一方向に引き出しているので、ペン先の座標を正確に入力可能な座標入力装置をさらに簡易な構成として実装を容易にすることができるという効果を奏する。
【００８６】
また、本発明によれば、下側第１電極の円筒形状は円筒形状の軸方向に平行な開口部を有し、この開口部に配線をおこなうことで、上側第１電極に接続する端子と、下側第１電極に接続する端子とを同一方向に引き出しているので、ペン先の座標を正確に入力可能な座標入力装置をさらに簡易な構成として実装を容易にすることができるという効果を奏する。
【００８７】
また、本発明によれば、上側第１電極および下側第１電極を圧電膜の外側に形成し、第２電極を圧電膜の内側に形成して、上側第１電極と下側第１電極とを切り替えて超音波の発信位置を制御するように構成しているので、簡易な構成でペン先の座標を正確に入力可能な座標入力装置を提供することができるという効果を奏する。
【００８８】
また、本発明によれば、上側第１電極および下側第１電極を圧電膜の内側に形成し、第２電極を圧電膜の外側に形成して、上側第１電極と下側第１電極とを切り替えて超音波の発信位置を制御するように構成しているので、簡易な構成でペン先の座標を正確に入力可能な座標入力装置を提供することができるという効果を奏する。
【００８９】
また、本発明によれば、第１電極を上側第１電極と下側第１電極とに分割し、さらに第２電極を上側第２電極と下側第２電極とに分割することで、圧電膜の両側の電極をそれぞれ切り替えて超音波の発信位置を制御するように構成しているので、簡易な構成でペン先の座標を正確に入力可能な座標入力装置を提供し、かつ超音波の発信位置の識別をさらに容易にすることができるという効果を奏する。
【００９０】
また、本発明によれば、上側第１電極と下側第１電極との間に押止部材を設け、上側第１電極を用いた場合の圧電膜の振動と、下側第１電極を用いた場合の圧電膜の振動とを峻別可能としているので、簡易な構成でペン先の座標を正確に入力可能な座標入力装置を提供し、かつ超音波の発信位置の識別をさらに容易にすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る座標入力装置の概要構成を説明する説明図である。
【図２】図１に示した筆記具の概要構成を示す概要構成図である。
【図３】図１に示した超音波素子の展開図である。
【図４】図１に示した超音波素子の組立図である。
【図５】図１に示した超音波素子の断面図である。
【図６】駆動回路の概要構成を説明する説明図である。
【図７】超音波駆動回路４３の一例を示す回路図である。
【図８】超音波を受信する受信装置の概要構成を示す概要構成図である。
【図９】超音波の伝播時間を測定する伝播時間測定部の回路構成を示す回路図である。
【図１０】筆記具が送信する超音波の波形を説明する説明図である。
【図１１】超音波の伝播時間から筆記具のペン先の座標を算出する算出方法を説明する説明図である。
【図１２】圧電膜の両側の電極をそれぞれ分割した場合の超音波素子を示す図である。
【図１３】圧電膜の内側の電極を分割した場合の超音波素子を示す図である。
【図１４】筆記具の傾きによって生じる誤差を説明する説明図である。
【符号の説明】
１　筆記具
２　座標算出器
３，４　超音波受信器
１１　ケース
１２　赤外線放射部
１２ａ，１２ｂ　赤外線発光ダイオード
１３，１５，１６，９１，９２，９３　電極
１４　圧電膜
１７　ペン先
２１　伝播時間測定部
２２　傾斜算出部
２３　座標算出部
３１　電池
３２　駆動回路
３３　ペンタッチスイッチ
３４，３５　固定軸
３６　押止部材
３７，３８　間隙
４１，７２，７３，７４，７５　タイマ
４２　赤外線駆動回路
４３　超音波駆動回路
４４　超音波発信器
４５　電源
５１　受信装置
５２　赤外線受信器
６１，６２　入力アンプ
６３，６５　コンパレータ
６４，６６　零クロスコンパレータ
６７　フリップフロップ
８１，８２　受信波
【図１】
2004070887.tif 000003
【図２】
2004070887.tif 000004
【図３】
2004070887.tif 000005
【図４】
2004070887.tif 000006
【図５】
2004070887.tif 000007
【図６】
2004070887.tif 000008
【図７】
2004070887.tif 000009
【図８】
2004070887.tif 000010
【図９】
2004070887.tif 000011
【図１０】
2004070887.tif 000012
【図１１】
2004070887.tif 000013
【図１２】
2004070887.tif 000014
【図１３】
2004070887.tif 000015
【図１４】
2004070887.tif 000016