(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パネルを伝搬する超音波を吸収する物体の有無または位置を検出する超音波式検出装置に使用されるスタイラスであって、
検出される超音波を吸収する超音吸収材料を含む尖端部と、該尖端部を設けた硬質の棒状部とからなり、前記尖端部は、超音波吸収部材により成形された芯部と、該芯部の周面に非超音波吸収部材である金属により皮膜された接触部よりなる、スタイラス。
【請求項２】
前記尖端部は、前記パネルに対する滑りおよび超音波吸収の検出を可能とする量の超音波吸収料が使用されている、請求項１の何れかに記載のスタイラス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、物体の有無または位置を超音波により検出する超音波式検出装置用のスタイラスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波式検出装置は、概略ＣＲＴ等の表示画面を覆って配置されるパネルと検出動作を制御する制御部からなり、パネルに伝播させた超音波の接触物体による超音波吸収量から、物体の位置（タッチ位置）または有無を検出するものである。
【０００３】
利用可能な超音波には、固体表面を伝播する表面弾性波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ）と固体中を伝播する弾性波（ＧＡＷ：Ｇｕｉｄｅｄ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ）がある。
【０００４】
図３は超音波用のパネルの概略平面構成を示し、該パネル１は液晶パネルあるいはＣＲＴディスプレイ等と同一曲率を持ったほぼ矩形のガラスにより成形され、パネル１の表面の４つの周辺部にはそれぞれ低融点ガラス粉末により印刷加工された複数の反射素子２からなる反射アレイ３が形成されている。反射アレイ３に囲まれた矩形部分は検出面６となっており、検出面６を挟む平行な対向する２つの反射アレイ３の一方の一端には超音波を発信する発信子４が、他方の反射アレイ３の一端には前記発信子４から発信された超音波を受信する受信子５が取り付けられて１組の検出対を構成している。パネル１上の互いに垂直な２組の検出対により検出面６上の位置座標が特定されことになる。２組の検出対の反射アレイ３は、通常のＸＹ座標面のＸＹ座標軸にそれぞれ対応しており、片方の組の検出対の反射アレイ３をＸ軸とすればもう一方の組の検出対の反射アレイ３はＹ軸に相当する。
【０００５】
図４の（Ａ）は表面弾性波用の発信子または受信子の取付け状態を示し、該発信子４および受信子５は圧電素子７とプリズム８により構成され、パネル１の表面の前述の位置に取り付けられる。また、固体中を伝搬する弾性波（ＧＡＷ）の発信子４および受信子５は、図４の（Ｂ）に示すようにパネル１の端面に直接取付けられる。以後の説明においては超音波として図４の（Ａ）に示す表面弾性波を例にとり説明する。
【０００６】
次にパネル表面上の物体の座標位置検出の動作原理について簡単に説明する。図５の（Ａ）に示すように、制御部から５．５ＭＨｚの発信衝撃波が圧電素子７に与えられると、圧電素子７に振動が発生してプリズム８内で縦波に変換される。プリズム８とパネル１の界面では、縦波が表面弾性波に変換され、パネル１上の反射アレイ３上を伝搬し、反射アレイ３の各反射素子２によりごく少量のエネルギを直角に反射する。反射した表面弾性波は図３の矢印に示すようにパネル１の検出面６の全体に及びそして対向する反射アレイ３に向かって伝搬し、該反射アレイ３によって直角に反射されて、受信子５の圧電素子７により受信される。受信子５により受信される信号は図５の（Ｂ）に示すように持続時間の長い信号になる。この場合、パネル１の検出面６に物体が接触する（タッチが発生する）と、接触部分で弾性波エネルギーが吸収され図５の（Ｃ）に示すように接触部分に対応する信号が欠落し、受信信号内で窪みＨになって現れる。この場合、図３において最短距離ａを通る弾性波、タッチ位置ｂを通る弾性波または最長距離ｃを通る弾性波では、受信子５へ到達するのに時間差を生じるので、最初に受信された弾性波からタッチ位置ｂおよび最長距離ｃに対応する受信弾性波の経過時間Ｔ０、Ｔ１を測定すれば物体９の位置（タッチ位置）の座標成分を求めることができる。
【０００７】
図５に示す受信波は、受信用圧電素子によって電圧に変換されるものの、受信波を示す電圧（振幅）の時間変化は、図５に示すように均一ではなく、実際には図６に示すように時間軸上で不均一なものになる。この振幅の形状は、プリズム８とパネル１の界面、反射素子２、パネル表面等が必ずしも均一でなく表面弾性波が一様に伝播しないからであるが、いったんプリズム８、反射素子２、パネル１の界面が製作により決まると、固有の形状（定数）とみなされる。パネル１上を指等でタッチすると、そのタッチ位置に相当する部分の表面弾性波が吸収される。この吸収によるへこみの時間軸の位置から、タッチ位置の座標成分が算出される。即ち、パネル１上の２組の検出対の発信子４に交互に発信衝撃波を伝えることにより、Ｘ、Ｙの座標軸での吸収によるへこみの位置からタッチ位置の平面座標位置を算出し、タッチ位置座標が検出される。
【０００８】
より詳しくは、まず、検出面６上に接触物体がない（タッチしていない）場合に、図６の電圧波形は図７の丸印で示すように、等しい時間間隔でＡ／Ｄ変換器により高速でサンプリングされ、そのサンプリングデータはＲＡＭに記憶される。この記憶データは、タッチされていない時に受信される表面弾性波のサンプリングデータであって、以後にタッチオンを検出する際のベースライン（基準）となるものである。
【０００９】
次に、通常の検出時に同様に受信波をサンプリングし、以前にベースラインとしてＲＡＭ内に記憶されている現在のサンプリング時間に対応するデータを現在のサンプリングデータからそれぞれ差し引いた差分をとり、時間ｔにおける測定データとする。この差分が物体の接触による超音波の吸収の存在を表す値を示す。ベースラインの記憶の後、何ら物体の接触がなければ、測定されるサンプリングデータは変化せずベースラインとの差分は０となる。
【００１０】
図８は、ベースラインを基準とした場合に、指でタッチしたときに現れる受信された電圧波形のへこみを点線により示したものである。さらに、図９は、図８のタッチを示す点線部を拡大すると共にベースラインと受信電圧波形のデジタル値の差を表した図である。図９において、時間軸に示す各サンプリング時間、・・・、ｔn-2、ｔn-1、ｔn、ｔn+1、ｔn+2、・・・、に対してサンプリングされたことを示している。同図において、サンプリングデータの差分ΔＡｎは、時間ｔ＝ｔnで最大となる。
【００１１】
従来、タッチの有無およびタッチ座標を求めるには、発信子４から発信衝撃波が出力される毎に、最大差分ΔＡｎを求めて基準レベル値Ａｔｈと比較して、
ΔＡｎ≦Ａｔｈ  ・・・  タッチなし、
ΔＡｎ＞Ａｔｈ  ・・・  タッチあり、
と判定し、タッチありの場合にΔＡｎに対応する時間ｔnから求められる座標成分をパネル１上のタッチ位置座標成分とし、ＸおよびＹ座標軸の座標成分からタッチ座標位置を検出している。
【００１２】
上述の超音波式検出装置のパネル１への入力（タッチオン）用に使用されるスタイラスとしては、従来、超音波の吸収が可能な指による入力により行われていた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の超音波式検出装置のパネル１への入力に使用される従来のスタイラスとして指を用いた場合には、柔らかくかつパネル面への接触面が大きいためペンによる入力と異なり手書き入力は困難であり、また分解能も悪かった。また、接触面の小さい先端形状を備えていても超音波をほとんど吸収しない堅い材質の従来のペン等では超音波を吸収しないから入力自体を行うことが不可能であった。このため、超音波式検出装置はペン等による分解能の良い手書き入力が行えないため、ペンコンピュータやＰＤＡ（パーソナル・デジタル・アシスト）等で電滋誘導方式タブレットや抵抗膜式タッチパネルを採用し、超音波式は採用されていなかった。
【００１４】
この発明の目的は、超音波式検出装置のパネルにスタイラスを使用して入力する場合、分解能の良い手書き入力の行えるスタイラスを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波式検出装置用スタイラスは、パネルを伝搬する超音波を吸収する物体の有無または位置を検出する超音波式検出装置に使用され、検出される超音波を吸収する超音吸収材料を含む尖端部と、該尖端部を設けた硬質の棒状部とからなる。さらに、先端部は、超音波吸収部材により成形された芯部と、該芯部の周面に非超音波吸収部材である金属により皮膜された接触部より成形でき、先端部の全体は、超音波吸収材料により成形しても良い。また、先端部は、パネルに対する滑りおよび超音波吸収の検出を可能とする量の超音波吸収料が使用されている。スタイラスは尖端部において超音波を吸収すると共に、該尖端部と棒状部とにより文字等の通常のペン入力が可能となる。
【００１６】
【実施の形態】
超音波式検出装置の一実施形態の概略構成について図１を参照して説明する。図１において、衝撃波発生器１１から出力される超音波の衝撃波は送信アンプ１２を介してＸ軸スイッチ１３およびＹ軸スイッチ１４に与えられる。Ｘ軸スイッチ１３およびＹ軸スイッチ１４から出力される衝撃波は、図３に示されるパネル１に備えられた発信子４に相当するＸ軸発信子４ａとＹ軸発信子４ｂにそれぞれ対応して入力される。Ｘ軸発信子４ａとＹ軸発信子４ｂから出力された超音波はパネル面を表面弾性波としてそれぞれＸ軸方向およびＹ軸方向に伝播し、図３に示されるパネル１の備えられた受信子５に相当するＸ軸受信子５ａおよびＹ軸受信子５ｂによってそれぞれ受信される。Ｘ軸受信子５ａおよびＹ軸受信子５ｂによって受信された表面弾性波は超音波電気信号に変換されてそれぞれ対応するＸ軸スイッチ１５およびＹ軸スイッチ１６に与えられ、該スイッチ１５、１６を介した超音波信号は受信アンプ１７に入力される。Ｘ軸スイッチ１３、１５およびＹ軸スイッチ１４、１６はマイクロプロセッサ２６により制御されており、Ｘ軸スイッチ１３、１５またはＹ軸スイッチ１４、１６のいずれか一方がオンし、他方はオフするように制御される。
【００１７】
受信アンプ１７によって増幅された超音波信号は復調器１８に送られ、ここで超音波信号がＡＭ（振幅変調）検波されて直流成分に変換される。復調器１８の出力はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器１９に与えられ、ここで時間経過に従って高速でサンプリングされる。Ａ／Ｄ変換器１９からのサンプリングデータはバッファ２０を介してＳＲＡＭ（スタティック・ランダム・アクセス・メモリ）２１に送られて記憶される。マイクロプロセッサ２６のＣＰＵ２３は、Ａ／Ｄ変換器１９のサンプリング動作が終了するとＳＲＡＭ２１に記憶されたサンプリングデータをバッファ２２を介して書き込み、パネル１上に物体のタッチがあるか否かの判定の演算およびタッチ位置の座標を求める演算を開始する。タッチの判定の基準となる前述したベースラインのサンプリングデータはまたＳＲＡＭ２１に記憶され、判定に際してＣＰＵ２３に書き込まれる。ＣＰＵ２３はバッファ２０、２２を制御してデータ流れの方向を調整する。マイクロプロセッサ２６にはＣＰＵ２３の他にＣＰＵ２３の演算の記憶に使用されるＲＡＭ２４、演算用のプログラムが記憶されるＲＯＭ２５が備えられている。ＣＰＵ２３によって判定されたタッチオン／タッチオフおよびタッチ位置の座標データはインタフェース２７を経てホストコンピュータ２８に送られる。
【００１８】
次に物体のタッチオンの有無および位置座標の検出動作について説明する。まず、検出動作に先立って、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ衝撃波が出力され、Ｘ軸およびＹ軸にそれぞれ対応する超音波のサンプリングデータが判定の基準となるベースラインとしてＳＲＡＭ２１に記憶されているものとする。Ｘ軸スイッチ１３、１５がオン（Ｙ軸スイッチ１４、１６はオフ）した状態でＸ軸についての検出動作が行われる。即ち、衝撃波発生器１１から断続して衝撃波が出力され、該衝撃波に基づく超音波電気信号のＡ／Ｄ変換器１９を介したサンプリングデータが測定データとしてＳＲＡＭ２１に記憶される。またＲＡＭ２４にはタッチオンの有無を判断する基準となる基準レベル値および基準時間がＸ軸およびＹ軸に対してそれぞれに設定されている。ＣＰＵ２３はＲＯＭ２５に記憶された演算プログラムに従って測定データの検出動作を行う。
【００１９】
次に、この発明の超音波式検出装置に使用されるスタイラスの実施形態について図２を参照して説明する。スタイラス３１全体は、図２の（Ａ）に示すように、使用中の鉛筆、ボールペンと同様の大きさ形状を備え、手書き入力に適するように成形されている。スタイラス３１はパネル１の面に直接接触する尖端部３２と、該尖端部３２を一端に設けた棒状部３３とから構成されている。尖端部３２は図２の（Ｂ）に示すように、超音波吸収部材であるゴム、スポンジ等により成形された芯部３４と、該芯部３４の周面にほぼ１ｍｍの厚さで非超音波吸収部材である金属により皮膜された接触部３５により成形されている。棒状部３３は手書き入力に適するように硬質の材料により成形され、例えばセラミック、木材、金属等の通常の非超音波吸収材料を使用しても良い。芯部３４にはゴム以外の超音波の吸収能の高い素材、固体に限らず液体あるいは液体と固体の混合物等を充填しても良い。また図２の（Ｃ）に示すように、尖端部３２全体を超音波吸収材料であるゴム等により成形しても良い。尖端部３２には超音波式検出装置のパネル１に対して文字等の入力が可能な材質に応じた適度の滑りを持たせると共に超音波の吸収を検出可能にならしめる量の超音波吸収材が使用される。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明のスタイラスによれば、検出される超音波を吸収する超音吸収材料含む尖端部と該尖端部を設けた硬質の棒状部とからなっているから、超音波式検出装置においても通常のペン入力が可能になり、分解能の良い手書き入力を行うことができる。このため、ペンコンピュータやＰＤＡ（パーソナル・デジタル・アシスト）等で、超音波式検出装置を入力パネルとして用いることができる。さらに、ペンコンピュータの分野において一般にペン入力として利用される電滋誘導方式タブレットに比較し低コスト、低消費電力でありさらに液晶表示部のカラー表示への入力が可能である。またＰＤＡの分野において一般に利用されている抵抗膜式タッチパネルに比較し長寿命、高画質が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  超音波式検出装置の概略全体構成図である。
【図２】  この発明の超音波式検出装置に使用されるスタイラスの実施形態を示す図である。
【図３】  超音波が伝播される超音波式検出装置のパネル面を示す図である。
【図４】  超音波を発信する発信子の取付け構造を示す図である。
【図５】  パネルを伝播して受信される超音波の受信信号の状態を示す図である。
【図６】  受信された超音波信号の電圧の時間経過を示す図である。
【図７】  受信された超音波信号のサンプリングを説明する図である。
【図８】  サンプリングされた超音波信号を基準となるベースラインとして示す図である。
【図９】  タッチオンのある測定サンプリングデータとベースラインとの差を示す図である。
【符号の説明】
１            パネル
２            反射素子
３            反射アレイ
４            発信子
５            受信子
６            検出面
９            物体
１９            Ａ／Ｄ変換器
２１            ＳＲＡＭ（スタティック・ランダム・アクセス・メモリ）
２３            ＣＰＵ
２５            ＲＯＭ
２６            マイクロプロセッサ
３１            スタイラス
３２            尖端部
３３            棒状部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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