JP3230552B2 - 圧電センサ及びそれを使用した座標入力装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は被測定物中を伝播する音
波（振動）を検出するための圧電センサ、及びそれを用
いた座標入力装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】振動素子を備えたペンを測定板に当接さ
せ、その当接位置から四方八方に伝播していく音波（振
動）を検出し、その伝播遅延時間を検出することで、ペ
ンの当接位置を導出する座標入力装置がある。

【０００３】振動を検出する振動検出手段としては、通
常、ジルコン酸チタン酸鉛（以後ＰＺＴ）等の圧電セラ
ミックスが用いられており、素子の形状、素子の振動モ
ード等は被測定物中を伝播する所定周波数の音波を効率
良く検出するよう設定されている。具体的には、センサ
の機械的共振を検出音波の周波数と一致するよう素子形
状を決定するとともに、検出すべき振動の振動モード等
を考慮することで素子の感度、または素子の設置方法が
決定されていた。極端に言えば、被測定物中を伝播する
音波の振動モード、周波数により、振動センサの形状等
が決定されていた。

【０００４】ここで更に圧電素子の従来技術についてそ
の詳細を述べておく。

【０００５】例えば文献「圧電セラミックスとその応
用」（発行所、電波新聞社。昭和４９年４月１５日、初
版発行）によれば、圧電セラミックスには縦効果と横効
果の振動があり、横効果は電界（分極）方向と歪み方向
が直交している場合、縦効果は電界（分極）方向と歪み
方向が平行している場合の振動であると定義している。
図８（上記文献より引用）はこれらの効果を利用して振
動センサの形状を示すものであり、（ａ），（ｂ）は横
効果、（ｃ），（ｄ）は縦効果を利用した振動センサで
ある。

【０００６】より詳しく説明すると、図示（ａ）は径方
向振動子と呼ばれるもので、変位の方向は放射状となっ
ているが、素子形状の制約として円板の厚みｔに対して
直径ｄを十分大きくしなければならない。（ｂ）は棒の
伸び振動と言われるもので、変位方向は長さｌの方向で
あり、長さｌ方向に自由に伸縮するためには、厚みｔ，
幅ｗに対して長さｌは十分に大きなくてはならない。更
に、この文献には（ａ），（ｂ）両者とも厚みｔに対し
てｌ、直径ｄは１０倍以上あれば十分であると記載され
ている。

【０００７】（ｃ）は棒の縦振動であり、変位方向は長
さｌの方向である。この場合も自由に伸縮するためには
幅ｗに対して長さｌを十分に大きくする必要があるが、
実際には浮遊容量等の問題により３〜４倍程度で使用さ
れている。（ｄ）は厚み方向振動で、変位方向は厚みｔ
（分極方向）であり、この場合も厚みｔに対して振動子
の面積は十分大きい必要がある。

【０００８】以上から明らかなように、圧電素子を用い
て振動を効率良く検出しようとすると、素子固有の問題
により、その形状に制約が生じる。つまり、（ａ）の場
合について説明すれば、圧電横効果に関わる素子の共振
周波数は素子の径方向長さｄにより決定され、圧電縦効
果に関わる素子の共振周波数は素子の厚みｔにより決定
されるので、両者の共振周波数が近くなると、振動のモ
ード結合で素子の振動振幅が小さくなり、その結果とし
て十分な電気的な出力が得られなくなる。つまり径方向
長さｄと厚みｔの値が近くなると、電気的な出力信号レ
ベルが低下し、素子としての機能が低下するという現象
が発生する。この理由で、径方向長さｄと厚みｔの比は
十分に大きくする必要があった。

【０００９】さて、これらの制約のもとに制作された圧
電素子を用いて、種々の座標入力装置が提案されてい
る。例えば特願昭６１−３３５３５号に示されているよ
うに径方向振動子を用いた例や、ＪＪＡＰ，ｖｏｌ３０
（１９９１）ｐｐ．６８−７０に記載されているように
円柱状の縦方向振動子を用いた例が示されている。

【００１０】特に、ＪＪＡＰ，ｖｏｌ．３０（１９９
１）ｐｐ．６８−７０には、同一の圧電素子を用いて
も、入力面である振動伝達板にどのように圧電素子を設
置するか（具体的には、同一形状の圧電素子を振動伝達
板表面に設置する場合と、振動伝達板側面に設置する場
合）によって、検出される信号のレベルが異なることが
記載されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では以下のような欠点が生じていた。

【００１２】すなわち、これらの圧電素子を用いて振動
を検出する場合には、径方向振動子、縦方向振動子、両
者ともに素子の電極面が被測定物に対して接着されてお
り、素子との電気的な導通を直接とることができないこ
とである。

【００１３】これに対し、例えば、特願昭６３−１０４
１２４号に示されるように圧電素子の一方の電極を素子
の側面に部分的に設け、側面から電気的な導通手段を用
いて圧電素子との導通を得る方法が示されている。圧電
セラミックスからの圧電素子の製造方法、工程を考慮す
れば、側面電極を設けることはコストアップの大きな要
因となり、しかも素子の形状が小さくなれば、側面電極
ともう一方の電極の距離が短くなり絶縁抵抗が問題（圧
電素子を分極する際、素子に高電圧をかける）となり、
素子が制作できなくなる。

【００１４】また逆に圧電素子を接着する相手である被
測定物を導電性とすることで、被測定物を介して電気的
な導通をとることも考えられるが、その場合被測定物は
金属等で構成され、透明部材で構成することができな
い。つまり具体的に座標入力装置に応用した場合につい
て考えて見ると、座標入力面の下側に液晶表示器等の出
力装置を配置して、あたかも鉛筆で紙に絵を描くような
間隔で座標を入力することができる装置を構成すること
ができない。

【００１５】ただし、被測定物として例えばガラス等の
透明、かつ板状の部材を用いて座標入力面を構成し、導
電性のインク等を用いて電極パターンをガラスに施すも
一応は考えられる。しかしながら、そのような場合、新
たな工程が増えることによるコストアップは避けられな
いばかりか、その印刷層が音波の吸収をしてしまい、検
出される信号のレベルが低下（全体的な効率の低下）す
るという問題が発生するであろう。

【００１６】仮に、またそのように構成することで、素
子との電気的な導通を得たとしても、座標入力装置とし
て応用した場合、次のような問題も生じる。すなわち、
被測定物（被測定物上に形成される電極パターン等を含
む）を介して導通を得る電極に対して、もう一方の電極
は素子の反対側の面に形成される。従って、その電極と
電気的な導通をとる手段（例えば、ハンダによるリード
線，バネによる圧接等）は、装置の厚みを増すことにな
る。つまり、装置の厚みは、被測定物である板の厚み、
センサの厚み、電極取り出しのためのスペースの合計と
なる。

【００１７】特に、昨今話題を呼んでいる携帯型の装置
（ペン入力コンピュータ等）に応用しようとする場合に
は、その装置の厚み、形状設計に深刻な問題を与えるこ
とになろう。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明はかかる問題点に
鑑みなされたものであり、被測定物に格別な構成を備え
ることなく、被測定物を伝播する振動、特に板波弾性波
を効率良く検出することを可能にすると共に、被測定物
を含む装置の厚みを小さくでき、且つ低コストで製造す
ることを可能ならしめる圧電センサを提供しようとする
ものである。

【００１９】また、他の発明は、座標入力板に格別な細
工をしなくても、伝播してくる振動、特に板波を効率良
く検出すると共に、装置の厚みを小さでき、低コストで
且つ高精度に座標を検出することが可能な座標入力装置
を提供しようとするものである。

【００２０】かかる第１の課題を解決するため、本発明
の圧電センサは以下の構造を有する。すなわち、被測定
物に固定され、前記被測定物を伝播する板波振動を検出
する圧電センサであって、角柱形状であり、電極面にほ
ぼ垂直な面を前記被測定物への固定面とする。

【００２１】また、第２の課題を解決する座標入力装置
は以下の構成を備える。

【００２２】振動伝達板と、座標位置を指示するため前
記振動伝達板上に接触させる振動発生手段と、前記振動
伝達板の所定位置に固定された複数の圧電センサと、前
記振動伝達板を伝播してくる振動を前記圧電センサで検
出し、検出した振動伝播遅延時間に基づいて前記振動発
生手段による指示位置を導出する座標入力装置におい
て、前記圧電センサは、角柱形状であり、電極面にほぼ
垂直な面を前記被測定物への固定面とする。

【００２３】

【作用】かかる本発明の圧電センサ或は、座標入力装置
に用いられる圧電センサは、角柱形状をなし、その電極
面にほぼ垂直な面を被測定物への固定面とする。かか
る、構造によって、電極からの電気信号の導出は簡単に
なり、且つ、装置の厚みを考える場合、そのセンサの電
極の部分を考慮する必要がなくなる。

【００２４】

【実施例】以下、添付図面に従って本発明に係る実施例
を詳細に説明する。

【００２５】図１は本発明の特徴を最も良く表す図であ
り、センサの配置について説明する図である。ただし、
本実施例の説明は、本発明の圧電センサを具体的に座標
入力装置に応用した場合について行うものとする。

【００２６】図において、６は振動検出手段である圧電
振動子（圧電センサ）であり、本実施例では角柱状の縦
方向振動子（電極面の大きさ（電極面の一辺の長さ）に
比べて分極方向の長さが長い振動子）を用いて、図示さ
れるように圧電素子の分極方向に平行な一つの面（圧電
素子の電極面に直角な面）が、座標入力面である振動伝
達板８に接着等により固定、配置されている。７は振動
入力ペン３（不図示）で入力された振動が振動伝達板８
の端面で反射する反射波を減衰させるための防振材であ
る。符号Ａは座標を入力することができる座標入力有効
エリアを示すものである。

【００２７】さてここで圧電体の性質について触れてお
く。「従来の技術」で述べたように、効率良く振動を検
出するためには素子の形状的な制約がある他、素子その
ものが機械的な振動の結果として電気的な出力が得られ
るような構成となっているので、例えば検出すべき振動
の周波数に素子の共振周波数を一致させて使用するのが
一般的である。つまり、縦方向振動子について述べれ
ば、素子の共振を利用して振動を効率良く検出すること
が前提となる以上、検出すべき振動の周波数が決れば、
素子の縦方向長さ（分極方向長さ）は決定され（素子の
材質に対して一義的に決定される）、この結果、縦方向
の変位が電気的な出力として得られることになる。

【００２８】この縦方向振動子を用いた場合、縦方向の
伸縮が電気的出力に変換されるのであるから、当然のこ
とながら、その縦方向については機械的な拘束を受けな
い構成にすることが従来求められており、被測定物に対
する素子の固定は素子の電極面となっていた。しかしな
がら、本願発明者等は、あえてこの点を無視して（縦方
向振動子の分極方向と平行な面を装着，固定）実験を行
ったところ、十分な出力信号が得らるという事実を発見
した。本願発明はかかる事実に基づきなされたものであ
る。

【００２９】さて、このように構成することで圧電素子
からの電極取り出しが容易（つまり素子から電極を取り
出すために素子の電極を複雑な形状としたり、振動伝達
板８に導電パターンを形成して素子との導通を得る等の
手段がいらなくなる）となり、低コストで装置を実現す
ることができる優れた効果が得られる。また図示される
ように電極の取り出しを振動伝達板８に垂直な面で行え
るので、センサ部分の厚みはセンサの形状によって決
り、電極取り出しのために厚みが更に増すと言うことが
なく（縦方向振動子を従来方法で使用した場合、電極は
振動伝達板８に平行な面となるので、電極取り出しのた
めの例えばハンダ厚、接点バネ等による厚みが、センサ
の高さに更に加わる）、装置全体を薄くできるという効
果も得られる。

【００３０】また本実施例では４角柱の縦方向振動子を
用いて説明を行っているが、それに限定されるものでは
なく、例えば６角柱形状の縦方向振動子を用いても良い
ことは言うまでもない。

【００３１】次に、図２を用いて本実施例に於る座標入
力装置の装置全体の構成について説明する。

【００３２】図中、１は装置全体を制御すると共に、座
標位置を算出する演算制御回路である。２は振動子駆動
回路であって、演算制御回路１の制御の下で、振動ペン
３内に内蔵されている振動子４を駆動して振動を発生さ
せる。発生した振動はペン先５に伝播していく。このと
き、振動ペン３が振動伝達板８の座標入力有効エリア
（以下、有効エリア、図中の破線で示される符号Ａの領
域）にタッチ（当接）させていると、そのタッチ位置か
ら振動伝達板８を介して振動（音波）が四方八方に伝播
していくことになる。尚、この振動伝達板８はアクリル
やガラス板等、透明部材である。

【００３３】また振動ペン３で入力された振動が振動伝
達板８の端面で反射し、振動が中央部に戻るのを防止
（反射波を減衰）するための防振材７が、振動伝達板８
の外周に設けられている。図示されるように振動伝達板
８の周辺部には圧電素子（例えばｐｚｔ）からなる、機
械的振動を電気信号に変換する振動センサ６ａ〜６ｄが
固定されている。振動センサ６からの信号は不図示の増
幅回路で増幅された後、信号波形検出回路９に送られ、
信号処理を行いその結果を演算制御回路１に出力し、座
標を算出する。なお信号検出回路９、演算制御回路１に
ついては、その詳細を別途後述することとする。

【００３４】１１は液晶表示器等のドット単位の表示が
可能なディスプレイであり、振動伝達板の背後に配置し
ている。そしてディスプレイ駆動回路１０の駆動により
振動ペン３によりなぞられた位置にドットを表示し、そ
れを振動伝達板８（例えばガラス等の透明部材からなる
場合）を透してみることが可能になっている。もちろ
ん、振動ペン３でなぞった軌跡をドットで表示するので
はなく、カーソル等の移動を行っても良い。

【００３５】振動ペン３に内蔵された振動子４は、振動
子駆動回路２によって駆動される。振動子４の駆動信号
は演算制御回路１から低レベルのパルス信号として供給
され、振動子駆動回路２によって所定のゲインで増幅さ
れた後、振動子４に印加される。

【００３６】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、ペン先５を介して振動伝達
板８に伝達される。

【００３７】ここで振動子４の振動周波数はガラスなど
の振動伝達板８に板波を発生する事が出来る値に選択さ
れる。またこの時振動子４の振動周波数をペン先５を含
んだ共振周波数とする事で効率の良い振動変換が可能と
なる。

【００３８】上記のようにして振動伝達板８に伝えられ
る弾性波は板波であり、表面波などに比べて振動伝達板
の表面の傷、障害物等の影響を受けにくいという利点を
有する。

【００３９】＜制御回路の説明＞上述した構成に於い
て、演算制御回路１は所定周期毎（例えば５ｍｓ毎）に
振動子駆動回路２に振動ペン３内の振動子４を駆動させ
る信号を出力すると共に、その内部タイマ（カウンタで
構成されている）による経時を開始させる。そして、振
動ペン３より発生した振動は振動センサ６ａ〜６ｄ迄の
距離に応じて遅延して到達する。

【００４０】振動波形検出回路９は各振動センサ６ａ〜
６ｄからの信号を検出して、後述する波形検出処理によ
り各振動センサへの振動到達タイミングを示す信号を生
成するが、演算制御回路１は各センサ毎のこの信号を入
力し、各々の振動センサ６ａ〜６ｄまでの振動到達時間
の検出、そして振動ペンの座標位置を算出する。

【００４１】また演算制御回路１は、この算出された振
動ペン３の位置情報を基にディスプレイ駆動回路１０を
駆動して、ディスプレイ１１による表示を制御したり、
あるいはシリアル、パラレル通信よって外部機器に座標
出力を行なう（不図示）。

【００４２】図３は実施例の演算制御回路１の概略構成
を示すブロック図で、各構成要素及びその動作概略を以
下に説明する。

【００４３】図中、３１は演算制御回路１及び本座標入
力装置全体を制御するマイクロコンピュータであり、内
部には不図示のカウンタ、操作手順を記憶した図示のＲ
ＯＭ、及び計算等に使用するＲＡＭ、定数等を記憶する
不揮発性メモリ等によって構成されている。３３は不図
示の基準クロックを計時するタイマ（例えばカウンタな
どにより構成されている）であって、振動子駆動回路２
に振動ペン３内の振動子４の駆動を開始させるためのス
タート信号を入力すると、その計時を開始する。これに
よって、計時開始とセンサによる振動検出の同期がとら
れ、センサ（６ａ〜６ｄ）により振動が検出されるまで
の遅延時間が測定できることになる。

【００４４】その他、各構成要素となる回路は順を追っ
て説明する。信号波検出回路９より出力される各振動セ
ンサ６ａ〜６ｄよりの振動到達タイミング信号は、検出
信号入力ポート３５を介してラッチ回路３４ａ〜３４ｄ
に入力される。ラッチ回路３４ａ〜３４ｄのそれぞれ
は、各振動センサ６ａ〜６ｄに対応しており、対応する
センサよりのタイミング信号を受信すると、その時のタ
イマ３３の計時値をラッチする。こうして全ての検出信
号の受信がなされたことを判定回路３６が判定すると、
マイクロコンピュータ３１にその旨の信号を出力する。
マイクロコンピュータ３１がこの判定回路３６からの信
号を受信すると、ラッチ回路３４ａ〜３４ｄから各々の
振動センサまでの振動到達時間をラッチ回路より読み取
り、所定の計算を行なって、振動伝達板８上の振動ペン
３の座標位置を算出する。そしてＩ／Ｏポート３７を介
してディスプレイ駆動回路１０に算出した座標位置情報
を出力することにより、例えばディスプレイ１１の対応
する位置にドット等を表示することができる。もちろ
ん、Ｉ／Ｏポート３７を介しインタフェース回路に、座
標位置情報を出力することによって、外部機器に座標値
を出力することができる。

【００４５】＜振動伝搬時間検出の説明（図４，図５）
＞図４は振動波形検出回路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ための
図である。尚、以下、振動センサ６ａの場合に付いて説
明するが、その他の振動センサ６ｂ，６ｃ，６ｄについ
ても全く同じである。

【００４６】振動センサ６ａへの振動伝達時間の計測
は、振動子駆動回路２へのスタート信号の出力と同時に
開始することは既に説明した。この時、振動子駆動回路
２から振動子４へは駆動信号４１が印加されている。こ
の信号４１によって、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、振動センサ６ａまでの距離に応
じた時間をかけて進行した後、振動センサ６ａで検出さ
れる。図示の４２で示す信号は振動センサ６ａが検出し
た信号波形を示している。

【００４７】本実施例で用いられている振動は前述の通
り板波であるため、検出波形のエンベロープ４２１の伝
搬する速度（群速度Ｖｇ）と位相４２２の伝播する速度
（位相速度Ｖｐ）が異なる。従って、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の関係は振動伝達中に、その伝達距離に応じて
変化する。本実施例では、この群速度Ｖｇに基づく群遅
延時間Ｔｇ、及び位相速度Ｖｐに基づく位相遅延時間Ｔ
ｐから、振動ペン３と振動センサ６ａ間の距離を検出し
ている。

【００４８】図５は振動検出回路９のブロック図であ
り、図４とあわせて群遅延時間Ｔｇ、位相遅延時間Ｔｐ
を検出するための手段について説明する。

【００４９】振動センサ６ａの出力信号４２は、前置増
幅回路５１により所定のレベルまで増幅された後、帯域
通過フィルタ５１１により検出信号の余分な周波数成分
が除かれ、信号４４を得る。この信号のエンベロープに
着目すると、その波形が伝播する音速は群速度Ｖｇであ
り、ある特定の波形上の点、例えばエンベロープのピー
クやエンベロープの変曲点を検出すると、群速度Ｖｇに
関わる遅延時間ｔｇが得られる。そこで前置き増幅回路
５１で増幅され、帯域通過フィルタ５１１を通過した信
号は、例えば、絶対値回路及び、低域追加フィルタ等に
より構成される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４５のみが取り出される。さら
にこのエンベロープ４５に対して予め設定されている閾
値レベル４４１を越える部分のゲート信号４６を、マル
チバイブレータ等で構成されたゲート信号発生回路５６
が形成する。

【００５０】群速度Ｖｇに関わる群遅延時間ｔｇを検出
するためには、先に述べたようにエンベロープのピー
ク、もしくは変曲点等を検出すれば良いが、本実施例の
場合、エンベロープの最初の変曲点（後述する信号４３
の立ち下がりゼロクロス点）を検出している。そこでエ
ンベロープ検出回路５２で出力された信号４５はエンベ
ロープ変曲点検出回路に入力され、エンベロープの２回
微分波形４３を得る。この微分波形信号４３は前述のゲ
ート信号４６との比較結果により、マルチバイブレータ
等から構成されたｔｇ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であるｔｇ信号４９
が形成され、演算制御回路１に入力される。

【００５１】一方、位相速度Ｖｐに関わる位相遅延時間
ｔｐについて説明すると、５７は位相遅延時間ｔｐを検
出するためのゼロクロスコンパレータ、マルチバイブレ
ータ等で構成されたｔｐ信号検出回路であり、ゲート信
号４６が開いている間の位相信号４４の最初の立ち上が
りのゼロクロス点を検出し、位相遅延時間ｔｐの信号４
７が演算制御回路１に供給されることになる。

【００５２】以上の説明はセンサ１個に対するものであ
ったが、他の振動センサにも同じ回路が設けられてもか
まわないし、アナログスイッチ等を用いてセンサを時分
割で選択し、回路の共有化を行っても良いことは言うま
でもない。

【００５３】＜振動ペンとセンサ間の距離算出の説明
（図６）＞このようにして得られた群遅延時間ｔｇと位
相遅延時間ｔｐとから振動ペンと各センサまでの距離を
それぞれ算出する方法について説明する。図６は本実施
例により得られる群遅延時間ｔｇ、位相遅延時間ｔｐと
ペン−センサ間距離Ｌの関係をそれぞれ模式的に示した
ものである。本実施例では、検出波として板波を用いる
ので、群遅延時間ｔｇは線形性が良いとは言えない。従
って、振動ペン３及び振動センサ６ａの間の距離Ｌを
（１）式に示されるように群遅延時間ｔｇと群速度Ｖｐ
の積として求めた場合、精度良く距離Ｌを求めることが
できない。

【００５４】 Ｌ＝Ｖｇ・ｔｇ …（１） そこで、より高精度な座標決定をするために、線形性の
優れる位相遅延時間ｔｐに基づき（２）式により演算処
理を行なう。

【００５５】 Ｌ＝Ｖｐ・ｔｐ＋ｎ・λｐ …（２） ここで、λｐは弾性波の波長、ｎは整数である。つまり
（２）式、右辺第１項は、図６に於て距離Ｌ０を示すも
のであり、求めたい距離Ｌと距離Ｌ０の差は図から明ら
かなように波長の整数倍（時間軸上で段階の幅Ｔ＊は、
信号波形４４の１周期、従ってＴ＊＝１／周波数、また
距離で表せば段階の幅は波長λｐ）となっている。従っ
て整数ｎを求めることによって精度良くペン−センサ間
距離Ｌを正確に求めることができる。そこで、前述の
（１）式と（２）式から上記の整数ｎは、（３）式によ
り求めることができる。

【００５６】 ｎ＝［（Ｖｇ・ｔｇ−Ｖｐ・ｔｐ）／λｐ＋１／Ｎ］ …（３） ここで、Ｎは“０”以外の実数であり、適当な値を用い
る。例えば、Ｎ＝２とすれば、群遅延時間ｔｇの線形性
が良くなくても、その発生誤差が±１／２波長以内であ
れば、ｎを正確に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
及び振動センサ６ａ間の距離Ｌを精度良く測定すること
ができる。

【００５７】この式は振動センサ６ａの一つに関するも
のであるが、同じ式により他の３つの振動センサ６ｂ〜
６ｄと振動ペン３の距離も同様にして得ることができ
る。

【００５８】＜回路遅延時間補正の説明＞前記ラッチ回
路によってラッチされた振動伝達時間は、位相回路遅延
時間ｅｔｐおよび群回路遅延時間ｅｔｇ（図６参照、ま
たこれらの時間は回路遅延時間の他に振動ペン３のペン
５中を振動が伝播する時間等をも含む）を含んでいる。
これらにより生じる誤差は、振動ペン３から振動伝達板
８、振動センサ６ａ〜６ｄへと行なわれる振動伝達の際
に必ず同じ量が含まれる。

【００５９】そこで、例えば、図７の原点Ｏの位置か
ら、例えば振動センサ６ａまでの距離をＲａ（＝ｓｑｒ
｛（Ｘ／２）2 ＋（Ｙ／２）2 ｝、図７参照）とし、原
点Ｏにて振動ペン３で入力を行ない実測された原点Ｏか
らセンサ６ａまでの実測される振動伝達時間をｔｇ０
＊、ｔｐ０＊、また原点Ｏからセンサまで伝播体上を波
が実際伝播するのにかかる伝達時間をｔｇ０，ｔｐ０と
すれば、 ｔｇ０＊＝ｔｇ０＋ｅｔｇ …（４） ｔｐ０＊＝ｔｐ０＋ｅｔｐ …（５） の関係がある。

【００６０】一方、任意の入力点Ｐ点での実測値ｔｇ
＊，ｔｐ＊は同様に、 ｔｇ＊＝ｔｇ＋ｅｔｇ …（６） ｔｐ＊＝ｔｐ＋ｅｔｐ …（７） となる。この時（４）式と（６）式、（５）式と（７）
式の差を各々求めると、 ｔｇ＊−ｔｇ０＊＝（ｔｇ＋ｅｔｇ）−（ｔｇ０＋ｅｔｇ）＝ｔｇ−ｔｇ０ …（８） ｔｐ＊−ｔｐ０＊＝（ｔｐ＋ｅｔｐ）−（ｔｐ０＋ｅｔｐ）＝ｔｐ−ｔｐ０ …（９） となり、各伝達時間に含まれる位相回路遅延時間ｅｔｐ
および群回路遅延時間ｅｔｇが除去され、原点Ｏの位置
から入力点Ｐの間のセンサ６ａ位置を点とする距離に応
じた真の伝達遅延時間の差を求めることができ、前記
（１），（２），（３）式を用いればその距離差を求め
ることができる。つまり、 ｔｇ＝ｔｇ＊−ｔｇ０＊ …（１０） ｔｐ＝ｔｐ＊−ｔｐ０＊ …（１１） として（１），（２），（３）式を用いて距離を計算
し、その値に振動センサ６ａから原点Ｏまでの距離Ｒａ
を加えることで、振動入力ペン３と振動センサ６ａまで
の距離を正確に求めることができる。

【００６１】従って、振動センサ６ａから原点Ｏまでの
距離はあらかじめ不揮発性メモリ等に記憶してあり既知
であるので、振動ペン３と振動センサ６ａ間の距離を決
定できる。他のセンサ６ｂ〜６ｄについても同様求める
ことができる。

【００６２】上記、原点Ｏにおける実測値ｔｇ０＊及び
ｔｐ０＊、およびセンサから原点Ｏまでの距離Ｒａ〜Ｒ
ｄ（本実施例の場合、Ｒａ＝Ｒｂ＝Ｒｃ＝Ｒｄ）は、出
荷時等に不揮発性メモリに記憶され、前述した（１），
（２），（３）式の計算の前に（８），（９）式が実行
され精度の高い測定ができる。

【００６３】＜座標位置算出の説明（図７）＞次に実際
の振動ペン３による振動伝達板８上の座標位置検出の原
理を説明する。今、図７に示されるように、振動伝達板
８上の４隅に４つの振動センサ６ａ〜６ｄを符号Ｓ１〜
Ｓ４の位置に設けると、先に説明した原理に基づいて、
振動ペン３の位置Ｐから各々の振動センサ６ａ〜６ｄの
位置までの直線距離ｄａ〜ｄｄを求めることができる。
更に演算制御回路１でこの直線距離ｄａ〜ｄｄに基づ
き、振動ペン３の位置Ｐの座標（ｘ，ｙ）を三平方の定
理から次式のようにして求めることができる。

【００６４】 ｘ＝（ｄａ＋ｄｂ）・（ｄａ−ｄｂ）／２Ｘ …（１２） ｙ＝（ｄａ＋ｄｃ）・（ｄａ−ｄｃ）／２Ｙ …（１３） ここでＸ，Ｙはそれぞれ振動センサ６ａ，６ｂ間の距
離、振動センサ６ｃ，６ｄ間の距離であり、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。

【００６５】また、上記計算では３つのセンサまでの距
離情報を用いて計算しているが、本実施例では４個のセ
ンサが設置されており、残りのセンサ１個の距離情報を
用いて出力座標の確からしさの検証に用いている。もち
ろん、例えば最もペン−センサ間距離Ｌが大きくなった
センサの距離情報（距離Ｌが大きくなるので検出信号レ
ベルが低下しノイズの影響を受ける確立が大きくなる）
を用いず残りのセンサ３個で座標を算出しても良い。ま
た、本実施例では４個のセンサを配置し、３個のセンサ
で座標を算出しているが、幾何学的には２個以上のセン
サで座標算出が可能であり、製品スペックに応じてセン
サの個数が設定されることは言うまでもない。

【００６６】＜第２の実施例の説明＞図９は第２の実施
例を示す図で、そのセンサの配置について説明する図で
ある。図において、６は振動検出手段である圧電振動子
（圧電センサ）であり、本実施例では角柱状で、図示さ
れるように圧電素子の分極方向に平行な一つの面（圧電
素子の電極面に直角な面）が、座標入力面である振動伝
達板８に接着等により固定、配置されている。また先の
実施例同様、７は防振材、８は振動伝達板である。

【００６７】本実施例の場合、図９（Ａ），（Ｂ）に示
されるように接着される素子の面は、略正方形状となっ
ている。こうすることで、座標入力装置が検出する座標
の分解能を向上させることができる。つまり、振動入力
ペン３は、符号Ａで示される領域内で任意の点を指示す
ることになるので、センサに対して入力された振動が一
定方向から必ず到達するわけではない。従って、方向の
差によって生じる伝達遅延時間の誤差をできる限り小さ
くできるようにしたものである（この方向の差は指向性
と呼ばれるものであり、通常円柱形の圧電素子を用い
て、その方向性を除去するが、本願の目的では円柱形状
の素子を使用することができなので、後述するよう素子
の形状を小さく、しかも接着面を正方形状とすることで
その影響を極力小さくしている）。

【００６８】既に説明したように、効率良く振動を検出
するためには素子の形状的な制約がある。特に図９
（Ｂ）のような略立方形状の圧電素子は、縦効果に関わ
る縦方向の共振周波数と、横効果に関わる横方向の共振
周波数が略等しくなり、従来非常に効率の悪い圧電素子
とされていた。しかしながら、この素子を用いて、分極
方向に平行な面を振動伝達板に接着、固定して実験を行
ったところ、十分な出力信号が得られた。

【００６９】具体的に数値で示すと、まず実験条件とし
て、振動伝達板８に化学強化を行ったクラウンガラスを
用い、その厚みを１．３５mmとした。また入力ペン３か
ら発振される振動の周波数を５００ＫＨｚとし、センサ
６の種類による出力レベルの比較を行った。図１０は比
較を行ったセンサの具体的な形状を示すものである。図
１０（Ａ）は圧電素子の従来形状である径方向振動子１
５であり、電極面の一方が振動伝達板８に接着固定され
ている。一方の電極はリード線を直接素子にハンダ付け
することにより導通が得られているが、もう一方の電極
は振動伝達板８に導電性インクで導電パターン１６を形
成し、リード線と導電パターンを結ぶことによって得ら
れている。導電性インクは、具体的には藤倉化成株式会
社製ドウタイトＦＣ−４０３であり、その膜厚は３０ミ
クロンメータ程度である。

【００７０】一方、図１０（Ｂ）で示されるセンサは、
本願発明の具体的な形状を示すものであり、一辺が１．
５mmの立方形状の圧電素子である。この場合、分極方向
に平行な面が振動伝達板８に接着，固定され、電極面が
振動伝達板８に対して垂直となっているので、電極取り
出しが容易で従来例のような例えば導電性パターン１６
は必要が無い。

【００７１】さて、このような構成で実際に得られる信
号レベルについて比較してみると（条件としてセンサ、
電極取り出し方法が異なるのみで、その他の例えば振動
入力等は同一）、本願発明のセンサは図１０（Ａ）の従
来センサと比較して、８０〜１００％程度の信号レベル
が得られた。図１２はその時、本願発明のセンサで得ら
れる信号波形を示すもので、振動ペン３を駆動している
信号４１と検出信号波形４２が示されている。この時検
出される信号より求められた振動伝達板８中を伝わる波
の音速から（波の遅延時間と距離の関係（図６）より得
られる）、検出されている信号は板波の非対称基本モー
ドであると断定され、本願が目的とするところの板波を
利用した座標入力装置の振動検出手段として採用するこ
とが可能であることが実験的に検証された。つまり圧電
センサをこのように配置することで、被測定物中を伝播
する板波を、十分なレベルで検出することが示さている
ことになる。

【００７２】さて、この時の板波の位相速度Ｖｐは約２
２００ｍ／ｓｅｃであり、周波数が５００ＫＨｚである
から音波の波長λｐは約４．４mmとなる。座標入力装置
の検出分解能を向上させるためにセンサの形状は、波長
λｐ（＝４．４mm）に対して十分小さく設定しなければ
ならないが、センサ形状があまりにも小さくなると組立
性の他、素子の制作上の問題も発生するので、本実施例
のセンサは一辺が約１．５mmの立方形状とし、検討の結
果、この素子を用いても十分な分解能が得られることが
確認された。

【００７３】さて検出信号レベルが素子の固定状態で変
化しないように結果が得られたが、この利用として次の
点が考えられる。

【００７４】図１０（Ａ）の従来例では振動伝達板８と
径方向振動子１５の間には導電性の印刷パターン１６が
配置されており、振動の伝達を考慮すれば、金属，ガラ
ス等に比べて効率の悪い材料（音波の減衰が大きい材
料）と言える。従って、音波が印刷パターンを通過する
際減衰してしまい、十分なエネルギーが径方向振動子１
５に到達しないことが予測される。つまり、センサとし
て効率の良い径方向振動子を選定したといても、電極取
り出しのための手段で損失を発生しているので、効率良
く振動を検出しているとは言えず、たとえそれより多少
効率の悪い本願のセンサ配置を実施しても前述のような
損失を発生させることなく装置を構成することができる
ので、ほぼ同等の信号出力レベルが得られたものと判断
される。

【００７５】＜第３の実施例の説明＞図１１は本発明の
第３の実施例のセンサの配置について説明する図であ
る。

【００７６】図において、６は振動検出手段である圧電
振動子（圧電センサ）であり、本実施例では角柱状で、
図示されるように圧電素子の分極方向に平行な一つの面
（圧電素子の電極面に直角な面）が、座標入力面である
振動伝達板８の端面に接着等により固定，配置されてい
る。本実施例の場合も、図１１（Ａ），（Ｂ）に示され
るように接着される素子の面は、座標入力装置が出力す
る座標の分解能を向上させるために略正方形状となって
いる他、正方形形状の一辺の長さは、振動伝達板８の厚
みと等しく設定されているが、もちろんそれ以下であっ
ても、それ以上であっても良いことは言うまでもない。
つまり、検出すべき波の波長に比べて十分小さいと判断
されれば、その数値について特に限定するものではな
い。

【００７７】また図示されるように振動検出手段である
圧電振動子を振動伝達板８の端面に配置することで、座
標入力装置全体の厚みを小さくすることができ、例えば
携帯性に優れたペン入力コンピュータ等を構成すること
ができる。つまり座標入力装置の下側にディスプレイ等
の出力装置を配置した場合、振動検出手段が座標入力面
と反対側（板の反対側という意味）に配置される構成で
はセンサを収納するためのスペースが必要となり、この
結果入力面と出力装置のギャップが大きくなり、実際の
入力点と表示点の位置が操作者の目の位置によって異な
るという欠点を生じ、操作性の悪い装置となる。同様
に、この問題（入力面と出力装置のギャップが大きくな
るという問題）を避けるために出力装置の外側にセンサ
を配置した場合には、出力装置の大きさに比べて入力装
置の大きさが大きくなるという欠点が生じ、携帯性に劣
る装置となる。逆にこれらの問題を避けるために入力面
と同一面にセンサを配置した場合には、センサを保護す
る上ケース等が必要となり、その結果、入力面に対して
ケースの高さが高くなり、入力しずらい入力装置となっ
てしまう。これらの問題を解決するために、振動伝達板
８の端面にセンサを配置し、しかも分極方向と平行な面
を振動伝達板８に接着することで、センサとの電気的な
導通を容易にし、低コストで操作性の良い座標入力装置
を構成できるようにした。

【００７８】以上説明したように本実施例によれば、角
柱状の圧電素子を用い、前述圧電素子の分極方向に平行
な面が被測定物に接着，固定されるようにすることで、
圧電素子との導通を直接行え、振動を検出することがで
きるようにしたもので、このように構成することで圧電
素子からの電極取り出しが容易となり、低コストで装置
を実現することができる優れた効果が得られる。つまり
圧電素子の電極形状を複雑なものとする必要がなく、ま
た被測定物上に導電層を設けることも必要なく、簡単な
構成で、被測定物中を伝播する音波、特に板波を十分な
感度で検出することができるようになった。

【００７９】この圧電センサを座標入力装置に用いるこ
とによって更に次のような効果も得られるようになっ
た。

【００８０】振動検出手段として、前述の角柱状の圧電
素子を用い、前述圧電素子の分極方向に平行な面が座標
入力面である振動伝達板に接着，固定されるようにする
ことで、圧電素子との導通を直接行い、振動を検出する
ことができるようにしたもので、このように構成するこ
とで圧電素子からの電極取り出しが容易となり、低コス
トで装置を実現することができる優れた効果が得られ
る。しかも縦方向または厚み方向圧電素子の、分極方向
に平行な面の少なくとも対向する一対の面を略正方形状
することによって、座標入力装置の座標算出精度を低下
させることなく、高精度な座標算出が行えるようになっ
た。

【００８１】また電極の取り出しを振動伝達板に垂直な
面で行えるので、センサ部分の装置の厚みはセンサの形
状によって決り、電極取り出しのために厚みが更に増す
と言うことがなく、装置全体を薄くできるという効果も
得られる。

【００８２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の圧電センサ
は、格別な被測定物に格別な構成を備えることなく、被
測定物を伝播する振動、特に板波弾性波を効率良く検出
することを可能にし、被測定物を含む装置の厚みを小さ
くでき、且つ低コストで製造することがが可能になる。

【００８３】また、本発明の座標入力装置によれば、座
標入力板に格別な細工をしなくても、伝播してくる振
動、特に板波を効率良く検出すると共に、装置の厚みを
小さでき、低コストで且つ高精度に座標を検出すること
が可能になる。

【００８４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を最も良く現す状態説明図である。

【図２】座標入力装置のブロック構成図である。

【図３】実施例に於る演算制御回路の内部構成図であ
る。

【図４】信号処理のタイムチャートである。

【図５】信号検出回路のブロック図である。

【図６】ペン−センサ間距離と遅延時間の関係を示す図
である。

【図７】座標算出の説明図である。

【図８】一般的な圧電素子の形状について説明する説明
図である。

【図９】第２の実施例を示す説明図である。

【図１０】従来素子との比較図である。

【図１１】第３の実施例を示す説明図である。

【図１２】第２の実施例により実際に得られる検出信号
波形である。

【符号の説明】

１ 演算制御回路 ２ 振動子駆動回路 ３ 振動入力ペン ４ 振動子 ５ ペン先 ６ａ〜６ｄ 振動センサ ７ 防振材 ８ 振動伝達板 ９ 信号波形検出回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 肇 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 時岡 正樹 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 吉村 雄一郎 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−237713（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−298012（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06F 3/03 G01H 11/08

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物に固定され、前記被測定物を伝
   播する板波振動を検出する圧電センサであって、 角柱形状であり、 電極面にほぼ垂直な面を前記被測定物への固定面とする
   ことを特徴とする圧電センサ。
2. 【請求項２】 前記固定面の形状は、略正方形であるこ
   とを特徴とする請求項第１項に記載の圧電センサ。
3. 【請求項３】 振動伝達板と、座標位置を指示するため
   前記振動伝達板上に接触させる振動発生手段と、前記振
   動伝達板の所定位置に固定された複数の圧電センサと、
   前記振動伝達板を伝播してくる振動を前記圧電センサで
   検出し、検出した振動伝播遅延時間に基づいて前記振動
   発生手段による指示位置を導出する座標入力装置におい
   て、 前記圧電センサは、 角柱形状であり、 電極面にほぼ垂直な面を前記被測定物への固定面とする
   ことを特徴とする座標入力装置。
4. 【請求項４】 前記固定面の形状は、略正方形であるこ
   とを特徴とする請求項第３項に記載の座標入力装置。
5. 【請求項５】 前記圧電センサは、縦方向振動素子であ
   ることを特徴とする請求項第３項に記載の座標入力装
   置。