JP3258433B2

JP3258433B2 - 振動検出装置

Info

Publication number: JP3258433B2
Application number: JP10664293A
Authority: JP
Inventors: 克行小林; 雄一郎吉村; 亮三柳沢; 淳田中; 肇佐藤; 正樹時岡
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-05-07
Filing date: 1993-05-07
Publication date: 2002-02-18
Anticipated expiration: 2017-02-18
Also published as: JPH06318130A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動を検出する振動検
出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電素子を振動センサとして用い
て被測定物を伝播する所定周波数の音波を効率良く検出
する振動検出装置では、センサの形状によって決定され
る機械的な共振を利用する方法が行われてきた。つまり
被測定物中を伝播する音波の振動モード、周波数によ
り、振動センサの形状が決定されていた。

【０００３】

【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あった。

【０００４】図９（ａ），（ｂ）に示すように振動セン
サとして円柱形の縦方向振動圧電素子を用いた場合、所
定の周波数の音波を効率良く検出するためには、前述の
圧電素子が所定周波数で軸方向に共振するように圧電素
子の縦方向長さが決定される。つまり共振を利用する場
合、扱う音波の周波数が決まれば、圧電素子の縦方向長
さも一義的に決定される。この様な場合において、取り
扱う波の周波数が低くなると圧電素子の縦方向長さが大
きくなり、このセンサを用いた装置全体の大きさが大き
くなるという欠点があった。また逆に取り扱う周波数が
高くなると、それに従って圧電素子の縦方向長さがだん
だんと小さくなり、圧電素子の直径に段々近づくことに
なる。この様な状態となると、素子の径方向振動モード
が無視できなくなり、素子のモード結合等が起こる。従
って所望の周波数の音波を検出するために素子の縦方向
長さを決定しても、この様な状態では縦方向に振動しに
くく、検出効率が大きく低下するという欠点が生じる。
従って圧電素子の径に対して縦方向の長さを十分に大き
く設定することが必要であり、圧電素子の径が決定され
ている（例えば圧電素子の製造上の問題で、ある値以下
に径を細くすることができない等）ならば、取り扱う音
波の使用周波数に制限が生じると言う欠点があった。

【０００５】さて本願出願人による先願である特願昭６
１−１４９７４２及び特願昭６１−２４５４７４に示さ
れているように、入力面である板中を伝播する波の伝播
時間を計測することによって、振動発生源である入力ペ
ンの位置座標を検出する座標入力装置が知られている。
音波を検出するセンサは、圧電素子で構成されており、
圧電素子の共振を利用して所定周波数の音波を検出する
のが最も効率的である。被測定物である入力面は板状で
あり、図９（ａ）の状態で振動を検出している。この座
標入力装置は、例えば携帯性に優れた手書きによるコン
ピュータ（ペン入力コンピュータ）には、必要不可欠な
構成要素であり、装置の外形、厚みを出来るだけ小さく
することが要求される。従って厚みを小さくするために
は、圧電センサの縦方向長さを小さく、つまり取り扱う
音波の周波数を高くする必要がある。

【０００６】ここで周波数を高くした場合、この様な装
置で発生する弊害について考えてみる。板の厚みに対し
て伝播する波の波長が十分おおきければ、板中を伝播す
る波は、周波数を高くすると、より音速が早くなる性質
を持つ（板波の特性）。従って時間を計測するカウンタ
の分解能が同じであれば、そのカウンタで計測された時
間と波の音速の積で算出される距離の分解能は、波の音
速が遅ければ遅いほど距離分解能が向上する。逆に言う
と、距離分解能を一定に保つためには、周波数の高い波
を扱えば扱うほど、時間を計測するカウンタの分解能を
向上させなければらなない。具体的には例えば、入力面
である板の厚みを１．３ｍｍとし、ガラスで構成した場
合、周波数２５０ＫＨ_Z の板波の音速（位相速度）は約
１６５０ｍ／ｓｅｃである。距離分解能を０．０５ｍｍ
と設定した場合、カウンタの時間分解能は約３０ｎｓｅ
ｃ（ナノ秒，周波数に換算して約３３ＭＨ_Z 相当）であ
る。この時、周波数２５０ＫＨ_Z の縦方向圧電素子の軸
方向長さは約６ｍｍ（圧電素子の機械的物性、例えば質
量密度等によって長さは異なるが、長さ６ｍｍは（株）
ＴＯＫＩＮ製、Ｎ６材による）であり、センサの配置さ
れている部分の厚みが極端に厚くなる。これを避けるた
めに圧電素子の軸方向長さを小さくすれば、伝播する波
の周波数を高くする必要があり、結果的には先に述べた
板中を伝播する波の音速が速くなる。このため距離分解
能を満足するためにカウンタの分解能を音速に応じて高
くする必要があり、コストが非常に高くなるという欠点
を有する。

【０００７】また板波音速の特性上、波の高周波化に伴
い、板の厚みを減ずることで音速の高速化を防止する方
法も考えられる。しかしながら入力面である板を薄くす
ることによる機械的強度の低下を招き、特に前述のペン
入力コンピュータに応用した場合等、入力面がガラスで
ある場合、その操作環境等安全性を考慮すれば、入力面
であるガラスの薄形化には限界がある。

【０００８】本発明は上記従来例に鑑みて成されたもの
で、安価で小型でありながら高い距離分解能を有する振
動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】及び

【作用】上記目的を達成するために、本発明の振動検出
手段は次のような構成からなる。

【００１０】被測定物を伝播する振動を検出する振動検
出装置であって、肉厚に対して十分径が大きく、肉厚方
向に分極された円板状の圧電素子と、前記圧電素子を、
前記被測定物に固定する固定手段とを有し、前記固定手
段は、前記圧電素子との接合部の形状が略円形状であり
かつ前記圧電素子と対称軸が略同一軸上になるよう配置
され、前記接合部の径が、前記圧電素子の軸対称たわみ
モードの共振周波数が所望の周波数と一致するよう設定
されている。

【００１１】また好ましくは、前記固定手段は、前記圧
電素子の一方の電極となる。

【００１２】また好ましくは、前記固定手段は、前記圧
電素子の径よりも小さい径を有する円板状、或は円柱状
の中間部材を前記被測定物と前記圧電素子間に介在させ
接着することにより形成される。

【００１３】

【実施例】以下図面に基づき，本発明の実施例である座
標入力装置を詳細に説明する。

【００１４】＜振動センサの構成＞図１（ａ）は、圧電
センサ６ａを被測定物である振動伝達板８に固定した状
態を示すものである。図において、２０は本実施例で用
いたところの固定手段である導電性接着層であり、振動
伝達板が例えばアルミニウム等の導電性部材であれば、
板バネ（不図示）の圧接により振動伝達板８から圧電セ
ンサ６ａの一方の電極を取り出している。また振動伝達
板がガラス等の絶縁体の部材で構成されている場合に
は、例えばガラス面上に導電性インクによる印刷、もし
くは蒸着等により導電膜を設け、前述の方法等により圧
電センサ６ａの一方の電極を取り出している。

【００１５】２１はもう一方の電極取り出しのための板
バネで、素子と圧接することで電気的な導通を得てい
る。接着層２０は圧電センサ６ａの中心軸に対して軸対
称に設けられている。また板バネ２１と圧電センサ６ａ
の接触点は、圧電素子の軸に対して対称に位置するよう
に配置されており、板バネ側に球状の凸部が設けられて
いる。本実施例で用いた圧電センサの形状は厚み（ｔ）
が０．５ｍｍであり、その直径（ｄ）は２ｍｍである。
一般的には本実施例で用いた圧電素子のように肉厚に対
して径が十分に大きく、肉厚方向に分極された圧電素子
は径方向振動子と呼ばれる（本実施例で用いた圧電素子
の径方向振動の共振周波数は９７０ＫＨ_Zである）。こ
の圧電素子を本実施例に示すように軸対称で固定、接着
すると、その振動モード、及びその共振周波数は変化す
る。

【００１６】図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、
この様子を数値解析（軸対称モードのみの解析）によっ
て調べたものである。図２（ａ）は、厚み０．５ｍｍ、
直径２．０ｍｍの圧電素子が固定されていない場合の径
方向の振動モードの数値解である。数値解として得られ
た共振周波数は９６２ＫＨｚであり、圧電素子の共振周
波数の設計値、実測値（９７０ＫＨｚ）と良く一致して
いることから、解析結果の妥当性を示すものである。

【００１７】図２（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、図１に示
す状態を再現するために拘束点を変化（図１における固
定手段の径を変化させた状態を解析）させ、その時の軸
対称１次共振の振動モードを示したものである。

【００１８】図２（ｂ）は圧電素子の直径２ｍｍに対し
て固定手段の直径を０．８ｍｍとした場合の共振モード
であり、その時の共振周波数は約３２４ＫＨ_Z であっ
た。同様に図２（ｃ）は、固定手段の径を１．２ｍｍと
した場合の結果であり、その共振周波数は５０８ＫＨ_Z
であった。また図２（ｄ）は、固定手段の直径を１．６
ｍｍとした場合の結果であり、その共振周波数は８３２
ＫＨ_Z であった。いずれの場合においても、肉厚に対し
て径の大きな圧電素子を本実施例に示すように接着する
と、軸対称１次共振モードは軸対称なたわみモードとな
ることが示され、それを模式的に示すと図１（ｂ）のよ
うになる。この時、このモードの共振周波数を検出すべ
き波の周波数とすることで、効率よく信号を検出するこ
とができるはずである。事実、振動伝達板上を伝播する
波の周波数を５００ＫＨ_Z とした場合、前述の圧電素子
を用いて出力レベルを測定すると、固定手段である接着
材の直径が１．２ｍｍ前後となると、最も効率良く波を
検出することができるようになった。

【００１９】さて、取り扱う所定の波に周波数を５００
ＫＨｚとし、縦方向振動子を用いて波を検出する場合、
その縦方向振動子の軸方向長さは、前述の径方向振動子
と同一材で約３ｍｍ程度となり、前述の径方向振動子と
比べて約２．５ｍｍも素子の高さが大きくなる。このこ
とは、これらの圧電センサを用いて装置を構成した場
合、その装置が大きくなることを意味し、特に後述する
座標入力装置に応用した場合など、圧電センサの厚みだ
けで２．５ｍｍの差が生じるのは、その装置の製品展開
等を考慮すると、大きな欠点となることは明らかであ
る。

【００２０】解析からも明らかなように、利用している
共振の振動モードは、軸対称な振動モードであり、この
様な振動を得るために機械的には軸対称な構成となって
いなければならない。従って、接着層２０は、圧電素子
の軸に対して軸対称に設けられていなければならない。
また先に述べた様に座標入力装置等に応用する場合、つ
まり図９（ａ）に示す様な構成で被測定物上を伝藩する
波を検出する場合には、被測定物上を伝藩する所定周波
数の波の波長に比べて、接着層の直径を十分小さくする
事で、被測定物中を伝藩する波の中で圧電素子の軸方向
に平行な振動成分を、この電圧センサによって効率よく
検出する事が可能となる。

【００２１】上記解析及び実験で得られた結果は、先に
述べている様に厚さ０．５ｍｍ、直径２ｍｍの圧電素子
での結果ではあるが、共振を利用している事から特に外
形寸法等について規定するものでない。つまり肉厚に対
して十分外形の大きな素子を用い、検出すべき波の周波
数に素子の軸対称たわみモードの共振周波数を一致させ
る様に素子の外形及び固定手段の直径をそれぞれ設定す
る事で、効率よく振動を検出できることを示すものであ
る。

【００２２】さて再び図１に戻って説明すると、接着層
２０は以上説明した様にその直径を管理されていなけれ
ばならない。またその接着層２０の厚みは、圧電素子が
軸対称たわみモードで振動した場合に、圧電素子の外周
部が振動により被測定物である振動伝達板８に接触しな
い様に十分な厚みが必要となる。一般的には素子の振動
振幅は検出すべき波の振動振幅にもよるが非常に小さい
ものであり、接着層の厚みは数μ程度あれば十分な場合
が多いが、用途によっては素子の振動振幅が大きくなる
場合もある。従ってそのような場合は、図１（ｃ）に示
す様な部材を挟み込んで、圧電素子６ａと振動伝達板８
間のギャップを作りだしても構わない。このギャップを
作りだすスペーサ２２は、接着層２３及び２４により圧
電素子６ａと振動伝達板８とによって挟み込まれた状態
で、かつ圧電素子の軸に対して対称に固定され、さらに
はスペーサ２２の直径が前述の接着層２０と同一の直径
（圧電素子の軸対称たわみモードの共振周波数が、検出
すべき波の周波数と一致する様に設定されている）とな
る様に固定されている。

【００２３】＜座標入力装置の構成＞図３は本実施例に
おける圧電センサを実際に応用した座標入力装置の構造
を示している。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、振動ペン３内のペン先を振動させるも
のである。８はアクリルやガラス板等、透明部材からな
る振動伝達板であり、振動ペン３による座標入力は、こ
の振動伝達板８上をタッチすることで行う。つまり、図
に示す有効（入力）エリア内を振動ペン３で指定する事
で、振動ペン３で発生した振動が振動伝達板８に入射さ
れ、入射されたこの振動を計測、処理をすることで振動
ペン３の位置座標を算出することができるようにしたも
のである。

【００２４】後で述べる振動センサ６の近傍の振動伝達
板領域の外周側に、伝播してきた波が振動伝達板８の端
面で反射し、その反射波が中央部に戻るのを防止する
（減衰させる）ために、防振材７を図１に示すように装
着する。

【００２５】図３に示すように、振動伝達板８の四隅部
分の防振材７近傍に圧電素子等、機械的振動を電気信号
に変換する振動センサ６ａ〜６ｄが、前述のごとく固定
されている。振動センサ６ａ〜６ｄは圧電素子からなる
センサであり、本実施例では、その直径は２．０ｍｍ、
厚さは０．５ｍｍで、その中央を軸対象に直径１．２ｍ
ｍにわたって振動伝達板８に接着されている。すなわ
ち、各センサは図２（ｃ）の状態となっている。９は各
振動センサ６ａ〜６ｄで振動を検出した信号を演算制御
回路１に出力する信号波形検出回路である。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されている。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
れらた位置にドットを表示し、それを振動伝達板８（透
明部材からなる）を透かしてみる事が可能になってい
る。

【００２６】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の駆動振動
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。電気的な駆動信号は振
動子４によって機械的な振動に変換され、ペン先５を介
して振動伝達板８に伝達される。

【００２７】ここで振動子４の始動周波数はガラス等の
振動伝達板８に板波を発生する事ができる値に選択され
る。また、第４図に示すように振動子駆動の際、その振
動子の振動方向は振動伝達板８に対して垂直方向に振動
するモードが選択される。また、振動子４の駆動周波数
をペン先５を含んだ全体の系の共振周波数とする事で効
率の良い振動変換が可能であり、本実施例の場合、前述
の共振周波数を５００ＫＨｚに設定している。そして周
波数５００ＫＨｚのパルス信号（後述するが図６，駆動
信号４１に示される）で振動子を駆動する事により、周
波数５００ＫＨｚの振動がペン先５より振動伝達板８に
効率よく入射される。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となり、表面波などに比して振
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。このような構成で振動伝達板８に伝達
された５００ＫＨｚの振動は、センサ６により検出され
る。前述のように、センサ６はその共振周波数が５００
ＫＨｚ（数値解では５０８ＫＨｚ）付近にあるように取
りつけられているため、振動伝達板８の振動を効率良く
検出することができる。

【００２８】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、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（カウントで構成されている）によ
る計時を開始させる。そして、振動ペン３により発生し
た振動は振動伝達板８上を伝藩し、振動センサ６ａ〜６
ｄまでの距離に応じて遅延して到達する。

【００２９】信号波形検出回路９は各振動センサ６ａ〜
６ｄからの振動を検出して、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。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、
パラレル通信によって外部機器に座標出力を行う（不図
示）。

【００３０】第５図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。

【００３１】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
カウンタ、操作手順を記憶したＲＯＭ、そして計算など
に使用するＲＡＭ、定数等を記憶する不揮発性メモリな
ど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、計時介
しとセンサによる振動検出の同期が取られ、センサ（６
ａ〜６ｄ）により振動が検出されるまでの遅延時間が測
定できる事になる。

【００３２】その他各構成要素となる回路は順を追って
説明する。

【００３３】信号波形検出回路９に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〜３
４ｄ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事を判定回路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
を出力する事により、例えばディスプレイ１１の対応す
る位置にドットなどを表示する事ができる。あるいはＩ
／Ｏポート３７を介しインターフェース回路に、座標位
置情報を出力する事によって、外部機器に座標値を出力
する事ができる。

【００３４】ここで、振動源から振動センサ６ａ〜６ｄ
までの振動到達時間を計測する原理について説明する。

【００３５】図６は、信号波形検出回路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
について説明するが、その他の振動センサ６ｂ、６ｃ、
６ｄについても全く同じである。振動センサ６ａへの振
動伝達時間の計測は、振動駆動回路２へのスタート信号
の出力と同時に開始する事は既に説明した。この時、振
動子の駆動回路２から振動子４へは、所定周波数、所定
周期のパルス列の駆動信号４１が印加されている。この
信号４１によって、振動ペン３から信号伝達板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ｔｇをかけて進行した後、振動センサ６ａで検出
される。

【００３６】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。この実施例で用いられ
ている振動は板波出あるため信号伝達板８内での伝藩距
離に対して検出波形のエンベローブ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換す
る。ここでエンベローブ４２１の進む速度、即ち、群速
度をＶｇ、そして位相４２２の位相速度をＶｐとする。
この群速度Ｖｇ及び位相速度Ｖｐから振動ペン３と振動
センサ６ａ間の距離を検出することができる。

【００３７】まず、エンベローブ４２１にのみ着目する
と、その速度はＶｇであり、ある特定の波形上の点、例
えば編曲点や図示４３で示す信号の用にピークを検出す
ると、振動ペン３及び振動センサ６ａの間の距離は、そ
の振動伝達時間をｔｇとして、ｄ＝Ｖｇ・ｔｇ …（１）で与えれる。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表わす事ができ
る。しかしながら（１）式で得られた距離ｄは、群速度
Ｖｇ、位相速度がＶｐが異なる板波の固有の性質によ
り、精度良く求めることができず、近似的な値としかな
らない。そこで、より高精度な座標を決定するために、
位相信号の検出に基づく処理を行う。位相波形信号レベ
ル４６後に、移動信号が最初に負から正へと変化するゼ
ロクロス点までの時間をｔｐ４５（信号４７に対し所定
幅の窓信号４４を生成し、位相信号４２２と比較する事
で得る）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。

【００３８】前記（１）式と（２）式から上記の整数ｎ
は、ｎ＝int ［（Ｖｇ・ｔｇ−Ｖｐ・ｔｐ）／λｐ＋１／Ｎ］ …（３）と表わされる。

【００３９】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±１／２波長
以内のｔｇなどの変動であれば、ｎを決定する事ができ
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間の距離を精度良
く測定する事ができる。上述した２つの振動伝達時間ｔ
ｇ及びｔｐの測定のため信号４３及び４５の生成は、信
号波形検出回路９により行われるが、この信号波形検出
回路９は図７に示すように構成される。

【００４０】図７は実施例の信号波形検出回路９の構成
を示すブロック図である。図７に於いて、振動センサ６
ａの出力信号は、前置増幅回路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、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、例
えば、絶対値回路及び、低域通過フィルタなどにより構
成されるエンベローブ検出回路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。エンベローブピ
ークのタイミングは、エンベローブピーク検出回路５３
によって検出される。ピーク検出回路はモノマルチバイ
ブレータなどから構成されたｔｇ信号検出回路５４によ
って所定波形のエンベローブ遅延時間検出信号である信
号ｔｇ（図６信号４３）が形成され、演算制御回路１に
入力される。

【００４１】一方、５５は信号検出回路であり、エンベ
ローブ検出回路５２で検出されたエンベローブ信号４２
１中の所定レベルの閾値信号４６を越える部分のパルス
信号４７を形成する。５６は単安定マルチバイブレータ
であり、パルス信号４７の最初の立ち上がりでトリガさ
れた所定時間幅のゲート信号４４を開く。５７はｔｐコ
ンパレータであり、ゲート信号４４の開いている間の位
相信号４２２の最初の立ち上がりのゼロクロス点を検出
し、位相遅延時間信号ｔｐ４５が演算制御回路１に供給
される事になる。尚以上説明した回路は振動センサ６ａ
に対するものであり、他の振動センサにも同じ回路が設
けられている。

【００４２】前記ラッチ回路によってラッチされた振動
伝達時間は、厳密には前述のペン先５（図４に図示）中
を音波が進む時間やセンサで出力された信号を回路で処
理する時間などを含んでいる。そこで波が振動伝達板８
上を伝藩する時間以外のこれらの遅延時間を固有遅延時
間ｅｔと定義する。また基準となる点における群遅延時
間と位相遅延時間の差を位相オフセット時間ｔｏｆｆと
定義する。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へと行われる振動
伝達の際に必ず同じ量が含まれる。そこで、例えば図８
の原点Ｏの位置を前述の基準点とし、また振動センサ６
ａまでの距離をＲ１（＝Ｘ／２）とした場合、原点Ｏに
て進度ペン３で入力を行い実測されて原点Ｏからセンサ
６ａまでの実測の振動伝藩時間をｔｇｚ’、ｔｐｚ’、
また原点Ｏからセンサまでの真の伝達時間をｔｇｚ、ｔ
ｐｚとすれば、これらは固有の遅延時間ｅｔ及び位相オ
フセットｔｏｆｆに関して、ｔｇｚ’＝ｔｇｚ＋ｅｔ …（４）ｔｐｚ’＝ｔｐｚ＋ｅｔ＋ｔｏｆｆ …（５）の関係がある。

【００４３】一方、任意の入力点Ｐ点での実測値ｔ
ｇ’、ｔｐ’は同様に、ｔｇ’＝ｔｇ＋ｅｔ …（６）ｔｐ’＝ｔｐ＋ｅｔ＋ｔｏｆｆ …（７）となる。この（４）（６）、（５）（７）両者の差を求
めると、 tg'-tgz'=(tg+et)-(tgz+et)=tg-tgz …（８） tp'-tpz'=(tp+et+toff)-(tpz+et+toff)=tp-tpz …（９）となり、各伝達時間に含まれる固有遅延時間ｅｔ及び位
相オフセットｔｏｆｆが除去され、原点Ｏの位置から入
力点Ｐの間のセンサ６ａ位置を起点とする距離に応じた
真の伝達遅延時間の差を求める事ができ、前記（２）
（３）式を用いればその距離差を求めることができる。
振動センサ６ａから原点Ｏまでの距離はあらかじめ不揮
発性メモリなど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についても同様に求める事ができる。上
記、原点Ｏにおける実測値ｔｇｚ’及びｔｐｚ’はあら
かじめ不揮発性メモリに記憶され、（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。

【００４４】次に実際に振動ペン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。

【００４５】今、振動伝達板８上の４角部に４つの振動
センサ６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〜ｄｃを
求める事ができる。本実施例に於いては、この４個の振
動センサ６の内、直角を成す３つの振動センサ６ａ〜６
ｃを選択して演算する手法を説明する。更に演算制御回
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
にして求める事ができる。

【００４６】ｘ＝Ｘ／２＋（ｄａ＋ｄｂ）・（ｄａ−ｄｂ）／２Ｘ …（１０）ｙ＝Ｙ／２＋（ｄａ＋ｄｃ）・（ｄａ−ｄｃ）／２Ｙ …（１１）ここでＸ、Ｙはそれぞれ振動センサＳ２、Ｓ３の位置の
振動センサ６と原点（位置Ｓ１）のセンサのＸ軸、Ｙ軸
に沿った距離である。

【００４７】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。もちろん、この
４個の振動センサ６ａ〜６ｂの内、上記演算に用いる直
角を成す３つの振動センサ６の組み合わせを有効エリア
の領域毎に変えてもよい。

【００４８】以上説明したように本実施例の座標入力装
置によれば、肉厚に対して十分径が大きく、かつ肉厚方
向に分極された円板状の圧電素子と、前述圧電素子の中
心軸に対して軸対称に、かつ圧電素子の径よりも小さな
径で被測定物に圧電素子を固定する手段と、該固定手段
により固定される事で生じる前述圧電素子の軸対称たわ
みモードの周波数が、被測定物を伝藩する所望の音波の
周波数と一致するように前述圧電素子の径と固定手段の
径とがそれぞれ設定されている事で、所定の周波数の振
動を効率よく検出する場合、従来の縦方向振動子比べて
大幅に圧電素子の高さを小さくする事ができ、それを応
用した測定装置などの製品外観形状を小さくする事がで
きると言う優れた効果が得られるようになった。

【００４９】また、このような圧電素子を用いた場合、
素子との電気的な導通を取るための電極手段は、素子の
振動モードに影響を与え易く、量産等を行う場合、性能
を一定に保つために調整等が必要となるが、本発明によ
る圧伝素子の場合、電極手段を前述固定手段の径以下と
し、かつ圧電素子の中心軸に対して軸対称に設定する事
で、圧電センサの振動モードに影響することなく電極を
設定する事ができ、量産性に優れると言う優れた効果も
得られる。

【００５０】更に、このような圧電センサを音波の到達
遅延時間を基に位置座標を算出する座標入力装置に応用
する事で、座標入力装置自身の厚みを極力小さくし、可
搬性に優れ、しかも他の装置、例えば液晶等の出力装置
との組み合わせ（アセンブリ）をも容易することができ
る効果が得られるようになった。

【００５１】尚、本発明は、複数の機器から構成される
システムに適用しても１つの機器から成る装置に適用し
ても良い。また、本発明は、システム或は装置にプログ
ラムを供給することによって達成される場合にも適用で
きることはいうまでもない。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、肉厚に対して十分径が
大きく、肉厚方向に分極された円板状の圧電素子を被測
定物に固定する固定手段が、圧電素子との接合部の形状
が略円形状でありかつ前記圧電素子と対称軸が略同一軸
上になるよう配置され、前記接合部の径が、圧電素子の
軸対称たわみモードの共振周波数が所望の周波数と一致
するよう設定されているので、小型の振動検出装置によ
って所望の周波数の振動を検出することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例による圧電センサの装着状態を説明す
る概略図である。

【図２】固定された圧電センサの振動モードについて説
明する説明図である。

【図３】本実施例の圧電センサを座標入力装置に応用し
た場合の説明図である。

【図４】振動ペンの概略説明図である。

【図５】演算制御回路の構成を示すブロック図である。

【図６】信号処理のタイミングチャートである。

【図７】信号波形検出回路の構成を示すブロック図であ
る。

【図８】座標位置算出のための説明図である。

【図９】従来の振動検出について説明する説明図であ
る。

【符号の説明】

１演算制御回路、２振動子駆動回路、３振動ペン、６センサ、７防振材、８振動伝達板、９信号波形検出回路、２０センサ固定手段、２１板バネ、２２スペーサである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中淳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 (56)参考文献特開平４−22300（ＪＰ，Ａ) 特開平３−125204（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06F 3/03 340 G01H 11/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物を伝播する振動を検出する振動
検出装置であって、肉厚に対して十分径が大きく、肉厚方向に分極された円
板状の圧電素子と、前記圧電素子を、前記被測定物に固定する固定手段とを
有し、前記固定手段は、前記圧電素子との接合部の形状が略円
形状でありかつ前記圧電素子と対称軸が略同一軸上にな
るよう配置され、前記接合部の径が、前記圧電素子の軸
対称たわみモードの共振周波数が所望の周波数と一致す
るよう設定されていることを特徴とする振動検出装置。
【請求項２】前記固定手段は、前記圧電素子の一方の
電極となることを特徴とする請求項１記載の振動検出装
置。
【請求項３】前記固定手段は、前記圧電素子の径より
も小さい径を有する円板状、或は円柱状の中間部材を前
記被測定物と前記圧電素子間に介在させ接着することに
より形成されることを特徴とする請求項１に記載の振動
検出装置。