JPH0682301A

JPH0682301A - 振動検出装置

Info

Publication number: JPH0682301A
Application number: JP23680792A
Authority: JP
Inventors: Masaki Tokioka; 正樹時岡; Kiyoshi Kaneko; 潔兼子; Atsushi Tanaka; 淳田中; Yuichiro Yoshimura; 雄一郎吉村; Katsuyuki Kobayashi; 克行小林; Ryozo Yanagisawa; 亮三柳沢
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-09-04
Filing date: 1992-09-04
Publication date: 1994-03-22

Abstract

(57)【要約】【目的】振動センサによる検出信号へ乗る電磁ノイズを
防止し、簡単な構成で安価な振動検出装置を提供する。【構成】振動センサ６は、振動伝達板１０を伝播する機
械振動を電気信号に変換する。電気信号はフレキシブル
ケーブル８の信号配線層を通してプリアンプ回路入力さ
れ増幅される。導電性膜はフレキシブルケーブル８のシ
グナルグランド層に接続されており、振動センサ６を電
磁シールドして振動センサ６に入り込む電磁ノイズを防
止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動伝搬媒体を伝播す
る振動を検知し、振動の振幅や位相（時間）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】通常、超音波深傷器や医療診断装置、超
音波座標入力装置などの超音波振動を利用した機器にお
いては、振動発生手段から発生した振動が振動伝搬媒質
の所定位置に設けられた振動センサに到達するまでに要
する時間（位相）や振幅を計測し、対象までの距離や形
状、または材質を算出していた。

【０００３】ところで、前記振動センサは、前記振動の
周波数帯で数十〜数百ＫΩ以上の高い純抵抗値を持つも
のが多いために外部からの電磁誘導ノイズを受けやす
く、また検出する信号自体も微弱なため十分な電磁シー
ルドを行う必要があった。具体的には、肉厚１mm程度の
銅や鉄などのシールドボックスでセンサのシグナル電極
側を囲ったり、シールドテープを上から幾重にも張り付
けたりしていた。

【０００４】また、振動検出センサで検知した信号は信
号処理回路に入力して処理する前に前置増幅回路（プリ
アンプ回路）を通して増幅しているが、センサ電極から
信号処理回路前段のプリアンプ回路へのリード配線は、
リード線と金属部材とで行っていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、超音波
振動を利用した機器が小型で、特に振動センサ部が小さ
いものが要求される場合、前記電磁シールド用のシール
ドボックスは小型化の障害となる。

【０００６】さらに、シールドボックスやシールドテー
プは必要な形状への加工賃も考えるとコストアップの原
因ともなっていた。

【０００７】また、前記プリアンプ回路は、Ｓ／Ｎを上
げるためにも振動センサの近くに配置する必要があるた
めに、振動センサからプリアンプ回路への配線と、プリ
アンプ回路から振動処理回路への配線というふうに、各
センサ毎に２段階に信号配線する必要があり、ハーネス
（信号用電線モジュール）及びコネクタ等の結線部品の
ために必要な体積やコストもばかにならなかった。

【０００８】本発明は上記従来例に鑑みて成されたもの
で、振動センサの電磁シールド及び振動センサ回りの配
線を、小型かつ安価に構成した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】上記目的を達成するため
に本発明の振動検出装置は以下に示す構成を備える。

【００１０】機械振動を電気信号に変換して検出する振
動検出装置であって、機械振動を電気信号に変換する振
動センサと、基材に伝導性の配線パターンが層状に形成
され、１層は前記振動センサの一方の電極に電気的に接
続された信号層であり、１層は前記振動センサの他方の
電極と電気的に接続され、前記振動センサを基材を介し
て覆うように配置された、前記振動センサ電極の少なく
とも２倍の面積の均一なベタパターンを有するシグナル
グランド層であるような、少なくとも２層のパターンを
有する導通手段とを備える。

【００１１】

【作用】上記構成により、振動センサにより機械振動を
電気信号に変換し、電気信号をケーブルの配線パターン
により導通させる。振動センサは、その電極を導通手段
に接続され、導通手段の基材を介して振動センサの少な
くとも２倍の面積のシグナルグランド層に覆われて、電
磁シールドされる。

【００１２】

【実施例】本発明の実施例として、超音波振動を利用し
た座標入力装置について説明するが、他の振動検出を行
う機器でも同様である。

【００１３】図１は本実施例に於ける座標入力装置の構
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。１０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１０上をタッチすることで行う。つ
まり、図示に実線で示す符号Ａの領域（以下、有効エリ
アと呼ぶ）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に入射された振動を計測
・処理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。

【００１４】振動伝達板１０を伝播してきた波が端面で
反射し、その反射波が中央部に戻るのを防止（減少）す
るために、振動伝達板１０の外周には防振材９が設けら
れ、図１に示すように防振材９の内側近傍に圧電素子
等、機械的振動を電気信号に変換する振動センサ６ａ〜
６ｄが固定されている。７ａ〜７６ｄは各振動センサの
出力を所望の振幅にまで増幅するプリアンプ回路で、そ
れぞれ振動センサのそばに配設される。１１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。振動センサ６ａ〜
６ｄとプリアンプ回路７ａ〜７ｄから信号波形検出回路
１１までの配線は、各々１枚のフレキシブルケーブル８
ａ〜８ｄにより行われる。１３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１２
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１０（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。

【００１５】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。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１０に伝達される。

【００１６】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１０に板波を発生する事が出来る値に選択
される。また、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よい振動変換が可能であ
る。上記のようにして振動伝達板１０に伝えられる弾性
波は板波であり、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。

【００１７】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（カウンタで構成されている）によ
る計時を開始させる。そして、振動ペン３より発生した
振動は振動伝達板８上を伝搬し、振動センサ６ａ〜６ｄ
迄の距離に応じて遅延して到達する。信号波形検出回路
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〜６
ｄまでの振動到達時間の検出し、振動子伝達遅延時間を
用いて振動ペンの座標位置を算出する。

【００１８】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１２
を駆動して、ディスプレイ１３による表示を制御した
り、或はシリアル，パラレル通信によって外部機器に座
標出力を行う。

【００１９】＜フレキシブルケーブルによる配線の説明
（図２）＞図２に、振動センサ６とプリアンプ７、さら
に、信号波形検出回路１１を配線するフレキシブルケー
ブル８の概略外形図を示す。フレキシブルケーブル８
は、表側に信号配線パターン、裏側にシグナルグランド
のパターンを持つ２層構造のＦＰＣ（Flexible Printed
Circuit）である。但し、プリアンプ用ランド部分は裏
側のシグナルグランドパターンが抜けており、表側の信
号配線パターンが裏側からランドとしてリード可能な構
造となっている。

【００２０】表側の信号用ランドは、振動センサの信号
取り出し電極位置にくるように設けられ、外部から板バ
ネなどで押さえることで電極に接してセンサ出力を取り
出す。あるいは、熱を加えることで振動センサ６の信号
取り出し電極と半田付けされるような半田バンプをあら
かじめ形成おき、位置決めして過熱することで固定でき
るようにしておいても良い。

【００２１】ＧＮＤ用ランドは、信号伝達板１０上に印
刷やメッキ或は蒸着等によって形成した導電性シート或
は導電性膜上に位置するように設けられ、半田付けや圧
着あるいは接着によって接続されて導通がとられる。信
号伝達板１０上の導電性シート或は導電性膜には、振動
センサ６ａ〜６ｄが接着されているために、ケーブル８
の信号用ランドとＧＮＤ用ランドとをそれぞれ前述の位
置へと接続するだけで振動センサへの電気的な配線は完
了する。

【００２２】裏側のプリアンプ用ランドは、振動センサ
周辺に配設されたプリアンプ回路７を接続するために用
意されている。図２では、プリアンプ回路７の基板上の
ランドに直接半田付けするためのＦＰＣのランド形状と
したが、プリアンプ回路基板上にＦＰＣ用コネクタを設
けておき、ＦＰＣプリアンプ用ランドをコネクタ用に変
えても良い。

【００２３】図２の信号出力用ランドは、プリアンプ回
路７によって所望の振幅値に増幅されたセンサ出力信号
を、信号波形検出回路１１に出力するための配線用ラン
ドと、逆にプリアンプ回路７に供給される電源と電源グ
ランドの配線ランドであり、信号波形検出回路１１が搭
載されている回路基板上に設けられたＦＰＣ用コネクタ
に接続する。

【００２４】また、フレキシブルケーブル８は防振材７
上に両面テープで固定し、位置決め穴で位置決めを行う
ことで、各ランドを適正な位置に固定することができ
る。

【００２５】＜シールド効果の説明（図３）＞図３
（ａ）にフレキシブルケーブル８を用いて配線した振動
センサ周辺の断面図を示す。金属配線パターンは、図中
で示した様に２層構造であり、センサ側（図の下側）が
信号配線パターンで、その上部に絶縁性のケーブル基材
を隔ててシグナルグランドパターンを設けている。シグ
ナルグランドパターンの形状は振動センサ径の約２倍以
上で大きめにできており、かつ振動センサを板形状の薄
型のものとすれば、空中を伝搬してくる電磁誘導ノイズ
は振動センサへは一部しか到達せず、十分なシールド効
果が得られる。

【００２６】図３（ｂ）に、振動センサ６とプリアンプ
回路８入力部分の電気的な等価回路を示す。Ｒ_A がプリ
アンプ回路入力インピーダンスであり、小型で高利得な
トランジスタ回路では約数百ＫΩの値をとる。ｒ_O はフ
レキシブルケーブルのもつ抵抗値で、１Ω以下の値であ
る。定電流Ｉ_S は、検出した振動に対してほぼ比例した
値で発生する電流であり、Ｒ_S ，Ｌ_S ，Ｃ_S は振動セン
サのインピーダンスである。等価回路からわかるよう
に、検出する振動を効率よくプリアンプで増幅するため
には、Ｒ_A ＞＞Ｒ_S ＞＞ｒ_O の関係が望ましい。実際の
Ｒ_S は１０〜１００ＫΩであるので、ほぼその範囲内に
ある。

【００２７】さて、電磁誘導ノイズは、一般的に飛び込
むノイズの波長に近い導体パターン、Ｌ（インダクタン
ス）成分やＣ（キャパシタンス）成分等で構成される共
振回路パターンに飛び込みやすとい言われており、後者
の場合共振回路内の純抵抗値が大きいほど、発生するノ
イズ電圧は大きくなる。図３（ｂ）からもわかる通り振
動センサはノイズが飛び込みやすい特性を持っており、
さらに、Ｒ_S が大きいことからノイズの振幅値も大きく
なる。図中に示さなかったが、プリアンプ回路入力段や
配線中にも規制容量（キャパシタンス）が存在するが、
Ｃ_S に比べると２桁以上小さいために、Ｒ_A が大きくて
も飛び込むノイズはさほど大きくはならない。よって、
センサのシールドが大切であり、電磁誘導ノイズの防止
に効果的であることがわかる。

【００２８】＜振動伝搬時間検出の説明（図４，図５）
＞以下、振動検出センサ３までの振動到達時間を計測す
る原理に付いて説明する。

【００２９】図４は信号波形検出回路１１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，６
ｃ，６ｄについても全く同じである。

【００３０】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１０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。

【００３１】図示の４２で示す信号はセンサ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
る振動は板波であるため振動伝達板１０内での伝播距離
に対して検出波形のエンベロープ４３と位相４２の関係
は振動伝達中に、その伝達距離に応じて変化する。ここ
で、エンベロープ４３の進む速度、即ち、群速度をＶ
ｇ、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。

【００３２】まず、エンベロープ４３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
えば変曲点や図示４３で示す信号のようにピークを検出
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）で与えられる。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すことができ
る。

【００３３】更に、より高精度な座標決定をするため
に、位相信号の検出に基づく処理を行なう。位相波形信
号４２の特定の検出点、例えば振動印加から、ある所定
の信号レベル４３１後のゼロクロス点までの時間をｔ
ｐ’４７（レベル４３１を超えた時間より所定幅の窓信
号４６を生成し、位相信号４２と比較することで得る）
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。

【００３４】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）と表される。

【００３５】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等の変動であれば、ｎを決定することができ
る。上記のようにしてもとめた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
良く測定することができる。ところで、実際に信号波形
検出回路１１により計時されるのは、振動ペン内部や回
路での遅延時間のオフセットを含んだｔｇ’，ｔｐ’で
あるが、（２）式や（３）式に代入する際に、そのオフ
セット分を差し引いてｔｇ，ｔｐに直しておく必要があ
る。上述した２つの振動伝達時間ｔｇ’およびｔｐ’の
測定のため信号４５及び４７の生成は、信号波形検出回
路１１により行なわれるが、この信号波形検出回路１１
は図５に示すように構成される。

【００３６】図５は本実施例の信号波形検出回路１１の
構成を示すブロック図である。図５において、振動セン
サ６ａの出力信号は、前置増幅回路（プリアンプ回路）
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
過フィルタ等により構成されるエンベロープ検出回路５
２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。エンベロープ変曲点ののタイミングは、エンベロ
ープ変曲点検出回路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信号ｔｇ’（図４信号４５）が形成
され、演算制御回路１に入力される。

【００３７】一方、５５は信号検出回路であり、エンベ
ロープ検出回路５２で検出されたエンベロープ信号４３
中の所定レベルの閾値信号４３１を越える部分のパルス
信号を形成する。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４６を開く。５７はｔｐコンパレー
タであり、ゲート信号４６の開いている間の位相信号４
２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ｔｐ４７が演算制御回路１に供給されること
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。

【００３８】＜座標位置算出の説明（図６）＞次に実際
に振動ペン３による振動伝達板１０上の座標位置検出の
原理を説明する。

【００３９】今、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
でのそれぞれの直線距離を求めることができる。更に、
４個の距離データから一つを除いた３個の距離データか
ら、振動ペン３の位置Ｐの座標を３平方の定理から求め
ることができる。

【００４０】図６では、Ｓ１に配置したセンサ位置を座
標（０，０）とし、Ｓ２の位置のセンサ方向をｘ軸、そ
れに直交するＳ３の方向をｙ軸とした相対座標値を算出
している。相対座標値は次式のようにして求めることが
できる。

【００４１】ｘ＝Ｘ／２＋（ｄ１＋ｄ２）（ｄ１−ｄ２）／２Ｘ（４）ｙ＝Ｙ／２＋（ｄ１＋ｄ３）（ｄ１−ｄ３）／２Ｙ（５）ここで、Ｘ，ＹはＳ２，Ｓ３の位置の振動センサと原点
（０，０）のセンサとの距離である。また、相対座標
は、簡単な計算処理によって座標入力装置の出力である
絶対座標に変換できるので、ここでは説明は割愛する。

【００４２】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。

【００４３】以上説明したように、センサとプリアンプ
回路及び信号検出回路とを結ぶフレキシブルケーブルを
２層構造とし、その内の１層をシグナルグランド層とし
たことで、振動センサとプリアンプ回路を電気的に接続
するだけで、電磁誘導ノイズの混入を防止するシールド
が小型で安価に簡単な振動センサ部を構成することがで
きる。

【００４４】また、バネ等により、または、フレキシブ
ルケーブルの信号層パターンの前記振動センサ中心位置
に相当する箇所に、熱を加えることで前記振動センサの
取り出し電極と半田付けされるような半田バンプをあら
かじめ形成したことで、センサの特性を損ねることな
く、かつ組立時に簡単に電気的な接続（配線）が可能と
なる。

【００４５】さらに、フレキシブルケーブルが、前記振
動センサで検出された信号を必要な振幅まで増幅するプ
リアンプ回路用のランドを備え、前記振動センサ用のラ
ンドとは別に前記プリアンプ回路の出力及び、電源用の
配線を備えることで、配線に必要な部品点数が削減し、
部品実装体積が縮小し、小型で安価な振動センサが実現
する。

【００４６】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。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかる振
動検出装置は、振動センサの電磁シールド及び振動セン
サ回りの配線を、小型かつ安価に構成できるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】座標入力装置の概略説明図である。

【図２】フレキシブルケーブルの概略形状図である。

【図３】電磁誘導ノイズの説明図である。

【図４】信号処理のタイミングチヤートである。

【図５】信号検出回路の構成を示すブロック図である。

【図６】座標位置算出のための説明図である。

【符号の説明】

１演算制御回路、３振動ペン、６振動センサ、７プリアンプ回路、８フレキシブルケーブル、１１信号検出回路である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (72)発明者小林克行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)発明者柳沢亮三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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】機械振動を電気信号に変換して検出する
振動検出装置であって、機械振動を電気信号に変換する振動センサと、基材に伝導性の配線パターンが層状に形成され、１層は
前記振動センサの一方の電極に電気的に接続された信号
層であり、１層は前記振動センサの他方の電極と電気的
に接続され、前記振動センサを基材を介して覆うように
配置された、前記振動センサ電極の少なくとも２倍の面
積の均一なベタパターンを有するシグナルグランド層で
あるような、少なくとも２層のパターンを有する導通手
段と、を備えることを特徴とする振動検出装置。
【請求項２】前記導通手段には、前記振動センサによ
る電気信号の増幅回路を接続する増幅回路用ランドと、
電源電力を入力して前記増幅回路により増幅された電気
信号を出力する出力用ランドとが設けられることを特徴
とする請求項１項記載の振動検出装置。
【請求項３】前記振動センサは圧電振動子であって、
径方向振動あるいは厚み振動あるいはすべり振動の振動
モードの板形状であることを特徴とする請求項１項記載
の振動検出装置。
【請求項４】前記導通手段の前記信号層における前記
振動センサ電極に接続される位置に、加熱することで前
記振動センサの電極と半田付けされるような半田バンプ
をあらかじめ形成することを特徴とする請求項１項記載
の振動検出装置。
【請求項５】前記導通手段はフレキシブルプリント基
板であることを特徴とする請求項１項記載の振動検出装
置。