JPH07160406A

JPH07160406A - 距離測定装置、およびそれを用いた座標入力装置

Info

Publication number: JPH07160406A
Application number: JP5302889A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Kobayashi; 克行小林; Ryozo Yanagisawa; 亮三柳沢; Atsushi Tanaka; 淳田中; Yuichiro Yoshimura; 雄一郎吉村; Masaki Tokioka; 正樹時岡; Hajime Sato; 肇佐藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-12-02
Filing date: 1993-12-02
Publication date: 1995-06-23
Anticipated expiration: 2017-01-07
Also published as: DE69417160T2; DE69417160D1; US5570302A; EP0656605B1; EP0656605A1; JP3244895B2

Abstract

(57)【要約】【目的】板波の到達時間より距離を算出する距離測定
装置において、伝播体の材質に対して、板厚、板波の周
波数を最適値に限定することで、たとえ近似的な音速を
用いて距離算出を行なった場合でも、検出精度を低下さ
せることがないようにすることを目的とする。【構成】伝播体の板材に対し次式により得られる値Ｇ
（ｆ、ｄ）が最小になるように、伝播体の板厚、周波数
が設定された構成とする。Ｇ（ｆ、ｄ）＝Ｖｇ・Ｖｐ／｛ｆ（Ｖｇ−Ｖｐ）｝ｆ：周波数Ｖｇ：板波の群速度Ｖｐ：板波の位相速度ｄ：板厚

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は座標入力装置、特に振動
発生源から入力された弾性波振動を振動伝達板に複数設
けられたセンサにより検出し前記振動発生源から振動伝
達板に入力された弾性波振動の伝達時間に基づき、振動
発生源とセンサ間の距離を測定する装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波を利用して２点間の距離を
算出する方式が知られており、その具体的な応用例とし
て、特願昭61-149742号等に記載されているような座標
入力装置が知られている。この装置は振動を伝達し、か
つ座標入力面となる振動伝達板、振動を発生し座標入力
指示器具となる座標入力ペン、振動を検出するため前述
振動伝達板に取り付けられた複数のセンサ、及び信号処
理、座標算出処理等を行う回路等とからなる。

【０００３】この装置は、座標入力ペンで指示した位置
座標を、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置に出
力するものである。

【０００４】この装置の座標算出アルゴリズムは、まず
波の到達遅延時間とその音速とから振動発生源と各セン
サまでの距離を各々導出し、その後に幾何学的な計算に
より座標位置を算出する。先の従来例では、振動伝達板
を伝わる波として板波を使用しており、振動発生源とセ
ンサ間の距離Ｌは次式により得られる。

【０００５】Ｌ＝Ｖｐ・Ｔｐ＋Ｎ・λｐＶｐ；位相速度、Ｔｐ；位相遅延時間 λｐ；波長、また整数Ｎは次式より得られＮ＝INT｛（Ｖｇ・Ｔｇ−Ｖｐ・Ｔｐ）／λｐ＋0.5｝Ｖｇ；群速度、Ｔｇ；群遅延時間（その詳細は本発明の実施例に於て別途説明する）

【０００６】距離測定精度は、言うまでもなく如何に精
度良く位相遅延時間Ｔｐ、群遅延時間Ｔｇを検出できる
かに依存するが、それと共に、計算に用いる定数、つま
り群速度Ｖｇ、位相速度Ｖｐ、波長λｐを如何に厳密に
設定できるかにも依存する。

【０００７】ここで板波の性質に触れておけば、板波の
音速は板の厚みｄと板波の周波数ｆに依存することが一
般的に知られている。従って板波を利用して距離を測定
する装置を大量に生産することになれば、装置を構成す
る部品には必ず公差が存在し（振動発生源について言え
ば、例えば振動発生素子の周波数特性に個体間差が存在
し、同一の振動特性を有する振動発生ペンを生産するこ
とは不可能）、周波数ｆ及び板厚ｄを一定にすることは
困難である。すなわち音速が一定となるように装置を生
産することは困難であり、逆に言えば音速が一定となる
ように装置を生産することは、部品公差が厳しくなった
り、歩留まり低下、検査工程が増す等、安価に製造する
ことができなくなることを意味する。

【０００８】そこで装置個々で音速を求め、座標算出の
ための定数を設定する方法が考えられる。一般に、振動
発生源とセンサ間の距離Ｌと波が到達する時間ｔの関係
を求めることにより、波の音速が得られる。しかしなが
ら、この距離Ｌと時間ｔの関係を得るための測定は、か
なりの時間を必要とし、装置個々で実施するのは量産性
に問題が生じる。

【０００９】そこで簡便に板波の音速を求める方法とし
て、特願平２−２７９３０３号に示されるように、検出
信号波形の位相周期を測定し、その周期より波の音速を
設定する方法が提案されている。これは板波の音速（群
速度Ｖｇ及び位相速度Ｖｐ）が、周波数ｆと板の厚みｄ
の積に依存するという事実より、まず周波数を測定し、
その値とあらかじめ既知の板厚（量産時、板厚ｄはレー
ザ等を用いて簡便に、短時間で測定化）とから板波の群
速度Ｖｇ、位相速度Ｖｐを求める方式である。

【００１０】

【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。

【００１１】検出信号波形の位相周期より周波数を導出
する際、どうしても測定誤差が含まれ、実際に必要とす
る周波数ｆに比べて誤差を含んだ周波数が設定されてし
まう。従って、その値と板厚ｄから板波の群速度Ｖｇ、
位相速度Ｖｐを設定するので、群速度Ｖｇ、位相速度Ｖ
ｐにも実際の値と異なる値が設定されてしまう。従っ
て、この原因により距離測定精度が低下するという問題
が生じる。

【００１２】

【課題を解決するための手段及び作用】上記課題を解決
するために本発明の距離測定装置は、振動入力手段より
発生した振動を振動伝達板に入射し、その結果、前記振
動伝達板上に発生する板波がセンサまで到達する遅延時
間を計測し、それより前記振動入力手段により指示され
た前記振動伝達板上の位置とセンサ間の距離を出力する
距離測定装置であって、前記振動発生手段により発生す
る振動伝達板上の板波の周波数ｆ、および板波が伝播す
る振動伝達板の厚みｄが、下式より定義される関数Ｇ
（ｆ、ｄ）の値を最小とするように設定されることで、
距離計測に用いる定数（板波の周波数ｆ、位相速度Ｖ
ｐ、群速度Ｖｇ）にたとえ誤差が含まれていたとして
も、高精度で距離を算出することができるようにしたも
のである。

【００１３】Ｇ（ｆ、ｄ）＝Ｖｇ・Ｖｐ／｛ｆ（Ｖｇ−Ｖｐ）｝ｆ：板波周波数Ｖｇ：群速度（板波周波数ｆと振動伝達板の板厚ｄに依
存）Ｖｐ：位相速度（板波周波数ｆと振動伝達板の板厚ｄに
依存）

【００１４】

【実施例】以下、添付図面に従って本発明に係わる実施
例を詳細に説明する。

【００１５】まず最初に図１を用いて本実施例に於ける
距離測定装置の装置全体の構成について説明する。図中
１は装置全体を制御すると共に、距離Ｌ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、振動発
生源３内に内蔵されている振動子４を振動させるもので
あり、接触子５を介して発生した振動を振動伝達板８に
入力する。振動伝達板８は本実施例ではガラス板を用い
ており、振動発生源３による振動の入力は、この振動伝
達板８上をタッチすることで行う。振動伝達板上に発生
した板波は、図示されるように振動伝達板８に固定され
ている圧電素子等、機械的振動を電気信号に変換する振
動センサ６によって検出される。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に出力し距離を算出する。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。

【００１６】振動発生源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によって機械的な超音波振動に変換され、接触子
５を介して振動伝達板８に伝達される。

【００１７】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の振動周波数を接触子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。

【００１８】上記のようにして振動伝達板８に発生した
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。

【００１９】＜演算制御回路の説明（図２）＞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５
ｍｓ毎）に振動子駆動回路２に振動発生源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、振動発生源３より発生した振動は振動セン
サ６までの距離に応じ、遅延して到達する。

【００２０】振動波形検出回路９は各振動センサ６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はこの信号を入力し、振動センサ６
までの振動到達時間の検出、そして振動発生源３とセン
サ６間の距離を算出する。

【００２１】また演算制御回路１は、シリアル、パラレ
ル通信等によって外部機器に対し、この算出された振動
発生源３とセンサ６の距離情報を出力する（不図示）。

【００２２】図２は本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。

【００２３】図中３１は演算制御回路１及び本距離測定
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、そして距離計算
等に使用するＲＡＭ、距離計算に必要な定数（例えば板
波の周波数ｆ、位相速度Ｖｇ、群速度Ｖｐ）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。３３ａ〜
ｃ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）である。振動子駆動
回路２に振動発生源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、位相延時間ｔｐを計
時するためのカウンタ３３ａ、および群遅延時間ｔｇを
計時するためのカウンタ３３ｂが、その計時を開始す
る。これによって、計時開始と振動発生源３の振動発生
タイミングの同期がとられ、センサ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。

【００２４】その他各構成要素となる回路は順を追って
説明する。振動波検出回路９より出力される振動センサ
６よりの振動到達タイミング信号（板波の位相速度Ｖｐ
に関わる位相遅延時間ｔｐ、および群速度Ｖｇに関わる
群遅延時間ｔｇの到達タイミング信号）が、検出信号入
力回路３５を介してカウンタ３３ａ、３３ｂに各々入力
される。カウンタ３３ａ、３３ｂは、センサよりのタイ
ミング信号を受信すると、カウンタをストップさせ、そ
の時の計時値をラッチする。判定回路３６はこれらのタ
イミング信号が出力されたと判定すると、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、振動到達時間をカウンタより読み取り、所定の計算
を行なって、振動伝達板８上の振動発生源３とセンサ６
間の距離を算出する。そしてＩ／Ｏポート３７を介して
外部情報機器等に距離情報を出力する。

【００２５】一方位相遅延時間ｔｐの到達タイミング信
号は、カウンタ３３ｃのスタート信号として動作を開始
し、後述する検出信号波形の周期を測定するための信号
よりカウンタをストップさせ、その値をマイクロコンピ
ュータに出力する。この周期測定は、座標を算出する際
常時行ってもよいし、ある特定の期間（例えば、計算に
用いる定数を変更する際のみ実行する）動作する仕様で
あってもよいことは言うまでもない。

【００２６】またカウンタ３３ｃは、カウンタ３３ａ、
３３ｂと同一のスタート信号を用いても良く、この時、
検出信号波形の位相周期は、後述する位相遅延時間ｔｐ
のタイミング信号より１周期遅れた到達タイミング信号
を形成することでカウンタ３３ａとカウンタ３３ｃの差
として求めることができる。またカウンタを１ヶのみ使
用して、到達タイミング信号を不図示のラッチ回路にま
ず入力し、各々の到達タイミング信号におけるカウンタ
値をラッチすることで同様の動作をさせることができ
る。

【００２７】＜振動伝搬時間検出の説明（図３、図４）
＞図３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。

【００２８】振動センサ６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、振動発生源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６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６で検出される。
図示の４２で示す信号は振動センサ６が検出した信号波
形を示している。

【００２９】この実施例で用いられている振動は前述の
とおり板波でありため、検出波形のエンベロープ４２１
の伝播する速度（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Ｔｐから、振動発生源３と振動センサ６間の距離を検
出している。

【００３０】図４は信号波形検出回路９のブロック図で
あり、図３とあわせて群遅延時間Ｔｇ、位相遅延時間Ｔ
ｐを検出するための手段について説明する。

【００３１】振動センサ６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。

【００３２】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。

【００３３】一方位相速度Ｖｐに関わる位相遅延時間ｔ
ｐ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、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（位相が負から正へ変化する最
初の点）を検出し、位相遅延時間ｔｐの信号４７が演算
制御回路１に供給される。

【００３４】さらにｔｐ、ｔｐ^*信号検出回路では、セ
ンサ６で出力される検出信号波形の位相周期を求めるた
めに、前述の位相遅延時間ｔｐの検出点から一周期後の
ゼロクロス点を検出し、この点と位相遅延時間ｔｐ検出
点間の時間Ｔｐ＊を示す信号４８が演算制御回路１に供
給されることになる。

【００３５】＜振動発生源とセンサ間の距離算出の説明
（図５）＞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とから振動発生源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５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。群遅延時間ｔｇと距離Ｌの関係は、連続
的ではあるものの、線形性には優れない。一方、位相遅
延時間Ｔｐと距離Ｌの関係は、線形性には優れるもの
の、連続的にはならない。連続的とならないのは、群速
度Ｖｇと位相速度Ｖｐが異なる板波の性質により起こ
る。

【００３６】波の音速（群速度Ｖｇ、位相速度Ｖｐ）は
これらの関係より得られ、次の様に定義する。群速度Ｖ
ｇは、群遅延時間Ｔｇと距離Ｌの関係からその傾きを１
次の最小二乗法より求め、定義する。また、位相速度Ｖ
ｐは個々の直線の傾きを１次の最小二乗法より求め、測
定距離範囲内で複数得られるこれらの値を平均化したも
のを位相速度Ｖｐと定義する。さらに板波の周波数ｆ
は、先に定義された位相速度Ｖｐを用いて、位相遅延時
間ｔｐの各直線の切片を１次の最小二乗法よりまず求
め、各直線の間隔を得る。測定距離範囲内で複数得られ
るこれらの値を平均化したものを波長λと定義し、周波
数ｆを位相速度Ｖｐ／波長λとして定義する。この様に
定義した位相速度Ｖｐ、群速度Ｖｇ、周波数ｆを用いて
後述する方法により距離計算を行えば、最も距離測定精
度が良くなることが理解される。

【００３７】ここで具体的に距離計算アルゴリズムにつ
いて説明する。本実施例では検出波として板波を用いて
おり、出力される群遅延時間ｔｇと距離Ｌの線形性は良
いとは言えない。従って振動発生源３及び振動センサ６
の間の距離Ｌを（１）式に示されるように群遅延時間ｔ
ｇと群速度Ｖｇ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。

【００３８】Ｌ＝Ｖｇ・ｔｇ -----（１）

【００３９】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。

【００４０】Ｌ＝Ｖｐ・ｔｐ＋Ｎ・λｐ -----（２）

【００４１】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Ｌ
0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（時間軸上で階段の幅
Ｔ＊は、信号波形４４の１周期、従ってＴ^*＝１／周波
数、また距離で表せば階段の幅は波長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。

【００４２】Ｎ＝INT［（Ｖｇ・ｔｇーＶｐ・ｔｐ）／λｐ＋0.5］-----（３）

【００４３】この式は群遅延時間ｔｇと距離の関係の線
形性が良くなくても、それによって発生する誤差が±１
／２波長以内であれば、Ｎを正確に決定することができ
ることを示す。上記のようにしてもとめたＮを（２）式
に代入することで、振動発生源３及び振動センサ６間の
距離Ｌを精度良く測定することができる。

【００４４】ここで前記計測回路によって出力される振
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５参照、またこれらの時間は回路遅延
時間の他に振動発生源３の接触子５中を振動が伝播する
時間等をも含む）を含む。これらにより生じる誤差は、
振動発生源３から振動伝達板８、振動センサ６へと行な
われる振動伝達の際に必ず同じ量が含まれる。

【００４５】そこで、例えばセンサから既知の距離（以
後この既知の距離を原点Ｏ、既知の距離をＲａと定義す
る）で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。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（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、伝達遅延時間の
差を求めることができる。従って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６から原点Ｏまでの距離Ｒａを
最後に加えることで、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。つまり、振動
センサ６から原点Ｏまでの距離をあらかじめ不揮発性メ
モリ等に記憶しておけば、振動発生源３と振動センサ６
間の距離を決定できることが示される。

【００４６】＜板波の性質と距離測定誤差＞以上述べて
きた距離測定装置は、板波の到達遅延時間と、波の周波
数ｆ、群速度Ｖｇ、位相速度Ｖｐを用いて距離算出を行
うものである。従って距離測定精度を向上させるために
は、如何に正確に波の遅延時間を計測することができる
かという点の他に、如何に計算に用いる定数（波の周波
数ｆ、群速度Ｖｇ、位相速度Ｖｐ）を精度良く設定でき
るかにある。

【００４７】周知のごとく、板波の群速度Ｖｇ、位相速
度Ｖｐは、板波の周波数ｆと板の厚みｄの積に依存す
る。一般に板波の位相速度Ｖｐは（１２）式で近似さ
れ、

【００４８】

【外１】一方、群速度Ｖｇは、ｋ＝ω／Ｖｐとおけば一般に

【００４９】

【外２】

【００５０】この関係は図６に示される。従って、この
板波を利用した装置を工業化すれば、周波数ｆ、板厚ｄ
は部品公差により変動するので、装置個々で音速が異な
ることになる。そこで音速を求める手段が必要となる
が、例えば距離−遅延時間の関係（図５の関係）より音
速を求めるのは多大な時間を要し（本検討においては、
距離設定手段としてＸＹステージを使用しており、ＸＹ
ステージを制御することによって振動発生源３と振動セ
ンサ６間の距離を変化させ（例えば距離Ｌ＝20〜270ｍ
ｍ、測定ピッチ0.2ｍｍ）、その時の波の到達時間を計
測している）、大量生産には不向きである。そこで簡便
に音速を設定する手段を確立することが重要な課題とな
る。

【００５１】ここでまず、実際に板厚ｄ、および周波数
ｆが音速に与える影響について実験を行ったので、その
詳細について説明する。

【００５２】図７は、振動発生源の固体差をパラメータ
に、測定回路中のバンドパスフィルターの中心周波数が
板波の周波数ｆに与える影響を示すものである。明らか
にＢＰＦの中心周波数、振動発生源の固体間差が板波の
周波数ｆに影響していることが理解される。つまり、板
厚ｄが一定の場合であっても、回路特性、発信源の個体
差により、周波数が依存し、その結果、位相速度Ｖｐ、
群速度Ｖｇが変化することを示唆する。

【００５３】これらのデータに、さらに板厚ｄを変化さ
せた同様の実験結果を加え、周波数ｆと板厚ｄの積、そ
れと位相速度Ｖｐの関係として整理すると、図８が得ら
れる。図中実線は（１２）式より得られる関係を示すも
のであり、（１２）式と実際の現象が一致していること
が示される。また板厚ｄは量産時レーザ等を用いて簡単
に精度良く計測することが可能であるので、何らかの手
段により板波の周波数ｆを求めることができれば位相速
度Ｖｐを正確に決定できることをも示す。

【００５４】同様に図９は群速度Ｖｇについてまとめた
結果である。位相速度Ｖｐの関係とは異なり、たとえ板
波の周波数ｆ、及び板厚ｄを求めたとしても、群速度Ｖ
ｇを正確に求めることはできない。群速度Ｖｇの設定誤
差は、式（３）に影響するが、式（３）は計算課程で四
捨五入を実行しているので、群速度Ｖｇの設定誤差には
許容値が存在し、その値が許容値以下であれば整数Ｎは
正確に計算され、式（２）、つまり距離算出の精度の直
接影響することは無い。

【００５５】何らかの手段により板波の周波数ｆを求め
ることができれば、位相速度Ｖｐを正確に、群速度Ｖｇ
を概略的に決定できることが示されたので、本実施例は
位相周期を検出し、その時間より板波の周波数を換算
（以後導出された値を換算周波数ｆ^*と定義する）する
ように構成されている。この時、換算周波数ｆ*と求め
るべき板波の実際の周波数ｆの関係を示すと図１０が得
られる。換算周波数ｆ^*と板波の周波数ｆとの間には相
関はあるものの、換算周波数ｆ^*により周波数ｆを定義
すれば，両者間の差は約±５ＫＨｚとなる。従って、周
波数ｆを換算周波数ｆ^*により正確に求めることができ
ないので、図８の関係より位相速度Ｖｐをも正確に求め
ることができない。ここで誤差を含んだ換算周波数ｆと
図８の関係より求められる位相速度Ｖｐを換算位相速度
Ｖｐ^*と定義し、本来の正確な位相速度Ｖｐと区別する
ことにする。

【００５６】図１１、図１２は先の一連の実験から得ら
れる代表的なデータの距離測定誤差ΔＬ、及びΔＮ（Ｎ
^*＝（Ｖｇｔｇ−Ｖｐｔｐ）／λｐ）と定義すれば、Δ
Ｎ＝Ｎ^*−Ｎ：Ｎは式（３）より得られる。）を示した
ものである。この時の原点Ｏ（原点Ｏの詳細な説明は図
５に於て説明済み）はセンサから145ｍｍのポイントで
あり、以後のデータも全て同様とする。これらの結果は
定数として、距離−遅延時間の関係より求めた正確な値
を使用しており、整数Ｎ及び距離Ｌが精度良く算出され
ることを示している。逆に音速の設定に誤差を含めば、
距離測定精度は低下するので、ここでは音速の測定に誤
差を含んだ場合、式（２）に与える影響について検討す
ることにする。ただしここでの検討では、整数Ｎは正確
に計算できるものとして進める（音速設定誤差が式
（３）に与える影響は後述する）。

【００５７】図１３は先に得られている正確な定数に対
して、周波数ｆが実験結果より±5ＫＨｚの精度で求め
ることしかできないので、正確な周波数に−５ＫＨｚの
誤差を含んだものを定数として設定した場合に、発生す
る距離測定誤差を示すものである。図１４は同様に周波
数は正確に測定されたものと仮定して、位相速度Ｖｐの
みに誤差が−6.9ｍ／ｓｅｃ含まれて計算される結果を
示すものである。これらの図より明らかに距離測定精度
が低下することが示され、装置個々で音速に関わる定数
を正確に設定しなければ、距離測定精度を向上させるこ
とはできない。

【００５８】図１３の現象を図１５を使って模式的に説
明すると、実際に計測される遅延時間（図中実線）に対
し、設定される定数により決定される遅延時間は図中破
線のようになる。周波数ｆのみに設定誤差が含まれるの
で、両者の位相遅延時間の傾きは同一であり、原点Ｏよ
り離れるにしたがって、距離測定精度が低下する。

【００５９】現状周波数ｆを先の方法で求めた場合、精
度良く求めることができず、たとえ位相速度Ｖｐを正確
に求めることができたとしても、図１５の様な関係とな
り、精度良く距離算出を行うことができない。しかしな
がら誤差を含む周波数に対して相応に、図１６の様に位
相速度Ｖｐを補正することで、距離測定誤差ΔＬを小さ
くすることができるはずである。

【００６０】板波の周波数ｆに対して定数として用いる
周波数が高く設定されたならば、位相速度Ｖｐを実際よ
りも速く、逆に周波数が実際よりも低く設定されたなら
ば、位相速度Ｖｐを実際よりも相応に遅く設定すること
で、図１６の様な関係が得られ、距離測定誤差をより小
さくすることができる。そこで位相速度をＶｐを補正す
るために、板波の性質について検討した。

【００６１】図１７は、ある板厚、周波数で本測定系で
出力される遅延時間と距離の関係を模式的に示したもの
である。位相遅延時間Ｔｐの関係は先に説明したとおり
階段状となり、図に示されるようにその繰返し周期を時
間でＴＬ１、距離でＬ１と定義すれば、Ｌ１＝Ｖｇ・ＴＬ１＝Ｖｐ（ＴＬ１＋１／ｆ） ----- （14） ∴ＴＬ１＝Ｖｐ／ｆ（Ｖｇ−Ｖｐ） ----- （15） ∴Ｌ１＝ＶｇＶｐ／ｆ（Ｖｇ−Ｖｐ） ----- （16）

【００６２】この距離Ｌ１と周波数の関係（周波数ｆ、
板厚ｄより、式（13）より群速度Ｖｇ、式（12）より位
相速度Ｖｐが得られる）を示すと図１８が得られる。周
波数が低い領域で考えれば、図１７中示される板波の遅
延時間に対して、周波数がΔｆ小さくなったものと仮定
すれば、式（12）、式（13）より位相速度Ｖｐ、群速度
Ｖｇが遅くなるとともに、距離Ｌ１が増大するので、図
中破線の様な関係が得られる。この時、破線を外挿した
直線がＡ点を通過すれば、図１６の関係が成立すること
になり、実際の板波の周波数、位相速度を用いなくて
も、周波数がΔｆだけずれた時の換算周波数ｆ^*、その
値と式（12）（もしくは実験的に得られた関係：図８）
とから得られる換算位相速度Ｖｐ^*を用いて、距離計算
が正確に行えることになる。この関係が成立するための
必要条件は次式で表される。

【００６３】Ｌ１＝ＴＬ１・Ｖｐ^*＋Ｖｐ^*／ｆ^* ----- （17）式（15）、式（16）よりＶｐ（Ｖｇ−Ｖｐ^*）／ｆ（Ｖｇ−Ｖｐ）−Ｖｐ^*／ｆ^*＝0 --- （18）

【００６４】ここで板厚を一定とすれば群速度、位相速
度は周波数ｆの関数であるから、関数Ｇ（ｆ）を以下の
様に定義する、Ｇ（ｆ）＝Ｖｐ（Ｖｇ−Ｖｐ^*）／ｆ（Ｖｇ−Ｖｐ）−Ｖｐ^*／ｆ^*--（19）また周波数ｆの微小区間で、その位相速度Ｖｐを次式で
近似すればＶｐ＝αｆｄ＋β （板厚ｄ：constant） -----（20）Ｖｐ^*＝α（ｆ＋Δｆ）ｄ＋β -----（21） αは式（12）を周波数ｆで微分すれば得られかつ、Ｖｇ
とＶｐの異なる板波を用いているので、式（19）を整理
すると

【００６５】

【外３】

【００６６】従って必要条件式（18）が成立し、実際の
音速を使用しなくても、近似的な板波の周波数ｆ^*と、
その値と式（12）から求められる換算位相速度Ｖｐ
^*で、距離計算が正確に行われることが示される。

【００６７】図１９は、この関係を利用して音速設定を
行った一例である。つまり図１０の関係より周波数ｆは
換算周波数ｆ^*より±５ＫＨｚの精度でしか測定できな
いので、実際の周波数ｆ＝503.42ＫＨｚに対して計算に
用いる周波数として498.42ＫＨｚ（この場合の換算周波
数ｆ^*に相当）を使用し、その換算周波数ｆ^*（498.42Ｋ
Ｈｚ）と図８の関係とより導出される換算位相速度Ｖｐ
^*＝2165.76ｍ／ｓｅｃ（実際の位相速度は2172.68ｍ／
ｓｅｃ）を使用して計算した結果である。図１３（周波
数ｆのみに−５ＫＨｚの誤差を含む）、図１４（位相速
度Ｖｐのみに−6.9ｍ／ｓｅｃの誤差を含む）に比べて
この結果は、はるかに距離測定精度が向上したことを示
すとともに、図１２（実際の音速を使用）の結果とほぼ
同等の結果になっていることが理解される。

【００６８】以上説明したように板波を用いた距離計算
アルゴリズム、及び板波の性質により、近似的な音速を
用いても距離算出が行えることが示された。この際、発
生する距離測定誤差について検討すれば、その誤差が最
大となるのは図１７に於て、実線と破線の距離が最大と
なるＢ点で発生する。従って見積もられる距離測定誤差
ΔＬmaxは次式で与えられる。

【００６９】 ΔＬ_max＝Ｌ１（Ｖｐ^*ーＶｐ）／Ｖｐ ----- （23）

【００７０】式（23）は、音速をより正確に設定（Ｖｐ
^*＝Ｖｐの状態）するこで距離測定精度を向上させるこ
とができることを示す。一方この式は、距離Ｌ１を小さ
くすることによって音速設定誤差の影響を小さくするこ
とができることをも示す。図１８より距離Ｌ１は周波数
依存、および板厚依存であり、かつ距離Ｌ１が最小とな
る周波数帯域が存在する特異な関係を示す。従って、こ
の関係より距離Ｌ１を小さくするような周波数帯域が存
在することが示され、距離Ｌ１を最小とするように周波
数ｆ、および板厚を設定することにより、音速設定誤差
の影響を小さくすることができる。つまり本実施例のよ
うに板材としてガラスを使用し、かつ板厚ｄを1.20〜1.
50ｍｍとした場合には、その最適な周波数は約500ＫＨ
ｚ〜2000ＫＨｚ程度となることが示された。

【００７１】以上説明したように、検出信号波形の位相
周期より求めた換算周波数（近似的な周波数）、および
その値と図８の関係より求めることができる位相速度を
用いて、距離計算が正確に行えることが示されたが、こ
こでは、近似的な定数を用いた場合、式（３）に与える
影響について検討する。

【００７２】図１１より、正確な音速を用いることでΔ
Ｎは0.1以下であり、整数Ｎは式（３）により正確に求
められることが示された。今、群速度は正確に求められ
るものと仮定して、先の手法により周波数、位相速度を
設定した場合、式（３）に与える影響を示したものが図
２０である。図１１と比較すれば、両者にはほとんど差
がなく、周波数、位相速度をそのように設定すること
で、問題無く整数Ｎが得られることが示される。従っ
て、先に説明した手法を用いて位相速度Ｖｐ、周波数ｆ
を設定した場合には、問題無く整数Ｎを算出することが
できる。

【００７３】上記結果を踏まえ、群速度Ｖｇの設定誤差
について検討する。換算周波数の測定に誤差を含むばか
りでなく、周波数と板厚の積と群速度Ｖｇの関係が良く
ない（図９の関係より）ために、群速度Ｖｇはかなりの
誤差を含んで設定される。今、本定数設定方法により見
積もられる誤差の最大値が約20ｍ／ｓｅｃとすれば、こ
の値の設定誤差が群速度に含まれたと仮定して計算を行
えば図２１（群速度Ｖｇの設定誤差−20ｍ／ｓｅｃ）、
図２２（群速度Ｖｇの設定誤差＋20／ｓｅｃ）が得られ
る。ΔＮが±0.5の範囲であれば整数ｎは正確に計算で
き、近似的な群速度Ｖｇを用いても、整数Ｎは正確に求
めることができるので、群速度Ｖｇの設定誤差によっ
て、距離測定精度が低下すると言うことは本実施例の場
合ない。

【００７４】（第２実施例）図２３は、先に説明した距
離測定装置を、座標入力装置に応用した構成を説明する
図である（図中、符号が第１の実施例の説明と同一のも
のは、同一の作用をする構成要素である）。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、振動発生源３内
に内蔵されている振動子４を振動させるものであり、接
触子５を介して発生した振動を振動伝達板８に入力す
る。振動伝達板８は本実施例の場合、ガラス板を使用し
ており、振動発生源３による座標入力は、この振動伝達
板８上の座標入力有効エリア（以下有効エリア、図中実
線で示す符号Ａの領域）をタッチすることで行う。また
振動発生源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。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。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
発生源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）を透してみる事が可能になっている。

【００７５】この座標入力装置は、振動入力源から各セ
ンサまでの距離を先に説明した距離測定装置を用いて算
出し、その結果を基に振動入力源の位置を算出してい
る。

【００７６】今センサを図２４に示すように、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の位置に各々設けると、先に説明した原理に基づ
いて、振動発生源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、振動発生源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ことができる。

【００７７】ｘ＝（ｄａ＋ｄｂ）・（ｄａーｄｂ）／２Ｘ -----（24）ｙ＝（ｄａ＋ｄｃ）・（ｄａーｄｃ）／２Ｙ -----（25）

【００７８】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発生源３の位置座標をリアルタイ
ムで検出することができる。

【００７９】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。

【００８０】（第３実施例）図２５は、板の材質をアル
ミニウムとした場合、図２６は同様にポリスチレンとし
た場合のＬ１の値を示したものであり、ガラスの場合
（図１８）と比べて、その特性が異なることが示され
る。アルミニウムとガラスの音響的性質は比較的似てい
るので、ガラスの場合とほぼ似た結果が得られているの
に対し、ポリスチレンの場合、物性値が大きく異なるた
めに、Ｌ１の関係は大きく変化する。図２６よりポリス
チレンの場合、Ｌ１の値が小さくなるのは、板厚ｄが1.
20〜1.50に於て周波数が数１００ＫＨｚの範囲になるこ
とが示される。

【００８１】つまり、本発明の特徴は周波数範囲で限定
されるものではなく、板の材質、板の厚み、板波の周波
数が全てパラメータとなって、その特徴となる範囲が規
定されるものである。先に示したようにＬ１はＧ（ｆ．ｄ）＝Ｌ１＝ＶｇＶｐ／｛ｆ（Ｖｇ−Ｖｐ）｝により与えられる。板波の群速度Ｖｇ、位相速度Ｖｐ
は、板の材質、および板の厚みｄと周波数ｆの積（ｆｄ
値）に依存する。従って、Ｌ１の値も、それらの値に依
存することが理解される。そして、いずれの材質の板を
用いても、Ｌ１の値が最小となるような範囲が存在す
る。つまり関数Ｇ（ｆ、ｄ）は、下に凸となるような特
徴的な関係を示し、その値が小さければ小さいほど、近
似定数を用いた場合発生する距離測定誤差が小さくなる
ことを意味する。従って本願発明の特徴は、Ｌ１の値が
小さくなるように、板材、板厚、板波の周波数を設定す
ることにあり、この様に設定することで近似的な音速を
用いても精度良く距離算出が可能となり、また正確な音
速を求めることも必要が無くなるので、装置個々で音速
を求める必要のある板波を検出波として利用しても、量
産性に優れ、安価に装置を構成することができる優れた
効果が得られる。

【００８２】（第４実施例）第１実施例、第２実施例は
いづれも板波の位相遅延時間ｔｐ、群遅延時間ｔｇを検
出して、距離、もしくは位置座標を算出するものであっ
た。しかしながら本発明は、位相遅延時間のみを検出
し、計算に用いる設定定数として板波の周波数ｆ、位相
速度Ｖｐを用いて距離、位置座標を算出する構成でも同
様の効果が得られる。つまり、先の実施例では、式
（３）を用いて整数Ｎを算出しているが、別の手段によ
り整数Ｎを決定することができれば、群遅延時間ｔｇを
計測する必要がなく、従って定数として群速度Ｖｇを必
要としなくなる。

【００８３】具体的な実施例について説明すれば、例え
ば図２７は第２の実施例の位置座標算出の別手段につい
て説明する説明図であり、４個の振動センサ６を用いて
座標算出を行っている。今振動入力ペン３がＡ点を指示
してその座標値を得ようとしている場合、指示点ＡとＹ
１振動センサ６までの距離をｄＹ１、Ｙ２振動センサ６
までのそれをｄＹ２、Ｘ１振動センサ６までのそれをｄ
Ｘ１、Ｘ２振動センサ６までのそれをｄＸ２とする。ま
た座標系を図２７のようにとり、Ｙ１振動センサ６とＹ
２振動センサ６間の距離をｙ（小文字）、Ｘ１振動セン
サ６とＸ２振動センサ６間の距離をｘ（小文字）と定義
して、図２８に示す手順に従って座標値Ａ（Ｘ、Ｙ）を
求める。

【００８４】まずマイクロコンピュータ３１が得た位相
遅延時間とあらかじめ既知な位相速度を用いて、振動セ
ンサ６と振動入力ペン３の距離を仮に算出する（式
（２）の第１項に相当）。式（２）の第２項は今の状態
では求めることができないので仮の初期値ｎ0（整数）
を式（２）に代入する。今仮の初期値ｎ0と計測された
遅延時間ｔｐよりＹ１センサとＹ２センサまでの距離を
各々求め、得られた距離を各々ＬＹ１とＬＹ２とすれ
ば、この値を用いてまずＹ座標を算出し（式２６）、同
様にしてＸ１センサとＸ２センサまでの距離ＬＸ１とＬ
Ｘ２を用いてＸ座標を算出する（式２７）。

【００８５】Ｙ＝ｙ／２＋（ＬＹ１＋ＬＹ２）（ＬＹ１−ＬＹ２）／２ｙ（２６）Ｘ＝ｘ／２＋（ＬＸ１＋ＬＸ２）（ＬＸ１−ＬＸ２）／２ｘ（２７）

【００８６】このＸ、Ｙの値は別の組合せの振動センサ
６から各々得られた値であり、独立した値である。従っ
てここで得られた仮の座標値（Ｘ、Ｙ）を用いて各振動
センサ６までの距離を式２８〜３１で逆算した場合、必
ずしも位相遅延時間ｔｐと初期値ｎ0を用いて算出され
る距離とは一致しない（なぜならば式２の第２項がまだ
確定されていないから）。

【００８７】ＲＬＹ１＝sqr｛（Ｘ−ｘ／２）²＋Ｙ²｝（２８）ＲＬＹ２＝sqr｛（Ｘ−ｘ／２）²＋（Ｙ−ｙ）²｝（２９）ＲＬＸ１＝sqr｛Ｘ²＋（Ｙ−ｙ／２）²｝（３０）ＲＬＸ２＝sqr｛（Ｘ−ｘ）²＋（Ｙ−ｙ／２）²｝（３１）ＲＬＹ１：Ｙ１センサまでの逆算距離ＲＬＹ２：Ｙ２センサまでの逆算距離ＲＬＸ１：Ｘ１センサまでの逆算距離ＲＬＸ２：Ｘ２センサまでの逆算距離

【００８８】式７〜１０で得られた逆算距離ＲＬＹ１、
ＲＬＹ２、ＲＬＸ１、ＲＬＸ２とＬＹ１、ＬＹ２、ＬＸ
１、ＬＸ２を各々比較し、各々が一致した場合にこの仮
座標（Ｘ、Ｙ）を確定座標としてこの座標入力装置は座
標を出力する。また前述の値が各々一致しなかった場合
には、ｎの初期値ｎ0に整数を加減して（例えばＬＹ１
の値に一波長分の長さを加える。整数ｎをｎ＝ｎ0＋１
と等価）、この値を新たなＬＹ１として前述の計算を実
行する。そしてＲＬＹ１、ＲＬＹ２、ＲＬＸ１、ＲＬＸ
２とＬＹ１、ＬＹ２、ＬＸ１、ＬＸ２の値が各々等しく
なるまで整数ｎの値、もしくは整数ｎの値の組合せを変
更し、前述の計算を繰り返すことで整数ｎの値を各々の
振動センサ６について求める。

【００８９】この様に処理することで群遅延時間ｔｇを
測定しなくても、整数Ｎを決定することができる。従っ
て、この様に構成した場合であっても近似的な定数設定
により発生する誤差は式（２３）より得られるので、Ｌ
１の値が最小となるように設定することで、定数設定の
影響を最も小さくできることが理解される。

【００９０】以上説明したように整数Ｎを何らかの手段
により決定し、式（２）により距離を算出する距離測定
装置、もしくは座標入力装置は、板の材質に対してその
板厚、および板波の周波数の組み合せを最適に設定する
ことで、距離算出に必要な定数がたとえ近似的にしか得
られなくても、精度良く距離を算出することができる事
が示された。

【００９１】

【発明の効果】以上説明したように本発明に於ける距離
測定装置、および座標入力装置は、検出波として板波を
使用している。周知のごとくこの板波の音速は、板の材
質の他に、板波の周波数ｆ、および板の厚みｄに依存す
る。従って板波を利用した装置を工業化すれば、部品公
差等により周波数ｆ、板厚ｄは変動するので、その結果
として製品個々で音速が異なることになる。逆に言えば
音速を一定にするように構成することは部品公差等を許
さず、コストが非常に高くなる結果となる。従ってこれ
らの問題を解決するために、装置個々で音速を求める手
段が必要となるが、従来のように波の到達時間と距離の
関係より音速を求めるのは、多大な時間を要し、しかも
装置個々で実施するのは大量生産に支障をきたす。そこ
で板波の性質を利用して、板の厚みｄ（レーザ等を用い
て簡便に測定が可）、および板波の周波数ｆ（検出信号
波形の位相周期より算出）を求め位相速度Ｖｐ、および
群速度Ｖｇを求める方式が提案されているが、この方式
では正確に周波数ｆを求めることができない。つまりこ
の方式では、正確な周波数ｆ、位相速度Ｖｐ、群速度Ｖ
ｇを求めることがでず、近似的な値が、簡便に得られる
事になる。より正確に定数を求めることも重要ではある
が、先に説明したように、板波の周波数、板厚ｄを最適
な値に設定することで、発生する誤差を極力小さくする
ことができる（距離測定精度の低下を防止）。つまりこ
の様に設定することで、板波を用いた装置（装置個々で
音速が異なる）であっても、簡便に近似的な音速を設定
でき、しかもその近似的な音速を用いた場合であって
も、精度良く距離計算を行うことができる優れた効果が
得られる。またこの様に構成した結果、安価に、信頼性
のある装置を大量に生産することが可能となる効果も得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る装置を最も良く現す構成図。

【図２】演算制御回路ののブロック構成図。

【図３】信号処理のタイムミングチャート。

【図４】信号波形検出回路のブロック図。

【図５】遅延時間と距離の関係を示す説明図。

【図６】板波音速の依存性を示す説明図。

【図７】部品公差が与える影響について説明する説明図
（測定結果）を示す図。

【図８】位相速度Ｖｐの依存性（測定結果）を示す図。

【図９】群速度Ｖｇの依存性（測定結果）を示す図。

【図１０】周波数ｆと換算周波数ｆ^*の関係図。

【図１１】整数化誤差ΔＮの距離依存性を示す図。

【図１２】距離測定精度ΔＬの距離依存性を示す図。

【図１３】周波数ｆに誤差を含む場合の距離測定誤差Δ
Ｌを示す図。

【図１４】位相速度Ｖｐに誤差を含む場合の距離測定誤
差ΔＬを示す図。

【図１５】図１３の減少を説明する説明図。

【図１６】設定定数の補正方法について説明する説明図
（１）。

【図１７】設定定数の補正方法について説明する説明図
（２）。

【図１８】距離Ｌ１の依存性を示す図。

【図１９】補正した定数（近似定数）を用いて計算され
る距離測定誤差ΔＬを示す図。

【図２０】補正した定数（近似定数）を用いて計算され
る整数化誤差ΔＮを示す図。

【図２１】群速度Ｖｇに−20m/secの設定誤差が含まれ
た場合の整数化誤差ΔＮを示す図。

【図２２】群速度Ｖｇに＋20m/secの設定誤差が含まれ
た場合の整数化誤差ΔＮを示す図。

【図２３】座標入力装置の主要構成を示すブロック図。

【図２４】位置算出を説明するための補足図。

【図２５】板材をアルミニウムとした場合の距離Ｌ１の
関係を示す図。

【図２６】板材をポリスチレンとした場合の距離Ｌ１の
関係を示す図。

【図２７】第４の実施例を説明する補足図。

【図２８】第４の実施例の距離算出手順を示すフローチ
ャート。

【符号の説明】

１演算制御回路２振動子駆動回路３振動発生源４振動子５接触子６振動センサ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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動伝達板と、前記振動伝達板上に入力
された振動発生源からの振動が振動伝達板上を板波とな
って伝播し、この板波が振動発生源から振動検出手段ま
で振動伝達板上を伝播する時間を基に、前記振動発生源
と振動検出手段間の距離を算出する距離測定装置であっ
て、信号として計測する板波の周波数ｆ、および板波が伝播
する振動伝達板の厚みｄが、下式より定義される関数Ｇ
（ｆ、ｄ）の値を最小とするように設定されることを特
徴とする距離測定装置。Ｇ（ｆ、ｄ）＝Ｖｇ・Ｖｐ／｛ｆ（Ｖｇ−Ｖｐ）｝ｆ：板波周波数Ｖｇ：群速度（板波周波数ｆと振動伝達板の板厚ｄに依
存）Ｖｐ：位相速度（板波周波数ｆと振動伝達板の板厚ｄに
依存）
【請求項２】前記位相速度Ｖｐに関わる波の到達時間
ｔｐを計測、出力する手段を有し、それらにより出力さ
れた到達時間と、前述板波の周波数ｆ、位相速度Ｖｐを
設定定数として、距離算出を行う手段を有することを特
徴とする請求項１記載の距離測定装置。
【請求項３】板波の群速度Ｖｇに関わる波の到達時間
ｔｇ、および位相速度Ｖｐに関わる波の到達時間ｔｐを
計測、出力する手段を有し、それらにより出力された到
達時間と、前述板波の周波数ｆ、位相速度Ｖｐ、群速度
Ｖｇを設定定数として、距離算出を行う手段を有するこ
とを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
【請求項４】振動伝達板と、前記振動伝達板上に入力
された振動発生源からの振動が振動伝達板上を板波とな
って伝播し、この板波が振動発生源から前記振動伝達板
に固定されている複数の振動検出手段まで振動伝達板上
を伝播する各々の時間を基に、前記振動発生源により指
示された前記振動伝達板上の座標位置を算出して出力す
る座標入力装置であって、信号として計測する板波の周波数ｆ、および板波が伝播
する振動伝達板の厚みｄが、下式より定義される関数Ｇ
（ｆ、ｄ）の値を最小とするように設定されることを特
徴とする座標入力装置。Ｇ（ｆ、ｄ）＝Ｖｇ・Ｖｐ／｛ｆ（Ｖｇ−Ｖｐ）｝ｆ：板波周波数Ｖｇ：群速度（板波周波数ｆと振動伝達板の板厚ｄに依
存）Ｖｐ：位相速度（板波周波数ｆと振動伝達板の板厚ｄに
依存）