JPH08286818A - 距離測定装置及び座標入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】超音波の伝達遅延を用いて正確な距離測定・座
標入力装置を実現する。 【構成】超音波の伝播を利用して距離を測定する場合、
群速度と位相速度といずれかまたは両方を用いるが、群
速度は線形性が悪く、位相速度は伝播距離に依存する性
質があるため、算出された距離は誤差を含む。そこで、
単一の位相速度を用いず、誤差を含んだ伝播距離を測定
した後、その距離に応じた位相速度を選ぶ。また、装置
内部の伝達遅延などを打ち消すために、基準となる距離
を設定してその距離からの伝播遅延時間を測定するが、
基準距離の設定も位相速度と同様、伝播距離に応じて決
定し、これら位相速度・基準距離を用いて正確な距離を
算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は距離測定装置、特に振動
発生源から入力された弾性波振動を板状の振動伝達板に
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、
振動発生源からセンサまでの距離を検出する距離測定装
置、及びそれを応用した座標入力装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば特公平５−６２７７１に示
されるように、振動ペンで発生した振動を入力面である
振動伝達板に入力し、振動伝達板に設置された複数の振
動検出手段で振動を検出し、振動ペンから振動検出手段
まで波の到達する時間を各々検知して、振動ペンの位置
を出力する座標入力装置が知られている。この特公平５
−６２７７１に示される座標入力装置は、振動伝達板を
伝播する板波を検出して座標を算出しており、波の到達
遅延時間として、振動の群速度Ｖｇに関わる遅延時間ｔ
ｇ、及び振動の位相速度Ｖｐに関わる遅延時間ｔｐの両
者を検知して座標を算出している。前述座標入力装置が
座標算出を行う場合、振動入力ペンと各センサまでの距
離を計測することを核技術としている。図４，図５，図
６はこの距離計測を説明するための説明図であり、これ
らの図を用いてまず従来例における距離算出原理につい
て説明する。

【０００３】図４は振動検出手段（以後振動センサ）で
出力される信号波形と、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。

【０００４】入力ペンである振動発生源に駆動信号４１
が印加され、この信号４１によって、振動発生源から振
動伝達板に伝達された超音波振動は、センサまでの距離
に応じた時間をかけて進行した後、振動センサで検出さ
れる。図示の４２で示す信号は振動センサが検出した信
号波形を示している。

【０００５】この実施例で用いられている振動は板波で
あるため、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。この実施例では、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、振動ペン３と振動センサ間の距離を検出している。

【０００６】図５は波形処理実行を説明するためのブロ
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。

【０００７】センサの出力信号４２は、前置増幅回路５
１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４４１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。

【０００８】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、この実施例
の場合、エンベロープの最初の変曲点（後述する信号４
３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
が形成される。

【０００９】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
タ等出構成された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４７
が形成される。

【００１０】図６はこのようにして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。前述したように
検出波として板波を用いているので、群遅延時間ｔｇは
距離Ｌに対して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を求めることはできない。

【００１１】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。

【００１２】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
にであり、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
距離で表わせば、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。

【００１３】 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Ｌを精度良く測定するこ
とができるようになっている。

【００１４】以上、従来実施例の座標入力装置の核技術
である、距離測定方法について簡単に説明したが、この
実施例では、この距離測定方法を用いて振動発生源と複
数のセンサ間の距離を各々求め、その結果を基に振動発
生源の位置（座標）を幾何学的に算出できるようにした
ものである。

【００１５】

【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。

【００１６】弾性波の群速度Ｖｇに関わる群遅延時間Ｔ
ｇ、及び位相速度Ｖｐに関わる位相遅延時間Ｔｐの両者
を検出して、式(１)，(２)，(３)を用いて距離を算出し
ていることから、距離を精度良く求めるためには、波の
伝播時間の距離に対する線形性が重要な問題となる。つ
まり、図６に模式的に示されるように、遅延時間の線形
性が優れていれば式(１)，(２)，(３)による距離計算で
誤差は発生しない。

【００１７】この実施例では、弾性波として板波を用い
ており、周知のように板波音速（群速度Ｖｇ，位相速度
Ｖｐ）は波の周波数、伝播板の厚みに依存する。図４に
示されるように、検出される信号波形は帯域通過フィル
ターを通過しているとは言え、パルス的な信号であり、
単一の周波数成分とは成り得ない。つまり、検出信号波
形は複数の周波数成分で構成されることになり、板波で
あることを考慮すれば、音速の異なる複数の波で検出信
号４４が構成されることになる。従って、その合成波は
振動発生源とセンサ間の距離に応じて波形変形を起こ
し、この結果として、測定される見かけの音速は距離に
依存することになる。

【００１８】式（１）を用いて群遅延時間Ｔｇと群速度
Ｖｇから距離計算を行なう、一般的に良く知られた方法
では、距離と伝播時間の関係に線形性が得られない場
合、例えば両者の関係を式（４）に示されるように２次
で近似（高次数の近似式）して、距離測定精度を向上さ
せることも可能であり、良く知られた方法として実施さ
れる。

【００１９】 Ｌ＝Ａ・ｔｇ^2＋Ｂ・ｔｇ^2＋Ｃ …（４） ただしＡ，Ｂ，Ｃは定数であり、ｘ^ｙはｘのｙ乗を表
す しかしながら、先に示した従来技術の実施例では、式
（２）に示されるように、位相遅延時間ｔｐと群遅延時
間ｔｇの両者から距離算出を行っており、位相遅延時間
ｔｇと距離の関係が連続的にならないこと等を考慮する
と、その補正（位相遅延時間と距離の関係の非線型性）
は容易でない。つまり非線型性がある場合には、従来技
術を用いて高精度で距離を算出することは出来なかっ
た。

【００２０】本発明は上記従来例に鑑みてなされたもの
で、距離分解能を向上させ、高精度の距離算出が可能な
距離測定装置及びそれを利用した座標入力装置を提供す
ることを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】及び

【作用】上記課題を克服するために、本発明に関わる距
離測定装置は、以下のように構成される。即ち、振動伝
達媒体を伝播する弾性波の群速度に係わる群遅延時間を
所定の測定位置で測定する第１の測定手段と、前記弾性
波の位相速度に関わる位相遅延時間を前記測定位置で測
定する第２の測定手段と、前記弾性波の位相速度の値を
その伝播距離に応じて複数記憶する第１の記憶手段と、
既知の距離における前記弾性波の位相速度に関わり、所
定の基準距離を伝播するのに要する基準位相遅延時間を
伝播距離に応じて複数記憶する第２の記憶手段と、前記
第１の測定手段及び第２の測定手段の出力結果に応じ
て、前記第１の記憶手段から最適な位相速度を選択し、
前記第２の記憶手段より最適な基準位相遅延時間を選択
する選択手段と、前述第１の測定手段により測定された
群遅延時間と、前記第２の測定手段により測定された位
相遅延時間と、前記抽出手段により得られた位相速度及
び基準位相遅延時間を用いて、振動発生源と前記測定位
置との間の距離を導出する距離算出手段とを備える。

【００２２】また、本発明に係る座標入力装置は次のよ
うに構成される。即ち、振動伝達板と、前記振動伝達板
を伝播する弾性波の群速度に関わる群遅延時間を複数の
測定箇所で測定する第１の測定手段と、前記弾性波の位
相速度に関わる位相遅延時間を前記測定箇所で測定する
第２の測定手段と、弾性波の位相速度の値を、その伝播
距離に応じて複数記憶する第１の記憶手段と、既知の距
離における弾性波の位相速度に関して、所定の基準距離
を伝播するのに要する基準位相遅延時間を伝播距離に応
じて複数記憶する第２の記憶手段と、前記第１の測定手
段により測定された群遅延時間と、前記第２の測定手段
により測定された位相遅延時間とに応じて、前記測定箇
所ごとに、第１の記憶手段から最適な位相速度を選択
し、前記第２の記憶手段より最適な基準位相遅延時間を
選択する選択手段と、前記第１の測定手段により測定さ
れた群遅延時間と、前記第２の測定手段により測定され
た位相遅延時間と、前記選択手段により選択された位相
速度及び基準位相遅延時間とを用いて、振動発生源と前
記測定箇所との距離を各々導出し、振動入力源の位置座
標を出力する算出手段とを備える。

【００２３】

【第１実施例】以下、添付図面に従って、本発明に係わ
る距離測定装置の実施例を詳細に説明する。

【００２４】まず最初に図２を用いて本実施例に於ける
距離測定装置の全体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、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、プローブ
３内に内蔵されている振動子４は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はガラス板，アルミニウム，鉄，
銅等の金属材料（合金），アクリル等の樹脂材等、振動
を伝達することが出来る部材から構成され、プローブ３
によりこの振動伝達板８上に振動が入力される。図示さ
れるように振動伝達板８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６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にする。

【００２５】プローブ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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】＜演算制御回路の説明＞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にプローブ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）による計時を介しさせる。そして、
プローブ３より発生した振動は振動センサ６迄の距離に
応じて遅延し、到達する。

【００２９】振動波形検出回路９は振動センサ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、そしてセンサ６とプローブ３間
の距離を算出する。

【００３０】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。

【００３１】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，そして計算等に
使用するＲＡＭ，計算する際に必要とする定数等を記憶
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にプローブ３内の振動子４の駆動を介しさせるため
のスタート信号を入力すると、その計時を介しする。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６で振動が検出されるまでの伝播時間が
測定できることになる。

【００３２】その他各構成要素となる回路は順を追って
説明する。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は、検出信号入力回路
３５を介してラッチ回路３４に入力される。ラッチ回路
３４は、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。このようにし
て、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３
６からの信号を受信すると、ラッチ回路３４から振動セ
ンサまでの振動到達時間をラッチ回路より読取り、所定
の計算を行なって、プローブ３とセンサ６間の距離を算
出する。そしてＩ／Ｏポート３７を介して外部機器へそ
の情報を出力する。

【００３３】＜振動伝搬時間検出の説明(図４，図５）
＞図４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。

【００３４】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、プローブ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。

【００３５】この実施例で用いられている振動は前述の
とおり板波であるため、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、及び位相速度をＶｐに基づく位相速度
遅延時間ｔｐから、プローブ３と振動センサ６間の距離
を検出している。

【００３６】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。

【００３７】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４４
１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されると、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５
６が形成する。

【００３８】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。

【００３９】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４７
が演算制御回路１に供給されることになる。

【００４０】＜距離算出の説明（図６，図７，図８）＞
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は本実施例において
得られる群遅延時間ｔｇ、位相遅延時間ｔｐと距離Ｌの
関係をそれぞれ模式的に示したものである。一般に距離
Ｌは（４）式で求めることが出来る。

【００４１】 Ｌ＝Ｖｇ（ｔｇ−ｔｇini）＋Ｌini …（４） ただしＬiniは既知の基準距離であり、ｔｇiniはその距
離で計測される群遅延時間である。この様な処理をする
ことで、波の伝播時間以外の時間の影響を削除できる
（計測される遅延時間には回路遅延時間等、波が伝播す
る時間以外の項が含まれる。従って、基準距離Ｌiniで
の遅延時間ｔｇiniと各距離での遅延時間ｔｇの差分を
得ることで、純粋に波が伝播する時間を求めることが出
来る）。

【００４２】本実施例では、検出波として板波を用いて
いるので、群遅延時間Ｔｇは線形性が良いとはいえな
い。従って振動ペン３及び振動センサ６ａの間の距離Ｌ
を（４）式に示されるように群遅延時間ｔｇと群速度Ｖ
ｇ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。そこで先に示した従来例では、より高精度
な距離を算出するために、線形性の優れる位相遅延時間
ｔｐに基づき（５）式により演算処理を行なう。

【００４３】 Ｌ＝Ｖｐ（ｔｐ−ｔｐini）＋ｎ・λｐ＋Ｌini …（５） ここでλｐは弾性波の波長、ｎは整数であり、ｔｐini
は基準距離Ｌiniで計測される位相遅延時間である。

【００４４】理解を早めるために、ここで従来例につい
て再度説明を加えておく。（５）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、また距離で表わせば階段の幅は波
長λｐ）となっている。従って整数ｎを求めることによ
って精度良くプローブ３−センサ６間の距離Ｌを求める
ことができる。そこで前述の（４）式と（５）式から上
記の整数ｎは、（６）式により求めることができる。

【００４５】 ｎ＝int[{(Ｖｇ(ｔｇ−ｔｇini)−Ｖｐ(ｔｐ−ｔｐini)}／λｐ＋１／ｎ] …（６） 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
してもとめたｎを（５）式に代入することで、プローブ
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。

【００４６】この従来例は位相速度Ｖｐが常に一定であ
る場合に有効な手段と成り得る。つまり、位相速度Ｖｐ
が距離に依存することなく一定であれば正確な距離算出
が可能となることを示すものである。しかしながら、厳
密には一定とはならず、音速は距離依存となり、（５）
式の計算では距離測定誤差が生じる。

【００４７】本実施例で得られた位相遅延時間Ｔｐ、群
遅延時間Ｔｇを用いて従来の計算式により距離計算を行
えば、その時発生する距離測定誤差（測定される距離と
実際の距離の差）ΔＬについて示すのが図７である。こ
の計算に用いられる定数（群速度Ｖｇ，位相速度Ｖｐ，
周波数ｆ）について説明すれば、群速度Ｖｇは、群遅延
時間ｔｇと距離Ｌの関係から最小自乗法（１次近似）に
より求めた値（傾き）であり、位相速度Ｖｐは、階段状
となり位相遅延時間ｔｐと距離の関係(図６参照）か
ら、その階段毎に最小自乗法（１次近似）で各々その傾
きを求め、それらの値の平均値を位相速度Ｖｐとして定
義した。

【００４８】位相速度Ｖｐは距離が大きくなれば、その
速度より遅くなる傾向に有り、その影響が図７に示され
ている。つまりプローブ３とセンサ６の距離が比較的短
い領域では、設定された位相速度Ｖｐ（平均値）より音
速が早く、誤差の発生の仕方が右下がりであるのに対
し、距離が長い領域では設定された位相速度Ｖｐ（平均
値）より音速が遅く、誤差の発生の仕方が右上がりとな
っている(図７参照）。一方、両者の中間的な距離で
は、設定された位相速度Ｖｐと実際の音速は一致してい
ることから距離測定誤差は発生しない。

【００４９】図８は実際の位相遅延時間ｔｐと距離の実
際の関係について模式的に示すものだえあり、図７の現
象を具体的に説明する。図８、整数ｎ＝０の位相遅延時
間ｔｐと距離の関係（太実線，ｎ＝０）は、距離測定範
囲（例えばＬ＝２０〜３００ｍｍ）の中央付近の関係で
あり、先に定義された位相速度Ｖｐ（平均値であり、図
中細実線の傾きとして得られる）とｎ＝０の太実線の傾
きは一致する。従って図７に於けるｎ＝０の領域では誤
差が発生しない。一方、測定距離が大きくなり、例えば
ｎ＝２の領域で考えれば、図８に於て位相遅延時間Ｔｐ
と距離の関係の傾きは、先に定義された位相速度Ｖｐよ
りも小さくなり、例えば距離Ａでの計測値はＡ−ΔＡと
なり実際よりも距離が小さく、距離Ｂでの計測値はＢ＋
ΔＢとなり実際よりも距離が大きく計測されることにな
る。従って、図７のｎ＝２の領域においては、誤差の発
生の仕方が右上がりになる。つまり、音速の距離依存性
が存在すると、従来の計算方法では距離を正確に測定す
ることができなくなり、それによる距離測定精度の低下
量は約０.１〜０.５ｍｍにも達する。 ＜誤差を低減する距離測定方法（図１，図８）＞次に、
図１，図８を用いて本実施例による前記測定誤差を低減
させるための構成について説明する。

【００５０】本実施例では、振動伝達板８は板厚１.３
５ｍｍのガラス板を使用しており、振動発生源３で発生
する振動の周波数は約５００ｋＨｚに設定してある。こ
の時の位相速度は約２５００ｍ/secであり、波長λｐは
約５ｍｍである。従って、音速の距離依存性による距離
測定精度の低下量が０.１〜０.５ｍｍであることを考慮
すれば、その値は波長λｐに比べ十分に小さいと言え
る。従って（６）式に於て、平均値である位相速度Ｖｐ
を用いて計算を実行しても、整数ｎは正確に計算でき
る。つまり（６）式は、整数ｎを求めるために四捨五入
を行なっており、正確な整数ｎを得るための許容量が±
１／２波長であることから、位相速度Ｖｐの距離依存制
が存在していても正確な整数ｎを得ることが可能とな
る。

【００５１】平均的な位相速度Ｖｐを用いて整数ｎを得
ることが示されたが、このことは図８に於て、測定され
た遅延時間ｔｐがどの直線(太実線）上に存在している
かを特定できることを示すものである。従って、整数ｎ
に対応して、位相速度Ｖｐn（ｎ：整数）、基準遅延時
間ｔｐinin(ｎ：整数）をあらかじめ求め、マイクロコ
ンピュータ３１に内蔵されたあるいは外付けされたメモ
リに格納しておけば、振動源から振動センサまでの距離
の算出の際に格納した値を用いて正確な距離演算ができ
ることになる。

【００５２】マイクロコンピュータ３により実行される
手順のフローチャートである図１を用いて整理すれば、
距離算出の手順は次の通りとなる。

【００５３】step１：前述した構成を用いて群遅延時間
ｔｇ，位相遅延時間ｔｐを検出する。

【００５４】step２：前述した群速度Ｖｇ，位相速度Ｖ
ｐ（平均値），周波数ｆを用いて、整数ｎを算出する。

【００５５】step３：step２で算出したｎに対応するめ
位相速度Ｖｐn（ｎ：整数）、基準遅延時間ｔｐinin
（ｎ：整数）を、テーブルの中から抽出する。

【００５６】step４：式（７）を用いて距離計算実行 Ｌ＝Ｖｐn（ｔｐ−ｔｐinin）＋Ｌini …（７） 以上の様な処理を実行することにより、例え音速に距離
依存性が存在していても、距離を正確に測定できる優れ
た効果を得ることができる。

【００５７】

【第２実施例】第１実施例で示される距離測定装置の具
体的応用装置として、図９を用いて座標入力装置の装置
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、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、プローブ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、アクリルやガラス板等、透
明部材からなり、プローブ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な
う。またプローブ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。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の駆動によりプローブ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）を透かしてみる事が可能に
なっている。このように構成することで、プローブ３で
入力した情報を、あたかも鉛筆で紙に描いたような状態
で、見ることができる。

【００５８】プローブ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。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】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。

【００６２】実施例１と同様の構成で、この座標入力装
置はまず振動発生源であるプローブ３とセンサ６ａ〜ｄ
までの距離を算出する。さらに、これらの測定結果から
プローブ３の位置座標を算出することができる。

【００６３】図１０は座標算出のための説明図であり、
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６
ａ〜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〜ｄ
ｄ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ことができる。

【００６４】 ｘ＝（ｄａ＋ｄｂ）・（ｄａ−ｄｂ）／２Ｘ …（８） ｙ＝（ｄａ＋ｄｃ）・（ｄａ−ｄｃ）／２Ｙ …（９） 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
ンサが設置してあり、残りの１個のセンサの距離情報を
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、例えば最もプローブ−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率が大きくな
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いうまでもない。

【００６６】このように構成される装置は、例えばペン
入力コンピュータ等、文字認識，図形認識を行なう装置
への応用が考えられる。この様な装置では、高精度な座
標入力装置を求められるほか、連続して筆記されること
を前提とするので高分解能を求められる。つまり、図７
で明らかに示されるように、装置の性能から不連続点
（音速が整数ｎによって変化するので、整数ｎが変化す
る毎に、距離測定誤差△Ｌが不連続となる）が存在し、
例えば直線を入力した場合を想定した時、その出力結果
は階段状となってしまう。この図形を認識する際、装置
は階段状の図形であると判定することになるが、操作者
の意図である直線に対して結果的に誤検出ということに
なる。つまり式（２）、もしくは式（５）を用いた距離
計算では、伝播する波の音速に距離依存性があれば、整
数ｎが変化（例えばｎ＝１からｎ＝２に変化）する毎に
検出距離が不連続となるが、本実施例の座標入力装置で
は、式（６），式（７）を用いた距離計算を行うため、
高精度、かつ高分解能での座標算出を可能とした。

【００６７】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。

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように本発明に於ける距離
測定装置は、伝播する波の音速に距離依存制があったと
しても、正確な音速、並びに距離算出に必要な定数を選
択出来るようにしたので、高精度で距離算出が可能であ
る。

【００６９】また、本発明の座標入力装置は、上記距離
測定装置を用いて振動源までの距離を複数箇所から測定
することで、正確な座標位置を入力することができると
いう効果を奏する。

【００７０】

【図面の簡単な説明】

【図１】距離算出を説明するフローチャートである。

【図２】距離測定装置の概略構成図である。

【図３】実施例に於ける演算制御回路のブロック図であ
る。

【図４】信号処理のタイミングチャートである。

【図５】信号波形検出回路のブロック図である。

【図６】従来実施例に於ける距離算出方法を説明する説
明図である。

【図７】従来実施例に於ける距離測定誤差である。

【図８】本実施例に於ける距離算出方法を説明する説明
図である。

【図９】座標入力装置の概略構成図である。

【図１０】座標算出アルゴリズムを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 プローブ ４ 振動子 ５ 接触子 ６ 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 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

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動伝達媒体を伝播する弾性波の群速度
   に係わる群遅延時間を所定の測定位置で測定する第１の
   測定手段と、 前記弾性波の位相速度に関わる位相遅延時間を前記測定
   位置で測定する第２の測定手段と、 前記弾性波の位相速度の値をその伝播距離に応じて複数
   記憶する第１の記憶手段と、 既知の距離における前記弾性波の位相速度に関わり、所
   定の基準距離を伝播するのに要する基準位相遅延時間を
   伝播距離に応じて複数記憶する第２の記憶手段と、 前記第１の測定手段及び第２の測定手段の出力結果に応
   じて、前記第１の記憶手段から最適な位相速度を選択
   し、前記第２の記憶手段より最適な基準位相遅延時間を
   選択する選択手段と、 前述第１の測定手段により測定された群遅延時間と、前
   記第２の測定手段により測定された位相遅延時間と、前
   記抽出手段により得られた位相速度及び基準位相遅延時
   間を用いて、振動発生源と前記測定位置との間の距離を
   導出する距離算出手段とを備えることを特徴とする距離
   測定装置。
2. 【請求項２】 振動伝達板と、 前記振動伝達板を伝播する弾性波の群速度に関わる群遅
   延時間を複数の測定箇所で測定する第１の測定手段と、 前記弾性波の位相速度に関わる位相遅延時間を前記測定
   箇所で測定する第２の測定手段と、 弾性波の位相速度の値を、その伝播距離に応じて複数記
   憶する第１の記憶手段と、 既知の距離における弾性波の位相速度に関して、所定の
   基準距離を伝播するのに要する基準位相遅延時間を伝播
   距離に応じて複数記憶する第２の記憶手段と、 前記第１の測定手段により測定された群遅延時間と、前
   記第２の測定手段により測定された位相遅延時間とに応
   じて、前記測定箇所ごとに、第１の記憶手段から最適な
   位相速度を選択し、前記第２の記憶手段より最適な基準
   位相遅延時間を選択する選択手段と、 前記第１の測定手段により測定された群遅延時間と、前
   記第２の測定手段により測定された位相遅延時間と、前
   記選択手段により選択された位相速度及び基準位相遅延
   時間とを用いて、振動発生源と前記測定箇所との距離を
   各々導出し、振動入力源の位置座標を出力する算出手段
   とを備えることを特徴とする座標入力装置。