JPH0929169A

JPH0929169A - 振動伝達板及びその製造方法及び座標入力装置

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Publication number: JPH0929169A
Application number: JP18255995A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Kobayashi; 克行小林; Masaki Tokioka; 正樹時岡; Yuichiro Yoshimura; 雄一郎吉村; Hajime Sato; 肇佐藤; Atsushi Tanaka; 淳田中; Ryozo Yanagisawa; 亮三柳沢
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-07-19
Filing date: 1995-07-19
Publication date: 1997-02-04
Also published as: EP0755020A3; EP0755020B1; DE69627939T2; US5936207A; EP0755020A2; DE69627939D1

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電性の材料を用いて振動伝達板を形成するこ
とにより、振動検出位置の精度管理を容易とし、安価な
振動伝達板及び座標入力装置を提供する。【解決手段】振動入力ペン３の振動子４によって発生し
た振動が圧電性を有する振動伝達板８に入力される。こ
の振動伝達板８を伝播した振動が当該振動伝達板８の所
定の位置に配置された４個の電極６ａ〜６ｄの夫々に到
達すると、各電極より当該振動に基づく電気信号が取り
出される。信号波形検出回路９は、この電気信号に基づ
いて各電極への振動の到達を検出する。そして、演算制
御回路１は、その振動の到達タイミングに基づいて、当
該振動入力位置の座標を算出する。振動伝達板８上への
電極６ａ〜６ｄの配置は、エッチングや印刷等の技術で
実現できるので、振動検出位置の精度管理が著しく容易
となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は振動伝達板及びその
製造方法及び座標入力装置に関する。特に、振動発生源
から入力され座標入力面である振動伝達板を伝播する振
動を検出し、その弾性波振動の振動伝達板上における伝
達時間に基づいて振動発生源の位置（座標）を獲得する
座標入力装置と、これに用いられる振動伝達板及びその
製造方法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
を算出する方法が知られており、その具体的な応用例と
して特公平５−６０６１５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、座標入力面
となる振動伝達板に、座標入力指示器具となる座標入力
ペンからの振動を入力することで振動を発生させる。そ
して、振動伝達板に取り付けられた複数のセンサでこの
振動を検出して、振動が各センサまで到達する時間を計
測することで、振動が入力された座標位置の算出を行う
ものである（図９参照）。このような装置によれば、座
標入力ペンで指示した位置座標を、例えばパーソナルコ
ンピュータ等の情報処理装置に出力することができ、情
報処理装置に対して文字、図形を容易に入力することが
できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では次のような問題があった。

【０００４】まず、従来の座標入力装置では、振動を発
生し座標入力指示器具となる座標入力ペンからの振動
を、振動伝達板を介して、この振動伝達板に取り付けら
れた複数のセンサ（振動検出素子）で検出する構成とし
ている。このため、センサの厚み分、装置が厚くなり、
例えば装置を携帯型にすれば、その可搬性に問題が生じ
ることになる。

【０００５】さらに、この種の装置は座標入力点と各セ
ンサ間を各々求め、その情報よりペンの位置を出力する
ことを基本原理としている。このため、精度良く座標を
算出するためには、各々のセンサの絶対位置を精度良く
位置決めしてセンサを固定する必要があった。従って、
装置の製造においては、センサの位置を厳密に管理する
必要が有り、装置を大量に生産する場合には量産性を低
下させ、強いては装置が安価に作れないという問題を有
していた。

【０００６】本発明は上記の問題に鑑みてなされたもの
であり、圧電性の材料を用いて振動伝達板を形成するこ
とにより、振動検出位置の精度管理が容易な振動伝達板
及びその製造方法、及び該振動伝達板を用いた座標入力
装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による振動伝達板は、板厚方向に分極処理さ
れた圧電材で構成された板状部材と、前記板状部材の面
上の複数の所定位置の夫々に配置され、該板状部材の該
所定位置の夫々における電気信号を取り出すための複数
の電極とを備える。

【０００８】上記の構成によれば、板状部材を圧電性の
部材で構成し、その板状部材上へ配置した電極によっ
て、伝播された機械振動を電気信号として取り出すこと
ができる。このような電極の配置は、エッチングや印刷
等の技術で実現できるので、板状部材上における電極の
配置位置の精度管理が著しく容易となる。

【０００９】また、好ましくは、前記複数の電極は、前
記板状部材の両面の所定位置にほぼ同じ大きさを有して
配置された導電材で形成される。

【００１０】また、好ましくは、前記複数の電極は、前
記板状部材の一方の面のほぼ全面を覆う導電材と、前記
板状部材の他の面の所定位置に部分的に配置された導電
材とで形成される。板状部材の一方の面に対して、その
ほぼ全面に電極を配置するので、その面については電極
の配置位置を管理する必要が無くなり、より精度管理が
容易となる。また、全面を覆う電極を、例えばアースに
接続することにより、ノイズを除去する効果が得られ
る。

【００１１】また、本発明の振動伝達板の製造方法によ
れば、圧電性の板状部材の両面に電極を形成する第１形
成工程と、前記電極を介して前記板状部材に所定の電圧
を印加して、該板状部材を板厚方向に分極処理する分極
工程と、前記板状部材の所定位置の電極を残して該電極
の他の部分を除去することで、前記板状部材からの電気
信号取り出すための電極を形成する第２形成工程とを備
える。

【００１２】上記の構成によれば、分極処理を行うため
に形成した電極の一部を用いて、振動検出用の電極が形
成される。第２形成工程における電極の不要部分の除去
は、例えばエッチングなどの手法を用いて実現すること
ができ、電極の配置に関する精度管理が容易である。ま
た、分極処理という製造過程で用いた電極を有効に利用
できる。

【００１３】また、好ましくは、前記第２形成工程は、
前記板状部材の一方の面に形成された電極について、前
記板状部材の所定位置の電極を残して該電極の他の部分
を除去する。一方の面のほぼ全面を覆う電極が残される
ので、例えばこの電極をアースに接続することにより、
当該振動伝達板の使用時においてノイズを低減すること
ができる。

【００１４】また、本発明の振動伝達板の他の製造方法
は、圧電性の板状部材の両面の複数の所定位置に所定の
大きさの電極を形成する形成工程と、前記形成手段で形
成した複数の電極を介して前記板状部材に所定の電圧を
印可して、該板状部材の板厚方向の分極処理を行う分極
工程とを備える。

【００１５】上記の構成によれば、所定の位置に配置さ
れた所定の大きさの電極を形成し、この電極を用いて分
極処理を行う。形成された電極は、そのまま機械振動に
対応した電気信号の取り出し用の電極となる。

【００１６】また、好ましくは、前記形成手段は、前記
板状部材の一方の面の複数の所定位置に所定の大きさの
電極を形成し、該板状部材の他方の面にはそのほぼ全面
を覆う電極を形成する。

【００１７】また、上述した様な本発明による振動伝達
板、本発明の製造方法で製造された振動伝達板を用いる
ことにより、座標入力装置が得られる。即ち、本発明に
よる座標入力装置は、板厚方向に分極され、圧電性を有
する振動伝達板と、前記振動伝達板の両面の複数の所定
箇所に配置された電極と、振動を発生するとともに、発
生した振動を前記板状部材に入力する振動入力手段と、
前記振動入力手段によって入力されて前記電極まで伝播
された振動によって発生する電気信号を該電極より獲得
し、その電気信号に基づいて該振動入力手段で入力され
た振動の該電極への到着を検出する検出手段と、前記検
出手段による信号の到着の検出タイミングに基づいて、
当該振動の入力位置の座標を算出する算出手段と、前記
算出手段で算出された座標データを出力する出力手段と
を備える。

【００１８】上記の構成によれば、振動入力手段によっ
て発生した振動が圧電性を有する振動伝達板に入力され
る。この振動伝達板を伝播した振動が当該振動伝達板の
所定の位置に配置された複数の電極の夫々に到達する
と、各電極より振動に基づく電気信号が取り出される。
検出手段は、この電気信号に基づいて各電極への振動の
到達を検出する。そして、その振動の到達タイミングに
基づいて、当該振動入力位置の座標が算出される。

【００１９】また、好ましくは、前記算出手段は、前記
振動入力手段による振動の発生時から前記検出手段によ
る振動の検出時までの時間を計測する計測し、前記計測
手段によって計測された時間に基づいて前記振動の入力
位置から各電極までの距離を算出し、前記距離に基づい
て前記入力位置の座標を算出する。振動入力手段におけ
る振動の発生から各電極までの振動の到達時間を計測し
て振動の入力位置と各電極の距離を直接的に求めること
ができ、座標データの精度が向上する。座標データの算
出に必要な個数（２個又は３個）以上電極を配置し、複
数数種類の電極の組み合わせによって座標データを求
め、座標データの信頼性を向上させることも可能であ
る。

【００２０】また、好ましくは、前記算出手段は、前記
検出手段によって検出された振動の到達タイミングに基
づいて前記振動入力手段による振動の前記電極の夫々へ
の到達時間の時間差を算出し、前記時間差に基づいて前
記入力位置の座標を算出する。夫々の電極への振動の到
着タイミングの差で座標データを獲得できるので、振動
入力手段の振動発生タイミングを認識する必要が無くな
る。このため、入力振動手段と、算出手段とは夫々独立
させることができ、振動を発生する入力ペン等をコード
レスにできる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に従って本発明に
係わる実施の形態を詳細に説明する。

【００２２】＜第１の実施の形態＞まず最初に図１を用
いて第１の実施の形態に於ける座標入力装置の装置全体
の構成について説明する。図１は第１の実施の形態の座
標入力装置の概略の構成を表すブロック図である。

【００２３】同図において、１は本座標入力装置全体を
制御すると共に、振動の入力位置と各電極６ａ〜６ｄ間
の距離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、振動発生源としての振動入力ペン３内
に内蔵されている振動子４を振動させる。振動子４にて
発生した振動は、接触子５を介して振動伝達板８に入力
される。振動伝達板８は、この実施の形態では圧電性セ
ラミックス（ＰＺＴ）で構成されており、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。

【００２４】振動入力ペン３によって振動伝達板８に入
力された振動は機械的な振動である。この機械的な振動
は振動伝達板８を伝わるが、振動伝達板８自体が圧電性
セラミックスで構成されているので、振動の伝達に伴っ
て、振動に対応した電気信号が発生する。６ａ〜６ｄは
電極であり、振動伝達板８を伝達する機械的振動ととも
に発生する電気信号を取り出す。即ち、図示されるよう
に、振動伝達板８上に形成された複数の電極６ａ〜６ｄ
によって、機械的振動は電気信号として信号波形検出回
路９へ出力される。

【００２５】電極６ａ〜６ｄは、本実施の形態の場合、
振動伝達板の４隅に４箇所形成されており、上面、及び
対向する（図面裏側）面に各々形成される。図２は本実
施の形態における電極の構成を説明する図である。図示
のように、電極６ａ，６ａ’は振動伝達板８の一部分を
両面から挟むように形成される。電極の形成は、予め圧
電体を板厚方向に分極するために形成した電極をエッチ
ング等により図示の様に形成しても良いし、印刷等によ
り電極を図示のように形成してから、それを分極用の電
極として分極処理をし振動伝達板を製作しても良い。

【００２６】また本実施の形態では図２のように、電極
を板の上面、及びした面の対向する位置に形成してるが
これに限らない。図３は電極の他の構成例を表す図であ
る。図３に示されるように、一方の面全体を電極６ｄと
し、片面のみに部分的な電極（６ａ）を形成しても良
い。このように一方の面全体を電極とし、例えばその電
極をグランドに設置することで、電気的なノイズを除去
することができる。更に、図２の構成に比べ、上下面の
電極の位置決め等が不用となり、容易にかつ比較的安価
に製造することができる。

【００２７】以下に、本実施の形態における振動伝達板
の製造手順を説明する。図１０は本実施の形態における
振動伝達板の製造過程の一例を説明する図である。

【００２８】まず、図１０の（ａ）において、分極処理
のために圧電性セラミックスで形成された振動伝達板
８’の両面の全面に電極６’を形成する。次に、同図の
（ｂ）に示されるように、電源１００より高電圧を負荷
し、振動伝達板８の板厚方向に分極処理を施す。次に、
電極６’に感光材を塗布し、同図（ｃ）のように電極形
成部分以外をマスク１０１によってマスクして、露光処
理を行う。露光処理後、エッチング処理を施して非露光
部分の電極を除去することで、図１、図２の如き電極が
形成される。同様の処理を反対側の面についても行うこ
とで図２のごとき電極が得られる。また、反対側の面に
ついてはエッチング処理を施さず、そのままとすること
で、図３のような電極が得られる。

【００２９】なお、まず図２、図３のような電極形成を
先に行った後に、それらの電極を用いて分極処理を行う
ようにしても良いことは言うまでもない。

【００３０】電極６ａ〜６ｄ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
処理された結果を演算制御回路１に出力して座標が算出
される。なお、信号検出回路９、演算制御回路１につい
ては、その詳細を後述することとする。

【００３１】振動発生源である振動入力ペン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によって機械的な超音
波振動に変換され、接触子（プローブ）５を介して振動
伝達板８に伝達される。

【００３２】本実施の形態の場合、振動子４の振動周波
数は圧伝性セラミックなどの振動伝達板８に板波を発生
することができる値に選択される。またこの場合の振動
子４の振動周波数を、接触子５を含んだ共振周波数とす
ることで、効率の良い振動変換が可能となる。

【００３３】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。もちろん、目的、用途によってはこれに限定され
るものではなく、表面波等の振動モードを利用しても良
いことは言うまでもない。

【００３４】＜演算制御回路の説明（図４）＞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を介して振動発生源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、振動入力ペン３により振動伝達板８に
入力された振動は、電極６ａ〜ｄまでの各々の距離に応
じ、遅延して到達することになる。

【００３５】振動波形検出回路９は各電極６ａ〜６ｄに
おける信号を検出して、後述する波形検出処理により各
電極への振動到達タイミングを示す信号を生成する。演
算制御回路１はこの信号を入力し、各電極６ａ〜６ｄま
での振動到達時間の検出、そして振動入力ペン３と各電
極間の距離を算出して、後述する方法により座標を算出
する。そして、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（例えばホストコンピュータ）
に対し、この算出された座標値を出力する（不図示）。

【００３６】図４は第１の実施の形態における演算制御
回路１の概略構成を示すブロック図である。図４を参照
して、演算制御回路１の各構成要素及びその動作概略を
以下に説明する。

【００３７】図４において、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
ある。マイクロコンピュータ３１は、内部カウンタ、操
作手順を記憶したＲＯＭ、そして座標算出時等における
作業エリアとして使用するＲＡＭ、距離計算に必要な定
数（例えば周波数ｆ、位相速度Ｖｇ、群速度Ｖｐ等、波
の音速に関わる定数）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。３３ａ，ｂは不図示の基準クロ
ックを計時するタイマであり、例えばカウンタなどによ
り構成されている。

【００３８】振動子駆動回路２に振動入力ペン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、位相遅延時間ｔｐを計時するためのカウンタ３３
ａ、および群遅延時間ｔｇを計時するためのカウンタ３
３ｂが、その計時を開始する。これによって、計時開始
と振動入力ペン３の振動発生タイミングの同期が取ら
れ、電極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。

【００３９】なお、本例ではカウンタ１組についてのみ
説明したが、本実施の形態のように４箇所の電極からの
出力が得られる場合には、各電極に対応してこの様なカ
ウンタを配置しても良いし、或は後述する検出信号入力
回路３５で時系列的に、電極からの信号を切り分けて、
必要な遅延時間を得るようにしても良い。ここで時系列
的に電極からの信号を切り分ける構成とは、振動入力ペ
ンから発射する振動ごとに別の電極からの信号を処理す
るように構成するものである。従って、例えば、座標算
出に必要な電極からの信号が２つならば、振動入力ペン
３からの振動が２回発射されて初めて座標算出が可能と
なる。

【００４０】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より出力される電極６ａ〜
６ｄよりの振動到達タイミング信号（板波の位相速度Ｖ
ｐ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、電極よりのタイ
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は、この判定回路３６からの信号を受信す
ると、振動伝達時間をカウンタ３３ａ、３３ｂより読み
取り、所定の計算を行なって、振動伝達板８上の振動入
力ペン３と各電極との間の距離、ならびに入力点位置座
標を算出する。そして、その結果をＩ／Ｏポート３７を
介して、外部情報機器等に距離情報（座標情報）として
出力する。

【００４１】＜振動伝搬時間検出の説明（図５，図６）
＞図５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。

【００４２】電極６ａ〜６ｄ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。このとき、振動子駆動回
路２から振動子４へは駆動信号４１が印加される。この
信号４１によって、振動発生源である振動入力ペン３か
ら振動伝達板８に入力された振動は、夫々の電極６ａ〜
６ｄまでの距離に応じた時間をかけて進行した後、各電
極で検出される。図示の４２で示す信号は電極６が検出
した信号波形を示している。

【００４３】この実施の形態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４
２１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４
２１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。本実施の形態では、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、振動入力ペン３と電極６ａ〜６ｄ
までの間の距離を検出している。

【００４４】図６は第１の実施の形態の信号波形検出回
路９の構成を表すブロック図である。以下、図５と図６
を用いて群遅延時間Ｔｇ、位相遅延時間Ｔｐを検出する
ための構成について説明する。

【００４５】電極６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ことで、群速度Ｖｇに関
わる遅延時間ｔｇが得られる。そこで前置増幅回路５１
で増幅され、帯域通過フィルタ５１１を通過した信号４
４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４４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。

【００４６】群速度Ｖｇに関わる群遅延時間ｔｇを検出
するには、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、本実施の形態の場
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。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５３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とに比較結果により、マルチバイブレータ等に
よってｔｇ信号４９が形成され、演算制御回路１に入力
される。

【００４７】一方、位相速度Ｖｐに関わる位相遅延時間
ｔｐの検出について説明する。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信号検出回路である。ｔｐ
信号検出回路５７は、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。

【００４８】＜振動発生源と電極間の距離算出の説明
（図７）＞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電極までの距離を
それぞれ算出する方法について説明する。図７は本実施
の形態により得られる群遅延時間ｔｇ、位相遅延時間ｔ
ｐとペン−電極間距離Ｌの関係を模式的に示した図であ
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起因する。

【００４９】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。まず、群
速度Ｖｇは、群遅延時間Ｔｐ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Ｖｐ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、各直線の間隔を得ている。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。

【００５０】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。本実施の形態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及び電極６の
間の距離Ｌを以下の（１）式に示される様に群遅延時間
ｔｇと分速度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。

【００５１】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を用いて、次の（２）式の如き
演算処理を行う。

【００５２】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）式の右辺第１項は、図７に於て距離Ｌ０を示すも
のである。求めたい距離Ｌと距離Ｌ０との差は図から明
らかなように波長λｐの整数倍となる。図７において、
時間軸上で段階の幅Ｔ＊は、信号波形４４の１周期であ
り、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−電極間距離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、次の（３）式により求めることができる。

【００５３】Ｎ＝ＩＮＴ［（Ｖｇ・ｔｇ−Ｖｐ・ｔｐ）／λｐ＋０５］ …（３）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。以上のようにして求めたＮを（２）式に代入するこ
とで、振動入力ペン３と電極６ａ〜６ｄとの間の夫々の
距離Ｌを精度良く測定することができる。

【００５４】ここで上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及び群回路遅延
時間ｅｔｇ（図７参照、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、電極６へと行われる振動
伝達の際に必ず同じ量だけ含まれることになる。

【００５５】従って、例えば電極から既知の距離（以後
この既知の距離を各電極から原点Ｏまでの距離とし、こ
れをＲａと定義する）で実測される振動伝達時間をｔｇ
０*、ｔｐ０*、また原点Ｏから電極まで伝播体上を波が
実際伝播するのに係る伝達時間をｔｇ０、ｔｐ０とすれ
ば、ｔｇ０*＝ｔｇ０＋ｅｔｇ …（４）ｔｐ０*＝ｔｐ０＋ｅｔｐ …（５）の関係がある。

【００５６】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＋ｅｔ)−(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、波が振動伝達
板上を伝播する新野伝達時間遅延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、その値に電極６から原点Ｏ迄の距離Ｒａを最後に加
えることで、振動入力ペン３と電極６ａまでの距離を正
確に求めることができる。

【００５７】つまり、電極６から原点Ｏまでの距離、並
びにその点で計測される振動伝達時間ｔｇ０*、ｔｐ０*
を予め不揮発性メモリ等に記憶しておけば、振動入力ペ
ン３と各電極６と間の距離を決定できることがわかる。

【００５８】以上の説明は板波について説明したもので
あり、他の振動モードを選択した場合、つまり群遅延時
間ｔｇと距離Ｌの線形性が優れているような振動モード
を選択した場合には、（１）式に示されるように群遅延
時間ｔｇと群速度Ｖｇの積で距離を求めても良いことは
言うまでもない。

【００５９】＜座標位置算出の説明（図８）＞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。図８は、本第１の実施の形態における座
標位置検出の原理を説明する図である。

【００６０】今、図８に示されるように、振動伝達板８
上の４隅に４つの電極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、振動入力
ペン３の位置Ｐから各々の電極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、振動入力
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。

【００６１】ｘ＝（ｄａ＋ｄｂ）・（ｄａ−ｄｂ）／２Ｘ …（１０）ｙ＝（ｄａ＋ｄｃ）・（ｄａ−ｄｃ）／２Ｙ …（１１）ここで、Ｘ，Ｙ（大文字）はそれぞれ電極６ａ，６ｂ間
の距離、電極６ａ，６ｃ間の距離であり、以上の（１
０）、（１１）式を用いることにより振動入力ペン３の
位置座標をリアルタイムで検出することができる。

【００６２】また、上記計算では３つの電極までの距離
情報を用いて計算しているが、本第１の実施の形態では
４箇所の電極が設置されている。従って、残りの電極１
個の距離情報を用いて、別の組合せの電極を用いて振動
入力ペン３の位置座標を算出し、それらの結果を比較す
ることにより、出力座標の確からしさを検証することが
可能である。或は、用途によっては、例えば、最もペン
−電極間距離Ｌが大きくなった電極差の距離情報（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）を用いず残りの電極３
個、あるいは電極２個（計算式は示されていないが、原
理的に容易）で座標を算出することで、座標を入力する
ことができる有効なエリアを大きくすることもできる。
電極の数については、幾何学的には２箇所以上の電極で
座標算出が可能であり、製品スペックに応じて電極の設
置箇所が設定されることはいうまでもない。

【００６３】以上説明したように本第１の実施の形態の
座標入力装置は、圧電性を有する素材を入力面（振動伝
達板）として構成し、電極を振動伝達板に生成すること
で振動入力ペンより入力された振動を検出する。このた
め、従来方式である圧電センサ等の素子を用いて振動検
出を行う構成に比べ、装置を薄くすることができる。

【００６４】また、振動伝達板に入力された振動を利用
して、振動入力源と振動検出点の距離を算出して座標を
検知するタイプの座標入力装置に於て、検出素子の位置
決め精度は直接座標算出精度に影響を与える。このた
め、検出素子の固着位置の精度は厳密に管理する必要が
あったが、上記第１の実施の形態によれば、その位置決
めは電極の例えば印刷精度のみに依存し、従来の検出素
子を接着する等の手段に比べその管理は著しく容易とな
る。つまり量産性に優れ低コストで、しかも高性能を有
する座標入力装置を構成することができる優れた効果が
得られる。

【００６５】＜第２の実施の形態＞第１の実施の形態の
ように超音波を利用したペンを入力装置とする座標入力
装置は、振動入力ペンからの振動が振動検出用の電極ま
で到着する遅延時間を計時し、該計時時間に基づき振動
入力ペンの座標位置を出力する。この装置の演算制御回
路１は、遅延時間を計時するためのカウンタを振動入力
ペンの振動タイミングで同時にスタートさせ、振動検出
手段が振動入力ペンからの振動を検出するまでの時間を
カウントしている。従って、振動発生源である振動入力
ペンと本体回路は信号ケーブルでつながれ、振動入力ペ
ン３内の例えば圧電素子に駆動パルスを供給すると共
に、遅延時間の計測開始との同期をとる構成となってい
る。

【００６６】従って、振動入力ペン３と本体装置とはケ
ーブルで接続されていて、コードレスとはなっていな
い。しかしながら超音波を利用するこの種の装置におい
ても、構成並びに距離算出アルゴリズムを変更すること
によって、同期タイミング無し、つまりコードレスを容
易に実現することができる。第２の実施の形態では、振
動発生と遅延時間の計測を非同期とし、振動入力ペン３
と本体との間のコードを省くことを可能とした座標入力
装置について説明する。

【００６７】第２の実施の形態の構成は、図１に示され
る第１の実施の形態に於て、振動子駆動回路（駆動用電
源をこの場合含む）が振動入力ペン３に内蔵され、演算
制御回路１と振動子駆動回路２間のケーブルが無いよう
な構成とする。この場合、振動入力ペン３と演算制御回
路１の同期は全く得られない事になる。従って、直接、
振動入力点と各電極までの距離は計算することができな
いが、この場合の座標算出アルゴリズムについて以下に
説明する。

【００６８】再び、図８を用いて説明すると、座標入力
面である振動伝達板に４つの電極６ａ〜６ｄを符号Ｓ１
〜Ｓ４の位置に設け、振動発生源である振動入力ペン３
の位置Ｐから各々の電極６ａ〜６ｄの位置までの直線距
離ｄａ〜ｄｄとする。ペンと本体は同期が得られないの
で、距離ｄａ〜ｄｄを直接求めることはできないが、電
極６ａとペン３との距離ｄａとその他の電極とペン３と
の距離ｄｂ〜ｄｄの距離差Δｄｂ〜Δｄｄを求めること
はできる。つまり、振動入力ペン３の振動発生タイミン
グが既知でなくても、例えば電極６ａと電極６ｂに波が
到達する時間差は計測が可能であり、その結果として距
離ｄａと距離ｄｂの差を求めることが可能となる。そし
て、これらの直線距離差Δｄｂ〜Δｄｄに基づき、振動
入力ペン３の位置Ｐの座標（ｘ，ｙ）を、３平方の定理
から次の様にして求めることができる。なお、以下の各
式において、「^2」は２乗を表し、例えば、Ｘ^2はＸの
２乗を示すものとする。

【００６９】まず、算出されるΔｄｂ〜Δｄｄでｄｂ〜
ｄｄを表すと、ｄｂ＝Δｄｂ＋ｄａ …（１２）ｄｃ＝Δｄｃ＋ｄａ …（１３）ｄｄ＝Δｄｄ＋ｄａ …（１４）となる。各電極とペンとの距離を３平方の定理で表す
と。

【００７０】ｄａ^2＝ｘ^2＋ｙ^2 …（１５）ｄｂ^2＝（Δｄｂ＋ｄａ）^2＝ｘ^2＋（Ｙ−ｙ）^2 …（１６）ｄｃ^2＝（Δｄｃ＋ｄａ）^2＝（Ｘ−ｘ）^2＋（Ｙ−ｙ）^2 …（１７）ｄｄ^2＝（Δｄｄ＋ｄａ）^2＝（Ｘ−ｘ）^2＋ｙ^2 …（１８）となる。ここでＸ（大文字）、Ｙ（大文字）はそれぞれ
電極６ａ，６ｄ間の距離、電極６ａ，６ｂ間の距離であ
る。

【００７１】次に、｛式（１６）−式（１５）｝，｛式
（１７）−式（１８）｝より Δｄｂ^2＋２ｄａ・Δｄｂ＝Ｙ^2−２Ｙ・ｙ …（１９） Δｄｃ^2−Δｄｄ^2＋２ｄａ・（Δｄｃ−Δｄｄ）＝Ｙ^2−２Ｙ・ｙ …（２０）となり、両式の差をとってｄａを求めると次式となる。

【００７２】ｄａ＝−（Δｄｂ^2＋Δｄｄ^2−Δｄｃ^2）／（Δｄｄ＋Δｄｂ−Δｄｃ） …（２１）この式が成り立つのは右辺分母がゼロでない時であり、
ゼロの時の解き方は後で述べる。式（２１）を、（２
０）に代入してｙは次式のように求まる。

【００７３】ｙ＝Ｙ／２−Δｄｂ^2／２Ｙ＋Δｄｂ・（Δｄｂ^2＋Δｄｄ^2−Δｄｃ^2）／（Δｄｄ＋Δｄｂ−Δｄｃ）／Ｙ …（２２）同様な方法でｘを求めると、Ｘ＝Ｘ／２−Δｄｂ^2／２Ｘ＋Δｄｄ・（Δｄｂ^2＋Δｄｄ^2−Δｄｃ^2）／（Δｄｄ＋Δｄｂ−Δｄｃ）／Ｘ …（２３）となる。但し、（２３）が成り立つのも、 Δｄｄ＋Δｄｂ−Δｄｃ≠０ …（２４）の時である。

【００７４】では、（２４）式の条件を満たさない場合
について検討する。（１２）から（１４）式を代入する
と、右辺が０の場合とは、ｄｄ＋ｄｂ＝ｄｃ＋ｄａ …（２５）であり、これは、ｘ＝Ｘ／２またはｙ＝Ｙ／２の場合で
あり、ｄａ＝ｄｄかつｄｂ＝ｄｃあるいはｄａ＝ｄｂか
つｄｃ＝ｄｄの場合のみ成立する。

【００７５】（２４）式が成立しないと判定した場合
は、座標算出処理上サブルーチンに飛んでｘあるいはｙ
の２次方程式をたてて解くことになる。

【００７６】まず、ｘ＝Ｘ／２の時（この時は、Δｄｄ
＝Δｄｃである）、（１５）〜（１８）は次の２式とな
る。

【００７７】ｄａ^2＝Ｘ^2／４＋ｙ^2 …（２６）（Δｄｂ＋ｄａ）^2＝Ｘ^2／４＋（Ｙ−ｙ）^2 …（２７）式（２７）−（２６）より求めたｄａを（２６）に代入
して、ｙは次式で求まる。

【００７８】ｙ＝（Ｙ±sqr（Ａ））／２ …（２８）ここで、Ａ＝Δｄｂ^2・（１＋Ｘ^2／（Ｙ^2−Δｄｂ^2）） …（２９）なお、式（２８）の符号はΔｄｂ＞０の時“−”で、Δ
ｄｂ＜０の時“＋”である。

【００７９】同様に、ｙ＝Ｙ／２の場合は、ｘは次の通
り求まる。

【００８０】ｘ＝（Ｘ±sqr（Ｂ））／２ …（３０）ここで、Ｂ＝Δｄｂ^2・（１＋Ｙ^2／（Ｘ^2−Δｄｄ^2）） …（３１）但し、（３０）の符号はΔｄｄ＞０の時“−”で、Δｄ
ｄ＜０の時“＋”である。

【００８１】以上の様にして振動ペン３の位置座標をリ
アルタイムで検出することができる。

【００８２】この様な計算処理を行なうことで、ペン３
で発生した振動のタイミング情報がなくてもペンの入力
位置が算出可能となる。従って、コードレスの振動入力
ペンであるにもかかわらず、駆動タイミング受信用の受
信回路等は必要なく、簡単な回路で構成することができ
る。

【００８３】以上のように第２の実施の形態によれば、
第１の実施の形態の効果に加えて、振動入力ペンと本体
とを接続するコードを不要とすることができ、操作性が
向上する。

【００８４】なお、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つの機器からなる装置に適
用してもよい。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
できることは言うまでもない。この場合、本発明を達成
するためのソフトウエアによって表されるプログラムを
格納した記憶媒体を該システム或は装置に読み出すこと
によって、そのシステム或は装置が、本発明の効果を享
受することが可能となる。

【００８５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
振動伝達板として圧電性の部材を用い、機械的振動に基
づいて生じる電気信号を単に電極から取り出すことが可
能となる。即ち、振動伝達板上には電極を配置すればよ
く、このような電極の配置はエッチングや印刷等の技術
で実現できるので、振動検出位置の精度管理が著しく容
易となる。

【００８６】また、従来装置に比べ、装置の厚みを薄く
することができるという優れた効果が得られる。

【００８７】

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の座標入力装置の概略の構成
を表すブロック図である。

【図２】本実施の形態における電極の構成を説明する図
である。

【図３】電極の他の構成例を表す図である。

【図４】実施の形態の演算制御回路１の概略構成を示す
ブロック図である。

【図５】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。

【図６】第１の実施の形態の信号波形検出回路９の構成
を表すブロック図である。

【図７】実施の形態により得られる群遅延時間ｔｇ、位
相遅延時間ｔｐとペン−電極間距離Ｌの関係を模式的に
示した図である。

【図８】第１の実施の形態における座標位置検出の原理
を説明する図である。

【図９】一般的な座標入力装置における圧電センサの装
着状態を表す図である。

【図１０】実施の形態における振動伝達板の製造過程の
一例を説明する図である。

【符号の説明】１演算制御回路２振動子駆動回路３振動発生源４振動子５接触子６電極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】板厚方向に分極処理された圧電材で構成
された板状部材と、前記板状部材の面上の複数の所定位置の夫々に配置さ
れ、該板状部材の該所定位置の夫々における電気信号を
取り出すための複数の電極とを備えることを特徴とする
振動伝達板。
【請求項２】前記複数の電極は、前記板状部材の両面
の所定位置にほぼ同じ大きさを有して配置された導電材
で形成されることを特徴とする請求項１に記載の振動伝
達板。
【請求項３】前記複数の電極は、前記板状部材の一方
の面のほぼ全面を覆う導電材と、前記板状部材の他の面
の所定位置に部分的に配置された導電材とで形成される
ことを特徴とする請求項１に記載の振動伝達板。
【請求項４】圧電性の板状部材の両面に電極を形成す
る第１形成工程と、前記電極を介して前記板状部材に所定の電圧を印加し
て、該板状部材を板厚方向に分極処理する分極工程と、前記板状部材の所定位置の電極を残して該電極の他の部
分を除去することで、前記板状部材からの電気信号取り
出すための電極を形成する第２形成工程とを備えること
を特徴とする振動伝達板の製造方法。
【請求項５】前記第２形成工程は、前記板状部材の一
方の面に形成された電極について、前記板状部材の所定
位置の電極を残して該電極の他の部分を除去することを
特徴とする請求項４に記載の振動伝達板の製造方法。
【請求項６】圧電性の板状部材の両面の複数の所定位
置に所定の大きさの電極を形成する形成工程と、前記形成手段で形成した複数の電極を介して前記板状部
材に所定の電圧を印可して、該板状部材の板厚方向の分
極処理を行う分極工程とを備えることを特徴とする振動
伝達板の製造方法。
【請求項７】前記形成工程は、前記板状部材の一方の
面の複数の所定位置に所定の大きさの電極を形成し、該
板状部材の他方の面にはそのほぼ全面を覆う電極を形成
することを特徴とする請求項６に記載の振動伝達板の製
造方法。
【請求項８】板厚方向に分極され、圧電性を有する振
動伝達板と、前記振動伝達板の両面の複数の所定箇所に配置された電
極と、振動を発生するとともに、発生した振動を前記板状部材
に入力する振動入力手段と、前記振動入力手段によって入力されて前記電極まで伝播
された振動によって発生する電気信号を該電極より獲得
し、その電気信号に基づいて該振動入力手段で入力され
た振動の該電極への到着を検出する検出手段と、前記検出手段による信号の到着の検出タイミングに基づ
いて、当該振動の入力位置の座標を算出する算出手段
と、前記算出手段で算出された座標データを出力する出力手
段とを備えることを特徴とする座標入力装置。
【請求項９】前記算出手段は、前記振動入力手段による振動の発生時から前記検出手段
による振動の検出時までの時間を計測する計測し、前記計測手段によって計測された時間に基づいて前記振
動の入力位置から各電極までの距離を算出し、前記距離に基づいて前記入力位置の座標を算出すること
を特徴とする請求項８に記載の座標入力装置。
【請求項１０】前記算出手段は、前記検出手段によって検出された振動の到達タイミング
に基づいて前記振動入力手段による振動の前記電極の夫
々への到達時間の時間差を算出し、前記時間差に基づいて前記入力位置の座標を算出するこ
とを特徴とする請求項８に記載の座標入力装置。