JPH1165748A - 座標入力装置及びセンサ装着構造及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電極とセンサとの間に機械的な自由度を持たせ
ることにより、センサの配置位置精度の確保と、製造の
容易さを両立する。 【解決手段】振動伝達板上を伝播する弾性波振動が振動
センサに到達する遅延時間に基づいて座標位置を検出す
る座標入力装置において、振動センサ６は振動伝達板８
の導電面１００上に一方の電極面を当接させて固定され
る。振動センサ６の他方の電極面上には、接点部材１０
６が、環状部材１０５によってセンサの外形を基準とし
て位置決めされる。電極ユニット１２０は信号電極１０
９とグランド電極１０７を含み、グランド電極は導電面
１００と電気的に導通するように接触する。また、信号
電極１０７は、接点部材１０６を介してセンサ６の電極
面と電気的に導通するように、接点部材１０６に接触す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は座標入力装置及びセ
ンサ装着構造及び方法に関する。特に、振動伝達板に入
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、その弾性波振動の伝達時間に基づいて
振動入力点の座標を検出する座標入力装置と、そのセン
サ装着構造及び方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、物体中を伝播する振動を検出す
る振動検出素子（以下、振動センサともいう）として、
ジルコン・チタン酸鉛（以後ＰＺＴ）等の圧電セラミッ
クスが用いられている。このような振動検出素子は，そ
の形状、振動モード等が物体中を伝播する振動の所定周
波数の音波を効率良く検出するよう設定されている。つ
まり、振動を効率良く検出するために、センサの機械的
な共振周波数を検出音波の周波数と一致するよう素子形
状を決定するとともに、検出すべき振動の振動モード等
を考慮することで素子の感度、または素子の設置方法が
決定されていた。

【０００３】さてこの種の振動センサを用い、振動発生
源からの音波の到達遅延時間を計測することで振動入力
点の位置座標を算出する座標入力装置の従来例が、特開
昭６１−３３５２５（特願昭５９−１５３１１８）に示
されている。特開昭６１−３３５２５は、振動伝達板の
所望位置に前述の振動センサを接着固定し、振動センサ
からリード線により電気的な導通を得る方法を開示して
いる。

【０００４】さらに、例えば特開平０１−６８８２３
（特願昭６２−２２５３９３）、特開平０１−１１４９
２７（特願昭６２−２７３９６２）においては、センサ
を位置決めするためのガイドを設け、ガイドに形成され
た嵌合穴にセンサをはめ込んでセンサを位置決めし、位
置決めされたセンサを振動伝達板に対してバネ力等によ
り圧接、固定している例が開示されている。

【０００５】この種の座標入力装置では、まず振動発生
源から各々の振動検出素子までの波の到達遅延時間を各
々計測し、波の音速とそれら遅延時間との積により、振
動入力点と振動検出素子までの距離を各々算出してい
る。そして、それらの距離情報と各センサの配置から、
幾何学的に振動入力点の位置座標を算出することを基本
原理としている。従って、座標を正確に算出するために
は、振動検出素子の位置を正確に求めておく、或は所望
の位置に正確に振動検出素子を固定する必要があった。

【０００６】

【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課題が生じていた。

【０００７】特開昭６１−３３５２５では、振動検出素
子との電気的な導通を得るために、振動検出素子の電極
にリード線を、例えばハンダ等の手段により取り付けて
いた。このため、ハンダの量、或はハンダ位置により振
動検出素子の特性がバラツキ、安定した信号を各振動検
出素子から得ることが困難であった。つまり、座標算出
のためには複数の振動検出素子を必要とするのに、前述
の電極取り出し手段のために素子の特性が損なわれ、同
一の特性を有する複数の検出素子を構成することが困難
であった。

【０００８】特に、座標入力装置とディスプレイ等の出
力装置を重ねて配置し、あたかも紙と鉛筆の感覚で処理
を行えるようなペン入力コンピュータにこの座標入力装
置が使用される場合には、装置の可搬性等を考慮して
も、振動検出素子そのものの大きさは制約を受け、一般
に小さな素子となる事が容易に類推される。従って、そ
のような場合には、たとえ少量のハンダ量であっても、
それによる振動検出素子の特性への影響を無視すること
はできない。このため、調整等を含む何等かの補正手段
が必要となり、コストアップの要因となるばかりでな
く、装置の大量生産にも支障をきたしていた。

【０００９】さらには、一般に前述の振動検出素子その
ものが出力する電気エネルギーは非常に微弱であり、そ
の信号をアンプ手段で増幅するまでは、ノイズを十分に
考慮しなければならない。つまり、振動検出素子の素子
形状、特性から来る制約の上に、ノイズ対策などの要因
がからみ、その配線は複雑となり、生産性を著しく欠く
ようなものであった。

【００１０】一方、特開平０１−６８８２３、特開平０
１−１１４９２７では、ハンダ等の手段を用いずに電気
的接点をバネ力により振動検出素子の軸上に電気的な接
点位置を設けることで、作業性を改善させている。しか
しながら、リード線等の配線、シールドの構成等によ
り、量産性と言う観点で十分な改善が成されたとは言え
ない。しかも、この従来例は次のような新たな課題をも
抱えている。

【００１１】特開昭６１−３３５２５に示される構成の
ように、振動検出素子を一つの部材である振動伝達板に
接着するような場合、高精度な治具、例えばリニアスケ
ール等を用いた位置決め精度の優れているＸＹステージ
と画像処理技術を用いて、振動伝達板上に精度良く振動
検出素子を接着、固定することは可能であった。しかし
ながら上述の特開平０１−６８８２３、特開平０１−１
１４９２７で示される構成では、ガイドに形成された嵌
合穴によってセンサが位置決めされるが、このガイドの
位置を正確に設定することは容易でない。

【００１２】ガイドの位置を正確に設定できないことは
振動センサの位置が正確に設定できないことであり、座
標検出精度の低下という弊害を招く。すなわち、この種
の座標入力装置は振動入力点と各振動センサ間の距離を
波の到達時間と音速により導出し、振動センサの幾何学
的な配置情報とから振動入力点の位置を導出している。
そのため、振動センサの配置に誤差が含まれれば、それ
だけで座標算出精度が低下することになる。

【００１３】具体的な数字を用いて説明すれば、用途に
よっては振動検出素子の相対的な距離が例えば５００ｍ
ｍ程度にもなる場合があり、機械的な工作精度で距離５
００ｍｍに対する公差を±０．０５ｍｍ（公差が０．０
１％）として装置を大量生産することは、技術的に困難
を極める。また、例え可能とする工作技術が存在してい
たとしても、非常にコストが高くなるばかりか、装置の
大量生産には大きな障害となる。上記の様な従来例で
は、装置を大量生産する際の工作精度によって振動検出
素子の位置決め精度が左右される。例えば、距離５００
ｍｍに対して公差が０．１％（つまり±０．５ｍｍの工
作精度）存在するものとすれば、それだけで得られる座
標入力装置の座標算出精度は±０．５ｍｍより良くなる
ことは無い。つまり、高精度で座標を算出することがで
きる座標入力装置を安価に、大量に生産することが困難
となる。

【００１４】上記の問題を解決する方法として、装置を
組み上げた後、振動検出素子の位置を測定し、センサ配
置について正確な幾何学的な情報を得、座標算出精度を
向上させる方法が考えられる。しかしながら、この方法
では素子が工作精度の範囲内でランダムに配置されるこ
とになるので、その情報より座標を算出することは計算
が複雑になり、計算量が著しく増加し、計算時間が長く
なってしまう。このため、座標算出のためのサンプリン
グ速度が低下する問題が生じる。例えば，２００回／
秒、座標サンプリング可能であったものが、この様な補
正手段を組み込んだために、座標を算出するための計算
時間が増大し、例えば５０回／秒にサンプリング速度が
低下すれば、操作者の筆跡を忠実に再現できなくなる問
題が生じる。特に、操作者の筆記速度が早い場合にはそ
の現象が顕著となる。よって、座標情報より文字認識を
行うようなシステムでは誤認識の原因となり、その問題
は致命的なものとなる。もちろん、検査工程が増えるこ
とによるコストアップを避けることができないのは言う
までもない。

【００１５】本発明は上記の問題に鑑みてなされたもの
であり、センサに電気的に接続される電極とセンサとの
間に機械的な自由度を持たせることにより、センサの配
置位置精度の確保と、製造の容易さを両立する座標入力
装置、及びセンサ装着構造及び方法を提供することを目
的とする。

【００１６】また、本発明の他の目的は、センサと電気
的に接続される電極とシールド部材とを一体化し、セン
サへの電気配線を容易とすることにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明の座標入力装置は、振動伝達板上に入力された弾性
波振動が振動検出手段まで到達する遅延時間に基づい
て、該振動伝達板上の、振動が入力された座標位置を算
出して出力する座標入力装置であって、前記振動伝達板
の導電面上に一方の電極面を当接させて固定され、該振
動伝達板を伝播する振動を検出する検出素子と、前記セ
ンサの他方の電極面上に配置される接点部材と、前記セ
ンサの外形を基準として前記接点部材を位置決めする位
置決め手段と、前記導電面上に電気的に導通するように
接触する第１電極部材と、前記接点部材を介して前記セ
ンサの電極面と電気的に導通するように、該接点部材に
接触する第２の電極部材とを備える。

【００１８】また、本発明によれば、上記の構成におい
て、導電材料からなるシールド部材を更に備え、前記第
１の電極部材と前記第２の電極部材の間の電気的な絶縁
状態を保つとともに、前記シールド部材と前記第２の電
極部材との間の電気的な絶縁状態を保ちながら、該第１
及び第２の電極部材及び該シールド部材が一体化されて
いる座標入力装置が提供される。

【００１９】また、上記の目的を達成する本発明のセン
サ装着方法は、少なくとも２つの面を電極面として有す
るセンサを装着するためのセンサ装着方法であって、前
記センサを導電面上の所望の位置に、該導電面と該セン
サの一方の電極面が電気的に接続するように固定し、他
方の電極面上に、前記センサの外形を基準として接点部
材を位置決めし、第１の電極部材を前記導電面上に電気
的に導通するように接触させ、第２の電極部材を前記接
点部材を介して前記センサの電極面と電気的に導通する
ように、該接点部材に接触させることを特徴とする。

【００２０】更に、上記の目的を達成する本発明のセン
サ装着構造は、少なくとも２つの面を電極面として有す
るセンサの装着構造であって、導電面を有し、前記セン
サが該導電面上の所望の位置に、該導電面と該センサの
一方の電極面が電気的に接続するように固定された板状
部材と、前記センサの他方の電極面上に配置される接点
部材と、前記センサの外形を基準として前記接点部材を
位置決めする位置決め手段と、前記導電面上に電気的に
導通するように接触する第１電極部材と、前記接点部材
を介して前記センサの電極面と電気的に導通するよう
に、該接点部材に接触する第２の電極部材とを備える。

【００２１】

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

【００２２】＜座標入力装置全体の構成＞図１は、本実
施形態による座標入力装置の全体の構成を示すブロック
図である。まず最初に図１を用いて本実施形態における
座標入力装置の装置全体の構成について説明する。

【００２３】図１において、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内に内蔵されている
振動子４を振動させるものであり、ペン先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
アクリルやガラス板等、透明部材からなり、振動ペン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）を振動ペン３でタッチすることで行う。

【００２４】また振動ペン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（以下、これらを総称する
場合は，振動センサ６という）が固定されている。

【００２５】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、所定
の信号処理を行い、その結果を演算制御回路１に出力
し、座標を算出する。なお信号波形検出回路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、振動ペ
ン３によりなぞられた位置にドットを表示する。ディス
プレイ１１上の表示は，振動伝達板８（例えばガラス等
の透明部材からなる場合）を透してみることが可能にな
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、ペン先
５を介して振動伝達板８に伝達される。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
振動周波数をペン先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】＜振動センサの装着構造＞次に、振動伝達
板８上に装着される振動センサ６の装着形態について図
２〜図５を参照して詳細に説明する。

【００２９】図２は、本願実施形態における振動センサ
の装着構造を説明する図である。図２において、６は前
述の振動を検出するための振動センサであり、振動伝達
板８上に設けられた導電性領域１００にセンサ６の一方
の電極が当接するように接着等の手段によって固定され
ている。

【００３０】本実施形態ではその下側にディスプレイ１
１を重ねて配置するので、振動伝達板８としてガラスを
用いているため、導電性領域１００を要する。振動伝達
板８として導線性の伝播体（例えばアルミニウム）を用
いれば導電性領域１００は不要である。また、本実施形
態の座標入力装置が振動の伝播時間を計測して振動入力
位置と各センサまでの距離をまず導出し、後述する幾何
学的な方法でその位置を導出することを基本原理として
いるので、振動センサ６の接着に際してその位置決めは
高精度にされなければならない。本実施形態では、振動
センサの固定に接着という手段を採用するので、高精度
な治具を用いて精度良く振動センサを固定することがで
きる。

【００３１】以上のように、振動伝達板には振動センサ
６（本実施形態の場合４ヶ）が高精度に位置決めされ
る。また、振動伝達板の外周部には防振材７が取り付け
られる。このように、振動センサ６と防振材７が装着さ
れた振動伝達板８に、両面テープ等の手段により金属フ
レーム１０１が取り付けられる。

【００３２】上述の「発明が解決しようとする課題」の
項で説明したように、振動センサ６との電気的導通を得
る手段として、汎用技術である半田付けは、センサの特
性を管理するという観点から量産性に課題を残す。よっ
て、本実施形態では、振動センサ６との電気的導通を後
述する方法で実現している。

【００３３】組み立て順に説明していくと、まず信号増
幅用のプリアンプユニット１０３がアンプホルダ（絶縁
体）１０２を介して金属フレーム１０１にパッチン等の
手段により固定される。

【００３４】次に電極ユニット１２０を組み込む。図３
は電極ユニットの構成を説明する図である。図３に示さ
れるように、グランド電極１０７、ケース１０８（絶縁
体）、信号電極１０９、スペーサ（絶縁体）１１０をパ
ッチン等の手段により固定してユニット１２０ａを構成
し、ユニット１２０ａとシールドケース１１１を組み合
わせて電極ユニット１２０を得る。なお、本実施形態で
は、シールドケース１１１とユニット１２０ａを別体と
したが、シールドケースを含めて一体化した電極ユニッ
トしてもよいことはいうまでもない。

【００３５】再び図１において、振動センサ６の軸と導
電性の接点部材１０６（本実施形態ではボール形状）の
中心が一致するように、環状の位置決め部材１０５が配
置される。図５は本実施形態による接点部材の装着状態
の詳細を説明する図である。図５からわかるように、環
状部材１０５は、振動センサ６の外形に嵌合し、その中
心部にボール状の接点部材１０６が配置される。このよ
うに、接点部材１０６は、環状部材１０５によって振動
センサ６の外形を基準として正確に位置決めされること
になる。

【００３６】次に、ネジ１１２を用いて接点部材１０６
を挟み込んだ状態で電極ユニット１２０をフレーム１０
１に固定する。両者を固定することで、グランド電極１
０７の接点部分は前述の導電性領域１００に当接すると
ともに、金属フレーム１０１と短絡する。また信号電極
１０９の接点部分は、接点部材１０６を介してセンサ６
の一方の電極と導通を得ることになる（これらの部材
は、前述のネジ締結により、接点部が弾性変形し、圧接
力を作用する）。またシールドケース１１１はネジ１１
２を介して金属フレーム１０１と短絡することになる。

【００３７】また、図４はプリアンプユニット１０３を
説明する図である。図４に示されているように、プリア
ンプユニット１０３の基板面上には、グランド用ランド
１０３ａ、及び信号用ランド１０３ｂが形成されてい
る。上記の組み立てが完了した際には、信号電極１０９
の端子部１０９ａ（図３参照）がプリアンプ１０３の信
号用ランド１０３ｂの位置に配置され、半田、或いは弾
性力を利用して振動センサ６の一方の電極と導通を得る
ことができるように構成されている。この様な状態で、
最後に保護ケース（導電体）１０４を配置し、保護ケー
ス１０４の端子部分１０４ａ、プリアンプ１０３のグラ
ンド用ランド１０３ａ及びグランド電極１０７の端子部
分１０７ａ（図３参照）とを半田等の手段により固定
し、導通を得る。このようにして、素子配線、シールド
対策のすべてを完了する。

【００３８】以上説明したように、センサ６の一方の電
極は、接点部材１０６及び信号電極１０９の接触を介し
て導通を得ているので、接点部材１０６と信号電極１０
９間にメカ的な自由度が存在する。このため、センサの
位置決めは高精度にもかかわらず、上述電極導出手段の
位置精度は比較的ラフでよく、安価に製造できる。

【００３９】さらには、実使用上の環境変動によって、
振動伝達板８とフレーム１０１の線膨張係数の違いから
起こるセンサ部での熱応力の発生を前述メカ的な自由度
によって抑えることができるので、安定した振動を検出
することが可能となる。すなわち、信号電極１０９によ
って発生するバネ力は接点部材１０６に作用するが、接
点部材１０６は環状の位置決め部材１０５によって常に
センサ６に対して位置決めされる。このため、信号電極
１０９と接点部材１０６の相対的な位置ずれが生じたと
しても、振動センサ６との電気的な接触位置は変化しな
い。また、環境要因の変動に対してセンサ６の応力状態
を常に保つことを可能とし、或いは、製造上の工作精度
によらず安定した振動検出を可能とし、高精度な座標算
出が可能となる。

【００４０】さらには、プリアンプ１０３の基板面上に
信号用ランドを設け、組みあがった状態で信号電極１０
９の端子部分１０９ａと半田等により導通を得る構成と
しているので、やはり、プリアンプ１０３の位置決めも
ラフで良い（もちろん、信号用ランド１０３ｂの大きさ
を大きくすれば、その位置決め精度はさらに低下させる
ことができる）。また、本実施形態（図１）の様に構成
することで、半田方向が一方向となり作業性を向上させ
ることができる優れた効果が得られる。

【００４１】以上の述べた様に、高精度な座標算出を可
能とするためには振動センサ６を振動伝達板８に高精度
に位置決めして製造する必要があるが、振動センサ６の
信号を得るための導通手段は比較的ラフな精度で製造が
可能であり、それらを固定するフレーム１０１の製造が
安価にできるという利点を有する。

【００４２】＜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センサ６ａ〜
６ｄ迄の距離に応じて遅延して到達する。

【００４３】振動波形検出回路９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
り各振動センサヘ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。

【００４４】また演算制御回路１は、この算出された振
動ペン３の位置情報を元にディスプレイ駆動回路１０を
駆動し、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
出力を行なう（不図示）。

【００４５】図６は本実施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。以下、各構成要素及びそ
の動作概略を説明する。

【００４６】図６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、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、そのスタート信号によって計時を開始
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、振動センサ（６ａ〜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ことになる。

【００４７】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
号入力回路３５を介してラッチ回路３４ａ〜３４ｄ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、対応する振動セ
ンサよりのタイミング信号を受信すると、その時点のタ
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。

【００４８】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、各々の振動センサまでの
振動到達時間をラッチ回路３４ａ〜３４ｄから読み取
り、所定の計算を行なって、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
を出力することにより、例えばディスプレイ１１の対応
する位置にドット等を表示することができる。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ことによって、外部機器に座標値を
出力することができる。

【００４９】＜振動伝搬時間検出の説明＞図７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、
以下では、振動センサ６ａの場合に関して説明するが、
その他の振動センサ６ｂ，６ｃ，６ｄについても全く同
じである。

【００５０】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
じた時間をかけて進行した後、振動センサ６ａで検出さ
れる。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。

【００５１】この実施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４２
１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４２
１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、振動ペン３と振動センサ６ａ間の距離
を検出している。

【００５２】図８は振動検出回路９の構成を示すブロッ
ク図である。以下、図７と図８を参照して、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。

【００５３】振動センサ６ａ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。そこで前置増幅回路５
１で増幅され、帯域通過フィルタ５１１を通過した信号
４４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。

【００５４】さらに、エンベロープ検出回路５２より出
力されるエンベロープ４５はゲート信号発生回路５６に
入力される。ゲート信号発生回路５６はマルチバイブレ
ータ等で構成され、エンベロープ４５が、予め設定され
ている閾値レベル４４１を越える部分を表すゲート信号
４６を形成し、出力する。

【００５５】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、本実施形態
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、
信号４３の立ち下がりゼロクロス点のタイミングで立ち
上がるパルス信号が形成される。この結果、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。

【００５６】次に、位相速度Ｖｐに関わる位相遅延時間
ｔｐ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を検出し、位
相遅延時間ｔｐを表す信号４７が演算制御回路１に供給
されることになる。

【００５７】以上の説明はセンサ１個に対するものであ
ったが、他の振動センサにも同じ回路が設けられていて
もかまわないし、アナログスイッチ等を用いてセンサを
時分割で選択し、回路の共有化を行っても良いことは言
うまでもない。

【００５８】＜振動ペンとセンサ間の距離算出の説明＞
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９は本実施形態により
得られる群遅延時間ｔｇ、位相遅延時間ｔｐとペンセン
サ間距離Ｌの関係をそれぞれ模式的に示した図である。
本実施形態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を求めることができない。 Ｌ＝Ｖｇ・ｔｇ …（１）。

【００５９】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。 Ｌ＝Ｖｐ・ｔｐ＋ｎ・λｐ …（２）。

【００６０】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９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。 ｎ＝int［（Ｖｇ・ｔｇ−Ｖｐ・ｔｐ）／λｐ＋１／２］ …（３）。

【００６１】先にも述べた様に、検出波として板波を用
いているので、群遅延時間ｔｇの距離に対する線形性が
良いとは言えず、式（３）において整数化を実行してい
るのはこのためである。正確な整数Ｎを求めるための必
要十分条件は式（４）から導出される式（５）に示され
る。 ｎ*＝（Ｖｇ・ｔｇ−Ｖｐ・ｔｐ）／λｐ …（４） △Ｎ＝ｎ*−ｎ≦０．５ …（５）。

【００６２】つまり、発生する誤差量が±１／２波長以
内であれば、群遅延時間ｔｇの線形性が良くなくても、
整数ｎを正確に決定することができる事を示すものであ
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問の距離Ｌを精
度良く測定することができる。

【００６３】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得ることができ
る。

【００６４】＜回路遅延時間補正の説明＞ラッチ回路３
４ａ〜３４ｄによってラッチされた振動伝達時間は、回
路上で発生する遅延時間、すなわち、位相回路遅延時間
ｅｔｐおよび群回路遅延時間ｅｔｇ（図９参照、またこ
れらの時間は回路遅延時間の他に振動ペン３のペン先５
中を振動が伝播する時間等をも含む）を含んでいる。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へと行なわれる振動伝達の際
に必ず同じ量が含まれる。

【００６５】そこで、例えば図１０の原点Ｏの位置か
ら、例えば振動センサ６ａまでの距離をＲａ（＝ｓｑｒ
｛（Ｘ／２）^２＋（Ｙ／２）^２｝、ただし、Ｘ^Ｙは
ＸのＹ乗を示す。（図１０参照））とし、原点Ｏにて振
動ペン３で入力を行ない実測された原点Ｏからセンサ６
ａまでの実測されるの振動伝達時間を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 …（６） ｔｐ０*＝ｔｐ０＋ｅｔｐ …（７） の関係がある。

【００６６】一方、任意の入力点Ｐでの実測値ｔｇ*，
ｔｐ*は同様に、 ｔｇ*＝ｔｇ＋ｅｔｇ …（８） ｔｐ*＝ｔｐ＋ｅｔｐ …（９） となる。この（６）式と（８）式、（７）式と（９）式
の差を各々求めると、 ｔｇ*−ｔｇ０*＝（ｔｇ＋ｅｔｇ）−（ｔｇ０＋ｅｔｇ）＝ｔｇ−ｔｇ０ …（１０） ｔｐ*−ｔｐ０*＝（ｔｐ＋ｅｔｐ）−（ｔｐ０＋ｅｔｐ）＝ｔｐ−ｔｐ０ …（１１） となる。

【００６７】上記（１０）及び（１１）式から明らかな
ように、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、距離Ｒａを波
が伝播する時間と距離ｄａを波が伝播する時間の正確な
時間差を求めることができる。よって前記（１），
（２），（３）式を用いれば、距離Ｒａと距離ｄａの距
離差を求めることができる。つまり ｔｇ＝ｔｇ*−ｔｇ０* …（１２） ｔｐ＝ｔｐ*−ｔｐ０* …（１３） 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６ａから原点０までの距離Ｒａ
を加えることで、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。

【００６８】従って振動センサ６ａから原点０までの距
離Ｒａ、及びその点で計測された時間ｔｇ０*，ｔｐ０*
をあらかじめ不揮発性メモリ等に記憶しておけば、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ことができる。

【００６９】＜座標位置算出の説明＞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１０は本実施形態による座標位置検出を説明す
る図である。

【００７０】今、図１０に示されるように、振動伝達板
８上の４隅に４つの振動センサ６ａ〜６ｄを図示の位置
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〜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。

【００７１】 ｘ＝（ｄａ＋ｄｂ）・（ｄａ−ｄｂ）／２Ｘ …（１４） ｙ＝（ｄａ＋ｄｃ）・（ｄａ−ｄｃ）／２Ｙ …（１５） 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。

【００７２】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、本実施形態では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個で座標を算出するように
しても良い。また本実施形態では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。

【００７３】以上説明したように本実施形態の座標検出
装置においては、振動の到達時間を計測することで振動
入力源と各センサまでの距離を各々算出し、幾何学的な
計算処理により座標を算出することを基本原理としてい
るので、高精度に座標を算出するためには、前述のセン
サは各々高精度に位置決めして製造されなければならな
い。

【００７４】このような要求に対し、本実施形態では、
接点部材を介した板バネの信号電極により、各センサと
導通をとる構成を設けた。このため、各センサの応力状
態が安定し、延いては検出誤差の少ない高精度な座標算
出を可能とする構成が得られる。更に、機械的な自由度
を有するので、前述の信号電極は比較的ラフな精度で位
置決めが可能であり、量産性に優れる利点を有する（無
論、センサの他方の電極導出手段も、以上の説明より明
らかにラフな位置決めが可能である）。

【００７５】更には、前述の板バネはプリアンプの基板
上に設けられたランドに接続するよう構成され、すべて
が組みあがった状態で半田等の手段により接続される。
このため、プリアンプの位置決め精度もラフでかまわな
い。つまり、プリアンプ、電極ユニット１２０を固定す
るフレームの工作精度は、通常の量産技術で対応が可能
であり、安価に製造ができるばかりでなく、組み立ても
容易となるという優れた利点を得ることができる。

【００７６】また、本実施形態によれば、振動センサと
の電気的導通を得るための電極（信号電極１０９、グラ
ンド電極１０７）、並びにシールド１１１を一体的に構
成する電極ユニット１２０と、振動センサ検出された信
号を処理する信号処理回路の部品実装面に振動センサの
出力信号を入力するためのパターン（ランド）を形成し
たプリアンプユニット１０３とからセンサ部ユニットが
構成されるので、簡単にセンサ部の電気的配線が行え
る。

【００７７】なお、本発明は、複数の機器（例えばホス
トコンピュータ，インタフェイス機器，リーダ，プリン
タなど）から構成されるシステムに適用しても、一つの
機器からなる装置（例えば、複写機，ファクシミリ装置
など）に適用してもよい。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
センサに電気的に接続される電極とセンサとの間に機械
的な自由度を持たせたことにより、センサの配置位置精
度の確保と、製造の容易さが両立できる。

【００７９】また、本発明によれば、センサと電気的に
接続される電極とシールド部材とを一体化し、センサへ
の電気配線が容易となる。

【００８０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態による座標入力装置の全体の構成を
示すブロック図である。

【図２】本願実施形態における振動センサの装着構造を
説明する図である。

【図３】電極ユニットの構成を説明する図である。

【図４】プリアンプユニット１０３を説明する図であ
る。

【図５】本実施形態による接点部材の装着状態の詳細を
説明する図である。

【図６】本実施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７】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。

【図８】振動検出回路９の構成を示すブロック図であ
る。

【図９】本実施形態により得られる群遅延時間ｔｇ、位
相遅延時間ｔｐとペンセンサ間距離Ｌの関係をそれぞれ
模式的に示した図である。

【図１０】本実施形態による座標位置検出を説明する図
である。

【符号の説明】

１ 演算制御回路 ２ 振動子駆動回路 ３ 振動入力ペン ４ 振動子 ５ ペン先 ６ａ〜６ｄ 振動センサ ７ 防振材 ８ 振動伝達板 ９ 信号波形検出回路 １０１ 金属フレーム １０３ プリアンプユニット １０５ 環状部材 １０６ 接点部材 １０７ グランド電極 １０９ 信号電極

───────────────────────────────────────────────────── 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 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 (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動伝達板上に入力された弾性波振動が
   振動検出手段まで到達する遅延時間に基づいて、該振動
   伝達板上の、振動が入力された座標位置を算出して出力
   する座標入力装置であって、 前記振動伝達板の導電面上に一方の電極面を当接させて
   固定され、該振動伝達板を伝播する振動を検出する検出
   素子と、 前記センサの他方の電極面上に配置される接点部材と、 前記センサの外形を基準として前記接点部材を位置決め
   する位置決め手段と、 前記導電面上に電気的に導通するように接触する第１電
   極部材と、 前記接点部材を介して前記センサの電極面と電気的に導
   通するように、該接点部材に接触する第２の電極部材と
   を備えることを特徴とする座標入力装置。
2. 【請求項２】 前記振動伝達板が導電性の材料で形成さ
   れていることを特徴とする請求項１に記載の座標入力装
   置。
3. 【請求項３】 前記振動伝達板の複数箇所に導電性膜を
   生成し、前記検出素子は該導電性膜が形成された部分を
   前記導電面として固定されることを特徴とする請求項１
   に記載の座標入力装置。
4. 【請求項４】 前記第１及び第２の電極部材は弾性材料
   で形成され、それぞれ前記導電面と前記接点部材に弾性
   力によって圧接することを特徴とする請求項１に記載の
   座標入力装置。
5. 【請求項５】 前記検出素子より得られる信号を処理す
   る信号処理手段を更に備え、 前記第１及び第２の電極部材は、前記信号処理回路に電
   気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の座
   標入力装置。
6. 【請求項６】 前記第１及び第２電極部材は、前記信号
   処理手段が備える前記信号処理回路基板上に設けられた
   パターンに電気的に接続されることを特徴とする請求項
   ３に記載の座標入力装置。
7. 【請求項７】 前記第１の電極部材と第２の電極部材
   は、電気的な絶縁状態を保って一体化されていることを
   特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
8. 【請求項８】 絶縁材からなる絶縁部材を更に備え、 前記第１の電極部材と前記第２の電極部材は、前記絶縁
   部材を間に挟んで一体化されることを特徴とする請求項
   １に記載の座標入力装置。
9. 【請求項９】 導電材料からなるシールド部材を更に備
   え、 前記第１の電極部材と前記第２の電極部材の間の電気的
   な絶縁状態を保つとともに、前記シールド部材と前記第
   ２の電極部材との間の電気的な絶縁状態を保ちながら、
   該第１及び第２の電極部材及び該シールド部材が一体化
   されていることを特徴とする請求項１に記載の座標入力
   装置。
10. 【請求項１０】 少なくとも２つの面を電極面として有
    するセンサを装着するためのセンサ装着方法であって、 前記センサを導電面上の所望の位置に、該導電面と該セ
    ンサの一方の電極面が電気的に接続するように固定し、 他方の電極面上に、前記センサの外形を基準として接点
    部材を位置決めし、 第１の電極部材を前記導電面上に電気的に導通するよう
    に接触させ、 第２の電極部材を前記接点部材を介して前記センサの電
    極面と電気的に導通するように、該接点部材に接触させ
    ることを特徴とするセンサ装着方法。
11. 【請求項１１】 前記第１及び第２の電極部材は弾性材
    料で形成され、それぞれ前記導電面と前記接点部材に弾
    性力によって圧接することを特徴とする請求項１０に記
    載のセンサ装着方法。
12. 【請求項１２】 更に、前記第１及び第２の電極部材を
    信号処理回路に電気的に接続することを特徴とする請求
    項１０に記載のセンサ装着方法。
13. 【請求項１３】 前記第１及び第２の電極部材を、前記
    信号処理回路に設けられたパターンに電気的に接続する
    ことを特徴とする請求項１２に記載のセンサ装着方法。
14. 【請求項１４】 前記第１の電極と第２の電極は、電気
    的な絶縁状態を保ちつつ一体化して供給されることを特
    徴とする請求項１０に記載のセンサ装着方法。
15. 【請求項１５】 互いに電気的に絶縁された前記第１及
    び第２の電極と、該第２の電極と電気的に絶縁されたシ
    ールド部材とが一体化されて供給されることを特徴とす
    る請求項１０に記載のセンサ装着方法。
16. 【請求項１６】 少なくとも２つの面を電極面として有
    するセンサの装着構造であって、 導電面を有し、前記センサが該導電面上の所望の位置
    に、該導電面と該センサの一方の電極面が電気的に接続
    するように固定された板状部材と、 前記センサの他方の電極面上に配置される接点部材と、 前記センサの外形を基準として前記接点部材を位置決め
    する位置決め手段と、 前記導電面上に電気的に導通するように接触する第１電
    極部材と、 前記接点部材を介して前記センサの電極面と電気的に導
    通するように、該接点部材に接触する第２の電極部材と
    を備えることを特徴とするセンサ装着構造。