JPS6133523A - 弾性波を利用した位置標定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、弾性波を利用した位置標定装置に関する。

〔発明の背景〕

従来の超音波を利用した位置標定装置として、弾性表面
波を利用した例がある。例えば、特開昭５５−１６２１
３７号公報「圧電形座標入力装置」がある。この従来例
は、プラスチックやガラス等による入力盤の直交する２
辺の表面に短形平板の圧電素子をそれぞれ接着し、これ
ら圧電素子にパルス信号を交互に印加し弾性表面波を発
生させる。

この弾性波を入力盤に当接した入力ペンが検出し、この
弾性波の発生から検出までの時間を計数する。

この計数値をもって入力ペンの位置を標定できる。

然るに、弾性表面波の場合、検出された波はなだらかな
包絡線をもって立ち上っていること、入力盤の表面に触
手することによって波形が変化すること、表面波の前に
縦波が到達することなどのために信号到達時間を精度よ
く検出することが難しい。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、位置標定を精度よく実現してなる弾性
波利用の位置標定装置を提供するものである。

〔発明の概要〕

本発明の位置標定装置は、弾性波発生機能を持つ表示ペ
ン（入力部材）と、この表示ペンが当接して発生弾性波
を伝播させる平板状固体音響伝播媒体と、該媒体の角部
に設けた弾性波検出部とより成る。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の位置標定装置の実施例図である。固体
音響伝播媒体１は、ガラスの如き透明板より成る。この
固体音響伝播媒体１の裏面には、表示部９を接着させた
。表示ペン（入力部材）３は、内部に縦波弾性波発生機
能を持つ。表示ペン３の先端は、尖った形状をなし、と
の先端突部から縦波弾性波が放射する。先端を尖頭化し
たことによって、弾性波放射エネルギー密度が極めて大
となり、弾性波の放射効率がよくなる。透明板１の周辺
の４つの角部には、角切シを行った部分に縦波検出部２
ａｔ　２ｂ、２ｃ、２ｄを設けた。この縦波検出部２ａ
〜２ｄは、透明板１を介して伝播してくる縦波弾性波を
検出し電気信号として出力する。

表示部９は、任意の図形・文字を表示可能とするもので
あシ、例えば液晶表示部より成る。表示部９は、表示ド
ライバ８の指示のもとに表示ペン３が透明板１上を描画
した時のパターンを表示する。従って、表示ペン３で描
画しながらその描画したパターンを表示部９に即座に表
示できる。描画から表示までの時間は短時間であシ、作
業者にとっては表示ペンによって描画しながらその描画
したａＪ−ンの表示を観察できることになる。

描画から表示までの処理は、先頭波検出回路５、パル？
４、時間差計数回路６、座標演算回路７、表示ドライバ
８によって行う。

ここで、パルサ４は、周期的にパルスを発生する。この
パルスは、表示ペン３及び時間差計数回路６に入力する
。表示ペン３では、縦波弾性波の発生トリガとなシ、パ
ルスを受ける毎に縦波弾性波を放射する。時間差計数回
路６は・くルサ４からのパルスを受けとってから反射波
が到達するまでの時間を計数する。

先頭波検出回路５は、検出部２ａ〜２ｄの検出反射波の
先頭波を検出する。

座標演算回路７は、時間差計数回路６の検出時間差を受
けて表示ペン３の位置を演算する。表示ドライバ８は、
この位置を表示させるべく表示部９を駆動する。

動作を説明する。

パルサ４は、周期的にパルスを表示べ／４、時間差計数
回路６に送る。表示ペンに送るノくルスは縦波弾性波を
発生させるに必要な電力を持つ。時間差計数回路６に送
るノくルスは単なる発生時刻の計数始期を指定するもの
である故、微小振幅でよい。

表示ペン３は、パルサ４のパルス励起により縦波弾性波
を、そのパルスを受けとる毎に発生する。

表示ペン３は、作業者によって描画を受け、その描画の
過程でパルスを受けとる毎に縦波弾性波をペン先端部よ
り透明板１に放射する。このペン先端部より放射された
縦波弾性波は、透明板１を伝播し検出部２３〜２ｄに到
達する。ノくルサ４からのパルス発生から弾性波の放射
までの時間は極めて短時間であり、無視できる。従って
、パルス発生から各検出部２８〜２ｄに弾性波が到達す
るまでの時間は、゛各検出部と表示ぺ／３との距離に比
例する。１回のパルスによって発生する弾性波に対して
各検出部で検出に必要な弾性波は、先頭波でアシ、この
先頭波対応電気信号は先頭波検出回路５で検出できる。

時間差検出回路６は、パルスの送出から検出先頭波まで
の時間差を検出する。この時間差は、各検出部２３〜２
ｄ対応に求まる。座標演算回路７は、この各検出部２３
〜２ｄについての時間差からその時の表示ペン３の位置
を算出する。算出した表示ペン３の位置を表示部９に表
示させるべく表示ドライバ８を駆動させ、表示部９に表
示べ／３の指示を行い、表示させる。かくして、表示ペ
ン３の移動に追従して表示がなされる。

第２図は、表示ペン３を中心とする具体的な実施例を示
す。表示ペン３は、円錐形状の先端部１０、該先端部に
弾性波を放射する弾性波発生部３ｂ、円筒状外枠３Ｃよ
り成る。弾性波発生部３ｂは、先端部１０の平坦部３ｄ
に接着固定させておく。弾性波発生部３ｂには、外部か
らリード線３ａをハ／ダ付けした。このリード線３ａを
介してパルサ４からのパルスが弾性波発生部３ｂに゛印
加する。

弾性波発生部３ｂは圧電素子より成る。弾性波発生部３
ｂは、パルスの印加により弾性波１１を先端部１０に向
って放射する。弾性波１１は先端部１０をその円錐状形
状の尖った尖頭部に向って伝播し、該尖頭部を通して透
明板１に放射する。

透明板１では尖頭部を中心としてその周囲方向１１．１
３へと伝播する。この伝播波は検出部２ａで検出される
。

固体中を伝播する弾性波は、縦波、横波１表面波など種
々のモードよ構成る。伝播速度の最も速いものは縦波で
あり、この縦波を先頭波として検出する。

第３図は、リード線３ａに印加されるバルサ４のパルス
を（ａ）図、検出部２で検出した検出波を（ｂ）図に示
す。（ｂ）図から明らかなように、先頭にくる縦波を先
頭波として検出し、その後にくる横波は検出対象から除
く。

第４図は、前記表示ペン３より透明板１（表示板９は図
面上省略した）に弾性波が放射され伝播してゆく状況を
説明する図である。表示ペン３に内蔵する弾性波発生部
３ｂは、リード線３ａを介して励起パルスを受けとると
、弾性波を放射する。

この弾性波は、厚み方向の振動成分と径方向の振動成分
を持ち、この２つの波は、先端部１０の内部を伝播して
ゆく。弾性波は、表示ペン３の尖頭部１２の媒体１との
接触点より媒体１中に入シ込む、この時、モード変換が
起υ、図示の如く縦波成分と横波成分の両方が混在した
弾性波となシ、この弾性波が媒体１を伝播してゆく。

縦波成分は、横波成分の約２倍の速度を有しておシ、検
出部２では、縦波成分が先ず検出でき、これを位置検出
用として利用する。縦波弾性波を位置検出用として利用
する理由の詳細は以下となる。

先ず、本発明者等が、・透明板１を伝播する縦波成分の
周波数は、表示ペン３の先端部１０を伝播する弾性波発
生部３ｂの径方向振動成分の周波数とｔｌぼ一致すると
の事実の発見したことに基づく。

透明板１を伝播する弾性波は、前述の如く縦波成分と横
波成分が混在した複雑な波形となるが、最初に検出部２
に致達する弾性波には横波成分は含まれず、従って、非
常に単純な縦波成分のみが検出できる（第３図）。横波
成分の混在した弾性波は表示ペン３と検出部２との距離
を変化させると、波形、特に振幅が複雑に変化し、該距
離に相当した伝播遅延時間の計数は困難である。これに
対し、上記縦波成分のみの場合は、表示ペンと検出部２
との距離を変化させても、減衰の影響を除き、複雑な振
幅変化はみられない。この波形を用いることにより、距
離に相当した伝播遅延時間の計数が充分可能である。更
に１縦波は、透明板１の内部を伝播するため、透明板１
０表面に手をついても＃１とんど影響を受けない。

然るに、縦波成分の振幅は、横波成分に比べて非常に小
さく、これを精度よく検出するためには、表示ペン３か
ら透明板１への弾性波の入射効率を大きくする必要があ
る。

この点に着目し、本発明者等は前記の新事実に従って、
表示ペン３の弾性波発生部３ｂの径方向共振周波数と透
明板１の側面に接着する検出部２の厚み方向共振周波数
又は径方向共振周波数とを一致させるように、検出部２
及び弾性波発生部３ｂを設計する。更に、表示ペン３の
先端部１０と透明板１との音響インピーダン−〇マツチ
ングをとる。これにより、伝播遅延時間の計数が十分可
能なだけの振幅を有する安定な縦波波形を得た。

検出部２及び弾性波発生部３ｂは、チタン酸ジルコン酸
鉛からなる圧電セラミックスで構成した場合、数１００
ＫＨ２の縦波を安定に得ることができた。更に、先端部
１０としては、透明板１をソーダライムガラスで形成す
る場合、該ガラスか又はＡＬを用いるとよい。

さて、弾性波検出部を圧電ゼラミツク等よ構成る固体振
動素子で構成した場合の指向特性を第５図に示す。透明
板１の側面（角部ではない）Ｋ弾性波検出部としての固
体振動素子２を取付けた場合、指向性の影響で該素子か
ら等距離の位置から弾性波を放射しても、該素子での検
出波形の振幅は必ずしも同一でない。感度分布２０によ
れば、振動素子２に垂直な方向が最も感度が高い。これ
が指向性の主軸方向である。また、分布２１゜２２はサ
イドロープと呼ばれる感度分布を示す。

第６図は、透明板の側面に取付けた固体振動素子２の位
置を、それぞれ該素子２０指向性の主軸が透明板１の中
心に向いていない場合の感度分布測定結果である。第７
図は、振動素子２の位置を透明板１０角部に取付け、且
つその指向性の主軸が透明板１の中心に向いている場合
の感度分布測定結果である。値ｖＩ　＊　ｖｌ　＋　ｖ
ｌ・・・・・・は検出波形の振幅電圧である。

第６図によれば、振動素子２よりｅ距離の点ＰとＱを振
動源とした場合、検出波形はｖｌとｖ６となり、ｖｌ〜
ｖ６であり、Ｐ点とＱ点とは振動素子２からの距離は異
ったものとして算出されてしまう。他の点についても同
様なことが起る。

第８図は第６図のＰ、Ｑ点に対する受信波形の一例を示
す。Ｑ点による受信波形は、Ｐ点の受信波形に比してそ
の先頭波は小さい。検出波形の閾値をＶｉ−とすると、
Ｑ点については先頭波ではひろうことはできず、第２波
でひろわれる。この結果、送波パルスの発生から受波ま
での時間（遅延時間、又は伝播時間）はＴａ、Ｔｂ　（
Ｔａ＞Ｔｂ）となシ、誤った位置計測となる。

一方、第７図によれば、中心方向に指向特性を持つ故に
、距離の変化によってのみ振幅が変化するため第６図の
如き事態は発生しない。そこで、ｆｓｚ図に示した如く
、角切シを行い、その角部に振動素子２を取りつけたの
である。

さて、座標演算回路７による演算例を第９図。

第１０図で説明する。今、第９図に示す如く、検出部２
ａの位置を座標原点とする。Ｐ（ｘ、ｙ）が表示ペンの
指示点とする。更に、検出部２ｂ。

２Ｃ，２ｄの位置を（”ｔ　ｏ）＋　　（ａ＊　ｂ）。

（ｏ、ｂ）とする。弾性波の速度をＶとすると、第１０
図に示す受波パルスまでの時間巾ｔ、　ｌ　　Ｆｒｔ８
．ｔ４と距離ｔＩ　＋　１２＊　ｔＳ　ｍ　ｔ４との関
係は以下となる。

ここから、Ｘ、ｙは、 又は、 となる。座標演算回路７では、（８）式又は（４）式に
よ、り、（Ｘ、ｙ）を求めることとなる。

なお、使用する圧電素子は厚み方向と径方向の共振周波
数の差が大きい方が効果的である。両者の周波数が近似
している場合には、両波の干渉によりどちらも所定の共
振周波数が得られないからである。

上記実施例では、表示部９との結合の事例であるが、位
置標定結果は必ずしも表示させる必要はなく、計算機等
に入力させてもよい。従って、単なる入力装置としての
機能を果すことになる。更に、透明板１の代りに不透明
板であってもよい。

第１１図は、計算機の入力装置としての実施例を示す。

本実施例では、表示部９を排し、且つ入力部材１として
、不透明材を使用した。表示部９を設けていないため、
透明か不透明かは問わないためである。従って、透明部
材であってもよい。

この入力部材１は、弾性波伝播媒体である必要がある。

更に、表示ドライバ８の代シに、計算機（マイクロプロ
セッサ）１５を設けた。　゛この計算機１５は、演算回
路７の座標出力を取込み、入力データとして必要な処理
を行う。この入力データは、表示ペン１の表示文字、図
形等の描画画像である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、距離計算の精度のよい位置標定装置を
得ることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例図、第２図は表示ペンを中心と
する詳細側図、第３図はタイムチャート、第４図は振動
状況の説明図、第５図は受信指向特性を説明する図、第
６図、第７図は検出部の位置と指向特性との関係を示す
図、第８図はその受信波形側図、第９図は位置検出の説
明図、第１０図はその時のタイムチャート、第１１図は
本発明の他の実施例図である。 １・・・透明板（入力部材）、３・・・表示ペン、２ａ
〜２ｄ・・・弾性波検出部、４・・・バルサ、５・・・
先頭波検出回路、６・・・時間差計数回路、７・・・座
標演算回路、９・・・表示部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、弾性波を伝播させる平板状媒体部と、該媒体部の角
   部で角切りされた部分に設けた縦波弾性波検出部と、先
   端が尖つた形状をなすと共に上記平板状媒体部の表面の
   任意の位置に該先端が自在に圧着され、その先端から縦
   波弾性波を放射する縦波弾性波入力部材と、上記縦波弾
   性波対応電気信号を上記入力部材の圧着位置の標定化情
   報として外部に取出す手段とより成る弾性波を利用した
   位置標定装置。 ２、上記入力部材の縦波弾性波の発生の手段及び縦波弾
   性波検出部は、圧電素子より成る特許請求の範囲第１項
   記載の位置標定装置。