CN85106123B - 采用弹性波的片式坐标输入装置 - Google Patents

Abstract

一种片式坐标输入装置包括：用于传播纵向弹性波的一个扁平媒介；纵向弹性波检测元件。安装在扁平媒介的临近末端的侧表面或前表面的一部分上；纵向弹性波输入部件，具有一个尖锐的末端部分并以该末端与扁平媒介表面上任何希望的位置进行压力接触以便从该末端辐射纵向弹性波：放大电路用于放大由检测元件检测的代表弹性波的电信号；比较器电路，将放大电路放大的信号与一个预定的阈值电压相比较，由此产生对应于纵向弹性波传播时间的延迟脉冲信号：计数器电路，对从为输入部件进行压力接触向扁平媒介辐射纵向弹性波时起到产生延迟脉冲信号时为止所经过的时间长度进行计数；计算电路根据从计数器电路加来的时间信号计算坐标。

Description

采用弹性波的片式坐标输入装置

本发明涉及一种片式坐标输入装置，更具体地说，涉及一种利用弹性波检测输入笔位置坐标的装置。

迄今为止，已经提出了这种类型不同形式的坐标输入装置，其中包括（1）空气传播式，（2）表面弹性波式，和（3）平面波式（a plate Wave type）。这些形式的装置分别公布在以下文献中：IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS，1970年6月，546-548页;IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONIC COMPUTERS，1964年10月，609-611页;和IEEE 1981 ULTRASONIC SYNPOSIUM，167-170页。

形式（1）的装置受到环境条件包括温度的极大影响，因此需要对不利因素进行校正。并且，由于该装置受障碍物，例如使用者的手的直接影响，该装置不能在与通常的手写操作等同的方式中使用，因此给使用者一种身体失调的感觉。在形式（2）装置的情况中，当使用者的手与平片接触时，输入笔的位置就不能精确地确定，因此也给使用者一种身体失调的感觉，虽然这种形式对应于手指接触输入的选择菜单输入装置中是适用的，但对于输入为手写字符或图形的平片就遇到了困难。形式（3）的装置没有上述形式（1）和（2）的缺点，并且有可能进行通常的手写操作。采用这种形式并且具有与此结合为一体的液晶显示单元和EL（电场致发光）显示单元的透明平片分别公布在，例如，日本未审查专利公报56-101278和58-14247号之中。然而，在这种形式的情况下，对于获得稳定和有效的信号传送和接收遇到了困难，这是因为一个平面波（a plate Wave）的传播速度略低于一个纵向弹性波，该平面波不可避免地受到在其之前传播的纵向弹性波的影响，并且随着传播距离的增加其相位不可避免地发生变化。日本未审查专利公报56-101278号公开了一个丙烯酸树脂板形式的平片。丙烯酸是一种声音在其中以低速传播的材料，这种材料的平片具有改善分辩力的优点。然而，在另一方面，大的衰减常数造成对平板传播时间进行精确测试的方法复杂，并且平片本身的大小也受到相应的限制。

本发明的一个目的是提供一个平片式坐标输入装置，其中可在输入媒介上的任何位置对输入笔的位置进行高精确度和高分辩力的检测。

本发明的另一个目的是提供一种上述类型的装置，该装置允许应用通常的手写操作的输入而不会由于使用者的手的触击对输入媒介产生不利影响。

本发明的再一个目的是提供一种上述类型的装置，该装置虽然结构简单，却可容易地实现一个显示装置和一个输入装置的结合。

本发明的特征是利用一个弹性波的纵向弹性波分量对输入笔的位置坐标进行检测。

根据本发明的一个较为可取的实施方案，所提供的片式坐标输入装置包括：扁平媒介装置，用于传播一个弹性波;检测装置，安装在媒介装置的侧表面相邻端的部分上或前表面上，用于测试该弹性波的纵向弹性波前导波，弹性波输入装置，具有一个锐利的末端部分，并在该末端与媒介装置表面任何希望的位置上形成压力接触以便从该末端辐射弹性波;以及电信号接收装置，用于接收作为弹性波辐射的结果由测试装置所检测出的表明纵向弹性波前导波的电信号，由此提供辩别输入装置接触位置的信息。

最好把测试装置安置在扁平媒介装置侧表面的角上。制作弹性波输入装置末端部分的材料与构成扁平媒介装置的材料具有基本相等的声阻抗。

用于提供辩别输入装置接触位置信息的装置包括：一个放大电路，用于放大电信号;一个比较电路，将放大电路放大的信号与一个预定的阈值电压进行比较，由此产生与纵向弹性波的传播时间相对应的延迟脉冲信号;一个计数电路，对从纵向弹性波辐射到产生延迟脉冲信号的时间长度进行计数;一个计算电路，根据计数电路提供的时间信号计算坐标。

弹性波输入装置的形式是一个轴向对称的波导杆。该波导杆的一端是尖的，并可在扁平媒介装置的表面上任何希望的位置自由地进行压力接触，而波导杆的另一端具有一个与该波导杆对称轴垂直的平面形状。

根据本发明的另外一个较为可取的实施方案，把一个压电元件用作纵向弹性波输入装置的一个部分，并把多个压电元件用作纵向弹性波检测装置。

根据本发明，其中利用了纵向弹性波通过输入媒介装置的传播，使用者的手接触在输入媒介装置上不对辩别输入装置产生不利影响，并且可通过通常的手写操作启动输入装置。

另外，弹性波入射效率和传送-接收效率均可得到改善以便能对纵向弹性波进行高精确度的检测。另外，因为在输入媒介装置上不存在导致伪输入发生的任何特定区域，输入媒介装置的任何位置上均可以高精确角和高分辩力检测波输入装置的输入位置。

进而，可由一种透明材料来构成输入媒介装置，使得能够方便地配备一个与输入设备结合的显示设备。

根据本发明的另一实施方案，可以配备一个利用超声波的高精确度平片，因为这可以减少由于笔的倾斜或交角而造成的来自输入媒介装置的不希望的输出波形变化，特别是可避免相位颠倒。同时，与先有技术的平片相比，该平片的结构可以简化，在先有技术中是通过加入一个特殊的检测电路和一个校正电路对波形的变化进行校正。

本发明的其它目的，特征和优点通过以下结合附图所作的详细描述将会变得更加明了。

图1是一个示意图，表示了本发明装置的一个实施方案的结构。

图2是图1中一部分的放大图。

图3和图4表示弹性波传播的基本原理。

图5和图6表示弹性波的检测方式。

图7A和7B表示本发明的时间计数方式的一种形式。

图8表示如何计算显示笔或输入笔的坐标。

图9表示传播延迟时间。

图10表示图1所示的计数器电路的一种形式的详细内部结构。

图11为表示图10所示结构操作的时间图。

图12和图13表示通过使用表1中所示的材料而获得试验数据。

图14是灵敏度分布的一个示意图。

图15和图16表示灵敏度分布的测量结果。

图17表示波形变化。

图18和图19分别表示本发明的不同实施方案。

图20表示显示笔（或叫输入笔）的倾斜角度与由测试部件所检测出的波形之间的关系。

图21A和21B表示从输入笔入射到书写平板上的超声波行为的模拟结果。

图22表示根据本发明的复合书写装置的一个实施方案的结构。

图23表示用以说明图22中采用的复合结构的效果的模似结果。

图24表示根据本发明的复合书写装置的另一实施方案的结构。

图25表示包括一个改进输入笔的本发明的另一实施方案。

图26是图25中所示输入笔的部分放大图。

图1表示根据本发明装置的一个实施方案的结构，参见图1，输入媒介装置1的形式为一个透明材料（如玻璃）的平板。把一个显示元件9安装在输入媒介装置1的近表面上。输入装置3的形式为，例如，一个输入笔或叫显示笔，其内装有用于产生纵向弹性波的装置。显示笔3的一端是尖的，从这一尖端按以下说明的方式辐射纵向弹性波。由于有这个尖端，使辐射的弹性波具有极大的能量密度，这就改进了弹性波辐射的效率，把作为纵向检测装置的压电元件2a，2b，2c和2d分别安置在透明平板1的边缘端部分上。这些纵向波测试元件2a到2d检测通过透明平板1传播的纵向弹性波，并产生电信号。

显示部件9（例如液晶显示）能够显示任何图形和字符。根据显示驱动电路8的命令，把由显示笔3在透明扁平板1上画得的图形显示在显示部件9上。这样，就把显示笔3画出的图形即刻显示在显示部件9上。从画出到显示所用的时间很短，使用户在用显示笔3画图形的同时就能观察到显示图形。

绘画和显示时间之间的处理是由一个脉冲发生器4、一个前导波检测电路5、一个时间差计数器电路6、一个坐标计算电路7和显示驱动电路8的组合按以下说明的方式执行的。

脉冲发生器4周期地产生脉冲。把这些脉冲加到显示笔3和时间差计数器6上。加给显示笔3的脉冲触发纵向弹性波发生器，并且每当收到一个脉冲显示笔3即辐射出纵向弹性波。从显示笔3收到来自脉冲发生器4的脉冲以后，时间计数器6开始计时间长度，直至从每一检测部件2a到2d都给出了一个表明反射波的电信号时为止。

前导波测试电路5包括一个放大电路5a和一个整形电路5b，用它来检测反射波的前导波，即通过2a到2d的每一测试元件来检测纵向弹性波的第一个波。

坐标计算电路7根据来自时间差计数器电路6的时间差数据计算出显示笔3的位置。显示驱动电路8驱动显示元件9以显示计算出的位置。

在运行中，脉冲发生器4将其输出的周期性脉冲加到显示笔3和时间差计数器电路6上。加到显示笔3上的脉冲具有足够高的电能以产生纵向弹性波。加给时间差计数器电路6的脉冲可以具有一个很小的幅值，因为仅要求它命令从纵向弹性波产生的时间开始进行时间差计数。

显示笔3对每次从脉冲发生器4加来的激励脉冲都产生纵向弹性波在使用者画图形或写字符的过程中，每次显示笔3接收到脉冲时即从显示笔3的尖锐端向透明平板1辐射纵向弹性波。从显示笔3的尖端辐射的纵向弹性波通过透明平板1传播到检测部件2a到2d。从由脉冲发生器4加来脉冲到显示笔3辐射纵向弹性波的时间是极短的，或者说可忽略不计。因此，从加来脉冲到纵向弹性波到达检测元件2a到2d的时间分别与显示笔3到各个弹性波检测元件2a到2d之间的距离成正比。该弹性波是根据所施加的脉冲而产生的，并要求由每一检测元件2a到2d检测的弹性波是前导波，即纵向弹性波的第一个波，而前导波检测电路5检测与每一检测元件所检测的前导波相对应的电信号。

时间差计数器电路6对施加脉冲的时间和每一检测元件（2a到2d）检测到前导波的时间之间的差值进行计数，坐标计算电路7根据各个测试元件（2a到2d）计数的时间差计算在该时间显示笔3的位置。为了在显示部件9上显示计算出的显示笔3的位置，显示驱动电路8驱动显示元件9。这样，显示元件9显示出显示笔3的位置，同时跟踪显示笔3的运动。

图2表示一种形式的显示笔3的详细结构。参见图2，显示笔3包括：一个具有尖端12的锥形端部分10;一个向锥形端部分10辐射纵向弹性波的弹性波发生器3b;一个空心圆筒外壳3c。把弹性波发生器3b粘结在或固定在锥形端部10的一个平面或其平面部分3d上。把从外部延伸到圆筒外壳3c之内的引线3a焊接在弹性波发生器3b上，以便通过引线3a把来自脉冲发生器4的脉冲加到弹性波发生器3b上。

弹性波发生器3b，例如是一个压电元件，弹性波发生器3b根据从脉冲发生器4加来的脉冲向端部10辐射弹性波11，弹性波11通过端部10向尖锐端12传播以便从尖锐端12向透明平板1辐射。在透明平板1中，弹性波从作为传播中心的尖端12沿径向13传播。传播的弹性波由各个检测部件（2a到2d）检测。

通过固体平板1传播的弹性波包括不同的波型，如纵波横波和表面波。在这些波中，纵波以最高的速度传播，且把该纵向波的第一个波作为前导波来检测。

图3的（A）中表示出从脉冲发生器4通过引线3a向弹性波发生器3b所加的脉冲，在（B）中表示出由每一检测部件（2a到2d）检测的波形。从图3（B）中可明显看出纵波是早于横向波被检测到的前导波，且把随后的横向波排除在检测目标之外。

图4示出从显示笔3辐射的弹性波如何通过透明平板1传播。（在图4中，为了便于图示，将显示部件9省略）根据通过引线3a加来的激励脉冲，装在显示笔3内的弹性波发生器3b辐射弹性波。

这一弹性波具有一个厚度方向的振荡分量和一个径向振荡方向，这两个波分量通过显示笔3的锥形端部10传播。该弹性波从显示笔3的尖端12和平板1之间的接触点进入透明平板1。在透明平板1中，发生了一个波模式转换以提供一个弹性波，如图所示该弹性波是纵向波分量和横向波分量的混合，并且这种弹性波通过平板1传播。

纵向波分量的传播速度大约两倍于横向波分量的传播速度。这样，纵向波分量早于横向波分量被检测部件2a到2d检测到，故被用于检测显示笔3的位置。现在对为什么把纵向弹性波用于位置检测的原因进行详细说明。

本发明人发现，通过透明平板1传播的纵向波分量的频率基本上等于从弹性波发生器3b辐射并向显示笔3的端部10传播的弹性波径向振荡分量的频率。

通过透明平板1传播的弹性波具有一个复合的波形，该波形是一个如上所述的纵向波分量和横向波分量的混合。然而，最初到达检测部件（2a到2d）的弹性波不包括横波分量。因此，如图3所示，只有非常简单的纵波分量可被检测到。当显示笔3和每一检测元件（2a到2d）之间的距离发生变化时，该波形，特别是其中具有横波分量的弹性波的幅值发生复杂的变化，造成对相应于每一距离的传播延时进行计数的困难。相反，当只检测纵向波分量时，即使显示笔3和每一检测部件（2a到2d）之间的距离改变时，除了衰减的效果之外其幅值并不发生复杂的变化。因此，当把这一波形用于检测目的时，对应于距离的传播延时可被充分计数。另外，因为纵向波是通过透明扁平板1的内部传播的，手接触在平板1的表面上不会对检测结果造成不利的影响。

与横波分量相比纵波分量的振幅是很小的。因此希望从显示笔3到透明平板1上的弹性波入射效率为尽可能的高以便达到更精确的检测目的。

根据这样一个发现，把检测部件2和弹性波发生器3b构造为，从显示笔3的弹性波发生器3b产生的弹性波径向共振频率基本上等于安装在透明平板1侧表面上的检测部件2的厚度分向共振频率或径向共振频率。另外还希望考虑到显示笔3的端部10与透明平板1之间声阻抗的阻抗匹配。这样，可以获得一个稳定的纵向波形，该波形具有足以允许传播延迟计数的幅值。

当检测部件2和弹性波发生器3b是由压电陶瓷材料（钛酸铅-锆酸铅是最好的）构成时，可以提供足够稳定的纵向波。另外，当透明平板1的材料是钠钙玻璃时，显示笔3的端部10的材料最好是钠钙玻璃或铝。

图5和图6表示如何检测纵向弹性波的传播时间T，该时间T为从脉冲发生器4产生出一个起始脉冲ST和一个高电压脉冲到通过透明平板1传播的纵向弹性波初次到达检测部件2a到2d中的一个部件的时间间隔。如图5中所示，到达一个检测部件的弹性波的模拟输出波形V被前导波检测电路5的放大电路5a放大之后，在整形电路5b中通过与一个预定的阈值相比较将模拟输出波形V转换成一个数字输出D，并且在时间差计数器电路6中，对从施加起始脉冲ST到出现数字输出D的第一个脉冲所渡过的时间间隔T进行检测，弹性波的模拟输出V相对于预定的阈值水平而变化，该阈值水平依赖于，例如，加给显示笔3的书写压力。如图6中所示。这种变化的最极端的情况是显示笔3相对于透明平板1的一个瞬时的向上变化（脱离接触）或一个瞬时的向下变化（急剧接触）。对图6中所示的一个波形变化最好在包括时间差计数器电路6的电路中予以校正。在本发明的实施方案中，根据达到波形的峰值所经过的时间间隔来校正波形的变化。即，随着模拟波形按相对于预定的阈值水平V″、V和V′的顺序变化，从施加起始脉冲ST到出现数字输出D的第一个脉冲所经过的时间间隔分别按T″，T和T′的顺序变化。在以上每一种情况中，达到模拟波形峰值所经过的时间间隔不改变，具有一个恒定值（T+α）。因此，如果对上升波形通过阈值水平所经过的时间间隔T_１和下降波形通过阈值水平所经过的时间间隔T_２进行了计数，并且将传播时间定义为（T_１+T_２）/2，可以检测出具有很高精确度的时间间隔T而不受如书写压力等导致的波形变化的不利影响。在本发明的一个实施方案中，以上精确检测传播时间的方式是由如图7A和7B中所示明一种安排来实现的。根据所示的安排，确定单独传播时间T_１和T_２的计数是不必要的。更确切地说，如图7A中所示，时间T_１的间隔是在第一计数器72中计数，该计数器对从振荡器71加来的时钟脉冲数目进行计数，并把数据寄存在寄存器73之中。从T_１到T_２的时间间隔的计数包括：通过1/2分频器74用因数2除振荡器71的时钟输出频率;由第二计数器76通过门电路75对分频器74的输出脉冲数目进行计数;由加法器77将第二计数器76的计数与寄存在寄存器73中的数据相加，并将结果数据施加给多路转换器78。按上述方式，可对从施加起始脉冲ST到数字输出D的脉冲宽度中点所经过的时间间隔进行计数如图7B中所示。

按现在所描述的方式缩短了计算坐标（x，y）所要求的时间长度。

在图8中，符号S_１到S_４分别表示测试元件的位置，而点P（x，y）表示被检测的显示笔3的位置，假设S_１S_２＝a，S_１，S_２＝b，而V_p是纵向弹性波的传播速度。然后，根据图9中所示的传播延迟时间t_１到t_４，点P的坐标（x，y）可从以下公式中计算出：

……（1）

X＝a/2+1/2a（l_１+l_２）（l_１-l_２）……（2）

y＝b/2+1/2b（l_１+l₃）（l_１-l₃）……（3）

或

X＝a/2+1/2a（l₃+l_４）（l₃-l_４）……（4）

y＝b/2+1/2b（l_２+l_４）（l_２-l_４）……（5）

根据所示的实施方案，为了使用公式（2）和（3）计算坐标仅需要加法和减法六次，和四次乘法，即总共218个步骤，这样，步骤的数目可以减少到大约目前所需要值的2/3。可以理解，当用于计算的数字数目增加时该效果将变得更加显著。

当纵向弹性波的传播速度由于例如环境温度而发生变化时，则可把计算过程中的空闲时间或叫停滞时间用于计算校正系数。在所示的实施方案中采用玻璃透明平板1的情况下，相对于温度变化为25℃±25℃纵向弹性波的传播速度变化大约为±5%。例如，在速度增加的情况下仍采用初始确定的值时，距离的测量值变小而导致确定位置的误差。校正该误差的一个方法包括：例如，监测检测点S_１和S_２;监测在波源P与测试点S_１和S₃一起计算出的X的值X₁₂;并且监测在波源P计算出的X₁₂和X₁₃之间的差值｜X₁₂-X₁₃｜。在检测到传播速度的变化时，并且值｜X₁₂-X₁₃｜变得小于一个允许的极限，则把这一时间的速度值存储起来以便用于以后的计算。传播速度的变化大约仅为0.2%/℃，而温度变化率最多是大约仅为几分钟/℃。因此，以几分钟一次的速率进行校正计算就足够了，坐标位置的确定不会受到明显的影响。

虽然以上的举例说明都属直角坐标系统的情况，但本发明也适用于另外的坐标系统，如极坐标系统。很明显，本发明也可应用在一种安排中，其中连接三个测试点的连线互相不垂直。

在本发明的实施方案中，另外提供了第四测试点S_４以加强平片的检测精度。例如，假设（x_１，y_１）代表根据公式（1），（2）和（3）计算出的（x，y）的值，而（x_２，y_２）代表根据公式（1）（4）和（5）计算出的（x，y）的值。于是，当x_１和x_２之间的差值和y_１和y_２之间的差值不小于一个允许值时，不把x和y的这些值用作坐标值。这样，在传播时间的计数中发生误差的情况下，可以可靠地防止出现错误坐标信号。

图10表示图1中所示的时间差计数器电路6的详细内部结构。图11是出现在图10中的不同信号的时序图。

在图1中，计数器电路6中计数的T_１到T_４传播时间数据加给坐标计算电路7，在这里把坐标（x，y）计算出来，并加给一个外部装置。把从坐标计算电路7（例如一个微计算机）出现的坐标信号（x，y）加给液晶驱动电路8，该电路驱动直接装置在透明平板1之下的液晶显示部件9。这样可把使用者用显示笔或叫输入笔3在平板1上画出的一个字符或一个图形的代表信号可加到显示部件9上。与此同时使用者确认显示在直接装置于透明平板1之下的显示元件9上的字符或图形。

参见图10，计数器电路6包括一个起始脉冲产生电路61，一个WE信号产生电路62，一个数据检测电路63，一个振荡器64，一个计数器65，一个数据选择电路66，寄存器67a到67b和一个多路转换器68。

一个起始信号（ST）和一个复位信号（RE）分别从脉冲发生器4和坐标计算电路或微计算机7加给起始脉冲产生电路61。响应于于所加的起始信号ST，从起始脉冲产生电路61向WE信号产生电路62和数据检测电路63加一个起始脉冲ST_１。另一方面，通过数据选择电路66把来自整形电路5b的输出信号D_１到D_４在数据检测电路63中进行核对，并且同时作为计数完成信号加给计数器65，该计数器根据所加的起始脉冲ST_１，对从振荡器64施加的基本时钟脉冲CP开始计数。把对应于数据信号D_１到D_４的基本时钟计数T_１到T_４分别寄存在T_１到T_４寄存器67a到67d之中。根据来自微计算机7的数据切换信号DS_１和DS_２，把对应于由相应的检测部件2a到2d检测的传播延迟时间的数据通过多路转换器68施加给微计算机7。直至全部数据信号D_１到D_４施加给数据检测电路63之前，WE信号发生电路62不产生WE信号。如图11中可见，WE信号是在向WE信号产生电路62施加起始脉冲ST_１之后一个延迟时间t后产生的，并且根据所加的WE信号，微计算机7按照数据信号D_１到D_４计算输入笔3的坐标（x，y）。因此，当数据信号D_１到D_４中短少任意一个时，则把其余的三个数据作为异常信号而忽略掉，不用于计算坐标。这样的情况易于发生在例如输入笔3突然的向上和向下运动的过程中，并且以上的安排防止了在这种情况下可能发生的错误运算。

当微计算机7在起始脉冲ST_１的重复期间ξ内完成了坐标（x，y）的计算时，期间ξ确定该片式坐标输入装置中的输入速度。因此，为了增加输入速度，必须缩短坐标计算周期的时间t_c，并且还要减少图3中所示的弹性波减幅振荡，从起始脉冲施加直至WE信号产生所经过的期间限制是由包括振荡器64的时钟频率f_c、透明平板1的尺寸以及纵向弹性波的传播速度c_p等因素决定的。因为平片的分辩力是由时钟频率f_c和波传播速度c_p所确定的，这些因素应当加以考虑。为使所不希望的弹性波减幅振荡减为最小，透明平板1周边的侧表面最好覆盖上弹性波吸收材料如橡胶。

在所示实施方案中，显示笔3的一端是尖锐的，以使其位置可以精确地确定，声能可从这样的末端上的大的强度辐射，并且可以改进耦合效率。

根据常规的作法，为了获得满意的耦合效率，在波传送部分和输入媒介部分之间放入一种耦合介质，如水。为了不用这种匹配介质并获得高效率的声能传播，把显示笔3的端部10的声阻抗选为基本等于或接近于所示实施方案中传播媒介1的声阻抗。对这一阻抗匹配下面将进行详细地说明。

现假设来自安装在材料1上的压电元件的弹性波通过材料Ⅰ入射到另一材料Ⅱ上。于是，材料Ⅰ反射该弹性波的反射因数被表示如下：

反射因数＝Z₂-Z₁/Z₁+Z₂×100（%）……（6）

其中Z_１是材料Ⅰ的声阻抗，而Z_２是材料Ⅱ的声阻抗。

表1

波导杆 的材料Ⅰ	材料Ⅰ的声阻抗 （10hg/mic）	材料Ⅰ的反射 因数（%）	在材料Ⅱ上的入 射因数（%）
				丙烯酸材料	3.2	63.8	36.2
铝	16.9	7.6	92.4
				玻璃	14.5	0	100

＊材料Ⅱ（玻璃）的声阻抗Z_２为Z_２＝14.5

表1表示当材料Ⅱ是玻璃时，改换显示笔3的端部10的材料，计算出的反射和入射因数的几个实例。从表1中可以看出随着材料Ⅰ的声阻抗接近材料Ⅱ，材料Ⅰ的反射因数下降。这样，从材料Ⅰ辐射的弹性波可以有效的入射到材料Ⅱ上。

图12表示由表1中所示一种材料构成显示笔3的端部10并且弹性波是向玻璃材料Ⅰ辐射时由检测元件（压电元件）2a接收到的电压。在这种情况下，所接收到的波形是纵向弹性波的前导波。图13示出检测到的纵向弹性波的波形，而前导波W_１的峰值V₀提供了所接收的电压。

图14表示当把一种材料如压电陶瓷材料用于提供固态振荡元件时弹性波检测部件2的方向性。当把固态振荡元件2作为弹性波检测部件安装在透明平板1的一个侧表面上时（除了拐角）即使弹性波是从与该元件相隔相同距离的不同位置上辐射出来。由于这种方向性使该元件所检测到的辐值不一定相同。根据图14中所示的灵敏度分布曲线20，在垂直于振荡元件2的方向上灵敏度最高，而这一方向表明了方向性的主轴。图14中的灵敏度分布21和22被称为侧瓣。

图15表示当安装在透明平板1的侧表面上的每一固体振荡元件2的方向性主轴没有指向平板1的中心时灵敏度分布的测量结果。另一方面，图16表示当安装在透明平板1的侧表面上的每一固体振荡元件2的方向性主轴指向平板1的中心时灵敏度分布的测量结果。在图15和图16中，值V_１，V_２，V₀……代表检测波形的电压幅值。

在图15中，当把与振荡元件2的间隔为同一距离的点P和Q认为是振荡源时，所检测的波形具有互不相等的电压幅值V_１和V₀，这样，计算结果表示点P和振荡元件2之间的距离不同于点Q和振荡元件2之间的距离。这同样适用于其它的点。

图17表示对应于点P和Q所接收到的波形。与对应于点P所接收的波形相比，对应于点Q所接收的波形中其前导波部分的幅值较小。当检测波形的阈值水平为V_th时，对应于点Q所接收的波形的前导波不能被检出，而把它的第二个波检出。结果，施加一个传输脉冲之后直至接收到传输波时所经过的时间长度（延迟时间或传播时间）对于第一个波是由T_a代表而对第二个波是由Tb代表（T_b＞T_a），从而导致了测量位置的错误。

另一方面，在图16的情况中，振荡元件2具有对准透明平板1的中心的方向性。因此，幅值的变化仅与距离的变化成比例，而不会发生图15中所示的情况。这样，如图16中所示把透明平板1的拐角削掉而把振荡元件2安装在每一削掉的角上。

图18表示一种改型的一部分，在这里把检测元件2安装在透明平板1的表面上。在这种情况下，在压电检测元件2的径向上应用共振频率是有效的。当透明平板1具有一小的厚度时这种改型特别有效。

在以上每种情况中，当压电元件在厚度方向和径向方向的共振频率之间有很大差值时，该装置表现出显著的效果。这是因为，当这些共振频率互相很接近时，由于它们相互问的干扰不能获得预定的共振频率。

上述实施方案是属于把透明平板1与显示元件9相配合的安排。然而，显示笔3位置的辩别结果不一定要显示出来。可把表明实别位置的信号加给计算机或类似装置，如图19中所示。因此，在这样的改型中该装置的功能仅作为一个输入单元。同样，可用一个不透明的板代替透明扁平板1。

图20表示施加给前导波测试电路6的纵向超声波的波形如何依赖于显示笔或输入笔3的倾斜角而变化。它表示当来自输入笔3的纵向超声波在元件A和B之间的中间点P入射时，在书写透明平板1的两端分别安装在两个纵向波检测元件A和B所检测到的波形。图20（A）示出当输入笔3垂直于透明扁平板1的表面时所检测的波形，可以看到由两个检测元件A和B检测的第一个到达的波形F是相同的相位。与此对照，图20（B），20（C）和20（D）表示当输入笔3逐渐向检测元件A倾斜时所测出的波形。对于检测元件B的情况，虽然存在一个轻微的水平变化，但所检测出的第一个波F的相位没有发生改变。而对于检测元件A的情况，所检测出的第一个波F的幅值和相位都发生了变化，在图20（D）中倾斜角θ最大时相位倒置。因此，当例如把第一波F的峰值记录下来用于测量传播时间的时候，传播时间倾向于依赖输入笔8的倾斜角θ而发生变化，从而会导致位置识别中的误差。

模拟分析已证明，由于输入笔3的倾斜而使检测波形变化的趋势是由以下事实造成的，即，在入射到媒介1上的超声波分量中，与媒介1的表面平行的分量受到输入笔倾斜的影响。分析结果表示在图21A和21B中。如图21A所示，当输入笔3垂直于媒介1的表面时，可以看到在媒介1中传播的波相位相对于笔3对称。然而，如图21B所示，当笔3倾斜时，可以看到在靠近倾斜的输入笔3的媒介1的表面区域中波相位颠倒并变为相对于输入笔3不对称。更详细的分析证明这一反相区随着输入笔3的倾斜角θ的增加而增宽。从以上事实可以看出，与媒介1的表面平行的波分量的相位直接受输入笔3倾斜的影响，因而受入射到媒介1上的超声波分量中平行于媒介1表面的波分量的影响。由于这一现象，笔3的倾斜造成了检测波形的变化。

然而，仔细的观察表明在输入笔3倾斜的一侧波形相位并不总是颠倒。换句话说，在超声波入射点之下从媒介1表面深入的部分中波形相位是围绕笔3对称的，特别是在比表示波形相位的箭头上出现旋涡的部分更深的部分中。于是，当对称相位的波可在相位不对称的波之前被引导到检测元件时，则可以减少由笔3的倾斜造成的不利影响以防止检测波形的改变，特别是相位颠倒。

图22表示根据以上的发现本发明的一个实施方案。参见图22，体现本发明这一方面的装置包括一个至少由两层构成的书写板1。更准确地说，书写板1包括一个用于传播超声波的层状传播媒介1a和一个叠加在媒介1a之上并由一种纵向波传播速度低于媒介1a的材料构成的层状输入媒介1b。测试元件2a，2b，2c和2d安装在层传播媒介1a上。

图23表示通过模拟确认该实施方案的效果。表2中示出在分析中使用的材料。

表2

用于分析的材料密度和声速

		聚碳酸酯输入层	玻璃传播层
				密度（g/cm3)		1.2	2.7
声速	纵向波 （m/s）	2.200	5.560
				声速	横向波 （m/s）	950	3.480

在图23中可以看到，当提供了两个媒介层1a和1b之后，出现了一个无论输入笔3如何倾斜相位总是对称的区域。根据进一步的详细分析已经发现，随着声速较低的输入层1b的厚度增加，只要笔3的倾斜维持恒定，相位相同和对称的区域也就增加;然而，要输入层1b的厚度维持恒定，该同相区随着笔3的倾斜减小而增大。还发现当输入层1b的厚度大约为波长的一半时，无论输入层1b的厚度如何增加同相区不再增加。于是，可以看到输入层1b的厚度不必过度增加。还可以看到当把输入层1b中的声速减低时，可把表现出相同效果的该层厚度做得较小。

从实用的角度，可以说在笔3实际的最大倾斜时，相位相同和对称的区域所要求的尺寸大约为传播层1a中传播的超声波波长的一半。这样，低于在传播层1a中的声速的输入层1b的厚度即确定。更具体地说，将表2中所示的材料用于超声波频率为400KH_Z的情况时，所要求的输入层1b厚度在输入笔3的最大倾斜是40°和30°时分别为1.2mm和0.8mm。

通过上述的方式制造平片，可把由于笔3的倾斜造成的波形变化减为最小，特别是可以防止相位颠倒，使得用超声波的平片能够以高精确度辩别笔3的位置。

表2中所示的材料是透明的。因此，当把这些透明材料构成的平片叠加在液晶显示器的显示屏上、CRT显示器上或类似结构上时，可以便利地提供输入面和显示面结合为整体的平片。还有不同的其它材料，这些材料是透明的，并且有不同的纵向波传播速度，可把这些材料按希望结合应用。甚至把两层相同的但具有不同声学性质的材料结合时也可获得与上述相类似的效果。

尽管以上说明都属于透明书写平板，显然，亦可用不透明材料来获得同样效果。例如，由于笔3的倾斜所造成的不利效果可通过使用铝（具有2，260m/s的纵向波传播速度）作为层状传播媒介1a，并用酚醛塑料（具有2，590m/s的纵向波传播速度）作为层状输入媒介1b来克服。

图24示出另一实施方案或者是图22中所示实施方案的改型。参见图24，它具有一个复合结构，一个层状中间媒介1c被插入书写板1的层状传播媒介1a和层状输入媒介1b之间。这一层状中间媒介1c具有的纵向波传播速度处于层状传播媒介1a和层状输入媒介1b的传播速度之间。图24中所示实施方案的效果与图22中所示实施方案相同。

图25中所示的另一实施方案与图22和图24中所示实施方案的不同之点在于对输入笔3进行了改进。如放大图26中所示，一个用于接触目的的小片12a装在输入笔3的尖端12上，并且这一小片12a的材料所具有的纵向波传播速度低于书写板1。在这种情况下，笔3的尖端12的材料最好具有高于小片12a的纵向波传播速度。图26中所示实施方案的效果与图22中所示实施方案也相同，且可以避免由于笔3的倾斜所造成的不利效果。

复合书写板1是通过将多层具有不同声传播速度的薄片粘合在一起而制成的，例如，将一聚碳酸酯树脂薄片或一丙烯酸树脂薄片与一玻璃片按照生产胶合板的普通方式粘合。另一方法，是通过将两个同种材料但具有不同声学特性的层状媒介叠合而制成。这些媒介虽然由同一材料制成，在制造过程中可以使它们具有不同的物理特性，例如，不同的特定比重。

Claims (19)

1、一种应用弹性波的片式坐标输入装置，其特征在于它包括：

传输弹性波的媒介装置（1）;

至少在上述媒介装置的部分上安装的弹性波测试装置（2）;

用于在上述媒介装置表面任意希望的位置上辐射弹性波的弹性波输入装置（3）;和

接收代表上述检测试装置检测到的上述辐射弹性波中纵向弹性波分量的电信号，由此提供上述输入装置输入位置的坐标信息的装置（5，6，7）。

2、一个片式坐标输入装置，其特征在于它包括：

用于传播弹性波的扁平媒介装置（1）;

安装在上述媒介装置临近端部的侧表面或前表面的一部分上，用于检测上述弹性波中纵向弹性波分量的前导波的检测装置（2）;

具有一个带有尖端（12）的末端部分（10），并且上述尖端与上述媒介装置前表面上任意的希望位置处于压力接触以便从上述尖锐端辐射弹性波的弹性波输入装置（3）;和

用于接收电信号的装置（5，6，7），该电信号表示由上述检测装置（2）检测到的作为上述弹性波辐射结果的纵向弹性波的前导波，由此提供辩别上述输入装置（3）的接触位置信息。

3、如权项2中所要求的片式坐标输入装置，其中所述检测装置（2）安装在所述扁平媒介装置（1）的侧表面拐角上，并且所述弹性波输入装置（3）的所述末端部分（10）是用与构成所述扁平媒介装置（1）的材料具有基本相等的声阻抗的材料制成。

4、如权项2或3中所要求的片式坐标输入装置，其中所述弹性波输入装置（3）的形式为一个轴对称的波导杆，其一端（12）是尖的以便与所述扁平媒介装置（1）表面上任何希望的位置自由地进行压力接触，而其另一端具有一个与所述波导杆的对称轴垂直的平面（3d）以便在其上支持一个传输压电元件（3b），并且安装在所述扁平媒介装置（1）的临近末端的侧表面或前表面的一部分上的所述检测装置包括接收压电元件（2a-2d）。

5、如权项2或3中所要求的片式坐标输入装置，其中所述用于接收电信号的装置包括：一个放大电路（5a），用于放大所述电信号;一个比较电路（5b），用于将经过放大电路放大的上述信号与一个预定阈值电压比较，由此产生分别对应于所述纵向弹性波传播时间的延迟脉冲信号;一个计数器电路（6），用于对从作为上述输入装置（3）的压力接触的结果而向所述扁平媒介装置（1）辐射上述纵向弹性波时起至产生上述延迟脉冲信号时止所经过的时间长度进行计数;一个计算电路，用于根据从上述计数器电路（6）加来的时间信号计算坐标;上述接收电信号装置所接收的电信号表示由所述测试装置（2）检测到的作为所述弹性波辐射结果的纵向弹性波前导波，由此提供辩别所述输入装置（3）的接触位置信息。

6、如权项4中所要求的片式坐标输入装置，其中所述接收压电元件（2a-2d）的固定，是将其垂直于极化方向的表面固定在所述平面媒介装置（1）的侧表面上，而对所述传输压电元件（3b）的固定是将其垂直于极化方向的表面固定在所述波导杆（3）的平面（3d）上，并且把上述传输元件（3b）在与极化方向垂直的方向上的共振频率选定为基本等于或接近上述接收压电元件（2a-2d）在极化方向或与极化方向垂直的方向上的共振频率。

7、如权项4中所要求的片式坐标输入装置，其中所述接收压电元件（2a-2d）的固定，是将其垂直于极化方向的表面固定在所述平面媒介装置，1的前表面上，而对所述传输压电元件（3b）的固定是将其垂直于极化方向的表面固定在所述波导杆（3）的平面（3d）上，并且把上述传输元件（3b）在与极化方向垂直的方向上的共振频率选定为等于或接近上述接收压电元件与极化方向垂直的方向上的共振频率。

8、如权项4，6或7所要求的片式坐标输入装置，其中所述传输压电元件（3b）和所述接收压电元件（2a-2d）在极化方向上和与极化方向垂直的方向上分别具有不同的共振频率。

9、一个片式坐标输入装置，其特征在于它包括：输入装置（3），具有一个内装的通过电信号激励产生超声波的超声波传输元件并具有一个用于辐射该超声波的尖端12;书写装置（1）;用于传播从上述输入装置辐射的超声波;测装置，包括安装在上述书写装置的拐角上或附近，用于将传播来的超声波转换为电信号的波接收元件（2a-2d）信号处理装置（5，6，7），通过处理上述测试装置的输出信号辩别出上述输入装置的位置;上述书写装置（1）至少由两个层状媒介组成，一个是传播超声波的层状传播媒介（1a），另一个是纵向波传播速度低于上述层状传播媒介（1a）的覆盖层状输入媒介（1b）;上述波接收元件（2a-2d）被安装在上述层状传播媒介（1a）上。

10、如权项9中所要求的片式坐标输入装置，其中把一个中间层状媒介（1c）夹在上述层状传播媒介（1a）和上述层状输入媒介（1b）中间构成上述书写装置（1），并且有一个介于上述层状传输媒介和上述层状输入媒介之间的中等纵向波传播速度。

11、一个片式坐标输入装置包括：输入装置（3），内有一个通过电信号激励产生超声波的超声波传输元件和一个用于辐射该超声波的尖端12;书写装置（1），用于传播从上述输入装置辐射的超声波;检测装置，包括安装在上述书写装置的拐角上或附近，用于将传播来的超声波转换为电信号的波接收元件（2a-2d）;信号处理装置（5，6，7），通过处理上述测试装置的输出信号辩别出上述输入装置的位置显示装置（15），用于显示所辩别的位置;在上述输入装置（3）的尖端（12）上配有纵向波传播速度低于上述书写装置（1）的介质的一个接触小片（12a）。

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