DE69226241T2

DE69226241T2 - Koordinateneingabegerät

Info

Publication number: DE69226241T2
Application number: DE69226241T
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Kaneko; Katsuyuki Kobayashi; Atsushi Tanaka; Shinnosuke C O Canon Taniishi; Masaki Tokioka; Ryozo Yanagisawa; Yuichiro Yoshimura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-11-27
Filing date: 1992-11-26
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2012-11-27
Also published as: EP0544278A3; EP0544278B1; US5500492A; EP0544278A2; DE69226241D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Koordinateneingabevorrichtung, insbesondere eine Koordinateneingabevorrichtung zum Nachweisen einer Eingangsschwingung von einem Schwingungsgriffel mit Hilfe eines Schwingungssensors, der sich an einer Schwingungsübertragungsplatte befindet, um eine Schwingungsübertragungszeit zu dem Schwingungsstift zu messen und dadurch die Eingabekoordinaten des Schwingungsstifts auf der Schwingungsübertragungsplatte anhand des Ergebnisses festzustellen.

ZUGEHÖRIGER STAND DER TECHNIK

Als Vorrichtung zur Eingabe handschriftlicher Zeichen oder grafischer Darstellungen in einer Bearbeitungsvorrichtung wie z. B. einen Rechner sind Koordinateneingabevorrichtungen bekannt, die verschiedene Eingabegriffel und Tafeln verwenden. Bei einer Vorrichtung dieser Art wird auf einer Anzeigeeinheit, beispielsweise einem Schirm einer Kathodenstrahlröhre aus Eingabezeichen oder grafischen Zeichen bestehende Bildinformation dargestellt, oder diese wird an eine Aufzeichnungseinheit ausgegeben, z. B. einem Drucker.
Es sind verschiedene, unten beschriebene Systeme als Koordinatenerkennungssystem zur Verwendung in einer Tafel-Koordinateneingabevorrichtung als ein Typ der oben erwähnten Koordinateneingabevorrichtung bekannt.
(1) Ein System, welches gebildet wird, durch Widerstandsschichten und ein den Widerstandsschichten gegenüberliegendes Flachstück zum Nachweisen der Koordinatenwerte eines niedergedrückten Punkts in Abhängigkeit einer Änderung des Widerstands an diesem Punkt.
(2) Ein System zum Feststellen einer Koordinatenposition auf der Grundlage elektromagnetischer oder elektrostatischer Induktion zwischen leitenden Flachstücken oder dergleichen, die einander gegenüberliegend angeordnet sind.
(3) Ein System zum Ermitteln der Koordinatenposition eines Eingabegriffels anhand von Ultraschallschwingung, die von dem Eingabegriffel auf eine Tafel übertragen wird.
Herkömmliche Koordinateneingabevorrichtungen, die von den oben erläuterten Systemen Gebrauch machen, haben allerdings folgende Nachteile: Bei dem System (1) unter Verwendung von Widerstandsschichten ist ein Widerstand mit hoher Gleichförmigkeit erforderlich, da die Gleichförmigkeit der Widerstände direkten Einfluß hat auf die Genauigkeit der Grafikeingabe. Folglich ist eine Vorrichtung, die sehr hohe Genauigkeit aufweisen muß, sehr teuer.
Da außerdem zwei Widerstandsschichten für X- und Y-Koordinaten erforderlich sind, verringert sich die Transparenz einer Koordinateneingabefläche. Wenn also die Vorrichtung so verwendet wird, daß sie z. B. über eine Vorlage gelegt wird, verschlechtert sich die Lesbarkeit der Vorlage.
Bei dem System (2) unter Verwendung elektromagnetischer Induktion werden elektrische Drähte in Matrixform angeordnet, so daß die Koordinateneingabefläche der Vorrichtung nicht transparent ist. Daher eignet sich die Vorrichtung nicht für eine Anwendung, bei der sie über eine Vorlage oder eine Anzeigeeinheit ge legt wird. Da außerdem die Genauigkeit der Koordinatenerfassung einer Vorrichtung mit diesem System direkt beeinträchtigt wird durch die Lagen der elektrischen Drähte, die in Matrixform angeordnet sind, d. h. durch die Fertigungsgenauigkeit, ist diese Eingabevorrichtung bei hoher Genauigkeit sehr teuer.
Im Gegensatz zu diesen zwei Systemen erkennt das System (3) unter Verwendung von Ultraschallwellen die Verzögerungszeit einer sich auf eine als Eingabefläche dienenden Tafel ausbreitenden Welle, um Positionskoordinaten zu berechnen. Da auf der Tafel keine matrixähnlichen elektrischen Drähte als Komponenten ausgebildet sind, kann eine billige Vorrichtung verfügbar gemacht werden.
Wird weiterhin eine durchsichtige Glasplatte als die Tafel verwendet, so besteht die Möglichkeit, eine Koordinateneingabevorrichtung herzustellen, die eine höhere Transparenz aufweist als andere Systeme.
Allerdings wird zum Berechnen der Positionskoordinaten bei den üblichen Ultraschall-Koordinateneingabevorrichtungen eine Verzögerungszeit bis zur Ankunft, in der eine von einem Eingabegriffel erzeugte Schwingung sich auf der Tafel von dem Eingabepunkt bis zu einem Sensor ausbreitet, erfaßt, um Positionskoordinaten zu berechnen. Folglich ist es notwendig, eine Referenzzeit zu kennen, d. h. eine Zeit, zu der die Schwingung von dem Eingabegriffel erzeugt wird.
Aus diesem Grund muß Zeitinformation über einen Zeitpunkt, zu dem eine Schwingung von dem Eingabegriffel erzeugt werden, andauernd an eine Schaltung zum Nachweisen der Verzögerungszeit bis zur Ankunft geliefert werden, so daß es erforderlich ist, den Eingabegriffel, er eine Schwingung erzeugt, über ein Kabel oder dergleichen mit einem Hauptgehäuse zu verbinden. Eine solche Vorrichtung ist in der EP-A-0 368 351 offenbart. Dies führt zu einer schlechten Handhabbarkeit, wenn diese Koordinateneingabevorrichtung zum Eingeben von Zeichen oder grafischen Darstellungen verwendet wird.
Um das Zeitinformationssignal zu übertragen, beispielsweise über eine Funkwelle, müßte wiederum ein Sender oder dergleichen in den Griffel eingebaut werden. Dies macht es schwierig, einen Eingabegriffel so zu gestalten, daß seine Form, sein Gewicht und seine Handhabbarkeit ähnlich einem üblichen Stift oder Füllhalter ist. Wenn außerdem Schalter für die beabsichtigten Anwendungsfälle zusätzlich an dem Eingabegriffel vorhanden sind, verkompliziert sich der Aufbau des Griffels zusätzlich, und er wird größer, was die Handhabbarkeit weiter verschlechtert.
Beispielsweise offenbart die US-A-4 814 552 eine Vorrichtung, bei der ein Infrarotsender dazu dient, das Synchronisationssignal zu senden. In der EP-A-0 424 957 sind Senden und Empfangen der Zeitinformation nicht erforderlich, da die Koordinate von der Übertragungsverzögerung zwischen Schwingungsgruppen unterschiedlicher Frequenzen abgeleitet wird.
Das Ultraschallsystem weist auch folgendes Problem auf: Eine Schwingungseingabe seitens eines Eingabegriffels in eine Tafel breitet sich in der Tafel aus, obschon diese dämpft, um die Stirnfläche der Tafel zu erreichen und von dieser Stirnfläche reflektiert zu werden. Diese reflektierte Welle kann nicht vollständig ausgestaltet werden, auch dann nicht, wenn ein Schwingungsisolator an der Stirnseite angebracht wird, um die Schwingung zu unterdrücken. Deshalb werden eine direkte Welle (eine Welle, die sich über den kürzesten Weg vom Eingabegriffel zu einem Sensor zum Nachweisen einer Schwingung ausbreitet), die zum Messen der Verzögerungszeit bis zur Ankunft einer Welle erforderlich ist, und die reflektierte Welle einander überlagert, und folglich wird die Wellenform eines Ausgabe-Nachweissignals von dem Sensor durch diesen verlagerten Abschnitt verzerrt. Die Verzerrung ruft einen Meßfehler der Wellenausbreitungszeit hervor, und dieser senkt die Genauigkeit bei der Koordinatenfeststellung beträchtlich. Um dieses Problem zu lösen, muß eine Vorrichtung derart ausgestaltet sein, daß an dem Verzögerungszeit-Nachweispunkt in einer Nachweissignal-Wellenform, die durch die direkte Welle gebildet wird, keine reflektierte Welle überlagert ist. Aus diesem Grund befinden sich Sensoren an Stellen, die nicht durch eine reflektierte Welle beeinflußt werden.
Allerdings löst dieses Verfahren das oben angesprochene Problem, indem die Wegdifferenz zwischen der direkten Welle und der reflektierten Welle erhöht wird, wodurch wiederum die Zeit verlängert wird, innerhalb der die reflektierte Welle zurückläuft. Dies führt konsequenter Weise zu einem weiteren Problem, nämlich der Vergrößerung der, Abmessung der Koordinateneingabefläche in Relation zu der Größe der Gesamtvorrichtung, d. h. der Größe eines effektiven Bereichs, der für die Koordinateneingabe zur Verfügung steht.
Wenn außerdem die Schallgeschwindigkeit einer sich in der Tafel ausbreitenden Welle zunimmt, nimmt die Auflösung für die Koordinatenberechnung ab. Das bedeutet, daß sich dann, wenn die Schallgeschwindigkeit einer zu behandelnden Welle abnimmt, die Auflösung der Entfernungsmessung verbessert wird, vorausgesetzt, die Auflösung eines zum Messen einer Zeit dienenden Zählers ist gleich groß. Wenn also eine Entfernung aus der Verzögerungszeit einer eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Welle berechnet werden soll, muß man einen Zähler mit einer zeitlichen Auflösung verwenden (oder man muß die Frequenz eines Zählers erhöhen), die groß genug ist, um die Auflösung bei der Entfernungsberechnung beizubehalten. Die Ergebnisse sind hohe Kosten und hoher Leistungsverbrauch.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der Erfindung, die obigen Probleme zu lösen und eine Koordinateneingabevorrichtung anzugeben, die von Ultraschallschwingung Gebrauch macht, die ein Verbindungskabel zwischen einem Schwingungs-Eingabegriffel und einer Koordinatenpositions-Erkennungsseite überflüssig macht, indem sie den Signalaustausch zwischen dem Schwingungs-Eingabegriffel und der Koordinatenpositions-Erkennungsseite überflüssig macht und dadurch die Handhabbarkeit verbessert und die Kosten senkt.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Koordinateneingabevorrichtung mit einem leicht handhabbaren, schnurlosen Schwingungsgriffel anzugeben, oder eine Koordinateneingabevorrichtung anzugeben, bei der selbst dann, wenn an dem Schwingungsgriffel ein Schalter oder dergleichen vorgesehen ist, die Manipulationsinformation dieses Schalters billig und einfach an einen Hauptkörper übertragen werden kann.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer billigen, geringe Leistung aufnehmenden Koordinateneingabevorrichtung, die klein baut und hohe Genauigkeit aufweist.
Diese Ziele werden durch eine Koordinateneingabevorrichtung gemäß den beigefügten Ansprüchen erreicht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Ansicht zum Erläutern der Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Informationseingabe-/-ausgabevorrichtung;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht des Aufbaus eines Schwingungsgriffels gemäß Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, welches den Aufbau einer in Fig. 1 gezeigten arithmetischen Steuereinheit darstellt;
Fig. 4 ist ein Impulsdiagramm, welches die Erkennungs-Wellenformen zum Erläutern der Messung einer Entfernung zwischen dem Schwingungsgriffel und einem Schwingungssensor zeigt;
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, welches den Aufbau einer in Fig. 1 gezeigten Wellenform-Erkennungsschaltung zeigt;
Fig. 6 ist eine Ansicht zum Erläutern einer Ausgestaltung der Schwingungssensoren;
Fig. 7 ist ein Impulsdiagramm zum Erläutern der Synchronisation zwischen einem Griffel-Treibersignal und einem Zähler-Startsignal;
Fig. 8 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Zwischen-Verbindungs- Synchronisierverfahrens;
Fig. 9 ist ein Impulsdiagramm zum Erläutern von Signalen in Verbindung mit einem Griffelschalter;
Fig. 10 ist ein Blockdiagramm einer internen Schaltung des Schwingungsgriffels;
Fig. 11 ist ein Blockdiagramm, welches einen Schwingungsgriffel mit einem Schalter zeigt;
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm einer arithmetischen Steuerschaltung mit einer Diskriminatorschaltung für Ein/Aus eines Griffel-schalters;
Fig. 13 ist ein Impulsdiagramm zum Erläutern von Signalen in Verbin dung mit einem Griffelschalter;
Fig. 14 ist eine Schnittansicht zum Erläutern eines Schwingungsgriffels mit einem Schalter;
Fig. 15 ist eine Schnittansicht zum Erläutern einer Vibrator-Treiberwellenform und einer Detektiersignal-Wellenform gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 16 ist eine grafische Darstellung zum Erläutern eines Erkennungssignal-Spektrums gemäß der zweiten Ausführungsform;
Fig. 17 ist eine grafische Darstellung, die den allgemeinen Verlauf einer Lamb-Welle veranschaulicht;
Fig. 18 ist eine grafische Darstellung der Relation zwischen der Mittenfrequenz eines Bandpassfilters und der Gruppengeschwindigkeit einer Lamb-Welle;
Fig. 19 ist ein Impulsdiagramm zum Erläutern des Schwingungsnachweises;
Fig. 20 ist ein Blockdiagramm zum Erläutern einer Signalwellenform-Erkennungsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform;
Fig. 21 ist ein Blockdiagramm einer Schwinger-Treiberschaltung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 22 ist ein Impulsdiagramm zum Erläutern der Schwinger-Treiber schaltung gemäß der dritten Ausführungsform;
Fig. 23 ist eine grafische Darstellung zum Erläutern der Lamb-Wellengeschwindigkeit;
Fig. 24 ist eine grafische Darstellung zum Erläutern einer Lamb-Wellengeschwindigkeit;
Fig. 25A und 25B sind schematische Ansichten, die Erkennungssignal-Wellenformen zeigen;
Fig. 26 ist ein Impulsdiagramm zum Erläutern der Signalverarbeitung;
Fig. 27 ist ein Blockdiagramm der Konfiguration einer Signalwellenform- Erkennungsschaltung;
Fig. 28 ist eine Ansicht zum Erläutern der Koordinatenpositions-Berechnung;
Fig. 29 ist ein Impulsdiagramm zum Erläutern der Signalverarbeitung gemäß der vierten Ausführungsform; und
Fig. 30 ist ein Blockdiagramm, welches den Aufbau einer Signalwellenform-Erkennungsschaltung gemäß der vierten Ausführungsform zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE <

Erste Ausführungsform>

Im folgenden wird die erste Ausführungsform der Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen detailliert erläutert.
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung. Die Informations-Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung gemäß Fig. 1 veranlaßt einen Schwingungsgriffel 3, eine Koordinateneingabe vorzunehmen auf eine Eingabetafel, die gebildet wird durch eine Schwingungsübertragungsplatte 8, und sie bringt auf einer Kathodenstrahlröhre-Anzeige 11' ein eingegebenes Bild zur Anzeige, welches von der Eingabetafel überlappt wird, und zwar entsprechend der eingegebenen Koordinateninformation.
Gemäß Fig. 1 überträgt die z. B. durch eine Acryl- oder Glasplatte gebildete Schwingungsübertragungsplatte 8 eine Schwingung von dem Schwingungsgriffel 3 zu drei Schwingungssensoren 6, die an den drei Ecken der Platte angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform wird die Koordinatenposition des Schwingungsgriffels 3 auf der Schwingungsübertragungsplatte 8 festgestellt, indem die Übertragungszeit einer Ultraschallschwingung gemessen wird, die von dem Schwingungsgriffel 3 über die Schwingungsübertragungsplatte 8 zu jedem Schwingungssensor 6 übertragen wird. An einem Teil der Schwingungsübertragungsplatte 8 ist ein Griffelhalter 81 vorgesehen, dieser wird im folgenden näher erläutert.
Um zu verhindern, daß eine von dem Schwingungsgriffel 3 gesendete Schwingung am Umfangsbereich der Schwingungsübertragungsplatte 8 reflektiert und in Richtung des Mittelteils der Platte zurückgeführt wird, wird der Umfangsbereich der Schwingungsübertragungsplatte 8 durch ein Antireflexionselement 7 abgestützt, welches z. B. aus Silikonkautschuk besteht.
Die Schwingungsübertragungsplatte 8 ist auf der als Punktanzeige ausgebildeten Anzeige 11' angeordnet, beispielsweise einem Kathodenstrahlröhren-Bildschirm (oder eine Flüssigkristallanzeige), und eine punktweise Anzeige erfolgt an der Stelle, die von dem Schwingungsgriffel 3 berührt wird. Das heißt: Die punktweise Anzeige erfolgt an einer Position auf der Anzeige 11', die einer festgestellten Koordinatenposition des Schwingungsgriffel 3 entspricht. Folglich erscheint ein aus Elementen, beispielsweise Punkten oder Linien, bestehendes Bild, das durch den Eingabegriffel 3 eingegeben wurde, nachfolgend der Spur des Schwingungsgriffels, als ob ein Bild auf Papier aufgezeichnet würde.
Mit einer solchen Ausgestaltung ist es möglich, ein Menü auf der Anzeige 11' darzustellen, um unter Verwendung des Schwingungsgriffels eine Menüauswahl durchzuführen. Es ist auch möglich, ein Eingabesystem zu verwenden, bei dem auf der Anzeige 11' eine Anweisung dargestellt und der Schwingungsgriffel 3 in Berührung mit einer vorbestimmten Stelle gebracht wird.
Der Schwingungsgriffel 3 zum Senden einer Ultraschallschwingung zu der Schwingungsübertragungsplatte 8 beinhaltet einen Schwinger 4, gebildet durch ein piezoelektrisches Element oder dergleichen, und er sendet eine von dem Schwinger 4 erzeugte Ultraschallschwingung über einen scharf zugespitzten Trichterabschnitt 5 in die Schwingungsübertragungsplatte 8.
Fig. 2 zeigt den Aufbau des Schwingungsgriffels 3. Der Schwingungsgriffel 3 beinhaltet sämtliche Elemente, die zum Erzeugen einer Schwingung erforderlich sind. Der Schwinger 4 des Schwingungsgriffels 3 wird von einer Schwingungstreiberschaltung 2 mit einer vorbestimmten Frequenz betrieben. Leistung für den Betrieb des Schwingungsgriffels 3 kommt von einer Spannungsquelleneinheit 25, z. B. einer Batterie.
Die Schwingungsfrequenz des Schwingers 4 ist so ausgewählt, daß eine Lamb- Welle in der Schwingungsübertragungsplatte 8 erzeugt wird, wobei letztere z. B. aus Acrylharz oder Glas besteht. Darüber hinaus wird beim Ansteuern des Schwingers 4 eine Schwingungsart gewählt, bei der der Schwinger 4 vornehmlich in vertikaler Richtung in Fig. 1 gegenüber der Schwingungsübertragungsplatte 8 schwingt. Eine effiziente Schwingungsumwandlung ist dadurch möglich, daß die Resonanzfrequenz des Schwingers 4 als dessen Schwingungsfrequenz eingestellt wird. Die Treiberfrequenz des Schwingers 4 wird bestimmt durch eine Oszillatorschaltung 22, die im folgenden noch beschrieben wird.
Die so in die Schwingungsübertragungsplatte 8 eingeleitete elastische Welle ist eine Lamb-Welle, was den Vorteil hat, daß die Welle nicht so leicht dem Einfluß von beispielsweise Kratzern oder Hindernissen auf der Oberfläche der Schwingungsübertragungsplatte 8 ausgesetzt ist, verglichen mit einer Oberflächenwelle oder dergleichen. Die Schwingungserzeugung des Schwingungsgriffel muß synchronisiert werden mit dem Betrieb eines Schwingungsnachweisteils, der mit der Schwingungsübertragungsplatte 8 verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform wird von folgender Ausgestaltung Gebrauch gemacht, die den Einsatz eines drahtlosen Schwingungsgriffels ermöglicht.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Elementen ist die Oszillatorschaltung 22 ebenfalls in dem Schwingungsgriffel 3 vorgesehen.
Der Schwingungsgriffel 3 treibt den Schwinger 4 intermittierend mit einer Periodendauer Ta, die von der Oszillatorschaltung 22 festgelegt wird. Auf der Hauptgehäuseseite hingegen wird ein Zähler zum Zählen einer Schwingungsübertragungszeit bei der Periode Ta gestartet.
Wenn der Start des Zählers und der des Griffeltreibers bei der selben Periode Ta durchgeführt und durch eine gewisse Methode synchronisiert werden, dann kann eine Schwingungsübertragungszeit erhalten werden, und dieses ermöglicht Ko ordinatenberechnungsoperationen.
Ein Verfahren zum Synchronisieren des Griffeltreibens mit dem Zählerstart sei nachstehend anhand von Fig. 7 beschrieben.
Um gleichzeitig ein Griffeltreibersignal (im folgenden als Pdr-Signal bezeichnet) und ein Zählerstartsignal (im folgenden als CS-Signal bezeichnet) auf der Seite des Hauptgehäuses synchron zueinander zu erzeugen, werden zunächst das Pdr- Signal und das CS-Signal mit der gleichen Periodendauer gestartet. Zu dieser Zeit sind die beiden Signale noch nicht synchronisiert.
Anschließend erfolgt eine Eingabe durch den Schwingungsgriffel 3, der mit der Periodendauer Ta schwingt, an einer Position (z. B. an der Stelle des Griffelhalters 81), die von einem vorbestimmten Sensor der Sensoren 6 an der Schwingungsübertragungsplatte 8 eine bekannte Entfernung d hat. Für diesen Fall sei angenommen, daß eine Schwingungsübertragungszeit Td von der Eingabeposition zu dem vorbestimmten Sensor 6 bereits durch Messung oder dergleichen bekannt ist. Deshalb braucht das CS-Signal lediglich auf der Grundlage dieser Übertragungszeit Td erzeugt zu werden, und dies synchronisiert folglich die Ansteuerung des Griffels mit dem Zähler-Start.
Beispielsweise wird gemäß der Relation zwischen der Schwingungsübertragungszeit Td und der Periodendauer Ta das Pdr-Signal nach einem Zeitraum Ta-Td erzeugt, so daß das CS-Signal erzeugt wird, wenn nach dem Feststellen einer Schwingung die Zeit (Ta-Td) verstrichen ist. Man beachte, daß die Synchronisations-Eingabezeitsteuerung festgelegt wird durch Verwendung eines unten noch zu beschreibenden Schalters 31.
Nachdem diese Koordinateneingabeoperation zur Erzielung der Synchronisation (im folgenden als Synchronisations-Eingabe bezeichnet) erfolgt ist, werden die Pdr- und CS-Signale weiterhin in dieser zeitlichen Beziehung erzeugt. Mit dieser Ausgestaltung ist die Verwendung eines drahtlosen Schwingungsgriffels möglich.
Wenn bei dieser Synchronisations-Eingabe mehrere Sensor-Ausgangssignale zum Berechnen eines Mittelwerts verwendet werden, läßt sich die Synchronisation zwischen der Griffelansteuerung und dem Zähler-Start in der Genauigkeit verbessern.
Wenn weiterhin der Aufbau der Vorrichtung derart gewählt ist, daß der Trichterteil 5 des Schwingungsgriffels 3 in Berührung mit der Schwingungsübertragungsplatte 8 immer dann gebracht wird, wenn der Schwingungsgriffel 3 sich in dem Griffelhalter 81 befindet, kann die Synchronisation zwischen der Griffelansteuerung und dem Zähler-Start in einfacher Weise dadurch erhalten werden, daß lediglich der Schwingungsgriffel 3 in den Griffelhalter 81. Wenn der Griffelhalter 81 verwendet wird, wird ein im Inneren des Griffelhalters 81 befindlicher Schalter 31 im Einschalt-Zustand gehalten, so lange sich der Schwingungsgriffel 3 in dem Griffelhalter 81 befindet.
Man beachte, daß der Ausdruck "die Pdr- und CS-Signale gemäß Fig. 7 werden gleichzeitig erzeugt" dahingehend zu verstehen ist, daß mit "gleichzeitig" im wesentlichen gleichzeitig gemeint ist, ausreichend, um keine Störung beim Betrieb des Zählens der Schwingungsübertragungszeit und beim Berechnen der Koordinatenposition hervorzurufen. Auch wenn also die beiden Signale nicht exakt gleichzeitig erzeugt werden, sondern mit einem bestimmten zeitlichen Versatz, ist die Koordinatenberechnung möglich, vorausgesetzt, die Signale sind miteinander synchronisiert.
Wie oben erläutert wurde, kann ein Kabel zum Verbinden des Schwingungsgriffels 3 mit der Koordinateneingabevorrichtung entfallen, da sämtliche Elemente zum Erzeugen einer Schwingung sich in dem Schwingungsgriffel 3 befinden, wo bei die Einrichtung zum Erzeugen des Zähler-Startsignals mit derselben Periodendauer Ta wie das Griffeltreibersignal und die Einrichtung zum gleichzeitigen Erzeugen dieser beiden Signale synchron miteinander sich auf der Hauptgehäuseseite der Koordinateneingabevorrichtung befinden. Diese Ausgestaltung für die Schwingungserkennung und die Koordinatenberechnung wird weiter unten noch näher erläutert.
Zurückkehrend zu Fig. 1, ist hier der Schwingungssensor 6 an der Ecke der Schwingungsübertragungsplatte 8 angeordnet, und ist ebenfalls durch ein elektromechanisches Wandlerelement gebildet, z. B. ein piezoelektrisches Element. Die Ausgangssignale von den drei Schwingungssensoren 6 werden an eine Signalwellenform-Erkennungsschaltung 9 gelegt. Die Wellenform-Erkennungsschaltung 9 erkennt die jeweiligen Schwingungs-Ankunftszeiten an den Sensoren dadurch, daß eine Wellenform-Detektierverarbeitung (diese wird unten noch beschrieben) durchgeführt wird. Diese Detektor-Zeitsteuersignale werden an die arithmetische Steuerschaltung 1 gegeben.
Die arithmetische Steuerschaltung 1 kann die Schwingungsübertragungszeit für jeden Sensor bestätigen als ein Zeitintervall nach der Erzeugung der Zeitsteuerung für das CS-Signal nach Synchronisation mit der Schwingungs-Erkennungszeitsteuerung in der Wellenform-Erkennungsschaltung 9. Die arithmetische Steuerschaltung 1 stellt dann die Koordinateneingabeposition des Schwingungsgriffels 3 auf der Schwingungsübertragungsplatte 8 anhand dieser Schwingungsübertragungszeit fest.
Die ermittelte Koordinateninformation des Schwingungsgriffels 3 wird von der arithmetischen Steuerschaltung 1 nach Maßgabe des Ausgabeschemas der Anzeige 11' verarbeitet. Das heißt: Die arithmetische Steuerschaltung 1 steuert den Ausgabebetrieb über die Anzeige 11' auf der Grundlage der Eingabekoordinateninformation über eine Videosignal-Verarbeitungsschaltung 10.
Fig. 3 zeigt den Aufbau der arithmetischen Steuerschaltung 1 gemäß Fig. 1. Fig. 3 zeigt vornehmlich die Ausgestaltung eines Treibersystems für den Schwingungsgriffel 3 sowie die eines Schwingungsnachweissystems, welches zu dem Schwingungssensor 6 gehört.
Ein Mikrocomputer 11 beinhaltet einen internen Zähler, ein ROM und einen RAM. Eine Startsignal-Erkennungsschaltung 12 ist eine Schaltung zum Zählen der Zeit Ta-Td, während der oben beschriebene Vorgang zum Erzeugen gleichzeitiger Signale durchgeführt (d. h. während der Schalter 31 zum gleichzeitigen Erzeugen der Signale eingeschaltet ist). Die Startsignal-Erkennungsschaltung 12 legt an den Mikrocomputer 1 l und einen eine Verzögerungszeit der Ausbreitung zählenden Zähler 13 ein Startsignal, welches den Beginn der Schwingungseingabe kennzeichnet.
Wenn der obige Vorgang abgeschlossen ist (d. h. wenn der Schalter 31 ausgeschaltet wird), erzeugt der Mikrocomputer 11 ein Startsignal mit der Zeitspanne Ta des obigen Startsignals.
Der Zählerstand des Zählers 13 wird von einem Zwischenspeicher 14 unter der Steuerung durch den Mikrocomputer 11 zwischengespeichert.
Die Wellenform-Erkennungsschaltung 9 gibt Zeitsteuerinformationen über die Erkennungssignale zum Zählen der Schwingungsübertragungszeiten von den Ausgängen der Schwingungssensoren 6 aus. Die Zeitsteuerinformation gelangt an ein Erkennungssignal-Eingangsport.
Die eingegebenen Zeitsteuersignale von der Wellenform-Erkennungsschaltung 9 werden an das Eingangsport 15 gegeben und in Speicherbereichen abgespei chert, die den einzelnen Schwingungssensoren 6 in der Zwischenspeicherschaltung 14 entsprechen. Das Speicherergebnis wird zu dem Mikrocomputer 11 übertragen.
Das heißt: Die Schwingungsübertragungszeit wird dargestellt durch den Zwischenspeicherwert der Ausgangsdaten von dem Zähler 13, und die Koordinatenberechnung erfolgt auf der Grundlage dieses Schwingungsübertragungszeit- Werts. In diesem Fall diskriminiert die Diskriminatorschaltung 16, ob sämtliche Zeitsteuerinformation der Wellenform-Erkennung von den mehreren Schwingungssensoren 6 zugeführt werden, und sie informiert den Mikrocomputer 11 über dieses Ermittlungsergebnis.
Die Ausgabe-Steuerverarbeitung für die Anzeige 11' erfolgt über ein E/A-Port 17.
Fig. 4 erläutert die an die Wellenform-Erkennungsschaltung 9 gelegten zu erkennenden Wellenformen und die Zählverarbeitung über die Schwingungsübertragungszeit aufgrund der Erkennungs-Wellenformen.
Die Auszählung der Schwingungsübertragungszeit erfolgt auf der Grundlage des Zähl-Startsignals CS, welches mit dem Treibersignal für den Schwingungsgriffel 3 in der oben erläuterten Weise synchronisiert ist.
Gemäß Fig. 4 kennzeichnet eine Wellenform 41 einen Treibersignalimpuls, der an den Schwingungsgriffel 3 gelegt wird. Eine von dem durch diese Wellenform angesteuerten Schwingungsgriffel 3 in die Schwingungsübertragungsplatte 8 gesendete Ultraschallschwingung wird über die Schwingungsübertragungsplatte 8 von jedem Schwingungssensor 6 erfaßt.
Die Schwingung erreicht einen gegebenen Schwingungssensor 6 nach Ausbreitung in der Schwingungsübertragungsplatte 8 nach einer Zeit tg, welche der Ent fernung zu diesem Schwingungssensor 6 entspricht. Eine in Fig. 4 gezeigte Signalwellenform 42 stellt eine Wellenform dar, die von dem Schwingsungssensor 6 erfaßt wird. Bei dieser Ausführungsform ist eine verwendete Lamb-Welle eine dispersive Welle, so daß die Relation zwischen der Hüllkurve 421 und der Phase 422 der ermittelten Wellenform sich entsprechend der Schwingungsübertragungsentfernung ändert.
Unterstellt, die Geschwindigkeit, mit der sich die Hüllkurve ausbreitet, ist eine Gruppengeschwindigkeit Vg, und die Phasengeschwindigkeit ist Vp, so kann die Entfernung zwischen dem Schwingungsgriffel 3 und dem Schwingungssensor 6 ermittelt werden aus der Differenz zwischen der Gruppengeschwindigkeit und der Phasengeschwindigkeit.
Es soll zunächst die Hüllkurve 421 allein betrachtet werden, ihre Geschwindigkeit beträgt Vg. Wenn ein gegebener, vorbestimmter Punkt der Wellenform, z. B. ein Spitzenwert, dargestellt durch das Bezugszeichen 43 in Fig. 4, so ist eine Entfernung d zwischen dem Schwingungsgriffel 3 und dem Schwingungssensor 6 unter der Annahme einer Schwingungsübertragungszeit Tg folgendermaßen gegeben:
d = Vg tg (1)
Diese Gleichung gehört zu einem der Schwingungssensoren 6, jedoch lassen sich die Entfernungen zwischen den weiteren beiden Schwingungssensoren 6 und dem Schwingungsgriffel 3 durch die gleiche Gleichung darstellen.
Um die Koordinatenwerte genauer festzustellen, erfolgt eine Verarbeitung auf der Grundlage der Phasensignal-Feststellung. Angenommen, ein Zeitintervall nach einem spezifischen Nachweispunkt, z. B. einem Punkt des Anlegens einer Schwingung, bis hin zu dem Durchgangspunkt nach dem Spitzenwert der Pha senwellenform nach Fig. 4, betrage tp, so ist die Entfernung zwischen dem Schwingungssensor und dem Schwingungsgriffel gegeben durch:
d = n λp + Vp tp (2)
wobei λp die Wellenlänge einer elastischen Welle und n eine ganze Zahl ist. Diese ganze Zahl n wird aus den obigen Gleichungen (1) und (2) folgendermaßen bestimmt.
n = [(Vg tg - Vp tp)/λp + 1/N] (3)
wobei N eine reelle Zahl ist und ein beliebiger Wert sein kann. Beispielsweise läßt sich n festlegen im Bereich von ± ½ Wellenlänge für N = 2.
Durch Einsetzen des in oben erläuterter Weise erhaltenen Werts n in die Gleichung (2) läßt sich die Entfernung zwischen dem Schwingungsgriffel 3 und dem Schwingungssensor 6 genau messen.
Um die beiden Schwingungsübertragungszeiten tg und tp gemäß Fig. 3 zu messen, kann die Wellenform-Erkennungsschaltung 9 z. B. in der in Fig. 5 gezeigten Weise ausgebildet sein.
Gemäß Fig. 5 wird das Ausgangssignal von dem Schwingungssensor 6 von einem Vorverstärker 51 auf einen vorbestimmten Pegel verstärkt.
Das verstärkte Signal wird an eine Hüllkurven-Detektorschaltung 52 gelegt, und es wird lediglich die Hüllkurve des Detektorsignals extrahiert. Der Zeitpunkt des Spitzenwerts der extrahierten Hüllkurve wird von einer Hüllkurven-Spitzendetek tierschaltung 53 ermittelt. Das Spitzenerkennungssignal wird zu einem Hüllkurven-Verzögerungszeit-Detektiersignal Tg geformt, welches eine vorbestimmte Wellenform aufweist. Dies geschieht mit einer Signaldetektierschaltung 54, gebildet durch ein Monoflop oder dergleichen. Dieses Signal Tg wird an die arithmetische Steuerschaltung 1 gegeben.
Außerdem bildet eine Detektierschaltung 58 ein Phasenverzögerungszeit-Nachweissignal Tp aus dem zeitlichen Verlauf Tg und dem ursprünglichen Signal, welches von einer Verzögerungszeit-Einstellschaltung 57 verzögert wurde, und sie legt das Signal an die arithmetische Steuerschaltung 1.
Das Signal Tg wird von einem Monoflop 55 umgesetzt in einen Impuls vorbestimmter Breite, und eine Vergleichspegel-Geberschaltung 56 bildet einen Schwellenwert zum Nachweisen des Signals tp gemäß dem zeitlichen Verhalten dieses Impulses. Folglich bildet die Vergleichspegel-Geberschaltung 56 ein Signal 44 mit einem Pegel und einem zeitlichen Verlauf, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, und legt das Signal an die Detektierschaltung 58.
Das Monoflop 55 und die Vergleichspegel-Geberschaltung 56 arbeiten folglich so, daß eine Messung der Phasenverzögerungszeit nur während eines vorbestimmten Zeitintervalls nach dem Erkennen der Spitze der Hüllkurve erfolgt.
Dieses Signal wird an die durch einen Vergleicher oder dergleichen gebildete Detektierschaltung 58 gegeben und mit der verzögerten Detektier-Wellenform verglichen, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Als Folge wird ein Detektierimpuls tp 45 gemäß Fig. 4 erzeugt.
Die oben erläuterte Schaltung ist für einen der Schwingungssensoren 6 vorgesehen, so daß identische Schaltungen auch für die zwei anderen Sensoren vorhanden sind. Angenommen, die Anzahl der Sensoren betrage h, so werden h-Detek tiersignale für Hüllkurven-Verzögerungszeiten Tg1 bis Tgh und h-Detekiersignale für Phasenverzögerungszeiten Tp 1 bis Tph an die arithmetische Steuerschaltung 1 gegeben.
Die in Fig. 3 gezeigte arithmetische Steuerschaltung 1 empfängt die Signale Tg1 bis Tgh und die Signale Tp1 bis Tph über das Eingangsport 15 und speichert die Zählerstände des Zählers 13 in der Zwischenspeicherschaltung 14 unter Zugrundelegung der jeweiligen zeitlichen Abläufe der Signale als Triggerung. Da der Zähler 13 synchron mit dem Ansteuern des Schwingungsgriffels gestartet wird, wie oben erläutert wurde, werden Daten über die jeweiligen Verzögerungszeiten der Hüllkurve und der Phase in dem Zwischenspeicher 14 abgespeichert.
Wenn die drei Schwingungssensoren 6 sich an Stellen 51 bis 53 an den Ecken der Schwingungsübertragungsplatte 8 gemäß Fig. 6 befinden, können Entfernungen von d1 bis d3 als Geraden von einer Stelle P des Schwingungsgriffels 3 zu den einzelnen Schwingungsfühlern 6 durch die oben in Verbindung mit Fig. 4 erläuterte Verarbeitung gewonnen werden. Auf der Grundlage dieser Entfernungen d1 bis d3 kann die arithmetische Steuerschaltung 1 die Koordinaten (x, y) der Stelle P des Schwingungsgriffels 3 nach dem Theorem der drei Quadrate folgendermaßen berechnen:
x = X/2 + (d1 + d2) (d1 - d2)/2X (4)
y = Y/2 + (d1 + d3) (d1 - d3)/2Y (5)
wobei X und Y die Entfernungen von den Schwingungssensoren 6 an den Stellen 52 und 53 zu dem Sensor im Ursprung (Position 51) entlang der X = bzw. Y- Achse sind.
Auf diese Weise lassen sich im Echtzeitbetrieb die Positionskoordinaten des Schwingungsgriffels 3 feststellen.
Bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel kann ein Kabel zum Verbinden des Schwingungsgriffels mit dem Gerät des Hauptgehäuses vollständig entfallen. Deshalb kann der Schwingungsgriffel klein gebaut sein und geringes Gewicht haben, weil keine Kommunikationseinrichtung für die Kommunikation mit dem Hauptgehäuse erforderlich ist. Dies verleiht dem Schwingungsgriffel leichte Bedienbarkeit, ähnlich der bei normalen Stiften oder Füllhaltern.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Synchronisation zwischen dem Pdr-Signal als dem Griffel-Treibersignal und dem CS-Signal als dem Zähler-Startsignal akustisch unter Verwendung des Schwingers 4 für die Koordinateneingabe. Allerdings kann diese Synchronisation auch auf elektrischem Wege erreicht werden. Beispielsweise kann der Schwingungsgriffel 3 elektrisch direkt mit dem Hauptgehäuse unter gegebenem zeitlichen Ablauf verbunden werden, um die die Pdr- und CS-Signale unter Verwendung einer Phasenregelschleife oder dergleichen zu synchronisieren.
Auch hier wiederum ist es möglich, den Griffelhalter 81 gemäß Fig. 8 zu verwenden. Um in diesem Fall zu erreichen, daß das von dem Schwingungsgriffel 3 erzeugte Griffeltreibersignal direkt an die Seite des Hauptgehäuses gelangt, wenn der Schwingungsgriffel 3 in dem Griffelhalter 81 plaziert wird, sind Zwischenverbindungsteile 81a, die durch Elektroden oder dergleichen gebildet werden, in dem Griffelhalter 81 und dem Schwingungsgriffel 3 vorhanden und werden miteinander in Kontakt gebracht.
Bei diesem Aufbau wird das mit der gleichen Periode wie das Pdr-Signal erzeugte CS-Signal von der Phasenregelschleife synchronisiert, während sich der Schwingungsgriffel 3 in dem Griffelhalter 81 befindet. Mit dieser Ausgestaltung lassen sich die gleichen Effekte erzielen, wie sie oben erläutert wurden.
Man beachte, daß der Griffelhalter 81 nicht dazu verwendet werden muß, den Griffel mit dem Hauptgehäuse zu verbinden, sondern der Schwingungsgriffel 3 und das Hauptgehäuse brauchen lediglich über irgendein Mittel verbunden zu sein.
In der Koordinateneingabevorrichtung mit der oben erläuterten Ausgestaltung läßt sich die Verarbeitung zum Ändern eines Betriebsmodus oder zum Auswählen eines Menüs zur Verwendung des schnurlosen Schwingungsgriffels dadurch realisieren, daß man den schnurlosen Schwingungsgriffel zusätzlich mit einem Schalter ausstattet. Diese Ausgestaltung wird im folgenden erläutert.
Wenn beispielsweise das Griffeltreibersignal synchron mit der Seite des Hauptgehäuses erzeugt wird, in Fig. 9 durch eine Wellenform 94 angedeutet, so wird ein Signal (SWD), das nur beim Niederdrücken des Griffelschalters (54) erzeugt wird, nach einem Originalsignal (P D) zum Nachweisen einer Schwingungsausbreitungszeit TD erzeugt. Wie durch eine Wellenform 96 angedeutet ist, wird folglich ein Schalter-EIN-Erkennungssignal TSW erzeugt, wenn nach TD eine vorbestimmte Zeitspanne TC verstrichen ist. Auf diese Weise läßt sich der Zustand des an den Schwingungsgriffel 3 gegebenen Signals zu der Seite des Hauptgehäuses übertragen, indem die elastische Welle zum Feststellen von Koordinatenwerten verwendet wird.
Die Verarbeitung zur Bildung des Signals TD TSW 96 aus dem Detektiersignal 95 ist ähnlich der Verarbeitung im Fall des Nachweises von Tg und Tp, der oben erläutert wurde.
An dem Schwingungsgriffel 3 ist gemäß Fig. 11 ein Schalter vorgesehen. Das heißt: Ein Griffelschalter 24 ist mit einer P D-Signaltriggerschaltung 23 gekoppelt. Die Treiberschaltung 2 wird gebildet durch eine P D-Signalgeberschaltung 2a zum Erzeugen des P D-Signals auf der Grundlage des Signals von der Oszillatorschaltung 22, und eine PZT-Treiberschaltung 4 zum direkten Ansteuern des PZT 4.
Die P D-Signaltriggerschaltung 23 triggert die P D-Signalgeberschaltung 2a. Die anderen Ausgestaltungen sind die gleichen, wie sie oben erläutert wurden.
Wenn der Griffelschalter 24 eingeschaltet ist und die P D-Signalgeneratorschaltung ein P D-Signal erzeugt, wartet die P D-Triggerschaltung 23, bis eine vorbestimte Zeitspanne verstrichen ist, um dann ein Triggersignal (SWD-Signal) zum erneuten Erzeugen des P D-Signals an die P D-Signalgeberschaltung 23 zu senden, um dadurch erneut das P D-Signal zu erzeugen.
Fig. 12 zeigt eine Ausgestaltung, die man erhält, wenn man zu der Anordnung nach Fig. 3 eine Schaltung zum Unterscheiden des EIN/AUS-Zustands des Griffelschalters 24 hinzufügt. Wie in Fig. 12 gezeigt ist, ist diese Ausgestaltung ähnlich der Anordnung nach Fig. 3, mit der Ausnahme, daß an dem Mikrocomputer 11 eine Diskriminierschaltung für EIN/AUS des Schalters 18, angeschlossen ist.
Wenn nach dem Empfang des in Fig. 9 gezeigten Signals TD eine vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist, setzt die Diskriminierschaltung 18 für EIN/AUS des Schalters ein Nachweisfenster zum Feststellen, ob das TSW-Signal für eine vorbestimmte Zeitspanne vorhanden ist.
Wird das TSW-Signal nachgewiesen, stellt die Diskriminierschaltung 18 für EIN/AUS des Schalters den Einschaltzustand des Griffelschalters 24 fest; falls nicht, ermittelt die Schaltung 18 einen Ausschaltzustand des Schalters. Anschließend legt die Diskriminierschaltung 18 für EIN/AUS des Schalters das Unterscheidungssignal an den Mikrocomputer 11.
Wie oben erläutert, kann in der gleichen Weise wie bei der Koordinatenwertermittlung ein Griffelschalter an einem schnurlosen Griffel vorgesehen sein, indem von einer elastischen Welle Gebrauch gemacht wird.
Der Griffelschalter 24 kann in vielerlei Hinsicht eingesetzt werden, beispielsweise kann er dazu benutzt werden, ein Element eines auf der Anzeige 11' dargestellten Menüs auszuwählen, oder kann als Verschiebungstaste dienen, um den Inhalt des Menüs zu ändern.
Bei der oben erläuterten Ausführungsform wird das Griffeltreibersignal P D identifiziert, indem es in einen vorbestimmten Zeitintervall bei eingeschaltetem Griffelschalter 24 zweimal erzeugt wird. Wie allerdings in Fig. 13 gezeigt ist, kann das den Einschaltzustand des Griffelschalters kennzeichnende Signal TSW dauernd mit einer kürzeren Zeitspanne als der Zeitspanne für die Koordinatenwertabtastung erzeugt werden. Wenn für diese kurze Zeitspanne das Signal TSW nachgewiesen wird, bedeutet dies den Einschaltzustand des Schalters.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, ist es erfindungsgemäß möglich, ein Kabel zur Verbindung des Schwingungsgriffels mit dem Gerätehauptgehäuse wegzulassen. Folglich braucht keine Einrichtung zur Kommunikation mit dem Hauptgehäuse in dem Schwingungsgriffel vorhanden zu sein, so daß dieser sehr klein und mit geringem Gewicht ausgebildet sein kann. Der Schwingungsgriffel kann eine Handhabbarkeit aufweisen, die derjenigen üblicher Stifte und Griffel ebenbürtig ist.
Außerdem macht die vorliegende Erfindung von einer Ausgestaltung Gebrauch, bei der Information außer derjenigen der Eingabekoordinaten von dem Schwingungsgriffel zu dem Hauptgehäuse übertragen wird, um eine Koordinatenerkennungsverarbeitung durchzuführen anhand der Schwingungsübertragung von dem Schwingungsgriffel zu der Schwingungsübertragungsplatte. Deshalb ist es mög lich, Manipulat-Ionsinformation des Schalters an dem Schwingungsgriffel von diesem zu dem Hauptgehäuse mit Hilfe einer einfachen und billigen Anordnung zu übertragen, ohne daß irgend eine Übertragungseinrichtung vorhanden wäre, beispielsweise ein Kabel oder ein Funksignal.

< Zweites Ausführungsbeispiel>

Der Aufbau eines Schwingungsgriffels bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist exakt der gleiche wie bei der ersten Ausführungsform: Das heißt: Der Schwingungsgriffel des zweiten Ausführungsbeispiels beinhaltet eine Treiberschaltung 2 zum Ansteuern eines Schwingers 4, eine Oszillatorschaltung 22 und eine Spannungsquelleneinheit 25, gebildet durch eine Batterie oder dergleichen, und er tauscht keine elektrischen synchronisierten Signale mit einer Eingabetafel oder einem Hauptgerätegehäuse aus. Ein elektrisches Treibersignal, welches von der Treiberschaltung 2 erzeugt wird, wird von dem Schwinger in eine mechanische Ultraschallschwingung umgesetzt und über ein Trichterteil 5 auf eine Schwingungsübertragungsplatte 8 übertragen. Das Einstellen der Resonanzfrequenz des Schwingers 4 als dessen Treiberfrequenz macht eine effiziente elektromechanische Umwandlung der Energie möglich. Schwingungsfühler 6 befinden sich an den Ecken der Schwingungsübertragungsplätte 8, sie werden ebenfalls durch elektromechanische Wandlerelemente gebildet, beispielsweise piezoelektrische Elemente.
Die Ausgangssignale von den drei Schwingungsfühlern 6 werden an eine Wellenform-Erkennungsschaltung 9 gegeben und in verarbeitbare Nachweissignale umgewandelt. Auf der Grundlage der Verarbeitungsergebnisse, die von der Wellenform-Erkennungsschaltung 9 gewonnen werden, ermittelt eine arithmetische Steuerschaltung 1 die Koordinatenposition des Schwingungsgriffels 3 auf der Schwingungsübertragungsplatte 8.
Fig. 15 zeigt eine Schwinger-Treiberwellenform zum Ansteuern des Schwingers 4 in dem Schwingungsgriffel 3. Wie in Fig. 15 gezeigt ist, legt die Schwingertreiberschaltung 2 einen Rechteckimpulszug mit vorbestimmter Länge in jedem vorbestimmten Zeitintervall an den Schwinger 4, und dieser Impulszug wird von dem Schwinger 4 in mechanische Energie umgesetzt. Die folgende Schwingung wird als elastische Wellenschwingung durch die Schwingungsübertragungsplatte 8 gesendet und von den Schwingungsfühlern 6 erfaßt.
Auf diese Weise wird die an den Schwinger 4 gegebene elektrische Energie von dem Schwinger 4 umgewandelt in mechanische Energie, anschließend von jedem Schwingungsfühler 6 über die Schwingungsübertragungsplatte 8 wiederum in elektrische Energie umgewandelt und ausgegeben.
Das so erhaltene Signal, welches einer elektro-mechanischen Umwandlung und anschließend einer mechanisch-elektrischen Umwandlung unterzogen wurden, d. h. das von dem Fühler 6 erfaßte Signal hat nicht ein Einzelfrequenz-Spektrum, wie aus Fig. 16 hervorgeht.
Der Grund dafür ist, daß das mechanische Ansprechverhalten des den Schwinger 4 und das Trichterteil 5 enthaltenden Schwingungsgriffels bezüglich der elektrischen Treiberfrequenz, die an den Schwinger 4 gelegt wird, kein Einzelfrequenz- Ansprechverhalten aufweist, sondern mit verschiedenen Schwingungsmoden anspricht. Da außerdem das Trichterteil 5 oder dergleichen an den Schwinger 4 gekoppelt ist, wird die mechanische Energie gedämpft, so daß sie insgesamt breitbandig ist, wenn sie von der Spitze des Schwingungsgriffels 3 abgegeben wird. Folglich handelt es sich bei dem von dem Fühler 6 gelieferten elektrischen Ausgangssignal um eine zusammengesetzte Welle in Form eines Gemisches verschiedener Frequenzkomponenten.
Fig. 17 zeigt die allgemeine Charakteristik einer elastischen Welle (Lamb-Welle), die sich in einer Platte ausbreitet. Es ist bekannt, daß die Phasengeschwindigkeit Vp und die Gruppengeschwindigkeit Vg einer Lamb-Welle abhängen von dem Produkt der Plattendicke d und der Frequenz f der Welle. Wie oben erläutert, wird die sich in der Schwingungsübertragungsplatte 8 ausbreitende Lamb-Welle in bezug auf ein elektrisches Treibersignal gedämpft, so daß es sich um ein Signal mit einem breiten Frequenzband handelt.
Wenn folglich Komponenten der von dem Fühler 6 erfaßten Signal-Wellenform auf der Zeitachse verglichen werden, besteht der vorlaufende Teil der Signalwellenform aus einer Welle mit hoher Frequenz, die sich mit hoher Geschwindigkeit ausbreitet, und einer Lamb-Welle mit niedriger Frequenz, die allmählich den Fühler 6 mit einer Zeitverzögerung erreicht und elektrisch umgewandelt wird. Diese Lamb-Welle ist einer hochfrequenten Welle überlagert, die früher ankommt und bereitgestellt wird.
Fig. 18 zeigt das Ergebnis, welches man erhält durch Verarbeitung desselben elektrischen Ausgangssignals des Fühlers 6 über Bandpassfilter mit einer Bandbreite von 40 kHz und unterschiedlichen Mittenfrequenzen, sowie Berechnen der Gruppengeschwindigkeiten Vg aus der Relation zwischen der Entfernung zwischen dem Schwingungsgriffel 3 und dem Fühler 6 und der Verzögerungszeit der Ankunft der Welle. Wie aus Fig. 18 ersichtlich ist, nimmt, wenn die Mittenfrequenz des Bandpassfilters zunimmt, die Gruppengeschwindigkeit Vg zu; wenn die Mittenfrequenz des Bandpassfilters abnimmt, sinkt die Gruppengeschwindigkeit Vg.
Obschon das Ausgangssignal des Fühlers 6 das gleiche ist, läßt sich daher durch Verarbeitung des Signals über ein Bandpassfilter, bei dem eine gewisse Mittenfrequenz eingestellt ist, eine Lamb-Welle mit einer speziellen Geschwindigkeit entsprechend dieser Mittenfrequenz nachweisen. Die Koordinateneingabevorrich tung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung bearbeitet das Ausgangssignal des Fühlers 6 durch Verwenden eines ersten Bandpassfilters und eines zweiten Bandpassfilters mit einer Mittenfrequenz, die geringer ist als diejenige des ersten Bandpassfilters.
Angenommen, die Geschwindigkeit einer Welle, die aus einer Signal-Wellenform berechnet wird, die unter Verwendung des ersten Bandpassfiltes verarbeitet wurde, betrage V 1, und die Geschwindigkeit einer Welle, die aus einer Signal- Wellenform errechnet wurde, die unter Verwendung des zweiten Bandpassfilters verarbeitet wurde, betrage V2. Außerdem sei angenommen, daß Zeitintervalle zwischen dem Zeitpunkt, zu dem eine Lamb-Welle von dem Schwingungsgriffel 3 an irgendeinem der Schwingungsfühler 6 ankommt, bis zu dem Zeitpunkt, zu denen das erste und das zweite Bandpassfilter die Welle verarbeiten und die jeweiligen Ergebnisse ausgeben, t1 und t2 betragen, wobei außerdem die Entfernung von dem Schwingungsgriffel 3 zu dem Schwingungsfühler 6l betrage, dann gilt:
Δt = t1 - t2 (6)
l = V1 t1 = V2 t2 = V2 (t + Δt) (7)
Daher gilt:
(V1 - V2) t1 = V2 Δt
das heißt:
t1 = V2/(V1 - V2) V2 (8)
Diese Gleichung (8) besagt, daß im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen das Messen der Differenz zwischen der Verzögerungszeit (bis zur Ankunft), die vvn dem ersten Bandpassfilter verarbeitet wird, und derjenigen, die von dem zweiten Bandpassfilter verarbeitet wurde, und das Messen der Geschwindigkeiten V1 und V2 durch Berechnen der Detektiersignal-Wellenformen, die von dem ersten und dem zweiten Bandpassfilter verarbeitet wurden, eine Kenntnis des Zeitpunkts der Schwingungseingabe durch den Schwingungsgriffel 3 überflüssig macht. Das heißt: Die Entfernung l läßt sich berechnen, indem man die Ankunftszeitdifferenz Δt zwischen den zwei unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisenden Wellen mißt, ohne daß man die Zeit t1 mißt. Dies befreit von der Notwendigkeit, eine Synchronisation zwischen dem Schwingungsgriffel zum Erzeugen einer Schwingung einerseits und der Detektierschaltung andererseits vorzusehen. Hierdurch wird ein schnurloser Schwingungsgriffel möglich.
Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß die Signalwellenform-Erkennungsschaltung 9 lediglich in der in Fig. 20 gezeigten Weise ausgebildet zu sein braucht (wobei nur ein Signal der Schaltungen für die drei Schwingungsfühler 6, die gleichen Aufbau besitzen, dargestellt ist). Das heißt: Das von dem Schwingungsfühler 6 gelieferte Signal, welches von einem Vorverstärker 91 verstärkt wird, wird über ein erstes Bandpassfilter (BPF I) 52 als Schaltung für das Extrahieren einer spezifischen Frequenz an eine Signalverarbeitungsschaltung 94 gegeben. Die Zeitverzögerung bei der Ankunft dieser Welle wird ermittelt auf der Grundlage einer Nachweisreferenzgröße (die unten noch beschrieben wird), und es wird ein Zähler 96 gestartet. Gleichzeitig wird das Signal über ein zweites Bandpassfilter (BPF II) 93 als Extrahierschaltung für eine spezifische Frequenz mit einer Mittenfrequenz, die niedriger ist als die des ersten Bandpassfilters 92, an eine Signalverarbeitungsschaltung 95 gegeben, und in ähnlicher Weise wird die Verzögerungszeit für die Ankunft erfaßt, und zu diesem Zeitpunkt wird der Zähler 94 angehalten. Anschließend wird die Differenz Δt zwischen den Ankunftszeiten der beiden Wellen gemessen.
Wie aus einer im folgenden zu beschreibenden Arbeitsweise ersichtlich ist, sind die Signalverarbeitungsschaltungen 94 und 95 als Hüllkurvenspitzen-Detektierschaltungen ausgebildet, um den Spitzenwert einer Hüllkurve zu erkennen.
Fig. 19 ist ein Impulsdiagramm zum Erläutern der Signalverarbeitung, die von der Signalerkennungsschaltung 9 ausgeführt wird.
In Fig. 19 gezeigte Signalwellenformen beinhalten eine Treiberwellenform 191 zum Ansteuern des Schwingers in dem Schwingungsgriffel, eine Detektiersignalwellenform 192, die gewonnen wird, wenn eine über die Schwingungsübertragungsplatte übertragene Schwingung von dem Schwingungsfühler 6 erfaßt wurde, und Signalwellenformen 192A und 192B, die durch Verarbeitung mittels des ersten und des zweiten Bandpassfilters 92 bzw. 93 gewonnen werden.
Nachfolgende Signalverarbeitung erfolgt durch die Signalverarbeitungsschaltungen 94 und 95.
Wellenformen 193A und 193B kennzeichnen die Hüllkurven der Detektiersignal- Wellenformen, die mittels der Bandpassfilter 92 bzw. 93 erhalten wurden. Um die jeweiligen Verzögerungszeiten der Wellen zu ermitteln, werden zunächst Differential-Wellenformen 194A und 194B aus den Hüllkurven der Detektiersignal- Wellenformen gebildet, außerdem werden Hülldurchgangssignale 195A und 195B (entsprechend den Spitzen der Hüllkurven) erfaßt.
Anschließend wird der Zähler 96 zum Messen der Verzögerungszeitdifferenz durch die Detektiersignale, die von dem ersten Bandpassfilter 92 verarbeitet wurden, gestartet, und durch das Detektiersignal, welches von dem zweiten Bandpassfilter 93 verarbeitet wurde, angehalten, wodurch die Messung der Verzögerungszeitdifferenz Δt abgeschlossen wird.
Die Signalwellenform-Erkennungsschaltung 9 liefert den Differenzwert Δt an die arithmetische Steuerschaltung 1. Die Entfernung l von dem Eingabestift zu dem Fühler läßt sich dann aus dieser Verzögerungszeitdifferenz Δt gemäß den Gleichungen (7) und (8) berechnen.
Bei dieser Ausführungsform sind drei Schwingungsfühler 6 an den Stellen 51 bis 53 an den Ecken der Schwingungsübertragungsplatte 8 angeordnet. Durch Berechnen der Abstände l1, l2 und l3 in geraden Linien von dem Eingabepunkt bis zu dem jeweiligen Schwingungsfühler 6 mittels der Gleichungen (7) und (8) können folglich Koordinatenwerte (x, y) gemäß dem Theorem dreier Quadrate folgendermaßen gewonnen werden:
x = X/2 + (l1 + l2) (l1 - l2)/2X (9)
y = Y/2 + (l1 + l3) (l1 - l3)/2Y (10)
wobei X und Y die Entfernungen zwischen den Schwingungsfühlern 6 an den Stellen 52 und 53 zu dem Fühler 6 im Ursprung (Position 51) entlang der X- bzw. Y-Achse sind. Diese Verarbeitung ermöglicht es, die Positionskoordinaten des Schwingungsgriffels 3 zu ermitteln, und im Anschluß daran können die Eingabekoordinatenpunkte sequentiell im Echtzeitbetrieb durch Wiederholung der Verarbeitung gewonnen werden.
Da bei dieser Ausführungsform gemäß obiger Beschreibung eine Koordinatenberechnung erfolgen kann, ohne daß der Eingabezeitpunkt durch den Schwingungsgriffel auf der Seite der Nachweiseinrichtung festgestellt wird, braucht keine Zeitinformation zwischen dem Vorrichtungshauptgehäuse, welches die Schwingungsübertragungsplatte trägt, und dem Schwingungsgriffel ausgetauscht zu werden Dies ermöglicht die Verwendung eines schnurlosen Schwingungsgriffels und kann die Bedienungsfreundlichkeit bei der Eingabe signifikant steigern.
Außerdem können einfache und billige Schaltungen unter Verwendung von Bandpassfiltern in dem Nachweissteuersystem eingesetzt werden, es wären keine Teile wie z. B. Kabel benötigt, so daß die Fertigungskosten der Vorrichtung verringert werden können.
Bei dieser Ausführungsform ermöglicht die Verwendung einer transparenten Schwingungsübertragunsplatte den Einsatz bei einer Vorrichtung, in der die Platte über eine Anzeige oder eine Vorlage gelegt wird. In solchen Situationen allerdings, in denen die Vorrichtung nicht über eine Anzeige oder eine Vorlage gelegt werden muß, kann ein opakes Material, z. B. ein Metall verwendet werden.

< Drittes Ausführungsbeispiel>

Im folgenden soll detailliert die Arbeitsweise eines Schwingungsgriffels gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung erläutert werden.

< Beschreibung der Schwingertreiberschaltung>

Fig. 21 ist ein Blockdiagramm, welches eine praktische Ausführung einer Schwingertreiberschaltung 2 zum Treiben eines Schwingers 4 eines Schwingungsgriffels 3 gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht, Fig. 22 ist ein zu der Schaltung gehöriges Impulsdiagramm.
Gemäß Fig. 21 wird ein Taktsignal mit einer Frequenz fb (ein Signal 211 im Impulsdiagramm der Fig. 22), die als Schwingung von einem Oszillator (OSZ) 201 erzeugt wird, frequenzmäßig durch eine Frequenzteilerschaltung 202 in eine Frequenz fc geteilt (ein Signal 212 in dem Impulsdiagramm), und es wird an eine Schalteinrichtung 204 gelegt, um zwischen fb und fc umzuschalten. Der Ausgangstakt fb von dem OSZ 201 wird von einer weiteren Frequenzteilerschaltung 203 frequenzmäßig in einen Takt geteilt, der in dem Impulsdiagramm durch ein Signal 213 gekennzeichnet ist. Dieser Takt 213 wird an die Schalteinrichtung 204 gelegt. Die Schalteinrichtung 204 wählt abwechselnd die Taktsignale fb und fc nach Maßgabe des Taktsignals 213 aus und legt das ausgewählte Taktsignal an ein Schieberegister 205. Dieses Signal ist das in Fig. 22 gezeigte Signal 215, dessen Frequenz zwischen fb und fc entsprechend dem Takt 213 wechselt. Das Schieberegister 205 ist in der Weise ausgebildet, daß es einen Impulszug mit mehreren Zyklen (in dem Beispiel mit vier Zyklen) unmittelbar nach Änderung des Takts 213 ausgibt. Die Frequenz dieses Impulszugs 214 hängt ab von den Frequenzen fb und fc.
Anschließend wird, wie aus dem Impulsdiagramm der Fig. 22 hervorgeht, von dem Schieberegister 205 abwechselnd ein Taktsignal mit den Frequenzen f1 und f2, bezeichnet mit dem Takt 214, unmittelbar nach Wechsel des Taktsignals 213 ausgegeben. Man beachte, daß eine Treiberschaltung 206 den Ausgangstakt 214 von dem Schieberegister 205 in einen elektrischen Signalpegel umsetzt, der optimal zum Ansteuern des Schwingers 4 geeignet ist. Bei dieser Ausführungsform wird der Schwinger durch den aus einer Rechteckwelle gebildeten Impulszug angesteuert. Allerdings kann als Treiberwellenform auch eine Sinuswelle verwendet werden.
Bei dieser Ausführungsform wird der Schwinger 4 durch zwei unterschiedliche Frequenzen angesteuert, und indem man die Resonanzfrequenzen des Schwingungsgriffels 3 als diese beiden Frequenzen hernimmt, läßt sich eine Schwingung gewünschter Frequenz in effizienter Weise an der Spitze des Schwingungsgriffels 3 erzielen. Das heißt: durch Untersuchen der Resonanzfrequenzen des Schwingungsgriffels 3 mit dem darin eingebauten Schwinger und durch Einstellen beispielsweise der Grund-Resonanzfrequenz und der Sekundär-Resonanzfrequenz des Schwingungsgriffels als dessen Treiberfrequenzen läßt sich in effizienter Weise eine Schwingung erhalten.

< Charakteristika der Lamb-Welle (Fig. 23 und Fig. 24)>

Fig. 23 zeigt die allgemeine Kennlinie einer elastischen Welle (Lamb-Welle), die sich in einer Platte ausbreitet. Es ist bekannt, daß die Phasengeschwindigkeit Vp und die Gruppengeschwindigkeit Vg einer Lamb-Welle abhängen von dem Produkt (im folgenden als fd-Wert bezeichnet) der Plattendicke und der Frequenz f der Welle. Fig. 23 zeigt, daß innerhalb eines Frequenzbandes, in welchem der fd- Wert relativ klein ist, sowohl die Gruppengeschwindigkeit Vg als auch die Phasengeschwindigkeit Vp zunehmen, wenn der fd-Wert steigt. Bei dieser Ausführungsform beträgt die Frequenz einer sich in der Schwingungsübertragungsplatte 8 ausbreitenden Lamb-Welle einige hundert kHz, die Plattendicke beträgt etwa 1,6 mm, so daß der oben angesprochene fd-Wert in dieser Zone relativ klein ist. Deshalb sind die Gruppen- und die Phasengeschwindigkeit einer mit einer hohen Frequenz erzeugten Lamb-Welle höher als bei einer Lamb-Welle, die mit niedriger Frequenz erzeugt wird.
Fig. 24 zeigt die Einzelheiten der Zone, in der der fd-Wert relativ klein ist (fd = 0,3 bis 1,0 Mhz*mm) gemäß Fig. 23. Es sei Berechnung einer Entfernung aus einer Verzögerungszeit der Ankunft unter Verwendung einer solchen Lamb-Welle betrachtet. Da die Gruppengeschwindigkeit einer Lamb-Welle offensichtlich verschieden von deren Phasengeschwindigkeit ist, ändert sich die Phaseninformation gegenüber der Gesamtwellenform (Hüllkurve) abhängig von der Strecke, welche die Welle zurücklegt. Fig. 25A und 25B veranschaulichen dieses Phänomen. In einer Detektiersignal-Wellenform an einem gegebenen Punkt sowie eine Detektiersignal-Wellenform in einem Abstand L von diesem Punkt stimmt die Spitze einer Hüllkurve überein mit der Spitze einer Phase (Fig. 25A). Wenn hingegen sich die Entfernung um ΔL ändert, fällt die Spitze der Hüllkurve nicht mehr mit der Spitze der Phase zusammen (Fig. 25B). Das heißt: wenn die Ausbreitungsstrecke zunimmt, beginnt die Phase in einer Detektiersignal-Wellenform nicht unbedingt weiterhin mit der positiven Richtung (Fig. 25A), sondern verschiebt sich allmählich in der Weise, daß sie in negativer Richtung beginnt (Fig. 25B); wenn die Entfernung weiter zunimmt, kehrt die Phase in den ursprünglichen Zustand zurück, und so weiter. Die Phase wiederholt dieses periodische Phänomen. Wenn in diesem Fall eine zu der Phasengeschwindigkeit gehörige Phasenverzögerungszeit Tp gewonnen werden soll durch Messen einer Zeit bis zu einem Detektierpunkt, an dem der Phasenpegel zum ersten Mal einem vorbestimmten Pegel gleich oder größer ist als dieser, gewinnt man eine schrittweise Beziehung zwi schen der Entfernung und der Phasenlaufzeit.
Eine zu der Gruppengeschwindigkeit gehörige Gruppenlaufzeit Tg hingegen läßt sich aus der Phaseninformation nicht gewinnen, da die Beziehung zwischen der Hüllkurve und den Phasenänderungen von der Entfernung abhängt. Folglich muß die Gruppenlaufzeit Tg dadurch gemessen werden, daß man die Hüllkurve aus einer durch die Phaseninformation gebildeten Wellenform extrahiert und als Detektierpunkt einen spezifischen Punkt der Wellenform, beispielsweise deren Spitze, einstellt. Ein dabei auftretendes Problem besteht darin, daß der Detektierpunkt der Gruppenlaufzeit Tg sich hinter dem Detektierpunkt der Phasenlaufzeit Tp auf der gleichen Zeitachse befindet. Das heißt: der Detektierpunkt der Gruppenlaufzeit Tg befindet sich nicht im vorderen Teil der Detektiersignal-Wellenform, sondern in der Nähe der Spitze der Wellenform, die gegenüber dem voreilenden Teil verzögert ist. Wenn der Schwingungsfühler 6 sich in der Nähe der Stirnfläche der Schwingungsübertragungsplatte 8 befindet, wird der voreilende Teil der Detektiersignal-Wellenform von dieser Stirnfläche reflektiert, und die reflektierte Welle überlagert sich der direkten Welle (d. h., die Detektiersignal-Wellenform wird verzerrt). Dies macht es unmöglich, den durch die direkte Welle gebildeten Spitzenwert korrekt zu erfassen.
Angenommen, der Spitzenwert der Detektiersignal-Wellenform, der aus der direkten Welle gewonnen wird, werde durch die K-te Wellenlänge hinter dem voreilenden Teil der direkten Welle gebildet, und die Gruppengeschwindigkeit und die Frequenz der Welle betrügen Vg1 bzw. f1. In diesem Fall beträgt eine Zeit von dem voreilenden Teil bis hin zu dem Spitzenwert (Detektierpunkt)
tpoint = K 1/f1 = K/f1 (11)
und eine Entfernung Ld, über die sich die Gruppe innerhalb dieser Zeit ausbreitet, beträgt
Ld = tpoint Vg1 = (K Vg1)/f1 (12)
Damit also die reflektierte Welle nicht der Spitze der direkten Wellen überlagert wird, muß die Entfernung von dem Schwingungsfühler 6 bis zu der Stirnfläche der Schwingungsübertragungsplatte 8 mindestens Ld/2 betragen. Als Ergebnis wird die Größe der Schwingungsübertragungsplatte 8 im Vergleich zu der effektiven Fläche, in der Koordinaten eingegeben werden können, vergrößert. Dies führt zu dem Problem, daß die Größe des gesamten Geräts zunimmt.
Ein derartiges Problem ergibt sich auch für den Nachweispunkt der Phasenverzögerungszeit. Allerdings läßt sich dieser Detektierpunkt in die Nähe des voreilenden Teils der Detektiersignal-Wellenform legen (wobei der Wert von K in der Gleichung (11) kleiner ist), und man kann sagen, daß die Größe der Schwingungsübertragungsplatte 8 von der Lage des Gruppenlaufzeit-Detektierpunkts abhängt.
Zurückkehrend zu Fig. 24 sei die Relation zwischen der Frequenz und der Gruppengeschwindigkeit betrachtet. Angenommen, die unten angegebene Gleichung (13) gelte annähernd über einen gewissen schmalen Bereich gemäß dieser Beziehung, und vorausgesetzt, die Plattendicke wird konstant gehalten:
Vg1 = αf1 + β (α β und sind positive konstante Werte) (13)
Einsetzen der Gleichung (13) in Gleichung (12) ergibt:
Ld = K (α + β/f1) (14)
Wenn also die Lamb-Welle verwendet wird, läßt sich der Wert von Ld durch Erhöhen der Frequenz verringern. In diesem Fall wird angenommen, daß die Gleichung (13) über einen gewissen schmalen Bereich gilt. In der oben angesproche nen Zone, in welcher der fd-Wert relativ klein ist, nähme in ähnlicher Weise der fd-Wert, die Gruppengeschwindigkeit Vg und die Phasengeschwindigkeit Vp gleichmäßig und monoton zu und werden nach oben hin flacher (d. h., ihre Steigungen nehmen monoton ab). Im Bereich dieses fd-Werts läßt sich also der Wert von Ld durch Steigern der Frequenz verringern.
Es seien Probleme erörtert, die sich in diesem Fall durch die Erhöhung der Frequenz ergeben. Die Koordinateneingabevorrichtung unter Verwendung einer Ultraschallwelle führt grundlegend eine Koordinatenberechnung dadurch durch, daß die Entfernungen zwischen dem Schwingungsgriffel 3 und den Fühlern 6a bis 6d berechnet werden, d. h. durch Messen der Ausbreitungszeiten der Welle und durch Gewinnen der Produkte der Zeiten und der Geschwindigkeit der Welle. Folglich hängt die Auflösung der Koordinatenerfassung eng zusammen mit der Auflösung der Entfernungsberechnung. Die Auflösung der Entfernungsberechnung wiederum hängt ab von der zeitlichen Auflösung eines Zählers, der zum Messen der Laufzeit und der Geschwindigkeit einer Welle verwendet wird. Das heißt: die Auflösung der Entfernungsberechnung wird verbessert, wenn man eine Welle verwendet, die eine niedrigere Geschwindigkeit besitzt, wenn man von einer gegebenen zeitlichen Auflösung des Zählers ausgeht.
Wenn gemäß obiger Beschreibung eine Welle mit einer hohen Frequenz verwendet wird, um einen nicht benötigten Bereich der Schwingungsübertragungsplatte 8 zu verkleinern, steigt dementsprechend die Geschwindigkeit an. Um die Auflösung der Entfernungsberechnung beizubehalten, muß folglich ein Zähler mit einer höheren zeitlichen Auflösung verwendet werden, was die Kosten und die Leistungsaufnahme steigert. Aus diesem Grund wird eine Lamb-Welle mit einer hohen Frequenz beim Messen der Gruppenlaufzeit verwendet, während eine Lamb- Welle mit niedriger Frequenz und niedriger Geschwindigkeit beim Messen der Phasenlaufzeit verwendet wird. Wenngleich ein Verfahren zum Berechnen von Koordinaten aus der Gruppenlaufzeit Tg und der Phasenlaufzeit Tp im folgenden beschrieben wird, so wird die Gruppenlaufzeit bei der Entfernungsberechnung nicht direkt verwendet, was nachfolgend beschrieben wird. Folglich besitzt der Koordinatenberechnungs-Algorhithmus die Besonderheit, daß die zeitliche Auflösung eines Zählers bei dem Erfassen der Gruppenlaufzeit nicht erforderlich ist.

< Beschreibung der Schwingungsausbreitungszeit-Erfassung (Fig. 26 und 27)>

Im folgenden wird das Prinzip der Messung der Ankunftszeit einer Schwingung an dem Schwingungsfühler 6 beschrieben.
Fig. 26 ist ein Impulsdiagramm zum Erweitern der Detektier-Wellenformen, die an die Signalwellenform-Erkennungseinrichtung 9 gelegt werden, und der Verarbeitung zum Messen einer Schwingungsübertragungszeit anhand solcher Wellenformen. Man beachte, daß die Beschreibung anhand des Schwingungsfühlers 6a beispielhaft erfolgt, daß jedoch die gleiche Beschreibung auch für weitere Schwingungsfühler 6b, 6c und 6d gilt. Wie oben erläutert wurde, wird die Messung einer Schwingungsübertragungszeit zu dem Schwingungsfühler 6a zu der gleichen Zeit gestartet, wie das Startsignal an die Schwingertreiberschaltung 2 gegeben wird. Zu diesem Zeitpunkt legt die Schwingertreiberschaltung 2 an den Schwinger 4 ein Treibersignal 261. Eine von dem Schwingungsgriffel 3 an die Schwingungsübertragungsplatte 8 durch dieses Signal 261 gesendete Ultraschallwelle breitet sich zeitlich entsprechend der Entfernung zu dem Schwingungsfühler 6a aus und wird von diesem erfaßt.
Ein Signal 262 in Fig. 26 kennzeichnet eine Detektiersignal-Wellenform zu dem Zeitpunkt, zu dem der Schwingungsfühler 6a eine Welle erfaßt, die erzeugt wird, wenn die Frequenz des Signals zum Treiben des Schwingungsgriffels hoch ist, und eine Detektiersignal-Wellenform, die von einem Treibersignal mit niedriger Frequenz erhalten wird, erzeugt nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeit (tc in Fig. 26). Wie bereits erwähnt, ist die bei dieser Ausführungsform verwendete Schwingungswelle eine Lamb-Welle, so daß die Beziehung zwischen der Hüllkurve 271 und der Phase 272 sowie die Beziehung zwischen einer Hüllkurve 275 und der Phase 276 der Detektierwellenform sich während der Schwingungsübertragung abhängig von der Übertragungsentfernung innerhalb der Schwingungsübertragungsplatte 8 ändern. Angenommen, die Geschwindigkeit der Hüllkurve 271, die durch Ansteuern bei hoher Frequenz erhalten wird, d. h. die Gruppengeschwindigkeit, betrage Vg, und die Geschwindigkeit der Phase (276 in Fig. 26) beim Ansteuern mit niedriger Frequenz betrage Vp. In diesem Fall läßt sich die Entfernung zwischen dem Schwingungsgriffel 3 und dem Schwingungsfühler 6a aus der Gruppengeschwindigkeit Vg der Phasengeschwindigkeit Vp ermitteln.
Betrachtet man zunächst nur die Hüllkurve 271, so beträgt deren Geschwindigkeit Vg. Um einen gewissen spezifischen Punkt der Wellenform zu erfassen, z. B. eine Spitze, wird die Hüllkurve 263 differenziert (Signal 264), und ihr Null-Durchgangspunkt wird als Gruppenlaufzeit-Erkennungspunkt hergenommen. Die Entfernung zwischen dem Schwingungsgriffel 3 und dem Schwingungsfühler 6a ist durch die folgende Gleichung gegeben, die auf der Annahme beruht, daß die Schwingungsübertragungszeit zwischen den beiden Elementen tg beträgt:
d = Vg tg (15)
Obschon diese Gleichung zu dem Schwingungsfühler 6a gehört, lassen sich die Entfernungen zwischen den anderen drei Schwingungsfühlern 6b bis 6d und dem Schwingungsgriffel 3 unter Verwendung der gleichen Gleichung in ähnlicher Weise darstellen.
Um die Koordinaten genauer zu bestimmen, erfolgt eine Verarbeitung basierend auf der Erkennung eines Phasensignals. Angenommen, daß eine Zeit nach einem spezifischen Nachweispunkt des Phasenwellenformsignals 276, z. B. ein Punkt des Anlegens einer Schwingung, bis zu einem Null-Durchgangspunkt, in welchem die Phase zum ersten Mal von Negativ nach Positiv bei einem gegebenen Signalpegel 265 übergeht, tp' 268 betrage (erhalten durch Erzeugen eines Fenstersignals 267 mit vorbestimmter Breite bezüglich eines Signals 266, und Vergleichen des Signals mit dem Phasensignal 276), so ist die Zeit tp, während der sich die Welle tatsächlich ausbreitet, gegeben durch:
tp = tp' - tc (16)
Deshalb beträgt die Entfernung zwischen dem Schwingungsfühler und dem Schwingungsgriffel:
d = n λp + Vp tp (17)
wobei λp die Wellenlänge (die Wellenlänge einer Welle bei niedriger Treiberfrequenz) einer elastischen Welle und n eine ganze Zahl ist.
Aus den Gleichungen (15) und (17) ergibt sich die ganze Zahl n zu
n = int [(Vg tg - Vp tp)/λp + 1N] (18)
In dieser Gleichung ist N eine reelle Zahl, ausgenommen "0" und kann ein beliebiger Wert sein. Wenn z. B. N = 2, so läßt sich n bestimmen, vorausgesetzt, daß eine Änderung von tg oder dergleichen innerhalb des Bereichs von ±1/2-Wellenlänge liegt. Das heißt: es gibt eine Grenze bei der Erfassung von Tg, und dieser Fehler wird von der Gleichung (18) absorbiert. Daher ist es nicht notwendig, einen Zähler hoher Auflösung beim Nachweis der Gruppenlaufzeit zu verwenden. Durch Einsetzen des so erhaltenen Werts n in die Gleichung (17) läßt sich die Entfernung zwischen dem Schwingungsgriffel 3 und dem Schwingungsfühler 6a mit hoher Genauigkeit messen. Wie man aus der Gleichung (17) ersehen kann, läßt sich die Entfernung mit hoher Auflösung berechnen, da die Phasenlaufzeit Tp gemessen wird, indem die Welle mit niedriger Frequenz und niedriger Geschwindigkeit hergenommen wird. Die Signale 263 und 268 zur Verwendung bei der Messung der beiden Schwingungsübertragungszeiten tg und tp' werden von der Signalwellenform-Erkennungsschaltung 9 erzeugt. Diese Signalwellenform-Erkennungsschaltung 9 ist in der in Fig. 27 gezeigten Weise aufgebaut.
Fig. 27 ist ein Blockdiagramm, die den Aufbau der Signalwellenform-Erkennungsschaltung 9 der dritten Ausführungsform darstellt. Gemäß Fig. 27 wird ein Ausgangssignal von dem Schwingungsfühler 6a von einem Vorverstärker 51 auf einen vorbestimmten Pegel verstärkt und eine Hüllkurvendetektorschaltung 52 gegeben, die durch eine Absolutwertschaltung, ein Tiefpassfilter und dergleichen gebildet wird. Der Spitzenpunkt des von der Hüllkurvendetektorschaltung 52 extrahierten Signals wird von einer Hüllkurvenspitzendetektorschaltung 53 erfaßt. Anschließend wird von einer durch eine Monoflop oder dergleichen gebildeten tg- Signaldetektorschaltung 54 ein Signal tg (Signal 263 in Fig. 26) als Hüllkurvenlaufzeit-Detektiersignal mit einer vorbestimmten Wellenform erzeugt und an die arithmetische Steuerschaltung 1 gegeben.
Nach dem Ermitteln der Gruppenlaufzeit tg (ein Zeitintervall zwischen der ersten und der zweiten Treiberfrequenz beträgt tc) wird der Schwingungsgriffel 3 bei der niedrigeren Frequenz angesteuert, und es wird eine nachfolgende Detektiersignal-Wellenform erzeugt.
Auch hier bei der dritten Ausführungsform wird die Hüllkurve 275 der Detektiersignal-Wellenform extrahiert, um die Ankunft des Signals festzustellen. Eine Signaldetektierschaltung 60 bildet ein Impulssignal 266, bestehend aus Komponenten, die ein Schwellenwertsignal 265 vorbestimmten Pegels in dem Hüllkurvensignal 275 überschreiten, welches von der Hüllkurvendetektorschaltung 52 ermittelt wurde. Ein Monoflop 61 ermöglicht einem Triggersignal 267 vorbestimmter Dauer, ausgelöst durch die erste Vorderflanke des Impulssignals 266. Ein tp'-Ver gleicher 62 erfaßt einen Null-Durchgangspunkt bei der ersten Vorderflanke des Phasensignals 276, während das Gatesignal 267 läuft, und gibt das Phasenlaufzeitsignal tp' 268 an die arithmetische Steuerschaltung 1. Man beachte, daß in dem in Fig. 27 gezeigten Blockdiagramm die Ausgabe der auf die Phaseninformation 422 bezogenen Phasenlaufzeit erhalten wird durch die Detektiersignal- Wellenform, die bei hoher Treiberfrequenz erhalten wird, während die Ausgabe der Gruppenlaufzeit in Verbindung mit der Hüllkurve 275 von der Detektiersignal- Wellenform gewonnen wird, die bei niedriger Treiberfrequenz gebildet wird. Allerdings können die Gruppenlaufzeit tg für die Hüllkurve 271 und die Phasenlaufzeit tp' in bezug auf die Phaseninformation 272, die ursprünglich erforderlich waren, durch die arithmetische Steuerschaltung ausgewählt werden. Als Alternative können nach dem Erfassen von tg Schaltkreise umgeschaltet werden mit Hilfe von Schaltern vor und hinter der Hüllkurvendetektorschaltung 52. Wenngleich die oben beschriebene Schaltungskonfiguration für den Schwingungsfühler 6a vorgesehen ist, sind identische Schaltkreise für die anderen Schwingungsfühler dieser Ausführungsform vorhanden.

< Beschreibung der Koordinatenpositionsberechnung (Fig. 28)>

Im folgenden wird das Prinzip des aktuellen Nachweises der Koordinatenposition durch den Schwingungsgriffel auf der Schwingungsübertragungsplatte 8 erläutert.
Wenn die vier Schwingungsfühler 6a bis 6d an den Stellen 51 bis 54 in der Nähe der Mitten der vier Seiten der Schwingungsübertragungsplatte 8 angeordnet sind, lassen sich die Entfernungen da bis dd als Geraden von einer Stelle P des Schwingungsgriffels 3 zu den Schwingungsfühlern 6a bis 6d mit Hilfe des oben beschriebenen Prinzips erhalten. Darüber hinaus kann die arithmetische Steuerschaltung 1 auf der Grundlage dieser Entfernungen da bis dd die Koordinaten (x, y) der Stelle P des Schwingungsgriffels 3 anhand des Theorems der drei Quadrate folgendermaßen berechnen:
x = (da + db) (da - db)/2X (19)
y = (dc + dd) (dc - dd)/2Y (20)
wobei X und Y die Entfernungen zwischen den Schwingungsfühlern 6a und 6b und zwischen den Schwingungsfühlern 6c und 6d sind.
Auf diese Weise lassen sich die Positionskoordinaten des Schwingungsgriffels 3 im Echtzeitbetrieb feststellen. Das Messen der Gruppenlaufzeit unter Verwendung einer Schwingung mit höherer Frequenz als der Schwingung, die beim Messen der Phasenlaufzeit gemäß obiger Beschreibung zugrundeliegt, ermöglicht eine Verringerung einer Zusatzzone zur Steigerung der Differenz der Weglänge zwischen der direkten Welle und der reflektierten Welle im Vergleich zu der effektiven Fläche, in der Koordinaten eingegeben werden können. Außerdem läßt sich bei dieser Ausgestaltung die Phasenlaufzeit, die direkt zum Berechnen der Koordinaten erforderlich ist, durch Verwendung einer Welle mit niedriger Phasengeschwindigkeit (niedriger Frequenz) erhalten. Deshalb läßt sich die Vorrichtung miniaturisieren, ohne daß dabei die Auflösung der Entfernungsberechnung verringert wird, im Gegensatz zu einem teueren, hohe Leistung verbrauchenden Gerät mit Hochfrequenztakt zwecks Erhöhung der Auflösung.

< Vierte Ausführungsform>

Im folgenden wird als vierte Ausführungsform eine Koordinateneingabevorrichtung mit einer Ausgestaltung beschrieben, die nahezu ähnlich ist derjenigen der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2. Wie allerdings in Fig. 30 zu sehen ist, unterscheidet sich die Ausgestaltung der Signalwellenform-Erkennungsschaltung 9 von derjenigen der ersten Ausführungsform. Darüber hinaus erzeugt gemäß dem Impulsdiagramm in Fig. 29 eine Schwingertreiberschaltung 2 nicht zwei Frequenzen, sondern legt einen Impuls mit einer einzigen Frequenz an den Schwingungsgriffel, um den Schwinger 4 anzusteuern. In diesem Fall wird der Schwinger 4 von einem Impulssignal hoher Frequenz angesteuert. Die Grund-Resonanzfrequenz des Schwingers 4 betrage z. B. 400 kHz, die Schwingungskennlinie entspricht einem breiten Frequenzband insgesamt und läßt sich von dem Schwinger 4 erzielen, der in dem Schwingungsgriffel 3 eingebaut ist. Durch impulsweises Ansteuern dieses Schwingers wird eine Schwingung mit verschiedenen Frequenzkomponenten von dem Punkt des Schwingungsgriffels 3 auf die Schwingungsübertragungsplatte gegeben.

< Kennlinie der Lamb-Welle>

Wie bereits oben erläutert, zeigt Fig. 23 die allgemeine Kennlinie einer elastischen Welle (Lamb-Welle), die sich in einer Platte ausbreitet. Es ist bekannt, daß die Phasengeschwindigkeit Vp und die Gruppengeschwindigkeit Vg einer Lamb-Welle abhängen von dem Produkt (im folgenden als fd-Wert bezeichnet) der Dicke d einer Platte und der Frequenz f der Welle. In einem Frequenzband, in welchem der fd-Wert relativ niedrig ist, nehmen sowohl die Gruppengeschwindigkeit Vg als auch die Phasengeschwindigkeit Vp zu, wenn der fd-Wert ansteigt. Bei dieser Ausführungsform reicht das Frequenzband der sich in der Schwingungsübertragungsplatte 8 ausbreitenden Lamb-Welle von einigen 10 kHz bis einige 100 Hz, die Plattendicke beträgt etwa 1,6 mm, und folglich ist der fd-Wert in dieser Zone relativ klein. Wenn daher Komponenten der Schwingungswelle, die von einem Fühler 6 erfaßt werden, auf der Zeitachse miteinander verglichen werden, so besteht der voreilende Teil dieser Signalwellenform aus einer hochfrequenten Welle mit hoher Ausbreitungsgeschwindigkeit, und einer Lamb-Welle niedriger Frequenz, die allmählich im Verlauf der Zeit am Fühler 6 ankommt und von diesem elektrisch umgesetzt wird. Die umgewandelte Welle ist einer früher angekommenen und ausgegebenen Hochfrequenzwelle überlagert. Durch Verarbeiten des Ausgangssignals des Fühlers mittels eines Bandpassfilters, das unterschiedliche Mittenfrequenzen aufweist, lassen sich Wellen mit verschiedenen Geschwindigkeiten nachweisen. Das bedeutet: eine Welle mit hoher Geschwindigkeit läßt sich nachweisen, wenn man die Mittenfrequenz des Bandpassfilters heraufsetzt;
wenn die Mittenfrequenz des Bandpassfilters abnimmt, sinkt entsprechend die Geschwindigkeit.
Wie bereits früher bei der ersten Ausführungsform erwähnt, wird, wenn die K-te Wellenlänge von dem voreilenden Teil einer direkten Welle einer Frequenz f1 erfaßt wird, eine Entfernung Ld, über die die Schwingung läuft, aus dem voreilenden Teil am Detektierpunkt folgendermaßen dargestellt:
Ld = K (α + β/f1) (14)
Wenn also eine Lamb-Welle verwendet wird, läßt sich der Wert von Ld durch Steigern der Frequenz verringern. In diesem Fall wird die Gleichung (13) in einem gewissen schmalen Bereich betrachtet. In der oben angesprochenen Zone, in der der fd-Wert relativ klein ist, nehmen der fd-Wert, die Gruppengeschwindigkeit Vg und die Phasengeschwindigkeit Vp gleichförmig und monoton zu und sind nach oben gerichtet (d. h. ihre Steigungen nehmen monoton ab). Deshalb läßt sich der Wert von Ld verringern, indem man die Frequenz in diesem Bereich des fd-Werts erhöht. Man beachte allerdings, daß die Verwendung einer hochfrequenten Schwingung einen hochauflösenden Zähler erfordert. Aus diesem Grund wird eine hochfrequente Lamb-Welle beim Messen einer Gruppenlaufzeit verwendet, während zum Messen einer Phasenlaufzeit eine niederfrequente Lamb-Welle mit niedriger Geschwindigkeit verwendet wird. Obschon ein Verfahren zum Berechnen von Koordinaten aus der Gruppenlaufzeit Tg und der Phasenlaufzeit Tp im folgenden beschrieben wird, wird die Gruppenlaufzeit bei der Entfernungsberechnung nicht direkt verwendet, wie unten noch erläutert wird. Deshalb hat der Algorhitmus zur Koordinatenberechnung eine Besonderheit insofern, als die zeitliche Auflösung eines Zählers beim Feststellen der Gruppenlaufzeit nicht erforderlich ist.

< Beschreibung der Schwingungsausbreitungszeit (Fig. 29 und 30)>

Im folgenden wird das Meßprinzip für die Schwingungsankunftszeit am Schwingungsfühler 6 erläutert.
Fig. 29 ist ein Impulsdiagramm zum Erläutern der eingegebenen Detektier-Wellenformen an der Signalwellenform-Detektierschaltung 9 und der Schwingungsübertragungszeitmessungs-Verarbeitung, die auf diesen Wellenformen beruht. Man beachte, daß zwar in der nachfolgenden Beschreibung der Schwingungsfühler 6a als Beispiel dient, jedoch genau die gleiche Beschreibung auch für die anderen Schwingungsfühler 6b, 6c und 6d gilt. Wie bereits beschrieben wurde, wird die Messung der Schwingungsübertragungszeit bis hin zu dem Schwingungsfühler 6a zur gleichen Zeit begonnen, zu dem das Startsignal an die Schwingertreiberschaltung 2 gegeben wird. Zu diesem Zeitpunkt legt die Schwingertreiberschaltung 2 an den Schwinger 4 ein Treibersignal 291. Ein von dem Schwingungsgriffel 3 von diesem Signal 291 an die Schwingungsübertragungsplatte 8 gelegtes Ultraschallwellensignal breitet sich mit der Zeit entsprechend dem Abstand zu dem Schwingungsfühler 6a aus und wird von diesem erfaßt.
Ein in Fig. 29 gezeigtes Signal 292 kennzeichnet eine Detektiersignal-Wellenform, die man erhält, wenn das Signal, welches von dem Schwingungsfühler 6a erfaßt wird, mittels eines ersten Bandpassfilters mit hoher Mittenfrequenz verarbeitet wird. Wie oben beschrieben, ändert sich, weil die bei dieser Ausführungsform verwendete Schwingungswelle eine Lamb-Welle ist, die Relation zwischen einer Hüllkurve 301 und einer Phase 302 der Detektier-Wellenform entsprechend der Ausbreitungsentfernung innerhalb der Schwingungsübertragungsplatte 8. Angenommen, die Geschwindigkeit der Hüllkurve 301, d. h. die Gruppengeschwindigkeit, betrage Vg. Ein Signal 294 kennzeichnet eine Detektiersignal-Wellenform, die dann erhalten wird, wenn das von dem Schwingungsfühler 6a erfaßte Signal über ein zweites Bandpassfilter mit einer niedrigeren Mittenfrequenz als das erste Bandpassfilter verarbeitet wird. Es sei außerdem angenommen, daß die Geschwindigkeit der Phase 302, d. h. die Phasengeschwindigkeit, Vp betrage. Die Entfernung zwischen dem schwingungsgriffel 3 und dem Schwingungsfühler 6a läßt sich aus der Gruppengeschwindigkeit Vg und der Phasengeschwindigkeit Vp ermitteln. Zunächst soll lediglich die Hüllkurve 301 mit deren Geschwindigkeit Vg betrachtet werden. Wenn ein spezifischer Punkt der Wellenform, z. B. ein Umkehrpunkt oder eine Spitze wie bei dem Signal 293 in Fig. 29, ermittelt wird, ist die Entfernung zwischen dem Schwingungsgriffel 3 und dem Schwingungsfühler 6a für eine Schwingungsübertragungszeit tg gegeben durch:
d = Vg tg (15)
Diese Gleichung steht in Beziehung zu dem Schwingungssensor 6a, jedoch lassen sich die Entfernungen von den anderen drei Schwingungsfühlern 6b bis 6d zu dem Schwingungsgriffel 3 mit der gleichen Gleichung in ähnlicher Weise darstellen.
Um eine genauere Koordinatenbestimmung durchzuführen, wird eine Verarbeitung auf der Grundlage des Erfassens eines Phasensignals durchgeführt. Angenommen, ein Zeitinervall zwischen einem spezifischen Nachweispunkt des Phasen-Wellenformsignals 302, z. B. eines Schwingungs-Anlegezeitpunkts, bis hin zu einem Null-Durchgangspunkt, bei dem sich die Phase zum ersten Mal nach einem vorbestimmten Signalpegel 298, betrage tp 297 (erhalten durch Erzeugen eines Fenstersignals 296 mit vorbestimmter Breite bezüglich eines Signals 295 und Vergleichen des Fenstersignals mit dem Phasensignal 302), so ist die Entfernung zwischen dem Schwingungsfühler und dem Schwingungsgriffel gegeben durch:
d = n λp + Vp tp (16)
wobei λp die Wellenlänge einer elastischen Welle (d. h. die Wellenlänge der von dem zweiten Bandpassfilter nachgewiesenen Welle) und n eine ganze Zahl ist.
Aus den Gleichungen (15) und (16) ergibt sich die ganze Zahl n folgendermaßen:
n = int [(Vg tg - Vp tp)/ λp + 1/N] (17)
In Gleichung (17) ist N eine reelle Zahl, ausgenommen "0", und es kann eine beliebige Zahl gewählt werden. Wenn z. B. N = 2, läßt sich n bestimmen, vorausgesetzt, die Änderung von tg oder dergleichen fällt in den Bereich von ±1/2-Wellenlänge. Das heißt: das Feststellen von tg hat seine Grenze, und dieser Fehler wird durch die Gleichung (17) absorbiert. Deshalb braucht kein Zähler hoher Auflösung zum Ermitteln der Gruppenlaufzeit verwendet zu werden. Durch Einsetzen des so erhaltenen Wertes n in die Gleichung (16) kann die Entfernung zwischen dem Schwingungsstift 3 und dem Schwingungsfühler 6a mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Wie aus der Gleichung (16) ersichtlich ist, wird die Phasenverzögerungszeit Tp dadurch gemessen, daß man eine Welle verwendet, die eine niedrige Frequenz und eine niedrige Geschwindigkeit besitzt, so daß es möglich ist, die Entfernung mit hoher Auflösungsgenauigkeit zu berechnen. Die Signale 293 und 297 zum Messen der zwei Schwingungsübertragungszeiten tg und tp werden von der Signalwellenform-Erkennungsschaltung 9 erzeugt. Diese Signalwellenform-Erkennungsschaltung 9 ist in der in Fig. 30 gezeigten Weise ausgebildet.
Fig. 30 ist ein Blockdiagramm, welches den Aufbau der Signalwellenform-Erkennungsschaltung 9 der vierten Ausführungsform veranschaulicht. Gemäß Fig. 30 wird das Ausgangssignal des Schwingungsfühlers 6a von einem Vorverstärker 51 auf einen vorbestimmten Pegel verstärkt. Da diese Ausführungsform Bandpassfilter verwendet, wird das verstärkte Signal an ein Bandpassfilter 511 und ein Bandpassfilter 512 gegeben, um besondere Frequenzkomponenten zu beseitigen. Anschließend werden die nachfolgenden Signale auf Hüllkurvendetektorschaltung 521 und 522 gegeben, jeweils bestehend aus einer Absolutwertschaltung, einem Tiefpaßfilter und dergleichen. In diesem Fall ist die Bandpass-Mitten frequenz des Bandpassfilters 511 höher eingestellt als diejenige des Bandpassfilters 512.
Der Spitzenpunkt des von der Hüllkurvendetektierschaltung 521 extrahierten Signals wird von einer Hüllkurvenspitzendetektorschaltung 53. Anschließend wird von einer tg-Signalerkennungsschaltung 54, die durch ein Monoflop oder dergleichen gebildet wird, ein Signal tg (das Signal 293 in Fig. 29) als Hüllkurvenlaufzeit-Detektiersignal mit vorbestimmter Wellenform erzeugt und auf die arithmetische Steuerschaltung 1 gegeben.
Andererseits bildet eine Signaldetektorschaltung 55 das Impulssignal 295, bestehend aus Komponenten oberhalb des Schwellenwertsignals 298 vorbestimmten Pegels in dem Hüllkurvensignal 301, welches von einer Hüllkurvendetektorschaltung 552 gewonnen wird. Ein Monoflop 56 erzeugt das Gattersignal 296 vorbestimmter Dauer, getriggert durch die erste Vorderflanke des Impulssignals 295. Ein tp-Vergleicher 57 erfaßt einen Null-Durchgangspunkt der ersten vorderen Flanke des Phasensignals 302, während das Gattersignal 296 vorhanden ist und liefert das Phasenlaufzeitsignal tp 297 an die arithmetische Steuerschaltung 1. Man beachte, daß zwar oben der Schaltungsaufbau für den Schwingungsfühler 6a beschrieben ist, jedoch für die anderen Schwingungsfühler identische Schaltungen vorgesehen sind.
Die Entfernung zwischen dem Schwingungsfühler 6 und der Stelle, an der der Schwingungsgriffel eine Welle eingibt, läßt sich mit dem oben beschriebenen Prinzip gewinnen, und man kann die Koordinaten berechnen und ausgeben anhand dieser Entfernung, genau so wie bei der ersten Ausführungsform.
Wie oben erläutert, ermöglicht das Messen der Gruppenlaufzeit unter Verwendung einer Schwingung höherer Frequenz als derjenigen Schwingung, die zum Messen der Phasenlaufzeit verwendet wird, die Verringerung einer Extrazone, die notwendig ist, um die Differenz der Weglänge zwischen der direkten Welle und der reflektierten Welle in bezug auf die effektive Fläche für die mögliche Koordinateneingabe zu steigern. Darüber hinaus läßt sich mit dieser Ausgestaltung die Phasenverzögerungszeit, welche direkt für die Berechnung der Koordinaten erforderlich ist, unter Verwendung einer Welle gewinnen, die eine niedrige Phasengeschwindigkeit (niedrige Frequenz) aufweist. Dies gestattet die miniaturisierte Ausführung einer Vorrichtung, ohne die Auflösung bei der Entfernungsberechnung zu verringern, im Gegensatz zu einem teueren, hohe Leistung verbrauchenden Gerät mit einem Hochfrequenztakt, der zur Steigerung der Auflösung überhaupt notwendig ist.
Man beachte, daß die vorliegende Erfindung nicht nur Anwendung findet bei einem System mit mehreren Geräten, sondern auch bei einer Vorrichtung, die ein Einzelgerät enthält. Man beachte außerdem, daß die vorliegende Erfindung dann Anwendung finden kann, wenn die Erfindung dazu dient, Programme in ein System oder ein Gerät einzugeben.

Claims

1. Koordinateneingabevorrichtung zum Nachweisen von Schwingung, die durch eine Schwingungseingabeeinrichtung (3) eingegeben wurde, indem von einer Schwingungsnachweiseinrichtung (6) Gebrauch gemacht wird, die sich an einem Schwingungsübertragungsglied (8) befindet, um eine Schwingungsübertragungszeit zu der Schwingungseingabeeinrichtung zu messen und so Eingangskoordinaten der Schwingungseingabeeinrichtung an der Schwingungsübertragungseinrichtung auf der Grundlage des Meßergebnisses festzustellen, wobei die Schwingungseingabeeinrichtung drahtlos ausgestaltet ist, indem sämtliche Mechanismen in ihr untergebracht sind, die zum Erzeugen der Schwingung erforderlich sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Einrichtung (31) aufweist zum Übertragen einer Treiberzeit (eines Treiber-Timings) für die Schwingungseingabe durch die Schwingungseingabeeinrichtung an das Schwingungsübertragungsglied, um die Koordinatenerfassungs-verarbeitung durchzuführen, indem die Schwingungseingabeeinrichtung in vorübergehende Berührung mit dem Schwingungsübertragungsglied gebracht wird, wobei die Treiberzeit als Meß-Ursprung der Schwingungsübertragungszeit verwendet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die vorübergehende Berührung über eine Halteeinrichtung (81) erfolgt, die an dem Schwingungsübertragungsglied (8) vorgesehen ist, um die Schwingungseingabeeinrichtung (6) zu haltern.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Schwingungsübertragungsglied (8) eine Einrichtung zum Durchführen der Verarbeitung gemäß übertragener Information aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, umfassend:

eine Extrahiereinrichtung zum Extrahieren einer Mehrzahl Signalkomponenten mit unterschiedlichen Übertragungsgeschwindigkeiten aus einer Detektiersignal-Wellenform, die erhalten wird, wenn die Schwingungsdetektiereinrichtung (6), die auf das Schwingungsübertragungsglied (8) übertragene Schwingung feststellt;

eine Zähleinrichtung zum Ermitteln von Übertragungszeitdifferenzen zwischen den Signalkomponenten, die von der Extrahiereinrichtung erhalten wurden; und

eine Einrichtung zum Feststellen einer Entfernung von dem Schwingungseingabepunkt der Schwingungseingabeeinrichtung zu der Schwingungsdetektiereinrichtung nach Maßgabe der Übertragungszeiten der mehreren Signalkomponenten an dem Schwingungsübertragungsglied sowie der Zeiten, die durch die Zähleinrichtung gezählt wurden, und zum Ermitteln einer Position des Schwingungseingabepunkts anhand der festgestellten Entfernung.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Schwingungsdetektiereinrichtung mehrere Schwingungssensoren (6) aufweist, die auf einer Koordinateneingabefläche des Schwingungsübertragungsglieds (8) angeordnet sind, auf welcher Fläche sich eine Schwingung ausbreitet, um Entfernungen von einer Koordinatenkennzeichnungseinrichtung zum Erzeugen einer Schwingung zu jedem Schwingungssensor entsprechend der Ankunftszeit der Schwingung zu messen, um dadurch einen Punkt zu berechnen, der auf der Koordinateneingabefläche durch die Koordinatenkennzeichnungseinrichtung als Koordinatenwert angegeben wird, umfassend:

eine Einrichtung zum Messen einer Verzögerungszeit bezüglich einer Phasengeschwindigkeit einer Schwingung einer ersten Frequenz, die sich auf der Koordinateneingabefläche ausbreitet;

eine Einrichtung zum Messen einer Verzögerungszeit bezüglich einer Gruppengeschwindigkeit einer Schwingung einer zweiten Frequenz, die höher ist als die erste Frequenz, die sich auf der Koordinateneingabefläche ausbreitet; und

eine Einrichtung zum Ermitteln einer Koordinatenposition der Koordinatenkennzeichnungseinrichtung auf der Grundlage der gemessenen Gruppengeschwindigkeit und Phasengeschwindigkeit.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Koordinatenkennzeichnungseinrichtung eine Schwingungserzeugungseinrichtung enthält, die abwechselnd mit der ersten und der zweiten Frequenz in einer vorbestimmten Zeitspanne betrieben wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, weiterhin umfassend: ein erstes Bandpaßfilter (511) mit der ersten Frequenz als Mittenfrequenz und ein zweites Bandpaßfilter (512) mit der zweiten Frequenz als Mittenfrequenz, wobei die Schwingungskennzeichnungseinrichtung eine Schwingung mit einer Bandbreite erzeugt, welche die erste und die zweite Frequenz abdeckt, das erste Bandpaßfilter eine Schwingung der ersten Frequenz aus dem Ausgangssignal des Schwingungssensors extrahiert, und das zweite Bandpaßfilter eine Schwingung der zweiten Frequenz daraus extrahiert.