DE69624292T2

DE69624292T2 - Koordinateneingabevorrichtung

Info

Publication number: DE69624292T2
Application number: DE69624292T
Authority: DE
Inventors: Katsuyuki Kobayashi; Hajime Sato; Atsushi Tanaka; Masaki Tokioka; Ryozo Yanagisawa; Yuichiro Yoshimura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-07-05
Filing date: 1996-07-04
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2016-07-05
Also published as: EP0753723A3; JPH0922324A; US5760346A; EP0753723A2; EP0753723B1; DE69624292D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erfassen einer elastischen Schwingung durch mehrere Sensoren, die auf einer Schwingungsübertragungsplatte bereitgestellt sind, und Erfassen der Koordinate der Position der Schwingungseinleitung auf der Grundlage der Übertragungszeit einer solchen elastischen Schwingung.

Verwandter Stand der Technik

Zum Bestimmen der Koordinate sind bereits verschiedene Verfahren bekannt, wie beispielsweise das Verfahren mit resistivem Film, das Verfahren mit elektromagnetischer Induktion, das Verfahren mit elektrostatischer Kopplung, und das Verfahren mit Ultraschallwellen. Das Verfahren mit resistivem Film erlaubt beispielsweise die Einleitung mit einem Finger und erfordert damit keinen exklusiven Einleitungsstift, ist aber hinsichtlich der Genauigkeit der Koordinatenberechnung den letztgenannten drei Verfahren unterlegen. Andererseits sind das Verfahren mit elektromagnetischer Induktion und das Verfahren mit elektrostatischer Kopplung dem Verfahren mit resistivem Film in der Genauigkeit der Koordinatenberechnung überlegen, erfordern aber einen exklusiven Einleitungsstift, weshalb die Einleitung mit einem Finger nicht möglich ist und hohe Kosten vorhanden sind.
Andererseits ist beispielsweise aus der Druckschrift EP-A-582283 in Verbindung mit dem die Ultraschallwelle nutzenden Verfahren eine Koordinateneingabeeinrichtung bekannt zum Erfassen der Schwingung mit mehreren Schwingungserfassungseinrichtungen, die auf einer Schwingungsübertragungsplatte bereitgestellt sind, und Erfassen der Übertragungszeit der Schwingungswelle von dem Schwingungsstift zu jeder Schwingungserfassungseinrichtung, wodurch die Position des Schwingungsstifts bestimmt wird. In einer solchen Koordinateneingabeeinrichtung wird die Koordinate durch Erfassen der sich in der Schwingungsübertragungsplatte ausbreitenden Lambwelle auf der Grundlage einer Verzögerungszeit tg bezüglich der Gruppengeschwindigkeit Vg der Schwingung und einer Verzögerungszeit tp bezüglich der Phasengeschwindigkeit Vp der Schwingung berechnet. Dieses Verfahren erlaubt die Koordinateneingabe mit einer höheren Genauigkeit im Vergleich zu dem Verfahren mit resistivem Film und ist wegen seiner einfacheren Konfiguration im Vergleich zu dem Verfahren mit elektromagnetischer Induktion und dem Verfahren mit elektrostatischer Kopplung hinsichtlich der Kosten vorteilhafter.
Es wurde darüber hinaus ein Verfahren zum Berechnen der Koordinate durch Ansteuern einer Vibratoransteuerschaltung des Schwingungseingabestifts in einem nicht mit der Berechnungssteuerschaltung synchronisierten Zustand vorgeschlagen. Dieses Verfahren kann eine Eingabeeinrichtung mit guten Betriebseigenschaften und ohne das Signalkabel zwischen dem Einleitungsstift und dem Hauptkörper der Einrichtung bereitstellen.
Die vorstehenden, die Ultraschallwelle nutzenden konventionellen Eingabeeinrichtungen wurden jedoch mit den folgenden Nachteilen assoziiert.
Der Einleitungsstift zum Eingeben der Koordinate muß ein exklusiver Stift sein, der einen Mechanismus zum Erzeugen der Schwingung beinhaltet. Demzufolge kann die Einleitung mit beispielsweise einem Finger nicht verwirklicht werden.
Darüber hinaus benötigt das Ultraschallverfahren, mit dem es möglich ist, das Verbindungskabel zu beseitigen, noch immer einen exklusiven Stift zum Erzeugen der Schwingung, und muß ein solcher exklusiver Stift mit einer Schaltung zum Erzeugen der Schwingung, einer Batterie als Leistungsquelle usw. versehen sein. Infolgedessen ist unter Berücksichtigung der laufenden Kosten der Batterie ein solcher exklusiver Stift dem Druckeinleitungsverfahren (beispielsweise der Einleitung mit einem Finger oder mit einem stiftförmigen Utensil mit einem spitzen Ende) unterlegen.
In Anbetracht des Vorstehenden soll die Erfindung eine Koordinateneingabeeinrichtung schaffen, welche eine hohe Genauigkeit ohne ein exklusives Koordinatenangabeutensil verwirklichen kann, und welche beispielsweise mit einem Finger bedient werden kann.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der Erfindung besteht gemäß einem Ausführungsbeispiel derselben darin, eine Koordinateneingabeeinrichtung bereitzustellen, umfassend:
ein Schwingungselement zum Erzeugen einer Schwingung;
ein Schwingungsübertragungselement, das mit dem Schwingungselement laminiert und so ausgelegt ist, daß die Schwingung ausgehend von einem Schwingungseinleitungspunkt übertragen wird; und
eine Berechnungseinrichtung zum Erfassen der Schwingung an vorbestimmten Positionen des Schwingungsübertragungselements und Berechnen der Koordinate des Schwingungseinleitungspunkts durch Messen der Verzögerungszeit von der Einleitung der Schwingung an dem Schwingungseinleitungspunkt bis zu der Erfassung der Schwingung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Aussicht, die am besten die Konfiguration eines Ausführungsbeispiels der Erfindung repräsentiert;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das den internen Aufbau eines Steuerschaltung zeigt;
Fig. 3 ist ein Zeitverlaufsdiagramm der Signalverarbeitung;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines Signalerfassungsschaltung;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Entfernung von dem Schwingungseinleitungspunkt zu dem Sensor und der Verzögerungszeit zeigt;
Fig. 6 ist eine vereinfachte Ansicht, die das Prinzip der Koordinatenberechnung zeigt; und
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines zweiten Ausführungsbeispiels zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Erstes Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele derselben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genauer erklärt.
Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, um die Gesamtkonfiguration der die Erfindung verkörpernden Koordinateneingabeeinrichtung zu erklären. Eine Steuereinrichtung 1 steuert die gesamte Einrichtung und berechnet auch die Koordinatenposition. Ein Folientreiber 2 bewirkt eine Schwingung in einer piezoelektrischen Folienschicht 4. Die Folie 4 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht aus einer piezoelektrischen Keramik (wie beispielsweise PZT), ist in der Dickenrichtung der Folie polarisiert, und weist Elektroden auf, auf beiden Seiten der Folie, zum Erzeugen einer Schwingung in der Folie. Durch Ansteuern der Folie 4 mit dem Folientreiber 2 wird eine gleichförmige Schwingung in der Dickenrichtung der Folie 4 induziert. Eine effiziente Umwandlung in die Schwingung kann durch in Übereinstimmung bringen der Schwingungsfrequenz der Folie 4 mit der Resonanzfrequenz in der Dickenrichtung der Folie 4 verwirklicht werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Schwingungsfrequenz der Folie 4 so gewählt, daß eine Lambwelle bzw. Plattenwelle in einer Ausbreitungsschicht 8 erzeugt wird, jedoch können natürlich auch andere Schwingungsmoden verwendet werden.
Die Ausbreitungs- bzw. Fortpflanzungsschicht 8 zum Übertragen der Schwingung besteht aus einem Metall oder einer Legierung wie beispielsweise Aluminium, Eisen oder Kupfer, so daß dann, wenn die Folie 4 und die Ausbreitungsschicht 8 durch den Druck eines Fingers oder eines stiftförmigen Werkzeugs (nicht gezeigt) in Kontakt miteinander gebracht werden, die in der Folie 4 erzeugte Schwingung auf die Ausbreitungsschicht 8 übertragen wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Folie 4 und die Ausbreitungsschicht 8 in einer sich gegenseitig berührender Beziehung zueinander bereitgestellt, jedoch sind auch in einer solchen Anordnung die Folie 4 und die Ausbreitungsschicht 8 durch eine Luftschicht akustisch isoliert, so daß die in der Folie 4 erzeugte Schwingung nicht an die Ausbreitungsschicht 8 übertragen wird, bis die Folie 4 mit einem hinreichenden Druck zu der Ausbreitungsschicht 8 hin gedrückt wird. Anders ausgedrückt ist der Pegel der mit einem hinreichenden Druck eingeleiteten Schwingung (Signal) ausreichend verschieden von dem Pegel der durch die sich berührende Anordnung der beiden eingeleiteten Schwingung (Rauschen), so daß das Leistungsvermögen der erfindungsgemäßen Einrichtung durch eine solche Anordnung in keiner Weise beeinträchtigt wird. Es ist natürlich auch möglich, eine Konfiguration zu verwenden, bei der absichtlich eine Lücke zwischen der Folie 4 und der Ausbreitungsschicht 8 ausgebildet ist, um eine Luftschicht dazwischen auszubilden, oder um zwischen der Folie 4 und der Ausbreitungsschicht 8 eine Zwischenschicht auszubilden, welche in dem normalen Zustand die Schallwelle nicht überträgt, sondern eine solche akustische Welle von der Folie 4 zu der Ausbreitungsschicht 8 nur unter einem Druck für die Koordinateneingabe überträgt.
Ein oberer Kasten 5 bildet einen Teil des äußeren Gehäuses und definiert einen Nutzbereich für die Koordinateneingabe.
Die in der Folie 4 erzeugte Schwingung breitet sich dann, wenn sie in die Ausbreitungsschicht 8 eintritt, in dieser aus und wird an der Stirnfläche der Ausbreitungsschicht 8 reflektiert. Folglich ist, um die Reflexion der Schwingung in Richtung des Mittenbereichs zu vermeiden (abzuschwächen), ein Antischwingungselement 7 in der äußeren Peripherie der Ausbreitungsschicht 8 bereitgestellt. Darüber hinaus sind in dem peripheren Bereich der Ausbreitungsschicht 8 mehrere Schwingungssensoren, wie beispielsweise piezoelektrische Elemente, zum Umwandeln einer mechanischen Schwingung in elektrische Signale befestigt. Die Signale aus den Schwingungssensoren 6 werden durch eine nicht gezeigte Verstärkungsschaltung ver stärkt und dann einem Signalwellenformdetektor 9 zur Signalverarbeitung zugeführt, deren Ergebnis der Steuereinrichtung 1 für die Koordinatenberechnung zugeführt wird. Die Einzelheiten des Signalwellenformdetektors 9 und der Steuereinrichtung 1 werden später erklärt.
Die piezoelektrische Folie 4 wird durch den Folientreiber 2 angesteuert. Das Ansteuersignal für die Folie 4 wird von der Steuereinrichtung 1 in Form eines niedrigpegeligen Impulssignals geliefert, welches mit einer vorbestimmten Verstärkung in dem Folientreiber 2 verstärkt und dann an die Folie 4 angelegt wird. Das Ansteuersignal besteht zum Beispiel aus einer Wechsel Spannung von 500 kHz, die einer Abtastfrequenz von 100 kHz angelegt wird. Das elektrische Ansteuersignal wird durch die Folie 4 in eine mechanische Ultraschallschwingung umgewandelt, welche auf die Ausbreitungsschicht 8 übertragen wird, wenn die Folie 4 und die Ausbreitungsschicht 8 unter ausreichendem Druck in gegenseitigen Kontakt gebracht werden.
Obwohl das vorliegende Ausführungsbeispiel mehrere Sensoren 6 zum Erfassen der Schwingung verwendet, erfolgt die nachfolgende Beschreibung aus Vereinfachungsgründen nur für einen einzelnen Sensor.

Steuereinrichtung

In der vorstehend erklärten Konfiguration gibt die Steuereinrichtung 1 in einem vorbestimmten Intervall (zum Beispiel 5 ms) ein Signal aus, um den Folientreiber 2 zu veranlassen, die Folie 4 anzusteuern, und beginnt mit dem Zählen der Zeit durch einen (aus einem Zähler bestehenden) internen Zeitgeber. Wenn die Folie 4 mit einem ausreichenden Druck mit der Ausbreitungsschicht 8 in Kontakt gebracht wird, wird die in der Folie 4 erzeugte Schwingung auf die Ausbreitungsschicht 8 übertragen. Der Berührungspunkt der Folie 4 mit der Ausbreitungsschicht 8 ist als der Schwingungseinleitungspunkt definiert. Die in die Ausbreitungsschicht 8 eingeleitete Schwingung wird nach einer Verzögerung, die der Entfernung von dem Schwingungseinleitungspunkt zu dem Schwingungssensor 6 entspricht, durch den Schwingungssensor 6 erfaßt.
Der Schwingungswellenformdetektor 9 erfaßt Signal aus dem Schwingungssensor 6 und erzeugt ein Signal, das den Zeitpunkt des Eintreffens der Schwingung an jedem Schwingungssensor über einen noch zu beschreibenden Wellenformerfassungsprozeß anzeigt, und in Antwort auf dieses Signal erfaßt die Steuereinrichtung 1 die Schwingungsübertragungszeit an den Schwingungssensor 6. Die Koordinatenposition des Schwingungseinleitungspunkts wird auf der Grundlage der Schwingungsübertragungszeiten von den mehreren Schwingungssensoren und über einen noch zu beschreibenden Prozeß berechnet.
Fig. 2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm der Steuereinrichtung 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, und die Komponenten und Funktionen der Steuereinrichtung 1 werden nachstehend erklärt.
Ein Mikrocomputer 31 steuert die Steuereinrichtung 1 und die gesamte Koordinateneingabeeinrichtung, und ist mit einem internen Zähler, einem die Steuersequenz speichernden Festspeicher bzw. ROM, einem für die Berechnung verwendeten Speicher mit wahlfreiem Zugriff bzw. RAM, einem nichtflüchtigen Speicher zum Speichern von Konstanten usw. versehen. Ein Zeitgeber 33 besteht zum Beispiel aus einem nicht gezeigten Zähler zum Zählen von Referenztaktsignalen, und beginnt mit der Zeitzählung in Antwort auf die Einleitung eines Startsignals zum Beginnen der Ansteuerung der Folie 4 in den Folientreiber 2. Auf diese Art und Weise kann der Beginn der Zeitzählung mit der Erfassung der Schwingung durch die Schwingungssensoren 6 synchronisiert werden, und kann die Schwingungsübertragungszeit bis zur Erfassung der Schwingung durch den Schwingungssensor 6 gemessen werden.
Das von dem Schwingungswellenformdetektor 9 ausgegebene Schwingungsankunftszeitsignal, welches das Eintreffen der Schwingung an dem Schwingungssensor 6 anzeigt, wird über einen Erfassungssignal-Eingangsport 35 einem Zwischenspeicher 34 zugeführt, welcher daraufhin den Zeitzählwert des Zeitmessers 33 zwischenspeichert. Eine Bestimmungseinrichtung bzw. ein Determinator 36 sendet bei Unterscheidung des Empfangs des Erfassungssignals ein entsprechendes Signal an den Mikro- Computer 31. Da in der Praxis mehrere Schwingungssensoren vorhanden sind, ist der Zwischenspeicher so ausgelegt, daß die den Schwingungsankunftszeiten aus solchen mehreren Schwingungssensoren entsprechenden Zeitzählwerte zwischengespeichert werden, und der Determinator 36 beurteilt den Empfang der Erfassungssignale aus allen für die Koordinatenberechnung benötigten Sensoren.
In Antwort auf das Signal aus dem Determinator 36 liest der Mikrocomputer 31 aus dem Zwischenspeicher 34 die Übertragungsverzögerungszeiten an die Schwingungssensoren aus, berechnet dann die Koordinatenposition des Schwingungseinleitungspunkts auf der Ausbreitungsschicht 8 durch eine vorbestimmte Berechnung, und gibt so erhaltene Koordinateninformationen über einen Eingabe/Ausgabe- bzw. I/O-Port 37 an externes Gerät aus.

Erfassung der Übertragungsverzögerungszeit der Schwingung (Fig. 3 und 4)

Fig. 3 ist eine Ansicht, die die dem Signalwellenformdetektor 9 zugeführte erfaßte Wellenform und den Prozeß des Messens der Vibrationsübertragungszeit auf dieser Grundlage zeigt.
Wie vorstehend bereits erklärt wurde, wird die Messung der Übertragungsverzögerungszeit der Schwingung an den Schwingungssensor 6 gleichzeitig mit der Zufuhr des Startsignals zu dem Folietreiber 2 begonnen. An diesem Punkt wird von dem Folientreiber 2 der Folie 4 ein Ansteuersignal 41 zugeführt. In Antwort auf das Signal 41 breitet sich die an dem Schwingungseinleitungspunkt von der Folie 4 auf die Ausbreitungsschicht 8 übertragene Ultraschallschwingung zu dem Schwingungssensor 6 innerhalb einer Zeit aus, die der Entfernung zu diesem entspricht, und wird durch den Schwingungssensor 6 erfaßt. Ein Signal 42 in Fig. 3 gibt die durch den Schwingungssensor 6 erfaßte Signalwellenform an.
Wie vorstehend erklärt wurde, ist die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendete Schwingung eine Lambwelle, in welcher sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Hüllkurve 421 der erfaßten Wellenform (Gruppengeschwindigkeit Vg) von der der Phase 422 (Phasengeschwindigkeit Vp) unterscheidet. Demzufolge ändert sich die Beziehung zwischen der Hüllkurve 421 und der Phase 422 der erfaßten Wellenform in Abhängigkeit von der Ausbreitungsentfernung in der Ausbreitungsschicht 8. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Entfernung zwischen dem Schwingungseinleitungspunkt und dem Schwingungssensor 6 aus einer auf der Gruppengeschwindigkeit Vg basierenden Gruppenverzögerungszeit tg und einer auf der Phasengeschwindigkeit Vp basierenden Phasenverzögerungszeit tp erfaßt.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm des Schwingungswellenformdetektors 9. Nachstehend wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 eine Konfiguration zum Erfassen der Gruppenverzögerungszeit tg und der Phasenverzögerungszeit tp für jeden Schwingungssensor erklärt.
Das Ausgangssignal 42 des Schwingungssensors 6 wird durch einen Vorverstärker 51 auf einen vorbestimmten Pegel verstärkt und der Entfernung unnötiger Frequenzkomponenten durch ein Bandpaßfilter 511 unterzogen, um ein Signal 44 zu bereitzustellen. Die Hüllkurve der Wellenform dieses Signals breitet sich mit der Gruppengeschwindigkeit Vg aus, und die Verzögerungszeit tg, die Bezug zu der Gruppengeschwindigkeit Vg hat, kann durch Erfassen eines bestimmten Punkts auf dieser Wellenform, wie beispielsweise des Spitzenwerts oder des Wendepunkts der Hüllkurve, erhalten werden. Auf diese Art und Weise wird das durch den Vorverstärker 51 und das Bandpaßfilter 511 erhaltene Signal einem Hüllkurvendetektor 52 zugeführt, der beispielsweise aus einer Absolutwertschaltung und einem Tiefpaßfilter besteht, um die Hüllkurve 45 nur des erfaßten Signals zu erhalten. Dann erzeugt ein Torsignalgenerator 56, der beispielsweise aus einem Multivibrator besteht, ein Torsignal 46, entsprechend einer Zeitspanne, in der die Hüllkurve 45 einen vorbestimmten Schwellenwertpegel 441 überschreitet.
Wie vorstehend erklärt wurde, kann die Gruppenverzögerungszeit tg mit Bezug zu der Gruppengeschwindigkeit Vg durch Erfassen des Spitzenwerts oder des Wendepunkts der Hüllkurve erhalten werden. Das vorliegende Ausführungsbeispiel nutzt die Erfassung eines ersten Wendepunkts der Hüllkurve (abwärts gerichteter Null durchgangspunkt eines Signals 43, noch zu erklären). Zu diesem Zweck wird das aus dem Hüllkurvendetektor 52 ausgegebene Signal 45 einem Hüllkurven-Wendepunktdetektor 53 zugeführt, um eine zweimal differenzierte Wellenform 43 zu erhalten, welche mit dem vorstehend erwähnten Torsignal verglichen wird, wodurch ein tg-Signaldetektor 54, der beispielsweise aus einem Multivibrator besteht, ein Signal tg 49 erzeugt, das eine vorbestimmte Wellenform hat und ein die Hüllkurvenverzögerungszeit angebendes Erfassungssignal bildet, zur Zufuhr zu der Steuereinrichtung 1.
Andererseits wird die Phasenverzögerungszeit tp mit Bezug zu der Phasengeschwindigkeit Vp auf die folgende Art und Weise erfaßt. Ein tp-Signaldetektor 57, der beispielsweise aus einem Nulldurchgangsvergleicher oder einem Multivibrator besteht, zum Erfassen der Phasenverzögerungszeit tp erfaßt den ersten aufwärts gerichteten Null durchgangspunkt des Phasensignals 44 während des Vorhandenseins des Torsignals 46, wodurch ein Signal 47 bereitgestellt wird, das die Phasenverzögerungszeit tp für die Steuereinrichtung 1 angibt.
Die vorangehende Beschreibung ist auf den Fall eines einzelnen Sensors beschränkt, jedoch können entsprechend den mehreren Sensoren gleiche Schaltungen bereitgestellt sein, oder kann eine einzelne Schaltung auf einer Zeitteilungsbasis unter Nutzung beispielsweise eines Analogschalters gemeinsam für die mehreren Sensoren verwendet werden.

Berechnung der Entfernung zwischen dem Schwingungsstift und dem Sensor (Fig. 5)

Die Entfernung von dem Schwingungsstift zu jedem Schwingungssensor aus der so erhaltenen Gruppenverzögerungszeit tg und Phasenverzögerungszeit tp auf die folgende Art und Weise berechnet.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das vereinfacht die Beziehung zwischen der Gruppenverzögerungszeit tg oder der Phasenverzögerungszeit tp und der Stift-Sensor-Entfernung L zeigt. Da das vorliegende Ausführungsbeispiel die Lambwelle zur Erfassung verwendet, zeigt die Gruppenverzögerungszeit tg nicht notwendigerweise zufriedenstellende Linearität. Demzufolge kann die Entfernung L zwischen dem Schwingungseinleitungspunkt und dem Schwingungssensor 6 nicht mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, wenn sie als das Produkt der Gruppenverzögerungszeit tg und der Gruppengeschwindigkeit Vg wie in der Gleichung (1) berechnet wird:
L = Vg·tg (1)
Die Koordinate kann in Übereinstimmung mit der Gleichung (2), die die Phasenverzögerungszeit tp sehr guter Linearität verwendet, mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden:
L = Vp·tp + n·λp (2)
worin λp die Wellenlänge der elastischen Welle ist, und n eine Ganzzahl ist. In der Gleichung (2) gibt der erste Term auf der rechten Seite die Entfernung L0 in Fig. 5 an, und ist der Unterschied zwischen der zu bestimmenden Entfernung L und der Entfernung L0 offensichtlich ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λp, wie in Fig. 5 gezeigt. Bezugnehmend auf Fig. 5 entspricht die Breite T* eines Schrittes auf der Zeitachse einem Zyklus der Wellenform 44, so daß dort eine Beziehung T* = 1/(Frequenz) besteht. Wie ebenfalls in der Entfernung repräsentiert, entspricht die Schrittbreite der Wellenlänge λp. Demzufolge kann die Entfernung zwischen dem Stift und dem Sensor durch Bestimmen der Ganzzahl n genau bestimmt werden. Auf der Grundlage der Gleichungen (1) und (2) kann die vorstehend erwähnte Ganzzahl n aus der folgenden Gleichung (3) bestimmt werden:
n = [Vg·tg - Vp·tp) λp + 1/N] (3)
worin N eine reale Zahl ungleich Null ist, die geeignet gewählt werden kann. Zum Beispiel kann n durch Wählen von N = 2 auch dann genau bestimmt werden, wenn die Linearität der Gruppenverzögerungszeit tg nicht gut ist, solange ihr Fehler innerhalb ±1/2 der Wellenlänge liegt. Durch Substituieren des wie vorstehend erklärt bestimmten n in der Gleichung (2) kann die Entfernung L zwischen dem Schwingungseinleitungspunkt und dem Schwingungssensor 6 auf genaue Art und Weise gemessen werden.
Diese Gleichungen beziehen sich auf einen der Schwingungssensoren 6, jedoch können die Entfernungen zwischen dem Schwingungseinleitungspunkt und anderen mehreren Schwingungssensoren ebenfalls in Übereinstimmung mit denselben Gleichungen bestimmt werden.

Korrektur der Schaltungsverzögerungszeit

Die durch den vorstehend erwähnten Zwischenspeicher zwischengespeicherte Übertragungsverzögerungszeit enthält nicht nur die für die Übertragung der Schwingung erforderliche Zeit, sondern auch eine Phasenschaltungsverzögerungszeit etg und ein Gruppenschaltungsverzögerungszeit etp in der Schaltung (vergl. Fig. 5). Diese Verzögerungszeiten sind in der Messung der Übertragung der Schwingung immer in denselben Größen vorhanden.
Daher ist, wie in Fig. 6 gezeigt ist, die Koordinateneingabeeinrichtung durch Befestigen von vier Schwingungssensoren 6a-6d an den Ecken einer rechteckigen Ausbreitungsschicht 8 aufgebaut. Die Entfernung von dem ursprünglichen Punkt bzw. Ursprung O zu beispielsweise dem Schwingungssensor 6a wird durch Ra dargestellt (= {(X/2)^2 + (Y/2)^2}, worin a^b die b-te Potenz von a angibt (vergl. Fig. 6)). Durch Einleiten der Schwingung am Ursprung O und unter Heranziehung der in dem Schwingungssensor 6a gemessenen Gruppenverzögerungszeit und Phasenverzögerungszeit als jeweils tgO*, tpO*, sowie darüber hinaus unter Heranziehung der von der Schwingung zur Ausbreitung von dem Ursprung O zu dem Sensor 6a in der Ausbreitungsschicht 8 tatsächlich benötigten Zeit als tgO, tpO, ergeben sich die Beziehungen:
tgO* = tgO + etg (4)
tpO* = tpO + etp (5)
Andererseits sind die gemessenen Werte an einem beliebigen Einleitungspunkt P auf ähnliche Art und Weise gegeben durch:
tg* = tg + etg (6)
tp* = tp + etp (7)
Durch Berechnen der Differenzen zwischen den Gleichungen (4) und (6) sowie zwischen den Gleichungen (5) und (7) wird erhalten:
tg* - tgO* = (tg + etg) - (tgO + etg) = tg - tgO (8)
tp* - tpO* = (tp + etp) - (tpO + etp) = tp - tpO (9)
Auf diese Art und Weise können die Phasenschaltungsverzögerungszeit etp und die Gruppenschaltungsverzögerungszeit etg, die in der Schwingungsübertragungszeit enthalten sind, eliminiert werden, und die tatsächliche Differenz in den Übertragungsverzögerungszeiten zwischen dem Ursprung O und dem Einleitungspunkt P, beobachtet von der Position des Sensors 6a. Darüber hinaus kann der Entfernungsunterschied durch Anwenden der vorangehenden Gleichungen (1), (2) und (3) bestimmt werden. Im Einzelnen kann die Entfernung zwischen dem Schwingungseinleitungspunkt und dem Schwingungssensor 6a durch Berechnen der Entfernung gemäß:
tg = tg* - tgO*
tp = tp* - tpO*
und ebenfalls Verwenden der Gleichungen (1), (2) und (3) sowie Addieren der Entfernung von dem Schwingungssensor 6a zu dem Ursprung O zu dem so berechneten Wert exakt bestimmt werden.
Demzufolge kann die Entfernung zwischen dem Schwingungseinleitungspunkt und dem Schwingungssensor 6a durch Speichern der Entfernung zwischen dem Schwingungssensor 6 und dem Ursprung O im voraus beispielsweise in einem nichtflüchtigen Speicher bestimmt werden. Dasselbe Prinzip ist auch auf die anderen Schwingungssensoren 6b-6d anwendbar.

Berechnung der Koordinatenposition (Fig. 6)

Nachstehend wird das Prinzip der Erfassung der Koordinatenposition des Schwingungseinleitungspunkts auf der Ausbreitungsschicht 8 erklärt. Durch Bereitstellen von vier Schwingungssensoren 6a-6d an den vier Ecken der Ausbreitungsschicht 8, wie in Fig. 6 gezeigt ist, können die linearen Entfernungen da-dd von dem Schwingungseinleitungspunkt P zu den Schwingungssensoren 6a-6d in Übereinstimmung mit dem vorstehend erklärten Prinzip bestimmt werden. Darüber hinaus kann die Steuereinrichtung 1 die Koordinate (x, y) des Schwingungseinleitungspunkts P as diesen linearen Entfernungen da-dd in Übereinstimmung mit den folgenden, auf dem Gesetz dreier Quadrate basierenden Gleichungen bestimmen:
x = (da + db)·(da - db)/2X (12)
y = (da + dc)·(da - dc)/2Y (13)
worin X (Großbuchstabe) und Y (Großbuchstabe) die Entfernungen zwischen den Schwingungssensoren 6a und 6b und zwischen den Schwingungssensoren 6c und 6d sind. Auf diese Art und Weise kann die Koordinate des Schwingungseinleitungspunkts auf Echtzeitbasis erfaßt werden.
Die vorstehende Berechnung verwendet Entfernungsinformationen für die drei Sensoren, jedoch sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Sensoren bereitgestellt, so daß die Entfernungsinformationen des verbleibenden Sensors zur Bestätigung der Sicherheit der erhaltenen Koordinate verwendet wird. Es ist ebenfalls möglich, die Entfernungsinformationen des Sensors, der die größte Stift-Sensor-Entfernung L zeigt, zu verwerfen (eine größere Entfernung L verringert den Signalpegel und erhöht die Wahrscheinlichkeit von Rauschinterferenzen), und die Koordinate mit den Entfernungen der verbleibenden drei Sensoren zu berechnen. Obwohl das vorliegende Ausführungsbeispiel vier Sensoren aufweist und drei für die Berechnung der Koordinate nutzt, ist geometrisch die Koordinatenberechnung mit mindestens zwei Sensoren möglich. Folglich wird die Zahl der Sensoren in Übereinstimmung mit der Spezifikation des Produkts festgelegt.
Die wie vorstehend erklärt aufgebaute Koordinateneingabeeinrichtung ermöglicht eine sehr genaue Berechnung der Koordinate der Schwingungseinleitungsposition. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung der die Einleitungsebene als die Schwingungsquelle bildenden Folie 4 die Eingabe einer Koordinate mit einem Finger oder einem gewöhnlichen Stift anstelle einer besonderen Koordinatenangabeeinrichtung.

Zweites Ausführungsbeispiel

Nachstehend wird die Struktur einer ein zweites Ausführungsbeispiel bildenden Koordinateneingabeeinrichtung unter Bezugnahme auf Fig. 7 erklärt.
Eine Steuereinrichtung 1 steuert die gesamte Einrichtung und berechnet darüber hinaus die Koordinatenposition. Ein Folientreiber 2 erzeugt eine Schwingung in einer piezoelektrischen Folie 4. Eine Ausbreitungsschicht 8, die die Schwingung überträgt, besteht aus einem transparenten Element, beispielsweise aus Glas oder Acrylharz. Wenn die Folie 4 und die Ausbreitungsschicht 8 durch einen durch einen nicht dargestellten Finger oder ein stiftförmiges Utensil 3 angewandten Druck in gegenseitigen Kontakt gebracht werden, wird die in der Folie 4 erzeugte Schwingung in die Ausbreitungsschicht 8 eingeleitet.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Folie 4 aus einem transparenten piezoelektrischen Polymerfilm, beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), und ist auf beiden Seiten mit transparenten Elektroden versehen, wobei die Schwingung durch das Anlegen einer Wechsel Spannung von 500 kHz mit einer Abtastfrequenz von 100 kHz erzeugt wird.
Die in der Folie 4 erzeugte Schwingung, wenn sie in die Ausbreitungsschicht 8 eingeleitet wird, breitet sich in dieser aus und wird an der Stirnfläche der Ausbreitungsschicht 8 reflektiert. Folglich ist, um die Reflexion der Schwingung in Richtung des Mittenbereichs zu vermeiden (abzuschwächen), ein Antischwingungselement 7 an der äußeren Peripherie der Ausbreitungsschicht 8 bereitgestellt. Darüber hinaus sind in dem peripheren Bereich der Ausbreitungsschicht 8 mehrere Schwin gungssensoren, wie beispielsweise piezoelektrische Elemente, zum Umwandeln der mechanischen Schwingung in elektrische Signale befestigt. Die Signale aus den Schwingungssensoren 6 werden durch eine nicht gezeigte Verstärkungsschaltung verstärkt und dann einem Signalwellenformdetektor 9 zur Signalverarbeitung zugeführt, deren Ergebnis der Steuereinrichtung 1 zur Koordinatenberechnung zugeführt wird. Die Einzelheiten des Signalwellenformdetektors 8 und der Steuereinrichtung 1 wurden bereits in dem ersten Ausführungsbeispiel erklärt.
Die piezoelektrische Folie 4 wird durch den Folientreiber 2 angesteuert. Das Ansteuersignal für die Folie 4 wird von der Steuereinrichtung in Form eines niedrigpegeligen Impulssignals geliefert, welches in dem Folientreiber 2 mit einer vorbestimmten Verstärkung verstärkt und dann an die Folie 4 angelegt wird. Das Ansteuersignal besteht zum Beispiel aus einer Wechsel Spannung von 500 kHz, das mit einer Abtastfrequenz von 100 kHz angelegt wird. Das elektrische Ansteuersignal wird durch die Folie 4 in eine mechanische Ultraschallschwingung umgewandelt, welche auf die Ausbreitungsschicht 8 übertragen wird, wenn die Folie 4 und die Ausbreitungsschicht 8 unter ausreichendem Druck in gegenseitigen Kontakt gebracht werden.
Die Signale aus dem Schwingungssensor 6 werden durch nicht dargestellte Verstärker verstärkt und dann dem Signalwellenformdetektor 9 zur Signalverarbeitung zugeführt, deren Ergebnis der Steuereinrichtung 1 zur Koordinatenberechnung zugeführt wird. Eine Punktmatrixanzeige 11, bestehend zum Beispiel aus einer Flüssigkristallanzeigeeinrichtung, ist hinter der transparenten Ausbreitungsschicht 8 bereitgestellt. Durch die Ansteuerung mit einem Anzeigetreiber 10 wird die Position des Schwingungseinleitungspunkts als ein Punkt angezeigt, welcher durch die Folie und die Ausbreitungsschicht 8 beobachtet werden kann. Natürlich kann die Steuereinrichtung 1 ein gewünschtes anderes Bild als den Einleitungspunkt auf der Anzeige 11 anzeigen.
Wenn die Schwingung durch die Schwingungssensoren erfaßt wird und die Übertragungsverzögerungszeiten für die Schwingung ge messen werden, werden solche Verzögerungszeiten für die Berechnung der Entfernungen zwischen dem Schwingungseinleitungspunkt und den Schwingungssensoren verwendet, auf dieselbe Art und Weise wie in dem ersten Ausführungsbeispiel, und wird die Koordinate des Schwingungseinleitungspunkts berechnet. Die Steuereinrichtung 1 bestimmt die Position des Punkts auf der Anzeige 11, die der so berechneten Koordinate entspricht, und bewirkt die Anzeige.
Die vorstehend erklärte Konfiguration verwirklicht eine Eingabeeinrichtung mit zufriedenstellendem Betriebsverhalten und erlaubt die Eingabe einer Handschrift wie bei Papier und Bleistift.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel nutzt transparente Elemente für die Folie 4 und die Ausbreitungsschicht 8, um eine Konfiguration zu erhalten, die die Eingabe und die Ausgabe integriert, jedoch können solche transparenten Elemente verzichtbar sein, falls das Gerät wie in dem ersten Ausführungsbeispiel als eine Eingabeeinrichtung verwendet wird. Demzufolge kann ein opaker Polymerfilm für solche Zwecke verwendet werden.
Wie vorstehend erklärt wurde, dient die Koordinateneingabeeinrichtung gemäß dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel zur Erfassung des Schwingungseinleitungspunkts oder des Koordinateneingabepunkts durch Messen der Übertragungszeit der Ultraschallschwingung, ohne einen exklusiven Stift zu verwenden, der bei dem konventionellen, die Ultraschallschwindung nutzenden Verfahren unentbehrlich war, und ermöglicht die Eingabe der Koordinate mit einem beliebigen Schreibutensil oder mit einem Finger. Dieser Umstand stellt eine ausgezeichnete Wirkung dahingehend bereit, daß das Kabel des exklusiven Stifts, welches als der wesentliche Nachteil der die Ultraschallwelle nutzenden konventionellen Anordnung betrachtet worden war, eliminiert und so eine Koordinateneingabeeinrichtung von zufriedenstellenden Betriebsverhaltens verwirklicht werden kann.
Darüber hinaus ist im Vergleich zu den Koordinateneingabeeinrichtungen, die das Verfahren mit elektromagnetischer Induktion oder das Verfahren mit elektrostatischer Kopplung verwenden, das Ultraschall verwendende Verfahren hinsichtlich der Genauigkeit der Koordinatenberechnung vergleichbar und weist niedrigere Kosten auf, kann aber nicht für die Eingabe mit einem Finger verwendet werden, da es einen exklusiven Stift erfordert. Andererseits akzeptiert die das Verfahren mit resistivem Film verwendende Einrichtung die Eingabe mit einem Finger, ist aber hinsichtlich der Genauigkeit der Koordinatenberechnung unterlegen und somit für Zwecke, die eine hohe Genauigkeit erfordern, ungeeignet. In Anbetracht dieser Punkte hat die Koordinateneingabeeinrichtung gemäß den vorstehenden Ausführungsbeispielen die Vorteile beider Verfahren, weist darüber hinaus eine hohe Genauigkeit der Koordinatenberechnung auf, und akzeptiert die Eingabe mit einem Finger. Aus diesem Grund kann die Einrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel auch als ein (beispielsweise in der Bedientafel von Geldautomaten, bei denen früher das Verfahren mit resistivem Film genutzt wurde, verwendetes) berührungsempfindliches Feld genutzt werden, so daß somit der Anwendungsbereich der die Ultraschallwelle nutzenden Koordinateneingabeeinrichtung drastisch erweitert werden kann.
Die Erfindung ist nicht nur auf ein System anwendbar, das aus mehreren Geräten besteht, sondern auch auf eine Vorrichtung, die aus nur einem Gerät besteht. Sie ist natürlich auch auf einen Fall anwendbar, in dem die Erfindung durch die Bereitstellung eines Programms für ein System oder eine Vorrichtung verwirklicht wird.
Wie vorstehend erklärt wurde, ermöglicht die erfindungsgemäße Koordinateneingabeeinrichtung die Eingabe ohne ein exklusives Koordinateneingabeutensil und verwirklicht eine sehr genaue Koordinateneingabe.
Es wird eine sehr genaue Koordinateneingabeeinrichtung bereitgestellt, die kein besonderes Angabewerkzeug benötigt. Eine Folie, bestehend aus einer in der Dickenrichtung polarisierten piezoelektrischen Platte, wird von einer Schwingungs übertragungsplatte überlagert, die mit Schwingungssensoren an vorbestimmten Positionen versehen ist. Die Folie erzeugt eine Schwingung mittels einem durch einen Folientreiber erzeugten Impulssignal. Wenn zum Beispiel mit einem Stift auf die Folie gedrückt wird, wird die Schwingung ausgehend von der Druckposition auf die Schwingungsübertragungsplatte übertragen und durch die Schwingungssensoren erfaßt. Eine Steuereinrichtung berechnet die Entfernung zwischen dem Schwingungseinleitungspunkt und dem Schwingungssensor auf der Grundlage der Verzögerungszeit von dem Beginn der Schwingung bis zu deren Erfassung. Dieser Betriebsablauf wird für die mehreren Sensoren durchgeführt, und die Koordinate wird aus so berechneten Entfernungen berechnet.

Claims

1. Koordinateneingabeeinrichtung, umfassend:

ein Schwingungselement (4) zum Erzeugen einer Schwingung;

ein Schwingungsübertragungselement (8); und

eine Berechnungseinrichtung (1) zum Erfassen der Schwingung an vorbestimmten Positionen auf dem Schwingungsübertragungselement und Messen der Verzögerungszeit der eingeleiteten Schwingung von dem Schwingungseinleitungspunkt bis zu der Erfassung derselben, und dadurch Berechnen der Koordinate des Schwingungseinleitungspunkts;

dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungsübertragungselement mit dem Schwingungselement laminiert und so ausgelegt ist, daß die Schwingung ausgehend von einem Schwingungseinleitungspunkt übertragen wird.

2. Koordinateneingabeeinrichtung nach Anspruch 1, bei der das Schwingungselement (4) ein in der Dickenrichtung polarisiertes plattenförmiges piezoelektrisches Element ist.

3. Koordinateneingabeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Schwingungsübertragungselement (8) mit dem Schwingungselement über eine Schicht laminiert ist, welche die Schwingungen an einer Druckposition in dieses überträgt.

4. Koordinateneingabeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Schwingungselement (4) und das Schwingungsübertragungselement (8) aus einem transparenten Element bestehen, und die ferner eine Anzeigeeinrichtung umfaßt, deren Anzeigefläche mit dem Schwingungsübertragungselement überlagert ist.

5. Koordinateneingabeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Schwingungselement (4) so ausgelegt ist, daß Schwingungen einer Frequenz derart erzeugt werden, daß die sich in dem Schwingungsübertragungselement ausbreitende Schwingung eine Lambwelle bildet.

6. Koordinateneingabeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Schwingungselement (4) aus piezoelektrischer Keramik besteht.

7. Koordinateneingabeeinrichtung nach Anspruch 4, bei der das Schwingungselement (4) aus Polyvinylidenfluorid besteht.