DE3751763T2

DE3751763T2 - Koordinateneingabegerät

Info

Publication number: DE3751763T2
Application number: DE3751763T
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Kaneko; Katsuyuki Kobayashi; Atsushi Tanaka; Shinnosuke Taniishi; Yuichiro Yoshimura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-06-27
Filing date: 1987-06-26
Publication date: 1996-11-14
Anticipated expiration: 2007-06-27
Also published as: EP0423843B1; US4931965A; EP0258972A3; EP0258972A2; EP0258972B1; EP0423843A3; EP0423843A2; DE3779019D1; DE3751763D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koordinateneingabegerät, welches von elastischen Wellen Gebrauch macht, insbesondere von einer Plattenwelle.

Zum Stand der Technik

Ein bekanntes Koordinateneingabegerät macht Gebrauch von einer Kathodenstrahlröhre in Verbindung mit einem Lichtstift. Der Lichtstift wird an einer Stelle auf dem Bildschirm plaziert, so daß die Lage von der Rasterzeitsteuerung erfaßt wird, die dieser Position eigen ist. Dieses bekannte Gerät erfordert im wesentlichen eine Kathodenstrahlröhre, und von daher kann sie nur in Systemen der oberen Klasse Anwendung finden.
Ein anderes bekanntes Koordinateneingabegerät verwendet ein Tabellarglied, auf dem ein spezifisches Elektrodenmuster aufgebracht ist. Ein elektrischer Strom fließt durch dieses Elektrodenmuster, und es wird ein Spannungsabfall bei einer Anzeigeposition auf dem Elektrodenmuster gemessen, wodurch die Koordinaten der angezeigten Stelle festgelegt werden. In diesem Gerät kann jedoch die Koordinateneingabe nicht durchsichtig sein, weil das Elektrodenmuster anwesend ist.
Beide dieser bekannten Koordinateneingabegeräte sind generell teuer und zur Verwendung in vergleichsweise billigen Produkten, wie beispielsweise einem Taschenrechner oder einem Wortprozessor, nicht geeignet.
Unter diesen Umständen ist ein Verfahren zur Feststellung der Koordinaten vorgeschlagen worden, das von Schwingungen Gebrauch macht. Genauer gesagt, dieses Verfahren verwendet einen Eingabestift, dessen Ende in Schwingungen versetzt wird, und mit einer Platte, wie beispielsweise aus Glas, in Kontakt gebracht wird. Die in die Platte eingebrachte Schwingung wird von einem Sensor erfaßt, und die Stelle des Stiftes wird durch Messung der Schwingungsausbreitungszeit festgestellt. In diesem Falle wird die Schwingung in Form von Oberflächenwellen verwendet, die störanfällig gegenüber Rissen im Glas ist oder gegenüber einer Berührung mit dem Finger vom Benutzer; mit dem Ergebnis, daß die Feststellgenauigkeit der Koordinaten verschlechtert ist.
Ein weiteres Verfahren (und eine Vorrichtung) ist vorgeschlagen worden, bei dem (bei der) eine elastische Welle verwendet wird, die sich durch den Körper des Ausbreitungsmediums ausbreitet. Auf diese Weise kann das Problem von Fehlern im festgestellten Signal aufgrund von Rissen im Glas oder aufgrund des Berührens mit dem Finger des Benutzers überwunden werden. Ein Beispiel einer solchen Anordnung nach dem Stand der Technik ist in der Europäischen Patentanmeldung 0169538 offenbart.
Ein Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es, ein Koordinateneingabegerät zu schaffen, das in der Lage ist, mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu arbeiten.
Ein weiteres Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es, ein Koordinateneingabegerät zu schaffen, das genaue Koordinaten durch Messung der Gruppengeschwindigkeit und der Phasengeschwindigkeit einer elastischen Plattenwelle erzielt.
Nach der vorliegenden Erfindung ist ein Koordinateneingabegerät vorgesehen, mit: Schwingungserzeugungsmitteln zur von einem Signal abhängigen Schwingungserzeugung; Schwingungsausbreitungsmitteln zur Schwingungsaufnahme aus den Schwingungserzeugungsmitteln und zur Fortpflanzung der aufgenommenen Schwingung; und mit Schwingungsfeststellmitteln, die mit den Schwingungsausbreitungsmitteln in Kontakt stehend vorgesehen und zur Feststellung der von den Schwingungserzeugungsmitteln gelieferten Schwingung eingerichtet sind, das gekennzeichnet ist durch erste Herleitmittel zum Herleiten der Laufverzögerungszeit der von den Schwingungsfeststellmitteln auf der Grundlage ihrer Gruppengeschwindigkeit festgestellten Schwingung; zweite Herleitmittel zum Herleiten der Laufverzögerungszeit der Schwingung aus der von den Schwingungsfeststellmitteln festgestellten Schwingung auf der Grundlage ihrer Phasengeschwindigkeit; und durch Entfernungsherleitmittel zur Herleitung der Entfernung zwischen der Position, bei der die Schwingung von den Schwingungserzeugungsmitteln erzeugt wurde, und der Position bei der das Schwingungsfeststellmittel angeordnet ist, auf der Grundlage der aus den ersten und zweiten Herleitmitteln hergeleiteten Laufverzögerungszeiten.
Ebenfalls nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist ein Koordinateneingabeverfahren mit den Verfahrensschritten: Erzeugung einer Schwingung gemäß einem Signal, Beaufschlagen eines Schwingungsausbreitungsmittels zur Fortpflanzung der beaufschlagten Schwingung; und Feststellung der fortgepflanzten Schwingung durch mit dem Schwingungsausbreitungsmittel in Kontakt stehende Feststellmittel, Herleiten der Laufverzögerungszeit der Schwingung auf der Grundlage ihrer Gruppengeschwindigkeit aus der von dem Schwingungsfeststellmittel festgestellten Schwingung; Herleiten der Laufverzögerungszeit der Schwingung auf der Grundlage ihrer Phasengeschwindigkeit aus der von dem Schwingungsfeststellmittel festgestellten Schwingung; und Herleiten der Entfernung auf der Grundlage der hergeleiteten Laufverzögerungszeiten zwischen der Position, an der die Schwingung durch die beaufschlagende Schwingung erzeugt wurde, und der Position, an der das Schwingungsfeststellmittel angeordnet ist.
In der anliegenden Zeichnung haben die Figuren folgende Bedeutung:
Fig. 1 ist eine graphische Darstellung des gesamten Koordinateneingabegerätes nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Darstellung eines Verfahrens zur Festlegung der Position eines Eingabestiftes aus der Beziehung zwischen der Schwingungsausbreitungszeit oder der Ausbreitungsentfernung und der Position eines Sensors;
Fig. 3 ist eine Seitenaufsicht des Gerätes um das Schwingungsausbreitungsmedium;
Fig. 4A, 4B und 4C sind Darstellung von verschiedener Gestaltungen von Bestandteilen, wie beispielsweise einem Antireflexionsglied 7, einem Sensor 6 und einem Stützglied 14 in Beziehung zur Position des Ausbreitungsmediums;
Fig. 5 ist eine Darstellung der Frequenzkennlinie, wie sie gewonnen wird, wenn die Teilfrequenz nicht mit der Resonanzfrequenz übereinstimmt;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Frequenzkennlinien zeigt, die gewonnen werden, wenn die Teilfrequenz mit der Resonanzfrequenz übereinstimmt;
Fig. 7 ist eine Darstellung eines Feststellsignals, das gewonnen wird, wenn die Teilfrequenz nicht mit der Resonanzfrequenz übereinstimmt;
Fig. 8 ist eine Darstellung eines Feststellsignals, das gewonnen wird, wenn die Teilfrequenz mit der Resonanzfrequenz übereinstimmt;
Fig. 9 ist eine Darstellung einer Abweichung zwischen der Resonanzfrequenz des Eingabestiftes und der Resonanzfrequenz des Sensors;
Fig. 10 ist eine Darstellung des Aufbaues des Endes des Eingabestiftes;
Fig. 11A und 11B sind Veranschaulichungen von konisch gestalteten Hörnern;
Fig. 12 ist eine Darstellung eines Horns, das mit der Fassung des Eingabestiftes befestigt ist;
Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht eines Gerätes in einem Zustand, bei dem der Eingabestift auf das Ausbreitungsmedium gedrückt wird;
Fig. 14 ist eine Veranschaulichung des Endabschnittes des Horns und der sich vom Ende des Horns ausbreitenden Schwingung;
Fig. 15 ist eine Veranschaulichung eines Impulssignals, das von einer Schwingungsansteuerschaltung 2 erzeugt wird, und des Signals, das von dem Sensor festgestellt wird;
Fig. 16A und 16B zeigen eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels unter Verwendung eines Schwellwertpegels zur Festlegung der Verzögerungszeit;
Fig. 17 ist eine Darstellung des inneren Aufbaues einer Empfangssignal-Feststelleinheit;
Fig. 18 ist eine Zeittafel, die Ansteuerimpulse, ein Feststellsignal, eine Hüllkurve des Feststellsignals und dgl. zeigt;
Fig. 19 ist eine Detaildarstellung der Verzögerungszeit-Regelschaltung 25 in einer Betriebssteuereinheit 1;
Fig. 20 ist ein Arbeitsablaufplan, der den Arbeitsprozeß des Koordinateneingabegerätes nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 21 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Ausbreitungszeit und der Ausbreitungsentfernung unter Verwendung der Gruppengeschwindigkeit und der Phasengeschwindigkeit als Parameter veranschaulicht;
Fig. 22A bis 22C sind Darstellungen verschiedener Beispiele von Kurvenformen in einer Wellengruppe;
Fig. 23 ist ein Graph, der dem in Fig. 21 gezeigten Graph gleich ist, der die Beziehung zwischen der Ausbreitungszeit und der Ausbreitungsentfernung unter Verwendung der Gruppengeschwindigkeit und der Phasengeschwindigkeit als Parameter darstellt;
Fig. 24 ist eine gleiche Darstellung wie Fig. 17, die den internen Aufbau einer Empfangssignal-Feststelleinheit zeigt;
Fig. 25 ist eine Zeittafel, die derjenigen der Fig. 18 gleicht, die Ansteuerimpulse, ein Feststellsignal, eine Hüllkurve des Feststellsignals und dgl. zeigt;
Fig. 26 ist eine Darstellung von Feststellsignalen, die gewonnen werden, wenn die Modulation in den Ansteuerimpulsen bewirkt wird bzw. wenn kleine Modulation bewirkt wird;
Fig. 27 ist eine Darstellung der Schaltungsanordnung der Schwingungsansteuerschaltung, die verwendet wird, wenn eine Modulationsverarbeitung eingeführt wird;
Fig. 28 ist eine Zeittafel, die verschiedene Signale zeigt, die mit der Schwingungsansteuerschaltung erzeugt werden;
Fig. 29 ist eine Darstellung des Beispiels, bei dem Sensoren an vier Stellen angeordnet sind;
Fig. 30 ist ein Arbeitsablaufplan der Steuerverarbeitung, die in einem Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ausgeführt wird;
Fig. 31 ist eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels, bei dem die Hardware so ausgelegt ist, daß die Verarbeitung begonnen wird, wenn eine Operation zu einem Schritt vorangekommen ist, bei dem eine dritte Verzögerungszeit bestimmt wird;
Fig. 32 ist eine Darstellung des Zustandes, bei dem die Verzögerungszeit abhängig von der Lage des Feststellsignals geändert wird;
Fig. 33 ist eine Darstellung des Feststellsignals, das bei Verwendung eines regulären Schwellwertes gewonnen wird;
Fig. 34 ist eine Darstellung der Beziehung zwischen der Ausbreitungszeit und der Ausbreitungsentfernung;
Fig. 35 ist eine Zeittafel, die den Ansteuerimpuls, das Feststellsignal und andere Signale zeigt;
Fig. 36 ist eine Darstellung der Beziehung zwischen der Ausbreitungszeit und der Ausbreitungsentfernung;
Fig. 37 ist ein Diagramm, das den internen Aufbau der Empfangssignal-Feststelleinheit zeigt;
Fig. 38 ist eine Darstellung des Aufbaues einer Zeitvariations-Verstärkerschaltung; und
Fig. 39 ist ein Diagramm, das veranschaulicht, wie die Amplitude und der Verstärkungsfaktor in Beziehung zur Zeitverzögerung geändert werden.
Ein Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 zeigt das ganze Koordinateneingabegerät, das die vorliegende Erfindung verkörpert. Das Gerät hat eine Operationssteuereinheit 1, die zur Steuerung des Betriebs des gesamten Gerätes und zur Verarbeitung der Koordinatenpositionen eingerichtet ist. Die Operationssteuereinheit 1 ist in der Lage, die verarbeiteten Koordinatenpositionen an einen externen Hauptcomputer oder an andere Geräte zu übertragen, die gefordert werden. Das Gerät hat auch eine Schwingungsansteuerschaltung zur Übertragung eines Impulssignals an ein piezoelektrisches Element 4, welches später erläutert werden wird. Das Gerät verwendet des weiteren einen Eingabestift 3 zur Koordinateneingabe. Der Eingabestift 3 enthält einen Schwinger 4, der aus dem piezoelektrischen Element gebildet ist, das von dem Impulssignal aus der Schwingungsansteuerschaltung 2 erregt wird, und einen Stift 5 (wird nachstehend als "Horn" bezeichnet), der zur Ausbreitung der von dem Schwinger 4 gesendeten Schwingung eingerichtet ist. Sensoren 6a bis 6c sind aus piezoelektrischen Elementen gebildet, die zum Empfang elastischer Wellen eingerichtet sind, die durch ein Ausbreitungsmedium ausgebreitet werden, wie beispielsweise durch Glas, wenn eine Position auf dem Medium durch den Anzeigestift 8 bezeichnet ist, und die zur Umsetzung der empfangenen Welle in elektrische Signale eingerichtet sind. Ein Antireflexionsglied 7, welches aus einem geeigneten Material besteht, wie beispielsweise aus Silikongummi, ist zur Beseitigung von Reflexionen beliebiger Wellen an den Ecken des Ausbreitungsmedium 8 vorgesehen. Das Gerät hat des weiteren eine Empfangswellen-Feststelleinheit 9 zur Erzeugung eines Signals, welches die Zeitverzögerung der elastischen Welle repräsentiert, die von dem Eingabestift 3 auf das Ausbreitungsmedium 8 auf der Grundlage der von dem piezoelektrischen Element 6a bis 6c erzeugten Wellen abhängig von der elastischen Welle eingerichtet ist. Der Aufbau der Empfangssignal-Feststellschaltung wird später beschrieben. Das Gerät verfügt des weiteren über eine Anzeigesteuereinheit 10, die zur Ermöglichung einer Anzeige eingerichtet ist, beispielsweise eines Punktes an einer Stelle entsprechend den Daten, die die Koordinatenwerte der Position repräsentieren, die durch das Horn 5 des Eingabestifts 3 in der Operationssteuereinheit 1 kontaktiert wurde. Die Anzeigesteuereinheit 10 verfügt über einen VRAM, der zur Entwicklung der auf der Anzeige 11 anzuzeigenden Muster eingerichtet ist. Die Anzeige 11 ist ausgelegt, mit dem Ausbreitungsmedium 8 in der Weise überlagert zu werden, daß es die Positionsdaten anzeigen kann, die von dem Eingabestift 3 in Echtzeit eingegeben werden, in der Art, wie man mit einem Bleistift auf einem Blatt Papier schreibt.
Die Arbeitsweise des Gerätes ist die folgende.
Eine elastische Welle wird der in dem Ausbreitungsmedium 8 erzeugt, wenn eine Position auf letzterem durch den Eingabestift 3 bestimmt wird. Die elastische Welle wird durch die Sensoren 6a bis 6c empfangen, die die empfangene Welle in ein elektrisches Signal (wird nachstehend als Feststellsignal bezeichnet) mit Pegeln gemäß dem Pegel der empfangenen Welle umsetzen. Nach Empfang dieser Feststellsignale erzeugt die Empfangssignal-Feststellschaltung ein Empfangssignal, welches an die Betriebssteuereinheit 1 geliefert wird. Nach Empfang des Empfangssignals verarbeitet die Betriebssteuereinheit 1 die Koordinaten der Position des Punktes P, bei dem das Ausbreitungsmedium 8 Kontakt mit dem Eingabestift 3 hat, und liefert die Positionskoordinaten an die Anzeigesteuerschaltung 10, um die Position gemäß dem Punkt auf der Anzeige 11 anzuzeigen, an dem der Eingabestift 3 das Ausbreitungsmedium 8 berührt.
Genauer gesagt, die Betriebssteuereinheit 1 liefert ein Startsignal an die Schwingungsansteuerschaltung 2. Die Betriebssteuereinheit 1 startet zur Zeitzählung synchron mit dem Start der Schwingungsansteuerschaltung 2 auch einen Zähler 27. Nach Empfang des Startsignals beginnt die Schwingungsansteuerschaltung 2, den Schwinger 4 im Eingabestift 3 anzusteuern, um so eine elastische Welle in dem elastischen Wellenausbreitungsmedium 8 zu erzeugen. Die elastische Welle breitet sich durch das Medium 8 aus und erreicht die Sensoren 6a bis 6c, so daß die Sensoren 6a bis 6c elektrische Signale liefern, die von der Empfangswellen-Feststellschaltung 9 zu empfangen sind. Die Schaltung 9 stellt dann die elastische Welle fest und überträgt die Empfangssignale an die Betriebssteuereinheit 1. Die Betriebssteuereinheit 1 liest dann nach Eingang der Empfangssignale den Inhalt des Zählers 27, so daß die Ausbreitungs-Verzögerungszeit festgestellt werden. Unter Verwendung der solchermaßen festgestellten Ausbreitungs-Verzögerungszeiten werden die Abstände durch einen Vorgang festgelegt, der nachstehend anhand Fig. 2 beschrieben wird.
Es wird angenommen, daß sich die Sensoren 6a, 6b und 6c auf den Koordinatenpositionen (0, 0), (X, 0) bzw. (0, Y) befinden, und daß die Koordinaten des Punktes P, an dem die elastische Welle vom Eingabestift erzeugt wird, d. h., die durch den Eingabestift bestimmte Position (x, y) ist. Indem die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elastischen Welle in dem Ausbreitungsmedium 8 durch Vk dargestellt wird und die Verzögerungszeiten bis zur Ankunft der elastischen Wellen an den jeweiligen Sensoren 6a, 6b und 6c durch t&sub0;, t&sub1; und t&sub2;, wobei die Ausbreitungsentfernungen durch r&sub0;, r&sub1; bzw. r&sub2; sind, werden die Koordinaten (x, y) des Punktes P durch die nachstehende Formel (1) oder (2) bestimmt.
x = X/2 + Vk² (t&sub0; + t&sub1;) (t&sub0; - t&sub1;)/2X
y = Y/2 + Vk² (t&sub0; + t&sub1;) (t&sub0; - t&sub1;)/2Y (1)
oder
x = X/2 + (r&sub0;² - r&sub1;²)/2X
y = Y/2 + (r&sub0;² - r&sub2;²)/2Y (2)

[Konstruktionen des elektrischen Wellenausbreitungsmediums und der Sensoren]

Fig. 3 ist eine schematische Seitenaufsicht des Abschnittes des Koordinateneingabegerätes um das Ausbreitungsmedium 8. Die Pfeile A und B repräsentieren jeweils die Richtung der Schwingung des Endes vom Horn 5 bzw. die Richtung der Ausbreitung der elastischen Welle durch das Ausbreitungsmedium 8. Die Schwingung des Horns 5 wird in das elastischen Wellenausbreitungsmedium 8 beim Berührungspunkt P eingebracht, wie zuvor erläutert. Die Schwingung breitet sich dann durch das Medium 8 als eine elastische Plattenwelle in einer sphärischen Form in Richtungen der Pfeile B aus und wird von den Sensoren (nur einer von diesen ist unter 6 dargestellt) festgestellt, die an der Seite des Ausbreitungsmediums 8 gegenüber dem Kontaktpunkt P befestigt sind. Die Operation wird dann in der bereits beschriebenen Weise begonnen.
Die Positionen der in Fig. 1 dargestellten Sensoren dienen lediglich der Veranschaulichung. Wenn drei oder mehr Sensoren verwendet werden, können diese an beliebigen Positionen an der Rückseite des elastischen Wellenausbreitungsmediums 8 befestigt sein, vorausgesetzt, daß sie nicht in einer auf einer gemeinsamen geraden Linien angeordnet sind. Wenn nur zwei Sensoren verwendet werden, werden diese an Stellen entlang der Peripherie des Ausbreitungsmediums 8 angeordnet.
In diesem Ausführungsbeispiel werden die Sensoren 6a bis 6c, die durch piezoelektische Schwingungs-Feststellelemente gebildet sind, von der Rückseite des elastischen Wellenausbreitungsmediums gesichert, d. h., an der Seite des Mediums 8, die der Seite gegenüberliegt, die von dem Eingabestift 8 berührt wird. Diese Sensoren können folglich auch als Stützmittel fungieren, indem sie das elastische Wellenausbreitungsmedium 8 plazieren. Die Fig. 4a bis 4c zeigen Beispiele der Anordnung, bei der die Sensoren 6a bis 6c Stützfunktionen haben. In dieser in Fig. 4a dargestellten Anordnung ist der Sensor 6 von einem eingebetteten Stützglied 14 umgeben. In Fig. 4b wird der Sensor durch das Stützglied getragen, welches an dessen Unterseite gesichert ist. In der in Fig. 4c dargestellten Anordnung ist der Sensor eingebettet und von einem Antireflexionsglied 7 gestützt. Das Stützglied 14 ist vorzugsweise aus einem Material wie beispielsweise aus einem Gummi, einem polymeren Material oder einem anorganischen Material hergestellt.
Obwohl in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Schwingung durch das Horn in vertikale Richtung eingebracht wird, wie in Fig. 3 dargestellt, kann die Schwingung durch das Schwingungshorn in lateraler Richtung eingebracht werden, da die Schwingung, die einmal auf das Ausbreitungsmedium übertragen ist, sich in der schon beschriebenen Weise als eine elastische Plattenwelle fortsetzt, und dabei die gleiche, schon zuvor beschriebene Wirkung erzielt.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Sensoren an der Seite des Ausbreitungsmediums angebracht, die dem Eingabestift gegenüberliegt, so daß sogar die Positionen rechts über dem Sensor durch den Eingabestift 3 bestimmt werden können. Das heißt, der effektive Eingabebereich kann vergrößert werden. Darüber hinaus wird der Eingabevorgang vereinfacht, weil es keine Gefahr für den Eingabestift gibt, daß dieser von den Sensoren überlagert wird, und die Feststellung der Positionskoordinaten ist in vorteilhafter Weise stabilisiert. Wenn drei oder mehr Sensoren verwendet werden, können diese Sensoren an irgendwelchen beliebigen Stellen auf der Rückseite des Ausbreitungsmediums 8 befestigt werden, vorausgesetzt, daß sie nicht in einer Linie angeordnet sind, so daß der Freiheitsgrad bei der Auswahl der Position der Sensoren vergrößert ist, verglichen mit dem herkömmlichen Gerät, bei dem die Sensoren an der Peripherie des Ausbreitungsmediums angeordnet werden müssen. Des weiteren können die Sensoren auch als Stütze zur Halterung des Ausbreitungsmediums verwendet werden.

[Betriebsfrequenz]

Es ist vorzuziehen, daß die Frequenz des elektrischen Impulssignals (Ansteuerfrequenz), die von der Schwingungsansteuerschaltung 2 erzeugt wird, vorzugsweise den Resonanzfrequenzen des Eingabestiftes und der Sensoren 6 so weit wie möglich angenähert ist. Besonders vorzuziehen ist es, diese drei Frequenzen auf einen gleichen Wert zu bringen, so daß die Feststellsignale von den Sensoren 6 ohne Verzerrung erzeugt werden können, damit eine hohe Genauigkeit der Positionsfeststellung sichergestellt ist.
Fig. 5 zeigt die Frequenzkennlinien des Gerätes, die man erhält, wenn die Ansteuerfrequenz, die Resonanzfrequenz des Eingabestiftes 3 und die Resonanzfrequenz der Sensoren 6 nicht zueinander passen, wohingegen Fig. 6 die Frequenzkennlinien zeigt, die man erhält, wenn die drei Frequenzen untereinander gleich sind. In den Fig. 5 und 6 zeigen die Linien 28 und 29 die Ansteuerfrequenz. Kurven 30 und 31 stellen die Frequenzkennlinien des Eingabestiftes 3 dar, während die Kurven 32 und 33 die Frequenzkennlinien der Sensoren 6 repräsentieren. Frequenzspektralkurven, die das Frequenzspektrum der Feststellsignale zeigen, sind mit den Bezugszeichen 34 und 35 versehen.
In Fig. 5 sind die Spitzenwerte der Frequenzkennlinienkurve 30 des Eingabestiftes 3 und die Frequenzkennlinienkurven 32 der Sensoren 6, d. h., die Resonanzfrequenzen des Eingabestiftes 3 und der Sensoren 6, voneinander durch einen Versatz voneinander gegenüber der Ansteuerfrequenz 28 verschoben. In diesem Falle treten eine Vielzahl von Spitzen im Frequenzspektrum des Signals (im Feststellsignal) auf, das von dem Sensor 6 geliefert wird. Auf diese Weise hat das Feststellsignal unvermeidlich eine Vielzahl von Frequenzkomponenten gleichen Pegels und gibt eine verzerrte Kurvenform wieder, wie in Fig. 7 dargestellt. Es ist äußerst schwierig, die besagten Frequenzkomponenten von dieser Wellenform mit hoher Genauigkeit auf zunehmen.
In dem Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung stimmen die Ansteuerfrequenz und die Frequenzen der Spitzenwerte der Frequenzkennlinienkurven 31 und 33 des Eingabestiftes und des Sensors 6, d. h., die Resonanzfrequenzen des Eingabestiftes 3 und des Sensors 6 miteinander überein, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. In diesem Falle zeigt das Feststellsignal ein Frequenzspektrum, welches nur eine Spitze bei der Ansteuerfrequenz aufweist, d. h., bei der Resonanzfrequenz des Eingabestiftes 3 und des Sensors 6. Auf diese Weise zeigt das nur eine Frequenzkomponente aufweisende Feststellsignal eine Kurvenform ohne Verzerrung, wie in Fig. 8 dargestellt, so daß die Positionskoordinaten mit hoher Genauigkeit aus dieser Kurvenform festgestellt werden können. In diesem Falle ergibt sich eine hohe Amplitude der Kurvenform des Feststellsignals, so daß die Feststelleffizienz und der Störabstand in vorteilhafter Weise verbessert werden.
Die Resonanzfrequenz des Eingabestiftes 3 reagiert empfindlich auf den Zustand der Verbindung zwischen dem piezoelektrischen Element 4 und dem Horn 5. Folglich ist es ratsam, daß die Resonanzfrequenzen des Schwingers 4 des Horns 5 möglichst gleiche oder weitestgehend aneinander angepaßte Werte aufweisen, und die Kontaktbedingungen, wie beispielsweise die Kontaktstärke, werden zuvor so eingestellt, daß der Eingabestift eine einheitliche eine Resonanzfrequenz bildet, die mit der Ansteuerfrequenz und der Resonanzfrequenz des Sensors zusammenfällt.
Vorzugsweise wird eine asymmetrische Mode, die hauptsächlich aus einer Transversal-Wellenkomponente als elastische Plattenwelle besteht, während die piezoelektrischen Elemente des Eingabestiftes 3 und des Sensors 6 für Longitulinalwellen oder Dickenschwingungen ausgelegt sind, wobei die Resonanzfrequenzen dieser einander gleich sind. Dies liegt daran, daß die Plattenwelle der asymmetrischen Mode hauptsächlich aus einer Transversalwellenkomponente gebildet ist, die Amplitudenpegel zeigt, die größer als die Plattenwelle der symmetrischen Mode sind, die hauptsächlich aus einer Longitudinalwellenkomponente besteht, wenn die Ausbreitung durch das Ausbreitungsmedium 8 erfolgt, so daß die Verwendung einer solchen asymmetrischen Wellenart die Feststellung vereinfacht.
Obwohl das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel die Sensoren 6 verwendet, die Schwingungsfeststellsensoren sind, gilt dies nicht in ausschließender Weise, und der Sensor kann aus einer Kombination eines piezoelektrischen Senors mit dem Horn bestehen. Eine derartige Kombination kann Schwingungen in Punktbereichen mit höherem Pegel und besserer Genauigkeit feststellen als die piezoelektrischen Schwingungsfeststellelemente allein. In einem solchen Fall wie bei dem Eingabestift, werden die Kontaktbedingungen zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Horn sorgfältig festgelegt, so daß die Resonanzfrequenz des Sensors 6 mit der Ansteuerfrequenz und der Resonanzfrequenz des Eingabestiftes übereinstimmt. Wenn piezoelektrische Elemente, die zur Schwingung in Longitudinal- oder Dicken-Wellenart im Eingabestift 3 und im Sensor 6 verwendet werden, werden die in dem Eingabestift 3 verwendeten Hörner und der Sensor 6 ebenfalls auf die gleiche Resonanzfrequenz gebracht, wie diese piezoelektrischen Elemente in der longitudinalen Schwingungsart.
Wie in der vorstehenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels erwähnt, ist es möglich, ein Feststellsignal zu gewinnen, das einen einzigen Spitzenwert aufweist, vorausgesetzt, daß die Ansteuerfrequenz und die Resonanzfrequenzen des Eingabestiftes 3 und des Sensors 6 eng beieinander liegen. Dieser vorteilhafte Effekt kann erzielt werden, wenn der Versatz dieser Frequenzen innerhalb einer gewissen Toleranz liegt, die ausgedrückt werden kann durch ± a, was die Differenz zwischen einer jeden Resonanzfrequenz und Anti-Resonanzfrequenz ist. Fig. 9 zeigt diese Grenze oder Toleranz des Versatzes der Frequenz. In Fig. 9 zeigt eine Kurve 36 die Frequenzkennlinien beispielsweise des Eingabestiftes 3, während eine Kurve 37 beispielsweise die Frequenzkennlinien des Sensors 6 zeigt. Die Resonanzfrequenzen des Eingabestiftes und des Sensors 6 sind beispielsweise mit 38 und 39 bedeutet. Anti-Resonanzfrequenzen des Eingabestiftes 3 und des Sensors 6 sind mit 40 und 41 bezeichnet. Es ist wünschenswert, daß die Amplitude des zu erzeugenden Feststellsignals so groß wie möglich ist, und daß das Feststellsignal eine in Fig. 6 dargestellte Kurvenform aufweist. Aus dem Gesichtspunkt der Feststelleffizienz fällt somit der Versatz der Resonanzfrequenz zwischen dem Eingabestift 3 und dem Sensor 6 vorzugsweise innerhalb den Bereich der Differenz ± a zwischen der Resonanzfrequenz und der Anti-Resonanzfrequenz, die entgegengesetzte Eigenschaften aufweisen. Diese Regel betreffs Toleranz des Versatzes der Resonanzfrequenz kann auch auf die Ansteuerfrequenz angewandt werden.
Somit sind in dem Koordinateneingabegerät der vorliegenden Erfindung, die von einer elastischen Welle Gebrauch macht, die Frequenz des Impulssignals zur Ansteuerung des Schwingers des Eingabestiftes 3, die Resonanzfrequenz des Eingabestiftes 3 und die Resonanzfrequenz des Sensors 6 darauf festgelegt, einander gleich zu sein. Folglich ist es möglich, eine Signalkurvenform ohne Verzerrungen von den Sensoren mit hoher Effizienz zu erzeugen, wodurch ein hoher Grad an Genauigkeit der Feststellung der Positionskoordinaten sichergestellt wird.

[Konstruktion des Eingabestiftes]

Ein Beispiel des in dem Eingabestift 3 verwendeten Horns 5, das zu dem Koordinateneingabegerät nach der Erfindung gehört, wird nachstehend anhand Fig. 10 beschrieben. Das Horn 5 ist mit dem Bezugszeichen 5b versehen. Das Horn hat eine konische Form und ist beispielsweise aus Aluminium hergestellt. Das Horn 5b hat am Ende A einen großen Durchmesser D&sub1; und am Ende B einen kleinen Durchmesser D&sub2;. Die Länge des Horns 5b wird durch l bezeichnet. Wenn die Resonanzfrequenz f des Horns 4 KHz beträgt, leiten sich die Durchmesser D&sub1; und D&sub2; und die Länge l jeweils aus der nachstehenden Formel (3) ab, die die Resonanzbedingung ausdrückt.
D&sub1; = 5,0 mm, D&sub2; = 0,5 mm, l = 8,15 mm
Wobei α eine Wellenlängenkonstante (ω/c) ist, c stellt die Schallgeschwindigkeit (5.040 m/sec) im Hornmaterial im Falle von Aluminium dar und ω repräsentiert die Resonanzkreisfrequenz (2πf) des Horns.
Der Durchmesser D&sub1; des Endes A mit großem Durchmesser ist nicht so groß gewählt worden, weil unerwünschte Wirkungen wie Resonanz in radialer Richtung auftritt, wenn der Durchmesser D&sub1; sich der halben Wellenlänge annähert oder diese übersteigt. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache schwingt der Schwinger 4 mit einer Frequenz von 300 bis 500 KHz, der Durchmesser D&sub1; ist vorzugsweise mit 5 mm oder ähnlich gewählt. Das Vergrößerungsverhältnis, das durch das Horn 5b geschaffen wird, ist durch das Durchmesserverhältnis D&sub1;/D&sub2; festgelegt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt dieses Verhältnis etwa 4,3.
Dieses im Eingabestift 3 enthaltene Horn 5b kann jedenfalls mit der Schwingfrequenz des Schwingers 4 schwingen.
Obwohl das Horn 5b als konisch geformt beschrieben wird, ist diese Gestalt nicht die die ausschließlich mögliche, und das Horn 5b kann andere Gestalten aufweisen, beispielsweise einen longitudinalen Querschnitt, der durch eine Exponentialfunktion darstellbar ist, wie im Falle eines in Fig. 11A und 11B dargestellten Horns 5a. In Fig. 11A sind die Enden des großen Durchmessers und des kleinen Durchmessers des Horns 5a mit A bzw. B bezeichnet, während C einen geraden Abschnitt darstellt, der mit dem Ende A des großen Durchmessers verbunden ist. Die Durchmesser des Endes A mit großem Durchmesser und des Endes B mit kleinem Durchmesser sind durch D&sub1; bzw. D&sub2; dargestellt, während die Länge des geraden Abschnitts C und des exponentiellen Abschnitts des Horns 5a durch l&sub1; bzw. l&sub2; bedeutet sind. Ein Symbol X repräsentiert die Entfernung eines vorbestimmten Punktes von dem Ende A mit großem Durchmesser, während Dx den Durchmesser des Horns 5a an der Stelle X bedeutet. Ein Bezugszeichen 12 bedeutet einen Stützflansch mit dem das Horn 5a auf dem Eingabestift 3 gestützt wird.
Das in diesem beschriebenen Ausführungsbeispiel enthaltene Horn ist von geringer Größe. Wenn das Horn lediglich aus dem geraden Abschnitt C wie im Falle des in Fig. 10 gezeigten Horns 5b ist, wird es notwendig, den Stützflansch 12 an den spitz zulaufenden Oberflächen des Horns zu befestigen. Eine derartige Konstruktion ist äußerst schwierig zu erzielen und läßt die Herstellkosten anwachsen. Folglich ist ein derartiges Horn ohne geraden Abschnitt zur Verwendung in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel nach der Erfindung nicht geeignet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Stützflansch 12 des Horns 5a mit dem Abschnitt des geraden Abschnitts C da befestigt, wo der Schwingungsknoten auftritt, wie in Fig. 11B dargestellt. Das Positionieren des Stützflansches am Schwingungsknoten minimiert den Verlust der Schwingungsenergie, und von daher wird die Effizienz maximiert. Das Horn 5a und der grade Abschnitt C sind als Einheit gebildet, und der Flansch 12 ist an der Stelle vorgesehen, wo der Knoten der Amplitude der Schwingung auftritt. Eine derartige Anordnung vereinfacht die maschinelle Herstellung und reduziert die Kosten merklich.
Wenn das in Fig. 11A dargestellte Horn 5a verwendet wird, werden die nachstehenden Bedingungen erzielt, vorausgesetzt daß die Resonanzfrequenz f 400 KHz beträgt.
D1 = 5,0 mm, D2 = 0,5 mm, l&sub1; = 4,0 mm, l&sub2; = 6,15 mm und β = 0,374, wobei β ein Exponent ist, der durch Dx = D&sub1; e&supmin;βx (mm).
Diese Werte werden aus der nachstehenden Formel (4) hergeleitet, die die Resonanzbedingung repräsentiert, wobei die Formel (5) zur Festlegung der Position Xn des Schwingungsknotens der Schwingungsknotenebene und Formel (6) zur Festlegung des Amplitudenverstärkungsfakt&sub0;r&sub5; ist. Symbole, die in diesen Formel auftreten, stellen folgende Faktoren dar:
S&sub1;: Fläche des Hornendes mit großem Durchmesser
S&sub2;: Fläche des Hornendes mit kleinem Durchmesser
D&sub1;: Durchmesser des Hornendes des großen Durchmesser
D&sub2;: Durchmesser des Hornendes mit kleinem Durchmesser
l&sub1;: Länge des geraden Hornabschnitts
l&sub2;: Länge des exponentiellen Hornabschnitts
α: Wellenlängenkonstante = ω/c
c: Schallgeschwindigkeit im Hornmaterial (5,04 · 10³ in/sec im Falle der Longitudinalwelle in einem Aluminiumstab)
f: Resonanzfrequenz des Horns
X: Abstand vom Hornende großen Durchmessers
Xn: Position der Schwingungsknotenebene
In der obigen Formel (4) werden die Faktoren β und α folgendermaßen angegeben:
α = ω/c
tan (α · N) = 1/tan (αl&sub1;) (5)
(Abhängig von dem geraden Abschnitt bei der Bedingung αl&sub1; > π/2)
Fig. 12 zeigt eine Anordnung, bei der das von dem Flansch 12 gestützte Horn 5a, dargestellt in den Fig. 11A und 11B, mit einer Fassung (Gehäuse) 13 des Eingabestiftes 3 fixiert ist.
Wenn das Gerät verwendet wird, hält die Bedienperson den Eingabestift 3 mit der Hand und gibt eine gewünschte Position auf der Koordinateneingabetafel (Schwingungsausbreitungsmedium 8) mit dem Stiftes 3 an. Derweil schwingt der Schwinger 4 entsprechend dem Signal aus der Schwingeransteuerschaltung 2, und die Schwingung wird durch das Horn 5a verstärkt und an das Schwingungsausbreitungsmedium 8 geliefert. Die Schwingung wird empfangen und von den Sensoren 6a bis 6c festgestellt, die als Empfangselemente dienen, und Zeitlängen der Verzögerung des Empfangs der Schwingung zu den jeweiligen Sensoren werden gemessen. Die Koordinaten dieser angezeigten Position werden dann errechnet, indem von den auf diese Weise gemessenen Verzögerungszeiten Gebrauch gemacht wird.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann das Horn 5 des Eingabestiftes 3 somit eine Resonanzfrequenz haben, die der Ansteuerfrequenz und der Resonanzfrequenz des Schwingers gleich ist, so daß der Eingabestift die elastische Welle an das Schwingungsausbreitungsmedium 8 liefern kann, genau mit der genannten Frequenz. Als Folge kann die Verzerrung der Kurvenform des von den Schwingungsempfangssensoren 6 erzeugten elektrischen Signals reduziert werden, wodurch eine hohe Genauigkeit und Auflösung des Koordinateneingabegerätes sichergestellt ist.
Darüber hinaus hat das Horn einen geraden Abschnitt, der als Einheit mit dem konischen oder exponentiell verlaufenden Abschnitt und dem Flansch gebildet ist, und der Flansch wird an einen Abschnitt befestigt, der in der Schwingungsknotenebene liegt. Das auf diese Weise gebildete Horn wird an der Fassung 13 des Eingabestiftes 3 mit dem Flansch 12 befestigt. Diese Anordnung stellt eine hohe Effizienz bei der Übertragung der vom Schwinger 4 erzeugten Schwingung dar. Da darüber hinaus der Kontaktandruck des Stiftes nicht direkt den Schwinger beaufschlagt, wird die Amplitude der Schwingung nicht von der Andruckkraft berührt. Dies dient auch der Reduzierung irgendwelcher Störungen des elektrischen Signals, das von den Sensoren 6a bis 6c erzeugt wird. Somit liefert der Eingabestift nach dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Verbesserung, sowohl bei der Auflösung als auch bei der Genauigkeit.
Die Herstellbarkeit des Eingabestiftes ist auch verbessert, weil der Flansch mit einem geraden Abschnitt befestigt wird, der als Einheit mit dem konisch oder exponentiell verlaufenen Abschnitt des Horns gebildet ist, gegenüber dem spitzzulaufenden Abschnitt des Horns. Dies ermöglicht es, die Herstellkosten zu reduzieren, und die Flanschstärke zu vermindern, wodurch eine höhere Effizienz bei der Schwingungsübertragung erzielt wird.
Obwohl im beschriebenen Ausführungsbespiel das Horn 5 aus Aluminium ohne irgend eine Behandlung hergestellt wurde, kann das Horn 5 auch aus Aluminium mit einer Oberflächenhärtebehandlung bestehen, oder aus anderen Metallen bestehen. Wenn der Schwinger 4 das Schwingungsausbreitungsmedium 8 aus Glas besteht, kann ein beliebiges Hornmaterial verwendet werden, das eine Kennimpedanz aufweist, die nahe an der des Glases liegt.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Flansch 12 zuerst getrennt von dem Körper des Horns 5a hergestellt und dann mit letzterem befestigt worden. Dies schließt jedoch ist nicht aus, daß der Flansch als Einheit mit dem Körper des Horns 5 hergestellt werden kann. Dies ermöglicht es dem Horn 5, genau und stabil an der Fassung 13 befestigt zu werden, wobei die Herstellkosten des Horns 5 gesenkt werden.
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel hat das Horn eine konische oder exponentiell verlaufende Form, um die Ansteuerfrequenz und die Schwingfrequenz abzustimmen, um die Resonanz zu erzielen. Diese Formung des Horns ist jedoch lediglich veranschaulichend, und verschiedene andere Formen des Horns können verwendet werden, wie beispielsweise eine konische Form mit einem geraden Abschnitt, der damit verbunden ist, einer stufigen konischen Form, einer abgestuften Exponenzialform oder einer einfach abgestuften Form.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel des Horns hat seine Resonanz bei der halben Wellenlänge. Jedoch kann die Anordnung so ausfallen, daß das Horn 5 und der Schwinger 4 als eine Einheit bei der halben Wellenlänge schwingen. Für den Fachmann ist es klar, daß die Form des Horns 5 entsprechend dem Wert der Ansteuerfrequenz geändert werden kann.

[Konstruktion des Stiftendes]

In Fig. 13 ist der Körper des Eingabestiftes 3 mit dem Bezugszeichen 13 versehen. Das Horn 5 ist aus Metall hergestellt, beispielsweise aus Aluminium, und der Schwinger ist beispielsweise ein piezoelektrisches Element, das in dem Körper 13 angeordnet ist und mit dem Ende des Horns innenseitig im Körper 13 verbunden ist. Wie schon zuvor erläutert, hat das Horn die Form, die eine effektive Schwingungsübertragung ermöglicht, d. h., eine konische Form oder eine Form mit einem exponentiellen Longitudinalabschnitt. Das Material und die Form des Horns 5 sind so festgelegt, daß es dem Horn 5 ermöglicht wird, mit der Schwingfrequenz des Schwingers 4 zu schwingen.
Die Eingabeoberfläche für die Schwingung ist am Ende des Horns 5 in der dargestellten Weise abgerundet.
Die Abrundung der effektiven Schwingungseingabeoberfläche wird in geeigneter Weise ausgewählt, wie in Fig. 14 dargestellt, um dem geforderten Auflösungsvermögen der Koordinatenfeststellung und den Faktoren gerecht zu werden, wie beispielsweise dem Material des Schwingungsausbreitungsmediums.
Das abgerundete Ende des Horns 5 kann durch Schleifen des Endes des Horns 5 oder durch Befestigung beispielsweise durch Bonden einer Spitze mit angerundeter Oberfläche geschaffen werden, die aus einem Material hergestellt ist, dessen akustische Impedanz ungefähr derjenigen des Hornkörpers mit dem Ende des Horns 5 entspricht.
Nach dieser Anordnung ist es der Schwingungseingabeoberfläche des Horns möglich, das Schwingungsausbreitungsmedium 8 immer mit einem einzigen Punkt zu kontaktieren, egal um welchen Winkel der Eingabestift bezüglich des Schwingungsausbreitungsmediums 8 geneigt ist. Mit dieser Anordnung ist es folglich möglich, jede Änderung der effektiven Schwingungseingabefläche zu beseitigen, die unvermeidlich bei herkömmlichen Eingabestiften stattfindet, bei denen das Horn 5 eine flache Endoberfläche aufweist.
Bei der Anordnung ist die Kontaktoberfläche des Horns 5 so gebogen, daß das Horn 5 das Schwingungsausbreitungsmedium 8 über eine Fläche kontaktiert, die kleiner als das gewünschte Auflösevermögen der Koordinatenfeststellung ist. Das Horn kann nämlich das Schwingungsausbreitungsmedium 8 nur an einem einzigen Punkt kontaktieren, wie in Fig. 14 dargestellt, so daß jede Gefahr der Eingabe von Schwingungen unterschiedlicher Phasen vermieden wird. Folglich kann eine Schwingungskurvenform ohne Verzerrung und Annäherung einer einzigen Wellenlängenkurvenform in dem Feststellabschnitt erzielt werden. Dadurch wird in der Folge die zu messende Schwingungslauf zeit genau möglich, wodurch ein Beitrag zur Verbesserung der Genauigkeit der Koordinatenfeststellung geleistet ist.
Die abgerundete Endoberfläche des Eingabestiftes 3 beseitigt jede Änderung der Kontaktfläche des Eingabestiftes 3, trotz Änderung des Neigungswinkels des Eingabestiftes 3, wie es aus Fig. 14 ersichtlich ist. Dies eliminiert jeden individuellen Eingabefehler, der auf die Gewohnheit der Bedienperson zurückgeht. Es sei auch angemerkt, daß jede Schwankung der Eingabe während des Eingebens einer langen kontinuierlichen Kurve aufgrund der Änderung des Neigungswinkels des Eingabestiftes 3 vermieden werden kann, wodurch es möglich ist, die Koordinaten ohne Unstetigkeiten einzugeben.
Es erübrigt sich zu sagen, die abgerundete Endoberfläche der Schwingungseingabefläche des Horns 5 ist nicht die einzig mögliche; und jede andere geeignete Form des Stiftendes kann verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Breite der Fläche der effektiven Schwingungseingabeoberfläche kleiner ist als die erforderliche Auflösung der Koordinatenfeststellung.
Es ist auch möglich, die Sensoren 6 durch Hörner einer Konstruktion zu befestigen, die derjenigen der zuvor beschriebenen gleich ist, so daß die Schwingungsübertragung auf einen einzigen Punkt oder Fleck fokussiert wird, auch für jeden Sensor. Solch eine Anordnung führt zu einer weiteren Verringerung der Verzerrung der festgestellten Kurvenform, wodurch eine merkliche Verbesserung der Genauigkeiten der Koordinatenfeststellung erreicht wird.
Es versteht sich aus der vorstehenden Beschreibung, daß die Erfindung einen Koordinateneingabegerät schafft, bei dem Schwingungen auf ein Schwingungsausbreitungsmedium von einem Eingabestift eingegeben werden, der ein Schwingungserzeugungselement aufweist, von Sensoren festgestellt wird, die an dem Schwingungsausbreitungsmedium vorgesehen sind, wodurch die Koordinaten der markierten Stelle durch den Eingabestift auf dem Schwingungsausbreitungsmedium festgestellt werden, worin die maximale Breite der effektiven Schwingungseingabeoberfläche des Eingabestiftes mit dem Schwingungsausbreitungsmedium kontaktierbar ist, so festgelegt wird, daß sie kleiner ist als das erforderliche Auflösungsvermögen der Koordinatenfeststellung. Mit dieser Anordnung ist es möglich, Schwingungen vom Eingabestift an das Schwingungsausbreitungsmedium nur über einen begrenzten Fleck oder Punkt einzugeben, so daß die Feststellung der Koordinaten mit einem hohen Grad an Genauigkeit durchgeführt werden kann, ohne an irgendeiner Verzerrung der Kurvenform des Feststellsignals zu leiden.

[Kurvenfom des Empfangssignals]

Fig. 15 zeigt das, das von der Schwingungsansteuerschaltung 2 erzeugte elektrische Impulssignal und die Kurvenform des durch eines der Sensoren 6a erzeugten Feststellsignals. Da die Kurvenformen, die durch andere Sensoren 6b und 6c grundlegend die gleichen sind, wird nur die Kurvenform des Feststellsignals als eine repräsentative beschrieben, die von dem Sensor 6a erzeugt wird.
Die Schwingungsansteuerschaltung 2 liefert ein Impulssignal 15, das aus mehreren Impulsen für den Schwinger 4 in dem Eingabestift 3 besteht. Die Impulsbreite wird entsprechend der Resonanzfrequenz des Schwingers 4 in geeigneter Weise ausgewählt. Der Schwinger 4 schwingt abhängig von dem Impulssignal 15, und die auf diese Weise erzeugte Schwingung wird durch das Horn 5 an das Schwingungsausbreitungsmedium 8 geliefert, um so durch letzteres als eine elastische Welle ausgebreitet zu werden. Die Schwingung wird dann von dem Sensor 6a festgestellt, und auch die Verzögerungszeit, d. h., die Zeit, die bis zur Festgestellung der Schwingung erforderlich ist. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine Plattenwelle als elastische Welle verwendet. Die Verwendung der Plattenwelle ermöglicht es dem Sensor 6, die Schwingungswelle ohne irgendeine wesentliche Störungen des Ausbreitungsmediums 8 festzustellen, und unabhängig von der Tatsache, daß eine Hand auf das Medium 8 gelegt wird.
Abhängig von der Schwingungswelle erzeugt der Sensor 6a ein Feststellsignal, das in Fig. 15 mit 17 bezeichnet ist. Die Kurve 16 mit der gebrochenen Linie zeigt die Hüllkurve des Feststellsignals. Die Kurvenform des Feststellsignals 17, die abhängig von der Plattenwelle erzeugt wird, ist nicht immer konstant, weil zwischen der Gruppengeschwindigkeit und der Phasengeschwindigkeit eine Differenz besteht. Die Gruppengeschwindigkeit, bei der die Form der Hüllkurve 16 des Feststellsignals 17 sich ausbreitet, ist nämlich von der Phasengeschwindigkeit verschieden, die die Ausbreitungsgeschwindigkeit gemäß der Frequenz ist, die folglich der Frequenz des Ansteuersignals 15 zur Ansteuerung des Schwingers 4 entspricht. Die Phase des Feststellsignals 17 variiert folglich in Bezug auf die Form der Hüllkurve 16 in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen dem Eingabestift 3 und dem Sensor 6a. Das bedeutet, daß die Feststellung der Verzögerungszeit in einer solchen Weise durchgeführt wird, daß alle Fehler minimiert werden, die der Differenz zwischen Gruppengeschwindigkeit und Phasengeschwindigkeit zuzuschreiben sind.
Nachstehend wird nun eine detaillierte Beschreibung eines Beispiels eines Verfahrens zur Feststellung der Verzögerungszeit gegeben.
Wie schon zuvor erläutert, wird ein Fehler entsprechend der ± ½ Wellenlänge abhängig davon verursacht, auf welchen Abschnitt der Gruppe von Impulsen des Feststellsignals 17 als Index der Verzögerungszeit zwischen dem Moment verwendet wird, bei dem die Schwingung durch den Eingabestift 3 eingegeben wird, und dem Moment, bei dem die Schwingung durch den Sensor 6 festgestellt wird.
Um dies noch klarer zu erläutern, wird eine Annahme gemacht, daß das Empfangssignal durch Verwendung eines Schwellwertes des Feststellsignals 17 erzeugt wird. Die Fig. 16a und 16b zeigen zwei Beispiele des Feststellsignals 17. In diesem Figuren bedeutet ein Bezugszeichen 18 ein Empfangssignal einer vorbestimmten Dauer, das als Ergebnis eines Vergleichs des Feststellsignals 17 mit dem Schwellwertpegel erzeugt wird. Wie schon erläutert, variieren die Positionen (Phasen) kleiner Wellen gemäß der Entfernung zwischen dem Eingabestift 3 und Sensor 6a, so daß die Feststellung der Verzögerungszeit geändert durch eine Länge entsprechend etwa einer halben Wellenlänge werden kann, wenn das Empfangssignal unter Verwendung eines konstanten Schwellwertpegels erzeugt wird, um die Entfernung der Bewegung der Welle in der Periode gemäß der Änderung der Verzögerungszeit f. Im in den Fig. 16a und 16b gezeigten Beispiel wird ein Fehlern X (hier ein Wert, der durch Subtraktion der kurzen Entfernung der Bewegung von dem X-Wert gewonnen wird) verursacht.
Um diesen Fehler zu beseitigen, schlägt die vorliegende Erfindung vor, die Positionskoordinaten durch Feststellung der Verzögerungszeit auf der Grundlage sowohl der Bewegungsgeschwindigkeit der Gruppe der Feststellwellen (Gruppengeschwindigkeit) und der Geschwindigkeit der Feststellung der Wellen (Phasengeschwindigkeit) durchzuführen.
Genauer gesagt, in diesem Ausführungsbeispiel wird die Feststellung der Verzögerung durch das folgende Verfahren ausgeführt. Die Hüllkurve 16 wird nämlich aus dem Feststellsignal 17 festgelegt, und der Spitzenwert der Hüllkurve wird festgestellt. Die Verzögerungszeit auf der Grundlage der Gruppengeschwindigkeit wird bis die Spitze der Hüllkurve durch Tg dargestellt. Die festgestellte Verzögerungszeit Tg gemäß der Gruppengeschwindigkeit schafft nur ein geringes Auflösungsvermögen, verglichen mit dem Feststellsignal 17, weil die Verzögerungszeit Tg aus der Gruppe einer Vielzahl von Wellen in den Feststellsignalen festgelegt ist. Die Verzögerungszeit Tg kann jedoch ein Datum sein, welches grob die Entfernung annähert. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Nulldurchgangspunkt der zuerst empfangen Signalwelle nach der Feststellung der Verzögerungszeit Tg festgestellt, und die Zeitlänge, bis der Moment der Feststellung dieses Nulldurchgangspunktes als Tp bestimmt ist. Es ist möglich, durch Errechnung der Koordinaten auf der Grundlage sowohl der Verzögerungszeit Tg und Tp eine Koordinatenfeststellung mit geringerem Fehler und mit einem hochgradigen Auflösungsvermögen und großer Genauigkeit zu bewirken, die durch Verwendung der Gruppengeschwindigkeit und der Phasengeschwindigkeit gewonnen werden.

[Konstruktion und Betrieb der Empfangssignal-Feststellschaltung]

Fig. 17 veranschaulicht den inneren Aufbau der Empfangssignal-Feststellschaltung 9 zur Verwendung in Verbindung mit dem Sensor 6a. Bei den Sensoren 6b und 6c wird die gleiche Schaltungsordnung angewandt.
Die Empfangssignal-Feststellschaltung 9 hat die folgenden Komponenten: einen Vorverstärker 19 zur Verstärkung des Feststellsignals, das von dem Sensor 6a geliefert wird; eine Hüllkurven-Feststellschaltung 20 zur Feststellung der Hüllkurve des verstärkten Ausgangssignals aus dem Vorverstärker 20, z. B. ein Tiefpaßfilter; eine Hüllkurven-Spitzenwert-Feststellschaltung 21 zur Feststellung des Spitzenwertes der Hüllkurve, d. h., eine Differenzierschaltung; eine Tg-Signalfeststellschaltung 22 zur Ausgabe eines Signals, das die Ausbreitungs-Verzögerungszeit Tg auf der Grundlage der Gruppengeschwindigkeit darstellt, wie sie von der Hüllkurven- Spitzenwert-Feststellschaltung 21 festgestellt wird; einen monostabilen Multivibrator 23, der eingerichtet ist, sein Gatter für eine vorbestimmte Zeitperiode nach dem Empfang des Gruppengeschwindigkeits-Verzögerungszeitsignals Tg zu öffnen; eine Vergleichspegel-Lieferschaltung 24 zur Lieferung eines Vergleichspegels an einen Vergleicher 26 für eine von dem Mulitvibrator vorgegebene Zeitperiode; und eine Verzögerungszeit-Regelschaltung zur Regulierung der Zeit, um alle Zeitverluste zu kompensieren, die während der Signalverarbeitung in den zuvor erwähnten Schaltungen 20 bis 24 auftreten. Der Vergleicher 26 ist zum Vergleich des Signals eingerichtet, das von der Verzögerungszeit-Regelschaltung 27 mit dem Vergleichspegel übertragen wird, der von der Vergleichspegel-Lieferschaltung 24 geliefert wird, wodurch die Verzögerungszeit Tp bis zur Feststellung eines Signals gemäß der Phasengeschwindigkeit festgestellt wird.
Der von dieser Empfangssignal-Feststellschaltung 9 ausgeführte Prozeß wird nachstehend anhand einer in Fig. 18 dargestellten Zeittafel detailliert beschrieben.
Ansteuerimpulse 50 werden von der Vibratoransteuerschaltung 3 erzeugt, wie im Falle der Ansteuerimpulse 15 gemäß Fig. 15. Die Schwingung, die durch diese Impulse erzeugt werden, wird von dem Sensor 6a festgestellt und vom Vorverstärker 19 verstärkt, so daß ein Signal 51 erzeugt wird. Dieses Signal entspricht dem Feststellsignal 17, das in den Fig. 16a und 16b dargestellt ist. Das verstärkte Signal wird dann durch die Hüllkurven-Feststellschaltung 20 zum Zwecke der Feststellung der Hüllkurve des Feststellsignals 21 übertragen. Die so gewonnene Hüllkurve 52 wird an die Hüllkurven-Spitzenwert-Feststellschaltung 21 geliefert, die eine erste Ableitung der Hüllkurve bildet, so daß ein Signal 53 erzeugt wird, das den Spitzenwert der Hüllkurve repräsentiert. Dann wird ein Signal 54 gemäß der Feststellung des Nulldurchgangspunktes erzeugt. Der Zeitwert Tg bis zum Anstieg des Signals 54 wird durch die Tg-Signalfeststellschaltung 21 festgestellt, deren Ausgangssignal an die Operationssteuereinheit 1 geliefert wird, sowie an den monostabilen Multivibrator 23, der daraufhin ein Impulssignal 55 mit H-Pegel und einer vorbestimmten Dauer erzeugt, die beispielsweise 1,5 mal so lang wie die Wellenlänge der Phasengeschwindigkeit ist.
Dann wird ein Impulssignal 56 von der Vergleichspegel-Lieferschaltung 24 durch Invertierung des Impulssignals 55 erzeugt. Das Signal 56 wird an einen der Eingänge der Tp-Feststellschaltung 26 geliefert, die der Vergleicher ist. Zwischenzeitlich liefert die Verzögerungszeit-Regelschaltung 25 das Feststellsignal 51 aus dem Vorverstärker 19 an den anderen Eingang der Tp-Feststellschaltung 26, mit einer voreingestellten Verzögerungszeit gemäß dem Betrag der Verzögerung, die während der Signalverarbeitung in den oben beschriebenen Schaltungselementen verursacht wird. Die Tp-Feststellschaltung 26 erzeugt ein Signal 57 nach Vergleich des Signals 56 mit dem Feststellsignal 51. Die Zeitdauer bis zur Feststellung des Signals 57 wird als Laufzeit auf der Grundlage der Phasengeschwindigkeit verwendet. Dann werden die Positionskoordinaten errechnet, indem von beiden Verzögerungszeiten Tg und Tp Gebrauch gemacht wird.
Fig. 19 zeigt eine Einzelheit der Verzögerungszeit-Regelschaltung 25, die in der Operationssteuereinheit 1 des Koordinateneingabegerätes enthalten ist. Ein Rücksetzsignal wird aus einer CPU abgeleitet, die nicht dargestellt ist, so daß die Flipflops 76 und 78 zum Empfang der Feststellsignale aus der Empfangssignal-Feststellschaltung 9 sowie dem Zähler 27 abhängig von dem Rücksetzsignal zurückgesetzt werden. Nachfolgend beginnt der Zähler 27 die Zähloperation abhängig von einem Startsignal. Dieses Startsignal wird synchron mit dem Ansteuersignal zur Ansteuerung des Schwingers 4 des Eingabestiftes 3 gegeben, so daß die elastische Welle in dem Ausbreitungsmedium 8 von dem Eingabestift 3 gleichzeitig mit dem Start der Zähloperation beginnt. Wenn die elastische Welle die jeweiligen Sensoren 6 erreicht, erzeugt die Empfangssignal-Feststellschaltung 9 Feststellsignale und liefert diese an die Flipflops 76 bis 78 gemäß der Adresse S&sub0; bis S&sub2; der Sensoren 6a bis 6c. Diese Feststellsignale werden durch Stops 0 bis 2 dargestellt. Wenn das Signals des Stop 0 übertragen wird, wird der Inhalt des Zählers 27 in einem Zwischenspeicher 79 zu dieser Zeit zwischengespeichert. Gleichzeitig werden die Werte im Zähler gemäß den Ankunftszeiten der elastischen Welle an den jeweiligen Sensoren 6 von den Zwischenspeicher 79 bis 81 zwischengespeichert. Die UND-Schaltung 83 ist zur Beurteilung eingerichtet, ob die Feststellung gänzlich abgeschlossen ist oder nicht. Nach Bestätigung, daß alle Flipflops 76 bis 78 ihre Signale geliefert haben, erzeugt die UND-Schaltung 83 ein Kennzeichen in einem vorbestimmten Bit eines Zwischenspeichers 82 zur Beurteilung der Bedingung. Die CPU stellt durch Lesen des Inhalts des Bedingungsbeurteilungs-Zwischenspeichers 82 fest, daß all die Daten gewonnen worden sind und liest dann durch einen Ein/Ausgabebaustein 84 durch aufeinanderfolgende Auswahl der Zwischenspeicher 79 bis 81. Dann werden die Positionskoordinaten gemäß dieser Daten errechnet, wie schon erläutert. Ein Bezugszeichen 85 bedeutet ein Zeitauslöse-Flipflop.
In dieser Anordnung wird der maximal zählbare Wert vom Zähler 27 in Übereinstimmung mit der maximalen Verzögerungszeit gebracht. Wenn die längste Verzögerungszeit abgelaufen ist, wird das Überlaufsignal des Zählers 27 von dem Zeitauslöse-Flipflop 85 empfangen und ein Kennzeichen, das diese Tatsache darstellt, wird in einem vorbestimmten Bit des Bedingungsbeurteil-Zwischenspeichers 82 gebildet. Die CPU beurteilt die Bedingung durch Überprüfung, ob dieses Kennzeichen vorhanden ist oder nicht, und nach Feststellung, daß dieses Kennezeichen vorhanden ist, beurteilt sie, daß der Eingabestift vom Schwingungsausbreitungsmedium 8 abgehoben worden ist. In einem solchen Falle beendet die CPU die Aufnahmedaten und schreitet zur Verarbeitung anderer Steuerungen. Auf diese Weise ist es möglich, die Beurteilung betreffs Aufsetzen und Abheben des Eingabestifts zu ermöglichen, indem man Gebrauch von der längsten Verzögerungszeit macht.
Fig. 20 zeigt einen Arbeitsablaufplan dieses Ausführungsbeispiels des Koordinateneingabegerätes, der in dem ROM der Operationssteuereinheit 1 gespeichert ist. In Schritt S1 wird eine Initialisierung durchgeführt, um den internen Takt, die Flipflop und die Ansteuerung des Schwingers in dem Eingabestift 3 zu initialisieren, und der Zähler 27 wird in Schritt S2 gestartet. In Schritt S3 werden Feststellsignale empfangen, die von allen Sensoren abhängig von der elastischen Welle aus der Empfangsignal-Feststellschaltung 9 erzeugt werden. Wenn innerhalb der längsten Verzögerungszeit kein Feststellsignal empfangen wird, verläßt der Ablauf in Schritt S7 diesen Prozeß, und ein anderer Prozeß wird begonnen. Die Festsignale werden in Schritt S4 empfangen, und die Verarbeitung zur Festlegung der Positionskoordinaten wird in Schritt S5 durchgeführt. In Schritt S6 werden die auf diese Weise errechneten Positionskoordinaten in dem RAM der Operationssteuereinheit 1 gespeichert und werden an externe Einrichtungen geliefert, wie beispielsweise an eine Anzeigeansteuerschaltung 10, wodurch ein Operationszyklus abgeschlossen ist. Diese Operation wird zyklisch in Übereinstimmung mit der Anzahl der Abtastoperationen ausgeführt. Die Auslieferung des Ausgangssignals an die externe Einrichtung kann wie zur Anzeige eines Fleckes an einer Stelle durchgeführt werden, die den errechneten Positionskoordinaten auf der Anzeige 11 entspricht, oder daß die Signale entsprechend den errechneten Koordinatenwerten übertragen werden. Diese zuvor beschriebene Operationsserie wird von der CPU gesteuert und in der Operationssteuereinheit 1 entsprechend dem in dem ROM gespeicherten Programm durchgeführt.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Beurteilung durchgeführt, die das Aufsetzen und Abheben des Eingabestiftes 3 betrifft, indem von dem Zähler 27 Gebrauch gemacht wird, der zur Messung der Verzögerungszeit gedacht ist. Dies ist jedoch nicht beschränkend, und die Beurteilung betreffs Aufsetzen und Abheben des Eingabestiftes 3 kann mit einen Zähler durchgeführt werden, der speziell für diesen Zweck vorgesehen ist. Es ist auch möglich, das Kennzeichen unter Verwendung des Übertrags zu bilden, oder einen Interupt der CPU zu bilden. Die Beurteilung betreffs des Zustandes des Stiftes kann auch durch Software durchgeführt werden, indem von dem internen Takt der CPU mehr Gebrauch gemacht wird als von der Hardware.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß in diesem Ausführungsbeispiel der Zustand des Stiftes durch Einstellen der längsten Verzögerungszeit beurteilt werden kann. Dieses beseitigt die Notwendigkeit für einen Umschalter oder dergleichen Mittel für den Eingabestift, wodurch die Konstruktion vereinfacht und die Zuverlässigkeit und Erleichterung des Betriebs verbessert wird.

[Verarbeitung der Entfernung]

Wie schon erwähnt, ist die Ausbreitungs-Verzögerungszeit Tg abhängig von der Gruppengeschwindigkeit, basierend auf der Hüllkurve 52 des Feststellsignals, so daß die Verzögerungszeit Tg keine Genauigkeit schafft, verglichen mit der Verzögerungszeit, die auf der Grundlage unabhängiger Wellen in dem Feststellsignal 51 errechnet wurde. Folglich ist die Genauigkeit der Berechnung der Entfernung zwischen dem Punkt P, wo der Eingabestift 3 das Ausbreitungsmedium 8 kontaktiert und der Sensor 6 höher ist, wenn die Berechnung auf der Grundlage der Ausbreitungs-Verzögerungszeit Tp erfolgt, die aus der Phasengeschwindigkeit aus einer der Wellen der Gruppe errechnet wird, als wenn die Errechnung auf der Grundlage der Verzögerungszeit Tg durchgeführt wird, die aus der Hüllkurve 52 festgestellt wird. Bei der Feststellung des Signals 51 variiert jedoch jede der Wellen aufgrund der Streuung in ihrer Phase, wie schon erläutert.
In Fig. 21 repräsentiert die Kurve Tp die Beziehung zwischen der Laufweite und der Laufzeit, wie man sie gewinnt, wenn die Impulse der höchsten Spitzen in der jeweiligen Messung des in Fig. 18 dargestellten Feststellsignals 51 festgestellt werden, während Tg die Beziehung zwischen der Laufweite und der Laufzeit auf der Gruppe der Gruppengeschwindigkeit darstellt. Die tatsächliche Beziehung auf der Grundlage der Gruppengeschwindigkeit ist jedoch aufgrund von Fehlern nicht linear.
Eine kontinuierliche Bewegung des Eingabestiftes 3 bedingt nämlich die Position des Feststellsignals sowie die Position der Spitze eines jeden Signals, um von dem in Fig. 22A dargestellten Zustand in den in Fig. 22B dargestellten Zustand überzuwechseln und dann in den in Fig. 22C dargestellten Zustand. Genauer gesagt, obwohl die Welle oder Impuls a die höchste Spitze bei einer gewissen Entfernung zeigt, ist die höchste Spitze in progressiver Weise zum Impuls b verschoben, und letztlich zeigt die höchste Spitze der Impuls c, da die Entfernung von dem Sensor 6a größer geworden ist. Die Position der höchsten Spitze in dem Signal wird in rückwärtiger Richtung verschoben, wenn der Eingabestift 3 kontinuierlich auf den Sensor 6a zu bewegt wird. Die Verschiebung der höchsten Spitzenposition im Feststellsignal bedingt eine allmähliche Änderung der Beziehung, wie sie in Fig. 21 durch die Kurve Tp dargestellt ist. Gleiche Beziehungen werden auch mit dem Nulldurchgangspunkten der jeweiligen Impulse a, b, und c beobachtet.
Die Entfernung wird durch Multiplizieren der Verzögerungszeit mit einem gewissen Faktor errechnet. Wie man aus Fig. 21 erkennen kann, werden folglich zwei Werte der Entfernung unerwünschterweise aus einem einzigen Wert der Verzögerungszeit Tp gewonnen. Es versteht sich jedoch, daß nur eine Laufweite wird abgeleitet wird, wenn der Wert der Verzögerungszeit Tp anhand der Verzögerungszeit Tg gelesen wird. Unter Verwendung dieses solchermaßen gelesenen Wertes der Verzögerungszeit Tp ist es möglich, die Laufweite mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu errechnen, wie es sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Beispiels verstehen läßt.
Es wird hier angenommen, daß die Verzögerungszeiten Tg und Tp in der in Fig. 21 dargestellten Weise festgestellt werden. Wenn der Wert der Verzögerungszeit innerhalb eines Bereichs tg&sub1; liegt, wird ein Wert von Tp innerhalb eines Bereichs von tp&sub1; entsprechend diesem Wert von Tg als Verzögerungszeit Tp verwendet. Wenn der Wert der Verzögerungszeit Tg innerhalb eines Bereichs tg&sub2; liegt, wird ein Wert von Tp gleichermaßen innerhalb eines Bereichs von tp&sub2; entsprechend diesem Wert von Tg als Verzögerungszeit Tp verwendet. Auf diese Weise ist es möglich, einen einzigen Wert der Verzögerungszeit Tp zu bekommen, indem die Verzögerungszeit Tg als Bezugswert verwendet wird, so daß die Entfernung aus diesem Wert der Verzögerungszeit Tp errechnet werden kann.
In Fig. 21, die die Laufweite durch r darstellt, entspricht nämlich die Wellenlänge einer jeden Welle des Feststellsignals (Phasengeschwindigkeit) mit λ und die Phasengeschwindigkeit mit vp der folgenden Beziehung, und die Entfernung r kann gemäß dieser Beziehung errechnet werden.
r = vp + t + n · λ (7)
wobei n eine ganze Zahl ist, die zuvor folgendermaßen festgelegt wird:
Wenn der Wert von Tg in den Bereich von tg&sub1; fällt: n=0
Wenn der Wert von Tg in den Bereich von tg&sub1; und tg&sub2; fällt: n=1
Wenn der Wert von Tg in die Bereiche von tg&sub3; und tg&sub4; fällt: n=2.
Praktisch werden die Werte der Entfernung r gemäß der vorstehenden Formel unter Verwendung der gemessenen Werte von Tg und Tp errechnet, die in einer sich in der Operationssteuereinheit 1 befindenden Tabelle gespeichert sind. Im Betrieb errechnet die Operationssteuereinheit 1 die Entfernung r durch Umsetzung des gemessenen Wertes von Tg in eine ganze Zahl n in Übereinstimmung mit dem Inhalt der Tabelle, und die jeweiligen Werte der Parameter wie vp, Tp, n und λ werden in Formel (7) substituiert. Dann werden die x- und y-Koordinaten durch Substituierung der Werte der Laufweiten zu den Sensoren 6a bis 6c nach Formel (2) errechnet, die zuvor angegeben wurde.

[Andere Ausführungsbeispiele]

Das in den Fig. 4a bis 4c dargestellte Ausführungsbeispiel macht von einer Tabelle (siehe Fig. 1) Gebrauch, indem die Beziehungen zwischen dem Wert der Verzögerungszeit gespeichert wird, der auf der Grundlage der Gruppengeschwindigkeit ermittelt wurde, und dem Wert der ganzen Zahl n, und die Errechnung der Entfernung wird unter Verwendung der Werte von n ausgeführt, die entsprechend dem Wert der Verzögerungszeit Tg in der Tabelle gespeichert sind, die auf der Grundlage der Gruppengeschwindigkeit ermittelt wird. Dieses Ausführungsbeispiel erfordert folglich eine große Speicherkapazität aufgrund der Verwendung der Tabelle. Darüber hinaus muß die Tabelle vollständig geändert werden, wenn sich Konstanten ändern. Auf diese Weise ist dies vom Gesichtspunkt der Justage her äußerst unbequem.
Es sei noch angemerkt, daß die Bedingung, wie sie in Fig. 21 dargestellt ist, unrealistisch ist. Die Laufzeit kann tatsächlich nicht auf 0 reduziert werden. Mit anderen Worten, ein gewisser Zeitablauf wird benötigt, selbst wenn die Entfernung 0 ist. Auf diese Weise können die charakteristischen Kurven durch den Ursprung des Graphen verlaufen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel werden demnach die folgenden Errechnungsformeln verwendet, um so die Justage selbst im Falle der Änderung der Konstanten zu vereinfachen.
Die Gruppenverzögerungszeit tg, die Phasenverzögerungszeit tp, die Gruppengeschwindigkeit vg, die Phasengeschwindigkeit vp und die Wellenlänge λp sind auf die Entfernung r bezogen, wie in den folgenden nachstehenden Formeln (8) und (9) ausgedrückt.
r = vg tg (8)
r = vp tp + n λp (9)
Auf den Formeln 8 und 9 wird der Wert der ganzen Zahl n abgeleitet wie er durch die nachstehende Formel (10) ausgedrückt ist.
n = [(vg tg - vp tp)/λp] (10)
Der Wert n ist eine positive ganze Zahl, die auch 0 annehmen kann. In Formel (10) enthält die Verzögerungszeit tg einen Fehler eines gewissen Bereichs. Durch Darstellung dieses Fehlers durch 1/nλp, wobei n eine reale Zahl außer 0 ist, wird die ganze Zahl n durch die nachstehende (11) angegeben.
n = [(vg tg - vp tp)/λp + 1/n] (11)
In Formel (11) wird der Wert n auf 2,0 gesetzt und die Stellen hinter dem Dezimalpunkt beim Rechnungsergebnis auf der rechten Seite der Formel (11) werden abgerundet. Wenn die Verzögerungszeit tg, die auf diese Weise errechnet ist, innerhalb des Bereichs von ± ½-Perioden fluktuiert, ist es möglich, den Wert der ganzen Zahl n zu errechnen. Der Wert n kann gemäß der Schwankungsabweichung der Verzögerungszeit tg bestimmt werden.
In der Formel (11) haben tg und tp eine Verzögerungszeit δt und eine Versatzzeit tof, wie in Fig. 23 dargestellt. Das Feststellergebnis wird folglich einen gewissen Fehler beinhalten, es sei denn, daß diese Verzögerungszeit Δt und die Versatzzeit tof eliminiert werden. Die ganze Zahl n kann nach Korrektur zur Elemenation der Verzögerungszeit Δt und der Versatzzeit tof von den Verzögerungszeiten tg und tp durch folgende Formel (12) ausgedrückt werden.
n = [(vg (tg - Δt) - vp (tp - Δt - tof))/λp + 1/n] (12)
Die Korrektur zur Beseitigung der Verzögerungszeit Δt und der Versatzzeit tof kann auch durch folgende Formel (9) erzielt werden.
r = nλp + vp (tp - Δt - tof) (13)
Die Terme, die die Fehler beinhalten, werden durch Substituierung des Wertes n korrigiert, welches durch die Formel (12) in Formel (13) bestimmt wird, so daß die Entfernung r zwischen dem Eingabestift 3 und dem Sensor 6 mit einem hohen Grad an Genauigkeit bestimmt werden kann, die der Phasenverzögerung eigen ist.
Indem der Fehlerterm durch terrg · t dargestellt wird, wird die nachstehende Formel (17) aus den nachstehenden Formel (12) und (13) hergeleitet.
r = f (vg, tg, vp, tp, λp, terrg · p)
= n · λp + vp (tp - terrp) (17)
Wobei n durch die nachstehende Formel angegeben wird:
n = [(vg (tg - terrg) - vp(tp - terrp)/λp + 1/n]
Darüber hinaus werden die Stellen unter dem Dezimalpunkt in dem Term innerhalb [] aufgerundet, und die nachstehende Annahme wird gemacht:
n ≥ 1
terrg = Δt, terrp = Δt + tof
Auf diese Weise wird der Term terrg · p aus einer Komponente Δt gebildet, welche die physikalische Verzögerung von dem Moment des Anstiegs des Ansteuersignals an der Schwingung des Eingangsstiftes 3 bis hin zur Feststellung der Schwingung durch den Sensor 6, einschließlich von Faktoren, wie die Verzögerung in der Schaltung und die erforderliche Zeit, um die Schwingungsenergie durch das Horn des Eingabestiftes zu bringen, und eine Komponente tof, die dem Phasenversatz entspricht. In der Operationssteuerschaltung wird die Entfernung r gemäß den Formel (13) und (17) bestimmt.
Wie schon beschrieben, werden die Positionskoordinaten gemäß der Erfindung durch Messung sowohl der Gruppengeschwindigkeit als auch der Phasengeschwindigkeit errechnet, die durch die Streuung der Plattenwelle bedingt ist, so daß die Auflösung (Genauigkeit) des Koordinateneingabegerätes, die typischerweise ein Digitalisiergerät ist, in vorteilhafter Weise verbessert wird. Darüber hinaus ist es möglich, einen transparenten Digitalisierer des Typs zu erhalten, bei dem die Eingabe- und Ausgabeeinrichtungen eine Einheit bilden.
Es sei auch noch angemerkt, daß das Koordinateneingabegerät dieses Ausführungsbeispiels es ermöglicht, in einfacher Weise mit der Forderung nach Änderung von Konstanten und anderen Faktoren zu Recht zu kommen, weil die Entfernung zwischen dem Eingabestift und dem Sensor gemäß einer vorbestimmten Formel auf der Grundlage sowohl der Gruppengeschwindigkeit als auch der Phasengeschwindigkeit bestimmt wird. Darüber hinaus kann die Korrektur des Eliminierungseinflusses der Verzögerung und des Versatz ohne Schwierigkeiten erreicht werden.
In diesem Ausführungsbeispiel wird somit durch Bereitstellen eines Feststellfensters, das aus einem monostabilen Multivibrator gebildet ist, und einer Vergleichspegel-Lieferschaltung somit ein hoher Grad an Genauigkeit der Feststellung der Positionskoordinaten erzielt, ohne von Feststellfehlern berührt zu sein.
Des weiteren ist es möglich, die Gruppenverzögerungszeit tg und die Phasenverzögerungszeit tp aus der Hüllkurve und bzw. dem festgestellten Signal mit einem hohen Grad an Genauigkeit aufgrund des Bereitstellens der Verzögerungsregelschaltung festzustellen.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Feststellung der Phasenverzögerungszeit tp nicht durch Erfassen der Spitze des Feststellsignals ausgeführt, sondern durch Erfassen eines Nulldurchgangspunktes. Folglich kann die Phasenverzögerungszeit tp mit einem hohen Grad an Genauigkeit festgestellt werden, ohne von den Einflüssen des Kontaktandruckes und des Störabstandes des Feststellsignals berührt zu werden, der unweigerlich die Feststellung in dem bekannten Gerät beeinflussen, indem die Phasenverzögerungszeit durch Erfassen des Spitzenwertes des Feststellsignals festgestellt wird. Dies liefert einen Beitrag zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit bei der Feststellung der Positionskoordinaten.

[Andere Beispiele einer Empfangssignal-Feststellschaltung und der Betrieb derselben]

In dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Hüllkurve 16 des Feststellsignals zum Zwecke der Bestimmung der Gruppenverzögerungszeit der Differenzierung erster Ordnung unterzogen, und dann wird die Verzögerungszeit Tp auf der Grundlage der Phasengeschwindigkeit durch Erfassen des Nulldurchgangspunktes bestimmt. Diese Operation ist jedoch lediglich veranschaulichend, weil die Feststellung des Empfangssignals in unterschiedlicher Weise ausgeführt werden kann.
Beispielsweise bei einer anderen Art der Empfangssignal-Feststellschaltung wird das Feststellsignal einer zweite Ableitung unterzogen, wobei der Nulldurchgangspunkt der Kurvenform und der Nulldurchgangspunkt der von der zweite Ableitung festgestellte Nulldurchgangspunkt festgestellt werden. Eine derartige Operation schafft einen steileren Abfall der Kurve und von daher eine größere Genauigkeit der Feststellung, verglichen mit dem vorherigen Ausführungsbeispielen, bei denen lediglich die erste Ableitung gebildet wird, um den Spitzenwert der Hüllkurve 16 festzustellen.
Ein Beispiel der Anordnungen zur Durchführung einer derartigen Operation wird nachstehend anhand der Fig. 24 und 25 beschrieben. Fig. 24 ist eine Veranschaulichung des inneren Aufbaues eines anderen Beispiels der Empfangssignal-Feststellschaltung 9, während Fig. 25 eine Zeittafel ist, die die Operation dieser Schaltung veranschaulicht.
Diese Empfangssignal-Feststellschaltung enthält eine Differenzierschaltung 86 zweiter Ordnung, die zur Bildung einer zweiten Ableitung bezüglich der Hüllkurve des Feststellsignals eingerichtet ist. Diese Schaltung verwendet des weiteren verschiedene Bauteile, die die gleichen sind, wie jene der zuvor in Verbindung mit Fig. 17 erläuterten Schaltung, und diese sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Im Betrieb wird die Hüllkurve 52 des Feststellsignals, das in der Hüllkurven-Feststellschaltung 20 erzeugt wird, der Behandlung in der Differenzierschaltung 86 zweiter Ordnung unterzogen, die dann eine Signalkurvenform 53 durch eine Differentiation der ersten Ordnung erzeugt und dann eine Kurvenform 91 durch Differentiation der zweiten Ableitung erzeugt. Um den Nulldurchgangspunkt der Kurvenform 91 der zweiter Ableitung festzustellen, wird ein Signal 101 von der Tg-Signalfeststellschaltung 22 erzeugt. Dieses Signal 101 wird zur Operationssteuereinheit 1 geliefert und auch zu dem monostabilen Multivibrator 23, um so ein Signal 102 mit H-Pegel einer bestimmten Dauer zu erzeugen. Nachfolgend wird ein Impulssignal 103 in der Vergleichspegel-Lieferschaltung 24 durch Invertieren des Impulssignals 102 gebildet, und das solchermaßen erzeugte Impulssignal 104 wird in einen der Eingänge der Tp-Feststellschaltung gegeben, die als Vergleicher fungiert. Zwischenzeitlich liefert die Verzögerungszeit-Regelschaltung 25 das Feststellsignal 17 aus dem Vorverstärker 19 an den anderen Eingang der Tp-Feststellschaltung 26 mit einer vorbestimmten Verzögerungszeit, die die Verzögerung während der Verarbeitung des Signals durch die verschiedenen Schaltungen, wie schon erwähnt, übersteigt. Die Tp-Feststellschaltung 26 vergleicht das Signal 103 mit dem Feststellsignal 17 und erzeugt ein Signal 104. Die Zeitdauer, bis dieses Signal 104 festgestellt wird, wird als Laufzeit auf der Grundlage der Phasengeschwindigkeit festgestellt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Positionskoordinaten, die durch Verwendung sowohl der Verzögerungszeit Tg als auch der Verzögerungszeit Tp errechnet werden. Dieses Rechenverfahren ist grundlegend das gleiche, wie es zuvor in Verbindung mit den vorigen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, so daß eine detaillierte Beschreibung fortgelassen wird.
Aus der vorstehenden Beschreibung versteht sich, daß dieses Ausführungsbeispiel nach der Erfindung von einer elastischen Plattenwelle Gebrauch macht. Diese Welle liefert aufgrund der Streuung, die diesem Wellentyp eigen ist, die Gruppengeschwindigkeit und Phasengeschwindigkeit der elastischen Welle, sowohl derjenigen die gemessen wird, als auch derjenigen die in der Errechnung der Positionskoordinaten verwendet wird. Es ist folglich möglich, ein hohes Auflösungsvermögen (Genauigkeit) der Positionsfeststellung zu erzielen, die in dem Koordinateneingabegerät ausgeführt wird, welches typischerweise ein Digitalisierer ist. Darüber hinaus wird es möglich, einen Digitalumsetzer des Typs zu schaffen, bei dem die Eingangs- und Ausgangseinrichtungen zu einer Einheit zusammengefaßt sind, indem von einem durchsichtigen Schwingungsausbreitungsmedium, wie beispielsweise Glas, Gebrauch gemacht wird.
Es ist auch möglich, die Beziehung zwischen Faktoren Tg, Tp und l innerhalb des Tabellenbereichs in der Operationssteuereinheit 1, die in Fig. 1 dargestellt ist, in Form einer Tabelle zu speichern. Die Verwendung einer derartigen Tabelle beseitigt die Notwendigkeit zur komplizierten Berechnung, so daß die Signalverarbeitungszeit abgekürzt wird, während ein hoher Grad von Genauigkeit der Positionsfeststellung sichergestellt wird.
Der monostabile Multivibrator 23 und die Vergleichspegel-Lieferschaltung 24 bilden gemeinsam ein Feststellfenster in der Empfangssignal-Feststellschaltung 9. Dieses Feststellfenster dient der Sicherstellung eines hohen Grades an Genauigkeit der Positionsfeststellung, während unvorteilhafte Wirkungen von Fehlern befreit werden. Die Verwendung der Verzögerungszeit-Regelschaltung 25 ermöglicht den Verzögerungszeiten Tg und Tp, aus der Hüllkurve und der Feststellsignalwelle genau festgestellt zu werden, wodurch ein Beitrag zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit bei der Feststellung der Positionskoordinaten geliefert wird.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Verzögerungszeit Tp auf der Grundlage der Phasengeschwindigkeit festgestellt, indem der Nulldurchgangspunkt festgestellt wird, wodurch verschiedene unerwünschte Wirkungen eliminiert werden, die unvermeidlich aufgrund der Tatsache erzeugt werden, daß eine Stiftandruckkraft und ein Störabstand in demjenigen bekannten Gerät erzeugt wird, das zur Feststellung der Spitze des Signals ausgelegt ist.
Die Schaffung einer Verzögerungszeit-Regelschaltung 25 ist nicht bedeutsam. Diese Schaltung kann nämlich fortgelassen werden, vorausgesetzt, daß die Multiplikation mit den Koeffizienten gemäß der Verzögerungszeit zuvor in der Operationssteuereinheit 1 durchgeführt wird.
In einer abweichenden Form dieses Ausführungsbeispiels sind die Beziehungen zwischen den Verzögerungszeiten Tg und Tp zuvor in Form einer Tabelle gespeichert, und ein Wert Tg' der Zeitverzögerung einer höheren Genauigkeit wird aus der Tabelle abgeleitet, indem von dem Wert der Verzögerungszeit Tp Gebrauch gemacht wird, die innenwohnend eine hohe Genauigkeit aufweist. Da die Werte Tg und Tg' auf einem Linienzug liegen, ist es möglich, die x- und y- Koordinaten direkt aus dem auf die Weise bestimmten Zeitverzögerungswert Tg' zu errechnen.

[Andere Ausführungsbeispiele]

In einem abweichenden Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung wird die Kurvenform des Schwingungsansteuersignals (Ansteuerimpulssignal) in geeigneter Weise in der in Fig. 1 dargestellten Schwingungsansteuerschaltung 2 moduliert, so daß eine Vielzahl von Spitzen in den Feststellsignalen auftreten können, d. h., in den Ausgangssignalen von den Sensoren. Im Betrieb wird die erste Spitze festgestellt, und das Signal, das abhängig von der Feststellung des ersten Spitzenwertes erzeugt wird, wird im vorstehenden Ausführungsbeispiel anstelle der Verzögerungszeit Tg als Signal verwendet, das die Gruppenlauf-Verzögerungszeit Tg repräsentiert. Dann wird die Phasenlauf-Verzögerungszeit Tp in gleicher Weise wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen festgestellt, und die Positionskoordinaten werden unter Verwendung dieser Werte der Verzögerungszeit Tg und Tp errechnet.
In Fig. 26 ist die Kurvenform der gewöhnlichen Impulssignale zur Ansteuerung des Schwingers ähnlich den Ansteuerimpulsen, wie sie in Fig. 15 dargestellt sind, mit Bezugszeichen 60 versehen. Die Schwingung, die von dem Schwinger durch den Ansteuerimpuls 60 erzeugt und dann auf das Schwingungsausbreitungsmedium übertragen wird, wird dann durch letzteres geführt und von dem Sensor 6 erkannt. Nach Erkennen der Schwingung erzeugt der Sensor ein Feststellsignal 61, das in Fig. 26 dargestellt ist. In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Gruppenlauf-Verzögerungszeit Tg durch Feststellung der Spitze der Hüllkurve 64 dieses Feststellsignals 61 festgestellt, und die Phasenlauf-Verzögerungszeit Tp wird entsprechend dem Wert der Gruppenlauf-Verzögerungszeit Tg festgestellt, gefolgt von der Berechnung der Positionskoordinaten, welche durch Anwendung beider Verzögerungszeiten Tg und Tp durchgeführt wird. In gegensätzlicher Weise werden in dem hier zu beschreibenden Ausführungsbeispiel die Schwingungsansteuerimpulse in geeigneter Form moduliert, wie durch 62 in Fig. 26 dargestellt. Wenn der Schwinger 4 des Eingabestiftes 3 von diesem modulierten Ansteuersignal erregt wird, zeigt das von dem Sensor 6 erzeugte Feststellsignal die in Fig. 26 unter 63 dargestellte Kurvenform.
Das somit gewonnene Feststellsignal 63 wird an die Empfangssignal-Feststellschaltung 9 geliefert, die von der in Fig. 24 dargestellten Art sein kann, um differenziert zu werden, wodurch der erste Nulldurchgangspunkt, d. h., der Spitzenpunkt T festgestellt wird. Das Signal, das in Erwiderung dieses Nulldurchgangspunktes erzeugt wird, wird als Signal verwendet, das für die Gruppenlauf-Verzögerungszeit Tg repräsentativ ist. Dann wird das die Phasenlauf-Verzögerungszeit Tp repräsentierende Signal in der zuvor beschriebenen Weise festgestellt, und die Errechnung wird von der Operationssteuereinheit 1 ausgeführt, so daß die Positionskoordinaten mit einem hohen Grad an Genauigkeit aus den Werten von Tg und Tp bestimmt werden.
Die Modulation des Schwingungsansteuersignals erzeugt einen vorteilhaften Effekt, der darin besteht, daß die reflexionsbeeinflußte Zone von der Endoberfläche des Ausbreitungsmediums 8 oder von der Oberfläche des Antireflexionsgliedes 7 reduziert werden kann. Wenn nämlich das Feststellsignal die durch 61 bedeutete Kurvenform in Fig. 26 aufweist, wird die reflektierte Welle mit dem hinteren Ende der festgestellten Welle überlagert, so daß die Kurvenform des Feststellsignals in unerwünschter Weise verzerrt ist, mit dem Ergebnis, daß die Gruppenlauf-Verzögerungszeit Tg und Phasenlauf-Verzögerungszeit Tp nicht genau festgestellt werden können. Um den Einfluß der reflektierten Welle zu minimieren, wird folglich so verfahren, daß die Laufzeiten Tg und Tp von einem Abschnitt des Feststellsignals nahe der vorderen Flanke desselben festgestellt werden. In diesem Ausführungsbeispiel erscheint die erste Spitze im Feststellsignal dank der Verwendung des modulierten Ansteuersignals 62 in einem Abschnitt des Feststellsignals wie im Falle des Feststellsignals 63 nahe der vorderen Flanke desselben. Es ist folglich möglich, die Positionskoordinaten genau festzustellen, ohne daß die Feststellung von der Reflexion der Schwingungswelle beeinflußt wird. Es braucht nicht gesagt zu werden, daß der Punkt der Feststellung der Laufzeit Tg des weiteren an die Vorderflanke des Feststellsignals 63 angenähert werden kann, indem die Hüllkurve 65 einer zweiten Ableitung unterzogen wird und der erste Nulldurchgangspunkt verwendet wird, d. h., der erste Wendepunkt H als Laufzeit Tg.
Darüber hinaus kann auch das Antireflexionsglied 7 die reflektierten Wellen vollständig absorbieren. Einige werden von dem Antireflexionsglied 7 reflektiert, und die Kurvenform des Feststellsignals wird durch diese Reflexion beeinflußt.
Fig. 27 zeigt ein Beispiel des Aufbaues der Schwingungsansteuerschaltung 2, die für die Verwendung zur Ausführung der Modulation des Ansteuersignals geeignet ist. In dieser Figur liefert die Operationssteuereinheit 1 ein Schwingungsansteuersignal 100 an die Schwingungsansteuerschaltung 2. Das Schwingungsansteuersignal 100 ist ein Impuls mit einer in Fig. 28 dargestellten Kurvenform. Das Signal 100 wird an die Frequenzteilschaltung 42 geliefert, die das Ansteuersignal 100 durch vier teilt, um so ein Signal 42' zu erzeugen, das die in Fig. 28 dargestellte Kurvenform aufweist. Ein Bezugszeichen 43 bedeutet eine Synchronisierschaltung, die die Zeiten des Anstiegs der Signale 100 und 42' entzerrt. Eine UND-Schaltung 44 (logisches Produkt) ist eingerichtet, das logische Produkt (UND) des Signals 100 mit 42' zu erzeugen, wodurch ein Signal 44 gebildet wird, das eine in Fig. 28 dargestellte Kurvenform aufweist. Koeffizientenschaltungen 45 sind zur Verstärkung der Signale 44' und 100 mit unterschiedlichen vorbestimmten Verstärkungsfaktoren eingerichtet. Eine Verstärkeransteuerschaltung addiert die Ausgangssignale aus diesen beiden Koeffizientenschaltungen 45 und verstärkt die Summe auf den Pegel der Ansteuerspannung, wodurch das Ansteuersignal 46' (siehe Fig. 28) zur Ansteuerung des Schwingers 4 im Eingabestift 3 erzeugt wird. Beispiele der modulierten Ansteuersignal-Kurvenform sind unter 63 in Fig. 26 und unter 46' in Fig. 28 dargestellt. Diese Modulationsmuster sind jedoch nicht die ausschließlich möglichen, und der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist auch mit anderen Modulationsmustern des Ansteuersignals erreichbar.
In einer gegenüber diesem Ausführungsbeispiel abweichenden Form wird die Beziehung zwischen den Verzögerungszeiten Tg und Tp zuvor in Form einer Tabelle gespeichert, und es wird ein Wert Tg' der Verzögerungszeit mit höherer Genauigkeit aus der Tabelle unter Verwendung des Wertes der Verzögerungszeit Tp abgeleitet, dem eine hohe Genauigkeit innewohnt. Da sich die Werte Tg und Tg' auf einem Linienzug befinden, ist es möglich, die x- und y-Koordinaten aus diesen solchermaßen festgelegten Verzögerungszeitwert Tg' direkt zu errechnen.
Es ist ebenfalls möglich, die Gruppengeschwindigkeit durch Erkennen des Nulldurchgangspunktes eines Signals festzustellen, das durch eine zweite Ableitung der Hüllkurve der Feststellsignals gewonnen wird, wie in den Fig. 24 und 25 dargestellt, anstelle der Feststellung des Spitzenwertes der Hüllkurve. Die zweite Ableitung schafft einen steileren Abfall der Kurve zur Feststellung der Verzögerungszeit und von daher einen höheren Grad an Genauigkeit, verglichen mit dem Fall, wo der Nulldurchgangspunkt durch eine erste Ableitung erkannt wird, d. h., der Fall bei dem der Spitzenwert der Hüllkurve festgestellt wird. Das Feststellungsverfahren, das sich auf die Erkennung des Spitzenwertes der Hüllkurve verläßt, tendiert dazu, von verschiedenen Faktoren beeinflußt zu werden, wie beispielsweise von der Stiftandruckkraft und dem Störverhältnis der Feststellwelle. Das Verfahren, das sich auf die Erkennung des Nulldurchgangspunkt gemäß der zweiten Ableitung beruft, ermöglicht es, die Phasenverzögerungszeit Tp festzustellen, ohne von diesen Faktoren beeinflußt zu werden.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein hohes Auflösungsvermögen erzielt, weil die Positionskoordinaten auf der Grundlage sowohl der Gruppengeschwindigkeit als auch der Phasengeschwindigkeit errechnet werden, die als ein Ergebnis der Streuung der Plattenwelle der elastischen Welle erzeugt werden. Darüber hinaus ist das Ansteuersignal zur Ansteuerung des Schwingers des Eingabestiftes moduliert, so daß der erste Wendepunkt in der von der Feststellung abgeleiteten Feststellsignal-Kurvenform in der Nähe dieser Kurvenform auftritt, womit jedwede Tendenz, von der reflektierten Welle beeinflußt zu werden, für die Feststellung des Wendepunktes reduziert wird. Dieses macht es in der Folge möglich, die Entfernung zwischen der Reflexionsoberfläche und dem Feststellpunkt zu verringern, so daß das Koordinateneingabegerät einen größeren effektiven Feststellbereich aufweist, über den die Positionskoordinaten genau festgestellt werden können.
Es ist auch möglich, die Beziehungen zwischen den Faktoren Tg, Tp und l in der Form einer Tabelle zu speichern. Die Verwendung einer solchen Tabelle verkürzt die Signalverarbeitungszeit, wobei ein hoher Grad an Genauigkeit der Positionsfeststellung sichergestellt ist.
Der monostabile Multivibrator und die Vergleichswert-Lieferschaltung in Verbindung bilden ein Feststellfenster, welches dazu dient, einen hohen Grad von Genauigkeit bei der Positionsfeststellung sicherzustellen, wobei unerwünschte Effekte von Fehlern eliminiert werden. Die Verwendung der Verzögerungszeit-Regelschaltung ermöglicht, die Verzögerungszeiten Tg und Tp genau aus der Hüllkurve und der Feststellsignalwelle festzustellen, womit ein weiterer Beitrag zur Erhöhung der Genauigkeit bei der Feststellung der Positionskoordinaten gegeben ist.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Verzögerungszeit Tp auf der Grundlage der Phasengeschwindigkeit durch Feststellung des Nulldurchgangspunktes gegenüber dem Spitzenpunkt festgestellt, wodurch verschiedene unerwünschte Wirkungen beseitigt werden, die unvermeidlich aufgrund von Faktoren aufkommen, wie durch die Stiftandruckkraft und den Störabstand bei dem bekannten Gerät, das zur Feststellung des Spitzenwertes des Signals eingerichtet ist.
Wenn in diesem Ausführungsbeispiel die gemessenen Verzögerungszeiten t&sub0;, t&sub1; bzw. t&sub2; Fehler d&sub0;, d&sub1; und d&sub2; enthalten, enthalten die Koordinatenwerte, die gemäß der zuvor erwähnten Formel gebildet werden, die folgenden Fehler für die Kooridanten x bzw. y:
Für x: Vk² {(d&sub0; - d&sub1;¹) + 2 (t&sub0;d&sub0; - t&sub1;d&sub1;)}/2X
Für y: Vk² {(d&sub0; - d&sub2;²) + 2 (t&sub0;d&sub0; - t&sub2;d&sub2;)}/2Y (14)
Aus dem zweiten Term jeder Formel (14) variiert der Wert des enthaltenen Fehlers abhängig von der Verzögerungszeit, d. h., abhängig von der Entfernung vom Sensor. Genauer gesagt, der Fehler wächst, und von daher wird die Feststellgenauigkeit mit der Verzögerungszeit ansteigen, wenn die Entfernung wächst.
Fig. 29 veranschaulicht den Eingabeabschnitt dieses Ausführungsbeispiels des Koordinateneingabegerätes gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet einen zusätzlichen Sensor 6d. Die Laufverzögerungszeit gemäß der Entfernung zwischen dem angegebenen Punkt P und dem Sensor 5d wird durch t&sub3; dargestellt. Andere Abschnitte sind grundlegend die gleichen wie jene der Fig. 2.
Im Betrieb erreicht die elastische Welle, die am angegebenen Punkt P erzeugt wird, den Sensor 6d und den Sensor 6b, 6c und 6a, die in der genannten Reihenfolge erreicht werden. Folglich ergibt sich die nachstehende Bedingung.
t&sub3; ≤ t&sub2; ≤ t&sub0; (15)
Der Fehler, der in dem Ergebnis der Berechnung der Koordinaten enthalten ist, steigt an, wenn die Verzögerungszeit länger wird. Folglich wird in diesem Ausführungsbeispiel die Koordinatenberechnung durch Verwendung nur drei früherer Daten ausgeführt: nämlich der Daten, die an der ersten, zweiten und der dritten Stelle geliefert werden.
Die Berechnung der Koordinaten wird gemäß der folgenden Gleichung durchgeführt:
x = X/2 + (Sx)Vk² (ta + tb) (ta - tb)/2X
y = Y/2 + (Sy)Vk² (ta + tc) (ta - tc)/2Y (16)
Wobei x und y die Koordinaten des von dem Eingabestift 3 bestimmten Punktes sind, Sx und Sy stellen Variabele dar, die das Vorzeichen der jeweiligen Formel angegeben, und ta, tb und tc stellen Verzögerungszeiten dar, die gemäß der Sequenz der Ankunft der elektrischen Welle bestimmt sind. Die Faktoren Sx, Sy, ta, tb, und tc werden durch die Software durch Sensoren bestimmt, die die Minimalverzögerungszeit vorgeben, gemäß der folgenden Tabelle.
Fig. 30 ist ein Arbeitsablaufplan, der den Prozeß zeigt, der von dem Koordinateneingabegerät nach der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Dieses Flußdiagramm ist in einem ROM gespeichert.
In Schritt S1 wird eine Initialisierung zum Anlassen des internen Taktes und des Flipflop u. a. durchgeführt. In Schritt S2 wird die Ansteuerung des Schwingers des Eingabestiftes 3 und des Zählers gestartet. In Schritt S3 werden die Feststellsignale empfangen, die die Feststellung der elastischen Welle aus allen Sensoren aus der Empfangssignal-Feststellschaltung 9 darstellen. Wenn kein Feststellsignal innerhalb einer vorbestimmten Zeit empfangen wird, verläßt der Vorgang den Ablauf bei Schritt S11, und ein anderer Vorgang wird begonnen. In Schritt S4 werden die Verzögerungszeiten verglichen, und es wird ein Befehl an die Sensoren gegeben, daß derjenige Sensor, der die kürzeste Verzögerungszeit erzeugt hat, als erster drankommt. Wenn zwei oder mehr Sensoren die gleiche Verzögerungszeit geliefert haben, schreitet die Verarbeitung von Schritt S5 zu Schritt S10, bei dem die Reihenfolge derart durch eine vorbestimmte Regel festgelegt wird, daß beispielsweise der Sensor mit der kleinsten Seriennummer die Priorität bekommt. Wenn der Sensor, der die kürzeste Verzögerungszeit geliefert hat, in Schritt S6 bestimmt wird, schreitet die Verarbeitung zu Schritt 7, in dem die Faktoren Sx, Sy, ta, tb, tc in Übereinstimmung mit Tabelle 1 festgelegt werden, und die Verarbeitung der Koordinaten wird in Schritt S8 durchgeführt. Dann werden in einem nachfolgenden Schritt S9 die Koordinaten im RAM gespeichert und zur gleichen Zeit an eine externe Einrichtung die an eine Anzeige 11 geliefert, wodurch ein Zyklus der Operation abgeschlossen ist. Dann wird der oben beschriebene Ablauf gemäß der Anzahl der Abtastzyklen wiederholt. Die Auslieferung der Koordinaten an die externe Einrichtung geschieht in der Weise, daß die Anzeige 11 so erfolgen kann und die Anzeige 11 einen Fleck an der Stelle auf der Anzeige zur Anzeige bringt oder um einen nummerischer Wert zu liefern, der die Koordinaten darstellt. Die oben beschriebenen Operation wird von der CPU der Operationssteuereinheit gemäß einem in dem ROM gespeicherten Programm gesteuert und ausgeführt.
Obwohl der beschriebene Ablauf der Verarbeitung der Verzögerungszeiten, die von allen Sensoren gegeben werden, zur Bestimmung der Reihenfolge aller Sensoren durch eine Software verglichen werden, ist dies nicht der ausschließliche Weg; die Reihenfolge kann auch durch eine Hardware festgelegt werden. Es ist auch möglich, die Verarbeitungsoperationen so einzurichten, daß die Operationen beginnen, wenn die Verzögerungszeiten vom ersten, zweiten und dritten Sensor erzeugt werden.
Fig. 31 zeigt ein Beispiel der Schaltung, die zum Beginnen mittels einer Hardware eingerichtet ist, die Operationen verarbeitet, wenn die Verzögerungszeiten von den drei Sensoren empfangen worden sind. Bezugszeichen 64 bis 67 bedeuten Feststellsignale, die von der Empfangssignal-Feststellschaltung 9 geliefert werden und stellen dar, daß elastischen Wellen von den Sensoren 6a bis 6d festgestellt worden sind. Diese Signale werden in der Empfangssignal-Feststellschaltung 9 zwischengespeichert, bis der nächste Feststellzyklus beginnt. Wenn frühere drei Signale unter diesen Signalen erzeugt worden sind, wird das Datenendgerät 75 von der UND-Schaltung 68 bis 71 und der ODER-Schaltung 72 EIN- geschaltet, so daß diese drei Signale an den Ein/Ausgabebaustein ausgegeben werden. Wenn eines oder mehrere Signale unter den vier Signalen gleichzeitig mit dem ersten Signal ausgeliefert worden sind, werden diese Signale von der Zwischenspeicherschaltung 74 gemäß dem Ausgangssignal der ODER-Schaltung zwischengespeichert und werden als ein Ordnungsdatum an den Ein/Ausgabebaustein geliefert. Die Operationssteuereinheit 1 überwacht den Ein/Ausgabebaustein und stellt das Einsetzen und die Ordnung der Daten aus den abgeleiteten Daten aus dem Datenendgerät 75 ab und die aus der Zwischenspeicherschaltung 74 abgeleiteten Daten. Wenn zwei oder mehr Daten gleichzeitig erzeugt werden, wird in Schritt 10 die Ordnung per Software in dem Ablaufplan in der zuvor erläuterten Weise vorgegeben. Es ist möglich, durch Verwendung dieser Hardware, die in der beschriebenen Schaltungsanordnung eingesetzt ist, eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erzielen.
Obwohl in diesem Ausführungsbeispiel die Berechnung unter Verwendung der früheren drei Verzögerungszeiten aus drei von vier Sensoren durchgeführt wurde, ist dies nicht als eine Beschränkung anzusehen, und der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels kommt zum Tragen, wenn die Berechnung unter Verwendung von zwei Verzögerungszeiten aus zwei von drei Sensoren erfolgt oder wenn fünf oder mehr Sensoren verwendet werden. Es versteht sich auch, daß das Prinzip dieses Ausführungsbeispiels nicht nur auf die beschriebene zweidimensionale Feststellung anwendbar ist, sondern auch für den Fall verwendet werden kann, daß die Koordinatenfeststellung ein- oder mehrdimensional durchgeführt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel werden auf diese Weise die Koordinaten der festgelegten Position unter Verwendung von Daten bestimmt, die die Verzögerungszeiten einer Vielzahl von Sensoren repräsentieren. Das Koordinateneingabegerät dieses Ausführungsbeispiels hat Sensoren und Feststellschaltungen in einer solchen Anzahl, die wenigstens um Eins größer ist als die erforderliche Anzahl zur Feststellung. Im Betrieb werden die Daten aus den Sensoren von dem frühesten aufgenommen, und die Verarbeitung der Koordinaten wird begonnen, sobald die erforderliche Anzahl von Daten vorliegt. Mit dieser Anordnung, die eine große Entfernung zwischen der festgelegten Stelle und den Sensoren aufweist, ist es möglich, die Fehler zu reduzieren, weil die Verarbeitung unter Verwendung von Daten aus den Sensoren erfolgt, die verhältnismäßig nah an der bestimmten Stelle liegen. Aus dem gleichen Grund wird die Abschwächung der Signalpegel vermindert, und Fehler aufgrund von eingeschlossenen Fehlern können minimiert werden. Dieses Ausführungsbeispiel bietet somit ein Koordinateneingabegerät, das in der Lage ist, die Koordinaten mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu bestimmen, während die Schwankung des Fehlerbetrages minimiert wird, der auf der Änderung der bestimmten Stelle beruht.
In der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Schwingungslaufzeit durch Feststellung der Spitze oder eines Wendepunkte der Hüllkurve des Feststellsignals durch Feststellung des Nulldurchgangspunktes des Feststellsignals bestimmt. Die Erfindung jedoch schließt nicht eine solche Form aus, daß die Schwingungslauf zeit aus dem Signal bestimmt wird, das von dem Sensor 6 erzeugt wird, ohne daß Informationen über die Hüllkurve erforderlich sind. Ein Ausführungsbeispiel, das die Bestimmung der Schwingungslaufzeit ohne das Erfordernis der Formation der Hüllkurve möglich ist, wird nachstehend beschrieben.
Wie zuvor erläutert, kann ein Feststellfehler der Verzögerungszeit in der Größenordnung von etwa ± ½ Wellenlängen verursacht werden, abhängig davon, welcher Abschnitt des Feststellsignals 17 (siehe Fig. 32) als Index für die Laufzeit verwendet wird, die für die Schwingung gebraucht wird, um sich von der Position des Stiftes 3 zur Position des Sensors 6 zu bewegen.
Beispielsweise im Falle, bei dem ein vorbestimmter Schwellwert S für das Signal 17 so eingestellt wird, daß das Feststellsignal in der Lage ist, aus der Kurvenform, wie unter B in Fig. 32 gezeigt, herausgezogen zu werden, variieren die Positionen der kleinen Wellen, d. h., die Phase variiert entsprechend der Entfernung zwischen dem Stift 3 und dem Sensor 6 aufgrund der Streuung der Wellen. In der Folge kann die festgestellte Laufverzögerungszeit um einen Betrag entsprechend der fast einen ganzen Wellenlänge λ abweichen, selbst wenn ein sehr geringer Versatz des Eingabestiftes 3 vorliegt, wie in den Fig. 32A bis 32D gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel wird folglich die Laufzeit unter Verwendung der Gruppengeschwindigkeit der kleinen Wellen (Gruppengeschwindigkeit) festgestellt, um so den zuvor erwähnten Fehler entsprechend einer ganzen Wellenlänge zu beseitigen, und die Positionskoordinaten werden auf der Grundlage dieser festgelegten Verzögerungszeit errechnet.
Wie beispielsweise in Fig. 33 gezeigt, wird ein Schwellwert mit einem Pegel nahe dem Nulldurchgangspunkt eingestellt und ein Vergleich wird durchgeführt, so daß Signale gebildet werden, wie sie unter 48 dargestellt sind. Das Ansteigen des vierten dieser Signale 48 wird festgestellt und als ein Signal 87 benutzt, das die Laufverzögerungszeit Tp·r (Phasenanstieg) des Feststellsignals 17 repräsentiert. Fig. 34 zeigt im Wege des Beispiels die Beziehung zwischen der Entfernung x zwischen dem Eingabestift 3 und einem der Sensoren 6, sowie die Laufverzögerungszeit Tp·r. Es ist ersichtlich, daß zwei Entfernungsdaten A und B für einen Feststellpunkt Tp·r1 in Fig. 34 erzeugt werden. Es ist daher erforderlich, eine Korrektur zu bewirken.
In dem vorstehenden und anhand Fig. 33 erläuterten Ausführungsbeispiel wird der Schwellwert auf einen Pegel gesetzt, der nahe dem Nulldurchgangspegel von der positiven Seite her liegt. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein zweiter Schwellwert mit einem Pegel eingestellt, der sich dem Nulldurchgangspunkt von der negativen Seite her annähert, und es wird ebenfalls ein Vergleich mit diesem Schwellwert bewirkt, so daß mit 49 versehene Signale in Fig. 35 gewonnen werden. In diesem Falle wird der Abfall des vierten der Signale 49 festgestellt, um so als ein Signal 88 verwendet zu werden, das die Laufverzögerungszeit Tp·f (Phasenabfall) des Feststellsignals 17 repräsentiert.
Fig. 36 zeigt im Wege des Beispiels die Beziehung zwischen der festgestellten Laufverzögerungszeit Tp·f und der Entfernung x zwischen dem Stift 3 und einem der Sensoren 6. Auf diese Weise wird für die Entfernungsdaten A und B ein einziges, in Fig. 34 dargestelltes Verzögerungszeitsignal Tp·f1 gewonnen, das für das einzige Verzögerungszeitsignal Tp·r1 gewonnen wird, und für dieses einzige Verzögerungszeitdatum Tp·f1 wird ein einziges Entfernungsdatum C gewonnen.
Somit ist es möglich, eine lineare Beziehung zwischen der Entfernung und der Laufzeitverzögerung ohne irgendeinen Schritt einer hochgradigen Genauigkeit auf der Grundlage zweier Feststellzeiten zu bestimmten, d. h., der Zeit, zu der der Anstieg des vierten Signals festgestellt wird, und der Zeit, zu der dessen Abfall aus einem einzigen Feststellsignal 17 festgestellt wird. Ein Beispiel dieses Vorgangs zur Bestimmung einer solchen linearen Beziehung wird nachstehend erläutert.
Beispielsweise wird das Entfernungsdatum betreffs der Verzögerungszeit Tp·r in Form einer Tabelle (siehe Fig. 1) innerhalb der Operationssteuereinheit gespeichert, die eine Speicherfunktion aufweist. In dem gestrichelten Bereich der Fig. 36 werden jedoch zwei Positionsdaten für eine einzige Verzögerungszeit Tp·r gewonnen, so daß eines dieser beiden Entfernungsdaten selektiv verwendet wird, indem von der Verzögerungszeit Tp·f als Bezug zur Beurteilung Gebrauch gemacht wird.
Es versteht sich, daß ein Versatz t&sub1; derzeit gemäß der ½ Wellenlänge des Feststellsignals 17 hauptsächlich zwischen den Verzögerungszeitsignalen Tp·r und Tp·f besteht. Darüber hinaus findet ein Zeitversatz statt, der auf +t&sub1; oder -t&sub1; für das Verzögerungszeitsignal Tp·r in dem gestrichelten Bereich von Fig. 36 ansteigt. Wo diese Bedingungen gewonnen werden, die in Fig. 36 dargestellt sind, wird folglich die Beurteilung betreffs welcher der Entfernungen A und B zu verwenden ist, nach der Entscheidung durchgeführt, ob der Versatz des Signals Tp·f 1 in Hinsicht auf das Signal Tp·r1 +t&sub1; oder -t&sub1; ist. In diesem veranschaulichten Fall ist dieser Zeitversatz -t&sub1;, so daß entschieden wird, daß das Signal Tp·r1 zu der Entfernung B gehört, und diese Entfernung B wird dann festgestellt. Die Feststellung der Entfernung, die nicht in den gestrichelten Bereich in Fig. 36 fällt, wird durch Auslesen und Verwenden der Entfernungsdaten gemäß dem Signal Tp·r direkt aus der Tabelle innerhalb der Operationssteuereinheit 1 ausgeführt.
Angenommen wird hier, daß die Entfernung des Pegels A die exakte Position anzeigt, Tp·f·2 wird als Tp·f-Signal gemäß dem Tp·r·1 festgestellt. Da in diesem Falle Tp·f·2 durch Tp·f·2 = Tp·f·1 + t&sub1; festgelegt wird, wird die Entfernung A beurteilt, daß exakte Datum darzustellen, welches die Koordinatenposition bestimmt.
Fig. 37 zeigt ein praktische Beispiel der Empfangssignal-Feststellschaltung, daß zur Verwendung der zuvor beschriebenen Feststellung der Laufverzögerungszeit geeignet ist. Es ist aus dieser Figur ersichtlich, das Feststellsignal 17 aus dem Sensor wird auf einen gewissen Pegel von dem Vorverstärker 19 verstärkt und das solchermaßen verstärkte Signal wird an eine Zeitvariation-Verstärkungsschaltung 92 geliefert, in der jedwede Änderung der Amplitude und des Feststellsignals gemäß der Verzögerungszeit kompensiert wird, so daß ein Signal 47 mit einer reduzierten Feststellfehlerkomponente. Das Signal 47 wird dann an einen Vergleicher 93 auf der positiven Seite geliefert zur gleichen Zeit mit einem Vergleicher 95 für die negative Seite, der vergleichbare Pegel auf der positiven Seite bzw. der negativen Seite hat. Die Ausgangssignale 48, 49 aus diesen Vergleichern werden an die Zähler 94, 96 geliefert, die eingerichtet sind, Signale nach Zählung einer vorbestimmten Anzahl von Impulsen zu liefern, d. h., vier Impulse wie in dem beschriebenen Falle, wobei ein Tp·f·2-Signal 87 und ein Tp·f·2-Signal 88 gewonnen werden, wie in Fig. 35 dargestellt.
Diese Signale 87 und 88 werden dann an die Operationssteuereinheit 1 geliefert, so daß die Entfernung x mit einem hohen Grad an Genauigkeit festgestellt wird, nach Aufsuchen des Inhalts der Tabelle (siehe Fig. 1), die zuvor in der Operationssteuereinheit 1 eingerichtet worden ist.
Auf diese Weise werden in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Positionskoordinaten durch Feststellung der Entfernung x zwischen einem jeden Sensor und dem Eingabestift durch Feststellung der Phasengeschwindigkeit festgestellt, die eine streuende Eigenschaft aufweist, und die somit festgestellten Positionskoordinaten werden auf der Anzeige 11 angezeigt oder an andere externe Einrichtung geliefert.
Fig. 38 zeigt im Wege des Beispiels den Aufbau der Zeitvariations-Verstärkungsschaltung. Im allgemeinen zeigt das Ausbreitungsmedium 8 derartige Eigenschaften, daß die Amplitudenspannung mit wachsender Verzögerungszeit abfällt, wie durch eine Kurve 98 in Fig. 39 mit durchgehender Linie gezeigt. Es ist folglich wirksam, diese reduzierte Amplitudenspannung durch Verstärkung des Ausgangssignal vom Verstärker mit einem Verstärker zu kompensieren, der einen Verstärkungsfaktor aufweist, der durch eine gestrichelte Kurve in Fig. 39 dargestellt ist. Es versteht sich, daß sich die Kennlinien und die Änderung der Verstärkung des Widerstandes Rds zwischen dem Drain- und dem Sourceanschluß eines FET (Feldeffekttransistors) einer exponentiellen Kurve annähern. Folglich kann die Kompensation zur Verringerung der Verstärkungsspannung durchgeführt werden, indem von der Lade/Entlade-Kennlinie eines Kondensators und eines Widerstands Gebrauch gemacht wird, die in der in Fig. 38 dargestellten Weise angeordnet sind. Das Zeitvariations-Startsignal wird an die Operationssteuereinheit 1 synchron mit dem Ansteuersignal zur Ansteuerung des Eingabestiftes 3 geliefert. Es ist offensichtlich für den Fachmann, daß die Arbeitsweise des in Verbindung mit Fig. 37 beschriebenen Ausführungsbeispiels auf der Grundlage des Zeitverzögerungssignals Tp·f erfolgen kann, obwohl der Vorgang auf der Grundlage des Verzögerungszeitsignals Tp·r beschrieben worden ist.
Es versteht sich aus der vorstehenden Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels, daß zwei die Laufverzögerungszeit anzeigende Signale durch Schwellwerte festgestellt werden, die auf der positiven und negativen Seite des von dem Sensor abgeleiteten Feststellsignals liegen; und durch den Eingabestift vorgegebenen Positionskoordinaten werden auf der Grundlage der solchermaßen erzielten beiden Zeitverzögerungssignale und der Phasengeschwindigkeit errechnet. Es ist folglich möglich, einen hohen Grad an Genauigkeit bei der Koordinatenfeststellung zu erzielen.
Es versteht sich auch, daß das beschriebene Ausführungsbeispiel von der Plattenwelle einer elastischen Welle in der Weise Gebrauch macht, daß alle Fehler bei der Feststellung minimiert werden, die sich aus der Differenz zwischen der Gruppengeschwindigkeit und der Phasengeschwindigkeit einstellen, und die Positionskoordinaten werden unter Verwendung des Anstiegs und des Abfalls der festgestellten Signalwelle und der Phasengeschwindigkeit errechnet, wodurch eine hochgradige Genauigkeit der Positionsfeststellung ermöglicht wird. Dies trägt zu einem Anstieg des Auflösungsvermögens (Genauigkeit) des Koordinateneingabegerätes bei, die typisch für einen Digitalumsetzer ist, um einen transparenten Digitalumsetzer zu konzipieren, der Eingabe- und Ausgabeeinrichtungen zu einer Einheit verbindet.
Es versteht sich auch, daß das beschriebene Ausführungsbeispiel in effektiver Weise den Feststellfehler der Zeitverzögerung reduziert, indem die Zeitvariations-Verstärkungsschaltung eingesetzt wird.
Darüber hinaus macht es das beschriebene Ausführungsbeispiel möglich, nur die Feststellsignale zu verwenden, die einen hohen Störabstand aufweisen, so daß die Feststellfehler durch geeignete Auswahl der Anzahl von in den Zähler zur Messung der Laufverzögerungszeit eingegebenen Impulsen möglich ist.
Der Zähler zur Messung der Laufverzögerungszeit ist des weiteren zur Auswahl von Impulsen eingerichtet, die nahe an der Anstiegsflanke des Feststellsignals liegen, welche Impulse einen großen Störabstand aufweisen und weniger von reflektierten Wellen beeinflußt werden. Dieses reduziert in effektiver Weise einen unerwünschten Effekt, der durch reflektierte Wellen von Endoberflächen des Schwingungssausbreitungsmedium hervorgerufen wird oder von dem Antireflexionsglied, und von daher wird der effektive Eingabebereich des Koordinateneingabegerätes vergrößert, der in typischer Weise einen Digitalumsetzer bildet.

Claims

1. Koordinateneingabegerät, mit: Schwingungserzeugungsmitteln (3 bis 5) zur von einem Signal abhängigen Schwingungserzeugung; Schwingungsausbreitungsmitteln (8) zur Schwingungsaufnahme aus den Schwingungserzeugungsmitteln und zur Fortpflanzung der aufgenommenen Schwingung; und mit Schwingungsfeststellmitteln (6a, 6b, 6c), die mit den Schwingungsausbreitungsmitteln in Kontakt stehend vorgesehen und zur Feststellung der von den Schwingungserzeugungsmitteln gelieferten Schwingung eingerichtet sind, gekennzeichnet durch erste Herleitmittel (22) zum Herleiten der Laufverzögerungszeit (Tg) der von den Schwingungsfeststellmitteln (6a, 6b, 6c) auf der Grundlage ihrer Gruppengeschwindigkeit festgestellten Schwingung; zweite Herleitmittel (26) zum Herleiten der Laufverzögerungszeit (Tp) der Schwingung aus der von den Schwingungsfeststellmitteln festgestellten Schwingung auf der Grundlage ihrer Phasengeschwindigkeit; und durch Entfernungsherleitmittel (1) zur Herleitung der Entfernung zwischen der Position, bei der die Schwingung von den Schwingungserzeugungsmitteln erzeugt wurde, und der Position, bei der das Schwingungsfeststellmittel angeordnet ist, auf der Grundlage der aus den ersten (22) und zweiten (26) Herleitmitteln hergeleiteten Laufverzögerungszeiten (Tg, Tp).

2. Koordinateneingabegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungsfeststellmittel zur Feststellung einer elastischen Plattenwelle eingerichtet ist.

3. Koordinateneingabegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungserzeugungsmittel (2) und das Schwingungsfeststellmittel (6a bis 6c) piezoelektrische Elemente enthalten.

4. Koordinateneingabegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungsausbreitungsmittel (8) ein transparentes Tabellenglied enthält.

5. Koordinateneingabegerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Anzeigemittel (11) vorgesehen sind, die von dem Schwingungsausbreitungsmittel (8) bedeckt sind.

6. Koordinateneingabegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Differenziermittel (86) zur Bewirkung einer Vielzahl von Differenzieroperationen bezüglich eines aus der Schwingung von dem Schwingungsfeststellmittel festgestellten Signals vorgesehen sind, wobei das erste Herleitmittel (22) die Laufverzögerungszeit auf der Grundlage eines Nulldurchganges des differenzierten Signals herleitet.

7. Koordinateneingabegerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernungsherleitmittel (1) einen Zähler (27) enthält, der zur Messung der Laufzeit der Schwingung von der Zeit des Absendens bis zur Ankunft der Schwingung eingerichtet ist.

8. Koordinateneingabegerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernungsherleitmittel eine Tabelle zur Umsetzung der Laufzeit in die Entfernung enthält.

9. Koordinateneingabegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Differenziermittel (86) zur Bewirkung einer Vielzahl von Differenzieroperationen bezüglich eines von der Schwingung durch das Schwingungsfeststellmittel festgestellten Signals vorgesehen sind, wobei das zweite Herleitmittel (26) die Laufverzögerungszeit auf der Grundlage eines Nulldurchgangs der Schwingung herleitet, die von dem Schwingungsfeststellmittel unmittelbar nach einem Nulldurchgangspunkt des differenzierten Signals festgestellt wird.

10. Koordinateneingabegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungserzeugungsmittel die Gestalt eines Stiftes hat und ein in dem Stift angeordnetes Schwingungserzeugungselement (4) enthält, wobei der Hauptkörper des Koordinateneingabegerätes Ansteuermittel (2) zur Ansteuerung des Schwingungserzeugungselementes aufweist.

11. Koordinateneingabegerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Modulationsmittel zur Modulation der vom Ansteuermittel erzeugten Impulse vorgesehen sind.

12. Koordinateneingabegerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des von dem Ansteuermittel (2) erzeugten Ansteuerimpulses im wesentlichen die gleiche wie die Resonanzfrequenz des Schwingungserzeugungselements (4) ist.

13. Koordinateneingabegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Kompensationsmittel (25) zur Kompensation des Zeitverlustes in der vom ersten Herleitmittel (22) hergeleiteten Laufverzögerungszeit vorgesehen sind.

14. Koordinateneingabegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl der Schwingungsfeststellmittel (6a bis 6c) auf dem Schwingungsausbreitungsmittel angeordnet sind, und daß Reihenfolgeeinstellmittel (74) vorgesehen sind, die die Reihenfolge der Vielzahl von Schwingungsfeststellmitteln einstellen, um so eine vorbestimmte Anzahl an Schwingungsfeststellmitteln aus aller Schwingungsfeststellmittel gemäß der Reihenfolge des Empfangs der Schwingungen auszuwählen, die sich durch das Schwingungsausbreitungsmittel fortgepflanzt haben, wobei das erste und das zweite Herleitmittel die jeweiligen Laufverzögerungszeiten auf der Grundlage der Schwingungsfeststellzeiten durch das vom Reihenfolgeeinstellmittel eingestellte Schwingungsfeststellmittel herleiten.

15. Koordinateneingabegerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß vier der Schwingungsfeststellmittel vorgesehen sind und daß drei der vier Schwingungsfeststellmittel von den Reihenfolgeeinstellmitteln ausgewählt werden.

16. Koordinateneingabegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungserzeugungsmittel die Form eines Stiftes hat und ein Schwingungserzeugungselement (4) zur Erzeugung einer Schwingung sowie ein Horn (5a) enthält, das die von dem Schwingungserzeugungselement am Ende des Stiftes erzeugte Schwingung überträgt.

17. Koordinateneingabegerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Montagemittel (12) an einer Stelle des Schwingungsknotens des Horns vorgesehen sind, sowie eine Fassung (13), die das Horn durch das Montagemittel hält.

18. Koordinateneingabegerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Montagemittel (12) ein Flansch ist.

19. Koordinateneingabegerät nach Anspruch 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß Ansteuerimpuls-Erzeugungsmittel (2) zum Antrieb des Schwingungserzeugungselements vorgesehen sind, die zur Erzeugung von Impulsen eingerichtet sind, deren Frequenz im wesentlichen mit der Resonanzfrequenz des Horns übereinstimmt.

20. Koordinateneingabegerät nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Horns im wesentlichen entweder sphärisch oder konisch geformt ist.

21. Koordinateneingabegerät nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn einen Durchmesser aufweist, der in Richtung des dem Schwingungserzeugungselement gegenüberliegenden Endes progressiv abnimmt.

22. Koordinateneingabegerät nach einem der Ansprüche 16 bis 21 dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungserzeugungselement (4) ein piezoelektrisches Element enthält.

23. Koordinateneingabegerät nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungserzeugungselement und das Horn aneinander gebondet sind.

24. Koordinateneingabeverfahren mit den Verfahrensschritten: Erzeugung einer Schwingung gemäß einem Signal, Beaufschlagen eines Schwingungsausbreitungsmittels (8) zur Fortpflanzung der beaufschlagten Schwingung; und Feststellung der fortgepflanzten Schwingung durch mit dem Schwingungsausbreitungsmittel in Kontakt stehende Feststellmittel (6), Herleiten der Laufverzögerungszeit (Tg) der Schwingung auf der Grundlage ihrer Gruppengeschwindigkeit aus der von dem Schwingungsfeststellmittel festgestellten Schwingung; Herleiten der Laufverzögerungszeit (Tp) der Schwingung auf der Grundlage ihrer Phasengeschwindigkeit aus der von dem Schwingungsfeststellmittel festgestellten Schwingung; und Herleiten der Entfernung auf der Grundlage der hergeleiteten Laufverzögerungszeiten zwischen der Position, an der die Schwingung durch die beaufschlagende Schwingung erzeugt wurde, und der Position, an der das Schwingungsfeststellmittel angeordnet ist.