DE69124588T2

DE69124588T2 - Koordinateneingabegerät

Info

Publication number: DE69124588T2
Application number: DE69124588T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Kamono; Kiyoshi Kaneko; Katsuyuki Kobayashi; Atsushi Tanaka; Shinnosuke Taniishi; Ryozo Yanagisawa; Yuichiro Yoshimura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-10-19
Filing date: 1991-10-17
Publication date: 1997-08-07
Anticipated expiration: 2011-10-18
Also published as: EP0491132B1; JPH04155425A; DE69124588D1; JP3109826B2; EP0491132A2; EP0491132A3; US5239138A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Koordinateneingabegerät wie im Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Koordinateneingabeverfahren wie im Oberbegriff von Patentanspruch 5 definiert.

Beschreibung des Stands der Technik

Ein in Fig. 13 gezeigtes Koordinateneingabegerät, das beispielsweise in dem US-Patent Nr. 4 931 965 offenbart ist, ist im Stand der Technik bekannt. Das Gerät gemäß Fig. 13 empfängt aus einem Vibrationsstift bzw. Vibrationseingabestift 73 in eine Eingabetafel einer Übertragungsplatte 78 eingegebene Koordinaten. Die eingegebenen Koordinateninformationen werden an eine Informationsverarbeitungsvorrichtung wie einem Personalcomputer oder dergleichen ausgegeben, an der das Koordinateneingabegerät angeschlossen ist.
Bei dem Vibrationsstift 73 handelt es sich um einen Stift zur Erzeugung von Vibrationswellen in der Übertragungsplatte 78, die die Vibrationswellen überträgt. Der Vibrationsstift 73 weist einen Vibrationseinrichtung 74, einen Schalltrichter 75 und ein Gehäuse dafür auf. Die Bezugszahl 72 bezeichnet eine Stiftansteuerschaltung, die Bezugszahl 71 einen Vibrationssensor zur Erfassung durch die Übertragungsplatte 78 übertragenen Vibrationswellen und die Bezugszahl 77 ein Material zur Verhinderung von Reflexionen an einer Randoberfläche der Übertragungsplatte 78.
In dem Fall, daß eine auf eine Phäsengeschwindigkeit Vp beruhende Übertragungszeit Tp gemessen und ein Abstand r berechnet werden, wird der Abstand r von einem eingegebenen Punkt zu dem Vibrationssensor 76 wie nachstehend:
r = n λ + Vp Tp, (30)
wobei λ eine Wellenlänge der Vibrationswellen und n eine Ganzzahl ist. Das n der Gleichung (30) kann anhand der nachstehenden Gleichung bestimmt werden:
n = int [(VgTg - VpTp)/λ + 0,5], (31)
wobei Vg eine Gruppengeschwindigkeit und Tg eine der Gruppengeschwindigkeit entsprechende Übertragungszeit ist.
Da die Gruppengeschwindigkeit Vg und die Phasengeschwindigkeit Vp als dem als Ausbreitungsmaterial verwendeten Material eigentümliche Konstanten betrachtet werden können, werden zur Bestimmung des Abstands Tg und Tp gemessen. Als Elemente 83 bis 85 bezeichnete Vibrationserfassungsschaltungen 1, 2 und 3, als Elemente 86 bis 88 bezeichnete Zwischenspeicherschaltungen 1, 2 und 3 sowie ein Taktzähler 79 bilden eine Schaltung zur Messung von Tg und Tp.
Bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau steuert eine Steuereinrichtung 71 den Vibrationsstift 73 über eine Ansteuerschaltung 72 an und veranlaßt, daß der Taktzähler 79 von Null an zu zählen beginnt.
Durch den Vibrationsstift 73 erzeugte Vibrationswellen erreichen den Vibrationssensor 76, nachdem die auf der Gruppengeschwindigkeit Vg und der Phasengeschwindigkeit Vp beruhenden Übertragungszeiten Tg und Tp vergangen sind. Die Vibrationswellen werden durch den Vibrationssensor 76 in elektrische Signale umgewandelt und erreichen die Vibrationswellenerfassungsschaltungen 1, 2 und 3 (Elemente 83 bis 85), nachdem sie durch Vorstufenverstärker 1, 2 und 3 (Elemente 80 bis 82) gelangt sind. Die Vibrationswellenerfassungsschaltungen erfassen einen Punkt bei einem auf der Gruppengeschwindigkeit und der Phasengeschwindigkeit beruhenden Vibrationssignalverlauf und geben Tg- und Tp-Erfassungssignale an die Zwischenspeicherschaltungen 1, 2 und 3 (Elemente 86 bis 88) aus.
Die Zwischenspeicherschaltungen 1, 2 und 3 (Elemente 86 bis 88) verwenden diese Tg- und Tp-Erfassungssignale als Triggersignale zum Lesen des Zählwertes des Taktzählers 79.
Die Steuereinrichtung 71 berechnet jeden Abstand von dem Vibrationssensor 76 zu einem Eingabepunkt des Stifts auf der Grundlage der Gleichungen (30) und (31) aus den wie vorstehend beschrieben gemessenen Übertragungszeitdauern Tg und Tp und führt zum Erhalt von Koordinatenwerten eine geometrische Berechnung daran aus.
Dabei sind, wie aus der Gleichung (30) hervorgeht, zur Erfassung des Abstands r verwendete Konstanten die Wellenlänge λ (=VpT) und die Phasengeschwindigkeit Vp. Diese Konstanten sind auf der Grundlage der Frequenz f (=1/T) der erfaßten Vibrationswellen und der Phasengeschwindigkeit Vp bestimmt.
Jedoch ist verständlich, daß bei dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik die Wellenlänge λ und die Phasengeschwindigkeit Vp in der Gleichung (30) zum Erhalt hochgenauer Koordinaten genau bestimmt werden müssen.
Es ist allgemein bekannt, daß die Geschwindigkeit von Plattenwellen, die sich in einem Ausbreitungskörper (der Vibrationsübertragungsplatte 78) ausbreiten, von der Frequenz der Plattenwellen abhängt. Der Vibrationsstift 73 zur Erzeugung von Plattenwellen erzeugt durch Anlegen einer hochfrequenten Spannung an die aus beispielsweise piezoelektrischen Elementen bei einem Eingabestift bestehenden Vibrationseinrichtung 74 mechanische Energie und veranlaßt, daß der Ausbreitungskörper mittels eines Teils wie eines Schalltrichters Plattenwellen erzeugt.
Im Gegensatz zu einer Ansteuerfrequenz einer angelegten Spannung unterscheiden sich die Antwortfrequenzen von in den Ausbreitungskörper eingegebenen Wellen je nach Vibrationseingabestift aufgrund von Unterschieden bei den mechanischen Eigenschaften (beispielsweise Resonanzeigenschaften) der piezoelektrischen Elemente oder von Unterschieden bei den mechanischen Eigenschaften eines Teils wie des Schalltrichters.
Deshalb ist es zur Verwirklichung eines Koordinateneingabegeräts mit einem hohen Genauigkeitsgrad notwendig, die Eigenschaften einzelner Eingabestifte zu kennen.
Außerdem hängen, da die Konstanten Vp und λ von den Frequenzen der Plattenwellen abhängen, diese auch von den Frequenzen der Impulse ab, durch die die piezoelektrischen Elemente angesteuert werden. Deshalb müssen bei der Massenproduktion zur Beseitigung der Unterschiede bei der Ansteuerfrequenz die Unterschiede einzelner Schaltungen beseitigt und Schaltungen ohne Unterschiede bei den elektronischen Teilen verwendet werden. Aufgrund dieses Gesichtspunkts hat der herkömmliche Aufbau den Nachteil, daß ein Kostenanstieg zum Erhalt einer höheren Genauigkeit erforderlich ist.
Selbst wenn kostengünstige Schaltungen mit einem hohen Genauigkeitsgrad verwendet werden, muß für jede Schaltung die Ansteuerfrequenz gemessen werden. Die Untersuchung erhöht die Kosten in derselben Weise wie Unterschiede bei den Eingabestiften, wobei somit die Schaltungen nicht für die Massenproduktion geeignet sind.
Bei einer tatsächlichen Verwendung wird ein Schalltrichterteil, das eine Stiftspitze der Eingabespitze ist, aufgrund des Kontakts und des Schleifens mit der Eingabeoberfläche (d.h. der Übertragungsplatte) abgenutzt.
Deshalb verändern sich die mechanischen Eigenschaften des Schalltrichterteils mit dem Grad der Abnutzung. Folglich verändert sich eine durch die Stiftspitze ausgegebene Frequenz mit dem Grad der Abnutzung. Es gibt das Problem, daß die eingestellten Konstanten f, Vp und Vg sich verändern und die Genauigkeit sich verschlechtert.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist das Ansprechen in bezug auf eine Frequenz, bei der die piezoelektrischen Elemente angesteuert werden, kein einzelnes Frequenzspektrum, sondern enthält verschiedene Frequenzanteile. Deshalb enthalten an die Übertragungsplatte übertragene und von dem Sensor ausgegebene Signalverläufe verschiedene Frequenzanteile. Deshalb ist die Periode der Phase der erfaßten Signalverläufe nicht festgelegt. Ein Erfassungspunkt bei einer auf der Phasengeschwindigkeit Vp beruhenden Phasenverzögerungszeit tp verändert sich entsprechend den Unterschieden bei den Pegeln der erfaßten Signalverläufe aufgrund der Veränderungen bei dem Eingabezustand des Stifts.
Daß heißt gemäß Fig. 10, daß angenommen wird, daß ein Erfassungspunkt Tp bei einem bestimmten Zustand an einem einer Verzögerungszeit Tp2 entsprechenden Punkt ist. Dabei wird ein berechneter Abstand 10 gemäß der Gleichung (30) zu
10 = n0λ + VpTp2.
n0 wird gemäß der Gleichung (31) zu
n0 = int [(VgTg0 - VpTp2)/λ + 0,5].
Unter der Annahme, daß sich bei unverändertem Abstand des Eingabestifts beispielsweise der Schreibdruck des Eingabestifts und der Pegel des erfaßten Signalverlaufs verändern, wodurch ein Tp-Erfassungspunkt sich zu einem einer Verzögerungszeit Tp3 entsprechenden Punkt verändert, wird ein dabei berechneter Abstand 10' gemäß der Gleichung (31) zu
n' = int [(VgTg0 - VpTp3)/λ + 0,5]
= int [(VGTGO - VpTp2)/λ - (VpT2)/λ + 0,5]
= n0 - 1 ( λ VpT2).
Aus Gleichung (30) folgt
10' = n'λ + VpT3
= (n0 - 1)λ + Vp(Tp2 + T2)
= n0λ + VpTp2 + VpT2 - λ
= 10 + (VpT2 - λ).
Dabei sind aufgrund der vorstehend beschriebenen Probleme T1, T2, T3, ... Tn nicht festeingestellt. Dementsprechend gibt es daß Problem, daß, selbst wenn derselbe Punkt eingegeben wird, die berechneten Ergebnisse sich aufgrund eines Unterschieds (wenn beispielsweise die Beziehung VpT2 = λ nicht gilt) bei Tn unterscheiden, wenn der Tp-Erfassungspunkt abweicht.
Außerdem offenbart die EP-A-0 368 351 ein Koordinateneingabegerät mit einer Akustiktafel, das die Gruppen- und Phasenausbreitungsverzögerungszeiten zur Bestimmung der Eingabeposition des Stifts auf der Tafel mißt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Koordinateneingabegerät zu schaffen, das eine genaue Vibrationsperiode bzw. Schwingungspriode und zur Berechnung von Koordinaten erforderliche, aus dieser Periode zu allen Zeitpunkten bestimmten Konstanten bestimmen kann, indem die Phasenperiode der erfaßten Signale gemessen wird, wodurch die Genauigkeit der berechneten Koordinaten deutlich verbessert wird.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Koordinateneingabegerät zu schaffen, bei dem Abläufe zur Untersuchung des Geräts selbst während der Herstellung vereinfacht sind und deshalb die Herstellungskosten verringert werden kann sowie dessen Wartung einfach ist.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch die Merkmale wie in den Ansprüchen 1 und 5 dargelegt gelöst.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Koordinateneingabegeräts,
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der Anordnung einer Tp- Erfassungsschaltung,
Fig. 3 zeigt ein Signalverlaufsdiagramm, das Signalverläufe jedes Abschnitts gemäß Fig. 2 darstellt,
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild der Anordnung einer Tg- Erfassungsschaltung,
Fig. 5 zeigt ein Signalverlaufsdiagramm, das Signalverläufe jedes Abschnitts gemäß Fig. 4 darstellt,
Fig. 6 eine Darstellung der Beziehung zwischen den Übertragungszeiten Tg und Tp und eines Abstands r von einem Vibrationsstift zu einem Vibrationssensor,
Fig. 7 zeigt eine Darstellung der Beziehung zwischen der Frequenz f und der Phasengeschwindigkeit Vp,
Fig. 8 zeigt eine Darstellung der Anordnung des Vibrationssensors bei dem Koordinateneingabegerät,
Fig. 9 zeigt eine Darstellung, die die Unterschiede bei den Pegeln von Vibrationswellensignalen und die Bewegung eines Tp-Erfassungspunkts veranschaulicht,
Fig. 10 zeigt eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Tp- Erfassungspunkt und der Übertragungszeitdaüer Tp,
Fig. 11 zeigt eine Darstellung, der Beziehung zwischen der Übertragungszeitdauer Tp und einem Abstand r,
Fig. 12(a) und 12(c) zeigen Diagramme, die die Eigenschaften eines Bandpaßfilters darstellen,
Fig. 13 zeigt ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Koordinateneingabegeräts, und
Fig. 14 zeigt ein Diagramm, das Unterschiede zwischen einzelnen Vibrationsstiften darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezug auf die Ausführungsbeispiele gemäß der beiliegenden Zeichnung näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des Aufbaus eines Koordinateneingabegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 8 eine Übertragungsplatte, die eine Koordinateneingabetafel bildet. Die Position der Koordinaten wird durch Andrücken eines Vibrationsstifts 4 auf die Übertragungsplatte 8 angezeigt. Der Vibrationsstift 4 ist ein Stift, der elastische Wellen in der Übertragungsplatte 8 erzeugt, durch die die elastische Wellen übertragen werden, und weist eine Vibrationseinrichtung 5, einen Schalltrichter 6 und ein Gehäuse dafür auf.
Die Bezugszahl 2 bezeichnet eine Ansteuersignal-Erzeugungsschaltung zur Erzeugung von Stiftansteuersignale- durch eine Anweisung aus einer Zentraleinheit (CPU) 1. Aus der Ansteuersignal-Erzeugungsschaltung 2 ausgegebene Stiftansteuersignale werden durch einen Verstärker (AMP) 3 verstärkt und in die Vibrationseinrichtung 5 des Vibrationsstifts 4 eingegeben. Elektrische Ansteuersignale werden durch die Vibrationseinrichtung 5 in mechanische Ultraschallvibrätionen bzw. Ultraschallschwingungen umgewandelt, wobei diese Vibrationen bzw. Schwingungen über den Schalltrichter 6 zu der Übertragungsplatte 8 übertragen werden. Die Bezugszahl 7 bezeichnet einen Vibrationssensor zur Erfassung durch die Übertragungsplatte 8 übertragener elastischer Wellen und die Bezugszahl 9 ein Reflexionsverhinderungsmaterial zur Verhinderung von Reflexionen bei einer Endoberfläche der Übertragungsplatte 8.
Durch den Vibrationssensor 7 erfaßte Vibrationswellen werden jeweils durch Verstärker AMP a, b und c (Elemente 10, 11 und 12) verstärkt und über Bandpaßfilter a, b und c (Elemente 51, 52 und 53) an Tg-Erfassungsschaltungen a, b und c (Elemente 13, 15 und 17) sowie Tp-Erfassungsschaltungen a, b und c (Elemente 14, 16 und 18) ausgegeben. Die Wirkungsweisen der Bandpaßfilter a, b und c (Elemente 51, 52 und 53) sind nachstehend beschrieben.
Die Tg-Erfassungsschaltungen a, b und c (Elemente 13, 15 und 17) erfassen einen Vibrationserfässungspunkt auf der Grundlage einer Gruppengeschwindigkeit und geben Tg-Erfassungssignale aus.
Demgegenüber erfassen Tp-Erfassungsschaltungen a, b und c zwei Punkte von Vibrationswellen auf der Grundlage der Phasengeschwindigkeit und geben Tp-Erfassungssignale und Tp'- Erfassungssignale aus. Es gibt eine Zeitdifferenz von einer Wellenlänge zwischen den vorstehend beschriebenen zwei Erfassungspunkten.
Bezüglich des Zählwertes einer Zählschaltung, die das Zählen gleichzeitig mit der Erzeugung eines Ansteuersignals startet, lesen Zwischenspeicher a1 bis a3, b1 bis b3 und c1 bis c3 (Elemente 20 bis 28) mit den Tg- und Tp-Erfassungssignalen als Triggersignale die auf die Gruppengeschwindigkeit beruhende Übertragungszeit Tg und die auf einer Phasengeschwindigkeit beruhende Übertragungszeit Tp.
Die Zentraleinheit 1 berechnet den Abstand r von einem durch den Vibrationsstift 4 angezeigten Punkt zu dem Vibrationssensor 7 auf der Grundlage von Tg und Tp und erhält danach die Koordinatenwerte des angezeigten Punkts durch Ausführung einer geometrischen Berechnung. Die Berechnung des Abstands r und der Koordinatenwerte ist nachstehend beschrieben.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild, das die Anordnung einer Tp- Erfassungsschaltung gemäß Fig. 1 darstellt. Fig. 3 zeigt ein Signalverlaufsdiagramm, das Signalverläufe jedes Abschnitts gemäß Fig. 2 darstellt. Bei diesen Fig. bezeichnet die Bezugszahl 33 einen Vergleicher zur Erfassung eines Nulldurchgangpunkts eines Signals S4 von durch den Vibrationssensor 7 erfaßten Vibrationswellensignalen, die Bezugszahl 31 einen Vergleicher zur Erzeugung eines Tp-Fenstersignals S6 zur Anweisung des der Erfassungsbeginns der als den vorstehend beschriebenen Nulldurchgangspunkt erfaßten Übertragungszeit Tp. Die Bezugszahl 32 bezeichnet eine Flip-Flop-Schaltung für das Tp-Fenstersignal S6, das) mit einem aus einem Vergleicher CMP1 (Element 31) als Triggersignal ausgegebenen Signal ansteigt, das wird, wenn ein durch Umwandlung eines von der Tg-Erfassungsschaltung zugeführten Vibrationswellensignals in einen Absolutwert wie nachstehend beschrieben erhaltenes Absolutwertsignal S5 einen Vergleichspegel Vwp überschreitet.
Die Bezugszahl 34 bezeichnet eine Flip-Flop-Schaltung zur Ausgabe eines Tp-Erfassungssignals S9 bei einem ersten Rückflanken-Nulldurchgangspunkt nach dem Tp-Fenstersignal auf der Grundlage eines Signals S8, bei dem es sich um eine logische ODER-Verknüpfung des Tp-Fenstersignals S6 und eines Nulldurchgangs-Erfassungssignals S7 handelt.
Die Bezugszahl 35 bezeichnet eine Flip-Flop-Schaltung zur Ausgabe eines Tp'-Erfassungssignals S11, das ein Rückflanken- Nulldurchgangspunkt nach einer Wellenlänge von dem Tp-Erfassungssignal S9 ist, auf der Grundlage eines Signals S10, das eine logische ODER-Verknüpfung des Tp-Erfassungssignals S9 und eines Nulldurchgangs-Erfassungssignals S7 ist.
Die Bezugszahl 36 bezeichnet eine Flip-Flop-Schaltung zur Ausgabe eines Zählerrücksetzsignals S3 gleichzeitig mit der Erzeugung eines Siftansteuersignals S2.
Die Bezugszahl 37 bezeichnet einen Zähler, der auf einen "Null"-Wert eingestellt wird, wenn das Zählerrücksetzsignal S3 einen niedrigen Pegel annimmt, und beginnt gleichzeitig mit dem Anstieg des Signals S3 zu zählen. Zwischenspeicher a2 und a3 (Elemente 21 und 22) lesen die auf der Phasengeschwindigkeit beruhende Übertragungszeiten Tp und Tp' mit dem Tp- Erfassungssignal S9 und dem Tp'-Erfassungssignal S11 als Triggersignale und geben deren Werte an die Zentraleinheit aus.
Fig. 4 zeigt ein Bockschaltbild der Anordnung einer Tg-Erfassungsschaltung gemäß Fig. 1. Fig. 5 zeigt ein Signalverlaufsdiagramm, das Signalverläufe jedes Abschnitts gemäß Fig. 4 darstellt.
Bei diesen Figuren bezeichnet die Bezugszahl 41 eine Absolutwertschaltung zur Umwandlung des Vibrationswellensignals S4 in einen Absolutwert und die Bezugszahl 42 einen Tiefpaßfilter zur Extrahierung einer Einhüllenden S12 des Absolutwertsignals S5.
Die Bezugszahl 43 bezeichnet eine Differentiationsschaltung zur Differentiation der Einhüllenden S12 und zur Ausgabe eines Differentiationssignals S13, die Bezugszahl 46 einen Vergleicher zur Erfassung des Nulldurchgangpunkts des Differentiationssignals S13 entsprechend dem Spitzenwert der Einhüllenden S12, die Bezugszahl 44 einen Vergleicher zur Erfassung, wenn die Einhüllende S12 einen Vergleichspegel Vwg überschreitet, und die Bezugszahl 45 einen Flip-Flop zur Ausgabe des Tg-Fenstersignals S14, das gleichzeitig mit der vorstehend beschriebenen Erfassung ansteigt.
Darauffolgend wird zum Erhalt eines Signals S15 aus einer ODER-Schaltung 47', bei der eine Extrahierung bei dem Nulldurchgangspunkt des Differentiationssignals S13 entsprechend dem Spitzenwert der Einhüllenden S12 ausgeführt wird, eine logische ODER-Verknüpfung eines Ausgangssignals eines Vergleichers CMP4 (46) und des Tg-Fenstersignals S14 ausgeführt.
Die Bezugszahl 47 bezeichnet einen Flip-Flop, das ein Tg- Erfassungssignal S16 gleichzeitig mit der Erfassung des vorstehend beschriebenen Nulldurchgangspunkts im Ansprechen auf das Signal S15 ausgibt. Der Zwischenspeicher a1 (Element 20 in Fig. 1) liest die auf der Gruppengeschwindigkeit beruhende Übertragungszeit Tg aus dem Zähler mit Tg-Erfassungssignalen als Triggersignal und gibt den Wert an die Zentraleinheit aus.
Nachstehend sind durch die Zentraleinrichtung ausgeführte Abläufe beschrieben.
Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen den Übertragungszeiten Tg und Tp und dem Abstand r von dem Vibrationsstift zu dem Vibrationssensor. Gemäß Fig. 6 werden, falls bei einem bekannten Referenzpunkt r0 die auf der Gruppengeschwindigkeit beruhende Ubertragungszeit als Tg0 und die auf der Phasengeschwindigkeit beruhende Übertragungszeit als Tp0 bezeichnet wird, die nachstehenden Bezugsgleichungen erhalten:
r0 = Vg (Tg0 - ΔTg) (1)
r0 = n0λ + Vp (Tp0 - ΔTp), (2)
wobei: Vg: Gruppengeschwindigkeit
ΔTP: erfaßte Verzögerungszeit bei dem Tg- Erfassungssystem
λ: Wellenlänge (λ = Vp/f)
f: Frequenz
n0: Anzahl der Wellenlängen vom Anfang der Gruppe bis zu dem Tg-Erfassungspunkt gilt.
Falls die Übertragungszeiten bei einem gegebenen Punkt r jeweils als Tg und Tp bezeichnet sind, können die nachstehend beschriebenen Bezugsgleichungen erhalten werden:
r = Vg (Tg- ATg) (3)
R = nλ + Vp (Tp - ATp). (4)
Dabei können die nachstehend beschriebenen Gleichungen aus Gleichung (3) - Gleichung (1) erhalten werden:
r = r0 + Vg (Tg - Tg0) . (5)
Bei der Gleichung (5) ist Vg ein von einem für die Übertragungsplatte verwendeten Material, der Plattendicke oder der Frequenz der übertragenen Welle abhängiger Wert, wobei r0 und Tg0 bekannte Werte sind. Deshalb kann, falls Tg gemessen wird, r berechnet werden. Jedoch muß zur Messung von Tg ein einzelner feststehender Punkt des Signalverlaufs der Einhüllenden erfaßt werden, wobei deshalb eine Messung mit einem hohen Genauigkeitsgrad schwierig ist.
Die nachstehend beschriebenen Gleichungen können aus Gleichung (2) - (1) und Gleichung (4) - (3) erhalten werden:
n0 = {Vg (Tg0 - ΔTg) - Vp (Tp0 - ΔTp)} 1 λ (6)
n = {Vg (Tg - ΔTg) - Vp (Tp - ΔTg) } / λ (7)
Zusätzlich können die nachstehend beschriebenen Gleichungen aus Gleichung (7) - (6) erhalten werden:
n - n0 = {Vg (Tg - Tg0) - Vp (Tp - Tp0)} / λ (8)
Außerdem können die nachstehend beschriebenen Gleichungen aus Gleichung (4) - (2) erhalten werden:
r0 = r0 + (n - n0)λ + Vp(Tp - Tp0) (9)
In den Gleichungen (8) und (9) sind Vg und Vp von einem für die Übertragungsplatte verwendeten Material, der Plattendicke oder der Frequenz der übertragenen Welle abhängige Werte. Die Beziehung r = Vp/f gilt. f = 1/T (f: Frequenz, T: Periode) kann gemessen werden. Deshalb kann, falls Tg und Tp gemessen werden, der Abstand r anhand der Gleichungen (8) und (9) erfaßt werden. In diesem Fall kann, selbst wenn Tg Fehler aufweist, n - n0 anhand der wie nachstehend bestimmt werden:
n - n0 = int [{Vg(Tg - Tg0) - Vp (Tp - Tp0)}/λ + 0,5]. (10)
Außerdem kann durch Ersetzen des durch die Gleichung (10) bestimmten Wertes von n - n0 in der Gleichung (9) der Abstand r berechnet werden. Da in Gleichung (9) r auf der Grundlage von Tp berechnet wird, bei dem eine Messung mit einem hohen Genauigkeitsgrad möglich ist, kann ein Abstandswert r für den Fall von Gleichung (5) mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden.
Nachstehend ist ein Verfahren zum Erhalt von Koordinateninformationen aus durch Erfassung von Vibrationen erhaltenen Abstandsinformationen beschrieben. Wie in Fig. 8 gezeigt, können, wenn drei Vibrationssensoren 7 an Positionen S1 bis S3 in jedem Bereich der Übertragungsplatte 8 angeordnet sind, geradlinige Abstände r1 bis r3 von der Position P zu der Position jedes Vibrationssensors 7 bestimmt werden. Zusätzlich können wie in den nachstehend beschriebenen Gleichungen gezeigt die Koordinaten (x, y) der Position P des Vibrationsstifts 4 durch die Zentraleinheit 1 auf der Gründlage dieser geradlinigen Abstände r1 bis r3 anhand des Satzes des Pythagoras bestimmt werden:
x = X/2 + (r1 + r2) (r1 - r2)/2X (11)
y = Y/2 + (r1 + r3) (r1 - r3)/2Y, (12)
wobei x und y die Abstände entlang der X- bzw. Y-Achse zwischen den Vibrationssensoren 7 an den Positionen S1 und S3 und dem Sensor am Ursprung (Position S1) darstellen.
Nachstehend ist ein charakteristischer Aufbau der Erfindung beschrieben.
Fig. 9 zeigt eine Ansicht, die die Unterschiede bei den Pegeln der Vibrationswellensignale und die Bewegung des Tp- Erfassungspunkts darstellt. Tp-Fenstersignale, die ansteigen, wenn durch Umwandlung von Vibrationswellensignale Sa und Sb in Absolutwerte erhaltene Absolutwertsignale Sa und Sb einen Vergleichswert Vwp für Tp-Fenstersignale überschreiten, werden zu Twpa und Twpb mit einer Zeitdifferenz von Δtw. Die Tp-Fenstersignale werden zu Tpa und Tpb mit einer Zeitdifferenz von einer Wellenlänge aufgrund der Differenz bei diesen Tp-Fenstersignalen.
Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen der Ubertragungszeit Tp bei einem Tp-Erfassungspunkt.
Gemäß Fig. 10 verändert sich, wenn sich der Tp-Erfassungspunkt als P1 T P2 T P3 T P4 T P5 T P6 bewegt, die Übertragungszeit als Tp1 T Tp2 T Tp3 T Tp4 T Tp5 T Tp6. Bei der tatsächlichen Stifteingabe verändern sich die Pegel der Vibrationswellensignale entsprechend den Veränderungen bei dem Eingangszustand, wobei sich der Tp-Erfassungspunkt bewegt.
Fig. 11 zeigt die Beziehung zwischen der Übertragungszeit Tp und dem erfaßten Abstand r. Gemäß Fig. 11 werden, falls die Übertragungszeit bei einem bekannten Eingabepunkt r0 als Tp0 bezeichnet ist, die Abstände bei einer Übertragungszeit Tp6 anhand der Gleichung (9) wie nachstehend beschrieben:
r1 = r0 + {(n0 + 3) - n0}λ + Vp(Tp1 - Tp0)
= r0 + 3λ + Vp(Tp1 - Tp0) (13)
r2 = r0 + {(n0 + 2) - n0)}λ + Vp(Tp2 - Tp0)
= r0 + 2λ + Vp{(Tp1 + T1) - Tp0}
= r0 + 2λ + VpT1 + Vp(Tp1 - Tp0) (14)
r3 = r0 + {(n0 + 1) - n0)λ + Vp(Tp3 - Tp0)
= r0 + λ + Vp{(Tp1 + T1 + T2) - Tp0}
= r0 + λ + Vp(T1 + T2) + Vp(Tp1 - Tp0) (15)
r4 = r0 + {(n0 - n0)}λ + Vp(Tp4 - Tp0)
= r0 + Vp{Tp1 + T1 + T2 + T3) - Tp0}
= r0 + λ + Vp(T1 + T2 + T3) + Vp(Tp1 - Tp0) (16)
r5 = r0 + {(n - 1) - n0}λ + Vp(Tp5 - Tp0)
= r0 - λ + Vp{(Tp1 + T1 +T2 + T3 + T4) - Tp0}
= r0 + λ + Vp(T1 + T2 + T3) + Vp(Tp1 - Tp0) (17)
r6 = r0 + { (n - 2) - n0}λ + Vp{ (Tp2 - Tp0)}
= r0 - 2λ + Vp{(Tp1 + T1 + T2 + T3 + T4 + T5) - Tp0}
= r0 - 2λ + Vp(T1 + T2 + T3 + T4 + T5) + Vp(Tp1 - Tp0) (18)
Bei den Gleichungen (13) bis (18) ist die Wellenlänge λ ein Produkt aus der Phasengeschwindigkeit Vg und der Periode T. Deshalb ist, falls T1 = T2 = T3 = T4 = T5 = T gilt, r1 = r2 = r3 = r4 = r5 = r. Tatsächlich jedoch gilt die Beziehung T1 = T2 = T3 = T4 = T5 = T nicht.
Das heißt, daß das Ansprechen an der Stiftspitze in bezug auf die Ansteuerfrequenz, mit der die piezoelektrischen Elemente angesteuert werden, nicht zu einem einzigen Frequenzspektrum wird, sondern verschiedene Frequenzanteile aufweist. Deshalb werden, wenn auf die Übertragungsplatte übertragene Vibrationen durch den Sensor ausgegeben werden, die erfaßten Signalverläufe als Welle ausgegeben, die aus Wellen verschiedener Frequenzen zusammengesetzt ist. Die Periode der Phase der zusammengesetzten Welle ist nicht festeingestellt. Wenn die Periode bei einem Nulldurchgang gemessen wird, unterscheidet sich der Wert in Abhängigkeit davon, welcher Abschnitt der erfaßten Signalverläufe gemessen worden ist.
Deshalb sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel Einrichtungen vorgesehen, mit denen lediglich bestimmte Frequenzanteile aus den erfaßten Wellen aus zusammengesetzten Wellen mit diesen verschiedenen Frequenzanteilen extrahiert werden. Genauer gesagt werden bestimmte Frequenzanteile durch Filterung erfaßte Signale unter Verwendung der Bandpaßfilter a, b und c (Elemente 51, 52 und 53) gemäß Fig. 1 extrahiert.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Signalerfassung über die Bandpaßfilter a, b und c (Elemente 51, 52 und 53) durchgeführt, deren Mittenfrequenz eine Frequenz der Stiftansteuersignale und dessen Bandbreite (3 db) das doppelte der Frequenz der Einhüllenden ist.
Fig. 12(a) bis (c) zeigen die Eigenschaften der Bandpaßfilter a, b und c (Elemente 51, 52 und 53). Wie gezeigt, ist, falls die Frequenz der Ansteuersignale auf fd = 1/Td (Fig. 12(b)) eingestellt ist, die Mittenfrequenz f0 des Bandpaßfilters wie nachstehend beschrieben:
f0 = fd = 1/Td. (19)
Falls die Spitzenwertfrequenz des Leistungsspektrums der Einhüllenden derart als fe eingestellt ist (Fig. 12(c)), wobei die Bandbreite B (Fig. 12(a)) wie nachstehend beschrieben:
B = 2fe. (20)
Als Ergebnis der Hinzufügung der vorstehend beschriebenen Bandpaßfilter werden die in Fig. 10 und 11 gezeigten T1 bis T5 wie nachstehend beschrieben angeglichen:
T1 T2 T3 T4 T5. (21)
In Fig. 11 gezeigte Geraden (n0 - 2) bis (n0 + 3) werden zu parallelen Linien mit jeweils gleichen Abständen. Ebenfalls tritt, selbst wenn die in Gleichung (21) dargestellte Beziehung gilt, falls eine Differenz zwischen einem für die Berechnung verwendeten λ = VpT und einem tatsächlichen λR = VpRTR vorhanden ist, ein nachstehend beschriebener Erfassungsfehler auf:
Δr (n - n0) (λ - λR) + (Vp - VpR) (Tp - Tp0). (22)
Deshalb muß zur Steigerung der Erfassungsgenauigkeit des Abstands r eine genaue Periode T und die Phasengeschwindigkeit Vp bestimmt und für die Berechnung verwendet werden.
Die vorstehend beschriebene Tp-Erfassungsschaltung kann die Übertragungszeiten Tp und Tp' erfassen, die eine Zeitdifferenz von einer Wellenlänge aufweisen. Ebenfalls ist es wie vorstehend beschrieben als Folge der Hinzufügung der Bandpaßfilter a, b und c (Elemente 51, 52 und 53) es ausreichend, daß die Periode T an einer in Fig. 6 gezeigten Stelle gemessen wird, da die Beziehung gemäß Gleichung (21) gilt. Die zur Berechnung des Abstands verwendete Frequenz f kann unter Verwendung der Periode T bestimmt werden.
Nachstehend ist ein Problem bei der Massenproduktion berücksichtigt. Bei einer Massenproduktion üben Unterschiede oder Veränderungen bei den nachstehend beschriebenen Eigenschaften einen Einfluß auf die Konstanten (Vp und Vg) aus:
(1) Unterschiede bei den Resonanzeigenschaften der piezoelektrischen Elementen als Vibrationserzeugungsquellen,
(2) Unterschiede bei mechanischen Eigenschaften aufgrund von Unterschieden wie bei der mechanischen Genauigkeit der maschinellen Herstellung zwischen einzelnen Stiften,
(3) Unterschiede bei der Ansteuerfrequenz zwischen den Schaltungen,
(4) Unterschiede bei den Eigenschaften des eine einzelne Frequenz extrahierenden Filters, und außerdem
in Abhängigkeit aufgrund des Alterns während des Gebrauchs,
(5) Veränderungen bei den mechanischen Eigenschaften aufgrund des Unterschieds bei dem Abnutzungsgrad der Stiftspitze (des Schalltrichters).
Fig. 14 zeigt Unterschiede zwischen einzelnen Vibrationsstiften. Die horizontale Achse stellt eine Mittenfrequenz des Bandpaßfilters und die vertikale Achse eine anhand der vorstehend beschriebenen Konstruktion berechnete Frequenz dar.
Es sind für eine Ansteuerfrequenz eines Eingabestiftes von 260 kHz Ergebnisse für drei Eingabestifte dargestellt.
Ein Beispiel, bei dem die Mittenfrequenz des Bandpaßfilters 260 kHz beträgt, ist nachstehend beschrieben. Die drei Eingabestifte verursachen eine Differenz von ungefähr 5 kHz bei einem Bandpaßfilter mit derselben Mittenfrequenz. Diese Differenz entspricht dem vorstehend beschriebenen Problem (Unterschiede und Veränderungen der Eigenschaften (1) und (2)), wobei bei der Massenproduktion ein Einfluß auf die Konstanten ausgeübt wird. Solange die Konstanten durch irgendeine Einrichtung nicht korrigiert werden, wird die Genauigkeit verschlechtert.
Bezüglich des vorstehend beschriebenen Problems (3) werden dieselben Ergebnisse erhalten. Schließlich müssen zur Verwirklichung eines sehr genauen Koordinateneingabegeräts Unterschiede bei der Ansteuerfrequenz so stark wie möglich unterdrückt werden oder Konstanten korrigiert werden.
Demgegenüber variiert gemäß diesem Ausführungsbeispiel bei der Massenproduktion die Mittenfrequenz eines Bandpaßfilters, das als Einrichtung zur Erzeugung eines Anteile mit einer einzelnen Frequenz dient.
Unter Bezug auf Fig. 14 wird der Fall eines Stifts A beschrieben. Wenn die Mittenfrequenz des Bandpaßfilter sich von 250 kHz auf 271 kHz verändert, verändert sich eine zur Berechnung des Abstands erforderliche Frequenzkonstante von 258 kHz auf 262 kHz.
Folglich können, solange die Veränderungen bei der Frequenz aufgrund der Unterschiede bei den Stifteigenschaften bei der Massenproduktion nicht korrigiert werden, hochgenaue Koordinateneingabegeräte nicht aufgebaut werden.
Wenn Geräte ohne Unterschiede bei der Massenproduktion mit den vorstehend beschriebenen Problemen (1), (2), (3) und (4) hergestellt werden, verringert sich nicht nur der Ertrag sondem wird jedes Teil kostspielig und die Geräte können nicht kostengünstig hergestellt werden.
Die Unterschiede steigen ebenfalls an, falls beispielsweise ein maschinelles Herstellungsverfahren niedriger Genauigkeit zur Verringerung der Kosten der Teile verwendet wird. Jedes Stück muß dann zur Korrektur der Konstanten gemessen werden. Somit steigen schließlich die Kosten an.
Erfindungsgemäß sind Einrichtung zur Korrektur dieser zu diesem Kostenanstieg führenden Faktoren vorgesehen. Das heißt, daß die zur Berechnung des Abstands auf der Grundlage der wie oben beschrieben berechneten Phasenperiode T verwendeten Konstanten f (=1/T), Vp und λ durch die Zentraleinheit berechnet werden können. Deshalb können Koordinateneingabegeräte mit einem hohen Genauigkeitsgrad bei geringen Kosten verwirklicht werden.
Bezüglich eines Verfahrens zur Berechnung von Vp kann, wie bei der Beziehung zwischen der Frequenz f und der Phasengeschwindigkeit Vp gemäß Fig. 7 gezeigt, die Phasengeschwindigkeit Vp der Plattenwellen als Funktion eines Produkts (Vp = F (f d)) der Frequenz f und der Plattendicke d der Übertragungsplatte bestimmt werden.
Deshalb kann Vp bei einer Übertragungsplatte mit einer bekannten Plattendicke d bestimmt werden, falls die Periode T gemessen wird. Die erfaßte Genauigkeit des Anstandes r kann durch Verwendung von Vp und λ = Vp/f = Vp T verbessert werden, die durch das vorstehend beschriebene Verfahren bestimmt sind.
Die Koordinatenwerte werden durch die vorstehend beschriebenen Gleichungen (11) und (12) berechnet.
Es ist nicht wichtig, ob die Berechnung der vorstehend beschriebenen Konstanten beim Einschalten der Stromversorgung oder zu irgendeinem anderen Zeitpunkt durchgeführt wird. Es ist unnötig zu erwähnen, daß es nicht wichtig ist, ob sie auf Anweisung eines Anwenders über geeignete Bedienelemente durchgeführt wird.
Außerdem können hochgenaue Koordinateneingabegeräte zu allen Zeitpunkten beibehalten werden, falls die Berechnung der Konstanten erfindungsgemäß durch den Anwender, der Informationen eingibt, durchgeführt wird, selbst wenn ein Schalltrichterteil wie eine Stiftspitze abgenutzt wird und sich dessen mechanischen Eigenschaften verändern.
Außerdem kann, obwohl gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Einrichtung zur Extrahierung nur besonderer Frequenzanteile ein eine elektrische Schaltung verwendender Bandpaßfilter angenommen ist, ein eine mechanische Einrichtung verwendender Bandpaßfilter verwendet werden. Beispielsweise können einzelne Frequenzanteile unter Verwendung von Elementen mit scharfen Resonanzeigenschaften wie die piezoelektrischen Elemente des Vibrationssensors 7 extrahiert werden.
Obwohl auch gemäß diesem Ausführungsbeispiel Vibrationswellensignale, die durch den Bandpaßfilter hindurch gelangt sind, ebenfalls in die Tg-Erfassungsschaltung eingegeben werden, braucht die Tg-Erfassungsschaltung nicht über den Bandpaßfiltern angeordnet zu sein.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel können, da Vibrationsanteile einer bestimmten Frequenz extrahiert werden und Konstanten f, Vp und Vg, die den einzelnen Körpern eines Geräts eigentümlich sind, aus der Periode des signalverlaufs berechnet werden, Unterschiede wie Unterschiede bei den mechanischen Eigenschaften eines Eingabestifts sofort korrigiert werden. Es sind keine Untersuchungsabläufe erforderlich, wobei deshalb die Herstellungskosten deutlich gesenkt werden können.
Außerdem ist, da alle zur Berechnung des Abstands verwendeten Konstanten durch Messen der Periode des Signalverlaufs berechnet werden können, eine stabile und hochgenaue Eingabe von Koordinaten möglich.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Genauigkeit eines Koordinateneingabegeräts über eine lange Zeitdauer hinweg beibehalten werden kann, da die Konstanten zu einem geeignetem Zeitpunkt oder automatisch korrigiert werden können, selbst wenn die Konstanten sich beispielsweise aufgrund der Veränderungen der mechanischen Eigenschaften eines Eingabestiftes verändern. Zusätzlich kann, selbst wenn der Eingabestift aufgrund eines Schadens ausgetauscht wird, eine hochgenaue Koordinateneingabe unverändert ohne Durchführung von Justiervorgängen möglich gemacht werden.
Es können viele unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Erfindung ohne Verlassen des Bereichs ausgeführt werden, wobei es deshalb verständlich ist, daß die Erfindung nicht auf die besonderen, vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist und lediglich durch die beiliegenden Patentansprüche definiert ist.

Claims

1. Koordinateneingabegerät mit

einem Vibrationseingabestift (4) zur Eingabe von Vibrationen,

einem Vibrationsübertragungsteil (8), das der Vibrationseingabestift bei Punkten berührt und durch das Vibrationen aus dem Vibrationseingabestift übertragen werden,

einem Vibrationssensor (7) zur Erfassung von in das Vibrationsteil (8) übertragenen Vibrationen, und

Einrichtungen (13 bis 18) zum Messen der Ausbreitungsverzögerungszeiten (Tg, Tp) der übertragenen Vibrationen,

gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (1) zum Ableiten der Periodendauer (T) der durch den Vibrationssensor (7) erfaßten Vibrationen,

eine Bestimmungseinrichtung (1) zur Bestimmung von Konstanten einschließlich einer Phasengeschwindigkeitskonstanten (Vp) auf der Grundlage der abgeleiteten Periodendauer (T) der Vibrationen, wobei diese Konstanten zur Berechnung von Koordinaten der Vibrationseingabestift-Berührungspunkte erforderlich sind, und

eine Steuereinrichtung (1) zur Berechnung der Koordinaten der Vibrationseingabestift-Berührungspunkte auf dem Vibrationsübertragungsteil (8) unter Verwendung der abgeleiteten Konstanten und der Ausbreitungsverzögerungszeiten (Tg, Tp).

2. Koordinateneingabegerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Filterschaltung (51 bis 53), die es nur vorbestimmten Frequenzanteilen erlaubt, aus dem Ausgang des Vibrationssensors (7) zu gelangen, wobei das Ausgangssignal der Filterschaltung (51 bis 53) als die erfaßte Vibration zur Koordinatenberechnung verwendet wird.

3. Koordinateneingabegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrationssensor (7) piezoelektrische Elemente zur Umwandlung von Vibrationen in elektrische Signale aufweist.

4. Koordinateneingabegerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsverzögerungszeiten (Tg, Tp) eine Phasen-Ausbreitungsverzögerungszeit (Tp) und eine Gruppen-Ausbreitungsverzögerungszeit (Tg) aufweisen.

5. Koordinateneingabeverfahren mit den Schritten

Eingeben von Vibrationen in ein Vibrationsübertragungsteil (8) mittels eines das Übertragungsteil (8) an Punkten berührenden Vibrationseingabestifts (4) und Übertragen der Vibrationen durch das Vibrationsübertragungsteil (8),

Erfassen von in das Vibrationsteil (8) übertragenen Vibrationen mittels eines Vibrationssensors (7) und

Messen der Ausbreitungsverzögerungszeiten (Tg, Tp) der übertragenen Vibrationen,

gekennzeichnet durch die Schritte

Ableiten der Periodendauer (T) der durch den Vibrationssensor (7) erfaßten Vibrationen,

Bestimmen von Konstanten einschließlich einer Phasengeschwindigkeitskonstanten (Vp) auf der Grundlage der abgeleiteten Periodendauer (T) der Vibrationen, wobei die Konstanten zur Berechnung der Koordinaten der Vibrationseingabestift- Berührungspunkte erforderlich sind, und

Berechnen der Koordinaten der Vibrationseingabestift- Berührungspunkte auf dem Vibrationsübertragungsteil (8) unter Verwendung der abgeleiteten Konstanten und der Ausbreitungsverzögerungszeiten (Tg, Tp).