DE69323455T2 - Koordinateneingabegerät und Verfahren zur Auswertung desselben - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft eine Koordinateneingabevorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Koordinateneingabevorrichtung, bei der von einem Schwingungs-Griffel generierte Schwingungen von Schwingungsfühlern gefühlt werden, die sich an einer Schwingungsübertragungstafel befinden, so daß die von dem Schwingungs-Griffel angegebenen Koordinaten gefühlt werden können. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Auswerten der Vorrichtung. Eine Vorrichtung und ein Verfahren der durch die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und des Anspruchs 9 angegebenen Art sind aus der EP-A-0 368 351 bekannt.
Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
• Üblicherweise werden in einer Vorrichtung dieser Art die Zeitspannen gemessen, die erforderlich sind, damit die von dem Schwingungs-Griffel generierte Schwingung Schwingungsfühler erreicht, die an vorbestimmten Stellen der Schwingungsübertragungstafel angeordnet sind, und die Abstände von dem Schwingungs-Griffel zu den Schwingungsfühlern und mithin die von dem Schwingungs-Griffel angegebenen Koordinaten werden anhand der Meßwerte errechnet.
• Um zu signalisieren, daß die Schwingung einen Schwingungsfühler erreicht hat, muß ein Zeitsteuersignal erzeugt werden, welches die Ankunft von Schwingung an dem Schwingungsfühler signalisiert, und zwar muß es erzeugt werden aus dem Signal, welches von dem Schwingungsfühler nach Erfassen der Schwingung generiert wird. Der Hauptprozessor, der die Vorrichtung überwacht, empfängt das Schwingungsankunfts-Zeitsteuersignal, welches auf dem Nachweis der Schwingung durch den jeweiligen Schwingungsfühler beruht. Ansprechend auf den Empfang des Zeitsteuersignals vervollständigt der Hauptprozessor die Messung bezüglich der Ankunft der Schwingung und führt die Koordinatenberechnung durch.
• Das Generieren dieses Zeitsteuersignals stellt ein Problem dar. Die übliche Praxis zum Generieren des Zeitsteuersignals im Stand der Technik ist das Messen entweder einer Übertragungs-Verzögerungszeit, die der Gruppengeschwindigkeit der Schwingung entspricht, oder einer Übertragungs-Nacheilzeit, die der Gruppengeschwindigkeit und der Phasengeschwindigkeit entspricht. In jedem Fall wird zum Erhalten einer akkuraten Messung der Übertragungs-Verzögerungszeit, die der Gruppengeschwindigkeit entspricht, die Hüllkurve einer erfaßten Signalwellenform in dem Schwingungssensor erzeugt, die Spitzenposition oder der Umkehrpunkt der Hüllkurve wird ermittelt, und es wird basierend auf der ermittelten Position ein Zeitsteuersignal erzeugt. Die Hüllkurve wird differenziert, um das der Spitzenposition entsprechende Zeitsteuersignal zu erhalten. Um das Zeitsteuersignal entsprechend dem Wendepunkt zu erhalten, wird die Hüllkurve zweimal der Differenzierung unterzogen. Die Zeitspanne von dem Zeitpunkt, zu dem die Schwingung von dem Schwingungs-Griffel erzeugt wird, bis hin zu dem anfänglichen Nulldurchgangspunkt der differenzierten Wellenform erster Ordnung oder der differenzierten Wellenform zweiter Ordnung wird als Übertragungs- Nacheilzeit der Schwingung gemessen.
• Der Nachweis des Wendepunkts (Differenzierung zweiter Ordnung) ist gegenüber dem Nachweis der Spitzenposition (Differenzierung erster Ordnung) der Hüllkurve deshalb zu bevorzugen, weil die Lage des Wendepunktes sich auf der Zeitachse vor der Spitzenposition befindet. Sollten nicht benötigte reflektierte Wellen von beispielsweise der Stirnfläche der Schwingungsübertragungstafel den gefühlten Wellen direkt mit einem geringen Versatz überlagert sein, so ist der früher nachgewiesene Punkt weniger empfindlich für die Effekte der reflektierten Wellen. Wird der früher nachgewiesene Punkt hergenommen, läßt sich deshalb die Schwingungsübertragungstafel und damit die Vorrichtung insgesamt mit geringerer Baugröße ausführen.
• Es wurde berücksichtigt, daß die Schaltung zur Durchführung der oben angesprochenen Differenzierung das gleiche Differenzierverhalten (ein Voreilen von π/2 der Ausgangssignal-Phase bezüglich einer eingegebenen Sinuswelle) für Eingangssignale mit einer Frequenz unterhalb einer gewissen vorbestimmten Frequenz fh zeigt. Aus diesem Grund wurde bevorzugt, daß die Frequenz fh höher ist als die Frequenz des Vorderflankenteils der Hüllkurve. Außerdem wurde dafür gesorgt, daß die Frequenz, bei der der Verstärkungsfaktor der Differenzierschaltung 0 dB (Verstärkung von Eins) wird, derart eingerichtet wird, daß sie übereinstimmt mit der Frequenz der Hüllkurve, so daß keine Möglichkeit dazu besteht, daß sich das Amplitudenverhältnis von Eingangs-/Ausgangs-Signal der Differenzierschaltung ändert.
• Allerdings besteht ein sich ergebendes Problem darin, daß die Differenzier- Kennlinie, das heißt die Übertragungs-Phasenkennlinie der Differenzierschaltung derart beschaffen ist, daß es in der Praxis eine Phasenvoreilung von &pi;/2 gegenüber einem Signal gibt, dessen Frequenz f der Relation f < < fh entspricht, wobei das Ausmaß der Phasenvoreilung allmählich kleiner wird, wenn f zunimmt und sich fh nähert. Folglich entspricht der Nulldurchgangspunkt der differenzierten Wellenform erster Ordnung nicht notwendigerweise dem Spitzen wert des Eingangssignals (der Hüllkurve), und auch entspricht der Nulldurchgangspunkt der differenzierten Wellenform zweiter Ordnung nicht notwendigerweise dem Wendepunkt des Eingangssignals. In anderen Worten: Im Hinblick auf den Nachweispunkt der Schwingung entsprechend der Gruppengeschwindigkeit der Schwingung erfolgt keine Auswertung zur Bestimmung der speziellen Position der Hüllkurve, welcher dieser Punkt entspricht, bevor die Hüllkurve differenziert wird. Der Grund dafür ist der, daß, wenn die Differenzierung durch die Differenzierschaltung vorgenommen wird, die Spitzenwertposition der Hüllkurve als Nachweispunkt hergenommen wird (der erste Nulldurchgangspunkt des differenzierten Signals), wenn diese Stelle in der ersten Ableitung nachgewiesen wird, wohingegen der Wendepunkt als derjenige Nachweispunkt hergenommen wird, der in der zweiten Ableitung nachgewiesen wird. Bei der Suche nach dem Schwingungs-Nachweispunkt gemäß einem unten beschriebenen Nachweispunkt- Auswertverfahren haben die Erfinder herausgefunden, daß selbst dann, wenn durch die zweite Ableitung der Nachweis des Wendepunkts der Hüllkurve erfolgen soll, tatsächlich lediglich die Nähe der Spitzenposition erfaßt wird. Als Konsequenz ergibt sich, daß die von den Schwingungsfühler gefühlte Schwingung stark beeinflußt ist durch reflektierende Wellen von dem Rand der Schwingungsübertragungstafel, demzufolge Fehler bei der Koordinatenerfassung nicht verringert werden können.
• Ein weiteres Problem besteht darin, daß dann, wenn die Phasenvoreilung aufgrund der Differenzierung weniger als &pi;/2 beträgt, der Nulldurchgangspunkt der differenzierten Welle entlang der Zeitachse nach hinten und nach vorn verschoben wird, bestimmt durch eine Schwankung des Eingangssignalpegels. Genauer gesagt: Wenn der Nachweispegel an einem Schwingungsfühler aufgrund der Entfernung von dem Schwingungs-Griffel oder aufgrund einer Änderung des Eingabe-Schreibdrucks auf den Griffel schwankt, ändert sich der Meßwert der Übertragungs-Verzögerungszeit. Dies führt zu einer fehlerhaften Erfassung der Koordinaten.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
• Es ist folglich ein Ziel der Erfindung, eine Koordinateneingabevorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei der ein Koordinaten-Nachweisfehler aufgrund der Effekte reflektierter Wellen gemildert wird, um eine exakte Eingabe von Koordinaten zu ermöglichen.
• Erreicht wird dieses Ziel durch die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruchs 1.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Auswerten einer Schwingungs-Fühleinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 9 angegebenen Art.
• Erreicht wird dieses Ziel durch die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruchs 9.
• Aufgrund der oben angesprochenen Ausgestaltung wird aus der von einem Fühler gefühlten Schwingung eine Hüllkurve erzeugt, in der die Schwingung der Frequenz der Schwingungsquelle durch ein Filter höherer Ordnung stark unterdrückt ist. Die Hüllkurve wird von einer Differenzierschaltung differenziert, deren Spitzenverstärkungsfrequenz so eingestellt ist, daß sie höher ist als die Schwingungsfrequenz der Hüllkurve, um dadurch ein Ausgangssignal zu erhalten, dessen Phase um 90º voreilt, wobei die Schwingung der Schwingungsfrequenz unterdrückt wird. Die Zeit von der Erzeugung der Schwingung durch die Schwingungsquelle zu dem Nulldurchgangspunkt des erwähnten Ausgangssignals wird gemessen. Als Ergebnis verringert die erfindungsgemäße Koordinaten- Eingabevorrichtung den Koordinatennachweisfehler, der zurückzuführen ist auf Einflüsse reflektierter Wellen, so daß es möglich ist, Koordinaten exakt einzugeben.
• Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in der gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile in den Figuren der Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Die begleitenden Zeichnungen, die zu der Beschreibung gehören, zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen im Verein mit der Beschreibung zum Erläutern der Grundprinzipien der Erfindung. Es zeigen:
• Fig. 1 ein Diagramm zum Erläutern der allgemeinen Merkmale der Koordinateneingabevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
• Fig. 2 ein Diagramm zum Beschreiben der allgemeinen Merkmale eines Schwingungs-Griffels;
• Fig. 3 ein Blockdiagramm, welches den Aufbau einer arithmetischen Steuereinheit veranschaulicht;
• Fig. 4 ein Impulsdiagramm der Signalverarbeitung;
• Fig. 5 ein Blockdiagramm des Aufbaus einer Signalwellenform- Detektorschaltung;
• Fig. 6 ein Diagramm zum Beschreiben der Berechnung einer Koordinatenposition;
• Fig. 7A und 7B Diagramme zum Beschreiben der charakteristischen Merkmale einer Differenzierschaltung;
• Fig. 8A und 8B Diagramme zum Beschreiben eines Verfahrens zum Auswerten einer Nachweispunkt-Gruppenverzögerungszeit tg; und
• Fig. 9 ein Kennliniendiagramm des tg-Nachweispunkts gegenüber der Differenzier-Grenzfrequenz fH.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
• Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Koordinateneingabevorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, steuert eine arithmetische Steuereinheit 1 die gesamte Vorrichtung und berechnet Koordinaten. Eine Vibrator-Treiberschaltung 2 treibt einen Vibrator 4, damit die Spitze 5 eines Schwingungs-Griffels 3 schwingt. Ein Tablett 8 enthält ein transparentes Element aus einer Acryl- oder Glasplatte und dient zum Übertragen der Schwingung, die von dem Schwingungs-Griffel 3 aufgebracht wird, zu Fühlern. Eine Koordinateneingabe erfolgt dadurch, daß der Schwingungs-Griffel 3 in Berührung mit dem Schwingungsübertragungstablett 8 gebracht wird. Genauer gesagt: Das Innere einer Fläche (einer effektiven Fläche) A, die in Fig. 1 durch die durchgezogene Linie angegeben ist, wird von der Bedienungsperson mit dem Schwingungs- Griffel 3 angegeben, wodurch die von dem Schwingungs-Griffel 3 erzeugte Schwingung auf das Tablett 8 gelangt. Die aufgebrachte Schwingung wird gemessen und verarbeitet, wodurch die Positionskoordinaten des Schwingungsgriffels 3 berechnet werden können.
• Wellen, die durch das Schwingungsübertragungstablett 8 gelaufen sind, werden an der Stirnfläche des Tabletts 8 reflektiert. Um zu verhindern, daß diese reflektierten Wellen zu dem Mittelteil des Tabletts zurückkehren 8 (oder um eine solche Rückkehr abzuschwächen), befindet sich am Außenumfang des Schwingungsübertragungstabletts 8 ein Schwingungsunterdrücker 7. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind Schwingungsfühler 6a-6d, beispielsweise piezoelektrische Elemente zum Umwandeln mechanischer Schwingung in elektrische Signale, auf der Innenseite des Schwingungsunterdrückers 7 in dessen Nähe an dem Tablett angebracht. Eine Detektorschaltung 9 gibt Signale, die von jedem der Schwingungsfühler 6a-6d gefühlt wurde, an die arithmetische Steuerschaltung 1. Eine Anzeige 11, beispielsweise eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung, kann eine Anzeige in Punktform bilden und befindet sich hinter dem Schwingungsübertragungstablett. Die Anzeige 11 wird von einer Anzeigetreiberschaltung 10 getrieben, um Punkte an den Stellen anzuzeigen, die von dem Schwingungs- Griffel 3 nachgezogen werden. Die Bedienungsperson kann die Anzeige 11 durch das (transparente) Schwingungsübertragungstablett 8 betrachten.
• Der in dem Schwingungs-Griffel 3 untergebrachte Vibrator 4 wird von der Treiberschaltung 2 angetrieben. Das Treibersignal für den Vibrator 4 kommt als Niedrigpegel-Impulssignal von der arithmetischen Steuerschaltung 1. Dieses Signal wird von der Vibratortreiberschaltung 2 um einen vorbestimmten Betrag verstärkt, woraufhin das verstärkte Signal an den Vibrator 4 gelegt wird. Das elektrische Treibersignal wird von dem Vibrator 4 in eine mechanische Schwingung umgewandelt, und die mechanische Schwingung wird über die Griffelspitze 5 auf das Tablett 8 übertragen.
• Die Schwingungsfrequenz des Vibrators 4 wird so ausgewählt, daß sie in der Lage ist, Lamb-Wellen in dem Schwingungsübertragungstablett 8 zu erzeugen, welches aus Glas oder dergleichen besteht. Wenn der Vibrator angesteuert wird, wird ein Schwingungstyp ausgewählt, in welchem der Vibrator in vertikaler Richtung in Fig. 2 gegenüber dem Tablett 8 schwingt. Eine hocheffiziente Umwandlung der Schwingung ist dadurch möglich, daß die Schwingungsfrequenz des Vibrators 4 so groß gemacht wird wie die Resonanzfrequenz der Griffelspitze 5. Die durch das Tablett übertragenen elastischen Wellen sind Lamb- Wellen, was den Vorteil hat, daß sie wenige empfindlich sind als Oberflächenwellen oder dergleichen gegenüber dem Einfluß von Kratzern in der Oberfläche des Schwingungsübertragungstabletts, Hindernissen und dergleichen. <
Beschreibung der arithmetischen Steuerschaltung>
• In der oben vorgestellten Ausgestaltung gibt die Treiberschaltung 2 der arithmetischen Steuerschaltung 1 ein Signal aus, welches den Vibrator 4 in dem Schwingungs-Griffel 3 antreibt, und zwar mit einer vorbestimmten Periodendauer (zum Beispiel alle 5 ms). Die arithmetische Steuerschaltung 1 beginnt auch die Messung der Zeitspanne durch einen internen Zeitgeber (der durch einen Zähler gebildet wird). Die von dem Schwingungs-Griffel 3 erfolgte Schwingung pflanzt sich durch das Schwingungstablett 8 fort und kommt mit einer Verzögerungszeit an den Schwingungsfühlern 6a-6d an, die dem Abstand von der Schwingungsquelle entspricht.
• Die Detektorschaltung 9 erfaßt das Signal von jedem der Schwingungsfühler 6a-6d und erzeugt durch die unten beschriebene Wellenform-Nachweis- Verarbeitung ein Detektorsignal, welches kennzeichnend ist für die Zeit, zu der die Schwingung an jedem Schwingungsfühler ankommt. Diese Signale für jeden der Fühler gelangen in die arithmetische Steuerschaltung 1, welche die Übertragungs-Verzögerungszeit von dem Schwingungs-Griffel 3 zu jedem der Fühler 6a-6d ermittelt und die Koordinaten des Schwingungs-Griffels 3 berechnet. Außerdem treibt die arithmetische Steuerschaltung 1 die Anzeigetreiberschaltung 10 auf der Grundlage der berechneten Information, die kennzeichnend ist für die Position des Schwingungsfühlers 3, um dadurch die durch die Anzeigevorrichtung 11 gelieferte Anzeige zu steuern. Alternativ gibt die arithmetische Steuerschaltung 1 die Koordinaten an eine (nicht gezeigte) externe Einheit durch serielle oder parallele Übermittlung.
• Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, welches den allgemeinen Aufbau der arithmetischen Steuerschaltung 1 dieser Ausführungsform veranschaulicht. Die Elemente dieser Schaltung und deren Arbeitsweise sollen im folgenden beschrieben werden.
• Wie in Fig. 3 gezeigt ist, steuert ein Mikrocomputer 31 die arithmetische Steuerschaltung 1 und die gesamte Koordinateneingabevorrichtung. Gebildet wird der Mikrocomputer 31 durch einen internen Zähler, einen ROM, der die Betriebsprozedur speichert, einen RAM, der zu Berechnungen dient, und einen nichtflüchtigen Speicher zum Speichern von Konstanten und dergleichen. Ein Timer wird beispielsweise durch einen Zähler gebildet, der einen (nicht gezeigten) Referenztakt zählt. Wenn das Startsignal zum Starten des Treibens des Vibrators 4 innerhalb des Schwingungs-Griffels 3 in die Vibrator-Treiberschaltung 2 eingegeben wird, beginnt der Timer 33 die Meßzeit. Als Ergebnis wird eine Synchronisation zwischen dem Start der Meßzeit und dem Nachweis der Schwingung durch die Sensoren eingerichtet, und man kann die Zeitverzögerung bis zum Nachweis der Schwingung durch die Fühler (6a-6d) messen.
• Die anderen Schaltungsteile der Vorrichtung werden zu gegebener Zeit beschrieben.
• Die Nachweissignale in den Schwingungsfühlern 6a-6d, die von der Signaldetektorschaltung 9 ausgegeben werden, werden in zugehörige Zwischenspeicher 34a-34d über ein Detektorsignal-Eingabeport 35 eingegeben. Die Zwischenspeicher 34a-34d entsprechen den Schwingungsfühlern 6a-6d. Wenn das Detektorsignal in dem entsprechenden Fühler empfangen wird, wird der dann vorhandene Wert der Zeitmessung, die von dem Timer 33 gemessen wird, von dem zugehörigen Zwischenspeicher festgehalten. Wenn eine Diskriminatorschaltung 36 feststellt, daß sämtliche Detektorsignale auf diese Weise empfangen wurden, gibt die Schaltung 36 ein entsprechendes Signal an den Mikrocomputer 31. Ansprechend auf den Empfang des Signals von der Diskriminatorschaltung 36 liest der Mikrocomputer 31 die Übertragungs- Verzögerungszeit von dem Schwingungs-Griffel zu jedem der Schwingungsfühler aus dem zugehörigen Zwischenspeicher 34a-34d und führt eine vorbestimmte Berechnung durch, um die Koordinaten des Schwingungs-Griffels 3 auf dem Schwingungsübertragungstablett 8 zu berechnen. Die berechnete Koordinateninformation wird über ein E/A-Port 37 an die Anzeigetreiberschaltung 10 ausgegeben, um dadurch die Möglichkeit zu schaffen, Punkte oder dergleichen an der entsprechenden Position der Anzeige 11 darzustellen. Alternativ wird die Koordinateninformation über die E/A-Schaltung 37 an eine Schnittstellenschaltung ausgegeben, wodurch die Koordinatenwerte an ein externes Gerät ausgegeben werden können.
< Beschreibung des Nachweises der Schwingungs-Ausbreitungszeit (Fig. 4, 5)>
• Das Grundprinzip, gemäß dem die Schwingungs-Ankunftszeit bezüglich des Schwingungsfühlers 3 gemessen wird, soll im folgenden beschrieben werden.
• Fig. 4 ist ein Diagramm von Signalwellenformen, die in die Signalwellenform- Detektorschaltung 9 gelangen, und dient auch zum Beschreiben der Verarbeitung für die Messung der Übertragungs-Verzögerungszeit basierend auf diesen Wellenformen. Obschon sich die Beschreibung lediglich auf den Schwingungsfühler 6a bezieht, ist die Arbeitsweise exakt die gleiche für die übrigen Schwingungsfühler 6b, 6c und 6d.
• Die Messung der Übertragungs-Laufzeit für die Übertragung von dem Vibrator zu dem Schwingungsfühler 6a beginnt zur gleichen Zeit, zu der das Startsignal an die Vibratortreiberschaltung 2 ausgegeben wird, wie oben bereits erwähnt wurde. Zu dieser Zeit wird ein Treibersignal 41 von der Treiberschaltung 2 an den Vibrator 4 gelegt. Die Ultraschallschwingung, die von dem Schwingungs- Griffel 3 durch das Signal 41 auf das Schwingungsübertragungstablett 8 übertragen wurde, breitet sich in einer Zeitspanne tg entsprechend der Entfernung zu dem Schwingungsfühler 6a aus, woraufhin die Schwingung von dem Fühler 6a erfaßt wird.
• Das Signal 42 in Fig. 4 ist die Signalwellenform, die von dem Schwingungsfühler 6a aufgenommen wird. Da die bei dieser Ausführungsform verwendete Schwingung eine Lamb-Welle ist, ändert sich die Relation zwischen der Hüllkurve 43 des Signals 42 und dem Signal 42 in Bezug auf die Ausbreitungsentfernung innerhalb des Schwingungsübertragungstabletts 8 in Abhängigkeit der Übertragungsstrecke. Wenn Vg die Geschwindigkeit ist, mit der die Hüllkurve 43 läuft, nämlich die Gruppengeschwindigkeit, und Vp die Phasengeschwindigkeit des Signals 42 ist, läßt sich die Entfernung zwischen dem Schwingungs-Griffel 3 und dem Schwingungsfühler 6a aus der Gruppengeschwindigkeit Vg und der Phasengeschwindigkeit Vp ermitteln.
• Als erstes soll lediglich die Hüllkurve 43 mit der Geschwindigkeit Vg betrachtet werden. Wenn ein Punkt auf einer gewissen speziellen Wellenform, beispielsweise ein erster Nulldurchgangspunkt eines Signals 44, bei dem es sich um die erste Ableitung der Wellenform der Hüllkurve 43 handelt, als Wendepunkt der Hüllkurve 43 nachgewiesen wird, so ist die Entfernung zwischen dem Schwingungs-Griffel 3 und dem Schwingungsfühler 6a durch folgende Gleichung gegeben, in der die Übertragungs-Verzögerungszeit tg beträgt:
• d = Vg · tg (1)
• Obschon sich diese Gleichung auf den Schwingungsfühler 6a bezieht, lassen sich die Entfernungen zwischen den übrigen drei Schwingungsfühlern 6b-6d und dem Schwingungs-Griffel 3 in ähnlicher Weise durch die gleiche Gleichung ausdrücken.
• Außerdem erfolgt basierend auf dem Nachweis des Phasensignals eine Verarbeitung, um die Koordinaten exakter zu bestimmen. Es soll tp die Zeit zwischen den spezifischen Nachweispunkten des Phasensignals 42 sein, zum Beispiel die Zeit zwischen dem Aufbringen der Schwingung bis zu einem Nulldurchgangspunkt nach einem vorbestimmten Signalpegel 431 (tp wird erhalten durch Bilden eines Fenstersignals 46 vorbestimmter Breite beginnend bei dem Zeitpunkt, zu dem die Hüllkurve 42 den Pegel 431 übersteigt, wobei das Signal 46 mit dem Phasensignal 42 verglichen wird). Die Entfernung zwischen dem Schwingungsfühler und dem Schwingungs-Griffel ist durch folgende Gleichung gegeben:
• d = n · &lambda;p + Vp · tp (2)
• wobei &lambda;p die Wellenlänge der elastischen Welle und n eine natürliche Zahl ist.
• Die natürliche Zahl n läßt sich aus den Gleichungen (1) und (2) folgendermaßen ausdrücken:
• n = int[(Vg · tg - Vp · tp)/&lambda;p + 1/N] (3)
• Es sei angemerkt, daß N eine reale Zahl verschieden von "Null" ist. Man kann irgendeinen geeigneten Wert hernehmen. Beispielsweise kann bei N = 2 der Wert n festgelegt werden, wenn es eine Schwankung von tg oder dergleichen innerhalb von ± 1/2 Wellenlänge gibt. Durch Einsetzen des so erhaltenen Werts n in die Gleichung (2) läßt sich die Entfernung zwischen dem Schwingungs-Griffel 3 und dem Schwingungsfühler 6a mit größerer Genauigkeit messen.
• Was tatsächlich basierend auf dem von der Signaldetektorschaltung 9 ausgegebenen Signal gemessen wird, ist tg' oder tp', was einen Versatz (offset) beinhaltet, der äquivalent ist zu der Verzögerungszeit, die in dem Schwingungs- Griffel oder der Schaltung entsteht. Wenn also diese Werte in die Gleichung (2) oder die Gleichung (3) eingesetzt werden, muß man den Versatz subtrahieren, um zu tg, tp zu gelangen. Um diese zwei Übertragungs-Verzögerungszeiten tg' und tp' zu messen, werden Signale 45 und 47 von der Signaldetektorschaltung 9 erzeugt. Die Signaldetektorschaltung 9 hat den in Fig. 5 dargestellten Aufbau.
• Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, welches die Ausgestaltung der Signaldetektorschaltung 9 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. In Fig. 5 wird das Ausgangssignal des Schwingungsfühlers 6 von einer Vorverstärkerschaltung 51 auf einen vorbestimmten Pegel verstärkt. Das verstärkte Signal wird auf ein Bandpaßfilter 511 gelegt, welches nicht benötigte Frequenzkomponenten aus dem Detektorsignal entfernt. Das gefilterte Signal gelangt in eine Hüllkurven- Detektorschaltung 52, die aus einer Absolutwertschaltung und einem Tiefpaßfilter besteht, wodurch bloß die Hüllkurve des Nachweissignals extrahiert wird. Der Zeitpunkt des Wendepunkts der Hüllkurve wird von einer Wendepunkt- Detektorschaltung ermittelt. Das. Ausgangssignal der Hüllkurven-Wendepunkt- Detektorschaltung 53 gelangt in eine tg-Signaldetektorschaltung 54, die einen monostabilen Multivibrator und dergleichen enthält. Die Schaltung 54 erzeugt das Signal tg (das Signal 45 in Fig. 4), welches die Verzögerungszeit der Hüllkurve vorbestimmter Gestalt angibt. Das Signal tg wird auf die arithmetische Steuerschaltung 1 gegeben.
• Eine Signaldetektorschaltung 55 erzeugt ein Impulssignal für einen Abschnitt, in welchem das Hüllkurvensignal 43, das von der Hüllkurvendetektorschaltung 52 nachgewiesen wurde, das Schwellenwertsignal 431 mit dem vorbestimmten Pegel übersteigt. Ein monostabiler Multivibrator 56 gibt ein Gattersignal 46 vorbestimmter Dauer aus, getriggert durch die erste Vorderflanke des Impulssignals. Ein tp-Vergleicher 57 erfaßt den Nulldurchgangspunkt der ersten Vorderflanke des Phasensignals 42, während das Gattersignal 46 öffnet, und ein für die Verzögerungszeit der Phase bezeichnendes Signal tp 47 wird an die arithmetische Steuerschaltung 1 gegeben. Es sei angemerkt, daß die oben erläuterte Schaltung für den Schwingungsfühler 6a vorgesehen ist und daß identische Schaltungen für die übrigen Schwingungsfühler vorhanden sind. <
Beschreibung der Koordinatenberechnung (Fig. 6)>
• Das Grundprinzip, nach welchem Koordinaten auf dem Schwingungsübertragungstablett 8 von dem Schwingungsgriffel 3 erfaßt werden, soll im folgenden erläutert werden.
• Die vier Schwingungsfühler 6a-6d befinden sich an Stellen 51-54 in der Nähe der Mitten zwischen den vier Ecken des Schwingungsübertragungstabletts 8. Wenn dies geschehen ist, können die geradlinien Entfernungen da-dd von der Stelle P des Schwingungs-Griffels 3 zu den Stellen der Schwingungsfühler 6a-6d auf der Grundlage des oben erläuterten Prinzips erhalten werden. Anhand dieser geradlinigen Strecken da-dd kann die arithmetische Steuerschaltung 1 die Koordinaten (x, y) der Stelle P des Schwingungs-Griffels 3 unter Anwendung des Lehrsatzes von Pythagoras folgendermaßen ermitteln:
• x = (da + db) · (da - db)/2X (4)
• y = (dc + dd) · (dc - dd)/2Y (5)
• worin X, Y die Entfernungen zwischen den Schwingungsfühlern 6a, 6b bzw. den Schwingungsfühlern 6c, 6d sind.
• Die Positionskoordinaten des Schwingungs-Griffels 3 lassen sich also auf Echtzeitbasis ermitteln.
< Beschreibung der Differenzierschaltung>
• Die Wendepunkte-Nachweisschaltung 53 ist aufgebaut durch in zwei Stufen angeordnete, seriell verbundene Differenzierschaltungen. Wenn die Differenzierschaltung eine ideale Eingangs-/Ausgangs-Differenzierkennlinie aufweist, entspricht der Wendepunkt der Vorderflanke der Hüllkurve 43 der erfaßten Wellenform exakt dem Anfangs-Nulldurchgangspunkt der differenzierten Wellenform 44 der ersten Ableitung, die durch einmalige Differenzierung gehalten wird.
• Ein Schaltungsdiagramm, welches eine Differenzierschaltung für eine Stufe veranschaulicht, bzw. ein Kennliniendiagramm des Frequenzverhaltens der Schaltung sind in den Fig. 7A und 7B dargestellt. Eine Differenzierungs- Grenzfrequenz fH und eine Spitzenverstärkungsfrequenz fp lassen sich durch die dargestellten Widerstände und Kondensatoren einstellen.
• Eine reale Differenzierschaltung zeigt ein anderes Verhalten als eine ideale Differenzierschaltung, wie in Fig. 7B gezeigt ist. Die gestrichelte Linie ist eine Kennlinie für einen Phasenvorlauf nach der Differenzierung. Wenn die Frequenz (die Mittenfrequenz-Komponente) f des Eingangssignals nahe bei der Differenzierungs-Grenzfrequenz fH liegt, ist die Phase des Ausgangssignals weniger als 90º (&pi;/2). Dies entspricht einer Abweichung von der idealen Differenzierschaltung, wie es oben angesprochen wurde. Der Umstand, daß die Phasenvoreilung klein ist, bedeutet, daß der Nulldurchgangspunkt der differenzierten Wellenform 44 nach der zweiten Ableitung einem Teil der Eingangs-Hüllkurve 43 entspricht, der sich zeitlich an den Wendepunkt anschließt. Dies stellt ein Problem bezüglich der Empfindlichkeit gegenüber Einflüssen reflektierter Wellen zum Nachweiszeitpunkt dar.
• Das Problem kann man einfach verstehen, wenn man die Art und Weise betrachtet, in der der Nachweispunkt sich aufgrund der Differenzierungs- Grenzfrequenz fH ändert. Fig. 8A ist eine schematische Darstellung, die ein Auswertungs-Werkzeug veranschaulicht, wie es zum Erkennen des Nachweispunkts verwendet wird. Wie in Fig. 8A zu sehen ist, ist eine Stirnfläche des Schwingungsübertragungstabletts 8 mit einer total reflektierenden Oberfläche ausgestattet (die rechte Stirnfläche in der Zeichnung), wo sich kein Schwingungsunterdrücker 7 befindet. Der Schwingungs-Griffel 3 wird allmählich weg von einem Schwingungsfühler 6 entlang einer Linie rechtwinklig zu der totalreflektierenden Fläche bewegt. Ein von dem Schwingungsfühler 6 erhaltenes Lesesignal gelangt in die Signaldetektorschaltung 9, wodurch die Verzögerungs zeit tg erhalten wird. Wenn die Verzögerungszeit tg aufgezeichnet wird, wobei auf der horizontalen Achse die Laufstrecke aufgetragen ist, erhält man die in Fig. 8B dargestellte graphische Darstellung. Der Graph zeigt die Position, an der die lineare Beziehung zusammenbricht aufgrund der Einflüsse von reflektierten Wellen, die von der totalreflektierenden Fläche kommen. Wenn L die Entfernung von der Griffelposition, bei der die Auswirkungen der Reflexion in Erscheinung treten, bis zu der totalreflektierenden Stirnfläche ist, so gibt es eine Korrelation zwischen der Entfernung L und dem tg-Nachweispunkt des erfaßten Signals. Insbesondere gilt: Je kürzer die Strecke L, desto mehr ist der Nachweispunkt nach vorn geschoben (enger zu dem Wendepunkt der Hüllkurve), und desto weniger Empfindlichkeit gibt es für reflektierte Wellen. In anderen Worten: Wenn die Gruppengeschwindigkeit Vg (= l0/t0) beträgt, beträgt die Zeit, die eine reflektierte Welle von der Stirnfläche bis zur Ankunft an einem Punkt benötigt, der eine Entfernung L von der Stirnfläche hat, 2L/V. Diese Zeit ist die Zeitspanne von dem Anstieg der erfaßten Schwingungswellenform bis zu dem tg-Nachweispunkt. Man sieht, daß diese Zeit um so kürzer ist, je kleiner der Wert von L ist. In anderen Worten: In dem nachgewiesenen Signal ist der Nachweispunkt tg zeitlich nach vorn verschoben.
• Fig. 9 zeigt die Ergebnisse der Auswertung der Entfernung L durch das Auswertverfahren gemäß den Fig. 8A und 8B, erhalten durch Ändern des Werts der Differenzierungs-Grenzfrequenz fH, wenn die Mittenfrequenz f der Schwingung durch die Schwingungsübertragungstafel 8 500 kHz entspricht und die Frequenz des Anstiegsabschnitts der Hüllkurve 40 kHz beträgt. Fig. 9 zeigt, daß, wenn fH ausreichend größer als 40 kHz ist, insbesondere wenn fH &ge; f = 500 kHz gilt, L im wesentlichen konstant ist.
• Obschon die Lage der Spitze und des Wendepunkts des nachgewiesenen Signals sich in einer Weise ändern, die entsprechend der Gruppengeschwindigkeit in linearer Beziehung zu der Entfernung steht, bedeutet dies nicht, daß der Wendepunkt erfaßt wird, wenn der Übertragungs-Phasengang der Differenzierschaltung sich um 90º verschiebt (von 180º, da zwei Differenzierschaltungs- Stufen vorgesehen sind). Es gibt folglich einen Versatz gegenüber der Neigung der Gruppengeschwindigkeit Vg und eine Abweichung von der linearen Beziehung, und der Nulldurchgangspunkt der differenzierten Wellenform 44 wird entlang der Zeitachse abhängig vom Pegel des nachgewiesenen Signals nach hinten und nach vorn verschoben. Es ergibt sich folglich ein Problem dadurch, daß die Genauigkeit bei der Koordinatenermittlung abnimmt. Ein weiterer Grund hierfür ist der, daß, weil Vp abhängig von der Frequenz schwankt (dies wird als Varianz bezeichnet), die Wellenform des nachgewiesenen Gesamtsignals sich abhängig von der Ausbreitungsstrecke ändert.
• Wenn der Wert von fH so eingestellt wird, daß er gegenüber der Frequenz der Hüllkurve ausreichend groß ist, nähert sich die Phasenübertragungs-Kennlinie der Differenzierschaltung dem Idealfall an, und es gibt weniger Empfänglichkeit für Einflüsse reflektierter Wellen, wie oben erläutert wurde. Außerdem werden Probleme wie das Auftreten einer fehlerhaften Detektierung aufgrund einer Schwankung des Pegels der nachgewiesenen Wellen beseitigt. Da die gleichen Effekte auch dann erzielt werden, wenn der Wert von fH so gewählt ist, daß fH &ge; f/2 = 250 kHz gilt, so ergibt sich in der Praxis aus der Fig. 9 auch, daß das oben Gesagte bis hin zu fH = f/2 gilt.
• Die Differenzierungs-Grenzfrequenz fH, die die Obergrenze für den praxistauglichen Differenzierungsbereich ist, befindet sich in der Nähe der Spitzenverstärkungsfrequenz fp. Wenn daher die Spitzenverstärkungsfrequenz fp auf die Mittenfrequenz f der Schwingung oder auf einen Wert größer als die Mittenfrequenz eingestellt wird, dann die genügt die Frequenz fe der Hüllkurve in ausreichendem Maß der Relation fH > fe bezüglich der Differenzierungs-Grenzfrequenz fH, und der Phasenvoreilwinkel nach der ersten Ableitungsbildung fällt nicht stark unter 90º ab.
• Allerdings ist ein zusätzliches Problem die Kennlinie der Hüllkurven-Detektorschaltung 52 in der Stufe vor der Differenzierschaltung. Die Hüllkurven- Detektorschaltung 52 wird durch ein Tiefpaßfilter oder ein Bandpaßfilter gebildet. Die Frequenzkomponente (fe) der Hüllkurve passiert ohne Verlust (oder nach Verstärkung), die Frequenzkomponente f (die Mittenfrequenzkomponenten der Schwingung), die größer als diese Frequenzkomponente ist, wird abgeschnitten, das heißt unter Verwendung eines hohen Dämpfungsfaktors durchgelassen, und als Ausgangsgröße wird die Hüllkurve erhalten. In anderen Worten: Die Durchlaßkennlinie für die Hüllkurvenfrequenz fe und die Mittenfrequenz f besitzen lediglich einen Unterschied &alpha;dB. Das heißt: Wenn die Differenz im Frequenzverlauf zwischen den Frequenzen fe und f in der Wendepunkt-Detektorschaltung 53 der nachfolgenden Stufe -&alpha;dB beträgt, nähert sich die Wellenform des Ausgangssignals derjenigen des in die Hüllkurven-Detektorschaltung eingegebenen Signals an. Genauer gesagt: Wenn der Wert der Differenzierungs-Grenzfrequenz fH groß gemacht wird, um die Kennlinie der Differenzierschaltung zu optimieren, wird auch der Amplitudengang der Differenzierschaltung bei der Mittenfrequenz f groß. Deshalb ist es notwendig, die Differenz (= &alpha;dB) zwischen dem Amplitudengang fe und f der Hüllkurven-Detektorschaltung 52 der vorausgehenden Stufe zu vergrößern. Genauer gesagt: Durch Verwenden eines Filters höherer Ordnung als Tiefpaß- oder Bandpaßfilter, welches die Hüllkurven-Detektorschaltung 52 bildet, wird der Durchgangsverlust für eine Frequenz oberhalb der Grenzfrequenz oder einer Frequenz oberhalb dieses Bandes größer. Dies macht es möglich, die Differenz &alpha;dB zwischen den Amplitudenkennlinien der Hüllkurvenfrequenz fe und der Mittenfrequenz f in einfacher Weise zu vergrößern.
• Bei dieser Ausgestaltung sollte selbstverständlich die Frequenz fc für die Verstärkung von Eins (Verstärkungsfaktor = 0 dB) der Differenzierschaltung so eingestellt sein, daß die benötigte Ausgangsamplitude erhalten wird.
• Wie oben beschrieben, wird dadurch, daß die Spitzenverstärkungsfrequenz fp gleich oder größer gemacht wird als die Mittenfrequenz der erfaßten Schwingung, die Differenzierungs-Grenzfrequenz fH der Differenzierschaltung, welche die Wendepunkt-Detektorschaltung 53 bildet, gleich oder kleiner gemacht als die Mittenfrequenz (fH &ge; f). Durch Verwenden eines Tiefpaß- oder Bandpaßfilters höherer Ordnung für den Aufbau der Hüllkurven-Detektorschaltung läßt sich außerdem die Gruppenlaufzeit für die sich ausbreitende Schwingung nachweisen, ohne daß sie durch reflektierte Wellen beeinflußt wird. Ein fehlerhafter Nachweis durch eine Schwankung im Nachweispegel wird beseitigt.
• Die vorliegende Erfindung kann angewendet werden bei einem System, welches aus mehreren Einrichtungen besteht oder kann bei einer Vorrichtung mit mehreren Einzeleinrichtungen eingesetzt werden. Selbstverständlich ist die Erfindung auch in dem Fall anwendbar, in dem das erfindungsgemäße Ziel durch Bereitstellung eines Programms für ein System oder eine Vorrichtung erreicht wird.
• Die Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, es sind verschiedene Änderungen und Modifikationen im Rahmen des Schutzumfangs der Ansprüche möglich.

Claims (9)

1. Koordinateneingabevorrichtung zum Eingeben einer angegebenen Koordinatenposition, umfassend:

- eine Schwingungsquelle (4) zum Erzeugen von Schwingung;

- eine Schwingungsübertragungseinrichtung (8) zum Übertragen der Schwingung;

- mehrere Schwingungs-Fühleinrichtungen (6a-6d) zum Fühlen von Schwingung, die von der Schwingungsübertragungseinrichtung (8) übertragen wird;

- eine Generatoreinrichtung zum Erzeugen eines Hüllkurvensignals (43) der Schwingung, die von den Schwingungs-Fühleinrichtungen (6a-6d) nachgewiesen wurde;

- eine Hüllkurven-Detektoreinrichtung (52) zum Nachweisen eines vorbestimmten Punkts in dem Hüllkurvensignal (43);

- eine Meßeinrichtung (33) zum Messen der Zeit von der Eingabe der Schwingung von der Schwingungsquelle (4) in die Schwingungsübertragungseinrichtung (8) bis zu dem Nachweis des vorbestimmten Punkts durch die Detektoreinrichtung (2); und

- eine Berechnungseinrichtung (1) zum Berechnen der Position der Schwingungsquelle (4) in der Schwingungsübertragungseinrichtung (8) anhand der von der Meßeinrichtung (33) gemessenen Zeit,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Hüllkurvendetektoreinrichtung (52) eine Differenzierschaltung (53) aufweist, in der eine Frequenz gleich oder höher als diejenige der von der Schwingungsquelle (4) erzeugten Schwingung als Spitzenverstärkungsfrequenz der Differenzierschaltung angenommen wird, das Hüllkurvensignal (43) mindestens einmal von der Differenzierschaltung differenziert wird und daß deren Ausgangssignal einen Nulldurchgangspunkt aufweist, der als der vorbestimmte Punkt dient.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Hüllkurvendetektoreinrichtung (52) ein Frequenzfilter höherer Ordnung aufweist zum Vergrößern des Durchgangsverlustes einer Frequenz, die oberhalb einer Grenzfrequenz liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Hüllkurvendetektoreinrichtung (53) einen Umkehrpunkt der Hüllkurve erfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der vorbestimmte Punkt der Scheitel der Hüllkurve (43) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Hüllkurvensignal von der Differenzierschaltung zweimal differenziert wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Schwingungsquelle (4) Schwingung intermittierend synchron mit den Schwingungs-Fühleinrichtungen (6a-6c) erzeugt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Schwingungsübertragungseinrichtung (8) eine transparente Platte ist und eine Anzeigeeinrichtung enthält zum Anzeigen eines Bildes, wobei die Anzeigeeinrichtung (11) unterhalb der Platte vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der mehrere Schwingungs-Fühleinrichtungen (6a-6d) an voneinander verschiedenen Stellen auf der Platte (8) vorgesehen sind.

9. Verfahren zum Auswerten einer Schwingungs-Fühleinrichtung, welche Schwingung erfaßt, die über eine Schwingungsübertragungstafel übertragen wird, wobei die Schwingungsübertragungstafel eine Schwingungen reflektierende Oberfläche und einen fixen Schwingungsfühler aufweist, und wobei die Schwingungs-Fühleinrichtung eine Differenzierschaltung aufweist, umfassend:

- einen Eingabeschritt zum Eingeben einer Schwingung zwischen die reflektierende Oberfläche und den Schwingungsfühler;

- einen Fühlschritt, bei dem die Schwingung durch den Schwingungsfühler gefühlt wird;

- einen Meßschritt zum Messen der Zeit von der Eingabe der Schwingung bis hin zum Fühlen der Schwingung durch den Schwingungsfühler;

- einen Wiederholschritt zum Wiederholen des Eingabeschritts, des Fühlschritts und des Meßschritts, während eine Position, an der die Schwingung eingegeben wird, geändert wird;

- Ändern der Position, an der die Schwingung eingegeben wird, durch allmähliches Fortbewegen von dem Schwingungsfühler entlang einer Linie rechtwinklig zu einer total reflektierenden Oberfläche;

- Nachweisen der Entfernung (L) zwischen dem Punkt der Eingabe der Schwingung und der reflektierenden Oberfläche, bei welcher Entfernung die lineare Beziehung zwischen der Meßzeit und der Eingabeposition aufhört; und

- Wiederholen dieser Meßschritte mit einer konstanten Schwingungsfrequenz für verschiedene Differenzier-Grenzfrequenzen der Differenzierschaltung.