專利名稱：用于坐標輸入的超聲波長度測量設備和方法
技術領域：
本發明一般涉及通過計算超聲波的傳播時間而測量長度的超聲波長度測量設備和方法，并且，更具體地，本發明涉及把用專用筆在紙張上手寫字符或數字而創建的筆跡進行坐標輸入作為字符數據和圖形數據的超聲波長度測量設備和方法。
背景技術：
鼠標、跟蹤球以及磁性或壓敏型書寫板等被認為是用于向計算機輸入坐標信息的坐標輸入設備(定點設備)。在這些設備中，磁性或壓敏型書寫板在可用性和精度方面是極佳的。它是定點設備，當用筆型移動器描繪磁性或壓敏型傳感器平面時，使用此定點設備檢測在傳感器平面上描繪的坐標位置并且輸出它們的位置信息作為電信號。磁性或壓敏型書寫板具有以上優秀的特性，但寫操作區域局限在連接到其上的傳感器平面內。如果書寫區域擴展，就需要更大的設備作為構成傳感器平面的設備，而且，在此情況下，傳感器平面單元的成本增加且需要容納此傳感器平面單元的大空間。
一般而言，使用超聲波的長度測量設備，通過接收從發射器發射的超聲波并測量超聲波的傳播時間而獲得長度，其中，所述超聲波應用于坐標輸入設備中。由于待測長度是用超聲波的傳播時間乘以速度而得到的，因此，該長度是通過測量超聲波發射時間與超聲波到達接收器時間之間的傳播時間而計算得到的。為接收到的超聲波波形設定正確的閥值，其中，超聲波在被接收器接收之后已轉換成電信號并且信號超過閥值的時間被確定為超聲波到達接收器的時間。為了準確地獲得長度，必需總是從接收器檢測與超聲波接收波形相同的波形的到達時間。
因為隨著超聲波傳播長度變長，超聲波逐漸衰減，所以在接收器接收到的超聲波波形隨著此長度而變化。圖1示出接收到的超聲波波形。在圖1中，當長度較短時，波形為超聲波1100的形式，而當長度較長時超聲波衰減到由虛線表示的超聲波1102的形式。實際到達的超聲波不僅僅是衰減。由普通壓電陶瓷制成的超聲波傳感器用作接收器，它是非常靈敏的，但由于高Q值的影響，接收到的超聲波波形慢慢變大，如圖1所示。因此，如果通過簡單地獲得波形與閥值Vth1相交的時刻而獲得到達時間，當長度較短時，所述時刻就為檢測到的時刻1104，但當長度較長時，所述時刻就為檢測到的時刻1106，由于閥值Vth1和與之相交的超聲波不同，因此檢測到的波形的波幅已經衰減。結果，產生相應一個波長的誤差。例如，當使用頻率為40KHz的超聲波時，由于一個波長對應于約8mm，因此一個波長的錯位產生差不多8mm的誤差。對于減少超聲波波幅的此種影響的方法，已提出以下方法利用接收到的超聲波波形的包絡線的方法(例如，日本專利申請特開平(kokai)5-215850)；利用超聲波波形的多個頂點獲得假定過零點的方法(例如，日本專利申請特開平(kokai)8-254454)；等等。在利用包絡線的方法中，與閥值相交的波不會象直接利用超聲波波形的情況那樣被誤檢，但它的瞬時分辨率不會太高。在獲得假定過零點的方法中，需要復雜昂貴的信號處理電路，在此電路中，在多個水平上為接收到的波形使用峰值檢測器，并且通過計算得到假定過零點。因此，可探索一種其信號處理電路簡單且成本低但可得到高瞬時分辨率的方法。
例如，需要此種高分辨率的應用包括以下場合使用兩個固定安裝的超聲波傳感器，通過從連接到筆等的超聲波發射單元接收超聲波而測量兩個長度，從而測量位置坐標，并且筆在寫字符時在紙張上的移動輸入到信息處理設備；而且還包括超聲波傳感器的安裝間隔比待測長度小得多的場合。
隨著近年來個人計算機的流行，用鍵盤輸入電子文本比用鉛筆等在紙張上書寫字符更頻繁。然而，事實上，當作簡短筆記時，在紙張上手寫字符等比用鍵盤輸入更容易。因此，當參加會議時，每個與會者攜帶便簽簿并用鉛筆在上面手寫仍然是很普通的。然而，考慮到所作的筆記需要分發給他人或需要進行管理，因此優選作的筆記是電子形式的。具體地，如果用圖象掃描儀讀出手寫字符就需要進行電子化的過程并且如果使用觸摸板或書寫板就不方便攜帶，因此，希望能簡單地輸入手寫字符作為電子數據。考慮到上述事實，通常已知這樣一種坐標輸入設備一對超聲波接收器布置在紙張上，由這些超聲波接收器接收從筆發射的超聲波并通過利用超聲波傳播時間的三角測量，輸入坐標。例如，日本專利申請特開平(kokai)8-36462和日本專利申請特開平(kokai)2000-298547公開一種技術，其中，構成接收器的兩個超聲波接收器布置在桌面或支撐座上，從超聲波傳播到這些超聲波接收器所需的傳播時間連續測量筆和超聲波接收器之間的長度，接著利用三角測量得到筆相對于桌面的坐標。在此情況下，在桌面上設置紅外線和超聲波接收器，用紅外線和超聲波接收器接收從筆發射的紅外線，以便在從筆產生超聲波時使時間瞬時同步。然而，當使用此種應用三角測量的常規技術時，在紙張的一部分產生盲區，并且產生以下問題坐標輸入變得不可能，或者即使有可能輸入但分辨率因此下降。另外，產生設備尺寸更大和成本增加的問題。
發明內容
<超聲波長度測量設備和方法>
本發明提供能用相對簡單的配置進行極高精度長度測量的超聲波長度測量設備和方法。
根據本發明的第一方面，提供一種超聲波長度測量設備，此設備包括用于發射超聲波的發射單元；用于接收超聲波并把它轉換成電信號的至少一個接收單元(超聲波傳感器)；時刻檢測單元，它用于測量從接收單元接收到的超聲波信號波形與預定閥值相交的次數，并用于檢測在從首次相交交點的預定次數之后的相交時刻；時間測量單元，它用于測量從發射單元開始發射超聲波到所檢測到的相交時刻的時間間隔；以及，基于測量的時間而計算長度的長度測量單元。由于本發明人的積極考慮，使用接收到的超聲波波形測量到達時間的分辨率取決于與閥值相交的波形的傾斜，并且隨著波幅變大，由于傾斜變得更陡，因此得到的分辨率越高。也就是說，波幅越大，與閥值相交的時刻的偏差越小。因而，本發明通過用具有大波幅的波檢測相交時刻而提高傳播時間的測量精度，其中，此波與閥值相交的波形的傾斜較陡。
根據本發明的第二方面，提供一種超聲波長度測量設備，此設備包括用于發射超聲波的發射單元；用于接收超聲波并把它轉換成電信號的至少一個接收單元；時刻檢測單元，用于測量從接收單元接收到的超聲波信號波形與預定閥值相交的次數，并用于在從首次相交交點的預定次數之后的交點檢測預定次數的每個相交時刻；時間測量單元，用于測量從發射單元開始發射超聲波到所檢測到的每個相交時刻的時間間隔，并獲得每個測量時間的算術平均值；以及，基于作為算術平均得到的時間來計算長度的長度測量單元。在此情況下，當與閥值相交的波形的傾斜變陡時，通過獲得多個相交時刻的算術平均值，有可能進一步提高有效的瞬時分辨率。
這里，在預定時間之后的交叉點指接收到的超聲波波形的波幅變得最大的振動與閥值相交的交叉點；或指就在前述振動之前或之后一個振動的振動與閥值相交的交叉點。與用于常規檢測中的閥值首次相交的波的波幅大約為根據接收系統Q值的最大波幅的20-50％。因此，通過使用與具有最大波幅的振動相交的交叉點而不使用第一個交叉點，可提高瞬時分辨率，因為可使用是常規波幅二(2)至五(5)倍的波幅。當接收器單元(超聲波傳感器)Q值的整數值為n時，在預定次數之后的交叉點指接收到的超聲波波形的第n個振動與閥值相交的交叉點，或指第(n±1)個振動與閥值的交叉點。例如，使用諸如PVDF的壓電膜的超聲波傳感器的Q值大約為4。那么，在此情況下，檢測與以下交叉點相應的相交時刻，其中，所述交叉點為接收到的超聲波波形的第(n＝)四個振動與閥值相交的交叉點或為第(n±1＝)三個或第五個振動與閥值相交的交叉點，并且，超聲波在此時刻具有最大波幅和與之接近的波幅，從而可提高分辨率。
在本發明的超聲波長度測量設備中，對多個相交時刻進行算術平均；采用設置在相對于振動中心的兩個極性上的閥值，時刻檢測單元測量由接收單元接收到的超聲波波形與閥值的相交次數，并且在從首次相交交點計算的預定次數之后，從兩個極性上的交點檢測預定次數的每個相交時刻。在此情況下，時間測量單元通過測量和獲得從發射單元開始發射超聲波到在兩個極性上檢測的每個相交時刻的每個時間的算術平均值，而獲得所述時間。因而，通過在最大波幅附近增加相交時刻的數量，從最大波幅求算術平均值，可進一步提高瞬時分辨率。在本發明的超聲波長度測量設備中，對多個相交時刻取算術平均；時刻檢測單元測量由接收單元接收到的超聲波波形的上升邊和下降邊與預定閥值相交的次數，并且在從首次相交交點計算的預定次數之后檢測預定次數的每個相交時刻。在此情況下，時間測量單元通過測量從超聲波開始發射到所檢測到的每個上升邊和下降邊相交時刻的每個時間間隔并獲得它們的算術平均值，從而獲得所述時間。因而，通過在最大波幅附近增加相交時刻的數量，從最大波幅求算術平均值，可進一步提高瞬時分辨率。發射單元包括發射通知單元，此發射通知單元發出與超聲波開始發射同步的光束或電磁波，并且，時間測量單元從發射通知單元接收光束或電磁波并檢測超聲波開始發射的時刻。在本發明的超聲波長度測量設備中，此設備包括至少兩(2)個接收單元系統、時刻檢測單元、時間測量單元和長度測量單元，此設備進一步包括坐標測量單元，坐標測量單元基于由每個長度測量單元獲得的兩(2)個長度而計算發射單元的二(2)維坐標位置。因此，即使在超聲波傳感器的安裝間隔與待測長度相比非常小時，也可用簡單的電路實現非常高的長度分辨率，在此情況下，通過使用兩個固定安裝的超聲波傳感器從固定到筆等的超聲波發射單元接收超聲波而測量兩個長度，從而測量位置坐標，筆在寫字符時在紙張上的移動輸入到信息處理單元中。
根據本發明的第三方面，提供一種超聲波長度測量方法，此方法包括發射超聲波的發射步驟；使用至少一個接收單元接收超聲波并把此超聲波轉換成電信號的接收步驟；時刻檢測步驟，用于測量接收到的超聲波信號波形與預定閥值相交的次數，并用于檢測在從首次相交交點的預定次數之后的相交時刻；時間測量步驟，用于測量從超聲波開始發射到所檢測到的相交時刻的時間間隔；以及，基于測量的時間而計算長度的長度測量步驟。
根據本發明的第四方面，提供一種超聲波長度測量方法，此方法包括發射超聲波的發射步驟；使用至少一個接收單元接收超聲波并把此超聲波轉換成電信號的接收步驟；時刻檢測步驟，用于測量接收到的超聲波信號波形與預定閥值相交的次數，并用于在從首次相交交點的預定次數之后的交點檢測預定次數的每個相交時刻；時間測量步驟，用于測量從開始發射超聲波到所檢測到的每個相交時刻的時間間隔，并獲得每個測量時間的算術平均值；以及，基于作為算術平均得到的時間而計算長度的長度測量步驟。此超聲波長度測量方法進一步包括基于在時刻檢測步驟、時間測量步驟和長度測量步驟中對由至少兩(2)個接收單元系統接收的超聲波波形所獲得的兩個長度，計算發射位置二(2)維坐標的坐標測量步驟。超聲波長度測量方法的其它特征基本與超聲波長度測量設備的相同。
<坐標輸入設備>
本發明提供一種超聲波利用型的坐標輸入設備，此設備減小盲區面積并且可用性和可攜帶性非常好。
根據本發明的第五方面，提供一種坐標輸入設備，此設備包括發射超聲波的筆；以及，接收器，它通過至少一對超聲波接收器接收從筆發射的超聲波，并基于由每個超聲波接收器分別接收的超聲波的傳播時間間隔而輸入筆的坐標位置；其中，接收器包括用于接收從筆發射的超聲波的多個超聲波接收器；以及，用于夾緊預定紙張的角的夾緊機構。根據本發明，由于接收器可布置和固定在紙張的角上，因此，如果接收器具有±45°的方向性，就可覆蓋紙張的整個區域。因此，不產生盲區，有可能使坐標輸入設備的配置更小，并且設備具有良好的可用性和可攜帶性。結果，此設備可用作便攜式設備。
另外，本發明坐標輸入設備的特征在于夾緊機構固定到平面形底板，此底板上安裝有用專用筆書寫的紙張。根據此特征，接收器已用夾緊機構事先布置和固定在底板的角上，從而，當接收器具有±45°的方向性時，有可能覆蓋紙張的整個區域。結果，不產生盲區，并由于安裝紙張的底板用作書寫載體，此書寫工具的可用性和可攜帶性非常好，而且，此設備可用作便攜式設備。
進而，本發明的坐標輸入設備包括具有紅外線發射單元的筆，其中，紅外線發射單元用于發射紅外線脈沖，并且，接收器的特征在于它進一步包括用于接收從紅外線發射器發射的作為同步信號的紅外線脈沖的紅外線接收器。根據上述，有可能不用引線連接接收器就可把紅外線脈沖的同步信號傳輸給接收器。進而，坐標輸入設備的特征在于，紙張固定在連接多個超聲波接收器的直線與紙張上邊緣形成的夾角的位置上。因此，可防止超聲波接收器與筆的表觀間距較小，并且，由于固定接收器的位置布置得使連接多個超聲波接收器的直線與紙張上邊緣形成的夾角的范圍內，因此，可避免分辨率下降的問題。
本發明坐標輸入設備的特征在于，通過把紙張的角壓在夾緊機構對任何紙張的壓緊表面上，而形成以大約90°角設置的撓性邊緣部分。因此，接收器對紙張的安裝角自動布置在45°角的傾斜位置上，通過沿邊緣部分插入紙張而獲得最強的方向性。
根據本發明，提供一種高度可靠的坐標輸入設備，此設備防止因專用筆和紙張產生的碰撞聲而造成的誤操作。因此，在本發明坐標輸入設備的配置中，從諸如專用筆的移動器間歇性地發射其傳播速度彼此不同的同步信號和長度測量信號，長度測量信號到不同固定位置的傳播長度從接收時刻之差計算，并且，從這些計算的傳播長度計算移動器的位置，而且，另外，間歇性長度測量信號開始發射的時刻延遲一段預定的時間。根據以上配置，即使在諸如超聲波波的聲波用作長度測量信號時，也可明確地區別在移動器和接觸平面互相接觸時所產生的碰撞聲和此長度測量信號。也就是說，當移動器和接觸平面互相接觸時，碰撞聲沒有任何瞬時延遲地產生和傳播，但相反，長度測量信號在延遲一段預定的時間之后才傳播。因此，通過從應用于位置檢測計算的信號中消除在不合規律的較早時刻接收的聲波，可防止以下情形通過把以上誤判為長度測量信號的碰撞聲應用到長度檢測計算而執行錯誤的位置檢測。
從以下結合附圖而進行的詳細描述中，本發明以上的和其它的目的、方面、特征和優點將變得更加顯而易見。
圖1示出隨長度衰減的常規超聲波波形；圖2示出由陶瓷制成的超聲波傳感器和由壓電膜制成的超聲波傳感器所產生的超聲波波形上升邊中的變化；圖3示出已由本發明人提出的方法，此方法通過在兩個極性設置閥值而切換與長度相應的用于時間檢測的閥值；圖4示出與圖3所示波形相應的根據長度切換的閥值；圖5示出本發明的基本配置；圖6示出圖5所示發射器的框圖；圖7A和7B示出圖5所示接收器的框圖；圖8A-8C示出在圖7A和7B所示接收器的操作中的信號波形的時間圖；圖9示出波形的傾斜和時間相對于波幅的偏差；圖10A和10B示出在本發明中超聲波波形相交時刻的偏差與波形和閥值之間的對應關系；圖11示出本發明傳播時間測量的相交時刻與常規相交時刻的比較；圖12示出包括兩(2)個接收系統的接收器實施例的框圖，所述接收器系統用于測量發射器單元的二(2)維坐標位置；圖13示出獲得多個相交時刻的時間間隔的算術平均值的接收器實施例的框圖；圖14A-14D示出在圖13所示接收器的操作中信號波形的時間圖；圖15示出通過在兩個極性上設置閥值而獲得多個相交時刻的時間間隔的算術平均值的接收器實施例的框圖；圖16A-16F示出在圖15所示接收器的操作中信號波形的時間圖；圖17示出本發明坐標輸入設備的全部配置；圖18A和18B示出接收器的布置；圖19A-19C示出接收器的配置；圖20示出接收器夾緊紙張的程序；圖21示出超聲波接收器的布置；圖22示出超聲波接收器的方向；圖23A和23B示出超聲波接收器的布置和方向；圖24示出超聲波接收器可獲得最大靈敏度的方向；圖25示出獲得長度和誤差之間關系的實驗結果的特性曲線；圖26示出專用筆的配置；圖27示出驅動電路單元的局部框圖；圖28A和28B示出本發明坐標輸入設備的其它實施例；圖29示出其接收器和夾子分離的坐標輸入設備；圖30示出接收器中電路單元的框圖；圖31A-31C示出由超聲波接收器接收的超聲波脈沖的波形；圖32示出微控制器和個人計算機軟件的過程的流程圖；圖33示出本發明坐標輸入設備的原理；圖34示出圖33所示發射器的框圖；圖35A-35C示出發射手寫檢測、同步信號和超聲波的時間圖；圖36A和36B示出被認為是由圖33所示配置造成的問題；圖37示出本發明發射器的第一實施例的框圖；圖38A-38C示出圖37所示坐標輸入設備的第一實施例的操作；圖39示出在構成本發明第二實施例的發射側上的過程操作的流程圖；
圖40示出在構成本發明第三實施例的發射側上的過程操作的流程圖；圖41示出在構成本發明第三實施例的接收側上的過程操作的流程圖；圖42A和42B示出筆-ON信號和筆-OFF信號的時間圖；圖43示出在構成本發明第四實施例的接收側上的過程操作的流程圖；圖44A和44B示出構成本發明第四實施例的接收側的配置框圖。
具體實施例方式
本發明人已經提出一種方法，其中，通過在超聲波對稱檢測波形的兩個極性中設置閥值而高精度地檢測到達時間(日本專利申請2001-213565)。
在此方法中，超聲波傳感器(接收器)使用壓電膜，如PVDF。與由普通壓電陶瓷制成的超聲波傳感器相比，此超聲波傳感器具有更低的靈敏度，但由于它們的Q值小，此超聲波傳感器的特性是在接收超聲波時的上升時間更急劇。
圖2示出從由壓電陶瓷制成的超聲波傳感器獲得的超聲波波形1100與從由壓電膜如PVDF制成的超聲波傳感器獲得的超聲波波形1108的比較。在圖2中，與由壓電陶瓷得到的超聲波波形1100到達峰值波幅所需的時間T2相比，由壓電膜得到的超聲波波形1108到達峰值波幅所需的時間T1非常短。因此，即使在波形波幅隨長度引起的衰減而變化的情況下，使超聲波錯過與閥值相交的機會顯著降低。進而，如圖3所示，為了根除此誤差，在振動中心的正、負兩側設置閥值+Vth和-Vth，每個閥值分別用于接收時刻檢測。從振動開始計算，不考慮極性，用W1表示第一個波，用W2表示第二個波以及和W3表示第三個波等等，例如，當長度較短時，與正側閥值+Vth相交的波是第一個波，而如圖所示，當長度變得更長且波幅變弱時則為第三個波W3。由于壓電膜傳感器具有低Q值且相鄰波之間的波幅差較大，因此，當長度已知且時刻檢測不會錯過時，將要相交的波在某種程度上是已知的。當然，由于雜波的影響，用于將被切換的波的長度具有寬度。另外，因為波形與閥值相交點的傾斜變得平緩，所以就在波切換之前分辨率極度降低。因此，通過在從正、負閥值+Vth和-Vth所獲得的時刻之中使用更穩定的時刻，在整個長度范圍上高精度地進行測量。因而，如圖4所示，對于與長度L相應的與閥值相交的波的范圍，第一個波相交范圍1110和第三個波相交范圍1114設置在正閥值+Vth一側，而第二個波相交范圍1112和第四個波相交范圍1116設置在負閥值-Vth一側。那么，例如通過在第二個波相交范圍1112和第三個波相交范圍1114重疊區域的中部設置閥值切換長度Lth，對于比閥值切換長度Lth更短的長度而言，從負側上的閥值-Vth和由第二個波W2產生的第二個波相交范圍1112獲得相交時刻是較好的，而對于比閥值切換長度Lth更長的長度而言，從正側上的閥值+Vth和由第三個波W23產生的第三個波相交范圍1114獲得相交時刻是較好的。根據此方法，可獲得比在利用包絡線的方法中獲得的分辨率高得多的分辨率。然而，由于相交時刻是利用靠近超聲波波形的振動起點且其波幅逐漸變大的波而獲得的，因此，對于要求非常高分辨率的、待測長度為幾十厘米或更短的場合，不能獲得充分的分辨率。
圖5示出根據本發明的超聲波長度測量設備的基本配置。本發明的超聲波長度測量設備包括發射器10和接收器12。超聲波從發射器10發射并由接收器12接收，發射器10和接收器12之間的長度L基于超聲波的傳播時間測量。
圖6為示出圖5中發射器10的詳細框圖。發射器10包括計時器15、LED驅動電路16、紅外線LED 18、超聲波驅動電路22和超聲波發射器24。計時器15以預定的時間間隔輸出計時器信號，此信號以預定的時間間隔操作LED驅動電路16和超聲波驅動電路22。因此，一旦從紅外線LED 18發射紅外線脈沖20，就從超聲波發射器24發射超聲波。紅外線LED 18的紅外線脈沖20用于向接收器12通知超聲波的發射時間。因此，如果在信號已發射之后立即到達接收器12，除了紅外線以外的其它波，例如無線電波，可作為信號發射。進而，如果有可能通過引線連接發射器10和接收器12，就有可能通過引線用電信號通知超聲波的發射。
圖7A和7B為示出圖5中接收器12細節的框圖，并且，在此接收器12中執行根據本發明的超聲波長度測量處理。接收器12包括用于檢測接收時刻的時刻檢測單元26、用于測量從超聲波發射到接收時刻之間時間的時間測量單元28、以及基于測量的時間來測量長度的微控制器30。時刻檢測單元26設置有超聲波檢測單元32。超聲波檢測單元32包括超聲波傳感器34、放大電路36和設置有閥值電壓Vth1的比較器38。利用壓電膜如PVDF的超聲波傳感器用作超聲波傳感器，并且由利用壓電膜的超聲波傳感器34構成的接收儀器的Q值大約為4。超聲波傳感器34接收的超聲波被轉換成電信號，在放大電路36中放大，并向比較器38輸出接收到的超聲波信號E1，如圖8A中超聲波波形所示。如圖8所示，比較器38在正側的預定電平上預先設置閥值電壓Vth1，并向脈沖選擇邏輯電路40輸出與超聲波波形55和閥值電壓Vth1相交時刻對應的圖8B脈沖信號E2。在此實施例中，在超聲波波形正側上第三個波W3的上升邊與圖8A所示超聲波波形中的閥值Vth1的交點P3時刻，脈沖選擇邏輯電路40輸出如圖8C所示的相交時刻信號E3。時間測量單元28包括紅外線檢測單元42。紅外線檢測單元42設置有紅外線檢測器44、放大電路45、設定有閥值電壓Vth的比較器46。紅外線檢測器44從圖6所示接收器10接收紅外線脈沖20，并把接收到的脈沖20轉換成電信號。轉換后的電信號在放大電路45中放大之后，比較器46在電信號超過閥值電壓Vth時向計數器48輸出如圖8D所示的計數重置信號E4。比較器46的計數重置信號E4是指示超聲波開始發射的時間信號。當計數器48接收到計數重置信號E4時被重置，即在超聲波發射時被重置，并開始從時鐘脈沖源49計算時鐘脈沖。計數器48的輸出被提供給鎖存器50。當鎖存器50從脈沖選擇邏輯電路40接收到相交時刻信號E3時，鎖存計數器48的值。因此，從因計數重置信號E4而開始的超聲波發射到脈沖選擇邏輯電路40輸出的相交時刻信號E3之間的超聲波傳播時間鎖存在鎖存器50內，并輸出到微控制器30。微控制器30具有與長度測量單元52相同的功能，并通過用聲速乘以保留在鎖存器50內的超聲波傳播時間而測量發射器10和接收器12之間的長度。
以下描述圖7A和7B所示接收器12的操作。當紅外線脈沖20和超聲波14從圖6所示發射器10發射時，在圖7A和7B所示的接收器12中，紅外線脈沖20首先被紅外線檢測器44接收和檢測。接收到的紅外線信號在放大電路45中放大，在比較器46中被轉換成脈沖，并且重置計數器48為計數重置信號E4。由于計數器48一直計算時鐘脈沖源49的脈沖數，因此在計數器48被計數重置信號E4重置之后重新開始計數。另一方面，在紅外線脈沖之后接收的超聲波在超聲波檢測單元32中處理。即，超聲波被超聲波傳感器34接收并被轉換成電信號，并且被放大電路36放大。然后，輸出放大信號作為由圖8B所示一系列脈沖組成的脈沖信號E2，在比較器38中與閥值電壓Vth1進行比較。比較器38的脈沖信號E2提供給脈沖選擇邏輯電路40并且只分離出一個脈沖，以便得到在超聲波波形最大波幅附近的閥值相交時刻。在圖7A和7B所示實施例中，圖8A所示超聲波波形的最大波幅是第四個波W4。然而，在第四個波W4之前一個波的第三個波W3的上升邊的交點P3時，輸出相交時刻信號E3。在此操作過程中，計數器48繼續計數操作，計數器48的輸出提供給鎖存電路50。當在脈沖選擇邏輯電路40中選擇的相交時刻信號E3輸入到鎖存電路50中時，計數器48在此時刻的計數數據被保留。在微控制器30中，如圖8A所示，因為事先知道，在此情況下，執行時間測量的相交時刻信號E3具有與λ＝2.5波長相應的瞬時偏移，所以，使用此偏移作為補償時差Tofs，在修正從相交時刻信號E3檢測到的時間T1之后，在長度測量單元52中執行通過乘以聲速而轉換修正時間T1的計算。
以下描述由設置到圖7A和7B所示接收器12的脈沖選擇邏輯電路40檢測針對超聲波波形時間測量的相交時刻的原理。如圖9所示，傳播時間測量的分辨率取決于與閥值Vth1相交的超聲波波形的傾斜，其中，此測量基于檢測接收到的超聲波波形的閥值相交時刻。圖9示出具有大波幅的超聲波波形58和其波幅因衰減而減小的超聲波波形60。假設由于例如在超聲波波形58和60的正側閥值電壓Vth1上存在電壓雜波ΔV，因此閥值相交時刻根據電壓雜波而發生變化。對于大波幅的超聲波波形58因電壓雜波ΔV而引起的時間偏差為Δt1，而另一方面，對于減小波幅的超聲波波形60因電壓雜波ΔV而引起的時間偏差較大，為Δt2。因此，基于超聲波波形與閥值電壓Vth1相交時刻的傳播時間測量的分辨率取決于與閥值電壓Vth1相交的超聲波波形的傾斜。由于閥值交點的傾斜隨著波幅變大而變得更陡，如超聲波波形58，因此可獲得更高的瞬時分辨率。
圖10A分離出由圖7A和7B所示超聲波檢測單元32接收和檢測的超聲波波形55，其中，超聲波檢測單元32使用由壓電膜制成的超聲波傳感器34。圖10B示出波形與閥值的相交時刻偏差Δt的特性曲線56。如圖10A所示，超聲波波形55由多個振動即多個波組成，并且波形與閥值電壓Vth1相交多次，然而，超聲波波形55的波幅逐漸變大。用正弦曲線模擬超聲波波形55為V(t)，獲得以下方程，其中V為波幅，f為超聲波的頻率。
V(t)＝Vsin(2πft)交點的相位表示成t1，交點相位t1附近的傾斜dV/dt由以下獲得。
dV/dt＝2πfVcos(2πft1)因此，可看出，隨著波幅V變大，即隨著交點的傾斜變陡，閥值相交時刻的偏差Δt逐漸變得更小，如圖10B中特性曲線56所示。假設閥值電壓Vth1與波幅相比非常小，交點附近的傾斜就與波幅成反比，因為交點的相位接近于零。另外，閥值電壓Vth1通常設定得盡可能低，以便即使在超聲波因長度較長而衰減的場合下也能被檢測到。因而，應該理解，為了提高超聲波傳播時間的分辨率，應該檢測所接收到的超聲波波形波幅變得最大時的閥值相交時刻。在圖10A所示超聲波波形55的情況下，作為第四個振動的第四個波W4具有最大波幅和最小偏差，如圖10B所示。因此，對于圖8所示的脈沖選擇邏輯電路40，主要優選配置邏輯電路40，以便從比較器38輸出的脈沖信號E2中分離出第四個脈沖，并輸出作為相交時刻信號E4。在此情況下，具有最大波幅的第四個波W4不單獨擁有最小相交時刻偏差，分別就在第四個波W4之前和之后的第三個波W3和第五個波W5的波幅非常接近最大波幅，也具有非常小的偏差。因而，對于圖7A和7B所示的脈沖選擇邏輯電路40，有可能配置邏輯電路40，以使邏輯電路40分離出第三個波W3的脈沖信號或第五個波W5的脈沖信號，而不是分離出具有最大波幅的第四個波W4的信號。因此，對于圖7A和7B所示實施例中的脈沖選擇邏輯電路40，分離出與第三個波W3相應的脈沖信號作為相交時刻信號E4，其中，第三個波W3是在具有最大波幅的第四個波W4之前一個波長。通過這樣的方式，優選在設備的設計階段事先接收超聲波波形，以檢查超聲波波形上哪個閥值交點與具有最大波幅的交點相對應，并配置圖7A和7B所示的脈沖選擇邏輯電路40，以使邏輯電路40基于檢查結果而選擇例如與第三個波W3相應的脈沖信號。另外，由于超聲波波形類似地衰減，即使在衰減時也保持其形狀，因此，具有最大波幅的振動不同于事先檢查的振動。另一方面，在圖10A所示超聲波波形55達到最大波幅之前的振動數量近似等于超聲波接收儀器的Q值。例如，在對圖7A和7B所示超聲波傳感器34使用壓電膜的接收系統中Q值約為4，因此，如圖10A所示，第四個振動具有最大波幅。因此，有可能基于超聲波接收儀器的Q值，設置用于輸出相交時刻信號的交點數量n。也就是說，在圖7A和7B所示脈沖選擇邏輯電路40配置得分離出第n＝Qth或N＝Q±1th個波時，獲得用于選擇相交時刻信號的交點數量n得到與分離出對應于最大波幅的脈沖或此脈沖±一(1)個脈沖的情況相同的結果。
圖11A示出檢測首次相交的常規時刻62的情況與在圖7A和7B所示實施例中在第三個波W3上升邊的時刻64進行檢測的情況的比較，后者依據從比較器38輸出的脈沖信號E2，脈沖信號E2具有對根據本發明接收和檢測的超聲波波形55設置的閥值電壓Vth1。以下描述從第三個波W3連續檢測到的時刻66。通常，根據接收和檢測儀器的Q值，用于檢測的首次相交時刻62的波幅大約為最大波幅的20-50％。因此，當不使用第一交點的時刻62而使用具有最大波幅的振動的交點時，傳播時間測量中的分辨率可得以提高，因為使用是常規波幅二(2)至五(5)倍的波幅。在圖7A和7B所示實施例中，用第三個波W3的時刻64測量傳播時間。當在第三個波W3的交點的時刻64獲得傳播時間時，與在第一交點的時刻62獲得傳播時間的情況相比，相交時刻的偏差減小到三分之一(1/3)并且傳播時間測量的分辨率可提高到此種程度。通過把諸如峰值保持電路的電路作用到超聲波波形55上，似乎有可能設置首先與具有最大波幅的振動相交的閥值。然而，由于相交相位隨著閥值升高而變大，因此，波形的傾斜變得緩和并且偏差不會減小。因而，以上方法是不合適的。
圖12示出本發明接收器的另一實施例的框圖，此接收器包括用于測量發射單元二維坐標位置的兩(2)個超聲波接收系統。接收器12包括時刻檢測單元26-1和26-2兩(2)個系統，時刻檢測單元26-1和26-2分別包括超聲波檢測單元32-1和32-2以及脈沖選擇邏輯電路40-1和40-2。這些超聲波檢測單元32-1和32-2以及脈沖選擇邏輯電路40-1和40-2中的每一個與超聲波檢測單元32和脈沖選擇邏輯電路40相同。進而，還設置時間測量單元28，除了紅外線檢測單元42、計數器48和時鐘脈沖源49以外，時間測量單元28還包括鎖存電路50-1和50-2的兩(2)個系統。紅外線檢測單元42也與圖7A和7B所示實施例中的相同。紅外線檢測單元42從發射器10接收紅外線脈沖20，在超聲波開始發射時輸出計數器重置信號E4并重置計數器48。進而，除了長度測量單元52以外，微控制器30設置有坐標測量單元68。在圖12所示實施例中，例如，接收器12固定布置，與此相反，發射器可移動設置。發射器10以預定的時間間隔重復發射超聲波14和紅外線脈沖20。因此，超聲波檢測器32-1在與發射器10和它之間長度L1相對應的時間之后，接收超聲波。另一方面，超聲波檢測單元32-2在與長度L2相對應的時間之后，接收和檢測超聲波。脈沖選擇邏輯電路40-1和40-2分離出表示閥值電壓Vth1與圖8A-8D所示超聲波波形55的第三個波的相交時刻的脈沖信號，并且向鎖存電路50-1和50-2輸出脈沖信號，作為相交時刻信號E31和E32。另一方面，根據從紅外線檢測單元42接收的紅外線脈沖20，輸出表示超聲波開始發射的脈沖信號E4，并重置計數器48。因此，用時鐘脈沖源49的時鐘數計算超聲波發射過后的時間。因而，在從脈沖選擇邏輯電路40-1和40-2輸出相交時刻信號E31和E32時計數器48的數值，即在超聲波發射過后的時間間隔，保留在鎖存電路50-1和50-2中，以響應它們各個相交時刻中的每一個。在微控制器30中，根據在長度測量單元52中預定的相交時刻的波數進行偏移修正，接著，乘以聲速，以測量超聲波檢測單元32-1和32-2與發射器10之間的每個長度L1、L2。由于接收器12中的超聲波檢測單元32-1和32-2之間的間隔被固定地確定，因此，坐標測量單元68基于長度測量單元52的測量長度L1和L2執行三角測量計算，并且獲得發射器10對接收器12的相對二維坐標位置。例如，當接收器12固定設置在其上固定紙張的底板上、為用于在固定到底板的紙張上書寫的筆設置發射器并且用設置有發射器10的筆在紙張上寫或畫字符或數字時，通過測量手在接收器12上的實時移動作為與二維位置有關的信息，并通過向便攜式終端或個人計算機等輸入測量的坐標位置，圖12所示實施例可用作字符和數字的輸入工具。
圖13示出本發明接收器的另一實施例的框圖，此接收器通過對具有最大波幅的超聲波波形附近的多個相交時刻的時間進行算術平均而測量長度。接收器12包括時刻檢測單元26、時間測量單元28和微控制器30。時刻檢測單元26的超聲波檢測單元32和時間測量單元28的紅外線檢測單元42具有與圖7A和7B所示實施例中相同的配置。脈沖選擇邏輯電路70從由比較器輸出的一系列脈沖組成的脈沖信號E2分離出在最大波幅附近的預定數量的脈沖，并把它們輸出到加法器72，作為相交時刻信號E5，其中，比較器設置到超聲波檢測單元32中。圖14A示出從超聲波檢測單元32輸出的作為一系列脈沖的脈沖信號E2。接收到此系列脈沖時，脈沖選擇邏輯電路70輸出相交時刻信號E5，E5包括從第三脈沖分離出的四個連續脈沖，第三脈沖與超聲波波形的第三個波W3相對應。當已從第三脈沖分離出四個脈沖時，脈沖選擇邏輯電路70向除法器74輸出脈沖信號E6，作為除法控制信號。計數器48由從紅外線檢測單元42輸出的檢測到超聲波發射的計數器重置信號E4重置，同時，當設置在時間測量單元28一側上的加法器72接收到與加法器重置信號E4相同的計數器重置信號E4時，加法器72被重置。加法器72每次從脈沖選擇邏輯電路70接收圖14B所示相交時刻信號E5的每個脈沖信號時，在此脈沖信號上升邊時刻保留計數器48的計數值，并執行計數值與加法器72已存數值的相加操作。在此加法操作中，按照從表示圖14D中超聲波開始發射的脈沖信號E4的上升邊到圖14B所示相交時刻信號E5中的四個脈沖信號的上升邊的順序，相加與時間間隔T1、T2、T3和T4對應的計數器值。當使用脈沖選擇邏輯電路70的相交時刻信號E5中的每個脈沖完成四個加法操作時，從脈沖選擇邏輯電路70向除法器74輸出圖14C所示的脈沖信號E6，作為除法控制信號。同時，與從加法器72輸出的相加時間間隔(T1+T2+T3+T4)對應的相加計數值的計算平均值，即通過計算(T1+T2+T3+T4)/4獲得算術平均值而得到的時間T，輸出到微控制器30。在用長度測量單元52根據脈沖選擇邏輯電路70中四個脈沖的平均時間進行偏移修正之后，微控制器30用聲速乘以時間T，并獲得到發射器10的長度L。
與圖7A和7B所示實施例不同，在圖13所示實施例中選擇多個脈沖。似乎脈沖數量越大，結果的偏差就越小，然而，當唯獨具有小偏差的時間不相加時偏差變得更大。也就是說，超聲波波形與閥值相交時刻的偏差與得到近似交點的振動的波幅成反比。因此，用Δt代表在最大波幅V的相交時刻的偏差，在具有波幅αV(α為衰減率且α＜1)的振動上的交點時刻的偏差為Δt/α。那么，對最大波幅V和波幅αV進行算術平均得到的結果偏差Δ如下Δ＝(Δt2+(Δt/α)2)/2＝(1+1/α2Δt)/2當此Δ大于最大波幅V的相交時刻偏差Δt時，加法就沒有意義。因此，(1+1/α2)/2應該小于1，并且，應該理解， (＝約0.57)或更大的波幅是必需的。相似地，當在衰減率為α1、α2、α3、…的振動上的n個時刻的總計加到最大波幅振動上的時刻時，1+1/α12+1/α22+1/α32+…應該＜n2。假設除了具有最大波幅的振動以外其它波幅都相同，那么從1+(n-1)/α2＜n2得到α＞1/n+1。
例如，由于當n＝3時，α＞0.5，因此，通過在最大波幅的相交時刻上加上比最大波幅的一半更大的兩(2)個振動的交點，獲得算術平均的效果。例如，參照圖10A所示超聲波波形55，從第三個波W3上升邊的第三個交點往上和往下的大約九(9)個交點的偏差較小，如圖10B中的特性曲線所示。這是因為得到各個交點的每個振動大約為最大波幅的80-90％。當對在上述范圍內的交點時刻獲得的時間間隔求算術平均時，即，如圖11B所示，與第三個波的時刻64相比，當獲得在從時刻66的第三個波開始的九(9)個上升邊和下降邊上的連續交點的時間的算術平均值時，與時刻64上的單個交點的偏差相比，獲得把偏差降低到大約三分之一(1/3)(＝1/9)的效果。
圖15示出本發明接收器12的另一實施例的框圖，其中，通過在超聲波波形兩個極性的每一個上設置閥值，獲得多個相交時刻的算術平均。接收器12包括時刻檢測單元26、時間測量單元28和微控制器30。時刻檢測單元26設置有超聲波傳感器34和放大電路36、以及設定閥值電壓+Vth1的比較器38-1和設定閥值電壓-Vth的比較器38-2。用于比較器38-1和38-2的閥值電壓設定在相對于零電壓的正側和負側兩邊，其中，零電壓是圖16所示超聲波波形的中心。比較器38-1輸出由一系列脈沖組成的脈沖信號E7，所述一系列脈沖對應于超聲波波形正側與閥值電壓+Vth1相交的閥值交點。比較器38-2輸出由一系列脈沖組成的脈沖信號E8，所述一系列脈沖對應于超聲波波形負側與閥值電壓-Vth2相交的閥值交點。在圖16B和16C中示出由比較器38-1和38-2輸出的系列脈沖構成的脈沖信號E7和E8。脈沖選擇邏輯電路40-1，從由比較器38-1輸出的一系列脈沖構成的脈沖信號E7中，分離出與從圖16A所示超聲波波形正側上第三個波上升邊開始的連續八(8)個上升邊和下降邊的相交時刻對應的脈沖，并它們輸出到加法器72，作為相交時刻信號E9。脈沖選擇邏輯電路40-2向加法器72輸出由分離出的脈沖組成的相交時刻信號E10，所述脈沖具有從圖16A所示負側上第三個波W3′與閥值電壓-Vth2的交點開始的連續八(8)個上升和下降時刻。設置在時間測量單元28中的紅外線檢測單元42具有與圖8實施例中相同的配置。單元42接收紅外線脈沖20，并輸出與超聲波發射時間對應的計數重置信號E4。信號E4還提供給加法器72，作為加法器重置信號E4。在脈沖選擇邏輯電路40-1和40-2輸出的相交時刻信號E9和E10的連續脈沖中的每次上升和下降時，加法器72鎖存計數器48的計數值，并且把鎖存值加到加法器中已經保存的值上。更具體地，用T1、T2、…、T16代表從計數重置E4上升時間t0到分離出作為圖16D和16E所示相交時刻信號E9和E10的脈沖信號的上升邊和下降邊之間的時間，加法器72使用計數器48每次的計數值計算時間(T1+T2+T3+…+T16)。另外，在極性兩側上的閥值交點相加完16次之后，脈沖選擇邏輯電路40-2向除法器74輸出脈沖信號E11。因此，除法器74得到按(T1+T2+T3+…+T16)/16計算的瞬時平均值，并把結果輸出到微控制器30，在微控制器30中，此結果用長度測量單元52進行偏差修正并乘以聲速，從而獲得距發射器的長度。
此時，在圖11所示實施例的加法器72中，對于脈沖信號E9和E10的上升和下降時刻連續進行加法操作，其中，脈沖信號E9和E10是從設置在用于加法控制的兩側極性上的兩(2)個閥值電壓+Vth1和-Vth2得到的。然而，根據閥值電壓+Vth1和-Vth2的設置，將要相加的脈沖的上升和下降時刻變得互相非常接近并重疊。因此，有可能把加法器分別設置在脈沖選擇邏輯電路40-1和40-2中，對每個閥值分別進行相加，然后，每個相加的結果由另外設置的加法器相加，隨后用除法器74進行除法計算。
對于設置在圖13和圖15所示實施例中的加法器72和除法器74，在其中獲得多個相交時刻的時間的算術平均值，有可能用微控制器30的程序處理來實現計算，而不需在時間測量單元28一側上設置加法器72和除法器74作為計算電路。
如上所述，根據本發明，傳播時間測量的分辨率可得到顯著提高，通過在具有大波幅的波上檢測交點的相交時刻和波形的陡峭傾斜，作為接收到的超聲波波形與閥值相交的時刻而獲得傳播時間，從而，可利用簡單的電路配置來實現高精度的長度測量，其中，所述波即為具有最大波幅的波或就在此波之前或之后一(1)個波的波。進而，通過對從最大波幅或就在最大波幅之前或之后的波幅開始的預定數量的連續相交時刻求算術平均而獲得長度，傳播時間測量的分辨率可以進一步提高并且長度測量精度可顯著提高，其中，在最大波幅處，超聲波波形與閥值相交處的傾斜變得陡峭。
在以上實施例中，如圖5所示，采用其中發射器10和接收器12分開且布置得相互面對的配置作為示例。然而，還可使用另一實施例，其中，發射器10和接收器12集成在一起，并且通過測量超聲波被待測物體反射并返回的時間而測量到此待測物體的長度。
關于圖12所示實施例，在此實施例中對發射器14設置兩(2)個超聲波接收儀器系統并且通過三角測量來測量發射器的二維坐標位置，在圖13和圖15所示實施例中，也提供兩(2)個超聲波接收儀器系統，測量到發射器10的兩(2)個長度L1和L2，并且通過微控制器30一側上的坐標測量單元68測量發射器10的二維坐標位置。
(坐標輸入設備)在圖17中，根據本發明的坐標輸入設備100包括接收器101以及作為書寫工具的專用筆，并需要用個人計算機等的USB端口連接接收器101的連接電纜103以使用設備100，其中，如圖19B所示，接收器101具有兩(2)個超聲波接收器304-1和304-2以及紅外線和接收器305。在坐標輸入設備100的情況下，當用專用筆102在紙張105上手寫字符和數字時，筆跡輸入到計算機中作為數據并且可用作字符數據和圖形數據。
圖18A和18B示出接收器101布置的實例。此布置的顯著特征是接收器101布置在紙張的角上，以便通過緊湊組合接收器101來消除內置超聲波接收器的任何盲區。也就是說，接收器101位于紙張表面的左上角或右上角，并且當用戶為右手習慣時，接收器101優選位于右上角，如圖18A所示。這是為了防止當用戶左手按著紙張時左手干擾從筆發出的超聲波和紅外線。相反，對于左手用戶，在使用此設備時，接收器101位于左上角，如圖18B所示。現在，主要描述此實施例1的特征。
如圖19A-19C所示，接收器101具有所謂夾子型式的配置，其中包括較厚的主體302和較薄的基座303。在主體302的預定位置上，分別安裝互相分隔開的兩(2)個超聲波接收器304-1和304-2以及一(1)個紅外線和超聲波接收器305，接收器305差不多位于超聲波接收器304-1和304-2的中間。在這些器件中，超聲波接收器304由管狀壓電膜構成，其中管狀壓電膜由聚偏二氟乙烯制成。主體302的基座端一側和基座303在軸向上用軸306支撐，并且被內置彈簧(未示出)推向關閉方向。因此，如圖20A所示，主體302和基座303以軸306為中心打開和關閉，而且，可在預定位置夾緊紙張并可如圖20所示地固定紙張。進而，由上述構成的接收器101用于在紙張的一個角上定位和固定。
已經發現，當接收器101與紙張105幾乎平行布置時，產生對超聲波接收器304-1和304-2以及紅外線和接收器305的盲區，或者它們的表觀間距變得更窄。因此，如圖21所示，設置有超聲波接收器304-1和304-2的接收器101的固定位置的特征在于接收器101定位和固定得傾斜，以便兩(2)個超聲波接收器的連線與紙張105上邊緣形成的夾角α為30-60°。也就是說，如圖23A具體示出的，在圖21所示超聲波接收器304-1和304-2的情況下，兩(2)個超聲波接收器304-1和304-2的布置方式限制在兩(2)個超聲波接收器304-1和304-2之間連線與紙張上邊緣形成的夾角α為30-60°的布置上。在此情況下，不特別考慮超聲波接收器304自身的方向。
如圖22所示，考慮到方向性，以下布置方式是適當的兩(2)個超聲波接收器304-1和304-2固定得使兩(2)個超聲波接收器304-1和304-2的方向與紙張105上邊緣形成30-60°的夾角β，此方向(箭頭方向)使超聲波接收器304具有最高的靈敏度。
也就是說，如圖23B所具體示出的，在圖22所示超聲波接收器304-1和304-2的情況下，兩(2)個超聲波接收器304-1和304-2中每一個的方向限制在它們中每一個與紙張上邊緣形成30-60°夾角的布置中，此夾角使超聲波接收器304-1和304-2具有最高的靈敏度。在此情況下，不特別考慮超聲波接收器304-1和304-2自身的方向。
另外，如圖24所示，更優選地，兩(2)個超聲波接收器304-1和304-2之間連線與紙張上邊緣形成的夾角為45°，并且，兩(2)個超聲波接收器304-1和304-2之間連線與獲得最高靈敏度的方向形成的夾角為90°，即，獲得最高靈敏度的方向與紙張上邊緣形成的夾角固定為45°。為了實現這點，從剖分圖19A中主體302而得到的基座303內部視圖所示出的，在構成接收器101的基座303的表面上以大約90°角形成邊緣部分307(傾斜部分)。因此，當紙張105的角被接收器101固定時，通過沿著邊緣部分307插入紙張105，接收器101對紙張105的安裝角可以設置得以45°角傾斜，以獲得最高的靈敏度。在此實施例中，邊緣部分307的形成位置在基座303一側上。然而，接收器101的安裝角可以布置在45°角的傾斜位置上，即使當此邊緣部分307在主體302一側上形成時也得到最高的靈敏度。
以此方式，本發明的特征在于接收器101的安裝位置布置在紙張105的角上，以便消除任何盲區并避免設置到接收器101中的兩(2)個超聲波接收器304-1和304-2的表觀間距不太狹窄。為了如上所述地在紙張105的角上布置接收器101，必需使兩個超聲波接收器304-1和304-2的間距W狹窄，并使接收器101本身緊湊且縮小尺寸。當超聲波接收器的間距W較寬時可獲得充分的分辨率，然而，相反，以上布置的理由是解決產生盲區和設備變大的問題。也就是說，因其中傳播超聲波的空氣的溫度波動和超聲波接收器中傳感器和放大器產生的雜波和所有這些因素的影響，超聲波長度測量的偏差隨著長度L加長而變得更大，其中，長度L為超聲波接收器304-1和304-2與筆尖(專用筆102的書寫位置)的間距。進而，已經發現，從三角測量獲得的坐標的偏差e與長度L成正比，而與兩(2)個超聲波接收器304-1和304-2的間距W成反比。因此，本發明人進行如圖25所示的實驗，以獲得長度與誤差之間的關系，以便獲得保持必要的分辨率且具有盡可能小選擇值的超聲波接收器之間間距W。在此實驗中，超聲波接收器之間間距W選擇為25mm，通過實驗獲得長度和坐標偏差之間的關系。更具體地，進行實驗，以驗證當專用筆102逐漸遠離超聲波接收器304-1和304-2時產生何種程度的測量長度偏差。在圖25中，橫坐標軸代表長度實際值(mm)，垂直軸代表誤差(mm)，黑點代表通過超聲波接收器獲得的測量長度，并且此圖示出從公式計算的計算值的變化。根據以上測量結果，三角測量的坐標偏差e可按以下公式計算近似值。
E＝0.0002L2/W接著，當通過從上述公式回推而確定所用紙張尺寸(紙張的對角線長度)和所需的分辨率時，可獲得必要的且最小的超聲波接收器之間間距W。亦即，在接收器固定到紙張的角上時，對角線長度是最遠離的長度，并且此長度是超聲波接收器304和筆尖最遠離的長度。另外，因為通常手寫的情況下需要±0.1-1mm的分辨率，所以用P代表對角線長度(到專用筆筆尖位置的長度L用P替換)，可從以下公式獲得超聲波接收器之間的間距W。
W＝0.0002P2到0.002P2基于此公式，根據本發明，用P代表紙張的對角線長度，兩(2)個超聲波接收器304-1和304-2之間的安裝間距的設定值設定得使間距W大于0.0002P2且小于0.002P2。當基于以上設定的超聲波接收器304-1和304-2之間間距布置超聲波接收器而構成接收器101時，有可能縮小接收器101的尺寸并在接收器得到最強方向性的角上布置接收器101。以此方式，根據本發明此實施例的接收器101構成為自由固定的固定部件并夾緊紙張的角，接收器101包括主體302和軸向支撐在主體基座邊緣部分上的基座303，其中，主體302具有一對超聲波接收器304-1和304-2以及紅外線和超聲波接收器305，并且，接收器101如此構成，使得接收器101相對紙張的固定位置設置在一對超聲波接收器304-1和304-2之間連線與紙張上邊緣的夾角在30-60°范圍內的位置上。因此，對于超聲波接收器304-1和304-2不產生盲區，并且這些超聲波接收器304-1和304-2之間的表觀間距不窄。進而，設備配置有可能因為以上原因而縮小尺寸。從而，設備的可用性和可攜帶性變得極佳，并且此設備可用作便攜式設備。
以下結合圖26描述用于本發明的專用筆的配置。專用筆102在其頂端配置有圓珠筆墨水管702，并且在專用筆102內設置用于檢測圓珠筆墨水管702和紙張書寫表面接觸的接觸檢測開關703。在專用筆102的頂端兩側設置管狀超聲波發射器704和紅外線發射器705。在這些器件中，超聲波發射器704用由聚偏二氟乙烯(PVDF)制成的壓電膜構成。此壓電膜具有在被施加電壓時自身振動以產生超聲波的功能。超聲波發射器704的形狀為對超聲波具有360°方向性的管狀形狀。因此，即使筆102在書寫時旋轉，超聲波發射器704也可準確地向超聲波接收器304傳輸已發射的超聲波脈沖。對于紅外線發射器705，即使專用筆102在書寫時旋轉，它也可準確地向超聲波接收器304傳輸已發射的紅外線，因為三(3)個具有120°方向性的發射器705均勻布置。708代表驅動電路單元，驅動電路單元708由AAA電池709驅動。更具體地，當用手書寫時，只有在專用筆102的頂端與紙張書寫表面接觸時，接觸檢測開關703才變為ON，并且發射超聲波和紅外線。以此方式，通過在不用專用筆102書寫時防止發射超聲波和紅外線，而節省電力。
圖27示出用于專用筆102的驅動電路708的框圖。驅動電路708包括計時器710、紅外線驅動電路711和超聲波驅動電路712。當專用筆102的墨水管702與紙張書寫表面接觸并且接觸檢測開關703檢測到此接觸時，通過計時器對紅外線驅動電路711和超聲波驅動電路712的激勵，定期地(50Hz-100Hz)從紅外線發射器705產生紅外線脈沖并且從超聲波發射器704產生超聲波脈沖。此周期設定為大約50Hz的恒定周期，因為它足以穩定地只檢測用戶用手使筆102的移動。
其次，結合圖28A和28B描述根據本發明另一實施例的坐標輸入設備801的配置。此實施例的特征在于在構成接收器803的主體302下面設置底板802(與圖20A中的基座303相應)，并且紙張裝載在底板802的上部分。亦即，主體302在基座邊緣側(在圖中為右側)由軸306軸向支撐在底板802上，由于主體302以軸306為中心相對于底板802可自由地打開和關閉，因此，紙張105的角可被夾緊并固定在底板802上。底板802的厚度選擇得較薄，并且它的尺寸選擇得與紙張的相似。接收器803對底板802的固定位置選擇在底板802的角上，從而，此位置與底板802上邊緣形成的夾角在30-60°的范圍內，并更具體地，此夾角為使對紙張的方向性最大的45°。進而，由于用于此實施例中的底板802的厚度選擇得較薄，因此，底板802作為用于書寫載體并且適合作為書寫板攜帶。因而，底板802可用作便于攜帶的坐標輸入設備。底板802的尺寸肯定不限制在常用的A4尺寸等，并且當選擇更小的尺寸如B5時，底板802可用作更適于攜帶的坐標輸入設備801。本發明的此種坐標輸入設備801構成得使與基座303相應的板狀底板802設置在構成接收器803的主體302之下。紙張裝載在底板802上，選擇并固定紙張的角以使之與底板802上邊緣形成的夾角在30-60°范圍內。因此，對于超聲波接收器304-1和304-2不產生盲區，超聲波接收器304-1和304-2之間的表觀間距不窄，并且底板802作為書寫載體。因而，用筆102書寫時的可用性以及可攜帶性非常好。結果，設備801可用作便攜式設備。
圖29示出構成得使接收器803和夾子809為分離部件的坐標輸入設備805，其中，夾子809設置在底板802的上部而紙張105由夾子809夾緊。與此情況相似地，在底板802的角上選擇上半部分302的固定位置，同時此固定位置與底板802的上邊緣形成在30-60°范圍內的夾角，更具體地，夾角為使超聲波接收器304對紙張的方向性變得最強的45°角。在此情況下，因為紙張105可用夾子809固定，所以不必為主體302提供任何用于夾緊紙張的機構，如軸306。
圖30示出用于本發明接收器的電路框圖。接收器電路包括用于對在超聲波接收器上接收的超聲波脈沖進行放大的輸入放大器111a和111b；比較器112a和112b；過零比較器113a和113b；FF(觸發器)114a和114b；與門118a和118b；計時器115a和115b；以及微控制器116。可通過此電路配置檢測超聲波傳播時間T1和T2。首先，如圖31A所示，計時器115a和115b從紅外線接收器305接收由紅外線發射器705發射的紅外線開始計時。接著，由兩個超聲波接收器之一304-1接收的超聲波脈沖被輸入放大器111a和111b放大到如圖31B和31C所示的適當水平。在超聲波被輸入放大器111放大之后，由比較器112從超聲波脈沖中分離出閥值，并且在超聲波脈沖超過閥值時打開FF 114。然后，由過零比較器113a檢測過零(Z點)，并且通過它們的與操作而停止計時器115。此時，檢測下一個超過閥值的過零位置。檢測此過零位置的時間為對超聲波接收器的超聲波脈沖到達時間。隨后，計時器基于紅外線接收器305的紅外線同步信號，檢測超聲波脈沖到達時的超聲波傳播時間T1。對另一超聲波接收器304-2以相同的序列檢測傳播時間T2，并且，如上檢測的傳播時間T1和T2輸入到微控制器116中。如以后所描述的，從作為書寫位置的筆尖到超聲波接收器304-1和304-2的長度可基于以此方式檢測的傳播時間T1和T2而計算。
圖32示出在微型計算機和個人計算機中執行的過程的流程圖。結合此流程圖描述用個人計算機從檢測到的超聲波傳播時間T1和T2中計算坐標的方法。首先，對于由微控制器116執行的過程，執行從計時器115a和115b讀出傳播時間T1和T2的過程(步驟S120)。這些讀出的傳播時間T1和T2通過USB端口傳輸到個人計算機(步驟S121)。隨后是在個人計算機中執行的過程。在個人計算機中，執行從微控制器116讀出傳播時間T1和T2的過程(步驟S122)，然后，執行長度計算，用于從這些傳播時間T1和T2計算筆尖和兩個超聲波接收器303之間的長度L1和長度L2(步驟S123)。亦即，用V代表聲速，用W代表超聲波接收器之間的長度，從以下公式計算長度L1和長度L2。
L1＝V×T1L2＝V×T2接著，在個人計算機中執行坐標計算過程，基于從步驟S123中公式計算的長度L1和長度L2，計算坐標位置(步驟S124)。也就是說，假設坐標系統以兩(2)個接收器304的一(1)個超聲波接收器304的位置為原點并且另一超聲波接收器304的位置設為(W，0)，那么按照以下得到筆在此坐標系統中的坐標(x，y)。由于x2+Y2＝L12(x-W)2+y2＝L22對這些方程求解x和y，得到以下x＝(L12-L22+W2)/2Wy＝-L12-x2從這些公式中可得到每個坐標(x，y)。進而，由于需要在個人計算機中計算鼠標器在個人計算機屏幕上的坐標，因此，執行用于指定鼠標器光標位置的坐標計算(步驟S125)。也就是說，用(X，Y)代表鼠標坐標，此坐標可從以下公式得到。
X＝a11x+a12y+b1Y＝a21x+a22y+b2其中，系數a11、a12、a21、a22、b1和b2已通過校定而預先確定為內置數據。然后，基于從步驟S125中獲得的鼠標器坐標(X，Y)，執行用于移動鼠標器光標的過程(步驟S126)。此后，通過重復從(步驟S120)到(步驟S126)的過程，可執行希望的坐標輸入。通用應用軟件，如畫筆，可用于實際顯示由筆在個人計算機屏幕上制造的軌跡。在紙張上用手有形書寫的字符等用位圖數據儲存在個人計算機中。
如上所述，根據本發明，能夠縮小坐標輸入設備的配置，因為對超聲波接收器不產生盲區，防止使超聲波接收器之間的表觀間距狹窄，并且超聲波接收器可布置和固定在紙張的角上。因此，本發明的效果是設備的可用性和可攜帶性極佳，并且此設備可用作便攜式接收器。進而，通過在其上裝載有紙張的板狀底板上固定連接接收器，其中專用筆在紙張上書寫，由于接收器事先位于并固定在底板的角上，因此，對超聲波接收器不產生盲區，防止使超聲波接收器之間的表觀間距狹窄，另外，底板可作為用于書寫的載體。因此，設備在書寫時的可用性和可攜帶性極佳，并且可用作便攜式設備。
另外，由于接收器固定在具有紙張的底板的某個位置上，此位置使得由多個超聲波接收器之間連線與紙張上邊緣形成的夾角在30-60°范圍內，因此，對超聲波接收器不產生盲區，防止使超聲波接收器之間的表觀間距狹窄，而且，另外，接收器的可用性和可攜帶性極佳。因而，此設備可用作便攜式設備。
進而，由于形成的撓性邊緣部分設置得在接收器對紙張的夾緊表面上以大約90°方向按壓紙張的角，因此，通過沿著邊緣部分插入紙張，接收器對紙張的安裝角布置在方向性變得最強的45°角傾斜位置。
圖33示出用于對計算機等輸入坐標信息的坐標輸入設備，它基于通過測量移動器所發射超聲波的傳播時間而測量的到移動器的長度，使用三角測量來得到移動器的坐標。根據此配置，有可能向計算機等輸入手寫字符，與通常一樣，手寫字符是用筆形移動器在紙張上書寫的，所述紙張例如放置在桌面上。也就是說，筆形移動器210嵌有超聲波發射器，并且由固定單元250中多個超聲波接收器250a和250b接收從筆形移動器中超聲波發射器發射的超聲波。接著，通過測量每個超聲波接收器的超聲波接收時間與筆形移動器210的超聲波發射時間之差，即測量超聲波的傳播時間，從而計算筆形移動器210和多個超聲波接收器250a和250b之間的每個長度(傳播長度)。然后，基于這些長度以及預先測量的超聲波接收器250a和250b之間長度，使用已知的三角測量來測量筆形移動器210的坐標位置。在以上長度計算中，通過用聲速乘以每個超聲波傳播時間，有可能獲得到發射器的每個長度。這些獲得的傳播時間間隔作為從圖34所示LED驅動電路203得到的發射時刻到每個超聲波接收器250a和250b上超聲波接收時刻的時間間隔。
如圖34所示，筆形移動器210設置有用于檢測操作者即書寫者用筆形移動器210進行寫操作的機構，如接觸檢測開關201。當筆形移動器210的筆尖接觸在桌面上的紙張等的書寫表面時，開關201打開。當開關201打開時，通過由超聲波驅動電路205以計時器202發出的預定時間間隔驅動超聲波發生器206而執行超聲波發射，直到筆尖離開書寫表面為止。在此過程中，在超聲波發射的同時，通過用LED驅動電路203驅動紅外線LED 204而把表示同步時刻的同步信號饋送到接收器一側的固定單元250。由于同步信號可以是由紅外線等照射的光學信號，因此，有可能把紅外線傳播時間縮短到相對于超聲波傳播時間可以忽略的程度。現在，如圖35A所示，書寫狀態由壓敏開關201檢測，并且如圖35C所示，同時執行超聲波發射。在此情況下，圖35B所示同步信號和圖35C所示超聲波信號，以計時器202功能所確定的預定間隔，間歇性地發射。
當用筆形移動器210執行寫操作時，在筆尖和書寫表面接觸處，以根據筆尖和書寫表面之間硬度關系的形式產生碰撞聲。該碰撞聲包含幾十kHz的超聲波成分。另外，因筆形移動器210配置和周圍環境的影響，該碰撞聲的回波持續幾毫秒，如圖36A所示。因此，如圖36B所示，在固定單元中，不是檢測到應該檢測的從發射器206發射的超聲波，而是檢測到碰撞聲的超聲波，結果，坐標位置被誤檢。如圖35A-35C所示，認為產生碰撞聲發生和超聲波信號之間時間差Δt的因素主要是作為書寫檢測機構201的壓敏開關201的操作時間和超聲波驅動電路205等的電路操作時間。
如圖37所示，在用于解決因碰撞聲而引起的誤檢問題的本發明第一實施例中，延時電路211設置在書寫檢測機構201與同步電路203和超聲波驅動電路205之間。在操作者書寫動作中每一筆畫的起點產生所討論的碰撞聲，即在筆形移動器210筆尖與書寫表面接觸的第一刻產生碰撞聲。接著，如圖38A-38C所示，在此實施例的配置中，通過在書寫檢測機構201已檢測到書寫之后由延時電路211提供預定的延遲T，當時間T過去之后，在計時器202的作用下，由超聲波驅動電路205實施間歇性的超聲波發射。如上所述，由于在書寫檢測之后直至碰撞聲及其回波被足夠地延遲終止之前設置等待時間，因此可避免任何的超聲波誤檢。也就是說，在此實施例中，由壓敏開關201檢測書寫，隨后，由延時電路211提供預定時間間隔T的延遲。在此情況中的時間間隔T根據事先測量碰撞聲和回波時間而獲得的結果來設定(例如，幾毫秒)。在此延遲之后，直到通過接觸檢測開關201(如壓敏開關)檢測筆形移動器210與書寫表面之間接觸狀態而檢測到書寫結束時為止，在計時器202的作用下，以預定的間隔(周期)間歇性地執行超聲波發射。在此實施例中，紅外線LED 204用作同步電路203，并通過紅外線LED 024的照射來發射同步信號。然而，同步電路203不局限于上述電路，而且，可使用筆形移動器210與固定單元205通過引線連接和直接發射電信號的方法。
下面，描述用于防止因碰撞聲而引起的誤檢的本發明第二實施例。如果即使在操作者處于碰撞聲效果之中時也令操作者不注意此效果，就有可能明顯地消除碰撞聲效果。也就是說，優選此實施例具有以下配置檢測操作者筆形移動器的書寫動作的每一筆畫的終點，并且，不使用(忽略)在此之后立即開始的下一筆畫的第一坐標檢測數據。此方法利用所討論的碰撞聲只在書寫動作每一筆畫時產生的事實。在此實施例中，更具體地，例如通過檢測以恒定周期間歇性發射的超聲波的發射重復率并判斷重復率(約為50-200Hz)的周期是否為預定的周期，而檢測筆畫的終點。也就是說，如圖37所示，通過用接觸檢測開關201檢測筆形移動器210與書寫表面的接觸，通過計時器202間歇性和周期性地開始產生同步信號，并在繼續接觸的同時，持續產生同步信號。因此，通過書寫動作的筆畫終點而使接觸檢測開關201停止接觸檢測，從而停止間歇性和周期性地產生同步信號。結果，在由下一書寫動作的筆畫起點開始間歇性和周期性地產生下一同步信號之前，放置相對較長的時間間隔。由于接收同步信號(即接收同步脈沖)的周期的不規則性，因此有可能檢測時間間隔放置的狀態。
圖39示出根據以上第二實施例的操作。即，檢測筆畫的終點并忽略在下一筆畫第一時刻的測量值。更具體地，按以下執行筆畫終點的檢測。也就是說，測量從移動器210發送同步信號的時間間隔(步驟S11和S12)，當測量結果與同步信號發射的預定重復周期不吻合(步驟S13中的否)時，就判斷筆畫結束并且開始下一筆畫，在此情況下，操作返回到步驟S11而不通過接收超聲波來執行移動器210的坐標計算。相反，當判斷同步信號的檢測周期為預定值(步驟S13中的是)時，使用基于檢測到的同步信號和超聲波接收時刻之差的三角測量，執行筆形移動器210的坐標計算(S14)。即使在諸如干擾光線的雜波被誤檢為同步信號的情況下，通過用圖39所示過程檢測作為同步脈沖接收周期不規則性的雜波而不把測量值用于位置計算，也有能夠避免誤檢。
以下描述用于防止因碰撞聲而引起的誤操作的本發明第三實施例。在此實施例的配置中，利用碰撞聲完全在書寫筆畫的最初時刻產生的事實，檢測每個書寫筆畫的最初時刻，并且忽略在此時刻的測量值。更具體地，從作為發射側的筆形移動器210發射書寫動作的筆畫終點，并且固定單元250側接收此終點并且從正常超聲波中區別以上碰撞聲。用同步信號執行筆畫終點的發射。
在第三實施例中，與第一和第二實施例相似，紅外線LED 204用作同步電路203。在此情況下，通過準備兩種具有如圖42A和42B所示不同紅外線脈沖寬度的信號筆-ON信號和筆-OFF信號，就有可能發射筆畫的終點(筆-OFF)。另一方面，在固定單元250中，用筆-ON/OFF設置初始標記。通過此初始標記判斷發射的信號是否為筆畫最初時刻的信號，并且當此信號為最初時刻的信號時，忽略此刻的測量值。也就是說，在圖40中，當從移動器210一側接觸檢測開關的輸出檢測到筆尖的接觸(步驟S21中的是)時，發射如圖42A所示作為筆-ON信號的同步信號(步驟S22)。另外，同時發射超聲波(步驟S23)。接著，當判斷計時器202的重復周期已過去(步驟S24中的是)時，操作返回到步驟S21，并從判斷筆尖是否接觸的操作重新開始。此時，當在步驟S21(否)檢測到筆尖接觸結束時，判斷在步驟S25中是否已發射作為如圖42B所示筆-OFF信號的同步信號，其中，筆-OFF信號為筆尖不接觸時的信號。當未發射同步信號(否)時，在步驟S26中發射筆-OFF信號。另一方面，當已發射同步信號(否)時，操作返回到步驟S21。以此方式，在筆形移動器210從書寫表面分離時，避免重復發射筆-OFF信號。
另一方面，如圖41所示，當在接收一側上的固定單元250檢測到同步信號(是)時，它判斷此信號是否為筆-OFF信號(步驟S32)，并且當它為筆-OFF信號(是)時，放置初始標記(步驟S33)，并且操作返回到步驟S31，忽略此時的測量值。另一方面，當判斷此信號不是筆-OFF信號(否)時，在步驟S34中判斷此信號是否為筆-ON信號。接著，當此信號為筆-ON信號(是)時，在步驟S35中判斷是否放置初始標記。當放置初始標記時(是)，在步驟S36中初始標記關閉并被清除，并且操作返回到步驟S31，忽略此時的測量值。當不放置初始標記時(否)，在步驟S37中，使用此時的測量值通過上述三角測量執行移動器210的坐標計算。如上所述，根據第三實施例，當檢測到筆-OFF信號時放置初始標記，并且在檢測筆-ON信號之后，立即清除初始標記，然后，從檢測到下一同步信號的時刻執行坐標計算。結果，忽略在書寫筆畫最初階段時的測量值。然而，以此方式，由于如上所述在計時器202的作用下同步信號和超聲波信號的重復率為50-200Hz，因此，即使在忽略書寫筆畫最初幾次的數據時，在檢測手寫字符等的書寫筆畫時也不產生問題。
以下描述用于防止因碰撞聲而引起的任何誤操作的本發明第四實施例。在此實施例中，通過提供用于從傳輸給固定單元250的超聲波信號中區別碰撞聲的裝置而防止在碰撞聲和正常超聲波信號之間的誤檢。更具體地，碰撞聲一般包含相對較多的頻率成分，而從筆形移動器210發射的超聲波信號的頻率是固定的。那么，通過分析接收聲波的頻率成分，能夠從正常超聲波信號區別碰撞聲。
圖43示出此第四實施例的接收側即固定單元250的操作。在此實施例中，用例如過零檢測等的方法測量接收聲波的周期(步驟S51、S52和S53)。當此周期不同于筆形移動器210發射的超聲波信號的預定周期(步驟S54中的是)時，忽略接收到的聲波，并且等待正常超聲波信號(脈沖)(步驟S56)。另一方面，當接收聲波的周期與以上預定周期的周期吻合(步驟S54中的是)時，就判斷此聲波為正常的超聲波，并且使用此判斷結果通過上述三角測量執行筆形移動器210的坐標計算過程(步驟S55)。
圖44A和44B示出根據圖43所示第四實施例的接收側(固定單元250一側)的配置。以下只描述超聲波接收器250a一側，因為超聲波接收器250a和250b之后的電路是相同的。接收器250a的輸出輸入到輸入放大器251a，利用在輸入放大器251a中放大的檢測信號，測量超聲波接收時刻，即超聲波信號傳播時間，并測量接收聲波的周期。也就是說，放大器輸出輸入到用于傳播時間測量的比較器253a和用于測量1/2周期的比較器252a。對于傳播時間的測量，通過用紅外線PD(同步信號檢測器)250c的輸入來啟動計時器259a并用比較器235a的輸出來停止計時器259a，從而測量傳播時間。計時器259a測量的時間T1作為超聲波信號的傳播時間。比較器253a具有預定的閥值，并且當接收到超過閥值的聲波時產生輸出。此閥值設定為防止聲波通過諸如干擾聲的噪聲檢測的水平。另一方面，用于對接收聲波進行1/2周期測量的比較器252a是過零比較器，并且此比較器252a的輸出輸入到上升邊檢測電路255a和下降邊檢測電路256b中。由于過零比較器252a經常用雜波等產生脈沖，因此，在FF(觸發器)上接收到用于以上傳播時間測量的比較器253a輸出時，產生的信號用作屏蔽。也就是說，通過用上升和下降邊檢測電路255a和255b的輸出獲得“與”過程的結果，從而屏蔽不必要的雜波成分。計時器260a由上升邊檢測電路255a的屏蔽輸出啟動，并且，計時器260a由下降邊檢測電路256a的屏蔽輸出停止。以此方式獲得的時間T2對應于接收聲波的過零間隔，即1/2周期。計時器由圖45中的上升邊啟動并由下降邊停止，但用于啟動和停止計時器的信號可以是相反的。也就是說，由比較器253a和計時器259a構成的電路是用于測量從紅外線PD 250c接收同步信號的接收時刻到超聲波接收器250a接收超聲波信號的接收時刻的時間差T1(即，以上“傳播時間”)并使用上述三角測量從時間差T1和另一系統的時間差T3執行坐標計算的電路部分，其中，時間差T3是從由相應比較器253b和259b構成的電路獲得的。由于此配置，檢測具有預定電平和預定周期的聲波，作為正常超聲波信號并用于筆形移動器210的坐標位置計算。另一方面，由比較器252a、上升邊檢測電路255a、下降邊檢測電路256a、與電路257a和258a、以及計時器260a構成的電路，是用于在接收信號電平每次向上和向下穿過零電平時通過啟動和停止計時器260a而測量接收聲波的聲波周期(例如，與80kHz相應的周期)的電路部分。
如上所述，根據本發明，在檢測長度測量信號如超聲波等的傳播時間的配置中，計算相應的傳播長度；用三角測量檢測移動器的位置；通過不把在移動器與接觸面首次接觸時得到的數據用于位置檢測計算中，而防止在筆開始接觸時發生的碰撞聲所引起的位置誤檢。從而，能夠實現可用性和精確性俱佳的坐標輸入設備，通過不限制書寫操作的區域而能拓寬應用范圍。
進而，本發明不局限于上述實施例，只要不偏離本發明的目的和優點，本發明可包括許多變化。另外，本發明不受上述實施例所示數字值的限制。
權利要求
1.一種超聲波長度測量設備，包括用于發射超聲波的發射單元；用于接收超聲波并把它轉換成電信號的至少一個接收單元；時刻檢測單元，用于測量從接收單元接收到的超聲波信號波形與預定閥值相交的次數，并用于在從首次相交交點的預定次數之后檢測相交時刻；時間測量單元，用于測量從發射單元開始發射超聲波到所檢測到的相交時刻的時間間隔；以及基于測量的時間而計算長度的長度測量單元。
2.一種超聲波長度測量設備，包括用于發射超聲波的發射單元；用于接收超聲波并把它轉換成電信號的至少一個接收單元；時刻檢測單元，用于測量從接收單元接收到的超聲波信號波形與預定閥值相交的次數，并用于在從首次相交交點的預定次數之后的交點檢測預定次數的每個相交時刻；時間測量單元，用于測量從發射單元開始發射超聲波到所檢測到的每個相交時刻的時間間隔，并獲得每個測量時間的算術平均值；以及基于作為算術平均得到的時間來計算長度的長度測量單元。
3.如權利要求1或2所述的超聲波長度測量設備，其中，在預定次數之后的交點是具有接收到的超聲波波形的最大波幅的振動與閥值相交的交點，或者是就在上述振動之前或之后一個振動的振動與閥值的交點。
4.如權利要求1或2所述的超聲波長度測量設備，其中，當接收單元的整數Q值為n時，在預定次數之后的交點是接收到的超聲波波形的第n個振動與閥值相交的交點，或者是第n±1個振動與閥值的交點。
5.如權利要求2所述的超聲波長度測量設備，其中，采用設置在相對于振動中心的兩個極性上的閥值，時刻檢測單元測量由接收單元接收到的超聲波波形與閥值的相交次數，并且在從首次相交交點計算的預定次數之后，從兩個極性上的交點檢測預定次數的每個相交時刻；以及，其中，時間測量單元通過測量和獲得從發射單元開始發射超聲波到在兩個極性上檢測的每個相交時刻的每個時間的算術平均值，而獲得所述時間。
6.如權利要求2或5所述的超聲波長度測量設備，其中時刻檢測單元測量由接收單元接收到的接收超聲波波形的上升邊和下降邊與預定閥值相交的次數，并且在從首次相交交點計算的預定次數之后檢測預定次數的每個相交時刻，其中，時間測量單元通過測量從超聲波開始發射到所檢測到的每個上升邊和下降邊相交時刻的每個時間間隔并獲得它們的算術平均值，而獲得所述時間。
7.如權利要求1或2所述的超聲波長度測量設備，其中發射單元包括發射通知單元，此發射通知單元發出與超聲波開始發射同步的電磁波，并且其中，時間測量單元從發射通知單元接收光束或電磁波，并且檢測超聲波開始發射的時刻。
8.如權利要求1-7中任一項所述的超聲波長度測量設備，其中此設備包括至少兩(2)個接收單元系統、時刻檢測單元、時間測量單元和長度測量單元，此設備進一步包括坐標測量單元，坐標測量單元基于由每個長度測量單元獲得的兩(2)個長度而計算發射單元的二(2)維坐標位置。
9.一種超聲波長度測量方法，包括發射超聲波的發射步驟；使用至少一個接收單元接收超聲波并把此超聲波轉換成電信號的接收步驟；時刻檢測步驟，用于測量接收到的超聲波信號波形與預定閥值相交的次數，并用于檢測在從首次相交交點的預定次數之后的相交時刻；時間測量步驟，用于測量從超聲波開始發射到所檢測到的相交時刻的時間間隔；以及基于測量的時間而計算長度的長度測量步驟。
10.一種超聲波長度測量方法，包括發射超聲波的發射步驟；使用至少一個接收單元接收超聲波并把此超聲波轉換成電信號的接收步驟；時刻檢測步驟，用于測量接收到的超聲波信號波形與預定閥值相交的次數，并用于在從首次相交交點的預定次數之后的交點檢測預定次數的每個相交時刻；時間測量步驟，用于測量從開始發射超聲波到所檢測到的每個相交時刻的時間間隔，并獲得每個測量時間的算術平均值；以及基于作為算術平均得到的時間來計算長度的長度測量步驟。
11.如權利要求9或10所述的超聲波長度測量方法，其中，在預定次數之后的交點是具有接收到的超聲波波形的最大波幅的振動與閥值相交的交點，或者是就在上述振動之前或之后一個振動的振動與閥值的交點。
12.如權利要求9或10所述的超聲波長度測量方法，其中，當接收步驟的整數Q值為n時，在預定次數之后的交點是接收到的超聲波波形的第n個振動與閥值相交的交點，或者是第n±1個振動與閥值的交點。
13.如權利要求10所述的超聲波長度測量方法，其中，采用設置在相對于振動中心的兩個極性上的閥值，時間檢測步驟測量接收到的超聲波波形與閥值的相交次數，并且在從首次相交交點計算的預定次數之后，從兩個極性上的交點檢測預定次數的每個相交時刻；并且，其中，時間測量步驟通過測量和獲得從開始發射超聲波到在兩個極性上檢測的每個相交時刻的每個時間的算術平均值，而獲得所述時間。
14.如權利要求10或13所述的超聲波長度測量方法，其中，時刻檢測步驟測量接收到的超聲波波形的上升邊和下降邊與預定閥值相交的次數，并且在從首次相交交點計算的預定次數之后檢測預定次數的每個相交時刻，其中，時間測量步驟通過測量從超聲波開始發射到所檢測到的每個上升邊和下降邊相交時刻的每個時間間隔并獲得它們的算術平均值，而獲得所述時間。
15.如權利要求9或10所述的方法，其中，時間測量步驟通過接收從發射單元發射的與超聲波開始發射同步的光束或電磁波而檢測發射開始時刻。
16.如權利要求9-15中的任一項所述的方法，其中，本方法進一步包括基于在時刻檢測步驟、時間測量步驟和長度測量步驟中對由至少兩(2)個接收單元系統接收的超聲波波形所獲得的兩個長度，計算發射位置二(2)維坐標的坐標測量步驟。
17.一種坐標輸入設備，包括發射超聲波的筆；以及接收器，它通過至少一對超聲波接收器接收從筆發射的超聲波，并基于由每個超聲波接收器分別接收的超聲波的傳播時間間隔而輸入筆的坐標位置；其中，接收器包括用于接收從筆發射的超聲波的多個超聲波接收器；以及用于夾緊預定紙張的角的夾緊機構。
18.如權利要求17所述的設備，其中，夾緊機構固定連接到平面形底板，此底板上裝載有用筆書寫的紙張。
19.如權利要求17或18所述的設備，其中，筆具有用于發射紅外線脈沖的紅外線發射器，并且接收器進一步包括用于接收從紅外線發射器發射的紅外線脈沖的紅外線接收器，所述紅外線脈沖作為同步信號。
20.如權利要求17-19中任一項所述的設備，其中，接收器固定在紙張上，其固定位置形成得使多個接收器的連線與紙張上邊緣形成的夾角在30-60°的范圍內。
21.如權利要求17-20中任一項所述的設備，其中，通過把紙張的角壓在夾緊機構的任一(1)個夾緊表面上，而形成以大約90°方向設置的撓性邊緣部分。
22.如權利要求17-21中任一項所述的設備，其中，用W代表一對超聲波接收器相互之間的布置間隔，用P代表作為筆書寫區域的紙張的對角線長度，超聲波接收器的布置間隔W設定得大于0.0002P2并小于0.002P2。
23.如權利要求17-21中任一項所述的設備，其中，超聲波接收器方向性最強的方向設置得使此方向與紙張書寫區域的上邊緣形成的夾角在30-60°的范圍內。
24.一種位置檢測設備，包括移動器，它包括用于檢測接觸的裝置和間歇性發射同步信號和長度測量信號的裝置，其中，同步信號和長度測量信號具有彼此不同的傳播速度；長度計算單元，它用于接收這些同步信號和長度測量信號，并從這些信號的接收時刻之差計算長度測量信號從移動器到多個預定固定位置中每一個的每個傳播長度；位置計算單元，它從多個這些傳播長度與多個固定位置的相對位置關系計算移動器的位置；以及延時單元，它對發射長度測量信號的裝置所間歇性發射的長度測量信號的發射開始時間延遲預定的時間。
25.如權利要求24所述的設備，其中，長度測量信號包括超聲波信號，并且所述預定時間由在移動器和接觸表面接觸時所產生的回波自動停止之前經過的時間來確定。
26.一種位置檢測設備，包括移動器，它包括用于檢測接觸的裝置和間歇性發射同步信號和長度測量信號的裝置，其中，同步信號和長度測量信號具有彼此不同的傳播速度；長度計算單元，它用于接收這些同步信號和長度測量信號，并從這些信號的接收時刻之差計算長度測量信號從移動器到多個預定固定位置中每一個的每個傳播長度；位置計算單元，它從多個這些傳播長度與多個固定位置的相對位置關系計算移動器的位置；以及信號處理單元，它用于從移動器與接觸表面接觸的筆畫所產生的長度測量信號中忽略在一個筆畫的開始時發射的信號所產生的數據。
27.如權利要求26所述的設備，其中，忽略首先發射的信號所產生的數據的信號處理單元，通過檢測間歇性發射的同步信號的發射間隔的不規則性而判斷前一筆畫的結束。
28.如權利要求26所述的設備，其中，移動器包括用于發射表示接觸筆畫停止的信號的裝置，并且其中，忽略首先發射的信號所產生的數據的信號處理單元，根據筆畫停止檢測單元的檢測信號而判斷前一筆畫的結束。
29.一種位置檢測設備，包括移動器，它包括用于檢測接觸的檢測器和間歇性發射同步信號和長度測量信號的裝置，其中，同步信號和長度測量信號具有彼此不同的傳播速度；長度計算單元，它用于接收同步信號和長度測量信號，并從這些信號的接收時刻之差計算長度測量信號從移動器到多個預定固定位置中每一個的每個傳播長度；位置計算單元，它從多個傳播長度與多個固定位置的相對位置關系計算移動器的位置；其中，長度計算單元包括用于識別長度測量信號的信號識別單元。
30.如權利要求29所述的設備，其中，長度測量信號由超聲波組成，并且，在用于識別長度測量信號的信號識別單元的配置中，從超聲波長度測量信號中區別在移動器與接觸表面接觸時所產生的碰撞聲。
31.如權利要求30所述的設備，其中，在用于識別長度測量信號的信號識別單元的配置中，通過測量接收聲波的周期而識別長度測量信號。
全文摘要
本申請涉及用于坐標輸入的超聲波長度測量設備和方法。超聲波長度測量設備測量超聲波信號與閥值的相交次數，例如在從首先相交的交點計算的預定次數之后的具有最大波幅的波形上檢測相交時刻，測量從發射單元開始發射超聲波到所檢測到的相交時刻之間的時間間隔，并基于測量的時間計算長度。坐標輸入設備包括用于發射超聲波的筆以及基于從筆發射并由多個超聲波接收器接收的超聲波的傳播時間而輸入筆坐標位置的坐標輸入設備，接收器包括至少一對用于接收從筆發射的超聲波的超聲波接收器以及用于夾緊紙張的角的夾緊機構。通過延遲筆形移動器的信號發射，防止因筆接觸時產生的碰撞聲而造成的誤操作。
文檔編號G06F3/0354GK1435677SQ0310175
公開日2003年8月13日 申請日期2003年1月21日 優先權日2002年1月31日
發明者浜壯一, 關口秀紀, 藤井彰 申請人:富士通株式會社