<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektronischen Aufnahme des augenblicklichen Ortes der
Spitze einer Sonde auf der Oberfläche einer Platte, insbesondere zur augenblicklichen Aufnahme eines mit einem als Sonde ausgebildeten Stift geschriebenen Schriftzuges, wobei in der Vorrichtung eine erste Einrichtung zur Erzeugung mechanischer Wellenzüge vorgesehen ist, die im Bereich einer vorgegebenen Fläche in der Platte verlaufen, und wobei in der Vorrichtung eine zweite Einrichtung zur Abnahme von Signalen aus den in der Platte verlaufenden Wellenzügen vorgesehen ist, und bei der diese beiden Einrichtungen mit einem elektronischen Auswertegerät verbunden sind,
das die Laufzeit eines impulsförmigen mechanischen Wellenzuges in der Platte zwischen dem Ort seiner Erzeugung in der Platte und dem Ort der Abnahme der Signale aus den in der Platte verlaufenden Wellenzügen ermittelt.
Aus "IEEE Transactions on Electronic Computers", Oct. 1964, S. 609 bis 611, und aus der deutschen Auslegeschrift 1195985 ist eine Vorrichtung zur elektronischen Aufnahme des augenblicklichen Ortes einer Abtastsonde bekannt, bei der durch auf einer Glasplatte aufgesetzte piezoelektrische Einkoppelmittel mechanische Oberflächenwellen in diese Glasplatte eingekoppelt werden. Die Einkoppelmittel sind so angeordnet, dass mit diesen derartige Wellen in zwei zueinander orthogonalen Richtungen, in x- und y-Richtung, über die Platte hinweg ausgesendet werden können. Die Energie dieser Wellen bzw. die Schwingungsamplituden der Plattenoberfläche ist diesem Wellentyp entsprechend sehr klein. An der Glasplatte sind zusätzlich Mittel vorgesehen, die die Wellen absorbieren, nachdem diese die Platte einmal durchlaufen haben.
Mit einer Abtastsonde zur Abtastung mechanischer Schwingungen, u. zw. mit einer Art Tonabnehmer, werden die die Platte durchlaufenden mechanischen Wellen festgestellt. Erst in der Sonde werden die von ihr mechanisch aufgenommenen Schwingungen in elektrische Signale umgesetzt. Die Sonde ist elektrisch mit einem Auswertegerät verbunden, das die Laufzeit der mechanischen Welle auswertet.
Zum Betrieb dieser bekannten Vorrichtung ist vorgesehen, impulsförmige Wellenpakete mit einer Anzahl hochfrequenten Schwingungen, z. B. mit 25 MHz, in die Glasplatte einzukoppeln, u. zw. abwechselnd zeitlich nacheinander jeweils für die x-Richtung und für die y-Richtung. Auf diese Weise wird jeder Punkt der von beiden Wellen durchlaufenen Fläche auf der Glasplatte nach zwei Koordinaten von mechanischen Wellen erfasst. Mittels
EMI1.1
festgestellt und registriert. Aus der Laufzeit für Wellenpakete in der x-Richtung und der Laufzeit für Wellen in der y-Richtung werden x- und y-Koordinate des augenblicklichen Ortes der Sonde ermittelt. Infolge der vollständigen Absorption derjenigen Wellenpakete, die die Platte bereits durchlaufen haben, ergibt sich stets eine eindeutige Ortsangabe.
Die zeitliche Folge des Aussendens der Wellenpakete durch die Platte hindurch erfolgt so rasch, dass eine
Bewegung der Sonde, z. B. entsprechend der in Frage kommenden Schreibgeschwindigkeiten für handgeschriebene
Schriftzüge, praktisch stetig verfolgt und aufgenommen werden kann.
Für die Sone ist ein piezoelektrisches Abtastsystem erforderlich, wie es im Prinzip z. B. für Tonabnehmer
Verwendung findet.
Mittels der bekannten Vorrichtung ist es möglich, einen unmittelbar auf die Oberfläche der Glasplatte aufgeschriebenen, vorzugsweise handgeschriebenen, Schriftzug, z. B. eine Unterschrift, elektronisch aufzunehmen und z. B. zu speichern. Dabei werden von dem piezoelektrischen System aber auch solche elektrischen Signale abgegeben, die allein durch das Kratzen der Sondenspitze auf der Glasoberfläche in der Sonde erzeugt werden.
Im Laufe der vergangenen Jahre ist auf dem technischen Gebiet der vorangehend beschriebenen Vorrichtung intensiv gearbeitet worden.
Ein bekanntgewordener Vorschlag geht dahin, auf der Oberfläche der Platte ein enges Raster aus gekreuzten streifenförmigen, voneinander isolierten Elektroden vorzusehen. Durch die Dichte der Elektrodenstreifen ist das Auflösungsvermögen dieser Vorrichtung begrenzt.
Bei einer andern bekannten Ausführungsform wird eine Platte mit durchgehend elektrisch leitfähiger Oberfläche verwendet, an deren Rändern punktweise Wechselströme nach einem bestimmten Schema eingespeist werden. Dieses Schema ist so gewählt, dass infolge der Potentialverteilung in der Oberfläche jeder Ort ein eindeutig bestimmtes Wechselpotential aufweist, das mit der Sonde abgetastet werden kann. Diese Ausführungsform erfordert homogene Leitfähigkeit in der Oberfläche und eine aufwendige Elektronik für die Einspeisung und Auswertung.
Eine weitere Vorrichtung ähnlicher Art sieht vor, wieder in einer Glasplatte mittels piezoelektrischer Transduktoren Oberflächenwellen in x-und y-Richtung einzukoppeln und das Echo aufzunehmen, das vom Ort der Sonde zurückgeworfen wird. Diese Ausführungsform ist insbesondere für das elektronisch aufnehmbare Abtasten der Oberfläche der Platte mit dem Finger gedacht. Bei dieser Vorrichtung ist zu beachten, dass das von einer spitzen Sonde reflektierte Echo nur äusserst geringe Energie hat.
Es wurde bereits eine Vorrichtung zur elektronischen Aufnahme des augenblicklichen Ortes der Spitze einer Abtastsonde auf der Oberfläche einer Platte vorgeschlagen, bei welcher Vorrichtung an den Seiten einer vorgegebenen Fläche der Platte Elektrodenpaare zur Erzeugung mechanischer Wellen in der Platte vorgesehen und die Elektroden so angeordnet und zueinander ausgerichtet sind, dass die durch zeitlich nacheinander
<Desc/Clms Page number 2>
erfolgendes Anlegen elektrischer Signale an die Elektroden in der Platte erzeugten mechanischen Wellenzüge die
Platte im Bereich der vorgegebenen Fläche in zwei zueinander nichtparallelen Richtungen durchlaufen, und bei der die Abtastsonde über eine elektrische Leitung mit einem elektrischen Auswertegerät verbunden ist, das die
Laufzeit einer impulsförmigen Welle zwischen dem Ort ihrer Erzeugung, d. h.
in dem jeweiligen Elektrodenpaar, und dem augenblicklichen Ort der Sonde auf der Oberfläche der Platte ermittelt. In dieser vorgeschlagenen
Vorrichtung ist eine Platte aus piezoelektrischem Material vorgesehen. Die Abtastsonde zum Abtasten eines elektrischen Potentials bzw. Potentialunterschiedes ist auf der Oberfläche der piezoelektrischen Platte ausgebildet. Vorzugsweise sind die Elektroden auf der Oberfläche der Platte im rechten Winkel zueinander angeordnet und streifenförmig ausgebildet, und gegebenenfalls ist eine die Rückseite der Platte bedeckende ganzflächige Gegenelektrode vorgesehen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine weitere Lösung des Problems anzugeben, auf elektronische Weise den augenblicklichen Ort einer Sonde auf der Oberfläche einer Platte zu ermitteln. Insbesondere soll die erfindungsgemässe Vorrichtung ein hohes Auflösungsvermögen haben. Vorzugsweise soll die erfindungsgemässe
Vorrichtung dazu geeignet sein, einen auf der Platte oder auf einem auf der Platte aufliegenden Blatt Papier handgeschriebenen Schriftzug elektronisch aufzunehmen. Insbesondere soll dabei übliches Schreibpapier, z. B. das normale Schreibpapier von Scheckblättern, verwendbar sein.
Diese Aufgabe wird durch eine wie eingangs beschriebene Vorrichtung gelöst, die erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Platte aus piezoelektrischem Material vorgesehen ist, dass für die erste Einrichtung die Elektrodenanordnung an der Spitze der Sonde vorgesehen ist, dass für die zweite Einrichtung streifenförmige
Elektroden auf der Vorderseite der Platte vorgesehen sind, und dass für beide Einrichtungen eine Gegenelektrode auf der Rückseite der Platte vorgesehen ist, wobei die streifenförmigen Elektroden an zwei nicht zueinander parallelen Rändern der vorgegebenen Fläche der Oberfläche der Platte angeordnet sind, und wobei die streifenförmigen Elektroden und die Gegenelektrode in einem zum Auswertegerät geführten Stromkreis liegen.
Mit jeweils einer der streifenförmigen Elektroden der Vorderseite, zusammen mit der Gegenelektrode der
Rückseite, lässt sich ein aus den mechanischen Wellenzügen herrührender Potentialunterschied in der Platte abnehmen.
Im Gegensatz zu der oben erwähnten Vorrichtung, bei der die zeitlich nacheinander ausgesendeten mechanischen Wellenzüge im Bereich der streifenförmigen Elektroden am Rand der Platte ausgesendet werden, ist gemäss der Erfindung die an der Spitze der Sonde angeordnete Elektrodenanordnung zur Erzeugung der mechanischen Wellenzüge im Material der piezoelektrischen Platte vorgesehen. Zur Abnahme der Signale aus den in der Platte verlaufenden mechanischen Wellenzügen sind als Elektrodenanordnung an zwei nicht zueinander parallelen Rändern einer vorgegebenen Fläche der Oberfläche der Platte streifenförmige Elektroden mit Gegenelektrode vorgesehen. Die am augenblicklichen Ort der Spitze der Sonde in der Platte erzeugten mechanischen Wellenzüge pflanzen sich in der Platte mit nahezu kreisförmigen Wellenfronten fort.
Sie lösen beim Erreichen jeder der genannten Elektroden durch im Material der Platte piezoelektrisch erzeugte elektrische Potentialunterschiede elektrische Signale an den Elektroden aus. Diese Signale werden wie bei der ersten Variante einem elektronischen Auswertegerät zugeführt, das so ausgebildet ist, dass es die jeweiligen Laufzeiten vom augenblicklichen Ort der Sonde bis zu jeder der beiden Elektroden mit Gegenelektrode am Rand der vorgegebenen Fläche für beide Wege getrennt ermittelt. Die Elektrode der Sonde ist mit dem elektronischen Schaltungsteil elektrisch leitend verbunden, in dem das elektrische Wechselpotential erzeugt wird, das zur Anregung eines jeweils einzelnen mechanischen Wellenzuges im piezoelektrischen Material dient.
Bei der Erfindung werden somit die mechanischen Wellenzüge am augenblicklichen Ort der Spitze der Sonde auf der Oberfläche der Platte piezoelektrisch im Material der Platte erzeugt und laufen zu den Elektroden an den Rändern der vorgegebenen Fläche. Die von diesen Elektroden getrennt für jeden der beiden Ränder aufgenommenen elektrischen Signale werden voneinander getrennt dem Auswertegerät zugeführt.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung, insbesondere zur Fig. l, hervor. Fig. 1 zeigt die Aufsicht auf die Platte einer erfindungsgemässen Vorrichtung sowie das zugehörige Auswertegerät und die Sonde und Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 1, U. zw. ein Teilstück im Schnitt A-A', wobei weiter hinten liegende Einzelheiten der übersichtlichkeit halber weggelassen sind.
Mit--l--ist die Platte aus piezoelektrischem Material bezeichnet. Vorzugsweise ist diese Platte in Richtung ihrer Dicke polarisiert. Insbesondere ist diese Platte so dünn gehalten, dass sie als Folie zu bezeichnen ist. Die Dicke der Platte oder Folie ist insbesondere so gering, dass der Dickenwert klein gegenüber der Länge eines in der Platte oder Folie mit der Sonde--10--erzeugbaren Wellenzuges ist.
EMI2.1
<Desc/Clms Page number 3>
--10-- eine Elektrode --11--,Sonde --10-- ein elektrisches Wechselpotential angelegt. Vorzugsweise besteht dieses Potential aus einer periodischen Folge von insbesondere rechteckförmigen Impulsen.
Vorzugsweise ist die Dauer eines einzelnen dieser rechteckförmigen Spannungsimpulse so gross gewählt, dass der durch diesen Impuls im Material der Platte erzeugte mechanische Schwingungsimpuls gerade noch einen zusammenhängenden Wellenzug bildet. Vorzugsweise wird mit einem Wellenzug gearbeitet, dessen wesentlicher Frequenzanteil erheblich niedriger als beim vergleichbaren Stand der Technik liegt, z. B. bei 1 MHz liegt. Es haben sich rechteckförmige Spannungsimpulse mit einer Dauer von etwa 0, 5 sec als besonders effektiv erwiesen. Mit derartigen Impulsen können in der Platte impulsförmige Wellenzüge erzeugt werden, die ein kräftiges piezoelektrisches Signal ergeben, das sicher abgetastet werden kann.
Diese Impulse werden über die Verbindungsleitung--12--vom Auswertegerät--20--her aus dem elektronischen Schaltungsteil--21--für die Erzeugung derartiger Impulse herangeführt. Beim Anlegen einer elektrischen Impulsspannung zwischen der Elektrode--11--und der Gegenelektrode --5-- der Rückseite der Platte wird bei Aufliegen dieser Sondenelektrode--11--auf der Oberfläche der Platte--l-- oder auf einer noch zu beschreibenden Auflage --30-- der platte bzw. auf einem Blatt Papier in der Platte --l-- galvanisch bzw. kapazitiv eine elektrische Potentialdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite der Platte --l-- im Material der Platte erzeugt.
Diese führt auf Grund der piezoelektrischen Eigenschaften des Materials der Platte--l--unmittelbar zur Erzeugung einer mechanischen Welle in dieser Platte. Dieser mechanische Wellenzug pflanzt sich mit im wesentlichen kreisförmiger Wellenfront in der Platte fort. Die Laufzeit dieses Wellenzuges vom Ort der Spitze der Sonde --10-- bis zur Elektrode--4--bzw. bis zur Elektrode-6gibt die x-bzw. y-Koordinate des augenblicklichen Ortes der Spitze der Sonde, d. h. der Elektrode--11--auf der Oberfläche--2--der Platte--l--, an.
Die Dicke der Platte--l--ist vorzugsweise zwischen 0, 1 und 1 mm, insbesondere etwa 0, 3 mm, gewählt.
Bei Eintritt eines Wellenzuges in den Bereich der Elektroden-4 bzw. 6-wird zwischen der Elektrode --4 bzw. der Elektrode--6--und der Gegenelektrode --5-- ein elektrisches Signal erzeugt. Dies ist zwischen jeweiliger Elektrode und Gegenelektrode abnehmbar.
EMI3.1
streifenförmigePlatte Die vorzugsweise für beide Elektroden--4 und 6--gemeinsame Gegenelektrode--5--ist als ganzflächige, gut leitfähige Beschichtung der Rückseite des piezoelektrischen Materials der Platte--l--
EMI3.2
Sofern gewünscht ist, den elektronisch aufzunehmenden Schriftzug auch auf einem Blatt Papier zu schreiben, ist die Sonde --10--- ausserdem als Schreibstift, z. B. als Kugelschreiber, ausgebildet.
Mit einer wie erfindungsgemässen Vorrichtung werden im Material der Platte-l-die zu bevorzugenden Volumenwellen erzeugt, die durch das Auflegen eines Blattes Papier auf der Oberfläche der Platte nicht wesentlich gedämpft werden. Die Volumenwellen werden auch durch Verunreinigungen auf der
EMI3.3
Wellenzüge, die zur Erreichung eines hohen Auflösungsvermögens zu bevorzugen sind. Bei Anwendung wie oben bereits erwähnter kurzer Wellenzüge ist das Auflösungsvermögen durch den Anstieg einer einzelnen Schwingung bestimmt. Im Gegensatz dazu ist das Auflösungsvermögen bei einem wie beim Stand der Technik erwähnten Wellenpaket, das aus einer Vielzahl von periodischen Einzelschwingungen besteht, durch den Anstieg der Einhüllenden des Wellenpakets gegeben.
Bei der Lehre nach der Erfindung kann somit ein vergleichweise zum Stand der Technik gleichgrosses Auflösungsvermögen mit wesentlich niederfrequenteren mechanischen Schwingungen erreicht werden.
Als Material für eine Platte--l--kommen Bariumtitanat, Bleizirkonat-Titanat und entsprechende piezoelektrische Keramikmaterialien, gegebenenfalls mit Zusätzen, zur Anwendung.
EMI3.4
verwertet bei der Erfindung das Auswertegerät die zeitlich zuerst auftretende Flanke des an den Elektroden-4 bzw. 6--auftretenden Spannungsimpulses. Es kommt im übrigen zu Kompensationen von Signalen von denjenigen Teilen der Wellenzüge, die die Elektroden--4 bzw. 6-aus zur jeweiligen Elektrode nicht senkrechter Richtung erreichen.
Vorteilhafterweise ist an den Rändern der Platte-l--ein akustischer Sumpf --118-- vorgesehen,
<Desc/Clms Page number 4>
durch den verhindert wird, dass mechanische Wellenzüge an einem Rand der Platte reflektiert werden. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist hiefür eine Beschichtung dieser beiden Randseiten der Platte mit einem Wulst--8--aus Kunstharzkleber vorgesehen.
EMI4.1
Oberfläche des piezoelektrischen Materials vorgesehen sein, wie Fig. 2 zeigt. Die vorgegebene Fläche der Oberfläche der Platte ist dazu mit einer in einem geringen Grad elektrisch leitfähigen Auflage belegt. Die Leitfähigkeit a der Auflage ist vorzugsweise so gewählt, dass sie der Bedingung
EMI4.2
genügt.
In dieser Form ist e die Dielektrizitätskonstante des piezoelektrischen Materials der Platte T die Dauer des schon näher beschriebenen elektrischen Impulses, d1 die Dicke der leitfähigen Auflage und d2 die Dicke des piezoelektrischen Materials der Platte Als derartige Auflage kann z. B. eine entsprechende Folie vorgesehen sein. Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Auflage auf der Oberfläche des piezoelektrischen Materials im engen Kontakt mit diesem fest angebracht ist. Als Material für eine derartige Auflage hat sich insbesondere ein Halbleiter mit einer wie oben angegebenen elektrischen Leitfähigkeit als vorteilhaft erwiesen.
Für den Fall, dass auf der Platte--l--ein lose aufliegendes Blatt Papier vorgesehen ist, empfiehlt es sich, ein solches Papier zu verwenden, das eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die der oben angegebenen Bedingung genügt. Durch eine derartige Auflage mit glatter Oberfläche kann auch eine unvermeidliche Rauhigkeit bei insbesondere foliengezogener piezoelektrischer Keramik der Platte unschädlich gemacht werden. Dadurch können solche Störsignale vermieden werden, die auf Grund dieser Rauhigkeit bei der Abnahme der elektrischen Signale von der Oberfläche der Platte auftreten könnten. Eine grössere Rauhigkeit der Oberfläche der Platte-l-- könnte bewirken, dass beim Herüberführen der Spitze der Sonde auf die Oberfläche der Platte in der Platte zusätzliche, piezoelektrisch erzeugte Signale auftreten.
Insbesondere wird durch eine oder auch durch mehrere entsprechende Auflagen ein guter galvanischer Kontakt zwischen der Spitze und dem piezoelektrischen Material hergestellt. Durch die bereits oben angegebene Bemessung der elektrischen Leitfähigkeit des Materials der Auflage und der Dicke der Auflage wird jedoch erreicht, dass das Wechselpotential an der Elektrode-l l-- der Sonde, wie vorgesehen, nur in einem eng begrenzten Bereich der Oberfläche des piezoelektrischen Materials wirksam ist.
Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung ist das Auswertegerät zusätzlich so ausgebildet, dass es aus den mit der Spitze der Sonde im Betriebsfall durch Druck auf das Material der Platte piezoelektrisch bewirkten elektrischen Signalen das Aufliegen der Sonde auf der Oberfläche feststellt.
Das mit dem Auswertegerät in der Vorrichtung nach der Erfindung festgestellte Aufliegen bzw. Abheben der Sonde--10--von der Platte wird vorteilhafterweise dazu ausgewertet, die Helligkeit eines an das
EMI4.3
steuern. Es wurde nämlich festgestellt, dass in ungünstigen Fällen bei einer Vorrichtung nach der Erfindung bereits dann ein Signal registriert und z. B. vom Sichtgerät angezeigt wird, wenn die Sonde sich noch gar nicht auf der Oberfläche der Platte bzw. auf einem Blatt Papier, das auf der Oberfläche der Platte liegt, befindet. Eine Bewegung der Spitze der Sonde dicht über der Platte kann nämlich infolge kapazitiver Kopplung in ungünstigen Fällen zu einer Fehlanzeige führen.
Mit der hier beschriebenen Weiterbildung ist eine derartige Fehlanzeige auszuschliessen, da das Auswertegerät gemäss dieser Weiterbildung erst bei Ausübung eines Druckes durch die Spitze der Sonde auf die Platte--l--diejenigen Signale an das Sichtgerät weiterleitet, die den Ort der Sonde auf der Platte angeben.
Ein weiterer Fortschritt kann dadurch erreicht werden, dass das Auswertegerät ausserdem so ausgebildet ist, dass es aus der Höhe der durch Druck im piezoelektrischen Material bewirkten elektrischen Signale auch die augenblickliche Höhe des Auflagedruckes der Sonde, speziell als Schreibstift, ermittelt. Auf diese Weise kann nicht nur das Aufliegen der Sonde, sondern auch der Auflagedruck, u. zw. als individuelles Merkmal eines Schriftzuges, insbesondere einer Unterschrift, in seinem zeitlichen Verlauf registriert und ausgewertet werden.
Die vom Auflagedruck der Sonde in der Platte erzeugten Signale sind wesentlich niederfrequenter als diejenigen Signale, die von den kurzen, rasch aufeinanderfolgenden Impulsen der Wellenzüge herrühren, die den Ort der Sonde angeben. Das Auswertegerät ist so ausgebildet, dass es die frequenzmässig unterschiedlichen Signale des Auflagedruckes und der impulsförmigen Wellen voneinander trennt.
Ein vom Auswertegerät--20--ermittelter, unterschiedlicher Auflagedruck der Spitze der Sonde auf der Platte--l--wird in dem Sichtgerät beispielsweise durch entsprechend gesteuerte Helligkeit der Wiedergabe angezeigt.
Bei einer Vorrichtung nach der Erfindung empfiehlt es sich, die dem Auflagedruck der Sonde entsprechenden, in der Platte piezoelektrisch erzeugten Signale mittels der Sonde aufzunehmen, mit der die zur Koordinatenbestimmung vorgesehenen impulsförmigen Wellen in der Platte erzeugt werden. Es kann das vom Auflagedruck herrührende Signal aber auch an den Elektroden--4 und 6--abgenommen werden, an denen auch die Signale der impulsförmigen Wellen abgenommen werden.