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Die Erfindung betrifft ein fluidisches Peripherie-Eingabegerät für eine elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung, insbesondere für einen Computer. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Eingabe-Steuersignals für eine Datenverarbeitungsvorrichtung.
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Die meisten Datenverarbeitungsvorrichtungen weisen Eingabegerate zur Eingabe von Daten auf. Neben herkömmlichen Tastaturen sind Joystick, Trackball, Touchpad und die sogenannte Computermaus die bekanntesten kommerziell verfügbaren Eingabegeräte für Datenverarbeitungsvorrichtungen. Diese Peripherie-Eingabegeräte werden manuell durch den Nutzer betätigt, wobei die Betätigung optisch, elektromagnetisch oder schallsensorisch erfasst wird. Auch Eingabegeräte in Stiftform zur Texteingabe und zur Eingabe von Grafiken sind allgemein bekannt. Diese Peripherie-Eingabegeräte erfassen beispielsweise die Relativbewegung des Stiftes auf einer speziellen Unterlage optisch, indem eine Kamera eine Vielzahl von Bildern der Unterlage pro Sekunde erfasst, wobei aus der Differenz zwischen den erfassten Bildern der Unterlage die Relativbewegung des Stiftes zu der Unterlage errechnet wird. Die meisten derartigen Eingabegeräte, die optisch eine Relativbewegung über eine Unterlage erfassen, verwenden spezielle Unterlagen, sogenannte Tabletts. Die Unterlage muss in jedem Falle eine optisch unregelmäßige Struktur aufweisen.
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Das am meisten verbreitete Peripherie-Eingabegerät ist die sogenannte Computermaus. Hierbei bewegt der Anwender die Maus auf einer Unterlage, dem sogenannten Mousepad, und steuert über diese Relativbewegung den Cursor auf einer grafischen Benutzeroberfläche des Bildschirms. Die Maus selbst ist in der Regel auf einer Kunststoffkugel gelagert deren Bewegungen von mehreren Sensoren mechanisch oder optisch aufgenommen und von dem Maustreiber für den Computer umgesetzt werden. Dabei erfolgt die Übertragung der Daten über ein Kabel, eine Infrarot-Schnittstelle oder per Funk. Auf der Maus befinden sich je nach Bauform eine bis drei Tasten, die mit unterschiedlichen Funktionen ausgestattet sind und zur Steuerung der Datenverarbeitungsvorrichtung dienen.
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In der
EP 0 578 910 A2 ist eine Schreibeingabevorrichtung in Form eines Schreibstifts beschrieben.
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In der
DE 196 36 835 A1 ist ein Zeichenstift für Datenverarbeitungsgeräte beschrieben.
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In der
EP 0 231 893 A1 ist ein mechanischer Stift beschrieben, bei dem es sich etwa um einen Kugelschreiber oder einen Minenbleistift handeln kann.
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In der
WO 2004/109650 A1 ist ein System zur digitalen Aufzeichnung der Bewegung eines Schreibinstruments beschrieben.
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In der
US 4 961 138 A ist eine drucksensitive Computermaus zur Eingabe eines dreidimensionalen Signals in einen Host-Rechner beschrieben.
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In der
US 6 307 956 B1 ist ein stiftförmiges System für eine biometrische Personenauthentifizierung beschrieben.
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In der
GB 2 291 165 A ist ein Human-Computer-Interface-System als Ersatz für haptische Handschuhe beschrieben.
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Alle bisher bekannten Peripherie-Eingabegeräte weisen jedoch einige zum Teil gravierende Nachteile auf. Die Bewegung einer Maus oder eines elektronischen Eingabestiftes benötigt in jedem Fall das Vorhandensein einer Unterlage. Zur Bewegung des Cursors muss die Computermaus auf dem Mousepad oder der Tischoberfläche bewegt werden. Auch zum Scrollen des Bildschirms ist eine Relativbewegung der Maus auf der Unterlage notwendig. Daher besteht der Hauptnachteil von derartigen herkömmlichen Peripherie-Eingabegeräten darin, dass zu deren Betätigung eine optisch differenzierte Bewegungsunterlage vorhanden sein muss, wobei die notwendige Bewegungsfläche zum Verschieben der Computermaus relativ groß ist. Die herkömmlichen Computer-Eingabe-Geräte bzw. Computermäuse stellen daher keine räumlich autonomen Eingabesysteme dar. Der Benutzer ist somit bei der Eingabe auf das Vorhandensein einer Unterlage angewiesen und kann sich nicht frei bei der Dateneingabe im Raum bewegen. In vielen Umgebungen ist dies hinderlich, beispielsweise bei einer Geschäftsreise in einem Verkehrsflugzeug ist die Bedienung eines Computers bzw. Laptops mittels Computermaus nur sehr umständlich möglich, weil zu wenig Platz für ein Mousepad vorhanden ist. Daher sind viele Laptops mit sogenannten Touchpads versehen, die allerdings eine geringe Bedienungsfläche aufweisen und nur sehr umständlich bedienbar sind. Das Vorsehen von Touchpads bei Laptops steht der Miniaturisierung derartiger mobiler Geräte im Wege, und darüber hinaus ist die Steuerung des Cursors mittels Touchpads nur sehr umständlich möglich.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Peripherie-Eingabegerät für eine elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines Eingabe-Steuersignals für eine Datenverarbeitungsvorrichtung zu schaffen, bei der die Eingabe der Daten ergonomisch einfach und räumlich autonom erfolgt.
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Diese Aufgabe wird durch ein fluidisches Peripherie-Eingabegerät wie in den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen und ein Verfahren zur Erzeugung eines Eingabe-Steuersignals für eine Datenverarbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 30 gelöst.
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Ein Vorteil des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts besteht darin, dass die Sensorik einen sehr geringen Energieverbrauch aufweist, sodass das fluidische Peripherie-Eingabegerät sich insbesondere für mobile elektronische Datenverarbeitungsvorrichtungen eignet.
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Zur Betätigung des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts ist keine Bewegung der aufgesetzten Stiftmine auf der Unterlage notwendig. Das Peripherie-Eingabegerät wird vorzugsweise punktförmig auf einer beliebigen Unterlage aufgesetzt und durch Neigen der Stiftmine betätigt. Der auf der Stiftmine aufgebrachte mechanische Druck wird dreidimensional durch eine fluidische Drucksensorik zur Steuerung der elektronischen Datenverarbeitungsvorrichtung erfasst. Da die Stiftmine nur eine Punktauflage benötigt, ist keine große Bewegungsfläche zu deren Betätigung erforderlich. Die Unterlage kann dabei beliebig sein, solange sie einen ausreichenden mechanischen Druck auf die Stiftmine aufbringt. Das fluidische Peripherie-Eingabegerät benötigt kein Eingabetablett, das heißt, eine optisch differenzierte Unterlage ist nicht notwendig.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts weist dieses drei Fluidkammern auf, deren Flüssigkeitsdruck jeweils der Aufsatzkraft der Stiftmine in einer Raumrichtung entspricht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts sind die Fluidkammern jeweils über einen Fluidkanal mit einem zugehörigen Drucksensor verbunden.
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Dabei ist vorzugsweise eine erste Fluidkammer und eine zweite Fluidkammer seitlich an der Stiftmine zur Erfassung von Aufsetzquerkräften vorgesehen, wobei diese jeweils über einen Fluidkanal mit einem zugehörigen Drucksensor verbunden sind, der jeweils ein Querdrucksignal abgibt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts weist die Stiftmine eine Minenspitze zum Aufsetzen auf der Unterlage auf.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts besteht die Stiftmine aus einer Schreibmine zum Schreiben auf der Unterlage.
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Bei dieser Ausführungsform kann das fluidische Peripherie-Eingabegerät in der Dateneingabe die elektronische Datenverarbeitungsrichtung als herkömmliches Schreibgerät verwendet werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist an einem der Minenspitzen entgegengesetzten Ende eine dritte Fluidkammer zur Erfassung einer Aufsetzlängskraft vorgesehen, wobei diese Fluidkammer über einen Fluidkanal mit einem zugehörigen Drucksensor verbunden ist, der ein Längsdrucksignal abgibt.
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Die Stiftmine ist dabei vorzugsweise zur Kraftübertragung der Aufsetzkräfte auf die Fluidkammern vorgesehen.
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Die Fluidkammern weisen jeweils vorzugsweise eine elastische Kammerwandung auf.
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Die Stiftmine und die Fluidkammern sind vorzugsweise in einem Schreibstiftgehäuse integriert.
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Dies bietet den Vorteil, dass die Betätigung eines Schreibstiftes für die Nutzer vertraut ist und ergonomisch einfach durchgeführt werden kann.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts sind die Drucksensoren auf einem Drucksensor-Array des Sensorchips integriert.
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Ein Vorteil des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts besteht darin, dass die sensorische Erfassung der Betätigung mittels einer einheitlichen Drucksensorik erfolgt, die wegen ihrem geringen Platzbedarf besonders einfach integrierbar ist.
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Darüber hinaus erfolgt die Übertragung des Drucksignals rein fluidisch und die Umwandlung elektrofluidisch. Der Betrieb des Sensorsystems benötigt daher wenig elektrische Energie und ist wenig EMV-auffällig.
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Die Drucksensoren sind zudem mechanisch besonders robust, insbesondere gegen mechanische Erschütterungen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts liefern die Drucksensoren das jeweilige elektronische Drucksignal über eine Schnittstelle an die Datenverarbeitungsvorrichtung.
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Bei dieser Schnittstelle handelt es sich bei einer Ausführungsform um eine drahtgebundene Schnittstelle. Diese drahtgebundene Schnittstelle ist vorzugsweise eine USB-Schnittstelle.
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Auf einer alternativen Ausführungsform ist die Schnittstelle eine drahtlose Schnittstelle.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts ist mindestens eine weitere Fluidkammer zur Erfassung einer Haltekraft, mit welcher das Schreibstiftgehäuse durch eine Bedienperson gehalten wird, vorgesehen.
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Dabei wird vorzugsweise eine in dem Schreibstiftgehäuse vorgesehene elastische Manschette entsprechend einer durch einen Finger aufgebrachten Haltekraft verformt.
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Diese Manschette ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet.
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Die auf die Manschette aufgebrachte Haltekraft wird vorzugsweise auf mindestens eine unterhalb der Manschette angebrachte Fluidkammer übertragen, wobei der Flüssigkeitsdruck innerhalb der Fluidkammer der aufgebrachten Haltekraft entspricht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die auf die Manschette ausgeübte Haltekraft, die von einem Zeigefinger auf die Manschette aufgebracht wird, auf mindestens zwei nebeneinander liegende Fluidkammern übertragen.
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Diese Fluidkammern sind vorzugsweise ebenfalls ringförmig ausgebildet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Fluidkammern jeweils über einen zugehörigen Fluidkanal mit einem zugehörigen Drucksensor verbunden, der ein Haltedrucksignal abgibt.
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Die beiden Drucksensoren erfassen vorzugsweise eine Druckdifferenz zwischen den beiden Fluidkammern und liefern ein entsprechendes Haltedruckdifferenzsignal.
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Das Vorsehen von mindestens einer weiteren Fluidkammer zur Erfassung einer Haltekraft bietet den besonderen Vorteil, dass das fluidische Peripherie-Eingabegerät durch Betätigung eines Zeigefinger auf der elastischen Manschette ein Steuersignal bzw. Scrollsteuersignal liefert, ohne dass das fluidische Peripherie-Eingabegerät auf einer Unterlage aufgesetzt werden muss. Durch Reiben des Zeigefingers auf der Manschette kann daher der Nutzer beispielsweise das Senden des Bildschirms der Datenverarbeitungsvorrichtung in einer beliebigen Halteposition der Hand vornehmen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts ist das Peripherie-Eingabegerät zwischen einem ersten Betriebsmodus zur Abgabe von Steuersignalen an die Datenverarbeitungsvorrichtung und einem zweiten Betriebsmodus zur Abgabe von Schreibdatensignalen an die Datenverarbeitungsvorrichtung umschaltbar.
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Dabei steuern die in dem ersten Betriebsmodus von den Drucksensoren abgegebenen Querdrucksignale vorzugsweise einen Bildschirmcursor eines Bildschirms der Datenverarbeitungsvorrichtung an.
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Das Aufsetzen der Stiftmine auf der Unterlage wird vorzugsweise durch denjenigen Drucksensor erfasst, der über einen Fluidkanal mit derjenigen Fluidkammer verbunden ist, die an dem der Minenspitze entgegengesetzten Ende vorgesehen ist.
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Der Drucksensor generiert vorzugsweise beim Aufsetzen der Stiftmine ein Triggersignal.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts werden die beim Aufsetzen der Stiftmine aktuell wirkenden Querdrucksignale als Referenzsignale erfasst.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Geschwindigkeit, mit der sich der Bildschirmcursor in eine Richtung auf dem Bildschirm bewegt, proportional zu der absoluten Amplitude des jeweiligen Querdrucksignals.
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Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Geschwindigkeit, mit der sich der Bildschirmcursor auf dem Bildschirm in eine Richtung bewegt, proportional zu der Amplitude eines jeweiligen Differenzsignals zwischen dem Querdrucksignal und dem Referenzsignal.
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Das Referenzsignal wird vorzugsweise bis zum nächsten Aufsetzen der Stiftmine zwischengespeichert.
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Das Erfassen des Referenzsignals bietet den besonderen Vorteil, dass das fluidische Peripherie-Eingabegerät eine Offset-Kompensation gegenüber Druckschwankungen durchführen kann, die durch Temperaturveränderungen bzw. Luftdruckänderungen hervorgerufen werden.
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In dem ersten Betriebsmodus bildet ein durch eine Zeigefingerbewegung hervorgerufenes Haltedruckdifferenzsignal ein Steuersignal zum Scrollen des Bildschirms.
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In dem ersten Betriebsmodus bildet vorzugsweise ein kurzer Haltedruckimpuls ein Steuersignal zum Anklicken eines auf dem Bildschirm angezeigten Symbols.
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In dem ersten Betriebsmodus bildet vorzugsweise ein längerer Haltedruckimpuls ein Steuersignal zum Markieren eines auf dem Bildschirm angezeigten Symbols.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts ist in dem Schreibstiftgehäuse zusätzlich mindestens ein mechanischer Druckschalter vorgesehen. Hierdurch können weitere Funktionen realisiert werden, die beispielsweise eine Steuerfunktion einer rechten Maustaste entsprechen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts sind die in dem zweiten Betriebsmodus an die Datenverarbeitungsvorrichtung abgegebenen Schreibdatensignal biometrische Daten, die von der Datenverarbeitungsvorrichtung zur Personen-Authentifizierung bzw. zur Handschriftenerkennung ausgewertet werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts ist das in den Fluidkammern gesehene Fluid ein Gel, ein Öl, Wasser, eine elektrolytische Flüssigkeit oder eine rheologische Flüssigkeit.
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Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts für eine elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung in Bezugnahme auf die beigefügten Figuren zur Erläuterung erfindungswesentlicher Merkmale beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht durch eine bevorzugte Ausführungsform des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts;
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2 ein Diagramm zur Erläuterung der eingesetzten Drucksensorik;
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3 eine erste Ausführungsform des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts;
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4 eine zweite Ausführungsform des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts;
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5 eine Schnittansicht durch das fluidischen Peripherie-Eingabegerät gemäß der zweiten Ausführungsform;
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6 ein Diagramm zur Erläuterung des Scroll-Vorgangs bei dem fluidischen Peripherie-Eingabegerät;
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7 eine bevorzugte Ausführungsform eines in dem fluidischen Peripherie-Eingabegerät vorgesehenen Drucksensors;
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8 einen in dem Drucksensor vorgesehenen mikromechanischen Sensor;
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9a, 9b verschiedene Varianten für Druckaufnehmer zur Erfassung der auf die Schreibstiftmine aufgebrachten Druckkräfte;
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1 zeigt eine Schnittansicht durch ein fluidisches Peripherie-Eingabegerät 1 für eine elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung gemäß der Erfindung. Das Peripherie-Eingabegerät 1 weist ein Schreibstiftgehäuse 2 auf, in dem eine Stiftmine 3 gelagert ist. Die Stiftmine 3 weist eine Spitze 4 auf, die auf einer beliebigen Unterlage aufsetzbar ist. Die Aufsetzkraft, mit welcher die Stiftmine 3 auf der Unterlage aufgesetzt wird, wird mittels Fluidkammern 5 erfasst. Das fluidische Peripherie-Eingabegerät gemäß der in 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform weist drei Fluidkammern 5a, 5b, 5c auf. Die Fluidkammern 5a, 5b, 5c weisen jeweils eine elastische Kammerwandung auf, die mit einem Fluid gefüllt ist. Bei dem Fluid kann es sich um ein Gel, ein Öl, Wasser, eine elektrolytische Flüssigkeit oder aber auch um eine rheologische Flüssigkeit handeln. Der in den Fluidkammern 5a, 5b, 5c aufgebaute Flüssigkeitsdruck des Fluids entspricht jeweils der Aufsetzkraft Fx, Fy, Fz der Stiftmine 3 in den verschiedenen Raumrichtungen X, Y, Z. Die erste Fluidkammer 5a und die zweite Fluidkammer 5b sind seitlich an der Stiftmine 3 zur Erfassung von Aufsetzquerkräften Fx, Fy vorgesehen, während die dritte Fluidkammer 5c an einem der Minenspitze 4 entgegengesetzten Ende zur Erfassung einer Aufsetzlängskraft Fz vorgesehen ist. Die Stiftmine 3 weist bei einer Ausführungsform zusätzlich eine Schreibmine zum Schreiben auf einer Unterlage auf. Die Stiftmine 3 ist zur Kraftübertragung der Aufsatzkräfte Fx, Fy, Fz auf die drei Fluidkammern 5a, 5b, 5c vorgesehen.
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Neben den drei Fluidkammern 5a, 5b, 5c zur Erfassung der Aufsetzkräfte weist das fluidische Peripherie-Eingabegerät 1 bei der in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform zusätzlich zwei weitere Fluidkammern 5d, 5e auf, die zur Erfassung einer Haltekraft, mit der das Schreibstiftgehäuse 2 durch eine Bedienperson gehalten wird, vorgesehen sind. Hierzu ist das Schreibstiftgehäuse 2 mit einer elastischen Manschette 6 versehen, die sich entsprechend einer durch einen Finger aufgebrachten Haltekraft verformt. Die beiden Fluidkammern 5d, 5 sind unterhalb dieser ringförmigen elastischen Manschette 6 angebracht. Die beiden Fluidkammern 5d, 5e sind vorzugsweise ebenfalls ringförmig bzw. rotationssymmetrisch. Die Fluidkammern 5a bis 5e sind jeweils über einen zugehörigen Fluidkanal 7a bis 7e mit einem zugehörigen Drucksensor 8a bis 8e verbunden. Die Drucksensoren 8a bis 8e sind auf einem Drucksensorchip 9 integriert. Die in der ersten Fluidkammer 5a und in der zweiten Fluidkammer 5b seitlich an der Stiftmine 3 erfassten Aufsatzkräfte Fx, Fy werden über die Fluidkanäle 7a, 7b jeweils an die zughörigen Drucksensoren 8a, 8b übertragen, die jeweils ein Querdrucksignal Px, Py abgeben. Die dritte Fluidkammer 5c erfasst die Aufsetzlängskraft Fz und ist über den Fluidkanal 7c mit dem zugehörigen Drucksensor 8c verbunden, der ein Längsdrucksignal Pz abgibt. Die beiden unterhalb der Manschette 6 angebrachten Fluidkammern 5d, 5e sind über die Fluidkanäle 7d, 7e mit den zugehörigen Drucksensoren 8d, 8e verbunden, die jeweils ein Haltedrucksignal Ph abgeben. Die beiden Drucksensoren 8d, 8e erfassen die Druckdifferenz zwischen den beiden Fluidkammern 5d, 5e und liefern ein Haltedruckdifferenzsignal. Neben den Drucksensoren können bei bestimmten Ausführungsformen des Peripherie-Eingabegeräts 1 zusätzliche Druckschalter, beispielsweise der in 1 dargestellte Druckschalter 10 vorgesehen werden.
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Das aus den Drucksensoren 8 bestehende Drucksensor-Array erfasst die Auslenkung der Stiftmine 3 in allen drei Raumrichtungen x, y, z sowie die durch einen Zeigefinger auf die Manschette 6 ausgeübte Haltekraft. Das Drucksensor-Array ist vorzugsweise auf einem Sensorchip integriert, der die erfassten Drucksignale jeweils in elektronische Drucksignale umwandelt. Diese elektronischen Drucksignale werden über eine Schnittstelle an eine Datenverarbeitungsvorrichtung abgegeben. Bei der Schnittstelle kann es sich entweder um eine drahtgebundene Schnittstelle, insbesondere um eine USB-Schnittstelle handeln, oder um eine drahtlose Schnittstelle, beispielsweise eine Bluetooth- oder ZigBee-Datenverbindung.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts 1, wie es in 1 dargestellt ist, ist das Peripherie-Eingabegerät 1 zwischen einem ersten Betriebsmodus zur Abgabe von Steuersignalen an die Datenverarbeitungsvorrichtung und einem zweiten Betriebsmodus zur Abgabe von Schreibdatensignalen an die Datenverarbeitungsvorrichtung umschaltbar. Dabei werden in dem ersten Betriebsmodus die von den Drucksensoren abgegebenen Querdrucksignale Px, Py zur Ansteuerurig eines Bildschirmcursors auf einem Bildschirm der Datenverarbeitungsvorrichtung eingesetzt. Das Aufsetzen der Stiftmine 3 auf einer beliebigen Unterlage wird durch den Drucksensor 8d erfasst, wobei dieser ein Trigger-Signal generiert.
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Die beim Aufsetzen der Stiftmine 3 aktuell wirkenden Drucksignale werden vorzugsweise durch einen in dem Sensorchip 9 integrierten Speicher als Referenzsignal zwischengespeichert. Der Sensorchip 9 weist zusätzlich vorzugsweise einen Takt-Signalgenerator auf, der ein regelmäßiges Taktsignal liefert, sodass die auftretenden Drucksignale Px, Py, Pz sowie Ph1, Ph2 in regelmäßigen Zeitabständen zwischengespeichert werden. Die zwischengespeicherten Referenzsignale werden vorzugsweise zur Offset-Kompensation verwendet.
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Durch äußere Temperaturschwankungen, Schwankungen des Luftdrucks sowie von der Hand ausgeübte Körperwärme kann es zu einer Drift der erfassten Drucksignale kommen. Im Moment des Aufsetzens des Peripherie-Eingabegeräts 1 auf der Unterlage werden die Drucksensoren mittels der Referenzsignalwerte entsprechend angepasst bzw. korrigiert.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts steuern die Querdrucksignale, die durch die Drucksensoren 8a, 8d erfasst werden, den Bildschirmcursor auf dem Bildschirm der Datenverarbeitungsvorrichtung. Die Geschwindigkeit Vx, Vy mit der sich der Bildschirmcursor auf dem Bildschirm bewegt, ist bei der ersten Ausführungsform proportional zu der absoluten Amplitude des jeweiligen Querdrucksignals Px, Py. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Geschwindigkeit Vx, Vy, mit der sich der Bildschirmcursor auf dem Bildschirm in eine Richtung bewegt, proportional zu der Amplitude des jeweiligen Differenzsignals zwischen dem Querdrucksignal Px, Py und dem erfassten Referenzsignal Px0, Py0.
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Durch die Haltedrucksensoren 8d, 8e werden in dem ersten Betriebsmodus zusätzliche Steuersignale geliefert. Beispielsweise bildet ein kurzer Haltedruckimpuls ein Steuersignal zum Anklicken eines auf dem Bildschirm angezeigten Symbols. Ein längerer Haltedruckimpuls wird als Steuersignal zum Markieren eines auf dem Bildschirm angezeigten Symbols interpretiert.
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Der weitere mechanische Druckschalter 10 kann zusätzliche Steuersignale erzeugen, die der Funktionsweise einer rechten Maustaste entsprechen.
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Das fluidische Peripherie-Eingabegerät 1 ist vozugsweise beispielsweise mittels des mechanischen Druckschalters 10 zwischen zwei Betriebsmodi umschaltbar. In dem ersten Betriebsmodus dient das Peripherie-Eingabegerät 1 zur Erzeugung von Steuersignalen für die Datenverarbeitungsvorrichtung, beispielsweise zur Ansteuerung eines Cursors. In dem zweiten Betriebsmodus gibt das Peripherie-Eingabegerät 1 Schreibdaten-Signale an die Datenverarbeitungsvorrichtung ab. Diese Schreibdatensignale dienen zur Eingabe von Text-Datenzeichen oder zur Eingabe von Grafik. Die Schreibdatensignale werden beispielsweise als biometrische Daten von der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgewertet, um eine Personen-Authentifizierung bzw. eine Handschriftenerkennung durchzuführen.
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Das Peripherie-Eingabegerät 1 kann vorzugsweise mit einer herkömmlichen Kugelschreibermine oder einer elastischen Kunststoffmine zur Kraftübertragung von der Stiftspitze 4 auf die Sensoren ausgestattet werden. Das fluidische Peripherie-Eingabegerät 1 funktioniert bereits beim punktweisen Aufsetzen der Spitze 4 auf einer beliebigen Unterlage. Zusätzliche kann das Peripherie-Eingabegerät 1 auf jeder beliebigen Unterlage geführt werden. Die beim Aufsetzen und Führen des Stifts gemessenen Druckkräfte werden mittels eines Gerätetreibers aufbereitet und in dem ersten Betriebsmodus Steuersignale, beispielsweise zur Bildschirmcursor-Steuerung, umgewandelt. Die Vertikal- und Horizontal-Bewegung des Bildschirmcursors wird über die erfassten Querkräfte gesteuert, die bei dem aufgesetzten Stift, das heißt bei messbarem Axial-Druck, vertikal zur Stiftmine 3 ausgeübt werden. Die Querkräfte werden auf den Stift durch Schreibbewegungen auf der Unterlage oder bei lokal fixierten aufgesetzten Eingabegeräte 1 durch seitliche Druckausübung auf die Schreibstiftmine 3 ohne laterale Bewegungen erzeugt. Das Eingabegerät 1 kann optional in eine einfache Haltevorrichtung bzw. Vertiefung in dem Tastaturbereich bzw. Keyboard des Computers eingesteckt werden, sodass ein rascher Wechsel von der Tastaturbedienung zu dem Eingabegerät 1 ermöglicht wird.
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Durch ein Vor- oder Zurückschieben des aufliegenden Zeigefingers längs des Schreibstiftgehäuses 2 bzw. der Manschette 6 wird in den zwei flüssigkeitsgefüllten Fluidkammern 5d, 5e eine Druckdifferenz erzeugt, mit deren Hilfe ein Treibersignal zum Scrollen des Bildschirms generiert wird.
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Kurze Kraftimpulse, die durch kurzes Zusammendrücken der Finger, die das Schreibstiftgehäuse 2 halten, erzeugt werden, werden mit denselben fluidischen Drucksensoren 8d, 8e als Trigger-Signale zum Umschalten des Betriebsmodus interpretiert, beispielsweise als Drücken der linken Maustaste als Klick bzw. Doppelklick. Bei gleichzeitig proportionalem Finger-Greifdruck und aufgesetztem Schreibstift werden die Querkräfte auf die Stiftmine 3 vorzugsweise als Treiber-Signal zum Markieren von Zeichen oder Textbereichen interpretiert.
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Das in 1 dargestellte fluidische Peripherie-Eingabegerät 1 stellt einen vollwertigen Ersatz für eine konventionelle mechanische oder optische Computermaus bzw. für ein Touchpad oder einen Trackball dar. Das Peripherie-Eingabegerät 1 zeichnet sich durch ein wesentlich ergonomischeres Handling aus und kann im Gegensatz zu der herkömmlichen Computermaus auf engstem Raum und insbesondere in einem Flugzeug, in einem Bus oder in der Bahn benutzt werden. Mit dem Peripherie-Eingabegerät 1 ist es sogar möglich, ein Scrollen durchzuführen, ohne dass das Peripherie-Eingabegerät 1 auf einer Unterlage aufgesetzt wird. Eine Bildschirmcursor-Steuerungsfunktion kann ohne zwingende Lateralbewegung des Peripherie-Eingabegeräts 1 auf einer Unterlage durchgeführt werden.
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Das schreibstiftförmige Gehäuse 2 des Eingabegeräts 1 führt zu einer besseren Akzeptanz beim Nutzer, da dieser es gewohnt ist, mit Stiften zu schreiben. Die integrierte Drucksensorik ist durchgängig als funktionsgleichen Standardkomponenten aufgebaut.
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Die Funktionalität des Peripherie-Eingabegerät 1 entspricht der einer herkömmlichen Computermaus, wobei insbesondere die folgenden Funktionen steuerbar sind, nämlich die Bewegung des Cursors auf dem Bildschirm, das Scrollen des Bildschirms, das Markieren von Zeichen auf dem Bildschirm, das Markieren und Ziehen von Zeichen auf dem Bildschirm (drag and drop), die Bedienung eines Schiebebalkens sowie die Funktionalität einer rechten Maustaste.
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Diese Funktionen werden über zwei dynamische Hydro-Drucksignale realisiert, die beim Halten des Eingabegeräts 1, beim Aufsetzen und Aufdrücken auf einer Unterlage und gegebenenfalls durch Bewegung eines Eingabegeräts auf einer Unterlage generiert werden.
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Für die verwendeten Sensoren können beliebige herkömmliche Drucksensoren eingesetzt werden, beispielsweise piezo-resistive, magnetische, kapazitiv arbeitende oder induktive Drucksensoren. Eine minimale Längsbewegung der Schreibstiftmine 3 relativ zum Schreibstiftgehäuse 2 gegen den Widerstand eines profilastischen Umsetzers, beispielsweise eine elastische Flüssigkeithülle oder ein Luftpolster wird als Deformationskraft, Kraftstoß bzw. Kraftimpuls oder Druck interpretiert. Die aufgebrachten mechanischen Druckkräfte, die vertikal zur Schreibstiftmine 3 wirken, werden ebenfalls über hydraulische und pneumatische Sensoren erfasst. Hierzu wird die mechanische Halterung der Schreibmine 3 vorzugsweise als elastischer fluid-mechanischer Umsetzer ausgelegt, sodass der Schreibstiftminendruck in x, y Richtung einen Flüssigkeitsdruck in den Fluidkammern 5a, 5b generiert, der durch die Drucksensoren 8a, 8b in ein elektrisches Drucksignal umgewandelt wird. Im äußeren Angriffsbereich ist das Eingabegerät 1 mit einer weichen Gummi- oder Kunststoffmanschette 6 versehen, die ergonomisch derart ausgebildet ist, dass Daumen-, Mittel-, und Zeigefinger das Eingabegerät 1 bequem halten und führen können. Unterhalb der Manschette 6 bzw. in diese integriert befinden sich im Angriffsbereich der Finger zwei getrennte ringförmig ausgebildete flüssigkeits- bzw. gelgefüllten Fluidkammern 5d, 5e.
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Für die Schreibdruckmessung, das heißt für die Messung des auf die Schreibmine 3 ausgeübten mechanischen Drucks und des durch die Hand ausgeübten Greifdrucks werden vor der Aufnahme des Eingabegeräts 1 mit der Hand alle aktuellen Druckwerte auf null gesetzt. So erfolgt vorzugsweise in einer Ruhephase, das heißt wenn das Eingabegerät 1 nicht in der Hand liegt, über automatisch eine Offset-Kompensation. Hier durch werden vorzugsweise mechanische und thermische Drifteffekte eliminiert.
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Die Energie zur Druckerzeugung, -übertragung, -umsetzung und -umwandlung mittels der passiv aufgebauten fluidisch/pneumatischen Baukomponenten kommt extern von der Hand- und Fingerbewegung des Nutzers. Daher benötigen die fluidisch-pneumatisch aufgebauten Baukomponenten des Peripherie-Eingabegeräts 1 keine eigene Energieversorgung, sodass der Energieverbrauch des Peripherie-Eingabegeräts 1 minimal ist. Lediglich der Sensorchip 9 mit den integrierten Drucksensoren und dem gegebenenfalls integrierten Taktgenerator und Referenzdatenspeicher benötigt eine eigenständige elektrische Energieversorgung.
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Vorzugsweise kann die durch die Hand ausgeübte Druckkraft durch mechanisch-elektrische Wandler in elektrische Energie umgewandelt werden, die zur Versorgung des Sensorchips 9 verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform benötigt das Peripherie-Eingabegerät 1 keinerlei externe elektrische Engergieversorgung.
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2 zeigt im Prinzip den Aufbau innerhalb des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts 1. Eine beliebige Anzahl von Fluidkammern 5 ist über Fluidkanäle 7 an Drucksensoren 8 angeschlossen, die elektronische Drucksignale an Anschlüsse-Pads 11, einer integrierten Schaltung bzw. eines Sensorchips 9 abgeben. Der Sensorchip 9 enthält in seinem Kern beispielsweise einen Mikroprozessor 12 sowie vorzugsweise zusätzlich einen Taktsignal-Generator und einen Datenspeicher. Wie man aus 2 erkennen kann, erfolgt die Signalübertragung von den Fluidkammern 5 hin zu dem Sensorchip 9 rein mechanisch über die Fluidkanäle 7. Der Schreibdruck breitet sich als Flüssigkeitsdruck innerhalb der Fluidkammern 5 und der Fluidkanäle 7 mit Schallgeschwindigkeit aus, wobei die Schallgeschwindigkeit 1480 Meter pro Sekunde beträgt, wenn das verwendete Fluid aus Wasser besteht.
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Bei der in 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind die Fluidkammern 5 Remote-Sensing-Sensoren, das heißt die Signalübertragung erfolgt mechanisch über die Fluidkanäle 7.
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In einer alternativen Ausführungsform sind die Drucksensoren 8 direkt an den Fluidkammern 5 angeordnet und die Signalübertragung erfolgt elektrisch über Signalleitungen zu dem Sensorchip 9.
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Bei der in 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform mit mechanischer Signalübertragung besteht ein Vorteil darin, dass die Signalübertragung nicht durch äußere elektro-magnetische Felder beeinträchtigt wird, das heißt die EMV-Verträglichkeit des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts 1 ist bei mechanischer Signalübertragung besonders hoch, sodass das Eingabegerät 1 auch eingesetzt werden kann, wenn starke elektro-magnetische Felder im Umfeld bestehen. Der Durchmesser der Fluidkanäle 7 beträgt beispielsweise etwas unter 1 Millimeter.
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3 zeigt eine erste Ausführungsform des Peripherie-Eingabegeräts 1, bei dem die Fluidkammern 8d, 8e zur Erfassung des Greifdrucks bzw. der Haltekraft unterhalb der Gummimanschette 6 angeordnet sind.
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4 zeigt eine alternative Ausführungsform des Peripherie-Eingabegerät 1, bei der die mit Flüssigkeit bzw. Gel gefüllten Fluidkammern 5d, 5e in die Manschette 6 integriert sind. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Greifdruck-Messeinheit mit allen Komponenten in einem einzigen Funktionskörper integriert angefertigt werden kann, sodass die Montage des fluidischen Peripherie-Eingabegeräts 1 erleichtert wird.
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5 zeigt eine weitere Variante des Eingabegerät 1, bei der die Fluidkammern 5d, 5e ebenfalls in der Manschette 6 integriert sind, wobei zusätzlich die Drucksensoren 8d, 8e sich innerhalb der Manschette 6 befinden, sodass die Übertragung der Datendrucksignale nicht mechanisch sondern elektrisch über Signalleitungen zu dem Sensorchip 9 erfolgt. Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform sind keine Fluidkanäle 7 vorgesehen.
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6 dient zur Erläuterung der Funktionsweise beim Scrollen des Peripherie-Eingabegeräts 1. Wird das Eingabegerät 1 von einer Unterlage abgehoben, so dass die durch die Drucksensoren 8a, 8b, 8c erfassten Drucksignale 0 werden, schaltet sich vorzugsweise automatisch ein Scroll-Betriebsmodus ein. Hierbei wird der Bildschirm nach oben oder unten gescrollt, indem ein auf der Manschette 6 aufgesetzter Zeigefinger eine veränderliche Kraft längs auf die Manschette ausübt. Der Zeigefinger liegt dabei so auf dem Stift auf, dass je nach Position und Krafteinwirkung des Zeigefingers der Druck P in der vorderen Fluidkammer 5d und in der hinteren Fluidkammer 5e unterschiedlich groß ist. Durch geringfügige Lage- und Kraftänderung lässt sich also in den parallel angeordneten Fluidkammern 5d, 5e, die unterhalb der Manschette 6 vorgesehen sind, ein Differenzdruck AP erzeugen. Da beide Fluidkammern 5d, 5e, die jeweils an einen Drucksensor 8d, 8e über einen Fluidkanal 7d, 7e angekoppelt sind, werden gleichzeitig zwei Hydrodrucksignale P5d, P5e vermessen, deren Druckdifferenz ΔP = P5d – P5e softwaremäßig in ein Treibersignal für die Cursor-Steuerung umgesetzt wird. Das Scrollen des Bildschirms erfolgt dabei vorzugsweise je nach den Vorzeichen von ΔP nach oben oder unten, und zwar mit einer Geschwindigkeit V, die proportional zur Amplitude der Druckdifferenz ist. Um ein Nachlaufen des Cursors während einer anschließenden Phase des Druckausgleichs zu verhindern, wird ab einem Zeitpunkt T1 bei abklingenden Druckflanken, das heißt nach dem Abheben des Zeigefingers oder des Stifts die Cursorbewegung unterbunden. Die Cursorbewegung ist zeitlich auf die Phase mit einer Zunahme des Differenzbetrags, das heißt, bis zum Zeitpunkt T1 beschränkt.
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Das Anklicken von Symbolen auf der Bildschirmoberfläche wird bei dem Peripherie-Eingabegerät 1 vorzugsweise durch einen kurzen Druckimpuls auf die Manschette 6 realisiert, wobei der Stift vorzugsweise nicht aufgesetzt ist. Hierbei wird der Druckimpuls vorzugsweise durch gleichzeitiges Zusammendrücken von Daumen und Mittelfinger ausgelöst. Der zeitparallele Verlauf zweier kurzer überproportionaler Druckspitzen wird softwaremäßig erfasst, und generiert einen Steuerbefehl „Klick”.
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Zur Markierung von Symbolen bzw. zur Textmarkierung wird der Druck auf die Manschette 6 länger aufrechterhalten. Wird der Schreibstift zusätzlich auf die Unterlage aufgedrückt und lateral bewegt, wird der markierte Bildschirm oder Textausschnitt ebenfalls verschoben. Bei einer alternativen Ausführungsform wird das Eingabegerät nicht notwendigerweise bewegt, das heißt, die Druckänderungen vertikal zur Stiftachse bzw. das Kippen und Andrücken auf die Unterlage erzeugen die gleiche Wirkung.
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Alternativ ist dem Peripherie-Eingabegerät 1 ein zusätzlicher separater Druckschalter angebracht, der analog einer konventionellen Computermaus einen Mausklick hervorruft. In gleicher Weise kann die rechte Taste einer herkömmlichen Computermaus durch einen entsprechenden Druckschalter realisiert werden.
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Während das Peripherie-Eingabegerät 1 in einem ersten Betriebsmodus zur Erzeugung von Steuersignalen zur Ansteuerung der Datenverarbeitungsvorrichtung vorgesehen ist, wird nach einem Umschalten in einen zweiten Betriebsmodus das Eingabegerät zur Eingabe von Textzeichen bzw. Grafikzeichen verwendet. Diese Zeichen werden vorzugsweise softwaretechnisch auf biometrische Daten zur Handschriftenanalyse bzw. Personen-Authentifizierung ausgewertet. Die Umschaltung zwischen beiden Betriebsmodi kann in verschiedenster Weise erfolgen, beispielsweise durch einen separaten Druckschalter, durch Druckimpulse auf die Manschette 6 oder durch Druckimpulse auf die Stiftspitze 4. Außer diesen beiden Betriebsmodi kann das Eingabegerät 1 ferner durch Vorsehen einer entsprechenden Schreibmine als gewöhnliches Schreibgerät eingesetzt werden.
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Insbesondere in dem zweiten Betriebsmodus wird das Eingabegerät 1 zusätzlich zur Messung einer individuellen Schreibdynamik eingesetzt, das heißt, eine Messung der Schreibdrücke als Funktion der Zeit. Diese Druckzeitsignale sind fälschungssicher und bieten die Möglichkeit einer zuverlässigen biometrischen Zeichen-, Handschriften- und Personenerkennung. Diese Daten dienen beispielsweise der biometrischen Merkmalsanalyse, sodass sich online eine Personen-Authentisierung, das heißt, Identifikation oder Verifikation realisieren lässt. Bei einer derartigen dynamischen elektronischen Signatur kann die herkömmliche Autorisierung durch Passwort oder PIN zusätzlich biometrisch abgesichert oder vollständig durch biometrische Signatur ersetzt werden.
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7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Drucksensors 8. Bei dem gezeigten Drucksensor handelt es sich um einen mikromechanischen Drucksensor, wobei der Umfang des Fluidkanals 7 mittels eines mikromechanischen Adapters 13 auf den Umfang des mikromechanischen Drucksensors 8 reduziert wird. In der Fluidkammer 7 befindet sich ein Fluid 14, welches einen Druck auf den mikromechanischen Drucksensor 8 ausübt.
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8 zeigt den mikromechanischen Drucksensor 8 im Detail. Der Drucksensor ist mikromechanischer piezo-resistiver Drucksensor mit Membran in CMOS-Technologie ausgebildet.
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9a, 9b zeigen Ausführungsformen für Druckaufnehmer und Halterungen der Schreibstiftmine 3. Bei der in 9a gezeigten Variante liegt die Fluidkammer 5 direkt an der Schreibstiftmine 3 an.
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Bei der in 9b dargestellten Variante wird über einen mechanischen Druckbolzen 15 die Kraft von der Schreibstiftmine 3 auf die Fluidkammer 5 übertragen.
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Das Peripherie-Eingabegerät 1 ist universell einsetzbar. In dem ersten Betriebsmodus kann das Peripherie-Eingabegerät 1 Steuersignale für eine elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung erzeugen. Hierzu eignet sich das Peripherie-Eingabegerät als Ersatz für eine herkömmliche Computermaus, insbesondere für mobile Geräte wie Notebooks, PDA, Mobiltelefone und dergleichen. Durch die räumliche Autonomie bei der Stiftpositionierung und Führung sowie das funktionale und ergonomische Handling des Eingabegeräts 1, das die gewohnte Stiftform aufweist, und die softwaremäßig auf den Nutzer adjustierbare Empfindlichkeit der fluidischen Sensorik weist das Eingabegerät 1 gravierende Vorteile gegenüber einer herkömmlichen Computermaus und auch insbesondere gegenüber einem herkömmlichen Touchpad oder Trackball auf.
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In dem optional zusätzlich vorgesehenem weiteren Betriebsmodus kann das fluidische Peripherie-Eingabegerät 1 zusätzlich als biometrisches Zugangskontrollsystem eingesetzt werden. Beispielsweise wird nach dem Einschalten und Booten der Datenverarbeitungsvorrichtung bzw. des Rechners von dem Nutzer eine Signatur Anfrage mit dem Eingabegerät 1 angefordert, die dann mit einer hinterlegten Referenz bzw. Signatur bzw. einer Bio-PIN abgeglichen wird. Nach Abhängigkeit einer variabel einzustellenden Sicherheitsschwelle wird eine autorisierte Person identifiziert und in das Datensystem eingelassen bzw. abgewiesen. Anwendungen auf diesem Gebiet sind insbesondere ein biometrisches Log-in (biometrisches Passwort) oder eine biometrische Zugangskontrolle in Netzwerken, eine biometrische Zugangskontrolle zu Räumen und Geräten, elektronischer Zahlungsverkehr (e-commerce), dynamische Zeichenerkennung (DCR: dynamical corrector recognition) und biometrische Autorisierung bei Datenzugriffen, biometrische Protokollierung und Dokumentation von Datenbankzugriffen, Messen von einem neuromotorischen Zustand des Nutzers, neuromotorische Medikationskontrolle, Mensch-Maschine-Interfacing sowie beliebige Spielfunktionen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Peripherie-Eingabegerät
- 2
- Gehäuse
- 3
- Schreibmine
- 4
- Schreibstiftspitze
- 5
- Fluidkammern
- 6
- Manschette
- 7
- Fluidkanäle
- 8
- Drucksensoren
- 9
- Sensorchip
- 10
- Druckschalter
- 11
- Anschlusspads
- 12
- Mikrochip
- 13
- Adapter
- 14
- Fluid
- 15
- Druckbolzen
