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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.
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Eine derartige Vorrichtung kann beispielsweise durch einen berührungssensitiven Bildschirm gebildet sein. Derartige Bildschirme beruhen auf optischen, akustischen, elektrischen und mechanischen Lager- und Ortungsprinzipien, um eine möglichst genaue Ortung des Berührungs- oder Druckpunktes des Fingers eines Bedieners auf der sensitiven Fläche des Bildschirmes zu erzielen. Dabei wird unterschieden zwischen Positionieren des Fingers am Bildschirm und Auslösen, z. B. eines Befehls, durch den Finger, wobei das Positionieren ortsabhängig, das Auslösen hingegen ortsunabhängig ist. Beide Funktionen sollen gleichzeitig verfügbar sein.
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Einer der wichtigsten Eigenschaften der sensitiven Bildschirme/Platten, ist die Genauigkeit mit der die Position des Berührungspunktes gemessen, bzw. ausgegeben werden kann. Bei Lösungen, bei welchen ein mechanisches Prinzip zur Ortung eines Berührungspunktes verwendet wird, kommt noch hinzu, dass die sensitive Platte so gelagert werden muss, dass sie zwar in Richtung der Berührungswirkung nachgiebig, in allen anderen Richtungen jedoch so steif wie möglich sein muss. Diese Anforderungen sind notwendige Voraussetzungen für einen störungsfreien und komfortablen Betrieb in der Industrie und im täglichen Gebrauch. Allerdings ist bei der Herstellung eines solchen Produktes die Höhe der Kosten ein wesentlicher Punkt.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 34 20 701 A1 bekannt. Diese offenbart eine Eingabevorrichtung für Positionskoordinaten, die an einem Punkt durch einen Finger oder dergleichen mit einer externen Kraft beaufschlagt wird, um auf diese Weise die Koordinaten des Punktes in einen Computer oder ähnliches einzugeben. Die Eingabevorrichtung enthält vier elastische Aufhängeglieder zur Aufhängung einer Eingabeplatte. Die Aufhängeglieder sind mit einer Sensoreinheit verbunden, welche die auf die Fläche ausgeübte Kraft durch Auswertung der von der Sensoreinheit ermittelten Verschiebung bestimmt. Die Aufhängeglieder sind elastisch ausgebildet und weisen jeweils an einem Ende einen ersten Ansatz und an dem anderen Ende einen zweiten Ansatz auf. Der erste Ansatz ist mit der Platte und der zweite Ansatz mit einem festen Rahmen verbunden. Nachteilig an dieser Konstruktion ist jedoch, dass die durch die Aufhängglieder bei Aufbringung einer externen Kraft sich ergebende Bewegung nur eine ungenaue Ermittlung der der Bewegung zugrundeliegenden externen Kraft und der Koordinaten des Beaufschlagungspunktes möglich ist.
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Aus der
US 2006/0279553 A1 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung der auf eine Fläche ausgeübte Druckkraft bekannt. Diese Druckschrift offenbart eine Platte, die über Federelemente in Form von Biegebalken mit einem biegesteifen Gehäuserahmen verbunden ist. Durch Verschiebung der Platte gegenüber dem Rahmen, werden die Biegebalken Verformt, und die Verformung der Biegebalken mittels Dehnmesstreifen, die auf die Biegebalken aufgebracht sind gemessen. Dieses Vorrichtung hat den Nachteil, dass die Biegebalken so ausgelegt werden müssen, dass eine Spannungskonzentration im Beriech der aufgebrachten DMS vorliegt. Entsprechend können Anforderungen der Umgebung nur bedingt durch die Gestaltung der Biegebalken abgebildet werden.
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Aus der
DE 10315 019 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung von Lagekoordinaten einer auf der Fläche ausgeübten Druckkraft bekannt. Hier wird ein mechanisches Prinzip für die Ortung des Berührungspunktes genutzt. Die Herstellung des elastischen Elements, welches das mechanische Prinzip fordert, verursacht jedoch hohe Kosten. Dabei sind zwischen einer biegesteifen Platte und einem biegesteifen Gehäuserahmen vier als Dehnungsmessstreifen ausgeführte Sensoreinheiten vorgesehen, die jeweils auf einer Biegezone der Platte aufgebracht sind. Die Platte benachbart der Biegezone ist mit dem biegesteifen Gehäuserahmen befestigt. Diese Lösung ist jedoch relativ aufwendig und unterliegt einer hohen Abnutzung.
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In der Regel besteht ein berührungssensitiver Bildschirm aus einer durchsichtigen Platte, insbesondere einer Glasplatte, welche in einem Frontrahmen eingelegt ist. Dieser Frontrahmen oder die durchsichtige Platte allein, wird dann in der Regel an einen Gehäuserahmen montiert. Bei einem mechanischen Ortungsprinzip muss allerdings eine Bewegung in Form einer Verschiebung oder Verformung stattfinden, um einen Sensor bedienen zu können. Dies muss so vor sich gehen, dass die sensitive Scheibe oder Platte lediglich drei Freiheitsgrade haben darf – und zwar senkrecht zu ihrer Oberfläche sowie Rotationsbewegungen um die in ihrer Oberfläche liegenden Achsen. Zusätzlich müssen diese Freiheitsgrade jeweils einer elastische Kraft unterliegen und müssen nach dem Zurücklegen einer vorgegebenen Wegstrecke einem Anschlag begegnen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegeben Art derart weiter zu bilden, dass unter Vermeidung der genannten Nachteile eine präzise und abnutzungsfreie Vorrichtung geschaffen wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen der Anspruches 1 in Verbindung seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch einen Biegebalken, der eine parallele Verschiebung der Platte in Richtung einer zur Betätigungsrichtung parallelen Koordinate ermöglicht, eine definierte und sichere Führung der Platte ermöglicht wird, insbesondere auch in allen möglichen Anwendungspositionen, beispielsweise stehend, liegend oder über Kopf, und dadurch die Voraussetzung für eine präzise Ermittlung der Koordinaten geschaffen werden.
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Nach der Erfindung ist daher vorgesehen, dass jeder Biegebalken voneinander beabstandete Gelenkpunkte umfasst, die zwischen beiden Enden des Biegebalkens angeordnet sind, wobei ein biegesteifer Mittelsteg vorgesehen ist und jeder Gelenkpunkt des Biegebalkens als Festkörpergelenk durch eine Querschnittsverkleinerung gebildet wird, so dass eine parallele Verschiebung der Platte in Richtung einer zur Betätigungsrichtung parallelen Koordinate ermöglicht ist. Durch die Gelenkpunkte ist der Balken in z-Richtung relativ leicht verformbar, wobei Verspannungen vermieden werden. Eine parallele Verschiebung der Platte ist in z-Richtung nunmehr ohne weiteres möglich. Durch eine Querschnittsverkleinerung, insbesondere durch eine Aussparung, können die Gelenkpunkte in einfacher Weise gebildet werden. Der Balken ist dann in z-Richtung leicht biegsam, also im elastischen Bereich des Biegebalkens über zwei Gelenke beweglich, während er in x-y-Richtung steif ist. Durch den steifen Mittelsteg ist eine genaue parallele Ausrichtung des Sensors zum Empfänger möglich. Die Länge und Steifigkeit des Biegebalkens und die Gestaltung der Gelenke können an das Gewicht des Aufbaus leicht angepasst und für eine Signalisierung eines Sensors optimiert werden. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird sichergestellt, dass die auf die Platte aufgebrachten Kräfte komplett erfasst werden. Es gehen keinerlei Kraftkomponenten durch anderweitige Lagervorrichtungen verloren, so dass auch kleinere Kräfte detektiert werden können.
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Zur Detektion der Verschiebung der Platte sind erfindungsgemäß die Sensoreinheiten als optische Sensoreinheiten ausgebildet, welche die Verschiebung der Platte berührungslos messen.
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Dies hat den Vorteil, dass die aufgebrachten Kräfte rein rechnerisch über die Federwerte der Biegebalken in Relation zur gemessenen Verschiebung bestimmbar sind. Dadurch kann die Auslegung der Biegebalken ideal auf die Erfordernisse der Anwendung bzw. Umgebung abgestimmt werden, ohne dass Anforderungen der Sensoren in diese einfließen, wie dies bei Dehnmesstreifen der Fall ist. Zudem wird durch die berührungslose Messung einer Ermüdung von mechanischen Sensoreinheiten vorgebeugt. Eine präzise Messung kann so über einen langen Zeitraum erfolgen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist der Biegebalken in Richtung einer zur Betätigungsrichtung parallelen Koordinate eine geringere Steifigkeit auf als in Richtung der quer zu dieser Koordinate verlaufenden Koordinaten. Hierdurch wird auf einfache Weise eine zielgerichtete Verschiebebewegung ermöglicht.
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Vorzugsweise weist jeder Biegebalken eine derart hohe Steifigkeit auf, dass die Platte durch ihr Eigengewicht am Gehäuserahmen nicht zu einem Anschlag kommt, aber schon bei sehr geringen Kräften auf die Platte eine messbare Auslenkung des Biegebalkens erfolgt. Auch um eine Überbelastung der sensitiven Platte zu vermeiden, ist der Anschlag vorgesehen, der die Verformung begrenzt, was auch die Erhöhung der Vandalensicherheit zur Folge hat.
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Weiterhin kann wenigstens ein Anschlag zur Bewegungsbegrenzung des Biegebalkens so vorgesehen sein, dass eine Bewegung des Biegebalkens nur in dem elastischen Verformungsbereich möglich ist. Der Anschlag ist wichtig, um den Biegebalken vor plastischer Verformung zu schützen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist diese zur Ermittlung von Lagekoordinaten einer auf der Fläche ausgeübten Druckkraft mit mindestens drei, insbesondere vier Biegebalken ausgebildet, wobei die Lagekoordinaten eines Kraftangriffspunktes auf der Fläche über mindestens drei zwischen den Gehäuserahmen und der Platte angeordnete Sensoreinheiten durch Auswertung der auf die Sensoreinheiten wirkenden Verschiebung ermittelt werden.
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Im Einzelnen besteht die sensitive Platte aus Glas oder aus in einem Frontrahmen eingeklebten Glasplatte. Diese Frontplatte ist so zum restlichen Gehäuserahmen montiert, dass die Verschiebung der Platte in einer Richtung senkrecht zu ihrer Fläche möglich ist, in die anderen Richtungen aber steif ist. Dieses Verhalten wird nach der Erfindung mit Hilfe von zum Beispiel vier Biegebalken erzielt. Diese Biegebalken enthalten Festkörpergelenke, wodurch die Verbiegung in eine Richtung zugelassen, in die beiden anderen Richtungen jedoch eine Verbiegung verhindert wird.
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Durch Berühren der Frontplatte wird bewirkt, dass sich diese verkippt und sich in jeder Ecke unterschiedliche Eintauchtiefen der Frontplatte einstellen. Diese so entstandenen Verschiebungen der Frontplatte können nun über optische Sensoren erfasst werden und durch die Auswertung dieser die genaue Position des Berührungspunktes errechnet werden.
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Durch die erfindungsgemäße Lagerung der Platte wird somit eine kostengünstige Lösung vorgestellt, welche auf der einen Seite die genaue Auswertung der Lage eines Berührungspunktes ermöglicht und auf der anderen Seite eine formstabile Umrahmung der sensitiven Platte bietet.
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Des weiteren kann durch die erfindungsgemäße Lösung eine Labyrinthdichtung geschaffen werden, welche das Eindringen von Fremdkörpern in das Gehäuse verhindert.
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Durch eine weitere bevorzugte Ausbildung der erfindungsgemäßen Lösung kann ermöglicht werden, dass die Einflüsse der Umwelt dramatisch reduziert werden, nämlich durch komplette Kapselung des Innenlebens. Hierdurch kann das gesamte Gerät gegen Staub und Spritzwasser geschützt werden. Diese Lösung kann soweit ausgeformt werden, dass ein Einfluss von höherem Außendruck vernachlässigbar und der Betrieb auch unter Wasser möglich wird.
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Durch die Verwendung der Festkörpergelenke wird eine verschleißarme Funktion erreicht, worauf dann eine höhere Lebensdauer zurückzuführen ist.
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Bei bestimmten Einsatzbedingungen spielen Vibrationen eine wichtige Rolle und müssen von der sensitiven Platte entsprechen verarbeitet werden. Um ein Aufschwingen der sensitiven Platte zu verhindern, ist erfindungsgemäß ein stoßdämpfendes Element vorgesehen, welches mit der sensitiven Platte zusammenwirkt.
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Es können alle nichtmechanischen Auswertverfahren mit diesem mechanischen Prinzip kombiniert werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Beschreibung, in den Patentansprüchen, der Zusammenfassung und in der Zeichnung werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. Es zeigen:
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1a eine schematische Darstellung eines Touchscreens mit x-y-Koordinaten;
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1b eine schematische Darstellung des Touchscreens mit einer z-Koordinate;
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2 eine perspektivische Darstellung des Touchscreens;
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3 eine schematische Darstellung einer Biegebalkenanordnung innerhalb des Touchscreens;
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4 eine perspektivische Darstellung eines Biegebalkens;
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5 ein schematische Darstellung eines Sensors in einer Nulllage;
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6 ein schematische Darstellung des ausgelenkten Sensors;
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7 ein Prinzipdarstellung einer Abstrahl- und Empfangscharakteristik des Sensors;
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8 eine Seitenansicht einer LED-Fototransistor-Anordnung;
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9 eine Draufsicht der LED-Fototransistor-Anordnung von 8;
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10 ein Diagramm über die Sensorkennlinien;
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11 einen prinzipiellen Schaltplan einer Sensorschaltung;
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12 ein Diagramm der Eingangssignalkurven eines Messverstärkers;
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13 ein vergrößertes Diagramm der Eingangssignalkurven des Messverstärkers von 12;
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14 eine schematische Darstellung eines Messverstärkerausgangssignals in Abhängigkeit einer Auslenkung;
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15 einen prinzipiellen Schaltplan eines Sensorregelkreis, und
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16 ein Blockdiagramm einer Schaltung zur Messung einer Auslenkung in z-Richtung.
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1a zeigt einen Touchscreen 1 mit x-y-Koordinaten. Auf einer drucksensitiven transparenten Frontscheibe 2 wird durch Aufbringen einer Kraft eine Verschiebung der Frontscheibe 2 in z-Richtung gemessen, was durch 1b veranschaulicht wird. Dieser 3D-Teil bzw. der 3D-Touchmonitor umfasst zwei wesentliche Elemente, und zwar zum einen mechanische Komponenten zur schwebenden Aufhängung der transparenten, beweglichen Frontscheibe 2 und zum anderen elektrische Komponenten zur Messung einer Auslenkung der Frontscheibe 2 in z-Richtung.
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Die nachfolgend als Platte 2 bezeichnete Frontscheibe ist fest mit einem Frontrahmen 3 verbunden, insbesondere in diesen eingeklebt, wobei der Frontrahmen 3 in den 2 und 3 gezeigt ist. Der Frontrahmen 3 bildet zusammen mit der Platte 2 eine Einheit, die über Biegebalken 4, welche in 4 veranschaulicht sind, schwebend gelagert ist. Der Touchscreen 1 umfasst ein TFT-Display 5. Schwebend montiert bedeutet, dass die Biegebalken 4 unabhängig von der Lage des Displays 5 durch das Eigengewicht der Frontelemente nicht an einen mechanischen Anschlag aufliegen. Der Biegebalken 4 hat also eine derart hohe Steifigkeit, dass die Platte 2 einschließlich der mit ihr verbundenen Teile durch ihr Eigengewicht nicht an einem Gehäuserahmen 18 zu einem Anschlag führt. Auf der anderen Seite erfolgt schon bei geringen Kräften auf die Platte 2 eine durch Sensoren messbare Auslenkung des Biegebalkens 4.
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Vorzugsweise ist durch einen Spalt ein Bewegungsspielraum von etwa 1 mm gewährleistet.
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An der gegenüberliegenden Seite der Platte 2 befindet sich ein Displayträger 6 mit einer Monitorelektronik und einer Rückwand. Vorzugsweise besteht der Biegebalken 4 aus Werkzeugstahl.
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Der Touchscreen 1 umfasst einen Blechkragen 7, der sich in Richtung des Displays 5 erstreckt. An einem festem Ende 8 des Biegebalkens 4 ist dieser mit dem Blechkragen 7, insbesondere über Schrauben 9 fest verbunden. Das andere freie Ende 10 des Biegebalkens 4 ist mit dem Frontrahmen 3 fest verbunden, insbesondere ebenfalls über Schraubverbindungen 12. Die Doppelpfeile in 3 veranschaulichen die Bewegungsrichtung des Biegebalkens 4. Der Blechkragen 7 ist fest mit dem Display 3 verschraubt. An den vier Ecken des Displays 3 wird jeweils ein Biegebalken 4 auf dem Blechkragen 7 fest montiert.
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Das freie Ende 10 des Biegebalkens 4 kann in z-Richtung durchgebogen werden. Der Blechkragen 7 dient auch als mechanischer Anschlag 11 für den Biegebalken 4. Dieser Anschlag 11 ist erforderlich, um den Biegebalken vor mechanischer Verformung zu schützen. In 3 ist der Anschlag 11 gezeigt, der zur Bewegungsbegrenzung des Biegebalkens 4 vorgesehen ist, um eine Bewegung des Biegebalkens 4 nur in seinem elastische Verformungsbereich zuzulassen.
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Am freien Ende 10 des Biegebalkens 4 wird der Frontrahmen 3 mit der Platte 2 und einer Sensoreinheit montiert. Wird auf die Platte 2 gedrückt, erfolgt ein Kraftfluss über den Frontrahmen 3 zu den Befestigungspunkten am Biegebalken 4. Diese Kraft führt zu einer Auslenkung der Biegebalken 4, entsprechend einer x-y-Position des Kraftangriffspunktes. Wird die Kraft von der Platte 2 zurückgenommen, dann federn die Biegebalken 4 und der Frontrahmen 3 zurück, so dass sich die Balken 4 wieder in einer Nulllage befinden.
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Jeder Biegebalken 4 hat in einer zu einer Betätigungsrichtung parallelen Koordinate z eine geringere Steifigkeit als in quer zu ihr verlaufende Koordinaten x, y. D. h. der Biegebalken 4 ist so konstruiert, dass er eine elastische Verformung nur in z-Richtung zulässt. In x-y-Richtung verfügt er über eine hohe Steifigkeit.
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Jeder Biegebalken 4 umfasst zwei Drehpunkte bzw. Gelenkpunkte 13, 14, die zwischen beiden Enden 8, 10 des Biegebalkens 4 angeordnet sind, wobei ein biegesteifer Mittelsteg 15 vorhanden ist. Damit ist eine parallele Verschiebung der Fronteinheit in z-Richtung möglich. Der Abstand und die Materialstärke der Gelenkpunkte 13, 14, sowie das verwendete Material legt die Härte und somit die elastische Beweglichkeit des Biegebalkens 4 in z-Richtung fest. Jeder Gelenkpunkt 13, 14 wird durch eine Querschnittsverkleinerung, insbesondere durch eine Aussparung, gebildet. Die Gelenkpunkte 13, 14 bilden Festkörpergelenke.
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Der Touchscreen 1 hat vier Biegebalken 4 mit jeweils einer Sensoreinheit, die nachfolgend näher erläutert werden.
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Der Touchscreen 1 ist eine beispielhafte Vorrichtung zur Ermittlung einer auf einer Fläche ausgeübten Druckkraft. Die Fläche umfasst die biegesteife Platte 2 und den biegesteifen Gehäuserahmen 18, der ein Gehäuserahmen 18 des Displayträgers 6 sein kann. Die biegesteife Platte 2 ist relativ zu den biegesteifen Gehäuserahmen 18 beweglich gelagert. Die auf die Fläche ausgeübte Kraft wird über die zwischen den Gehäuserahmen 18 und der Platte 2 angeordnete Sensoreinheiten durch Auswertung der auf die Sensoreinheiten wirkenden Verschiebung ermittelt.
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Vorzugsweise umfasst jede Sensoreinheit eine Sendereinheit 19 und eine Empfängereinheit 20, wobei beide Einheiten 19, 20 sich gegenüberstehen, wie 5 veranschaulicht. Die Sendeeinheit 19 umfasst einen optischen Sender, insbesondere eine LED 25, die vorzugsweise nicht sichtbares Licht, insbesondere Infrarotlicht sendet. Der optischen Empfänger ist vorzugsweise als infrarotempfindlicher Fototransistor 26 ausgeführt. Die Sendereinheit 19 und die Empfängereinheit 20 arbeiten nach dem Prinzip einer Lichtschranke, wobei ein Lichtstrom auf den Empfänger trifft, wie 5 zeigt. Durch Ausübung einer Kraft wird die am freien Ende des Biegebalkens 4 angeordnete Empfängereinheit parallel verschoben, wie 6 zeigt. Bei einer Auslenkung des Sensors wird die Empfangseinheit 20 gegenüber der Sendeeinheit also in z-Richtung parallel verschoben. Die Sensoreinheit nutzt also eine Relativverschiebung zwischen der biegesteifen Platte 2 und dem biegesteifen Gehäuserahmen 18 für eine Verstimmung zwischen der Sender- und Empfängereinheit 19, 20, um die auf die Platte 2 ausgeübte Druckkraft zu ermitteln.
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Ist die Empfängereinheit 20 etwas weiter als in 5 gezeigt verschoben, nimmt der Lichtstrom L auf die Empfängereinheit 20 ab. Bewegen sich also die Bauteile in z-Richtung auseinander, so verringert sich der Lichtstrom L, der aus der LED auf dem Fototransistor fällt. Der Kollektor-Emitter Widerstand des Fototransistors steigt. Der Kollektor-Emitter Widerstand ist proportional zur Position der LED und Fototransistor in z-Richtung.
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Die vier Sensoren dienen zur Ermittlung der x-y-Lagekoordinaten des in 2 gezeigten Kraftangriffspunktes durch Auswertung der auf die Sensoreinheiten wirkenden Verschiebung. Jede Sensoreinheit nutzt die Relativverschiebung zwischen der biegesteifen Platte 2 und dem biegesteifen Gehäuserahmen 18, auch um die Lagekoordinaten der auf die Platte 2 ausgeübten Druckkraft zu ermitteln. Die Verstimmung erfolgt durch eine Relativbewegung quer zur Ausrichtung zwischen der Sender- und Empfängereinheit 19, 20.
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Dieses Sensorprinzip nutzt die Eigenschaft eines begrenzten Öffnungswinkels der optischen Bauelemente aus. In der Ruhestellung der Platte 2 ist bereits die Empfängereinheit 20 leicht versetzt gegenüber der Sendeeinheit 19 angeordnet. Sender und Empfänger werden an den Grenzen ihrer Abstrahl- bzw. Empfangskeule zueinander verschoben, wie 7 zeigt. In diesem Bereich erreicht der Sensor die höchste Dynamik.
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Wie die 8 und 9 zeigen, ist die LED 25 auf einer Senderleiterplatte 27 bzw. am Gehäuserahmen 18 ortsfest angeordnet und der Fototransistor 26 am freien Ende 10 des Biegebalkens 4 montiert, wobei der Pfeil die Bewegungsrichtung der Empfängereinheit 20 zeigt. Der Fototransistor 26 ist auf einer Empfängerleiterplatte 28 angeordnet. Ein optimaler Abstand d1 zwischen LED 25 und Fototransistor liegt im Millimeterbereich, wobei der Versatz zwischen LED und Fototransistor d2 bei Nulllage von 1,5 mm mit einem großen Toleranzbereich günstig ist. Ein seitlicher Versatz zwischen LED und Fototransistor sollte klein sein und liegt im Bereich üblicher Fertigungstoleranzen.
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In 10 ist eine Ausgangsspannung U der Parallelverschiebung d der Empfängereinheit 20 dargestellt, wobei mehrere LED-Ströme getestet worden sind. Bei 0,00 stehen sich Sender und Empfänger genau gegenüber, so dass eine maximale Ausgangsspannung vorhanden ist. Bewegt sich die Empfängereinheit aus der Mitte in z-Richtung, dann nimmt die Ausgangsspannung ab. Wie die Kurve zeigt, sind etwa lineare Arbeitsbereiche A und B vorhanden, bei der die Ausgangsspannung etwa proportional zur Verschiebung d ist. Daher wird vorzugsweise ein im Wesentlichen linearer Arbeitsbereich A oder B einer Verstimmungskurve der Sensoreinheit zur Ermittlung von Lagekoordinaten ausgewertet. Voraussetzung für diese Linearität ist eine Symmetrie der Richtcharakteristik der beiden optischen Bauelemente, also der Sendeeinheit 19 und der Empfängereinheit 20. Vorzugsweise haben daher beide Elemente gleiche Richtcharakteristik, wie 7 zeigt. Möglich sind auch Linsen zur Veränderung dieser Richtcharakteristik.
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Wie 11 veranschaulicht ist die LED 25 als Diode D1 mit einem Vorwiderstand R1 versehen, die an eine Spannung von z. B. VCC anliegen. Der Fototransistor liegt in Reihe mit einem Emitterwiderstand R2 sowie auch an VCC. Eine Ausgangsspannung – Output – wird am Emitter abgegriffen.
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Wie die 12 und 13 zeigen, liegt zwischen einer Auslenkung von 0,9 mm bis 1,9 mm ein linearer Bereich vor, wobei bei einer Touchbedienung nur eine Auslenkung von 100 μm verarbeitet wird. Die Signaländerung ist in 13 bei einem typischen LED-Strom mit gestrichelter Linie eingezeichnet. Diese Figuren zeigen ein Eingangssignal eines Messverstärkers, während 14 ein Messverstärker-Ausgangssignal zeigt, das ebenfalls linear ist. Dessen Ausgangsspannung variiert bei nur 100 μm Auslenkung des Sensors um 3,3 Volt.
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15 zeigt eine Regelkreisschaltung. Diese umfasst die Sensorschaltung 29, die Messverstärkerschaltung 30 und einen Controller 23. Der Ausgang des einen Differenzverstärker U1 umfassenden Messverstärkers ist an einem A/D-Eingang des Controllers angeschlossen. Eine Nullpunkteinstellung erfolgt über den Controller 23 und einen weiteren Operationsverstärker U2. Liegt keine x-y-Unterbrechung am Touchscreen 1 vor, regelt der Controller 23 den Messverstärker so, dass das Ausgangssignal im Nullpunkt liegt. Sobald eine Unterbrechung am Touchscreen 1 erkannt wird, stoppt die Regelung. Am Verstärkerausgang des Verstärkers U1 kann dann das verstärkte Sensorsignal entsprechend der mechanischen Auslenkung des Biegebalkens abgenommen werden. Vorzugsweise wird ein 10 Bit A/D-Wandler eingesetzt, so dass eine Auflösung von 100 nm/Bit möglich ist.
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Wie 16 zeigt, ist es zweckmäßig, dass jede Sensoreinheit einen Regelkreis mit einer Nullpunkteinstellung umfasst. Ein Messverstärker 21 verstärkt das Signal der Empfängereinheit 20. Über einen A/D-Wandler 22 wird das Signal zur weiteren Verarbeitung in dem Controller digitalisiert. Die mit dem Messverstärker 21 und dem Controller 23 verbundene Nullpunkteinstellung 24 hält die gezeigte Messkette automatisch im Arbeitspunkt.
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Die Erfindung ist nicht auf die Erfassung der Bewegung von Touchscreens beschränkt. Vielmehr können jede Art von Relativbewegungen ermittelt werden, beispielsweise Aufzeichnen von Vibrationen, mechanische Taster und ähnliches.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Touchscreen
- 2
- Platte
- 3
- Frontrahmen
- 4
- Biegebalken
- 5
- TFT-Display
- 6
- Displayträger
- 7
- Blechkragen
- 8
- festes Ende
- 9
- Schrauben
- 10
- freies Ende
- 11
- Anschlag
- 12
- Schraubverbindungen
- 13
- Gelenkpunkt
- 14
- Gelenkpunkt
- 15
- Mittelsteg
- 18
- Gehäuserahmen
- 19
- Sendeeinheit
- 20
- Empfängereinheit
- 21
- Messverstärker
- 22
- A/D-Wandler
- 23
- Controller
- 24
- Nullpunkteinstellung
- 25
- LED
- 26
- Fototransistor
- 27
- Empfängerleiterplatte
- 28
- Senderleiterplatte
- 29
- Sensorschaltung
- 30
- Messverstärkerschaltung
