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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Eingabeinstrument, insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
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Sogenannte Touchscreens, die anhand von Kapazitätsänderungen in der Lage sind, eine Berührung durch den Finger eines Benutzers zu erfassen und anhand der erfassten Position oder Bewegung des Fingers ein angeschlossenes Gerät zu steuern, haben in den letzten Jahren bei mobilen elektronischen Geräten wie etwa Mobiltelefonen, Notepads und dergleichen zahlreiche Anwendungen gefunden. Derartige Touchscreens sind hoch empfindlich und in der Lage, den Ort, an dem sie von einem Finger berührt werden, sowie eventuelle Bewegungen des Fingers mit Millimeterauflösung zu erfassen.
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Bei Anwendungen in Kraftfahrzeugen ergibt sich das Problem, dass willkürliche Fingerbewegungen eines Benutzers, auf die ein über einen Touchscreen gesteuertes Gerät oder Kraftfahrzeug-Subsystem reagieren sollte, nicht ohne Weiteres zu unterscheiden sind von unwillkürlichen Bewegungen des Fingers, die z. B. durch Erschütterungen des Fahrzeugs während der Fahrt hervorgerufen sind. Außerdem kann der Einfluss eines Fingers auf die von dem Touchscreen erfasste Kapazität stark davon abhängen, wie feucht oder trocken der Finger ist. Es kann daher der Fall auftreten, dass die Betätigung eines Touchscreens mit schweißfeuchten Fingern nicht zu der vom Benutzer erwarteten beabsichtigten Reaktion des gesteuerten Geräts führt.
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Es besteht daher Bedarf nach einem Eingabeinstrument, das zwar mit einem Touchscreen vergleichbare Möglichkeiten der Eingabe bietet, das aber unempfindlicher als dieses gegen Erschütterungen, Feuchtigkeit oder andere Störeinflüsse ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Eingabeinstrument mit einem Bedienfeld, das an wenigstens zwei voneinander beabstandeten Messpunkten an einem Auflager gehalten ist, mit je einem Kraftsensor an jedem Messpunkt zum Erfassen einer zwischen Bedienfeld und Auflager am Messpunkt wirkenden Kraft und einer Auswerteschaltung, die eingerichtet ist, den Ort einer Berührung des Bedienfeldes anhand der erfassten Kräfte abzuschätzen. Wenn ein Benutzer auf eine beliebige Stelle des Bedienfeldes drückt, verteilt sich die dabei ausgeübte Kraft auf die Messpunkte in einem den Abständen zu den Messpunkten entsprechenden Verhältnis. Dementsprechend kann der Ort der Berührung des Bedienfeldes anhand des Verhältnisses der erfassten Kräfte abgeschätzt werden, und je nach erfasstem Ort der Berührung können unterschiedliche Reaktionen eines über das Eingebeinstrument gesteuerten Geräts ausgelöst werden.
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Um eine gute Ortsauflösung zu erreichen, sind die Messpunkte vorzugsweise an Rändern des Bedienfeldes angeordnet.
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Es können wenigstens drei Messpunkte vorgesehen sein, die die Ecken eines Dreiecks definieren, um den Ort der Berührung in zwei Koordinaten abzuschätzen. Bei einem rechteckigen Bedienfeld können vier Messpunkte an den Rändern, vorzugsweise den Ecken, des Bedienfeldes vorgesehen sein.
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Um dem Benutzer eine Rückmeldung über eine erfasste Eingabe liefern zu können, kann das Eingabeinstrument mehrere Felder mit umschaltbarem Erscheinungsbild umfassen, und die Auswerteschaltung kann eingerichtet sein, bei Erfassung einer Berührung eines der Felder dessen Erscheinungsbild umzuschalten. Das Erscheinungsbild eines solchen Feldes kann insbesondere hinsichtlich Farbe, Helligkeit, Musterung oder dergleichen umschaltbar sein.
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Die Auswerteschaltung kann ferner eingerichtet sein, anhand der zeitlichen Entwicklung des Verhältnisses der erfassten Kräfte eine Bewegungsrichtung des Orts der Berührung abzuschätzen und ein für die Richtung und/oder die Geschwindigkeit der Bewegung repräsentatives Ausgangssignal zu liefern, mit dem beispielsweise im gesteuerten Gerät das Scrollen einer dargestellten Liste oder die Verstellung eines kontinuierlich oder zwischen einer großen Zahl diskreter Werte verstellbaren Parameters gesteuert werden kann.
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Die Auswerteschaltung sollte ferner eingerichtet sein, die Summe der an den Messpunkten wirkenden Kräfte abzuschätzen. Im Falle einer Berührung durch den Finger eines Benutzers entspricht diese Summe der insgesamt vom Finger auf das Bedienfeld ausgeübten Kraft, und es kann z. B. vorgesehen werden, dass eine Berührung nur dann als gültige Benutzereingabe akzeptiert wird, wenn diese Kraft einen vorgegebenen Mindestwert überschreitet. So kann sichergestellt werden, dass versehentliche Berührungen mit hoher Wahrscheinlichkeit ignoriert werden. Denkbar ist aber auch, in Abhängigkeit von der Stärke der ausgeübten Kraft unterschiedliche Aktionen des gesteuerten Geräts auszulösen.
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Als Kraftsensoren können insbesondere Dehnungsmessstreifen eingesetzt werden. Diese weisen einen in Abhängigkeit von der einwirkenden Kraft bzw. einer von ihr verursachten Dehnung oder Stauchung veränderlichen Ohmschen Widerstand auf.
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Um eine ungleichmäßige Verteilung der Kraft auf die Sensoren bzw. eine Änderung der Kraftverteilung mit hoher Empfindlichkeit erfassen zu können, können die Dehnungsmessstreifen insbesondere in einer Wheatstone-Brücke verschaltet sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Aus dieser Beschreibung und den Figuren gehen auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht des Armaturenbretts eines Kraftfahrzeugs mit Eingabeinstrumenten gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Blockdiagramm eines Eingabeinstruments gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
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3 ein Blockdiagramm eines Eingabeinstruments gemäß einer zweiten Ausgestaltung; und
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4 ein Blockdiagramm eines Eingabeinstruments gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung.
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1 ist eine schematische Ansicht des Armaturenbretts 1 eines Kraftfahrzeugs aus der Perspektive des Fahrers. Das Armaturenbrett eines Kraftfahrzeugs ist herkömmlicherweise mit einer Mehrzahl von Schaltern ausgestattet, die zum Steuern diverser Subsysteme des Fahrzeugs wie etwa Beleuchtung, Klimatisierung, Entriegelung eines Tankdeckels oder einer Motorhaube, Radio etc. dienen. Gemäß der Erfindung sind jeweils mehrere dieser Schalter ersetzt durch ein Eingabeinstrument 2 bzw. 3, das am Armaturenbrett 1 z. B. seitlich versetzt gegen ein Lenkrad 4 platziert ist. Die Eingabeinstrumente 2, 3 umfassen jeweils ein Bedienfeld 5 in Form einer starren Platte, die an der Oberfläche des Armaturenbretts 1 weitgehend freiliegt, um für die Finger des Fahrers gut erreichbar zu sein. Das Bedienfeld 5 ist in einem hier nicht im Detail dargestellten Rahmen gehalten, der dem Armaturenbrett 1 vorgeblendet oder in einem Fensterausschnitt des Armaturenbretts 1 eingelassen sein kann.
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Einer elementaren Ausgestaltung der Erfindung kann das Bedienfeld 5 aus einem beliebigen festen Werkstoff wie etwa Metall, Kunststoff, Holz, Glas etc. bestehen. An seiner für den Fahrer sichtbaren Oberfläche sind, wie in 2 angedeutet, mehrere Markierungen 6 gebildet, die jeweils zum Auslösen einer zugeordneten Funktion eines Subsystems des Fahrzeugs mit dem Finger oder einem beliebigen Gegenstand berührt werden sollen.
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In der Ausgestaltung der 2 sind die Markierungen 6 in einer Reihe angeordnet, und Kraftsensoren, insbesondere Dehnungsmessstreifen 7a, 7b, sind zwischen schematisch dargestellten Messpunkten 20 an den zwei Längsenden des Bedienfeldes 5 und einem Auflager 8 angeordnet. Das Auflager 8 kann von beliebigen am Armaturenbrett ortsfesten Körpern gebildet sein, da es lediglich dazu dient, einer von einem Finger oder auf andere Weise von außen auf das Bedienfeld 5 ausgeübten Kraft eine von den Dehnungsmessstreifen 7a, 7b, erfassbare Gegenkraft entgegenzusetzen. Hier ist es rein exemplarisch als eine Platte oder ein Rahmen dargestellt, der sich hinter dem Bedienfeld erstreckt. Die Aufgabe der Messpunkte 20 ist, eine genau lokalisierte Kraftübertragung zwischen Bedienfeld 5 und Dehnungsmessstreifen 7a, 7b zu ermöglichen. Der Ohmsche Widerstand der beiden Dehnungsmessstreifen 7a, 7b ist eine Funktion der Kraft, der sie zwischen dem Bedienfeld 5 und dem Auflager 8 ausgesetzt sind. Im Allgemeinen ist der Widerstand eine lineare Funktion der Dehnung oder Stauchung eines Dehnungsmessstreifens und damit der auf ihn einwirkenden Kraft. Wenn der Fahrer auf eine der Markierungen 6 mit einer Kraft Fz drückt, dann verteilt sich diese Kraft auf die beiden Dehnungsmessstreifen 7a, 7b jeweils entsprechen ihrem Abstand Xa bzw. Xb von der berührten Markierung 6 gemäß Fa = (FzXb)/(Xa + Xb) Fb = (FzXa)/(Xa + Xb)
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Der Widerstand Ra, Rb der Dehnungsmessstreifen 7a, 7b ändert sich proportional zur einwirkenden Kraft: Ra = R0 + a(FzXb)/(Xa + Xb) Rb = R0 + a(FzXa)/(Xa + Xb), wobei die Dehnungsmessstreifen 7a, 7b als baugleich und der Widerstand R0 im entspannten Zustand für beide als identisch angenommen ist und a eine Proportionalitätskonstante ist.
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Die Dehnungsmessstreifen 7a, 7b sind – hier zusammen mit einem Vorwiderstand 9 – zwischen die Pole einer Spannungsquelle 10 in Reihe geschaltet. Dementsprechend verschiebt sich das Potential an einem Verbindungspunkt 11 zwischen den zwei Dehnungsmessstreifen 7a, 7b aufwärts oder abwärts, je nach dem, ob die berührte Stelle der Platte 5 näher zum Angriffspunkt des Dehnungsmessstreifens 7a oder des Dehnungsmessstreifens 7b liegt.
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Wenn sich die Kraft Fz zu gleichen Teilen auf die zwei baugleichen Dehnungsmessstreifen 7a, 7b verteilt, ändert sich das Verhältnis ihrer Widerstände Ra, Rb und damit das Potential am Verbindungspunkt 11 nicht. Was sich jedoch ändert, ist die Summe der Ohmschen Widerstände Ra, Rb der Dehnungsmessstreifen 7a, 7b: Ra + Rb = R0 + aFz, und folglich die an ihnen abfallende Spannung. Um diese zu erfassen, ist ein Spannungssensor 12 in Reihe mit dem Vorwiderstand 9 und parallel zu den Dehnungsmessstreifen 7a, 7b geschaltet. Eine Auswerteschaltung 13 ist mit dem Spannungssensor 12 verbunden, um eine Betätigung des Eingabeinstruments zu erfassen, wenn die von dem Spannungssensor 12 erfasste Spannung von einem Ruhewert um mehr als einen vorgegebenen Mindestwert abweicht. Über die Höhe des Mindestwerts kann eine Ansprechschwelle des Eingabeinstruments festgelegt werden, d. h. je höher der Mindestwert ist, umso fester muss ein Benutzer auf das Bedienfeld 5 drücken, damit eine Eingabe als solche wahrgenommen wird.
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Wenn eine Eingabe erkannt worden ist, ermittelt die Auswerteschaltung 13 den auf dem Bedienfeld 5 berührten Punkt anhand des Potentials am Verbindungspunkt 11. Dazu kann ein Eingang der Auswerteschaltung 13 direkt an dem Verbindungspunkt 11 angeschlossen sein. In der Ausgestaltung der 2 ist hingegen ein zweiter Spannungssensor 14 zwischen dem Verbindungspunkt 11 und einem Verbindungspunkt 15 einer weiteren, zu den Dehnungsmessstreifen 7a, 7b parallelen Reihenschaltung von Widerständen 16a, 16b angeordnet und bildet so mit den Dehnungsmessstreifen 7a, 7b und Widerständen 16a, 16b eine Wheatstone-Brücke. Die Widerstände 16a, 16b haben gleiche Ohmsche Widerstandswerte, so dass, wenn die Dehnungsmessstreifen 7a, 7b nicht belastet oder beide gleich belastet sind, die am Spannungssensor 14 anliegende Spannung verschwindet. Diese Untergrundfreiheit ermöglicht eine genaue Messung von Spannungsschwankungen am Verbindungspunkt 11 und damit eine genaue Abschätzung der Position des Punktes auf dem Bedienfeld 5, an dem die Kraft Fz einwirkt. Es kann auch die Geschwindigkeit erfasst werden, mit der sich ggf. der Berührungspunkt über das Bedienfeld 5 hinweg bewegt, und als Eingabewert zum Steuern eines angeschlossenen Geräts genutzt werden.
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Die Markierungen 6 auf dem Bedienfeld 5 des Eingabeinstruments können eine Mehrzahl von – im Falle der 2 in einer Reihe angeordneten – Tasten nachbilden. Die Auswerteschaltung 13 entscheidet, wenn sie eine Berührung wahrnimmt, welche der dargestellten Markierungen 6 am besten mit dem abgeschätzten Ort der Berührung übereinstimmt und löst eine der entsprechenden Markierung 6 zugeordnete Aktion wie etwa das Ein- oder Ausschalten von Scheinwerfern, das Entriegeln der Motorhaube oder des Tankdeckels etc. aus.
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Die Widerstände 16a, 16b können auch durch Kondensatoren ersetzt sein, die über den Spannungssensor 14 hochohmig mit dem Verbindungspunkt 11 verbunden sind. Hier können durch Fertigungstoleranzen, Temperatureinflüsse, Alterung etc. bedingte Unterschiede zwischen den Widerstandswerten der beiden Dehnungsmessstreifen 7a, 7b bzw. der Widerstände 16a, 16b nicht dazu führen, dass der Spannungssensor 14 eine von Null verschiedene Spannung misst, ohne dass eine externe Kraft auf das Bedienfeld 5 wirkt. So können auf Ungenauigkeiten der Widerstandswerte zurückgehende systematische Fehler bei der Abschätzung des Orts der Berührung vermieden werden. Eine Messung der Geschwindigkeit des Berührungspunkts ist bei dieser Variante allerdings erschwert.
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Einer weiteren Weiterentwicklung zufolge ist das Bedienfeld 5 wenigstens lokal lichtdurchlässig, und hinter ihm sind von der Auswerteschaltung 13 schaltbare Lichtquellen 18 wie etwa LEDs angeordnet. Vorzugsweise ist jede Lichtquelle genau einer der Markierung 6 zugeordnet. Indem die Auswerteschaltung 13 bei Erfassung einer Betätigung diejenige Lichtquelle 18 ein- oder ausschaltet, die dem abgeschätzten Punkt der Berührung am nächsten benachbart ist, und so die zugeordnete Markierung 6 beleuchtet bzw. verdunkelt, kann sie dem Benutzer eine unmittelbare Rückkopplung liefern, an der dieser erkennt, ob seine Eingabe richtig verarbeitet worden ist oder nicht.
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3 zeigt eine Ausgestaltung, bei der an jedem Ende des Bedienfeldes 5 zwei Dehnungsmessstreifen 7a, 7c bzw. 7b, 7d, angeordnet sind. Vorzugsweise befinden sich die Dehnungsmessstreifen 7a, 7c bzw. 7b, 7d jeweils paarweise auf einem gleichen Substrat 17a bzw. 17b, so dass sie jeweils genau der gleichen Dehnung bzw. Stauchung ausgesetzt sind. Die Dehnungsmessstreifen 7c, 7d ersetzen die Widerstände 16a, 16b der Ausgestaltung von 2. Die an einem gleichen Ende des Bedienfeldes 5 angeordneten Dehnungsmessstreifen 7a, 7c bzw. 7b, 7d sind jeweils mit verschiedenen Polen der Spannungsquelle 10 verbunden. Dies hat zur Folge, dass wenn z. B. eine Markierung 6 unmittelbar am linken Ende des Bedienfeldes 5 berührt wird, sich die Widerstände der linken Dehnungsmessstreifen 7a, 7c deutlich ändern, die der Dehnungsmessstreifen 7b, 7d jedoch nicht. Der Spannungshub, dem dadurch der Spannungssensor 12 ausgesetzt ist, ist doppelt so hoch wie bei der Ausgestaltung der 2, was eine dementsprechend genauere Abschätzung des Orts der Berührung ermöglicht.
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4 zeigt die Übertragung des Messprinzips der Ausgestaltung von 2 auf zwei Dimensionen. Das Bedienfeld 5 kann hier wie im Fall von 2 oder 3 eine undurchsichtige oder von (in 4 nicht dargestellten) Lichtquellen durchleuchtbare Platte mit festen Markierungen 6 sein; es kann sich bei dem Bedienfeld 5 aber auch um ein Display, insbesondere ein LCD-Display handeln, auf dem dargestellte Markierungen 6 frei programmierbar sind.
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Dehnungsmessungsstreifen 7a, 7b sind einander diagonal entgegengesetzt an Ecken des rechteckigen Bedienfeldes 5 angeordnet. Am zweiten Paar von sich diagonal gegenüberliegenden Ecken befinden sich Dehnungsmessstreifen 7a', 7b'. Die Dehnungsmessstreifen 7a, 7b sind mit Widerständen 16a, 16b zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet, und ein Spannungssensor 14 ist zwischen den Verbindungspunkten 11 der Dehnungsmessungsstreifen 7a, 7b und 15 der Widerstände 16a, 16b angeordnet. In analoger Weise bilden die Dehnungsmessungsstreifen 7a', 7b', Widerstände 16' und einen Spannungssensor 12' eine zweite Wheatstone-Brücke. Die von den Spannungssensoren 12, 12' an die Auswerteschaltung 13 übermittelten Spannungsmesswerte sind jeweils proportional zum Abstand des auf dem Bedienfeld 5 berührten Punktes von dessen geometrischem Mittelpunkt 19, d. h. vom Schnittpunkt der beiden Diagonalen, jeweils in Richtung der Diagonalen gemessen. Spannungssensoren 14, 14' sind jeweils parallel zu den in Reihe geschalteten Dehnungsmessstreifen 7a, 7b bzw. 7a', 7b' angeordnet, um einen für die Gesamtwiderstandsänderung der Paare von Dehnungsmessstreifen 7a, 7b bzw. 7a', 7b' repräsentativen Spannungsmesswert zu liefern, der für die Umrechnung der am Sensor 12 bzw. 12' gemessenen Spannung in eine Entfernung vom Mittelpunkt 19 benötigt wird.
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Wie bereits mit Bezug auf 2 erwähnt, kann die Auswerteschaltung nicht nur den Ort einer Berührung, sondern auch dessen Bewegung umfassen. So kann z. B., wenn das Bedienfeld 5 ein Display ist und zur Kartendarstellung in einem über das Bedienfeld 5 gesteuerten Navigationssystem genutzt wird, eine erfasste Bewegung genutzt werden, um eine dargestellte Karte in der der Bewegungsrichtung entsprechenden Himmelsrichtung zu scrollen.
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Analog zum Fall der 3 können auch hier die Widerstände 16a, 16b, 16a', 16b' durch weitere Dehnungsmessstreifen ersetzt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Armaturenbrett
- 2
- Eingabeinstrument
- 3
- Eingabeinstrument
- 4
- Lenkrad
- 5
- Bedienfeld
- 6
- Markierung
- 7
- Dehnungsmessstreifen
- 8
- Auflager
- 9
- Vorwiderstand
- 10
- Spannungsquelle
- 11
- Verbindungspunkt
- 12
- Spannungssensor
- 13
- Auswerteschaltung
- 14
- Spannungssensor
- 15
- Verbindungspunkt
- 16
- Widerstand
- 17
- Substrat
- 18
- Lichtquelle
- 19
- Mittelpunkt
- 20
- Messpunkt
