DE2031787A1

DE2031787A1 - Kapazitiver Spannungsteiler

Info

Publication number: DE2031787A1
Application number: DE19702031787
Authority: DE
Inventors: Herbert Mazza Robert Vitra Mahopac NY Dym (V St A) GO6f3 04
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-06-30
Filing date: 1970-06-26
Publication date: 1971-01-14
Also published as: FR2054597B1; US3593115A; GB1313664A; DE2031787B2; JPS4922567B1; SE356385B; FR2054597A1; DE2031787C3

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 22. Juni 1970 ar/du

Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen:

Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin:

Docket YO 969 031 X

Kapazitiver Spannungsteiler

Diese Erfindung betrifft einen kapazitiven Spannungsteiler mit einer bestimmten Charakteristik für einen elektrischen Positionsgeber der eine Anzahl von Abtaststellen aufweist an denen jeweils eine der zugeordneten Positionsstelle entsprechende Teilspannung abgreifbar ist, vorzugsweise zur Bestimmung von Ortskoordinaten.

Derartige kapazitive Spannungsteiler werden in Eingabestationen für elektronische Datenverarbeitungsanlagen, die üblicherweise ein tafelförmiges Rasterfeld zur handschriftlichen Niederschrift der einzugebenden Daten und Zeichen enthalten, verwendet. Auch in der Meß-, Steuer- und Regeltechnik sind in großer Anzahl Positionsgeber, die kapazitive Spannungsteiler enthalten, gebräuchlich, um z.B. den jeweiligen Ort von einem oder mehreren sich schnell über eine Strecke oder Fläche bewegenden Objekten, vorzugsweise von Maschinenteilen, festzustellen. Es.wird in der Meßtechnik die nach kapazitiven Verfahren wirken besonders geschätzt, daß sie

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- 2 das zu messende Objekt nicht belasten und beeinflussen.

Allgemein sind 'ohmsche Potentiometer als Spannungsteiler bekannt, bei denen der jeweilige Ort des verschieb- oder drehbaren Schleifers durch die am Schleiferkontakt abgreifbare Teilerspannung bestimmbar ist. Je nach den Erfordernissen sind derartige ohmschen Spannungsteiler für lineare und andere Spannungscharakteristiken ausgelegt. Ohmsche Spannungsteiler als Positionsgeber sind jedoch nur für langsame Bewegungsabläufe geeignet, da bei schneller Bewegung Kontaktstörungen und Trägheitsprobleme auftreten, was bei den kapazitiven Positionsgebern nicht der Fall ist.

Es ist bekannt, daß die Eingabe von Daten, in datenverarbeitende Rechner oder Steuerungsanlagen in verschlüsselter Form über Tastaturen, Lochkarten oder Streifen ,· Magnetbänder oder -platten erfolgen kann. Außerdem gibt es Lsseiiaschinen die bestimmte handschriftliche Zeichen und Charakter selbsttätig einlesen. Seit einigen Jahren sind Eiiagabestationeii, z.B. Bildschirmgeräte und Eingabetableaus bekannt, bei denen mit einem sogenannten Lichtgriffel oder elektrischen Schreibstift von Hand auf das Rasterfeld des Bildschirmes oder die Tafeloberfläche des Tableaus geschriebene Buchstaben, Zahlen, Zeichen, Kurven und Zeichnungen in das datenverarbeitende Gerät eingegeben werden können. Dabei wird automatisch gesteuert, während der Niederschrift von jedem AufZeichnungselement bzw. der jeweilige Ort der Schreibstiftspitze, d.h. die zugehörigen X-Y-Koordinaten durch elektrische Spannungen dargestellt. Jeder Ort auf dem Rasterfeld des Einschreibtableaus ist durch seine X-Y-Koordinaten bestimmbar» Diesen X-Y-Koordinaten sind bestimmte Spannungswerte zugeordnet. Ein als Positionsgeber dienender Spannungsteller ist meistens zusammen mit dem gitterförmigen Rasterfeld ein Hauptteil des Eingabetableaus. Im Rasterfeld, das der zur Verfügung stehenden Einschreibefläche entspricht, sind in Form einer Matrix elektrisch leitende und mit den Spannungsteilern verbundene in X- und Y-Richtung verlaufende Positionsstege angeordnet. Je enger die Maschenweite dieser Gitter-

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struktur ist, umso größer ist das Auflösungsvermögen für die eingeschriebenen Daten oder Zeichnungen.

Es sind verschiedene Ausführungen von derartigen Einschreibetableaus bekannt, bei denen im Positionsgeber ohmsche, induktive oder kapazitive Spannungsteiler verwendet werden. Außerdem sind verschiedene Verfahren bekanntgeworden zur zeitabhängigen Bestimmung von Ortskoordinaten. Durch die amerikanische Patentschrift 3 399 401 wurde ein "Digital-Computer mit einem graphischen Eingabesystem" bekannt mit einer Einrichtung zur Eingabe von Daten bei der ein auf kapazitiver Basis arbeitendes Einschreibetableau vorgesehen ist und bei der die jeweilige Position des Schreibstiftes bei einer Bewegung über die Oberfläche des Rasterfeldes nach einem Digital-Verfahren mit elektrischen Spannungsimpulsen bestimmt wird.

Ein anderes Bestimmungsverfahren der Koordinaten handgeschriebener Zeichen auf dem diese Erfindung basiert, wurde in der deutschen Patentanmeldung P 15 52 293 "Positionstableau" vorgeschlagen. Bei diesem neuen Verfahren dem ein Analog-Verfahren zugrunde liegt, wird für jeden geometrischen Ort, der einer Kreuzungsstelle auf dem Rasterfeld und damit einer Abtaststelle entspricht, in bestimmten, sehr kurzen Zeitintervallen der auf den Schreibstift einwirkende Spannungswert der zugeordneten X- und Y-Koordinaten nacheinander festgestellt. Jedem dieser X-Y-Koordinaten ist ein analoger Spannungswert zugeordnet. Um Unsicherheiten an der Schreibstelle bei der Spannungsermittlung zu eliminieren, wird an der hu definierenden Positionsstelle jeweils auch eine Bezugsspannung gemessen. Diese drei Spannungswerte X-Y-Teilerspannung und die Bezugsspannung für jede Position gelangen in dien elektrischen Rech·» ner, welcher aus diesen Spannungswerten die momentane Position des Schreibstiftes ermittelt und in einen Speicher eingibt.

Eine der Schwierigkeiten bei der Erstellung eiaes analoges*-Ρ^ι>ί.~ ■ tionsgebers ist, analoge Spannungsteiler zu fertigen die eine

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Docket YO 969 031 X

genaue lineare Spannungscharakteristik innerhalb sehr enger Toleranzgrenzen in Abhängigkeit von der Position aufweisen. Ohmsche analoge Spannungsteiler, die sogenannten Potentiometer können bezüglich ihrer Charakteristik sehr präzise gefertigt werden, jedoch ist ihre Herstellung ziemlich schwierig, aufwendig und deshalb auch teuer und für die Massenproduktion nicht zweckmäßig. Andererseits haben ohmsche analoge Spannungsteiler die billiger und deshalb auch einfacher ausgeführt sind und die z.B. in einem Photodruck-Ätzverfahren fabriziert werden nicht die präzise geforderte Spannungscharakteristik,- da es schwierig ist, dünne Widerstandsschichten zu erzeugen, welche einen einheitlichen Widerstandswert aufweisen? außerdem ergeben sich bei derartigen ofamschen Spannungsteilern noch Wärmeprobleme. Zusammengefaßt ergibt sich, daß ohmsche analoge Spannungsteiler als Präsisions-Potentiometer, wie vorstehend dargelegt" wurde, schwierig zn fertigen und sehr teuer sind und daß einfache Ausführungen die gestellten Forderungen nicht erfüllen.

Bei den bekannten Positionsgebern die entweder für analoge oder digitale Verfahren ausgelegt sind und Spannungsteiler enthalten? besteht der Bachteil„ daß die das X-Y-Gitter im Rasterfeld des Schreibtableaus bildenden„ sehr dünnen Positionsstege schon bei der Fertigung beschädigt werden können oder daß sie beim manuellen Einschreiben von Zeichen" dureh au starkes Aufdrücken des Schreibgriffels brechen_e Diese duroh die Bruchstellen sich ergebenden Störungen haben gar Folge „ daß sich offene Stromkreise ergeben j, daß Spaaniisigs- untS Positionsfahler auftreten und daß das Ein= scfrreihstable&u ungenau und nieht mehr zuverlässig ist»

Es ist ein© Aufgab© der Erfindung oiaen verbesserten elektrischen Spanmasägstsiles" ffe ©inen Positionsgeber su schaffen <, der als ana= loger Isspasitiver Spannung®toiler ausgeführt sein SoIl₁₇ der ein© geaase linear© Spannungseharakteristik als Funktion der Position aufweist, äes ©infaea ist und aueh in der Massenfertigung leieat lind billig herstellbar ist«.

Eine weitere Forderung der Aufgabe ist, daß der neue analoge kapazitive Spannungsteiler ein Netzwerk enthalten soll, das aus Scheinwiderständen besteht um die Leistungsverluste klein zu halten und um Wärmeprobleme zu vermeiden. Der neue Spannungsteiler soll als Positionsgeber eines Schreibtableaus in einer Eingabestation für graphische Zeichen verwendbar sein und deshalb noch die Eigenschaften aufweisen, daß er dünn, leicht, flexibel und dennoch widerstandsfähig ist. .

Diese Aufgäbe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß er aus I einer den verschiedenen Positionsstellen entsprechenden Anzahl von parallel geschalteten Zweigen besteht von denen jeder serial miteinander verbundene erste und zweite Kondensatoren enthält, daß die geforderte Spannungsleiter-Charakteristik durch eine entsprechende Abstufung der Kapazität der ersten, der zweiten oder beider Kondensatoren bestimmt ist, daß die Speisespannung an den Knotenpunkten der parallel geschalteten Zweige anliegt und daß die positionsabhängigen Teilspannungen an den als Abtaststellen gestalteten Verbindungen zwischen den ersten und zweiten Kondensatoren abnehmbar sind.

Eine zweckmäßige Weiterbildung und Ausgestaltung deserfindungsgemäßen kapazitiven Spannungsteilers ist, daß die ander Speisespannung liegenden Platten der ersten oder zweiten oder beider Kondensatoren leitend zusammengekoppelt sind und eine gemeinsame Belagsfläche auf einer dielektrischen Zwischenschicht bilden. Daß diese gemeinsame Plattenfläche der ersten, der zweiten oder beider Kondensatoren zusammen in ihrer Größe variiert als Funktion der geforderten Spannungscharakteristik des Positionsgebers oder der Plattenflächen. D.h., die jeweilige Größe der Plattenfläche ist vom Ort der jeweiligen Positionsstelle abhängig. Jeder einzelnen Positionsstelle ist im Spannungsteiler entsprechend der geforderten Spannungsteiler-Kennlinie eine bestimmte Plattengröße zugeordnet, durch die der Scheinwiderstand und damit auch der Spannungsabfall an den in einem Zweig in Reihe geschalteten ersten und zweiten

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Kondensatoren bestimmt wird. Da in dem Positionsgeber eines schreibetableaus eine lineare Spannungskennlinie in Abhängigkeit der in stetigen Abständen folgenden Positionsstellen gewünscht wird, werden die Platten auch mit einer linear ansteigenden Flächengröße ausgeführt. Von den Gegenplatten der ersten und zweiten Kondensatoren an deren Verbindungspunkten, die der jeweiligen Positionsstelle bzw. deren X-Y-Koordinaten zugeordneten TeilerSpannungen in bezug auf Masse znz Verfügung stehen, erstrecken sich schmale Positionsstrecken in das Rasterfeld des Einschreibetableaus. Die Positionsst@ge der X- und Y-Richtung sind voneinander durch eine isolierende Zwischenschicht getrennt, und sie bilden im Rasterfeld eine Matri2c ba?« ein leitendes Gitter»

Eine sehr zweckmäßige Ausgestaltung des erfindöngsgomäßen Spannungsteilers ist auch, daß die an der Speisespannung liegenden Platten folgend als Treibsrplattea bsseiehnet_y der ersten und der zweiten Kondensatoren in Ifarea FlSohengrößen zueinander komplemen^ tär sind wo. eine gut© Linearität des Spannungsteilers zu erhalten.

Ein weiterer Vorteil ist, daß zur Erhöhung der Betriebssicherheit und zar Eliminierung der Störungen, welche durch den Leitungsbruch von Positionsstegen bisher auftraten im Positionsgeber sowohl in der X- als auch in der Y-Richtimg,.zwei kapazitive Spannungsteiler jeweils einer an einer Seite des Rasterfeldes angeordnet sind^ wobei die einander entsprechenden Poaitionsstellenj. die das gleiche Spaaaiangspotential aufweisen, durch die Positionsst@g@ miteinander verbanden sind.

Die Erfindung wird nachfolgend annamd von Aas führusagsbei spielen- und zugehörigen Zeichnungen näher erklärt_o

Es zeigen:

Fig. 1 eine einachsige Version des erfindungsgemäßen kapa-

zitiven Spannungsteilers für Positionsgeber;

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Fig. 2 die zweiachsige Version des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispieles;

Fig. 3 das Zeitdiagramm der an den Treiberplatten der

ersten und zweiten Kondensatoren anliegenden Impulse der Speisespannung für die in der Fig. 2 dargestellte Ausführung eines Positionsgebers mit kapazitiven Spannungsteilern;

Fig. 4 eine Ansicht eines Schnittes durch ein Schreib-

tableau, in dem ein in der Fig. 2 abgebildeter Positionsgeber mit erfindungsgemäßen kapazitiven Spannungsteilern enthalten ist.

Bei dem in der Fig. 1 abgebildeten in einer Richtung «spfinälichen Positionsgeber ist darstellungsgemäß eine Vielzahl vgsi leitenden Gitterleitungen, den sogenannten Positionsstegen oder Streifen 1 15, leitend mit den Kondensatorplatten 21 - 35 verbunden. Diese Kondensatorplatten 21 - 35 werden folgend als Gegenplatten bezeichnet. Diese Gegenplatten 21-35 können aus demselben Material bestehen wie die PositionsStege und mit diesen eine Einheit bilden _f so daß sich die Positionsstege lediglich an ihren Enden in kapazitive Kopplungsplatten erweitern und die Gegenplatten-biläen.'Die* * Positionsabfühlung bei einem Spannungsleiter in der Prinzipals·= führung gemäß Darstellung in Fig. 1 erfolgt in der durch einen Pfeil angegebenen X-Richtung. Zwischen jeder der Gegenplattea 21.«* 35 auf der einen Oberflächenseite und der dreieckigen Treiberplatte 17 auf der anderen Oberflächenseite 1st eine dielektrische Schiebt so angeordnet, daß jede der .Gegenplatten**-21 - 35 kapazitiv mit der Treiberplatte 17 so gekoppelt ist, daß sich eine Gruppe von Koncles» . satoren 16 bildet, in welcher die Treiberplatten 17 eine© jedes Kondensators 16 der Gruppe zu einer Einheit z%i@ax!tmengefaßt sind und eine Fläche bilden. Die Ausschnitte am des CSegenplafefeea. 33 35 z. B. zeigen die dielektrische Zwischenschicht, 32 uffid-34.

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■" 8 ~"

Mit jedem Positionssteg 1-15 ist eine auf Massepotential liegende Treiberplatte 19 kapazitiv gekoppelt. Diese einzelnen Kondensatoren mit den PositionsStegen 1-15, die auch als Gegenplatten wirken, weisen eine gleiche Kapazität auf und haben demzufolge auch einen gleichen Scheinwiderstand. An diesen Scheinwiderständen steht bezogen auf die Masse die Teilerspannung einer zugeordneten Position zur Verfügung. Zwischen jedem der Positionsstege 1 - 15 und der gemeinsamen rechteckförmigen Treiberplatte 19 befindet sich eine isolierende Zwischenschicht als Dielektrikum, das z.B. aus den Ausschnitten 12 und 14 sichtbar ist und über die gesamte Fläche eine gleichmäßige Dicke aufweist.

Die aus der Treiberplatte 19 und den Positionsstegen 1-15 als Gegenplatten gebildeten Kondensatoren gleicher Kapazität werden folgend als erste Kondensatoren bezeichnet, und die aus der dreieckförmigen Treiberplatte 17 und den Gegenplatten 21-35 gebildeten Kondensatoren mit verschiedenen Kapazitäten werden folgend als zweite Kondensatoren, zwecks besserer Unterscheidung bezeichnet. Die in Fig. 1 dargestellte Ausführung eines Spannungsteilers stellt im elektrischen Schaltbild eine Parallelschaltung von Zweigen dar, wobei jeder Zweig einer Positionsstelle zugeordnet ist. In den Zweigen dieser Parallelschaltung sind als kapazitive Scheinwiderstände jeweils ein erster und zweiter Kondensator angeordnet die serial miteinander verbunden sind.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 nimmt die einer jeden Positionsstelle zugeordnete Belagsfläche der Treiberplatten 17 der ersten Kondensatorgruppe 16 in der X-Richtung in der Größe zu. Wenn an die Spannungsteilerschaltung eine Wechselspannung durch die Speisespannungsquelle 18 gelegt wird, dann steigt entsprechend der Kapazität der zweiten Kondensatoren die Teilerspannung an den Positionsstegen 1 - 15 im gleichen Verhältnis an wie die Flächen bzw. die Kapazitäten der zweiten Kondensatoren und zwar in der gleichen Richtung. Daraus ergibt sich, daß sich die Teilerspannung aufgrund der geometrischen Form der Treiberplatte 17 als Funktion der Position in X-Richtung ändert. Wenn jede der Gegenplatten 21 - 35 die glei-

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ehe Breite und in der X-Richtung den gleichen Abstand hat, ändert sich die auf den Positionsstegen 1 - 15 zur Verfügung stehende Teilerspannung von einem Positionssteg zum anderen und somit mit der Position entsprechend der nichtlinearen Funktion

^Cx
Vo(X) ^l

^Cf^+Cx.

worin C in Abhängigkeit von der Positionsstelle χ die jeweilige

Kapazität zwischen den einzelnen Gegenplatten 21 - 35 und der Treiberplatte 17 ist; und C_f eine feste Kapazität zwischen den einzelnen Positionsstegen 1 - 15 und der geerdeten Treiberplatte 19 darstellt. In diesem Zusammenhang wird C_f im Vergleich zu einer Streuspannung gegen Erde groß gehalten.

Die Teilerspannung als Ausgangsspannung kann natürlich so eingestellt werden, daß sie sich linear mit der Position ändert, indem man die Parameter der Spannungsteileranordnung in Fig. 1 so wählt/

C
x.

daß die Nichtlinearitat der Funktion — ausgeglichen wird. So

f χ t X₁

kann z.B. der Abstand zwischen einander benachbarten Gegenplatten 21 - 35 der zweiten Kondensatoren so gewählt werden, daß er sich über die einzelnen Positionsstellen in X-Richtung nichtlinear verändert und damit die Nichtlinearität dieser Funktion ausgleicht. Außer dieser linearen Spannungsanpassung an die nichtlineare Funk-

C
x,

tion ^r-TS— können die Parameter (für den Spannungsteiler darge-

^Cf χ
^{r x}i

stellt) in Fig. 1 so verändert werden, daß sie eine unterschiedliche nichtlineare Tellerspannung als Funktion der Positionsstellung in X-Richtung liefern. Die Treiberplatte 17 braucht natürlich keine aus einem Stück bestehende Belagsfläche sein, und außerdem braucht sie keine Dreiecksform aufweisen. Somit kann die Treiberplatte 17 durch irgendeine Anordnung ersetzt werden, welche z.B. aus einer Anzahl elektrisch miteinander verbundener Einzelplatten

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- ίο -

unterschiedlicher Flächengröße bestehen kann. Dabei müssen die einzelnen Platten, um die erforderliche Kapazität zu bekommen, der wirksamen Fläche der gemeinsamen Treiberplatte 17 äquivalent sein, d.h., die Einzel-Treiberplatten müssen eine Projektion der zugeordneten Gegenplatten 21-35 sein, leitend miteinander gekoppelt sein und ihre Flächen entsprechend der gewünschten Spannungscharakteristik ändern, um die auf den Positionsstegen liegende Teilerspannung zu erhalten.

In Fig. 2 ist eine auseinandergezogene Darstellung einer kapazitiven Spannungsteileranordnung für einen Positionsgeber abgebildet, mit der die Position in der. X- und in der Y-Richtung, dargestellt durch die Pfeile neben den Platten 7 bzw. 46, elektrisch abgefühlt werden kann. Anstelle der einen dreieckigen X-Treiberplatte 17 in Fig. 1 ist jedoch bei dieser Anordnung ein komplementäres Paar dreieckförmiger Treiberplatten 5 und 7 im unteren Teil der Fig. 2 dargestellt. Der Zweck dieser Komplementäranordnung wird nachfolgend ausführlicher beschrieben.

Außer diesem Komplementärpaar von X-Treiberplatten 5 und 7 in Fig. 2 ist, um eine größere Zuverlässigkeit der Positionsabfühlung zu erhalten sowie wegen des Gleichgewichtes und der Symmetrie, noch ein zusätzliches Paar von X-Treiberplatten 9 und IO vorgesehen. Entsprechend der redundanten Anordnung in Fig. 2 liefern beim Bruch eines der X-Positionsstege 11 - 25 beide Teilstücke der gebrochenen Leitung des PositionsSteges immer noch eine zum Abfühlen der Position ausreichende Teilerspannung. Die beiden X-Treiberplatten 9 und 10 werden auch gleichzeitig wie die X-Treiberplatten 5 und 7 an eine Speisewechselspannung gelegt. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 wirken die beiden Paare der komplementären X-Treiberplatten 5, 7 und 9, 10 und den KondensatorgegenplatteB 51, 53 etc. sowie 71, 73 etc. zusammen. .

Durch die kapazitive Kopplung wird von der Speisespammungsquelle 18 auf die als Verbindungen der beiden X-Spannungsteiler dienenden

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Positionsstege 11 - 25 über ein zwischen den Kondensatorplatten und den Positionsstegen dielektrisches Medium, das in der Fig. 2 nicht dargestellt ist, die jeder Positionsstelle zugeordnete Teilerspannung gekoppelt.

Für die Y-Richtung sind in Fig. 2 ebenfalls zwei Paare von komplementären Treiberplatten 46 - 47 und 48 - 49 vorgesehen. Diese beiden Treiberplattenpaare wirken genauso wie die Treiberplattenpaare für die X-Richtung. Die Positionsstege 31 - 45 liefern auch eine Teilerspannung für die Positionen in der Y-Richtung. Die X-Treiberplatten 5 und 7 können auch ohne die Treiberplatten 9 und 10 benutzt werden. Entsprechendes gilt für die Y-Richtung.

Wie genauer in Zusammenhang mit Fig. 4 erklärt wird, kann der elektrische Positionsgeber in Fig. 2 durch ein chemisches Niederschlagsverfahren der X-Positionsstege 11 - 25 mit den zugehörigen Kondensatorplatten 51, 53, 71, 73 ... sowie der Y-Treiberplatten 46 - 49 auf einer Seite einer dielektrischen Tafel und den Y-Positionsstegen 31 - 45 mit den zugehörigen Kondensatorplatten und den X-Treiberplatten 5, 7, 9 und IO auf der anderen Seite der Tafel hergestellt werden. Die in Fig. 2 gestrichelt dargestellten Kondensatoren 50 und 52 stellen die entsprechenden Kapazitäten zwischen der Kondensatorgegenplatte 53 und den entsprechenden Abschnitten 55 und 57 der zueinander komplementären Treiberplatten 5 und 7 dar.

In Fig. 3 ist in einem Zeitdiagramm gezeigt, wie die verschiedenen Treiberplatten der Spannungsteiler nach der Fig. 2 zeitlich an Spannung gelegt werden. Obwohl der einfacheren Erklärung halber in Fig. 2 die Speisespannungsquelle 18 nur als an die X-Treiberplatten 5 und 7 angeschlossen dargestellt ist, werden gleichzeitig mit diesen auch die X-Treiberplatten 9 und IO genauso getrieben, und zwar die Treiberplatte 10 gleichzeitig mit der Treiberplatte 7.

Von der Speisespannungsquelle werden nacheinander X und Y-Treiber-

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impulse T , T geliefert/ die in abwechselnder Folge an die zugehörigen X- und Y-Treiberplatten 5, 7; 9, 10; 46, 49, 47, 48 der ersten und zweiten Kondensatoren gelegt werden. Jeder dieser Treiberimpulse T, T setzt sich aus zwei Taktzeiten T-, T₂ bzw. T₃, T. zusammen. Während der X-Treibzeit zur Taktzeit T. liegen von den parallelgeschalteten Kondensatorzweigen die X-Treiberplatten 7 und 10 auf Spannungspotential und die X-Treiberplatten 5 und 9 auf Massepotential. Während dieser Taktzeit stehen an den X-Positionsstegen 11 - 25 die jeweiligen Teilerspannungen zur Verfügung. Zur Taktzeit T„ hingegen werden alle X-Treiberplatten 5, 7, 9, 10 an Spannung gelegt. Genauso werden während der Y-Treiberzeit die zur Taktzeit T₃ Y-Treiberplatten 46 und 48 zuerst an Spannung gelegt und dann zur Taktzeit T4 alle Y-Treiberplatten 46, 47, 48 und 49.

Wie aus der Fig. 3(a) zu ersehen ist, wird um die Positionen in X-Richtung abzufühlen, ein X-Treiberimpuls T während des Zeitraumes t_v angelegt, während dieser Impulszeit liegt kein Treibersignal an den Y-Treiberplatten 46, 47, 48, 49. Während dieser Zeit liegen die Positionsstege 31 - 45 für die Y-Richtung und die X-Treiberplatten 46, 47, 48, 49 auf Massepotential. Während der ersten. Taktzeit T₁, dargestellt in Fig. 3(c), des Treiberimpulses T ist der Schalter 59 in Fig. 2 geschlossen und der Schalter 61 und dadurch auch die X-Treiberplatte 5 geerdet. Somit liegt nur die X-Treiberplatte 7 auf Spannungspotential, das über die Gegenplatten 51, 53 etc. auf die X-Positionsstege 11 - 25 kapazitiv gekoppelt wird und deren Teilspannung durch einen Spannungsfühler elektrischer Schreibgriffel oder dergleichen, von diesen Leitungen abgefühlt wird. Da die Fläche der X-Treiberplatte 7 nach links abnimmt, nimmt auch die auf die verschiedenen Gegenplatten 51, 52 etc. kapazitiv gekoppelte Spannung,.in der der Treiberimpuls T. anliegt, während der Zeitintervalle nach links hin ab, und die Positionsabfühlung in X-Richtung wirkt als Funktion der Amplitude dieser Spannung. In gleicher Weise wird während dieses Zeitraumes T. die zur X-Treiberplatte 7 parallelgeschaltete X-Treiberplatte 10 eben-

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falls an Spannung gelegt und die X-Treiberplatte 9 wie die X-Treiberplatte 5 auf Massepotential.

Während des in Fig. 3(c) dargestellten Zeitintervalies der Taktzeit T₂ ist der Schalter 61 geschlossen und sowohl die X-Treiberplatten 5 und 7 als auch die redundanten X-Treiberplatten 9 und IO liegen auf dem Spannungspotential der Speisespannungsguelle 18. Während dieser Taktzeit liegen alle X-Treiberplatten 5, 7, 9, 10 an gleicher Bezugsspannung, die z.B. durch den elektrischen Schreibgsiffel abgeführt und in der eingangs beschriebenen Anordnung eines Positionstableaus verwendet werden kann.

Während des in Fig. 3 (b) gezeigten Zeitraumes T wird in ähnlicher Weise ein Wechselstrom-Treibersignal T an die Y-Treiberplatten angelegt, während in diesem Zeitraum die X-Treiberplatten 5,7,9, 10 auf Massepotential liegen. Somit werden während der in Fig. 3(c) gezeigten Taktzeit T₃ die in Fig. 2 abgebildeten Y-Treiberplatten 46 und 47 gleichzeitig an Spannungspotential gelegt und liefern eine Positions-Teilerspannung für die Y-Richtung auf die Positionsstege 31 - 45. Die Y-Treiberplatten 47 und 49 liegen zu dieser Taktzeit T₃ auf Massepotential. Während des in Fig. 3(c) gezeigten Zeitraumes T₄ sind alle Y-Treiberplatten 46, 47, 48 und 49 an das Spannungspotential der Speisespannung geschaltet und koppeln eine feste Bezugsspannung auf die Y-Positionsstege 31-45.

Das Anlegen der Wechselstrom-Treibersignale Τ_χ und T„, sowie der Taktzeiten T. - T. an die X-Y-Treiberplatten während der einzelnen Zeiträume kann mit Hilfe verschiedener Schaltungsanordnungen gesteuert werden, die jedoch keinen Teil dieser Erfindung bilden und daher nicht genauer beschrieben werden.

Aus der Fig. 2 ist zu ersehen, daß zur Taktzeit T₁ des Treibersignales T die in Fig. 2 dargestellte X-Treiberplatte 5 genauso wirkt wie die in Fig. 1 abgebildete Treiberplatte 19 der ersten Kondensatoren. Anstatt jedoch eine feste Kapazität, bezogen auf

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Masse, aufzuweisen für die Gruppe der Positionsstege 11 - 25 der X-Richtung besitzt die X-Treiberplatte 5 eine Kapazität, die sich als Funktion der Positionsstellen ändert, und zwar komplementär zu der Kapazität der X-Treiberplatte 7. Während des Zeitintervalles zur Taktzeit Τ_χ wirken die X-Treiberplatten 5 und 7 zusammen und koppeln eine gleiche Bezugsspannung auf die Positionsstege 11 der X-Richtung.

Die Art, in welcher die zueinander komplementären Platten, z.B. die Treiberplatten 5 und 7 zusammenwirken, um zuerst eine Teilerspannung der zugeordneten Position zu bilden und dann eine Bezugsspannung, ist aus der. Fig. 2 zu ersehen, in der die entsprechenden Kapazitäten C und C als erste und zweite Kondensatoren 50 und

^xi ^xi
52 dargestellt sind.

Wenn während der Taktzeit T. nur die X-Treiberplatte 7 an Spannung liegt und die X-Treiberplatte 5 geerdet ist, kann die jeweilige Teilerspannung Vo auf den X-Positionsstegen 11 - 25 durch folgendes Verhältnis dargestellt werden:

C
^xi

C +C +C

g X₁ X₁

Die Bezeichnung C stellt die Kapazität zwischen den Positionsstegen 11-25 der X-Richtung und den Positionsstegen 31 - 45 der Y-Richtung dar, wobei die zuletzt genannten über ihre entsprechenden Kapazitäten gegen die Y-Treiberplatten 46 - 49 während der Taktzeit T., sowie alle anderen Streukapazitäten geerdet sind.

C stellt die Kapazität einzeln zwischen der X-Treiberplatte 7

^Xi
und den Kondensatorgegenplatten 51/53 etc. dar. C stellt die

^xi Kapazität zwischen den einzelnen Kondensatorgegenplatten 51, 53 und der geerdeten X-Treiberplatte 5 dar» Die posiiionsabhängige Teilerspannung Vo ändert sich mit C_ , wobei C eine Funktion der

x_± X₁

Geometrie der X-Treiberplatte 7 ist in Obereinstimmung mit dem Zähler, wenn der Nenner im wesentlichen konstant bleibt.

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■■.-. 15 -

Da die in Fig. 2 abgebildeten X-Treiberplatten 5 und 7 zueinander in ihren Flächen komplementär sind, ist die Summe der einzelnen Kapazitätsflächen, die z.B. durch die Abschnitte 55 und 57 dargestellt sind und eine Projektion der Kondensatorgegenplatte 53 bilden, konstant. Mit dieser konstanten Summe der Kapazitätsflächen

und einem C , das vergleichsweise relativ groß ist zu C und C , g ^xi ^xi

läßt sich aus obiger Beziehung, worin nur die X-Treiberplatte 5 auf Spannungspotential liegt, entnehmen, daß das auf den Positionsstegen 11-25 erzeugte Teilerspannungssignal eine Funktion des Verhältnisses der Kapazitäten der Abschnitte der X-Treiberplatte "I 7 zur Summe der Kapazitäten der Abschnitte beider X-Treiberplatten 5 und 7 ist und somit nicht.von deren absoluten Werten abhängt. Somit gilt die Beziehung für die Teilerspannung

' C

Vo- ~T~"

C +C

Aus dieser Beziehung ist zu ersehen, daß die Dicke des zwischen den X-Treiberplatten 5 und 7 angeordneten Dielektrikums den Wert der Teilerspannung nicht beeinflußt, solange sie in der Y-Richtung zwischen den Flächen, wie z.B. 55 und 57, gleichmäßig ist.

Wenn sich das Verhältnis Zähler zu Nenner in obiger Beziehung ■ f linear ändert, wie es bei der Dreiecksanordnung der Fig. 2 der Fall ist, dann ändert sich auch die Teilerspannung von einem Positionssteg zum anderen in einem linearen Verhältnis. Dieses Verhältnis kann jedoch so gestaltet werden, daß es sich entsprechend jeder gewünschten Funktion verändert, indem man z.B. die geometrische Form der X-Treiberplatten 5 und 7 verändert. Wenn also z.B. anstelle einer Spannungsteiler-Einrichtung für die Positionsabfühlung zwei frequenzgleiche phasenverschobene Signale zum Betrieb des Positionsgebers in der Art verwendet werden, daß der Grad der Phasenverschiebung sich mit der Position ändert, kann die Nicht-Linearität im Phasenverhältnis dadurch korrigiert werden, daß man die durch die geometrische Form der Treiberplatten 5 und 7 eingeführte Nicht-Linear i tat kompensiert. So kann z.B. der zwischen den

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Treiberplatten 5 und 7 unterteilende Einschnitt wahlweise so gebogen sein, daß eine gewählte nichtlineare Teilerspannung auf den Positionsstegen 11 - 25 besteht, die eine Funktion der einzelnen Positionsstellen entlang der X-Treiberplatten 5 bis 7 ist.

Während des Zeitraumes zur Taktzeit T₂, wenn beide X-Treiberplatten 5 und 7 auf Spannungspotential liegen, ergibt sich auf den Positionsstegen 11-25 eine Teilerspannung nach der Beziehung:

C +C
x. x.

Vo = —

C +C +C

g X₁ X₁

Da, wie bereits erklärt wurde, bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung die durch die Zahl 55 bezeichnete Fläche immer das Komplement der durch die Zahl 57 bezeichneten Fläche darstellt,

ist auch C immer das Komplement von C . Da die Summe der ^xi ^xi

Kapazitäten von C und C eine konstante K ist, ist auch

X₁ x_±

Vo =

K+C_g

Daraus geht hervor, daß Vo unabhängig von der X-Position ist, wenn

C konstant mit X ist. Wenn jedoch C und C relativ zu C groß g X₁ X₁ g

sind, dann ist

Vo = 1

und die Teilerspannung Vo ist unabhängig von einer möglichen Variation von C . Daraus folgt, daß man eine von der Position unabhängige konstante Bezugsspannung an den Positionsstegen erhält, solange eine relativ große rechteckige Treiberplatten-Anordnung benutzt wird, und zwar erhält man diese Bezugsspannung als Teilerspannung ungeachtet der Unterteilung der beiden X-Treiberplatten 5 und 7 die ein komplementäres Treiberplattenpaar bilden.

Das vorstehend für die X-Treiberplatten 5 und 7 Gesägte gilt auch für alle in der Fig. 2 dargestellten komplementären Treiber-

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- 17 plattenpaare.

Die Fig. 4 zeigt die Ansicht eines Schnittes durch einen Teil des X-Y-Positionsgebers eines möglichen in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels. Dieser Schnitt kann z.B. parallel zu den in Fig. 2 gezeigten Y-Positionsstegen 31 - 45 gelegt sein. Gemäß der Darstellung in Fig. 4 kann die dielektrische Schicht 32 eine Tafel aus Polyäthylenterephthalat (Handelsbezeichnung Mylar) von ausgewählter Dicke und sehr guter Gleichmäßigkeit sein. Auf der Ober- und Unterseite dieser dielektrischen Zwischenschicht 32 kann zuerst eine elektrisch leitende Schicht aus z.B. Kupfer niedergeschlagen werden. Die Kupferschichten können dann zur Bildung der X- und Y-Positionsstege geätzt werden; diese Positionsstege sind in der Fig. 4 mit den Nummern 15 - 19 bzw. 45 bezeichnet. Jede Schicht der X- und Y-PositionsStege kann durch eine weitere Schicht dielektrischen Materials abgedeckt werden; in der Fig. 4 sind diese Deckschichten durch die Nummern 14 und 16 bezeichnet. Die Räume zwischen den verschiedenen Positionsstegen können außerdem durch ein dielektrisches Material 18 ausgefüllt sein. Obwohl die in Fig. 2 abgebildeten Treiberplatten in der Fig. 4 nicht dargestellt sind, können sie natürlich genauso wie die Positionsstege hergestellt werden. |

Die X-Treiberplatten 5, 7, 9, 10 können beispielsweise an der Unterseite der dielektrischen Zwischenschicht 32 zusammen mit den Y-Positionsstegen, die als Gitterleitungen dienen, geätzt werden. Die Y-Treiberplatten 46, 47, 48, 49 dagegen werden auf der anderen Oberflächenseite der dielektrischen Zwischenschicht 32 entlang den X-Positionsstegen und den X-Gegenplatten geätzt werden.

Wenn ein Stift 4, z.B. ein Schreibgriffel, auf die dielektrische Deckschicht 14 gesetzt oder über diese geführt wird, wird kapazitiv die an den Positionsstegen liegende Spannung auf den Stift 4 gekoppelt, die der jeweiligen X- und Y-Positlon zugeordnet ist auf der sich der Stift 4 befindet. Der Stift 4 kann ein konventioneller

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Kugelschreiber sein, dessen Spitze mit einer Ausgabeeinheit, z.B. einem Rechner elektrisch leitend verbunden ist. Bei einer solchen Abführanordnung kann ein Schreibmedium zwischen den Stift 4 und die Tafelfläche gelegt sein, um eine handschriftliche Aufzeichnung von einzugebenden Daten oder Zeichnungen zu ermöglichen. Während der Bewegung des Stiftes 4 über das Schreibmedium, bzw. das Rasterfeld des Eingabetableaus wird die jeweilige X/Y-Position des Schreibstiftes 4 elektronisch abgefühlt, wobei die Teilerspannungen der Positionsstege auf den Stift 4 gekoppelt werden. Durch diesen ™ Abfühlvorgang wird eine Informationserkennung erreicht, bei der das aufgezeichnete Zeichen in Form von den X/Y-Koordinaten zugeordneten Spannurigswerten in den Rechner eingegeben wird.

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Claims

PAT ENTA NS PRfCHE

1. Kapazitiver Spannungsteiler mit einer bestimmten Charakteristik für einen elektrischen Positionsgeber, der eine Anzahl von Abtaststellen aufweist, an denen jeweils eine der zugeordneten Positionsstelle entsprechende Teilspannung abgreifbar ist, vorzugsweise zur Bestimmung von Ortskoordinaten, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer den verschiedenen Positionsstellen entsprechenden Anzahl von parallel geschal- | teten Zweigen besteht, von denen jeder serial miteinander verbundene erste und zweite Kondensatoren enthält, daß die geforderte Spannungsteiler-Charakteristik durch eine entsprechende Abstufung der Kapazität der ersten, der zweiten oder beider Kondensatoren bestimmt ist, daß die Speisespannung an den Knotenpunkten der parallel geschalteten Zweige anliegt und daß die positionsabhängigen Teilungspannungen an den als Abtaststellen gestalteten Verbindungen zwischen den ersten und zweiten Kondensatoren abnehmbar sind.

2. Kapazitiver Spannungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Charakteristik des -g Spannungsteilers die Gesamtkapazität der ersten und zweiten Kondensatoren in den einzelnen Zweigen verschieden groß ist, und daß die ersten Kondensatoren jeweils in allen Zweigen die gleiche Kapazität aufweisen (Fig. 1).

3. Kapazitiver Spannungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Zweig die Summe der Kapazitäten des ersten und zweiten Kondensators gleich ist und daß die Einzelkapazitäten der ersten und zweiten Kondensatoren in Abhängigkeit der Spannungsteiler-Charakteristik in jedem Zweig zueinander komplementär sind (Fig. 2).

4. Kapazitiver Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

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dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Knotenpunkten verbundenen Platten der ersten und zweiten Kondensatoren aller Zv/eige jeweils zu gemeinsamen, die Knotenpunkte bildenden Treiberplatten (5, 7; 9, 10? 17, 19; 46, 47,« 48, 49) zusammengefaßt sind, daß diese Treiberplatten auf der einen Oberflächenseite und ihre korrespondierenden einzelnen Gegenplatten (51, 53 ... ? 71, 73 ... ; 21, 25 ... ι 1, 3, 5 ... ) mit Abstand nenbeneinanderliegend als flache Leiterbahnen auf der anderen Oberflächenseite einer dünnen dielektrischen Zwischenschicht (32) angeordnet sind.

5. Kapazitiver Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet^ daß die für die ersten Kondensatoren gemeinsame Treiberplatte (19) eine rechteckförmige Fläche bildet, daß die für die zweiten Kondensatoren gemeinsame Treiberplatte (17) als eine rechtwinkelige Dreiecksfläche ausgeführt ist, und daß die isoliert darüberliegenden einzelnen Gegenplatten (1, 3, 5 ... 25, 27, 29) der ersten und zweiten Kondensatoren in ihrer Breite abgestufte Leiterbahnen sind, die mit ihren Enden die Treiberplatten überdecken (Fig. 1).

6. Kapazitiver Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberplatten (5, 7) der ersten und zweiten Kondensatoren jeweils zwei gleiche rechtwinkelige voneinander isolierte Dreiecksflächen bilden, deren Hypotenusen mit geringem Abstand nebeneinander liegen, so daß die beiden Treiberplatten eine rechteekförmige Fläche bilden und daß die isoliert darüberliegenden Gegenplatten der ersten und zweiten Kondensatoren jedes Zweiges flache mit Abstand nebeneinanderliegende einheitliche Leiterbahnen (51, 53 ...) sind, die in ihrer Längsrichtung die Treiberplatten überdecken.

7. Kapazitiver Spannungsteiler für einen in zwei Richtungen

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Docket YO 969 031 X

(X, Y) empfindlichen flächenhaften Positionsgeber zur Bestimmung von Ortskoordinaten einer Abtaststelle in einem Rasterfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Rande des Rasterfeldes für jede Richtung (X, Y) wenigstens einmal die Treiber- und Gegenplatten der ersten und zweiten Kondensatoren beiderseits auf den Oberflächen der dielektrischen Zwischenschicht (32) angeordnet sind, daß mit den Gegenplatten (51, 53) kooräinatenförmig verlaufende und das Rasterfeld bildende schmale, leitende Positionsstege (11, 13, 15, ... ; 31, 33, 35 ... ) verbunden sind, von denen die Positionsstege der X-Richtung (15, 17, 19 ... ) von den Positionsstegen der Y-Richtung (31, 33, 35 ... ) durch eine Isolierschicht getrennt sind, und daß die Kreuzungsstellen der X, Y Positionsstege die Abtaststellen bilden.

8. Kapazitiver Spannungsteiler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die X- und die Y-Richtung jeweils zwei gleiche Spannungsteiler vorgesehen sind, die an den entgegengesetzten Seiten des Rasterfeldes angeordnet sind, daß die einander entsprechenden Gegenplatten (71, 73, 51, 53) der Spannungsteiler für eine Richtung durch Positionsstege (11, 13, 15 ... ) miteinander verbunden sind und daß die Treiberplatten (5, 10; 7, 9) der Spannungsteilerpaare elektrisch parallel geschaltet sind.

9. Kapazitiver Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Zwischenschicht (32) mit den auf beiden Oberflächenseiten angeordneten Kondensatorplatten und Positionsstegen auf einer isolierenden Unterlagsschicht (16) liegt, daß ihre obere Seite mit einer sehr dünnen dielektrischen Deckschicht belegt ist, daß die zwischen den leitenden Belägen befindlichen Räume mit Isoliermaterial (18) aufgefüllt sind und daß der Abgriff der Teilspannungen durch einen auf eine Abgriffstelle aufgesetzten Fühlstift (4)'möglich'ist, (Flg.. 4)

no-g-'Ufi/Π27. _Badork»nal

10. Kapazitiver Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberplatten (19; 5, 9 ...) der ersten Kondensatoren auf Massepotential und die Treiberplatten (17, 7, 10 ;..) der zweiten Kondensatoren auf Spannungspotential liegen und daß die Teilerspannungen zwischen Masse und den Positionsstegen anliegen.

11. Kapazitiver Spannungsteiler zur PositionsfestStellung der Ortskoordinaten X, Y nach einem der Ansprüche 1,7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisespannung (18) taktweise nacheinander zunächst an den Spannungsteilern für eine Richtung (X) und dann an den Spannungsteilern für die andere Richtung anliegt und daß jeweils die nicht mit der Speisespannung verbundenen Spannungsteiler auf Massepotential liegen.

12. Kapazitiver Spannungsteiler nach einem der Ansprüche i, 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisespannung

(18) aus aufeinanderfolgenden X- und Y-Treiberimpulsen (T , T. ) besteht, daß jeder Treiberimpuls sich aus einer

^x y

ersten und zweiten Taktzeit (T₁, T₃) bzw. (T₃,. T₄) zusammensetzt, daß zur ersten Taktzeit (T₁, T₃) die Treiberplatten (7, 10) der zweiten Kondensatoren auf Spannungspotential und die Treiberplatten (5, 9) der ersten Kondensatoren auf Massepotential liegen oder umgekehrt und daß zur zweiten Taktzeit (T₂, T₄) zur Bildung einer abtastbaren Bezugsspannung alle Treiberplatten das Potential der Speisespannung aufweisen,

13. Verfahren zur Herstellung Anes kapazitiven Spannungsteilers nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der dielektrischen Zwischenschicht (32J ■ angeordneten Kondensatorplatten _s Fositxonsstege und Leitungen aus :iuf der Sw 1 scherisch ich t niedergeschlagenem Leltungs™ >n:ir :··[.■'1 best.-ihen und daß diese durch bekannte Druck- und 'ϊ-ϊ.'-r ■■££.-■.] j ei*: gebildet werden- -·

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